JPWO2009113262A1 - 半導体デバイスおよび半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体デバイスおよび半導体デバイスの製造方法 Download PDF

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純也 古屋敷
純也 古屋敷
吉川　則之
則之 吉川
福田　敏行
敏行 福田
敏昌 糸岡
敏昌 糸岡
博喜 宇辰
博喜 宇辰
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Abstract

半導体素子の受光部を取り囲む部分に絶縁体を設け、その外側に封止樹脂を設けることで、絶縁体を受光部からみて外側に反らせ、乱反射した光が再び半導体素子の受光部に返らないようにする。

Description

本発明は、半導体デバイスおよび半導体デバイスの製造方法に関し、特に受光部を備えた半導体素子を基板に搭載した半導体デバイスおよび半導体デバイスの製造方法に関するものである。
半導体受光装置は、電極を配設した基板上にフォトセンサチップを配置し、それを透明保護層で覆う構成を有する。これは、電極パッド、ワイヤーや受光部といった部分を、外気に含まれる水分による腐食や、塵埃から保護するためである。
しかし、近年、電子機器の小型化によって、半導体受光装置を含む部品が小型化し、電子機器の部品の一部に組み込まれ、一体化した部品となる場合が多くなってきている。このような一体化部品は、外形部分を樹脂で密封されている場合が多く、水分や塵埃が入り込む隙がほとんどない。
また、ハードディスクドライブ装置においては、ドライブ装置自体が密封状態にあり、内部は、水分や塵埃の非常に少ない清浄な気体で満たされている。
このような密封状態にある半導体受光装置では、上記のように透明保護層で覆う必要はなく、受光部をむき出しにしてもよい。受光部をむき出しにした半導体受光装置は、受光感度が向上するという効果を得ることができる。なお、受光部をむき出しにした半導体チップをベアチップと呼ぶ。
特許文献１に開示されている半導体受光装置の製造方法は、受光部の上にフォトリソグラフィ法によってレジストを載せて、その後樹脂をモールドしてから、そのレジストを除去することによってベアチップとなす。
特開２００７−１５００３８号公報
受光部上の透明保護層を省いた半導体受光装置は、基板とフォトセンサチップを接続するための端子部分などは封止樹脂でモールドされており、受光部分だけが露出している。すなわち、樹脂体で形成された凹部の底に受光部分が形成されている。
このような半導体受光装置において、樹脂体で形成された凹部の壁面が反射した光が受光部分に入射すると、受光素子面で入射光が反射し、受光素子表面で反射した光が封止樹脂の壁面に当たって、乱反射状態となる。この乱反射光は、受光素子で再び受光され、受光素子の出力を不安定にするという問題があった。
上記課題を解決するために、本発明の半導体デバイスは、半導体素子と、該半導体素子を搭載した基板とを備えた半導体デバイスであって、前記半導体素子は、一面に受光部とボンディングパッドとを備え、該一面の裏面側が前記基板に搭載されており、前記半導体素子を搭載する側の面である前記基板の搭載面には引出電極が形成されており、前記ボンディングパッドと前記引出電極とは金属細線によって接続されており、前記半導体素子の前記一面には、前記受光部と前記ボンディングパッドとの間に存するともに該受光部を取り囲む第１の絶縁体が設けられており、前記ボンディングパッドと前記金属細線とは封止樹脂によって封止されており、前記半導体素子の前記一面において前記第１の絶縁体の外周は前記封止樹脂と接触しており、前記受光部に臨み且つ該受光部を取り囲む前記第１の絶縁体の内周壁は、前記半導体素子の前記一面から離れるに従って開口面積が広がるテーパー形状を有している構成とした。
本発明の半導体デバイスは、受光部の周囲に絶縁体の枠体を形成し、その枠体の外側に封止樹脂を形成させたので、封止樹脂の硬化時に枠体が外側に引っ張られ、枠体の壁面が斜めに形成される。したがって受光部で反射した不要な光が壁面で乱反射しても、半導体デバイスが誤動作をすることがなくなるという効果を得ることができる。
（ａ）は実施形態に係る半導体デバイスの構成を表す模式的な平面図であり、（ｂ）は模式的な断面図である。 実施形態に係る半導体デバイスを構成する半導体素子の拡大部分を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の工程を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の工程を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の工程を示す図である。 第１の絶縁体を形成する過程を説明する図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の工程を示す図である。 ワイヤーボンディングの工程を示す図である。 実施形態に係るの半導体デバイスの製造方法の樹脂モールドの工程を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の樹脂モールドの工程を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の切り出しの工程を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの１バリエーションを示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの１バリエーションを示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの１バリエーションを示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの１バリエーションを示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの１バリエーションを示す図である。 関連技術に係るベアチップを搭載した半導体デバイスを示す図である。 図１７のベアチップの素子周辺の拡大図である。
