JP6612264B2 - 撮像装置および内視鏡 - Google Patents
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Description
本発明は、受光部が形成されたシリコン層と、前記シリコン層に配設された、複数の導体層および酸化シリコンよりも低誘電率の絶縁材料を含む複数の絶縁層を有する、配線層と、前記配線層を覆うように接着されたカバーガラスと、を具備する撮像装置、および前記撮像装置を具備する内視鏡に関する。
ＣＭＯＳ撮像素子等からなる受光部が主面に形成された裏面照射(ＢＳＩ：Back Side Illumination)型撮像装置は、小径で高感度であることから内視鏡等に広く用いられている。半導体技術により作製された微細パターンからなる受光部と、信号ケーブル等が接続される大きな接合電極との整合性を取るために、撮像装置には、複数の導体層と複数の絶縁層とが積層された配線層が不可欠である。配線層に貫通孔等を形成すると、貫通孔の底面に絶縁層の絶縁材料が露出する。
近年、撮像装置の高性能化のために、配線層の絶縁層として酸化シリコンよりも比誘電率ｋが低い材料、いわゆるＬｏｗ−ｋ材料を用いることが検討されている。
しかし、Ｌｏｗ−ｋ材料は、耐湿性／耐水性、すなわち水分（水蒸気等）の浸透に対する耐性において従来の絶縁層材料よりも劣っている。Ｌｏｗ−ｋ材料を絶縁層とする撮像装置は、Ｌｏｗ−ｋ材料が露出しているため、信頼性が十分ではないおそれがあった。すなわち、Ｌｏｗ−ｋ材料からなる絶縁層に水分が浸透すると、比誘電率が上昇して寄生容量が増加し信号遅延が生じることにより動作不良が発生したり、導体層の導体が腐食したりするといった問題が生じかねないおそれがあった。
なお、日本国特開２０１２−２８３５９号公報には、接着剤を介してガラス基板を接着した半導体基板に、裏面からのエッチングにより貫通孔を形成し、貫通孔に配線を配設する半導体装置が開示されている。
本発明の実施形態は、小型で信頼性の高い撮像装置、および小径で信頼性の高い内視鏡を提供することを目的とする。
実施形態の撮像装置は、受光部が受光する光が入射する受光面と対向面とを有するシリコン層と、前記対向面に配設されている、前記受光部と接続された導体を含む複数の導体層と酸化シリコンよりも低誘電率の絶縁体を含む複数の絶縁層とを有している配線層と、前記シリコン層の前記受光面の受光部を覆う透明樹脂と、前記透明樹脂によって前記受光面に接着されている透明部材と、前記配線層の前記シリコン層と反対側の裏面を覆う保護部と、を具備する撮像装置であって、前記配線層に外縁に沿ったガードリングが形成されており、前記シリコン層の前記透明部材で覆われていない領域に、前記導体層の導体からなる電極パッドを底面とする貫通孔があり、前記貫通孔の内面に前記絶縁層の低誘電率の絶縁体が露出していない。
別の実施形態の内視鏡は、受光部が受光する光が入射する受光面と対向面とを有するシリコン層と、前記対向面に配設されている、前記受光部と接続された導体を含む複数の導体層と酸化シリコンよりも低誘電率の絶縁体を含む複数の絶縁層とを有している配線層と、前記シリコン層の前記受光面の受光部を覆う透明樹脂と、前記透明樹脂によって前記受光面に接着されている透明部材と、前記配線層の前記シリコン層と反対側の裏面を覆う保護部と、を具備する撮像装置であって、前記配線層に外縁に沿ったガードリングが形成されており、前記シリコン層の前記透明部材で覆われていない領域に、前記導体層の導体からなる電極パッドを底面とする貫通孔があり、前記貫通孔の内面に前記絶縁層の低誘電率の絶縁体が露出していない撮像装置を、挿入部の先端部に具備する。
本発明によれば、小型で信頼性の高い撮像装置、および小径で信頼性の高い内視鏡を提供できる。
＜第１実施形態＞
