JP2013161873A - 固体撮像装置及びカメラモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子が形成される半導体基板を薄くするとともに、破壊応力を向上させる。
【解決手段】固体撮像装置は、複数のマイクロレンズ３５を有する撮像素子１０が設けられた半導体基板１１と、複数のマイクロレンズ３５に接するようにして、半導体基板１１上に設けられた接着剤１２と、接着剤１２上に設けられた透明支持基板１３とを含む。マイクロレンズ３５の屈折率は、接着剤１２の屈折率より大きい。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置及びカメラモジュールに関する。

電子機器の小型化に伴い、搭載されるカメラモジュールも小型化、高集積化される必要がある。このため、表面側にＣＭＯＳイメージセンサを形成したウエハの、表面側と裏面側とを貫通電極で結び、裏面側に外部接続端子を設けた後に、ウエハを切り出すＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Scale Package）が実用化されている。

半導体基板に貫通電極を形成しやすくするためには、半導体基板をより薄くするのが望ましい。しかし、１００μｍ程度と非常に薄い半導体基板は扱いが難しいので、半導体基板を薄くする前に支持用の透明基板と接着材を介して貼り合わせる必要がある。ところで、ＣＭＯＳイメージセンサの画素上には各画素に光を効率良く集光するためのマイクロレンズが設けられている。マイクロレンズの屈折率は通常ｎ＝１．５程度である。しかし、透明基板と半導体基板とを貼り合わせる接着材の屈折率もｎ＝１．５程度なので、マイクロレンズ上の接着材を取り除く必要がある。つまり、ＷＬＣＳＰを使用したカメラモジュールでは、画素上は接着材のない空洞が存在する事になる。そこで、カメラモジュールに上下方向から力がかかると、半導体基板がたわんでクラックが入る、あるいは半導体基板に形成された配線にクラックが入るなどの現象が起こり、カメラモジュールが動作不良になるという問題がある。

特開２００９−１５８８６２号公報

実施形態は、撮像素子が形成される半導体基板を薄くすることができ、かつ破壊応力を向上させることができる固体撮像装置及びカメラモジュールを提供する。

実施形態に係る固体撮像装置は、複数のマイクロレンズを有する撮像素子が設けられた半導体基板と、前記複数のマイクロレンズに接するようにして、前記半導体基板上に設けられた接着剤と、前記接着剤上に設けられた透明支持基板とを具備し、前記マイクロレンズの屈折率は、前記接着剤の屈折率より大きい。

本実施形態に係るカメラモジュールの構成を示す断面図。 図１に示した撮像素子の構成を示す断面図。 撮像素子の製造工程を示す断面図。 図３に続く撮像素子の製造工程を示す断面図。 図４に続く撮像素子の製造工程を示す断面図。 撮像素子の他の例の製造工程を示す断面図。 図６に続く撮像素子の製造工程を示す断面図。 図７に続く撮像素子の製造工程を示す断面図。 図８に続く撮像素子の製造工程を示す断面図。 図９に続く撮像素子の製造工程を示す断面図。 図１０に続く撮像素子の製造工程を示す断面図。 カメラモジュールの製造工程を示す断面図。 図１２に続くカメラモジュールの製造工程を示す断面図。 図１３に続くカメラモジュールの製造工程を示す断面図。 図１４に続くカメラモジュールの製造工程を示す断面図。 図１５に続くカメラモジュールの製造工程を示す断面図。 図１６に続くカメラモジュールの製造工程を示す断面図。 変形例１に係るカメラモジュールの構成を示す断面図。 変形例２に係るカメラモジュールの構成を示す断面図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らない。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［１．固体撮像装置の構造］
図１は、本実施形態に係るカメラモジュール（固体撮像装置）の構成を示す断面図である。半導体基板１１には、撮像素子１０が形成されている。半導体基板１１としては、例えばＰ型シリコン基板が用いられる。撮像素子１０の構成については後述する。半導体基板１１の表面には、接着剤１２を介して光透過性支持基板（カバーガラス）１３が設けられている。支持基板としては、透明支持基板、例えばガラス基板が用いられる。