符号の説明
１ 半導体デバイス
３ 基板
５ 基板表面
７ 一面
１０ 半導体素子
１２ 受光部
１４ ボンディングパッド
１６ ボンディングパッド
１８ 引出電極
２０ ボンディングワイヤー（金属細線）
２２ 搭載面
２４ 封止樹脂
２６，２７ 貫通電極
２８，２９ 裏面電極
３０ 第１の絶縁体
３１ 第２の絶縁体
３４ 壁面
３９ 開口部
４３ 貫通孔
６１ 第３の絶縁体
本願と関連する技術において、図１７に示すようなベアチップを基板に搭載した半導体受光装置が考えられる。この半導体受光装置は、基板３上にベアチップ１０を搭載し、ベアチップ上の電極パッド７４と基板の引出電極７８の間をワイヤーボンディングによるボンディングワイヤー２０で接続する。そして、受光部１２を除き、電極パッド７４とボンディングワイヤー２０、電極接続部を樹脂９０でモールドする構造である。このような構造を形成するには、受光部１２を予めなんらかのもの（例えばレジスト）で保護してから、樹脂９０によるモールド行う必要がある。
図１８は、受光部１２の近傍の断面図である。樹脂９０で囲まれた凹部の底に受光部１２が配置されている。ここで周囲からの入光９２があると、受光部１２で反射し、樹脂９０の壁面９４で反射し、乱反射９８を起こす。
このような半導体受光装置に、光が入射すると、受光素子表面で反射した光が樹脂の壁面に当たって、乱反射状態となる。この乱反射光は、受光素子で再び受光され、受光素子の出力を不安定にするという問題があった。
具体的には、半導体受光装置が連続して併設されている場合にこの問題が生じる場合がある。すなわち、隣接する受光装置用の光が斜め方向から入射され、受光部分で全反射し、樹脂の壁面に当たって乱反射し、あたかも受光部で光を受光したかのように誤認する場合があった。
また、この樹脂の壁面は、数百μｍ程度の大きさであり、樹脂を形成したのち機械的な加工をするのは容易でない。また上述の乱反射が生じるのを避けるために壁面９４を壁面９６のように傾斜させるようとフォトリソグラフィ法を駆使するのは、工程がさらに複雑になりコストが大きくなってしまう。
これらの課題を解決すべく、本願発明者らは様々な検討を重ねた結果、本願発明にたどり着いた。以下に、実施形態について図を参照して説明する。
（実施形態１）
図１に実施形態１の半導体デバイス１の構成を示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、断面図である。半導体デバイス１は、引出電極１８が配置された基板３の搭載面２２上に半導体素子１０が搭載された構成を有する。半導体素子１０は、シリコンなどの半導体基板の一方の面（一面）７上に受光部１２とワイヤーボンディングのためのボンディングパッド１４が形成されているものである。なお、図１（ａ）では説明上わかりやすくするために、断面ではない受光部１２と第１の絶縁体３０とにハッチングを付している。
受光部１２は一つの半導体素子１０上に複数個あってもよい。図１では３つの受光部１２が１つの半導体素子１０に形成されている例を示す。半導体素子１０上の受光部１２とボンディングパッド１４との位置関係は、ボンディングパッド１４が半導体素子１０の一面７の外周部分に配置されて、受光部１２はボンディングパッド１４に比べて一面７の中央部分に配置されている。本実施形態では、ボンディングパット１４は左右上下に４つずつ形成されている。
基板３は、特に限定されるものではなく、ガラスエポキシなどのエポキシ系やフェノール系、テフロン（登録商標）系、ポリエチレン系などが好適に利用できる。基板３の搭載面２２には複数の引出電極１８が形成されており、その引出電極１８の一部として基板側ボンディングパッド１６が形成されている。基板側ボンディングパッド１６は、半導体素子１０側のボンディングパッド１４とワイヤーボンディングするためのものである。なお、基板側ボンディングパッド１６を省略して、直接引出電極１８にワイヤーボンディングしてもよい。
引出電極１８は、基板３上のみでなく基板３の側面にも形成されていてもよいし、スルーホールを介して、基板３の裏面にも形成されていてもよい。図１では、基板３の側面を回って裏面にまで形成されている場合を示す。
基板３と半導体素子１０とは互いのボンディングパッド１６，１４においてボンディングワイヤー（金属細線）２０によって接続される。ここで、半導体素子１０側のボンディングパッド１４は、基板３の表面である搭載面２２より高い位置にあり、また半導体素子１０の側面の部分には形成されていない。本実施形態では、ボンディングワイヤー２０は基板側のボンディングパッド１６から一旦上方に立ち上がり、それから半導体素子側のボンディングパッド１４に接続される。これは後述する逆ワイヤー法によって作製されるからである。
基板３上の半導体素子１０の受光部１２を除いた部分およびボンディングワイヤー２０は封止樹脂２４によって封止されている。半導体素子１０上のボンディングパッド１４も封止樹脂２４によって封止されている。基板３と半導体素子１０との接着部分やボンディングワイヤー２０の保護のためである。ただし、半導体素子１０の受光部１２の部分だけは、封止樹脂２４に覆われていない。封止樹脂２４がない方が受光感度を上げることができるからである。
本実施形態の半導体デバイス１では、半導体素子１０上に受光部１２を取り囲むように第１の絶縁体３０を形成し、静電気による障害から半導体素子１０を保護すると同時に封止樹脂２４との境界となす。また、第１の絶縁体３０は受光部１２とボンディングパッド１４との間に設けられている。
第１の絶縁体３０は、封止樹脂２４を成型する際の、壁とクッションの役割を担う。すなわち、成型時において受光部１２に封止樹脂２４が入り込まないようにするため第１の絶縁体３０を封止樹脂２４の堰き止め壁とすることと、半導体素子１０に直接金型の圧力をかけないようにするためである。もし、第１の絶縁体３０が無いと、金型を半導体素子（受光素子）１０に直接当てなければならなくなり、半導体素子１０と金型のスキマから樹脂が漏れてしまう。
また、金型を半導体素子１０に直接当てると、その圧力により半導体素子１０に悪影響を及ぼす。第１の絶縁体３０は、そのような悪影響を防止する。
