JPH07131054A - 光センサを備える半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体チップ10に光センサ20を作り込んでパッ
ケージ内に収納する半導体装置の内部に迷光が発生する
のを防止して光の検出精度を向上する。 【構成】半導体チップ10の光センサ20の部分を除く活性
部分の表面に金属の遮光膜30を被覆し、かつこの遮光膜
30の上に光センサ20が感度をもつ波長範囲の光に対し吸
収性を有するポリイミド系等の樹脂の反射防止膜31を遮
光膜30と同じパターンで被覆し、さらに必要に応じ光セ
ンサ20の上に透明樹脂膜32を被覆した後に例えば透明樹
脂を成形したパッケージ内に収納することにより、遮光
膜30に当たる光を反射防止膜31により反射前と反射後の
２段階でほぼ完全に吸収させ、パッケージの内部に光の
検出上有害な迷光が発生して光センサ20に侵入するのを
防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光センサないしイメージ
センサを半導体チップに組み込んで受光面が透明なパッ
ケージに収納してなる半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように半導体形の光センサはフォ
トダイオードやフォトトランジスタを利用するもので、
光の検出や測定用の個別センサのほか多数の光センサを
集積化した映像検出用のイメージセンサとして広く用い
られており、最近では集積回路装置に関連回路とともに
組み込まれることが多くなっている。かかる光センサや
イメージセンサはもちろん半導体チップに作り込まれる
が、これを実際の使用に供するにはこの半導体チップを
透明樹脂で成形されたあるいは透明な窓を備えるパッケ
ージ等の透明な受光面をもつパッケージに収納する必要
がある。本発明はかかる構造の光センサを備える半導体
装置に関し、図６(a) に透明樹脂からなるパッケージに
これを収納した従来の構造を示す。

【０００３】半導体チップ10には光センサ20が組み込ま
れており、これをパッケージ40内に収納するために金属
のリードフレーム41の上に取り付け、かつそのリード41
ａとボンディング線42等の手段で接続した上で、例えば
エポキシ系の透明な樹脂43を半導体チップ10を包み込む
ように成形してパッケージ40とする。かかる構造では光
センサ20は入射光ILを図のようにパッケージ40の透明樹
脂43を通して受ける。しかし、半導体チップ10の光セン
サ20以外の部分に入射光ILが当たると、そこに作り込ま
れているトランジスタ等が光に影響されて誤動作を起こ
しやすいので、半導体チップ10内の接続部を除く活性部
分の光センサ20以外の範囲をアルミ等の金属からなる遮
光膜30で図のように覆っておいた上で、上述のパッケー
ジ40内に収納するのが従来からの通例である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の図６(a) の構造
では、遮光膜30を設けて入射光ILを半導体チップ10内の
光センサ20にのみ与えることにより正確な動作を行なわ
せることができるはずであるが、実際の使用状態では光
センサ20に本来与えるべき入射光IL以外に迷光が侵入し
て光センサ20の検出ないし測定精度を低下させる問題が
ある。図６(b) にこの様子を示す。遮光膜30に当たった
入射光ILはそれにより反射される際にその一部が例えば
散乱されて迷光SLになり、図のようにパッケージ40の透
明樹脂43の表面で全反射された後に光センサ20に入るの
で、この余分な迷光SLの侵入により光センサ20の検出や
測定の精度が低下するのである。

【０００５】この迷光SLによる光センサ20の測定誤差は
数％になることがあり、例えば１％以下の誤差が要求さ
れる高精度測定には迷光SLの防止がぜひ必要である。ま
た、イメージセンサの場合に各光センサ20による映像デ
ータの精度を４ビット以上に高めたい場合も同様であ
る。このため、図６(b) のようにパッケージ40の外側に
光センサ20にほぼ対応する窓を有するマスク板Ｍを設け
る解決手段が遮光膜30に対してやや屋上屋のきらいはあ
るが採られることがある。

