JP2004241498A

JP2004241498A - 固体撮像素子とその動作方法

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Publication number: JP2004241498A
Application number: JP2003027404A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Nitta; 嘉一新田; Yasuyuki Endo; 康行遠藤; Masatoshi Kimura; 雅俊木村; Yoji Kubo; 洋士久保
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】画素ピッチを縮小した固体撮像素子を提供する。
【解決手段】複数の画素セルを行方向または列方向に並べた固体撮像素子において、各画素セルは、光電変換部と、転送トランジスタと、フローティングディフュージョン部と、ソースフォロアトランジスタと、選択トランジスタと、リセットトランジスタとを備える。ここで、ある１つの光電変換部につながり、リセットトランジスタ、ソースフォロアトランジスタ及びスイッチトランジスタを形成する拡散領域が、その光電変換部に隣接した光電変換部の近傍に形成され、また、上記の転送トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロアトランジスタ及び選択トランジスタが互いに並行に配置される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子の画素レイアウトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯機器、モバイル機器などに装着されるカメラモジュールへのＣＭＯＳイメージセンサ（固体撮像素子）の適用が進んでいるが、センサの高解像度化、及び、モジュールの小型化の要求が非常に強い。モジュールの小型化のためには、センサの画素ピッチを縮小することが必要である。
【０００３】
従来の固体撮像素子の画素レイアウトの例として、たとえば文献（ＳｕｎｅｔｒａＫ．Ｍｅｎｄｉｓｅｔａｌ．， ”ＣＭＯＳＡｃｔｉｖｅＰｉｘｅｌＩｍａｇｅＳｅｎｓｏｒｓｆｏｒＨｉｇｈｌｙＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＩｍａｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ”，ＩＥＥＥＪ．Ｓｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＣｉｒｃｕｉｔｓ，ｖｏｌ．３２，ｎｏ．２，ｐｐ．１８７−１９７（１９７７））や特開平１１−１９５７７６号公報に記載されたものがある。特開平１１−１９５７７６号公報に記載された一般的な画素レイアウトでは、種々の条件を考慮している。光電変換部（フォトダイオード）の面積を大きくするために、それ以外の構成部材（転送スイッチ、フローティングディフュージョン部、リセットスイッチ、選択スイッチ、増幅部、出力部、電源など）はその周囲に高密度に配置される。画素の開口率を上げるために、コンタクトの数を少なくし、可能な限り同一の拡散領域になるようにする。フローティングディフュージョン部と増幅部との接続線を短くするため、１つのフォトダイオードの信号の出力は、同じ行の隣のフォトダイオードの側に設けられた増幅器と出力部を介して行う。１つのフォトダイオードのフローティングディフュージョン部と隣のフォトダイオードの増幅部との間がポリシリコン相とアルミ層を用いて接続される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１９５７７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
画素ピッチをたとえば約４μｍ程度にする場合の最適レイアウト技術は従来は開示されていない。従来の画素レイアウト手法では、フォトダイオードの開口率を確保しながら画素ピッチを縮小することが困難であった。また、プロセスシュリンクに伴い、フォトダイオードからフローティングディフュージョン部への電荷転送を制御する電荷転送ゲートのゲート幅を大きく取ることがレイアウトの制約により困難となり、不完全転送によるノイズが発生しやすい。
【０００６】
