JP7462263B2 - 半導体素子および固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体素子および固体撮像装置に関する。
近年、電子部品や電子デバイスの小型化、高機能化、多様化が進み、求められるニーズに対応していくために、半導体素子の高密度化が図られている。
高密度化を実現するための半導体素子のパッケージングとしては、例えば、半導体素子に対し、フィルムまたは接着剤等を介してカバーガラスを貼り合わせたウエハーレベルＣＳＰ（Chip Size Package)が一般的によく知られている。
例えば特許文献１には、半導体パッケージが開示されている。図８は、特許文献１の半導体パッケージの断面図である。
特許文献１の半導体パッケージ１００は、半導体基板１０１の第１の面１０１ａに回路素子が設けられた半導体素子１０２と、半導体基板１０１の第２の面１０１ｂに設けられた外部配線領域１１０と、半導体基板１０１の第１の面１０１ａに接着層１０５が設けられ、接着層１０５によって接着、固定された光透過性を有する材料からなる支持基板１０４と、半導体基板１０１の第１の面１０１ａに配置された電極パッド１０６と、半導体基板１０１の第２の面１０１ｂから電極パッド１０６が露出するように、電極パッド１０６直下の半導体基板１０１内に開けられた貫通孔と、半導体基板１０１の第２の面１０１ｂと貫通孔の内側面とを覆い、電極パッド１０６が露出するように配置された電気絶縁膜１０７と、電気絶縁膜１０７を介して、貫通孔の内側面および電極パッド１０６の露出部を覆うように配置され、電極パッド１０６と電気的に接続された貫通電極１０８と、貫通電極１０８と外部配線領域１１０とを接続するための外部配線１０９と、外部配線領域１１０に外部端子とを接続するための接続部と、半導体基板１０１の第２の面１０１ｂ側において、接続部以外の部分を全て被覆する保護膜１１３と、を有する。
特許第４７２２７０２号公報
特許文献１の半導体パッケージでは、パッケージング中の組立工程における機械的応力や熱応力等が、支持基板や、半導体基板を接着、固定している接着層に集中する。
上述した応力集中は、半導体パッケージの完成後も、その半導体パッケージにひずみとして残留するが、このひずみを、半導体パッケージの出荷前に行われる電気検査や光学特性検査において不良として検出することは困難である。そのため、ひずみが残留した半導体パッケージは、良品としてユーザへ提供されてしまう。その後、半導体パッケージを基板に二次実装する際に発生する熱応力やモジュール組立時に発生する機械的応力により、接着層の界面や、接着層の下層にあるマイクロレンズやカラーフィルターなどの半導体素子内部において、クラックや剥離といった後発不良が発生する。
本開示の一態様の目的は、ユーザへの提供前に、後発不良の原因となる不良を検出することができる半導体素子および固体撮像装置を提供することである。
本開示の一態様に係る半導体素子は、主面に設けられ、光を集光する複数のマイクロレンズと、前記主面の裏面に設けられた複数の導電性電極と、前記マイクロレンズで集光された光が導かれる光電変換部と、前記光電変換部と同じ層に設けられ、機械的応力または熱応力によるひずみを検出するひずみセンサと、を有し、前記光電変換部は、前記複数のマイクロレンズのそれぞれの位置に対応して設けられており、前記ひずみセンサは、隣り合う前記光電変換部の間に配置されている。
本開示の一態様に係る固体撮像装置は、本開示の一態様に係る半導体素子と、透明部材と、前記複数のマイクロレンズを被覆するとともに、前記透明部材を接着する接着層と、前記導電性電極のそれぞれと電気的に接続された複数の外部接続電極と、を有する。
本開示によれば、ユーザへの提供前に、後発不良の原因となる不良を検出することができる。
本開示の実施の形態１に係る固体撮像装置の斜視図 本開示の実施の形態１に係る固体撮像装置の断面図 本開示の実施の形態１に係る半導体素子の断面図 本開示の実施の形態１に係る固体撮像装置の検査工程のフローチャート 従来の検査工程と本開示の実施の形態１の検査工程との対比を示す表 本開示の実施の形態２に係る半導体素子の平面図 本開示の実施の形態３に係る半導体素子の平面図 特許文献１の半導体パッケージの断面図
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
