JP2012015470A - 撮像装置および撮像装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】撮像動作が安定した撮像装置１を提供する。
【解決手段】実施の形態の撮像装置１は、シリコン基板１１の第１の主面１１Ａに形成された撮像素子１３と、第１の主面１１Ａに形成された電極パッド１４と、撮像素子１３と電極パッド１４とを接続する表面配線１２と、シリコン基板１１の第２の主面１１Ｂに形成された外部接続端子２０と、第２の主面１１Ｂ側からシリコン基板１１を貫通し電極パッド１４の裏面に達する基板貫通孔１８を介して電極パッド１４と外部接続端子２０とを接続する裏面配線１９と、撮像素子１３を囲む溝部２１と溝部２１に囲まれた領域とを覆う第２の主面１１Ｂに形成された遮光層２２と、を具備する。
【選択図】図４
【解決手段】実施の形態の撮像装置１は、シリコン基板１１の第１の主面１１Ａに形成された撮像素子１３と、第１の主面１１Ａに形成された電極パッド１４と、撮像素子１３と電極パッド１４とを接続する表面配線１２と、シリコン基板１１の第２の主面１１Ｂに形成された外部接続端子２０と、第２の主面１１Ｂ側からシリコン基板１１を貫通し電極パッド１４の裏面に達する基板貫通孔１８を介して電極パッド１４と外部接続端子２０とを接続する裏面配線１９と、撮像素子１３を囲む溝部２１と溝部２１に囲まれた領域とを覆う第２の主面１１Ｂに形成された遮光層２２と、を具備する。
【選択図】図４
Description
本発明は、固体撮像素子が形成された半導体基板を有する撮像装置および前記撮像装置の製造方法に関し、特にチップサイズパッケージ型の撮像装置および前記撮像装置の製造方法に関する。
電子機器の小型化／薄型化とともに半導体装置の高密度実装の要求が強くなっている。この要求に伴い、半導体ベアチップまたはチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）型の半導体装置を、配線板に直接実装する、いわゆるチップ実装技術が提案されている。例えば、ＣＳＰ型半導体装置は、半導体基板の第１の主面に形成された半導体素子と、第１の主面に形成された電極パッドと、半導体基板の第２の主面に形成された外部接続端子と、第２の主面から半導体基板を貫通し電極パッド裏面に到達する基板貫通孔と、基板貫通孔を介して電極パッド裏面と外部接続端子とを電気的に接続する裏面配線と、を有している。ＣＳＰ型半導体装置は、ワイヤボンディング等の実装に必要なスペースを削減することができる。
ＣＣＤイメージセンサおよびＣＭＯＳイメージセンサ等の半導体基板に作製された撮像素子を有する撮像装置でも種々の構成のＣＳＰ化が提案されている。しかし、半導体基板の内部を透過した光が撮像素子に悪影響を及ぼすことがある。例えばシリコンからなる半導体基板は、赤外光（例えば、波長８２０〜１１７０ｎｍ）を透過する。そして、撮像素子は赤外光も可視光と同様に感知する。このため、撮像素子の受光部側（第１の主面側）からの入射光だけでなく、シリコン基板の第２の主面（裏面）側から入射しシリコン基板内部を透過した赤外光が、撮像素子に到達して感知されることにより、撮像素子が誤信号を出力するおそれがあった。
このため、例えば、特開２００１−１２８０７２号公報および特開２００９−０９９５９１号公報には、撮像装置を構成する半導体基板の裏面に、遮光層を設けることが提案されている。
しかし、公知の撮像装置では、半導体基板の側面から入射した光が撮像素子の誤信号の原因となり、撮像動作が不安定となるおそれがあった。
