JP2022036098A - Semiconductor device and electronic equipment - Google Patents

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拓 梅林
Hiroshi Umebayashi
洋 高橋
Hiroshi Takahashi
礼二郎 庄子
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device that can achieve high performance, mass productivity and cost reduction.
SOLUTION: A semiconductor device comprises: a first semiconductor substrate that has a transfer Tr, a reset Tr and an amplification Tr arranged on a pixel array; and a second semiconductor substrate that has a logic circuit processing signals. The first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are laminated so that a first multilayer wiring layer and a second multilayer wiring layer are opposed to each other. At least one or more wirings at a side closest to the second semiconductor substrate of the first multilayer wiring layer and at least one or more wirings at a side closest to the first semiconductor substrate of the second multilayer wiring layer are directly bonded with each other.
SELECTED DRAWING: Figure 3
COPYRIGHT: (C)2022,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor.

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。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。 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. These solid-state image sensors are widely used in digital still cameras, digital video cameras, and the like. In recent years, as a solid-state imaging device mounted on a mobile device such as a camera-equipped mobile phone or a PDA (Personal Digital Assistant), a MOS type image sensor is often used from the viewpoint of 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 has a circuit area and is configured. 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.

従来、このようなMOS型固体撮像装置において、複数の画素が配列された画素領域が形成された半導体チップと、信号処理を行うロジック回路が形成された半導体チップを電気的に接続して1つのデバイスとして構成した固体撮像装置が種々提案されている。例えば、特許文献1では、各画素セル毎にマイクロパッド有する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マイクロパッドを有する信号処理チップとを、マイクロバンプによって接続した半導体モジュールが開示されている。特許文献2では、インターポーザ(中間基板)上に、撮像画素部が設けられた裏面照射型のMOS固体撮像素子であるセンサチップと、信号処理を行う周辺回路が設けられた信号処理チップを実装したデバイスが開示されている。特許文献3では、イメージセンサチップと、薄型回路基板と、信号処理を行うロジック回路チップとを備えた構成である。そして、この薄膜回路基板とロジック回路チップが電気的に接続され、薄膜回路基板がイメージセンサチップの裏面からスルホールビアを介して電気的に接続された構成が開示されている。 Conventionally, in such a MOS type solid-state image sensor, one semiconductor chip in which a pixel region in which a plurality of pixels are arranged is electrically connected and a semiconductor chip in which a logic circuit for performing signal processing is formed. Various solid-state image sensors configured as devices have been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a semiconductor module in which a back-illuminated image sensor chip having a micro pad for each pixel cell and a signal processing chip having a signal processing circuit formed and having a micro pad are connected by a micro bump. ing. In Patent Document 2, a sensor chip, which is a back-illuminated MOS solid-state image sensor provided with an image pickup pixel portion, and a signal processing chip provided with a peripheral circuit for signal processing are mounted on an interposer (intermediate substrate). The device is disclosed. Patent Document 3 includes an image sensor chip, a thin circuit board, and a logic circuit chip that performs signal processing. A configuration is disclosed in which the thin film circuit board and the logic circuit board are electrically connected, and the thin film circuit board is electrically connected from the back surface of the image sensor chip via a through-hole via.

また、特許文献4では、透明基板に支持された固体撮像素子に貫通電極を設け、この貫通電極を介して固体撮像素子をフレキシブル回路基板に電気的に接続した固体撮像装置が開示されている。さらに、特許文献5では、裏面照射型の固体撮像装置において、支持基板を貫通する電極を設けた構成が開示されている。 Further, Patent Document 4 discloses a solid-state image pickup device in which a through electrode is provided on a solid-state image sensor supported by a transparent substrate, and the solid-state image sensor is electrically connected to a flexible circuit board via the through electrode. Further, Patent Document 5 discloses a configuration in which a back-illuminated solid-state image sensor is provided with an electrode that penetrates a support substrate.

特許文献1~3に示すように、イメージセンサチップとロジック回路などの異種回路チップを混載する技術は、種々提案されている。従来技では、いずれも機能チップがほぼ完成した状態のものを用い、貫通接続孔を形成して、チップ間の相互接続を可能に状態で1つのチップ上に形成されることが特徴となっている。 As shown in Patent Documents 1 to 3, various techniques for mounting different types of circuit chips such as an image sensor chip and a logic circuit have been proposed. In the conventional technique, the functional chips are almost completed, and a through connection hole is formed to enable interconnection between the chips, which is characterized by being formed on one chip. There is.

特開2006-49361号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-49361 特開2007-13089号公報JP-A-2007-13089 特開2008-130603号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-13603 特許第4000507号公報Japanese Patent No. 4000507 特開2003-31785号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-31785

上述した従来の固体撮像装置にも見られるように、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ことは、アイデアとして知られていた。しかし、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。 As seen in the conventional solid-state image sensor described above, it has been known as an idea to connect different types of chips by a connecting conductor penetrating a substrate to form a semiconductor device. However, it is necessary to make a connection hole while ensuring insulation in a deep substrate, and it is difficult to put it into practical use due to the cost economy of the manufacturing process required for processing the connection hole and embedding the connection conductor.

一方、例えば1μm程度の小さなコンタク穴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 hole 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.

量産で簡便に適用できる経済性を有する為には、この接続孔のアスペクト比を劇的に下げて、形成し易くすると共に、特別な接続孔加工を用いずに従来のウェハ製造プロセス内で加工できる技術を選択できることが望ましい。 In order to have economic efficiency that can be easily applied in mass production, the aspect ratio of this connection hole is dramatically reduced to make it easier to form, and it is processed in the conventional wafer manufacturing process without using special connection hole processing. It is desirable to be able to select the technology that can be used.

また、固体撮像装置などでは、画像領域と、信号処理を行うロジック回路とを、それぞれの性能を十分発揮できるように形成し、高性能化が図られることが望まれている。
固体撮像装置に限らず、他の半導体集積回路を有する半導体装置においても、それぞれの半導体集積回路の性能を十分に発揮できるように形成し、高性能化が図れることが望まれる。
Further, in a solid-state image sensor or the like, it is desired that an image region and a logic circuit for performing signal processing are formed so as to sufficiently exhibit their respective performances, and high performance is achieved.
Not only solid-state image sensors but also semiconductor devices having other semiconductor integrated circuits are desired to be formed so that the performance of each semiconductor integrated circuit can be fully exhibited and the performance can be improved.

本発明は、上述の点に鑑み、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、固体撮像装置を提供するものである。 In view of the above points, the present invention provides a solid-state image pickup device that fully exhibits each performance, achieves high performance, and achieves mass productivity and cost reduction.

本発明の固体撮像装置は、光電変換部を含む画素アレイと、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、増幅トランジスタのうち少なくとも1つとを有する第1の半導体基板と、信号処理を行うロジック回路を有する第2の半導体基板と、第1の半導体基板の光入射面とは反対側に形成された第1の多層配線層と、第2の半導体基板の光入射面側に形成された第2の多層配線層とを有する。第1の半導体基板と第2の半導体基板とは、第1の多層配線層と第2の多層配線層とが向かい合うように積層され、第1の半導体基板と第2の半導体基板が積層されたチップの、画素アレイを含む画素領域と画素領域外の領域とのそれぞれにおいて、第1の多層配線層の最も第2の半導体基板側の少なくとも1つ以上の配線と、第2の多層配線層の最も第1の半導体基板側の少なくとも1つ以上の配線とが直接接合されている。 The solid-state imaging device of the present invention includes a pixel array including a photoelectric conversion unit, a first semiconductor substrate having at least one of a transfer transistor, a reset transistor, and an amplification transistor, and a logic circuit for performing signal processing. The second semiconductor substrate, the first multilayer wiring layer formed on the side opposite to the light incident surface of the first semiconductor substrate, and the second multilayer wiring formed on the light incident surface side of the second semiconductor substrate. Has a layer. The first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate were laminated so that the first multilayer wiring layer and the second multilayer wiring layer faced each other, and the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate were laminated. In each of the pixel area including the pixel array and the area outside the pixel area of the chip, at least one or more wirings on the second semiconductor substrate side of the first multilayer wiring layer and the second multilayer wiring layer. At least one or more wirings on the first semiconductor substrate side are directly bonded.

本発明によれば、各チップ部にそれぞれの性能を十分発揮する画素アレイ及びロジック回路が形成されるので、高性能の半導体装置、すなわち裏面照射型の固体撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, since a pixel array and a logic circuit that sufficiently exhibit their respective performances are formed in each chip portion, it is possible to provide a high-performance semiconductor device, that is, a back-illuminated solid-state image pickup device.

本発明に適用されるMOS固体撮像装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the MOS solid-state image sensor applied to this invention. 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の模式図である。It is a schematic diagram of the solid-state image sensor which concerns on embodiment of this invention. 第1実施の形態に係る固体撮像装置を示す要部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the main part which shows the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その1)である。It is a manufacturing process diagram (the 1) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その2)である。It is a manufacturing process diagram (the 2) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その3)である。It is a manufacturing process diagram (3) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その4)である。It is a manufacturing process diagram (the 4) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その5)である。It is a manufacturing process diagram (No. 5) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その6)である。It is a manufacturing process diagram (No. 6) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その7)である。It is a manufacturing process diagram (7) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る固体撮像装置及びその製造方法を示す製造工程図(その8)である。It is a manufacturing process diagram (8) which shows the solid-state image sensor and the manufacturing method thereof which concerns on 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その9)である。It is a manufacturing process diagram (9) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その10)である。It is a manufacturing process diagram (No. 10) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第2実施の形態に係る固体撮像装置の構成図である。It is a block diagram of the solid-state image pickup apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施の形態に係る固体撮像装置の構成図である。It is a block diagram of the solid-state image pickup apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施の形態に係る固体撮像装置を示す要部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the main part which shows the solid-state image sensor which concerns on 4th Embodiment. 第4実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その1)である。It is a manufacturing process diagram (the 1) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 4th Embodiment. 第4実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その2)である。It is a manufacturing process diagram (the 2) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 4th Embodiment. 第4実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その3)である。It is a manufacturing process diagram (3) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 4th Embodiment. 第4実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その4)である。It is a manufacturing process diagram (the 4) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 4th Embodiment. 第4実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例を示す製造工程図(その5)である。It is a manufacturing process diagram (No. 5) which shows the example of the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on 4th Embodiment. 第5実施の形態に係る半導体装置の要部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the main part of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施の形態に係る半導体装置の製造方法例を示す製造工程図(その1)である。It is a manufacturing process drawing (the 1) which shows the example of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施の形態に係る半導体装置の製造方法例を示す製造工程図(その2)である。It is a manufacturing process drawing (the 2) which shows the example of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施の形態に係る半導体装置の製造方法例を示す製造工程図(その3)である。It is a manufacturing process diagram (3) which shows the example of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施の形態に係る半導体装置の製造方法例を示す製造工程図(その4)である。It is a manufacturing process drawing (the 4th) which shows the example of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施の形態に係る半導体装置の製造方法例を示す製造工程図(その5)である。5 is a manufacturing process diagram (No. 5) showing an example of a manufacturing method of a semiconductor device according to a fifth embodiment. 第5実施の形態に係る半導体装置の製造方法例を示す製造工程図(その6)である。6 is a manufacturing process diagram (No. 6) showing an example of a manufacturing method of a semiconductor device according to a fifth embodiment. 第6実施の形態に係る電子機器を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the electronic device which concerns on 6th Embodiment.

