JP5520646B2 - マイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

マイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子及び撮像装置 Download PDF

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Description

本発明はデジタルカメラなどの撮像装置に搭載する固体撮像素子等に係り、特に、撮像装置に搭載するのに好適な構造を持つ光電変換膜積層型固体撮像素子及びその製造方法に関する。
固体撮像素子は、光の受光面に樹脂製等のマイクロレンズ（トップレンズ）やカラーフィルタ層を設ける関係で、表面が柔らかくなっている。このため、固体撮像素子の受光面表面が傷付かない様に、また、塵埃などが付着しない様に、保護する必要がある。そこで、従来から、特許文献１，２に示されるように、受光面表面にガラス基板の様な透明基板を接着材で貼り付ける様になっている。
しかし、この接着材の材質が問題となる。従来のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子は、入射光の利用効率を高めるために、各受光素子上方にマイクロレンズを設けており、このマイクロレンズの表面に屈折率がマイクロレンズの材質と同程度の接着材を塗ると、マイクロレンズ表面での光の屈折が起きずにマイクロレンズの機能が阻害され、入射光を集光できなくなってしまう。
このため、接着材の透明樹脂として、マイクロレンズの屈折率より低屈折率の材料を選択する必要が生じる。また、接着材は、吸水率の低い材料でないと、信頼性が低下するため、低屈折率でかつ吸水率の低い材料を選択する必要が生じ、材料の選択肢が少なくなり、コストが嵩んでしまうという問題がある。
マイクロレンズ表面全面と透明基板とを接着材で接着せずに、マイクロレンズと透明基板との間に空隙を設け、空気の屈折率を利用してマイクロレンズの集光効率を上げる技術も、特許文献３に記載されている。しかし、空隙を設ける工程が複雑で製造コストを上げる要因になっている。また、空隙を設ける関係で、固体撮像素子の厚さを薄くできないという問題もある。
特開２００３―３１７８２号公報 特開２００８―９２４１７号公報 特開２００４―６８３４号公報
本発明の目的は、マイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子を用いることで、上記の空隙を必要とせず、また、接着材として屈折率に依存しない透明樹脂を選択できるようにした小型，薄型の固体撮像素子及びこの固体撮像素子を搭載した撮像装置を提供することにある。
本発明のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子は、回路基板と、該回路基板の光入射側表面に貼り付けられた半導体基板と、該半導体基板の光入射側上層に積層された光電変換膜と、前記半導体基板の表面部に形成され前記光電変換膜が入射光量に応じて検出した信号電荷量に応じた信号を撮像画像信号として外部に読み出す信号読出手段と、前記光電変換膜の光入射側上層に透明樹脂を接着材として貼り付けられた透明基板と、該透明基板で覆われていない前記半導体基板の周辺部に形成された接続パッドと前記回路基板の接続端子とをワイヤーボンディングされた接続線とを備えるマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子であって、前記半導体基板の側面を含み且つ前記接続線が設けられる空間に光学的に黒色の樹脂が充填され、前記樹脂の前記光入射側表面と前記透明基板の表面とが同一面に形成され、前記樹脂の前記光入射側表面に、該光電変換膜積層型固体撮像素子の受光面に結像する撮影レンズとの位置合わせ用の当接部が設けられることを特徴とする。
本発明の撮像装置は、上記のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子を搭載し、該光電変換膜積層型固体撮像素子の前記樹脂の前記光入射側表面を用いて該光電変換膜積層型固体撮像素子の受光面に結像する撮影レンズを位置合わせしたことを特徴とする。
本発明によれば、マイクロレンズが無いため透明基板と撮像素子チップとの間に空隙を設ける必要がなく、透明接着材として屈折率に依存せずに接着材を選択でき、小型，薄型で量産性が高く信頼性も高い素子構造を持つ固体撮像素子を得ることができ、これを搭載する撮像装置の小型化や信頼性向上も図ることが可能となる。