本発明は、撮像動作が安定した撮像装置および前記撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成すべく、実施の形態の撮像装置は、第１の主面と第２の主面とを有する半導体基板と、撮像部および周辺回路部を有する、前記第１の主面に形成された撮像素子と、前記第１の主面に形成された電極パッドと、前記撮像素子と前記電極パッドとを接続する、前記第１の主面に形成された表面配線と、前記第２の主面に形成された外部接続端子と、前記第２の主面から前記半導体基板を貫通し電極パッド裏面に到達する基板貫通孔を介して、前記電極パッドと前記外部接続端子とを接続する、前記第２の主面に形成された裏面配線と、前記撮像素子を囲むように前記第２の主面に形成された溝部と、前記溝部に囲まれた前記第２の主面の領域と、を覆う、前記第２の主面に形成された遮光層と、を具備する。
また別の実施の形態の撮像装置の製造方法は、第１の主面と第２の主面とを有する半導体基板と、撮像部および周辺回路部を有する第１の主面に形成された撮像素子と、前記第１の主面に形成された電極パッドと、前記撮像素子と前記電極パッドとを接続する前記第１の主面に形成された表面配線と、を具備する素子基板を準備する準備ステップと、第２の主面側から前記半導体基板をエッチングし、前記電極パッドと対向する位置に前記半導体基板を貫通する基板貫通孔と、前記撮像素子を囲む位置に溝部と、を同時に形成する貫通孔／溝部形成ステップと、前記基板貫通孔を介して、前記電極パッドの裏面から前記第２の主面に至る裏面配線と、前記溝部と前記溝部に囲まれた領域とを覆う遮光層と、を前記第２の主面に、同時に形成する裏面配線／遮光層形成ステップと、前記裏面配線上に外部接続端子を形成する外部接続端子形成ステップと、を具備する。
本発明によれば、撮像動作が安定した撮像装置および前記撮像装置の製造方法を提供できる。
以下、本発明を、実施形態の撮像装置１を例に説明する。図１〜図４に示すように、撮像装置１は、半導体基板であるシリコン基板１１と、シリコン基板１１の第１の主面１１Ａに接着層１５を介して接合された透明基板であるガラス基板１６と、を有する。
シリコン基板１１の第１の主面１１Ａには撮像素子１３が形成されている。撮像素子１３は、撮像部１３Ａと、撮像部１３Ａの周囲に形成された周辺回路部１３Ｂと、を有する。
撮像部１３Ａは、複数のフォトダイオードが形成された受光領域と、受光領域上に形成されたカラーフィルタおよびカラーフィルタ上に形成されたマイクロレンズと、を有する。
周辺回路部１３Ｂは、シフトレジスタ、出力アンプ、Ａ／Ｄ変換器およびメモリー回路等を有する駆動用／信号処理用の回路である。
撮像素子１３の周辺には、アルミニウム等の導電膜からなる複数の電極パッド１４が形成されており、それぞれの電極パッド１４は、それぞれの表面（おもてめん）配線１２を介して撮像素子１３と電気的に接続されている。なお電極パッド１４および表面配線１２とシリコン基板１１との間は酸化シリコン等の絶縁層（不図示）により絶縁されている。
そして、それぞれの電極パッド１４の下には、シリコン基板１１を貫通する基板貫通孔（以下「貫通孔」ともいう）１８が形成されている。なお、貫通孔１８はシリコン基板１１を貫通しているが、第１の主面１１Ａ側の開口は電極パッド１４により覆われているビアホールである。
貫通孔１８の断面形状は、第１の主面１１Ａ（おもて面）側の開口が第２の主面（裏面）１１Ｂ側の開口よりも小さいテーパー形状が、後述する裏面配線１９を内部に形成しやすいため好ましい。しかし、貫通孔１８は第１の主面１１Ａ側の開口が第２の主面１１Ｂ側の開口と同じサイズの円柱形状または四角柱形状等でも良い。
貫通孔１８、溝部２１および第２の主面１１Ｂには酸化シリコン等の絶縁層（不図示）が形成される。なお、貫通孔１８の底面１５Ｂ上の絶縁層は電極パッド１４が露出するように部分的に除去される。貫通孔１８の内部、すなわち、電極パッド１４の裏面が露出している底面１８Ｂおよび壁面１８Ａには、第２の主面１１Ｂに到る裏面配線１９が形成されている。なお、裏面配線１９はアルミニウムまたは銅等の導電膜からなる。第２の主面１１Ｂ上の裏面配線１９上には、外部との電気的接続を行うための金バンプまたはハンダボール等からなる凸形状の外部接続端子（以下、「外部端子」ともいう）２０が形成されている。