【０００６】しかし、図のような正面からの入射光ILに
限らず斜め方向からも光が到来することがあり、光セン
サ20が受ける入射光ILの反射光が散乱しやすく、かつ黒
色のマスク板Ｍを用いてもパッケージ40の表面の全反射
を防止するのは困難なので、パッケージ40内の遮光膜30
と透明樹脂43の表面の間の繰り返し反射路を経由して光
センサ20に侵入する迷光SLの発生を完全に防止できず、
マスク板Ｍを配設した場合でも光センサ20の光測定誤差
を１％以下に減少させ, あるいは映像データの精度を６
ビット以上に向上するのは非常に困難である。

【０００７】なお、図６ではパッケージ40を透明樹脂43
の成形によるとしたが、これを受光ガラス窓を備える不
透明ケースとしても上述と同じく内部に迷光SLが発生す
る。かかる実情に鑑みて、本発明の目的は前述のように
パッケージに光センサを含む半導体チップが収納される
半導体装置における迷光の発生を防止して光センサの検
出ないし測定の精度を高めることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
チップの光センサ部を除く活性部分の表面を金属からな
る遮光膜により被覆し、かつこの遮光膜の上側に光セン
サが感度を有する波長範囲の光に対して強い吸収性をも
つ樹脂からなる反射防止膜を遮光膜とほぼ同じパターン
で被覆した後、少なくとも受光面が透明なパッケージに
収納することによって上述の目的を達成する。

【０００９】なお、上述の反射防止膜の樹脂には 400〜
900nm の波長範囲で光透過性が50％以下のポリイミド樹
脂を用いるのがよく、これを上述のパターンに形成する
には塗布かつ半硬化させた状態のポリイミド樹脂膜の上
にフォトレジスト膜を付けた後に、現像液によってこれ
を現像すると同時に樹脂膜の方もパターンニングするの
が工程を簡易化する上で有利である。

【００１０】本発明では半導体チップを収納するパッケ
ージとして、前述の透明樹脂の成形パッケージのほか、
不透明ケースに例えばガラスの受光窓を設けたパッケー
ジを用いることができるが、前者の場合には反射防止膜
の被覆後さらに透明樹脂膜を光センサ部の表面を覆うよ
うに被覆しておくのがパッケージの透明樹脂の半導体チ
ップに対する接着性を良好にする上で望ましい。この透
明樹脂膜は光センサの表面を覆うだけで充分であるが、
実際には半導体チップの外部との接続部を除く活性部分
の全体に対して被覆するのが有利である。

【００１１】半導体装置が例えばカメラの自動焦点化用
であって半導体チップに光センサとして一対のイメージ
センサを作り込む場合には、その映像検出精度を高める
上で光が斜め方向からイメージセンサに入射するのを極
力防止する必要があるので、半導体チップを収納したパ
ッケージと, イメージセンサに対応する導光孔を一対備
えるアダプタと，イメージセンサにそれぞれ映像を結像
するレンズ板とを順次重ね合わせてモジュールとして一
体化するのが有利である。この際、アダプタの導光孔の
内面に入射光を入射方向とは逆に反射させるよう凹凸を
付け、あるいはこの内面に光吸収性のコーティングを施
すのが望ましい。

【００１２】

【作用】前述の図６の従来技術では遮光膜30により半導
体チップ10の光センサ20以外の部分の動作を確実にでき
るが、遮光膜30の金属の高反射性により迷光SLの発生を
助長して光センサ20の精度を低下させる逆効果が生じ
る。本発明は遮光膜のこの遮光性は優れるが反射性が高
い欠点を遮光性はそれほど高くはないが光吸収性に優れ
る樹脂を用いる反射防止膜により補って問題を解決する
ものである。

