(57)【要約】【課題】生産効率が上がり、コストが低減できるような半導体デバイスのキャビティ構造を形成する方法を提供する。【解決手段】キャビティ構造の形成方法は、特にイメ−ジ・センサーのパッケージングに有用であり、基板上部にスペーサー層が形成される。スペーサー層は、フォトリソグラフィイ技術を使用してパターン化され、ウェハー200上にダイを囲むキャビティ壁250を形成する感光材料から形成される。ほぼ透明な層であるパッケージング層260は、硬化前に、キャビティ壁250の上部に直接に配置される。もう一つの実施例においては、キャビティ壁250は硬化され、接着剤をキャビティ壁250の表面に塗布し、パッケージ層260が接着剤上に載置される。その後、そのウェハー200は細断され、個々のダイは、パッケージされ使用される。【選択図】図２ｄ
2006270058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一乃至複数のダイを有する基板と、
物理的に前記基板に接触し、前記一乃至複数のダイの周囲に位置する少なくとも１個のキャビティ壁と、
前記キャビティ壁上にある接着層と、
前記基板の上方に在り、前記接着層と接触する密封層と、から構成されることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２】
前記密封層の厚さが、約300μｍより厚いことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記接着層が、エポキシまたはＵＶ接着剤から成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記キャビティ壁の高さは、約10μｍより高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記キャビティ壁の幅は、約20μｍより広いことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記キャビティ壁の内面は、約0．5μｍよりも大きな表面粗さを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
前記一乃至複数のダイは、CMOSイメージ・センサーまたは電荷結合型素子から成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的な半導体構造に関するものであり、とりわけ、内部に形成されたキャビティを有する半導体構造のパッケージに関するものである。なお本出願は、２００５年３月２４日に出願した、発明の名称「半導体構造用キャビティ構造」の米国仮出願番号６０／６６４，８７６号の利点を請求するものであり、この仮出願を参考のために組み入れている。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電子装置に使用される半導体チップは、例えば特許文献１にあるように、基材または基板に取り付けられる半導体ダイから成っている。半導体ダイは、標準の半導体製造工程を使用して製造され、内部に形成される集積回路への電気的接触を行うために使用される一連のボンド・パッドを有する。このダイは、内部に形成される電気導線を有する基材または基板上に載置され、ダイのボンド・パッドに対応している。ダイを基板に取り付けるために、ソルダー・ボールを使用することもある。周囲環境からこのダイを保護するため、ダイと基材は密封されている。
【０００３】
場合によっては、殊に相補型金属酸化膜半導体（CMOS）イメージ・センサーの場合、キャビテイは、回路のある部分の上方に形成されるのが好ましい。一般的に、CMOSイメージ・センサーは、受光CMOS回路を利用して、光エネルギーを電気エネルギーに変換する。受光CMOS回路は、通常、シリコン基板上に形成されるフォト・ダイオードから構成される。フォト・ダイオードが露光されると、フォト・ダイオードに電荷が誘起される。このフォト・ダイオードは、通常、MOSスイッチング・トランジスタに接続され、MOSスイッチング・トランジスタは、フォト・ダイオードの電荷をサンプルするために使用される。受光CMOS回路の上方にフィルターを載置することにより、色彩が決定される。
【０００４】
こうしたCMOSイメージ・センサーと、これに関連する回路が形成された後、CMOSイメージ・センサーが形成されるウェハーの上を覆って、パッケージ層を配置することにより、CMOSイメージ・センサーがパッケージ化される。ガラスなどの透明材料で通常形成されたウェハーの上を覆って、パッケージ層を配置する前に、エポキシなどのスペーサー材が、パッケージ層上に形成されると共にパターン化される。それから、パッケージ層は、基板と位置合わせられ、基板に貼り付けられて、合成基板を形成する。その後、組立てられた基板は切断され、個々のダイに分離され、特定の利用要件による要求により個々にパッケージされる。光学エポキシは、通常、パッケージ層とウェハーとの間のあらゆる間隙を埋める。