そして、撮像装置１では、第２の主面１１Ｂに、撮像素子１３の周囲を囲むように、トレンチ状の溝部２１が形成されている。すなわち、溝部２１は第１の主面１１Ａに形成された撮像素子１３の直下の第２の主面１１Ｂの領域を、取り囲むように形成されている。なお、溝部２１がシリコン基板１１を貫通している場合には、溝部２１は撮像素子１３を完全に取り囲んでいる。
溝部２１の断面形状は、貫通孔１８と同様に第１の主面１１Ａ側の開口が第２の主面１１Ｂ側の開口よりも小さいテーパー形状が好ましい。内部に遮光層２２を形成しやすいためである。
溝部２１の断面形状は、貫通孔１８と同様に第１の主面１１Ａ側の開口が第２の主面１１Ｂ側の開口よりも小さいテーパー形状が好ましい。内部に遮光層２２を形成しやすいためである。
ここで、溝部２１は、第２の主面１１Ｂから第１の主面１１Ａに達する、すなわち、シリコン基板１１を貫通していることが特に好ましい。しかし、溝部２１は深さが、シリコン基板１１の厚さの５０〜１００％であればよく、好ましくは７０〜１００％であれば、側面１１Ｃから撮像素子１３に入射する光を遮断することができる。すなわち、シリコン基板１１の厚さが５０μｍの場合には、溝部２１の深さは、２５〜５０μｍ、好ましくは３５〜５０μｍ、特に好ましくは５０μｍである。例えば、第１の主面１１Ａから溝部２１の底部までのシリコン基板１１の厚み、言い換えれば、溝部２１の底部と第１の主面１１Ａとの間の長さが、１０μｍ以下であれば側面１１Ｃから撮像素子１３に入射する光を、ほぼ遮断することができる。
溝部２１の形成位置は、溝部２１の内側の側壁２１Ａが撮像素子１３の外周から２０μｍ〜２００μｍが好ましい。前記範囲以上であれば、溝部２１の形成が撮像素子１３に悪影響を及ぼすおそれがなく、前記範囲以下であれば撮像装置１の小型化に支障がない。
そして、溝部２１の側壁２１Ａ、２１Ｂおよび溝部２１に囲まれた第２の主面１１Ｂ上には、撮像素子に悪影響を及ぼす透過光を遮断するための、遮光層２２が形成されている。溝部２１の側壁２１Ａ、２１Ｂに形成された遮光層２２は、シリコン基板１１の側面１１Ｃからの光を遮断し、第２の主面１１Ｂ上に形成された遮光層２２は、第２の主面１１Ｂからの光を遮断する。
遮光層２２は、シリコン基板１１を透過する赤外光を遮断する機能を有し、例えば、赤外光の透過率５％以下であることが好ましい。遮光層２２の材料としては、遮光可能な材料、例えば、アルミニウムもしくは銅等の金属、または、カーボン粒子もしくは顔料等の遮光物質を含むエポキシ樹脂などが挙げられる。なお、遮光層２２の材料としては、裏面配線１９と同じ材料である金属が特に好ましい。遮光層２２と裏面配線１９とを同時に形成できるためである。
例えば、０．５μmのアルミニウム膜の赤外光透過率は０．１％であるために、遮光層２２の厚さは０．２〜５μｍが好ましい。
例えば、０．５μmのアルミニウム膜の赤外光透過率は０．１％であるために、遮光層２２の厚さは０．２〜５μｍが好ましい。
遮光層２２は、側面１１Ｃからの光が撮像素子１３に到達するのを遮断するために、少なくとも、溝部２１内側（撮像素子１３側）の側壁２１Ａを覆っていればよく、外側の側壁２１Ｂまで覆っている必要はない。もちろん、遮光層２２が側壁２１Ａおよび側壁２１Ｂを覆っていてもよく、溝部２１の内部が遮光層２２で充填されていてもよい。
次に、図５を用いて、本実施形態の撮像装置１の製造方法について説明する。図５は本実施形態の撮像装置の製造方法を説明するための、断面構造を示す模式図である。
＜素子基板準備ステップ＞ 図５（Ａ）
撮像素子１３が形成された第１の主面１１Ａと、第１の主面１１Ａと対向する第２の主面１１Ｂと、を有する平板の単結晶シリコンからなるシリコン基板１１が準備される。
撮像素子１３が形成された第１の主面１１Ａと、第１の主面１１Ａと対向する第２の主面１１Ｂと、を有する平板の単結晶シリコンからなるシリコン基板１１が準備される。
