JP2763131B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体基板上に信号電荷転送部（固体撮像
素子チップ）と光導電膜からなる光電変換部とを積層し
た積層型固体撮像装置に係わり、特に光導電膜への外部
電圧印加手段の改良をはかった固体撮像装置に関する。
（従来の技術） 近年、光電変換部としてフォトダイオードを用い、信
号電荷転送部としてCCDを用いた固体撮像素子が開発さ
れている。この固体撮像素子は、従来の撮像管と比べて
小型，軽量，高信頼性のカメラを実現できる利点があ
り、残像が殆どない良質の画像を得ることができる。し
かしながら、固体撮像素子は主としてSiウェハ上に形成
され、使用可能な感度波長領域が可視を中心に限定され
る欠点、さらには光電変換を行うpnフォトダイオードの
有効感光部と信号転送部の無効感光部があり、感度の低
下やモアレ等の偽信号が出易い等の撮像管にはない欠点
が存在する。これらの欠点を除く固体撮像装置として、
従来の固体撮像素子を信号電荷転送部（固体撮像素子チ
ップ）として用い、その上部に設けた光導電膜にて光電
変換を行う積層型の固体撮像装置が提案されている。
第８図は固体撮像素子チップと光導電膜とを組み合わ
せた積層型固体撮像装置の画素部断面を示す図である。
ｐ型Si基板11上にｎ型の埋込みチャネルCCDからなる垂
直CCD12,n+型の蓄積ダイオード13及び各画素を分離する
p+型チャネルストップ部14が形成され、垂直CCD12上に
は転送用ゲート電極となるポリSi電極15が形成されてい
る。蓄積ダイオード13の部分では、熱酸化膜,CVD酸化膜
等からなる酸化膜16に、蓄積ダイオード13のn+部分が露
出するようにコンタクトホールが形成された後、例えば
AlやMoSi等による第１電極17が所定の形状に形成され
る。次いで、例えばポリイミド或いはメルト工程を通し
たBPSG（ボロン・リン・シリケートガラス）等からなる
表面平坦化膜18が形成され、さらにこの膜18にコンタク
トホールを形成して第１電極17の一部を露出させた後、
Al或いはTi等の第２電極（画素電極）19が所定の形状に
形成される。
このように形成された固体撮像素子チップ上に、アモ
ルファスSi等の光導電膜20をグロー放電や光CVD法で形
成し、さらにITO（インジウム・スズ・酸化膜）等の透
明電極21を形成することにより積層型固体撮像装置が得
られる。
第９図は第８図の固体撮像素子のチップ全体像を示
し、外部への電極取出しの様子を示している。光導電膜
20は、図中１点鎖線で示すように素子の有効画素領域全
面を覆っている。さらに、その上に上部電極として、IT
O等による透明電極21が形成されている。これらの外側
には、Al等のボンディングパッド22が多数配置されてい
る。なお、この図では、右端の22a,22b,22cの３箇所の
みに番号を付してある。また、ボンディングパッド22c
以外は電気的接続の様子の図を省略している。
第10図は透明電極21と接続される第９図のボンディン
グパッド22cにおける断面図である。ボンディングパッ
ド22cからは、透明電極21と接触するリード電極23が延
びている。ボンディングパッド22cは、フィールド酸化
膜24上でボンディングワイヤー25と結合されている。こ
の構成により、外部からの印加電圧がボンディングワイ
ヤー25,ボンディングパッド22c及びリード電極23を通り
透明電極21に到達し、光導電膜20内部で光励起したキャ
リアの走行に十分な電界をこの光導電膜20に形成するこ
とになる。
しかしながら、この従来構造では電気的接続に関して
次のような問題があった。即ち、透明電極21とリード電
極23との接続不良が生じ易いことである。前記第10図に
は光導電膜20の端面が適当な角度を成しており、透明電
極21と光導電膜20とが滑らかに接続されているように図
示してある。しかし、実際には、１〜３μｍ程度の厚み
のある光導電膜20をチップ或いはウェハ全面に形成した
後に不要部分をエッチング等により除去すると、その端
面は略垂直に近い形状となり、極端な場合には第７図と
