JP2007311454A

JP2007311454A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2007311454A
Application number: JP2006137368A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Tsukada; 敦士塚田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2007-11-29
Also published as: US20070267661A1; US7759708B2

Abstract

【課題】カバーガラスからのα線による影響を低減し、かつ、カバーガラスのコストを削減し信頼性を向上する固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像素子１１と、固体撮像素子１１の少なくとも撮像領域を被覆するように形成されたα線遮蔽層１３と、α線遮蔽層１３の上層に設けられたカバーガラス１４とを有する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置に関し、特にＣＣＤ（charge coupled device）センサＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）トランジスタを画素に用いたＣＭＯＳセンサなどの固体撮像素子を組み込んだ固体撮像装置に関する。

図５は、例えば特許文献１に開示された固体撮像装置の従来例の模式断面図である。
例えば、パッケージ１００の凹部１００ａ内に、ＣＣＤセンサあるいはＣＭＯＳセンサなどの固体撮像素子１０１がマウントされ、不図示のワイヤボンディングなどにより必要な配線がなされている。
上記の固体撮像素子１０１上にはカラーフィルター１０２が設けられている。
さらに、パッケージ１００の凹部１００ａに蓋をして封止するように、固体撮像素子１０１及びカラーフィルター１０２を保護するためのカバーガラス１０３が設けられている。

上記のように、カバーガラス１０３とパッケージ１００の凹部１００ａから中空部分１０４が構成され、この内部に固体撮像装置がマウントされ、封止された構成となっている。

上記の従来例に係る固体撮像装置において、カバーガラス１０３には放射性元素であるＵ（ウラン）、Ｔｈ（トリウム）が通常０．１ｐｐｍ〜１ｐｐｍ含まれているため、これらの元素から放射される放射線、特にα線１０５によって固体撮像素子１０１が結晶欠陥等の影響を受けるという問題がある。

α線が固体撮像素子に照射されると、α線のエネルギー損失過程は電子的エネルギー損失と核的エネルギー損失に分類される。

α線のエネルギーをＥとすると、電子的エネルギー損失においては、ｎ≒Ｅ／３．６ｅＶ個のホール及び電子ペアを発生させる。
固体撮像素子の場合、この電荷により画素から瞬間的な暗電流スパイクが発生する。

次に核的エネルギー損失においては、結晶欠陥を発生するが、この結晶欠陥がシリコン中で欠陥準位を発生させ、固体撮像素子の場合、画素及び転送部の暗電流を上昇させる。
固体撮像素子の蓄積電荷−出力信号電圧変換効率ηは、η＝５〜２０μＶ／ｅが実現されており、η＝１０μＶ／ｅのとき、フィールド蓄積時（１／６０秒）に１０^２ｅ（電子発生個数）程度から画像欠陥（点欠陥）として確認される。
更に、欠陥のエネルギー準位により活性化エネルギー０．５〜０．８ｅＶを有しており、高温使用時に上記影響は顕著となる。

例えば半導体メモリに対するα線の影響としては、上記のようにα線により発生した電荷によるメモリ誤動作（ソフトエラー）が知られている。
ソフトエラーは１０^６ｅ（電子発生個数）の電荷が必要であり、固体撮像装置において画像欠陥（点欠陥）として確認される電子発生個数の１０^３〜１０^４倍程度の差がある。
ソフトエラーはα線の入射エネルギーが高い程（材料に含まれる放射性同位元素において４〜９ＭｅＶ）影響が大きいので、入射エネルギーを減衰させる保護構造が有効である。

上記に対し、固体撮像素子では、その永久損傷についてみると、核的エネルギー損失がセンサ部の深さを３μｍ程度として５００ＫｅＶ程度の入射エネルギーのα線で最大となり、低エネルギーで入射するα線の影響が非常に大であること、しかも固体撮像素子が光入力であるために表面保護構造にきびしい制約があり、カバーガラスのα線対策が非常に重要になる。

上記の問題に対応するため、カバーガラス１０３の原材料を高純度化することにより、Ｕ、Ｔｈの濃度を３０ｐｐｂ程度まで低減してやればα線による結晶欠陥等の影響を抑制することが可能となるが、カバーガラスのコストが非常に高くなるという新たな問題が生じる。
特開２００２−０５７３１１号公報特開平６−０２１４１４号公報