また、各図に示す構成要素の寸法（例えば、厚み、長さ等）は、実際の寸法とは異なり、図示し易い寸法としている。また、各図に示すマイクロレンズ、光電変換部、および外部接続電極それぞれの個数も、実際の個数とは異なり、図示し易い個数としている。また、各構成要素の材質は、以下に説明する材質に限定されない。
〔実施の形態１〕
本実施の形態の固体撮像装置２００の構成について、図１、図２、図３を用いて説明する。図１は、固体撮像装置２００の斜視図である。図２は、固体撮像装置２００の断面図である。図３は、固体撮像装置２００に設けられる半導体素子３の断面図である。
図１、図２に示すように、固体撮像装置２００は、透明部材１、接着層２、半導体素子３、外部接続電極４を有する。
図３に示すように、半導体素子３は、マイクロレンズ５、カラーフィルター６、光電変換部７、ひずみセンサ８、内部配線９、および導電性電極１０を有する。
図２に示すように、半導体素子３の主面（図３に示すカラーフィルター６）には、複数のマイクロレンズ５が設けられている。一方、図１、図２に示すように、半導体素子３の主面の裏面には、導電性電極１０が設けられている。図２に示すように、導電性電極１０には、導電性電極１０と電気的に接続される外部接続電極４が設けられている。
図２に示すように、半導体素子３の主面には、各マイクロレンズ５の全体を被覆するように接着層２が設けられている。接着層２の上部には、接着層２により接着、固定された透明部材１が設けられている。
透明部材１の材質としては、例えば、ホウケイ酸ガラス板を用いてもよいし、特性方向の干渉縞によるモワレを防止するために複屈折特性を持つ水晶板やローパスフィルタを用いてもよい。なおホウケイ酸ガラス板を用いる場合の透明部材１の厚みは、例えば、１００μｍ～１０００μｍの範囲内であり、好ましくは２００μｍ～５００μｍの範囲内である。
接着層２は、光学的に透明な接着剤である。接着層２の材料としては、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、またはポリイミド系樹脂等が挙げられる。また、接着層２は、紫外線の照射、加熱、またはそれら両方により硬化し、マイクロレンズ５よりも低屈折率の硬化物特性を備える。
図２に示すように、導電性電極１０の表面には、外部接続電極４が設けられている。
図３に示すように、導電性電極１０は、半導体素子３の内部に設けられている内部配線９と電気的に接続されている。よって、固体撮像装置２００が導電性電極１０さらに外部接続電極４を介して基板（図示略。以下同様）に二次実装されることにより、半導体素子３と基板とが電気的に接続される。基板は、例えば、電子デバイスの回路基板である。
外部接続電極４は、例えば、半田ボールでもよいし、表面に導電性被膜が形成された導電性樹脂ボールでもよいし、ワイヤボンディングにより形成されたバンプでもよい。半田ボールの材料としては、例えば、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ系、Ｚｎ－Ｂｉ系等といった組成の半田材料を用いることができるが、これらの組成に限定されない。
また、外部接続電極４として半田ボールを用いる場合、半田付けにより半導体素子３に接着されてもよい。外部接続電極４として導電性樹脂ボールを用いる場合、導電性接着剤により半導体素子３に接着されてもよい。また、例えば、スクリーン印刷法を用いてソルダーペーストを外部接続電極４上に供給し、リフローすることにより、外部接続電極４を形成してもよい。
また、図３に示すように、半導体素子３の内部において、マイクロレンズ５およびカラーフィルター６の下方には、光電変換部７が設けられている。光電変換部７は、内部配線９を介して、導電性電極１０と電気的に接続される。半導体素子３の表面から入った光は、マイクロレンズ５により集光され、カラーフィルター６によりフィルタリングされ、光電変換部７に当たる。
また、図３に示すように、半導体素子３の内部において、カラーフィルター６の下方には、光電変換部７に隣接するようにひずみセンサ８が設けられている。
ひずみセンサ８は、例えばリンやボロン等の不純物をシリコンウェハに拡散することにより形成された半導体である。ひずみセンサ８は、ｐゲージ８ａと、ｎゲージ８ｂとを含む。
ひずみセンサ８は、ゲージに一定電流を流したときに計測された電圧値と、外部応力がかかったときに計測された電圧値との変化に基づく抵抗変化率およびゲージ率からひずみを算出する。つまり、ひずみセンサ８は、ゲージに機械的な応力を加えたときに電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を利用してひずみを検出する。
