JP2009267151A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子形成領域上の、支持体に形成された貫通孔の側面に入射した光による反射光を低減し、いわゆる迷光による受光素子のノイズの減少を図り、高性能な半導体装置を提供する。
【解決手段】支持体５の貫通孔２０に形成された貫通孔側壁１３に、入射光を乱反射するような凹凸を有した乱反射面７を形成すること、または貫通孔側壁１３に入射光を吸収する光吸収膜８を形成することにより、受光素子が受ける貫通孔側壁１３からの反射光の低減を図る。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体基板上に受光素子が形成されたＣＳＰ構造の半導体装置及びその製造方法に関するものである。

近年、新たなパッケージ技術としてＣＳＰが注目されている。ＣＳＰとは、半導体チップの外形と略同一サイズの外形を有する小型のパッケージをいう。そして、ＣＳＰの一種としてＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型の半導体装置が知られている。ＢＧＡ型の半導体装置は、ハンダ等の金属材料から成るボール状の端子がパッケージの一方の面上に複数配列されたものである。

また、実装密度を高めるために、半導体チップの薄型化が要求されており、この要求を満たすためにも半導体基板を薄くする必要がある。しかしながら、半導体基板が薄くなると、製造工程において強度低下による反りや破損が生じるために搬送が不可能になってしまう。そのため、ガラス基板等の支持体を半導体基板の一方の面に貼り合わせ、支持体の貼り合わされていない面を研削して半導体基板を薄くすることが行われている。

図８は、従来のＢＧＡ型であって、支持体１０５を備える半導体装置１２０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１００の表面には、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサ等の素子から成る半導体素子１０１が形成され、更に、半導体素子１０１と電気的に接続された配線１０２が絶縁膜１０３を介して形成されている。配線１０２は、シリコン窒化膜等から成るパッシベーション膜１０４で被覆されている。

半導体基板１００の表面上には、ガラス基板等の支持体１０５がエポキシ樹脂等から成る接着層１０６を介して貼り合わされている。支持体１０５は、製造工程の中で薄型化される半導体基板１００を強固に保持するため、及び支持体１０５自身の反りや破損を防止するために厚く、例えば薄型化後の半導体基板１００の厚みが１００μｍ程度とすると、支持体１０５の厚みは４００μｍ程度である。

半導体基板１００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１０７が形成されている。絶縁膜１０７上には、配線１０２と電気的に接続された第２配線１０８が、半導体基板１００の側面及び裏面に沿って形成されている。また、絶縁膜１０７及び第２配線１０８を被覆して、ソルダーホトレジスト等から成る保護層１０９が形成されている。保護層１０９の所定領域には開口部が形成され、この開口部を通して第２配線１０８と電気的に接続されたボール状の導電端子１１０が形成されている。

このような半導体装置１２０は、個々の半導体装置１２０の境界である所定のダイシングラインＤＬに沿って支持体１０５及び保護層１０９等をダイシングブレードで個別に切り分ける工程（いわゆるダイシング工程）を経ることによって製造されていた。

上述した技術は、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

上述の半導体装置が半導体素子１０１として受光素子を含む場合は、透明な支持体１０５側から入射光が受光素子上に入ってくる。支持体１０５がガラスの場合、可視光はガラスに吸収されることはないが、支持体１０５の裏面側等で反射損失が発生する等の問題がある。ここで支持体１０５の裏面側とは半導体基板１００と直面する側と反対の面を言うものとする。

更に大きな問題として、ブルーレイ（Ｂｌｕ Ｒａｙ）のような特定の波長の光によって光が照射された部分の接着層１０６が劣化し半導体装置としての所望の動作品質が得られないという問題がある。

それらの問題を解決する方法として、受光素子形成領域上の接着層１０６及び支持体１０５をエッチング等の手段で除去し、受光素子上の支持体１０５に貫通孔を形成することが考えられる。そうすれば入射光はなんらの損失を受けることなく受光素子上に到達し、また接着層１０６がないためブルーレイの特定の波長の光に対しても所望の動作品質が確保できる。

この場合、支持体の貫通孔の側壁が半導体基板１００の表面に垂直に近い状態で形成されていると、コリメートされない斜め入射の光線がその側壁で反射され、いわゆる迷光として受光素子等に入射しノイズ源となる。側壁が垂直方向から受光素子形成領域の反対側に若干でも傾いた場合には垂直方向に入射した光による反射光も重畳される。本発明は上述のような迷光となる反射光を低減させ、高性能の半導体装置を提供するものである。

本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、その主な特徴は以下の通りである。即ち本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された受光素子と、前記半導体基板に接着層を介して貼り付けられ、前記受光素子の形成領域上に、その表面から裏面にかけて形成された貫通孔を有する支持体と、を備え、前記貫通孔の側壁に光に対する乱反射面が形成されたことを特徴とする。

