JP2012044091A - 撮像装置、撮像モジュール及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体基板の変形や割れの可能性を低減し、信頼性の高い撮像装置及び撮像システムを実現することを目的とする。
【解決手段】 撮像装置は、透明部材と、フォトダイオードを備えた撮像素子チップと、撮像素子チップの周辺に配置され、透明部材と撮像素子チップとを固定する固定部材と、を備え、透明部材と撮像素子チップと固定部材とで囲まれた空間を有し、撮像素子チップは、半導体基板を有し、半導体基板は、透明部材側の第１主面と、第１主面の反対側の第２主面と、を貫通する貫通電極を有し、撮像装置を透明部材側から見た固定部材に対応する固定領域に貫通電極が配置され、空間に対応する第１領域の半導体基板の厚みより薄くなる境界が、固定領域に配置されている構成としたものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、撮像装置、撮像モジュール及びカメラに関する。

従来の撮像装置には、撮像素子と貫通電極とを有する半導体基板と光透過性支持基板とを、撮像素子上に空間ができるように接着剤を介して固定したＷＬ−ＣＳＰ（ウエハレベルチップサイズパッケージ）がある（特許文献１及び２参照。）。ＷＬ−ＣＳＰの撮像装置すなわちイメージセンサは、現状では携帯電話等に使用される比較的小さなサイズに限定されている。この特許文献１及び２の撮像装置は、光透過性支持基板から見て空間下の半導体基板の厚さを、接着剤下の半導体基板の厚さより厚くした構造が開示されている。

特開２００９−１５８８６３号公報 特開２０１０−０５０２６０号公報

携帯電話には小型の撮像装置が用いられるが、一眼レフなど、より大きいサイズの撮像装置においても小型・薄型化が求められている。

撮像装置を小型化する手段の一つである貫通電極を形成するためには、シリコン基板厚を薄くする必要があるが、撮像装置のサイズが大きくなると、シリコン基板厚を薄くすることにより強度が低下する。そのため、リフローなどの加熱工程がある製造過程における空間部の膨張によって撮像素子チップの反り等の変形・割れ、完成したチップの強度に問題が生じるというトレードオフの関係にある。

特許文献１や特許文献２のＷＬ−ＣＳＰの撮像装置では、光透過性支持基板から見た半導体基板の厚さが薄い部分が空間下の領域であるため、半導体基板の変形による応力が半導体基板の厚さが薄い部分に集中することになっていた。そのため、半導体基板の変形、さらには割れの可能性があり、撮像装置の信頼性が低下する可能性があった。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、半導体基板の変形や割れの可能性を低減し、信頼性の高い撮像装置及び撮像システムを実現することを目的とする。

そして、上記目的を達成するために、本発明にかかる撮像装置は、透明部材と、フォトダイオードを備えた撮像素子チップと、前記撮像素子チップの周辺に配置され、前記透明部材と前記撮像素子チップとを固定する固定部材と、を備え、前記透明部材と前記撮像素子チップと前記固定部材とで囲まれた空間を有し、前記撮像素子チップは、半導体基板を有し、前記半導体基板は、前記透明部材側の第１主面と、前記第１主面の反対側の第２主面と、を貫通する貫通電極を有し、前記撮像装置を前記透明部材側から見た前記固定部材に対応する固定領域に前記貫通電極が配置され、前記空間に対応する第１領域の前記半導体基板の厚みより薄くなる境界が、前記固定領域に配置されている構成としたものである。

本発明によれば、半導体基板の変形や割れの可能性を低減し、信頼性の高い撮像装置及び撮像システムを提供できる。

実施例１の撮像装置の分解斜視図である。 実施例１の撮像装置の平面図及び正面図である。 実施例１の撮像装置の部分的な断面図と対応する平面図である。 実施例１の撮像装置の空間部の長辺の幅Ｗ１が変化したときのシリコン基板の必要な厚みを示す図である。 実施例１の撮像装置の第２領域の厚さＴ２が変化したときの必要な幅を示す図である。 実施例２の撮像装置の部分的な断面図と対応する平面図である。 実施例３の撮像装置の部分的な断面図と対応する平面図である。 撮像装置を、携帯機器に用いられる撮像モジュールへ適用した場合の一例を示す構成図である。 撮像装置を、撮像システムの一例であるデジタルカメラへ適用した場合のブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。