本発明は従来例のかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、カバーガラスからのα線による影響を低減し、かつ、カバーガラスのコストを削減し信頼性を向上する固体撮像装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子の少なくとも撮像領域を被覆するように形成されたα線遮蔽層と、前記α線遮蔽層の上層に設けられたカバーガラスとを有する。

上記の本発明の固体撮像装置は、固体撮像素子の撮像領域を被覆するようにα線遮蔽層が形成されており、この上層にカバーガラスが設けられた構成となっている。

本発明の固体撮像装置は、固体撮像素子の撮像領域を被覆するようにα線遮蔽層が形成されており、カバーガラスからのα線の影響を低減でき、また、これによりカバーガラスが含有するＵ、Ｔｈの濃度を低減する必要がなく、安価な通常のカバーガラスを用いることができる。

以下に、本発明の固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
図１は本実施形態に係る固体撮像装置の模式断面図である。
本実施形態に係る固体撮像装置は、例えば、固体撮像素子１１と、固体撮像素子１１の少なくとも撮像領域を被覆するように形成されたα線遮蔽層１３と、α線遮蔽層１３の上層に設けられたカバーガラス１４とを有する。

固体撮像素子１１としては、例えばＣＤＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、エリアセンサ、リニアセンサなどが挙げられる。この固体撮像素子１１は一次元または二次元に配列されたもののいずれであってもよい。
固体撮像素子１１は、例えば樹脂などからなるパッケージ１０の凹部１０ａ内に配置及びマウントされ、不図示のワイヤボンディングなどにより必要な配線がなされている。

α線遮蔽層１３はα線を遮蔽する能力を有する層であり、例えば固体撮像素子１１全体を覆って、凹部１０ａを埋め込むように形成されている。

また、α線遮蔽層１３は、α線を遮蔽する能力を有するために、例えば密度が１．０ｇ／ｃｍ^３以上の物質からなることが好ましい。

α線遮蔽層１３は、好ましくは、例えば可視領域の光に対して実質的に透過性であり、さらに好ましくは可視領域の光に対して９０％以上の透過率を有する。

また、α線遮蔽層１３は、好ましくは、例えばα線遮蔽層の上層に設けられるカバーガラス１４に対して接着性を有する。

上記の諸条件を併せ持ち、放射線を放射する物質を含まないα線遮蔽層を構成する材料として、樹脂を好ましく用いることができる。
例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、あるいはシリコーン樹脂などを好ましく例示できる。これらの樹脂を単独であるいは混合して用いることができる。

上記の樹脂としては、例えば熱硬化樹脂、紫外線硬化樹脂、２液混合硬化性樹脂を用いることができる。特に紫外線硬化樹脂は短時間で目的とするギャップ構造を形成できるので好ましい。特に、車載用途などのように高い信頼性を要求される場合には熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。

ギャップ形成方法としては、カバーガラスまたはウエハ表面に事前にギャップ構造体を形成する方法を用いることができ、ギャップ構造体とは、例えばドライフィルム、厚膜レジストなどがある。

上記の各樹脂は、それぞれ１．１ｇ／ｃｍ^３程度の密度を有している。
上記の樹脂からなるα線遮蔽層１３は、α線を遮蔽する能力を有するが、十分なα線遮蔽能を有するために、厚さが例えば２０μｍ以上であることが好ましい。

また、上記の樹脂からなるα線遮蔽層１３は、例えば本実施形態で用いられるような膜厚では可視領域の光に対して９０％以上の透過率を有し、実質的に透過性を有する。
上記の各樹脂は、カバーガラス１４に対して十分な接着性を有する。

上記のようなα線遮蔽層１３がカバーガラス１４と固体撮像素子１１の間に介在しているので、カバーガラス１４中にＵ（ウラン）やＴｈ（トリウム）などのα崩壊性の元素が含まれていても、これらから放射されるα線を遮蔽して固体撮像素子１１に到達するα線の量を大幅に低減できる。
上記のようにα線遮蔽層１３が固体撮像素子１１の撮像領域を被覆するように形成されているので、固体撮像素子１１の撮像領域がα線に曝されて欠陥が発生するのを抑制できる。

本実施形態の固体撮像装置において、カバーガラス１４は、例えばパッケージ１０の凹部１０ａ内に埋め込まれたα線遮蔽層１３の上層において、凹部１０ａを封止するように設けられている。
ガラスは硬く耐久性があり、表面に付着したチリなどを容易に拭い去ることが可能で、パッケージ内の固体撮像素子を保護することができる。

