JP4344759B2 - 固体撮像素子およびその製造方法、固体撮像装置、電子情報機器 - Google Patents

Description

本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、耐熱性が高く、固体撮像素子がリフロー半田により基板実装された固体撮像装置および、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

従来、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型などの固体撮像素子では、被写体からの画像光を受光する受光部への集光率を向上させるために、各受光部にそれぞれ対応するようにオンチップレンズが設けられている。さらに、集光効率を向上させるために、オンチップレンズと受光部との間に層内レンズが設けられている場合もある。さらに、カラー画像を撮像するためには、オンチップレンズ下の位置にカラーフィルタ層が、各受光部にそれぞれ対応するように設けられている。

図３（ａ）は、一般的な従来の固体撮像素子の構成例を模式的に示す上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’線部分の縦断面図である。

図３（ａ）において、従来の固体撮像素子１００は、チップ中央部に、複数の受光部が多数配置された撮像領域である画素部１１０が設けられ、その周囲のチップ外周部に周辺回路部１２０が設けられている。

撮像領域である画素部１１０には、入射光を光電変換させて信号電荷を生成するフォトダイオードなどの光電変換素子（受光部）が画素部としてマトリックス状に多数設けられ、各光電変換素子から信号電荷を読み出して電荷転送するためのＣＣＤや信号電荷を読み出すためのＣＭＯＳトランジスタなどが設けられている。これらの各光電変換素子は、図３（ｂ）に示すようにシリコン（Ｓｉ）層などの半導体層１０１に構成されており、その上にはＡｌ層などの金属層としてゲート電極、その上の遮光膜や配線などが配置されている。その各光電変換素子の上方には、各光電変換素子上にそれぞれ対応するように層内レンズ１０２、カラーフィルタ１０３、保護層１０４およびオンチップレンズ１０５がこの順に各間に相間膜を介するなどして順次積層されて設けられている。

また、周辺回路部１２０には、画素部１１０の各受光部から読み出された画像信号に対して、各種の画像信号処理を行うために信号処理回路が設けられており、この信号処理回路は、図３において、半導体層１０１として示されている層を用いて構成されている。その半導体層上１０１にも、カラーフィルタ１０３その上の保護膜１０４更にその上のオンチップレンズ１０５が設けられている。

図４（ａ）は、図３（ａ）の周辺回路部１２０の一部構成例を模式的に示す拡大上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ’線部分の縦断面図である。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、この周辺回路部１２０には、外部接続端子として半導体層１０１と同じ層の半導体層によりボンディングパッド１０７が設けられており、保護層１０４は、ボンディングパッド１０７上を開口部１０４ａで開口されている。この開口部１０４ａの底部に、平面視で正方形状のボンディングパッド１０７が設けられている。
特開２００６−１６５１９５号公報「半導体素子を搭載するパッケージおよびその製造方法」

しかしながら、上記従来の固体撮像素子には、以下のような問題がある。

即ち、上記従来の固体撮像素子では、層内レンズ１０２、カラーフィルタ１０３、保護層１０４およびオンチップレンズ１０５などには、樹脂層１０６として、樹脂材料が用いられることが多く、これは耐熱性に問題がある。

上記従来の固体撮像素子を基板にリフロー半田により実装する場合には、半導体層１０１には十分な耐熱性があるためクラックが発生しないが、半導体層１０１上の、耐熱性が十分ではない樹脂層１０６、特に保護層１０４では、クラックが発生する。このクラックは、樹脂層１０６の外周端、主としてパターンの角部を基点として発生する場合が多い。例えば、図４（ａ）の事例では、ボンディングパッド１０７近傍の保護層１０４の開口部１０４ａのパターン角部Ｃから発生することがある。

このように、上記従来の固体撮像素子では、基板上に実装する場合に、素子全体が高温に曝されるリフロー半田を行うと、樹脂層１０６が高温によるダメージを受けて、クラックなどが発生する場合がある。このクラックが発生すると、耐候性が極端に低下したり、撮像ができなくなるなどの不具合が発生する。クラック発生を防ぐために、保護層１０４の膜厚を厚くする方法も考えられるが、樹脂層１０６の膜厚が増加することになり、入射光がその分だけ減衰して受光感度の低下を招く。

