JPS6074879A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 上１豆更 本発明は固体撮像装置、特に体腔内部や機械的構造体内
部を観察するための内視鏡に内蔵して使用するのに好適
な固体撮像装置に関するものである。

従来技術 従来の内視鏡は、被検体内部に挿入される可撓性外筒の
内部にオプチカルファイバ束より成るライトガイドとイ
メージガイドとを延在させ、外部に設けた照明光源から
放射される光をライトガイドを経て内視鏡先端まで導き
、照明レンズ系を経て被検体に照射し、被検体の像を対
物レンズ系およびイメージガイドを経て外部へ導き、接
眼レンズ系を介して直接観察するかまたは撮像装置で撮
像してモニタ上に表示するようにしている。このような
イメージガイドを用いた従来の内視鏡における分解能は
イメージガイドを構成するファイバの径で決まるが、フ
ァイバ径を現状よりもさらに細くするには非常に困難で
あり、分解能はほぼ限界に達している。また、イメージ
ガイドは破損し易いので耐久性の点でも問題がある。

このような問題を解決するために、内視鏡先端に小形の
撮像装置を組込み、これによって被検体像を撮像して画
像信号に変換し、この画像信号を導線を経て外部へ導き
、モニタ上に被検体像を表・示することが提案されてい
る。撮像装置としては、００Ｄ、ＢＢＤ、ＭＯＳ−ＦＥ
Ｔ　ＡＲ，ＲＡＹ。

ＰＩＮ−ＰＨＯＴＯＤＩＯＤＥ　ＡＲＲＡＹ。

ＳＩＴ　ＡＲＲＡＹなどの半導体固体撮像装置が開発さ
れており、これらの固体撮像装置は小形でありながら分
解能が高く、シかも寿命も長いという特長を有しており
、内視鏡に内蔵するのに好適である。しかしながら、現
在製造されている固体撮像装置は従来の撮像管に比べれ
ば小形ではあるが、現状のままでは内視鏡先端に内蔵す
ることは困難である。特に体腔内観察用の内視鏡は最も
大径の直腸鏡でも直径は十数ミリ程度であり、現状の固
体撮像装置を組込むことはできない。このような問題は
内視鏡だけに限られるものではなく、らの検出信号は微
弱であるので一般に素子単独で用いられるより、検出信
号を増幅する増幅回路等を構成する信号処理回路素子と
共に実装した半導体搬像装置が多用されつつある。この
場合、光検出半導体素子と信号処理回路素子とを単一の
半導体チップ内に構成する場合と、複数個の半導体チッ
プ内に構成する場合とがある。第１図は従来の固体撮像
装置の一例の構成を示すものであり、第１図に示す例で
はパッケージを構成するセラミック基板ｌ上に１枚の半
導体チップ２を設け、その左側の部分２ＬにＣＯＤ、Ｂ
ＢＤ等の電荷転送素子、ＭＯＳトランジスタ、フォトダ
イオード、フォトトランジスタ、静電誘導トランジスタ
等の光検出半導体素子を形成し、右側の部分２Ｒには水
平、垂直シフトレジスタ、アドレスレジスタ、各種の選
択スイッチ、ビデオラインに接続された負荷抵抗、コン
デンサ、アンプ等を構成する信号処理回路素子を形成す
る。この信号処理回路素子を形成した部分２Ｒの上には
遮光膜または遮光板８が設けられており、透明ガラスキ
ャップ４を経て照射される光によって半導体内に発生す
る電子−正孔対に起因する微少電流による悪影響が信号
処理回路に及ぶことを防いでいるｇ光検出半導体素子と
信号処理回路素子との間での信号の授受は半・導体領域
または導体パターンを介して行ない、信号処理半導体領
域からの出力信号や外部回路からの制御信号等の授受は
、リード５、セラミック基板１に設けられたボンディン
グパット６および導線７を介して行なわれている。この
ような構成の固体撮像装置では光検出半導体素子と信号
処理回路素子とを単一の半導体チップ１内に形成できる
ので、これらを別々の半導体チップに形成する場合に比
べて小形とすることができるが、内視鏡の先端に内蔵す
ることができる程小形ではない。また、信号処理回路内
の増幅回路等で発生する熱が光検出半導体素子に伝達さ
れ、暗電流が増大し、また光検出領域に入射した光によ
って発生したキャリヤ電荷が増幅回路やその周辺回路に
拡散し誤動作あ原因となる。さらに大きな問題点として
光検出半導体素子と信号処理回路素子とを単一の半導体
チップ上に構成するので、特性およびチップ製造ブ彎セ
スの合わせ込みの困難さに起因するコストアップが生ず
る０ 技術的背景 上述したような問題を解決するために、本願人は特願昭
５８−４６９６７号において第２図に示すようなバンク
接合と呼ばれる実装方法を提案している。第２図におい
て、光検出半導体素子は上側の半導体チップ１１に形成
し、信号処理回路素子は下側の半導体チップ１２に形成
し、これらチップは絶縁性のホルダ１８と一体に形成し
た隔壁】４により離間されて支持されている。光検出半
導体素子と信号処理回路素子との間の信号の授受を行な
うために半導体チップ１１および１２の表面に形成した
接点パッド１５および１６を導線１７および１８を介し
てホルダ１３の表裏に設けた接点パッド１９および２０
にそれぞれ接続し、さらにこれらの接点パッド１９と２
０との間をホルダ１８の側面を延在するリード２１によ
り接続している。さらに固体撮像装置を外部回路に接続
するためのリード２２をホルダ１８から延在させている
。実際の固体撮像装置においては、第２図に示す全体を
さらにパッケージに収納しているが、・第２図ではパッ
ケージは図示していない。

