JP5172362B2

JP5172362B2 - 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法

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Publication number: JP5172362B2
Application number: JP2008003702A
Authority: JP
Inventors: 多賀雄木下
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-01-10
Also published as: JP2009170469A

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、周辺回路部からの固体撮像素子の撮像領域への可視光の遮光を改善させた固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。

一般に、ＣＭＯＳイメージセンサー等の固体撮像素子は、光電変換素子が配列形成された画素領域と、周辺回路部と、外部リードのコンタクトパッドとを有している。画素領域は、撮像に用いられる有効画素領域の他、黒画像の基準となる黒基準画素領域を含み、画素領域の上方には配線層が設けられる。そして少なくとも黒基準画素上や周辺回路上には遮光層が形成されている。このような固体撮像素子を用いた固体撮像装置としては、セラミックパッケージに個体撮像素子を収容したものが知られている。

このような固体撮像装置では、セラミックパッケージ上は透明部材によって覆われる。近年、この透明部材を個々の固体撮像素子の上に載置して、透明部材を遮光性のある樹脂で封入する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

図６は、特許文献１に記載の固体撮像装置１０１を示す断面図である。固体撮像装置１０１では、積層セラミックパッケージ１０２の凹部１０３内に固体撮像素子１０４が設置されている。固体撮像素子１０４は、受光部１０４１、マイクロレンズ１０４２およびカラーフィルタ１０４３を備えている。また、固体撮像素子１０４端部の電極パッド１０５とセラミックパッケージ１０２の内部リード線の入出力部１０６とが、ワイヤ１０７で接続され、固体撮像素子１０４上には、透明部材１０８が形成される。その後、透明部材１０８の端面と凹部１０３の端部との間に黒色樹脂１０９を充填することにより、固体撮像素子１０４への可視光が遮断される。

また、撮像素子上に可視光を遮断する目的で、周辺回路部に光学機能層形成材料を用いて遮光層を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２）。

図７は、特許文献２に記載の固体撮像装置２０１を示す断面図である。固体撮像装置２０１では、撮像素子上にカラーフィルタ２０２Ｍ・２０２Ｃｙ・２０２Ｙやマイクロレンズ２０３等を形成するために使用する光学機能層形成材料を利用して、出力部にカラーフィルタ２０４を積層させ、その後、保護膜２０５で覆うことにより、撮像部への可視光を遮断している。
特開２００７−１４２１９４号公報（２００７年６月７日公開）特開平７−９４６９４号公報（１９９５年４月７日公開）

しかしながら、特許文献１に記載の固体撮像装置１０１では、電極パッド１０５が金属であるため、図６の矢印に示すように、透明部材１０８の中央寄りからマイクロレンズ１０４２の端部に入射する可視光の受光部１０４１への入射を完全に抑制することはできない。

また、特許文献２に記載の固体撮像装置２０１では、遮光膜としてのカラーフィルタ２０４を各色の膜の重ね合わせにより形成すると、後から形成されるカラーフィルタ膜（２０４Ｃｙ、２０４Ｙ）が均一に塗布されにくく、カラーフィルタ２０４の欠陥が生じやすいという問題がある。さらに、カラーフィルタ等の光学機能層は、アクリル樹脂等を使用する場合が多く、例えば、特許文献１に記載の固体撮像装置１０１で使用するセラミックパッケージ１０２内への樹脂充填工程で加えられる熱等により、組成変形を起こしやすく、また応力により欠陥を生ずる場合がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、可視光の画素領域への入射を完全に抑制できる固体撮像装置およびその製造方法を実現することにある。

本発明に係る固体撮像装置は、上記課題を解決するために、撮像に用いられる有効画素領域と黒基準画素領域とから構成される画素領域と、前記有効画素領域の上方に形成されたマイクロレンズとを備える固体撮像素子と、前記固体撮像素子の周囲に形成された周辺回路部と、前記マイクロレンズおよび前記周辺回路部の上方に形成され、前記固体撮像素子および前記周辺回路部の一部を覆う透明部材と、前記透明部材の端面および前記周辺回路部を覆うように形成された黒色樹脂とを備える固体撮像装置において、前記黒基準画素領域の上方に遮光層が設けられ、前記周辺回路部の上面と前記透明部材との間に、前記透明部材と前記周辺回路部の上面とを接着する接着層が設けられ、前記接着層は遮光性を有し、前記遮光層の上方に位置するとともに、上方から見て、前記黒基準画素領域とは重ならず、前記遮光層の一部と重なるように設けられたことを特徴としている。

