CN107112315A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体器件等的制造方法，通过实现层叠半导体器件等的高集成化、高速驱动、低耗电、低发热化、小型轻量化或易于组装到应用产品中的器件形状，在迄今为止都难以应用的领域也给出了可适用的层叠半导体器件的具体构造。半导体器件侧面部的一部分为平滑的且被绝缘膜覆盖的形状。该侧面部通过组合刻蚀步骤和切割步骤，或者仅用刻蚀步骤使其露出，从而从半导体晶圆基板将各半导体器件单片化。

Description

半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高集成化、高速驱动、低耗电化、并且小型轻量化和可灵活选择形状的半导体器件及其制造方法。
背景技术
由于半导体存储器、半导体逻辑电路等半导体集成电路的高集成化及高速驱动,着眼于形成半导体集成电路的MOS晶体管等的微型化的研究开发被推进起来了。然而,晶体管等的微型化就需要降低驱动电压,从而就要对噪声容限和制造成品率低等问题。另一方面,通过采用层叠有多个半导体器件的三维(3D)结构而提高半导体器件的单位封装面积的集成度的层叠半导体器件的开发得到了推进。这在多层层叠同一存储器器件时是尤其有效的方法。然而,例如,地址宽度和数据比特长度的变大使得输入输出端子数和输入输出缓冲电路所占用的面积增加,造成半导体器件上的有效面积、即内部集成电路和存储器单元的相对占有面积被这些输入输出端子和输入输出缓冲电路所压迫等新的问题逐渐突显出来。进一步地,例如,当层叠半导体摄像器件和半导体图像处理器件等不同种半导体器件时,对层叠的半导体器件之间的输入输出端子和输入输出缓冲电路的配置、或半导体器件的外形形状等产生制约。
在日本专利文献1中公开了一种以拍摄X射线图像为目的半导体摄像器件的结构的例子,使X射线从半导体基板的侧面部入射,在X射线沿着与半导体基板面平行的方向在半导体基板内部行进的期间进行光电转换,从而能够实现X射线光谱解析。进一步,还有将该原理应用于CT扫描仪的事例(日本专利文献2)。同样地,一种以拍摄红外线图像为主要目的半导体摄像器件的例子,使可见光或红外线从半导体基板的侧面部入射,在红外线等沿着与半导体基板面平行的方向在半导体基板内部行进的期间内进行光电转换,从而实现红外线等的光谱解析(日本专利文献3)。无论在哪种情形下,目的都是为了在与半导体基板面平行的方向上使光入射并提高半导体基板内的光电转换效率。当数码相机等仅以可见光为对象时,针对构成半导体摄像器件的半导体基板面,通过都垂直或以某入射角度向半导体基板表面导入入射光。这是因为当为可见光波长时,能够在与半导体基板面垂直的方向、即半导体基板的深度方向上的约5微米的范围内进行光电转换。而与之相对地,红外线、X射线等的情形中就需要比上述基板深度方向更深,例如从数十微米到数百微米左右的深度,因此必须将驱动电压设定在数十伏特以上。这就与上述高集成化、高速驱动、低耗电驱动的要求相悖。为此想到的是使红外线和X射线等从半导体基板的侧面部入射的结构。然而又无法将矩形半导体基板的一侧面这样原封不动地进行光电转换部。这是因为应当成为受光面的半导体器件的侧壁部会受到机械性或热性损伤。使构成半导体摄像器件的半导体基板的侧端部最初露出是在制造步骤后半(后步骤)的半导体晶圆切割之后。因此,半导体基板的侧端部的结晶状态在使用旋转叶片时会产生碎裂和划痕,当使用激光锯时,还会进一步产生熔融物再附着等问题,而且无论采用哪种方法,半导体基板材料自身的缺损量都很大,无法期待精密的加工形状。进一步地,基于这种制造方法的受光面,在半导体基板就这样暴露于外部气体的状态下使用时,不仅招致画质降低的问题,而且还会使半导体摄像器件的可靠性和产品寿命降低等深刻的问题。
现有技术文献
日本专利文献1:特开昭55-144576
日本专利文献2:特表2012-517604
日本专利文献3:特开2011-205085
发明内容
发明要解决的问题:
随着半导体存储器、半导体逻辑电路等半导体集成电路的高集成化，配置在半导体器件表面的外周周边部的输入输出端子，例如接触焊盘的数量增加。输入输出端子的大小由于需要有用于引线键合的面积，因此难以在晶体管器件等的微型化的同时也将它们微型化。而且，也无法在位于输入输出端子的下部的半导体基板部分上形成晶体管器件等。因此就出现了这样的事情，器件尺寸(称为芯片尺寸)并不依赖于本来应当集成在器件上的存储器容量或逻辑电路的规模，而是被输入输出端子数以及由其配置而造成的器件尺寸所决定。例如，需要减小器件尺寸的内窥镜用途的半导体摄像器件便是其中的典型。近年来，通过采用微型焊盘和微型焊点的电性连接、或者硅穿透电极(TSV)结构等代替引线键合，使得半导体器件上的输入输出端子部占用的面积减少，但如上所述，地址宽度和数据比特长度的增大而造成的输入输出端子和输入输出缓冲电路所占面积的增大有超过这些的趋势，尚未实现根本性解决。即，在减少输入输出端子部所占面积的基础之上，还需要对现有作为划线(或切割)余量而未被利用的半导体器件表面的外周周边部区域加以有效利用。半导体器件是通过切断(切割)半导体晶圆后分割(单片化)成各个半导体器件而得到的。半导体器件表面的周边部或半导体器件的侧壁由于该切割步骤而受到机械性或热性损伤，因此会产生结晶缺陷，进一步地还会暴露于来自于外部的重金属和反应性化学物质等污染中。目前，由于在半导体器件表面的周边部配置很多输入输出端子，对器件内的晶体管等的特性带来直接影响的风险很低，而且切割后的半导体器件被树脂或陶瓷等封装材料覆盖，从而能够抵制结晶缺陷和由使用环境带来的失效。然而，为了有效利用半导体器件表面的外周附近区域，就需要将集成电路和存储器单元等接近配置于半导体器件的外周周边部。这样一来，只要能够有效地利用对半导体器件表面的外周附近或半导体器件表面相垂直的半导体基板侧壁附近区域，不仅能增加半导体器件上的存储器容量或逻辑电路规模，还能够实现以半导体器件的侧壁部为受光部的半导体摄像器件。这种对半导体器件表面的外周周边部或半导体器件的侧壁部的有效利用并不仅仅在于增加了半导体器件上所占电路和存储器区域的面积，而且还有助于解决今后所追求的半导体器件等的技术问题。
半导体器件等在计算机和电子设备内部的封装基板上与其他很多电子部件并排搭载，人们认为由于这种现有的使用环境，使得被置于与外部环境接近的状态下的机会增加。而且，在半导体摄像器件与被拍摄体相接近、或者直接接触、甚至插入被拍摄体内进行拍摄或信号处理等的情形中要求有适合的外形形状。针对于这种用途，如果原封不动地适用现有的由矩形外形形状构成的半导体器件等，则有时难以实现装置的小型化和轻量化，或者显著制约半导体器件等的使用环境。然而，尚未看到有关于既减轻这种半导体器件的外形形状的制约又不伴随有半导体器件的性能和可靠性下降的半导体器件等的结构及其制造方法。今后，将各种半导体器件组装到被称为可穿戴设备的与人体密切接触使用的小型电子设备、眼球、血管、各种脏器等生物体内使用的需求正飞跃式的增加。在这些用途中，在半导体器件等中的高集成化即小型化和低耗电化的基础之上，是否是能够易于组装到生物体内的器件形状也会成为重要的课题。在手表型可穿戴设备中，例如，为了将半导体器件有效地组装到外形接近圆形的框体内部，要求有除矩形以外的半导体器件形状。进一步地，在能够利用半导体器件的侧壁部的程度下，只要该侧壁部附近的半导体基板的平滑度和结晶缺陷水平得到改善，且能够防止来自于外部的杂质污染等，则也可以在接近半导体器件的外周部的部分配置逻辑器件和存储器器件。另外，如果针对于将半导体摄像器件与图像处理用半导体器件等进行层叠的情形进行考察地话，很多时候都希望这些要层叠的不同种类半导体器件的外形相一致。从而能够将层叠的多个半导体晶圆进行统一切割等以实现单片化。另外，在各个半导体器件之间，需要使输入输出端子、即TSV结构的配置在相邻半导体器件之间保持一致。