この発明の目的は、画素ピッチを縮小した固体撮像素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素セルを行方向または列方向に並べた固体撮像素子であって、各画素セルは、光信号を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換部に蓄積された信号電荷を保持し電圧に変換して出力する転送トランジスタと、転送トランジスタにより転送された電荷を保持し電圧に変換して出力するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部の信号電位を増幅して外部に読み出すソースフォロアトランジスタと、信号電位を外部に読み出す画素を選択する選択トランジスタと、光電変換部をリセットするリセットトランジスタとを備える。ここで、ある１つの光電変換部につながり、リセットトランジスタ、ソースフォロアトランジスタ及びスイッチトランジスタを形成する拡散領域が、その光電変換部に隣接した光電変換部の近傍に形成され、また、上記の転送トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロアトランジスタ及び選択トランジスタが互いに並行に配置される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図面において、同じ参照記号は同一または同等のものを示す。
【０００９】
固体撮像素子は、複数の画素セルが行方向または列方向に配列された画素アレイを備える。図１は、固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）における１つの画素の回路を示す。各画素セルは、光信号を電気信号に変換する光電変換部（フォトダイオード）１と、光電変換部１に蓄積された信号電荷を保持し電圧に変換して出力する転送トランジスタ２と、転送された電荷を保持し電圧に変換して出力するフローティングディフュージョン部６と、フローティングディフュージョン部６の信号電位を増幅して外部に読み出すソースフォロアトランジスタ３と、信号電位を外部に読み出す画素を選択する選択トランジスタ５を備える。
【００１０】
図１に示す画素において、一般的な画素の動作を説明する。画素の状態は、リセット、信号電荷の蓄積及び信号レベルの読み出しという３つの状態より成り立つ。
【００１１】
まず、リセット状態においては、転送トランジスタ２およびリセットトランジスタ４を同時にオンし、選択トランジスタ５はオフである。この動作により、光電変換部１の電位は、リセット電源兼ソースフォロア電源線９より供給されるリセット電位にリセットされる。
【００１２】
次に、蓄積状態について説明する。蓄積状態においては、転送トランジスタ２は必ずオフの状態に保たれ、光電変換部１に入射した光が光電変換して発生する電子により、光電変換部１の電位は入射光に応じて下がっていく
【００１３】
最後に、読み出し状態について説明する。読み出しは、フローティングディフュージョン部６のリセット、リセットレベルの読み出し、信号電荷の転送、信号レベルの読み出しの４つの動作よりなる。フローティングディフュージョン部６のリセットにおいては、トランジスタ２はオフした状態でリセットトランジスタ４をオンすることにより、フローティングディフュージョン部の電位を、リセット電源兼ソースフォロア電源９より供給されるリセット電位にリセットする。次に、リセットレベルの読み出し動作においては、選択トランジスタをオンして、フローティングディフュージョン部６のリセットレベルを、ソースフォロアトランジスタ６を通じて、読み出し線１１から読み出し、画素アレイ外部のリセットレベル用メモリに電位を保持する。次に、リセットトランジスタ４をオフした状態で転送トランジスタ２をオンして、光電変換部１に保持された信号電荷をフローティングディフュージョン部６に転送する、信号電荷の転送を行う。この後、ソースフォロアトランジスタ３を通じて、信号レベルを読み出し線１１から読み出し、画素アレイ外の信号レベル用メモリに保持する。そして、信号レベル用メモリとリセットレベル用メモリの差分を画素信号成分として外部に出力する。
【００１４】
実施の形態１．
以下に、画素ピッチをたとえば４μｍ程度に縮小したレイアウトを備える固体撮像素子を説明する。図２〜５は、図１に示した固体撮像回路を実現するための実施の形態１の固体撮像素子のレイアウト構造を示している。図２において、固体撮像素子の中の４つの隣り合う画素における各構成要素が示される。各画素は、光電変換部（フォトダイオード）１、転送トランジスタ２、ソースフォロアトランジスタ３、リセットトランジスタ４、選択トランジスタ５及びフローティングディフュージョン部６を形成する。図２に示すレイアウト構造において、ウェハにポリゲート、拡散領域及びコンタクトが形成されている。１つの光電変換部１につながり、リセットトランジスタ４、ソースフォロアトランジスタ３及び選択（スイッチ）トランジスタ５を形成する拡散領域が、１つの光電変換部１に隣接した別の光電変換部１の近傍に配置される。また、上記の転送トランジスタ２、リセットトランジスタ４、ソースフォロアトランジスタ３、選択トランジスタ５がすべて互いに並行に配置されている。すなわち、これらのトランジスタ２〜５のポリゲートは、ほぼ長方形の形状で形成されるが、その長手方向が平行である。さらに、フローティングディフュージョン部６の面積を小さくするために、光電変換部１の、図における上辺において、拡散領域を、転送トランジスタ２の下部より右斜め下方向に曲げて配置して、３種類のトランジスタ３〜５は隣の光電変換部１の下側に位置される。
