JP2016039335A - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パッケージの製造プロセス中において、シリコンウェハに搭載するサポートガラスとしてカバーガラスではなく専用の基板を使用し、チップではなくシリコンウェハに対して機能性ガラスを搭載可能にする固体撮像装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板の固体撮像素子が形成された表面に、仮固定用樹脂を用いて仮固定基板を貼り合わせ、表面と反対側の裏面を研磨して半導体基板を薄型化し、裏面から貫通電極を形成し、貫通電極に対して裏面配線層を形成し、半導体基板から仮固定基板を剥離する。仮固定基板を剥離した後、半導体基板の表面に、個片化可能な単位毎に、接着性を有する光硬化性樹脂で、固体撮像素子を囲む枠状の隔壁部を形成する。固体撮像素子を覆う透明基板を隔壁部の枠上に載せて、半導体基板と透明基板を貼り合わせ、裏面に外部端子を取り付け、半導体基板を透明基板と共に個片化する。【選択図】図１

Description

本発明は、薄型の固体撮像装置の製造方法に関する。

イメージセンサ等の薄型の固体撮像装置のパッケージとして、従来はシリコン（Ｓｉ）ウェハを賽の目状に裁断して個片化（ダイシング）した後の個々のベアチップをパッケージ化していたが、近年はシリコンウェハの段階で外部端子や樹脂封止を行い、ベアチップのサイズに近い外形寸法を実現したＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）へ移行しつつある。但し、薄型の固体撮像装置のパッケージの製造技術は、半導体部分の製造プロセス、カラーフィルタやマイクロレンズの生成等において、一般的な半導体パッケージの製造技術とは異なる部分が多い。そのため、一般的な半導体パッケージの製造技術をそのまま転用することはできない。

薄型の固体撮像装置のパッケージとしてＣＳＰを採用し、薄型の固体撮像装置をウェハレベルで製造する方法として、例えば特許文献１、２に記載の技術がある。
特許文献１では、固体撮像素子チップ上に、透明部材からなる平板部と該平板部の下面縁部に配設された枠部とで構成された気密封止部を設けた固体撮像装置の製造方法において、透明部材からなる平板部と、一部に間隙部を形成するように構成された枠基体部と該間隔部に充填された接着剤層とからなる枠部とで構成された気密封止部を、多数の固体撮像素子チップが形成されているウェハ全体に亘って、個々の固体撮像素子チップに対応させて且つ一体的に形成し、一体的に気密封止部が形成されたウェハを個別の気密封止部をもった固体撮像素子チップに分割する。

特許文献２では、カバーガラス基板にサポート基板を接合し、カバーガラス基板のサポート基板と反対側の表面を機械研磨し、サポート基板の一部を除去し、残りの部分によりカバーガラス基板上に複数の枠状のスペーサを形成する。カバーガラス基板をウェットエッチングにより所定の厚みまで薄型化し、カバーガラス基板と固体撮像素子が形成されたシリコンウェハとをスペーサを介して貼り合わせる。カバーガラス基板を個片化し、シリコンウェハを個片化して固体撮像装置を製造する。

特開２００２−２３１９１９号公報 特開２０１１−１７６２２９号公報

従来技術では、シリコンウェハ上の素子を密封・封止するためにカバーガラスが使用されていた。また、製造方法によっては、カバーガラスが製造プロセス中において研磨（バックグラインド：ＢＧ）用のサポートガラスとして兼用されていた。しかし、本来このようなカバーガラスは不要のものである。
本来であれば、シリコンウェハに対してカバーガラスではなく機能性ガラスをウェハ状にして搭載するのが望ましいが、機能性ガラスはカバーガラスよりも薄いため、サポートガラスとしては強度もシリコンとの相性も不十分である。また、機能性ガラスは収率が悪いため、良品の調達が容易ではなく、安易に消耗できない。そのため、製造プロセス中において、機能性ガラスをカバーガラスのようにサポートガラスとして兼用することは好ましくない。

現状では、機能性ガラスは、チップ状にして提供され、シリコンウェハを個片化（ダイシング）した後の個々のベアチップに対して搭載されている。したがって、シリコンウェハにカバーガラスを搭載する従来のパッケージの製造方法は、機能性ガラスを搭載したパッケージの製造には適していない。
また、現在、薄型の固体撮像装置のＣＳＰの低背化・大型化のために様々な検討がなされている。従来のカバーガラスをサポートガラスとして兼用する製造方法では、カバーガラスはシリコンウェハ上の素子を密封・封止するため、製造プロセス中において、カバーガラスとシリコンウェハとの間に密閉されたキャビティ（ｃａｖｉｔｙ：空間）が形成される。

