JPWO2016185901A1 - 固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
1.固体撮像装置の概略の構造
2.固体撮像装置のシステム構成
3.画素の回路配置構成例
4.入力回路部と出力回路部の構成例
5.固体撮像装置の回路配置構成例
6.固体撮像装置の断面構造
7.他の上下配線接続構造を用いた場合の固体撮像装置の回路配置
8.他の固体撮像装置との比較例
9.固体撮像装置の他の回路配置構成例
10.固体撮像装置の詳細構造
11.製造方法
12.さらなる変形例
13.3層の積層構造体の例
14.電子機器への適用例
15.イメージセンサの使用例
図1は、本技術を採用した半導体装置としての固体撮像装置の概略の構造を示している。
図2は、固体撮像装置1のシステム構成例を示すブロック図である。
図3は、本実施形態に係る固体撮像装置1の画素31の回路配置構成例を示している。
図4は、本実施形態に係る固体撮像装置1の入力部21Aに備わる入力回路部42と、出力部21Bに備わる出力回路部47の回路配置構成例を示している。
(1) 固体撮像装置1の入力端子41から入力回路部42へ入力されるデータと、入力回路部42から固体撮像装置1の内部回路へと出力されるデータとにおいて、論理が同じ、もしくは反転するだけの回路である、言い換えれば、信号列におけるデータの並びを変えない回路である、さらに言い換えれば、信号列において論理の”1”と”0”若しくは”Hi”と”Low”が切替わる位置を変えない回路である。
(2) 固体撮像装置1の入力端子41に入力された信号の電圧振幅を、入力回路部42の後段に配置された回路、言い換えれば固体撮像装置1においてより内部となる回路が受け取るに好ましい電圧振幅へと変換する回路である。この回路は、回路に入力されたデータを、電圧振幅が小さくなる方向へ変換する場合がある。
(2)’ または、入力回路部42に入力された信号(例えばLVDSの小振幅差動信号)を、入力回路部42の後段に配置された回路、言い換えれば固体撮像装置1においてより内部となる回路が受け取るに好ましいフォーマットもしくは電圧振幅(例えばシングルエンドでフルスイングするデジタル信号)へと変換して出力する回路である。この回路は、回路に入力されたデータを、電圧振幅が大きくなる方向へ変換する場合がある。
(3) さらに、入力回路部42へ過大なノイズが入力され場合に、このノイズを入力回路部42の後段に配置された回路、言い換えれば固体撮像装置1においてより内部となる回路へ伝播させずに遮断する保護回路を備える場合もある。
(1) 固体撮像装置1の内部回路から出力回路部47へ入力されるデータと、出力回路部47から固体撮像装置1の出力端子48を介して固体撮像装置1の外部へと出力されるデータとにおいて、論理が同じ、もしくは反転するだけの回路である、言い換えれば、信号列におけるデータの並びを変えない回路である、さらに言い換えれば、信号列において論理の”1”と”0”若しくは”Hi”と”Low”が切替わる位置を変えない回路である。
(2) 固体撮像装置1の出力端子48と固体撮像装置1に接続される外部素子との間の信号線を、駆動する電流能力を大きくする回路である。若しくは、信号線の電圧振幅を大きくする回路である。この回路は、回路に入力されたデータを、電圧振幅が大きくなる方向へ変換する場合がある。
(2)’ または、固体撮像装置1の内部の回路から出力回路部47に入力された信号(シングルエンドでフルスイングするデジタル信号)を、出力端子48に接続された外部素子が信号を受け取るに好ましいフォーマットもしくは電圧振幅(例えばLVDSの小振幅差動信号)へと変換して出力する回路である。この回路は、回路に入力されたデータを、電圧振幅が小さくなる方向へ変換する場合がある。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置1の回路の配置、すなわち、図2に示した固体撮像装置1の各ブロックを、上側構造体11と下側構造体12とにどのように分けて搭載するかを説明する。
本実施形態に係る固体撮像装置1の断面構造と回路配置を、図6を参照してさらに説明する。
図6は、図5のA−A’線における固体撮像装置1に係る断面構造を示す図である。なお、便宜上、図6の一部は、この後説明する本技術の他の構成例における断面構造へと替えて記載してある。
他の上下配線接続構造を用いた場合の、固体撮像装置1の回路の配置と断面構造を、図7と図8を参照して説明する。
図7は、固体撮像装置1の第2の回路配置構成例を示す図である。
<比較例1>
他の固体撮像装置の構造と比較して、固体撮像装置1の構造の特徴について説明する。
図10は、比較例2として、特開2010−50149号公報(比較構造開示文献2)に開示された、固体撮像装置の最終形状における断面を表す図である。
図11は、比較例3として、特開2011−9645号公報(比較構造開示文献3)に開示された、固体撮像装置の最終形状における断面を表す図である。
固体撮像装置1は、(1)外部端子14と、(2)外部端子14に接続する入力回路部42もしくは出力回路部47を形成した半導体領域と、(3)撮像を行うフォトダイオード51および画素トランジスタを形成した半導体領域と、(4)カラーフィルタ15およびオンチップレンズ16と、(5)保護基板18と、を略同一となる領域に積層した構造によって、外形サイズを小さくすることができるものである。