【００１３】すなわち、本発明では前項の構成にいうよ
う光センサが感度をもつ波長範囲の光に対し強い吸収性
をもつ樹脂からなる反射防止膜を金属の遮光膜のすぐ上
側にそれとほぼ同じパターンで被覆して、遮光膜に当た
る光を反射前および反射後の２段階にこれに吸収させる
ことにより、遮光膜からの反射光を大幅に減少させてパ
ッケージ内の光センサ部以外の個所に無用な光が侵入し
ても直ちにそれを減衰させるので内部の迷光はほとんど
発生し得なくなる。従って、本発明では半導体チップの
光センサ以外の部分の動作を遮光膜により確実にしなが
ら、光センサの精度を反射防止膜によって格段に高める
ことができる。

【００１４】

【実施例】以下、図を参照して本発明の実施例を示す。
図１は本発明による半導体装置の半導体チップの光セン
サを含む要部の断面図、図２は反射防止膜に用いる樹脂
の光透過率の波長特性を示す線図、図３は本発明の効果
を示すイメージセンサ内の光センサの検出信号値のばら
つきを示す分布図、図４は反射防止膜用の樹脂膜のパタ
ーンニングの要領を示す半導体チップの要部の拡大断面
図、図５は本発明の半導体装置のモジュール化構造を示
す断面図である。

【００１５】図１(a) に半導体チップ10の光センサ20と
接続パッド25が作り込まれた部分を示し、図１(b) に光
センサ20の付近のみを拡大して示す。図の半導体チップ
10は例えば図６(a) に示されたような要領でパッケージ
40に収納されるものとする。図１(a) において、半導体
チップ10の表面は保護膜15で覆われており、図の左側に
はその下側に光センサ20が作り込まれ、右側のチップの
周縁部には保護膜15に明けられた窓の中に露出する配線
膜14のアルミにより接続パッド25が設けられている。な
お、この実施例の光センサ20はフォトダイオードであ
る。

【００１６】遮光膜30は金属の薄膜, この実施例では１
μｍ程度の膜厚のアルミ膜であり、半導体チップ10内の
接続パッド25を設けた部分以外であるいわゆる活性部分
中の光センサ20を除く範囲を被覆するように保護膜15の
上に設けられる。本発明ではこの遮光膜30を光吸収性を
有する樹脂の反射防止膜31によりほぼ同じパターンで被
覆する。この実施例では光吸収性樹脂にBrewer社製のDa
rc TM100形ポリイミド樹脂を用いて 1.3μｍの膜厚とす
る。図２にかかる反射防止膜31の光透過率Ｔの波長依存
性を示す。光センサ20のフォトダイオードは 400〜900
nmの波長範囲で感度をもち、反射防止膜31は図からわか
るようにこの範囲内の波長λに対し50％以下の光透過率
Ｔをもち、外観上では暗い茶色を呈する。

【００１７】この実施例の半導体チップ10は図６(a) の
パッケージ40に収納するので、その透明樹脂43との密着
性を上げるため透明樹脂膜32を上述の反射防止膜31の上
側に被覆する。それ用の樹脂は透明であればよいが、こ
の実施例では反射防止膜31と同種とするため例えば日産
化学製のSE-803形ポリイミド樹脂を用いて 0.8μｍの膜
厚とする。この透明樹脂膜32は光センサ20の表面を被覆
するだけで足りるが、図の例では反射防止膜31上を含む
活性部分全体に被覆される。

【００１８】図１(b) に示す例では、光センサ20用のフ
ォトダイオードは半導体チップ10の例えばｎ形の半導体
基板11の表面の素子分離膜12により取り囲まれた範囲に
ダイオード層21をｐ形で拡散してなり、絶縁膜13の上に
配設されたアルミ配線膜14がこれと接続されている。こ
の配線膜14上を覆う前述の保護膜15は例えば窒化シリコ
ン膜であり、その上に遮光膜30と反射防止膜31が光セン
サ20以外の範囲に被覆され、さらにその上に透明樹脂膜
32が光センサ20の上側を含む図示の範囲全体に被覆され
ている。光センサ20としてのフォトダイオードは例えば
イメージセンサ用であって、ダイオード層21と半導体基
板11の間のpn接合に逆バイアスを掛けた状態でいわゆる
電荷蓄積形のセンサとして機能する。

