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JP2014086465A - 固体撮像装置 - Google Patents

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JP2014086465A JP2012232194A JP2012232194A JP2014086465A JP 2014086465 A JP2014086465 A JP 2014086465A JP 2012232194 A JP2012232194 A JP 2012232194A JP 2012232194 A JP2012232194 A JP 2012232194A JP 2014086465 A JP2014086465 A JP 2014086465A
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友幸 依田
Jiro Hayakawa
二郎 早川
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郁子 井上
Hidefumi Sato
英史 佐藤
Takeshi Kitahara
健 北原
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Abstract

【課題】配線抵抗を低減することで、電源を安定化させる。
【解決手段】固体撮像装置10は、画素領域11及び周辺回路領域12を有する半導体基板20と、周辺回路領域12かつ半導体基板20の表面に設けられ、第1の方向に延在する第1の配線34と、周辺回路領域12かつ半導体基板20の裏面に設けられ、第1の方向に延在する第2の配線42と、第1の配線34の一端及び第2の配線42の一端に接続され、半導体基板20を貫通する第1の貫通電極40と、第1の配線34の他端及び第2の配線42の他端に接続され、半導体基板20を貫通する第2の貫通電極40とを含む。
【選択図】図4

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの固体撮像装置は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、或いは、監視カメラ等、多様な用途で使用されている。固体撮像装置では、画素サイズの縮小化に伴い、フォトダイオードへの入射光量を確保するのに優位な裏面照射型構造が一部で用いられている。裏面照射型固体撮像装置は、受光領域とマイクロレンズとの間に金属配線などの光学的な障害物がなくなるため、感度や画質を向上させることができる。
裏面照射型固体撮像装置は、受光素子を含む画素領域と、例えば画素領域周囲にリング状に形成されかつロジック回路及びアナログ回路を含む周辺回路とを備えている。装置の小型化を目的として周辺回路領域の幅を細くした場合、周辺回路領域の形状が細長くなり、周辺回路内の配線、特に電源配線を十分に設けることが困難となる。これにより、電源配線の抵抗が大きくなり、電源の電圧降下が大きくなる。この結果、装置の電源が不安定になってしまう。
特開2008−311413号公報 特開2010−98219号公報
実施形態は、配線抵抗を低減することで、電源を安定化させることが可能な固体撮像装置を提供する。
実施形態に係る固体撮像装置は、画素領域及び周辺回路領域を有し、かつ第1及び第2の主面を有する半導体基板と、前記周辺回路領域かつ前記半導体基板の第1の主面に設けられ、第1の方向に延在する第1の配線と、前記周辺回路領域かつ前記半導体基板の第2の主面に設けられ、前記第1の方向に延在する第2の配線と、前記第1の配線の一端及び前記第2の配線の一端に接続され、前記半導体基板を貫通する第1の貫通電極と、前記第1の配線の他端及び前記第2の配線の他端に接続され、前記半導体基板を貫通する第2の貫通電極とを具備する。
第1の実施形態に係る固体撮像装置の表面のレイアウト図。 固体撮像装置の裏面のレイアウト図。 図1及び図2のA−A´線に沿った固体撮像装置の断面図。 図1及び図2のB−B´線に沿った固体撮像装置の断面図。 表面配線層の詳細なレイアウト図。 図5に示したC−C´線に沿った表面配線層の断面図。 第2の実施形態に係る周辺回路領域の断面図。 第3の実施形態に係る固体撮像装置の裏面のレイアウト図。 本実施形態の固体撮像装置を用いたデジタルカメラのブロック図。
以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らない。以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
[第1の実施形態]
本実施形態では、固体撮像装置として、裏面照射(BSI:backside illumination)構造を有するCMOSイメージセンサを例に挙げて説明する。
