JP4714502B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は固体撮像装置に関し、特にチップを拡大することなく多画素化及び高集積化できる固体撮像装置に関する。
以下に、従来の固体撮像装置について図面を参照して説明する（例えば、特許文献１を参照。）。図１０は従来の電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮像装置の平面構成を示している。
この固体撮像装置は、半導体基板チップ１０１の上に、複数の画素（センサ）１１１が行列状に配置され、行方向に隣接するセンサ１１１の間には列方向に延びる垂直転送レジスタ１１２がそれぞれ形成されている。各垂直転送レジスタ１１２の末端部には、水平転送レジスタ１１３が垂直転送レジスタ１１２と直交して配置されている。
半導体基板チップ１０１における画素１１１、垂直転送レジスタ１１２及び水平転送レジスタ１１３が形成されている素子形成領域１０２の周辺には、水平転送レジスタ１１３の末端と接続され、水平転送レジスタ１１３から受け取った信号電荷を電圧信号等に変換して出力する出力バッファ部１１４が設けられている。
また、垂直転送レジスタ１１２及び水平転送レジスタ１１３に駆動用信号を供給する配線が形成された配線領域１０３が設けられ、配線領域の外側に設けられたパッド形成領域１０４には外部接続用の複数のパッド１１５が設けられている。
なお、図１０においては、簡略化のため、画素１１１、垂直転送レジスタ１１２、パッド１１５の一部のみを示している。また、水平転送レジスタは１本だけでなく、複数設けられている場合もある。
次に、従来のチップサイズの縮小を目的としたボンディングパッドの構造について図面を参照して説明する（例えば、特許文献２を参照。）。
図１１は従来の半導体装置の断面構造を示している。図１１に示すように、半導体基板チップ１２０の表面近傍に間隔をおいて形成された不純物拡散層であるドレイン領域１２１及びソース領域１２２と、ドレイン領域１２１とソース領域１２２との間に設けられたゲート電極１２３とからなるトランジスタが形成されている。ドレイン領域１２１及びソース領域１２２には、それぞれ電極配線１２４及び電極配線１２５が接続されている。ゲート電極１２３、電極配線１２４及び電極配線１２５は層間絶縁膜１２６に覆われており、層間絶縁膜１２６の上におけるトランジスタと重なる領域には、外部接続用のパッド１２７が形成されている。
このように、素子形成領域とパッド形成領域とが立体的に重なるようにすることにより、チップにおいて素子形成領域が占める割合を高めることが可能となり、チップの高集積化が可能となる。
特開２００４−２０７８０４号公報
特開昭５７−８７１４５号公報
電子産業においては、機器の小型化及び高性能化が強く要望されており、半導体分野においては、チップの高集積化、つまり同一性能でのチップサイズの小型化及び同一サイズでの高性能化が要望されている。
このため、固体撮像装置を含む半導体装置においては、現在まで装置を構成する不純物拡散領域や転送電極、配線等の微細化を行うことにより、チップサイズの小型化及び同一サイズでの高性能化に対応している。
しかしながら、不純物拡散領域や配線の微細化は、トランジスタ特性の劣化を招くばかりでなく、新規設備及び新規プロセスの導入等が必要となりコスト上昇の要因となる。さらに、固体撮像装置においては、不純物拡散領域である画素を小さくすると、入射する光の量が少なくなるため、固体撮像装置の重要な特性である感度、飽和特性及びＳ／Ｎ特性が低下するという問題がある。
一方、半導体装置のチップサイズは、能動素子及び受動素子が形成された素子形成領域と、素子形成領域の周辺の領域に配置され、ワイヤボンディング等を目的とするボンディングパッドが形成されたパッド形成領域とにより決定される。このため、チップサイズの小型化と多画素化とを両立させて実現するためには、チップに占める素子形成領域の割合を高くする、つまりパッド形成領域を小さくする方法が有効である。
しかし、特許文献２に示されたようなパッド構造を、特許文献１に示された従来の固体撮像装置の構造に適用した場合には、画素に入射する光をパッドが遮るため、固体撮像装置の重要な特性である感度及び飽和特性が低下するという問題がある。
本発明は、前記従来の課題を解決し、画素への光の入射を阻害することなく、画素を形成した素子形成領域がチップに占める割合を向上させ、集積度が高い固体撮像装置を実現できるようにすることを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は固体撮像装置の外部接続用パッドを配線領域に形成する構成とする。
具体的に本発明に係る固体撮像装置は、それぞれが半導体基板チップの上に２次元マトリックス状に配列された複数の光電変換素子と、垂直転送チャネル及び垂直転送電極からなり、各光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタと、水平転送チャネル及び水平転送電極からなり、垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、垂直転送電極及び水平転送電極と電気的に接続されたバス配線と、バス配線と電気的に接続された外部接続用パッドとを備え、外部接続用パッドは、バス配線及び水平転送電極の上方に設けられていることを特徴とする。
