JP4457142B2 - 固体撮像素子、カメラモジュールおよび電子情報機器 - Google Patents

固体撮像素子、カメラモジュールおよび電子情報機器 Download PDF

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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固体撮像素子およびカメラモジュール、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、車載監視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電子情報機器に関する。
上述した従来の固体撮像素子の断面構造およびその製造方法について、図18を用いて説明する。
図18は、従来の固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
図18に示すように、従来の固体撮像素子100を製造する際に、まず、シリコン基板101の撮像領域に複数のフォトダイオード(受光部)102を不純物イオン注入により形成する。
次に、シリコン基板101上にゲート絶縁膜103を酸素雰囲気中の熱処理などにより形成した後に、フォトダイオード102で光電変換により発生した信号電荷を出力回路側に向け電荷転送するためのゲート電極104をポリシリコンなどの減圧CVD法により形成する。
その後、ゲート電極104上の光を入射するフォトダイオード以外の領域に、タングステンなどの材料により遮光膜(図示せず)を形成し、BPSG膜(リン・ボロンを含んだシリコン酸化膜)などの層間絶縁膜105を形成して、リフロー処理(熱処理)により表面段差を解消して表面の平坦化を行う。
さらに、層間絶縁膜105上に、ここでは図示していないが、周辺回路やゲート電極の配線となるメタル層をAl・Al-Si・Al-Cu材料の単層または、前記材料とTiN・Ti・TiWなどとの多層膜により形成する。このときに、素子外部との信号の入出力を行うための複数の電極パッド106も同時に固体撮像素子100(素子チップまたは固体撮像チップ)の外周縁部に形成する。
この周辺回路やゲート電極の配線となるメタル層上に、ここでは図示していないが、パシベーション膜としてプラズマSiN(P-SiN)や、プラズマSiON(P-SiON)などの材料を形成後、電極パッド上のパシベーション膜を取り除いておく。ここまでが所謂撮像素子機能を形成する部分で、ここまでに使われる材料は全て無機材料により膜形成されている。
この後の工程は、撮像素子の色分離や集光を受け持つ光学系部分の形成であり、そのほとんどは有機材料により形成される。
まず、カラーフィルタ形成の下地を平坦化するための平坦化膜107を、透明有機材料をスピンコートすることにより形成し、電極パッド106上の平坦化膜107をエッチング除去して、電極パッド106を再度露出させる。
この電極パッド106および平坦化膜107上にカラーフィルタ108をフォトリソ工程により形成する。このカラーフィルタ108は、原色系のカラーフィルタの場合はR・G・Bの例えばベイヤ配列などの色配列であり、補色系のカラーフィルタの場合はCy(シアン)・Mg(マゼンタ)・Ye(イエロー)の色配列である。このフォトリソ工程において、電極パッド106の露出面が現像液に曝されたり、その露出面にカラーフィルタ108の材料が残渣として発生したりする。なお、補色系のカラーフィルタにおいて、形成するフィルタとしてはCy(シアン)・Mg(マゼンタ)・Ye(イエロー)の3色であるが、フィルタ配列としては、Cy(シアン)・Ye(イエロー)を重ねて形成したGr(グリーン)を含めた4色配列である。
次に、カラーフィルタ108上に、マイクロレンズ110を形成するために下地層として平坦化膜109を透明有機膜材料のスピンコートにより形成し、電極パッド106上の平坦化膜109をエッチング除去して、再度、電極パッド106を露出させる。
この後に、入射光をフォトダイオード102に集光させるマイクロレンズ110を透明有機膜材料のフォトリソ工程とベーク処理により形成する。
この場合に、電極パッド106を露出した状態でのフォトリソ工程により、電極パッド106は現像液に曝されたり、電極パッド106上にカラーフィルタ108の残渣が発生したりすることになり、その後の電極パッド106へのワイヤーボンディングの不良などを引き起こすことになる。この電極パッド106の表面の荒れや残渣はプラズマアッシング処理により除去可能であるが、このとき、マイクロレンズ材料などの有機材料もプラズマアッシング処理に曝されることになってマイクロレンズ110自体も表面が荒らされてダメージを受けてしまう。
このマイクロレンズ110のダメージに対しては、このマイクロレンズ110上に、有機や無機のSOG膜(Spinon Glass)やCVD-SiO膜などからなる保護膜111を形成し、その保護膜111のフォトリソ開口後に、レジスト付きの状態またはレジスト除去後にアッシング処理を行うことにより対処している。
この問題に対しては、上記従来の方法から更に改善を加えることが特許文献1に開示されている。上記従来の方法では、有機材料の膜形成毎に電極パッド106上の膜を除去する方法を取っていたが、電極パッド106上の膜は除去せずそのままにしておき、マイクロレンズ110まで形成が終わった後に、電極パッド106上の開口部をレジストパターニングし、O/CFプラズマなどのドライエッチングにより、電極パッド106上の有機膜を全て一気にエッチング除去している。この方法により、上記問題を解決することができる。
最近の撮像素子では、マイクロレンズ110上の保護膜111は、マイクロレンズ110のダメージに対して設けられる保護膜111の機能としてではなく、マイクロレンズ110に入射する光の反射を防止する反射防止膜としての機能から形成されていることがほとんである。
この反射防止膜に関して、特許文献2に開示されている。特許文献2では、マイクロレンズ上にマイクロレンズ材料(透明有機材料、屈折率1.6)よりも屈折率の低い材料膜を成膜することにより、マイクロレンズ表面での反射を抑え、その結果、フォトダイオード上に集光される光を増加させることができるという効果が得られる。従来はこの反射防止膜としては、屈折率1.45のシリコン酸化膜(SiO)をCVD法などにより成膜して形成している。
