(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面に照射されるエネルギー線に感度を有する、周縁部の内側を前記裏面から薄化して構成された板状の半導体検出素子と、
前記半導体検出素子の周縁部の外側に所定の隙間を空けた状態で当該周縁部を支持する環状の保護枠と、
前記半導体検出素子の表面に形成された電極部と前記保護枠に形成された配線部とを電気的に接続させる接続部材と、
前記半導体検出素子の表面側に充填され前記半導体検出素子の表面及び前記接続部材を被覆する第１の充填材と、
前記第１の充填材の上面に密着して設置された保護用の蓋と、
を備えた裏面照射型半導体装置であって、
前記周縁部の外側の隙間については、前記第１の充填材に代わり、硬化後の弾力性が前記第１の充填材よりも高い第２の充填材が充填されたことを特徴とする裏面照射型半導体装置。
【請求項２】
裏面に照射されるエネルギー線に感度を有する、周縁部の内側を前記裏面から薄化して構成された板状の半導体検出素子と、前記半導体検出素子の周縁部の外側に所定の隙間を空けた状態で当該周縁部を支持する環状の保護枠と、前記半導体検出素子の表面に形成された電極部と前記保護枠に形成された配線部とを電気的に接続させる接続部材と、前記半導体検出素子の表面及び前記接続部材を被覆する、硬化後の弾力性が異なる２種類の充填材と、を備えた裏面照射型半導体装置における充填材充填方法であって、
前記２種類の充填材のうち硬化後の弾力性が高い充填材を前記周縁部の外側の隙間に充填する第１の工程と、
前記２種類の充填材のうち硬化後の弾力性が低い充填材を前記半導体検出素子の表面側に充填する第２の工程と、
前記弾力性が低い充填材の上面に密着させて保護用の蓋を設置する第３の工程と、
を有する充填材充填方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光や電子等のエネルギー線を裏面から入射し二次元で検出する裏面照射型半導体装置、及び当該裏面照射型半導体装置における充填材充填方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
裏面照射型半導体装置、例えば、裏面照射型ＣＣＤは、シリコンを材料としたＣＣＤ素子（半導体検出素子）と、セラミック等を材料とした保護枠とを接着剤によって接着した後、電気的に接続することにより構成される。かかるＣＣＤ素子は、通常の半導体プロセスにてポリシリコン電極よりなる電荷結合型の転送部分と、電荷読み出し部分のＦＥＴとを半導体基板の表面に形成して構成されるが、光や電子等のエネルギー線を表面側から照射すると、上記の電極等により入射が妨げられ、極微弱光に対する十分な感度が得られない。このため、エネルギー線を裏面から照射する方式が採用されている。
【０００３】
このような裏面照射型ＣＣＤにおいてＣＣＤ素子の光検出部分は数１０μｍに薄板化されているため、その面積が大きくなるほど当該光検出部分の撓みが発生し易くなる。撓みは、ＣＣＤ素子をセラミック製の保護枠に固着する際に使用する熱硬化樹脂接着剤を加熱する際に、ＣＣＤ素子の薄板部、即ち、光検出部分で発生する。
【０００４】
これを防止するために、図６に示す従来例では、接着剤より硬化温度が高いエポキシ樹脂（ステイキャスト）３０を光検出面１０Ａの表面側（図６において上側）に充填しエポキシ樹脂３０を高温での硬化の際に光検出面１０Ａの撓みを伸ばすよう作用させることで、光検出面１０Ａでの撓みを防止していた（例えば、特開平９−８２８５２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エポキシ樹脂３０は図９の熱膨張係数一覧表に示すように、熱膨張係数が非常に大きく、特に摂氏０度以下の低温では、収縮し易いため、樹脂の収縮による応力の影響で光検出面１０Ａが割れてしまうといった不都合が生じるおそれがある。通常、裏面照射型ＣＣＤは常温で用いられるため、上記問題は発生しないが、裏面照射型ＣＣＤを空輸等で輸送する際には、摂氏０度以下に晒される状況も発生しうる。
【０００６】
このため、かかる状況を想定して、樹脂の収縮によるＣＣＤ素子の光検出面の損傷を防止するための対策が望まれる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、低温時でのＣＣＤ素子の光検出面の損傷を防止することができる裏面照射型半導体装置及び充填材充填方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る裏面照射型半導体装置は、裏面に照射されるエネルギー線に感度を有する、周縁部の内側を前記裏面から薄化して構成された板状の半導体検出素子と、前記半導体検出素子の周縁部の外側に所定の隙間を空けた状態で当該周縁部を支持する環状の保護枠と、前記半導体検出素子の表面に形成された電極部と前記保護枠に形成された配線部とを電気的に接続させる接続部材と、前記半導体検出素子の