JP2014154812A - 固体撮像装置、撮像装置、および固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】第一の基板１０と第二の基板２０とが、積層され、接続部３０を介して電気的に接続された固体撮像装置１であって、第一の基板は、入射光を電気信号に変換する光電変換部１１と、露出面１２ａに信号線が接続され、信号線を介して外部に電気信号が入力または出力される電極部１２と、を有し、第二の基板は、第一の基板から出力され、接続部を介して入力される電気信号を処理する回路２１を有し、電極部は、第一の基板における接続部とは反対側となる一方の面１０ｂに形成され、露出面は、第一の基板と第二の基板との積層方向Ｄにおいて、一方の面と同じ位置、または一方の面よりも突出した位置に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置、撮像装置、および固体撮像装置の製造方法に関する。

従来、固体撮像装置には、金属ワイヤなどを介して外部との電気的接続を行うためのボンディングパッド（電極部）が設けられている。
例えば、特許文献１に記載された固体撮像装置は、第一の半導体基板（第一の基板）と第二の半導体基板（第二の基板）とが多層配線層が向き合うように接着剤などにより貼合わされて構成されている。第一の半導体基板の多層配線層とは反対側となる裏面側には、エッチングなどによって設けられた貫通開口部が形成されている。この貫通開口部の底部になる部分には、ボンディングパッドが設けられている。

このように構成された固体撮像装置のボンディングパッドに金属ワイヤを接続する場合には、金属ワイヤが貫通開口部の側面に接触するのを防止するために、貫通開口部の底部に設けられたボンディングパッドの面積を広くすることが考えられる。

特開２０１１−２０４９１５号公報

しかしながら、ボンディングパッドの面積を広くすると固体撮像装置が大型化するという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、小型化が可能な固体撮像装置、この固体撮像装置を備える撮像装置、および固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の固体撮像装置は、第一の基板と第二の基板とが、積層され、接続部を介して電気的に接続された固体撮像装置であって、前記第一の基板は、入射光を電気信号に変換する光電変換部と、露出面に信号線が接続され、該信号線を介して外部に電気信号が入力または出力される電極部と、を有し、前記第二の基板は、前記第一の基板から出力され、前記接続部を介して入力される電気信号を処理する回路を有し、前記電極部は、前記第一の基板における前記接続部とは反対側となる一方の面に形成され、前記露出面は、前記第一の基板と前記第二の基板との積層方向において、前記一方の面と同じ位置、または前記一方の面よりも突出した位置に配置されることを特徴としている。
また、本発明の撮像装置は、上記に記載の固体撮像装置を備えることを特徴としている。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する第一の基板の第一の面に、溝部を形成する工程と、前記溝部に導電性材料を充填させる工程と、前記第一の基板から出力される電気信号を処理するための回路を有する第二の基板と、前記第一の基板における前記第一の面とを接続部を介して電気的に接続し、前記第一の基板と前記第二の基板とを積層する工程と、前記第一の基板における前記第一の面とは反対の第二の面側を薄くし、前記導電性材料を外部に露出させて電極部とする工程と、を備え、前記電極部における信号線が接続される露出面は、前記第一の基板と前記第二の基板との積層方向において、前記一方の面と同じ位置または、前記一方の面よりも突出した位置に配置されることを特徴としている。

本発明の固体撮像装置、撮像装置、および固体撮像装置の製造方法によれば、固体撮像装置の小型化が可能となる。

本発明の第１実施形態の固体撮像装置における側面の断面図である。 同固体撮像装置の製造方法を説明する断面図である。 同固体撮像装置の製造方法を説明する断面図である。 同固体撮像装置の製造方法を説明する断面図である。 同固体撮像装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の第２実施形態の固体撮像装置における側面の断面図である。 同固体撮像装置の製造方法を説明する断面図である。 同固体撮像装置の製造方法を説明する断面図である。 同固体撮像装置の製造方法を説明する断面図である。 同固体撮像装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の第３実施形態の撮像装置のブロック図である。 本発明の変形例の実施形態の固体撮像装置における要部の断面図である。 本発明の変形例の実施形態の固体撮像装置における要部の断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る固体撮像装置の第１実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。
図１に示すように、本固体撮像装置１は、複数の光電変換素子（光電変換部）１１およびボンディングパッド（電極部）１２を有する第一の基板１０と、画像処理回路（回路）２１を有する第二の基板２０と、第一の基板１０と第二の基板２０とを電気的に接続するための接続電極３１を有する接続部３０とを備えている。

