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JP2015088691A - 固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器 - Google Patents

固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器 Download PDF

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秀夫 神戸
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Abstract

【課題】可視光と赤外光とを別々に取ることができる。
【解決手段】Si基板とその下の配線部とにおいて、一方の側（図中左側）には、赤外光読み出し回路が形成されており、他方の側（図中右側）には、可視光読み出し回路が形成されている。また、配線層における下基板に面する側には、下基板と接触するように赤外用電極が設けられている。この赤外用電極は、赤外光の入射を邪魔しないように、リング状（中が空洞となるよう）に形成されている。本開示は、例えば、カメラ装置などの電子機器に用いられるCMOS固体撮像装置に適用することができる。
【選択図】図３

Description

本開示は、固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器に関し、特に、可視光と赤外光とを別々に取ることができるようにした固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器に関する。
特許文献１においては、固体撮像素子の裏面に赤外線受光用の基板を貼り付け、スイッチを赤外線モードに切り替えることで、バイアスによって赤外線も取れるようにしたことが提案されている。
一方、裏面照射型CMOSイメージセンサ（以下、CMOSイメージセンサをCISと称する）においては、CISを配線層まで作った基板を裏返して、基板支持材を貼り付けている。裏面照射型CISにおいては、ウエハをCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって研磨することにより、10乃至20μｍ程度の厚さのSi（シリコン）層が形成される（特許文献２参照）。現在では、Si層の厚みは、数μｍであり、基板支持材には、通常のSiウエハが用いられている。
特開２００４−１０３９６４号公報 特許第３７５９４３５号
しかしながら、前者の固体撮像素子においては、２つの基板の間に回路がないため、可視光と赤外光とを別々に取ることが困難であった。また、後者の裏面照射型CISにおいては、Si層が薄いために、可視光を取れるが、赤外光を取ることが難しかった。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、可視光と赤外光とを別々に取ることができるものである。
本技術の一側面の固体撮像装置は、裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部が形成されるSi基板と、前記Si基板の下に設けられ、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板とを備える。
前記下基板は、化合物半導体で形成される。
前記下基板の前記Si基板側に赤外用電極を接触させ、前記下基板の外部側に下部電極を接触させている。
前記Si基板に、前記可視光を読み出す可視光読み出し回路と、前記赤外光を読み出す赤外光読み出し回路とが形成されている。
前記赤外用電極は、リング状に形成されている。
前記可視光読み出し回路および前記赤外光読み出し回路は、前記赤外用電極とほぼ重なる位置に形成されている。
前記赤外用電極は、透明に形成されている。
前記下基板は、シリコンで形成され、トランジスタと配線とを有する。
前記下基板は、ｎ型基板である。
前記Si基板と前記下基板とで積層構造をなしている。
前記Si基板に、前記可視光を読み出す可視光読み出し回路が形成され、前記下基板に前記赤外光を読み出す赤外光読み出し回路が形成されている。
前記赤外光読み出し回路は、前記可視光読み出し回路とほぼ重なる位置に設けられている。
本技術の一側面の固体撮像装置の製造方法は、製造装置が、Si基板に、裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部を形成し、前記Si基板の下に、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板を貼り付ける。
本技術の他の側面の電子機器は、裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部が形成されるSi基板と、前記Si基板の下に設けられ、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板とを備える固体撮像装置と、前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、前記可視光および前記赤外光を前記固体撮像装置に入射する光学系とを有する。
前記下基板は、化合物半導体で形成される。
前記下基板の前記Si基板側に赤外用電極を接触させ、前記下基板の外部側に下部電極を接触させている。
前記Si基板に、前記可視光を読み出す可視光読み出し回路と、前記赤外光を読み出す赤外光読み出し回路とが形成されている。
前記赤外用電極は、リング状に形成されている。
前記可視光読み出し回路および前記赤外光読み出し回路は、前記赤外用電極とほぼ重なる位置に形成されている。
前記赤外用電極は、透明に形成されている。
前記下基板は、シリコンで形成され、トランジスタと配線とを有する。