撮像素子１３の撮像部１３Ａは、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサ等である。なお、図４（Ａ）においてはシリコン基板１１の内部に撮像素子１３が形成されている例を示しているが、シリコン基板１１とは別に形成された撮像素子１３が、シリコン基板１１上に配設されていてもよい。
撮像素子１３の周辺回路部１３Ｂは、表面配線１２（図５では不図示）を介して電極パッド１４と電気的に接続されている。表面配線１２は、多層配線層であってもよい。多層配線層は、例えば、アルミニウムからなる導体層形成、導体層パターニング、シリコン酸化膜等からなる層間絶縁層形成、ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリシング）による平坦化処理、を順に繰り返し行うこと等により形成され、複数の層間絶縁層により絶縁された複数の導体配線層からなる立体配線層である。層間絶縁層はシリコン窒化物、ポリイミド、または公知の各種Ｌｏｗ−ｋ材料を用いることができる。
さらに、図示しないが、電極パッド１４部分に検査のための開口を有する保護膜が、第１の主面１１Ａに形成されていてもよい。また表面配線１２の一部を電極パッド１４として用いてもよい。
以上のステップにより、撮像素子１３と接続された複数の表面配線１２と、複数の表面配線１２を介して撮像素子１３と接続された電極パッド１４と、を有する素子基板１Ａが準備される。
＜透明基板接合ステップ＞ 図５（Ｂ）
接着層１５を介して、素子基板１Ａの第１の主面１１Ａに、撮像素子１３等を保護するガラス基板１６が接合される。すなわち、ガラス基板１６は、エポキシ樹脂等からなる接着層１５を介して第１の主面１１Ａを覆うようにシリコン基板１１に貼り合わされる。透明基板および接着層１５は、撮像素子１３が撮像する光の波長領域において９０％以上の透過率を有することが望ましい。
ガラス基板１６は、貫通孔／溝部形成ステップにおいて素子基板１Ａの保持部材として機能するとともに、製造ステップにおいても撮像素子１３等を保護する機能も有している。
なお、撮像素子１３の受光領域上には接着層１５を形成しないで、ガラス基板１６と受光領域との間を空気層としてもよい。
接着層１５を介して、素子基板１Ａの第１の主面１１Ａに、撮像素子１３等を保護するガラス基板１６が接合される。すなわち、ガラス基板１６は、エポキシ樹脂等からなる接着層１５を介して第１の主面１１Ａを覆うようにシリコン基板１１に貼り合わされる。透明基板および接着層１５は、撮像素子１３が撮像する光の波長領域において９０％以上の透過率を有することが望ましい。
ガラス基板１６は、貫通孔／溝部形成ステップにおいて素子基板１Ａの保持部材として機能するとともに、製造ステップにおいても撮像素子１３等を保護する機能も有している。
なお、撮像素子１３の受光領域上には接着層１５を形成しないで、ガラス基板１６と受光領域との間を空気層としてもよい。
＜貫通孔／溝部形成ステップ＞ 図５（Ｃ）、図５（Ｄ）
次に、図５（Ｃ）に示すように、第２の主面１１Ｂの、それぞれの電極パッド１４と対向する位置に開口１８Ｃを、撮像素子１３を囲む位置に額縁状の開口２１Ｃ、を有するエッチマスク層１７が形成される。エッチマスク層１７は、例えばシリコン酸化膜のようなハードマスク、またはフォトレジストのようなソフトマスクである。
次に、図５（Ｃ）に示すように、第２の主面１１Ｂの、それぞれの電極パッド１４と対向する位置に開口１８Ｃを、撮像素子１３を囲む位置に額縁状の開口２１Ｃ、を有するエッチマスク層１７が形成される。エッチマスク層１７は、例えばシリコン酸化膜のようなハードマスク、またはフォトレジストのようなソフトマスクである。
そして、図５（Ｄ）に示すように、第２の主面１１Ｂ側からシリコン基板１１をエッチングし、複数の貫通孔１８と、溝部２１と、が同時に形成される。貫通孔１８および溝部２１は、第２の主面１１Ｂの開口が、第１の主面側の開口／底部よりも大きいテーパー形状を有する。
