JP2004140152A - 固体撮像素子及びカメラ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】CMOSプロセスで形成される各トランジスタのゲート配線層(電極膜)を2層化し、PD219の周辺の画素Trでは、転送Tr211とリセットTr214のゲート電極を下層のゲート電極膜を用いて形成し、上層のゲート電極膜をFD216の遮光膜に利用する。また、この遮光膜を延長して増幅Tr212のゲート電極として用い、FD216の電位変動を増幅Tr212のゲートに伝える。遮光膜として用いる上層のゲート配線層の材料には、高融点金属シリサイド、例えばタングステンシリサイドやコバルトシリサイドなどの遮光性の高い材質を用いる。
【選択図】 図4
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像領域部を構成する複数の画素毎に光電変換素子、フローティングディフュージョン(FD)、及び画素トランジスタを設けて光電荷の検出と読み出しを行うCMOS型イメージセンサ等の固体撮像素子、及びこの固体撮像素子を用いたカメラ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のCMOS型固体撮像素子としては、種々の画素構成を有するものが知られているが、例えば、受光量に応じた電荷を生成する光電変換素子であるフォトダイオード(PD)と、このPDの信号電荷を検出するためのフローティングディフュージョン(FD)と、PDの信号電荷をFDに転送する転送トランジスタ(転送ゲート)と、FDの電位変動を検出して電気信号を出力する増幅トランジスタと、FDの電位を電源電位にリセットするリセットトランジスタと、増幅トランジスタを活性化して出力信号線に接続する選択トランジスタとを設けたものが提供されている。
【0003】
図5は、このような従来のCMOS型固体撮像素子のフォトダイオード周辺部の構造を示す断面図である。
このCMOS型固体撮像素子は、半導体基板(N型シリコン基板)40の上層部に素子形成領域としてのPウェル領域42、44が形成され、Pウェル領域42、44にPD46や各種のゲート素子が形成されている。なお、図示の例は、Pウェル領域42にPD46、転送ゲート(MOSトランジスタ)48、FD50が形成され、Pウェル領域44に周辺回路部のMOSトランジスタ52が形成されている。
【0004】
また、半導体基板40の上には、ゲート絶縁膜54を介して各ゲートのポリシリコン転送電極56が形成され、さらにその上層に層間絶縁膜58を介して多層配線層60、62、64が形成されている。そして、この多層配線層の上層膜64の配線膜が遮光膜として形成されている。
また、図5では省略しているが、FD50の上層にはコンタクトが設けられ、多層配線層を介して増幅トランジスタ(図5では省略する)のゲートに接続されている。
また、多層配線層の上には、保護膜(SiN)70を介して色フィルタ72、及びマイクロレンズ74が配置されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このようにCMOS型固体撮像素子においては、画素も周辺回路と同じCMOSプロセスを用いて作るので、CCD型固体撮像素子の場合と比べて、PD46の直近まで遮光膜(配線層64)を落とし込むことができず、PD46にだけ光を入射させる構造をつくることがことができない。
また、金属配線層が何層もあるので、各層で光が乱反射してしまう。このため、図5からわかるように、FD50には多量の光が漏れ込んでしまい、適正な画像の検出が妨げられるという問題があった。
この場合、特にFDに長時間信号電荷を貯める駆動、例えば非破壊での複数回読出しや、全画素で同時に信号電荷をFDに転送した後1行ずつ読み出す同時シャッタなどで、光の漏れこみが画質を大幅に劣化させる。FDに信号電荷を貯める時間が短くても、太陽のような高輝度の被写体が入ったときには、その間にFDの電位が大幅に変動し、信号が正常でなくなる。
【0006】
そこで本発明の目的は、CMOSプロセスを用いて撮像画素部の各画素回路を形成する場合に、FDの遮光を有効に行うことができ、画質の向上を図ることができる固体撮像素子及びカメラ装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、複数の画素を設けた撮像領域部と、前記撮像領域部から出力される画像信号の処理を行う処理回路部とを有する固体撮像素子において、前記画素は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の電位に対応した電気信号を出力する増幅トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の信号電荷をリセットするリセットトランジスタとを有し、前記撮像領域部及び処理回路部に含まれるトランジスタのゲート電極膜を複数層構造とし、前記転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲート電極を前記複数層構造のゲート電極の下層側のゲート電極膜を用いて形成し、前記フローティングディフュージョン部の上面を前記複数層構造のゲート電極膜の上層側のゲート電極膜を用いて形成した遮光膜によって遮光したことを特徴とする。
