固态图像传感器、固态图像传感器的制造方法以及电子设备与流程

本技术涉及固态图像传感器、固态图像传感器的制造方法以及电子设备。更具体地，本技术涉及包括接合在一起的多个半导体芯片的固态图像传感器的技术。

背景技术：

近来日益普及的数码相机刺激了对作为数码相机关键部分的固态图像传感器的积极需求。在技术上提高了固态图像传感器的性能，以满足高图像质量和多功能的要求。

类似地，具有成像功能的便携式终端(如移动电话、PDA(个人数字助理)、笔记本PC(个人电脑)和笔记本平板电脑)越来越普及。这促使人们通过固态图像传感器及其部件的小型化、轻量化和薄型化来使这种便携式终端更容易携带。正在进行另一项努力以通过降低固态图像传感器及其部件的成本来普及这种便携式终端。

一般而言，例如，像CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器等固态图像传感器包括硅基板以及形成在硅基板的受光面上的诸如光电转换部、放大器电路和多层配线层等部件。这些部件覆盖有滤色器和片上微透镜，并且受光面具有用间隔物贴合到其上的盖玻璃。在受光面的对面形成有端子。

前述固态图像传感器具有与其连接的信号处理电路，该信号处理电路对要输出的信号进行规定的处理。作为固态图像传感器具有多种功能的结果，对信号处理电路要进行的处理的需求不断增加。

已经进行了使包括连接在一起的多个半导体芯片的图像传感器小型化的各种努力。例如，它们中的一个基于SiP(系统级封装)技术，该技术设计成将多个半导体芯片密封在一个封装件内。该技术使得可以减小安装面积，由此使整个结构小型化。然而，SiP技术的缺点在于，用于将半导体芯片连接在一起的配线引起传输距离延长，这对高速操作是不利的。

另一方面，例如，在专利文献1中公开了一种固态图像传感器，其包括接合在一起的具有像素区域(像素阵列)的第一半导体基板和具有逻辑电路的第二半导体基板。这种构成允许高速信号传输。固态图像传感器通过将都处于半成品状态的第一半导体芯片和第二半导体芯片彼此粘附在一起(其中第一半导体芯片具有像素阵列，第二半导体芯片具有逻辑电路)并且在第一半导体芯片被减薄之后，接着将像素阵列连接到逻辑电路来制成。该连接由三个互连件构成，第一个是连接到第一半导体芯片的配线的导体，第二个是贯穿第一半导体芯片并连接到第二半导体芯片的配线的贯通型导体，第三个是将两个互连件彼此连接的连接配线。前述连接步骤之后是将两个半导体芯片制成一个完整的半导体芯片的步骤，其用作背面照射型固态图像传感器。

此外，在专利文献2中提出了一种改进前述固态图像传感器的构思，其包括接合在一起的第一半导体芯片和第二半导体芯片。根据该构思，在固态图像传感器中，作为新技术，两个半导体芯片未通过贯通型导体电气连接，而是通过从两个半导体芯片的表面突出的铜(Cu)电极连接。

另外，在专利文献3中公开了另一种固态图像传感器，其采用铜(Cu)电极作为遮光层。该遮光层阻挡从逻辑电路中的晶体管的热载流子发出的光，由此抑制像素阵列侧的光入射。该公开要求在接合之后完成的半导体芯片整体上具有减小的厚度。

[引用文献列表]

[专利文献]

专利文献1：JP 2012-64709A

专利文献2：JP 2013-73988A

专利文献3：JP 2012-164870A

技术实现要素：

[技术问题]

上述专利文献3中公开的构思具有以下缺点：用作遮光层的铜电极必须具有等于或大于一定限度的覆盖率(或面积比)。

然而，满足增加等于或大于一定限度的面积比的要求的任何努力都会导致形成在第一和第二半导体晶片之间发生不完全接合的空隙或区域。另外，这种空隙缺乏接合强度，这在使第一半导体晶片的硅基板变薄(晶片接合之后)的步骤中引起剥离。

假设由于因增加铜电极的面积比而在晶片-晶片接合时使接合波速度变得不均匀，由此发生未接合区域。这产生了在晶片的周边部中接合发生得相对较慢的区域(或空隙)。

鉴于前述状况而完成了本技术。因此，本技术的目的是提供一种固态图像传感器，其中两个以上的半导体芯片接合在一起而在它们的接合面中没有出现空隙，尽管导电膜以高的面积比接合在一起。

[解决问题的方法]

因此，本技术公开了一种固态图像传感器，至少包括：第一半导体芯片，其上承载有一个或多个第一导体和像素阵列；和第二半导体芯片，其接合到第一半导体芯片并在其上承载有一个或多个第二导体和逻辑电路，其中第一半导体芯片和第二半导体芯片以使得第一导体和第二导体彼此重叠并且彼此电气连接的方式接合在一起，并且发生所述接合使得第一导体和第二导体的接合面的面积彼此不同。

本技术还公开了一种固态图像传感器的制造方法，所述方法包括制备具有形成在其上的一个或多个第一导体和像素阵列的第一半导体芯片的步骤，制备具有形成在其上的一个或多个第二导体和逻辑电路的第二半导体芯片的步骤，和将形成在第一半导体芯片上的第一导体和形成在第二半导体芯片上的第二导体彼此重叠以进行电气连接的步骤，其中第一半导体芯片和第二半导体芯片彼此接合，使得第一导体和第二导体的接合面的面积彼此不同。

本技术还公开了一种电子设备，所述电子设备包括固态图像传感器，所述固态图像传感器至少包括：第一半导体芯片，其上承载有一个或多个第一导体和像素阵列；和第二半导体芯片，其接合到第一半导体芯片并在其上承载有一个或多个第二导体和逻辑电路；第一半导体芯片和第二半导体芯片以使得第一导体和第二导体彼此重叠并且彼此电气连接的方式接合在一起；发生所述接合使得第一导体和第二导体的接合面的面积彼此不同。