以下、発明を実施するための形態(以下実施の形態とする)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.MOS固体撮像装置の概略構成例
2.第1実施の形態(固体撮像装置の構成例とその製造方法例)
3.第2実施の形態(固体撮像装置の構成例)
4.第3実施の形態(固体撮像装置の構成例)
5.第4実施の形態(固体撮像装置の構成例とその製造方法例)
6.第5実施の形態(半導体装置の構成例とその製造方法例)
7.第6実施の形態(電子機器の構成例)
Hereinafter, embodiments for carrying out the invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described. The explanation will be given in the following order.
1. 1. Schematic configuration example of a MOS solid-state image sensor 2. 1st Embodiment (Example of configuration of solid-state image sensor and example of manufacturing method thereof)
3. 3. 2nd Embodiment (Structure example of solid-state image sensor)
4. Third Embodiment (Structure example of solid-state image sensor)
5. Fourth Embodiment (Example of configuration of solid-state image sensor and example of manufacturing method thereof)
6. Fifth Embodiment (Example of configuration of semiconductor device and example of manufacturing method thereof)
7. 6th Embodiment (constituent example of electronic device)

<1.MOS固体撮像装置の概略構成例>
図1に、本発明の半導体装置に適用されるMOS固体撮像装置の概略構成を示す。このMOS固体撮像装置は、各実施の形態の固体撮像装置に適用される。本例の固体撮像装置1は、図1に示すように、半導体基板11例えばシリコン基板に複数の光電変換部を含む画素2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)3と、周辺回路部とを有して構成される。画素2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。複数の画素トランジスタは、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタの3つのトランジスタで構成することができる。その他、選択トランジスタ追加して4つのトランジスタで構成することもできる。単位画素の等価回路は通常と同様であるので、詳細説明は省略する。画素2は、1つの単位画素として構成することができる。また、画素2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。すなわち、共有画素では、複数の単位画素を構成するフォトダイオード及び転送トランジスタが、他の1つずつの画素トランジスタを共有して構成される。
<1. Schematic configuration example of MOS solid-state image sensor>
FIG. 1 shows a schematic configuration of a MOS solid-state image sensor applied to the semiconductor device of the present invention. This MOS solid-state image sensor is applied to the solid-state image sensor of each embodiment. In the solid-state image sensor 1 of this example, as shown in FIG. 1, a pixel region (so-called pixel array) in which pixels 2 including a plurality of photoelectric conversion units on a semiconductor substrate 11 such as a silicon substrate are regularly arranged in a two-dimensional array is used. ) 3 and a peripheral circuit unit. The pixel 2 includes, for example, a photodiode that serves as a photoelectric conversion unit, and a plurality of pixel transistors (so-called MOS transistors). The plurality of pixel transistors can be composed of, for example, three transistors, a transfer transistor, a reset transistor, and an amplification transistor. In addition, it is possible to add a selection transistor and configure it with four transistors. Since the equivalent circuit of a unit pixel is the same as usual, detailed description thereof will be omitted. Pixel 2 can be configured as one unit pixel. Further, the pixel 2 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 other pixel transistor to be shared. That is, in the shared pixel, the photodiode and the transfer transistor constituting the plurality of unit pixels are configured by sharing the other pixel transistor.

周辺回路部は、垂直駆動回路4と、カラム信号処理回路5と、水平駆動回路6と、出力回路7と、制御回路8などを有して構成される。 The peripheral circuit unit includes a vertical drive circuit 4, a column signal processing circuit 5, a horizontal drive circuit 6, an output circuit 7, a control circuit 8, and the like.

制御回路8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8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4、カラム信号処理回路5及び水平駆動回路6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4、カラム信号処理回路5及び水平駆動回路6等に入力する。 The control circuit 8 receives an input clock and data 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 8 generates a clock signal or a control signal that serves as a reference for the operation of the vertical drive circuit 4, the column signal processing circuit 5, the horizontal drive circuit 6, etc., based on the vertical synchronization signal, the horizontal synchronization signal, and the master clock. do. Then, these signals are input to the vertical drive circuit 4, the column signal processing circuit 5, the horizontal drive circuit 6, and the like.

垂直駆動回路4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4は、画素領域3の各画素2を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線9を通して各画素2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く画素信号をカラム信号処理回路5に供給する。 The vertical drive circuit 4 is composed of, for example, a shift register, selects a pixel drive wiring, supplies a pulse for driving the pixel to the selected pixel drive wiring, and drives the pixel in row units. That is, the vertical drive circuit 4 selectively scans each pixel 2 in the pixel region 3 in a row-by-row manner in the vertical direction, and passes through the vertical signal line 9 to be a photoelectric conversion unit of each pixel 2, for example, a photodiode according to the amount of light received. A pixel signal based on the generated signal charge is supplied to the column signal processing circuit 5.

カラム信号処理回路5は、画素2の例えば列ごとに配置されており、1行分の画素2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5は、画素2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5の出力段には水平選択スイッチ(図示せず)が水平信号線10との間に接続されて設けられる。 The column signal processing circuit 5 is arranged for each column of the pixel 2, for example, and performs signal processing such as noise reduction for the signal output from the pixel 2 for one row for each pixel column. That is, the column signal processing circuit 5 performs signal processing such as CDS for removing the fixed pattern noise peculiar to the pixel 2 and signal amplification and AD conversion. A horizontal selection switch (not shown) is provided in the output stage of the column signal processing circuit 5 so as to be connected to the horizontal signal line 10.

水平駆動回路6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5の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路5の各々から画素信号を水平信号線10に出力させる。 The horizontal drive circuit 6 is composed of, for example, a shift register, and by sequentially outputting horizontal scanning pulses, each of the column signal processing circuits 5 is sequentially selected, and a pixel signal is output from each of the column signal processing circuits 5 as a horizontal signal line. Output to 10.

出力回路7は、カラム信号処理回路5の各々から水平信号線10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12は、外部と信号のやりとりをする。 The output circuit 7 performs signal processing on the signals sequentially supplied from each of the column signal processing circuits 5 through the horizontal signal line 10 and outputs the signals. For example, there are cases where only buffering is performed, black level adjustment, column variation correction, various digital signal processing, and the like are performed. The input / output terminal 12 exchanges signals with the outside.

図2に、本発明に係るMOS固体撮像装置の基本的な概略構成を示す。従来のMOS固体撮像装置151は、図2Aに示すように、1つの半導体チップ152内に、画素領域153と、制御回路154と、信号処理するためのロジク回路155とを搭載して構成される。通常、画素領域153と制御回路154でイメージセンサ156が構成される。これに対して、本発明の一実施の形態におけるMOS固体撮像装置21は、図2Bに示すように、第1の半導体チップ部22に画素領域23と制御回路24を搭載し、第2の半導体チップ部26に信号処理するための信号処理回路を含むロジック回路25を搭載する。この第1及び第2の半導体チップ22及び26を相互に電気的に接続して1つの半導体チップとしてMOS固体撮像装置21が構成される。本発明の他の実施の形態におけるMOS固体撮像装置27は、図2Cに示すように、第1の半導体チップ部22に画素領域23を搭載し、第2の半導体チップ部26にと制御回路24、信号処理回路を含むロジック回路25を搭載する。この第1及び第2の半導体チップ22及び26を相互に電気的に接続して1つの半導体チップとしてMOS固体撮像装置27が構成される。 FIG. 2 shows a basic schematic configuration of the MOS solid-state image sensor according to the present invention. As shown in FIG. 2A, the conventional MOS solid-state image sensor 151 is configured by mounting a pixel region 153, a control circuit 154, and a logic circuit 155 for signal processing in one semiconductor chip 152. .. Normally, the image sensor 156 is composed of the pixel area 153 and the control circuit 154. On the other hand, in the MOS solid-state image sensor 21 according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2B, the pixel region 23 and the control circuit 24 are mounted on the first semiconductor chip unit 22, and the second semiconductor is mounted. A logic circuit 25 including a signal processing circuit for signal processing is mounted on the chip unit 26. The first and second semiconductor chips 22 and 26 are electrically connected to each other to form a MOS solid-state image sensor 21 as one semiconductor chip. In the MOS solid-state image sensor 27 according to another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2C, the pixel region 23 is mounted on the first semiconductor chip unit 22, and the control circuit 24 is mounted on the second semiconductor chip unit 26. , A logic circuit 25 including a signal processing circuit is mounted. The first and second semiconductor chips 22 and 26 are electrically connected to each other to form a MOS solid-state image sensor 27 as one semiconductor chip.

上述の実施の形態に係るMOS固体撮像装置は、後述するように、その製造方法と、この製造方法に基いて得られた構成に特徴を有している。 As will be described later, the MOS solid-state image sensor according to the above-described embodiment is characterized by its manufacturing method and the configuration obtained based on this manufacturing method.

<2.第1実施の形態>
[固体撮像装置の構成例とその製造方法例]
図3、図4~図13を用いて、本発明の第1実施の形態に係る半導体装置、すなわちMOS固体撮像装置をその製造方法と共に説明する。
<2. First Embodiment>
[Example of configuration of solid-state image sensor and example of manufacturing method thereof]
A semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, that is, a MOS solid-state image pickup device, will be described with reference to FIGS. 3 and 4 to 13 together with a manufacturing method thereof.

第1実施の形態においては、先ず、図4に示すように、第1の半導体ウェハ(以下、半導体基板という)31の各チップ部となる領域に、半製品状態のイメージセンサ、すなわち画素アレイ(以下、画素領域という)23と制御回路24を形成する。すなわち、半導体基板(例えばシリコン基板)31の各チップ部となる領域に、各画素の光電変換部となるフォトダイオード(PD)を形成し、その半導体ウェル領域32に各画素トランジスタのソース/ドレイン領域33を形成する。半導体ウェル領域32は、第1導電型、例えばp型の不純物を導入して形成し、ソース/ドレイン領域33は、第2導電型、例えばn型の不純物を導入して形成する。フォトダイオード(PD)及び各画素トランジスタのソース/ドレイン領域33は、基板表面からのイオン注入で形成する。 In the first embodiment, first, as shown in FIG. 4, a semi-finished image sensor, that is, a pixel array (hereinafter referred to as a pixel array) is provided in a region to be a chip portion of a first semiconductor wafer (hereinafter referred to as a semiconductor substrate) 31. Hereinafter, the control circuit 24 is formed with the 23 (referred to as a pixel region). That is, a photodiode (PD) to be a photoelectric conversion part of each pixel is formed in a region to be a chip portion 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 32. Form 33. The semiconductor well region 32 is formed by introducing a first conductive type, for example, p-type impurity, and the source / drain region 33 is formed by introducing a second conductive type, for example, n-type impurity. The photodiode (PD) and the source / drain region 33 of each pixel transistor are formed by ion implantation from the substrate surface.

フォトダイオード(PD)は、n型半導体領域34と基板表面側のp型半導体領域35を有して形成される。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36を形成し、ゲート電極36と対のソース/ドレイン領域33により画素トランジスタTr1、Tr2を形成する。図4では、複数の画素トランジスタを、2つの画素トランジスタTr1、Tr2で代表して示す。フォトダイオード(PD)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。各単位画素30が素子分離領域38で分離される。素子分離領域38は、半導体基板31を酸化処理してシリコン酸化膜を形成するいわゆるLOCOSや、半導体基板31内に溝を開口し、その溝にシリコン酸化膜を埋めるSTI(Shallow Trench Isolation)や、ノードとなる拡散層とは異なる導電型の不純物拡散層で形成される。 The photodiode (PD) is formed to have an n-type semiconductor region 34 and a p-type semiconductor region 35 on the surface side of the substrate. A gate electrode 36 is formed on the surface of the substrate constituting the pixel via a gate insulating film, and pixel transistors Tr1 and Tr2 are formed by a source / drain region 33 paired with the gate electrode 36. In FIG. 4, a plurality of pixel transistors are represented by two pixel transistors Tr1 and Tr2. The pixel transistor Tr1 adjacent to the photodiode (PD) corresponds to a transfer transistor, and its source / drain region corresponds to a floating diffusion (FD). Each unit pixel 30 is separated by the element separation region 38. The element separation region 38 includes so-called LOCOS, which forms a silicon oxide film by oxidizing the semiconductor substrate 31, STI (Shallow Trench Isolation), which opens a groove in the semiconductor substrate 31 and fills the groove with the silicon oxide film. It is formed of a conductive type impurity diffusion layer different from the diffusion layer that serves as a node.