このため、上記従来の固体撮像素子を基板に実装する場合には、手作業による半田付けが行われており、実装精度の低下や、工数増加によるコスト増大を招いている。また、リフロー半田時の温度を下げると、半田強度が低下するという問題がある。さらに、特別なパッケージを用いる場合には、製造工程や製造コストが増大する。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、実装精度の低下や工程増加、コスト増大などを招くことなく、受光感度などの性能を低下させずに、クラックを抑えて耐熱性を向上させ、リフロー半田による基板実装を可能とする固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子がリフロー半田により基板実装された固体撮像装置および、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いたカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、複数の受光素子が２次元状に配置されたチップ中央部の画素部において、該複数の受光素子上方に、該複数の受光素子のそれぞれに対応するように入射光を集光させるためのオンチップレンズが設けられており、該チップ外周側の周辺回路部上に外部接続端子が設けられ、該画素部上および該周辺回路部上にわたり、かつ、該外部接続端子上を開口させて保護層が設けられ、該保護層上に該オンチップレンズが設けられ、該外部接続端子近傍の保護層上に、リフロー半田時の当該保護層の耐熱性を向上させるべく、該オンチップレンズの材料からなるダミーパターンが設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるダミーパターンは前記保護層の開口部周縁上に設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における保護層の開口部の平面視形状が矩形または正方形であり、該開口部の底部に前記外部接続端子が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における外部接続端子は、前記チップ中央部の画素部に設けられる半導体層と同一層で構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における開口部の角部にアールが設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるチップ中央部の画素部には、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部がマトリックス状で行列方向に設けられ、前記周辺回路部には、該複数の受光部から画像信号を読み出し制御するためのコントローラ回路と、該複数の受光部から読み出された画像信号に対して、各種画像信号処理を行うための信号処理回路とが設けられており、該コントローラ回路および該信号処理回路の少なくともいずれかは、前記外部接続端子に接続されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記保護層および前記オンチップレンズの材料は有機系透明アクリル樹脂である。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、固体撮像素子を製造する固体撮像素子の製造方法であって、オンチップレンズの材料をチップ全面に塗布し、フォトリソグラフィー工程により前記画素部上にオンチップレンズパターンを形成すると共に、前記周辺回路部上に前記ダミーパターンを形成するオンチップレンズパターン・ダミーパターン形成工程を有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるオンチップレンズパターン・ダミーパターン形成工程の前工程として、半導体基板上または、基板上に設けられた半導体層上に複数の受光部を形成し、該受光部に隣接した半導体層上にゲート電極を形成する受光部・ゲート電極形成工程と、該複数の受光部および該ゲート電極上に、該複数の受光部のそれぞれに対応するようにカラーフィルタおよび保護層をこの順に形成するカラーフィルタ・保護層形成工程とを有する。

本発明の固体撮像装置は、本発明の上記固体撮像素子がリフロー半田により基板に実装されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子がリフロー半田により基板に実装されて固体撮像装置が構成され、該固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。

固体撮像素子の基板へのリフロー半田による実装を行う場合に、クラックを防ぐために、樹脂層の耐熱強度を向上させることが重要である。このためには、保護層の膜厚を厚くする方法が考えられるが、これは、樹脂層の膜厚が増加することになって、その膜厚が厚い分だけ入射光が減衰して各受光部における受光感度の低下を招く。

そこで、本発明では、従来では周辺回路部に設けられていなかった、オンチップレンズ材料を周辺回路部にダミーパターンとして設けることによって、樹脂層の耐熱強度を向上させる。特に、クラックの発生基点である、外部接続端子近傍における保護層の開口部の周縁部にダミーパターンを設けることが好ましい。これによって、クラックの発生を抑えて耐熱性を向上させ、基板上に固体撮像素子を実装する実装精度の低下や、工程増加、コスト増大などを招くことなく、受光素子の受光感度などの撮像性能を低下させずに、リフロー半田による基板実装が可能となる。

従来の固体撮像素子の製造方法では、オンチップレンズを形成する際に、オンチップレンズ材料を全面に塗布し、フォトリソグラフィー工程により周辺回路部のオンチップレンズ材料を除去していたため、周辺回路部にダミーパターンを形成して、マスクパターンを変更するだけでよく、製造工数の増加によるコスト増大にはつながらない。

以上により、本発明によれば、オンチップレンズ材料を用いたダミーパターンを周辺回路部に設けることにより、工程増加やコスト増大、受光性能低下などを招くことなく、クラックの発生を抑えて歩留まりよく、固体撮像素子の耐熱性を向上させて、リフロー半田により固体撮像素子を基板に実装させることができる。

以下に、本発明の固体撮像素子およびその製造方法の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を模式的に示す上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線部分の縦断面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）において、本実施形態の固体撮像素子１は、チップ中央部に、多数の受光部としての受光素子（フォトダイオード）が配置された撮像領域である画素部１０が設けられ、この画素部１０の周囲のチップ外周部には、画素部１０の多数の受光部から撮像信号を読み出し制御するためのコントローラ回路などが形成された周辺回路部２０が設けられている。

画素部１０の構成は、前述した図３（ａ）および図３（ｂ）に示す従来の固体撮像素子１の場合と同様であり、入射光を光電変換させて信号電荷を生成するフォトダイオードなどの受光素子としての光電変換素子（受光部）がマトリックス状に行列方向に複数設けられ、各光電変換素子から信号電荷を読み出して電荷転送するためのＣＣＤや、信号電荷を信号電圧に電圧変換し、この信号電圧に応じて増幅して信号を読み出すためのＣＭＯＳトランジスタなどが設けられている。

