JP2006190944A - 画像センサ・ダイ - Google Patents
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Abstract
【課題】マイクロレンズ上が粒子汚染されない画像センサ・ダイ構造を提供する。
【解決手段】本発明の画像センサ・ダイは、基板（１００）と、この基板上に形成された画像センサ・アレイ（１０２）と、この画像センサ・アレイ上に配置されたマイクロレンズ（１４０）と、このマイクロレンズが粒子汚染されるのを防止するためにこのマイクロレンズ上に形成された保護層（１５０）とを備える。
【選択図】図３
【解決手段】本発明の画像センサ・ダイは、基板（１００）と、この基板上に形成された画像センサ・アレイ（１０２）と、この画像センサ・アレイ上に配置されたマイクロレンズ（１４０）と、このマイクロレンズが粒子汚染されるのを防止するためにこのマイクロレンズ上に形成された保護層（１５０）とを備える。
【選択図】図３
Description
相互参照情報
本発明は、本出願と同一譲受人によって２００４年４月２８日に出願された、「画像センサ・モジュールの構造及びウエハー・レベル・パッケージの製造方法(Structure of image sensor module and a method for manufacturing of wafer level package)」という発明の名称である、米国同時係属出願第１０／８３３，３４５号の関連出願である。この同時係属出願は、参照により本明細書中に組み込まれる。
本発明は、本出願と同一譲受人によって２００４年４月２８日に出願された、「画像センサ・モジュールの構造及びウエハー・レベル・パッケージの製造方法(Structure of image sensor module and a method for manufacturing of wafer level package)」という発明の名称である、米国同時係属出願第１０／８３３，３４５号の関連出願である。この同時係属出願は、参照により本明細書中に組み込まれる。
本発明は、画像センサに関し、より詳細には、マイクロレンズ上が粒子汚染されない画像センサ構造及びその製造方法に関する。
半導体技術は、非常に速い速度で発展しており、特に、半導体ダイは、小型化する傾向にある。しかしながら、半導体ダイの機能に対する要求は、逆に多様化する傾向にある。つまり、半導体ダイは、より多くの入出力パッドをより小さな領域に収めなくてはならないため、ピンの密度がすぐに高くなる。これにより、半導体ダイのパッケージング（実装）がより困難になると共に、歩留まりが低下する。パッケージ構造の主な目的は、ダイを外傷から保護することである。さらに、ダイの動作を確実にするために、ダイにより発生される熱はパッケージ構造を介して効率的に拡散されなければならない。ほとんどのパッケージ法では、ウエハー上のダイを各ダイに分割し、これらのダイをそれぞれパッケージング及びテストする。「ウエハー・レベル・パッケージ（Wafer Level Package(ＷＬＰ)）」と呼ばれる別のパッケージ法では、ウエハー上のダイをパッケージングしてから、それぞれのダイに分割することができる。このＷＬＰ法には、生産サイクル時間を短縮する、コストを削減する、及び、アンダーフィル若しくはモールディングを行う必要がない、というようないくつかの利点がある。
デジタル画像技術は、デジタルカメラ、画像スキャナなどのような、画像撮影機器に多く適用されてきた。従来のＣＭＯＳセンサが、回路基板上に配置される。このＣＭＯＳセンサ内には、チップが固定されている。レンズ・シートには、画像をこのＣＭＯＳセンサのチップ上に集束させる集束レンズが備えられている。このレンズを介して、画像信号が、チップによって、アナログ信号をデジタル信号へ変換するデジタル・プロセッサへ送信される。ＣＭＯＳセンサのチップは、赤外線及び塵埃粒子に対して比較的感度が高い。不要粒子がセンサから除去されないと、デバイスの質が低下することとなる。不要粒子を除去するという目的を達成するために、手作業で除去を行うと、高感度チップを損傷させてしまうことがある。一般的には、画像センサ・モジュールは、ＣＯＢ(Chip on Board)法又はＬＣＣ(Leaded Chip Carrier)法を用いることによって形成される。ＣＯＢ法の欠点は、感知領域が粒子汚染されることによって、パッケージング処理中における歩留まり率が低い点である。また、ＬＣＣ法の欠点は、パッケージング・コストが高い点と、感知領域が粒子汚染されることによって歩留まり率が低い点である。
