JP7303698B2 - 半導体装置および機器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置および機器に関する。

半導体装置の実装技術の１つとして貫通電極が知られている。特許文献１には、半導体基板と支持基板とを貼り合わせ、支持基板を貫通し、半導体基板の周辺回路領域に設けられた入出力パッドに達する貫通電極を備える固体撮像素子が示されている。また、特許文献１には、貫通電極を形成する前に、入出力パッドの半導体基板の側に、周辺回路の動作確認などの検査を行うための貫通孔を形成することが示されている。

特開２０１８－６１０００号公報

入出力パッドの半導体基板の側に貫通孔が形成されている場合に、貫通電極をさらに形成すると、入出力パッドを支持する支持性が低いため、応力などで層間絶縁層と入出力パッドとの間や入出力パッド自体が破断・破損してしまう可能性がある。層間絶縁層と入出力パッドとの間や入出力パッド自体が破断・破損した場合、信頼性が低下してしまう。

本発明は、複数の基板と貫通電極とを備える半導体装置の信頼性の向上に有利な技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る半導体装置は、第１基板と、絶縁部材を介して第１基板と結合された第２基板と、第１基板に結合された第３基板と、を含み、第２基板と第３基板との間に第１基板が配され、第１基板と第２基板との間に導電層が配された半導体装置であって、絶縁部材は、導電層と第１基板との間に位置する第１絶縁層、および、導電層と第２基板との間に位置する第２絶縁層と、を含み、導電層は、電極パッドを含み、第２基板および第２絶縁層を貫通して、電極パッドに達する貫通電極が配され、第１基板および第１絶縁層には、電極パッドに重なる位置に開口部が設けられており、開口部の中には、第１樹脂層および第２樹脂層が配され、第１樹脂層は、電極パッドと第２樹脂層との間に配され、第２樹脂層よりもヤング率が高いことを特徴とする。

本発明によれば、複数の基板と貫通電極とを備える半導体装置の信頼性の向上に有利な技術を提供することができる。

本実施形態おける半導体装置の構造を示す断面図。 図１の半導体装置の変形例を示す断面図。 図１の半導体装置の変形例を示す断面図。 図１の半導体装置の変形例を示す断面図。 図１の半導体装置の製造方法を示す断面図。 本実施形態おける半導体装置が組み込まれた機器の構成例を示す図。 本実施形態おける半導体装置が搭載された機器の構成例を示す図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

図１～図７（ｂ）を参照して、本実施形態による半導体装置の構造および製造方法について説明する。図１は、本実施形態における半導体装置１０の構成例を示す断面図である。

本実施形態において、半導体装置１０は、基板２３と、絶縁部材２４を介して基板２３に結合された基板２５と、基板２３に結合された基板４０と、を含む。図１に示されるように、基板２５と基板４０との間に、基板２３が配される。

基板２３は、例えば、シリコンなどで構成された半導体基板である。本実施形態において、基板２３の面２３ａの側には、複数の半導体素子１５が配されている（図１では、１つの半導体素子１５のみを示している）。また、本実施形態において、基板２３には、ＰＮダイオードなどの光電変換素子ＰＤが配されている。つまり、複数の半導体素子１５は、光電変換素子ＰＤを含むともいえる。また、複数の半導体素子１５は、光電変換素子ＰＤによって光から変換された信号を転送するためのトランジスタなどの各種の素子を含みうる。

ここで、本明細書において、半導体装置１０として光電変換素子ＰＤが配された光電変換装置を例に説明する。また、本実施形態の半導体装置１０は、所謂、裏面照射型の光電変換装置である。しかしながら、半導体装置１０は、これに限られることはない。例えば、半導体装置１０は、表面照射型の光電変換装置であってもよい。この場合、半導体素子１５が、基板２３の面２３ｂの側に配されていてもよい。また、本実施形態は、光電変換装置に限られることはなく、基板が貼り合わされ、後述の貫通電極１１が配された、例えば、プロセッサやメモリなどの各種の半導体装置に適用できる。

絶縁部材２４は、導電層２６と基板２３との間に位置する絶縁層２０、および、導電層２６と基板２５との間に位置する絶縁層２２を含む。絶縁層２０は、基板２３の面２３ａ上に配される。また、絶縁層２２は、基板２５の面２５ａ上に配される。また、絶縁部材２４は、絶縁層２０と絶縁層２２との間に配された絶縁層２１を含む。絶縁層２１は、基板２３と基板２５とを結合するための、例えば、接着剤などであってもよい。図１に示される構成において、絶縁層２１は、電極パッドＰＡＤを含む導電層２６と基板２５との間に位置する。

絶縁層２０には、酸化シリコンなどの材料が用いられうる。また、絶縁層２０に、炭化シリコンや窒化シリコン、酸窒化シリコンなどが用いられていてもよい。また、絶縁層２０は、これらの材料が組み合わされて用いられてもよい。例えば、絶縁層２０として、主として酸化シリコンが用いられ、付随的に炭化シリコンや窒化シリコンが用いられていてもよい。