半導体基板１１内には、半導体基板１１を貫通する複数の貫通電極１４が設けられている。複数の貫通電極１４は、撮像素子１０に電気的に接続されている。半導体基板１１の裏面には、複数の貫通電極１４に電気的に接続された複数の配線１５が設けられている。複数の配線１５には、外部接続端子としての複数の半田ボール１６が電気的に接続されている。半導体基板１１の裏面には、配線１５を覆うようにして、絶縁性の保護膜１７が設けられている。カメラモジュールは、例えば、実装基板上に半田ボール１６を介してＣＯＢ（Chip On Board）実装される。

ガラス基板１３の上方には、支持材１８によって支持されたＩＲ（赤外線）カットフィルタ１９が設けられている。ＩＲカットフィルタ１９は、例えば、ガラス基板にＩＲカットフィルムが貼り付けられて構成されている。ＩＲカットフィルタ１９の上方には、レンズホルダー２０によって支持された撮像レンズ２１が設けられている。支持材１８とレンズホルダー２０は別々ではなく、一体のレンズホルダーがＩＲカットフィルタ１９と撮像レンズ２１とを支持している構造でも構わない。また、レンズの枚数は１枚でも複数でも構わない。

半導体基板１１及びガラス基板１３の周囲には、シールド２３が設けられている。シールド２３は、接着剤２２によってレンズホルダー２０に接着されている。シールド２３は、撮像レンズ２１以外から撮像素子１０に光が入射するのを防ぐ遮光機能と、電磁シールドの機能とを備えている。このようにして、本実施形態のカメラモジュールが構成されている。

図２は、図１に示した撮像素子１０の構成を示す断面図である。半導体基板１１内には、画素に対応した数の光電変換素子（フォトダイオード）３０が設けられている。半導体基板１１の表面には、配線構造体３１が設けられている。配線構造体３１は、ＭＯＳトランジスタのゲート電極を含む多層配線層３２と、多層配線層３２間を満たす層間絶縁層３３とを備えている。

配線構造体３１上には、フォトダイオード３０に対応する数のカラーフィルタ３４が設けられている。カラーフィルタ３４は、赤フィルタ、緑フィルタ、及び青フィルタを含む。カラーフィルタ３４上には、マイクロレンズ３５が設けられている。このようにして、本実施形態の撮像素子１０が構成されている。

ここで、図１及び図２に示すように、半導体基板１１とガラス基板１３とは、接着剤１２によって接着されており、この接着剤１２は、半導体基板１１とガラス基板１３とが対向する全領域に設けられている。すなわち、接着剤１２は、マイクロレンズ３５に接触するようにして、半導体基板１１の全面に設けられている。これにより、半導体基板１１全面の強度（破壊応力）をガラス基板１３で補強することが可能となる。よって、貫通電極１４を形成するために半導体基板１１をより薄くした場合でも、半導体基板１１が膜面に垂直な方向にたわんでクラックが入る、あるいは撮像素子１０の配線にクラックが入るなどの不良を防ぐことができる。

さらに、本実施形態では、マイクロレンズ３５の屈折率を、接着剤１２の屈折率より大きくする。換言すると、接着剤１２の屈折率をマイクロレンズ３５の屈折率より小さくする。好ましくは、マイクロレンズ３５の屈折率は、接着剤１２の屈折率より０．５以上大きい。このような条件を満たすことにより、被写体から撮像レンズ２１に入射した光がマイクロレンズ３５によって集光されて、フォトダイオード３０により多くの光を入射させることができる。

［２．製造方法］
次に、本実施形態に係るカメラモジュールの製造方法について説明する。まず、撮像素子１０の製造方法について説明する。

図３に示すように、半導体基板１１に、複数の画素に対応する数のフォトダイオード３０を形成する。続いて、半導体基板１１上に、配線構造体３１を形成する。続いて、配線構造体３１上に、複数の画素に対応する数のカラーフィルタ３４を形成する。ここまでの製造工程は、一般的な固体撮像装置の製造工程を使用することが可能である。

続いて、カラーフィルタ３４上に、マイクロレンズの材料となるレンズ材３５を堆積する。レンズ材３５としては、例えば、ポジ（positive）型の感光性を有する透明な樹脂が用いられる。この樹脂としては、例えば、アクリルが主原料の材料が用いられる。続いて、レンズ材３５を平坦化する。