本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。 図１に示す固体撮像素子の縦断面模式図である。 図２に示す固体撮像素子の製造工程説明図である。 図３のIV―IV線位置の断面模式図である。 良品の撮像素子チップの上に透明ガラス基板を貼り付ける説明図である。 図５の断面模式図である。 図５で透明ガラス基板を貼り付けた半導体ウェハのダイシングの説明図である。 図７でダイシングした後の撮像素子チップ及び透明ガラス基板の断面模式図である。 図８以後の製造工程説明図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラ（撮像装置）の構成図である。このデジタルカメラは２０は、固体撮像素子１００と、固体撮像素子１００の前段に置かれた撮影レンズ２１と、固体撮像素子１００から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２２と、アナログ信号処理部２２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）２３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）２９からの指示によって撮影レンズ２１，Ａ／Ｄ２３，アナログ信号処理部２２，固体撮像素子１００の駆動制御を行う駆動制御部（タイミングジェネレータを含む）２４と、ＣＰＵ２９からの指示によって発光するフラッシュ２５とを備える。
本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ２３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部２７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部２８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）２９と、フレームメモリ等の内部メモリ３０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア３２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３１と、これらを相互に接続するバス４０とを備え、また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を行う操作部３３が接続されている。
図２は、図１に示す固体撮像素子１００の縦断面模式図である。この固体撮像素子１００は、撮像素子チップ１０１と、撮像素子チップ１０１の撮像領域受光面の前面に透明樹脂で貼り付けられた透明ガラス基板１０２と、撮像素子チップ１０１の背面側に貼り付けられた回路基板１０３とを備える。
面積的には、回路基板１０３＞撮像素子チップ１０１＞透明ガラス基板１０２となっており、回路基板１０３の中央部分に撮像素子チップ１０１が貼り付けられ、撮像素子チップ１０１の中央部分の撮像領域に透明ガラス基板１０２が貼り付けられている。撮像素子チップ１０１の周辺部つまり撮像領域の周辺部には接続パッドが形成されており、この接続パッドと回路基板１０３とがワイヤ１０４でボンディングされている。
撮像素子チップ１０１の側面や接続パッドが形成された領域を含みワイヤ１０４が設けられた空間は、光の反射を防止する光学的に黒色の樹脂１０５で埋められており、ワイヤ１０４の保護が図られると同時に、迷光が撮像素子チップ１０１に入らないようにされている。黒樹脂１０５の光入射側の表面は、透明ガラス基板１０２の表面と同一面に形成されており、黒樹脂１０５の側面は、回路基板１０３の側面と同一面に形成され、完全な矩形体に成形されている。完全な矩形体であるため、個々の固体撮像素子１００の取り扱いや工場出荷前の多数個の収納，輸送が容易となる。
斯かる構成の固体撮像素子１００を、図１のデジタルカメラ２０に組み付ける場合、撮影レンズ２１の結像面を、撮像素子チップ１０１の受光面に精度良く位置合わせする必要がある。詳細は後述するように、本実施形態の固体撮像素子１００は、光電変換膜積層型であり、マイクロレンズ非搭載であるため、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサに比較してこの位置合わせが厳しく、位置合わせの精度が出ないと、精細感の乏しい被写体画像しか撮影できなくなってしまう。
この位置合わせは、透明ガラス基板１０２の表面を、撮影レンズ２１側の図示省略の組立体基準面に当接する様に組み付けることで可能となるが、本実施形態の透明ガラス基板１０２は、撮像素子チップ１０１の撮像領域受光面部分しか覆わないため、透明ガラス基板１０２自体を基準面として組み付け作業を行うと、撮像領域への光入射の一部が遮られてしまう。
しかしながら、本実施形態では、透明ガラス基板１０２の周囲に設けた黒樹脂１０５の表面が透明ガラス基板１０２の表面と同一面に形成されているため、黒樹脂１０５の表面を用いて位置合わせを行うことができ、高精度な位置合わせが可能となる。
