JP5995508B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

同等の機能を有する半導体装置を複数配列して、一つの機能を持たせるデバイスが知られている。特許文献１には、複数の光電変換装置を配列させて、イメージセンサユニットを構成することが記載されている。

特開２０００−２９９７６４号公報

ところで、隣接する光電変換装置同士の間隔を、各光電変換装置が有する複数の画素のピッチに対して大きくすると、光電変換装置間の境目における解像度が低下する。そのため、各光電変換装置の端部に設けられた画素から、端部までの距離を短くすることが求められる。

しかしながら、光電変換装置の端部には種々の配線が設けられているため、端部の幅を短くすると、光電変換装置をダイシングする際に発生する熱や応力によって光電変換装置が破壊されるおそれがあった。

本発明は、半導体装置の端部の幅を狭めても、ダイシングの際に配線がショートして半導体装置が破壊されることを低減することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る半導体装置は、一の方向に沿って配列された複数の単位セルと、配線群と、を含む半導体装置であって、前記配線群は、第１の配線と、前記第１の配線よりもヤング率が高い第２の配線と、を含み、前記第２の配線は、前記半導体装置の前記一の方向における端部に沿って設けられたことを特徴とする。

上記目的を達成する本発明に係る半導体装置の製造方法は、前記半導体装置は、一の方向に沿って配列された複数の単位セルと、配線群と、を含む半導体装置であって、前記配線群は、第１の配線と、前記第１の配線よりもヤング率が高い第２の配線と、を含み、
前記半導体装置は半導体基板に複数形成する工程と、少なくとも一辺を、前記第２の配線に沿って前記半導体装置を分離する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、ダイシングの際に半導体装置が破壊されることを低減できる。

実施例１に係るイメージセンサユニットの構成を示す模式図である。 実施例１に係る光電変換装置の構成を示す等価回路図である。 実施例１に係る光電変換装置の平面図および断面図である。 実施例２に係る光電変換装置の平面図である。

（実施例１）
図面を参照しながら、本発明に係る実施例を説明する。本実施例では、半導体装置の例として、光電変換装置を説明する。

図１は、一次元状に配列された複数の光電変換装置１０１を含んで成るイメージセンサユニットＩＵの構成を示す模式図である。イメージセンサユニットは、例えばファクシミリ、フラットベッドスキャナ、複写機などの画像読み取り装置に用いられる。

複数の光電変換装置１０１は一の方向であるＸ方向に沿って配列されており、それぞれが持つ画素１０２が一の方向に沿って配列されるように配列されている。各光電変換装置１０１は、複数の画素１０２、信号処理回路１０３、周辺回路１０４、配線１０５、１０６を含む配線群を有する。信号処理回路１０３は、増幅器やサンプルホールド回路、走査回路などを含み、画素１０２からの信号を処理する機能を有し、各画素１０２に対応する列回路が設けられている。すなわち、画素１０２と、画素１０２と対応して設けられた列回路ＣＣと、を一つの単位セルとすると、単位セルが一の方向（Ｘ方向）に沿って、直線上に配列されていると言い換えることができる。信号生成部である周辺回路１０４は、画素１０２や信号処理回路の動作を制御する制御信号を生成したり、バイアス電圧を生成したりする。周辺回路１０４で生成された制御信号やバイアス電圧は、配線１０５や１０６を介して、画素１０２や信号処理回路１０３に与えられる。なお、図１では、配線１０５および１０６をそれぞれ一本の線で示したが、複数の配線を含む配線群であっても良い。また、図１では、画素１０２と信号処理回路１０３との間の配線を省略している。

隣接する二つの光電変換装置１０１のうち、画素間の距離をＡとして、距離Ａが大きくなると、この領域には画素がないために解像度が低下する。したがって、各光電変換装置１０１の端部に最も近接して設けられる画素１０２から光電変換装置１０１の端部までの距離Ｂを小さくすることが求められる。本実施例では、単位セルの一の方向に沿ったピッチをｄとして、一の方向の端部に最も近接して設けられた単位セルの端部から光電変換装置１０１の端部までの距離Ｂを、ｄ／２以下としている。

