JP2011077555A - 半導体イメージセンサ・モジュールおよび半導体イメージセンサ・モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタルスチルカメラ、ビデオカメラあるいはカメラ付携帯電話などの撮像機能を備えた電子機器を更に小型軽量化することができる、超小型の半導体イメージセンサ・モジュールを提供する。
【解決手段】半導体基板５１の第１の主面５１ａ側に信号電荷を読み出す手段の形成領域を有し、半導体基板５１の第２の主面５１ｂを光入射面として第１の主面５１ａから第２の主面５１ｂに至るように形成された光電変換領域ＰＤを有する半導体イメージセンサを少なくとも具備し、半導体イメージセンサが透明基板上に、半導体イメージセンサの第２の主面５１ｂと該透明基板とが対向するように固定され、半導体イメージセンサの第１の主面５１ａ側の面上に支持基板５５が貼り合わせられ、支持基板５５を貫通し、配線層５４側の絶縁膜５２を介する導電プラグ５６に接続するように支持基板５５の表面上に電極パッド４５が形成された半導体イメージセンサ・モジュール。
【選択図】図５

Description

本開示は、例えばデジタルスチルカメラ、ビデオカメラあるいはカメラ付携帯電話などの撮像機能を備えた電子機器を小型軽量化するのに使用される半導体イメージセンサ・モジュールおよび半導体イメージセンサ・モジュールの製造方法に関する。

従来、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラあるいはカメラ付携帯電話などの撮像機能を備えた電子機器を小型軽量化するために、半導体イメージセンサ・モジュールが使用されている。この半導体イメージセンサ・モジュールは、固体撮像素子、例えばＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサに代表される半導体イメージセンサを使用して構成されている。

図６及び図７は、従来の半導体イメージセンサ・モジュールの例を示す。この技術は特許文献１に記載されている。
図７に示す半導体イメージセンサ・モジュール１０は、ＣＣＤ型の半導体イメージセンサ１をセラミックパッケージ２内に固定すると共に、電気的接続をワイヤボンディング法によりボッディングワイヤ３を使用して行い、半導体イメージセンサ１の受光部１ａ側をカバーガラス４で蓋をして半導体イメージセンサ１を保護するように構成される。セラミックパッケージ２からは金属製のリード５を介して出力信号が取り出されるようになされている。このリード５はプリント基板等の所定の端子に接続される。また、セラミックパッケージ２を囲むように、樹脂からなる空間フィルタ固定モールド体６が設けられる。この空間フィルタ固定モールド体６とフィルタガラス７ａとにより、カバーガラス４の前方に空間フィルタ７が構成される。

図６に示す半導体イメージセンサ・モジュール２０は、ＣＣＤ型の半導体イメージセンサ１を金バンプ１２と紫外線硬化樹脂１４を用いて受光部１ａ側がガラス基板１３に対向するように搭載し、半導体イメージセンサ１を保護するようにセラミックパッケージ１５をガラス基板１３に固定して構成される。ガラス基板１３の内面には厚膜配線が形成され、この厚膜配線と半導体イメージセンサ１との電気的接続が金バンプ１２を介して行われる。セラミックパッケージ１５からは金属製のリード５が導出される。さらに、空間フィルタリング１６及びフィルタガラス１７が配置され、空間フィルタリング１６とフィルタガラス７ａとガラス基板１３とで空間フィルタ７が構成される。

特開平６−５８２８号公報

しかし乍ら、図７に示す半導体イメージセンサ・モジュール１０においては、半導体イメージセンサ１の受光部１ａに対してワイヤボンディングにより電気的接続を行っているので、小型化に限界があった。また、空間フィルタ７は空間フィルタ固定モールド体６をＡｌ等の放熱板８にビス止めして固定しているので、更に大型化する不都合があった。

一方、図６に示す半導体イメージセンサ・モジュール２０は、図７のものに比べて小型化が飛躍的に向上する。しかし、この半導体イメージセンサ・モジュール２０では、半導体イメージセンサ１と金バンプ１２の接合圧力と位置関係のみで、半導体イメージセンサ１とガラス基板１３の光学的位置関係が決定され、半導体イメージセンサ・モジュール２０の良品歩留りが金バンプ接合技術に大きく依存せざるを得ない。

本開示は、上述の点に鑑み、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラあるいはカメラ付携帯電話などの撮像機能を備えた電子機器を更に小型軽量化することができる、超小型の半導体イメージセンサ・モジュールを提供するものである。