【００１５】
図３は、図２に示したポリゲート、拡散領域及びコンタクトの上に、絶縁層（図示しない）を介して形成される第１メタル層とコンタクトを示し、図４は、さらにその上に絶縁層（図示しない）を介して形成される第２メタル層と第１ビアホールを示し、図５はさらにその上に絶縁層（図示しない）を介して形成される第３メタル層と第２ビアホールを示す。第１、第２、第３のメタル層は、転送制御線７、読み出し制御線８、リセット制御線１０、リセット電源兼フォースフォロア電源線９及び読み出し線１１を形成する。図に示すようにメタル配線及びコンタクト、ビアホールを形成することにより、各信号線を、複数の画素セルを行方向または列方向に並べた画素アレイの外部に取り出すことが可能になる。
【００１６】
このレイアウト構成では、図２に示すように、ある１つの光電変換部１につながり、リセットトランジスタ４、ソースフォロアトランジスタ３及び選択トランジスタ５を形成する拡散領域が、その光電変換部に隣接した光電変換部の近傍に形成される。さらに、４種類のトランジスタ２，４，３，５におけるポリゲートなどのほぼ長方形の領域がすべて並行に配置されている。このレイアウト構成により、画素ピッチを、ゲートのピッチの４倍程度まで小さくすることが可能になり、画素サイズの縮小が実現され、また、開口率が大きく確保できる。
【００１７】
このレイアウトにおける画素サイズの縮小について説明すると、図６に示すように、この固体撮像素子では、画素ピッチ縮小の限界値は、ポリゲート間に許容されている最小間隔をＳ_ｍｉｎ、トランジスタを形成するゲート長の最小値をＬ_ｍｉｎとすると、
４＊Ｓ_ｍｉｎ＋４＊Ｌ_ｍｉｎ
となる。一方、特開平１１−１９５７７６号公報の図１１に記載された従来の画素レイアウト構成においては、ポリゲート間に許容されている最小間隔をＳ_ｍｉｎ、トランジスタを形成するゲート長の最小値をＬ_ｍｉｎ、ゲート幅の最小値をＷ_ｍｉｎ、拡散領域からのゲート拡張長の最小値をＷＥＸＴ_ｍｉｎとすると、画素ピッチ縮小の限界値は、
４＊Ｓ_ｍｉｎ＋３＊Ｌ_ｍｉｎ＋Ｗ_ｍｉｎ＋２＊ＷＥＸＴ_ｍｉｎ
となる。第１の実施の形態のレイアウト構成と従来例との差を求めると、画素ピッチ縮小の限界値は、
Ｗ_ｍｉｎ＋２＊ＷＥＸＴ_ｍｉｎ−Ｌ_ｍｉｎ
となる。一般的なＣＭＯＳ微細化プロセスにおいては、
Ｗ_ｍｉｎ＋２＊ＷＥＸＴ_ｍｉｎ＞＞Ｌ_ｍｉｎ
が成り立つので、上述の差（Ｗ_ｍｉｎ＋２＊ＷＥＸＴ_ｍｉｎ）だけ画素ピッチ縮小が実現される。
【００１８】
また、図２〜図５に示す画素レイアウトにおいては、光電変換部１の開口形状がほぼ正方形となる。したがって、水平方向と垂直方向の解像度が同じになる効果もある。また、感度向上のためのマイクロレンズの形成が容易になるという効果もある。
【００１９】
実施の形態２．
フローティングディフュージョン部では、信号電荷が電圧に変換されるが、変換の際、フローティングディフュージョンの寄生容量が小さいほど、単位信号電荷量に対する電圧変化量が大きく、センサの感度が高くなる。このため、一般にフローティングディフュージョン部の容量は小さくなるように設計する。しかし、画素ピッチが縮小するに従ってトランジスタのゲート幅が小さくなり、トランジスタの周辺効果が大きくなり、実効的なチャネル幅が小さくなる傾向がある。従って、フローティングディフュージョン部の容量が小さくできても、電荷転送効率が悪いと転送残りによるノイズが発生し、結果としてセンサのＳ／Ｎ比を低下させる可能性がある。
【００２０】
図７は、実施の形態２の固体撮像素子のレイアウト構造を示す。実施の形態１の固体撮像素子においては、フローティングディフュージョン部６の面積を小さくするために、光電変換部１の、図２における上辺において、転送トランジスタ２の下部より右斜め方向に拡散領域を曲げていた。これに対し、実施の形態２の固体撮像素子のレイアウト構造においては、転送トランジスタ２のゲート幅を、光電変換部１を形成している拡散領域の幅と同程度（実質的に同じ）にすることにより、転送トランジスタ２のゲート幅を大きく確保する。すなわち、光電変換部１の拡散領域の幅を縮めることなくフローティングディフュージョン部６への転送ゲートを設ける。これにより、転送トランジスタの幅を大きくするレイアウトが可能であり、完全電荷転送が容易になる。
【００２１】
転送トランジスタ２は、オン時には、光電変換部１に蓄積された信号電荷を完全にフローティングディフュージョン部６に転送し、また、オフ時には、光電変換部１とフローティングディフュージョン部６を完全にカットする機能が要求される。信号電荷の転送が不完全になると、残余電荷がノイズ要因となり、Ｓ／Ｎ比の低下の原因となる。完全電荷転送を実現するための転送トランジスタにおいては、通常のトランジスタと比較して、デバイス構造が複雑になり、プロセス難易性が高い。しかし、実施の形態２では、先に説明したように、転送トランジスタ２のゲート幅を広く取る。これにより、エッジ効果が緩和され、電荷転送に対する間口が広くなり、プロセスが縮小すると特に実現が難しい完全電荷転送を実現することが容易となる。
