JP2005501422A - 薄化前に接触孔が開けられるカラー画像センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、カラー画像センサの製造方法に関する。当該方法は：半導体ウェハ（１０）の前面に、画像検出回路を備え且つそれぞれが各画像センサに対応する一連の活性領域（ＺＡ）を形成することと、ここで各活性領域は入力／出力パッド（２２）に囲まれている；ウェハの前面を仮の支持基板（２０）の前面に対して移載することと；画像検出回路を備える薄いシリコン層（３０）を基板に残して、半導体ウェハの厚さの大部分を除去すること；からなる。さらに当該方法は：薄化された半導体層上に、カラーフィルタ層（１８）を堆積させ、次いでエッチングすることと；半導体ウェハの前面を基板に移載する前に、ウェハ表面に形成された画像検出回路要素よりも深くまで延びる金属孔（２５）をウェハ前面に形成すること；を備え、薄化段階は金属孔の金属部分（２２）を背面から露出させることを含む。
【選択図】図５

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は電子画像センサ、特に携帯電話に組み込まれるような小型カメラの製造を可能にする寸法の、非常に小さなサイズのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に小型であるだけでなく、この種の画像センサは、弱い光の下でも高感度を有し、高い測色性能を有しているべきである。
さらに、価格が法外にならないように最も経済的な方法でカメラ全体を製造する必要がある。
このことを達成するために、第一に、画像センサと電子処理回路を、可能であれば同じシリコン基板上に製造することが求められ、第二に、様々な層の堆積、エッチング、熱処理作業等を、同一のセンサを多数含むシリコンウェハ上で可能な限り集約的に行い、次いで該ウェハを独立したセンサに切り分けることが求められる。
しかし、これまでに提案されてきたカラー画像センサの製造方法及びそれらセンサの構造は、この点から見て完全に満足のいくものではない。その製造方法は産業上効果的でなく；依然として非常に高価であり、大量生産に適用するには効率が低すぎ、そうでない場合は、画像センサの性能が十分でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、高い品質と、特に非常な小型性、高感度及び高い測色性能を提示しつつも製造コストを最小限に抑える製造方法と、それに対応する画像センサを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このために、本発明は：
−半導体ウェハの前面に、画像検出回路を備え且つそれぞれが各画像センサに対応する一連の活性領域を形成することと、ここで各活性領域は入力／出力パッドに囲まれている
−ウェハの前面を仮の支持基板の前面に対して移載することと、
−画像検出回路を備える非常に薄い半導体層を基板に残して、半導体ウェハの厚さの大部分を除去することからなり、
−第一に、このようにして薄化された半導体層上に、カラーフィルタ層を堆積させ、次いでエッチングすることと、
−第二に、半導体ウェハの前面を基板に移載する前に、ウェハ表面に形成された画像検出回路要素よりも深くまで金属孔をウェハ前面に形成し、半導体ウェハの厚さの大部分の除去は金属孔の金属を背面から露出させることを含むことと、
−最後に、カラーフィルタの堆積およびエッチングの後、基板を個々のセンサに切り分けること
を特徴とする画像センサの製造方法を提案する。
【０００５】
好適には、活性領域は感光要素のマトリクスを備え、さらに該マトリクスの制御回路と、活性領域の感光要素から発される信号を受信する、それに関連する画像処理回路を備える。このようにマトリクスと関連する回路は、マトリクスだけが光に曝されるようにアルミニウム層によって光から遮断されるのが好ましい。
【０００６】
仮基板への半導体ウェハの移載は、接着、標準的なはんだ付け、陽極ボンディング、又は単純な分子付着により（つまり、良好な平坦性を有する２つの表面間での非常に強い接触力を介して）行うことができる。
基板への移載後且つフィルタの堆積前に、半導体ウェハの薄化を多くの様々な方法：ラッピングによる薄化、化学的な薄化、両方のタイプの薄化の組合せ（まず機械的な薄化を施し続いて化学的な仕上げ、又は化学薬品の存在下での機械加工）で行うことができる。薄化は、所望の切り分けレベルでウェハを予め脆化することによって、特に所望の切り分け面での深さ方向への水素注入によっても行うことができる。この場合、水素注入は、基板へのウェハの移載前、半導体ウェハに浅く行われる。次いで、基板と接触する薄い半導体層を残して、注入された切り分け面のレベルでウェハを分離する熱処理によって、薄化が行われる。
ウェハの非常に良好な薄化により、移載前は数百マイクロメートルだったその厚さが、基板への移載後は３ないし２０マイクロメートルに減る。薄化は、測色性能と感度を向上するため、センサの品質における重要な要因である。薄化されていないセンサで、画像検出回路を定義する複数の絶縁及び導電層が形成されている側から光が照射されると、カラーフィルタを横断した光は、異なる色に対応する感光ドットに散乱され、測色性能が低下する。さらに、薄いセンサでは、薄化されていないセンサの場合よりも光子がより広いシリコン領域に到達するため、感度が向上する。これは、光子が、各感光ドットに対応する表面領域の大部分を占める不透過性の金属層によっては遮断されないからである。
