JP2016139818A - 固体撮像装置、及び、電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の半導体基体と第1の多層配線層とを有する第1の半導体チップ部と、第2の半導体基体と第2の多層配線層とを有する第2の半導体チップ部とを備え、第1の配線、第2の配線、及び、第3の配線が並行して配列され、第1の配線は、少なくとも一部が第2の配線と平面位置で重なり合い、且つ、第2の配線と第3の配線との間に設けられた間隔と平面位置で重なり合う位置に配置されている固体撮像装置。
【選択図】図3
Description
CMOS固体撮像装置は、光電変換部であるフォトダイオードと複数の画素トランジスタとからなる画素を備える。そして、複数の画素が規則性をもって2次元アレイ状に配列された画素部と、画素部の周辺に配置された周辺回路部とを有して構成される。
さらに、画素サイズの微細化に伴い、複数のフォトダイオードに転送トランジスタを除く他の1つの画素トランジスタ群を共有させた画素共有方式のCMOS固体撮像装置も知られている(特許文献3、特許文献4参照)。
さらに、この固体撮像装置を用いることにより、電子機器の高画質化が可能となる。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.固体撮像装置の概要
2.固体撮像装置の第1実施形態
3.固体撮像装置の第2実施形態
4.固体撮像装置の第3実施形態
5.固体撮像装置の第4実施形態
6.電子機器
以下、固体撮像装置の概要について説明する。
裏面照射型CMOS固体撮像装置では、ブルーミング対策として、横型オーバーフロー構造を形成することが一般的である。横型オーバーフロー構造は、転送ゲート下からフローティングディフュージョンを通じて電荷を逃がすようにしている。このため、裏面照射型CMOS固体撮像装置では、横型オーバーフロー構造の影響で転送ゲートの電位変動が起こりやい。このように、転送ゲートにパルス電圧を供給する転送配線では、配線間の容量結合の影響を受け、飽和信号量(Qs)の変化や、各フォトダイオード間の飽和信号量のばらつきが大きくなる等の可能性がある。
しかし、従来技術の配線配置を用いた場合、隣接する配線間には少なくとも1箇所以上の隙間が生じてしまい、上記のようなホットキャリア発光の影響を抑えるためには遮光用の構造を別途用意する必要がある。
遮光膜を追加して遮光構造を形成する場合、例えばW、Cu、Ti、TiN、Cといった材質で遮光膜を形成する。遮光膜ではなく、光を吸収する材料を使って吸収膜を形成しても良いが、どの場合においてもコスト等の面でデメリットが生じる。
そこで、本実施形態では、遮光用の新たな構成を追加することなく、結合容量の均一化と遮光構造とを両立することができる配線構造を構成する。
[固体撮像装置の概略構成]
図1に、本実施形態の固体撮像装置に適用されるMOS型固体撮像装置の概略構成を示す。このMOS型固体撮像装置は、各実施の形態の固体撮像装置に適用される。本例の固体撮像装置1は、図示しない半導体基体、例えばシリコン基体に複数の光電変換部を含む画素2が規則的に2次元アレイ状に配列された画素領域(いわゆる画素アレイ)3と、周辺回路部とを有して構成される。画素2は、光電変換部となる例えばフォトダイオードと、複数の画素トランジスタ(いわゆるMOSトランジスタ)を有して成る。複数の画素トランジスタは、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタの3つのトランジスタで構成することができる。その他、選択トランジスタを追加して4つのトランジスタで構成することもできる。単位画素の等価回路は通常と同様であるので、詳細説明は省略する。画素2は、1つの単位画素として構成することができる。また、画素2は、共有画素構造とすることもできる。この画素共有構造は、複数のフォトダイオードが、転送トランジスタを構成するフローティングディフュージョン、及び転送トランジスタ以外の他のトランジスタを共有する構造である。
制御回路8は、入力クロックと、動作モード等を指令するデータを受け取り、また固体撮像装置の内部情報等のデータを出力する。すなわち、制御回路8では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基いて、垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5及び水平駆動回路6等の動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、これらの信号を垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5及び水平駆動回路6等に入力する。
