(57)【要約】【課題】裏面照射型固体撮像装置において、入射光量のロス及び混色を軽減する。【解決手段】半導体基板１１内に複数の受光素子１２が２次元配列され、半導体基板１１の表面１１ｂ側に配線層１５及び電極パッド１６が形成されている。半導体基板１１は、裏面１１ａ側から受光を行うように薄板化されている。半導体基板１１の裏面１１ａ側に、各受光素子１２の直上領域に開口部１８ａを有する遮光膜１８が設けられており、遮光膜１８の開口部１８ａ内で、かつ遮光膜１８との同一平面上にカラーフィルタ１９が設けられている。半導体基板１１の表面１１ｂ側には支持基板２２が貼着されている。電極パッド１６は、半導体基板１１の裏面１１ａ側に部分的に露呈している。また、遮光膜１８及びカラーフィルタ１９の上面は、平坦化により同一平面となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板内に複数の受光素子が２次元配列され、前記半導体基板の表面側に配線層が形成され、前記表面側とは反対の裏面側から受光を行うように前記半導体基板が薄板化されてなる裏面照射型固体撮像装置において、
前記半導体基板の裏面側の前記各受光素子の直上領域に開口部を有する遮光膜と、
前記遮光膜の開口部内で、かつ前記遮光膜との同一平面上に形成されたカラーフィルタと、
前記半導体基板の表面側に貼着された支持基板と、
前記半導体基板の表面側に形成され、かつ前記半導体基板の裏面側に部分的に露呈した複数の電極パッドと、
を備えたことを特徴とする裏面照射型固体撮像装置。
【請求項２】
前記遮光膜及びカラーフィルタの上面は、平坦化により同一平面となっていることを特徴とする請求項１に記載の裏面照射型固体撮像装置。
【請求項３】
前記遮光膜は、前記半導体基板を貫通した貫通電極により前記電極パッドのうちのいずれか１つと電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の裏面照射型固体撮像装置。
【請求項４】
前記支持基板がパッケージ基体上に固着され、前記電極パッドと前記パッケージ基体のリード端子とがワイヤを介して接続されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の裏面照射型固体撮像装置。
【請求項５】
一部の前記電極パッドと前記リード端子との間は、周辺回路素子をフリップ実装することにより接続されていることを特徴とする請求項４に記載の裏面照射型固体撮像装置。
【請求項６】
ウエハ状態の半導体基板を用意し、前記半導体基板内に受光素子を形成した後、前記半導体基板の表面上に配線層及び電極パッドを形成する工程と、
前記半導体基板の表面側に支持基板を貼り合わせ、前記半導体基板の裏面側を研摩して薄板化する工程と、
前記半導体基板の裏面側に導電性材料からなる遮光膜材料層を形成し、この遮光膜材料層をパターニングすることにより、前記各受光素子の直上領域に開口部を有する遮光膜を形成する工程と、
前記遮光膜の開口部を埋めるようにカラーフィルタの形成材料の塗布し、塗布した形成材料をパターニングすることにより、カラーフィルタを形成する工程と、
前記カラーフィルタの表面を研摩し、前記カラーフィルタ及び前記遮光膜の表面が同一平面となるように平坦化する工程と、
前記電極パッドの直上位置を前記半導体基板の裏面側から掘削し、前記電極パッドを部分的に露呈させる工程と、
固体撮像装置としての素子領域ごとに前記半導体基板及び前記支持基板を切断して個片化する工程と、
を含むことを特徴とする裏面照射型固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線層が形成されていない裏面側から受光を行う裏面照射型固体撮像装置、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラ等の電子式カメラには、半導体チップからなるＣＣＤ（Charge Coupled Device）型やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置が用いられている。これらの電子式カメラは、高機能化と同時に小型化が求められている。これに伴い、固体撮像装置では、高画素化及び画素の微細化が進められている。単純に画素の微細化を行うと、画素中の受光素子への入射光量（感度）が低下するため、各画素の開口率（画素への入射光量に対する受光素子への入射光量の比）を上げることが課題となっている。
【０００３】
