JP2010021451A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱効果の高い固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板２に、放熱経路となる非貫通放熱部７を設ける。非貫通放熱部７は、一端が半導体基板２の下面に開口し、その下面から半導体基板２の上面へ向かう方向へ延在し、且つ他端が半導体基板２の上面に非到達の非貫通孔の内部に金属を充填して形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関する。

一般的に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像装置を構成する固体撮像装置には、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型固体撮像装置やＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型固体撮像装置等が利用されている。

ところで、近年、固体撮像装置に対しては、小型のデジタルスチルカメラや携帯用機器等への搭載を目的として小型化が要求されている。固体撮像素子が形成された半導体チップの小型化もさることながら、固体撮像装置の構造についても小型化のための技術革新が進んできている。

従来の固体撮像装置の構造は、受光部等から構成される固体撮像素子が半導体基板上に形成された半導体チップを上部が開口する容器の内部に固定し、その固定された半導体チップの電極と容器の内部に予め設けられたリードとをワイヤで接続し、ガラス板などの光透過性部材を容器の上部に固定した構造が一般的であったが、最近では、ＷＬＣＳＰ（Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）と呼ばれる技術を用いたウェハレベルの固体撮像装置が開発されてきている（例えば、特許文献１参照。）。ＷＬＣＳＰにおいて、チップへの給電は、半導体基板を貫通する貫通電極を介してチップ裏面から行われることになる。

以下、図１２（ａ）、図１２（ｂ）を参照しながら、従来のウェハレベルの固体撮像装置の構成について、ＣＣＤ型固体撮像装置を例に説明する。図１２（ａ）は従来のウェハレベルのＣＣＤ型固体撮像装置の断面図である。また、図１２（ｂ）は、従来のウェハレベルのＣＣＤ型固体撮像装置の上面図である。

固体撮像装置１０１において、半導体基板１０２の上面には受光部１０３および配線層１０４が形成されている。配線層１０４は、受光部１０３の周囲に配置されており、受光部１０３に接続する。受光部１０３上には、集光効率を向上させるためのレンズ１０５が設けられている。半導体基板１０２には、半導体基板１０２の下面から上面へ向かう方向へ半導体基板１０２を貫通して配線層１０４に接続する貫通電極１０６が形成されている。図１２（ｂ）に示すように、貫通電極１０６を形成する領域（貫通電極形成領域）１０７は各配線層１０４ごとに設けられている。

図中では省略しているが、半導体基板１０２上にはＣＣＤ型固体撮像素子を構成する水平ＣＣＤ部や出力アンプ部等が形成されている。また、図中では省略しているが、半導体基板の上方には光透過性部材が設けられている。なお、ＭＯＳ型固体撮像装置の場合には、半導体基板上にＭＯＳ型固体撮像素子を構成する各種の走査回路や出力回路、ロジック回路部等が形成される。

続いて、図１３を参照しながら、従来のウェハレベルの固体撮像装置における貫通電極の形成方法について説明する。図１３は従来のウェハレベルの固体撮像装置の製造方法を説明するための工程断面であり、貫通電極を形成する工程を示している。貫通電極は、半導体基板の上面に受光部や配線層等からなる固体撮像素子を形成した後に形成される。なお、図１３において、図１２に示す要素と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。

まず、半導体基板１０２の下面にフォトレジスト１０８を塗布する。次に、フォトリソグラフィ法によって、フォトレジスト１０８を開口径ｄ１のパターンに成形する。次に、半導体基板１０２の下面側からドライエッチング処理を実行して、半導体基板１０２の下面から上面へ向かう方向へ半導体基板１０２を貫通して配線層１０４に到達する貫通孔１０９を形成する。このとき、ドライエッチングの性質により、貫通孔１０９の縦断面形状は半導体基板１０２の上面側へ窄まるテーパー形状になる。

次に、フォトレジスト（パターン）１０８を除去した後、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによって、半導体基板１０２の下面側から絶縁膜１１０を形成する。この処理により、貫通孔１０９の内面および配線層１０４の貫通孔１０９から露出する部分の表面に絶縁膜１１０が形成される。

その後、配線層１０４の貫通孔１０９から露出する部分の表面上に形成された絶縁膜が除去されるように、絶縁膜１１０の除去処理を行う。最後に、電解めっき法などにより、貫通孔１０９の内部に金属１１１を埋設する。

以上説明したウェハレベルの固体撮像装置によれば、固体撮像装置の小型化を構造の面から図ることができる。また、半導体ウェハの切断精度が固体撮像装置の外形精度になるため、機器へ固体撮像装置を組み込む際の位置決め精度の向上を図ることができる。

