JP2012059881A - 撮像素子、撮像モジュール及び撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を向上した撮像素子、撮像モジュール及び撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態の撮像素子は、基板と、光検出部と、回路部と、貫通配線と、を備える。基板は、凹部及び貫通孔を有する。凹部は基板の第１主面に設けられる。凹部は、第１主面とは反対の第２主面の方向に後退して設けられる。貫通孔は第１主面と第２主面とに連通し第１主面から第２主面に向かう第１方向に延在する。光検出部は、凹部の上で基板と離間して設けられる。回路部は、光検出部と導通し、第１主面の上に設けられる。
貫通配線は、回路部と導通し貫通孔の内部に設けられる。凹部は、第１主面に対して傾斜する第１傾斜面を有する。貫通孔は、第１傾斜面に平行な第２傾斜面を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、撮像素子、撮像モジュール及び撮像素子の製造方法に関する。

撮像素子は、外部から入射した光を電気信号に変換するデバイスである。撮像素子のうち、赤外線を集光して輻射エネルギーを電気信号に変換する赤外線センサでは、光電変換部を、蓋や基板等の赤外線を吸収する周辺部材から離して配置する構造が採用されている。光電変換部と周辺部材とを離間して外部の熱の影響を受けにくくするには、光電変換部の周囲に空間を設け、空間内を真空にする構造が考えられる。このような撮像素子においては、さらなる生産性の向上が求められている。

特開２００５−２３６１５９号公報

本発明の実施形態は、生産性を向上した撮像素子、撮像モジュール及び撮像素子の製造方法を提供する。

本実施形態に係る撮像素子は、基板と、光検出部と、回路部と、貫通配線と、を備える。
基板は、凹部及び貫通孔を有する。
凹部は基板の第１主面に設けられる。凹部は第１主面とは反対の第２主面の方向に後退して設けられる。貫通孔は第１主面と第２主面とに連通し第１主面から第２主面に向かう第１方向に延在する。
光検出部は、凹部の上で基板と離間して設けられる。
回路部は、光検出部と導通し、第１主面の上に設けられる。
貫通配線は、回路部と導通し貫通孔の内部に設けられる。
凹部は、第１主面に対して傾斜する第１傾斜面を有する。
貫通孔は、第１傾斜面に平行な第２傾斜面を有する。

また、他の実施形態に係る撮像素子モジュールは、撮像素子と、レンズと、を備える。撮像素子は、基板と、光検出部と、回路部と、貫通配線と、蓋と、を備える。
基板は、凹部及び貫通孔を有する。
凹部は基板の第１主面に設けられる。凹部は第１主面とは反対の第２主面の方向に後退して設けられる。貫通孔は第１主面と第２主面とに連通し第１主面から第２主面に向かう第１方向に延在する。
光検出部は、凹部の上で基板と離間して設けられる。
回路部は、光検出部と導通し、第１主面の上に設けられる。
貫通配線は、回路部と導通し貫通孔の内部に設けられる。
蓋は、光検出部の基板とは反対側で光検出部と離間して設けられる。
凹部は、第１主面に対して傾斜する第１傾斜面を有する。
貫通孔は、第１傾斜面に平行な第２傾斜面を有する。
レンズは、撮像素子の蓋の上に設けられる。

また、他の実施形態に係る撮像素子の製造方法は、基板の第１主面の上に光検出部と、光検出部と導通する回路部と、を形成する工程と、基板と光検出部との間において前記基板に凹部を形成しつつ、第１主面と直交する方向に沿って基板を貫通する貫通孔の少なくとも一部を形成するためのエッチングを行う工程と、回路部と導通する貫通配線を前記貫通孔の内部に形成する工程と、を備える。

第１の実施形態の撮像素子を示す模式的断面図である。 撮像素子の一部を拡大した模式的断面図である。 光検出部を示す模式的平面図である。 第２の実施形態の製造方法を示す模式的断面図である。 第２の実施形態の製造方法を示す模式的断面図である。 第２の実施形態の製造方法を示す模式的断面図である。 第２の実施形態の製造方法を示す模式的断面図である。 エッチング深さを示す模式図である。 第３の実施形態の撮像モジュールを示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態は、撮像素子の一例である。
図１は、第１の実施形態に係る撮像素子の構成を例示する模式的断面図である。
図２は、図１のＡ部を拡大した模式的断面図である。
図３は、光検出部を例示する模式的平面図である。
第１の実施形態に係る撮像素子１１０は、基板１０と、光検出部２０と、回路部３０と、貫通配線４０と、を備える。

基板１０は、凹部１０１と、貫通孔１０２と、を有する。
基板１０は、第１主面１０ａと、基板１０の第１主面１０ａとは反対側の第２主面１０ｂと、を有する。
ここで、説明の便宜上、第２主面１０ｂから第１主面１０ａに向かう軸の方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向と直交する方向の一つをＸ軸方向、Ｚ軸方向及びＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向ということにする。また、基板１０の第１主面１０ａの側を上側または表面側、基板１０の第２主面１０ｂの側を下側または裏面側ということにする。