は逆の方向に斜めに切込んだ形状となる。一方、透明電
極21は通常数100〜1000Å程度の厚みで、光導電膜20の
厚みに比べてかなり薄い。このため、第10図のような構
造では透明電極21が光導電膜20の端部の段差で切断され
る所謂段切れが生じ、電気的な接続不良を招くことにな
る。
透明電極の段切れによる電気的な接続不良を起こさな
い構造として、第11図に示すような構造のボンディング
パッドも用いられている。第11図（ａ）は平面図であ
り、光導電膜20と透明電極21は同じマスクパターンでエ
ッチング形成される。図に示すようにAl等によるボンデ
ィングパッド22c上で前記２層膜20,21の中央の一部26が
除去され、下のボンディングパッド22cが露出してい
る。第11図（ｂ）に同図（ａ）のＡ−Ａ′断面を示す。
フィールド酸化膜24上に形成されたボンディングパッド
22cの露出部にボンディングワイヤー25が結合されてい
るが、この時ボンディングワイヤー25は光導電膜20上の
透明電極21の一部にも結合されており、これによって外
部からの電圧が光導電膜20に印加されることになる。
しかしながら、この構造でも電気的接続に関して次の
欠点が生じることがある。即ち、Al等からなるボンディ
ングワイヤー25はやはりAl等からなるボンディングパッ
ド22cへのボンダビリティが良く、これらの結合は十分
であるが、ITO等の透明電極21は薄い上、Alとのボンダ
ビリティは弱いか殆ど無いに等しい。このため、ボンデ
ィングワイヤー25と透明電極21とは機械的な接触によっ
て電気的結合を行っているのみである。従って、熱履歴
等のストレスが加わると、ボンディングワイヤー25が透
明電極21から外れることがあり、信頼性の点で問題とな
ることが多い。
（発明が解決しようとする課題） このように従来、積層型固体撮像装置の透明電極に外
部から電圧を印加するための従来方式のボンディングパ
ッド部構造では、透明電極の段切れやボンダビリティの
悪さにより、電気的接続不良や信頼性の低下を招くとい
う問題があった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、ボンディングパッド部の新しい電
極構成によって、ボンディングワイヤーと透明電極との
電気的接続を確実に行うことができ、且つ電気的接続の
信頼性向上をはかり得る積層型固体撮像装置を提供する
ことにある。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、光導電膜上に直接若しくは透明電極
を介して設けた金属膜にボンディングワイヤーをボンデ
ィングすることにある。
即ち本発明は、半導体基板に信号電荷蓄積ダイオード
及び信号電荷読出し部が配列形成され、且つ最上部に蓄
積ダイオードに電気的に接続された画素電極が形成され
た固体撮像素子チップと、この撮像素子チップ上に積層
形成された光導電膜と、この光導電膜上に形成された透
明電極とを備えた固体撮像装置において、前記透明電極
への外部電圧印加用ボンディングパッド部として、前記
光導電膜及び透明電極を画素領域からパッド領域まで引
き延ばし、該パッド領域で透明電極上にパッド用金属膜
を形成するようにしたものである。
また本発明は、前記透明電極への外部電圧印加用ボン
ディングパッド部として、前記光導電膜を画素領域から
パッド領域まで引き延ばし、該パッド領域で光導電膜上
にパッド用金属膜を形成し、且つこの金属膜上の一部に
前記透明電極をオーバーラップさせるようにしたもので
ある。
さらに本発明は、前記パッド領域において前記光導電
膜の下に該光導電膜上の金属膜とは別の金属膜が形成
し、且つ前記ボンディングパッド部の中央の一部に光導
電膜下の金属膜に達する穴を形成し、前記ボンディング
ワイヤーを前記光導電膜の上下の各金属膜にそれぞれ結
線するようにしたものである。
（作 用） 本発明によれば、光導電膜及び透明電極をパッド領域
まで延長し該パッド領域で透明電極上に金属膜を設けた
構造では、ボンディングワイヤーはボンダビリティの良
い金属膜にボンディングされることになり、金属膜は透
明電極上に蒸着等により強固に被着されることになる。