また、第１の絶縁体３０はボンディングワイヤー２０が十分に封止されるだけの高さ３３を有している。そのため第１の絶縁体３０は半導体素子１０の表面から３０乃至３００μｍの高さ３３は必要である。なお、半導体デバイス１の高さを低くするためには５０乃至１００μｍが好適である。
また、第１の絶縁体３０は、ボンディングパッド１４から所定の距離３２だけ離れた位置に形成する。これは、ボンディングワイヤー２０を逆ワイヤー法を用いて形成する必要があり、その際にキャピラリーと第１の絶縁体３０とがぶつからないようにするためである。この距離３２は、少なくとも１０μｍは必要である。また離しすぎると半導体素子１０を大きくしなければならず、５０μｍ以下であるのが好適である。
また、第１の絶縁体３０は受光部１２の周りに開口部３９を形成しており、光の種類や特性に応じて開口部３９の大きさを拡大・縮小させる設計とすることが可能である。
図２は、受光部１２付近を拡大した断面図である。受光部１２の両脇には第１の絶縁体３０が存在する。ここで、半導体デバイス１の製造手順として、第１の絶縁体３０を先に形成し、その後に封止樹脂２４を射出形成しているため、封止樹脂２４は冷却されて収縮し、引張り応力３５が発生する。この引張り応力３５によって、第１の絶縁体３０は外側（接触してる封止樹脂２４側）に引き寄せられる。その結果、受光部１２から見た第１の絶縁体３０の内周壁は、外側に反る。つまり、開口部３９において第１の絶縁体３０の内周壁は、半導体素子１０の一面７から離れるに従って（上方に行くに従って）開口面積が大きくなり、テーパー形状となっている。
ここに、入光９２があった場合は、受光部１２で反射した光は、反り返った第１の絶縁体３０の内壁面３４で乱反射を生じるため、多くの部分が受光部１２の外に放出されることになる。すると、受光部１２に戻る乱反射光が少なくなる。従って、半導体素子１０の出力が安定する。
この第１の絶縁体３０の反り４０の大きさは、第１の絶縁体３０の幅や高さおよび封止樹脂２４の長さで変わるが、封止樹脂２４の線膨張係数が１０-5のオーダーであるので、反り４０は数μｍから１０μｍ程度となる。なお、「反り４０」は、第１の絶縁体３０の内周壁が受光部１２から見て外側へ傾斜しているとも言える。
次に図３を参照して、本実施形態の半導体デバイスの製造方法について説明する。
基板３は、半導体素子を搭載する搭載面である基板表面５を有し、その両側に貫通孔４３が形成されている。基板３からは複数の半導体デバイスが切り出されることになる。貫通孔４３の内周面には、予め引出電極１８が形成され、それに連続して基板表面５および基板裏面にも引出電極１８が形成されている。引出電極１８は、銅、アルミニウム、金、銀といった導電性の材料を用いて形成される。
図４では、半導体素子１０を基板表面５に接着剤を用いて接着させていることが示されている。そして、図５では、受光部１２の周囲に第２の絶縁体３１および第１の絶縁体３０を形成していることが示されている。第１の絶縁体３０は、レジストを積み上げることによって形成する。第２の絶縁体３１は貫通孔４３近辺の基板表面５上の引出電極１８の上に形成されており、封止樹脂２４の成形時において金型からの樹脂漏れ防止（高さ合わせ）および、金型を受けるためのクッションの役割をする。もし、第２の絶縁体３１が無い場合は、成形時に金型が引出電極１８の上に乗る（接触する）ことになるので、金型と引出電極１８の間の基板３にスキマが生じ、樹脂の漏れが生じてしまう。さらに、第２の絶縁体３１は、金型が引出電極１８に接触してその圧力で変形しないようにするためのクッションの役割も負う。
第１の絶縁体３０の形成する工程には、アルカリ溶液などを用いたリンス工程が含まれているため、第２の絶縁体３１は、第１の絶縁体３０の形成後に印刷などの方法で形成するのが好適である。なお、第２の絶縁体３１はこれ以外のタイミングで形成してもよい。例えば図３で示した引出電極１８を形成した直後や、第１の絶縁体３０の形成の際に同時に形成してもよい。
図６は、第１の絶縁体３０の作製方法について示している。図６（ａ）では、半導体素子１０上にレジスト５０を塗布していることが示されている。用いるレジスト５０は、ポジ型の樹脂レジストを用いるのがよい。複数回の積み上げを行う場合は、感光部分が硬化するポジ型の方が作製の精度が高くなるからである。塗布方法は特に制限されるものではないが、半導体素子１０上だけにレジスト５０を塗布するので、印刷法が好適に利用できる。
次に図６（ｂ）を参照する。レジスト５０を乾燥させ、低温で焼成することで、塗布膜を固め、ポジ用のマスク５１を用いてレジスト５０の一部に光５２を当てて感光させる。感光用の光５２が当たった部分５３のレジストが硬化する。
次に図６（ｃ）、（ｄ）を参照する。マスク５１を除去後、再びレジスト５０を塗布し、焼成、感光のプロセスを繰り返す。最後に図６（ｅ）で示すように、アルカリ溶液で未感光の部分を除去し、第１の絶縁体３０を形成する。
図７では、半導体素子１０と基板３の引出電極１８とをワイヤーボンディングによって接続していることが示されている。これによって、半導体素子１０と基板３の引出電極１８とはボンディングワイヤー２０によって電気的に接続される。ワイヤーボンディングの方法は、ボールボンディング、ウェッジボンディングといった方法を利用することができる。ただし、ワイヤーボンディングを行う際は、逆ワイヤー方法を用いる。
図８に逆ワイヤー方法の模式図を示す。半導体素子側をファーストボンドし、基板等の接続対象をセカンドボンドするという通常のワイヤーボンディング方法とは反対の順序でワイヤーボンディングを行うのが逆ワイヤー方法である。図８（ａ）に、基板３の上に搭載された半導体素子１０の一部を示す。半導体素子１０には、受光部１２とボンディングパッド１４との間に第１の絶縁体３０が形成されている。また、基板３上には基板側のボンディングパッド１６が形成されている。ボンディングパッド１６は引出電極１８自体であってもよい。
図８（ａ）には、キャピラリー５６の先端にワイヤーの先端がボール状に形成されている状態が示されている。まずキャピラリー５６をボンディングパッド１６の方に移動させ、先端のボールを基板３のボンディングパッド１６に接触させる。そして、熱・荷重・超音波をボールに伝えることでファーストボンド５７を形成する。
