(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的強度に優れた半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置１は、第１の主面２ａに受光部３を有し、第１の主面とは反対側の第２の主面２ｂに外部端子７を有する半導体基板２と、半導体基板の第１の主面に対向し、受光部３を保護する光透過性保護基板９と、受光部３を囲むように設けられ、半導体基板２及び光透過性保護基板９を接着する接着層１０と、を備え、接着層１０の内縁はジグザグ状である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子領域を有する半導体基板と、
前記半導体基板に対向し、前記素子領域を保護する保護基板と、
前記素子領域を囲むように設けられ、前記半導体基板及び前記保護基板を接着する接着層と、
を備え、
前記接着層の内縁はジグザグ状であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記接着層の内縁は、四角形の各辺をジグザグ状に変形した形状を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ジグザグ状の接着層の内縁の振幅は０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ジグザグ状の接着層の内縁の屈曲部の角度は９０度以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
素子領域を有する半導体基板を用意する工程と、
前記素子領域を保護する保護基板を用意する工程と、
前記半導体基板及び前記保護基板を、前記素子領域を囲む接着層によって接着する工程と、
を備え、
前記接着層の内縁はジグザグ状であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路技術を用いたＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の半導体装置は、デジタルカメラやカメラ機能付き携帯電話に広く利用されている。このような半導体装置において、搭載部品の小型・軽量に対応するためにセンサチップ（半導体素子）をＣＳＰ（Chip size package）にすることが提案されている。
【０００３】
センサチップをＣＳＰ化する場合、半導体基板には表面及び裏面を繋ぐ貫通孔が設けられ、貫通孔内に形成された貫通配線層によって、半導体基板の表面に設けられた受光部を含む集積回路と裏面に設けられた外部接続端子とを電気的に接続する。個片化された半導体装置は光学レンズ付きケースを装着した状態でモジュール基板に実装され、カメラモジュールとなる。
【０００４】
その際、半導体基板の表面に設けられた受光部を埃やゴミから保護するために、受光部を含む領域を覆うように光透過性保護部材が配置される（特許文献１参照）。ガラス基板等の光透過性保護部材は、受光部を含む集積回路が形成された半導体基板上に所定の間隙を設けて平行に配置される。ガラス基板は半導体基板の受光部の外縁を囲むように配置された接着樹脂によって、半導体基板と接着される。接着樹脂は最終的に封止部材となるものであり、受光部上には半導体基板とガラス基板とに挟まれた空隙が形成される。
【０００５】
しかしながら、従来の構造は機械的な強度の面で十分な配慮がなされているとは言えなかった。
【特許文献１】国際公開第２００５／０２２６３１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、機械的強度に優れた半導体装置及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の視点に係る半導体装置は、素子領域を有する半導体基板と、前記半導体基板に対向し、前記素子領域を保護する保護基板と、前記素子領域を囲むように設けられ、前記半導体基板及び前記保護基板を接着する接着層と、を備え、前記接着層の内縁はジグザグ状であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の視点に係る半導体装置の製造方法は、素子領域を有する半導体基板を用意する工程と、前記素子領域を保護する保護基板を用意する工程と、前記半導体基板及び前記保護基板を、前記素子領域を囲む接着層によって接着する工程と、を備え、前記接着層の内縁はジグザグ状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、機械的強度に優れた半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１１】