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置10の表面のレイアウト図である。図2は、固体撮像装置10の裏面のレイアウト図である。図3は、図1及び図2のA−A´線に沿った固体撮像装置10の断面図である。図4は、図1及び図2のB−B´線に沿った固体撮像装置10の断面図である。固体撮像装置10の表面とは、半導体基板を基準にして、半導体基板の対向する第1及び第2の主面のうち半導体素子が形成される面に対応する。固体撮像装置10の裏面とは、半導体基板の対向する第1及び第2の主面のうち半導体素子が形成される面と反対面に対応し、本実施形態では、この裏面から光が入射する。
固体撮像装置10は、画素部(画素アレイ)が配置される画素領域11と、画素部を駆動及び制御する周辺回路が配置される周辺回路領域12とを備えている。画素領域11は、受光領域11A及びオプティカルブラック領域(OB領域)11Bからなる。周辺回路領域12は、アナログ回路及びロジック回路を備えており、例えば、画素領域11の周囲を囲むように形成されている。
固体撮像装置10は、第1の主面(表面:front side)と、表面と対向する第2の主面(裏面:backside)とを有する半導体基板20を備えている。半導体基板20は、例えばシリコン(Si)基板から構成される。なお、半導体基板20は、シリコン(Si)からなるエピタキシャル層(半導体層)で構成してもよい。半導体基板20の表面には、表面配線層21が設けられ、半導体基板20の裏面には、裏面配線層22が設けられる。表面配線層21は、複数レベルの配線層、及び層間絶縁層31を含む。裏面配線層22は、配線、遮光膜27、及び平坦化層26を含む。表面配線層21、及び裏面配線層22の具体的な構成については後述する。
半導体基板20の画素領域11には、複数の受光素子23が設けられている。各受光素子23は、主としてフォトダイオードからなる光電変換素子であり、受光した光を電気信号に変換する。半導体基板20の裏面には、平坦化層26が設けられている。平坦化層26の下には、複数のカラーフィルタ24、及び複数のマイクロレンズ25が設けられている。受光素子23、カラーフィルタ24、及びマイクロレンズ25各1つで1つの受光セル(画素)を構成しており、画素領域11(受光領域11A及びオプティカルブラック領域11B)には多数の受光セルがアレイ状に配置されている。
オプティカルブラック領域11Bの半導体基板20の裏面にはさらに遮光膜27が形成されており、この遮光膜27は、基板裏面方向からの光を遮光する。オプティカルブラック領域11Bは、受光素子の暗電流を測定するために用いられる。遮光膜27には遮光性を有する金属が用いられ、例えば、アルミニウム(Al)や銅(Cu)などの金属で形成される。
周辺回路領域12の半導体基板20の表面には、複数のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)30からなるMOSFET群が設けられている。MOSFET群30は、後述の表面信号線と組み合わせてロジック回路、アナログ回路といった周辺回路を形成する。
半導体基板20の表面には、層間絶縁層31と、層間絶縁層31内に形成された複数レベルの配線層とを含む表面配線層21が設けられている。表面配線層21は、複数の信号線32、複数の表面VDD配線33、及び複数の表面VSS配線34を備えている。これらの配線は、アルミニウム(Al)、銅(Cu)などの金属で形成される。信号線32は、複数のMOSFET30を接続してロジック回路、アナログ回路といった周辺回路を形成する。画素領域11の信号線32は、受光素子23とMOSFET30とを接続し、受光素子23が発生した信号を周辺回路に転送している。
図1に示すように、画素領域11よりもX方向両側に配置された表面VDD配線33は、Y方向に延在し、また、半導体基板20のY方向の2辺付近まで延在している。同様に、画素領域11よりもX方向両側に配置された表面VSS配線34は、Y方向に延在し、また、半導体基板20のY方向の2辺付近まで延在している。表面VDD配線33及び表面VSS配線34は、MOSFET群30に電源を供給するための電源配線であり、表面VDD配線33には電源電圧VDD、表面VSS配線34には接地電圧VSSが供給される。電源電圧VDDは例えば1.5V、接地電圧VSSは例えば0Vである。
周辺回路領域12の半導体基板20内には、半導体基板20を貫通する複数の貫通電極40が設けられている。貫通電極40は、表面配線層21と裏面配線層22とを電気的に接続するために設けられている。貫通電極40は、ポリシリコン等の高濃度不純物半導体、あるいはアルミニウム(Al)や銅(Cu)などの金属で形成される。
表面VDD配線33は、ビアプラグ35を介して貫通電極40の一端に電気的に接続されている。また、表面VDD配線33は、ビアプラグ36を介してMOSFET30に電気的に接続されている。同様に、表面VSS配線34は、ビアプラグ35を介して貫通電極40の一端に電気的に接続されている。また、表面VSS配線34は、ビアプラグ36を介してMOSFET30に電気的に接続されている。