図８（ｂ）には、キャピラリー５６をセカンドボンドを行う位置と反対方向の一定の高さまで斜めに引き上げていることが示されている。この場合セカンドボンドを行う位置は半導体素子１０上のボンディングパット１４の位置である。
図８（ｃ）には、その後セカンドボンドを行う半導体素子１０のボンディングパット１４までキャピラリー５６が移動していることが示されている。このように、セカンドボンドの方向と逆方向に引き上げることで、ワイヤーボンディングに必要なボンディングワイヤー２０の長さを確保でき、半導体素子１０の端辺とボンディングワイヤー２０が接触することをさけ、切断といった欠陥の発生を抑えることが出来る。
図９には、ワイヤーボンディングを行ったのち、金型４５、４６を基板３および第１の絶縁体３０に押し当て圧力をかけながら（図９（ａ））、図１１に示す樹脂の流れ方向４７から封止樹脂２４を充填する（図９（ｂ））ことが示されている。封止樹脂２４は紙面表方向から裏方向に向かって充填される。金型を基板３および第１の絶縁体３０に押し当てるのは、第１の絶縁体３０と金型４５の隙間から封止樹脂が漏れないようにするためである。従って第１の絶縁体３０から受光部１２側には樹脂は充填されない。
図１０には、封止樹脂２４が冷えて固まった後に金型を取り去ることが示されている。流し込まれた封止樹脂２４は、冷えている第１の絶縁体３０の外周部分と接触し接着する。そして、封止樹脂２４自体が冷えて固まる際に封止樹脂２４が収縮することで、第１の絶縁体３０を受光部１２から離す方向の応力３５が発生する（図１０（ａ））。第１の絶縁体３０はこの応力によって、受光部１２から離れていくように外側に傾斜する（図１０（ｂ））。図１１には、この後基板３を切断線６０で切断して半導体デバイスを得ることが示されている。なお、図１１には、封止樹脂２４が充填された部分と充填方向４７を示した。
次に、半導体受光装置のバリエーションについて他の実施形態として説明する。なお、実施形態１と同じ構造部分については説明を省略する。
（実施形態２）
図１２には、受光部１２をまとめて第１の絶縁体３０が一定幅でしかも受光部１２を囲む構造を有している実施形態２に係る半導体デバイスが示されている。即ち、実施形態１では３つの受光部１２がそれぞれ一つずつ第１の絶縁体３０に取り囲まれていたが、実施形態２では、３つの受光部１２をまとめて第１の絶縁体３０が取り囲んでおり、２つの受光部１２の間の部分には第１の絶縁体３０は設けられていない。絶縁体を形成する際のマスク形状や封止樹脂の金型を比較的簡単にすることができる。
（実施形態３）
図１３には、第１の絶縁体３０と封止樹脂２４の接続境界部分（第１の絶縁体３０の外周壁）に凹凸形状を有する実施形態３に係る半導体デバイスが示されている。凹凸形状を形成することで、第１の絶縁体３０と封止樹脂２４との結合力を強化することができる。
（実施形態４）
図１４には、基板３にスルーホールを形成して引出電極１８の一部をスルーホールに充填した導電体によって形成した実施形態４に係る半導体デバイスが示されている。貫通電極２６、２７は基板３に穿たれた貫通孔の内部に銅、アルミニウム、金等の導電材料を充填したものである。裏面電極２８、２９は、貫通電極２６、２７と電気的に接合しており、銅、銀、金などの導電材料で作製されている。
（実施形態５）
図１５には、基板３の裏面に第３の絶縁体６１を配置した実施形態５に係る半導体デバイスが示されている。第３の絶縁体６１は封止樹脂２４の成形時に基板３をたわませることができるので、第１の絶縁体３０によって形成された受光部１２上方の開口部３９をより上方が開いたテーパ形状に開かせることができる。より具体的には、第３の絶縁体６１は、図１０で第１の絶縁体３０を外側に引っ張る応力３５を助ける働きをする。なお、第３の絶縁体６１は、第１の絶縁体３０と同じ樹脂を用いてよい。
なお、第３の絶縁体６１は、裏面全体に塗布するだけでなく、２分割または３分割、若しくは適当な形状に塗布し、絶縁体を塗布しない部分を設けてもよい。絶縁体６１の塗布状態を調整することで、基板３のたわみ量を調整することもできるからである。
（実施形態６）
図１６には、封止樹脂２４の外周縁の角部に面取りを行った実施形態６に係る半導体デバイスのバリエーションを示す。プリント基板の集積度が高くなると、封止樹脂２４の外周縁の角部が他の部品と接触する場合もあり、できるだけ不要な部分を減らすことで、他部品との干渉防止という効果がある。
図１６（ａ）は角部への面取り加工として段３６を施したものである。また図１６（ｂ）は角部への面取り加工としてテーパー３７を施したものである。また図１６（ｃ）は面取り加工として角部をＲ形状３８とした場合を示す。
これらの面取りは、封止樹脂用の金型４５に面取りの形状を施しておいても良いし、封止樹脂２４を形成した後、切削加工や研削加工によって成形してもよい。
本発明は、受光部分をむき出しにしたベアチップを搭載した半導体デバイス等に利用する事が出来る。
本発明は、半導体デバイスおよび半導体デバイスの製造方法に関し、特に受光部を備えた半導体素子を基板に搭載した半導体デバイスおよび半導体デバイスの製造方法に関するものである。
半導体受光装置は、電極を配設した基板上にフォトセンサチップを配置し、それを透明保護層で覆う構成を有する。これは、電極パッド、ワイヤーや受光部といった部分を、外気に含まれる水分による腐食や、塵埃から保護するためである。
しかし、近年、電子機器の小型化によって、半導体受光装置を含む部品が小型化し、電子機器の部品の一部に組み込まれ、一体化した部品となる場合が多くなってきている。このような一体化部品は、外形部分を樹脂で密封されている場合が多く、水分や塵埃が入り込む隙がほとんどない。
また、ハードディスクドライブ装置においては、ドライブ装置自体が密封状態にあり、内部は、水分や塵埃の非常に少ない清浄な気体で満たされている。
このような密封状態にある半導体受光装置では、上記のように透明保護層で覆う必要はなく、受光部をむき出しにしてもよい。受光部をむき出しにした半導体受光装置は、受光感度が向上するという効果を得ることができる。なお、受光部をむき出しにした半導体チップをベアチップと呼ぶ。