<第3の回路配置構成例>
図12は、固体撮像装置1の他の回路配置構成例であって、第1の回路配置構成例の変形となる第3の回路配置構成例を示す図である。
図13は、固体撮像装置1の他の回路配置構成例であって、第1及び第3の回路配置構成例の変形となる第4の回路配置構成例を示す図である。
図15は、固体撮像装置1の他の回路配置構成例であって、第1、第3、及び第4の回路配置構成例の変形となる第5の回路配置構成例を示す図である。
図16は、固体撮像装置1の他の回路配置構成例であって、第1及び第3の回路配置構成例の変形となる第6の回路配置構成例を示す図である。
図17は、固体撮像装置1の他の回路配置構成例であって、第5の回路配置構成例の変形となる第7の回路配置構成例を示す図である。
図18は、固体撮像装置1の他の回路配置構成例であって、第7の回路配置構成例の変形となる第8の回路配置構成例を示す図である。
図19は、固体撮像装置1の他の回路配置構成例であって、第5の回路配置構成例の変形となる第9の回路配置構成例を示す図である。
図20は、固体撮像装置1の他の回路配置構成例であって、第2の回路配置構成例の変形となる第10の回路配置構成例を示す図である。
図22は、固体撮像装置1の他の回路配置構成例であって、第10の回路配置構成例の変形となる第11の回路配置構成例を示す図である。
次に、図23を参照して、固体撮像装置1の詳細構造について説明する。図23は、ツインコンタクト構造を備えた固体撮像装置1の外周付近を拡大して示した断面図である。
<ツインコンタクト構造の場合の製造方法>
次に、図24乃至図38を参照して、ツインコンタクト構造を備えた固体撮像装置1の製造方法について説明する。
次に、図39乃至図43を参照して、下側構造体12と上側構造体11がCu-Cu直接接合構造により接続される場合の固体撮像装置1の製造方法について説明する。
<さらなる変形例その1>
次に、図44を参照して、固体撮像装置1のさらなる変形例について説明する。
次に、図45を参照して、固体撮像装置1のさらなる変形例について説明する。
次に、図46を参照して、固体撮像装置1のさらなる変形例について説明する。
次に、図47を参照して、固体撮像装置1のさらなる変形例について説明する。
上述した各実施形態は、固体撮像装置1の積層構造体13が、下側構造体12と上側構造体11の2層で構成されていたが、3層以上の構造体で構成することもできる。
本技術は、固体撮像装置への適用に限られるものではない。即ち、本開示は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機など、画像取込部(光電変換部)に固体撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像装置は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
(1)
光電変換を行う画素が2次元配列された画素アレイ部が形成された第1構造体と、
前記第1構造体の上方に位置するガラス基板と、
所定の信号を装置の外部から入力させる入力回路部、前記画素から出力された画素信号を装置の外部へ出力するための出力回路部、及び、信号処理回路が形成され、前記第1構造体の下方に位置する第2構造体とが、
積層されて構成されており、
前記出力回路部、前記出力回路部に接続され前記第2構造体の一部を構成する半導体基板を貫通する第1貫通ビア、及び、前記第1貫通ビアを介して前記出力回路部を前記装置の外部と接続する信号出力用外部端子を含む出力部と、
前記入力回路部、前記入力回路部に接続され前記半導体基板を貫通する第2貫通ビア、及び、前記第2貫通ビアを介して前記入力回路部を前記装置の外部と接続する信号入力用外部端子を含む入力部とが、
前記第1構造体の前記画素アレイ部の下方に配置されている
固体撮像装置。
(2)
光電変換を行う画素が2次元配列された画素アレイ部が形成された第1構造体と、前記画素から出力された画素信号を装置の外部へ出力するための出力回路部が形成された第2構造体とが積層されて構成されており、
前記出力回路部、前記第2構造体の一部を構成する半導体基板を貫通する第1貫通ビア、及び、前記装置の外部と接続する信号出力用外部端子が、前記第1構造体の前記画素アレイ部の下方に配置され、
前記出力回路部は、前記第1貫通ビアを介して、前記信号出力用外部端子と接続されている
固体撮像装置。
(3)
前記第1構造体には、前記画素を駆動する駆動部の少なくとも一部が、前記画素アレイ部の周辺に画素周辺回路領域として形成されており、
複数の前記出力回路部の一部は、前記第1構造体の前記画素周辺回路領域の下方にも配置され、前記第1貫通ビアを介して、前記信号出力用外部端子と接続されている
前記(2)に記載の固体撮像装置。
(4)
前記信号出力用外部端子は、はんだボールである
前記(2)または(3)に記載の固体撮像装置。
(5)
前記はんだボールは、前記第1貫通ビアと重なる平面位置に形成されている
前記(4)に記載の固体撮像装置。
(6)
前記はんだボールは、再配線を介して前記第1貫通ビアと電気的に接続されている
前記(4)に記載の固体撮像装置。
(7)
前記信号出力用外部端子は、再配線である
前記(2)または(3)に記載の固体撮像装置。
