JP2021007176A - Solid-state image pickup device and electronic apparatus - Google Patents
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Description
本技術は、固体撮像装置、および電子機器に関し、特に、高品質の積層型のイメージセンサを、簡単に提供することができるようにする固体撮像装置、および電子機器に関する。 The present technology relates to solid-state image sensors and electronic devices, and more particularly to solid-state image sensors and electronic devices that make it possible to easily provide high-quality stacked image sensors.
固体撮像装置として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のMOS型イメージセンサに代表される増幅型固体撮像装置が知られている。また、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサに代表される電荷転送型固体撮像装置が知られている。 As a solid-state image sensor, an amplified solid-state image sensor represented by a MOS type image sensor such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) is known. Further, a charge transfer type solid-state image sensor represented by a CCD (Charge Coupled Device) image sensor is known.
これら固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどに広く用いられている。近年、カメラ付き携帯電話やPDA(Personal Digital Assistant)などのモバイル機器に搭載される固体撮像装置としては、電源電圧が低く、消費電力の観点などからMOS型イメージセンサが多く用いられている。 These solid-state image sensors are widely used in digital still cameras, digital video cameras, and the like. In recent years, MOS image sensors are often used as solid-state image sensors mounted on mobile devices such as camera-equipped mobile phones and PDAs (Personal Digital Assistants) because of their low power supply voltage and power consumption.
MOS型の固体撮像装置は、単位画素が光電変換部となるフォトダイオードと複数の画素トランジスタで形成され、この複数の単位画素が2次元アレイ状に配列された画素アレイ(画素領域)と、周辺回路領域を有して構成される。複数の画素トランジスタは、MOSトランジスタで形成され、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅とトランジスタの3トランジスタ、あるいは選択トランジスタを加えた4トランジスタで構成される。 The MOS type solid-state image sensor is formed of a photodiode whose unit pixel is a photoelectric conversion unit and a plurality of pixel transistors, and a pixel array (pixel area) in which the plurality of unit pixels are arranged in a two-dimensional array and a periphery. It is configured to have a circuit area. The plurality of pixel transistors are formed of MOS transistors, and are composed of a transfer transistor, a reset transistor, three transistors of amplification and a transistor, or four transistors including a selection transistor.
また、上記のような固体撮像装置においては、機能が異なる複数の半導体チップを積み重ねて電気的に接続する積層型構造も提案されている。 Further, in the solid-state image sensor as described above, a laminated structure in which a plurality of semiconductor chips having different functions are stacked and electrically connected is also proposed.
積層型構造では、各半導体チップの機能に対応するように、各回路を最適に形成することが可能であるので、装置の高機能化を容易に実現できる。 In the laminated structure, each circuit can be optimally formed so as to correspond to the function of each semiconductor chip, so that it is possible to easily realize high functionality of the device.
たとえば、センサ回路を含む半導体チップと、信号を処理する回路が設けられたロジック回路を含む半導体チップとの各機能に対応するように、センサ回路およびロジック回路を最適に形成することで、高機能な固体撮像装置を製造することができる。この際、半導体チップの基板に貫通電極を設けることで、これらの複数の半導体チップが電気的に接続される。 For example, high functionality is achieved by optimally forming the sensor circuit and logic circuit so as to correspond to each function of the semiconductor chip including the sensor circuit and the semiconductor chip including the logic circuit provided with the circuit for processing the signal. A solid-state image sensor can be manufactured. At this time, by providing a through electrode on the substrate of the semiconductor chip, these plurality of semiconductor chips are electrically connected.
しかしながら、基板を貫通する接続導体によって異種チップ間を接続して半導体デバイスを構成すると、深い基板に絶縁を確保しながら接続孔を開けねばならず、接続孔の加工と、接続導体の埋め込みに必要な製造プロセスのコスト経済性から実用化は困難とされていた。 However, when a semiconductor device is configured by connecting different types of chips with a connecting conductor that penetrates the substrate, it is necessary to make a connection hole while ensuring insulation in a deep substrate, which is necessary for processing the connection hole and embedding the connection conductor. It was considered difficult to put it into practical use due to the cost economy of the manufacturing process.
一方、例えば1μm程度の小さなコンタク孔を形成するためには、上部チップを極限まで薄膜化する必要がある。この場合、薄膜化する前に上部チップを支持基板に貼り付ける等の複雑な工程とコスト増を招いてしまう。しかも、高アスペクト比の接続孔に接続導体で埋めるためには、接続導体としてタングステン(W)等の被覆性の良いCVD膜を使うことが必然的に求められ、接続導体材料が制約される。 On the other hand, in order to form a small contact hole of, for example, about 1 μm, it is necessary to make the upper chip as thin as possible. In this case, a complicated process such as attaching the upper chip to the support substrate before thinning the film and an increase in cost are caused. Moreover, in order to fill the connection holes with a high aspect ratio with the connection conductor, it is inevitably required to use a CVD film having good coating properties such as tungsten (W) as the connection conductor, and the connection conductor material is restricted.
そこで、それぞれの性能を十分に発揮して高性能化を図り、且つ量産性、コスト低減を図った、固体撮像装置等の半導体装置の製造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, a method for manufacturing a semiconductor device such as a solid-state image sensor has been proposed in which the respective performances are fully exhibited to improve the performance, and the mass productivity and cost are reduced (see, for example, Patent Document 1). ..
特許文献1では、裏面型イメージセンサの支持基板をロジック回路として積層し、イメージセンサの薄肉化工程を利用して上部から多数の接続コンタクトを設けて積層型構造とすることが提案されている。 Patent Document 1 proposes that a support substrate of a back surface type image sensor is laminated as a logic circuit, and a large number of connection contacts are provided from above by utilizing the thinning process of the image sensor to form a laminated structure.
しかしながら、近年では、3層積層型の固体撮像装置も提案されている。積層型のイメージセンサを3層積層構造として構成する場合、受光部を持つセンサは光を取り込む必要があるため、最上部に配置することになり、その下層に2つのチップが積層されることになる。この場合、下層の2つのチップは、例えば、ロジックやメモリチップなどとすることができる。 However, in recent years, a three-layer laminated solid-state image sensor has also been proposed. When a laminated image sensor is configured as a three-layer laminated structure, the sensor having a light receiving portion needs to take in light, so it is arranged at the top, and two chips are laminated on the lower layer. Become. In this case, the lower two chips can be, for example, a logic or a memory chip.
通常、回路の積層に際しては、シリコン基板の薄膜化のために支持基板を使わないことが望ましい。その場合、回路の生成において、最初に下層の2つのチップの回路面を向い合せて貼り合わせ、2層目となるチップを薄膜化する。その後に、最も上層のセンサを裏面型として貼り合わせて積層させ、さらに薄膜化することになる。 Normally, when stacking circuits, it is desirable not to use a support substrate in order to thin the silicon substrate. In that case, in the generation of the circuit, first, the circuit surfaces of the two lower layers are faced to each other and bonded to each other, and the chip to be the second layer is thinned. After that, the uppermost sensor is laminated as a back surface type to further reduce the thickness.
しかしながら、このようにすると、3層積層構造では次のような問題が生じる。 However, in this way, the following problems occur in the three-layer laminated structure.
すなわち、パッドメタルへのパッド開口が必要以上に深くなりすぎる。すなわち、2層目チップのALレイヤまで開口するため、最上層チップのセンサを貫通し、さらに2層目のチップのシリコン基板も貫通して配線層の最下層に位置するALまで開口を到達させなければならない。 That is, the pad opening to the pad metal becomes too deep than necessary. That is, in order to open to the AL layer of the second layer chip, the opening penetrates the sensor of the uppermost layer chip and further penetrates the silicon substrate of the second layer chip to reach the AL located at the bottom layer of the wiring layer. There must be.
深いパッドを開口するためにはレジストの厚膜化に加えて、ドライエッチング後のレジスト硬化が問題となる。 In order to open a deep pad, in addition to thickening the resist film, curing the resist after dry etching becomes a problem.
例えば、開口時にチップ上には有機系のレンズが既に形成されているため、薬液でレジスト除去しなければならないが、硬化したレジストが残渣状に残り易くなり、レンズへの光入射を阻害する。 For example, since an organic lens is already formed on the chip at the time of opening, the resist must be removed with a chemical solution, but the cured resist tends to remain as a residue, which hinders light incident on the lens.
また、ドライエッチングにより生じるデポ物も問題となる。特にパッドのメタル表面やパッド開口部の側壁に付着して取れなくなったデポ物は、チップ完成後に湿度を吸ってフッ素イオンを生じさせ、パッドのメタルを溶かす(コロージョン)不良を生じさせる。 In addition, depots generated by dry etching also become a problem. In particular, the depot that cannot be removed by adhering to the metal surface of the pad or the side wall of the pad opening absorbs humidity after the chip is completed to generate fluorine ions, which causes a defect of melting the metal of the pad (corrosion).
このようにパッドの深さ増によりプロセスが困難になってしまう。 In this way, the increased pad depth makes the process difficult.
さらに、2層目のチップから発生するホットキャリア発光を、2層目チップの配線レイアウトで遮光する事ができず、また、センサチップでも不要な配線層が削減されている場合、十分な遮光レイアウトを構成する事ができない。 Further, if the hot carrier light emission generated from the second layer chip cannot be shielded by the wiring layout of the second layer chip, and the unnecessary wiring layer is reduced even in the sensor chip, a sufficient shading layout is provided. Cannot be configured.
本技術はこのような状況に鑑みて開示するものであり、高品質の積層型のイメージセンサを、簡単に提供することができるようにするものである。 The present technology is disclosed in view of such a situation, and makes it possible to easily provide a high-quality laminated image sensor.
本技術の一側面である固体撮像装置は、複数のフォトダイオードと、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、およびアンプトランジスタのうちの少なくとも1つと、第1の電極を含む第1の配線層とを含む第1の半導体基板と、第2の電極を含む第2の配線層と第3の電極を含む第3の配線層とを含む第2の半導体基板と、第4の電極を含む第4の配線層を含む第3の半導体基板とを備え、前記第2の配線層と前記第3の配線層は、それぞれ前記第2の半導体基板の対向する面側に形成され、前記第1の配線層と前記第2の配線層、前記第3の配線層と前記第4の配線層とがそれぞれ向き合うように、前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板と前記第3の半導体基板が積層され、前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板は、前記第1の電極と前記第2の電極が直接接合されることにより電気的に接続され、前記第2の半導体基板と前記第3の半導体基板は、前記第3の電極と前記第4の電極が直接接合されることにより電気的に接続される固体撮像装置である。 A solid-state imaging device, which is one aspect of the present technology, includes a plurality of photodiodes, at least one of a transfer transistor, a reset transistor, and an amplifier transistor, and a first wiring layer including a first electrode. A second semiconductor substrate including a second semiconductor substrate, a second wiring layer including a second electrode, and a third wiring layer including a third electrode, and a fourth wiring layer including a fourth electrode. A third semiconductor substrate including the second semiconductor substrate is provided, and the second wiring layer and the third wiring layer are formed on opposite surface sides of the second semiconductor substrate, respectively, and the first wiring layer and the first wiring layer are formed. The first semiconductor substrate, the second semiconductor substrate, and the third semiconductor substrate are laminated so that the second wiring layer, the third wiring layer, and the fourth wiring layer face each other. The first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are electrically connected by directly joining the first electrode and the second electrode, and the second semiconductor substrate and the third semiconductor are connected to each other. The substrate is a solid-state imaging device that is electrically connected by directly joining the third electrode and the fourth electrode.
