JP2009026985A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】受光素子への不要な光の浸入を防止することで、半導体装置の特性ずれを防止することを主たる目的とする。
【解決手段】半導体基板2の表面には、ホトダイオードから成る受光素子3が形成されている。また、受光素子3で変換された電気信号を増幅するためのトランジスタ素子等から成る集積回路4が形成されている。半導体基板2の側面及び裏面全体は絶縁膜10で被覆されている。絶縁膜10上には、パッド電極6と電気的に接続された配線層11が形成されている。配線層11上には電極接続層12及びバンプ電極14が形成されている。実装基板20上にはランド22が形成されている。ランド22は、半導体チップ1の実装時において、半導体基板2の裏面のうち金属層(配線層11,電極接続層12,バンプ電極14)で覆われていない領域を覆うように形成されている。
【選択図】図4

Description

本発明は、光信号を電気信号に変換するための素子を備える半導体装置に関するものである。
従来から、光の吸収により光信号を電気信号に変換するための素子(受光素子)としてホトダイオードが知られている。半導体基板上にホトダイオードが形成された従来の半導体チップについて図面を参照しながら説明する。図9は、従来の半導体チップ100の概略を示す断面図である。
シリコン(Si)等から成る半導体基板101の表面には、ホトダイオードから成る受光素子102が形成され、更に、受光素子102と電気的に接続されたパッド電極103が絶縁膜104を介して形成されている。パッド電極103は、シリコン窒化膜等から成るパッシベーション膜105で被覆されている。
半導体基板101の表面上には、ガラス基板等の支持体106がエポキシ樹脂等から成る接着層107を介して貼り合わされている。支持体106は、製造工程の中で薄型化される半導体基板101を保持し、半導体基板101の表面に形成された素子を保護する。
半導体基板101の側面及び裏面上にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等から成る絶縁膜108が形成されている。絶縁膜108上には、パッド電極103と電気的に接続されたアルミニウム等から成る配線層109が、半導体基板101の側面及び裏面に沿って形成されている。また、絶縁膜108及び配線層109を被覆して、ソルダーレジスト等から成る保護層110が形成されている。保護層110の所定領域には開口部が形成され、この開口部を通して配線層109と電気的に接続されたボール状のバンプ電極111が形成されている。
半導体チップ100は、バンプ電極111を介してプリント基板等の実装基板に実装される。そして、半導体基板101の表面側から入射される光は受光素子102で受けられ、受光素子102はその光の量に応じた出力電流を流す。そのため、このような半導体チップ100は「明るい」「暗い」といった周囲の明るさを感知するセンサ(照度センサ)や、CDやDVDの光ピックアップ装置等に用いられている。
本発明に関連した技術は、例えば以下の特許文献に記載されている。
特開2006−93367号公報
上述した半導体チップ100においては、半導体基板101の表面側から入射される光の量に応じて所定の電流が出力されるように、受光素子102や増幅トランジスタ等の回路素子が設計されていた。
しかしながら、近年は半導体基板101の薄型化が進んでいることもあり、半導体基板101の裏面側から想定外の光が半導体基板101を透過して受光素子102に入射し、この誤検知によって受光素子102から出力される電流値が目標特性からずれるという問題があった。特に赤外線は半導体基板101を透過し易く、裏面側からの赤外線の入射が半導体チップ100の特性ずれに大きな影響を及ぼすことがあった。なお、このような設計上予定しない不要な光の浸入による特性ずれの問題は、照度センサや光ピックアップ装置に限らず、受光素子を備える種々の装置において重要な問題となっている。