【0008】
また本発明は、固体撮像素子によって撮像した映像を出力するカメラ装置において、前記固体撮像素子は、複数の画素を設けた撮像領域部と、前記撮像領域部から出力される画像信号の処理を行う処理回路部とを有し、前記画素は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の電位に対応した電気信号を出力する増幅トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の信号電荷をリセットするリセットトランジスタとを有し、前記撮像領域部及び処理回路部に含まれるトランジスタのゲート電極膜を複数層構造とし、前記転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲート電極を前記複数層構造のゲート電極の下層側のゲート電極膜を用いて形成し、前記フローティングディフュージョン部の上面を前記複数層構造のゲート電極膜の上層側のゲート電極膜を用いて形成した遮光膜によって遮光したことを特徴とする。
【0009】
本発明の固体撮像素子及びカメラ装置では、撮像領域部及び処理回路部に含まれるトランジスタのゲート電極膜を複数層構造とし、転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲート電極を複数層構造のゲート電極の下層側のゲート電極膜を用いて形成し、フローティングディフュージョン部の上面を複数層構造のゲート電極膜の上層側のゲート電極膜を用いて形成した遮光膜によって遮光したことから、CMOSプロセスを用いて撮像画素部の各画素回路を形成する場合に、フローティングディフュージョン部の遮光を有効に行うことができ、出力画層の画質の向上を図ることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子及びカメラ装置の実施の形態例について説明する。
本実施の形態例は、CMOS固体撮像素子の各トランジスタのゲート電極を2層構造とし、下層のゲート電極膜を用いて転送トランジスタやリセットトランジスタのゲート電極を形成し、上層のゲート電極膜を用いてFDの遮光膜とし、さらに、この遮光膜を増幅トランジスタ側に延在させ、増幅トランジスタのゲート電極とすることで、従来のCMOSプロセスを用いた製造工程でFDの有効な遮光を行い、さらにコンタクトや上層配線を用いることなくFDと増幅トランジスタとの接続を実現できるようにしたものである。
【0011】
図1は、本発明の実施の形態例によるカメラシステムの構成例を示すブロック図である。
このカメラシステムは、撮像レンズ系101、固体撮像素子102、アナログ回路103、A/Dコンバータ104、カメラ信号処理回路105、圧縮伸長回路106、及び記憶媒体107を有している。
まず、撮像レンズ系101から入射した光線は、固体撮像素子102の2次元画素アレイに結像する。固体撮像素子102はCMOS型イメージセンサなどの素子であり、本実施の形態の特徴となる全画素同時シャッタ機能(リセット・FD転送)、及びFDからの行順次読み出し機能を有している。
【0012】
アナログ回路103では、CDS(相関二重サンプリング)やAGC(オートゲインコントロール)などの処理を行う。そして、このアナログ回路103で処理された画像信号は、A/Dコンバータ104によりアナログデータからデジタルデータに変換され、カメラ信号処理回路105に出力される。
カメラ信号処理回路105では、固体撮像素子102の出力データから映像信号へ変換するための色信号処理、ゲイン制御処理、ホワイトバランス処理等の信号処理を行う回路である。
圧縮伸長回路106は、カメラ信号処理回路105で処理された画像データの圧縮もしくは伸長を行い、画像を記憶媒体107に記憶できるフォーマットに変換する回路である。記憶媒体107は、例えばメモリスティック等であり、画像データを出力させる手段の例であるが、例えば表示パネルや各種ネットワーク等であってもよい。
【0013】
また、図2は、図1に示す固体撮像素子102及びアナログ回路103の構成例を示すブロック図である。