上述の実施形態例に係るMOS型固体撮像装置は、異種の半導体チップが積層した構造を有しており、後述する構成に特徴を有している。
図3に、本実施形態の固体撮像装置、特にMOS型固体撮像装置の第1実施の形態を示す。本実施の形態のMOS型固体撮像装置は、裏面照射型の固体撮像装置である。本実施の形態のMOS型固体撮像装置は、図2Bの構成を適用したが、他の図2Aの構成あるいは、制御回路をそれぞれの第1及び第2の半導体チップ部に分けて搭載した構成にも適用できる。第2実施の形態以下の各実施の形態においても、同様に、上記構成を適用できる。
例えば、固体撮像装置において、画素領域の光電変換素子の多層配線層41に、画素領域を隙間なく被覆するように配線40 を配置する。このとき、2層以上の配線層を用いて、配線40が互いにある程度重なり合うように配置することで、光の回折の影響を防ぎ、下部からの光の入射を抑制できる。
配線による遮光構造の構成例を図4A,Bに示す。図4Aは、配線層の断面構造を示す図であり、図4B は、配線層の平面構造を示す図である。
少なくとも2層の配線40A及び配線40Bにより、遮光構造が構成される。
この遮光構造において、下層の配線40Aと上層の配線40Bとの積層間隔を、配線間の距離81とする。同様に、下層の配線40Aと上層の配線40Bとが平面方向で重なり合う長さを、重なり量82とする。下層の配線40A同士の間隔を、開口幅83とする。
また、各配線の同一層に形成される配線40A同士の開口幅83は、すべて同等になるように配置する。さらに、重なり量82が均一に形成される。この構成により、各配線40A,40Bの位置関係を均一にすることができ、結合容量を均一化することが可能となる。
次に、本実施形態の固体撮像装置に適用する画素部の構成について説明する。図5に、本実施形態に適用する4画素共有単位からなる画素部の構成を示す。図5に示すように、4画素のフォトダイオードPD[PD1〜PD4]を配列した4画素共有単位が、2次元アレイ状に配列されて画素部が構成される。
但し、フォトダイオードPD領域を全て覆わなくても、遮光構造による効果を得ることができる。例えば、図5に示す遮光領域100のように、フォトダイオードPD1上において、少なくともフォトダイオードPD1の短辺を1辺とする正方形の領域を遮光することが好ましい。同様に、フォトダイオードPD1〜4においても、フォトダイオードPD2〜4の短辺を1辺とする正方形の領域を遮光する。この 遮光領域100上に配線による遮光構造を形成することにより、充分な遮光効果を得ることができる。このように、フォトダイオードPDが形成された領域を全て覆わずに、フォトダイオードPD領域の一部を覆う遮光層が設けられた場合にも、遮光構造による効果を得ることができる。
次に、上述の4画素共有単位が構成されている画素部上に設けられる、配線層による遮光構造について説明する。
裏面照射型CMOS固体撮像装置では、上述の図3に示すように、半導体基体の表面側に画素トランジスタが形成され、その上方に層間絶縁膜を介してメタル層による複数層の配線を配置した配線層が形成される。半導体基体の裏面側にカラーフィルタ層及びオンチップレンズが形成され、基体裏面側から光入射される。すなわち、裏面照射型は、配線層が光入射面と反対側に形成された構成を有する。
転送配線84〜87は、4画素共有単位の各転送トランジスタTr11〜14の転送ゲート電極75〜78に接続される。このとき、4本の転送配線84〜87は、配線幅と配線間の間隔がそれぞれ同一であることが好ましい。
図6Bに示すように、第1実施形態では、転送配線84〜87及びパルス配線88〜91等の配線はすべて同じ配線層に形成されている。
下層の転送配線84〜87、及び、パルス配線88〜91と、上層のダミー配線92とは、上述の図4に示す配線40A,40Bのように、配線層の配線間の距離81よりも大きな重なり量82を有して配置されている。
さらに、転送配線84〜87、及び、パルス配線88〜91の開口幅83が、それぞれ均一な長さで形成されている。また、ダミー配線92の開口幅83が一定の長さで形成されている。
従って、ホットキャリア光が画素領域に写り込むことが回避され、よって画質が向上した固体撮像装置を提供することができる。
次に、第2実施形態の固体撮像装置の構成について説明する。第2実施形態においても、遮光構造を形成する配線の構成を除き、上述の第1実施形態と同様の固体撮像装置を適用することができる。このため、以下の説明では、遮光構造を形成する配線の構成について説明する。
