JP7565814B2 - Stacked semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
Stacked semiconductor device and its manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP7565814B2 JP7565814B2 JP2021017555A JP2021017555A JP7565814B2 JP 7565814 B2 JP7565814 B2 JP 7565814B2 JP 2021017555 A JP2021017555 A JP 2021017555A JP 2021017555 A JP2021017555 A JP 2021017555A JP 7565814 B2 JP7565814 B2 JP 7565814B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- signal processing
- processing circuit
- layer
- semiconductor device
- stacked semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Description
本発明は、積層型半導体装置及びその製造方法に関し、例えば、固体撮像素子等に応用可能な積層型半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a stacked semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a stacked semiconductor device that can be used in, for example, solid-state imaging devices and a manufacturing method thereof.
近年、CMOSイメージセンサなどの固体撮像素子の高集積化・高機能化のために、トランジスタを含む回路基板を積層する積層型半導体装置が研究されている。積層の手段としては、シリコン貫通電極(TSV:Though Silicon Via)を用いたものが広く知られている(非特許文献1)。TSVは、ICやLSI等のシリコンチップに穴(ビア)を開け、表面と裏面を貫通する導電体を設け、導電体両面の電極でチップ同士を接続するものである。 In recent years, research has been conducted into stacked semiconductor devices in which circuit boards containing transistors are stacked in order to increase the integration and functionality of solid-state imaging elements such as CMOS image sensors. A widely known method of stacking is the use of through silicon vias (TSV) (Non-Patent Document 1). TSVs are formed by drilling holes (vias) in silicon chips such as ICs and LSIs, providing conductors that penetrate the front and back surfaces, and connecting the chips together using electrodes on both sides of the conductor.
一方、トランジスタ等の内部回路に接続する微細な電極を、基板の表面又は裏面に形成し、電極同士を接続して基板を多層に積層する方法もある(特許文献1、非特許文献2,3)。この表面電極又は裏面電極を接続した積層型半導体装置によれば、多数の電極接続を利用して、基板間で同時に多くの信号伝達が可能である。固体撮像素子に応用した場合には、画素ごとに多層の回路を接続することで、画素ごとの信号処理を行うことも可能であり、高密度化にも有効な技術である。
On the other hand, there is also a method in which fine electrodes connected to internal circuits such as transistors are formed on the front or back surface of a substrate, and the electrodes are connected to one another to stack the substrates in multiple layers (
また、積層型の固体撮像素子として、端部にフォトダイオードを有する多数の撮像素子チップを少しずつずらして積層した、階段状の受光部構造を有する固体撮像素子も提案されている(特許文献2)。 In addition, a stacked solid-state imaging element has been proposed that has a stepped light receiving structure in which multiple imaging element chips with photodiodes at the ends are stacked and slightly shifted (Patent Document 2).
しかしながら、TSVは通常シリコン基板に形成するため、シリコン基板に形成した穴の表面を絶縁層で覆った後に、導電体を埋める必要があり、形成工程が煩雑である。また、TSVのサイズは一般に3μm以上であり、一般的なトランジスタのサイズよりも大きいため、通常、TSVは受光エリアの外側に配置し、多数の画素を有する列又はブロックごとに1つのTSVを接続して、列ごとにA/D(アナログ/デジタル)変換回路などの信号処理回路を行っている。 However, since TSVs are usually formed on a silicon substrate, it is necessary to cover the surface of the hole formed in the silicon substrate with an insulating layer and then fill it with a conductor, making the formation process complicated. In addition, the size of a TSV is generally 3 μm or more, which is larger than the size of a typical transistor, so TSVs are usually placed outside the light-receiving area, and one TSV is connected to each column or block having many pixels, and signal processing circuits such as A/D (analog/digital) conversion circuits are performed for each column.
また、表面電極又は裏面電極を接続した積層型半導体装置は、高集積・高性能な積層型半導体装置が実現できるが、多層の電極どうしを位置合わせして接続する必要があることから、積層数の増大による歩留まりの低下やコストの増大が懸念される。 In addition, stacked semiconductor devices with connected front or back electrodes can realize highly integrated, high-performance stacked semiconductor devices, but since it is necessary to align and connect the multi-layered electrodes, there are concerns that an increase in the number of layers can lead to a decrease in yield and an increase in costs.
階段状の積層型固体撮像素子は、受光面がフラットでないため、無感度領域の発生、画素間の感度不均一、非対称な入射角依存性などの問題が懸念される。又は特殊なファイバーガラスの実装が必要となり、コストが増大してしまう。 Since the light receiving surface of a stepped stacked solid-state imaging element is not flat, there are concerns about problems such as the occurrence of insensitive areas, non-uniform sensitivity between pixels, and asymmetric incidence angle dependency. Also, special fiberglass is required for implementation, which increases costs.
したがって、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、製造工程における工程数の短縮や歩留まりの向上を図るとともに、表面がフラットで特性の良好な積層型半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention, which has been made in consideration of the above problems, is to provide a stacked semiconductor device with a flat surface and good characteristics, as well as a manufacturing method thereof, while reducing the number of steps in the manufacturing process and improving the yield.
上記課題を解決するために本発明に係る積層型半導体装置は、複数の信号処理回路層を積層してなる積層型半導体装置であって、前記信号処理回路層は、信号処理回路の端部に入出力パッドを備え、前記信号処理回路層は、前記入出力パッドの位置が重ならないように、上側の前記信号処理回路が下側の前記信号処理回路に対して平面方向に1ブロックずつシフトして積層されており、最も上側の前記信号処理回路層の表面から各信号処理回路層の前記入出力パッドに達する貫通孔に埋設されてなる接続電極を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the stacked semiconductor device according to the present invention is a stacked semiconductor device formed by stacking a plurality of signal processing circuit layers, the signal processing circuit layers having input/output pads at the ends of the signal processing circuits, the signal processing circuit layers being stacked such that the upper signal processing circuits are shifted by one block in the planar direction relative to the lower signal processing circuits so that the positions of the input/output pads do not overlap, and the stacked signal processing circuit layers are characterized in that they have connection electrodes embedded in through holes that reach the input/output pads of each signal processing circuit layer from the surface of the uppermost signal processing circuit layer.
また、前記積層型半導体装置は、最も上側の前記信号処理回路層の表面に、複数の光電変換素子を備えた光電変換素子層をさらに備え、前記光電変換素子の画素電極は、前記接続電極とそれぞれ接続していることが望ましい。 The stacked semiconductor device further includes a photoelectric conversion element layer having a plurality of photoelectric conversion elements on the surface of the uppermost signal processing circuit layer, and the pixel electrodes of the photoelectric conversion elements are preferably connected to the connection electrodes.
また、前記積層型半導体装置は、最も上側の前記信号処理回路層の表面に、光電変換膜層をさらに備え、前記接続電極と接続する前記光電変換膜層の領域をそれぞれ画素領域とすることが望ましい。 The stacked semiconductor device preferably further includes a photoelectric conversion film layer on the surface of the uppermost signal processing circuit layer, and the regions of the photoelectric conversion film layer connected to the connection electrodes are each a pixel region.
また、前記積層型半導体装置は、前記1ブロックが1又は複数の画素に対応することが望ましい。 Furthermore, it is preferable that the stacked semiconductor device has one block corresponding to one or more pixels.
また、前記積層型半導体装置は、前記信号処理回路が、画素並列の画素信号処理回路であって、1画素の信号を処理する画素信号処理回路を複数画素で共有することが望ましい。 Furthermore, in the stacked semiconductor device, it is preferable that the signal processing circuit is a pixel signal processing circuit in parallel with the pixels, and that the pixel signal processing circuit that processes the signal of one pixel is shared by multiple pixels.
また、前記積層型半導体装置は、前記接続電極の一部を、前記信号処理回路の出力電極とすることが望ましい。 Furthermore, it is preferable that the stacked semiconductor device has a portion of the connection electrode as an output electrode of the signal processing circuit.
上記課題を解決するために本発明に係る積層型半導体装置の製造方法は、複数の信号処理回路層を積層してなる積層型半導体装置の製造方法であって、信号処理回路の端部に入出力パッドを備えた、前記信号処理回路層を形成する工程と、前記入出力パッドの位置が重ならないように、上側の前記信号処理回路を下側の前記信号処理回路に対して平面方向に1ブロックずつシフトして、前記信号処理回路層を積層する工程と、最も上側の前記信号処理回路層の表面から各信号処理回路層の前記入出力パッドに達する複数の貫通孔を同時に形成する工程と、複数の前記貫通孔を導電材料で埋めて接続電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the method for manufacturing a stacked semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a stacked semiconductor device formed by stacking multiple signal processing circuit layers, and is characterized by comprising the steps of forming the signal processing circuit layer with input/output pads at the ends of the signal processing circuit, stacking the signal processing circuit layers by shifting the upper signal processing circuit by one block at a time in the planar direction relative to the lower signal processing circuit so that the positions of the input/output pads do not overlap, simultaneously forming multiple through holes that reach the input/output pads of each signal processing circuit layer from the surface of the uppermost signal processing circuit layer, and filling the multiple through holes with a conductive material to form connection electrodes.