図３は、撮像素子チップ１０１の製造説明図である。半導体ウェハ１１０に多数の撮像素子チップ１０１が、半導体装置製造技術や製膜技術を用いて形成され、後述するようにして個々の撮像素子チップ１０１がダイシングされることで、個片化される。
個々の撮像素子チップ１０１は、上面視で矩形に形成され、中央部に矩形の撮像領域１１２が形成され、周辺部に、接続パッド１１３が形成される。撮像領域１１２の受光面上に、透明ガラス基板１０２が貼り付けられる。接続パッド１１３には、図２に示されるワイヤ１０４がボンディングされる。
図４は、図３のIV―IV線位置の断面模式図である。撮像素子チップ１０１は、半導体基板１２１に形成される。半導体基板１２１には、各画素対応の信号電荷蓄積部１２２が形成され、更に、ＣＭＯＳ型イメージセンサと同様に、個々の画素対応に図示省略のＭＯＳトランジスタ回路でなる信号読出回路が形成されている。各信号読出回路は、対応する信号電荷蓄積部１２２の蓄積電荷に応じた信号を撮像画像信号として該当の接続パッド１１３を介して外部に読み出す。
半導体基板１２１の上面には絶縁膜１２４が積層されており、その上に、個々の画素対応の画素電極膜１２５が撮像領域内に二次元アレイ状に配列形成されている。画素電極膜１２５は、導電性材料たとえばアルミニウムや酸化インジウム錫（ＩＴＯ）で形成される。
各画素電極膜１２５と、画素対応の信号電荷蓄積部１２２とは、絶縁膜１２４内に立設されたビアプラグ１２６によって電気的に接続される。各ビアプラグ１２６の途中には、個々に分離された金属膜１２７が絶縁層１２４内に埋設されており、金属膜１２７が信号電荷蓄積部１２２の遮光を図る様になっている。
各画素電極膜１２５の上には、撮像領域全体に渡って一枚構成の光電変換膜１３０が積層される。光電変換膜１３０としては、本実施形態では入射光量に応じた電荷を発生させる有機膜が用いられる。有機膜の材料として、例えば、メタロシアニン，フタロシアニン，４Ｈピランが用いられる。有機膜１３０の厚さは、約１．０μｍで形成される。
従って、図１の撮影レンズ２１の結像面が、この約１．０μｍの膜厚の有機膜１３０に合うように、図２で説明した位置合わせを行うと、高精細な被写体画像を撮影することが可能となる。
有機膜１３０の上には、一枚構成のＩＴＯ等の透明な対向電極膜１３１を積層し、その上を透明な保護膜１３２で覆う。カラー画像を撮像する固体撮像素子の場合には、保護膜（あるいは平坦化膜）１３２の上に、例えばベイヤ配列したＲＧＢの３原色のカラーフィルタ層を積層し、その上を更に透明な保護膜で覆う。
対向電極膜１３１は、ビアプラグ１３３で半導体基板１２１の高濃度不純物層１３４に接続され、高濃度不純物層１３４及び図示省略の配線層及び該当の接続パッド１１３を介して外部から所要電圧が対向電極膜１３１に印加される。
斯かる構成の光電変換膜積層型固体撮像素子チップでは、入射光が保護膜１３２，対向電極膜１３１を通して有機膜１３０に入射すると、有機膜１３０内で入射光量に応じた正孔・電子対が発生する。正孔は、対向電極膜１３１に流れ、電子が各画素電極膜１２５を通して信号電荷蓄積部１２２に流れ、信号電荷蓄積部１２２の蓄積電荷量に応じた撮像画像信号が、信号読出回路によって外部に読み出される。
この光電変換膜積層型固体撮像素子チップ１０１では、信号読出回路が下層の半導体基板１２１に設けられるため、上層の受光面の全面で入射光を受光でき、従来のイメージセンサの様にマイクロレンズで個々のフォトダイオードに集光する必要が無い。このため、保護膜１３２の上、又はカラーフィルタを設けた場合にはその上の保護膜の上に、図２に示す透明ガラス基板１０２を貼り付けるときに使用する透明な接着材は、その屈折率を考慮する必要が無く、他の要因たとえば吸水率等を優先して透明樹脂材を選択し、素子の信頼性アップを図ったり、低コストの透明樹脂材を選択することが可能となる。
次に、上述した撮像素子チップ１０１の製造方法について説明する。図３下段に示す様に、半導体ウェハ１１０の上に多数の撮像素子チップを製造した後、図５に示す様に、この半導体ウェハ１１０を支持基板１１５の上に載せ、更に、半導体ウェハ１１０の良品の撮像素子チップの撮像領域上に、個片化した透明ガラス基板１０２を透明樹脂で貼り付ける。この透明ガラス基板１０２は、図６に示す様に、不良品（ＮＧ素子）の上には貼り付けないため、製造中では良品を示すマーキングの意味もある。
次に、図７に示す様にダイシングブレード１１４を用いてダイシングし、個々の撮像素子チップ１０１に個片化する。なお、ダイシングの方法はブレード１１４を用いるものに限るものではなく、他の方法、例えばレーザ光を用いたダイシングでも良い。
