JP2005332917A - 光電変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不要な赤外光を排除すると共に、光電変換装置の信頼性を高める。
【解決手段】表面に光電変換素子が形成された半導体基板３０と、半導体基板３０の表面の少なくとも一部を覆うよう設けられた可視光フィルタ３４と、半導体基板３０の表面に接着された上部支持基体４２を備え、上部支持基体４２は、赤外光を吸収する樹脂層４２ｂで透光性を有する複数の基体４２ａを接着した光電変換装置により上記課題を解決することかできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長フィルタを用いて波長特性を調整した光電変換装置及びその製造方法に関する。

近年、光電変換素子を含む光電変換装置等の小型化を図るために、素子側面から配線を取り出したチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）が適用されるようになっている。

図１２（ａ）及び（ｂ）に、ＣＳＰを適用した半導体集積装置の外観の上面図及び下面図を示す。ＣＳＰは、半導体チップ１０の上面及び下面に、上部支持基体１４と下部支持基体１６をエポキシ等の樹脂層１２によりそれぞれ接着した構造を有している。上部支持基体１４と下部支持基体１６とに挟み込まれた半導体チップ１０には、側面から外部配線１８が引き出され、ＣＳＰの裏面に設けられたボール状端子２０に接続される。

図１３に、光電変換素子にＣＳＰを適用した従来の光電変換装置の断面図を示す。半導体チップ１０は、上面に光電変換素子が形成された半導体基板１０ａと、光電変換素子の少なくとも一部を覆うように所定の波長領域の光を吸収又は反射するカラーフィルタ１０ｂ，１０ｃと、表面の凹凸を埋めて平坦化するための平坦化膜１０ｄとの積層体として構成される。半導体チップ１０の上面には上部支持基体１４が樹脂層１２により接着され、半導体チップ１０の下面には下部支持基体１６が樹脂層１２により接着される。このとき、上部支持基体１４としてガラス等の透光性の基板を用いることによって、半導体チップ１０の上面に形成された光電変換素子に外部からの光を入射させることができる。

可視光を透過させる可視光フィルタであるカラーフィルタとしては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の波長領域を主として透過させるフィルタ材が用いられる。図１４に、一般的に用いられている赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のカラーフィルタを用いた場合の光電変換素子の感度特性を示す。一般的なカラーフィルタは、それぞれの波長領域に加えて７００ｎｍ以上の赤外領域においても比較的高い透過率を示す。また、シリコン光電変換素子も７００ｎｍ以上の赤外領域においても感度を有する。横軸はフィルタに入射される光の波長を示し、縦軸は各波長における感度を示す。図１４では、赤（Ｒ）の波長領域に対するカラーフィルタを用いた場合の特性をラインＡで示し、緑（Ｇ）の波長領域に対するカラーフィルタを用いた場合の特性をラインＢで示し、青（Ｂ）の波長領域に対するカラーフィルタを用いた場合の特性をラインＣで示す。また、同時に、シリコン基板上に形成された光電変換素子（カラーフィルタなし）の各波長に対する感度の典型例をラインＤで示す。

このように、これらのカラーフィルタを用いてカラー撮像を行った場合、入射光に含まれる赤外光成分によるノイズが各色の出力信号に重畳することとなる。その結果、各色の出力信号を重ね合わせた際に画像のホワイトバランスが崩れてしまう原因となってしまう。

そこで、図１５に示すように、ＣＳＰを適用した光電変換装置１００の入射面を覆うように赤外線カットフィルタ１０２を配置し、入射光をレンズ１０４によって光電変換素子に導く構成が用いられている。

"PRODUCTS",[online],SHELLCASE社,[平成14年10月1日検索],インターネット<URL http://www.shellcase.com/pages/products-shellOP-process.asp>