この場合、チップサイズが大きくなるにつれてキャビティが大きくなり、加工中のハンドリングや真空チャンバーへの投入等によりキャビティが膨張して破裂するリスクも大きくなる。４００μｍ程度のカバーガラスの厚さに比べて、シリコンウェハが薄すぎると、キャビティが膨張して破裂する場合、シリコンウェハが損傷することになる。したがって、キャビティが膨張して破裂するリスクを考慮して、現実にはチップサイズを一定限度以上には大型化することができず、シリコンウェハを薄型化しようとしても厚みを１００μｍ程度にするのが限界となっていた。

シリコンウェハが厚いと、チップの厚みも大きくなると共に、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ：シリコン貫通電極）加工に要する時間も大きくなる。このような観点から、製造プロセス中でシリコンウェハにカバーガラスを搭載することは好ましくない。
本発明の目的は、パッケージの製造プロセス中において、シリコンウェハに搭載するサポートガラスとしてカバーガラスではなく専用の基板を使用し、チップではなくシリコンウェハに対して機能性ガラスを搭載可能にする固体撮像装置の製造方法を提供することである。

本発明の一態様に係る固体撮像装置の製造方法では、半導体基板の固体撮像素子が形成された表面に、仮固定用樹脂を用いて仮固定基板を貼り合わせる。また、半導体基板と仮固定基板とを貼り合わせた後、その表面と反対側の裏面を研磨して半導体基板を薄型化する。また、半導体基板を薄型化した後、その裏面から貫通電極を形成し、貫通電極に対して裏面配線層を形成する。また、裏面配線層を形成した後、半導体基板から仮固定基板を剥離して完全に除去する。

半導体基板を薄型化するとき、半導体基板の厚みを１００μｍ以下にすると好ましい。
また、半導体基板と仮固定基板とを貼り合わせるよりも前に、固体撮像素子上に、可視光のうち特定の波長域を通過させて他の波長域を阻止するカラーフィルタと、入射光の進路を変える光学素子を形成すると好ましい。
更に、本発明の一態様に係る固体撮像装置の製造方法では、仮固定基板を剥離した後、半導体基板の固体撮像素子が形成された表面に対して、個片化可能な単位毎に、接着性を有する光硬化性樹脂で、固体撮像素子を囲む枠状の隔壁部（ダム）を形成する。また、真空条件下で、固体撮像素子を覆う透明基板を隔壁部の上に載せて、半導体基板と透明基板を貼り合わせる。また、半導体基板と透明基板とを貼り合わせた後、裏面に外部端子を取り付ける。また、外部端子を取り付けた後、半導体基板を透明基板と共に個片化する。
隔壁部を形成するとき、真空条件下で、接着性を有する液体インクを用いてスクリーン印刷することにより隔壁部を形成すると好ましい。

本発明の一態様によれば、パッケージの製造プロセス中において、シリコンウェハに搭載するサポートガラスとしてカバーガラスを使用せずに専用の仮固定基板を使用する。仮固定基板はカバーガラスのようにシリコンウェハ上の素子を密封・封止する必要はないため、キャビティを形成しない。したがって、キャビティが膨張して破裂するリスクを考慮する必要が無く、チップサイズを従来よりも大型化し、シリコンウェハを従来よりも低背化することができる。

また、シリコンウェハの薄型化後に仮固定基板を剥離して完全に除去し、サポートガラスが要求される工程の終了後に機能性ガラスを搭載する。したがって、機能性ガラスに対してサポートガラスとしての強度やシリコンとの相性が要求されることはないため、ウェハ状の機能性ガラスでも使用可能であり、チップではなくシリコンウェハに対して機能性ガラスを搭載することができる。

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法における工程フローについて説明するための図である。 オンチップカラーフィルタ（ＯＣＦ）について説明するための図である。 従来方式と新方式とのパッケージの違いについて説明するための図である。

＜実施形態＞
以下に、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１（Ａ）に示すように、半導体基板１０と、仮固定基板２０を用意する。例えば、半導体基板１０は、シリコン（Ｓｉ）ウェハである。また、仮固定基板２０は、ガラス基板やシリコンウェハである。