これらのＣＣＤ型イメージセンサまたはＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像素子は、図１（ａ）に示すように、基板上にシリコン（Ｓｉ）層などからなる半導体層１１が形成されており、その半導体層１１の受光部以外の層上には、Ａｌ層などからなるゲート電極、その上の遮光膜や配線などなどが形成されている。各受光部上方に、各受光部にそれぞれ対応するように層内レンズ１２、カラーフィルタ１３、保護層１４さらにオンチップレンズ１５がこの順で各間に層間膜を介するなどして順次積層されて設けられている。これらの層内レンズ１２、カラーフィルタ１３および保護層１４は樹脂材料からなっており、図１ではこれらを樹脂層１６として示している。

画素部１０の周囲の周辺回路部２０には、前述したコントローラ回路の他にも、画素部１０の各受光部から読み出された画像信号に対して、アナログ信号処理およびこれに続くデジタル信号処理（ホワイトバランスやガンマ補正など）などの各種画像信号処理を行うための信号処理回路が設けられており、この信号処理回路は、図１において、トランジスタなど、半導体層１１として示されている層を用いて構成されている。その半導体層１１上には、カラーフィルタ１３および保護層１４が設けられている。周辺回路部２０にも、周辺回路上方にカラーフィルタ１３が設けられている理由は、強い光が周辺回路部２０のトランジスタ回路に入射すると誤動作の原因になるのでこれを防ぐためである。さらに、周辺回路部２０には、リフロー半田時の耐熱性を向上させるために、オンチップレンズ材料からなるダミーパターン１５Ａが設けられている。保護層１４およびオンチップレンズ１５（ダミーパターン１５Ａ）の材料は共に有機系透明アクリル樹脂である。このため、保護層１４とダミーパターン１５Ａによるクラックは起こり難い。

図２（ａ）は、図１（ａ）の周辺回路部の構成例を模式的に示す拡大上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ’線部分の縦断面図である。

図２（ａ）および図２（ｂ）において、周辺回路部２０には、外部接続端子として半導体層１１と同じ層によりボンディングパッド１７が形成されており、保護層１４は、ボンディングパッド１７上を開口部１４ａで開口させて形成している。ボンディングパッド１７は保護層１４の開口部１４ａの底部に設けられている。

図２（ａ）では、平面視で正方形状（または矩形状）のボンディングパッド１７が設けられている。このボンディングパッド１７近傍の保護層１４上、即ち、保護層１４の開口部周縁上に沿って所定幅のダミーパターン１５Ａが設けられている。

以下に、本実施形態の固体撮像素子１の製造方法について説明する。

まず、受光部・ゲート電極形成工程として、半導体基板上または、基板上に設けられた半導体層に複数の受光部を形成し、各受光部にそれぞれ隣接した半導体層上にゲート電極を形成する。

次に、カラーフィルタ・保護層形成工程として、基板に設けられた半導体層１１上に、層内レンズ１２（この層はなくてもよい）、カラーフィルタ１３および保護層１４を、この順に、各間に層間膜を介するなどして順次積層するように形成する。

続いて、これらの層内レンズ１２、カラーフィルタ１３および保護層１４が形成されたチップ上に、オンチップレンズ１５を形成する。このとき、オンチップレンズパターン・ダミーパターン形成工程として、チップ全面にオンチップレンズの樹脂材料を塗布して、フォトリソグラフィー工程により画素部１０にオンチップレンズ１５を形成するためのオンチップレンズパターンを形成すると共に、その周辺の周辺回路部２０の端縁部上に、ダミーパターン１５Ａを凸部状にパターン形成する。オンチップレンズ１５はオンチップレンズパターンをメルト処理をするなどして形成する。

このように、周辺回路部２０の端縁部上のダミーパターン１５Ａは、画素部１０のオンチップレンズ１５と同じ形状（所定幅の帯形状）にする必要はなく、配置される周辺のパターン形状に合わせて、任意の形状とすることができる。これは一度のパターニングにより、オンチップレンズ１５の形成用パターニングと同時に行うことができる。

その後、本実施形態の固体撮像素子１がリフロー半田により基板上に実装されて固体撮像装置が作製される。

以上のように、本実施形態によれば、オンチップレンズ材料を、クラック発生基点である保護層１４の開口部１４ａの周辺の端縁部上にダミーパターン１５Ａを配置することにより、樹脂層１６の耐熱強度を向上させることができる。この固体撮像素子は、耐熱性に優れているため、クラックの発生なく、リフロー半田により基板に実装させることができる。

