(57)【要約】【課題】赤外線イメージセンサの感度を向上させること。【解決手段】一方の主面２０ａの上に赤外線を検出する複数の画素２２ｇが形成された、赤外線を透過する化合物半導体基板画素２０をダイシングして個片化する工程と、ダイシングの後、化合物半導体基板２０の他方の主面２０ｂの上に、赤外線を透過する樹脂の塗膜４８を、複数の画素２２ｇの各々と相対する複数の島状に形成する工程と、加熱により塗膜４８を溶融させて半球状にすることにより、複数の塗膜４８の各々を凸レンズ４８ａにする工程とを有する赤外線イメージセンサの製造方法による。【選択図】図１６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主面の上に赤外線を検出する複数の画素が形成された、赤外線を透過する化合物半導体基板をダイシングして個片化する工程と、
前記ダイシングの後、前記化合物半導体基板の他方の主面の上に、赤外線を透過する樹脂の塗膜を、複数の前記画素の各々と相対する複数の島状に形成する工程と、
加熱により前記塗膜を溶融させて半球状にすることにより、複数の前記塗膜の各々を凸レンズにする工程と、
を有することを特徴とする赤外線イメージセンサの製造方法。
【請求項２】
前記凸レンズを形成する前に、前記画素の読み出し回路を備えた回路チップに前記画素を接合する工程を更に有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【請求項３】
前記回路チップに前記画素を接合する工程の後に、前記化合物半導体基板を薄くする工程を更に有することを特徴とする請求項２に記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【請求項４】
前記回路チップに前記画素を接合する工程は、
前記回路チップと前記画素との間に端子を配する工程を有し、
加熱により前記塗膜を溶融させる工程において、前記端子も加熱して溶融させることにより、前記端子を介して前記回路チップに前記画素を接合することを特徴とする請求項２に記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【請求項５】
前記塗膜を形成する前に、前記化合物半導体基板の前記他方の主面において前記凸レンズが形成される部分に凹部を形成する工程を更に有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【請求項６】
赤外線を透過する化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板の一方の主面の上に形成され、赤外線を検出する複数の画素と、
前記化合物半導体基板の他方の主面の上において複数の前記画素の各々に相対する位置に形成され、赤外線を透過する樹脂を材料とする複数の凸レンズとを備え、
複数の前記凸レンズの各々の下の前記他方の主面に凹部が形成されたことを特徴とする赤外線イメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線イメージセンサ、及び赤外線イメージセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の目に見えない赤外像を得ることができる赤外線イメージセンサは、サーモグラフィや暗視カメラ等において応用されている。
【０００３】
赤外線イメージセンサの構造には様々なタイプがある。なかでも、化合物半導体基板の上に複数の画素をアレイ状に並べたFPA(Focal Plane Array)と呼ばれる撮像チップは、各画素がバンプを介して回路チップに接合しており、各画素で発生したキャリアをその回路チップで読み出すことで赤外像を得ることができる。
【０００４】
但し、FPA等の撮像チップを備えた赤外線イメージセンサにはその感度を向上させるという点で改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２３９１５７号公報
【特許文献２】特表２００８−５１１９６８号公報
【特許文献３】特表２００８−５３１９９７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Y. Ishihara, et al. "High Photosensitivity IL-CCD Image Sensor with Monolithic Resin Lens array", Technical Digest of International Electron Devices Meeting, pp.497-500 (1983)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一側面によれば、赤外線イメージセンサの感度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一側面によれば、一方の主面の上に赤外線を検出する複数の画素が形成された、赤外線を透過する化合物半導体基板をダイシングして個片化する工程と、前記ダイシングの後、前記化合物半導体基板の他方の主面の上に、赤外線を透過する樹脂の塗膜を、複数の前記画素の各々と相対する複数の島状に形成する工程と、加熱により前記塗膜を溶融させて半球状にすることにより、複数の前記塗膜の各々を凸レンズにする工程とを有する赤外線イメージセンサの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
以下の開示によれば、凸レンズによって画素に赤外線が集光されるので、イメージセンサの感度が向上する。更に、樹脂の塗膜を加熱して溶融することで、樹脂の表面張力によって塗膜の表面が自然に半球状となるため、レンズを半球状にするための特別な工程を行わなくても複数の凸レンズを一括して形成することができる。
【００１０】
しかも、化合物半導体基板をダイシングした後に凸レンズを形成するので、ダイシングに起因して凸レンズが汚れることもない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、検討に使用した赤外線イメージセンサの断面図である。
【図２】図２は、検討に使用した赤外線イメージセンサの平面図である。
