JP2010056155A

JP2010056155A - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JP2010056155A
Application number: JP2008217048A
Authority: JP
Inventors: Tadao Inoue; 忠夫井上; Katsuyoshi Yamamoto; 克義山本; Susumu Moriya; 晋森屋
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: JP5369542B2

Abstract

【課題】撮像レンズと撮像素子との中心合わせに手間がかかるため、製造コスト削減が困難である。
【解決手段】半導体ウエハ(10)の表面に、複数の撮像素子(11)を形成する。撮像素子の各々の上に樹脂(35)を配置し、硬化させることにより、樹脂製の撮像レンズ(35B)を形成する。撮像レンズが形成された半導体ウエハを、撮像素子の各々と、その上に形成された撮像レンズとが一体になった撮像チップに分割する。
【選択図】図１−４

Description

本発明は、撮像用半導体チップと、撮像レンズとが一体になった固体撮像素子の製造方法に関する。

ＣＭＯＳセンサやＣＣＤ等の固体撮像素子を用いたカメラモジュールでは、撮像レンズにより収束された光が、撮像チップの受像部に導かれる。撮像レンズは、レンズバレルを受像部の前方に機械的に支持することにより、受像部に対して固定される。または受像部の上に設けられたフィルタの、受像部に対向する面とは反対側の面に撮像レンズを接着することにより、受像部と撮像レンズとが一体化される（特許文献１参照）。

特開平９−１３０６８３号公報

レンズバレルを機械的に支持する構造では、レンズバレルの製造上のばらつきや、着装精度のばらつき等により、焦点合わせ及び中心合わせが困難である。この困難性のため、製造コストの低減が困難である。

受像部上のフィルタに撮像レンズを接着する方法でも、撮像レンズの中心合わせに手間がかかるため、製造コスト削減は困難である。

上記課題を解決するための固体撮像素子の製造方法は、
半導体ウエハの表面に、複数の撮像素子を形成する工程と、
前記撮像素子の各々の上に樹脂を配置し、硬化させることにより、樹脂製の撮像レンズを形成する工程と、
前記撮像レンズが形成された前記半導体ウエハを、前記撮像素子の各々と、その上に形成された前記撮像レンズとが一体になった撮像チップに分割する工程と
を有する。

撮像チップに分離する前に、半導体ウエハ状態で撮像レンズを撮像素子に固定するため、ここの撮像素子に対して個別に撮像レンズを位置合わせする必要がない。このため、製造コストの削減を図ることが可能になる。

図面を参照しながら、実施例１〜実施例３について説明する。

図１Ａ〜図１Ｈを参照して、実施例１による固体撮像素子の製造方法について説明する。

図１Ａに示すように、半導体ウエハ１０の表面に、複数の撮像素子１１を形成する。撮像素子１１は、半導体ウエハ１０の表面に行列状に配置されている。撮像素子１１の各々は、例えば、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤ等の受像部、及び周辺回路部を含む。受像部は、フォトダイオード及びトランジスタからなる複数の画素を含む。撮像素子１１の各々の平面形状は、例えば正方形であり、行方向及び列方向の配列周期は４ｍｍである。相互に隣り合う撮像素子１１の間に、撮像素子１１をチップに分離するためのスクライブ領域が確保されている。

図１Ｂに、１つの撮像素子１１の一部分の断面図を示す。半導体ウエハ１０の表面に、複数のフォトダイオード２０が形成されている。１つのフォトダイオード２０と３個のトランジスタが１つの画素を構成する。なお、トランジスタは、図示を省略している。フォトダイオード２０及び半導体ウエハ１０の上に、酸化シリコン膜２１が形成されている。酸化シリコン膜２１の表面には、フォトダイオード２０に対応する位置に部分球状の窪みが形成されている。

酸化シリコン膜２１の上に、窒化シリコン膜２２が形成されている。窒化シリコン膜２２の表面は、ほぼ平坦である。酸化シリコンと窒化シリコンとの屈折率の相違により、酸化シリコン膜２１の表面に形成された窪みが、マイクロレンズ２３として作用する。