また、従来の固体撮像素子の製造方法では、チップ全面にオンチップレンズ材料を塗布して、フォトリソグラフィー工程において周辺回路部上のオンチップレンズ材料を除去していたため、本実施形態のように、周辺回路部にダミーパターンを形成しても、マスクパターン変更のみで、工程増加やそれによるコスト増大にはつながらない。

したがって、保護膜のクラックの発生を抑えて耐熱性を向上させることで、固体撮像素子の基板上への実装精度の低下や、工程増加によるコスト増大などを招くことなく、受光部における受光感度などの性能を低下させずに、リフロー半田による基板実装ができる固体撮像素子を得ることができる。

なお、上記実施形態では、特に説明しなかったが、開口部１４ａの角部にアールが設けられているかまたは開口部１４ａの角部が埋め込まれていてもよい。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、上記実施形態の固体撮像装置を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラ、テレビジョン電話用カメラおよび携帯電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態の固体撮像装置を撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、耐熱性が高く、固体撮像素子がリフロー半田により基板実装された固体撮像装置および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、オンチップレンズ材料を用いたダミーパターンを周辺回路部に設けることにより、工程増加やコスト増大、受光性能低下などを招くことなく、クラックの発生を抑えて歩留まりよく、固体撮像素子の耐熱性を向上させて、リフロー半田により固体撮像素子を基板に実装させることができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を模式的に示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線部分の縦断面図である。 （ａ）は、図１の周辺回路部の構成例を模式的に示す拡大上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線部分の縦断面図である。 （ａ）は、従来の固体撮像素子の構成例を模式的に示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線部分の縦断面図である。 （ａ）は、図３の周辺回路部の構成例を模式的に示す拡大上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線部分の縦断面図である。

符号の説明

１ 固体撮像素子
１０ 画素部（撮像領域）
１１ 半導体層
１２ 層内レンズ
１３ カラーフィルタ
１４ 保護層
１４ａ 開口部
１５ オンチップレンズ
１５Ａ ダミーパターン
１６ 樹脂層
１７ ボンディングパッド
２０ 周辺回路部

Claims (11)

1. 複数の受光素子が２次元状に配置されたチップ中央部の画素部において、該複数の受光素子上方に、該複数の受光素子のそれぞれに対応するように入射光を集光させるためのオンチップレンズが設けられており、
   該チップ外周側の周辺回路部上に外部接続端子が設けられ、該画素部上および該周辺回路部上にわたり、かつ、該外部接続端子上を開口させて保護層が設けられ、
   該保護層上に該オンチップレンズが設けられ、該外部接続端子近傍の保護層上に、リフロー半田時の当該保護層の耐熱性を向上させるべく、該オンチップレンズの材料からなるダミーパターンが設けられている固体撮像素子。
2. 前記ダミーパターンは前記保護層の開口部周縁上に設けられている請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記保護層の開口部の平面視形状が矩形または正方形であり、該開口部の底部に前記外部接続端子が設けられている請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記外部接続端子は、前記チップ中央部の画素部に設けられる半導体層と同一層で構成されている請求項１または３に記載の固体撮像素子。
5. 前記開口部の角部にアールが設けられている請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子。
6. 前記チップ中央部の画素部には、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部がマトリックス状で行列方向に設けられ、
   前記周辺回路部には、該複数の受光部から画像信号を読み出し制御するためのコントローラ回路と、該複数の受光部から読み出された画像信号に対して、各種画像信号処理を行うための信号処理回路とが設けられており、該コントローラ回路および該信号処理回路の少なくともいずれかは、前記外部接続端子に接続されている請求項１に記載の固体撮像素子。
7. 前記保護層および前記オンチップレンズの材料は有機系透明アクリル樹脂である請求項１に記載の固体撮像素子。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像素子を製造する固体撮像素子の製造方法であって、
   オンチップレンズの材料をチップ全面に塗布し、フォトリソグラフィー工程により前記画素部上にオンチップレンズパターンを形成すると共に、前記周辺回路部上に前記ダミーパターンを形成するオンチップレンズパターン・ダミーパターン形成工程を有する固体撮像素子の製造方法。
9. 前記オンチップレンズパターン・ダミーパターン形成工程の前工程として、
   半導体基板上または、基板上に設けられた半導体層上に複数の受光部を形成し、該受光部に隣接した半導体層上にゲート電極を形成する受光部・ゲート電極形成工程と、
   該複数の受光部および該ゲート電極上に、該複数の受光部のそれぞれに対応するようにカラーフィルタおよび保護層をこの順に形成するカラーフィルタ・保護層形成工程とを有する請求項８に記載の固体撮像素子の製造方法。
10. 請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像素子がリフロー半田により基板に実装されている固体撮像装置。
11. 請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像素子がリフロー半田により基板に実装されて固体撮像装置が構成され、該固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。
    

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