JP4494745B2

JP4494745B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4494745B2
Application number: JP2003333690A
Authority: JP
Inventors: 宏也小林; 雅治村松
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: WO2005031872A1; US7696595B2; EP1672695B1; EP1672695A4; EP1672695A1; CN1853274A; JP2005101315A; CN100440520C; US20070272997A1

Description

本発明は、半導体装置に係り、特に裏面入射型の半導体装置に関する。

従来からある半導体装置として、いわゆる裏面入射型の半導体光検出装置が知られている。この種の半導体装置は半導体基板を有し、その半導体基板の一面に光検出部を有している。そして、半導体基板には、光検出部と反対側で半導体基板の一部が削られて凹部が形成されている。このため、半導体基板には、光検出部がある薄型化部分が設けられている。この薄型化部分は、厚い半導体基板では吸収されて高感度に検出することができない紫外線、軟Ｘ線、電子線等のエネルギー線に対応して設けられるものであり、この薄型化部分では、半導体基板の凹部側の面に入射する光が光検出部で検出される。

裏面入射型の半導体装置の一つとして、ＢＴ−ＣＣＤ（裏面入射薄板型ＣＣＤ）を有する半導体装置がある。ＢＴ−ＣＣＤは、半導体検査装置の検出部として用いられている。ＢＴ−ＣＣＤを有する従来の半導体装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。

図７は、特許文献１に記載された半導体装置の構成を示す断面図である。図７に示すように、パッケージ１０１内の底部に固定されている配線基板１０２上には、その配線基板１０２に対向する面にＣＣＤ１０３を有する半導体基板としてのＰ型シリコン層１０４が金属バンプ１０５を介して設置されている。金属バンプ１０５に一端が接続された配線基板１０２上の配線１０６の他端には、検出信号を外部から取り出すためのボンディングパッド（図示せず）が設けられており、そのボンディングパッドは、ボンディングワイヤ１０７によりパッケージ１０１のリード端子（図示せず）と電気的に接続されている。さらに、配線基板１０２とＰ型シリコン層１０４との間の空隙には、金属バンプ１０５の接合強度を補強するためのアンダーフィル樹脂１０８が充填されている。
特開平６−１９６６８０号公報

しかしながら、図７に示すように、アンダーフィル樹脂が半導体基板の薄型化部分と配線基板との間に充填されると、アンダーフィル樹脂の硬化時の加熱或いは冷却の際に、アンダーフィル樹脂と半導体基板との間に両者の熱膨張係数の違いに基づいて発生する応力により、薄型化部分が割れてしまう場合がある。また、割れないまでも、薄型化部分が収縮するアンダーフィル樹脂により引張られて撓んでしまう場合がある。このように半導体基板の薄型化部分が撓むと、半導体装置の使用時において光検出部に対するフォーカシングや光検出部における感度の均一性（ユニフォミティ）及び安定性に悪影響が出る場合がある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、半導体基板の薄型化部分の撓み及び割れを防止し、光検出部に対する高精度なフォーカシング及び光検出部における高い感度の均一性及び安定性を維持することができる半導体装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、一方の面に形成された光検出部と、他方の面の光検出部に対向する領域がエッチングされることにより形成された薄型化部分と、該薄型化部分の外縁部の一方の面上に設けられ、光検出部と電気的に接続された第１の電極とを有する半導体基板と、半導体基板の一方の面側に対向配置され、導電性バンプを介して第１の電極に接続された第２の電極を有する配線基板と、第１の電極及び第２の電極のそれぞれと導電性バンプとの接合強度を補強するために、薄型化部分の外縁部と配線基板との間の空隙に充填された樹脂と、を備え、樹脂は、薄型化部分と配線基板との間の空隙の周囲を該周囲の一部を残して囲むように予め成形された樹脂シートであることを特徴とする。

この半導体装置においては、樹脂が薄型化部分の外縁部と配線基板との間の空隙に充填されている。これにより、薄型化部分の外縁部に設けられた第１の電極と導電性バンプとの接合強度、及びこの導電性バンプと配線基板の第２の電極との接合強度が補強される。その一方で、半導体基板の薄型化部分と配線基板との間の空隙に樹脂が充填されないため、樹脂の硬化時等の加熱或いは冷却の際に、樹脂と半導体基板との間に両者の熱膨張係数の違いに基づく応力が発生しても、その応力が薄型化部分に及ぼす影響は小さいため、薄型化部分の撓み及び割れが防止される。したがって、この半導体装置は、使用時において、光検出部に対する高精度なフォーカシングが可能であるとともに光検出部における高い感度の均一性及び安定性を呈することができる。