また、前記積層型半導体装置の製造方法は、最も上側の前記信号処理回路層の表面に、さらに複数の光電変換素子を備えた光電変換素子層を積層し、前記光電変換素子の画素電極を前記接続電極とそれぞれ接続する工程を備えることが望ましい。 The manufacturing method of the stacked semiconductor device preferably further includes a step of stacking a photoelectric conversion element layer having a plurality of photoelectric conversion elements on the surface of the uppermost signal processing circuit layer, and connecting the pixel electrodes of the photoelectric conversion elements to the connection electrodes, respectively.
また、前記積層型半導体装置の製造方法は、最も上側の前記信号処理回路層の表面に、さらに光電変換膜層を形成し、前記接続電極と接続する前記光電変換膜層の領域をそれぞれ画素領域とする工程を備えることが望ましい。 The manufacturing method of the stacked semiconductor device preferably further includes a step of forming a photoelectric conversion film layer on the surface of the uppermost signal processing circuit layer, and forming the regions of the photoelectric conversion film layer connected to the connection electrodes into pixel regions.
本発明の積層型半導体装置及びその製造方法によれば、製造工程における工程数の短縮や歩留まりの向上を図ることができ、また、良好な素子特性を実現することができる。 The stacked semiconductor device and manufacturing method of the present invention can reduce the number of steps in the manufacturing process, improve yields, and achieve good element characteristics.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態の積層型半導体装置の例を、図1及び図2に示す。図1は、第1の実施形態の積層型半導体装置100の断面図の一例である。また、図2は、第1の実施形態の積層型半導体装置100の平面図の一例である。第1の実施形態の積層型半導体装置100は、固体撮像素子を構成しており、その受光部として半導体基板に形成した光電変換素子(フォトダイオード)を備えている。
(First embodiment)
An example of a stacked semiconductor device according to a first embodiment of the present invention is shown in Figures 1 and 2. Figure 1 is an example of a cross-sectional view of the
積層型半導体装置100は、光電変換素子層60、表面側から第1層目の信号処理回路層10、第2層目の信号処理回路層20、第3層目の信号処理回路層30、及び支持層40を備える。なお、本実施形態では信号処理層が3層で構成されているが、これは一例であり、信号処理回路層は複数層であれば何層積層してもよい。なお、説明にあたっては、図1の積層型半導体装置100の支持層40の側を下側、光電変換素子層60の側を上側又は表面側という。
The
支持層40は、積層型半導体装置100を支持する層であり、例えば、シリコン等の半導体基板であってよい。また、ガラス基板、サファイヤ基板等でもよく、積層型半導体装置100を支持し得る厚さと硬度を有する任意の基板(層)を用いることができる。
The
各信号処理回路層10,20,30は、例えば、埋め込み絶縁層(BOX:Buried Oxide)12,22,32、MOSトランジスタ等の半導体素子13,23,33、電極・配線14,24,34、入出力パッド15,25,35、絶縁層16,26,36等を備えている。本実施形態では、入出力パッド15,25,35は各層の信号処理回路の入力端子であり、各層において信号処理回路の端部に配置されている。
Each signal
各信号処理回路層10,20,30は、各層の入出力パッド15,25,35の位置が重ならないように、上側の信号処理回路が下側の信号処理回路に対して1ブロック(本実施形態では、1画素に対応する領域)ずつ、平面方向(図1では左方向)にシフトして(ずらして)積層される。なお、図示された各信号処理回路層のトランジスタの配置や接続は単なる例示であり、特定の処理回路を意味するものではない。本実施形態では、各信号処理回路層10,20,30には、光電変換素子層60からの画素信号を処理する信号処理回路(例えば、増幅回路、A/D(アナログ/デジタル)変換回路、相関二重サンプリング回路等)が設けられている。なお、後述のとおり、この信号処理回路は、画素並列の画素信号処理回路であってよい。
Each signal
また、積層型半導体装置100は、最も上側の信号処理回路層10の表面から各層の入出力パッド15,25,35まで貫通して接続する接続電極51,52,53を備えている。本実施形態では、この接続電極51,52,53は、光電変換素子層60からの画素信号を、それぞれ対応する信号処理回路層に伝送する機能を有している。後述のとおり、この接続電極は各信号処理回路層の積層後に形成することができる。
The
光電変換素子層60は、例えば、表面側から、絶縁層62、半導体層63、pn接合領域からなるフォトダイオード64、転送ゲート65、FD(Floating Diffusion:浮遊拡散層)66、電極・配線67、絶縁層68、画素電極69を備えており、各画素60A,60B,60Cを構成している。画素電極69は、接続電極51,52,53にそれぞれ接続している。フォトダイオード(光電変換素子)64で生成された信号電荷は、転送ゲート65によりFD66に転送され、電極・配線67、画素電極69、及び接続電極51,52,53を介して、各層の信号処理回路に伝送される。ここで、FD66と、電極・配線67との間に増幅回路を挿入し、信号電圧を増幅してから各層の信号処理回路に伝送しても良い。
The photoelectric
本実施形態の積層型半導体装置100は、固体撮像素子であり、各画素の信号処理を異なる層で行うことができる。すなわち、画素60Aで生成した画素信号を、接続電極51を介して表面から第1層目の信号処理回路層10に伝送し、信号処理回路層10内で信号処理を行って出力をする。同様に、画素60Bで生成した画素信号を、接続電極52を介して第2層目の信号処理回路層20に伝送し、信号処理回路層20内で信号処理を行って出力する。また、画素60Cで生成した画素信号を、接続電極53を介して第3層の信号処理回路層30に伝送し、信号処理回路層30内で信号処理を行って出力をする。
The
図2は、第1の実施形態の積層型半導体装置100の画素アレイの一例を示している。平面図の画素60A,60B,60Cは、図1の断面図の画素60A,60B,60Cに対応している。図2で破線は各画素の境界を示しており、各画素のフォトダイオードの位置を矩形で概念的に描いている。
Figure 2 shows an example of a pixel array of the
積層型半導体装置100は、図2の平面図のx方向(行方向)に並ぶ複数の画素60Aの信号電荷を、表面側から第1層目の信号処理回路層10で処理する。また、x方向に並ぶ複数の画素60Bの信号電荷を第2層目の信号処理回路層20で処理し、x方向に並ぶ複数の画素60Cの信号電荷を第3層目の信号処理回路層30で処理する。なお、図2ではx方向に4つの画素が描かれているが、x方向には任意の数の画素を形成することができる。
In the
本実施形態では、図2の積層型半導体装置の各列は同じ構造及び回路を有する。すなわち、画素ごとに独立した画素信号処理回路を備えており、画素並列の信号処理が可能となる。各信号処理回路層は、各画素信号をy方向に配列された信号処理回路で処理し、任意の位置(例えば、平面図の上方向)に設けられた外部入出力パッド80から外部へと出力される。この外部入出力パッド80は、後述の接続電極を形成するのと同じ方法で形成することができる。なお、外部入出力パッド80は信号処理回路層ごとに設けても、複数の信号処理回路層で共有してもよい。
In this embodiment, each column of the stacked semiconductor device in FIG. 2 has the same structure and circuit. That is, each pixel is provided with an independent pixel signal processing circuit, enabling pixel-parallel signal processing. Each signal processing circuit layer processes each pixel signal in a signal processing circuit arranged in the y direction, and outputs the signal to the outside from an external input/
本実施形態の積層型半導体装置100によれば、微細な接続電極51,52,53を用いるため、画素ごとにその画素領域内で層間接続を行うことができる。また、接続電極51,52,53は後述のとおり、各信号処理回路層10,20,30の積層後に形成するため、各信号処理回路層を積層する際には電極同士の厳密な位置合わせを行う必要がなく、多数の層を容易に積層することができる。さらに、各画素は平坦な光電変換素子層60内に形成することができ、受光面がフラットでないことにより生じる様々な問題、すなわち、無感度領域の発生、画素間の感度不均一、非対称な入射角依存性などの問題を解消できる。また、レンズ焦点を各画素で一致させることができ、広い角度の入射光に対応できる。
According to the
次に、第1の実施形態の積層型半導体装置100の製造方法の一例を説明する。図3A乃至図3Nは、図1の積層型半導体装置100の製造方法の一例を工程ごとに断面図で示したものである。
Next, an example of a method for manufacturing the stacked
(a)第1の基板に信号処理回路を形成し、表面側から第1層目の信号処理回路層10を作製する。第1の基板は、支持層(例えば、シリコン層)11、埋め込み絶縁層(例えば、シリコン酸化膜)12、及び埋め込み絶縁層12上の半導体層を備えたSOI(Silicon on Insulator)基板である。SOI基板は、どのような方法で製造されたものでもよい。本実施形態では、各素子(MOSトランジスタ)が独立した半導体島領域に形成されており、半導体層が比較的薄い、完全空乏型SOI(FDSOI:Fully-Depleted Silicon on Insulator)基板上に、信号処理回路を作製するのが望ましい。図3Aは、第1層の信号処理回路層10が完成された状態の一例を示している。本発明において信号処理回路層10はウェル構造を持たず、各素子(MOSトランジスタ等)13の形成領域のみ半導体領域を有し、素子形成領域以外の領域には絶縁層(例えば、シリコン酸化膜)16が形成されている。