なお、単結晶シリコン／酸化シリコンに対してエッチング選択比の大きなエッチング方法、例えばＴＭＡＨ溶液によるウエットエッチング処理を用いて単結晶シリコンをエッチングすると、電極パッド１４下の酸化シリコン絶縁層は殆どエッチングされないため、絶縁層がエッチングストップ層となる。すなわち、図５（Ｄ）に示すように、貫通孔１８はシリコン基板１１を貫通しているが、第１の主面１１Ａ側の開口は電極パッド１４により覆われているビアホールとして形成される。
ここで、開口２１Ｃの幅を開口１８Ｃの幅よりも狭くすると、同時にエッチング処理を行っても、溝部２１はシリコン基板１１を貫通しない。もちろん、開口幅を調整することにより、溝部２１がシリコン基板１１を貫通するようにしてもよい。
テーパー状の貫通孔１８および溝部２１は、例えば、シリコン基板１１として単結晶シリコン（１００）基板を用い、ＫＯＨまたはＴＭＡＨ等のアルカリ溶液でウエットエッチング処理を行うことにより、＜１００＞方向のエッチング速度が＜１１１＞方向のエッチング速度より相対的に早い、異方性エッチングとなるため、容易に形成することができる。
また、テーパー形状の貫通孔１８および溝部２１の形成には、ＩＣＰ−ＲＩＥ等のドライエッチング処理を用いてもよく、例えば、ＳＦ６およびＣ４Ｆ８のガス流量比を適宜調整することにより、所望の壁面傾斜角度を有するテーパー形状の貫通孔等を形成できる。異方性ウエットエッチングを用いた場合には傾斜角度は５４．７度と一義的に決まってしまう。これに対してドライエッチング処理を用いた場合には、５４．７度より急勾配のテーパー形状の貫通孔が形成できるため、電極パッドのピッチ（配置間隔）が狭い場合にも対応が可能である。
＜裏面配線／遮光層形成ステップ＞ 図５（Ｅ）
第２の主面１１Ｂ側から、貫通孔１８、溝部２１、および第２の主面１１Ｂに酸化シリコン等の絶縁層（不図示）が、形成される。貫通孔１８の底面１８Ｂの電極パッド１４が露出するように絶縁層を部分的に除去した後に、裏面配線１９と、遮光層２２と、が同時に形成される。すなわち、第２の主面１１Ｂにスパッタ法または蒸着法により、アルミニウムもしくは銅等の導電膜が成膜される。そして、フォトレジストでカバーされた裏面配線１９および遮光層２２以外の導電膜が除去される。
第２の主面１１Ｂ側から、貫通孔１８、溝部２１、および第２の主面１１Ｂに酸化シリコン等の絶縁層（不図示）が、形成される。貫通孔１８の底面１８Ｂの電極パッド１４が露出するように絶縁層を部分的に除去した後に、裏面配線１９と、遮光層２２と、が同時に形成される。すなわち、第２の主面１１Ｂにスパッタ法または蒸着法により、アルミニウムもしくは銅等の導電膜が成膜される。そして、フォトレジストでカバーされた裏面配線１９および遮光層２２以外の導電膜が除去される。
そして、第２の主面１１Ｂ側を、外部端子形成領域に開口を有する保護膜（不図示）で覆う保護層形成ステップと、銅、はんだ等からなるバンプ等の外部端子２０を形成する外部端子形成ステップとが行われる。
なお、説明を簡単にするために。１個の撮像装置１を製造する場合を例に説明したが、ウエハープロセスにより多数の撮像装置１を一括して製造し、最終ステップにおいて個々の撮像装置に分割することが量産性の観点から好ましい。
以上の説明のように、撮像装置１は、撮像素子１３の周囲を囲むように第２の主面１１Ｂ側から形成された溝部２１と、溝部２１に囲まれた第２の主面１１Ｂの領域と、を覆う遮光層２２とを有する。貫通孔を有するシリコン基板１１であっても、側面から入射する光の一部は貫通孔の間を通過するために、撮像素子に入射し誤信号となる恐れがあった。しかし、撮像装置１では、溝部２１に形成された遮光層が、シリコン基板１１の側面１１Ｃから撮像素子１３への光入射を遮断する。また溝部２１に囲まれた第２の主面１１Ｂの領域を覆う遮光層が、第２の主面１１Ｂから撮像素子１３への光入射を遮断する。
このため、撮像装置１は、シリコン基板１１の第２の主面１１Ｂおよびシリコン基板１１の側面１１Ｃから撮像素子１３へ入射する光による、撮像素子１３の誤信号の発生がないため、撮像動作が安定している。