[发明的有益效果]

本文公开的固态图像传感器包括两个以上的半导体芯片，这些半导体芯片以它们的导电膜在接合面中以高的面积比彼此接合的方式接合在一起。以这种方式接合的晶片抑制了空隙的发生。本技术的效果不限于上述效果；如下所述，可以对效果进行各种修改。

附图说明

图1是示出了本技术的固态图像传感器的构成例的框图。

图2A是示出了本技术的固态图像传感器的层叠结构的示意图。

图2B是示出了本技术的固态图像传感器的层叠结构的示意图。

图2C是示出了本技术的固态图像传感器的层叠结构的示意图。

图3是示出了根据本技术第一实施方案的固态图像传感器的要部的示意图。

图4是示出了根据第一实施方案的第一半导体芯片的要部的放大图。

图5是示出了根据第一实施方案的第二半导体芯片的要部的放大图。

图6是示出了根据第一实施方案的接合部分的要部的放大图。

图7A是示出了根据第一实施方案的遮光部的结构的图。

图7B是示出了根据第一实施方案的遮光部的结构的图。

图7C是示出了根据第一实施方案的遮光部的结构的图。

图8是示出了根据第一实施方案的固态图像传感器的制造方法的例子的图(部分1)。

图9是示出了根据第一实施方案的固态图像传感器的制造方法的例子的图(部分2)。

图10是示出了根据第一实施方案的固态图像传感器的制造方法的例子的图(部分3)。

图11是示出了根据第一实施方案的固态图像传感器的制造方法的例子的图(部分4)。

图12是示出了根据第一实施方案的固态图像传感器的制造方法的例子的图(部分5)。

图13是示出了根据第一实施方案的固态图像传感器的制造方法的例子的图(部分6)。

图14是示出了根据第一实施方案的固态图像传感器的制造方法的例子的图(部分7)。

图15是示出了根据第一实施方案的固态图像传感器的制造方法的例子的图(部分8)。

图16是示出了根据第一实施方案的固态图像传感器的制造方法的例子的图(部分9)。

图17是示出了根据本技术第二实施方案的固态图像传感器的要部的示意图。

图18是示出了根据本技术第三实施方案的固态图像传感器的要部的示意图。

图19是示出了根据本技术第四实施方案的固态图像传感器的要部的示意图。

图20A是示出了如何在根据本技术第一实施方案的固态图像传感器中构成遮光层的图。

图20B是示出了如何在根据本技术第五实施方案的固态图像传感器中构成遮光层的图。

图20C是示出了如何在根据本技术第五实施方案的固态图像传感器中构成遮光层的图。

图20D是示出了如何在根据本技术第五实施方案的固态图像传感器中构成遮光层的图。

图21是示出了根据第五实施方案的像素阵列中的信号线的布局的放大图。

图22A是示出了根据第五实施方案的屏蔽层的布局的图。

图22B是示出了根据第五实施方案的屏蔽层的布局的图。

图22C是示出了根据第五实施方案的屏蔽层的布局的图。

图23是示出了根据本技术第六实施方案的电子设备的构成的示意图。

具体实施方式

下面参照附图对用于实施本技术的最佳模式进行说明。顺便提及地，下面说明的实施方案是典型的实施方案，并不旨在限制本技术的范围。说明按照以下顺序进行。

1.固态图像传感器的构成例

2.固态图像传感器的层叠结构的例子

3.根据第一实施方案的固态图像传感器

4.根据第二实施方案的固态图像传感器

5.根据第三实施方案的固态图像传感器

6.根据第四实施方案的固态图像传感器

7.根据第五实施方案的固态图像传感器

8.根据第六实施方案的电子设备

<1.固态图像传感器的构成例>

图1是示出了本技术的固态图像传感器的构成例的框图。

例如，如图1所示，固态图像传感器1被构造成CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。固态图像传感器1包括半导体基板(例如，Si基板(未示出))、其上规则地排列有多个像素2以形成二维阵列的像素区域(像素阵列)3以及周边电路。

像素2具有光电转换部(例如，光电二极管)和多个像素晶体管(MOS晶体管)。像素晶体管可以包括三个晶体管(例如，传输晶体管、复位晶体管和放大晶体管)。像素晶体管还可以包括四个晶体管(包括额外的选择晶体管)。顺便提及地，单位像素具有与公知的等效电路类似的等效电路，因此省略其详细说明。

另外，像素2可以是一个单位像素或共享像素结构。后者包括除传输晶体管和浮动扩散之外的多个光电二极管和共享晶体管。换句话说，在像素为共享结构的情况下，多个单位像素包括共享每个其他像素晶体管的光电二极管和传输晶体管。

周边电路包括垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7和控制电路8。

例如，垂直驱动电路4包括移位寄存器。垂直驱动电路4选择像素驱动配线并向像素驱动配线供给脉冲以驱动像素，由此以列为单位驱动像素。换句话说，垂直驱动电路4以像素阵列3的像素2为单位在垂直方向上顺次地进行选择性扫描。垂直驱动电路4还通过垂直信号线9向列信号处理电路5供给基于由光电转换部响应于各像素2的光电转换部所接收的光量而生成的信号电荷的像素信号。

例如，列信号处理电路5针对像素2的每列配置。列信号处理电路5针对每列像素对从构成一行的像素2输出的信号进行诸如噪声去除等信号处理。具体地，列信号处理电路5进行诸如去除像素2中固有的固定模式噪声的CDS(相关双采样)、信号放大和A/D(模拟/数字)转换等信号处理。列信号处理电路5还具有输出级，其通过水平选择开关(未示出)与水平信号线10连接。