また、光導電膜のみをパッド領域まで延長し該パッド領
域で光導電膜上に金属膜を設け、さらにこの金属膜上の
一部に透明電極をオーバーラップさせた構造では、透明
電極が光導電膜よりも膜厚の薄い金属膜の端部を這うこ
とになり、これにより透明電極の段切れを未然に防止す
ることができる。従って、ボンディングパッドと透明電
極との電気的接続を確実にすると共に、電気的接続の信
頼性向上をはかることが可能となる。
また、パッド領域に穴を設け、さらにパッド領域にお
いて光導電膜の下に該光導電膜上の金属膜とは別の金属
膜を形成することにより、ボンディングワイヤを光導電
膜の上下の金属膜に接続することができ、ボンディング
ワイヤとボンディングパッドとの電気的及び機械的接続
をより確実にすることができる。
（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。
第１図は本発明の第１の実施例に係わる積層型固体撮
像装置のボンディングパッド部構成を示す断面図であ
る。半導体基板１のチップ周辺部に形成したフィールド
酸化膜２上に、例えばAlからなるボンディングパッド下
地（金属膜）３を他の通常のボンディングパッド（図示
せず）と同時に形成されている。なお、このボンディン
グパッド下地３は本実施例においては必ずしも無くても
よい。
フィールド酸化膜２及び金属膜３の上には、アモルフ
ァスSi等からなる光導電膜4,及びITO等からなる透明電
極５が感光部領域（画素領域）と連続した形状で形成さ
れている。また、チップ周辺部のパッド領域で、透明電
極５の上にボンダビリティの良好なパッド用金属膜６、
例えばAl,Ti,Cr,Mo,MoSi,W等が形成されている。そし
て、Al等のボンディングワイヤー７はこの金属膜６にボ
ンディングされる。このボンディングにより、外部から
の印加電圧はボンディングワイヤー7,金属膜６を経由し
て透明電極５に到達するものとなっている。
なお、金属膜６は蒸着マスクにより直接形成すること
もできるし、全面形成膜を選択エッチングしてもよい。
本発明者等の実験によれば、厚さ350ÅのITO電極５上の
厚さ0.2μｍのTi膜６を、例えばフォトレジストをマス
クとしたエッチングにより、ITO電極５の膜減りを招く
ことなく良好に選択エッチングできることが確認されて
いる。例えば、EDTA（エチレンジアミン４酢酸）92g,ア
ンモニア水700ml,水4000mlの混合液を使用前にH2O2と2:
1の割合で混ぜて300:1の選択比が得られた。Moの場合も
同じエッチング液により選択エッチングできる。Crの場
合は、硝酸第２セリウムアンモニウム，過塩素酸，水の
混合液を用いれば良い。所望によりAlの使用も可能であ
る。また、CF4:O2＝1:2のCDE（ケミカルドライエッチン
グ）法を用いれば、Mo,W,MoSiをITOに対し高選択比でエ
ッチング可能である。
本実施例のボンディングパッド部構造によれば、ボン
ディングワイヤー７はボンダビリティの良好な金属膜６
に接続されており、また金属膜６は少なくともボンディ
ングパッド部において透明電極５と十分にコンタクトし
ている。また、金属膜６は透明電極５上にボンディング
ではなく蒸着等により形成されるので、これらの接着性
は十分強固である。さらに、透明電極５は光導電膜４上
に連続して形成されているので、透明電極の段切れが生
じることはない。従って、ボンディングワイヤー７と透
明電極５との電気的接続を確実にすると共に、信頼性を
向上させることができる。
第２図は本発明の第２の実施例の要部構成を示す断面
図である。なお、第１図と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
この実施例が先に説明した第１の実施例と異なる点
は、第１図の構造のボンディングパッド部に前記第11図
に示す如き穴を設けたことにある。即ち、ボンディング
パッド部の中央の一部で光導電膜4,透明電極５及び金属
膜６の積層部が除去され、コンタクト穴８が形成されて
いる。そして、この穴８にボンディングパッド下地３が
露出してる。ボンディングワイヤー７はボンディングに