本技術の一側面においては、Si基板に、裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部が形成され、前記Si基板の下に、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板が貼り付けられる。
本技術の他の側面においては、Si基板に、裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部が形成され、前記Si基板の下に、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板が貼り付けられた固体撮像装置から出力される出力信号が、信号処理回路により処理され、光学系により、前記可視光および前記赤外光が前記固体撮像装置に入射される。
本技術によれば、可視光と赤外光とを取ることができる。また、本技術によれば、可視光と赤外光とを別々に取ることができる。
なお、本明細書に記載された効果は、あくまで例示であり、本技術の効果は、本明細書に記載された効果に限定されるものではなく、付加的な効果があってもよい。
本技術を適用した固体撮像装置の概略構成例を示すブロック図である。 裏面照射型の固体撮像装置の画素領域および周辺回路部の構造の一例を示す断面図である。 本技術の一実施の形態の固体撮像装置の画素の構成例を示す断面図である。 赤外用電極の例を示す図である。 可視光読み出し回路の構成例を示す図である。 赤外光読み出し回路の構成例を示す図である。 赤外光読み出し回路の他の構成例を示す図である。 固体撮像装置の製造処理を説明するフローチャートである。 固体撮像装置の製造工程を示す図である。 固体撮像装置の製造工程を示す図である。 本技術の一実施の形態に係る固体撮像装置の基本的な概略構成を示す。 本技術の一実施の形態に係る固体撮像装置の基本的な概略構成を示す。 本技術の他の実施の形態の固体撮像装置の画素の構成例を示す断面図である。 固体撮像装置の製造処理を説明するフローチャートである。 固体撮像装置の製造工程を示す図である。 本技術の一実施の形態の電子機器の構成例を示すブロック図である。
以下、本開示を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．固体撮像装置の概略構成例
１．第１の実施の形態（裏面照射型CIS（CMOSイメージセンサ））
２．第２の実施の形態（裏面照射型積層CIS）
３．第３の実施の形態（電子機器）
＜０．固体撮像装置の概略構成例＞
＜固体撮像装置の概略構成例＞
図１は、本技術の各実施の形態に適用されるCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）固体撮像装置の一例の概略構成例を示している。
図１に示されるように、固体撮像装置（素子チップ）１は、半導体基板１１（例えばシリコン基板）に複数の光電変換素子を含む画素２が規則的に２次元的に配列された画素領域（いわゆる撮像領域）３と、周辺回路部とを有して構成される。
画素２は、光電変換素子（例えばフォトダイオード）と、複数の画素トランジスタ（いわゆるMOSトランジスタ）を有してなる。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、および増幅トランジスタの３つのトランジスタで構成することができ、さらに選択トランジスタを追加して４つのトランジスタで構成することもできる。各画素２（単位画素）の等価回路は一般的なものと同様であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
また、画素２は、共有画素構造とすることもできる。画素共有構造は、複数のフォトダイオード、複数の転送トランジスタ、共有される１つのフローティングディフュージョン、および、共有される１つずつの他の画素トランジスタから構成される。
周辺回路部は、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６、出力回路７、および制御回路８から構成される。
制御回路８は、入力クロックや、動作モード等を指令するデータを受け取り、また、固体撮像装置１の内部情報等のデータを出力する。具体的には、制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号、およびマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、および水平駆動回路６の動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路８は、これらの信号を垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、および水平駆動回路６に入力する。
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線を選択し、選択された画素駆動配線に画素２を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素２を駆動する。具体的には、垂直駆動回路４は、画素領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線９を通して各画素２の光電変換素子において受光量に応じて生成した信号電荷に基づいた画素信号をカラム信号処理回路５に供給する。
カラム信号処理回路５は、画素２の例えば列毎に配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列毎にノイズ除去等の信号処理を行う。具体的には、カラム信号処理回路５は、画素２固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS（Correlated Double Sampling）や、信号増幅、A/D（Analog/Digital）変換等の信号処理を行う。カラム信号処理回路５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線１０との間に接続されて設けられる。