凹部１０１は、基板１０の第１主面１０ａに設けられる。凹部１０１は、第１主面１０ａからＺ軸方向に沿って後退した凹型に設けられる。
図２に表したように、凹部１０１の断面形状は、第１主面１０ａの延長線を底辺とした三角形（逆三角形）になっている。すなわち、凹部１０１の開口の第１主面１０ａに沿った方向の幅は、第１主面１０ａから第２主面１０ｂに向かうに従い小さくなる。
凹部１０１は、第１主面１０ａに対して第１の角度θ１で傾斜する第１傾斜面１０１ａを含む。
なお、図１では、図面の縮尺の関係から凹部１０１の断面形状を台形で示している。ただし、後述する基板１０のエッチングの進行度合いによって、凹部１０１の断面形状は三角形以外になる場合もある。

貫通孔１０２は、基板１０をＺ軸方向に貫通する。すなわち、貫通孔１０２は、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとに連通し、Ｚ方向に延在する。貫通孔１０２の開口の第２主面１０ｂに沿った方向の幅は、第２主面１０ｂから第１主面１０ａに向かうに従い小さくなる。貫通孔１０２は、内壁面である第２傾斜面１０２ａを含む。
貫通孔１０２の第２傾斜面１０２ａは、凹部１０１の第１傾斜面１０１ａと平行になっている。すなわち、第２傾斜面１０２ａの第１主面１０ａに対する第２の角度θ２は、第１の角度θ１と等しい。
貫通孔１０２の最大の開口サイズは、凹部１０１の最大の開口サイズよりも大きい。

光検出部２０は、凹部１０１の上で基板１０と離間して設けられている。これにより、光検出部２０の下側の凹部１０１の内部には、第１空間部ＳＰ１が設けられる。
光検出部２０は、検出光を光量に応じて電気信号に変換する機能を有する。光検出部２０は、例えば赤外線光を電気信号に変換する。

回路部３０は、第１主面１０ａの上に設けられている。回路部３０は、光検出部２０と導通する。回路部３０は、例えば後述する支持脚２０７内に設けられた配線２０７ａを介して光検出部２０と導通している。回路部３０は、光検出部２０と同一の層及び同一の材料で形成されていても、別の層及び別の材料で形成されていてもよい。回路部３０には、トランジスタ等の能動素子、抵抗等の受動素子及び配線（導線）の少なくともいずれかが含まれる。回路部３０は、例えば光検出部２０へ電圧を供給する機能、複数の光検出部２０のうちいずれかを選択する機能及び光検出部２０から出力された電気信号を処理する機能等の少なくともいずれかを有する。

貫通配線４０は、回路部３０と導通し、貫通孔１０２の内部に設けられている。
貫通配線４０は、例えば回路部３０の配線層に沿って設けられた層間配線部３５と導通している。層間配線部３５は、回路部３０の配線層に沿って貫通孔１０２の上方に配置されている。貫通孔１０２と層間配線部３５との間には連通孔１０４が設けられている。層間配線部３５の一部は、連通孔１０４によって露出する。貫通配線４０は、この層間配線部３５の露出した部分で層間配線部３５と接続されている。
貫通配線４０は、層間配線部３５と接続された部分から、例えば連通孔１０４の内壁及び貫通孔１０２の内壁に沿って第２主面１０ｂの方向へ向かって敷設される。

本実施形態に係る撮像素子１１０では、凹部１０１の第１傾斜面１０１ａが基板１０の異方性エッチングによって露出する面を含んでいる。同様に、貫通孔１０２の第２傾斜面１０２ａも、基板１０の異方性エッチングによって露出する面を含んでいる。

例えば、基板１０がシリコンを含む場合、第１主面１０ａはシリコン（単結晶シリコン）の｛１００｝面になっている。すなわち、第１主面１０ａは、（１００）面、（０１０）面及び（００１）面のいずれかの面である。

第１傾斜面１０１ａ及び第２傾斜面１０２ａは、シリコンの異方性エッチングによって露出する面方位の｛１１１｝面になる。これにより、第１の角度θ１及び第２の角度θ２は約５５°（例えば、５５°、５４．７°、５４．７４°）になる。なお、基板１０のエッチング条件によっては、第１傾斜面１０１ａ及び第２傾斜面１０２ａの一部に面方位｛１１１｝以外の面が含まれている場合もある。

撮像素子１１０は、さらに蓋５０を備えている。蓋５０は、基板１０の上側で光検出部２０と離間して設けられる。蓋５０は、回路部３０に取り付けられている。回路部３０は、突出部２１０を含んでいても良い。突出部２１０は、複数の光検出部２０の間に設けられ、基板１０から上側に突出している。回路部３０のＺ軸方向に沿った厚さは、光検出部２０のＺ軸方向に沿った厚さよりも厚い。蓋５０を回路部３０に取り付けると、蓋５０と光検出部２０との間に第２空間部ＳＰ２が設けられる。