また、ウェハレベルの固体撮像装置には、外部からの給電を目的として、半導体基板を貫通する貫通電極が設けられており、その貫通電極が給電経路となっている。一方、この貫通電極は、固体撮像装置から外部への放熱経路にもなっている。すなわち、例えば固体撮像装置をプリント基板にそれらの間に実装部材を介在させて実装した場合には、半導体基板上に形成された固体撮像素子から発生した熱は、主に貫通電極に充填された金属から実装部材を経てプリント基板へ放熱される。
特開２００１−３５１９９７号公報

以上のように、従来のウェハレベルの固体撮像装置では、受光部の周囲に形成されている配線層の直下に給電を目的として形成した貫通電極が主な放熱経路となる。しかしながら、従来のウェハレベルの固体撮像装置では、ＣＣＤ型固体撮像装置の主要な発熱源である水平ＣＣＤ部や出力アンプ部、ＭＯＳ型固体撮像装置の主要な発熱源であるタイミング・ジェネレータやＡ／Ｄコンバータなどからなるロジック回路部、あるいは発熱が画質劣化の直接の要因となる受光部の直下からの放熱を効率よく行うことができない。

近年、固体撮像装置の小型化と高速化がますます求められており、固体撮像装置が高温になることによって発生するシェーディング、白キズ、暗電流といった画像特性の劣化が問題になってきている。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、外部からの給電が半導体基板に設けた貫通電極を介して行われる固体撮像装置の放熱性能を向上させることができ、発熱に伴う画質劣化を防止でき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。

本発明の請求項１記載の固体撮像装置は、第１の面と前記第１の面に対向する第２の面とを有する半導体基板と、前記第１の面上に形成された受光部と、前記第１の面上の前記受光部の周囲に形成された表面側配線と、前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ前記半導体基板を貫通して前記表面側配線に接続する貫通電極と、一端が前記第２の面上に開口し前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ延在し且つ他端が前記第１の面に非到達の非貫通孔の内部に金属が充填されてなる非貫通放熱部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載の固体撮像装置は、請求項１記載の固体撮像装置であって、前記貫通電極の前記第２の面側の端部の径よりも前記非貫通放熱部の前記第２の面側の端部の径の方が小さいことを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載の固体撮像装置は、請求項１もしくは２のいずれかに記載の固体撮像装置であって、前記非貫通放熱部は、前記半導体基板に形成されたウェルに到達しない深さであることを特徴とする。

また、本発明の請求項４記載の固体撮像装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像装置であって、前記第１の面上にＣＣＤ型固体撮像素子が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５記載の固体撮像装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像装置であって、前記第１の面上にＭＯＳ型固体撮像素子が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項６記載の固体撮像装置は、請求項４記載の固体撮像装置であって、前記非貫通放熱部の前記第１の面側の端部は、前記第１の面上に形成されているＣＣＤ型固体撮像素子の受光部、出力アンプ部、水平ＣＣＤ部のいずれかの直下の位置に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項７記載の固体撮像装置は、請求項５記載の固体撮像装置であって、前記非貫通放熱部の前記第１の面側の端部は、前記第１の面上に形成されているＭＯＳ型固体撮像素子の受光部、ロジック回路部のいずれかの直下の位置に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項８記載の固体撮像装置は、請求項１ないし７のいずれかに記載の固体撮像装置であって、前記非貫通放熱部は、前記第２の面から前記第１の面に向かって径が小さくなるテーパー形状、又は径が一定の形状をしていることを特徴とする。

また、本発明の請求項９記載の固体撮像装置は、請求項１ないし８のいずれかに記載の固体撮像装置であって、前記第２の面上に設けられた外部接続電極をさらに備え、前記外部接続電極は、前記非貫通放熱部の前記第２の面側の端部の直下の位置に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項１０記載の固体撮像装置は、請求項９記載の固体撮像装置であって、前記非貫通放熱部の前記第２の面側の端部に接続する裏面側配線をさらに備え、前記外部接続電極は、前記裏面側配線を介して前記非貫通放熱部に接続することを特徴とする。