本開示に係る半導体イメージセンサ・モジュールは、半導体基板の第１の主面側に信号電荷を読み出す手段の形成領域を有し、前記半導体基板の第１の主面と反対側の第２の主面を光入射面として当該第１の主面から第２の主面に至るように形成された光電変換領域を有する半導体イメージセンサを少なくとも具備する。半導体イメージセンサが透明基板上に、該半導体イメージセンサの第２の主面と該透明基板とが対向するように固定され、前記半導体イメージセンサの第１の主面側の面上に支持基板が貼り合わせられ、前記支持基板を貫通し、配線層側の絶縁膜を介する導電プラグに接続するように当該支持基板の表面上に電極パッドが形成されている。また本開示は、このような半導体イメージセンサ・モジュールの製造方法でもある。

本開示の半導体イメージセンサ・モジュールでは、半導体イメージセンサの光入射面の第２の主面と透明基板とが対向するように、半導体イメージセンサを透明基板に対して固定し、半導体イメージセンサの第１の主面側の面上に形成した電極パッドと透明基板に形成された導電パターンとを接続手段を介して電気的に接続した構成であるので、従来のバンプによる電気的接続に比べて、バンプの電気的接続と半導体イメージセンサの位置関係の両方を満たす必要がない。

また、本開示に係る半導体イメージセンサ・モジュールは、上記半導体イメージセンサ・モジュールにおいて、透明基板上に更に半導体イメージセンサから出力された画像信号を処理する信号処理チップが搭載され、かつ半導体イメージセンサの電極パッドに接続された接続手段と透明基板に形成された導電パターンとを介して、半導体イメージセンサと信号処理チップとが電気的に接続されていることを特徴とする。

本開示の半導体イメージセンサ・モジュールでは、透明基板上に半導体イメージセンサと共にさらに信号処理チップを搭載し、上記接続手段を介して半導体イメージセンサと信号処理チップとを電気的に接続した構成であるので、画像処理機能を付加しても半導体イメージセンサ・モジュールの超小型化が可能になる。

上述の半導体イメージセンサとしては、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子を用いることが好ましい。

本開示に係る半導体イメージセンサ・モジュールによれば、透明基板と半導体イメージセンサの光入射面が対向するように、透明基板上に半導体イメージセンサを直接固定し、しかも従来のバンプによる電気的接続と半導体イメージセンサの位置関係の両方を満たす必要がないので、半導体イメージセンサ・モジュールの超小型化と、安定した良品歩留りを実現することができる。

また、本開示に係る半導体イメージセンサ・モジュールによれば、透明基板上にさらに信号処理チップを搭載し、接続手段を介して半導体イメージセンサと信号処理チップを電気的に接続することにより、画像処理機能を付加した半導体イメージセンサ・モジュールの更なる超小型化を実現することができる。

本開示の半導体イメージセンサ・モジュールにおいて、半導体イメージセンサとして裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子を用いるときは、裏面照射型でカラー撮像に適した超小型の半導体イメージセンサ・モジュールを提供することができる。

本開示に係る半導体イメージセンサ・モジュールの一実施の形態を示す要部の分解斜視図である。 図１の半導体イメージセンサ・モジュールの組み立て状態の斜視図である。 本開示に係る半導体イメージセンサ・モジュールの一実施の形態を示す完成図である。 図１の半導体イメージセンサ・モジュールのＡーＡ線上の断面図である。 本開示の半導体イメージセンサ・モジュールに適用される裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の概略構成図である。 従来の半導体イメージセンサ・モジュールの一例を示す断面図である。 従来の半導体イメージセンサ・モジュールの他の例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本開示による半導体イメージセンサ・モジュールの実施の形態を説明する。

図１〜図４に、本開示に係る半導体イメージセンサ・モジュールの一実施の形態を示す。本実施の形態に係る半導体イメージセンサ・モジュール３１は、図１に示すように、上面に所要の配線パターン３２を形成した透明基板３３と、半導体イメージセンサ３４と、半導体イメージセンサ３４から出力された画像信号を信号処理するための信号処理チップ、例えばＤＰＳ（デジタル信号処理回路）３５やメモリＩＣ３６と、半導体イメージセンサ３４を透明基板３３に対して所要の空間を置いて配置するための窓枠スペーサ３７と、フレキシブル配線基板３８とから成る。

透明基板３３は、本例では透明ガラス基板で形成される。この透明基板３３上には、金属ペースト、例えば金ペーストを印刷し、焼成して所要の導電パターン、すなわち厚膜配線パターン３２が形成されると共に、この配線パターン３２にパッド部４１〔４１１、４１２、４１３〕が形成される。配線パターン３２のパッド部４１は、半導体イメージセンサ３４と電気的に接続されるパッド部４１１と、ＤＳＰ３５と電気的に接続されるパッド部４１２と、メモリＩＣ３６と接続されるパッド部４１３とを有している。透明基板３３の端辺には配線パターン３２に接続されフレキシブル配線基板３８が接続される端子３２ａが形成される。

