JP3917649B2 - 固体撮像装置パッケージ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ウェハーレベル・チップ・サイズ・パッケージ実装技術を用いた固体撮像装置パッケージとその製造方法に関するものである。
固体撮像装置（以下、単に「撮像装置」ともいう。）は、半導体基板（以下、「ウェハー」という。）上に撮像素子とマイクロレンズなどの光学素子とを形成して、これ気密封止したものであり、ビデオカメラやデジタルカメラや携帯用カメラなどの映像機器の受光センサーとして利用される。
近年の撮像装置は小型化・高密度化するために、ウェハーの切断前に配線工程及び保護部材の接着工程などの工程を完了し、その後各チップに切断してチップ化（以下、「個片化」という。）する、「ウェハーレベル・チップ・サイズ・パッケージ（以下、単に、「ウェハーレベルＣＳＰ」ともいう。）」という実装技術が用いられている（特許文献１、２等）。
ウェハーレベルＣＳＰを適用した従来の固体撮像装置は、一般に、撮像素子の受光部上方に平坦な透明板（透明平板）が設けられている。この透明板は適当な粘度に調節された接着剤により受光部の四方を囲む隔壁部（リブ）と接合され、このリブと透明板によって形成される空隙の内部にマイクロレンズなどの光学素子を含む受光部が気密封止されるようになっている（特許文献１乃至４）。
なお、ウェハーレベルＣＳＰではないが、透明板に代えて、マイクロレンズ上に表面が平坦な界面を有する透明樹脂膜を備え、マイクロレンズの屈折率をｎ２、透明樹脂膜の屈折率をｎ１とした時、１＜ｎ１＜ｎ２の関係を有することを特徴とするマイクロレンズの態様が示されているものもある（特許文献５）。
なお、ウェハーレベルＣＳＰではないが、透明板に代えて、マイクロレンズ上に表面が平坦な界面を有する透明樹脂膜を備え、マイクロレンズの屈折率をｎ２、透明樹脂膜の屈折率をｎ１とした時、１＜ｎ１＜ｎ２の関係を有することを特徴とするマイクロレンズの態様が示されているものもある（特許文献５）。
しかし、受光部の上方に透明板を設ける構造の場合、透明板とリブとの接合は接着剤により貼り合わせるため、接着剤の量が不足すると接着力が不足して外部からの衝撃で接合強度が弱く、長期間使用するうちに接合が外れるなど、長期信頼性の点で問題があった。逆に、接着剤を多く使用すると、余分な接着剤がリブに隣接する受光部（被気密封止領域）に侵入して光学特性が劣化する場合があった。
このため、従来のウェハーレベルＣＳＰは長期信頼性が低いか又は生産歩留まりが低かった。しかも、仮に接着剤が適量であったとしても、従来のウェハーレベルＣＳＰの固体撮像装置は元来外部からの衝撃に弱く、特に衝撃に対する対策が施されていなかった。
このため、従来のウェハーレベルＣＳＰは長期信頼性が低いか又は生産歩留まりが低かった。しかも、仮に接着剤が適量であったとしても、従来のウェハーレベルＣＳＰの固体撮像装置は元来外部からの衝撃に弱く、特に衝撃に対する対策が施されていなかった。
本発明は上記に鑑みなされたものであり、生産歩留まりを飛躍的に高めると共にデバイスの長期信頼性を確保することができる撮像装置パッケージ及びその製造方法を提供することを技術的課題とする。
本発明に係る固体撮像装置パッケージは、ウェハーレベル・チップ・サイズ・パッケージからなる固体撮像装置パッケージであって、
ウェハー（１）の表面部に多数の受光部（２）と前記受光部の１つ１つにマイクロレンズ（３）が形成され、前記ウェハー（１）の周辺の随所に前記受光部（２）への電力供給及び電気信号の授受を行う貫通電極（４）が設けられ、
この貫通電極（４）の一端は前記ウェハー（１）の表面部で受光素子への配線に接続される電極パッド（４ａ）に接続され、他端は裏面電極（５）を通じて配線に接続され、
前記ウェハー（１）の表面に前記マイクロレンズ（３）を取り囲むように四囲に配した隔壁部となるリブ（７）が設けられ、
前記リブ（７）の上面に接着剤で透明板（８）が貼り付けられ、前記リブ（７）と前記透明板（８）の接合部に四方を囲う保護枠（１０）が設けられてなることを特徴とする。
ウェハー（１）の表面部に多数の受光部（２）と前記受光部の１つ１つにマイクロレンズ（３）が形成され、前記ウェハー（１）の周辺の随所に前記受光部（２）への電力供給及び電気信号の授受を行う貫通電極（４）が設けられ、
この貫通電極（４）の一端は前記ウェハー（１）の表面部で受光素子への配線に接続される電極パッド（４ａ）に接続され、他端は裏面電極（５）を通じて配線に接続され、
前記ウェハー（１）の表面に前記マイクロレンズ（３）を取り囲むように四囲に配した隔壁部となるリブ（７）が設けられ、
前記リブ（７）の上面に接着剤で透明板（８）が貼り付けられ、前記リブ（７）と前記透明板（８）の接合部に四方を囲う保護枠（１０）が設けられてなることを特徴とする。
さらに、保護枠１０の内側の前記リブ７と前記透明板８の接合部近傍には、窪み１１が形成されていてもよい。