(8)
前記出力回路部は、前記信号出力用外部端子と1対1に配置されている
前記(2)乃至(7)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(9)
前記出力回路部は、列状に配置されている
前記(2)乃至(7)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(10)
前記出力回路部は、複数個の前記信号出力用外部端子単位で集積して配置されている
前記(2)乃至(7)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(11)
前記第2構造体には、所定の信号を前記装置の外部から入力させる入力回路部も形成されており、
前記入力回路部は、前記第1構造体の前記画素アレイ部の下方に配置され、前記第2構造体の一部を構成する半導体基板を貫通する第2貫通ビアを介して、前記装置の外部と接続する信号入力用外部端子と接続されている
前記(2)乃至(10)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(12)
前記第1構造体には、前記画素を駆動する駆動部の少なくとも一部が、前記画素アレイ部の周辺に画素周辺回路領域として形成されており、
複数の前記入力回路部の一部は、前記第1構造体の前記画素周辺回路領域の下方にも配置され、前記第2貫通ビアを介して、前記信号入力用外部端子と接続されている
前記(11)に記載の固体撮像装置。
(13)
前記第2構造体には、信号処理回路領域も形成されている
前記(2)乃至(12)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(14)
前記第1構造体と前記第2構造体は、ツインコンタクト構造により、電気的に接続されている
前記(2)乃至(13)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(15)
前記第1構造体と前記第2構造体は、シェアコンタクト構造により、電気的に接続されている
前記(2)乃至(13)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(16)
前記第1構造体と前記第2構造体は、Cu-Cu接合により、電気的に接続されている
前記(2)乃至(13)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(17)
前記第1構造体の前記画素アレイ部内のオンチップレンズの上に、前記オンチップレンズを保護する保護基板が配置されている
前記(2)乃至(16)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(18)
前記第1構造体と前記第2構造体に加えて、データ保持部が形成された第3構造体を含む3層の積層構造体で構成されている
前記(2)乃至(17)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(19)
光電変換を行う画素が2次元配列された画素アレイ部が形成された第1構造体と、前記画素から出力された画素信号を装置の外部へ出力するための出力回路部が前記画素アレイ部の下方となるように形成された第2構造体とを、配線層どうしが向き合うようにして貼り合わせ、
前記第2構造体の一部を構成する半導体基板を貫通する貫通ビアを形成し、
前記貫通ビアを介して前記出力回路部と電気的に接続し、前記装置の外部と接続する信号出力用外部端子を、前記第1構造体の前記画素アレイ部の下方となる位置に形成する
固体撮像装置の製造方法。
(20)
光電変換を行う画素が2次元配列された画素アレイ部が形成された第1構造体と、前記画素から出力された画素信号を装置の外部へ出力するための出力回路部が形成された第2構造体とが積層されて構成されており、
前記出力回路部、前記第2構造体の一部を構成する半導体基板を貫通する貫通ビア、及び、前記装置の外部と接続する信号出力用外部端子が、前記第1構造体の前記画素アレイ部の下方に配置され、
前記出力回路部は、前記貫通ビアを介して、前記信号出力用外部端子と接続されている
固体撮像装置
を備える電子機器。
Claims (20)
- 光電変換を行う画素が2次元配列された画素アレイ部が形成された第1構造体と、
前記第1構造体の上方に位置するガラス基板と、
所定の信号を装置の外部から入力させる入力回路部、前記画素から出力された画素信号を装置の外部へ出力するための出力回路部、及び、信号処理回路が形成され、前記第1構造体の下方に位置する第2構造体とが、
積層されて構成されており、
前記出力回路部、前記出力回路部に接続され前記第2構造体の一部を構成する半導体基板を貫通する第1貫通ビア、及び、前記第1貫通ビアを介して前記出力回路部を前記装置の外部と接続する信号出力用外部端子を含む出力部と、
前記入力回路部、前記入力回路部に接続され前記半導体基板を貫通する第2貫通ビア、及び、前記第2貫通ビアを介して前記入力回路部を前記装置の外部と接続する信号入力用外部端子を含む入力部とが、
前記第1構造体の前記画素アレイ部の下方に配置されている