特許文献１に開示されている半導体受光装置の製造方法は、受光部の上にフォトリソグラフィ法によってレジストを載せて、その後樹脂をモールドしてから、そのレジストを除去することによってベアチップとなす。
特開２００７−１５００３８号公報
受光部上の透明保護層を省いた半導体受光装置は、基板とフォトセンサチップを接続するための端子部分などは封止樹脂でモールドされており、受光部分だけが露出している。すなわち、樹脂体で形成された凹部の底に受光部分が形成されている。
このような半導体受光装置において、樹脂体で形成された凹部の壁面が反射した光が受光部分に入射すると、受光素子面で入射光が反射し、受光素子表面で反射した光が封止樹脂の壁面に当たって、乱反射状態となる。この乱反射光は、受光素子で再び受光され、受光素子の出力を不安定にするという問題があった。
上記課題を解決するために、本発明の半導体デバイスは、半導体素子と、該半導体素子を搭載した基板とを備えた半導体デバイスであって、前記半導体素子は、一面に受光部とボンディングパッドとを備え、該一面の裏面側が前記基板に搭載されており、前記半導体素子を搭載する側の面である前記基板の搭載面には引出電極が形成されており、前記ボンディングパッドと前記引出電極とは金属細線によって接続されており、前記半導体素子の前記一面には、前記受光部と前記ボンディングパッドとの間に存するともに該受光部を取り囲む第１の絶縁体が設けられており、前記ボンディングパッドと前記金属細線とは封止樹脂によって封止されており、前記半導体素子の前記一面において前記第１の絶縁体の外周は前記封止樹脂と接触しており、前記受光部に臨み且つ該受光部を取り囲む前記第１の絶縁体の内周壁は、前記半導体素子の前記一面から離れるに従って開口面積が広がるテーパー形状を有している構成とした。
本発明の半導体デバイスは、受光部の周囲に絶縁体の枠体を形成し、その枠体の外側に封止樹脂を形成させたので、封止樹脂の硬化時に枠体が外側に引っ張られ、枠体の壁面が斜めに形成される。したがって受光部で反射した不要な光が壁面で乱反射しても、半導体デバイスが誤動作をすることがなくなるという効果を得ることができる。
（ａ）は実施形態に係る半導体デバイスの構成を表す模式的な平面図であり、（ｂ）は模式的な断面図である。 実施形態に係る半導体デバイスを構成する半導体素子の拡大部分を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の工程を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の工程を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の工程を示す図である。 第１の絶縁体を形成する過程を説明する図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の工程を示す図である。 ワイヤーボンディングの工程を示す図である。 実施形態に係るの半導体デバイスの製造方法の樹脂モールドの工程を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の樹脂モールドの工程を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の切り出しの工程を示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの１バリエーションを示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの１バリエーションを示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの１バリエーションを示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの１バリエーションを示す図である。 実施形態に係る半導体デバイスの１バリエーションを示す図である。 関連技術に係るベアチップを搭載した半導体デバイスを示す図である。 図１７のベアチップの素子周辺の拡大図である。
本願と関連する技術において、図１７に示すようなベアチップを基板に搭載した半導体受光装置が考えられる。この半導体受光装置は、基板３上にベアチップ１０を搭載し、ベアチップ上の電極パッド７４と基板の引出電極７８の間をワイヤーボンディングによるボンディングワイヤー２０で接続する。そして、受光部１２を除き、電極パッド７４とボンディングワイヤー２０、電極接続部を樹脂９０でモールドする構造である。このような構造を形成するには、受光部１２を予めなんらかのもの（例えばレジスト）で保護してから、樹脂９０によるモールド行う必要がある。
図１８は、受光部１２の近傍の断面図である。樹脂９０で囲まれた凹部の底に受光部１２が配置されている。ここで周囲からの入光９２があると、受光部１２で反射し、樹脂９０の壁面９４で反射し、乱反射９８を起こす。
このような半導体受光装置に、光が入射すると、受光素子表面で反射した光が樹脂の壁面に当たって、乱反射状態となる。この乱反射光は、受光素子で再び受光され、受光素子の出力を不安定にするという問題があった。
具体的には、半導体受光装置が連続して併設されている場合にこの問題が生じる場合がある。すなわち、隣接する受光装置用の光が斜め方向から入射され、受光部分で全反射し、樹脂の壁面に当たって乱反射し、あたかも受光部で光を受光したかのように誤認する場合があった。
また、この樹脂の壁面は、数百μｍ程度の大きさであり、樹脂を形成したのち機械的な加工をするのは容易でない。また上述の乱反射が生じるのを避けるために壁面９４を壁面９６のように傾斜させるようとフォトリソグラフィ法を駆使するのは、工程がさらに複雑になりコストが大きくなってしまう。
これらの課題を解決すべく、本願発明者らは様々な検討を重ねた結果、本願発明にたどり着いた。以下に、実施形態について図を参照して説明する。
（実施形態１）