より、このボンディングパッド下地３に結合されると同
時に、金属膜６にも結合されており、これによって外部
からの電圧が透明電極５を介して光導電膜４に印加され
ることになる。
ここで、第１の実施例において、ボンディングワイヤ
ー７と金属膜６のボンダビリティが良好であっても、そ
の下部、例えば金属膜６と透明電極５の界面の密着強度
が必ずしも十分でないときには、ボンディングワイヤー
７は引張り強度的に弱くなる。これに対し本実施例で
は、ボンディングワイヤー７がボンディングパッド下地
３にも結合されているので、引張り強度も強くなるとい
う利点がある。また、ボンディングワイヤー７と透明電
極５との電気的接続は、ボンディングワイヤー７とボン
ダビリティの良い金属膜６とのボンディング、さらに金
属膜６と透明電極５との蒸着等による強固な結合である
から、前記第11図に示す構造よりも確実な接続が行える
ことになる。なお、本実施例においても、前述した第１
の実施例と同様の効果が得られるのは勿論である。
第３図は本発明の第３の実施例の要部構成を示す断面
図である。なお、第１図と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
この実施例は、第１図の透明電極５と金属膜６との形
成順序を逆にしたものである。光導電膜４の形成までは
第１の実施例と同様である。次いで、ボンダビリティの
良好な前記した金属膜６が第１の実施例と同様の方法で
所定の形状に形成される。さらに、ITO等かなる透明電
極５がボンディングパッド部上を除き、前記金属膜６と
一部オーバーラップして感光部領域と連続した所定の形
状に形成される。そして、ボンディングワイヤー７のボ
ンディングは、ボンディングパッド部上の金属膜６に行
われる。
このような構成であっても、先の第１の実施例と同様
の効果が得られる。なお、透明電極５は金属膜６の端部
を這うことになるが、金属膜６の厚みは光導電膜４の厚
みに比べると極めて薄いものであり、この部分で透明電
極５に段切れが生じることはない。
第４図は本発明の第４の実施例の要部構成を示す断面
図である。なお、第１図と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
この実施例が先に説明した第３の実施例と異なる点
は、第３図の構造のボンディングパッド部に前記第11図
に示す如き穴を設けたことにある。即ち、ボンディング
パッドの中央の一部で光導電膜４及び金属膜６の積層部
が除去されてコンタクト穴８が形成され、この穴８にボ
ンディングパッド下地３が露出してる。ボンディングワ
イヤー７はボンディングにより、このボンディングパッ
ド下地３に結合されると同時に、金属膜６にも結合され
ており、これによって外部からの電圧が透明電極５を介
して光導電膜４に印加されることになる。
本実施例の特徴としては先の第２の実施例と似てい
る。即ち、第３の実施例において、ボンディングワイヤ
ー７と金属膜６のボンダビリティが良好であっても、そ
の下部、例えば金属膜６と光導電膜４との界面の密着強
度が必ずしも十分でないときには、ボンディングワイヤ
ー７は引張り強度的に弱くなる。これに対し本実施例で
は、ボンディングパッド下地３にも結合されているの
で、引張り強度も強くなるという利点がある。また、本
実施例においても、先の第３の実施例と同様の効果が得
られるのは勿論のことである。
第５図は本発明の第５の実施例の要部構成を示す平面
図、第６図は第５図の矢視Ａ−Ａ′断面図である。な
お、第１図と同一部分には同一符号を付して、その詳し
い説明は省略する。
この実施例は、基本的には先の第２の実施例と同じで
ある。第５図及び第６図（ａ）に示す如く、ボンディン
グパッド部９には、まず酸化膜２上に予め金属膜（Alパ
ッド）３を形成しておく。その後、アモルファスSiから
なる光導電膜4,ITO等の透明電極５及びオプティカルブ
ラックとしての金属膜６を順次形成し、所定のエッチン
グを行うことで、Alパッド３の一部を露出させる。金属
膜６しては、一般にTi,Mo等が用いられる。ボンディン
グワイヤー７は、第６図（ｂ）に示す如く露出したAlパ