この保護枠１０は、光吸収体（好ましくは黒鉛などを混入した黒色のゴム又は可撓性樹脂）などの撮像素子の光学性能を阻害しないような部材で構成することが好ましい。また、アルミニウムなど軽金属を含む金属で構成してもよい。
前記透明板８と前記マイクロレンズ３との間には前記マイクロレンズ３よりも屈折率が相対的に屈折率の低い透明材料２３が設けられていてもよい。
前記マイクロレンズ３は通常屈折率約１．５程度の有機樹脂材料を用いて形成されている。撮像素子のさらなる小型化や高性能化や高信頼性を実現するためには、前記マイクロレンズ３に無機材料を用いることが極めて有効であり、二酸化シリコン、シリコン酸窒化膜、シリコンナイトライド膜その他の無機絶縁膜又は、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウムなどの無機金属酸化膜により構成されていてもよい。屈折率で概ね１．５乃至３．０程度である。
前記透明材料２３は、内部に微細な空孔を分散して含む熱硬化性やＵＶ（紫外線）硬化性の透明樹脂、二酸化シリコン、ポーラスシリカ膜、有機無機ハイブリッド膜、高分子化合物などの透光性低密度誘電体膜であって、マイクロレンズよりも低屈折率のものを適用することができる。屈折率で概ね１．０乃至１．４程度である。
前記透明材料２３は、複数の積層膜で構成されるようにしてもよい。
前記透明材料２３は、複数の積層膜で構成されるようにしてもよい。
本発明に係る固体撮像装置パッケージの製造方法は、前記固体撮像装置パッケージの製造方法であって、前記貫通電極の形成に当たり、予めウェハー１の裏面に半球面状の穴(凹)１３を等方性エッチングにより形成し、この穴底部からウェハー表面の電極１４に向かう貫通孔(開口)をドライエッチングにより形成し、貫通電極４を設けることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置パッケージの製造方法は、前記固体撮像装置パッケージの製造方法であって、前記貫通電極の形成に当たり、予めウェハー１の裏面に径大な筒状の穴(凹)１５をドライエッチングで形成し、この穴の底部からウェハー表面に向かう径小な貫通孔(開口)を形成し、これを通じて貫通電極４を設けることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像素子パッケージの製造方法は、前記固体撮像装置パッケージの製造方法であって、前記貫通電極の形成に当たり、撮像素子のウェハープロセス（配線工程を含む。以下本明細書において同じ。）の範囲内において、予め、ウェハー１の表面からトレンチ１６を形成し、局所酸化膜１７を形成して、さらにトレンチ内に電極材料を埋めて配線形成し、電極パッドと接続しておき、その後、裏面から前記トレンチ１６内の電極下端まで一様に基板を薄膜化することを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置パッケージの製造方法は前記固体撮像装置パッケージの製造方法であって、前記貫通電極の形成に当たり、撮像素子のウェハープロセスの範囲内において、予め、ウェハー１の表面からトレンチ１６を形成し、局所酸化膜１７を形成して、さらにトレンチ内に電極材料を埋めて配線形成し、電極パッドと接続しておき、その後、裏面から前記トレンチ１６に達する穴（凹）を設けて裏面側からも貫通電極を形成し、接続することを特徴とする。
本発明に係る撮像装置は構造的に外部からの衝撃に強くデバイスの長期信頼性を確保することができる。また、本発明に係る撮像装置の製造方法は、生産歩留まりを飛躍的に高めると共に、従来よりも製造コストを大幅に下げることができる。
（第１の実施形態）
−撮像装置の基本構成について−
図１は、本発明に係る撮像装置の第１の基本構成を示す構成断面図である。撮像装置は、撮像素子と光学素子とからなり、両者を接着剤などの接合手段で接合してなる。撮像素子は、多数の受光部と電極や配線及び保護ダイオードなど撮像機能を担う半導体装置とからなり、光学素子は光学ガラスやマイクロレンズなどからなる。撮像装置は撮像素子の上部に透明板を接着剤で接合して気密封止したものである。
−撮像装置の基本構成について−
図１は、本発明に係る撮像装置の第１の基本構成を示す構成断面図である。撮像装置は、撮像素子と光学素子とからなり、両者を接着剤などの接合手段で接合してなる。撮像素子は、多数の受光部と電極や配線及び保護ダイオードなど撮像機能を担う半導体装置とからなり、光学素子は光学ガラスやマイクロレンズなどからなる。撮像装置は撮像素子の上部に透明板を接着剤で接合して気密封止したものである。
図１に示す撮像装置は、ウェハー１の表面部に多数の受光部２と各受光部の１つ１つにマイクロレンズ３が形成されてなる。ウェハー１の周辺の随所には貫通電極４が設けられ、これを介して受光部２への電力供給や電気信号の授受が行われる。貫通電極４の一端はウェハー１の表面部で受光素子への配線に接続される電極パッド４ａに接続され、他端は裏面電極５を通じて配線に接続される。なお、配線は例えばフレキシブルプリント配線基板６の表面に設けられ、撮像素子の駆動回路の一部を構成するものである。