図１に実施形態１の半導体デバイス１の構成を示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、断面図である。半導体デバイス１は、引出電極１８が配置された基板３の搭載面２２上に半導体素子１０が搭載された構成を有する。半導体素子１０は、シリコンなどの半導体基板の一方の面（一面）７上に受光部１２とワイヤーボンディングのためのボンディングパッド１４が形成されているものである。なお、図１（ａ）では説明上わかりやすくするために、断面ではない受光部１２と第１の絶縁体３０とにハッチングを付している。
受光部１２は一つの半導体素子１０上に複数個あってもよい。図１では３つの受光部１２が１つの半導体素子１０に形成されている例を示す。半導体素子１０上の受光部１２とボンディングパッド１４との位置関係は、ボンディングパッド１４が半導体素子１０の一面７の外周部分に配置されて、受光部１２はボンディングパッド１４に比べて一面７の中央部分に配置されている。本実施形態では、ボンディングパット１４は左右上下に４つずつ形成されている。
基板３は、特に限定されるものではなく、ガラスエポキシなどのエポキシ系やフェノール系、テフロン（登録商標）系、ポリエチレン系などが好適に利用できる。基板３の搭載面２２には複数の引出電極１８が形成されており、その引出電極１８の一部として基板側ボンディングパッド１６が形成されている。基板側ボンディングパッド１６は、半導体素子１０側のボンディングパッド１４とワイヤーボンディングするためのものである。なお、基板側ボンディングパッド１６を省略して、直接引出電極１８にワイヤーボンディングしてもよい。
引出電極１８は、基板３上のみでなく基板３の側面にも形成されていてもよいし、スルーホールを介して、基板３の裏面にも形成されていてもよい。図１では、基板３の側面を回って裏面にまで形成されている場合を示す。
基板３と半導体素子１０とは互いのボンディングパッド１６，１４においてボンディングワイヤー（金属細線）２０によって接続される。ここで、半導体素子１０側のボンディングパッド１４は、基板３の表面である搭載面２２より高い位置にあり、また半導体素子１０の側面の部分には形成されていない。本実施形態では、ボンディングワイヤー２０は基板側のボンディングパッド１６から一旦上方に立ち上がり、それから半導体素子側のボンディングパッド１４に接続される。これは後述する逆ワイヤー法によって作製されるからである。
基板３上の半導体素子１０の受光部１２を除いた部分およびボンディングワイヤー２０は封止樹脂２４によって封止されている。半導体素子１０上のボンディングパッド１４も封止樹脂２４によって封止されている。基板３と半導体素子１０との接着部分やボンディングワイヤー２０の保護のためである。ただし、半導体素子１０の受光部１２の部分だけは、封止樹脂２４に覆われていない。封止樹脂２４がない方が受光感度を上げることができるからである。
本実施形態の半導体デバイス１では、半導体素子１０上に受光部１２を取り囲むように第１の絶縁体３０を形成し、静電気による障害から半導体素子１０を保護すると同時に封止樹脂２４との境界となす。また、第１の絶縁体３０は受光部１２とボンディングパッド１４との間に設けられている。
第１の絶縁体３０は、封止樹脂２４を成型する際の、壁とクッションの役割を担う。すなわち、成型時において受光部１２に封止樹脂２４が入り込まないようにするため第１の絶縁体３０を封止樹脂２４の堰き止め壁とすることと、半導体素子１０に直接金型の圧力をかけないようにするためである。もし、第１の絶縁体３０が無いと、金型を半導体素子（受光素子）１０に直接当てなければならなくなり、半導体素子１０と金型のスキマから樹脂が漏れてしまう。
また、金型を半導体素子１０に直接当てると、その圧力により半導体素子１０に悪影響を及ぼす。第１の絶縁体３０は、そのような悪影響を防止する。
また、第１の絶縁体３０はボンディングワイヤー２０が十分に封止されるだけの高さ３３を有している。そのため第１の絶縁体３０は半導体素子１０の表面から３０乃至３００μｍの高さ３３は必要である。なお、半導体デバイス１の高さを低くするためには５０乃至１００μｍが好適である。
また、第１の絶縁体３０は、ボンディングパッド１４から所定の距離３２だけ離れた位置に形成する。これは、ボンディングワイヤー２０を逆ワイヤー法を用いて形成する必要があり、その際にキャピラリーと第１の絶縁体３０とがぶつからないようにするためである。この距離３２は、少なくとも１０μｍは必要である。また離しすぎると半導体素子１０を大きくしなければならず、５０μｍ以下であるのが好適である。
また、第１の絶縁体３０は受光部１２の周りに開口部３９を形成しており、光の種類や特性に応じて開口部３９の大きさを拡大・縮小させる設計とすることが可能である。
図２は、受光部１２付近を拡大した断面図である。受光部１２の両脇には第１の絶縁体３０が存在する。ここで、半導体デバイス１の製造手順として、第１の絶縁体３０を先に形成し、その後に封止樹脂２４を射出形成しているため、封止樹脂２４は冷却されて収縮し、引張り応力３５が発生する。この引張り応力３５によって、第１の絶縁体３０は外側（接触してる封止樹脂２４側）に引き寄せられる。その結果、受光部１２から見た第１の絶縁体３０の内周壁は、外側に反る。つまり、開口部３９において第１の絶縁体３０の内周壁は、半導体素子１０の一面７から離れるに従って（上方に行くに従って）開口面積が大きくなり、テーパー形状となっている。
ここに、入光９２があった場合は、受光部１２で反射した光は、反り返った第１の絶縁体３０の内壁面３４で乱反射を生じるため、多くの部分が受光部１２の外に放出されることになる。すると、受光部１２に戻る乱反射光が少なくなる。従って、半導体素子１０の出力が安定する。
この第１の絶縁体３０の反り４０の大きさは、第１の絶縁体３０の幅や高さおよび封止樹脂２４の長さで変わるが、封止樹脂２４の線膨張係数が１０-5のオーダーであるので、反り４０は数μｍから１０μｍ程度となる。なお、「反り４０」は、第１の絶縁体３０の内周壁が受光部１２から見て外側へ傾斜しているとも言える。
次に図３を参照して、本実施形態の半導体デバイスの製造方法について説明する。