例如，水平驱动电路6包括移位寄存器。水平驱动电路6顺次地输出水平扫描脉冲，由此依次选择列信号处理电路5，并使列信号处理电路5将像素信号输出到水平信号线10。

输出电路7对从每个列信号处理电路5通过水平信号线10顺次供给的信号进行信号处理，最后输出处理结果。例如，输出电路7有时仅进行缓冲或有时进行黑电平调整、列变化校正和数字信号处理。

控制电路8接收输入时钟和数据以指示操作模式并输出诸如固态图像传感器1内的信息等数据。控制电路8还根据垂直同步信号、水平同步信号和主时钟来生成作为垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6的操作基准的时钟信号和控制信号。此外，控制电路8将这些信号输入到垂直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6中。

输入/输出端子12与外部交换信号。

<2.固态图像传感器的层叠结构的例子>

图2A、图2B和图2C是示出了本技术的固态图像传感器的层叠结构的示意图。参照它们对本技术的固态图像传感器的层叠结构进行说明。

在图2A中示出了作为第一例子的固态图像传感器1a。固态图像传感器1a包括第一半导体基板21和第二半导体基板22。第一半导体基板21在其上承载有像素阵列23和控制电路24，第二半导体基板22在其上承载有包括信号处理电路的逻辑电路25。第一半导体基板21和第二半导体基板22彼此电气连接，使得它们构成一个半导体芯片形式的固态图像传感器1a。

在图2B中示出了作为第二例子的固态图像传感器1b。固态图像传感器1b包括第一半导体基板21和第二半导体基板22。第一半导体基板21在其上承载有像素阵列23，第二半导体基板22在其上承载有控制电路24和包括信号处理电路的逻辑电路25。第一半导体基板21和第二半导体基板22彼此电气连接，使得它们构成一个半导体芯片形式的固态图像传感器1b。

在图2C中示出了作为第三例子的固态图像传感器1c。固态图像传感器1c包括第一半导体基板21和第二半导体基板22。第一半导体基板21在其上承载有像素阵列23和控制像素阵列23的控制电路24-1，第二半导体基板22在其上承载有包括信号处理电路的逻辑电路25和控制逻辑电路25的控制电路24-2。第一半导体基板21和第二半导体基板22彼此电气连接，使得它们构成一个半导体芯片形式的固态图像传感器1c。

CMOS固态图像传感器还可以包括贴合在一起的两个以上的半导体芯片，尽管未示出。例如，单芯片形式的CMOS固态图像传感器可以通过用其上承载有存储元件阵列的另一半导体芯片、其上承载有附加电路元件的又一个半导体芯片等补充前述第一半导体芯片和第二半导体芯片来形成。换句话说，所得到的CMOS固态图像传感器包括贴合在一起的三个以上的半导体芯片。

<3.根据第一实施方案的固态图像传感器>

[固态图像传感器的构成]

在图3中示出了根据本技术的固态图像传感器或根据第一实施方案的背面照射型CMOS固态图像传感器。背面照射型CMOS固态图像传感器在感度和噪声水平方面优于前面照射型CMOS固态图像传感器，原因是其具有配置在电路上的受光部。根据第一实施方案的固态图像传感器31与图2A中所示的固态图像传感器1a的类似之处在于，其基于包括贴合在一起的第一半导体芯片26(包括像素阵列23和控制电路24)和第二半导体芯片28(包括逻辑电路25)的层叠半导体芯片32。第一半导体芯片26和第二半导体芯片28以使得它们的多层配线层彼此面对并且它们的连接配线直接彼此接合的方式贴合在一起。

第一半导体芯片26包括已经减薄的硅的第一半导体基板33和形成在其上的像素阵列34。像素阵列34包括以二维图案配置的多个像素，各像素包括作为光电转换部的光电二极管PD以及多个像素晶体管Tr1和Tr2。另外，半导体基板33承载有形成在其上的构成控制电路24的多个MOS晶体管，尽管未示出。半导体基板33具有形成在其表面33a上的多层配线层37，层间绝缘膜53介于其间。多层配线层37包括五层的金属M1～M5的配线35(35a～35d)和36。通过双镶嵌法使用铜(Cu)来形成配线35和36。在半导体基板33的背面侧上形成有遮光膜39(包括光学黑区域41)，绝缘膜38介于其间。半导体基板33另外具有形成在有效像素阵列42上的滤色器44和片上透镜45，平坦化膜43介于滤色器下方。片上透镜45也可以形成在光学黑区域41上。

图3所示的像素晶体管Tr1和Tr2表示多个像素晶体管。图3示意性地示出了像素阵列34中的一些像素，图4示出了一个像素的细节。第一半导体芯片26具有形成在减薄的半导体基板33中的光电二极管PD。光电二极管PD例如包括n型半导体区域46和靠近基板表面的P型半导体区域47。在承载像素的基板表面上形成有P型半导体区域48以及像素晶体管Tr1和Tr2，栅极绝缘膜介于P型半导体区域的下方，各像素晶体管包括栅电极48和成对的源极-漏极区域49。与光电二极管PD相邻的像素晶体管Tr1相当于浮动扩散FD。各个单位像素通过元件分离区域51彼此分离。元件分离区域51例如具有STI(浅沟槽隔离)结构，其通过在形成于基板中的沟槽内埋入绝缘膜(如SiO2膜)来形成。

第一半导体芯片26具有多层配线层37，其中导电通孔52有助于像素晶体管和配线35之间以及相邻的上下层配线35之间的连接。另外，在第一半导体芯片26和第二半导体芯片28之间的接合面40上形成有作为第五层的金属M5的连接配线36。连接配线36经由导电通孔52与作为第四层的金属M4的配线35d连接。