通常、固体撮像装置は、配線層が形成された半導体基板の表面側から入射する光を半導体基板内に形成された受光素子によって受光するように構成されており、配線層による入射光の遮蔽が開口率の向上（つまり、高感度化）を妨げる要因となっている。そこで、近年、高感度化を図るために、裏面照射型固体撮像装置を用いることが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。裏面照射型固体撮像装置とは、半導体基板を薄板化することにより、配線層が形成されていない裏面側に照射される光を受光素子にて受光するように構成されたものである。
【０００４】
このような裏面照射型固体撮像装置においても、有効画素領域を開口し、かつ黒信号を得るための暗画素領域（オプティカルブラック領域）を遮光するための遮光膜が形成される。この遮光膜は、光入射面である裏面側に形成され、遮光膜上には絶縁膜を介してカラーフィルタが形成され、さらにカラーフィルタ上にはマイクロレンズが形成されている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平９−８２８５２号公報
【特許文献２】特開２００２−２２２９３６号公報
【特許文献３】特開２００６−０１９６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献３記載の裏面照射型固体撮像装置では、遮光膜上にカラーフィルタが設けられていることにより、光入射面からカラーフィルタまでの厚みが大きいため、その間で入射光の一部が吸収され、入射光量にロスが生じることが懸念される。また、光入射面からカラーフィルタまでの厚みが大きいことにより、隣接画素に斜めに入射した光が侵入すること（つまり、混色）が懸念される。
【０００６】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、入射光量のロス及び混色を軽減することができる裏面照射型固体撮像装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の裏面照射型固体撮像装置は、半導体基板内に複数の受光素子が２次元配列され、前記半導体基板の表面側に配線層が形成され、前記表面側とは反対の裏面側から受光を行うように前記半導体基板が薄板化されてなる裏面照射型固体撮像装置において、前記半導体基板の裏面側の前記各受光素子の直上領域に開口部を有する遮光膜と、前記遮光膜の開口部内で、かつ前記遮光膜との同一平面上に形成されたカラーフィルタと、前記半導体基板の表面側に貼着された支持基板と、前記半導体基板の表面側に形成され、かつ前記半導体基板の裏面側に部分的に露呈した複数の電極パッドと、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
なお、前記遮光膜及びカラーフィルタの上面は、平坦化により同一平面となっていることが好ましい。
【０００９】
また、前記遮光膜は、前記半導体基板を貫通した貫通電極により前記電極パッドのうちのいずれか１つと電気的に接続されていることが好ましい。
【００１０】
また、前記支持基板がパッケージ基体上に固着され、前記電極パッドと前記パッケージ基体のリード端子とがワイヤを介して接続されていることが好ましい。
【００１１】
また、一部の前記電極パッドと前記リード端子との間は、周辺回路素子をフリップ実装することにより接続されていることも好ましい。
【００１２】
また、本発明の裏面照射型固体撮像装置の製造方法は、ウエハ状態の半導体基板を用意し、前記半導体基板内に受光素子を形成した後、前記半導体基板の表面上に配線層及び電極パッドを形成する工程と、前記半導体基板の表面側に支持基板を貼り合わせ、前記半導体基板の裏面側を研摩して薄板化する工程と、前記半導体基板の裏面側に導電性材料からなる遮光膜材料層を形成し、この遮光膜材料層をパターニングすることにより、前記各受光素子の直上領域に開口部を有する遮光膜を形成する工程と、前記遮光膜の開口部を埋めるようにカラーフィルタの形成材料の塗布し、塗布した形成材料をパターニングすることにより、カラーフィルタを形成する工程と、前記カラーフィルタの表面を研摩し、前記カラーフィルタ及び前記遮光膜の表面が同一平面となるように平坦化する工程と、前記電極パッドの直上位置を前記半導体基板の裏面側から掘削し、前記電極パッドを部分的に露呈させる工程と、固体撮像装置としての素子領域ごとに前記半導体基板及び前記支持基板を切断して個片化する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、遮光膜とカラーフィルタとが同一平面上に形成され、光入射面からカラーフィルタまでの厚みが小さくなるため、入射光量のロス及び混色を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１において、本発明に係わる裏面照射型固体撮像装置１０は、半導体基板（シリコン基板）１１をベースとして形成され、半導体基板１１中には、フォトダイオードからなる受光素子１２が数μｍのピッチで２次元配列されている。