JP2020031074A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長波長（特に、赤外光）においても感度が高く、光の混色が抑制された、積層型の固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】固体撮像装置１００は、撮像光学系からの入射光を光電変換する受光部４を有する単位画素２が２次元配列される画素部３１を有する第１の半導体基板部２１と、画素部３１からの信号を処理する回路部３３を有する第２の半導体基板部２２と、を備え、第１の半導体基板部２１は、第２の半導体基板部２２に有する第２の半導体基板５ｂよりも厚みが薄い第１の半導体基板５ａを有し、第１の半導体基板部２１および第２の半導体基板部２２は、接合して積層構造を成し、第１の半導体基板部２１と第２の半導体基板部２２との接合部３０に、入射光を反射する反射板６ａを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関する。

近年、ＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置において、小型、多機能化のために、特許文献１に示すような裏面照射型のイメージセンサチップと信号処理回路が形成される信号処理チップとをスルーホールビアを介して電気的に接続される構成を有する積層型の固体撮像装置が開示されている。

特開２０１５−６５４７９号公報

しかしながら、特許文献１に示すような裏面照射型のイメージセンサを用いる構成では、入射光を光電変換する受光部（フォトダイオード、ＰＤ）を有するシリコン基板を数ミクロン以下に薄膜化するため、光入射面から入った光のうち長波長成分（特に、赤外光）がフォトダイオードを透過するため長波長の感度が悪い。さらに、フォトダイオードを透過する長波長成分の光は、イメージセンサチップの回路部や信号処理チップの回路部に入る。そのため、回路部の配線などで乱反射して隣のフォトダイオードなどに入射して混色を起こす。

本発明は、上記課題に鑑みてなされるものであり、長波長（特に、赤外光）においても感度が高く、光の混色が抑制された、積層型の固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、撮像光学系からの入射光を光電変換する受光部（フォトダイオード）を有する単位画素が２次元配列される画素部を有する第１の半導体基板部と、前記画素部からの信号を処理する回路部を有する第２の半導体基板部と、を備え、前記第１の半導体基板部は、前記第２の半導体基板部に有する第２の半導体基板よりも厚みが薄い第１の半導体基板を有し、前記第１の半導体基板部および前記第２の半導体基板部は、接合されて積層構造を成し、前記第１の半導体基板部と前記第２の半導体基板部との接合部に、前記入射光を反射する反射板を備える。

この構成により、光入射面から入った光のなかでフォトダイオードを透過する長波長の光が、反射板により反射され再びフォトダイオードに戻るため、長波長の光感度が格段に向上する。さらに、フォトダイオードの直下に反射板が形成されているため、回路部の配線などで乱反射を起こすことが無い。

また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る固体撮像装置の製造方法は、撮像光学系からの入射光を光電変換する受光部を有する単位画素が２次元配列される画素部を有する第１の半導体基板部を形成する工程と、前記画素部からの信号を処理する回路部を有する第２の半導体基板部を形成する工程と、前記第１の半導体基板部と前記第２の半導体基板部との接合部に、前記入射光を反射する反射板を形成する工程と、前記第１の半導体基板部および前記第２の半導体基板部を接合する工程と、を有する。

本発明により、長波長（特に、赤外光）においても感度が高く、光の混色が抑制された、積層型の固体撮像装置およびその製造方法が提供される。

図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の基本構造を示す断面図である。 図２は、第１の半導体基板に入射する光がどの程度吸収されるかを示すグラフである。 図３は、反射板に用いることが可能な金属の分光反射率を示すグラフである。 図４は、撮像レンズから固体撮像装置に入射する光および主光線（ＣＲＡ）の主軸に対する角度が、像高によって異なることを示す図である。 図５は、図１に示された固体撮像装置の製造方法を説明するための、半完成品状態の第１の半導体基板部の断面を示す図である。 図６は、図５に示された半完成品状態の第１の半導体基板部に支持基板を接合する工程を示す図である。 図７は、図６に示された半完成品状態の第１の半導体基板部の第１の半導体基板を薄膜化する工程を示す図である。 図８は、図７に示された半完成品状態の第１の半導体基板部の薄膜化された面に絶縁膜を形成する工程を示す図である。 図９Ａは、図８に示された半完成品状態の第１の半導体基板部に貫通電極を形成する工程を示す図である。 図９Ｂは、図８に示された半完成品状態の第１の半導体基板部に貫通電極を形成する工程を示す図である。 図９Ｃは、図８に示された半完成品状態の第１の半導体基板部に貫通電極を形成する工程を示す図である。 図９Ｄは、図８に示された半完成品状態の第１の半導体基板部に貫通電極を形成する工程を示す図である。 図１０Ａは、図１に示された固体撮像装置の、半完成品状態の第２の半導体基板部の製造工程を示す図である。 図１０Ｂは、図１に示された固体撮像装置の、半完成品状態の第２の半導体基板部の製造工程を示す図である。 図１１は、図９Ｄに示された第１の半導体基板部と図１０Ｂに示された第２の半導体基板部とを接合する工程を示す図である。 図１２は、図１１で示された接合工程後に、半完成品状態の第１の半導体基板部から支持基板を除去する工程を示す図である。 図１３は、図１２で示された半完成品状態の第１の半導体基板部に光ガイドを形成する工程を示す図である。 図１４は、図１３に示された半完成品状態の第１の半導体基板部にカラーフィルタとマイクロレンズを形成する工程を示す図である。 図１５は、図１４に示された半完成品状態の第２の半導体基板部に裏面電極と裏面電極用の貫通電極とを形成する工程を示す図である。 図１６Ａは、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の第１の半導体基板部に反射板を作成する工程を示す図である。 図１６Ｂは、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の第１の半導体基板部に反射板を作成する工程を示す図である。 図１６Ｃは、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の第１の半導体基板部に反射板を作成する工程を示す図である。 図１６Ｄは、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の第１の半導体基板部に反射板を作成する工程を示す図である。 図１６Ｅは、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の第１の半導体基板部に反射板を作成する工程を示す図である。 図１６Ｆは、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の第１の半導体基板部に反射板を作成する工程を示す図である。 図１６Ｇは、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の第１の半導体基板部に反射板を作成する工程を示す図である。 図１６Ｈは、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の第１の半導体基板部に反射板を作成する工程を示す図である。 図１６Ｉは、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の第１の半導体基板部に反射板を作成する工程を示す図である。 図１６Ｊは、図１６Ｉに示された第１の半導体基板部と図１０Ｂに示された第２の半導体基板部とを接合する工程を示す図である。 図１６Ｋは、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の基本構造を示す断面図である。

