JP5974425B2 - 固体撮像装置及びその製造方法並びに電子機器 - Google Patents
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Description
特許文献3においては、例えば、2軸半導体加速度センサの製造方法であって、半導体基板の裏面と支持基板の主表面との少なくとも一方に凹所を形成した後に、半導体基板の裏面側と支持用基板の主表面側とを貼り合わせる。次に、半導体基板にエッチングを行うことによって該半導体基板の一部よりなる支持部、重り部、ビーム、固定電極を形成する。
半導体基板または支持基板に凹所を形成する工程、半導体基板と支持基板とを貼り合わせる工程、半導体基板にエッチングを行う工程などの比較的簡単な製造工程で高感度の2軸半導体加速度センサを提供することができる。
MEMS素子による2軸半導体加速度センサをウェハ貼り合わせによって形成しているが、固体撮像装置にMEMS素子を同一チップ化した構成ではない。
前記微小電気機械素子が固定されている前記第2部分の一部に、前記デバイス基板から前記支持基板に向かって、前記デバイス基板を貫通する第1開口および当該第1開口に連続し前記絶縁膜に形成された第2開口とを有する開口部が設けられており、
前記微小電気機械素子は、前記開口部に配設された、平行平板型の静電容量素子を構成する固定電極および振動電極とを有し、
前記固定電極の両端が前記デバイス基板と前記支持基板とに固定されており、
前記振動電極の第1端部が前記デバイス基板に固定されており、
前記振動電極の第2端部の前方に位置する前記支持基板側において前記開口部に連通する空隙が形成され、前記振動電極の第2端部は当該固体撮像装置への振動により位置が可変な梁状の構造をしている、
固体撮像装置が提供される。
前記デバイス基板に、画素ごとに区分されたフォトダイオードがマトリクス状に配置された受光面を形成する工程と、
前記デバイス基板上に前記MEMS素子を形成する工程と、
前記開口部を形成する工程と、
前記支持基板側に前記空隙を形成する工程と、
当該開口部に、前記微小電気機械素子の固定電極と振動電極とを配置する工程と、
を有する、製造方法が提供される。
1.第1実施形態(MEMS素子としてXY軸位置センサを同一チップ上に有する固体撮像装置)
2.第2実施形態(MEMS素子としてZ軸位置センサを同一チップ上に有する固体撮像装置)
3.第3実施形態(MEMS素子としてマイクロフォンを同一チップ上に有する固体撮像装置)
4.第1変形例
5.第2変形例
6.第4実施形態(電子機器への適用)
[固体撮像装置の構成]
本実施形態に係る固体撮像装置は、MEMS素子としてXY軸位置センサを同一チップ上に有する固体撮像装置である。
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子とは、微小電気機械素子であり、一般的にはマイクロマシンとも称せられる。例えば、慣性力または振動などにより位置が可変な梁または膜などを有し、梁または膜の位置を電気的に検出することで慣性力または振動を感知するセンサを構成することができる。
本実施形態においては、上記のようにMEMS素子としてXY軸位置センサを有する。
例えば、シリコン基板などからなるデバイス基板10と支持基板20が酸化シリコンなどの絶縁膜15を介して貼り合わされており、半導体基板が構成されている。
例えば、振動電極領域R11には第1導電層16a及び第2導電層17aからなる振動電極が埋め込まれている。
デバイス基板10と支持基板20が絶縁膜15を介して貼り合わされている。
本実施形態においては、MEMS素子がXY軸位置センサを構成している。
周辺回路領域R4には、必要に応じて各種の画像処理回路が形成されており、上記で得られた画素信号からなる画像データを画像処理することができる。
図3〜図6は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式断面図である。
ここで、工程削減のために、振動電極用のイオン注入は画素形成用及び周辺回路形成用のイオン注入と兼ねても良い。ただし、振動電極は同一の極性を持った不純物のみがイオン注入されるようにする。
ここで、導電性不純物はN型とP型のどちらでも良いが、なるべく高濃度のイオン注入がなされるように導電性不純物を選択するのが望ましい。
次に、ゲート電極13の両側部にサイドウォール絶縁膜14を形成し、サイドウォール絶縁膜14をマスクとして導電性不純物をイオン注入してソースドレイン領域を形成する。
必要に応じて適宜RTA(Rapid Thermal Annealing)処理などの不純物活性化処理を行い、上記のようにしてMOSトランジスタを形成する。