図１は、実施例１の撮像装置を分解した斜視図である。撮像装置は、透明部材１と、撮像素子チップ２と、透明部材１と撮像素子チップ２の間に配置された固定部材３と、を有する。

透明部材１は、光透過性を有し、ガラス、樹脂などが用いられる。撮像素子チップ２に用いられる半導体基板がシリコンの場合、ガラスは、ＳＣＨＯＴＴ社のＴＥＭＰＡＸ Ｆｌｏａｔ（登録商標）、ＣＯＲＮＩＮＧ社のＰＹＲＥＸ（登録商標）、ＡＧＣ旭硝子社のＳＷガラス基板などが好ましい。そして、透明部材１が樹脂の場合は、ポリカーボネイト樹脂などで形成される光学用プラスチックも用いられる。これらのガラス、樹脂の透明部材はシリコンと近い線膨張係数を持つ材料であるため好ましい材料である。撮像素子チップ２は、主にシリコン基板が用いられ、光入射側にマイクロレンズが配置されていることが好ましい。固定部材３は、透明部材１と撮像素子チップ２とを固定するための接着剤が用いられ、透明部材または撮像素子チップの少なくとも一方の表面に、たとえばパターニングによって形成される。

図２は、実施例１の撮像装置の平面図及び正面図である。透明部材１と撮像素子チップ２とは固定部材３によって固定されている。透明部材１と撮像素子チップ２と固定部材３とで囲まれることによって空間４が構成されている。撮像素子チップ２は、半導体基板１１と、半導体基板上の配線構造１２、マイクロレンズ１３を有し、半導体基板１１の下側（光入射側とは反対側）に絶縁部材１４、ハンダボール１５を有する。撮像素子チップ２は、半導体基板１１の光入射側である透明部材側の第１主面と、第１主面とは反対側の第２主面とを貫通する貫通電極１６を有する。貫通電極１６は配線構造内の内部電極１７に電気的に接続されている。また、貫通電極１６は導電膜１８としてハンダボール１５と電気的に接続されている。配線構造１２とマイクロレンズ１３との間には不図示の平坦化膜やカラーフィルタが配置されている。撮像装置を光入射側から見て、固定部材３が配置されている領域が固定領域であり、固定部材の内周１９から外側に対応する。固定領域の内周１９の内側は、撮影領域である。撮影領域は、撮像素子チップのマイクロレンズ１３が配置されている領域、すなわち入射した光を電荷に変換するフォトダイオードが配置された画素領域を内側に含む。固定領域には、撮像素子チップの内部電極１７、貫通電極１６などの電極部が配置されている。

半導体基板１１は、厚みが変化する境界２０が固定部材の下部、すなわち光入射側から見て固定領域の範囲内に配置されている。この構成によって、固定領域の内側に厚みが変化する境界２０が配置されている半導体基板を用いた従来の撮像装置に比べ、半導体基板の変形や割れの可能性を低減することができる。

次に、半導体基板１１として用いたシリコン基板に必要な厚みに関して説明する。
図３は、図２（ａ）のＸ−Ｘ’線に沿った撮像装置の部分的な断面図と対応する部分的な平面図である。
透明部材１と撮像素子チップ２は、間に配置されている固定部材３で固定されている。撮像素子チップ表面と透明部材１と固定部材３とで囲まれた領域は空間４である。光入射側から見た撮像装置は、撮影領域としての第１領域Ａ１、第１領域Ａ１の外側である固定領域の一部の第２領域Ａ２、固定領域の一部で第２領域Ａ２の外側の貫通電極が配置された電極領域としての第３領域Ａ３として分類される。第１領域から第３領域は、それぞれ長手方向の幅がＷ１、Ｗ２、Ｗ３である。撮像素子チップは、第１領域Ａ１に不図示のフォトダイオードと、フォトダイオードの光電変換による電荷に応じた信号を転送するトランジスタと、を含む画素領域２１を有する。シリコン基板の光入射側である第１主面上には不図示の配線や層間絶縁膜で構成された配線構造１２が配置されている。配線構造上には、第１平坦化膜２２が配置されている。第１平坦化膜上には、カラーフィルタ２３が配置されている。カラーフィルタ上には、第２平坦化膜２４が配置されている。第２平坦化膜上には、マイクロレンズ１３が配置されている。シリコン基板１１は、第１主面から第２主面に貫通穴が形成され、貫通電極１６が配置されている。シリコン基板１１の貫通穴を含む第２主面には絶縁膜２５が配置されている。絶縁膜上には、導電体膜１８が配置されている。導電体膜上には保護膜としてのソルダーレジスト２６が配置されている。ソルダーレジスト２６は、導電体膜上に一部開口が形成されている。そして、導電体膜上のソルダーレジストの開口部にはハンダボール１５が配置されている。第１領域Ａ１のトランジスタや不図示の周辺回路などと導電体膜とは、配線構造１２が有する内部電極１７を介して電気的に接続されている。