第二半导体芯片28具有逻辑电路55，该逻辑电路构成在用作硅的第二半导体基板54中的半导体芯片的区域中形成的周边电路。逻辑电路55包括具有CMOS晶体管的多个MOS晶体管Tr11～Tr14。第二半导体基板54(图5中所示)在靠近其表面的部分中具有多层配线层59，该多层配线层包括在该例子中为四层的金属M11～M14的配线57[57a～57c]和58，层间绝缘膜56介于其间。通过双镶嵌法使用铜(Cu)来形成配线57和58。

在图3中，逻辑电路55中的MOS晶体管由MOS晶体管Tr11～Tr14表示。尽管在图3中示意性地示出了MOS晶体管Tr11～Tr14，但是例如在图5中示出了MOS晶体管Tr11和Tr12的详细结构。第二半导体芯片28具有形成在第二半导体基板54的表面上的半导体阱区域中的MOS晶体管Tr11和Tr12，使得各晶体管包括成对的源极-漏极区域61和栅电极62，栅极绝缘膜介于其间。例如，MOS晶体管Tr11和Tr12通过STI结构的元件分离区域63彼此分离。

第二半导体芯片28具有多层配线层59，其中导电通孔64在每个MOS晶体管Tr11～Tr14与每条配线57之间以及在每个相邻的上下层与每条配线57之间形成连接。其还具有作为第四层的金属M14的连接配线58，该连接配线面对第一半导体芯片26和第二半导体芯片28之间的接合面40。连接配线58经由导电通孔64与作为第三层的金属M13的适当配线57c连接。

第一半导体芯片26和第二半导体芯片28以使得它们的多层配线层37和59彼此面对并且连接配线36和58(面对接合面40)直接接合在一起的方式电气连接在一起。接合部分附近的层间绝缘膜66包括组合在一起的两个绝缘膜，一个是能够阻挡铜从铜配线扩散的绝缘膜，另一个是不能阻挡铜从铜配线扩散的绝缘膜。稍后给出制造方法。连接配线36和58通过热扩散方法经由铜配线直接接合在一起。层间绝缘膜66(连接配线36和58除外)通过等离子体或粘合剂接合在一起。

除了面对接合面40的连接配线36和58之间的直接接合之外，还具有在多层配线层37和59的表面上形成极薄的均匀绝缘薄膜900之后通过等离子体进行接合的另一种方式。顺便提及地，在图3中未示出绝缘薄膜900。

此外，根据本实施方案，如图3和图6(要部的放大图)所示，第一半导体芯片26和第二半导体芯片28接合在一起，其间插入有遮光层68，该遮光层是与连接配线相同种类的导电膜。换句话说，根据本实施方案，遮光层68包括第一导电材料71和第二导电材料72，前者用作包含与第一半导体芯片26中的连接配线36相同的金属M5的遮光部，后者用作包含与第二半导体芯片28中的连接配线58相同的金属M14的遮光部。

根据本实施方案的固态图像传感器具有如图7A～7C所示构造的遮光部。图7A(顶视图)所示的根据本实施方案的遮光部71包括沿水平方向配置并由开口部73以一定间距分开的条纹。尽管根据本实施方案的遮光部71比开口部73宽，但是开口部73可以比遮光部71宽。

图7B所示的根据本实施方案的遮光部72以条纹图案以一定间距水平配置，使得它们被开口部74分开。根据本实施方案，比开口部73宽的遮光部72配置成覆盖遮光部71的开口部73。

在图7C(顶视图)中示出了在遮光部71和72已经接合在一起之后形成的遮光层68。需要注意的是，遮光部71和72彼此重叠以封闭开口部。换句话说，形成有遮光部71的第一导体和遮光部72的第二导体的区域等于或大于形成有像素阵列23的区域。顺便提及地，根据本实施方案，遮光部71比遮光部72宽，但是遮光部72可以比遮光部71宽。形成有遮光部71和72的导体的接合面40的区域可以部分地具有间隙。

遮光部71和覆盖相邻的遮光部71之间的开口部73的遮光部72形成为部分重叠。当连接配线36和58直接接合在一起时，遮光部71和72在它们的重叠区域处直接接合在一起。遮光部71和72中的一个构成具有开口部73的配线，另一个遮盖开口部73(或者具有比开口部73大的面积)并由此形成为部分重叠。开口部73可以采用图7A所示的水平条纹之外的任何其他形状。

例如，遮光层68应该优选地以固定的接地电位保持稳定。这可以通过施加到第一半导体基板33或第二半导体基板54或两者的电压来实现。

[固态图像传感器的制造方法]

根据第一实施方案的固态图像传感器31通过图8～16所示的方法来制造。图8～10示出了具有像素阵列的第一半导体芯片的制造过程。图11～13示出了具有逻辑电路的第二半导体芯片的制造过程。图14～16示出了接合过程之后的过程。

如图8所示，该过程开始于制造例如硅的第一半导体晶片(下文中称为半导体基板)33，以便形成半导体阱区域30(其稍后将被各半导体芯片覆盖)。接着，向半导体阱区域30提供用作针对各像素的光电转换部的光电二极管PD。顺便提及地，可以预先形成图8中未示出的元件分离区域51(图4所示)。光电二极管PD形成为在半导体阱区域30的深度方向上延伸。光电二极管PD形成在一起构成像素阵列34的有效像素阵列42和光学黑区域41中。