図２は、画素１０２および信号処理回路１０３をより詳細に示した等価回路図である。画素１０２は、光電変換素子２０１、リセットＭＯＳトランジスタ２０２、増幅ＭＯＳトランジスタ２０３、負荷ＭＯＳトランジスタ２０４、サンプルホールドＭＯＳトランジスタ２０５、および、容量２０６を含む。光電変換素子２０１のカソードは、ＭＯＳトランジスタ２０２を介して電源と接続されるとともに、ＭＯＳトランジスタ２０３の制御電極と接続される。ＭＯＳトランジスタ２０３および２０４は、電源−接地電圧間に直列に設けられ、ＭＯＳトランジスタ２０４がオンすると、増幅トランジスタ２０３および２０４はソースフォロワ回路として動作する。ＭＯＳトランジスタ２０５と容量２０６とは信号保持部として機能し、ＭＯＳトランジスタ２０３から出力された信号を保持する。

図２には、信号処理回路が、各列に増幅器とサンプルホールド回路を持つ構成を例示した。容量２０６は、入力容量２０７を介して反転増幅器２０８の反転入力端子と接続される。反転増幅器２０８の反転入力端子と出力端子との間には、ＭＯＳトランジスタ２０９と帰還容量２１０とが並列に設けられている。容量２０６に保持された信号は、入力容量２０７と帰還容量２１０の容量値の比で決まる増幅率で増幅される。入力容量２０７は、反転増幅器２０８、ＭＯＳトランジスタ２０９とともにＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路を構成し、画素１０２に起因するノイズを低減できる。反転増幅器２０８の出力端子は、ＭＯＳトランジスタ２１１を介して保持容量２１３と接続され、さらに、ＭＯＳトランジスタ２１２を介して保持容量２１４と接続される。保持容量２１３はＭＯＳトランジスタ２１５を介して信号線２１８と接続され、保持容量２１４はＭＯＳトランジスタ２１６を介して信号線２１９と接続される。ＭＯＳトランジスタ２１５および２１６は配線２１７を介して走査回路２２０から与えられる制御信号によって制御される。保持容量２１３および２１４には、ノイズ成分と、ノイズ成分に信号成分が重畳された信号がそれぞれ保持され、後段の回路で両者の差分を取ることにより、ノイズ成分を低減できる。

本実施例では、走査回路２２０によって制御されるＭＯＳトランジスタ２１５および２１６を除いて、画素１０２および信号処理回路１０３に含まれる各ＭＯＳトランジスタの動作を制御する信号や、バイアスは周辺回路１０４から、配線２２２〜２２９を介して供給される。配線２２２〜２２９は、図１に示した配線１０５、１０６に対応する。

光電変換装置１０１は半導体ウェハに複数形成されたものを、図２に示すダイシング切断線に沿って切り出すことで得られる。ダイシングの手法としては、ダイシングブレードで物理的に切断するブレードダイシングと呼ばれる手法や、レーザー光を照射することで半導体基板を溶融させて切断するレーザーダイシングと呼ばれる手法がある。ダイシング切断線に近接して設けられた配線間にある絶縁部材が、ダイシングの際に発生する熱によって膨張することがあり、この結果応力が生じて、クラックが生じうる。

さらに、膨張した絶縁部材による応力で、配線がクラックに押し出されることが起こりうる。クラックに押し出された配線の部分はウィスカーやヒロックとも称され、この現象は配線がアルミニウムや銅を主材料とする場合に、発生しやすい。図２において、配線２２２〜２２９がクラックに押し出されると、隣接する配線同士でショートするおそれがある。

そこで、本実施例に係る光電変換装置１０１は、例えば金属を主材料とする第１の配線と、第１の配線よりも実効的なヤング率が高い第２の配線とを有し、配線２２２〜２２９の少なくとも一部を第２の配線としている。これにより、単位セルの繰り返し方向（Ｘ方向）にある光電変換装置１０１の端部と、該端部に最も近接して設けられた単位セルとの間の距離Ｂを短くすることができる。なぜなら、第２配線は相対的にヤング率が高いため、ダイシングにより配線間の絶縁部材が膨張したとしても、配線がクラックに押し出されることを低減できるからである。この結果、配線同士がショートすることを低減できる。つまり、本実施例によれば、ダイシングの際に光電変換装置が破壊されることを低減しながら距離Ｂを短くできる。複数の光電変換装置１０１を配列したイメージセンサユニットにおいて、光電変換装置１０１同士の間隔を狭めることができ、つなぎ目における解像度の低下を低減することができる。