以下、本開示の実施の形態に係る固体撮像装置およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは一例であり、本発明を限定するものではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうちの、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略または簡略化する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付す。

（実施の形態）
〔固体撮像装置〕
ＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置は、入射光を光電変換する受光部を有する画素を２次元的に配列する画素部の信号を半導体集積回路で処理して、被写体からの光信号を電気信号に変換している。固体撮像装置の感度は、入射光量に対する出力電荷量の大きさによって定義されていることから、入射する光を確実に受光部で光電変換することが重要な要素である。

図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１００の基本構造を示す断面図である。固体撮像装置１００は、撮像光学系からの入射光を光電変換する受光部４を有する単位画素が２次元配列される画素部３１を有する第１の半導体基板部２１と、画素部３１からの信号を処理する回路部（以下、「信号処理回路部」と称する場合がある。）３３を有する第２の半導体基板部２２とを備える。第１の半導体基板部２１および第２の半導体基板部２２のより詳しい構成は以下の通りである。

第１の半導体基板部２１は、被写体からの光信号を電気信号（以下、単に、「信号」と称する場合がある。）に変換し出力する半導体チップであり、画素部３１および第１の接続回路部３２等で構成されている。画素部３１の各画素は、集光素子（マイクロレンズ）１、カラーフィルタ２、金属配線（一例として、Ｃｕ配線）３ａ、受光部（または、光電変換部、一例として、フォトダイオード、ＰＤ）４、第１の半導体基板（一例として、シリコン基板）５ａ、光ガイド（隔壁）１０、光導波路１２から構成されている。また、第１の半導体基板部２１は、入射光が入射する側に光導波路１２が形成される表面入射型である。カラーフィルタ２と受光部４との間に光導波路１２が形成されることにより、入射光を受光部４に導くことができ、固体撮像装置１００の感度を高めることができる。

第１の半導体基板部２１は、入射光が入射する側とは反対側の面が薄膜化されている。受光部４から反射板６ａまでの距離を短くすることができ、より多くの入射光を受光部４で電気信号に変換できるからである。

また、第１の接続回路部３２には、画素部３１からの信号を取り出すための金属配線３ｂ、３ｃおよび、その信号を第２の半導体基板部２２にある信号処理回路部３３に伝えるための第１の貫通電極８、金属配線３ｄが形成されている。

第２の半導体基板部２２は、第１の半導体基板部２１から出力された電気信号を処理する処理回路チップであり、画素部３１からの信号を処理する回路部（信号処理回路部）３３を有している。また、図１に示すように、第２の半導体基板部２２には、信号処理回路部３３で処理された信号を第２の貫通電極１８を介して裏面電極１３に伝える第２の接続回路部３４等が形成されている。このように、第２の接続回路部３４が第２の貫通電極１８および裏面電極１３を含むことにより、パッケージが不要となり、固体撮像装置１００を小型化することができる。

第２の半導体基板部２２は、第１の半導体基板部２１と接合され積層構造を成している。ここで、接合とは、例えば、複数の基板の表面をプラズマで活性化して（プラズマ処理して）これらの基板を貼り合わせるプラズマ活性化接合、および、複数の基板を接着剤等により貼り合せることをいう。また、第２の半導体基板部２２は、第１の半導体基板部２１の画素部３１に対向する領域に、信号処理回路部３３を有している。この信号処理回路部３３は、トランジスタ７や金属配線３ｅ等で構成されている。