【図３】図３は、図２の場合よりも画素のピッチを狭くした場合における赤外線イメージセンサの平面図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１）である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その２）である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その３）である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その４）である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その５）である。
【図９】図９は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その６）である。
【図１０】図１０は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その７）である。
【図１１】図１１は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その８）である。
【図１２】図１２は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その９）である。
【図１３】図１３は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１０）である。
【図１４】図１４は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１１）である。
【図１５】図１５は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１２）である。
【図１６】図１６は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１３）である。
【図１７】図１７は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その１）である。
【図１８】図１８は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その２）である。
【図１９】図１９は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その３）である。
【図２０】図２０は、第１実施形態において、ダイシングにより得られた複数の撮像チップの平面図である。
【図２１】図２１は、第１実施形態で使用するスピンコータの構成図である。
【図２２】図２２は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの等価回路図である。
【図２３】図２３は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサが赤外線を受光する様子を模式的に示す断面図である。
【図２４】図２４は、シリコーン樹脂の構造を示す化学式である。
【図２５】図２５（ａ）はシリコンの赤外線透過特性を示すグラフであり、図２５（ｂ）はシリコーン樹脂の赤外線透過特性を示すグラフである。
【図２６】図２６は、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その１）である。
【図２７】図２７は、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その２）である。
【図２８】図２８は、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その３）である。
【図２９】図２９は、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その４）である。
【図３０】図３０は、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その１）である。
【図３１】図３１は、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その２）である。
【図３２】図３２は、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その３）である。
【図３３】図３３は、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その１）である。
【図３４】図３４は、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その２）である。
【図３５】図３５は、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その３）である。
【図３６】図３６は、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その４）である。
【図３７】図３７は、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図である。
【図３８】図３８は、第５実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その１）である。
【図３９】図３９は、第５実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その２）である。
【図４０】図４０は、第５実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その３）である。
【図４１】図４１は、第５実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その４）である。
【図４２】図４２は、第６実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その１）である。
【図４３】図４３は、第６実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その２）である。
【図４４】図４４は、第６実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その３）である。
【図４５】図４５は、第６実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その４）である。
