JP2004006968A

JP2004006968A - 裏面照射型半導体装置

Info

Publication number: JP2004006968A
Application number: JP2003282137A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Suyama; 須山　本比呂; Masaharu Muramatsu; 村松　雅治; Akihiro Kageyama; 影山　明広
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】　薄板化された半導体検出素子の機械的強度を保持しながら、検出面のたわみを防止できる裏面照射型半導体装置を提供すること。
【解決手段】　裏面照射型ＣＣＤは、半導体基板をベースとする矩形で板状のＣＣＤ素子（半導体検出素子）１０と、半導体基板の熱膨張率（３×１０^-6／℃）より大きい熱膨張率（７×１０^-6／℃）を有するアルミナセラミックを矩形で環状に成型した保護枠２０と、ＣＣＤ素子１０を表面から機械的に補強する機能と共に、これを冷却するためのヒートシンクとしての機能とを具備した充填材３０と、保護枠２０の外側で対向した二面において固定されている外部入出力ピン６０とを有する。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、光や電子等のエネルギー線を裏面から入射し、二次元で検出する裏面照射型半導体装置とその製造方法に関するものである。

　裏面照射型半導体装置、例えば、裏面照射型ＣＣＤは、シリコンを材料としたＣＣＤ素子（半導体検出素子）と、セラミック等を材料とした保護枠とを、接着剤によって接着した後、電気的に接続することにより構成される。かかるＣＣＤ素子は、通常の半導体プロセスにてポリシリコン電極よりなる電荷結合型の転送部分と、電荷読み出し部分のＦＥＴとを半導体基板の表面に形成して構成されるが、光や電子等のエネルギー線を表面側から照射すると、上記の電極等により入射が妨げられ、極微弱光に対する十分な感度が得られない。

　そこで、エネルギー線を裏面から照射する方式が採用されているが、その際には、周縁部分を残して裏面を化学的なエッチングにて２０μｍ程度に薄形化している。これにより、検出面、すなわち、裏面側から照射されたエネルギー線によって発生した信号電荷を読み出せるようにし、ＣＣＤによるエネルギー線の検出感度等の性能低下を抑制できるようにしている。ところが、ＣＣＤ素子が薄形化すると取り扱いミスによる破損、または、検出面のたわみによるデフォーカスといった問題点が生じる。このため、従来、薄板化工程の前に保護枠を接着したり、保護枠を堆積したりする構成が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。

　また、薄化された半導体検出素子と、当該半導体検出素子の周縁部の裏面が接着剤によって接着される保護枠と、半導体検出素子の表面に形成された電極部と保護枠に形成された配線部とを電気的に接続させる接続部材とを備え、半導体検出素子の表面が、当該表面側に充填されて硬化させられた充填材によって機械的に補強された裏面照射型半導体装置も知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開平６−３３４１５８号公報特開平６−３１８６８８号公報特開平６−３５００６８号公報

　しかし、例えば、ＣＣＤ素子を接着剤により保護枠と接着して機械的強度を改善するとしても、ＣＣＤ素子を構成する半導体材料と保護枠を構成するセラミック材料との熱膨張率の差に起因して、本来は平面であるべき検出面がたわんでしまう。この場合、例えば、両者の熱膨張率は極力合うように保護枠の材料を選定することが考えられるが、その製造プロセスで要求される温度である＋８００℃から使用温度である−３０℃までの広い温度領域で、両者の熱膨張率を完全に合せるのは事実上困難であるので、熱膨張率の差によるたわみは避けることはできない。

　また、保護枠を接着しなくても半導体基板を薄化することでたわみが生じることがある。例えば、１２×１２ｍｍ²の面積のＣＣＤ素子を２０μｍまで薄板化すると、表面層の電極材料や絶縁膜材料と、基板であるシリコンとの熱膨張差に起因し、それ自体でたわみが生じることがあり、結局、検出面を平面にすることは極めて困難であった。