絶縁膜15中には、パッド電極領域R3、周辺回路領域R4及び固体撮像素子領域R5において、適宜上層配線16を埋め込み、これに接続してパッド電極17を形成する。
また、振動電極領域R11と固定電極領域R12においては、上層配線の形成工程と同様に第1導電層16a,16bを形成し、パッド電極17の形成工程と同様に第2導電層17a,17bを形成する。
上記において、第1導電層16a,16bと第2導電層17a,17bは、図2に示すように平行平板型の静電容量素子の電極となるようにレイアウトする。
次に、例えば絶縁膜15bの上面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理により平坦化する。
上記のエッチング量は、デバイス基板と支持基板とを接合したときに、振動電極上が接合されない十分な量とする。
ここで、上記の空隙15vは絶縁膜15bと絶縁膜15cの界面部分に残されたままである。
次に、図5(b)に示すように、例えばスパッタリングなどによりデバイス基板10の絶縁膜15とは反対側の表面にWあるいはAlなどを堆積して遮光膜21を形成する。
次に、例えば、遮光膜として残す領域を保護するパターンのレジスト膜PR2をパターン形成し、レジスト膜PR2をマスクとしてエッチング加工し、遮光膜21をパターン加工する。
ここで、遮光膜21のパターンは、固体撮像素子領域R5においては画素の光入射領域を開口するパターンとする。
また、例えば、パッド電極領域R3においても開口するパターンとする。また、振動電極領域R11においては振動電極を挟む両側の領域を開口するパターンとする。
レジスト膜PR3は、例えば通常のレジスト膜を形成した後、オンチップレンズ領域を残すようにパターン加工し、熱処理で溶融させて表面張力により球面形状の表面となるようにして形成することができる。
ここで、レジスト膜PR4としては、振動電極領域R11においては振動電極を挟む両側の領域を開口するパターンとする。これにより、上記のエッチング処理で振動電極領域R11において空隙15vに連通する開口部が形成され、ダイヤフラム構造DFが形成される。
上記のエッチングは、パッド電極を除去せず、かつ、空隙15vに達するようにして行う。
以降は、通常の固体撮像装置の製造方法と同様にして製造する。
以上により、図1に示す同一基板上にMEMS素子を混載する固体撮像装置を製造することができる。
固体撮像装置による画像データを位置センサによる位置情報によってカメラモジュールの手ぶれ補正用位置制御をしようとすると、固体撮像装置と位置センサ間に情報を伝送するための配線が必要になり、モジュールの製造コストが増大してしまう。
また、チップ面積を縮小して製造コストを低減できる。
また、固体撮像装置と位置センサであるMEMS素子間に情報を伝送するための配線を同一チップ内に収容でき、製造コストを低減できる。
[固体撮像装置の構成]
本実施形態に係る固体撮像装置は、MEMS素子としてZ軸位置センサを同一チップ上に有する固体撮像装置である。
実質的に第1実施形態と同様の構成であるが、MEMS素子がZ軸位置センサであることが異なる。
例えば、シリコン基板などからなるデバイス基板10と支持基板20が酸化シリコンなどの絶縁膜15を介して貼り合わされており、半導体基板が構成されている。
振動電極17cと固定電極18aから、平行平板型の静電容量素子が構成されている。
デバイス基板と支持基板を貼り合わせる絶縁膜15中に、振動電極17cと固定電極18aが埋め込まれている。振動電極17cの側から固定電極18a近傍まで開口部が形成されており、ダイヤフラム構造DFとなっている。
振動電極17cの側から固定電極18aはそれぞれ配線などで接続されている。
本実施形態においては、MEMS素子がZ軸位置センサを構成している。
図9〜図14は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式断面図である。
但し、MEMS素子領域R1には振動電極17cを形成し、引き出し電極領域R2に、振動電極17cに接続する導電層16cを形成する。
次に、例えば絶縁膜15bの上面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理により平坦化する。
また、同様にMEMS素子領域R1中における振動電極17cが形成されていない領域の一部を開口し、空隙15v2を形成する。空隙15v2の位置は、後述の空隙15v3に合わせて形成する。
上記のエッチング量は、デバイス基板と支持基板とを接合したときに、振動電極上が接合されない十分な量とする。
例えば、図10(a)に示すように、支持基板2上にCVD法などにより酸化シリコンを堆積して絶縁膜15dを形成する。