さらに、マイクロレンズは、固体撮像素子として用いられる半導体における光学素子である。マイクロレンズの設計及び製造において最も重要な留意事項の１つは、感光性である。マイクロレンズの感光性が低下し得る原因の１つに、各マイクロレンズの面積が最適値よりも下回ったということがある。さらに、シェル・ケース(SHELL CASE)社も、ウエハー・レベル・パッケージ法を開発しているが、このシェル・ケース社によりパッケージングされた画像センサ・ダイは、２つのガラス板と複雑な処理を必要とするため、コストが高い。また、エポキシが摩耗することにより透過性が悪くなり、潜在的信頼性が低下し得る。１９９６年５月７日に発行された、ヨシカズ サノ(Yoshikazu Sano)らによる、「オンチップ・スクリーン・タイプの固体画像センサ及びその製造方法(ON-CHIP SCREEN TYPE SOLID STATE IMAGE SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF)」という発明の名称である、米国特許第５，５１４，８８８号は、シリコン基板上に電荷結合素子（ＣＣＤ）を形成する方法を教示している。マイクロレンズ・アレイが、従来のリソグラフィー及びリフロー法を用いて、ＣＣＤアレイ上に形成されている。
ゆえに、感知領域上が粒子汚染されない斬新な画像センサ構造を提供することが望まれている。
米国特許第５，５１４，８８８号明細書
従って、本発明は、従来技術における上記課題を考慮して成され、本発明の目的は、マイクロレンズ上が粒子汚染されない画像センサ・ダイ構造及びその製造方法を提供することである。
本発明の画像センサ・ダイは、基板と、この基板上に形成された画像センサ・アレイとを備える。この画像センサ・アレイ上には、マイクロレンズが配置される。このマイクロレンズ上には、撥水性及び／又は撥油性の保護層が形成され、このマイクロレンズが粒子汚染されるのを防止する。この保護層は、低屈折率層であるのが好ましい。また、この保護層は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＳＯＧ(Spin on Glass)、ポリカーボネート、フルオロポリマー、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3を含む。画像センサ・アレイは、ＣＭＯＳ又はＣＣＤを含む。本発明の画像センサ・ダイは、保護層上に形成されたフィルタリング層をさらに備える。また、本発明の画像センサ・ダイは、画像センサ・アレイ上に形成されたカラー・フィルタをさらに備える。
ここで、本発明の実例であるいくつかの実施形態を、より詳細に説明する。しかし、当然のことながら、本発明は、ここに明示した実施形態以外の様々な実施形態において実施してもよく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲で特定されている場合を除き、はっきりと制限されるわけではない。また、異なる部材の構成要素は、同じ縮尺で示されていない。本発明をより明確に説明及び理解できるように、関連要素の寸法は誇張されているものもあり、無意味な部分は描かれていない。
図１に示されているようなウエハー・レベル・パッケージ構造が提供される。このパッケージ構造は、絶縁ベース２００、画像センサ・ダイ２０１及び２０２、第１誘電体層２０５、第２誘電体層２０７、接触導電層２０６、絶縁層２０９、並びに、はんだボール２０８を備える。絶縁ベース２００の材料は、ガラス、シリコン、セラミック、又は水晶などであってよく、さらに、形状は円形であっても矩形であってもよい。画像センサ・ダイ２０１及び２０２は、横並び構造でパッケージングされている。これらの画像センサ・ダイ２０１及び２０２は、熱伝導性の良好な紫外線硬化タイプ及び／又は熱硬化タイプの接着材料２０３によって、絶縁ベース２００に接着されている。第１誘電体層２０５は、絶縁ベース２００上に形成され、絶縁ベース２００上の画像センサ・ダイ２０１及び２０２以外の空間に充填されている。この第１誘電体層２０５の材料は、シリコンゴムであってよい。
第２誘電体層２０７は、画像センサ・ダイ２０１上に形成されて、画像センサ・ダイ２０１の感知領域を被覆する。この第２誘電体層２０７の材料はＳｉＯ2であって、この第２誘電体層２０７は保護フィルムとして機能する。さらに、この第２誘電体層２０７上にフィルタリング・フィルムを形成してもよく、このフィルタリング・フィルムは、例えば赤外線フィルタリング層であって、フィルタとして機能する。
接触導電層２０６は、画像センサ・ダイ２０１の金属パッド２１０及び画像センサ・ダイ２０２の金属パッド２０４上に形成されて、これらの金属パッド２１０及び２０４を被覆する。つまり、接触導電層２０６は、これらの金属パッド２１０及び２０４にそれぞれ、電気的に結合され得る。接触導電層２０６の材料は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、及びこれらを組み合わせたものから選択されてよい。金属パッド２１０及び２０４は、例えばＡｌのパッドである。絶縁層２０９は、接触導電層２０６上に形成されると共に、この接触導電層２０６上に開口部を有する。絶縁層２０９の材料は、エポキシ、樹脂、ＳＩＮＲ（シロキサン・ポリマー）、又はＢＣＢから選択される。金属はんだボール２０８はそれぞれ、接触導電層２０６に電気的に結合されるように、溶接法によって前記開口部上に形成される。このような金属はんだボール２０８が、はんだボール２０８であってよい。