本技術の一側面である電子機器は、入射光を受光する少なくとも1つのレンズを含む光学ユニットと、前記入射光を受光する固体撮像装置とを備え、前記固体撮像装置は、複数のフォトダイオードと、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、およびアンプトランジスタのうちの少なくとも1つと、第1の電極を含む第1の配線層とを含む第1の半導体基板と、第2の電極を含む第2の配線層と第3の電極を含む第3の配線層とを含む第2の半導体基板と、第4の電極を含む第4の配線層を含む第3の半導体基板とを備え、前記第2の配線層と前記第3の配線層は、それぞれ前記第2の半導体基板の対向する面側に形成され、前記第1の配線層と前記第2の配線層、前記第3の配線層と前記第4の配線層とがそれぞれ向き合うように、前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板と前記第3の半導体基板が積層され、前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板は、前記第1の電極と前記第2の電極が直接接合されることにより電気的に接続され、前記第2の半導体基板と前記第3の半導体基板は、前記第3の電極と前記第4の電極が直接接合されることにより電気的に接続される電子機器である。 An electronic device, which is one aspect of the present technology, includes an optical unit including at least one lens that receives incident light, and a solid-state imaging device that receives the incident light. The solid-state imaging device includes a plurality of photodiodes. , A first semiconductor substrate including at least one of a transfer transistor, a reset transistor, and an amplifier transistor, a first wiring layer including a first electrode, and a second wiring layer including a second electrode. A second semiconductor substrate including a third wiring layer including a third electrode, a third semiconductor substrate including a fourth wiring layer including a fourth electrode, and the second wiring layer. The third wiring layer is formed on the opposite surface side of the second semiconductor substrate, respectively, and the first wiring layer and the second wiring layer, the third wiring layer and the fourth wiring are formed. The first semiconductor substrate, the second semiconductor substrate, and the third semiconductor substrate are laminated so that the layers face each other, and the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are the first. The second electrode and the second electrode are directly bonded to each other to be electrically connected, and the second semiconductor substrate and the third semiconductor substrate are directly bonded to the third electrode and the fourth electrode. It is an electronic device that is electrically connected by being connected.
本技術の一側面である固体撮像装置、および電子機器においては、複数のフォトダイオードと、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、およびアンプトランジスタのうちの少なくとも1つと、第1の電極を含む第1の配線層とを含む第1の半導体基板と、第2の電極を含む第2の配線層と第3の電極を含む第3の配線層とを含む第2の半導体基板と、第4の電極を含む第4の配線層を含む第3の半導体基板とが備えられる。第2の配線層と第3の配線層は、それぞれ第2の半導体基板の対向する面側に形成され、第1の配線層と第2の配線層、第3の配線層と第4の配線層とがそれぞれ向き合うように、第1の半導体基板と第2の半導体基板と第3の半導体基板が積層され、第1の半導体基板と第2の半導体基板は、第1の電極と第2の電極が直接接合されることにより電気的に接続され、第2の半導体基板と第3の半導体基板は、第3の電極と第4の電極が直接接合されることにより電気的に接続されている。 In a solid-state imaging device and an electronic device, which is one aspect of the present technology, a first wiring layer including a plurality of photodiodes, at least one of a transfer transistor, a reset transistor, and an amplifier transistor, and a first electrode. A first semiconductor substrate including the above, a second semiconductor substrate including a second wiring layer including a second electrode, and a third wiring layer including a third electrode, and a second semiconductor substrate including a fourth electrode. A third semiconductor substrate including the wiring layer 4 is provided. The second wiring layer and the third wiring layer are formed on the opposite surface sides of the second semiconductor substrate, respectively, and the first wiring layer and the second wiring layer, the third wiring layer and the fourth wiring are formed. The first semiconductor substrate, the second semiconductor substrate, and the third semiconductor substrate are laminated so that the layers face each other, and the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are the first electrode and the second semiconductor substrate. The electrodes are directly bonded to each other to be electrically connected, and the second semiconductor substrate and the third semiconductor substrate are electrically connected to each other by directly bonding the third electrode to the fourth electrode. ..
本技術によれば、高品質の積層型のイメージセンサを、簡単に提供することができる。 According to this technique, it is possible to easily provide a high-quality laminated image sensor.
以下、図面を参照して、ここで開示する技術の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the techniques disclosed herein will be described with reference to the drawings.
最初に従来技術の問題点について説明する。 First, the problems of the prior art will be described.
固体撮像装置として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のMOS型イメージセンサに代表される増幅型固体撮像装置が知られている。また、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサに代表される電荷転送型固体撮像装置が知られている。 As a solid-state image sensor, an amplified solid-state image sensor represented by a MOS type image sensor such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) is known. Further, a charge transfer type solid-state image sensor represented by a CCD (Charge Coupled Device) image sensor is known.
これら固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどに広く用いられている。近年、カメラ付き携帯電話やPDA(Personal Digital Assistant)などのモバイル機器に搭載される固体撮像装置としては、電源電圧が低く、消費電力の観点などからMOS型イメージセンサが多く用いられている。 These solid-state image sensors are widely used in digital still cameras, digital video cameras, and the like. In recent years, MOS image sensors are often used as solid-state image sensors mounted on mobile devices such as camera-equipped mobile phones and PDAs (Personal Digital Assistants) because of their low power supply voltage and power consumption.
MOS型の固体撮像装置は、単位画素が光電変換部となるフォトダイオードと複数の画素トランジスタで形成され、この複数の単位画素が2次元アレイ状に配列された画素アレイ(画素領域)と、周辺回路領域を有して構成される。複数の画素トランジスタは、MOSトランジスタで形成され、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅とトランジスタの3トランジスタ、あるいは選択トランジスタを加えた4トランジスタで構成される。 The MOS type solid-state image sensor is formed of a photodiode whose unit pixel is a photoelectric conversion unit and a plurality of pixel transistors, and a pixel array (pixel area) in which the plurality of unit pixels are arranged in a two-dimensional array and a periphery. It is configured to have a circuit area. The plurality of pixel transistors are formed of MOS transistors, and are composed of a transfer transistor, a reset transistor, three transistors of amplification and a transistor, or four transistors including a selection transistor.
また、上記のような固体撮像装置においては、機能が異なる複数の半導体チップを積み重ねて電気的に接続する積層型構造も提案されている。 Further, in the solid-state image sensor as described above, a laminated structure in which a plurality of semiconductor chips having different functions are stacked and electrically connected is also proposed.
積層型構造では、各半導体チップの機能に対応するように、各回路を最適に形成することが可能であるので、装置を高機能化することを容易に実現できる。 In the laminated structure, each circuit can be optimally formed so as to correspond to the function of each semiconductor chip, so that it is possible to easily realize high functionality of the device.
たとえば、センサ回路を含む半導体チップと、信号を処理する回路が設けられたロジック回路を含む半導体チップとの各機能に対応するように、センサ回路およびロジック回路を最適に形成することで、高機能な固体撮像装置を製造することができる。この際、半導体チップ(半導体基板)の基板に貫通電極を設けることで、これらの複数の半導体基板が電気的に接続される。 For example, high functionality is achieved by optimally forming the sensor circuit and logic circuit so as to correspond to each function of the semiconductor chip including the sensor circuit and the semiconductor chip including the logic circuit provided with the circuit for processing the signal. A solid-state image sensor can be manufactured. At this time, by providing a through electrode on the substrate of the semiconductor chip (semiconductor substrate), these plurality of semiconductor substrates are electrically connected.
図1は、従来の積層型の固体撮像装置の画素部の構成を説明する断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a pixel portion of a conventional laminated solid-state image sensor.
この画素部に係る固体撮像装置は、第1の半導体基板と第2の半導体基板とを積層して構成される裏面照射型CMOSイメージセンサとして構成される。すなわち、図1に示される固体撮像装置は、2層積層構造とされる。 The solid-state image sensor according to the pixel portion is configured as a back-illuminated CMOS image sensor configured by laminating a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate. That is, the solid-state image sensor shown in FIG. 1 has a two-layer laminated structure.
図1に示されるように、第1の半導体基板31の各領域に、イメージセンサ、すなわち画素アレイ(以下、画素領域という)と制御領域を形成する。
As shown in FIG. 1, an image sensor, that is, a pixel array (hereinafter referred to as a pixel region) and a control region are formed in each region of the
すなわち、半導体基板(例えばシリコン基板)31の各領域に、各画素の光電変換部となるフォトダイオード(PD)34を形成し、その半導体ウェル領域に各画素トランジスタのソース/ドレイン領域を形成する。 That is, a photodiode (PD) 34 serving as a photoelectric conversion unit of each pixel is formed in each region of a semiconductor substrate (for example, a silicon substrate) 31, and a source / drain region of each pixel transistor is formed in the semiconductor well region.
画素を構成する基板表面上にはゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、ゲート電極と対のソース/ドレイン領域により画素トランジスタTr1、画素トランジスタTr2を形成する。 A gate electrode is formed on the surface of the substrate constituting the pixel via a gate insulating film, and a pixel transistor Tr1 and a pixel transistor Tr2 are formed by a source / drain region paired with the gate electrode.
フォトダイオード(PD)34に隣接する画素トランジスタTr1が転送トランジスタに相当し、そのソース/ドレイン領域がフローティングディフージョン(FD)に相当する。 The pixel transistor Tr1 adjacent to the photodiode (PD) 34 corresponds to a transfer transistor, and its source / drain region corresponds to floating diffusion (FD).