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１０に出力させる。
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１０を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。出力回路７は、例えば、バッファリングだけを行う場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理等を行う場合もある。
入出力端子１２は、外部と信号のやりとりをするために設けられる。
＜固体撮像装置の断面例＞
図２は、固体撮像装置の画素領域および周辺回路部の構造の一例を示す断面図である。図２の例においては、裏面照射型の固体撮像装置の例が示されている。
図２の例の固体撮像装置においては、ウエハをCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって研磨することにより、現在は3μｍ程度の厚さのSi（シリコン）層（素子層）３１が形成される。このSi層の一方の面側には、SiO2膜３２を挟んで遮光膜３３が形成されている。
遮光膜３３は、配線と異なり、光学的な要素だけを考慮してレイアウトされる。この遮光膜３３には開口部３３Ａが形成されている。遮光膜３３の上には、パッシベーション膜としてシリコン窒化膜（SiN）３４が形成され、さらに、開口部３３Ａの上方にカラーフィルタ３５およびOCL(On Chip Lens)３６が形成されている。
すなわち、Si層３１の一方の面側から入射する光は、OCL３６およびカラーフィルタ３５を経由し、Si層３１に形成されるフォトダイオード３７の受光面に導かれる画素構造となっている。Si層３１の他方の面側には、トランジスタや金属配線が形成される配線層３８が形成され、その下には、さらに、基板支持材３９が貼り付けられている。
＜１．第１の実施の形態（裏面照射型CIS）＞
＜固体撮像装置の画素の構成例＞
図３は、本技術の一実施の形態に係る固体撮像装置の１画素分の模式図である。
図３の例の画素２においては、Si（シリコン）基板５１には、図２の固体撮像装置と同様に、フォトダイオード５６やトランジスタが設けられている。Si基板５１の上には、パッシベーション膜５２が形成されている。なお、図３の例においては、入射面側（図中上側）には、このパッシベーション膜５２しか示されていないが、図２に示されるようなオンチップのカラーフィルタ３５やOCL３６が形成されてもよい。また、この入射面は、配線層形成時に裏面であり、それをひっくり返して形成されることから、この固体撮像装置１は、裏面照射型と呼ばれている。
Si基板５１の下には配線層５３が形成されている。配線層５３には、トランジスタや配線が設けられている。Si基板５１とその下の配線層５３とにおいて、一方の側（図中左側）には、赤外光読み出し回路５８が形成されており、他方の側（図中右側）には、可視光読み出し回路５９が形成されている。また、配線層５３における下基板５４に面する側には、下基板５４と接触するように、下基板５４とコンタクトをとるための赤外用電極５７が設けられている。この赤外用電極５７は、入射面（裏面）からの赤外光の入射を邪魔しないように、図４に示されるように、リング状（中が空洞となるよう）に形成されている。
図４の例においては、２×２画素の場合のリング状の赤外用電極５７の例が示されている。各赤外用電極５７の左下には、赤外光読み出し回路５８につながるためのコンタクト６１がそれぞれ形成されている。
入射面(裏面)側から入射された赤外光は、このリング状の中の空洞部分を通過する。赤外用電極５７には、例えば、銅やチタンが用いられる。
なお、赤外用電極５７の形状は、赤外光の入射を邪魔しなければ、リング状に限らない。例えば、赤外用電極５７は、ITO（酸化インジウムスズ）や亜鉛系材料などの透明電極であってもよい。透明電極で構成される場合には、赤外用電極５７は、リング状でなくても、空洞部分のない形状（例えば、正方形）であってもよい。
Si基板５１においては、このリング状の赤外用電極５７とほぼ（おおよそ）重なる位置に、赤外光読み出し回路５８および可視光読み出し回路５９が配置されている。
また、下基板５４は、図２の基板支持材３９に対応する基板であるが、赤外光を光電変換可能な基板で構成される。下基板５４における配線層側とは反対側（外部側）の面には、下基板５４と接触させるように下部電極５５が設けられている。
なお、下基板５４は、Si基板でもよいが、下基板５４の形成には、InGaAs（Indium Gallium Arsenide(インジウムガリウムヒ化物)）、InSb(Indium Antimonide（アンチモン化インジウム単結晶)）、HgCdTe (水銀カドミウムテルル)などの化合物半導体を用いる方が好ましい。下基板５４に化合物半導体を用いることにより、赤外光を下基板５４の浅いところで光電変換ができ、この結果、赤外光の解像度を上げることができる。
このように構成される画素２において、入射面（裏面）から入射される可視光の大部分は、2乃至4μｍの厚さのSi基板５１に設けられたフォトダイオード５６で光電変換され、可視光読み出し回路５９で読み出される。
一方、入射面（裏面）から入射される赤外光の大部分は、画素２において、Si基板５１を突き抜け、赤外用電極５７の中の空洞部分を通過し、下基板５４で光電変換され、赤外光読み出し回路５８で読み出される。
なお、可視光の大部分および赤外光の大部分と上述したように、可視光の一部は、フォトダイオード５６に入射しなかったり、赤外光の一部は、下基板５４に入る前の他の部分で止まったりするので、光電変換後に補正を行うようにしてもよい。
以上のように構成されることで、裏面照射型の固体撮像装置においては、可視光と赤外光とをほぼ同じときに（すなわち、別々に）取ることができる。また、可視光と赤外光とを別々に取ることができる。
＜可視光読み出し回路の構成例＞
