(57)【要約】【課題】固体撮像素子に対する像面湾曲の問題を解決して解像度を改善し、かつ、周辺部分にかかる歪応力を軽減して信頼性を確保する。【解決手段】固体撮像素子や周辺回路等を形成した半導体チップ１０を実装用基板２０に実装する際、実装用基板には、固体撮像素子形成領域を外部からの力によって湾曲させるスライド機構を設けることにより、このスライド機構によって半導体チップに応力を付与して湾曲させ、その湾曲率を可変調整した状態で、所定の位置にて固定する。また、スライド機構は、固体撮像素子形成領域だけを湾曲させる構造とし、固体撮像素子形成領域の外側の周辺回路領域や電極パッド領域は、平坦なままの状態で固体撮像素子形成領域だけを湾曲させる。これにより、周辺回路領域における接合リーク等をなくし、かつ、平坦な電極パッド部によってフリップチップ実装やワイヤボンディング等の作業を簡略化する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子により被写体の撮像を行う固体撮像素子形成領域と、周辺回路領域とを同一基板上に形成した半導体チップを有し、
前記半導体チップの固体撮像素子形成領域は湾曲されて形成され、前記周辺回路領域が平坦に形成されている、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記周辺回路領域は前記固体撮像素子形成領域の各素子の駆動回路又は信号処理回路の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体チップは、前記固体撮像素子形成領域と同一基板上に形成され該固体撮像素子形成領域の各素子と外部回路とを接続するための電極パッド領域を有し、
前記半導体チップの電極パッド領域は平坦に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップを実装する実装用基板を有し、前記実装用基板に設けられた応力付与手段によって前記半導体チップの基板面方向に応力を付与することにより、前記固体撮像素子形成領域が湾曲されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体チップの周辺回路領域を設けた部分が、前記固体撮像素子形成領域を設けた部分に対して半導体チップの裏面方向に折れ曲がっていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
複数の光電変換素子により被写体の撮像を行う固体撮像素子形成領域と、前記固体撮像素子形成領域の各素子と外部回路とを接続するための電極パッド領域とを同一基板上に形成した半導体チップを有し、
前記半導体チップの固体撮像素子形成領域が所定の曲率で湾曲されて形成され、前記電極パッド領域が平坦に形成されている、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記半導体チップを実装する実装用基板を有し、前記実装用基板に設けられた応力付与手段によって前記半導体チップの基板面方向に応力を付与することにより、前記固体撮像素子形成領域が湾曲されていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体チップが前記電極パッド領域を介して前記実装用基板に設けられた回路配線に接続されていることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子を高密度に実装したカメラモジュール等に用いられる半導体装置に関し、特に薄型で周辺ボケの少ない固体撮像装置を実現することができる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサといった固体撮像装置において、同一基板上に固体撮像素子形成領域と周辺回路領域を設けたものが提供されている。
一般的に、このような固体撮像装置の結像光学系に関しては、像面湾曲と呼ばれるレンズの収差が発生するという問題がある。
図１０は、このような像面湾曲の発生原理を説明するための図であり、固体撮像素子１と結像光学系２との配置状態を示している。
