JP2013543275A - 背面照明固体イメージセンサ - Google Patents

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Abstract

超小型電子ユニット１００が、パッケージング層２０が取り付けられる前面と、前面から離れた背面とを有する半導体素子１４を含む。素子１４は光検出器１７を含み、光検出器は、前面に隣接して配置され、背面を通して光を受光するように配置されるアレイとして配列される複数の光検出器素子を含む。また、半導体素子１４は、前面にあり、光検出器に接続される導電性コンタクト１６も含む。導電性コンタクト１６は、薄い領域と、薄い領域よりも厚みのある厚い領域とを含む。パッケージング層２０を貫通して導電性コンタクトの薄い領域まで導電性相互接続７０が延在し、導電性相互接続７０の一部が超小型電子ユニット１００の表面において露出する。
【選択図】図１Ｏ

Description

本出願において図示及び記述される内容は超小型電子イメージセンサ、及び、例えば、超小型電子イメージセンサを作製する方法に関する。
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１０年１１月５日に出願された米国特許出願第１２／９４０，３２６号の継続出願であり、その開示内容は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
固体イメージセンサ、例えば、電荷結合素子（「ＣＣＤ」）アレイは、無数の応用形態を有する。例えば、固体イメージセンサを用いて、デジタルカメラ、カムコーダ、携帯電話カメラ等に画像を取り込むことができる。チップ上の１つ以上の光検出素子を、必要な電子回路とともに用いて、「ピクセル」又は画素、すなわち、画像の基本単位を取り込む。
固体イメージセンサの構造、及び固体イメージセンサを作製するために用いられるプロセスに対する改善を行うことができる。
一実施の形態によれば、超小型電子ユニットが、前面と、該前面から離れた背面とを有する半導体素子と、前記半導体素子の前記前面に取り付けられるパッケージング層とを備えることができる。前記半導体素子は、アレイとして配列される複数の光検出器素子を含み、前記前面に隣接して配置され、かつ前記背面の一部分を通して光を受光するために前記背面の該部分と位置合わせされる光検出器と、前記前面にあり、該光検出器に接続される導電性コンタクトとを含みうる。前記導電性コンタクトは、第１の厚みを有する薄い領域と、該第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する厚い領域とを含みうる。導電性相互接続は前記パッケージング層を貫通して前記導電性コンタクトの前記薄い領域まで延在することができ、該導電性相互接続の少なくとも一部は該超小型電子ユニットの表面において露出する。
別の一実施の形態では、超小型電子ユニットを形成する方法は、半導体素子の前面に取り付けられたパッケージング層を貫通して延在し、導電性コンタクトの薄い領域において終端する凹部を形成するステップを含みうる。該導電性コンタクトは該半導体素子の該前面に配置される。該半導体素子は該前面から離れた背面を有し、アレイとして配列される複数の光検出器素子を含む光検出器を備える。該光検出器は前記前面に隣接して配置され、前記導電性コンタクトに接続され、前記背面の一部分を通して光を受光するために該背面の該部分と位置合わせされる。さらに、前記導電性コンタクトは、前記薄い領域において第１の厚みを有し、該第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する厚い領域を含む。本方法は、前記凹部を貫通して延在し、前記薄い領域において前記導電性コンタクトに接続する導電性相互接続を形成するステップであって、該導電性相互接続の少なくとも一部は前記超小型電子ユニットの表面において露出するステップを更に含みうる。
別の実施の形態によれば、超小型電子ユニットが、前面と、該前面から離れた背面と、該前面と該背面との間に配置され本質的に半導体材料からなる領域とを有する半導体素子を備えることができる。第１のパッケージング層を前記半導体素子の前記前面に取り付けることができる。前記半導体素子は、アレイとして配列される複数の光検出器素子を含み、前記前面に隣接して配置され、かつ前記背面の一部分を通して光を受光するために該背面の該部分と位置合わせされる光検出器とを備えることができる。前記前面にある導電性コンタクトは該光検出器に接続される。第２のパッケージング層を有するパッケージングアセンブリは、前記半導体素子の前記背面に取り付けることができる。導電性相互接続が前記第１のパッケージング層を貫通し、前記導電性コンタクトを貫通して、前記第２のパッケージング層の中に延在することができ、前記導電性コンタクトに接続される。前記導電性相互接続は、前記半導体領域から電気的に分離され、前記導電性相互接続の少なくとも一部は前記超小型電子ユニットの表面において露出する。
一実施の形態では、半導体素子内の分離領域が、導電性コンタクトを半導体領域から電気的に分離するように、導電性コンタクトを完全に取り囲む。
