WO2017183170A1 - 半導体デバイス、撮像モジュールおよび内視鏡装置 - Google Patents

半導体デバイス、撮像モジュールおよび内視鏡装置 Download PDF

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silicon substrate
semiconductor device
silicon
electrode portion
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昌一郎 川除
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オリンパス株式会社
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    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
    • H01L21/3205—Deposition of non-insulating-, e.g. conductive- or resistive-, layers on insulating layers; After-treatment of these layers
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    • H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
    • H01L23/522—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body

Definitions

  • the present invention relates to, for example, a semiconductor device used for an imaging module, and relates to an imaging module and an endoscope apparatus including the imaging module.
  • An electronic device equipped with an imaging module for capturing an optical image that can be introduced from the outside of the living body or structure in order to observe difficult places such as the inside of the living body or the inside of the structure.
  • Endoscopes are used, for example, in the medical field or the industrial field.
  • the imaging unit of the electronic endoscope includes an objective lens that forms a subject image and an image sensor disposed on the imaging surface of the objective lens.
  • a semiconductor device is mounted on such an image sensor.
  • Japanese Patent Publication No. 2012-256785 discloses a first insulating film in which an insulating film embedded in an insulating isolation portion has a stacked structure of at least two stages of a first insulating film and a second insulating film.
  • the bonding surface of the film and the bonding surface of the second insulating film are divided by a region having no bonding surface on the bottom surface of the second insulating film, the mechanical strength is increased, and isolation of the inner region of the insulating separation portion is prevented.
  • a semiconductor device that can be used is disclosed.
  • the bottom surface of the insulating film used for reinforcement is a thin film of about several ⁇ m, and is perpendicular to the main surface of the substrate. There was a problem that the strength against force was insufficient.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to provide a semiconductor device that has further improved strength in a vertical direction perpendicular to the main surface of the substrate, An imaging module and an endoscope apparatus are provided.
  • a semiconductor device includes a silicon substrate, an electrode portion disposed in the thickness direction of the silicon substrate, and a silicon oxide film so as to fill a plurality of grooves formed in the silicon substrate.
  • the first insulating layer and the second insulating layer formed of a silicon oxide layer modified by erosion of the partition wall separating the plurality of grooves by thermal oxidation are integrated so as to surround the electrode unit. And a surrounding insulating layer formed in a conventional manner.
  • An imaging module includes a silicon substrate, an electrode portion disposed in the thickness direction of the silicon substrate, and a silicon oxide film so as to fill a plurality of grooves formed in the silicon substrate.
  • the first insulating layer and the second insulating layer formed of a silicon oxide layer modified by erosion of the partition wall separating the plurality of grooves by thermal oxidation are integrated so as to surround the electrode unit.
  • a semiconductor device having a surrounding insulating layer.
  • An endoscope apparatus includes a silicon substrate, an electrode portion disposed in the thickness direction of the silicon substrate, and a silicon oxide film so as to fill a plurality of grooves formed in the silicon substrate.
  • the first insulating layer configured and the second insulating layer configured by a modified silicon oxide layer formed by erosion of the partition wall separating the plurality of grooves by thermal oxidation surround the electrode unit.
  • an imaging module including a semiconductor device including a surrounding insulating layer formed integrally therewith.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG.
  • FIG. 6 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line XIV-XIV in FIG.
  • Sectional drawing which shows one direction of the silicon substrate by which the back side was ground
  • Sectional drawing which shows the other direction of the silicon substrate by which the back side was ground
  • polished similarly Sectional drawing which shows one direction of the silicon substrate in which the silicon penetration electrode was formed similarly
  • FIG. 1st modification similarly Sectional drawing of the semiconductor device of a 2nd modification same as the above XXIV-XXIV line cross-sectional view of FIG.
  • the top view which shows the main surface of the semiconductor device of a 3rd modification same as the above XXVI-XXVI cross-sectional view of FIG. XXVII-XXVII line sectional view of FIG.
  • Sectional drawing which shows the semiconductor device which is not provided with the penetration electrode of the 4th modification similarly Sectional drawing which shows one direction of the silicon substrate of a 5th modification same as the above Sectional drawing which shows the other direction of the silicon substrate of a 5th modification same as the above
  • an endoscope apparatus including an imaging device 1 having an imaging module using a semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of an endoscope system according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration of an imaging unit
  • FIG. 3 is a plan view illustrating a main surface of a semiconductor device.
  • 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 3
  • FIG. 6 is a top view showing a silicon substrate on which a groove is formed
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 6
  • FIG. 9 is a top view showing a silicon substrate on which an oxide film is formed
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
  • FIG. 12 is a top view showing a silicon substrate on which a wiring portion and an insulating film are formed
  • FIG. 13 is a sectional view taken along line XIII-XIII in FIG. 12
  • FIG. 14 is a sectional view taken along line XIV-XIV in FIG. 15 is a cross-sectional view showing one direction of a silicon substrate whose back side is polished
  • FIG. 16 is a back side.
  • 17 is a sectional view showing the other direction of the polished silicon substrate
  • FIG. 17 is a sectional view showing one direction of the silicon substrate on which the silicon through electrode is formed
  • FIG. 18 shows the other direction of the silicon substrate on which the silicon through electrode is formed.
