JP2014187261A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】画像信号に発生するノイズ障害を低減することができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板61上に形成されたトランジスタ62と、半導体基板61上に形成された第1の層間絶縁膜63と、第1の層間絶縁膜63内に形成され、複数の配線層及び前記複数の配線層間を接続する配線ヴィアからなる第1の多層配線層64と、第1の層間絶縁膜63内であって、隣り合う前記配線層の間に形成された第1のシールド層13と、第1の層間絶縁膜63内であって、隣り合う前記配線ヴィアの間に形成された第2のシールド層13と、第1の層間絶縁膜63上に形成された第2の層間絶縁膜54と、第2の層間絶縁膜54内に形成された第2の多層配線層55と、第2の層間絶縁膜54上に形成された半導体層51と、半導体層51内であって、第2の層間絶縁膜54の界面に形成された撮像素子52と、半導体層51上に形成されたカラーフィルタ57とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、裏面照射型の固体撮像装置に関するものである。
近年、裏面照射型の固体撮像装置(カメラモジュール)として、撮像素子を含むチップ(以下、画素チップと記す)とロジック回路を含むチップ(以下、ロジックチップと記す)からなる積層チップが用いられている。これは、固体撮像装置の開発において、固体撮像装置のサイズを小さくするために非常に有効な技術である。
ところで、ロジックチップの後段処理において、例えば高速に信号を処理する場合、処理回路から放射ノイズが発生する(EMI:Electromagnetic Interference)。この放射ノイズは、画素チップにおける画素部分の信号処理にノイズ障害を及ぼし、画像信号に悪影響を与える。EMIの影響は、ロジック回路における配線の集積度が高くなればなるほど大きくなる。
特開2012−94720号公報
画像信号に発生するノイズ障害を低減することができる固体撮像装置を提供する。
一実施態様の固体撮像装置は、半導体基板と、トランジスタと、第1の層間絶縁膜と、第1の多層配線層と、シールド層と、第2の層間絶縁膜と、第2の多層配線層と、半導体層と、撮像素子と、カラーフィルタを備える。トランジスタは、半導体基板上に形成されている。第1の層間絶縁膜は、半導体基板上に形成されている。第1の多層配線層は、第1の層間絶縁膜内に形成されている。シールド層は、第1の層間絶縁膜内に形成されている。第2の層間絶縁膜は、第1の層間絶縁膜上に形成されている。第2の多層配線層は、第2の層間絶縁膜内に形成されている。半導体層は、第2の層間絶縁膜上に形成されている。撮像素子は、半導体層内であって、第2の層間絶縁膜の界面に形成されている。カラーフィルタは、半導体層上に形成されている。
第1実施形態の固体撮像装置の概要を示す図である。 第1実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。 第1実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 第1実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 第1実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 第1実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 第1実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 第1実施形態の固体撮像装置におけるシールド層のレイアウトの一例を示す図である。 第1実施形態の固体撮像装置におけるシールド層のレイアウトの他の例を示す図である。 第1実施形態の固体撮像装置におけるロジックチップの一例の断面図である。 図10に示した構造の製造方法を示す断面図である。 図10に示した構造の製造方法を示す断面図である。 第1実施形態の変形例の固体撮像装置におけるロジックチップの断面図である。 第1実施形態の変形例におけるシールド層とパッドを示す平面図である。 第2実施形態の固体撮像装置の概要を示す図である。 第3実施形態の固体撮像装置の概要を示す図である。 第3実施形態の固体撮像装置における信号の流れを示すブロック図である。
以下、図面を参照して実施形態の固体撮像装置(センサーチップ)について説明する。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
[第1実施形態]
第1実施形態の固体撮像装置について説明する。
図1は、第1実施形態の固体撮像装置の概要を示す図である。図1(a)に固体撮像装置の断面図を示し、図1(b)に画素チップの平面図を、図1(c)にロジックチップの平面図を示す。図1(a)に示す断面図はX方向に沿った断面である。
