JP2004335582A - Photoelectric converting device - Google Patents

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JP2004335582A
JP2004335582A JP2003126474A JP2003126474A JP2004335582A JP 2004335582 A JP2004335582 A JP 2004335582A JP 2003126474 A JP2003126474 A JP 2003126474A JP 2003126474 A JP2003126474 A JP 2003126474A JP 2004335582 A JP2004335582 A JP 2004335582A
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Yuichiro Yamashita
雄一郎 山下
Tetsuya Itano
哲也 板野
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Canon Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric converting device which can be more increased in numerical aperture. <P>SOLUTION: Pixels are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate, and at least two lines out of a selecting line 101 connected to the gate of a transistor for selecting pixels, an initializing line 102 connected to the gate of a transistor for initializing pixels, and a transfer line 103 connected to the gate of a transistor for transferring signals outputted from the photoelectric converting element of the pixels are of a laminated structure, composed of a first conductor containing a polycrystalline semiconductor and a second conductor which contains polycrystalline semiconductor and is formed on the first conductor through the intermediary of an insulating layer. The first conductor and the second conductor are provided overlapping with each other in a top view on the semiconductor substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換装置に係わり、特に半導体基体に、光電変換素子、該光電変換素子からの信号を転送する転送手段、転送された信号を増幅する増幅手段、該増幅手段から出力信号を出力するための選択手段と、該増幅手段に転送された信号を初期化する初期化手段とを備えた画素又は単位画素を2次元状に配置し、一配列方向に配された複数の画素は共通の出力線に接続され、また該一配列方向と異なる他の配列方向に配された複数の画素の前記選択手段、前記初期化手段、前記転送手段はそれぞれ共通の選択線、共通の初期化線、共通の転送線に接続されている光電変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどのアプリケーションにおいて、従来はCCDが入力デバイスとして多く用いられているが、近年CMOSイメージセンサと呼ばれる画像入力デバイスが開発、製品化されている。CMOSイメージセンサは、CCDが必要としたような特別なプロセスではなく、CMOSロジックを製造するプロセスを流用することができ、結果としてローコスト化を図れるという利点をもつ。
【0003】
従来技術としては、特許文献1等にあるように、行方向に配列された画素に共通に接続された選択線、リセット線、転送線がそれぞれ積層されておらず、少なくとも選択線と転送線が金属配線により構成されているCMOSイメージセンサが挙げられる。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−94086公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、CMOSイメージセンサはCMOSプロセスを流用することによる画質低下という課題を有している。画質低下の原因は画素あたりに閉める開口部の割合(開口率)が低いということ、および開口面積に対して開口部から光電変換部(たとえばシリコン上のフォトダイオードが光電変換部ならば、そのシリコン表面)までの距離が大きくなるということがあげられる。CMOSイメージセンサの課題を図7を用いて説明する。
【0006】
図13は、CMOSセンサの一画素の一例をレイアウトした際に上面から見た図である。画素を制御するための画素選択線501、画素リセット線502、転送線503がそれぞれ行ごとに配置される。画素選択線501は画素内の選択トランジスタのゲート504に接続され、画素リセット線502は画素内のリセットトランジスタのゲート505に接続され、転送線503は画素内の転送ゲート506に接続される。507は光電変換部であり、ここではフォトダイオードである。508は浮遊拡散部、509は光電変換結果を増幅するアンプ部のゲート、510はアンプの増幅結果を伝播する垂直出力線である。画素の選択トランジスタに供給される電圧は、不図示の上方向に隣接する画素のリセットトランジスタに電圧を供給する電源から供給される。また図13に示す、リセットトランジスタに電圧を供給する電源は不図示の下方向に隣接する画素の選択トランジスタにも電圧を供給している。
【0007】
CMOSイメージセンサは、通常のCMOSプロセスを用いており、画素選択線501、画素リセット線502、転送線503はそれぞれ同一層上のポリシリコン、もしくはアルミニウムを用いて構成されている。同一層上に並ぶことから、理論上縦方向に取れる開口サイズの最大値LAは、画素の縦方向の大きさをLY、配線幅をLW(各配線幅は等しいとする)、配線間隔をLS1,LS2(ここでは、LS1=LS2=LSとする)とすると、
LA = LY − 3×LW − 2×LS … 式(1)
となる。
【0008】
いかに画素設計を最適化しても、画素の縦方向の開口サイズはこの式(1)によって支配されてしまい、LW=0.6μm,LS=0.6μmとすると、たとえば3.3μm角の画素を構成しようとすると縦方向の開口は0.3μmしか取れなくなってしまい、マイクロレンズを用いてもほとんど光を取り込むことができなくなってしまう。
【0009】
本開口率の問題に関してCMOSプロセスの多層金属配線を用いた解決法も取られている。CMOSロジックプロセスで用いられているような多層金属配線を導入し、配線501〜503を多層にして配置することで式(1)の制限を免れることができる。ただし、多層金属配線、およびあわせて導入が必要となるCMP技術などによりマイクロレンズからシリコン表面までの距離がふえ、結果として集光効率の悪化につながってしまう。また、プロセス工程数もふえ、画素あたりのコンタクトホール・ビアホールなどの増加によりプロセスの難度も増加することが、プロセスコストそのものの増加、また、歩留まりの悪化などによるコストの増加につながるという課題がある。
【0010】
そこで、本発明においては、式1によって定められる開口サイズの上限をさらに増加させることを目的とする。また、その際に金属配線層の多層化を用いることなしに、マイクロレンズからシリコン表面までの距離の増加、プロセスコストの増加、歩留まりの低化などを防ぐことを目的とする。また本発明においても読み出し速度が減少させないことを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明の光電変換装置は、少なくとも、半導体基体に、光電変換素子、該光電変換素子からの信号を転送する転送手段、転送された信号を増幅する増幅手段、該増幅手段から出力信号を出力するための選択手段と、該増幅手段に転送された信号を初期化する初期化手段とを備えた画素を2次元状に配置し、一配列方向に配された複数の画素は共通の出力線に接続され、また該一配列方向と異なる他の配列方向に配された複数の画素の前記選択手段、前記初期化手段、前記転送手段はそれぞれ共通の選択線、共通の初期化線、共通の転送線に接続されている光電変換装置において、
前記選択線、前記初期化線及び前記転送線のうちの少なくとも二線は、多結晶半導体を含む第一の導電体と、該第一の導電体上に絶縁層を介して形成される多結晶半導体を含む第二の導電体との積層構成で、該二線が前記半導体基体の面の鉛直方向から見て少なくとも一部が重なり合うように設けられていることを特徴とする。かかる本発明の光電変換装置によれば、選択線、初期化線、転送線のうちの少なくとも二つを積層することにより、開口率の上昇が可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
【0013】
(実施形態1)
図1は本発明の実施形態1の光電変換装置の画素を上面から多層にわたって透視した平面図、図2は等価回路図である。
【0014】
本実施形態の光電変換装置は、図1に示すように、上方向に隣接する画素の画素リセット線102″と図1に図示された画素の画素選択線101とが重なっており、また下方向に隣接する画素の画素選択線101′と図1に図示された画素の画素リセット線102とが重なっている。すなわち、本実施形態では、隣接する画素どうしで画素リセット線と画素選択線が重なって配されている。
【0015】
図1において、101、102、103はそれぞれ行ごとに共通に配置された画素選択線、画素リセット(画素初期化)線、転送線である。101′、102″は下方向に配された画素の画素選択線、上方向に配された画素の画素リセット(画素初期化)線である。画素選択線101は画素内の画素選択トランジスタのゲート104、画素リセット(画素初期化)線102は画素リセットトランジスタのゲート105、転送線103は転送トランジスタのゲート106に異なる材料を介さずに直接接続され、各配線は各ゲートと同一の材料で形成されている。107は列ごとに共通に配置される出力線である。また、109は半導体層中に構成される光電変換部であり、ここではシリコンのn形基板もしくはnウェル中に形成されたp形不純物層で形成されるフォトダイオードで構成されている。図1においては遮光膜は省略しているが、光電変換部109以外を覆う形で形成されている。
【0016】
110は光電変換結果の光電荷をうけ、その光電荷に応じた出力を増幅して出力線107に伝える増幅手段となる増幅トランジスタのゲートであり、増幅手段はフローティングディフュージョン(浮遊拡散部)111の電圧を受けてソースフォロアアンプによって出力する回路で構成される。112は増幅手段のための電源配線であり、遮光膜に接続されている。113はフローティングディフュージョン111とリセットトランジスタのドレイン114を接続するための配線である。
【0017】
図3(a)〜(c)は、図1の各部の断面図であり、図3(a)は図1のA−A′の断面図、図3(b)は図1のB−B′の断面図、図3(c)は図1のC−C′の断面図である。図1と同様の部位には同じ番号を付している。また図1の画素選択線101′、画素リセット線102は省略されている。201はフィールド分離を行うための絶縁膜、202は基体であり、ここではp型のシリコン基板、もしくはp型のシリコン基板にドープされたウェルである。203は埋め込み型フォトダイオードであり、ここではp型半導体層で上面をほぼ覆われ、基体202と接するn型半導体で構成されている。遮光膜108は光電変換部109以外を覆うように構成されている。
【0018】
画素選択線101は画素リセット線102の上に重なるように配置されており、ここではポリシリコン(多結晶シリコン)で形成されている。それら二つの間の絶縁膜は、たとえば画素リセット線のポリシリコンの表面を酸素雰囲気中で再酸化することで構成される。なお配線抵抗を低く抑えるために画素選択線101をポリシリコンと、例えば、チタン、タングステン、アルミニウム等の金属との化合物で構成することも可能である。画素選択線101、画素リセット線102、転送線103の配線のうちどのような二線を重ね合わせるからは後述するように適宜決められる。
【0019】
それぞれのトランジスタのゲート部104、105、106は、例としてそれぞれゲート酸化膜206を介して基板と結合しており、MOSトランジスタを構成している。ここでトランジスタはMOSトランジスタには限定されず、バイポーラトランジスタ、JFETなども適応され得る。
また、205は高濃度にドープされたn層であり、MOSトランジスタのソースおよびドレインを形成している。204は画素リセットトランジスタのゲート、204は画素選択トランジスタのゲート、204は増幅手段となるトランジスタのゲートである。