そこで本発明は、受光素子への不要な光の浸入を防止することで、半導体チップの特性ずれを防止することを主たる目的とする。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な特徴は以下のとおりである。すなわち、本発明の半導体装置は、実装基板上に実装された半導体チップを備える半導体装置であって、前記半導体チップは、表面に受光素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板の裏面上に部分的に形成され、前記受光素子と電気的に接続された裏面電極を含む金属層とを備え、前記実装基板は、その表面上に、前記裏面電極と接続され、かつ前記実装基板の裏面方向から前記半導体基板の表面方向に入射される光を遮断する導電層を備え、前記導電層は、前記半導体基板の裏面のうち前記金属層で覆われていない領域を覆うように形成されていることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、実装基板上に実装された半導体チップを備える半導体装置であって、前記半導体チップは、表面に受光素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板の側面に隣接して形成され、前記受光素子と電気的に接続された電極とを備え、前記実装基板の表面上には、前記電極と接続され、かつ前記実装基板の裏面方向から前記半導体基板の表面方向に入射される光を遮断する導電層を備え、前記導電層は、前記受光素子の全体を覆うことを特徴とする。
本発明では、半導体チップが実装される基板(実装基板)に、実装基板の裏面方向からその表面方向に入射される光を遮断する導電層が形成されている。そのため、実装基板の裏面方向から表面方向に入射される光が仮にあったとしても、当該光は導電層で遮断されて受光素子に到達せず(あるいは到達し難く)、受光素子の動作特性ずれを防止することができる。
次に、本発明の第1の実施形態について図1及び図2を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る半導体チップ1の断面図であり、図2は半導体チップ1を裏面側から見た平面図の概略である。なお、図1は図2のX−X線に沿った断面図に相当する。
シリコン等から成る半導体基板2の表面には、ホトダイオードから成る複数(本実施形態では2つ)の受光素子3が島状に形成されている。受光素子3は、半導体基板2の表面側から入射される光を電気信号に変換するための素子である。
半導体基板1の表面には受光素子3以外にも、抵抗(拡散抵抗やポリシリコン抵抗)、容量、受光素子3で変換された電気信号を増幅するためのトランジスタ素子(増幅素子)等から成る集積回路4が形成されている。受光素子3と集積回路4は、不図示の配線を介して相互に接続されている。
半導体基板2の表面上には絶縁膜5(例えば、熱酸化法やCVD法等によって形成されたシリコン酸化膜)が形成されており、絶縁膜5の一部上には、受光素子3あるいは集積回路4と電気的に接続されたアルミニウム等から成るパッド電極6が形成されている。パッド電極6の形成位置に限定はなく、半導体基板2上に形成されていても良い。
絶縁膜5上には、パッド電極6の一部または全部を被覆するパッシベーション膜7(例えば、CVD法により形成されたシリコン窒化膜)が形成されている。
半導体基板2の表面上には、エポキシ樹脂やポリイミド,レジスト,アクリル等から成る接着層8を介して支持体9が貼り合わされている。支持体9は、例えばフィルム状の保護テープでもよいし、ガラスや石英,セラミック,金属等の剛性の基板であってもよいし、樹脂から成るものでもよい。支持体9は、半導体チップ1を支持すると共にその表面側を保護する機能を有するものであり、その膜厚は例えば約400μm程度である。また、支持体9は透明もしくは半透明の材料から成り、受光素子3が受光すべき波長の光を透過する性状を有するものである。
なお、必要に応じて支持体9を設けずに半導体チップ1を構成してもよい。また、受光素子3に入射させたくない特定の波長の光を遮断するためにフィルター層を設けても良い。例えば、赤外線が受光素子3へ入射することを防止するために、支持体9の一方の面側(例えば半導体基板2の表面側)に赤外線フィルター層を設けることができる。
半導体基板2の側面及び裏面全体は絶縁膜10(例えばプラズマCVD法によって形成されたシリコン酸化膜やシリコン窒化膜)で被覆されている。絶縁膜10上には、パッド電極6と電気的に接続されたアルミニウム等から成る配線層11が、半導体基板2の側面及び裏面に沿って形成されている。
