(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に積層された信号処理チップと、
前記固体撮像素子と前記信号処理チップとの間に配置され、
互いに積層された第１の層および前記第１の層よりも熱伝導率が高い第２の層と、
を有し、
前記第１の層は前記固体撮像素子に近い側に配置されるとともに前記第２の層は前記信号処理チップに近い側に配置され、
前記固体撮像素子と前記信号処理チップとは無線通信により信号の伝送を行い、前記第２の層には他の部分よりも電波の透過率が高い部分が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記固体撮像素子と前記信号処理チップとが実装される支持部材をさらに有し、
前記固体撮像素子は、前記支持部材の一方の表面に実装され、
前記信号処理チップは、前記支持部材の前記一方の表面とは反対側の表面に実装され、
前記第１の層は、前記支持部材の前記一方の表面の側に設けられ、
前記第２の層は、前記支持部材の前記反対側の表面の側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電波の透過率が高い部分は、貫通孔であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
固体撮像素子と、前記固体撮像素子に積層された信号処理チップと、前記固体撮像素子と前記信号処理チップとの間に配置され、互いに積層された第１の層および前記第１の層よりも熱伝導率が高い第２の層と、を有する半導体装置と、
前記固体撮像素子に被写体の光学像を結像させる光学系と、
を有し、
前記第１の層は前記固体撮像素子に近い側に配置されるとともに前記第２の層は前記信号処理チップに近い側に配置され、
前記固体撮像素子と前記信号処理チップとは無線通信により信号の伝送を行い、前記第２の層には他の部分よりも電波の透過率が高い部分が設けられていることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置および撮像装置に関する。特には、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられる固体撮像素子を有する半導体装置と、この半導体装置を有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置は、固体撮像素子を有する。撮像装置の小型化のための構成として、同一シリコン基板上に固体撮像素子と周辺処理回路とが形成された半導体装置が用いられている。そして、撮像装置のさらなる小型化のために、固体撮像素子と周辺処理回路を別々のシリコン基板上に形成し、それぞれのシリコン基板を積層実装させた半導体装置である積層型イメージセンサが開発されている。このような構成として、特許文献１には、固体撮像素子と周辺処理回路とが多層基板の上下に積層して設けられる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３４１７２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、固体撮像素子と周辺処理回路を積層実装する構成では、周辺処理回路において発生する熱が固体撮像素子へ伝達し、伝達した熱によって固体撮像素子における暗電流の発生が増加する場合がある。そうすると、固体撮像素子が撮像する画像にノイズが生じ、画質が低下する場合がある。
【０００５】
上記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、撮像装置の小型化と撮像される画像の画質の向上の両立を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子に積層された信号処理チップと、前記固体撮像素子と前記信号処理チップとの間に配置され、互いに積層された第１の層および前記第１の層よりも熱伝導率が高い第２の層と、を有し、前記第１の層は前記固体撮像素子に近い側に配置されるとともに前記第２の層は前記信号処理チップに近い側に配置され、前記固体撮像素子と前記信号処理チップとは無線通信により信号の伝送を行い、前記第２の層には他の部分よりも電波の透過率が高い部分が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、イメージセンサチップにおいてノイズの発生を抑制または防止しつつ、半導体装置の小型化を図ることができる。このため、この半導体装置が適用される撮像装置の小型化と撮像される画像の画質の向上を両立させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態の半導体装置の構成例を示す図である。
【図３】第２の実施形態の半導体装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
（撮像装置の構成例）