図１、図２を用いて、本発明の実施形態の構成を説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る半導体装置の基本的な構造を模式的に示した断面図である。
【００１３】
図１に示すように、半導体装置１は半導体基板２を具備している。半導体基板２は例えばシリコン（Ｓｉ）基板等が用いられる。半導体基板２は第１の主面（表面）２ａと、表面２ａとは反対側の第２の主面（裏面）２ｂとを有している。表面２ａはフォトダイオード、トランジスタ等の半導体素子や、それらを結ぶ配線等を含む能動素子領域の形成面となり、裏面２ｂは外部接続端子の形成面となる。
【００１４】
表面２ａには受光部３（能動素子領域）が設けられている。受光部３はフォトダイオード等の受光素子やトランジスタを有しており、表面２ａに照射される光や電子等のエネルギー線を受光してフォトダイオード等に収集する。表面２ａには、受光部３内の素子や配線等と電気的に接続され、電気信号のインプット・アウトプットや電力の供給等を行う複数の電極４が設けられている。受光部３や電極４を有する半導体基板２は、ＣＭＯＳイメージセンサ等のイメージセンサを構成している。
【００１５】
半導体基板２は、表面２ａと裏面２ｂとを繋ぐ貫通孔５を有している。貫通孔５の表面２ａ側の開口は電極４によって塞がれている。貫通孔５内には貫通配線層６となる導電材料が絶縁層（図示せず）を介して充填されている。貫通配線層６は電極４と電気的に接続されている。貫通配線層６は貫通孔５内から裏面２ｂに亘って設けられている。
【００１６】
裏面２ｂには、後で説明する研磨工程による条痕が形成されている。また、裏面２ｂ上において、貫通配線層６は絶縁層（図示せず）を介して形成されている。貫通配線層６は半導体基板２の表面２ａと裏面２ｂとを接続するものである。さらに、裏面２ｂ上には、貫通配線層６と電気的に接続された外部接続端子７が設けられている。また、裏面２ｂは外部接続端子７を除いて保護層８で覆われている。結果的に、裏面２ｂ上に存在する貫通配線層６は保護層８で覆われている。
【００１７】
半導体基板２上には、受光部３を保護するように、主面２ａを覆って光透過性保護基板（保護部材）９が配置されている。光透過性保護基板９は表面２ａの周縁部に配置された接着層１０を介して、半導体基板２の表面２ａと接着されている。光透過性保護基板９と半導体基板２の表面２ａとの間には、接着層１０の厚さに基づいてキャビティ（空間）１１が形成される。すなわち、表面２ａに設けられた受光部３上方にはキャビティ１１を介して光透過性保護基板９が配置されている。
【００１８】
光透過性保護基板９は、第１の主面（表面）９ａとそれとは反対側の第２の主面（裏面）９ｂとを有している。表面９ａには保護膜１２が形成されている。また、保護膜１２は受光部３上に設けられた開口１２ａを有している。すなわち、保護膜１２は受光部３への光や電子等のエネルギー線の入射を妨げないように開口１２ａを有しており、この開口１２ａを除く光透過性保護基板９の表面９ａの周縁部のみに設けられている。開口１２ａの大きさは受光部３より大きくてもよい。
【００１９】
次に、図２を用いて接着層１０の構造を説明する。図２は、本実施形態に係る半導体装置の基本的な構造を模式的に示した平面図であり、図２（ａ）は折れ線形状の構造を有する接着層１０、図２（ｂ）は波線形状の構造を有する接着層１０を示している。
【００２０】
図２に示すように、接着層１０のキャビティ１１が形成される縁（以後、内縁と称する）は、破線で示す四角形の各辺をジグザグ状に変形した形状を有する。接着層１０は、受光部３を囲む外周領域に設けられている。具体的に接着層１０は、受光部３と接着層１０の最小距離（ｍｉｎ）が５０〜１００μｍ程度、最大距離（ｍａｘ）が２００〜５５０μｍ程度になるように設けられている。内縁の詳細な形状に関しては後で説明する。
【００２１】
なお、半導体基板２の裏面２ｂには、後で説明する研磨工程によって条痕が形成されている。条痕の方向と、接着層１０の内縁の方向とが一致すると、該方向に沿って半導体基板２が割れやすいということが、本願発明者らによってわかった。
【００２２】
上記実施形態によれば、接着層１０の内縁は、ジグザグ状の形状を有する。このため、半導体基板２の裏面２ｂに形成された条痕の方向と接着層１０の内縁の方向とが連続して一致する長さが低減される。このため、キャビティ１１に沿った半導体基板２の割れを抑制することが可能である。その結果、半導体装置１の品質を向上させる事が可能となる。