本発明の固体撮像装置によれば、外部接続用パッドは、バス配線及び水平転送電極の上方に設けられているため、外部接続用パッドの形成領域と配線の形成領域とを一体化でき、固体撮像装置に占める素子の形成領域の割合を向上させることが可能である。また、外部接続用パッドの形成領域と画素の形成領域とは完全に分離されているので、外部接続用パッドによって画素への光の入射が阻害されることはない。
本発明の固体撮像装置において、外部接続用パッドは、水平転送チャネルの上方に位置していることが好ましい。このような構成とすることにより、パッドが占有する面積の割合をさらに低下させることが可能であると共に、外部接続用パッドを遮光膜として用いることができるので、水平電荷転送の効率を向上させることができる。
この場合において、水平転送電極は導体層であり、外部接続用パッドは金属層であることが好ましい。また、導体層はポリシリコンからなることが好ましい。このような構成とすることにより、外部接続用パッドにより水平転送チャネルへ入射する光を効果的に遮光することが可能となる。
本発明の固体撮像装置において、外部接続用パッドは、半導体基板チップの主面に対して傾斜して設けられていることが好ましい。このような構成とすることにより、外部接続用パッドに接続するボンディングワイヤの取り付け角度を小さくすることができるため、画素への入射光がボンディングワイヤによって阻害されることを抑えることができる。
本発明の固体撮像装置は、外部接続用パッドは、バス配線とコンタクトプラグを介在させて電気的に接続されていることが好ましい。このような構成とすることにより、外部接続用パッドとバス配線との接続を簡略化することが可能であり、チップサイズをさらに低減することができる。
本発明の固体撮像装置において、光電変換素子、垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタは、ＣＣＤ型イメージセンサを構成していることが好ましい。
本発明の固体撮像装置によれば、画素への光の入射を阻害することなく、画素の形成された素子形成領域がチップに占める割合を向上させ、集積度が高い固体撮像装置を実現できる。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照して説明する。図１〜３は第１の実施形態に係る固体撮像装置であり、図１は平面構成を示しており、図２は図１を拡大して示しており、図３は図２のIIIａ−IIIａ線に沿った断面構成を示している。
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照して説明する。図１〜３は第１の実施形態に係る固体撮像装置であり、図１は平面構成を示しており、図２は図１を拡大して示しており、図３は図２のIIIａ−IIIａ線に沿った断面構成を示している。
図１〜３に示すように半導体基板チップ１に設けられた画素形成領域２Ａには、複数の画素１１が行列状に配置されている。各画素１１はフォトダイオード等からなり、入射した光の強さに応じた信号電荷を生成する。
隣接する画素１１の間には、列方向に延びる垂直転送レジスタ１２がそれぞれ設けられている。各垂直転送レジスタ１２は、半導体基板チップ１の表面近傍に形成され列方向に延びる不純物拡散層である垂直転送チャネル２０と、行毎に垂直転送チャネル２０の上に形成されたポリシリコン等の導体層からなる複数の垂直転送電極２１とにより形成されている。
各垂直転送電極２１に垂直転送クロックパルスを印加することにより、各画素１１において生成された信号電荷を列方向に順次転送し、垂直転送レジスタ１２の末端に接続された水平転送レジスタ１３に出力する。また、各垂直転送レジスタ１２の垂直転送電極２１は、行毎に共通に形成されており、各垂直転送レジスタ１２は、同時に駆動される。
画素形成領域２Ａと隣接する水平転送レジスタ形成領域２Ｂには各垂直転送レジスタ１２の末端と接続され、行方向に延びる水平転送レジスタ１３が設けられている。水平転送レジスタ１３は、各垂直転送チャネル２０の末端と接続され、行方向に延びる不純物拡散層である水平転送チャネル２３と、水平転送チャネル２３の上に形成されたポリシリコン等の導体層からなる複数の水平転送電極２４とからなる。
各水平転送電極２４に水平転送クロックパルスを印加することにより、各垂直転送レジスタ１２から転送された信号電荷を行方向に順次転送し、信号電荷を出力バッファ部１４に順次出力する。
画素１１、垂直転送レジスタ１２及び水平転送レジスタ１３が形成された素子形成領域２の周囲に設けられた配線領域３には、垂直転送電極２１及び水平転送電極２４のそれぞれに転送クロックパルスを供給する複数のバス配線２８が形成されている。
バス配線２８の数は、装置の駆動方法により異なるが、垂直転送レジスタ１２を４相のクロックにより駆動し、水平転送レジスタ１２を２相のクロックにより駆動し、電源電圧バスラインを有する一般的な固体撮像装置の場合、バス配線２８は４本から６本必要となる。また、垂直転送レジスタの本数は、多画素化にともない、１０本から１４本程度に増加する。なお、図２及び３においては、水平転送電極２４と接続された２本のバス配線のみを図示している。
各バス配線２８は、アルミニウム又は銅等の金属層からなり、半導体基板チップ１の上に形成された層間絶縁膜３０に埋め込まれている。配線領域３における層間絶縁膜３０の上面には、アルミニウム、銅、金又は白金等の金属層からなる複数の外部接続用パッド３１が、バス配線２８と重なりを有するように形成されている。