半導体基板１１は、裏面１１ａ側からの光入射を可能とするように、３０μｍ以下（好ましくは、約１０μｍ）の厚みに薄板化されている。受光素子１２は、入射光を光電変換することにより信号電荷を生成して蓄積する。
【００１５】
半導体基板１１の表面１１ｂ側には、受光素子１２に蓄積された信号電荷を電荷転送路（裏面照射型固体撮像装置１０がＣＣＤ型の場合）やアンプ（裏面照射型固体撮像装置１０がＣＭＯＳ型の場合）に転送するための転送電極（ゲート電極）１３が設けられている。転送電極１３は、ポリシリコンなどからなり、その周囲は、酸化シリコンなどからなる保護絶縁膜１４により覆われている。保護絶縁膜１４の表層には、アルミニウムなどからなる配線層１５と、配線層１５と同一材料で形成された電極パッド１６とが形成されている。
【００１６】
一方、半導体基板１１の裏面１１ａ側には、酸化シリコンなどからなる絶縁膜１７を介して、受光素子１２の直上領域に開口部１８ａを有する遮光膜１８が形成されており、遮光膜１８の開口部１８ａには、入射光を分光するためのカラーフィルタ１９が形成されている。つまり、遮光膜１８とカラーフィルタ１９とは同一平面上に形成されている。遮光膜１８は、例えば、アルミニウムからなり、カラーフィルタ１９は、例えば、フォトレジスト材に顔料を分散させた顔料分散型カラーレジストからなる。さらに、遮光膜１８とカラーフィルタ１９との上面は、平坦化により同一平面となっており、この上には表面を保護するための絶縁膜２０が形成されている。
【００１７】
また、半導体基板１１の裏面１１ａ側から表面１１ｂ側に貫通するように貫通電極２１が形成されており、この貫通電極２１は、遮光膜１８を１つの電極パッド１６に接続している。そして、配線層１５及び電極パッド１６が形成された保護絶縁膜１４の表面には、支持基板２２が貼着されている。
【００１８】
電極パッド１６は、周縁部に設けられ、光入射側に露呈するように、その直上に積層された保護絶縁膜１４、半導体基板１１、絶縁膜１７、遮光膜１８、及び絶縁膜２０が部分的に除去されている。
【００１９】
支持基板２２は、半導体基板１１との熱膨張係数の相違による反りの発生を防止するために、例えば、半導体基板１１と同じシリコンにより形成されている。
【００２０】
図２は、遮光膜１８及びカラーフィルタ１９の平面図である。遮光膜１８は、画素間を遮光するとともに、黒信号を得るための暗画素領域（オプティカルブラック領域）２３を遮光している。カラーフィルタ１９は、分光特性の異なる３種の色セグメント１９ａ〜１９ｂからなる。色セグメント１９ａは、赤色光を透過させるフィルタであり、符号Ｒを付して示している。色セグメント１９ｂは、緑色光を透過させるフィルタであり、符号Ｇを付して示している。色セグメント１９ｃは、青色光を透過させるフィルタであり、符号Ｂを付して示している。各色セグメント１９ａ〜１９ｃの配列は、いわゆるベイヤー配列となっている。
【００２１】
以上のように構成された裏面照射型固体撮像装置１０は、遮光膜１８とカラーフィルタ１９とが同一平面状に形成されているため、光入射面（裏面１１ａ）からカラーフィルタ１９までの厚みが小さいため、その間での入射光の吸収率が低下し、入射光量のロスが軽減される。また、これにより、隣接画素に斜めに入射した光（隣接画素のカラーフィルタ１９を通過した光）が受光素子１２入射すること（つまり、混色）が軽減される。
【００２２】
この裏面照射型固体撮像装置１０は、前述のように電極パッド１６が形成されているため、図３に示すように、パッケージ基体３０に、通常のワイヤボンディング法により実装を行うことができる。パッケージ基体３０は、上部が開放された開放容器形状であり、例えば、セラミックにより形成されている。パッケージ基体３０の側部には、複数のリード端子３１が形成されている。
【００２３】
