JP6116437B2

JP6116437B2 - 固体撮像装置およびその製造方法、ならびに撮像装置

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Publication number: JP6116437B2
Application number: JP2013168177A
Authority: JP
Inventors: 良章竹本
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-08-13
Also published as: US20160141328A1; US9865641B2; JP2015037117A; WO2015022795A1

Description

本発明は、固体撮像装置、より詳しくは、積層型の固体撮像装置、およびその製造方法、ならびに当該固体撮像装置を備えた撮像装置に関する。

近年、ビデオカメラや電子スチルカメラなどが広く一般に普及している。これらのカメラには、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型や増幅型の固体撮像装置が使用されている。増幅型の固体撮像装置は、光が入射する画素の光電変換部が生成・蓄積した信号電荷を、画素に設けられた増幅部に導き、増幅部が増幅した信号を画素から出力する。増幅型の固体撮像装置では、このような画素が二次元マトリクス状に複数配置されている。増幅型の固体撮像装置には、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを用いたＣＭＯＳ型固体撮像装置等がある。

従来、ＣＭＯＳ型固体撮像装置は、二次元マトリクス状に配列された各画素の光電変換部が生成した信号電荷を、同一基板上に設けられた回路部によって行毎に順次読み出す方式を採用している。一般的なモノリシック構造（単一半導体基板から製造された構造）を有したＣＭＯＳ型固体撮像装置では、光が入射する面から見た状態において、入射光を信号電荷に変換する画素アレイ部の周囲に垂直走査回路・水平走査回路・列処理回路や出力回路等の周辺回路が配置され、電気信号を伝達する為に、画素アレイ部と周辺回路の間に、列または行ごとに配線が設けられている。

現在のＣＭＯＳ型固体撮像装置では、データレートの向上、面内の撮像同一性の向上、高機能化が要求されている。しかしながら、モノリシック構造を有したＣＭＯＳ型固体撮像装置では、平面方向の電気伝導による速度制限や密度制限により性能の向上が難しい。
そこで、このようなＣＭＯＳ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と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、機能・性能の向上が提案されている。

例えば、特許文献１では、画素単位毎にマイクロパッドを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て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。また、特許文献２では、半製品状態の画素アレイ部を備えた第１の半導体ウエハと、半製品状態のロジック回路を備えた第２の半導体ウエハとが貼り合わされた後、ダイシング等により個片化して、裏面照射型の固体撮像装置とした構成が開示されている。

特開２００６−０４９３６１号公報特開２０１０−２４５５０６号公報

一枚の半導体ウエハから複数の半導体チップを製造しようとする際、半導体チップはできるだけ小さいのが好ましい。その一方で、固体撮像装置の製造において接続される半導体チップのそれぞれの機能を考慮すると、最小限の大きさがそれぞれで異なることもある。通常は、画素領域の形成された半導体チップの方が大きくなる。このような大きさの異なる二つの半導体チップを積層し、固体撮像装置とするために画素領域の形成された半導体チップを薄膜化すると、薄膜化された半導体チップの一部が、他方の半導体チップによって支持されない状態が生じる。その結果、支持されていない部分が湾曲し、固体撮像装置として充分機能しなくなることがあるという問題がある。

上記事情を踏まえ、本発明は、積層する半導体チップの大きさが異なっていても、薄膜化工程後に良好に機能する固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、製造コストを抑えつつ、好適に機能する撮像装置を提供することである。

本発明の第一の態様は、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換部が配置された画素アレイを有する第一チップと、前記第一チップの平面視面積よりも小さい平面視面積を有し、前記第一チップの前記光の入射面と反対の面に物理的に接続された第二チップと、前記第一チップと前記第二チップとの間に配置され、前記第一チップと前記第二チップとを互いに電気的に接続する接続部と、平面視において前記第一チップにおける前記第二チップと重ならない位置に設けられ、前記第一チップの前記入射面と反対側の前記面に露出した導体面を有する外部接続用のテスト端子と、前記第一チップの前記入射面と反対側の前記面のうち、平面視において前記第二チップに覆われていない領域を平面視においてすべて覆うように設けられ、前記第一チップの平坦性を保持するように支持する支持部と、を備え、前記テスト端子の前記導体面が前記支持部により覆われている固体撮像装置である。