基板２３と基板２５との間には、導電層２６が配される。導電層２６は、電極パッドＰＡＤや配線パターンを含む。絶縁部材２４の絶縁層２０は、基板２３に配された半導体素子１５と導電層２６との間の層間絶縁層などとして機能しうる。導電層２６には、アルミニウムやチタン、タンタル、タングステン、銅などの各種の導電材料が用いられうる。また、導電層２６の周囲には、上述の金属などが絶縁層２０に拡散することを防ぐための拡散防止層が配されていてもよい。図１に示される構成において、導電層２６は１層のみ示されているが、導電層２６は複数の層にわたって配される多層配線構造であってもよい。導電層２６は、光電変換素子ＰＤを含む半導体素子１５と電気的に接続されうる。光電変換素子ＰＤを含む半導体素子１５が配された基板２３と基板２３の上の導電層２６を含む絶縁層２０との組み合わせは、センサ基板７１とも呼ばれうる。

基板２３の面２３ｂと基板４０との間には、カラーフィルタＣＦおよび光電変換素子ＰＤへの集光率を向上させるためのマイクロレンズＭＬが配されている。カラーフィルタＣＦおよび光電変換素子ＰＤは、図１に示されるように、基板２３の面２３ｂと樹脂部材３２（樹脂層３１）との間に、それぞれの光電変換素子ＰＤに対応するように配されうる。

基板２３および絶縁層２０には、電極パッドＰＡＤに重なる位置に開口部７３が設けられている。開口部７３の中には、樹脂層３０および樹脂層３１を含む樹脂部材３２が充填されている。開口部７３に充填されている樹脂部材３２については、後述する。

基板２５は、例えば、シリコンなどで構成された半導体基板である。しかしながら、これに限られることはなく、貫通電極１１を形成できる基板であれば、種々の材料を用いることができる。基板２５、または、基板２５と絶縁層２０との組み合わせは、支持基板７２とも呼ばれうる。上述のように、絶縁層２０と絶縁層２２との間には、接着剤などの絶縁層２１が配される。このため、絶縁層２１は、センサ基板７１と支持基板７２とを結合しているといえる。

図１に示されるように、基板２５および絶縁層２２を貫通して、電極パッドＰＡＤに達するビアが設けられ、ビアには電極パッドＰＡＤに達する貫通電極１１が配されている。より具体的には、ビアの側壁および基板２５の面２５ｂの上に絶縁部材６０が配され、絶縁部材６０の上に、導電体が形成されることによって、基板２５の面２５ｂ上に導電パターン１４、ビアの内部に貫通電極１１が、それぞれ形成される。絶縁部材６０は、ビアが配される部分を除く基板２５の面２５ｂの全体を覆っていてもよい。貫通電極１１および導電パターン１４と絶縁部材６０との間に、図１に示されるように、バリアメタルおよびシードメタルとして機能するシード層１３が配されていてもよい。絶縁部材６０および導電パターン１４の上には、基板２５の面２５ｂを覆うように保護膜８０が配される。

次いで、樹脂部材３２について説明する。樹脂部材３２は、基板２３および絶縁層２０に設けられた開口部７３に配された樹脂層３０と樹脂層３１とを含む。樹脂層３０は、電極パッドＰＡＤと樹脂層３１との間に配される。本実施形態において、樹脂層３０が電極パッドＰＡＤに接しており、樹脂層３１は電極パッドＰＡＤに接していない。樹脂層３１は、図１に示されるように、樹脂層３０を介して電極パッドＰＡＤを覆っている。また、樹脂層３０は、図１に示されるように、電極パッドＰＡＤのうち開口部７３において露出した部分の全体を覆っていてもよい。また、本実施形態において、樹脂層３１は、透光板を含む基板４０のうち基板２３と対向する面と接し、基板２３と基板４０とを結合する結合層として機能している。この場合、樹脂層３１は、接着層とも呼ばれうる。例えば、樹脂層３１は、基板４０のうち電極パッドＰＡＤやマイクロレンズＭＬ、カラーフィルタＣＦ、光電変換素子ＰＤと対向する部分に接していてもよい。しかしながら、これに限られることはなく、樹脂層３１と基板４０との間に、樹脂層３１とは異なる樹脂層などの層が、基板２３と基板４０とを結合するために、さらに配されていてもよい。

また、本実施形態において、樹脂層３０は、樹脂層３１よりもヤング率が高い。つまり、樹脂層３０は、樹脂層３１よりも高剛性であるといえる。樹脂層３０のヤング率が、樹脂層３１のヤング率の１０倍以上であってもよい。また、樹脂層３１のヤング率が、１ＧＰａ以上かつ２ＧＰａ以下であってもよい。したがって、樹脂層３０のヤング率は、１０ＧＰａ以上であってもよいし、２０ＧＰａ以上であってもよい。

