JP2008098516A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の光電変換装置では、不要な赤外光をカットするが、それとともに可視光領域の光の透過率までも減少していまうという課題があった。
【解決手段】 本発明では、光電変換素子が形成された半導体基板２と、半導体基板２上に設けられたカラーフィルター８と、カラーフィルター８上に接着された支持基体２１とを備え、支持基体２１は、複数の誘電体層が積層された赤外光を反射する干渉膜フィルター１１を有する光電変換装置によって上記課題を解決することができる。さらに、カラーフィルター８の光透過特性を人間の視感度に調整することで、人間の視感度に調整した光電変換装置を実現できる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、波長選択フィルターを用いて波長特性を調整した光電変換装置、特に、人間の視感度に合わせた照度センサに関する。

近年、光電変換素子を含む光電変換装置などの小型化を図るために、素子側面から配線を取り出したチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）が適用されるようになっている。

図９にＣＳＰを適用した従来の光電変換装置２００の断面図を示す。下部支持基体４４上に樹脂層４６を介して半導体基板３０が設けられる。半導体基板３０の表面上には、光電変換素子を含む半導体集積回路３２が形成される。半導体基板３０に形成された光電変換素子の一部を覆うように可視光フィルターであるカラーフィルター３４が設けられる。また、半導体基板３０上には、半導体集積回路３２に接続される内部配線３６が形成される。この内部配線３６は、酸化膜などの絶縁膜に設けられたコンタクトホールなどを介して半導体集積回路３２に含まれる配線に接続され、半導体集積回路３２と外部との電気的な接続を行う役割を担う。

カラーフィルター３４および内部配線３６が設けられた半導体基板３０の表面上には、表面の凹凸を平坦化するための平坦化膜３８が設けられる。この平坦化膜３８は、エポキシなどの樹脂を主材料として形成することができる。

上部支持基体４２は、平坦化された半導体基板３０の表面に樹脂層４０によって接着される。また、下部支持基体４４は、半導体基板３０の裏面に樹脂層４６によって接着される。上部支持基体４２と下部支持基体４４は、光電変換装置の構造的な強度を高める役割を果たす。

半導体基板３０の側面から下部支持基体４４にかけて内部配線３６の端部に接触するように、導電性の外部配線４８が設けられている。この外部配線４８によって下部支持基体４４の下面に設けられた半田ボール５４と内部配線３６とが接続される。半田ボール５４は、下部支持基体４４との応力を低減するために設けられた緩衝部材５２上に設けられる。外部配線４８が設けられた下部支持基体４４の表面は、腐食を防ぐために保護膜５０によって覆われる。
ここで、図１０に光電変換装置２００の上部の断面図を示し、半導体基板３０上に設けられるカラーフィルター３４と支持基体４２の構成を詳細に説明する。
半導体基板３０上には、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の波長領域を透過領域とする一般的なカラーフィルター３４ａ、３４ｂが形成されている。例えば、ＣＣＤ固体撮像素子に用いられる場合、このカラーフィルター３４は、画素に応じて複数の矩形の形状やストライプ状の形状を有している。
図１１にＣＣＤ固体撮像素子における一般的なカラーフィルターを用いた場合の光電変換素子の感度特性を示す。横軸は、フィルタに入射される光の波長を示し、縦軸は、各波長における感度を示す。図８では、赤（Ｒ）の波長領域に対するカラーフィルターを用いた場合の特性を曲線Ａで示し、緑（Ｇ）の波長領域に対するカラーフィルターを用いた場合の特性を曲線Ｂで示し、青（Ｂ）の波長領域に対するカラーフィルターを用いた場合の特性を曲線Ｃで示している。また、シリコン基板上に形成された光電変換素子（カラーフィルターなし）の各波長に対する感度の典型例を曲線Ｄで示す。
カラーフィルター３４上には、平坦化膜３８が形成され、粘着性の樹脂層４０を介して、上部支持基体４２が設けられている。上部支持基体４２は、ガラスなどの透過性を有する
複数の基体４２ａを樹脂層４２ｂで接着して構成される。この樹脂層４２ｂは、赤外光を吸収する材料を含んだ材料で構成される。例えば、２価の銅イオン金属錯体をエポキシなどに混合した材料で構成される。
ここで、シリコンからなる光電変換素子は、７００ｎｍ以上の赤外光においても感度を有し、一般的なカラーフィルター３４は、それぞれの波長領域（赤、青、緑）に加えて赤外領域にも比較的高い透過率を示すので、上部支持基体４２に赤外光を吸収する材料を混合した樹脂層４２ｂを配置し、光電変換素子への赤外光の入射を防ぐ光電変換装置２００が提供されている。
上述した技術は下記の特許文献に記載されている。
特許公報２００５−３３２９１７号

