JP2005198001A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高S/Nでワイドダイナミックレンジである微細化された固体撮像装置を実現すること。
【解決手段】複数の光電変換素子を1つのフローティングディフュージョンに転送スイッチを介して接続、前記フローティングディフュージョンを垂直出力線にリセットスイッチを介して接続、前記フローティングディフュージョンを増幅用MOSトランジスタのゲートに接続した画素構成を二次元状に配置する。又、前記複数の光電変換素子が4つのフォトダイオードであることを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】複数の光電変換素子を1つのフローティングディフュージョンに転送スイッチを介して接続、前記フローティングディフュージョンを垂直出力線にリセットスイッチを介して接続、前記フローティングディフュージョンを増幅用MOSトランジスタのゲートに接続した画素構成を二次元状に配置する。又、前記複数の光電変換素子が4つのフォトダイオードであることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、固体撮像装置の画素微細化に関し、特に各画素に増幅機能を有するCMOS型固体撮像装置に関するものである。
従来、各画素に増幅機能を有する増幅型固体撮像装置として図15に示すようなCMOSイメージセンサが広く知られているが、この種のCMOSイメージセンサには、高S/N信号を目的としない用途には3トランジスタ構成が主に用いられている。ここで、各画素は、フォトダイオードと、増幅用MOSトランジスタと、リセットMOSトランジスタ及び選択MOSトランジスタによって構成されている。この構成は必要とするトランジスタ数が少なく、完全電荷転送動作も行わないため、低電圧化と小型化に適している。但し、動作上、フォトダイオードリセット時のkTCノイズの除去が困難であるため、S/Nが悪く、低照度撮影には適さない。
一方、高S/N信号を必要とする用途には、図15に示した4トランジスタ構成が主に用いられている。この画素構成に関しては非特許文献1等で詳しく説明されている。このCMOSイメージセンサの各画素は、埋め込み型フォトダイオードと、増幅用MOSトランジスタと、リセットMOSトランジスタと、選択MOSトランジスタ及び転送MOSトランジスタの4つのトランジスタによって構成されている。この4トランジスタ形式では、埋め込み型フォトダイオードによる暗電流の低減と、完全電荷転送動作による感度の向上が最大の特徴となる。
又、列毎に設けられたノイズ用メモリーと信号用メモリーを用いたCDS動作によって、画素部で発生するFPやR(kTCノイズ)の除去も可能となっている。この4トランジスタ構成により、高感度低ノイズのCMOSイメージセンサが可能となり、画質的にもCCDを用いたデジタル一眼レフカメラを凌ぐ特性を有するデジタル一眼レフカメラが実現されている。
映像情報メディア学会誌Vol.55,No.2,pp.257〜263 (2001)
しかしながら、上記従来の固体撮像装置において高S/撮像を行うためには、1画素当たり4つのMOSトランジスタが必要となるため、CCDと比較すると、画素の微細化に対して明らかに不利である。既に2.5μmの製品化が行われ、更に2μmの製品化もなされようとしているCCDに対して、製品化されている4トランジスタ画素構成のCMOSイメージセンサの最小画素サイズは5.4μm程度に留まっている。CMOSイメージセンサにおいて、デザインルールの微細化により、或る程度の画素サイズの縮小は可能となるが、電源電圧の低下によるダイナミックレンジの低減、増幅MOSトランジスタの微細化による1/fノイズの増大等が問題となってくる。
従って、高ダイナミックレンジと高S/Nを実現させるには、トランジスタサイズの微細化よりもトランジスタそのものの数を減らすことが効果的である。但し、従来のトランジスタ3つによる画素構成では、完全電荷転送が行えないことによる感度低下と、CDS動作ができないことによるリセットノイズの増大が問題となるため、高画質が要求される用途では採用されにくい。そのため、2μm台の画素サイズでCCD並みの高S/NをCMOSイメージセンサで実現することは非常に困難であった。
従って、本発明の第1の目的は、高S/Nでワイドダイナミックレンジである微細化された固体撮像装置を実現することである。
又、本発明の第2の目的は、入射光の集光能力の向上、特にオンチップマイクロレンズを用いたときの集光能力を向上させた固体撮像装置を実現することである。
更に、本発明の第3の目的は、信号電荷の加算と非加算を画素上で行うことができる固体撮像装置を実現することである。
そして、本発明の第4の目的は、微細画素を有した小型ワンチップカメラとなるCMOS型イメージセンサを実現させることも目的とする。
上記目的を達成するため、第1の発明は、1つのフローティングディフュージョンアンプに、複数のフォトダイオードを、転送ゲートを介して接続したことを特徴とする。