ヤング率が異なる複数層の樹脂層（本実施形態において、樹脂層３０、３１）が、電極パッドＰＡＤまで開口する開口部７３に配される。これによって、貫通電極１１を形成する際に、ヤング率が高い樹脂層３０によって電極パッドＰＡＤを支持する支持剛性を高めることが可能となり、製造プロセスの安定性が向上し、歩留り向上を図ることが可能となる。また、樹脂層３０よりもヤング率が低い樹脂層３１が配されることによって、半導体装置１０の使用環境下における温度などの環境要因による貫通電極１１の金属の膨張収縮に起因する絶縁層２１にかかる応力を樹脂層３１へ分散させ、緩和することが可能となる。これによって、完成した半導体装置１０の信頼性を向上させることができる。つまり、図１に示される構成を用いることによって、複数の基板が貼り合わされ、貫通電極１１が配された半導体装置１０において、製造中および製造後の信頼性の向上が可能となる。

本実施形態において、開口部７３には、樹脂層３０と樹脂層３１との２層の樹脂層が配されるが、これに限られることはなく、３層以上が配されていてもよい。また、例えば、樹脂層３０と樹脂層３１との間に、光電変換素子ＰＤが配された領域で反射防止膜となる無機層が配されていてもよい。

次に、図２を用いて、半導体装置１０の変形例について説明する。図１に示される構成において、樹脂層３０は、開口部７３のうち電極パッドＰＡＤから所定の高さまでの空間に充填されている。また、樹脂層３０の上において、樹脂層３１が、開口部７３の側面のうち一部を、樹脂層３０を介さずに覆っている。一方、図２に示される構成において、樹脂層３０は、開口部７３の電極パッドＰＡＤが露出する底面、開口部７３の側面、および、基板２３の基板４０に対向する面２３ｂを連続的に覆っている。樹脂層３０は、基板２３の面２３ｂの全体を覆っていてもよい。また、樹脂層３１は、樹脂層３０を介して、開口部７３の底面および側面を覆っている。

図２に示される構成において、マイクロレンズＭＬは、基板２３の面２３ｂと樹脂部材３２（樹脂層３０）との間に配されている。換言すると、樹脂層３１が、マイクロレンズＭＬを覆っている。ここで、樹脂層３０の屈折率が、マイクロレンズＭＬの屈折率よりも低くてもよい。樹脂層３０の屈折率をマイクロレンズＭＬよりも低くすることによって、基板２３に配された光電変換素子ＰＤへの集光率を高めることができる。例えば、樹脂層３０の屈折率を１．２５以下とし、マイクロレンズＭＬの屈折率を１．５以上としてもよい。これによって、光電変換素子ＰＤへの集光率が向上する。

図２に示される構成においても、基板２３および絶縁層２０の電極パッドＰＡＤに重なる位置に設けられた開口部７３には、樹脂層３０と樹脂層３０よりもヤング率が低い樹脂層３１が配される。したがって、図１に示される構造と同様に、貫通電極１１を形成する際に、ヤング率が高い樹脂層３０によって電極パッドＰＡＤを支持する支持剛性を高めることが可能となる。また、樹脂層３０よりもヤング率が低い樹脂層３１が配されることによって、貫通電極１１の金属の膨張収縮に起因する絶縁層２１にかかる応力を樹脂層３１へ分散させ、緩和することが可能となる。これによって、基板が貼り合わされ、貫通電極１１が配された半導体装置１０において、製造中および製造後の信頼性の向上が可能となる。また、樹脂層３０をマイクロレンズＭＬの上まで配し、樹脂層３０の屈折率をマイクロレンズＭＬの屈折率よりも低くする。これによって、図１に示される構成よりも、光電変換素子ＰＤへの集光率を向上させることが可能となる。

図３を用いて、半導体装置１０のさらなる変形例について説明する。図３に示される半導体装置１０は、支持基板７４の構成が、図１に示される支持基板７２と異なっている。具体的には、支持基板７４のうち基板２５の面２５ａには、トランジスタなどの複数の半導体素子２８が配される。また、支持基板７４のうち絶縁層２２には、半導体素子２８と電気的に接続された導電層２７が配される。したがって、絶縁層２２は、基板２５に配された半導体素子２８と配線層２７との間の層間絶縁層などとして機能しうる。また、導電層２７は、基板２５の面２５ｂに配される導電パターン１４と貫通電極１１を介して電気的に接続された電極パッドＰＡＤを含む。また、図３に示される構成において、絶縁層２１は、電極パッドＰＡＤを含む導電層２７と基板２３との間に位置する。図３に示される構成において、導電層２７は１層のみ示されているが、導電層２７は複数の層にわたって配される多層配線構造であってもよい。基板２５は、上述の基板２３と同様の材料が用いられうる。また、導電層２７は、上述の導電層２６と同様の材料および構造が用いられうる。