基板３は、半導体素子を搭載する搭載面である基板表面５を有し、その両側に貫通孔４３が形成されている。基板３からは複数の半導体デバイスが切り出されることになる。貫通孔４３の内周面には、予め引出電極１８が形成され、それに連続して基板表面５および基板裏面にも引出電極１８が形成されている。引出電極１８は、銅、アルミニウム、金、銀といった導電性の材料を用いて形成される。
図４では、半導体素子１０を基板表面５に接着剤を用いて接着させていることが示されている。そして、図５では、受光部１２の周囲に第２の絶縁体３１および第１の絶縁体３０を形成していることが示されている。第１の絶縁体３０は、レジストを積み上げることによって形成する。第２の絶縁体３１は貫通孔４３近辺の基板表面５上の引出電極１８の上に形成されており、封止樹脂２４の成形時において金型からの樹脂漏れ防止（高さ合わせ）および、金型を受けるためのクッションの役割をする。もし、第２の絶縁体３１が無い場合は、成形時に金型が引出電極１８の上に乗る（接触する）ことになるので、金型と引出電極１８の間の基板３にスキマが生じ、樹脂の漏れが生じてしまう。さらに、第２の絶縁体３１は、金型が引出電極１８に接触してその圧力で変形しないようにするためのクッションの役割も負う。
第１の絶縁体３０の形成する工程には、アルカリ溶液などを用いたリンス工程が含まれているため、第２の絶縁体３１は、第１の絶縁体３０の形成後に印刷などの方法で形成するのが好適である。なお、第２の絶縁体３１はこれ以外のタイミングで形成してもよい。例えば図３で示した引出電極１８を形成した直後や、第１の絶縁体３０の形成の際に同時に形成してもよい。
図６は、第１の絶縁体３０の作製方法について示している。図６（ａ）では、半導体素子１０上にレジスト５０を塗布していることが示されている。用いるレジスト５０は、ポジ型の樹脂レジストを用いるのがよい。複数回の積み上げを行う場合は、感光部分が硬化するポジ型の方が作製の精度が高くなるからである。塗布方法は特に制限されるものではないが、半導体素子１０上だけにレジスト５０を塗布するので、印刷法が好適に利用できる。
次に図６（ｂ）を参照する。レジスト５０を乾燥させ、低温で焼成することで、塗布膜を固め、ポジ用のマスク５１を用いてレジスト５０の一部に光５２を当てて感光させる。感光用の光５２が当たった部分５３のレジストが硬化する。
次に図６（ｃ）、（ｄ）を参照する。マスク５１を除去後、再びレジスト５０を塗布し、焼成、感光のプロセスを繰り返す。最後に図６（ｅ）で示すように、アルカリ溶液で未感光の部分を除去し、第１の絶縁体３０を形成する。
図７では、半導体素子１０と基板３の引出電極１８とをワイヤーボンディングによって接続していることが示されている。これによって、半導体素子１０と基板３の引出電極１８とはボンディングワイヤー２０によって電気的に接続される。ワイヤーボンディングの方法は、ボールボンディング、ウェッジボンディングといった方法を利用することができる。ただし、ワイヤーボンディングを行う際は、逆ワイヤー方法を用いる。
図８に逆ワイヤー方法の模式図を示す。半導体素子側をファーストボンドし、基板等の接続対象をセカンドボンドするという通常のワイヤーボンディング方法とは反対の順序でワイヤーボンディングを行うのが逆ワイヤー方法である。図８（ａ）に、基板３の上に搭載された半導体素子１０の一部を示す。半導体素子１０には、受光部１２とボンディングパッド１４との間に第１の絶縁体３０が形成されている。また、基板３上には基板側のボンディングパッド１６が形成されている。ボンディングパッド１６は引出電極１８自体であってもよい。
図８（ａ）には、キャピラリー５６の先端にワイヤーの先端がボール状に形成されている状態が示されている。まずキャピラリー５６をボンディングパッド１６の方に移動させ、先端のボールを基板３のボンディングパッド１６に接触させる。そして、熱・荷重・超音波をボールに伝えることでファーストボンド５７を形成する。
図８（ｂ）には、キャピラリー５６をセカンドボンドを行う位置と反対方向の一定の高さまで斜めに引き上げていることが示されている。この場合セカンドボンドを行う位置は半導体素子１０上のボンディングパット１４の位置である。
図８（ｃ）には、その後セカンドボンドを行う半導体素子１０のボンディングパット１４までキャピラリー５６が移動していることが示されている。このように、セカンドボンドの方向と逆方向に引き上げることで、ワイヤーボンディングに必要なボンディングワイヤー２０の長さを確保でき、半導体素子１０の端辺とボンディングワイヤー２０が接触することをさけ、切断といった欠陥の発生を抑えることが出来る。
図９には、ワイヤーボンディングを行ったのち、金型４５、４６を基板３および第１の絶縁体３０に押し当て圧力をかけながら（図９（ａ））、図１１に示す樹脂の流れ方向４７から封止樹脂２４を充填する（図９（ｂ））ことが示されている。封止樹脂２４は紙面表方向から裏方向に向かって充填される。金型を基板３および第１の絶縁体３０に押し当てるのは、第１の絶縁体３０と金型４５の隙間から封止樹脂が漏れないようにするためである。従って第１の絶縁体３０から受光部１２側には樹脂は充填されない。
図１０には、封止樹脂２４が冷えて固まった後に金型を取り去ることが示されている。流し込まれた封止樹脂２４は、冷えている第１の絶縁体３０の外周部分と接触し接着する。そして、封止樹脂２４自体が冷えて固まる際に封止樹脂２４が収縮することで、第１の絶縁体３０を受光部１２から離す方向の応力３５が発生する（図１０（ａ））。第１の絶縁体３０はこの応力によって、受光部１２から離れていくように外側に傾斜する（図１０（ｂ））。図１１には、この後基板３を切断線６０で切断して半導体デバイスを得ることが示されている。なお、図１１には、封止樹脂２４が充填された部分と充填方向４７を示した。
次に、半導体受光装置のバリエーションについて他の実施形態として説明する。なお、実施形態１と同じ構造部分については説明を省略する。
（実施形態２）
図１２には、受光部１２をまとめて第１の絶縁体３０が一定幅でしかも受光部１２を囲む構造を有している実施形態２に係る半導体デバイスが示されている。即ち、実施形態１では３つの受光部１２がそれぞれ一つずつ第１の絶縁体３０に取り囲まれていたが、実施形態２では、３つの受光部１２をまとめて第１の絶縁体３０が取り囲んでおり、２つの受光部１２の間の部分には第１の絶縁体３０は設けられていない。絶縁体を形成する際のマスク形状や封止樹脂の金型を比較的簡単にすることができる。
