JP2004031499A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化が可能で、製造が容易でかつ信頼性の高い固体撮像装置の製造方法を提供する。
【解決手段】固体撮像素子を形成してなる半導体基板１０１と、前記固体撮像素子の受光領域に対向して空隙をもつように前記半導体基板に接続された透光性部材２２０とを具備し、前記透光性部材は集光機能を有する光学部材を構成している。
【選択図】図１
【解決手段】固体撮像素子を形成してなる半導体基板１０１と、前記固体撮像素子の受光領域に対向して空隙をもつように前記半導体基板に接続された透光性部材２２０とを具備し、前記透光性部材は集光機能を有する光学部材を構成している。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法にかかり、特にチップ上にマイクロレンズを一体化したチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）タイプの固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を含む固体撮像素子は、携帯電話やデジタルカメラなどへの適用の必要性から小型化への要求が高まっている。
そのひとつとして、半導体チップの受光エリアにマイクロレンズを設けた固体撮像装置が提案されている。このような中で、例えば、受光エリアにマイクロレンズを設けた固体撮像装置を、固体撮像装置の受光エリアとマイクロレンズとの間に気密封止部をもつように一体的に実装することにより、小型化をはかるようにした固体撮像装置が提案されている（特開平７−２０２１５２号公報）。
【０００３】
かかる構成によれば、実装面積の低減をはかることができ、また、気密封止部の表面に、フィルタ、レンズ、プリズムなどの光学部品を接着することが可能となり、マイクロレンズの集光能力の低下を招くことなく、実装サイズの小型化を図ることが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような固体撮像装置の実装に際しては、信号の外部への取り出しに際して、固体撮像装置を実装する支持基板上に搭載し、ボンディングなどの方法により電気的接続を図るとともに封止を行う必要がある。このように、工数が多いことから、実装に多大な時間を要するという問題があった。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、製造が容易でかつ信頼性の高い固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
また本体への接続の容易な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、固体撮像素子を形成してなる半導体基板と、前記固体撮像素子の受光領域に対向して空隙をもつように前記半導体基板に接続された透光性部材とを具備し、前記透光性部材は集光機能を有する光学部材を構成していることを特徴とする。
【０００６】
かかる構成によれば、レンズなどの集光機能およびまたは結像機能を有する光学部材を一体化しているため、光学部材を実装する必要がなく小型で信頼性の高いものとなる。また、装着が容易でかつ装置へのアセンブリが容易であり、装置全体としての小型化を図ることが可能となる。また固体撮像素子の受光領域に対向して空隙をもつように透光性部材が半導体基板に接続されているため、小型でかつ集光性の良好な固体撮像装置を提供することが可能となる。
【０００７】
望ましくは、透光性部材をスペーサを介して前記半導体基板に接続することにより、空隙の寸法精度の向上をはかることができ、かつ低コストで光学特性の良好な固体撮像装置を得ることが可能となる。
【０００８】
望ましくは、スペーサは透光性部材と同一材料で構成すれば、透光性部材との間で温度変化に対しても熱膨張率の差に起因する歪が発生したりすることもなく、長寿命化を図ることが可能となる。
【０００９】
望ましくは、スペーサは半導体基板と同一材料で構成すれば、半導体基板との間で温度変化に対しても熱膨張率の差に起因する歪が発生したりすることもなく、長寿命化を図ることが可能となる。
【００１０】
望ましくは、スペーサを樹脂材料で構成するようにしてもよい。この樹脂材料は、固体撮像素子基板と透光性基板との間に充填してもよいし、シート状の樹脂材料で構成してもよい。スペーサの形成を、透光性部材と半導体基板との間に樹脂材料を充填することによって行うようにすれば、弾性により応力が吸収され、温度変化に対しても熱膨張率の差に起因する歪が発生したりすることもなく、長寿命化を図ることが可能となる。
【００１１】
望ましくは、スペーサは４２アロイまたはシリコンで構成すれば、低コストであり、また半導体基板との間で温度変化に対しても熱膨張率の差に起因する歪が発生したりすることもなく、長寿命化を図ることが可能となる。４２アロイに限定されることなく他の金属あるいは、セラミックス、無機材料などを用いるようにしてもよい。
【００１２】
そこで本発明の方法は、半導体基板表面に複数の固体撮像素子を形成する工程と、前記固体撮像素子の各受光領域に対向して空隙をもつように、前記半導体基板表面に 集光機能を有する光学部材を接合する工程と、前記接合工程で得られた接合体を、固体撮像素子ごとに分離する工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、固体撮像素子基板と集光機能を有する光学部材とを、ウェハレベルで位置決めし、一括して実装することにより一体化してから、固体撮像素子ごとに分離するようにしているため、製造が極めて容易でかつ信頼性の高い固体撮像装置を形成することが可能となる。
【００１４】
また望ましくは、前記光学部材を接合する工程は、前記固体撮像素子の形成領域に対応してレンズを具備すると共に凹部を有する透光性基板を用意し、前記透光性基板を前記半導体基板表面に接合するようにしている。
【００１５】
かかる構成によれば、透光性基板にレンズなどの光学部材および凹部を形成しておくのみで、容易に各受光領域に対向して空隙をもつように、凹部を形成することができるため、部品点数も少なく、製造が容易である。
【００１６】