一方、制御回路24側では、半導体基板31に制御回路を構成するMOSトランジスタを形成する。図3では、MOSトランジスタTr3、Tr4で代表して、制御回路23を構成するMOSトランジスタを示す。各MOSトランジスタTr3、Tr4は、n型のソース/ドレイン領域33と、ゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極36とのより形成される。 On the other hand, on the control circuit 24 side, a MOS transistor constituting the control circuit is formed on the semiconductor substrate 31. FIG. 3 shows MOS transistors constituting the control circuit 23, represented by MOS transistors Tr3 and Tr4. Each MOS transistor Tr3 and Tr4 is formed by an n-type source / drain region 33 and a gate electrode 36 formed via a gate insulating film.

次いで、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44を形成する。高さの異なる接続導体44の形成に際しては、トランジスタ上面を含む全面に第1絶縁薄膜43a、例えばシリコン酸化膜と、ゲート電極36やソース/ドレイン領域33に接続するコンタクト開口(後に接続導体44で埋める)をするためのエッチングにおけるエッチングストッパとなる第2絶縁薄膜43b、例えばシリコン窒化膜を積層する。この第2絶縁薄膜43b上に1層目の層間絶縁膜39を形成する。そして、1層目の層間絶縁膜39に深さの異なる接続孔をエッチングストッパとなる第2絶縁薄膜43bまで選択的に形成する。次いで、各接続孔に連続するように、各部で同じ膜厚の第1絶縁薄膜43a及び第2絶縁薄膜43bを選択エッチングして接続孔を形成する。そして、各接続孔に接続導体44を埋め込む。前記のコンタクト開口におけるエッチングストッパが不要な場合には、第2絶縁薄膜43bを形成しないことも可能である。 Next, a first layer of the interlayer insulating film 39 is formed on the surface of the semiconductor substrate 31, and then a connection hole is formed in the interlayer insulating film 39 to form a connecting conductor 44 to be connected to a required transistor. When forming the connecting conductors 44 having different heights, the first insulating thin film 43a, for example, a silicon oxide film, and the contact opening (later, the connecting conductor 44) connected to the gate electrode 36 and the source / drain region 33 are formed on the entire surface including the upper surface of the transistor. A second insulating thin film 43b, for example, a silicon nitride film, which serves as an etching stopper in etching for filling), is laminated. The first interlayer insulating film 39 is formed on the second insulating thin film 43b. Then, connection holes having different depths are selectively formed in the interlayer insulating film 39 of the first layer up to the second insulating thin film 43b which serves as an etching stopper. Next, the first insulating thin film 43a and the second insulating thin film 43b having the same film thickness are selectively etched in each portion so as to be continuous with each connection hole to form the connection hole. Then, the connection conductor 44 is embedded in each connection hole. When the etching stopper at the contact opening is not required, it is possible not to form the second insulating thin film 43b.

次いで、各接続導体44に接続するように、層間絶縁膜39を介して複数層、本例では3層のメタル配線40を形成して多層配線層41を形成する。メタル配線40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41上に銅配線40のキャップ膜、いわゆる保護膜42を形成する。これまでの工程で、半製品状態の画素領域23及び制御回路24を有する第1の半導体基板31を形成する。 Next, a plurality of layers, in this example, three layers of metal wiring 40 are formed via the interlayer insulating film 39 so as to be connected to each connecting conductor 44, to form a multilayer wiring layer 41. The metal wiring 40 is formed of copper (Cu) wiring. Normally, each copper wiring is covered with a barrier metal film that prevents Cu diffusion. Therefore, a cap film for copper wiring 40, a so-called protective film 42, is formed on the multilayer wiring layer 41. In the steps so far, the first semiconductor substrate 31 having the pixel region 23 and the control circuit 24 in the semi-finished state is formed.

一方、図5に示すように、第2の半導体基板(半導体ウェハ)45の各チップ部となる領域に、半製品状態の信号処理するための信号処理回路を含むロジック回路25を形成する。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46に、素子分離領域50で分離されるようにロジック回路を構成する複数のMOSトランジスタを形成する。ここでは、複数のMOSトランジスタを、MOSトランジスタTr6,Tr7、Tr8で代表する。各MOSトランジスタTr6、Tr7 、Tr8は、それぞれ1対のn型のソース/ドレイン領域47と、ゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極48を有して形成される。ロジック回路25では、CMOSトランジスタで構成することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 5, a logic circuit 25 including a signal processing circuit for processing a signal in a semi-finished product state is formed in each chip portion of the second semiconductor substrate (semiconductor wafer) 45. That is, a plurality of MOS transistors constituting a logic circuit are formed in the p-type semiconductor well region 46 on the surface side of the semiconductor substrate (for example, a silicon substrate) 45 so as to be separated by the element separation region 50. Here, a plurality of MOS transistors are represented by MOS transistors Tr6, Tr7, and Tr8. Each MOS transistor Tr6, Tr7, and Tr8 is formed to have a pair of n-type source / drain regions 47 and a gate electrode 48 formed via a gate insulating film. The logic circuit 25 can be composed of CMOS transistors.

次いで、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。高さの異なる接続導体54の形成に際しては、前述と同様に、トランジスタ上面を含む全面に第1絶縁薄膜膜43a、例えばシリコン酸化膜と、エッチングストッパとなる第2絶縁薄膜膜43b、例えばシリコン窒化膜を積層する。この第2絶縁薄膜43b上に1層目の層間絶縁膜49を形成する。そして、1層目の層間絶縁膜39に深さの異なる接続孔をエッチングストッパとなる第2絶縁薄膜43bまで選択的に形成する。次いで、各接続孔に連続するように、各部で同じ膜厚の第1絶縁薄膜43a及び第2絶縁薄膜43bを選択エッチングして接続孔を形成する。そして、各接続孔に接続導体44を埋め込む。
一方、各チップ部となる領域の所要の位置において、第1層の層間絶縁膜49の表面から半導体基板45内の所望の深さ位置にわたって接続孔を形成し、この接続孔内に取り出し電極用の接続導体51を埋め込む。この接続導体51としては、例えば銅(Cu)、タングステン(W)、ポリシリコンなどで形成することができる。接続導体51を埋め込む前に、接続孔の内壁面に接続導体51と半導体基板45とを絶縁するための絶縁膜52を形成して置く。
Next, a first layer of the interlayer insulating film 49 is formed on the surface of the semiconductor substrate 45, and then a connection hole is formed in the interlayer insulating film 49 to form a connecting conductor 54 to be connected to a required transistor. When forming the connecting conductors 54 having different heights, the first insulating thin film film 43a, for example, a silicon oxide film, and the second insulating thin film film 43b, which serves as an etching stopper, for example, silicon nitride, are formed on the entire surface including the upper surface of the transistor, as described above. Laminate the membrane. The first interlayer insulating film 49 is formed on the second insulating thin film 43b. Then, connection holes having different depths are selectively formed in the interlayer insulating film 39 of the first layer up to the second insulating thin film 43b which serves as an etching stopper. Next, the first insulating thin film 43a and the second insulating thin film 43b having the same film thickness are selectively etched in each portion so as to be continuous with each connection hole to form the connection hole. Then, the connection conductor 44 is embedded in each connection hole.
On the other hand, at a required position in the region to be each chip portion, a connection hole is formed from the surface of the interlayer insulating film 49 of the first layer to a desired depth position in the semiconductor substrate 45, and a connection hole is formed in the connection hole for a take-out electrode. The connecting conductor 51 of is embedded. The connecting conductor 51 can be formed of, for example, copper (Cu), tungsten (W), polysilicon, or the like. Before embedding the connecting conductor 51, an insulating film 52 for insulating the connecting conductor 51 and the semiconductor substrate 45 is formed and placed on the inner wall surface of the connecting hole.

次いで、各接続導体54及び電極取り出し用の接続導体51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3層のメタル配線53を形成して多層配線層55を形成する。メタル配線53は、銅(Cu)配線で形成する。上述と同様に、多層配線層49上に銅配線53のキャップ膜、いわゆる保護膜56を形成する。これまでの工程で、半製品状態のロジック回路25を有する第2の半導体基板45を形成する。 Next, a plurality of layers, in this example, a three-layer metal wiring 53 are formed via the interlayer insulating film 49 so as to be connected to each connection conductor 54 and the connection conductor 51 for taking out the electrodes to form the multilayer wiring layer 55. .. The metal wiring 53 is formed of copper (Cu) wiring. Similar to the above, the cap film of the copper wiring 53, the so-called protective film 56, is formed on the multilayer wiring layer 49. In the steps so far, the second semiconductor substrate 45 having the logic circuit 25 in the semi-finished state is formed.

次に、図6に示すように、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及び55が向き合うように、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。プラズマ接合の場合は、図7に示すように、第1の半導体ウェハ31と第2の半導体ウェハ45の接合面に、それぞれプラズマTEOS膜、プラズマSiN膜、SiON膜(ブロック膜)、あるいはSiC膜などの膜57を形成する。この膜57が形成された接合面をプラズマ処理して重ね合わせ、その後アニール処理して両者を接合する。貼り合わせ処理は、配線などに影響を与えない400℃以下の低温プロセスで行うことが好ましい。接着剤接合の場合は、図8に示すように、第1及び第2の半導体ウェハ31及び45の接合面の一方に接着剤層58を形成し、この接着剤層58を介して重ね合わせて両者を接合する。本例では、プラズマ接合で貼り合わせる。 Next, as shown in FIG. 6, the first semiconductor substrate 31 and the second semiconductor substrate 45 are bonded to each other so that the multilayer wiring layers 41 and 55 face each other. The bonding includes, for example, plasma bonding and bonding with an adhesive. In the case of plasma bonding, as shown in FIG. 7, a plasma TEOS film, a plasma SiN film, a SiON film (block film), or a SiC film are formed on the bonding surfaces of the first semiconductor wafer 31 and the second semiconductor wafer 45, respectively. And the like to form a film 57. The bonding surfaces on which the film 57 is formed are plasma-treated and superposed, and then annealed to bond the two. The bonding process is preferably performed by a low temperature process of 400 ° C. or lower, which does not affect wiring or the like. In the case of adhesive bonding, as shown in FIG. 8, an adhesive layer 58 is formed on one of the bonding surfaces of the first and second semiconductor wafers 31 and 45, and the adhesive layer 58 is laminated via the adhesive layer 58. Join the two. In this example, they are bonded by plasma bonding.

次に、図9に示すように、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を薄膜化する。この薄膜化は、フォトダイオード(PD)が臨むように行われる。薄膜化したのち、フォトダイオード(PD)の裏面に暗電流抑制のためのp型半導体層を形成する。半導体基板31の厚さは例えば600μm程度あるが、例えば1μm~10μm、好ましくは1μm~5μm程度となるように、薄膜化する。従来、このような薄膜化は、別途用意した支持基板を貼り合わせて行われていた。しかし、本実施の形態では、ロジック回路25が形成された第2の半導体基板45を支持基板に兼用して第1の半導体基板31の薄膜化が行われる。薄膜化の後、基板裏面上に例えばシリコン酸化膜などによる層間絶縁膜59を形成する。この第1の半導体基板31の裏面31bが裏面照射型の固体撮像装置として構成されたときの、光入射面となる。 Next, as shown in FIG. 9, the first semiconductor substrate 31 is thinned by grinding and polishing from the back surface 31b side of the first semiconductor substrate 31. This thin film is performed so that the photodiode (PD) faces. After thinning the film, a p-type semiconductor layer for suppressing dark current is formed on the back surface of the photodiode (PD). The thickness of the semiconductor substrate 31 is, for example, about 600 μm, but the thickness is thinned to, for example, about 1 μm to 10 μm, preferably about 1 μm to 5 μm. Conventionally, such thinning has been performed by laminating a separately prepared support substrate. However, in the present embodiment, the second semiconductor substrate 45 on which the logic circuit 25 is formed is also used as the support substrate, and the thinning of the first semiconductor substrate 31 is performed. After thinning, an interlayer insulating film 59 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the back surface of the substrate. The back surface 31b of the first semiconductor substrate 31 is a light incident surface when configured as a back-illuminated solid-state image sensor.