半導体チップ１２とは別体となっていると共に隔壁１４
を挟んで上下に重ねられているため入射光側から見た面
積は第１図に示した従来の固体撮像装置に比べて小さく
なっていると共に熱の影響やキャリヤ電荷の拡散の問題
は解消されているが、そのままでは内視鏡先端に組込む
ことは実際上不可能である。すなわち、内視鏡の径は非
常に小さく、固体撮像装置を組込むだけの十分なスペー
スが得られない。例えば体腔内観察用の内視鏡では上述
したライトガイドの他に標本を採取するための鉗子およ
びこれを操作するためのワイヤが挿通されるようになっ
ていると共に対物レンズ系の先頭レンズを洗浄するため
の送水チューブや、先頭レンズに付着した洗浄水を吹き
飛ばしたり体腔を膨らませたりする送気チューブなども
挿通されており、固体撮像装置を内蔵するために利用で
きるスペースは非常に狭くなっている。したがって高・
解像度の固体撮像装置を内視鏡先端のように極めて狭い
空間に組込むためには固体撮像素子自体の構成を改良す
る必要があるが、光検出半導体チップと信号処理半導体
チップとの結合と配置、両生導体チップ間の信号ライン
の結合、パッケージの方法、リードの導出方法など種々
の困難な問題を解決しなければならない。

発明の目的 本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し、小形に
構成することができしかも実装密度を向上して解像度を
上げることができ、きわめて小径の内視鏡先端にも組込
むことができ、特に内視鏡先端に組込むのに好適な固体
撮像装置を提供しようとするものである。

発明の概要 本発明による固体撮像装置は、光検出半導体素子および
信号処理回路素子を形成した少なく共１個の半導体チッ
プの、入射光側より見た裏側に、固体撮像装置を外部回
部に接続するためのリードを設け、前記光検出半導体素
子および信号処理回路素子とリードとの間の接続を半導
体チップの表面から裏面まで延在する導体領域によって
行なうよう構成したことを特徴とするものである。

遣ｉｎ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第８図は本発明の固体撮像装置の一実施例の構成を示す
縮図的断面図である。本例では単一の半導体チップａ１
に光検出半導体領域８１ａと、信号処理半導体領域８１
ｂとを構成し、光検出半導体領域３１ａにはＣＯＤ、Ｂ
ＢＤ等の電荷結合半導体素子、ＭＯＳ　）ランジスタア
レイ、ピンフォトダイオードアレイ、フォトトランジス
タアレイ静電誘導トランジスタアレイなどの半導体撮像
素子を形成すると共に表面には絶縁膜を介してモザイク
状色フィルタ膜を形成するが、これら素子の各領域や、
絶縁膜、色フィルタ膜などの図示は省略する。また、信
号処理半導体領域８１ｂには水平、垂直シフトレジスタ
、増幅回路、スイッチなどを構成する半導体素子や負荷
抵抗、コンデンサなどの受動回路素子を形成するが、こ
れらの図示は省略した。また、信号処理半導体領域８１
ｂの表面上には絶縁膜を介して遮光膜８２を形成し、信
号処理半導体領域３１ｂに不所望な光が入射して悪影響
を及ぼすのを防止する。本発明においては固体撮像装置
と外部回路との間で信号の授受を行なうためのリード３
３を固体撮像装置の裏側に設けるが、本例ではこのため
に、半導体チップ３】１の表面から裏面まで貫通する低
抵抗の導体領域３４を半導体チップ３１に形成する。こ
の導体領域３４は、例えば半導体チップａ１をｎ形とす
るときはＰ形不純物を多量に添加したＰ形熱拡散領域を
以って形成することができる。この導体領域３４のｔ半
導体チップ３】の表面に達する部分は導体パターン３５
を介して、光検出半導体領域３１ａおよび信号処理半導
体領域、９１ｂの表面に形成される所定の領域３６に接
続する。まだ、導体領域８４の、半導値チップ３１の裏
面に露出する部分には接点領域３７を形成し、この接点
領域にリード８３・をボンディングする。また、光検出
半導体領域３１ａと信号処理半導体領域３１ｂとの間で
信号の授受を行なうために、これら領域の表面に形成さ
れた領域８８の間を導体パターン３９により接続する。

