特許 6011409 イメージセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6011409

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月19日

(54)【発明の名称】イメージセンサ

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/14 20060101AFI20161006BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20161006BHJP

   H04N 5/33 20060101ALI20161006BHJP

   H04N 5/369 20110101ALI20161006BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/14 D

   H01L27/14 F

   H01L27/14 A

   H04N5/33

   H04N5/335 690

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-60382(P2013-60382)

(22)【出願日】2013年3月22日

(65)【公開番号】特開2014-78680(P2014-78680A)

(43)【公開日】2014年5月1日

【審査請求日】2015年10月8日

(31)【優先権主張番号】特願2012-204603(P2012-204603)

(32)【優先日】2012年9月18日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「立体構造新機能集積回路（ドリームチップ）技術開発／デジアナ混載三次元集積化技術」委託研究、産業技術力強化法第１９条の規定の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】特許業務法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木村 禎祐

(72)【発明者】

【氏名】菅原 良一

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 忠

(72)【発明者】

【氏名】小柳 光正

(72)【発明者】

【氏名】田中 徹

(72)【発明者】

【氏名】福島 誉史

【審査官】 西出 隆二

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００１９１５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１４６９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６６４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１６５９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０４９４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３３９０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７６０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１２９５８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０４Ｎ ５／３３

Ｈ０４Ｎ ５／３６９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコン基板（１０）と、前記シリコン基板に形成された第１フォトダイオード（１１）と、前記第１フォトダイオードの上に形成されたカラーフィルタ（１２）およびマイクロレンズ（１３）と、前記第１フォトダイオードに接続される回路とを有し、前記マイクロレンズにて集光すると共に、前記カラーフィルタにて通過させられた可視光を前記第１フォトダイオードにて検出する可視イメージセンサ（５）が構成された可視イメージセンサチップ（１）と、
前記可視イメージセンサチップのうち前記可視イメージセンサが形成された位置と異なる位置に配置され、異種半導体にて構成された半導体基板（２０）と、前記半導体基板に形成された第２フォトダイオード（２１）と、前記半導体基板の表面に形成され赤外光のみを通過させる可視光カットフィルタ（２２）と、前記第２フォトダイオードに接続されると共に前記半導体基板の裏面側に引き出された配線（２４）とを有し、前記可視光カットフィルタを通過した赤外光を前記第２フォトダイオードにて検出すると共に、前記半導体基板の裏面側において前記配線が前記可視イメージセンサチップに備えられた回路に接続された赤外イメージセンサ（２）と、
前記赤外イメージセンサの表面側に貼り付けられた透光性キャップ（３）と、
前記透光性キャップと前記可視イメージセンサチップとの間に備えられ、前記第１フォトダイオードや前記回路および前記第２フォトダイオードを密閉する封止部材（４）と、を備えていることを特徴とするイメージセンサ。

【請求項2】

前記可視光カットフィルタはシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項3】

前記シリコン酸化膜に形成されたコンタクトホールを通じて前記第２フォトダイオードのアノード領域およびカソード領域がアノード電極およびカソード電極に電気的に接続されており、
前記半導体基板の側面から裏面に掛けて引き出された前記配線に対して、前記アノード電極やカソード電極がそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。

【請求項4】

前記シリコン基板のうち前記カラーフィルタが配置される表面側とは反対側となる裏面側に前記第１フォトダイオードが形成されていると共に、前記シリコン基板の裏面側に前記第１フォトダイオードに接続される回路が形成されており、
前記シリコン基板の表裏面を貫通する貫通孔内に貫通電極（１０ａ）が形成され、該貫通電極を通じて、前記第２フォトダイオードが前記可視イメージセンサチップに備えられた回路に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のイメージセンサ。

【請求項5】

前記シリコン基板のうち前記カラーフィルタが配置される表面側に前記第１フォトダイオードが形成されていると共に、前記シリコン基板の表面側に前記第１フォトダイオードに接続される回路が形成されており、
前記第２フォトダイオードが前記シリコン基板の表面側において前記可視イメージセンサチップに備えられた回路に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のイメージセンサ。