次に、図10に示すように、薄膜化した第1の半導体基板31に対し、各チップ部となる領域の所要の位置に、裏面31b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の最上層の配線53に達する貫通接続孔61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61に近接して裏面31b側から第1の半導体基板31側の1層目の配線40に達する接続孔62を形成する。貫通接続孔61や接続孔62のコンタクト径は1~5μmのサイズで形成できる。貫通接続孔61及び接続孔62は、第1の半導体基板31を薄膜化した後に形成するので、アスペクト比が小さくなり、微細孔として形成することができる。貫通接続孔61や接続孔62コンタクト深さは、例えば5μm~15μm程度の深さとすることができる。次いで、貫通接続孔61及び接続孔62の内壁面に、半導体基板31と電気的に絶縁するための絶縁膜63を形成する。 Next, as shown in FIG. 10, with respect to the thinned first semiconductor substrate 31, the second semiconductor substrate 31 is passed through the first semiconductor substrate 31 from the back surface 31b side at a required position in the region to be each chip portion. A through connection hole 61 that reaches the wiring 53 on the uppermost layer of the semiconductor substrate 45 of the above is formed. At the same time, a connection hole 62 is formed in the first semiconductor substrate 31 in the vicinity of the through connection hole 61 to reach the wiring 40 of the first layer from the back surface 31b side to the first semiconductor substrate 31 side. The contact diameter of the through connection hole 61 and the connection hole 62 can be formed in a size of 1 to 5 μm. Since the through connection hole 61 and the connection hole 62 are formed after the first semiconductor substrate 31 is thinned, the aspect ratio is reduced and the connection hole 62 can be formed as fine holes. The contact depth of the through connection hole 61 and the connection hole 62 can be, for example, about 5 μm to 15 μm. Next, an insulating film 63 for electrically insulating from the semiconductor substrate 31 is formed on the inner wall surface of the through connection hole 61 and the connection hole 62.

この時点では未だ画素アレイの製造プロセスとしてオンチップカラーフィルタ、オンチップマイクロレンズの加工工程を経ておらず、未完成である。それと共に、接続孔61、62は、従来のウェハプロセスの延長で加工、形成することが可能である。一方、ロジク回路においても、回路技術として最適な最上層の配線53までの工程であって未完成である。このことは製造コストの抑制を可能にする。 At this point, the process of manufacturing the pixel array has not yet undergone the on-chip color filter and on-chip microlens processing processes, and is incomplete. At the same time, the connection holes 61 and 62 can be machined and formed as an extension of the conventional wafer process. On the other hand, even in the logic circuit, the process up to the wiring 53 of the uppermost layer, which is optimal as a circuit technique, is not completed. This makes it possible to reduce manufacturing costs.

次に、図11に示すように、貫通接続孔61及び接続孔62内に貫通接続導体64及び接続導体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。その後、第1の半導体基板31の裏面全面に絶縁保護膜66を形成する。絶縁保護膜66としては、例えばSiCN膜、プラズマ・シリコン窒化膜、SiC膜などを用いることができる。 Next, as shown in FIG. 11, the through connection conductor 64 and the connection conductor 65 are embedded in the through connection hole 61 and the connection hole 62. As the through-connecting conductor 64 and the connecting conductor 65, for example, a metal such as copper (Cu) or tungsten (W) can be used. After that, the insulating protective film 66 is formed on the entire back surface of the first semiconductor substrate 31. As the insulating protective film 66, for example, a SiCN film, a plasma / silicon nitride film, a SiC film, or the like can be used.

次に、図12に示すように、遮光すべき領域上に遮光膜67を形成する。図では模式的に制御回路24上に形成しているが、その他画素トランジスタ上にも形成する。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。この遮光膜67を接地電位とされた半導体ウェル領域32に電気的に接続させ、遮光膜67が電気的にフローティング状態になるのを避けることができる。また、半導体ウェル領域32に電気的に接続された遮光膜67に接地電位を与えることにより、半導体ウェル領域32が電気的にフローティング状態になるのを避けることができる。この遮光膜67を被覆するように、全面にパシベーション膜68を形成する。パシベーション膜68としては、例えばプラズマ・シリコン窒化膜、CVD-SiV膜などを用いる。次いで、パシベーション膜68及び絶縁保護膜66の貫通接続導体64及び接続導体65に対応する部分に接続孔69を形成した後、バリアメタル膜71を介してアルミニウム膜による接続用配線72を形成する。バリアメタル膜71は、例えばTi(下)/TiN(上)の積層膜で形成される。接続用配線72は、接続孔71を通じて貫通接続導体64と接続導体65に接続される。この接続用配線72は、画素領域23及び制御回路24と、ロジック回路25との接続に用いられると共に、上面からの取り出し電極、いわゆる電極パッドの役割を担う。以後、接続用配線72を電極パッドという。 Next, as shown in FIG. 12, a light-shielding film 67 is formed on the region to be light-shielded. In the figure, it is schematically formed on the control circuit 24, but it is also formed on other pixel transistors. As the light-shielding film 67, a metal film such as tungsten can be used. The light-shielding film 67 can be electrically connected to the semiconductor well region 32 having a ground potential, and the light-shielding film 67 can be prevented from being electrically in a floating state. Further, by applying a ground potential to the light-shielding film 67 electrically connected to the semiconductor well region 32, it is possible to prevent the semiconductor well region 32 from being electrically in a floating state. A passivation film 68 is formed on the entire surface so as to cover the light-shielding film 67. As the passivation film 68, for example, a plasma / silicon nitride film, a CVD-SiV film, or the like is used. Next, a connection hole 69 is formed in a portion of the passivation film 68 and the insulation protection film 66 corresponding to the through connection conductor 64 and the connection conductor 65, and then the connection wiring 72 made of an aluminum film is formed via the barrier metal film 71. The barrier metal film 71 is formed of, for example, a Ti (bottom) / TiN (top) laminated film. The connection wiring 72 is connected to the through connection conductor 64 and the connection conductor 65 through the connection hole 71. The connection wiring 72 is used for connecting the pixel region 23 and the control circuit 24 to the logic circuit 25, and also serves as a take-out electrode from the upper surface, a so-called electrode pad. Hereinafter, the connection wiring 72 is referred to as an electrode pad.

従って、第1の半導体基板31に形成された画素領域23及び制御回路24からなるイメージセンサと、第2の半導体基板45に形成されたロジック回路25とは、接続導体65、電極パッド72、貫通接続導体64を通じて電気的に接続される。その後、平坦化膜73を形成する。 Therefore, the image sensor composed of the pixel region 23 and the control circuit 24 formed on the first semiconductor substrate 31 and the logic circuit 25 formed on the second semiconductor substrate 45 are formed by the connection conductor 65, the electrode pad 72, and the penetration. It is electrically connected through the connecting conductor 64. After that, the flattening film 73 is formed.

次に、図13に示すように、平坦化膜73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。各オンチップカラーフィルタ74及びオンチップマイクロレンズ75は、画素アレイの各単位画素に対応して形成される。なお、図12では、本実施の形態の理解を容易にするために、オンチップカラーフィルタ74及びオンチップマイクロレンズ75を除く基板断面構造を拡大して示している。このため、単位画素のピッチ寸法に対してオンチップカラーフィルタ74及びオンチップマイクロレンズ75のピッチ寸法を縮小して表示している。 Next, as shown in FIG. 13, for example, red (R), green (G), and blue (B) on-chip color filters 74 are formed on the flattening film 73 corresponding to each pixel, and the on-chip color filters 74 are formed on the on-chip color filters 74. The on-chip microlens 75 is formed. Each on-chip color filter 74 and on-chip microlens 75 are formed corresponding to each unit pixel of the pixel array. Note that FIG. 12 shows an enlarged substrate cross-sectional structure excluding the on-chip color filter 74 and the on-chip microlens 75 in order to facilitate understanding of the present embodiment. Therefore, the pitch dimensions of the on-chip color filter 74 and the on-chip microlens 75 are reduced and displayed with respect to the pitch dimension of the unit pixel.

次いで、図13では図示していないが、レンズ材料膜75a及び平坦化膜73を選択的にエッチング除去して、電極パッド72を露出させる。一方、第2の半導体基板45側では、表面を研削、研磨して取り出し電極となる接続導体51の面を露出させる。第2の半導体基板45の接続導体51が露出面にパシベーション膜76を形成した後、接続導体51に対応する開口77を形成し、開口77を通じて接続導体51に電気的に接続した球状をなす電極バンプ78を形成する(図3参照)。第1の半導体基板31においては、画素領域23、制御回路24が完成品状態となる。第2の半導体基板45においては、ロジック回路25が完成品状態になる。 Next, although not shown in FIG. 13, the lens material film 75a and the flattening film 73 are selectively removed by etching to expose the electrode pad 72. On the other hand, on the second semiconductor substrate 45 side, the surface is ground and polished to expose the surface of the connecting conductor 51 which is the take-out electrode. After the connecting conductor 51 of the second semiconductor substrate 45 forms the passivation film 76 on the exposed surface, an opening 77 corresponding to the connecting conductor 51 is formed, and a spherical electrode electrically connected to the connecting conductor 51 through the opening 77. The bump 78 is formed (see FIG. 3). In the first semiconductor substrate 31, the pixel region 23 and the control circuit 24 are in a finished product state. In the second semiconductor substrate 45, the logic circuit 25 is in a finished product state.

次いで、各チップに分割して、図3に示す目的の裏面照射型の固体撮像装置79を得る。 Next, each chip is divided into a back-illuminated solid-state image sensor 79 as shown in FIG.

第1実施の形態の固体撮像装置79では、電極パッド72を用いるときは、電極パッド72に対してワイヤボンディングにて外部配線と接続することができ、電極バンプ78を用いるときは、フェースダウンボンディングにて外部配線と接続することができる。ユーザの希望により、電極パッド72、電極バンプ78を選択することができる。 In the solid-state image sensor 79 of the first embodiment, when the electrode pad 72 is used, it can be connected to the external wiring by wire bonding to the electrode pad 72, and when the electrode bump 78 is used, face-down bonding can be performed. Can be connected to external wiring at. The electrode pad 72 and the electrode bump 78 can be selected according to the user's wishes.

第1実施の形態において、半導体ウェハでの固体撮像装置に対する検査は、電極パッド72を用いて行われる。また、検査は、ウェハ状態での検査と、チップに切断して最終モジュール状態での検査の2回である。 In the first embodiment, the inspection of the solid-state image sensor on the semiconductor wafer is performed by using the electrode pad 72. In addition, there are two inspections, one in the wafer state and the other in the final module state after cutting into chips.

