JP2006229043A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化に適した固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板と、半導体基板の表面に形成されたウエルと、ウエルに行列状に配置され、入射光を光電変換した電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、ウエル内に電荷蓄積領域の各列に近接して形成され、全体として列方向に延在する複数の垂直転送チャネルと、垂直転送チャネル、及び電荷蓄積領域と垂直転送チャネルとの間のウエル表面領域の上方に形成された垂直転送電極と、ウエル内で垂直転送チャネルに隣接して形成され、垂直転送チャネルから転送される電荷を行方向に転送する水平ＣＣＤと、水平ＣＣＤの端部に形成され、水平ＣＣＤからの出力信号を増幅するアンプと、半導体基板を収納するパッケージであって、収納された半導体基板に形成されたアンプの直下の位置にビア放熱体を備えるパッケージと、半導体基板に接続され、パッケージの外部に引き出されるリードとを有する固体撮像装置を提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像装置、殊に冷却機能を備える固体撮像装置に関する。

半導体素子は、温度変化に対し特性を変化させる。温度が上昇した場合、熱雑音の増加により、性能が劣化する。その防止のため、素子の温度上昇を防止する工夫が必要となる。

外表面に放熱用フィンを設けたことを特徴とする固体撮像素子のパッケージの提案がなされている。（たとえば、特許文献１参照。）
また、表面に複数の凹凸形状部を設けたことを特徴とする固体撮像素子パッケージも提案されている。（たとえば、特許文献２参照。）
更に、ペルチェなどの冷却素子を用いて冷却を行う半導体装置の発明もある。（たとえば、特許文献３参照。）
パッケージ表面に放熱用フィンや凹凸を設けたり、冷却素子を用いて冷却を行う場合、固体撮像素子パッケージの小型化は困難である。また、冷却素子を使用する場合には、パッケージが高価となる。

特開昭６１−９０４５９号公報 特開２００１−１４８４３７号公報 特許第２６５６３２８号公報

本発明の目的は、小型化に適した固体撮像装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された第１導電型のウエルと、前記ウエルに行列状に配置され、入射光を光電変換した電荷を蓄積する、前記第１導電型とは逆導電型の第２導電型の電荷蓄積領域と、前記ウエル内に前記電荷蓄積領域の各列に近接して形成され、全体として列方向に延在する前記第２導電型の複数の垂直転送チャネルと、前記垂直転送チャネル、及び前記電荷蓄積領域と前記垂直転送チャネルとの間のウエル表面領域の上方に形成され、前記垂直転送チャネル及び前記ウエル表面領域のポテンシャルを制御することによって、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、前記垂直転送チャネルに読み出し、読み出された電荷を前記垂直転送チャネルの前記列方向に転送する垂直転送電極と、前記ウエル内で前記垂直転送チャネルに隣接して形成され、前記垂直転送チャネルから転送される電荷を行方向に転送する水平ＣＣＤと、前記水平ＣＣＤの端部に形成され、前記水平ＣＣＤからの出力信号を増幅するアンプと、前記半導体基板を収納するパッケージであって、収納された前記半導体基板に形成された前記アンプの直下の位置にビア放熱体を備えるパッケージと、前記半導体基板に接続され、前記パッケージの外部に引き出されるリードとを有する固体撮像装置が提供される。

この固体撮像装置は、アンプ直下のパッケージに形成したビア放熱体を用いて放熱を行うので、小型化に適した固体撮像装置である。

小型化に適した固体撮像装置を提供することができる。

図１（Ａ）は、固体撮像素子を組み込んだ固体撮像装置の主要部を示すブロック図であり、図１（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図である。また、図１（Ｄ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光部の一部の概略を示す断面図である。