如此，本发明要解决的问题是：设计出能够使半导体器件上的集成度进一步增大的新型结构；或者在各种各样的应用产品或使用环境中易于利用半导体器件的器件形态；找出了能够提高半导体器件的低电压、低耗电驱动、或耐环境性能的半导体器件结构；提供能够防止由界面态和晶格缺陷等引起的噪声和可靠性下降的半导体器件的结构，是能够有效利用半导体基板周边部或侧面部的半导体器件；提供能够保护半导体器件免受重金属或反应性化学物质等的污染并防止产品寿命劣化的半导体器件等的结构，是能够有效利用半导体基板周边部或侧面部的半导体器件。
进一步地，设计出对于红外光和X射线等也具体有灵敏度且能够低电压、低耗电驱动的半导体摄像器件的结构；实现对温度、湿度、震动等的耐环境性能提升的半导体摄像器件；实现针对各种各样的被拍摄体、如人体和脏器等大小、形状也能够灵活摄像的半导体摄像器件；尤其是实现适合于与被拍摄体接近或者直接接触或者插入被拍摄体内进行摄像等的情形的半导体摄像器件；实现图像信号处理的高速化，是适用于CT装置等大型摄像装置的半导体摄像器件。另外，实现具有对被拍摄体或光源各向同性的摄像面，或者减轻在相邻像素间的串话、高画质的半导体摄像器件。另外，实现对微弱光也能摄像的高灵敏度的半导体摄像器件。另外，能够实现防止由放射线损伤引起的器件劣化，提高可靠性及产品寿命的半导体摄像器件。另外，尤其是能够实现由半导体摄像器件所使用的半导体基板周边部的界面态和晶格缺陷等引起的噪声和像素划痕等图像劣化的半导体摄像器件。另外，设计了能够保护半导体摄像器件免受重金属或反应性化学物质等的污染从而提高可靠性和产品寿命的半导体摄像器件结构。另外，能够实现通过增加像素数而扩大可摄像范围或者提高摄影图像的分辨率的半导体摄像器件。
即使在半导体器件或多层层叠有半导体器件的层叠半导体器件结构中也急需要解决上述技术问题。因为对于小型化和封装面积的削减是有效的。然而，即使在层叠半导体器件中也存在应需解决的问题。例如，有必要找出能够抑制由于层叠半导体器件内部的发热而引起的层叠半导体器件的温度上升的适当结构。因为，层叠半导体器件的温度上升是使逻辑电路的开关速度下降，或使半导体摄像器件的暗电流增加使灵敏度下降的原因之一。只要能够抑制层叠半导体器件的温度上升，便能够使金属制的散热器和冷却风扇小型化甚至取消不要，因此有助于进一步实现小型轻量化。
本发明进一步的另一目的是：提供一种能够防止由界面态和晶格缺陷等引起的噪声和像素缺陷等的性能劣化的半导体器件的制造方法，是有效利用半导体基板周边部或侧面部的半导体器件。另外，提供能够易于将半导体基板侧端部的形状加工成弯曲等其他任意形状的制造方法。进一步地提供能够保护半导体器件、半导体摄像器件等免受重金属或反应性化学物质等的污染并能够防止产品寿命劣化的半导体器件等的制造方法，是有效利用半导体基板周边部或侧面部的半导体器件。进一步地提供适合于制造多层层叠有效利用半导体基板周边部或侧面部的半导体器件等的层叠半导体器件的制造方法。
解决问题的方案:
为了解决技术问题，提供一种层叠有多个形成有集成电路等的半导体器件的层叠半导体器件，其特征为具有如下结构：除了半导体基板表面及半导体基板背面以外，该层叠半导体器件的至少一面被绝缘体覆盖，保留的其他面上露出半导体基板。而且，被上述绝缘体覆盖的层叠半导体器件侧面部具有相对于形成有集成电路等的半导体基板面在平面视角上弯曲的结构。或者，层叠半导体器件侧面部的外周形状被所述平面视角上平滑连接闭合的图形所包围且该层叠半导体器件侧面部被绝缘体覆盖。进一步优选地，所述闭合图形为圆形。另外，在所述层叠半导体器件中，相对于形成有集成电路等的半导体器件基板面，在平面视角上其内部具有部分贯通去除的中空区域。优选地，所述中空区域中的层叠半导体器件的侧面部被绝缘体覆盖。进一步地，所述中空区域为被所述平面视角上曲线包围的图形，且所述层叠半导体器件的外周形状相对于形成有集成电路等的半导体器件基板面也是被平面视角上曲线包围的图形。另外，被所述绝缘体包围的层叠半导体基板器件侧面部在所述绝缘体的下部区域具有高浓度杂质区域。在层叠半导体器件700的上面和底面、半导体器件701和702之间、以及702和703之间开成有金属层18，进一步地，在中空部的侧壁上形成有侧壁金属层，进一步优选地，使金属层与侧壁金属层互相部分接触。另外，所述半导体基板为硅基板且所述绝缘膜为氧化硅膜。
为了解决问题，将被所述绝缘体覆盖的半导体基板侧面部或被所述绝缘体覆盖的中空区域侧面部作为受光面，且光电转换区域从该受光面(或受光窗)侧朝向该半导体基板内部在与半导体基板平面相平行的方向上延伸形成。优选地，在相对于所述弯曲的受光面竖直的方向上设置有与入射光方向对应的形成为放射状的光电转换区域。另外，在构成层叠半导体器件的多个半导体摄像器件中，所述半导体摄像器件的层叠方向上的所述受光窗的排列间距和与之呈直角方向排列的各半导体摄像器件中的所述受光窗的排列间距大致相等。进一步优选地，在所述光电转换区域设置有相邻环状电荷倍增输送部。
为了解决问题，在制造半导体器件的半导体晶圆加工处理步骤中设置使平面视角上半导体器件侧面部的一部分从半导体基板表面到背面完全露出的步骤。而且，在使所述半导体器件侧面部露出的步骤之后，通过切割来切断所述半导体晶圆，在使所述露出部分保留的状态下单片化所述半导体器件。另外，在半导体晶圆上形成的半导体器件的侧面部上形成绝缘膜，在刻蚀步骤中将该半导体器件单片化。另外还公开了半导体器件的制造方法，在半导体晶圆上形成的半导体器件的侧面部上将杂质元素离子注入后，对杂质区域的一部分进行沟道刻蚀，在沟道部的内壁上形成氧化硅膜，在通过CVD法的氧化硅膜将该沟道部埋入后，将该埋入氧化硅膜表面平坦化，通过研磨所述半导体晶圆背面使其薄化后，对所述埋入氧化硅膜的一部分进行刻蚀，从而使所述半导体器件侧面部露出。在半导体晶圆上形成的半导体器件的侧面部上通过离子注入法形成了高浓度杂质区域后，通过研磨所述半导体晶圆背面而使其薄化，此后，一边通过反应性离子刻蚀法去除所述高浓度杂质区域，一边在半导体器件的侧面部上形成用于保护侧壁的绝缘性沉积膜。另外，在使半导体晶圆上形成的半导体器件的侧面部的一部分露出的步骤之后，层叠两个以上的半导体晶圆，此后通过切割步骤切出具有所述露出部分的层叠型的半导体模组以实现单片化。
发明效果
即使在层叠不同种的半导体器件的情形中也易于统一彼此的外形形状。另外，在层叠同一器件尺寸的多个半导体器件的层叠半导体器件中，能够增加存储器器件容量或集成电路规模。进一步地，在近年来得到普及推广的被称为无人机的小型飞行器等中，通过所使用的半导体器件的高集成化、低耗电、低发热化、尤其是轻量化从而有助于提高飞行持续时间和物品搬运能力。
由于使层叠半导体器件的侧面部形成为弯曲形状，因此能够灵活地应对半导体器件的使用环境或封装条件，从而能够实现装置的小型、轻量化。尤其是，通过将半导体基板侧面部的表面形状设置成凸状，从而例如易于将半导体器件组装到不对劲小型摄像装置内。另外，如果设置成凹状，则例如易于将半导体摄像器件配置成像齿科或头部的摄影装置那样包围被拍摄体。进一步地，层叠半导体器件的内部设置从上部到下部贯通的中空部，在其侧壁形成侧壁金属层，较佳地，使半导体器件间形成的金属层互相接触其一部分，通过这样的结构，易于将半导体器件所产生的热量有效地散发到外部。从而易于将爱发热的CPU和驱动能力大的输出缓冲电路插入到半导体器件之间，因此能够使用于冷却的散热器和冷却风扇小型化，甚至取消不要。
即使在半导体器件周边区域设置有晶体管和光电转换区域的情形中，也能够减轻由界面态和晶格缺陷等引起的噪声和像素缺陷等的特性劣化。另外，由于使用绝缘性材料覆盖半导体基板侧面部，因此能够保护器件免受金属或化学物质等引起的污染，防止产品寿命的劣化。
将半导体基板侧面部作为受光窗使入射的光在半导体基板内形成的光电转换区域发生光电转换，因此能够将入射光行进的光电转换区域内的距离设定在数微米到数毫米的范围，从而实现对红外线和X射线等也具有高灵敏度的摄像器件。进一步地，由于所述受光窗弯曲，因此也实现了能够对应由非平面性的外形构成的被拍摄体的形状和大小的摄像器件。