図３に示される構成においても、基板２３および絶縁層２０には、電極パッドＰＡＤに重なる位置に開口部７３が設けられ、開口部７３には、樹脂層３０と樹脂層３０よりもヤング率が低い樹脂層３１とが配される。したがって、図１、２に示される構造と同様に、貫通電極１１を形成する際に、ヤング率が高い樹脂層３０によって電極パッドＰＡＤを支持する支持剛性を高めることが可能となる。また、樹脂層３０よりもヤング率が低い樹脂層３１が配されることによって、貫通電極１１の金属の膨張収縮に起因する絶縁層２１にかかる応力を樹脂層３１へ分散させ、緩和することが可能となる。これによって、基板が貼り合わされ、貫通電極１１が配された半導体装置１０において、製造中および製造後の信頼性の向上が可能となる。また、支持基板７４にも配線パターンなどの導電層２７が配されることによって、センサ基板７１の導電層２６の設計の自由度を高めることが可能となる。

図４を用いて、半導体装置１０のさらに別の変形例について説明する。図４に示される構成において、図３に示される構成と同様にセンサ基板７１を支持する基板として支持基板７４が用いられている。また、図２に示される構成と同様に、樹脂層３０は、開口部７３の表面および基板２３の面２３ｂを連続的に覆っている。

図４に示される構成においても、基板２３および絶縁層２０には、電極パッドＰＡＤに重なる位置に開口部７３が設けられ、開口部７３には、樹脂層３０と樹脂層３０よりもヤング率が低い樹脂層３１とが配される。したがって、図１～３に示される構造と同様に、貫通電極１１を形成する際に、ヤング率が高い樹脂層３０によって電極パッドＰＡＤを支持する支持剛性を高めることが可能となる。また、樹脂層３０よりもヤング率が低い樹脂層３１が配されることによって、貫通電極１１の金属の膨張収縮に起因する絶縁層２１にかかる応力を樹脂層３１へ分散させ、緩和することが可能となる。これによって、基板が貼り合わされ、貫通電極１１が配された半導体装置１０において、製造中および製造後の信頼性の向上が可能となる。また、支持基板７４にも導電層２７が配されることによって、センサ基板７１の導電層２６の設計の自由度を高めることが可能となる。また、樹脂層３０をマイクロレンズＭＬの上まで配し、樹脂層３０の屈折率をマイクロレンズＭＬの屈折率よりも低くする。これによって、図３に示される構成よりも、光電変換素子ＰＤへの集光率を向上させることが可能となる。

次いで、図５（ａ）～５（ｈ）を用いて、本実施形態における半導体装置１０の製造方法について説明する。図５（ａ）～５（ｈ）は、半導体装置１０の製造における各工程を説明するための断面模式図である。半導体装置１０の製造には、公知の半導体製造プロセスが用いられうる。また、ここでは説明を省略するが、図５（ａ）～５（ｈ）に示される各工程の間には、熱処理や洗浄処理などが必要に応じて行われうる。

図５（ａ）に示される工程では、基板２３および絶縁層２０を含むセンサ基板７１が形成される。まず、基板２３に光電変換素子ＰＤやトランジスタなどを含む複数の半導体素子１５が形成される。次いで、基板２３の面２３ａの上に電極パッドＰＡＤを含む導電層２６が形成され、導電層２６と基板２３との間には絶縁層２０が配される。基板２３には、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）などの素子分離領域が形成されていてもよく、光電変換素子ＰＤなどのそれぞれの半導体素子１５は、素子分離領域によって他の素子から電気的に分離されうる。その後、必要に応じてウェル形成やフォトダイオードを形成するためにイオン注入や熱処理が行われ、光電変換素子ＰＤを含む複数の半導体素子１５が形成された基板２３が形成される。さらに、基板２３の面２３ａ上に、絶縁層２０と、電極パッドＰＡＤや配線パターンを含む導電層２６と、が形成される。また、導電層２６と光電変換素子ＰＤなどの半導体素子１５との間を電気的に接続するためのコンタクトなどの導電部材（不図示）も、絶縁層２０中にに形成される。絶縁層２０として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンなどが用いられる。

本実施形態において、絶縁層２０の一部として、まず準常圧ＣＶＤ法によってＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜を形成した。図面を簡略化するために図示されていないが、絶縁層２０（ＢＰＳＧ膜）の内部には、タングステンなどの導電材料が埋め込まれたコンタクトプラグが形成される。次いで、絶縁層２０（ＢＰＳＧ膜）中の電極ＰＡＤや配線パターンを含む導電層２６は、例えばＡｌなどの導電材料をスパッタリング法によって成膜し、ドライエッチングによりパターニングすることによって形成した。配線パターンおよび電極パッドＰＡＤの上には、再度、絶縁層２０の一部としてプラズマＣＶＤ法によって酸化シリコン膜を形成した。その後、ＣＭＰ（Ｃｈｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を用いた工程などを経て絶縁層２０の上面の平滑化を行った。

