JP4425120B2 - 半導体装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置および撮像装置に関し、特に電力供給を制御するトランジスタやダイオードなどの半導体素子を利用する技術に関するものである。

従来、電力供給を制御するパワースイッチング用半導体素子として、ダイオード、サイリスタのほか、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などのトランジスタが使用されている。近年では、パワースイッチングの性能向上のために、半導体材料として、特許文献１にも記載されているように従来用いられてきたＳｉに代わるＳｉＣやＧａＮやダイヤモンド等が注目されている。

従来のパワースイッチング用半導体素子（以下、パワー制御素子という）によって半導体光電素子への電力供給を制御するようにした撮像装置の一例を図４に示す。
半導体光電素子としてのＣＣＤ２１ａと金属電極２１ｂとが一方の面に形成された半導体装置２１は、中央貫通穴２２ａと金属電極２２ｂとが形成された凹状のＭＩＤ基板２２の凹部内に、中央貫通穴２２ａの開口端部に取り付けられた集光用レンズ２３にＣＣＤ２１ａが対向するように配置され、金属電極２１ｂ上に予め形成された突起電極２４を介して金属電極２２ｂに接合されることで、ＭＩＤ基板２２上に実装されている。半導体装置２１とＭＩＤ基板２２との間は熱・紫外線硬化型の封止樹脂２５で封止され、またレンズ２３はＭＩＤ基板２２に対して互いの外周内周間を封止する封止樹脂２５によって固定されていて、ＣＣＤ２１ａは封止樹脂２５で封止された空間内に密閉され異物の付着が防止されている。

半導体装置２１が実装されたＭＩＤ基板２２は、両面に金属電極２６ａが形成され、一方の面にパワー制御素子を内包した半導体パッケージ２７が電気的に接続されたモジュール用回路基板２６の他方の面に電気的に接続されており、このモジュール用回路基板２６がさらに、金属電極２８ａが形成されたベース回路基板２８に金属ボール２９を介して電気的に接続されていて、ベース回路基板２８を通じて供給される電力は、半導体パッケージ２７で電力制御されて半導体装置２１のＣＣＤ２１ａに供給されるようになっている。３０は半田などの導電性材料、３１は他の電子部品、Ｌは光である。
特開２００２−２８９７７２号公報

しかしながら、上記した撮像装置においては、Ｓｉを基本に考えてきた半導体パッケージの従来の構造をパワー制御素子に適用しており、新たにパワー制御素子として用いられるようになってきたＳｉＣやＧａＮやダイヤモンドの材料特性を活かすことができない。

またＣＣＤ２１ａが形成された半導体装置２１に対し、ＭＩＤ基板２２、レンズ２３、半導体パッケージ２７、モジュール用回路基板２６、ベース回路基板２８といった多数の部品を必要とし、ＣＣＤ２１ａに入射する光の周波数を制限する場合にはさらに光フィルターも設置しなければならず、小型化が困難であり、組立て作業も複雑であり、コスト高にもつながっていた。

また半導体装置２１の金属電極２１ｂをその上に形成された突起電極２４を介してＭＩＤ基板２２の金属電極２２ｂに接合した接合状態を光学的に確認することができず、実装不良の要因となっていた。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたもので、小型で、接合品質の確認が容易な半導体装置および撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、光を電気に変換する光電素子が形成された第１の半導体装置に積層して用いられる第２の半導体装置であって、前記光電素子に集光するレンズ部と、前記光電素子の運転に使用される半導体素子とが透光性半導体材料にて一体に形成され、前記半導体素子を前記光電素子が形成された前記第１の半導体装置に電気的に接続するための接続端子が前記半導体素子上に形成され、前記半導体素子と前記接続端子とは前記レンズ部よりも外周側に形成されており、前記接続端子に、その接合状態を前記透光性半導体材料を透過する透過光によって確認するための貫通孔が形成されたことを特徴とする。

前記透光性半導体材料を透過する透過光の周波数を限定する金属がレンズ部の表面に注入された構造としてもよい。前記透光性半導体材料を透過する光の周波数を限定するエピタキシャル層がレンズ部の表面に設けられた構造としてもよい。

前記透光性半導体材料は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドの内のいずれか１種が主成分であってよい。
本発明の撮像装置は、光を電気に変換する光電素子が形成された第１の半導体装置と、上述の本発明に係る第２の半導体装置とを有したことを特徴とする。