カバーガラス１４は、例えばホウケイ酸ガラス、石英ガラス、無アルカリガラス、耐熱ガラスが好適に用いられる。
また、カバーガラスの代わりにＩＲカットフィルター、水晶ローパスフィルターを用いても良い。

カバーガラスの厚みは０．１ｍｍ〜２ｍｍであり、好ましくは０．３〜０．７ｍｍである。
カバーガラス１４は、高純度の材料を使用しない場合、放射性元素であるＵ及びＴｈの濃度は３０ｐｐｂ以上と高くなる。

また、本実施形態の固体撮像装置においては、例えば、固体撮像素子１１の表面上であってα線遮蔽層１３の下層に、カラー読み取りを行うためのカラーフィルター１２が設けられている。

本実施形態に係る固体撮像装置において、高純度の原材料を使用しないカバーガラスを使用するとカバーガラスから放射されるα線の量は多くなるが、例えば放射線を放射する物質を含まない可視光に対して透明な樹脂からなる２０μｍ以上の厚さを有するα線遮蔽層をカバーガラスと固体撮像素子の間に設けることにより、カバーガラスから放射されるα線量をα線遮蔽層が減衰させ、固体撮像素子に到達するα線量を大幅に低減することができ、固体撮像素子の撮像領域がα線に曝されて欠陥が発生するのを抑制できる。
また、上記のようにカバーガラスとしては高純度の原材料を使用しないで済むので、安価な材料からなるカバーガラスを採用できる。
このようにして、コストを削減しながら信頼性を向上した固体撮像装置を提供することにある。

（実施例１）
図２は、本実施例に係る固体撮像装置に用いられるα線遮蔽層としての樹脂のα線遮蔽能力を示すグラフである。
図２中、横軸は樹脂の樹脂膜厚であり、縦軸はα線エネルギーである。それぞれ密度が１．１ｇ／ｃｍ^３の３種類の樹脂Ａ，Ｂ，Ｃについて、各エネルギーのα線に対してほぼ遮蔽できる膜厚となる樹脂膜厚をシミュレーションにより求めた。

膜厚が大きくなるにつれてほぼ遮蔽できるα線のエネルギーも大きくなり、２０μｍ程度以上の膜厚α線を大幅に遮蔽できることが確認された。
Ｕ（ウラン）のα線エネルギーは４．２ＭｅＶであり、このエネルギーのα線を遮蔽できる膜厚をグラフから読み取ると２５μｍ以上であった。
Ｔｈ（トリウム）のα線エネルギーは４．０ＭｅＶであり、このエネルギーのα線を遮蔽できる膜厚をグラフから読み取ると２３μｍ以上であった。

（実施例２）
図３は、本実施例に係る固体撮像装置に用いられるα線遮蔽層としての樹脂の可視光領域の透明性を示す透過スペクトルである。
図３中、横軸は光の波長であり、縦軸は透過率である。樹脂Ａについて、１５μｍの膜厚で測定した。
図３から、４００ｎｍ〜９００ｎｍの可視領域を含む広い範囲で９０％以上の高い透過率を示し、可視光領域の透明性が示された。

第２実施形態
図４は本実施形態に係る固体撮像装置の模式断面図である。
本実施形態に係る固体撮像装置は、例えば、固体撮像素子２１と、固体撮像素子２１の少なくとも撮像領域を被覆するように形成されたα線遮蔽層２３と、α線遮蔽層２３の上層に設けられたカバーガラス２４とを有する。
また、例えば、固体撮像素子２１の表面上であってα線遮蔽層２３の下層に、カラー読み取りを行うためのカラーフィルター２２が設けられている。

本実施形態に係る固体撮像装置は、第１実施形態のようなパッケージを用いておらず、表面にカラーフィルター２２が設けられた固体撮像素子２１とカバーガラス２４とが接着性のα線遮蔽層２３により貼り合わされた構成であり、いわゆるＣＳＰ（チップサイズパッケージ）となっている。