次いで、図５（ｂ）に示される工程では、基板２３に対向する面２５ａの側に平滑な絶縁層２２を備えた基板２５（支持基板７２）とセンサ基板７１とが、貼り合わされる。上述のように、センサ基板７１と支持基板７２とは、絶縁層２０と絶縁層２２との間に配される接着剤などの絶縁層２１によって結合される。図５（ａ）～５（ｈ）を用いた説明では、上述の図１に示される構成を備える半導体装置１０を例に、半導体装置１０の製造方法を説明するが、このとき、支持基板として図３、４に示されるような支持基板７４を用いてもよい。この場合、電極パッドＰＡＤは、センサ基板７１ではなく、支持基板７４上の導電層２７に設けられていてもよい。このため、後述の図５（ｅ）を用いて説明する貫通電極１１が配される貫通孔１２を形成する際に、エッチングする絶縁部材２４の部材の量が少なくなり、貫通孔１２のエッチングを簡便化することができる。

基板２３（センサ基板７１）と基板２５（支持基板７２）とを貼り合わせた後、図５（ｃ）に示される工程では、まず、基板２３の面２３ｂの側をバックグラインド処理やＣＭＰ処理することによって、基板２３の厚さを光電変換素子ＰＤの厚さ程度まで薄化する。その後、洗浄などを行い、基板２３の面２３ｂのそれぞれの光電変換素子ＰＤに対応する位置にカラーフィルタＣＦおよびマイクロレンズＭＬを形成する。また、電極パッドＰＡＤに重なる位置に、基板２３および絶縁層２０を貫通し、導電層２６の電極パッドＰＡＤまで開口する開口部７３を形成する。電極パッドＰＡＤを露出させることによって、プローブを電極パッドＰＡＤに接触させ、センサ基板７１に形成された光電変換素子ＰＤなどの特性検査を行うことができる。

次いで、図５（ｄ）に示される工程では、開口部７３に配された樹脂層３０、３１を含む樹脂部材３２が形成される。樹脂層３０は、例えば、ガラスフィラー、鎖状シリカおよび中空シリカなどのうち少なくとも１つを含有する樹脂とすることで、樹脂層３１よりもヤング率（剛性）を高くすることが可能となる。本実施形態において、上述の材料を樹脂内に分散させヤング率を向上させたアクリル樹脂を開口部７３の電極パッドＰＡＤの上に塗布し、樹脂層３０を形成した。このとき、樹脂層３０は、図２、４に示されるように、電極パッドＰＡＤが露出する開口部７３だけでなく、開口部７３を含む基板２３の面２３ｂの全体に塗布することによって、樹脂層３０を形成してもよい。

樹脂層３０を形成した後、樹脂層３０よりもヤング率が低い樹脂層３１を形成する。本実施形態において、基板２３の面２３ｂと透光板である基板４０とを結合するための結合層を兼ねる樹脂層３１を、例えば塗布することによって形成し、その上に透光板である基板４０を貼り合わせた。必要に応じて基板２３と基板４０とを結合させた後に、バックグラインド処理などを用いて基板２５を薄化してもよい。本実施形態では、透光板である基板４０として０．５ｍｍ厚の石英ガラスを、結合剤（接着剤）として機能する樹脂層３１によって基板２３の面２３ｂの側に貼り合せた。基板４０を基板２３と結合させた後、基板２５をバックグラインド処理により０．２ｍｍ厚まで薄化した。本実施形態では基板４０として石英ガラスを用いたが、無アルカリガラスやプラスチックなど、半導体装置１０や光電変換素子ＰＤなどに必要な条件に応じて適当な材料が、基板４０として用いられうる。

図５（ｅ）に示される工程では、基板２５の基板２３の側とは反対の側の面２５ｂの上にマスクパターン４１を形成する。次いで、基板２５の面２５ｂの側からマスクパターン４１の開口を介してエッチングを行い、基板２５および絶縁層２２を貫通して、電極パッドＰＡＤに達する貫通孔１２が形成される。

マスクパターン４１には、例えば、フォトレジストが用いられるが、酸化シリコンなどの無機物によって形成されてもよい。本実施形態において、貫通孔１２のうち基板２５に形成される部分は、所謂ボッシュプロセスを用いて、基板２５の面２５ｂに対して垂直方向に基板２５をエッチングすることによって形成される。また、貫通孔１２の絶縁部材２４（絶縁層２２、絶縁層２１、絶縁層２０）の部分は、例えば、ドライエッチング（ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_８、Ｏ_２、Ａｒ混合ガス系による容量結合型ＲＩＥなど）によって異方性エッチングを行うことによって形成される。これによって、貫通孔１２が形成され、電極パッドＰＡＤの基板２５の側が露出する。