【請求項6】

前記半導体基板の裏面側に前記第２フォトダイオードが形成され、該半導体基板の裏面側において前記第２フォトダイオードのアノード領域およびカソード領域がアノード電極およびカソード電極に電気的に接続されていると共に、前記配線に対して、前記アノード電極やカソード電極がそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項7】

前記可視イメージセンサチップの裏面側に備えられ、前記可視イメージセンサチップに備えられた回路を通じて前記第１フォトダイオードおよび前記第２フォトダイオードからの可視光や赤外光に対応する出力の外部への読み出しを行う読み出し回路が形成された基板（５０）が備えられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のイメージセンサ。

【請求項8】

前記読み出し回路が形成された基板は、
前記第１フォトダイオードおよび前記第２フォトダイオードからの可視光や赤外光に対応する出力が入力されるアナログ回路が形成されたアナログ回路層（５１）と、
前記アナログ回路層から出力されるアナログ信号を受け取り、デジタル信号に変換して出力するアナログ−デジタル変換回路を備えた変換回路層（５２）と、
前記変換回路層から出力されるデジタル信号に基づき、可視光や赤外光に対応する出力信号を外部に出力するインターフェイスチップ（５３）と、を有し、
前記可視イメージセンサチップの裏面側に、前記アナログ回路層と前記変換回路層および前記インターフェイスチップとが順に積層された積層構造にて構成されていることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、可視光を検出する可視イメージセンサと赤外光を検出する赤外イメージセンサの両方を備えたイメージセンサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、シリコンのフォトダイオードとシリコンの読み出し回路とを集積した可視イメージセンサが実用化されている。しかしながら、シリコンは１μｍ以下（例えば４００〜１０００ｎｍ）の可視光域での波長帯域にしか感度が無い。１μｍ以上（例えば１５００ｎｍ程度）の赤外光域での波長帯域にも感度を持ったイメージセンサができれば、センサの昼間および夜間での認識性能を大きく向上させられるが、その帯域に感度を持つシリコン材料以外の半導体材料を用いてフォトダイオードを作成することが必要になる。

【0003】

このようなシリコン材料以外の半導体材料を用いてフォトダイオードを構成したイメージセンサとして、非特許文献１に示すものがある。このイメージセンサは、１μｍ以上の波長帯域に感度を持つ半導体材料で構成したフォトダイオードをシリコン基板に形成した読み出し回路（ＲＯＩＣ）に３次元的に積層実装することにより構成されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】D. Temple et al., “High Density 3-D Integration Technology for Massively Parallel Signal Processing in Advanced Infrared Focal Plane Array Sensors,” International Electron Devices Meeting (IEDM), pp.132-135 (2006)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、非特許文献１に示されるイメージセンサでは、赤外光域となる１μｍ以上の波長帯域に感度を持つようにできるものの、逆に、可視光域となる１μｍ以下の波長帯域には感度を持つことができない。このため、可視光の検出と赤外光の検出を両方共に行えるイメージセンサが要望される。

【0006】

本発明は上記点に鑑みて、可視光を検出する可視イメージセンサと赤外光を検出する赤外イメージセンサの両方を備えたイメージセンサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、請求項１ないし８に記載の発明では、シリコン基板（１０）と、シリコン基板に形成された第１フォトダイオード（１１）と、第１フォトダイオードの上に形成されたカラーフィルタ（１２）およびマイクロレンズ（１３）を有する可視イメージセンサチップ（１）と、可視イメージセンサチップのうち可視イメージセンサが形成された位置と異なる位置に配置され、異種半導体にて構成された半導体基板（２０）と、半導体基板に形成された第２フォトダイオード（２１）と、半導体基板の表面に形成され赤外光のみを通過させる可視光カットフィルタ（２２）と、第２フォトダイオードに接続されると共に半導体基板の裏面側に引き出された配線（２４）とを有する赤外イメージセンサ（２）と、赤外イメージセンサの表面側に貼り付けられた透光性キャップ（３）と、透光性キャップと可視イメージセンサチップとの間に備えられ、第１フォトダイオードや回路および第２フォトダイオードを密閉する封止部材（４）と、を備えていることを特徴としている。

