KR100671102B1 - 고체촬상장치 - Google Patents

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유지 마츠다
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 화소에의 광 입사를 저해하는 일없이, 화소가 형성된 소자형성영역이 칩을 점유하는 비율을 향상시켜, 집적도 높은 고체촬상장치를 실현할 수 있도록 하는 것이다.
반도체기판 칩(1)에 형성된 소자형성영역(2)에는, 행렬(matrix)상으로 배치된 광전변환을 행하는 복수의 화소(11)와, 화소(11)에서 생성된 신호전하를 순차 전송하는 수직전송레지스터(12) 및 수평전송레지스터(13)가 배치된다. 소자형성영역(2)의 주위에 형성된 배선영역(3)에는, 수직전송레지스터(12) 및 수평전송레지스터(13)를 구동시키는 전송클록펄스를 공급하는 복수의 버스배선(28)이 형성된다. 각 버스배선(28)은, 반도체기판 칩(1) 상에 형성된 층간절연막(30)으로 매입된다. 배선영역(3)의 층간절연막(30) 상면에는, 백금 등으로 이루어지는 복수의 외부접속용 패드(31)가 버스배선(28)과 중첩부분을 갖도록 형성된다.
고체촬상장치, 반도체기판 칩, 외부접속용 패드

Description

고체촬상장치{SOLID STATE IMAGING DEVICE}
도 1은, 본 발명의 제 1 실시예에 관한 고체촬상장치를 나타내는 평면도.
도 2는, 본 발명의 제 1 실시예에 관한 고체촬상장치 주요부를 확대시켜 나타내는 평면도.
도 3은, 본 발명의 제 1 실시예에 관한 고체촬상장치 주요부를 확대시켜 나타내는 단면도.
도 4는, 본 발명의 제 2 실시예에 관한 고체촬상장치를 나타내는 평면도.
도 5는, 본 발명의 제 2 실시예에 관한 고체촬상장치 주요부를 확대시켜 나타내는 평면도.
도 6은, 본 발명의 제 2 실시예에 관한 고체촬상장치 주요부를 확대시켜 나타내는 단면도.
도 7은, 본 발명의 제 3 실시예에 관한 고체촬상장치를 나타내는 평면도.
도 8은, 본 발명의 제 3 실시예에 관한 고체촬상장치 주요부를 확대시켜 나타내는 평면도.
도 9는, 본 발명의 제 3 실시예에 관한 고체촬상장치 주요부를 확대시켜 나타내는 단면도.
도 10은, 종래의 고체촬상장치를 나타내는 평면도.
도 11은, 종래의 패드를 소자형성영역 상에 배치한 반도체장치를 나타내는 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 반도체기판 칩 2 : 소자형성영역
2A : 화소형성영역 2B : 수평전송레지스터 형성영역
3 : 배선영역 11 : 화소
12 : 수직전송레지스터 13 : 수평전송레지스터
14 : 출력버퍼 20 : 수직전송채널
21 : 수직전송전극 23 : 수평전송채널
24 : 수평전송전극 28 : 버스배선
30 : 층간절연막 31 : 외부접속용 패드
32 : 플러그 33 : 본딩와이어
본 발명은 고체촬상장치에 관한 것이며, 특히 칩을 확대시키는 일없이 다화소화 및 고집적화 가능한 고체촬상장치에 관한 것이다.
이하에 종래의 고체촬상장치에 대해 도면을 참조하면서 설명한다(예를 들어 특허문헌1: 일특개 2004-207804호 공보 참조). 도 10은 종래의 전하결합소자(common charge-coupled device; CCD)를 이용한 고체촬상장치의 평면구성을 나타낸 다.
이 고체촬상장치는, 반도체기판 칩(101) 상에, 복수의 화소(감지기)(111)가 행렬상으로 배치되며, 행방향으로 인접하는 감지기(111) 사이에는 열방향으로 이어지는 수직전송레지스터(112)가 각각 형성된다. 각 수직전송레지스터(112)의 말단부에는, 수평전송레지스터(113)가 수직전송레지스터(112)와 직교하여 배치된다.
반도체기판 칩(101)의 화소(111), 수직전송레지스터(112) 및 수평전송레지스터(113)가 형성된 소자형성영역(102) 주변에는, 수평전송레지스터(113)의 말단과 접속되며, 수평전송레지스터(113)로부터 수취한 신호전하를 전압신호 등으로 변환시켜 출력하는 출력버퍼부(114)가 형성된다.