図7に、画素共有単位が構成されている画素部上に設けられる、遮光構造を構成する配線構造を示す。図7Aは、上述の図5に示す4画素共有単位上に形成された各種配線の構成を示す平面図である。図7Bは、図7Aに示す配線構造のA−A線断面図である。
次に、第3実施形態の固体撮像装置の構成について説明する。第3実施形態においても、遮光構造を形成する配線の構成を除き、上述の第1実施形態と同様の固体撮像装置を適用することができる。このため、以下の説明では、遮光構造を形成する配線の構成について説明する。
図8に、画素共有単位が構成されている画素部上に設けられる、遮光構造を構成する配線構造を示す。図8Aは、上述の図5に示す4画素共有単位上に形成された各種配線の構成を示す平面図である。図8Bは、図8Aに示す配線構造のA−A線断面図である。
このように、配線による遮光構造では、画素部上に開口部が設けられていてもよい。
転送配線84〜87及びパルス配線88〜91を部分的に除去することは難しいため、ダミー配線92の一部を除去することにより、開口部101を形成する。
また、例えば、開口部101は、開口中心がフォトダイオードPD上でなければ、形成位置及び形成個数は限定されない。
次に、第4実施形態の固体撮像装置の構成について説明する。第4実施形態においても、遮光構造を形成する配線の構成を除き、上述の第1実施形態と同様の固体撮像装置を適用することができる。このため、以下の説明では、遮光構造を形成する配線の構成について説明する。
図9に、画素共有単位が構成されている画素部上に設けられる、遮光構造を構成する配線構造を示す。図9Aは、上述の図5に示す4画素共有単位上に形成された各種配線の構成を示す平面図である。図9Bは、図9Aに示す配線構造のA−A線断面図である。
上層の配線層では、上面から見て水平方向に延長し、且つ垂直方向に並行して配列されたパルス配線88〜91とダミー配線93とが、交互に所要の間隔をもって配列されている。
このように、上述の第1〜3実施形態のような、転送配線84〜87及びパルス配線88〜91と、ダミー配線92との重なりによる遮光構造以外にも、配線による遮光構造を構成することができる。
次に、上述の固体撮像装置を備える電子機器の実施形態について説明する。
上述の固体撮像装置は、例えば、デジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステム、撮像機能を有する携帯電話、又は、撮像機能を備えた他の機器などの電子機器に適用することができる。図10に、電子機器の一例として、固体撮像装置を静止画像又は動画を撮影が可能なカメラに適用した場合の概略構成を示す。
(1)光電変換素子を含む画素が複数配列された画素領域と、前記画素領域上に均一な開口幅で並列して形成された転送配線と、前記転送配線の上層の配線層に形成され、少なくとも一部が前記転送配線と平面位置で重なり合う位置に設けられた他の配線と、を備え、前記転送配線と前記他の配線とにより前記画素領域に遮光構造が形成されている固体撮像装置。
(2)前記基体の第1面側の表面に前記光電変換素子が設けられ、前記基体の第2面上に前記配線層が設けられている(1)に記載の固体撮像装置。
(3)前記基体の第2面側に前記配線層を介して貼り合わされた第2の基体を備え、前記第2の基体に周辺回路部を有し、前記画素領域と前記周辺回路部との間に前記遮光構造が形成されている(2)に記載の固体撮像装置。
(4)前記光電変換素子の近距離に信号処理のための能動素子を備える(1)から(3)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(5)前記能動素子として、少なくとも電界効果型トランジスタ又はダイオードのいずれかを含む(4)に記載の固体撮像装置。
(6)前記他の配線としてパルス配線及びダミー配線を含む(1)から(5)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(7)(1)から(6)のいずれかに記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、を備える電子機器。
Claims (18)
- 光電変換素子を含む画素が複数配列された画素領域を有する第1の半導体基体と、前記第1の半導体基体上に設けられた第1の多層配線層とを有する第1の半導体チップ部と、
ロジック回路が形成された第2の半導体基体と、前記第2の半導体基体上に設けられた第2の多層配線層とを有する第2の半導体チップ部と、を備え、
前記第1の半導体チップ部の前記第1の多層配線層側と、前記第2の半導体チップ部の前記第2の多層配線層側とが貼り合わされ、
