JP2010166004A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】低コストで信頼性及び量産性の高い素子構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置１００は、撮像領域１０２を含み、表面と裏面とを有する半導体素子が形成された基板１０１と、表面に形成された電極部１０３と、裏面に形成された外部電極１０９と、基板１０１を貫通する貫通孔に形成され、電極部１０３と外部電極１０９とを電気的に接続する導体層１０８と、表面上方に形成され、厚み方向に凸である凸形状を有する凸形状面を有し、凸形状により光を屈折させる光学部材１０５とを備え、撮像領域１０２は、光学部材１０５を透過した光を受光し、受光した光を電気信号に変換し、撮像領域１０２によって変換された電気信号は、電極部１０３、導体層１０８及び外部電極１０９を介して外部に出力され、半導体装置１００の最上面が平坦である。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、デジタルカメラや携帯電話などに用いられる半導体素子、例えば、撮像素子、フォトＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの受光素子を備える半導体装置及びその製造方法に関するものである。
近年、電子機器の小型化、薄型化かつ軽量化の要求とともに、半導体装置の高密度実装化の要求が強くなっている。さらに、微細加工技術の進歩による半導体素子の高集積化とあいまって、チップサイズパッケージあるいはベアチップの半導体素子を直接実装する、いわゆるチップ実装技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、半導体撮像素子において半導体素子の撮像領域上に透明板を接着剤で貼り合わせて、半導体撮像素子の薄型化と低コスト化とを実現しようとした素子構造及びその製造方法が記載されている。
図６は、特許文献１に記載の半導体装置４００の構造を示す断面図である。同図の半導体装置４００では、基板４０１上に、半導体チップ４０２と、レンズシート４０３とが形成されている。なお、半導体チップ４０２は、基板４０１と、レンズシート４０３とのそれぞれの間に、エポキシ樹脂層４０４及び４０５を介して形成されている。
基板４０１は、裏面から表面に貫通する溝４０６及び複数のボールバンプ４０７を有する。また、基板４０１の裏面には、接続端子４０８とボールバンプ４０７とを電気的に接続する導体パターン４０９が形成されている。
半導体チップ４０２は、基板４０１上にエポキシ樹脂層４０４を介して設けられ、溝４０６から露出するように設けられた接続端子４０８を有すると共に、撮像素子部（図示せず）を含む。レンズシート４０３は、半導体チップ４０２上にエポキシ樹脂層４０５を介して設けられ、凸形状を有する撮像レンズ部４１０を有する。
以上の構成により、半導体装置４００の小型化を実現しているものである。
特開２００７−１２９９５号公報
しかしながら、上記のような従来の半導体装置は、例えば、電子機器基板への実装時に吸着ミスなどの実装不良を引き起こすことで、歩留まりが低下し、高コストで、信頼性及び量産性が低いという課題がある。
例えば、図６に示したような特許文献１に記載の半導体装置４００の場合、レンズシート４０３が半導体装置４００に対して凸形状の撮像レンズ部４１０を有している。このため、レンズシート４０３が弊害となって、半導体装置４００の電子機器基板への実装時に吸着ミスなど実装不良を引き起こす要因となっていた。
また、半導体装置４００自体の薄型化を図る上で半導体装置４００のボールバンプ面を研削などで薄型化する際にも、レンズシート４０３の凸形状が弊害となって、半導体装置４００の吸着が困難で、半導体装置４００の薄型化ができなくなる要因ともなっていた。
そこで、本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、歩留まりの低下を抑え、製品のコストアップを抑え、かつ、信頼性及び量産性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、撮像領域を含み、互いに対向する第１主面と第２主面とを有する半導体素子と、前記第１主面上に形成された第１電極と、前記第２主面上に形成された第２電極と、前記半導体素子を貫通する貫通孔に形成され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する導体部と、前記第１主面上方に形成され、厚み方向に凸である凸形状を有する凸形状面を有し、当該凸形状により光を屈折させる光学部材とを備え、前記撮像領域は、前記光学部材を透過した光を受光し、受光した光を電気信号に変換し、前記撮像領域によって変換された電気信号は、前記第１電極、前記導体部、及び、前記第２電極を介して外部に出力され、当該半導体装置の最上面が平坦である。
これにより、本発明の半導体装置の最上面が平坦であるので、部品実装時などの半導体装置を吸着保持する必要があるときに、容易に吸着保持することができる。したがって、本発明の半導体装置を容易に製造することができるので、歩留まりの低下及び製品のコストアップを防ぐことができる。また、凸形状を有する光学部材を備えることで撮像領域に効率よく外光を集光できるので、半導体装置自体を小型化することができる。