光電素子はＣＣＤであってよい。
第１の半導体装置と第２の半導体装置とが互いに対応する接続端子のいずれか一方に形成された突起電極を介して接合されるのが望ましい。

本発明の半導体装置は、透光性半導体材料からなる単一のチップにレンズ部と半導体素子とを形成したものであり、各機能を個別の部品に割り当てていた従来に比べて部品点数を低減できる。

光電素子に接続するための接続端子に貫通孔を形成することにより、接続端子の接合状態を光学的に容易に確認することができ、品質保証が可能になる。
本発明の撮像装置は、レンズ部と半導体素子とが形成された上記の半導体装置と、光電素子が形成された半導体装置とで構成したものであり、前者の半導体装置で部品点数を低減できることから、撮像装置全体の小型化を実現可能である。

また２つの半導体装置を互いの接続端子に予め形成した突起電極を介して接合することにより直接に積層して実装することができ、基板を用いないコンパクトな積層体を実現できる。よって撮像装置全体の基板数を低減することができ、これによっても小型化を実現可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態における撮像装置の断面図である。
この撮像装置は、半導体光電素子としてのＣＣＤ１ａが形成された第１の半導体装置１と、ＣＣＤ１ａに集光するためのレンズ部２ｂとトランジスタ２ｃなどの半導体素子が形成された第２の半導体装置２とを積層して、ベース回路基板３に実装して構成されている。

第１の半導体装置１においては、ＣＣＤ１ａは一方の面の中央部に形成され、ＣＣＤ１ａの周囲にその外部接続端子としての複数の金属電極１ｂが形成されている。
第２の半導体装置２は透光性の半導体材料からなり、レンズ部２ｂはＣＣＤ１ａに対応する中央部にＣＣＤ１ａよりもやや大きい口径で形成され、トランジスタ２ｃなどの半導体素子やその外部接続端子としての金属電極２ｄ，２ｅはレンズ部２ｂよりも外周側に形成されている。

ベース回路基板３には、第２の半導体チップ２のレンズ部２ｂに対応する開口部３ａが形成されており、開口部３ａの周囲に外部接続端子としての複数の金属電極３ｂが形成され、その一部に電子部品４が実装されている。

図２を参照しながら第２の半導体装置２の構成について詳述する。図２（ａ）は第２の半導体装置２の上面図、図２（ｂ）は同断面図、図２（ｃ）は同模式図である。
第２の半導体装置２は、単結晶のＳｉＣ（ＧａＮ、ダイヤモンドであってもよい）を主成分とした半導体材料からなる。ＳｉＣなどの半導体材料はバンドギャップが広く、可視光の透過率が高く、Ｓｉ半導体素子と比較して低損失も実現できる。

レンズ部２ｂは、複数の輪帯状レンズを同心状に配置した屈折面２ａを持った薄いフレネルレンズとして形成されている。屈折面２ａはダイヤモンドによる研磨や結晶成長により形成される。トランジスタ２ｃなどの半導体素子やその金属電極２ｄ，２ｅは、光の透過が必要でない周縁部、つまりレンズ部２ｂよりも外周側の表面にエピタキシャル層を設けて形成されている。エピタキシャル層によって光の透過率が低下するからである。

エピタキシャル層の形成方法はたとえば特許第３５０８５１９号に記載されている。簡略に説明すると、半導体ウェハー基板として、［１１０］方向に４度オフカットした３インチのｎ形（００１）面珪素基板を用い、基板表面の自然酸化膜をバッファード弗酸で除去した後に、炭化珪素でコーティングしたカーボン製の成長室内に設置し、この成長室内に水素、プロパンである反応ガスを流量および圧力制御下に供給し、また成長室を囲んだ石英製の箱体内にアルゴンを圧力制御下に供給する状態において、成長室を誘導加熱装置で加熱して反応ガスを熱分解することにより、珪素基板の表面に炭化珪素ＳｉＣをエピタキシャル結晶成長させる。この他に、４Ｈ―ＳｉＣを基板として４Ｈ―ＳｉＣをホモエピタキシャル成長させたり、珪素基板上に成長した３Ｃ―ＳｉＣを基板として、３Ｃ―ＳｉＣ上に３Ｃ―ＳｉＣをエピタキシャル成長させることも可能である。エピタキシャル層を形成する際に、反応ガスとともにドーパントを供給することにより、成長する結晶のｐ形、ｎ形の導電性制御を行うことができる。