【００２３】
図３〜９は、本実施形態に係る半導体装置の基本的な製造方法を模式的に示した断面図である。
【００２４】
先ず、図３に示すように、表面２ａに受光部３と電極４とが設けられた半導体基板２を用意する。半導体基板２は半導体ウェハとして供給される。さらに、半導体基板２の表面２ａの受光部３を囲む外周領域に例えば厚さ５０μｍ程度の接着層１０が形成される。なお、接着層１０の内縁は図２に示すような形状を有する。具体的には、接着層１０の内縁は破線で示す四角形の各辺をジグザグ状に変形した形状を有する。また、接着層１０にはエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂等からなる接着剤が用いられる。
【００２５】
次に、図４に示すように、半導体基板（半導体ウェハ）２と同程度の大きさを有する光透過性保護基板９を用意する。光透過性保護基板９としては、例えばホウ珪酸ガラス、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス等からなるガラス基板が用いられる。透過させる光が赤外光の場合、光透過性保護基板９はシリコン、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等で構成してもよい。光透過性保護基板９の表面９ａには、予め保護膜１２が形成されている。保護膜１２には、半導体基板２の受光部３と対応する領域に開口１２ａが設けられている。
【００２６】
保護膜１２は、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法、めっき法、スピンコート法、スプレーコート法、印刷法等により形成される。保護膜１２の構成材料としては、例えば高抵抗金属材料（Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＣｏＷＰ等）、低抵抗金属材料（Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等）、多結晶シリコン、導電性を有する高分子化合物、導電性粒子を含有したエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の導電性樹脂材料が用いられる。保護膜１２は樹脂材料等の絶縁材料で形成してもよいが、ウェハ工程における静電チャック性等を考慮して導電性材料で形成することが好ましい。
【００２７】
さらに、保護膜１２は遮光性を有していることが好ましい。このため、保護膜１２を樹脂材料で形成する場合には、保護膜１２に遮光性を付与するために、樹脂材料にカーボンブラック等を添加して黒色化することが望ましい。上述した高抵抗金属材料や低抵抗金属材料は導電性と遮光性とを兼ね備えていることから、保護膜１２の構成材料として好ましいものである。保護膜１２は各種金属材料の単層膜で構成してもよいし、また複数の金属材料層を積層した多層膜で構成してもよい。
【００２８】
光透過性保護基板９の表面９ａにおいて、保護膜１２は半導体基板２の受光部３に対応する領域（光透過領域）を除く外周領域に設けられている。光透過性保護基板９の光透過領域の表面９ａは、保護膜１２に対して凹状となっている。すなわち、保護膜１２は光透過性保護基板９の表面９ａに対して凸状に形成されており、光透過性保護基板９の光透過領域の表面９ａは保護膜１２の厚さに基づいて凹状となっている。従って、ウェハ工程で光透過性保護基板９の表面９ａに直接触れることを抑制することができる。
【００２９】
上述したような光透過性保護基板９を、裏面９ｂが表面２ａと対向するように半導体基板２上に配置する。
【００３０】
次に、図５に示すように、光透過性保護基板９と半導体基板２とは接着層１０を介して、例えば加圧・加熱することにより接着される。光透過性保護基板９と半導体基板２との間には、接着層１０の形成位置および厚さに基づいてキャビティ１１が形成される。半導体基板２の受光部３はキャビティ１１に露出するように配置される。
【００３１】
次に、図６に示すように、半導体基板２及び光透過性保護基板９を接着させた後、半導体基板２の裏面２ｂを機械研削、化学機械研磨（Chemical  Mechanical  Polishing：ＣＭＰ）等により加工し、半導体基板２の裏面２ｂ側から薄肉化する。半導体基板２の厚さは５０〜１５０μｍ程度であることが好ましい。この加工工程は、光透過性保護基板９が半導体基板２を機械的に補強する支持基板の役割を果たすことから、光透過性保護基板９を貼り合わせた後に実施することが好ましい。本加工工程において、裏面２ｂに後述するような研磨痕（条痕）が形成される。
