JP2000260971A - 撮像装置 - Google Patents

撮像装置

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JP2000260971A
JP2000260971A JP11061577A JP6157799A JP2000260971A JP 2000260971 A JP2000260971 A JP 2000260971A JP 11061577 A JP11061577 A JP 11061577A JP 6157799 A JP6157799 A JP 6157799A JP 2000260971 A JP2000260971 A JP 2000260971A
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photoelectric conversion
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layer wiring
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Junichi Hoshi
淳一 星
Seiji Hashimoto
誠二 橋本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細化CMOSセンサーに適したオーバーフ
ロードレイン構造を得る。 【解決手段】 光電変換素子13と光電変換素子13か
らの過剰な電荷を排除する横型オーバーフロードレイン
12とを有する撮像装置において、オーバーフロードレ
イン12は光電変換素子13の少なくとも2方を取囲む
拡散層配線である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は撮像装置に係わり、
特に横型オーバーフロードレイン構造を有する撮像装
置、さらには微細化されたCMOSセンサーに関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来、強い光が照射された場合に発生し
た過剰な光信号電荷を排除するためのオーバーフロード
レイン構造(OD)は、主にCCD型撮像装置で発達し
て来た。
【0003】オーバーフロードレイン構造には横型オー
バーフロードレイン構造(以下、LODという。)、縦
型オーバーフロードレイン構造(以下、VODとい
う。)が有り、例えば特開平10−070261号公
報,電子情報通信学会技術研究報告ED87−174等
に紹介されている。
【0004】また前記LODは、その直上にゲート電極
を設けることで、ゲート電極下のチャネルを開くことが
可能であり、リセット機能、電子シャッター機能等も実
現されている。また前記VODはVODを構成する基板
の電位を変化させることで同様の機能を実現している。
【0005】一方、CCD型撮像装置とは別の撮像装置
としては、例えばCMOSセンサーが知られている。C
MOSセンサーの構成例は、特開昭63−100879
号公報、特開平9−46596号公報等に説明されてい
る。ここで、CMOSセンサーとはCMOSプロセスコ
ンパチブルのセンサーのことで、画素部と周辺回路のM
OSトランジスタとが同一工程で形成できるものであ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記VODをCMOS
センサーに応用しようとすると、種々の課題が生じる。
即ち、VODはホトダイオードであるN+ 拡散層とPウ
ェル、及びN型基板から成る。Pウェルは周辺回路を構
成するCMOSのウェルであるが、ウェルの濃度プロフ
ァイルはVODの主特性を決定する重要なファクタでも
有るため、両者の間に制約が生じ、各々の最適化は困難
となる。
【0007】また両者のウェルを異なった工程で形成す
れば、その自由度は保証されるが、プロセスコストの上
昇を招く。これは撮像装置のコストアップを招くことに
なる。
【0008】また前記電子情報通信学会技術研究報告E
D87−174に示されるように、Pウェル間の重なり
部分をVODとして使用することも考えられるが、この
構造は精密なプロセス制御が必要となる。またオーバー
フローが開始する信号電荷量の値がバラツキやすい。こ
れは各画素に存在する光電変換素子の光電変換特性の飽
和電圧のバラツキとなり、撮像装置の特性を悪化させる
ことになる。
【0009】また、LODはVODに比べると一般に余
分なスペースを必要とし、画素面積を増大させる。ゆえ
にCCDにおいては主流ではなくなりつつあるが、CM