続いて、図４に示すように、例えばグレーティングマスク４０を用いて、レンズ材３５を露光する。グレーティングマスク４０は、露光装置の解像度限界以下の直径を有する微小な複数の開口部（平面形状が例えば円）を有し、この複数の開口部の密度を領域に応じて変えるようにしてグレーティングマスク４０を通過する光のエネルギーに分布を持たせている。これにより、グレーティングマスク４０に形成された開口部のパターンに応じて、実効的にレンズ材３５に照射される光のエネルギーの分布を制御してマイクロレンズの半球の形状を制御する。続いて、図５に示すように、レンズ材３５を現像する。これにより、半球形状を有する複数のマイクロレンズ３５が形成される。

次に、マイクロレンズ３５の他の製造方法について説明する。図６に示すように、カラーフィルタ３４上に、マイクロレンズの材料となるレンズ材３５を堆積する。レンズ材３５としては、例えば、透明な樹脂が用いられ、感光性は有していない。続いて、レンズ材３５を平坦化する。

続いて、図７に示すように、レンズ材３５上に、ポジ型の感光性を有するマスク材４１を堆積する。続いて、図８に示すように、例えばグレーティングマスク４０を用いて、マスク材４１を露光する。この露光工程は、図４の露光工程と同じである。続いて、図９に示すように、マスク材４１を現像する。これにより、半球形状を有する複数のマスク材４１が形成される。

続いて、図１０に示すように、マスク材４１及びレンズ材３５をエッチングする。これにより、図１１に示すように、マスク材４１の形状がレンズ材３５に転写され、半球形状を有する複数のマイクロレンズ３５が形成される。

次に、前述のように形成された撮像素子１０を用いたカメラモジュールの製造方法について説明する。図１２に示すように、半導体基板１１には、撮像素子１０が形成されている。

続いて、図１３に示すように、半導体基板１１上に、接着剤１２を塗布する。この時、接着剤１２は、半導体基板１１の撮像素子１０が形成された面の全面に形成され、また、撮像素子１０に含まれる全てのマイクロレンズ３５に接するように形成される。続いて、図１４に示すように、接着剤１２にガラス基板１３を貼り付ける。

続いて、図１５に示すように、例えばＢＧ（Backside Grinding）法を用いて半導体基板１１の底面を研削し、半導体基板１１を薄くする。これにより、半導体基板１１内に貫通孔が形成しやすくなる。また、半導体基板１１の全面が接着剤１２を介してガラス基板１３で支持されているため、半導体基板１１をより薄膜化することが可能であり、このような薄膜化工程を実施した場でも、半導体基板１１が破壊されることはない。

続いて、図１６に示すように、半導体基板１１の所望の位置に貫通孔を形成し、この貫通孔に導電材料を埋め込む。これにより、半導体基板１１を貫通する貫通電極１４が形成される。この時、半導体基板１１が薄膜化されているため、貫通電極１４の形成工程が容易となる。

続いて、図１７に示すように、半導体基板１１の裏面（撮像素子１０が形成されない面）に、貫通電極１４に電気的に接続された配線１５を形成する。続いて、半導体基板１１の裏面上、及び配線１５上に、保護膜１７を形成した後、保護膜１７のうち半田ボール１６が形成される領域に開口部を形成する。続いて、配線１５上に、半田ボール１６を形成する。

続いて、図１に示すように、ガラス基板１３にＩＲカットフィルタ１９及び撮像レンズ２１を装着する。続いて、半導体基板１１及びガラス基板１３をシールド２３に収納する。このようにして、本実施形態のカメラモジュールが作製される。

［３．変形例］
（変形例１）
少なくとも半導体基板１１のうち撮像素子１０が形成された領域において、マイクロレンズ３５の屈折率を、接着剤の屈折率より大きくすれば、マイクロレンズ３５の集光機能は達成される。すなわち、上記屈折率の条件は、撮像素子１０の領域のみで満たされていればよい。変形例１は、撮像素子１０の領域に形成された接着剤においては、その屈折率をマイクロレンズ３５の屈折率より小さくし、撮像素子１０の領域以外では、屈折率に制限のない接着剤を使用するようにしている。

図１８は、変形例１に係るカメラモジュールの構成を示す断面図である。半導体基板１１とガラス基板１３とは、接着剤１２Ａ及び１２Ｂによって貼り付けられている。接着剤１２Ａは、半導体基板１１上の撮像素子１０の領域に形成されている。すなわち、接着剤１２Ａは、撮像素子１０に含まれる全てのマイクロレンズ３５に接している。接着剤１２Ｂは、半導体基板１１上の撮像素子１０の領域以外、すなわち、接着剤１２Ａを囲むように形成されている。