【特許文献１】特開２００２−２０３９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、こうしたCMOSセンサーのパッケージ法は、制御することが困難である。特に、パッケージ層上に形成されるスペーサー材料は、個々のダイと正確に位置合わせさられなければならない。この位置合わせにずれが起きると、いずれの場合も、デバイスは不良となり、生産効率が減少して、コスト増となる。従って、キャビティを有する半導体構造体をパッケージする上で、効率的で効果的な方法が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
キャビティをその内部に形成した半導体構造体のパケージ方法を提供する本発明の好ましい実施例は、広くこれらの問題とその他の問題を解決し、さもなければ回避して、広く技術的な優位性を実現する。
【０００７】
本発明の一実施例では、半導体構造体のパケージ方法が提供される。この方法は、その上部に一乃至複数のダイを形成したウェハー上に、キャビティ壁を形成してなる。キャビティ壁は、蒸着，露光，感光エポキシ材料の現像により形成されるのが好ましい。
【０００８】
一つの実施例において、透明なガラス層などのパッケージ層が、キャビティ壁を硬化する前にキャビティ壁上に配置される。
【０００９】
もう一つの実施例において、キャビティ壁は硬化可能である。その後、接着材料が、キャビティ壁上に配置され、パッケージ層が、接着材料上に配置される。
【００１０】
本発明と同一の目的を実行するためのその他の構造または工程を修正し、或いは、設計することを基礎にして、その構想と開示された特定の実施例は、容易に利用されることが、同業者により理解されるであろう。また、添付される請求項に説明されるように、このような均等な構造は、本発明の精神と範囲から逸脱することの無いことが、当業者によって完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
好ましい本実施例における製造および利用について、下記に詳述する。しかしながら、本発明は、さまざまな状況において具体化され得る多くの発明の概念を、提供するものであることを理解されたい。検討する特定の実施例は、本発明を構成し利用するための特定の方法を単に説明しているに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１２】
本発明の実施例は、CMOSイメージ・センサーのパッケージングの状況を説明するものである。これは、特に有用であると考えられる本発明の一つの適用例である。しかしながら、本発明の実施例は、例えば電荷結合型素子などの他の型の装置のパッケージングに対しても利用可能である。
【００１３】
図１を参照すると、ここでは本発明の実施例による半導体のパッケージング工程が図示されている。製造されたウェハー110は、複数のダイ112を有していて、あらゆる好適な技術を使用して製作される。各ダイ112には、半導体チップを形成するためにパケージされるべき完全なエレクトロニクス回路が描かれている。製作されたウェハー110上の総てのダイが、ラベルを付けられるものではないことが、注目される。
【００１４】
CMOSイメージ・センサーが製造される場合には、製作されたウェハー110の各ダイ112が、受光素子（図示せず）の配列を有していてもよく、この受光素子は、光エネルギーに露出された場合に電流を発生するあらゆる素子から構成される。例えば、受光素子は、イオン打ち込みによる基板への不純物の打ち込みによって形成されるフォト・ダイオードであっても良い。他の回路構成（アクセス・トランジスタ，リセット・トランジスタ，コンデンサ，レンズ，カラー・フィルターなど）もまた、受光素子の機能を制御するために含まれても良い。
【００１５】
用意したウェハー120を作成するために、製作されたウェハー110上にキャビティ構造118が形成される。下記に詳細に亘って説明するが、例えば、受光材料を蒸着し、受光材料を既知のフォトリソグラフィ技術によりパターン化することにより、キャビティ構造118を形成してもよい。
【００１６】
その後、密封層であるパッケージ層130が、接着装置132において、用意されたウェハー120に接着される。パッケージ層130は、ガラスのような透明材料であることが好ましい。本発明の実施例によれば、キャビティ構造118は、従来の標準的な技術方式で行われたように、パッケージ層130に対向して、ウェハー自身（例えば、製作されたウェハー110）上に形成される。パッケージ層130にではなく、製作されたウェハー110上にキャビティ構造118を形成することにより、位置ずれの危険性が減少または除去され、その結果、生産効率が上がり、コストが低減される。
【００１７】
パッケージ層130が、用意されたウェハー120に貼り付けられると、結果として得られたウェハー140が細断され、個々のダイは個々にパッケージされ、公知の処理技術によって利用のために準備される。