ウェハー１の表面は、マイクロレンズ３を取り囲むように四囲に配した隔壁部となるリブ７が設けられ、リブ７の上面に接着剤で光学ガラスなどの透明板８が貼り付けられる。このリブは遮光性のある材料が用いられる。この透明板８とマイクロレンズ３との間には空隙９が形成される。空隙９はマイクロレンズ３の集光効果を高めるために設けられるが、後述する第２の基本構成のように、低屈折率の透明材料が空隙９を充填するように構成してもよい。空隙９は空気が充填されていると見ることもできるが、この場合は、空気の屈折率が１であり、マイクロレンズの集光効果が最も高いケースとなる。
マイクロレンズ３は、有機材料（樹脂等）、あるいは無機材料のいずれでもよいが、集光効果を高めるためには、なるべく高屈折率の材料が好ましい。
第１の実施態様では、さらに、リブ７と透明板８の接合部に、保護枠１０が設けられることが特徴である。この装置のように内部に空隙９が存在すると全体的に装置の機械的強度や外部からの衝撃に弱くなりやすい。保護枠１０は撮像装置への外部衝撃を緩和するために設けられるものである。保護枠１０の内側のリブ７と透明板８の接合部近傍には、窪み１１が形成されていてもよい。これは、リブ７の上面と透明板８とは接着剤により貼り付けられるが、窪み１１は余分な接着剤を退避させる空間として作用するためである。
この保護枠１０は、光吸収体好ましくは黒鉛やなどを混入した黒色のゴム又は可撓性樹脂などの撮像素子の光学性能を阻害しないような部材で構成することが好ましい。また、アルミニウムなど軽金属を含む金属で構成してもよい。金属で構成した場合には封止樹脂の劣化を一層防止し、信頼性の大幅な向上を図ることができる。
−撮像装置の変形例について−
図８は、本発明に係る撮像装置の変形例を示す構成断面図である。撮像装置は、撮像素子と光学素子とからなり、通常は両者を接着剤などの接合手段で接合してなる。撮像素子は、多数の受光部と電極や配線及び保護ダイオードなど撮像機能を担う半導体装置とからなり、光学素子は光学ガラスやマイクロレンズなどからなる。撮像装置は撮像素子の上部に透明板を接着剤で接合して気密封止したものである。
図８は、本発明に係る撮像装置の変形例を示す構成断面図である。撮像装置は、撮像素子と光学素子とからなり、通常は両者を接着剤などの接合手段で接合してなる。撮像素子は、多数の受光部と電極や配線及び保護ダイオードなど撮像機能を担う半導体装置とからなり、光学素子は光学ガラスやマイクロレンズなどからなる。撮像装置は撮像素子の上部に透明板を接着剤で接合して気密封止したものである。
図８に示す撮像装置は、ウェハー１の表面部に多数の受光部２と各受光部の１つ１つにマイクロレンズ３が形成されてなる。ウェハー１の周辺の随所には貫通電極４が設けられ、これを介して受光部２への電力供給や電気信号の授受が行われる。貫通電極４の一端はウェハー１の表面部で受光素子への配線に接続される電極パッド４ａに接続され、他端は裏面電極５を通じてフレキシブル・プリント配線基板６の表面に設けられた配線に接続される。
ウェハー１の表面は、マイクロレンズ３を取り囲むように四囲に配した隔壁部となるリブ７が設けられ、必要によりリブ７の上面に接着剤で光学ガラスなどの透明板８が貼り付けられる。この透明板８とマイクロレンズ３との間にはマイクロレンズよりも相対的に低屈折率の透明材料２３が形成される。なお、後述するように、リブはなくてもよい。
集光効果は透明材料２３の屈折率ｎ１に対するマイクロレンズ３の屈折率ｎ２の比（ｎ２／ｎ１）で決定され、この値が大きいほど高効率となる。このため、マイクロレンズ３は、有機材料（樹脂等）、あるいは無機材料のいずれでもよいが、集光効果を高めるためには、なるべく高屈折率の材料が好ましい。
無機材料で構成する場合は例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２、屈折率約１．５〜１．６）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ、屈折率約１．８）、シリコンナイトライド膜（ＳｉＮ、屈折率約２．０）などの無機絶縁膜を適用することができる。
マイクロレンズに適用できるその他の材料として挙げられるのは、酸化チタン（ＴｉＯ２ 、屈折率；ルチル約２．６１〜２．９０、アナターゼ約２．４５〜２．５５）、酸化タンタル（例えばＴａＯ２、Ｔａ２Ｏ５）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの無機金属酸化膜である。従来、マイクロレンズは熱溶融ポジレジストや高屈折率ポリイミド樹脂など比較的屈折率の小さい有機材料が用いられていたが、このように屈折率の値が例えば２を超えるような、高屈折率材料でマイクロレンズを形成すると透明材料３の選択範囲が一層広がり、屈折率のより高い材料でも使用可能になる。