電極パッドＰＡＤの基板２５の側が露出した後、図５（ｆ）に示される工程では、貫通孔１２の側面および電極パッドＰＡＤの露出面を含む基板２５の面２５ｂに絶縁部材６０が形成される。絶縁部材６０は、基板２５の面２５ｂの全体を覆うように形成されてもよい。絶縁部材６０には、酸化シリコンや窒化シリコン、炭化シリコン、酸窒化シリコンなどの絶縁性の材料が用いられる。本実施形態において、絶縁部材６０には、プラズマＣＶＤ法によって形成された酸化シリコンを用いた。絶縁部材６０の膜厚は、基板２５の面２５ｂ上で１．５μｍとした。その後、エッチバック処理によって、電極パッドＰＡＤ上の絶縁部材６０をドライエッチング（ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_８、Ｏ_２、Ａｒ混合ガス系による容量結合型ＲＩＥなど）によって除去する。

この貫通孔１２を形成する工程において、電極パッドＰＡＤの貫通孔１２とは反対側の開口部７３には、樹脂層３０および樹脂層３１が配されている。ヤング率が高い樹脂層３０によって、貫通孔１２を形成するプロセス中の電極パッドＰＡＤを支持する支持剛性を高めることが可能となり、製造プロセスの安定性が向上し、歩留り向上を図ることが可能となる。

次いで、図５（ｇ）に示される工程では、絶縁部材６０上および電極パッドＰＡＤの上にバリアメタルおよびシードメタルとして利用するシード層１３が、スパッタリング法などを用いて形成される。さらに、シード層１３の上に、マスクパターン４２が形成される。マスクパターン４２は、導電パターン１４が形成されない位置に配されうる。

シード層１３は、１層の金属や合金などから構成されていてもよいし、複数の異なる組成を備える金属や合金などの積層構造でもよう。本実施形態において、シード層１３は、スパッタリング法を用いて形成した、バリアメタルとしてのチタン（Ｔｉ）とシードメタルとしての銅（Ｃｕ）との積層構造とした。

シード層１３の形成後、図５の（ｈ）に示される工程では、貫通孔１２内に配された貫通電極１１と基板２５の面２５ｂに配された導電パターン１４とが形成される。具体的には、マスクパターン４２が配された基板２５の面２５ｂにめっき法を用いて導電膜を形成する。次いで、マスクパターン４２を除去し、マスクパターン４２の下に配されていた導電膜が形成されていないシード層１３をウェットエッチング法などで除去することによって、貫通電極１１と導電パターン１４とが形成される。

貫通電極１１および導電パターン１４の形成後、公知の半導体製造プロセスによって、ソルダレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法を用いて外部端子を接続するためのはんだボールを設置する開口部を設けた保護膜８０を形成する。さらに、保護膜８０の開口部にはんだボール１６を配置する。その後、ダイシングなどの工程が実施され、図１に示される構成を有する半導体装置１０が製造される。

応用例
以下、上述の実施形態に係る半導体装置１０の応用例として、図１～４に示されるような光電変換素子ＰＤが配され光電変換装置として機能する半導体装置１０と半導体装置１０から出力された信号を処理する処理装置とを備える機器について説明する。ここでは、光電変換装置として機能する半導体装置１０が撮像装置として組み込まれた機器について例示的に説明する。半導体装置１０が撮像装置として組み込まれた機器とは、例えば、カメラやスマートフォンなどの電子機器があげられる。ここで、カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータやタブレットのような携帯端末など）も含まれる。

また、例えば、半導体装置１０から出力された信号を処理する処理装置においても、基板が貼り合わされ、貫通電極を備え、電極パッドの貫通電極とは反対側に開口部を備える場合、上述の半導体装置１０と同様の開口部の構造を有していてもよい。つまり、開口部の電極パッド側にヤング率の高い樹脂層が配され、ヤング率の高い樹脂層の上にヤング率の低い樹脂層が配されていてもよい。

図６は、光電変換装置として機能する半導体装置１０を搭載した機器ＥＱＰの模式図である。機器ＥＱＰの一例は、上述のカメラやスマートフォンなどの電子機器（情報機器）、複写機やスキャナなどの事務機器、自動車や飛行機、船舶、鉄道車両などの輸送機器、内視鏡や放射線撮像装置などの医療機器、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡などの分析機器、産業用ロボットなどの産業機器である。