図１〜図３に示すように、第１実施形態の撮像装置１は、シリコン層１０と、配線層２０と、接着層３０と、透明部材であるカバーガラス４０と、サポート基板であるシリコン基板５０と、接着層６０と、を具備する。接着層３０は、カバーガラス４０をシリコン層１０に接着している。接着層６０はシリコン基板５０を配線層２０に接着している。例えば、シリコン層１０の厚さ（Ｚ方向）は３μｍ〜８μｍであり、配線層２０および接着層３０および接着層６０の厚さは５μｍ〜２０μｍ程度であり、カバーガラス４０の厚さは１５０μｍ〜５ｍｍである。
図１〜図３に示すように、第１実施形態の撮像装置１は、シリコン層１０と、配線層２０と、接着層３０と、透明部材であるカバーガラス４０と、サポート基板であるシリコン基板５０と、接着層６０と、を具備する。接着層３０は、カバーガラス４０をシリコン層１０に接着している。接着層６０はシリコン基板５０を配線層２０に接着している。例えば、シリコン層１０の厚さ（Ｚ方向）は３μｍ〜８μｍであり、配線層２０および接着層３０および接着層６０の厚さは５μｍ〜２０μｍ程度であり、カバーガラス４０の厚さは１５０μｍ〜５ｍｍである。
なお、図面は、模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率、積層数等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図示および説明を省略する構成要素もある。例えば、シリコン層１０の酸化処理により表面に形成された酸化シリコン層は図示も説明もしていない。また、多層構造の配線層２０は簡略化して図示している。
シリコン層１０には、ＣＭＯＳ等からなる受光部１１が半導体作製技術により形成されている。シリコン層１０の受光部１１が受光する光が入射する受光面１０ＳＡと対向する対向面１０ＳＢには、配線層２０が配設されている。カバーガラス４０は、シリコン層１０の受光面１０ＳＡに受光部１１を覆うように接着されている。接着層３０は、絶縁層２１Ｂの低誘電率材料よりも耐湿性に優れた、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂等の透明樹脂からなる。また、透明部材は、受光部１１が受光する光の波長領域において透過率が高い材料であれば、樹脂等から構成されていてもよい。
シリコン基板５０は、接着層６０を介して配線層２０のシリコン層とは反対側の裏面２０ＳＢを覆うように接着されている。シリコン基板５０は、受光部１１が形成された半導体ウエハ（撮像素子ウエハとしてのシリコン基板）を研磨加工し、薄層化してシリコン層１０に加工するための、サポートウエハである。接着層６０は接着層３０と同じ樹脂でもよいが、不透明でもよい。
配線層２０は、複数の導体層２１Ａと複数の絶縁層２１Ｂとが積層された多層配線からなる。配線層２０は、受光部１１の微細配線と電極パッド２９とを接続するための配線回路を構成している。なお、配線層２０において、導体層２１Ａの導体２１ＡＡは、絶縁層２１Ｂの貫通孔に充填された導体２１ＡＡを介して上下の導体２１ＡＡと接続されている。また、導体層２１Ａの導体２１ＡＡの側面には絶縁体２１ＢＡが配設されている。すなわち、導体層２１Ａおよび絶縁層２１Ｂは、ともに導体２１ＡＡと絶縁体２１ＢＡとを含む。
そして、撮像装置１では、絶縁層２１Ｂは、酸化シリコンよりも低誘電率の材料、いわゆるＬｏｗ−ｋ材料からなる。
低誘電率材料とは、酸化シリコン（ｋ＝４．０）よりも比誘電率ｋが低い材料であり、好ましくは比誘電率ｋが３．０以下の材料である。低誘電率材料の比誘電率ｋの下限値は、技術的限界により、１．５以上、好ましくは２．０以上である。
撮像装置１では、絶縁層２１Ｂの低誘電率材料は、多孔質（ポーラス状）の炭素ドープシリコン酸化膜（ＳｉＯＣ）である。ポーラスＳｉＯＣは、空隙を有している構造の多孔質体として形成され、比誘電率ｋを２．７とすることも可能である。
絶縁層２１Ｂの材料としては、ＳｉＯＣの他、フッ素ドープシリコン酸化膜（ＳｉＯＦ／ＦＳＧ）、水素含有ポリシロキサン（ＨＳＱ）系材料、メチル含有ポリシロキサン（ＭＳＱ）系材料、有機系（ポリイミド系、パリレン系、フッ素系）材料等も使用可能である。