図１に例示した撮像素子１１０では、光検出部２０は下側の第１空間部ＳＰ１と上側の第２空間部ＳＰ２との間に配置される。第１空間部ＳＰ１の内部の圧力及び第２空間部ＳＰ２の内部の圧力は、例えば大気圧よりも低くなっている。

撮像素子１１０は、さらに基板１０の裏面側に設けられたバンプ電極６０を備える。バンプ電極６０は、第２主面１０ｂから離れる方向に突出している。すなわち、バンプ電極６０は、基板１０の裏面において下側に突出している。バンプ電極６０は、貫通配線４０と導通している。図１に例示した撮像素子１１０では、基板１０の裏面側に貫通配線４０と導通する裏面配線４１が設けられている。バンプ電極６０は、例えば裏面配線４１に接続されている。

基板１０の裏面側には、バンプ電極６０以外の部分を覆う保護膜７０が設けられている。保護膜７０は、例えばソルダーレジストである。

次に、撮像素子１１０の具体的な一例について説明する。
撮像素子１１０には、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が用いられている。また、基板１０には、例えばシリコン基板が用いられる。図２に表したように、基板１０の第１主面１０ａの上には、例えば埋め込み酸化膜２０１が設けられている。埋め込み酸化膜２０１の上には、半導体層２０２が設けられる。半導体層２０２は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）による素子分離絶縁膜２０３によって分離されている。素子分離絶縁膜２０３は、Ｘ−Ｙ平面において半導体層２０２を複数の領域に分けている。この半導体層２０２に、例えばｐｎ接合ダイオードによる光電変換部２０２ａが設けられている。

素子分離絶縁膜２０３の上には層間絶縁膜２０４が設けられる。層間絶縁膜２０４は例えば酸化シリコンによる多層膜になっている。光検出部２０の周囲において、光検出部２０よりも層間絶縁膜２０４のＺ軸方向に沿った厚さの厚い部分が突出部２１０になる。

層間絶縁膜２０４の多層膜間には、配線層２０５が設けられている。配線層２０５には配線２０５ａが埋め込まれている。配線２０５ａは、光電変換部２０２ａである例えばＰＮ接合ダイオードのアノード及びカソードに接続されている。配線層２０５は、突出部２１０及び後述する支持脚２０７にも設けられている。

光検出部２０と、突出部２１０と、の間には、支持脚２０７が設けられている。支持脚２０７は、例えばＸ−Ｙ平面内に延在する。支持脚２０７は、第１空間部ＳＰ１と第２空間部ＳＰ２との間で光検出部２０を支持する。

図３では、光検出部２０が支持脚２０７によって支持された状態を示している。複数の光検出部２０は、Ｘ−Ｙ平面に沿ってマトリクス状に配置されている。複数の光検出部２０の間には、突出部２１０が設けられている。突出部２１０は、Ｘ軸方向に沿った部分２１０ｘと、Ｙ軸方向に沿った部分２１０ｙと、を有する。突出部２１０は、複数の部分２１０ｘ及び複数の２１０ｙによって格子状に設けられる。

一つの光検出部２０は、突出部２１０の格子の間に配置される。光検出部２０は、部分２１０ｘと、部分２１０ｙと、の間で、支持脚２０７によって支持されている。支持脚２０７は、光検出部２０と部分２１０ｘとの間に設けられる第１の支持脚２０７ｘと、光検出部２０と部分２１０ｙとの間に設けられる第２の支持脚２０７ｙと、を有する。支持脚２０７は、第１の支持脚２０７ｘ及び第２の支持脚２０７ｙの総称である。図３に表した支持脚２０７は一例である。例えば、支持脚２０７は、Ｙ軸方向に沿って複数回折り返して設けられていてもよい。

支持脚２０７は、光検出部２０の周囲の層間絶縁膜２０４、素子分離絶縁膜２０３及び埋め込み酸化膜２０１をエッチングすることで、所望の形状に設けられている。支持脚２０７の光検出部２０と接続される一端と、突出部２１０と接続される他端と、の長さを長くすると、突出部２１０と光検出部２０との間の断熱性を高めることができる。支持脚２０７の内部には、支持脚２０７の形状に沿って配線２０７ａが設けられている。光検出部２０と回路部３０とは、この配線２０７ａによって導通している。

蓋５０には、光検出部２０で検出する光（例えば、赤外線光）を十分に透過する材料が用いられる。蓋５０には、例えばシリコンが用いられる。蓋５０は、回路部３０に接続されている。蓋５０は、例えば常温による接合プロセスによって回路部３０に接続されている。