第一の基板１０は、前述の光電変換素子１１が設けられたデバイス層（素子層）１４と、信号配線１６が形成された配線層１５とを積層させた状態で有している。
デバイス層１４は、シリコンなどの半導体で板状に形成されている。
光電変換素子１１は、入射光を電気信号に変換するための公知の構成のものである。デバイス層１４内には、不図示の読出し回路が設けられていて、それぞれの光電変換素子１１は、不図示の接続配線により、読出し回路を介して配線層１５の信号配線１６に電気的に接続されている。

配線層１５は、この例では多層回路として構成されている。すなわち、配線層１５は複数の配線１６ａを層間絶縁膜である層間酸化膜１５ａを介して多層に配置し、各配線１６ａ同士がビア１６ｂによって電気的に接続されている。複数の配線１６ａのうち最も接続部３０側に配された配線１６ａには、接続パッド１６ｃが電気的に接続されている。接続パッド１６ｃは、第一の基板１０の接続部３０側となる第一の面１０ａにおいて外部に露出している。これら配線１６ａ、ビア１６ｂおよび接続パッド１６ｃで、前述の信号配線１６を構成する。

ボンディングパッド１２は、デバイス層１４および配線層１５を、第一の基板１０と第二の基板２０とが積層した積層方向Ｄに貫通するように形成されている。言い換えれば、第一の基板１０における接続部３０や第一の面１０ａとは反対側となる第二の面（一方の面）１０ｂに形成されたボンディングパッド１２が、デバイス層１４および配線層１５を積層方向Ｄに貫通している。
ボンディングパッド１２は、銅、ニッケル、金などの金属で形成されている。ボンディングパッド１２の第一の基板１０の第一の面１０ａ側の端面には、金属膜１７が形成されていてもよい。金属膜１７は、ボンディングパッド１２および接続電極３１との接続強度が高い金、銅などの材料で形成することが好ましい。
ボンディングパッド１２の第二の面１０ｂの側の端面（露出面）１２ａは、デバイス層１４から外部に露出している。この例では、ボンディングパッド１２の端面１２ａは、ボンディングパッド１２における接続部３０とは反対側の面となるとともに、第一の基板１０の第二の面１０ｂと面一となるように形成されている。すなわち、積層方向Ｄにおいて、端面１２ａは第二の面１０ｂと同じ位置に配置されている。

ボンディングパッド１２の端面１２ａには、不図示の金属ワイヤ（信号線）が接続可能とされている。ボンディングパッド１２は、後述するように画像処理回路２１に電気的に接続されていて、外部に電気信号を入力または出力することができる。

第二の基板２０は、前述の画像処理回路２１が設けられた第二のデバイス層２４と、第二の配線層２５とを積層方向Ｄに積層させた状態で有している。
第二のデバイス層２４は、デバイス層１４と同一の材料で板状に形成されている。画像処理回路２１は、第一の基板１０の読出し回路から出力された電気信号を処理するための公知の構成のものである。

第二の配線層２５は、配線層１５と同様に多層回路として構成されている。すなわち、第二の配線層２５は複数の配線２６ａを層間絶縁膜である層間酸化膜２５ａを介して多層に配置し、各配線２６ａ同士がビア２６ｂによって電気的に接続されている。複数の配線２６ａのうち最も接続部３０側に配された配線２６ａには、接続パッド２６ｃが電気的に接続されている。接続パッド２６ｃは、第二の基板２０の接続部３０側となる第一の面２０ａにおいて外部に露出している。これら配線２６ａ、ビア２６ｂおよび接続パッド２６ｃで、第二の信号配線２６を構成する。
第二の信号配線２６は、不図示の接続配線を介して画像処理回路２１に電気的に接続されている。

接続部３０の接続電極３１は、金、銀、銅、ニッケル、ハンダなどで構成することができる。接続電極３１の周囲や、隣合う接続電極３１同士の間を絶縁性の樹脂などで充填してもよい。接続電極３１は、第一の基板１０における信号配線１６の接続パッド１６ｃ、金属膜１７、および、第二の基板２０における第二の信号配線２６の接続パッド２６ｃと電気的に接続されている。
すなわち、第一の基板１０の配線層１５および第二の基板２０の第二の配線層２５が、接続部３０に接触している。ボンディングパッド１２は、金属膜１７を介して接続電極３１に電気的に接続されている。このようにして、接続部３０を介して第一の基板１０と第二の基板２０とが積層されている。