本発明の第二の態様は、本発明の固体撮像装置を備える撮像装置である。

本発明の第三の態様は、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換部が配置された画素アレイを有する第一チップと、前記第一チップの平面視面積よりも小さい平面視面積を有する第二チップとを備える固体撮像装置の製造方法であって、平面視において前記第二チップの物理的な接続領域と重ならない位置に、前記光の入射面と反対側の面に露出した導体面を有する外部接続用のテスト端子が設けられた第一チップを準備する第一チップ準備工程と、前記第一チップ準備工程の後、前記第一チップの前記入射面と反対側の前記面において、前記テスト端子の前記導体面が露出するように前記第二チップを配置して前記第一チップと前記第二チップとを物理的に接続し、前記第一チップと前記第二チップとの間に配置された接続部によって前記第一チップと前記第二チップとを互いに電気的に接続する第二チップ接続工程と、前記第二チップ接続工程の後、前記第一チップの前記入射面と反対側の前記面および前記テスト端子の前記導体面上に液体の支持部材料を充填して固化し、支持部を形成する支持部形成工程と、前記第一チップを薄膜化する薄膜化工程と、を備える。

本発明の固体撮像装置およびその製造方法によれば、積層する半導体チップの大きさが異なっていても、薄膜化工程後に良好に機能する固体撮像装置を提供することができる。
また、本発明の撮像装置によれば、製造コストを抑えつつ、好適に機能する撮像装置とすることができる。

本発明の第一実施形態に係る固体撮像素子を模式的に示す斜視図である。上側は同固体撮像素子の正面図、下側は同固体撮像素子の平面図である。同固体撮像装置の接続層周辺を示す拡大断面図である。同固体撮像装置の製造方法の一過程を示す図である。同固体撮像装置の製造方法の一過程を示す図である。同固体撮像装置の製造方法の一過程を示す図である。同固体撮像装置の製造方法の一過程を示す図である。同固体撮像装置の製造方法の一過程を示す図である。上側は本発明の第二実施形態に係る固体撮像素子の平面図、下側は同固体撮像素子の底面図である。同固体撮像素子の変形例における底面図である。本発明の変形例に係る固体撮像素子の正面図である。本発明の変形例の固体撮像素子における接続層周辺を示す拡大断面図である。

本発明の第一実施形態について、図１から図８を参照して説明する。
図１は、本実施形態の固体撮像装置１を模式的に示す斜視図であり、図２の上側および下側は、それぞれ固体撮像装置１の正面図および平面図である。固体撮像素子１は、図１および図２に示すように、複数のフォトダイオード（ＰＤ、光電変換部）が二次元状に配列された画素アレイ１１を有する第一チップ１０と、第一チップ１０と電気的に接続される第二チップ２０と、第一チップ１０の、第二チップ２０が配置された側の面に配置されて第一チップ１０を支持する支持部３０とを備えている。

第一チップ１０はシリコンで形成されており、画素アレイ１１のＰＤは、入射した光を電気信号に変換する。第二チップ２０は、図示しない読み出し回路および駆動回路を有し、読み出し回路によりＰＤが変換した電気信号を読み出し、駆動回路により第一チップ１０内の電気回路を駆動する。

第一チップ１０と第二チップ２０とは、接続層４０において電気的かつ物理的に接続されている。図３は、接続層４０のうち第一チップ１０と第二チップ２０との電気的接続部位を含む領域を示す断面図である。第一チップ１０のシリコン部分において、第二チップ２０に対向する側には第一配線部１２が設けられ、画素アレイ１１を構成するＰＤと接続されている。シリコン部分の残りは、光を透過可能な薄いシリコン層１３とされ、シリコン層１３上に、反射防止膜１４、カラーフィルタ１５、樹脂膜１６、およびマイクロレンズ１７が順に設けられている。マイクロレンズ１７は、画素アレイ１１の各ＰＤに対応するように配置されており、画素アレイ１１に入射する光を対応するＰＤに導く。反射防止膜１４の材料としては、酸化タンタル、酸化ハフニウム、窒化ケイ素、二酸化ケイ素などを用いることができる。カラーフィルタ１５としては顔料または染料を有した有機膜等の公知のものが用いられる。樹脂膜１６は光が画素アレイ１１に入射する面（入射面）を平坦化する為に設けられるが、マイクロレンズ１７と同一の材料を用いて形成されてもよい。

第一チップ１０が上述の構成を有することにより、固体撮像装置１は、マイクロレンズ１７が設けられた側の面を入射面とする、いわゆる裏面照射型の固体撮像装置として機能する。シリコン層１３が充分光を透過するよう、第一チップ１０は、例えば１０マイクロメートル（μｍ）以下程度の厚さとされている。