図１Ｃに示すように、半導体ウエハ１０の上に、枠３０を配置する。図１Ｄに、図１Ｃの一点鎖線１Ｄ−１Ｄにおける平断面図を示す。図１Ｄの一点鎖線１Ｃ−１Ｃにおける断面図が図１Ｃに対応する。枠３０は、相互に隣り合う撮像素子１１の間に確保されているスクライブ領域に沿う正方格子状の平面形状を有する。枠３０により、開口部３０ｃが画定される。開口部３０ｃは、半導体ウエハ１０の表面に形成された撮像素子１１に対応する位置に配置される。開口部３０ｃの各々の平面形状は、例えば一辺の長さが３ｍｍの正方形であり、相互に隣り合う開口部３０ｃを隔てる枠３０の厚さは１ｍｍである。すなわち、開口部３０ｃの行方向及び列方向の配列周期は、撮像素子１１の配列周期と同じ４ｍｍである。開口部３０ｃの各々の１つの側面に、高さ方向に延在する溝３０ｄが形成されている。溝３０ｄの幅及び深さは、例えば０．２ｍｍである。

枠３０の本体３０ａは、ＳＵＳまたはアルミニウムで形成される。本体３０ａの表面には、フッ素樹脂コーティングが施されている。本体３０ａの、半導体ウエハ１０に対向する面に、弾性部材からなる弾性膜３０ｂが密着している。弾性膜３０ｂは、例えばシリコーン樹脂で形成され、その厚さは例えば１００μｍである。弾性膜３０ｂを設けることにより、枠３０と半導体ウエハ１０との接触部の隙間を無くすことができる。

図１Ｅに示すように、半導体ウエハ１０の上方に、樹脂４５が収容された樹脂容器４０を配置する。樹脂４５は、ガラス転移温度以上に保たれている。樹脂容器４０の底面には、枠３０の開口部３０ｃに対応した位置に射出口４１が設けられている。樹脂容器４０内にピストン４２が挿入されている。ピストン４２で、樹脂容器４０内の樹脂４５を加圧することにより、射出口４１から樹脂を射出する。射出口４１から射出された樹脂３５は、開口部３０ｃ内に充填される。

図１Ｆに示すように、枠３０の開口部３０ｃ内に、金型４８を挿入し、樹脂３５を成型する。金型４８の、樹脂３５に接する表面には、樹脂３５の表面を凸レンズ形状にするための窪みが設けられている。金型４８の温度は、樹脂のガラス転移温度と同等またはそれ以上に維持されている。金型４８を挿入することにより、樹脂３５の上面が、凸レンズ形状に成型される。余分な樹脂は、枠３０に設けられた溝３０ｄ（図１Ｄ）内を経由して外部に漏れ出る。

図１Ｇに示すように、樹脂３５の温度が、金型４８の温度と同程度まで低下した後、金型４８及び枠３０を取り外す。半導体ウエハ１０の撮像素子１１の上に、樹脂が硬化して形成された撮像レンズ３５Ａが残る。撮像レンズ３５Ａの側面には、溝３０ｄに起因する尾根状突起３５Ｂが形成される。

図１Ｈに示すように、半導体ウエハ１０をダイシングすることにより、撮像素子１１と撮像レンズ３５Ａとが一体になった撮像用チップに分離する。

一例として、撮像レンズ用の樹脂に、日本ゼオン株式会社製のゼオネックス（登録商標）４８０Ｒを使用することができる。ゼオネックス４８０Ｒを使用する場合、図１Ｅに示した樹脂容器４０内の樹脂４５の温度は２７０℃とし、樹脂の射出時の圧力は８０ｋｇｗ／ｃｍ^２とする。１つの開口部３０ｃ内への樹脂の充填量は、２５．２ｍｍ^３とする。開口部３０ｃの平面形状が、一辺の長さ３ｍｍの正方形であるから、充填された樹脂３５の高さは２．８ｍｍになる。図１Ｆに示した金型４８の温度は１２０℃とする。冷却時間は、例えば４８０秒とする。

ゼオネックス４８０Ｒの屈折率は１．５２である。撮像レンズ３５Ａの凸面の曲率半径を１ｍｍとし、受像面から撮像レンズ３５Ａの頂上部までの高さを２．８ｍｍにすれば、受像面に焦点が合うことになる。

上記実施例１では、固体撮像素子をチップに分離する前に、ウエハの状態で撮像レンズ３５Ａを撮像素子１１の各々に固定するため、撮像用のチップごとに、撮像レンズの位置合わせを行う必要がない。チップごとのレンズ装着工程を省略できるため、製造コストの低減を図ることが可能になる。また、撮像レンズ３５Ａの位置精度は、半導体ウエハ１０と金型４８との位置合わせ精度に依存する。半導体ウエハ１０と金型４８との位置合わせ精度を高めることにより、撮像レンズ３５Ａと撮像素子１１との位置ずれを、許容範囲内に収めることができる。