(a) A signal processing circuit is formed on a first substrate, and a first-layer signal
信号処理回路層10の作製工程の一例を説明する。埋め込み絶縁層12上の半導体層に不純物導入等を行い、ソース・ドレイン・ゲート電極等を有する複数のMOSトランジスタ13を形成する。なお、MOSトランジスタ以外の任意の半導体素子を形成してもよい。MOSトランジスタ13を層間絶縁層(例えば、シリコン酸化膜)16で覆った後、導電層(金属、ポリシリコン等)の形成及びパターニングを行い電極・配線14を形成する。なお、信号処理回路の端部には、信号処理回路の入力(又は出力)に接続する入出力パッド15を配置する。本実施形態では、入出力パッドを電極・配線と同じ金属層で形成しているが、後述のとおり、入出力パッドは、導電性がありエッチング耐性の高い任意の材料層で形成することができる。電極・配線14及び入出力パッド15上に、さらに表面保護の絶縁層(例えば、シリコン酸化膜)16を形成する。こうして、信号処理回路層10を完成する。
An example of the manufacturing process of the signal
一例として、埋め込み絶縁層12の厚さを200nm、MOSトランジスタ13及びそれを覆う層間絶縁層16の厚さを600nm、その上の配線層14の厚さを600nm、配線層14を覆う保護絶縁層16の厚さを400nmとすると、支持層11を除く信号処理回路層10の厚さはこれらの和であり、およそ1800nmである。
As an example, if the thickness of the buried insulating
(b)図3Bに示すように、完成した信号処理回路層10を含む第1の基板の絶縁層16上に、仮接着基板19を接合する。この仮接着基板19は、例えば、シリコン基板、酸化シリコン基板、ガラス基板等であり、基板全体の保持が可能であれば、任意の材料の基板であってよい。
(b) As shown in FIG. 3B, a temporary
(c)図3Cに示すように、第1の基板から、支持層11を除去する。支持層11の除去は、機械的な処理であっても、化学的なエッチング処理を用いてもよい。支持層(例えば、シリコン層)と埋め込み絶縁層(シリコン酸化膜)との選択性を利用して、支持層11を除去することができる。支持層11を除去することにより、上述のとおり、信号処理回路層10の厚さは例えば1800nmに薄膜化される。
(c) As shown in FIG. 3C, the
(d)次に、第2の基板に信号処理回路を形成し、第2層の信号処理回路層20を作製する。第2の基板は、支持層21、埋め込み絶縁層22、及び埋め込み絶縁層22上の半導体層を備えたSOI基板である。第2層(及びこれ以降の各層)の信号処理回路層20も、完全空乏型SOI基板上に、信号処理回路を作製するのが望ましい。図3Dは、第2層の信号処理回路層20が完成された状態を示している。信号処理回路層20には、MOSトランジスタ等の半導体素子23が電極・配線24で接続され、入出力パッド25を有する信号処理回路が形成される。信号処理回路層20の作製工程は、信号処理回路層10の作製工程と同等であるので、詳細は省略する。
(d) Next, a signal processing circuit is formed on the second substrate to fabricate the second signal
なお、信号処理回路層10と信号処理回路層20は、ともに画素信号を処理する信号処理回路であるから、両者の回路を同一とすることができる。これにより、各層の回路設計の共通化をすることができ、コストの削減を図ることができる。
In addition, since both signal
(e)次に、第1層の信号処理回路層10と第2の基板の信号処理回路層20とをFace-to-back接合する。図3Eに示すように、この際、第2の基板の入出力パッド25を設けた領域(画素領域に相当)が、第1の基板の入出力パッド15を設けた領域(画素領域に相当)と1ブロック分シフトしているように、位置合わせして接合する。なお、本実施形態では、固体撮像素子の一画素に対応する領域を1ブロックとし、点線で示している。ここで、第1の基板と第2の基板に同一の基板を用いて、1ブロック分シフトして接合する場合と、あらかじめ1ブロック分シフトしたレイアウトの基板を作っておいて接合する場合が考えられる。信号処理回路を形成するためのフォトマスクのコストを削減できるという意味では、前者のほうが望ましい。
(e) Next, the signal
(f)図3Fに示すように、第2の基板から、支持層21を除去する。この除去は、機械的な処理であっても、化学的なエッチング処理を用いてもよい。支持層21を除去することにより、信号処理回路層20も信号処理回路層10と同様に薄膜化される。
(f) As shown in FIG. 3F, the
(g)次に、第3の基板に信号処理回路を形成し、第3層の信号処理回路層30を作製する。第3の基板は、支持層31、埋め込み絶縁層32、及び埋め込み絶縁層32上の半導体層を備えたSOI基板であり、完全空乏型SOI基板であることが望ましい。図3Gは、第3層の信号処理回路層30が完成された状態を示している。信号処理回路層30には、MOSトランジスタ等の半導体素子33が電極・配線34で接続され、入出力パッド35を有する信号処理回路が形成される。信号処理回路層30の作製工程は、信号処理回路層10,20の作製工程と同等であるので、詳細は省略する。なお、第3の基板は、本実施形態においては最下層になる基板であり、支持層40は積層型半導体装置100全体を支持する基板となる。支持層40は、第3のSOI基板を構成するシリコン基板であってもよく、特性に応じて任意の材料層を選択してもよい。
(g) Next, a signal processing circuit is formed on the third substrate to fabricate the third signal
(h)次に、信号処理回路層10と信号処理回路層20の積層体と、第3の基板の信号処理回路層30とをFace-to-back接合する。図3Hに示すように、この際、第3の基板の画素領域が、第2の基板の画素領域と1ブロック分シフトしているように、位置合わせして接合する。こうすることにより、各信号処理回路層の入出力パッド15,25,35が1ブロック(1画素)ずつずれて配置される。なお、(f)から(h)の工程を繰り返すことで、信号処理回路の積層数を3層、4層と増やすことが可能である。
(h) Next, the stack of signal processing circuit layers 10 and 20 is bonded face-to-back to the signal
(i)信号処理回路層10,20,30の積層が完了した後、図3Iに示すように、仮接着基板19を剥離する。
(i) After lamination of the signal processing circuit layers 10, 20, and 30 is completed, the temporary
(j)ここまで積層された半導体装置の表面(信号処理回路層10)に、レジスト形成・露光等の通常手段によりパターニングを行い、図3Jに示すように、ドライ又はウェットエッチングで層間絶縁層16,26,36及び埋め込み絶縁層(BOX)12,22,32であるSiO2をエッチングして、各層の信号処理回路の入出力パッド(例えば、Al等の金属層)15,25,35に向かって、接続電極用の穴(貫通孔)を同時に一括して形成する。なお、アスペクト比の高い穴を形成するためには、ドライエッチングを用いることが望ましい。この際に、最上層の酸化膜の上にCVD(Chemical Vapor Deposition)等でSiO2などの絶縁膜を積み増しして、CMP(Chemical Mechanical Polishing)で表面を平坦化してから穴形成を行ってもよい。
(j) The surface (signal processing circuit layer 10) of the semiconductor device stacked up to this point is patterned by normal means such as resist formation and exposure, and as shown in FIG. 3J, the SiO 2
この穴(複数の信号処理回路層を貫通する貫通孔)を形成する工程では、画素によって穴の深さが異なるため、最も深い穴が開口されるまでに、先に開口された部分の配線がエッチングで消失しないようにする必要がある。本発明では、完全空乏型SOIの支持層11,21を除去することでエッチングに必要なSiO2層の厚さを非常に小さくできることから、多層にまたがる穴の一括形成が可能となる。SiO2と配線材料のエッチング選択比が30:1であるとすると、入出力パッド(電極・配線)の厚さ600nmに対して、入出力パッドが消失しない範囲として、600×30=18000nmまでSiO2をエッチングできることになる。前述した構成で、支持層を除いた1層の厚さが1800nmであるから、10層までの積層を行っても、穴の一括形成が可能となる。積層できる層数については、材料やプロセス条件を調整しエッチング選択比を高くしたり、デバイス構造を変更して支持層以外のデバイス厚さをより薄くしたりすることで、さらに層数を増やすことが可能である。 In the process of forming this hole (through hole penetrating a plurality of signal processing circuit layers), the depth of the hole differs depending on the pixel, so it is necessary to prevent the wiring of the previously opened portion from disappearing by etching before the deepest hole is opened. In the present invention, the thickness of the SiO 2 layer required for etching can be made very small by removing the support layers 11 and 21 of the fully depleted SOI, so that holes can be formed in a batch across multiple layers. If the etching selectivity ratio of SiO 2 to the wiring material is 30:1, then for a thickness of 600 nm of the input/output pad (electrode/wiring), SiO 2 can be etched up to 600×30=18000 nm as the range in which the input/output pad is not lost. In the above-mentioned configuration, since the thickness of one layer excluding the support layer is 1800 nm, even if up to 10 layers are stacked, the holes can be formed in a batch. The number of layers that can be stacked can be further increased by adjusting the material and process conditions to increase the etching selectivity, or by changing the device structure to make the device thickness other than the support layer thinner.