また、本発明の請求項１１記載の固体撮像装置は、請求項１ないし８のいずれかに記載の固体撮像装置であって、前記非貫通放熱部の前記第２の面側の端部に接続する裏面側配線と、前記裏面側配線に接続する外部接続電極とをさらに備え、前記外部接続電極は、前記非貫通放熱部の前記第２の面側の端部の直下の位置から離れた位置に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項１２記載の固体撮像装置の製造方法は、第１の面上に配線が形成された半導体基板の前記第１の面に対向する第２の面上に、貫通電極形成領域の開口径と非貫通放熱部形成領域の開口径が異なるパターンを形成する工程と、前記第２の面側からドライエッチング処理またはウェットエッチング処理を行うことにより、前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ前記半導体基板を貫通し前記配線に到達する貫通孔を前記貫通電極形成領域に形成するとともに、一端が前記第２の面上に開口し前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ延在し且つ他端が前記第１の面に非到達の非貫通孔を前記非貫通放熱部形成領域に形成する工程と、前記パターンを除去する工程と、前記貫通孔の内面、前記配線の前記貫通孔から露出する部分の表面、および前記非貫通孔の内面に絶縁膜を形成する工程と、前記配線の前記貫通孔から露出する部分の表面上に形成された前記絶縁膜を除去する工程と、前記貫通孔の内部および前記非貫通孔の内部に金属を埋設する工程と、を具備することを特徴とする。

また、本発明の請求項１３記載の固体撮像装置の製造方法は、第１の面上に配線が形成された半導体基板の前記第１の面に対向する第２の面上に、貫通電極形成領域上および非貫通放熱部形成領域上が開口し且つ前記貫通電極形成領域上の厚みと前記非貫通放熱部形成領域上の厚みが異なるパターンを形成する工程と、前記第２の面側からドライエッチング処理またはウェットエッチング処理を行うことにより、前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ前記半導体基板を貫通し前記配線に到達する貫通孔を前記貫通電極形成領域に形成するとともに、一端が前記第２の面上に開口し前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ延在し且つ他端が前記第１の面に非到達の非貫通孔を前記非貫通放熱部形成領域に形成する工程と、前記パターンを除去する工程と、前記貫通孔の内面、前記配線の前記貫通孔から露出する部分の表面、および前記非貫通孔の内面に絶縁膜を形成する工程と、前記配線の前記貫通孔から露出する部分の表面上に形成された前記絶縁膜を除去する工程と、前記貫通孔の内部および前記非貫通孔の内部に金属を埋設する工程と、を具備することを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態によれば、固体撮像装置の放熱性能を向上させることができ、固体撮像装置が高温になることによって発生するシェーディング、白キズ、暗電流といった画像特性の劣化を抑制することができる。よって、小型化、高速駆動、および画質劣化の抑制を同時に実現できる固体撮像装置を提供できる。したがって、本発明にかかる固体撮像装置およびその製造方法は、携帯用機器やデジタルスチルカメラ、ビデオカメラなどの小型化が要求され、かつ小型化に伴う発熱による画質劣化の抑制が要求される機器に用いる固体撮像装置に有用である。

以下、本発明の固体撮像装置およびその製造方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、各図において、先に説明した要素と同一の要素には同一の符号を付して、説明を省略する。

図１は本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成の一例を示す断面図であり、ＣＣＤ型固体撮像装置の断面を示している。固体撮像装置１において、半導体基板２の上面（第１の面）には受光部３および上面側配線層（表面側配線）４が形成されている。上面側配線層４は、受光部３の周囲に配置されており、受光部３に接続する。受光部３上には、集光効率を向上させるためのレンズ５が設けられている。

図中では省略しているが、半導体基板２の上面にはＣＣＤ型固体撮像素子を構成する水平ＣＣＤ部や出力アンプ部等が形成されている。また、図中では省略しているが、半導体基板の上方には光透過性部材が設けられている。なお、ＭＯＳ型固体撮像装置の場合には、半導体基板の上面にＭＯＳ型固体撮像素子を構成する各種の走査回路や出力回路、ロジック回路部等が形成される。

半導体基板２には、半導体基板２の下面（第２の面）から上面へ向かう方向へ半導体基板２を貫通して上面側配線層４に接続する貫通電極６が形成されている。また、半導体基板２には、さらに非貫通放熱部７が形成されている。非貫通放熱部７は、一端が半導体基板２の下面に開口し半導体基板２の下面から上面へ向かう方向へ延在し且つ他端が半導体基板２の上面に非到達の非貫通孔の内部に金属を充填した構造となっている。

半導体基板２の下面には、貫通電極６および非貫通放熱部７の端部に接続する下面側配線層（裏面側配線）８が形成されている。ＷＬＣＳＰの固体撮像装置の場合、下面側配線層８上には外部接続電極として半田ボール９が設けられる。半田ボール９は、下面側配線層８を介して貫通電極６および非貫通放熱部７に接続する。