【００１９】この図１のように金属の遮光膜30を光吸収
性樹脂の反射防止膜31で覆うことにより、図の上方から
遮光膜30に当たる光はそれによる反射前と反射後の２段
階で反射防止膜31により吸収される。反射防止膜31は図
２に部分ハッチングを付して示す前述の波長範囲内で平
均して12％程度の光透過率Ｔを有するので、入射光はこ
れによる２段の吸収後に元の 1.4％程度にまで減衰す
る。このように反射防止膜31による遮光膜30への入射光
に対する減衰効果が非常に高いので、本発明装置では図
６(b) のようなパッケージ40の内部の迷光SLの発生をほ
ぼ完全に防止して光センサ20の精度を高めることができ
る。

【００２０】図３は半導体チップ10内に一対のイメージ
センサを組み込みその各光センサの光検出出力を測定し
た結果を示し、同図(a) が従来どおり遮光膜30のみを設
けた場合，同図(b) が本発明によって遮光膜30を反射防
止膜31で被覆した場合をそれぞれ示す。図では左右のイ
メージセンサが符号ＬとＲで示されており、それぞれ複
数の光センサからなる。ただし、図３(b) は半導体チッ
プ10をパッケージ40に収納して後述の図５の要領でモジ
ュール化した状態で測定した結果である。検出信号DSに
は迷光SLの侵入のほか各光センサ20の光検出特性によっ
てもばらつきが出るので、分離が困難な両者の影響が図
の信号値に含まれている。また、図示の都合から検出信
号DSのばらつきが拡大して示されている。図からわかる
ように、図３(a) の従来技術による場合に比べて図３
(b) の本発明による場合の方が検出信号DSのばらつきが
明らかに減少しており、迷光SLの影響は従来では２％程
度に対して本発明では 0.5〜１％に減少したものと推定
される。

【００２１】図４に反射防止膜31用の樹脂膜をパターン
ニングする要領を示す。図４(a) の状態では、ごく一部
を示す半導体チップ10の表面を覆う保護膜15上に遮光膜
30を形成した後、反射防止膜31用に前述のポリイミド樹
脂が通例のスピンコート法により塗布されている。この
樹脂膜にはパターンニング前の前処理として、例えば70
℃, １分と 150℃, １分の短時間加熱を施してまず半硬
化ないしセミキュアの状態とする。次に、例えば東京応
化製の0FPR-800形のポジのフォトレジストPRをスピンコ
ートしかつ所望のパターンに露光した後、例えば東京応
化製のMWD-W 形現像液を用いてフォトレジスト膜PRの図
では一点鎖線で示すその不要部分を除去して図示の状態
とする。

【００２２】図４(b) に示す反射防止膜31のパターンニ
ングは上述のフォトレジスト膜PRの現像工程と実際には
連続して進行し、半硬化状態の樹脂膜をアルカリ性の上
述の現像液で溶解することにより反射防止膜31の一点鎖
線で示す不要部分を除去して図示の状態とする。このパ
ターンニングの終了後は回転状態のアセトンの滴下によ
りフォトレジスト膜PRを除去し、かつ後硬化処理として
例えば 240℃, １分と320℃, １分の短時間加熱を施し
て樹脂膜を完全硬化ないしキュアさせて所望のパターン
の反射防止膜31とする。このように図４の要領によれば
反射防止膜31をごく簡単にパターンニングすることがで
きる。なお、図１の透明樹脂膜32の方もこの図４と同様
な要領でパターンニングするのがよい。

【００２３】図５に本発明の半導体装置が自動焦点カメ
ラ等に組み込まれる集積回路装置であって関連する光学
部品とともに一体化されたモジュールとする場合の構造
例を示す。この場合の半導体チップ10には一対のイメー
ジセンサ22が組み込まれる。この半導体チップ10に本発
明に基づいて遮光膜30と反射防止膜31を被覆した上で図
６(a) と同様な要領でパッケージ40内に収納する。