또, 수직전송레지스터(112) 및 수평전송레지스터(113)에 구동용 신호를 공급하는 배선이 형성된 배선영역(103)이 형성되며, 배선영역 외측에 형성된 패드형성영역(104)에는 복수의 외부접속용 패드(115)가 형성된다.
여기서 도 10에서는, 간략화를 위해 화소(111), 수직전송레지스터(112), 패드(115)의 일부만을 도시한다. 또 수평전송레지스터는 1개만이 아닌 복수 형성되는 경우도 있다.
다음으로, 종래의 칩 크기 축소를 목적으로 한 본딩패드의 구조에 대해 도면을 참조하면서 설명한다(예를 들어 특허문헌2: 일특개소 57-87145호 공보 참조).
도 11은 종래 반도체장치의 단면구조를 나타낸다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 반도체기판 칩(120)의 표면 근방에 간격을 두고 형성된 불순물확산층인 드레인영역(121) 및 소스영역(122)과, 드레인영역(121)과 소스영역(122) 사이에 형성된 게이트전극(123)으로 이루어지는 트랜지스터가 형성된다. 드레인영역(121) 및 소스영역(122)에는, 각각 전극배선(124) 및 전극배선(125)이 접속된다. 게이트전극(123), 전극배선(124) 및 전극배선(125)은 층간절연막(126)으로 피복되며, 층간절연막(126) 상의 트랜지스터와 중첩되는 영역에는, 외부접속용 패드(127)가 형성된다.
이와 같이, 소자형성영역과 패드형성영역이 입체적으로 겹치도록 함으로써, 칩에서 소자형성영역이 차지하는 비율을 높일 수 있어, 칩의 고집적화가 가능해진다.
전자산업에서는 기기의 소형화 및 고성능화가 강하게 요구되고 있으며, 반도체 분야에서는 칩의 고집적화, 즉 동일 성능에서의 칩 크기 소형화 및 동일 크기에서의 고성능화가 요구되고 있다.
때문에, 고체촬상장치를 포함하는 반도체장치에서는, 현재까지 장치를 구성하는 불순물확산영역이나 전송전극, 배선 등의 미세화를 실행함으로써 칩 크기의 소형화 및 동일크기에서의 고성능화에 대응하고 있다.
그러나 불순물확산영역이나 배선의 미세화는, 트랜지스터 특성의 열화를 초래할 뿐 아니라, 신규설비 및 신규프로세스의 도입 등이 필요해 원가 상승의 요인이 된다. 또한 고체촬상장치에서는, 불순물확산영역인 화소를 작게 하면 입사되는 광의 양이 적어지므로, 고체촬상장치의 중요한 특성인 감도, 포화특성 및 S/N특성이 저하된다는 문제가 있다.
한편, 반도체장치의 칩 크기는, 능동소자 및 수동소자가 형성된 소자형성영역과, 소자형성영역의 주변영역에 배치되며 와이어본딩 등을 목적으로 하는 본딩패드가 형성된 패드형성영역으로 결정된다. 때문에 칩 크기의 소형화와 다화소화를 양립시켜 실현하기 위해서는, 칩을 차지하는 소자형성영역의 비율을 높게 하는, 즉 패드형성영역을 작게 하는 방법이 효과적이다.
그러나 특허문헌2에 나타난 바와 같은 패드구조를, 특허문헌1에 나타난 종래의 고체촬상장치의 구조에 적용할 경우에는, 화소에 입사하는 광을 패드가 차단하기 때문에, 고체촬상장치의 중요한 특성인 감도 및 포화특성이 저하된다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제를 해결하여, 화소에의 광 입사를 저해하는 일없이, 화소를 형성한 소자형성영역이 칩을 차지하는 비율을 향상시켜, 집적도 높은 고체촬상장치를 실현할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 고체촬상장치의 외부접속용 패드를 배선영역에 형성하는 구성으로 한다.
구체적으로 본 발명에 관한 고체촬상장치는, 각각이 반도체기판 칩 상에 2차원 매트릭스형으로 배열된 복수의 광전변환소자와, 수직전송채널 및 수직전송전극으로 이루어지며 각 광전변환소자로부터의 신호전하를 수직방향으로 전송하는 수직전송레지스터와, 수평전송채널 및 수평전송전극으로 이루어지며 수직전송레지스터로부터 전송된 신호전하를 수평방향으로 전송하는 수평전송레지스터와, 수직전송전 극 및 수평전송전극과 전기적으로 접속된 버스배선과, 버스배선과 전기적으로 접속된 외부접속용 패드를 구비하며, 외부접속용 패드는 버스배선 및 수평전송전극의 위쪽에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고체촬상장치에 의하면 외부접속용 패드는, 버스배선 및 수평전송전극 위쪽에 형성되므로, 외부접속용 패드 형성영역과 배선 형성영역을 일체화할 수 있어, 고체촬상장치를 차지하는 소자 형성영역의 비율을 향상시킬 수 있다. 또 외부접속용 패드의 형성영역과 화소의 형성영역은 완전히 분리되므로, 외부접속용 패드에 의해 화소에의 광 입사가 저해 받는 일은 없다.