本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による背面照明イメージセンサを作製する方法における段階を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による、パッケージされた背面照明イメージセンサを示す断面図である。 本発明の別の実施形態による、パッケージされた背面照明イメージセンサを示す断面図である。 本発明の別の実施形態による、パッケージされた背面照明イメージセンサを示す断面図である。 本発明の別の実施形態による、パッケージされた背面照明イメージセンサを示す断面図である。
本発明の一実施形態では、背面照明イメージセンサを有するウェハレベルパッケージが開示される。引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許第６，６４６，２８９号明細書は、薄いシリコン基板を利用する集積回路デバイスを開示している。対応する透明保護層から離れて面する表面上に光電子構成要素が形成される。
米国特許第６，６４６，２８９号明細書において論じられたように、シリコンが薄いことによって、光電子構成要素は、透明保護層を介して突き当たる光に露光されるようになる。保護層の内面上にカラーフィルタを形成することができる。さらに、保護層の内面上にマイクロレンズのアレイも配置することができる。
ここで、背面照明イメージセンサを作製する方法が、図１Ａ〜図１Ｏの個々の作製段階を示す断面図を参照しながら説明される。図１Ａに示されるように、パッケージングプロセスが実行される前の作製の準備段階では、半導体材料ウェハ１０が設けられ、ウェハ１０の表面１１上にプロセス停止層１２が配置される。ウェハ１０は本質的にシリコンからなることがあり、代替的には、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭素（Ｃ）、シリコンとそのような材料との合金若しくは組み合わせ、又はそれぞれ周期表のＩＩＩ族元素とＶ族元素との化合物である１つ以上のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体材料等の他の半導体材料を含みうる。一実施形態では、層１２は、約１μｍ〜約５μｍの厚みを有することができ、本質的に二酸化シリコンからなることがある。
図１Ｂを参照すると、ウェハ１０と同一又は類似の材料から形成される半導体デバイスウェハ１４が、層１２の露出面１５においてウェハ１０と接合される。図１Ｃを参照すると、ウェハ１０及び１４が接合された後に、ウェハ１４を研削するか、又はスマートカットすること等によって、ウェハ１４の厚みが薄くされる。
ウェハ１４は、本質的にシリコンからなることがあるアクティブ半導体層又はアクティブ領域を含む。図１Ａ〜図１Ｏには示されていないが、ウェハ１４は、それぞれイメージセンシング領域を構成する複数の隣接するダイを含む。図１Ｄを参照すると、各センシング領域がアクティブ領域内に形成されるイメージセンサ１７を含む。イメージセンサは複数の光検出器素子を含み、それらの素子は通常はアレイとして配列され、ウェハ１４の前面又は背面に対して垂直な方向の光を介してその上に投じられる画像を取り込むための１つ以上の画素（ピクセル）を形成する。一例では、イメージセンサは、電荷結合素子（「ＣＣＤ」）アレイでありうる。別の例では、イメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）デバイスアレイでありうる。ウェハ１４のセンシング領域又はダイはそれぞれ、後の作製段階において互いに切り離される。本発明の特徴を強調するために、図１Ａ〜図１Ｏには、ウェハ１４を含む超小型電子アセンブリ１００の単一のイメージセンシング領域の一部が示される。アセンブリ１００の作製処理がアセンブリ１００の単一のイメージセンシング領域に関して以下に説明されるが、同じ作製処理が、アセンブリ１００の他のイメージセンシング領域において行われることを理解されたい。
一実施形態では、ウェハ１４は最終的な厚みまで薄くすることができ、その厚みは、ウェハ１４の表面に沿った横方向における、センサ１７内に形成されるピクセルの横寸法と同じである。他の実施形態では、ウェハ１４は約３μｍ〜約５μｍの最終的な厚みを有する。
更に図１Ｄを参照すると、ウェハ１４の厚みが薄くされた後に、ボンドパッド１６がウェハ１４の前面１９上に形成される。オプションでは、ボンドパッド１６は、前面１９に配置される誘電体層（図示せず）の上に重なることができる。
本明細書において用いられるときに、「上部」、「底部」、「上方の」又は「上方に」及び「下方の」又は「下方に」等の用語は超小型電子素子、例えば、半導体ウェハ若しくはチップ、又はそのようなウェハ若しくはチップを組み込むアセンブリ若しくはユニットの座標系を指している。これらの用語は、通常の重力座標系を指していない。参照しやすいように、本明細書では、デバイスウェハ１４の「上面」又は「前面」１９を基準にして方向が示される。通常、「上方」又は「〜から上昇」と称される方向は、前面１９に直交しかつ前面１９から離れる方向を指すものとする。「下方」と称される方向は、前面１９に直交しかつ上方向と反対の方向を指すものとする。「垂直」方向は、チップ前面に直交する方向を指すものとする。基準点「の上」という用語は、基準点の上方の点を指すものとし、基準点「の下」という用語は、基準点の下方の点を指すものとする。任意の個々の素子の「上部」は、上方において最も離れて延在する、その素子の単数又は複数の点を指すものとし、任意の素子の「底部」という用語は、下方において最も離れて延在する、その素子の単数又は複数の点を指すものとする。