【0020】
さらに、この画素の回路構成および駆動方法はよく知られたフォトダイオードを完全に空乏化させて後に蓄積動作を開始するCMOSセンサと同等である。このCMOSセンサは埋め込み型フォトダイオードのn型半導体領域203に蓄積された信号電荷を完全に浮遊拡散領域(フローティングディフュージョン)111に転送させた後に次の信号電荷の蓄積動作を開始するものである。
【0021】
ここで、従来例と同様、理論上縦方向に取れる開口サイズの最大値LAを求めると、画素の縦方向の大きさをLY、配線幅をLW、配線間隔をLSとすると、
LA = LY − 2×LW − LS ・・・式(2)
となり、同一設計ルールを用いると配線幅と配線間隔を足した分だけ縦方向の開口サイズを大きくできることとなる。なお、ここで、本実施形態では、隣接する画素どうしで画素選択線と画素リセット線とが重なるので、画素どうしの一部が重複していると言え、一画素の縦方向の開口サイズは、図1の画素選択線101′と画素リセット線102、又は画素選択線101と画素リセット線102″を除いたサイズとなる(ここでは、画素選択線101と画素リセット線102″を除いたサイズをLYとしている。)。
【0022】
従来はLS=LW=0.6の設計ルールを用いて3.3μm角の画素を設計した際は0.3μmの開口しか確保できなかったが、本実施形態によれば1.5μmもの開口を確保することができる。
【0023】
また、本実施形態においては、出力線107はアルミニウムを主とした金属膜をエッチングすることで形成される例を挙げており、前記金属膜、および遮光膜はCMPによって平坦化された絶縁膜の上に形成されている。CMPを用いることで上部配線層のいっそうの微細化、および遮光膜によって定義される開口部の辺の高さが均一になることによる光入射角依存性の解消という効果を得ることができる。
【0024】
ただし、CMPによって平坦化されなくとも開口の増加という一方の効果は同様に得ることができる。たとえば光入射角依存性が問題とならないようなアプリケーションにおいては、CMPプロセスを排除することでプロセスにかかるコストを低減するという効果を代わりに得ることができる。
【0025】
また、CMPを行う層、行わない層の組み合わせでデバイスを実現してもよい。たとえば列出力線107を形成する際にはCMPを導入し、遮光層を形成する際にはCMPを導入しない。ポリシリコンで形成される下地などに比較しても第一の金属層のパターンは十分単純であり、CMPを用いなくとも層間絶縁膜のリフロー技術で十分に遮光膜の平坦性が確保できる場合は2度目のCMPを省略できる。このことで光入射角依存性の解消、列出力線などの微細化などの効果とともに、CMPプロセスを一度省略することによるコスト低減の効果を合わせて得ることができる。
【0026】
また、逆に列出力線などはCMPを用いない層間絶縁膜上に形成し、最後の遮光膜のみをCMPを用いた層間絶縁膜上に形成するという方法によっても、光入射角依存性の解消、およびコスト低減の効果を得ることができる。ただしこの場合列出力線のパターニングにおける微細化という効果を得ることはできない。
【0027】
さらに、図1においてはリセット線102,102″と転送線103を第一の層のポリシリコン、選択線101,101′を第二の層のポリシリコンで形成し、かつリセット線102,102″の上にそれぞれ選択線101′,102を積層する構成を例としている。本発明の効果はもちろんこの構成に限定されない。従来平面的にレイアウトされていた行方向の配線を2層ポリシリコン技術を用いて配置するのが本発明の思想であり、その観点から考えるとどの配線をどの層に配置するか、どの配線とどの配線を積層するかは限定事項にはならない。設計事項として以下の事柄を考慮しながらどの層をどの様に配置するかを決定し、適切なレイアウトを行えばよい。
【0028】
(1)積層された二つの配線は積層されていないもう一つの配線に比べて配線容量が大きくなり、駆動に時間を要する。
【0029】
(2)上層のポリシリコンによって形成されるトランジスタのゲート酸化膜の界面の制御、および膜厚の制御は、初期のポリシリコンの層のそれらに比較して困難であり、ゲート酸化膜質の低下が起こりやすい。設計者は上記二つの事柄を主に考慮しながら設計することで、いかなる場合でも本発明の効果を得ることができる。
【0030】
(実施形態2)
図4は、本発明の実施形態2の光電変換装置の画素を上面から多層にわたって透視した平面図、図5は図4のC−C′の断面図である。図1、図2と同様の部位には同じ番号を付している。図5において、図4の画素選択線101′、画素リセット線102は省略されている。本実施形態の光電変換装置は、実施形態1の光電変換装置と異なり、選択用MOSトランジスタのゲートと増幅用トランジスタのゲートが重なり合っている。
【0031】
図4及び図5において、301は第一層のポリシリコンで形成される増幅用トランジスタのゲート110が画素選択トランジスタのゲート104で一部覆われるように構成されている。
【0032】
この構成により、実施形態1で必要となっていた上記二つのトランジスタのゲート間スペースをさらに小さくすることができ、実施形態1の効果をさらに微細な画素において得ることができるようになった。
【0033】
ここでは選択用MOSトランジスタが上部に配置されているが、逆に選択用MOSが下部に配置されてもよい。増幅の特性を考えると望ましくは増幅用MOSトランジスタが第一のポリシリコンで形成されるべきであるが、実施形態1においてたとえば選択線を第一のポリシリコンで形成するような設計を行った場合、増幅用MOSトランジスタは第二のポリシリコンで形成せざるを得ない。この場合でも本発明の本実施形態の効果を同様に得ることができる。
【0034】
また、従来、水平方向のシェーディングを解消する目的として、基板の電位を固定するために行方向に水平な方向の画素を結ぶような基板電位配線を接続する場合があった。本発明においてはそのような配線は開口率を低下させる要因になることから完全に排除し、効果として開口率を向上させている。
【0035】
ここでポリシリコン層間の絶縁膜は従来の2層ポリシリコンプロセスと同様に下の層のポリシリコンを酸化したものを用いるのが望ましい。ポリシリコンの周囲に選択的に酸化膜を形成することができるからである。ただし、ポリシリコンの層の間に要求される信頼性,積層される配線間の配線容量、フォトダイオード部に入射する光が要求する光学特性などの設計パラメータに応じて、ポリシリコン同士の層間膜に酸化膜、窒化膜、酸化膜と窒化膜の混合膜、酸化膜と窒化膜の積層膜などを用いても良い。また、その他別な絶縁膜を導入しても良い。また本実施形態では支持母体は基板202としたが、この基板はたとえば通常のシリコンでも良く、たとえばSOI基板などでも良い。また同様の積層配線が導入できるのであればほかの材料を用いても同様に本発明の効果をえることができる。
【0036】
なお、本実施形態の選択用MOSトランジスタのゲートと増幅用トランジスタのゲートとを重なり合わせる構成は以下に説明する実施形態3及び4等の他の実施形態にも適用することができる。
【0037】
(実施形態3)
図6は、本発明の実施形態3の光電変換装置の画素を上面から多層にわたって透視した平面図、図7は等価回路図である。図1、図2と同様の部位には同じ番号を付している。
【0038】
本実施形態の光電変換装置は、図7に示すように、二つの光電変換部、二つの光電変換部からの電荷をフローティングディフュージョンに転送する二つの転送トランジスタ、フローティングディフュージョンと入力部が接続される一つの増幅トランジスタ、一つの選択トランジスタ、一つのリセットトランジスタから単位セルが構成される。単位セルは二つ光電変換部を有するので実質的に二つの画素を構成し、二つの画素の増幅トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタが共通化されたものととらえることができる。
【0039】
図6に示すように、下方向に隣接する単位セルのリセット線102′と図6に図示された単位セルの選択線101とが重なっており、また上方向に隣接する単位セルの選択線101″と図6に図示された単位セルのリセット線102とが重なっている。106a,106bは光電変換部109a,109bからの電荷を転送する転送トランジスタのゲート、103a,103bは光電変換部109a,109bからの電荷を転送する転送トランジスタの転送線である。ここでは、ゲート106a,106bは転送線103a,103bの一部で構成される。
【0040】
本実施形態の光電変換装置において、理論上縦方向に取れる開口サイズの最大値LAを求めると、画素(単位セルの半分)の縦方向の大きさをLY、配線幅をLW、配線間隔をLSとすると、
LA = LY − 1.5×LW − 0.5LS ・・・式(3)
となり、実施形態1の構成と比べてさらに縦方向の開口サイズを大きくできることとなる。
【0041】
ここでは、選択線とリセット線とを重ねる例を示したが、実施形態1と同様に他の配線を重ねることもできる。
【0042】
(実施形態4)
以上説明した実施形態1〜3の光電変換装置は、隣接する画素又は単位セルどうしで配線が重なって配されている例を示したが、本実施形態では、一つの画素内で配線が重なっている例を示す。
【0043】
図8は、本発明の実施形態3の光電変換装置の画素を上面から多層にわたって透視した平面図、図9は等価回路図である。図1、図2と同様の部位には同じ番号を付している。
【0044】
図8においては選択線101と転送線103を第一の層のポリシリコン、画素リセット線102を第二の層のポリシリコンで形成し、かつ転送線103上にリセット線102を積層する構成としている。
【0045】
ここで、実施形態1と同様に、理論上縦方向に取れる開口サイズの最大値LAを求めると、画素の縦方向の大きさをLY、配線幅をLW、配線間隔をLSとすると、
LA = LY − 2×LW − LS ・・・式(4)
となり、実施形態1と同様に、従来例と比べて同一設計ルールを用いると配線幅と配線間隔を足した分だけ縦方向の開口サイズを大きくできることとなる。
【0046】
本実施形態では、一つの画素内で配線が重なっている例を示したが、一つの単位セル内で配線が重なっている実施形態も勿論可能である。この場合、実施形態3で示した単位セル内で転送線103a又は103b上にリセット線102を積層し、上下に隣接する単位セルの選択線101″及びリセット線102′がない構成となる。
【0047】
またここでは、転送線とリセット線とを重ねる例を示したが、実施形態1と同様に他の配線を重ねることもできる。
【0048】
(実施形態5)
図10は、本発明の光電変換装置の信号読みだし系を示す説明図である。なお本実施形態では遅延素子が設けられていることが従来の信号読みだし系と異なる。複数の画素401は行列状、ここでは5行3列のマトリックス上に配置され、同じ列の画素は選択的に垂直線402に接続されている。それら垂直線402は、第一の記憶手段となる遅延素子403〜405を介して第二の記憶手段となる記憶素子406〜408に接続されている。記憶素子はおのおの選択スイッチ409〜411を介して水平線412に接続され、水平線412はバッファを介して出力ノード413に接続される。ここで、前記記憶素子としては酸化膜容量等の容量素子を用いることが可能である。また遅延素子としては、CCDデバイス、或いは容量素子とスイッチを用いたサンプルホールド手段等を用いることが可能である。
【0049】
図11(b)は、図10の信号読みだし系の動作の説明図である。図11(a)は、比較のため示した従来の信号読みだし系の動作の説明図である。
【0050】
図11(a)に示すように、n番目の行の画素が選択された後、画素アクセス501期間においてその行につながるすべての画素が選択的に垂直線402に接続することで活性化する。従来のCMOSセンサにおいては遅延素子による遅延機能が無いので、そのままその後画素の値が出力線402を介して記憶素子406〜408に、あるタイミングで保持される。
【0051】
その後水平信号転送期間502において、シフトレジスタなどを用いて順次選択スイッチ409〜411が水平線412に接続され、各列のデータがシリアルに出力される。
【0052】
ここで上述した本実施形態の光電変換装置の画素においては、配線が積層構成をとるために画素アクセス期間501が従来のCMOSセンサに比較して大きくなりがちである。したがって後述する駆動方法を採ることが望ましい。以下その駆動方法を図11(b)を用いて説明する。
【0053】
n+1行目の行の画素が画素アクセス期間503において垂直線402に読まれている間、n行目のデータが保持機能を有する記憶素子406〜408を選択スイッチ409〜411により順次に水平線412に接続することで出力される(水平信号転送期間504)。画素アクセス期間503において遅延機能を有する遅延素子403〜405にて垂直線402のデータをあるタイミングで保持する。水平信号転送期間が終了した後、n+2行目の画素アクセス期間が始まる間での間(転送期間505)に、遅延素子403〜405が保持しているデータを記憶素子406〜408に転送する。その後n+1行目の水平信号転送期間(504)とn+2行目の画素アクセス期間に入る。
【0054】
このように次の行の画素にアクセスしながら現在の行の水平信号転送を行うことで、実効的な読み出し速度の向上につながった。とくに本実施形態の光電変換装置の画素構造においては画素アクセス期間が従来のCMOSセンサなどに比較して大きくなることからも、この新規読み出し方法は特に効果を発揮する。
【0055】