また、前記凸形状面は、上方向に凸である凸形状を有し、前記半導体装置は、さらに、前記光学部材上に前記凸形状を覆うように接着され、接着面と当該接着面に対向する平坦な面とを有し、前記光を透過する光透過材を備え、前記撮像領域は、前記光透過材と前記光学部材とを透過した光を受光してもよい。
これにより、凸形状を有する光学部材上に平坦面を有する光透過材が接着されていることで、電子機器基板への実装時の半導体装置の吸着保持が容易となり製造コストを削減することができる。さらに、半導体装置の第２主面側を研削などで加工する際に光透過材の表面を吸着保持することができるので、容易に半導体装置を薄型化することができる。
また、前記凸形状面は、下方向に凸である凸形状を有し、前記光学部材は、さらに、前記凸形状面に対向する平坦な面を有してもよい。
これにより、光学部材の凸形状面に対向する面は平坦であるので、例えば、電子機器基板への実装時の半導体装置の吸着保持が容易に行うことができる。
また、前記半導体装置は、さらに、前記凸形状を覆うように前記光学部材に接着される、前記光を透過する光透過材を備え、前記撮像領域は、前記光学部材と前記光透過材とを透過した光を受光してもよい。
これにより、光学部材の凸形状面に対向する面は平坦であるので、例えば、電子機器基板への実装時の半導体装置の吸着保持が容易に行うことができる。
また、前記光透過材の屈折率は、空気の屈折率より大きく、かつ、前記光学部材の屈折率より小さくてもよい。
これにより、屈折率が空気＜光透過材＜光学部材であるため、外光が光透過材の外光入射面側に対してほぼ垂直に透過することができ、凸形状を有する光学部材で確実に集光することができるので、半導体装置の品質を向上させることができる。
また、前記凸形状は、前記撮像領域に前記光を向かわせる形状であり、かつ、前記撮像領域に前記光を向かわせる位置に形成されてもよい。
これにより、凸形状を有する光学部材を備えることで撮像領域に効率よく外光を集光できるので、半導体装置自体を小型化することができる。
また、前記光透過材は、アクリル系樹脂であり、前記光学部材は、ガラスであってもよい。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、撮像領域を含み、互いに対向する第１主面と第２主面とを有する半導体素子を形成する半導体素子形成ステップと、前記第１主面上に第１電極を形成する第１電極形成ステップと、前記半導体素子を貫通する貫通孔を形成し、形成した貫通孔に前記第１電極と電気的に接続する導体部を形成する導体部形成ステップと、前記第１主面上方に、厚み方向に凸である凸形状を有する凸形状面を有し、当該凸形状により光を屈折させる光学部材を形成する光学部材形成ステップと、前記第２主面上に、前記導体部と電気的に接続する第２電極を形成する第２電極形成ステップとを含み、前記撮像領域は、前記光学部材を透過した光を受光し、受光した光を電気信号に変換し、前記撮像領域によって変換された電気信号は、前記第１電極、前記導体部、及び、前記第２電極を介して外部に出力され、当該半導体装置の最上面が平坦である。
これにより、半導体装置の最上面が平坦であるので、部品実装時などの半導体装置を吸着保持する必要があるときに、用意に吸着保持することができる。したがって、半導体装置を容易に製造することができるので、歩留まりの低下及び製品のコストアップを防ぐことができ、信頼性及び量産性の高い半導体装置を製造することができる。また、凸形状を有する光学部材を備えることで撮像領域に効率よく外光を集光できるので、半導体装置自体を小型化することができる。
また、前記半導体装置の製造方法は、さらに、前記半導体素子の第１主面に対向する面を研磨することで、前記第２主面を形成する研磨ステップを含み、前記第２電極形成ステップでは、前記研磨ステップにおける研磨後の第２主面上に前記第２電極を形成してもよい。
これにより、裏面を研磨することで、半導体装置を薄型化することができる。さらに、このとき、凸形状を有する光学部材に平坦性を有する光透過材が接着されていることで、研磨の際に光透過材の表面を吸着保持することができるので、容易に半導体装置を薄型化することができる。
本発明によれば、小型化かつ薄型化され、光学特性の優れた、かつ、信頼性及び量産性の高い半導体装置を実現することができる。これにより、歩留まりの低下を防ぐことができ、さらに、製造コストを削減することができる。
以下、本発明の実施の形態を示す半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、図面で同一の構成要素には、同じ符号を付し、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、形状などについては正確な表示ではない。
（実施の形態１）
本実施の形態の半導体装置は、上方向（半導体装置の裏面から表面に向かう方向）に凸である凸形状を有する光学部材と、当該光学部材の凸形状を覆う光透過材とを備える。また、本実施の形態の半導体装置の最上面に相当する光透過材の面（凸形状を覆う面に対向する面）は平坦面である。
図１Ａは、本実施の形態の半導体装置１００の詳細断面図である。同図に示すように、半導体装置１００は、基板１０１と、撮像領域１０２と、電極部１０３と、接着部材１０４と、光学部材１０５と、光透過材１０６と、絶縁膜１０７と、導体層１０８と、外部電極１０９と、絶縁層１１０と、はんだボール１１１とを備える。
