JP2018182038A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
Description
1.固体撮像素子の構成例
2.固体撮像素子の積層構造例
3.第1実施形態の固体撮像素子
4.第2実施形態の固体撮像素子
5.第3実施形態の固体撮像素子
6.第4実施形態の固体撮像素子
7.第5実施形態の固体撮像素子
8.第6実施形態の固体撮像素子
9.第7実施形態の固体撮像素子
10.第8実施形態の固体撮像素子
11.第9実施形態の固体撮像素子
12.第10実施形態の固体撮像素子
13.第11実施形態の固体撮像素子
14.第12実施形態の固体撮像素子
15.第13実施形態の固体撮像素子
16.第14実施形態の固体撮像素子
17.第15実施形態の電子機器
図1は、本技術に係る固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。
図2Aから2Cは、本技術に係る固体撮像素子の積層構造例を示す模式図である。図2Aから2Cを用いて、本技術が適用される固体撮像素子の積層構造例について説明する。
[固体撮像素子の構成例]
図3を用いて、本技術に係る第1実施形態の固体撮像素子(イメージセンサ)の一部の構成例について説明する。図3Aは、本実施形態の固体撮像素子が備える第1の半導体チップ(上チップ)の垂直信号線を表す平面配置図である。図3Bは、第1の半導体チップが備える画素アレイ中の各画素の回路構成図であり、図3Cは、第1の半導体チップの配線を表す部分拡大図である。なお、本実施形態の固体撮像素子は、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサや、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ等の、被写体を撮像し、撮像画像のデジタルデータを得ることができる固体撮像素子である。
図4および5を用いて、本実施形態の固体撮像素子の一部の積層例について説明する。図4Aは本実施形態の固体撮像素子の回路ブロックの平面配置を表す配置図であり、図4Bは半導体素子の上チップを表す配置図であり、図4Cは半導体素子の下チップを表す配置図である。
図6Aは、従来の固体撮像素子の赤色画素からの入射光を表す断面図であり、図6Bは、従来の固体撮像素子の緑色画素からの入射光を表す断面図であり、図6Cは、従来の固体撮像素子の青色画素からの入射光を表す断面図である。
図7を用いて、本実施形態に係る固体撮像素子の断面構造の一例について説明する。図7に、本実施形態に係る固体撮像素子、すなわち、裏面照射型のCMOS固体撮像素子の第1実施形態を示す。裏面照射型のCMOS固体撮像素子は、受光部が回路部の上部に配置され、表面照射型に比べて高感度で低ノイズのCMOS固体撮像素子である。第1実施形態に係る固体撮像素子71は、図2Aの固体撮像素子1aと同様の、画素アレイ23と制御回路24が形成された第1の半導体チップ部72と、ロジック回路25が形成された第2の半導体チップ部73とが貼り合わされた積層半導体チップを有して構成される。第1の半導体チップ部72と第2の半導体チップ部73とは、後述する互いの多層配線層が向かい合うようにして、かつ接続配線が直接接合するように、貼り合わされる。
図8を用いて、本実施形態に係る固体撮像素子の画素配置の一例について説明する。図8Aは、図3Aと同様に、本実施形態の固体撮像素子の垂直信号線を表す平面配置図である。図8Bは、図8Aの画素アレイ内の領域A8におけるCC接合部の配置を表す概略構成図である。図8Cは、図3Cと同様に、第1の半導体チップの配線を表す部分拡大図である。図8Cにおいて、画素4は、第1の出力線(VSL1)に接続され、画素3は、第2の出力線(VSL2)に接続され、画素2は、第3の出力線(VSL3)に接続され、画素1は、第4の出力線(VSL4)に接続されている。
次に、本実施形態に係る固体撮像素子71の製造方法の一例を示す。
図9を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第2実施形態について説明する。本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、画素アレイが縦2画素共有構造を備えている点である。
図10を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第3実施形態について説明する。本実施形態が、第1および第2実施形態と相違する点は、画素アレイが4画素共有構造を備えている点である。なお、本技術に係る画素アレイの画素共有構造は、縦2画素共有構造および4画素共有構造に限らず、他の共有構造であってもよい。
図11を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第4実施形態について説明する。本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、CC接合部の一部が青色画素以外の画素下にも形成されている点である。
図12を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第5実施形態について説明する。本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、青色画素の下方に複数個のCC接合部が配置されている点である。
図13および図14を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第6実施形態について説明する。本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、画素に備えられた配線をFD上に配置し、かつ、FDに低電圧を与えた遮光シールド構造を備えている点である。図13Aは、図3Aと同様に、本実施形態に係る固体撮像素子の第1の半導体チップ部131を表す平面配置図である。図13Bは、図8Cと同様に、本実施形態に係る固体撮像素子のCC接合領域を表す図13Aの領域A13における部分拡大図である。図14Aは本実施形態に係る固体撮像素子の赤色画素からの入射光を表す断面図であり、図14Bは緑色画素からの入射光を表す断面図であり、図14Cは青色画素からの入射光を表す断面図である。