図10の回路図ではアナログ的出力を仮定しているが、たとえば出力直前にAD変換しても同様の効果が得られる。また、各列ごとにAD変換器を搭載し、画素アクセス期間内でAD変換し、水平信号転送期間においてデジタルデータを転送しても同様の効果が得られる。また、各列ごとにAD変換器を搭載する場合、たとえば遅延機能に入力されるデータをAD変換しても同様の効果が得られ、またたとえば保持機能から出力されるデータをAD変換しても同様の効果が得られる。好ましくは遅延機能に入力される前にAD変換し、遅延機能、保持機能で生ずるアナログ的ノイズの影響を受けないことが望ましい。具体的には、図10において、記憶素子406〜408にそれぞれアナログ・デジタル変換手段を接続する、複数の記憶素子をある単位ごとにまとめ、各単位ごとにマルチプレクサに接続し、このマルチプレクサにアナログ・デジタル変換手段を接続する例が挙げられる。
【0056】
またAD変換器は各列ごとに持つことは無く、複数列に一つ持たせても同様の効果が得られる。その場合には合わせてAD変換器のチップ内の総面積が減少し、チップサイズの縮小などの効果もえられる。その場合には画素アクセス期間を時分割し、当該行の水平信号転送が始まる前までにすべての列の画素のAD変換を終了させなくてはならないことは言うまでもない。
【0057】
次に上記光電変換装置を用いた撮像システムについて説明する。図12に基づいて、本発明の光電変換装置をスチルカメラに適用した場合の一例について詳述する。
【0058】
図12は本発明の光電変換装置を“スチルビデオカメラ”に適用した場合を示すブロック図である。
【0059】
図12において、1101はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、1102は被写体の光学像を本発明の光電変換装置となる固体撮像素子1104に結像させるレンズ、1103はレンズ1102を通った光量を可変するための絞り、1104はレンズ1102で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、1106は固体撮像素子1104より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うA/D変換器、1107はA/D変換器1106より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、1108は固体撮像素子1104、撮像信号処理回路1105、A/D変換器1106、信号処理部1107に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、1109は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、1110は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、1111は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、1112は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、1113は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【0060】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について、説明する。
【0061】
バリア101がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、A/D変換器1106などの撮像系回路の電源がオンされる。
【0062】
それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部1109は絞り1103を開放にし、固体撮像素子1104から出力された信号はA/D変換器1106で変換された後、信号処理部1107に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部1109で行う。
【0063】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部1109は絞りを制御する。
【0064】
次に、固体撮像素子1104から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部1109で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
【0065】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子1104から出力された画像信号はA/D変換器1106でA−D変換され、信号処理部1107を通り全体制御・演算1109によりメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部1110に蓄積されたデータは、全体制御・演算部1109の制御により記録媒体制御I/F部1111を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体1112に記録される。又外部I/F部1113を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【0066】
また、上記のシステム内の、センサからのデータを処理する後処理手段群が、たとえばセンサと同一の基板上の作成されても同様の効果をえることができる。またたとえば異なる基板上に作成されても同様の効果をえることができる。同一上の基板に実装することでICの部品点数を減らし、実装、部品コストを削減する効果をあわせてえることができ、また異なる基板上に実装することでセンサへもれこむ後処理手段回路からのノイズの低減、後処理手段部のICの歩留まり向上などの効果を得ることができる。
【0067】
また、本発明の実施形態においては、フィールド酸化膜下のチャネル形成を防止するための不純物層、金属配線層を形成する前のバリアメタル層、最上位層に形成されるパッシベーション膜など、実際の半導体においてはほぼ必須といえるさまざまな要素を省略している。また、本発明においてレイアウトは概念の説明にとどめ、配線間スペースやコンタクトサイズなどの制約事項は無視している。実際の設計においては製造プロセスが要求するデザインのガイドラインを守って設計する必要があることは言うまでも無い。
【0068】
また、実施形態5においては、画素のリセットノイズの除去方法、各画素の増幅アンプの固定パターンおよび1/fノイズ除去方法、周辺に必須となる垂直、水平シフトレジスタ、タイミング発生部などのさまざまな必須要素、必須駆動方法などを省略している。これは本発明の要素を際立たせるために意図的に行っていることであり、それら従来から通常用いられている必須要素、必須駆動方法などを本発明と組み合わせても本発明の効果は同様に得ることができることは言うまでもない。
【0069】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の好適な実施の態様は以下に説明する態様である。
【0070】
(実施態様1) 少なくとも、半導体基体に、光電変換素子、該光電変換素子からの信号を転送する転送手段、転送された信号を増幅する増幅手段、該増幅手段から出力信号を出力するための選択手段と、該増幅手段に転送された信号を初期化する初期化手段とを備えた画素を2次元状に配置し、一配列方向に配された複数の画素は共通の出力線に接続され、また該一配列方向と異なる他の配列方向に配された複数の画素の前記選択手段、前記初期化手段、前記転送手段はそれぞれ共通の選択線、共通の初期化線、共通の転送線に接続されている光電変換装置において、
前記選択線、前記初期化線及び前記転送線のうちの少なくとも二線は、多結晶半導体を含む第一の導電体と、該第一の導電体上に絶縁層を介して形成される多結晶半導体を含む第二の導電体との積層構成で、該二線が前記半導体基体の面の鉛直方向から見て少なくとも一部が重なり合うように設けられていることを特徴とする光電変換装置。
【0071】
かかる実施態様1の光電変換装置によれば、選択線、初期化線、転送線のうちの少なくとも二つを積層することにより、開口率の上昇が可能となる。
【0072】
(実施態様2) 少なくとも、半導体基体に、光電変換素子、該光電変換素子からの信号を転送する転送手段、転送された信号を増幅する増幅手段、該増幅手段から出力信号を出力するための選択手段と、該増幅手段に転送された信号を初期化する初期化手段とを備えた画素を2次元状に配置し、一配列方向に配された複数の画素は共通の出力線に接続され、また該一配列方向と異なる他の配列方向に配された複数の画素の前記選択手段、前記初期化手段、前記転送手段はそれぞれ共通の選択線、共通の初期化線、共通の転送線に接続されている光電変換装置において、
前記他の配列方向に配された一画素列の、前記選択線、前記初期化線及び前記転送線のうちの少なくとも一線と、該一画素列と隣接する他の画素列の、前記選択線、前記初期化線及び前記転送線のうちの少なくとも一線との少なくとも二線は、多結晶半導体を含む第一の導電体と、該第一の導電体上に絶縁層を介して形成される多結晶半導体を含む第二の導電体との積層構成で、該二線が前記半導体基体の面の鉛直方向から見て少なくとも一部が重なり合うように設けられていることを特徴とする光電変換装置。
【0073】
(実施態様3) 少なくとも、半導体基体に、複数の光電変換素子、該複数の光電変換素子からの信号をそれぞれ転送する複数の転送手段、転送された信号を増幅する増幅手段、該増幅手段から出力信号を出力するための選択手段と、該増幅手段に転送された信号を初期化する初期化手段とを備えた単位セルを2次元状に配置し、一配列方向に配された複数の単位セルは共通の出力線に接続され、また該一配列方向と異なる他の配列方向に配された複数の単位セルの前記選択手段、前記初期化手段、前記複数の転送手段はそれぞれ共通の選択線、共通の初期化線、複数の共通の転送線に接続されている光電変換装置において、
前記選択線、前記初期化線及び複数の前記転送線のうちの少なくとも二線は、多結晶半導体を含む第一の導電体と、該第一の導電体上に絶縁層を介して形成される多結晶半導体を含む第二の導電体との積層構成で、該二線が前記半導体基体の面の鉛直方向から見て少なくとも一部が重なり合うように設けられていることを特徴とする光電変換装置。
【0074】
(実施態様4) 少なくとも、半導体基体に、複数の光電変換素子、該複数の光電変換素子からの信号をそれぞれ転送する複数の転送手段、転送された信号を増幅する増幅手段、該増幅手段から出力信号を出力するための選択手段と、該増幅手段に転送された信号を初期化する初期化手段とを備えた単位セルを2次元状に配置し、一配列方向に配された複数の単位セルは共通の出力線に接続され、また該一配列方向と異なる他の配列方向に配された複数の単位セルの前記選択手段、前記初期化手段、前記複数の転送手段はそれぞれ共通の選択線、共通の初期化線、複数の共通の転送線に接続されている光電変換装置において、
前記他の配列方向に配された一単位セル列の、前記選択線、前記初期化線及び前記転送線のうちの少なくとも一線と、該一単位セル列と隣接する他の単位セル列の、前記選択線、前記初期化線及び前記転送線のうちの少なくとも一線との少なくとも二線は、多結晶半導体を含む第一の導電体と、該第一の導電体上に絶縁層を介して形成される多結晶半導体を含む第二の導電体との積層構成で、該二線が前記半導体基体の面の鉛直方向から見て少なくとも一部が重なり合うように設けられていることを特徴とする光電変換装置。
【0075】
(実施態様5) 前記転送手段、前記選択手段、前記初期化手段はそれぞれ絶縁ゲート型トランジスタからなり、前記転送手段、前記選択手段、前記初期化手段の絶縁ゲート型トランジスタのゲートはそれぞれ前記転送線、前記選択線、前記初期化線と同一の材料で形成され、かつ、
前記転送手段の絶縁ゲート型トランジスタのゲートと前記転送線、前記選択手段の絶縁ゲート型トランジスタのゲートと前記選択線、前記初期化手段の絶縁ゲート型トランジスタのゲートと前記初期化線は異なる材料を介さずに接続されることを特徴とする実施態様1から4のいずれかに記載の光電変換装置。
【0076】
かかる実施態様5の光電変換装置によれば、加えて選択手段と選択線、初期化手段と初期化線、転送手段と転送線を接続するコンタクトホールなどを省略でき、さらに開口率の上昇が可能となる。
【0077】
(実施態様6) 前記光電変換素子の光電変換部以外への光を遮光する遮光膜を有し、前記選択線、前記初期化線、前記転送線はおのおの前記第一の導電体又は前記第二の導電体で構成され、前記出力線は前記第二の導電体上に配される第三の導電体で構成され、前記遮光膜は前記第三の導電体上に配される第四の導電体で構成されることを特徴とする実施態様1から4のいずれかに記載の光電変換装置。
【0078】
かかる実施態様6の光電変換装置によれば、加えて、不必要な光が増幅手段やフローティングディフュージョン(浮遊拡散部)に入り込むことを防ぐことができ、画質の向上が可能となる。
【0079】
(実施態様7) 前記増幅手段及び前記選択手段は電界効果型トランジスタで構成され、かつ前記遮光膜は前記増幅手段の電界効果型トランジスタのドレインもしくは前記選択手段の電界効果型トランジスタのドレインに接続されることを特徴とする実施態様6に記載の光電変換装置。
【0080】
かかる実施態様7の光電変換装置によれば、加えて、さらに遮光膜を電源配線として用いることができ、必要な配線を遮光と兼用することでさらに開口率の向上につながる。
【0081】
