JP2006216698A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質の固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 受光領域を備える固体撮像素子が形成された半導体基板と、受光領域の外部の半導体基板上に形成された基台と、基台上の一部に接着された第１の部材と、受光領域と第１の部材との間の基台に形成された凹部と、第１の部材に支持され、受光領域上方に配置され、受光領域を封止する第２の部材とを有する固体撮像装置を提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

デジタルカメラ内蔵の携帯電話機の普及等により、固体撮像装置の小型化が求められている。
小型化の一例として、マイクロレンズを備えた受光エリアを有する固体撮像素子チップの受光エリアのみに対し、下面縁部に枠部を一体的に形成した透明材料からなる封止部材を配置し、マイクロレンズの表面と封止部材の下面の間に５μｍ以上の空間を形成して気密封止し、小型実装したマイクロレンズ付きの固体撮像装置の開示がなされている。（たとえば、特許文献１参照。）
また、小型化の要請を満たしながら、容易かつ高信頼性で固体撮像装置を製造する製造方法の発明が開示されている。（たとえば、特許文献２参照。）
小型化の要求に応じるため、パッケージ等の部材を固体撮像素子の形成された半導体基板上に、直接、または中間部材（たとえば土台）を介して貼り付ける方法も数々提案されている。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、チップサイズレベルの固体撮像装置の製造方法の一部概略を示す断面図である。
図４（Ａ）を参照する。固体撮像素子２０、及び、外部との配線を行うためのパッド２１の形成された半導体基板８１（ウエハ）を準備する。

一方、透明な保護ガラス２２上にスペーサ２３を形成し、スペーサ２３上に接着剤２４ｂを転写して半導体基板８１に対向配置する。
なお、スペーサ２３は、保護ガラス２２上に接着剤２４ａを塗布し、そこにシリコン基板を載置、接着した後、必要に応じて研磨して所望の厚さとし、フォトリソグラフィとドライエッチングを行って所定形状に形成される。

図４（Ｂ）を参照する。半導体基板８１と、スペーサ２３の形成された保護ガラス２２とを貼り合わせる。固体撮像素子２０の受光領域が密閉された構造の固体撮像装置がウエハレベルで多数形成される。

図４（Ｃ）を参照する。砥石を用いて、保護ガラス２２を研削切断し、保護ガラス２２を分割し、パッド２１を露出させる。
図４（Ｄ）を参照する。半導体基板８１のパッド２１間を砥石で研削切断し、チップサイズレベルの固体撮像装置２５を作製する。

図５（Ａ）は、図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照して製造方法を説明したチップサイズレベルの固体撮像装置の概略的な一部平面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の５Ｂ−５Ｂ線に沿う概略的な断面図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、図４（Ｄ）の固体撮像素子２５から保護ガラス２２及びパッド２１等を省いた形で作成してある。

図５（Ａ）を参照する。スペーサ２３は、フォトダイオードの形成されている半導体基板の主面上に、平面視において、受光領域２６の周囲を取り囲むように形成される。厚さ（高さ）はたとえば１００μｍである。

スペーサ２３は、半導体基板上に形成されるスペーサ２３用の土台２７上に、前述のように、たとえば接着剤により接着される。スペーサ２３用の土台２７は、固体撮像素子のマイクロレンズ作製時に、マイクロレンズを形成する材料と同じ材料で形成される。

なお、土台２７は、スペーサ２３の接着位置より広い範囲の半導体基板上に形成される。図５（Ａ）においては、土台２７の形成される領域に斜線を付して示した。
図５（Ｂ）を参照する。図４（Ｂ）を参照して説明したように、半導体基板８１上に形成された土台２７に、接着剤２４ｂの転写されたスペーサ２３が接着される。このとき、接着剤２４ｂが、スペーサ２３の貼り付け位置から内側（受光領域側）にはみ出す場合がある。図においては、接着剤２４ｂのはみ出しの様子を、点線の矢印で示した。