図15を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第7実施形態について説明する。本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、画素アレイ中央部の青色画素、緑色画素および赤色画素のいずれの画素の下方にもCC接合部を配置している点である。図15Aは、図3Aと同様に、本実施形態に係る固体撮像素子の第1の半導体チップ部150を表す平面配置図であり、図15Bは、図15Aの第1の半導体チップ部150の領域A15における画素アレイ151の配置を表す概略構成図である。
図16を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第8実施形態について説明する。本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、画素アレイ中央部の緑色画素の下方にのみCC接合部を配置している点である。
図17および図18を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第9実施形態について説明する。本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、画素アレイ中央部の赤色画素の下方にのみCC接合部を配置している点である。
図19を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第10実施形態について説明する。本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、固体撮像素子がカラーフィルタを備えず、かつ、全ての画素の下方にCC接合部を備えている点である。図19Aは、図3Aと同様に、本実施形態に係る固体撮像素子の第1の半導体チップ部190を表す平面配置図である。図19Bは、図8Bと同様に、図19Aの画素アレイ191内の領域A17におけるCC接合部の配置を表す概略構成図である。
図20を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第11実施形態について説明する。本実施形態が、第10実施形態と相違する点は、画素と画素との境界線上の下方にCC接合部を備えている点である。
図21を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第12実施形態について説明する。本実施形態が、第11実施形態と相違する点は、CC接合部の上方にFDを配置している点である。
図22を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第13実施形態について説明する。本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、画素アレイ中の全ての画素の下方にCC接合部が配置され、半導体チップ同士の接合面に対するCC接合部の表面積の大きさが画素の色毎に異なっている点である。
図23および図24を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第14実施形態について説明する。本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、画素アレイ中の全ての画素の下方にCC接合部が配置され、画素の色毎に配置されるCC接合部の数が異なっている点である。
図25を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第15実施形態について説明する。図25は、本技術に係る電子機器を示す図である。上述の本技術に係る固体撮像素子は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器、などの電子機器に適用することができる。
(1)カラーフィルタと画素アレイと第1の配線層と第1電極パッドとを積層して形成された第1の半導体チップと、
前記第1の半導体チップと接合され、第2電極パッドと第2の配線層とロジック回路とを積層して形成された第2の半導体チップと、を有し、
前記画素アレイの下方にある、前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとの接合部で、前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドが電気的に接続され、
前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記カラーフィルタを透過する入射光のうち、最も短波長の入射光が照射される画素の下方に配置された固体撮像素子。
(2)前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、少なくとも一部が前記画素アレイの下方に配置された上記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中央部の画素の下方にのみ配置された上記(1)に記載の固体撮像素子。
(4)前記接合部にダミーパッドがさらに形成され、
前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッド、または、前記ダミーパッドは、少なくとも前記最も短波長の入射光を透過する画素の下方に配置された上記(1)に記載の固体撮像素子。
(5)前記画素アレイ中の一つの画素の下方に複数の前記第1電極パッドまたは前記第2電極パッドが配置された上記(1)に記載の固体撮像素子。
(6)前記画素アレイ中の一つの画素が有するフローティングディフージョンをさらに備え、
前記フローティングディフージョンと前記第1電極パッドまたは前記第2電極パッドとの間に遮光シールドが形成された上記(1)に記載の固体撮像素子。
(7)前記画素アレイは、複数の画素共有構造を形成している上記(1)に記載の固体撮像素子。
(8)前記複数の画素が共有するフローティングディフージョンをさらに備え、
前記フローティングディフージョンと前記第1電極パッドまたは前記第2電極パッドとの間に遮光シールドが形成された上記(7)に記載の固体撮像素子。
(9)前記最も短波長の入射光が照射される画素は、青色の画素である上記(1)に記載の固体撮像素子。