(実施態様8) 前記第三の導電体が堆積される絶縁層がCMPにより平坦化されていることを特徴とする実施態様6に記載の光電変換装置。
【0082】
かかる実施態様8の光電変換装置によれば、加えて、出力線が堆積されるべき層の凹凸がCMPで極小化でき、出力線の精度の高い加工による歩留まり向上、開口率向上につながる。
【0083】
(実施態様9) 前記第四の導電体が堆積される絶縁層がCMPにより平坦化されていることを特徴とする実施態様7又は8に記載の光電変換装置。
【0084】
かかる実施態様9の光電変換装置によれば、加えて、たとえば遮光膜の形成する開口部の形成する多角形の辺のシリコン面からの高さの差による入射角依存性が問題となるような場合にCMPを導入することでその高さをそろえることができ、それによって入射角依存性を解決することができる。
【0085】
(実施態様10) 前記増幅手段及び前記選択手段はそれぞれ絶縁ゲート型トランジスタを有し、前記増幅手段の絶縁ゲート型トランジスタのゲートと前記選択手段の絶縁ゲート型トランジスタのゲートとが絶縁層を介して重なるように積層化されていることを特徴とする実施態様1〜9のいずれかに記載の光電変換装置。
【0086】
かかる実施態様10の光電変換装置によれば、選択トランジスタと増幅トランジスタのゲート間のマージンを極小化することができ、画素サイズの微細化が可能となる。
【0087】
(実施態様11) 前記半導体基体側から見て前記増幅手段の絶縁ゲート型トランジスタのゲートを下部に配し、前記選択線の絶縁ゲート型トランジスタのゲートを上部に配置したことを特徴とする実施態様10に記載の光電変換装置。
【0088】
かかる実施態様11の光電変換装置によれば、増幅トランジスタのゲートを下に置くことにより、増幅トランジスタのゲート酸化膜界面の品質を可能な限り最良に保つことが可能であり、これによってノイズの低い増幅が可能となる。
【0089】
(実施態様12) 前記画素において、前記出力線、前記選択線、前記初期化線、前記転送及び画素に電力を供給するための電源線のみを配したことを特徴とする実施態様1〜11のいずれかに記載の光電変換装置。
【0090】
かかる実施態様12の光電変換装置によれば、加えて、従来必要となっていた電源配線をなくすことで、更なる開口率の向上を見込むことができる。
【0091】
(実施態様13) 積層化された配線間の層間絶縁材料は、前記半導体基体側から見て下部に位置する配線の材料の酸化物、窒化物もしくは酸化物と窒化物との混合化合物からなることを特徴とする実施態様1〜12のいずれかに記載の光電変換装置。
【0092】
かかる実施態様13の光電変換装置によれば、加えて、現在の半導体工程で用意に導入できる製造プロセスを導入することで、コストと信頼性の両面において利点を得ることができる。
【0093】
(実施態様14) 積層化された配線間の層間絶縁膜は、主として前記半導体基体側から見て下部の配線が酸化されたもので構成されていることを特徴とする実施態様1〜13のいずれかに記載の光電変換装置。
【0094】
かかる実施態様14の光電変換装置によれば、加えて、下部の配線層の材料自身によって生成される絶縁膜を層間膜として用いることができ、さらにその上に導電体を堆積させることができることから、高さの上昇を最小限に抑えることができる。
【0095】
(実施態様15) 前記第一の導電体および第二の導電体の材料は主に多結晶シリコンであることを特徴とする実施態様1〜14のいずれかに記載の光電変換装置。
【0096】
かかる実施態様15の光電変換装置によれば、加えて、とくに自身を酸化するものとしては現在もっとも信頼性の高い多結晶シリコン(ポリシリコン)を用いることで、高い信頼性と低いコストを実現することができる。
【0097】
(実施態様16) 前記第一の導電体の材料は多結晶シリコンであり、前記第二の導電体の材料は多結晶シリコンと金属の化合物であることを特徴とする1〜15のいずれかに記載の光電変換装置。
【0098】
かかる実施態様16の光電変換装置によれば、加えて、第二の導電体で形成される配線の抵抗を低く抑えることができ、高速駆動が可能となる。
【0099】
(実施態様17) 前記光電変換装置はシリコンを主とする基板上に形成されることを特徴とする実施態様1〜16のいずれかに記載の光電変換装置。
【0100】
かかる実施態様17の光電変換装置によれば、ポリシリコンと洗浄、熱体制などで親和性のあるシリコン基板を用いることで、低コストの製造が可能となる。
【0101】
(実施態様18) すくなくとも、複数の前記出力線にそれぞれ接続される複数の第一の記憶手段、前記複数の遅延手段にそれぞれ接続される複数の第二の記憶手段を有することを特徴とする実施態様1〜17のいずれかに記載の光電変換装置。
【0102】
かかる実施態様18の光電変換装置によれば、画素の制御に比較的時間がかかる本発明においても、従来とほぼ変わらないフレームレートを確保することができる。
【0103】
(実施態様19) 前記複数の第二の記憶手段に記憶された内容を選択的に読みだす選択手段が、前記複数の第二の記憶手段に接続されていることを特徴とする実施態様18に記載の光電変換装置。
【0104】
かかる実施態様19の光電変換装置によれば、加えて、記憶手段から直接アナログ値を読み出すことが可能となり、アナログ信号を要求するシステムに対して親和性を保つことができる。
【0105】
(実施態様20) 前記複数の第二の記憶手段は、それぞれアナログ・デジタル変換手段が接続されることを特徴とする実施態様18に記載の光電変換装置。
【0106】
かかる実施態様20の光電変換装置によれば、加えて、デジタル信号を要求するシステムに対して親和性を保つことができる。
【0107】
(実施態様21) 前記複数の第二の記憶手段は、ある単位ごとにまとめられ、各単位ごとに接続されるマルチプレクス手段を介してアナログ・デジタル変換手段が接続されることを特徴とする実施態様18に記載の光電変換装置。
【0108】
かかる実施態様21の光電変換装置によれば、AD変換器を数列に一つで共有することで、センサの面積自身を実施態様19の光電変換装置に比較して減少させながらデジタル信号を出力することができる。
【0109】
(実施態様22) 実施態様18〜21のいずれかに記載の光電変換装置の有する画素は前記他の配列方向に配された一列の複数の画素からなる画素群ごとに走査され、該画素群から出力される信号が前記複数の第一の記憶手段に保持されるとともに、前記複数の第二の記憶手段に保持された信号が出力され、前記複数の第二の記憶手段に保持された信号が出力された後に、前記第複数の第一の記憶手段に保持された信号が前記複数の第二の記憶手段に転送されることを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
【0110】
かかる実施態様22の光電変換装置の駆動方法によれば、画素の制御に比較的時間がかかる本発明においても、従来とほぼ変わらないフレームレートを確保することができる駆動方法を提供することができる。
【0111】
(実施態様23) すくなくとも光を導入する光学系、実施態様1〜21のいずれかに記載の光電変換装置、該光電変換装置の出力を処理する後処理手段からなることを特徴とする撮像システム。
【0112】
かかる実施態様23の撮像システムによれば、デジタルカメラなどの撮像システムにおいても本発明の光電変換装置のすべての作用効果を得ることができる。
【0113】
(実施態様24) 前記後処理手段は前記光電変換装置と同一の半導体基板上に形成されることを特徴とする実施態様23に記載の撮像システム。
【0114】
かかる実施態様24の撮像システムによれば、要求される後処理手段をすべて一つのIC上に収めることによって、チップ数の低減、ひいては実装コストの低減を図ることができる。
【0115】
(実施態様25) 前記後処理手段は前記光電変換装置と別の半導体基板上に形成されることを特徴とする実施態様23に記載の撮像システム。
【0116】
かかる実施態様25の撮像システムによれば、ノイズの生みやすいデジタルICと本発明にかかる光電変換装置を搭載したICを完全に分離することでノイズの低い光電変換装置を実現することができる。
【0117】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば光電変換装置の開口率の上昇が可能となる。その際に金属配線層の多層化を用いることなしに、マイクロレンズからシリコン表面までの距離の増加、プロセスコストの増加、歩留まりの低化などを防ぐことができる。また信号読み出し速度が減少させない駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の光電変換装置の画素を上面から多層にわたって透視した平面図である。
【図2】実施形態1の光電変換装置の等価回路図である。
【図3】(a)〜(c)は、図1の各部の断面図である。
【図4】本発明の実施形態2の光電変換装置の画素を上面から多層にわたって透視した平面図である。
【図5】図4のC−C′線の断面図である。
【図6】本発明の実施形態3の光電変換装置の画素を上面から多層にわたって透視した平面図である。
【図7】実施形態3の光電変換装置の等価回路図である。
【図8】本発明の実施形態4の光電変換装置の画素を上面から多層にわたって透視した平面図である。
【図9】実施形態4の光電変換装置の等価回路図である。
【図10】本発明の光電変換装置の信号読みだし系を示す説明図である。
【図11】図10に係る信号読みだし系の動作の説明図である。
【図12】本発明の光電変換装置をスチルビデオカメラに適用した場合を示すブロック図である。
【図13】CMOSセンサの一画素の一例をレイアウトした際に上面から見た図である。
【符号の説明】
101 画素選択線
102 画素リセット線
103 転送線
104 画素選択トランジスタのゲート
105 画素リセットトランジスタのゲート
106 転送トランジスタのゲート
107 出力線
108 遮光膜
109 光電変換部
110 増幅手段
111 フローティングディフュージョン(浮遊拡散部)
112 電源
113 配線
201 絶縁膜
202 基体(p型基板もしくはp型ウェル)
203 埋め込み型フォトダイオード(n型半導体)
204画素リセットトランジスタのゲート
204画素選択トランジスタのゲート
204増幅手段となるトランジスタのゲート
205 高濃度ドープn層
206 ゲート酸化膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion device, particularly to a semiconductor substrate, a photoelectric conversion element, a transfer unit for transferring a signal from the photoelectric conversion element, an amplification unit for amplifying the transferred signal, and an output signal output from the amplification unit. A pixel or a unit pixel provided with a selecting unit for performing the operation and an initializing unit for initializing a signal transferred to the amplifying unit is arranged two-dimensionally, and a plurality of pixels arranged in one array direction are common. The selection means, the initialization means, and the transfer means of a plurality of pixels connected to the output line of the pixel array and arranged in another arrangement direction different from the one arrangement direction are respectively a common selection line and a common initialization line. And a photoelectric conversion device connected to a common transfer line.
[0002]
[Prior art]
In applications such as digital still cameras and digital video cameras, CCDs have conventionally been often used as input devices. Recently, image input devices called CMOS image sensors have been developed and commercialized. The CMOS image sensor has an advantage that a process for manufacturing a CMOS logic can be used instead of a special process required by the CCD, and as a result, the cost can be reduced.