  • FIG. 19 is a bottom view showing a silicon substrate on which a wiring portion and an insulating film are formed
  • FIG. 20 is a sectional view taken along line XX-XX in FIG. 19
  • FIG. 21 is a sectional view taken along line XXI-XXI in FIG.
  • An endoscope apparatus (hereinafter abbreviated as “endoscope”) 101 as an endoscope system of the present embodiment can be introduced into a subject such as a human body and optically transmits a predetermined observation site in the subject. It has a configuration for imaging.
  • the subject into which the endoscope 101 is introduced is not limited to a human body, and may be another living body or an artificial object such as a machine or a building.
  • the endoscope 101 includes an insertion portion 102 introduced into the subject, an operation portion 103 located at the proximal end of the insertion portion 102, and a universal cord 104 extending from a side portion of the operation portion 103. It is mainly composed.
  • the insertion portion 102 includes a distal end portion 110 disposed at the distal end, a bendable bending portion 109 disposed on the proximal end side of the distal end portion 110, and an operation portion 103 disposed on the proximal end side of the bending portion 109.
  • a flexible tube portion 108 having flexibility is connected to the tip end side of the tube.
  • the endoscope 101 may have a form called a so-called rigid endoscope that does not include a flexible portion in the insertion portion 102.
  • An imaging device 1 having an imaging module 10 described later is provided at the distal end portion 110.
  • the operation unit 103 is provided with an angle operation knob 106 for operating the bending of the bending unit 109.
  • an endoscope connector 105 connected to the external device 120 is provided.
  • the external device 120 to which the endoscope connector 105 is connected is connected to an image display unit 121 such as a monitor via a cable.
  • the endoscope 101 includes an optical fiber bundle (not shown) that transmits illumination light from the universal cord 104, the operation unit 103, the composite cable 115 inserted into the insertion unit 102, and the light source unit provided in the external device 120. )have.
  • the composite cable 115 is configured to electrically connect the endoscope connector 105 and the imaging device 1. By connecting the endoscope connector 105 to the external device 120, the imaging device 1 is electrically connected to the external device 120 through the composite cable 115.
  • the power supply from the external device 120 to the imaging device 1 and the communication between the external device 120 and the imaging device 1 are performed via the composite cable 115.
  • the external device 120 is provided with an image processing unit 120a.
  • the image processing unit 120 a generates a video signal based on the image sensor output signal output from the imaging device 1 and outputs the video signal to the image display unit 121. That is, in the present embodiment, an optical image (endoscopic image) captured by the imaging device 1 is displayed on the image display unit 121 as a video.
  • the endoscope 101 is not limited to the configuration connected to the external device 120 or the image display unit 121, and may be configured to include a part or all of the image processing unit or the monitor, for example.
  • the optical fiber bundle is configured to transmit light emitted from the light source unit of the external device 120 to the illumination window as the illumination light emitting unit of the tip part 110.
  • the light source unit may be arranged on the operation unit 103 or the distal end portion 110 of the endoscope 101.
  • the configuration of the imaging module 10 provided in the imaging device 1 provided in the tip portion 110 will be described.
  • the object side direction (left side in each figure) from the imaging module 10 toward the subject may be referred to as the front end or the front, and the opposite image side direction may be referred to as the base end or the rear. .
  • the imaging apparatus 1 includes a CSP (Chip) in which a cover glass 12 is provided on the front side and an integrated circuit (IC chip) such as an image sensor chip and a driving circuit chip is stacked. Resin for reinforcement formed with an adhesive or the like so as to cover the plurality of wirings 16 of the composite cable 115 connected to the base end side of the imaging module 10 and extending rearward. Part 15.
  • CSP Chip
  • IC chip integrated circuit
  • Resin for reinforcement formed with an adhesive or the like so as to cover the plurality of wirings 16 of the composite cable 115 connected to the base end side of the imaging module 10 and extending rearward.
  • the image sensor chip of the imaging module 10 is provided with a light receiving unit 11 that receives light of a subject image having a photographing optical axis O on the front side.
  • the image sensor chip is an image sensor chip such as a CCD or CMOS, and the above-described cover glass 12 is disposed on the front surface portion where the light receiving unit 11 is provided.
  • the semiconductor device 20 of the present embodiment includes a silicon substrate 21 and an insulating film 22 made of silicon oxide formed on the front and back (one and the other main surfaces) of the silicon substrate 21. , 23, and the surrounding insulating layer 24, which is silicon oxide having a rectangular cross section here, formed in the thickness direction of the silicon substrate 21, and disposed so as to penetrate the silicon substrate 21 through the surrounding insulating layer 24 A through electrode portion 25 that is an electrode portion having a rectangular cross section, and wiring portions 26 and 27 disposed on the front and back surfaces of the silicon substrate 21 so as to be electrically connected to both ends of the through electrode portion 25;
  • the surface layer insulating films 28 and 29 are formed so as to cover the arrangement portions 26 and 27 and the insulating films 22 and 23.
  • the insulating film 22 and the surrounding insulating layer 24 are insulator layers formed of a silicon oxide film obtained by heating and thermally oxidizing the entire silicon substrate 21.