以上のように構成された固体撮像装置１をプリント基板１０に実装することにより、半導体基板２上に形成された固体撮像素子から発生した熱は、貫通電極６および非貫通放熱部７から下面側配線層８および半田ボール９を経てプリント基板１０へ至る放熱経路１１を通じて放熱される。したがって、従来の固体撮像装置における放熱経路が、受光部の周囲に形成されている配線層の直下に給電を目的として形成した貫通電極からプリント基板へ至る経路のみであったのに対し、本実施の形態では、非貫通放熱部７からプリント基板へ至る経路が追加されているので、放熱効果を従来に比べて高めることが可能となる。

図２に、貫通電極６の半導体基板２の下面側の端部の径と非貫通放熱部７の半導体基板２の下面側の端部の径の関係を示す。図２において、ｄ１は貫通電極６の半導体基板２の下面側の端部の径を、ｄ２は非貫通放熱部７の半導体基板２の下面側の端部の径をそれぞれ示す。

図２に示すように、貫通電極６の半導体基板２の下面側の端部の径ｄ１よりも非貫通放熱部７の半導体基板２の下面側の端部の径ｄ２の方が小さい。これは、後述する本実施の形態における固体撮像装置の製造方法の第１例に起因する。

続いて、非貫通放熱部７の深さについて説明する。図３に、非貫通放熱部７とウェルとの位置関係を示す。図３において、１２は半導体基板２の表面（上面）に形成されたウェルを示す。

図３に示すように、非貫通放熱部７は、半導体基板２に形成されたウェル１２に到達しない深さにする必要がある。すなわち、半導体基板２の厚さをＬｓｕｂ、ウェル１２の深さをＬｗｅｌｌ、非貫通放熱部７の深さをＬ２とすると、
Ｌ２＜Ｌｓｕｂ−Ｌｗｅｌｌ
の関係を満足する必要がある。非貫通放熱部７がウェル１２に到達すると、ウェル１２の電位が振られて画像特性に悪影響を与える可能性があるため、このような制約が必要となる。

続いて、ＣＣＤ型固体撮像装置における非貫通放熱部７の形成位置について説明する。図４（ａ）〜図４（ｃ）は本発明の実施の形態におけるＣＣＤ型固体撮像装置の上面図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）において、１３は水平ＣＣＤ部を、１４は出力アンプ部を、１５は貫通電極形成領域を、１６は非貫通放熱部形成領域をそれぞれ示す。

図４（ａ）に示すように、非貫通放熱部７は、半導体基板２の上面側の端部が受光部３の直下の位置に配置されるように形成するのが好適である。このようにすれば、発熱が画質劣化の直接の要因となる受光部３の直下から効率よく放熱を行うことができ、受光部３の温度を効果的に下げることが可能となる。

また、非貫通放熱部７は、受光部３以外の領域で、電力消費量の大きい部分の近傍に形成してもよい。例えば、非貫通放熱部７は、図４（ｂ）に示すように、半導体基板２の上面側の端部が出力アンプ部１４の直下の位置に配置されるように形成してもよいし、図４（ｃ）に示すように、水平ＣＣＤ部１３の直下の位置に配置されるように形成してもよい。このようにすれば、主要な発熱源となる部分に近い領域に放熱経路を設けることができ、効率よく放熱を行うことができる。

続いて、ＭＯＳ型固体撮像装置における非貫通放熱部７の形成位置について説明する。図５（ａ）、図５（ｂ）は本発明の実施の形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の上面図である。図５（ａ）、図５（ｂ）において、１７は出力回路を、１８は水平走査回路を、１９は垂直走査回路を、２０は列回路を、２１はロジック回路部をそれぞれ示す。

ＭＯＳ型固体撮像装置の場合には、非貫通放熱部７は、図５（ａ）に示すように、半導体基板２の上面側の端部が受光部３の直下の位置に配置されるように形成したり、図５（ｂ）に示すように、ロジック回路部２１の直下の位置に配置されるように形成すればよい。このようにすれば、ＭＯＳ型固体撮像装置の主要な発熱源であるタイミング・ジェネレータやＡ／Ｄコンバータなどからなるロジック回路部２１、あるいは発熱が画質劣化の直接の要因となる受光部３の直下からの放熱を効率よく行うことができる。

なお、図４（ａ）〜図４（ｃ）および図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、貫通電極６を形成する領域（貫通電極形成領域）１５は各上面側配線層４ごとに設けられている。

続いて、非貫通放熱部の形状について説明する。図１に示すように、非貫通放熱部７は、半導体基板２の下面から上面に向かって径が小さくなるテーパー形状をしている。この形状は、後述する本実施の形態における固体撮像装置の製造方法の第１例に起因する。

なお、図６に示すように、非貫通放熱部７は、径が一定のストレート形状をしていてもよい。この形状は、後述する本実施の形態における固体撮像装置の製造方法の第２例に起因する。この場合、非貫通放熱部７の径の大きさは任意である。