前記第1の多層配線層が、第1の配線層と、第2の配線層と、を有し、
前記第1の配線層が、第1の配線を有し、
前記第2の配線層が、第2の配線と、前記第2の配線と間隔を開けて配置された第3の配線とを有し、
前記第1の配線、前記第2の配線、及び、前記第3の配線が、並行して配列され、
前記第1の配線は、少なくとも一部が前記第2の配線と平面位置で重なり合い、且つ、前記第2の配線と前記第3の配線との間に設けられた間隔と平面位置で重なり合う位置に配置されている
固体撮像装置。 - 前記第1の配線層と前記第2の配線層とが、隣接する配線層である請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記第1の配線、前記第2の配線、及び、前記第3の配線が、前記画素領域内に配置されている請求項1又は2に記載の固体撮像装置。
- 前記第1の配線の幅が、前記第2の配線の幅よりも大きい請求項1から3のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記第1の半導体チップ部と前記第2の半導体チップ部とが、接着剤層を介して貼り合わされている請求項1から4のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記第1の半導体チップ部と前記第2の半導体チップ部との間に、ストレス補正膜を有する請求項1から5のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記第1の多層配線層に設けられた配線と、前記第2の多層配線層に設けられた配線とが、前記第1の半導体基体を貫通する接続導体によって電気的に接続されている請求項1から6のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記接続導体が、前記第1の半導体基体から前記第2の多層配線層に設けられた配線まで連続して設けられた接続孔内に形成されている請求項7に記載の固体撮像装置。
- 前記接続孔の側壁を覆う絶縁層を有する請求項8に記載の固体撮像装置。
- 固体撮像装置と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、を含み、
前記固体撮像装置は、
光電変換素子を含む画素が複数配列された画素領域を有する第1の半導体基体と、前記第1の半導体基体上に設けられた第1の多層配線層とを有する第1の半導体チップ部と、
ロジック回路が形成された第2の半導体基体と、前記第2の半導体基体上に設けられた第2の多層配線層とを有する第2の半導体チップ部と、を備え、
前記第1の半導体チップ部の前記第1の多層配線層側と、前記第2の半導体チップ部の前記第2の多層配線層側とが貼り合わされ、
前記第1の多層配線層が、第1の配線層と、第2の配線層と、を有し、
前記第1の配線層が、第1の配線を有し、
前記第2の配線層が、第2の配線と、前記第2の配線と間隔を開けて配置された第3の配線とを有し、
前記第1の配線、前記第2の配線、及び、前記第3の配線が、並行して配列され、
前記第1の配線は、少なくとも一部が前記第2の配線と平面位置で重なり合い、且つ、前記第2の配線と前記第3の配線との間に設けられた間隔と平面位置で重なり合う位置に配置されている
電子機器。 - 前記第1の配線層と前記第2の配線層とが、隣接する配線層である請求項10に記載の電子機器。
- 前記第1の配線、前記第2の配線、及び、前記第3の配線が、前記画素領域内に配置されている請求項10又は11に記載の電子機器。
- 前記第1の配線の幅が、前記第2の配線の幅よりも大きい請求項10から12のいずれかに記載の電子機器。
- 前記第1の半導体チップ部と前記第2の半導体チップ部とが、接着剤層を介して貼り合わされている請求項10から13のいずれかに記載の電子機器。
- 前記第1の半導体チップ部と前記第2の半導体チップ部との間に、ストレス補正膜を有する請求項10から14のいずれかに記載の電子機器。
- 前記第1の多層配線層に設けられた配線と、前記第2の多層配線層に設けられた配線とが、前記第1の半導体基体を貫通する接続導体によって電気的に接続されている請求項10から15のいずれかに記載の電子機器。
- 前記接続導体が、前記第1の半導体基体から前記第2の多層配線層に設けられた配線まで連続して設けられた接続孔内に形成されている請求項16に記載の電子機器。
- 前記接続孔の側壁を覆う絶縁層を有する請求項17に記載の電子機器。
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