一方、透明材料２３はマイクロレンズ３よりも低屈折率の材料が選択される。具体的には、例えば、内部に微細な空孔を分散して含む熱硬化性の透明樹脂やＵＶ硬化性の透明樹脂を用いることが好ましい。これには、通常のスピンコート法で厚さ数μｍに保って、ウェハー（個片化前のウェハー）全面でほぼ均一になるように塗布形成し、比較的低温の熱硬化処理により空孔が膨張したまま硬化することで、実質的に屈折率が理論上は１．０乃至１．５未満（実際には屈折率１．１乃至１．４程度）の範囲の均質な透明樹脂を形成することができる。この低屈折率樹脂を用いると、マイクロレンズの集光効果をほとんど損なわずに高感度を保つことができる。
さらに、低屈折率透明材料２３として実用的には、受光部上を覆う二酸化シリコン（ＳｉＯ２）あるいはマイクロレンズ３の材料の屈折率より低い屈折率の、例えば高集積度半導体集積回路装置（ＬＳＩ）で利用される多層配線の層間絶縁膜のような、より低誘電率の低密度誘電体あるいは高分子化合物などの粘性体で透光性のものが利用できることはもちろんであり、加えて、この低屈折率透明材料２３上に硬質透明樹脂などによる保護層を備える場合でも、各層間の屈折率差による光学特性損失は無視できる程度の微小なものである。
その他、適用可能な透明材料２３としては、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、ポーラスシリカ膜、有機無機ハイブリッド膜、高分子化合物などの透光性低密度誘電体膜であって、マイクロレンズよりも相対的に低屈折率のものであることが必要である。
透明材料２３に屈折率のより高い無機材料を使用する場合には、耐湿性、耐久性の高い膜（例えば、ＳｉＮ膜、又はＳｉＮ−ＳｉＯＮ複合膜など）を用いることができる。その場合、これらの膜の上に積層して、さらに塗布ガラス（スピン オン ガラス；ＳＯＧ)層、及び、必要に応じて赤外線カット膜（ＩＲカット膜）を形成することも可能である。これらは、マイクロレンズに、従来想定していたよりも高屈折率の材料を適用したことにより初めて可能となったものといえる。そして、これらの絶縁膜は、いずれも既存の半導体製造技術をそのまま利用できる点で実現可能性が高く、かつその効果も大きい。
しかも、このように透明材料２３を複数の積層膜で構成し、最上層をＳＯＧ膜で被覆すれば、これが等価的に透明板としての役割をも果たすことになり、透明板８（ひいては透明板８を接着剤で接合する工程）を省略することができる。この場合、直下に低屈折率の透明樹脂を有するから上層の保護層の屈折率の高低は問題とならない。また、適正化されたスピンコート法で形成した低屈折率透明樹脂あるいは硬質透明樹脂の厚さにウェハーの中央と周辺とで多少の厚さむらがあったとしても、ＣＳＰとなったチップ単位ではほとんど実用上の均一性が維持され、受光性能の支障は起こらない。なお、透明板を省略する場合は透明材料の最上層表面の平坦性が一定程度以上であることが必要である。
いずれにせよ、この態様では、第１の実施態様における空隙の部分に低屈折率の透明材料２３が充填されているため、本来的に機械的強度が大きい。そのため、リブ７と透明板８の接合部に、必ずしも保護枠１０を設ける必要はない。もちろん、保護枠を設けた場合には一層機械的強度が大きくなる。なお、マイクロレンズ３の上に設けられる透明材料２３の膜厚は光学特性を考慮して適宜設計される。
特に、高屈折率無機材料をマイクロレンズに用いて透明材料２３及びその上にさらに、ＳＯＧ膜やプラズマＣＶＤ膜を例えば５００ｎｍ以上、好ましくは１μｍ程度以上形成することにより、チップ表面にキズがつかずに、ガラスを貼る必要が無くなり、撮像素子の大幅な低コスト化や高性能化に寄与する。またこの構造は必ずしも、貫通電極を必要としない通常の撮像素子にも用いることができる。
特に、高屈折率無機材料をマイクロレンズに用いて透明材料２３及びその上にさらに、ＳＯＧ膜やプラズマＣＶＤ膜を例えば５００ｎｍ以上、好ましくは１μｍ程度以上形成することにより、チップ表面にキズがつかずに、ガラスを貼る必要が無くなり、撮像素子の大幅な低コスト化や高性能化に寄与する。またこの構造は必ずしも、貫通電極を必要としない通常の撮像素子にも用いることができる。
（第２の実施形態）
−撮像装置の製造方法について−
はじめに、貫通電極の形成方法について説明する。本発明に係る撮像装置はウェハーレベルＣＳＰで形成されることを特徴とするが、中でも、貫通電極の形成工程がとりわけ重要である。ウェハーを貫通する電極を形成しやすくするために、裏面から研磨して薄膜化する方法が提案されているが（例えば特許文献６：ＷＯ２００４／０５９７４０）、工程が複雑化し、かつ研磨後の加工工程で薄いウェハーのハンドリングにより、ウェハーの破損や結晶欠陥の導入を生じやすいため、工程の改善が望まれる。本発明では、裏面研磨工程を必要としないか、又は一連の工程の最後に研磨やエッチングを施すことにより、前述の不具合を解決する新たな方法を提案する。