しかしながら、図１５に示したように、光電変換装置１００の上部に赤外線カットフィルタ１０２を設ける構造では、装置全体のサイズが非常に大きくなる問題がある。

また、赤外線カットフィルタ１０２は、ガラス基板に特性が異なる赤外線吸収材料を幾層も積層して作成されるので非常に高価であり、光電変換装置１００の製造コストを上昇させる一因となっている。さらに、ガラス基板の表面に赤外線吸収膜を成膜した構成では、製造工程において赤外線カットフィルタ１０２を取り扱う際に赤外線吸収膜を破損してしまうことが多い。また、ガラス基板と赤外線吸収膜との収縮率の違いにより、赤外線カットフィルタ１０２が湾曲してしまったり、赤外線吸収膜の一部が剥がれてしまったりすることも多い。

本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、装置のサイズを小型化すると共に、赤外光の影響を低減した信頼性の高い光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明は、表面に光電変換素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板の表面の少なくとも一部を覆うよう設けられた可視光フィルタと、前記半導体基板の表面に接着された支持基体と、を備えた光電変換装置であって、前記支持基体は、赤外光を吸収する樹脂材で透光性を有する複数の基体を接着したものであることを特徴とする。

さらに、前記支持基体は、赤外光を吸収する樹脂材で前記半導体基板の表面に接着されていることがより好適である。ここで、前記半導体基板の表面の凹凸を平坦化させる平坦化膜を含み、前記平坦化膜は、赤外光を吸収する樹脂で構成され、前記支持基体に含まれる基体を接着している樹脂、前記支持基体を前記半導体基板に接着している樹脂、及び、前記平坦化膜を構成する樹脂、は互いに異なる赤外光吸収特性を有するものとすることも好適である。

このとき、前記赤外光を吸収する樹脂材は、２価の銅イオン金属錯体が混合された樹脂材であることが好適である。

前記透光性を有する基体がガラス板である場合、赤外光を吸収すると共に支持基体の割れ等の損傷を防ぐことができる。特に、前記基体が、１００μｍ以上１ｍｍ以下の厚さを有するガラス基板である場合に効果が顕著となる。

また、本発明は、半導体基板の表面に光電変換素子を形成する第１の工程と、前記光電変換素子の少なくとも一部を覆うように可視光フィルタを設ける第２の工程と、前記半導体基板の表面に、赤外光を吸収する樹脂材で透光性を有する複数の基体を接着した支持基体を接着する第３の工程と、を備えることを特徴とする光電変換装置の製造方法である。

このとき、前記第１の工程では、スクライブラインによって区画された前記半導体基板の表面の各区画に光電変換素子を形成し、前記第３の工程の後に、前記半導体基板及び前記支持基体の少なくとも一部を前記スクライブラインに沿って切削する第４の工程を行うことが好適である。

また、本発明は、表面に光電変換素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板の表面の少なくとも一部を覆うように設けられた可視光フィルタと、前記半導体基板の表面に接着された支持基体と、を備えた光電変換素子であって、前記支持基体は、赤外光を吸収する樹脂で前記半導体基板に接着されていることを特徴とする光電変換装置とすることもできる。

また、本発明は、表面に光電変換素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板の表面の少なくとも一部を覆うように設けられた可視光フィルタと、前記半導体基板の表面の凹凸を平坦化させる平坦化膜と、前記半導体基板の表面に接着された支持基体と、を備えた光電変換素子であって、前記平坦化膜は、赤外光を吸収する樹脂で構成されていることを特徴とする光電変換装置とすることもできる。

本発明によれば、赤外光の影響を低減した信頼性の高い光電変換装置を実現できる。また、装置のサイズを小型化することができる。

本発明の実施の形態における光電変換装置について図を参照して詳細に説明する。図１は、チップサイズパッケージ（ＣＳＰ）を適用した本実施の形態における光電変換装置２００の断面図である。図２は、本実施の形態における光電変換装置２００の主要部を拡大した断面図である。ここでは、説明を明確にするために各部の膜厚等を適宜変更して示している。