由于将由绝缘性材料覆盖的半导体基板侧面部作为高浓度杂质区域，因此能够减轻由界面态和晶格缺陷等引起的噪声和像素缺陷等的图像劣化。
由于使受光窗的排列间距与摄像器件的厚度相当或者大于摄像器件的厚度，因此，在将摄像器件多层层叠时，也能够实现像素的排列间距在纵方向和横方向上均为各向同性且规则排列的高分辨率摄像器件。由于与光电转换区域相邻接地设置有环状电荷倍增输送部，因此实现了能够拍摄微弱入射信号的高灵敏度摄像器件。
在制造有效利用半导体基板周边部或侧面部的半导体器件时，由于设置了使半导体器件侧面部的一部分露出进而被绝缘体覆盖的步骤，因此易于制造所述半导体器件。根据本发明，在使所述半导体器件侧面部的一部分露出的步骤之后，能够在保留所述半导体晶圆上的所述露出部分的状态下将所述半导体器件单片化。根据本发明所述的半导体器件的制造方法，具有半导体晶圆上形成的半导体器件的侧面部形成绝缘膜，在刻蚀步骤中将该半导体器件单片化的步骤，因此能够消除由晶圆切割步骤引起的半导体器件周边部或侧面部中的不正常。根据本发明，在半导体晶圆上的半导体器件侧面部形成沟道部，在其内壁形成氧化硅膜且通过CVD法的氧化硅膜埋入沟道部，此后，通过刻蚀埋入氧化硅膜的一部分而使半导体器件侧面部露出，由于设置了这样的步骤，因此能够得到被绝缘体覆盖的高加工精度的半导体器件侧面部。根据本发明，在半导体晶圆上的半导体器件的侧面部上形成高浓度杂质区域后，通过研磨半导体晶圆背面使其薄化，此后，一边通过反应性离子刻蚀法除去高浓度杂质区域，一边在半导体器件的侧面部上形成用于保护侧壁的绝缘性沉积膜，由于设置了这样的步骤，因此例如即使是基板的厚度较厚的半导体晶圆，也能够容易地对硅晶圆进行高速刻蚀且在半导体器件侧面部上形成绝缘体。根据本发明，与现有的通过刀片切割和激光的单片化方法相比，具有能够减轻切截面的损伤且易于得到高精度的弯曲的切截面形状的效果。
附图说明
图1为层叠半导体器件100的透视图(a)、图1(a)的A-A’部所示部位的截面图(b)、及构成层叠半导体器件100的半导体器件102的平面模块图(c)。
图2为图1(c)的一部分102a部的细部图(a)、及从图2(a)所示B-B’部截面看到的截面图和等价电路图(b)。
图3为从层叠半导体器件200a的X-Z平面和Y-Z平面看到的侧面图(a)、及从层叠半导体器件200b的Y-Z平面看到的侧面图(b)。
图4为层叠半导体器件300的透视图(a)、构成层叠半导体器件300的半导体器件302的平面电路模块图(b)、同样地半导体器件303的平面电路模块图(c)。
图5为层叠半导体器件400a的透视图(a)、在X-Y平面上配置有四个层叠半导体器件400a的半导体模组400b的平面图(b)、构成层叠半导体器件400a的半导体器件402的平面模块图(c)、以及构成层叠半导体器件400a的半导体器件403的平面模块图(d)。
图6为层叠半导体器件500的透视图(a)、图6(a)中C-C’部的截面图(b)、以及构成层叠半导体器件500的半导体器件502的平面模块图(c)、图6(c)中用虚线包围的502a部分的放大图(d)、及图6(d)中的电势变化曲线(e)。
图7为层叠半导体器件600的透视图(a)、图7(a)的D-D’部所示部位的截面图(b)、及构成层叠半导体器件600的半导体器件602的平面模块图(c)。
图8为层叠半导体器件700的透视图(a)、图1(a)中E-E’部的截面图(b)、及构成层叠半导体器件700的半导体器件701的平面模块图(c)、及图8(c)中F-F’部的截面图(d)。
图9为层叠半导体器件800的透视图(a)、图9(a)的G-G’部所示部位的截面图(b)、构成层叠半导体器件800的半导体器件802的平面模块图(c)、及构成层叠半导体器件800的半导体器件803的平面模块图(d)。
图10为层叠半导体器件900的透视图(a)、构成层叠半导体器件900的半导体器件902的平面模块图(b)、构成层叠半导体器件900的半导体器件904的平面模块图(c)、图10(b)中用虚线包围的902a部分的放大图(d)、及图10(d)中的等价电路图(e)。
图11为形成有半导体器件302及402的半导体晶圆W1的X-Y平面图(a)、及形成有半导体器件602的半导体晶圆W2的X-Y平面图(b)。
图12为用于说明半导体器件的制造方法的一例的制造步骤流程图。
图13为形成有多个半导体器件502的半导体晶圆W3的X-Y平面图(a)、及形成有多个半导体器件902-1、902-2、902-3、902-4的半导体晶圆W4的X-Y平面图(b)。
图14为用于说明半导体器件的制造方法的另一例的制造步骤流程图。
图15为表示用于说明半导体器件的制造方法的主要步骤的截面图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)。
图16为表示用于说明半导体器件的另一制造方法的主要步骤的截面图(a)、(b)、(c)、(d)。
具体实施方式
将层叠半导体器件100的透视图显示在图1(a)中。层叠半导体器件100是在使用半导体器件101、102及103的半导体基板的厚度方向上夹着电连接装置层叠而成。如该图右侧的坐标轴所示，如果以半导体基板面为X-Y平面，则半导体基板的厚度方向被定义为Z轴。图1(a)所示的半导体器件101、102及103其X-Y平面视角上的平面形状均为相同形状(方形)。如以下所详细说明地，本图的前侧可看到的层叠半导体器件100的侧面、即位于X-Z平面上的各半导体器件101、102及103的侧面部被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。被半导体器件101和103夹持的半导体器件102例如为在所述侧面部具有多个受光窗6的半导体摄像器件。受光窗6是通常使用的像素和与像素相同的概念，表示后述的光电转换区域的端部的位置。半导体器件101例如在内部具有用于控制半导体摄像器件102的各种控制电路、数字信号处理电路、非挥发性存储器等。半导体器件103例如在内部具有数据缓冲存储器、数字信号处理电路、外部通信接口电路等。该图中的虚线A-A'部沿Z轴方向的层叠半导体器件100的Y-Z面的截面图显示在图1(b)中。如上所述，半导体器件101、102和103的X-Z平面的侧面部被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。因此，即使是该部分在使用时露出到外部的情形，也能够期待防止器件的可靠性下降的效果。半导体器件101、102和103的各自的另外三个侧面部被半导体基板露出的侧面2包围。半导体器件101与102之间以及102与103之间形成有作为电性连接部件的微型焊点67和图中未示出的微型焊盘，从而能够实现在半导体器件101与102之间以及102与103之间的电性连接。另外，在半导体器件102和103上形成有所谓的硅穿透电极(TSV)10，易于进行半导体器件101和102的表面与背面的电性连接。半导体器件101与102之间以及102与103之间夹着绝缘性的接合层71一体形成有层叠半导体器件100。半导体器件103的背面、即层叠半导体器件100的底部形成有能够与外部电性连接的输入输出焊盘69。半导体摄像器件102的X-Y平面的电路模块图显示在图1(c)中。半导体摄像器件102的一侧面被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。其他三个侧面部被半导体基板露出的侧面2包围。氧化硅膜等绝缘体3的下部的半导体基板中形成有光电转换区域7，例如为pn结型光电二极管。红外光、可见光或X射线等入射光1从Y轴方向入射，在光电转换区域7被转换为电信号。光电转换区域7的延伸距离沿入射光1的入射方向例如为10微米至5毫米左右，易于延伸，因此，对于红外光和X射线的检测尤其有效。另外，被转换的电信号经信号读出扫描电路9被送到信号处理电路11等。其他的电路模块、例如电路模块13、15、17分别为驱动定时发生电路、接口电路及输入输出缓冲电路。多个TSV10沿着上述硅基板露出的三个侧面被配置在半导体摄像器件102的周边部。与被绝缘体覆盖的平面3接近的半导体摄像器件102的周边部没有配置TSV10，因此能够将光电转换区域7配置在构成半导体摄像器件102的半导体基板侧壁部附近。另一方面，靠近半导体基板露出的侧面部2的器件周边部配置有TSV10，因此，不存在像现有半导体器件那样，越脱离设计规范，半导体摄像器件102的可靠性越低的风险。另外，关于由虚线包围的区域102a的结构将在以下进行详细描述。