しかしこの方法ではウェハー全面にエピタキシャル層が形成されるので、レンズ部２ｂに形成されたエピタキシャル層をたとえばリソグラフィ技術を用いて除去する。しかし一方で、レンズ部２ｂにも薄いエピタキシャル層を形成することにより、またドーパントとして金属を注入することにより、透過する光の周波数を限定することが可能になるので、エピタキシャル層が除去されたレンズ部２ｂに対して、再度、薄いエピタキシャル層を形成し、ドーパント注入を行う。図中の２＃がエピタキシャル層および／またはドーパントの注入層を示す。このようにして設けられたエピタキシャル層やドーパントは、たとえば紫外線を吸収するＵＶカットフィルターとして機能し、晴れた日差しの強い撮影条件下で「もや」をカットしてコントラストを高めるヘイズカットの効果がある。露出倍数の変化もなく、色再現には殆ど影響がない。

トランジスタ２ｃやレンズ部２ｂにドーパントを注入するには、例えば、ｎ型ドーパントとしての窒素（Ｎ）原子を含むガス，リン（Ｐ）原子を含むガス（フォスフィン），ｐ型ドーパントとしてのアルミニウム（Ａｌ）原子を含むガス（ＴＭＡなど），ホウ素（Ｂ）原子を含むガス（ジボランなど），ハロゲン原子（Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒなど）を含むガス，不活性ガス（Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅなど）などを、ＳｉＣ層のエピタキシャル成長中にパルス状に供給する。これによって平坦な表面を有するＳｉＣ単結晶層を形成することができる。ただし、これらの原子がＳｉＣ単結晶層を用いて形成されるトランジスタ２ｃなどのデバイスの動作に悪影響を及ぼさないように注意を要する。

第２の半導体装置２における導通および絶縁のスイッチングは、ウェハー自身のＰＮ接合により可能である。ウェハーの中には３端子のトランジスタ２ｃが複数に形成されており、その内の２端子が金属電極２ｄ（ソース電極，ゲート電極）、１端子が金属電極２ｅ（ドレイン電極）であって、この３端子のトランジスタの動作によりＤＣ／ＤＣコンバータとして電源を供給する。ウェハーの中には他の機能を担った半導体素子も形成されている。

第１の半導体チップの金属電極１ｂに電気的に接続される金属電極２ｅには、厚み方向に貫通する貫通孔２ｆが形成されている。
上記した撮像装置の製造方法を説明する。

第１の半導体チップ１の金属電極１ｂの上に突起電極５を形成する。この突起電極５は、金線（又はアルミニウム線）を用い、超音波と熱とを併用して金属電極１ｂに金属接合させて形成する。接合部分の品質は目視で確認しておく。

次に、第１の半導体チップ１上に第２の半導体チップ２を実装する。その際には、第１の半導体チップ１の突起電極５に導電性材料６を転写し、第２の半導体チップ２の背面の金属電極２ｅを金属突起５に接触させ、熱を加えて導電性材料６を硬化させることで、それぞれの金属電極１ｂ，２ｅを金属突起５を介して電気的にかつ物理的に接続させる。

導電性材料６の硬化後に、第１の半導体チップ１の突起電極５と第２の半導体チップ２の金属電極２ｅとの接合部分の品質を、金属電極２ｅの貫通孔２ｆを通じて、第２の半導体チップ２を透過する透過光により確認する。目視での確認や、カメラでの自動確認が可能である。接合状態が良好であれば、さらに電気検査し、良品と判定されたら次工程に進める。不良品と判定されたら、第２の半導体チップ２を取り外して再度実装する。

良品と判定された積層体について、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２との間を封止する封止樹脂７を第１、第２の半導体チップ１，２の外周側から注入する。その際には、ＣＣＤ１ａ部分にのみ光Ｌで示される紫外線を照射して、ＣＣＤ１ａへ流れ込もうとする封止樹脂７を速やかに硬化させることにより、ＣＣＤ１ａへの封止樹脂７の付着を防止する。樹脂封止後にはＣＣＤ１ａは密閉され、ゴミや埃が表面に付着することは無い。