基板１０１は、半導体ウェーハの一部であり、基板１０１には、撮像領域１０２を駆動するための駆動回路などを含む半導体素子が形成されている。半導体素子は、互いに対向する２つの主面を有し、１つの主面（表面）には電極部１０３が形成され、もう一方の主面（裏面）には外部電極１０９が形成される。また、図１Ａに示すように、基板１０１（半導体素子）には、電極部１０３と外部電極１０９とを電気的に接続する導体層１０８を形成するための貫通孔１１２（図２参照）が形成されている。
なお、半導体ウェーハは、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）又は化合物半導体材料（例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＳｉＣなど）からなる。半導体ウェーハは、厚さがおよそ５０〜８００μｍであり、直径がおよそ２インチ〜１５インチである円盤状の半導体基板である。なお、基板１０１の厚さは、製造時に半導体ウェーハの裏面を研磨するために、およそ１０〜５００μｍとなる。
撮像領域１０２は、基板１０１の表面上に形成される撮像素子を含む領域である。撮像素子は、光学部材１０５と光透過材１０６とを透過した外部から入射する光（外光）を電気信号に変換する。変換された電気信号は、電極部１０３と導体層１０８とを介して、外部電極１０９に伝送される。
電極部１０３は、基板１０１の表面上に撮像領域１０２を挟むように形成される。また、電極部１０３の直下方向（すなわち、基板１０１の表面から裏面に向かう方向）に形成された貫通孔１１２には導体層１０８が形成されている。電極部１０３は、導体層１０８と電気的に接続され、撮像領域１０２で変換された電気信号を、導体層１０８を介して、外部電極１０９に伝送する。電極部１０３の厚さは、およそ１μｍである。また、電極部１０３は、例えば、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属で構成される。
接着部材１０４は、基板１０１の表面上に電極部１０３を覆うように形成される。接着部材１０４は、例えば、エポキシ、シリコーン、又は、アクリル系などの樹脂を形成すべき領域に塗布し、所定の方法で硬化させることで形成される。
光学部材１０５は、基板１０１の表面の上方に形成され、接着部材１０４によって基板１０１と接続される。光学部材１０５は、平行な２つの面を有する。この２つの面のうち、基板１０１の表面に対向し、接着部材１０４によって基板１０１の表面と接続される面は、概ね平坦である。もう一方の面は、光を屈折させるための凸形状を有する。また、凸形状の領域を透過した外光が、撮像領域１０２上に集光されるように、凸形状の位置と形状とが定められる。具体的には、凸形状は、光学部材１０５の平坦な面から当該凸形状が形成される面（凸形状面）に向かう方向（図１Ａの上方向、すなわち、半導体素子の裏面から表面に向かう方向）に凸である形状を成し、撮像領域１０２の上方に形成される。なお、光学部材１０５は、例えば、ガラス（屈折率が約１．５０〜１．６４）又は樹脂などである。光学部材１０５の厚さは、およそ０．０５〜１．０ｍｍである。
光透過材１０６は、光学部材１０５の凸形状面を覆うように形成され、光学部材１０５の凸形状面と接着されている。光透過材１０６が有する面のうち、光学部材１０５と接着される面に対向する面（光透過材１０６の表面、すなわち、外光入射面）は、平坦である。なお、少なくとも光学部材１０５の凸形状よりは小さい凹凸を含む場合も平坦であるとみなす。ただし、このときの凹凸は、吸着保持できる程度の凹凸である。なお、光透過材１０６は、例えば、アクリル系樹脂（屈折率が約１．４９）であり、光透過材１０６の屈折率は、空気より大きく、光学部材１０５より小さい。
絶縁膜１０７は、基板１０１の裏面と、基板１０１に形成される貫通孔１１２の側面とを覆うように形成される。なお、貫通孔１１２の底部、すなわち、電極部１０３が露出している面の少なくとも一部には、絶縁膜１０７は形成されておらず、電極部１０３と導体層１０８とが電気的に接続されている。絶縁膜１０７は、例えば、シリコン酸化膜である。
導体層１０８は、貫通孔１１２内部に形成され、電極部１０３と外部電極１０９とを電気的に接続する。導体層１０８は、例えば、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属で構成される。導体層１０８の厚さは、およそ０．１〜２μｍである。
外部電極１０９は、導体層１０８に接するように形成され、はんだボール１１１を介して外部に、撮像領域１０２で変換された電気信号を伝送する。外部電極１０９は、例えば、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属で構成される。
絶縁層１１０は、外部電極１０９が形成される領域を除き、基板１０１の裏面全体に形成される。絶縁層１１０は、例えば、シリコン酸化膜である。
はんだボール１１１は、ボール状のはんだである。はんだボール１１１を半導体装置１００の裏面に形成することで、電子機器基板などへの実装性を向上させることができる。
なお、図１Ａに示す半導体装置１００は、光学デバイスとしての機能を備えている。つまり、半導体装置１００は、外光を内部に有する撮像素子（撮像領域１０２）に取り込み、その撮像を電気的に変換し、外部電極１０９側に出力する機能を備えている。
図１Ｂは、本実施の形態の半導体装置１００の光学特性を説明するための図である。
ここで、外光（撮像）は光透過材１０６を透過して、凸形状を有する光学部材１０５で半導体装置１００の中心方向へ屈折し、撮像領域１０２に集光される。図１Ｂでは、光透過材１０６の外光入射面（光学部材１０５との接着面の反対側の面）側に対し、ほぼ垂直方向に入射される光Ｌを模式的に示すことで、集光に関して説明する。