望ましくは、前記接合する工程に先立ち、前記受光領域を囲むように前記半導体基板表面を選択的に除去することにより突出部を形成する工程を含み、前記突出部によって前記受光領域と前記光学部材との間に空隙が形成されるようにしたことを特徴とする。
【００１７】
かかる構成によれば、あらかじめ半導体基板表面に形成しておいた突出部（スペーサ）をはさんで実装するのみで容易に作業性よく信頼性の高い固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００１８】
また、前記接合する工程は、前記受光領域を囲むように配設されたスペーサを介して、前記半導体基板と前記光学部材との間に空隙が形成されるようにしたことを特徴とする。
【００１９】
かかる構成によれば、スペーサをはさむだけで容易に信頼性の高い固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００２０】
また、前記分離する工程は、前記半導体基板の周縁部表面が前記光学部材から露呈せしめられるように、前記光学部材の周縁部が前記半導体基板の周縁部よりも内方に位置するように前記光学部材を切断する工程を含むことを特徴とする。
【００２１】
かかる構成によれば、露呈した半導体基板表面で、容易に電極の取り出しを行うことが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつ説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
この固体撮像装置は、図１（ａ）に断面図、図１（ｂ）に要部拡大断面図を示すように、封止用カバーガラス自体に集光および結像機能をもたせ、光学部材を構成することにより、より小型化をはかるようにしたものである。
この封止用カバーガラス２２０は、モールドやエッチングあるいは透光性のポリカーボネート樹脂の表面にイオン移入により屈折率の異なるレンズ領域を形成する等の方法により形成される。固体撮像素子１０２の形成された半導体基板としてのシリコン基板１０１からなる固体撮像素子基板１００表面に、このシリコン基板１０１の受光領域に相当して空隙Ｃをもつようにスペーサ２０３Ｓを介して光学部材としてのレンズ付きガラス基板２２０が接合されるとともに、このシリコン基板１０１の周縁がダイシングによって個別に分離され、シリコン基板１０１表面に形成されたボンディングパッドＢＰを介して、外部回路（図示せず）との電気的接続が達成されるように構成されている。
【００２４】
この例では、図示しない一部の領域でボンディングパッドＢＰがスペーサから露呈するように形成され、信号取り出し端子および電流供給端子を構成している。ここでスペーサ２０３Ｓは、１０〜５００μｍ、好ましくは８０〜１２０μｍの高さとする。
【００２５】
ここでこの固体撮像素子基板は、図１（ｂ）に要部拡大断面図を示すように、表面に、固体撮像素子が配列されるとともに、ＲＧＢカラーフィルタ４６およびマイクロレンズ５０が形成されたシリコン基板１０１で構成されている。
【００２６】
この固体撮像素子は、ｎ型のシリコン基板１０１ａ表面に形成されたｐウェル１０１ｂ内に、チャンネルストッパ２８を形成し、このチャネルストッパを挟んでフォトダイオード１４と電荷転送素子３３とを形成してなるものである。ここでは、ｐ＋チャンネル領域１４ａ内にｎ型不純物領域１４ｂを形成し、フォトダイオード１４を形成している。また、ｐ＋チャンネル領域１４ａ内に、深さ０．３μｍ程度のｎ型不純物領域からなる垂直電荷転送チャネル２０を形成するとともに、この上層に酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜３０を介して形成された多結晶シリコン層からなる垂直電荷転送電極３２を形成し、電荷転送素子３３を構成している。またこの垂直電荷転送チャネル２０に信号電荷を読み出す側のフォトダイオード１４との間には、ｐ型不純物領域で形成された読み出しゲート用チャネル２６が形成されている。
【００２７】
そしてシリコン基板１０１表面にはこの読み出しゲート用チャネル２６に沿ってｎ型不純物領域１４ｂが露出しており、フォトダイオード１４で発生した信号電荷は、ｎ型不純物領域１４ｂに一時的に蓄積された後、読み出しゲート用チャネル２６を介して読み出されるようになっている。
【００２８】
一方、垂直電荷転送チャネル２０と他のフォトダイオード１４との間には、ｐ＋型不純物領域からなるチャンネルストッパ２８が存在し、これによりフォトダイオード１４と垂直電荷転送チャネル２０とが電気的に分離されると共に、垂直電荷転送チャネル２０同士も相互に接触しないように分離される。
【００２９】
そしてさらに、垂直電荷転送電極３２は読み出しゲート用チャネル２６を覆うとともに、ｎ型不純物領域１４ｂが露出し、チャンネルストッパ２８の一部が露出するように形成されている。なお、垂直電荷転送電極３２のうち、読み出し信号が印加される電極の下方にある読み出しゲート用チャネル２６から信号電荷が転送される。
【００３０】
そして垂直電荷転送電極３２は垂直電荷転送チャネル２０とともに、フォトダイオード１４のｐｎ接合で発生した信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送装置（ＶＣＣＤ）３３を構成している。垂直電荷転送電極３２の形成された基板表面は表面保護膜３６で被覆されこの上層にタングステンからなる遮光膜が形成されており、フォトダイオードの受光領域４０のみを開口し、他の領域は遮光するように構成されている。
【００３１】
そして更にこの垂直電荷転送電極３２の上層は表面平坦化のための平坦化絶縁膜４３およびこの上層に形成される透光性樹脂膜４４で被覆され、更にこの上層にフィルタ層４６が形成されている。フィルタ層４６は各フォトダイオード１４に対応して、所定のパターンをなすように赤色フィルタ層４６Ｒ、緑色フィルタ層４６Ｇ，青色フィルタ層４６Ｂが順次配列されている。
【００３２】
さらにこの上層は、平坦化絶縁膜４８を介して屈折率１．３〜２．０の感光性樹脂を含む透光性樹脂をフォトリソグラフィによってパターニングした後に溶融させ、表面張力によって丸めた後冷却することによって形成されたマイクロレンズ５０からなるマイクロレンズアレイで被覆されている。
【００３３】
次に、この固体撮像装置の製造工程を、図２（ａ１）乃至（ｄ）および図３（ａ）乃至（ｃ）に示す。
【００３４】