さらに、遮光層２２と、裏面配線１９とを、同一の材料により、同時に形成可能なため、遮光層２２を形成するステップを新たに設ける必要がない。
さらに、貫通孔１８作製時に、溝部２１を同時に形成可能なため、溝部形成のステップを新たに設ける必要がない。
すなわち、上記の製造方法により製造された撮像装置１は、撮像動作が安定している。
本発明は上述した実施の形態または変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。
１…撮像装置、１Ａ…素子基板、１１…シリコン基板、１１Ａ…第１の主面、１１Ｂ…第２の主面、１１Ｃ…側面、１２…表面配線、１３…撮像素子、１３Ａ…撮像部、１３Ｂ…周辺回路部、１４…電極パッド、１５…接着層、１６…ガラス基板、１７…エッチマスク層、１８…基板貫通孔、１８Ｃ…開口、１９…裏面配線、２０…外部接続端子、２１…溝部、２１Ｃ…開口、２２…遮光層
Claims (9)
- 第１の主面と第２の主面とを有する半導体基板と、
撮像部および周辺回路部を有する、前記第１の主面に形成された撮像素子と、
前記第１の主面に形成された電極パッドと、
前記撮像素子と前記電極パッドとを接続する、前記第１の主面に形成された表面配線と、
前記第２の主面に形成された外部接続端子と、
前記第２の主面から前記半導体基板を貫通し前記電極パッド裏面に達する基板貫通孔を介して、前記電極パッドと前記外部接続端子とを接続する、前記第２の主面に形成された裏面配線と、
前記撮像素子を囲むように前記第２の主面に形成された溝部と、前記溝部に囲まれた前記第２の主面の領域と、を覆う、前記第２の主面に形成された遮光層と、を具備することを特徴とする撮像装置。 - 前記溝部の深さが、前記半導体基板の厚さの５０〜１００％であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記溝部の底部と前記第１の主面との間が、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
- 前記遮光層と前記裏面配線とは、同一材料からなることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
- 前記遮光層と前記裏面配線とは、同時に形成されることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
- 前記基板貫通孔と前記溝部とは、同時に形成されること、を特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
- 第１の主面と第２の主面とを有する半導体基板と、撮像部および周辺回路部を有する第１の主面に形成された撮像素子と、前記第１の主面に形成された電極パッドと、前記撮像素子と前記電極パッドとを接続する前記第１の主面に形成された表面配線と、を具備する素子基板を準備する準備ステップと、
第２の主面側から前記半導体基板をエッチングし、前記電極パッドと対向する位置に前記半導体基板を貫通する基板貫通孔と、前記撮像素子を囲む位置に溝部と、を同時に形成する貫通孔／溝部形成ステップと、
前記基板貫通孔を介して、前記電極パッドの裏面から前記第２の主面に至る裏面配線と、前記溝部と前記溝部に囲まれた領域とを覆う遮光層と、を前記第２の主面に、同時に形成する裏面配線／遮光層形成ステップと、
前記裏面配線上に外部接続端子を形成する外部接続端子形成ステップと、
を具備することを特徴とする撮像装置の製造方法。 - 前記溝部の深さが、前記半導体基板の厚さの５０〜１００％であることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置の製造方法。
- 前記溝部の底部と前記第１の主面との間が、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置の製造方法。
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