【図４６】図４６は、第６実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の平面図（その５）である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。
【００１３】
図１は、その検討に使用した赤外線イメージセンサの断面図である。
【００１４】
この赤外線イメージセンサ１は、撮像チップ２とこれに接合した回路チップ３とを有する。
【００１５】
このうち、撮像チップ２は、赤外線を透過するInP基板等の化合物半導体基板４を備えており、その化合物半導体基板４の一方の主面４ａに複数の画素５が設けられる。
【００１６】
各々の画素５は、化合物半導体基板４を介して赤外線IRを受光し、その赤外線IRの強度に応じたキャリアを生成する。このような画素５としては、例えばInGaAs層とGaAsSb層とを交互に複数積層したType II型の半導体超格子層がある。
【００１７】
また、各々の画素５は、素子分離溝５ｘにより互いに分離されており、インジウム等を材料とする端子６を介して回路チップ３と接合される。
【００１８】
その回路チップ３は、シリコン基板に形成された不図示の読み出し回路を備えており、撮像チップ２で生成されたキャリアを画素５ごとに読み出す。
【００１９】
図２は、赤外線イメージセンサ１の平面図である。
【００２０】
なお、前述の図１は、図２のI−I線に沿う断面図に相当する。
【００２１】
図２に示すように、前述の画素５は平面視で正方形であって、化合物半導体基板４上に行列状に複数配される。
【００２２】
このような赤外線イメージセンサ１によれば、前述のように各画素５で生成されたキャリアを回路チップ３で読み出すことにより赤外像を得ることができる。
【００２３】
但し、この赤外線イメージセンサ１には以下のような問題がある。
【００２４】
赤外線イメージセンサ１の開口率は、化合物半導体基板４において画素５が占める割合の百分率として定義される。
【００２５】
例えば、図２のように素子分離溝５ｘの中心線を一辺とする仮想正方形Rを想定し、その仮想正方形Rの面積をSR、一つの画素５の面積をSPとすると、開口率は１００×（SP／SR）と定義される。素子分離溝５ｘの幅をW、画素５のピッチをPとすると、この値は１００×(P−W)2／P2に等しい。
【００２６】
その開口率が大きいほど赤外線イメージセンサ１が多くの赤外線を捉えることができ、鮮明な赤外像を得ることができる。
【００２７】
特に、この赤外線イメージセンサ１においては、回路チップ３に読み出し回路を形成するため、化合物半導体基板４には画素５のみを形成すればよく、化合物半導体基板４において画素５が占める割合を高くすることができる。
【００２８】
例えば、素子分離溝５ｘの幅Wが２μmで画素５のピッチPが１５μmの場合には、仮想正方形Rの面積SRは１５μm×１５μmとなり、画素５の面積SPは１３μm×１３μmとなるので、約７５％程度と高い開口率を得ることができる。
【００２９】
このように高い開口率は、画素数を増やすために画素５のピッチPを狭くしても維持されるのが好ましい。
【００３０】
図３は、図２の場合よりも画素５のピッチPを狭くした場合における赤外線イメージセンサ１の平面図である。
【００３１】
このようにピッチPを狭くしても、素子分離溝５ｘはドライエッチングで形成されるため、そのエッチングの加工限界を超えて素子分離溝５ｘの幅Wを狭くすることはできない。
【００３２】
そのため、図２の例において既に幅Wがエッチングで得ることができる最小値となっている場合には、図３の例における幅Wは図２におけるのと同じ値となる。
【００３３】
このように素子分離溝５ｘの幅Wを狭くすることができない状態でピッチPのみを狭くすると、化合物半導体基板４において画素５が占める割合が減ってしまい、赤外線イメージセンサ１の開口率が低下してしまう。
【００３４】
例えば、図３の例において、素子分離溝５ｘの幅Wを図２と同じ２μmにしつつ、画素５のピッチPを５μmに狭めた場合を想定する。この場合、仮想正方形Rの面積SRは５μm×５μmとなり、画素５の面積SPは３μm×３μmとなるので、開口率は３６％となってしまい、図２の例よりも大幅に低下してしまう。
【００３５】
これでは、化合物半導体基板４に読み出し回路を形成せずに画素５のみを形成することで開口率を高めやすいという赤外線イメージセンサ１の長所を活かすことができない。
【００３６】
このような開口率の低下を補うために、化合物半導体基板４の表面に複数の微細な凸レンズを並べたマイクロレンズアレイを形成し、その凸レンズで画素５に赤外線を集光することも考えられる。
【００３７】
しかし、赤外線イメージセンサ１の製造工程において凸レンズを形成する時点を全くの任意としたのでは、赤外線イメージセンサの製造途中に凸レンズがダメージを受ける可能性がある。例えば、化合物半導体基板４のダイシング前に凸レンズを形成すると、ダイシング時に凸レンズが汚れるおそれがある。
【００３８】
以下、凸レンズが受けるダメージを低減し得る各実施形態について説明する。
【００３９】
（第１実施形態）
第１実施形態に係る赤外線イメージセンサについて、その製造工程を追いながら説明する。
【００４０】
図４〜図１６は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。
【００４１】
まず、図４（ａ）に示すように、相対する主面２０ａ、２０ｂを備えた化合物半導体基板２０として厚さが５８５μm〜６１５μm程度のInP基板を用意する。なお、InP基板に代えてGaSb基板を化合物半導体基板２０として用いてもよい。
【００４２】
そして、化合物半導体基板２０の一方の主面２０ａの上にMOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によりInGaAs層を０．５μm〜１．５μm程度の厚さに形成し、そのInGaAs層をバッファ層２１とする。
【００４３】
次いで、図４（ｂ）に示すように、種類が異なる第１の半導体層２２ａと第２の半導体層２２ｂをMOVPE法により交互に複数積層することにより、Type II型の半導体超格子層２２を形成する。
【００４４】
第１の半導体層２２ａと第２の半導体層２２ｂの材料や膜厚は特に限定されない。この例では、第１の半導体層２２ａとしてInGaAs層を５nm程度の厚さに形成し、第２の半導体層２２ｂとしてGaAsSb層を５nm程度の厚さに形成する。また、第１の半導体層２２ａと第２の半導体層２２ｂの積層数は２５０層程度とする。
【００４５】
この半導体超格子層２２は、波長が１．０μm〜２．３５μm程度の赤外線を検出し、その赤外線の強度に応じた量のキャリアを生成する。