−撮像装置の製造方法について−
はじめに、貫通電極の形成方法について説明する。本発明に係る撮像装置はウェハーレベルＣＳＰで形成されることを特徴とするが、中でも、貫通電極の形成工程がとりわけ重要である。ウェハーを貫通する電極を形成しやすくするために、裏面から研磨して薄膜化する方法が提案されているが（例えば特許文献６：ＷＯ２００４／０５９７４０）、工程が複雑化し、かつ研磨後の加工工程で薄いウェハーのハンドリングにより、ウェハーの破損や結晶欠陥の導入を生じやすいため、工程の改善が望まれる。本発明では、裏面研磨工程を必要としないか、又は一連の工程の最後に研磨やエッチングを施すことにより、前述の不具合を解決する新たな方法を提案する。
図２（ａ）及び（ｂ）は、いずれも貫通電極の形成工程を示す工程断面図の一例であり、形成方法の相違により貫通電極の形状は若干相違する。
図２（ａ）は、ウエットエッチング（等方性エッチング）とドライエッチング（異方性エッチング）とを組み合わせて、ウェハーの裏面研磨工程が不要な貫通電極形成方法の一例である。貫通電極の形成に当たり、予めウェハー１の裏面に半球面状の穴(凹)１３をウエットエッチングにより形成し、この穴底部からウェハー表面の電極１４に向かう貫通孔(開口)をドライエッチングにより形成し、貫通電極４を設ける。
この半球面状の穴(凹)１３及び貫通孔(開口)の形成は、それぞれ、等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせて実施してもよい。小径で浅い穴１３であれば短時間でエッチングで可能となり、良好な形状を容易に形成できるためである。また、半球面状の穴（凹）１３を設けたことで穴内をペースト状絶縁体とペースト状導体により、簡単に低コストで引出用電極を形成し、又はバンプで形成されたボール状導体を介してのフレキシブル・プリント配線基板６面の配線との電気的接続が確実、容易となる。
図２（ｂ）は、ウェハーの薄膜化処理を必要としない別例の貫通電極の形成工程断面図である。貫通電極の形成に当たり、予めウェハー１の裏面に径大な筒状の穴(凹)１５をドライエッチングで形成し、この穴の底部からウェハー表面に向かう径小な貫通孔(開口)を形成し、これを通じて貫通電極４を設けたもので、径大な筒状の穴(凹)１５及び径小な貫通孔(開口)はいずれも選択的異方性エッチングのドライエッチングで形成可能である。この穴（凹）１５の機能は図２（ａ）の穴（凹）１３の場合と同様である。
図３は、本発明に係るさらに別例の貫通電極の形成工程断面図であり、貫通電極の形成に当たり、撮像素子のウェハープロセスの範囲内において、予め、ウェハー１の表面からトレンチ１６を形成し、局所酸化膜１７を、例えばＬＯＣＯＳ工程やあるいは通常の絶縁膜形成工程(例えば高温熱酸化法やＣＶＤ法による酸化膜形成工程や化学的酸化膜形成工程、さらにはそれらを組み合わせた工程など)で形成して、さらにトレンチ内に電極材料を埋めて配線形成し、電極パッドと接続しておく。その後、図２（ａ）又は（ｂ）に示す方法で裏面から穴（凹）を設けて裏面側からも貫通電極を形成し、接続する。なお、これに代えて、裏面から点線１８までの全面エッチングし、あるいは点線１９までの等方性エッチングによる碗状の穴（凹）を形成し、電極パッドと電気的に接続してもよい。
あるいは、ＣＳＰ形成の全工程が終了した後に、貫通電極が露出するまで裏面を研磨することも可能である。
あるいは、ＣＳＰ形成の全工程が終了した後に、貫通電極が露出するまで裏面を研磨することも可能である。
このように、トレンチ形成工程及びＬＯＣＯＳ工程あるいは通常の絶縁膜形成工程を用いると、これらの工程を撮像素子の形成工程、すなわち高温拡散工程の前工程で行うことによって、ドライエッチングダメージや結晶欠陥の発生が大幅に抑制され、特にＣＣＤやＣＭＯＳセンサーのようなダメージや欠陥に極めて敏感な撮像素子での暗電流性能の劣化や白傷発生が起こらないか、あるいは著しく低減できる点で、裏面からの研磨やドライエッチングを用いて貫通電極を一度に形成する場合と比べて、はるかに合理的である。
この場合、予め、点線１８までの貫通電極の導電層は、例えばＣＣＤやＭＯＳＬＳＩでのゲート電極に用いられるドープド多結晶シリコン層（ポリシリコン層）、あるいはタングステン（Ｗ）層やタングステン／シリサイド（Ｗ／Ｓｉ）層を用いることができる。これには、例えば減圧ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法を適用することができる。
