JP5392458B2 - 半導体イメージセンサ - Google Patents

Description

本発明は、低背化された薄型の半導体イメージセンサに関するものである。

半導体技術を活用したイメージセンサは半導体技術の進歩を背景として多画素化・小型化が進み、多くの画像入力装置に広範に搭載されるようになった。中でも、デジタルカメラや携帯電話では、画像記録やスキャナとしての応用が広がり、イメージセンサの更なる多画素化・低背化を含む小型化、ひいては低価格化が強く要求されるに至っている。現在実用化されている半導体イメージセンサは、ＣＭＯＳ型、ＣＣＤ型が主流であり、チップ分離、ワイヤボンディング、パッケージ封入といった周知の半導体技術で組立てられている。当該イメージセンサでは、Ｓｉ半導体基板の第１主面に光感光性領域と信号読出し領域、信号処理／駆動領域などが集積化され、第１主面側から外部回路へ電気接続するワイヤボンディングが設けられている。

据置き型の画像入力装置では、装置が要求する解像度特性を満足する画素数を有する当該構造の半導体イメージセンサを搭載すれば実用的な装置を実現することが可能であった。しかし、携帯電話に代表される可搬型機器では、半導体イメージセンサへの小型化要求が強く、従来の当該構造では対処しきれなかった。特に、センサの厚みを小さくすること、すなわち、低背化や、パッケージの大きさをチップサイズに可能な限り近づけることなどが課題となっていた。

このような課題を解決するために、下記引用特許文献１では、貫通電極を採用してイメージセンサ裏面側から配線を取り出すことが提案されている。この構成によれば、従来困難であったイメージセンサの低背化や小型化が可能となる。

図１８は、貫通電極を用い、カラーイメージセンサとして構成された半導体イメージセンサの構造を示している。同図において、１は周知の半導体工程で製造されたセンサ部分で、Ｓｉなどからなる半導体基板２、この半導体基板の第１主面（表面）近傍に設けられた感光素子である複数のフォトダイオード３、色分離のためのフィルタ４や集光効果を高めるマイクロレンズ５などから構成されている。６は表面保護機能を有するカバーガラスであり、接着層７により１と結合されている。フォトダイオードからの信号読出しのための配線層には外部回路への接続用としてのパッド領域８が含まれている。パッド領域８への電気的接続は半導体基板２の第２主面（裏面）側から貫通穴が形成され、そこに導電材料を充填して形成された貫通電極９と、ボールグリッドアレイ状の接続端子群１０により第２主面側で実現されている。ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）構造とも呼ばれているこのような構造を採用することにより、従来多用されてきたボンディングワイヤによる半導体基板２の第１主面側からの接続手段と比較して、イメージセンサ面積と大略等しい面積で実装可能であり、高さも低くできる利点がある。かかる利点はイメージセンサの応用機器である携帯電話やカメラなどの小型化、薄型化に大きく寄与できる。
特開２００７−６７０１７号公報

しかしながら、より一層の低背化を追求する場合には、図１８に例示した構造では限界が生じている。この限界要因については以下に詳述する。

図１９は図１８に示した半導体イメージセンサの画素部分を拡大表示した図であり、図１８と同一番号は同一構成要素を示している。同図の２０は入射光線の一例である。カバーガラス６を通過した２０はマイクロレンズ５により効果的に集光され、カラーフィルタで色分離されてから、フォトダイオード３へ入射する。フォトダイオードでは光電変換されるが、全ての入射光エネルギが光電変換に寄与するのではなく、一部のエネルギはフォトダイオード３を通過して、基板２の深遠部で光電変換される。しかし、深遠部でも光電変換されなかったエネルギは半導体基板２の外部へ流出してしまう。半導体基板での光吸収率、すなわち、光電変換される入射光エネルギの率には入射光の波長依存性があることが知られている。この依存性は、長波長（赤色）になるほど吸収率が低く、フォトダイオードおよび半導体基板内で光電変換されるエネルギ量が少ないことが知られている。このため、半導体基板２の厚さを薄くしていくと、赤色光に対する光電変換の効率が下がり、赤感度の低下をもたらす。すなわち、図１９で示したセンサ部分の厚さ２１には下限が存在することになり、低背化の限界要因となる。

図２０は図１８に示した半導体イメージセンサの端部のみを表示した図であり、図１８と同じ番号は同一構成要素を示している。同図において、３０は電気的接続手段を構成しているボールグリッドアレイの１つである。ボールグリッドは半導体分野で多用される構成要素であり、その大きさは配列密度、接続数、製造方法などで決定される。一般には数１００μｍから数１０μｍの大きさであるため、同図の３１で示した厚さ（高さ）もこの数値相当である。半導体分野での高密度化の趨勢は顕著であり、このボールグリッドの大きさを小さくすることへの努力もあるが、数μｍもの極小サイズを実現することは、許容電流、信頼性などの面から限界がある。すなわち、半導体イメージセンサを低背化しようとしても、電気的接続手段の部分で３１の下限が生じてしまい、低背化の限界要因となる。

図１９と図２０で概説したように、低背化は、（１）画素部分での赤色感度の低下、（２）電気的接続手段での大きさ（厚さ）の２つの要因で制限されてしまうことになる。

一方、半導体イメージセンサでは動作温度の上昇が再生画像の画質を劣化させるという好ましくない特性がある。これは、動作温度の上昇により暗電流と呼ばれる擬似的な信号が増大して光電変換信号に重畳されるからである。この暗電流は被写体の明るさとは無関係に発生する擬似的な信号成分であり、被写体の照度が低いと、ざらざらとした感じの再生画像となることが知られている。このため、半導体イメージセンサでは動作温度の上昇を抑えることも重要である。さらに、天体観測用の半導体イメージセンサなどでは極度に暗い被写体を撮像する必要があるので、動作周波数を低く設定し、さらに、半導体イメージセンサを低温度に冷却することも行われている。このように半導体イメージセンサを冷却する場合には、図１８に示したような構造では、半導体基板を直接冷却することが困難である。具体的には、ボールグリッド１０と、半導体基板２とボールグリッド１０の中間に位置する電気的な絶縁層（図１８では省略されている）を介して、半導体基板２を冷却することになる。このため、冷却効率が低くなるという欠点があった。この欠点を回避するためには、半導体基板２を直接冷却するような構造の開発が課題となっていた。