【００４６】
なお、化合物半導体基板２０と半導体超格子層２２の各々の格子定数の相違はバッファ層２１によって吸収されるため、格子不整合に起因して半導体超格子層２２に格子欠陥が生じるのを防止できる。
【００４７】
次いで、図５（ａ）に示すように、半導体超格子層２２の上にMOVPE法でInGaAs層を０．８μm〜１．２μm程度の厚さに形成し、そのInGaAs層を第１のコンタクト層２３とする。
【００４８】
更に、第１のコンタクト層２３の上に第２のコンタクト層２４としてMOVPE法によりInP層を０．８μm〜１．２μm程度の厚さに形成する。
【００４９】
次に、図５（ｂ）に示すように、第２のコンタクト層２４の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第１のレジスト膜２５とする。
【００５０】
そして、その第１のレジスト膜２５をマスクにしながら、塩素をエッチングガスとして使用するドライエッチングにより、半導体超格子層２２、第１のコンタクト層２３、及び第２のコンタクト層２４をエッチングする。これにより、半導体超格子層２２に複数の素子分離溝２２ｘが間隔をおいて複数形成され、これらの素子分離溝２２ｘによって半導体超格子層２２が複数の画素２２ｇに分離される。
【００５１】
なお、隣接する画素２２ｇのピッチPは特に限定されないが、この例ではピッチPを４．８μm〜５．２μm程度とする。
【００５２】
また、素子分離溝２２ｘの幅Wは１．８μm〜２．２μm程度であり、素子分離溝２２ｘの深さDは４．６μm〜６．４μm程度である。
【００５３】
このエッチングを終了後、第１のレジスト膜２５は除去される。
【００５４】
図１７は、本工程を終了した後の平面図である。
【００５５】
なお、前述の図５（ｂ）は、図１７のII−II線に沿う断面図に相当する。
【００５６】
図１７に示すように、複数の画素２２ｇの各々は平面視で正方形であり、化合物半導体基板２０の上において状列状に配される。
【００５７】
次いで、図６（ａ）に示すように、化合物半導体基板２０の上側全面にCVD(Chemical Vapor Deposition)法で保護層２８として窒化シリコン膜を形成する。
【００５８】
その後、フォトリソグラフィによりその保護膜２８をパターニングして、各画素２２ｇの上の保護膜２８に開口２８ａを形成する。
【００５９】
続いて、図６（ｂ）に示すように、複数の孔３０ａを備えたメタルマスク３０を各画素２２ｇの上に配し、孔３０ａを開口２８ａに揃える。
【００６０】
そして、メタルマスク３０によって保護膜２８を覆いながら、開口２８ａから露出している部分の第２のコンタクト層２４に蒸着法で亜鉛を蒸着する。更に、基板温度を４５０℃程度とする条件で亜鉛を熱拡散させることにより、第１のコンタクト層２３と第２のコンタクト層２４の各々に亜鉛の拡散領域３１を形成する。
【００６１】
次いで、図７（ａ）に示すように、拡散領域３１の上に第１の電極３２を蒸着法で形成する。第１の電極３２は、例えば、化合物半導体基板２０の上側全面に蒸着法で金と亜鉛の合金層を形成した後、リフトオフ法によりその合金層をパターニングすることで形成し得る。
【００６２】
このとき、前述のように画素２２ｇの上に第１のコンタクト層２３としてInGaAs層を形成したため、画素２２ｇと第１のコンタクト層２３の各々のエネルギバンドが連続して繋がるようになり、画素２２ｇで発生したキャリアが第１の電極３２に移動し易くなる。
【００６３】
また、第２のコンタクト層２４に亜鉛の拡散領域３１を形成したことで、第２のコンタクト層２４と第１の電極３２との間の抵抗を低減でき、より一層キャリアが第１の電極３２に移動し易くなる。
【００６４】
そして、図７（ｂ）に示すように、第１の電極３２の上に端子４５として蒸着法でインジウム層を形成する。
【００６５】
その後に、化合物半導体基板２０をダイシングして個片化することにより、複数の撮像チップ３８を得る。
【００６６】
図２０は、ダイシングにより得られた複数の撮像チップ３８の平面図である。
【００６７】
撮像チップ３８は複数の画素２２ｇを備えたFPAチップであって、ダイシングによって一枚の円形の化合物半導体基板２０から複数個の正方形状の撮像チップ３８が切り出される。
【００６８】
次に、図８に示すように、前述の撮像チップ３８とは別に、回路チップ４０を用意する。
【００６９】
回路チップ４０には後述の読み出し回路が予め形成されており、その読み出し回路によって各画素２２ｇの出力が読み出される。このように読み出し回路を備えた半導体チップはROIC(Read-Out Integrated Circuit)チップとも呼ばれる。
【００７０】
その回路チップ４０は、シリコン基板４１とその表面に形成された第２の電極４２とを有する。
【００７１】
このうち、第２の電極４２は、例えば銅めっき膜をパターニングすることにより形成され、その上には端子４５としてインジウム層が蒸着法により形成される。
【００７２】
そして、その回路チップ４０の上に撮像チップ３８を配し、これらのチップの端子４５同士を対向させる。
【００７３】
次いで、図９に示すように、上下の端子４５同士を当接させた後にこれらの端子４５をリフローしてバンプ状にし、その端子４５で回路チップ４０に撮像チップ３８を接合する。
【００７４】
リフロー時の温度は特に限定されないが、この例では端子４５の材料であるインジウムの融点（１５６．４℃）よりも高い１６０℃程度の温度に端子４５を加熱する。
【００７５】
ここまでの工程により、回路チップ４０に撮像チップ３８が接合した構造が得られる。
【００７６】
この後は、各画素２２ｇに赤外線を集光するためのマイクロレンズアレイを形成する工程に移る。
【００７７】
まず、図１０に示すように、化合物半導体基板２０の他方の主面２０ｂの上にスピンコート法でシリコーン樹脂を塗布することにより、シリコーン樹脂の塗膜４８を４．８μm〜５．２μm程度の厚さに形成する。
【００７８】
図２１は、そのスピンコートで使用されるスピンコータの構成図である。
【００７９】
このスピンコータ１００は、治具１０１と、その治具１０１の中心に固定されたスピンドル１０２と、シリコーン樹脂４８ｚを吐出するノズル１０３とを備える。
【００８０】
このうち、治具１０１には、撮像チップ３８と回路チップ４０とを収容するための複数の凹部１０１ａが設けられる。撮像チップ３８と回路チップ４０は、例えば真空吸着や静電吸着によりその凹部１０１ａに保持される。
【００８１】