ひずみセンサ８は、内部配線９を介して、導電性電極１０と電気的に接続される。これにより、固体撮像装置２００の検査工程（後述するひずみ検査）では、半導体素子３の外部から導電性電極１０を介してひずみセンサ８に一定電流を流し、電圧値を計測することが可能となる。
また、固体撮像装置２００の検査工程だけでなく、固体撮像装置２００を製造する各工程において、半導体素子３の外部から導電性電極１０を介して電流を流すことや電圧を測定することが可能である。
よって、所定の工程においてリアルタイムにひずみをモニタリングすることが可能となる。例えば、透明部材１の貼合せ工程では、まずマイクロレンズ５の上に接着層２となる接着剤を塗布し、次に接着層２の上に透明部材１をマウントし、その後、紫外線や熱により硬化させるという一連のプロセスがある。ひずみセンサ８を用いることにより、上記一連のプロセスにおける抵抗値変化からひずみの変化をモニタリングすることが可能となる。また、製造中のどのプロセスで最大ひずみが発生しているかを把握することができる。
したがって、半導体素子３が不良となるクラックや剥離現象とひずみとの相間関係を事前に把握しておき、製造中にひずみデータをリアルタイムでモニタリングし、その結果を製造設備へフィードバックすることにより、適切な製造条件で固体撮像装置２００を生産することができる。
これに対し、従来では、検査工程として、透明部材の欠けや導電性電極の外観不良などを検出する外観検査と、導通不良や電気的特性不良などを検出する電気検査（導通検査と言ってもよい）と、色ムラや画素キズ不良などを検出する光学特性検査と、実際に撮影された固体撮像装置の画像に対して官能検査を行う画像検査と、透明部材の表面における異物やダストの検出を行うダスト検査とを行い、その後、固体撮像装置は、梱包され、出荷されていた。そのため、出荷前における欠陥を検出することはできたが、出荷後に行われる固体撮像装置の基板への二次実装やモジュール組立により発生しうる後発不良（例えば、クラックや剥離）を出荷前に検出することは不可能であった。
図４に本実施の形態の固体撮像装置２００の検査工程の流れを示す。図４は、固体撮像装置２００の検査工程の流れを示すフローチャートである。
まず、外観検査が行われる（ステップＳ１）。この外観検査では、透明部材１の欠けや導電性電極１０の外観不良などの検出が行われる。
次に、電気検査が行われる（ステップＳ２）。この電気検査では、導通不良や電気的特性不良などの検出が行われる。
次に、光学特性検査が行われる（ステップＳ３）。この光学特性検査では、色ムラや画素キズ不良などの検出が行われる。
次に、画像検査が行われる（ステップＳ４）。この画像検査では、実際に撮影された固体撮像装置２００の画像に対して官能検査が行われる。
次に、ひずみ検査が行われる（ステップＳ５）。このひずみ検査では、ひずみセンサ８を用いてひずみの検出（具体的には、半導体素子３内部の残留応力の測定）が行われる。
最後に、ダスト検査が行われる（ステップＳ６）。このダスト検査では、透明部材１の表面における異物やダストの検出が行われる。
ステップＳ１～Ｓ６の検査をパスした固体撮像装置２００は、梱包され、出荷される。
以上説明したように、固体撮像装置２００の検査工程では、ステップＳ５のひずみ検査が追加された点が、従来の検査工程と異なる。
従来の検査工程と、本実施の形態の検査工程との対比について図５に示す。図５において、丸印は、不良項目を検出できることを示しており、バツ印は、不良項目を検出できないことを示している。
本実施の形態の検査工程では、後発的画像欠陥や後発的画像ひずみなどの後発不良が発生しうる製品を検出することができる。
上記後発的画像欠陥とは、出荷後の工程（例えば、二次実装時、または、モジュール組立時等）の応力によって生じるマイクロレンズ、カラーフィルター、接着層の剥離を原因とした、画素のキズなどである。また、上記後発的画像ひずみとは、出荷後の工程の応力によって生じるマイクロレンズ、接着層自体のひずみを原因とした、画像のひずみなどである。
図５に示す特性（後発）とは、受光感度の低下や分光特性などである。また、図５に示す画像（後発）とは、上述した後発的画像欠陥および後発的画像ひずみを含めた総称である。