配線層11上には後述するバンプ電極14の台座として、電極接続層12を形成することが好ましい。電極接続層12を形成するのは、アルミニウム等から成る配線層11と、ハンダ等から成るバンプ電極14とが接合し難いという理由や、バンプ電極14の材料が配線層11側に流入してくることを防止するという理由による。電極接続層12は、例えばレジスト層をマスクとしてニッケル(Ni)層と金(Au)層等の金属層を配線層11や絶縁膜10上に順次スパッタリングし、その後レジスト層を除去するというリフトオフ法や、メッキ法によって形成することができる。なお、電極接続層12は、配線層11のバンプ電極14が形成される予定の領域にのみ形成することもできる。
絶縁膜10や電極接続層12を被覆して、ソルダーレジストやポリイミド系樹脂等から成る保護層13が形成されている。保護層13の所定領域には開口部が形成され、この開口部を通して電極接続層12と電気的に接続されたハンダ等から成るバンプ電極14が形成されている。バンプ電極14は、後述する実装基板20に当該半導体チップ1を実装する際の外部電極であり、電極接続層12,配線層11,及びパッド電極6を介して受光素子3及び集積回路4と電気的に接続されている。
なお、図1ではバンプ電極14が半導体基板2の裏面上に形成されているが、その一部を半導体基板2の側面に延在するように形成してもよい。かかる構成によれば、バンプ電極14の平面的な面積が拡がるため、半導体基板2の側面側及び裏面側から受光素子3方向への光の浸入を遮断する効果を向上させることができる。
次に、半導体チップ1の裏面側から見た平面構造について説明する。各受光素子3は、図2に示すように、垂直方向(半導体基板2の厚み方向)から見た場合に、大部分が半導体基板2の裏面上に形成された金属層(配線層11,電極接続層12,バンプ電極14)と重畳し、一部が重畳していない(領域Y)。なお、集積回路4は配線層11,電極接続層12の形成領域よりも内側に形成されていることが好ましい。
次に、上述した半導体チップ1が実装される基板(実装基板20)について図3を参照しながら説明する。実装基板20はプリント基板やフレキシブル基板であって、図3に示すように、その表面上に銅箔やアルミ,金等の導体から成る導電層21が所定の配線パターンを描くようにして形成されている。各導電層21は、所定領域が拡張しており、実装工程の際には当該拡張領域(以下、ランド22とする)の接触部23に上記バンプ電極14がそれぞれ接触・固定される。ここで、従来の一般的な実装基板のランドは、接触するバンプ電極と同程度かそれよりも若干広い程度の面積を有するが、本実施形態のランド22は、図3に示すように接触部23よりも十分にその面積を拡張させている。具体的には、実装時において半導体基板2の裏面のうち金属層(配線層11,電極接続層12,バンプ電極14)で覆われていない領域を覆うようにランド22が形成されている。
次に、上記半導体チップ1が実装基板20に実装された状態(半導体装置25)を説明する。半導体チップ1は、図4及び図5に示すようにバンプ電極14とランド22とが接触かつ固定されて実装基板20上に実装される。図4は半導体装置25を示す断面図であり、図5は半導体装置25の受光素子3,配線層11,電極接続層12,バンプ電極14,ランド22との位置関係を示す平面図である。
第1の実施形態では、図4及び図5に示すように、ランド22が半導体基板2の裏面のうち金属層(配線層11,電極接続層12,バンプ電極14)で覆われていなかった領域を覆っている点が特徴である。更には、受光素子3の形成領域のうち金属層(配線層11,電極接続層12,バンプ電極14)で覆われていなかった領域Yがランド22で覆われている点が特徴である。従って、半導体装置25では、受光素子3の全体が半導体チップ1の裏面上に形成された金属層(配線層11,電極接続層12,バンプ電極14)と、実装基板20に形成された導電層(ランド22)で完全に覆われている。
半導体装置25では、バンプ電極14から電極接続層12,配線層11,及びパッド電極6を介して受光素子3のカソード電極及びアノード電極に所定の電位(例えば、カソード電極に電源電位、アノード電極に接地電位)が印加され、逆バイアス状態で動作させる。この逆バイアスによってPN接合付近に空乏層が形成され、光の入射を受けた際、光の量に応じて受光素子3に電流が発生する。そして、当該電流は集積回路4で増幅される。