図５は、画素の可視光読み出し回路の構成例を示す図である。なお、図５の例においては、図中のトランジスタは、すべてNMOS(negative channel Metal Oxide Semiconductor)である。以下の図におけるトランジスタについても同様である。
図５に示されるように、画素２の可視光読み出し回路５９は、光電変換素子として、例えば、フォトダイオードPDを有する。可視光読み出し回路５９は、この１個のフォトダイオードPDに対して、転送トランジスタTrf1、増幅トランジスタAmp、選択トランジスタSel、およびリセットトランジスタRstの４個のトランジスタを能動素子として有する構成となっている。
フォトダイオードPDは、そのアノードが接地され、入射光をその光量に応じた量の電荷（ここでは、電子）に光電変換する。転送トランジスタTrf1は、フォトダイオードPDのカソードとフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、図示せぬ転送配線を通してそのゲートに転送信号が与えられる。これにっより、フォトダイオードPDで光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
フローティングディフュージョンFDには、増幅トランジスタAmpのゲートが接続されている。この増幅トランジスタAmpは、選択トランジスタSelを介して垂直信号線SLに接続され、画素部外の定電流源とソースフォロアを構成している。そして、図示せぬ選択配線を通して、選択信号が選択トランジスタSelのゲートに与えられ、当該選択トランジスタSelがオンされる。このとき、増幅トランジスタAmpは、フローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線SLに出力する。垂直信号線SLは、各画素から出力された電圧を、図１のカラム信号処理回路５に伝送する。
リセットトランジスタRstは、電源VddとフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、図示せぬリセット配線を通してそのゲートにリセット信号が与えられることで、フローティングディフュージョンFDの電位を電源Vddの電位にリセットする。
＜赤外光読み出し回路の構成例＞
図６は、画素の赤外光読み出し回路の構成例を示す図である。図６の例の場合、下基板５４において、正孔（ホール）をフローティングディフュージョンFDに誘導するように電界がかけられている例が示されている。
図６に示されるように、画素２の赤外光読み出し回路５８は、光電変換部として、例えば、図３の下基板５４を有する。赤外光読み出し回路５８は、この１個の下基板５４に対して、増幅トランジスタAmp、選択トランジスタSel、およびリセットトランジスタRstの３個のトランジスタを能動素子として有する構成となっている。
下基板５４は、下部電極５５とフローティングディフュージョンFDとの間に接続される。そして、下部電極５５を高い側の電圧とし、フローティングディフュージョンFD側を接地（グランド）にリセットし、正孔をフローティングディフュージョンFDに誘導する。
フローティングディフュージョンFDは、図５の例と同様に、増幅トランジスタAmpのゲートが接続されている。この増幅トランジスタAmpは、選択トランジスタSelを介して垂直信号線SLに接続され、画素部外の定電流源とソースフォロアを構成している。そして、図示せぬ選択配線を通して、選択信号が選択トランジスタSelのゲートに与えられ、当該選択トランジスタSelがオンされる。このとき、増幅トランジスタAmpは、フローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線SLに出力する。垂直信号線SLは、各画素から出力された電圧を、図１のカラム信号処理回路５に伝送する。
リセットトランジスタRstは、接地とフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、図示せぬリセット配線を通してそのゲートにリセット信号が与えられることで、フローティングディフュージョンFDの電位を接地でリセットする。
この例の場合、下基板５４の下部電極５５側に正孔注入障壁を、赤外用電極５７側に電子注入章壁を設けて暗電流を低減するなどの技術を利用することが可能である。
なお、赤外光読み出し回路は、図６の例に限らず、通常の光電変換膜積層型の固体撮像装置と同じものであってもよい。
＜赤外光読み出し回路の構成例＞
図７は、画素の赤外光読み出し回路の構成の他の例を示す図である。図７の例の場合、下基板５４において、電子をフローティングディフュージョンFDに誘導するように電界がかけられている例が示されている。
図７に示されるように、画素２の赤外光読み出し回路５８は、光電変換部として、例えば、図３の下基板５４を有する。赤外光読み出し回路５８は、この１個の下基板５４に対して、増幅トランジスタAmp、選択トランジスタSel、およびリセットトランジスタRstの３個のトランジスタを能動素子として有する構成となっている。
下基板５４は、図６の例と同様に、下部電極５５とフローティングディフュージョンFDとの間に接続される。このとき下基板５４は、図６の例と異なり、下部電極５５を負電圧とし、フローティングディフュージョンFD側を電源電圧Vddにリセットし、電子をフローティングディフュージョンFDに誘導する。
フローティングディフュージョンFDは、図６の例と同様に、増幅トランジスタAmpのゲートが接続されている。この増幅トランジスタAmpは、選択トランジスタSelを介して垂直信号線SLに接続され、画素部外の定電流源とソースフォロアを構成している。そして、図示せぬ選択配線を通して、選択信号が選択トランジスタSelのゲートに与えられる。当該選択トランジスタSelがオンすると、増幅トランジスタAmpは、フローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線SLに出力する。垂直信号線SLは、各画素から出力された電圧を、図１のカラム信号処理回路５に伝送する。