通常、出荷前の残留応力と出荷後の工程において生じる応力とにより、上記剥離やひずみが発生し、上記後発不良が発生する。これに対して、本実施の形態の検査工程では、出荷前の半導体素子３内部の残留応力を検出することができる。よって、出荷前の残留応力と出荷後の工程で生じる応力と、後発不良の発生との相間関係を事前に調べておき、本実施の形態の工程で出荷前の残留応力を検出することにより、後発不良が発生しうる製品を検出することができる。
〔実施の形態２〕
本実施の形態の半導体素子３の構成について、図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態の半導体素子３を透明部材１側（換言すれば、主面側）から見た平面図である。
図６に示すように、半導体素子３の主面には、マイクロレンズ５が格子状に配置されている。各マイクロレンズ５の直下には、光電変換部７が設けられている。これにより、外部からマイクロレンズ５へ入った光の進路はマイクロレンズ５によって変更され、より多くの光が光電変換部７へと集められる。
ここで、固体撮像装置の感度特性の向上を実現するためには、マイクロレンズ５から入った光が遮られることなく光電変換部７へ到達することが重要である。よって、ひずみセンサ８は、光の進路に影響しない位置に設けられることが必要となる。
ひずみセンサ８で検出されるひずみは、主に、各マイクロレンズ５を被覆するとともに透明部材１を接着、固定している接着層２の機械的応力または熱応力によるものである。よって、主な不良発生箇所は、接着層２とマイクロレンズ５との界面、または、マイクロレンズ５とその下層にあるカラーフィルター６との界面である。
また、マイクロレンズ５は、応力を吸収しやすい低弾性の材料で形成されていることが多い。そのため、上述した応力は、隣り合うマイクロレンズ５の間に集中しやすい。
以上説明した光の進路および応力集中の観点から、本実施の形態の半導体素子３では、図６に示すように、半導体素子３を透明部材１側から平面視したときに、隣り合うマイクロレンズ５の境界部分（隣り合うマイクロレンズ５同士の接触部分と言ってもよい）の直下であり、かつ、隣り合う光電変換部７の間（以下、光電変換部間という）に、ひずみセンサ８が配置されている。
なお、図６では一例として、ひずみセンサ８が、全ての光電変換部間に配置される場合を図示したが、これに限定されない。例えば、ひずみセンサ８は、特に応力がかかりやすいと想定される光電変換部間のみに配置されてもよい。または、例えば、半導体素子３全体のひずみの傾向を把握したい場合には、ひずみセンサ８は、半導体素子３の主面の中央に位置する光電変換部間と、半導体素子３の主面の外周側または角部側に位置する光電変換部間とのみに配置されてもよい。
以上のように構成された図６の半導体素子３は、図１、図２に示した固体撮像装置２００に設けられる。
〔実施の形態３〕
本実施の形態の半導体素子３の構成について、図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態の半導体素子３を透明部材１側（換言すれば、主面側）から見た平面図である。
図７に示すように、マイクロレンズ５および光電変換部７の配置位置は、図６と同様である。すなわち、半導体素子３の主面には、マイクロレンズ５が格子状に配置されており、各マイクロレンズ５の直下には、光電変換部７が設けられている。
図７に示すように、マイクロレンズ５は、半導体素子３を透明部材１側から見た場合、円形状である。そして、半導体素子３を透明部材１側から平面視したときに、隣り合う４つのマイクロレンズ５の外縁部によって囲まれた領域には、応力が集中しやすい。この領域は、マイクロレンズ５が配置されていない領域とも言えるため、以下、「マイクロレンズ非配置領域」という。
上述した応力集中の観点から、本実施の形態の半導体素子３では、マイクロレンズ非配置領域の直下（より具体的には、マイクロレンズ非配置領域の中央部分の直下）であり、かつ、斜め方向に隣り合う光電変換部７の間にひずみセンサ８が配置されている。
なお、図７では一例として、ひずみセンサ８が、全てのマイクロレンズ非配置領域に配置される場合を図示したが、これに限定されない。例えば、ひずみセンサ８は、特に応力がかかりやすいと想定されるマイクロレンズ非配置領域のみに配置されてもよい。または、例えば、ひずみセンサ８は、半導体素子３の主面の中央に位置するマイクロレンズ非配置領域と、半導体素子３の主面の外周側または角部側に位置するマイクロレンズ非配置領域とのみに配置されてもよい。または、例えば、ひずみセンサ８は、マイクロレンズ５が配置されている領域全体において、等間隔で配置されてもよい。さらに、例えば、開発用途などでひずみを測定したい場合では、測定したいマイクロレンズ非配置領域をランダムに選定し、そのマイクロレンズ非配置領域のみにひずみセンサ８が配置されてもよい。