次に、図10(b)に示すように、例えばスパッタリング法により絶縁膜15d上にAl、AlSi、AiCuなどの導電層18を形成する。
次に、図10(c)に示すように、例えば固定電極として残す領域を保護するパターンのレジスト膜PR6をパターン形成し、導電層18をパターン加工して固定電極18aを形成する。
次に、図10(d)に示すように、例えば固定電極18aの上層に酸化シリコンなどを形成する。図10(d)では、図10(c)中の絶縁膜15dと一体化して絶縁膜15cとして示している。
次に、図11(a)に示すように、例えば絶縁膜15cの上面をCMP処理により平坦化する。
次に、図11(c)に示すように、レジスト膜PR7を除去する。
ここで、上記の空隙15v1は絶縁膜15bと絶縁膜15cの界面部分に残されたままである。また、位置合わせして形成された空隙15v2と空隙15v3は、一体化して1つの空隙15v2となる。
次に、図13(a)に示すように、例えばスパッタリングなどによりデバイス基板10の絶縁膜15とは反対側の表面にWあるいはAlなどを堆積して遮光膜21を形成する。
次に、例えば、遮光膜として残す領域を保護するパターンのレジスト膜PR2をパターン形成し、レジスト膜PR2をマスクとしてエッチング加工し、遮光膜21をパターン加工する。
ここで、遮光膜21のパターンは、固体撮像素子領域R5においては画素の光入射領域を開口するパターンとする。
また、例えば、パッド電極領域R3においても開口するパターンとする。また、MEMS素子領域R1においては振動電極17cの領域と空隙15v2の領域を開口するパターンとする。
レジスト膜PR3は、例えば通常のレジスト膜を形成した後、オンチップレンズ領域を残すようにパターン加工し、熱処理で溶融させて表面張力により球面形状の表面となるようにして形成することができる。
ここで、レジスト膜PR8としては、MEMS素子領域R1においては振動電極17cの領域と空隙15v2の領域を開口するパターンとする。これにより、上記のエッチング処理でMEMS領域R1において空隙15v1に連通する開口部が形成され、ダイヤフラム構造DFが形成される。
また、空隙15v2に達する固定電極18aのためのパッド開口部P2が形成される。
上記のエッチングは、パッド電極17及び振動電極16cを除去せず、かつ、空隙15v1,15v2に達するようにして行う。
以降は、通常の固体撮像装置の製造方法と同様にして製造する。
以上により、図7に示す同一基板上にMEMS素子を混載する固体撮像装置を製造することができる。
[固体撮像装置の構成]
本実施形態に係る固体撮像装置は、MEMS素子としてマイクロフォンを同一チップ上に有する固体撮像装置である。
実質的に第1実施形態と同様の構成であるが、MEMS素子がマイクロフォンであることが異なる。
例えば、シリコン基板などからなるデバイス基板10と支持基板20が酸化シリコンなどの絶縁膜15を介して貼り合わされており、半導体基板が構成されている。
振動電極17cと固定電極18aから、平行平板型の静電容量素子が構成されている。
デバイス基板と支持基板を貼り合わせる絶縁膜15中に、振動電極17cと固定電極18aが埋め込まれている。振動電極17cの側から固定電極18a近傍まで開口部が形成されており、ダイヤフラム構造DFとなっている。
振動電極17cの側から固定電極18aはそれぞれ配線などで接続されている。
上記のようにして、本実施形態においてはMEMS素子がマイクロフォンを構成している。
図17〜図18は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式断面図である。
但し、MEMS素子領域R1には振動電極17cを形成し、引き出し電極領域R2に、振動電極17cに接続する導電層16cを形成する。
次に、例えば絶縁膜15bの上面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理により平坦化する。
次に、例えばMEMS素子領域R1を開口するレジスト膜PR5をパターン形成し、これをマスクとしてRIE(反応性イオンエッチング)などの異方性エッチング処理を行い、振動電極17cの上部を露出させる空隙15v1を形成する。
また、同様にMEMS素子領域R1中における振動電極17cが形成されていない領域の一部を開口し、空隙15v2を形成する。空隙15v2の位置は、後述の空隙15v3に合わせて形成する。
上記のエッチング量は、デバイス基板と支持基板とを接合したときに、振動電極上が接合されない十分な量とする。
例えば、支持基板20には絶縁膜が形成され、固定電極18aが埋め込まれ、さらに空隙15v3が形成されている構成である。