以上説明したように、第1の実施形態に係る半導体装置25では、ランド22が半導体基板2の裏面のうち金属層(配線層11,電極接続層12,バンプ電極14)で覆われていなかった領域を覆っている。そのため、実装基板20の裏面側から受光素子3の方向に想定外の光が入射したとしても、当該光は先ずランド22によって遮断され、次いで金属層(配線層11,電極接続層12,バンプ電極14)によって遮断され、半導体基板2の表面側まで不要な光が透過し難い構成になっている。更に、本実施形態では受光素子3の全体がランド22と上記金属層で完全に覆われるため、裏面側からの光が受光素子3まで到達しない(あるいは到達し難くなっている)。従って、半導体基板2の表面側からの光のみを受光素子3で正確に受光することができ、誤動作(不要な電流の発生)のない、所望の特性を持った半導体装置25を得ることができる。特に、赤外線のような透過し易い光の裏面側からの入射を効果的に防止できる点が優れている。なお、半導体基板2の表面側からも受光素子3に赤外線を入射させたくない場合には、上記のとおり赤外線フィルター層を受光素子3の上方に設ければよい。
また、実装基板20に形成された導電層(本実施形態ではランド22)に本来の機能(半導体チップとの電気的接続を介在する機能)に加えて遮光機能を持たせ、更には半導体基板2の裏面側や側面側に形成された金属層(本実施形態ではバンプ電極14,電極接続層12,配線層11)に本来の機能(受光素子3等の素子への電源供給を介在する機能)に加えて遮光機能を持たせるようにすることで、別途遮光層を形成することを要しない。従って、製造工程を簡略化して製造コストを抑えるとともに、半導体装置の生産性を向上させることができる。
また、本実施形態では、配線層11や電極接続層12の形成領域よりも内側に集積回路4が形成されている。そのため、集積回路4を構成する素子にも実装基板20の裏面側からの光が到達せず、集積回路4に形成されたバイポーラトランジスタ等の増幅素子の誤動作を防止することができる。なお、集積回路4をランド22で覆うことで同様の効果を得ることも可能である。
また、バンプ電極14や電極接続層12,配線層11の面積を拡張させ、その一部を半導体基板2の裏面だけに限らず側面に延在するように形成し、受光素子3や集積回路4を斜め方向から覆ってもよい。こうすることで、実装基板20の裏面に対して斜め方向から受光素子3への光の浸入を遮断する効果を向上させることもできる。
次に、本発明の第2の実施形態について図6を参照しながら説明する。図6は第2の実施形態に係る半導体チップ30を裏面側から見た平面図であり、受光素子と半導体基板2の裏面上に形成された金属層との位置関係を示している。なお、第1の実施形態と同様の構成については同一記号を用いてその説明を省略するか簡略する。
半導体基板2の表面には、ホトダイオードから成る複数(本実施形態では4つ)の受光素子31が島状に形成されている。各受光素子31は、半導体基板2の厚み方向から見た場合に配線層11や電極接続層12,バンプ電極14で覆われている。このように、受光素子31の全体が半導体基板2の裏面上に形成された金属層(配線層11,電極接続層12,バンプ電極14)で完全に覆われている点が第1の実施形態と異なる。受光素子31以外の構成要素については第1の実施形態と同様である。以上のように構成された半導体チップ31は、バンプ電極14を介して実装基板20に第1の実施形態と同様に実装される。
このように構成された第2の実施形態に係る半導体装置は、第1の実施形態で得られた効果に加えて以下の効果を有する。つまり、第2の実施形態に係る半導体装置では、各受光素子31が半導体基板2の裏面上に形成された金属層の領域内に形成されており、図2で示したような領域Yがない。そのため、実装基板20の裏面側から受光素子31の方向に不要な光が入射したとしても、第1の実施形態に比べて当該光が受光素子3まで到達し難くなっている。従って、半導体基板2の表面側からの光のみを受光素子3で正確に受光することができ、誤動作のない、所望の特性を持った半導体装置を得ることができる。
また、本実施形態における受光素子は、第1の実施形態に比べて細かく分割して形成されているため、仮に一つの受光素子が機能しない状況下であっても他の領域に形成された受光素子が有効に機能する構成になっている。そのため、半導体チップ30が実装基板20の僅かにずれた位置に実装された状況であったり、受光窓が形成された鏡筒部内等に半導体チップ30を配置する際に受光窓と半導体チップ30との位置関係が目的位置から僅かにずれた状況であったとしても、受光素子3へ入射する光量を出来る限り確保することが出来る。