ここで、配線の実効的なヤング率は、配線を構成する材料によって決まる。仮に、ある配線が材料Ａ、Ｂ、およびＣから成るとして、各材料のヤング率がａ、ｂおよびｃだとする。さらに、各材料の組成比がｘ、ｙおよびｚ［ａｔ％］であるとすると、この配線の実効的なヤング率Ｙは、下記の式で表現される。
Ｙ［ａｔ％］＝（ａ×ｘ＋ｂ×ｙ＋ｃ×ｚ）／１００ ・・・（１）
配線を構成する材料の種類が３種類以外でも、同様にして算出することができる。なお、配線の特性は、組成比が７０［ａｔ％］を超える材料に概ね依存して決まる。

また、配線の主材料とは、配線を構成する材料のうち、最も組成比率が高い材料を意味する。第１の配線はアルミニウム、銅、チタン、タングステンなどを含み、主材料はアルミニウム、銅、またはアルミニウムと銅の合金が典型的なものである。そして、これらの材料よりもヤング率が高い第２の配線の主材料は、ポリシリコンや、シリサイド化されたポリシリコンが挙げられる。主材料の組成比が７０［ａｔ％］を超えるように構成すると、配線の特性を見積もることが容易になる。したがって、主材料の組成比がともに７０［ａｔ％］を超えるものである２本の配線のヤング率を比較する場合には、主材料のヤング率同士を比較すれば良い。
一般に、ヤング率が高い材料は、融点も高い傾向にある。ヤング率に加えて融点も高い材料を第２の配線として用いることで、ウィスカーやヒロックの発生をさらに低減できる。

図３（ａ）に、光電変換装置１０１の平面図を示す。図１および２と共通する部材には、同一の符号を付している。図２で示した配線２２２は、部分配線２２２ｍ１および２２２ｍ２と、部分配線２２２ｐを含んで成る。部分配線２２２ｐは図中のＹ方向、すなわち一の方向と交差する方向のダイシング切断線に沿った領域を持つ。部分配線２２２ｍ１および２２２ｍ２は図中のＸ方向、すなわち一の方向のダイシング切断線に沿った領域を持つ。ここではＸ方向とＹ方向とが直交する場合を例示している。部分配線２２２ｐと部分配線２２２ｍ１および２２２ｍ２とは、黒い四角形で示したプラグを介して接続される。

部分配線２２２ｐは、部分配線２２２ｍ１および２２２ｍ２よりも実効的なヤング率が高い。具体的には、部分配線２２２ｍ１および２２２ｍ２を構成する材料をアルミニウムや銅、あるいはアルミニウムと銅の合金などが７０％以上の比率になるようにして、部分配線２２２ｐはポリシリコンが７０％以上の比率になるようにすることで、上記の関係を満たすことができる。第２の配線である部分配線２２２ｐは、第１の配線である部分配線２２２ｍ１および２２２ｍ２と比較して変形しにくい。そのため、上記のように構成することで、光電変換装置１０１をダイシングする際に熱や応力が発生しても、ヒロックやウィスカーが発生する可能性が低減される。

部分配線２２２ｍ１〜２２９ｍ１および２２２ｍ２〜２２９ｍ２を構成する主材料を金属とすると、これらの部分配線は、複数の単位セルに対して共通に信号やバイアスを供給する配線であるので、インピーダンスを低減することができる。一般に、光電変換装置１０１は、単位セルの繰り返し方向であるＸ方向に沿った辺は、それと交差するＹ方向に沿った辺よりも長いので、Ｘ方向に延在する部分配線はインピーダンスを低くするために、金属を主材料とすることが望ましい。特に、本実施例で例に挙げた光電変換装置においては、単位セルを横切るように設けられた配線を細くできるので、光電変換素子２０１に入射する光量が低下してしまうことを抑制するためにも好ましい。一方で、Ｙ方向に沿った辺に沿って設けられる配線は、相対的に長さが短いため、ポリシリコンのように、金属よりもインピーダンスが大きい材料を主材料としても、信号の遅延量は少なく抑えられる。部分配線２２２ｐの主材料を、シリサイド化されたポリシリコンとすると、ポリシリコンと比較してインピーダンスを低減できるという利点がある。