リセットトランジスタRstは、接地とフローティングディフュージョンFDとの間に接続される。そして、リセットトランジスタRstは、図６の例と異なり、図示せぬリセット配線を通してそのゲートにリセット信号が与えられることで、フローティングディフュージョンFDの電位を電源電圧Vddでリセットする。
この例の場合、下基板５４の下部電極５５側に電子注入障壁を、赤外用電極５７側に正孔注入章壁を設けて暗電流を低減するなどの技術を利用することが可能である。
＜固体撮像装置の製造処理＞
次に、図８のフローチャート、並びに図９および図１０の工程図を参照し、固体撮像装置（図３の画素）の製造処理について説明する。なお、この処理は、固体撮像装置を製造する製造装置により行われる処理である。
まず、図５のステップＳ５１において、製造装置は、Si基板５１に、フォトダイオード５６、トランジスタ、配線（赤外用電極５７を含む）を形成する。ここで、図９Ａに示されるように、Si基板５１にフォトダイオード５６、トランジスタ、および配線層５３が形成され、最上層が赤外用電極５７となる。
ステップＳ５２において、製造装置は、図９Ｂに示されるように、配線層５３に下基板５４を貼り付ける。
ステップＳ５３において、製造装置は、図１０Ａに示されるように、ウェハ（Si基板５１）を逆さまにする。
ステップＳ５４において、製造装置は、図１０Ｂに示されるように、Si基板５１を厚さ数μｍまで削り、パッシベーション膜５２を形成する、
ステップＳ５５において、製造装置は、下基板５４に裏面処理を行う。
なお、図３に示された下部電極５５は、ステップＳ５５の工程で形成してもよいし、このチップには形成せず、パッケージ側に持たせてもよい。この場合、電極を形成したパッケージに貼り付けることで、電気的に導通させることができる。
＜２．第２の実施の形態（裏面照射型積層CIS）＞
次に、裏面照射型の固体撮像装置として、基板支持材であるSi基板にトランジスタ／配線を搭載、すなわち、回路を搭載するものがあり、それについて説明する。
＜固体撮像装置の基本的な概略構成例＞
図１１は、本技術の他の実施の形態に係る固体撮像装置の基本的な概略構成を示す図である。
図１１Ａに示される固体撮像装置は、１つの半導体チップ８０内に、画素領域７２と、制御回路７３と、信号処理するためのロジック回路７４とを搭載して構成される。通常、画素領域７２と制御回路７３でイメージセンサ７５が構成される。
これに対して、本技術の他の実施の形態における固体撮像装置は、図１１Ｂに示されるように、第１の半導体チップ部８１に画素領域８２と制御回路８３を搭載し、第２の半導体チップ部８５に信号処理するための信号処理回路を含むロジック回路８４を搭載する。なお、制御回路８３には、例えば、図１の垂直駆動回路４、水平駆動回路６、制御回路８などが含まれる。また、ロジック回路８４には、例えば、図１の出力回路７からの出力に対しての補正やゲインなどの信号処理を行うための信号処理回路が含まれている。
あるいはまた、本技術の他の実施の形態における固体撮像装置は、図１１Ｃに示されるように、第１の半導体チップ部８１に画素領域８２を搭載し、第２の半導体チップ部８５にと制御回路８３、信号処理回路を含むロジック回路８４を搭載する。
そして、第１及び第２の半導体チップ部８１及び８５を相互に電気的に接続して１つの半導体チップとして固体撮像装置が構成される。
なお、固体撮像装置の構成は、図１１Ｂおよび図１１Ｃに限らず、例えば、第１の半導体チップ部８１に、制御回路８３（例えば、垂直駆動回路４、水平駆動回路６、制御回路８）のうちの一部が含まれ、第２の半導体チップ部８５に制御回路８３のうちの残りが含まれるものもあり得る。例えば、一部として、垂直駆動回路４と水平駆動回路６が第１の半導体チップ部８１に含まれ、残りが第２の半導体チップ部８５に含まれてもよいし、垂直駆動回路４（または水平駆動回路６）のみが第１の半導体チップ部８１に含まれ、残りが第２の半導体チップ部８５に含まれてもよい。また、第２の半導体チップ部８５は、画素領域で入力された信号や信号処理結果のデータなどを記憶するメモリ回路を搭載してもよい。例えば、第２の半導体チップ部８５は、ロジック回路８４とメモリ回路の両方を搭載してもよい。
また、本技術の他の実施の形態における固体撮像装置は、図１２Ａおよび図１２Ｂに示されるように、半導体チップ部を３層相互に電気的に接続して１つの半導体チップとすることもできる。
すなわち、本技術の他の実施の形態における固体撮像装置は、図１２Ａに示されるように、第１の半導体チップ部８１に画素領域８２と制御回路８３を搭載し、第２の半導体チップ部８５に信号処理するための信号処理回路を含むロジック回路８４を搭載する。さらに、固体撮像装置は、図１２Ａに示されるように、第３の半導体チップ部８６に、画素領域で入力された信号や信号処理結果のデータなどを記憶するメモリ回路８７を搭載する。
あるいはまた、本技術の他の実施の形態における固体撮像装置は図１２Ｂに示されるように、第１の半導体チップ部８１に画素領域８２を搭載し、第２の半導体チップ部８５に制御回路８３、信号処理回路を含むロジック回路８４を搭載する。さらに、固体撮像装置は、図１２Ｂに示されるように、第３の半導体チップ部８６に、メモリ回路８７を搭載する。
そして、第１の半導体チップ部８１、第２の半導体チップ部８５、及び第３の半導体チップ部８６を、相互に電気的に接続して１つの半導体チップとして固体撮像装置が構成される。
なお、図１２の例においても、制御領域に含まれる各部の構成は、図１１を参照して上述した制御領域の構成と同様に、例えば、第１の半導体チップ部８１に、制御回路８３のうちの一部が含まれ、第２の半導体チップ部８５に制御回路８３のうちの残りが含まれるものもあり得る。また、図１２の例においては、第２の半導体チップ部８５にメモリ回路が搭載されるようにしてもよい。また、第３の半導体チップ部８６にロジック回路が搭載されるようにしてもよい。例えば、第２の半導体チップ部８５や第３の半導体チップ部８６は、ロジック回路８４とメモリ回路の両方を搭載してもよい。