【００１８】
図２ａ〜図２ｄは、本発明の実施例に基づいて、ウェハー上のキャビティ構造を形成する方法を図示するために、種々の処理段階が実施された後の断面図である。先ず、図２aを参照すると、ここでは基板210とスペーサー層212とを有するウェハー200が示されている。実施例において、基板210は、シリコン・ゲルマニュウム，グレイデッド（傾斜）・シリコン・ゲルマニュウム，セミコンダクター・オン・インシュレータ，カーボン，石英，サファイア，ガラス，もしくは同等のものから形成され、その上に形成された回路構成を備えている。代表的な応用例では、基板210は、層間誘電体により分離される回路構成と導線の多重層からなることが期待される。
【００１９】
基板がCMOSイメージ・センサーを有する実施例の場合、基板210は、図２ａに示すようなマイクロレンズ214を有する。通常、マイクロレンズは1024×768ピクセルなどの縦横の列に配置される。各ピクセルは、少なくとも１個の受光素子により表される。カラー画像のキャプチャーを必要とする適用例では、カラー・フィルターが使用され、受光した光の特定の色彩をキャプチャーし、各ピクセルは２以上の受光素子により表される。一般的に、マイクロレンズは、受光素子に光を導き、基本的にデジタル撮像システムの収集点として動作する。
【００２０】
スペーサー層212は、米国マサチューセッツ州ニュウトンに在る、マイクロケミ株式会社から入手可能なＳＵ−８フォトレジストなどの、エポキシ系フォトレジスト材料から形成されるのが好ましく、厚さは、約10μｍから約200μｍの間であるのが好ましい。この他の材料でもかまわない。スペーサー層212は、ラミネート層を滑らせて形成するか、または、従来技術であるスピン・コーティングにより形成しても良い。
【００２１】
図２ｂは、図２ａの状態から、本発明の実施例に基づいてスペーサー層212がパターン化された後のウェハー200を図示するものである。上述のごとく、スペーサー層212は、エポキシ系フォトレジストから形成されるのが好ましい。本実施例において、スペーサー層212は、従来技術の標準フォトリソグラフィ技術を使用してパターン化される。一般的に、フォトリソグラフィは、フォトレジスト材料の蒸着工程を有し、フォトレジスト材料は、所望するパターンに従って、マスクされ、露光される。フォトレジスト材料が露光された後、フォトレジスト材料は現像されて、フォトレジスト材料の不要部分を除去する。
【００２２】
この状態で、スペーサー層212が現像される時、スペーサー層212の残留材料が、キャビティ壁250を形成するように（キャビティ壁250の斜視図２e参照）、スペーサー層212はマスクされ露光される。キャビティ壁250は、少なくとも、その高さが約10μｍよりも大きいことが好ましく、さらには、約10μｍから約60μｍの高さであることが好ましい。また、キャビティ壁250の幅は20μｍよりも大きいことが好ましく、さらには、約50μｍから約200μｍの幅であるのが好ましい。さらに接着特性を強化するために、キャビティ壁250の内面（例えば、上端面）は、プラズマ処理，化学的表面処理，その他の物理的処理，および／または化学的処理などにより、所定の表面粗さを形成する処理を行うことができる。この表面粗さは、0．5μｍよりも大きいことが好ましい。
【００２３】
図２ｃは、図２ｂの状態から、密封層であるパッケージ層260がウェハー200に付加されたときのウェハー200を図示している。一つの実施例において、パッケージ層260は、酸化シリコン層などの光学的透明層から構成される。このパッケージ層260は、厚さが約300μｍよりも大きいことが望ましい。
【００２４】
図２ｃに図示するように、パッケージ層260は、キャビティ壁250の上端に設けられる。キャビティ壁250は基板上に形成されているので、パッケージ層260は、従来技術の方式におけるように、厳密に位置合わせを行う必要は無い。
【００２５】
一つの実施例において、パッケージ層260を基板210に貼り付ける前に、エポキシ系フォトレジスト材料を硬化することができ、そこからキャビティ壁250が形成される。この硬化処理は、熱硬化処理，および／または電磁気放射硬化処理であることが好ましい。一つの実施例において、この硬化処理は、空気，Ｎ２，Ｏ２などの雰囲気中に、約50℃と約500℃の間の温度で、約10分から約120分間行われる。この実施例においては、接着層である接着用ペースト（好ましくは、画面印刷処理を使用して）をキャビティ壁250上に塗布し、パッケージ層260をキャビティ壁250に載置することにより、パッケージ層260をキャビティ壁250に貼り付けることができる。パッケージ層260に接触する接着用ペーストは、エポキシ材料やUV接着剤などから成っても良い。従来技術の接着装置を使用して、この処理を行っても良い。硬化処理は、パッケージ層260をキャビティ壁250に載置した後に行っても良い。
【００２６】
