JP4064347B2 - 測色の向上したカラー画像センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
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、可能であれば同じ単結晶半導体基板(原則的にはシリコン)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ウェハの形態の一般的な基板上で可能な限り集約的に行い、次いで該ウェハを各センサに切り分けることが求められる。通常、シリコンウェハは、各々が画像センサひいてはカメラの中核をなす独立したチップを数千も含む。
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、製造品質対費用の点から見て完全に満足のいくものではなく:十分単純であると同時に、産業上効果的であり、且つ提供される画像の質への次第に高まる要件に対応できる製造方法は見つかっていない。該要件の一つは特に測色の質であり、これは特に、異なる色のフィルタで覆われた近接する感光点間の光ビームのくっきりとした分離により決定される。
この問題は、CMOS画像センサ技術で特に致命的である。感光要素としてのホトダイオードを基本とするこういった技術は、同一の集積回路チップ上に画像センサ(感光ドットのマトリクス)と、それに関連する信号処理及び制御回路を製造することができるので、使用が増加している。ここで、当該技術では、厳密な意味での感光領域が作られるシリコンのレベルの最表面に複数の誘電体及び金属層を堆積させる必要がある。この結果、該スタック上に堆積されるカラーフィルタは感光領域から特に離れ、測色の劣化現象が特に顕著となる。この場合、該スタックの高さは優に約10マイクロメートルにも達する。
−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、感光領域で生成された電荷の収集を可能にする絶縁及び導電層で覆われた感光領域を備える
−ウェハの前面を支持基板の前面に対して移載することと、
−感光領域を備える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と、
−続いて、こうして薄化された半導体層にカラーフィルタを堆積させ、エッチングすること
からなるカラー画像センサの製造方法を提案する。
当該製造方法は、半導体ウェハを基板上に移載することと、半導体ウェハの薄化を必要とする。移載及び薄化技術はより効率的にマスターされるので、著しく向上した画像は作業の過剰コストに見合ったものとなるだろう。
センサの小型さは変わらず(非常に小型のセンサの製造が求められているので)、弱い光の下でのその感度はその結果改良される。
基板への移載後且つカラーフィルタの堆積前に、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(最初は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。
特定の実施形態では、半導体ウェハの移載前に、金属バイアスホールが支持基板に形成される。これらのバイアスホールは、半導体ウェハの各活性領域周辺に(従って個々の画像センサの周囲に)形成された接続パッドと同じ形状に設計される。移載中、接続パッドは金属バイアスホールと接触し、支持基板の背面で外部への接続がなされてよい。画像センサはさらに、移載、薄化、カラーフィルタの堆積及びエッチング作業の後、個々のセンサに切り分ける前に、ウェハ上で検査してもよい。半導体ウェハはシリコンから作られるのが好ましい。支持基板もシリコンから作られてよいが、ウェハ/基板構造が受ける温度変化によって過度の応力が発生しないように膨張係数がシリコンと適合する任意の他の材料で作られてもよい。
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。
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、センサに投じら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。
個々の感光領域12が特定の対応するカラーフィルタ18を有し、感光領域12が原則的には対応するカラーフィルタを横断した光だけを受けるように、導電及び絶縁層のスタックの最表面にカラーフィルタ18のマトリクスがある。隣合う感光領域は異なる色、例えば赤、緑、青又はシアン、マゼンタ及び黄に対応し、三色の画像ドットは3つの(又は時には4つの)隣合うカラーフィルタに対応する。
絶縁層は原則的に、実質的に透過性であるが、導電層は最も多くは不透過性且つ反射性である。よって、厳密な意味での感光領域は導電層部分の下には配置されず、光はカラーフィルタと絶縁層を通過した後、直ちに感光領域に到達する。
しかし、絶縁層が多重に重畳されていることと、最も多くはアルミニウムで作られる導電層が側面に存在することによって、カラーフィルタから、該カラーフィルタに対応しない感光領域に届く光の一部となる屈折及び反射が引き起こされる。このように屈折された光は、比率が低くても、センサの測色性能を大きく害する。