【0008】

このようなイメージセンサでは、可視イメージセンサチップの上に赤外イメージセンサを配置し、この赤外イメージセンサが配置されていない場所に可視イメージセンサが配置されるようにしている。これにより、可視光域となる１μｍ以下の波長帯域と赤外光域となる１μｍ以上の波長帯域の両方の帯域の光信号を検出することができる。したがって、可視光を検出する可視イメージセンサと赤外光を検出する赤外イメージセンサの両方を備えた構造にできる。

【0009】

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態にかかるイメージセンサＳの簡略断面図である。

【図2】シリコン基板１０に形成されたフォトダイオード１１や各種素子および配線等の構造の一例を示した断面図である。

【図3】赤外イメージセンサ２の一例を示した断面図である。

【図4】イメージセンサＳの読み出し回路が形成された基板５０への接続形態の一例を示した断面図である。

【図5】フォトダイオード１１やＭＯＳトランジスタ１４などの形成工程を示した断面図である。

【図6】カラーフィルタ１２およびマイクロレンズ１３の形成工程を示した断面図である。

【図7】赤外イメージセンサ２の形成工程を示した断面図である。

【図8】赤外イメージセンサ２およびガラスキャップ３を可視イメージセンサチップ１および基板５０に接合する様子を示した断面図である。

【図9】赤外イメージセンサ２およびガラスキャップ３を可視イメージセンサチップ１および基板５０に接合する様子を示した断面図である。

【図10】本発明の第２実施形態にかかるイメージセンサＳの簡略断面図である。

【図11】本発明の第３実施形態にかかるイメージセンサＳの簡略断面図である。

【図12】本発明の第４実施形態にかかるイメージセンサＳの簡略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0012】

（第１実施形態）
図１〜図９を参照して、本実施形態にかかる可視光と赤外光の両方を検出することが可能なイメージセンサＳの構成について説明する。

【0013】

図１に示すイメージセンサＳは、可視光を検出する可視イメージセンサと赤外光を検出する赤外イメージセンサの両方を備えたものである。このイメージセンサＳは、可視イメージセンサチップ１と赤外イメージセンサ２およびガラスキャップ３とを備えた構成とされている。具体的には、可視イメージセンサチップ１の上に赤外イメージセンサ２が配置され、可視イメージセンサチップ１および赤外イメージセンサ２をガラスキャップ３で覆っている。そして、ガラスキャップ３と可視イメージセンサチップ１との間の外縁部を封止部材４にて囲むことで、可視イメージセンサチップ１内に形成される各種素子や赤外イメージセンサ２に形成された素子を密閉して外部から隔離している。

【0014】

可視イメージセンサチップ１は、可視イメージセンサ５などが形成されたチップである。可視イメージセンサチップ１は、表面および裏面を有するシリコン基板１０の表面側に、フォトダイオード１１や各種素子および配線などを形成し、フォトダイオード１１の上にカラーフィルタ１２やマイクロレンズ１３を形成することによって構成されている。これらのうちのフォトダイオード１１やカラーフィルタ１２およびマイクロレンズ１３によって可視イメージセンサ５が構成されている。

【0015】

フォトダイオード１１は、１画素（１ピクセル）毎に３つずつ備えられており、それぞれレッド・グリーン・ブルー（以下、ＲＧＢという）の光を検出するものとして用いられる。そして、各フォトダイオード１１に対応して、レッドフィルタ１２ａ、グリーンフィルタ１２ｂおよびブルーフィルタ１２ｃからなるカラーフィルタ１２が配置されており、それぞれ、ＲＧＢのいずれか１つの波長帯域のみを通過させるフィルタとされている。このため、レッドの光を検出するフォトダイオード１１にはレッドの光のみが入射され、グリーンの光を検出するフォトダイオード１１にはグリーンの光のみが入射され、ブルーを検出するフォトダイオード１１にはブルーの光のみが入射される。例えば、各カラーフィルタ１２は、補色であるＭｇ（マゼンダ）、Ｃｙ（シアン）、Ｙｅ（イエロー）に染色されたゼラチンによって構成される。

【0016】

また、カラーフィルタ１２の上にマイクロレンズ１３が配置されており、マイクロレンズ１３にて集光し、カラーフィルタ１２を介してフォトダイオード１１に光が効率的に入射されるようにしてある。このマイクロレンズ１３は、例えばＳｉレンズやガラスレンズもしくはゼラチンを用いたレンズなどによって構成される。