次に、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２との積層体をベース回路基板３に実装する。その際には、第２の半導体チップ２のレンズ部２ｂの周囲の金属電極２ｄの上に金属突起５を形成しておき、ベース回路基板３上の金属電極３ｂにクリーム半田などの導電性材料６を転写し、金属電極３ｂに金属突起５が接触するように前記積層体を搭載し、しかる後に導電性材料６をリフロー加熱して、それぞれの金属電極２ｄ，３ｂを金属突起５を介して電気的にかつ物理的に接続させる。このとき同時に金属電極３ｂ上に電子部品４を搭載して電気的に接続させる。

最後に、第２の半導体チップ２とベース回路基板３との間を上記と同様にして封止樹脂７で樹脂封止する。
このようにして製造される撮像装置は、先に図４を用いて説明した従来の撮像装置と比較して部品点数を大幅に低減することができ、作業の簡略化、装置の小型化を実現できる。第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２との接合品質も貫通孔２ｆを通じて確認しているため保証される。

図３に撮像装置の電気回路図を示す。
制御マイコン１１、ＣＤＳ回路（Correlated Double Sampling）・ＡＧＣ回路（Automatic Gain Control）１２は上記したベース回路基板３に設けられている。短絡配線１３、ＣＣＤ駆動回路１４、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１５（上述したトランジスタ２ｃに相当する）は半導体チップ２に設けられている。ＣＣＤ１ａは半導体チップ１上にある。

図１をも参照しながらこの撮像装置の動作を説明する。ベース回路基板３の開口部３ａを通る光Ｌを第２の半導体チップ２のレンズ部２ｂにより第１の半導体チップ１のＣＣＤ１ａに集光する状態において、制御マイコン１１からＣＣＤ駆動回路１４を通してＣＣＤ１ａに制御信号を送ると、ＣＣＤ１ａが集光された光を映像信号に変換して出力し、その映像信号が短絡配線１３、ＣＤＳ回路・ＡＧＣ回路１２を通して制御マイコン１１に送られ、制御マイコン１１から図示しない表示装置やメモリ装置に送られる。その際に、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１５が、ベース回路基板３上の電源から供給される直流電力を高速でオンオフするスイッチング動作を行い、電圧を変えてＣＣＤ１ａに供給する。

本発明は小型の撮像装置に特に有用である。

本発明の一実施形態における撮像装置の構成を示す断面図 図１の撮像装置の一部を構成する半導体装置の構成図 図１の撮像装置の電気回路図 従来の撮像装置の構成を示す断面図

符号の説明

１ 第１の半導体装置
1a ＣＣＤ（半導体光電素子）
1b 金属電極
２ 第２の半導体装置
2a 屈折面
2b レンズ部
2c トランジスタ
2d,2e 金属電極
2f 貫通孔
３ ベース回路基板
５ 金属突起
７ 封止樹脂
Ｌ 光

Claims (7)

1. 光を電気に変換する光電素子が形成された第１の半導体装置に積層して用いられる第２の半導体装置であって、
   前記光電素子に集光するレンズ部と、前記光電素子の運転に使用される半導体素子とが透光性半導体材料にて一体に形成され、前記半導体素子を前記光電素子が形成された前記第１の半導体装置に電気的に接続するための接続端子が前記半導体素子上に形成され、前記半導体素子と前記接続端子とは前記レンズ部よりも外周側に形成されており、
   前記接続端子に、その接合状態を前記透光性半導体材料を透過する透過光によって確認するための貫通孔が形成された半導体装置。
2. 前記透光性半導体材料を透過する透過光の周波数を限定する金属がレンズ部の表面に注入された請求項１記載の半導体装置。
3. 前記透光性半導体材料を透過する光の周波数を限定するエピタキシャル層がレンズ部の表面に設けられた請求項１記載の半導体装置。
4. 前記透光性半導体材料が、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドの内のいずれか１種が主成分である請求項１記載の半導体装置。
5. 光を電気に変換する光電素子が形成された第１の半導体装置と、請求項１記載の第２の半導体装置とを有した撮像装置。
6. 光電素子がＣＣＤである請求項５記載の撮像装置。
7. 前記第１の半導体装置と前記第２の半導体装置とが互いに対応する接続端子のいずれか一方に形成された突起電極を介して接合された請求項５記載の撮像装置。

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