第1実施の形態に係る固体撮像装置79及びその製造方法によれば、第1の半導体基板31からのチップ部に画素領域23及び制御回路24を形成し、第2の半導体基板45からのチップ部に信号処理するロジック回路25を形成している。このように画素アレイの機能とロジック機能を異なるチップ部に形成した構成であるので、画素アレイ、ロジック回路のそれぞれに最適なプロセス形成技術を用いることができる。従って、画素アレイ、ロジック回路それぞれの性能を十分に発揮させることができ、高性能の固体撮像装置を提供することができる。 According to the solid-state image sensor 79 and the manufacturing method thereof according to the first embodiment, the pixel region 23 and the control circuit 24 are formed in the chip portion from the first semiconductor substrate 31, and the chip from the second semiconductor substrate 45 is formed. A logic circuit 25 for signal processing is formed in the unit. Since the pixel array function and the logic function are formed on different chip portions in this way, the optimum process forming technique can be used for each of the pixel array and the logic circuit. Therefore, the performance of each of the pixel array and the logic circuit can be fully exhibited, and a high-performance solid-state image pickup device can be provided.

図2Cの構成を採用すれば、半導体チップ部22側には光を受ける画素領域23を形成するだけで良く、その制御回路24及びロジック回路25は分離して半導体チップ部26に形成することができる。これによって、それぞれの機能チップに最適なプロセス技術を独立して選択できると共に、製品モジュールの面積も削減することができる。 If the configuration of FIG. 2C is adopted, it is only necessary to form the pixel region 23 that receives light on the semiconductor chip portion 22, and the control circuit 24 and the logic circuit 25 can be separated and formed on the semiconductor chip portion 26. can. As a result, the optimum process technology for each functional chip can be independently selected, and the area of the product module can be reduced.

従来のウェハプロセス技術で画素アレイとロジック回路との混載を可能にするので、製造も容易である。 Since the conventional wafer process technology enables mixed mounting of a pixel array and a logic circuit, it is easy to manufacture.

画素領域23及び制御回路24を有する第1の半導体基板31と、ロジック回路25を有する第2の半導体基板45を共に半製品状態で貼り合わせ、第1の半導体基板31を薄膜化している。つまり、第2の半導体基板45を、第1の半導体基板31の薄膜化の際の支持基板として用いている。これによって、部材の節約、製造工程の節減を図ることができる。さらに、薄膜化に貫通接続孔の形成を行うので、孔のアスペクト比が小さくなり、高精度の接続孔の形成が可能になる。また、貫通接続導体61、接続導体62は、低アスプクト比の貫通接続孔及び接続孔に埋め込むので、被覆性の良いタングステン(W)などの金属材料は勿論のこと、被覆性の悪い例えば銅(Cu)などの金属材料を用いることができる。つまり、接続導体材料の制約を受けることがない。これにより、画素領域及び制御回路と、ロジック回路の電気的接続を高精度で行うことができる。従って、量産性を図り、製造コストを抑え、且つ高性能の固体撮像装置を製造することができる。 The first semiconductor substrate 31 having the pixel region 23 and the control circuit 24 and the second semiconductor substrate 45 having the logic circuit 25 are both bonded together in a semi-finished state, and the first semiconductor substrate 31 is thinned. That is, the second semiconductor substrate 45 is used as a support substrate for thinning the first semiconductor substrate 31. As a result, it is possible to save parts and reduce the manufacturing process. Further, since the through connection hole is formed to reduce the thickness, the aspect ratio of the hole is reduced and the connection hole can be formed with high accuracy. Further, since the through connection conductor 61 and the connection conductor 62 are embedded in the through connection hole and the connection hole having a low impact ratio, not only a metal material such as tungsten (W) having a good covering property but also copper (for example, copper) having a poor covering property is used. A metal material such as Cu) can be used. That is, it is not restricted by the connecting conductor material. As a result, the pixel area and the control circuit can be electrically connected to the logic circuit with high accuracy. Therefore, it is possible to achieve mass productivity, reduce the manufacturing cost, and manufacture a high-performance solid-state image sensor.

<3.第2実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図14に、本発明の第2実施の形態に係る半導体装置、すなわちMOS固体撮像装置の第2実施の形態を示す。第2実施の形態に係る固体撮像装置81は、第1実施の形態における第2の半導体基板45側の接続導体51、絶縁膜52及び電極バンプ78を省略し、第1の半導体基板31側の電極パッド72のみを形成して構成される。第2の半導体基板45の裏面にはパシベーション膜76が形成される。その他の構成は第1実施の形態で説明したと同様であるので、図3と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。また、固体撮像装置81の製造は、接続導体51を形成するための接続孔、接続導体51、絶縁膜52及び電極バンプ78を形成しない工程を除き、図4~図13で示す第1実施の形態の製造方法を適用できる。
<3. Second Embodiment>
[Configuration example of solid-state image sensor]
FIG. 14 shows a second embodiment of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, that is, a MOS solid-state image sensor. In the solid-state image sensor 81 according to the second embodiment, the connection conductor 51, the insulating film 52, and the electrode bump 78 on the second semiconductor substrate 45 side in the first embodiment are omitted, and the solid-state image sensor 81 on the first semiconductor substrate 31 side is omitted. It is configured by forming only the electrode pad 72. A passivation film 76 is formed on the back surface of the second semiconductor substrate 45. Since other configurations are the same as those described in the first embodiment, the parts corresponding to those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals and duplicate description will be omitted. Further, the solid-state image sensor 81 is manufactured in the first embodiment shown in FIGS. 4 to 13 except for the steps of not forming the connection hole for forming the connection conductor 51, the connection conductor 51, the insulating film 52, and the electrode bump 78. The manufacturing method of the form can be applied.

第2実施の形態に係る固体撮像装置81によれば、電極バンプ78を除き、第1実施の形態と同様に構成されるので、第1実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。第2実施の形態では、予めロジックの回路側に接続孔、絶縁膜62及び接続導体61を形成しない事によって、コストを下げることが期待できる。 According to the solid-state image pickup device 81 according to the second embodiment, the solid-state image pickup device 81 is configured in the same manner as in the first embodiment except for the electrode bump 78, and therefore has the same effect as described in the first embodiment. In the second embodiment, it can be expected that the cost can be reduced by not forming the connection hole, the insulating film 62, and the connection conductor 61 on the circuit side of the logic in advance.

<4.第3実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図15に、本発明の第3実施の形態に係る半導体装置、すなわち、MOS固体撮像装置の第3実施の形態を示す。第3実施の形態に係る固体撮像装置83は、第1の半導体基板31に形成する1つの貫通接続導体84によって、第1の半導体基板31側の画素領域23及び制御回路24と、第2の半導体基板45側のロジック回路25とを電気的に接続して構成される。
<4. Third Embodiment>
[Configuration example of solid-state image sensor]
FIG. 15 shows a third embodiment of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, that is, the MOS solid-state image sensor. The solid-state image sensor 83 according to the third embodiment has a pixel region 23 and a control circuit 24 on the first semiconductor substrate 31 side and a second through connection conductor 84 formed on the first semiconductor substrate 31. It is configured by electrically connecting to the logic circuit 25 on the semiconductor substrate 45 side.

即ち、第1の半導体基板の裏面31b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の最上層の配線53に達し、且つ一部第1の半導体基板31の最上層の配線40に達する貫通接続孔85を形成する。貫通接続孔85の内壁面に絶縁膜63を形成した後、貫通接続孔85内に、画素領域23及び制御回路24側の配線40と、ロジック回路25側の配線53を接続する貫通絶縁膜族導体84を埋め込む。前述の第1実施の形態では、接続導体65が1層目の配線40が接続端となってこの配線40と接続される。しかし、第2実施の形態では、貫通接続導体84が最上層の配線40と接続されるので、この接続される最上層の配線40が接続端となるように各層の配線40が相互に接続される。 That is, from the back surface 31b side of the first semiconductor substrate, the wiring 53 of the uppermost layer of the second semiconductor substrate 45 is reached through the first semiconductor substrate 31, and partly of the uppermost layer of the first semiconductor substrate 31. A through connection hole 85 that reaches the wiring 40 is formed. After forming the insulating film 63 on the inner wall surface of the through connection hole 85, the through insulating film family connecting the wiring 40 on the pixel region 23 and the control circuit 24 side and the wiring 53 on the logic circuit 25 side in the through connection hole 85. The conductor 84 is embedded. In the first embodiment described above, the connecting conductor 65 is connected to the wiring 40 with the wiring 40 of the first layer serving as a connection end. However, in the second embodiment, since the through connection conductor 84 is connected to the wiring 40 of the uppermost layer, the wiring 40 of each layer is connected to each other so that the wiring 40 of the uppermost layer to be connected becomes the connection end. The wiring.

本実施の形態では、1つの貫通接続導体84で画素領域23及び制御回路24と、ロジック回路25とを接続するので、第1実施の形態で示す最上層の接続配線となる電極パッド72を形成する必要がなく、電極パッド72は省略される。 In the present embodiment, since the pixel region 23, the control circuit 24, and the logic circuit 25 are connected by one through connection conductor 84, the electrode pad 72 which is the uppermost connection wiring shown in the first embodiment is formed. The electrode pad 72 is omitted.

その他の構成は第1実施の形態で説明したと同様であるので、図3と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。また、固体撮像装置83の製造は、接続導体65、電極パッド72の形成工程、レンズ材料膜75a及び平坦化膜73の選択エッチング工程を除き、図4~図13で示す第1実施の形態の製造方法を適用できる。 Since other configurations are the same as those described in the first embodiment, the parts corresponding to those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals and duplicate description will be omitted. Further, the solid-state imaging device 83 is manufactured according to the first embodiment shown in FIGS. 4 to 13 except for the steps of forming the connecting conductor 65, the electrode pad 72, and the selective etching step of the lens material film 75a and the flattening film 73. The manufacturing method can be applied.

第3実施の形態では、固体撮像装置に対する検査は、接続導体51からの電極バンプを用いて行われる。 In the third embodiment, the inspection of the solid-state image sensor is performed using the electrode bumps from the connecting conductor 51.

第3実施の形態に係る固体撮像装置83によれば、1つの貫通接続導体84で画素領域23及び制御回路24と、ロジック回路25との電気的な接続がなされ、且つ電極パッド72が省略されるので、第1実施の形態に比べて構成が簡素化される。また、製造工数も削減される。従って、より製造コストの削減することができる。その他、第1実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。 According to the solid-state imaging device 83 according to the third embodiment, the pixel region 23 and the control circuit 24 are electrically connected to the logic circuit 25 by one through connection conductor 84, and the electrode pad 72 is omitted. Therefore, the configuration is simplified as compared with the first embodiment. In addition, the manufacturing man-hours are reduced. Therefore, the manufacturing cost can be further reduced. Other than that, the same effect as described in the first embodiment is obtained.

<5.第4実施の形態>
[固体撮像装置の構成例とその製造方法例]
図16、図17~図21を用いて、本発明の第4実施の形態に係る半導体装置、すなわちMOS固体撮像装置をその製造方法と共に説明する。
<5. Fourth Embodiment>
[Example of configuration of solid-state image sensor and example of manufacturing method thereof]
A semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention, that is, a MOS solid-state image pickup device, will be described with reference to FIGS. 16 and 17 to 21 together with a manufacturing method thereof.

第4実施の形態においては、先ず、図17に示すように、第1の半導体基板31の各チップ部となる領域に、半製品状態のイメージセンサ、すなわち画素領域23と制御回路24を形成する。この形成工程は、前述の第1実施の形態における図4と同様であるので、図4と対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。但し、本実施の形態では、第1の半導体基板31上に多層配線層41を形成するが、最上層の配線40を形成した時点で終了する。すなわち、最上層の配線40が露出した状態とし、その上には図4で示す保護膜42を形成しない。 In the fourth embodiment, first, as shown in FIG. 17, a semi-finished image sensor, that is, a pixel region 23 and a control circuit 24 are formed in a region to be a chip portion of the first semiconductor substrate 31. .. Since this forming step is the same as that of FIG. 4 in the above-described first embodiment, the same reference numerals are given to the portions corresponding to those in FIG. 4, and duplicate description will be omitted. However, in the present embodiment, the multilayer wiring layer 41 is formed on the first semiconductor substrate 31, but the process ends when the uppermost wiring 40 is formed. That is, the uppermost layer wiring 40 is exposed, and the protective film 42 shown in FIG. 4 is not formed on the exposed wiring 40.