別の実施例においては、良好な接着特性を示す材料を使用して、キャビティ壁250を形成してもよい。このように、パッケージ層260は、キャビティ壁250の硬化前に、キャビティ壁250上に直接載置しても良い。そして硬化処理は、その後に行っても良い。一つの実施例において、この硬化処理は、空気，Ｎ２，Ｏ２などの雰囲気中に、約50℃と約500℃の間の温度で、約10分から約120分間行われる。エポキシ系，ポリイミド系，フェノール系，アクリル系，ノボラック系，ベンゾシクロブテンズ（BCB）系，ポリベンゾオキサゾール（PBO）系，ポリノルボルネーン系，または同等のフォトレジスト材料を使用して、この実施例におけるキャビティ壁250を形成しても良い。
【００２７】
図２ｄは、図２ｃの状態から、本発明の実施例に基づきパッケージ層260を基板210上部に位置させた後の、ウェハー200を図示している。この結果として得られた形態は、エア・キャビティ270を有していることが注目される。このキャビティを光学エポキシで充填することもできるが、エア・キャビティが、CMOSイメ−ジ・センサーに対してより良好な光透過特性を有することが発見されている。
【００２８】
その後、ウェハー200は細断され、個々のダイに分離される。ウェハー200は、縦の点線280で示されるスクライブ（罫書き）・ラインに沿って、細断されるのが好ましい。キャビティ壁250がシールを形成することで、汚染物質がこのエア・キャビティ270に到達するのを防止するか、または減少させる。エア・キャビティ270内の汚染物質は、エア・キャビティ270の下に存在するCMOSイメ−ジ・センサーの性能に悪影響を及ぼす。
【００２９】
上述したように、図２ｅは、本発明の実施例により形成することができるキャビティ壁の斜視図である。ここでは、キャビティ壁の形状は、説明だけの目的で、長方形として示されている。従って、キャビティ壁の形状は、本発明の範囲内で任意の設計に変更できる。例えば、キャビティ壁の形状は、正方形，円形，楕円形，他の多角形，もしくは同等のものでもよい。
【００３０】
図３ａ〜図３ｄは、本発明の第２実施例に基づいて、ウェハー上にキャビティ構造を形成する方法を図示するために、種々の工程段階が実施された後の各断面図である。図３ａ〜図３ｄは、キャビティ壁250の形状が異なる以外は、図２ａ〜図２ｄに示したものとそれぞれ同一である。例えば、図２ｂおよび図２ｄは、図３ｂおよび図３ｄとそれぞれ比較するとよい。従って、図２ｂ〜２ｄと図３ｂ〜図３ｄにおける同一の参照番号は、同一の構成要素を引用している。
【００３１】
図３ａを参照すると、基板210とスペーサー層212を有するウェハー300が示されている。基板210とスペーサー212層の双方は、図２ａを参照して上述したものと同様な方法で形成される。続く図３ｂにおいて、スペーサー212層は、本発明の実施例により既にパターン化されていて、これによりキャビティ壁350を形成する。この第２実施例では、第１のダイ上のマイクロレンズ214を囲むキャビティ壁350が、第２のダイ上のマイクロレンズ214を囲むキャビティ壁350から分離されている。
【００３２】
上述したごとく、スペーサー212層は、エポキシ系フォトレジストから形成されるのが好ましく、図２ｂを参照して上述したような従来技術の標準のフォトリソグラフィ技術を使用して、パターン化される。さらに接着特性を強化するために、キャビティ壁350の内部表面（例えば、上端面）は、プラズマ処理，化学的表面処理，その他の物理的処理，および／または化学的処理などにより、所定の表面粗さを形成する処理を行うことができる。この表面粗さは、0．5μｍよりも大きいことが好ましい。
【００３３】
図３ｃは、図３ｂの状態から、パッケージ層260がウェハー300に付加されたときのウェハー300を図示している。一つの実施例において、基板210にパッケージ層260を貼り付ける前に、エポキシ系フォトレジスト材料を硬化することができ、そこからキャビティ壁350が形成される。この硬化処理は、熱硬化処理，および／または電磁気放射硬化処理であることが好ましい。一つの実施例において、この硬化処理は、空気，Ｎ２，Ｏ２などの雰囲気中に、約50℃と約500℃の間の温度で、約10分から約120分間行われる。この実施例においては、接着層である接着用ペースト（好ましくは、画面印刷処理法を使用して）をキャビティ壁350に塗布し、パッケージ層260をキャビティ壁350に載置することにより、パッケージ層260をキャビティ壁350に貼り付けることができる。パッケージ層260に接触する接着用ペーストは、エポキシ材料やUV接着剤などから成っても良い。従来技術の接着装置を使用して、この処理を行っても良い。硬化処理は、パッケージ層260をキャビティ壁350に載置した後に行っても良い。
【００３４】