また、接続回路部３５には、第１の接続回路部３２および第２の接続回路部３４が含まれる。第１の接続回路部３２は、例えば、画素部３１からの信号を取り出すための金属配線３ｂ、第１の貫通電極８と金属配線３ｂとを接続するための金属配線３ｃ、第１の貫通電極８、および第１の貫通電極８からの信号を信号処理回路部３３に伝えるための金属配線３ｄ等で構成されており、第２の接続回路部３４は、例えば、信号処理回路部３３で処理された信号を取り出すための金属配線３ｆ、第２の貫通電極１８と金属配線３ｅとを接続するための金属配線３ｇ、第２の貫通電極１８、および裏面電極１３等で構成されている。これにより、接続回路部３５は、画素部３１からの信号を信号処理回路部３３に伝えると共に、信号処理回路部３３で処理される信号を第２の貫通電極１８を介して裏面電極１３に伝えることができる。

実施の形態に係る固体撮像装置１００は、第１の半導体基板部２１と第２の半導体基板部２２との接合部３０に、反射板６ａを備えている。反射板６ａは、受光部４に近接して形成されている。より具体的には、反射板６ａは、受光部４の受光面と反対側（以下、下面と称する。）に近接して形成されている。ここで、近接するとは、反射板６ａが受光部４の下面に接するように配置されること、および、所定の間隔をもって配置されることをいう。所定の間隔とは、第１の半導体基板５ａの厚みの２／３以下であり、好ましくは、１／２以下であり、より好ましくは、１／３以下であり、さらに好ましくは、１／４以下である。このような構成を有することにより、入射光のうち受光部４を透過した光を効率よく反射して受光部４に到達させることができ、受光部４における光電変換の効率を向上させることができる。本実施の形態に係る固体撮像装置１００では、第２の半導体基板部２２の画素部３１に対向する領域の最表面に反射板６ａが形成されている。つまり、反射板６ａは、接合部３０のうち、第２の半導体基板部２２の面に形成されている。

また、本実施の形態では、反射板６ａは、単位画素毎に形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、数画素毎に形成されていても良い。反射板６ａが単位画素毎に形成される場合、反射板６ａの面積は、受光部４の面積と同一、または、受光部４の面積よりも大きく、かつ、単位画素面積よりも小さい。反射板６ａが数画素毎に形成される場合は、反射板６ａの面積は、数画素の受光部４の全体を囲む領域の面積と同一、または、それよりも大きく、かつ、数画素を囲む領域の面積よりも小さい。

反射板６ａは、受光部４を透過した光を反射して受光部４に到達させることができれば良く、例えば、金属であっても良い。なお、本実施の形態では、反射板６ａとしては長波長光の反射率が高いＣｕを用いる例を示しているが、反射率の波長依存性を示すＡｌ、Ａｕ、Ａｇなどを用いても良い。図３に示すように、銅（Ｃｕ）は、波長が６００ｎｍより大きい長波長光の反射率が高いため、受光部４を透過した長波長光（特に、赤外光）を効率よく反射して受光部４に到達させることができる。これにより、第１の半導体基板部２１を薄膜化しても、長波長光の感度が高く、光の混色が抑制された、固体撮像装置１００を提供することが可能となる。また、アルミニウム（Ａｌ）および銀（Ａｇ）は、可視光領域の光の反射率も高く、金（Ａｕ）は、波長が５５０ｎｍより大きい領域の光の反射率が高い。そのため、反射板６ａは、上記金属材料を少なくとも１つ含んでいれば良く、所望の固体撮像装置１００に応じて、使用する金属材料の種類および配合比率等を適宜調整することができる。なお、反射板６ａは、所望の反射率を得ることができれば良く、例えば、第１の貫通電極８と接続される金属配線３ｄと同一の材料で形成しても良い。製造が容易になるからである。

第１の半導体基板部２１は、第２の半導体基板部２２に有する第２の半導体基板５ｂよりも厚みが薄い第１の半導体基板５ａを有している。本実施の態様では、具体的には、第１の半導体基板５ａは、６μｍ程度に薄膜化されている。また、受光部４の深さは、２．３μｍ程度である。第２の半導体基板５ｂは、一般的な半導体チップの基板と同様の厚みがあれば良い。つまり、本実施の形態では、第１の半導体基板部２１の第１の半導体基板５ａは、第２の半導体基板部２２の第２の半導体基板５ｂよりも薄い厚みを有している。

ここで、本発明の理解を容易とするため、図２を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置１００の光学特性、具体的には、第１の半導体基板部２１に入射する光の吸収特性について説明する。図２のＰＤ領域とは、受光部４の深さを示している。また、第１の半導体基板５ａの厚みをＳｉ基板の深さで表し、入射する光の吸収特性を、入射光（Ｉ_０）と透過光（Ｉ）との光強度比（Ｉ_０／Ｉ）で表している。本実施の形態では、受光部４の深さは、２．３μｍ程度である。これは、第１の半導体基板５ａが６μｍ程度である場合に、第１の半導体基板５ａの強度を保ち、適切に形成できる受光部４の深さである。