図２（ａ１）に示すように、イオン移入法によりレンズアレイを形成し、レンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を形成する。なおここでレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０はモールド、エッチングなどでも形成可能である。図２（ａ２）に示すように、スペーサ用のシリコン基板２０３に接着剤層２０２を形成し、図２（ｃ）に示すように一体化する。
そしてフォトリソグラフィを用いたエッチング法により形成したレジストパターンをマスクとして、エッチングを行い、図２（ｄ）に示すように、スペーサ２０３を形成した。
この後、図３（ｄ）に示す工程で形成されたレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０のスペーサ２０３Ｓ表面に接着剤層２０７を形成する（図３（ａ）に示す）。
【００３５】
一方、図３（ｂ）に示すように補強板７０１を形成してなる固体撮像素子基板、１００を用意する。素子基板の形成に際しては、図３（ｂ）に示すように、あらかじめ、シリコン基板１０１（ここでは４〜８インチウェハを用いる）を用意する。（図面では、一単位しか示していないが、１枚のウェハ上に複数の固体撮像素子が連続形成されている。）ここでこのシリコン基板１０１表面に、各固体撮像素子に分断するための分断線に相当する領域にエッチングなどの方法により切断溝を形成しておく等の方法により実装後の分断を容易にするようにしてもよい。
そして、通常のシリコンプロセスを用いて、チャンネルストッパ層を形成、チャネル領域を形成し、電荷転送電極・・などの素子領域１０２を形成する。また、表面に配線層を形成し、外部接続のために金層からなるボンディングパッドＢＰを形成する。
【００３６】
この後、図３（ｃ）に示すように、各基板の周縁部に形成したアライメントマークによって位置合わせを行い、前述のようにして素子領域の形成された固体撮像素子基板１００上に、スペーサ２０３Ｓが接着されたレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を載置し、加熱することにより接着剤層２０７によって両者を一体化させる。この工程は真空中または窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中で実行するのが望ましい。
【００３７】
またこのスペーサおよびレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０の製造工程の変形例を以下の実施の形態で説明する。
【００３８】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態では図４（ａ）および（ｂ）に示すように、レンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を用意し、この裏面側にエッチングにより凹部２２５を形成しスペーサ２２３Ｓを一体形成したことを特徴とするものである。他部については前記実施の形態と同様に形成されている。
【００３９】
かかる構成によれば容易に作業性よく形成することができ、また一体形成であるため歪の発生もなく信頼性の高いレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を得ることができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。
まず本実施の形態では、図５（ａ）に示すように、レンズアレイ付きガラス基板２２０を用意する。
そして、図５（ｂ）に示すように、このレンズアレイ付きガラス基板２２０の表面に、光造形法で光硬化性樹脂を形成し、スペーサ２２３Ｓを形成する。
このようにして容易に、スペーサを有するとともにスルーホールを形成した封止用カバーガラスを得ることができる。
あとは前記実施の形態で説明したのと同様に図３（ａ）乃至図３（ｃ）に示した実装工程を実行し、固体撮像素子基板と貼り合わせを行い、ダイシングを行うことにより、図３（ｃ）に示した固体撮像装置を得ることが可能となる。
【００４１】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
前記第１の実施の形態では、レンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０にシリコン基板を貼着し、これをパターニングするようにしたが、この例では、図６（ａ１）乃至（ｄ）に示すように、レンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０にエッチング法で形成されたスペーサ２０３Ｓを貼着してもよい。ここでも実装工程は前記第３の実施の形態と同様に固体撮像素子基板と貼りあわせを行い、ダイシングを行うことにより、固体撮像装置を得ることができる。
【００４２】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
また図７に示すように、レンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０、スペーサ２０３Ｓ、補強板７０１付き固体撮像素子基板１００を同時に固着するようにしてもよい。
【００４３】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。
また図８（ａ）乃至（ｄ）に示すように、周辺回路基板９０１を、異方性導電膜１１５を介して積層した固体撮像装置においてもレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を適用することも可能である。他部については前記の実施の形態と同様に形成されている。
また、この周辺回路基板９０１の接続に際しても、これ以外に、超音波を用いた拡散接合、半田接合、熱圧着による共晶接合も有効である。さらには樹脂でアンダーフィルするようにしてもよい。
板状体からなる封止用カバーガラス２００に代えてレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を用いてもよい。
【００４４】
（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。