（実施形態３）
図１３には、第１の絶縁体３０と封止樹脂２４の接続境界部分（第１の絶縁体３０の外周壁）に凹凸形状を有する実施形態３に係る半導体デバイスが示されている。凹凸形状を形成することで、第１の絶縁体３０と封止樹脂２４との結合力を強化することができる。
（実施形態４）
図１４には、基板３にスルーホールを形成して引出電極１８の一部をスルーホールに充填した導電体によって形成した実施形態４に係る半導体デバイスが示されている。貫通電極２６、２７は基板３に穿たれた貫通孔の内部に銅、アルミニウム、金等の導電材料を充填したものである。裏面電極２８、２９は、貫通電極２６、２７と電気的に接合しており、銅、銀、金などの導電材料で作製されている。
（実施形態５）
図１５には、基板３の裏面に第３の絶縁体６１を配置した実施形態５に係る半導体デバイスが示されている。第３の絶縁体６１は封止樹脂２４の成形時に基板３をたわませることができるので、第１の絶縁体３０によって形成された受光部１２上方の開口部３９をより上方が開いたテーパ形状に開かせることができる。より具体的には、第３の絶縁体６１は、図１０で第１の絶縁体３０を外側に引っ張る応力３５を助ける働きをする。なお、第３の絶縁体６１は、第１の絶縁体３０と同じ樹脂を用いてよい。
なお、第３の絶縁体６１は、裏面全体に塗布するだけでなく、２分割または３分割、若しくは適当な形状に塗布し、絶縁体を塗布しない部分を設けてもよい。絶縁体６１の塗布状態を調整することで、基板３のたわみ量を調整することもできるからである。
（実施形態６）
図１６には、封止樹脂２４の外周縁の角部に面取りを行った実施形態６に係る半導体デバイスのバリエーションを示す。プリント基板の集積度が高くなると、封止樹脂２４の外周縁の角部が他の部品と接触する場合もあり、できるだけ不要な部分を減らすことで、他部品との干渉防止という効果がある。
図１６（ａ）は角部への面取り加工として段３６を施したものである。また図１６（ｂ）は角部への面取り加工としてテーパー３７を施したものである。また図１６（ｃ）は面取り加工として角部をＲ形状３８とした場合を示す。
これらの面取りは、封止樹脂用の金型４５に面取りの形状を施しておいても良いし、封止樹脂２４を形成した後、切削加工や研削加工によって成形してもよい。
本発明は、受光部分をむき出しにしたベアチップを搭載した半導体デバイス等に利用する事が出来る。
１ 半導体デバイス
３ 基板
５ 基板表面
７ 一面
１０ 半導体素子
１２ 受光部
１４ ボンディングパッド
１６ ボンディングパッド
１８ 引出電極
２０ ボンディングワイヤー（金属細線）
２２ 搭載面
２４ 封止樹脂
２６，２７ 貫通電極
２８，２９ 裏面電極
３０ 第１の絶縁体
３１ 第２の絶縁体
３４ 壁面
３９ 開口部
４３ 貫通孔
６１ 第３の絶縁体

Claims (9)

  1. 半導体素子と、該半導体素子を搭載した基板とを備えた半導体デバイスであって、
    前記半導体素子は、一面に受光部とボンディングパッドとを備え、該一面の裏面側が前記基板に搭載されており、
    前記半導体素子を搭載する側の面である前記基板の搭載面には引出電極が形成されており、
    前記ボンディングパッドと前記引出電極とは金属細線によって接続されており、
    前記半導体素子の前記一面には、前記受光部と前記ボンディングパッドとの間に存するともに該受光部を取り囲む第１の絶縁体が設けられており、
    前記ボンディングパッドと前記金属細線とは封止樹脂によって封止されており、
    前記半導体素子の前記一面において前記第１の絶縁体の外周は前記封止樹脂と接触しており、
    前記受光部に臨み且つ該受光部を取り囲む前記第１の絶縁体の内周壁は、前記半導体素子の前記一面から離れるに従って開口面積が広がるテーパー形状を有している、半導体デバイス。
  2. 前記金属細線は、セカンドボンドを前記ボンディングパッドに接続させる逆ワイヤー方法により形成されていることを特徴とする、請求項１に記載されている半導体デバイス。
  3. 前記引出電極は、前記搭載面の外周縁にまで延びており、
    前記搭載面の外周において前記引出電極上に第２の絶縁体が形成されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれかの請求項に記載された半導体デバイス。
  4. 前記第１の絶縁体は、前記半導体素子の上に一定の幅で設けられていることを特徴とする、請求項１または２のいずれかの請求項に記載された半導体デバイス。
  5. 前記第１の絶縁体の外周壁には凹凸が設けられていることを特徴とする、請求項１または２のいずれかの請求項に記載された半導体デバイス。
  6. 前記基板の前記搭載面の反対側の裏面には、第３の絶縁体が設けられていることを特徴とする、請求項１または２のいずれかの請求項に記載された半導体デバイス。
  7. 前記基板にはスルーホールが形成されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれかの請求項に記載された半導体デバイス。
  8. 前記封止樹脂の外周縁の角部は面取りされている、請求項１乃至７のいずれか一つに記載された半導体デバイス。
  9. 受光部とボンディングパッドとを備えた半導体素子を、引出電極を備えた基板に搭載する工程と、
    前記半導体素子の受光部を取り囲むように該受光部と前記ボンディングパッドとの間に第１の絶縁体を該半導体素子上に設ける工程と、
    前記ボンディングパッドと前記引出電極とを金属細線で接続する工程と、
    前記ボンディングパッドと前記金属細線とを封止樹脂で封止するとともに前記第１の絶縁体の外周壁部に該封止樹脂を接触させる工程と、
    を含み、
    前記封止樹脂の硬化時の応力によって前記絶縁体の内周壁は上部が前記外周壁側に傾斜していることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
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