[0003]
As a conventional technique, as disclosed in Patent Document 1 and the like, a selection line, a reset line, and a transfer line commonly connected to pixels arranged in a row direction are not stacked, and at least the selection line and the transfer line are not stacked. A CMOS image sensor constituted by metal wiring is cited.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-94086 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the CMOS image sensor has a problem that image quality is deteriorated by diverting a CMOS process. The cause of the image quality deterioration is that the ratio of the openings to be closed per pixel (opening ratio) is low, and the opening area is changed from the opening to the photoelectric conversion unit (for example, if the photodiode on silicon is a photoelectric conversion unit, the silicon The distance to the surface) increases. The problem of the CMOS image sensor will be described with reference to FIG.
[0006]
FIG. 13 is a diagram viewed from above when an example of one pixel of the CMOS sensor is laid out. A pixel selection line 501, a pixel reset line 502, and a transfer line 503 for controlling pixels are arranged for each row. The pixel selection line 501 is connected to the gate 504 of the selection transistor in the pixel, the pixel reset line 502 is connected to the gate 505 of the reset transistor in the pixel, and the transfer line 503 is connected to the transfer gate 506 in the pixel. Reference numeral 507 denotes a photoelectric conversion unit, which is a photodiode here. 508 is a floating diffusion unit, 509 is a gate of an amplifier unit for amplifying the result of photoelectric conversion, and 510 is a vertical output line for transmitting the result of amplification of the amplifier. The voltage supplied to the selection transistor of the pixel is supplied from a power supply that supplies a voltage to the reset transistor of the pixel adjacent in the upward direction (not shown). A power supply for supplying a voltage to the reset transistor shown in FIG. 13 also supplies a voltage to a selection transistor of a pixel adjacent in a downward direction (not shown).
[0007]
The CMOS image sensor uses a normal CMOS process, and the pixel selection line 501, the pixel reset line 502, and the transfer line 503 are each formed using polysilicon or aluminum on the same layer. Since they are arranged on the same layer, theoretically, the maximum value LA of the opening size that can be taken in the vertical direction is as follows: the vertical size of the pixel is LY, the wiring width is LW (each wiring width is equal), and the wiring interval is LS1. , LS2 (here, LS1 = LS2 = LS),
LA = LY−3 × LW−2 × LS Equation (1)
It becomes.
[0008]
No matter how the pixel design is optimized, the vertical aperture size of the pixel is governed by this equation (1). If LW = 0.6 μm and LS = 0.6 μm, for example, a 3.3 μm square pixel If it is attempted to form a vertical aperture, only 0.3 μm can be obtained, and almost no light can be taken in even if a microlens is used.
[0009]
With respect to the problem of the aperture ratio, a solution using a multilayer metal wiring in a CMOS process has been taken. By introducing a multilayer metal wiring as used in the CMOS logic process and arranging the wirings 501 to 503 in a multilayer, the limitation of the formula (1) can be avoided. However, the distance from the microlens to the silicon surface increases due to the multi-layered metal wiring and the CMP technology that also needs to be introduced, resulting in deterioration of the light collection efficiency. In addition, increasing the number of process steps and increasing the difficulty of the process due to an increase in the number of contact holes and via holes per pixel leads to an increase in process cost itself and an increase in cost due to a decrease in yield. .
[0010]
In view of the above, an object of the present invention is to further increase the upper limit of the opening size determined by Expression 1. It is another object of the present invention to prevent an increase in the distance from the microlens to the silicon surface, an increase in process cost, a reduction in yield, and the like without using a multilayer metal wiring layer. Another object of the present invention is not to reduce the reading speed.
[0011]
Means and action for solving the problem
The photoelectric conversion device according to the present invention includes, at least, a photoelectric conversion element, a transfer unit that transfers a signal from the photoelectric conversion element, an amplification unit that amplifies the transferred signal, and an output signal from the amplification unit. A plurality of pixels arranged in a two-dimensional manner, and a plurality of pixels arranged in one array direction are connected to a common output line. The selection unit, the initialization unit, and the transfer unit of a plurality of pixels connected and arranged in another arrangement direction different from the one arrangement direction are respectively a common selection line, a common initialization line, and a common transfer. In the photoelectric conversion device connected to the line,
At least two of the selection line, the initialization line, and the transfer line are a first conductor including a polycrystalline semiconductor, and a polycrystal formed over the first conductor via an insulating layer. In a laminated structure with a second conductor containing a semiconductor, the two wires are provided so as to at least partially overlap each other when viewed from a vertical direction of a surface of the semiconductor substrate. According to the photoelectric conversion device of the present invention, the aperture ratio can be increased by laminating at least two of the selection line, the initialization line, and the transfer line.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view of a pixel of the photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention, which is seen through a multilayer from an upper surface, and FIG. 2 is an equivalent circuit diagram.
[0014]
In the photoelectric conversion device of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the pixel reset line 102 ″ of the pixel adjacent in the upward direction overlaps with the pixel selection line 101 of the pixel shown in FIG. 1 overlaps with the pixel reset line 102 of the pixel illustrated in Fig. 1. That is, in the present embodiment, the pixel reset line and the pixel selection line overlap between adjacent pixels. Is arranged.
[0015]
In FIG. 1, reference numerals 101, 102, and 103 denote a pixel selection line, a pixel reset (pixel initialization) line, and a transfer line, respectively, commonly arranged for each row. Reference numerals 101 'and 102 "denote a pixel selection line of a pixel arranged downward and a pixel reset (pixel initialization) line of a pixel arranged upward. The pixel selection line 101 is a gate of a pixel selection transistor in the pixel. 104, a pixel reset (pixel initialization) line 102 is directly connected to the gate 105 of the pixel reset transistor, and a transfer line 103 is directly connected to the gate 106 of the transfer transistor without using a different material, and each wiring is formed of the same material as each gate. Reference numeral 107 denotes an output line commonly arranged for each column, and reference numeral 109 denotes a photoelectric conversion unit formed in a semiconductor layer, which is formed in an n-type silicon substrate or n-well here. The light-shielding film is omitted in FIG. 1, but is formed so as to cover portions other than the photoelectric conversion portion 109. There.
[0016]
Reference numeral 110 denotes a gate of an amplifying transistor which receives an optical charge resulting from the photoelectric conversion, amplifies an output corresponding to the photoelectric charge, and transmits the amplified output to an output line 107. The amplifying means includes a floating diffusion (floating diffusion unit) 111. It is composed of a circuit that receives a voltage and outputs it by a source follower amplifier. Reference numeral 112 denotes a power supply line for the amplifying means, which is connected to the light shielding film. Reference numeral 113 denotes a wiring for connecting the floating diffusion 111 and the drain 114 of the reset transistor.
[0017]
3 (a) to 3 (c) are cross-sectional views of respective parts of FIG. 1, FIG. 3 (a) is a cross-sectional view taken along line AA 'of FIG. 1, and FIG. 3 (b) is BB of FIG. 3 (c) is a sectional view taken along the line CC 'of FIG. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The pixel selection line 101 'and the pixel reset line 102 in FIG. 1 are omitted. Reference numeral 201 denotes an insulating film for performing field isolation, and reference numeral 202 denotes a base, which is a p-type silicon substrate or a well doped in the p-type silicon substrate. Reference numeral 203 denotes a buried photodiode, which is formed of an n-type semiconductor whose upper surface is substantially covered with a p-type semiconductor layer and is in contact with the base 202. The light shielding film 108 is configured to cover portions other than the photoelectric conversion unit 109.
[0018]
The pixel selection line 101 is disposed so as to overlap with the pixel reset line 102, and is formed here of polysilicon (polycrystalline silicon). The insulating film between the two is formed, for example, by reoxidizing the surface of the polysilicon of the pixel reset line in an oxygen atmosphere. Note that the pixel selection line 101 can be made of a compound of polysilicon and a metal such as titanium, tungsten, or aluminum in order to suppress the wiring resistance. What two lines among the lines of the pixel selection line 101, the pixel reset line 102, and the transfer line 103 are overlapped is appropriately determined as described later.
[0019]
The gate portions 104, 105, and 106 of the respective transistors are respectively coupled to the substrate via a gate oxide film 206, for example, to form a MOS transistor. Here, the transistor is not limited to a MOS transistor, but may be a bipolar transistor, a JFET, or the like.
Reference numeral 205 denotes a heavily doped n-layer, which forms the source and drain of the MOS transistor. 204 1 Is the gate of the pixel reset transistor, 204 2 Is the gate of the pixel selection transistor, 204 3 Is a gate of a transistor serving as an amplifying means.
[0020]
Further, the circuit configuration and the driving method of this pixel are equivalent to a CMOS sensor which fully depletes a well-known photodiode and starts an accumulation operation later. In this CMOS sensor, after the signal charges accumulated in the n-type semiconductor region 203 of the embedded photodiode are completely transferred to the floating diffusion region (floating diffusion) 111, the next signal charge accumulation operation is started.
[0021]
Here, similarly to the conventional example, when the maximum value LA of the opening size that can be theoretically taken in the vertical direction is obtained, the vertical size of the pixel is LY, the wiring width is LW, and the wiring interval is LS.
LA = LY−2 × LW−LS Equation (2)
If the same design rule is used, the vertical opening size can be increased by the sum of the wiring width and the wiring interval. Note that, in this embodiment, since the pixel selection line and the pixel reset line overlap between adjacent pixels, it can be said that some of the pixels overlap, and the vertical aperture size of one pixel is: The size excluding the pixel selection line 101 ′ and the pixel reset line 102, or the pixel selection line 101 and the pixel reset line 102 ″ in FIG. 1 (here, the size excluding the pixel selection line 101 and the pixel reset line 102 ″ is LY).
[0022]
Conventionally, when a 3.3 μm square pixel was designed using a design rule of LS = LW = 0.6, only an opening of 0.3 μm could be secured. However, according to the present embodiment, an opening of 1.5 μm is required. Can be secured.
[0023]
Further, in this embodiment, an example is described in which the output line 107 is formed by etching a metal film mainly composed of aluminum, and the metal film and the light shielding film are formed of an insulating film planarized by CMP. It is formed on. By using CMP, the effect of further miniaturizing the upper wiring layer and eliminating the dependency on the light incident angle due to the uniform height of the side of the opening defined by the light shielding film can be obtained.
[0024]
However, one effect of increasing the aperture can be similarly obtained without being planarized by CMP. For example, in an application where the dependency on the light incident angle does not matter, the effect of reducing the cost of the process by eliminating the CMP process can be obtained instead.
[0025]
Further, a device may be realized by a combination of a layer on which CMP is performed and a layer on which CMP is not performed. For example, when forming the column output line 107, CMP is introduced, and when forming the light shielding layer, CMP is not introduced. If the pattern of the first metal layer is sufficiently simple compared to the base formed of polysilicon, etc., and if the flatness of the light shielding film can be sufficiently secured by the reflow technique of the interlayer insulating film without using CMP, The second CMP can be omitted. As a result, it is possible to obtain the effects of eliminating the dependency on the light incident angle, miniaturizing the column output lines and the like, and the effect of reducing the cost by omitting the CMP process once.
[0026]
On the other hand, the column output line and the like are formed on an interlayer insulating film not using CMP, and only the last light shielding film is formed on the interlayer insulating film using CMP. And cost reduction effects can be obtained. However, in this case, the effect of miniaturization in patterning the column output lines cannot be obtained.