また図９に示すように、固体撮像素子基板１００、周辺回路基板９０１および補強板７０１の順に積層してもよい。他部については前記実施の形態と同様に形成されている。
【００４５】
（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。
また図１０に示すように、スペーサの側壁に配線２２１を形成したものも有効である。
製造に際しては、スペーサにスルーホールを形成しスルーホール内に導体層を形成し、固体撮像素子基板およびレンズ付き封止用カバーガラス２２０を貼り合わせた後、スルーホールを含むダイシングラインで分割することにより容易に側壁配線が可能となる。他部については前記実施の形態と同様に形成されている。
【００４６】
なお、前記実施の形態では、封止用カバーグラスを構成するガラス基板とスペーサとの接合および固体撮像素子基板と封止用カバーガラスとの接合を、接着剤層を用いて行う方法について説明したが、全ての実施の形態において、スペーサと固体撮像素子基板表面がＳｉや金属や無機化合物の場合、接着剤を用いることなく、適宜、表面活性化常温接合で接合することもできる。カバーガラスがパイレックスで、スペーサがシリコンの場合，陽極接合も使用可能である。接着剤層を用いる場合、接着剤層としても、ＵＶ接着剤のみならず熱硬化性接着剤、半硬化性接着剤、熱硬化併用ＵＶ硬化性接着剤を用いても良い。
【００４７】
また、全実施の形態においてスペーサとしては、シリコン基板のほか、４２アロイ、金属、ガラス、感光性ポリイミド、ポリカーボネート樹脂など適宜選択可能である。
【００４８】
また、固体撮像素子基板と封止用カバーガラスとの接合を、接着剤層を用いて行うに際し、液溜めを形成しておくなどにより、溶融した接着剤層が流出しないようにするとよい。また、スペーサと固体撮像素子基板あるいは封止用カバーガラスとの接合部についても同様で、接合部に凹部または凸部を形成し液溜めを形成しておくなどにより、溶融した接着剤層が流出しないようにするとよい。
【００４９】
なお、前記実施の形態では、切断溝を形成したものに対する個々の素子へ分離は、切断溝の位置までＣＭＰを行うようにしたが、研削、ポリッシングあるいは全面エッチングなどを用いることも可能である。
【００５０】
また、前記実施の形態において、補強板（７０１）を用いる場合、材料としては、必要に応じて、ポリイミド樹脂、セラミック、結晶化ガラス、表面および裏面を酸化されたシリコン基板などで構成すれば、断熱基板の役割を持たせることができる。また防湿性を有する封止材料あるいは遮光材料で形成するようにしてもよい。
【００５１】
また、前記実施の形態において、ガラス基板とスペーサの貼り合わせを必要とする場合は、紫外線硬化樹脂、熱硬化性樹脂あるいはこれらの併用、あるいは半硬化の接着剤塗布によって実行するようにしてもよいが、この接着剤の形成に際してはディスペンサでの供給、スクリーン印刷、スタンプ転写など適宜選択可能である。
【００５２】
加えて、各実施の形態で述べた例については、全形態にわたって適用可能な範囲で相互に変形可能である。
【００５３】
なお、前記第１の実施の形態では、ボンディングパッドを含む配線層は金層で構成したが、金層に限定されることなく、アルミニウムなど他の金属、あるいはシリサイドなど他の導体層でも良いことはいうまでもない。
また、マイクロレンズアレイについても、基板表面に透明樹脂膜を形成しておき、この表面からイオン移入によって所定の深さに屈折率勾配を有するレンズ層を形成することによって形成することもできる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の固体撮像装置によれば、レンズなどの光学部材付き透光性基板を用いているため、光学部材を実装する必要がなく、小型で信頼性の高いものとなる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、レンズなどの光学部材付き透光性基板に対し、固体撮像素子基板をウェハレベルで位置決めし、外部取り出し用電極端子の形成を含めて、一括して実装することにより一体化してから、固体撮像素子ごとに分離するようにしているため、製造が容易でかつ信頼性の高い固体撮像装置を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）および（ｂ）は本発明の第１の実施の固体撮像装置を示す断面図および要部拡大断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図９】本発明の第７の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図１０】本発明の第８の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１００ 固体撮像素子基板
１０１ シリコン基板
１０２ 固体撮像素子
２２０ 封止用カバーガラス
２２１ ガラス基板
２０３Ｓ スペーサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法にかかり、特にチップ上にマイクロレンズを一体化したチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）タイプの固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を含む固体撮像素子は、携帯電話やデジタルカメラなどへの適用の必要性から小型化への要求が高まっている。
そのひとつとして、半導体チップの受光エリアにマイクロレンズを設けた固体撮像装置が提案されている。このような中で、例えば、受光エリアにマイクロレンズを設けた固体撮像装置を、固体撮像装置の受光エリアとマイクロレンズとの間に気密封止部をもつように一体的に実装することにより、小型化をはかるようにした固体撮像装置が提案されている（特開平７−２０２１５２号公報）。
【０００３】