接着剤１２Ａの屈折率は、マイクロレンズ３５の屈折率より小さく設定される。一方、接着剤１２Ｂの材料は、任意に選択することができ、屈折率の制限は課されない。このようにしてカメラモジュールを構成した場合でも、前述した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

なお、接着剤１２Ａは、接着剤１２Ｂに比べて接着作用が弱いものでもよい。

（変形例２）
変形例２は、貫通電極を使用しない側面配線型のカメラモジュールの構成例である。図１９は、変形例２に係るカメラモジュールの構成を示す断面図である。

半導体基板１１の底面には、複数の配線１５が設けられている。配線１５は、半導体基板１１の側面を通って半導体基板１１の上面に形成された配線構造体３１に電気的に接続されている。複数の配線１５には、外部接続端子としての複数の半田ボール１６が電気的に接続されている。半導体基板１１の裏面には、配線１５を覆うようにして、絶縁性の保護膜１７が設けられている。

マイクロレンズ３５及び接着剤１２の構成は、前述した実施形態と同じである。このように、本実施形態は、側面配線型のカメラモジュールにも適用可能である。

［４．効果］
以上詳述したように本実施形態では、複数のマイクロレンズ３５を有する撮像素子１０が設けられた半導体基板１１上に、複数のマイクロレンズ３５に接するようにして接着剤１２を設ける。また、半導体基板１１は、接着剤１２を介して透明支持基板１３と貼り合わされる。そして、マイクロレンズ３５の屈折率を、接着剤１２の屈折率より大きくしている。

従って本実施形態によれば、半導体基板１１をより薄くした場合でも、半導体基板１１の破壊応力を向上させることができる。これにより、半導体基板１１に膜厚方向の力が加えられた場合でも、半導体基板１１が膜面方向にたわんでクラックが入る、あるいは撮像素子１０の配線にクラックが入るなどの不良を防ぐことができる。また、半導体基板１１をより薄く形成できるため、カメラモジュールの膜厚方向（垂直方向）のサイズを縮小することができる。

また、半導体基板１１をより薄く形成できるため、貫通電極１４を形成しやすくなり、製造コストを低減することができる。また、半導体基板１１の強度が向上しているため、貫通電極１４に起因して発生する半導体基板１１の破壊を防ぐことができる。

また、マイクロレンズ３５の屈折率を接着剤１２の屈折率より大きくしているため、マイクロレンズ３５と接着剤１２とが接触している場合でも、マイクロレンズ３５に入射する光を屈折させることができる。これにより、被写体から撮像レンズ２１に入射した光がマイクロレンズ３５によって集光されて、フォトダイオード３０により多くの光を入射させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…撮像素子、１１…半導体基板、１２…接着剤、１３…支持基板、１４…貫通電極、１５…配線、１６…半田ボール、１７…保護膜、１８…支持材、１９…ＩＲカットフィルタ、２０…レンズホルダー、２１…撮像レンズ、２２…接着剤、２３…シールド、３０…フォトダイオード、３１…配線構造体、３２…多層配線層、３３…層間絶縁層、３４…カラーフィルタ、３５…マイクロレンズ、４０…グレーティングマスク、４１…マスク材。

Claims (5)

1. 複数のマイクロレンズを有する撮像素子が設けられた半導体基板と、
   前記複数のマイクロレンズに接するようにして、前記半導体基板上に設けられた接着剤と、
   前記接着剤上に設けられた透明支持基板と、
   を具備し、
   前記マイクロレンズの屈折率は、前記接着剤の屈折率より大きいことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記接着剤は、前記半導体基板の全面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記半導体基板内に設けられた貫通電極をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記半導体基板の裏面に設けられ、前記貫通電極に電気的に接続された外部接続端子をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 複数のマイクロレンズを有する撮像素子が設けられた半導体基板と、
   前記複数のマイクロレンズに接するようにして、前記半導体基板上に設けられた接着剤と、
   前記接着剤上に設けられた透明支持基板と、
   前記支持基板上に設けられたレンズホルダーと、
   前記レンズホルダーによって支持された撮像レンズと、
   前記半導体基板の裏面に設けられ、前記半導体基板内に設けられた貫通電極を介して前記撮像素子に電気的に接続された外部接続端子と、
   を具備し、
   前記マイクロレンズの屈折率は、前記接着剤の屈折率より大きいことを特徴とするカメラモジュール。

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