さらに、前記樹脂として、所望の形状、すなわち薄型化部分と配線基板との間の空隙の周囲をその周囲の一部を残して囲む形状に予め成形された樹脂シートを用いている。これにより、薄型化部分と配線基板との間の空隙を残して、導電性バンプが存在する空隙すなわち薄型化部分の外縁部と配線基板との間の空隙に樹脂が充填された構成を容易且つ確実に実現することができる。

また、薄型化部分と配線基板との間の空隙を前記樹脂によって完全に包囲すると、密閉された空間ができる場合がある。この場合、樹脂の硬化時等の加熱或いは冷却の際に、密閉された空間内の空気が膨張或いは収縮することにより、薄型化部分が撓んでしまうことがある。かかる問題に対して、この半導体装置においては、樹脂が前記空隙の周囲をその周囲の一部を残して囲む構成とすることにより、前記空隙が密閉されるのを防いでいる。しかも、予め成形された樹脂シートを用いていることにより、かかる構成もまた容易且つ確実に実現することができる。

光検出部は、一次元又は二次元に配列された複数の画素を有することを特徴としてもよい。この場合、複数の画素間において高い感度の均一性及び安定性が要求されるため、本発明による半導体装置が特に有用となる。

本発明によれば、半導体基板の薄型化部分の撓み及び割れを防止し、光検出部に対する高精度なフォーカシング及び光検出部における高い感度の均一性及び安定性を維持することができる半導体装置が実現される。

以下、図面とともに本発明による半導体装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による半導体装置の一実施形態を示す断面図である。半導体装置１は、半導体基板１０、配線基板２０、導電性バンプ３０、及び樹脂３２を備えている。半導体基板１０は、ＢＴ−ＣＣＤ（裏面入射薄板型ＣＣＤ）であり、その表面Ｓ１側の表層の一部に光検出部としてのＣＣＤ１２が形成されている。半導体基板１０は、例えばシリコンのＰ^＋層とその上に形成されたＰエピ層とで構成される。ＣＣＤ１２は、二次元的に配列された複数の画素を有している。また、裏面Ｓ２のＣＣＤ１２に対向する領域がエッチングされることにより薄型化された薄型化部分１４が形成されている。エッチングされた部分の輪郭は四角錐台状をしている。薄型化部分１４は、エッチングされている側の面が矩形状の平坦な光入射面Ｓ３となっており、この光入射面Ｓ３はＣＣＤ１２と略同じ大きさに形成されている。また、半導体基板１０全体としても平面視矩形状をしている。半導体基板１０の厚さは、例えば、薄型化部分１４が約１５〜４０μｍ、薄型化部分１４の外縁部１５が約３００〜６００μｍである。なお、薄型化部分１４の外縁部１５とは、半導体基板１０のうち薄型化部分１４周囲の、薄型化部分１４よりも厚い部分をいう。

外縁部１５の表面Ｓ１上には電極１６（第１の電極）が形成されている。この電極１６は、図示を省略する配線によりＣＣＤ１２と電気的に接続されている。また、半導体基板１０の裏面Ｓ２は、光入射面Ｓ３を含めて全体がアキュムレーション層１８によって覆われている。アキュムレーション層１８は、半導体基板１０と同じ導電型を有するが、その不純物濃度は半導体基板１０よりも高い。

半導体基板１０は、フリップチップボンディングにより配線基板２０に実装されている。すなわち、配線基板２０は、半導体基板１０の表面Ｓ１側に対向配置されている。配線基板２０には半導体基板１０の電極１６と対向する位置に電極２２（第２の電極）が形成されており、この電極２２は導電性バンプ３０を介して電極１６に接続されている。配線基板２０は、例えば多層セラミック基板からなる。また、配線基板２０の上面Ｓ４（半導体基板１０と対向する面）は、半導体基板１０よりも広い面積を有しており、上面Ｓ４の縁部には半導体基板１０と対向しない領域が存在する。

配線基板２０の底面Ｓ５（上面Ｓ４と反対側の面）にはリード端子２４が設けられている。リード端子２４は、配線基板２０の内部配線（図示せず）と接続されている。

半導体基板１０と配線基板２０との間には導電性バンプ３０が介在しているため空隙が存在する。この空隙のうち外縁部１５と配線基板２０とで挟まれる部分には、導電性バンプ３０の接合強度（具体的には電極１６及び電極２２のそれぞれと導電性バンプ３０との接合強度）を補強するため、絶縁性の樹脂３２（アンダーフィル樹脂）が充填されている。樹脂３２は樹脂シートであり、例えば、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーン系樹脂、若しくはアクリル系樹脂、又はこれらを複合させたものをシート状にした樹脂シートを用いることができる。