本明細書において用いられるとき、導電性構造体が誘電体構造体の面「において露出している」という記述は、導電性構造体が、誘電体構造体の面に対して垂直である方向において、誘電体構造体の外側から誘電体構造体の面に向かって移動している理論的な点に接触することができることを示す。したがって、誘電体構造体の面において露出している端子又は他の導電性構造体は、このような面から突出することができるか、このような面と同一平面とすることができるか、又はこのような面に対して凹状であり、誘電体の孔又は窪みを通して露出することができる。
図１Ｅを参照すると、キャリアウェハ又はパッケージング層２０が、接着剤２２を用いて、前面１９においてウェハ１４に接合される。接着剤２２は、任意の適切な材料とすることができ、エポキシでありうる。接着剤２２は、後続の熱処理中に受けることになる最大の加熱に耐える特性、及び最大の加熱に耐えるだけの十分に高いガラス転移温度Ｔgを有するべきである。接着剤２２は、前面１９を覆うことができる。好ましくは、接着剤は、米国特許第５，９８０，６６３号明細書及び第６，６４６，２８９号明細書において記述されるようなスピンボンディングによって均質に塗布され、それらの特許の開示は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。代替的には、任意の他の適切な技法を利用することができる。別の実施形態では、酸化物／窒化物層を用いて、パッケージング層２０をデバイスウェハ１４に接合することができる。
層２０は、デバイスウェハ１４の熱膨張係数に一致する熱膨張係数を有するように、シリコン、ガラス又はセラミック等の材料から形成することができる。一例では、パッケージング層２０は、ウェハ１４に最初に接合されるときに、約５００μｍ〜約１０００μｍの厚みを有することができる。
図１Ｆを参照すると、アセンブリ１００のウェハ１０が、エッチング及び／又は研削等によって、完全に除去される。一実施形態では、ウェハ１０は、最初に機械的に研削又は粗研磨して、ウェハ１０の数マイクロメートルの厚みを除いて全て除去し、その後、エッチングを実行して、ウェハ１０の残りの数マイクロメートルを除去する。アセンブリ１００の層１２はエッチストップとしての役割を果たすことができ、言い換えると、ウェハ１０が除去されるときに、イメージセンシング領域を含むデバイスウェハ１４の部分がエッチング（除去）されるのを防ぐことがきる。
特定の実施形態では、層１０を数マイクロメートルの厚みまで機械的に研削した後に、化学及び／又は機械研磨を実行して、層１０の残りの厚みを除去することができる。
代替の実施形態では、バルク層１０が完全に除去された後に、層１２を完全に除去することができ、その後、制御された厚みを有することができる透明誘電体等の、別の材料層をデバイスウェハ１４の露出した背面２３上に設けることができる。一例では、代わりとなる透明層は、反射防止層を含みうる。
図１Ｇを参照すると、層１２が除去されない場合に、誘電体層１２の露出した背面２６上に反射防止コーティング（具体的には示されない）を形成することができる。反射防止コーティングは、ウェハ１４の表面２３から反射される光の量を低減し、コントラスト比を改善するのを助けることができる。反射防止コーティングは、二酸化シリコン、フッ化マグネシウム及び／又は酸化インジウムスズを含みうる。
その後、カラーフィルタ２８を含むカラーフィルタアレイを表面２６の上に重なるように形成又は積層することができる。カラーフィルタ２８を用いて、カラーフィルタに達する光の波長を異なる色範囲に対応する異なる波長範囲に分離し、波長によって分離された光をカラーフィルタからデバイスウェハ１４の背面２３に向かって伝搬させることができる。ウェハ１４内のイメージセンサ１７の単数又は複数のピクセルとそれぞれ位置合わせされた、種々の異なるカラーフィルタを使用することにより、各カラーフィルタ及びピクセルを用いて、特定の色範囲に対応する限られた所定の範囲の波長のみを検知することができる。そのようにして、均質な光検出器素子のアレイを、異なる色を透過するように適合したカラーフィルタの適切な組み合わせとともに用いて、数多くの異なる色の組み合わせを検出できるようになる。
そして、カラーフィルタ２８のアレイの露出面の上に重なる複数組のマイクロレンズ３０を形成することができる。マイクロレンズ３０は、アレイとして配列される屈折材料からなる小さなバンプを含み、それらのバンプはデバイスウェハ１４のイメージセンサの１つ以上のピクセル上に光を合焦するのを助ける。マイクロレンズ３０の露出面３０Ａに達する光は、主に１つ以上の対応するピクセルに向けられる。
図１Ｈに更に示されるように、パッケージングアセンブリ３１の側壁又はスタンドオフを構成するパッケージング層３２を、接着剤３４を用いて、誘電体層１２の背面２６に取り付けることができる。側壁３２は、レンズ３０を含むアセンブリ１００の領域の上に垂直方向に重ならないように取り付けることができる。側壁３２は誘電体材料から形成することができる。さらに、側壁３２の背面３５に蓋又はカバー用ウェハ３６が接合される。側壁３２を層１２に取り付けることができ、そして、蓋ウェハ３６が側壁３２に取り付けられる。代替的には、側壁３２及び蓋ウェハ３６は最初に互いに取り付けられ、そして、側壁３２が蓋ウェハ３６とともに層１２に取り付けられる。側壁３２及び蓋ウェハ３６は合わせて、デバイス１４のセンシング領域に関連付けられるフィルタ及びマイクロレンズを封入する空洞３７を画定する。