【００３２】
次いで、図７に示すように、半導体基板２の第２の主面２ｂ側から第１の主面２ａに向けて貫通孔５を形成し、貫通孔５内に電極４を露出させる。貫通孔５は半導体基板２の第２の主面２ｂ側に配置された所定パターンのマスク（図示せず）を用いて、半導体基板２をプラズマエッチング法等でエッチングすることにより形成される。貫通孔５はレーザエッチング法で形成してもよい。この場合にはマスクは不要である。貫通孔５は例えば電極４の近傍で第１の主面２ａに向けて凸状の断面形状を有する。
【００３３】
続いて、図８に示すように、貫通孔５内から半導体基板２の第２の主面２ｂに亘って貫通配線層６を形成する。貫通配線層６と半導体基板２との間を絶縁するために、貫通孔５内や第２の主面２ｂ上には予め絶縁層（図示せず）を形成する。貫通孔５の絶縁層には予め開口が設けられているため、貫通配線層６は電極４と接続される。
【００３４】
貫通配線層６は所定パターンのマスク（図示せず）を用いて、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法、めっき法、印刷法等により形成される。貫通配線層６には、例えば高抵抗金属材料（Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＣｏＷＰ等）や低抵抗金属材料（Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、半田材等）が用いられる。これらは単層構造もしくは複数の材料層を積層した多層構造で配線層（導電層）を構成する。
【００３５】
この後、図９に示すように、貫通配線層６に外部接続端子７を形成し、この外部接続端子７を除いて半導体基板２の裏面２ｂを覆うように保護層８を形成する。外部接続端子７は例えば半田材で形成され、保護層８はポリイミド樹脂やエポキシ樹脂、あるいはソルダーレジスト材等で形成される。これら一連の工程（ウェハ工程）が終了した後に、半導体基板２を光透過性保護部材９と共にブレードで切断して個片化することによって、図１に示す半導体装置１が作製される。
【００３６】
図１０は、図６のＣＭＰによって半導体基板２に形成された条痕と半導体基板の個片化の関係を模式的に示した平面図である。
【００３７】
図１０に示すように、裏面２ｂには、半導体基板２の薄肉化を行う際のＣＭＰによって条痕が形成される。半導体基板２から個片化した半導体基板２１、２２には、切り取った部位によって異なる方向の条痕が形成されている。
【００３８】
図１１は、個片化された半導体基板と、その条痕の関係を模式的に示した平面図である。以下、条痕の方向と機械的強度との関係について述べる。
【００３９】
図１１に示すように、例えば２本の支え棒１３の上に個片化した半導体基板２１を配置する。支え棒１３に垂直な線と条痕の方向とで規定される角度（以下、条痕角度と呼ぶ）をθ１とする。同様に、２本の支え棒１３の上に個片化した半導体基板２２を配置する。半導体基板２２の条痕角度をθ２とする。なお、θ１＞θ２とする。
【００４０】
図１２は、図１１で示した半導体基板の強度を測定する様子を模式的に示した断面図である。
【００４１】
図１２に示すように、支え棒１３と平行に、２本の支え棒１３の中間地点に圧力を加えて半導体基板の強度を測定する。
【００４２】
図１３は、条痕角度（saw mark angle）と半導体基板の強度（chip strength）との関係を示したグラフである。
【００４３】
図１３に示すように、条痕角度が９０度に近づくにつれて、半導体基板の強度は低くなる。また、条痕角度が０度に近づくにつれて、半導体基板の強度は強くなる。つまり、条痕と、力の加える角度が並行になるにつれ、条痕に沿って半導体基板が割れやすいということである。また、半導体基板２１、２２において、θ２はθ１よりも小さいため、半導体基板２２の方が、半導体基板２１よりも強度が高いことがわかる。
【００４４】
上記実施形態によれば、半導体基板２及び、光透過性保護基板９を接着する接着層１０の内縁はジグザグ状の形状を有する。このため、半導体基板２の裏面２ｂに形成された条痕がどのような方向であっても、条痕の方向と接着層１０の内縁の方向とが連続して一致する長さを低減することができる。このため、キャビティ１１に沿った半導体基板２の割れを抑制することが可能である。その結果、強度の高い構造を得ることができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００４５】