個片化した撮像素子チップ１０１の断面を図８に示す。ダイシングした状態では、撮像素子チップ１０１の上に透明樹脂の接着材１１６により透明ガラス基板１０２が貼り付けられた状態となっているだけであり、まだ、図２の回路基板１０３は取り付けられていない。なお、図８に示す接続パッド１１３は、図４の接続パッド１１３上の窪みを金属で埋めた状態で図示しているため、撮像素子チップ１０１の表面より若干盛り上げて図示している。
次に、図９（ａ）に示す様に、個片化する前の回路基板１１８（個片化した後の回路基板が図２の符号１０３）に、良品の撮像素子チップすなわち透明ガラス基板１０２が貼り付けられた撮像素子チップ１０１を、貼り付けて行く。そして、図９（ｂ）に示す様に、個々の撮像素子チップ１０１の接続パッド１１３と回路基板１１８の該当端子とをワイヤ１０４でワイヤーボンドする。
そして、次の図９（ｃ）に示す様に、隣接する撮像素子チップ１０１間，透明ガラス基板１０２間を、黒色の樹脂１０５で埋めて撮像素子チップ１０１を内部に封止する。樹脂１０５は熱収縮するため、収縮後の体積を勘案して、撮像素子チップ１０１間，透明ガラス基板１０２間を埋める樹脂１０５の量を決め、熱収縮した後の状態が透明ガラス基板１０２の表面より若干盛り上がる程度とする。
樹脂１０５は柔らかく、透明ガラス基板１０２は硬い素材なため、両者の中間の研磨材を用いて表面を研磨すれば、透明ガラス基板１０２の表面を傷付けることなく、黒樹脂１０５の表面を透明ガラス基板１０２の表面と面一にすることが可能となる。そして、隣接する撮像素子チップ１０１間をダイシングし個片化することで、図２の固体撮像素子１００が得られる。個片化した固体撮像素子１００は、例えばＣＯＢ（チップオンボード）でデジタルカメラ等に実装することができる。
この様にして製造された固体撮像素子１００は、マイクロレンズ非搭載なため、透明ガラス基板１０２を貼り付ける接着材の材料選択肢が広くなり、製造コストの削減や信頼性向上を図る材質選択が可能となる。透明ガラス基板１０２を貼り付けているため、撮像素子チップ１０１の表面に異物が付着して不良となる虞がなくなり、透明ガラス基板１０２の表面に異物が付着しても、容易に拭き取ることが可能となる。
また、樹脂１０５の表面を用いて高精度な位置合わせを行うことができ、樹脂１０５を光学的に黒色の樹脂としているため迷光が撮像素子チップ１０１内に入り込むことがなくなってノイズの少ない画像を撮像することが可能となる。
更に、樹脂１０５が細いワイヤ１０４を物理的に保護し、隣接ワイヤ間の接触も防止できるため、信頼性が向上し、更にまた、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型等のイメージセンサと比較して全体として厚さが薄くなるため、撮像装置の小型化，薄型化を図ることが可能となり、携帯電話機等の小型の電子機器に搭載するのに好適となる。
以上述べた様に、本実施形態によるマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法は、半導体基板と、該半導体基板の光入射側上層に積層された光電変換膜と、前記半導体基板の表面部に形成され前記光電変換膜が入射光量に応じて検出した信号電荷量に応じた信号を撮像画像信号として外部に読み出す信号読出手段とを備えるマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法であって、前記光電変換膜の光入射側上層に透明樹脂を接着材として透明基板を貼り付けることを特徴とする。
また、実施形態のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法は、前記信号読出手段が形成された半導体ウェハに前記光電変換膜を積層することで複数の撮像素子チップを該半導体ウェハ上に形成し、複数の該撮像素子チップのうち良品チップの上にだけ前記透明基板を透明樹脂で貼り付けることを特徴とする。
また、実施形態のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法は、前記半導体ウェハをダイシングして前記撮像素子チップを個片化した後、前記良品チップだけ個片化する前の前記回路基板の集合板上にダイボンドし、前記個片化された前記半導体基板の周辺部に形成されている接続パッド部と前記回路基板の接続端子とを接続線でワイヤーボンディングし、前記良品チップ間の空間を光学的に黒色の樹脂で充填し、ダイシングして前記良品チップ毎に個片化することを特徴とする。
また、実施形態のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法は、前記樹脂を前記空間に充填した後、該樹脂の表面を前記透明基板の表面と同一面に研磨してから前記良品チップ毎に個片化することを特徴とする。
また、本実施形態のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子は、上記のいずれかの製造方法で作成されることを特徴とする。