半導体基板１０の表面には、固体撮像素子１１が形成されている。固体撮像素子１１は、光検出器（フォトダイオード）と、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）を組み合わせたセンサである。
ここで、半導体基板１０の表面において、固体撮像素子１１上には、図２に示すようなオンチップカラーフィルタ（ＯＣＦ）１２が形成されている。オンチップカラーフィルタ（ＯＣＦ）１２は、可視光のうち特定の波長域を通過させて他の波長域を阻止するカラーフィルタ１２ａと、入射光の進路を変える光学素子１２ｂとを有する。例えば、光学素子１２ｂは、レンズ効果により光の進路を変えるマイクロレンズである。固体撮像素子１１と光学素子１２ｂは１対１で対応している。１つの光学素子１２ｂが受けた入射光は、カラーフィルタ１２ａを通して、１つの固体撮像素子１１に届く。

また、仮固定基板２０の表面には、仮固定用樹脂２１が塗布されている。仮固定用樹脂２１は、接着性の樹脂（接着剤）であり、硬化した後でも熱や溶液等を加えることにより軟化又は溶解して剥離可能となる樹脂である。仮固定用樹脂２１は、耐熱性を有し、且つ、剥離時に糊残りなく剥離可能な凝集力を有する粘着剤により形成されるものであれば特に制限されない。仮固定用樹脂２１の材料としては、例えば、ゴム系粘着剤、アクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤等が挙げられる。上記アクリル系粘着剤としては、粘着性を与える低Ｔｇ（ガラス転移点）のモノマーを主モノマーとし、接着性や凝集力を与える高Ｔｇのコモノマー、架橋や接着性改良のための官能基含有モノマー等のモノエチレン性不飽和モノマー等を共重合させて得られるアクリル系ポリマーが用いられる。また、所定の操作により粘着性が減少する粘着剤の採用も可能であり、紫外線又は熱を加えることによって発泡する発泡剤、若しくは紫外線又は熱を加えることにより硬化して粘着性が低下する材料を含む仮固定用樹脂２１でも良い。

図１（Ｂ）に示すように、真空条件下で、半導体基板１０と仮固定基板２０を接合（ボンディング）する。ここでは、真空条件下で、半導体基板１０の固体撮像素子１１が形成された表面に、仮固定用樹脂２１を用いて仮固定基板２０を貼り合わせる。このとき、固体撮像素子１１が仮固定用樹脂２１に埋没するように貼り合わせても良い。
本実施形態では、仮固定基板２０は、カバーガラスのように固体撮像素子１１を密封・封止するものではないため、半導体基板１０と仮固定基板２０の間にキャビティは形成されない。したがって、キャビティが膨張して破裂するリスクを考慮する必要がないため、カバーガラスを使用する従来の製造方法に比べて、チップサイズを大型化することができる。例えば、半導体基板１０の表面において、個片化（ダイシング）可能な単位（ベアチップ単位）毎に、固体撮像素子１１の領域を大きくすることができる。

仮固定基板２０となる板材には、ガラス、石英若しくは透明樹脂やこれらの複合材といった透明材料が適宜用いられる。仮固定用樹脂２１にも透明のものを用いれば、仮固定基板２０を通してウェハのアライメントマークを確認できるので、位置合わせの容易化を図ることができ好適であるが、本実施形態においては、仮固定用樹脂２１に要求される機能としては、後工程（ウェハの研磨，貫通電極形成）に耐久する機械的強度付与にあるため、仮固定基板２０及び仮固定用樹脂２１に透明性は必ずしも要求されず、これらの材料の選択範囲が向上する。

図１（Ｃ）に示すように、半導体基板１０と仮固定基板２０とを貼り合わせた後、真空条件下で、半導体基板１０に対して、固体撮像素子１１が形成された表面と反対側の裏面を研磨（バックグラインド：ＢＧ）して半導体基板１０を薄型化する。
本実施形態では、上記のように、仮固定基板２０は、カバーガラスのように固体撮像素子１１を密封・封止する必要が無いため、半導体基板１０と仮固定基板２０の間にキャビティは形成されない。したがって、キャビティが膨張して破裂するリスクを考慮する必要がないため、カバーガラスを使用する従来の製造方法に比べて、半導体基板１０を低背化することができる。例えば、半導体基板１０を研磨して薄型化する際、カバーガラスを使用する従来の製造方法では、半導体基板１０の厚みを１００μｍ程度にするのが限界であったが、本実施形態では、半導体基板１０の厚みを１００μｍ以下にすることができる。