図２より、第１の半導体基板５ａが６μｍ程度の場合は、４５９ｎｍの青色光は受光部４でほぼ１００％吸収されることがわかる。また、５２７ｎｍの緑色光は受光部４で約９０％吸収されており、第１の半導体基板５ａ内でほぼ１００％吸収されることがわかる。

しかしその一方、第１の半導体基板５ａが６μｍ程度の場合は、６３５ｎｍの赤色光は第１の半導体基板５ａから１５％程度透過する。赤外光の場合さらに透過し、７７４ｎｍの赤外光の場合は約５０％、８８５ｎｍの赤外光の場合は約８０％が第１の半導体基板５ａを透過する。

そのため、本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、図２の結果から、第１の半導体基板部２１の第１の半導体基板５ａの膜厚（第１の半導体基板部２１の第１の半導体基板５ａは、第２の半導体基板部２２の第２の半導体基板５ｂよりも薄い厚み）、および、受光部４の深さをそれぞれ６μｍ程度、２．３μｍ程度とする。これにより、長波長光、特に、赤外光は、第１の半導体基板５ａを多く透過するが、図１に示すように、第２の半導体基板部２２の最表面に反射板６ａが形成されることにより、透過光を反射させて受光部４に到達させることができ、長波長光（特に、赤外光）においても感度が高まり、固体撮像装置１００として大幅に感度を向上させることができる。

また、図４に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置１００に向けて撮像レンズ（カメラレンズ）１０１から入射する光では、主光線（ＣＲＡ）は、像高によって角度が異なることがあり、画素に入射する主光線（ＣＲＡ）角度が像高によって角度が異なることがある。しかしながら、本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、光ガイド１０および光導波路１２を設けているため、受光部４にほぼ垂直に光が入射する。そのため、受光部４を透過する光もほぼ垂直に反射板６ａに当たるため、反射光が隣接画素に入射するなどの迷光による混色が発生しない。

さらに、反射板６ａが金属であり、Ｃｕなどの導電性の高い金属を少なくとも１つ含んでいれば良いため、反射板６ａは、第２の半導体基板部２２の信号処理回路部３３に接続されて、電位を変更可能な構成（つまり、反射板６ａが、反射板６ａの電位を変更できる回路または電源に接続される構成）としても良い。反射板６ａの電位を変更することにより、受光部４の電位ポテンシャル分布を変更することができ、飽和特性やブルーミング特性を最適化することができる。

なお、図１に示される構成のうち、固体撮像装置１００の製造方法の項にて説明する構成については、ここでの説明を省略する。

〔固体撮像装置の製造方法〕
次に、図５から図１５を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。

図５〜図９Ｄは、半完成品状態の（画素部を完成させる前の）第１の半導体基板部の製造工程の一例を示している。

図５は、図１に示された固体撮像装置１００の製造方法を説明するための、半完成品状態の（画素部を完成させる前の）第１の半導体基板部２１ａ（以下、単に、第１の半導体基板部２１ａと称する。）の断面を示す図である。図１を参照して説明したとおり、第１の半導体基板部２１は、画素部３１と第１の接続回路部３２等で構成されている。画素部３１には、集光素子１、カラーフィルタ２、金属配線３ａ、受光部４、光ガイド（隔壁）１０、光導波路１２等が形成され、第１の接続回路部３２には、画素部３１からの信号を取り出すための金属配線３ｂ、３ｃ、およびその信号を第２の半導体基板部２２の信号処理回路部３３に伝えるための第１の貫通電極８、金属配線３ｄ等が形成されている。図５に示すように、第１の半導体基板部２１ａは、画素部３１および第１の接続回路部３２が形成される領域を共に覆うように、光ガイド１０を形成するための光ガイド用膜１１が形成され、その最表面（光が入射する面側の表面）は平坦化されている。本実施の形態では、光ガイド用膜１１にはＳｉＯ_２膜を用いるが、これに限定されるものではなく、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜なども用いることができる。

以下、同様に、半完成品状態の第１の半導体基板部、半完成品状態の第２の半導体基板部、および半完成品状態の固体撮像装置を、単に、第１の半導体基板部、第２の半導体基板部および固体撮像装置とし、各々の名称の後ろに符号を付して称する。

図６は、図５に示された第１の半導体基板部２１ａに支持基板５ｃを接合する工程を示す図である。第１の半導体基板部２１ｂは、第１の半導体基板部２１ａの光ガイド用膜１１側の面および支持基板５ｃの一方の面を接合面２０ａ、２０ｂとし、これらの接合面２０ａ、２０ｂを貼り合せて形成されている。なお、接合部２０は、第１の半導体基板部２１ａの接合面２０ａ、および支持基板５ｃの接合面２０ｂが接合されて形成された面をいう。