【００２４】次に、このパッケージ40にアダプタ50とレ
ンズ板60を図のように重ね合わせた上で例えば相互に接
着してモジュールとする。レンズ板60は半導体チップ10
の各イメージセンサ22に被写体の映像をそれぞれ結像す
るレンズを一対備えるプラスチック成形品であり、アダ
プタ50はそのレンズの焦点距離に相応する高さをもつ同
じく成形品のスペーサであり、イメージセンサ22に対応
して一対の導光孔51がこれに明けられる。モジュールは
10mm立方程度の小形のものである。

【００２５】この実施例では映像の検出精度を高めるた
めイメージセンサ22に被写体からの光以外の外光が侵入
するのを防止する必要があり、アダプタ50は斜め方向か
らの外光の侵入を遮断する役目を果たす。しかし、導光
孔51にはイメージセンサ22に結像すべき光のほかに余分
な光がレンズ板60を通して斜めの方向から入って来て導
光孔51の内面で反射された後にイメージセンサ22に達す
るおそれがある。このため、図示の例では導光孔51の内
面にその軸方向に対する直角面と斜面とをもつ凹凸を付
けて内面に当たる光が入射方向と逆に反射されるように
し、かつ内面に黒色のコーティングを施して反射を減少
させるようになっている。

【００２６】この図５に示すモジュールについて検出信
号DSを測定した結果は前述のように図３(b) のとおりで
あるが、同図(a) の従来の場合は検出信号DSの値にイメ
ージセンサの左右ＬとＲとでレベル差があったのに対
し、図５のモジュールではこのレベル差はほとんど認め
られなくなる。このレベル差は従来はふつう数％程度も
あったものが１％程度ないしそれ以下にまで減少する。

【００２７】このように、本発明の半導体装置をモジュ
ール化して外光や迷光を遮断ないし防止することによ
り、左右のイメージセンサの検出レベル差を格段に減少
させて映像データの精度を６ビット以上に向上できる。
自動焦点カメラの場合は左右のイメージセンサによる映
像データ間の相関をとりながら焦点合わせをするので、
データの精度向上によってカメラの合焦精度を高めるこ
とができる。

【００２８】

【発明の効果】以上のとおり本発明では、受光面が透明
なパッケージ内に収納してなる半導体装置の半導体チッ
プの光センサ部を除く活性部分の表面を金属からなる遮
光膜により被覆し、かつ遮光膜の上側に光センサが感度
を有する波長範囲の光に対して吸収性をもつ樹脂からな
る反射防止膜による被覆を遮光膜とほぼ同じパターンで
施した後にパッケージに収納することにより次の効果が
得られる。

【００２９】(a) 遮光性に優れるが反射性が高い金属遮
光膜に遮光性はそれほど高くないが光吸収性に優れる樹
脂の反射防止膜を組み合わせて半導体装置のパッケージ
内に侵入する無用な光を減衰させることにより、迷光の
発生を防止して半導体チップの光センサ以外の部分の動
作を遮光膜により確実にしながら、光センサの精度を格
段に高めることができる。

【００３０】(b) 遮光膜に接して反射防止膜を被覆する
ので、遮光膜に当たる光が反射前と反射後の２段階で反
射防止膜によりほぼ完全に吸収され、遮光膜からの反射
光を大幅に減少させて迷光の発生防止効果を一層高める
ことができる。 (c) 反射防止膜に樹脂膜を用いるので、透明樹脂のパッ
ケージを成形する際に半導体チップに対する成形樹脂の
密着性を従来よりも向上して半導体装置の長期信頼性を
高めることができる。

【００３１】なお、反射防止膜にポリイミド樹脂を用い
る態様ではその優れた耐熱性と金属遮光膜に対する密着
性により半導体装置の長期信頼性を向上できる。半硬化
状態のポリイミド樹脂膜の上にフォトレジスト膜を付
け、現像液によりフォトレジスト膜を現像すると同時に
ポリイミド樹脂膜を反射防止膜にパターンニングする態
様では反射防止膜の被覆工程を簡易化できる。