図1(a)に示すように、固体撮像装置10は、画素チップ11とロジックチップ12が積層された積層チップを含み形成されている。画素チップ11とロジックチップ12との間には、シールド層13が配置されている。言い換えると、画素チップ11とロジックチップ12とが貼り合わされ、画素チップ11とロジックチップ12との接合面(界面)にシールド層13が形成されている。なお、シールド層13の配置は、接合面に限るわけではなく、接合面より内側、すなわち画素チップ11の層間絶縁層中に配置されていてもよいし、またロジックチップ12の層間絶縁層中に配置されていてもよい。
画素チップ11は、主に、画素領域111とアナログ−デジタル変換回路(以下、ADCと記す)領域112とを含む。画素領域111には、入射光を電気信号に変換する撮像素子(あるいは光電変換素子)、例えばフォトダイオードが複数マトリクス状に配列されている。さらに、画素領域111には、撮像素子にて光電変換された信号をリードし転送する読み出し回路(例えば、リードゲートトランジスタ、アンプトランジスタなど)が形成されている。ADC領域112には、読み出し回路から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換回路(ADC)が形成されている。
また、ロジックチップ12は、主に、ロジック回路領域121を含む。ロジック回路領域121には、ADCから出力された画像信号を処理するロジック回路が形成されている。
シールド層13は、金属膜、例えばアルミニウムあるいは銅などから形成される。シールド層13は、ロジック回路から発生する放射ノイズや電磁波を遮蔽または低減する。シールド層13は、放射ノイズや電磁波を遮蔽または低減できるものであれば、絶縁膜、例えばシリコン化合物(シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、有機シリコン酸化膜、炭化ケイ素)、あるいは低誘電率を有する膜(Low−k膜)内に金属が含まれるシート等で形成されていてもよい。
次に、第1実施形態の固体撮像装置、すなわち画素チップ11とロジックチップ12が接合された積層チップについて説明する。
図2は、第1実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。
図示するように、固体撮像装置10は、画素チップ11とロジックチップ12が積層され、これらが接合された構造を持つ。
まず、画素チップ11の断面構造を述べる。p型シリコンエピタキシャル層51の第1主面には、撮像素子52と、読み出し回路を構成するリードゲートトランジスタ53等が形成されている。エピタキシャル層51の第1主面上には、層間絶縁膜54が形成されている。層間絶縁膜54中には、配線層55が形成されている。
エピタキシャル層51の第1主面と対向する第2主面上には、カラーフィルタ57が形成されている。カラーフィルタ57は、撮像素子52に対応するように配置され、赤(R)または緑(G)、青(B)のフィルタから成る。カラーフィルタ57上には、マイクロレンズ59が形成されている。マイクロレンズ59は、カラーフィルタ57に対応するように配置されている。エピタキシャル層51とカラーフィルタ57間、カラーフィルタ57とマイクロレンズ59間には薄い絶縁膜が形成されていてもよい。
次に、ロジックチップ12の断面構造を述べる。シリコン半導体基板61の第1主面には、ロジック回路を構成するトランジスタ62が形成されている。半導体基板61の第1主面上には、層間絶縁膜63が形成されている。層間絶縁膜63中には、多層配線層64が形成されている。さらに、多層配線層64間には、シールド層13が形成されている。シールド層13は、画素チップ11とロジックチップ12とが接合された界面に配置されている。すなわち、層間絶縁膜54と層間絶縁膜63とを貼り合わせた界面に、シールド層13が配置されている。また、異なる配線層に配置された多層配線層64間には配線ヴィアが形成されているが、図2−図7では省略している。
また、画素チップ11には、貫通電極CHが形成されている。貫通電極CHは以下のような構造を持つ。エピタキシャル層51、及び層間絶縁膜54に穴が空けられ、穴内に絶縁膜65と導電膜66が形成されている。導電膜66は、ロジックチップ12の多層配線層64と電気的に接続されている。
貫通電極CHにはワイヤ67がボンディングされている。貫通電極CHは、ロジックチップ12の多層配線層64とワイヤ67とを電気的に接続する。
第1実施形態の固体撮像装置では、トランジスタ62を含むロジック回路と、撮像素子52及びリードゲートトランジスタ53を含む読み出し回路との間にシールド層13が配置されている。このように配置されたシールド層13によって、ロジック回路から発生する放射ノイズや電磁波を遮蔽または低減することにより、画素チップ11内の撮像素子52及び読み出し回路に及ぼすノイズ障害を低減することができる。
次に、第1実施形態の固体撮像装置の製造方法について説明する。
図3〜図7は、第1実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。