次に、以上のように構成された固体撮像装置１を製造する固体撮像装置１の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、光電変換素子１１を有する第一の基板１０の第一の面１０ａに、トレンチ（溝部）１８を形成する。トレンチ１８は、配線層１５を貫通するが、デバイス層１４を貫通しないように形成する。トレンチ１８は、公知のエッチングなどで形成することができる。
次に、図３に示すように、トレンチ１８にスパッタリング、蒸着、メッキなどにより銅、ニッケル、金などの導電性材料１２ｂを充填させる。充填させた後の導電性材料１２ｂの露出面を、研磨加工することなどで平坦化させてもよい。トレンチ１８内における導電性材料１２ｂ上に、導電性材料１２ｂと同様の方法で金属膜１７を形成する。

続いて、図４に示すように、画像処理回路２１を有する第二の基板２０に、接続部３０の接続電極３１を形成する。
図５に示すように、第一の基板１０の第一の面１０ａと第二の基板２０の第一の面２０ａとを、接続電極３１を備えた接続部３０で電気的に接続する。より詳しくは、第一の基板１０の接続パッド１６ｃと第二の基板２０の接続パッド２６ｃとを接続電極３１で電気的に接続するとともに、金属膜１７と第二の基板２０の接続パッド２６ｃとを接続電極３１で電気的に接続する。これにより、接続部３０を介して第一の基板１０と第二の基板２０とを積層する。

次に、第一の基板１０における第二の面１０ｂ側を研磨加工することなどで薄くし（薄化させ）、導電性材料１２ｂを外部に露出させてボンディングパッド１２とする。この例では、第一の基板１０における第二の面１０ｂ側を、基準線Ｌまで薄化させる。
以上の工程により、図１に示す固体撮像装置１が完成する。このとき、積層方向Ｄにおいて、ボンディングパッド１２の端面１２ａは、第一の基板１０の第二の面１０ｂと同じ位置となる。
本実施形態の固体撮像装置１の製造方法では、第一の基板１０を薄化させると同時に、ボンディングパッド１２を形成することができるという点に特徴がある。

この後で、ボンディングパッド１２の端面１２ａに、ワイヤボンディングにより不図示の金属ワイヤを接続する。

次に、以上のように構成された固体撮像装置１の作用について説明する。
光電変換素子１１に入射した光は、電気信号に変換される。この電気信号は、信号配線１６、接続電極３１、第二の信号配線２６、および不図示の接続配線を介して、画像処理回路２１に出力される。
画像処理回路２１で適切に処理された電気信号は、第二の信号配線２６、接続電極３１、金属膜１７、およびボンディングパッド１２などを介して金属ワイヤに出力される。

従来の積層型の固体撮像装置では、ボンディングパッドは複数の基板をアライメント（位置決め。）して積層、薄化した後で形成される。基板同士のアライメントを行うために、基板の対向面に形成されたアライメントマークを赤外線などを用いて透過して観察する方法や、エッチングによって基板の対向面に形成されたアライメントマークを露出させる方法などが用いられている。
しかしながら、透過して観察する方法では、アライメントマークを直接確認することなくアライメントするため、アライメントの精度が低下する問題がある。一方で、アライメントマークを露出させる方法では、アライメントにおける工程数が増加するといった問題がある。

これに対して、本実施形態の固体撮像装置１、および固体撮像装置１の製造方法によれば、積層方向Ｄにおいて、ボンディングパッド１２の端面１２ａは第一の基板１０の第二の面１０ｂと同じ位置に配置されている。従来の固体撮像装置の貫通開口部の側面には、配線などが露出している場合がある。本実施形態の固体撮像装置１では基板に貫通開口部を形成しないため、ボンディングパッド１２に接続した金属ワイヤが貫通開口部の内面で露出した配線に接触することがない。したがって、ボンディングパッド１２の端面１２ａの面積を狭くでき、固体撮像装置１を小型化することができる。
第一の基板１０を薄化させた後で第一の基板１０に貫通開口部を形成する必要がないため、固体撮像装置１を製造するのに必要な工数を低減させることができる。

ボンディングパッド１２は、デバイス層１４および配線層１５を積層方向Ｄに貫通するように形成されている。ボンディングパッド１２に対して積層方向Ｄに重なる位置にデバイス層１４および配線層１５が設けられないため、トレンチ１８に導電性材料１２ｂを充填させることで、ボンディングパッド１２を容易に形成することができる。