ッド３と金属膜６の両方に接合するようにし、接合強度
はボンディングワイヤ７と金属膜６の間で行う。この
際、ボンディング法としては、ウェッジボンディング法
を用いる。
ウェッジボンディング法では、ボールボンディング法
とは異なり、接合部（Alの潰れ方等）に方向性があるた
め、Alパッド３と金属膜６とに十分接続させるには、第
６図（ａ）のように、エッチングパターンはボンディン
グワイヤ７の方向に垂直な帯状パターンであるのが望ま
しい。さらに、ウェッジボンディングを行うツール先端
部（ワイヤを潰す部分）は、一般にワイヤの長手方向に
約60μｍ程度であるので、40μｍを越える帯状パターン
を残すと、Alパッド部に十分接合されない。また、10μ
ｍ以下の帯状パターンでは、光導電膜4,透明電極５及び
金属膜６等にヒビ等が発生し破壊する虞れがあり、十分
な電気的接続が得られない。このため、帯状パターンの
幅ｈは10〜40μｍとする必要がある。ボンディングワイ
ヤ７の材質は通常Alであるが、アモルファスSi等の破壊
を少なくするために、粘性の大きいAuを用いてもよい。
次に、第５図及び第６図の構造を実現するための製造
工程を第７図を参照して説明する。ウェハプロセスとし
ては他の工程もあり、より繁雑であるが、ここではボン
ディングパッド部に関係ある工程だけを抜き出して表示
した。
まず、第７図（ａ）に示す如く、シリコン基板１上に
酸化膜２を形成し、その上にAl−Si−Cu膜3aを約8000Å
スパッタリングする。Al−Si−Cu膜3aのシンター後、他
で用いる電極材であるTi膜3bを1500Å程度形成する。こ
のTi膜3bは本発明とは直接関係はないが、以下工程のア
モルファスシリコンエッチングでAl−Si−Cuが浸蝕され
ないための保護膜として意味がある。次いで、通常のレ
ジストを用いたPEPによりAl−Si−Cu膜3a及びTi膜3bか
らなる金属膜３を選択エッチングし、第７図（ｂ）に示
す如くパッドパターンとする。
次いで、第７図（ｃ）に示す如く、全面にアモルファ
スシリコンを2.4μm,ITOを350Å,Moを5500Å、蒸着或い
はスパッタ法にて形成する。ここでは、金属膜６として
Moを用いているが、W,Tiでもよい。その後、第７図
（ｄ）に示す如く、Mo,ITO,アモルファスシリコンを同
一パターンにて抜き取ることで、パッド上には所望のパ
ターンでAlが露出する。ここでは、パッド上に残る帯状
のパターンの幅は30μｍとした。
このようにして作成した透明電極用ボンディングパッ
ドへ、通常のウェッジボンディングでワイヤ接続するこ
とで、信頼性の高い電圧供給を行うことができる。
なお、本発明は上述した各実施例に限定されるもので
はない。固体撮像装置は通常、ホワイトバランスを取る
ために暗電流を含んだ出力信号成分から暗電流成分を除
去する目的で、画素領域の一部にオプティカルブラック
部という光シールド領域を設けて、ここで暗電流レベル
を検知するやり方を用いている。この光シールド領域
は、一般に金属膜によって形成されることが多い。従っ
て、本発明に係わるボンディングパッド部の金属膜６と
このオプティカルブラック部を同時に形成することも可
能である。また、実施例では金属膜６はボンディングパ
ッド部上若しくはその端部付近で切れている構造を示し
たが、実際には画素領域上に金属膜が無ければよいわけ
で、感光領域の周辺部にまでこの金属膜６がつながって
いる形状であってもよい。
また、本実施例においては、光導電膜積層型固体撮像
素子の走査部としてインターライン転送型CCDの例を示
したが、これに限らず蓄積ダイオードを有するMOS型やC
PD型等にも適用できることは勿論である。また、絶縁膜
としてSiO2等の酸化膜を主として例示したが、Si3N4膜
やそれらの複合膜でもよい。さらに、光電変換部の材料
としてアモルファスSiの例を述べたが、これに限らず、
撮像管用の光電変換材料として用いられているSb2S3,Se
−As−Te,CdSe,CdZnTe等が使えることは明らかであり、
InSbやPbSnTe,CdHgTe等の赤外用光電材料も使える。ま