特開2006−351761号公報 特開平4−223371号公報
最近の固体撮像素子を使用するメーカによっては、製品の小型化や実装の自動化を目的にリフロー半田付けを希望するメーカが増加している。このリフロー半田付けは、パッケージ化された固体撮像素子から取り出された端子を、半田が施された基板上の端子上に載置して、マイクロレンズ表面が耐え得る程度で半田付けが可能な高温の高温槽に入れることにより実施するものである。また、固体撮像素子の用途として自動車にセンサ(車載監視用カメラ)として使用するメーカも増加して来ている。これらリフローによる実装や車載用途では、いずれも従来にはないほど、固体撮像素子に高い熱ストレスが加わることになってしまう。この熱ストレスにより、従来構造におけるマイクロレンズ上の保護膜(または反射防止膜)にクラック(割れ)が発生し、このクラック(割れ)は有機膜との膜質差によるクラックXであって、このクラックXが撮像領域の有効撮像画素エリアE内にまで至ることにより、線状のクラックXが撮像画像中に映り込んで画像欠陥として表示画面上に現れることが問題となっている。
実際の保護膜(または反射防止膜)の線状のクラックについて、光学顕微鏡写真を図15に示している。
種々の実験や解析の結果、図19に示すように、このクラックXは電極パッド106上の有機系の平坦化膜107,109および保護膜111(または反射防止膜)を除去する開口パターンPの平面視4角形の角部分P1から発生することが分かっている。このクラックXに対する従来の取り組みについて、図20〜図23を用いて説明する。なお、図18の従来例では、電極パッド106上の有機膜除去パターンは、電極パッド106よりも小さい開口パターンとしていたが、図20〜図23では、現在、実際に用いられているパターンとして電極パッド106よりも大きく開口した開口パターンPとしている。なお、図20のF1は、撮像領域である有効画素エリアEの外側の、複数の電極パッド106が形成された無効画素エリアFにおける端面を示している。
図20〜図23において、発生したクラックXが凹凸のあるマイクロレンズ110のパターン部分(有効撮像画素エリアE)にまで入って行ったときに、クラックXが減衰するという解析結果に基づいたもので、レンズ表面による凹凸部によりストレスを緩和してクラックXを抑えている。実際には、図22に示すように電極パッド106上の開口パターンPを囲むようにマイクロレンズ110と同じ材料およびマイクロレンズ形成工程でマイクロレンズパターン112を配置している。この場合の断面構造としては図23のようになり、電極パッド106と有効画素エリアEとの間の無効画素エリアFにマイクロレンズパターン112を配置している。
しかしながら上記従来技術では、保護膜111(または反射防止膜)のクラックXを緩和することは出来ても、完全にクラックXを防止することはできないことが分かっている。即ち、クラックXはマイクロレンズ110の凹凸部分に入ることで減衰はしているものの、撮像したときに線状の画像表示欠陥となって現れる。これは、マイクロレンズ110の手前でクラックXの伸展が止まっている訳ではないということであり、このことは、前述した図22のマイクロレンズパターン112によって電極パッド106を囲ってクラックXの伸展を食い止める方法を講じたとしても、より強い熱ストレスが加わった場合にはクラックXの伸展を確実には防ぐことはできないという問題を示している。
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、より強い熱ストレスが加わっても、クラックの伸展を確実に防ぐことができる固体撮像素子およひカメラモジュール、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車載監視用カメラや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、半導体基板の外周縁部に設けられ、外部との信号または電圧の入出力を行うための複数の電極パッドと、該半導体基板の外周縁部の内側の撮像領域に設けられた複数の光電変換素子と、該複数の光電変換素子の上方の表面段差を平坦化するための平坦化膜と、該平坦化膜上に設けられ、該複数の光電変換素子にそれぞれ入射光を集光させるマイクロレンズと、該マイクロレンズおよび該平坦化膜上に設けられた保護膜とを有し、該複数の電極パッド上の該平坦化膜および該保護膜が開口部として除去された固体撮像素子において、
該保護膜は、該開口部の全部または角部と該撮像領域間を横切って除去された領域を少なくとも含む保護膜除去領域を有しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における保護膜除去領域は、前記平坦化膜上の保護膜のみが除去されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における保護膜除去領域のパターンは、前記撮像領域全てを囲む所定幅の帯状パターンである。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における保護膜除去領域のパターンは、前記複数の電極パッドと前記撮像領域間を直線状に横切って配置された所定幅の帯状パターンである。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における帯状パターンは、互いに対向する一方辺から他方辺までに渡って配設されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における保護膜除去領域のパターンは、前記開口部における前記撮像領域側の角部分を囲うように所定幅で除去されたL字状の帯状パターンである。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における帯状パターンは、前記所定幅が1〜10μmである。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における保護膜除去領域のパターンは、前記開口部を含む領域である。