次に、本発明の第3の実施形態について図7を参照しながら説明する。図7は第3の実施形態に係る半導体チップ35を裏面側から見た平面図であり、受光素子、ダミー受光素子、半導体基板2の裏面上に形成された金属層との位置関係を示している。なお、第1及び第2の実施形態と同様の構成については同一記号を用いてその説明を省略するか簡略する。
半導体基板2の表面には複数の受光素子31が形成されている。そして、半導体基板2の表面のうち、受光素子31で囲まれた中央領域にダミー受光素子36が形成されている。受光素子31は、半導体基板2の表面側から入射される光を電気信号に変換するための素子であって集積回路4と接続されている。これに対し、ダミー受光素子36は、実質的に受光素子31と同様の構造(アノード領域やカソード領域)を備えるが、集積回路4や受光素子3とは電気的に接続されておらず、電源‐GND間またはGND‐GND間に接続されており、ダミー受光素子36で発生した電流は電源‐GND間またはGND‐GND間で完結する。つまり、ダミー受光素子36は、集積回路4や受光素子3の動作を含めて本来的な回路動作に影響を及ぼすことがない素子である。このように、ダミー受光素子36が半導体基板2の表面のうち、金属層(配線層11、電極接続層12,バンプ電極14)で覆われず、且つ実装状態のときにランド22で覆われない領域(例えば、図5で示す領域Z)を含んだ領域に形成されている点が第1及び第2の実施形態と異なる。その他の構成については第1または第2の実施形態と同様である。
以上のように構成された半導体チップ35は、バンプ電極14を介して実装基板20に第1及び第2の実施形態と同様に実装される。
このように構成された第3の実施形態に係る半導体装置は第2の実施形態で得られた効果に加えて以下の効果を有する。つまり、第3の実施形態に係る半導体装置では、ダミー受光素子36が半導体基板2の表面のうち、半導体基板2の裏面上に形成された金属層、実装基板20に形成した導電層のいずれとも重畳しない領域を含んで形成されている。そのため、領域Zのような隙間を介して実装基板20の裏面側から半導体基板2の表面側まで不要な光が仮に到達したとしても、その光はダミー受光素子36のアノード領域及びカソード領域で吸収される。そして、生成されたキャリアの殆どは当該ダミー受光素子36の電流と成るため、受光素子3及び集積回路4は裏面側からの光の影響を受け難く、所望の特性を持った半導体装置を得ることができる。
なお、図7で示したダミー受光素子36は、半導体チップ35の中央領域についてのみ形成されていたが、他の領域(隣り合う受光素子31の間や、半導体チップ35の外周領域等)に形成することも可能である。
次に、本発明の第4の実施形態について図8を参照しながら説明する。図8は第4の実施形態に係る半導体チップ40が実装基板45に実装された状態を示す断面図である。なお、第1乃至第3の実施形態と同様の構成については同一記号を用いてその説明を省略するか簡略する。
半導体チップ40では、上記電極接続層12と同様の電極接続層41を介してパッド電極6と接続されたバンプ電極42が、半導体基板2の側面と隣接して形成されている。このように、半導体基板2の側面及び裏面に、第1乃至第3の実施形態で説明した配線層11が形成されていない。
以上のように構成された半導体チップ40は、バンプ電極42を介して実装基板45に実装される。実装基板45には、実装状態において受光素子3の全体を被覆するようにしてランド46が形成されている。他の構成は、上記実施形態と同様である。
第1〜第3の実施形態では、半導体チップの裏面上に形成された金属層(配線層11,電極接続層12,バンプ電極14)の少なくとも一部が受光素子3を覆う構成であったが、第4の実施形態ではそれがない。つまり、本実施形態では、実装基板側に形成された導電層(ランド46)が、実装基板の裏面側から受光素子3への光の入射を防止する遮光層の機能を有する。
そのため、実装基板45の裏面側から受光素子3の方向に入射した光はランド46によって遮断され、受光素子3まで到達しない。従って、半導体基板2の表面側からの光のみを受光素子3で正確に受光することができ、誤動作のない、所望の特性を持った半導体装置を得ることができる。