しかしながら、図９に示すように、赤外光を吸収する樹脂層を含んだ従来の光電変換装置では、その樹脂層は、赤外光を吸収するだけでなく、可視光領域における光の透過率も大幅に減少させてしまい、感度が低減するという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、赤外光をカットすると共に、感度を高めた光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明は、光電変換素子が形成された半導体基板と、半導体基板上に設けられたカラーフィルターと、カラーフィルター上に接着された支持基体と、を備える光電変換装置であって、支持基体は、複数の誘電体が積層された赤外光を反射する干渉膜フィルターを有することを特徴とする光電変換装置である。

本発明によれば、赤外光をカットすると共に、光の利用効率を高めた光電変換装置を実現することができる。

また、人間の目が持つ明るさに対する感度、すなわち視感度に近い光透過率特性を有するカラーフィルターを設けることで、人間の視感度に近い感度を持つ光電変換装置を実現することができる。

本発明の実施の形態における光電変換装置について図を参照して詳細に説明する。図１は、人間の視感度に調整した光学フィルターを有し、ＣＳＰを適用した本実施の形態における光電変換装置１の断面図である。

半導体基板２の表面上に光電変換素子などが設けられた半導体集積回路１９が形成される。ここで、光電変換素子としては、例えば、Ｐ型の半導体基板２の表面にＮ型の不純物が添加されたＰＮ接合からなる素子を用いることができる。或いは、Ｐ型基板にＮ型不純物を添加したＮウェル層を形成し、そのＮウェル層内にＰ型の不純物を添加したＰＮＰ接合からからなる光電変換素子であってもよく、また、ＰＩＮ接合からなる光電変換素子であってもよい。さらには、Ｎ型の半導体基板にＰ型の不純物が添加された光電変換素子であってもよい。つまり、本発明での光電変換素子は、図１で示した実施の形態に限られるものではなく、半導体基板が光を受け、その光を電気信号に変換するものであればよい。半導体基板２上には、内部配線５が形成されている。内部配線５は、半導体基板２内で光電変換された電子を電気的な情報として取り出す役割を担う。ここで、内部配線５は、模式的に一層構造を示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、二層以
上の多層配線構造で形成することができる。また、内部配線５は遮光膜として機能し、半導体基板２に光が入射するのを防止することができる。さらに、内部配線５と同層あるいはそれより上の層に別途遮光膜を設けることもできる。遮光膜は、後述する開口部１７を取り囲むように形成することができる。

内部配線５などが形成された半導体基板２上には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などの第１の保護膜６が形成されている。第１の保護膜６には、半導体基板２の光電変換素子が光を受ける領域に対応して開口部１７が設けられている。開口部１７は、設けなくてもよいが、開口部１７を設けることによって、第１の保護膜６による光の減衰を低減させることができる。また、開口部１７での第１の保護膜６の膜厚を調整し、多重膜干渉効果を利用して、光の反射を防止することができる。それによって、光の利用効率を高めることができる。

第１の保護膜６が積層された半導体基板２上には、アクリルやエポキシなどの可視光領域の光を透過させる樹脂からなる平坦化膜７が形成される。平坦化膜７によって、内部配線５などによって生じた半導体基板２上の凹凸が平坦化される。平坦化膜７上には、人間の視感度に調整した光波長透過性を有するカラーフィルター８が形成される。カラーフィルター８は、開口部１７に対応して形成してもよく、光電変換装置１全面に亘って形成されてもよい。また、無機膜である第１の絶縁膜６上に有機膜である平坦化膜７を設けることによって、カラーフィルター８の接着性を向上させることができ、カラーフィルター８が半導体基板２から剥がれるのを防止することができる。