かかる構成によれば、実装面積の低減をはかることができ、また、気密封止部の表面に、フィルタ、レンズ、プリズムなどの光学部品を接着することが可能となり、マイクロレンズの集光能力の低下を招くことなく、実装サイズの小型化を図ることが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような固体撮像装置の実装に際しては、信号の外部への取り出しに際して、固体撮像装置を実装する支持基板上に搭載し、ボンディングなどの方法により電気的接続を図るとともに封止を行う必要がある。このように、工数が多いことから、実装に多大な時間を要するという問題があった。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、製造が容易でかつ信頼性の高い固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
また本体への接続の容易な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、固体撮像素子を形成してなる半導体基板と、前記固体撮像素子の受光領域に対向して空隙をもつように前記半導体基板に接続された透光性部材とを具備し、前記透光性部材は集光機能を有する光学部材を構成していることを特徴とする。
【０００６】
かかる構成によれば、レンズなどの集光機能およびまたは結像機能を有する光学部材を一体化しているため、光学部材を実装する必要がなく小型で信頼性の高いものとなる。また、装着が容易でかつ装置へのアセンブリが容易であり、装置全体としての小型化を図ることが可能となる。また固体撮像素子の受光領域に対向して空隙をもつように透光性部材が半導体基板に接続されているため、小型でかつ集光性の良好な固体撮像装置を提供することが可能となる。
【０００７】
望ましくは、透光性部材をスペーサを介して前記半導体基板に接続することにより、空隙の寸法精度の向上をはかることができ、かつ低コストで光学特性の良好な固体撮像装置を得ることが可能となる。
【０００８】
望ましくは、スペーサは透光性部材と同一材料で構成すれば、透光性部材との間で温度変化に対しても熱膨張率の差に起因する歪が発生したりすることもなく、長寿命化を図ることが可能となる。
【０００９】
望ましくは、スペーサは半導体基板と同一材料で構成すれば、半導体基板との間で温度変化に対しても熱膨張率の差に起因する歪が発生したりすることもなく、長寿命化を図ることが可能となる。
【００１０】
望ましくは、スペーサを樹脂材料で構成するようにしてもよい。この樹脂材料は、固体撮像素子基板と透光性基板との間に充填してもよいし、シート状の樹脂材料で構成してもよい。スペーサの形成を、透光性部材と半導体基板との間に樹脂材料を充填することによって行うようにすれば、弾性により応力が吸収され、温度変化に対しても熱膨張率の差に起因する歪が発生したりすることもなく、長寿命化を図ることが可能となる。
【００１１】
望ましくは、スペーサは４２アロイまたはシリコンで構成すれば、低コストであり、また半導体基板との間で温度変化に対しても熱膨張率の差に起因する歪が発生したりすることもなく、長寿命化を図ることが可能となる。４２アロイに限定されることなく他の金属あるいは、セラミックス、無機材料などを用いるようにしてもよい。
【００１２】
そこで本発明の方法は、半導体基板表面に複数の固体撮像素子を形成する工程と、前記固体撮像素子の各受光領域に対向して空隙をもつように、前記半導体基板表面に 集光機能を有する光学部材を接合する工程と、前記接合工程で得られた接合体を、固体撮像素子ごとに分離する工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、固体撮像素子基板と集光機能を有する光学部材とを、ウェハレベルで位置決めし、一括して実装することにより一体化してから、固体撮像素子ごとに分離するようにしているため、製造が極めて容易でかつ信頼性の高い固体撮像装置を形成することが可能となる。
【００１４】
また望ましくは、前記光学部材を接合する工程は、前記固体撮像素子の形成領域に対応してレンズを具備すると共に凹部を有する透光性基板を用意し、前記透光性基板を前記半導体基板表面に接合するようにしている。
【００１５】
かかる構成によれば、透光性基板にレンズなどの光学部材および凹部を形成しておくのみで、容易に各受光領域に対向して空隙をもつように、凹部を形成することができるため、部品点数も少なく、製造が容易である。
【００１６】
望ましくは、前記接合する工程に先立ち、前記受光領域を囲むように前記半導体基板表面を選択的に除去することにより突出部を形成する工程を含み、前記突出部によって前記受光領域と前記光学部材との間に空隙が形成されるようにしたことを特徴とする。
【００１７】
かかる構成によれば、あらかじめ半導体基板表面に形成しておいた突出部（スペーサ）をはさんで実装するのみで容易に作業性よく信頼性の高い固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００１８】
また、前記接合する工程は、前記受光領域を囲むように配設されたスペーサを介して、前記半導体基板と前記光学部材との間に空隙が形成されるようにしたことを特徴とする。
【００１９】
かかる構成によれば、スペーサをはさむだけで容易に信頼性の高い固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００２０】
また、前記分離する工程は、前記半導体基板の周縁部表面が前記光学部材から露呈せしめられるように、前記光学部材の周縁部が前記半導体基板の周縁部よりも内方に位置するように前記光学部材を切断する工程を含むことを特徴とする。
【００２１】
かかる構成によれば、露呈した半導体基板表面で、容易に電極の取り出しを行うことが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつ説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
この固体撮像装置は、図１（ａ）に断面図、図１（ｂ）に要部拡大断面図を示すように、封止用カバーガラス自体に集光および結像機能をもたせ、光学部材を構成することにより、より小型化をはかるようにしたものである。
この封止用カバーガラス２２０は、モールドやエッチングあるいは透光性のポリカーボネート樹脂の表面にイオン移入により屈折率の異なるレンズ領域を形成する等の方法により形成される。固体撮像素子１０２の形成された半導体基板としてのシリコン基板１０１からなる固体撮像素子基板１００表面に、このシリコン基板１０１の受光領域に相当して空隙Ｃをもつようにスペーサ２０３Ｓを介して光学部材としてのレンズ付きガラス基板２２０が接合されるとともに、このシリコン基板１０１の周縁がダイシングによって個別に分離され、シリコン基板１０１表面に形成されたボンディングパッドＢＰを介して、外部回路（図示せず）との電気的接続が達成されるように構成されている。