また、実施形態のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子は、回路基板と、該回路基板の光入射側表面に貼り付けられた半導体基板と、該半導体基板の光入射側上層に積層された光電変換膜と、前記半導体基板の表面部に形成され前記光電変換膜が入射光量に応じて検出した信号電荷量に応じた信号を撮像画像信号として外部に読み出す信号読出手段と、前記光電変換膜の光入射側上層に透明樹脂を接着材として貼り付けられた透明基板と、該透明基板で覆われていない前記半導体基板の周辺部に形成された接続パッドと前記回路基板の接続端子とをワイヤーボンディングされた接続線とを備えることを特徴とする。
また、実施形態のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記半導体基板の側面を含みかつ前記接続線が設けられる空間に光学的に黒色の樹脂が充填されることを特徴とする。
また、実施形態のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記樹脂の前記光入射側表面と前記透明基板の表面とが同一面に形成されることを特徴とする。
また、実施形態のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記樹脂が前記空間に充填されることで矩形体に成形されることを特徴とする。
また、実施形態の撮像装置は、上記のいずれかに記載のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。
本実施形態によれば、小型，薄型で量産性の高い素子構造を持つ固体撮像素子の製造ができ、中空構造がなく信頼性の高い固体撮像素子を得ることができ、撮像素子チップ上に塵埃等が浸入しない構造のため信頼性がより高い固体撮像素子を得ることが可能となる。
本発明に係るマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子は、小型，薄型でしかも量産性，信頼性が高くなるため、デジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ，カメラ付携帯電話機，カメラ付電子装置，監視カメラ，内視鏡，車載カメラ等に搭載すると有用である。
２０ 撮像装置（デジタルカメラ）
２１ 撮影レンズ
２６ デジタル信号処理部
２９ システム制御部
１００ 光電変換膜積層型固体撮像素子
１０１ 撮像素子チップ
１０２ 透明ガラス基板
１０３ 回路基板
１０４ ワイヤ（接続線）
１０５ 黒色の樹脂
１１０ 半導体ウェハ
１１２ 撮像領域
１１３ 接続パッド
１１４ ダイシングブレード
１１５ 支持基板
１１６ 透明樹脂（接着材）
１２１ 半導体基板
１２５ 画素電極膜
１３０ 光電変換膜
１３１ 対向電極膜
１３２ 保護膜

Claims (3)

  1. 回路基板と、該回路基板の光入射側表面に貼り付けられた半導体基板と、該半導体基板の光入射側上層に積層された光電変換膜と、前記半導体基板の表面部に形成され前記光電変換膜が入射光量に応じて検出した信号電荷量に応じた信号を撮像画像信号として外部に読み出す信号読出手段と、前記光電変換膜の光入射側上層に透明樹脂を接着材として貼り付けられた透明基板と、該透明基板で覆われていない前記半導体基板の周辺部に形成された接続パッドと前記回路基板の接続端子とをワイヤーボンディングされた接続線とを備えるマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子であって、前記半導体基板の側面を含み且つ前記接続線が設けられる空間に光学的に黒色の樹脂が充填され、前記樹脂の前記光入射側表面と前記透明基板の表面とが同一面に形成され、前記樹脂の前記光入射側表面に、該光電変換膜積層型固体撮像素子の受光面に結像する撮影レンズとの位置合わせ用の当接部が設けられるマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
  2. 請求項１に記載のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子であって、前記樹脂が前記空間に充填されることで矩形体に成形されるマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
  3. 請求項１又は請求項２に記載のマイクロレンズ非搭載の光電変換膜積層型固体撮像素子を搭載し、該光電変換膜積層型固体撮像素子の前記樹脂の前記光入射側表面を用いて該光電変換膜積層型固体撮像素子の受光面に結像する撮影レンズを位置合わせした撮像装置。
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