次いで、第1の半導体基板31の表面上に、1層目の層間絶縁膜39を形成し、その後、層間絶縁膜39に接続孔を形成し、所要のトランジスタに接続する接続導体を形成する。
Next, the first layer of the
次いで、各接続導体に接続するように、層間絶縁膜39を介して複数層(この例では2層)のメタル配線を形成して多層配線層41を形成する。メタル配線は、銅(Cu)配線で形成する。通常、各銅配線(メタル配線)は、Cu拡散を防止するバリアメタル膜で覆われる。このため、多層配線層41上に銅配線のキャップ膜である保護膜を形成する。
Next, a plurality of layers (two layers in this example) of metal wiring are formed via the
ここまでの工程により、画素領域および制御領域を有する第1の半導体基板31が形成されることになる。
By the steps up to this point, the
一方、第2の半導体基板45の各領域には、例えば、画素領域を制御したり、外部との通信を制御する信号処理に係る信号処理回路を含むロジック回路が形成される。すなわち、半導体基板(例えばシリコン基板)45の表面側のp型の半導体ウェル領域に、素子分離領域で分離されるようにロジック回路を構成する複数のMOSトランジスタTr6,MOSトランジスタTr7、MOSトランジスタTr8を形成する。
On the other hand, in each region of the
次いで、第2の半導体基板45の表面上に、1層目の層間絶縁膜49を形成し、その後、層間絶縁膜49に接続孔を形成し、所要のトランジスタに接続する接続導体54を形成する。
Next, a first layer
次いで、各接続導体54に接続するように、層間絶縁膜49を介して複数層、本例では4層のメタル配線を形成して多層配線層55を形成する。
Next, a plurality of layers, in this example, four layers of metal wiring are formed via the
メタル配線は、銅(Cu)配線で形成する。多層配線層55上に銅配線(メタル配線)のキャップ膜である保護膜を形成する。ただし、多層配線層55の最上層は、電極となるアルミパッドで形成される。
The metal wiring is formed of copper (Cu) wiring. A protective film, which is a cap film for copper wiring (metal wiring), is formed on the
ここでまでの工程により、ロジック回路を有する第2の半導体基板45が形成されることになる。
By the steps up to this point, a
そして、第1の半導体基板31と第2の半導体基板45とを、互いの多層配線層41および多層配線層55が向き合うように、接合面99において貼り合わせる。貼り合わせは、例えば、プラズマ接合と、接着剤による接合がある。
Then, the
そして、第1の半導体基板31の裏面31b側から研削、研磨して第1の半導体基板31を薄膜化し、第1の半導体基板31の裏面が裏面照射型の固体撮像装置として構成されたときの、光入射面とされる。
Then, when the
薄膜化した第1の半導体基板31に対し、所要の位置に、裏面側から第1の半導体基板31を貫通して第2の半導体基板45の多層配線層55の最上層のアルミパッドに達する貫通接続孔を形成する。同時に、第1の半導体基板31に、この貫通接続孔に近接して裏面側から第1の半導体基板31側の1層目の配線に達する接続孔を形成する。
Penetration through the
次に、貫通接続孔内に貫通接続導体64および接続導体65を埋め込む。これら貫通接続導体64及び接続導体65は、例えば銅(Cu)、タングステン(W)等の金属を用いることができる。
Next, the through
上述したように、第2の半導体基板45には、信号処理などを実行するロジック回路が形成されるため、各トランジスタの電極と信号線を接続して、信号の入出力が行われるようにする必要がある。すなわち、ロジック回路は、外部との信号の入出力を伴って動作するようになされている。従って、第2の半導体基板45のアルミパッド53は、外部接続用の電極となる。
As described above, since a logic circuit for executing signal processing and the like is formed on the
このため、第2の半導体基板のアルミパッド53にワイヤボンディングできるように、第1の半導体基板31を貫通するパッド孔81が形成され、アルミパッド53が露出させられる。
Therefore, a
その後、第1の半導体基板31の裏面全面に絶縁保護膜を形成し、遮光すべき領域上に遮光膜67を形成する。遮光膜67としては、例えばタングステンなどの金属膜を用いることができる。
After that, an insulating protective film is formed on the entire back surface of the
その後、遮光膜67上に平坦化膜が形成され、平坦化膜上に各画素に対応して例えば赤(R)、緑(G)、青(B)のオンチップカラーフィルタ74を形成し、その上にオンチップマイクロレンズ75を形成する。
After that, a flattening film is formed on the light-shielding
また、第1の半導体基板31に対し、外部の機器、回路などとの信号の送受信等に用いられる電極となるアルミパッド53に、第1の半導体基板31の裏面側(受光面側)から達するようにパッド孔81を形成する。
Further, the
これにより、積層型の半導体構造のプロセスが完了する。すなわち、第1の半導体基板31においては、画素領域、制御領域が形成された状態となり、第2の半導体基板45においては、ロジック回路が形成された状態になる。
This completes the process of the laminated semiconductor structure. That is, in the
次いで、各チップに分割して、裏面照射型の固体撮像装置のチップが得られることになる。 Then, each chip is divided into chips for a back-illuminated solid-state image sensor.
また、積層構造の固体撮像装置においては、ホットキャリアによるノイズなどの影響も考慮されなければならない。ホットキャリアとは、トランジスタから出る高運動エネルギーを有する高速の電子であり、ホットキャリアがシリコン原子に衝突することで光が発生する。 Further, in a solid-state image sensor having a laminated structure, the influence of noise due to hot carriers must be taken into consideration. Hot carriers are high-speed electrons with high kinetic energy emitted from transistors, and light is generated when hot carriers collide with silicon atoms.
積層構造の固体撮像装置においては、PDが形成された第1の半導体基板とは別の第2の半導体基板にもトランジスタが設けられている。このため、第2の半導体基板のトランジスタから出たホットキャリアにより発生した光が、第1の半導体基板のPDの裏側(受光面の反対側)から侵入してノイズとなることがある。 In the solid-state image sensor having a laminated structure, a transistor is also provided on a second semiconductor substrate other than the first semiconductor substrate on which the PD is formed. Therefore, the light generated by the hot carriers emitted from the transistors of the second semiconductor substrate may enter from the back side (opposite side of the light receiving surface) of the PD of the first semiconductor substrate and become noise.
このため、積層構造の固体撮像装置においては、ホットキャリアに起因する光を遮光するために、例えば、遮光体を設けるなどの対策が施されていた。 For this reason, in the solid-state image sensor having a laminated structure, measures such as providing a light-shielding body have been taken in order to block light caused by hot carriers.
図2は、従来の積層型の固体撮像装置の画素部の別の構成を説明する断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating another configuration of a pixel portion of a conventional stacked solid-state image sensor.
図2の例では、第1の半導体基板31におけるPD34の下に、遮光体90が形成されている。これにより、第2の半導体基板45のMOSトランジスタTr6,MOSトランジスタTr7、およびMOSトランジスタTr8から出るホットキャリアに起因する光が遮光される。
In the example of FIG. 2, the light-shielding
あるいはまた、多層配線層55における銅配線の形状を変えるなどして、MOSトランジスタTr6,MOSトランジスタTr7、およびMOSトランジスタTr8から出るホットキャリアに起因する光が遮光されるようにすることも可能である。
Alternatively, it is also possible to change the shape of the copper wiring in the
図1と図2を参照して上述したように、2層積層構造の固体撮像装置においては、パッド孔81を設けることにより、外部との電気的接続を可能とし、遮光体90や多層配線層55における銅配線の形状によって、ホットキャリアに起因する光を遮光していた。
As described above with reference to FIGS. 1 and 2, in the solid-state imaging device having a two-layer laminated structure, the pad holes 81 can be provided to enable electrical connection with the outside, and the light-shielding
一方で、近年、3層積層型の固体撮像装置も開発されている。3層積層型の固体撮像装置は、例えば、画素領域および制御領域(以下、センサ回路とも称する)が形成された第1の半導体基板、ロジック回路が形成された第2の半導体基板に加えて、メモリ回路が形成された第3の半導体基板から成っている。 On the other hand, in recent years, a three-layer laminated solid-state image sensor has also been developed. The three-layer laminated solid-state imaging device includes, for example, a first semiconductor substrate in which a pixel region and a control region (hereinafter, also referred to as a sensor circuit) are formed, and a second semiconductor substrate in which a logic circuit is formed. It consists of a third semiconductor substrate on which a memory circuit is formed.
3層積層型の固体撮像装置は、例えば、図3および図4に示されるように製造される。 The three-layer laminated solid-state image sensor is manufactured, for example, as shown in FIGS. 3 and 4.
最初に、図3に示されるように、第2の半導体基板112と第3の半導体基板113とが、互いの回路面を向い合せて貼り合わせられる。なお、実際には2つの半導体基板の層間膜どうしが貼り合わせられる。そして、第2の半導体基板112が薄膜化される。
First, as shown in FIG. 3, the
その後、図4に示されるように、第1の半導体基板111が裏面を上にして、薄膜化された第2の半導体基板112の上に貼り合わせられる。なお、実際には2つの半導体基板の層間膜どうしが貼り合わせられる。そして、第1の半導体基板111が薄膜化される。
After that, as shown in FIG. 4, the
このように、積層型のイメージセンサを3層積層構造として構成する場合、受光部を持つセンサ回路は光を取り込む必要があるため、最上部に配置することになり、その下層に2つのロジック回路とメモリ回路が積層されることになる。 In this way, when the laminated image sensor is configured as a three-layer laminated structure, the sensor circuit having the light receiving portion needs to take in light, so it is arranged at the uppermost part, and two logic circuits are arranged in the lower layer. And memory circuits will be stacked.
また、回路の積層に際しては、シリコン基板の薄膜化のための支持基板を使わずに済むようにすることが望まれる。このため、回路の生成において、最初に下層の2つの半導体基板の回路面を向い合せて貼り合わせ、第2層目となる半導体基板(第2の半導体基板112)を薄膜化する。その後に、最も上層の半導体基板(第1の半導体基板111)を裏面型として貼り合わせて積層させ、さらに薄膜化することになる。 Further, when laminating circuits, it is desired to avoid using a support substrate for thinning the silicon substrate. Therefore, in the generation of the circuit, the circuit surfaces of the two lower semiconductor substrates are first faced to each other and bonded to each other, and the semiconductor substrate (second semiconductor substrate 112) to be the second layer is thinned. After that, the uppermost semiconductor substrate (first semiconductor substrate 111) is bonded and laminated as a back surface type to further reduce the thickness.
しかしながら、このようにすると、3層積層構造では次のような問題が生じる。 However, in this way, the following problems occur in the three-layer laminated structure.
図5は、従来技術により製造された3層積層構造の固体撮像装置の画素部の構成を説明する断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the pixel portion of the solid-state image sensor having a three-layer laminated structure manufactured by the prior art.
従来技術の3層積層構造における第1の問題点は、パッド孔が深くなりすぎる。図5においては、図1のパッド孔81より深いパッド孔121が形成されている。
The first problem in the conventional three-layer laminated structure is that the pad holes become too deep. In FIG. 5, a
すなわち、3層積層構造とする場合、図3と図4を参照して上述したように、第2の半導体基板112の回路面は、第3の半導体基板の回路面と向かい合わせて貼り付けられる。このため、第2の半導体基板の多層配線層の最上層のアルミパッドは、第1の半導体基板111の受光面から遠くなり、第1の半導体基板を貫通し、さらに第2の半導体基板をほぼ貫通するまで開口しなければ、第2の半導体基板のアルミパッド133(外部接続用の電極)が露出しない。
That is, in the case of a three-layer laminated structure, as described above with reference to FIGS. 3 and 4, the circuit surface of the
深いパッド孔121を開口するためには、レジストの厚膜化が必要になる。深いパッド孔121を開口するためにレジストを厚膜化すると、ドライエッチング後のレジスト硬化が問題となる。
In order to open the
例えば、開口時に第1の半導体基板上には有機系の材料を用いたオンチップマイクロレンズが既に形成されているため、薬液でレジスト除去しなければならないが、硬化したレジストが残渣状に残り易くなり、レンズへの光入射を阻害する。 For example, since an on-chip microlens using an organic material is already formed on the first semiconductor substrate at the time of opening, the resist must be removed with a chemical solution, but the cured resist tends to remain as a residue. Therefore, it hinders the light incident on the lens.
また、深いパッド孔121を開口する場合、ドライエッチングにより生じるデポ物も問題となる。
Further, when the
特にアルミパッド133の表面やパッド孔121の側壁に付着して取れなくなったデポ物は、例えば、3層積層構造が完成した後に湿度を吸ってフッ素イオンを生じさせ、アルミパッドの金属を溶かす(コロージョン)不良を生じさせる。
In particular, the depot that cannot be removed by adhering to the surface of the
このように、従来の技術では、深いパッド孔のために、固体撮像装置の製造プロセスが困難になってしまう。 As described above, in the conventional technique, the deep pad holes make the manufacturing process of the solid-state image sensor difficult.
従来技術の3層積層構造における第2の問題点は、ホットキャリアに起因する光の遮光が困難になることである。 The second problem in the three-layer laminated structure of the prior art is that it becomes difficult to block light due to hot carriers.