蓋５０を回路部３０に接続すると、光検出部２０の上側の第２空間部ＳＰ２が構成される。第２空間部ＳＰ２と、光検出部２０の下側の第１空間部ＳＰ１と、は連通している。蓋５０が突出部２１０及び回路部３０に接続されると、第１空間部ＳＰ１及び第２空間部ＳＰ２は密閉される。これにより、例えば大気圧と異なる圧力下で蓋５０を接続すると、第１空間部ＳＰ１及び第２空間部ＳＰ２の内圧を当該圧力にすることができる。撮像素子１１０では、第１空間部ＳＰ１及び第２空間部ＳＰ２の内圧は、大気圧よりも低い状態（例えば、真空状態）になっている。

このような撮像素子１１０によれば、光検出部２０が空間中（第１空間部ＳＰ１及び第２空間部ＳＰ２の間）に設置される。このため、光検出部２０を外部から熱的に離隔でき、熱コンダクタンスを低くするすることができる。これにより、光検出部２０の断熱性が高まり、撮像素子１１０を強制的に冷却することなく正確に光量を検出することができるようになる。

また、蓋５０の接続を常温で行っているため、蓋５０の接合時に、光検出部２０に大きな熱ストレスが加わらない。
例えば、蓋５０をはんだによって接合する場合には、はんだの溶融に数百度程度の昇温を伴う工程が必要である。このような高温の工程によって、光検出部２０に大きな熱ストレスが加わることになる。
本実施形態では、このような高温の工程が不要になり、光検出部２０への熱ストレスの印加を回避して、信頼性を維持することができる。

また、本実施形態に係る撮像素子１１０では、凹部１０１と貫通孔１０２とが基板１０の異方性エッチングによって形成される。また、蓋５０の接続によって第１空間部ＳＰ１及び第２空間部ＳＰ２の密閉性を確保している。したがって、光検出部２０の形成から、凹部１０１及び貫通孔１０２の形成、蓋５０の接続、バンプ電極６０の形成まで、基板１０を切断することなく行うことができる。これにより、撮像素子１１０の生産性を向上できるようになる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、撮像素子の製造方法の一例である。
図４〜図７は、撮像素子の製造方法を例示した模式的断面図である。

先ず、図４（ａ）に表したように、基板１０の上に光検出部２０及び回路部３０を形成する。ここでは、例えばＳＯＩ基板を用いたＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）製造プロセスが適用される。
具体的には、例えば、単結晶シリコンからなる基板１０の上に埋め込み酸化膜２０１を形成し、埋め込み酸化膜２０１の上に、半導体層２０２を形成する。半導体層２０２は、例えば単結晶シリコン膜である。ＳＯＩ基板は、シリコンの基板１０、埋め込み酸化膜２０１及び半導体層２０２を含む。

半導体層２０２には、素子分離絶縁膜２０３を形成する。素子分離絶縁膜２０３の間の半導体層２０２には、所定の不純物注入等を行って、例えばＰＮ接合ダイオードによる光電変換部２０２ａを形成する。
また、回路部３０における半導体層２０２には、必要に応じてトランジスタ等の素子を形成する。

光検出部２０及び回路部３０の上には、層間絶縁膜２０４を形成する。層間絶縁膜２０４には、例えば酸化シリコンやＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）が用いられる。層間絶縁膜２０４は多層膜になっている。層間絶縁膜２０４の多層膜間には、配線層２０５が設けられる。光検出部２０と回路部３０とは、配線層２０５の層間配線部３５によって接続されている。層間配線部３５には、例えばアルミニウムが用いられる。層間配線部３５は、後述する貫通孔１０２を形成する位置まで形成しておく。

また、層間絶縁膜２０４の多層膜間において、光検出部２０の上方及び後述する支持脚２０７の上方に、エッチングストッパ膜２０４ａを形成しておく。エッチングストッパ膜２０４ａには、例えば窒化シリコンが用いられる。

次に、図４（ｂ）に表したように、光検出部２０の周囲に支持脚２０７を形成する。支持脚２０７は、次のように形成される。すなわち、光検出部２０の周囲の層間絶縁膜２０４、素子分離絶縁膜２０３及び埋め込み酸化膜２０１をエッチングして、スリット２０９を形成する。エッチングしない部分には、フォトレジスト等の保護膜が形成されている。エッチングされずに残った部分が支持脚２０７になる。エッチングには、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）が用いられる。

次に、図４（ｃ）に表したように、光検出部２０及び支持脚２０７の上方の層間絶縁膜２０４の一部をエッチングして除去する。このエッチングには、例えばドライエッチングが用いられる。エッチングは、エッチングストッパ膜２０４ａの上まで行われる。これにより、光検出部２０の部分よりも上側に突出した突出部２１０が構成される。
また、基板１０の第２主面１０ｂに保護マスク３００を形成し、パターニングする。保護マスク３００には、例えば酸化シリコン及び窒化シリコンが用いられる。保護マスク３００のパターニングによって、後述する貫通孔１０２が形成される位置に開口が設けられる。