固体撮像装置。 - 光電変換を行う画素が2次元配列された画素アレイ部が形成された第1構造体と、前記画素から出力された画素信号を装置の外部へ出力するための出力回路部が形成された第2構造体とが積層されて構成されており、
前記出力回路部、前記第2構造体の一部を構成する半導体基板を貫通する第1貫通ビア、及び、前記装置の外部と接続する信号出力用外部端子が、前記第1構造体の前記画素アレイ部の下方に配置され、
前記出力回路部は、前記第1貫通ビアを介して、前記信号出力用外部端子と接続されている
固体撮像装置。 - 前記第1構造体には、前記画素を駆動する駆動部の少なくとも一部が、前記画素アレイ部の周辺に画素周辺回路領域として形成されており、
複数の前記出力回路部の一部は、前記第1構造体の前記画素周辺回路領域の下方にも配置され、前記第1貫通ビアを介して、前記信号出力用外部端子と接続されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記信号出力用外部端子は、はんだボールである
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記はんだボールは、前記第1貫通ビアの位置と重なる平面位置に形成されている
請求項4に記載の固体撮像装置。 - 前記はんだボールは、再配線を介して前記第1貫通ビアと電気的に接続されている
請求項4に記載の固体撮像装置。 - 前記信号出力用外部端子は、再配線である
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記出力回路部は、前記信号出力用外部端子と1対1に配置されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記出力回路部は、列状に配置されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記出力回路部は、複数個の前記信号出力用外部端子単位で集積して配置されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第2構造体には、所定の信号を前記装置の外部から入力させる入力回路部も形成されており、
前記入力回路部は、前記第1構造体の前記画素アレイ部の下方に配置され、前記第2構造体の一部を構成する半導体基板を貫通する第2貫通ビアを介して、前記装置の外部と接続する信号入力用外部端子と接続されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1構造体には、前記画素を駆動する駆動部の少なくとも一部が、前記画素アレイ部の周辺に画素周辺回路領域として形成されており、
複数の前記入力回路部の一部は、前記第1構造体の前記画素周辺回路領域の下方にも配置され、前記第2貫通ビアを介して、前記信号入力用外部端子と接続されている
請求項11に記載の固体撮像装置。 - 前記第2構造体には、信号処理回路領域も形成されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1構造体と前記第2構造体は、ツインコンタクト構造により、電気的に接続されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1構造体と前記第2構造体は、シェアコンタクト構造により、電気的に接続されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1構造体と前記第2構造体は、Cu-Cu接合により、電気的に接続されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1構造体の前記画素アレイ部内のオンチップレンズの上に、前記オンチップレンズを保護する保護基板が配置されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1構造体と前記第2構造体に加えて、データ保持部が形成された第3構造体を含む3層の積層構造体で構成されている
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 光電変換を行う画素が2次元配列された画素アレイ部が形成された第1構造体と、前記画素から出力された画素信号を装置の外部へ出力するための出力回路部が前記画素アレイ部の下方となるように形成された第2構造体とを、配線層どうしが向き合うようにして貼り合わせ、
前記第2構造体の一部を構成する半導体基板を貫通する貫通ビアを形成し、
前記貫通ビアを介して前記出力回路部と電気的に接続し、前記装置の外部と接続する信号出力用外部端子を、前記第1構造体の前記画素アレイ部の下方となる位置に形成する
固体撮像装置の製造方法。 - 光電変換を行う画素が2次元配列された画素アレイ部が形成された第1構造体と、前記画素から出力された画素信号を装置の外部へ出力するための出力回路部が形成された第2構造体とが積層されて構成されており、
前記出力回路部、前記第2構造体の一部を構成する半導体基板を貫通する貫通ビア、及び、前記装置の外部と接続する信号出力用外部端子が、前記第1構造体の前記画素アレイ部の下方に配置され、
前記出力回路部は、前記貫通ビアを介して、前記信号出力用外部端子と接続されている
固体撮像装置
を備える電子機器。
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