また、微細な穴を形成する際には、製造装置の性能により、一般に形成可能な穴の縦横比(アスペクト比)が限定される。本発明では、この点においても、完全空乏型SOIの支持層を除去することでエッチングに必要なSiO2層の厚さを非常に小さくできることから、多層にまたがる穴の形成が可能となる。たとえばアスペクト比が20であり、穴の直径が1μmである場合、深さ20μmの穴まで形成できるが、支持層を除いた1層の厚さが1800nmであるから、20÷1.8=11層までの積層を行っても、穴の形成が可能となる。積層できる層数については、材料やプロセス条件を調整しアスペクト比を高くしたり、デバイス構造を変更して支持層以外のデバイス厚さをより薄くしたりすることで、さらに層数を増やすことが可能である。 In addition, when forming a fine hole, the aspect ratio of the hole that can be formed is generally limited by the performance of the manufacturing equipment. In the present invention, in this respect, the thickness of the SiO 2 layer required for etching can be made very small by removing the support layer of the fully depleted SOI, so that the hole can be formed across multiple layers. For example, when the aspect ratio is 20 and the diameter of the hole is 1 μm, a hole with a depth of 20 μm can be formed, but since the thickness of one layer excluding the support layer is 1800 nm, the hole can be formed even if up to 20÷1.8=11 layers are stacked. The number of layers that can be stacked can be further increased by adjusting the material and process conditions to increase the aspect ratio, or by changing the device structure to make the device thickness other than the support layer thinner.
入出力パッドとなる配線材料としてはAlのほかに、Ti,Mo,W,Nb,Ta,Cu,Cr及びその化合物などを用いることができる。ここで、配線材料とSiO2のエッチング選択比が高くなるように、エッチャント(エッチングに用いるガスや溶液)及び配線材料を選択することが望ましい。上記の30:1のエッチング選択比は、入出力パッド材料とエッチャントを適切に選択することにより、十分に達成できる。接続電極用の穴は、各層の金属配線に接続しなくても良く、トランジスタの拡散層又はゲート電極をパッドの形状に形成しておいて、拡散層又はゲート電極に向かって穴を開ける構成としてもよい。たとえば拡散層に向かって穴を開ける場合は、拡散層材料であるシリコンとSiO2のエッチング選択比が高くなるように、エッチャントを選択する。 In addition to Al, Ti, Mo, W, Nb, Ta, Cu, Cr and compounds thereof can be used as wiring materials for input/output pads. Here, it is desirable to select an etchant (gas or solution used for etching) and wiring material so that the etching selectivity between the wiring material and SiO 2 is high. The etching selectivity of 30:1 can be sufficiently achieved by appropriately selecting the input/output pad material and etchant. The holes for the connection electrodes do not need to be connected to the metal wiring of each layer, and the diffusion layer or gate electrode of the transistor may be formed in the shape of a pad, and the holes may be opened toward the diffusion layer or gate electrode. For example, when opening a hole toward the diffusion layer, an etchant is selected so that the etching selectivity between silicon, which is the diffusion layer material, and SiO 2 is high.
(k)穴形成後は、図3Kに示すように、メッキ等により接続電極となる導電材料(例えば、Au)50を形成し、穴を埋める。 (k) After the holes are formed, as shown in FIG. 3K, a conductive material (e.g., Au) 50 that will become a connection electrode is formed by plating or the like to fill the holes.
(l)CMPにより導電材料50を平坦化して、図3Lに示すように、埋設された接続電極51,52,53を形成する。ここまでで、信号処理回路側の積層構造(積層信号処理回路基板と言うことがある。)が完成する。
(l) The
(m)次に、光電変換素子層60を形成するため、SOI基板に光電変換素子(受光部)又は光電変換素子を含む回路を形成する。このSOI基板は、完全空乏型SOI基板を用いてもよいが、可視光を受光するためには、支持層61上に埋め込み絶縁層(SiO2)62を介して、3μm以上の厚さの半導体層(Siデバイス層)63をもつSOI基板であることが望ましい。図3Mに示すように、例えば、半導体層63に不純物を導入してpn接合を形成し、フォトダイオード(光電変換素子)64、及びFD(浮遊拡散層)66を形成する。また、両者の間にゲート電極を設けて転送ゲート65とする。そして、層間絶縁層68を形成後、FD66に接続する電極・配線67を形成して、その一部を、信号を導く電極パッドとする。ここで、FD66と、電極・配線67との間に増幅回路を挿入し、信号電圧を増幅してから各層の信号処理回路に伝送しても良い。表面をさらに絶縁層68で覆った後、レジスト等を形成してパターニングを行い、ドライ又はウェットエッチングで絶縁層68(SiO2)をエッチングして、電極パッド(例えば、Al等の金属層)67に至る穴を形成する。その後は、工程(k),(l)と同様に、メッキ等により電極材料(例えば、Au)で穴を埋め、CMPにより絶縁層68上の電極材料を除去して、表面が平坦化された画素電極69を形成する。
(m) Next, in order to form a photoelectric
(n)図3Lに示される積層信号処理回路基板と、図3Mに示される光電変換素子を有する基板とを、図3Nに示すように、Face-to-face接合する。その際、積層信号処理回路基板の接続電極51,52,53がそれぞれ画素電極69と接続するように、画素単位で位置合わせして接合する。そして、最後に受光側の支持層61を除去して、積層型半導体装置100を完成する。
(n) The stacked signal processing circuit board shown in FIG. 3L and the substrate having the photoelectric conversion element shown in FIG. 3M are bonded face-to-face as shown in FIG. 3N. At this time, they are aligned pixel by pixel and bonded so that the
完成した積層型半導体装置100は、図1に示される断面図の構造となる。また、完成した積層型半導体装置(積層型固体撮像素子)100の斜視図の例を、図4に示す。各画素60A,60B,60Cの信号は、それぞれ信号処理回路層10,20,30で処理される。なお、積層型半導体装置100の表面の四角形は、フォトダイオード64を概念的に描いたものである。
The completed
以上の工程によれば、完全空乏型SOI基板の支持層11,21を除去してエッチングに必要なSiO2層の厚さを非常に小さくできることから、多層にした信号処理回路の穴の形成工程が一回で行えるため、工程数の短縮や歩留まりの向上が図れる。完全空乏型SOI基板では、ウェル構造を持たず、トランジスタを形成していない部分がSiO2であるため、TSVのように穴どうしを絶縁する工程は不要となる。 According to the above process, the thickness of the SiO2 layer required for etching can be made very small by removing the support layers 11 and 21 of the fully depleted SOI substrate, so the process of forming holes for the multi-layered signal processing circuit can be performed in one go, reducing the number of processes and improving the yield. Since the fully depleted SOI substrate does not have a well structure and the parts where no transistors are formed are SiO2 , the process of insulating holes from each other like TSV is not required.