なお、金属ワイヤは一般的に金で形成されるため、ボンディングパッド１２の金属膜１７とは反対側の端面に、金で形成された薄膜を形成してもよい。このように構成することで、銅で形成されたボンディングパッド１２と金属ワイヤとの接続信頼性を高めることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６から図１０を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図６に示すように、本実施形態の固体撮像装置２は、第１実施形態の固体撮像装置１に対して、ボンディングパッド４１が配線層１５を貫通していないことと、ボンディングパッド４１に金属膜１７が形成されていないことのみが異なる。

ボンディングパッド４１は、第一の基板の第二の面１０ｂに形成されている。ボンディングパッド４１の端面４１ａは、積層方向Ｄにおいて、第一の基板１０の第二の面１０ｂと同じ位置に配置されている。
ボンディングパッド４１は、デバイス層１４を積層方向Ｄに貫通するように形成されている。ボンディングパッド４１は、配線層１５の信号配線１６を介して接続部３０の接続電極３１に電気的に接続されている。

次に、このように構成された固体撮像装置２を製造する固体撮像装置２の製造方法について説明する。
まず、図７に示すように、光電変換素子１１を有するデバイス層１４の主面１４ａに、トレンチ４４を形成する。トレンチ４４は、デバイス層１４を貫通しないように形成する。
次に、図８に示すように、トレンチ４４に銅などの導電性材料４１ｂを充填させる。導電性材料４１ｂの外面４１ｃとデバイス層１４の主面１４ａとが面一となるように、研磨加工することが好ましい。

続いて、図９に示すように、デバイス層１４の主面１４ａ上に配線層１５を形成し、デバイス層１４と配線層１５とで第一の基板１０を構成する。
第１実施形態で図４に示したように、第二の基板２０に、接続部３０の接続電極３１を形成する。
図１０に示すように、第一の基板１０における第一の面１０ａと第二の基板２０の第一の面２０ａとを、接続電極３１を備えた接続部３０で電気的に接続する。

次に、第一の基板１０における第二の面１０ｂ側を薄くし、導電性材料４１ｂを外部に露出させてボンディングパッド４１とする。この例では、第一の基板１０における第二の面１０ｂ側を、基準線Ｌまで薄化させる。
以上の工程により、図６に示す固体撮像装置２が完成する。このとき、積層方向Ｄにおいて、ボンディングパッド４１の端面４１ａは、第一の基板１０の第二の面１０ｂと同じ位置となる。

以上説明したように、本実施形態の固体撮像装置２、および固体撮像装置２の製造方法によれば、固体撮像装置２を小型化することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１１を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１１に示すように、本実施形態の撮像装置３は、第１実施形態の固体撮像装置１を備えている。このような撮像装置３の具体的な例としては、例えば、デジタル一眼カメラ、内視鏡、顕微鏡等を挙げることができる。
本撮像装置３は、レンズユニット部１００、前述の固体撮像装置１、画像信号処理装置１１０、記録装置１２０、カメラ制御装置１３０、および表示装置１４０から構成される。

レンズユニット部１００は、カメラ制御装置１３０によってズーム、フォーカス、絞りなどが駆動制御され、被写体の像を固体撮像装置１に結像させる。
固体撮像装置１は、カメラ制御装置１３０によって駆動・制御される。固体撮像装置１は、レンズユニット部１００を介して固体撮像装置１内に入射した被写体からの光を光電変換素子１１で電気信号に変換し、入射光量に応じた画像信号を画像信号処理装置１１０に出力する。

画像信号処理装置１１０は、固体撮像装置１から入力された画像信号に対して、信号の増幅、画像データへの変換および各種の補正、画像データの圧縮などの処理を行う。画像信号処理装置１１０は、各処理における画像データの一時記憶手段として図示しないメモリを利用する。

記録装置１２０は、半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体であり、画像データの記録または読み出しを行う。
カメラ制御装置１３０は、撮像装置３の全体の制御を行う制御装置である。
表示装置１４０は、固体撮像装置１に結像され、画像信号処理装置１１０によって処理された画像データ、または記録装置１２０から読み出された画像データに基づく画像を表示する液晶などの表示装置である。

このように構成された撮像装置３は、被写体の像を画像データとして取得し、取得した画像データを記録装置１２０に記録したり、表示装置１４０に表示したりする。
なお、本実施形態の撮像装置３は第１実施形態の固体撮像装置１を備えているとしたが、第２実施形態の固体撮像装置２を備えているとしてもよい。