图2(a)为图1(c)的一部分(102a)的放大图，以CCD型摄像器件的情形为例对该进行说明。图2(b)为图2(a)的入射光1的光路方向上的B-B’部的截面结构及部分等价电路图。光电转换区域7为电荷输送路，例如由4相驱动的传输电极组25进行电荷输送。另外，在图2(a)中，出于说明的考虑，省略了传输电极组25的一部分进行图示，以使光电转换区域7可见。所输送的信号电荷被送到信号读出扫描电路9。信号读出扫描电路9的结构使用图2(a)进行说明。即，所输送的信号电荷被进行信号读出，由扫描电路9中的信号电荷检测电路19、例如浮动扩散放大器(FDA)读出，再由AD转换电路21转换成数字信号。数字数据由扫描电路23依次读出到外部。这些电路的驱动信号等由布线组27供应。然后，对放大图102a的B-B’部的截面结构进行说明。例如，在p型半导体基板29内导入了n型杂质的光电转换区域7沿入射光1的行进方向延伸形成。而且，光电转换区域7被器件分离区域、例如图中未示出的高浓度p型杂质区域与周边电路模块电性分离。如此，p型n型的半导体区域构成光电二极管进行光电转换。实际上，通过施加给传输电极组的驱动脉冲，在光电二极管完全耗尽的状态下开始曝光。在本结构中，光电转换区域7与半导体基板面平行延伸，沿其延伸方向铺设有传输电极组25，从而能够将用于使光电转换区域7完全耗尽的耗尽电压设定得较低。因此，能够使摄像器件的驱动电压与现有的二维CCD摄像器件相当。另外，由于入射光不会透过传输电极组而入射到光电转换区域上，因此传输电极组25不会使入射光衰减。进一步地，由于在沿输送路形成的电荷包的位置信息被原封不动保持的状态下进行电荷读出，因此适合于入射光的能量光谱解析。由传输电极组25输送的电荷通过输出栅端子35输送给浮动扩散部41，由信号电荷检测电路19读出。端子37和39分别为复位端子和复位漏极。如此，入射光在半导体基板内行进的同时发生衰减。例如，当光电转换区域7的延伸距离为数百微米至数毫米，入射X射线能量为50Kev以下时，能够由硅光电二极管有效地进行光电转换。另一方面，在50Kev～5Mev的X射线和伽马(γ)射线的检测中，康普顿散射起支配作用，X射线和γ射线的能量的一部分被转换为电子能量，进一步地，衰减的X射线和γ射线与硅相互作用从而影响转换效率。因此，硅基板越厚，即本实施例中，在与光电转换区域7的硅基板面相平行的方向上的延伸距离越长，越能够得到高的检测效率。着眼于这一点，将用于向外部读出在光电转换区域产生的光电荷的信号读出扫描电路9等夹持着所述光电转换区域形成于与受光窗侧相对侧的半导体基板上。通过该结构，防止由放射线损伤引起的MOS器件等的劣化，得到提高了可靠性和产品寿命的半导体摄像器件。
一般地，半导体基板的侧端部露出或形成是在将半导体晶圆割断成单个半导体器件的晶圆切割步骤中。因此，半导体基板的侧端部会随着例如单晶硅部分的露出和切割而经常产生缺损和划痕。通常的半导体器件在周围配置接合焊盘和工艺测试图案等，实际的电路部位于距离切割部100微米以上的器件内部，通过封装而与外部气体隔绝，因此发生污染或其他器件劣化的风险极低，原本并没有将半导体侧端部作为例如受光面等这样的前提，因此也就没有产生任何问题。但本实施例中，将半导体基板侧端部作为受光面是不符合上述前提的。即，从切割部附近存在光电转换区域，受光面通常要朝被拍摄体方向露出，并要在一边抑制衰减，一边将入射光导入到光电转换区域7的内部。因此，在本实施例中，入射光侧的半导体基板侧端部、即受光面被氧化硅膜(SiO2)等被绝缘膜覆盖，并在其正下方设置高浓度p型杂质区域43。更优选地，在半导体基板的底面部设置氧化硅膜(SiO2)等绝缘膜47、高浓度p型杂质区域33，从而能够将半导体基板背面侧的界面状态影响抑制到最小。通过本结构能够防止由界面态和晶格缺陷等引起的噪声和像素缺陷等图像劣化，并能够保护半导体器免受金属或化学物质等引起的污染，防止产品寿命的劣化。进一步地，在本实施例中，在半导体基板的背面层叠有遮光膜49。通常用铝薄膜等作为遮光膜，但通过使用包含钨等元素序号大的金属的材料能够减轻从受光窗以外侵入的入射光、尤其是X射线等带来的影响。据此，能够实现像素间的串话和噪声较少的高画质的半导体摄像器件。
上述层叠半导体器件100是将半导体器件三层层叠的例子，但并不限于此。也可以是四层以上的层叠半导体器件。另外，通过将半导体摄像器件进行二层以上层叠，能够检测出X-Z平面内的二维入射光。图3(a)为从X-Z平面看到的层叠有三层的同一半导体摄像器件201的层叠半导体器件200a的侧面图，以及从Y-Z平面看到的平面图。在从层叠半导体器件200a的X-Z平面看到的侧面图中，很多受光窗6呈阵列状配置。此处应当注意的点是，受光窗6的横方向的排列间距(Dh)和纵方向的排列间距(Dv)。横方向的排列间距(Dh)能够在半导体摄像器件201的光掩膜设计阶段精密地确定。另一方面，纵方向的排列间距(Dv)取决于半导体摄像器件201的厚度(Dt)和半导体摄像器件之间的接合层71的厚度。即，如该图右手侧记载的Y-Z面的截面结构所示，单个的半导体摄像器件201能够通过硅穿透电极(TSV)10和微型焊点67互相电性连接，并能够通过输入输出微型焊盘69与层叠半导体器件200a的外部相连接。由于采用这种三维IC结构，因此能够在设计阶段估计纵方向的排列间距(Dv)之后，确定横方向的排列间距(Dh)。较佳地，将横方向的排列间距(Dh)设定为大于单个的半导体摄像器件201的厚度(Dt)。这是为了当层叠多个半导体摄像器件201时，要对应由接合层71等引起的纵方向的排列间距(Dv)的增大。据此，能够实现受光窗6或像素的排列间距在纵方向及横方向上均各向同性(Dh＝Dv)且规则排列的摄像器件。从而能够飞跃式地提升像素数或分辨率。将从另一变形例所述的层叠半导体器件200b的Y-Z平面看到的侧面图显示在图3(b)中。层叠半导体器件200b例如由层叠有从硅半导体基板制造的多个半导体摄像器件201a、201b、201c的结构构成。在半导体摄像器件201a的受光面上层叠有闪烁体73。对于闪烁体材料，并不限于例如CsI针状结晶等无机材料，也可以为蒽和二苯乙烯等有机材料系的闪烁体。即使是在闪烁体层中对发光没有帮助的透过X射线等，由于在半导体基板内进行了光电转换，因此能够使摄像器件高灵敏度化。另外，通过检测对特定波长的入射X射线等的发光峰值，从而能够进一步提高光谱灵敏度或波长分辨率。半导体摄像器件201b例如被用于可见光和近红外光的检测。另外，在半导体摄像器件201c的受光面上层叠彩色滤光片75。由于通过彩色滤光片能够选择性地透过或遮挡特定波长域的入射光，从而提高波长分辨率。另外，通过层叠能够衰减或遮挡有可能会破坏画质的入射光的遮光膜，能够防止画质下降。如此，通过将具有不同摄像特性的半导体摄像器件组合层叠，从而能够实现例如具有多个光谱分析功能的混合光谱分析诊断装置等。