続いて、非貫通放熱部７に充填する金属について説明する。非貫通放熱部７に充填する金属としては、銅が望ましい。これは、銅の熱伝導率が高く、高い放熱効果が期待されるためである。なお、非貫通放熱部に充填する金属として、熱伝導率の高い他の金属材料、例えば金、銀、アルミニウム、タングステン、４２アロイ（Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金）などを使用しても、銅を用いた場合と同様の効果を得ることができる。

続いて、非貫通放熱部７と半田ボール９の位置関係について説明する。図７（ａ）は非貫通放熱部７と半田ボール９の位置関係の一例を説明するための断面図、図７（ｂ）は非貫通放熱部７と半田ボール９（下面側配線層８）の位置関係の一例を説明するための下面図である。

図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、非貫通放熱部７の半導体基板２の下面側の端部の直下に半田ボール９を設けてもよい。このようにすれば、下面側配線層８を介して非貫通放熱部７に接続する半田ボール９と非貫通放熱部７との間の距離が近くなり、より効果的に放熱を行うことが可能となる。

続いて、非貫通放熱部７と半田ボール９の位置関係の他の例について説明する。図８（ａ）は非貫通放熱部７と半田ボール９の位置関係の他の例を説明するための断面図、図８（ｂ）は非貫通放熱部７と半田ボール９（下面側配線層８）の位置関係の他の例を説明するための下面図である。

図８（ａ）に示すように、非貫通放熱部７の半導体基板２の下面側の端部の直下の位置から離れた位置に半田ボール９を設けてもよい。この場合、図８（ｂ）に示すように、非貫通放熱部７の半導体基板２の下面側の端部の直下に形成される部分８ａと、非貫通放熱部７の半導体基板２の下面側の端部の直下の位置から離れた位置に形成される部分８ｃと、それらの部分８ａ、８ｃを結ぶ部分８ｂからからなる下面側配線層８を形成して、その下面側配線層８の部分８ｃ上に半田ボール９を設ける。

このようにすれば、半田ボール９を設ける位置の真上に非貫通放熱部７を形成しなくてもよくなり、非貫通放熱部７の形成位置の半田ボール９のレイアウトに対する制約が小さくなる。また、非貫通放熱部７と半田ボール９との間に高い位置合わせ精度を確保することが不要となる。したがって、固体撮像装置の製造の容易性が向上する。

続いて、本実施の形態における固体撮像装置の製造方法の一例について説明する。図９は本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法の第１例を説明するための工程断面図であり、貫通電極および非貫通放熱部を同時に形成する工程を示している。貫通電極および非貫通放熱部は、半導体基板の上面に受光部や上面側配線層等からなる固体撮像素子を形成した後に形成される。

まず、半導体基板２の下面にフォトレジスト２２を塗布する。次に、フォトリソグラフィ法によって、フォトレジスト２２を開口径ｄ１および開口径ｄ２のパターンに成形する。ここで、ｄ１＞ｄ２であり、開口径ｄ１の開口部は貫通電極形成領域に対応する位置に形成し、開口径ｄ２の開口部は非貫通放熱部形成領域に対応する位置に形成する。このように、この固体撮像装置の製造方法では、貫通電極形成領域と非貫通放熱部形成領域の開口径が異なるパターンを形成する。

次に、半導体基板２の下面側からドライエッチング処理を実行して、半導体基板２に孔を形成する。開口径ｄ１の孔が半導体基板２の上面側に貫通したときにエッチングを停止させると、開口径ｄ２の孔は非貫通の孔となる。

このとき、堆積性のガス（一般的にはパーフルオロカーボンが用いられる）をやや過剰に添加することにより、開口径の異なる孔の縦断面形状は半導体基板２の上面側へ窄まる相似形のテーパー形状になる。

つまり、一般的なドライエッチング処理では、開口に対して深い孔を形成する場合、反応ガスとして堆積性のガスを添付する。この堆積性のガスは、プラズマにより乖離して、エッチング中の孔の内側壁にエッチング抑制膜として堆積し、孔径の拡大を防止するが、孔の内側壁のあれ（凹凸）を防止する目的で堆積性のガスをやや過剰に添加すると、孔の内側壁はテーパー状となる。

このドライエッチング処理により、貫通電極形成領域に貫通孔２３が形成され、非貫通放熱部形成領域に非貫通孔２４が形成される。つまり、貫通孔２３は、半導体基板２の下面から上面へ向かう方向へ半導体基板２を貫通し上側配線層４に到達する。一方、非貫通孔２４は、一端が半導体基板２の下面に開口し、その下面から半導体基板２の上面へ向かう方向へ延在し、且つ他端が半導体基板２の上面に非到達の孔となる。