その結果、感光領域12の最表面において、これら領域の平面とカラーフィルタの平面の間には通常、電気結合導電体の体系がない。感光マトリクスの機能をもたらすエッチングされた導電体の体系は全て、感光領域とそれらを覆うカラーフィルタの下方にある。
カラーフィルタ18を横断する光子は、非常に薄いシリコン層30に吸収され、カラーフィルタの下方に位置する感光領域12(実際にはホトダイオード)で電荷を生成する。電荷は、感光領域の下方に位置するスタックの導電体により収集される。この絶縁及び導電層のスタックは光子を遮断せず、近接する感光領域に対する偏向を発生することがない。シリコン層30で吸収されなかった光子だけがこれらの層に紛れ込む。
シリコンウェハの前面には、絶縁及び導電層14,16のスタックの堆積及びエッチング作業によって凹凸ができるため、移載作業の前に該面を厳密に平坦にすることが好ましい。この「平坦化」は典型的に、絶縁層の堆積によって凹凸の窪みを埋めることで達成される。平坦化層は透過性である必要はない。
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。さらに以下に示すように、導電性の有機又は金属の突起を用いて、シリコンウェハの接触パッドと、支持ウェハ20の対応する接触パッドとの間に機械的及び電気的結合を構築することも可能である。
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、又は機械/化学加工によって、又は化学加工のみによって、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ときにしか行えない。この分離は原則的に、予め注入された切り分け面に沿ってウェハを二分する応力を発生する熱処理作業によって行われる。
透過性層35は、まだ複数の独立した画像センサを有するウェハの形態(例えば6ないし8インチの直径)である時に、基板20に支持されるユニット上に配置されてよい。
図4の実施形態では、支持ウェハの移載前にアクセルウェル50がシリコンウェハの前面(図4の下方を向く面)に形成されている。これらのアクセスウェル50は、シリコンの最初の面から下に3ないし20マイクロメートルの深さまで続き、より詳細にはちょうどシリコンウェハが薄化される深さまで続く。
このように掘られたアクセスウェルは各センサの周縁に配置され、感光活性マトリクス領域ZAは連なるウェル50で囲まれる(その数は通常各画像センサにつき30又は40であってよい)。ウェル50には導電材料52(アルミニウム、銅、タングステン等)が充填され、該材料部は、シリコンウェハの上方面(移載基板20と接触する下方を向く面)で、一又は複数の導電層14、より特定すると外部との接触が必要な導電層と接触することとなる。ウェルに導電材料を充填する前に、シリコン層30からの接触を絶縁するためにウェルの内側壁に絶縁層(図示せず)を堆積することが好ましい。
カラーフィルタ18はシリコンウェハの薄化後に配置される。
シリコンウェハが支持ウェハに移載されると、よって、導電性バイアスホール60とシリコンウェハの画像検出回路との間の接触が確立される。
支持ウェハ20の後方に開口する導電性バイアスホールでは、外部との接続はワイヤボンディング、フリップチップ又は他の接続等、いかなる種類のものも可能である。
作業がシリコンウェハ上で行われている間に接続が確立されることと、ウェハ上で画像センサを検査(精査)できることに注意されたい。このことは、検査費用の点で非常に有利である。この考察結果は、ここに記載していない他の接続モード(図4、6、7)にも適用可能である。
さらに、図6の実施形態では、シリコンウェハを支持ウェハ20に移載する作業は、シリコンウェハの層14の導電領域と、前記導電領域と向かい合う支持ウェハ20に形成された導電領域との間に、好適には導電性の突起76(例えばインジウムビーズ)を挟んで、はんだ付けによって行うことを計画することもできる。その後好適には、突起の厚さによって隔てられた二枚のウェハ間に空いた空間に充填樹脂78を埋める。該樹脂は、薄化中及び薄化後のウェハの剛性を確保するものである。
図4ないし6の実施形態において、支持基板20は能動又は受動回路要素を含んでよく、特に該基板がシリコンで作られる場合:集積回路は、標準的な集積回路製造技術に従って該基板内に形成でき、シリコン層30に統合されている以外の付加的な電子機能を画像センサに統合することができることに注意されたい。
金属堆積及びエッチングで作られる接続パッド82は、層14の一部を形成し又は層14と接触しており、ユニットの上方面(図7の上方を向く)に設けられる。
このために、まず上述したように図2の構造をつくった後、新たな移載に適合する平坦性(その移載が分子レベルで密着させることによりなされる場合は特に非常に良好な平坦性)を付与するために、必要であればカラーフィルタを支える上方面を平坦化する。該平坦化樹脂は、光が感光領域に向かう途中にあることになるので、透過性でなければならない。
こうして平坦化された構造は次いで基板80に移載され、平坦化層のカラーフィルタは透過性基板80と直接接触する。基板20の大部分又はさらには全体が、機械的及び/又は化学的手段、又は例えば上述したような水素注入による脆化によって除去される。この場合、支持ウェハ20への水素注入は、シリコンウェハをウェハ20に最初に移載する前に行わなければならない。このことは、ウェハ20への移載と基板80への移載との間に、水素注入された平面で破損を引き起こす虞のある温度での作業は何ら実施されないことを意味する。