そして、撮像チップ３８が備える化合物半導体基板２０の主面２０ｂと治具１０１の表面１０１ｂとが平坦面Fをなす。
【００８２】
この状態でスピンドル１０２を回転させ、ノズル１０３から治具１０１にシリコーン樹脂４８ｚを供給することにより、複数の撮像チップ３８の各々に同時にシリコーン樹脂４８ｚの塗膜４８を形成することができる。
【００８３】
特に、この例では主面２０ｂと表面１０１ｂとが平坦面Fをなしており、その平坦面Fに段差がないため、平坦面Fにシリコーン樹脂４８ｚの液溜まりが生じ難くなり、塗膜４８の厚さを均一にすることができる。
【００８４】
次に、図１１に示すように、基板温度が２００℃で加熱時間が３０分程度の条件で真空中において塗膜４８を加熱してキュアすることにより、塗膜４８に含まれるシリコーン樹脂を架橋させる。
【００８５】
続いて、図１２に示すように、塗膜４８の上にフォトレジストを塗布することにより第２のレジスト膜５０を形成した後、不図示のステッパで第２のレジスト膜５０を露光する。
【００８６】
そして、図１３に示すように、第２のレジスト膜５０を現像することにより、各画素２２ｇの上方のみに第２のレジスト膜５０を残す。
【００８７】
次いで、図１４に示すように、第２のレジスト膜５０をマスクにしながら塗膜４８をドライエッチングすることにより、塗膜４８を複数の画素２２ｇの各々と相対する複数の島状にパターニングする。
【００８８】
なお、このドライエッチングで使用するエッチングガスとしては、例えばCl2ガスがある。
【００８９】
次に、図１５に示すように、硫酸と過酸化水素水との混合溶液（SPM: Sulfuric acid hydrogen Peroxide Mixture）で第２のレジスト膜５０を除去する。
【００９０】
図１８は、本工程を終了した後の平面図である。
【００９１】
なお、前述の図１５は、図１８のIII−III線に沿う断面図に相当する。
【００９２】
図１８に示すように、複数の塗膜４８の各々は平面視で正方形の島状である。
【００９３】
次いで、図１６に示すように、大気中で各塗膜４８をその融点よりも高い２００℃に加熱して液状にすることにより、表面張力によって表面が半球状となった複数の凸レンズ４８ａを各画素２２ａの上方に形成する。
【００９４】
このように樹脂の表面張力を利用することで、レンズを半球状にするための特別な加工工程を行わなくても、複数の微細な凸レンズ４８ａを一括して形成することが可能となる。
【００９５】
なお、隣接する凸レンズ４８ａ同士が多少接触しても、液状の塗膜４８ａに作用する凝集力によって凸レンズ４８ａの形状は保持される。
【００９６】
図１９は、本工程を終了した後の平面図である。なお、前述の図１６は図１９のIV−IV線に沿う断面図に相当する。
【００９７】
図１９に示すように、複数の凸レンズ４８ａは平面視で行列状に配されており、その各々は角が丸まった概略正方形となる。このように行列状に配された複数の凸レンズ４８ａはマイクロアレイレンズとも呼ばれる。
【００９８】
以上により、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの基本構造が完成する。
【００９９】
図２２は、この赤外線イメージセンサの等価回路図である。
【０１００】
図２２に示すように、撮像チップ３８の一つの画素２２ｇには、端子４５を介して読み出し回路が接続される。
【０１０１】
読み出し回路は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスによって回路チップ４０に予め形成されており、リセットトランジスタRT、増幅トランジスタSF、及び選択トランジスタSLを有する。
【０１０２】
このうち、リセットトランジスタRTは、オフ状態にすることにより画素２２ｇにキャリアを蓄積したり、オン状態にすることにより画素２２ｇの電位をリセットしたりする。
【０１０３】
そして、選択トランジスタSLをオン状態にすることにより、画素２２ｇに蓄積されたキャリアの量の応じた読み出し電流Iが、電源電位Vddに維持された電源線５１から信号線５２に流れるようになる。
【０１０４】
このように読み出し回路を回路チップ４０に設け、撮像チップ３８には画素２２ｇのみを設けることで、撮像チップ３８において画素２２ｇが占める割合を増やすことができる。
【０１０５】
図２３は、この赤外線イメージセンサが赤外線を受光する様子を模式的に示す断面図である。
【０１０６】
図２３に示すように、赤外線IRは、凸レンズ４８ａにおいて集光された後、化合物半導体基板２０を通って画素２２ｇに入射する。
【０１０７】
このように凸レンズ４８ａで赤外線IRを集光することで、凸レンズ４８ａがない場合よりも各画素２２ｇに入射する赤外線IRが増え、赤外線イメージセンサの感度を高めることができる。
【０１０８】
特に、エッチングの加工限界により素子分離溝２２ｘの幅Wを狭くするのが困難であり、化合物半導体基板２０において画素２２ｇが占める割合が小さくなる場合に、このように凸レンズ４８ａによる集光作用を利用するのが有効である。
【０１０９】
しかも、本実施形態では、凸レンズ４８ａを形成する図１６の工程の前に、図２０の工程で既に化合物半導体基板２０のダイシングを終了している。そのため、ダイシングの際に発生する切り屑や、ダイシングの際に化合物半導体基板２０の表面に貼付する保護テープによって凸レンズ４８ａが汚れることがない。
【０１１０】
更に、図１６の工程で凸レンズ４８ａを形成する時点では、撮像チップ３８に回路チップ４０が接合されており、この状態では化合物半導体基板２０が回路チップ４０で補強される。そのため、図１６の工程で凸レンズ４８ａを形成する際に化合物半導体基板２０が撓み難くなり、化合物半導体基板２０の取り扱いが容易になる。
【０１１１】
本願発明者は、凸レンズ４８ａによってどの程度効率的に画素２２ｇに赤外線IRを集光できるのかについて以下のように試算した。
【０１１２】
図１９に示したように、各々の凸レンズ４８ａの間には隙間が殆どない。よって、イメージセンサに入射する赤外線IRの略全てが凸レンズ４８ａに入射するため、このイメージセンサの実質的な開口率は１００％となる。
【０１１３】
一方、凸レンズ４８ａがない場合の開口率は、図２を参照して説明したように１００×(P−W)2／P2となる。よって、幅Wが２μmでピッチPが１５μmのときには開口率は約７５％となる。この値を基準とすると、本実施形態では開口率が約１．３倍に大きくなる。
【０１１４】
また、凸レンズ４８ａがない場合において、幅Wが２μmでピッチPが５μmの場合には、開口率は約３６％となる。この値を基準とすると、本実施形態では開口率が約２．８倍に大きくなる。