【0017】

本実施形態の場合、シリコン基板１０としてｐ型基板を用い、このシリコン基板１０の表層部に不純物をイオン注入することによって拡散層を形成し、フォトダイオード１１や各種素子および配線等を形成している。

【0018】

図１では簡略化して記載してあるが、例えば、シリコン基板１０に形成されたフォトダイオード１１や各種素子および配線等は図２のような構成とされる（ただし、図２中には各種素子のうちのＭＯＳトランジスタ１４のみ記載してある）。

【0019】

具体的には、フォトダイオード１１は、ｐ型のシリコン基板１０の表層部に形成されたｎ型カソード領域１１ａと、同じくシリコン基板１０の表層部においてｎ型カソード領域１１ａよりも浅く形成されたｐ⁺型領域１１ｂとを有した構成とされている。ｐ型のシリコン基板１０にて構成されるアノード領域とｎ型カソード領域１１ａとの間に形成されるＰＮ接合によりフォトダイオード１１が構成され、マイクロレンズ１３およびカラーフィルタ１２を通じてフォトダイオード１１に照射される可視光を検出する。

【0020】

シリコン基板１０に形成される各種素子としては、ＭＯＳトランジスタ１４などが挙げられる。ＭＯＳトランジスタ１４は、シリコン基板１０の表層部において互いに離間して配置されたｎ型ソース領域１４ａおよびｎ型ドレイン領域１４ｂと、これらの間の上にゲート絶縁膜１４ｃを介して形成されたゲート電極１４ｄとを有した構成とされている。また、これらの上には層間絶縁膜１４ｅが形成されており、層間絶縁膜１４ｅに形成されたコンタクトホールを介してソース電極１４ｆおよびドレイン電極１４ｇがｎ型ソース領域１４ａやｎ型ドレイン領域１４ｂに接続されている。

【0021】

なお、上記したように、カラーフィルタ１２は、フォトダイオード１１の上に形成されるが、シリコン基板１０の表面に層間絶縁膜１４ｅや各種電極１４ｆ、１４ｇなどが形成された上に形成されている。

【0022】

赤外イメージセンサ２は、シリコン以外の半導体材料であるＧｅもしくはＩｎＧａＡｓのような化合物半導体などの異種半導体によって形成されている。図１では簡略化して記載してあるが、例えば、赤外イメージセンサ２は図３のような構成とされている。

【0023】

具体的には、異種半導体にて構成されたｐ型の半導体基板２０を用いて形成したフォトダイオード２１によって赤外イメージセンサ２が構成されている。半導体基板２０の表層部には、ｐ⁺型領域２１ａとｎ型カソード領域２１ｂが備えられている。そして、半導体基板２０が微小サイズに小型化されており、それぞれが分離された状態になっている。

【0024】

また、半導体基板２０の表面は可視光カットフィルタとしても機能するシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）２２で覆われ、側面および裏面は絶縁膜２３で覆われている。また、半導体基板２０の表面側のシリコン酸化膜２２に形成されたコンタクトホールを介してアノード電極２１ｃおよびカソード電極２１ｄがｐ型の半導体基板２０にて構成されるアノード領域やｎ型カソード領域２１ｂに接続されている。そして、アノード電極２１ｃおよびカソード電極２１ｄが半導体基板２０の側面から裏面まで引き出された配線２４に接続されることで、アノードおよびカソードが半導体基板２０の裏面側において、可視イメージセンサチップ１の所望位置と接続できるようになっている。

【0025】

例えば、フォトダイオード２１のカソード側が図２に示したＭＯＳトランジスタ１４のソースまたはドレインに対して接続され、アノード側が接地端子に接続されることで、赤外イメージセンサ２とＭＯＳトランジスタ１４との接続が行われている。