図示のように、固体撮像素子１の中心部で合焦点位置をＡに合わせても、撮像素子１の周辺部では像面湾曲の影響により焦点位置がＢとなるため、焦点ずれが発生してしまう。
その結果、画像の中心部と周辺部とで画質が不均一になるなど、撮像特性の劣化が発生していた。
【０００３】
さらに具体的には、撮像素子１の中心部Ａがジャストフォーカスになるようにレンズマウントを行うと、撮像素子１の周辺部Ｂの画像はピンボケした画像になる。このため、レンズマウントの手法として、中心のフォーカスを若干デフォーカスさせて、周辺の解像度を高めるようなレンズマウントを行う。
しかし、この場合、画像の全体的な解像度は比較的改善できるが、中心から周辺までをジャストフォーカスにすることは、レンズの持つ収差の影響により不可能であった。
この他にも、カメラモジュールの厚みを薄くしたいという要求に対して、カメラモジュールを薄型化するほどレンズ設計が困難になるという問題もあった。
【０００４】
そこで、従来より、上述のような像面湾曲の問題を解決し、レンズユニットを簡略化する目的で、例えば特開平１０−１０８０７８号、特開２００１−１５６２７８号、及び特開２００１−２８４５６４号等に開示されるように、固体撮像素子を構成する半導体チップ全体を湾曲実装する技術が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の湾曲実装技術では、半導体チップ全体を湾曲させて実装するため、半導体チップ上の全ての半導体回路素子について、シリコン基板結晶に表面歪応力がかかることになる。このため、例えば、像面湾曲の問題とは無関係な周辺回路領域についても表面歪応力が作用し、それによる基板表面の接合リークが生じ、周辺回路の信頼性を劣化させるという問題がある。
また、従来のように半導体チップを一律に湾曲させることは、高密度実装の点でも不利である。
さらに、半導体チップを外部回路と接続する電極パッド領域にも湾曲が生じることになり、半導体チップと外部回路とを接続するフリップチップ実装やワイヤボンディング等の工程を複雑化するという問題がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、固体撮像素子に対する像面湾曲の問題を解決し、かつ、周辺部分にかかる歪応力を軽減でき、解像度の改善やレンズユニットの簡略化を達成できる半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、複数の光電変換素子により被写体の撮像を行う固体撮像素子形成領域と、周辺回路領域とを同一基板上に形成した半導体チップを有し、前記半導体チップの固体撮像素子形成領域は湾曲されて形成され、前記周辺回路領域が平坦に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、複数の光電変換素子により被写体の撮像を行う固体撮像素子形成領域と、前記固体撮像素子形成領域の各素子と外部回路とを接続するための電極パッド領域とを同一基板上に形成した半導体チップを有し、前記半導体チップの固体撮像素子形成領域が所定の曲率で湾曲されて形成され、前記電極パッド領域が平坦に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体装置では、半導体チップに設けられる固体撮像素子形成領域だけを所定の曲率に湾曲させて形成し、その他の周辺回路領域や電極パッド領域は平坦に形成したことから、固体撮像素子形成領域については像面湾曲の問題を解決し、周辺部分にかかる歪応力を軽減でき、接合リークの問題を解決し、かつ電極パッドによる接続性を改善でき、撮像装置における解像度の改善やレンズユニットの簡略化を達成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による半導体装置の実施の形態例について説明する。
本実施の形態例は、固体撮像素子形成領域と周辺回路領域や電極パッド領域とを同一半導体チップ上に形成した半導体装置において、固体撮像素子形成領域だけを湾曲して形成し、周辺回路領域や電極パッド領域を平坦に形成したものである。