裏面照射型固体撮像装置１０は、パッケージ基体３０の底面に支持基板２２が対向するように、接着層３２を介して固着されている。電極パッド１６は、リード端子３１のパッケージ基体３０内に露呈した部分（インナーリード部）にワイヤ３３を介して接続されている。そして、パッケージ基体３０の上部の開口は、カバーガラス３４により封止されており、カバーガラス３４の周縁部は、接着層３５によりパッケージ基体３０の上端部に接着されている。
【００２４】
これにより、遮光膜１８は、リード端子３１のいずれか１つに接続されるため、グランド電位等の一定電位に設定可能である。
【００２５】
次に、裏面照射型固体撮像装置１０の製造方法を図４〜図７に示す製造工程図に沿って説明する。まず、ウエハ状態の半導体基板１１を用意し、周知の半導体ウエハプロセス技術により、図４（Ａ）に示すように、半導体基板１１内に受光素子１２等を形成し、半導体基板１１の表面１１ｂ側に転送電極１３と、これを覆う保護絶縁膜１４とを形成し、保護絶縁膜１４の表層に配線層１５と電極パッド１６とを形成する。転送電極１３はポリシリコン、保護絶縁膜１４は酸化シリコン、配線層１５及び電極パッド１６はアルミニウムにより形成する。なお、半導体基板１１には、固体撮像装置としての素子領域をマトリクス状に複数形成する。
【００２６】
次いで、図４（Ｂ）に示すように、半導体基板１１の上下を反転させ、配線層１５及び電極パッド１６が形成された面を、シリコンにより形成された支持基板２２に貼り合せる。こうして支持基板２２により半導体基板１１を支持した状態で、バックグラインド法により、半導体基板１１の裏面１１ａ側を研摩し、図４（Ｃ）に示すように、半導体基板１１を薄板化する。これにより、半導体基板１１を、裏面１１ａ側から受光素子１２への光入射が可能な厚さ（３０μｍ以下（好ましくは、約１０μｍ））とする。
【００２７】
次いで、半導体基板１１の裏面１１ａにＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により酸化シリコンを堆積して絶縁膜１７を形成した後、図５（Ａ）に示すように、前述の貫通電極２１の形成領域（電極パッド１６の直上領域）に開口を有するレジストマスク４０をフォトリソグラフィ技術により絶縁膜１７上に形成し、このレジストマスク４０に基づいてエッチング（異方性エッチング）を行うことにより裏面側から電極パッド１６へ貫通する貫通孔４１を形成する。
【００２８】
次いで、レジストマスク４０を除去し、アルミニウムなどの導電性材料で貫通孔４１を埋めることにより、図５（Ｂ）に示すように、貫通電極２１を形成し、スパッタ法により、絶縁膜１７上にアルミニウムなどの導電性材料からなる遮光膜材料層４２を形成する。このとき、形成された遮光膜材料層４２は、貫通電極２１と接合される。
【００２９】
次いで、図５（Ｃ）に示すように、前述のカラーフィルタ１９の形成領域（受光素子１２の直上領域）に開口を有するレジストマスク４３をフォトリソグラフィ技術により遮光膜材料層４２上に形成し、このレジストマスク４３に基づいて遮光膜材料層４２をエッチング（異方性エッチング）することにより、前述の遮光膜１８を形成する。
【００３０】
次いで、レジストマスク４３を除去し、図６（Ａ）に示すように、緑色の顔料を分散させた感光性のフォトレジスト材４４をスピンコート法によって塗布し、フォトリソグラフィ技術により、図６（Ｂ）に示すように、前述のカラーフィルタ１９のうち緑色光を透過させる色セグメント１９ｂを形成する。同様に、顔料を分散させたフォトレジスト材の塗布とフォトリソグラフィを繰り返し、図６（Ｃ）に示すように、赤色光を透過させる色セグメント１９ａ、青色光を透過させる色セグメント１９ｂを形成する。
【００３１】
このとき、各色セグメント１９ａ〜１９ｃの厚みにはばらつきが生じるため、次いで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、図７（Ａ）に示すように、カラーフィルタ１９の上面を研摩し、カラーフィルタ１９の上面と遮光膜１８の上面が同一平面となるように平坦化する。このＣＭＰ法による研摩時には、遮光膜１８をストッパとして用い、研摩を停止させる。
【００３２】
次いで、図７（Ｂ）に示すように、ＣＶＤ法により遮光膜１８及びカラーフィルタ１９の上面を覆うように絶縁膜２０を形成する。そして、エッチングまたはダイシング法により、電極パッド１６の直上位置を絶縁膜２０側から掘削し、図７（Ｃ）に示すように、電極パッド１６を部分的に露呈させる開口を形成する。
【００３３】
この後、図示は省略するが、ダイシング法により固体撮像装置としての素子領域ごとに半導体基板１１及び支持基板２２を切断して個片化することにより、図１に示した裏面照射型固体撮像装置１０が完成する。