层叠半导体器件300的透视图显示在图4(a)中。层叠半导体器件300是将使用半导体器件301、302和303的半导体基板沿厚度方向夹着电性连接部件层叠而成的。图4(a)所示的半导体器件301、302和303在X-Y平面视角上的平面形状均为相同形状(一边为凸形)。如以下所详细说明的，本图前侧可见的层叠半导体器件300的侧面、即各半导体器件301、302和303的侧面部被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。被半导体器件301和303夹持的半导体器件302是例如在所述凸形侧面部上具有多个受光窗6的半导体摄像器件。半导体器件301内部具有例如用于控制半导体摄像器件302的各种控制电路、数字信号处理电路、非挥发性存储器等。半导体器件303内部具有例如数据缓冲存储器、数字信号处理电路、外部通信接口电路等。图4(b)为半导体摄像器件302的X-Y平面图。周边电路模块9、11、13、15、17等与第一实施例中的说明相同。如图所示，半导体基板侧面部的受光面的表面形状为凸状。另一方面，保留的三边与第一实施例同样地由半导体基板露出的侧面2构成。其他结构和有益特征等也与第一实施例相同。本实施例中的层叠半导体器件300其侧面部的一部分弯曲成凸状，因此适用于例如抵接到人体等或者插入人体内或才与人体密切接触使用的探针型摄像装置。例如易于组装到内窥镜等小型摄像装置内。另外适用于用于插入患者体内或与人体密切接触的探针型摄像装置和内窥镜等小型摄像装置。另外，通过将其与超声波图像测量用探针相结合，便能够将补充超声波图像的红外线或X射线图像重合起来同时取得。另外，通过将凸状弯曲形状组合成圆弧状，便能够覆盖更宽角度或360度的摄像区域。图4(b)所示的半导体器件302其X-Y平面形状并不是矩形，侧壁的一边在X-Y平面视角上弯曲成凸状的形状，且该侧壁具有被氧化硅膜等绝缘体3覆盖的曲面。另一方面，保留的三边与图1所示情形相同地由半导体基板露出的平面2构成。其他的结构及有益特征均与图1(c)所示情形相同。图4(c)所示的半导体器件303其X-Y平面形状并不是矩形，侧壁的一边在X-Y平面视角上为弯曲成凸状的形状，且其侧壁具有被氧化硅膜等绝缘体3覆盖的曲面。半导体器件303上形成有集成电路模块4-1、4-2、4-3和4-4。他们例如为前述的数据缓冲存储器、数字信号处理电路、外部通信接口电路或电源电路等。如此，半导体器件303的外形与半导体器件301、302相同，其一部分弯曲，因此，在半导体器件的封装空间受到制约的情形下，达到了易于与所层叠的其他半导体器件的外形形状一致的特别效果。
层叠半导体器件400a的透视图显示在图5(a)中。层叠半导体器件400a是将使用半导体器件401、402和403的半导体基板沿厚度方向夹着电性连接部件层叠而成的。半导体器件401、402和403其X-Y平面视角上的平面形状均为相同形状(一边为凹形)。图5(b)是在X-Y平面上配置有多个层叠半导体器件400a的层叠半导体模组400b的X-Y平面图。通过本结构，可被利用于例如CT扫描仪等扇形波束形状的入射X射线的拍摄。另外，在图5(c)和(d)以及图4(b)和(c)中，省略针对同一事项的说明，仅对不同的部分进行以下说明。图5(c)中的光电转换区域7与图4(b)的情形不同，其特征在于为了对应以放射状入射的入射光1，光电转换区域7也被形成为放射状。同样地，半导体器件403的侧面的一部分弯曲成凹状，电路模块4-1也沿其形状形成。通过这样的结构，例如适合于齿科或头部摄影那种包围被拍摄体而配置半导体层叠器件的摄像装置等。尤其是适合于配置成包围人体等大的被拍摄体的情形。在现有的CT装置中，由于在摄像器件上使用平板状(二维区域)的传感器，如果增加切片数，入射到半导体摄像器件受光面上的X射线的入射角度便会与半导体摄像器件上的像素位置不同，造成由入射角度引起的入射X射线衰减量不同的问题(被称为伪像的原因之一)，而通过结构能够解决该问题。
层叠半导体器件500的透视图显示在图6(a)中。层叠半导体器件500是将使用半导体器件501、502和503的半导体基板沿厚度方向夹着电性连接部件层叠而成的。图6(a)所示的半导体器件501、502和503如后所述，其X-Y平面视角上的平面形状均为相同形状(圆形)。而且，半导体器件501、502和503的圆形上的侧面部被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。被半导体器件501和503所夹持的半导体器件502例如为在所述侧面部上具有多个受光窗6的半导体摄像器件。半导体器件501内部具有例如用于控制半导体摄像器件502的各种控制电路、数字信号处理电路、非挥发性存储器等。半导体器件503内部具有例如数据缓冲存储器、数字信号处理电路、外部通信接口电路等。该图中的虚线C-C'部沿Z轴方向上的层叠半导体器件500的截面图显示在图6(b)中。如上所述，半导体器件501、502和503的侧面部外周均被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。因此，该部分被置于在使用时露出到外部的情形中，也能够起到防止器件可靠性下降的效果，且适合于插入圆筒状空间中的使用等。半导体器件501与502之间以及502与503之间形成有微型焊点67和图中未示出的微型焊盘作为电性连接部件，从而能够在半导体器件501与502这间以及502与503之间实现电性连接。另外，在半导体器件502和503上形成有TSV10，易于实现半导体器件502和503的表面与背面的电性连接。在半导体器件501与502之间以及502与503之间夹着绝缘性的接合层71，层叠半导体器件500被一体形成。在半导体器件503的背面、即层叠半导体器件500的底部形成有能够与外部电性连接的输入输出焊盘69。半导体器件502的X-Y平面中的电路模块图显示在图6(c)中。半导体器件502的外周侧面被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。氧化硅膜等绝缘体3的下部的半导体基板中形成有光电转换区域7，且圆周上形成为放射状。即使红外光、可见光或X射线等入射光1从360°方向入射，也会在光电转换区域7中被转换为电信号。光电转换区域7的延伸距离能够被设定成例如10微米到5毫米左右，因此对于检测红外光和X射线有效。另外，所转换的电信号经信号读出扫描电路9被送到信号处理电路11等。其他的电路模块、例如电路模块13、15、17分别为驱动定时发生电路、接口电路及输入输出缓冲电路。多个TSV10被配置于上述硅基板的中心部分。因此，在与被绝缘体覆盖的平面3接近的半导体器件502的外周周边部不用配置TSV10，从而能够将光电转换区域7配置在构成半导体器件502的半导体基板侧壁部附近。
进一步地，在本实施例中，信号读出扫描电路9包括具有电荷倍增功能的电荷输送路。用于说明图6(c)中的虚线所包围的扫描电路9的一部502a的结构显示在图6(d)中。在具有电荷倍增功能的电荷输送路上施加有4相输送脉冲φ1、φ2、φ3、φ4，位于排列成短条状的电荷输送电极8的正下方的半导体基板内的信号电荷沿虚线箭头方向输送并进行由碰撞电离实现的电荷倍增。图6(e)为说明位于电荷输送电极正下方的半导体基板内的电位变化的电位图(例如，日本专利特开平7-176721)。在本实施例中，由于能够将具有电荷倍增功能的电荷输送路设置成环状，通过改变环状输送路内的电荷转移阶段或输送旋转数，便能够达到调整高灵敏度化或任意灵敏度设定的特别有益效果，并且由于将电荷输送路配置成环状，因此能够使电荷输送路和输送电极形状设置成大致相同的形状。从而能够抑制输送效率的波动，或者能够均匀提高灵敏度。