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を含む領域は、該開口部と前記撮像領域間を横切る、前記保護膜除去領域の境界を示す仮想線よりも外側の領域である。
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を含む領域は、前記撮像領域全てを囲む、前記保護膜除去領域の境界を示す仮想線よりも外側の領域である。
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を含む領域は、前記複数の電極パッド上の開口部と前記撮像領域間を直線状に横切る、前記保護膜除去領域の境界を示す仮想線よりも外側の領域である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における保護膜除去領域のパターンの角部分には、半径1〜10μmのアールが付けられている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における保護膜は、反射防止機能を兼用した反射防止膜である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における保護膜は、水分の通過を阻止する機能を兼用したパシベーション膜である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における反射防止膜は、前記マイクロレンズ材料としての透明有機材料よりも屈折率の低い材料膜である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における反射防止膜は、有機や無機のSOG(Spinon Glass)膜またはSiO膜である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるパシベーション膜は、SiNおよびSiON膜のうちの少なくともいずれかである。
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は、平面視正方形または矩形である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電極パッド上の開口部の周囲を囲むように前記マイクロレンズと同じ材料および同じマイクロレンズ形成工程でマイクロレンズパターンが配設されている。
本発明のカメラモジュールは、本発明の上記固体撮像素子をパッケージ化して基板端子との間でリフロー半田付け処理が為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、本発明の作用を説明する。
高温雰囲気中にパッケージ全体を入れることにより、樹脂モールドパッケージ(またはセラミックパッケージ)の下面の端子が基板上の端子にダイボンドされる。固体撮像素子が収容されたパッケージは足無しタイプで、基板のランド上(端子上)に乗せて熱をかけるとダイボンドされる。このように、より強い熱ストレスが加わっても、保護膜の下の有機膜(平坦化膜)は柔らかいので、その上の酸化膜などの保護膜は無機で薄くいて硬いので割れやすいが、クラックXが入ってそれが伸展しても、その保護膜は、電極パッド上の開口パターンPの全部または角部と撮像領域間を横切って除去された領域を少なくとも含む保護膜除去領域を有するため、その保護膜除去領域でクラックXの伸展が確実に遮断される。したがって、固体撮像素子に強い熱ストレスが加わるような使用や製品への実装を行う場合にも、画像欠陥などが発生することがない。
以上により、本発明のよれば、より強い熱ストレスが加わっても、保護膜の下の有機膜(平坦化膜)は柔らかいため、その上の酸化膜などの保護膜は無機で薄くいて硬いので割れやすいが、保護膜にクラックXが入ってそれが伸展しても、その保護膜は、電極パッド上の開口パターンPの全部または角部と撮像領域間を横切って除去された領域を少なくとも含む保護膜除去領域を有するため、その保護膜除去領域でクラックXの伸展を確実に遮断することができる。したがって、固体撮像素子に強い熱ストレスが加わるような使用や製品への実装を行う場合にも、画像欠陥などを防止することができる。
以下に、本発明の固体撮像素子(固体撮像チップ)の実施形態1〜4および、本発明の固体撮像素子の実施形態1〜4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を実施形態5として図面を参照しながら説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の固体撮像素子の実施形態1に係る要部構成例を模式的に示す縦断面図であり、図2は、図1の固体撮像素子を模式的に示す平面図である。
図1および図2において、本実施形態1の固体撮像チップである固体撮像素子21は、チップ外周縁部の無効画素エリアFの内側の撮像領域である有効撮像画素エリアEに設けられ、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の光電変換素子2と、チップ外周縁部の無効画素エリアFに設けられ、外部との信号の入出力を行うための複数の電極パッド6と、複数の光電変換素子2の上方の表面段差の平坦化を行う平坦化膜7,9と、平坦化膜9上に設けられ、複数の光電変換素子2にそれぞれ入射光を集光させるためのマイクロレンズ10と、このマイクロレンズ10および平坦化膜9上に設けられた保護膜11とを有しており、複数の電極パッド6上の平坦化膜7,9および保護膜11が開口部(開口パターンP)として除去されている。平坦化膜7,9の膜厚d1は保護膜11の膜厚d2に比べてはるかに厚く、保護膜11の膜厚d2は2〜5μm程度であって、平坦化膜7,9の膜厚d1は保護膜11の膜厚d2の10倍以上であってもよい。