　したがって、検出すべきエネルギー線の像を結像するための光学レンズや電子レンズの焦点を、検出面全体で一様に合わせられないという解決すべき課題があった。

　そこで本発明は、薄板化された半導体検出素子の機械的強度を保持しながら、検出面のたわみを防止できる裏面照射型半導体装置を提供することを目的とする。

　本発明に係る裏面照射型半導体装置は、裏面に照射される光や電子等のエネルギー線に感度を有する、周縁部の内側を裏面から薄化して構成された矩形の板状の半導体検出素子と、半導体検出素子の周縁部の裏面が接着剤によって接着される保護枠と、半導体検出素子の表面に形成された電極部と保護枠に形成された配線部とを電気的に接続させる接続部材と、半導体検出素子の表面側に充填されて硬化させられ、半導体検出素子の表面を機械的に補強する充填材と、を備えており、保護枠の熱膨張率が、半導体検出素子を構成する半導体基板の熱膨張率よりも大きいことを特徴としている。

　本発明に係る裏面照射型半導体装置によれば、保護枠の熱膨張率が半導体検出素子を構成する半導体基板の熱膨張率よりも大きいので、保護枠及び半導体検出素子（半導体基板）を昇温させた状態で充填材を硬化させることで、半導体検出素子は引っ張り応力を受けた状態で充填材により機械的に支持されることとなる。これにより、薄板化された半導体検出素子の機械的強度を保持しながら、検出面のたわみを防止できる。

　本発明によれば、薄板化された半導体検出素子の機械的強度を保持しながら、検出面のたわみを防止できる裏面照射型半導体装置を提供することができる。

　本発明の実施形態を図面を参照して説明する。前述の従来例と同一または同等のものについては簡略化若しくは省略するものとする。

　図１は、本発明の裏面照射型半導体装置の実施形態、すなわち本発明の製造方法の実施形態により実際に製作される裏面照射型ＣＣＤの斜視図を一部断面にて示したものである。この裏面照射型ＣＣＤは、半導体基板をベースとする矩形で板状のＣＣＤ素子（半導体検出素子）１０と、半導体基板の熱膨張率（３×１０^-6／℃）より大きい熱膨張率（７×１０^-6／℃）を有するアルミナセラミックを矩形で環状に成型した保護枠２０と、ＣＣＤ素子１０を表面から機械的に補強する機能と共に、これを冷却するためのヒートシンクとしての機能とを具備した充填材３０と、保護枠２０の外側で対向した二面において固定されている外部入出力ピン６０とからなる。そして、図１において矢印に示すように、ＣＣＤ素子１０の裏面から光や軟Ｘ線、紫外線（ｈν）あるいは電子線（ｅ^-）等の検出すべきエネルギー線が入射される。

　図２は、図１で示した裏面照射型ＣＣＤにおいて、充填材３０を取り除いたときの上面から見た図である。ＣＣＤ素子１０の周縁部において対向する二辺には、その表面上に電荷出力部としてのボンディングパッド１１が設けられている。保護枠２０は３段の階段形状を有し、最下段のダイアタッチ面２１から順に、メタライズ配線２２の形成された中段の面、最上段面２３が配置されている。ＣＣＤ素子１０の周縁部の裏面はダイアタッチ面２１で後述する接着剤４０により接着されている。ボンディングパッド１１とメタライズ配線２２はワイヤー５０（接続部材）により電気的に接続され、また、外部入出力ピン６０はメタライズ配線２２と電気的に接続され、信号を外部に取り出すようになっている。

　図３（ａ）は、図２で示したＣＣＤ素子１０のＡ−Ａ線断面図である。ＣＣＤ素子１０は、Ｐ⁺型シリコンウェハー上にＰ型シリコン層１３をエピタキシャル成長させたＰ／Ｐ⁺シリコンウェハーを材料とした半導体基板からなり、これをダイシング等によりチップ状に分割して構成されている。また、ＣＣＤ素子１０は半導体基板の周縁部を残して裏面側から薄化されている。