カバーガラス２４は、例えば固体撮像素子２１とほぼ同等の大きさとするが、固体撮像素子２１より大きく、あるいは小さくてもよい。

固体撮像素子２１、カラーフィルター２２、α線遮蔽層２３、カバーガラス２４は、それぞれ第１実施形態に示したものと同様のものを用いることができる。

本実施形態に係る固体撮像装置においても、α線遮蔽層をカバーガラスと固体撮像素子の間に設けることにより、カバーガラスから放射されるα線量をα線遮蔽層が減衰させ、固体撮像素子に到達するα線量を大幅に低減することができ、固体撮像素子の撮像領域がα線に曝されて欠陥が発生するのを抑制できる。
また、上記のようにカバーガラスとしては高純度の原材料を使用しないで済むので、安価な材料からなるカバーガラスを採用できる。
このようにして、コストを削減しながら信頼性を向上した固体撮像装置を提供することにある。

本実施形態によれば、以下の効果を享受できる。
（１）カバーガラスからのα線による固体撮像素子の結晶欠陥などが発生するのを抑制でき、撮像する画像の画質を損なうことがない。
（２）放射性物質が少ない高純度の材料を使用する高価なカバーガラスを使用する必要がなくなるため、カバーガラスのコストを大幅に削減できる。
（３）固体撮像素子の結露が発生しにくい構造として、気密性信頼性（hermetic quality）を向上できる。
（４）パッケージの中空部分に樹脂が充填され、構造体の強度が増しているので、カバーガラス、固体撮像素子、パッケージの厚みを薄くでき、固体撮像装置全体の薄型化を実現できる。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、α線遮蔽層を構成する材料としては、樹脂以外でもよい。固体撮像素子の防水処理などが実現されていれば、水などの液体で充填されていても同様の効果を得ることができる。
α線遮蔽層の厚さとしては、例えば樹脂の場合、２０μｍ以上、例えば２３μｍあるいは２５μｍ以上が好ましいが、α線の遮蔽の程度の要求レベルに応じて２０μｍ以下の膜厚で形成することも可能である。
本発明は、固体撮像素子とカバーガラスの間に、２０μｍ以上の可視領域で透明な樹脂などからなるα線遮蔽層を設けた固体撮像装置であれば、前記の実施の形態に限らず全てのものに適用することができる。
上記の実施形態では、固体撮像素子に対向する透光部材としてカバーガラスを用いたが、その他、カバーガラスに代えて透光部材として本発明の上記条件を備えた耐熱性、耐湿性に優れたプラスチックス材を用いることもできる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明の固体撮像装置は、ＣＤＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、エリアセンサあるいはリニアセンサなどを組み込んだ固体撮像装置に適用できる。

図１は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の模式断面図である。図２は本発明の実施例１に係る固体撮像装置に用いられるα線遮蔽層としての樹脂のα線遮蔽能力を示すグラフである。図３は本発明の実施例２に係る固体撮像装置に用いられるα線遮蔽層としての樹脂の可視光領域の透明性を示す透過スペクトルである。図４は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の模式断面図である。図５は従来例に係る固体撮像装置の模式断面図である。

符号の説明

１０…パッケージ、１０ａ…凹部、１１…固体撮像素子、１２…カラーフィルター、１３…α線遮蔽層、１４…カバーガラス、２１…固体撮像素子、２２…カラーフィルター、２３…α線遮蔽層、２４…カバーガラス、１００…パッケージ、１００ａ…凹部、１０１…固体撮像素子、１０２…カラーフィルター、１０３…カバーガラス、１０４…中空部分、１０５…α線

Claims

固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の少なくとも撮像領域を被覆するように形成されたα線遮蔽層と、
前記α線遮蔽層の上層に設けられたカバーガラスと
を有する固体撮像装置。
前記固体撮像素子が凹部を有するパッケージの前記凹部内に配置され、
前記α線遮蔽層が前記凹部を埋め込むように形成され、
前記カバーガラスが前記凹部を封止するように設けられている
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像素子と前記カバーガラスが接着性の前記α線遮蔽層により貼り合わされている
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記α線遮蔽層は密度が１．０ｇ／ｃｍ^３以上の物質からなる
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記α線遮蔽層が可視領域の光に対して実質的に透過性である
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記α線遮蔽層が可視領域の光に対して９０％以上の透過率を有する
請求項４に記載の固体撮像装置。
前記α線遮蔽層が前記カバーガラスに対して接着性を有する
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記α線遮蔽層が樹脂からなる
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記樹脂からなるα線遮蔽層の厚さが２０μｍ以上である
請求項８に記載の固体撮像装置。
前記樹脂が、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、あるいはシリコン樹脂を含む
請求項８に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像素子の表面上であって、α線遮蔽層の下層にカラーフィルターが設けられている
請求項１に記載の固体撮像装置。