位置合わせについては、受光部基板とのFace-to-face接合において、画素単位の位置合わせが一回発生するが、Face-to-faceの場合の画素電極69のサイズは、画素ピッチを超えない範囲で大きくすることが可能であることから、従来技術のように裏面に微細な電極を形成してFace-to-backで接合するのに比べて、位置合わせの精度要求を緩和できる。また、信号処理回路の各基板を1ブロック分シフトさせてFace-to-back接合する際の位置合わせについては、穴の直径の精度で合わせる必要はなく、入出力パッドとして用いられるトランジスタの配線層や拡散層、ゲート電極のパッドサイズの精度で合わせればよい。
Regarding alignment, in face-to-face bonding with the light receiving substrate, alignment is performed once for each pixel. However, since the size of the
(第1の実施形態の変形例)
図5は、第1の実施形態の第1変形例の積層型半導体装置110の断面図であり、図6は、第1変形例の積層型半導体装置110の平面図である。図5に示すように、各基板の信号処理回路は一方向に形成するだけでなく、左右対称に形成することが可能である。図6の平面図でみると、画素がy方向(上下)に折り返して配置されることから、同じ積層数で画素の数を2倍にすることができる。図6の上側(y方向+側)の画素の信号出力は、上側に設けた外部入出力パッド80から出力し、下側(y方向-側)の画素の信号出力は、下側に設けた外部入出力パッド80から出力することができる。
(Modification of the first embodiment)
5 is a cross-sectional view of a
図7A,図7B,図7Cに、第1の実施形態の積層型半導体装置の更に他の変形例を示す。第1の実施形態では画素並列の画素信号処理回路を用いているが、信号処理回路(1画素の信号を処理する画素信号処理回路)は、画素ごとに備えていなくても良く、複数画素の信号を順次切り替えて一つの信号処理回路から読み出す構成も考えられる。 Figures 7A, 7B, and 7C show yet another modified example of the stacked semiconductor device of the first embodiment. In the first embodiment, a pixel signal processing circuit in parallel with the pixels is used, but a signal processing circuit (a pixel signal processing circuit that processes the signal of one pixel) does not have to be provided for each pixel, and a configuration in which signals from multiple pixels are sequentially switched and read out from one signal processing circuit is also possible.
図7Aは、第1の実施形態の第2変形例の積層型半導体装置120の平面図である。図7Aの積層型半導体装置120は、図面で上2行の画素の信号を第1層の信号処理回路層10で処理し、中央2行の画素の信号を第2層の信号処理回路層20で処理し、下2行の画素の信号を第3層の信号処理回路層30で処理する。図7Aでは、列方向(y方向)に隣接する2つの画素(例えば、60A)で信号処理回路(1画素の信号を処理する画素信号処理回路)を共有している。図7Aの積層型半導体装置120においては、シフトする1ブロックを2画素として、信号処理回路層10と信号処理回路層20と信号処理回路層30とを(y方向に)2画素分ずらして積層する。各画素と信号処理回路との接続については、各画素に信号処理回路層まで達する接続電極を設けて、信号処理回路の中で2つの画素の切り替えを行う方法と、2つの画素に対応して信号処理回路層に接続する一つの接続電極を設け、各画素の転送ゲートやスイッチング回路等を制御して接続電極への接続を切り替える方法とがある。なお、2つの画素の出力信号は、共通の外部入出力パッド80から、例えば、時分割で出力してもよく、複数の外部入出力パッドから出力してもよい。
Figure 7A is a plan view of a
また、図7Bは、第1の実施形態の第3変形例の積層型半導体装置130の平面図である。図7Bは、行方向(x方向)で回路を共有する例である。各層の画素並列の信号処理回路を図で2列ごとに形成し、行方向(x方向)に隣接する2つの画素(例えば、60A)で信号処理回路(1画素の信号を処理する画素信号処理回路)を共有している。図7Bの積層型半導体装置130においては、図1と同様に、信号処理回路層10と信号処理回路層20と信号処理回路層30とを(y方向に)1画素分ずらして積層するが、信号処理回路を形成する領域は、x方向に2倍の幅となる。そのため、信号処理回路を形成する領域のy方向の長さを短くすることができ、半導体装置の面積を小型化できる。なお、各画素と信号処理回路との接続については、図7Aと同様に、各画素に信号処理回路層まで達する接続電極を設けて、信号処理回路の中で2つの画素の切り替えを行う方法と、2つの画素に対応して信号処理回路層に接続する一つの接続電極を設け、各画素の転送ゲートやスイッチング回路等を制御して接続電極への接続を切り替える方法とがある。2つの画素の出力信号は、共通の外部入出力パッド80から、例えば、時分割で出力してもよく、複数の外部入出力パッドから出力してもよい。
Also, FIG. 7B is a plan view of a
さらに、図7Cは、第1の実施形態の第4変形例の積層型半導体装置140の平面図である。図7Cは、複数の画素を含むエリアで画素並列の信号処理回路を共有する例である。各層の信号処理回路を図で2列ごとに形成し、行方向(x方向)と列方向(y方向)に隣接する4つの画素(例えば、60A)で信号処理回路(1画素の信号を処理する画素信号処理回路)を共有している。4つの画素の信号を順次切り替えて一つの信号処理回路から読み出す。図7Cの積層型半導体装置140においては、シフトする1ブロックを2画素として、信号処理回路層10と信号処理回路層20と信号処理回路層30とを(y方向に)2画素分ずらして積層する。さらに、信号処理回路を形成する領域は、x方向に2倍の幅となる。そのため、信号処理回路を形成する領域のy方向の長さを短くすることができ、半導体装置の面積を小型化できる。なお、各画素と信号処理回路との接続については、各画素に信号処理回路層まで達する接続電極を設けて、信号処理回路の中で4つの画素の切り替えを行う方法と、4つの画素に対応して信号処理回路層に接続する一つの接続電極を設け、各画素の転送ゲートやスイッチング回路等を制御して接続電極への接続を切り替える方法とがある。4つの画素の出力信号は、共通の外部入出力パッド80から、例えば、時分割で出力してもよく、複数の外部入出力パッドから出力してもよい。
Furthermore, FIG. 7C is a plan view of a
図1及び図2に示す、画素並列の場合は、回路の積層数によって画素数が制限される場合が考えられるが、図7A乃至図7Cに示すように、複数画素間の信号処理回路の共有を併用することで、例えば10層の積層であっても、多画素のセンサや大規模な信号処理回路の実装が可能となる。さらに、図7Cの1エリアの画素数を増やすことにより、より多画素の固体撮像素子を実現できる。 In the case of pixel parallel configuration shown in Figures 1 and 2, the number of pixels may be limited by the number of circuit layers, but as shown in Figures 7A to 7C, by also sharing signal processing circuits between multiple pixels, it is possible to implement a multi-pixel sensor and a large-scale signal processing circuit even with a stack of, for example, 10 layers. Furthermore, by increasing the number of pixels in one area in Figure 7C, a solid-state image sensor with even more pixels can be realized.