なお、一部の絶縁層、例えば、シリコン層１０と近接している絶縁層２１Ｂの絶縁体２１ＢＡだけが、Ｌｏｗ−ｋ材料であってもよい。
そして、図２等に示すように、配線層２０には、外縁に沿った額縁状のガードリング２４が形成されている。ガードリング２４は、配線層２０を配設するときに形成される。ガードリング２４は、配線層２０を貫通する防湿壁であり、ガードリング２４の内側の低誘電率の絶縁体２１ＢＡへの水の浸透を遮断している。なお、絶縁体２１ＢＡの一部は、ガードリング２４の外側にも存在するが、ガードリング２４の内部への水の浸透は防止されている。
撮像装置１は、高感度の裏面照射型撮像装置である。撮像装置１は、多数の受光部１１および多数の配線層２０が配設されている半導体ウエハ（撮像素子ウエハ）をシリコン基板（サポートウエハ）５０と接合し、薄膜化加工される工程を経て作製される。
カバーガラス４０は、シリコン層１０の受光部１１を覆っている。厚さが十分に厚いカバーガラス４０は受光面側からの水の浸透を遮断している。しかし、受光面１０ＳＡには、カバーガラス４０で覆われていない領域がある。シリコン層１０のカバーガラス４０で覆われていない領域には、配線層２０の導体２１ＡＡと信号ケーブルの導線である外部配線（不図示）とを接続するための電極パッド２９を底面とする貫通孔であるパッド開口１０Ｈがある。
パッド開口１０Ｈは、ＫＯＨまたはＴＭＡＨ等のアルカリ溶液を用いたウエットエッチング、またはＣＦ４、ＣＨＦ３、またはＣ２Ｆ６等のフッ素系ガスを用いたドライエッチングにより形成される。
そして、電極パッド２９は、配線層２０の、シリコン層１０と接している最上層の導体層２１Ａ１の導体２１ＡＡにより構成されている。導体２１ＡＡは、例えば、銅からなる。電極パッド２９はパッド開口１０Ｈを形成するときのエッチングストップ層でもある。
電極パッド２９の平面視寸法は、パッド開口１０Ｈの平面視寸法よりも大きく、電極パッド２９の外周部は、全周にわたってシリコン層１０と接している。
パッド開口１０Ｈは、底面が耐湿性に優れた銅等の金属材料からなる電極パッド２９で構成されている。このため、撮像装置１は、パッド開口１０Ｈを介して水が配線層２０の絶縁体２１ＢＡに浸透するおそれがない。
撮像装置１では配線層２０の低誘電率の絶縁体２１ＢＡは、側面からの水分の浸入はガードリング２４により防止されており、裏面からの水分の浸入は保護部であるシリコン基板５０により防止されており、パッド開口１０Ｈからの水分の浸入は電極パッド２９により防止されている。
このため、撮像装置１は、低誘電率の絶縁体に水分が浸入することがなく、信頼性が高い。
撮像装置１は、例えば、８５℃、湿度８５％の高温多湿環境に１０００時間放置しても特性が劣化することがなかった。
＜第１実施形態の変形例＞
次に、第１実施形態の変形例１〜５の撮像装置１Ａ〜１Ｅについて説明する。撮像装置１Ａ〜１Ｅは、第１実施形態の撮像装置１と類似し撮像装置１の機能を有するので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
次に、第１実施形態の変形例１〜５の撮像装置１Ａ〜１Ｅについて説明する。撮像装置１Ａ〜１Ｅは、第１実施形態の撮像装置１と類似し撮像装置１の機能を有するので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
＜変形例１＞
図４に示すように、変形例１の撮像装置１Ａでは、電極パッド２９Ａが、配線層２０の複数の導体層２１Ａにより構成されている。
図４に示すように、変形例１の撮像装置１Ａでは、電極パッド２９Ａが、配線層２０の複数の導体層２１Ａにより構成されている。
配線層２０の銅からなる導体層２１Ａの厚さは、０．１μｍから０．８μｍと厚くはない。このため、最上層の導体層２１Ａ１の導体２１ＡＡだけで電極パッド２９を構成すると、外部配線の接続が容易ではなかったり、外部配線を接続すると耐湿性が劣化したりするおそれがあった。