光透過材１０６の外光入射面側に対し、ほぼ垂直方向に入射される光Ｌは、光透過材１０６の外光入射面側がほぼ平坦であるため、入射角に対しほぼ平坦に光透過材１０６を進行する。次に、光Ｌは、光透過材１０６と凸形状を有する光学部材１０５との界面（図１Ｂでは変曲点Ｚ）で、光学部材１０５の凸形状の法線方向よりもやや半導体装置１００の外形方向、つまり、光入射角に対し、半導体装置１００の中心方向へ屈折され、撮像領域１０２へ集光される。
ここで、光透過材１０６の屈折率が空気の屈折率よりも大きく、光学部材１０５の屈折率よりも小さい材料を選択することで、変曲点Ｚで光Ｌは撮像領域１０２へ集光することができる。一例では、光透過材１０６をアクリル系樹脂材（屈折率：約１．４９）、光学部材１０５をガラス（屈折率約：１．５０〜１．６４）で構成する。なお、屈折率は、材料の質及び光Ｌの波長などによって変動する。
以上のようにして、光Ｌを光学部材１０５により撮像領域１０２に集光することができるため、撮像領域１０２の面積Ａを縮小することができ、半導体装置１００の小型化が可能となる。また、凸形状を有する光学部材１０５に平坦性を有する光透過材１０６が接着されていることで、電子機器基板への実装時の半導体装置１００の吸着保持が容易になるので、製造コストを削減することができる。
なお、本実施の形態では、光透過材１０６を光学部材１０５に接着したが、光学部材１０５上に光透過材１０６を塗布しコーティングしても構わない。さらに、この光透過材１０６を光フィルターとして、所望波長のみの光を透過させることように光透過材１０６又は光学部材１０５の材料を選択することで、半導体装置１００の光学特性をさらに向上させることができる。
次に、本実施の形態の半導体装置１００の製造方法について説明する。図２は、本実施の形態の半導体装置１００の製造方法を工程別に示す断面図である。
図２（ａ）に示すように、基板１０１（半導体ウェーハ）を等間隔に仮想分割し、仮想分割した基板１０１に半導体素子を複数個形成し、各半導体素子上の所定位置に撮像領域１０２及び電極部１０３を配置形成する。次に、半導体素子上の電極部１０３に接着部材１０４を接着する。
次に、図２（ｂ）に示すように、基板１０１（半導体ウェーハ）内に形成された各半導体素子上の撮像領域１０２を覆うように、基板１０１に対して接着部材１０４を用いてガラスなどの光学部材１０５を固着する。この時、光学部材１０５は複数の凸形状を有しているので、一般的に光学部材１０５の吸着保持は、光学部材１０５の平坦部を真空吸着することで行われる。
光学部材１０５を基板１０１に固着する方法は、以下の通りである。まず、接着部材１０４を基板１０１（半導体ウェーハ）上に塗布する。塗布の方法としては、ディスペンサーによる塗布や、印刷方法、スピンナーによる回転塗布などの方法がある。その後、光学部材１０５を基板１０１上に設置する。このとき、光学部材１０５を加圧する。
次に、接着部材１０４を硬化することで、光学部材１０５の固着は完了する。接着部材１０４の硬化は、接着部材１０４が紫外線硬化型の場合は、光学部材１０５を通して接着部材１０４に紫外線を照射することで行う。また、接着部材１０４が熱硬化型の場合は、硬化炉、ホットプレート、赤外線ランプなどにより、５０〜２００℃に接着部材１０４を加熱することで行う。
次に、図２（ｃ）に示すように、光学部材１０５に光透過材１０６を貼り付ける。ここで、先に光学部材１０５のみを貼り付けた後に光透過材１０６を貼り付けたが、予め光透過材１０６を貼り付けた光学部材１０５を用意しておけば、２工程分を１工程にすることができる。これは、平坦性のある光透過材１０６の光入射面側が平坦であるため、光学部材１０５の吸着保持がしやすくなるメリットもある。また、本実施の形態では予め薄化した光学部材１０５を用意したが、凸形状を有する光学部材１０５に光透過材１０６を貼り付け、光学部材１０５の凸形状を有する面の対向する平坦面側を例えば、研削などで薄化しても構わない。
次に、図２（ｄ）に示すように、基板１０１（半導体ウェーハ）の裏面を研磨し、基板１０１の厚みを薄くする。研磨後の基板１０１の厚みは、１０〜５００μｍ程度である。基板１０１の研磨は、基板１０１を加圧しながら回転させた砥石にて行う機械研磨や、ドライエッチングなどの方法により行う。このとき、凸形状を有する光学部材１０５に平坦性を有する光透過材１０６が接着されていることで、研磨時の加圧などが容易に行うことができる。
次に、図２（ｅ）に示すように、基板１０１（半導体ウェーハ１）上に形成された電極部１０３の直下に、電極部１０３まで達する貫通孔１１２を形成する。貫通孔１１２の形成方法は、基板１０１の裏面に選択的にレジストなどを形成し、基板１０１の裏面が露出した部分をプラズマエッチングやウエットエッチングなどでエッチングすることで行う。この時、電極部１０３の下部に存在していたＳｉや絶縁膜も除去され電極部１０３の裏面が露出している。
次に、図２（ｆ）に示すように、貫通孔１１２の内壁及び基板１０１（半導体ウェーハ）の裏面全面にシリコン酸化膜などの絶縁膜１０７を形成した後に、貫通孔１１２の底部にある絶縁膜をフォトエッチングなどの方法により除去する。絶縁膜１０７の形成方法は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によるシリコン酸化膜形成方法や、スピンコーティングによるポリイミドなどの樹脂形成方法を用いることで、容易に行うことができる。