【0026】

ガラスキャップ３は、可視イメージセンサチップ１の寸法に合わせて形成された透光性キャップであり、本実施形態の場合にはガラス材料によって構成されている。このガラスキャップ３を通じて、可視イメージセンサチップ１に形成されたフォトダイオード１１や赤外イメージセンサ２に形成されたフォトダイオード２１に、外部からの可視光や赤外光が入射される。ガラスキャップ３の裏面には赤外イメージセンサ２が貼り付けられており、ガラスキャップ３に貼り付けられた状態で赤外イメージセンサ２と可視イメージセンサチップ１との電気的な接続が行われている。ガラスキャップ３の裏面と可視イメージセンサチップ１の表面、つまりマイクロレンズ１３との間は離間しており、ギャップＧが存在している。

【0027】

封止部材４は、例えばエポキシ樹脂などの封止材料によって構成されている。封止部材４は、赤外イメージセンサ２と共にガラスキャップ３を可視イメージセンサチップ１の上に配置するときに、可視イメージセンサチップ１とガラスキャップ３の外縁部において、これらの間に形成されるギャップＧを密閉しつつ、これらを接着する。

【0028】

このような構成により、イメージセンサＳの基本構造が構成されている。そして、このようなイメージセンサＳに対して、読み出し回路が形成された基板を接続することで、検出した可視光や赤外光に対応する出力の外部への読み出しが行えるように構成される。図４は、イメージセンサＳの読み出し回路が形成された基板５０への接続形態の一例を示した断面図である。

【0029】

この図に示すように、読み出し回路を構成する基板５０は、アナログ回路層５１、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）回路層５２、インターフェイスチップ５３とを有した構成とされている。アナログ回路層５１、ＡＤＣ回路層５２およびインターフェイスチップ５３は、シリコン基板などによって構成され、可視イメージセンサチップ１の裏面から順に積層されており、それぞれの間が接着層５４を介して貼り合わされている。そして、可視イメージセンサチップ１を含めて、ＡＤＣ回路層５２およびインターフェイスチップ５３には、貫通孔内に形成された貫通電極１ａ、５１ａ〜５３ａが備えられている。また、各貫通電極１ａ、５１ａ〜５３ａの表面にはマイクロバンプ５５が備えられている。そして、各貫通電極１ａ、５１ａ〜５３ａが各マイクロバンプ５５を介して電気的に接続されることで、可視イメージセンサチップ１、アナログ回路層５１、ＡＤＣ回路層５２およびインターフェイスチップ５３が所望位置において電気的に接続されている。

【0030】

アナログ回路層５１は、ＣＤＳ（相関二重サンプリング：Correleted Double Sampling）回路やアンプを含むアナログ回路が形成された層であり、可視イメージセンサ５や赤外イメージセンサ２から出力されるアナログ信号を信号処理してＡＤＣ回路層５２に伝える。例えば、ＣＤＳ回路により、光が入射された場合とされていない場合それぞれの場合に可視イメージセンサ５や赤外イメージセンサ２から出力されるアナログ信号の差動出力を取り、それをアンプにて増幅してＡＤＣ回路層５２に出力している。このような差動出力を用いることで、可視イメージセンサ５や赤外イメージセンサ２の出力に含まれる定常ノイズをキャンセルしている。

【0031】

ＡＤＣ回路層５２は、ＡＤＣ回路が形成された層であり、アナログ回路層５１から出力されたアナログ信号を受け取り、デジタル信号に変換してインターフェイスチップ５３に出力している。

【0032】

インターフェイスチップ５３は、外部との通信用のインターフェイス回路が備えられたチップであり、このインターフェイスチップ５３を通じて、イメージセンサＳにて検出された可視光および赤外光に応じた出力信号を外部に出力している。

【0033】

以上のようにして、イメージセンサＳと読み出し回路が形成された基板５０との接続がなされ、イメージセンサＳで検出した可視光や赤外光に応じた出力の外部への読み出しが行われる。