具体的には、固体撮像素子や周辺回路等を形成したＳｉウェーハに裏面研削を行い、所定の厚さに薄型化する。その後、ダイシングを行い、個々の半導体チップに分割し、これを実装用基板に実装する。この際、実装用基板には、固体撮像素子形成領域を外部からの力によって湾曲させるスライド機構（応力付与手段）を設けることにより、このスライド機構によって半導体チップに応力を付与して湾曲させ、その湾曲率を可変調整した状態で、所定の位置にて固定する。
また、スライド機構は、固体撮像素子形成領域だけを湾曲させる構造とし、固体撮像素子形成領域の外側の周辺回路領域や電極パッド領域は、平坦なままの状態で固体撮像素子形成領域だけを湾曲させるようにする。
これにより、周辺回路領域における接合リーク等をなくし、信頼性を向上できるとともに、平坦な電極パッド部によってフリップチップ実装やワイヤボンディング等の作業を簡略化することができる。
【００１１】
図１〜図３は、本発明の第１の実施の形態例による半導体装置を搭載したカメラモジュールの構成例を示す図であり、図１はカメラモジュールの各構成要素の組み付け状態を示す断面図、図２はカメラモジュールに搭載される半導体チップの各素子配置を示す平面図、図３はカメラモジュールに設けられる実装用基板とそのスライド機構を示す平面図である。
図１に示すように、本例のカメラモジュールは、半導体チップ１０、実装用基板２０、及びレンズユニット３０で構成されている。
半導体チップ１０は、図２に示すように、全体が長方形の薄板状に形成され、中央部に固体撮像素子形成領域１１が形成され、その両側に周辺回路領域１２が形成され、さらにその外側に電極パッド領域１３が形成されている。
【００１２】
固体撮像素子形成領域１１には、ＣＣＤ型センサである場合には、フォトダイオード（光電変換素子）を２次元配列で配置した単位画素や垂直、水平の各転送レジスタ等が設けられている。また、ＣＭＯＳ型センサの場合には、フォトダイオード及び各種画素トランジスタによって構成される２次元配列の単位画素や各種信号線等が設けられている。
また、周辺回路領域１２は、固体撮像素子形成領域１１の駆動回路や信号処理回路、さらには各種のバスライン等が設けられている。
さらに、電極パッド領域１３は、半導体チップ１０と外部回路とを接続するための複数の電極パッド１３Ａが配置されている。
なお、半導体チップ１０は、デジタル信号処理回路を含むワンチップでデジタル出力が可能な機能を有するものを用いても良いし、または、信号処理回路を独立させて、センサ出力機能のみを有するものを用いても良い。
【００１３】
実装用基板２０は、Ａｕバンプ１４及びアンダーフィル材１５を介して半導体チップ１０を実装するものであり、図３に示すように、基板本体２１及びスライド基板２２より構成される。
基板本体２１は、固体撮像素子形成領域１１の受光面に対応する開口部２１Ａを有するとともに、この基板本体２１の両側部には、スライド基板２２をスライド自在に取り付けるためのスライドレール部２１Ｂが設けられている。
スライド基板２２は、スライドレール部２１Ｂによってスライド自在に保持され、図３に示す矢印Ａ方向にスライドするものである。
【００１４】
この実装用基板２０には、図示しない回路配線パターンが形成されており、この回路配線パターンに半導体チップ１０の電極パッド１３ＡがＡｕバンプ１４を介して接続されている。また、電極パッド１３ＡのＡｕバンプ１４による接合部分には、アンダーフィル材１５が充填され、接合状態が補強されている。
そして、この接合状態で、半導体チップ１０の固体撮像素子形成領域１１の受光面は、実装用基板２０の開口部２１Ａに臨み、この開口部２１Ａを通してレンズユニット３０からの光を受光する。
なお、開口部２１Ａには、シールガラス２３が装着され、塵芥等の進入を防止している。
また、半導体チップ１０は、カメラモジュールが組み立てれらた状態で、図１に示すように、固体撮像素子形成領域１１だけが湾曲した状態で固定され、周辺回路領域１２及び電極パッド領域１３は平坦な状態に保持され、さらに図１では省略するモールド樹脂によって包囲されている。なお、このような湾曲形状を得る方法については後述する。
【００１５】
また、レンズユニット３０は、実装用基板２０の上面に装着されるものであり、固定絞り３１を設けた鏡筒３２にレンズ３３を設けたものである。なお、鏡筒３２は、一体物であっても、ネジ式でレンズ部が可動するような機構を持たせたものであっても良い。