図示のように、本例の固体撮像素子は、半導体素子基板200上に画素部(撮像領域部)210、定電流部220、列信号処理部(カラム部)230、垂直(V)選択駆動手段240、水平(H)選択手段250、水平信号線260、出力処理部270、及びタイミングジェネレータ(TG)280等を設けたものである。
画素部210は、多数の画素を2次元マトリクス状に配置したものであり、各画素に図3に示すような画素回路が設けられている。この画素部210からの各画素の信号は、各画素列毎に垂直信号線(図2では省略)を通して列信号処理部230に出力される。
定電流部220には各画素にバイアス電流を供給するための定電流源(図2では省略)が各画素列毎に配置されている。
V選択駆動手段240は、画素部210の各画素を1行ずつ選択し、各画素のシャッタ動作や読み出し動作を駆動制御するものである。
【0014】
列信号処理部230は、垂直信号線を通して得られる各画素の信号を1行分ずつ受け取り、列ごとに所定の信号処理を行い、その信号を一時保持する。例えばCDS(画素トランジスタの閾値のばらつきに起因する固定パターンノイズを除去する)処理、AGC(オートゲインコントロール)処理、A/D変換処理等を適宜行うものとする。
H選択手段250は、列信号処理部230の信号を1つずつ選択し、水平信号線260に導く。
出力処理部270は、水平信号線160からの信号に所定の処理を行い、外部に出力するものであり、例えばゲインコントロール回路や色処理回路を有している。なお、列信号処理部230でA/D変換を行う代わりに、出力処理部270で行うようにしてもよい。
タイミングジェネレータ280は、基準クロックに基づいて各部の動作に必要な各種のパルス信号等を供給する。
【0015】
また、図3は、図2に示す固体撮像素子の各画素に設けられる画素回路の構成例を示す回路図である。
図示の構成は、各画素にフォトダイオード(PD)219と転送、増幅、選択、リセット、排出の5つの画素トランジスタ(Tr)211、212、213、214、215を設けたものである。
PD219は、光電変換によって生成された電子を蓄積するものであり、転送Tr211をONすることにより、PD219の電子をフローティングディフュージョン(FD)216に転送する。FD216には寄生容量があるので、ここに光電子が溜められる。
【0016】
増幅Tr212は、ゲートがFD216とつながっており、FD216の電位変動を電気信号に変換する。選択Tr213は信号を読み出す画素を行単位で選択するものであり、この選択Tr213がONしたときには、増幅Tr212と画素の外で垂直信号線217につながっている定電流源218とがソースフォロアを組むので、FD216の電圧に連動する電圧が垂直信号線に出力される。
リセットTr214は、FD216の電位をVddの配線にリセットする。
排出Tr215は、PD219の光電子を直接、電源Vddの配線にリセットする。そして、電源Vddの配線は全画素共通となっている。
【0017】
また、転送Tr211、選択Tr213、リセットTr214の配線211A、213A、214Aは、横方向(水平=行方向)に延在し、同一行に含まれる画素を同時に駆動するようになっている。これにより、フォーカルプレインシャッタの駆動にも対応できる。
また、排出Tr215の配線215Aは縦に伸びているが、画素部の上端下端で全て短絡され、全画素共通となっている。
【0018】
次に、PD219としては、埋込み型のPDを用いる。埋込み型のPDとは、例えばPウェル中のフォトダイオードの場合、ゲート酸化膜の界面近傍をp+型領域とし、その下にn型領域を形成しているものである。界面がp+領域でカバーされているので、界面で発生する暗電流を防止できる。
また、転送Tr211とPD219の設計を適切にすれば、PD219の光電子をすべてFD216に転送できるので、CCD型センサで広く使われている構造である。例えばHAD(Hole Accumulation Diode )という呼称で商品化されている。
【0019】
次に、本実施の形態例における最大の特徴点について説明する。
すなわち本例では、CMOSプロセスで形成される各トランジスタのゲート配線層(電極膜)を2層化し、PD219の周辺の画素Trでは、転送Tr211とリセットTr214のゲート電極を下層のゲート電極膜を用いて形成し、上層のゲート電極膜をFD216の遮光膜に利用する。また、この遮光膜を延長して増幅Tr212のゲート電極として用い、FD216の電位変動を増幅Tr212のゲートに伝える。
なお、少なくとも遮光膜として用いる上層のゲート配線層の材料には、遮光性を有するものを用いる必要があり、また、CMOSプロセス上、耐熱性を有することが必要である。具体的には、高融点金属シリサイド、例えばタングステンシリサイドやコバルトシリサイドなどの遮光性の高い材質を用い、それでFD上面の全体、あるいはほぼ全体を覆うものとする。