【0034】

次に、上記のように構成されるイメージセンサＳの製造方法およびイメージセンサＳと基板５０との接続方法について、図５〜図９を参照して説明する。

【0035】

まず、シリコン基板１０に対してフォトダイオード１１やＭＯＳトランジスタ１４などを形成する工程を行う。具体的には、図５（ａ）に示す工程では、ｐ型のシリコン基板１０を用意したのち、別々のイオン注入マスクを用いてｎ型もしくはｐ型不純物のイオン注入および熱拡散を行うことで、ｎ型カソード領域１１ａ、ｐ⁺型領域１１ｂ、ｎ型ソース領域１４ａおよびｎ型ドレイン領域１４ｂを形成する。続いて、図５（ｂ）に示す工程では、ゲート酸化などによってゲート絶縁膜１４ｃを形成したり、ドープドＰｏｌｙ−Ｓｉ層を成膜したのちパターニングしてゲート電極１４ｄを形成する。さらに、層間絶縁膜１４ｅの形成工程、コンタクトホール形成工程、金属材料の成膜およびパターニングによるソース電極１４ｆおよびドレイン電極１４ｇや各種配線の形成工程を行う。これにより、フォトダイオード１１およびＭＯＳトランジスタ１４が形成される。

【0036】

なお、図５では、シリコン基板１０に形成されるフォトダイオード１１やＭＯＳトランジスタ１４の一部のみしか記載していないが、実際には必要な画素数に応じた数のフォトダイオード１１およびＭＯＳトランジスタ１４が形成される。

【0037】

続いて、フォトダイオード１１およびＭＯＳトランジスタ１４を形成した後、平坦化工程を行い、シリコン基板１０の上にカラーフィルタ１２およびマイクロレンズ１３を形成する。具体的には、図６（ａ）に示す工程として、ゼラチン３０を塗布したのち、それをパターニングし、ブラックに染色することで、ハレーション防止膜を形成しておく。次に、図６（ｂ）に示す工程として、ブラックに接触したゼラチン３０の上に中間膜３１を塗布したのち、再びゼラチン３２を塗布してパターニングし、それをＭｇに染色する。そして、図６（ｃ）、（ｄ）に示す工程では、図６（ｂ）と同様の工程を繰り返して、中間層３３、３５を介して形成したゼラチン３４、３６をパターニングしたのちＹｅやＣｙに染色する。これにより、ＲＧＢのカラーフィルタ１２が形成される。

【0038】

その後、図６（ｅ）に示す工程として、中間膜を塗布した後、更にゼラチンを塗布し、これをパターニングしてマイクロレンズ１３を形成する。そして、表面保護膜としてトップコート３７を塗布するなどの工程を行う。このようにして、カラーフィルタ１２およびマイクロレンズ１３を形成することができる。

【0039】

また、異種半導体にて構成された半導体基板２０を用いて赤外イメージセンサ２を形成する工程を行う。まず、図７（ａ）に示す工程として、ｐ型の半導体基板２０を用意する。そして、別々のイオン注入マスクを用いて半導体基板２０の表層部にｎ型もしくはｐ型不純物のイオン注入および熱拡散を行うことで、ｐ⁺型領域２１ａおよびｎ⁺型カソード領域２１ｂを形成する。その後、半導体基板２０の表面にシリコン酸化膜２２を形成したのち、コンタクトホール形成工程、電極材料の成膜およびパターニングによるアノード電極２１ｃおよびカソード電極２１ｄの形成工程を行う。そして、ガラスキャップ３を用意すると共にシリコン酸化膜２２の表面に接着層５６を塗布し、接着層５６を介してガラスキャップ３と半導体基板２０の表面側とを貼り合わせる。

【0040】

次に、図７（ｂ）に示す工程として、半導体基板２０の裏面側にエッチングマスクを配置し、それを用いて半導体基板２０の不要部分をエッチングすることで、半導体基板２０のうちフォトダイオード２１の形成位置のみを残す。そして、配線材料を蒸着したのち、パターニングすることで配線２４を形成する。

【0041】

続いて、図８に示すように、アナログ回路等を形成したアナログ回路層５１、ＡＤＣ回路等を形成したＡＤＣ回路層５２およびインターフェイス回路等が備えられたインターフェイスチップ５３を用意する。そして、図５および図６の工程を経て形成された可視イメージセンサチップ１とアナログ回路層５１とＡＤＣ回路層５２およびインターフェイスチップ５３それぞれの間を接着層５４にて接着する。これと同時に、各貫通電極１ａ、５１ａ〜５３ａの表面に形成されたマイクロバンプ５５を介して各貫通電極１ａ、５１ａ〜５３ａを電気的に接続する。これにより、可視イメージセンサチップ１、アナログ回路層５１、ＡＤＣ回路層５２およびインターフェイスチップ５３が所望位置において電気的に接続される。また、可視イメージセンサチップ１の表面側において、赤外イメージセンサ２と対応する位置にマイクロバンプ５７を形成する。