OSセンサーにおいては状況が少し異なる。即ち、CM
OSセンサーでは元来その画素内に種々のデバイスを集
積しているために、LODの増設に対してもCCDほど
は障害とはならない。むしろLODに他の機能を持たせ
ることでよりスマートな構成も得ることが可能である。
【0010】しかし、CMOSセンサーにおいては微細
化が急速に進行しており、従来のような1次元LODで
はLODを構成する拡散層の細線化による配線抵抗の増
大が生じ、そのためLODの実効力が低下することが予
想される。即ち、LODに大電流が流れると、その増大
した配線抵抗によって電圧降下が生じ、撮像装置の画素
アレーの中央で、LODに印加される実効電圧が大幅に
減少してしまうことである。これは、オーバーフロード
レイン構造の余剰電荷の排出能力を低下させるととも
に、面内の飽和電圧ムラを生じさせる。
【0011】また一部のCMOSセンサーには光電変換
素子と増幅手段との間に転送ゲートを有するものが存在
する。転送ゲートはMOSFETで形成されており、ゲ
ートをはさんだソース/ドレイン拡散層(フローティン
グディフュージョン)に光電変換素子からの余剰電荷が
流入すると、ノイズの原因となる。特にフローティング
ディフュージョン(以下FDという。)を一時メモリに
使用する場合には深刻な問題となる。
【0012】本発明は上述した課題を解決するものであ
り、微細化が進行しつつあるCMOSセンサーにおいて
も有効なオーバーフロードレイン構造を提供することを
目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段および作用】本発明の撮像
装置は、光電変換素子と該光電変換素子からの過剰な電
荷を排除する横型オーバーフロードレインとを有する撮
像装置において、前記オーバーフロードレインは前記光
電変換素子の少なくとも2方を取囲む拡散層配線である
ことを特徴とする。
【0014】また本発明の撮像装置は、光電変換素子と
負荷型電界効果トランジスタとを有する撮像装置におい
て、前記負荷型電界効果トランジスタのソース側は前記
光電変換素子に接続されており、前記負荷型電界効果ト
ランジスタはオーバーフロードレインとしての働きをす
ることを特徴とする。
【0015】以下、本発明について図面を用いて説明す
る。
【0016】本発明は図4に示すように、撮像装置の単
一の画素又は複数の画素31の外周に井桁状の2次元の
LOD32を配置する。
【0017】なお、図4ではLODの構成を井桁状とし
ており、光電変換素子を含む画素の周囲を取り囲むよう
にしているが、光電変換素子の周囲の一部をLODが取
り囲む(少なくとも2方を取り囲む)ように形成されて
いればよい。一般的には画素はマトリクス状に配される
ので図4のように2次元井桁状のLODが望ましいが、
光電変換素子の形状は光電変換素子以外の画素構成要
素、例えば転送ゲートや増幅アンプ等によって形状が変
わり、また画素自体の形状によっても変わるので、光電
変換素子を囲むLODの形状もそれに対応して変わるこ
とになる。
【0018】本発明によれば画素中に含まれる光電変換
素子に対向するLODの長さ(W)を大きく取れること
から、光電変換素子からあふれ出る余剰な電荷を速やか
にLODに排出することができる(W効果)。
【0019】またLOD中に排出された電荷を速やかに
画素アレーから外部に輸送するためには、LODの配線
抵抗は重要である。本発明においてはLODを2次元井
桁状の拡散層配線で形成することによって、その配線抵
抗(R)を低減させる(R効果)。
【0020】図5は本発明の拡散層配線の2次元配線効
果を説明するための概念図である。図6は拡散層配線が
1次元配線の場合を説明するための概念図である。
【0021】今、6×6画素から成る画素アレーを考え
る。図6(a)に示すように、縦又は横方向に1次元の
LODを配置した場合には、両持ちとして、1画素相当
の拡散層抵抗Rを3個直列に配置した値がLODの配線
抵抗に相当する。図6(b)の上方の端子がアレー中央
部に相当し、下方の端子がアレー外周部に相当する。配
線抵抗の値は3Rである。
【0022】一方、図5(a)に示すように、本発明の
ように2次元井桁状に配置した場合には、図5(b)に
示すように中央部と、外周部間の抵抗は簡単な計算から
23/52Rとなる。これは1次元の場合と比べると約
7倍小さな値である。
【0023】改善効果は、ネットワーク(図5(b))
のノードが増えるに従って更に顕著となる。20×20
画素から成る画素アレーの改善効果を回路シミュレータ
で見積もると、1次元の場合10R、2次元の場合0.