表面側に充填され前記半導体検出素子の表面及び前記接続部材を被覆する第１の充填材と、前記第１の充填材の上面に密着して設置された保護用の蓋と、を備えた裏面照射型半導体装置であって、前記周縁部の外側の隙間については、前記第１の充填材に代わり、硬化後の弾力性が前記第１の充填材よりも高い第２の充填材が充填されたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る充填材充填方法は、裏面に照射されるエネルギー線に感度を有する、周縁部の内側を前記裏面から薄化して構成された板状の半導体検出素子と、前記半導体検出素子の周縁部の外側に所定の隙間を空けた状態で当該周縁部を支持する環状の保護枠と、前記半導体検出素子の表面に形成された電極部と前記保護枠に形成された配線部とを電気的に接続させる接続部材と、前記半導体検出素子の表面及び前記接続部材を被覆する、硬化後の弾力性が異なる２種類の充填材と、を備えた裏面照射型半導体装置における充填材充填方法であって、前記２種類の充填材のうち硬化後の弾力性が高い充填材を前記周縁部の外側の隙間に充填する第１の工程と、前記２種類の充填材のうち硬化後の弾力性が低い充填材を前記半導体検出素子の表面側に充填する第２の工程と、前記弾力性が低い充填材の上面に密着させて保護用の蓋を設置する第３の工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
上記の本発明の裏面照射型半導体装置と充填材充填方法では、半導体検出素子の周縁部の外側の隙間については、硬化後の弾力性が第１の充填材よりも高い第２の充填材（弾力性が高い充填材）が充填され、半導体検出素子の表面側に第１の充填材（弾力性が低い充填材）が充填される。この場合、低温時での第１の充填材の収縮による応力は、硬化後の弾力性が高く且つ半導体検出素子の周縁部の外側に充填された第２の充填材により吸収されるので、半導体検出素子の表面の損傷を防止することができる。
【００１１】
また、第１の充填材の上面に密着して、保護用の蓋を設置することにより、外部からの物理的衝撃から半導体検出素子を保護し、密着させたことで半導体検出素子が発する熱の放熱効果が向上する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。前述の従来例と同一または同等のものについては簡略化若しくは省略するものとする。
【００１８】
図１は、本発明の裏面照射型半導体装置の実施形態、すなわち本発明の製造方法の実施形態により実際に製作される裏面照射型ＣＣＤの斜視図を一部断面にて示したものである。この図１は、後述する図３の構成で蓋４０を除いた構成を示している。
【００１９】
この図１に示す裏面照射型ＣＣＤは、半導体基板をベースとする矩形で板状のＣＣＤ素子（半導体検出素子）１０と、半導体基板の熱膨張率（３×１０-6／℃）より大きい熱膨張率（７×１０-6／℃）を有するアルミナセラミックを矩形で環状に成型した保護枠２０と、ＣＣＤ素子１０を表面から機械的に補強する機能と共にＣＣＤ素子１０を冷却するためのヒートシンクとしての機能とを具備したエポキシ樹脂３０と、保護枠２０の外側で対向した二面において固定されている外部入出力ピン６０とからなる。そして、図１において矢印に示すように、ＣＣＤ素子１０の裏面から光や軟Ｘ線、紫外線（ｈν）あるいは電子線（ｅ-）等の検出すべきエネルギー線が入射される。
【００２０】
図２は、図１で示した裏面照射型ＣＣＤにおいて、エポキシ樹脂３０を取り除いたときの上面から見た図である。ＣＣＤ素子１０の周縁部において対向する二辺には、その表面上にボンディングパッド１１が設けられている。保護枠２０は３段の階段形状を有し、最下段のダイアタッチ面２１から順に、メタライズ配線２２の形成された中段の面、最上段面２３が配置されている。ＣＣＤ素子１０の周縁部の裏面はダイアタッチ面２１で所定の接着剤により接着されている。ボンディングパッド１１とメタライズ配線２２はワイヤー５０（接続部材）により電気的に接続され、また、外部入出力ピン６０はメタライズ配線２２と電気的に接続されている。
【００２１】
まず、本願発明者は、開発過程において、図３に示すようにエポキシ樹脂３０の量を減らすことを試みた。この場合、エポキシ樹脂３０の量が減少したので、低温時でのエポキシ樹脂３０の収縮による応力を小さくすることができる。
【００２２】
但し、チップ保護のために設けられた蓋４０とエポキシ樹脂３０との間に空気層７０が形成されるため、ＣＣＤ素子の駆動時の発熱に対する放熱特性が悪いという問題点がある。
【００２３】
そこで、以下に述べる第１、第２の実施形態では、かかる放熱特性を良好に維持しつつ、低温時でのエポキシ樹脂３０の収縮による応力を小さくすることができる発明の実施形態を説明する。
【００２４】
［第１実施形態］
図４に示すように、スペーサ２４と保護枠２０との間、及びＣＣＤ素子１０と保護枠２０との間に、エポキシ樹脂３０よりも硬化後の弾性が高いシリコーン樹脂３２が充填され、その上からエポキシ樹脂３０が充填されている。さらに、蓋４０がエポキシ樹脂３０の上面に密着して設置されている。