半導体イメージセンサの応用分野は多岐にわたっているが、携帯電話への応用は代表例である。携帯電話では、限られた空間に多くの機能を盛り込むことが要求されており、半導体イメージセンサの低背化はスペース確保という観点からも大きなニーズとなっている。しかし、撮像機能という観点からは、撮像レンズでの課題もある。例えば、狭い空間へ低価格のカメラ機能を搭載するには、一般のデジタルカメラで採用されている光学ズーム機能や複群複枚構成のレンズを適用できない。このため、非球面の単焦点プラスチックレンズ１枚で構成することが行われている。しかしながら、このような簡易なレンズ構成では、半導体イメージセンサの感光領域全域にわたって焦点を結ばせることはできず、周辺画像でのボケは避け難いのが現状である。低価格でも良質な再生画像が得られれば、ユーザニーズに合致して大きな市場を確保できる。この解決策の一つとして、当該感光領域を平面ではなく、曲面にして、感光領域全域にわたって焦点を結ばせることができるようなカメラ構成の実現が期待されており、このための半導体イメージセンサの実現が期待されていた。しかしながら、現状の半導体イメージセンサ技術では、センサ自身が固くて曲面に沿って曲げることは不可能であった。

（１）半導体基板の第１主面には感光領域と回路領域と接続領域が配置され、（２）前記第１主面と反対側の第２主面には前記半導体基板外部と電気接続する接続端子を配置する領域があり、（３）前記接続領域は、前記第１主面と前記第２主面とを電気接続する貫通電極と、前記貫通電極と前記回路領域とを電気接続するパッド領域とを含み、（４）前記貫通電極を介して、前記回路領域と前記接続端子を電気接続し、前記回路領域と前記半導体基板外部との間で信号を授受する電気的接続手段を有する半導体イメージセンサにおいて、前記第２主面側からのエッチングを含む薄膜化工程により形成された第１の平坦な溝を、前記接続端子を配置する領域とする。（５）或は、前記接続領域に接続端子を配置することもできる。

なお、前記第２主面側から加工して前記接続端子を配置する領域を薄く形成するには周知の技術が適用される。例えば、異方性エッチング液などを用いた湿式エッチング、反応性イオンエッチングなどの乾式エッチングなどがあるが、これらに限らない。

なお、第２主面での前記「接続端子を配置する領域」は第１主面での前記「接続領域」に大略相対した位置で、それらの領域の大きさも大略等しいことが多い。

（１）半導体基板の第１主面には感光領域と回路領域と接続領域が配置され、（２）前記第１主面に配置された絶縁層には、前記半導体基板外部と前記感光領域と前記回路領域と前記接続領域の貫通電極を介して電気接続するパッド領域が内包されており、（３）前記第１主面と反対側の第２主面側からの前記エッチングを含む薄膜化工程により該絶縁層まで到達した第２の平坦な溝に、前記貫通電極と電気接続する接続端子を配置する領域を設けて、（４）該接続端子配置領域部に接続端子を配置し電気接続することもできる。

なお、前段落に記載した解決手段において、該接続端子を配置する領域から前記半導体基板が除去された結果、該領域での構造例は、第１主面側から
絶縁層 → 電極パッドと貫通電極 → ランドと接続端子
となる。さらに、前記感光領域と前記回路領域での構造例は、第１主面側から
マイクロレンズ → 絶縁層 → カラーフィルタ
→ 配線層を含む絶縁層 → フォトダイオード → 半導体基板
となる。
以上のように、前記接続領域の貫通電極が存在する前記半導体基板が除去された後の接続領域の構造例は次の１）から９）の接続順で概略構成化されて前記半導体基板の第１主面には感光領域と回路領域と接続領域が電気的に接続されて前記半導体基板外部と電気的接続が得られる。
１）前記半導体基板第１主面上の前記フォトダイオードが形成されている、２）前記半導体基板第１主面上の絶縁層には前記配線層が含まれ、３）前記配線層の一部である前記電極パッドが前記絶縁層に内包され、４）前記半導体基板部分の貫通電極は全部取り去られても、５）前記絶縁層に内包の前記電極パッドと繋がっている前記絶縁層部の前記貫通電極の一部が前記絶縁層に存在し、６）前記電極パッドと前記貫通電極がつながって電気的接続が得られ、７）従って、前記貫通電極は前記絶縁層に内包されて形成されており、８）前記電極パッドとは異なる方向で前記貫通電極は、前記接続領域の前記ランドと電気的接続し、９）前記ランドと前記接続端子が接続している。このような接続順で、前記回路領域の信号を前記半導体基板外部へ導く前記電気的接続手段が構造化されている。

前記感光領域及び前記回路領域に相対する第２主面側の領域のうち、前記接続端子を配置する領域に属する部分を除いた領域の表面が、前記半導体イメージセンサを実装する基板表面に接触するようにすることが好ましい。

以上述べた半導体イメージセンサを実装する基板表面の湾曲した構造に合わせて、この半導体イメージセンサを湾曲して実装することが好ましい。

本発明によれば、従来の構成で低背化を妨げていた２つの限界要因、すなわち、（１）画素部分での赤色感度低下、（２）電気的接続手段での大きさ（厚さ）の２要因を容易に排除でき、低背化された半導体イメージセンサが構成できる。

前記感光領域と前記回路領域にある前記半導体基板の前記第２主面を、前記半導体イメージセンサが実装される基板表面に接触させることができるため、半導体イメージセンサの特性劣化を引き起こす動作温度の上昇を防止できる。

前記接続端子を配置する領域を構成する前記半導体基板を完全に除去することにより、貫通電極が絶縁層に直接接しているため、一層の低背化が達成される。

低背化された前記半導体イメージセンサを歪曲した表面に沿って実装できるため、前記半導体イメージセンサを搭載したカメラの撮像特性を、撮像レンズの複雑化なしに改善できる。