はみ出した接着剤２４ｂが、受光領域に達すると、その部分の光学特性に悪影響を及ぼす。特に、マイクロレンズ８５が隙間なく敷き詰められている固体撮像素子においては、毛管現象により、はみ出した接着剤が広範囲に拡大しやすい。

特開平７−２０２１５２号公報 特開２００４−６８３４号公報

本発明の目的は、高品質の固体撮像装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、受光領域を備える固体撮像素子が形成された半導体基板と、前記受光領域の外部の前記半導体基板上に形成された基台と、前記基台上の一部に接着された第１の部材と、前記受光領域と、前記第１の部材との間の前記基台に形成された凹部と、前記第１の部材に支持され、前記受光領域上方に配置され、前記受光領域を封止する第２の部材とを有する固体撮像装置が提供される。

この固体撮像装置は、第１の部材を接着する際に接着剤がはみ出した場合でも、凹部に逃すことができるため、品質の劣化を防ぐことができる。このため、高品質の固体撮像装置である。

本発明によれば、高品質の固体撮像装置を提供することができる。

図１（Ａ）は、固体撮像素子を組み込んだ固体撮像装置の主要部を示すブロック図であり、図１（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図である。また、図１（Ｄ）は、ＭＯＳ型固体撮像素子を説明するための図である。更に、図１（Ｅ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光部の一部の概略を示す断面図である。

図１（Ａ）を参照する。固体撮像装置は、画素ごとに入射した光量に応じて信号電荷を発生し、発生した信号電荷に基づく画像信号を供給する固体撮像素子５１、固体撮像素子５１を駆動するための駆動信号（転送電圧等）を発生し、固体撮像素子５１に供給する駆動信号発生装置５２、固体撮像素子５１の出力信号を相関二重サンプリングした上で、外部より設定されたゲインで増幅した後に、アナログ−デジタル変換し、デジタル出力するアナログ前段処理装置（ａｎａｌｏｇ ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ、ＡＦＥ）５３、アナログ前段処理装置５３から供給される画像信号の認識処理、データ圧縮、ネットワークコントロール等の処理を行って画像データを出力するデジタル信号処理装置（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ、ＤＳＰ）５４、及び固体撮像素子５１、駆動信号発生装置５２、アナログ前段処理装置５３にタイミング信号を発し、それらの動作を制御するタイミングジェネレータ（ｔｉｍｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＴＧ）５５を含んで構成される。

固体撮像素子は、大別してＣＣＤ型とＭＯＳ型とを含む。ＣＣＤ型は画素で発生した電荷を電荷結合装置（ＣＣＤ）で転送する。ＭＯＳ型は、画素で発生した電荷をＭＯＳトランジスタで増幅して出力する。特に限定されないが、以下、ＣＣＤ型を例にとって説明する。

駆動信号発生装置５２は、たとえば垂直ＣＣＤ駆動信号を発生するＶドライバを含む。駆動信号発生装置５２から固体撮像素子５１に供給される信号は、水平ＣＣＤ駆動信号、垂直ＣＣＤ駆動信号、出力アンプ駆動信号及び基板バイアス信号である。

図１（Ｂ）を参照する。固体撮像素子は、たとえば行列状に配置された複数の感光部６２、複数の垂直ＣＣＤ部６４、複数の垂直ＣＣＤ部６４に電気的に結合された水平ＣＣＤ部６６、及び水平ＣＣＤ部６６の端部に設けられ、水平ＣＣＤ部６６からの出力信号を増幅するアンプ６７を含んで構成される。なお、受光部（画素配列部）６１は感光部６２及び垂直ＣＣＤ部６４を含んで構成される。

感光部６２は、感光素子、たとえばフォトダイオード及び読み出しゲートを含んで構成される。フォトダイオードは、入射した光量に応じて信号電荷を発生、蓄積する。蓄積された信号電荷は、読み出しゲートから垂直ＣＣＤ部６４に読み出され、垂直ＣＣＤ部６４内（垂直転送チャネル）を、全体として水平ＣＣＤ部６６に向かう方向（垂直方向、列方向）に転送される。垂直ＣＣＤ部６４の末端まで転送された信号電荷は、水平ＣＣＤ部６６内（水平転送チャネル）を、全体として垂直方向と交差する方向、たとえば水平方向（垂直方向と直交する方向、行方向）に転送された後、電圧信号に変換される。電圧信号はアンプ６７に伝えられ、増幅されて外部に取り出される。