本例ではリード８８を半導体チップ８１の裏面に接続す
ると共に光検出半導体領域８１ａおよび信号処理半導体
領域８１ｂとリード８３との間の接続を半導体チップ８
１の表面がら裏面まで貫通する導体領域３４を介して行
なうため、固体撮像装置の入射光側から見た横方向寸法
Ｗを小さくすることができる。また半導体チップ８１の
裏面全体をリード８３の接続に利用することができるの
で多数のリードを容易に接続することができるＯ 第４図Ａ−０は半導体チップ８】の表面から裏面まで貫
通する導体領域８４の形成方法の一例の順次の工程を示
す線図である。先ず第４１ｉ１Ａに示すようにｎ形シリ
コン基板４１の表裏に所定の位置に開口４２ａを有する
マスク４２を介してＰ形不純物を多量に熱拡散させＰ　
拡散領域４３を形成１する。次に第４［ｆｆ１Ｂに示す
ように基板４１の表面にｎ−形エピタキシャル層４４を
成長させた後、表面に開口４５ａを有するマスク４５を
形成してＰ形不純物を多量に熱拡散させると共にＰ形拡
赦領域４３からもＰ形不純物を熱拡散させ、第４図Ｃ＋ に示すようにＰ　形拡散領域４８と接触するＰ　形拡散
領Ｍ４６を形成する。このようにして半導体チップ（４
］、４４）の表面から裏面まで貫通する導体領域（４８
，４６）を形成することができる。

第５図は本発明の固体撮像装置の他の実施例を示すもの
であり、本例では半導体チップにリードを直接接続する
のではなく、リードを取付は基板に取付け、この基板を
半導体チップの裏面に接合する。すなわち、本例ではリ
ード５１を、その先端が絶縁材料より成るリード取付は
基板５２を貫通するように取付け、この基板５２を半導
体チップ３１の裏面に固着する。半導体チップ３１には
その表面から裏面へ貫通する導体領域８４を設けこの導
体領域の、半導体チップ裏面に露出する部分にリード５
】の先端を当接して電気的に接続する。この場合、リー
ド５】の寸法は導体領域ａ４の径よりも相当大きくなる
ので（図面では説明の便宜上これらの寸法はほぼ等しく
描いである）、導体領域８４に接続した接点パッド５３
を形成し、この接点パッドにリード５１の先端を接続す
るように・する。本例のようにリードを取付は基板に取
付け、この基板を半導体チップ裏面に取付けることによ
りリードと導体領域との接続を行なうようにすると、リ
ードの機械的強度が増大すると共にリードの電気的接続
を容易とすることができる。

第６図は本発明の固体撮像装置の他の例を分解して示す
線図である。本例では光検出半導体素子を形成した半導
体チップ６Ｉと、信号処理回路素子を形成した半導体チ
ップ６２とを前後に重ね合わせて配置し、リード６８は
半導体チップ６２の裏面に取付ける。半導体チップ６１
の領域６］ａの外部には多数の導体領域６４を表面から
裏面まで貫通するように設け、これらを導体６５を介し
・て領域６１ａ内に形成した所定の領域６６に接続する
。半導体チップ６２の領域６２ａの外側にも多数の導体
領域６７を形成し、所定の導体領域の下端にはり一ド６
３をボンディングする。また上端は導体６８を経て領域
６２ａ内に形成した所定の領［６９に接続する。第６図
において左側に示す導体領域６７は信号処理回路に接続
されておらず、半導体チップ６１に形成した導体領域６
４に直接接続されている。また、半導体チップ６１に形
成した導体領域６４の総てに対応して半導体チップ６２
に導体領域６７を形成する必要はなく、単に領域６１ａ
内の領域を領域６２ａ内の所定の領域に導体領域６４を
介して接続するだけの場合には半導体チップには対応す
る導体領域を設けなくてよい。本例では光検出半導体領
域を形成した半導体チップ６１と信号処理回路を形成し
た半導体チップ６２とを別個に構成したため、回路の緒
特性と半導体チップ製造プロセスの合わせ込みが不要と
なり、熱やキャリア電荷による悪影響も除去できると共
にリードを裏側に設けたため光入射・方向から見た横方
向寸法を小さくすることができ、しかも実装密度を向上
することができる。