本発明では、半導体イメージセンサの低背化、小型化を実現するという目的を、そのイメージセンサを構成する半導体基板の厚さを部分的に変化させることにより達成していることに主要な特徴がある。以下、本発明を具体的なイメージセンサ形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

＜第１のイメージセンサ形態＞
図１は本発明をカラーイメージセンサに適用した図であり、図１８と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、４０は感光領域と回路領域を示し、４１は接続領域を示している。本明細書においては、
感光領域：感光素子であるフォトダイオード３、スイッチトランジスタ（明示せず）、
カラーフィルタ４、および、マイクロレンズ５などから成る画素が複数個配置されている領域。
回路領域：駆動パルス発生回路、バイアス供給回路、信号処理回路といった半導体イメージセンサの動作に関わる回路系が集積化された回路領域。
また、この領域には、半導体イメージセンサが搭載された応用機器内の回路系と信号を授受して当該半導体イメージセンサを制御する回路系が含まれることもある。
接続領域：半導体イメージセンサからの信号を外部へ供給したり、外部からの信号を受け取る電気的接続手段などが配置された領域。
端子を配置する領域：前記電気的接続手段を構成する接続端子（例えばボールグリッド）を配置する領域。当該領域に前記電気的接続手段を構成する貫通電極が配置されていることが多いとされている。
図１において、接続端子を配置する領域４１ａでの半導体基板４３（厚さは「第１の厚さ」である）は、感光領域および回路領域４０での半導体基板４２（厚さは「第２の厚さ」である）よりも厚さが小さく、さらに、領域４１ａは、感光領域および回路領域が配置された第１主面と反対側の第２主面側からの薄膜化工程（詳細は後述）で厚さが小さくなるように加工されている。
この厚さの差についての格段の制限はないが、半導体基板４２の厚さは半導体イメージセンサの光感度が著しく減少しない程度であり、半導体基板４３の厚さはボールグリッド１０の最も低い部分が４２の下面（第２主面）とほぼ等しい位置になるように設定されるのが良いが、この限りではない。
例えば、前記イメージセンサをプリント基板などへ実装する際、ボールグリッド１０は溶解して高さが減少しながら前記プリント基板との電気的接続が実現されるが、この状態で４２の下面が前記プリント基板と接触するように、半導体基板４２と半導体基板４３の厚さの差が設定されるのが良い。
このような設定により、従来課題となっていた低背化の下限要因が２つとも解決されることになる。

図１の構成は、貫通電極を用いた従来の半導体イメージセンサと同様に、センサ部１が周知の半導体技術で作成されてから、カバーガラスを積層し、半導体基板を２段階で薄膜化することにより実現される。一般に貫通電極を用いたイメージセンサでは、貫通穴の加工容易性のために、裏面研磨（Ｂａｃｋ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ）と呼ばれる工程で半導体基板を薄膜化している。このイメージセンサ形態では、第１の薄膜化工程で半導体基板４２の厚さまで薄膜化され、引き続いて第２の薄膜化工程で領域４１ａのみが半導体基板４３の厚さまで部分的に薄膜化される。

図１の構成において、マイクロレンズ５の最頂部とカバーガラス６の下面とは接触している。この接触は次項の製造法欄で詳述するように、本発明の具現化にとっては重要な設計要項となっている。なお、この設計要項の詳細については、本発明と同一出願人から出願された特許〔特願２００８−１４６９７９〕に記載されている。

＜第１の薄膜化工程の詳細＞
図２と図３は半導体イメージセンサにおける製造法を比較説明するための図であり、前記した第１の薄膜化工程を示している。図２はマイクロレンズ５の最頂部がカバーガラス６と離れて位置するような場合であり、図３はマイクロレンズ５の最頂部がカバーガラス下面に接触している場合である。これらの図には図１の構造体が一列に４個並んだ状態が示されており、一点鎖線５０がそれぞれの構造体の境界である。なお、図１と同一番号は同一構成要素を示している。図２（ａ）において、半導体基板５１の当初の厚さは半導体プロセスで使用するウェーハ直径に依存するが、大略数１００μｍである。同図（ｂ）では、基板５１は薄膜化され、厚さが薄い基板５２へと加工される。この薄膜化工程では、５１の第２主面（裏面）から力を印加すると同時に機械的、化学的に裏面表面が除去されていく。この技術においては、樹脂などからなる平板でカバーガラス６の表面を保護すると同時にウェーハ全体の強度を保持することが行われるが、同図では省略されている。この薄膜化工程で、大略１００μｍ程度あるいはそれ以下の厚さまで基板５１が加工される。しかしながら、基板の厚さが薄くなるにつれ、マイクロレンズやカラーフィルタなどが配列されているイメージセンサの主要領域が、カバーガラス側へ押し込まれる現象が発生し、基板の厚さが数１０μｍ程度になると顕著となる。この現象は、カバーガラス６とセンサ部分１との間に空間が存在することに起因している。薄膜化工程が終了すると、５１へ印加されていた力が除去されるので、イメージセンサの主要領域とカバーガラス間の距離は裏面研磨工程以前の距離まで復帰する。この結果、同図（ｂ）に示すように、５２の第２主面側は平坦ではなく、その主要領域が凸状態になる。すなわち、５２の第２主面側には凹凸が発生し、本来平坦であるべき状態が維持されなくなり、以後の組立工程で不都合が多々発生する。かかる不都合の一例としては、前記した貫通穴および導電材料の表面が平面でないため、外部回路との接続手段であるボールグリッドアレイ状の接続端子群の表面が平面とならず、接続不良の発生や接続信頼性の低下などが挙げられる。さらに、これらの不都合がない場合においても、組立工程で５２の第２主面側から突発的に印加された力により半導体イメージセンサが破壊される危険性も増大する。これらの危険性を低減するために、５２の第２主面側にガラスなどからなる補強平板を貼り付けることも考えられるが、低背化を阻害するとともに、貫通穴形成の加工などが複雑となりコスト面からも不利となる。