図3は、貼り合せる前の画素チップとロジックチップの断面図を示す。
まず、図3に示すように、画素チップ11Aとロジックチップ12を準備する。ロジックチップ12の構造は、図2に示した構造と同様であるため、説明を省略する。
画素チップ11Aの断面構造を以下に記す。半導体基板72、絶縁膜71、エピタキシャル層51からなるSOI基板の第1主面上に撮像素子52やリードゲートトランジスタ53などの素子が形成されている。また、エピタキシャル層51上には、層間絶縁膜54が形成され、層間絶縁膜54内には多層配線層55が形成されている。
次に、画素チップ11Aとロジックチップ12とを、図4に示すように、層間絶縁層54と層間絶縁膜63とが対向するように貼り合せる。
その後、画素チップ11Aの半導体基板72を、例えばRIE(Reactive Ion Etching)により除去する。さらに、RIEにより、図5に示すように、エピタキシャル層51の第2主面上の絶縁膜71を除去する。
次に、図6に示すように、エピタキシャル成長法によりエピタキシャル層51を成長させる。さらに、エピタキシャル層51、及び層間絶縁膜54にコンタクト穴を形成する。
その後、図7に示すように、コンタクト穴に絶縁膜65を形成し、多層配線層64上の絶縁層を除去した後、さらにコンタクト穴に導電膜66を堆積して貫通電極CHを形成する。さらに、導電膜66上にワイヤ67をボンディングする。
次に、図2に示したように、撮像素子52に対応するように、エピタキシャル層51上にカラーフィルタ57を形成する。カラーフィルタ57上にマイクロレンズ59を形成する。マイクロレンズ59は、カラーフィルタ57に対応するように配置される。
次に、固体撮像装置10中に形成されるシールド層13のレイアウトの詳細を説明する。
図8は、図7の8A−8A間を断面した平面図であり、シールド層13が多層配線層64の配線間に形成された例である。
シールド層13は、図8に示すように、多層配線層64間に配置される。これにより、シールド層13は、ロジックチップ12内のロジック回路から発生する放射ノイズや電磁波を遮蔽または低減する。
図9は、図7の9A−9Aを断面した平面図であり、シールド層13が多層配線層64の配線ヴィア間に形成された例である。
シールド層13は、図9に示すように、配線ヴィア64Vを除く領域に配置される。これにより、シールド層13は、ロジックチップ12内のロジック回路から発生する放射ノイズや電磁波を遮蔽または低減する。
図10は、ロジックチップ12の層間絶縁膜63中の多層配線層64の配線ヴィア間にシールド層を形成した場合の断面図である。
図10に示すように、半導体基板61にはロジック回路を構成するトランジスタ62が形成されている。半導体基板61上には層間絶縁膜63が形成されている。層間絶縁膜63中には、半導体基板61側から順に、配線ヴィア64V1、配線層641、配線ヴィア64V2、配線層642、配線ヴィア64V3、及び配線層643が形成されている。さらに、層間絶縁膜63中において、半導体基板61からの高さが配線ヴィア64V3とほぼ同じ層にはシールド層13が形成されている。シールド層13は配線ヴィア64V3を除く領域に配置されている。
以下に、図10に示した構造の製造方法を述べる。
図11、12は、図10に示した構造を製造するための工程を示す断面図である。なおここでは、配線層642より下の構造は省略している。さらに、層間絶縁膜63を構成する複数の層間絶縁膜を631,632,633で示す。
まず、図11(a)に示すように、層間絶縁膜631上に配線層642を形成する。続いて、図11(b)に示すように、層間絶縁膜631上及び配線層642上に層間絶縁膜632を形成する。
その後、図11(c)に示すように、フォトリソグラフィ法等により、層間絶縁膜632をエッチングし、シールド層13を形成するための溝を形成する。
次に、図12(a)に示すように、層間絶縁膜632の溝にシールド層13を埋め込む。その後、図12(b)に示すように、層間絶縁膜632上及びシールド層13上に層間絶縁膜633を形成する。次に、図12(c)に示すように、デュアルダマシン配線法などにより層間絶縁膜632,633に配線643、配線ヴィア64V3を形成する。以上により、図10に示した構造が製造できる。
次に、第1実施形態の変形例の固体撮像装置について説明する。
シールド層は固体撮像装置中に複数層形成してもよい。図13は、第1実施形態の変形例であり、ロジックチップ12の層間絶縁膜63の表面と層間絶縁膜63中にシールド層を形成した例を示す。このように、シールド層13を複数層形成すれば、さらなる放射ノイズや電磁波の遮蔽または低減、さらに画素チップ11に生じるクロストークを減少させることができる。
また、図14に示すように、シールド層13を接地パッド81に接続し、シールド層13に接地電位を供給するようにしてもよい。シールド層13と接地パッド81の接続は、配線により接続してもよい。