一方、図18に示すように、第2の半導体基板45の各チップ部となる領域に、半製品状態の信号処理するためのロジック回路25を形成する。この形成工程は、前述の第1実施の形態における図5と同様であるので、図5と対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。但し、本実施の形態では、第2の半導体基板45上に多層配線層55を形成するが、最上層の配線53を形成した時点で終了する。すなわち、最上層の配線53が露出した状態とし、その上には図4で示す保護膜56を形成しない。 On the other hand, as shown in FIG. 18, a logic circuit 25 for processing a signal in a semi-finished product state is formed in a region to be a chip portion of the second semiconductor substrate 45. Since this forming step is the same as that of FIG. 5 in the above-described first embodiment, the same reference numerals are given to the portions corresponding to those in FIG. 5, and duplicate description will be omitted. However, in the present embodiment, the multilayer wiring layer 55 is formed on the second semiconductor substrate 45, but the process ends when the uppermost wiring 53 is formed. That is, the wiring 53 on the uppermost layer is exposed, and the protective film 56 shown in FIG. 4 is not formed on the wiring 53.

次に、図19に示すように、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及び55が向き合うように、互いの配線40及び53同士、互いの層間絶縁膜39及び49同士が接合するように貼り合わせる。この貼り合わせ工程では、配線40、53を銅(Cu)配線とし、層間絶縁膜39、49をシリコン酸化膜とする。そして、互いのCu配線40及び53が直接接触するように、両半導体基板31及び45を重ね合わせ、所要の加重をかけながら加熱し、両Cu配線40及び53を直接接合する。同時に層間絶縁膜39及び49同士も接合される。このときの加熱温度はCu配線が損なわれない温度、例えば300℃程度とする。 Next, as shown in FIG. 19, the first semiconductor substrate 31 and the second semiconductor substrate 45 are placed between each other's wirings 40 and 53 so that the multilayer wiring layers 41 and 55 face each other. The insulating films 39 and 49 are bonded together so as to be bonded to each other. In this bonding step, the wirings 40 and 53 are copper (Cu) wirings, and the interlayer insulating films 39 and 49 are silicon oxide films. Then, both semiconductor substrates 31 and 45 are overlapped with each other so that the Cu wirings 40 and 53 are in direct contact with each other, heated while applying a required load, and both the Cu wirings 40 and 53 are directly joined. At the same time, the interlayer insulating films 39 and 49 are also bonded to each other. The heating temperature at this time is a temperature at which the Cu wiring is not damaged, for example, about 300 ° C.

次に、図20に示すように、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を薄膜化する。この薄膜化は、フォトダイオード(PD)が臨むように行われる。薄膜化後、基板裏面上に例えばシリコン酸化膜などによる層間絶縁膜59を形成する。次いで、薄膜化した第1の半導体基板31に対して、各チップ部となる領域の所要の位置に、裏面31b側から1層目の配線40に達する接続孔88を形成し、接続孔88の内壁面に絶縁膜63を形成する。その後、接続孔62、第2の半導体基板45側の最上層の配線53に達する貫通接続孔61を形成する。そして、接続孔62内及び貫通接続孔61内に接続導体65及び貫通接続導体64を埋め込む。その後、第1の半導体基板31の裏面31b側の表面全面に絶縁保護膜66を形成する。この図20の工程は、前述の図9~図11の工程で説明したと同様であり、図9~図11と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。 Next, as shown in FIG. 20, the first semiconductor substrate 31 is thinned by grinding and polishing from the back surface 31b side of the first semiconductor substrate 31. This thin film is performed so that the photodiode (PD) faces. After thinning, an interlayer insulating film 59 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the back surface of the substrate. Next, with respect to the thinned first semiconductor substrate 31, a connection hole 88 reaching the wiring 40 of the first layer from the back surface 31b side is formed at a required position in the region to be each chip portion, and the connection hole 88 is formed. An insulating film 63 is formed on the inner wall surface. After that, the connection hole 62 and the through connection hole 61 reaching the wiring 53 on the uppermost layer on the second semiconductor substrate 45 side are formed. Then, the connection conductor 65 and the through connection conductor 64 are embedded in the connection hole 62 and the through connection hole 61. After that, the insulating protective film 66 is formed on the entire surface surface of the first semiconductor substrate 31 on the back surface 31b side. The process of FIG. 20 is the same as that described in the above-mentioned steps of FIGS. 9 to 11, and the parts corresponding to those of FIGS. 9 to 11 are designated by the same reference numerals and duplicate description is omitted.

次に、図21に示すように、第1の半導体基板31側では、接続導体62及び貫通接続導体61に接続する電極パッド72、遮光膜67を形成し、さらに、平坦化膜73、オンチップカラーフィルタ74及びオンチップマイクロレンズ74を形成する。一方、第2の半導体基板側では、基板裏面を研削、研磨して接続導体51を露出させ、パシベーション膜76を形成した後、接続導体51に電極バンプ78を形成する(図16参照)。図21の工程は、前述の図13の工程で説明したと同様であり、図13と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。 Next, as shown in FIG. 21, on the first semiconductor substrate 31 side, an electrode pad 72 and a light-shielding film 67 connected to the connecting conductor 62 and the through-connecting conductor 61 are formed, and further, a flattening film 73 and an on-chip are formed. The color filter 74 and the on-chip microlens 74 are formed. On the other hand, on the second semiconductor substrate side, the back surface of the substrate is ground and polished to expose the connecting conductor 51, a passivation film 76 is formed, and then an electrode bump 78 is formed on the connecting conductor 51 (see FIG. 16). The process of FIG. 21 is the same as that described in the process of FIG. 13 described above, and the same reference numerals are given to the portions corresponding to those of FIG. 13, and duplicate description is omitted.

次いで、各チップに分割して、図16に示す目的の裏面照射型の固体撮像装置91を得る。なお、本実施の形態では、図2Bの構成としたが、図2Cの構成とすることもできる。 Next, each chip is divided into a back-illuminated solid-state image sensor 91 as shown in FIG. In the present embodiment, the configuration shown in FIG. 2B is used, but the configuration shown in FIG. 2C can also be used.

第4実施の形態に係る固体撮像装置91及びその製造方法によれば、第1及び第2の半導体基板31及び45の貼合わせ工程で、同時に配線40及び53が直接接合され、画素領域23及び制御回路24と、ロジック回路25との電気的な接続が完了する。これにより、更に製造工程数の削減が図られ、製造コストの更なる削減が可能に成る。その他、第1実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。 According to the solid-state image sensor 91 and the manufacturing method thereof according to the fourth embodiment, the wirings 40 and 53 are directly bonded at the same time in the bonding step of the first and second semiconductor substrates 31 and 45, and the pixel region 23 and the pixel region 23 and The electrical connection between the control circuit 24 and the logic circuit 25 is completed. As a result, the number of manufacturing processes can be further reduced, and the manufacturing cost can be further reduced. Other than that, the same effect as described in the first embodiment is obtained.

<6.第5実施の形態>
[半導体装置の構成例とその製造方法例]
図22、図23~図28を用いて、本発明の第5実施の形態に係る半導体装置をその製造方法と共に説明する。本実施の形態の半導体装置は、第1の半導体集積回路と第2の半導体集積回路を混載した半導体装置である。
<6. Fifth Embodiment>
[Semiconductor device configuration example and its manufacturing method example]
A semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 22 and 23 to 28 together with a manufacturing method thereof. The semiconductor device of the present embodiment is a semiconductor device in which a first semiconductor integrated circuit and a second semiconductor integrated circuit are mixedly mounted.

第5実施の形態においては、先ず、図23に示すように、第1の半導体基板(半導体ウェハ)101の各チップ部となる領域に、半製品状態の第1の半導体集積回路、本例ではロジック回路102を形成する。すなわち、半導体基板(例えばシリコン基板)103に形成した半導体ウェル領域104の各チップ部となる領域に、複数のMOSトランジスタTr11、Tr12、Tr13を形成する。各MOSトランジスタTr11~Tr13は、それぞれ1対のソース/ドレイン領域105と、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極106とを有して構成される。各MOSトランジスタTr11~Tr13は、素子分離領域107により分離される。
MOSトランジスタTr11~Tr13は代表として示した。ロジック回路102は、CMOSトランジスタで構成することができる。このため、これら複数のMOSトランジスタとしては、nチャネルMOSトランジスタ、あるいはpチャネルMOSトランジスタとして構成することができる。従って、nチャネルMOSトランジスタを形成するときは、p型半導体ウェル領域にn型ソース/ドレイン領域が形成される。pチャネルMOSトランジスタを形成するときは、n型半導体ウェル領域にp型ソース/ドレイン領域が形成される。
In the fifth embodiment, first, as shown in FIG. 23, a semi-finished first semiconductor integrated circuit, in this example, is provided in a region to be a chip portion of the first semiconductor substrate (semiconductor wafer) 101. The logic circuit 102 is formed. That is, a plurality of MOS transistors Tr11, Tr12, and Tr13 are formed in each chip portion of the semiconductor well region 104 formed on the semiconductor substrate (for example, a silicon substrate) 103. Each of the MOS transistors Tr11 to Tr13 is configured to have a pair of source / drain regions 105 and a gate electrode 106 formed via a gate insulating film. Each MOS transistor Tr11 to Tr13 is separated by the element separation region 107.
The MOS transistors Tr11 to Tr13 are shown as representatives. The logic circuit 102 can be configured with a CMOS transistor. Therefore, the plurality of MOS transistors can be configured as an n-channel MOS transistor or a p-channel MOS transistor. Therefore, when forming an n-channel MOS transistor, an n-type source / drain region is formed in the p-type semiconductor well region. When forming a p-channel MOS transistor, a p-type source / drain region is formed in the n-type semiconductor well region.

なお、第1の半導体集積回路としては、ロジック回路102に代えて、例えば半導体メモリ回路とすることもできる。この場合、後述する第2の半導体集積回路となるロジック回路は半導体メモリ回路の信号処理に供される。 As the first semiconductor integrated circuit, for example, a semiconductor memory circuit may be used instead of the logic circuit 102. In this case, the logic circuit, which is the second semiconductor integrated circuit described later, is used for signal processing of the semiconductor memory circuit.

次いで、導体基板103上に層間絶縁膜108を介して複数層、本例では3層のメタル配線109を積層した多層配線層111を形成する。メタル配線109は、例えば銅(Cu)配線とすることができる。なお、各MOSトランジスタTr11~Tr13は所要の1層目の配線109と続導体112を介して接続する。また、3層の配線109は接続導体を介して相互に接続する。多層配線層113上に銅配線109の拡散を抑制するためのキャップ膜、いわゆる保護膜114を形成する。 Next, a multilayer wiring layer 111 in which a plurality of layers, in this example, three layers of metal wiring 109 are laminated via an interlayer insulating film 108 is formed on the conductor substrate 103. The metal wiring 109 can be, for example, copper (Cu) wiring. The MOS transistors Tr11 to Tr13 are connected to the required first layer wiring 109 via the continuation conductor 112. Further, the three-layer wiring 109 is connected to each other via a connecting conductor. A cap film for suppressing the diffusion of the copper wiring 109, a so-called protective film 114, is formed on the multilayer wiring layer 113.