次に、フォトレジスト（パターン）２２を除去した後、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによって、半導体基板２の下面側から絶縁膜２５を形成する。この処理により、貫通孔２３の内面、上側配線層４の貫通孔２３から露出する部分の表面、および非貫通孔２４の内面に絶縁膜２５が形成される。

その後、上側配線層４の貫通孔２３から露出する部分の表面上に形成された絶縁膜が除去されるように、絶縁膜２５の除去処理を行う。最後に、電解めっき法などにより、貫通孔２３および非貫通孔２４の内部に金属２６を埋設する。

なお、ここでは半導体基板に孔を形成するのにドライエッチング処理を用いたが、無論、ウェットエッチング処理を用いてもよい。

図１０に、非貫通孔２４の開口径ｄ２とエッチングのテーパー角との関係を示す。図１０において、Ｌ２は非貫通孔２４の深さを、θはエッチングのテーパー角をそれぞれ示す。エッチングの先端径がｄ０となったときにエッチングが停止した場合、非貫通孔２４の開口径ｄ２は次の式を満足する。
ｄ２＝ｄ０＋２×Ｌ×ｔａｎθ

一般的に、θは３〜７°程度、ｄ０は数μｍ〜数十μｍ，Ｌは数百μｍであることから、非貫通孔の直径は２０μｍ以上１５０μｍ以下であることが予想される。

続いて、本実施の形態における固体撮像装置の製造方法の他の例について説明する。図１１は本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法の第２例を説明するための工程断面図であり、貫通電極および非貫通放熱部を同時に形成する工程を示している。貫通電極および非貫通放熱部は、半導体基板の上面に受光部や上面側配線層等からなる固体撮像素子を形成した後に形成される。

まず、半導体基板２の下面にフォトレジスト２２を塗布する。次に、フォトリソグラフィ法によって、フォトレジスト２２を開口径ｄ１および開口径ｄ２のパターンに成形する。但し、各開口部の底部が残するようにする。ここで、開口径ｄ１の開口部は貫通電極形成領域に対応する位置に形成し、開口径ｄ２の開口部は非貫通放熱部形成領域に対応する位置に形成する。この固体撮像装置の製造方法では、貫通電極形成領域と非貫通放熱部形成領域の開口径の大小関係についての制約はない。

次に、フォトリソグラフィ法によって、非貫通放熱部形成領域に対応する位置に形成した開口部をマスキングして、貫通電極形成領域に対応する位置に形成した開口部の底部のフォトレジストを除去する。ここで、貫通電極形成領域に対応する部分（開口径ｄ１の開口部）のレジスト厚をＬｒｅｓ１、非貫通放熱部形成領域に対応する部分（開口径ｄ２の開口部）のレジスト厚をＬｒｅｓ２とすると、
Ｌｒｅｓ１＜Ｌｒｅｓ２
となる。すなわち、貫通電極形成領域上の厚みと非貫通放熱部形成領域上の厚みが異なるパターンを形成する。

次に、半導体基板２の下面側からドライエッチング処理を実行して、半導体基板２に孔を形成する。開口径ｄ１の孔が半導体基板２の上面側に貫通したときにエッチングを停止させると、開口径ｄ２の孔は非貫通の孔となる。

このとき、堆積性のガスの流量を減少させて、堆積性のガスの分圧を低下させることにより、孔の側壁をストレート形状（垂直形状）に制御することができる。つまり、貫通電極形成領域に形成される貫通孔と非貫通放熱部形成領域に形成される非貫通孔の縦断面形状を共に径が一定のストレート形状にすることができる。特に、堆積性のガスを通常より１０ないし２０％程度減少させた条件を用いることにより、所望の形状の孔を得ることができる。

このドライエッチング処理により、貫通電極形成領域に貫通孔２３が形成され、非貫通放熱部形成領域に非貫通孔２４が形成される。つまり、貫通孔２３は、半導体基板２の下面から上面へ向かう方向へ半導体基板２を貫通し上側配線層４に到達する。一方、非貫通孔２４は、一端が半導体基板２の下面に開口し、その下面から半導体基板２の上面へ向かう方向へ延在し、且つ他端が半導体基板２の上面に非到達の孔となる。

次に、フォトレジスト（パターン）２２を除去した後、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによって、半導体基板２の下面側から絶縁膜２５を形成する。この処理により、貫通孔２３の内面、上側配線層４の貫通孔２３から露出する部分の表面、および非貫通孔２４の内面に絶縁膜２５が形成される。