【０００７】
しかしながら、薄化後、シリコンは剛性を失い非常に脆くなるので、薄化によって製造における問題が複雑化することと、さらには画像検出回路と外部を接続する問題が生じることが理解されるであろう。本発明の解決策は、この難題を軽減し、効率の高い画像センサの製造を可能にするものである。
【０００８】
このようにつくられたセンサの接続パッドは、薄化シリコンが配置される側である、基板の前面にあり、画像を形成するために光は基板の前面側から受け取られる。
基板とシリコン層は密接し、よってウェハの能動回路要素は、基板の前面側で良好に保護される。
最後に、カラーフィルタで覆われた薄化シリコン層上に、透過性シート又は保護層、又はさらには互いに向かい合うマイクロレンズのいずれかを配置することができる。これらの作業は、個々のセンサに切り分けられる前に、ウェハ形状の基板上で行われるのが好ましい。
【０００９】
例えば、直径１５ないし２０センチメートルの基板の場合、基板の厚さは約５００マイクロメートルである。シリコンウェハの厚さは、薄化前は５００ないし１０００マイクロメートルで（直径１５ないし３０センチメートルの場合）、薄化後は３ないし２０マイクロメートルである。
中間基板に移載する前に、シリコンウェハ上に例えばポリイミドでできた平坦化層を堆積させてよい。
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１０】
図１は、複数の画像センサの画像検出回路が従来技術を用いてつくられたシリコンウェハの一般的な構造を示す。
シリコンウェハ１０は、直径１５０ないし３００ミリメートルの場合、数百マイクロメートルの厚さを有する。
画像検出回路（感光ドット、トランジスタ及び相互接続のマトリクス）がシリコンウェハの一面に加工され、この面は前面と呼ぶことができ、図１における上方面である。該加工とは、第一に、特に感光領域１２を形成するためにウェハの上方面からシリコンに行われる様々な拡散及び注入作業を意味し、第二に、感光領域１２の最表面にスタックを形成する導電層１４及び絶縁層１６の堆積及びエッチングのための連続的な作業を意味する。絶縁及び導電層は画像検出回路の一部をなし、センサに映された画像によって感光領域に生成される電荷の収集を可能にする。
【００１１】
センサが従来技術によって製造される場合、モザイク状のカラーフィルタはウェハ表面に堆積されることになる。本発明では、これらフィルタはこの段階では堆積されず、予備作業が行われる。
シリコンウェハ上に形成された各独立した画像センサについて、入力／出力パッドが、感光領域のマトリクスとそれに関連する電子回路とを備える活性表面を取り囲む。
これら入力／出力パッド（図２の２２）は導電層１４に接続されており、本発明においては、孔２５が絶縁層１６のスタック内、さらにはシリコン層の深さにまで形成される。孔２５の深さは、シリコンウェハに形成された全ての画像検出回路（感光領域、相互接続等）の深さを超える。この深さは、続いてシリコンを薄化した後に残り且つこれら画像検出回路を含むシリコンの厚さとほぼ一致する。
ウェハの背面から行われるシリコンの薄化は、原則的には孔２５の底にぴったり到達するようにする。しかし、孔２５の深さは、薄化シリコンの所望の厚さとわずかに異なっていてもよいことはわかるであろう。通常、孔２５の深さはウェハのシリコン内部で約５ないし２０ミクロン、つまり導電及び絶縁層１４、１６のスタックの表面から約１５ないし３０マイクロメートルである。
【００１２】
孔２５には、まず絶縁層２６が形成されているのが好ましい。次に金属層が堆積されエッチングされる。該金属層が接続パッド２２を形成する。これらの接続パッドは、導電層１４の１つと接触することとなる。この目的で、層１４の局所的な露出のために孔を形成する必要がある場合、孔２５に金属層を堆積する前に、層１４を覆う絶縁層１６に局所的に孔を開ける。
この段階ではカラーフィルタは堆積されず、ウェハの前面が仮基板２０（図３）に移載される。基板は、製造中の構造の剛性を確保するためにウェハ１０と同一の直径と類似の厚さを有するウェハである。また、別のシリコンウェハで構成されてもよい。移載は、絶縁及び導電層のスタックの堆積及びエッチング作業によってシリコンウェハの前面に形成された凹凸を埋める働きをする平坦化層を堆積させた後に行うことができる。該平坦化層は透過性である必要はない。
【００１３】
図３は、活性領域ＺＡと該領域ＺＡ周辺の接続パッド２２を備える独立したセンサの全体を示すために、図１よりも小さい尺度で構造を表したものである。
シリコンウェハの支持ウェハ２０への移載は複数の手段で行うことができる。最も単純な手段は、接触する表面の平坦性が良好であると非常に強い接触力が生成されるので、分子レベルで密着させることによってウェハを保持するというものである。接着も可能である。接続パッド２２と、それに対応する、基板２０に予め形成されたパッドを用いたはんだ付けを行うことも可能である。この場合、これらのパッドに接続され、よって画像センサに直接接続可能な補助的な能動又は受動回路要素を、基板２０に設けることをさらに想定することができる。
【００１４】