図１を参照して説明したとおり、第１の半導体基板部２１ａと支持基板５ｃとの貼り合わせには、例えば、基板の表面をプラズマで活性化して（プラズマ処理して）接合するプラズマ活性化接合、および、接着剤による接合などを用いることができる。本実施の形態では、例えば、第１の半導体基板部２１ａの表面に形成される光ガイド用膜１１（ＳｉＯ_２膜）の表面と、支持基板５ｃ（Ｓｉ）の表面と、をそれぞれ接合面２０ａ、２０ｂとして用いる。また、例えば、支持基板５ｃの表面にＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜等を形成して膜の表面を接合面２０ｂとし、第１の半導体基板部２１ａの表面に形成されるＳｉＯ_２膜等の表面（接合面）２０ａとプラズマ活性化接合しても良い。なお、本実施の形態では、支持基板５ｃにＳｉ等の半導体基板を用いる例を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、石英基板なども用いることができる。

また、プラズマ活性化接合の工程としては、第１の半導体基板部２１ａおよび支持基板５ｃの表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより平坦化する工程の後、平坦化された各基板の表面をプラズマ処理して活性化する工程を行い、プラズマ処理で活性化された各基板の表面をそれぞれ接合面２０ａ、２０ｂとし、これらの接合面２０ａ、２０ｂを重ね合わせて２００〜４００℃のアニール処理をして接合する工程を有する。これにより、第１の半導体基板部２１ａおよび支持基板５ｃは、接合部２０で接合され（貼り合わせられ）、第１の半導体基板部２１ｂが得られる。アニール処理温度としては、配線などに影響を与えない４００℃以下の低温でプロセスを行うことが好ましいが、接合強度の観点から、２００℃〜４００℃であることが好ましく、３００℃〜４００℃であることがさらに好ましい。配線などに影響を与えることなく、好適な接合強度を有する接合部２０を形成することができるからである。

なお、本実施の形態では、第１の半導体基板部２１ａおよび支持基板５ｃをプラズマ活性化接合により貼り合わせる例を示しているが、第１の半導体基板部２１ａの接合面２０ａおよび支持基板５ｃの接合面２０ｂの一方に接着剤層を形成し、接着剤層を介して第１の半導体基板部２１ａおよび支持基板５ｃを貼り合わせても良い。

図７は、図６に示された第１の半導体基板部２１ｂの第１の半導体基板５ａを薄膜化する工程を示す図である。図７に示すように、第１の半導体基板５ａの接合面２０ａとは反対の面を、例えば、グラインダーおよびＣＭＰ等を用いて薄膜化し、第１の半導体基板部２１ｃを形成する。この工程により、第１の半導体基板部２１ｂの第１の半導体基板５ａは、６μｍ程度の厚みに薄膜化される。

図８は、図７に示された第１の半導体基板部２１ｃの薄膜化された面に絶縁膜（第１の絶縁膜）９ａを形成する工程を示す図である。図８に示すように、第１の半導体基板部２１ｃの第１の半導体基板５ａの薄膜化された面上に第１の絶縁膜９ａを形成し、第１の半導体基板部２１ｄを製造する。第１の絶縁膜９ａとしては、透明性を有する絶縁材料から形成されていても良く、さらに低屈折率を有する材料で形成されていれば良く、例えば、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜などを用いることができる。

図９Ａ〜図９Ｄは、図８に示された第１の半導体基板部２１ｄに貫通電極（第１の貫通電極）８を形成する工程を示す図である。図９Ａに示すように、第１の半導体基板部２１ｄの第１の接続回路部３２の第１の貫通電極８を設ける部分に、第１の開口４１ａを設ける。これにより、第１の半導体基板部２１ｅが得られる。第１の開口４１ａは、例えば、リソグラフィーおよびエッチング等により形成することができる。

次に、図９Ｂに示すように、第１の半導体基板部２１ｅの第１の開口４１ａに対応する部分の第１の半導体基板５ａをエッチングし、第１の貫通孔４２ａを形成する。第１の貫通孔４２ａは、第１の半導体基板５ａを貫通するように形成され、第１の接続回路部３２の金属配線３ｃの接続面（第１の貫通電極８との接続面）が第１の貫通孔４２ａ内に露出する。これにより、第１の半導体基板部２１ｆが得られる。なお、このとき、第１の絶縁膜９ａをエッチング用のマスクとして用いても良い。

次に、図９Ｃに示すように、第１の半導体基板部２１ｆの第１の貫通孔４２ａの内側面に第２の絶縁膜４３ａを形成する。第２の絶縁膜４３ａとしては、所望の絶縁性を有するものであれば良く、透明性を有していても有していなくても良い。具体的には、第２の絶縁膜４３ａは、Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＺｒＯ_２膜、ＺｒＢＯ膜等で形成されても良い。また、第１の絶縁膜９ａと同じ材料で形成されていても良く、例えば、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜などを用いることができる。なお、第２の絶縁膜４３ａ形成後に第１の接続回路部３２の金属配線３ｃの接続面が精度よく露出するように、再度、第１の貫通孔４２ａをエッチングし、第１の貫通孔４２ａ内に、第１の接続回路部３２の金属配線３ｃの接続面を露出させても良い。これにより、第１の半導体基板部２１ｇが得られる。