蓋ウェハ３６は、イメージセンサ１７内に組み込まれる光検出器素子の対象波長に対して少なくとも部分的に透過性であり、１つ以上の種々のタイプのガラスから形成することができ、無機材料若しくは有機材料、又はその組み合わせを含みうる。空洞３７は、層１２の背面２６と蓋ウェハ３６の向かい合う面との間に延在する高さ又は垂直寸法Ｄ１を有することができ、Ｄ１は約３５μｍ〜約４０μｍである。イメージセンサの背面に接合されるパッケージングアセンブリの詳細な説明に関しては、例えば、引用することにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許出願第１２／５８３，８３０号を参照されたい。
図１Ｉに示されるように、蓋ウェハ３６をデバイスウェハ１４に取り付けた後に、パッケージング層２０を約３０μｍ以上の厚みまで研削することができる。層２０は、アセンブリ１００のための機械的な支持体としての役割を果たすだけの十分な剛性を有するような最終的な厚みを有する。
図１Ｊに示されるように、パッケージング層２０の前面４２内に凹部４０を形成することができる。凹部４０は、層２０の外面４２Ａから接着剤２２の内面４３まで内向きに延在する。一実施形態では、フォトリソグラフィを用いて、層２０の前面４２の上に重なるマスクパターン（図示せず）を形成することができ、その後、ウエットエッチング又はドライエッチングを用いて、層２０を前面４２からエッチングすることができる。接着剤２２は、凹部４０が形成されるときにデバイスウェハ１４がエッチングされるのを回避するエッチストップ層として機能する。代替的な実施形態では、凹部４０は、層２０のレーザアブレーションによって形成することができる。別の実施形態では、引用することにより本明細書の一部をなすものとする、２０１０年７月２３日に出願の同じ譲受人に譲渡された同時係属の米国特許出願第１２／８４２，６１２号において開示されるような、方向性の粒子流を用いて層２０をサンドブラストして、凹部４０を形成することができる。
一実施形態では、凹部４０は、ボンドパッド１６の上に重なる場所にのみ形成される個別のビアホール又は切欠きとすることができる。別の代替の実施形態では、凹部４０は、アセンブリ１００の接着層２２の表面４３にわたって連続して延在する溝の形をとることができる。例えば、引用することにより本明細書の一部をなすものとする、２００８年２月２６日に出願の米国特許出願第１２／０７２，５０８号、及び２００９年８月２６日に出願の米国特許出願第１２／５８３，８３０号を参照されたい。
図１Ｋに示されるように、パッケージング層２０の前面４２、凹部４０内の層２０の側壁表面４４及び凹部４０の底部における接着剤２２の内面４３の露出部分を含む、アセンブリ１００の露出した前面の全ての上に、ポリマ層又はパッシベーション層５０が形成される。図１Ｋを参照すると、層５０は、接着剤２２の表面４３上にあり、ボンドパッド１６の上に重なる下側部分５２と、層２０の前面４２上にある上側部分５４と、層２０の側壁表面４４上にある側壁部分５６とを含む。層５０は、例えば、スプレー若しくはスピンコーティング、電解析出若しくは電気泳動析出、酸化物化学気相成長又はプラズマ化学気相成長によって形成することができる。層５０は、コンプライアンスを与えるほど十分な厚みを有するように形成することができるか、代替的には、酸化物層等の非コンプライアント層とすることができる。引用することにより本明細書の一部をなすものとする、２００９年８月２６日に出願された米国特許出願第１２／５８３，８３０号を参照されたい。
図１Ｌに示されるように、層５０の下側部分５２を貫通して凹部６０を形成することができる。凹部６０は、層５０と、その下側の接着剤２２とを貫通してボンドパッド１６まで、そしてボンドパッド１６の中まで垂直に延在する。凹部６０は、ボンドパッド１６の中に部分的にのみ延在することができる。一実施形態では、凹部６０が形成されるときに、ボンドパッド１６の前面において、ボンドパッド１６の１マイクロメートル未満の厚みが除去される。凹部６０は、制御されたレーザエッチング又はアブレーションによって形成することができ、その場合、そのパルス幅、強度、数及び波長を適切に制御して、層５０の部分５２の全て又は或る部分と、層５０のアブレートされた部分５２の下層を成し、かつ垂直に位置合わせされた接着剤２２の部分と、接着剤２２のアブレートされた部分の下層を成しかつ垂直に位置合わせされたボンドパッド１６の所定の厚みと、を垂直にアブレートする。例えば、引用することにより本明細書の一部をなすものとする、２００８年７月３１日に出願の米国特許出願第１２／２２１，２０４号を参照されたい。
別の実施形態では、ボンドパッド１６へのアブレーション深度は、ボンドパッドの厚みの１０％以下である。更なる実施形態では、ボンドパッド１６へのアブレーション深度は、ボンドパッドの厚みの５０％以上まで延在することができる。図１Ｍに関連して後に説明されるように、後に被着される相互接続金属のために、信頼性があり、かつ低抵抗のオーミックコンタクトを形成できるように、ボンドパッドの金属面のアブレーションによって、汚れのない金属が露出されるようにすることが有利である。
一実施形態では、凹部６０は、デバイスウェハ１４のアクティブ構成要素がボンドパッド１６の下にないときに、ボンドパッド１６を完全に貫通して延在することができる。