半導体イメージセンサ３４は、裏面照射型の固体撮像素子を用いる。この裏面照射型の固体撮像素子としては、例えばＣＭＯＳ固体撮像素子、ＣＣＤ固体撮像素子などで形成することができる。また、これらの半導体イメージセンサ３４としては、本例では後述するように受光面側の最上層に各画素に対応して集光機能をもつオンチップマイクロレンズが形成される（図４参照）。

そして、図２及び図４に示すように、半導体イメージセンサ（いわゆる固体撮像チップ）３４は、その受光面３４ａが透明基板３３側に向くように窓枠スペーサ３７を介して透明基板３の配線パターン３２が形成された面上の所定位置、すなわちパッド部４１１が形成された領域に配置し、例えば紫外線硬化樹脂などの接着剤により透明基板３３に接着固定される。透明基板３３に接着固定された状態で半導体イメージセンサ３４は、その受光面（光照射面）３４ａと反対側のチップ裏面が表側に現れる。このとき、半導体イメージセンサ３４のオンチップマイクロレンズ４３は、窓枠スペーサ３７により、直接透明基板３３に接触することがない。

また、例えばＤＳＰ３５やメモリＩＣ３６等の信号処理チップが、そのチップ裏面を透明基板３３側に向くように配線パターン３２が形成された面上の所定位置、すなわちパッド部４１２及び４１３が形成された領域にそれぞれ配置され固定される。ＤＳＰ３５及びメモリＩＣ３６と配線パターン３２との電気的接続は、金属細線４４によるワイヤボンディングを介して行う。各ＤＳＰ３５及びメモリＩＣ３６は、透明基板３３上に固定された状態でそのチップ表面が表側を向いている。

半導体イメージセンサ３４と配線パターン３２との電気的接続は、例えば図４に示すように、半導体イメージセンサ３４の受光面３４ａと反対側のチップ面上に形成した電極パッド４５にと透明基板３３側の配線パターン３２のパッド部４１１間を金属細線４４によるワイヤボンディングを介して行う。

あるいは図示せざるも、半導体イメージセンサ３４の受光面３４ａと反対側に形成した電極パッド４５上にバンプを形成し、フレキシブル配線基板を介して電気的に接続してもよい。このときの構造は、受光面側にバンプを形成していないので、バンプの電気的接続と半導体イメージセンサの位置関係の両方を満たす必要はなく安定した良品歩留りが得られる。

透明基板３３に搭載された半導体イメージセンサ３４、ＤＳＰ３５及びメモリＩＣ３６の各チップ間は、透明基板３３上に形成した配線パターン３２により相互に電気的に接続される。一方、透明基板３３の端辺の端子部３２ａにはフレキシブル配線基板３８が接続される。そして、フレキシブル配線基板３８の接続端子部３２ａ、半導体イメージセンサ３４、ＤＳＰ３５及びメモリＩＣ３６を被覆するように透明基板３３上に、例えば黒樹脂コーティング層４６が形成されて図３及び図４に示す本実施の形態の半導体イメージセンサ・モジュール３１が構成される。

図５に、半導体イメージセンサ３４となる例えば、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像チップの概略構成を示す。この裏面照射型ＣＭＯＳ固体撮像チップ３４１は、半導体基板の第１の主面側に後述の光電変換領域からの信号電荷を読み出す手段の形成領域を有し、半導体基板の第１の主面と反対側の第２の主面に光入射面を有する光電変換領域を有してなる。すなわち、裏面照射型ＣＭＯＳ固体撮像チップ３４１は、薄膜化された半導体基板５１、例えばシリコン半導体基板の撮像領域に１つの光電変換領域となるフォトダイオードＰＤとこのフォトダイオードＰＤの信号電荷を読み出す手段となる複数のＭＯＳトランジスタＴｒとで構成された単位画素がマトリックス状に複数配列され、周辺領域にＣＭＯＳトランジスタからなる周辺回路部（図示せず）が形成されて成る。