次に、図９Ｄに示すように、第１の半導体基板部２１ｇの第１の貫通孔４２ａにメッキを施し、第１の貫通孔４２ａに第１の貫通電極８を形成するための金属を充填する。具体的には、第１の貫通電極８の電極材料となる金属の一例として、Ｃｕを挙げることができる。本実施の形態では、金属配線３ｃを用いているので第１の貫通電極８と金属配線３ｃは接続されている。第１の貫通孔４２ａにメッキを施しＣｕを充填後、例えば、ＣＭＰ工程を用いて第１の貫通電極８の第１の開口４１ａ側の最表面と第１の絶縁膜９ａを平坦化し、第１の貫通電極８としてＣｕ電極を形成している。これにより、第１の半導体基板部２１ｈが得られる。

図１０Ａおよび図１０Ｂでは、図１に示された固体撮像装置１００の第２の半導体基板部２２ａおよび２２ｂの製造工程の一例を示している。図１０Ａは、第２の半導体基板５ｂ上の絶縁膜１４内に、信号処理回路部３３、反射板６ａ、および第２の接続回路部３４が形成された第２の半導体基板部２２ａの断面を示している。第２の半導体基板部２２ａの第２の接続回路部３４の第２の半導体基板５ｂとは反対側の最上層配線には、第１の貫通電極８と接続するための金属配線３ｄが形成されている。また、第２の半導体基板部２２ａの画素部３１と平面視で重なる領域には、第２の接続回路部３４の第２の半導体基板５ｂとは反対側の最上層配線（金属配線３ｄ）と同じ高さに、反射板６ａが形成されている。第２の半導体基板部２２ａに形成される金属配線３ｄ〜３ｇ、反射板６ａ、トランジスタ７などは、例えば、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜などの絶縁膜１４で覆われている。

次に、図１０Ｂに示すように、第２の半導体基板部２２ｂは、例えば、ＣＭＰ工程等を用いて、第２の半導体基板部２２ａの金属配線３ｄ、および反射板６ａを、絶縁膜１４から露出させるとともに、金属配線３ｄ、反射板６ａ、および絶縁膜１４の表面を、第２の半導体基板部２２ｂの最表面で平坦化することにより形成される。

図１１は、図９Ｄに示す状態の第１の半導体基板部２１ｈと、図１０Ｂに示す状態の第２の半導体基板部２２ｂとを接合する工程を示す図である。この工程では、第１の半導体基板部２１ｈの第１の絶縁膜９ａの表面（接合面３０ａ）と、第２の半導体基板部２２ｂの第２の半導体基板５ｂとは反対側の表面（接合面３０ｂ）と、を、例えば、プラズマで活性化して接合するプラズマ活性化接合を用いて接合させて接合部３０を形成する。これにより、固体撮像装置１００ａが得られる。プラズマ活性化接合のアニール処理温度は、上述した理由から、４００℃以下の低温であることが好ましく、２００℃〜４００℃がより好ましく、特に、金属配線３ｄと第１の貫通電極８のＣｕの電気接合を確実にするために３００〜４００℃がさらに好ましい。

図１２は、図１１で示された接合工程後に、第１の半導体基板部２１ｈから支持基板５ｃを除去する工程を示す図である。この工程では、接合状態の第１の半導体基板部２１ｈから、例えば、グラインダーおよびＣＭＰ工程などを用いて支持基板５ｃを除去し、固体撮像装置１００ｂを形成している。固体撮像装置１００ｂは、第１の半導体基板部２１ｉおよび第２の半導体基板部２２ｂを有している。なお、光ガイド用膜１１は、図５で説明したとおり、ＣＭＰ工程等によって平坦化されているものとする。

図１３は、図１２で示された第１の半導体基板部２１ｉに光ガイド１０を形成する工程を示す図である。この工程では、例えば、リソグラフィーおよびエッチング等の工程を用いて、光ガイド用膜１１から各画素に対応する光ガイド１０を形成している。この工程により、第１の半導体基板部２１ｊおよび第２の半導体基板部２２ｂを有する固体撮像装置１００ｃが得られる。この工程の後、各画素にカラーフィルタ２や集光素子（マイクロレンズ）１を形成し、第１の半導体基板部２１を完成させると、図１４に示す固体撮像装置１００ｄが得られる。上述したこれらの工程により、各画素の受光部４の下面に近接して反射板６ａを形成することができる。

さらに、図１５に示すように、図１４の第２の半導体基板部２２ｂに第２の貫通電極１８および裏面電極１３を形成しても良い。このように、第２の貫通電極１８および裏面電極１３を形成することにより、パッケージが不要となり、固体撮像装置１００を小型化することができる。なお、第２の半導体基板部２２の裏面電極１３側に形成される第３の絶縁膜９ｂ、第２の貫通電極１８の内側面に形成される第４の絶縁膜４３ｂ、第３の絶縁膜９ｂに形成される第２の開口、第２の貫通電極１８のために形成される第２の貫通孔等の製造方法については、図８〜図９Ｄで示した工程と同様であるため、説明を省略する。

（実施の形態の変形例）
本実施の形態の変形例では、図１６Ｋに示すように、固体撮像装置１００ｆの第１の半導体基板部２１にも反射板６ｂを形成する。つまり、第１の半導体基板部２１と第２の半導体基板部２２との接合部４０のうち、第２の半導体基板部２２の面に反射板６ａを形成し、第１の半導体基板部２１の面に反射板６ｂを形成する。