これに対して、複数の導体層２１Ａ、例えば、３〜１０層の導体層２１Ａにより電極パッド２９Ａが構成されている撮像装置１Ａは、撮像装置１よりも外部配線の接続が容易で耐湿性が優れている。
＜変形例２＞
図５に示すように、変形例２の撮像装置１Ｂでは、シリコン基板５０が他部材を介さないで配線層２０と直接接合されている。
図５に示すように、変形例２の撮像装置１Ｂでは、シリコン基板５０が他部材を介さないで配線層２０と直接接合されている。
直接接合するために、配線層２０の裏面２０ＳＢは、シリコン基板５０の表面５０ＳＡと同じ高い平坦度ｔｔｖに加工されている。配線層２０の裏面２０ＳＢとシリコン基板５０の表面５０ＳＡとは、ともに、例えば平坦度ｔｔｖ（total thickness variation）が１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の高い平坦度を有する。平坦度ｔｔｖは、接合面を基準面として厚み方向に測定した高さの全面における最大値と最小値の差である。また、配線層２０の裏面２０ＳＢは、高い平坦度を得ることが容易なように、図５に示すように、全面が導体で覆われた導体層２１Ａ９だけからなることが好ましい。
直接接合法としては、例えば、配線層２０の裏面２０ＳＢをＣＭＰ法により平坦化加工したのちに、両者の接合面に高真空中でイオンビームを照射し表面の酸化膜および吸着物質が除去された状態で、両者を貼り合わす常温接合法を用いる。
なお、直接接合法としては、上述の真空中での常温接合法に限られるものではなく、大気中常温での貼り合わせの後に熱処理を行う拡散接合法等を用いてもよい。
撮像装置１Ｂは、接着層６０を具備しないため、撮像装置１よりも更に信頼性が高い。
＜変形例３＞
図６に示すように、変形例３の撮像装置１Ｃでは、接着層６０と配線層２０の裏面２０ＳＢとの間に無機材料からなる保護膜６５が配設されている。
図６に示すように、変形例３の撮像装置１Ｃでは、接着層６０と配線層２０の裏面２０ＳＢとの間に無機材料からなる保護膜６５が配設されている。
保護膜６５は、酸化シリコンまたは窒化シリコン等の透湿性の低い材料からなり、膜厚は、０．３μｍ〜５μｍである。
撮像装置１Ｃは、樹脂からなる接着層６０よりも透湿性の低い保護膜６５により、配線層２０の裏面２０ＳＢが覆われているため、撮像装置１よりも更に信頼性が高い。
なお、保護膜６５が配設された配線層２０を、接着層６０を介さないでシリコン基板５０と直接接合してもよい。
＜変形例４＞
図７に示すように、変形例４の撮像装置１Ｄでは、配線層２０のガードリング２４Ｄの表面が、酸化シリコンからなるオーバーコート層２５により覆われている。
図７に示すように、変形例４の撮像装置１Ｄでは、配線層２０のガードリング２４Ｄの表面が、酸化シリコンからなるオーバーコート層２５により覆われている。
すでに説明したようにガードリングは、配線層２０の作成時に導体層２１Ａの導体２１ＡＡである銅を用いて形成される。銅は透湿性に優れている金属であるが、耐蝕性は高くはないため、水が浸透すると腐食するおそれがある
ガードリング２４Ｄは、表面が、耐蝕性の高い酸化シリコンからなるオーバーコート層２５により覆われている。このため、撮像装置１Ｄは撮像装置１よりも信頼性が高い。オーバーコート層２５の材料は、耐蝕性の高い材料、例えば、酸化シリコン等の酸化物または窒化シリコン等の窒化物からなることが好ましい。
図８に示すように、オーバーコート層２５は、配線層２０Ｄの作成時に、ガードリング用に形成した孔の内面にスパッタ法またはＣＶＤ法を用いて成膜される。そして、公知のダマシン法により孔の内部を銅（２１ＡＢ）で充填することによりガードリング２４Ｄは作製される。図８ではデュアルダマシン法を例示しているが、シングルダマシン法でもよい。
＜変形例５＞
図９に示すように、変形例５の撮像装置１Ｅのガードリング２４Ｅは、配線層２０を貫通するトレンチを覆う金属からなる。