図１（Ａ）を参照する。固体撮像装置は、画素ごとに入射した光量に応じて信号電荷を発生し、発生した信号電荷に基づく画像信号を供給する固体撮像素子５１、固体撮像素子５１を駆動するための駆動信号（転送電圧等）を発生し、固体撮像素子５１に供給する駆動信号発生装置５２、固体撮像素子５１の出力信号を相関二重サンプリングした上で、外部より設定されたゲインで増幅した後に、アナログ−デジタル変換し、デジタル出力するアナログ前段処理装置（ａｎａｌｏｇ ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ、ＡＦＥ）５３、アナログ前段処理装置５３から供給される画像信号の認識処理、データ圧縮、ネットワークコントロール等の処理を行って画像データを出力するデジタル信号処理装置（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ、ＤＳＰ）５４、及び固体撮像素子５１、駆動信号発生装置５２、アナログ前段処理装置５３にタイミング信号を発し、それらの動作を制御するタイミングジェネレータ（ｔｉｍｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＴＧ）５５を含んで構成される。

駆動信号発生装置５２は、たとえば垂直ＣＣＤ駆動信号を発生するＶドライバを含む。駆動信号発生装置５２から固体撮像素子５１に供給される信号は、水平ＣＣＤ駆動信号、垂直ＣＣＤ駆動信号、出力アンプ駆動信号及び基板バイアス信号である。

図１（Ｂ）を参照する。固体撮像素子は、たとえば行列状に配置された複数の感光部６２、複数の垂直ＣＣＤ部６４、複数の垂直ＣＣＤ部６４に電気的に結合された水平ＣＣＤ部６６、及び水平ＣＣＤ部６６の端部に設けられ、水平ＣＣＤ部６６からの出力信号を増幅するアンプ６７を含んで構成される。なお、受光部（画素配列部）６１は感光部６２及び垂直ＣＣＤ部６４を含んで構成される。

感光部６２は、感光素子、たとえばフォトダイオード及び読み出しゲートを含んで構成される。フォトダイオードは、入射した光量に応じて信号電荷を発生、蓄積する。蓄積された信号電荷は、読み出しゲートから垂直ＣＣＤ部６４に読み出され、垂直ＣＣＤ部６４内（垂直転送チャネル）を、全体として水平ＣＣＤ部６６に向かう方向（垂直方向、列方向）に転送される。垂直ＣＣＤ部６４の末端まで転送された信号電荷は、水平ＣＣＤ部６６内（水平転送チャネル）を、全体として垂直方向と交差する方向、たとえば水平方向（垂直方向と直交する方向、行方向）に転送された後、電圧信号に変換される。電圧信号はアンプ６７に伝えられ、増幅されて外部に取り出される。

アンプ６７は、全信号を処理するため、単位面積あたりの発熱量が最大の発熱源である。水平ＣＣＤ部６６は、垂直ＣＣＤ部６４よりも高速で駆動されるため単位面積あたりの消費電力、及び発熱量が大きいが、アンプ６７の占める面積は、水平ＣＣＤ部６６の占める面積よりもはるかに小さく、ここで集中的に発熱が行われる。

なお、感光部６２の配列は、図１（Ｂ）に示したような行方向及び列方向にそれぞれ一定ピッチで正方行列的に配列される場合の他、行方向及び列方向に１つおきにたとえば１／２ピッチずつ位置をずらして配列されるハニカム配列がある。

図１（Ｃ）は、ハニカム配列された固体撮像素子の概略的な平面図である。ハニカム配列とは、第１の正方行列的に配列された感光部６２と、その格子間位置に第２の正方行列的に配列された感光部６２とからなる感光部６２の配列のことをいう。垂直ＣＣＤ部６４（垂直転送チャネル）は感光部６２の間を蛇行するように形成される。この場合も、信号電荷は垂直転送チャネルを全体として水平ＣＣＤ部６６に向かう方向（垂直方向）に転送される。なお、ハニカム配列とはいっても、この構成における感光部６２は多くの場合、八角形状である。