一方、図24に示すように、第2の半導体基板(半導体ウェハ)116の各チップ部となる領域に、半製品状態の第2の半導体集積回路、本例ではロジック回路117を形成する。すなわち、図20と同様に、半導体基板(例えばシリコン基板)118に形成した半導体ウェル領域119の各チップ部となる領域に、複数のnチャネルMOSトランジスタTr21、Tr22、Tr23を形成する。各MOSトランジスタTr21~Tr23は、それぞれ1対のソース/ドレイン領域121と、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極122とを有して構成される。各MOSトランジスタTr21~Tr23は、素子分離領域123により分離される。
MOSトランジスタTr21~Tr23は代表として示した。ロジック回路117は、CMOSトランジスタで構成することができる。このため、これら複数のMOSトランジスタとしては、nチャネルMOSトランジスタ、あるいはpチャネルMOSトランジスタとして構成することができる。従って、nチャネルMOSトランジスタを形成するときは、p型半導体ウェル領域にn型ソース/ドレイン領域が形成される。pチャネルMOSトランジスタを形成するときは、n型半導体ウェル領域にp型ソース/ドレイン領域が形成される。
On the other hand, as shown in FIG. 24, a semi-finished second semiconductor integrated circuit, in this example, a logic circuit 117 is formed in each chip portion of the second semiconductor substrate (semiconductor wafer) 116. That is, similarly to FIG. 20, a plurality of n-channel MOS transistors Tr21, Tr22, and Tr23 are formed in each chip portion of the semiconductor well region 119 formed on the semiconductor substrate (for example, a silicon substrate) 118. Each of the MOS transistors Tr21 to Tr23 is configured to have a pair of source / drain regions 121 and a gate electrode 122 formed via a gate insulating film. Each MOS transistor Tr21 to Tr23 is separated by the element separation region 123.
The MOS transistors Tr21 to Tr23 are shown as representatives. The logic circuit 117 can be configured with a CMOS transistor. Therefore, the plurality of MOS transistors can be configured as an n-channel MOS transistor or a p-channel MOS transistor. Therefore, when forming an n-channel MOS transistor, an n-type source / drain region is formed in the p-type semiconductor well region. When forming a p-channel MOS transistor, a p-type source / drain region is formed in the n-type semiconductor well region.

次いで、半導体基板118上に層間絶縁膜124を介して複数層、本例では3層のメタル配線125を積層した多層配線層126を形成する。メタル配線125は、例えば銅(Cu)配線とすることができる。なお、各MOSトランジスタTr21~Tr23は所要の1層目の配線125と接続導体112を介して接続する。また、3層の配線125は接続導体を介して相互に接続する。 Next, a multilayer wiring layer 126 in which a plurality of layers, in this example, three layers of metal wiring 125 are laminated via an interlayer insulating film 124 is formed on the semiconductor substrate 118. The metal wiring 125 may be, for example, copper (Cu) wiring. The MOS transistors Tr21 to Tr23 are connected to the required first layer wiring 125 via the connecting conductor 112. Further, the three-layer wiring 125 is connected to each other via a connecting conductor.

また、半導体基板118には、各チップ部となる領域の所要の位置において、第1層の層間絶縁膜124の表面から半導体基板118内の所望の深さ位置にわたって接続孔を形成し、この接続孔内に取り出し電極用の接続導体128を埋め込む。この接続導体128としては、例えば銅(Cu)、タングステン(W)、ポリシリコンなどで形成することができる。接続導体128を埋め込む前に、接続孔の内壁面に接続導体128と半導体基板118とを絶縁するための絶縁膜129を形成して置く。そして、多層配線層126上に銅配線125の拡散を抑制するためのキャップ膜、いわゆる保護膜127を形成する。 Further, in the semiconductor substrate 118, a connection hole is formed from the surface of the interlayer insulating film 124 of the first layer to a desired depth position in the semiconductor substrate 118 at a required position in a region to be a chip portion, and this connection is formed. A connection conductor 128 for a take-out electrode is embedded in the hole. The connecting conductor 128 can be formed of, for example, copper (Cu), tungsten (W), polysilicon, or the like. Before embedding the connecting conductor 128, an insulating film 129 for insulating the connecting conductor 128 and the semiconductor substrate 118 is formed and placed on the inner wall surface of the connecting hole. Then, a cap film for suppressing the diffusion of the copper wiring 125, a so-called protective film 127, is formed on the multilayer wiring layer 126.

次に、図25に示すように、第1の半導体基板101と第2の半導体基板116とを、互いの多層配線層111及び126が向かい合うように、貼り合わせする。貼り合わせは、前述と同様にプラズマ接合、あるいは接着剤接合で貼り合わせることができる。本例では、第1及び第2の半導体基板101及び116の貼合わせ面に、それぞれプラズマTEOS膜、プラズマSiN膜、SiON膜(ブロック膜)、あるいはSiC膜などの膜129を形成し、プラズマ接合で貼り合わせる。 Next, as shown in FIG. 25, the first semiconductor substrate 101 and the second semiconductor substrate 116 are bonded to each other so that the multilayer wiring layers 111 and 126 face each other. The bonding can be performed by plasma bonding or adhesive bonding in the same manner as described above. In this example, a film 129 such as a plasma TEOS film, a plasma SiN film, a SiON film (block film), or a SiC film is formed on the bonded surfaces of the first and second semiconductor substrates 101 and 116, respectively, and plasma-bonded. Paste with.

次に、図26に示すように、一方の第1の半導体基板101を、裏面側から研削、研磨して薄膜化する。半導体基板101の厚さは例えば600μm程度としたとき、膜厚が例えば5~10μm程度となるように、薄膜化する。 Next, as shown in FIG. 26, one of the first semiconductor substrates 101 is ground and polished from the back surface side to form a thin film. When the thickness of the semiconductor substrate 101 is, for example, about 600 μm, the film thickness is reduced to, for example, about 5 to 10 μm.

次に、図27に示すように、薄膜化した第1の半導体基板101に対し、各チップ部となる領域の所要の位置に、裏面101b側から第1の半導体基板101を貫通して第2の半導体基板116の最上層の配線125に達する貫通接続孔131を形成する。同時に、第1の半導体基板101に、この貫通接続孔131に近接して裏面101b側から第1の半導体基板101側の1層目の配線109に達する接続孔132を形成する。貫通接続孔131及び接続孔132は、第1の半導体基板101を薄膜化した後に形成するので、アスペクト比が小さくなり、微細孔として形成することができる。次いで、貫通接続孔131及び接続孔132の内壁面に、半導体基板101と電気的に絶縁するための絶縁膜133を形成する。 Next, as shown in FIG. 27, with respect to the thinned first semiconductor substrate 101, the second semiconductor substrate 101 is passed through the first semiconductor substrate 101 from the back surface 101b side at a required position in a region to be a chip portion. A through connection hole 131 that reaches the wiring 125 on the uppermost layer of the semiconductor substrate 116 is formed. At the same time, a connection hole 132 is formed in the first semiconductor substrate 101 in the vicinity of the through connection hole 131 to reach the wiring 109 of the first layer from the back surface 101b side to the first semiconductor substrate 101 side. Since the through connection hole 131 and the connection hole 132 are formed after the first semiconductor substrate 101 is thinned, the aspect ratio is reduced and the connection holes 132 can be formed as fine holes. Next, an insulating film 133 for electrically insulating from the semiconductor substrate 101 is formed on the inner wall surface of the through connection hole 131 and the connection hole 132.

そして、貫通接続孔131及び接続孔132内に貫通接続導体134及び接続導体135を埋め込む。これら貫通接続導体134及び接続導体135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。 Then, the through connection conductor 134 and the connection conductor 135 are embedded in the through connection hole 131 and the connection hole 132. As the through-connecting conductor 134 and the connecting conductor 135, for example, a metal such as copper (Cu) or tungsten (W) can be used.

次に、図28に示すように、第1の半導体基板101の裏面に、貫通接続導体134及び接続導体135を接続する接続配線136を形成する。接続導体135、貫通接続導体134、接続配線136を通じて、第1の半導体集積回路102と第2の半導体集積回路117が電気的に接続される。接続配線136は、取り出し電極となる電極パッドとなる。接続配線136を除く表面に絶縁膜によるオーバーコート膜139を形成する。このオーバーコート膜139としては、例えばプラズマ・シリコン窒化膜を用いることができる。一方、第2の半導体基板116側では表面を研削、研磨して取り出し電極となる接続導体128の面を露出させる。第2の半導体基板116の接続導体128が露出面にパシベーション膜137を形成した後、接続導体128に接続する球状をなす電極バンプ138を形成する(図22参照)。 Next, as shown in FIG. 28, a connection wiring 136 for connecting the through connection conductor 134 and the connection conductor 135 is formed on the back surface of the first semiconductor substrate 101. The first semiconductor integrated circuit 102 and the second semiconductor integrated circuit 117 are electrically connected through the connecting conductor 135, the through connecting conductor 134, and the connecting wiring 136. The connection wiring 136 is an electrode pad that serves as a take-out electrode. An overcoat film 139 with an insulating film is formed on the surface excluding the connection wiring 136. As the overcoat film 139, for example, a plasma silicon nitride film can be used. On the other hand, on the side of the second semiconductor substrate 116, the surface is ground and polished to expose the surface of the connecting conductor 128 which is the take-out electrode. After the connecting conductor 128 of the second semiconductor substrate 116 forms the passivation film 137 on the exposed surface, a spherical electrode bump 138 connected to the connecting conductor 128 is formed (see FIG. 22).

次いで、各チップに分割して、図22に示す目的の半導体装置140を得る。 Next, each chip is divided into the target semiconductor device 140 shown in FIG. 22.

第5実施の形態に係る半導体装置140及びその製造方法によれば、前述と同様に、異なるチップ部にそれぞれ第1の半導体集積回路、第2の半導体集積回路を最適なプロセス技術で形成することができ、高性能の半導体集積回路を提供することができる。また、半製品状態で第1及び第2の半導体ウェハを貼り合わせ、薄膜化し、また第1及び第2の半導体集積回路の電気接続の後、完成品状態としてチップ化することにより、製造コストの低減を図ることができる。 According to the semiconductor device 140 and the manufacturing method thereof according to the fifth embodiment, the first semiconductor integrated circuit and the second semiconductor integrated circuit are formed on different chip portions by the optimum process technology, respectively, as described above. It is possible to provide a high-performance semiconductor integrated circuit. In addition, the manufacturing cost is reduced by laminating the first and second semiconductor wafers in a semi-finished state, thinning them, and after electrical connection of the first and second semiconductor integrated circuits, making them into chips as a finished product. It can be reduced.

なお、第5実施の形態においても、前述の第4実施の形態と同様に、多層配線層の配線同士を直接接合するように、第1及び第2の半導体基板を貼り合わせることも可能である。この構成とするときは、さらに製造工程数の削減が可能となり、更なる製造コストの削減ができる。 In the fifth embodiment as well, it is also possible to bond the first and second semiconductor substrates so as to directly join the wirings of the multilayer wiring layer to each other, as in the fourth embodiment described above. .. With this configuration, the number of manufacturing processes can be further reduced, and the manufacturing cost can be further reduced.

上述の第1実施の形態~第4実施の形態に係る固体撮像装置において、光入射される上側の半導体ウェル領域32のみの半導体基板の厚さは、下側の半導体ウェル領域46を含む半導体基板の厚さより薄い。上側の上記半導体基板と多層配線層41を含めた第1の半導体基板31の厚さも、下側の上記半導体基板と多層配線層55を含めた第2の半導体基板45の厚さより厚い。
上述の第5実施の形態に係る半導体装置において、上側の半導体基板104の厚さは、下側の半導体基板118の厚さよりも厚い。上側の半導体基板104と多層配線層111を含めた第1の半導体基板101の厚さも、下側の半導体基板118と多層配線層126を含めた第2の半導体基板116の厚さより厚い。
In the solid-state image pickup apparatus according to the first to fourth embodiments described above, the thickness of the semiconductor substrate of only the upper semiconductor well region 32 to which light is incident is the semiconductor substrate including the lower semiconductor well region 46. Thinner than the thickness of. The thickness of the first semiconductor substrate 31 including the upper semiconductor substrate and the multilayer wiring layer 41 is also thicker than the thickness of the second semiconductor substrate 45 including the semiconductor substrate and the multilayer wiring layer 55 on the lower side.
In the semiconductor device according to the fifth embodiment described above, the thickness of the upper semiconductor substrate 104 is thicker than the thickness of the lower semiconductor substrate 118. The thickness of the first semiconductor substrate 101 including the upper semiconductor substrate 104 and the multilayer wiring layer 111 is also thicker than the thickness of the second semiconductor substrate 116 including the lower semiconductor substrate 118 and the multilayer wiring layer 126.