すなわち、3層積層構造とする場合、図3と図4を参照して上述したように、第2の半導体基板112の回路面は、第3の半導体基板の回路面と向かい合わせて貼り付けられる。このため、第2の半導体基板のトランジスタが、多層配線層を介さずに第1の半導体基板と向き合うことになる。このため、例えば、2層積層構造の場合のように、第2の半導体基板の多層配線層の銅配線によってホットキャリアに起因する光を遮光することはできない。
That is, in the case of a three-layer laminated structure, as described above with reference to FIGS. 3 and 4, the circuit surface of the
そこで、本技術では、深いパッド孔を設ける必要がなく、また、ホットキャリアに起因する光を簡単に遮光できるようにする。 Therefore, in the present technology, it is not necessary to provide a deep pad hole, and light caused by hot carriers can be easily blocked.
図6は、本技術を適用した固体撮像装置の画素部の一実施の形態に係る構成を説明する断面図である。この画素部に係る固体撮像装置は、第1の半導体基板と、第2の半導体基板と、第3の半導体基板とを積層して構成される裏面照射型CMOSイメージセンサとして構成される。すなわち、図6に示される画素部に係る固体撮像装置は、3層積層構造とされる。 FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration according to an embodiment of a pixel portion of a solid-state image sensor to which the present technology is applied. The solid-state imaging device related to the pixel portion is configured as a back-illuminated CMOS image sensor formed by stacking a first semiconductor substrate, a second semiconductor substrate, and a third semiconductor substrate. That is, the solid-state image sensor according to the pixel portion shown in FIG. 6 has a three-layer laminated structure.
また、この固体撮像装置は、例えば、センサ回路が形成された第1の半導体基板、ロジック回路が形成された第2の半導体基板に加えて、メモリ回路が形成された第3の半導体基板から成っている。ロジック回路およびメモリ回路は、それぞれ外部との信号の入出力を伴って動作するようになされている。 Further, this solid-state image sensor is composed of, for example, a first semiconductor substrate on which a sensor circuit is formed, a second semiconductor substrate on which a logic circuit is formed, and a third semiconductor substrate on which a memory circuit is formed. ing. The logic circuit and the memory circuit are designed to operate with input / output of signals to and from the outside.
図6に示されるように、半導体基板(例えばシリコン基板)211には、画素の光電変換部となるフォトダイオード(PD)234が形成され、その半導体ウェル領域に各画素トランジスタのソース/ドレイン領域が形成される。 As shown in FIG. 6, a photodiode (PD) 234 serving as a photoelectric conversion part of a pixel is formed on a semiconductor substrate (for example, a silicon substrate) 211, and a source / drain region of each pixel transistor is formed in the semiconductor well region. It is formed.
画素を構成する基板表面上にはゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、ゲート電極と対のソース/ドレイン領域により画素トランジスタTr1、画素トランジスタTr2を形成する。 A gate electrode is formed on the surface of the substrate constituting the pixel via a gate insulating film, and a pixel transistor Tr1 and a pixel transistor Tr2 are formed by a source / drain region paired with the gate electrode.
フォトダイオード(PD)234に隣接する画素トランジスタTr1が転送トランジスタに相当し、そのソース/ドレイン領域がフローティングディフージョン(FD)に相当する。 The pixel transistor Tr1 adjacent to the photodiode (PD) 234 corresponds to the transfer transistor, and its source / drain region corresponds to floating diffusion (FD).
また、第1の半導体基板211には、層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜に接続孔を形成し、画素トランジスタTr1、および画素トランジスタTr2に接続する接続導体244が形成されている。
Further, an interlayer insulating film is formed on the
さらに、各接続導体244に接続するように、複数層のメタル配線240を形成して多層配線層245が形成されている。銅配線240(メタル配線)は、銅(Cu)配線で形成する。通常、各銅配線は、Cu拡散を防止するバリアメタル膜で覆われる。このため、多層配線層245上に銅配線のキャップ膜である保護膜を形成する。
Further, a plurality of layers of
また、第1の半導体基板211の多層配線層245の最下層には、外部接続用の電極となるアルミパッド280が形成されている。すなわち、銅配線240よりも第2の半導体基板212との接着面291に近い位置にアルミパッド280が形成されている。この外部接続用の電極は、外部との信号の入出力に係る配線の一端として用いられる。なお、ここでは、電極がアルミで形成されるものとして説明するが、電極が他の金属で形成されるようにしてもよい。
Further, an
さらに、第1の半導体基板211には、第2の半導体基板212との電気的接続に用いられるコンタクト265が形成されている。コンタクト265は、後述する第2の半導体基板212のコンタクト311に接続されるとともに、第1の半導体基板211のアルミパッド280aにも接続されている。
Further, the
そして、第1の半導体基板211には、第1の半導体基板211の裏面側(受光面側)からアルミパッド280aに達するようにパッド孔351が形成されている。
The
図7は、パッド孔351およびアルミパッド280aの構成を説明する図である。図7Aは、パッド孔351付近を拡大した図であり、図7Bは、アルミパッド280aをパッド孔351の上から見た図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the
図7Bに示されるようにアルミパッド280aの端部に多数のコンタクト265が並べて接続されることにより、接続抵抗を減らすことが可能となる。
As shown in FIG. 7B, a large number of
図6に戻って、図1を参照して上述した場合と同様に、第1の半導体基板211には、裏面全面に絶縁保護膜が形成され、遮光すべき領域上に遮光膜が形成される。また、平坦化膜上に各画素に対応してオンチップカラーフィルタ274が形成され、その上にオンチップマイクロレンズ275が形成される。
Returning to FIG. 6, as in the case described above with reference to FIG. 1, an insulating protective film is formed on the entire back surface of the
一方、第2の半導体基板212には、ロジック回路が形成される。すなわち、半導体基板(例えばシリコン基板)212のp型の半導体ウェル領域に、ロジック回路を構成する複数のトランジスタである、MOSトランジスタTr6,MOSトランジスタTr7、およびMOSトランジスタTr8が形成されている。
On the other hand, a logic circuit is formed on the
また、第2の半導体基板212において、MOSトランジスタTr6,MOSトランジスタTr7、およびMOSトランジスタTr8に接続する接続導体254が形成されている。
Further, in the
さらに、各接続導体254に接続するように、複数層のメタル配線250を形成して多層配線層255が形成されている。
Further, a plurality of layers of
メタル配線は、銅(Cu)配線で形成する。多層配線層255上に銅配線(メタル配線)250のキャップ膜である保護膜が形成される。
The metal wiring is formed of copper (Cu) wiring. A protective film, which is a cap film of copper wiring (metal wiring) 250, is formed on the
また、第2の半導体基板212の多層配線層255の最下層には、電極となるアルミパッド320が形成されている。
Further, an
さらに、第2の半導体基板212には、第1の半導体基板211および第3の半導体基板213との電気的接続に用いられるコンタクト311が形成されている。コンタクト311は、第1の半導体基板211のコンタクト265に接続されるとともに、第3の半導体基板213のアルミパッド330aにも接続されている。
Further, the
また、第3の半導体基板213には、メモリ回路が形成される。すなわち、半導体基板(例えばシリコン基板)213のp型の半導体ウェル領域に、メモリ回路を構成する複数のトランジスタである、MOSトランジスタTr11,MOSトランジスタTr12、およびMOSトランジスタTr13が形成されている。
In addition, a memory circuit is formed on the
さらに、第3の半導体基板213において、MOSトランジスタTr11,MOSトランジスタTr12、およびMOSトランジスタTr13に接続する接続導体344が形成されている。
Further, in the
また、各接続導体344に接続するように、複数層のメタル配線340を形成して多層配線層345が形成されている。
Further, a plurality of layers of
メタル配線は、銅(Cu)配線で形成する。多層配線層345上に銅配線(メタル配線)340のキャップ膜である保護膜が形成される。
The metal wiring is formed of copper (Cu) wiring. A protective film, which is a cap film of copper wiring (metal wiring) 340, is formed on the
また、多層配線層345の最上層には、電極となるアルミパッド330が形成されている。
Further, an
図6に示される固体撮像装置においては、コンタクト265およびコンタクト311が設けられているので、アルミパッド280aを介し、第1の半導体基板211乃至第3の半導体基板213のそれぞれとの信号の入出力が可能となる。
In the solid-state image sensor shown in FIG. 6, since the
なお、図6に示される固体撮像装置も、図3と図4を参照して上述したように、第2の半導体基板212と、第3の半導体基板213とを接着面292において層間膜どうしを貼り合わせる。第2の半導体基板212と第1の半導体基板211とを接着面291において層間膜どうしを貼り合わせて構成される。
In the solid-state image sensor shown in FIG. 6, as described above with reference to FIGS. 3 and 4, the interlayer films of the
すなわち、図3と図4を参照して上述したように、最初に下層の2つの半導体基板の回路面を向い合せて貼り合わせ、第2層目となる半導体基板(第2の半導体基板212)を薄膜化する。その後に、最も上層の半導体基板(第1の半導体基板211)を裏面型として貼り合わせて積層させ、さらに薄膜化する。この際、コンタクト311の上層を平坦化させた後、第1の半導体基板211を、裏面型として第2の半導体基板212に貼り合わせる。
That is, as described above with reference to FIGS. 3 and 4, the circuit surfaces of the two lower semiconductor substrates are first faced to each other and bonded to each other, and the semiconductor substrate as the second layer (second semiconductor substrate 212). To be thinned. After that, the uppermost semiconductor substrate (first semiconductor substrate 211) is laminated as a back surface type and further thinned. At this time, after the upper layer of the
このようにすることで、回路の積層に際して、シリコン基板の薄膜化のために支持基板を使わずに済む。 By doing so, it is not necessary to use a support substrate for thinning the silicon substrate when laminating the circuits.
本技術では、第1の半導体基板211にも、アルミパッド280が設けられる。そして、外部からの信号の入出力が必要となるロジック回路を有する第2の半導体基板212、または、メモリ回路を有する第3の半導体基板213には外部接続用の電極が設けられておらず、センサ回路を有する第1の半導体基板211に外部接続用の電極(アルミパッド280a)が設けられている。
In the present technology, the
このようにすることで、パッド孔351が深くなることなく、外部接続用の電極を露出させることができる。
By doing so, the electrode for external connection can be exposed without deepening the
また、本技術では、第1の半導体基板211にも、アルミパッド280が設けられているので、アルミパッド280によって、第2の半導体基板212の各トランジスタから出たホットキャリアに起因する光を遮光することもできる。
Further, in the present technology, since the
このように、本技術では、深いパッド孔を設ける必要がなく、また、ホットキャリアに起因する光を簡単に遮光することができる。 As described above, in the present technology, it is not necessary to provide deep pad holes, and light caused by hot carriers can be easily blocked.
なお、図6では、第2の半導体基板にアルミパッド320が設けられており、第3の半導体基板213にアルミパッド330が設けられているが、アルミパッド320およびアルミパッド330は設けられないようにしてもよい。例えば、コンタクト311を、第3の半導体基板213の銅配線340に直接接続するようにすれば、アルミパッド320およびアルミパッド330を設ける必要はない。
In FIG. 6, the
また、各半導体基板どうしを電気的に接続するコンタクトの形状は、コンタクト265およびコンタクト311として示されたものに限られるものではない。さらに、コンタクトを形成するための孔については、オンチップマイクロレンズが形成される前に開口することができるので、深い孔となっても構わない。例えば、第2の半導体基板を貫通して、第1の半導体基板の銅配線と第3の半導体基板の銅配線とを接続するコンタクトが設けられても構わない。
Further, the shapes of the contacts that electrically connect the semiconductor substrates to each other are not limited to those shown as the
あるいはまた、ホットキャリアに起因する光を遮光するための遮光体が形成されるようにしてもよい。 Alternatively, a light-shielding body for blocking light caused by hot carriers may be formed.