【００３４】
なお、上記実施形態では、カラーフィルタ１９を、感光性を有する顔料分散型カラーレジスト材により形成しているが、本発明はこれに限定されず、カラーフィルタ１９を、感光性のない樹脂膜により形成してもよい。この場合には、形成した樹脂膜上にフォトリソグラフィ技術によりレジストマスクを形成し、このレジストマスクに基づいて該樹脂膜をパターニングすればよい。
【００３５】
なお、上記実施形態では、カラーフィルタ１９を、ＲＧＢの色セグメント１９ａ〜１９ｃをいわゆるベイヤー配列したものとして形成しているが、本発明はこれに限定されず、色セグメントの配列方式や、各色セグメントの分光特性は適宜変更してよい。
【００３６】
また、上記実施形態では、遮光膜１８をアルミニウムにより形成しているが、本発明はこれに限定されず、遮光膜１８を銅やタングステンなどの他の金属材料により形成してもよい。さらに、遮光膜１８を複数種類の金属層からなる多層構造としてもよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、図３に示すように、裏面照射型固体撮像装置１０の各電極パッド１６を、ワイヤ３３を介してパッケージ基体３０の各リード端子３１に接続しているが、本発明はこれに限定されず、図８に示すように、一部の電極パッド１６とリード端子３１との間を、周辺回路素子５０をフリップチップ実装することにより接続してもよい。周辺回路素子５０は、モノリシックＩＣ（半導体集積回路）素子であり、裏面照射型固体撮像装置１０を駆動する駆動回路や、裏面照射型固体撮像装置１０から出力された撮像信号の信号処理を行う信号処理回路が作り込まれている。周辺回路素子５０のフリップチップ実装は、周辺回路素子５０の電極パッド（図示せず）と裏面照射型固体撮像装置１０の電極パッド１６との間、及び周辺回路素子５０の電極パッド（図示せず）とパッケージ基体３０のリード端子３１との間を半田ボール５１によりそれぞれ接続することにより行われている。
【００３８】
また、上記実施形態では、裏面照射型固体撮像装置１０を、開放容器形状のパッケージ基体３０とカバーガラス３４とにより封止しているが、本発明はこれに限定されず、パッケージ基体３０を用いずに、裏面照射型固体撮像装置１０の裏面１１ａ側（絶縁膜２０上）にカバーガラスを貼着してもよい。このカバーガラスの貼着は、ウエハ状態で、図７（Ｃ）の工程前に行うことが好ましい。
【００３９】
また、上記実施形態では、マイクロレンズを設けていないが、本発明はこれに限定されず、絶縁膜２０上に各受光素子１２に対応するようにマイクロレンズを形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】裏面照射型固体撮像装置の縦断面図である。
【図２】カラーフィルタの構成を示す平面図である。
【図３】裏面照射型固体撮像装置をパッケージ化する形態を示す縦断面図である。
【図４】裏面照射型固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その１）である。
【図５】裏面照射型固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その２）である。
【図６】裏面照射型固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その３）である。
【図７】裏面照射型固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その４）である。
【図８】裏面照射型固体撮像装置をパッケージ化する第２の形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  裏面照射型固体撮像装置
１１  半導体基板
１２  受光素子
１３  転送電極
１５  配線層
１６  電極パッド
１８  遮光膜
１９  カラーフィルタ
２１  貫通電極
２２  支持基板
３０  パッケージ基体
３１  リード端子
３３  ワイヤ
３４  カバーガラス
４０  レジストマスク
４２  遮光膜材料層
４４  レジスト材
５０  周辺回路素子
【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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