なお、貫通電極４を形成する位置は、通常は、撮像素子の領域の外側に設けられる配線の電極パッド部が適当である。こうすると、貫通孔の終点検出にウェハー表面側に設けられたアルミニウム合金などの電極パッドを利用することができるためである。しかし、撮像素子がインターライン電荷結合素子（ＣＣＤ）の場合には、この電極パッドの位置に貫通電極を設けることができない。なぜならｎ型ウェハーの表面部に形成したｐ型ウエル内にＣＣＤ領域や信号電荷検出部が形成され、また電極パッドの直下や周辺に保護ダイオード用のｐ型領域が設けられるからである。ところで、電極パッド及び貫通電極に印加される電圧（電気信号）によってはｎ型基板と保護ダイオード用のｐ型領域との間のリーク電流を生じるなど、保護ダイオードの機能が損なわれ、ＣＣＤ電極への電圧印加の機能や信号電荷検出機能が損なわれることがある。この場合には保護ダイオード用のｐ型領域から外れた位置に電極を延長ないしは拡大して設け、この電極延長部に貫通電極の頭部を接触させる構造、すなわち、この貫通電極をウェハーと同一導電型のｎ型領域に形成するとよい。
あるいは、パッド電極の直下や周辺の保護ダイオード用の領域を、環状又は複数に分割した構造にして、貫通電極をその環状の内側又は複数に分割された内側の保護ダイオード用の領域のないウェハー領域に形成することもできる。これにより、貫通電極を電極バッド直下に形成して、貫通電極と電極バッドとを直接コンタクトすることができる。これらの構造により、リーク電流の発生なしに、貫通電極の機能を最大限に発揮できる。
さらに、ＣＣＤの信号出力部の出力パッドに貫通電極を用いる場合は、金属細線接続（ワイヤーボンド）による結線（引出線）を用いた場合に比べて、配線容量を低減できるので、出力部の高感度化、低ノイズ化が可能になるうえ、ウェハーと同一導電型領域に形成することにより、小型化に伴い増大する外部回路からの飛び込みノイズのシールド効果を持つことが可能となり、精度の高い安定したデバイス特性を実現することができる。
以上に述べた電極の形成までのウェハーの処理工程は、通常の半導体装置の製造プロセスを用いることができる。すなわち、埋め込み電極形成のためのトレンチの形成、同トレンチ内面への絶縁膜の形成を、表面に撮像素子が形成される前のウェハー表面に行い、さらには同トレンチ内への埋め込み電極の形成やウェハー裏面の研磨及び所定配線用電極の形成などは、それぞれ、通常のウェハーの処理工程として、半導体プロセスで総称される拡散工程の途上で実施する。そして、この拡散工程を経たウェハーに対して、リブの形成、マイクロレンズの形成及び透明板の貼り付けなどの撮像装置に固有の製造工程（光学素子の形成）を実施する。最後に、ウェハーをダイシングして個片化することで撮像装置が完成する。ここで、ダイシング工程について説明する。
図４は、本発明に係る撮像装置１つ１つをダイシングにより個片化する前の状態を示すウェハー平面図であり、図１で説明した撮像装置（チップ）は、リブ７及びウェハーのスクライブライン２０で囲まれた部分に対応する。個片化するときは、スクライブライン２０に沿って、透明板８（図４では不図示）、リブ７及びウェハー１を一体的にダイシングする。ウェハー中の、各撮像素子の間隔は、通常、８０〜１５０μｍ程度確保されており、この領域をスクライブレーンに設定する。スクライブライン２０はそのほぼ中央に設けている。リブ７はスクライブライン２０の両側に１００〜３００μｍの広がりで幅２００〜６００μｍに設けられる。このように構成すると、チップの四囲にリブ７が十分に確保される。
図５は、本発明に係る撮像装置のダイシング工程を示す概要断面図である。スクライブライン２０はリブ７に設けられており、回転するブレイド１００をスクライブライン２０に沿って移動させながら切断する。リブ７は透明板８の表面に保護膜２２を形成した後、透明板８、リブ７及びウェハー１を順次、スクライブライン２０に沿ってカッテングして個別のチップに個片化して行く。このカッテングの際に、透明板８の表面角の面取りを同時に行うことで、面取りの低コスト化を図り、ガラスのチッピングをなくするとともに、図１で示す保護枠１０の装着作業の効率を向上させることができる。保護膜２２は個片化の後に除去する。
図６は、本発明に係る撮像装置において、異なる種類のリブ７の構造を示した構造断面図である。このリブ７の構造は、全体が三層（７１、７２、７３）からなり、そのうち、最下層７１は電極を損傷なく覆い、中間層７２は側面に傾斜を持たせ、最上層７３は透明板８との接着性を高める構造としたものである。これによりリブ７が、前記空隙面においてウェハー面側から前方へ広がる漏斗状の傾斜面に形成されることで、デバイスの光学的特性の向上並びに長期安定性が向上する。また、リブ７は、撮像素子の面と透明板８との間に空隙９（のちに透明材料２３で充填される場合もある）を形成するとともに、空隙内での光学反射を軽減する光吸収材（遮光性材料）として作用するため、ウェハー及び透明板の熱膨張率が整合するものであることが望ましい。例えば、黒鉛やアルミナ、酸化チタン、さらにはガラス繊維などのフィラーを樹脂に充填して用いることで実現される。