周辺回路領域12の半導体基板20の裏面には、複数の裏面VDD配線41、及び複数の裏面VSS配線42が設けられている。図2に示すように、画素領域11よりもX方向両側に配置された裏面VDD配線41は、Y方向に延在し、また、半導体基板20のY方向の2辺付近まで延在している。同様に、画素領域11よりもX方向両側に配置された裏面VSS配線42は、Y方向に延在し、また、半導体基板20のY方向の2辺付近まで延在している。裏面VDD配線41及び裏面VSS配線42は、MOSFET群30に電源を供給するための電源配線であり、裏面VDD配線41には電源電圧VDD、裏面VSS配線42には接地電圧VSSが供給される。なお、図2の例では、画素領域11の周囲に配置された裏面VSS配線42は、画素領域11を囲むように形成されている。
裏面VSS配線42は、貫通電極40の他端に電気的に接続され、この貫通電極40を介して表面VSS配線34に電気的に接続されている。裏面VSS配線42と同様に、裏面VDD配線41についても、貫通電極40を介して表面VDD配線33に電気的に接続されている。裏面VDD配線41及び裏面VSS配線42は、遮光膜27と同一の金属層で形成される。
裏面VSS配線42は、ビアプラグ44を介して、裏面配線層22の下に設けられたVSSパッド45に電気的に接続されている。裏面VDD配線41も同様に、ビアプラグを介して、裏面配線層22の下に設けられたVDDパッド46に電気的に接続されている。また、表面配線層21に含まれる信号線32は、貫通電極40を介して、裏面配線層22の下に設けられた信号パッド47に電気的に接続されている。信号パッド47は、外部装置との間で電気信号を送信及び受信するために設けられ、VSSパッド45、及びVDDパッド46は、外部装置から電源を受けるために設けられている。電極パッド(VSSパッド45、VDDパッド46、及び信号パッド47)は、周辺回路領域12に配置され、さらに、例えば、半導体基板20の4辺のうちX方向両側の2辺に配置されている。
なお、図1には、表面VDD配線、表面VSS配線のうち幹線の配線のみが図示されている。幹線の配線は、表面配線層21のうち、最も配線抵抗が小さい配線層を使用して配線することが望ましい。通常、最上層配線(表面配線層21のうち、最も半導体基板20から遠い配線層)が、配線層の幅及び厚さを大きくできるため、最も配線抵抗が小さい配線層である。図5は、表面配線層21の詳細なレイアウト図である。図6は、図5に示したC−C´線に沿った表面配線層21の断面図である。
図5及び図6に示すように、表面VDD配線33及び表面VSS配線34は、最上層配線で構成されており、Y方向に延在している。表面VDD配線33及び表面VSS配線34の下方には、表面VDD配線33の最下層配線33−1、及び表面VSS配線34の最下層配線34−1が設けられている。最下層配線33−1、34−1は、表面配線層21の最下層配線で構成されており、Y方向に直交するX方向に延在している。
表面VSS配線34は、ビアプラグ36を介して最下層配線34−1に電気的に接続され、最下層配線34−1は、ビアプラグを介してMOSFET30に電気的に接続されている。同様に、表面VDD配線33は、ビアプラグ36を介して最下層配線33−1に電気的に接続され、最下層配線33−1は、ビアプラグを介してMOSFET30に電気的に接続されている。このように、周辺回路領域12内のMOSFET30には、最下層配線33−1、34−1を通して電源が供給される。
次に、本実施形態に係る配線構造の特徴について説明する。
半導体基板20の裏面かつ半導体基板20のX方向両側の2辺に配置された全ての電極パッド(VSSパッド45、VDDパッド46、及び信号パッド47)の直上には貫通電極40が形成され、VSSパッド45、VDDパッド46、及び信号パッド47は、貫通電極40を介して、表面配線層21内の配線、及び裏面配線層22内の配線に電気的に接続されている。具体的には、VDDパッド46は、表面VDD配線33及び裏面VDD配線41に電気的に接続されている。VSSパッド45は、表面VSS配線34及び裏面VSS配線42に電気的に接続されている。信号パッド47は、信号線32に電気的に接続されている。
また、平面視で重なる領域に配置された表面VDD配線33及び裏面VDD配線41のペアは、Y方向に延在し、各々の平面形状が長方形であり、その両端部で貫通電極40に電気的に接続されている。さらに、表面VDD配線33及び裏面VDD配線41のペアは、中央部においても1つ又は複数の貫通電極40を介して電気的に接続されている。同様に、平面視で重なる領域に配置された表面VSS配線34及び裏面VSS配線42のペアは、Y方向に延在し、各々の平面形状が長方形であり、その両端部で貫通電極40に電気的に接続されている。さらに、表面VSS配線34及び裏面VSS配線42のペアは、中央部においても1つ又は複数の貫通電極40を介して電気的に接続されている。