第７図ＡおよびＢは半導体チッ°プの表面がら裏面まで
延在する導体領域を形成する方法の他の例の順次の工程
を示す線図である。第７図Ａに示すようにｎ形のシリコ
ン基体７１の表面に所定の開ロア２ａをあけたマスク７
２を被着し、Ｐ形不純＋ 物を多量に熱拡散させてＰ　形拡散領域７３を形成する
。このＰ　形拡散領域は表面から裏面に達するまで熱拡
散を行なうので横方向寸法が大きくなりそのままでは固
体撮像装置の寸法を小さくするのに余り貢献しない。そ
こで本例では第７図Ａの鎖１ｖ−ｖで示すようにシリコ
ン基体７１を切断する。これによって第７図Ｂに示すよ
うに側面において表面から裏面まで延在するＰ形拡散領
域７４を有するシリコン基体が得られる。このＰ　形拡
散領域７４の横方向寸法は１０ミクロン程度とすること
ができる。このようにしてシリコン基体７１の表面から
裏面まで延在する導体領域（７４）を形成することがで
きる。

第８図は上述した本発明の固体撮像装置を先端に内蔵し
た内視鏡の一例の構成を示す断面図である。本例の内視
碗は直視形の体腔内観察用のものであり、被検体内部に
挿入される可撓性外筒８１の先端に、例えばステンレス
スチールより成る先端本体８２を嵌着する。この先端本
体８２には数個のチャンネル８２　ａ、　８２　ｂ、　
８２　ｃ・・・を形成する。ライトガイドチャンネル８
２ａにはオプチカルファイバ束より成るライトガイド８
３を挿入し、先端には凹レンズ８４を嵌合する。ライト
ガイド８３はカバーチューブ８５により被覆し、外筒８
１の内部を延在させ、操作部へ導き、照明光源に結合す
る。対物観察チャンネル８２ｂ内部には先端に対物レン
ズ系８６を嵌合すると共に内部に固体撮像装置８７を嵌
合する。本例の固体撮像袋Ｍ８７は第６図に示した構成
のものであり、２つの半導体チップを上下に重ねたもの
である。後側の半導体チップの裏面に取付けたリード８
８には導線束８９を接続し、この導線束８９は可撓性チ
ューブ９０を経て外筒内部を延在させて操作部へ導き、
信号処理回路に接続する。送気チャンネル８２０には送
気チューブ９１を連結すると共に先端には送気ノズル９
２を取付け、対物レンズ系８６の先頭レンズに向は送気
できるようにする。

送水チャンネルには送水チューブを連結すると共に先端
には送水ノズルを設け、対物レンズ系８６の先頭レンズ
に送水して汚物等を洗い流すことができるようにするが
、第８図では送水チューブや送水ノズルは図示していな
い。また、送気ノズル９２は先頭レンズに付着した洗浄
水を吹き飛ばすと共に必要に応じて被検体内部に送気し
てこれを膨ませることができるようにする。先端本体８
２にはさらに鉗子チャンネルを形成し、ここには鉗子お
よびこの鉗子を外部より操作するためのワイヤを挿通で
きるようにする。先端本体８２の外周面にはねじ溝を形
成し、ここに先端フード９８を螺合する。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく
、幾多の変形例が可能である。例えば第６図に示した実
施例では半導体チップの裏面に直接リードを接続するよ
うにしたが、第５図に示すようにリードを取付は基板に
固着し、この取付は基板を半導体チップ裏面に固着する
こともできる。