このようなカメラモジュールでは、固定絞り３１及びレンズ３３を通して入射した光が、半導体チップ１０の固体撮像素子形成領域１１に受光され、この固体撮像素子形成領域１１によって画像信号に変換され、周辺回路領域１２及び電極パッド領域１３を経て実装基板側の回路に伝送される。
【００１６】
次に、以上のようなカメラモジュールの組み立て工程と各要素の具体例について説明する。
図４は本実施の形態例によるカメラモジュールの組み立て工程を示す断面図である。
まず、図４（Ａ）に示すように、実装用基板２０に対する半導体チップ１０のフリップチップ実装を行う。この際、半導体チップ１０は湾曲させるために、厚さ５０μｍまで薄くする。なお、半導体チップ１０の厚みの範囲としては、例えば２０μｍから７０μｍまでの範囲が望ましい。
このフリップチップ実装工程において、実装用基板２０にＡｕバンプ１４を形成し、超音波接合により実装用基板２０と半導体チップ１０を接合する。なお、ここでの実装方法としては、例えばＡｇペーストによる接合、異方性導電膜による接合等、別の方法であっても良い。
続いて、バンプ接合箇所にアンダーフィル材１５を充填し、接合強度を補強する。
【００１７】
次に、図４（Ｂ）に示すように、実装用基板２０の基板本体２１とスライド基板２２のいずれか一方（図４ではスライド基板２２側より）から力を加えて固体撮像素子形成領域１１を下方に突出する方向に湾曲させる。この際、実装用基板２０を電気的に画出し用ボードに接続し、測定用のモニタ上で出力画像を見ながら画面の中心及び４隅の解像度が最大となるような位置にスライド基板２２を瞬間接着材等で固定する。
なお、ここで、解像度を確認する代わりに、所定のピッチで白黒の縦線を描いたパターンを撮像し、そのＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を確認しながらフォーカス調整を行ってもよい。
【００１８】
次に、図４（Ｃ）に示すように、半導体チップ１０の補強としてモールド樹脂１６を図示のように塗布形成する。
次に、固体撮像素子形成領域１１等に付着した浮遊ゴミなどを除去するための洗浄を行い、シールガラス２３を実装用基板２０に接合し、固体撮像素子形成領域１１を封止する。シールガラス２３は赤外線カットフィルタ機能を持たせることもできる。また、例えば回折格子による色偽防止機構をもたせることも可能である。
次に、図４（Ｄ）に示すように、レンズユニット３０を実装用基板２０に固定する。
【００１９】
以上のような工程により、湾曲した固体撮像素子形成領域を有する半導体装置が完成する。
なお、本実施の形態においては、スライド機構を有する実装用基板２０の位置調整により、固体撮像素子形成領域の受光面の曲率を任意に変更することが可能であり、各種のレンズに適用することが可能である。
そして、固体撮像素子形成領域のみを湾曲させることにより、微小リークが問題となる周辺回路領域においては歪応力のない平坦なシリコン基板を用いることができ、回路の信頼性を向上できる。
さらに、パッド領域は、平坦な基板面を用いることにより、フリップチップ実装そのものに従来と同様の手法を流用でき、製造作業の簡略化を得ることが可能である。つまり、半導体チップをフリップチップ実装する相手側の基板を高精度な湾曲面にするような必要がなく、煩雑化を避けることができる。
これはワイヤボンディングにおいても同様な効果が得られる。つまり、従来と同様な平坦なチップ部分に対してワイヤボンディングをすれば良く、不安定な湾曲面に対してワイヤボンディングする必要はないという利点がある。
【００２０】
図５は、本発明の第２の実施の形態例による半導体装置を搭載したカメラモジュールの構成例を示す図であり、カメラモジュールに設けられる実装用基板とそのスライド機構を示す平面図である。なお、半導体チップ及びレンズユニットの構成については第１の実施の形態例と共通であるため、図面は省略し、同一符号を用いて説明する。
本例は、半導体チップ１０の両側からスライド基板をスライドさせて湾曲実装する場合の構成例である。すなわち、本例の実装基板４０には、基板本体４１に図中の左右両側から半導体チップ１０を押圧する一対のスライド基板４２、４３が実装基板４０の上下両側に設けられたスライドレール部４１Ｂによってスライド自在に設けられている。