図９に示すように、変形例５の撮像装置１Ｅのガードリング２４Ｅは、配線層２０を貫通するトレンチを覆う金属からなる。
すなわち、配線層２０にガードリングが形成されていない場合には、シリコンウエハを薄層化する前に、配線層２０の裏面２０ＳＢ側からのエッチングにより額縁状のトレンチが形成される。トレンチは配線層２０を貫通しシリコン層１０を底面とする。そして、トレンチの内部に金属材料、例えば、銅が充填されることで、ガードリング２４Ｅが作製される。トレンチの内部に充填される材料はＬｏｗ−ｋ材料よりも耐湿性に優れた材料であれば、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機材料でもよい。
撮像装置１Ｅは、ガードリング２４Ｅを有するため、撮像装置１と同じように信頼性が高い。
なお、トレンチの内壁だけをＬｏｗ−ｋ材料よりも耐湿性に優れた無機材料で覆ってもよい。さらに、トレンチの内壁をオーバーコート層２５と同じ酸化シリコン等の無機材料からなる膜で覆ってから、トレンチの内部に銅等の金属材料を充填してもよいし、逆に内壁を金属材料で覆ってから酸化シリコン等の無機材料で充填してもよい。
なお、側面からの水の浸透を遮断するために、ガードリング２４に替えて、撮像装置１の側面を絶縁材料または金属材料の少なくともいずれかからなる保護層で覆ってもよい。また、トレンチにＯリングを嵌合してもよい。
＜第２実施形態＞
次に第２実施形態の撮像装置１Ｆについて説明する。撮像装置１Ｆは、第１実施形態の撮像装置１と類似し撮像装置１の機能を有するので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
次に第２実施形態の撮像装置１Ｆについて説明する。撮像装置１Ｆは、第１実施形態の撮像装置１と類似し撮像装置１の機能を有するので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
図１０および図１１に示すように、撮像装置１Ｆでは、電極パッド２９Ｆを底面とする貫通孔であるパッド開口１０ＨＦが、シリコン層１０だけでなく、配線層２０の一部までを貫通している。このため、パッド開口１０ＨＦの下部の壁面に絶縁層２１Ｂが露出している。
しかし、配線層内のパッド開口１０ＨＦを取り囲むパッド用ガードリング２４Ｆが配線層２０に形成されている。そして、電極パッド２９Ｆの外周部が全周にわたってパッド用ガードリング２４Ｆと接している。
撮像装置１Ｆは、パッド用ガードリング２４Ｆにより、パッド開口１０ＨＦからの水の侵透が防止されている。
なお、撮像装置１Ｆにおいても、第１実施形態の変形例１〜５の撮像装置１Ａ〜１Ｅの構成を付加することで、それぞれの変形例の効果を得ることができる。
＜第３実施形態＞
次に第３実施形態の内視鏡２を含む内視鏡システム９について説明する。
次に第３実施形態の内視鏡２を含む内視鏡システム９について説明する。
図１２に示すように、内視鏡システム９は、内視鏡２と、プロセッサ５Ａと、光源装置５Ｂと、モニタ５Ｃと、を具備する。内視鏡２は、挿入部３を被検体の体腔内に挿入することによって、被検体の体内画像を撮像し撮像信号を出力する。すなわち、内視鏡２は挿入部３の先端部に、撮像装置１、１Ａ〜１Ｆのいずれかを具備する。
内視鏡２の挿入部３の基端側には、内視鏡２を操作する各種ボタン類が設けられた操作部４が配設されている。操作部４には、被検体の体腔内に、生体鉗子、電気メスおよび検査プローブ等の処置具を挿入するチャンネルの処置具挿入口４Ａがある。
挿入部３は、撮像装置１が配設されている先端部３Ａと、先端部３Ａの基端側に連設された湾曲自在な湾曲部３Ｂと、この湾曲部３Ｂの基端側に連設された可撓管部３Ｃとによって構成される。湾曲部３Ｂは、操作部４の操作によって湾曲する。
操作部４の基端部側に配設されたユニバーサルコード４Ｂには、先端部３Ａの撮像装置１と接続された信号ケーブル７５が挿通している。