第二チップ２０の第一チップ１０に対向する側には、第二配線部２１が設けられ、シリコン部２２に設けられた読み出し回路や駆動回路等と接続されている。第二チップ２０は、第一チップ１０に比べて十分に厚い、例えば１００μｍ以上の厚さを有し、第一チップ１０と接触する部位においては、第一チップ１０を充分に支持することができる。
第一配線部１２と第二配線部２１とは、接続層４０に設けられた接続電極４１により電気的に接続されている。複数の接続電極４１間の隙間は、アンダーフィルなどとも呼ばれる接続樹脂４２により充填され、接続樹脂４２により、第一チップ１０と第二チップ２０との物理的接続強度が補強されている。接続樹脂は、必要に応じて設ければよく、必ずしも設けられなくてもよい。

図２下側に示すように、固体撮像装置１の平面視において、第一チップ１０は第二チップ２０よりも大きいため、第一チップ１０は一部に第二チップ２０と重ならない領域を有している。当該領域、すなわち第一チップ１０の第二チップ側の面のうち、第二チップ２０に覆われない領域には、支持部３０が第一チップ１０に接着された状態で配置されている。その結果、支持部３０により第一チップ１０が支持されてその平坦性等が保持されている。

第一チップ１０の周縁部には、外部機器等との接続に用いられる複数のボンディングパッド（入出力端子）１８と第一チップ１０の特性をテストする際に用いるテスト端子１９とが設けられている。ボンディングパッド１８は、導体面を入射面側に露出させているが、テスト端子１９は、入射面と反対側の面に導体面を露出させている。そのため、固体撮像装置１の完成時においては、テスト端子１９の導体面は、支持部３０により覆われて見えなくなっている。
ボンディングパッド１８およびテスト端子１９は、いずれも固体撮像装置１の平面視において、第二チップ２０と重ならない位置に設けられている。

以上の構成を有する固体撮像装置１の製造方法の一例について説明する。まず、準備工程として、１枚のシリコンウエハに、第一チップ１０を二次元アレイ状に並べて複数製造する。以後このウエハを、「第一チップウエハ」と称する（第一チップ準備工程）。さらに、１枚のシリコンウエハに第二チップ２０を二次元アレイ状に並べて複数製造し、ダイシング等により個片化して、複数の独立した第二チップ２０を製造する。第二チップ２０は、必要な機能に応じて最小化されたサイズのものを隙間なく並べて製造できるため、接続される第一チップの大きさに関係なく、一枚のシリコンウエハから最大限の数を製造することができる。

次に、図４に示すように、第一チップウエハ１０１上の各第一チップ１０（不図示）に第二チップ２０を配置し、第一チップ１０と第二チップ２０とを電気的に接続する（第二チップ接続工程）。本実施形態では、第一チップウエハ１０１上に接続電極４１を含む接続層４０（図４では不図示）を形成してから第二チップ２０を配置し、熱や圧力等を掛けて接続する。

次に、図５に示すように、第一チップウエハ１０１上かつ第二チップ２０の周囲に液状の支持部材料を充填して固化させ、支持部３０を形成する（支持部形成工程）。支持部材料としては、樹脂やガラス等を用いることができる。本実施形態では支持部の厚みは第二チップ２０と同等であるが、これには限られず、第二チップより薄くてもよいし、第二チップよりも厚くして、支持部が第二チップを覆うように形成してもよい。ただし、支持部を第二チップより薄くする場合は、第一チップを充分支持できる程度の剛性を発揮する程度の厚みにするよう留意する。また、第一チップ１０の平面視において、第二チップおよび支持部のいずれとも重ならない領域が存在しないように注意する。
なお、支持部を形成すると、テスト端子の導体面が覆われて使用できなくなるため、第一チップ１０や第二チップ２０、あるいは両者が接続されたものの特性テストを行う必要がある場合は、支持部が形成される前に行う。

次に、図６に示すように、第一チップウエハ１０１を薄膜化して、複数の第一チップ１０を形成する（薄膜化工程）。薄膜化の方法としては、公知の各種方法を用いることができ、例えば、バックグラインド (ＢＧ)工程などの物理的研削工程や、薬液を用いたケミカルエッチング、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)等が挙げられる。一般に、第一チップウエハ１０１の厚さは、薄膜化される前は７００μｍ程度であり、薄膜化工程により、第一チップのＰＤに求められる特性に応じた膜厚（例えば、１〜５μｍ程度）まで薄膜化される。薄膜化工程において、形成された第一チップの表面にシリコン酸化膜が形成されてもよい。