そして、半導体チップ１０を湾曲実装する場合には、両側のスライド基板４２、４３を矢印Ａ、Ｂ方向にスライドし、半導体チップ１０の固体撮像素子形成領域１１を所望の曲率で湾曲させる。
なお、基板本体４１に形成した開口部４１Ａは、上述した開口部２１Ａと同様である。
また、カメラモジュールの組み立て製造工程は、半導体チップの湾曲方法を除いて図４に示した第１の実施の形態例と同様であるので、ここでは省略する。
【００２１】
次に、以上のような第１、第２の実施の形態例において、半導体チップ１０の固体撮像素子形成領域１１のみを湾曲させる方法について説明する。
まず、第１の方法としては、半導体チップ１０の周辺回路領域１２及びパッド領域１３を実装用基板２０または実装用基板４０に強固に接合して補強し、その平坦性が損なわれないようにした状態で、スライド基板２２またはスライド基板４２、４３を移動することにより、固体撮像素子形成領域１１のみを湾曲させることができる。
この際、半導体チップ１０の周辺回路領域１２及びパッド領域１３と実装用基板２０、４０との接合強度、及び半導体チップ１０の板厚を適宜選択することにより、容易に所望の湾曲状態を得ることが可能となる。
【００２２】
また、第２の方法として、湾曲型による吸着実装を行うことが可能である。
図６は、この場合の湾曲型と実装作業の具体例を示す断面図である。
図示のように、湾曲型５０には、半導体チップ１０の固体撮像素子形成領域１１の湾曲形状に対応する円弧状の凹部５１と、周辺回路領域１２及びパッド領域１３を平坦に保持するための平坦部５２が形成されるとともに、半導体チップ１０を真空吸着するための複数の吸着孔５３が凹部５１から平坦部５２にわたって分散して形成されている。
このような湾曲型５０では、凹部５１及び平坦部５２を半導体チップ１０に当てがった状態で、吸着孔５３によって真空吸着を行い、固体撮像素子形成領域１１だけを所望の湾曲形状に湾曲させることができる。
なお、この際の湾曲変形に同期して上述したスライド基板２２または４２、４３をスライドさせ、半導体チップ１０の変形に追従することが可能となる。
また、湾曲後の固定等の作業は上述した通りであるので説明は省略する。
【００２３】
図７及び図８は、本発明の第３の実施の形態例による半導体装置を搭載したカメラモジュールの構成例を示す図であり、図７はカメラモジュールの各構成要素の組み付け状態を示す断面図、図８はカメラモジュールに搭載される半導体チップの各素子配置を示す平面図である。
本例の半導体チップ６０は、中央部に固体撮像素子形成領域６１が設けられているが、その側部にパッド領域６２が設けられ、さらにその外側に周辺回路領域６３が設けられている。
そして、本例では、半導体チップ６０の周辺回路領域６３を設けた外縁部分６４を裏面方向に９０°折り曲げることにより、幅方向に縮小したモジュールを構成するものである。なお、半導体チップ６０の折り曲げられた部分自体は平坦であることから、周辺回路領域６３での表面歪応力は小さいものとなり、接合リークの問題は生じない。
なお、その他の実装用基板及びレンズユニットについては、寸法上の変更はあるものの、基本的原理は上述した第１、第２の実施の形態例と同様であるので同一符号を付して説明は省略する。
【００２４】
また、図９は、上述した第３の実施の形態例による半導体チップを湾曲実装する場合の湾曲型と実装作業の具体例を示す断面図である。
図示のように、湾曲型７０には、半導体チップ６０の固体撮像素子形成領域６１の湾曲形状に対応する円弧状の凹部７１と、パッド領域６２を受けるエッジ部７２と、周辺回路領域６３を９０°折れ曲がった状態で平坦に保持するための垂直平坦部７３とを有する。
そして、凹部７１及び垂直平坦部７３には、半導体チップ１０を真空吸着するための複数の吸着孔７４が分散して形成されている。
このような湾曲型７０により、半導体チップ６０の固体撮像素子形成領域６１を円弧状に吸着湾曲するとともに、周辺回路領域６３を９０°折り曲がった状態に整形し、図７に示すようなカメラモジュールを得ることができる。