保護膜11は、複数の電極パッド6と複数の光電変換素子2の形成領域(有効撮像画素エリアE)との間を横切って、1〜10μmの所定幅(スペースの点から幅は狭い方がよい)の保護膜除去パターン11aで除去されている。この帯状の保護膜除去パターン11a(保護膜除去領域)は、平坦化膜9上の保護膜11のみが除去されており、平坦化膜9は除去されていない。また、この保護膜除去パターン11aは、複数の光電変換素子2の形成領域(有効撮像画素エリアE)全てを連続的に取り囲むパターンであり、有効撮像画素エリアEの形状に対して一回り大きい平面視矩形外周部形状であり、その4角部分にはストレスがかからないように、平面視半径が1〜10μm程度のアールR(クラック発生予防の観点からアールRは大きいほどよい)が付けられて曲がっている。ストレスを少なくするために角を丸くしている。スペースに余裕のある限り、半径が10μm以上であってもより大きいアールRとすればよい。
保護膜11は、反射防止機能を兼用した反射防止膜や、水分の通過を阻止する機能を兼用したパシベーション膜である。有機や無機のSOG(Spinon Glass)膜またはSiO膜である。保護膜11の材質は、有機や無機のSOG(Spin on Glass)膜、SiO膜、SiN膜およびSiON膜のうちの少なくともいずれかである。このように、保護膜11は、有効撮像画素エリアEを完全に囲むパターンであって、光の集光には寄与しない部分(=受光部が存在しない部分)を、フォトリソとドライエッチング(フッ素系プラズマ)とにより線状(線状パターン)または帯状(帯状パターン)に取り除いている。
マイクロレンズ10上の保護膜11は、ここでは、保護機能の他に反射防止膜(=シリコン酸化膜)として用いている。保護膜11は、マイクロレンズ材料(透明有機材料、屈折率1.6)よりも屈折率の低い材料膜を成膜することにより、マイクロレンズ表面での反射を抑え、その結果、光電変換素子2(フォトダイオード)上に集光される光を増加させることができるという集光効果を向上させることができる。この反射防止膜として、屈折率1.45のシリコン酸化膜(SiO膜)をCVDなどにより成膜する。
上記構成の固体撮像素子21の製造方法について説明する。
この固体撮像素子21を製造する際には、図3に示すように、まず、シリコン基板1の中央部の撮像領域である有効撮像画素エリアEに、複数の受光部としての複数の光電変換素子2(複数のフォトダイオード)を不純物イオン注入により2次元状で行列方向のマトリクス状に形成する。
次に、シリコン基板1上にゲート絶縁膜3を酸素雰囲気中の熱処理などにより形成した後に、複数の光電変換素子2で光電変換によりそれぞれ発生した信号電荷を出力回路まで電荷転送するためのCCD構造となるゲート電極4をポリシリコンなどの減圧CVD法により形成する。
さらに、各受光部など光を入射する必要がある領域以外の領域に、タングステンやアルミニュウムなどの金属材料により遮光膜(図示せず)を形成し、BPSG膜(リン・ボロンを含んだシリコン酸化膜)などの層間絶縁膜5を形成して、リフロー処理(熱処理)により表面段差を平坦化する。
その後、層間絶縁膜5上に、ここでは図示しないが、周辺回路やゲート電極の配線となるメタル層をAl・Al-Si・Al-Cu材料の単層または、前記材料とTiN・Ti・TiWなどとの多層膜により形成する。このときに、素子外部との信号の入出力を行うための複数の電極パッド6も同時に固体撮像チップ(固体撮像素子21)の外周縁部に形成する。
この周辺回路やゲート電極の配線となるメタル層および複数の電極パッド6上に、このメタル層や電極パッド6による表面段差を平坦化するための平坦化膜7を透明有機材料をスピンコートすることにより形成する。
この平坦化膜7上にカラーフィルタ8をフォトリソ工程により形成する。このカラーフィルタ8は、原色系のカラーフィルタの場合はR・G・Bの例えばベイヤ配列などの色配列で形成される。また、補色系のカラーフィルタの場合はCy(シアン)・Mg(マゼンタ)・Ye(イエロー)の色配列で形成される。なお、補色系のカラーフィルタにおいて、形成するフィルタとしてはCy(シアン)・Mg(マゼンタ)・Ye(イエロー)の3色であるが、フィルタ配列としては、Cy(シアン)・Ye(イエロー)を重ねて形成したGr(グリーン)を含めた4色配列である。
さらに、カラーフィルタ8上に、カラーフィルタ8による表面段差を平坦化するために、マイクロレンズ10を形成するための下地層として平坦化膜9を透明有機膜材料のスピンコートにより形成する。
この後に、複数の光電変換素子2にそれぞれ入射光を集光させるためのマイクロレンズ10を透明有機膜材料のフォトリソ工程とベーク処理により形成する。
さらに、図4に示すように、このマイクロレンズ10および平坦化膜9上に、反射防止膜として、例えば有機や無機のSOG膜(Spinon Glass)またはCVD-SiO膜からなる保護膜11を形成する。
さらに、図5に示すように、この保護膜11上に、各電極パッド6上に一回り大きい開口部の開口パターンPを有するようにレジスト膜12をパターニングし、レジスト膜12をマスクとして用いて、O/CFプラズマなどのドライエッチングにより、電極パッド6上の有機膜(保護膜11および平坦化膜9、7)を全て一気にエッチング除去する。
さらに、レジスト膜12を除去した後に、図6に示すように、この保護膜11上に、複数の電極パッド6と複数の光電変換素子2の形成領域(有効撮像画素エリアE)との間を横切って所定幅の保護膜除去パターン11aとなる平面視帯状で矩形環状の開口部を有するようにレジスト膜13をパターニングし、レジスト膜13をマスクとして用いて、O/CFプラズマなどのドライエッチングにより、保護膜11のみをエッチング除去する。
ここで、電極パッド6上の有機膜および反射防止膜の除去であるが、2つの方法が考えられる。一つは画素エリア(有効撮像画素エリアE)を囲む保護膜除去パターン11aと一緒に電極パッド6上の開口パターンPのレジストパターンを配置しておき、まず、画素エリア(有効撮像画素エリアE)周辺の保護膜除去パターン11aとパッド部抜きパターン部(開口パターンP)の保護膜11(反射防止膜)のみをフッ素系プラズマ処理により除去し、その後に、電極パッド6上の開口パターンPのみのパターンで有機膜ドライエッチングを行う方法もあるが、もう一つの方法は、後述するように、画素エリア(有効撮像画素エリアE)周辺の保護膜除去パターン11aのみ、保護膜11(反射防止膜)を除去すること、その後にパッド部抜きパターン(電極パッド6上の開口パターンP)のみをフォトリソ後、反射防止膜除去・有機膜除去を別々に連続エッチングするという方法である。電極パッド6上の開口パターンPと保護膜除去パターン11aとはいずれを先にしてもよい。