また、内部電極上には、層間絶縁膜を介して素子面電極２７が配置されている。内部電極と素子面電極間の層間絶縁膜内には、これら電極間を電気的に接続する不図示のコンタクトプラグが配置されている。素子面電極２７は、コンタクトプラグ、内部電極１７を介して電圧の印加及び信号の読み出しなどに使用される。特に、ダイソートテスト時に、素子面電極に針が当てられる。

このような構造の撮像装置において、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２の厚みＴ１、Ｔ２の最小値を求めた。前提として、従来のＷＬ−ＣＳＰの撮像装置で１／２．５型サイズ、０．１ｍｍ厚の小型の撮像素子チップと同等の反り量に抑えることとし、シリコン基板１１の厚みの検討を行った。図４は、空間４の長辺の幅Ｗ１が変化したときのシリコン基板の必要な厚みを示している。シリコン基板の第１領域及び第２領域の必要な厚みＴ１、Ｔ２は、以下の（１）式で得ることができる。
Ｔ１、Ｔ２≧０．００９Ｗ１^１．３３・・・（１）
従って、シリコン基板１１の第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２の必要な厚みＴ１、Ｔ２は、概略次のようになる。１／２．５”サイズ相当の場合は、０．１ｍｍ以上、ＦｏｕｒＴｈｉｒｄｓサイズ相当の場合は、０．４ｍｍ以上、ＡＰＳ−Ｃサイズ相当の場合は、０．６ｍｍ以上。ＦｏｕｒＴｈｉｒｄｓサイズ相当の撮像装置は、約１７．３×１３ｍｍの画素領域を有している。ＡＰＳ−Ｃサイズ相当の撮像装置は、約２４．０×１６ｍｍの画角を有している。

次に、撮像装置の製造工程中の歩留り低下の抑制や変形による画像への影響を低減するために、シリコン基板が割れる場合に生じていた応力が１／１０になるために必要な第２領域Ａ２の厚みＴ２と幅Ｗ２の検討を行った。図５は、第２領域Ａ２の厚さＴ２が変化したときの必要な幅Ｗ２を示している。シリコン基板１１の第２領域Ａ２の厚みＴ２の変化による必要な幅Ｗ２は、以下の（２）式と（３）式とを両立することで得ることができる。
Ｗ２≧０．３ｍｍ・・・（２）
Ｗ２≧２Ｔ２＋０．２ｍｍ・・・（３）
次に、シリコン基板の第３領域Ａ３の厚みＴ３は、以下の（４）式を満たすことが好ましい。
Ｔ３≦Ｔ２・・・（４）
さらには、シリコン基板の第３領域の厚みＴ３は、貫通電極形成工程のスループット向上や、貫通穴に形成される絶縁膜や導電体膜を良好な膜質とするため、０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。

従って、シリコン基板の第２領域の必要な厚みＴ２と幅Ｗ２は、概略次のようになる。１／２．５”サイズ相当の場合は、Ｔ２が０．１ｍｍ以上、かつＷ２が０．４ｍｍ以上である。ＦｏｕｒＴｈｉｒｄｓサイズ相当の場合は、Ｔ２が０．４ｍｍ以上、かつＷ２が１．０ｍｍ以上である。ＡＰＳ−Ｃサイズ相当の場合は、Ｔ２が０．６ｍｍ以上、かつＷ２が １．４ｍｍ以上である。

ここで、シリコン基板の厚みは、第２主面を研磨やエッチングすることによりシリコンが除去されることで変化させる。したがって、厚みＴ１、Ｔ２、Ｔ３は、シリコン基板の平坦な第１主面あるいは透明部材のシリコン基板側表面に対する第２主面の距離となる。そして、シリコン基板の平坦な第１主面あるいは透明部材のシリコン基板側表面に対して、シリコン基板の第２主面は、固定領域内で凹んでいる領域、すなわち厚みが薄い領域を有する。