【0042】

そして、図９に示すように、図７に示す工程を経てガラスキャップ３の裏面側に赤外イメージセンサ２を形成したものを図８に示す工程を経た可視イメージセンサチップ１の表面側に搭載する。この状態で、赤外イメージセンサ２の配線２４とマイクロバンプ５７とを接合することにより、赤外イメージセンサ２が可視イメージセンサチップ１に形成されたＭＯＳトランジスタ１４などと電気的に接続される。これにより、図４に示したイメージセンサＳと基板５０とを接続した構造が完成する。

【0043】

以上説明した本実施形態にかかるイメージセンサＳは、可視光を検出する可視イメージセンサ５と赤外光を検出する赤外イメージセンサ２の両方を備えている。具体的には、可視イメージセンサチップ１の上に赤外イメージセンサ２を配置し、この赤外イメージセンサ２が配置されていない場所に可視イメージセンサ５が配置されるようにしている。これにより、可視光域となる１μｍ以下の波長帯域と赤外光域となる１μｍ以上の波長帯域の両方の帯域の光信号を検出することができる。

【0044】

そして、このように可視光域と赤外光域の両方の光信号を検出できるようになるので、従来には無い新しい応用にイメージセンサＳを用いることが可能となる。例えば、車両用にイメージセンサＳを用いる場合、昼間のみならず夜間でも画像認識が行えるようになるため、夜間の車両の運転に対する安全性を著しく向上させることが可能となる。また、本イメージセンサＳを２個使って立体視を行うようにすれば、夜間でも対象物までの距離を測定することや、赤外光と可視光の両方の光信号を用いて、対象物が人間であるかそれ以外のものであるか識別することが可能となる。これらの効果は、赤外イメージセンサ２と可視イメージセンサ５の両方を搭載したイメージセンサＳでなければ実現できない。このことからも、本実施形態で説明したイメージセンサＳにより、様々な新しい応用の実現が可能になることが判る。

【0045】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して可視イメージセンサチップ１の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0046】

図１０に示すように、本実施形態のイメージセンサＳでは、可視イメージセンサチップ１に形成されるフォトダイオード１１をシリコン基板１０のうちカラーフィルタ１２側の面ではなく反対側の面に形成するようにしている。すなわち、シリコン基板１０の一面側にｎ型カソード領域１１ａとｐ⁺型領域１１ｂとを有するフォトダイオード１１を形成しつつ、それらが形成された面と反対側の面にカラーフィルタ１２を形成している。また、シリコン基板１０のうちカラーフィルタ１２が配置される面側に、赤外イメージセンサ２を構成するフォトダイオード２１を配置している。

【0047】

さらに、シリコン基板１０のうちフォトダイオード１１が形成された面側に、図１０中には図示していないが、図２に示したＭＯＳＦＥＴ１４などの各種素子が形成されていると共に、層間絶縁膜１４ｅを介して各種配線や電極などが形成されている。そして、シリコン基板１０の両面を貫通する貫通孔内に形成された貫通電極１０ａを通じて、各種素子・配線と赤外線イメージセンサ２との電気的な接続が行われている。

【0048】

このように構成されるイメージセンサＳでは、フォトダイオード１１が形成されたシリコン基板１０の裏面側を光の入射面にでき、フォトダイオード１１やＭＯＳＦＥＴ１４などの各種素子に接続される配線層が無い面を入射面にできる。このため、光の利用効率を上げることが可能となる。

【0049】

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して赤外イメージセンサ２の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0050】

図１１に示すように、本実施形態のイメージセンサＳでは、赤外イメージセンサ２を構成するフォトダイオード２１を半導体基板２０のうち可視イメージセンサチップ１に接続される面側に形成している。すなわち、半導体基板２０のうち可視イメージセンサチップ１に接続される面側に、ｐ⁺型領域２１ａとｎ型カソード領域２１ｂを形成している。