その後、上側配線層４の貫通孔２３から露出する部分の表面上に形成された絶縁膜が除去されるように、絶縁膜２５の除去処理を行う。最後に、電解めっき法などにより、貫通孔２３および非貫通孔２４の内部に金属２６を埋設する。

なお、ここでは半導体基板に孔を形成するのにドライエッチング処理を用いたが、無論、ウェットエッチング処理を用いてもよい。

以上のように、本実施の形態では、受光部の周囲に形成されている上面側配線層の直下に形成した貫通電極から外部へ至る放熱経路に加えて、さらに非貫通放熱部から外部へ至る放熱経路が追加されたので、放熱効果を高めることができる。

ここで、非貫通放熱部の深さを、半導体基板に形成されたウェルに到達しない深さとすることにより、非貫通放熱部によってウェルの電位が振られて画像に悪影響が付与されることを防止することができる。

また、非貫通放熱部の形成位置を、受光部の直下の位置とすることにより、発熱が画質劣化の直接の要因となる受光部の温度を、効果的に下げることが可能となる。

また、非貫通放熱部の形成位置を、電力消費量の大きい部分の近傍とすることにより、発熱の原因となる部分に近い領域に放熱経路を設けることができ、放熱を効果的に行うことが可能となる。

また、非貫通放熱部に充填する金属として銅を用いることにより、熱伝導率の高い金属を介した放熱を行うことができ、より効果的な放熱が可能となる。

また、ＷＬＣＳＰの固体撮像装置の場合、非貫通放熱部の形成位置を、半田ボールを設ける位置の真上とすることにより、非貫通放熱部と半田ボールとの距離が近くなり、より効果的に放熱を行うことが可能となる。また、この場合、非貫通放熱部の形成位置を、半田ボールを設ける位置から離れた位置にしてもよい。このようにすれば、半田ボールを設ける位置の真上に非貫通放熱部を形成しなくてもよくなるので、非貫通放熱部と半田ボールとの高い位置合わせ精度を確保することが不要となり、かつ非貫通放熱部の形成位置の半田ボールのレイアウトに対する制約が小さくなる。したがって、固体撮像装置の製造の容易性が向上する。

本発明にかかる固体撮像装置およびその製造方法は、固体撮像装置の放熱性能を向上させることができる。また、ＣＣＤ型固体撮像装置およびＭＯＳ型固体撮像装置に利用できる。よって、携帯用機器やデジタルスチルカメラ、ビデオカメラなどの小型化が要求され、かつ小型化に伴う発熱による画質劣化の抑制が要求される機器に用いる固体撮像装置に有用である。

本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成の一例を示す断面図 本発明の実施の形態における固体撮像装置の貫通電極と非貫通放熱部の端部の径の関係の一例を示す断面図 本発明の実施の形態における固体撮像装置の非貫通放熱部とウェルの位置関係の一例を示す断面図 本発明の実施の形態におけるＣＣＤ型固体撮像装置の一例を示す上面図 本発明の実施の形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の一例を示す上面図 本発明の実施の形態における固体撮像装置の非貫通放熱部の形状の一例を示す断面図 本発明の実施の形態における固体撮像装置の非貫通放熱部の形成位置の一例を示す図 本発明の実施の形態における固体撮像装置の非貫通放熱部の形成位置の一例を示す図 本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法の一例を示す工程断面図 本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法に係る非貫通孔の開口径とエッチングのテーパー角との関係の一例を示す断面図 本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法の一例を示す工程断面図 従来のウェハレベルのＣＣＤ型固体撮像装置の断面図および上面図 従来のウェハレベルの固体撮像装置における貫通電極の形成方法を説明するための工程断面図

符号の説明

１ 固体撮像装置
２ 半導体基板
３ 受光部
４ 上面側配線層
５ レンズ
６ 貫通電極
７ 非貫通放熱部
８ 下面側配線層
９ 半田ボール
１０ プリント基板
１１ 放熱経路
１２ ウェル
１３ 水平ＣＣＤ部
１４ 出力アンプ部
１５ 貫通電極形成領域
１６ 非貫通放熱部形成領域
１７ 出力回路
１８ 水平走査回路
１９ 垂直走査回路
２０ 列回路
２１ ロジック回路部
２２ フォトレジスト
２３ 貫通孔
２４ 非貫通孔
２５ 絶縁膜
２６ 金属
１０１ 固体撮像装置
１０２ 半導体基板
１０３ 受光部
１０４ 配線層
１０５ レンズ
１０６ 貫通電極
１０７ 貫通電極形成領域
１０８ フォトレジスト
１０９ 貫通孔
１１０ 絶縁膜
１１１ 金属