层叠半导体器件600的透视图显示在图7(a)中。层叠半导体器件600是将使用半导体器件601、602和603的半导体基板沿厚度方向夹着电性连接部件层叠而成。图7(a)所示的半导体器件601、602和603如后所述，其X-Y平面视角上的平面形状均为相同的外形形状(方形)。而且，半导体器件601、602和603的外周侧面部被硅基板露出的面2包围。进一步地，在本实施例中，在层叠半导体器件600的内部形成有在平面视角上为圆筒形的贯通的中空部20。被半导体器件601和603夹持的半导体器件602例如为位于所述中空部20的侧面部具有图中未示出的多个受光窗6的半导体摄像器件。半导体器件601内部具有例如用于控制半导体摄像器件602的各种控制电路、数字信号处理电路、非挥发性存储器等。半导体器件603内部具有例如数据缓冲存储器、数字信号处理电路、外部通信接口电路等。该图中的虚线D-D'部沿Z轴方向的层叠半导体器件600的截面图显示在图7(b)中。在半导体器件601与602之间以及602与603之间形成有微型焊点67和图中未示出的微型焊盘作为电性连接部件，从而在半导体器件601与602之间以及602与603之间实现电性连接。另外，在半导体器件602和603上形成有TSV10，从而易于将半导体器件602和603的表面与背面电性连接。在半导体器件601与602之间以及602与603之间夹持有绝缘性的接合层71，层叠半导体器件600被一体形成。在半导体器件603的背面、即层叠半导体器件600的底部形成有能够与外部电性连接的输入输出焊盘69。半导体器件602的X-Y平面的电路模块图显示在图7(c)中。层叠半导体器件600的中空部20的侧面被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。在氧化硅膜等绝缘体3的下部的半导体基板中形成有光电转换区域7，包围中空部20，并且形成为放射状。即使红外光、可见光或X射线等的入射光1呈放射状入射，也会在光电转换区域7被有效地转换成电信号。光电转换区域7的延伸距离能够设定为例如10微米到5毫米左右，使检测红外光和X射线有效。另外，所转换的电信号经信号读出扫描电路9被送到信号处理电路11等。其他的电路模块、例如电路模块13、15、17分别为驱动定时发生电路、接口电路和输入输出缓冲电路。多个TSV10被配置在上述硅基板的外周部分。因此，与被绝缘体覆盖的中空部20接近的半导体器件602的中空部20附近并不配置TSV10，从而能够将光电转换区域7配置在中空部侧壁附近。通过这样的结构，能够适用于例如X射线等入射光1从中空部20的中心附近被射出的情形，以及检测从与各像素、即受光窗相对向的方向入射的X射线等的情形。进一步地，在层叠的半导体晶圆的切割步骤中，能够适用将半导体器件600单片化的制造方法。另外，由于具有中空部20，能够达到对位于中空部内的被拍摄体、例如为了血液的近红外光谱分析而在中空部内流通的血液进行光谱分析的特别有益效果。
层叠半导体器件700的透视图显示在图8(a)中。层叠半导体器件700是将使用半导体器件701、702和703的半导体基板沿厚度方向夹着电性连接部件层叠而成的。图8(a)所示的半导体器件701、702和703如后所述，其X-Y平面视角上的平面形状均为相同的外形形状(方形)。而且，半导体器件701、702和703的外周侧面部被硅基板露出的面2包围。进一步地，在本实施例中，层叠半导体器件700的内部形成有在平面视角上圆角矩形的贯通的中空部20。如图8(c)所示，半导体器件701内部具有例如为用于控制半导体器件702的各种控制电路、数字信号处理电路、非挥发性存储器、其他电路模块(4-1、4-2、4-3、4-4、4-5和4-6)等。与此相对地，半导体器件702内置有例如数据缓冲存储器、数字信号处理电路、中央运算器件(CPU)等。半导体器件703内置有例如非挥发性存储器、外部接口电路、电源控制电路等。图8(a)的虚线E-E'部在Z轴方向的层叠半导体器件700的截面图显示在图8(b)中。仅就与上述实施例不同的部分进行说明，在层叠半导体器件700的上面与底面、半导体器件701与702之间以及702与703之间形成有金属层18，进一步地，在中空部20的侧壁上形成有侧壁金属层16。而且，较佳地，金属层18与侧壁金属层16彼此的一部分相接触。据此，易于使半导体器件701、702和703中产生的热量高效地散发到外部。以前，尤其是被上下夹持的半导体器件702散热困难，限制了将例如易于发热的CPU和驱动能力大的输出缓冲电路插入到半导体器件间。通过本结构，通过将用于冷却层叠半导体器件的散热器和冷却风扇小型化或者省略不要，有助于使搭载有高性能层叠半导体器件的装置、例如小型飞行体(无人机)等实现轻量化。图8(c)的虚线F-F’部的半导体器件701的截面结构显示在图8(d)中。半导体器件701使用例如p型硅基板29。电路模块4-5形成在N-阱区30-1、P-阱区30-2和N-阱区30-3的CMOS电路模块，被表面绝缘膜12、高浓度杂质层43及背面高浓度杂质层33包围。TSV10形成在半导体器件701的外周部附近，将硅基板露出的侧面2与电路模块4-5隔开。
层叠半导体器件800的透视图如图9(a)所示。层叠半导体器件800是将半导体器件801、802及803沿半导体基板的厚度方向夹着电性连接部件层叠而成的结构。图9(a)所示的半导体器件801、802和803如后所述，其X-Y平面视角上的平面形状均为相同形状(圆形)。而且，半导体器件801、802和803的圆形状的外周侧面部被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。被半导体器件801和803夹持的半导体器件802例如为在所述侧面部具有多个受光窗6的半导体摄像器件。半导体器件801内部具有用于控制半导体摄像器件802的各种控制电路、数字信号处理电路、非挥发性存储器等。半导体器件803内部具有例如、数据缓冲存储器、数字信号处理电路、外部通信接口电路等。另外，本实施例中，在层叠半导体器件800的内部形成有在平面视角上为圆角矩形的贯通的中空部20。该图中的虚线G-G'部在Z轴方向的层叠半导体器件800的截面图显示在图8(b)中。半导体器件801、802和803的中空部20的侧壁全部被氧化硅膜等的绝缘体3覆盖。因此，即使被置于层叠半导体器件800的外周及中空部20的侧壁在使用时露出到外部的情形下，也能够期待得到防止器件可靠性降低的效果。图8(c)和图8(d)分别为半导体器件802及半导体器件803的平面模块图。其细节与前述的另一实施例相同。在本实施例中，由于使层叠半导体器件800的外形形状为圆筒形，因此当插入到管内使用时，例如插入到试管或导管中变得极为容易。另外，向中空部20的内部通入来自于外部的信号线和光纤，或者通入用于冷却层叠半导体器件800内部的气体和液体均是可以的。达到了以往不曾有过的特别有益效果。
层叠半导体器件900的透视图显示在图10(a)中。层叠半导体器件900是将半导体器件901、902、903和904沿半导体基板的厚度方向夹着电性连接部件层叠而成的结构。图10(a)所示的半导体器件901、902、903和904在X-Y平面视角上的平面形状均为相同形状(圆环形)。而且，半导体器件901、902、903和904的圆形状的外周侧面部被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。被半导体器件901和904夹持的半导体器件902和903例如为在所述侧面部具有多个受光窗6的半导体摄像器件。半导体器件901内部具有用于控制半导体摄像器件802的各种控制电路、数字信号处理电路、非挥发性存储器等。半导体器件904内部具有例如数据缓冲存储器、数字信号处理电路、外部通信接口电路等。另外，在本实施例中，层叠半导体器件900的内部形成的在平面视角上为圆形贯通的中空部20为环状。半导体器件901、902、903和904的中空部20中的侧壁均被氧化硅膜等绝缘体3覆盖。因此，即使被置于层叠半导体器件900的外周及中空部20的侧壁在使用时露出到外部的情形，也能够防止器件可靠性降低。图10(b)及图10(c)分别为半导体器件902和903以及半导体器件904的平面模块图。其细节与前述另一实施例相同。在本实施例中，如图所示，X射线等入射光1适合于从环状的中心附近射出的情形以及检测从与各像素、即受光窗相对向的方向入射的X射线等的情形。另外，通过使用层叠有单个半导体基板的晶圆尺寸的大型层叠半导体器件900，容易包围被拍摄体。因此容易实现例如以头部等身体的一部分或者小动物等为对象的小型CT装置等，进而能够实现片上信号处理的高速、低耗电驱动。