636Rとなって、約16倍の改善効果となる。これは
同じ構造であるならばLODの拡散層の幅を1/16に
できることを示しており、それだけLODを小型化でき
ることを示している。
【0024】また配線抵抗は途中で基板側、あるいは上
層のより低抵抗な金属配線とのオーミックコンタクトを
取ることによって、更に低下させることができる。
【0025】また画素間にLODを配置することによっ
て、画素間の信号電荷の混合をも防止することができる
(I効果)。
【0026】本発明によれば上記のW効果、R効果、I
効果によってよりコンパクトで効力の有るLODを実現
することが可能であり、耐光性に優れ飽和電圧バラツキ
のない、輝度分離、色分離の良いS/Nの良好な撮像装
置を提供することができる。
【0027】また、本発明のLODに対数圧縮等に用い
られている負荷型MOSFETを用いることにより、更
にそのLODとしての性能は向上する。
【0028】対数圧縮等に使用する負荷型MOSFET
は、MOSFETのゲートとドレイン電極がショートさ
れており、MOSFET間に印加される電圧が増大する
につれて、指数関数的に電流が増大する非線型性抵抗の
特性を示す。非線型抵抗である負荷型MOSFETの働
きは、後述する実施例の中で詳細に説明する。
【0029】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。
【0030】図1は本発明の一実施例である、撮像装置
の画素部レイアウト図である。図2は図1の配線を除去
した画素部レイアウト図である。図3は画素の等価回路
図である。撮像装置はアクティブピクセルセンサー(A
PS)であるCMOSセンサーであり、CZN(10
0)Siウェハ上に、レイアウトルール0.4μmのC
MOSプロセスによって製造されている。
【0031】図1及び図2において、11は画素単位セ
ルであり、撮像装置上に2次元アレー状に繰返し多数配
置されている。12はLODを形成するN+ 拡散層であ
り、太さはパターン設計の最小寸法の0.4μmであ
り、画素11の外周を井桁状にとり囲んでいる。N+
散層12は2次元アレーの外方で所定の電位に接続され
ている。また13は光電変換素子であるホトダイオード
の一方の電極を形成するN+ 拡散層であり、LODを構
成するN+ 拡散層12とは距離0.4μmだけ離れてお
り、N+ 拡散層13はN+ 拡散層12によって三方を取
囲まれた状態となっている。また14はホトダイオード
(以下、PDという。)13からの信号電荷である電子
をFD15に転送するためのMOSトランジスタMTXの
転送ゲートであり、L=0.4μm、W=1.0μmの
NMOSFETで構成されている。16は増幅手段とな
るMOSトランジスタMSFのゲートでありFD15と電
気的に接続されている。17は選択手段となるMOSト
ランジスタMSELのゲート、18は画素からの信号を出
力するための垂直出力線、19はFD15をリセットす
るためのMOSトランジスタMRESのゲート、20はVD
D線、21は信号φTXが印加される、転送用MOSトラ
ンジスタMTXの転送ゲートと接続される転送信号線であ
り、22は信号φSELが印加される、MOSトランジス
タMSELのゲートに接続される画素選択信号線、23は
信号φRESが印加される、MOSトランジスタMRESのゲ
ートと接続されるリセット信号線である。
【0032】図3において、ホトダイオードPDからの
信号は転送手段となるMOSトランジスタMTXを介して
FD部に転送され、FD部と電気的に接続される、増幅
手段となるMOSトランジスタMSFのゲート電位に対応
する信号が選択手段となるMOSトランジスタMSELを
介して垂直出力線に出力される。FD部はリセット手段
となるMOSトランジスタMRESによって所定の電位に
リセットされる。なお、ホトダイオードPDのリセット
は転送手段となるMOSトランジスタMTXを介して行わ
れる。
【0033】LODはPD13に光電荷を蓄積する電荷
蓄積時(露光時)に有効に働く。逆バイアスされたPD
13に電子が蓄積し始めると、逆バイアス電圧は徐々に
その値を減少させる。逆バイアス電圧がゼロに近づく
と、これ以上電子を収集、蓄積することができずに、そ
の電子を周囲にばらまき始める。その際に問題となるの
が、FD15に電子が混入することである。またFD1
5は信号電荷を一時蓄積しておくことが可能であるため
に、一時メモリとして使用される場合もある。その場合
は更に深刻である。しかし本実施例においてはPD13
の近傍三方向にLODが配置されており、しかも電子を
収集するように正の電圧が印加されていることから、P
D13からあふれ出た電子を吸とることによって、FD
15中に、あふれ出た電子が飛込むことを防止できる。
【0034】また、N+ 拡散層12とFD15との距離
は0.5μmであり、N+ 拡散層12とPD13との距
離0.4μmよりも広く取られている。FD15にはP
D13に蓄積された全ての信号電荷である電子が転送さ
れるが(完全転送)、その場合、FD15の電位が大き
く低下することが予想される。そのような場合において
も、N+ 拡散層12とFD15との距離がN+ 拡散層1
2とPDとの距離よりも広いために、FD15において
はLOD動作は生じにくい。