図１４（ａ）〜（ｄ）は、接着層１０の内縁の形状を示した平面図である。（ａ）は、１辺が５．６ｍｍの四角形である。（ｂ）は、（ａ）に示す四角形の各辺が、０．１５ｍｍの屈曲部の振幅を持ち、屈曲部が９０度である形状を有する場合を示している。（ｃ）は、（ａ）に示す四角形の各辺が、０．３０ｍｍの屈曲部の振幅を持ち、屈曲部が９０度である形状を有する場合を示している。（ｄ）は、（ａ）に示す四角形の各辺が、０．４５ｍｍの屈曲部の振幅を持ち、屈曲部が９０度である形状を有する場合を示している。
【００４６】
図１５は、屈曲部の振幅とｍｉｓｅｓ応力（チップの応力）との関係を示したグラフである。
【００４７】
図１５では、図１４（ａ）〜（ｄ）のモデルを使用してシミュレートした結果がそれぞれプロットされている。振幅が０．２０ｍｍ程度を境にしてｍｉｓｅｓ応力が急激に変化していることが確認できる。これにより、振幅は０．２０ｍｍ以上が好ましい。
【００４８】
図１６（ｅ）〜（ｇ）は、接着層１０の内縁の形状を示した平面図である。（ｅ）は、図１４（ａ）に示す四角形の各辺が、０．３０ｍｍの屈曲部の振幅を持ち、屈曲部が１２０度である形状を有する場合を示している。また、一辺の屈曲部の繰り返し回数は１０回である。（ｆ）は、図１４（ａ）に示す四角形の各辺が、０．３０ｍｍの屈曲部の振幅を持ち、屈曲部が９０度である形状を有する場合を示している。また、一辺の屈曲部の繰り返し回数は１６回である。（ｇ）は、図１４（ａ）に示す四角形の各辺が、０．３０ｍｍの屈曲部の振幅を持ち、屈曲部が６０度である形状を有する場合を示している。また、一辺の屈曲部の繰り返し回数は３０回である。
【００４９】
図１７は、屈曲部の繰り返し回数とｍｉｓｅｓ応力との関係を示したグラフである。
【００５０】
図１７では、図１７（ｅ）〜（ｇ）のモデルを使用してシミュレートした結果がそれぞれプロットされている。繰り返し数が１６回以上、つまり屈曲部が９０度以下になると、応力が急激に低下する。このため、屈曲部は９０度以下が好ましい。
【００５１】
なお、上述した実施形態において、接着層１０の四角形状の内縁の各辺における屈曲部の数は２以上であれば良い。また、各辺での屈曲部の対称性の観点から、各辺の屈曲部の数は奇数であることが好ましい。
【００５２】
主に、上述した実施形態では、受光部３が四角形であることを想定して接着層１０の内縁の形状を略四角形としたが、内縁の形状がジグザグ状（折れ線状または波線状）構造を有するものであれば、同様の効果を得ることが可能である。
【００５３】
また、上述した実施形態ではイメージセンサを例に説明したが、イメージセンサ以外の半導体装置についても上述した構成は適用可能である。また、半導体基板２の素子領域を保護する保護基板であれば、必ずしも光透過性保護基板には限定されない。
【００５４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出される。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば、発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を模式的に示した断面図である。
【図１０】ＣＭＰによって半導体基板に形成された条痕と半導体基板の個片化の関係を模式的に示した平面図である。
【図１１】個片化された半導体基板と、その条痕の関係を模式的に示した平面図である。
【図１２】半導体基板の強度を測定する様子を模式的に示した断面図である。
【図１３】条痕角度と半導体基板の強度との関係を示した図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した平面図である。
【図１５】屈曲部の振幅とｍｉｓｅｓ応力との関係を示した図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した平面図である。
【図１７】屈曲部の繰り返し回数とｍｉｓｅｓ応力との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…半導体装置、
２、２１、２２…半導体基板、２ａ…表面、２ｂ…裏面、
３…受光部、
４…電極、
５…貫通孔、
６…貫通配線層、
７…外部接続端子、
８…保護膜、
９…光透過性保護基板、９ａ…表面、９ｂ…裏面、
１０…接着層、
１１…キャビティ、
１２…保護膜、１２ａ…開口、
１３…支え棒、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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