以上のように構成された図７の半導体素子３は、図１、図２に示した固体撮像装置２００に設けられる。
以上説明したように、本実施の形態の半導体素子３は、主面に設けられ、光を集光する複数のマイクロレンズ５と、主面の裏面に設けられた複数の導電性電極１０と、マイクロレンズ５で集光された光が導かれる光電変換部７と、光電変換部７と同じ層に設けられ、ひずみを検出するひずみセンサ８と、を有することを特徴とする。
また、本実施の形態の固体撮像装置２００は、上記本実施の形態の半導体素子３と、透明部材１と、複数のマイクロレンズ５を被覆するとともに、透明部材１を接着する接着層２と、導電性電極１０のそれぞれと電気的に接続された複数の外部接続電極４と、を有することを特徴とする。
上述した特徴により、本実施の形態の半導体素子３および固体撮像装置２００は、ユーザへの提供前に、後発不良（二次実装工程やモジュール組立工程で発生する）の原因となる不良（ひずみ）を検出することができる。
なお、本開示は、上記各実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
本開示の半導体素子および固体撮像装置は、従来の検査工程では検出することができなかった、ユーザへの提供後に発生しうる後発不良を事前に検知することが可能となり、小型化や高機能化が進む半導体素子および固体撮像装置において有用である。
１ 透明部材
２ 接着層
３ 半導体素子
４ 外部接続電極
５ マイクロレンズ
６ カラーフィルター
７ 光電変換部
８ ひずみセンサ
８ａ ｐゲージ
８ｂ ｎゲージ
９ 内部配線
１０ 導電性電極
１００ 半導体パッケージ
１００ｂ 半導体パッケージの第２の面
１０１ 半導体基板
１０１ａ 半導体基板の第１の面
１０１ｂ 半導体基板の第２の面
１０２ 半導体素子
１０３ 回路素子
１０４ 支持基板
１０５ 接着層
１０６ 電極パッド
１０６ａ 電極パッドの底面
１０７ 電気絶縁膜
１０８ 貫通電極
１０８ｂ 貫通電極の電極パッドと接合する部分
１０９ 外部配線
１１０ 外部配線領域
１１１ 金属ポスト
１１３ 保護膜
２００ 固体撮像装置

Claims (5)

  1. 主面に設けられ、光を集光する複数のマイクロレンズと、
    前記主面の裏面に設けられた複数の導電性電極と、
    前記マイクロレンズで集光された光が導かれる光電変換部と、
    前記光電変換部と同じ層に設けられ、機械的応力または熱応力によるひずみを検出するひずみセンサと、を有し、
    前記光電変換部は、前記複数のマイクロレンズのそれぞれの位置に対応して設けられており、
    前記ひずみセンサは、隣り合う前記光電変換部の間に配置されている、
    半導体素子。
  2. 前記半導体素子を前記主面側から平面視したときに、
    前記複数のマイクロレンズは、格子状に配置されており、
    前記ひずみセンサは、隣り合う前記マイクロレンズの境界部分の直下に配置されている、
    請求項１に記載の半導体素子。
  3. 前記半導体素子を前記主面側から平面視したときに、
    前記複数のマイクロレンズは、格子状に配置されており、
    前記ひずみセンサは、前記マイクロレンズが配置されていない領域の直下に配置されている、
    請求項１に記載の半導体素子。
  4. 前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に設けられ、前記マイクロレンズで集光された光をフィルタリングするカラーフィルターをさらに有する、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体素子。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体素子と、
    透明部材と、
    前記複数のマイクロレンズを被覆するとともに、前記透明部材を接着する接着層と、
    前記導電性電極のそれぞれと電気的に接続された複数の外部接続電極と、を有する、
    固体撮像装置。
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