　図３（ｂ）は、図３（ａ）で示したＣＣＤ素子１０の周縁部近傍の拡大断面図である。ＣＣＤ素子１０は、半導体基板の周縁部分を残して、加熱した水酸化カリウム水溶液によりＰ⁺型シリコン１２がエッチングにより除去され、ほぼＰ型シリコン層１３の厚さまで薄化されている。また、その周縁部の反対面（表面）上に、前述したボンディングパッド１１が設けられている。

　図３（ｃ）は、図３（ｂ）で示したＣＣＤ素子１０のうち、薄化しているところの拡大断面図である。ＣＣＤ素子１０は、Ｐ型シリコン層１３を画素毎に電気的に分離するアイソレーション（図示せず）と、電荷転送部としてのｎウェル１４とが形成され、その表面上にゲート酸化膜１５と、ポリシリコンからなる転送電極１６ａ，ｂと、層間絶縁膜である酸化膜１７とが形成され、スイッチあるいは転送ゲートとしてのＦＥＴ（図示せず）が形成されている。また、Ｐ⁺型シリコン１２を除去して基板を薄化させた面、すなわち、裏面より、イオン注入によるアキュームレーション層１８が形成され、裏面の界面付近で生じた信号電荷がＣＣＤポテンシャル井戸に流れやすい構造にしている。また裏面には、必要に応じて、入射エネルギー線の反射防止膜を設ける。可視光に対しては１０^-5ｃｍの酸化膜が適する。なお、このＣＣＤ素子１０は、主に、フレームトランスファー型、または、フルフレームトランスファー型で利用されている。

　通常の表面入射型ＣＣＤでは、ポリシリコンの転送電極や層間絶縁膜がエネルギー線を吸収または反射するため、可視光領域では最大４０％程度の量子効率に制限されるが、本発明の裏面照射型ＣＣＤの場合では不具合はない。すなわち、エネルギー線の入射を阻害するものが少ない半導体基板の裏側よりエネルギー線が入射するので、エネルギー線はＰ型シリコン層１３で有効に吸収され、信号電荷を発生する。さらに、半導体基板は薄形化されているので、発生した電荷が表面側（転送電極１４ａ，ｂのある側）まで移動する間に、再結合による消滅や拡散による広がりが避けられる。よって、可視光領域では最大９０％の量子効率また紫外線領域でも５０％の感度が得られると共に、電子線に対しても高い感度が得られる。

　次に、このようなＣＣＤ素子１０と保護枠２０を用いた裏面照射型ＣＣＤの組立工程を図４（ａ）〜（ｃ）に従い説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は図２のＡ−Ａ線断面図を工程順に示している。

　はじめに、上記のようなＣＣＤ素子１０と保護枠２０を、別個のプロセスであらかじめ作製しておく。そして、図４（ａ）に示すように、ＣＣＤ素子１０の周縁部と保護枠２０のダイアタッチ部２１との間に液状の熱硬化型の接着剤４０を介在させて、両者を貼り合わせる。そして、加熱装置（図示せず）で昇温し、硬化温度Ｔ１（８０℃）で接着剤４０を硬化させると、ＣＣＤ素子１０と保護枠２０との両者は接着された状態で固着される。そのとき、ＣＣＤ素子１０には、引っ張り応力も圧縮応力も発生していない。なお、剛性を有するＣＣＤ素子１０の周縁部分と剛性を有するダイアタッチ面２１との間で接着しているので、接着面のボイドはほとんどなくなり、また、薄板化工程の後に保護枠２０とＣＣＤ素子１０とを接着しているので、エッチング液に対する耐薬品性を考慮する必要はなくなる。

　次に、加熱装置による昇温を停止して室温まで冷却すると、保護枠２０とＣＣＤ素子１０との熱膨張率の差により、ＣＣＤ素子１０は周縁部が固定された状態で圧縮力を受ける。この状態で図４（ｂ）に示すように、ＣＣＤ素子１０表面上のボンディングパッド１１と保護枠２０上のメタライズ配線２２とをワイヤー５０でボンディングし、電気的に接続させる。