なお、本発明は上記第1〜第4の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。例えば、上記実施形態ではボール状のバンプ電極14,42を有するBGA(Ball Grid Array)型の半導体装置について説明したが、LGA(Land Grid Array)型やその他のCSP型,フリップチップ型の半導体装置に適用するものであっても構わない。また、実装基板の他方の面(半導体チップが実装されない側の面)、あるいは、実装基板が多層から構成される場合には実装基板内のうち受光素子3と対応する領域に、図8に示すような遮光層47を形成してもよい。これにより、受光素子への不要な光の浸入を更に防止することが可能である。遮光層47は、金属材料や樹脂等から成り、目的の光を吸収あるいは反射させる等してその光の透過を遮断できる材料から成るものであればよい。また、遮光層47として、接地電圧や電源電圧を供給する配線を用いることも可能である。本発明は、受光素子への不要な光の浸入を防止する技術として広く適用できるものである。
本発明の第1の実施形態に係る半導体チップを示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体チップを示す平面図である。 本発明の第1の実施形態に係る実装基板を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体チップを示す平面図である。 本発明の第3の実施形態に係る半導体チップを示す平面図である。 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体チップを示す断面図である。
符号の説明
1 半導体チップ 2 半導体基板 3 受光素子 4 集積回路
5 絶縁膜 6 パッド電極 7 パッシベーション膜 8 接着層
9 支持体 10 絶縁膜 11 配線層 12 電極接続層
13 保護層 14 バンプ電極 20 実装基板 21 導電層
22 ランド 23 接触部 25 半導体装置 30 半導体チップ
31 受光素子 35 半導体チップ 36 ダミー受光素子
40 半導体チップ 41 電極接続層 42 バンプ電極 45 実装基板
46 ランド 47 遮光層 100 半導体チップ 101 半導体基板
102 受光素子 103 パッド電極 104 絶縁膜
105 パッシベーション膜 106 支持体 107 接着層
108 絶縁膜 109 配線層 110 保護層 111 バンプ電極

Claims (6)

  1. 実装基板上に実装された半導体チップを備える半導体装置であって、
    前記半導体チップは、表面に受光素子が形成された半導体基板と、
    前記半導体基板の裏面上に部分的に形成され、前記受光素子と電気的に接続された裏面電極を含む金属層とを備え、
    前記実装基板は、その表面上に、前記裏面電極と接続され、かつ前記実装基板の裏面方向から前記半導体基板の表面方向に入射される光を遮断する導電層を備え、
    前記導電層は、前記半導体基板の裏面のうち前記金属層で覆われていない領域を覆うように形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記金属層は、前記受光素子の全体を覆うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記金属層は、前記受光素子の一部を覆い、
    前記導電層は、前記受光素子のうち前記金属層で覆われていない領域を覆うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体基板の表面のうち、前記金属層及び前記導電層のいずれにも覆われていない領域に、前記受光素子とは電気的に接続されておらず、前記受光素子の動作に影響を与えないダミー受光素子を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 実装基板上に実装された半導体チップを備える半導体装置であって、
    前記半導体チップは、表面に受光素子が形成された半導体基板と、
    前記半導体基板の側面に隣接して形成され、前記受光素子と電気的に接続された電極とを備え、
    前記実装基板の表面上には、前記電極と接続され、かつ前記実装基板の裏面方向から前記半導体基板の表面方向に入射される光を遮断する導電層を備え、
    前記導電層は、前記受光素子の全体を覆うことを特徴とする半導体装置。
  6. 前記実装基板の裏面上に、前記受光素子の全体を覆う遮光層を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の半導体装置。
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