  • the surrounding insulating layer 24 includes four first insulating layers 31 formed by contacting the surfaces of insulating films formed at the time of thermal oxidation with L-shaped (dock leg) portions centered on the vertex of the rectangle, Four second insulating layers 32 that have been eroded and modified in the silicon substrate 21 during thermal oxidation at the central portion of each of the sides, and the four first insulating layers 31 and the second insulating layers 32 are It is formed inside the silicon substrate 21 along the height direction so as to be continuously connected and have a rectangular cross section.
  • the through electrode portion 25 is disposed in the region 30 surrounded by the surrounding insulating layer 24, and the wiring portions 26 and 27 and the surface insulating film 28, which are in electrical contact with the through electrode portion 25, 29 is formed on the insulating films 22 and 23 of the silicon substrate 21.
  • a groove 33 having an L-shaped cross section (dock leg) having a predetermined depth along the internal direction from one main surface that is the surface of the silicon substrate 21 by etching or the like. are formed.
  • the four groove portions 33 are formed so as to have a rectangular shape so as to surround the region 30 where the through electrode portion 25 is provided, and the four partition walls 34 are formed at the substantially central portions of the sides facing the end portions. Is done.
  • partition walls 34 have a width of 3 ⁇ m or less and are connected to the region 30 where the through electrode 25 is provided.
  • four grooves 33 having an L-shaped cross section (dock leg) are formed so as to form four partition walls 34, but at least one partition wall 34 may be formed.
  • the entire wafer-like silicon substrate 21 is thermally oxidized.
  • the silicon substrate 21 is heat-treated in an oxygen gas and hydrogen gas atmosphere (Wet oxidation atmosphere) at a predetermined time of approximately 1000 ° C.
  • the first insulating layer 31 bulging to fill the insulating film 22 of 1 to 2 ⁇ m and the four groove portions 33 is formed on the surface of the silicon substrate 21, and four partition walls are formed.
  • the entire portion 34 is modified by oxidation to become the second insulating layer 32, and the surrounding insulating layer 24 in which the first insulating layer 31 and the second insulating layer 32 become a continuous silicon oxide layer is formed.
  • a silicon oxide film 35 of 1 to 2 ⁇ m is also formed on the back surface of the silicon substrate 21.
  • the back side of the silicon substrate 21 is polished by chemical mechanical polishing (CMP), a back grinding process using a back grinding wheel, etc. until the surrounding insulating layer 24 is exposed.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the thickness of the silicon substrate 21 including the wiring portion 26 and the surface insulating film 28 is polished to a thickness of, for example, about several tens of ⁇ m to 100 ⁇ m. That is, in the silicon substrate 21, the groove 33 is formed to a predetermined depth of, for example, several tens of ⁇ m to 100 ⁇ m, and the surrounding insulating layer 24 as a silicon oxide film is exposed on the back side by polishing the silicon substrate 21.
  • the through electrode portion 25 which is a silicon through electrode (TSV) is formed of a metal such as copper so as to fill the hole.
  • an insulating film 23 is formed on the back surface of the silicon substrate 21 and, as shown in FIGS. After the pattern formation, the surface insulating film 29 is formed. Thus, the semiconductor device 20 is manufactured.
  • the semiconductor device 20 of the present embodiment configured as described above isolates the first insulating layer 31 as a silicon oxide film formed so as to fill a plurality of (here, four) trenches 33 and these four trenches.
  • the entire four partition walls 34 are modified by oxidation, and the second insulating layer 32 and the surrounding insulating layer 24 integrally formed in the thickness direction of the silicon substrate 21 are used to increase the thickness direction of the silicon substrate 21. As a result, the strength against the vertical force can be improved.
  • the semiconductor device 20 can prevent the region 30 surrounded by the surrounding insulating layer 24 from being broken in the thickness direction of the silicon substrate 21.
  • the semiconductor device 20 mounted on the imaging module 10 provided in the endoscope apparatus 101 has a configuration capable of further improving the strength in the vertical direction orthogonal to the main surface of the silicon substrate 21. be able to.
  • FIG. 22 is a plan view showing the main surface on the front surface side of the semiconductor device of the first modified example.
  • the semiconductor device 20 is the surrounding insulating layer 24 having a rectangular cross section because the oxidation rate has a crystal orientation due to the plane orientation of the silicon substrate 21.
  • the semiconductor device 20 is limited to this.
  • the surrounding insulating layer 24 may have a ring-shaped cross section.
  • the through electrode portion 25 has a rectangular cross section in the above-described embodiment, it may have any shape such as a circular cross section as shown in FIG.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of the semiconductor device of the second modification
  • FIG. 24 is a cross-sectional view taken along the line XXIV-XXIV of FIG.
  • the first insulating layer 31 of the surrounding insulating layer 24 may be filled with an insulating member 36 such as spin-on-glass (SOG) or insulating resin.
  • an insulating member 36 such as spin-on-glass (SOG) or insulating resin.
  • the insulating member 36 may be filled in the first insulating layer 31 of the surrounding insulating layer 24 using a gap between the silicon oxide films formed so as to fill the groove 33, or the first insulating layer 31 may be filled with the insulating member 36.
  • the gap formed by etching may be filled.
  • FIG. 25 is a plan view showing the main surface of the semiconductor device of the third modified example
  • FIG. 26 is a sectional view taken along line XXVI-XXVI in FIG. 25
  • FIG. 27 is a sectional view taken along line XXVII-XXVII in FIG.
