JPS621234A - シリコン半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ 本発明はシリコン半導体装置、特に薄いＣＣＤ用ウェハ
の表面にコーティングして、これを補強するのに好適な
シリコンウェハ用コーティングに関する。

［従来技術］ ＣＯＤ　（電荷結合素子）の−例は、従来のＭＯ８技法
を用いて処理を行ない、その前面（ダイか処理される側
の面）の下に埋込チャンネルを形成する。このチャンネ
ルは素子領域状のりニアアレイを構成し、各領域は電位
の深さが制御された数個、例えば３個の明確に区別され
る電位断面を有する。クロ“ツク用電極構体がダイの前
面を覆い、これらクロック用電極構体に選択された電位
を印加することにより、特定素子領域中の電荷がシフト
レジスタの場合の如（素子領域のりニアアレイを順次送
られ、チャンネルの出力電極から取り出される。電荷は
、この出力電極と反対側のチャンネル端にある入力電極
から注入するか、或いは光電効果により発生してもよい
。よって、チャンネル層の下の基板に電磁放射を入射す
る仁、導電々子を発生させて、この導電々子がチャンネ
ル層内に入り、高電位の２つのゾーン間で明確に区切ら
れている電位井戸内にトラップ（閉じ込め）されること
となる。導電々子の拡散長は十分に短いので、基板内で
発生した導電々子はそれが発生された基板領域を覆う素
子チャンネル領域を超えて拡散通過することはない。

ＣＯＤは複数の平行埋込チャンネルにより作ることもで
きる。光電気により発生した導電々子を用いる斯かる多
チャンネルＣＯＤの一応用例は、固体撮像装置又は光−
電気変換器である。ＣＯＤが製造されるダイはその背面
から薄くして、背面がチャンネル層にできる限り近づく
ようにする。

次に、このダイの背面をカメラの結像面に配し、カメラ
レンズが写したイメージをダイの背面に形成するように
する。このＣＯＤは例えば各々５１２素子領域を有する
５１２の平行チャンネルを有するものであり、５１２ｘ
５１２の素子領域のアレイは５１２ｘ５１２ピクセル（
絵素）のダイ背面、即ちイメージ入力をなす。特定のピ
クセルへの入射光エネルギー強度は、チャンネル層の関
連素子領域の電子数に影響し、よって素子領域から送り
出される、そして究極的にはＣＯＤから取り出される電
子数はピクセルに入射する光の強度を表わす。ＣＯＤの
照明に関してクロックパルスのタイミングを制御すると
、ＣＯＤはＣＯＤの受像面全体の光強度、即ちカメラレ
ンズで形成されたイメージの光強度の分布を示す電気信
号の発生に使用できる。

チャンネル層とダイの基板間のインターフェースはダイ
の第１面の下方の約５−１５０μｍの物理的深さにあり
、光電的に発生した導電々子のチャンネル層への拡散を
最大にするには、シリコンダイの厚さを約１０−１６０
μｍの範囲にするのが好ましい。未処理シリコンウェハ
の厚さは処理工程中自己支持可能にするため普通約１ｍ
ｍの厚さであるので、１６０μｍ以下の厚さのダイを得
るべくウェハを削って薄（しなければならないことを意
味する。

シリコンウェハを薄くするには、研磨又はエツチングが
一般的である。しかし、ウェハを約２５０μｍ以下の厚
さにするには、ウェハの機械的強度を増加する為の支持
層を設ける必要がある。この支持層は従来ワックス層を
使用していた。ワックスを溶かしてウェハの前面に被着
させ、ウェハの背面を削って薄くしている。しかし、従
来使用しているワックスはウェハに特によ（は付着しな
いので、ウェハを１６０μｍ以下に薄くすると、シリコ
ンダイが時々ワックス層から剥がれ、一体でなくなるこ
とがしばしばあった。また、仮えダイが分離しなかった
としても、ワックス層が一部剥がれるの七ダイの背面が
平面でなくなり不良となることがある。

また、ＣＯＤで発生する暗電流を最小にするには、ＣＣ
Ｄを低温で動作するのが好ましい。その為に、従来はＣ
ＯＤを液体窒素で冷却している。

標準圧（１気圧）下で、液体窒素は約−１９６゜Ｃの温
度で気化する。従って、ＣＯＤイメージヤは約２００°
Ｃの温度変化に耐える必要がある。

このことはシリコンのダイと機械的な支持層間の熱膨張
率がよく一致しなければならないことを意味し、さもな
ければ膨張収縮の差によりシリコンのダイを破損するこ
ととなる。

シリコンのダイと支持層との熱膨張係数が完全に一致す
る必要はない。それは、ダイの背面が多少反っても問題
ないからである。しかし、許容される反りの程度は大変
小さい。このことは、反ったウェハを薄くするのは困難
であるので、支持層の形成に高温を要する場合は、それ
を周囲（室）温に下げたとき反るので、特に顕著になる
。