图10(d)是图10(b)中的一部分902a的放大图，以MOS型摄像器件为对其结构进行说明。图10(e)为图10(d)的电路模块51的等价电路图。如图所示，光电转换区域7被分割成三个区域(7-1,7-2,7-3)。在这三个区域所产生的信号电荷经相邻接的MOS型信号输送电路51由信号电荷检测电路19例如FDA个别地或附加地读出，并被发送给AD转换电路21。如图10(e)所示，为使MOS型信号输送电路51将来自于被分割的光电转换区域的信号电荷读出到信号电荷检测电路19的输入端子、即浮动扩散部(57-1,57-2,57-3,59)，接通信号输送电极(55-1,55-2,55-3)。信号电荷读出后，浮动扩散部将复位端子63接通，被复位成复位漏极61的电位水平。另外，如图10(d)所示，MOS型信号输送电路51配置在开口、即遮光膜53的下方。通过对遮光膜使用包含例如钨等重金属的材料，能够期待得到遮蔽X射线等的效果，从而能够减轻MOS器件等的辐射损伤。另外，关于信号电荷检测电路19之后的后段的电路模块21,23及布线组27等，与图2(a)所示情形相同。由于采用MOS型的摄像器件结构，与CCD型摄像器件结构的情形相比，尤其能够降低大型层叠半导体器件900的耗电。
使用图11～图16对在上述实施例中所使用的半导体器件的制造方法进行说明。作为实现上述半导体器件或层叠半导体器件等结构的制造方法，重要的晶圆加工处理步骤为具有侧壁绝缘膜的半导体器件或层叠半导体器件的制造步骤，以及在残留其侧壁绝缘膜的一部分或全部保留的状态下使单个半导体器件或层叠半导体器件单片化的步骤。如图11(a)所示，例如，侧壁被绝缘膜3覆盖的凸状的半导体器件302或凹状的半导体器件402被制图(贴面)在晶圆W1上。除此以外的其他侧壁可以为硅基板露出的面2，因此通过切割，即沿刻划线22实现单片化。图11(b)所示，例如，半导体器件的内部具有中空部，其侧壁被绝缘膜3覆盖的半导体器件60被制图在晶圆W2上。除此以外的外周部可以是硅基板露出的面2，因此能够通过切割，即沿刻划线22实现单片化。无论哪种情形，均能够原封不动地沿用现有切割等的后步骤。进一步地，如后所述，该制造方法具有能够适用于层叠有多个半导体器件等的层叠半导体器件的单片化的有益特征。图12为本制造方法重要部分的流程图。首先，在晶圆上形成电路器件。如后所述，可以在该步骤内包含形成侧壁绝缘膜3的步骤。然后，通过对晶圆的背面研磨，薄化成例如10～100微米左右。此后，通过等离子刻蚀法使侧壁绝缘膜完全贯通去除。此后，当制造层叠半导体器件时，层叠多个相同的薄化后的晶圆。将这些薄化的晶圆及层叠晶圆通过晶圆切割装置沿刻划线22割断实现单片化。进一步地，根据需要进入到封装步骤。
如图13(a)所示，例如，外周被绝缘膜覆盖的半导体器件502被制图到晶圆W3上。同样地，图13(b)所示，例如，半导体器件的内部具有中空部，其侧壁也被绝缘膜3覆盖的直径各异的半导体器件902-1、902-2、902-3及902-4被制图到晶圆W4上。图14为本制造方法主要部分的流程图。首先，在晶圆上形成电路器件。如后所述，可以在该步骤内包含形成侧壁绝缘膜3的步骤。然后，通过晶圆的背面研磨薄化到例如10～100微米左右。此后，通过等离子刻蚀等使半导体器件外周及中空部的侧壁绝缘膜完全贯通并去除。此后，在制造层叠半导体器件时，将已经被单片化的多个半导体器件502或901-1至901-4层叠，进而根据需要进入到封装步骤。这些半导体器件等的外形全部被侧壁绝缘膜包围，能够通过刻蚀工艺与单片化同时实施。另外，由于并不需要切割步骤，因此通过制图能够实现外形为曲面形状的半导体器件形状。进一步地，由于不使用带旋转叶片的切割装置或激光锯，因此也就不会产生碎裂和划痕，而且也不会产生由激光加热引起的熔融物再附着等问题。在刀片切割或激光锯噪的任意装置中，半导体基板材料自身的缺损量很大，无法期待实现精密的加工形状。对此，通过本方法能够得到精密的加工形状并且半导体晶圆材料的缺损量极少，从而能够达到单片化更多半导体器件等的特别有益的效果。
使用图15、图16对半导体器件的制造方法进行进一步详细说明。这些制造方法涉及图12及图14所示的侧壁绝缘膜形成以及侧壁绝缘膜刻蚀步骤的结节。另外，仅就本发明中特征性的地方即半导体基板的侧壁、尤其是具有侧壁绝缘膜的部分或与单片化相关的区域附近的截面结构进行了图示，其他的内部电路、输入输出电路部或贯通电极部等结构进行了省略。
图15(a)为制造步骤初期阶段、例如p阱区形成步骤中的侧壁附近的截面结构。将光刻胶77盖上掩膜，通过加速能量为数兆电子伏特(MeV)以上的高能量离子注入装置将二价硼离子(B++)进行离子注入。另外，也可以通过本离子注入形成其他部位、例如器件分离区域附近的杂质导入区域。将离子注入之后的杂质分布79a进一步扩散到基板深处，在去掉光刻胶后，与p阱区的形成同时地进行高温热扩散(Drive in)。
然后，如图15(b)所示，以氧化硅膜81及氮化硅膜83为掩膜，将位于侧壁附近的硅基板的一部分刻蚀成沟道状，例如使用包含六氟化硫(SF6)的气体进行干法刻蚀。沟道部85的深度例如为图3(a)中所说明的Dt，被设定成小于横方向的像素间距Dh。另外，沟道部85的周围通过所述硼离子注入和其后的热扩散，使侧壁被p型的杂质分布79b包围。
然后，如图15(c)所示，将沟道部85的侧壁氧化，形成氧化硅膜(SiO2)45。进一步地，通过CVD法由二酸化硅(SiO2)87回填沟道部85。
然后，如图15(d)所示，通过CMP法去除硅基板表面的氧化硅膜并进行平坦化。进一步地，通过背面研磨将硅基板背面薄化到预定厚度(例如，Dv1＝Dt)之后，形成氧化硅膜(SiO2)45。接着，使用离子注入装置从硅基板背面注入一价的硼离子(B+)，形成浅的高浓度杂质层33。
如图15(e)所示，将光刻胶89作为掩膜，通过使用例如包含四氟化碳(CF4)和氧气(O2)的气体的各向异性等离子刻蚀去除位于侧壁附近的由CVD法形成的氧化硅膜87，单片化成单个的摄像器件801。另外，在具有图12所示的切割步骤的制造方法中，通过上述各向异性等离子刻蚀法仅刻蚀具有侧壁绝缘膜的部分。通过本制造方法，能够在硅晶圆的切断步骤前在要成为半导体基板侧端部的受光面的部分形成氧化硅膜(SiO2)，进而在其正下方形成高浓度杂质区域。因此，即使是与硅晶圆的切断同时制造将半导体基板侧面部作为受光面的摄像器件的方法，也能够减轻由界面态和晶格缺陷等引起的噪声和像素缺陷等的图像劣化。另外，在晶圆切割中不使用旋转叶片，便能够通过制图及刻蚀以高产量单片化大量的小型摄像器件。进一步地，能够容易地将半导体基板侧端部的受光面弯曲并精密加工成其他任意形状。
另外，由于对半导体基板侧端部的受光面进行平坦化或清洁化，在上述CVD法的氧化硅膜87的等离子刻蚀后，可以通过刻蚀或研磨等将氧化硅膜45的表面平坦化，或者在将氧化硅膜45去除后，形成新的氧化硅膜45。
使用图16对半导体器件的其他制造方法进行说明。本制造方法涉及图12及图14所示的侧壁绝缘膜形成及侧壁绝缘膜刻蚀步骤的细节。另外，仅就本发明中特征性的地方，即具有绝缘膜的侧壁部分或与单片化相关的区域附近的截面结构进行图示，其他的内部电路、输入输出电路部或贯通电极部等的结构进行了省略。
图16(a)为在制造步骤的初期阶段，例如p阱区形成步骤中的侧壁附近的截面结构。以光刻胶93为掩膜，通过加速能量为数兆电子伏特(MeV)以上的高能量离子注入装置将二价的硼离子(B++)进行离子注入。另外，也可以通过本离子注入形成其他部位，例如形成器件分离区域附近的杂质导入区域。