保護膜11(反射防止膜)のクラックXは、その表面の反射防止膜のみで起こっており、その直下の有機系膜(平坦化膜9)には至っていないことが確認されている。クラック発生の起点となるのは、複数の電極パッド6の各パッド部周辺の抜きパターンである開口パターンPの角部分P1から始まるということも分かっている。このため、複数の電極パッド6上のパッド部周辺の抜きパターン(開口パターンP)から有効撮像画素エリアEにまで至る間の部分で、保護膜11(反射防止膜)を一部だけでも取り除くことにより、クラックXが有効撮像画素エリアE内にまで至ることを防ぐことができる。例えて言えば、森林火災の延焼を防ぐために先に周辺の木を燃やしておくという考えと同じである。
実際のデバイスにおいては、図2に示しているような信号の入出力用のメタルパッド(電極パッド6)のみではなく、例えば素子特性評価用のTEGパッド(テスト信号入出力用パッド)や、内部発生電圧の書き込み用パッドなど、各種電極パッド6がレイアウトされており、それら電極パッド6は本実施形態1の固体撮像素子21である固体撮像チップの周辺部に全て配置されているため、本実施形態1では、その内側の有効撮像画素エリアEを全て囲んだ保護膜除去パターン11aとしたが、電極パッド6上の有機膜の抜きパターンが固体撮像チップ(固体撮像素子21)上の特定辺(上下辺)にしかない場合には、有効撮像画素エリアEを完全に囲んだ保護膜除去パターン11aでなくても構わない。この場合を次の実施形態2に示している。
なお、上記実施形態1では、保護膜除去パターン11aが、複数の光電変換素子2の形成領域(有効撮像画素エリアE)全てを連続的に取り囲む帯状パターンで構成したが、これは1本の矩形環状パターンであるが、これに限らず、複数本の矩形環状パターンであってもよい。例えば図7に示すように内周と外周の2本の矩形環状パターンである保護膜除去パターン11aを形成してもよく、これも同一工程によりパターン形成することができる。
また、撮像領域全てを所定幅で囲む帯状パターンの保護膜除去パターン11aの幅を、前述したように1〜10μmとしたが、この範囲内で細い幅の矩形環状パターンを保護膜除去パターン11bとした場合に、撮像領域全てを所定幅で囲むように細い保護膜除去パターン11bを1本、例えば図8の固体撮像素子22に示すように形成してもよい。また、撮像領域全てを所定幅で囲むように細い保護膜除去パターン11bを複数本、例えば図10の固体撮像素子24に示すように、内周と外周の2本の細い矩形環状パターンである保護膜除去パターン11bを形成してもよく、これも同一工程によりパターン形成することができる。さらに、スペースの関係上帯状パターンの幅は細いほどよい。また、スペースの関係上、太い保護膜除去パターン11aと細い保護膜除去パターン11bとを組み合わせてもよい。例えば、太い保護膜除去パターン11aと細い保護膜除去パターン11bを複数本、例えば図9の固体撮像素子23に示すように、内周と外周で1本づつ、太い保護膜除去パターン11aと細い保護膜除去パターン11bを形成してもよく、これも同一工程によりパターン形成することができる。
(実施形態2)
本実施形態2では、電極パッド6上の有機膜の抜きパターン(複数の開口パターンP)が固体撮像チップ(固体撮像素子)上の特定辺(たとえば上下辺)にしかない場合の保護膜除去パターンについて説明する。
図11は、本発明の固体撮像素子の実施形態2に係る要部構成例を模式的に示す平面図である。なお、図1および図2の部材と同様の作用効果を奏する部材には同一の部材番号を付して説明する。また、固体撮像素子の製造方法についても図3〜図6の場合と同様である。
図11において、本実施形態2の固体撮像素子25は、チップ外周縁部の無効画素エリアFの内側の撮像領域である有効撮像画素エリアEに設けられた複数の光電変換素子2と、固体撮像チップ(固体撮像素子)上の特定辺(たとえば上下辺)にのみ並んだ外部との信号または電圧の入出力を行うための複数の電極パッド6と、複数の光電変換素子2の表面段差の平坦化を行う平坦化膜7,9と、平坦化膜9上に設けられ、複数の光電変換素子2にそれぞれ入射光を集光させるマイクロレンズ10と、マイクロレンズ10および平坦化膜9上に設けられた保護膜11とを有しており、複数の電極パッド6上の平坦化膜7,9および保護膜11が開口部(開口パターンP)として除去されている。
保護膜11は、複数の電極パッド6と複数の光電変換素子2の形成領域(有効撮像画素エリアE)との間を直線状に横切って所定幅(1〜10μm)の保護膜除去パターン11cで除去されている。この帯状で直線状の保護膜除去パターン11c(保護膜除去領域)は、平坦化膜9上の保護膜11のみが除去されており、平坦化膜7、9は除去されていない。また、この保護膜除去パターン11cは、複数の光電変換素子2の形成領域(有効撮像画素エリアE)にクラックXが伸展しないように、開口パターンPと撮像領域(有効撮像画素エリアE)間を横切る直線状に設けられている。
マイクロレンズ10上の保護膜11は、保護機能の他に反射防止膜(=シリコン酸化膜)として用いる。保護膜11は、マイクロレンズ材料(透明有機材料、屈折率1.6)よりも屈折率の低い材料膜を成膜することにより、マイクロレンズ表面での反射を抑え、その結果、光電変換素子2(フォトダイオード)上に集光される光を増加させることができるという集光効果を向上させることができる。この反射防止膜として、屈折率1.45のシリコン酸化膜をCVD法などにより成膜する。
なお、本実施形態2では、上記直線状の保護膜除去パターン11cは、複数の電極パッド6上の各開口パターンP(開口部)と撮像領域(有効撮像画素エリアE)間を所定幅の直線状に横切って配置された帯状パターンであって、図11に示すように、互いに対向する一方辺から他方辺までに渡って配設された場合について説明したが、これに限らず、撮像領域(有効撮像画素エリアE)に伸展するクラックXを遮断できるような除去パターンであれば、図12の固体撮像素子26に示す直線状の保護膜除去パターン11dのように一方辺から他方辺まで長くなくても、チップ辺の途中まででもよい。例えば、保護膜除去パターン11dのように、その両端部が、一連の複数の電極パッド6のうちの両端部にある各電極パッド6上の開口パターンP(開口部)の少なくとも内側までの長さがあればよい。