その後、貫通孔１１２内部及び基板１０１の裏面に選択的に導体層１０８及び外部電極１０９を形成する。このとき、絶縁膜１０７は、一旦、貫通孔１１２の底部（すなわち、電極部１０３の露出面）にも形成されるので、フォトリソ法により選択的フォトレジストを形成した後に、プラズマエッチングやウエットエッチングなどにより、貫通孔１１２の底面にある絶縁膜を除去する。
貫通孔１１２への導体層１０８の形成は、スパッタリングなどによりＴｉ／Ｃｕ膜などを蒸着した後に、電解メッキによりＮｉ、Ｃｕ、Ａｕなどの金属膜を形成する方法などを用いる。金属膜の厚みは、０．１〜２μｍ程度である。スパッタリングによる金属膜の蒸着前には、貫通孔１１２の底面の電極部１０３と蒸着する金属膜とが低抵抗で接続できるよう、ドライエッチングやウエットエッチングにより導通用貫通孔１１２の底面の電極部１０３を薄くエッチングする。この時、電極部１０３の厚みは１μｍ程度と薄いため、オーバーエッチングにより貫通孔１１２の底面の電極部１０３が消失しないようにコントロールしている。
そして、メッキにより導体層１０８を形成する。メッキは電解メッキ、無電解メッキなどの方法を用いる。なお、図２（ｆ）では、導体層１０８は、貫通孔１１２の内壁にのみ形成された構造としているが、貫通孔１１２内部全体を充填した構造でも構わない。外部電極１０９も同様に、メッキにより形成される。
次に、図２（ｇ）に示すように、絶縁層１１０を形成する。絶縁層１１０の形成方法は、例えば、絶縁膜１０７と同様に、プラズマＣＶＤによるシリコン酸化膜形成方法や、スピンコーティングによるポリイミドなどの樹脂形成方法を用いる。
次に、図２（ｈ）に示すように、外部電極１０９が形成された領域にはんだボール１１１を形成することで、電子機器基板への実装性を向上させることができる。なお、先に述べた導体層１０８及び外部電極１０９を形成した後に絶縁層１１０を形成したが、はんだボール１１１形成した後に絶縁層１１０を形成しても構わない。
最後に、図２（ｉ）に示すように、基板１０１（半導体ウェーハ）を切断線（図２の破線）にて個々の半導体素子を分離することにより、半導体装置１００を形成する。半導体装置１００の分離（基板１０１の個片化）は、ダイシング法などにより、光学部材１０５と光透過材１０６となどを基板１０１と同時に切断する方法などを用いる。
ここで、図２（ｈ）に示すはんだボール１１１の基板１０１への搭載、また、基板１０１の個片化の際に、光透過材１０６が平坦性のある透過材料であるために、真空吸着ができる。このため、はんだボール１１１を搭載した状態からの個片化が容易に可能となり、基板１０１を個片化した後にはんだボール１１１を搭載する従来の製造方法に比べて、飛躍的に生産性が向上し、製造コストを削減することができる。
完成した半導体装置１００は、図１Ａに示すような、小型化、薄型化及び生産性を飛躍的に向上した光学特性の品質に優れた半導体装置である。
以上のように、本実施の形態の半導体装置１００は、凸形状を有する光学部材１０５を備えることで撮像領域１０２に効率よく外光を集光できるので、半導体装置１００自体を小型化することができる。また、凸形状を有する光学部材１０５に平坦性を有する光透過材１０６が接着されていることで、電子機器基板への実装時の半導体装置１００の吸着保持が容易となり製造コストを削減することができる。さらに、半導体装置１００の外部電極１０９が形成される面側を研削などで加工する際に、光透過材１０６の表面を吸着保持することができるので、容易に半導体装置１００を薄型化することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態の半導体装置は、下方向（半導体装置の表面から裏面に向かう方向）に凸である凸形状を有する光学部材と、当該光学部材の凸形状を覆う光透過材とを備える。また、本実施の形態の半導体装置の最上面に相当する光学部材の面（凸形状を有する面に対向する面）は平坦面である。
図３Ａは、本実施の形態の半導体装置２００の詳細断面図である。同図に示す半導体装置２００は、実施の形態１の半導体装置１００と比較して、光学部材１０５の代わりに光学部材２０５を備え、光透過材１０６の代わりに光透過材２０６を備える点が異なっている。以下では、実施の形態１と同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
図３Ａに示すように、本実施の形態の半導体装置２００は、基板１０１の表面の上方に光透過材２０６が形成され、光透過材２０６の上に光学部材２０５が形成される。
光学部材２０５は、下方向に凸である凸形状を有する凸形状面と、当該凸形状面に対向する平坦な面とを有する。なお、少なくとも凸形状よりは小さい凹凸を含む場合も平坦であるとみなす。ただし、このときの凹凸は、吸着保持できる程度の凹凸である。光学部材２０５は、例えば、ガラス又は樹脂などである。光学部材２０５の厚さは、およそ０．０５〜１．０ｍｍである。
また、凸形状の位置と形状とは、凸形状の領域を透過した外光が、撮像領域１０２に集光されるように決定される。例えば、凸形状は、基板１０１の表面から裏面に向かう方向（図３Ａの下方向）に凸であり、撮像領域１０２の上方に形成される。
光透過材２０６は、光学部材２０５の凸形状を覆うように形成され、光学部材２０５の凸形状面と接着されている。さらに、この接着面に対向する面は、接着部材１０４により基板１０１の表面と接着される。
図３Ａに示す半導体装置２００は、図１Ａに示す半導体装置１００と同様に、光学デバイスとしての機能を備えている。つまり、半導体装置２００は、外光を内部に有する撮像素子（撮像領域１０２）に取り込み、その撮像を電気的に変換し、外部電極１０９側に出力する機能を備えている。