なお、上述の実施の形態に係る固体撮像装置では、信号電荷を電子とし、第1導電型をp型、第2導電型をn型として構成したが、信号電荷を正孔とする固体撮像装置にも適用できる。この場合、各半導体基板、半導体ウェル領域あるいは半導体領域の導電型を逆にし、n型が第1導電型,p型が第2導電型となる。 In the solid-state imaging device according to the above-described embodiment, the signal charge is an electron, the first conductive type is a p-type, and the second conductive type is an n-type. Can also be applied to. In this case, the conductive type of each semiconductor substrate, semiconductor well region or semiconductor region is reversed, and the n-type is the first conductive type and the p-type is the second conductive type.

<7.第6実施の形態>
[電子機器の構成例]
上述の本発明に係る固体撮像装置は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器、などの電子機器に適用することができる。
<7. 6th Embodiment>
[Example of electronic device configuration]
The solid-state imaging device according to the present invention described above can be applied to an electronic device such as a camera system such as a digital camera or a video camera, a mobile phone having an imaging function, or another device having an imaging function. ..

図29に、本発明に係る電子機器の一例としてカメラに適用した第6実施の形態を示す。本実施形態例に係るカメラは、静止画像又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。本実施形態例のカメラ141は、固体撮像装置142と、固体撮像装置142の受光センサ部に入射光を導く光学系143と、シャッタ装置144を有する。さらに、カメラ141は、固体撮像装置142を駆動する駆動回路145と、固体撮像装置142の出力信号を処理する信号処理回路146とを有する。 FIG. 29 shows a sixth embodiment applied to a camera as an example of the electronic device according to the present invention. The camera according to the present embodiment is an example of a video camera capable of shooting a still image or a moving image. The camera 141 of the present embodiment includes a solid-state image pickup device 142, an optical system 143 that guides incident light to a light receiving sensor portion of the solid-state image pickup device 142, and a shutter device 144. Further, the camera 141 has a drive circuit 145 for driving the solid-state image pickup device 142 and a signal processing circuit 146 for processing the output signal of the solid-state image pickup device 142.

固体撮像装置142は、上述した各実施の形態の固体撮像装置のいずれかが適用される。光学系(光学レンズ)143は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置142の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置142内に、一定期間信号電荷が蓄積される。光学系143は、複数の光学レンズから構成された光学レンズ系としてもよい。シャッタ装置144は、固体撮像装置142への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路145は、固体撮像装置142の転送動作及びシャッタ装置144のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路145から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像装置142の信号転送を行う。信号処理回路146は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、或いは、モニタに出力される。 As the solid-state image sensor 142, any of the solid-state image sensors of each of the above-described embodiments is applied. The optical system (optical lens) 143 forms an image of image light (incident light) from the subject on the image pickup surface of the solid-state image pickup device 142. As a result, the signal charge is accumulated in the solid-state image sensor 142 for a certain period of time. The optical system 143 may be an optical lens system composed of a plurality of optical lenses. The shutter device 144 controls the light irradiation period and the light blocking period for the solid-state image pickup device 142. The drive circuit 145 supplies a drive signal that controls the transfer operation of the solid-state image sensor 142 and the shutter operation of the shutter device 144. The signal transfer of the solid-state image sensor 142 is performed by the drive signal (timing signal) supplied from the drive circuit 145. The signal processing circuit 146 performs various signal processing. The video signal that has undergone signal processing is stored in a storage medium such as a memory, or is output to a monitor.

第6実施の形態に係るカメラなどの電子機器によれば、固体撮像装置142において高性能化が図られ、かつ製造コストの低減が図られるので、安価で信頼性の高い電子機器を提供することができる。 According to the electronic device such as the camera according to the sixth embodiment, the solid-state image sensor 142 can be improved in performance and the manufacturing cost can be reduced, so that an inexpensive and highly reliable electronic device can be provided. Can be done.

1・・固体撮像装置、2・・画素、3・・画素アレイ(画素領域)、4・・垂直駆動回路、5・・カラム信号処理回路、6・・水平駆動回路、7・・出力回路、8・・制御回路、9・・垂直信号線、10・・水平信号線、12・・入出力端子、21・・MOS固体撮像装置、22・・第1の半導体チップ部、23・・画素領域、24・・制御回路、25・・ロジック回路、26・・第2の半導体チップ部、31・・第1の半導体ウェハ、PD・・フォトダイオード、39・・層間絶縁膜、40・・配線、41・・多層配線層、45・・第2の半導体ウェハ、49・・層間絶縁膜、53・・配線、49・・多層配線層、61・・貫通接続孔、62・・接続孔、64・・貫通接続導体、65・・接続導体、72・・接続配線(電極パッド)、74・・オンチップカラーフィルタ、75・・オンチップマイクロレンズ、78・・電極バンプ、79,81,83・・裏面照射型の固体撮像装置、140・・半導体装置、141・・カメラ 1 ... Solid-state imaging device, 2 ... Pixels, 3 ... Pixel array (pixel area), 4 ... Vertical drive circuit, 5 ... Column signal processing circuit, 6 ... Horizontal drive circuit, 7 ... Output circuit, 8 ... Control circuit, 9 ... Vertical signal line, 10 ... Horizontal signal line, 12 ... Input / output terminal, 21 ... MOS solid-state imager, 22 ... First semiconductor chip section, 23 ... Pixel area , 24 ... control circuit, 25 ... logic circuit, 26 ... second semiconductor chip section, 31 ... first semiconductor wafer, PD ... photodiode, 39 ... interlayer insulating film, 40 ... wiring, 41 ... Multilayer wiring layer, 45 ... Second semiconductor wafer, 49 ... Interlayer insulation film, 53 ... Wiring, 49 ... Multilayer wiring layer, 61 ... Through connection hole, 62 ... Connection hole, 64 ...・ Through connection conductor, 65 ・ ・ Connection conductor, 72 ・ ・ Connection wiring (electrode pad), 74 ・ ・ On-chip color filter, 75 ・ ・ On-chip microlens, 78 ・ ・ Electrode bump, 79, 81, 83 ・ ・Back-illuminated solid-state imaging device, 140 ... semiconductor device, 141 ... camera

本発明は、半導体装置、及び、電子機器に関する。 The present invention relates to semiconductor devices and electronic devices .

本発明は、上述の点に鑑み、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、半導体装置、及び、電子機器を提供するものである。 In view of the above points, the present invention provides a semiconductor device and an electronic device that fully exhibit their respective performances to improve their performance, and are capable of mass productivity and cost reduction.

本発明の半導体装置は、光電変換部と画素トランジスタとを有する第1の半導体基板と、信号処理を行うロジック回路を有する第2の半導体基板と、第1の半導体基板の光入射面とは反対側に形成された第1の多層配線層と、第1の多層配線層の最上層に形成された第1の配線と、第1の多層配線層の第1の配線よりも下層に形成された第2の配線と、第2の半導体基板の光入射面側に形成された第2の多層配線層と、第2の多層配線層の最上層に形成された第3の配線及び第4の配線と、第2の多層配線層の第3の配線及び第4の配線よりも下層に形成された第5の配線と、第1の半導体基板の光入射面側から、第1の半導体基板と第1の多層配線層とを貫通して形成された第1の接続孔と、第1の接続孔に埋め込まれた第1の接続導体とを備える。第1の半導体基板と第2の半導体基板とは、第1の多層配線層と第2の多層配線層とが向かい合うように積層され、第1の多層配線層の第1の配線と、第2の多層配線層の第3の配線とが直接接合され、第1の接続導体と、第2の多層配線層の第4の配線とが直接接合されている。
また、本発明の電子機器は、上記半導体装置と、半導体装置の光電変換部に入射光を導く光学系と、半導体装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有する。
The semiconductor device of the present invention has a first semiconductor substrate having a photoelectric conversion unit and a pixel transistor, a second semiconductor substrate having a logic circuit for performing signal processing, and the optical incident surface of the first semiconductor substrate. The first multilayer wiring layer formed on the side, the first wiring formed on the uppermost layer of the first multilayer wiring layer, and the first wiring formed on the first multilayer wiring layer are formed below the first wiring. The second wiring, the second multilayer wiring layer formed on the light incident surface side of the second semiconductor substrate, and the third wiring and the fourth wiring formed on the uppermost layer of the second multilayer wiring layer. The third wiring of the second multilayer wiring layer, the fifth wiring formed in the layer below the fourth wiring, and the first semiconductor substrate and the first semiconductor substrate from the light incident surface side of the first semiconductor substrate. It includes a first connection hole formed through the one multilayer wiring layer, and a first connection conductor embedded in the first connection hole. The first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are laminated so that the first multilayer wiring layer and the second multilayer wiring layer face each other, and the first wiring of the first multilayer wiring layer and the second The third wiring of the multilayer wiring layer is directly joined, and the first connecting conductor and the fourth wiring of the second multilayer wiring layer are directly joined.
Further, the electronic device of the present invention includes the semiconductor device, an optical system for guiding incident light to the photoelectric conversion unit of the semiconductor device, and a signal processing circuit for processing the output signal of the semiconductor device.

本発明によれば、各チップ部にそれぞれの性能を十分発揮する画素アレイ及びロジック回路が形成されるので、高性能の半導体装置、すなわち裏面照射型の半導体装置、及び、電子機器を提供することができる。 According to the present invention, since a pixel array and a logic circuit that sufficiently exhibit their respective performances are formed in each chip portion, a high-performance semiconductor device, that is, a back-illuminated semiconductor device and an electronic device are provided. Can be done.

Claims (1)

光電変換部を含む画素アレイと、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、増幅トランジスタのうち少なくとも1つとを有する第1の半導体基板と、
信号処理を行うロジック回路を有する第2の半導体基板と、
前記第1の半導体基板の光入射面とは反対側に形成された第1の多層配線層と、
前記第2の半導体基板の光入射面側に形成された第2の多層配線層と、を有し、
前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板とは、前記第1の多層配線層と前記第2の多層配線層とが向かい合うように積層され、
前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板が積層されたチップの、前記画素アレイを含む画素領域と前記画素領域外の領域とのそれぞれにおいて、前記第1の多層配線層の最も前記第2の半導体基板側の少なくとも1つ以上の配線と、前記第2の多層配線層の最も第1の半導体基板側の少なくとも1つ以上の配線とが直接接合された
固体撮像装置。
A pixel array including a photoelectric conversion unit, and a first semiconductor substrate having at least one of a transfer transistor, a reset transistor, and an amplification transistor.
A second semiconductor substrate having a logic circuit that performs signal processing,
The first multilayer wiring layer formed on the side opposite to the light incident surface of the first semiconductor substrate,
It has a second multilayer wiring layer formed on the light incident surface side of the second semiconductor substrate, and has.
The first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are laminated so that the first multilayer wiring layer and the second multilayer wiring layer face each other.
The first of the first multilayer wiring layers in each of the pixel region including the pixel array and the region outside the pixel region of the chip on which the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are laminated. A solid-state imaging device in which at least one or more wirings on the semiconductor substrate side of 2 and at least one or more wirings on the first semiconductor substrate side of the second multilayer wiring layer are directly bonded.
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