Claims (13)

1. 第１の面と前記第１の面に対向する第２の面とを有する半導体基板と、
   前記第１の面上に形成された受光部と、
   前記第１の面上の前記受光部の周囲に形成された表面側配線と、
   前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ前記半導体基板を貫通して前記表面側配線に接続する貫通電極と、
   一端が前記第２の面上に開口し前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ延在し且つ他端が前記第１の面に非到達の非貫通孔の内部に金属が充填されてなる非貫通放熱部と、
   を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記貫通電極の前記第２の面側の端部の径よりも前記非貫通放熱部の前記第２の面側の端部の径の方が小さいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記非貫通放熱部は、前記半導体基板に形成されたウェルに到達しない深さであることを特徴とする請求項１もしくは２のいずれかに記載の固体撮像装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像装置であって、前記第１の面上にＣＣＤ型固体撮像素子が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像装置であって、前記第１の面上にＭＯＳ型固体撮像素子が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
6. 前記非貫通放熱部の前記第１の面側の端部は、前記第１の面上に形成されているＣＣＤ型固体撮像素子の受光部、出力アンプ部、水平ＣＣＤ部のいずれかの直下の位置に配置されていることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
7. 前記非貫通放熱部の前記第１の面側の端部は、前記第１の面上に形成されているＭＯＳ型固体撮像素子の受光部、ロジック回路部のいずれかの直下の位置に配置されていることを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
8. 前記非貫通放熱部は、前記第２の面から前記第１の面に向かって径が小さくなるテーパー形状、又は径が一定の形状をしていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の固体撮像装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の固体撮像装置であって、前記第２の面上に設けられた外部接続電極をさらに備え、前記外部接続電極は、前記非貫通放熱部の前記第２の面側の端部の直下の位置に設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
10. 請求項９記載の固体撮像装置であって、前記非貫通放熱部の前記第２の面側の端部に接続する裏面側配線をさらに備え、前記外部接続電極は、前記裏面側配線を介して前記非貫通放熱部に接続することを特徴とする固体撮像装置。
11. 請求項１ないし８のいずれかに記載の固体撮像装置であって、前記非貫通放熱部の前記第２の面側の端部に接続する裏面側配線と、前記裏面側配線に接続する外部接続電極とをさらに備え、前記外部接続電極は、前記非貫通放熱部の前記第２の面側の端部の直下の位置から離れた位置に設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
12. 第１の面上に配線が形成された半導体基板の前記第１の面に対向する第２の面上に、貫通電極形成領域の開口径と非貫通放熱部形成領域の開口径が異なるパターンを形成する工程と、
    前記第２の面側からドライエッチング処理またはウェットエッチング処理を行うことにより、前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ前記半導体基板を貫通し前記配線に到達する貫通孔を前記貫通電極形成領域に形成するとともに、一端が前記第２の面上に開口し前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ延在し且つ他端が前記第１の面に非到達の非貫通孔を前記非貫通放熱部形成領域に形成する工程と、
    前記パターンを除去する工程と、
    前記貫通孔の内面、前記配線の前記貫通孔から露出する部分の表面、および前記非貫通孔の内面に絶縁膜を形成する工程と、
    前記配線の前記貫通孔から露出する部分の表面上に形成された前記絶縁膜を除去する工程と、
    前記貫通孔の内部および前記非貫通孔の内部に金属を埋設する工程と、
    を具備することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
13. 第１の面上に配線が形成された半導体基板の前記第１の面に対向する第２の面上に、貫通電極形成領域上および非貫通放熱部形成領域上が開口し且つ前記貫通電極形成領域上の厚みと前記非貫通放熱部形成領域上の厚みが異なるパターンを形成する工程と、
    前記第２の面側からドライエッチング処理またはウェットエッチング処理を行うことにより、前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ前記半導体基板を貫通し前記配線に到達する貫通孔を前記貫通電極形成領域に形成するとともに、一端が前記第２の面上に開口し前記第２の面から前記第１の面へ向かう方向へ延在し且つ他端が前記第１の面に非到達の非貫通孔を前記非貫通放熱部形成領域に形成する工程と、
    前記パターンを除去する工程と、
    前記貫通孔の内面、前記配線の前記貫通孔から露出する部分の表面、および前記非貫通孔の内面に絶縁膜を形成する工程と、
    前記配線の前記貫通孔から露出する部分の表面上に形成された前記絶縁膜を除去する工程と、
    前記貫通孔の内部および前記非貫通孔の内部に金属を埋設する工程と、
    を具備することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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