본 발명의 고체촬상장치에 있어서, 외부접속용 패드는, 수평전송채널 위쪽에 위치하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 패드가 점유하는 면적 비율을 더욱 저하시킬 수 있음과 더불어, 외부접속용 패드를 차광막으로서 이용할 수 있으므로, 수평전하전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
이 경우, 수평전송전극은 도체층이며, 외부접속용 패드는 금속층인 것이 바람직하다. 또 도체층은, 폴리실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 외부접속용 패드에 의해 수평전송채널로 입사하는 광의 효과적인 차광이 가능해진다.
본 발명의 고체촬상장치에 있어서, 외부접속용 패드는, 반도체기판 칩의 주면에 대해 경사지게 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 외부접속용 패드에 접속되는 본딩와이어의 설치각도를 작게 할 수 있으므로, 화소에의 입사광이 본딩와이어에 의해 저해 받는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 고체촬상장치에 있어서 외부접속용 패드는, 버스배선과 콘택트플러그를 개재시켜 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 외부접속용 패드와 버스배선과의 접속을 간략화 할 수 있어, 칩 크기를 더욱 저감할 수 있다.
본 발명의 고체촬상장치에 있어서, 광전변환소자, 수직전송레지스터 및 수평전송레지스터는, CCD형 영상감지기를 구성하는 것이 바람직하다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다.
(실시예)
제 1 실시예
본 발명의 제 1 실시예에 관한 고체촬상장치에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1∼도 3은 제 1 실시예에 관한 고체촬상장치이며, 도 1은 평면구성을 나타내고, 도 2는 도 1을 확대시켜 나타내며, 도 3은 도 2의 IIIa-IIIa선을 따른 단면구성을 나타낸다.
도 1∼도 3에 나타내는 바와 같이 반도체기판 칩(1)에 형성된 화소형성영역(2A)에는, 복수의 화소(11)가 행렬상으로 배치된다. 각 화소(11)는 포토다이오드 등으로 이루어지며, 입사된 광의 강도에 따른 신호전하를 생성한다.
서로 인접하는 화소(11) 사이에는, 열 방향으로 이어지는 수직전송레지스터(12)가 각각 형성된다. 각 수직전송레지스터(12)는, 반도체기판 칩(1)의 표면 근방에 형성되며 열 방향으로 이어지는 불순물확산층인 수직전송채널(20)과, 행마다 수 직전송채널(20) 상에 형성된 폴리실리콘 등의 도체층으로 이루어지는 복수의 수직전송전극(21)으로 형성된다.
각 수직전송전극(21)에 수직전송 클록펄스를 인가함으로써, 각 화소(11)에서 생성된 신호전하를 열 방향으로 순차 전송하고, 수직전송레지스터(12)의 말단에 접속된 수평전송레지스터(13)에 출력한다. 또 각 수직전송레지스터(12)의 수직전송전극(21)은, 행마다 공통으로 형성되어 각 수직전송레지스터(12)는 동시에 구동된다.
화소형성영역(2A)과 인접하는 수평전송레지스터 형성영역(2B)에는 각 수직전송레지스터(12)의 말단과 접속되며, 행 방향으로 이어지는 수평전송레지스터(13)가 형성된다. 수평전송레지스터(13)는, 각 수직전송채널(20)의 말단에 접속되며, 행 방향으로 이어지는 불순물확산층인 수평전송채널(23)과, 수평전송채널(23) 상에 형성된 폴리실리콘 등의 도체층으로 이루어지는 복수의 수평전송전극(24)으로 이루어진다.
각 수평전송전극(24)에 수평전송 클록펄스를 인가함으로써, 각 수직전송레지스터(12)로부터 전송된 신호전하를 행 방향으로 순차 전송하고, 신호전하를 출력버퍼부(14)에 순차 출력한다.
화소(11), 수직전송레지스터(12) 및 수평전송레지스터(13)가 형성된 소자형성영역(2) 주위에 형성된 배선영역(3)에는, 수직전송전극(21) 및 수평전송전극(24) 각각에 전송클록펄스를 공급하는 복수의 버스배선(28)이 형성된다.