  • the first insulating layer 31 of the surrounding insulating layer 24 is filled with a thermosetting conductive resin, or a metal is disposed by plating.
  • a thermosetting conductive resin or a metal is disposed by plating.
  • four conductive members 37 formed in this manner are electrically connected to the conductive member 37.
  • four wiring portions 38 and 39 on one side are provided. Is provided.
  • the conductive member 37 may be provided in the first insulating layer 31 of the surrounding insulating layer 24 using the gap between the silicon oxide films formed so as to fill the groove 33, as in the second modification.
  • the first insulating layer 31 may be provided in a gap formed by etching.
  • the semiconductor device 20 can use the wiring portions 38 and 39 provided separately from the wiring portions 26 and 27 as various electrodes such as a shield electrode.
  • FIG. 28 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device that does not include the through electrode according to the fourth modification.
  • the semiconductor device 20 uses a low-resistance silicon for the silicon substrate 21, thereby forming a hole in a region 30 surrounded by the surrounding insulating layer 24 as shown in FIG. It is not necessary to form the through electrode portion 25 which is a silicon through electrode (TSV) by using a metal such as. That is, the low-resistance silicon region 30 surrounded by the surrounding insulating layer 24 constitutes the electrode portion here.
  • TSV silicon through electrode
  • the semiconductor device 20 can omit the step of forming the through electrode portion 25.
  • the components and manufacturing process of the semiconductor device 20 are the same as those in the above-described embodiment.
  • FIG. 29 is a cross-sectional view showing one direction of the silicon substrate of the fifth modified example
  • FIG. 30 is a cross-sectional view showing the other direction of the silicon substrate of the fifth modified example.
  • the semiconductor device 20 has a groove 33 as a through-hole having an L-shaped cross section (dock leg) from one main surface that is the surface of the silicon substrate 21 to the other main surface that is the back surface along the internal direction by etching or the like.
  • the back surface side of the silicon substrate 21 may be formed by chemical mechanical polishing (CMP), and polishing by a back grinding process using a back grinding wheel or the like.
  • the semiconductor device 20 can omit the polishing step and form the through electrode portion 25 that is a silicon through electrode (TSV).
  • TSV silicon through electrode