図１（Ｄ）に示すように、半導体基板１０を薄型化した後、真空条件下で、研磨した裏面に対して、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ：シリコン貫通電極）加工を施し、貫通電極１０ａを形成する。貫通電極１０ａは、半導体基板１０の内部を垂直に貫通する電極である。例えば、貫通電極１０ａとして、半導体基板１０の裏面から表面にかけて貫通孔を形成し、その貫通孔に金属を充填し、半導体基板１０の裏面において貫通孔の開口部に電極端子（パッド）を形成する。

図１（Ｅ）に示すように、真空条件下で、半導体基板１０の裏面の貫通電極１０ａに対して、裏面配線層３０を形成する。例えば、裏面配線層３０として、半導体基板１０の裏面に再配線層を形成する。この場合、半導体基板１０の裏面において、貫通孔の開口部に形成された電極端子に対して、再配線層を形成する。
図１（Ｆ）に示すように、裏面配線層３０を形成した後、真空条件下で、半導体基板１０から仮固定基板２０を剥離（デボンディング）して完全に除去する。すなわち、ＴＳＶ加工や裏面配線等のような真空条件下でのチップの製造プロセス（真空プロセス）が全て完了した後に、半導体基板１０から仮固定基板２０を剥離する。例えば、仮固定用樹脂２１を軟化又は溶解させ、固体撮像素子１１を仮固定用樹脂２１から分離して露出させるようにして、半導体基板１０から仮固定基板２０を剥離する。仮固定用樹脂２１として、紫外線を加えることによって発泡する発泡剤、若しくは紫外線を加えることにより硬化して粘着性が低下する材料を含む仮固定用樹脂２１を用いた場合には、ＵＶ照射を行って、粘着部の粘着力を弱くした後、半導体基板１０から仮固定基板２０を剥離する。

その後、剥離した仮固定基板２０を廃棄する。但し、実際には、剥離した仮固定基板２０を保管しておき、別の半導体基板１０の製造プロセスで再利用しても良い。同じ種類のチップの製造プロセスであれば、仮固定基板２０は再利用可能であると考えられる。例えば、仮固定基板２０に仮固定用樹脂２１を塗布し直して再利用する。

図１（Ｇ）に示すように、半導体基板１０から仮固定基板２０を剥離した後、真空条件下で、半導体基板１０において、固体撮像素子１１が形成された表面に対して、個片化（ダイシング）可能な単位（ベアチップ単位）毎に、接着性を有する光硬化性樹脂（光硬化性接着剤）で、固体撮像素子１１を囲む枠状のダム（スペーサ：隔壁）４０を形成する。このダム４０は、例えば黒色樹脂からなるもので、スクリーン印刷により数十μｍの厚さに形成される。ダム４０の材料は、エポキシ樹脂を主成分とし、黒色顔料（黒色フィラー）を含有した液体インクで、光硬化性を備える材料である。特に、紫外線（ＵＶ）硬化性を備える材料が好ましい。更に、熱硬化性を備えていても良い。黒色顔料としては、３５０ｎｍ〜４００ｎｍの近紫外線域に対する透過率がカーボンブラックよりも高く、且つ６００ｎｍ以上の可視光域に対する透過率がカーボンブラックよりも低いチタンブラックも好適に採用できる。このような液体インクをダム４０のパターンに印刷した後に、紫外線（ＵＶ）の照射により硬化させる。液体インクとしては、エポキシ系樹脂を主成分とする以外に、エポキシ−ウレタン系樹脂、及びイソシアネート系樹脂、シアノアクリレート系樹脂を挙げることができる。また、液体インクの主成分の樹脂として、染料若しくは顔料の色材、比較的低分子量の溶剤可溶性樹脂、光重合性モノマー若しくはオリゴマー、光重合開始剤及び溶剤からなる感光性インクも採用できる。

図１（Ｈ）に示すように、ダム４０を形成した後、真空条件下で、固体撮像素子１１を覆う透明基板５０をダム４０の枠上に載せて、半導体基板１０と透明基板５０を貼り合わせる。このとき、ダム４０の形成材料であるインク自体が接着性を有するため、特別に接着剤を用いなくても透明基板５０をダム４０の枠上に接着し仮固定することができる。透明基板５０をダム４０の枠上に接着した状態で、ダム４０に紫外線（ＵＶ）を照射して硬化させることで、透明基板５０をダム４０の枠上に完全に固定することができる。例えば、透明基板５０は、機能性ガラスである。ここで、半導体基板１０と透明基板５０とを貼り合わせる方法として、以下に（ａ）と（ｂ）の２種類の方法を示す。この（ａ）と（ｂ）のいずれかの方法により、半導体基板１０と透明基板５０とを貼り合わせる。