図１６Ａから図１６Ｋを用いて、本変形例の反射板６ｂの製造工程を詳細に説明する。ただし、上述した実施の形態に係る固体撮像装置１００の製造工程と共通する工程に関しては、実施の形態を引用し、説明を省略する。

図５から図７の工程を経た第１の半導体基板部２１ｃの第１の半導体基板５ａに反射板６ｂを形成するための段差部４５を設けるため、図１６Ａに示すように、例えば、リソグラフィー工程を用いて、第１の半導体基板５ａの受光部４と反対側の面上に開口部４６を有するレジスト４４を形成する。この工程により、第１の半導体基板部２１ｋが得られる。開口部４６の開口面積は、所望の反射板６ｂの面積よりも大きく、開口部４６に形成される第１の絶縁膜９ａの膜厚に応じて適宜設定されるものである。ここで、反射板６ｂの面積は、反射板６ａの面積と同様、受光部４の面積と同一、または、受光部４の面積よりも大きく、かつ、単位画素面積よりも小さい。また、反射板６ｂが数画素毎に形成される場合も、反射板６ａが数画素毎に形成される場合について上述した内容と同様である。

次に、図１６Ｂに示すように、レジスト４４をマスクとして第１の半導体基板５ａをエッチングして段差部４５を形成する。これにより、第１の半導体基板部２１ｌが得られる。その後、レジスト４４を図１６Ｃに示すように除去する。これにより、第１の半導体基板部２１ｍが得られる。

次に、図１６Ｄに示すように、第１の半導体基板部２１ｍの第１の半導体基板５ａの段差部４５を有する面上に第１の絶縁膜９ａを形成する。これにより、第１の半導体基板部２１ｎが得られる。第１の絶縁膜９ａとしては、図８で上述したとおり、例えば、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜なども用いることができる。

次に、図１６Ｅに示すように、第１の半導体基板部２１ｎの第１の接続回路部３２の第１の貫通電極８を設ける部分に、第１の開口４１ａを形成する。これにより、第１の半導体基板部２１ｏが得られる。第１の開口４１ａは、例えば、リソグラフィーおよびエッチング等により形成することができる。

次に、図１６Ｆに示すように、第１の半導体基板部２１ｏの第１の開口４１ａに対応する部分の第１の半導体基板５ａをエッチングし、第１の貫通孔４２ａを形成する。第１の貫通孔４２ａは、第１の半導体基板５ａを貫通するように形成され、第１の接続回路部３２の金属配線３ｃの接続面（第１の貫通電極８との接続面）が第１の貫通孔４２ａ内に露出する。これにより、第１の半導体基板部２１ｐが得られる。この工程では、第１の絶縁膜９ａをエッチング用のマスクとして用いても良い。

次に、図１６Ｇに示すように、第１の半導体基板部２１ｐの第１の貫通孔４２ａの内側面に第２の絶縁膜４３ａを形成する。これにより、第１の半導体基板部２１ｑが得られる。第２の絶縁膜４３ａとしては、図９Ｃで上述したように、所望の絶縁性を有するものであれば良く、透明性を有していても有していなくても良い。第２の絶縁膜４３ａは、例えば、第１の絶縁膜９ａと同じ材料で形成されていても良く、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜などを用いることができる。なお、第２の絶縁膜４３ａを形成した後に、第１の接続回路部３２の金属配線３ｃの接続面が確実に露出するように、再度、第１の貫通孔４２ａをエッチングし、第１の貫通孔４２ａ内に、第１の接続回路部３２の金属配線３ｃの接続面を露出させても良い。

次に、図１６Ｈに示すように、第１の半導体基板部２１ｑの第１の貫通孔４２ａおよび段差部４５の開口部側の面にメッキを施し、第１の貫通電極８と反射板６ｂを形成するためのＣｕを充填する。これにより、第１の半導体基板部２１ｒが得られる。なお、本実施の形態の変形例でも、第１の貫通電極８と金属配線３ｄは接続されている。

次に図１６Ｉに示すように、第１の半導体基板部２１ｒのＣｕメッキ部分は、例えば、ＣＭＰ工程等を用いて研磨され、第１の貫通電極８、反射板６ｂ、第１の絶縁膜９ａの最表面が平坦化される。これにより、第１の半導体基板部２１ｓが得られる。

次に、図１６Ｊは、実施の形態の図１０Ａから図１０Ｂの工程で作成された第２の半導体基板部２２ｂと、図１６Ｉに示す状態の第１の半導体基板部２１ｓと、を接合する工程を示す図である。この工程では、第１の半導体基板部２１ｓの反射板６ｂを有する表面（接合面４０ａ）と、第２の半導体基板部２２ｂの第２の半導体基板５ｂとは反対側の表面（接合面４０ｂ）とをプラズマで活性化して接合するプラズマ活性化接合を用いて接合させて接合部４０が形成される。これにより、固体撮像装置１００ｅが得られる。プラズマ活性化接合のアニール処理温度は、図１１で上述したように、好ましくは４００℃以下であり、２００℃〜４００℃がより好ましく、特に、金属配線３ｄと第１の貫通電極８の電気接合を確実にするために３００〜４００℃がさらに好ましい。