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る撮像装置１の構成例について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る撮像装置１の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、撮像装置１は、固体撮像素子の例であるイメージセンサチップ１０１と、操作部２０８と、制御部２０７と、Ａ／Ｄ変換部２０３と、信号処理部２０４と、光学系制御部２０５と、撮像素子制御部２０６とを有する。なお、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３とは、後述する半導体装置１００ａ，１００ｂに含まれる。そして、信号処理チップ１０３が、制御部２０７と、Ａ／Ｄ変換部２０３と、信号処理部２０４と、光学系制御部２０５と、撮像素子制御部２０６として機能する。
【００１１】
光学系２０１は、フォーカスレンズを含むレンズ群と、絞りと、レンズ群と絞りのそれぞれを駆動する駆動系とを含む。駆動系は、光学系制御部２０５による制御に従ってレンズ群や絞りを駆動する。これにより、光学系２０１を透過した光は、光量とピントが調整され、被写体の光学像としてイメージセンサチップ１０１に結像する。
【００１２】
イメージセンサチップ１０１は、光学系２０１によって結像した被写体の光学像を、光電変換によってアナログ形式の電気信号である画像信号に変換して出力する。イメージセンサチップ１０１には、例えば、ＣＭＯＳ固体撮像素子が適用される。イメージセンサチップ１０１には、複数の画素が二次元マトリックス状に配列される。それぞれの画素は、フォトダイオードと、転送スイッチと、フローティングデフュージョン（ＦＤ）と、増幅ＭＯＳアンプと、選択スイッチと、リセットスイッチとを有する。さらに、イメージセンサチップ１０１には、垂直出力線（列信号線）と、列アンプと、増幅ＭＯＳアンプの負荷となる定電流源と、通信線と、出力アンプとを有する。この場合、フォトダイオードと、増幅ＭＯＳアンプと、定電流源とにより、フローティングディフュージョンアンプが構成される。そして、各画素の電荷は、フローティングディフュージョンアンプから垂直出力線（列信号線）を介して読み出され、列アンプで増幅され、順次水平信号線と出力アンプを通じて出力端子から出力される。なお、イメージセンサチップ１０１の構成は、前記構成に限定されるものではない。イメージセンサチップ１０１には、公知のＣＭＯＳ固体撮像素子が適用される。
【００１３】
Ａ／Ｄ変換部２０３は、イメージセンサチップ１０１が出力した画像信号を、アナログ形式の電気信号からデジタル形式の電気信号に変換する。信号処理部２０４は、デジタル形式の電気信号に変換された画像信号に対して、各種の画像処理を施す。例えば、信号処理部２０４は、画像信号に対して、センサキズ補正やレンズ収差補正などの各種補正や、輝度色差生成処理などの画像処理や、解像度変換処理などを施す。
【００１４】
操作部２０８は、使用者が撮像装置１を操作するために用いられる部分である。操作部２０８は、電源釦やシャッター釦や操作ダイヤルなどといった、撮像装置１の操作のための各種操作部材を含む。なお、操作部２０８の構成、例えば、操作部２０８に含まれる操作部材の種類や数は、特に限定されるものではなく、撮像装置１の構成などに応じて適宜設定される。制御部２０７は、使用者による操作部２０８への操作に応じて、撮像装置１の各部を制御する。光学系制御部２０５は、制御部２０７による制御に従い、光学系２０１のレンズ群と絞りのそれぞれを駆動する駆動系を制御する。撮像素子制御部２０６は、制御部２０７による制御に従い、イメージセンサチップ１０１を制御する。
【００１５】
なお、前述のとおり、半導体装置１００ａ，１００ｂの信号処理チップ１０３が、制御部２０７と、Ａ／Ｄ変換部２０３と、信号処理部２０４と、光学系制御部２０５と、撮像素子制御部２０６として機能する。例えば、信号処理チップ１０３には、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭとが１つのＩＣチップ上に設けられたワンチップマイコンなどが適用される。この場合、信号処理チップ１０３のＲＯＭには、撮像装置１を制御するためのコンピュータプログラムや各種設定が、あらかじめ格納されている。そして、ＣＰＵは、ＲＯＭからこのコンピュータプログラムを読み出し、ＲＡＭをワークエリアとして用いて実行する。この際、ＣＰＵは、ＲＯＭに格納される各種設定を適宜参照する。これにより、信号処理チップ１０３は、制御部２０７と、Ａ／Ｄ変換部２０３と、信号処理部２０４と、光学系制御部２０５と、撮像素子制御部２０６として機能し、撮像装置１の制御が実現する。
【００１６】
（半導体装置（第１の実施形態））
次に、図２を参照して、第１の実施形態に係る半導体装置１００ａの構成例について説明する。図２は、第１の実施形態に係る半導体装置１００ａの構成例を示す模式図である。なお、図２（ａ）は正面図であり、図２（ｂ）は断面図であり、図２（ｃ）は背面図である。図２に示すように、半導体装置１００ａは、固体撮像素子の例であるイメージセンサチップ１０１と、信号処理チップ１０３と、支持部材の例であるパッケージ１０２と、低熱伝導層１０４と、高熱伝導層１０５と、ワイヤ群１０６とを有している。イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３の構成は、前述のとおりである。