以上のように、固定領域下にシリコン基板の厚みが変わる境界を配置することで信頼性の高い撮像装置を得ることができる。さらには、第２領域Ａ２の厚みＴ２や幅Ｗ２、そして第３領域Ａ３の厚みＴ３が上記の関係を満たすことでよりシリコン基板の変形や割れの可能性が低減され、信頼性の高い撮像装置を得ることができる。

図６は、実施例１で示した撮像装置の変形例であり、図３と同様な部分的な断面図と対応する部分的な平面図である。図３と同じ構成要素に関しては同じ符号を付して説明は省略する。

本実施例の撮像装置の特徴は、第１領域の厚みＴ１＞第２領域の厚みＴ２＞第３領域の厚みＴ３の関係を有する点である。すなわち、撮像領域である第１領域Ａ１の厚みＴ１より貫通電極１６が形成されている第３領域Ａ３の厚みＴ３が薄く、第１領域Ａ１と第３領域Ａ３の間の第２の領域Ａ２の厚みＴ２が、Ｔ１とＴ３の間の厚みであり、シリコン基板１１は３つ厚みを有する構成である。シリコン基板１１の厚みが変化する境界が、撮像装置を光入射側から見て固定部材３の配置された固定領域に配置されていることは実施例１の撮像装置と同じである。そして、第２領域Ａ２の厚みＴ２や幅Ｗ２、そして第３領域Ａ３の厚みＴ３が実施例１で示した関係を満たすことで、よりシリコン基板の変形や割れの可能性が低減され、信頼性の高い撮像装置を得ることができる。

図７は、実施例１で示した撮像装置の変形例であり、図３と同様な部分的な断面図と対応する平面図である。図３と同じ構成要素に関しては同じ符号を付して説明は省略する。

本実施例の撮像装置の特徴は、第２領域Ａ２がデーパ形状を有する点である。すなわち、撮像領域である第１領域Ａ１の厚みＴ１より貫通電極１６が形成されている第３領域Ａ３の厚みＴ３が薄く、第１領域Ａ１と第３領域Ａ３の間の第２の領域Ａ２の厚みＴ２が変化してテーパ形状となっている構成である。シリコン基板１１の厚みが変化する境界２０が、撮像装置を光入射側から見て固定部材３の配置された固定領域に配置されていることは実施例１の撮像装置と同じである。そして、第２領域Ａ２の厚みＴ２や幅Ｗ２、そして第３領域Ａ３の厚みＴ３が実施例１で示した関係を満たすことでよりシリコン基板の変形や割れの可能性が低減され、信頼性の高い撮像装置を得ることができる。

（撮像モジュールへの応用）
図８は、本発明の第１乃至第３の実施例にて説明した撮像装置を、カメラに用いられる撮像モジュールへ適用した場合の一例を示す構成図である。

セラミックやシリコン等の回路基板８０７上に撮像装置８００を設置し、封止するカバー部材８０４がある。この回路基板８０７は撮像装置８００と電気的な接続がされている。撮像装置８００上には、光を取り込む光学部分８０５と光学ローパスフィルタ８０６が設置されている。更に、撮像レンズ８０２およびそれを固定する鏡筒部材８０１がカバー部材８０４を覆い回路基板８０７とでよく封止されている。

本応用において、回路基板８０７上には、本発明の撮像装置のみならず、撮像信号処理回路、Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）やモジュール制御部が搭載されていてもよい。また、それらが撮像装置と同一半導体基板上に、同一工程によって形成されていてもよい。

（デジタルカメラへの応用）
図９は、本発明の第１乃至第３の実施例にて説明した撮像装置を、撮像システムの一例であるデジタルカメラへ適用した場合のブロック図である。

撮像装置である固体撮像素子９０４へ光を取り込むための構成として、シャッター９０１、撮像レンズ９０２、絞り９０３がある。シャッター９０１は固体撮像素子９０４への露出を制御し、入射した光は、撮像レンズ９０２によって固体撮像素子９０４に結像される。このとき、絞り９０３によって光量が制御される。

取り込まれた光に応じて固体撮像素子９０４から出力された信号は、撮像信号処理回路９０５にて処理され、Ａ／Ｄ変換器９０６によってアナログ信号からデジタル信号へ変換される。出力されたデジタル信号は、更に信号処理部９０７にて演算処理され撮像画像データが生成される。撮像画像データは、ユーザーの動作モードの設定に応じ、デジタルカメラに搭載されたメモリ９１０への蓄積や、外部Ｉ／Ｆ部９１３を通してコンピュータやプリンタなどの外部の機器への送信ができる。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部８１１を通して、デジタルカメラに着脱可能な記録媒体９１２に撮像画像データを記録することも可能である。