【0035】N+ 拡散層12から吸上げられた電子は前
述のように井桁状の2次元低抵抗配線によって画素アレ
ー外まで運ばれる。
【0036】また本発明の他の実施例として、図7に示
したように、PD43の外周を可能な限り覆うことも有
効である。なお、図7においては簡易化のために図1に
おいて示されていた配線、ゲート電極、スルーホール等
は省略されている。
【0037】また、更なる実施例として、図8に示した
ようにリセット電位及びソースフォロワの電源であるV
DD端子60をLODのN+ 拡散層52と接続した例も考
えられる。本実施例によれば図1に見られたVDD電源の
ための水平配線20が不要となるため、更にPD53の
開口率が向上する。なお、図8においては簡易化のため
に図1において示されていた配線、ゲート電極、スルー
ホール等は省略されている。
【0038】また本発明の更なる実施例である、四画素
でアンプを共有するCMOSセンサーの画素レイアウト
概略図を図9に示す。61は繰返し単位セルとなる四画
素である。62はLODを構成する幅0.4μmのN+
拡散層である。63−1〜63−4はPDであり、N+
拡散層62と0.4μmの距離で二方を取囲まれてい
る。66は増幅手段となるMOSトランジスタMSFのゲ
ートでありFD65と電気的に接続されている。67は
選択手段となるMOSトランジスタMSELのゲート、6
8は画素からの信号を出力するための垂直出力線、69
はFD65をリセットするためのMOSトランジスタM
RESのゲート、70はVDD電源である。
【0039】また隣同士とのPDとは0.8μmの距離
で配置されている。64−1〜64−4はPD63−1
〜63−4からの信号電荷をFD65に転送するための
転送ゲートであり、L=0.4μm、W=1μmのNM
OSFETから成っている。
【0040】本実施例においては、4つのPD63−
1,63−2,63−3,63−4からの信号電荷を時
分割でFD65に読出している。従ってPD63−1〜
63−4からあふれ出る過剰な電荷があった場合には前
述のように問題を生ずる。即ち、PD63−1の信号電
荷がFD65に有る場合に他のPDから電荷があふれ出
て来た場合には、PD63−1の信号に誤信号が乗って
しまう。特に本実施例のように四画素を共通アンプで読
出す場合には、四画素には異なった色(〜R,G,B)
が配置されることが多く、従って誤信号は輝度の誤りだ
けでなく、色の誤りを引起こすことになる。色の誤り、
即ち色相のズレは輝度の差とは異なり目立ち易い。しか
し本実施例においては、LODが正の電位となっている
ために、あふれ出した電荷である電子は速やかにLOD
に吸上げられる。
【0041】また本実施例においてはPD同士の間の距
離はLODとPDとの距離よりも広く取っているため
に、PD間の信号の混合は生じにくくなっている。
【0042】本発明の更なる実施例を図10,図11に
示す。図10は本実施例の画素の等価回路図であり、図
11はその概略レイアウト図である。
【0043】図11において、81はPD73とLOD
であるN+ 拡散層72間に接続されたL=0.4μm、
W=1μmの負荷MOSFETのゲートであり、負荷M
OSFETのゲート81はN+ 拡散層72に接続されて
いる。76は増幅手段となるMOSトランジスタMSFの
ゲートでありFD75と電気的に接続されている。77
は選択手段となるMOSトランジスタMSELのゲート、
79はFD75をリセットするためのMOSトランジス
タMRESのゲートである。
【0044】負荷MOSFETの働きは図10に示した
通り、PD93の信号電荷蓄積時に、負荷MOSFET
101のサブスレッショルド特性を利用して信号を対数
圧縮するものであり、それゆえにLODの働きを兼ねる
ことができる。即ち、PD93間に印加された逆バイア
ス電圧は、PD93に信号電荷が蓄積するにつれて低下
する。すると負荷MOSFET101間に印加される電
圧は増加し、従って負荷MOSFET101間に流れる
電流は増加する。これはLODの働きそのものである。
本実施例によればその指数関数的に増大するLOD電流
によってそのLODとしての働きは理想的であり、耐光
性が非常に向上する。
【0045】また、本発明の他の実施例として、負荷M
OSFETのスレッショルド電圧V T を適当に選んでや
ることによって、前述のような対数圧縮特性を示さず、
通常の線型特性を示すセンサーとすることもできる。本
実施例では図10の転送ゲートMOSFET94のリー
クが始まるPD93の電位よりも、負荷MOSFET1
01のリークが始まるPD93の電位を低く設計してあ
ることによって、負荷MOSFET101はオーバーフ
ロードレインとしての働きを示す。また本発明の更なる
他の実施例として、四画素間でアンプを共有するセンサ
ーに負荷MOSFETを各画素に配置した例も考えられ
る。
【0046】本実施例によれば確実にFDへの余剰電荷
の混入を防ぐことができ、色相の誤りを生ずることはな
い。
【0047】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
微細化CMOSセンサーに適したオーバーフロードレイ
ン構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である、撮像装置の画素部レ