【０１１５】
次に、凸レンズ４８ａの材料であるシリコーン樹脂の赤外線透過特性について説明する。
【０１１６】
図２４は、シリコーン樹脂の構造を示す化学式である。
【０１１７】
図２４に示すように、シリコーン樹脂は、シロキサン結合（Si−O−Si）の主骨格を有するシリコン含有の高分子材料である。
【０１１８】
図２５（ａ）は、シリコーン樹脂に含まれるシリコンの赤外線透過特性を示すグラフである。
【０１１９】
このグラフの横軸は赤外線の波長を示し、縦軸はシリコンの透過率を示す。
【０１２０】
波長λの光のエネルギEはE[eV] = 1.24／λで表され、この値がシリコンのバンドギャップEgよりも小さいと、その光はシリコンを透過する。シリコンのバンドギャップは１．１eVであるから、波長が１．１３μmよりも長い光はシリコンを透過することになる。図２５（ａ）のグラフの立ち上がりにおける波長は、このようなシリコンのバンドギャップに相当する波長である。
【０１２１】
なお、長波長側での吸収は、シリコン中の不純物に起因した局在振動の吸収である。例えば、格子間酸素によるSi-O結合は、約９μmの波長の光を吸収する。
【０１２２】
一方、図２５（ｂ）は、シリコーン樹脂の赤外線透過特性を示すグラフである。
【０１２３】
このグラフの横軸は赤外線の波長を示し、縦軸はシリコーン樹脂の透過率を示す。
【０１２４】
シリコーン樹脂は、シリコンよりもバンドギャップが大きいため、透過する光の波長が短波長側にシフトする。その結果、シリコーン樹脂は、可視光領域から赤外領域にわたる広い波長の光に対して良好な透過率を示すようになり、この波長領域の光を集光する凸レンズ４８ａの材料として好適である。
【０１２５】
（第２実施形態）
第１実施形態では、図１４に示したように、フォトリソグラフィにより塗膜４８をパターニングした。本実施形態では、これとは別の方法で塗膜４８をパターニングする。
【０１２６】
図２６〜図２９は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。なお、図２６〜図２９において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１２７】
まず、第１実施形態で説明した図４（ａ）〜図９の工程を行うことにより、図２６に示すように、回路チップ４０に撮像チップ３８が接合した構造を作製する。
【０１２８】
次に、図２７に示すように、化合物半導体基板２０の他方の主面２０ｂの上に感光性シリコーン樹脂を塗布し、第１実施形態と同じ条件でその感光性シリコーン樹脂を加熱してキュアすることにより、４．８μm〜５．２μm程度の厚さの塗膜４８を形成する。
【０１２９】
本実施形態で使用し得る感光性シリコーン樹脂としては、例えば信越化学工業株式会社製のSINR-3410Aがある。
【０１３０】
そして、不図示のステッパを用いて塗膜４８を露光する。
【０１３１】
次に、図２８に示すように、塗膜４８を現像してその不要部分を除去することにより塗膜４８をパターニングし、各画素２２ｇの上方のみに塗膜４８を残す。
【０１３２】
その後に、図２９に示すように、第１実施形態と同じ条件で塗膜４８を加熱して溶融させることにより、各々の画素２２ｇの上方に複数の凸レンズ４８ａを形成する。
【０１３３】
以上により、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの基本構造が完成する。
【０１３４】
上記した本実施形態によれば、塗膜４８の材料として感光性シリコーン樹脂を採用し、その感光性シリコーン樹脂を露光、現像することにより塗膜４８をパターニングする。よって、塗膜４８をパターニングする際のマスクとなる第２のレジスト膜５０（図１３参照）が不要となり、第２のレジスト膜５０を形成する工程を省いた分だけ赤外線イメージセンサの製造工程を短縮することができる。
【０１３５】
（第３実施形態）
第１実施形態の図２３に示したように、赤外線イメージセンサにおいては、化合物半導体基板２０を透過した赤外線IRが各画素２２ｇに入射する。本実施形態では、以下のようにして赤外線が化合物半導体基板２０を透過し易くする。
【０１３６】
図３０〜図３２は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。なお、図３０〜図３２において、第１実施形態や第２実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１３７】
まず、図３０に示すように、第１実施形態の図４（ａ）〜図９の工程を行うことにより、回路チップ４０に撮像チップ３８が接合した構造を作製する。
【０１３８】
撮像チップ３８の化合物半導体基板２０の材料は、赤外線を透過する材料であれば特に限定されないが、本実施形態ではその化合物半導体基板２０として厚さが４２５μm〜４７５μmのGaAs基板を使用する。
【０１３９】
次いで、図３１に示すように、化合物半導体基板２０の他方の主面２０ｂをウエットエッチングすることにより、化合物半導体基板２０を６μm〜８μm程度の厚さにまで薄くする。なお、本工程で使用し得るエッチング液としては、例えば、水酸化アンモニウム（NH4OH）と過酸化水素水（H2O2）との混合溶液がある。
【０１４０】
この後は、第１実施形態で説明した図１０〜図１６の工程を行うことにより、図３２に示すように化合物半導体基板２０の上に複数の凸レンズ４８ａを形成し、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの基本構造を完成させる。
【０１４１】
以上説明した本実施形態によれば、化合物半導体基板２０の厚さを薄くしたため、赤外線IRが化合物半導体基板２０を透過し易くなり、赤外線イメージセンサの感度を高めることが可能となる。
【０１４２】
特に、化合物半導体基板２０として使用するGaAs基板は、InP基板と比較して赤外線IRを透過し難いので、本実施形態にように薄くして赤外線IRを透過させ易くするのが好ましい。
【０１４３】
更に、本実施形態では、図３１に示したように撮像チップ３８と回路チップ４０とが互いに接合した状態で化合物半導体基板２０を薄くする。そのため、薄くしたことで撓み易くなった化合物半導体基板２０を回路チップ４０で支持でき、化合物半導体基板２０を薄くした後でもその取り扱いが容易となる。
【０１４４】
（第４実施形態）
第１〜第３実施形態では、画素２２ｇの上方に凸レンズ４８ａを形成することで、その凸レンズ４８ａで画素２２ｇに赤外線を集光した。