図７は、本発明に係る撮像装置のダイシング工程の別例を示す概要断面図である。この工程断面図で示すように、厚さの異なるブレイド２枚を用いて二段階のカッテングを行って、リブ７の側面にテーパーを設けてもよい。すなわち、はじめに厚めのブレイド１０２で中段まで進め、次いで薄いブレイド１０１（不図示）で終段までカッテングする。これにより、ダイシング工程の作業性が向上し、加えて、個片化した撮像装置の四囲に設置する保護枠の接着面積を増大して、図１で示すような、保護枠１０の内面に窪み１１を設けなくても、製品の保護安定性を高めることができる。
テーパーの形成方法は上述の二段階カッティングに限らず、他の方法でもよい。例えば、ダイシングカットにレーザーを用いることもできる。この場合、ウェハーとガラス板のカット面がレーザーで溶融されることで平滑化され、封止面での光学的信頼性が一層向上する。
保護枠の形成は、スクライブ工程においてチップを個片化を終了する前のいわゆるハーフカットの状態で、スクリーン印刷法やインクジェット印刷法などを用いて、例えば黒色ペースト状樹脂をウェハーに一体的に形成することも可能である。この場合、保護枠の薄膜化と高精度化とコストのさらなる低減が可能になる。
なお、透明板８を設ける代わりに上記のＳＯＧ層で被覆したときは、リブが形成されていないため、遮光層を設けることができない。そこで、スクライブラインに沿う側面部分に、固体撮像素子の光学性能を阻害しないような光や紫外光吸収体好ましくは黒鉛やなどを混入した黒色のゴム又は可撓性樹脂又はアルミニウムのような金属の蒸着層を用いて、遮光層を形成してもよい。なお、この遮光層はスクライブ工程の後にチップ側面に形成してもよい。これにより、リブ（及び保護枠）の形成を省略することも可能になり、低コスト化と製造効率の一層の向上を図ることができる。
図１０及び図１１は本発明に係る固体撮像装置パッケージの一例を示しており、装置全体の断面図及び平面図を簡単に示したものである。この撮像装置は、撮像素子のチップ１を囲むフード型の保護枠２５を設け、その外に例えば白色発光ダイオード（ＬＥＤ）などの全光光源２６を配置し、加えて、フレキシブル配線基板の他面には、信号変換回路例えばＡ／ＤコンバータやＤＳＰなどを有する高集積回路装置（ＬＳＩ）２７、さらにはボタン型電池などの電源や制御装置も装着している。
フード型保護枠２５は、撮像素子チップ１でフード開口角内の被観察体からの放射光（反射光を含む）が入らないように、白色発光ダイオードなどの全光光源２６からの直射光が遮断できる構造であればよい。このフード型保護枠２５が実施例１の保護枠と異なるのは、配線基板上などに白色発光ダイオードなどの全光光源２６などの光源を有するので、この種の光源からの直射光がＣＣＤなどの受光感度を低下させないような構造に選定されていることである。
この種の装置は、暗部での監視カメラなど、小型の、いわゆるカプセルなどの気密構造パッケージに適用できる。
以上に、本発明を実施例の撮像装置により詳細に述べたが、マイクロレンズ下にカラーフィルターを備えればカラー撮像装置とすることも当然可能である。また、ＣＣＤを例としたが、ＣＭＯＳやＭＯＳ型撮像装置にも適用できる。また、タイミンジェネレーターやＡＤコンバータやＤＳＰを一体形成した撮像装置にも適用可能である。透明板として、プラスチックなどの透明樹脂基板を用いてもよい。さらに、透明板上に反射防止膜や赤外カットフィルターを形成してもよい。本発明によると、撮像装置のＣＳＰ化に当たり、性能を劣化することなくに、高品質で高い安定性並びに高い歩留まりの実現可能な撮像装置及びそれらの製造方法を実現することができる。
本発明は、固体撮像装置パッケージ及びその製造方法において、ウェハーに形成した撮像素子（デバイス）をチップのまま個別に封じて、それをダイカット技術で単一のチップに分離したＣＳＰ構造を実現したのであり、これを利用したセンサーは、ビデオカメラやデジタルカメラや携帯用カメラなどの映像機器の一層のサイズの軽小化に不可欠で、その小型化、薄型化とともに、組立て精度を高めること、品質を安定に維持することができる。
そして、この種の小型の撮像センサーは、医療用機器のカプセル構造に最適に利用することをはじめとして、映像、画像処理機能を持つ種々の機器、装置の分野で広範囲に利用することができる。
また、本発明は、各実施例の撮像装置に限らず、単に受光機能素子を有する、半導体による受光装置にも適用できる。
１ ウェハー
２ 受光部
３ マイクロレンズ
４ 貫通電極
５ 裏面電極
６ フレキシブル・プリント基板
７ リブ
８ 透明板
９ 空隙
１０ 保護枠
１１ 窪み
１２ 保護膜
１３ 穴(凹)
１４ ウェハー表面の電極
１５ 穴(凹)
１６ トレンチ
１７ 局所酸化膜
２０ スクライブライン
２２ 保護膜
２３ 低屈折率透明材料
２４ 凹部
２５ フード型保護枠
２６ 全光光源
２７ 高集積回路装置（ＬＳＩ）
２８ 保護層
２ 受光部
３ マイクロレンズ
４ 貫通電極
５ 裏面電極