半導体基板３０の表面上には、光電変換素子を含む半導体集積回路３２が形成される。半導体基板３０に形成された光電変換素子の一部を覆うように可視光フィルタであるカラーフィルタ３４ａ，３４ｂが設けられる。このカラーフィルタ３４ａ，３４ｂは、図１４に示したように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の波長領域を透過帯域とする一般的なカラーフィルタで構成することができる。また、半導体基板３０の表面上には、半導体集積回路３２に接続される内部配線３６が形成される。この内部配線３６は、酸化膜等の絶縁膜に設けられたコンタクトホール等を介して半導体集積回路３２に含まれる配線に接続され、半導体集積回路３２と外部との電気的な接続を行う役割を担う。

カラーフィルタ３４ａ，３４ｂ及び内部配線３６が設けられた半導体基板３０の表面上には、表面の凹凸を平坦化するための平坦化膜３８が設けられる。この平坦化膜３８は、エポキシ等の樹脂を主材料として形成することができる。

上部支持基体４２は、平坦化された半導体基板３０の表面に樹脂層４０によって接着される。また、下部支持基体４４は、半導体基板３０の裏面に樹脂層４６によって接着される。上部支持基体４２及び下部支持基体４４は、光電変換装置の構造的な強度を高める役割を果たす。

半導体基板３０の側面から下部支持基体４４にかけて内部配線３６の端部に接触するように導電性の外部配線４８が設けられる。この外部配線４８によって下部支持基体４４の下面に設けられたボール状端子５４と内部配線３６とが接続される。ボール状端子５４は、下部支持基体４４との応力を低減するために設けられた緩衝部材５２上に設けられる。外部配線４８が設けられた下部支持基体４４の表面は、腐食を防ぐために保護膜５０によって覆われる。

上部支持基体４２は、図１及び２に示すように、複数の基体４２ａを樹脂層４２ｂで接着した構成とされる。半導体集積回路３２が光電変換素子を含む場合には、基体４２ａはガラス等の光透過性の高い材料から構成される。このとき、基体４２ａの厚さは１００μｍ以上１ｍｍ以下とすることが好適である。この範囲の厚さとすることによって、上部支持基体４２に十分な機械的な強度と透過性を持たせることができる。樹脂層４２ｂは赤外光吸収材を含んだ材料で構成する。例えば、赤外光吸収材である２価の銅イオン金属錯体をエポキシ等に混合した材料で構成することが好適である。

このように、基体４２ａを赤外光吸収材を含む樹脂層４２ｂで接着した上部支持基体４２を用いることによって、光電変換装置２００の外部に赤外線カットフィルタを別途設置する必要がなくなり、光電変換装置２００のサイズを低減することができる。また、光電変換装置２００の製造コストを抑えることができる。

また、樹脂層４２ｂはガラス等の硬質の基体４２ａに挟み込まれているので、光電変換装置２００の製造過程において上部支持基体４２を取り扱う際に樹脂層４２ｂに傷を付けてしまうなどの損傷の発生を抑制することができる。さらに、樹脂層４２ｂの両面に掛かる応力が互いにバランスするため、基体４２ａと樹脂層４２ｂとの収縮率の違いによって上部支持基体４２が湾曲したり、樹脂層４２ｂが剥がれたりする問題を回避することかできる。従って、製造過程における取り扱いが容易となって製造コストを低減できるだけでなく、光電変換装置２００を長期使用する際の信頼性及び耐久性も向上する。

なお、本実施の形態では、上部支持基体４２を２つの基体４２ａを１層の樹脂層４２ｂで接着した構成としたが、これに限定されるものではなく、さらに多くの基体４２ａを多層に積層した構成としても良い。上部支持基体４２が、２層以上の樹脂層４２ｂを含む場合には、各樹脂層４２ｂに含まれる赤外線吸収材の材料、含有率等を調整することによって、異なる赤外光吸収特性を有する層とすることも好適である。