以下では、本実施の形態の半導体装置２００の光学特性について図３Ｂを用いて説明する。図３Ｂは、本実施の形態の半導体装置２００の光学特性を説明するための図である。
ここで、外光は、凸形状を有する光学部材２０５で半導体装置２００の中心方向へ屈折し、光透過材２０６を透過して撮像領域１０２に集光される。図３Ｂでは、光学部材２０５の外光入射面（凸形状面の反対側の面）側に対し、ほぼ垂直方向に入射される光Ｌを模式的に示すことで、集光に関して説明する。
光学部材２０５の外光入射面側に対し、ほぼ垂直方向に入射される光Ｌは、光学部材２０５の外光入射面側がほぼ平坦であるため、入射角に対しほぼ平坦に光学部材２０５を進行する。次に、光Ｌは、光学部材２０５の凸形状面と光透過材２０６との界面（図３Ｂでは変曲点Ｚ）で、光学部材２０５の凸形状の法線方向よりも半導体装置２００の中心方向へ屈折され、撮像領域１０２へ集光される。
ここで、光透過材２０６の屈折率が空気よりも大きく、光学部材２０５の屈折率よりも小さい材料を選択することで、変曲点Ｚで光Ｌは撮像領域１０２へ集光することができる。一例では、光透過材２０６をアクリル系樹脂材（屈折率：約１．４９）、光学部材２０５をガラス（屈折率約：１．５０〜１．６４）で構成する。なお、屈折率は、材料の質及び光Ｌの波長などによって変動する。
なお、光透過材２０６の屈折率は空気の屈折率より大きいので、変曲点Ｚで半導体装置２００の中心方向に屈折した光Ｌは、さらに、光透過材２０６と空気との界面でも半導体装置２００の中心方向に屈折する。したがって、より多くの光を撮像領域１０２に集めることができる。あるいは、撮像領域１０２の面積を縮小することができる。
以上のようにして、光Ｌを光学部材２０５により撮像領域１０２に集光することができるため、撮像領域１０２の面積Ａを縮小することができ、半導体装置２００の小型化が可能となる。また、光学部材２０５の凸形状面と反対側の面は平坦であるため、電子機器基板への実装時の半導体装置２００の吸着保持が容易になるので、製造コストを削減することができる。さらに、光透過材２０６と接着部材１０４とは共に有機材料で構成されるため、光透過材２０６と接着部材１０４とは強固に接着される。
次に、本実施の形態の半導体装置２００の製造方法について説明する。図４は、本実施の形態の半導体装置２００の製造方法を工程別に示す断面図である。以下では、実施の形態１と同じ工程については説明を省略し、異なる工程を中心に説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、基板１０１（半導体ウェーハ）を等間隔に仮想分割し、仮想分割した基板１０１に半導体素子を複数個形成し、各半導体素子上の所定位置に撮像領域１０２及び電極部１０３を配置形成する。次に、半導体素子上の電極部１０３に接着部材１０４を接着する。
次に、図４（ｂ）に示すように、予め光透過材２０６を貼り付けた光学部材２０５を、撮像領域１０２を覆うように基板１０１に対して接着部材１０４を用いて固着する。
光透過材２０６が貼り付けられた光学部材２０５を基板１０１に固着する方法は、以下の通りである。まず、接着部材１０４を基板１０１（半導体ウェーハ）上に塗布する。塗布の方法としては、ディスペンサーによる塗布や、印刷方法、スピンナーによる回転塗布などの方法がある。その後、光透過材２０６と接着部材１０４とが接着されるように、光学部材２０５を基板１０１上に設置する。このとき、光学部材１０５を加圧する。
次に、接着部材１０４を硬化することで、光透過材２０６が貼り付けられた光学部材２０５の固着は完了する。接着部材１０４の硬化は、接着部材１０４が紫外線硬化型の場合は、光学部材２０５と光透過材２０６とを通して接着部材１０４に紫外線を照射することで行う。また、接着部材１０４が熱硬化型の場合は、硬化炉、ホットプレート、赤外線ランプなどにより、５０〜２００℃に接着部材１０４を加熱することで行う。
なお、光学部材２０５の凸形状を覆うように光透過材２０６を貼り付ける方法については、実施の形態１の図２（ｃ）と同様である。
以降に続く基板１０１の裏面を研磨する処理からは、実施の形態１と同様であるのでここでは説明を省略する。すなわち、図４（ｃ）〜図４（ｈ）に示す処理はそれぞれ、図２（ｄ）〜図２（ｉ）に示す処理に対応する。
以上のように、本実施の形態の半導体装置２００は、凸形状を有する光学部材２０５を備えることで撮像領域１０２に効率よく外光を集光できるので、半導体装置２００自体を小型化することができる。また、光学部材２０５の凸形状を有する面と対向する面は平坦であるので、電子機器基板への実装時の半導体装置２００の吸着保持が容易となり製造コストを削減することができる。さらに、半導体装置２００の外部電極１０９が形成される面側を研削などで加工する際に、光学部材２０５の表面を吸着保持することができるので、容易に半導体装置２００を薄型化することができる。また、光透過材２０６と接着部材１０４とは共に有機材料で構成されるため、光透過材２０６と接着部材１０４とは強固に接着される。
（実施の形態３）
本実施の形態の半導体装置は、下方向（半導体装置の表面から裏面に向かう方向）に凸である凸形状を有する光学部材を備える。また、本実施の形態の半導体装置の最上面に相当する光学部材の面（凸形状を有する面に対向する面）は平坦面である。
図５Ａは、本実施の形態の半導体装置３００の詳細断面図である。同図に示す半導体装置３００は、実施の形態２の半導体装置２００と比較して、光学部材２０５の代わりに光学部材３０５を備える点と、光透過材２０６を備えない点とが異なっている。以下では、実施の形態２と同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