図8は、本技術を適用した固体撮像装置の画素部の別の実施の形態に係る構成を説明する断面図である。この画素部に係る固体撮像装置は、図6と同様に、第1の半導体基板と、第2の半導体基板と、第3の半導体基板とを積層して構成される裏面照射型CMOSイメージセンサとして構成される。すなわち、図8に示される画素部に係る固体撮像装置は、やはり3層積層構造とされる。 FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a configuration according to another embodiment of a pixel portion of a solid-state image sensor to which the present technology is applied. Similar to FIG. 6, the solid-state imaging device related to the pixel portion serves as a back-illuminated CMOS image sensor formed by stacking a first semiconductor substrate, a second semiconductor substrate, and a third semiconductor substrate. It is composed. That is, the solid-state image sensor according to the pixel portion shown in FIG. 8 also has a three-layer laminated structure.
同図の例では、第2の半導体基板212の図中最も上側の層となる層間膜の中に遮光体360が配置されている。これにより、第2の半導体基板212の各トランジスタから出るホットキャリアに起因する光をより確実に遮光することができる。
In the example of the figure, the light-shielding
なお、第1の半導体基板211にアルミパッド280が形成されているため、第1の半導体基板211には遮光体360を配置せず、第2の半導体基板212の層間膜の中に遮光体360が配置されている。
Since the
図8におけるそれ以外の構成は、図6を参照して上述した場合と同様なので、詳細な説明は省略する。 Since the other configurations in FIG. 8 are the same as those described above with reference to FIG. 6, detailed description thereof will be omitted.
あるいはまた、第2の半導体基板212の図中最も上側の層となる層間膜の中に銅配線が形成され、アルミパッドと銅配線の組み合わせによってホットキャリアに起因する光が遮光されるようにしてもよい。
Alternatively, copper wiring is formed in the interlayer film which is the uppermost layer in the figure of the
図9は、本技術を適用した固体撮像装置の画素部のさらに別の実施の形態に係る構成を説明する断面図である。この画素部に係る固体撮像装置は、図6と同様に、第1の半導体基板と、第2の半導体基板と、第3の半導体基板とを積層して構成される裏面照射型CMOSイメージセンサとして構成される。すなわち、図9に示される画素部に係る固体撮像装置は、やはり3層積層構造とされる。 FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a configuration according to still another embodiment of a pixel portion of a solid-state image sensor to which the present technology is applied. Similar to FIG. 6, the solid-state imaging device related to the pixel portion serves as a back-illuminated CMOS image sensor formed by stacking a first semiconductor substrate, a second semiconductor substrate, and a third semiconductor substrate. It is composed. That is, the solid-state image sensor according to the pixel portion shown in FIG. 9 also has a three-layer laminated structure.
同図の例では、第2の半導体基板212の図中最も上側の層となる層間膜の中に銅配線370が配置されている。
In the example of the figure, the
第2の半導体基板212の図中最も上側の層となる層間膜の中には、コンタクト311の一部が形成される。例えば、コンタクト311を形成する際に、層間膜の中に銅配線370をさらに形成するようにすれば、図9に示される構成の固体撮像装置を得ることができる。
A part of the
銅配線370と、アルミパッド280との組み合わせによって光が遮光されるようにすれば、第2の半導体基板212の各トランジスタから出るホットキャリアに起因する光をより確実に遮光することができる。また、図9に示される構成の場合、例えば、図6に示されるように、アルミパッド280のみで遮光する場合と比較して、アルミパッド280に係る配線の設計の自由度が向上する。
If the light is blocked by the combination of the
図9におけるそれ以外の構成は、図6を参照して上述した場合と同様なので、詳細な説明は省略する。 Since the other configurations in FIG. 9 are the same as those described above with reference to FIG. 6, detailed description thereof will be omitted.
図10は、本技術を適用した固体撮像装置の概略構成を示す図である。この固体撮像装置401は、例えば、CMOSイメージセンサとして構成される。 FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a solid-state image sensor to which the present technology is applied. The solid-state image sensor 401 is configured as, for example, a CMOS image sensor.
図10の固体撮像装置401は、半導体基板411に複数の光電変換部を含む画素402が規則的に2次元アレイ状に配列された画素領域(いわゆる画素アレイ)403と、周辺回路部とを有して構成される。 The solid-state image sensor 401 of FIG. 10 has a pixel region (so-called pixel array) 403 in which pixels 402 including a plurality of photoelectric conversion units are regularly arranged in a two-dimensional array on a semiconductor substrate 411, and a peripheral circuit unit. It is composed of.
画素402は、光電変換部となる例えばフォトダイオードと、複数の画素トランジスタ(いわゆるMOSトランジスタ)を有して成る。 The pixel 402 includes, for example, a photodiode that serves as a photoelectric conversion unit, and a plurality of pixel transistors (so-called MOS transistors).
また、画素402は、共有画素構造とすることもできる。この画素共有構造は、複数のフォトダイオードと、複数の転送トランジスタと、共有する1つのフローティングディフージョンと、共有する1つずつの他の画素トランジスタとから構成される。 Further, the pixel 402 may have a shared pixel structure. This pixel sharing structure is composed of a plurality of photodiodes, a plurality of transfer transistors, one shared floating diffusion, and one share of another pixel transistor.
周辺回路部は、垂直駆動回路404と、カラム信号処理回路405と、水平駆動回路406と、出力回路407と、制御回路408などを有して構成される。
The peripheral circuit unit includes a
制御回路408は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置の内部情報などのデータを出力する。すなわち、制御回路408では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基いて、垂直駆動回路404、カラム信号処理回路405及び水平駆動回路406などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、これらの信号を垂直駆動回路404、カラム信号処理回路405及び水平駆動回路406等に入力する。
The control circuit 408 receives an input clock and data for instructing an operation mode and the like, and outputs data such as internal information of the solid-state image sensor. That is, the control circuit 408 generates a clock signal or a control signal that serves as a reference for the operation of the
垂直駆動回路404は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線を選択し、選択された画素駆動配線に画素を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素を駆動する。すなわち、垂直駆動回路404は、画素領域403の各画素402を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線409を通して各画素402の光電変換部となる例えばフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路405に供給する。
The
カラム信号処理回路405は、例えば、画素402の列ごとに配置されており、1行分の画素402から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。すなわちカラム信号処理回路405は、画素402固有の固定パターンノイズを除去するためのCDSや、信号増幅、AD変換等の信号処理を行う。カラム信号処理回路405の出力段には水平選択スイッチ(図示せず)が水平信号線410との間に接続されて設けられる。
The column
水平駆動回路406は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路405の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路405の各々から画素信号を水平信号線410に出力させる。
The
出力回路407は、カラム信号処理回路405の各々から水平信号線410を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。例えば、バファリングだけする場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などが行われる場合もある。入出力端子412は、外部と信号のやりとりをする。
The
図10に示される固体撮像装置401は、3層積層構造の裏面照射型CMOSイメージセンサとして構成される。例えば、図10に示される画素402が、第1の半導体基板に形成されるセンサ回路とされ、周辺回路が第2の半導体基板に形成されるロジック回路または第3の半導体基板に形成されるメモリ回路とされる。 The solid-state image sensor 401 shown in FIG. 10 is configured as a back-illuminated CMOS image sensor having a three-layer laminated structure. For example, the pixel 402 shown in FIG. 10 is a sensor circuit formed on the first semiconductor substrate, and a logic circuit whose peripheral circuits are formed on the second semiconductor substrate or a memory formed on the third semiconductor substrate. It is a circuit.
ところで、上述した実施の形態では、アルミパッド280が第1の半導体基板211の多層配線層245の最下層に形成されるものとして説明した。しかしながら、たとえば、アルミパッド280を第1の半導体基板211内に配置した場合、第1の半導体基板211内の回路を過電流から保護するための回路であるESD(Electro-Static Discharge)回路を設ける必要があり、工程増となる。
By the way, in the above-described embodiment, it has been described that the
また、図6を参照して上述した例では、第1の半導体基板211内に配置されたアルミパッド280により、ホットキャリアに起因する光を遮光する効果が得られる。しかしながら、第1の半導体基板211の多層配線層245は、3層の配線層により構成されるものであるため、銅配線240の形状に制約を与えることなく、ホットキャリアに起因する光を遮光できるようにアルミパッド280を配置することは難しい。
Further, in the above-described example with reference to FIG. 6, the
例えば、第2の半導体基板212の多層配線層255は、6層の配線層により構成されるので、第2の半導体基板212内にアルミパッド280を配置すれば、メタル配線250の形状に制約を与えることなく、ホットキャリアに起因する光を遮光できるようにアルミパッド280を配置することが容易になる。
For example, since the
さらに、上述した実施の形態では、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続に用いられるコンタクト265は、第1の半導体基板211を垂直方向に貫通する2つの貫通孔に埋め込まれた導体が、第1の半導体基板211の受光面(図中最も上の面)上で接続される構成とされている。このようなコンタクトは、ツインコンタクトとも称される。第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に用いられるコンタクト311も、ツインコンタクトとして構成されている。
Further, in the above-described embodiment, the
しかしながら、ツインコンタクトは、貫通孔を2つ設ける必要があるため、製造工程が増えるとともに、基板上での面積が大きくなる。 However, since the twin contact needs to be provided with two through holes, the manufacturing process is increased and the area on the substrate is increased.
例えば、第1の半導体基板211の図中最も上側から第1の半導体基板211を貫通して第2の半導体基板の多層配線層255内の配線に達し、且つ一部が第1の半導体基板211の多層配線層245の配線に達するコンタクトを形成すれば、貫通孔を1つ設けるだけで第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続が可能となる。このようなコンタクトはシェアードコンタクトとも称される。
For example, the
半導体基板間の電気的接続のためにシェアードコンタクトを用いるようにすれば、ツインコンタクトを用いる場合と比較して、製造工程を簡素化することができ、基板上での面積を小さくすることができる。 If shared contacts are used for electrical connection between semiconductor substrates, the manufacturing process can be simplified and the area on the substrates can be reduced as compared with the case of using twin contacts. ..
また、半導体基板を貼り合わせる際に、多層配線層内の銅配線同士を直接接合する方式も実用化されている。多層配線層内の銅配線同士を直接接合すれば、半導体基板間の電気的接続のためのコンタクトを設ける必要はないので、さらに製造工程を簡素化することができ、基板上での面積を小さくすることができる。なお、銅配線同士を直接接合する方式は、直接接合とも称される。 Further, a method of directly joining copper wirings in a multilayer wiring layer when laminating semiconductor substrates has also been put into practical use. If the copper wirings in the multilayer wiring layer are directly bonded to each other, it is not necessary to provide contacts for electrical connection between the semiconductor substrates, so that the manufacturing process can be further simplified and the area on the substrates can be reduced. can do. The method of directly joining copper wirings is also referred to as direct joining.