図１（Ｄ）に、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光部の一部の概略的な断面を示す。たとえばｎ型のシリコン基板である半導体基板８１に形成されたｐ型のウエル層８２に、ｎ型の不純物添加領域で構成される電荷蓄積領域７１（フォトダイオード）、及びその隣にｐ型の読み出しゲート７２を介して、複数の電荷蓄積領域７１に近接したｎ型領域の垂直転送チャネル７３が形成されている。読み出しゲート７２及び垂直転送チャネル７３上方にはゲート絶縁膜７４を介して、垂直転送電極７５が形成されている。隣り合う電荷蓄積領域７１間にはｐ型のチャネルストップ領域７６が形成されている。

チャネルストップ領域７６は、電荷蓄積領域７１、垂直転送チャネル７３等の電気的な分離を行うための領域である。ゲート絶縁膜７４は、半導体基板８１表面上に、たとえば熱酸化により形成された酸化シリコン膜を含む。垂直転送電極７５は、たとえばポリシリコンで形成される第１層垂直転送電極及び第２層垂直転送電極を含む。これらはアモルファスシリコンで形成することも可能である。垂直転送電極７５は、垂直転送チャネル７３及び読み出しゲート７２のポテンシャルを制御することによって、電荷蓄積領域７１に蓄積された電荷を垂直転送チャネル７３に読み出し、読み出された電荷を垂直転送チャネル７３の列方向に転送する。

垂直転送電極７５上には、たとえばポリシリコンの熱酸化により得られる絶縁性の酸化シリコン膜７７が形成されている。垂直ＣＣＤ部６４は、垂直転送チャネル７３、及びその上方のゲート絶縁膜７４、垂直転送電極７５を含んで構成される。なお、水平ＣＣＤ部６６も、水平転送チャネル、及びその上方のゲート絶縁膜、水平転送電極を含んで構成される。

垂直転送電極７５上方には、絶縁性の酸化シリコン膜７７を介して、たとえばタングステン（Ｗ）により遮光膜７９が形成されている。遮光膜７９には、電荷蓄積領域７１の上方に開口部７９ａが形成されている。遮光膜７９上には、窒化シリコン膜７８が形成されている。なお、窒化シリコン膜７８は必ずしも必要ではない。

入射光量に応じて電荷蓄積領域７１に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート７２から垂直転送チャネル７３に読み出され、垂直転送電極７５へ印加される駆動信号（転送電圧）により、垂直転送チャネル７３内を転送される。遮光膜７９は、上述のように各電荷蓄積領域７１上方に開口部７９ａを有し、受光部６１に入射する光が電荷蓄積領域７１以外の領域に入射するのを防止する。

遮光膜７９上方には、たとえばＢＰＳＧ（ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）でつくられた平坦化層８３ａが形成され、その平坦な表面上に、たとえば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色のカラーフィルタ層８４が形成される。その上を平坦化するために、更に平坦化層８３ｂが形成される。平坦な表面を有する平坦化層８３ｂ上には、たとえばマイクロレンズ用のフォトレジストパタンを溶融、固化してマイクロレンズ８５が形成される。マイクロレンズ８５は、各電荷蓄積領域７１の上方に、たとえば微小な半球状の凸レンズが配列されたものである。マイクロレンズ８５は入射光を電荷蓄積領域７１に集光する。１つのマイクロレンズ８５で集束される光は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかの色のカラーフィルタ層８４を通して１つの電荷蓄積領域７１（フォトダイオード）に入射する。したがって、複数のフォトダイオードは、それぞれ上方に形成された赤（Ｒ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオード、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオード、青（Ｂ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオードの３種類のフォトダイオードを含む。

図２は、第１の実施例による、固体撮像素子の形成された半導体基板をパッケージングした固体撮像装置の概略的な断面図である。

複数のセラミック層を含んで構成されるセラミック本体２０の凹部に固体撮像素子の形成された半導体基板２１が載置、接着される。半導体基板２１上の周辺部には、ボンディングパッドが形成されており、ボンディングパッドとインナリード２３ａとがワイア２２で電気的に接続（ワイアボンディング）されている。