図2に示すように、周辺回路領域12の裏面のうち電極パッドと画素領域11との間は、裏面VSS配線42で覆われている。総じて、裏面VDD配線41及び裏面VSS配線42は、周辺回路領域12を覆うように形成される。周辺回路領域12の裏面のうち配線で覆われていない部分は、裏面VDD配線41と裏面VSS配線42との間のスペース、裏面VDD配線41と信号パッド47との間のスペース、及び裏面VSS配線42と信号パッド47との間のスペース等、電気的に分離するための最小限度のスペースのみである。例えば、周辺回路領域12に含まれる全てのMOSFETのうち90%以上が裏面配線で覆われていることが望ましい。
(効果)
以上詳述したように第1の実施形態によれば、VSSパッド45及びVDDパッド46から遠い距離にあるMOSFET(例えば、半導体基板20の中央部に配置されたMOSFET)に対して、半導体基板20の表面及び裏面の2つの経路で電源を供給することが可能となる。これにより、例えば基板表面のみで電源を供給する場合と比較して、低抵抗の電源供給経路を実現できる。また、電源配線(VDD配線及びVSS配線)の配線抵抗を低減することができる。これにより、固体撮像装置10の電源を安定化させることが可能となる。
また、表面VDD配線33及び表面VSS配線34は、最も配線抵抗が小さい配線層、例えば最上層配線で構成している。これにより、電源配線の抵抗をより低減することができる。
また、裏面電源配線(裏面VDD配線41、及び裏面VSS配線42)は、周辺回路領域12の裏面の大部分を覆うように形成される。これにより、周辺回路領域12のMOSFETの大部分を遮光することができる。MOSFETに光が照射されると、光電変換に起因するリーク電流が発生する。しかしながら、本実施形態では、周辺回路領域12のMOSFETの大部分が遮光されるため、MOSFETのリーク電流を低減でき、ひいては固体撮像装置10の消費電力を大幅に削減できる。
なお、裏面電源配線は遮光膜27と同一金属層であるため、裏面電源配線と遮光膜27は同一工程で同時に製造できる。このため、遮光膜27のみを形成するときと比較して、追加の製造工程無しに裏面電源配線も形成可能である。
[第2の実施形態]
第2の実施形態は、周辺回路領域12に含まれる複数のMOSFET30を平面視において裏面VDD配線41及び裏面VSS配線42と重なるように配置することで、複数のMOSFET30へ光が照射されるのをより低減するようにしている。なお、第2の実施形態に係る固体撮像装置10は、周辺回路領域12に含まれるMOSFETの位置のみが第1の実施形態と異なり、それ以外の構成は第1の実施形態と同じであるため、第1の実施形態との差異についてのみ説明する。
図7は、第2の実施形態に係る周辺回路領域12の断面図である。周辺回路領域12に含まれる複数のMOSFET30は、裏面VDD配線41のパターン(幅)から距離Dだけ内側に入った領域(MOSFET形成領域)50に配置される。換言すると、平面視において、裏面VDD配線41が無い領域、及び裏面VDD配線41の端部から距離D以内の領域にはMOSFETを配置しない。同様に、周辺回路領域12に含まれる複数のMOSFET30は、裏面VSS配線42のパターン(幅)から距離Dだけ内側に入った領域(MOSFET形成領域)50に配置される。換言すると、平面視において裏面VSS配線42が無い領域、及び裏面VSS配線42の端部から距離D以内の領域にはMOSFETを配置しない。
ここで、距離Dは、周辺回路に要求される仕様(安定性、消費電力等)から決定される設計値で、例えば10〜500(μm)程度である。
第2の実施形態によれば、周辺回路領域12に含まれる全てのMOSFET30を遮光することができる。また、周辺回路に要求される仕様に応じてより光が当たりにくい位置にMOSFETが形成される。これにより、第1の実施形態と比較してさらにMOSFET30の動作が安定し、また光電変換に起因するMOSFET30のリーク電流をさらに低減できる。
[第3の実施形態]
第3の実施形態は、周辺回路領域12の裏面全体に遮光性を有する配線を形成することで、周辺回路領域12に含まれる複数のMOSFET30へ光が入射するのをより低減するようにしている。
図8は、第3の実施形態に係る固体撮像装置10の裏面のレイアウト図である。固体撮像装置10の表面のレイアウト図(図1)、A−A´線に沿った固体撮像装置10の断面図(図3)、及びB−B´線に沿った固体撮像装置10の断面図(図4)は、第1の実施形態と同じである。
周辺回路領域12の裏面には、ほぼ全面にわたって裏面VSS配線42が設けられている。より具体的には、裏面VSS配線42は、周辺回路領域12のうちVDDパッド46及び信号パッド47が配置される領域を除く領域の全体に形成されている。第3の実施形態では、裏面配線層22は、電源配線用として裏面VSS配線42のみを備え、裏面VDD配線41は備えていない。表面配線層21に含まれる表面VDD配線33及び表面VSS配線34の構成は、第1の実施形態と同じである。
第3の実施形態によれば、周辺回路領域12に含まれる全てのMOSFET30は、裏面VSS配線42によって覆われる。これにより、周辺回路領域12に含まれる全てのMOSFET30に対して光が入射するのをより低減することができる。また、第3の実施形態では、第2の実施形態のように周辺回路領域12に含まれる複数のMOSFET30の配置を制御する必要がなく、周辺回路領域12内に自由にMOSFET30を形成することができる。