また本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された受光素子と、前記半導体基板に接着層を介して貼り付けられ、前記受光素子形成領域上に、その表面から裏面にかけて形成された貫通孔を有する支持体と、前記支持体上を被覆する光吸収膜と、を備えることを特徴とする。

また本発明の半導体装置の製造方法は、受光素子が形成された半導体基板の表面上に接着層を介して支持体を貼り合わせる工程と、前記受光素子形成領域上の前記支持体の一部を選択的に除去し、その表面から裏面にかけて貫通する貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔の側壁を光が乱反射するように処理する工程と、を備えることを特徴とする。

更に本発明の半導体装置の製造方法は、受光素子が形成された半導体基板の表面上に接着層を介して支持体を貼り合わせる工程と、前記受光素子形成領域上の前記支持体の一部を選択的に除去し、その表面から裏面にかけて貫通する貫通孔を形成する工程と、前記支持体上を光吸収膜で被覆する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、受光素子形成領域上に、その表面から裏面にかけて貫通する貫通孔を形成した場合でも、その側壁からの反射光を低減または皆無にすることが可能となる。従って、いわゆる迷光による受光素子等で発生するノイズの低減等が図れる。併せて、受光素子上の接着層を取り除いているため、ブルーレイのような特定の波長の光を使用する場合でも、接着層の劣化に基づく半導体装置の動作品質の低下は生じない。

次に本発明の第１の実施形態について図１乃至図４に基づいて説明する。まず、図１に示すように、その表面に受光素子１（例えば、フォトダイオード、ＣＣＤ赤外線センサー、ＣＭＯＳセンサー等）が形成された半導体基板２を準備する。

次に、半導体基板２の表面に不図示の絶縁膜（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）を形成する。次に、当該絶縁膜上に配線３（例えば、アルミニウム層）を例えばスパッタリング法で形成する。

配線３は、受光素子１と電気的に接続され、受光素子１への電源供給を介在する。なお、前記配線３上を含む半導体基板２上には図示しないパッシベーション膜が形成されている。次に、半導体基板２の表面上に、エポキシ樹脂，ポリイミド（例えば感光性ポリイミド），レジスト，アクリル等の接着層４を介して支持体５を貼り合わせる。支持体５は、例えばガラスや石英，セラミック，シリコン、金属等から成る基板でもよいし、樹脂（例えばエポキシ樹脂，アクリル樹脂，ポリエステル樹脂）から成るものでもよい。その厚みは例えば４００μｍ前後である。

次に、支持体５のうち、少なくとも素子形成領域（受光素子１や配線３が形成された領域）を含む領域に対してホトレジスト膜６をマスクとしてエッチングやレーザービーム照射，サンドブラスト等を行い、受光素子１上の支持体５を選択的に除去する。これにより、図２に示すように支持体５を表面から裏面にかけて貫通する貫通孔側壁１３を有する貫通孔２０が形成される。ここで支持体５の表面とは半導体基板２と直面している側をいうものとする。支持体５をシリコンとした場合には六フッ化硫黄（ＳＦ_６）と八フッ化炭素（Ｃ_４Ｆ_８）等の混合ガスからなるプラズマ中でのドライエッチングにより貫通孔２０を形成することが出来る。

また、本実施形態では、支持体５の選択的な除去に続いて下方の接着層４も除去している。このとき、接着層４を除去する方法としては、ドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いると良い。この場合同時にホトレジスト膜６も併せて除去することが出来る。図３はホトレジスト膜６が除去された状態を示すが、このままでは支持体５に形成された貫通孔２０の側壁である貫通孔側壁１３に入射した光の反射光が受光素子１上に当たり、いわゆる迷光として受光素子１に対するノイズ源となる。

そこで図４に示す如く、支持体５の貫通孔側壁１３からの反射光を分散させ、受光素子１の受ける迷光の量を低減させるため、支持体５の少なくとも貫通孔側壁１３の部分を鏡面状態から凹凸の状態になるような処理を行い、乱反射面７を形成する。凹凸状態になれば貫通孔側壁１３に入射した光は種々の方向に乱反射し、受光素子１の受ける迷光の量は減少し、受光素子１に対するノイズ源を減少させることが出来るからである。

支持体５の表面に凹凸を形成するためには、支持体５に貫通孔２０を形成した後に、支持体５表面を凹凸になるような条件でドライエッチングする方法がある。例えば、支持体５がシリコンの場合には六フッ化硫黄（ＳＦ_６）と酸素（Ｏ_２）の混合ガスからなるプラズマによるドライエッチングにより、表面に小さな凹凸のある乱反射面７が形成され、入射してきた光を乱反射することが出来る。

また支持体５に貫通孔２０が形成された後、接着層４がまだ半導体基板２上を被覆している状態で支持体５の貫通孔側壁１３にサンドブラストすることによっても乱反射面７を形成することが出来る。接着層４が残っているためその下の半導体基板２はサンドブラストのダメージを受けることはない。係る乱反射面によっても入射した光は乱反射される。さらには、素焼き状に多数の細孔を有する素材をベースに採用し、貫通孔２０を有する支持体５を形成しても良い。