버스배선(28)의 수는 장치의 구동방법에 따라 다르나, 수직전송레지스터(12)를 4상 클록으로 구동시키고, 수평전송레지스터(13)를 2상 클록으로 구동시키며, 전원전압 버스라인을 갖는 일반적인 고체촬상장치의 경우, 버스배선(28)은 4개 내지 6개 필요하다. 또 수직전송레지스터의 수는 다화소화에 따라 10개 내지 14개 정도로 증가한다. 여기서 도 2 및 도 3에서는, 수평전송전극(24)과 접속된 2개의 버스배선만을 도시한다.
각 버스배선(28)은 알루미늄 또는 구리 등의 금속층으로 이루어지며, 반도체기판 칩(1) 상에 형성된 층간절연막(30)에 매입된다. 배선영역(3)에서의 층간절연막(30) 상면에는, 알루미늄, 구리, 금 또는 백금 등의 금속층으로 이루어지는 복수의 외부접속용 패드(31)가, 버스배선(28)과 중첩부분을 갖도록 형성된다.
고체촬상장치의 칩 크기는, 소자형성영역(2)의 면적과, 배선영역(3)의 면적과, 패드형성영역의 면적으로 결정된다. 따라서 이와 같이 외부접속용 패드(31)를 버스배선(28)이 형성된 배선영역(3) 상에 형성하여, 패드형성영역을 별도로 형성할 필요가 없는 구조로 함으로써, 칩 크기의 축소가 가능해진다. 또 소자형성영역(2)이 칩을 차지하는 비율을 높일 수 있어 고체촬상장치를 고집적화할 수 있다.
한편, 화소형성영역(2A)에는 외부접속용 패드(31)가 형성되지 않으므로, 화소(11)에 입사하는 광이 외부접속용 패드(31)에 의해 차단되는 일은 없다.
또한 외부접속용 패드(31)와 버스배선(28)을 비어플러그(32)로 접속하기가 가능해져, 외부접속용 패드(31)와 버스배선(28)을 접속하기 위한 배선을 삭감할 수 있다.
또 외부접속용 패드(31) 아래쪽에 불순물확산영역이 형성될 경우는, 외부접속용 패드(31)를 형성할 때의 충격 및 외부접속용 패드(31)에 본딩처리를 행할 때 의 기계적 충격에 의해, 불순물확산영역의 특성 열화가 발생할 경우가 있다.
특히 CCD의 경우, 불순물확산영역인 수직전송채널 및 수평전송채널 내를, 화상정보인 신호전하가 이동하므로, 불순물확산영역의 특성은 화상특성에 커다란 영향을 미친다.
그러나 본 실시예에 관한 고체촬상장치에서, 외부접속용 패드(31)는 소자형성영역(2) 주위에 형성된 배선영역(3)에 형성된다. 따라서 외부접속용 패드(31) 아래쪽에는 불순물확산영역이 형성되지 않으므로, 외부접속용 패드(31) 형성 시의 처리손상이 불순물확산영역인 수평전송채널에 손상을 주는 일은 없다. 그 결과, 본 실시예의 고체촬상장치는, 수평전하전송의 동작이상을 일으키는 일없이 칩을 축소시킬 수 있다.
구체적으로, 디지털카메라 등에서 자주 사용되는 칩 크기가 가로세로 5mm 정도인 촬상장치에 있어서, 가로세로 100㎛ 정도 크기의 외부접속용 패드를 30개 정도 형성하는 것이 일반적이다.
이 경우 종래의 고체촬상장치에서는, 패드형성영역 및 배선영역으로서 칩 둘레부로부터 0.3mm 정도의 영역이 필요하므로 실제 소자형성 가능 영역은 칩의 75% 정도이다.
그러나 본 실시예의 고체촬상장치에서는, 외부접속용 패드를 배선영역에 형성함으로써 칩 면적의 90% 정도를 소자형성영역으로 하기가 가능해진다. 따라서 본 실시예의 고체촬상장치에서는, 칩 크기를 크게 하는 일없이 고화소화가 가능하다. 또 동일 화소수라면 칩 크기를 작게 할 수 있다.
제 2 실시예
이하에 본 발명의 제 2 실시예에 관한 고체촬상장치에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 4∼도 6은 제 2 실시예에 관한 고체촬상장치이며, 도 4는 평면구성을 나타내고, 도 5는 도 4를 확대시켜 나타내며, 도 6은 도 5의 VIa-VIa선을 따른 단면구성을 나타낸다. 도 4∼도 6에 있어서 도 1∼도 3과 동일한 구성요소에는 동일 부호를 부여함으로써 설명을 생략한다.