また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、上記課題を解決するために、基板上に光電変換素子を配列することにより、有効画素領域と黒基準画素領域とから構成される画素領域を形成する工程と、前記画素領域上に遮光層を含む金属配線層を形成する工程と、前記画素領域および前記金属配線層の周囲に周辺回路部を形成する工程と、前記金属配線層上にマイクロレンズを形成する工程と、前記周辺回路部の上面上に接着層を形成する工程と、前記マイクロレンズを覆うように、前記接着層上に透明部材を載置する工程と、前記透明部材の端面および前記周辺回路部を覆うように黒色樹脂を形成する工程とを備え、前記遮光層は、前記黒基準画素領域の上方に位置し、前記接着層は遮光性を有し、前記遮光層の上方に位置するとともに、上方から見て、前記黒基準画素領域とは重ならず、前記遮光層の一部と重なるように設けられたことを特徴としている。

上記の構成によれば、黒色樹脂が透明部材の端面および周辺回路部を覆うように形成されているので、周辺回路部から入射する可視光は画素領域に入射することがない。さらに、黒基準画素領域の上方に遮光層が設けられ、遮光層と透明部材との間に遮光性を有する接着層が設けられている。このように、黒基準画素領域の上方で、遮光層と接着層とが重なって設けられているので、透明部材の中央寄りからマイクロレンズの端部に入射する可視光（図６参照）も黒基準画素への入射することがない。

また、特許文献２に記載の構成のように、周辺回路部上に可視光を遮断する光学機能層形成材料を使用した遮光層を形成する必要がない。このため、カラーフィルタの欠陥、パッケージ形成時の樹脂充填工程で加えられる熱等に起因する応力により欠陥を生じることがない。したがって、可視光の画素領域への入射を完全に抑制できる固体撮像装置およびその製造方法を実現できるという効果を奏する。

本発明に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法では、前記遮光層が金属で形成されていることが好ましい。

上記の構成によれば、画素領域の上方に形成される金属配線層を利用して遮光層を形成することができる。

本発明に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法では、前記金属は、チタン、窒化チタン、アルミニウム、タンタル、タングステンおよび銅からなる群から選択される少なくとも１種であってもよい。

本発明に係る固体撮像装置では、前記遮光層は、前記画素領域と前記マイクロレンズとの間に形成される金属配線層の少なくとも１層であることが好ましい。

本発明に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法では、前記接着層は、可視光を遮断する粒子を含んでいることが好ましい。

上記の構成によれば、可視光を遮断する粒子により光の吸収率が向上する。

本発明に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法では、前記粒子は、黒色顔料、黒色染料またはカーボン粒子であることが好ましい。

本発明に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法では、前記黒色樹脂は、黒色染料またはカーボン粒子を含有していることが好ましい。

上記の構成によれば、黒色染料またはカーボン粒子を使用することにより、光の吸収率をさらに向上させることができる。

本発明に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法では、前記固体撮像素子の周辺領域の表面には、Ｓｉ_ｘＯ_ｙ、Ｓｉ_ｘＮ_ｙまたはＳｉ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ（ｘ、ｙ、ｚはいずれも自然数）を材料とする絶縁膜が形成されていることが好ましい。

上記の構成によれば、Ｓｉ_ｘＯ_ｙ、Ｓｉ_ｘＮ_ｙまたはＳｉ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ（ｘ、ｙ、ｚはいずれも自然数）を材料とする絶縁膜は、一般的に固体撮像素子形成に使用される絶縁膜であるので、製造工程の複雑化を回避できる。

本発明に係る固体撮像装置は、以上のように、前記黒基準画素領域の上方に遮光層が設けられ、前記周辺回路部の上面と前記透明部材との間に、前記透明部材と前記周辺回路部の上面とを接着する接着層が設けられ、前記接着層は遮光性を有し、前記遮光層の上方に位置するとともに、上方から見て、前記黒基準画素領域とは重ならず、前記遮光層の一部と重なるように設けられている。また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、以上のように、基板上に光電変換素子を配列することにより、有効画素領域と黒基準画素領域とから構成される画素領域を形成する工程と、前記画素領域上に遮光層を含む金属配線層を形成する工程と、前記画素領域および前記金属配線層の周囲に周辺回路部を形成する工程と、前記金属配線層上にマイクロレンズを形成する工程と、前記周辺回路部の上面上に接着層を形成する工程と、前記マイクロレンズを覆うように、前記接着層上に透明部材を載置する工程と、前記透明部材の端面および前記周辺回路部を覆うように黒色樹脂を形成する工程とを備え、前記遮光層は、前記黒基準画素領域の上方に位置し、前記接着層は遮光性を有し、前記遮光層の上方に位置するとともに、上方から見て、前記黒基準画素領域とは重ならず、前記遮光層の一部と重なるように設けられている。したがって、可視光の画素領域への入射を完全に抑制できる固体撮像装置およびその製造方法を実現できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１ないし図５に基づいて説明すると以下の通りである。