【００２２】
実施の形態３．
図８は、図１に示す固体撮像素子の回路構成を実現する実施の形態１のレイアウト（図２）で、Ａ−Ａ’方向に切ったときの断面を示す。撮像の際は、光電変換部（フォトダイオード）１のリセット動作において、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ４をオン状態にして光電変換部１の電荷をフローティングディフュージョン部６側に引き抜き、光電変換部１を完全空乏化（電荷が存在しない状態）する。その後、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ４をオフ状態にして、光電変換部１をフロート状態として入射光を光電変換して電荷を蓄積する。一定の蓄積時間が経過した後、光電変換部１に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン部６に転送し、その電位変化を読み出すことにより画像信号を得る。
【００２３】
入射光量が強く、光電変換部で電荷を蓄積する蓄積期間中に光電変換部１が飽和した場合、蓄積電荷が光電変換部１を乗り越えて、隣接する画素の光電変換部１に溢れ出す（図８参照）。実施の形態１の画素レイアウトでは、光電変換部１の両隣に常にフローティングディフュージョン部６が配置される。光電変換部１とフローティングディフュージョン部６とが隣り合う構成となるため、飽和した余剰電荷をフローティングディフュージョン部６で吸収することにより、フローティングディフュージョン部６を横方向のオーバーフロードレインとして機能させることが可能となる。光電変換部１を溢れた電荷がフローティングディフュージョン部６で吸収されるので、ブルーミングと呼ばれる画像のみによる画質の劣化が起きにくくなる効果がある。
【００２４】
ただし、フローティングディフュージョン部６の容量も有限であるため、入射光量が十分強い場合、フローティングディフュージョン部６自身もオーバーフローすることになる。そこで、光電変換部１のリセットの後にリセットトランジスタ４をオフ状態にした後に、光電変換部１で信号電荷を蓄積する。この光電変換部１で信号電荷を蓄積する期間において、オフ状態のリセットトランジスタ４を再びオン状態としてフローティングディフュージョン部６のリセット電源に一定電圧に保つことにより、余剰電荷を電源側に掃き出すことができる。このため、入射光量にかかわらず、光電変換部１から溢れた電荷を逃がす横型オーバーフロードレインとして機能させることができる。すなわち、光電変換部１で信号電荷を蓄積する期間において、リセットトランジスタ４をオン状態にすることでフローティングディフュージョン部６を一定電圧に保つことにより、光電変換部から溢れた電荷を逃がすオーバーフロードレインとして動作させる。フローティングディフュージョン部６を一定電位に固定することでオーバーフロードレインの効果を向上できる。
【００２５】
図９に、画素の動作ポテンシャルを、リセットトランジスタ４、転送トランジスタ２及び選択トランジスタ５について示す。図９に示すように、フローティングディフュージョン部６は常にリセット電源に固定されており、光電変換部１から余剰電荷が発生した場合、電荷は電源側に掃き出される。図１０は、そのタイミング図である。
【００２６】
実施の形態４．
固体撮像素子において、光電変換部で光電変換され、蓄積期間中に蓄積された信号電荷を、転送トランジスタを通してフローティングディフュージョン部ヘ転送する電荷転送を行う。完全電荷転送を実現するために、転送トランジスタと光電変換部との間に転送チャネルを形成する。この転送チャネルを形成するために、光電変換部１を形成するためのイオン注入工程を、注入イオンを一定の角度で注入することが提案されていた。この方法では、転送トランジスタのゲートに対して垂直方向からイオン注入を行う。イオン注入の際に、フォトレジストで注入領域を制限するが、一定角度でイオン注入を行うため、フォトレジストの厚みによりイオン注入されない領域が発生する。
【００２７】
これに対し、実施の形態４の画像撮像素子の製造方法では、不純物を一定の注入角度を有したイオン注入法を用いるが、光電変換部１に一定の角度で注入される注入イオンを遮蔽するゲート配線などの構造物を光電変換部１の周辺に形成しない。すなわち、この実施の形態における固体撮像素子の製造方法では、光電変換部１の形成のために、不純物を一定の注入角度を有したイオン注入法によりイオンを、光電変換部を形成するべき領域に注入するとき、光電変換部１に一定の角度で注入される注入イオンを遮蔽するゲート配線などの構造物を光電変換部１の周辺に形成しない。このレイアウト構成により、光電変換部１の開口面積を大きく確保する。
【００２８】