  • the described requirements can be deleted if the stated problem can be solved and the stated effect can be obtained.
  • the configuration can be extracted as an invention.

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Abstract

半導体デバイス２０は、シリコン基板２１と、シリコン基板２１の厚さ方向に配設された電極部２５と、シリコン基板２１に形成された複数の溝部３３を埋めるようにシリコン酸化膜によって構成された第１絶縁層３１と、複数の溝部３３を離隔する隔壁部３４が熱酸化によって侵食形成されて改質されたシリコン酸化層によって構成された第２絶縁層３２と、が電極部２５を囲むように一体的に形成された環囲絶縁層２４と、を備えている。

Description

半導体デバイス、撮像モジュールおよび内視鏡装置
　本発明は、例えば、撮像モジュールに用いられる半導体デバイスであって、撮像モジュールおよび撮像モジュールを備えた内視鏡装置に関する。
　生体の体内や構造物の内部などの観察が困難な箇所を観察するために、生体や構造物の外部から内部に導入可能であって、光学像を撮像するための撮像モジュールなどを具備した電子内視鏡が、例えば医療分野または工業分野において利用されている。
　電子内視鏡の撮像ユニットは、被写体像を結像する対物レンズと、対物レンズの結像面に配設されたイメージセンサを具備している。このようなイメージセンサには、半導体デバイスが搭載されている。
　例えば、日本国特許文献２０１２－２５６７８５号公報には、絶縁分離部に埋め込まれる絶縁膜を第１の絶縁膜と第２の絶縁膜の少なくとも２段の積層構造とすることで、第１の絶縁膜の接合面と第２の絶縁膜の接合面とが第２の絶縁膜の底面の接合面のない領域で分断され、機械的強度が増加し、絶縁分離部の内側領域の孤立を阻止することができる半導体装置が開示されている。
　しかしながら、日本国特許文献２０１２－２５６７８５号公報に記載の半導体装置では、補強に使用される絶縁膜の底面は数μｍ程度の薄い膜であり、基板の主面に対して直交する垂直な方向の力に対する強度としては不十分であるという課題があった。
　そこで、本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、基板の主面に対して直交する垂直方向に対して更なる強度を向上させた半導体デバイス、撮像モジュールおよび内視鏡装置を提供することである。
　本発明の一態様の半導体デバイスは、シリコン基板と、前記シリコン基板の厚さ方向に配設された電極部と、前記シリコン基板に形成された複数の溝部を埋めるようにシリコン酸化膜によって構成された第１絶縁層と、前記複数の溝部を離隔する隔壁部が熱酸化によって侵食形成されて改質されたシリコン酸化層によって構成された第２絶縁層と、が前記電極部を囲むように一体的に形成された環囲絶縁層と、を備えている。
　本発明の一態様の撮像モジュールは、シリコン基板と、前記シリコン基板の厚さ方向に配設された電極部と、前記シリコン基板に形成された複数の溝部を埋めるようにシリコン酸化膜によって構成された第１絶縁層と、前記複数の溝部を離隔する隔壁部が熱酸化によって侵食形成されて改質されたシリコン酸化層によって構成された第２絶縁層と、が前記電極部を囲むように一体的に形成された環囲絶縁層と、を備えた半導体デバイスを具備する。
　本発明の一態様の内視鏡装置は、シリコン基板と、前記シリコン基板の厚さ方向に配設された電極部と、前記シリコン基板に形成された複数の溝部を埋めるようにシリコン酸化膜によって構成された第１絶縁層と、前記複数の溝部を離隔する隔壁部が熱酸化によって侵食形成されて改質されたシリコン酸化層によって構成された第２絶縁層と、が前記電極部を囲むように一体的に形成された環囲絶縁層と、を備えた半導体デバイスを具備する撮像モジュールを備えている。
　以上に記載の本発明によれば、ウエハ面の垂直方向に対して更なる強度を向上させた半導体デバイス、撮像モジュールおよび内視鏡装置を実現可能である。
本発明の一態様に係る内視鏡システムの構成を示す斜視図 同、撮像ユニットの構成を示す斜視図 同、半導体デバイスの主面を示す平面図 同、図３のＩＶ－ＩＶ線断面図 同、図３のＶ－Ｖ線断面図 同、溝部が形成されたシリコン基板を示す上面図 同、図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線断面図 同、図６のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線断面図 同、酸化膜形成されたシリコン基板を示す上面図 同、図９のＸ－Ｘ線断面図 同、図９のＸＩ－ＸＩ線断面図 同、配線部および絶縁膜が形成されたシリコン基板を示す上面図 同、図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線断面図 同、図１２のＸＩＶ－ＸＩＶ線断面図 同、裏面側が研磨されたシリコン基板の一方向を示す断面図 同、裏面側が研磨されたシリコン基板の他方向を示す断面図 同、シリコン貫通電極が形成されたシリコン基板の一方向を示す断面図 同、シリコン貫通電極が形成されたシリコン基板の他方向を示す断面図 同、配線部および絶縁膜が形成されたシリコン基板を示す下面図 同、図１９のＸＸ－ＸＸ線断面図 同、図１９のＸＸＩ－ＸＸＩ線断面図 同、第１の変形例の半導体デバイスの表面側の主面を示す平面図 同、第２の変形例の半導体デバイスの断面図 同、図２３のＸＸＩＶ－ＸＸＩＶ線断面図 同、第３の変形例の半導体デバイスの主面を示す平面図 同、図２５のＸＸＶI－ＸＸＶI線断面図 同、図２６のＸＸＶＩＩ－ＸＸＶＩＩ線断面図 同、第４の変形例の貫通電極を備えていない半導体デバイスを示す断面図 同、第５の変形例のシリコン基板の一方向を示す断面図 同、第５の変形例のシリコン基板の他方向を示す断面図
　以下に、本発明の好ましい形態について図面を参照して説明する。　