また、平坦化膜３８や樹脂層４０に赤外光吸収材を含む材料を用いることも好適である。赤外光吸収材は、２価の銅イオン金属錯体をエポキシ等に混合した材料で構成することが好適である。平坦化膜３８や樹脂層４０に赤外光吸収剤を混合させることによって、樹脂層４２ｂと併せて多層の赤外光吸収フィルタを構成することができる。このとき、各層における赤外光吸収特性を変化させることで広帯域かつ高吸収率の赤外光吸収フィルタを実現することができる。

次に、本発明の実施の形態における光電変換装置２００の製造方法について説明する。図３は、光電変換装置２００の製造工程を示すフローチャートである。また、図４〜図１１は、各工程における光電変換装置２００の断面構造を示す図である。光電変換装置２００は、スクライブラインによって区画された半導体基板の各区画に半導体集積回路を形成し、最終的にスクライブラインに沿って分断することによってチップサイズパッケージに封止された装置を形成する。そこで、説明を明確かつ簡単に行うために、各工程ではスクライブラインの近傍の断面構造を模式的に示している。

ステップＳ１０では、図４に示すように、半導体基板３０の表面領域に半導体集積回路３２、すなわち、光電変換素子の撮像部、蓄積部、水平転送部及び出力部等が形成される。さらに、半導体基板３０の表面上に絶縁膜が形成される。絶縁膜は、例えば、シリコン酸化膜とすることができる。また、フォトリソグラフィ技術等を用いて、絶縁膜の所定の箇所に絶縁膜を貫通するコンタクトホールが形成され、半導体集積回路３２の内部配線と接続されるように内部配線３６が形成される。内部配線３６は、隣り合う半導体集積回路３２の境界に向かってスクライブラインに架かるように形成される。

ステップＳ１２では、図５に示すように、半導体集積回路３２の光電変換素子が形成された表面領域の少なくとも一部にカラーフィルタ３４が形成される。このとき、フォトリソグラフィ等の既存のマスク技術を用いて必要な領域にカラーフィルタ３４を積層する。例えば、半導体集積回路３２に光電変換素子が行列配置された受光画素が含まれる場合、各画素に対して赤（Ｒ）、緑（Ｇ）又は青（Ｂ）の光の３原色のいずれかを透過させるフィルタを所定の配列で積層することによってカラー画像の撮像を行うことが可能となる。また、カラーフィルタ３４及び内部配線３６の表面上に平坦化膜３８を塗布することによって、カラーフィルタ３４や内部配線３６によって形成された表面の凹凸を平坦化することも好適である。平坦化膜３８の材料としては、例えば、アクリル樹脂及びエポキシ樹脂等の樹脂材料を用いることができる。

ここで、平坦化膜３８として、２価の銅イオン金属錯体等の赤外光吸収材が混合された材料を用いることも好適である。後に形成される樹脂層４０又は上部支持基体４２に含まれる樹脂層４２ｂと異なる赤外光吸収特性を持つように赤外光吸収材を含有させることによって、樹脂層４０又は樹脂層４２ｂと併せて多層の赤外光吸収フィルタを構成し、広帯域かつ高吸収率の赤外光吸収フィルタを実現することができる。

ステップＳ１４では、図６に示すように、平坦化された半導体基板３０の表面上に樹脂層４０が塗布され、樹脂層４０を接着材料として上部支持基体４２が接着される。樹脂層４０としては、例えば、アクリル樹脂及びエポキシ樹脂等の樹脂材料を用いることができる。上部支持基体４２は、図１及び２に示したように、光透過性が高い材料、例えば、ガラス等からなる基体４２ａを樹脂層４２ｂで接着した構成とされる。樹脂層４２ｂは、２価の銅イオン金属錯体等の赤外光吸収材をエポキシ等に混合したものを用いることが好適である。上部支持基体４２は、予め積層体として形成しておくことができる。