なお、感光部６２の配列は、図１（Ｂ）に示したような行方向及び列方向にそれぞれ一定ピッチで正方行列的に配列される場合の他、行方向及び列方向に１つおきにたとえば１／２ピッチずつ位置をずらして配列されるハニカム配列がある。

図１（Ｃ）は、ハニカム配列された固体撮像素子の概略的な平面図である。ハニカム配列とは、第１の正方行列的に配列された感光部６２と、その格子間位置に第２の正方行列的に配列された感光部６２とからなる感光部６２の配列のことをいう。垂直ＣＣＤ部６４（垂直転送チャネル）は感光部６２の間を蛇行するように形成される。この場合も、信号電荷は垂直転送チャネルを全体として水平ＣＣＤ部６６に向かう方向（垂直方向）に転送される。なお、ハニカム配列とはいっても、この構成における感光部６２は多くの場合、八角形状である。

図１（Ｄ）に、ＭＯＳ型固体撮像素子の受光部の一部の概略を示す。光電変換素子６８で入射光量に応じて生成された信号電荷は、ＭＯＳトランジスタ６９で増幅されて出力される。ＭＯＳ型固体撮像素子は、垂直ＣＣＤ部や水平ＣＣＤ部を備えず、画素ごとに光電変換素子６８及びＭＯＳトランジスタ６９を有する。

図１（Ｅ）に、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光部の一部の概略的な断面を示す。たとえばｎ型のシリコン基板である半導体基板８１に形成されたｐ型のウエル層８２に、ｎ型の不純物添加領域で構成される電荷蓄積領域７１（フォトダイオード）、及びその隣にｐ型の読み出しゲート７２を介して、複数の電荷蓄積領域７１に近接したｎ型領域の垂直転送チャネル７３が形成されている。読み出しゲート７２及び垂直転送チャネル７３上方にはゲート絶縁膜７４を介して、垂直転送電極７５が形成されている。隣り合う電荷蓄積領域７１間にはｐ型のチャネルストップ領域７６が形成されている。

チャネルストップ領域７６は、電荷蓄積領域７１、垂直転送チャネル７３等の電気的な分離を行うための領域である。ゲート絶縁膜７４は、半導体基板８１表面上に、たとえば熱酸化により形成された酸化シリコン膜を含む。垂直転送電極７５は、たとえばポリシリコンで形成される第１層垂直転送電極及び第２層垂直転送電極を含む。これらはアモルファスシリコンで形成することも可能である。垂直転送電極７５は、垂直転送チャネル７３及び読み出しゲート７２のポテンシャルを制御することによって、電荷蓄積領域７１に蓄積された電荷を垂直転送チャネル７３に読み出し、読み出された電荷を垂直転送チャネル７３の列方向に転送する。

垂直転送電極７５上には、たとえばポリシリコンの熱酸化により得られる絶縁性の酸化シリコン膜７７が形成されている。垂直ＣＣＤ部６４は、垂直転送チャネル７３、及びその上方のゲート絶縁膜７４、垂直転送電極７５を含んで構成される。なお、水平ＣＣＤ部６６も、水平転送チャネル、及びその上方のゲート絶縁膜、水平転送電極を含んで構成される。

垂直転送電極７５上方には、絶縁性の酸化シリコン膜７７を介して、たとえばタングステン（Ｗ）により遮光膜７９が形成されている。遮光膜７９には、電荷蓄積領域７１の上方に開口部７９ａが形成されている。遮光膜７９上には、窒化シリコン膜７８が形成されている。なお、窒化シリコン膜７８は必ずしも必要ではない。