これにより、接地電位と配線との電位差がなくなり、誘導電流量を低減できる。さらに、ノイズ耐性が強くなり、さらなる放射ノイズや電磁波の遮蔽または低減が可能となる。この結果、画素チップ11内の撮像素子52及び読み出し回路に及ぼすノイズ障害を低減でき、固体撮像装置における画素特性を向上させることができる。
また、シールド層13を他の電位パッドに接続し、シールド層13に他の固定電位、例えば電源電圧VDD、あるいは接地電位と電源電圧VDDの中間の電位を供給してもよい。さらに、必要に応じて、シールド層13に供給する電位を随時変更してもよい。
以上説明したように第1実施形態によれば、ロジック回路のほぼ全領域をシールド層で覆うことにより、ロジック回路から発生する放射ノイズや電磁波を遮蔽または低減させることができる。これにより、画素チップで生成する画像信号にノイズ障害が及ぶのを防止できる。
[第2実施形態]
第2実施形態の固体撮像装置について説明する。第1実施形態ではロジックチップ121のほぼ全面にシールド層を形成したが、第2実施形態では画素領域111上だけにシールド層13を形成する。第1実施形態と同一構成は同一符号を付し、説明を省略する。
図15は、第2実施形態の固体撮像装置の概要を示す図である。図15(a)に固体撮像装置の断面図を示し、図15(b)に画素チップの平面図を、図15(c)にロジックチップの平面図を示す。なお、図15(a)に示す断面図はX方向に沿った断面である。
シールド層13は、図15(a),図15(b)及び図15(c)に示すように、ロジック回路領域121上の画素領域111に対応する領域に形成されている。すなわち、シールド層13は、撮像素子が複数配列された画素領域111上だけに配置されている。このように、シールド層13を画素領域111上に配置することにより、ロジック回路から発生する放射ノイズや電磁波が画素領域111内の撮像素子や読み出し回路にノイズ障害を及ぼすのを防止または低減することができる。
以上説明したように第2実施形態によれば、撮像素子及び読み出し回路が形成された画素領域をシールド層で覆うことにより、ロジック回路から発生する放射ノイズや電磁波が画素領域に悪影響を与えるのを防止することができる。すなわち、画素チップで生成する画像信号にノイズ障害が及ぶのを防止できる。その他の構成及び効果は第1実施形態と同様である。
[第3実施形態]
第3実施形態の固体撮像装置について説明する。第1実施形態ではロジックチップ121のほぼ全面にシールド層を形成したが、第3実施形態ではロジックチップ12内のノイズが多く発生する回路上だけにシールド層13を形成する。第1実施形態と同一構成は同一符号を付し、説明を省略する。
図16は、第3実施形態の固体撮像装置の概要を示す図である。図16(a),図16(d)に固体撮像装置の断面図を示し、図16(b)に画素チップの平面図を、図16(c)にロジックチップの平面図を示す。図16(a)に示す断面図はX方向に沿った断面であり、図16(d)に示す断面図はY方向の16d−16d線に沿った断面である。
ロジックチップ12は、図16(c)に示すように、主に、ロジック回路領域121を含む。ロジック回路領域121には、ADC112から出力された画像信号を処理するロジック回路が形成されている。
ロジック回路は、例えば、図16(c)に示すように、シリアル−パラレル変換回路31、処理回路32、イメージシグナルプロセッサ(以下、ISP)33、DPCM回路34、FIFO35、及びインタフェース36を含む。シリアル−パラレル変換回路31は、シリアル信号をパラレル信号に変換する。処理回路32は、欠陥補正処理、スケーラ及びデジタルゲイン処理を行う。ISP33は、ホワイトバランス、ガンマ補正、及び色補正等の画像信号を処理する回路である。差分パルス符号変調(DPCM:Differential pulse code modulation)回路34は、受け取った信号を差分パルス符号変調により圧縮する。FIFO35は、先に到着した信号を先に出力する処理を行う。インタフェース36は、D−phy(CSI−2)またはM−phyを含み、受け取った信号を外部に出力する。
図17に、第3実施形態の固体撮像装置における信号の流れを示すブロック図である。
画素領域111内において、入射光は撮像素子により光電変換され、読み出し回路にて画像信号として読み出される。この画像信号は、ADC112によりアナログ信号からデジタル信号へ変換される。デジタル信号に変換された画像信号は、シリアル−パラレル変換回路31によりパラレル信号に変換され、処理回路32に出力される。処理回路32により欠陥補正処理、スケーラ及びデジタルゲイン処理された画像信号は、ISP33に出力される。ISP33は、受け取った画像信号にホワイトバランス、ガンマ補正、及び色補正等の画像処理を行い、DPCM回路34に出力する。DPCM回路34に入力された画像信号は、DPCM回路34により処理された後、FIFO35、インタフェース36を介して外部に出力される。
シールド層13は、図16(a),図16(b),図16(c)及び図16(d)に示すように、ロジック回路領域121上のISP33が配置された領域上に形成されている。すなわち、ロジック回路領域121上において、放射ノイズや電磁波が強く発生する回路、ここではISP33上に、シールド層13が配置されている。このように、シールド層13をISP33上に配置することにより、ISP33から発生する放射ノイズや電磁波が画素領域111内の撮像素子や読み出し回路にノイズ障害を及ぼすのを防止または低減することができる。