図11は、図6に示される固体撮像装置の画素部の構成に係る断面図を模式化した図である。同図に示されるように、第1の半導体基板211には、第1の半導体基板211の裏面側(受光面側)からアルミパッド280aに達するようにパッド孔351が形成されている。そして、第1の半導体基板211の多層配線層245にアルミパッド280が形成されている。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view relating to the configuration of the pixel portion of the solid-state image sensor shown in FIG. As shown in the figure, the
また、図11の構成では、第2の半導体基板の多層配線層255が第3の半導体基板213側(図中下側)に向けられて第1の半導体基板211と第2の半導体基板212が貼り合せられている。
Further, in the configuration of FIG. 11, the
さらに、図11の構成では、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続に用いられるコンタクト265、および、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に用いられるコンタクト311が設けられている。コンタクト265およびコンタクト311は、ツインコンタクトとして構成されている。
Further, in the configuration of FIG. 11, the
図12は、本技術を適用した固体撮像装置の画素部のさらに別の実施の形態に係る構成を説明する断面図を模式化した図である。 FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration according to still another embodiment of a pixel portion of a solid-state image sensor to which the present technology is applied.
図12の構成では、図11の場合とは異なり、第2の半導体基板の多層配線層255が第1の半導体基板211側(図中上側)に向けられて第1の半導体基板211と第2の半導体基板212が貼り合せられている。
In the configuration of FIG. 12, unlike the case of FIG. 11, the
また、図12の構成では、図11の場合とは異なり、アルミパッド280が第2の半導体基板212の多層配線層255内に設けられている。そして、第1の半導体基板211には、第1の半導体基板211の裏面側(受光面側)からアルミパッド280aに達するようにパッド孔351が形成されている。
Further, in the configuration of FIG. 12, unlike the case of FIG. 11, the
図12に示されるように、第2の半導体基板212の多層配線層255を第1の半導体基板側に向けることで、多層配線層255により、ホットキャリアに起因する光を遮光できる。さらに、6層の配線層により構成される多層配線層255内にアルミパッド280を配置したことで、メタル配線250の形状に制約を与えることなく、ホットキャリアに起因する光を遮光できるようにアルミパッド280を配置することが容易になる。
As shown in FIG. 12, by directing the
また、アルミパッド280が第2の半導体基板212の多層配線層255内に設けられるようにしたので、第1の半導体基板211内にESD回路を形成する必要がなく(第2の半導体基板内でESD回路を形成すればよいので)低コストで製造することが可能となる。
Further, since the
さらに、図12の構成では、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続に用いられるコンタクト266、および、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に用いられるコンタクト312が設けられている。コンタクト266およびコンタクト312は、ツインコンタクトとして構成されている。
Further, in the configuration of FIG. 12, the
図12の構成の場合、図11の場合とは異なり、コンタクト312が第1の半導体基板211および第2の半導体基板212を貫通し、第3の半導体基板213の多層配線層345に達している。
In the case of the configuration of FIG. 12, unlike the case of FIG. 11, the
次に、図12に示される固体撮像装置の製造プロセスについて説明する。 Next, the manufacturing process of the solid-state image sensor shown in FIG. 12 will be described.
最初に、図13に示されるように、それぞれ多層配線層が形成された第1の半導体基板211、第2の半導体基板212、および第3の半導体基板213を用意する。同図に示されるように、第1の半導体基板211には多層配線層245が形成されており、第2の半導体基板212には多層配線層255が形成されており、第3の半導体基板213には多層配線層345が形成されている。
First, as shown in FIG. 13, a
また、図13に示されるように、第2の半導体基板212の多層配線層255にはアルミパッド280が形成されている。
Further, as shown in FIG. 13, an
次に、図14に示されるように、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212を貼り合わせる。このとき、互いの多層配線層245および多層配線層255が向き合うように、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212が貼り合わせられる。
Next, as shown in FIG. 14, the
そして、図15に示されるように、第2の半導体基板212が薄膜化される。同図では、第2の半導体基板212の図中垂直方向の幅が薄くなっている。
Then, as shown in FIG. 15, the
次に、図16に示されるように、第3の半導体基板213と第2の半導体基板212を貼り合わせる。このとき、第3の半導体基板の多層配線層345が図中上向きとなるように、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213が貼り合わせられる。
Next, as shown in FIG. 16, the
そして、図17に示されるように、第1の半導体基板211が薄膜化される。同図では、第1の半導体基板211の図中垂直方向の幅が薄くなっている。
Then, as shown in FIG. 17, the
次に、図18に示されるように、コンタクト312およびコンタクト266が形成される。この際、第1の半導体基板211の受光面から多層配線層245に達する孔、および、受光面から多層配線層255のアルミパッド280に達する孔が設けられ、コンタクト266が形成される。また、第1の半導体基板211の受光面から多層配線層255のアルミパッド280に達する孔、および、受光面から多層配線層345に達する孔が設けられ、コンタクト312が形成される。
Next,
そして、図19に示されるように、第1の半導体基板211の裏面側(受光面側)からアルミパッド280aに達するようにパッド孔351が形成される。
Then, as shown in FIG. 19, the
このようにして、図12を参照して上述した固体撮像装置が製造される。このようすることで、多層配線層255により、ホットキャリアに起因する光を遮光できる。さらに、6層の配線層により構成される多層配線層255内にアルミパッド280を配置したことで、メタル配線250の形状に制約を与えることなく、ホットキャリアに起因する光を遮光できるようにアルミパッド280を配置することが容易になる。また、アルミパッド280が第2の半導体基板212の多層配線層255内に設けられるようにしたので、第1の半導体基板211内にESD回路を形成する必要がなく(第2の半導体基板内でESD回路を形成すればよいので)低コストで製造することが可能となる。
In this way, the solid-state image sensor described above with reference to FIG. 12 is manufactured. By doing so, the
図20は、本技術を適用した固体撮像装置の画素部のさらに別の実施の形態に係る構成を説明する断面図を模式化した図である。 FIG. 20 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration according to still another embodiment of a pixel portion of a solid-state image sensor to which the present technology is applied.
図20の構成では、図11の場合と同様に、第2の半導体基板の多層配線層255が第3の半導体基板213側(図中下側)に向けられて第1の半導体基板211と第2の半導体基板212が貼り合せられている。
In the configuration of FIG. 20, as in the case of FIG. 11, the
また、図20の構成では、図11の場合と同様に、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続に用いられるコンタクト265、および、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に用いられるコンタクト311が設けられている。コンタクト265およびコンタクト311は、ツインコンタクトとして構成されている。
Further, in the configuration of FIG. 20, as in the case of FIG. 11, the
さらに、図20の構成では、図11の場合とは異なり、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との間に絶縁膜層230が形成されている。そして、絶縁膜層230内にアルミパッド280aが配置され、第2の半導体基板212の多層配線層255に接続されるコンタクト313にアルミパッド280aが接続されている。
Further, in the configuration of FIG. 20, unlike the case of FIG. 11, the insulating
そして、図20の構成では、第1の半導体基板211には、第1の半導体基板211の裏面側(受光面側)から、絶縁膜層230内のアルミパッド280aに達するようにパッド孔351が形成されている。
Then, in the configuration of FIG. 20, the
図20の構成の場合、アルミパッド280が絶縁膜層230内に設けられるようにしたので、第1の半導体基板211内にESD回路を形成する必要がなく(第2の半導体基板内でESD回路を形成すればよいので)低コストで製造することが可能となる。
In the case of the configuration of FIG. 20, since the
次に、図20に示される固体撮像装置の製造プロセスについて説明する。 Next, the manufacturing process of the solid-state image sensor shown in FIG. 20 will be described.
最初に、図21に示されるように、それぞれ多層配線層が形成された第1の半導体基板211、第2の半導体基板212、および第3の半導体基板213を用意する。同図に示されるように、第1の半導体基板211には多層配線層245が形成されており、第2の半導体基板212には多層配線層255が形成されており、第3の半導体基板213には多層配線層345が形成されている。
First, as shown in FIG. 21, a
なお、図21に示されるように、第2の半導体基板212の多層配線層255にはアルミパッド280が形成されていない。
As shown in FIG. 21, the
次に、図22に示されるように、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213を貼り合わせる。このとき、互いの多層配線層255および多層配線層345が向き合うように、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213が貼り合わせられる。
Next, as shown in FIG. 22, the
そして、図23に示されるように、第2の半導体基板212が薄膜化される。同図では、第2の半導体基板212の図中垂直方向の幅が薄くなっている。
Then, as shown in FIG. 23, the
次に、図24に示されるように、コンタクト311およびコンタクト313が形成される。この際、第2の半導体基板212の図中上側の面から多層配線層345に達する孔、および、第2の半導体基板212の図中上側の面から多層配線層255に達する孔が設けられ、コンタクト311が形成される。また、第2の半導体基板212の図中上側の面から多層配線層255に達する孔が設けられ、コンタクト313が形成される。
Next,
そして、図25に示されるように、アルミパッド280aが形成され、絶縁膜層230が形成される。同図に示されるように、コンタクト313の図中上側の端部に接続してアルミパッド280aが形成されている。また、第2の半導体基板212の図中上側の面上においてアルミパッド280aの周囲に絶縁膜層230が形成されている。
Then, as shown in FIG. 25, the
次に、図26に示されるように、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212(より正確には絶縁膜層230)を貼り合わせる。このとき、多層配線層245が絶縁膜層230に接するように、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212が貼り合わせられる。
Next, as shown in FIG. 26, the
さらに、第1の半導体基板211が薄膜化される。図26では、第1の半導体基板211の図中垂直方向の幅が薄くなっている。
Further, the
そして、図27に示されるように、第1の半導体基板211の裏面側(受光面側)からアルミパッド280aに達するようにパッド孔351が形成される。その後、第1の半導体基板211の受光面から多層配線層245に達する孔、および、受光面からコンタクト311に達する孔が設けられ、コンタクト265が形成される。
Then, as shown in FIG. 27, the
このようにして、図20を参照して上述した固体撮像装置が製造される。アルミパッド280が絶縁膜層230内に設けられるようにしたので、第1の半導体基板211内にESD回路を形成する必要がなく(第2の半導体基板内でESD回路を形成すればよいので)低コストで製造することが可能となる。
In this way, the solid-state image sensor described above with reference to FIG. 20 is manufactured. Since the
図28は、本技術を適用した固体撮像装置の画素部のさらに別の実施の形態に係る構成を説明する断面図を模式化した図である。 FIG. 28 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration according to still another embodiment of a pixel portion of a solid-state image sensor to which the present technology is applied.