図２を用いて、樹脂３２の構成をより詳細に説明する。図２は、配線基板２０をその上面Ｓ４側から見た平面図である。図２において、破線Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ半導体基板１０及び薄型化部分１４の輪郭を示している。この図のＩ−Ｉ線に沿った断面図が図１に対応している。この図に示すように、樹脂３２は、半導体基板１０の薄型化部分１４と配線基板２０との間の空隙の周囲を囲んでいるが、その周囲の全てを囲むのではなくその周囲の一部を残して囲んでいる。具体的には、配線基板２０において、薄型化部分に対向する領域（破線Ｌ２で囲まれる長方形の領域）の四隅のそれぞれから半導体基板１０と対向する領域の外側まで延びる領域を残して樹脂３２が設けられている。これにより、半導体基板１０と配線基板２０との間の空隙には、薄型化部分１４と配線基板２０との間の空隙と半導体装置１の外部とを連通する連通部３４が画成されている。

さらに、配線基板２０の上面Ｓ４には、複数のチップ抵抗２８が設けられている。チップ抵抗２８は、配線基板２０の薄型化部分１４に対向する領域内の図中上部及び下部それぞれにおいて、図中左右方向に一次元的に配列されている。

図１に戻って、半導体装置１の動作を説明する。光入射面Ｓ３から半導体基板１０の薄型化部分１４に入射した光はＣＣＤ１２により検出される。その検出信号は、電極１６、導電性バンプ３０及び電極２２を順に通って、配線基板２０に伝えられる。配線基板２０において、その検出信号は、内部配線を通ってリード端子２４に伝えられ、リード端子２４から半導体装置１の外部へと出力される。

続いて、半導体装置１の効果を説明する。樹脂３２が薄型化部分１４の外縁部１５と配線基板２０との間の空隙に充填されている。これにより、薄型化部分１４の外縁部１５に設けられた電極１６と導電性バンプ３０との接合強度、及び導電性バンプ３０と配線基板２０の電極２２との接合強度が補強される。その一方で、半導体基板１０の薄型化部分１４と配線基板２０との間の空隙に樹脂３２が充填されないため、樹脂３２の硬化時等の加熱或いは冷却の際に、樹脂３２と半導体基板１０との間に両者の熱膨張係数の違いに基づく応力が発生しても、その応力が薄型化部分１４に及ぼす影響は小さいため、薄型化部分１４の撓み及び割れが防止される。したがって、半導体装置１は、使用時において、ＣＣＤ１２に対する高精度なフォーカシングが可能であるとともにＣＣＤ１２における高い感度の均一性及び安定性を呈することができる。また、薄型化部分１４の割れが防止されているので、半導体装置１の歩留まりも向上する。

さらに、前記樹脂３２として、所望の形状、すなわち薄型化部分１４と配線基板２０との間の空隙の周囲をその周囲の一部を残して囲む形状に予め成形された樹脂シートを用いている。これにより、薄型化部分１４と配線基板２０との間の空隙を残して、導電性バンプ３０が存在する空隙すなわち薄型化部分１４の外縁部と配線基板２０との間の空隙に樹脂３２が充填された構成を容易且つ確実に実現することができる。

また、薄型化部分１４と配線基板２０との間の空隙を前記樹脂３２によって完全に包囲すると、密閉された空間ができる場合がある。この場合、樹脂の硬化時等の加熱或いは冷却の際に、密閉された空間内の空気が膨張或いは収縮することにより、薄型化部分１４が撓んでしまうことがある。かかる問題に対して、この半導体装置１においては、樹脂３２が前記空隙の周囲をその周囲の一部を残して囲む構成とすることにより、前記空隙が密閉されるのを防いでいる。しかも、予め成形された樹脂シートを用いていることにより、かかる構成もまた容易且つ確実に実現することができる。

また、半導体基板１０にアキュムレーション層１８が設けられている。これにより、半導体基板１０のアキュムレーション状態が維持される。このため、ＣＣＤ１２における短波長光に対する感度の均一性（ユニフォミティ）及び安定性を一層向上させることができる。

ところで、近年、裏面入射型の半導体装置においては、大面積化、及び高速応答特性の要求が高まっている。しかしながら、図７に示す半導体装置のように、半導体基板を配線基板に一旦ダイボンドした上で、その配線基板とパッケージのリード端子とをワイヤボンディングする構成では、大面積化と高速応答化とを共に実現することが困難である。すなわち、かかる構成の半導体装置において大面積化を図ろうとすると、それに伴いワイヤが長くなることにより抵抗が増大してしまうという問題がある。しかも、大面積化に伴って、ワイヤ同士が近接して高密度化することにより、クロストークが発生するとともに、ワイヤ間に容量（キャパシタ）が生じてしまう等の問題があり、高速応答化が一層困難となってしまう。