以上のように、本技術の他の実施の形態における固体撮像装置は、半導体チップ（半導体基板）を積層して構成される。なお、以下においては、半導体チップが、２層と３層の積層例を説明するが、積層の数は、２層や３層に限定されず、４層や５層、それ以上の積層であってもよい。
＜固体撮像装置の画素の構成例＞
図１３は、本技術の他の実施の形態に係る固体撮像装置の１画素分の模式図である。
図１３の例の画素２においては、Si（シリコン）基板Ａ１０１は、下基板１１１とで積層構造をなしている。Si基板Ａ１０１には、図３の例と同様に、フォトダイオード１０４やトランジスタが設けられており、Si基板Ａ１０１の上には、パッシベーション膜１０２が形成されている。なお、図１３の例の場合も、入射面（図中上：裏面）側には、図２に示されるようなオンチップのカラーフィルタ３５やOCL３６が形成されてもよい。
Si基板Ａ１０１の下には配線層１０３が形成されている。配線層１０３には、トランジスタや配線が設けられている。Si基板Ａ１０１とその下の配線層１０３において、図中右側には、可視光読み出し回路１０８が形成されている。可視光読み出し回路１０８は、図４の可視光読み出し回路５９と同様に構成される。なお、図３の例と異なり、赤外光読み出し回路１０９は、下基板１１１に形成されている。
下基板１１１は、トランジスタと配線まで作り込まれているSi(シリコン)基板である。下基板１１１は、配線層１０５、Si基板Ｂ１０６、および下部電極１０７を含むように構成されている。
Si基板Ｂ１０６は、Siで形成された薄いｎ型基板であり、トランジスタなどが設けられている。Si基板Ｂ１０６の図中上側に形成された配線層１０５には、トランジスタや配線が設けられている。Si基板Ｂ１０６とその上の配線層１０５において、可視光読み出し回路１０８とほぼ重なる位置に、赤外光読み出し回路１０９が設けられている。これにより、画素を小型化できる。
また、赤外光読み出し回路１０９も、図４を参照して上述した可視光読み出し回路５９と同様に構成することができる。このとき、電子を扱う埋め込みフォトダイオードを用いることができるので、ノイズを低減することができる。
赤外光は、数μｍではなく、数十乃至数百μｍのSi基板Ｂ１０６全域で光電変換されるので、これを上部のｎ＋部に集めるように、下部電極１０７にはマイナスの電圧を与えることで、Si基板Ｂ１０６に電界を発生させている。
以上のように構成されることで、積層の裏面照射型の固体撮像装置においても、可視光と赤外光とをほぼ同じときに取ることができる。また、可視光と赤外光とを別々に取ることができる。
＜固体撮像装置の製造処理＞
次に、図１４のフローチャート、並びに図１５の工程図を参照し、固体撮像装置（図１３の画素）の製造処理について説明する。なお、この処理は、固体撮像装置を製造する製造装置により行われる処理である。
まず、図１４のステップＳ１０１において、製造装置は、Si基板Ａ１０１に、フォトダイオード１０４、トランジスタ、配線を形成する。ここで、図１５Ａに示されるように、Si基板Ａ１０１にフォトダイオード１０４、トランジスタ、および配線層１０３が形成される。
ステップＳ１０２において、製造装置は、Si基板Ｂ１０６として、薄いｎ型基板を用い、トランジスタ、配線を形成する。これにより、図１５Ｂに示されるように、Si基板Ｂ１０６に配線層１０５が形成された下基板１１１となる。
ステップＳ１０３において、製造装置は、図１５Ｃに示されるように、Si基板Ａ１０１を逆さまにして、図１５Ｄの矢印Ｐにおいて、下基板１１１に貼り付ける。
ステップＳ１０４において、製造装置は、図１０Ｅに示されるように、Si基板Ａ１０１を厚さ数μｍまで削り、パッシベーション膜１０２を形成する。
ステップＳ１０５において、製造装置は、下基板１１１に裏面処理を行う。
なお、図１３に示された下部電極１０７は、ステップＳ１０５の工程で形成してもよいし、このチップには形成せず、パッケージ側に持たせてもよい。この場合、電極を形成したパッケージに貼り付けることで、電気的に導通させることができる。
本技術は、他にもいろいろな形態で実施可能である。例えば、上記説明においては、すべての画素２が可視光と赤外をとるように説明したが、可視複数画素（例えば４画素）に対して、赤外の取得は１画素というようにしてもよい。
また、上記説明においては、１つの電子シャッタを切ることで、同時に可視光と赤外光をとる例を説明したが、可視光と赤外光では別々の電子シャッタを切って、異なる露光時間とすることもできる。
さらに、Si基板の方は赤外光も一部混入し、下基板の方は、一部可視光も混入するが、同一位置で同時刻の信号であるので、互いの信号から補正することが用意である。なお、上記説明において、下基板と記載したのは、基板３層積層などの技術で、この下基板が基板支持の役割を果たさなくてよい場合があるからである。
なお、本技術は、例えば、イメージセンサのような固体撮像装置への適用に限られるものではない。即ち、本技術は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。
＜３．第３の実施の形態＞
＜電子機器の構成例＞
図１６は、本技術を適用した電子機器としての、カメラ装置の構成例を示すブロック図である。
図１６のカメラ装置６００は、レンズ群などからなる光学部６０１、上述した画素２の各構成が採用される固体撮像装置（撮像デバイス）６０２、およびカメラ信号処理回路であるＤＳＰ回路６０３を備える。また、カメラ装置６００は、バッファメモリ６０４、ＣＰＵ６０５、表示部６０６、記録部６０７、操作部６０８、および電源部６０９も備える。ＤＳＰ回路６０３、バッファメモリ６０４、ＣＰＵ６０５、表示部６０６、記録部６０７、操作部６０８および電源部６０９は、バスライン６１０を介して相互に接続されている。
光学部６０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置６０２の撮像面上に結像する。固体撮像装置６０２は、光学部６０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像装置６０２として、上述した実施の形態に係る固体撮像装置を用いることができる。これにより、カメラ装置６００においては、１つの固体撮像装置で可視光と赤外光とが取れるので、２つの固体撮像装置を設けることがなくなり、コストダウンすることができたり、装置の大きさを小型化することができる。