なお、下層のゲート配線層については、特に限定せず、ポリシリコン膜等であってもよい。
【0020】
図4は、本実施の形態例によるPD周辺部の製造工程を示す断面図である。
まず、図4(A)に示す段階においては、シリコン基板300に設けられたPウェル領域310に、PD219のp+領域219A及びn領域219B、FD(n+領域)216、リセットTr214のドレイン(n+領域)214Cが形成されている。
また、シリコン基板300の上には、ゲート絶縁膜320を介して転送Tr211のゲート電極211B、及びリセットTr214のゲート電極214Bが形成されており、その上層に絶縁膜330が形成されている。ここで、ゲート電極、211B、214Bは、上述した2層ゲート配線層のうち下層の配線層によって形成されている。
【0021】
次に、図4(B)においては、FD216の上のゲート絶縁膜320をエッチング等によって除去してコンタクト用の開口部320Aを形成し、FD216の上面領域を露出させる。
次に、図4(C)においては、FD216の上部に遮光膜340を形成する。この遮光膜340は、開口部320Aを通してFD216に接続され、また、周辺部が転送Tr211のゲート電極211A、及びリセットTr214のゲート電極214Aの上部に絶縁膜330を介して乗り上げた状態で形成され、FD216を覆う状態で形成されている。
これらにより、FD216の近接した領域に遮光膜340を形成し、有効に遮光することができる。
これによって、リセット後にFD216に不正に入射する光を、CMOSセンサでありながら最大限防止することができる。
そして、図では省略するが、このFD216につながった2層目のゲート配線(遮光膜)340を増幅Tr212側に延伸して増幅Tr212のゲート電極にすることができる。
また、転送Tr211のゲート電極211B、及びリセットTr214のゲート電極214Bが、遮光膜340と同様の遮光性の高い材質であれば、さらに遮光の効果は高くなり、より好ましい。
【0022】
なお、以上の例では、ゲート配線層を2層化しているが、さらに多層の配線層を有するものであってもよい。すなわち、本例で2層とは、転送トランジスタとリセットトランジスタのゲート電極に用いる下層の電極膜と、FDの遮光及び接続に用いる上層の電極膜との少なくとも2層を言うものとし、その他の配線層(電極膜)の構成については特に限定しないものである。
また、上述した説明では、FDを遮光するための遮光膜となる電極膜を増幅トランジスタ側に延伸させてゲート電極として形成したが、必ずしもこのような配線構造を用いる必要はなく、遮光膜とは別にコンタクトプラグ等を用いて接続するようにしてもよく、他の素子配置の都合等に基づいて適宜選択し得るものである。
また、固体撮像素子の素子構成及び画素回路の構成としては、上述の例に限定されず、種々の形態に広く適用できるものである。
さらに、上述の例は、カメラ装置として構成したが、本発明は固体撮像素子単体として構成し得ることはもちろんである。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子及びカメラ装置では、撮像領域部及び処理回路部に含まれるトランジスタのゲート電極膜を複数層構造とし、転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲート電極を複数層構造のゲート電極の下層側のゲート電極膜を用いて形成し、フローティングディフュージョン部の上面を複数層構造のゲート電極膜の上層側のゲート電極膜を用いて形成した遮光膜によって遮光したことから、CMOSプロセスを用いて撮像画素部の各画素回路を形成する場合に、フローティングディフュージョン部の遮光を有効に行うことができ、出力画像の画質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態例のカメラシステムの構成例を示すブロック図である。
【図2】図1に示すカメラシステムの固体撮像素子及びアナログ回路の構成例を示すブロック図である。
【図3】図2に示す固体撮像素子の各画素に設けられる画素回路の構成例を示す回路図である。
【図4】図2に示す固体撮像素子のPD周辺部の製造工程を示す断面図である。
【図5】従来のCMOS型固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