固体撮像装置のチップサイズは、素子形成領域２の面積と、配線領域３の面積と、パッド形成領域の面積とにより決定される。従って、このように外部接続用パッド３１をバス配線２８が形成された配線領域３の上に形成し、パッド形成領域を別個に設ける必要がない構造とすることにより、チップサイズを縮小することが可能となる。また、素子形成領域２がチップに占める割合を高くでき、固体撮像装置を高集積化することができる。
一方、画素形成領域２Ａには外部接続用パッド３１が形成されていないため、画素１１に入射する光が外部接続用パッド３１によって遮られることはない。
さらに、外部接続用パッド３１とバス配線２８とをビアプラグ３２により接続することが可能となり、外部接続用パッド３１とバス配線２８とを接続するための配線を削減することができる。
また、外部接続用パッド３１の下側に不純物拡散領域が形成されている場合は、外部接続用パッド３１を形成する際の衝撃及び外部接続用パッド３１にボンディングを行う際の機械的衝撃により、不純物拡散領域の特性劣化が生じる場合がある。
特にＣＣＤの場合には、不純物拡散領域である垂直転送チャネル及び水平転送チャネル内を、画像情報である信号電荷が移動するため、不純物拡散領域の特性は画像特性に大きな影響を与える。
しかし、本実施形態に係る固体撮像装置においては、外部接続用パッド３１は素子形成領域２の周囲に設けられた配線領域３に形成されている。従って、外部接続用パッド３１の下側には不純物拡散領域が形成されていないため、外部接続用パッド３１形成時のプロセスダメージが不純物拡散領域である水平転送チャネルにダメージを与えることはない。その結果、本実施形態の固体撮像装置は、水平電荷転送の動作異常を生じることなく、チップを縮小することができる。
具体的に、デジタルカメラ等においてよく用いられているチップサイズが５ｍｍ角程度の撮像装置においては、１００μｍ角程度の大きさの外部接続用パッドを３０個程度形成することが一般的である。
この場合、従来の固体撮像素子においては、パッド形成領域及び配線領域としてチップの周縁部から０．３ｍｍ程度の領域が必要となるため、実際に素子が形成できる領域は、チップの７５％程度となる。
しかし、本実施形態の固体撮像装置においては、外部接続用パッドを配線領域に形成することによりチップ面積の９０％程度を素子形成領域とすることが可能となる。従って、本実施形態の固体撮像装置においては、チップサイズを大きくすることなく高画素化することができる。また、同一の画素数であればチップサイズを小さくすることができる。
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照して説明する。図４〜６は第１の実施形態に係る固体撮像装置であり、図４は平面構成を示しており、図５は図４を拡大して示しており、図６は図５のVIａ−VIａ線に沿った断面構成を示している。図４〜６において図１〜３と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
以下に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照して説明する。図４〜６は第１の実施形態に係る固体撮像装置であり、図４は平面構成を示しており、図５は図４を拡大して示しており、図６は図５のVIａ−VIａ線に沿った断面構成を示している。図４〜６において図１〜３と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
本実施形態の固体撮像装置は、外部接続用パッド３１は、配線形成領域３と水平転送レジスタ形成領域２Ａに跨るように形成されており、外部接続用パッド３１の一部分が水平転送チャネル２３の上に形成されていることを特徴とする。
外部接続用パッド３１を形成するアルミニウム、銅、金又は白金等の金属層は、水平転送電極２４を形成するポリシリコン等の導体層と比べて光を遮光する特性に優れているため、外部接続用パッド３１が水平転送チャネル２３に入射する光を遮る遮光膜として機能する。従って、本実施形態の固体撮像装置は、チップを縮小化できると共に、水平方向の信号電荷転送の効率を向上させることができる。
なお、不純物拡散領域である水平転送チャネル２３の上方に外部接続用パッド３１を形成するため、不純物拡散領域にダメージを与えることも考えられるが、層間絶縁膜３０の厚膜化又は層間絶縁膜３０の膜種類を変更することにより不純物拡散層にダメージが生じることを防止することが可能である。
（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照して説明する。図７〜９は第１の実施形態に係る固体撮像装置であり、図７は平面構成を示しており、図８は図７を拡大して示しており、図９は図８のIXａ−IXａ線に沿った断面構成を示している。図７〜９において図１〜３と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
以下に、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照して説明する。図７〜９は第１の実施形態に係る固体撮像装置であり、図７は平面構成を示しており、図８は図７を拡大して示しており、図９は図８のIXａ−IXａ線に沿った断面構成を示している。図７〜９において図１〜３と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