バッファメモリ６０４は、ＤＳＰ回路６０３により信号処理された画像などが記録される。ＣＰＵ６０５は、カメラ装置６００の各部を制御する。
表示部６０６は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置６０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録部６０７は、固体撮像装置６０２で撮像された動画または静止画を、ビデオテープやＤＶＤ(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
操作部６０８は、ユーザによる操作の下に、カメラ装置６００が有する様々な機能について操作指令を発する。電源部６０９は、ＤＳＰ回路６０３、バッファメモリ６０４、ＣＰＵ６０５、表示部６０６、記録部６０７および操作部６０８の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
なお、本明細書において、上述した一連の処理を記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。
また、本開示における実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
また、上述のフローチャートで説明した各ステップは、１つの装置で実行する他、複数の装置で分担して実行することができる。
さらに、１つのステップに複数の処理が含まれる場合には、その１つのステップに含まれる複数の処理は、１つの装置で実行する他、複数の装置で分担して実行することができる。
また、以上において、１つの装置（または処理部）として説明した構成を分割し、複数の装置（または処理部）として構成するようにしてもよい。逆に、以上において複数の装置（または処理部）として説明した構成をまとめて１つの装置（または処理部）として構成されるようにしてもよい。また、各装置（または各処理部）の構成に上述した以外の構成を付加するようにしてももちろんよい。さらに、システム全体としての構成や動作が実質的に同じであれば、ある装置（または処理部）の構成の一部を他の装置（または他の処理部）の構成に含めるようにしてもよい。つまり、本技術は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、開示はかかる例に限定されない。本開示の属する技術の分野における通常の知識を有するのであれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例また修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１） 裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部が形成されるSi基板と、
前記Si基板の下に設けられ、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板と
を備える固体撮像装置。
（２） 前記下基板は、化合物半導体で形成される
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３） 前記下基板の前記Si基板側に赤外用電極を接触させ、前記下基板の外部側に下部電極を接触させている
前記（１）または（２）に記載の固体撮像装置。
（４） 前記Si基板に、前記可視光を読み出す可視光読み出し回路と、前記赤外光を読み出す赤外光読み出し回路とが形成されている
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（５） 前記赤外用電極は、リング状に形成されている
前記（３）または（４）に記載の固体撮像装置。
（６） 前記可視光読み出し回路および前記赤外光読み出し回路は、前記赤外用電極とほぼ重なる位置に形成されている
前記（３）乃至（５）の何れかに記載の固体撮像装置。
（７） 前記赤外用電極は、透明に形成されている
前記（３）に記載の固体撮像装置。
（８） 前記下基板は、シリコンで形成され、トランジスタと配線とを有する
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（９） 前記下基板は、ｎ型基板である
前記（８）に記載の固体撮像装置。
（１０） 前記Si基板と前記下基板とで積層構造をなしている
前記（８）または（９）に記載の固体撮像装置。
（１１） 前記Si基板に、前記可視光を読み出す可視光読み出し回路が形成され、前記下基板に前記赤外光を読み出す赤外光読み出し回路が形成されている
前記（１０）に記載の固体撮像装置。
（１２） 前記赤外光読み出し回路は、前記可視光読み出し回路とほぼ重なる位置に設けられている
前記（１０）または（１１）に記載の固体撮像装置。
（１３） 製造装置が、
Si基板に、裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部を形成し、
前記Si基板の下に、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板を貼り付ける
固体撮像装置の製造方法。
（１４） 裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部が形成されるSi基板と、前記Si基板の下に設けられ、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板とを備える固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
前記可視光および前記赤外光を前記固体撮像装置に入射する光学系と
を有する電子機器。