さらに、例えばデバイス基板10の絶縁膜15とは反対側の表面から薄膜化し、デバイス基板10の絶縁膜15とは反対側の表面にWあるいはAlなどを堆積して遮光膜21をパターン形成する。次に、カラーフィルタ22及びオンチップレンズ23aを形成する。
ここで、レジスト膜PR8としては、MEMS素子領域R1においては振動電極17cの領域と空隙15v2の領域を開口するパターンとする。これにより、上記のエッチング処理でMEMS領域R1において空隙15v1に連通する開口部が形成され、ダイヤフラム構造DFが形成される。
また、空隙15v2に達する固定電極18aのためのパッド開口部P2が形成される。
上記のエッチングは、パッド電極17及び振動電極16cを除去せず、かつ、空隙15v1,15v2に達するようにして行う。
以降は、通常の固体撮像装置の製造方法と同様にして製造する。
以上により、図15に示す同一基板上にMEMS素子を混載する固体撮像装置を製造することができる。
[固体撮像装置の構成]
図19は第1変形例に係る固体撮像装置を示す模式断面図である。
本実施形態に係る固体撮像装置は、第1実施形態の固体撮像装置と同様の構成である。但し、パッド開口部の代わりにパッド電極に達するコンタクトホールCHが形成されており、コンタクトホールCH内にプラグ24が埋め込まれており、上層配線25が接続して形成されている。
上記の第1実施形態から第3実施形態においてパッド開口部Pは必ずしも必要ではなく、コンタクトホールCHの開口工程と合わせてMEMS素子のダイヤフラム構造を形成することができる。
上記のほか、コンタクトホールの代わりにビアホールが形成されていてもよい。
[固体撮像装置の構成]
図20(a)及び(b)は第2変形例に係る固体撮像装置を示す模式断面図である。
本実施形態に係る固体撮像装置は、第1実施形態の固体撮像装置と同様の構成である。但し、MEMS素子が平行平板型の静電容量素子ではなく、圧電素子またはMOS型位置センサである。
図20(a)に示すMEMS素子は、振動電極として圧電膜16xを用いたMEMS素子である。
図20(a)は第1実施形態の図2(d)の断面に相当し、振動電極は慣性力または振動などにより位置が可変となっている。このため、振動電極16xが振動することで圧電膜に起電力が生じ、これを検出回路26で検出することで振動電極の変位を検知し、慣性力または振動を測定することが可能となっている。
図20(b)は第1実施形態の図2(d)の断面に相当し、振動電極は慣性力または振動などにより位置が可変となっている。このため、振動電極16aが振動することでMOSトランジスタのドレイン電流が変化し、これを検出回路28で検出することで振動電極の変位を検知し、慣性力または振動を測定することが可能となっている。
[電子機器への適用]
図21は、本実施形態に係る電子機器である電子機器の概略構成図である。本実施形態に係る電子機器は、静止画撮影又は動画撮影可能なビデオ電子機器の例である。
本実施形態に係る電子機器は、イメージセンサ(固体撮像装置)50と、光学系51と、信号処理回路53などを有する。
本実施形態において、上記のイメージセンサ50として、上記の第1実施形態に係る固体撮像装置が組み込まれている。
シャッタ装置は、イメージセンサ50への光照射期間及び遮光期間を制御する。
イメージセンサと位置センサ/マイクロフォンを別々に作成するのではなく、1チップに統合することによって、センサチップのカメラモジュールへの実装が2/3回から1回に減少し、実装の際の歩留まり低下を低減することができる。
例えば、固体撮像装置としては、CMOSイメージセンサとCCDイメージセンサのいずれにも適用できる。
また、固体撮像装置としては、裏面照射型に限定されず、通常の表面照射型の固体撮像装置にも適用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
Claims (7)
- 画素ごとに区分されたフォトダイオードがマトリクス状に配置された受光面を有する裏面照射型の固体撮像素子部を有するデバイス基板と、
前記デバイス基板に貼り合わされている絶縁膜と、
前記絶縁膜に貼り合わされている支持基板と、
前記デバイス基板の前記固体撮像素子部を有する第1部分とは異なる第2部分において、前記デバイス基板と前記支持基板とに固定されている、微小電気機械素子(MEMS素子)と、
を有する、固体撮像装置であって、
前記微小電気機械素子が固定されている前記第2部分の一部に、前記デバイス基板から前記支持基板に向かって、前記デバイス基板を貫通する第1開口および当該第1開口に連続し前記絶縁膜に形成された第2開口とを有する開口部が設けられており、
前記微小電気機械素子は、前記開口部に配設された、平行平板型の静電容量素子を構成する固定電極および振動電極とを有し、
前記固定電極の両端が前記デバイス基板と前記支持基板とに固定されており、