【００３２】反射防止膜の被覆後に透明樹脂膜を光セン
サ部の表面を覆うよう被覆した上で半導体チップを透明
樹脂を成形したパッケージに収納する態様では、光セン
サに対するパッケージ樹脂の密着性を高めて光の検出精
度を向上できる。さらに、半導体チップ内に光センサと
して一対のイメージセンサを作り込み、この半導体チッ
プをパッケージに収納した半導体装置と，イメージセン
サに対応する導光孔を一対備えるアダプタと，イメージ
センサにそれぞれ映像を結像するレンズ板とをモジュー
ルとして一体化する態様では、イメージセンサへの外光
や迷光の侵入を防止して映像データの精度を向上でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体装置の光センサを含む半導
体チップを示し、同図(a) はその要部の断面図、同図
(b) は光センサ部分の拡大断面図である。

【図２】反射防止膜に用いる樹脂の光透過率の波長依存
性を示す特性線図である。

【図３】本発明の半導体装置に組み込まれたイメージセ
ンサの光センサの検出信号値を示し、同図(a) は従来の
場合の検出信号値の分布図、同図(b) は本発明の場合の
検出信号値の分布図である。

【図４】反射防止膜用の樹脂膜をパターンニングする要
領を例示し、同図(a) はフォトレジスト膜の現像時の半
導体チップの要部拡大断面図、同図(b) は反射防止膜の
パターンニング時の半導体チップの要部拡大断面図であ
る。

【図５】本発明の半導体装置のモジュール化構造を示す
断面図である。

【図６】光センサを備える半導体装置の従来構造とその
問題点を示し、同図(a) はその断面図、同図(b) は迷光
の発生の様子を示すその要部拡大断面図である。

【符号の説明】

10 半導体チップ 20 光センサ 22 イメージセンサ 30 遮光膜 31 反射防止膜 32 透明樹脂膜 40 半導体装置のパッケージ 43 透明樹脂 50 アダプタ 51 アダプタの導光孔 60 レンズ板 DS 光センサの検出信号値 IL 光センサへの入射光 Ｌ 左側のイメージセンサ λ 光の波長 Ｒ 右側のイメージセンサ SL 迷光 Ｔ 反射防止膜用樹脂の光透過率

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光センサを含む半導体チップを受光面が透
   明なパッケージ内に収納してなる半導体装置であって、
   半導体チップの光センサ部を除く活性部分の表面を金属
   からなる遮光膜により被覆し、かつ遮光膜の上側に光セ
   ンサが感度を有する波長範囲の光に対して吸収性をもつ
   樹脂からなる反射防止膜による被覆を遮光膜とほぼ同じ
   パターンで施した後にパッケージに収納するようにした
   ことを特徴とする光センサを備える半導体装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の装置において、反射防止
   膜に 400〜900nm の波長範囲で光透過性が50％以下のポ
   リイミド樹脂が用いられることを特徴とする光センサを
   備える半導体装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の装置において、半硬化状
   態のポリイミド樹脂膜の上にフォトレジスト膜を付け、
   現像液によりフォトレジスト膜を現像すると同時にポリ
   イミド樹脂膜を反射防止膜用にパターンニングするよう
   にしたことを特徴とする光センサを備える半導体装置。
4. 【請求項４】請求項１に記載の装置において、反射防止
   膜の被覆後にさらに透明樹脂膜を光センサ部の表面を覆
   うように被覆した上で透明樹脂の成形により半導体チッ
   プをパッケージ内に収納するようにしたことを特徴とす
   る光センサを備える半導体装置。
5. 【請求項５】請求項１に記載の装置において、半導体チ
   ップ内に光センサとして一対のイメージセンサを作り込
   み、この半導体チップをパッケージ内に収納した半導体
   装置と，イメージセンサに対応する導光孔を一対備える
   アダプタと，イメージセンサにそれぞれ映像を結像する
   レンズ板とをモジュールとして一体化するようにしたこ
   とを特徴とする光センサを備える半導体装置。