仮の基板20が除去されると、画像検出回路の導電層14に接続された接続パッド82は、図7の構造の表面と同一平面で重なりうる。
図8は、導電層14と絶縁層16のスタックで覆われた感光領域12を有する多数の画像センサの画像検出回路が従来の技術を使用して作られているシリコンウェハの概略構造を示す。
接続パッド22はウェハの上方面に作られている。
本発明では、この段階ではカラーフィルタは堆積されず、該ウェハの前面が図9に示した移載基板20に移載される。
基板20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。
移載ウェハは、シリコンウェハ10上に形成された入力/出力パッド22と同じ形状に設計された、該ウェハの全厚さを横断する金属バイアスホール60を備える。
各金属バイアスホールの上方部分には、ウェハ10の基板20への移載中にウェハ10のパッド22と直接接触することとなる導電領域62がある。各金属バイアスホールの下方部分にもまた金属化領域64がある。
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もできる。該平坦化層は透過性である必要はない。導電パッド22の上方面は、堆積されずに残されていなければならない。
移載は、ボンディング又は分子レベルで密着させることによって行われる。さらには、パッド22を領域62にはんだ付けして行うこともできる。
当該移載後、シリコンウェハは、残りの厚さが層14,16のスタックの厚さを含めて15ないし30マイクロメートルとなるまで薄化される。残りのシリコンの厚さ30と層14,16のスタックに、全ての画像検出回路が含まれる(図11)。
支持基板20の背面に位置する金属領域64は、薄化されたシリコンウェハ30に形成された画像検出回路に電気接続されているので、入力/出力パッドとして機能する。これらのパッドは「ワイヤボンディング」又は好適には「フリップチップ」タイプの接続に使用されうる。後者の場合、導電性の突起66が領域64の表面に形成される。
その後、当該構造を検査し(当該センサが機能するか)、次いで個々の画像センサに切り分けることができる。
Claims (7)
- −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、感光領域で生成された電荷の収集を可能にする、導電層(14)及び絶縁層(16)で覆われた感光領域(12)を備える
−半導体ウェハ(10)の前面を支持基板(20)の前面に対して移載することと、
−感光領域を備える薄い半導体層(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と、
−続いて、こうして薄化された半導体層にカラーフィルタ(18)を堆積させ、エッチングすることとからなり、
半導体ウェハの各活性領域周辺に形成された接続パッド(22)と同じ形状に設計され、そして移載中、接続パッドと接触することとなる金属バイアスホール(60)が、半導体ウェハの移載前に支持基板(20)に形成され、該金属バイアスホールは支持基板の背面に開口してセンサの入力/出力パッド(64)をなすことを特徴とするカラー画像センサの製造方法。 - 移載は、接着、はんだ付け、陽極ボンディング、又は単純に分子レベルで密着させることにより行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 薄化後の半導体ウェハの厚さが、導電層(14)及び絶縁層(16)のスタックの厚さを含めて8ないし30マイクロメートルであることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 感光領域(12)のマトリクスアレイが形成される薄化された半導体層(30)と、
前記感光領域が形成された前記半導体層の一方の側の面上に形成され、前記感光領域で光によって生成された電荷の収集を可能にする導電層(14)及び絶縁層(16)のスタックと、
前記導電層及び絶縁層のスタックが形成された前記半導体層の前記一方の側の面の反対側の前記半導体層の面上に形成されるカラーフィルタ(18)と、
前記導電層及び絶縁層のスタックの前記半導体層との境界面と反対側の面に対して接合される支持基板(20)とを有して構成され、
前記導電層及び絶縁層のスタックの前記半導体層との境界面と反対側の面には、接続パッド(22)が形成され、
前記支持基板には、厚み方向に前記支持基板を貫通する金属バイアスホール(60)が形成され、該金属バイアスホールの一方の端部が前記接続パッドに接触されるとともに他方の端部が入力/出力パッド(64)をなすことを特徴とする画像センサ。 - 感光領域を含む半導体層が、導電層及び絶縁層のスタック上に3ないし20マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする請求項4に記載の画像センサ。
- 支持基板が能動又は受動回路要素を含むことを特徴とする請求項4又は5に記載の画像センサ。
- 半導体層と支持基板がシリコンで作られることを特徴とする請求項4ないし請求項6のいずれか1項に記載の画像センサ。
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