イアウト図である。
【図2】図1の配線を除去した画素部レイアウト図であ
る。
【図3】図1の画素の等価回路図である。
【図4】本発明の撮像装置の画素とLODの配置を示す
概略図である。
【図5】本発明の拡散層配線の2次元配線効果を説明す
るための概念図である。
【図6】拡散層配線が1次元配線の場合を説明するため
の概念図である。
【図7】本発明の他の実施例である、撮像装置の画素部
レイアウト図である。
【図8】本発明の他の実施例である、撮像装置の画素部
レイアウト図である。
【図9】本発明の他の実施例である、撮像装置の画素部
レイアウト図である。
【図10】本発明の実施例の画素の等価回路図である。
【図11】図10の画素の概略レイアウト図である。
【符号の説明】
11 画素単位セル 12 N+ 拡散層 13 N+ 拡散層(PD) 14 転送ゲート 15 FD 16 MOSトランジスタMSFのゲート 17 MOSトランジスタMSELのゲート 18 垂直出力線 19 MOSトランジスタMRESのゲート 20 VDD線 21 転送信号線 22 画素選択信号線 23 リセット信号線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4M118 AA10 AB01 BA14 CA03 DD12 FA06 FA14 FA19 5C024 AA01 CA02 FA01 FA11 GA31 GA43

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光電変換素子と該光電変換素子からの過
    剰な電荷を排除する横型オーバーフロードレインとを有
    する撮像装置において、 前記オーバーフロードレインは前記光電変換素子の少な
    くとも2方を取囲む拡散層配線であることを特徴とする
    撮像装置。
  2. 【請求項2】 前記拡散層配線は、2次元井桁状に構成
    されていることを特徴とする撮像装置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の撮像装置
    は、CMOSセンサーであることを特徴とする撮像装
    置。
  4. 【請求項4】 請求項1又は請求項2に記載の撮像装置
    において、前記拡散層配線の幅はパターン設計の最小の
    寸法であることを特徴とする撮像装置。
  5. 【請求項5】 請求項1又は請求項2に記載の撮像装置
    において、前記拡散層配線は前記光電変換素子を含む単
    一の画素、あるいは前記光電変換素子をそれぞれ含む複
    数の画素を取囲んでいることを特徴とする撮像装置。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載の撮像装置において、取
    囲んでいる前記複数の画素は光電変換素子からの信号を
    増幅する増幅手段を共有していることを特徴とする撮像
    装置。
  7. 【請求項7】 請求項1又は請求項2に記載の撮像装置
    において、前記拡散層配線は少なくとも一部が基板側、
    あるいは金属配線とオーミックコンタクトされているこ
    とを特徴とする撮像装置。
  8. 【請求項8】 請求項1又は請求項2に記載の撮像装置
    において、前記拡散層配線は正の電源配線を兼ねること
    を特徴とする撮像装置。
  9. 【請求項9】 請求項1〜8のいずれかの請求項に記載
    の撮像装置において、前記光電変換素子を有する画素内
    に転送ゲートとフローティングディフュージョンを有す
    ることを特徴とする撮像装置。
  10. 【請求項10】 請求項9に記載の撮像装置において、
    前記フローティングディフュージョンと前記拡散層配線
    との間の距離は、前記光電変換素子と前記拡散層配線と
    の間の距離よりも広いことを特徴とする撮像装置。
  11. 【請求項11】 光電変換素子と負荷型電界効果トラン
    ジスタとを有する撮像装置において、前記負荷型電界効
    果トランジスタのソース側は前記光電変換素子に接続さ
    れており、前記負荷型電界効果トランジスタはオーバー
    フロードレインとしての働きをすることを特徴とする撮
    像装置。
  12. 【請求項12】 請求項11に記載の撮像装置におい
    て、前記負荷型電界効果トランジスタのゲート及びドレ
    イン側は正の電位に接続されており、前記電界効果トラ
    ンジスタのスレッショルド電圧は前記正の電位よりも高
    いことを特徴とする撮像装置。
  13. 【請求項13】 請求項11に記載の撮像装置におい
    て、前記光電変換素子と前記負荷型電界効果トランジス
    タを有する画素内に転送ゲートとフローティングディフ
    ュージョンとを有することを特徴とする撮像装置。
  14. 【請求項14】 請求項12に記載の撮像装置におい
    て、前記転送ゲートのリーク電流が流れ始める光電変換
    素子の電位の値よりも、前記負荷型電界効果トランジス
    タのリーク電流が流れ始める電位の値の方が低いことを
    特徴とする撮像装置。
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