これに対し、半導体装置１においては、半導体基板１０が導電性バンプ３０を介して配線基板２０に実装されているため、半導体基板１０と配線基板２０とをワイヤボンディングする必要がない。さらに、配線基板２０にリード端子２４が設けられているため、半導体装置１においては、配線基板２０の他にパッケージを設ける必要がなく、したがって、配線基板２０とパッケージのリード端子とをワイヤボンディングする必要もない。このように半導体装置１においては全ての配線をワイヤボンディングを用いずに行うことができるため、大面積化を図っても、上述の問題、すなわち抵抗の増大、クロストークの発生及び容量の発生という問題が生じない。このため、半導体装置１は、大面積化及び高速応答化の要求を共に満たすことが可能である。例えばＣＣＤ１２の画素数を２０５４ピクセル×１０２４ピクセル（チップサイズ（半導体基板１０の面積）は４０．０ｍｍ×２０ｍｍ強）とする場合、従来の半導体装置では１．６Ｇピクセル／ｓｅｃ以上の高速化は困難であるのに対し、半導体装置１によれば３．２Ｇピクセル／ｓｅｃの高速動作が可能である。

図３は、図１の半導体装置１を製造する方法の一例を説明するための断面図である。本例では、樹脂３２として固体転写シートを用い、この固体転写シートを半導体基板１０の表面Ｓ１上の所定領域上に貼り付けておく。この所定領域とは、薄型化部分１４の周囲をその周囲の一部を残して囲む領域である。その後、半導体基板１０を配線基板２０に熱圧着することにより、図１に示す半導体装置１が得られる。なお、熱圧着の際にバンプ３０が固体転写シートを貫くため、固体転写シートにおけるバンプ３０に対応する部分に開口等を予め形成しておく必要はない。

図４は、図１の配線基板２０の一構成例を示す平面図である。本構成例の配線基板２０は、多層セラミック基板である。この配線基板２０は５８．４２０ｍｍ四方の平面視略正方形状をしている。配線基板２０の薄型化部分１４に対向する長方形状の領域（破線Ｌ２で示している）には、複数のチップ抵抗２８が設けられている。チップ抵抗２８は、この領域内の図中上部及び下部それぞれに２列ずつ、図中左右方向（前記長方形の長辺方向）に一次元的に配列されている。また、前記領域の外側の領域には、複数の電極２２が形成されている。電極２２は、前記長方形の四辺それぞれに沿って配列されており、長辺方向には３列ずつ、短辺方向には２列ずつ配列されている。電極２２の直径は０．０８０ｍｍである。

図５は、図４の構成例に係る配線基板２０の内部配線の構成を示す断面図である。内部配線６０は、信号出力用配線６０ａ，６０ｂ、クロック供給用配線６０ｃ，６０ｄ、及びＤＣバイアス（グランド）供給用配線６０ｅからなる。各内部配線６０は、電極２２、リード端子２４及びチップ抵抗２８の相互間を電気的に接続している。図６を用いて内部配線６０の構成をより詳細に説明する。図６においては、説明の便宜のために、配線基板２０の平面図上にリード端子２４を重ねて表示している。この図に示すように、薄型化部分１４に対向する領域内には、信号出力用配線６０ａ，６０ｂのみが形成されており、一方クロック供給用配線６０ｃ，６０ｄ及びＤＣバイアス（クロック）供給用配線６０ｅは、前記領域の外側に形成されている。このように、クロック供給用配線６０ｃ，６０ｄ及びＤＣバイアス供給用配線６０ｅ等の駆動系配線と、信号出力用配線６０ａ，６０ｂとを分離して配置することにより、駆動系信号と出力系信号との間におけるクロストークの発生を防ぐことができる。

本発明による半導体装置の一実施形態を示す断面図である。図１の樹脂３２の構成を説明するための平面図である。図１の半導体装置１を製造する方法の一例を説明するための断面図である。図１の配線基板２０の一構成例を示す平面図である。図４の構成例に係る配線基板２０の内部配線の構成を示す断面図である。図５の内部配線６０の構成を説明するための断面図である。従来の半導体装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１…半導体装置、１０…半導体基板、１４…薄型化部分、１５…外縁部、１６…電極、１８…アキュムレーション層、２０…配線基板、２２…電極、２４…リード端子、２８…チップ抵抗、３０…導電性バンプ、３２…樹脂、３４…連通部。

Claims

一方の面に形成された光検出部と、他方の面の前記光検出部に対向する領域がエッチングされることにより形成された薄型化部分と、該薄型化部分の外縁部の前記一方の面上に設けられ、前記光検出部と電気的に接続された第１の電極とを有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記一方の面側に対向配置され、導電性バンプを介して前記第１の電極に接続された第２の電極を有する配線基板と、
前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれと前記導電性バンプとの接合強度を補強するために、前記薄型化部分の外縁部と前記配線基板との間の空隙に充填された樹脂と、を備え、
前記樹脂は、前記薄型化部分と前記配線基板との間の空隙の周囲を該周囲の一部を残して囲むように予め成形された樹脂シートであることを特徴とする半導体装置。
前記光検出部は、一次元又は二次元に配列された複数の画素を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。