さらに、前述の主要部分がカバーガラス側へ押し込まれる現象においては、この押し込まれる移動量は、時々刻々薄くなる半導体基板の厚さや接着層７の材質と幾何学的な寸法などに依存しており、その移動量を一義的に決定する機械的構造がない。このため、第２主面側の当該凹凸の状態は再現性に乏しく、ウェーハ間あるいはロット間で変動することになる。

一方、図３では、第１の薄膜化工程で基板の厚さが薄くなっても、マイクロレンズやカラーフィルタなどが配列されているイメージセンサの主要領域が、カバーガラス側へ押し込まれる現象が発生しない。これは、マイクロレンズ６３の最頂部がカバーガラス６の下面と接触していて、センサの主要領域が上側へ変形することを阻止しているからである。この結果、当初の厚い基板６１を薄膜化して薄い基板６２へと加工しても、基板６２の第２主面側の平坦性は維持されている。

図３で示したように、この第１のイメージセンサ形態では、マイクロレンズとカバーガラスとの接触が重要な設計要項となっており、半導体基板６２の厚さが数１０μｍ以下になっても第１の薄膜化工程を実施できることになる。

＜第２の薄膜化工程の詳細＞
図４は図１の半導体イメージセンサ構成を作成するための第２の薄膜化工程を示す図である。同図では図１の構造体が２個並んだ状態が示されており、一点鎖線７０がそれぞれの構造体の境界である。なお、図１と同一番号は同一構成要素を示している。図４（ａ）は図３で示した第１の薄膜化工程が終了した状態を示しており、説明の便宜上表裏が反転した状態で描かれている。同図（ａ）の上側の面（第２主面であり、イメージセンサの裏面に相当）にはマスク層７１が全面にわたって形成される。同図（ｂ）では、７１の上にフォトレジスト技術で作成されたマスクパターン７２が形成される。このパターンは領域４１ａ以外の部分を覆っており、領域４１ａの部分は開口となっている。なお厳密に記するならば当該開口は、前記した「接続端子を配置する領域」（４１ａ）に相当しているが、後述するエッチングにより必ずしも４１ａと同じ大きさとは限らない。同図（ｃ）では、フォトレジストによるパターン７２をマスクとしてマスク層７１が選択的にエッチング除去され、開口７３が形成される。同図（ｄ）では異方性エッチングと呼ばれる手法により基板６２の一部がエッチングされ溝７４が形成される。最後にマスク層７１が全て除去される。このような第２の薄膜化工程により、領域４０には厚い半導体基板４２が残り、そして、溝７４（領域４１ａに対応）には薄い半導体基板４３が形成される。なお、プロセスの最終段階では、ウェーハから「それぞれの構造体」（チップ）が分離され個々のイメージセンサになる。この形態では、「溝７４」はチップ周辺に形成された「平坦な溝」となっている。

＜第２の薄膜化工程における湿式エッチング＞
前項で記載した異方性エッチングには多くのエッチング液が利用される。例えば、ＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ヒドラジン、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）などがある。いずれのエッチング液もＳｉの＜１１１＞結晶面でのエッチング速度が極度に遅いことを利用している。このため、図４（ｄ）で例示した溝７４は、溝の側面に＜１１１＞結晶面が露出した段階で横方向のエッチングが実質終了することになる。もし、半導体基板６２の主面が＜１００＞結晶面であると仮定するならば、この側面の成す角度は６０．８度となる。同図（ｄ）の状態では、厚い半導体基板４２は四角推台の形状を有することになる。エッチング液の選定に際しては、エッチング速度を考慮することは製造技術面から必要であるが、マスク材質との関連も重要な選定要因となる。特定のエッチング液には特定のマスク材質が必要である。例えば、ＥＤＰに対しては窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）が、ヒドラジンやＴＭＡに対しては酸化シリコン（ＳｉＯ２）が選定されなければならない。また、溝７４の底部に、＜１１１＞結晶面で４面が構成されるマイクロピラミッドが発生すると、後述する貫通電極作成工程で不具合を発生させるので、このマイクロピラミッドが発生しないエッチング液とエッチング条件を設定することも必要である。

前項では第２の薄膜化工程で利用される湿式エッチングについて概説したが、周知の他のエッチング手法も適用できる。例えば、湿式の等方性エッチングや乾式の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などがある。湿式の等方性エッチングでは、溝７４の側壁が一定角度を持った平面とはならずに、丸みを帯びた形状になるが、溝７４の深さが浅いような場合などでは採用できる。

＜電気的接続手段の形成法＞
図５は図４で概説した第２の薄膜化工程後に行われる電気的接続手段の形成法を示す図である。同図は図４での境界７０を中心とした部分が拡大表示されている。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図（ａ）において、８０はセンサ部の第２主面（図では上側の面）に設けられパターニングされたマスク層である。このマスク層の開口から、薄い半導体基板４３と絶縁層とがエッチングされ、パッド領域８にいたる貫通穴８２が開けられる。この貫通穴の形状は縦方向に深さが大きいため、その形成には乾式エッチングである異方性ＲＩＥが利用されるが、この限りではない。また、貫通穴は縦方向に断面積が大きく変化しない円筒状が好ましい。同図（ｂ）では、８４に示す絶縁層が全面に設けられる。この時、貫通穴の側壁部にも絶縁層が形成されなければならない。また、貫通穴の底部にもこの絶縁層が付着するので、ＲＩＥなどで底部の絶縁層を除去する必要もある。同図（ｃ）では、貫通穴に導電材料が充填され、さらに、貫通穴の表面にも一定の面積を有するランド８５が形成される。この充填とランド形成は必ずしも１つの工程で実現するとは限らず、複数の工程を組み合わせることもある。たとえば、第１段階では蒸着などにより薄い導電膜が形成され、次に、電気めっきや電鋳で厚い導電膜が形成されて貫通穴が充填されても良い。同図（ｄ）ではボールグリッド８６がランド８５上に形成され、電気的接続手段の形成が完了する。その後、境界７０に沿って、各イメージセンサをチップに分離して製造工程を終了する。

なお、貫通穴への導電材料の充填に関しては、穴が完全に充填されている必要はない。この導電材料はパッド領域８とランド８５とを電気的に接続していれば良いので、貫通穴の一部にのみ導電材料が充填され、残りの一部が空隙であったり、あるいは他の材料などで充填されていても構わない。本明細書では便宜上「充填」という語を用いているに過ぎず、「完全なる充填」という意味には限定されない。