在下一过程中，半导体阱区域30的表面33a被制造成使得在其上形成有构成各像素的多个像素晶体管。像素晶体管例如包括传输晶体管、复位晶体管、放大晶体管和选择晶体管。这里，它们由如上所述的像素晶体管Tr1和Tr2表示。像素晶体管Tr1和Tr2中的每一个包括成对的源极-漏极区域和栅电极，栅极绝缘膜介于其间。

半导体基板33的上表面33a经由层间绝缘膜53设有与导电通孔52一起的多个配线层。在该实施方案中，配线层包括在该例子中为四层的金属M1～M4的配线35[35a,35b,35c,35d]。配线35可以通过双镶嵌法形成。上述过程包括通过先导孔法(the via first method)在层间绝缘膜53中同时形成连接孔和配线槽，形成能够阻挡铜扩散的金属膜和铜种晶膜，并通过镀覆法嵌入铜层。例如，能够阻挡铜扩散的金属膜可以使用Ta、TaN、Ti、TiN、W、WN、Ru、TiZrN中的任何一种或其合金来形成。在上述过程之后进行CMP(化学机械抛光)以去除多余的铜层并形成与平坦化的导电通孔一体的铜配线。随后，形成能够阻挡铜扩散的绝缘膜(未示出)。能够阻挡铜扩散的绝缘膜可以使用SiN、SiC、SiCN、SiON等中的任何一种来形成。重复上述过程以形成四层的金属M1～M4的配线35a～35d。

后续过程(图9中所示)包括顺次形成不能阻挡铜扩散的第一绝缘膜76、不能阻挡铜扩散的第二绝缘膜77以及能够阻挡铜扩散的绝缘膜75。使用SiO2膜、SiCOH膜等形成第一绝缘膜76和第二绝缘膜77。例如，能够阻挡铜扩散的绝缘膜75可以是上述类似的SiN、SiC、SiCN、SiON等绝缘膜。能够阻挡铜扩散的绝缘膜75、第一绝缘膜76和第二绝缘膜77构成层间绝缘膜53的一部分。下一过程是通过先导孔法的光刻和蚀刻对(最上表面的)能够阻挡铜扩散的绝缘膜75、第二绝缘膜77和第一绝缘膜76进行图案化，由此选择性地形成导通孔80。然后，对第二绝缘膜77进行图案化，从而选择性地形成开口部78。换句话说，进行图案化以形成对应于遮光部71(开口部73除外)的开口部78、对应于待形成的连接配线36的开口部79以及导通孔80。

后续过程(图10中所示)包括通过双镶嵌法(以与上述类似的方式)用铜填充开口部78和79以及导通孔80，由此形成具有开口部73的遮光部71、与配线35d连接的导电通孔52以及连接配线36。遮光部71和连接配线36由作为第五层的金属M5形成。该过程形成包含金属M1～M5的配线35a～35d、连接配线36、遮光部71、层间绝缘膜53和绝缘膜75～77的多层配线层37。在该阶段，期望的是，连接到连接配线36的(作为第四层的)金属M4的配线35d1应该朝向遮光部71充分地延伸并与遮光部重叠，使得从逻辑电路发出的光不会泄漏到光电二极管PD。

另外，在遮光部71和连接配线36上形成极薄的均匀绝缘薄膜900。

另一方面，如图11所示，例如，硅的第二半导体晶片(以下称为半导体基板)54具有针对每个单独的半导体芯片形成的半导体阱区域50。半导体阱区域50具有包括多个MOS晶体管Tr11～Tr14(如上所述，其仅是代表性的MOS晶体管Tr11～Tr14)的逻辑电路55。尽管未示出，但是可以预先形成元件分离区域63(参照图5)。

半导体基板54在其上表面上给出经由层间绝缘膜56形成的在该例子中为三层的金属M11～M13的配线57[57a,57b,57c]，并且包括导电通孔64。可以通过如下的双镶嵌法形成配线57。首先，层间绝缘膜具有通过先导孔法同时在其内形成的连接孔和配线槽。然后，其具有能够阻挡铜扩散的金属膜和在其中形成的铜种晶膜，并且其随后具有通过镀覆在其中形成的铜层。例如，能够阻挡铜扩散的金属膜可以使用Ta、TaN、Ti、TiN、W、WN、Ru、TiZrN中的任何一种及其合金来形成。该过程之后是进行CMP(化学机械抛光)以去除多余的铜层。这使得铜配线与平坦化的导电通孔成为一体。后续过程形成能够阻挡铜扩散的绝缘膜(未示出)。可以使用SiN、SiC、SiCN、SiON等中的任何一种来形成能够阻挡铜扩散的该绝缘膜。重复上述过程以形成三层的金属M11～M13的配线57a～57c。

后续步骤(图12中所示)包括顺次形成不能阻挡铜扩散的第一绝缘膜82、不能阻挡铜扩散的第二绝缘膜83以及能够阻挡铜扩散的绝缘膜81。使用SiO2膜、SiCOH膜等形成第一绝缘膜82和第二绝缘膜83。例如，能够阻挡铜扩散的绝缘膜81可以是上述类似的SiN、SiC、SiCN、SiON等绝缘膜。能够阻挡铜扩散的绝缘膜81、第一绝缘膜82和第二绝缘膜83构成层间绝缘膜的一部分。下一过程是通过用于先导孔法的光刻和蚀刻对(最上表面上的)能够阻挡铜扩散的绝缘膜81、第二绝缘膜83和第一绝缘膜82进行图案化，由此选择性地形成导通孔86。然后，第二绝缘膜83经过图案化，从而选择性地形成开口部84和85。开口部84形成在其覆盖第一半导体芯片中的遮光部71和开口部73的位置处。开口部84应该优选地形成为覆盖遮光部71的开口部73并且与遮光部71部分地重叠，使得不会由于当第一半导体基板和第二半导体基板稍后一起接合时的未对齐而泄露光。换句话说，进行图案化使得其具有与待形成的遮光部72相对应的开口部84、与待形成的连接配线58相对应的开口部85以及导通孔86。