固体撮像素子９０４、撮像信号処理回路９０５、Ａ／Ｄ変換器９０６、信号処理部９０７はタイミング発生部９０８により制御されるほか、システム全体は全体制御部・演算部９０９にて制御される。また、これらのシステムは、固体撮像素子９０４と同一の半導体基板上に、同一工程によって形成することも可能である。

１ 透明部材
２ 撮像素子チップ
３ 固定部材
４ 空間
１１ 半導体基板
１２ 配線構造
１３ マイクロレンズ
１４ 絶縁部材
１５ ハンダボール
１６ 貫通電極
１７ 内部電極
１８ 導電膜
１９ 内周
２０ 境界

Claims (13)

1. 透明部材と、フォトダイオードを備えた撮像素子チップと、前記撮像素子チップの周辺に配置され、前記透明部材と前記撮像素子チップとを固定する固定部材と、を備え、前記透明部材と前記撮像素子チップと前記固定部材とで囲まれた空間を有する撮像装置であって、
   前記撮像素子チップは、半導体基板を有し、前記半導体基板は、前記透明部材側の第１主面と、前記第１主面の反対側の第２主面と、を貫通する貫通電極を有し、
   前記撮像装置を前記透明部材側から見た前記固定部材に対応する固定領域に前記貫通電極が配置され、
   前記空間に対応する第１領域の前記半導体基板の厚みより薄くなる境界が、前記固定領域に配置されていることを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像装置を前記透明部材側から見た前記固定領域の、前記貫通電極が配置された領域と前記第１領域との間を第２領域とし、前記貫通電極が配置された領域を第３領域とし、
   前記第２領域の前記半導体基板の厚みは、前記第１領域の前記半導体基板の厚み以下、かつ前記第３領域の厚みより厚いことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記半導体基板がシリコン基板であり、前記透明部材がガラスまたは光学用プラスチックであることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記シリコン基板の第３領域の厚みが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記シリコン基板の前記第１領域の厚みＴ１および前記第２領域の厚みＴ２と、前記空間の長辺の幅Ｗ１と、の関係が以下の（１）式を満たすことを特徴とする請求項３または４に記載の撮像装置。
   Ｔ１、Ｔ２≧０．００９Ｗ１^１．３３・・・（１）
6. 前記撮像素子チップがＦｏｕｒＴｈｉｒｄｓサイズ相当であり、前記シリコン基板の前記第１領域の厚みＴ１および前記第２領域の厚みＴ２が０．４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一項に記載の撮像装置。
7. 前記撮像素子チップがＡＰＳ−Ｃサイズ相当であり、前記シリコン基板の前記第１領域の厚みＴ１および前記第２領域の厚みＴ２が０．６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一項に記載の撮像装置。
8. 前記撮像装置を前記透明部材側から見た前記第２領域の前記シリコン基板の厚みＴ２と幅Ｗ２の関係が以下の（２）式、（３）式を満たすことを特徴とする請求項３ないし７のいずれか一項に記載の撮像装置。
   Ｗ２≧０．３ｍｍ・・・（２）
   Ｗ２≧２Ｔ２＋０．２ｍｍ・・・（３）
9. 前記撮像素子チップがＦｏｕｒＴｈｉｒｄｓサイズ相当であり、前記シリコン基板の前記第２の領域の厚みＴ２が０．４ｍｍ以上、かつ幅Ｗ２が１．０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
10. 前記撮像素子チップがＡＰＳ−Ｃサイズ相当であり、前記シリコン基板の前記第２の領域の厚みＴ２が０．６ｍｍ以上、かつ幅Ｗ２が１．４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
11. 前記撮像素子チップが１／２．５”サイズ相当であり、前記シリコン基板の前記第２の領域の厚みＴ２が０．１ｍｍ以上、かつ幅Ｗ２が０．４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
12. 請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置の前記撮像素子チップの前記透明部材側に配置された光学ローパスフィルタと、
    前記撮像装置の前記撮像素子チップに固定され、電気的な接続を有する回路基板と、を有する撮像モジュール。
13. 請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。