次に、図５（ａ）に表したように、基板１０をエッチングして、凹部１０１及び貫通孔１０２を形成する。
このエッチングには、異方性エッチングが適用される。エッチングのエッチャントには、例えばＫＯＨ溶液またはＴＭＡＨ溶液が用いられる。
基板１０の第１主面１０ａ側では、支持脚２０７の形成の際に設けたスリット２０９を介してエッチャントが基板１０の第１主面１０ａに達する。基板１０として例えば単結晶シリコンを用いた場合、第１主面１０ａには｛１００｝面を適用する。異方性エッチングは、エッチング速度に面方位依存性を有する。このため、基板１０のエッチングの進行とともに｛１１１｝面が露出することになる。このエッチングにより凹部１０１が形成され、凹部１０１には｛１１１｝面が露出することになる。この露出した｛１１１｝面が第１傾斜面１０１ａになる。第１傾斜面１０１ａの第１主面１０ａに対する第１の角度θ１は、約５５°の角度になる。これにより、光検出部２０の下側に凹部１０１が形成され、光検出部２０が基板１０と離間する。

さらに、同じエッチャントによる同じエッチング工程で、基板１０の第２主面１０ｂ側もエッチングされる。
すなわち、第２主面１０ｂに設けた保護マスク３００の開口から基板１０の第２主面１０ｂ側のエッチングが進行していく。このエッチングにおいても、異方性エッチングの面方位依存性により、エッチングの進行とともに｛１１１｝面が露出することになる。第２主面１０ｂのエッチングは、基板１０を貫通するまで行われる。これにより、貫通孔１０２が形成される。エッチングによって露出した｛１１１｝面が第２傾斜面１０２ａである。第２系や面１０２ａの第１主面１０ａに対する第２の角度θ２は、約５５°である。

本実施形態では、凹部１０１及び貫通孔１０２が同一のエッチング工程で形成される。同じエッチャントによる異方性エッチングによって、凹部１０１の第１傾斜面１０１ａの第１の角度θ１と、貫通孔１０２の第２傾斜面１０２ａの第２の角度θ２とは、ともに約５５°になる。すなわち、貫通孔１０２の第２傾斜面１０２ａは、凹部１０１の第１傾斜面１０１ａと平行になる。

ここで、凹部１０１及び貫通孔１０２を同じエッチング工程で形成する場合、貫通孔１０２の方が凹部１０１よりも深いため、貫通孔１０２の最大の開口サイズは、凹部１０１の最大の開口サイズよりも大きくなる。

基板１０を異方性エッチングする際のエッチング深さは、エッチャントが接する開口部の大きさに関係する。
図８は、エッチング深さを例示する模式図である。
基板１０の上のマスクＭが形成され、マスクＭの開口部の大きさがＨ１である場合、エッチングは第１主面１０ａに対して所定の角度（例えば、約５５°）で進む。したがって、基板１０のエッチング深さＤ１は、開口部の大きさＨ１によって決まる。
基板１０を貫通する貫通孔１０２を形成するには、エッチング深さＤ１が基板１０の深さ以上になるようにマスクＭ（保護マスク３００）の開口部の大きさＨ１を決定する。

例えば、開口部の大きさＨ１が約１ミリメートル（ｍｍ）の場合、エッチング深さＤ１は約７２５マイクロメートル（μｍ）になる。また、開口部の大きさＨ１が約４２０μｍの場合、エッチング深さＤ１は約３００μｍになる。また、開口部の大きさＨ１が約２８０μｍの場合、エッチング深さＤ１は約２００μｍになる。また、開口部の大きさＨ１が約１４０μｍの場合、エッチング深さＤ１は約１００μｍになる。

このように、得たいエッチング深さＤ１によって、開口部の大きさＨ１を設定すれば、同じエッチング工程で凹部１０１及び貫通孔１０２を所望の深さにエッチングして形成することができる。
本実施形態では、凹部１０１の深さは基板１０の厚さよりも浅いため、エッチング深さＤ１が基板１０の厚さよりも浅くなる開口部の大きさＨ１を設定する。ここで、凹部１０１のエッチングにおいては、エッチングの進行とともに第１傾斜面１０１ａが露出し、対向する第１傾斜面１０１ａの先端が交わるところでエッチングの進行は止まることになる。

一方、貫通孔１０２の深さは基板１０の厚さよりも深いため、エッチング深さＤ１が基板１０の厚さよりも深くなる開口部の大きさＨ１を設定する。なお、貫通孔１０２の形成では、基板１０の厚さを超えるエッチング深さＤ１になる開口部の大きさＨ１を設定しても、基板１０上の埋め込み酸化膜２０１でエッチングが止まることになる。