【００１７】
支持部材の例であるパッケージ１０２には、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３とが実装される。パッケージ１０２には、例えば、多層配線セラミックパッケージが適用される。本実施形態では、図２に示すように、板状のパッケージ１０２の一方の表面（光学系２０１を通過した光が入射する側の表面）にイメージセンサチップ１０１が実装され、その反対側の表面に信号処理チップ１０３が実装される。そして、平面視において（イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３の積層方向視において）、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３とは、重畳しているか、または、重畳する部分を有する。このように、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３とは、パッケージ１０２を挟んで積層している。
【００１８】
イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３との間には、第１の層の例である低熱伝導層１０４と、第２の層の例である高熱伝導層１０５とが設けられる。
【００１９】
低熱伝導層１０４は、パッケージ１０２、イメージセンサチップ１０１、信号処理チップ１０３、後述する高熱伝導層１０５のいずれよりも熱伝導率が低い層である。低熱伝導層１０４には、例えば空気などの気体で構成された層が適用できる。
【００２０】
低熱伝導層１０４は、図２に示すように、パッケージ１０２の一方の表面、ここでは、イメージセンサチップ１０１が実装される側の表面に設けられる。例えば、パッケージ１０２の一方の表面には凹部が設けられ、この凹部を覆うようにイメージセンサチップ１０１が実装される。そして、平面視において、低熱伝導層１０４とイメージセンサチップ１０１とは重畳する（または重畳する部分を有する）。このような構成であると、この凹部の内部に存在する空気（気体）が、低熱伝導層１０４を構成する。なお、パッケージ１０２に設けられる凹部に、パッケージ１０２、イメージセンサチップ１０１、信号処理チップ１０３、高熱伝導層１０５のいずれよりも熱伝導率が低い気体以外の材料が充填される構成であってもよい。例えば、断熱材などが充填される構成であってもよい。この場合には、パッケージ１０２の前記一方の表面の凹部に充填された材料（断熱材など）が、低熱伝導層１０４を構成する。
【００２１】
高熱伝導層１０５は、パッケージ１０２、イメージセンサチップ１０１、信号処理チップ１０３、低熱伝導層１０４のいずれよりも熱伝導率が高い層である。高熱伝導層１０５には、例えば、銅やアルミニウムなどの金属材料で構成された層が適用される。例えば、金属材料からなる板状の部材が、パッケージ１０２のイメージセンサチップ１０１が実装される側とは反対側の表面に配置され、信号処理チップ１０３はこの金属材料からなる板状の部材に積層するようにパッケージ１０２に実装される。この場合には、金属材料からなる板状の部材が、高熱伝導層１０５を構成する。
【００２２】
以上のとおり、イメージセンサチップ１０１はパッケージ１０２の一方の表面に実装され、信号処理チップ１０３はパッケージ１０２の前記一方の表面とは反対側の表面に実装される。このため、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３とは、パッケージ１０２を介して積層する。そして、低熱伝導層１０４と高熱伝導層１０５とは、互いに積層するとともに、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３との間に、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３に積層して配置される。特に、低熱伝導層１０４は、パッケージ１０２のイメージセンサチップ１０１に近い側の表面に配置され、高熱伝導層１０５は、パッケージ１０２の信号処理チップ１０３に近い側の表面に配置される。すなわち、信号処理チップ１０３の側から、高熱伝導層１０５、低熱伝導層１０４、イメージセンサチップ１０１の順に積層する。
【００２３】
なお、パッケージ１０２は、多層配線セラミックパッケージに限定されない。例えば、パッケージ１０２として、シリコンインターポーザが適用される構成であってもよい。要は、支持部材の例であるパッケージ１０２は、一方の表面にイメージセンサチップ１０１を実装でき、その反対側の表面に信号処理チップ１０３を実装できる構成であればよい。
【００２４】
パッケージ１０２には、図略の配線パターンが設けられる。そして、パッケージ１０２に実装されたイメージセンサチップ１０１の端子は、パッケージ１０２に設けられる配線パターンに電気的に接続される。また、パッケージ１０２に実装された信号処理チップ１０３の端子は、例えば、ワイヤ群１０６によって、パッケージ１０２に設けられる配線パターンと電気的に接続される。そして、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３は、パッケージ１０２に設けられる配線パターンとワイヤ群１０６とを介して、電気的に（電気信号を送受信可能に）接続される。