　次に、図４（ｃ）に示すように、液状の充填材３０を、ＣＣＤ素子１０の表面側に、少なくともＣＣＤ素子１０の周縁部とその内側が被覆されるように、かつ充填材３０の上面が最上段面２３と一致するように均一に充填させる。充填材３０の選定に当たっては、硬化の際収縮の小さい材料、例えばエポキシ樹脂やシリコン樹脂が適する。またガラス転移点が８０℃程度で応力を吸収できるタイプが望ましい。さらに、充填材３０の熱膨張係数は、ＣＣＤ素子１０の熱膨張係数と、保護枠２０の熱膨張係数の中間程度が望ましいが、エポキシ系の充填材（熱膨張率は７０×１０^-6／℃）でも特に問題はない。

　しかる後、再び加熱装置を用いて昇温させる。接着剤４０の硬化温度Ｔ１になると、ＣＣＤ素子１０の圧縮力は解消され、さらに高温になるとＣＣＤ素子１０には引っ張り応力が生じる。そこで、充填材３０を接着剤の硬化温度Ｔ１（８０℃）より高い硬化温度Ｔ２（１５０℃）で硬化させる。そのとき、アルミナセラミックからできている保護枠２０の熱膨張率（７×１０^-6／℃）がＣＣＤ素子１０の熱膨張率（３×１０^-6／℃）より大きいので、ＣＣＤ素子１０は引っ張り応力を受けて伸張すると共に、充填材３０は硬化する。

　最後に、再び加熱装置による昇温を停止し、室温まで冷却すると、ＣＣＤ素子１０は圧縮力を受けるが、充填材３０がＣＣＤ素子１０の機械的支持台として作用し、ＣＣＤ素子１０にたわみが生じることはない。

　このように製作された裏面照射型ＣＣＤを、その使用温度である−３０℃に冷却する実験を行った。そのとき、クラック等の外観上の問題点、暗電流の増加や画質の劣化等の特性的な問題点も生じなかった。また、従来技術では検出面のたわみによりデフォーカス、すなわち、画像となるエネルギー線を検出面全体でフォーカスが合わせられないという問題があったが、本発明の裏面照射型半導体装置の製造方法ではたわみが解消されたことにより、デフォーカスのような問題は生じなかった。さらに、検出面が充填材３０で機械的に支持されることにより、取扱ミスによる破損がなくなった。その上、本発明により実際に製作された裏面照射型ＣＣＤはＣＣＤ素子１０で発生した熱を充填材３０により放熱し、ペルチエ素子等による冷却効率も著しく向上した。

本発明の実施形態に係る裏面照射型半導体装置の斜視図を一部断面にて示したものである。図１で示した裏面照射型ＣＣＤにおいて、充填材３０を取り除いたときの上面から見た図である。図２で示したＣＣＤ素子１０のＡ−Ａ線断面図である。図２のＡ−Ａ線断面図について製造工程を示したものである。

符号の説明

　１０…ＣＣＤ素子、１１…ボンディングパッド、１２…Ｐ⁺型シリコン、１３…Ｐ型シリコン層、１４…ｎウェル、１５…酸化膜、１６ａ，ｂ…転送電極、１７…酸化膜、１８…アキュームレーション層、２０…保護枠、２１…ダイアタッチ面、２２…メタライズ配線、２３…最上段面、３０…充填材、４０…接着剤、５０…ワイヤー、６０…外部入出力ピン。

Claims

　裏面に照射される光や電子等のエネルギー線に感度を有する、周縁部の内側を前記裏面から薄化して構成された矩形の板状の半導体検出素子と、
　前記半導体検出素子の前記周縁部の前記裏面が接着剤によって接着される保護枠と、
　前記半導体検出素子の表面に形成された電極部と前記保護枠に形成された配線部とを電気的に接続させる接続部材と、
　前記半導体検出素子の表面側に充填されて硬化させられ、前記半導体検出素子の表面を機械的に補強する充填材と、を備えており、
　前記保護枠の熱膨張率が、前記半導体検出素子を構成する半導体基板の熱膨張率よりも大きいことを特徴とする裏面照射型半導体装置。