６ フレキシブル・プリント基板
７ リブ
８ 透明板
９ 空隙
１０ 保護枠
１１ 窪み
１２ 保護膜
１３ 穴(凹)
１４ ウェハー表面の電極
１５ 穴(凹)
１６ トレンチ
１７ 局所酸化膜
２０ スクライブライン
２２ 保護膜
２３ 低屈折率透明材料
２４ 凹部
２５ フード型保護枠
２６ 全光光源
２７ 高集積回路装置（ＬＳＩ）
２８ 保護層
Claims (11)
- ウェハーレベル・チップ・サイズ・パッケージからなる固体撮像装置パッケージであって、
ウェハー（１）の表面部に多数の受光部（２）と前記受光部の１つ１つにマイクロレンズ（３）が形成され、前記ウェハー（１）の周辺の随所に前記受光部（２）への電力供給及び電気信号の授受を行う貫通電極（４）が設けられ、
この貫通電極（４）の一端は前記ウェハー（１）の表面部で受光素子への配線に接続される電極パッド（４ａ）に接続され、他端は裏面電極（５）を通じて配線に接続され、
前記ウェハー（１）の表面に前記マイクロレンズ（３）を取り囲むように四囲に配した隔壁部となるリブ（７）が設けられ、
前記リブ（７）の上面に接着剤で透明板（８）が貼り付けられ、前記リブ（７）と前記透明板（８）の接合部に四方を囲う保護枠（１０）が設けられてなることを特徴とする固体撮像装置パッケージ。 - 前記保護枠（１０）の内側の前記リブ（７）と前記透明板（８）の接合部近傍には、窪み（１１）が形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置パッケージ。
- 前記保護枠（１０）は、光吸収体で構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置パッケージ。
- 前記透明板（８）と前記マイクロレンズ（３）との間には前記マイクロレンズ（３）よりも屈折率が相対的に屈折率の低い透明材料（２３）が設けられてなることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置パッケージ。
- 前記マイクロレンズ（３）は、有機材料、二酸化シリコン、シリコン酸窒化膜、シリコンナイトライド膜、無機絶縁膜、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム又は無機金属酸化膜により構成されていることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置パッケージ。
- 前記透明材料（２３）は、内部に微細な空孔を分散して含む熱硬化性の透明樹脂、二酸化シリコン、ポーラスシリカ膜、有機無機ハイブリッド膜、高分子化合物又は透光性低密度誘電体膜であって、前記マイクロレンズよりも低屈折率であることを特徴とする請求項４又は５記載の固体撮像装置パッケージ。
- 前記透明材料（２３）は、複数の積層膜で構成されることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置パッケージ。
- 請求項１又は請求項４記載の固体撮像装置パッケージの製造方法であって、前記貫通電極の形成に当たり、予めウェハー（１）の裏面に半球面状の穴(凹)（１３）を等方性エッチングにより形成し、この穴底部からウェハー表面の電極（１４）に向かう貫通孔(開口)をドライエッチングにより形成し、貫通電極４を設けることを特徴とする固体撮像装置パッケージの製造方法。
- 請求項１又は請求項４記載の固体撮像装置パッケージの製造方法であって、前記貫通電極の形成に当たり、予めウェハー（１）の裏面に径大な筒状の穴(凹)（１５）をドライエッチングで形成し、この穴の底部からウェハー表面に向かう径小な貫通孔(開口)を形成し、これを通じて貫通電極（４）を設けることを特徴とする固体撮像装置パッケージの製造方法。
- 請求項１又は請求項４記載の固体撮像装置パッケージの製造方法であって、前記貫通電極の形成に当たり、撮像素子のウェハープロセスの範囲内において、予め、ウェハー（１）の表面からトレンチ（１６）を形成し、局所酸化膜（１７）を形成して、さらにトレンチ内に電極材料を埋めて配線形成し、電極パッドと接続しておき、その後、裏面から前記トレンチ（１６）内の電極下端まで一様に基板を薄膜化することを特徴とする固体撮像装置パッケージの製造方法。
- 請求項１又は請求項４記載の固体撮像装置パッケージの製造方法であって、前記貫通電極の形成に当たり、撮像素子のウェハープロセスの範囲内において、予め、ウェハー（１）の表面からトレンチ（１６）を形成し、局所酸化膜（１７）を形成して、さらにトレンチ内に電極材料を埋めて配線形成し、電極パッドと接続しておき、その後、裏面から前記トレンチ（１６）に達する穴（凹）を設けて裏面側からも貫通電極を形成し、接続することを特徴とする固体撮像装置パッケージの製造方法。
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