図５Ａに示すように、本実施の形態の半導体装置３００は、基板１０１の表面の上方に光学部材３０５が形成される。実施の形態１及び２とは異なり、本実施の形態の半導体装置３００は、光透過材を備えない。
光学部材３０５は、下方向に凸である凸形状を有する凸形状面と、当該凸形状面に対向する平坦な面とを有する。なお、少なくとも凸形状よりは小さい凹凸を含む場合も平坦であるとみなす。ただし、このときの凹凸は、吸着保持できる程度の凹凸である。光学部材２０５は、例えば、ガラス又は樹脂などである。光学部材３０５の厚さは、およそ０．０５〜１．０ｍｍである。
また、凸形状の位置と形状とは、凸形状の領域を透過した外光が、撮像領域１０２に集光されるように決定される。例えば、凸形状は、基板１０１の表面から裏面に向かう方向（図５Ａの下方向）に凸であり、撮像領域１０２の上方に形成される。
図５Ａに示す半導体装置３００は、図３Ａに示す半導体装置２００と同様に、光学デバイスとしての機能を備えている。つまり、半導体装置３００は、外光を内部に有する撮像素子（撮像領域１０２）に取り込み、その撮像を電気的に変換し、外部電極１０９側に出力する機能を備えている。
以下では、本実施の形態の半導体装置３００の光学特性について図５Ｂを用いて説明する。図５Ｂは、本実施の形態の半導体装置３００の光学特性を説明するための図である。
ここで、外光は、凸形状を有する光学部材３０５で半導体装置３００の中心方向へ屈折し、撮像領域１０２に集光される。図５Ｂでは、光学部材３０５の外光入射面（凸形状面の反対側の面）側に対し、ほぼ垂直方向に入射される光Ｌを模式的に示すことで、集光に関して説明する。
光学部材３０５の外光入射面側に対し、ほぼ垂直方向に入射される光Ｌは、光学部材３０５の外光入射面側がほぼ平坦であるため、入射角に対しほぼ平坦に光学部材３０５を進行する。次に、光Ｌは、光学部材３０５の凸形状面と空気との界面（図５Ｂでは変曲点Ｚ）で、光学部材３０５の凸形状の法線方向よりも半導体装置３００の中心方向へ屈折され、撮像領域１０２へ集光される。
ここで、光学部材３０５の屈折率は空気よりも大きいので、変曲点Ｚで光Ｌは撮像領域１０２へ集光することができる。
以上のようにして、光Ｌを光学部材３０５により撮像領域１０２に集光することができるため、撮像領域１０２の面積Ａを縮小することができ、半導体装置３００の小型化が可能となる。また、光学部材３０５の凸形状面と反対側の面は平坦であるため、電子機器基板への実装時の半導体装置３００の吸着保持が容易になるので、製造コストを削減することができる。さらに、半導体装置３００は、光透過材を備えないことで、強度は弱くなるが、薄膜化を図ることができる。
なお、本実施の形態の半導体装置３００の製造方法は、実施の形態２で説明した半導体装置２００の製造方法とほぼ同様である。すなわち、図４（ｂ）に示す工程で、光透過材２０６が貼り付けられた光学部材２０５を固着するのではなく、光学部材３０５のみを固着する点だけが異なっている。なお、本実施の形態の半導体装置３００を製造する際には、光学部材３０５の凸形状が下方向であるため、撮像領域１０２と接触しないように接着部材１０４の厚さを大きくする必要がある。
以上のように、本実施の形態の半導体装置３００は、凸形状を有する光学部材３０５を備えることで撮像領域１０２に効率よく外光を集光できるので、半導体装置３００自体を小型化することができる。また、光学部材３０５の凸形状を有する面と対向する面は平坦であるので、電子機器基板への実装時の半導体装置３００の吸着保持が容易となり製造コストを削減することができる。さらに、半導体装置３００の外部電極１０９が形成される面側を研削などで加工する際に、光学部材３０５の表面を吸着保持することができるので、容易に半導体装置３００を薄型化することができる。また、半導体装置３００は、光透過材を備えないので、強度は弱くなるが、さらなる薄膜化を図ることができる。
以上、本発明の半導体装置及びその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
例えば、本実施の形態では、基板１０１上に撮像領域１０２を形成したが、フォトＩＣなどの受光素子を形成してもよい。さらに、基板１０１上ではなく、基板１０１内部に撮像領域１０２を形成してもよい。
本発明の半導体装置及びその製造方法は、製造工程に要する時間を短縮化するとともに、製品として歩留まりの低下を抑えることができるという効果を奏し、今後ますます高性能で薄型化及び小型化を要求されるデジタルカメラや携帯電話などに有用である。
実施の形態１の半導体装置の詳細断面図である。 実施の形態１の半導体装置の光学特性を説明するための断面図である。 実施の形態１の半導体装置の製造方法を工程別に示す断面図である。 実施の形態２の半導体装置の詳細断面図である。 実施の形態２の半導体装置の光学特性を説明するための断面図である。 実施の形態２の半導体装置の製造方法を工程別に示す断面図である。 実施の形態３の半導体装置の詳細断面図である。 実施の形態３の半導体装置の光学特性を説明するための断面図である。 従来の半導体装置の構造を示す断面図である。
１００、２００、３００、４００ 半導体装置
１０１、４０１ 基板
１０２ 撮像領域
１０３ 電極部
１０４ 接着部材
１０５、２０５、３０５ 光学部材
１０６、２０６ 光透過材
１０７ 絶縁膜
１０８ 導体層
１０９ 外部電極
１１０ 絶縁層
１１１ はんだボール