なお、裏面VSS配線42に替えて、裏面VDD配線41を周辺回路領域12の裏面全体に形成するようにしてもよい。
上記各実施形態では、電極パッド(VSSパッド、VDDパッド、及び信号パッド)は、四角形の半導体基板の対向する2辺に設けられているが、これに限定されず、四角形の半導体基板の4辺すべてに電極パッドを設けるように構成してもよい。
上記各実施形態の配線構造は、電源配線に限らず、信号をやり取りする信号線に適用することも可能である。
上記各実施形態の電源配線は、固体撮像装置以外の半導体装置(半導体集積回路)に適用することも可能である。
[適用例]
上記各実施形態で説明した固体撮像装置10は、デジタルカメラやカメラ付携帯電話など様々なカメラ付電子機器に適用することができる。図9は、本実施形態の固体撮像装置10を用いたデジタルカメラ100のブロック図である。
デジタルカメラ100は、レンズユニット101、固体撮像装置(イメージセンサ)10、信号処理部102、記憶部103、表示部104、及び制御部105を備えている。
レンズユニット101は、複数の撮像レンズを含み、入射した光に対して機械的又は電気的に光学特性(例えば、焦点距離)を制御する。レンズユニット101を通過した光は、イメージセンサ10上に結像される。イメージセンサ10から出力された電気信号は、信号処理部102で信号処理される。信号処理部102は、DSP(Digital Signal Processor)などから構成される。信号処理部102からの出力信号Sは、表示部104に出力、又は記憶部103を経由して表示部104に出力される。これにより、撮影中の画像、又は撮影した画像が表示部104に表示される。制御部105は、デジタルカメラ100全体の動作を制御するとともに、レンズユニット101、イメージセンサ10及び信号処理部102の動作タイミングを制御する。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…固体撮像装置、11…画素領域、12…周辺回路領域、20…半導体基板、21…表面配線層、22…裏面配線層、23…受光素子、24…カラーフィルタ、25…マイクロレンズ、26…平坦化層、27…遮光膜、30…MOSFET、31…層間絶縁層、32…信号線、33…表面VDD配線、34…表面VSS配線、35,36,44…ビアプラグ、40…貫通電極、41…裏面VDD配線、42…裏面VSS配線、45…VSSパッド、46…VDDパッド、47…信号パッド、50…MOSFET形成領域、100…デジタルカメラ、101…レンズユニット、102…信号処理部、103…記憶部、104…表示部、105…制御部。

Claims (6)

  1. 画素領域及び周辺回路領域を有し、かつ第1及び第2の主面を有する半導体基板と、
    前記周辺回路領域かつ前記半導体基板の第1の主面に設けられ、第1の方向に延在する第1の配線と、
    前記周辺回路領域かつ前記半導体基板の第2の主面に設けられ、前記第1の方向に延在する第2の配線と、
    前記第1の配線の一端及び前記第2の配線の一端に接続され、前記半導体基板を貫通する第1の貫通電極と、
    前記第1の配線の他端及び前記第2の配線の他端に接続され、前記半導体基板を貫通する第2の貫通電極と、
    を具備することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記第1及び第2の配線の中央部に接続され、前記半導体基板を貫通する第3の貫通電極をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記第1及び第2の配線はそれぞれ、前記半導体基板の対向する2辺まで延在し、
    前記第1及び第2の貫通電極はそれぞれ、前記半導体基板の対向する2辺に配置され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。
  4. 前記半導体基板の第2の主面かつ前記第1及び第2の貫通電極上にそれぞれ設けられた第1及び第2の電極パッドをさらに具備することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像装置。
  5. 前記周辺回路領域かつ前記半導体基板の第1の主面に設けられた複数のMOSFETをさらに具備し、
    平面視において、前記複数のMOSFETの一部は、前記第2の配線に覆われることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の固体撮像装置。
  6. 前記第1及び第2の配線は、電源配線であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の固体撮像装置。
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