[0027]
In FIG. 1, the reset lines 102 and 102 "and the transfer line 103 are formed of a first layer of polysilicon, the select lines 101 and 101 'are formed of a second layer of polysilicon, and the reset lines 102 and 102" are formed. The configuration in which selection lines 101 ′ and 102 are stacked on the above, respectively, is taken as an example. Of course, the effect of the present invention is not limited to this configuration. The idea of the present invention is to arrange the wiring in the row direction which has been conventionally laid out planarly by using the two-layer polysilicon technology, and from this viewpoint, which wiring is to be arranged in which layer, which wiring Which wiring is to be laminated is not a limitation. It is only necessary to determine which layer is to be arranged and how to arrange it while considering the following matters as design items, and perform an appropriate layout.
[0028]
(1) The two stacked wirings have a larger wiring capacitance than the other non-laminated wiring, and require more time for driving.
[0029]
(2) It is more difficult to control the interface of the gate oxide film of the transistor formed by the upper polysilicon and to control the film thickness as compared with those of the initial polysilicon layer. Easy to happen. The designer can obtain the effect of the present invention in any case by designing while mainly considering the above two matters.
[0030]
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a plan view of a pixel of the photoelectric conversion device according to the second embodiment of the present invention, which is seen through the multilayer from the upper surface. FIG. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. 5, the pixel selection line 101 'and the pixel reset line 102 in FIG. 4 are omitted. The photoelectric conversion device of the present embodiment differs from the photoelectric conversion device of the first embodiment in that the gate of the selection MOS transistor and the gate of the amplification transistor overlap.
[0031]
4 and 5, reference numeral 301 denotes a configuration in which the gate 110 of the amplification transistor formed of polysilicon of the first layer is partially covered by the gate 104 of the pixel selection transistor.
[0032]
With this configuration, the space between the gates of the two transistors required in the first embodiment can be further reduced, and the effect of the first embodiment can be obtained in a finer pixel.
[0033]
Here, the selecting MOS transistor is arranged at the upper part, but the selecting MOS transistor may be arranged at the lower part. Considering the amplification characteristics, it is desirable that the amplifying MOS transistor should be formed of the first polysilicon. However, in the first embodiment, for example, when the design is made such that the selection line is formed of the first polysilicon In addition, the MOS transistor for amplification must be formed of the second polysilicon. Even in this case, the effects of the present embodiment of the present invention can be similarly obtained.
[0034]
Further, conventionally, for the purpose of eliminating horizontal shading, a substrate potential wiring connecting pixels in a horizontal direction in a row direction is sometimes connected to fix a potential of the substrate. In the present invention, such wiring is completely eliminated because it causes a reduction in the aperture ratio, and the aperture ratio is effectively improved.
[0035]
Here, it is desirable to use a film obtained by oxidizing the underlying polysilicon as in the conventional two-layer polysilicon process as the insulating film between the polysilicon layers. This is because an oxide film can be selectively formed around the polysilicon. However, depending on design parameters such as the reliability required between the polysilicon layers, the wiring capacitance between the stacked wirings, and the optical characteristics required by the light incident on the photodiode portion, the interlayer film between the polysilicons may be used. Alternatively, an oxide film, a nitride film, a mixed film of an oxide film and a nitride film, a stacked film of an oxide film and a nitride film, or the like may be used. Further, another insulating film may be introduced. In the present embodiment, the supporting base is the substrate 202, but the substrate may be, for example, normal silicon, for example, an SOI substrate. Further, if the same laminated wiring can be introduced, the effect of the present invention can be similarly obtained by using other materials.
[0036]
The configuration in which the gate of the selection MOS transistor and the gate of the amplification transistor of this embodiment overlap can be applied to other embodiments such as Embodiments 3 and 4 described below.
[0037]
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a plan view of the pixel of the photoelectric conversion device according to the third embodiment of the present invention, which is seen through the multilayer from the upper surface, and FIG. 7 is an equivalent circuit diagram. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
[0038]
In the photoelectric conversion device of the present embodiment, as shown in FIG. 7, two photoelectric conversion units, two transfer transistors for transferring charges from the two photoelectric conversion units to the floating diffusion, and the floating diffusion and the input unit are connected. A unit cell is composed of one amplification transistor, one selection transistor, and one reset transistor. Since the unit cell has two photoelectric conversion units, it can be considered that two pixels are substantially formed, and the amplification transistor, the selection transistor, and the reset transistor of the two pixels are shared.
[0039]
As shown in FIG. 6, the reset line 102 'of the unit cell adjacent in the downward direction overlaps the select line 101 of the unit cell shown in FIG. 6, and the select line 101 of the unit cell adjacent in the upward direction. "And the reset line 102 of the unit cell shown in Fig. 6 overlap. 106a and 106b are gates of transfer transistors for transferring charges from the photoelectric conversion units 109a and 109b, and 103a and 103b are photoelectric conversion units 109a and 109b. This is a transfer line of a transfer transistor for transferring electric charges from the transfer line 109b, where the gates 106a and 106b are constituted by a part of the transfer lines 103a and 103b.
[0040]
In the photoelectric conversion device of this embodiment, when the maximum value LA of the opening size that can be theoretically taken in the vertical direction is obtained, the vertical size of a pixel (half of a unit cell) is LY, the wiring width is LW, and the wiring interval is LS. Then
LA = LY−1.5 × LW−0.5LS Equation (3)
Thus, the opening size in the vertical direction can be further increased as compared with the configuration of the first embodiment.
[0041]
Here, an example in which the selection line and the reset line are overlapped is shown, but other wirings can be overlapped as in the first embodiment.
[0042]
(Embodiment 4)
Although the photoelectric conversion devices of Embodiments 1 to 3 described above have described an example in which wirings are overlapped between adjacent pixels or unit cells, in the present embodiment, wirings are overlapped in one pixel. Here is an example.
[0043]
FIG. 8 is a plan view of the pixels of the photoelectric conversion device according to the third embodiment of the present invention, which is seen through from the top to the multilayer, and FIG. 9 is an equivalent circuit diagram. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
[0044]
In FIG. 8, the selection line 101 and the transfer line 103 are formed of a first layer of polysilicon, the pixel reset line 102 is formed of a second layer of polysilicon, and the reset line 102 is stacked on the transfer line 103. I have.
[0045]
Here, similarly to Embodiment 1, when the maximum value LA of the opening size that can be theoretically taken in the vertical direction is obtained, the vertical size of the pixel is LY, the wiring width is LW, and the wiring interval is LS.
LA = LY−2 × LW−LS Equation (4)
As in the first embodiment, when the same design rule is used as compared with the conventional example, the vertical opening size can be increased by the sum of the wiring width and the wiring interval.
[0046]
In the present embodiment, an example in which the wirings overlap in one pixel has been described, but an embodiment in which the wirings overlap in one unit cell is of course also possible. In this case, the reset line 102 is stacked on the transfer line 103a or 103b in the unit cell described in the third embodiment, and there is no selection line 101 ″ and reset line 102 ′ of the vertically adjacent unit cell.
[0047]
Although the example in which the transfer line and the reset line are overlapped is shown here, other wirings can be overlapped as in the first embodiment.
[0048]
(Embodiment 5)
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a signal reading system of the photoelectric conversion device of the present invention. The present embodiment differs from the conventional signal reading system in that a delay element is provided. A plurality of pixels 401 are arranged in a matrix, here a matrix of 5 rows and 3 columns, and pixels in the same column are selectively connected to a vertical line 402. The vertical lines 402 are connected to storage elements 406 to 408 serving as second storage means via delay elements 403 to 405 serving as first storage means. The storage elements are connected to a horizontal line 412 via respective selection switches 409 to 411, and the horizontal line 412 is connected to an output node 413 via a buffer. Here, a capacitance element such as an oxide film capacitance can be used as the storage element. As the delay element, a CCD device or a sample and hold unit using a capacitor and a switch can be used.
[0049]
FIG. 11B is an explanatory diagram of the operation of the signal reading system of FIG. FIG. 11A is an explanatory diagram of the operation of the conventional signal reading system shown for comparison.
[0050]
As shown in FIG. 11A, after the pixel in the n-th row is selected, all the pixels connected to that row are activated by being selectively connected to the vertical line 402 during the pixel access 501 period. Since the conventional CMOS sensor does not have a delay function by the delay element, the value of the pixel is stored in the storage elements 406 to 408 via the output line 402 at a certain timing.
[0051]
Thereafter, in the horizontal signal transfer period 502, the selection switches 409 to 411 are sequentially connected to the horizontal line 412 using a shift register or the like, and the data of each column is output serially.
[0052]
Here, in the pixel of the photoelectric conversion device of the present embodiment described above, the pixel access period 501 tends to be longer than that of the conventional CMOS sensor because the wiring has a laminated structure. Therefore, it is desirable to adopt a driving method described later. Hereinafter, the driving method will be described with reference to FIG.
[0053]
While the pixels in the (n + 1) th row are being read on the vertical line 402 in the pixel access period 503, the data in the nth row is sequentially transferred from the storage elements 406 to 408 having a holding function to the horizontal line 412 by the selection switches 409 to 411. The signal is output by connection (horizontal signal transfer period 504). In the pixel access period 503, the data of the vertical line 402 is held at a certain timing by the delay elements 403 to 405 having a delay function. After the horizontal signal transfer period ends, the data held by the delay elements 403 to 405 is transferred to the storage elements 406 to 408 during the period (transfer period 505) during which the pixel access period of the (n + 2) th row starts. Thereafter, the horizontal signal transfer period (504) of the (n + 1) th row and the pixel access period of the (n + 2) th row are entered.
[0054]
As described above, by performing the horizontal signal transfer of the current row while accessing the pixels of the next row, the effective reading speed is improved. In particular, in the pixel structure of the photoelectric conversion device of the present embodiment, the pixel access period is longer than that of a conventional CMOS sensor or the like, so that this new readout method is particularly effective.
[0055]
Although an analog output is assumed in the circuit diagram of FIG. 10, similar effects can be obtained by, for example, AD conversion immediately before output. The same effect can be obtained by mounting an AD converter for each column, performing AD conversion during the pixel access period, and transferring digital data during the horizontal signal transfer period. When an AD converter is provided for each column, the same effect can be obtained even if the data input to the delay function is AD-converted. For example, even if the data output from the holding function is AD-converted. Similar effects can be obtained. It is preferable that AD conversion be performed before the signal is input to the delay function, so that it is not affected by analog noise generated by the delay function and the holding function. More specifically, in FIG. 10, a plurality of storage elements for connecting analog-to-digital conversion means to the storage elements 406 to 408 are grouped for each unit, connected to a multiplexer for each unit, and an analog / digital converter is connected to the multiplexer. An example of connecting digital conversion means is given.
[0056]
An AD converter is not provided for each column, and the same effect can be obtained even if one AD converter is provided for a plurality of columns. In this case, the total area of the AD converter in the chip is reduced, and the effect of reducing the chip size can be obtained. In this case, it is needless to say that the pixel access period must be time-divided and the AD conversion of the pixels in all columns must be completed before the horizontal signal transfer of the row starts.
[0057]
Next, an imaging system using the photoelectric conversion device will be described. An example in which the photoelectric conversion device of the present invention is applied to a still camera will be described in detail with reference to FIG.