機器ＥＱＰは、光電変換素子ＰＤがアレイ状に配された画素領域１１４が設けられた上述の半導体装置１０の他に、半導体装置１０を収容するパッケージＰＫＧを含みうる。パッケージＰＫＧは、半導体装置１０が固定された基体と、半導体装置１０に対向するガラスなどの蓋体と、基体に設けられた端子と半導体装置１０に設けられた端子（はんだボール１６など）とを接続するボンディングワイヤやバンプなどの接続部材と、を含みうる。機器ＥＱＰは、光学系ＯＰＴ、制御装置ＣＴＲＬ、処理装置ＰＲＣＳ、表示装置ＤＳＰＬ、記憶装置ＭＭＲＹの少なくともいずれかをさらに備え得る。光学系ＯＰＴは半導体装置１０の光電変換素子ＰＤが配された画素領域１１４に結像するものであり、例えばレンズやシャッタ、ミラーである。制御装置ＣＴＲＬは半導体装置１０の動作を制御するものであり、例えばＡＳＩＣなどの半導体デバイスである。処理装置ＰＲＣＳは半導体装置１０から出力された信号を処理するものであり、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）あるいはＤＦＥ（デジタルフロントエンド）を構成するための、ＣＰＵやＡＳＩＣなどの半導体デバイスである。表示装置ＤＳＰＬは半導体装置１０で得られた情報（画像）を表示する、ＥＬ表示装置や液晶表示装置である。記憶装置ＭＭＲＹは、半導体装置１０で得られた情報（画像）を記憶する、磁気デバイスや半導体デバイスである。記憶装置ＭＭＲＹは、ＳＲＡＭやＤＲＡＭなどの揮発性メモリ、あるいは、フラッシュメモリやハードディスクドライブなどの不揮発性メモリである。機械装置ＭＣＨＮはモーターやエンジンなどの可動部あるいは推進部を有する。カメラにおける機械装置ＭＣＨＮはズーミングや合焦、シャッタ動作のために光学系ＯＰＴの部品を駆動することができる。機器ＥＱＰでは、半導体装置１０から出力された信号を表示装置ＤＳＰＬに表示したり、機器ＥＱＰが備える通信装置（不図示）によって外部に送信したりする。そのために、機器ＥＱＰは、半導体装置１０が有する制御／信号処理回路など周辺領域１１５などに含まれる記憶回路部や演算回路部とは別に、記憶装置ＭＭＲＹや処理装置ＰＲＣＳをさらに備えていてもよい。また、上述の貫通電極１１、開口部７３は、半導体装置１０の周辺領域１１５に配されうる。

上述の機器が、例えば、自動車などの車載カメラなどとして用いられる場合、使用中において、大きな温度変化が予想される。ここで、本実施形態の半導体装置１０は、樹脂層３０よりもヤング率が低い樹脂層３１が配されることによって、貫通電極１１の金属の温度変化などによる膨張収縮に起因する絶縁層２１にかかる応力を樹脂層３１へ分散させ、緩和することが可能となる。つまり、上述のような機器の使用環境下における温度などの環境要因に対して、信頼性が高い半導体装置１０が提供できる。

光電変換装置として機能する半導体装置１０が組み込まれたカメラは、監視カメラや、自動車や飛行機、船舶、鉄道車両などの輸送機器に搭載される車載カメラなどにも適用されうる。ここでは、光電変換素子ＰＤが配された光電変換装置として機能する半導体装置１０が組み込まれたカメラを輸送機器に適用した例を説明する。輸送機器２１００は、例えば、図７（ａ）、７（ｂ）に示す車載カメラ２１０１を備えた自動車である。図７（ａ）は、輸送機器２１００の外観と主な内部構造を模式的に示している。輸送機器２１００は、光電変換装置２１０２、撮像システム用集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）２１０３、警報装置２１１２、制御装置２１１３を備える。

光電変換装置２１０２には、上述の半導体装置１０が用いられる。警報装置２１１２は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどから異常を示す信号を受けたときに、運転手へ向けて警告を行う。制御装置２１１３は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどの動作を統括的に制御する。なお、輸送機器２１００が制御装置２１１３を備えていなくてもよい。この場合、撮像システム、車両センサ、制御ユニットが個別に通信インターフェースを有して、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う（例えばＣＡＮ規格）。

図７（ｂ）は、輸送機器２１００のシステム構成を示すブロック図である。輸送機器２１００は、第１の光電変換装置２１０２と第２の光電変換装置２１０２とを含む。つまり、本実施形態の車載カメラはステレオカメラである。光電変換装置２１０２には、光学部２１１４により被写体像が結像される。光電変換装置２１０２から出力された画素信号は、画像前処理部２１１５によって処理され、そして、撮像システム用集積回路２１０３に伝達される。画像前処理部２１１５は、Ｓ－Ｎ演算や、同期信号付加などの処理を行う。

撮像システム用集積回路２１０３は、画像処理部２１０４、メモリ２１０５、光学測距部２１０６、視差演算部２１０７、物体認知部２１０８、異常検出部２１０９、および、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部２１１６を備える。画像処理部２１０４は、光電変換装置２１０２のそれぞれの画素から出力される信号を処理して画像信号を生成する。また、画像処理部２１０４は、画像信号の補正や異常画素の補完を行う。メモリ２１０５は、画像信号を一時的に保持する。また、メモリ２１０５は、既知の光電変換装置２１０２の異常画素の位置を記憶していてもよい。光学測距部２１０６は、画像信号を用いて被写体の合焦または測距を行う。視差演算部２１０７は、視差画像の被写体照合（ステレオマッチング）を行う。物体認知部２１０８は、画像信号を解析して、輸送機器、人物、標識、道路などの被写体の認知を行う。異常検出部２１０９は、光電変換装置２１０２の故障、あるいは、誤動作を検知する。異常検出部２１０９は、故障や誤動作を検知した場合には、制御装置２１１３へ異常を検知したことを示す信号を送る。外部Ｉ／Ｆ部２１１６は、撮像システム用集積回路２１０３の各部と、制御装置２１１３あるいは種々の制御ユニット等との間での情報の授受を仲介する。