米国特許第４．４２２．０９１号は、ヘテロエピタキシ
ャルＧａＡｓ　（ガリウム砒素）技法を用いて製造した
ＣＯＤイメージヤはエポキシ接着剤又は接合合金等を用
いてモリブデン、アルミニウム又はガラス板により削り
工程中己れを支持しておくべきであると提案している。

この特許はまたＣＣＤダイはそれ自身の信号コンディシ
ョニング及び増幅回路を有するＧａＡｓ又はシリコンチ
ップを用いて削り工程中支持することを提案している。

しかし、斯かる従来技法の支持では不十分である。

［発明の概要］ 本発明の好適実施例によると、薄くされ且つ特定材料で
作られる板状部材は、その−面にその材料の微粒子状体
と結合剤（バインダ）でその材料と被着力を有する機械
的な補強コーティングを施して補強を図る。

［実施例］ 第１図に示すＣＣＤダイ２はドーピングを行っていない
シリコン製ウェハを用いて従来のＭＯ３技法により製造
される。即ち、そのウェハにＰ形不純物を前面から注入
してＰ形層６を形成し、次にｎ形不純物を注入してｎ形
チャンネル層４を形成する。ｎ形不純物の濃度はチャン
ネルに沿って所定の方法で制御可変して同様の素子領域
１２を層６の関連素子領域と重ねて定める。典型的には
、このダイは約２５万から４００万素子（領域１２と関
連領域１４）の矩形又は正方形のアレイを構成し、各素
子はダイの第１表面に垂直方向の深さが約５乃至１５０
μｍであって、デバイスの処理表面で約５乃至１５０μ
ｍ　　ｘ　　５乃至１５０μｍのスペースを占める。Ｃ
ＯＤの前面は一辺が約２．７５ｍｍ乃至約５ｃｍであり
、典型的な直径４インチ（約１０ｃｍ）のウェハの処理
可能領域に１乃至９個の同様なデバイスが作られる。

ウェハの前面には二酸化シリコン層８とアルミニウム層
１０が形成される。この層１０の露出部分はパッシベー
ション処理される。当業者には周知のとおり、層、８及
び１０は通常連続的ではなく、パターン化されており、
前面の異なる領域にはシリコン、二酸化シリコン及び酸
化アルミニウムが露出している。しかし、このパターン
化自体は本発明の要旨に関係ないので、その詳細は示し
ていない。また、図面は見易くする為に各部分の寸法比
は実際のものとは異なることに留意されたい。

従来のＭＯ３技法を用いてウェハの処理に関連する通常
の洗浄、マスキング、不純物注入、拡散、酸化及びメタ
ライジング工程完了後、ウェハの前面を約１０μｍの深
さまで削り、後で各ＣＣＤダイを余剰ウェハ材及び同じ
ウェハ上にある他のｄＣＤダイスから切り出せるように
し、且つ処理ウェハの前面に補強コーティング１６を施
す。このコーティング材料は好ましくはシリコン粒子と
バインダで構成され、適当に処理されると、シリコン粒
子をガラス又はセラミック状に結合してシリコンウェハ
に被着する。このバインダとしてはカリウム硅素及びナ
トリウム硅素の水溶液が好ましいことが判った。特にカ
リウム硅素が好ましいが、その理由は、カリウム原子は
ナトリウム原子よりも低移動度であり、ダイ中への拡散
及びそれによるＣＯＤの動作劣化程度が少ない為である
。好適バインダの°１つは米国ペンシルバニア州トナヮ
ッダのＧＴＥプロダクトコーポレーションのシルバニア
ケミカルメタルディビジョンより商品名Ｐｓ−６で販売
されている。このバインダは重量比２９．５％のカリウ
ム硅素を含むカリウム硅素水溶液である。固体カリウム
硅素中のに？ＬＯとＳ、ＯｆＬのモル比は１：　　３，
３である。このシリコン粒子は約４５μｍの粒子寸法に
対応する３２５番メツシュを通過する程十分に微粒子状
にシリコンを粉砕して形成する。

コーティング材料は処理ウェハの前面に３０乃至６０ミ
ル（１ミル＝１／１０００インチ＝０゜０２５ｍｍ）の
深さに被着させ、且つコーティング厚さは約１０ミルの
範囲内で約−にする。コーティング厚さと均一性は好ま
しくはドクターブレードを用いて制御する。ウェハをそ
の前面を上にして、水平プッラトフォーム（台）の面上
に等しく且つ一様な約１．４ｍｍの高さの２つの狭い隆
起部間に配置する。シリコン粒子と水性バインダのスラ
リをウェハの前面に注ぎ、直線のエツジを有する金属ブ
レードを両隆起部間にまたがせる。