第2発明は、垂直出力線からFDにMOSトランジスタがカットオフする電位と活性化する電位を与える回路形式と駆動方法により、リセットMOSスイッチに選択機能を兼用させることで、従来において必要であった選択MOSスイッチを削減したことを特徴とする。
第3の発明は、FD共通化画素構成において、各フォトダイオードの形状、配置ピッチ、開口形状を同一にしたことを特徴とする。
第4の発明は、画素の平面的な縮小に伴って、高さ方向の縮小を行ったことを特徴とする。又、最上層である保護膜を平坦化したことも特徴とする。
上記第1の構成において、1画素当たりのトランジスタ数を減らすことができるため、CMOSイメージセンサの微細化が可能となる。
上記第2の構成において、更なるトランジスタの削減が可能となるため、CCDと同等の画素サイズが実現できる。
上記第3の構成において、FD共通化に伴って予想されるフォトダイオードのレイアウト不均一による感度バラツキ、光シェーディングの悪化を予め防ぐことが可能となる。
上記第4の構成において、マイクロレンズからフォトダイオードまでの距離を縮めることで、斜入射光に対する集光能力の向上が可能となる。更に、マイクロレンズ平坦化層の薄膜化と遮光層端の保護膜のカバレージ領域での光発散防止による感度向上も同時に実現できる。
又、完全電荷転送型のフォトダイオードが採用できるため、小型化のみならず、高S/NのCMOSイメージセンサも実現できる。
本発明によれば、完全転送型光電変換装置における画素サイズの縮小が可能となるため、本固体撮像装置を用いたビデオカメラ、デジタルカメラ、モバイル端末機器、カメラ付き携帯電話等において、撮影画像の画質向上を図ることができる。
又、本発明の各種の機能がオンチップされたCMOS型固体撮像装置により、装置の小型化、低コスト化、低消費電力化も同時に実現されるため、特に携帯電話用に最適な固体撮像装置が実現できる。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
<実施の形態1>
図1は本発明の特徴を最も良く表す図面であり、 画素の回路構成と周辺回路を示した概略的回路構成図である。
図1は本発明の特徴を最も良く表す図面であり、 画素の回路構成と周辺回路を示した概略的回路構成図である。
図1において、1〜4は光電変換を行うP+NNP構造埋め込み型フォトダイオード(PD1〜PD4)であり、垂直シフトレジスタ(VSR)からの転送パルス(PTX1〜PTX4)で制御される5〜8の転送ゲート(M1〜M4)を介して、9の電気的に共通となるフローティングディフュージョン(FD)に接続される。10はFD電位をVVRH又はGNDにするためのリセットMOSトランジスタ(M5)、11は電荷増幅用MOSトランジスタ(M6)であり、スイッチMOSトランジスタ12を介して定電流回路13を繋ぐことによってソースフォロワ動作が可能となる。又、垂直出力線14は、それぞれのスイッチMOSトランジスタ15,16,17を介して、電荷増幅用MOSトランジスタを活性化させるVVRH電源、カットオフさせるGNDに時系列的に接続する。
次に、本固体撮像装置の駆動方法を図2のタイミングチャートを用いて詳細に説明する。
先ず、時刻T0において、VSRを駆動させて、読み出し(リセット)対象となる水平画素列の選択を行う。この時点でのFD電位はGDレベルが保持されており、MOSトランジスタ(M6)はカットオフ状態であるため、画素からの読み出しは行われない。
時刻T1において、PRESとPVR2をONにすることによって、MOSトランジスタ(M6)を活性化状態とする電位VVRHをFDへ書き込む。
時刻T2において、PRESをOFFすることによって、FDをフローティング状態にする。このとき、FDにはリセットによるkTCノイズ(QN
)が発生する。
)が発生する。
そして、次の時刻T3において、定電流源13を画素のMOSトランジスタ(M6)に接続したソースフォロワ動作により、暗信号の電荷増幅読み出しを行い、オンチップしたラインメモリーに暗時信号(N信号)を記憶させる。
時刻T4において、転送MOSゲートをONすることによって、フォトダイオードに蓄積されていた光電荷(QS
)をFDへ完全転送させる。このとき、FDには先のリセットノイズ成分QN に光電荷QS
が畳重された(QN +QS )が保持されることになる。このPDからFDへの電荷を完全に転送することは、PDの完全空乏化リセットが行われたことになる。
)をFDへ完全転送させる。このとき、FDには先のリセットノイズ成分QN に光電荷QS
が畳重された(QN +QS )が保持されることになる。このPDからFDへの電荷を完全に転送することは、PDの完全空乏化リセットが行われたことになる。
時刻T5において、光信号(N+S信号)のソースフォロワ読み出しを行い、ノイズ除去回路のラインメモリーに記憶していた暗時信号(N信号)とのCDS動作を行うことにより、ノイズ成分が除去された高S/N信号を得ることが可能となる。