　なお、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、構成要素毎に縮尺を異ならせてあるものであり、本発明は、これらの図に記載された構成要素の数量、構成要素の形状、構成要素の大きさの比率、および各構成要素の相対的な位置関係のみに限定されるものではない。また、以下の説明においては、図の紙面に向かって見た上下方向を構成要素の上部および下部として説明している場合がある。
　先ず、本発明の一態様の半導体デバイスを用いた撮像モジュールを有する撮像装置１を具備する内視鏡装置について、図面に基づいて、以下に説明する。
　なお、図１は、本発明の一態様に係る内視鏡システムの構成を示す斜視図、図２は撮像ユニットの構成を示す斜視図、図３は半導体デバイスの主面を示す平面図、図４は図３のＩＶ－ＩＶ線断面図、図５は図３のＶ－Ｖ線断面図、図６は溝部が形成されたシリコン基板を示す上面図、図７は図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線断面図、図８は図６のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線断面図、図９は酸化膜形成されたシリコン基板を示す上面図、図１０は図９のＸ－Ｘ線断面図、図１１は図９のＸＩ－ＸＩ線断面図、図１２は配線部および絶縁膜が形成されたシリコン基板を示す上面図、図１３は図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線断面図、図１４は図１２のＸＩＶ－ＸＩＶ線断面図、図１５は裏面側が研磨されたシリコン基板の一方向を示す断面図、図１６は裏面側が研磨されたシリコン基板の他方向を示す断面図、図１７はシリコン貫通電極が形成されたシリコン基板の一方向を示す断面図、図１８はシリコン貫通電極が形成されたシリコン基板の他方向を示す断面図、図１９は配線部および絶縁膜が形成されたシリコン基板を示す下面図、図２０は図１９のＸＸ－ＸＸ線断面図、図２１は図１９のＸＸＩ－ＸＸＩ線断面図である。
　先ず、図１を参照して、本発明に係る半導体素子接合構造を用いた撮像モジュールを有する撮像装置１を具備する内視鏡装置の構成の一例を説明する。
　本実施形態の内視鏡システムとしての内視鏡装置（以下、内視鏡と略記）１０１は、人体などの被検体内に導入可能であって被検体内の所定の観察部位を光学的に撮像する構成を有している。
　なお、内視鏡１０１が導入される被検体は、人体に限らず、他の生体であっても良いし、機械、建造物などの人工物であっても良い。
　内視鏡１０１は、被検体の内部に導入される挿入部１０２と、この挿入部１０２の基端に位置する操作部１０３と、この操作部１０３の側部から延出するユニバーサルコード１０４とで主に構成されている。
　挿入部１０２は、先端に配設される先端部１１０、この先端部１１０の基端側に配設される湾曲自在な湾曲部１０９およびこの湾曲部１０９の基端側に配設され操作部１０３の先端側に接続される可撓性を有する可撓管部１０８が連設されて構成されている。
　なお、内視鏡１０１は、挿入部１０２に可撓性を有する部位を具備しない、所謂硬性鏡と称される形態のものであってもよい。
　先端部１１０には、後述の撮像モジュール１０を有する撮像装置１が設けられている。また、操作部１０３には、湾曲部１０９の湾曲を操作するためのアングル操作ノブ１０６が設けられている。
　ユニバーサルコード１０４の基端部には、外部装置１２０に接続される内視鏡コネクタ１０５が設けられている。内視鏡コネクタ１０５が接続される外部装置１２０は、モニタなどの画像表示部１２１にケーブルを介して接続されている。
　また、内視鏡１０１は、ユニバーサルコード１０４、操作部１０３および挿入部１０２内に挿通された複合ケーブル１１５および外部装置１２０に設けられた光源部からの照明光を伝送する光ファイバ束（不図示）を有している。
　複合ケーブル１１５は、内視鏡コネクタ１０５と撮像装置１とを電気的に接続するように構成されている。内視鏡コネクタ１０５が外部装置１２０に接続されることによって、撮像装置１は、複合ケーブル１１５を介して外部装置１２０に電気的に接続される。
　この複合ケーブル１１５を介して、外部装置１２０から撮像装置１への電力の供給および外部装置１２０と撮像装置１との間の通信が行われる。
　外部装置１２０には、画像処理部１２０ａが設けられている。この画像処理部１２０ａは、撮像装置１から出力された撮像素子出力信号に基づいて映像信号を生成し、画像表示部１２１に出力する。即ち、本実施形態では、撮像装置１により撮像された光学像（内視鏡像）が、映像として画像表示部１２１に表示される。
　なお、内視鏡１０１は、外部装置１２０または画像表示部１２１に接続する構成に限定されず、例えば、画像処理部またはモニタの一部または全部を有する構成であっても良い。
　また、光ファイバ束は、外部装置１２０の光源部から発せられた光を、先端部１１０の照明光出射部としての照明窓まで伝送するように構成されている。さらに、光源部は、内視鏡１０１の操作部１０３または先端部１１０に配設される構成であってもよい。
　次に、先端部１１０に設けられる撮像装置１に設けられる撮像モジュール１０の構成を説明する。なお、以下の説明においては、撮像モジュール１０から被写体へ向かう物体側の方向（各図において左方）を先端または前方と称し、その反対の像側の方向を基端または後方と称する場合がある。
　図２に示すように、本実施の形態の撮像装置１は、前方側にカバーガラス１２が設けられ、イメージセンサチップ、駆動用回路チップなどの集積回路（ＩＣチップ）が積層されたＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋｅｇｅ）の撮像モジュール１０を備え、この撮像モジュール１０の基端側に接続されて、後方に延出する複合ケーブル１１５の複数の配線１６を覆うように接着剤などによって形成された補強用樹脂部１５を有している。
　なお、撮像モジュール１０のイメージセンサチップには、前面側に撮影光軸Ｏを有する被写体像の光を受光する受光部１１が配設されている。このイメージセンサチップは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの撮像素子チップであって、受光部１１が設けられた先面部に上述のカバーガラス１２が配設されている。