なお、貫通孔１０２の形成においては、基板１０を貫通するエッチングが必要であるため、基板１０の厚さに応じた保護マスク３００の開口の面積が必要となる。したがって、この開口の面積を抑制するために、基板１０を予めＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）等によって例えば１００μｍ程度に薄肉化しておいてもよい。
基板１０をエッチングした後は、保護マスク３００を除去しておく。

次に、図５（ｂ）に表したように、突出部２１０及び回路部３０の上に蓋５０を接合する。蓋５０の接合には、例えば、接合面の活性化による直接接合方式を用いることができる。蓋５０は、突出部２１０及び回路部３０の最上層である層間絶縁膜２０４の最上層（例えば、窒化シリコン膜）に接合される。

直接接合方式は、Ａｒ（アルゴン）等の不活性ガスのイオンまたは光速電子ビームを層間絶縁膜２０４の最上層及び蓋５０の接合面に照射して、接合障害層を除去する。そして、蓋５０を層間絶縁膜２０４の最上層に接合する。これにより、接合面の表面の原子の結合手同士が直接結合し、強固な接合が可能になる。この接合は、常温で行うことができる。

この接合は、真空チャンバ内で行われる。これにより、蓋５０が接合されると、光検出部２０の上側に形成される第１空間部ＳＰ１及び光検出部２０の下側に形成される第２空間部ＳＰ２は、真空状態で密封されることになる。
このような直接接合方式では、はんだを用いた接合のように、加熱の際にはんだから発生する有機物等のガスが発生しない。したがって、光検出部２０の表面に不要な物質が存在せず、安定的な真空封止を行うことが可能になる。

なお、蓋５０の表裏面には、ＡＲ(Anti Reflective)コート５０ａ及び５０ｂが設けられていてもよい。また、蓋５０と、層間絶縁膜２０４の最上層と、の接合性を向上させるために、接合面を例えばＣＭＰによって研磨し、平坦性を高めておくことが望ましい。

次に、図５（ｃ）に表したように、貫通孔１０２によって露出した埋め込み酸化膜２０１、その上の素子分離絶縁膜２０３、バリアメタル（図示せず）及び層間絶縁膜２０４をエッチングし、層間配線部３５を露出させる。このエッチングには、例えばドライエッチングが用いられる。このエッチングによって、貫通孔１０２と連通する連通孔１０４が形成される。

次に、図６（ａ）に表したように、基板１０の第２主面１０ｂ、貫通孔１０２の内壁及び連通孔１０４の内壁に絶縁膜３０１を成膜する。絶縁膜３０１には、例えば酸化シリコンが用いられる。そして、絶縁膜３０１のパターニングを行い、連通孔１０４の部分で層間配線部３５を露出させる。また、蓋５０の上側に保護膜３１０を形成する。保護膜３１０には、例えばレジストが用いられる。

次に、図６（ｂ）に表したように、絶縁膜３０１及び連通孔１０４の部分で露出した層間配線部３５にシード層３０２を成膜する。シード層３０２には、例えば銅が用いられる。シード層３０２は、例えばスパッタリングによって形成される。そして、シード層３０２を必要に応じてパターニングする。シード層３０２は、連通孔１０４の部分で露出した層間配線部３５と接触し、導通している。

次に、図６（ｃ）に表したように、シード層３０２の上にめっきを施す。めっきの金属には、例えば銅が用いられる。これにより、連通孔１０４内及び少なくとも貫通孔１０２内にめっきの金属による貫通配線４０が形成される。
なお、図６（ｃ）に示す例では、基板１０の裏面に、貫通配線４０と同じめっきによって裏面配線４１を形成している。

次に、図７（ａ）に表したように、基板１０の裏面にソルダーレジスト３２０を塗布する。ソルダーレジスト３２０は貫通孔１０２にも埋め込まれる。そして、ソルダーレジスト３２０の一部を除去するパターニングを行う。これにより、ソルダーレジスト３２０の一部に開口部３２０ａが設けられる。開口部３０２ａは、貫通配線４０または貫通配線４０と導通する裏面配線４１の部分に設けられる。これにより、開口部３２０ａから貫通配線４０または裏面配線４１が露出する。図７（ａ）に示す例では、開口部３２０ａから裏面配線４１が露出している。

そして、図７（ｂ）に表したように、ソルダーレジスト３２０の開口部３２０ａに、バンプ電極６０を形成する。バンプ電極６０には、例えばはんだボールが用いられる。以上の工程によって、撮像素子１１０が完成する。撮像素子１１０では、基板１０の裏面側にバンプ電極６０が設けられているため、図示しない回路基板上に、バンプ電極６０をリフロー等で融着して実装することが可能になる。