カメラの組み立て工程前に、撮像レンズ３５Ａが撮像素子１１に固定されているため、組み立て工程時に発生するごみ等の混入を防止することができる。

上記実施例１では、フォトダイオード２０の上方にマイクロレンズ２３を配置したが、必ずしもマイクロレンズ２３を配置する必要はない。また、カラー画像を得るために、フォトダイオード２０と撮像レンズ３５Ａとの間にカラーフィルタを配置してもよい。カラーフィルタには、撮像レンズ３５Ａを形成するときの熱処理温度で変形、溶融等が生じない材料を用いることが好ましい。

実施例１では、撮像レンズ用の樹脂として熱可塑性のものを用いたが、熱硬化性のものを用いてもよい。熱硬化性樹脂を用いる場合には、金型４８を加熱することにより、射出された樹脂３５を硬化させる。

図２Ａ〜図２Ｃを参照して、実施例２による固体撮像素子の製造方法について説明する。

図２Ａに示した半導体ウエハ１０及び撮像素子１１は、図１Ａに示した実施例１のものと同一である。半導体ウエハ１０の上方に、樹脂容器４０を配置する。実施例１の図１Ｅに示した工程で用いた枠３０は、実施例２では用いられない。樹脂容器４０の射出口４１から半導体ウエハ１０の撮像素子１１の上に、樹脂を滴下する。滴下された樹脂３５は、その表面張力により、撮像素子１１上で凸レンズ形状になる。相互に隣り合う撮像素子１１上に滴下された樹脂同士が連続してしまうと、きれいな凸レンズ形状にならない。このため、滴下する樹脂量は、相互に隣り合う撮像素子１１上に滴下された樹脂同士が連続しない程度にすることが好ましい。

図２Ｂに示すように、樹脂３５が冷却されて硬化することにより、樹脂製の撮像レンズ３５Ａが形成される。

図２Ｃに示すように、半導体ウエハ１０を、撮像素子１１と撮像レンズ３５Ａとが一体化したチップに分離する。

実施例２においては、撮像レンズ３５Ａの曲率半径は、樹脂の粘度、樹脂の滴下量等に依存する。半導体ウエハ１０の表面において、形成すべき撮像レンズ３５Ａの配列周期、樹脂の粘度、滴下量等が、相互に隣り合う撮像素子１１上の樹脂同士が連続しない条件を満たす場合、実施例２による方法を採用することが可能である。

また、実施例２においても、実施例１と同様にカラーフィルタを配置してもよいし、撮像レンズに熱硬化性樹脂を用いてもよい。

図３Ａ〜図３Ｄを参照して、実施例３による固体撮像素子の製造方法について説明する。

図３Ａに示すように、半導体ウエハ１０の表面に、撮像素子１１が形成されている。撮像素子１１の表面に、樹脂製のマイクロレンズアレイ６０が形成されている。

図３Ｂに、撮像素子１１とマイクロレンズアレイ６０とを拡大した断面図を示す。撮像素子１１が、複数のフォトダイオード２０を含む。フォトダイオード２０及び半導体ウエハ１０の上に、酸化シリコン膜２１が形成されている。酸化シリコン膜２１の表面に、マイクロレンズアレイ６０が形成されている。マイクロレンズアレイ６０は、フォトダイオード２０に対応して配置された複数の樹脂製マイクロレンズ６１を含む。マイクロレンズ６１は、入射する光をフォトダイオード２０の位置に集光する。マイクロレンズアレイ６０が形成されていない領域には、酸化シリコン膜２１が露出する。

マイクロレンズアレイ６０は、例えば、熱可塑性樹脂を回転塗布した後、パターニングし、その後熱処理を行うことにより形成される。

図３Ｃに示すように、半導体ウエハ１０の上方に樹脂容器４０を配置し、マイクロレンズアレイ６０の上に樹脂を滴下する。滴下された樹脂３５は、その表面張力により凸レンズ形状になる。樹脂製のマイクロレンズアレイ６０の濡れ性が、その周囲の無機材料が露出した表面の濡れ性よりも高いため、樹脂３５は、自己整合的にマイクロレンズアレイ６０の上に位置決めされる。また、相互に隣り合う撮像素子１１の上に滴下された樹脂同士が連続し難い。