フォトダイオードＰＤは、薄膜化された半導体基板５１の裏面（第２の主面）に光入射面を有するように、表面（第１の主面）５１ａ側から裏面（第２の主面）５１ｂ側に至るように形成される。単位画素のＭＯＳトランジスタＴｒ及び周辺回路を構成するＣＭＯＳトランジスタは、半導体基板５１の表面５１ａ側に形成される。半導体基板５１の表面５１ａ上には層間絶縁膜５２を介して多層配線５３を形成した多層配線層５４が形成され、さらにこの多層配線層５４上に固体撮像チップの機械的強度を保持するための、例えばシリコン基板等による支持基板５５が貼り合わされる。多層配線５３に接続される電極パッド４５は、支持基板５５を貫通する導電プラグ５６に接続するようにして支持基板５５の表面５５ａ上に形成される。

一方、半導体基板５１の裏面５１ｂ側には、パシベーション膜５７を介してカラーフィルタ５８及びその上に各画素に対応したオンチップマイクロレンズ４３が形成される。このＣＭＯＳ固体撮像チップ３４１においては、基板裏面５１ｂ側からオンチップマイクロレンズ４３を通してフォトダイオードＰＤに対して光が照射されるようになされる。

固体撮像チップ３４１の周辺回路には、例えば、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）、タイミング発生回路、電源回路、メモリ回路などが含まれている。

上述した本実施の形態に係る半導体イメージセンサ・モジュール３１によれば、透明基板３３上、本例ではガラス基板上に半導体イメージセンサ３４を直接接着するように配置し、半導体イメージセンサ３４を黒樹脂コーティング層４６で被覆して構成することにより、半導体イメージセンサ・モジュール３１を超小型化することができる。このとき、受光面３４ａ側にバンプを形成していないので、バンプの電気的接続と半導体イメージセンサの位置関係との両方を満たす必要がなく、安定した良品歩留りが得られる。黒樹脂コーティング層４６により半導体イメージセンサ３４の受光面３４ａ以外が遮光されるので、半導体イメージセンサ・モジュール３１の品質が向上する。

また、本実施の形態の半導体イメージセンサ・モジュール３４においては、透明基板であるガラス基板３３上に半導体イメージセンサ３４から出力された画像信号を処理する信号処理チップであるＤＳＰ３５やメモリＩＣ３６が搭載され、かつ半導体イメージセンサ３４の表面から取り出された電極パッド４５に接続された金属細線（ボンディングワイヤ）４４とガラス基板３３に形成された配線パターン３２を介して半導体イメージセンサ３４とＤＳＰ３５、メモリＩＣ３６とが電気的に接続される。このような構成により、画像処理機能を付加しても半導体イメージセンサ・モジュール３１のサイズを超小型化することができる。

上記実施の形態では、半導体イメージセンサ３４として、受光面側に集光機能をもつオンチップマイクロレンズを形成した半導体イメージセンサを適用し、直接オンチップマイクロレンズとガラス基板３３が接触しないように、窓枠スペーサ３７を介して半導体イメージセンサ３４とガラス基板３３とを固定して構成した。しかし、オンチップマイクロレンズを形成しない半導体イメージセンサを適用することも可能である。このときには、窓枠スペーサ３７を省略して直接半導体イメージセンサ３４とガラス基板３３とを接着剤により固定するように構成することができる。なお、オンチップマイクロレンズを省略した半導体イメージセンサを、窓枠スペーサ３７を介して配置することもできる。

半導体イメージセンサ３４として裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子を用いるときは、カラー撮像に適した裏面照射型の半導体イメージセンサ・モジュールを提供することができる。

上例の半導体イメージセンサ・モジュール３１では、半導体イメージセンサ３４として裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子を用いたが、その他、裏面照射型のＣＣＤ固体撮像素子を用いて構成することもできる。

裏面照射型のＣＣＤ固体撮像素子の場合も、薄膜化された半導体基板の表面（第１の主面）側に電荷転送レジススタを形成し、半導体基板の裏面（第２の主面）側を受光面とした光電変換部を形成するフォトダイオードを形成して構成さる。また、半導体基板の表面側に層間絶縁膜を介して貼り合せた例えばシリコン基板による支持基板の表面上に転送電極に接続された電極パッドが形成され、この電極パッドとＣＣＤ固体撮像素子がマウントされた透明基板上の配線パターンのパッド部とがワイヤボンディングで接続される。

３１・・半導体イメージセンサ・モジュール、３２・・配線パターン、３２ａ・・端子部、３３・・透明基板、３４・・半導体イメージセンサ、３４ａ・・受光面、３５・・デジタル信号処理回路、３６・・メモリＩＣ、３７・・窓枠スペーサ、４１〔４１１、４１２、４１３〕、４３・・オンチップマイクロレンズ、５１・・薄膜化された半導体基板、５１ａ・・表面、５１ｂ・・裏面、５２・・層間絶縁膜、５３・・多層配線、５４・・多層配線層、ＰＤ・・フォトダイオード、Ｔｒ・・ＭＯＳトランジスタ、５５・・支持基板、５６・・導電プラグ、５７・・パシベーション膜、５８・・カラーフィルタ