配線２２３〜２２９についても配線２２２と同様に、複数の部分配線で構成することで、ヒロックやウィスカーが発生する可能性がさらに低下するが、配線２２２〜２２９のうちの少なくとも１本が、第１の配線と第２の配線を含んで成れば良い。本実施例では、部分配線２２２ｐ〜２２９ｐは、少なくともＸ方向の端部において、端部に沿った領域で互いに平行に設けられている。

なお、配線２２２ｐ〜２２９ｐの全てが第２の配線を含んでいる必要はなく、Ｘ方向における端部のダイシング切断線に沿っている部分だけが第２の配線であってもよい。つまり、図３（ａ）では、部分配線２２２ｐ〜２２９ｐは、Ｕ字形状になっているが、Ｙ方向の切断線に沿った直線状の領域だけが、部分配線２２２ｍ１〜２２９ｍ１や２２２ｍ２〜２２９ｍ２よりも実効的なヤング率が高ければ良い。

図３（ｂ）は、図３（ａ）における断面Ｃに係る断面図である。シリコン４０１の上に、フィールド酸化膜４０２が設けられ、その上に部分配線２２２ｐ〜２２５ｐが設けられている。部分配線２２２ｐ〜２２５ｐは、配線間絶縁膜４０３によって電気的に絶縁されている。配線間絶縁膜４０３の上には配線４０４が形成され、さらにその上には保護膜４０５が設けられる。

図３（ａ）には示していない配線４０４は、金属を主材料としてもよい。図３（ｂ）から明らかなように、配線４０４は、部分配線２２２ｐ〜２２５ｐよりも広い配線であるため、ダイシング時に熱や応力が発生してもその影響が分散されて、ウィスカーやヒロックが発生する可能性が低いからである。

ここでは、配線２２２〜２２５と配線４０４とを含む２層の配線を持つ構成を説明した。配線層の数はこれに限られず、単層であってもよいし、３層以上の配線を含んでいても良い。多層の配線を含む場合には、そのうちのいずれか一つでも、第１の配線よりも実効的なヤング率が高い領域が、Ｙ方向に沿ったダイシング切断線と沿って設けられていれば、ウィスカーやヒロックが発生する可能性を低減できる。別の言い方をすると、複数の半導体装置を半導体基板に形成し、少なくとも一辺についてダイシング切断線が、前記第２の配線と沿うように光電変換装置を切断して、半導体基板から分離して製造することで、分離された光電変換装置にウィスカーやヒロックが発生する可能性を低減できる。

（実施例２）
図面を参照しながら、本発明に係る別の実施例を説明する。本実施例においても、光電変換装置を例に取って説明する。

図４は、本実施例に係る光電変換装置１０１’である。実施例１で示した光電変換装置１０１と同じ構成要素には、同じ符号を付している。本実施例においても、配線２２２〜２２９は第１の配線と第２の配線とを含み、一の方向（Ｘ方向）における端部に沿って設けられた第２の配線は、第１の配線よりも実効的なヤング率が高いものとする。

実施例１と異なるのは、部分配線２２３ｐ、２２４ｐ、２２６ｐ―２２８ｐに換えて、部分配線２２３ｐ’、２２４ｐ’、２２６ｐ’―２２８ｐ’を設けた点である。部分配線２２３ｐ’、２２４ｐ’、２２６ｐ’―２２８ｐ’は、部分配線２２２ｐ、２２５ｐ、および２２９ｐと比較して、配線の断面積が大きい。

各種配線を介して伝送されるバイアス電位や制御信号のうち、バイアス電位は、光電変換装置１０１の電源を投入した直後に遷移する以外のほとんどの期間は、大きく変動することはない。一方、制御信号はＭＯＳトランジスタの導通を制御するために、バイアス電位と比べて多く遷移し、しかも、その遷移する範囲も電源電圧からＧＮＤ電圧まで遷移することが多い。

制御信号が高速に遷移することにより、ＭＯＳトランジスタも高速に動作できる。すなわち、光電変換装置の動作速度を向上させることができる。したがって、制御信号を伝送する配線は、インピーダンスが低いことが好ましい。そこで、本実施例では、制御信号を伝送する部分配線２２３ｐ’、２２４ｐ’、２２６ｐ’―２２８ｐ’の断面積を、バイアス電位を供給するための部分配線２２２ｐ、２２５ｐ、および２２９ｐの断面積よりも大きくしている。