본 실시예의 고체촬상장치에서, 외부접속용 패드(31)는 배선영역(3)과 수평전송레지스터 형성영역(2B)에 걸쳐지도록 형성되며, 외부접속용 패드(31)의 일부분이 수평전송채널(23) 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
외부접속용 패드(31)를 형성하는 알루미늄, 구리, 금 또는 백금 등의 금속층은, 수평전송전극(24)을 형성하는 폴리실리콘 등의 도체층에 비해 광을 차광하는 특성이 우수하므로, 외부접속용 패드(31)가 수평전송채널(23)에 입사하는 광을 차단하는 차광막으로서 기능한다. 따라서 본 실시예의 고체촬상장치는, 칩을 축소화시킬 수 있음과 더불어, 수평방향의 신호전하전송 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 불순물확산영역인 수평전송채널(23) 위쪽에 외부접속용 패드(31)를 형성하므로, 불순물확산영역에 손상을 주는 것도 생각할 수 있으나, 층간절연막(30)을 두껍게 하는 후막화 또는 층간절연막(30)의 막 종류를 변경함으로써 불순물확산층에 손상이 생기는 것을 방지할 수 있다.
제 3 실시예
이하에 본 발명의 제 3 실시예에 관한 고체촬상장치에 대해 도면을 참조하면 서 설명한다. 도 7∼도 9는 제 3 실시예에 관한 고체촬상장치이며, 도 7은 평면구성을 나타내고, 도 8은 도 7을 확대시켜 나타내며, 도 9는 도 8의 IXa-IXa선을 따른 단면구성을 나타낸다. 도 7∼도 9에 있어서 도 1∼도 3과 동일한 구성요소에는 동일 부호를 부여함으로써 설명을 생략한다.
본 실시예의 고체촬상장치는, 배선영역(3)에서 층간절연막(30)의 막 두께가 칩 둘레부로 향할수록 얇아지는 경사면을 가지며, 외부접속용 패드(31)는 경사면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 경사면은, 층간절연막(30)의 경사면이 될 영역 이외의 영역에, 레지스트마스크를 형성하여 층간절연막(30)을 에칭처리 함으로써 형성 가능하다.
외부접속용 패드(31)를 배선영역(3) 위쪽에 형성할 경우, 외부접속용 패드(31)와 화소형성영역(2A)의 간격이 작아지기 때문에, 외부접속용 패드(31)에 접속된 본딩와이어(33)에 의해 화소(11)에의 광 입사가 저해될 우려가 있다.
그러나 본 실시예의 고체촬상장치에서는, 본딩와이어(33)와 반도체기판 칩(1)의 상면이 이루는 각도(설치각도)(θ)를 작게 할 수 있으므로, 화소(11) 주변의 광이 본딩와이어(33)에 반사되어 화소(11)로 입사되는 것을 억제하기가 가능하다.
본 발명의 고체촬상장치에 의하면, 화송의 광 입사를 저해하는 일없이, 화소가 형성된 소자형성영역이 칩을 차지하는 비율을 향상시켜, 집적도 높은 고체촬상장치를 실현할 수 있다.

Claims (7)

  1. 각각이 반도체기판 칩 상에 2차원 매트릭스형으로 배열된 복수의 광전변환소자와,
    수직전송채널 및 수직전송전극으로 이루어지며, 상기 각 광전변환소자로부터의 신호전하를 수직방향으로 전송하는 수직전송레지스터와,
    수평전송채널 및 수평전송전극으로 이루어지며, 상기 수직전송레지스터로부터 전송된 상기 신호전하를 수평방향으로 전송하는 수평전송레지스터와,
    상기 수직전송전극 및 상기 수평전송전극과 전기적으로 접속된 버스배선과,
    상기 버스배선과 전기적으로 접속된 외부접속용 패드를 구비하며,
    상기 외부접속용 패드는, 상기 버스배선 및 상기 수평전송전극의 위쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부접속용 패드는, 상기 수평전송채널의 위쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수평전송전극은 도체층이며, 상기 외부접속용 패드는 금속층인 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 도체층은, 폴리실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부접속용 패드는, 상기 반도체기판 칩의 주면에 대해 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부접속용 패드는, 상기 버스배선과 콘택트플러그를 개재시켜 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전변환소자, 수직전송레지스터 및 수평전송레지스터는, CCD형 영상감지기를 구성하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
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