后续过程(图13中所示)是通过双镶嵌法形成开口部84和85并用铜填充导通孔86，由此以与上述类似的方式形成遮光部72、与配线57c连接的导电通孔64以及连接配线58。遮光部72和连接配线58由作为第四层的金属M14形成。以这种方式，形成包括金属M11～M13的配线57a～57c、连接配线58、遮光部72、层间绝缘膜56和绝缘膜81～83的多层配线层59。

此外，在遮光部72和连接配线58上形成极薄的均匀绝缘薄膜901。

下一过程(图14中所示)是将第一半导体基板33和第二半导体基板54接合在一起，使得第一半导体基板33和第二半导体基板54的多层配线层彼此面对并且它们的连接配线36和58彼此直接接触以进行电气连接。换句话说，该过程使得第一半导体基板33和第二半导体基板54物理地接合在一起并且彼此电气连接。该过程还使得遮光部71和72在它们的重叠部分处直接接合在一起。也就是说，连接配线36和58之间以及遮光部71和72之间的接合是通过热扩散方法实现的，该方法在大约100℃～500℃下进行。绝缘膜(作为层间绝缘膜)通过等离子体(表面处理之后)或粘合剂接合在一起。

如上所述，遮光部71的第一导体与遮光部72的第二导体的接合通过在它们的接合面40之间插入绝缘膜、然后施加热量以促进作为电导体的铜的晶体生长来实现。这在接合面40附近建立电气连接。这使得第一导体和第二导体配置得比分别在第一半导体芯片26和第二半导体芯片上形成的配线35和逻辑电路55更靠近接合面40。

下一过程(图15中所示)是通过CMP等对第一半导体基板33的背面侧进行研磨和抛光，以将厚度减小到使得光电二极管PD保持必要的厚度的程度。

下一过程(图16中所示)是在减薄的半导体基板的表面上涂覆覆盖对应于光学黑区域的光电二极管PD的那部分的遮光膜39，绝缘膜38介于其间。此外，对应于有效像素阵列的光电二极管PD被滤色器44和片上透镜45覆盖，平坦化膜43介于其间。

下一过程是将已经接合在一起的第一半导体基板33和第二半导体基板54分离成单独的半导体芯片。因此，获得所期望的固态图像传感器31(图3中所示)。

期望的是，使遮光部71和72、连接配线36和58以及与它们处于同一水平的金属M5和M14的配线由高导电性、能够高度遮光并且容易接合的材料制成。这种材料不仅包括铜，而且包括Al、W、Ti、Ta、Mo、Ru中的任何一种及其合金。

遮光层68(或该例子中的遮光部71和72)应该具有足够的厚度，该厚度根据从第二半导体芯片28发出的光的波长来确定。本实施方案需要遮光层68来阻挡源自第二半导体芯片28的MOS晶体管中的热载流子的光。因此，遮光层应该足够厚以阻挡波长大约为1μm的光。这意味着遮光层68(或遮光部71和72)的厚度例如应为大约50～800nm。

覆盖固态图像传感器31的本实施方案及其制造方法要求第一半导体芯片26和第二半导体芯片28应该以使得遮光层68和抵抗电气噪声的屏蔽层仅由在第一半导体芯片26和第二半导体芯片28之间的接合面40附近的第一导体71和第二导体72来形成的方式接合在一起。此外，在接合面40附近，第一导体71和第二导体72彼此接触，使得与接合面40接触的第一导体的面积大于与接合面40接触的第二导体的面积。也就是说，这两者的接触面积并不相等。因此，根据本文所述的固态图像传感器31及其制造方法，可以实现晶片接合，其中两层导电膜非对称地彼此连接，使得一个具有比另一个更大的接触面积。以这种方式进行接合防止了在接合面40处发生空隙。此外，避免空隙的发生使得固态图像传感器31具有改善的图像质量。第一导体71和第二导体72可以令人满意地接合在一起，只要它们在接合面40处的面积不相等即可。允许第二导体72具有比第一导体71更大的接合面积。

术语“非对称”是指下基板的铜的面积比等于或小于30％，上基板的铜的面积比等于或大于70％，从而使得所得到的布局确保在接合后100％的遮光。较高基板的面积比应优选等于或大于70％，更优选等于或大于87％，下基板的面积比应优选等于或小于30％，更优选等于或小于13％。顺便提及地，接合面40附近的第一导体71和第二导体72可以由虚设导体代替。

覆盖固态图像传感器31的本实施方案及其制造方法要求第一半导体芯片26和第二半导体芯片28应该以使得遮光层68由与其接合区域附近的连接配线36和58处于同一层中的金属M5和M14形成的方式接合在一起。该遮光层68保护第一半导体芯片26中的像素阵列免受第二半导体芯片28中的逻辑电路55的MOS晶体管的热载流子发出的光的影响。抑制由从热载流子发出的光引起的不利影响降低了暗电流和随机噪声。

根据本实施方案，固态图像传感器31的制造方法包括由与连接配线36和58处于同一层中的金属M5和M14形成遮光层68的过程。与现有技术相比，该技术提供了减小被接合的半导体芯片的整体厚度并因此整体上减小固态图像传感器31的厚度的优点。结果是在不增加半导体芯片的总厚度的情况下实现了具有低水平的暗电流和随机噪声的固态图像传感器31。

此外，根据本实施方案，固态图像传感器31的制造方法包括同时形成配线、连接配线和遮光层的步骤。这减少了制造过程的数量和掩蔽过程以及材料成本。结果是实现了具有低水平的暗电流和随机噪声的低价位的固态图像传感器。