画像センサ・ダイ２０２は、ＤＳＰダイ、能動ダイ、受動ダイ、支持ダイ、ＣＰＵダイ、又はプロセッサ・ダイから選択されてよく、画像センサ・ダイ２０１は、ＣＭＯＳ画像センサ・ダイである。画像センサ・ダイ２０１は、画像センサ・ダイ２０２と共に、横並び構造でパッケージングされている。
さらに、図２に示されているような別のウエハー・レベル・パッケージ構造が提供される。一実施形態では、画像センサ・ダイが、積み重ね構造でパッケージングされる。このパッケージ構造は、絶縁ベース３００、画像センサ・ダイ３０１及び３０２、第１誘電体層３０３、第２誘電体層３０４、第３誘電体層３１１、接触導電層３０５ａ及び３０５ｂ、絶縁層３０６、並びに、はんだボール３０７を備える。絶縁ベース３００の材料は、ガラス、シリコン、セラミック、又は水晶などであってよく、さらに、形状は円形であっても矩形であってもよい。画像センサ・ダイ３０１及び３０２は、積み重ね構造でパッケージングされている。画像センサ・ダイ３０２は、熱伝導性の良好な紫外線硬化タイプ及び／又は熱硬化タイプの接着材料３１０ａによって、絶縁ベース３００に接着されている。第１誘電体層３０３は、絶縁ベース３００上に形成され、絶縁ベース３００上の画像センサ・ダイ３０２以外の空間に充填されている。この第１誘電体層３０３の材料は、シリコンゴムであってよい。
接触導電層３０５ａは、画像センサ・ダイ３０２の金属パッド３０９上に形成されて、これらの金属パッド３０９を被覆し、これらの金属パッド３０９にそれぞれ電気的に結合される。画像センサ・ダイ３０１は、熱伝導性の良好な紫外線硬化タイプ及び／又は熱硬化タイプの接着材料３１０ｂによって、画像センサ・ダイ３０２に接着されている。第２誘電体層３０４は、第１誘電体層３０３上に形成され、画像センサ・ダイ３０１以外の空間に充填されており、接触導電層３０５ａ上に形成されたバイア・ホール３１２を有する。この第２誘電体層３０４の材料は、ＳｉＯ2である。
さらに、第３誘電体層３１１は、画像センサ・ダイ３０１上に形成されて、画像センサ・ダイ３０１の感知領域を被覆する。しかしながら、この第３誘電体層３１１は、画像センサ・ダイ３０１の機能に影響を及ぼしてはならない。この第３誘電体層３１１の材料はＳｉＯ2であって、この第３誘電体層３１１は保護フィルムとして機能する。特別に、画像センサ・ダイ３０１上の第３誘電体層３１１上にフィルタリング・フィルムを形成してもよく、このフィルタリング・フィルムは、例えば赤外線フィルタリング層であって、フィルタとして機能する。
接触導電層３０５ｂは、画像センサ・ダイ３０１の金属パッド３０８上に形成されると共にバイア・ホール３１２に充填されて、これらの金属パッド３０８を被覆する。つまり、接触導電層３０５ｂは、これらの金属パッド３０８及び接触導電層３０５ａに電気的に結合される。接触導電層３０５ａ及び３０５ｂの材料は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、及びこれらを組み合わせたものから選択されてよい。金属パッド３０８及び３０９は、例えばＡｌのパッドである。絶縁層３０６は、接触導電層３０５ｂ上に形成されると共に、この接触導電層３０５ｂ上に開口部を有する。絶縁層３０６の材料は、エポキシ、樹脂、及びこれらを組み合わせたものから選択される。
金属はんだボール３０７はそれぞれ、接触導電層３０５ｂに電気的に結合されるように、溶接法によって前記開口部上に形成される。このような金属はんだボール３０７が、はんだボール３０７であってよい。
画像センサ・ダイ３０２は、ＤＳＰダイ、能動ダイ、受動ダイ、支持ダイ、ＣＰＵダイ、又はプロセッサ・ダイから選択されてよく、画像センサ・ダイ３０１は、ＣＭＯＳ画像センサ・ダイである。画像センサ・ダイ３０１は、画像センサ・ダイ３０２と共に、積み重ね構造でパッケージングされている。
図３を参照すると、一般的には、マイクロレンズ・アレイ１４０が、シリコンチップの頂面に形成される。基板１００は、感知領域１０２に複数のＣＭＯＳ素子を支持する。画像センサは、基板１００上に形成された絶縁層１１０を含む。次に、カラー・フィルタ層１２０が、サブピクセル領域が基板１００の能動素子と適切に位置合わせされた状態で、絶縁層１１０上に形成される。一般的には、さらに別の層１３０が、このカラー・フィルタ層１２０上に形成される。マイクロレンズ・アレイを形成するには、当業者に周知の方法がいくつかある。レンズ形成材料層１４０が基体に付与される。この付与に適していると思われる材料の１つは、メラミン樹脂と一般的なノボラック・ベース樹脂との混合物である。個々のレンズ領域は、マスク露光及び現像によって、レンズ材料層１４０において形成される。例えば、フォトレジスト（ＰＲ；図示せず）が、このレンズ材料層１４０上に付着される。次に、従来のリソグラフィック法を用い、露光及び現像ステップによって、このＰＲにパターンが形成される。次に、このＰＲが取り除かれる。素子が、時間及び温度を制御してハードベイク(hard baked)されることによって、マイクロレンズ１４０は、適切な光学形態にリフローされる。個々の赤／緑／青（ＲＧＢ）サブピクセル領域１２０Ｒ、１２０Ｇ、１２０Ｂはそれぞれ、当業界では知られているように、基板１００における対応するＣＭＯＳ素子上に位置合わせされて示されている。