次に、図７に示すように、第一チップ１０上に、マイクロレンズ１７や、ボンディングパッド１８等の各種機構を形成する。これら各種機構はいずれも微細であるため、図７ではマイクロレンズ１７のみ示している。

最後に、ダイシング等により、個々の第一チップ１０の境界線（スクライブライン）ＳＬに沿って第一チップ１０および接続された第二チップ２０の組ごとに個片化すると、図８に示すような固体撮像装置１が複数完成する。完成した固体撮像装置１においては、薄膜化された第一チップ１０の一部領域が第二チップ２０により支持され、残部領域が支持部３０によって支持される。その結果、画素アレイ１１を有する第一チップ１０は平坦な状態が維持され、画素アレイ１１に入射した光が好適に光電変換される。

本実施形態の固体撮像素子１によれば、第一チップ１０の一方の面に、第二チップ２０と支持部３０とが設けられているため、第二チップ２０の平面視面積が第一チップ１０の平面視面積より小さくても、第一チップ１０全体が支持されて第一チップ１０、とりわけ画素アレイ１１の撓みを好適に防止することができる。すなわち、第一チップ１０の支持を考慮して第二チップ２０の寸法を必要以上に大きく設定する必要はなく、所望の機能を実現するための最小限の寸法に設定することができる。その結果、一枚のウエハから製造可能な第二チップの個数を第一チップの寸法によらず最適化することができ、製造コストを著しく低減することができる。

また、支持部３０が、固体撮像装置１の平面視において、第二チップ２０の周囲を囲むように配置されているため、固体撮像装置１の厚さ方向に延びる側面に対して加わる力が第二チップ２０に直接作用することを防ぎ、第二チップ２０を好適に保護することができる。加えて、個片化の際にもダイシングの刃等が第二チップに触れにくく、第二チップを傷めにくい。

また、外部接続用のボンディングパッド１８やテスト端子１９が、平面視において第二チップ２０と重ならない位置に配置されているため、ワイヤボンディング等により外部装置等と接続する工程や特性テストの工程において第二チップ２０に過剰な力がかかりにくく、第二チップの不具合発生を抑制することができる。

さらに、テスト端子１９がボンディングパッド１８と別に設けられているため、ボンディングパッドを用いずに特性テスト等を行うことができ、ボンディングパッドを介した外部接続の信頼性を高く保つことができる。

本発明の第二実施形態について、図９および図１０を参照して説明する。本実施形態の固体撮像装置５１と、第一実施形態の固体撮像装置１との異なるところは、回路配置の態様である。なお、以降の説明において、すでに説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図９の上側は、固体撮像装置５１の平面図である。図９の下側は、固体撮像装置５１の底面図であり、支持部３０を除いて示している。
第一チップ１０には、画素アレイ１１に加え、読み出し回路の一部である垂直走査回路５２が設けられている。垂直走査回路５２は、固体撮像装置として機能するための動作信号を出力するもので、画素アレイ１１のＰＤおよび第二チップ２０と接続されている。
第二チップ２０は、読み出し回路の一部である水平走査回路５３と、駆動回路を構成する列処理回路５４および出力回路５５とを有している。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置５１では、第二チップの機能の一部を第一チップに配置しているが、このようにしても、第一実施形態で説明したのと同様の効果を奏することができる。さらに、例えば第一チップにデッドスペースが存在し、当該デッドスペースに第二チップの一部回路を配置可能であるような場合に、一部回路を第一チップに設けることで第二チップをさらに小型にし、第二チップの製造効率をさらに高めることができる。

本実施形態では、図１０に示す変形例のように、第二チップの回路を、独立した二つの機能チップ５６Ａおよび５６Ｂに分散配置し、二つの機能チップで第二チップを構成してもよい。このようにすると、回路の一部に不具合がある場合に、不具合を有する回路を含む機能チップのみを交換すればよいため、第二チップの製造歩留まりを向上させることができる。また、第二チップの配置の自由度が大きくなるという利点も有する。したがって、三つ以上の機能チップで第二チップを構成してもよいし、機能チップごとの回路の配分にも特に制限はない。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

例えば、図１１に示す変形例のように、支持部６１を第二チップ２０の厚みよりも厚く形成し、第二チップ２０が支持部６１で覆われるようにしてもよい。このようにすると、支持部形成工程における支持部材料の充填を容易に行うことができ、完成した固体撮像装置において第二チップも好適に保護される。

また、支持部は、固体撮像装置の平面視において、必ずしも第二チップの周囲を囲むように形成されなくてもよく、その結果第二チップの一部が固体撮像装置の側面に露出してもよい。ただし、支持部が第二チップの周囲を囲むように形成されるといくつかの利点があることは、第一実施形態の説明において述べた通りである。