なお、周辺回路領域６３の９０°折り曲げ加工は、真空吸着だけでなく、予め機械的に曲げるような処理で実現することもできる。また、湾曲型の具体的形状等は、図示のものに限らず、種々変形が可能である。
例えば、湾曲型の形状は半円筒状又は球面状のいずれであってもよく、また、湾曲面は一定の曲率をもった理想曲面でなくてもよい。
【００２５】
以上説明したように、本発明の各実施の形態例によれば、固体撮像素子の受光面をレンズの像面湾曲収差を吸収するように湾曲させることができ、薄型で、かつ、画面の全領域に渡ってフォーカスが合った固体撮像素子を搭載した半導体装置を得ることができる。
また、固体撮像素子形成領域の湾曲率は、出力画像をモニタしながら調整することが可能であり、固体差の少ない、精度の高い工法が実現できる。
また、設計の異なるレンズに最適な湾曲位置で固体撮像素子を実装することも可能であり、レンズ設計に依存しない精密な固体撮像素子を製造することができる。
また、半導体チップの一部を折り曲げた状態でカメラモジュールに組み込むことも可能であり、固体撮像素子ならびにカメラモジュールの小型化に貢献することができる。
【００２６】
なお、以上の実施の形態例では、同一チップ上に固体撮像素子形成領域、周辺回路領域、及びパッド領域を設けた場合について説明したが、同一チップ上に固体撮像素子形成領域と周辺回路領域、あるいは同一チップ上に固体撮像素子形成領域とパッド領域を設けた素子構成のものについても同様に適用し得るものである。
また、本発明に適用する撮像素子としては、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型等の各種の形態のものに適用できるものである。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体装置によれば、半導体チップに設けられる固体撮像素子形成領域だけを所定の曲率に湾曲させて形成し、その他の周辺回路領域や電極パッド領域は平坦に形成したことから、固体撮像素子形成領域については像面湾曲の問題を解決し、周辺部分にかかる歪応力を軽減でき、接合リークの問題を解決し、かつ電極パッドによる接続性を改善でき、撮像装置における解像度の改善やレンズユニットの簡略化を達成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例による半導体装置を搭載したカメラモジュールの各構成要素の組み付け状態を示す断面図である。
【図２】図１に示すカメラモジュールに搭載される半導体チップの各素子配置を示す平面図である。
【図３】図１に示すカメラモジュールに設けられる実装用基板とそのスライド機構を示す平面図である。
【図４】図１に示すカメラモジュールの組み立て工程を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態例による半導体装置を搭載したカメラモジュールに設けられる実装用基板とそのスライド機構を示す平面図である。
【図６】図１及び図５に示す半導体チップに用いる湾曲型と実装作業の具体例を示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態例による半導体装置を搭載したカメラモジュールの各構成要素の組み付け状態を示す断面図である。
【図８】図７に示すカメラモジュールに搭載される半導体チップの各素子配置を示す平面図である。
【図９】図７に示す半導体チップに用いる湾曲型と実装作業の具体例を示す断面図である。
【図１０】従来の固体撮像装置において生じる像面湾曲の発生原理を説明する側面図である。
【符号の説明】
１０……半導体チップ、１１……固体撮像素子形成領域、１２……周辺回路領域、１３……電極パッド領域、２０……実装用基板、２１……基板本体、２１Ａ……開口部、２１Ｂ……スライドレール部、２２……スライド基板、２３……シールガラス、３０……レンズユニット、３１……固定絞り、３２……鏡筒、３３……レンズ。
【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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