一般化すると、複数ある第２の配線のうち、伝送する信号の振幅および周波数の少なくとも一方が大きいものは、他方よりも断面積を大きくすることで、光電変換装置の動作を高速にすることができる。

部分配線２２３ｐ’、２２４ｐ’、２２６ｐ’―２２８ｐ’の断面積の増大に伴って、これらの部分配線に付随する寄生容量も増加するので、インピーダンスを増大させる要因となる。しかしながら、部分配線２２３ｐ’、２２４ｐ’、２２６ｐ’―２２８ｐ’は、光電変換装置１０１’における短辺に沿って設けられた配線であるため、寄生容量の増加によるインピーダンスの増大の影響は小さい。これに対して断面積の拡大によるインピーダンスを低減する効果の方が大きく寄与するため、全体としては、インピーダンスを低減することができる。

本実施例によれば、実施例１と同様に、ダイシングの際に光電変換装置が破壊されることを低減できる。さらに、第２の配線のうち、制御信号を伝達するものの断面積を、バイアスを伝達するものの断面積よりも大きくすることで、光電変換装置の動作の高速化を実現しうる。

（その他）
上述の各実施例は、半導体装置の一例として光電変換装置を挙げ、複数の光電変換装置を配列したイメージセンサユニットを説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、単位セルの各々が、光電変換素子に換えて液滴吐出口を有するものであっても良い。このような半導体装置を配列することで、記録装置の一種であるインクジェットプリンタのインクヘッドを構成することができる。インクヘッドにおいては、隣接する半導体装置間の距離を短くすることで、つなぎ目における印刷の抜けを低減できる。

１０１ 光電変換装置
１０２ 画素
１０３ 信号処理回路
１０４ 周辺回路
１０５ 配線
１０６ 配線

Claims (10)

1. 光電変換素子を有する画素と、前記画素に対応して設けられた列回路とを有する単位セルが第１の方向に沿って複数配列された複数の単位セルと、
   前記第１の方向に沿って配された第１の配線と、
   前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配され、前記第１の配線よりもヤング率が高い第２の配線と、を有する光電変換装置であって、
   前記第２の配線は、前記光電変換装置の前記第１の方向における端部と、前記複数の単位セルのうち前記光電変換装置の前記第１の方向における端部に最も近接して設けられた前記単位セルの前記第１の方向における端部との間に設けられており、
   前記第２の配線とは異なる層に、前記第２の配線よりも断面積が大きい配線を有することを特徴とする光電変換装置。
2. 前記第２の配線は、前記第１の配線よりも融点が高いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第２の配線は、前記複数の単位セルに対して共通に電気的に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記第１の配線は、アルミニウムもしくは銅、または、アルミニウムおよび銅の合金を主材料とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記第２の配線は、ポリシリコンまたはシリサイド化されたポリシリコンを主材料とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記第２の配線の断面積は、前記第１の配線の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記第１の方向における前記光電変換装置の長さは、前記第２の方向における前記光電変換装置の長さよりも長いことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の光電変換装置が、前記第１の方向に沿って複数配列されたことを特徴とするイメージセンサユニット。
9. 請求項８に記載のイメージセンサユニットを含むことを特徴とする画像読み取り装置。
10. 光電変換素子を有する画素と、前記画素に対応して設けられた列回路とを有する単位セルが第１の方向に沿って複数配列された複数の単位セルと、
    前記第１の方向に沿って配された第１の配線と、
    前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配された第２の配線と、を有する光電変換装置であって、
    前記第２の配線は、前記光電変換装置の前記第１の方向における端部と、前記複数の単位セルのうち前記光電変換装置の前記第１の方向における端部に最も近接して設けられた前記単位セルの前記第１の方向における端部との間に設けられており、
    前記第１の配線は、アルミニウムもしくは銅、または、アルミニウムおよび銅の合金を主材料とし、
    前記第２の配線は、ポリシリコンまたはシリサイド化されたポリシリコンを主材料とし、
    前記第２の配線とは異なる層に、前記第２の配線よりも断面積が大きい配線を有することを特徴とする光電変換装置。

Images