【０１４５】
本実施形態では、以下のようにしてその凸レンズ４８ａと画素２２ｇとの位置合わせを容易にする。
【０１４６】
図３３〜図３６は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。なお、図３３〜図３６において、第１〜第３実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１４７】
まず、図３３に示すように、第１実施形態の図４（ａ）〜図９の工程を行うことにより、回路チップ４０に撮像チップ３８が接合した構造を作製する。
【０１４８】
次に、図３４に示すように、化合物半導体基板２０の他方の主面２０ｂの上にフォトレジストを塗布することにより第３のレジスト膜５３を形成する。更に、この第３のフォトレジスト膜５３を露光、現像することにより、各画素２２ｇの上方の第３のレジスト膜５３に複数の孔５３ａを形成する。
【０１４９】
そして、エッチングガスとしてCl2ガスを使用しながら、孔５３ａを通じて化合物半導体基板２０をドライエッチングすることにより、各画素２２ｇの直上の化合物半導体基板２０に複数の凹部２０ｃを形成する。
【０１５０】
各凹部２０ｃの大きさは特に限定されない。この例では、凹部２０ｃの深さを０．１μm〜０．３μm程度とし、その幅を０．１μm〜０．３μm程度とする。
【０１５１】
このドライエッチングを終了後、第３のフォトレジスト膜５３は除去される。
【０１５２】
図３７は、本工程を終了後の化合物半導体基板２０の平面図である。なお、前述の図３４は、図３７のV−V線に沿う断面図に相当する。
【０１５３】
図３７に示すように、凹部２０ｃは、各々の画素２２ｇの中心に形成される。
【０１５４】
次に、図３５に示すように、化合物半導体基板２０の他方の主面２０ｂの上にシリコーン樹脂の塗膜４８を４．８μm〜５．２μm程度の厚さに形成し、それをパターニングして各画素２２ｇの上方に島状に残す。
【０１５５】
その塗膜４８は、第１実施形態のようにレジスト膜をマスクにするエッチングでパターニングしてもよい。また、第２実施形態のように塗膜４８の材料として感光性シリコーン樹脂を採用し、それを露光、現像することで塗膜４８をパターニングしてもよい。
【０１５６】
次に、図３６に示すように、大気中において島状の各塗膜４８をその融点よりも高い２００℃に加熱して液状にすることにより、各塗膜４８を凸レンズ４８ａにする。
【０１５７】
このように塗膜４８が凝縮して凸レンズ４８ａになる際、凸レンズ４８ａの材料に凝集力が働くのと同時に、凹部２０ｃに凸レンズ４８ａが引っ掛かる。これにより、凸レンズ４８ａが化合物半導体基板２０の上で流動し難くなり、画素２２ｇの直上に凸レンズ４８ａを位置させ易くすることができる。
【０１５８】
以上により、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの基本構造が完成する。
【０１５９】
上記した本実施形態によれば、化合物半導体基板２０の凹部２０ｃに液状の塗膜４８を保持させることで、凸レンズ４８ａと画素２２ｇとの位置合わせが容易となる。
【０１６０】
（第５実施形態）
本実施形態では、以下のようにして赤外線イメージセンサの製造工程を削減する。
【０１６１】
図３８〜図４１は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。なお、図３８〜図４１において、第１〜第４実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１６２】
まず、図３８に示すように、第１実施形態の図４（ａ）〜図７（ｂ）の工程を行うことにより、複数の画素２２ｇを備えた撮像チップ３８を得る。
【０１６３】
次に、図３９に示すように、化合物半導体基板２０の上にシリコーン樹脂を材料とする複数の島状の塗膜４８を形成する。
【０１６４】
その塗膜４８は、第１実施形態のようにエッチングにより島状にパターニングしてもよい。また、第２実施形態のように塗膜４８の材料として感光性シリコーン樹脂を採用し、それを露光、現像することにより塗膜４８を島状にパターニングしてもよい。
【０１６５】
次いで、図４０に示すように、第１実施形態で説明した回路チップ４０を用意し、その回路チップ４０と撮像チップ３８の各々の端子４５同士を対向させる。第１実施形態で説明したように、端子４５の材料としては例えばインジウムを採用し得る。
【０１６６】
そして、図４１に示すように、大気中において端子４５と塗膜４８の各々をこれらの融点よりも高い２００℃程度の温度に加熱する。これにより、塗膜４８が溶融して半球状の凸レンズ４８ａになるのと同時に、端子４５がリフローされてバンプ状になり、その端子４５を介して回路チップ４０に撮像チップ３８が接合される。
【０１６７】
以上により、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの基本構造が完成する。
【０１６８】
上記した本実施形態によれば、図４１に示したように、端子４５のリフローと塗膜４８の溶融とを同時に行うため、これらを別工程で行う場合と比較して赤外線イメージセンサの製造工程を削減することが可能となる。
【０１６９】
（第６実施形態）
第１実施形態では、図９の工程で回路チップ４０に撮像チップ３８を接合した後に、図１６の工程で凸レンズ４８ａを形成した。
【０１７０】
凸レンズ４８ａを形成する時点は、図２０のように化合物半導体基板２０をダイシングした後であればこれに限定されない。
【０１７１】
本実施形態では、凸レンズ４８ａを形成する時点の別の例について説明する。
【０１７２】
図４２〜図４６は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。なお、図４２〜図４６において、第１〜第５実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１７３】
まず、図４２に示すように、第１実施形態の図４（ａ）〜図７（ｂ）の工程を行うことにより、複数の画素２２ｇを備えた撮像チップ３８を得る。
【０１７４】
なお、この時点では化合物半導体基板２０に対するダイシングは終了しており、化合物半導体基板２０は既に個片化されている。
【０１７５】
次いで、図４３に示すように、化合物半導体基板２０の上にシリコーン樹脂を材料とする複数の島状の塗膜４８を形成する。
【０１７６】