た、光導電膜に限らず光起電膜にも適用できるのは勿論
のことである。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。
［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、固体撮像素子チ
ップと光導電膜からなる積層型固体撮像装置の透明電極
への外部電圧印加電極において、ボンディングパッド部
で透明電極上若しくはその下部にボンダビリティの良好
な金属膜を設けた新しい電極構成を採用したことによ
り、ボンディングワイヤーと透明電極との電気的接続を
確実に行うことができ、且つ電気的接続の信頼性向上を
はかることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例に係わる積層型固体撮像
装置のボンディングパッド部構成を示す断面図、第２図
は本発明の第２の実施例の要部構成を示す断面図、第３
図は本発明の第３の実施例の要部構成を示す断面図、第
４図は本発明の第４の実施例の要部構成を示す断面図、
第５図は本発明の第５の実施例のボンディングパッド部
構成を示す平面図、第６図は第５図の矢視Ａ−Ａ′断面
図、第７図は上記第５の実施例の製造工程を示す断面
図、第８図は積層型固体撮像装置の１画素部構成を示す
断面図、第９図は積層型固体撮像装置の全体構成を示す
平面図、第10図及び第11図は従来装置のボンディングパ
ッド部構成を示す図である。 1,11……半導体基板、 ２……フィールド酸化膜、 ３……金属膜（パッド下地）、 ４……光導電膜、 ５……透明電極、 ６……金属膜（パッド用金属膜）、 ７……ボンディングワイヤー、 ８……コンタクト穴、 12……垂直CCD、 13……蓄積ダイオード、 14……チャネルストップ部、 15……ポリSi電極、 17……第１電極、 19……第２電極（画素電極）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−87363（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−82440（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 27/14 - 27/148 H01L 29/762 - 29/768 H01L 21/60 301 H04N 5/335

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体基板に信号電荷蓄積ダイオード及び
    信号電荷読出し部が配列形成され、且つ最上部に蓄積ダ
    イオードに電気的に接続された画素電極が形成された固
    体撮像素子チップと、この撮像素子チップ上に積層形成
    された光導電膜と、この光導電膜上に形成された透明電
    極とを備えた固体撮像装置において、 前記透明電極への外部電圧印加用ボンディングパッド部
    は、前記光導電膜及び透明電極を画素領域からパッド領
    域まで引き延ばし、該パッド領域で透明電極上にパッド
    用金属膜を形成してなるものであり、 前記パッド領域において前記光導電膜の下に該光導電膜
    上の金属膜とは別の金属膜が形成され、且つ前記ボンデ
    ィングパッド部の中央の一部に光導電膜下の金属膜に達
    する穴が形成されており、ボンディングワイヤーが前記
    光導電膜の上下の各金属膜にそれぞれ結線されてなり、 前記光導電膜の上の金属膜は、前記撮像素子チップへの
    光入射を阻止するための光シールド用金属膜と同層で形
    成されてなることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項２】前記ボンディングパッド部の穴は帯状に複
    数個形成され、且つ穴間の距離は10〜40μｍに設定され
    てなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
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