ボールグリッド８６の形成には各種の手法が利用される。例えば、予め球状に加工された金属塊をランド上に仮接着し、高温雰囲気で溶解、再凝固させても良い。この手法では、８６の大きさには下限があり、サイズが数１０μｍのような微小グリッドの形成は困難である。一方、ボールグリッドの材料となる金属層を部分的に付着させ、溶解、再凝固させても良い。この手法では１００μｍ以下の極小なボールグリッドも形成できる利点がある。

＜接続領域４１、回路領域および感光領域４０、接続端子を配置する領域４１ａと半導体基板の厚さの関係＞
図６は前述した接続領域、回路領域、感光領域、接続端子を配置する領域と、それぞれの領域での半導体基板の厚さの関係を示す図である。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図（ａ）は接続端子を配置する領域４１ａでの半導体基板４３の厚さが、当該領域を含まない領域での半導体基板４２の厚さよりも小さい場合が示されている。なお、この図６（ａ）は図１に対応している。一方、同図（ｂ）では、接続端子を配置する領域４１ｂが接続領域４１よりも小さい構成例が示されている。さらに、同図（ｃ）では、接続端子を配置する領域４１ｃが、回路領域と感光領域４０の一部まで広がっている構成例が示されている。図６で示したように、前記半導体イメージセンサを構成する接続端子を配置する領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃは接続領域４１と厳密に対応している必要はない。

＜半導体イメージセンサの外観（底面）図＞
図７はチップ分離が完了した半導体イメージセンサを底面側から見た外観図である。同図において、９０は半導体イメージセンサのチップ、９２は厚さが大きい領域、９３は厚さが小さい領域を示している。領域９３には１０で代表される複数のボールグリッドが配列され、「接続端子を配置する領域」となっている。この第１のイメージセンサ形態では、半導体基板の厚さが薄い領域にのみボールグリッドを配列しなければならないので、同図では２列の配列として例示されている。半導体イメージセンサの電気的接続手段の端子数は、一般の論理ＩＣや中央演算処理ＩＣ（ＣＰＵ）とは異なり、端子数が比較的少ないので、このような構成でも配列に必要な面積を十分に確保できる。当然のことであるが、この配列はチップの４辺周辺に均等に配列する必要はなく、端子数やイメージセンサの搭載形態に応じて適宜決定できる。

＜半導体イメージセンサの実装形態＞
図８は図１に示した第１のイメージセンサ形態を実装した構造を示す図である。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、１００はプリント基板などの実装基板、１０１は１００の上に配列された配線パターンであり、ボールグリッド１０を介して半導体イメージセンサの信号を伝播している。１０２は１０１と類似した配線パターンで、領域９２と大略等しい面積と形状を有している金属膜で構成されている。同図では、基板厚が大きい領域４２の底部がこの１０２に接触している状況が示されている。イメージセンサの電気的実装だけに限るならば、この接触は必ずしも必要ではない。しかしながら、イメージセンサの温度上昇に伴う特性劣化を防ぐため、この接触面を通してイメージセンサの発熱を基板側へ逃がすことができるので、同図は好ましい実装形態例であると言える。なお、特性劣化の例としては、暗電流の増加、ダイナミックレンジの減少など、特に暗い被写体に対して再生画質が劣化することが知られている。

図８に示した構成では、ボールグリッド１０の溶解、再凝固により配線パターン１０１との電気的接続が実現される。この再凝固で基板４２がパターン１０２へ強く押し付けられることが望ましい。このためには、再凝固後のボールグリッド１０の大きさ（厚さ）と、半導体基板４２と半導体基板４３との厚さの差（段差）が適宜選択、設定されることが望ましい。放熱効果だけを考えると、基板４２とパターン１０２とは金属相として両者が結合していることが望ましいが、これに限らない。また、基板４２とパターン１０２とが単に接触している場合には、放熱効果を向上させるため、シリコーングリースなどの熱伝導体を両者の間に挟みこみ、空気層を無くすことが好ましい。この場合は、シリコン基板４２→シリコーングリース→パターン１０２→プリント基板１００の経路で放熱されることになる。

以上の概説により、図１から図８で示した第１のイメージセンサ形態が、従来の構成で低背化を妨げていた２つの限界要因を同時に排除でき、一層の低背化が達成できることが明らかとなった。

＜第２のイメージセンサ形態＞
図９は本発明を適用した第２の形態であり、図１および図８と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、１１０は、厚い基板４２の第２主面側で、感光領域の各画素毎に設けられた反射層である。この反射層は図５に概説した製造工程中、あるいは工程後に周知の技術で形成される。例えば、金属蒸着膜などから構成されている。同図では入射光１１１はマイクロレンズ５で効果的に集光され、カラーフィルタ４で色分離されてから、フォトダイオード３に到達するが、一部の入射エネルギは３を通過して反射層１１０まで達する。しかし、入射光１１１は１１０で反射され、再度フォトダイオード３に到達して光電変換に寄与できる。この第２のイメージセンサ形態は、基板４２の厚さが極度に小さくなったときに特に有効である。この形態を採用することにより、課題で提起した光感度の低下を多大に防止できる利点がある。

図９の反射層１１０は各画素毎に配置されているが、必ずしもこの構成法に限らない。例えば、反射層の面積が前述した領域４０の面積と大略等しく、１つの大きなパターンを形成していても良い。光の反射は鏡面反射に近い状態となるので、特定の画素直下の大面積反射層で反射しても、隣接画素のフォトダイオードへ混入する可能性は低い。また、このような感光領域全面にわたって1つの大きな反射層を形成した構成を、図８で例示した実装形態に適用させた場合には、半導体基板４２とパターン１０２とを金属同士で接触させることができる。すなわち、シリコン基板４２→反射層１１０→シリコーングリース（必要に応じて塗布）→パターン１０２→プリント基板１００の経路で放熱されることになる。