【００２４】
この例では、図示しない一部の領域でボンディングパッドＢＰがスペーサから露呈するように形成され、信号取り出し端子および電流供給端子を構成している。ここでスペーサ２０３Ｓは、１０〜５００μｍ、好ましくは８０〜１２０μｍの高さとする。
【００２５】
ここでこの固体撮像素子基板は、図１（ｂ）に要部拡大断面図を示すように、表面に、固体撮像素子が配列されるとともに、ＲＧＢカラーフィルタ４６およびマイクロレンズ５０が形成されたシリコン基板１０１で構成されている。
【００２６】
この固体撮像素子は、ｎ型のシリコン基板１０１ａ表面に形成されたｐウェル１０１ｂ内に、チャンネルストッパ２８を形成し、このチャネルストッパを挟んでフォトダイオード１４と電荷転送素子３３とを形成してなるものである。ここでは、ｐ＋チャンネル領域１４ａ内にｎ型不純物領域１４ｂを形成し、フォトダイオード１４を形成している。また、ｐ＋チャンネル領域１４ａ内に、深さ０．３μｍ程度のｎ型不純物領域からなる垂直電荷転送チャネル２０を形成するとともに、この上層に酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜３０を介して形成された多結晶シリコン層からなる垂直電荷転送電極３２を形成し、電荷転送素子３３を構成している。またこの垂直電荷転送チャネル２０に信号電荷を読み出す側のフォトダイオード１４との間には、ｐ型不純物領域で形成された読み出しゲート用チャネル２６が形成されている。
【００２７】
そしてシリコン基板１０１表面にはこの読み出しゲート用チャネル２６に沿ってｎ型不純物領域１４ｂが露出しており、フォトダイオード１４で発生した信号電荷は、ｎ型不純物領域１４ｂに一時的に蓄積された後、読み出しゲート用チャネル２６を介して読み出されるようになっている。
【００２８】
一方、垂直電荷転送チャネル２０と他のフォトダイオード１４との間には、ｐ＋型不純物領域からなるチャンネルストッパ２８が存在し、これによりフォトダイオード１４と垂直電荷転送チャネル２０とが電気的に分離されると共に、垂直電荷転送チャネル２０同士も相互に接触しないように分離される。
【００２９】
そしてさらに、垂直電荷転送電極３２は読み出しゲート用チャネル２６を覆うとともに、ｎ型不純物領域１４ｂが露出し、チャンネルストッパ２８の一部が露出するように形成されている。なお、垂直電荷転送電極３２のうち、読み出し信号が印加される電極の下方にある読み出しゲート用チャネル２６から信号電荷が転送される。
【００３０】
そして垂直電荷転送電極３２は垂直電荷転送チャネル２０とともに、フォトダイオード１４のｐｎ接合で発生した信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送装置（ＶＣＣＤ）３３を構成している。垂直電荷転送電極３２の形成された基板表面は表面保護膜３６で被覆されこの上層にタングステンからなる遮光膜が形成されており、フォトダイオードの受光領域４０のみを開口し、他の領域は遮光するように構成されている。
【００３１】
そして更にこの垂直電荷転送電極３２の上層は表面平坦化のための平坦化絶縁膜４３およびこの上層に形成される透光性樹脂膜４４で被覆され、更にこの上層にフィルタ層４６が形成されている。フィルタ層４６は各フォトダイオード１４に対応して、所定のパターンをなすように赤色フィルタ層４６Ｒ、緑色フィルタ層４６Ｇ，青色フィルタ層４６Ｂが順次配列されている。
【００３２】
さらにこの上層は、平坦化絶縁膜４８を介して屈折率１．３〜２．０の感光性樹脂を含む透光性樹脂をフォトリソグラフィによってパターニングした後に溶融させ、表面張力によって丸めた後冷却することによって形成されたマイクロレンズ５０からなるマイクロレンズアレイで被覆されている。
【００３３】
次に、この固体撮像装置の製造工程を、図２（ａ１）乃至（ｄ）および図３（ａ）乃至（ｃ）に示す。
【００３４】
図２（ａ１）に示すように、イオン移入法によりレンズアレイを形成し、レンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を形成する。なおここでレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０はモールド、エッチングなどでも形成可能である。図２（ａ２）に示すように、スペーサ用のシリコン基板２０３に接着剤層２０２を形成し、図２（ｃ）に示すように一体化する。
そしてフォトリソグラフィを用いたエッチング法により形成したレジストパターンをマスクとして、エッチングを行い、図２（ｄ）に示すように、スペーサ２０３を形成した。
この後、図３（ｄ）に示す工程で形成されたレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０のスペーサ２０３Ｓ表面に接着剤層２０７を形成する（図３（ａ）に示す）。
【００３５】
一方、図３（ｂ）に示すように補強板７０１を形成してなる固体撮像素子基板、１００を用意する。素子基板の形成に際しては、図３（ｂ）に示すように、あらかじめ、シリコン基板１０１（ここでは４〜８インチウェハを用いる）を用意する。（図面では、一単位しか示していないが、１枚のウェハ上に複数の固体撮像素子が連続形成されている。）ここでこのシリコン基板１０１表面に、各固体撮像素子に分断するための分断線に相当する領域にエッチングなどの方法により切断溝を形成しておく等の方法により実装後の分断を容易にするようにしてもよい。
そして、通常のシリコンプロセスを用いて、チャンネルストッパ層を形成、チャネル領域を形成し、電荷転送電極・・などの素子領域１０２を形成する。また、表面に配線層を形成し、外部接続のために金層からなるボンディングパッドＢＰを形成する。
【００３６】