図１（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像装置１を示す断面図であり、（ｂ）は、固体撮像装置１の部分拡大図である。固体撮像装置１は、撮像領域部２および周辺回路部３を有している。撮像領域部２には、固体撮像素子４および透明蓋部５が設けられる。固体撮像素子４は、基板６上に画素領域７、カラーフィルタ８およびマイクロレンズ９を設けて構成される。

図１（ｂ）に示すように、画素領域７は、有効画素領域７ａと黒基準画素領域７ｂとから構成される光電変換素子を有している。マイクロレンズ９は、有効画素領域７ａの上方に設けられ、カラーフィルタ８とマイクロレンズ９とで、光学機能層を形成している。透明蓋部５は、マイクロレンズ９を覆うように固定され、透明蓋部５の端面上には、黒色樹脂１０が形成されている。

周辺回路部３では、基板６の端部に設けられるコンタクトパッド１１が、ワイヤ１２によって配線基板上の金属配線の入出力部１３に接続されている。黒色樹脂１０は、周辺回路部３の表面、コンタクトパッド１１およびワイヤ１２の全体をモールドしており、望ましくは、黒色染料またはカーボン粒子を含有している。

一方、黒基準画素領域７ｂの上方には金属遮光層１４が設けられている。金属遮光層１４は、積層された金属配線層１６の少なくとも１層を用いて形成され、下からチタン、窒化チタン、アルミニウム、窒化チタンを順に積層することにより構成されている。図１（ｂ）では、金属遮光層１４は、金属配線層１６の最も上層に形成されている。

なお、金属遮光層１４を形成する金属として、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）および銅も使用できる。また、金属遮光層１４の代わりに、金属以外の成分で構成される遮光層を設けてもよい。

さらに、金属遮光層１４と透明蓋部５との間には、接着層１５が設けられており、金属遮光層１４の少なくとも一部が、接着層１５と重なり合っている。接着層１５は、可視光を遮断する粒子を含んでおり、遮光性を有している。当該粒子は、黒色顔料、黒色染料またはカーボン粒子であることが望ましい。

このように、固体撮像装置１の黒基準画素領域７ｂの上方に設けられる金属遮光層１４と、遮光性を有する接着層１５とが重なることにより、透明蓋部５から、図６の矢印で示すような可視光が入射しても、当該可視光の画素領域７への入射を完全に抑制することができる。金属遮光層１４と接着層１５との重なり部分の長さｘは、固体撮像装置１のサイズによって変化するが、例えば、ｘ≧５μｍである。

なお、周辺回路部３の表面は、Ｓｉ_ｘＯ_ｙ、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ、Ｓｉ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ（ｘ、ｙ、ｚはいずれも自然数）で表記される絶縁膜で覆われている。これらの絶縁膜は光を透過させるので、撮像素子に好適に使用できる。

以下、固体撮像装置１の製造工程について図２〜図５に基づいて説明する。

図２に示すように、基板６上に光電変換素子を配列することにより画素領域７を形成し、その上に金属配線層１６を積層することにより、撮像領域部２を形成する。続いて、撮像領域部２の周囲に周辺回路部３を形成する。また、図１（ａ）に示すコンタクトパッド１１を形成し、公知のワイヤーボンディング技術を用いて、ワイヤ１２によって配線基板上の金属配線の入出力部１３との接続を行う。

撮像領域部２の外周部は、黒基準画素領域７ｂに設けられる光電変換素子を黒基準画素として機能させるため、金属配線層１６の形成段階で、金属配線層１６の少なくとも一層を用いて、金属遮光層１４を形成する。

次に、図３に示すように、撮像領域部２上にカラーフィルタ８とマイクロレンズ９とからなる光学機能層を形成する。カラーフィルタ８は、各受光部上に夫々対応する赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）の三色の染色層である。マイクロレンズ９は、カラーフィルタ８の上に有機保護膜を用いて平坦化した後形成される。また、必要に応じて無機材料を用いた反射防止層が形成される。

次に、図４に示すように、撮像領域部２の外側で金属遮光層１４と重なるように、黒色染料含有の接着層１５を形成する。具体的には、アクリル系の紫外線硬化性樹脂及びエポキシ系の熱硬化性樹脂を主成分とし、ゼオライト等の透水性材料とカーボン粒子等の黒色染料を含混合した材料を、周辺回路部３の上面に均一に塗布した後、既知のフォトリソグラフィー技術を用いて接着層１５を形成する。続いて、接着層１５の上に透明蓋部５を載置し接着させる。