101……撮像レンズ系、102……固体撮像素子、103……アナログ回路、104……A/Dコンバータ、105……カメラ信号処理回路、106……圧縮伸長回路、107……記憶媒体、200……半導体素子基板、210……画素部、211……転送Tr、212……増幅Tr、213……選択Tr、214……リセットTr、215……排出Tr、216……FD、219……PD、220……定電流部、230……列信号処理部、240……垂直(V)選択駆動手段、250……水平(H)選択手段、260……水平信号線、270……出力処理部、280……タイミングジェネレータ、340……遮光膜。
Claims (12)
- 複数の画素を設けた撮像領域部と、前記撮像領域部から出力される画像信号の処理を行う処理回路部とを有する固体撮像素子において、
前記画素は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の電位に対応した電気信号を出力する増幅トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の信号電荷をリセットするリセットトランジスタとを有し、
前記撮像領域部及び処理回路部に含まれるトランジスタのゲート電極膜を複数層構造とし、前記転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲート電極を前記複数層構造のゲート電極の下層側のゲート電極膜を用いて形成し、
前記フローティングディフュージョン部の上面を前記複数層構造のゲート電極膜の上層側のゲート電極膜を用いて形成した遮光膜によって遮光した、
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記複数層構造のゲート電極膜のうち少なくとも上層のゲート電極膜を遮光性の高い材料によって形成したことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記遮光性の高い材料には高融点金属シリサイドを用いることを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。
- 前記遮光性は前記転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲート電極の上層にはみ出した状態で形成され、前記フローティングディフュージョン部の上面の全体またはほぼ全体を遮光することを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記遮光膜を前記フローティングディフュージョン部に直接接続させたことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記遮光膜の一部を前記増幅トランジスタ側に延在させ、増幅トランジスタのゲート電極となっていることを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子。
- 固体撮像素子によって撮像した映像を出力するカメラ装置において、
前記固体撮像素子は、複数の画素を設けた撮像領域部と、前記撮像領域部から出力される画像信号の処理を行う処理回路部とを有し、
前記画素は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の電位に対応した電気信号を出力する増幅トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の信号電荷をリセットするリセットトランジスタとを有し、
前記撮像領域部及び処理回路部に含まれるトランジスタのゲート電極膜を複数層構造とし、前記転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲート電極を前記複数層構造のゲート電極の下層側のゲート電極膜を用いて形成し、
前記フローティングディフュージョン部の上面を前記複数層構造のゲート電極膜の上層側のゲート電極膜を用いて形成した遮光膜によって遮光した、
ことを特徴とするカメラ装置。 - 前記複数層構造のゲート電極膜のうち少なくとも上層のゲート電極膜を遮光性の高い材料によって形成したことを特徴とする請求項7記載のカメラ装置。
- 前記遮光性の高い材料には高融点金属シリサイドを用いることを特徴とする請求項8記載のカメラ装置。
- 前記遮光性は前記転送トランジスタ及びリセットトランジスタのゲート電極の上層にはみ出した状態で形成され、前記フローティングディフュージョン部の上面の全体またはほぼ全体を遮光することを特徴とする請求項7記載のカメラ装置。
- 前記遮光膜を前記フローティングディフュージョン部に直接接続させたことを特徴とする請求項7記載のカメラ装置。
- 前記遮光膜の一部を前記増幅トランジスタ側に延在させ、増幅トランジスタのゲート電極となっていることを特徴とする請求項11記載のカメラ装置。
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