この後、図３（ｃ）に示すように、各基板の周縁部に形成したアライメントマークによって位置合わせを行い、前述のようにして素子領域の形成された固体撮像素子基板１００上に、スペーサ２０３Ｓが接着されたレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を載置し、加熱することにより接着剤層２０７によって両者を一体化させる。この工程は真空中または窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中で実行するのが望ましい。
【００３７】
またこのスペーサおよびレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０の製造工程の変形例を以下の実施の形態で説明する。
【００３８】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態では図４（ａ）および（ｂ）に示すように、レンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を用意し、この裏面側にエッチングにより凹部２２５を形成しスペーサ２２３Ｓを一体形成したことを特徴とするものである。他部については前記実施の形態と同様に形成されている。
【００３９】
かかる構成によれば容易に作業性よく形成することができ、また一体形成であるため歪の発生もなく信頼性の高いレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を得ることができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。
まず本実施の形態では、図５（ａ）に示すように、レンズアレイ付きガラス基板２２０を用意する。
そして、図５（ｂ）に示すように、このレンズアレイ付きガラス基板２２０の表面に、光造形法で光硬化性樹脂を形成し、スペーサ２２３Ｓを形成する。
このようにして容易に、スペーサを有するとともにスルーホールを形成した封止用カバーガラスを得ることができる。
あとは前記実施の形態で説明したのと同様に図３（ａ）乃至図３（ｃ）に示した実装工程を実行し、固体撮像素子基板と貼り合わせを行い、ダイシングを行うことにより、図３（ｃ）に示した固体撮像装置を得ることが可能となる。
【００４１】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
前記第１の実施の形態では、レンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０にシリコン基板を貼着し、これをパターニングするようにしたが、この例では、図６（ａ１）乃至（ｄ）に示すように、レンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０にエッチング法で形成されたスペーサ２０３Ｓを貼着してもよい。ここでも実装工程は前記第３の実施の形態と同様に固体撮像素子基板と貼りあわせを行い、ダイシングを行うことにより、固体撮像装置を得ることができる。
【００４２】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
また図７に示すように、レンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０、スペーサ２０３Ｓ、補強板７０１付き固体撮像素子基板１００を同時に固着するようにしてもよい。
【００４３】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。
また図８（ａ）乃至（ｄ）に示すように、周辺回路基板９０１を、異方性導電膜１１５を介して積層した固体撮像装置においてもレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を適用することも可能である。他部については前記の実施の形態と同様に形成されている。
また、この周辺回路基板９０１の接続に際しても、これ以外に、超音波を用いた拡散接合、半田接合、熱圧着による共晶接合も有効である。さらには樹脂でアンダーフィルするようにしてもよい。
板状体からなる封止用カバーガラス２００に代えてレンズアレイ付き封止用カバーガラス２２０を用いてもよい。
【００４４】
（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。
また図９に示すように、固体撮像素子基板１００、周辺回路基板９０１および補強板７０１の順に積層してもよい。他部については前記実施の形態と同様に形成されている。
【００４５】
（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。
また図１０に示すように、スペーサの側壁に配線２２１を形成したものも有効である。
製造に際しては、スペーサにスルーホールを形成しスルーホール内に導体層を形成し、固体撮像素子基板およびレンズ付き封止用カバーガラス２２０を貼り合わせた後、スルーホールを含むダイシングラインで分割することにより容易に側壁配線が可能となる。他部については前記実施の形態と同様に形成されている。
【００４６】
なお、前記実施の形態では、封止用カバーグラスを構成するガラス基板とスペーサとの接合および固体撮像素子基板と封止用カバーガラスとの接合を、接着剤層を用いて行う方法について説明したが、全ての実施の形態において、スペーサと固体撮像素子基板表面がＳｉや金属や無機化合物の場合、接着剤を用いることなく、適宜、表面活性化常温接合で接合することもできる。カバーガラスがパイレックスで、スペーサがシリコンの場合，陽極接合も使用可能である。接着剤層を用いる場合、接着剤層としても、ＵＶ接着剤のみならず熱硬化性接着剤、半硬化性接着剤、熱硬化併用ＵＶ硬化性接着剤を用いても良い。
【００４７】
また、全実施の形態においてスペーサとしては、シリコン基板のほか、４２アロイ、金属、ガラス、感光性ポリイミド、ポリカーボネート樹脂など適宜選択可能である。
【００４８】
また、固体撮像素子基板と封止用カバーガラスとの接合を、接着剤層を用いて行うに際し、液溜めを形成しておくなどにより、溶融した接着剤層が流出しないようにするとよい。また、スペーサと固体撮像素子基板あるいは封止用カバーガラスとの接合部についても同様で、接合部に凹部または凸部を形成し液溜めを形成しておくなどにより、溶融した接着剤層が流出しないようにするとよい。
【００４９】
なお、前記実施の形態では、切断溝を形成したものに対する個々の素子へ分離は、切断溝の位置までＣＭＰを行うようにしたが、研削、ポリッシングあるいは全面エッチングなどを用いることも可能である。