Claims (20)

1. 半導体基板の第１の主面側に信号電荷を読み出す手段の形成領域を有し、前記半導体基板の第１の主面と反対側の第２の主面を光入射面として当該第１の主面から第２の主面に至るように形成された光電変換領域を有する半導体イメージセンサを少なくとも具備し、
   前記半導体イメージセンサが透明基板上に、該半導体イメージセンサの第２の主面と該透明基板とが対向するように固定され、
   前記半導体イメージセンサの第１の主面側の面上に支持基板が貼り合わせられ、
   前記支持基板を貫通し、配線層側の絶縁膜を介する導電プラグに接続するように当該支持基板の表面上に電極パッドが形成された
   半導体イメージセンサ・モジュール。
2. 前記半導体イメージセンサと前記透明基板との間に窓枠スペーサを挟持した
   請求項１記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
3. 前記半導体イメージセンサの第２の主面側の面上にオンチップマイクロレンズを設けた
   請求項１記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
4. 前記電極パッドと前記透明基板に形成された導電パターンとが電気的に接続されている
   請求項１または２に記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
5. 前記電極パッド上にバンプが設けられた
   請求項１または２記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
6. 前記透明基板上に、前記半導体イメージセンサから出力された画像信号を処理する信号処理チップが搭載され、
   かつ前記半導体イメージセンサの前記電極パッドに接続された接続手段と前記透明基板に形成された導電パターンとを介して、前記半導体イメージセンサと前記信号処理チップとが電気的に接続されている
   請求項１または２に記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
7. 前記半導体イメージセンサが裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子である
   請求項１または２に記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
8. 前記第１の主面にはトランジスタが形成されている
   請求項１〜７の何れかに記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
9. 前記電極パッドと前記導電パターンとが金属細線を介して電気的に接続されている
   請求項４に記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
10. 前記金属細線は光照射面に向かって伸びている
    請求項９に記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
11. 前記導電パターンは前記透明基板の光照射面側とは逆側の面に設けられている
    請求項４、９または１０の何れかに記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
12. 前記電極パッドは前記窓枠スペーサの光照射面とは逆側に設けられている
    請求項２〜５の何れかに記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
13. 前記電極パッドは樹脂コーティングで覆われている
    請求項１〜１２の何れかに記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
14. 前記金属細線は樹脂コーティングで覆われている
    請求項９または１０に記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
15. 前記導電パターンに接続されるパッド部が前記窓枠スペーサの外側に設けられている
    請求項６〜１４に記載の半導体イメージセンサ・モジュール。
16. 半導体基板の第１の主面側に信号電荷を読み出す手段の形成領域を有し、前記半導体基板の第１の主面と反対側の第２の主面を光入射面として当該第１の主面から第２の主面に至るように形成された光電変換領域を有する半導体イメージセンサを形成することと、
    透明基板に前記半導体イメージセンサの第２の主面を対向させた状態で、該透明基板上に該半導体イメージセンサを固定することと、
    前記半導体イメージセンサの第１の主面側の面上に支持基板を貼り合わせることと、
    前記支持基板を貫通し、配線層側の絶縁膜を介する導電プラグに接続するように当該支持基板の表面上に電極パッドを形成することとを含む
    半導体イメージセンサ・モジュールの製造方法。
17. 前記透明基板上に、前記半導体イメージセンサから出力された画像信号を処理する信号処理チップを搭載し、
    前記半導体イメージセンサの前記電極パッドに接続された接続手段と前記透明基板に形成された導電パターンとを介して、前記半導体イメージセンサと前記信号処理チップとを電気的に接続する
    請求項１６に記載の半導体イメージセンサ・モジュールの製造方法。
18. 前記第１の主面にトランジスタを形成する
    請求項１６または１７に記載の半導体イメージセンサ・モジュールの製造方法。
19. 前記電極パッドと前記透明基板に形成された導電パターンとを金属細線を介して電気的に接続する
    請求項１７〜１８の何れかに記載の半導体イメージセンサ・モジュールの製造方法。
20. 前記半導体イメージセンサと前記透明基板との間に窓枠スペーサを挟持させ、
    前記電極パッドを、前記窓枠スペーサの光照射面とは逆側に形成する
    請求項１〜１９の何れかに記載の半導体イメージセンサ・モジュールの製造方法。
    

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