　次に、撮像モジュール１０に設けられるイメージセンサチップ、駆動用回路チップなどの集積回路（ＩＣチップ）に用いられる半導体デバイス２０の構造について、以下に詳しく説明する。
　図３から図５に示すように、本実施の形態の半導体デバイス２０は、シリコン基板２１と、このシリコン基板２１の表裏（一方と他方の主面）に形成された酸化シリコンである絶縁膜２２，２３と、シリコン基板２１の厚さ方向に形成された、ここでは断面矩形状の酸化シリコンである環囲絶縁層２４と、この環囲絶縁層２４にシリコン基板２１を貫通するように配設された断面矩形状の電極部である貫通電極部２５と、シリコン基板２１の表裏面に、貫通電極部２５の両端と電気的に接続されるように配設された配線部２６，２７と、これら配設部２６，２７および絶縁膜２２，２３を覆うように形成された表層絶縁膜２８，２９と、を有して構成されている。
　絶縁膜２２および環囲絶縁層２４は、シリコン基板２１全体を加熱して熱酸化させたシリコン酸化膜によって形成された絶縁体層となっている。
　環囲絶縁層２４は、矩形の頂点を中心としたＬ字（ドックレッグ）状部分に熱酸化時に形成される絶縁膜の表面同士が接して形成された４つの第１絶縁層３１と、矩形の辺の中央部分に熱酸化時にシリコン基板２１内に侵食形成されて改質された４つの第２絶縁層３２と、を有し、これら４つの第１絶縁層３１および第２絶縁層３２が連続的に繋がって断面矩形状となるようにシリコン基板２１の高さ方向に沿った内部に形成されている。
　そして、半導体デバイス２０は、環囲絶縁層２４に囲まれた領域３０に貫通電極部２５が配設され、この貫通電極部２５に電気的に接触する配線部２６，２７および表層絶縁膜２８，２９がシリコン基板２１の絶縁膜２２，２３上に形成されている。
　ここで、半導体デバイス２０の製造方法について、以下に詳しく説明する。　
　先ず、図６から図８に示すように、エッチングなどによって、シリコン基板２１の表面である一方の主面から内部方向に沿って所定の深さを有する断面Ｌ字（ドックレッグ）状の溝部３３が４つ形成される。
　なお、４つの溝部３３は、貫通電極部２５が設けられる領域３０を囲むようにして、それぞれによって矩形状となるように形成され、端部が対向する辺の略中央部分に４つの隔壁部３４が形成される。
　これら４つの隔壁部３４は、３μｍ以下の幅を有して、貫通電極部２５が設けられる領域３０と繋がっている。なお、ここでは隔壁部３４を４つ形成するように、断面Ｌ字（ドックレッグ）状の溝部３３を４つ形成したが、隔壁部３４は少なくとも１つ形成されていればよい。
　次に、ウエハ状のシリコン基板２１全体を熱酸化する。このとき、シリコン基板２１を酸素ガスおよび水素ガスの雰囲気（Ｗｅｔ酸化雰囲気）中でおよそ１０００℃の所定の時間で熱処理を行う。
　これにより、図９から図１１に示すように、シリコン基板２１の表面に１～２μｍの絶縁膜２２および４つの溝部３３を埋めるように膨出した第１絶縁層３１が形成され、４つの隔壁部３４全体が酸化により改質されて第２絶縁層３２となって、第１絶縁層３１と第２絶縁層３２が連続的なシリコン酸化層となった環囲絶縁層２４が形成される。なお、シリコン基板２１の裏面にも１～２μｍの酸化シリコン膜３５が形成される。
　次に、図１２から図１４に示すように、シリコン基板２１の表面側の一方の主面にＲＩＥなどによって、環囲絶縁層２４によって囲まれた貫通電極部２５が設けられる領域３０上の絶縁膜２２の一部をエッチングし、その上に配線部２６をパターン形成した後、表層絶縁膜２８の形成が行われる。なお、このとき、ウエハ状のシリコン基板２１から半導体デバイス２０の素子形成工程も行われる。
　次に、図１５および図１６に示すように、シリコン基板２１の裏面側が化学的機械研磨（ＣＭＰ）、バックグラインディングホイールなどによるバックグラインド工程によって環囲絶縁層２４が露出するまで研磨される。
　ここでは、配線部２６および表層絶縁膜２８を含めたシリコン基板２１厚さが、例えば、数１０μｍ～１００μｍ程度の厚みに研磨される。即ち、シリコン基板２１において、溝部３３が例えば、数１０μｍ～１００μｍ以上の所定の深さに形成されてシリコン酸化膜としての環囲絶縁層２４がシリコン基板２１の研磨により裏面側で露出する。
　次に、シリコン基板２１の裏面側からエッチングにより環囲絶縁層２４によって囲まれた領域３０にシリコン基板２１を貫通するようにエッチングなどによって穴部が形成され、図１７および図１８に示すように、穴部を埋め込むように銅などの金属によってシリコン貫通電極（ＴＳＶ）である貫通電極部２５が形成される。
　そして、シリコン基板２１の裏面に絶縁膜２３が形成され、図１９から図２１に示すように、貫通電極部２５が設けられた領域３０上の絶縁膜２３の一部をエッチングして配線部２６をパターン形成した後、表層絶縁膜２９の形成が行われる。こうして、半導体デバイス２０が製造される。
　以上のように構成された本実施の形態の半導体デバイス２０は、複数、ここでは４つの溝部３３を埋めるように形成されたシリコン酸化膜としての第１絶縁層３１と、これら４つの溝部を隔離する４つの隔壁部３４全体が酸化により改質されて第２絶縁層３２と、によってシリコン基板２１の厚さ方向に一体的に形成された環囲絶縁層２４によって、シリコン基板２１の厚さ方向としての垂直方向の力に対する強度を向上させることができる。
　これにより、半導体デバイス２０は、環囲絶縁層２４に囲まれた領域３０がシリコン基板２１の厚さ方向にずれる破壊が発生することを防止することができる。
　したがって、内視鏡装置１０１に設けられる撮像モジュール１０に搭載される半導体デバイス２０は、シリコン基板２１の主面に対して直交する垂直方向に対して更なる強度を向上させることができる構成とすることができる。
（第１の変形例）
　図２２は、第１の変形例の半導体デバイスの表面側の主面を示す平面図である。　