（ａ）の方法では、半導体基板１０に対して、チップ状の透明基板５０を、個片化可能な単位毎に搭載（マウント）する。ダム４０は、接着性を有し、半導体基板１０の表面において個片化可能な単位毎に形成されているため、個々のダム４０の上にチップ状の透明基板５０を搭載して貼り付ける。
（ｂ）の方法では、ウェハ状の半導体基板１０に対して、ウェハ状の透明基板５０を貼り合わせる。例えば、ウェハ状の半導体基板１０とウェハ状の透明基板５０とが同じサイズの円板であれば、外周部を一致させて張り合わせることができる。この方法によれば、チップマウンタ（表面実装機）を用いずに薄い機能性ガラスを搭載することができる。

図１（Ｉ）に示すように、真空条件下で、半導体基板１０と透明基板５０とを張り合わせた後、外部端子６０を形成する。例えば、外部端子６０は、はんだボール（バンプ）である。実際には、外部端子６０の形状は、パッケージの種類によって決まる。これにより、薄型の固体撮像装置のＣＳＰが完成する。
図３を参照して、薄型の固体撮像装置のＣＳＰについて、シリコンウェハにカバーガラスを搭載した従来方式のパッケージと、本実施形態によりシリコンウェハに機能性ガラスを搭載した新方式のパッケージとの違いについて説明する。

ピクセル数について、従来方式のパッケージでは５Ｍ（５００万画素）未満であったが、新方式のパッケージでは５Ｍ（５００万画素）にすることが可能になった。
シリコンウェハの厚みについて、従来方式のパッケージでは１００μｍにするのが限界であったが、新方式のパッケージでは６０μｍにすることができた。すなわち、ＣＳＰの低背化を実現することができた。

チップサイズ（ＣＳＰサイズ）について、従来方式のパッケージでは４．５８ｍｍ×３．８５ｍｍ未満であったが、新方式のパッケージでは４．５８ｍｍ×３．８５ｍｍ以上にすることができた。すなわち、ＣＳＰの大型化を実現することができた。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、実際には、上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。

１０… 半導体基板
１０ａ… 貫通電極
１１… 固体撮像素子
１２… オンチップカラーフィルタ（ＯＣＦ）
１２ａ… カラーフィルタ
１２ｂ… 光学素子
２０… 仮固定基板
２１… 仮固定用樹脂
３０… 裏面配線層
４０… ダム（ＤＡＭ：隔壁部）
５０… 透明基板

Claims (5)

1. 半導体基板の固体撮像素子が形成された表面に、仮固定用樹脂を用いて仮固定基板を貼り合わせる工程と、
   前記半導体基板と前記仮固定基板とを貼り合わせた後、前記表面と反対側の裏面を研磨して前記半導体基板を薄型化する工程と、
   前記半導体基板を薄型化した後、前記裏面から貫通電極を形成し、前記貫通電極に対して裏面配線層を形成する工程と、
   前記裏面配線層を形成した後、前記半導体基板から前記仮固定基板を剥離して完全に除去する工程と、を有することを特徴とする、固体撮像装置の製造方法。
2. 前記半導体基板を薄型化する工程において、前記半導体基板の厚みを１００μｍ以下にすることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 前記半導体基板と前記仮固定基板とを貼り合わせる工程の前工程として、前記固体撮像素子上に、可視光のうち特定の波長域を通過させて他の波長域を阻止するカラーフィルタと、入射光の進路を変える光学素子と、を形成する工程を更に有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の製造方法。
4. 前記仮固定基板を剥離した後、前記半導体基板の前記固体撮像素子が形成された表面に対して、個片化可能な単位毎に、接着性を有する光硬化性樹脂で、前記固体撮像素子を囲む隔壁部を形成する工程と、
   真空条件下で、前記固体撮像素子を覆う透明基板を前記隔壁部の上に載せて、前記半導体基板と前記透明基板とを貼り合わせる工程と、
   前記半導体基板と前記透明基板とを貼り合わせた後、前記裏面に外部端子を取り付ける工程と、
   前記外部端子を取り付けた後、前記半導体基板を前記透明基板と共に個片化する工程と、を更に有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記隔壁部を形成する工程において、真空条件下で、接着性を有する液体インクを用いてスクリーン印刷することにより前記隔壁部を形成することを特徴とする、請求項４に記載の固体撮像装置の製造方法。

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