また、樹脂層４０として、２価の銅イオン金属錯体等の赤外光吸収材が混合された材料を用いることも好適である。樹脂層４０は、平坦化膜３８又は上部支持基体４２に含まれる樹脂層４２ｂと異なる赤外光吸収特性を持つように赤外光吸収材を含有させることによって、平坦化膜３８又は樹脂層４２ｂと併せて多層の赤外光吸収フィルタを構成し、広帯域かつ高吸収率の赤外光吸収フィルタを実現することができる。

ステップＳ１６では、図７に示すように、半導体基板３０は下部側からスクライブラインに沿ってエッチングされ、半導体基板３０の裏面側に内部配線３６が露出される。例えば、半導体基板３０としてシリコン基板が用いられている場合には、フッ化水素酸、酢酸等の混合溶液を用いた化学的エッチングによってエッチングを行うことができる。また、化学的エッチングを用いる前に、機械的研磨を用いて半導体基板３０の厚さを薄くしておくことも好適である。

さらに、半導体基板３０の裏面には樹脂層４６が塗布され、下部支持基体４４が接着される。下部支持基体４４の主面、すなわち、光電変換装置の裏面側には緩衝部材５２が形成される。この緩衝部材５２は、後に緩衝部材５２上に形成されるボール状端子５４に掛かる応力を和らげるクッションの役割を果たす。

ステップＳ１８では、図８に示すように、ダイシングソー等の切削手段を用いて、スクライブラインに沿って下部支持基体４４側から切削が行われる。下部支持基体４４、樹脂層４６、内部配線３６、樹脂層４０及び上部支持基体４２に逆Ｖ字型のノッチ（切り欠き溝）６０が形成される。そのノッチ６０の内部側面に内部配線３６の端部６２が露出される。

ステップＳ２０では、図９に示すように、下部支持基体４４の外部表面及びノッチ６０の内面に金属膜が形成され、その金属膜が内部配線３６と緩衝部材５２までのコンタクトを取るための外部配線４８としてパターニングされる。パターニングには、既存のフォトリソグラフィ技術やエッチング技術を用いることができる。

ステップＳ２２では、図１０に示すように、保護膜５０及びボール状端子５４が形成される。保護膜５０としてはＥＶＡ材などの有機材料を用いることができる。ボール状端子５４は、緩衝部材５２の表面上でボール状のハンダ材を加熱によってリフローすることで形成することができる。

ステップＳ２４では、図１１に示すように、スクライブラインに沿って切断が行われる。ダイシングソー等を用いて、スクライブラインに沿って切断を行うことによって、チップサイズパッケージが適用された光電変換装置に分断される。

このとき、基体４２ａを樹脂層４２ｂで接着した積層構造を有する上部支持基体４２を用いているので、切削工程において上部支持基体４２に含まれる基体４２ａに割れ等の欠陥が発生し難くなる。特に、基体４２ｂが、１００μｍ以上１ｍｍ以下の厚さを有するガラス板である場合に効果が顕著となる。従って、光電変換装置２００を製造する際の歩留まりを高めることかできる。また、光電変換装置２００の信頼性及び耐久性を向上することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、カラー画像の撮像においてホワイトバランスを崩す原因となる不要な赤外光の影響を低減することができる。また、チップサイズパッケージを適用した光電変換装置のサイズを小型化することができると共に、製造時の割れ等の不具合の発生を抑制し、製造の歩留まりを高めることができる。