<4.根据第二实施方案的固态图像传感器>

下面参照图17对根据本技术第二实施方案的固态图像传感器进行说明。第二实施方案与第一实施方案(图16中所示)的不同之处在于，连接配线36和金属M13的配线57c通过遮光部72彼此连接，而不存在形成为用于配线层58和遮光部72的导电通孔64。根据第二实施方案的固态图像传感器31产生与根据第一实施方案的固态图像传感器31类似的效果。此外，其提供了由不形成导电通孔64而产生的制造过程和制造成本减少的优点。

<5.根据第三实施方案的固态图像传感器>

下面参照图18对根据本技术第三实施方案的固态图像传感器进行说明。第三实施方案与第一实施方案(图16中所示)的不同之处在于，即使在连接配线36和配线58用于供电的情况下，与遮光层68类似，配线902和配线903也非对称地接合在一起，其中配线902具有较大的连接面积，配线903具有较小的连接面积。根据第三实施方案的固态图像传感器31产生与根据第一实施方案的固态图像传感器31类似的效果。此外，其提供了抑制在接合时可能发生的空隙的优点。这起因于除了遮光层68之外配线902和903连接面积不同。

<6.根据第四实施方案的固态图像传感器>

下面参照图19对根据本技术第四实施方案的固态图像传感器进行说明。第四实施方案与第一实施方案(图16中所示)的不同之处在于，第二半导体芯片28包括彼此层叠的两层的第二半导体基板54。层间绝缘膜和与其相邻的第二半导体基板54具有通过配线904彼此电气连接的配线57c。根据第四实施方案的固态图像传感器31产生与根据第一实施方案的固态图像传感器31类似的效果。顺便提及地，根据本技术的固态图像传感器可以包括四层以上的半导体基板，而不限于三层以下。

<7.根据第五实施方案的固态图像传感器>

下面参照图20～22对根据本技术第五实施方案的固态图像传感器进行说明。第五实施方案与第一实施方案(图16中所示)的不同之处在于，遮光层68不仅具有水平条纹图案(图7中所示)，而且还具有倾斜条纹图案或方格图案(在平面图中)。

图20A示出了遮光层68，与第一实施方案中一样，其具有水平条纹图案(在平面图中)。顺便提及地，遮光部71和72在其纵向方向上的宽度可以相同或不同。图20B示出了具有从左上到右下延伸的倾斜条纹图案(在平面图中)的遮光层68。图20C示出了具有方格图案(在平面图中)的遮光层68。遮光层68包括遮光部71和遮光部72，遮光部71和遮光部72彼此重叠，使得后者中的每个矩形区域覆盖前者中的每个矩形开口部73，其中矩形区域的面积大于矩形开口部73的面积。顺便提及地，“矩形”包括“正方形”。图20D示出了具有倾斜方格图案的遮光层68，其通过使图20C的方格图案沿顺时针方向转过一定角度而形成。

根据本实施方案的固态图像传感器具有像素阵列，在图21(放大图)中示出了其信号线布局。根据本实施方案，像素阵列23包括沿水平和垂直方向排列的多个光电二极管。此外，像素阵列23具有以一定间距水平排列的复位信号线M21、传输信号线M22和像素选择信号线M23。像素阵列23还具有以一定间距垂直排列的垂直信号线M3。

根据本实施方案的固态图像传感器具有屏蔽层，在图22A～22C中示出了其布局。

图22A(顶视图)所示的遮光层(屏蔽层)68包括配置成形成垂直条纹图案的遮光部71和72，其中多个开口部73和74隔开一定间距。像这样的垂直屏蔽层由于在垂直信号线M3与屏蔽层68之间发生的差异而易于导致垂直信号线M3的总容量波动。

图22B(顶视图)所示的屏蔽层68包括配置成形成水平条纹图案的遮光部71和72，其中多个开口部73和74隔开一定间距。像这样的水平屏蔽由于在水平控制线M21～M23与屏蔽层68之间发生的差异而易于导致水平信号线M21～M23的总容量波动。

图22C(顶视图)所示的屏蔽层68包括配置成形成倾斜条纹图案的遮光部71和72，其中多个开口部73从左上到右下隔开一定间距。像这样的倾斜屏蔽将没有总容量波动，因为对于每个水平控制线M21～M23，垂直信号线M3和屏蔽层68之间的层间容量将是均匀的。结果是固态图像传感器中的带噪声低于具有垂直或水平条纹图案的固态图像传感器中的带噪声。

如上所述，将屏蔽层68相对于逻辑电路55的水平信号线M21～M3和垂直信号线M3以规则间隔以条纹或方格图案倾斜配置的结果使得屏蔽层68和整个像素阵列23中的每条信号线之间的容量均匀。结果是固态图像传感器31中的电气噪声减小。此外，尝试通过将屏蔽层68以不与所有信号线直交的条纹图案倾斜配置来防止反射会产生容量耦合均匀的效果。

<8.根据第六实施方案的电子设备>

下面是根据本技术第六实施方案的固态图像传感器的说明，其在图23中示出。

图23是示出了根据本技术的电子设备的图。上述根据本技术的电子设备例如包括根据本技术的固态图像传感器适用的相机系统(如数码相机和摄像机)、便携式电话(具有成像功能)以及其他(具有成像功能)。

图23示出了第六实施方案，其示出了作为根据本技术的电子设备的例子的相机。本实施方案的相机通过能够拍摄静态图像或动态图像的摄像机来举例说明。根据本实施方案的相机201包括固态图像传感器202、将入射光引导到固态图像传感器202的光电检测器的光学系统203以及快门204。其还包括驱动固态图像传感器202的驱动电路205和处理来自固态图像传感器202的输出信号的信号处理电路206。