図１Ｌ及び図１Ｍを参照すると、パッシベーション層５０の上側部分５４の露出面上にシード金属層７０が選択的に形成され、凹部４０及び凹部６０内の層５０の露出面、凹部６０内の接着層２２の露出面５８及びボンドパッド１６の露出面上にも形成される。層７０は、スパッタリング又はブランケットメタライゼーションと、その後のフォトリソグラフィを用いる表面パターニングとによって形成することができる。引用することにより本明細書の一部をなすものとする、２００６年１１月２２日に出願された米国特許出願第１１／６０３，９３５号を参照されたい。代替的には、シード金属層７０は無電解めっきによって形成することができる。
図１Ｎに示されるように、マスク用誘電体層８０が、層５０の上側部分５４の露出面上、及び層７０の露出した前面７２上にパターニングされて形成され、ハンダバンプ位置９０を画定する。さらに、凹部４０及び６０内の層７０の露出面上に層８０が形成される。一実施形態では、層８０の材料は、凹部４０及び凹部６０の全体を満たすことができる。
図１Ｏに示されるように、ハンダマスク８０が存在していない層７０上の場所９０において、ハンダバンプ９６を形成することができる。引用することにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許出願第１２／５８３，８３０号を参照されたい。
一実施形態では、図１Ａ〜図１Ｏの方法に従って製造されるパッケージされたイメージセンサユニットを、例えば、米国特許出願第１２／５８３，８３０号において記述されるように、それぞれがアクティブ領域を含む超小型電子ユニットを構成する個々のパッケージされたチップアセンブリ１００に単体化することができる。
図２を参照すると、本発明の別の実施形態では、超小型電子アセンブリ２００のデバイスウェハ１４上に、アセンブリ１００のボンドパッド１６に関連する厚みを増したボンドパッド２１６を設けることができる。アセンブリ２００は、ボンドパッド２１６を除いて、アセンブリ１００の構成に類似の構成を有し、同じ参照番号が同一又は類似の要素を示す。ボンドパッド２１６は、デバイスウェハ１４の前面１９と接触する金属層２１６Ｂと、金属層２１６Ｂ上に配置される金属層２１６Ａとを含む。層２１６Ａ、２１６Ｂによって、前面１９から離れて延在するボンドパッド２１６の厚みが、後に塗布される接着剤２２と概ね同じ厚みになるようにする。凹部６０は、ボンドパッド２１６の金属層２１６Ａ内で終端するように形成することができる。凹部６０は、アセンブリ１００のボンドパッド１６の厚みと概ね同じ厚みを有する金属層２１６Ｂの中に延在しないことが望ましい。
ボンドパッド２１６は、ボンドパッド１６よりも厚い厚みを有し、凹部６０、それゆえ、パッケージングプロセス中に形成される金属層７０がボンドパッド２１６内で終端し、デバイスウェハ１４と接触しないようにする。結果として、センサ１７のような、デバイスウェハ１４のアクティブ領域は、凹部６０内の金属層７０から電気的に分離される。一実施形態では、金属層２１６Ｂがデバイスウェハ１４の前面１９上に形成された後に、金属層２１６Ｂ上に金属層２１６Ａを形成することによってボンドパッド２１６が設けられることを除いて、アセンブリ２００の作製は、アセンブリ１００の場合に上述されたのと概ね同じように実行することができる。
ボンドパッド２１６は、０．５μｍよりもはるかに厚い厚みを有することができ、レーザアブレーションに耐える金属又は他の材料を含みうる。例えば、層２１６Ａのために用いられる金属は、層２１６Ｂを形成するアルミニウムよりも、レーザアブレーションに耐えることができる。レーザアブレーションに耐えること、コストが低いこと、及び標準的な無電解めっきプロセスによって容易に堆積されることに基づいて、層２１６Ａを形成するためにニッケル、銅、金、銀等の材料が望ましい。
一実施形態では、ボンドパッド２１６は、アルミニウムから形成された層２１６Ｂ上に配置される、ニッケル、銅、金又は銀から形成された層２１６Ａを含みうる。一実施形態では、層２１６Ａの厚みは、ボンドパッド２１６の厚みの５０％よりも厚くすることができる。層２１６Ａの厚みは３μｍ〜５μｍとすることができ、０．５μｍ〜３０μｍとすることができる。
本発明によれば、同じ面上にアクティブ領域及びボンドパッドを有する前面照明センサアセンブリにおいて、厚みを増したボンドパッドを形成することもでき、その場合、更なる作製ステップ中にアセンブリが反転されることを理解されたい。
図３を参照すると、本発明の更なる実施形態では、超小型電子アセンブリ３００内に含まれるデバイスウェハ１４内に、複数のレベル又は層を有するボンドパッド３１６を設けることができる。アセンブリ３００は、ボンドパッド３１６を除いて、アセンブリ１００の構成に類似の構成を有し、同じ参照番号が同一又は類似の要素を示す。ボンドパッド３１６は、イメージセンサ１７のピクセルを形成するために実行される一連のステップの一部として作製することができる。ボンドパッド３１６は幾つかの金属層３１６Ａを含み、各金属層３１６Ａは、上記のアセンブリ１００のボンドパッド１６等の単層ボンドパッドと同一又は類似の構成を有することができる。層３１６Ａは、導電性ビア３１６Ｂ又は他の導電性垂直構造体によって互いに接続される。一実施形態では、金属層３１６Ａ及びビア３１６はウェハ１４内の半導体材料から分離することができる。ボンドパッド３１６は、図３に示されるように、ウェハ１４内に部分的に、又は完全に凹所を作るように作製することができるか、代替的には、ウェハ１４の表面１９上に形成することができる。凹部６０は、ウェハ１４の背面２３に最も近いボンドパッド３１６の金属層３１６Ａの背面に届かない深さまでボンドパッド３１６内に延在するように形成されることが望ましい。結果として、センサ１７のような、ウェハデバイス１４のアクティブ領域は、凹部６０内の金属層７０から電気的に分離される。アセンブリ３００の作製は、デバイスウェハ１４内にボンドパッド３１６が形成されることを除いて、アセンブリ１００の場合に上述されたのと概ね同じように実行することができる。