ブレードを走らせてスラリをウェハの前面から溢れさせ
て隆起部の高さとウェハの厚さの差に対応する均一な深
さにする。２０ミル（約０．５ｍｍ）の厚さのウェハの
場合には、スラリ層の厚さは約３６ミル（０，ｉｍｍ）
である。次に、ウェハをオーブン中に入れて約１００°
Ｃで１時間焼いてスラリの自由水分子を追い出し、次に
４００°Ｃで約３０分間焼（。この焼成操作に伴う化学
変化は極めて複雑であるが、１００°Ｃの後４００’Ｃ
での焼成は夫々自由水分子及び結晶格子間に結合する水
分子を追い出すと考えられる。この焼成により、コーテ
ィング層は約１０ミル（０，２５ｍ　ｍ　）の厚さに縮
小する。この焼成により、バインダをガラス状に変化さ
せ、シリコン粒子を結合してウェハ前回に固着した凝結
体となる。このガラス状体を約１０分間沸騰水中に浸し
ても、このガラス状体の溶解は見られなかった。

焼成処理の後、ウェハは周囲温度（約２０°Ｃ）に冷却
する。周囲温度で、４インチ（約１０ｃｍ）のウェハは
°その前面を凸にして僅かに反る（コーティングの熱膨
張率がシリコンより僅かに大であることを示す）が、ウ
ェハの背面中心はウェハの背面の周辺を含む面から僅か
１０ミル程度である。

この微少な反りはウェハを薄くする作業を阻害する程度
にはない。この熱膨張率の良好なマツチングは、コーテ
ィング材料にウェハ材料と同じシリコンが多量に含まれ
ている為である。

冷却したウェハは処理済面の反対面、即ち背面１８から
スクライブ線が見えるまで削って薄くする。次に、ウェ
ハとコーティングの双方をスクライブ線に沿って切断し
て、余分な材料を除くと共に、２個以上のＣＯＤダイス
を形成した場合には、個々のＣＯＤダイスを分離する。

余剰材料を取り除き、各ＣＯＤダイスを分離した後（但
し、コーティングは付けたまま）、ＣＯＤは従来技法に
よりパッケージされる。

ダイスとそのコーティングを液体窒素の温度まで下げて
も、ＣＯＤダイスの異常なたわみは見られず、ダイはコ
ーティングに付着したままであることが判った。

２番目の焼成は約４００°Ｃの温度で行うので、ＣＯＤ
のアルミニウムメタライゼーションはこの焼成処理によ
り劣化することはない。

コーティングの熱膨張は、４００°Ｃの焼成温度から液
体窒素の温度（−１９６°Ｃ）まで下げてもウェハのシ
リコンのそれと良く一致するので、ＣＣＤダイの異常な
たわみが見られないことが判明した。この熱膨張係数の
極めて良好な一致は、コーテイング材は殆どがシリコン
である為である。

更に、コーティングはウェハを薄くする作業中及び後も
ダイに接着したままである。

°　コーティングの特性はスラリの成分の特性にそれ程
依存しない。コーティングの特性１よ、スラリ中の固体
（即ちシリコン粒子）含有量が重量比５０％（バインダ
対シリコン粒子比が１：　１）であろうと１６．６６％
（同５：１）であろうと殆ど同じであることが判明した
。バインダはシリコンを基本とするので、コーティング
の熱膨張係数に対するバインダの特性は大きくない。好
ましいコーティングは、重量比でシリコン１に対してカ
リウム硅素バインダ２の割合で含むスラリを用いるとよ
いことが判った。ナトリウム硅素バインダの場合には、
重量比でシリコン１に対してバインダが３の割合のスラ
リか好ましい。

尚、以上の説明は本発明を好適一実施例に基づき行った
が、本発明は何らこれら実施例に限定すべきでなく、本
発明の要旨を逸脱することなく種々の変更変形が可能で
あること勿論である。

［効果］ 本発明のシリコン半導体装置によると、ＣＯＤの如くシ
リコンウニ八を形成後他面から光イメージを入射する為
にウニへの他面を削って薄くする際にシリコン粒子とバ
インダとのスラリを用いて補強コーティングを得るので
、ウェハ本体と補強コーテイング材との接着力が大であ
り且つ熱膨張率が極めてよく一致し、数１００°Ｃ〜−
１９６００の広範囲の温度変化に対しても安定であり、
製造が極めて容易になり、安定した特性が得られるとい
う実用上の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は埋込チャンネルＣＣＤダイの部分断面図、第２
図はダイに被着した補強コーティングを第１図と同様の
図、第３図はダイを薄くした後の第１図と同様の図であ
る。 ２コ　ＣＣＤダイ ４：　ｎ形チャンネル層 ６：　ｐ形チャンネル層 ８：二酸化シリコン層 １０ニアルミニウム層 １６：補強層 特許出願人：ソニー・テクトロニクス株式会社ＦＩＧ、
　ｌ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコンウェハの一面に半導体デバイスを処理形
   成後、他面を削り薄くする際に、上記シリコンウェハの
   一面にシリコン粒子とバインダとを含む補強コーティン
   グを形成して成るシリコン半導体装置。
2. （２）上記バインダとしてカリウム硅素又はナトリウム
   硅素を使用する特許請求の範囲第１項記載のシリコン半
   導体装置。
3. （３）上記補強コーティング中の上記シリコン粒子は重
   量比で少なくとも１５％以上であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載のシリコン半導体装
   置。