別の実施例においては、良好な接着特性を示す材料を使用して、キャビティ壁350を形成してもよい。このように、パッケージ層260は、キャビティ壁350の硬化前に、キャビティ壁350上に直接載置しても良い。そして硬化処理は、その後に行っても良い。一つの実施例において、この硬化処理は、空気，Ｎ２，Ｏ２などの雰囲気中に、約50℃と約500℃の間の温度で、約10分から約120分間行われる。エポキシ系，ポリイミド系，フェノール系，アクリル系，ノボラック系，ベンゾシクロブテンズ（BCB）系，ポリベンゾオキサゾール（PBO）系，ポリノルボルネーン系，または同等のフォトレジスト材料を使用して、この実施例におけるキャビティ壁250を形成しても良い。
【００３５】
図３ｄは、図３ｃの状態から、本発明の実施例に基づきパッケージ層260を基板210上部に位置させた後の、ウェハー300を図示している。この結果として得られた形態は、、エア・キャビティ270を有していることが注目される。このキャビティを光学エポキシで充填することもできるが、エア・キャビティが、CMOSイメ−ジ・センサーに対してより良好な光透過特性を有することが発見されている。
【００３６】
その後、ウェハー300は細断され、個々のダイに分離される。ウェハー300は、垂直の点線280で示されるスクライブ（罫書き）・ラインに沿って細断されるのが好ましい。この第２実施例では、スクライブ・ライン280が、近傍に隣り合うキャビティ壁350間に位置するのが好ましい。キャビティ壁350がシールを形成することで、汚染物質がこのエア・キャビティ270に到達するのを防止するか、または減少させる。エア・キャビティ270内の汚染物質は、エア・キャビティ270の下に存在するCMOSイメ−ジ・センサーの性能に悪影響を及ぼす。
【００３７】
上記検討のごとく、図３ｅは本発明の実施例により形成されるキャビティ壁の斜視図である。しかし、キャビティ壁の形状は、説明だけの目的で、長方形として示されている。従って、キャビティ壁の形状は、本発明の範囲内で任意の設計に変更してよい。例えば、キャビティ壁の形状は、正方形，円形，楕円形，他の多角形などでもよい。
【００３８】
本発明とその利点を、詳細に説明したが、添付する請求項により規定される本発明の精神と範囲から逸脱することなく、種々の変更，置換，代案がここに可能である。例えば、本発明の範囲内で、いろいろな種類の材料や処理が、変更可能である。
【００３９】
さらに、本願の範囲を、明細書で説明した工程、機械、製造と、物体と手段と方法と段階との組合せの、この特別な実施例に限定する意図はない。本発明の開示から当業者が容易に理解するように、現存する、或いは、将来開発される、同一の機能を当業者が十分に実行し、或いは、ここに、説明した実施例に相当するとものと同じ機能を実行し、同じ結果を実現する、工程，機械，製造と、物体と手段と方法と段階との組合せは、本発明により利用される。従って、添付の請求項は、工程，機械，製造と、物と手段と方法或いは段階との組合せの範囲内を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例による、パッケージング層をウェハーに添加する方法を示す工程図である。
【図２ａ】本発明の第１実施例による、パッケージ層をウェハーに付加する種々の工程段階の断面図である。
【図２ｂ】本発明の第１実施例による、パッケージ層をウェハーに付加する種々の工程段階の断面図である。
【図２ｃ】本発明の第１実施例による、パッケージ層をウェハーに付加する種々の工程段階の断面図である。
【図２ｄ】本発明の第１実施例による、パッケージ層をウェハーに付加する種々の工程段階の断面図である。
【図２ｅ】本発明の第１実施例による、ウェハー上に形成されるキャビティ壁の斜視図である。
【図３ａ】本発明の第２実施例による、パッケージ層をウェハーに付加する種々の工程段階の断面図である。
【図３ｂ】本発明の第２実施例による、パッケージ層をウェハーに付加する種々の工程段階の断面図である。
【図３ｃ】本発明の第２実施例による、パッケージ層をウェハーに付加する種々の工程段階の断面図である。
【図３ｄ】本発明の第２実施例による、パッケージ層をウェハーに付加する種々の工程段階の断面図である。
【図３ｅ】本発明の第２実施例による、ウェハー上に形成されるキャビティ壁の斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
112  ダイ
210  基板
250  キャビティ壁
260  パッケージ層（密封層）
350  キャビティ壁
【図１】
2006270058.tif 000003
【図２ａ】
2006270058.tif 000004
【図２ｂ】
2006270058.tif 000005
【図２ｃ】
2006270058.tif 000006
【図２ｄ】
2006270058.tif 000007
【図２ｅ】
2006270058.tif 000008
【図３ａ】
2006270058.tif 000009
【図３ｂ】
2006270058.tif 000010
【図３ｃ】
2006270058.tif 000011
【図３ｄ】
2006270058.tif 000012
【図３ｅ】
2006270058.tif 000013