＜第３のイメージセンサ形態＞
図１０は本発明を適用した第３の形態であり、画素部分が拡大表示されている。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、１２０は感光領域の各画素毎に設けられた反射層である。図９との相違点は、１２０が鏡面ではなく、反射光が拡散されることである。１２１で示した入射光はマイクロレンズ５とカラーフィルタ４を通過してからフォトダイオード３に入射する。一部のエネルギは３で吸収しきれず、基板４２まで到達し、１２０で反射される。この反射は鏡面反射ではないので、反射光は無指向性で全方向に拡散される。この拡散光の一部は再びフォトダイオード３へ入射するため、光電変換に寄与できる。特に、基板４２の厚さが小さく、例えば、画素の配列ピッチ程度あるいはそれ以下であるような場合には、反射光が隣接画素へ混入する可能性は低くなる。この第３のイメージセンサ形態では、反射層の存在による反射光の利用効率が図９の場合よりも悪くなるが、反射層の利点は一部保有されているので、この形態も有効である。なお、１２０の作成方法には各種の方法が適用できる。例えば、反射層１２０を形成するに先立ち、基板４２の第２主面に凹凸を作り、ここに金属蒸着膜を形成する方法がある。なお、第２主面に凹凸を作りこむ場合には、実効的な表面積が大きくなるので、基板４２から下側の空間への放熱効果を高めることもできる。表面凹凸形状により、空気層への放熱効果を増大させる場合には、図８に例示した実装形態で、パターン１０２部分のプリント基板に開口を設け、基板４２の第２主面を下側空間に露出させることが一構成例となる。さらに、図１０では反射層１２０が基板４２に埋没しているかのように描かれているが、４２の表面に付着していても良い。

＜第４のイメージセンサ形態＞
図１１は本発明を適用した第４の形態であり、画素部分が拡大表示されている。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、１３０は感光領域の各画素毎に設けられた凹面反射層である。この１３０は基板４２を下側から曲面状に加工して、金属蒸着膜などから成る反射層を設けることにより作成される。１３１で示した入射光はマイクロレンズ５とカラーフィルタ４を通過してからフォトダイオード３に入射する。一部のエネルギは３で吸収しきれず、基板４２まで到達し、１３０で反射集光されてから、再度フォトダイオード３へ到達する。なお、凹面反射層の形状は必ずしも球状や円弧状である必要はなく、多角形で近似された形状（複数の平面で構成される）であっても良い。図１１の構成は図９と比べて構造が複雑である反面、反射光の利用効率を高めることができる利点がある。

＜第５のイメージセンサ形態＞
図１２は本発明を適用した第５のイメージセンサ形態を示す図であり、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、１３２は基板４２の下側に設けられ、表面に反射膜が形成された凸レンズ状の反射層である。この反射層は半導体イメージセンサの集光用マイクロレンズと同様の手法で形成される。例えば、基板４２の下側にパターニングされた樹脂層を形成してから、高温雰囲気中で処理することにより、凸レンズ形状が作成され、さらに、その表面に蒸着などで金属薄膜が形成される。この金属薄膜は凸レンズ形状の部分だけではなく、基板４２の下側の面全体にわたって形成されていても良い。同図において、１３３で示した入射光はマイクロレンズ５とカラーフィルタ４を通過してからフォトダイオード３に入射する。一部のエネルギは３で吸収しきれず、基板４２まで到達し、１３２で反射集光されてから、再度フォトダイオード３へ到達する。なお、この場合の反射層の形状は必ずしも球状や円弧状である必要はなく、多角形で近似された形状（複数の平面で構成される）であっても良い。図１２の構成では半導体イメージセンサの裏面が平坦でないため、実装する際には、実装基板の一部を切り抜いたり、溝部を形成したりすることもあり得る。あるいは、この裏面を平坦化するために、基板４２の下側の面に周知の表面平坦化層を新たにに付加しても良い。

図９から図１２には、基板の第２主面に反射層を設けた構造が示された。しかしながら、反射層の構成法は例示したものだけではなく、加工が複雑になるがコーナーキューブ構成などがある。

＜第６のイメージセンサ形態＞
図１３は本発明を適用した第６のイメージセンサ形態を示す図であり、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図において１４０は領域４０にある半導体基板である。この形態では、接続端子を配置する領域４１ａには半導体基板は存在せず、電気的接続手段のみが存在している。このような構成は、図４で例示した第２の薄膜化工程で、溝７４の形成時間を長くすることにより、領域４１ａの半導体基板を全て除去してしまうことにより実現される。すなわち、低背化をより一層推し進めた形態である。このような構成においても、図５に例示した貫通穴の形成と導電材料の充填は可能であり、図１３は実現可能な構成と言える。しかしながら、図１３の構成では、半導体基板１４０が電気的にフローティングの状態となり、イメージセンサの動作を不安定にする危険がある。

＜第７のイメージセンサ形態＞
図１４は１４０の電位を固定して安定なイメージセンサ動作を達成するための構成例を示している。図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、１５０は基板１４０の一部に形成された前述した回路領域を構成しているトランジスタである。１５１はトランジスタ１５０の近傍に設けられた基板１４０の電位固定用の電極である。１５３はパッド領域８と同じ配線層に設けられた第２のパッド領域であり、電極１５１とは層間配線１５２で接続されている。１５３は貫通電極を介してボールグリッド１５４に電気的に接続されている。このような構成により、基板１４０はボールグリッド１５４を介して外部から電位の固定が可能となり、イメージセンサの安定動作が可能となる。なお、電位固定用電極１５１は特別に設けなくても、通常の半導体ＩＣでは既に配置されている場合が多いので、これを利用することは可能である。

＜第８のイメージセンサ形態＞
図１５は基板１４０の電位固定の他の構成法を示す図であり、図１４と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、１６０は基板１４０の端部の傾斜部分に設けられ、基板１４０と電気的に接続されている配線層である。配線層１６０はボールグリッド１６１と接続されており、図１４と同様に基板１４０の電位固定が可能となる。