(実施形態3)
本実施形態3では、後述する保護膜除去パターン11eが、開口パターンPにおける撮像領域側の角部分を下から受けて囲む帯状パターンの場合について説明する。
図13は、本発明の固体撮像素子の実施形態3に係る要部構成例を模式的に示す平面図である。なお、図1および図2の部材と同様の作用効果を奏する部材には同一の部材番号を付して説明する。また、固体撮像素子の製造方法についても図3〜図6の場合と同様である。
図13において、本実施形態3の固体撮像素子27は、チップ外周縁部の無効画素エリアFの内側の撮像領域である有効撮像画素エリアEに設けられた複数の光電変換素子2と、固体撮像チップ(固体撮像素子)の辺(たとえば上下辺)に設けられた複数の電極パッド6と、複数の光電変換素子2の表面段差の平坦化を行う平坦化膜7,9と、平坦化膜9上に設けられ、複数の光電変換素子2にそれぞれ入射光を集光させるマイクロレンズ10と、マイクロレンズ10および平坦化膜9上に設けられた保護膜11とを有しており、複数の電極パッド6上の平坦化膜7,9および保護膜11が開口部(開口パターンP)として除去されている。
保護膜11は、複数の電極パッド6上の開口パターンPの角部分からクラックXが発生することから、無効エリアFにスペースがない場合に、電極パッド6上の開口パターンPの角部分を囲うように、角の丸いL字状に所定幅(1〜10μm)の保護膜除去パターン11eで除去している。この帯状でL字状の保護膜除去パターン11e(保護膜除去領域)は、平坦化膜9上の保護膜11のみが除去されており、平坦化膜7、9は除去されていない。また、この保護膜除去パターン11eは、複数の光電変換素子2の形成領域(有効撮像画素エリアE)にクラックXが伸展しないように、開口パターンPと撮像領域(有効撮像画素エリアE)間の開口パターンPの近傍位置に設けられている。
マイクロレンズ10上の保護膜11は、保護機能の他に反射防止膜(=シリコン酸化膜)として用いる。保護膜11は、マイクロレンズ材料(透明有機材料、屈折率1.6)よりも屈折率の低い材料膜を成膜することにより、マイクロレンズ表面での反射を抑え、その結果、光電変換素子2(フォトダイオード)上に集光される光を増加させることができるという集光効果を向上させることができる。この反射防止膜として、屈折率1.45のシリコン酸化膜をCVD法などにより成膜する。
(実施形態4)
本実施形態4では、後述する保護膜除去パターン11fが開口パターンP(開口部)を含む領域である場合について説明する。
図14は、本発明の固体撮像素子の実施形態4に係る要部構成例を模式的に示す平面図である。なお、図1および図2の部材と同様の作用効果を奏する部材には同一の部材番号を付して説明する。また、固体撮像素子の製造方法についても図3〜図6の場合と同様である。
図14において、本実施形態4の固体撮像素子28は、チップ外周縁部の無効画素エリアFの内側の撮像領域である有効撮像画素エリアEに設けられた複数の光電変換素子2と、固体撮像チップ(固体撮像素子)の辺(たとえば上下辺)に設けられた複数の電極パッド6と、複数の光電変換素子2の表面段差の平坦化を行う平坦化膜7,9と、平坦化膜9上に設けられ、複数の光電変換素子2にそれぞれ入射光を集光させるマイクロレンズ10と、マイクロレンズ10および平坦化膜9上に設けられた保護膜11とを有しており、複数の電極パッド6上の平坦化膜7,9および保護膜11が開口部(開口パターンP)として除去されている。
保護膜11は、複数の電極パッド6上の開口パターンPの角部分からクラックXが発生することから、無効エリアFにスペースがない場合に、開口パターンPと撮像領域(有効撮像画素エリアE)間を横切る仮想線よりも外側の保護膜領域が全て除去されて保護膜除去パターン11fとなっている。ここでは、この保護膜除去パターン11f(保護膜除去領域)は、撮像領域(有効撮像画素エリアE)全てを囲む仮想線よりも外側の開口パターンPを含む領域である。また、保護膜除去パターン11f(保護膜除去領域)は、平坦化膜9上の保護膜11のみが除去されており、平坦化膜7、9は除去されていない。また、この保護膜除去パターン11fは、複数の光電変換素子2の形成領域(有効撮像画素エリアE)にクラックXが伸展しないように、開口パターンPと撮像領域(有効撮像画素エリアE)間の仮想線よりも外側が全て取り除かれている。
一方、マイクロレンズ10上の保護膜11は、保護機能の他に反射防止膜(=シリコン酸化膜)として用いる。保護膜11は、マイクロレンズ材料(透明有機材料、屈折率1.6)よりも屈折率の低い材料膜を成膜することにより、マイクロレンズ表面での反射を抑え、その結果、光電変換素子2(フォトダイオード)上に集光される光を増加させることができるという集光効果を向上させることができる。この反射防止膜として、屈折率1.45のシリコン酸化膜をCVD法などにより成膜する。
なお、本実施形態4では、保護膜除去パターン11f(保護膜除去領域)が、撮像領域(有効撮像画素エリアE)の周囲の全てを連続的に囲む仮想線よりも外側の開口パターンPを含む領域として説明したが、これに限らず、保護膜除去パターンが開口パターンP(開口部)を含む領域であればよく、例えば図15の固体撮像素子29に示すように、保護膜除去パターン11g(保護膜除去領域)が、複数の電極パッド6上の開口パターンPと撮像領域(有効撮像画素エリアE)間を直線状に横切る仮想線よりも外側の開口開口パターンPを含む領域であってもよい。
なお、上記実施形態1〜4では、特に説明していないが、保護膜除去パターン11a〜11gを組み合わせることもできる。
ここで、上記実施形態1〜4の効果について説明する。
上記実施形態1〜4の固体撮像素子21〜29を使用するメーカでは、製品の小型化や実装の自動化を目的にリフロー半田付けを希望している場合が多い。このリフロー半田付けは、パッケージ化された固体撮像素子21〜29のいずれかの電極パッド6からワイヤ15をワイヤボンディングして取り出した端子16を、その表面に半田が施された基板17の端子18上に載置して、マイクロレンズ表面が耐え得る程度の高温でかつ半田付けが可能な温度の高温槽(図示せず)に入れることにより実施している。これによって、カメラモジュール14として、固体撮像素子21〜29のいずれかをパッケージ化して基板端子18との間でリフロー半田付け処理が為されている。