インナリード２３ａは、たとえばタングステン（Ｗ）で形成された内部配線２３ｂと電気的に接続し、また内部配線２３ｂは、アウタリード２３ｃと電気的に接続している。また、アウタリード２３ｃは、固体撮像素子を制御するためのドライバ等の回路が形成されている回路基板２４上に、はんだにより実装され接続されている。なお、インナリード２３ａ及びアウタリード２３ｃは、たとえばニッケルメッキと金メッキが施されたタングステンで形成される。

放熱用ビア２６が、固体撮像素子のアンプの直下のパッケージに形成される。放熱用ビア２６は、インナリード２３ａ及びアウタリード２３ｃと同様に、たとえばニッケルメッキと金メッキが施されたタングステンを用いて形成する。放熱用ビア２６は、回路基板２４と物理的に接続される。たとえば回路基板２４の銅配線と接続される。なお、放熱用ビア２６は、たとえば以下のように形成される。

まず、焼成前のセラミックテープ（グリーンシート）を金型で打ち抜き、穴を開ける。次に、埋め込み治具でこの穴にタングステンペーストを埋め込む。続いて、印刷で配線パタンを、タングステンペーストで形成する。このように処理したセラミックテープ（グリーンシート）を所定枚数作製し、それらを積層する。その後、焼成し、ニッケルメッキ、金メッキを施す。

パッケージ本体２０の外壁上面には、ガラス２５が載置、接着され、固体撮像素子の形成された半導体基板を封止する。ガラス２５は、固体撮像素子に入射する光を確保するとともに、固体撮像素子の形成された半導体基板を保護する。

たとえば、ＣＣＤ型固体撮像素子における発熱の約８割は、出力回路であるアンプにおいて生じる。したがって、アンプの直下に放熱用ビア２６を形成することで、迅速に外部に放熱することができる。放熱用ビア２６は、回路基板２４と接続されているので、回路基板２４に熱を逃がすことができる。高効率で放熱することができるため、発熱による固体撮像素子の性能劣化を防止することが可能である。また、パッケージ下部に形成した放熱用ビア２６を用いて放熱を行うため、パッケージの小型化に寄与する。

なお、アンプ以外に顕著な熱発生源がある場合は、その直下に放熱用ビアを形成し、放熱効率を向上させることができる。

図３は、図２に示した第１の実施例による固体撮像装置の概略的な平面図である。

フォトダイオード及び垂直転送チャネルを含む領域である受光エリアから転送される電荷は、前述のように、水平ＣＣＤ部６６（水平転送チャネル）内を全体として水平方向（行方向）に転送され、電荷・電圧変換されて、水平ＣＣＤ部６６の端部に設けられたアンプ６７で増幅されて外部に取り出される。放熱用ビア２６は、アンプ６７の直下に形成されている。

図４は、放熱用ビア２６を説明するための概略的な平面図である。

アンプが１ピン２７側にあるときには、アンプ直下に形成される放熱用ビア２６を１ピンマークとしても使用（兼用）することができる。

また、本図に示した放熱用ビア２６の平面形状は円形であるが、円形に限らず、三角形、四角形等の多角形、その他の形状でもよい。

図５は、第１の実施例による固体撮像装置の変形例を示す概略的な断面図である。

第１の実施例においては、アンプの直下にのみ放熱用ビア２６を形成したが、アンプの直下を含む複数箇所、たとえば固体撮像素子の形成される半導体基板の四隅の直下に、放熱用ビア２６を形成してもよい。固体撮像装置のリフロ実装において、バランスを良好にすることができる。

リフロ実装する場合は、はんだの表面張力によりパッケージが浮くことがあり、端子が固体撮像装置の左右、または上下非対称な位置に形成されていると、パッケージが片側に引っ張られたり、回転したりする場合がある。たとえば固体撮像装置の左右及び上下対称の４箇所に放熱用ビア２６を形成することにより、このような不具合を防止することができる。