図１３から図１５で示したイメージセンサ形態では、大幅な低背化が可能である。具体的には、基板１４０の厚さを数μｍとし、ボールグリッドの高さを同じ程度にし、さらに、カバーガラスの厚さを１００μｍ以下とし、イメージセンサ全体の厚さを１００μｍ程度とした構成も可能となる。さらに、カバーガラスの材質を樹脂系材料に代替させることにより、イメージセンサに機械的な柔軟性を持たせることも可能となる。また、カバーガラスの材質がガラスである場合においても、その厚さを極度に薄くするとある程度の柔軟性を達成することが可能である。

＜第９のイメージセンサ形態＞
図１６は機械的に柔軟な半導体イメージセンサの構成例を示す図である。同図（ａ）において、１７０は前述したような薄型（低背）の半導体イメージセンサ、１７１は１７０のボールグリッドに接続されたフレキシブルプリント基板などから成る配線手段、１７２はプリント基板である。１７５は撮像レンズであり単玉の場合が示されている。図１６（ａ）の構成例では、イメージセンサ１７０の柔軟性を利用して、曲面形状の治具１７６に沿って１７０が実装されている。この曲面の形状は大略円弧状であり、曲面の全ての位置が撮像レンズの中心から等距離となるように設定されている。すなわち、イメージセンサの中央部までの距離（１７７で表示）と、端部までの距離（１７８で表示）は大略等しい。携帯電話などの小型民生機器では撮像レンズを複群複枚構成にすることは寸法的、価格的に困難であり、非球面のプラスチック単板レンズが採用される場合が多い。このような簡易で安価なレンズでは収差が大きく、イメージセンサの表面が平板状である場合には、中央部分と周辺部分とでは焦点位置が異なることになる。しかし、図１６（ａ）のような曲面に沿った表面を有し、湾曲したイメージセンサでは、全ての感光領域に渡って焦点を結ばせることが可能となる。すなわち、本発明によるイメージセンサ形態では、簡易かつ安価な撮像レンズを用いても良好な画像を得ることができるという大きな利点がある。

図１６（ａ）において、治具１７６の表面形状は必ずしも３次元的な球状であるとは限らない。例えば、同図（ｂ）の１７９で示したような形状、すなわち、円筒に沿って曲げられたような形状にイメージセンサ１７０が実装されていても良い。この構成では、同図（ｂ）内の矢印で示した方向が画像の長手方向になるようにすべきである。同図（ｂ）での構成では、感光領域全域にわたって撮像レンズの焦点を結ばせることはできないが、長手方向には焦点が結ばれるので、一定の良好な画質が得られる。

＜第１０のイメージセンサ形態＞
図１７は本発明を適用した第１０のイメージセンサ形態を示す図であり、図１３と同一番号は同一構成要素を示している。同図は断面構造を概念的に示しているに過ぎず、縦横の縮尺は無視されている。同図において、１８０はプリント基板などの配線基板、１８１は１８０上に形成された配線パターンである。同図の構成は、（１）配線基板１８０上に図１３で示した半導体イメージセンサを搭載、（２）ボールグリッド１０を溶融、再凝固して配線パターン１８１と電気的に接続、（３）センサ部分１の下側とプリント基板１８０との間に樹脂を充填してアンダーフィル層１８２を形成、（４）この樹脂を処理して固化、（５）センサ部分１の表面を保護していたカバーガラスを除去、の手順により形成される。図１７の構成による半導体イメージセンサは、領域４０の半導体基板１４０と、このイメージセンサの内部に配置された配線層やカラーフィルタが埋め込まれた絶縁層１８５と、マイクロレンズ５と、ボールグリッド１０を含む電気的接続手段が主要な構成要素となる。この結果、センサ部分１の厚さが数μｍもの微小厚さで構成でき、究極の低背化事例とも言える。なお、図１７では、半導体基板１４０とプリント基板１８０との間にもアンダーフィル層１８２が存在する場合が示されているが、この限りではない。すなわち、領域４０で、半導体基板１４０がプリント基板１８０に密着、あるいは極度に近接しているような場合には、この部分にアンダーフィル層が形成されないことになるが、このような構成でも構わない。図１７に示した構成では、機械的な強度はアンダーフィル層１８２と配線基板１８０とによって確保されるので、１８２と１８０の材料選定に当たっては、その強度や熱膨張係数といった物性値の十分な検討が重要である。さらに、図１７の構成では、半導体イメージセンサの表面は何ら保護されていないので、実装工程でのゴミ不着などは他の手段で防止されなければならない。また、図１７の構成は、レンズハウジングなど、装置を構成する他の部材と一体化され、全体が気密封止されているような形態に組立てられるのが好ましい。

なお、本明細書ではイメージセンサがカバーガラスで覆われる構成が記載されている。本明細書での「カバーガラス」なる用語をより厳密に記述するならば、「特定の光波長域で透明であるような特性を少なくとも備えた平板」となる。すなわち、カバーガラスは、単にイメージセンサを保護するために覆う機能だけではなく、各種の機能を合わせ有する構成もありうる。例えば、デジタルカメラへイメージセンサを応用する場合において、撮像効果に影響を与える近赤外光を光学的に除去する赤外遮断フィルタ機能が挙げられる。なお、白黒撮像用イメージセンサの場合は、見かけ上の光感度を増大させるため、入射光に含まれる近赤外光エネルギも積極的に利用する場合がある。かかる場合においては、カバーガラスは可視光から近赤外光までの波長域に対して透明である必要がある。また、イメージセンサを熱画像検出が目的の赤外撮像装置へ応用する場合において、撮像効果に影響を与える可視光を除去する赤外フィルタが挙げられる。これらの応用事例では、カバーガラスの表面あるいは裏面にこれらのフィルタが作成される。当該フィルタの構成には、金属や誘電体薄膜を多層積層した干渉フィルタを直接カバーガラス面に形成する手法や、多段に積層したプラスチック膜を引き伸ばしてからカバーガラス面に張る手法などがある。また、カバーガラスに付加した機能例としてマイクロレンズの搭載がある。その事例には、カバーガラスの表面あるいは裏面に画素ピッチと等しくマイクロレンズを形成することが挙げられる。かかる構成では、前記したセンサ部分のマイクロレンズが不要になる場合もあり得るし、さらには、半導体イメージセンサ部分のマイクロレンズとカバーガラスのマイクロレンズとが複群複枚（簡単な構成では２群２枚）のレンズ系を形成する場合もあり得る。また、カバーガラスに付加した別の機能例としてカラーフィルタの搭載がある。その事例には、カバーガラスの表面あるいは裏面に画素ピッチと等しくカラーフィルタアレイを形成することが挙げられる。かかる構成では、カバーガラス面に周知の手法でカラーフィルタアレイを直接作成しても良いし、あるいは、カバーガラスとは異なるガラス薄板にカラーフィルタアレイを形成してから当該カバーガラスに貼り付けても良い。本明細書における「カバーガラス」という用語には本項で例記したこれらの機能例が含まれており、前記した実施形態ではこれらの機能が含まれている場合もあり得ることとする。