以上、本発明の第１実施形態から第３実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。さらに、各実施形態で示した構成のそれぞれを適宜組み合わせて利用できることは、言うまでもない。
たとえば、前記第１実施形態では、積層方向Ｄにおいて、ボンディングパッド１２の端面１２ａは第一の基板１０の第二の面１０ｂと同じ位置に配置されているとした。しかし、図１２に示すように、積層方向Ｄにおいて、端面１２ａが第二の面１０ｂよりも接続部３０から離間するように突出した位置、すなわち第二の面１０ｂよりも接続部３０から離間した位置に配置されているように構成してもよい。
端面１２ａをこのように構成するためには、例えば、第一の基板１０の第二の面１０ｂ側を薄化させた後で、ボンディングパッド１２を残してデバイス層１４だけをエッチングするように処理すればよい。
ボンディングパッド１２の端面１２ａをこのように構成することでも、第１実施形態の固体撮像装置１と同様の効果を奏することができる。
これは、前記第２実施形態のボンディングパッド４１についても同様である。

また、図１３に示すように、第一の基板１０の第二の面１０ｂ上にボンディングパッド５１を形成するとともに、ボンディングパッド５１と接続パッド１６ｃとをビア５２で電気的に接続してもよい。ビア５２は、デバイス層１４および配線層１５を積層方向Ｄに貫通するように形成されている。
このように構成しても、ボンディングパッド５１に金属ワイヤを容易に接続することができる。

第二の基板２０が有する回路は、画像処理回路２１であるとした。しかし、第一の基板１０の電気信号を処理するための回路であればこれに限定されず、所望の回路を適宜選択して用いることができる。
また、固体撮像装置の製造方法では、第二の基板２０に接続部３０を形成してから、第一の基板１０と第二の基板２０とを接続部３０で接続した。しかし、第一の基板１０に接続部３０を形成してから、第一の基板１０と第二の基板２０とを接続部３０で接続してもよい。
ボンディングパッド１２を、第一の基板１０の配線層１５において信号配線１６と接続してもよい。

１、２ 固体撮像装置
３ 撮像装置
１０ 第一の基板
１０ａ 第一の面
１０ｂ 第二の面（一方の面）
１１ 光電変換素子（光電変換部）
１２、４１、５１ ボンディングパッド（電極部）
１２ａ、４１ａ 端面（露出面）
１２ｂ、４１ｂ 導電性材料
１４ デバイス層（素子層）
１５ 配線層
１６ 信号配線
１８、４４ トレンチ（溝部）
２０ 第二の基板
２１ 画像処理回路（回路）
３０ 接続部
３１ 接続電極
Ｄ 積層方向

Claims (6)

1. 第一の基板と第二の基板とが、積層され、接続部を介して電気的に接続された固体撮像装置であって、
   前記第一の基板は、
   入射光を電気信号に変換する光電変換部と、
   露出面に信号線が接続され、該信号線を介して外部に電気信号が入力または出力される電極部と、を有し、
   前記第二の基板は、前記第一の基板から出力され、前記接続部を介して入力される電気信号を処理する回路を有し、
   前記電極部は、前記第一の基板における前記接続部とは反対側となる一方の面に形成され、
   前記露出面は、前記第一の基板と前記第二の基板との積層方向において、前記一方の面と同じ位置、または前記一方の面よりも突出した位置に配置されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第一の基板は、
   前記光電変換部が設けられた素子層と、
   信号配線が形成された配線層と、を有し、
   前記配線層が前記接続部に接触することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記電極部は、前記素子層および前記配線層を前記積層方向に貫通するように形成され、前記接続部に電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記電極部は、前記素子層を前記積層方向に貫通するように形成され、前記配線層を介して前記接続部に電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 請求項１に記載の固体撮像装置を備えることを特徴とする撮像装置。
6. 入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する第一の基板の第一の面に、溝部を形成する工程と、
   前記溝部に導電性材料を充填させる工程と、
   前記第一の基板から出力される電気信号を処理するための回路を有する第二の基板と、前記第一の基板における前記第一の面とを接続部を介して電気的に接続し、前記第一の基板と前記第二の基板とを積層する工程と、
   前記第一の基板における前記第一の面とは反対の第二の面側を薄くし、前記導電性材料を外部に露出させて電極部とする工程と、
   を備え、
   前記電極部における信号線が接続される露出面は、前記第一の基板と前記第二の基板との積層方向において、前記一方の面と同じ位置または、前記一方の面よりも突出した位置に配置されることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
   

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