如图16(b)所示，在将上述离子注入及光刻胶去除后，与p阱区的形成同时进行高温热扩散(Drive in)，使杂质分布91a扩散到基板深处，得到杂质分布91b。然后，通过背面研磨将硅基板背面薄化到预定厚度(例如Dv2＝Dt)。然后，在硅基板背面上形成氧化硅膜层47，进一步地使用离子注入装置注入一价的硼离子(B+)从而在背面形成浅的高浓度杂质层33(图16(c))。
如图16(d)所示，将氧化硅膜95或光刻胶作为掩膜，交替使用例如包含六氟化硫(SF6)的气体和包含氟化碳(C4F8)的气体通过反应性离子刻蚀(RIE)去除，单片化成单个的摄像器件802。另外，在具有图12所示的切割步骤的制造方法中，只有具有侧壁绝缘膜的部分通过上述反应性离子刻蚀法被刻蚀。通过该刻蚀方法，尤其是即使半导体基板的厚度为例如数十微米以上，也容易通过高速刻蚀将半导体基板切断。另外，将氟化碳(C4F8)与六氟化硫(SF6)交替使用，以用于侧壁保护膜沉积。从而得到高纵横比。另外，由于有时会在侧壁上出现凹凸，此时，通过减压氢气中的热处理(例如，10Torr、1100℃)能够使表面平滑化。或者，可以通过刻蚀等去除硅基板侧壁的保护膜沉积97，形成新的氧化硅膜45(图中未示出)。
通过本制造方法，能够在硅晶圆的切断步骤前在要成为半导体基板侧端部的受光面的部分形成高浓度杂质区域，进而在其上部形成氧化硅膜(SiO2)，从而能够减轻界面态和晶格缺陷等引起的噪声和像素缺陷等的图像劣化。另外，由于通过制图及刻蚀对单个的摄像器件实现单片化，因此能够容易地将半导体基板侧端部的受光面弯曲成其他任意形状并高速且精密地进行加工。本制造方法尤其适合于像素尺寸或像素间距(Dh)大的情形，即硅基板的厚度(Dv2)大的情形，例如针对X射线等大型摄像器件的制造。
产业上的可利用性
通过本发明，实现了可对应各种被拍摄体形状的小型半导体摄像器件或晶圆尺寸的大型半导体器件。另外，可以实现层叠有可对应于各种需求的不同种半导体器件、各种传感器的混合摄像装置。例如实现具备复合图像诊断功能的内窥镜、腹腔镜、PET-CT,使用RI的图像诊断装置、近红外光相干断层扫描仪、近红外脑测量装置、超声波图像测量装置等。从而有利于提高诊断精度、减轻曝露在X射线等的患者痛苦和负担、抑制医疗费用。进一步地，可以广泛地应用于摄像领域以外的穿戴式设备、便携通信终端、机器人、要求轻量化的小型飞行器和车载用途等各种各样的领域。
附图标记说明
1……入射光、2……半导体基板露出的侧壁、3……被绝缘膜覆盖的半导体基板的侧壁、4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6、4-7……集成电路模块、6……受光窗、7、7-1、7-2、7-3……光电转换部、8……多晶硅电极、9……信号读出扫描电路、10……贯通电极(TSV)、11……数字信号处理电路、12……表面绝缘膜、13……驱动定时发生电路、14……栅酸化膜、15……接口电路、16……侧壁金属层、17……输入输出缓冲电路和输入输出端子、18……金属层、19……信号电荷检测电路、20……中空部、21……AD转换电路、22……刻划线、23……扫描电路、25……4相电荷输送电极、27……布线组、29……半导体基板、30-1……N-阱区、30-2……P-阱区、30-3……N-阱区、31……器件分离区域、33……背面高浓度杂质层、35……输出栅端子、37……复位端子、39……复位漏极、41……浮动扩散、43……被绝缘膜覆盖的侧壁部正下方的高浓度杂质层、45……形成于侧壁上的氧化硅膜层、47……背面氧化硅膜层、49……背面遮光膜、51……MOS型信号输送电路、53……受光面上的遮光膜、55-1、55-2、55-3……信号输送电极、57-1、57-2、57-3、59……浮动扩散、61……复位漏极、63……复位端子、67……微型焊点、69……输入输出焊盘、71……接合层、73……闪烁体、75……彩色滤光片、77……光刻胶掩膜、79a……刚刚完成离子注入之后的杂质分布、79b……热扩散及沟道刻蚀后的杂质分布、81……氧化硅膜、83……氮化硅膜、85……沟道、87……CVD氧化硅膜、89……光刻胶掩膜、91a……刚刚完成离子注入之后的杂质分布、91b……热扩散后的杂质分布、93……光刻胶掩膜、95……氧化硅膜、97……侧壁保护沉积膜、101、102、103、201、201a、201b、201c、301、302、303、401、402、403、501、502、503、601、602、603、701、702、703、801、802、803、901、902、903、904……半导体器件、100、200a、200b、300、400a、400b、500、600、700、800、900……层叠型半导体器件、W1、W2、W3、W4……本发明所述半导体器件的制造步骤所使用的半导体晶圆、902-1、902-2、902-3、902-4……在半导体晶圆W4上形成为同心圆状的半导体器件、1001、1002……本发明所述半导体器件的制造步骤中被单片化的半导体器件。

Claims (12)

1.一种半导体模组，是将在硅基板面上形成有集成电路的半导体器件沿该硅基板厚度方向通过电性连接部件层叠有n层(n为2以上的整数)的层叠半导体器件，其中，该层叠半导体器件的在该硅基板厚度方向的侧面部被绝缘膜覆盖。
2.根据权利要求1所述的层叠半导体器件，其中，被绝缘膜覆盖的所述侧面部的形状在平面视角上弯曲成凸状、凹状或圆形。
3.一种层叠半导体器件，是由将在硅基板面上形成有集成电路的半导体器件沿该硅基板厚度方向通过电性连接部件层叠有n层(n为2以上的整数)的结构构成的层叠半导体器件，其中具有沿所述硅基板厚度方向将第1层到第n层的所述半导体器件贯通的中空部。
4.根据权利要求3所述的层叠半导体器件，其中，所述中空部的壁面被绝缘膜覆盖。
5.权利要求1～4中任一项所述的层叠半导体器件，其中，在层叠的所述n层的半导体器件之间以及所述中空部的侧壁上具有金属层。
6.根据权利要求1～6中任一项所述的层叠半导体器件，其中，在构成所述层叠半导体器件的一个或两个2以上的半导体器件的侧面部具有受光窗，从该受光窗开始，具有在与形成有所述集成电路的硅基板面相平行的方向上且相对于该硅基板面的平面视角上呈放射状形成的光电转换区域。
7.根据权利要求9所述的层叠半导体器件，其中，在所述半导体器件的侧面部排列的受光窗的排列间距大于所述半导体器件的半导体基板的厚度。
8.一种半导体器件的制造方法，其中，在制造半导体器件的半导体晶圆加工处理步骤中，具有使形成在半导体晶圆上的各个半导体器件的外周部的一部分或全部在Z轴方向上完全露出的步骤。
9.一种半导体器件的制造方法，其中，在使所述中空部的侧面及所述半导体器件的侧面部露出的步骤之后，沿刻划线通过切割将所述半导体晶圆切断，在保留所述露出部分的状态下将所述半导体器件单片化。
10.一种半导体器件的制造方法，其中，具有在所述半导体晶圆上形成的半导体器件的Z轴方向上的侧面部上形成绝缘膜，通过该绝缘膜的刻蚀步骤将该半导体器件单片化的步骤。
11.根据权利要求8～10中任一项所述的半导体器件的制造方法，其中，在所述半导体晶圆上形成的半导体器件的侧面部中离子注入杂质元素之后，将该杂质区域的一部分沟道刻蚀，在该沟道部的内壁上形成氧化硅膜，通过由CVD法形成的氧化硅膜将该沟道部埋入之后，将该埋入氧化硅膜表面平坦化，进一步地，通过研磨所述半导体晶圆背面而完成薄化之后，通过刻蚀所述埋入氧化硅膜的一部分而使所述半导体器件侧面部露出。
12.根据权利要求8～10中任一项所述的半导体器件的制造方法，其中，在所述半导体晶圆上形成的半导体器件的侧面部通过离子注入法形成了高浓度杂质区域之后，通过研磨所述半导体晶圆背面进行薄化，此后，通过反应性离子刻蚀法将所述高浓度杂质区域去除并在该半导体器件的侧面部形成用于保护侧壁的绝缘性沉积膜。
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