[0058]
FIG. 12 is a block diagram showing a case where the photoelectric conversion device of the present invention is applied to a “still video camera”.
[0059]
In FIG. 12, reference numeral 1101 denotes a barrier which serves both as protection of a lens and a main switch; 1102, a lens for forming an optical image of a subject on a solid-state imaging device 1104 serving as a photoelectric conversion device of the present invention; 1103, a light amount passing through the lens 1102; A diaphragm 1104 is a solid-state imaging device for capturing a subject formed by the lens 1102 as an image signal, and 1106 is an A / D converter for performing analog-digital conversion of an image signal output from the solid-state imaging device 1104. And 1107, a signal processing unit for performing various corrections on the image data output from the A / D converter 1106 and compressing the data, and 1108, a solid-state imaging device 1104, an imaging signal processing circuit 1105, and an A / D converter 1106. , A timing generator for outputting various timing signals to the signal processor 1107, 11 Reference numeral 9 denotes an overall control / arithmetic unit that controls various operations and the entire still video camera. 1110 denotes a memory unit that temporarily stores image data. 1111 denotes an interface unit that performs recording or reading on a recording medium. A removable recording medium 1113 such as a semiconductor memory for recording or reading image data is an interface unit for communicating with an external computer or the like.
[0060]
Next, the operation of the still video camera at the time of shooting in the above configuration will be described.
[0061]
When the barrier 101 is opened, the main power is turned on, the power of the control system is turned on, and the power of the imaging system circuit such as the A / D converter 1106 is turned on.
[0062]
Then, in order to control the amount of exposure, the overall control / arithmetic unit 1109 opens the aperture 1103, and the signal output from the solid-state imaging device 1104 is converted by the A / D converter 1106, and then the signal is processed by the signal processing unit 1107. Is entered. Exposure calculation is performed by the overall control / calculation unit 1109 based on the data.
[0063]
The brightness is determined based on the result of the photometry, and the overall control / arithmetic unit 1109 controls the aperture according to the result.
[0064]
Next, based on the signal output from the solid-state imaging device 1104, high-frequency components are extracted, and the distance to the subject is calculated by the overall control / calculation unit 1109. Thereafter, the lens is driven to determine whether or not the lens is in focus. If it is determined that the lens is not in focus, the lens is driven again to measure the distance.
[0065]
Then, after the focus is confirmed, the main exposure starts. When the exposure is completed, the image signal output from the solid-state imaging device 1104 is A / D converted by an A / D converter 1106, passes through a signal processing unit 1107, and is written in a memory unit by overall control / calculation 1109. After that, the data stored in the memory unit 1110 passes through the recording medium control I / F unit 1111 under the control of the overall control / arithmetic unit 1109 and is recorded on a removable recording medium 1112 such as a semiconductor memory. Further, the image may be processed by inputting directly to a computer or the like through the external I / F unit 1113.
[0066]
Further, the same effect can be obtained even if the post-processing means group for processing data from the sensor in the above system is formed on the same substrate as the sensor, for example. Also, for example, the same effect can be obtained even if the device is formed on a different substrate. By mounting on the same board, the number of IC components can be reduced, and the effect of reducing the mounting and component costs can be obtained. Also, by mounting on a different board, the post-processing means circuit that leaks into the sensor Therefore, it is possible to obtain effects such as a reduction in noise from noise and an improvement in the yield of ICs in the post-processing means.
[0067]
Further, in the embodiment of the present invention, an actual layer such as an impurity layer for preventing formation of a channel below a field oxide film, a barrier metal layer before forming a metal wiring layer, a passivation film formed on the uppermost layer, etc. In semiconductors, various elements that are almost essential are omitted. Further, in the present invention, the layout is merely an explanation of the concept, and restrictions such as a space between wirings and a contact size are ignored. It goes without saying that in the actual design, it is necessary to follow the design guidelines required by the manufacturing process.
[0068]
Further, in the fifth embodiment, various methods such as a method of removing reset noise of a pixel, a method of removing a fixed pattern and a 1 / f noise of an amplification amplifier of each pixel, and a vertical and horizontal shift register, a timing generation unit, etc., which are essential in the periphery. Indispensable elements, essential driving methods, and the like are omitted. This is intentionally performed to make the elements of the present invention stand out, and the effects of the present invention can be similarly obtained even when the essential elements and the essential driving methods conventionally used conventionally are combined with the present invention. It goes without saying that you can get it.
[0069]
The embodiments of the present invention have been described above, but the preferred embodiments of the present invention are the following.
[0070]
Embodiment 1 At least a photoelectric conversion element, a transfer unit for transferring a signal from the photoelectric conversion element, an amplification unit for amplifying the transferred signal, and a selection for outputting an output signal from the amplification unit to a semiconductor substrate. Means, and pixels provided with initialization means for initializing a signal transferred to the amplification means are arranged two-dimensionally, and a plurality of pixels arranged in one array direction are connected to a common output line, In addition, the selection unit, the initialization unit, and the transfer unit of a plurality of pixels arranged in another arrangement direction different from the one arrangement direction are connected to a common selection line, a common initialization line, and a common transfer line, respectively. In the photoelectric conversion device that has been
At least two of the selection line, the initialization line, and the transfer line are a first conductor including a polycrystalline semiconductor, and a polycrystal formed over the first conductor via an insulating layer. A photoelectric conversion device having a laminated structure with a second conductor containing a semiconductor, wherein the two wires are provided so as to at least partially overlap when viewed from a vertical direction of a surface of the semiconductor substrate.
[0071]
According to the photoelectric conversion device of the first embodiment, the aperture ratio can be increased by stacking at least two of the selection line, the initialization line, and the transfer line.
[0072]
(Embodiment 2) At least a photoelectric conversion element, a transfer unit for transferring a signal from the photoelectric conversion element, an amplification unit for amplifying the transferred signal, and a selection for outputting an output signal from the amplification unit to a semiconductor substrate. Means, and pixels provided with initialization means for initializing a signal transferred to the amplification means are arranged two-dimensionally, and a plurality of pixels arranged in one array direction are connected to a common output line, In addition, the selection unit, the initialization unit, and the transfer unit of a plurality of pixels arranged in another arrangement direction different from the one arrangement direction are connected to a common selection line, a common initialization line, and a common transfer line, respectively. In the photoelectric conversion device that has been
The selection line of the one pixel column arranged in the other array direction, at least one of the initialization line and the transfer line, and the selection line of another pixel column adjacent to the one pixel column, At least two of the initialization line and at least one of the transfer lines are a first conductor including a polycrystalline semiconductor, and a polycrystal formed over the first conductor with an insulating layer interposed therebetween. A photoelectric conversion device having a laminated structure with a second conductor containing a semiconductor, wherein the two wires are provided so as to at least partially overlap when viewed from a vertical direction of a surface of the semiconductor substrate.
[0073]
(Embodiment 3) At least a plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of transfer means for respectively transferring signals from the plurality of photoelectric conversion elements, an amplifying means for amplifying the transferred signals, and an output from the amplifying means. A plurality of unit cells arranged in a two-dimensional manner, including a unit cell including a selecting unit for outputting a signal and an initializing unit for initializing a signal transferred to the amplifying unit, and arranged in one array direction Are connected to a common output line, and the selection means of the plurality of unit cells arranged in another arrangement direction different from the one arrangement direction, the initialization means, the plurality of transfer means is a common selection line, respectively. In a photoelectric conversion device connected to a common initialization line and a plurality of common transfer lines,
At least two of the selection line, the initialization line, and the plurality of transfer lines are formed over a first conductor including a polycrystalline semiconductor and an insulating layer over the first conductor. A photoelectric conversion device having a stacked structure with a second conductor including a polycrystalline semiconductor, wherein the two wires are provided so as to at least partially overlap when viewed from a vertical direction of a surface of the semiconductor substrate. .
[0074]
(Embodiment 4) At least a plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of transfer means for respectively transferring signals from the plurality of photoelectric conversion elements, an amplifying means for amplifying the transferred signals, and an output from the amplifying means. A plurality of unit cells arranged in a two-dimensional manner, including a unit cell including a selecting unit for outputting a signal and an initializing unit for initializing a signal transferred to the amplifying unit, and arranged in one array direction Are connected to a common output line, and the selection means of the plurality of unit cells arranged in another arrangement direction different from the one arrangement direction, the initialization means, the plurality of transfer means is a common selection line, respectively. In a photoelectric conversion device connected to a common initialization line and a plurality of common transfer lines,
In one unit cell column arranged in the other array direction, the selection line, at least one of the initialization line and the transfer line, and the other unit cell column adjacent to the one unit cell column, At least two of the selection line, the initialization line, and at least one of the transfer lines are formed with a first conductor including a polycrystalline semiconductor and an insulating layer over the first conductor. Photoelectric conversion, wherein the two lines are provided so as to overlap at least partially when viewed from the vertical direction of the surface of the semiconductor substrate, in a laminated structure with a second conductor containing a polycrystalline semiconductor. apparatus.
[0075]
(Embodiment 5) The transfer unit, the selection unit, and the initialization unit each include an insulated gate transistor, and the gates of the transfer unit, the selection unit, and the insulated gate transistor of the initialization unit are each the transfer line. , The selection line, is formed of the same material as the initialization line, and
The gate of the insulated gate transistor of the transfer means and the transfer line, the gate of the insulated gate transistor of the selection means and the selection line, the gate of the insulated gate transistor of the initialization means and the initialization line are made of different materials. The photoelectric conversion device according to any one of Embodiments 1 to 4, wherein the photoelectric conversion device is connected without any intervention.
[0076]
According to the photoelectric conversion device of the fifth embodiment, the selection means and the selection line, the initialization means and the initialization line, the contact hole connecting the transfer means and the transfer line, and the like can be omitted, and the aperture ratio can be further increased. It becomes.
[0077]
(Embodiment 6) A light-shielding film for shielding light other than a photoelectric conversion portion of the photoelectric conversion element is provided, and each of the selection line, the initialization line, and the transfer line is the first conductor or the second conductor. The output line is formed of a third conductor disposed on the second conductor, and the light-shielding film is formed of a fourth conductor disposed on the third conductor. The photoelectric conversion device according to any one of Embodiments 1 to 4, wherein the photoelectric conversion device is formed of a body.
[0078]
According to the photoelectric conversion device of the sixth embodiment, in addition, unnecessary light can be prevented from entering the amplifying unit or the floating diffusion (floating diffusion unit), and the image quality can be improved.
[0079]
(Embodiment 7) The amplifying means and the selecting means are constituted by field effect transistors, and the light shielding film is connected to the drain of the field effect transistor of the amplifying means or the drain of the field effect transistor of the selecting means. The photoelectric conversion device according to embodiment 6, wherein:
[0080]
According to the photoelectric conversion device of Embodiment 7, in addition, the light-shielding film can be used as the power supply wiring, and the aperture ratio can be further improved by using the necessary wiring as the light-shielding.
[0081]
(Embodiment 8) The photoelectric conversion device according to embodiment 6, wherein the insulating layer on which the third conductor is deposited is planarized by CMP.
[0082]
According to the photoelectric conversion device of the eighth embodiment, in addition, the unevenness of the layer on which the output line is to be deposited can be minimized by the CMP, which leads to the improvement of the yield and the aperture ratio by processing the output line with high accuracy.