本発明は、図３に示されているような画像センサ・デバイスを提供する。基板１００の材料は、ガラス、半導体材料、セラミック、又は水晶などであってよい。さらに、保護層１５０をマイクロレンズ１４０上に被覆させてもよい。この保護層１５０の材料としては、スピン・コーティング法によって形成されたＳｉＯ2又はＡｌ2Ｏ3が挙げられる。また、この保護層１５０の材料は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＳＯＧ(Spin on Glass)、ポリカーボネート、又はフルオロポリマーであってもよい。この保護層１５０の厚さは、ＣＭＯＳセンサの機能に影響を及ぼさないように、０．５μｍよりも薄く制御される。また、この保護層１５０は、図４に示されているような、保護層１５０上に形成されてフィルタとしての機能を果たすフィルタリング層１６０（例えば、赤外線フィルタリング層）を備えていてもよい。この保護層１５０は、マイクロレンズが粒子汚染されるのを防止することができる。ユーザは、液体又は気体によるフラッシングを行うことによって、マイクロレンズを損傷させることなく、保護層１５０上の粒子を除去することができる。この保護層は、撥水性及び／又は撥油性である。この保護層は、低屈折率層であるのが好ましい。
絶縁層（図示せず）が、基板１００上に形成され、画像を都合良く感知するために画像センサ領域を被覆しない開口部を有する。この絶縁層の材料は、エポキシ、樹脂、及びこれらを組み合わせたものから選択される。
特定の実施形態を図示及び説明してきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図されるものから逸脱しない限り、様々な変更を加えてもよい、ということは明らかであろう。
１００ 基板
１０２ 感知領域
１１０、２０９、３０６ 絶縁層
１２０ カラー・フィルタ層
１３０ 別の層
１４０ マイクロレンズ・アレイ
１５０ 保護層
１６０ フィルタリング層
２００、３００ 絶縁ベース
２０１、２０２、３０１、３０２ 画像センサ・ダイ
２０３、３１０ａ、３１０ｂ 接着材料
２０４、２１０、３０８、３０９ 金属パッド
２０５、３０３ 第１誘電体層
２０６、３０５ａ、３０５ｂ 接触導電層
２０７、３０４ 第２誘電体層
２０８、３０７ はんだボール
３１１ 第３誘電体層
３１２ バイア・ホール
１０２ 感知領域
１１０、２０９、３０６ 絶縁層
１２０ カラー・フィルタ層
１３０ 別の層
１４０ マイクロレンズ・アレイ
１５０ 保護層
１６０ フィルタリング層
２００、３００ 絶縁ベース
２０１、２０２、３０１、３０２ 画像センサ・ダイ
２０３、３１０ａ、３１０ｂ 接着材料
２０４、２１０、３０８、３０９ 金属パッド
２０５、３０３ 第１誘電体層
２０６、３０５ａ、３０５ｂ 接触導電層
２０７、３０４ 第２誘電体層
２０８、３０７ はんだボール
３１１ 第３誘電体層
３１２ バイア・ホール
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に形成された画像センサ・アレイと、
前記画像センサ・アレイ上に配置されたマイクロレンズと、
前記マイクロレンズが粒子汚染されるのを防止するために前記マイクロレンズ上に形成された保護層と、
を備える、画像センサ・ダイ。 - 前記保護層が、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＳＯＧ、ポリカーボネート、フルオロポリマー、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、撥水層、撥油層、又は低屈折率層を含み、前記保護層の厚さが、実質的に０．５μｍよりも薄く、前記画像センサ・アレイが、ＣＭＯＳ又はＣＣＤを含む、請求項１に記載の画像センサ・ダイ。
- 前記保護層上に形成されたフィルタリング層をさらに備える、請求項１に記載の画像センサ・ダイ。
- 前記画像センサ・アレイ上に形成されたカラー・フィルタをさらに備える、請求項１に記載の画像センサ・ダイ。
- 前記基板の材料が、ガラス、半導体材料、セラミック、又は水晶を含む、請求項１に記載の画像センサ・ダイ。
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