図４を参照すると、本発明の別の実施形態では、超小型電子アセンブリ３５０において、電気的分離領域３６０が、ボンドパッド１６の背面３６１、及びデバイスウェハ１４の背面１９から離れるように延在する。アセンブリ３５０は、アセンブリ１００の構成に類似の構成を有し、同じ参照番号が同一又は類似の要素を示す。領域３６０はボンドパッド１６の背面３６１の一部によって部分的に画定され、その部分は、そこを貫通して凹部６０が形成されるボンドパッド１６の部分を完全に取り囲む。領域３６０は、二酸化シリコンのような誘電体材料で満たすことができ、側壁３２の一部とすることができる。代替的には、領域３６０は、側壁３２をウェハ１４に取り付けるために用いられるのと同じ接着材料で満たすことができる。
領域３６０内の材料は、凹部６０の側壁に沿って延在する金属層７０をウェハ１４のセンサ１７のようなアクティブ領域から電気的に分離する。上述したように、金属層７０は、凹部６０内のボンドパッド１６の径方向に対称なコンタクト領域においてボンドパッド１６と接触していることが望ましい。領域３６０によって、金属層７０はウェハ１４から電気的に分離されるようになる。図４に示されるように、凹部６０は、ボンドパッド１６の全体を貫通して延在するように形成することができ、領域３６０、接着層３４及び／又は側壁３２内の材料のような、ボンドパッド１６の下層を成す１つ以上の材料層を貫通して延在する場合もある。
側壁３２を取り付ける前に層１２を除去することができ、そして、フォトリソグラフィ及びエッチングを使用すること等により、ウェハ１４の一部を除去することによってボンドパッド１６の下層を成す領域３６０が形成されることを除いて、アセンブリ３５０の作製は、アセンブリ１００の場合に上述したのと概ね同じように実行することができる。望ましくは、領域３６０は、デバイスウェハ１４の厚みが薄くされた後に形成される。
図５を参照すると、本発明の別の実施形態では、アセンブリ１００に類似の構成を有する超小型電子アセンブリ４００が、デバイスウェハ１４内に分離領域又はトレンチ４１０を含みうる。アセンブリ４００は、アセンブリ１００の構成に類似の構成を有し、同じ参照番号が同一又は類似の要素を示す。トレンチ４１０は、ボンドパッド１６を完全に取り囲み、少なくとも部分的に、そして一実施形態では完全にウェハ１４を貫通して延在する。
トレンチ４１０は、誘電体材料で満たすことができる。代替的には、トレンチ４１０は、トレンチ４１０に隣接し、かつトレンチによって取り囲まれるウェハ１４の半導体領域のドーピングとは異なるドーピングを有するウェハ１４のドープ半導体領域である。トレンチ４１０が、トレンチ４１０の一方にある、トレンチ４１０によって取り囲まれるウェハ１４の隣接する領域と、トレンチ４１０を挟んで凹部６０の反対側にあるウェハ１４の領域と、の間に電気的分離を与えるように、トレンチ４１０と隣接する領域との間のドーピングの差を適応させる。ドープされたトレンチ４１０は、例えば、ＰＩＮダイオードの真性領域（Ｉ）によって与えられるのと同じような電気的分離を与えることができる。
トレンチ４１０は、ボンドパッド１６の真下に延在し、凹部６０内の金属層７０と接触することができるウェハ１４の部分を、センサ１７のようなイメージング素子を含む、ウェハ１４の残りの部分から電気的に分離する。実際には、トレンチ４１０はウェハ１４内の高抵抗率の素子であり、ウェハ１４内に電気的な島状部を作り出す。トレンチ４１０は、ボンドパッド１６を取り囲むことによって、ボンドパッド１６を貫通してボンドパッド１６下のウェハ１４の中に延在するように、レーザエッチングを用いて凹部６０を形成できるようにする。トレンチ４１０は、センサ１７のようなウェハ１４のアクティブ部分が、凹部６０内に形成される金属層７０の部分と短絡するのを避ける。
トレンチ４１０が好ましくは、イメージセンサ１７のピクセルを形成する一連のステップの一部として、かつ側壁３２及び蓋ウェハ３６を含むパッケージングアセンブリ３１がウェハ１４に取り付けられる前に、半導体ウェハ１４の作製中に形成されることを除いて、アセンブリ４００の作製は、アセンブリ１００の場合に上述したのと概ね同じように実行することができる。
本発明は特定の実施形態を参照しながら本明細書において説明されてきたが、これらの実施形態は本発明の原理及び応用形態を例示するにすぎないことを理解されたい。そのため、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に数多くの変更を加えることができること、及び他の構成を考案することができることを理解されたい。

Claims (45)

  1. 超小型電子ユニットであって、
    前面と該前面から離れた背面とを有する半導体素子と、
    前記半導体素子の前記前面に取り付けられるパッケージング層と、
    ここで、前記半導体素子は、前記前面に隣接して配置され、前記背面の一部分を通して光を受光するために該背面の該部分と位置合わせされる光検出器と、前記前面にあり、該光検出器に接続される導電性コンタクトとを含み、前記光検出器は、アレイとして配列される複数の光検出器素子を含み、前記導電性コンタクトは、第１の厚みを有する薄い領域と、該第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する厚い領域とを含んでおり、