図28の構成では、図11の場合と同様に、第1の半導体基板211には、第1の半導体基板211の裏面側(受光面側)からアルミパッド280aに達するようにパッド孔351が形成されている。そして、第1の半導体基板211の多層配線層245にアルミパッド280が形成されている。
In the configuration of FIG. 28, as in the case of FIG. 11, pad holes 351 are formed in the
また、図28の構成では、図11の場合と同様に、第2の半導体基板の多層配線層255が第3の半導体基板213側(図中下側)に向けられて第1の半導体基板211と第2の半導体基板212が貼り合せられている。
Further, in the configuration of FIG. 28, as in the case of FIG. 11, the
さらに、図28の構成では、図11の場合と同様に、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続に用いられるコンタクト265が設けられている。コンタクト265は、ツインコンタクトとして構成されている。
Further, in the configuration of FIG. 28, as in the case of FIG. 11, a
図28の構成では、図11の場合とは異なり、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に用いられるコンタクト311が設けられていない。その一方で、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に用いられるコンタクト314およびコンタクト315が設けられている。
In the configuration of FIG. 28, unlike the case of FIG. 11, the
コンタクト314およびコンタクト315のそれぞれは、第2の半導体基板212を貫通し、第3の半導体基板213の多層配線層345に達する貫通孔を設けて導体を埋め込むことにより形成される。すなわち、コンタクト314およびコンタクト315のそれぞれは、貫通孔を1つ設けるだけで第2の半導体基板212の多層配線層255と第3の半導体基板213の多層配線層345とを接続するようになされている。
Each of the
つまり、コンタクト314およびコンタクト315のそれぞれは、シェアードコンタクトとして構成されている。
That is, each of the
図28に示される構成では、シェアードコンタクトを用いたことにより、製造工程を簡素化することができ、基板上での面積を小さくすることができる。 In the configuration shown in FIG. 28, by using the shared contact, the manufacturing process can be simplified and the area on the substrate can be reduced.
ここでは、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続にシェアードコンタクトが用いられるものとして説明したが、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続にシェアードコンタクトが用いられるようにすることも可能である。
Here, it has been described that the shared contact is used for the electrical connection between the
また、図11、図12、または図20を参照して上述した構成の固体撮像装置においても、やはり、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続、または、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続にシェアードコンタクトが用いられるようにしてもよい。
Further, also in the solid-state imaging device having the above-described configuration with reference to FIGS. 11, 12, or 20, the electrical connection between the
すなわち、アルミパッド280が第1の半導体基板211の多層配線層245内に設けられる構成(図11)において、各半導体基板間の電気的接続にシェアードコンタクトが用いられるようにしてもよい。また、アルミパッド280が第2の半導体基板212の多層配線層255内に設けられる構成(図12)において、各半導体基板間の電気的接続にシェアードコンタクトが用いられるようにしてもよい。さらに、アルミパッド280が絶縁膜層230内に設けられる構成(図20)において、各半導体基板間の電気的接続にシェアードコンタクトが用いられるようにしてもよい。
That is, in the configuration in which the
図29は、本技術を適用した固体撮像装置の画素部のさらに別の実施の形態に係る構成を説明する断面図を模式化した図である。 FIG. 29 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration according to still another embodiment of a pixel portion of a solid-state image sensor to which the present technology is applied.
図29の構成では、図11の場合と同様に、第1の半導体基板211には、第1の半導体基板211の裏面側(受光面側)からアルミパッド280aに達するようにパッド孔351が形成されている。そして、第1の半導体基板211の多層配線層245にアルミパッド280が形成されている。
In the configuration of FIG. 29, as in the case of FIG. 11, pad holes 351 are formed in the
また、図29の構成では、図11の場合と同様に、第2の半導体基板の多層配線層255が第3の半導体基板213側(図中下側)に向けられて第1の半導体基板211と第2の半導体基板212が貼り合せられている。
Further, in the configuration of FIG. 29, as in the case of FIG. 11, the
さらに、図29の構成では、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に用いられるコンタクト267が設けられている。コンタクト267は、ツインコンタクトとして構成されている。
Further, in the configuration of FIG. 29, a
また、図29の構成では、第2の半導体基板212の多層配線層255内のメタル配線250aと第3の半導体基板213の多層配線層345内のメタル配線340aが直接接合されている。さらに、多層配線層255内のメタル配線250bと多層配線層345内のメタル配線340bが直接接合されている。これにより、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213とが電気的に接続されることになる。
Further, in the configuration of FIG. 29, the
つまり、図29の構成の場合、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213の電気的接続のために、コンタクトを用いずに、直接接合を用いている。従って、製造工程を簡素化することができ、基板上での面積を小さくすることができる。
That is, in the case of the configuration of FIG. 29, direct bonding is used without using contacts for the electrical connection between the
なお、直接接合については、例えば、特開2013−033900などに詳細に開示されている。 The direct bonding is disclosed in detail in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-033900.
次に、図29に示される固体撮像装置の製造プロセスについて説明する。 Next, the manufacturing process of the solid-state image sensor shown in FIG. 29 will be described.
最初に、図30に示されるように、それぞれ多層配線層が形成された第1の半導体基板211、第2の半導体基板212、および第3の半導体基板213を用意する。同図に示されるように、第1の半導体基板211には多層配線層245が形成されており、第2の半導体基板212には多層配線層255が形成されており、第3の半導体基板213には多層配線層345が形成されている。
First, as shown in FIG. 30, a
なお、図30に示されるように、第1の半導体基板211の多層配線層245にはアルミパッド280が形成されている。また、第2の半導体基板の多層配線層255にはメタル配線250aおよびメタル配線250bが形成されており、第3の半導体基板の多層配線層345にはメタル配線340aおよびメタル配線340bが形成されている。
As shown in FIG. 30, an
次に、図31に示されるように、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213を貼り合わせる。このとき、互いの多層配線層255および多層配線層345が向き合うように、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213が貼り合わせられる。そして、メタル配線250aとメタル配線340aが直接接合され、メタル配線250bとメタル配線340bが直接接合される。
Next, as shown in FIG. 31, the
さらに、第2の半導体基板212が薄膜化される。同図では、第2の半導体基板212の図中垂直方向の幅が薄くなっている。
Further, the
そして、図32に示されるように、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212を貼り合せる。このとき、第2の半導体基板の多層配線層255が第3の半導体基板213側(図中下側)に向けられて第1の半導体基板211と第2の半導体基板212が貼り合せられる。
Then, as shown in FIG. 32, the
さらに、第1の半導体基板211が薄膜化される。同図では、第1の半導体基板211の図中垂直方向の幅が薄くなっている。
Further, the
次に、図33に示されるように、コンタクト267が形成される。この際、第1の半導体基板211の受光面から多層配線層245に達する孔、および、受光面から多層配線層255に達する孔が設けられ、コンタクト267が形成される。
Next, a
そして、図34に示されるように、第1の半導体基板211の裏面側(受光面側)からアルミパッド280aに達するようにパッド孔351が形成される。
Then, as shown in FIG. 34, the
このようにして、図29を参照して上述した固体撮像装置が製造される。第2の半導体基板212と第3の半導体基板213の電気的接続のために、コンタクトを用いずに、直接接合を用いたので、製造工程を簡素化することができ、基板上での面積を小さくすることができる。
In this way, the solid-state image sensor described above with reference to FIG. 29 is manufactured. Since direct bonding was used for the electrical connection between the
ここでは、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に直接接合が用いられるものとして説明したが、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続に直接接合が用いられるようにすることも可能である。
Here, it has been described that direct bonding is used for the electrical connection between the
また、図11、図12、または図20を参照して上述した構成の固体撮像装置においても、やはり、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続、または、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に直接接合が用いられるようにしてもよい。
Further, also in the solid-state image sensor having the above-described configuration with reference to FIGS. 11, 12, or 20, the electrical connection between the
すなわち、アルミパッド280が第1の半導体基板211の多層配線層245内に設けられる構成(図11)において、各半導体基板間の電気的接続に直接接合が用いられるようにしてもよい。また、アルミパッド280が第2の半導体基板212の多層配線層255内に設けられる構成(図12)において、各半導体基板間の電気的接続に直接接合が用いられるようにしてもよい。さらに、アルミパッド280が絶縁膜層230内に設けられる構成(図20)において、各半導体基板間の電気的接続に直接接合が用いられるようにしてもよい。
That is, in the configuration in which the
図35は、本技術を適用した固体撮像装置の画素部のさらに別の実施の形態に係る構成を説明する断面図を模式化した図である。 FIG. 35 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration according to still another embodiment of a pixel portion of a solid-state image sensor to which the present technology is applied.
図35の構成では、図29の場合とは異なり、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続に用いられるコンタクト268およびコンタクト316が設けられている。すなわち、図35の構成の場合、コンタクト268の図中左側の下側端部がコンタクト316の図中上側端部に接続されることにより、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212が電気的に接続される。なお、コンタクト268は、ツインコンタクトとして構成されている。
In the configuration of FIG. 35, unlike the case of FIG. 29,
図35の構成では、例えば、図29のコンタクト267の形成のように、受光面から多層配線層255に達する孔を設ける必要がない。このため、コンタクトの形成をより簡素に行うことが可能となる。
In the configuration of FIG. 35, it is not necessary to provide a hole reaching the
図35におけるその他の部分の構成は、図29の場合と同様なので、詳細な説明は省略する。 Since the configuration of other parts in FIG. 35 is the same as that in FIG. 29, detailed description thereof will be omitted.
次に、図35に示される固体撮像装置の製造プロセスについて説明する。 Next, the manufacturing process of the solid-state image sensor shown in FIG. 35 will be described.
最初に、図36に示されるように、それぞれ多層配線層が形成された第1の半導体基板211、第2の半導体基板212、および第3の半導体基板213を用意する。同図に示されるように、第1の半導体基板211には多層配線層245が形成されており、第2の半導体基板212には多層配線層255が形成されており、第3の半導体基板213には多層配線層345が形成されている。
First, as shown in FIG. 36, a
なお、図36に示されるように、第1の半導体基板211の多層配線層245にはアルミパッド280が形成されている。また、第2の半導体基板の多層配線層255にはメタル配線250aおよびメタル配線250bが形成されており、第3の半導体基板の多層配線層345にはメタル配線340aおよびメタル配線340bが形成されている。
As shown in FIG. 36, an
次に、図37に示されるように、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213を貼り合わせる。このとき、互いの多層配線層255および多層配線層345が向き合うように、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213が貼り合わせられる。そして、メタル配線250aとメタル配線340aが直接接合され、メタル配線250bとメタル配線340bが直接接合される。
Next, as shown in FIG. 37, the
さらに、第2の半導体基板212が薄膜化される。同図では、第2の半導体基板212の図中垂直方向の幅が薄くなっている。
Further, the
そして、図38に示されるように、コンタクト316が形成される。この際、第2の半導体基板212の図中上側の面から多層配線層255に達する孔が設けられ、コンタクト316が形成される。
Then, as shown in FIG. 38, the
次に、図39に示されるように、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212を貼り合せる。このとき、第1の半導体基板211の裏面が受光面となるように、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212が貼り合わせられる。
Next, as shown in FIG. 39, the
さらに、第1の半導体基板211が薄膜化される。図39では、第1の半導体基板211の図中垂直方向の幅が薄くなっている。
Further, the
また、第1の半導体基板211の受光面から、第2の半導体基板の図中上側の面に達する孔、および、受光面から多層配線層245のアルミパッド280に達する孔が設けられ、コンタクト268が形成される。
Further, a hole from the light receiving surface of the
そして、図40に示されるように、第1の半導体基板211の受光面からアルミパッド280aに達するようにパッド孔351が形成される。
Then, as shown in FIG. 40, the
このようにして、図35を参照して上述した固体撮像装置が製造される。図35の構成では、上述したように、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212を電気的に接続するために、コンタクト268およびコンタクト316が用いられる。すなわち、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との接合面において、コンタクト268を形成する導体とコンタクト316を形成する導体とが接合されている。このように、図35の構成の場合、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212の電気的接続のためのツインコンタクトの一部が2段階に分けられて構成されている。
In this way, the solid-state image sensor described above with reference to FIG. 35 is manufactured. In the configuration of FIG. 35, as described above, the
このようにすることで、例えば、図29のコンタクト267の形成のように、受光面から多層配線層255に達する深い孔を設ける必要がない。このため、コンタクトの形成をより簡素に行うことが可能となる。
By doing so, it is not necessary to provide a deep hole reaching the
ここでは、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212の電気的接続に用いられるツインコンタクトの一部が2段階に分けられて構成されるものとして説明したが、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に用いられるツインコンタクトの一部が2段階に分けられて構成されるようにすることも可能である。
Here, a part of the twin contacts used for electrical connection between the
また、図11、図12、または図20を参照して上述した構成の固体撮像装置においても、やはり、第1の半導体基板211と第2の半導体基板212との電気的接続、または、第2の半導体基板212と第3の半導体基板213との電気的接続に用いられるツインコンタクトの一部が2段階に分けられて構成されるようにしてもよい。
Further, also in the solid-state imaging device having the above-described configuration with reference to FIGS. 11, 12, or 20, the electrical connection between the
すなわち、アルミパッド280が第1の半導体基板211の多層配線層245内に設けられる構成(図11)において、各半導体基板間の電気的接続に用いられるツインコンタクトの一部が2段階に分けられて構成されるようにしてもよい。また、アルミパッド280が第2の半導体基板212の多層配線層255内に設けられる構成(図12)において、各半導体基板間の電気的接続に用いられるツインコンタクトの一部が2段階に分けられて構成されるようにしてもよい。さらに、アルミパッド280が絶縁膜層230内に設けられる構成(図20)において、各半導体基板間の電気的接続に用いられるツインコンタクトの一部が2段階に分けられて構成されるようにしてもよい。
That is, in the configuration in which the
図11乃至図40を参照して上述したように、本技術を適用した固体撮像装置においては、アルミパッド280が第1の半導体基板211の多層配線層245内に設けられるようにしてもよいし、アルミパッド280が第2の半導体基板212の多層配線層255内に設けられるようにしてもよいし、アルミパッド280が絶縁膜層230内に設けられるようにしてもよい。また、各半導体基板間の電気的接続の形態は、ツインコンタクト、シェアードコンタクト、直接接合、およびツインコンタクトの一部が2段階に分けられた構成が採用され得る。
As described above with reference to FIGS. 11 to 40, in the solid-state imaging device to which the present technology is applied, the
すなわち、本技術を適用した固体撮像装置の実施の形態として、図41に示されるような組み合わせが採用され得る。 That is, as an embodiment of the solid-state image sensor to which the present technology is applied, a combination as shown in FIG. 41 can be adopted.