輸送機器２１００は、車両情報取得部２１１０および運転支援部２１１１を含む。車両情報取得部２１１０は、速度・加速度センサ、角速度センサ、舵角センサ、測距レーダ、圧力センサなどの車両センサを含む。

運転支援部２１１１は、衝突判定部を含む。衝突判定部は、光学測距部２１０６、視差演算部２１０７、物体認知部２１０８からの情報に基づいて、物体との衝突可能性があるか否かを判定する。光学測距部２１０６や視差演算部２１０７は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。

運転支援部２１１１が他の物体と衝突しないように輸送機器２１００を制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。

輸送機器２１００は、さらに、エアバッグ、アクセル、ブレーキ、ステアリング、トランスミッション、エンジン、モーター、車輪、プロペラ等の、移動あるいはその補助に用いられる駆動装置を具備する。また、輸送機器２１００は、それらの制御ユニットを含む。制御ユニットは、制御装置２１１３の制御信号に基づいて、対応する駆動装置を制御する。

本実施形態の光電変換装置として機能する半導体装置１０は、自動車に限らず、例えば、船舶、航空機、鉄道車両などの輸送機器あるいは産業用ロボットなどの産業機器にも広く適用することができる。加えて、輸送機器に限らず、上述の種々の機器や、高度道路交通システム（ＩＴＳ）など、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。また、半導体装置１０の開口部７３における樹脂層の構成は、光電変換装置だけでなく、プロセッサやメモリなどの、他の半導体装置に適用することができる。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１０：半導体装置、１１：貫通電極、２３，２５，４０：基板、２０，２２：絶縁層、２４：絶縁部材、２６：導電層、３０，３１：樹脂層、７３：開口部、ＰＡＤ：電極パッド

Claims (15)

1. 第１基板と、絶縁部材を介して前記第１基板と結合された第２基板と、前記第１基板に結合された第３基板と、を含み、前記第２基板と前記第３基板との間に前記第１基板が配され、前記第１基板と前記第２基板との間に導電層が配された半導体装置であって、
   前記絶縁部材は、前記導電層と前記第１基板との間に位置する第１絶縁層、および、前記導電層と前記第２基板との間に位置する第２絶縁層と、を含み、
   前記導電層は、電極パッドを含み、
   前記第２基板および前記第２絶縁層を貫通して、前記電極パッドに達する貫通電極が配され、
   前記第１基板および前記第１絶縁層には、前記電極パッドに重なる位置に開口部が設けられており、
   前記開口部の中には、第１樹脂層および第２樹脂層が配され、
   前記第１樹脂層は、前記電極パッドと前記第２樹脂層との間に配され、前記第２樹脂層よりもヤング率が高いことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１樹脂層のヤング率が、前記第２樹脂層のヤング率の１０倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２樹脂層のヤング率が、１ＧＰａ以上かつ２ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記第２樹脂層が、前記開口部の側面のうち一部を、前記第１樹脂層を介さずに覆うことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第１樹脂層が、前記開口部の底面、前記開口部の側面、および、前記第１基板のうち前記第３基板に対向する面を連続的に覆っていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体装置。
6. 前記第１基板の前記第２基板の側に、複数の半導体素子が配されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の半導体装置。
7. 前記複数の半導体素子が、光電変換素子を含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記第１基板と前記第３基板との間に、前記光電変換素子に対応するようにマイクロレンズが配されることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記第１樹脂層が、前記マイクロレンズを覆い、
   前記第１樹脂層の屈折率が、前記マイクロレンズの屈折率よりも低いことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記第２樹脂層が、前記第３基板に接することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の半導体装置。
11. 前記絶縁部材が、前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に配された第３絶縁層を含み、
    前記第３絶縁層が、前記導電層と前記第２基板との間に位置することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の半導体装置。
12. 前記絶縁部材が、前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に配された第３絶縁層を含み、
    前記第３絶縁層が、前記導電層と前記第１基板との間に位置することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の半導体装置。
13. 前記第２樹脂層は、前記電極パッドに接していないことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の半導体装置。
14. 前記第１樹脂層が、ガラスフィラー、鎖状シリカおよび中空シリカのうち少なくとも１つを含有する樹脂であることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の半導体装置。
15. 請求項１乃至１４の何れか１項に記載の半導体装置と、
    前記半導体装置から出力される信号を処理する処理装置と、
    を備えることを特徴とする機器。

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