　半導体デバイス２０は、上述の実施の形態では、シリコン基板２１の面方位の関係で酸化レートに結晶方位性があるため、断面矩形状の環囲絶縁層２４としたが、これに限定されることなく、図２２に示すように、断面輪状の環囲絶縁層２４としてもよい。また、貫通電極部２５は、上述の実施の形態では断面矩形状としたが、図２２に示すような断面円形など如何なる形状としてもよい。
（第２の変形例）
　図２３は、第２の変形例の半導体デバイスの断面図、図２４は図２３のＸＸＩＶ－ＸＸＩＶ線断面図である。
　図２３および図２４に示すように、半導体デバイス２０は、環囲絶縁層２４の第１絶縁層３１にスピンオングラス（ＳＯＧ）、絶縁性樹脂などの絶縁部材３６が充填されていてもよい。
　なお、絶縁部材３６は、溝部３３を埋めるように形成されるシリコン酸化膜の隙間を利用して環囲絶縁層２４の第１絶縁層３１に充填されてもよいし、第１絶縁層３１をエッチングにより形成した隙間に充填されてもよい。
（第３の変形例）
　図２５は、第３の変形例の半導体デバイスの主面を示す平面図、図２６は図２５のＸＸＶI－ＸＸＶI線断面図、図２７は図２６のＸＸＶＩＩ－ＸＸＶＩＩ線断面図である。
　図２５から図２７に示すように、本変形例の半導体デバイス２０は、環囲絶縁層２４の第１絶縁層３１に熱硬化する導電性樹脂を充填したり、メッキにより金属を配設したりしてなる導電部材３７を４つ設けて、貫通電極部２５に接続される配線部２６，２７の他に、導電部材３７に電気的に接続される、ここでは片面４つの配線部３８，３９が設けられている。
　なお、導電部材３７は、第２の変形例と同様に、溝部３３を埋めるように形成されるシリコン酸化膜の隙間を利用して環囲絶縁層２４の第１絶縁層３１に設けられてもよいし、第１絶縁層３１をエッチングにより形成した隙間に設けられてもよい。
　このような構成とすることで、半導体デバイス２０は、配線部２６，２７とは別に設けられた配線部３８，３９をシールド電極などの多様な電極として使用することができる。
（第４の変形例）
　図２８は、第４の変形例の貫通電極を備えていない半導体デバイスを示す断面図である。
　半導体デバイス２０は、シリコン基板２１に低抵抗シリコンを用いることで、図２８に示すように、環囲絶縁層２４によって囲まれた領域３０に穴部を形成して、穴部を埋め込むように銅などの金属によってシリコン貫通電極（ＴＳＶ）である貫通電極部２５を形成する必要がなくなる。即ち、環囲絶縁層２４によって囲まれた低抵抗シリコンの領域３０がここでの電極部を構成している。
　これにより、半導体デバイス２０は、貫通電極部２５を形成する工程を省くことができる。なお、その他、半導体デバイス２０の構成要素および製造工程は、上述した実施の形態と同じである。
　また、本変形例の構成は、上述の第１の変形例から第３の変形例の構成と組み合わせることができる。
（第５の変形例）
　図２９は、第５の変形例のシリコン基板の一方向を示す断面図、図３０は第５の変形例のシリコン基板の他方向を示す断面図である。
　半導体デバイス２０は、エッチングなどによって、シリコン基板２１の表面である一方の主面から内部方向に沿って裏面である他方の主面まで断面Ｌ字（ドックレッグ）状の貫通孔部としての溝部３３を４つ形成して、シリコン基板２１の裏面側を化学的機械研磨（ＣＭＰ）、バックグラインディングホイールなどによるバックグラインド工程による研磨を行わない構成としてもよい。
　これにより、半導体デバイス２０は、研磨工程を省いてシリコン貫通電極（ＴＳＶ）である貫通電極部２５を形成することができる。なお、その他、半導体デバイス２０の構成要素および製造工程は、上述した実施の形態と同じである。
　また、本変形例の構成は、上述の第１の変形例から第４の変形例の構成と組み合わせることができる。
　なお、上述の実施の形態および各変形例に記載の半導体デバイス２０は、環囲絶縁層２４を最終形態において直接特定することが困難であり、製造過程を記載して、その構造を特定しなければならない事情を有している。
　以上に記載した実施の形態および各変形例は、それぞれの構成を組み合わせてもよい。即ち、上述の実施の形態に記載した発明は、その実施の形態および変形例に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得るものである。
　例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、述べられている課題が解決でき、述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得るものである。

Claims (7)

  1. 　シリコン基板と、
    　前記シリコン基板の厚さ方向に配設された電極部と、
    　前記シリコン基板に形成された複数の溝部を埋めるようにシリコン酸化膜によって構成された第１絶縁層と、前記複数の溝部を離隔する隔壁部が熱酸化によって侵食形成されて改質されたシリコン酸化層によって構成された第２絶縁層と、が前記電極部を囲むように一体的に形成された環囲絶縁層と、
    　を備えていることを特徴とする半導体デバイス。
  2. 　前記第１の絶縁層に形成された隙間に絶縁部材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
  3. 　前記第１の絶縁層に形成された隙間に導電部材が配設され、
    　前記導電部材が前記電極部と異なる貫通電極部を構成していることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
  4. 　前記電極部がシリコン貫通電極により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  5. 　前記シリコン基板が低抵抗シリコンによって形成され、
    　前記環囲絶縁層によって囲まれた領域が前記電極部を構成していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体デバイスを具備することを特徴とする撮像モジュール。
  7. 　請求項６に記載の撮像モジュールを備えたことを特徴とする内視鏡装置。
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