【００２５】
その充填処理は、図７のようになる。即ち、まず、ＣＣＤ素子１０の外側の隙間にシリコーン樹脂３２を充填し（Ｓ１）、その上からＣＣＤ素子１０表面にエポキシ樹脂３０を充填する（Ｓ２）。そして、蓋４０をエポキシ樹脂３０の上面に密着して設置する（Ｓ３）。
【００２６】
かかる充填処理で形成された裏面照射型ＣＣＤでは、低温時でのエポキシ樹脂３０の収縮による応力は、ＣＣＤ素子１０の周縁部の外側に充填された弾性の高いシリコーン樹脂３２により吸収されるので、ＣＣＤ素子１０の表面の損傷を防止することができる。
【００２７】
具体的には、撓みの高低差±３０μｍ以内を保持しつつ、−１５℃〜５０℃の温度サイクル試験でチップの割れが発生しなかった。なお、従来構造では、−１０℃〜５０℃の温度サイクル試験でチップの割れが発生していた。
【００２８】
また、エポキシ樹脂３０の上面に密着して、蓋４０を設置することにより、外部からの物理的衝撃からＣＣＤ素子１０を保護し、密着させたことでＣＣＤ素子１０が発する熱の放熱効果が向上する。
【００２９】
［第２実施形態］
図５に示すように、ＣＣＤ素子１０表面及びＣＣＤ素子１０の外側の隙間にエポキシ樹脂３０が充填され、その上から、エポキシ樹脂３０よりも硬化後の弾性が高いシリコーン樹脂３２が充填されている。さらに、蓋４０がシリコーン樹脂３２の上面に密着して設置されている。
【００３０】
その充填処理は、図８のようになる。即ち、まず、ＣＣＤ素子１０表面及びＣＣＤ素子１０の外側の隙間にエポキシ樹脂３０を充填し（Ｋ１）、その上からシリコーン樹脂３２を充填する（Ｋ２）。そして、蓋４０をシリコーン樹脂３２の上面に密着して設置する（Ｋ３）。
【００３１】
かかる充填処理で形成された裏面照射型ＣＣＤでは、低温時でのエポキシ樹脂３０の収縮による応力は、ＣＣＤ素子１０の周縁部の外側に充填された弾性の高いシリコーン樹脂３２により吸収されるので、ＣＣＤ素子１０の表面の損傷を防止することができる。
【００３２】
具体的には、第１実施形態と同様に、撓みの高低差±３０μｍ以内を保持しつつ、−１５℃〜５０℃の温度サイクル試験でチップの割れが発生しなかった。
【００３３】
また、第１実施形態と同様に、エポキシ樹脂３０の上面に密着して、蓋４０を設置することにより、外部からの物理的衝撃からＣＣＤ素子１０を保護し、密着させたことでＣＣＤ素子１０が発する熱の放熱効果が向上する。
【００３４】
また、シリコーン樹脂３２は、蓋４０と保護枠２０とを接着する接着剤としても機能するので、裏面照射型ＣＣＤの強度が向上するという利点もある。
【００３５】
なお、上記各実施形態では、充填樹脂としてエポキシ樹脂３０を用いた例を示したが、このような熱硬化樹脂に限定されるものではなく、紫外線硬化樹脂を用いることも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体検出素子の周縁部の外側の隙間に、硬化後の弾力性が高い第２の充填材を充填したことにより、低温時での第１の充填材の収縮による応力は第２の充填材により吸収されるので、半導体検出素子の表面の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る裏面照射型ＣＣＤの斜視図を一部断面にて示したものである。
【図２】図１の裏面照射型ＣＣＤにおいてエポキシ樹脂３０を取り除いたときの上面から見た図である。
【図３】本発明に至る開発過程で試作したＣＣＤ素子１０の図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】第１実施形態のＣＣＤ素子１０の図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】第２実施形態のＣＣＤ素子１０の図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】従来例のＣＣＤ素子１０の図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】第１実施形態の充填処理を示す流れ図である。
【図８】第２実施形態の充填処理を示す流れ図である。
【図９】裏面照射型ＣＣＤを構成する各種部材の熱膨張係数の一覧表である。
【符号の説明】
１０…ＣＣＤ素子（半導体検出素子）、１０Ａ…光検出面、１１…ボンディングパッド、２０…保護枠、２１…ダイアタッチ面、２２…メタライズ配線、２３…最上段面、２４…スペーサ、３０…エポキシ樹脂（第１の充填材）、３２…シリコーン樹脂（第２の充填材）、４０…蓋、５０…ワイヤー、６０…外部入出力ピン
【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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