１１２ 貫通孔
４０２ 半導体チップ
４０３ レンズシート
４０４、４０５ エポキシ樹脂層
４０６ 溝
４０７ ボールバンプ
４０８ 接続端子
４０９ 導体パターン
４１０ 撮像レンズ部

Claims (12)

  1. 撮像領域を含み、互いに対向する第１主面と第２主面とを有する半導体素子と、
    前記第１主面上に形成された第１電極と、
    前記第２主面上に形成された第２電極と、
    前記半導体素子を貫通する貫通孔に形成され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する導体部と、
    前記第１主面上方に形成され、厚み方向に凸である凸形状を有する凸形状面を有し、当該凸形状により光を屈折させる光学部材とを備え、
    前記撮像領域は、前記光学部材を透過した光を受光し、受光した光を電気信号に変換し、
    前記撮像領域によって変換された電気信号は、前記第１電極、前記導体部、及び、前記第２電極を介して外部に出力され、
    当該半導体装置の最上面が平坦である
    半導体装置。
  2. 前記凸形状面は、上方向に凸である凸形状を有し、
    前記半導体装置は、さらに、前記光学部材上に前記凸形状を覆うように接着され、接着面と当該接着面に対向する平坦な面とを有し、前記光を透過する光透過材を備え、
    前記撮像領域は、前記光透過材と前記光学部材とを透過した光を受光する
    請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記凸形状面は、下方向に凸である凸形状を有し、
    前記光学部材は、さらに、前記凸形状面に対向する平坦な面を有する
    請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記半導体装置は、さらに、前記凸形状を覆うように前記光学部材に接着される、前記光を透過する光透過材を備え、
    前記撮像領域は、前記光学部材と前記光透過材とを透過した光を受光する
    請求項３記載の半導体装置。
  5. 前記光透過材の屈折率は、空気の屈折率より大きく、かつ、前記光学部材の屈折率より小さい
    請求項２又は４記載の半導体装置。
  6. 前記凸形状は、前記撮像領域に前記光を向かわせる形状であり、かつ、前記撮像領域に前記光を向かわせる位置に形成される
    請求項２、４又は５記載の半導体装置。
  7. 前記光透過材は、アクリル系樹脂であり、
    前記光学部材は、ガラスである
    請求項２、４、５又は６記載の半導体装置。
  8. 撮像領域を含み、互いに対向する第１主面と第２主面とを有する半導体素子を形成する半導体素子形成ステップと、
    前記第１主面上に第１電極を形成する第１電極形成ステップと、
    前記半導体素子を貫通する貫通孔を形成し、形成した貫通孔に前記第１電極と電気的に接続する導体部を形成する導体部形成ステップと、
    前記第１主面上方に、厚み方向に凸である凸形状を有する凸形状面を有し、当該凸形状により光を屈折させる光学部材を形成する光学部材形成ステップと、
    前記第２主面上に、前記導体部と電気的に接続する第２電極を形成する第２電極形成ステップとを含み、
    前記撮像領域は、前記光学部材を透過した光を受光し、受光した光を電気信号に変換し、
    前記撮像領域によって変換された電気信号は、前記第１電極、前記導体部、及び、前記第２電極を介して外部に出力され、
    当該半導体装置の最上面が平坦である
    半導体装置の製造方法。
  9. 前記凸形状面は、上方向に凸である凸形状を有し、
    前記半導体装置の製造方法は、さらに、
    前記光学部材上に前記凸形状を覆うように、前記光を透過する光透過材を接着する光透過材形成ステップを含み、
    前記撮像領域は、前記光透過材と前記光学部材とを透過した光を受光し、
    前記光透過材は、前記光学部材との接着面と、当該接着面に対向する平坦な面を有する
    請求項８記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記凸形状面は、下方向に凸である凸形状を有し、
    前記光学部材は、さらに、前記凸形状面に対向する平坦な面を有する
    請求項８記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記半導体装置の製造方法は、
    さらに、前記凸形状を覆うように前記光学部材に、前記光を透過する光透過材を接着する光透過材形成ステップを含み、
    前記撮像領域は、前記光学部材と前記光透過材とを透過した光を受光する
    請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記半導体装置の製造方法は、さらに、
    前記半導体素子の第１主面に対向する面を研磨することで、前記第２主面を形成する研磨ステップを含み、
    前記第２電極形成ステップでは、前記研磨ステップにおける研磨後の第２主面上に前記第２電極を形成する
    請求項８〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
JP2009009312A 2009-01-19 2009-01-19 半導体装置及びその製造方法 Pending JP2010166004A (ja)

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