入射光量に応じて電荷蓄積領域７１に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート７２から垂直転送チャネル７３に読み出され、垂直転送電極７５へ印加される駆動信号（転送電圧）により、垂直転送チャネル７３内を転送される。遮光膜７９は、上述のように各電荷蓄積領域７１上方に開口部７９ａを有し、受光部６１に入射する光が電荷蓄積領域７１以外の領域に入射するのを防止する。

遮光膜７９上方には、たとえばＢＰＳＧ（ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）でつくられた平坦化層８３ａが形成され、その平坦な表面上に、たとえば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色のカラーフィルタ層８４が形成される。その上を平坦化するために、更に平坦化層８３ｂが形成される。平坦な表面を有する平坦化層８３ｂ上には、たとえばマイクロレンズ用のフォトレジストパタンを溶融、固化してマイクロレンズ８５が形成される。マイクロレンズ８５は、各電荷蓄積領域７１の上方に、たとえば微小な半球状の凸レンズが配列されたものである。マイクロレンズ８５は入射光を電荷蓄積領域７１に集光する。１つのマイクロレンズ８５で集束される光は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかの色のカラーフィルタ層８４を通して１つの電荷蓄積領域７１（フォトダイオード）に入射する。したがって、複数のフォトダイオードは、それぞれ上方に形成された赤（Ｒ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオード、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオード、青（Ｂ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオードの３種類のフォトダイオードを含む。

図２（Ａ）は、実施例による固体撮像装置の概略的な一部平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う概略的な断面図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ図５（Ａ）及び（Ｂ）に対応する図である。なお、図２（Ｂ）においては、保護ガラス２２を省略してある。

図２（Ａ）を参照する。スペーサ２３は、フォトダイオードの形成されている半導体基板の主面上に、平面視において、受光領域２６（電荷蓄積領域及び垂直転送チャネルの形成されている領域）の周囲を取り囲むように形成される。厚さはたとえば１００μｍである。スペーサ２３は、半導体基板上に形成されるスペーサ２３用の土台２７上に、たとえば接着剤により接着される。

土台２７は、受光領域２６の周囲を取り囲むように、スペーサ２３の下面だけでなく、スペーサ２３の形成位置よりも受光領域２６に近い位置にも形成される。土台２７は、固体撮像素子のマイクロレンズ作製時に、マイクロレンズを形成する材料と同じ材料で形成される。なお、本図においては、土台２７の形成される領域に斜線を付して示した。

スペーサ２３と受光領域２６との間の土台２７に、ほぼ矩形状に画定された受光領域２６の３辺に沿って、溝（凹部）２７ａが形成されている。
スペーサ２３上には、透光性部材、たとえば厚さ２５０μｍの保護ガラス２２が載置され、受光領域を封止する。

保護ガラス２２は、たとえば固体撮像素子を損なう水分や力学的要因から、当該素子を保護する。また、保護ガラス２２によって、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示した固体撮像装置の製造工程中、主にダイシング工程以降の工程で生じるゴミが受光領域２６に付着することを防止することができる。

図２（Ｂ）を参照する。スペーサ２３の幅は、たとえば１２０μｍ〜１５０μｍである。スペーサ２３の端部から溝２７ａまでの距離は、たとえば８０μｍである。また、溝２７ａの幅はたとえば１０μｍである。溝２７ａの受光領域２６側端部から、土台２７の受光領域２６側端部までの距離はたとえば１５μｍである。土台２７の受光領域２６側端部から受光領域２６のマイクロレンズ８５形成位置までの距離は、たとえば７μｍである。なお、１つのマイクロレンズ８５の直径はたとえば５μｍである。

溝２７ａを、スペーサ２３と受光領域２６との間に形成することによって、半導体基板８１上に形成された土台２７に、スペーサ２３が接着されるとき、スペーサ２３の貼り付け位置から内側にはみ出した接着剤２４ｂが、溝２７ａに逃され、受光領域２６に進入することを防止することができる。このため、高品質の固体撮像装置を作製することができる。

また、スペーサ２３を受光領域２６に近づけて形成した場合であっても、溝２７ａの存在によって、接着剤２４ｂが受光領域２６に進入することを防止することができるため、固体撮像装置を小型化することが可能である。