本実施形態の固体撮像装置は、配線領域３において層間絶縁膜３０の膜厚がチップの周縁部に向かうほど薄くなる傾斜面を有し、外部接続用パッド３１は、傾斜面に形成されていることを特徴とする。
このような傾斜面は、層間絶縁膜３０の傾斜面となる領域以外の領域に、レジストマスクを形成し、層間絶縁膜３０をエッチング処理することにより形成することが可能である。
外部接続用パッド３１を配線領域３の上側に形成した場合、外部接続用パッド３１と画素形成領域２との間隔が小さくなるため、外部接続用パッド３１に接続されたボンディングワイヤ３３によって画素１１への光の入射が阻害させる恐れがある。
しかし、本実施形態の固体撮像装置においては、ボンディングワイヤ３３と半導体基板チップ１の上面とがなす角度（取り付け角度）θを小さくすることができるため、画素１１周辺の光がワイヤ３３に反射して画素１１に入射することを抑えることが可能となる。
本発明の固体撮像装置は、画素への光の入射を阻害することなく、画素の形成された素子形成領域がチップに占める割合を向上させ、集積度が高い固体撮像装置を実現できるという効果を有し、固体撮像装置等に有用である。
１ 半導体基板チップ
２ 素子形成領域
２Ａ 画素形成領域
２Ｂ 水平転送レジスタ形成領域
３ 配線領域
１１ 画素
１２ 垂直転送レジスタ
１３ 水平転送レジスタ
１４ 出力バッファ
２０ 垂直転送チャネル
２１ 垂直転送電極
２３ 水平転送チャネル
２４ 水平転送電極
２８ バス配線
３０ 層間絶縁膜
３１ 外部接続用パッド
３２ プラグ
３３ ボンディングワイヤ
２ 素子形成領域
２Ａ 画素形成領域
２Ｂ 水平転送レジスタ形成領域
３ 配線領域
１１ 画素
１２ 垂直転送レジスタ
１３ 水平転送レジスタ
１４ 出力バッファ
２０ 垂直転送チャネル
２１ 垂直転送電極
２３ 水平転送チャネル
２４ 水平転送電極
２８ バス配線
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３１ 外部接続用パッド
３２ プラグ
３３ ボンディングワイヤ
Claims (8)
- それぞれが半導体基板チップの画素形成領域の上に２次元マトリックス状に配列された複数の光電変換素子と、
垂直転送チャネル及び垂直転送電極からなり、前記各光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタと、
水平転送チャネル及び水平転送電極からなり、前記垂直転送レジスタから転送された前記信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送電極及び前記水平転送電極と電気的に接続されたバス配線と、
前記バス配線と電気的に接続された外部接続用パッドとを備え、
前記外部接続用パッドは、前記画素形成領域と分離された領域の上における、前記バス配線及び前記水平転送電極の上方で且つ前記垂直転送電極の上方を除く部分に設けられていることを特徴とする固体撮像装置。 - それぞれが半導体基板チップの上に２次元マトリックス状に配列された複数の光電変換素子と、
垂直転送チャネル及び垂直転送電極からなり、前記各光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタと、
水平転送チャネル及び水平転送電極からなり、前記垂直転送レジスタから転送された前記信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送電極及び前記水平転送電極と電気的に接続されたバス配線と、
前記バス配線と電気的に接続された外部接続用パッドとを備え、
前記外部接続用パッドは、前記バス配線及び前記水平転送電極の上方に設けられ、且つ前記半導体基板チップの主面に対して傾斜して設けられていることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記外部接続用パッドは、前記水平転送チャネルの上方に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
- 前記水平転送電極は、導体層であり、前記外部接続用パッドは、金属層であることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
- 前記導体層は、ポリシリコンからなることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
- 前記外部接続用パッドは、前記バス配線とコンタクトプラグを介在させて電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置
- 前記光電変換素子、垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタは、ＣＣＤ型イメージセンサを構成していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 前記外部接続用パッドは、前記バス配線の形成領域及び前記水平転送レジスタの形成領域の上に跨って形成されており、その一部のみが前記水平転送チャネルの上に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
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