なお、上述した実施の形態においては、本技術を適用した固体撮像装置の実施の形態について3層構造を前提として説明した。しかし、本技術を適用した固体撮像装置は、例えば、第1の半導体基板、第2の半導体基板、第3の半導体基板、および第4の半導体基板を積層した4層構造を採用することも可能である。 In the above-described embodiment, the embodiment of the solid-state image sensor to which the present technology is applied has been described on the premise of a three-layer structure. However, the solid-state image sensor to which this technology is applied can also adopt, for example, a four-layer structure in which a first semiconductor substrate, a second semiconductor substrate, a third semiconductor substrate, and a fourth semiconductor substrate are laminated. Is.
本技術を適用した固体撮像装置において4層構造を採用した場合の例を図42に示す。図42は、本技術を適用した固体撮像装置の画素部のさらに別の実施の形態に係る構成を説明する断面図を模式化した図である。 FIG. 42 shows an example in which a four-layer structure is adopted in a solid-state image sensor to which the present technology is applied. FIG. 42 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration according to still another embodiment of a pixel portion of a solid-state image sensor to which the present technology is applied.
図42の例では、第1の半導体基板211、第2の半導体基板212、第3の半導体基板213、および第4の半導体基板214が積層された4層構造が採用されている。
In the example of FIG. 42, a four-layer structure in which a
なお、同様に、本技術を適用した固体撮像装置において5層以上の構造を採用することも可能御である。 Similarly, it is possible to adopt a structure of five or more layers in a solid-state image sensor to which the present technology is applied.
図43は、本技術を適用した電子機器としての、カメラ装置の構成例を示すブロック図である。 FIG. 43 is a block diagram showing a configuration example of a camera device as an electronic device to which the present technology is applied.
図43のカメラ装置600は、レンズ群などからなる光学部601、上述した画素402の各構成が採用される固体撮像装置(撮像デバイス)602、およびカメラ信号処理回路であるDSP回路603を備える。また、カメラ装置600は、フレームメモリ604、表示部605、記録部606、操作部607、および電源部608も備える。DSP回路603、フレームメモリ604、表示部605、記録部606、操作部607および電源部608は、バスライン609を介して相互に接続されている。
The
光学部601は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで固体撮像装置602の撮像面上に結像する。固体撮像装置602は、光学部601によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像装置602として、上述した実施の形態に係る固体撮像装置を用いることができる。
The
表示部605は、例えば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置602で撮像された動画または静止画を表示する。記録部606は、固体撮像装置602で撮像された動画または静止画を、ビデオテープやDVD(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
The
操作部607は、ユーザによる操作の下に、カメラ装置600が有する様々な機能について操作指令を発する。電源部608は、DSP回路603、フレームメモリ604、表示部605、記録部606および操作部607の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
The
また、本技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像素子への適用に限らず、赤外線やX線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像素子や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像素子(物理量分布検知装置)全般に対して適用可能である。 In addition, this technology is not limited to application to a solid-state image sensor that detects the distribution of the incident light amount of visible light and captures it as an image, but is also a solid that captures the distribution of the incident amount of infrared rays, X-rays, particles, etc. as an image. It can be applied to image sensors and, in a broad sense, solid-state image sensors (physical quantity distribution detection devices) such as fingerprint detection sensors that detect the distribution of other physical quantities such as pressure and capacitance and capture images as images. is there.
また、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Further, the embodiment of the present technology is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made without departing from the gist of the present technology.
211 第1の半導体基板, 212 第2の半導体基板, 213 第3の半導体基板, 230 絶縁膜層, 234 フォトダイオード, 245 多層配線層, 240 銅配線, 255 多層配線層, 250 銅配線, 265 コンタクト, 266 コンタクト, 267 コンタクト, 280 アルミパッド, 311 コンタクト, 312 コンタクト, 313 コンタクト, 320 アルミパッド, 330 アルミパッド, 340 銅配線, 345 多層配線層, 351 パッド孔, 360 遮光体, 370 銅配線, 401 固体撮像装置, 402 画素, 600 カメラ装置, 602 固体撮像装置 211 1st semiconductor substrate, 212 2nd semiconductor substrate, 213 3rd semiconductor substrate, 230 insulating film layer, 234 photodiode, 245 multi-layer wiring layer, 240 copper wiring, 255 multi-layer wiring layer, 250 copper wiring, 265 contacts , 266 contacts, 267 contacts, 280 aluminum pads, 311 contacts, 312 contacts, 313 contacts, 320 aluminum pads, 330 aluminum pads, 340 copper wiring, 345 multi-layer wiring layers, 351 pad holes, 360 shading bodies, 370 copper wiring, 401 Solid imager, 402 pixels, 600 camera device, 602 Solid imager
Claims (7)
第2の電極を含む第2の配線層と第3の電極を含む第3の配線層とを含む第2の半導体基板と、
第4の電極を含む第4の配線層を含む第3の半導体基板と
を備え、
前記第2の配線層と前記第3の配線層は、それぞれ前記第2の半導体基板の対向する面側に形成され、
前記第1の配線層と前記第2の配線層、前記第3の配線層と前記第4の配線層とがそれぞれ向き合うように、前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板と前記第3の半導体基板が積層され、
前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板は、前記第1の電極と前記第2の電極が直接接合されることにより電気的に接続され、
前記第2の半導体基板と前記第3の半導体基板は、前記第3の電極と前記第4の電極が直接接合されることにより電気的に接続される
固体撮像装置。 A first semiconductor substrate that includes a plurality of photodiodes, at least one of a transfer transistor, a reset transistor, and an amplifier transistor, and a first wiring layer that includes a first electrode.
A second semiconductor substrate including a second wiring layer including a second electrode and a third wiring layer including a third electrode,
A third semiconductor substrate including a fourth wiring layer including a fourth electrode is provided.
The second wiring layer and the third wiring layer are formed on opposite surface sides of the second semiconductor substrate, respectively.
The first semiconductor substrate, the second semiconductor substrate, and the first wiring layer so that the first wiring layer and the second wiring layer, and the third wiring layer and the fourth wiring layer face each other. 3 semiconductor substrates are laminated,
The first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are electrically connected by directly joining the first electrode and the second electrode.
A solid-state image sensor in which the second semiconductor substrate and the third semiconductor substrate are electrically connected by directly joining the third electrode and the fourth electrode.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the second semiconductor substrate includes a plurality of transistors.
請求項1または2に記載の固体撮像装置。 The solid-state image sensor according to claim 1 or 2, wherein the third semiconductor substrate includes a plurality of transistors.
請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像装置。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the second semiconductor substrate includes a logic circuit.
請求項1乃至4のいずれかに記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4, wherein the third semiconductor substrate includes a memory circuit.
前記第3の半導体基板は、メモリ回路を含み、
前記ロジック回路と前記メモリ回路は、外部との信号の入出力に伴って動作する
請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像装置。 The second semiconductor substrate includes a logic circuit.
The third semiconductor substrate includes a memory circuit.
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the logic circuit and the memory circuit operate in association with input / output of a signal to and from the outside.
前記入射光を受光する固体撮像装置と
を備え、
前記固体撮像装置は、
複数のフォトダイオードと、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、およびアンプトランジスタのうちの少なくとも1つと、第1の電極を含む第1の配線層とを含む第1の半導体基板と、
第2の電極を含む第2の配線層と第3の電極を含む第3の配線層とを含む第2の半導体基板と、
第4の電極を含む第4の配線層を含む第3の半導体基板と
を備え、
前記第2の配線層と前記第3の配線層は、それぞれ前記第2の半導体基板の対向する面側に形成され、
前記第1の配線層と前記第2の配線層、前記第3の配線層と前記第4の配線層とがそれぞれ向き合うように、前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板と前記第3の半導体基板が積層され、
前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板は、前記第1の電極と前記第2の電極が直接接合されることにより電気的に接続され、
前記第2の半導体基板と前記第3の半導体基板は、前記第3の電極と前記第4の電極が直接接合されることにより電気的に接続される
電子機器。 An optical unit containing at least one lens that receives incident light,
A solid-state image sensor that receives the incident light is provided.
The solid-state image sensor
A first semiconductor substrate that includes a plurality of photodiodes, at least one of a transfer transistor, a reset transistor, and an amplifier transistor, and a first wiring layer that includes a first electrode.
A second semiconductor substrate including a second wiring layer including a second electrode and a third wiring layer including a third electrode,
A third semiconductor substrate including a fourth wiring layer including a fourth electrode is provided.
The second wiring layer and the third wiring layer are formed on opposite surface sides of the second semiconductor substrate, respectively.
The first semiconductor substrate, the second semiconductor substrate, and the first wiring layer so that the first wiring layer and the second wiring layer, and the third wiring layer and the fourth wiring layer face each other. 3 semiconductor substrates are laminated,
The first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are electrically connected by directly joining the first electrode and the second electrode.
An electronic device in which the second semiconductor substrate and the third semiconductor substrate are electrically connected by directly joining the third electrode and the fourth electrode.
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