本明細書ではカバーガラスはセンサ部に接着層７で固定する例が示されている。しかしながら、本発明はこの構成に限らず、より複雑な固定法であっても良い。例えば、過酷な動作環境でも高信頼性が得られるようなハーメチックシールされた固定法でも良い。

なお、本明細書では図１で示したように、標準的な構成と考えられるイメージセンサの構成が記載されている。しかしながら、イメージセンサの構成には多種あり、本発明はこれらの全てに適用できる。一例として挙げるならば、マイクロレンズが搭載されていない構成、画素領域のマイクロレンズが透明でなくカラーフィルタ機能を併せ有する構成、カラーフィルタが搭載されていない白黒撮像用イメージセンサの構成、マイクロレンズとカバーガラスとの間の空間が真空状態になっている構成、感度増大のためのいわゆる裏面照射型イメージセンサの構成、感度増大のために画素毎に増幅機能を持たせたりフォトダイオード自身が増幅機能を有すると言ったいわゆる増幅型イメージセンサの構成、水平垂直レジスタを介して画素からの信号読み出しを実行するＣＣＤ型イメージセンサ、さらには、イメージセンサ自体が積層構造をなしていて各層毎に撮像機能、信号処理機能、メモリ機能、入出力制御機能などが割り当てられているような３次元の構成などがある。かかる複数の構成例に対しても本発明は容易に適用される。

本発明は半導体イメージセンサへの適用以外にも、複数チップを積層化した３次元ＩＣにも適用できる。この分野に適用することにより、積層チップ全体の低背化が達成され、装置の小型化などに大きく寄与できる。

本発明の半導体イメージセンサの構造を示す図である。 （第１のイメージセンサ形態） 第１の薄膜化工程を示す図である。 （マイクロレンズの上方に空間がある場合） 第１の薄膜化工程を示す図である。 （マイクロレンズの上方に空間がない場合） 第２の薄膜化工程を示す図である。 電気的接続手段を形成する工程を示す図である。 接続領域、回路領域、感光領域と半導体基板の厚さの関係を示す図である。 図１の半導体イメージセンサを底面側から見た外観図である。 図１の半導体イメージセンサの実装形態を示す図である。 本発明の半導体イメージセンサの構造を示す図である。 （裏面に反射層がある場合） （第２のイメージセンサ形態） 本発明の画素構造を示す図である。（裏面に拡散反射層がある場合） （第３のイメージセンサ形態） 本発明の画素構造を示す図である。（裏面に凹面反射層がある場合） （第４のイメージセンサ形態） 本発明の画素構造を示す図である。 （裏面に凸レンズ状の反射層がある場合） （第５のイメージセンサ形態） 本発明の半導体イメージセンサの構造を示す図である。 （第６のイメージセンサ形態） 本発明の半導体イメージセンサの構造を示す図である。 （基板電位の固定−１） （第７のイメージセンサ形態） 本発明の半導体イメージセンサの構造を示す図である。 （基板電位の固定−２） （第８のイメージセンサ形態） 本発明の半導体イメージセンサの構成を示す図である。 （柔軟性を利用した実装） （第９のイメージセンサ形態） 本発明の半導体イメージセンサの構成を示す図である。 （実装後にカバーガラスを除去） （第１０のイメージセンサ形態） 貫通電極を採用した従来の半導体イメージセンサの構造を示す図である。 図１８の画素構造を詳細に示す図である。 図１８の端部のみを詳細に示す図である。

１ センサ部分
２、４２、４３、５１、５２、６１、６２、１４０ 半導体基板
３ フォトダイオード
４ カラーフィルタ
５、６３ マイクロレンズ
６ カバーガラス
７ 接着層
８、１５３ パッド領域
９ 貫通電極
１０、３０、８６、１５４、１６１ 接続端子（ボールグリッド）
２０、１１１、１２１、１３１、１３３ 入射光線
２１、３１ 厚さ
４０、９２ 感光領域と回路領域
４１、９３ 接続領域
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ 接続端子を配置する領域
５０、７０ 境界
７１、８０ マスク層
７２ マスクパターン
７３ 開口
７４ 溝
８２ 貫通穴
８４、１８５ 絶縁層
８５ ランド
９０ センサチップ
１００、１７２、１８０ プリント基板
１０１、１０２、１８１ 配線パターン
１１０、１２０、１３０、１３２ 反射層
１５０ トランジスタ
１５１ 電極
１５２ 層間配線
１６０ 配線層
１７０ 半導体イメージセンサ
１７１ 配線手段
１７５ 撮像レンズ
１７６ 治具
１７７、１７８ 距離
１７９ 形状
１８２ アンダーフィル層

Claims (1)

1. 半導体基板の第１主面には感光領域と回路領域と接続領域が配置され、
   前記第１主面と反対側の第２主面には前記半導体基板外部と電気接続する接続端子を配置する領域があり、
   前記接続領域は、前記第１主面と前記第２主面とを電気接続する貫通電極と、前記貫通電極と前記回路領域とを電気接続するパッド領域とを含み、
   前記貫通電極を介して、前記回路領域と前記接続端子を電気接続し、前記回路領域と前記半導体基板外部との間で信号を授受する電気的接続手段を有する半導体イメージセンサにおいて、
   前記第２主面側からの薄膜化により形成された第１の平坦な溝が、前記接続端子を配置する領域となる
   ことを特徴とする半導体イメージセンサ