さらに、第二チップに上述した以外の機能、例えばＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換等の機能を持たせてもよい。
さらに、第一チップと第二チップとの電気的接続態様は、接続層を介した上述のものに限定されない。例えば、図１２に示す変形例のように、第一チップ１０および第二チップ２０に、それぞれビア（Through Silicon Via, ＴＳＶ）７１および７２を形成し、ビア７１とビア７２とを、導体からなる接続膜７３で接続する構成なども用いることができる。この場合、第一配線部１２と第二配線部２１とは、第一配線部１２および第二配線部２１に含まれるケイ素酸化物どうしの直接接合で物理的に接続してもよいし、直接接合に適する組成で成膜されたケイ素酸化物等からなる緩衝層７４を介して接続してもよい。

さらに、本発明の固体撮像装置の製造方法においても、各工程の順序等は、趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、薄膜化工程は、第二チップ接続工程や支持部形成工程の前に行われてもよいし、第一チップウエハが予め第一チップに対応する領域ごとに個片化されてから第二チップ接続工程が行われてもよい。

本発明の固体撮像装置は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の各種撮像装置に好適に利用することができる。特に、高データレートが求められる高速撮影ビデオカメラ、面内の撮像同一性が求められる監視カメラや工業用途などの特殊カメラ、センサの小型化が求められる医療用途の撮像装置等の好適に用いることができる。

１、５１固体撮像装置
１０第一チップ
１１画素アレイ
１８ボンディングパッド（入出力端子）
１９テスト端子
２０第二チップ
３０、６１支持部
１０１第一チップウエハ

Claims

入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換部が配置された画素アレイを有する第一チップと、
前記第一チップの平面視面積よりも小さい平面視面積を有し、前記第一チップの前記光の入射面と反対の面に物理的に接続された第二チップと、
前記第一チップと前記第二チップとの間に配置され、前記第一チップと前記第二チップとを互いに電気的に接続する接続部と、
平面視において前記第一チップにおける前記第二チップと重ならない位置に設けられ、前記第一チップの前記入射面と反対側の前記面に露出した導体面を有する外部接続用のテスト端子と、
前記第一チップの前記入射面と反対側の前記面のうち、平面視において前記第二チップに覆われていない領域を平面視においてすべて覆うように設けられ、前記第一チップの平坦性を保持するように支持する支持部と、
を備え、
前記テスト端子の前記導体面が前記支持部により覆われている、
固体撮像装置。
前記支持部は、樹脂またはガラスからなる、請求項１に記載の固体撮像装置。
前記支持部は、前記固体撮像装置の平面視において、前記第二チップの周囲を囲むように配置されている、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記支持部の厚みは、前記第二チップの厚みよりも大きく、前記第二チップが前記支持部に覆われている、請求項１から３のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
前記第一チップは外部接続用の入出力端子を有し、前記入出力端子が、前記固体撮像装置の平面視において、前記第二チップと重ならない位置に、前記入出力端子の導体面が前記第一チップの前記入射面側に露出するように設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載の固体撮像装置を備える、撮像装置。
入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換部が配置された画素アレイを有する第一チップと、前記第一チップの平面視面積よりも小さい平面視面積を有する第二チップとを備える固体撮像装置の製造方法であって、
平面視において前記第二チップの物理的な接続領域と重ならない位置に、前記光の入射面と反対側の面に露出した導体面を有する外部接続用のテスト端子が設けられた第一チップを準備する第一チップ準備工程と、
前記第一チップ準備工程の後、前記第一チップの前記入射面と反対側の前記面において、前記テスト端子の前記導体面が露出するように前記第二チップを配置して前記第一チップと前記第二チップとを物理的に接続し、前記第一チップと前記第二チップとの間に配置された接続部によって前記第一チップと前記第二チップとを互いに電気的に接続する第二チップ接続工程と、
前記第二チップ接続工程の後、前記第一チップの前記入射面と反対側の前記面および前記テスト端子の前記導体面上に液体の支持部材料を充填して固化し、支持部を形成する支持部形成工程と、
前記第一チップを薄膜化する薄膜化工程と、
を備える、固体撮像装置の製造方法。
前記第二チップ接続工程において、前記第一チップは第一チップウエハに複数形成され、前記第一チップウエハ上に前記第二チップが配置される、請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記支持部形成工程において、前記支持部材料は、前記第二チップを覆うように充填される、請求項７または８に記載の固体撮像装置の製造方法。