なお、図７（ｃ）に示した撮像素子１１１の例は、図７（ｂ）に例示したような裏面配線４１を設けず、貫通孔１０２内の貫通配線４０にバンプ電極６０を設けた例である。すなわち、裏面配線４１を設けず、ソルダーレジスト３２０の開口部３２０ａを貫通孔１０２の位置に設ける。これにより、開口部３２０ａから露出した貫通孔１０２内の貫通配線４０にバンプ電極６０を形成することができる。

このような製造方法によれば、光検出部２０の形成からバンプ電極６０の形成まで、基板１０を切断せずに行うことができる。また、光検出部２０の下側の凹部１０１と、基板１０の貫通孔１０２と、を同じエッチング工程で形成することができ、貫通孔１０２を別途の工程で形成する場合に比べて生産性を向上できるようになる。
また、蓋５０の接合によって光検出部２０を密封空間内に収めることができ、別途の専用ケースに撮像素子１１０を収納して封止する場合に比べてデバイスの小型化を達成できる。
また、蓋５０の接合工程を常温で行うため、光検出部２０に熱ストレスを加えることなく撮像素子１１０を製造することが可能になる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、撮像モジュールの一例である。
図９は、第３の実施形態に係る撮像モジュールを例示する模式図である。
図９（ａ）は、図９（ｂ）のＡ１−Ａ２線での模式的断面図、図９（ｂ）は、撮像モジュールの裏面の模式的平面図である。

図９（ａ）に表したように、第３の実施形態に係る撮像モジュール２００は、上記説明した撮像素子１１０と、レンズ４００と、を備える。
レンズ４００は、撮像素子１１０の蓋５０の上に配置される。レンズ４００は、例えばホルダ４５０に取り付けられている。レンズ４００が取り付けられたホルダ４５０は、撮像素子１１０に固定されている。

レンズ４００には、凹レンズ、凸レンズ、複合レンズ及び非球面レンズなど、必要に応じた形状が用いられる。ホルダ４５０は、レンズ４００の例えば周縁を保持する。なお、レンズ４００とホルダ４５０とは、別体でも、一体に成形されていてもよい。例えば、レンズ４００及びホルダ４５０は、射出成形等によって一体成形されたものであってもよい。

本実施形態に係る撮像モジュール２００は、撮像素子１１０を収納する外装部４６０を備えている。外装部４６０は、上側が開口した箱形をしており、底板４６１の略中央に基板１０の外形よりもわずかに小さな穴４６１ａを備えている。撮像素子１１０は、底板４６１の穴４６１ａに合わせて収納される。底板４６１の穴４６１ａからは、撮像素子１１０の裏面のバンプ電極６０が露出する。外装部４６０の側板４６２と、収納された撮像素子１１０と、の間には、ホルダ４５０の一部がはめ込まれる。ホルダ４５０は、外装部４６０を介して撮像素子１１０に取り付けられる。

撮像素子１１０の基板１０は、撮像領域５００と、撮像領域５００に並置された周辺領域５０１と、を有している。複数の光検出部２０は、撮像領域５００に配列されている。すなわち、複数の光検出部２０は、第１主面１０ａに沿ってマトリクス状に配置される。なお、複数の光検出部２０は、第１主面１０ａに沿って一列に並べられていてもよい。回路部３０は、複数の光検出部２０が配置される領域の周辺に設けられている。

図９（ｂ）に表したように、複数の貫通孔１０２は、基板１０の周辺領域５０１に配置される。バンプ電極６０は、貫通孔１０２に隣接して設けられる。図９に例示した撮像素子１１０では、図７（ｂ）に例示したように、基板１０の裏面側に裏面配線４１が設けられ、この裏面配線４１にバンプ電極６０が設けられる。したがって、バンプ電極６０は、貫通孔１０２に隣接した位置に配置されることになる。
なお、図７（ｃ）に例示したように、貫通孔１０２の位置にバンプ電極６０が設けられている撮像素子１１１を用いた場合には、図９（ｂ）に例示した貫通孔１０２と同じ位置にバンプ電極６０が配置されることになる。

このような撮像モジュール２００によれば、基板１０を切断することなく光検出部２０を基板１０及び蓋５０から離間できる撮像素子１１０によって、生産性の向上及び製造コストの低減を達成することができる。

また、撮像モジュール２００では、撮像素子１１０の全体を気密封止する必要がないことから、小型の撮像モジュール２００を提供することができる。すなわち、撮像素子１１０を専用のケースに収納して真空封止する例に比べて、大幅な小型化を達成できる。例えば、撮像モジュール２００では、基板１０を切断したチップサイズと同等な大きさのモジュールを実現できる。