[0083]
(Embodiment 9) The photoelectric conversion device according to embodiment 7 or 8, wherein the insulating layer on which the fourth conductor is deposited is planarized by CMP.
[0084]
According to the photoelectric conversion device of the ninth embodiment, in addition, for example, the incident angle dependency due to the difference in height from the silicon surface of the side of the polygon formed by the opening formed by the light-shielding film becomes a problem. In such a case, the height can be made uniform by introducing CMP, whereby the incident angle dependency can be solved.
[0085]
(Embodiment 10) The amplifying unit and the selecting unit each have an insulated gate transistor, and the gate of the insulated gate transistor of the amplifying unit and the gate of the insulated gate transistor of the selecting unit are interposed via an insulating layer. The photoelectric conversion device according to any one of Embodiments 1 to 9, wherein the photoelectric conversion device is stacked so as to overlap.
[0086]
According to the photoelectric conversion device of Embodiment 10, the margin between the gates of the selection transistor and the amplification transistor can be minimized, and the pixel size can be reduced.
[0087]
(Embodiment 11) An embodiment characterized in that the gate of the insulated gate transistor of the amplifying means is arranged below and the gate of the insulated gate transistor of the selection line is arranged above when viewed from the semiconductor substrate side. 11. The photoelectric conversion device according to 10.
[0088]
According to the photoelectric conversion device of the eleventh embodiment, by placing the gate of the amplification transistor below, it is possible to maintain the quality of the interface of the gate oxide film of the amplification transistor as best as possible, thereby reducing noise. Amplification becomes possible.
[0089]
(Embodiment 12) In the pixel, only the output line, the selection line, the initialization line, and the power supply line for supplying power to the transfer and the pixel are provided. The photoelectric conversion device according to any one of the above.
[0090]
According to the photoelectric conversion device of the twelfth embodiment, further improvement in the aperture ratio can be expected by eliminating the power supply wiring that has been conventionally required.
[0091]
(Embodiment 13) The interlayer insulating material between the stacked wirings is made of an oxide, a nitride, or a mixed compound of an oxide and a nitride of a wiring material positioned below the semiconductor base. The photoelectric conversion device according to any one of Embodiments 1 to 12, wherein
[0092]
According to the photoelectric conversion device of the thirteenth embodiment, by introducing a manufacturing process that can be easily introduced in the current semiconductor process, advantages can be obtained in both cost and reliability.
[0093]
(Embodiment 14) Any of Embodiments 1 to 13, wherein the interlayer insulating film between the stacked wirings is mainly formed by oxidizing a lower wiring when viewed from the semiconductor substrate side. A photoelectric conversion device according to any one of the above.
[0094]
According to the photoelectric conversion device of Embodiment 14, in addition, the insulating film formed by the material of the lower wiring layer itself can be used as the interlayer film, and the conductor can be deposited thereon. , Height rise can be minimized.
[0095]
(Embodiment 15) The photoelectric conversion device according to any one of embodiments 1 to 14, wherein the material of the first conductor and the second conductor is mainly polycrystalline silicon.
[0096]
According to the photoelectric conversion device of the fifteenth embodiment, in addition, high reliability and low cost are realized by using polycrystalline silicon (polysilicon), which is currently the most reliable as a device that oxidizes itself. be able to.
[0097]
(Embodiment 16) The material according to any one of 1 to 15, wherein the material of the first conductor is polycrystalline silicon, and the material of the second conductor is a compound of polycrystalline silicon and a metal. The photoelectric conversion device according to claim 1.
[0098]
According to the photoelectric conversion device of the sixteenth embodiment, in addition, the resistance of the wiring formed of the second conductor can be reduced, and high-speed driving can be performed.
[0099]
(Embodiment 17) The photoelectric conversion device according to any one of embodiments 1 to 16, wherein the photoelectric conversion device is formed on a substrate mainly composed of silicon.
[0100]
According to the photoelectric conversion device of the seventeenth embodiment, low-cost manufacturing can be achieved by using a silicon substrate which has an affinity with polysilicon for cleaning, thermal system, and the like.
[0101]
(Embodiment 18) At least a plurality of first storage units respectively connected to the plurality of output lines, and a plurality of second storage units respectively connected to the plurality of delay units. The photoelectric conversion device according to any one of aspects 1 to 17.
[0102]
According to the photoelectric conversion device of the eighteenth embodiment, it is possible to secure a frame rate that is almost the same as that of the related art even in the present invention in which control of pixels takes a relatively long time.
[0103]
(Embodiment 19) The embodiment 18 wherein the selection means for selectively reading out the contents stored in the plurality of second storage means is connected to the plurality of second storage means. The photoelectric conversion device according to claim 1.
[0104]
According to the photoelectric conversion device of the nineteenth embodiment, in addition, an analog value can be directly read from the storage unit, and the affinity for a system that requires an analog signal can be maintained.
[0105]
(Embodiment 20) The photoelectric conversion apparatus according to embodiment 18, wherein the plurality of second storage units are respectively connected to analog / digital conversion units.
[0106]
According to the photoelectric conversion device of the twentieth embodiment, in addition, compatibility with a system that requires a digital signal can be maintained.
[0107]
(Embodiment 21) An embodiment characterized in that the plurality of second storage units are grouped for each unit, and an analog / digital conversion unit is connected via a multiplex unit connected for each unit. 19. The photoelectric conversion device according to aspect 18.
[0108]
According to the photoelectric conversion device of the twenty-first embodiment, by sharing one AD converter in a sequence, the digital signal is output while the area of the sensor itself is reduced as compared with the photoelectric conversion device of the nineteenth embodiment. be able to.
[0109]
(Embodiment 22) The pixels included in the photoelectric conversion device according to any one of Embodiments 18 to 21 are scanned for each pixel group including a plurality of pixels in one row arranged in the other arrangement direction, and The output signal is held in the plurality of first storage units, the signal held in the plurality of second storage units is output, and the signal held in the plurality of second storage units is A method for driving a photoelectric conversion device, characterized in that, after being output, a signal held in the plurality of first storage units is transferred to the plurality of second storage units.
[0110]
According to the driving method of the photoelectric conversion device of the twenty-second embodiment, it is possible to provide a driving method capable of securing a frame rate that is almost the same as that of the related art even in the present invention in which control of pixels takes a relatively long time. .
[0111]
(Embodiment 23) An imaging system comprising at least an optical system for introducing light, the photoelectric conversion device according to any one of Embodiments 1 to 21, and a post-processing means for processing an output of the photoelectric conversion device.
[0112]
According to the imaging system of Embodiment 23, all the effects of the photoelectric conversion device of the present invention can be obtained even in an imaging system such as a digital camera.
[0113]
(Embodiment 24) The imaging system according to embodiment 23, wherein the post-processing means is formed on the same semiconductor substrate as the photoelectric conversion device.
[0114]
According to the imaging system of the twenty-fourth embodiment, all required post-processing means are contained on one IC, so that the number of chips and the mounting cost can be reduced.
[0115]
(Embodiment 25) The imaging system according to embodiment 23, wherein the post-processing means is formed on a semiconductor substrate different from the photoelectric conversion device.
[0116]
According to the imaging system of the twenty-fifth embodiment, a photoelectric conversion device with low noise can be realized by completely separating a digital IC that easily generates noise and an IC equipped with the photoelectric conversion device according to the present invention.
[0117]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the aperture ratio of the photoelectric conversion device can be increased. At this time, it is possible to prevent an increase in the distance from the microlens to the silicon surface, an increase in process cost, a decrease in yield, and the like without using a multilayer metal wiring layer. Further, it is possible to provide a driving method which does not reduce the signal reading speed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view in which pixels of a photoelectric conversion device according to a first embodiment of the present invention are seen through multiple layers from an upper surface.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion device according to the first embodiment.
3 (a) to 3 (c) are cross-sectional views of respective parts in FIG.
FIG. 4 is a plan view in which pixels of a photoelectric conversion device according to a second embodiment of the present invention are seen through a plurality of layers from the upper surface.
FIG. 5 is a sectional view taken along line CC ′ of FIG. 4;
FIG. 6 is a plan view in which pixels of a photoelectric conversion device according to a third embodiment of the present invention are seen through the multilayer from the top surface.
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a photoelectric conversion device according to a third embodiment.
FIG. 8 is a plan view in which pixels of a photoelectric conversion device according to a fourth embodiment of the present invention are seen through a plurality of layers from the upper surface.
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a photoelectric conversion device according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a signal reading system of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram of the operation of the signal reading system according to FIG. 10;
FIG. 12 is a block diagram showing a case where the photoelectric conversion device of the present invention is applied to a still video camera.
FIG. 13 is a diagram viewed from above when an example of one pixel of the CMOS sensor is laid out.
[Explanation of symbols]
101 pixel selection line
102 Pixel reset line
103 transfer line
104 Pixel selection transistor gate
105 Pixel reset transistor gate
106 Gate of transfer transistor
107 output line
108 Light shielding film
109 Photoelectric conversion unit
110 Amplification means
111 Floating diffusion (floating diffusion part)
112 power supply
113 Wiring
201 insulating film
202 Substrate (p-type substrate or p-type well)
203 Embedded photodiode (n-type semiconductor)
204 1 Pixel reset transistor gate
204 2 Pixel selection transistor gate
204 3 The gate of the transistor that serves as the amplification
205 Highly doped n-layer
206 Gate oxide film

Claims (1)

少なくとも、半導体基体に、光電変換素子、該光電変換素子からの信号を転送する転送手段、転送された信号を増幅する増幅手段、該増幅手段から出力信号を出力するための選択手段と、該増幅手段に転送された信号を初期化する初期化手段とを備えた画素を2次元状に配置し、一配列方向に配された複数の画素は共通の出力線に接続され、また該一配列方向と異なる他の配列方向に配された複数の画素の前記選択手段、前記初期化手段、前記転送手段はそれぞれ共通の選択線、共通の初期化線、共通の転送線に接続されている光電変換装置において、
前記選択線、前記初期化線及び前記転送線のうちの少なくとも二線は、多結晶半導体を含む第一の導電体と、該第一の導電体上に絶縁層を介して形成される多結晶半導体を含む第二の導電体との積層構成で、該二線が前記半導体基体の面の鉛直方向から見て少なくとも一部が重なり合うように設けられていることを特徴とする光電変換装置。
At least a photoelectric conversion element, a transfer unit for transferring a signal from the photoelectric conversion element, an amplification unit for amplifying the transferred signal, a selection unit for outputting an output signal from the amplification unit, and an amplification unit Pixels having initialization means for initializing a signal transferred to the means are two-dimensionally arranged, a plurality of pixels arranged in one arrangement direction are connected to a common output line, and The selection means, the initialization means, and the transfer means of a plurality of pixels arranged in another arrangement direction different from the above are respectively connected to a common selection line, a common initialization line, and a common transfer line. In the device,
At least two of the selection line, the initialization line, and the transfer line are a first conductor including a polycrystalline semiconductor, and a polycrystal formed over the first conductor via an insulating layer. A photoelectric conversion device having a laminated structure with a second conductor containing a semiconductor, wherein the two wires are provided so as to at least partially overlap when viewed from a vertical direction of a surface of the semiconductor substrate.
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