(10)前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中央部の各画素の下方に配置され、
前記画素アレイ内の当該電極パッドが配置されていない画素の下方には、ダミーパッドが配置された上記(1)に記載の固体撮像素子。
(11)前記ダミーパッドは、前記電極パッドと同じ大きさかつ同じ材料である上記(10)に記載の固体撮像素子。
(12)前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中の全ての画素の下方に配置され、接合面に対する表面積の大きさが画素の色毎に異なる上記(1)に記載の固体撮像素子。
(13)前記接合面に対する表面積は、前記最も短波長の入射光が照射される画素の下方に配置された前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドが最も大きい上記(12)に記載の固体撮像素子。
(14)前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中の全ての画素の下方に配置され、画素の色毎に配置される数が異なる上記(1)に記載の固体撮像素子。
(15)前記画素の色毎に配置される数は、前記最も短波長の入射光が照射される画素の下方に配置された前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドが最も多い上記(14)に記載の固体撮像素子。
(16)カラーフィルタと画素アレイと第1の配線層と第1電極パッドとを積層して形成された第1の半導体チップと、
前記第1の半導体チップと接合され、第2電極パッドと第2の配線層とロジック回路とを積層して形成された第2の半導体チップと、を有し、
前記画素アレイの下方にある、前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとの接合部で、前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドが電気的に接続され、
前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中の画素数が多い色の画素、または、前記カラーフィルタを透過する入射光のうち最も長波長の入射光が照射される画素、の下方に配置された固体撮像素子。
(17)画素アレイと第1の配線層と第1電極パッドとを積層して形成された第1の半導体チップと、
前記第1の半導体チップと接合され、第2電極パッドと第2の配線層とロジック回路とを積層して形成された第2の半導体チップと、を有し、
前記画素アレイの下方にある、前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとの接合部で、前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドが電気的に接続され、
前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中の全ての画素の下方に配置された固体撮像素子。
(18)前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、隣接する画素間の境界線上に配置された上記(17)に記載の固体撮像素子。
(19)前記画素アレイは複数の画素共有構造を形成し、前記画素アレイ中の複数の画素が共有する1つのフローティングディフージョンをさらに備え、
前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記フローティングディフージョンの下方に配置された上記(17)に記載の固体撮像素子。
2 画素
3、23 画素アレイ(画素領域)
4 垂直駆動回路
5 カラム信号処理回路
6 水平駆動回路
7 出力回路
8、24、24−1、24−2 制御回路
9 垂直信号線(VSL)
10 水平信号線
12 入出力端子
21、64、74,144、184、244 第1の半導体基板
22、65、75 第2の半導体基板
25、46 ロジック回路
31、42、62、72、131、142、150、182、190、242 第1の半導体チップ部(上チップ)
32 画素アレイ領域
34 Cu−Cu電極接合領域(CC接合領域)
35、36 垂直信号線(VSL)
38 画素
41 CMOSイメージセンサ(CIS)
43、63、73、143、183、243 第2の半導体チップ部(下チップ)
44、81、91、101、111、121、151、161、171、191、201、211、221、231 画素アレイ
45 AD変換部
48 導電ビア
49、52、86、87,112、122、152,153、162、163、172、173、196、197、202、203、212、226〜229、232〜235 Cu−Cu電極接合部(CC接合部)
66、76、146、186、246 カラーフィルタ
67、77、147、187、247 オンチップレンズ
78 絶縁膜
79 平坦化膜
82、223 赤色画素
83、84、224 緑色画素
85、225 青色画素
92、102、213、1410 フローティングディフュージョン(FD)
192〜195、222 白黒画素
701、705、2401、2405 多層配線層
602、702,1402、1412、1802、2402 第1電極パッド(第1の導電体)
702d、706d ダミーパッド
703、707 導電ビア
704、708 層間絶縁膜
606、706、1406,1416、1806、2406 第2電極パッド(第1の導電体)
609、709、1409、1809、2409 接合面
710 半導体ウェル領域
1411 遮光シールド配線
Tr1、Tr2 トランジスタ
301 カメラ
302 固体撮像素子
303 光学系
304 シャッタ装置
305 駆動回路
306 信号処理回路
Claims (19)
- カラーフィルタと画素アレイと第1の配線層と第1電極パッドとを積層して形成された第1の半導体チップと、
前記第1の半導体チップと接合され、第2電極パッドと第2の配線層とロジック回路とを積層して形成された第2の半導体チップと、を有し、