その塗膜４８は、第１実施形態のようにエッチングにより島状にパターニングしてもよい。また、第２実施形態のように塗膜４８の材料として感光性シリコーン樹脂を採用し、それを露光、現像することにより塗膜４８を島状にパターニングしてもよい。
【０１７７】
次に、図４４に示すように、大気中で各塗膜４８をその融点よりも高い２００℃に加熱して液状にすることにより、半球状の表面を備えた複数の凸レンズ４８ａを形成する。
【０１７８】
続いて、図４５に示すように、第１実施形態で説明した回路チップ４０を用意し、その回路チップ４０と撮像チップ３８の各々の端子４５同士を対向させる。
【０１７９】
そして、図４６に示すように、インジウムを材料とする端子４５を１６０℃程度の温度でリフローしてバンプ状にし、その端子４５で撮像チップ３８と回路チップ４０とを接続する。
【０１８０】
以上により、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの基本構造が完成する。
【０１８１】
上記した本実施形態によれば、図４６の工程で撮像チップ３８と回路チップ４０とを接続する前に、図４４の工程で凸レンズ４８ａを形成する。このようにしても、凸レンズ４８ａを形成する時点では既に化合物半導体基板２０に対するダイシングを終了しているので、そのダイシングによって凸レンズ４８ａが汚れることはない。
【０１８２】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１８３】
（付記１）  一方の主面の上に赤外線を検出する複数の画素が形成された、赤外線を透過する化合物半導体基板をダイシングして個片化する工程と、
前記ダイシングの後、前記化合物半導体基板の他方の主面の上に、赤外線を透過する樹脂の塗膜を、複数の前記画素の各々と相対する複数の島状に形成する工程と、
加熱により前記塗膜を溶融させて半球状にすることにより、複数の前記塗膜の各々を凸レンズにする工程と、
を有することを特徴とする赤外線イメージセンサの製造方法。
【０１８４】
（付記２）  前記凸レンズを形成する前に、前記画素の読み出し回路を備えた回路チップに前記画素を接合する工程を更に有することを特徴とする付記１に記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【０１８５】
（付記３）  前記回路チップに前記画素を接合する工程の後に、前記化合物半導体基板を薄くする工程を更に有することを特徴とする付記２に記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【０１８６】
（付記４）  前記化合物半導体基板はGaSb基板であることを特徴とする付記３に記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【０１８７】
（付記５）  前記回路チップに前記画素を接合する工程は、
前記回路チップと前記画素との間に端子を配する工程を有し、
加熱により前記塗膜を溶融させる工程において、前記端子も加熱して溶融させることにより、前記端子を介して前記回路チップに前記画素を接合することを特徴とする付記２に記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【０１８８】
（付記６）  前記画素を形成する工程は、
前記化合物半導体基板の前記一方の主面の上に、種類が異なる第１の半導体層と第２の半導体層とが交互に複数積層された半導体超格子層を形成する工程と、
前記半導体超格子層に素子分離溝を間隔をおいて複数形成することにより、前記素子分離溝により前記半導体超格子層を複数の前記画素に分離する工程とを有することを特徴とする付記１乃至付記５に記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【０１８９】
（付記７）  前記塗膜を形成する前に、前記化合物半導体基板の前記他方の主面において前記凸レンズが形成される部分に凹部を形成する工程を更に有することを特徴とする付記１乃至付記６のいずれかに記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【０１９０】
（付記８）  前記塗膜を形成する工程は、
前記ダイシングにより個片化された複数の前記化合物半導体基板を治具で保持する工程と、
前記治具を回転させながら、複数の前記化合物半導体基板の各々に液状の前記樹脂を供給する工程とを有することを特徴とする付記１乃至付記７のいずれかに記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【０１９１】
（付記９）  前記治具の表面に、複数の前記化合物半導体基板の各々を収容する複数の凹部が設けられ、
前記治具の前記表面と、前記化合物半導体基板の前記他方の主面とが平坦面をなすことを特徴とする付記８に記載の赤外線イメージセンサの製造方法。
【０１９２】
（付記１０）  赤外線を透過する化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板の一方の主面の上に形成され、赤外線を検出する複数の画素と、
前記化合物半導体基板の他方の主面の上において複数の前記画素の各々に相対する位置に形成され、赤外線を透過する樹脂を材料とする複数の凸レンズとを備え、
複数の前記凸レンズの各々の下の前記他方の主面に凹部が形成されたことを特徴とする赤外線イメージセンサ。
【符号の説明】
【０１９３】
１…赤外線イメージセンサ、２…撮像チップ、３…回路チップ、４…化合物半導体基板、４ａ…一方の主面、５…画素、５ｘ…素子分離溝、６…端子、２０…化合物半導体基板、２０ａ…一方の主面、２０ｂ…他方の主面、２０ｃ…凹部、２１…バッファ層、２２…半導体超格子層、２２ａ…第１の半導体層、２２ｂ…第２の半導体層、２２ｘ…素子分離溝、２２ｇ…画素、２３…第１のコンタクト層、２４…第２のコンタクト層、２５…第１のレジスト膜、２８…保護膜、２８ａ…開口、３０…メタルマスク、３０ａ…孔、３１…拡散領域、３２…第１の電極、３８…撮像チップ、４０…回路チップ、４１…シリコン基板、４２…第２の電極、４５…端子、４８…塗膜、４８ａ…凸レンズ、４８ｚ…シリコーン樹脂、５０…第２のレジスト膜、５１…電源線、５２…信号線、５３…第３のフォトレジスト膜、５３ａ…孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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