このようにして、高温雰囲気中にパッケージ全体を入れることにより、カメラモジュール14として、樹脂モールドパッケージ(またはセラミックパッケージ)の下面の端子16が基板17の端子18にダイボンドされる。パッケージは足無しタイプで、基板17のランド上(端子18上)に乗せて熱をかけている。このように、より強い熱ストレスが加わっても、保護膜11の下の有機膜は柔らかいので、その上の酸化膜の保護膜11は無機で薄くいて硬いので割れやすいが、クラックXが入ってそれが伸展しても、保護膜11は、開口パターンPの全部または角部と撮像領域間を横切って除去された領域を少なくとも含む保護膜除去領域を有するため、その保護膜除去領域でクラックXの伸展が確実に遮断される。
(実施形態5)
図17は、本発明の実施形態5として、本発明の実施形態1〜4のいずれか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車載用カメラやカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
図17において、本実施形態4の電子情報機器50は、上記実施形態1〜4のいずれかの例えば固体撮像素子21〜29のいずれかと、この固体撮像素子21〜29のいずれかからの撮像信号を信号処理する固体撮像装置からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部51と、この固体撮像素子21〜29のいずれかからのカラー画像信号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可能とする液晶表示装置などの表示手段52と、この固体撮像素子21〜29のいずれかからのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信手段53とを有している。
この電子情報機器50としては、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、車載後方監視用カメラおよびテレビジョン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機器が考えられる。
したがって、本実施形態5によれば、固体撮像素子21〜29のいずれかからのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力装置54により良好にプリントアウトしたり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部51に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
なお、上記実施形態1〜4では、特に説明しなかったが、電極パッド6上の開口パターンPの周囲を囲むようにマイクロレンズ10と同じ材料および同じマイクロレンズ形成工程でマイクロレンズパターンが配設されている構成を、上記実施形態1〜4に加えてもよい。
また、上記実施形態1〜4では、特に説明しなかったが、上記固体撮像素子21〜29はそれぞれ、CCD型固体撮像素子であってもよいし、CMOS型固体撮像素子であってもよい。
以上のように、本発明の好ましい実施形態1〜5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1〜5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1〜5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固体撮像素子およびカメラモジュール、このカメラモジュール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、車載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電子情報機器の分野において、より強い熱ストレスが加わっても、保護膜の下の有機膜(平坦化膜)は柔らかいため、その上の酸化膜などの保護膜は無機で薄くいて硬いので割れやすいが、保護膜にクラックXが入ってそれが伸展しても、その保護膜は、電極パッド上の開口パターンPの全部または角部と撮像領域間を横切って除去された領域を少なくとも含む保護膜除去領域を有するため、その保護膜除去領域でクラックXの伸展を確実に遮断することができる。したがって、固体撮像素子に強い熱ストレスが加わるような使用や製品への実装を行う場合にも、画像欠陥などを防止することができる。
本発明の固体撮像素子の実施形態1に係る要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 図1の固体撮像素子の平面図である。 図1の固体撮像素子の製造方法でマイクロレンズ形成工程までを説明するための要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 図1の固体撮像素子の製造方法で保護膜成膜工程を説明するための要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 図1の固体撮像素子の製造方法で各電極パッド上の開口形成工程を説明するための要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 図1の固体撮像素子の製造方法で保護膜除去パターン形成工程を説明するための要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 本発明の固体撮像素子の実施形態1に係る他の要部構成例(2本の太い保護膜除去パターン)を模式的に示す平面図である。 本発明の固体撮像素子の実施形態1に係るさらに別の要部構成例(1本の細い保護膜除去パターン)を模式的に示す平面図である。 本発明の固体撮像素子の実施形態1に係るさらに別の要部構成例(細い保護膜除去パターンと太い保護膜除去パターンの組合せ)を模式的に示す平面図である。 