シリコンウェハの前面が支持ウェハに移載された後、層のスタックの厚さを含めて約８ないし３０マイクロメートルの厚さだけが残るように、シリコンウェハ１０の厚さの大部分が除去される。シリコンウェハの残る部分は、数マイクロメートル（例えば約１０マイクロメートル）の層１４、１６のスタックの重畳と、約３ないし２０マイクロメートルの、感光領域１２を含む残りのシリコンの厚さだけである。該残りの厚さは、図１の感光領域を含む図３の層３０の厚さである。
薄化によって、接続パッド２２の金属部分を露出させ、シリコンウェハの背面（前面は図１の上方面であり、上を向いており図４及び５では基板２０に覆われている）から電気的にアクセスできるようにする。
薄化が金属の最も深い部分をわずかに超える場合、この金属部分がアクセスを可能にするために残るようにしなければならない。薄化が金属の最も深い部分にわずかに届かない（数マイクロメートル）場合、薄化シリコンの背面からアクセス孔を続いて開けることを想定することができる。これらの孔は金属層２２を露出させるものである。
【００１５】
薄化作業は、機械加工（ラッピング）を施し仕上げに化学加工することによって、又は化学加工のみによって、又は化学薬品の存在下での機械加工によって、又はさらには薄化シリコン層の境界を定めることとなる平面に脆化不純物を予め注入することを必要とする特定の分離方法によって行うことができる。
不純物の注入によって分離する場合、注入はシリコンウェハを支持ウェハに移載する前に行わなくてはならない。実際に、注入はシリコンウェハの前面に、該ウェハの全表面にわたって、切り分け面を定義する深さで行われる。事前の注入は水素注入であることが好ましい。これは、ウェハ製造の様々な段階で行うことができるが、注入された切り分け面に沿ったウェハの厚さの分離は、シリコンウェハが支持ウェハに取り付けられた後にしか行えない。
【００１６】
薄化されたシリコン層３０の上方面を、表面の不具合を解消するために処理（ファインラッピング、化学洗浄、機械／化学研磨等）することができ、概略的な構造が図２のものである複数センサのウェハをつくり出すことができる。
続いて、モザイク状のカラーフィルタ１８が層３０（図４）の表面に堆積される。しかし、カラーフィルタの堆積前に、特に保護層、反射防止層及び他の層、電気活性層といった、一又は複数の付加的な層を堆積させることができる。
【００１７】
カラーフィルタ１８と同じ間隔ピッチを有するマイクロレンズのマトリクス、又は画像センサ用の個々のレンズ、又はガラスフィルムを、カラーフィルタの堆積及びエッチング後に、構造の背面（照射されるべき面）に堆積させてもよい。
薄化作業によって露出された接続パッドは、「ワイヤボンディング」タイプの接続（ワイヤ５４が該パッドにはんだ付けされる）又は「フリップチップ」対応の接続（チップが中間の導電性の突起５６によってプリント回路基板の対応するパッドに対して該接続パッドと上下逆に配置される）に使用されてよい。この場合は、センサはプリント基板の上側から照射するので、プリント基板は感光マトリクスに面する孔を備えていなければならない。
【００１８】
これら異なる実施形態において、基板４０上に形成された構造は、接続パッドを用いてウェハ上で検査できる。該検査は、光の下、複数の画像パターン下、或いは他の条件下で実施できる。
構造は、加工プロセスの最後に、パッケージングのために各センサに切り分けられる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】カラーフィルタ配置前のシリコンウェハ上につくられた画像センサの構造を示す。
【図２】金属層が充填された孔がウェハに形成されている状態を示す。
【図３】シリコンウェハの前面を支持基板に移載する作業を示す。
【図４】薄化後のシリコンウェハを有する支持基板を示す。
【図５】モザイク状のカラーフィルタが堆積された薄化されたシリコン層を支える支持基板を示す。

Claims (3)

1. −半導体ウェハ（１０）の前面に、画像検出回路を備え且つそれぞれが各画像センサに対応する一連の活性領域（ＺＡ）を形成することと、ここで各活性領域は入力／出力パッド（２２）に囲まれている
   −ウェハの前面を仮の支持基板（２０）の前面に対して移載することと、
   −画像検出回路を備える薄いシリコン層（３０）を基板に残して、シリコンウェハの厚さの大部分を除去すること
   からなる画像センサの製造方法であって、
   −第一に、このようにして薄化された半導体層上に、カラーフィルタ層（１８）を堆積させ、次いでエッチングすることと、
   −第二に、半導体ウェハの前面を基板に移載する前に、ウェハ表面に形成された画像検出回路要素よりも深くまで延びる金属孔（２５）をウェハ前面に形成し、半導体ウェハの厚さの大部分を除去する段階は金属孔の金属部分（２２）を背面から露出させることを含むことと、
   −最後に、カラーフィルタの堆積及びエッチングの後、基板を個々のセンサに切り分けること
   を特徴とする方法。
2. 薄化された半導体層の残りの厚さが約３ないし２０マイクロメートルであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 透過性材料のシートが、カラーフィルタで覆われた薄化された半導体層上に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。