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態の積層型半導体装置の例を、図8及び図9に示す。図8は、第2の実施形態の積層型半導体装置200の断面図の一例である。また、図9は、第2の実施形態の積層型半導体装置200の平面図の一例である。第2の実施形態の積層型半導体装置200は、固体撮像素子を構成しており、その受光部として光電変換膜を備えている。
Second Embodiment
An example of a stacked semiconductor device according to a second embodiment of the present invention is shown in Fig. 8 and Fig. 9. Fig. 8 is an example of a cross-sectional view of the stacked
積層型半導体装置200は、光電変換膜層70、表面側から第1層目の信号処理回路層10、第2層目の信号処理回路層20、第3層目の信号処理回路層30、及び支持層40を備える。なお、本実施形態では信号処理層が3層で構成されているが、これは一例であり、信号処理回路層は複数層であれば何層積層してもよい。ここで、信号処理回路層10,20,30及び支持層40の構成は、図1の第1の実施形態の積層型半導体装置100と同じであるから、説明を簡略化する。
The
支持層40は、積層型半導体装置100を支持する層であり、例えば、シリコン等の半導体基板やガラス基板であってよい。
The
各信号処理回路層10,20,30は、例えば、埋め込み絶縁層(BOX)12,22,32、MOSトランジスタ等の半導体素子13,23,33、電極・配線14,24,34、入出力パッド15,25,35、絶縁層16,26,36等を備えている。本実施形態では、入出力パッド15,25,35は各層の信号処理回路の入力端子であり、各層において信号処理回路の端部に配置されている。各信号処理回路層10,20,30は、各層の入出力パッド15,25,35の位置が重ならないように、上側の信号処理回路が下側の信号処理回路に対して1ブロック(本実施形態では、1画素に対応する領域)ずつ、平面方向(図1では左方向)にシフトして積層される。
Each signal
また、積層型半導体装置200は、最も上側の信号処理回路層10の表面から各層の入出力パッド15,25,35まで貫通して接続する接続電極51,52,53を備えている。この接続電極51,52,53は、光電変換膜層70からの画素信号を、それぞれ対応する信号処理回路層に伝送する機能を有している。
The
光電変換膜層70は、信号処理回路層10に接する側から、例えば、酸化ガリウム(Ga2O3)膜71、結晶セレン(c-Se)膜72、透明導電膜(ITO:Indium Tin Oxide)73を備えている。光電変換膜層70は基板上に一体の層として形成されているが、接続電極51,52,53に接続する各領域が、画素(画素領域)70A,70B,70Cを構成している。光電変換膜層70で生成された各領域の信号電荷は、接続電極51,52,53を介して、各層の信号処理回路に伝送される。
The photoelectric
積層型半導体装置200は、固体撮像素子であり、各画素の信号処理を異なる層で行うことができる。すなわち、画素70Aで生成した画素信号を、接続電極51を介して表面から第1層目の信号処理回路層10に伝送し、信号処理回路層10内で信号処理を行って出力をする。同様に、画素70Bで生成した画素信号を、接続電極52を介して第2層目の信号処理回路層20に伝送し、信号処理回路層20内で信号処理を行って出力する。また、画素70Cで生成した画素信号を、接続電極53を介して第3層の信号処理回路層30に伝送し、信号処理回路層30内で信号処理を行って出力をする。
The
図9は、第2の実施形態の積層型半導体装置200の画素アレイの一例を示している。平面図の画素70A,70B,70Cは、図8の断面図の画素70A,70B,70Cに対応している。図9で、実線は光電変換膜層70の端部を示しており、また、破線は各画素の境界を示している。各画素おいては、接続電極の位置を概念的に丸で描いている。
Figure 9 shows an example of a pixel array of the stacked
積層型半導体装置200は、図9の平面図のx方向(行方向)に並ぶ複数の画素70A、70B、70Cの信号電荷を、それぞれ、信号処理回路層10,20,30で処理する。なお、図9ではx方向に4つの画素が描かれているが、x方向には任意の数の画素を形成することができる。
In the
本実施形態では、図9の積層型半導体装置の各列は同じ構造及び回路を有する。すなわち、画素ごとに独立した画素信号処理回路を備えており、画素並列の信号処理が可能となる。各信号処理回路層は、各画素信号をy方向に配列された信号処理回路で処理し、任意の位置(例えば、平面図の上方向)に設けられた外部入出力パッド80から外部へと出力される。外部入出力パッド80は信号処理回路層ごとに設けても、複数の信号処理回路層で共有してもよい。
In this embodiment, each column of the stacked semiconductor device in FIG. 9 has the same structure and circuit. That is, each pixel is provided with an independent pixel signal processing circuit, enabling pixel-parallel signal processing. Each signal processing circuit layer processes each pixel signal in a signal processing circuit arranged in the y direction, and outputs the signal to the outside from an external input/
本実施形態の積層型半導体装置200によれば、微細な接続電極51,52,53を用いるため、画素ごとにその画素領域内で層間接続を行うことができる。また、接続電極51,52,53は各信号処理回路層10,20,30の積層後に形成したものであり、各信号処理回路層を積層する際には電極同士の厳密な位置合わせを行う必要がなく、多数の層を容易に積層することができる。さらに、各画素は平坦な光電変換膜層70で構成することができ、簡易な製法で特性の良好な受光部を形成できる。本実施形態においても、受光面がフラットでないことにより生じる様々な問題、すなわち、無感度領域の発生、画素間の感度不均一、非対称な入射角依存性などの問題を解消できる。また、レンズ焦点を各画素で一致させることができ、広い角度の入射光に対応できる。
According to the
次に、第2の実施形態の積層型半導体装置200の製造方法の一例を説明する。ただし、信号処理回路層10,20,30を積層し、接続電極51,52,53を形成するまでの工程(a)~(l)は、図3A乃至図3Lと同一であるので、説明を省略する。図8に基づいて、これ以降(工程(m))の積層型半導体装置200の製造方法を説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the stacked
(m)光電変換膜層70を形成するため、図3Lに示す積層信号処理回路基板(積層された信号処理回路層の基板)上に、酸化ガリウム(Ga2O3)膜71を成膜する。その後、アモルファスセレン(a-Se)膜を成膜して加熱し、結晶化して結晶セレン(c-Se)膜72とし、最後に、透明導電膜73としてITOを成膜して、完成する。n型半導体である酸化ガリウムと、p型半導体である結晶セレンとの組み合わせにより、ヘテロ接合のpnフォトダイオードが構成される。こうして、積層型半導体装置200を完成する。
(m) To form the photoelectric
なお、光電変換膜層70の構成としては、半導体を結晶セレン(c-Se)膜72の単層膜として、画素電極又は透明電極との間でショットキー接合ダイオードを構成してもよい。また、結晶セレン(c-Se)膜72に高電圧を印加し、電荷をアバランシェ増倍する高感度の受光素子としてもよい。結晶セレンの他にも、可視光領域に吸収を有する半導体である、アモルファスセレン(a-Se)、CIGS(CuInGaSe)、結晶シリコン(c-Si)、アモルファスシリコン(a-Si)、カドミウムテルル(CdTe)、ガリウム砒素(GaAs)、インジウム燐(InP)、硫化銅(Cu2S)等の材料を用いることもできる。
The photoelectric
完成した積層型半導体装置(積層型固体撮像素子)200の斜視図の例を、図10に示す。なお、積層型半導体装置200の各画素の表面の丸は、各画素の接続電極51,52,53を概念的に描いたものである。
Figure 10 shows an example of a perspective view of a completed stacked semiconductor device (stacked solid-state imaging element) 200. Note that the circles on the surface of each pixel of the stacked
第2の実施形態の積層型半導体装置200においても、第1の実施形態と同等の製造工程(a)~(l)を経て形成されるため、第1の実施形態と同じ作用・効果を奏する。すなわち、完全空乏型SOI基板の支持層を除去することにより、穴(貫通孔)を形成するためにエッチングするSiO2層の厚さを非常に薄くできることから、多層にした信号処理回路の穴の形成工程が一回で行えるため、工程数の短縮や歩留まりの向上が図れる。完全空乏型SOI基板では、ウェル構造を持たず、トランジスタを形成していない部分がSiO2であるため、TSVのように穴どうしを絶縁する工程は不要となる。
The
また、電極を備えた表面どうしの接合(ハイブリッド接合)の工程は必要としないため、工程数の短縮や歩留まりの向上が図れる。信号処理回路の各基板を1ブロック分シフトさせてFace-to-back接合する際の位置合わせについては、穴の直径の精度で合わせる必要はなく、入出力パッドとして用いられるトランジスタの配線層や拡散層、ゲート電極のパッドサイズの精度で合わせればよい。 In addition, since the process of bonding surfaces with electrodes together (hybrid bonding) is not required, the number of processes can be reduced and yields can be improved. When shifting each substrate of the signal processing circuit by one block to bond face-to-back, alignment does not need to be done with the precision of the hole diameter, but can be done with the precision of the wiring layer, diffusion layer, and pad size of the gate electrode of the transistor used as the input/output pad.