たとえば、図１１の上側に示す製造工程では、半導体ウェハ２０に光電変換部（フォトダイオード）１のための領域とフローティングディフュージョン部６のための領域とを設け、次に、その上に絶縁層を形成する。次に、電気伝導層を形成し、フォトレジストを形成してマスクを作成し、光電変換部１のための領域とフローティングディフュージョン部６のための領域の間に転送トランジスタ２のゲートを形成する。次に、さらに、光電変換部１の領域にイオン注入をするため、光電変換部１のための領域以外においてフォトレジスト１００を設け、次に、光電変換部１のための領域に不純物イオンを一定角度で注入する。図１１の上部に示すレイアウト構造では、光電変換部１の周辺には、イオン注入方向にゲート配線などの構造物を設けていない。このため、不純物を一定の注入角度を有したイオン注入法により形成する場合、光電変換部１の領域へのイオン注入を遮蔽するものはフォトレジスト１００のみである。図において「注入ブロック」と記載された部分が、フォトレジスト１００により遮蔽（ブロック）されてイオンが注入できなかった部分である。このレイアウト構成によると、光電変換部１の開口面積を大きく確保でき、その感度向上と飽和電荷量拡大に有効である。
【００２９】
一方、図１１の下部に示す比較例のレイアウト構成では、不純物イオンを一定の注入角度で注入する場合、イオン注入方向にマスク材以外の障害物が存在するので、イオン注入の一部がゲート上のフォトレジストによりブロックされる。このため、注入イオンが光電変換部１のための領域の一部に注入されず、実効的な光電変換部１の面積を低減させる。これは、感度の低下などを引き起こす要因となる。これに対し、実施の形態４のレイアウト構造では、光電変換部１に一定の角度で注入される注入イオンを遮蔽するゲート配線などの構造物を光電変換部１の周辺に形成しないので、光電変換部１の有効面積を広く取ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
固体撮像素子のレイアウト構成により、画素ピッチを、ゲートのピッチの４倍程度まで小さくすることが可能になり、画素サイズの縮小が実現され、また、開口率が大きく確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体撮像装置の画素セルの回路図
【図２】実施の形態１の固体撮像装置のレイアウト構造の図
【図３】実施の形態１の固体撮像装置のレイアウト構造の図
【図４】実施の形態１の固体撮像装置のレイアウト構造の図
【図５】実施の形態１の固体撮像装置のレイアウト構造の図
【図６】レイアウト構造における各種寸法を説明するための図
【図７】実施の形態２の固体撮像装置のレイアウト構造の図
【図８】実施の形態３の固体撮像装置の動作を説明するための図
【図９】画素のリセットトランジスタ４、転送トランジスタ２及び選択トランジスタ５について動作ポテンシャルを示す図
【図１０】動作のタイミング図
【図１１】実施の形態４におけるイオン注入工程を示す図
【符号の説明】
１光電変換部、２転送トランジスタ、３ソースフォロアトランジスタ、４リセットトランジスタ、５選択トランジスタ、６フローティングディフュージョン部。

Claims

複数の画素セルを行方向または列方向に並べた固体撮像素子であって、
各画素セルは、光信号を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換部に蓄積された信号電荷を保持し電圧に変換して出力する転送トランジスタと、転送トランジスタにより転送された電荷を保持し電圧に変換して出力するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部の信号電位を増幅して外部に読み出すソースフォロアトランジスタと、信号電位を外部に読み出す画素を選択する選択トランジスタと、光電変換部をリセットするリセットトランジスタとを備え、
ある１つの光電変換部につながり、リセットトランジスタ、ソースフォロアトランジスタ及びスイッチトランジスタを形成する拡散領域が、その光電変換部に隣接した光電変換部の近傍に形成され、
上記の転送トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロアトランジスタ及び選択トランジスタが互いに並行に配置される
ことを特徴とする固体撮像素子。
請求項１に記載された固体撮像素子において、
フローティングディフュージョン部を１つの光電変換部とそれに隣接する光電変換部との間に配置することを特徴とする固体撮像素子。
請求項１に記載された固体撮像素子において、
転送トランジスタのゲート幅を、光電変換部を形成している拡散領域の幅と実質的に同じにすることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１から３のいずれかに記載された固体撮像素子において、
光電変換部で電荷を蓄積する期間において、光電変換部のリセットの後にリセットトランジスタをオフ状態にした後に再びオン状態として、フローティングディフュージョン部のリセット電源に固定することを特徴とする固体撮像素子の動作方法。