本発明の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の主要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態におけるステップＳ１０における内部構成の断面図を示す図である。 本発明の実施の形態におけるステップＳ１２における内部構成の断面図を示す図である。 本発明の実施の形態におけるステップＳ１４における内部構成の断面図を示す図である。 本発明の実施の形態におけるステップＳ１６における内部構成の断面図を示す図である。 本発明の実施の形態におけるステップＳ１８における内部構成の断面図を示す図である。 本発明の実施の形態におけるステップＳ２０における内部構成の断面図を示す図である。 本発明の実施の形態におけるステップＳ２２における内部構成の断面図を示す図である。 本発明の実施の形態におけるステップＳ２４における内部構成の断面図を示す図である。 従来の光電変換装置の外観を示す斜視図である。 従来の光電変換装置の内部構成の断面図である。 一般的なカラーフィルタの透過率を示すグラフである。 従来の光電変換装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ 半導体チップ、１０ａ 半導体基板、１０ｂ，１０ｃ カラーフィルタ、１０ｄ 平坦化膜、１２ 樹脂層、１４ 上部支持基体、１６ 下部支持基体、１８ 外部配線、２０ ボール状端子、３０ 半導体基板、３２ 半導体集積回路（光電変換素子を含む）、３４（３４ａ，３４ｂ） カラーフィルタ（可視光フィルタ）、３６ 内部配線、３８ 平坦化膜、４０ 樹脂層、４２ 上部支持基体、４２ａ 基体、４２ｂ 樹脂層、４４ 下部支持基体、４６ 樹脂層、４８ 外部配線、５０ 保護膜、５２ 緩衝部材、５４ ボール状端子、６０ ノッチ、６２ 端部、１００ 光電変換装置、１０２ 赤外線カットフィルタ、１０４ レンズ、２００ 光電変換装置。

Claims (9)

1. 表面に光電変換素子が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板の表面の少なくとも一部を覆うよう設けられた可視光フィルタと、
   前記半導体基板の表面に接着された支持基体と、を備えた光電変換装置であって、
   前記支持基体は、赤外光を吸収する樹脂で透光性を有する複数の基体を接着したものであることを特徴とする光電変換装置。
2. 請求項１に記載の光電変換装置において、
   前記支持基体は、赤外光を吸収する樹脂で前記半導体基板の表面に接着されていることを特徴とする光電変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の光電変換装置において、
   前記赤外光を吸収する樹脂は、２価の銅イオン金属錯体が混合された樹脂材であることを特徴とする光電変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の光電変換装置において、
   前記透光性を有する基体は、１００μｍ以上１ｍｍ以下の厚さを有するガラス板であることを特徴とする光電変換装置。
5. 半導体基板の表面に光電変換素子を形成する第１の工程と、
   前記光電変換素子の少なくとも一部を覆うように可視光フィルタを設ける第２の工程と、
   赤外光を吸収する樹脂で透光性を有する複数の基体を接着した支持基体、を前記半導体基板の表面に接着する第３の工程と、を備えることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の光電変換装置の製造方法において、
   前記第１の工程では、スクライブラインによって区画された前記半導体基板の表面の各区画に光電変換素子を形成し、
   前記第３の工程の後に、前記半導体基板及び前記支持基体の少なくとも一部を前記スクライブラインに沿って切削する第４の工程を行うことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
7. 表面に光電変換素子が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板の表面の少なくとも一部を覆うように設けられた可視光フィルタと、
   前記半導体基板の表面に接着された支持基体と、を備えた光電変換素子であって、
   前記支持基体は、赤外光を吸収する樹脂で前記半導体基板に接着されていることを特徴とする光電変換装置。
8. 表面に光電変換素子が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板の表面の少なくとも一部を覆うように設けられた可視光フィルタと、
   前記半導体基板の表面の凹凸を平坦化させる平坦化膜と、
   前記半導体基板の表面に接着された支持基体と、を備えた光電変換素子であって、
   前記平坦化膜は、赤外光を吸収する樹脂で構成されていることを特徴とする光電変換装置。
9. 請求項２に記載の光電変換装置において、
   さらに前記半導体基板の表面の凹凸を平坦化させる平坦化膜を含み、
   前記平坦化膜は、赤外光を吸収する樹脂で構成され、
   前記支持基体に含まれる基体を接着している樹脂、前記支持基体を前記半導体基板に接着している樹脂、及び、前記平坦化膜を構成する樹脂、は互いに異なる赤外光吸収特性を有することを特徴とする光電変換装置。

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