続いて、図５に示すように、公知のモールド樹脂金型封入技術を用いて、透明蓋部５の端面、コンタクトパッド１１およびワイヤ１２を含む基板６上を黒色樹脂１０によって封入成型する。これにより、図１（ａ）に示すように、固体撮像装置１の黒基準画素領域７ｂの上方に金属遮光層１４が設けられ、金属遮光層１４と接着層１５とが重なるように構成される。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、可視光の遮光の改善が必要な固体撮像装置に好適に適用できる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図であり、（ｂ）は、当該固体撮像装置の部分拡大図である。本発明の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図であり、画素領域、金属配線層および周辺回路部を形成した状態を示している。本発明の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図であり、図２に示す構成に、光学機能層を形成した状態を示している。本発明の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図であり、図３に示す構成に、接着層および透明蓋部を形成した状態を示している。本発明の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図であり、図４に示す構成に、黒色樹脂をモールドした状態を示している。従来の固体撮像装置を示す断面図である。従来の他の固体撮像装置を示す断面図である。

符号の説明

１固体撮像装置
４固体撮像素子
５透明蓋部（透明部材）
６基板
７画素領域
７ａ有効画素領域
７ｂ黒基準画素領域
９マイクロレンズ
１０黒色樹脂
１４金属遮光層（遮光層）
１５接着層
１６金属配線層

Claims

撮像に用いられる有効画素領域と黒基準画素領域とから構成される画素領域と、前記有効画素領域の上方に形成されたマイクロレンズとを備える固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の周囲に形成された周辺回路部と、
前記マイクロレンズおよび前記周辺回路部の上方に形成され、前記固体撮像素子および前記周辺回路部の一部を覆う透明部材と、
前記透明部材の端面および前記周辺回路部を覆うように形成された黒色樹脂とを備える固体撮像装置において、
前記黒基準画素領域の上方に遮光層が設けられ、
前記周辺回路部の上面と前記透明部材との間に、前記透明部材と前記周辺回路部の上面とを接着する接着層が設けられ、
前記接着層は遮光性を有し、前記遮光層の上方に位置するとともに、上方から見て、前記黒基準画素領域とは重ならず、前記遮光層の一部と重なるように設けられたことを特徴とする固体撮像装置。
前記遮光層が金属で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記金属は、チタン、窒化チタン、アルミニウム、タンタル、タングステンおよび銅からなる群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記遮光層は、前記画素領域と前記マイクロレンズとの間に形成される金属配線層の少なくとも１層であることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
前記接着層は、可視光を遮断する粒子を含んでいることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記粒子は、黒色顔料、黒色染料またはカーボン粒子であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
前記黒色樹脂は、黒色染料またはカーボン粒子を含有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像素子の周辺領域の表面には、Ｓｉ_ｘＯ_ｙ、Ｓｉ_ｘＮ_ｙまたはＳｉ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ（ｘ、ｙ、ｚはいずれも自然数）を材料とする絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
基板上に光電変換素子を配列することにより、有効画素領域と黒基準画素領域とから構成される画素領域を形成する工程と、
前記画素領域上に遮光層を含む金属配線層を形成する工程と、
前記画素領域および前記金属配線層の周囲に周辺回路部を形成する工程と、
前記金属配線層上にマイクロレンズを形成する工程と、
前記周辺回路部の上面上に接着層を形成する工程と、
前記マイクロレンズを覆うように、前記接着層上に透明部材を載置する工程と、
前記透明部材の端面および前記周辺回路部を覆うように黒色樹脂を形成する工程とを備え、
前記遮光層は、前記黒基準画素領域の上方に位置し、
前記接着層は遮光性を有し、前記遮光層の上方に位置するとともに、上方から見て、前記黒基準画素領域とは重ならず、前記遮光層の一部と重なるように設けられたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
前記遮光層が金属で形成されていることを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記金属は、チタン、窒化チタン、アルミニウム、タンタル、タングステンおよび銅からなる群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記接着層は、可視光を遮断する粒子を含んでいることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記粒子は、黒色顔料、黒色染料またはカーボン粒子であることを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記黒色樹脂は、黒色染料またはカーボン粒子を含有していることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記周辺回路部の表面には、Ｓｉ_ｘＯ_ｙ、Ｓｉ_ｘＮ_ｙまたはＳｉ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ（ｘ、ｙ、ｚはいずれも自然数）を材料とする絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。