本発明の固体撮像素子の実施形態1に係るさらに別の要部構成例(2本の細い保護膜除去パターン)を模式的に示す平面図である。 本発明の固体撮像素子の実施形態2に係る要部構成例を模式的に示す平面図である。 本発明の固体撮像素子の実施形態2に係る他の要部構成例を模式的に示す平面図である。 本発明の固体撮像素子の実施形態3に係る要部構成例を模式的に示す平面図である。 本発明の固体撮像素子の実施形態4に係る要部構成例を模式的に示す平面図である。 本発明の固体撮像素子の実施形態4に係る他の要部構成例を模式的に示す平面図である。 本発明の固体撮像素子の実施形態1〜4の効果を説明するためのカメラモジュールのリフロー半田付け工程を模式的に示す要部縦断面図である。 本発明の実施形態5として、本発明の実施形態1〜4のいずれか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車載用カメラやカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。 従来の固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 従来の固体撮像素子における保護膜の線状クラックについて説明するための光学顕微鏡写真を示す要部平面図である。 従来の固体撮像素子において、実際に用いられているパターンとして電極パッドよりも大きく開口したパターンを示す拡大平面図である。 図16のA−A’線断面図である。 従来の固体撮像素子における電極パッドと有効画素エリア間の無効画素エリアにマイクロレンズパターンを配置して線状クラックの伸展を防止した場合を模式的に示す平面図である。 図18のB−B’線断面図である。
符号の説明
2 光電変換素子
6 電極パッド
7、9 平坦化膜
10 マイクロレンズ
11 保護膜(反射防止膜)
11a〜11g 保護膜除去パターン
12、14 レジスト膜
14 カメラモジュール
15 ワイヤ
16、18 端子
17 基板
21〜29 固体撮像素子
E 有効撮像画素エリア
F 無効画素エリア
P 開口パターン(開口部)
50 電子情報機器
51 メモリ部
52 表示手段
53 通信手段
54画像出力装置

Claims (21)

  1. 半導体基板の外周縁部に設けられ、外部との信号または電圧の入出力を行うための複数の電極パッドと、該半導体基板の外周縁部の内側の撮像領域に設けられた複数の光電変換素子と、該複数の光電変換素子の上方の表面段差を平坦化するための平坦化膜と、該平坦化膜上に設けられ、該複数の光電変換素子にそれぞれ入射光を集光させるマイクロレンズと、該マイクロレンズおよび該平坦化膜上に設けられた保護膜とを有し、該複数の電極パッド上の該平坦化膜および該保護膜が開口部として除去された固体撮像素子において、
    該保護膜は、該開口部の全部または角部と該撮像領域間を横切って除去された領域を少なくとも含む保護膜除去領域を有している固体撮像素子。
  2. 前記保護膜除去領域は、前記平坦化膜上の保護膜のみが除去されている請求項1に記載の固体撮像素子。
  3. 前記保護膜除去領域のパターンは、前記撮像領域全てを囲む所定幅の帯状パターンである請求項1または2に記載の固体撮像素子。
  4. 前記保護膜除去領域のパターンは、前記複数の電極パッドと前記撮像領域間を直線状に横切って配置された所定幅の帯状パターンである請求項1または2に記載の固体撮像素子。
  5. 前記帯状パターンは、互いに対向する一方辺から他方辺までに渡って配設されている請求項4に記載の固体撮像素子。
  6. 前記保護膜除去領域のパターンは、前記開口部における前記撮像領域側の角部分を囲うように所定幅で除去されたL字状の帯状パターンである請求項1または2に記載の固体撮像素子。
  7. 前記帯状パターンは、前記所定幅が1〜10μmである請求項3〜6のいずれかに記載 の固体撮像素子。
  8. 前記保護膜除去領域のパターンは、前記開口部を含む領域である請求項1または2に記載の固体撮像素子。
  9. 前記開口部を含む領域は、該開口部と前記撮像領域間を横切る、前記保護膜除去領域の境界を示す仮想線よりも外側の領域である請求項8に記載の固体撮像素子。
  10. 前記開口部を含む領域は、前記撮像領域全てを囲む、前記保護膜除去領域の境界を示す仮想線よりも外側の領域である請求項9に記載の固体撮像素子。
  11. 前記開口部を含む領域は、前記複数の電極パッド上の開口部と前記撮像領域間を直線状に横切る、前記保護膜除去領域の境界を示す仮想線よりも外側の領域である請求項9に記載の固体撮像素子。
  12. 前記保護膜除去領域のパターンの角部分には、半径1〜10μmのアールが付けられている請求項3、6および10のいずれかに記載の固体撮像素子。
  13. 前記保護膜は、反射防止機能を兼用した反射防止膜である請求項1または2に記載の固体撮像素子。
  14. 前記保護膜は、水分の通過を阻止する機能を兼用したパシベーション膜である請求項1または2に記載の固体撮像素子。
  15. 前記反射防止膜は、前記マイクロレンズ材料としての透明有機材料よりも屈折率の低い材料膜である請求項13に記載の固体撮像素子。
  16. 前記反射防止膜は、有機や無機のSOG(Spin onGlass)膜またはSiO
    膜である請求項13または15に記載の固体撮像素子。
  17. 前記パシベーション膜は、SiNおよびSiON膜のうちの少なくともいずれかである請求項14に記載の固体撮像素子。
  18. 前記開口部は、平面視正方形または矩形である請求項1、6および8〜11のいずれかに記載の固体撮像素子。
  19. 前記電極パッド上の開口部の周囲を囲むように前記マイクロレンズと同じ材料および同じマイクロレンズ形成工程でマイクロレンズパターンが配設されている請求項1に記載の固体撮像素子。
  20. 請求項1〜19のいずれかに記載の固体撮像素子をパッケージ化して基板端子との間でリフロー半田付け処理が為されているカメラモジュール。
  21. 請求項1〜19のいずれかに記載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電子情報機器。
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