ユニバーサルコード４Ｂは、コネクタ４Ｃを介してプロセッサ５Ａおよび光源装置５Ｂに接続される。プロセッサ５Ａは内視鏡システム９の全体を制御するとともに、撮像装置１が出力する撮像信号に信号処理を行い画像信号として出力する。モニタ５Ｃは、プロセッサ５Ａが出力する画像信号を表示する。
光源装置５Ｂは、例えば、白色ＬＥＤを有する。光源装置５Ｂが出射する白色光は、ユニバーサルコード４Ｂを挿通するライトガイド（不図示）を介して先端部３Ａの照明光学系（不図示）に導光され、被写体を照明する。
内視鏡２は、挿入部の先端部に信頼性の高い撮像装置１、１Ａ〜１Ｆを具備するため、信頼性が高い。
本発明は上述した実施形態、又は変形例等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変、組み合わせ等ができる。
１、１Ａ〜１Ｆ…撮像装置
２…内視鏡
９…内視鏡システム
１０…シリコン層
１１…受光部
２０…配線層
２１Ａ…導体層
２１Ｂ…絶縁層
２４…ガードリング
２５…オーバーコート層
２９…電極パッド
３０…接着層
４０…カバーガラス
５０…シリコン基板
６０…接着層
６５…保護膜
２…内視鏡
９…内視鏡システム
１０…シリコン層
１１…受光部
２０…配線層
２１Ａ…導体層
２１Ｂ…絶縁層
２４…ガードリング
２５…オーバーコート層
２９…電極パッド
３０…接着層
４０…カバーガラス
５０…シリコン基板
６０…接着層
６５…保護膜
Claims (9)
- 受光部が受光する光が入射する受光面と対向面とを有するシリコン層と、
前記対向面に配設されている、前記受光部と接続された導体を含む複数の導体層と酸化シリコンよりも低誘電率の絶縁体を含む複数の絶縁層とを有している配線層と、
前記シリコン層の前記受光面の受光部を覆う透明樹脂と、
前記透明樹脂によって前記受光面に接着されている透明部材と、
前記配線層の前記シリコン層と反対側の裏面を覆う保護部と、を具備する撮像装置であって、
前記配線層に外縁に沿ったガードリングが形成されており、
前記シリコン層の前記透明部材で覆われていない領域に、前記導体層の導体からなり、外周部が全周にわたって前記シリコン層と接している電極パッドを底面とする貫通孔があり、
前記貫通孔の内面に前記絶縁層の低誘電率の絶縁体が露出していないことを特徴とする撮像装置。 - 前記電極パッドが、前記配線層の複数の導体層により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記保護部が、シリコン基板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
- 前記シリコン基板が接着層を介して前記配線層の前記裏面に接着されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
- 前記接着層と前記配線層の前記裏面との間に無機材料からなる保護膜が配設されていることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
- 金属からなる前記ガードリングが、酸化物または窒化物により覆われていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置。
- 前記ガードリングが、前記配線層を貫通するトレンチに充填された無機材料からなることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の撮像装置。
- 前記無機材料が金属であることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
- 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の撮像装置を、挿入部の先端部に具備することを特徴とする内視鏡。
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