可以从与前述实施方案有关的固态图像传感器中选择固态图像传感器202。光学系统(或光学透镜)203将来自被写体的入射光聚焦在固态图像传感器202的成像面上。该过程使固态图像传感器202累积一定时间段内的信号电荷。光学系统203可以是包括多个光学透镜的光学透镜。

快门204控制固态图像传感器202暴露于入射光并关闭入射光的时段的长度。驱动电路205发送驱动信号以控制固态图像传感器202的发送动作，并控制快门204的快门动作。固态图像传感器202响应于从驱动电路205接收的驱动信号(定时信号)来发送信号。信号处理电路206处理各种信号。在经过信号处理之后，将视频信号存储在存储介质(或存储器)中或发送到监视器。

具有在本技术中定义的背面照射型固态图像传感器202、根据第六实施方案的电子设备使得像素阵列不受从逻辑电路中的MOS晶体管的热载流子发出的光的影响，由此抑制暗电流和随机噪声。例如，这使得诸如相机等电子设备能够产生高质量照片。

根据本技术的实施方案不限于上述实施方案；它们可以在本技术的范围内以各种方式进行修改。例如，可以将一个以上的前述实施方案组合在一起或部分地组合。

本技术可以如下构造。

(1)一种固态图像传感器，至少包括：

第一半导体芯片，其上承载有一个或多个第一导体和像素阵列；和

第二半导体芯片，其接合到第一半导体芯片并在其上承载有一个或多个第二导体和逻辑电路，

其中第一半导体芯片和第二半导体芯片以使得第一导体和第二导体彼此重叠并且彼此电气连接的方式接合在一起，和

发生所述接合使得第一导体和第二导体的接合面的面积彼此不同。

(2)根据(1)所述的固态图像传感器，其中发生所述接合使得所述导体的较小接合面的面积占所述导体的较大接合面的面积的70％以上。

(3)根据(1)所述的固态图像传感器，其中发生所述接合使得所述导体的较小接合面的面积占所述导体的较大接合面的面积的60％以上。

(4)根据(1)所述的固态图像传感器，其中形成有第一导体和第二导体的所述接合面的区域被第一导体和第二导体中的一个阻挡。

(5)根据(1)所述的固态图像传感器，其中形成有第一导体和第二导体的所述接合面的区域在一些部分处具有孔隙。

(6)根据(1)所述的固态图像传感器，其中第一半导体芯片具有配线和形成在其中的连接孔，以固定第一导体和第二导体的电位。

(7)根据(1)所述的固态图像传感器，其中第二半导体芯片具有配线和形成在其中的连接孔，以固定第一导体和第二导体的电位。

(8)根据(1)所述的固态图像传感器，其中第一导体和第二导体均配置成比形成在第一半导体芯片和第二半导体芯片上的逻辑电路和配线更靠近所述接合面。

(9)根据(1)所述的固态图像传感器，其中形成有第一导体和第二导体的区域等于或大于形成有所述像素阵列的区域。

(10)根据(1)所述的固态图像传感器，其中第一导体和第二导体形成为多个，使得它们朝向形成在第一半导体芯片和第二半导体芯片中的模拟电路的信号线的方向倾斜。

(11)一种固态图像传感器的制造方法，所述方法包括：

制备具有形成在其上的一个或多个第一导体和像素阵列的第一半导体芯片的步骤；

制备具有形成在其上的一个或多个第二导体和逻辑电路的第二半导体芯片的步骤；和

将形成在第一半导体芯片上的第一导体和形成在第二半导体芯片上的第二导体彼此重叠以进行电气连接的步骤，

其中第一半导体芯片和第二半导体芯片彼此接合，使得第一导体和第二导体的接合面的面积彼此不同。

(12)一种电子设备，包括：

固态图像传感器，所述固态图像传感器至少包括

第一半导体芯片，其上承载有一个或多个第一导体和像素阵列；和

第二半导体芯片，其接合到第一半导体芯片并在其上承载有一个或多个第二导体和逻辑电路；

第一半导体芯片和第二半导体芯片以使得第一导体和第二导体彼此重叠并且彼此电气连接的方式接合在一起；

发生所述接合使得第一导体和第二导体的接合面的面积彼此不同。

[附图标记列表]

1,1a～1c,31：固态图像传感器

2：像素

3,23,34：像素阵列(像素区域)

4：垂直驱动电路

5：列信号处理电路

6：水平驱动电路

7：输出电路

8,24,24-1,24-2：控制电路

9：垂直信号线

10：水平信号线

21,33：第一半导体基板

22,54：第二半导体基板

25,55：逻辑电路

26：第一半导体芯片

28：第二半导体芯片

30,50：半导体阱区域

32：层叠半导体芯片

33a：表面

35a～35d,36,57a～57c,58,902～904：配线

37,59：多层配线层

38：绝缘膜

39：遮光膜

40：接合面

41：光学黑区域

42：有效像素阵列

43：平坦化膜

44：滤色器

45：片上透镜

47,48：P型半导体区域

49,61：源极-漏极区域

51,63：元件分离区域

52,64：导电通孔

53,56,66：层间绝缘膜

62：栅电极

68：遮光层

71：遮光部(第一导体)

72：遮光部(第二导体)

73,74,78,79,84,85：开口部

75,81：能够阻止铜扩散的绝缘膜

76,82：第一绝缘膜

77,83：第二绝缘膜

80,86：导通孔

900,901：绝缘薄膜

PD：光电二极管

Tr1,Tr2：像素晶体管

M1～M5,M13,M14：金属

FD：浮动扩散

Tr11～Tr14：MOS晶体管