さらに、カラーフィルター８上には、アクリルやエポキシなどの樹脂からなる第２の保護膜９を介して、アクリルやエポキシなどの可視光領域に対して透過性を有する樹脂からなる樹脂層１０が設けられる。カラーフィルター８と樹脂層１０の間に第２の保護膜９を設けることによって、カラーフィルター８と樹脂層１０との境界を保ち、さらに接着性を向上させることができる。

半導体基板２は、樹脂層１０を介して、支持基体２１と接着される。樹脂層１０は、エポキシ樹脂などの可視光領域の光に対して透過性を有する材料から構成されることが好ましい。

図２は、本実施の形態における光電変換装置２の上部を拡大した断面図である。図２を用いて、支持基体２１の詳細な説明をする。

支持基体２１は、可視光領域に対して透光性を有するガラス基板１２ａ、ｂと赤外光を反射する干渉膜フィルター１１ａ、ｂ、ｃが積層された構造を有している。具体的には、両面に干渉膜フィルター１１ａ、ｂが形成されたガラス基板１２ａと一方の面のみに干渉膜フィルター１１ｃが形成されたガラス基板１２ｂが樹脂層１３を介して接着されている。

干渉膜フィルター１１ａ、ｂ、ｃは、複数層の誘電体薄膜が電子線蒸着法、イオンアシスト蒸着法、イオンプレーティング成膜法などによって積層された多層誘電体膜である。誘電体としては、ＴｉやＳｉなどからなる金属酸化膜を用いるのが好適である。光電変換装置１に入射した光は、多層誘電体膜の多重干渉によって、赤外領域の光を反射し、赤外領域以外の光を透過させることができる。多重干渉によって赤外光をカットする干渉膜フィルター１１を用いることによって、赤外光を吸収する樹脂を有する従来のような光電変換装置２００よりも、光の利用効率が格段に向上する。さらに、多層誘電体膜からなる干渉膜フィルター１１によって、必要な光波長のみを取り出すことができる。つまり、波長選択性が向上する。また、本実施形態では、複数の干渉膜フィルター１１ａ、ｂ、ｃが積
層されているので、確実に赤外光をカットすることができる。

本実施形態では、樹脂層１０、１３は可視光および赤外光を透過する材料から構成されているが、赤外光を吸収する材料を混合してもよい。赤外光を吸収する材料としては、例えば、２価の銅イオン金属錯体などを用いるのが好適である。

また、本実施形態においては、支持基板２１が干渉膜フィルター１１ａ、ｂ、ｃとガラス基板１２ａ、ｂの多層構造となっているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、図３に示すように、一つの干渉膜フィルター１１ａと一枚のガラス基板１２ａのみから構成されていてもよい。また、樹脂層１０から順にガラス基板１２ａ、干渉膜フィルター１１ｂ、樹脂層１３、ガラス基板１２ｂのような構成としてもよい。つまり、干渉膜フィルター１１とガラス基板１２との構成は、適宜変更することができる。

ここで、人間はおおよそ３８０〜７８０ｎｍの光を感じることができ、目の光に対する感度は、光の波長により異なる。明るいところでは、人間の目は５５５ｎｍの光を一番明るく感じ、暗いところでは、５０７ｎｍの光を一番明るく感じる。人間の視感度は、一般的に図６に示すような標準比視感度特性曲線を用いて表される。横軸は光の波長を示し、縦軸は、相対発光強度を示している。相対発光強度とは、一番明るく感じる光の明るさを１としたときの、同じ強度の光の波長に対する視感度の比を表している。図６の実線で示す曲線が、明るい所での標準比視感度特性曲線（明順応比視感度）であり、破線で示す曲線が、暗い所での標準比視感度特性曲線（暗順応比視感度）である。

図７は、干渉膜フィルター１１の光透過率の波長依存性を示す図である。図７の点線で示す曲線は、明順応比視感度に対応し、直線Ａ〜Ｃは、誘電体薄膜を構成するシリコンやチタンなどの構成比や誘電体薄膜の積層数などを異ならせた場合の曲線である。図７で示すように、干渉膜フィルターは、赤外光領域の光を反射し、可視光領域の光を透過させる。

図８は、カラーフィルター８の光透過率の波長依存性を示す図である。図８の点線で示す曲線は、明順応比視感度に対応し、直線Ｄ〜Ｆは、カラーフィルター８の材料や材料の混合比などを異ならせた場合の曲線である。カラーフィルター８の材料の混合比などを調整することで、可視光領域において人間の明順応比視感度曲線と同様の光透過性を有するカラーフィルター８とすることができる。このカラーフィルター８は、可視光領域の光のみを透過するのではなく、赤外光をも透過する。従って、上述の干渉膜フィルター１１と組み合わせることで、人間の視感度に合わせた光電変換装置１を実現することができる。つまり、光電変換装置１に入射した外光は、支持基体２１に設けられた干渉膜フィルター１１によって赤外光がカットされ、カラーフィルター８によって人間の視感度に合わせた光のみを透過させることができる。それによって、人間の視感度に調整された光電変換装置１を実現することができる。

ここでは、図７，８において、明順応比視感度曲線に調整した干渉膜フィルター１１とカラーフィルター８を示したが、本実施形態に係る発明はこれに限られるものではない。すなわち、暗順応比視感度曲線に調整した干渉膜フィルター１１とカラーフィルター８とにすることも可能である。それによって、暗い場所での人間の視感度に調整した光電変換装置を実現することが可能である。つまり、干渉膜フィルター１１とカラーフィルター８の光透過率の波長依存性を調整することで、使用用途に合わせた様々な光電変換装置を実現することができる。

次に、本発明の実施の形態における光電変換装置１の製造方法について説明する。図４〜図５は、各工程における光電変換装置１の断面構造を示す図である。光電変換装置１は
、スクライブラインによって区画された半導体基板の各区画に半導体集積回路１９を形成し、最終的にスクライブラインに沿って分断することによってチップサイズパッケージに封止された装置を形成する。

半導体基板２の表面上にＰＮ接合などから構成される半導体集積回路１９が形成される。半導体基板２上には、ＰＮ接合部が光を受けて光電変換された電気的な情報を外部に取り出すための内部配線５が形成される。さらに、内部配線５上には、絶縁膜６が形成される（図４（ａ））。絶縁膜６は、例えば、シリコン酸化膜とすることができる。

絶縁膜６には、光電変換装置１が光を受ける受光部に対応して、開口部１７が形成される。ここでは、光電変換装置１に対して、一つの矩形状の開口部１７が形成されている。開口部１７が形成された絶縁膜６上にアクリル樹脂などの可視光に対して透明な樹脂からなる平坦化膜７がスピンコートなどにより形成される。平坦化膜７上には、視感度に調整した、波長選択性を有するカラーフィルター８が半導体基板２上に形成される。カラーフィルター８は、スピンコートなどにより半導体基板２の全面に形成された後、フォトリソグラフィーやエッチングなどを用いて所定の形状に加工される。また、内部配線５などによって生じた凹凸が平坦化された平坦化膜７上にカラーフィルター８を形成することで、カラーフィルター８の膜厚を一定にすることができる。カラーフィルター８上には、アクリル樹脂などの可視光に対して光透過性を有する第２の保護膜９がスピンコートなどにより形成され、第２の保護膜９上にエポキシなどからなる樹脂層１０が形成される。カラーフィルター８上に第２の保護膜９を介して樹脂層１０を形成することで、カラーフィルター８と樹脂層１０との接着性が向上する。樹脂層１０上には、干渉膜フィルター１１を含む支持基体２１が形成される（図４（ｂ））。

半導体基板２は、支持基体２１が形成されていない側、すなわち半導体基板２の裏面からエッチングされ、内部配線５が露出されるように島状の半導体基板２が形成される（図４（ｃ））。例えば、半導体基板２としてシリコン基板が用いられている場合には、フッ化水素酸、酢酸などの混合溶液を用いた化学的エッチングによってエッチングを行うことができる。また、化学的エッチングを行う前に、機械的研磨を用いて半導体基板２の厚さを薄くしておくことも好適である。

さらに、エッチングされて島状に形成された半導体基板２の全体を覆うように絶縁膜２２が形成される。ここで、絶縁膜２２は、露出された内部配線５の一部のみを覆うように形成される。つまり、内部配線５の一部は露出されたままの状態になるように絶縁膜２２が形成される。その後、絶縁膜２２の下部に、内部配線５と接続され、外部に電気信号を取り出すための外部配線２３が形成される。外部配線２３は、内部配線５に対応して形成される（図５（ｄ））。内部配線５と外部配線２３とは、前述の内部配線５が露出した部分でコンタクトされる。

外部配線２３が内部配線５とコンタクトしない一端近傍において、光電変換装置１と外部素子との接続端となる半田ボール１８が形成される。半田ボール１８は、ボール状の半田材を加熱によってリフローすることで形成することができる。さらに、半導体基板２の裏面に半導体ウェハ全体を覆って、半田ボールの一部が露出されるようにパシベーション膜２４が形成される。パシベーション膜２４によって、半導体基板２や外部配線２３などが物理的な衝撃によって破損することを防ぐことができる。パシベーション膜２４形成後、スクラブラインに沿って切断が行われる。ダイシングソーなどを用いて、スクラブラインに沿って切断を行うことによって、チップサイズパッケージが適用された光電変換装置１が形成される（図５（ｅ））。

以上のように、本実施形態によれば、赤外光を吸収する樹脂ではなく、多層誘電体膜か
らなる干渉膜フィルター１１によって、赤外光を反射することで、光の減衰を最小限に抑制することができ、光の利用効率を向上させることができる。また、人間の視感度に近い光透過率を有するカラーフィルター８を設けることによって、人間の視感度に調整した光電変換装置１を提供することができる。

本発明の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の上部を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の上部を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す断面図である。 人間の視感度特性を示す図である。 本発明における干渉膜フィルターの光透過率の波長依存性を示す図である。 本発明におけるカラーフィルターの光透過率の波長依存性を示す図である。 従来の光電変換装置の構成を示す断面図である。 従来の光電変換装置の上部を示す断面図である。 ＣＣＤ固体撮像素子における一般的なカラーフィルターの透過率を示す図である。

符号の説明

１ 光電変換装置、 ２ 半導体基板、 ５ 内部配線、 ６ 第１の保護膜、 ７
平坦化膜、 ８ カラーフィルター、 ９ 第２の保護膜、 １０ 樹脂層、 １１ａ、ｂ、ｃ 干渉膜フィルター、 １２ａ、ｂ ガラス基板、 １３ 樹脂層、 １７ 開口部、 １８ 半田ボール、 １９ 半導体集積回路、 ２１ 支持基板、 ２２ 絶縁膜、 ２３ 外部配線、 ２４ パシベーション膜。

Claims (4)

1. 光電変換素子が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられたカラーフィルターと、
   前記カラーフィルター上に接着された支持基体と、を備える光電変換装置であって、
   前記支持基体は、複数の誘電体が積層された赤外光を反射する干渉膜フィルターを有することを特徴とする光電変換装置。
2. 請求項１に記載の光電変換装置において、
   前記支持基体は、赤外光を吸収する樹脂で前記半導体基板に接着されていることを特徴とする光電変換装置。
3. 請求項１に記載の光電変換装置において、
   前記支持基体は、複数の前記干渉膜フィルターが多数積層されていることを特徴とする光電変換装置。
4. 請求項１に記載の光電変換装置において、
   前記カラーフィルターは、人間の視感度に調整された波長領域透過性を有することを特徴とする光電変換装置。

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