なお、ここではISP33上だけにシールド層13を配置したが、これに限るわけではなく、その他の高周波(例えば、10MHz以上)の信号処理回路、例えば、デジタルシグナルプロセッサ(以下、DSP)等がロジック回路領域121内に形成されている場合は、DSP上にシールド層を配置する。
以上説明したように第3実施形態によれば、高周波の信号処理回路、例えばISPまたはDSPが形成された領域をシールド層で覆うことにより、ISPまたはDSPから発生する放射ノイズや電磁波が画像領域に悪影響を与えるのを防止することができる。すなわち、画素チップで生成する画像信号にノイズ障害が及ぶのを防止できる。その他の構成及び効果は第1実施形態と同様である。
前述した第1〜第3実施形態では、画像信号に発生するノイズ障害を低減することができる固体撮像装置を提供できる。
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…画素チップ、12…ロジックチップ、13…シールド層、20,30…固体撮像装置、31…シリアル−パラレル変換回路、32…処理回路、33…イメージシグナルプロセッサ(ISP)、34…DPCM回路、35…FIFO、36…インタフェース、51…p型シリコンエピタキシャル層、52…撮像素子、53…リードゲートトランジスタ、54…層間絶縁膜、55…多層配線層、57…カラーフィルタ、59…マイクロレンズ、61…シリコン半導体基板、62…トランジスタ、63…層間絶縁膜、64…多層配線層、64V,64V1,64V2,64V3…配線ヴィア、65…絶縁膜、66…導電膜、67…ワイヤ、71…絶縁膜、72…p型シリコン半導体基板、81…接地パッド、111…画素領域、112…アナログ−デジタル変換回路(ADC)領域、121…ロジック回路領域、CH…貫通電極。

Claims (6)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成されたトランジスタと、
    前記半導体基板上に形成された第1の層間絶縁膜と、
    前記第1の層間絶縁膜内に形成され、複数の配線層及び前記複数の配線層間を接続する配線ヴィアからなる第1の多層配線層と、
    前記第1の層間絶縁膜内であって、隣り合う前記配線層の間に形成された第1のシールド層と、
    前記第1の層間絶縁膜内であって、隣り合う前記配線ヴィアの間に形成された第2のシールド層と、
    前記第1の層間絶縁膜上に形成された第2の層間絶縁膜と、
    前記第2の層間絶縁膜内に形成された第2の多層配線層と、
    前記第2の層間絶縁膜上に形成された半導体層と、
    前記半導体層内であって、前記第2の層間絶縁膜の界面に形成された撮像素子と、
    前記半導体層上に形成されたカラーフィルタとを備えた固体撮像装置。
  2. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成されたトランジスタと、
    前記半導体基板上に形成された第1の層間絶縁膜と、
    前記第1の層間絶縁膜内に形成された第1の多層配線層と、
    前記第1の層間絶縁膜内に形成されたシールド層と、
    前記第1の層間絶縁膜上に形成された第2の層間絶縁膜と、
    前記第2の層間絶縁膜内に形成された第2の多層配線層と、
    前記第2の層間絶縁膜上に形成された半導体層と、
    前記半導体層内であって、前記第2の層間絶縁膜の界面に形成された撮像素子と、
    前記半導体層上に形成されたカラーフィルタとを備えた固体撮像装置。
  3. 前記第1の多層配線層は、複数の配線層及び前記複数の配線層を接続する配線ヴィアからなり、
    前記シールド層は、隣り合う前記配線層の間に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第1の多層配線層は、複数の配線層及び前記複数の配線層を接続する配線ヴィアからなり、
    前記シールド層は、隣り合う前記配線ヴィアの間に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
  5. 前記半導体基板に形成されたイメージシグナルプロセッサをさらに具備し、
    前記シールド層は前記撮像素子と前記イメージシグナルプロセッサとの間に配置されてい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. 前記半導体層及び前記第2の層間絶縁膜内に形成され、前記第1の多層配線層と電気的に接続された貫通電極を更に備えた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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