図３Ｄに示すように、樹脂３５を冷却して硬化させることにより、撮像レンズ３５Ａを形成する。その後、実施例１及び２の場合と同様に、半導体ウエハ１０を、固体撮像素子のチップに分離する。

マイクロレンズ６１を凸レンズとして作用させるためには、マイクロレンズ６１の屈折率が、撮像レンズ３５Ａの屈折率よりも大きくなるように、マイクロレンズ６１及び撮像レンズ３５Ａの材料を選択する必要がある。

実施例３では、滴下された樹脂３５が自己整合的に、マイクロレンズアレイ６０上に位置決めされるため、位置決め精度を高めることができる。なお、マイクロレンズアレイ６０に代えて、撮像素子１１の上に、樹脂に対して、周囲の表面の濡れ性よりも高い濡れ性を持つ材料からなる膜を配置してもよい。例えば、無機材料が露出した表面の、撮像素子１１の上にのみ、樹脂製の膜を配置してもよい。この場合、マイクロレンズの効果は得られないが、撮像レンズを自己整合的に配置できるという効果は得られる。

実施例３においても、実施例１と同様にカラーフィルタを配置してもよいし、撮像レンズに熱硬化性樹脂を用いてもよい。

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、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（１Ａ）は、実施例１による固体撮像素子の製造方法の製造途中段階におけるウエハの断面図であり、（１Ｂ）はその拡大断面図である。（１Ｃ）は、実施例１による固体撮像素子の製造方法の製造途中段階におけるウエハ及び枠の断面図であり、（１Ｄ）は、枠の平断面図である。（１Ｅ）は、実施例１による固体撮像素子の製造方法の製造途中段階におけるウエハ、枠、及び樹脂容器の断面図である。（１Ｆ）及び（１Ｇ）は、実施例１による固体撮像素子の製造方法の製造途中段階におけるウエハ及び枠の断面図であり、（１Ｈ）は、固体撮像素子をチップに分離した後の素子の断面図である。（２Ａ）は、実施例２による固体撮像素子の製造方法の製造途中段階におけるウエハ及び樹脂容器の断面図であり、（２Ｂ）は、樹脂硬化後の素子の断面図であり、（２Ｃ）は、チップに分離後の素子の断面図である。（３Ａ）は、実施例３による固体撮像素子の製造方法の製造途中段階におけるウエハの断面図であり、（３Ｂ）はその拡大断面図である。（３Ｃ）は、実施例３による固体撮像素子の製造方法の製造途中段階におけるウエハ及び樹脂容器の断面図であり、（３Ｄ）は、樹脂硬化後の素子の断面図である。

符号の説明

１０半導体ウエハ
１１撮像素子
２０フォトダイオード
２１酸化シリコン膜
２２窒化シリコン膜
２３マイクロレンズ
３０枠
３５樹脂
３５Ａ撮像レンズ
３５Ｂ尾根状突起
４０樹脂容器
４１射出口
４２ピストン
４５樹脂
４８金型
６０マイクロレンズアレイ
６１マイクロレンズ

Claims

半導体ウエハの表面に、複数の撮像素子を形成する工程と、
前記撮像素子の各々の上に樹脂を配置し、硬化させることにより、樹脂製の撮像レンズを形成する工程と、
前記撮像レンズが形成された前記半導体ウエハを、前記撮像素子の各々と、その上に形成された前記撮像レンズとが一体になった撮像チップに分割する工程と
を有する固体撮像素子の製造方法。
前記撮像レンズを形成する工程が、
前記半導体ウエハの上に、前記撮像素子に対応した開口部を有する枠を配置する工程と、
前記枠の開口部内に樹脂を充填する工程と、
前記開口部内に、樹脂の表面を凸レンズ形状にする型を挿入して該樹脂を成型する工程と
を含む請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記撮像レンズを形成する工程が、
前記撮像素子の上に、流動性を有する樹脂を、相互に隣り合う撮像素子の上に滴下された樹脂同士が連続しないように滴下し、該樹脂の表面張力により、滴下された樹脂の表面を凸状にする工程を含む請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記流動性を有する樹脂を滴下する前に、前記撮像素子の各々の表面に該撮像素子の画素に対応した樹脂性のマイクロレンズを形成するとともに、該相互に隣り合う撮像素子の間には、無機材料が露出した状態とする請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。