    前記パッケージング層を貫通して前記導電性コンタクトの前記薄い領域まで延在する導電性相互接続であって、該導電性相互接続の少なくとも一部は該超小型電子ユニットの表面において露出する、導電性相互接続と
    を備えてなる、超小型電子ユニット。
  2. 前記第１の厚みは前記第２の厚みの９０パーセントである、請求項１に記載の超小型電子ユニット。
  3. 前記第１の厚みは前記第２の厚みの５０パーセントである、請求項１に記載の超小型電子ユニット。
  4. 前記半導体素子の前記背面に取り付けられ、該背面に対して垂直な方向において前記光検出器と位置合わせされる空洞を画定するパッケージングアセンブリを更に備える、請求項１に記載の超小型電子ユニット。
  5. 前記半導体素子の前記背面上に配置され、第２の誘電体層を貫通して前記パッケージングアセンブリが取り付けられる第１の誘電体層を更に備える、請求項４に記載の超小型電子ユニット。
  6. 前記第１の誘電体層は１マイクロメートル〜５マイクロメートルの厚みを有し、前記第２の誘電体層は接着材料を含む、請求項５に記載の超小型電子ユニット。
  7. 前記パッケージング層は３０マイクロメートル〜１０００マイクロメートルの厚みを有する、請求項１に記載の超小型電子ユニット。
  8. 前記光検出器は１つ以上のピクセルを画定する複数の光素子を含み、各ピクセルは、前記半導体素子の厚みに等しい、前記前面に沿った横方向における横寸法を有する、請求項１に記載の超小型電子ユニット。
  9. 前記半導体素子を前記パッケージング層に取り付ける接着材料を含む層を更に備える、請求項１に記載の超小型電子ユニット。
  10. 前記導電性コンタクトは、前記半導体素子内に配置され、第３の厚みを有する複数の層を含み、前記半導体素子は、該第３の厚みよりも厚い第４の厚みを有し、
    前記導電性相互接続は、前記第３の厚み未満の深さまで、前記導電性コンタクトの中に延在し、前記導電性相互接続は、前記導電性コンタクトの前記複数の層のうちの金属層に接続する、請求項１に記載の超小型電子ユニット。
  11. 前記導電性コンタクトの前記複数の層は誘電体材料を含む層を含む、請求項１０に記載の超小型電子ユニット。
  12. 前記導電性コンタクトは、前記複数の層のうちの隣接する層を相互接続する導電性ビアを含む、請求項１０に記載の超小型電子ユニット。
  13. 前記導電性コンタクトの前記複数の層は誘電体材料層及び金属層の交互層を含む、請求項１０に記載の超小型電子ユニット。
  14. 前記第３の厚みは最大で１０マイクロメートルである、請求項１０に記載の超小型電子ユニット。
  15. 前記導電性コンタクトの前記薄い領域及び前記厚い領域は、前記前面から前記パッケージング層に向かって延在しており、
    前記導電性相互接続は、前記第２の厚み未満の深さまで、前記導電性コンタクトの中に延在している、請求項１に記載の超小型電子ユニット。
  16. 前記導電性コンタクトは、前記前面に隣接する第１の金属層と、前記第１の金属層と前記パッケージング層との間に配置される少なくとも１つの第２の金属層とを含む、請求項１５に記載の超小型電子ユニット。
  17. 前記第１の金属層はアルミニウムを含み、前記第２の金属層はニッケル、銅、銀又は金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の超小型電子ユニット。
  18. 前記第２の金属層は無電極めっきによって形成される、請求項１６に記載の超小型電子ユニット。
  19. 前記第２の金属層は、前記第１の金属層よりも厚い厚みを有する、請求項１６に記載の超小型電子ユニット。
  20. 前記第２の金属層は０．５マイクロメートル〜３０マイクロメートルの厚みを有する、請求項１６に記載の超小型電子ユニット。
  21. 前記導電性相互接続は、前記第１の金属層と前記パッケージング層との間で終端するような深さまで前記導電性コンタクトの中に延在する、請求項１６に記載の超小型電子ユニット。
  22. 前記半導体素子の前記背面に取り付けられ、該背面に対して垂直な方向において前記光検出器と位置合わせされる空洞を画定するパッケージングアセンブリを更に備える、請求項１５に記載の超小型電子ユニット。
  23. 超小型電子ユニットを形成する方法であって、
    半導体素子の前面に取り付けられたパッケージング層を貫通して延在し、導電性コンタクトの薄い領域において終端する凹部を形成するステップであって、該導電性コンタクトは前記半導体素子の前記前面に配置され、該半導体素子は該前面から離れた背面を有し、該前面に隣接して配置され、前記導電性コンタクトに接続され、前記背面の一部分を通して光を受光するために該背面の該部分と位置合わせされる光検出器を含み、該光検出器はアレイとして配列される複数の光検出器素子を含み、前記導電性コンタクトは、前記薄い領域において第１の厚みを有し、該第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する厚い領域を含むステップと、
    前記凹部を貫通して延在し、前記薄い領域において前記導電性コンタクトに接続する導電性相互接続を形成するステップであって、該導電性相互接続の少なくとも一部は前記超小型電子ユニットの表面において露出するステップと
    を含んでなる、超小型電子ユニットを形成する方法。