また、半導体チップの表面から裏面まで延在する導体領
域は上述した方法以外の方法で作ることもできる。例え
ば第４図Ｃに示した状態からさらにＰ　形拡教領域の部
分を第７図Ａに示すように切断することもでき、この場
合には固体撮像装置の寸法をさらに小さくすることがで
きる。さらに本発明の固体撮像装置は第８図に示した直
視形の内視鏡だけでなく、側視形の内視鏡にも組込むこ
とができることは勿論である。更に、上述した内視鏡で
は光源からの光をライトガイドを経て外筒先端から射出
させるようにしたが、ライトガイドを用いることなく、
ランプや発光ダイオード等の光源を外筒先端部に設けて
被検体を照明するよう構成することもできる。この場合
、赤、青、緑の８色の発光ダイオードを用い、これらを
順次に発光させるようにすることもでき、この場合には
固体撮像装置の受光面に設けたカラーフィルタは不要ト
なる。また、本発明の固体撮像装置は内視鏡以外の撮像
機器に組込むこともできる◇さらに、上述、した例では
光検出半導体素子と信号処理回路素子とを接続する導体
領域を熱拡散法によって半導体チップに形成したが、こ
れに限定されるものではない。熱拡散法は拡散方向に対
して横方向の広がりを生じたり、いがなる不純物にも適
用できるものではなく、拡散制御が難しい面がある。そ
こで、シリコン基板表面にエピタキシャル層を成長させ
た後に、この表面に５ｉｎＢ等の酸化膜を被着し、ホ１
゜トリソゲラフイエ程でＰ　影領域を形成すべき面のＳ
ｉｏ２膜ヲエッチングして除去した後、或ハＳｉｎ。

膜を介して直接にＰ　イオンインプランテーションによ
りイオン打込みを行なってＰ影領域を形成することもで
きる。このようなイオンインプランテーションを行なう
ことにより、きわめて正確にＰ影領域の制御ができると
共に多量の不純物を均一に打込むことができるので半導
体チップに対する導体領域の占有割合を少なくすること
ができると共°に一層確実な導体領域の形成が可能とな
る。

発明の効果 本発明の固体撮像装置によれば、これと外部回路との間
で信号の授受を行なうためのリードを半導体チップの裏
側に取付けたため、入射光の方向から見た横方向の寸法
を受光面の寸法とほぼ同程度まで小さくすることができ
、小径の内視鏡先端内部に有効に組み込むことができる
。また、固体撮像装置の回路素子とリードとの間の接続
を半導体チップの表面から裏面まで延在する半導体領域
より成る導体領域によって行なうことができるので、安
定した接続状態が得られると共に上述した寸法の減少に
大きく寄与することになり、さらには製造も容易となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像装置の構成を示す断面図、 第２図は本軸人が先に提案したバック接合形固体撮像装
置の構成を示す断面図、 第８図は本発明の固体撮像装置の一例の構成を第４図Ａ
−０は導体領域を形成する方法の一例の順次の工程を示
す断面図、 第５図は本発明の固体撮像装置の他の例の構成を示す線
図的断面図、 第６図は同じく本発明の固体撮像装置のさらに他の例の
構成を分解した状態で示す線図、第７図ＡおよびＢは導
体領域を形成する他の方法の順次の工程を示す断面図、 第８図は本発明の固体撮像装置を先端内部に組込んだ内
視鏡の一例の構成を示す断面図である。 ３１・・・半導体チップ　８３・・・リード８４・・・
導体領域　８５，１１９・・・導体５１・・・リード　
５２・・・リード取付は基板６］、６２・・・半導体チ
ップ ６８・・・リード　６４，６？・・・導体領域６５．６
８・・・導体　８７・・・固体撮像装置８８・・・ＩＪ
　−１’　１３９・・・導線束第１図 第２図 ・第３図 ３ 第５図 第６図 第７図 ３ 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　光検出半導体素子および信号処理回路素子を形成し
   た少なく共１個の半導体チップの、入射光側より見た裏
   側に、固体撮像装置を外部回路に接続するためのリード
   を設け、前記光検出半導体素子および信号処理回路素子
   とリードとの間の接続を半導体チップの表面から裏面ま
   で延在する事導体領域によって行なうよう構成したこと
   を特徴とする固体撮像装置。 λ　前記光検出半導体素子および信号処理回路素子をそ
   れぞれ別個の半導体チップに形−成し、これら半導体チ
   ップを入射光の方向に見て前後に重ねて配置し、両生導
   体チップに表面から裏面まで延在する導体領域を形成し
   、これら導体領域によって光検出半導体素子と信号処理
   回路素子との相互接続番付なうと共に信号処理回路素子
   を形成した半導体チップの裏側に設けたリードとの相互
   接続を行なうよう構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲１記載の固体撮像装置。 ＆　前記半導体チップの裏面において導体領域にリード
   を直接接続したことを特徴とする特許請求の範囲１記載
   の固体撮像装置。 瓜　前記リードを取付は基板を貫通するように設け、こ
   の取付は基板を半導体チップの裏面に取付けることによ
   ってリードを導体領域と接続するよう構成したことを特
   徴とする特許　′請求の範囲１記載の固体撮像装置。