【００２５】
ワイヤ群１０６は、例えば、金などの金属材料で構成された配線である。なお、ここでは、信号処理チップ１０３とパッケージ１０２に設けられる配線とがワイヤ群１０６によって電気的に接続される構成を示したが、このような構成に限定されない。例えば、電気的な導体からなるテープによって電気的に接続される構成であってもよい。
【００２６】
つぎに、このような構成による作用について説明する。信号処理チップ１０３は、各種処理を実行する際に発熱し、イメージセンサチップ１０１と比較して高温になることがある。この場合、信号処理チップ１０３の熱がイメージセンサチップ１０１に伝達してイメージセンサチップ１０１が高温になると、イメージセンサチップ１０１において暗電流が発生することがある。この暗電流はノイズの原因となることから、暗電流が発生すると、イメージセンサチップ１０１が生成する画像信号にノイズが含まれることになり、画質が低下する。
【００２７】
そこで本実施形態では、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３の間に、低熱伝導層１０４と高熱伝導層１０５とを、互いに積層するとともに、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３とに積層するように配置する。すなわち、本発明の実施形態では、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３との間に、互いに熱伝導率が異なる複数の層を介在させる。特に、低熱伝導層１０４をパッケージ１０２のイメージセンサチップ１０１に近い側に配置し、高熱伝導層１０５をパッケージ１０２の信号処理チップ１０３に近い側に配置する。
【００２８】
このような構成であると、信号処理チップ１０３が発する熱は、高熱伝導層１０５によって放熱されるとともに、低熱伝導層１０４によってイメージセンサチップ１０１への伝達が防止または抑制される。このため、イメージセンサチップ１０１の温度上昇が防止または抑制されて暗電流の発生が防止または抑制され、暗電流に起因するノイズの発生を防止または抑制できる。したがって、イメージセンサチップ１０１が生成する画像信号の画質の向上を図ることができる。また、このような構成によれば、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３とを積層方向に接近させても、暗電流の発生を防止または抑制できる。逆に言うと、イメージセンサチップ１０１における暗電流の発生の増加を抑制または防止しつつ、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３とを接近させることができる。したがって、半導体装置１００ａの小型化を図ることができ、それに伴い撮像装置１の小型化を図ることができるから、撮像装置１の小型化と画像の品質の向上の両立を図ることができる。
【００２９】
（半導体装置（第２の実施形態））
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置１００ｂの構成例について説明する。図３は、第２の実施形態に係る半導体装置１００ｂの構成例を示す模式図である。なお、図３（ａ）は正面図であり、図３（ｂ）は断面図であり、図３（ｃ）は背面図である。図３に示すように、第２の実施形態に係る半導体装置１００ｂは、イメージセンサチップ１０１と、パッケージ１０２と、信号処理チップ１０３と、低熱伝導層１０４と、高熱伝導層１０５と、ワイヤ群１０６を有している。第２の実施形態では、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３の間の信号伝送は、有線通信ではなく、誘電結合等を用いた無線通信により行われる。なお、第１の実施形態と共通の構成については、説明を省略する。
【００３０】
本実施形態では、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３とが無線通信により信号伝送を行う構成であることから、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３は、それぞれ、無線通信のためのアンテナモジュール部１１１を有する。なお、アンテナモジュール部１１１の構成は特に限定されるものではなく、無線通信の方式に応じた公知の各種構成が適用できる。また、アンテナモジュール部１１１を有する構成を除いては、第１の実施形態と共通の構成が適用できる。
【００３１】
イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３との間には、低熱伝導層１０４と高熱伝導層１０５とが介在するように配置される。このため、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３の間の信号伝送を無線通信で行う構成においては、低熱伝導層１０４と高熱伝導層１０５の材質によっては、無線通信を阻害しないようにしなければならない。そこで、本実施形態では、無線通信による信号伝送を阻害しないように、低熱伝導層１０４と高熱伝導層１０５に無線通信領域１０７が設けられる。無線通信領域１０７は、無線通信で用いる電波の透過率が、低熱伝導層１０４と高熱伝導層１０５のそれぞれの他の部分と比較して高い領域である。このような無線通信領域１０７としては、例えば、低熱伝導層１０４と高熱伝導層１０５のそれぞれの厚さ方向（積層方向）に貫通する貫通孔（開口部）が適用できる。