【0051】

このように、半導体基板２０のうち可視イメージセンサチップ１に接続される面側に赤外イメージセンサ２を構成するフォトダイオード２１の各不純物領域２１ａ、２１ｂを形成することもできる。この場合、アノード電極２１ｃおよびカソード電極２１ｄについても、半導体基板２０のうち可視イメージセンサチップ１に接続される面側に配置されることになる。このため、フォトダイオード２１に接続される配線２４は、半導体基板２０の裏面側に引き出されるだけで良く、表面から側面を介して裏面側まで引き出される必要は無い。したがって、赤外イメージセンサ２の構成の簡略化を図ることが可能となる。

【0052】

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせたものである。

【0053】

図１２に示すように、本実施形態のイメージセンサＳでは、第２本実施形態と同様に、可視イメージセンサチップ１に形成されるフォトダイオード１１をシリコン基板１０のうちカラーフィルタ１２側の面ではなく反対側の面に形成するようにしている。また、シリコン基板１０のうちカラーフィルタ１２が配置される面側に、赤外イメージセンサ２を構成するフォトダイオード２１を配置している。

【0054】

さらに、第３実施形態と同様に、赤外イメージセンサ２を構成するフォトダイオード２１を半導体基板２０のうち可視イメージセンサチップ１に接続される面側に形成している。

【0055】

このように構成されるイメージセンサＳでは、フォトダイオード１１が形成されたシリコン基板１０の裏面側を光の入射面にできるため、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、半導体基板２０のうち可視イメージセンサチップ１に接続される面側に赤外イメージセンサ２を構成するフォトダイオード２１の各不純物領域２１ａ、２１ｂを形成しているため、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0056】

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

【0057】

例えば、第１実施形態では、アナログ回路層５１、ＡＤＣ回路層５２およびインターフェイスチップ５３について、それぞれ別々のシリコン基板を用いて形成しているが、これらのいずれか２つもしくはすべてを同じシリコン基板にて形成しても良い。ただし、ＡＤＣ回路層５２を挟んでアナログ回路層５１およびインターフェイスチップ５３を分離して配置すると、アナログ回路層５１で扱われるアナログ信号とインターフェイスチップ５３で扱われるデジタル信号とを基板間において完全に分離できる。このため、デジタル信号に載る高周波ノイズを除去でき、アナログ信号に高周波ノイズが載ることを抑制できる。なお、貫通電極１ａ、５１ａ〜５３ａをコンデンサが含まれた構造にすることもできるが、このような構造にすればより高周波ノイズを除去することが可能となる。

【0058】

また、上記第１実施形態において、図４では、貫通電極１ａ、５１ａ〜５３ａを同じ位置に形成したものとして示したが、それぞれの層の所望位置に設けられていれば良い。つまり、貫通電極１ａ、５１ａ〜５３ａ同士が接続された構造である必要はなく、貫通電極１ａ、５１ａ〜５３ａと配線パターンとが接続された構造であっても良い。

【0059】

また、上記第１実施形態では、図１に示すように、１つの可視イメージセンサ５に対して赤外イメージセンサ２が１つずつ配置された構造、つまり１画素毎に赤外イメージセンサ２が１つずつ配置された構造としている。しかしながら、複数画素毎に赤外イメージセンサ２が１つずつ配置された構造であっても良い。

【0060】

さらに、上記第１実施形態では、カラーフィルタ１２の上にマイクロレンズ１３を配置した構造としてあるが、マイクロレンズ１３の上にカラーフィルタ１２が形成された構造であっても良い。

【0061】

また、上記第１実施形態では、赤外イメージセンサ２をｐｎ接合にて構成されるフォトダイオード２１により構成する場合を例に挙げたが、ｐｉｎ接合や透明電極付きショットキー接合によりフォトダイオード２１を構成しても良い。

【符号の説明】

【0062】

１ 可視イメージセンサチップ
２ 赤外イメージセンサ
３ ガラスキャップ
４ 封止部材
５ 可視イメージセンサ
１０ シリコン基板
１１、２１ フォトダイオード（第１、第２フォトダイオード）
１２ カラーフィルタ
１３ マイクロレンズ
２０ 半導体基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】