【００５０】
また、前記実施の形態において、補強板（７０１）を用いる場合、材料としては、必要に応じて、ポリイミド樹脂、セラミック、結晶化ガラス、表面および裏面を酸化されたシリコン基板などで構成すれば、断熱基板の役割を持たせることができる。また防湿性を有する封止材料あるいは遮光材料で形成するようにしてもよい。
【００５１】
また、前記実施の形態において、ガラス基板とスペーサの貼り合わせを必要とする場合は、紫外線硬化樹脂、熱硬化性樹脂あるいはこれらの併用、あるいは半硬化の接着剤塗布によって実行するようにしてもよいが、この接着剤の形成に際してはディスペンサでの供給、スクリーン印刷、スタンプ転写など適宜選択可能である。
【００５２】
加えて、各実施の形態で述べた例については、全形態にわたって適用可能な範囲で相互に変形可能である。
【００５３】
なお、前記第１の実施の形態では、ボンディングパッドを含む配線層は金層で構成したが、金層に限定されることなく、アルミニウムなど他の金属、あるいはシリサイドなど他の導体層でも良いことはいうまでもない。
また、マイクロレンズアレイについても、基板表面に透明樹脂膜を形成しておき、この表面からイオン移入によって所定の深さに屈折率勾配を有するレンズ層を形成することによって形成することもできる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の固体撮像装置によれば、レンズなどの光学部材付き透光性基板を用いているため、光学部材を実装する必要がなく、小型で信頼性の高いものとなる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、レンズなどの光学部材付き透光性基板に対し、固体撮像素子基板をウェハレベルで位置決めし、外部取り出し用電極端子の形成を含めて、一括して実装することにより一体化してから、固体撮像素子ごとに分離するようにしているため、製造が容易でかつ信頼性の高い固体撮像装置を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）および（ｂ）は本発明の第１の実施の固体撮像装置を示す断面図および要部拡大断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図９】本発明の第７の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【図１０】本発明の第８の実施の形態の固体撮像装置の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１００ 固体撮像素子基板
１０１ シリコン基板
１０２ 固体撮像素子
２２０ 封止用カバーガラス
２２１ ガラス基板
２０３Ｓ スペーサ
Claims (13)
- 固体撮像素子を形成してなる半導体基板と、
前記固体撮像素子の受光領域に対向して空隙をもつように前記半導体基板に接続された透光性部材とを具備し、
前記透光性部材は集光機能を有する光学部材を構成していることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記透光性部材はスペーサを介して前記半導体基板に接続されている事を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記スペーサは前記透光性部材と同一材料で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
- 前記スペーサは前記半導体基板と同一材料で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
- 前記スペーサは樹脂材料であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
- 前記スペーサは、４２アロイまたはシリコンで構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記半導体基板の周縁部表面が前記透光性部材から露呈せしめられていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
- 前記露呈せしめられた露呈部に接続端子を具備してなることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
- 半導体基板表面に複数の固体撮像素子を形成する工程と、
前記固体撮像素子の各受光領域に対向して空隙をもつように、前記半導体基板表面に 集光機能を有する光学部材を接合する工程と、
前記接合工程で得られた接合体を、固体撮像素子ごとに分離する工程とを含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記透光性部材を接合する工程は、
前記固体撮像素子の形成領域に対応する位置に複数の凹部を有するとともに集光機能をもつ透光性基板を用意する工程と、
前記透光性基板を前記半導体基板表面に接合する工程とを含むことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記接合する工程に先立ち、前記受光領域を囲むように前記半導体基板表面に突出部を形成する工程を含み、前記突出部によって前記受光領域と前記透光性部材との間に空隙が形成されるようにしたことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。
- 前記接合する工程は、前記受光領域を囲むように配設されたスペーサを介して、前記半導体基板と前記透光性部材との間に空隙が形成されるようにしたことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。
- 前記分離する工程は、前記半導体基板の周縁部表面が前記透光性部材から露呈せしめられるように、前記透光性部材の周縁部が前記半導体基板の周縁部よりも内方に位置するように前記透光性部材を切断する工程を含むことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
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