さらに、第2の実施形態の積層型半導体装置200は、受光部を光電変換膜層70で形成しており、積層信号処理回路基板(図3L)と受光部を有する基板(図3M)とを接合する工程も不要である。このため、位置合わせ工程がさらに少なく、製造工程がより簡略化できる。
Furthermore, in the stacked
(第2の実施形態の変形例)
図11は、第2の実施形態の第1変形例の積層型半導体装置210の断面図であり、図12は、第1変形例の積層型半導体装置210の平面図である。図11に示すように、各基板の信号処理回路は一方向に形成するだけでなく、左右対称に形成することが可能である。図12の平面図でみると、画素がy方向(上下)に折り返して配置されることから、同じ積層数で画素の数を2倍にすることができる。図12の上側(y方向+側)の画素の信号出力は、上側に設けた外部入出力パッド80から出力し、下側(y方向-側)の画素の信号出力は、下側に設けた外部入出力パッド80から出力することができる。
(Modification of the second embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view of a
図13Aは、第2の実施形態の第2変形例の積層型半導体装置220の平面図である。図13Aの積層型半導体装置220は、図面で上2行の画素の信号を第1層の信号処理回路層10で処理し、中央2行の画素の信号を第2層の信号処理回路層20で処理し、下2行の画素の信号を第3層の信号処理回路層30で処理する。図13Aでは、列方向(y方向)に隣接する2つの画素(例えば、70A)で信号処理回路(1画素の信号を処理する画素信号処理回路)を共有している。図13Aの積層型半導体装置220においては、シフトする1ブロックを2画素として、信号処理回路層10と信号処理回路層20と信号処理回路層30とを(y方向に)2画素分ずらして積層する。各画素と信号処理回路との接続については、各画素に信号処理回路層まで達する接続電極を設けて、信号処理回路の中で2つの画素の切り替えを行う方法が用いられる。なお、2つの画素の信号は、共通の外部入出力パッド80から、例えば、時分割で出力してもよく、複数の外部入出力パッドから出力してもよい。
13A is a plan view of a
また、図13Bは、第2の実施形態の第3変形例の積層型半導体装置230の平面図である。図13Bは、行方向(x方向)で回路を共有する例である。各層の信号処理回路を図で2列ごとに形成し、行方向(x方向)に隣接する2つの画素(例えば、70A)で信号処理回路(1画素の信号を処理する画素信号処理回路)を共有している。図13Bの積層型半導体装置230においては、図1と同様に、信号処理回路層10と信号処理回路層20と信号処理回路層30とを(y方向に)1画素分ずらして積層するが、信号処理回路を形成する領域は、x方向に2倍の幅となる。そのため、信号処理回路を形成する領域のy方向の長さを短くすることができ、半導体装置の面積を小型化できる。各画素と信号処理回路との接続については、図13Aと同様に、各画素に信号処理回路層まで達する接続電極を設けて、信号処理回路の中で2つの画素の切り替えを行う方法が用いられる。2つの画素の出力信号は、共通の外部入出力パッド80から、例えば、時分割で出力してもよく、複数の外部入出力パッドから出力してもよい。
Also, FIG. 13B is a plan view of a
さらに、図13Cは、第2の実施形態の第4変形例の積層型半導体装置240の平面図である。図13Cは、複数の画素を含むエリアで画素並列の信号処理回路を共有する例である。各層の信号処理回路を図で2列ごとに形成し、行方向(x方向)と列方向(y方向)に隣接する4つの画素(例えば、70A)で信号処理回路(1画素の信号を処理する画素信号処理回路)を共有している。4つの画素の信号を順次切り替えて一つの信号処理回路から読み出す。図13Cの積層型半導体装置240においては、シフトする1ブロックを2画素として、信号処理回路層10と信号処理回路層20と信号処理回路層30とを(y方向に)2画素分ずらして積層する。さらに、信号処理回路を形成する領域は、x方向に2倍の幅となる。そのため、信号処理回路を形成する領域のy方向の長さを短くすることができ、半導体装置の面積を小型化できる。なお、各画素と信号処理回路との接続については、各画素に信号処理回路層まで達する接続電極を設けて、信号処理回路の中で4つの画素の切り替えを行う方法が用いられる。4つの画素の出力信号は、共通の外部入出力パッド80から、例えば、時分割で出力してもよく、複数の外部入出力パッドから出力してもよい。
Furthermore, FIG. 13C is a plan view of a
図8及び図9に示す、画素並列の場合は、回路の積層数によって画素数が制限される場合が考えられるが、図13A乃至図13Cに示すように、複数画素間の信号処理回路の共有を併用することで、例えば10層の積層であっても、多画素のセンサや大規模な信号処理回路の実装が可能となる。さらに、図13Cの1エリアの画素数を増やすことにより、より多画素の固体撮像素子を実現できる。 In the case of pixel parallel configuration shown in Figures 8 and 9, the number of pixels may be limited by the number of circuit layers, but as shown in Figures 13A to 13C, by also sharing signal processing circuits between multiple pixels, it is possible to implement a multi-pixel sensor and a large-scale signal processing circuit even with a stack of, for example, 10 layers. Furthermore, by increasing the number of pixels in one area in Figure 13C, a solid-state imaging element with even more pixels can be realized.
(その他の実施形態)
第1及び第2の実施形態では、積層された信号処理回路層の表面に光電変換素子層60又は光電変換膜層70を形成し、積層型の固体撮像素子(イメージセンサ)を作製したが、他の機能を有する半導体装置を作成することもできる。
Other Embodiments
In the first and second embodiments, a photoelectric
本発明では、信号処理回路層10,20,30が複数積層され、その表面から各層の入出力パッド15,25,35に接続する接続電極51,52,53が形成された、図3Lに示す、積層信号処理回路基板を基本構造とする。信号処理回路層の積層数は、任意の積層数とすることができ、この基板の表面に他の機能層を形成することもできる。
In the present invention, the basic structure is a laminated signal processing circuit board as shown in FIG. 3L, in which multiple signal processing circuit layers 10, 20, 30 are laminated and
例えば、図3Lに示す積層信号処理回路基板の表面に、有機EL(Electroluminescence)層を形成すると共に、各層の信号処理回路を有機ELの発光回路とする。この構成により、接続電極に接続する有機EL領域をそれぞれ発光画素として、画素ごとに発光させることができ、表示装置を作製することができる。 For example, an organic EL (Electroluminescence) layer is formed on the surface of the laminated signal processing circuit board shown in FIG. 3L, and the signal processing circuits of each layer are made into organic EL light-emitting circuits. With this configuration, the organic EL regions connected to the connection electrodes can be made into light-emitting pixels, and each pixel can be made to emit light, thereby making it possible to fabricate a display device.
また、図3Lに示す積層信号処理回路基板の表面に、1ブロック(画素に相当)ごとに圧力センサを形成すると共に、各層の信号処理回路を圧力センサの信号処理回路とする。この構成により、微細なブロックごとに圧力を検出することができる、感圧装置を作製することができる。 In addition, a pressure sensor is formed for each block (corresponding to a pixel) on the surface of the laminated signal processing circuit board shown in Figure 3L, and the signal processing circuit of each layer is made into a signal processing circuit of the pressure sensor. With this configuration, a pressure-sensing device can be fabricated that can detect pressure for each minute block.
また、図3Lに示す積層信号処理回路基板の表面に、1ブロック(画素に相当)ごとにアクチュエータを形成すると共に、各層の信号処理回路をアクチュエータの作動回路とする。この構成により、微細なブロックごとにアクチュエータを動作させることができ、微細な操作装置を作製することができる。 In addition, an actuator is formed for each block (corresponding to a pixel) on the surface of the laminated signal processing circuit board shown in Figure 3L, and the signal processing circuit of each layer is used as the actuator operation circuit. With this configuration, it is possible to operate the actuator for each fine block, and a fine operating device can be produced.
このように、ユニット(ブロック)ごとに回路を必要とする機能装置等、様々な集積デバイスに応用でき、装置を歩留まり良く形成できる。 In this way, it can be applied to various integrated devices, such as functional devices that require circuits for each unit (block), and devices can be formed with high yield.
また、これ以外にも、各層の入出力パッド15,25,35に接続する接続電極51,52,53を出力電極として利用することができ、接続電極51,52,53の表面に電極パッドを形成し、これを図2、図6等の外部入出力パッド80とすることができる。また、例えば、各信号処理回路層10,20,30に、ロジック、メモリ等の回路を形成し、表面の外部入出力パッド80を利用して、各層と直接信号を入出力することができる。
In addition, the
本発明の積層技術によれば、多層にした信号処理回路の穴の形成工程を一回で行うことができ、接合工程の位置合わせ精度も最小化できることから、工程数の短縮や歩留まりの向上が図れる。また、高集積で良好な特性の装置を作製することができる。 The lamination technology of the present invention allows the process of forming holes in multi-layered signal processing circuits to be performed in one go, and the alignment precision of the bonding process can be minimized, which reduces the number of processes and improves yield. It also allows the fabrication of highly integrated devices with excellent characteristics.
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形又は変更が可能である。例えば、実施形態に記載の各構成、各工程等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成、工程等を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。 The above-mentioned embodiments have been described as representative examples, but it will be apparent to those skilled in the art that many modifications and substitutions can be made within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be interpreted as being limited by the above-mentioned embodiments, and various modifications or changes are possible without departing from the scope of the claims. For example, the functions included in each configuration, each process, etc. described in the embodiments can be rearranged so as not to cause logical inconsistencies, and multiple configurations, processes, etc. can be combined into one or divided.
10,20,30 信号処理回路層
11,21.40 支持層
12,22,32 埋め込み絶縁層
13,23,33 半導体素子
14,24,34 電極・配線
15,25,35 入出力パッド
16,26,36 絶縁層
51,52,53 接続電極
60 光電変換素子層
61 支持層
62 絶縁層
63 半導体層
64 フォトダイオード
65 転送ゲート
66 FD(浮遊拡散層)
67 電極・配線
68 絶縁層
69 画素電極
70 光電変換膜層
71 酸化ガリウム膜
72 結晶セレン膜
73 透明導電膜
100,110,120,130,140 積層型半導体装置
200,210,220,230,240 積層型半導体装置
67 Electrode/
Claims (9)
前記信号処理回路層は、信号処理回路の端部に入出力パッドを備え、
前記信号処理回路層は、前記入出力パッドの位置が重ならないように、上側の前記信号処理回路が下側の前記信号処理回路に対して平面方向に1ブロックずつシフトして積層されており、
最も上側の前記信号処理回路層の表面から各信号処理回路層の前記入出力パッドに達する貫通孔に埋設されてなる接続電極を備えることを特徴とする、積層型半導体装置。 A stacked semiconductor device formed by stacking a plurality of signal processing circuit layers,
the signal processing circuit layer includes an input/output pad at an end of the signal processing circuit;
the signal processing circuit layers are stacked such that the signal processing circuits on the upper side are shifted by one block in a planar direction relative to the signal processing circuits on the lower side so that the positions of the input/output pads do not overlap;
1. A stacked semiconductor device comprising: connection electrodes embedded in through holes extending from a surface of an uppermost signal processing circuit layer to the input/output pads of each signal processing circuit layer.