（１５） 前記下基板は、化合物半導体で形成される
前記（１４）に記載の電子機器。
（１６） 前記下基板の前記Si基板側に赤外用電極を接触させ、前記下基板の外部側に下部電極を接触させている
前記（１４）に記載の電子機器。
（１７） 前記Si基板に、前記可視光を読み出す可視光読み出し回路と、前記赤外光を読み出す赤外光読み出し回路とが形成されている
前記（１４）乃至（１６）のいずれかに記載の電子機器。
（１８） 前記赤外用電極は、リング状に形成されている
前記（１６）または（１７）に記載の電子機器。
（１９） 前記可視光読み出し回路および前記赤外光読み出し回路は、前記赤外用電極とほぼ重なる位置に形成されている
前記（１７）または（１８）に記載の電子機器。
（２０） 前記赤外用電極は、透明に形成されている
前記（１６）、（１７）、または（１９）に記載の電子機器。
（２１） 前記下基板は、シリコンで形成され、トランジスタと配線とを有する
前記（１４）に記載の電子機器。
１ 固体撮像装置， ２ 画素， ５１ Si基板， ５２ パッシベーション膜，５３ 配線層， ５４ 下基板， ５５ 下部電極， ５６ フォトダイオード， ５７ 赤外用電極， ５８ 赤外光読み出し回路， ５９ 可視光読み出し回路， ６１ コンタクト， ８１ 第１の半導体チップ部， ８２ 画素領域， ８３ 制御領域， ８４ ロジック回路， ８５ 第２の半導体チップ部， ８６ 第３の半導体チップ部， ８７ メモリ回路， １０１ Si基板Ａ， １０２ パッシベーション膜， １０３ 配線層， １０４ フォトダイオード， １０５ 配線層， １０６ Si基板Ｂ， １０７ 下部電極， １０８ 可視光読み出し回路， １０９ 赤外光読み出し回路， ６００ カメラ装置， ６０１ 光学部， ６０２ 固体撮像装置， ６０３ ＤＳＰ回路

Claims (21)

  1. 裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部が形成されるSi基板と、
    前記Si基板の下に設けられ、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板と
    を備える固体撮像装置。
  2. 前記下基板は、化合物半導体で形成される
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記下基板の前記Si基板側に赤外用電極を接触させ、前記下基板の外部側に下部電極を接触させている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 前記Si基板に、前記可視光を読み出す可視光読み出し回路と、前記赤外光を読み出す赤外光読み出し回路とが形成されている
    請求項３に記載の固体撮像装置。
  5. 前記赤外用電極は、リング状に形成されている
    請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 前記可視光読み出し回路および前記赤外光読み出し回路は、前記赤外用電極とほぼ重なる位置に形成されている
    請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記赤外用電極は、透明に形成されている
    請求項３に記載の固体撮像装置。
  8. 前記下基板は、シリコンで形成され、トランジスタと配線とを有する
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  9. 前記下基板は、ｎ型基板である
    請求項８に記載の固体撮像装置。
  10. 前記Si基板と前記下基板とで積層構造をなしている
    請求項３に記載の固体撮像装置。
  11. 前記Si基板に、前記可視光を読み出す可視光読み出し回路が形成され、前記下基板に前記赤外光を読み出す赤外光読み出し回路が形成されている
    請求項１０に記載の固体撮像装置。
  12. 前記赤外光読み出し回路は、前記可視光読み出し回路とほぼ重なる位置に設けられている
    請求項１１に記載の固体撮像装置。
  13. 製造装置が、
    Si基板に、裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部を形成し、
    前記Si基板の下に、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板を貼り付ける
    固体撮像装置の製造方法。
  14. 裏面側から入射された可視光を光電変換する光電変換部が形成されるSi基板と、前記Si基板の下に設けられ、前記裏面側から入射された赤外光を光電変換する下基板とを備える固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
    前記可視光および前記赤外光を前記固体撮像装置に入射する光学系と
    を有する電子機器。
  15. 前記下基板は、化合物半導体で形成される
    請求項１４に記載の電子機器。
  16. 前記下基板の前記Si基板側に赤外用電極を接触させ、前記下基板の外部側に下部電極を接触させている
    請求項１４に記載の電子機器。
  17. 前記Si基板に、前記可視光を読み出す可視光読み出し回路と、前記赤外光を読み出す赤外光読み出し回路とが形成されている
    請求項１６に記載の電子機器。
  18. 前記赤外用電極は、リング状に形成されている
    請求項１７に記載の電子機器。
  19. 前記可視光読み出し回路および前記赤外光読み出し回路は、前記赤外用電極とほぼ重なる位置に形成されている
    請求項１８に記載の電子機器。
  20. 前記赤外用電極は、透明に形成されている
    請求項１７に記載の電子機器。
  21. 前記下基板は、シリコンで形成され、トランジスタと配線とを有する
    請求項１４に記載の電子機器。
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