前記振動電極の第1端部が前記デバイス基板に固定されており、
前記振動電極の第2端部の前方に位置する前記支持基板側において前記開口部に連通する空隙が形成され、前記振動電極の第2端部は当該固体撮像装置への振動により位置が可変な梁状の構造をしている、
固体撮像装置。 - 前記MEMS素子がXY軸位置センサである
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記デバイス基板から前記支持基板に向かって、前記デバイス基板を貫通する第3開口および当該第3開口に連続し前記絶縁膜に形成された第4開口とを有する、前記MEMS素子または前記固体撮像装置に電気的に接続するためのパッド開口部が形成されている、 請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記デバイス基板から前記支持基板に向かって、前記デバイス基板を貫通する第5開口および当該第5開口に連続し前記絶縁膜に形成された第6開口とを有する、前記MEMS素子または前記固体撮像装置に電気的に接続するためのコンタクトホールが形成されている、
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記デバイス基板から前記支持基板に向かって、前記デバイス基板を貫通する第7開口および当該第7開口に連続し前記絶縁膜に形成された第8開口とを有する、前記MEMS素子または前記固体撮像装置に電気的に接続するためのビアホールが形成されている、
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 固体撮像装置の製造方法であって、
当該固体撮像装置は、画素ごとに区分されたフォトダイオードがマトリクス状に配置された受光面を有する裏面照射型の固体撮像素子部を有するデバイス基板と、前記デバイス基板に貼り合わされている絶縁膜と、前記絶縁膜に貼り合わされている支持基板と、前記デバイス基板の前記固体撮像素子部を有する第1部分とは異なる第2部分において、前記デバイス基板と支持基板とに固定されている、微小電気機械素子(MEMS素子)とを有し、前記微小電気機械素子が固定されている前記第2部分の一部に、前記デバイス基板から前記支持基板に向かって、前記デバイス基板を貫通する第1開口および当該第1開口に連続し前記絶縁膜に形成された第2開口とを有する開口部が設けられており、前記微小電気機械素子は、前記開口部に配設された平行平板型の静電容量素子を構成する固定電極および振動電極とを有し、前記固定電極の両端が前記デバイス基板と前記支持基板とに固定されており、前記振動電極の第1端部が前記デバイス基板に固定されており、前記振動電極の第2端部の前方に位置する前記支持基板側において前記開口部に連通する空隙が形成され、前記振動電極の第2端部は当該固体撮像装置への振動により位置が可変な梁状の構造をしており、
当該製造方法は、
前記デバイス基板に、画素ごとに区分されたフォトダイオードがマトリクス状に配置された受光面を形成する工程と、
前記開口部を形成する工程と、
前記支持基板側に前記空隙を形成する工程と、
当該開口部に、前記微小電気機械素子の固定電極と振動電極とを配置する工程と、
を有する、
固体撮像装置の製造方法。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と
を有し、
前記固体撮像装置は、画素ごとに区分されたフォトダイオードがマトリクス状に配置された受光面を有する裏面照射型の固体撮像素子部を有するデバイス基板と、前記デバイス基板に貼り合わされている絶縁膜と、前記絶縁膜に貼り合わされている支持基板と、前記デバイス基板の前記固体撮像素子部を有する第1部分とは異なる第2部分において、前記デバイス基板と支持基板とに固定されている、微小電気機械素子(MEMS素子)とを有し、前記微小電気機械素子が固定されている前記第2部分の一部に、前記デバイス基板から前記支持基板に向かって前記デバイス基板を貫通する第1開口および当該第1開口に連続し前記絶縁膜に形成された第2開口とを有する開口部が設けられており、前記微小電気機械素子は、前記開口部に配設された平行平板型の静電容量素子を構成する固定電極および振動電極とを有し、前記固定電極の両端が前記デバイス基板と前記支持基板とに固定されており、前記振動電極の第1端部が前記デバイス基板に固定されており、前記振動電極の第2端部の前方に位置する前記支持基板側に前記開口部に連通する空隙が形成され、前記振動電極の第2端部は当該固体撮像装置への振動により位置が可変な梁状の構造をしている、固体撮像装置を有する、
電子機器。
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