図６は、第２の実施例による固体撮像装置の概略的な断面図である。

第１の実施例においては、放熱用ビア２６は回路基板２４と物理的に接続されたが、第２の実施例においては、アンプ直下に形成された放熱用ビア２６は、回路基板２４ではなく、金属等で形成された放熱板２８に直接物理的に接続される。放熱板２８は、たとえばパッケージ本体２０に密着して形成される。
放熱用ビア２６を放熱板２８に接続することによっても、放熱を効率よく行うことができる。
なお、放熱板２８は、パッケージ本体２０に密着して形成するのではなく、回路基板２４に密着して形成してもよい。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、固体撮像素子のｎ型とｐ型を反転させることも可能である。また、実施例においては、積層型セラミックパッケージを用いる場合について説明したが、それには限定されない。その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。

携帯電話機に内蔵されるデジタルカメラ等、小型化の要求される製品に好適に用いることができる。

（Ａ）は、固体撮像素子を組み込んだ固体撮像装置の主要部を示すブロック図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図であり、（Ｄ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光部の一部の概略を示す断面図である。 第１の実施例による、固体撮像素子の形成された半導体基板をパッケージングした固体撮像装置の概略的な断面図である。 図２に示した第１の実施例による固体撮像装置の概略的な平面図である。 放熱用ビア２６を説明するための概略的な平面図である。 第１の実施例による固体撮像装置の変形例を示す概略的な断面図である。 第２の実施例による固体撮像装置の概略的な断面図である。

符号の説明

２０ パッケージ本体
２１ 半導体基板
２２ ワイア
２３ａ インナリード
２３ｂ 内部配線
２３ｃ アウタリード
２４ 回路基板
２５ ガラス
２６ 放熱用ビア
２７ １ピン
２８ 放熱板
５１ 固体撮像素子
５２ 駆動信号発生装置
５３ アナログ前段処理装置
５４ デジタル信号処理装置
５５ タイミングジェネレータ
６１ 受光部
６２ 感光部
６４ 垂直ＣＣＤ部
６６ 水平ＣＣＤ部
６７ アンプ
７１ 電荷蓄積領域
７２ 読み出しゲート
７３ 垂直転送チャネル
７４ ゲート絶縁膜
７５ 垂直転送電極
７６ チャネルストップ領域
７７ シリコン酸化膜
７８ 窒化シリコン膜
７９ 遮光膜
７９ａ 開口部
８１ 半導体基板
８２ ウエル層
８３ａ、ｂ 平坦化層
８４ カラーフィルタ層
８５ マイクロレンズ

Claims (4)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に形成された第１導電型のウエルと、
   前記ウエルに行列状に配置され、入射光を光電変換した電荷を蓄積する、前記第１導電型とは逆導電型の第２導電型の電荷蓄積領域と、
   前記ウエル内に前記電荷蓄積領域の各列に近接して形成され、全体として列方向に延在する前記第２導電型の複数の垂直転送チャネルと、
   前記垂直転送チャネル、及び前記電荷蓄積領域と前記垂直転送チャネルとの間のウエル表面領域の上方に形成され、前記垂直転送チャネル及び前記ウエル表面領域のポテンシャルを制御することによって、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、前記垂直転送チャネルに読み出し、読み出された電荷を前記垂直転送チャネルの前記列方向に転送する垂直転送電極と、
   前記ウエル内で前記垂直転送チャネルに隣接して形成され、前記垂直転送チャネルから転送される電荷を行方向に転送する水平ＣＣＤと、
   前記水平ＣＣＤの端部に形成され、前記水平ＣＣＤからの出力信号を増幅するアンプと、
   前記半導体基板を収納するパッケージであって、収納された前記半導体基板に形成された前記アンプの直下の位置にビア放熱体を備えるパッケージと、
   前記半導体基板に接続され、前記パッケージの外部に引き出されるリードと
   を有する固体撮像装置。
2. 前記ビア放熱体は、前記電荷蓄積領域、前記垂直転送チャネル、前記垂直転送電極、前記水平ＣＣＤ、及び前記アンプを含んで構成される固体撮像素子を制御する回路の形成された回路基板に物理的に接続されている請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記ビア放熱体は、放熱部材に物理的に接続されている請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記ビア放熱体は、前記リードが前記半導体基板に接続される位置の位置決めに用いられる請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
   

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