次に第２の実施形態について図５に基づいて説明する。第１の実施形態と同様の構成及び製造工程については、同一符号を付してその説明は省略する。

まず、第１の実施形態の図３に示す半導体基板２に貫通孔２０が形成された支持体５を接着層４で貼り合わせたものを準備する。次に図５に示す如く少なくとも貫通孔側壁１３を被覆する光吸収膜８を形成する。光吸収膜８に入射した光は当該光吸収膜８で吸収され、反射されることがないため、受光素子１が反射光による迷光を受けることもなく、受光素子１に対するノイズ源は大幅に低減される。

光吸収膜８の形成は、例えば黒色顔料を含有する感光性樹脂等の有機膜をスプレーコートし、受光素子１上は所定のホトリソグラフィ技術で露出させる方法等がある。また異方性ドライエッチング等を行い側壁に有機物からなるデポ物を形成することも可能である。さらには、黒色顔料を含有する樹脂等で貫通孔２０を有する支持体５を形成しても良い。

最後に第１の実施形態を示す図４及び第２の実施形態を示す図５に示された受光素子１を含む半導体基板２それぞれに対して貫通電極１０、外部接続用の導電端子１１を形成することにより、図６、図７に示されるようなＣＳＰ構造の半導体装置６０，７０が完成する。以下に、貫通電極１０、導電端子１１の形成方法について図６または図７に従い、簡単に説明する。まず半導体基板２に、当該半導体基板２の貫通孔２０に面する側の反対側である裏面から、前記配線３の裏面に至るに貫通孔を所定の工程により形成する。次に前記貫通孔２０内及び半導体基板２の裏面を被覆する酸化膜等からなる絶縁膜をＣＶＤ等により形成する。

その後、前記配線３の裏面に形成された絶縁膜を除去した後、所定の工程により、前記貫通孔に前記配線３の裏面に接続する貫通電極１０を形成する。貫通電極１０はバリア層としてのＴｉ等、シード層としてのＮｉ等、充填金属としてのＣｕ等から構成される。最後に半導体基板２の裏面に露出した貫通電極１０に対して電解メッキ等によりＣｕ等からなる導電端子１１を形成する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることは無く、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能であることは言うまでもない。以上の説明では、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型の半導体装置について説明したが、本発明はボール状の導電端子を有さないＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型やその他のＣＳＰ型半導体装置に適用することが出来る。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を説明する断面図である。 従来の半導体装置を説明する断面図である。

符号の説明

１ 受光素子 ２ 半導体基板 ３ 配線 ４ 接着層 ５ 支持体
６ ホトレジスト膜 ７ 乱反射面 ８ 光吸収膜
１０ 貫通電極 １１ 導電端子 １３ 貫通孔側壁 ２０ 貫通孔
１００ 半導体基板 １０１ 半導体素子 １０２ 配線
１０３ 絶縁膜 １０４ パッシベーション膜 １０５ 支持体
１０６ 接着層 １０７ 絶縁膜 １０８ 第２配線 １０９ 保護層
１１０ 導電端子 ６０，７０，１２０ 半導体装置

Claims (12)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に形成された受光素子と、
   前記半導体基板に接着層を介して貼り付けられ、前記受光素子の形成領域上に、その表面から裏面にかけて形成された貫通孔を有する支持体と、を備え、
   前記貫通孔の側壁に光に対する乱反射面が形成されたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記支持体がシリコンであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記受光素子がフォトダイオードであることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の半導体装置。
4. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に形成された受光素子と、
   前記半導体基板に接着層を介して貼り付けられ、前記受光素子の形成領域上に、その表面から裏面にかけて形成された貫通孔を有する支持体と、
   前記支持体上を被覆する光吸収膜と、を備えることを特徴とする半導体装置。
5. 前記光吸収膜が有機膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記光吸収膜がドライエッチングのデポ物であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
7. 前記支持体がシリコンであることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の半導体装置。
8. 前記受光素子がフォトダイオードであることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の半導体装置。
9. 受光素子が形成された半導体基板の表面上に接着層を介して支持体を貼り合わせる工程と、
   前記受光素子の形成領域上の前記支持体の一部を選択的に除去し、その表面から裏面にかけて貫通する貫通孔を形成する工程と、
   前記貫通孔の側壁を光が乱反射するように処理する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 前記貫通孔の側壁を光が乱反射するように処理する工程が支持体のライトエッチングにより構成されることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記貫通孔の側壁を光が乱反射するように処理する工程が支持体のサンドブラストにより構成されることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
12. 受光素子が形成された半導体基板の表面上に接着層を介して支持体を貼り合わせる工程と、
    前記受光素子の形成領域上の前記支持体の一部を選択的に除去し、その表面から裏面にかけて貫通する貫通孔を形成する工程と、
    前記貫通孔の側壁を光吸収膜で被覆する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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