最も上側の前記信号処理回路層の表面に、複数の光電変換素子を備えた光電変換素子層をさらに備え、
前記光電変換素子の画素電極は、前記接続電極とそれぞれ接続していることを特徴とする、積層型半導体装置。 2. The stacked semiconductor device according to claim 1,
a photoelectric conversion element layer including a plurality of photoelectric conversion elements on a surface of the uppermost signal processing circuit layer;
4. A stacked semiconductor device, comprising: a pixel electrode of each of said photoelectric conversion elements connected to said connection electrodes, said pixel electrode being electrically connected to said connection electrodes;
最も上側の前記信号処理回路層の表面に、光電変換膜層をさらに備え、
前記接続電極と接続する前記光電変換膜層の領域をそれぞれ画素領域とすることを特徴とする、積層型半導体装置。 2. The stacked semiconductor device according to claim 1,
A photoelectric conversion film layer is further provided on a surface of the uppermost signal processing circuit layer,
A stacked semiconductor device, wherein each of the regions of the photoelectric conversion film layer connected to the connection electrode is used as a pixel region.
前記1ブロックが1又は複数の画素に対応することを特徴とする、積層型半導体装置。 4. The stacked semiconductor device according to claim 2,
4. A stacked semiconductor device, wherein the one block corresponds to one or a plurality of pixels.
前記信号処理回路は、画素並列の画素信号処理回路であって、1画素の信号を処理する画素信号処理回路を複数画素で共有することを特徴とする、積層型半導体装置。 5. The stacked semiconductor device according to claim 2,
The signal processing circuit is a pixel signal processing circuit arranged in parallel with respect to each pixel, and a pixel signal processing circuit for processing a signal of one pixel is shared by a plurality of pixels.
前記接続電極の一部を、前記信号処理回路の出力電極とすることを特徴とする、積層型半導体装置。 6. The stacked semiconductor device according to claim 1,
4. The stacked semiconductor device according to claim 3, wherein a part of said connection electrode is used as an output electrode of said signal processing circuit.
信号処理回路の端部に入出力パッドを備えた、前記信号処理回路層を形成する工程と、
前記入出力パッドの位置が重ならないように、上側の前記信号処理回路を下側の前記信号処理回路に対して平面方向に1ブロックずつシフトして、前記信号処理回路層を積層する工程と、
最も上側の前記信号処理回路層の表面から各信号処理回路層の前記入出力パッドに達する複数の貫通孔を同時に形成する工程と、
複数の前記貫通孔を導電材料で埋めて接続電極を形成する工程と
を備えることを特徴とする、積層型半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a stacked semiconductor device formed by stacking a plurality of signal processing circuit layers, comprising the steps of:
forming the signal processing circuitry layer with input/output pads at edges of the signal processing circuitry;
laminating the signal processing circuit layers by shifting the upper signal processing circuit by one block at a time in a planar direction relative to the lower signal processing circuit so that the positions of the input/output pads do not overlap;
simultaneously forming a plurality of through holes extending from a surface of the uppermost signal processing circuit layer to the input/output pads of each signal processing circuit layer;
and filling the plurality of through holes with a conductive material to form connection electrodes.
最も上側の前記信号処理回路層の表面に、さらに複数の光電変換素子を備えた光電変換素子層を積層し、前記光電変換素子の画素電極を前記接続電極とそれぞれ接続する工程を備えることを特徴とする、積層型半導体装置の製造方法。 8. The method for manufacturing a stacked semiconductor device according to claim 7,
A method for manufacturing a stacked semiconductor device, comprising the steps of stacking a photoelectric conversion element layer having a plurality of photoelectric conversion elements on a surface of the uppermost signal processing circuit layer, and connecting pixel electrodes of the photoelectric conversion elements to the connection electrodes, respectively.
最も上側の前記信号処理回路層の表面に、さらに光電変換膜層を形成し、前記接続電極と接続する前記光電変換膜層の領域をそれぞれ画素領域とする工程を備えることを特徴とする、積層型半導体装置の製造方法。 8. The method for manufacturing a stacked semiconductor device according to claim 7,
A method for manufacturing a stacked semiconductor device, comprising the steps of further forming a photoelectric conversion film layer on a surface of the uppermost signal processing circuit layer, and forming regions of the photoelectric conversion film layer connected to the connection electrodes into pixel regions.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021017555A JP7565814B2 (en) | 2021-02-05 | 2021-02-05 | Stacked semiconductor device and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021017555A JP7565814B2 (en) | 2021-02-05 | 2021-02-05 | Stacked semiconductor device and its manufacturing method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022120579A JP2022120579A (en) | 2022-08-18 |
| JP7565814B2 true JP7565814B2 (en) | 2024-10-11 |
Family
ID=82849094
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021017555A Active JP7565814B2 (en) | 2021-02-05 | 2021-02-05 | Stacked semiconductor device and its manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7565814B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024171737A1 (en) * | 2023-02-17 | 2024-08-22 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Sensor device |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015159766A1 (en) | 2014-04-18 | 2015-10-22 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device, method for manufacturing same and electronic device |
| WO2016185901A1 (en) | 2015-05-15 | 2016-11-24 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device, method for manufacturing same, and electronic instrument |
| JP2017076872A (en) | 2015-10-14 | 2017-04-20 | キヤノン株式会社 | Imaging element |
| JP2018170528A (en) | 2012-10-18 | 2018-11-01 | ソニー株式会社 | Solid-state image pickup device and electronic apparatus |
| JP2021136590A (en) | 2020-02-27 | 2021-09-13 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Image sensor |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6254827B2 (en) * | 2013-11-11 | 2017-12-27 | 日本放送協会 | Multilayer integrated circuit and manufacturing method thereof |
-
2021
- 2021-02-05 JP JP2021017555A patent/JP7565814B2/en active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018170528A (en) | 2012-10-18 | 2018-11-01 | ソニー株式会社 | Solid-state image pickup device and electronic apparatus |
| WO2015159766A1 (en) | 2014-04-18 | 2015-10-22 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device, method for manufacturing same and electronic device |
| WO2016185901A1 (en) | 2015-05-15 | 2016-11-24 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device, method for manufacturing same, and electronic instrument |
| JP2017076872A (en) | 2015-10-14 | 2017-04-20 | キヤノン株式会社 | Imaging element |
| JP2021136590A (en) | 2020-02-27 | 2021-09-13 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Image sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022120579A (en) | 2022-08-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10930697B2 (en) | Semiconductor device, solid-state imaging device with tantalum oxide layer formed by diffusing a material of an electrode of necessity or a counter electrode | |
| KR101771864B1 (en) | Semiconductor device, manufacturing method thereof and electronic apparatus | |
| JP6254827B2 (en) | Multilayer integrated circuit and manufacturing method thereof | |
| KR20190038031A (en) | Image sensing apparatus and manufacturing method thereof | |
| JP2019004001A (en) | Solid-state imaging element and method of manufacturing the same | |
| US20250194282A1 (en) | Semiconductor device | |
| JP6290245B2 (en) | Pixelated imager with MOTFET and method of manufacturing the same | |
| CN102792452A (en) | Production method for semiconductor device and semiconductor device | |
| KR20210022306A (en) | Image sensor and method for fabricating the same | |
| WO2022149362A1 (en) | Solid-state imaging device and electronic apparatus | |
| JP7565814B2 (en) | Stacked semiconductor device and its manufacturing method | |
| JP2023169866A (en) | Stacked cmos image sensor and method of manufacturing the same | |
| US20230268372A1 (en) | Stacked cmos image sensor | |
| US20240021631A1 (en) | Solid-state imaging device and electronic device | |
| CN107425026A (en) | Semiconductor devices and its manufacture method | |
| US20240250098A1 (en) | Image sensor device and method of manufacturing the same | |
| US20260005171A1 (en) | Bond pads and method of manufacturing the same | |
| KR102932488B1 (en) | Image Sensor with stack structure | |
| JP2019102744A (en) | Stacked semiconductor device | |
| KR20240157910A (en) | Semiconductor device including pluralities of substrate bonded to each other and manufacturing method of the same | |
| JP2026009572A (en) | Image sensor and method for manufacturing the image sensor | |
| CN119923003A (en) | Image sensor and method of forming the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240105 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240827 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240903 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20241001 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7565814 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |