JP2009064914A

JP2009064914A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2009064914A
Application number: JP2007230569A
Authority: JP
Inventors: Kazuma Tanida; 一真谷田; Masahiro Sekiguchi; 正博関口; Kenji Takahashi; 健司高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-26

Abstract

【課題】裏面照射型イメージセンサなどの半導体装置において、広範囲な受光面積を有するとともに、機械的な強度不足による信頼性の低下や、受光面の反り・歪みによる撮像歩留まりを低減した新規な構成の半導体装置を提供するとともに、その製造方法を提供する。
【解決手段】光学的に活性な画像素子を含み、能動素子領域及び第１の配線層が形成された半導体基板の第１の主面上に第１の支持基板を形成し、前記半導体基板の受光面となる第２の主面上に第２の支持基板を設ける。前記第１の支持基板には貫通孔が設けられ、第２の配線層を介して前記第１の配線層は外部端子と電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に小型・軽量な裏面照射型イメージセンサパッケージとして好適に使用することが可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

半導体集積回路を利用したイメージセンサパッケージの小型・軽量化のため、イメージセンサチップのウェハレベルチップサイズパッケージ（ＷＬ−ＣＳＰ）化が提案されている。センサチップには、貫通孔が形成され、貫通孔内に配線を設けてチップ裏面に金属バンプを配置することにより実現する。従来の貫通孔を有する半導体装置として、半導体基板の裏面からエッチングにより貫通孔を形成し、半導体表面と裏面の配線間を電気的に接続したものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１では、半導体装置を構成するシリコンで形成された半導体基板の内部に貫通配線を形成し、前記半導体基板の表面には、フォトダイオード（受光部）やトランジスタ、それらを結ぶ配線回路で構成される半導体デバイスが設けられ、いわゆる表面照射型のイメージセンサが形成されている。また、前記イメージセンサは接着材を介して保護ガラスで覆われている。前記貫通配線は前記半導体基板の貫通孔内に設けられている。

前記貫通配線は、前記半導体基板の表面に形成された半導体デバイスと、その裏面に形成された外部端子（半田ボール）とを電気的に接続している。前記貫通孔の内壁面および基板の裏面には絶縁層が設けられており、前記貫通配線は、前記絶縁層によって前記貫通孔と電気的に絶縁されている。さらに、前記半導体基板の裏面には、裏面保護膜が設けられており、外部端子が、前記裏面の外側に突出している。上記半導体装置では、前記貫通孔と前記貫通配線は前記半導体基板の裏面から表面の前記半導体デバイスに亘って作られている。

上記のような構成の半導体装置は以下のようにして形成する。たとえば保護ガラスが接着材を介して貼りつけられた前記半導体基板の裏面に所定のマスクパターンを用いて、前記半導体基板を前記半導体デバイスが露出するまでＲＩＥ（Ｒｉａｃｔｉｖｅｉｏｎｅｔｃｈｉｎｇ）によりエッチングして、前記貫通孔を形成する。次に前記貫通孔の内壁面および前記半導体基板の裏面に絶縁層を形成した後、前記貫通配線をスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法やめっき法により前記絶縁層上に形成する。さらに前記裏面保護膜を形成したのち、前記外部端子を所定の位置に形成する。最後に前記半導体基板をダイシングブレードにより切削することで、上記半導体装置が形成される。

しかしながら、上述のような半導体装置によれば、前記貫通孔を半導体基板中に形成する際に、前記半導体デバイスのフォトダイオードの特性変動が懸念される。また、前記貫通孔は、前記半導体デバイスのフォトダイオードやトランジスタ等の活性領域を避けて形成する必要があるため、I/O数の増加に従い、貫通孔のサイズを微細化する必要があった。

更に、上述のような表面照射型のイメージセンサの場合、受光のためフォトダイオード上に配線が形成できないという配線レイアウトの制限がある。さらにプロセスの世代が進む毎に配線層数が増加するとともに、前記半導体基板の表面に形成されたフォトダイオードまでの間にゲート酸化膜、ＢＰＳＧ膜といった各種の膜の積層数も増加するため、入射する光を吸収・反射してしまいイメージセンサの感度が低下してしまう。また高集積化のためフォトダイオードの開口面積（配線の未形成エリア）も小さくなるため、効率良く光をフォトダイオードに集光できないという問題がある。

このような観点から、上述の表面照射型イメージセンサに対して、フォトダイオードの受光面を半導体基板の裏面に設けた裏面照射型イメージセンサが提案されている。裏面照射型イメージセンサでは、受光面に配線や余計な膜を形成する必要が無いため、表面照射型イメージセンサよりも高い感度を得ることができる。この際、裏面に入射した光を効率良くフォトダイオードに収集するため、半導体基板の薄型化が必要になる。半導体基板の厚さは受光面で発生した電荷が拡散して、フォトダイオードに収集されるまでに解像度が損なわれないように、例えば可視光を入射する場合は２０μｍ以下に薄化するのが望ましい（例えば、特許文献２参照。）。

特許文献２では、半導体装置を構成するシリコンで形成された半導体基板の表面には、フォトダイオードやトランジスタが形成され、それらを結ぶ配線回路で構成される半導体デバイスが設けられている。前記半導体基板は周縁部を残して裏面から薄化され、裏面に照射される光や電子等のエネルギー線を受光しフォトダイオードに収集する受光面を有した、いわゆる裏面照射型のイメージセンサとなっている。

前記半導体基板は、矩形で環状の外部端子ピンを有したセラミックパッケージに裏面の周縁部を接着されている。金属ワイヤーは半導体デバイスの表面に形成された電極部とセラミックパッケージに形成された配線を電気的に接続している。さらに、半導体基板の表面側は充填材（例えばエポキシ樹脂）にて充填されている。

上記の半導体装置では、受光面は半導体基板の裏面から周縁部分を残して表面の半導体デバイスに向かって作られている。上記の形状は、半導体基板の裏面に所定のマスクパターンを用いて、前記半導体基板を水酸化カリウム水溶液によりウェットエッチングして薄化し、前記受光面を形成する。次に、前記半導体基板をダイシングブレードにより切削・分割した後、前記セラミックパッケージに接着しワイヤーボンディングにより前記金属ワイヤーを形成し、前記半導体基板の表面を封止することで目的とする半導体装置が形成される。

しかしながら、上述のような半導体装置によれば、前記半導体基板を薄型化し前記受光面を形成する際に、周縁部分を厚く残す必要があり、厚い半導体基板を広範囲にエッチングするには生産性の面からウェットエッチングが望ましい。ところが、ウェットエッチングされた基板側面は例えばシリコンであれば４５度のテーパ角を有するため、基板の元厚に応じて薄化できる面積、つまり受光面積が制限されてしまう。

また、表面の電極部から前記金属ワイヤーを介して前記セラミックパッケージと電気接続するため、パッケージサイズがセラミックパッケージに依存し、裏面照射型のイメージセンサパッケージの小型・軽量化に限界があった。さらに、薄型化された半導体基板、つまり受光面を表面側に形成された前記充填材のみで支持するため、機械的な強度不足による信頼性の低下や、受光面の反り・歪みにより撮像歩留まりが低下するという問題がある。
特開２００５−３１１２１５号特許第３４８６２２６７号

本発明は、裏面照射型イメージセンサなどの半導体装置において、広範囲な受光面積を有するとともに、機械的な強度不足による信頼性の低下や、受光面の反り・歪みによる撮像歩留まりを低減した新規な構成の半導体装置を提供するとともに、その製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、光学的に活性な画像素子を含む能動素子領域が形成された第１の主面及び受光面となる第２の主面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第１の主面上に設けられ、前記能動素子領域と電気的に接続された第１の配線層と、前記第１の配線層の少なくとも一部を開口するようにして形成された絶縁層と、前記絶縁層上に設けられ、前記絶縁層の開口部と連通するような貫通孔を有する第１の支持基板と、前記貫通孔を介して前記第１の配線層と電気的に接続し、前記第１の支持基板の、前記半導体基板と相対向する側の主面上に露出するようにして形成された第２の配線層と、前記半導体基板の前記第２の主面上に設けられた第２の支持基板と、を具えることを特徴とする、半導体装置に関する。

また、本発明の一態様は、半導体基板の第１の主面に光学的に活性な画像素子を含む能動素子領域を形成する工程と、前記半導体基板の前記第１の主面上に、前記能動素子領域と電気的に接続するようにして第１の配線層を形成する工程と、前記第１の配線層上に、その少なくとも一部を開口するようにして絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上に、前記絶縁層の開口部と連通するような貫通孔を有する第１の支持基板を形成する工程と、前記半導体基板の、前記第１の主面と相対向する第２の主面から前記能動素子領域が受光可能となるまで、前記半導体基板を薄化して受光面を形成する工程と、前記貫通孔を介して前記第１の配線層と電気的に接続し、前記第１の支持基板の、前記半導体基板と相対向する側の主面上に露出するようにして第２の配線層を形成する工程と、前記半導体基板の前記第２の主面上に第２の支持基板を形成する工程と、を具えることを特徴とする、半導体装置の製造方法に関する。

上記態様によれば、裏面照射型イメージセンサなどの半導体装置において、広範囲な受光面積を有するとともに、機械的な強度不足による信頼性の低下や、受光面の反り・歪みによる撮像歩留まりを低減した新規な構成の半導体装置を提供するとともに、その製造方法を提供することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について説明する。

（半導体装置）
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における半導体装置を示す断面図である。
図１に示す半導体装置１では、半導体基板２の第１の主面にはフォトダイオードやトランジスタが形成され、それらを結ぶ配線回路で構成される能動素子領域３が設けられている。半導体基板２は薄化されており、第２の主面に照射される光や電子等のエネルギー線を受光しフォトダイオードに収集する受光面９を有した、いわゆる裏面照射型イメージセンサとなっている。

能動素子領域３の表面には、能動素子領域３と電気的に接続された第１の配線層４が形成され、その上に開口５ａを有する絶縁層５が覆うようにして形成されている。この絶縁層５の上には、開口５ａよりも大きい開口径７ａを有する貫通孔７を持つ第１の支持基板６で覆われている。また、第１の配線層４と電気的に接続するようにして、貫通孔７と第１の支持基板６の表面とに亘って第２の配線層８が形成されている。さらに、第２の配線層８には外部端子１２が設けられ、この外部端子１２を除いて保護層１１が第１の支持基板６と第２の配線層８上に被覆されている。一方、第２の面の受光面９上は光透過性を有する第２の支持基板１０で覆われている。

本例において、第１の支持基板６と第２の支持基板１０とは、同一の材料からなることが好ましい。これによって、第１の支持基板６と第２の支持基板１０との熱膨張などの物理的な諸特性が近似し、以下に示す製造方法における製造過程や半導体装置１の使用中における反りや歪みなどを低減することができる。

第１の支持基板６及び第２の支持基板１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等で構成される。これらの内、特に第２の支持基板１０は受光面９上に位置するので、半導体装置１を可視光に対して使用する場合は、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等を用い、赤外光に対して使用する場合は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を用いることができる。

なお、第１の支持基板６が、Ｓｉなどの導電性材料からなる場合は、貫通孔７内に第１の支持基板６と第２の配線層８とを電気的に絶縁するために図示しない絶縁層を形成する必要があるが、上述したホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等で構成される場合、これら材料自体が十分高い絶縁性を有するため、上記絶縁層を設けなくても、第２の配線層８と第１の支持基板６との電気的絶縁性は十分に担保することができる。

絶縁層５は例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮx）、ＳｉＯＦ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄＳｉＯ_２）膜、ポーラスＳｉＯＣ（Ｃａｒｂｏｎ−ｄｏｐｅｄＳｉＯ２）膜、ポリイミド膜、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）膜、エポキシ樹脂膜等で構成することができる。

第１の配線層４及び第２の配線層８は、例えば高抵抗金属材料（Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＣｏＷＰ等）や低抵抗金属材料（Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等）が単一もしくは複数層積み重なった状態で構成される。
また、上述のように、貫通孔７の開口部７ａを絶縁層５の開口部５ａよりも大きくしているので、以下に示す製造方法において、貫通孔７の外方に第１の配線層４の露出部が隠れる、いわゆるノッチ形状がなくなるため望ましい。

本態様によれば、受光面９の大きさを制限するようなセラミックパッケージなどを有しないので、広範囲な受光面積を確保することができる。また、能動素子領域３を有する半導体基板２の上下を第１の支持基板６及び第２の支持基板１０で挟み込むようにしているので、機械的な強度不足による信頼性の低下や、受光面の反り・歪みによる撮像歩留まりを低減することができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態における半導体装置を示す断面図である。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図２において、半導体装置２１の半導体基板２の第１の主面にはフォトダイオードやトランジスタが形成され、それらを結ぶ配線回路で構成される能動素子領域３が設けられている。半導体基板２は薄化されており、第２の主面に照射される光や電子等のエネルギー線を受光しフォトダイオードに収集する受光面９を有した、いわゆる裏面照射型イメージセンサとなっている。

能動素子領域３の表面には、能動素子領域３と電気接続された第１の配線層４が形成され、その上に開口５ａを有する絶縁層５が覆うようにして形成されている。この絶縁層５の上には、開口５ａよりも大きい開口径７ａを有する貫通孔７を持つ第１の支持基板６で覆われている。また、第１の配線層４と電気的に接続するようにして、貫通孔７と第１の支持基板６の表面とに亘って第２の配線層８が形成されている。さらに、第２の配線層８には外部端子１２が設けられ、この外部端子１２を除いて保護層１１が第１の支持基板６と第２の配線層８上に被覆されている。

また、半導体装置２１の第２の主面上を覆うと共に第２の主面の受光面９を開口する接着層２２を設け、この接着層２２を介して受光面９が光透過性を有する第２の支持基板１０で覆われている。さらに、受光面９上には、集光用のマイクロレンズ２３が設けられている。

本態様の半導体装置２１によれば、第１の実施形態における基本的な効果に加えて、半導体基板２の第２の主面を覆うと共に第２の面を開口する接着層２２を設け、さらに接着層２２を介して第２の面に第２の支持基板１０を設け、第２の面と第２の支持基板１０の間に間隙ができるように設定することで、受光面９上に空間（キャビティ）ができる。そのため、受光面９上に集光用のマイクロレンズ２３を設けることができ、撮像特性が向上し、歩留まりが更に向上する。

なお、その他の構成要素に対して要求される特性は、上記第１の実施形態と同じである。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態における半導体装置を示す断面図である。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図３において、半導体装置３１の半導体基板２の第１の主面にはフォトダイオードやトランジスタが形成され、それらを結ぶ配線回路で構成される能動素子領域３が設けられている。半導体基板２は薄化されており、第２の主面に照射される光や電子等のエネルギー線を受光しフォトダイオードに収集する受光面９を有した、いわゆる裏面照射型イメージセンサとなっている。

能動素子領域３の表面には、能動素子領域３と電気的に接続された第１の配線層４が形成され、その上に開口５ａを有する絶縁層５が覆うようにして形成されている。この絶縁層５の上には、開口５ａよりも大きい開口径７ａを有する貫通孔７を持つ第１の支持基板６で覆われている。この第１の支持基板６は表面に信号処理回路あるいはキャパシタあるいはレジスタからなる活性層３２が設けられている。

また、第１の配線層４と電気的に接続するようにして、貫通孔７と第１の支持基板６の表面とに亘って第２の配線層８が形成されている。さらに、第２の配線層８には外部端子１２が設けられ、この外部端子１２を除いて保護層１１が第１の支持基板６と第２の配線層８上に被覆されている。一方、第２の面の受光面９上は光透過性を有する第２の支持基板１０で覆われている。

本態様の半導体装置３１によれば、上記の基本的な効果に加えて、第一の支持基板６が表面に信号処理回路あるいはキャパシタからなる活性層３２を有し、さらに活性層３２と第２の配線層８を電気接続することで、半導体基板２の第１の主面に画像処理回路や受動部品を積層できるため、半導体装置３１の全体を更に小型・軽量化することができる。

（半導体装置の製造方法）
次に、半導体装置の製造方法について説明する。なお、上記第１の実施形態から第３の実施形態における半導体装置は、マイクロレンズ２３や活性層３２が設けられている点を除き、基本的な構成は同じであるので、以下においては第１の実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。

（第１の実施形態）
図４〜図１１は、第１の実施形態における半導体装置の製造方法を示す工程図である。なお、各図面においては、本態様の特徴を明確にすべく、ウエハの一部に着目し、かかる部分を拡大して示している。

最初に、図４に示すように、半導体基板２の第１の主面にフォトダイオードやトランジスタや、それらを結ぶ配線回路で構成される能動素子領域３が形成されたウェハを準備する。次いで、図５に示すように、能動素子領域３上に第１の配線層４を所定のパターンのマスク（図示は省略されている）を用いてスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法やめっき法により形成する。第１の配線層４は、上述したように、例えば高抵抗金属材料（Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＣｏＷＰ等）や低抵抗金属材料（Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等）が単一もしくは複数層積み重なった状態で構成することができる。

次いで、図６に示すように、能動素子領域３および第１の配線層４上に絶縁層５をＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スピンコート法やスプレーコート法により形成する。絶縁層５は、上述したように、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮx）、ＳｉＯＦ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄＳｉＯ_２）膜、ポーラスＳｉＯＣ（Ｃａｒｂｏｎ−ｄｏｐｅｄＳｉＯ_２）膜、ポリイミド膜、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）膜、エポキシ樹脂膜等で構成することができる。

次いで、図７に示すように、絶縁層５上に半導体基板２とほぼ同じ大きさの第１の支持基板６を貼合せる。この際、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂等からなる接着材（図示は省略されている）を介して貼合わせても良いし、陽極酸化接合等により直接貼合せても良い。第１の支持基板６は、上述したように、例えばシリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等で構成される。

次いで、図８に示すように、断面形状が絶縁層５に向かって凸形状を有する貫通孔７を、第１の支持基板６の表面側から所定のパターンのマスクを用いて（図示は省略されている）プラズマエッチング法により形成し、絶縁層５の一部を露出する。通常、第１の支持基板６が絶縁層５に比較して相対的に大きくエッチングされるように、プラズマ中にエッチング用のガス（例えば第１の支持基板６がシリコン（Ｓｉ）で絶縁層５がＳｉＯ_２膜の場合はＳＦ_６、Ｏ_２、Ａｒの混合ガス）を導入する。

次いで、露出した絶縁層５の一部をプラズマエッチング法により除去し、第１の配線層４を露出する。この場合、絶縁層５が第１の支持基板６や第１の配線層４に比較して相対的に大きくエッチングされるように、プラズマ中にエッチング用のガス（例えば絶縁層５がＳｉＯ_２膜やＳｉＮｘ膜で第１の支持基板６がＳｉ、第１の配線層４がＴｉ、ＴｉＮ、Ａｌで構成される場合は、Ｃ_５Ｆ_８、Ｏ_２及びＡｒの混合ガス）を導入する。

なお、貫通孔７の形成過程において、上記プラズマエッチング法の代わりにレーザエッチング法を用いる場合は、マスクを用いずに一括で貫通孔７の形成及び第１の配線層４の露出を行うことができる。この場合、レーザ光源としては、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、ＵＶ（固体紫外線）レーザ、エキシマレーザ、炭酸ガス（ＣＯ_２）レーザ等が使用される。ＹＡＧレーザの波長は３５５ｎｍ、ＵＶレーザの波長は２１３ｎｍおよび２６６ｎｍ（ＣＬＢＯ：セシウムリチウムトリボレート結晶）、３５５ｎｍ（ＣＢＯ：セシウムトリボレート結晶、ＬＢＯ：リチウムトリボレート結晶）、エキシマレーザの波長は、１９３ｎｍ（ＡｒＦ）、２４８ｎｍ（ＫｒＦ）、３０８ｎｍ（ＸｅＣｌ）、３５１ｎｍ（ＸｅＦ）である。

例えば、第１の支持基板６がＳｉ、絶縁層５がＳｉＯ_２やＳｉＮｘ膜で構成される場合、レーザ光源としては波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザを用いることが好ましい。

また、第１の支持基板６がＳｉ等の導電性材料で構成される場合、絶縁のため、貫通孔７の内壁面を覆う絶縁膜（図示は省略されている）を形成する。一方、第１の支持基板６がホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の絶縁材料で構成される場合には、上記絶縁膜は必要としない。

次いで、図９に示すように、第１の配線層４と電気的に接続するようにして、第１の支持基板６の表面から貫通孔７内に第２の配線層８を、所定のパターンのマスク（図示は省略されている）を用いてスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法、めっき法や印刷法により形成する。第２の配線層８は、上述したように、例えば高抵抗金属材料（Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＣｏＷＰ等）や低抵抗金属材料（Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、半田材等）や導電性樹脂が単一もしくは複数層状で構成することができる。

次いで、図１０に示すように、半導体基板２を第２の面から、機械研削、化学機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）、ウェットエッチング、ドライエッチング法により薄化し、受光面９を形成する。この際、半導体基板２は、受光面９に照射される光や電子等のエネルギー線を第１の面の能動素子領域３中に形成されたフォトダイオードで収集できる厚さまで薄化され、例えば可視光の場合、５〜２０μｍまで薄化する。

次いで、図１１に示すように、受光面９上に半導体基板２とほぼ同じ大きさの光透過性を有する第２の支持基板１０を貼合せる。この際、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂等からなる接着材（図示は省略されている）を介して貼合わせても良いし、陽極酸化接合等により直接貼合せても良い。第２の支持基板１０は、上述したように、使用する光の波長領域に応じて、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等で構成することができる。

次いで、図１２に示すように、第２の配線層８には外部端子１２を設け、この外部端子１２を除いて保護層１１を第１の支持基板６及び第２の配線８上に被覆する。例えば、外部端子１２は半田材で形成され、保護層１１は、ポリイミドやエポキシ樹脂やソルダーレジスト材で形成される。

次いで、半導体基板２、第１の支持基板６、及び第２の支持基板１０をダイサーの切削ブレードにより切断し、図１に示す半導体装置１の個片を得る。

（第２の実施形態）
図１３〜２１は、第２の実施形態における半導体装置の製造方法を示す工程図である。なお、各図面においては、本態様の特徴を明確にすべく、ウエハの一部に着目し、かかる部分を拡大して示している。

最初に、図１３に示すようには、半導体基板２の第１の主面にフォトダイオードやトランジスタや、それらを結ぶ配線回路で構成される能動素子領域３が形成されたウェハが準備する。次いで、図１４に示すように、能動素子領域３上に第１の配線層４を所定のパターンのマスク（図示は省略されている）を用いてスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法やめっき法により形成する。第１の配線層４は、上述のように、例えば高抵抗金属材料（Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＣｏＷＰ等）や低抵抗金属材料（Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等）が単一もしくは複数層積み重なった状態で構成する。

次いで、図１５に示すように、能動素子領域３および第１の配線層４上に絶縁層５をＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スピンコート法やスプレーコート法により形成する。絶縁層５は、上述のように、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮx）、ＳｉＯＦ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄＳｉＯ_２）膜、ポーラスＳｉＯＣ（Ｃａｒｂｏｎ−ｄｏｐｅｄＳｉＯ_２）膜、ポリイミド膜、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）膜、エポキシ樹脂膜等で構成することができる。

次いで、図１６に示すように、絶縁層５上に半導体基板２とほぼ同じ大きさの第１の支持基板６を貼合せる。この際、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂等からなる接着材（図示は省略されている）を介して貼合わせても良いし、陽極酸化接合等により直接貼合せても良い。第１の支持基板６は、上述のように、例えばシリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等で構成することができる。

次いで、図１７に示すように、半導体基板２を第２の面から、機械研削、化学機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）、ウェットエッチング、ドライエッチング法により薄化し、受光面９を形成する。半導体基板２は、受光面９に照射される光や電子等のエネルギー線を第１の面の能動素子領域３中に形成されたフォトダイオードで収集できる厚さまで薄化され、例えば可視光の場合、５〜２０μｍまで薄化する。

次いで、図１８に示すように、受光面９上に半導体基板２とほぼ同じ大きさの光透過性を有する第２の支持基板１０を貼合せる。この際、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂等からなる接着材（図示は省略されている）を介して貼合わせても良いし、陽極酸化接合等により直接貼合せても良い。第２の支持基板１０は、上述したように、使用する光の波長領域に応じて、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等で構成することができる。

次いで、図１９に示すように、断面形状が絶縁層５に向かって凸形状を有する貫通孔７を、第１の支持基板６の表面側から所定のパターンのマスクを用いて（図示は省略されている）プラズマエッチング法により形成し、絶縁層５の一部を露出する。この場合、第１の支持基板６が絶縁層５に比較して相対的に大きくエッチングされるように、プラズマ中にエッチング用のガス（例えば第一の支持基板６がシリコン（Ｓｉ）で絶縁層５がＳｉＯ２膜の場合はＳＦ_６、Ｏ_２及びＡｒの混合ガス）を導入する。

次いで、露出した絶縁層５の一部をプラズマエッチング法により除去し、第１の配線層４を露出する。この場合、絶縁層５が第１の支持基板６や第１の配線層４に比較して相対的に大きくエッチングされるように、プラズマ中にエッチング用のガス（例えば絶縁層５がＳｉＯ_２膜やＳｉＮｘ膜で第一の支持基板６がＳｉ、第一の配線層４がＴｉ、ＴｉＮ、Ａｌで構成される場合はＣ_５Ｆ_８、Ｏ_２、Ａｒの混合ガス）を導入する。

また、上述したプラズマエッチング法の代わりに、レーザエッチング法を用いることもできる。この場合は、マスクを用いずに一括で貫通孔５を形成することができるとともに、第１の配線層４の露出を行うことができる。レーザ光源としては、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、ＵＶ（固体紫外線）レーザ、エキシマレーザ、炭酸ガス（ＣＯ_２）レーザ等が使用される。ＹＡＧレーザの波長は３５５ｎｍ、ＵＶレーザの波長は２１３ｎｍおよび２６６ｎｍ（ＣＬＢＯ：セシウムリチウムトリボレート結晶）、３５５ｎｍ（ＣＢＯ：セシウムトリボレート結晶、ＬＢＯ：リチウムトリボレート結晶）、エキシマレーザの波長は、１９３ｎｍ（ＡｒＦ）、２４８ｎｍ（ＫｒＦ）、３０８ｎｍ（ＸｅＣｌ）、３５１ｎｍ（ＸｅＦ）である。

例えば第１の支持基板６がＳｉ、絶縁層５がＳｉＯ_２やＳｉＮｘ膜で構成される場合、レーザ光源としては、波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザが好ましい。

次いで、図２０に示すように、第１の配線層４と電気的に接続するようにして貫通孔７から第１の支持基板６の表面から貫通孔７内に第２の配線層８を所定のパターンのマスク（図示は省略されている）を用いてスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法、めっき法や印刷法により形成する。上述したように、第２の配線層８は、例えば高抵抗金属材料（Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＣｏＷＰ等）や低抵抗金属材料（Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、半田材等）や導電性樹脂が単一もしくは複数層状で構成される。

次いで、図２１に示すように、第２の配線層８には外部端子１２が設けられ、この外部端子１２を除いて保護層１１が第１の支持基板６及び第２の配線８上に被覆される。例えば、外部端子１２は半田材で形成し、保護層１１は、ポリイミドやエポキシ樹脂やソルダーレジスト材で形成することができる。

（第３の実施形態）
図２２〜２９は、第３の実施形態における半導体装置の製造方法を示す工程図である。なお、各図面においては、本態様の特徴を明確にすべく、ウエハの一部に着目し、かかる部分を拡大して示している。

最初に、図２２に示すように、半導体基板２の第１の面にフォトダイオードやトランジスタや、それらを結ぶ配線回路で構成される能動素子領域３が形成されたウェハが準備する。

次いで、図２３に示すように、能動素子領域３上に第１の配線層４を所定のパターンのマスク（図示は省略されている）を用いてスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法やめっき法により形成する。第１の配線層４は、上述のように、例えば高抵抗金属材料（Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＣｏＷＰ等）や低抵抗金属材料（Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等）が単一もしくは複数層積み重なった状態で構成する。

次いで、図２４に示すように、能動素子領域３および第１の配線層４上に絶縁層５をＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スピンコート法やスプレーコート法により形成する。絶縁層５は、上述のように、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮx）、ＳｉＯＦ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄＳｉＯ_２）膜、ポーラスＳｉＯＣ（Ｃａｒｂｏｎ−ｄｏｐｅｄＳｉＯ_２）膜、ポリイミド膜、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）膜、エポキシ樹脂膜等で構成される。

次いで、絶縁層５をプラズマエッチング法により部分的に除去し、絶縁層５の開口５ａを形成し、第１の配線層４を部分的に露出する。この場合、絶縁層５が第１の配線層４に比較して相対的に大きくエッチングされるように、プラズマ中にエッチング用のガス（例えば絶縁層５がＳｉＯ_２膜やＳｉＮｘ膜で、第１の配線層４がＴｉ、ＴｉＮ、Ａｌで構成される場合は、Ｃ_５Ｆ_８、Ｏ_２、及びＡｒの混合ガス）を導入する。

次いで、図２５に示すように、絶縁層５上に半導体基板２とほぼ同じ大きさで、絶縁層の５ａに対応した位置に、予め断面形状が絶縁層５に向かって凸形状を有する貫通孔７が形成された第１の支持基板６を貼合せる。この際、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂等からなる接着材（図示は省略されている）を介して貼合わせても良いし、陽極酸化接合等により直接貼合せても良い。第１の支持基板６は、上述のように、例えばシリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等で構成することができる。

このとき、貫通孔７の開口７ａが絶縁層５の開口５ａより大きな開口径にする、すなわち、第１の配線層４の露出面積が貫通孔７の開口７ａの開口径よりも小さくなるように設定することが好ましい。これによって、第１の支持基板６を表面側から見た場合、貫通孔７の開口７ａより外に第１の配線層４の露出部が隠れて形成される、いわゆるノッチを排除することができる。

次いで、図２６に示すように、半導体基板２を第２の面から、機械研削、化学機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）、ウェットエッチング、ドライエッチング法により薄化し、受光面９を形成する。半導体基板２は、受光面９に照射される光や電子等のエネルギー線を第１の面の能動素子領域３中に形成されたフォトダイオードで収集できる厚さまで薄化され、例えば可視光の場合、５〜２０μｍまで薄化する。

次いで、図２７に示すように、受光面９上に半導体基板２とほぼ同じ大きさの光透過性を有する第２の支持基板１０を貼合せる。この際、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂等からなる接着材（図示は省略されている）を介して貼合わせても良いし、陽極酸化接合等により直接貼合せても良い。第２の支持基板１０は、上述のように、例えばシリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス等で構成することができる。

次いで、図２８に示すように、第１の配線層４と電気的に接続するようにして、第１の支持基板６の表面から貫通孔７内に第２の配線層８を所定のパターンのマスク（図示は省略されている）を用いてスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法、めっき法や印刷法により形成する。第２の配線層８は、上述のように例えば高抵抗金属材料（Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＣｏＷＰ等）や低抵抗金属材料（Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、半田材等）や導電性樹脂が単一もしくは複数層状で構成することができる。

次いで、図２９に示すように、第２の配線層８には外部端子１２が設け、この外部端子１２を除いて保護層１１を第１の支持基板６及び第２の配線層８上に被覆する。例えば、外部端子１２は半田材で形成し、保護層１１は、ポリイミドやエポキシ樹脂やソルダーレジスト材で形成する。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

第１の実施形態における半導体装置を示す断面図である。第２の実施形態における半導体装置を示す断面図である。第３の実施形態における半導体装置を示す断面図である。第１の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。図４に示す工程の次の工程を示す図である。図５に示す工程の次の工程を示す図である。図６に示す工程の次の工程を示す図である。図７に示す工程の変形例を示す図である。図８に示す工程の次の工程を示す図である。図９に示す工程の次の工程を示す図である。図１０に示す工程の次の工程を示す図である。図１１に示す工程の次の工程を示す図である。第２の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。図１３に示す工程の次の工程を示す図である。図１４に示す工程の次の工程を示す図である。図１５に示す工程の次の工程を示す図である。図１６に示す工程の変形例を示す図である。図１７に示す工程の次の工程を示す図である。図１８に示す工程の次の工程を示す図である。図１９に示す工程の次の工程を示す図である。図２０に示す工程の次の工程を示す図である。第３の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。図２２に示す工程の次の工程を示す図である。図２３に示す工程の次の工程を示す図である。図２４に示す工程の次の工程を示す図である。図２５に示す工程の変形例を示す図である。図２６に示す工程の次の工程を示す図である。図２７に示す工程の次の工程を示す図である。図２８に示す工程の次の工程を示す図である。

符号の説明

１：半導体装置
２：半導体基板
３：能動素子領域
４：第１の配線層
５：絶縁層
６：第１の支持基板
７：貫通孔
８：第２の配線層
９：受光面
１０：第２の支持基板
１１：保護層
１２：外部端子
２２：接着層
２３：マイクロレンズ
３２：活性層

Claims

光学的に活性な画像素子を含む能動素子領域が形成された第１の主面及び受光面となる第２の主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１の主面上に設けられ、前記能動素子領域と電気的に接続された第１の配線層と、
前記第１の配線層の少なくとも一部を開口するようにして形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられ、前記絶縁層の開口部と連通するような貫通孔を有する第１の支持基板と、
前記貫通孔を介して前記第１の配線層と電気的に接続し、前記第１の支持基板の、前記半導体基板と相対向する側の主面上に露出するようにして形成された第２の配線層と、
前記半導体基板の前記第２の主面上に設けられた第２の支持基板と、
を具えることを特徴とする、半導体装置。
前記半導体基板の前記第２の主面と前記第２の支持基板とは互いに離隔して位置し、前記第２の主面と前記第２の支持基板との間に形成された空隙内において、マイクロレンズが配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
前記第１の支持基板の、前記半導体基板と相対向する側の主面に信号処理回路又はキャパシタ又はレジスタからなり、前記第２の配線層と電気的に接続された活性層を具えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体装置。
前記第１の支持基板と前記第２の支持基板とは、同一の材料からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体装置。
半導体基板の第１の主面に光学的に活性な画像素子を含む能動素子領域を形成する工程と、
前記半導体基板の前記第１の主面上に、前記能動素子領域と電気的に接続するようにして第１の配線層を形成する工程と、
前記第１の配線層上に、その少なくとも一部を開口するようにして絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、前記絶縁層の開口部と連通するような貫通孔を有する第１の支持基板を形成する工程と、
前記半導体基板の、前記第１の主面と相対向する第２の主面から前記能動素子領域が受光可能となるまで、前記半導体基板を薄化して受光面を形成する工程と、
前記貫通孔を介して前記第１の配線層と電気的に接続し、前記第１の支持基板の、前記半導体基板と相対向する側の主面上に露出するようにして第２の配線層を形成する工程と、
前記半導体基板の前記第２の主面上に第２の支持基板を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、半導体装置の製造方法。