  24. 前記半導体素子は、その周縁部に一緒に取り付けられ、それぞれが個々の光検出器を有する複数の超小型電子素子を含み、凹部を形成する前記ステップは、前記複数の超小型電子素子のそれぞれにおいて凹部を形成し、導電性相互接続を形成する前記ステップは、前記複数の超小型電子素子のそれぞれにおいて導電性相互接続を形成し、
    その上に前記パッケージング層を有する前記半導体素子を複数の個々の超小型電子ユニットに切り離すステップを更に含む、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記凹部を前記形成するステップは、レーザによって供給される光エネルギーを用いて、前記導電性コンタクトをアブレートし、前記薄い領域において前記第１の厚みを得ることを含む、請求項２３に記載の方法。
  26. 前記レーザによって供給される前記光エネルギーの強度、波長及び持続時間が前記凹部の前記形成中に制御される、請求項２５に記載の方法。
  27. 前記第１の厚みは前記第２の厚みの９０パーセントである、請求項２３に記載の方法。
  28. 前記第１の厚みは前記第２の厚みの５０パーセントである、請求項２３に記載の方法。
  29. 前記半導体素子の前記背面においてパッケージングアセンブリを取り付けるステップであって、前記背面に対して垂直な方向において前記光検出器と位置合わせされる空洞を画定するステップを更に含む、請求項２３に記載の方法。
  30. 前記凹部の前記形成前に、前記半導体素子の前記背面において第１の誘電体層を取り付けるステップを更に含む、請求項２３に記載の方法。
  31. 前記凹部の前記形成前に、前記第１の誘電体層は前記半導体素子の前記背面に取り付けられ、そして、パッケージングアセンブリの一部であるガラス層が前記第１の誘電体層に取り付けられ、それによって前記パッケージングアセンブリが前記背面に対して垂直な方向において前記光検出器と位置合わせされる空洞を画定する、請求項３０に記載の方法。
  32. 前記凹部の前記形成前に、前記第１の誘電体層はパッケージングアセンブリの一部であるガラス層に取り付けられ、そして、前記第１の誘電体層は前記半導体素子の前記背面に取り付けられ、それによって前記パッケージングアセンブリが前記背面に対して垂直な方向において前記光検出器と位置合わせされる空洞を画定する、請求項３０に記載の方法。
  33. １マイクロメートル〜５マイクロメートルの厚みを有する第２の誘電体層が前記半導体素子の前記背面上に配置され、前記第１の誘電体層は前記第２の誘電体層に取り付けられる、請求項３０に記載の方法。
  34. 前記半導体素子は、接着材料を含む層によって前記パッケージング層に取り付けられる、請求項２３に記載の方法。
  35. 前記凹部の形成前に、前記パッケージング層が少なくとも所定の厚みを有するように、前記パッケージング層の一部分を除去するステップを更に含む、請求項２３に記載の方法。
  36. 前記パッケージング層はシリコンを含み、前記パッケージング層の前記一部分を除去する前記ステップは、研削及びエッチングの少なくとも１つを含む、請求項３５に記載の方法。
  37. 前記半導体素子は３マイクロメートル〜５マイクロメートルの厚みを有する、請求項２４に記載の方法。
  38. 超小型電子ユニットであって、
    前面と、該前面から離れた背面と、該前面と該背面との間に配置され本質的に半導体材料からなる領域とを有する半導体素子と、
    前記半導体素子の前記前面に取り付けられる第１のパッケージング層と、
    ここで、前記半導体素子は、前記前面に隣接して配置され、前記背面の一部分を通して光を受光するために該背面の該部分と位置合わせされる光検出器と、前記前面にあり、該光検出器に接続される導電性コンタクトとを含み、前記光検出器は、アレイとして配列される複数の光検出器素子を含んでおり、
    前記半導体素子の前記背面に取り付けられる第２のパッケージング層を有するパッケージングアセンブリと、
    前記第１のパッケージング層を貫通し、前記導電性コンタクトを貫通して、前記第２のパッケージング層の中に延在し、前記導電性コンタクトに接続される導電性相互接続であって、該導電性相互接続は、前記半導体領域から電気的に分離され、前記導電性相互接続の少なくとも一部は前記超小型電子ユニットの表面において露出する、前記導電性相互接続と
    を備えてなる、超小型電子ユニット。
  39. 前記第２のパッケージング層は、前記導電性コンタクトの背面の一部に取り付けられる、請求項３８に記載の超小型電子ユニット。
  40. 前記導電性コンタクトの前記背面部分と接触し、前記半導体領域を前記導電性相互接続から電気的に分離する誘電体材料層を更に備える、請求項３８に記載の超小型電子ユニット。
  41. 前記誘電体層は接着材料を含む、請求項４０に記載の超小型電子ユニット。
  42. 前記誘電体層は前記半導体素子の前記背面と接触する、請求項４０に記載の超小型電子ユニット。
  43. 前記半導体素子は、前記導電性コンタクトを完全に取り囲む分離領域を含み、前記分離領域は前記導電性コンタクトを前記半導体領域から電気的に分離する、請求項３８に記載の超小型電子ユニット。
  44. 前記分離領域は誘電体材料を含む、請求項４３に記載の超小型電子ユニット。
  45. 前記分離領域は、前記分離領域に隣接し、取り囲まれる前記半導体素子の領域内の半導体材料のドーピングとは異なるドーピングを有する半導体材料を含む、請求項４３に記載の超小型電子ユニット。
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