なお、本実施形態は、赤外線を検出する撮像素子１１０及び１１１を例に説明したが、赤外線以外の波長域の光を検出する撮像素子１１０及び１１１であってもよい。また、撮像素子１１０及び１１１は、光を検出する光検出素子を含む。また、基板１０としてシリコンを用いた例を説明したが、シリコン以外であっても適用可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、生産性を向上した撮像素子、撮像モジュール及び撮像素子の製造方法を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…基板、１０ａ…第１主面、１０ｂ…第２主面、２０…光検出部、３０…回路部、４０…貫通配線、５０…蓋、６０…バンプ電極、７０…保護膜、θ１…第１角度、θ２…第２角度、１０１…凹部、１０１ａ…第１傾斜面、１０２…貫通孔、１０２ａ…第２傾斜面、１０４…連通孔、１１０、１１１…撮像素子、２００…撮像モジュール、４００…レンズ、４５０…ホルダ、ＳＰ１…第１空間部、ＳＰ２…第２空間部

Claims (14)

1. 第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面と、前記第１主面に設けられ前記第２主面の方向に後退した凹部と、前記第１主面と前記第２主面とに連通し前記第１主面から前記第２主面に向かう第１方向に延在する貫通孔と、を有する基板と、
   前記凹部の上で前記基板と離間して設けられた光検出部と、
   前記光検出部と導通し前記第１主面の上に設けられた回路部と、
   前記回路部と導通し前記貫通孔の内部に設けられた貫通配線と、
   を備え、
   前記凹部は、前記第１主面に対して傾斜する第１傾斜面を有し、
   前記貫通孔は、前記第１傾斜面に平行な第２傾斜面を有することを特徴とする撮像素子。
2. 前記第２傾斜面は、前記基板の異方性エッチングによって露出する面を含むことを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
3. 前記基板は、シリコンを含み、
   前記第１主面は、前記シリコンの｛１００｝面であり、
   前記第２傾斜面は、前記シリコンの｛１１１｝面を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
4. 前記第２傾斜面は、前記第１主面に対して５５°の角度の面を含むことを特徴とする請求項３記載の撮像素子。
5. 前記貫通孔の最大の開口サイズは、前記凹部の最大の開口サイズよりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の撮像素子。
6. 前記光検出部の前記基板とは反対側で前記光検出部と離間して設けられた蓋をさらに備え、
   前記基板の前記凹部と前記光検出部との間には密閉された第１空間部が設けられ、
   前記蓋と前記光検出部との間には密閉された第２空間部が設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の撮像素子。
7. 前記第１空間部の内部の圧力は大気圧よりも低く、
   前記第２空間部の内部の圧力は大気圧よりも低いことを特徴とする請求項６記載の撮像素子。
8. 前記凹部の開口の前記第１主面に沿った方向の幅は、前記第１主面から前記基板の前記第１主面とは反対側の第２主面に向かうに従い小さく、
   前記貫通孔の開口の前記第２主面に沿った方向の幅は、前記第２主面から前記第１主面に向かうに従い小さいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の撮像素子。
9. 前記第２主面に設けられ前記第１方向に沿って突出し前記貫通配線と導通するバンプ電極をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の撮像素子。
10. 第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面と、前記第１主面に設けられ前記第２主面の方向に後退した凹部と、前記第１主面と前記第２主面に連通し前記第１主面から前記第２主面に向かう第１方向に延在する貫通孔と、を有する基板と、
    前記凹部の上で前記基板と離間して設けられた光検出部と、
    前記光検出部と導通し前記第１主面の上に設けられた回路部と、
    前記回路部と導通し前記貫通孔の内部に設けられた貫通配線と、
    前記光検出部の前記基板とは反対側で前記光検出部と離間して設けられた蓋と、
    を備え、
    前記凹部は、前記第１主面に対して傾斜する第１傾斜面を有し、
    前記貫通孔は、前記第１傾斜面に平行な第２傾斜面を有する撮像素子と、
    前記撮像素子の前記蓋の上に設けられたレンズと、
    を備えたことを特徴とする撮像モジュール。
11. 基板の第１主面の上に光検出部と、前記光検出部と導通する回路部と、を形成する工程と、
    前記基板と前記光検出部との間において前記基板に凹部を形成しつつ、前記第１主面と直交する方向に沿って前記基板を貫通する貫通孔の少なくとも一部を形成するためのエッチングを行う工程と、
    前記回路部と導通する貫通配線を前記貫通孔の内部に形成する工程と、
    を備えたことを特徴とする撮像素子の製造方法。
12. 前記エッチングを行う工程は、
    前記凹部に、前記第１主面に対して傾斜する第１傾斜面を形成し、
    前記貫通孔に、前記第１傾斜面に平行な第２傾斜面を形成することを含むことを特徴とする請求項１１記載の撮像素子の製造方法。
13. 前記凹部を形成するためのエッチング及び前記貫通孔を形成するためのエッチングは、異方性エッチングであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の撮像素子の製造方法。
14. 前記光検出部の前記基板とは反対側に前記光検出部と離間して蓋を設ける工程と、
    前記貫通配線と導通し前記基板の前記第１主面とは反対側の前記第２主面から離れる方向に突出したバンプ電極を形成する工程と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１つに記載の撮像素子の製造方法。