その後、上記実施の形態に係る固体撮像装置１００と同様の工程（図１２〜図１５）を経て、本変形例に係る固体撮像装置１００ｆが完成される。

本変形例に係る固体撮像装置１００ｆは、図１６Ｋに示すように、第１の半導体基板部２１および第２の半導体基板部２２のどちらにも、同じ金属材料（Ｃｕ）から形成される、反射板６ａ、６ｂおよび第１の貫通電極８のＣｕ電極を有するため、ＣＭＰ工程の均一性が向上し、各基板同士の接合性も向上する。

以上、本発明に係る固体撮像装置およびその製造方法について、実施の形態および変形例に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態および変形例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態または変形例に施したものや、実施の形態および変形例における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、反射板６ａは、第１の半導体基板部２１と第２の半導体基板部２２との接合部３０のうち、第２の半導体基板部２２の面に形成され、上記変形例では、反射板６ｂは、接合部４０のうち、第１の半導体基板部２１の面および第２の半導体基板部２２の面に形成されたが、これらの形態に限定されない。反射板は、第１の半導体基板部２１と第２の半導体基板部２２との接合部のうち、第１の半導体基板部２１の面にだけ形成されてもよい。

本発明の固体撮像装置は、カメラの小型化、高感度化、高性能化を実現でき、産業上有用である。

１ 集光素子
２ カラーフィルタ
３ａ〜３ｆ 金属配線
４ 受光部
５ａ 第１の半導体基板
５ｂ 第２の半導体基板
５ｃ 支持基板
６ａ、６ｂ 反射板
７ トランジスタ
８ 第１の貫通電極
９ａ 第１の絶縁膜
９ｂ 第３の絶縁膜
１０ 光ガイド
１１ 光ガイド用膜
１２ 光導波路
１３ 裏面電極
１４ 絶縁膜
２０ 接合部
２０ａ、２０ｂ 接合面
２１ 第１の半導体基板部
２１ａ〜２１ｓ 半完成品状態の第１の半導体基板部
２２ 第２の半導体基板部
２２ａ、２２ｂ 半完成品状態の第２の半導体基板部
３０ 接合部
３０ａ、３０ｂ 接合面
３１ 画素部
３２ 第１の接続回路部
３３ 信号処理回路部（回路部）
３４ 第２の接続回路部
３５ 接続回路部
４０ 接合部
４０ａ、４０ｂ 接合面
４１ａ 第１の開口
４２ａ 第１の貫通孔
４３ａ 第２の絶縁膜
４３ｂ 第４の絶縁膜
４４ レジスト
４５ 段差部
４６ 開口部
１００、１００ｆ 固体撮像装置
１００ａ〜１００ｅ 半完成品状態の固体撮像装置
１０１ 撮像レンズ

Claims (13)

1. 撮像光学系からの入射光を光電変換する受光部を有する単位画素が２次元配列される画素部を有する第１の半導体基板部と、
   前記画素部からの信号を処理する回路部を有する第２の半導体基板部と、を備え、
   前記第１の半導体基板部は、前記第２の半導体基板部に有する第２の半導体基板よりも厚みが薄い第１の半導体基板を有し、
   前記第１の半導体基板部および前記第２の半導体基板部は、接合されて積層構造を成し、
   前記第１の半導体基板部と前記第２の半導体基板部との接合部に、前記入射光を反射する反射板を備える固体撮像装置。
2. 前記第１の半導体基板は、前記入射光が入射する側とは反対側の面が薄膜化されている請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記反射板は、前記受光部に近接して形成されている請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記反射板は、前記接合部のうち、前記第１の半導体基板部の面に形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記反射板は、前記接合部のうち、前記第２の半導体基板部の面に形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記反射板は、単位画素毎に形成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記反射板の面積は、前記受光部の面積と同一、または、前記受光部の面積よりも大きく、かつ、前記単位画素の面積よりも小さい請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記反射板は、数画素毎に形成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記反射板は、金属である請求項１から８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記反射板は、銅、アルミニウム、金、銀の少なくとも１つを含む請求項９に記載の固体撮像装置。
11. 前記反射板は、電位が変更可能な回路または電源に接続されている請求項９または１０に記載の固体撮像装置。
12. 前記第１の半導体基板部は、前記入射光が入射する側に光導波路が形成される表面入射型である請求項１から１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
13. 撮像光学系からの入射光を光電変換する受光部を有する単位画素が２次元配列される画素部を有する第１の半導体基板部を形成する工程と、
    前記画素部からの信号を処理する回路部を有する第２の半導体基板部を形成する工程と、
    前記第１の半導体基板部と前記第２の半導体基板部との接合部に、前記入射光を反射する反射板を形成する工程と、
    前記第１の半導体基板部および前記第２の半導体基板部を接合する工程と、
    を有する固体撮像装置の製造方法。

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