【００３２】
なお、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３とは、平面視（イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３の積層方向視）において、アンテナモジュール部１１１どうしが重畳するように配置される。そして、無線通信領域１０７は、低熱伝導層１０４と高熱伝導層１０５のうち、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３のアンテナモジュール部１１１どうしの間に設けられる。すなわち、無線通信領域１０７は、平面視において、イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３のアンテナモジュール部１１１とに重畳する位置に設けられる。
【００３３】
無線通信領域１０７の熱伝導率は、低熱伝導層１０４と高熱伝導層１０５の他の部分と相違しても構わない。すなわち、低熱伝導層１０４に設けられる無線通信領域１０７は、断熱の効果が他の部分よりも低くてよい。同様に、高熱伝導層１０５に設けられる無線通信領域１０７は、放熱の効果が他の部分より低くてよい。また、図３においては、無線通信領域１０７が平面視において矩形である構成を示すが、無線通信領域１０７の形状は特に限定されない。無線通信領域１０７の形状は、無線通信による信号伝送を阻害しない形状であればよく、非矩形や円形などの形状であってもよい。無線通信領域１０７は、アンテナモジュール部１１１の形状や寸法に応じて最適な形状や寸法にすればよい。なお、信号処理チップ１０３と図示しない他の部品とは、ワイヤ群１０６およびパッケージ１０２を介して接続されており、有線通信により信号伝送される。
【００３４】
また、前述のとおり、低熱伝導層１０４が気体からなる層であれば、低熱伝導層１０４が開口部となることから、無線通信領域１０７が設けられない（換言すると、低熱伝導層１０４の全体が無線通信領域１０７となる）。ただし、低熱伝導層１０４が気体以外の材料からなる場合には、低熱伝導層１０４を構成する材料に、無線通信領域１０７が設けられる。この場合、低熱伝導層１０４に設けられる無線通信領域１０７は、低熱伝導層１０４を厚さ方向（イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３の積層方向）に貫通する貫通孔（開口部）が適用される。
【００３５】
イメージセンサチップ１０１と信号処理チップ１０３との信号伝送に無線通信を用いる構成によれば、信号処理チップ１０３とパッケージ１０２とを接続するワイヤ群１０６を減らすことができる。このため、高熱伝導層１０５を、ワイヤ群１０６と物理的に干渉することなく、サイズを大きく（表面積を広く）できる。したがって、高熱伝導層１０５による放熱の効果（能力）を高めることが可能となる。
【００３６】
また、図３では信号処理チップ１０３の一辺にワイヤ群１０６が設けられる構成を示すが、二辺ないしは三辺にワイヤ群１０６が設けられる構成であってもよい。また、信号処理チップ１０３と図示しない他の部品との信号伝送にも無線通信を適用し、ワイヤ群１０６を用いない構成としてもよい。この場合には、高熱伝導層１０５の表面積をさらに大きくでき、信号処理チップ１０３の放熱効果をさらに高めることができる。
【００３７】
本実施形態においては、信号処理チップ１０３の温度上昇によるイメージセンサチップ１０１の温度上昇をさらに抑制することができる。したがって、イメージセンサチップ１０１における暗電流の発生を低減させ、撮像装置１の小型化と映像品質の向上を両立させることが可能になる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明したが、前記実施形態は、本発明の実施にあたっての具体例を示したに過ぎない。本発明の技術的範囲は、前述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３９】
例えば、前記実施形態では、低熱伝導層を構成する気体として空気を例に示したが、空気以外の窒素やアルゴンのような気体でもよい。また、低熱伝導層として真空状態にした領域としてもよい。更に、低熱伝導層は気体からなる層に限定されるものではなく、熱伝導率の低い液体や固体を適用してもよい。また、各種断熱材などの個体を適用してもよい。高熱伝導層も、金属材料からなる層に限定されない。高熱伝導層は、金属材料以外の固体を適用してもよく、熱伝導率の高い液体や気体を適用してもよい。
【図１】
0006666027.tif 000002
【図２】
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【図３】
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