固体撮像素子の形成された半導体基板上に、直接、または中間部材（たとえば土台）を介してスペーサを接着する構造の固体撮像装置において、スペーサと固体撮像素子の受光領域との間に、溝（凹部）を備える構成は、パッドが半導体基板の片側に形成されている固体撮像装置、及び両側に形成されている固体撮像装置の双方に適用可能である。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれパッドが半導体基板の片側、及び両側に形成されている固体撮像装置の概略的な断面図である。
図３（Ａ）及び（Ｂ）の双方において、パッド２１の幅はたとえば１００μｍである。また、パッド２１と土台２７との距離はたとえば９０μｍであり、土台２７のパッド２１側端部からスペーサ２３の取り付け位置までの距離は、たとえば２０μｍである。

実施例においては、スペーサを接着する場合について説明したが、スペーサに限らず、固体撮像素子の形成された半導体基板上に、直接、または中間部材（たとえば土台）を介して部材を接着する場合には、当該部材と固体撮像素子の受光領域との間に、凹部を形成することにより、接着剤が固体撮像素子の受光領域に進入、付着することを防止することができるため、高品質の固体撮像装置を製作することができる。また、このような構造を採用すると、固体撮像装置を小型化することが可能となる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。

固体撮像素子の形成された半導体基板構造上に接着される部材（たとえばスペーサ）を備える固体撮像装置に好適に用いることができる。また、小型化の要求のある固体撮像装置に好適に用いることができる。

（Ａ）は、固体撮像素子を組み込んだ固体撮像装置の主要部を示すブロック図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図であり、（Ｄ）は、ＭＯＳ型固体撮像素子を説明するための図であり、（Ｅ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光部の一部の概略を示す断面図である。 （Ａ）は、実施例による固体撮像装置の概略的な一部平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う概略的な断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれパッドが半導体基板の片側、及び両側に形成されている固体撮像装置の概略的な断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、チップサイズレベルの固体撮像装置の製造方法の一部概略を示す断面図である。 （Ａ）は、図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照して製造方法を説明したチップサイズレベルの固体撮像装置の概略的な一部平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の５Ｂ−５Ｂ線に沿う概略的な断面図である。

符号の説明

２０ 固体撮像素子
２１ パッド
２２ 保護ガラス
２３ スペーサ
２４ａ、ｂ 接着剤
２５ 固体撮像装置
２６ 受光領域
２７ 土台
２７ａ 溝
５１ 固体撮像素子
５２ 駆動信号発生装置
５３ アナログ前段処理装置
５４ デジタル信号処理装置
５５ タイミングジェネレータ
６１ 受光部
６２ 感光部
６４ 垂直ＣＣＤ部
６６ 水平ＣＣＤ部
６７ アンプ
６８ 光電変換素子
６９ ＭＯＳトランジスタ
７１ 電荷蓄積領域
７２ 読み出しゲート
７３ 垂直転送チャネル
７４ ゲート絶縁膜
７５ 垂直転送電極
７６ チャネルストップ領域
７７ シリコン酸化膜
７８ 窒化シリコン膜
７９ 遮光膜
７９ａ 開口部
８１ 半導体基板
８２ ウエル層
８３ａ，ｂ 平坦化層
８４ カラーフィルタ層
８５ マイクロレンズ

Claims (4)

1. 受光領域を備える固体撮像素子が形成された半導体基板と、
   前記受光領域の外部の前記半導体基板上に形成された基台と、
   前記基台上の一部に接着された第１の部材と、
   前記受光領域と、前記第１の部材との間の前記基台に形成された凹部と、
   前記第１の部材に支持され、前記受光領域上方に配置され、前記受光領域を封止する第２の部材と
   を有する固体撮像装置。
2. 更に、前記受光領域上方に、前記基台と同じ材料で形成されたマイクロレンズを含む請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記固体撮像素子がＣＣＤ型の固体撮像素子である請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記固体撮像素子がＭＯＳ型の固体撮像素子である請求項１または２に記載の固体撮像装置。

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