前記画素アレイの下方にある、前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとの接合部で、前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドが電気的に接続され、
前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記カラーフィルタを透過する入射光のうち、最も短波長の入射光が照射される画素の下方に配置された固体撮像素子。 - 前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、少なくとも一部が前記画素アレイの下方に配置された請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中央部の画素の下方にのみ配置された請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記接合部にダミーパッドがさらに形成され、
前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッド、または、前記ダミーパッドは、少なくとも前記最も短波長の入射光を透過する画素の下方に配置された請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記画素アレイ中の一つの画素の下方に複数の前記第1電極パッドまたは前記第2電極パッドが配置された請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記画素アレイ中の一つの画素が有するフローティングディフージョンをさらに備え、
前記フローティングディフージョンと前記第1電極パッドまたは前記第2電極パッドとの間に遮光シールドが形成された請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記画素アレイは、複数の画素共有構造を形成している請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記複数の画素が共有するフローティングディフージョンをさらに備え、
前記フローティングディフージョンと前記第1電極パッドまたは前記第2電極パッドとの間に遮光シールドが形成された請求項7に記載の固体撮像素子。 - 前記最も短波長の入射光が照射される画素は、青色の画素である請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中央部の各画素の下方に配置され、
前記画素アレイ内の当該電極パッドが配置されていない画素の下方には、ダミーパッドが配置された請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記ダミーパッドは、前記電極パッドと同じ大きさかつ同じ材料である請求項10に記載の固体撮像素子。
- 前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中の全ての画素の下方に配置され、接合面に対する表面積の大きさが画素の色毎に異なる請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記接合面に対する表面積は、前記最も短波長の入射光が照射される画素の下方に配置された前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドが最も大きい請求項12に記載の固体撮像素子。
- 前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中の全ての画素の下方に配置され、画素の色毎に配置される数が異なる請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記画素の色毎に配置される数は、前記最も短波長の入射光が照射される画素の下方に配置された前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドが最も多い請求項14に記載の固体撮像素子。
- カラーフィルタと画素アレイと第1の配線層と第1電極パッドとを積層して形成された第1の半導体チップと、
前記第1の半導体チップと接合され、第2電極パッドと第2の配線層とロジック回路とを積層して形成された第2の半導体チップと、を有し、
前記画素アレイの下方にある、前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとの接合部で、前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドが電気的に接続され、
前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中の画素数が多い色の画素、または、前記カラーフィルタを透過する入射光のうち最も長波長の入射光が照射される画素、の下方に配置された固体撮像素子。 - 画素アレイと第1の配線層と第1電極パッドとを積層して形成された第1の半導体チップと、
前記第1の半導体チップと接合され、第2電極パッドと第2の配線層とロジック回路とを積層して形成された第2の半導体チップと、を有し、
前記画素アレイの下方にある、前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとの接合部で、前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドが電気的に接続され、
前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記画素アレイ中の全ての画素の下方に配置された固体撮像素子。 - 前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、隣接する画素間の境界線上に配置された請求項17に記載の固体撮像素子。
- 前記画素アレイは複数の画素共有構造を形成し、前記画素アレイ中の複数の画素が共有する1つのフローティングディフージョンをさらに備え、
前記第1電極パッドおよび前記第2電極パッドは、前記フローティングディフージョンの下方に配置された請求項17に記載の固体撮像素子。
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