その後、時刻T6において、PRESとPVR1をONすることによってFDへGD電位を書き込み、これによってMOSトランジスタ(M6)をカットオフ状態に遷移させ、読み出し動作を完了させる。
そして、時刻T7において、HSRを走査させることによって信号の順次読み出しを行う。
以上の読み出し動作を次のライン以降も同様に行ってフレーム読み出しを行う。本発明において、4つのPD(PD1〜PD4)に対してのFDの共通化を行い、転送ゲート(M1〜M4)を独立に制御することによって、従来と同じように全画素独立した信号出力形式(プログレッシブ走査)が可能となる。
図3に本発明を施した2次元イメージセンサの概略的な回路構成図を示す。同図において、21は図1に示した4画素共通構成の画素ユニットである。
図4に本実施の形態における画素部の平面レイアウトを示し、(a)は遮光層を除いた画素レイアウト、(b)は遮光層のレイアウトである。
このようにフォトダイオードのレイアウトピッチと面積、更には開口形状が全て等しいことが本発明の特徴である。フォトダイオードのピッチを変えることによって開口面積のアップが可能となるが、マイクロレンズの集光能力等の光学特性を考慮すると、フォトダイオードのピッチと形状を全て等しくすることが重要である。
図4において、垂直出力ラインとFD接続ラインをAL1配線、クロックラインをポリシリコン(POL)配線、遮光層をAL2レイヤーとすることによって多層配線層の厚さの低減を行っている。又、金属汚染による暗電流や白キズを防ぐために、シリサイド配線ではなく、シリサイド化されていないPOL配線を用いることが望ましい。但し、POL配線は抵抗が大きいため、高速駆動に不具合を生じることがある。そのため、図3に示したように、垂直走査回路を両側に設けてクロックラインの両側からクロック信号を入力することにより、クロック遅延を低減して高速駆動を可能にしている。
図5は本実施の形態に係る画素の断面図を示したものである。
4画素毎レイアウトに起因するフォトダイオード表面の高さの不均一による感度のバラツキを無くすために、センサの表面保護膜(パッシベーション層)を化学機械研磨(CMP: Chemical Mechanical Polishing)により平坦化したことを特徴とする。又、このパッシベーション膜はSiN膜よりも低屈折率のSiON膜やSiO2
膜の方が好ましい。パッシベーション膜の遮光層端カバレージの段差形状ため、フォトダイオード上の保護膜は凹型形状になる。この凹型の段差領域において、入射光は図6に示すようにフォトダイオードの外側へ発散するように屈折する。この段差領域の幅は0.6μm程度であるため、開口サイズが大きい場合は段差領域の占有率が小さくなるために影響が少ないが、開口サイズが2μm以下と小さくなってくると、段差領域の占有率が大きくなるため、凹型形状による集能力低下が顕著になる。
膜の方が好ましい。パッシベーション膜の遮光層端カバレージの段差形状ため、フォトダイオード上の保護膜は凹型形状になる。この凹型の段差領域において、入射光は図6に示すようにフォトダイオードの外側へ発散するように屈折する。この段差領域の幅は0.6μm程度であるため、開口サイズが大きい場合は段差領域の占有率が小さくなるために影響が少ないが、開口サイズが2μm以下と小さくなってくると、段差領域の占有率が大きくなるため、凹型形状による集能力低下が顕著になる。
本発明のようにパッシベーション膜を平坦化することによって、フォトダイオードへ十分な光を導くことが可能となり、微細化による感度低下を防ぐことが可能となる。図7に示すように、場合によっては5倍程度の感度向上も可能となった。
本実施の形態において、4画素当たり6個のMOSトランジスタ、つまり、1画素当たり1.5個のトランジスタ構成により、微細画素ピッチが可能な完全電荷転送型CMOSイメージセンサが実現した。
図8に示すように、従来の4トランジスタ構成と比較して、大幅な画素縮小が可能となることが理解できる。更に、0.18μmや0.13μm等の微細化デザインルールにより、CCDよりも微細な2μm以下の画素ピッチも可能となる。又、埋め込み型フォトダイオードによる低暗電流化、完全電荷転送による高感度化、そして、CDS動作による高S/N化も同時に実現することができる。
本発明は、VMIS、BCAST、LBCAST等にも当然のことながら応用可能である。特に、BCASTやLBCASTに対しては増幅用MOSトランジスタをJFETトランジスタに置き換えることで、本質的な変更を伴うことなく実現可能となる。
<実施の形態2>
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
図9に本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置の画素の回路構成と周辺回路を示した概略的回路構成を示す。
前記実施の形態1は、4つのPDに対してFDを共通化した4画素共通FD構成について示したものであるが、本実施の形態は、2画素共通FD構成について示したものである。
本実施の形態では、比較的画素サイズの大きい3μm〜7μm程度の画素ピッチに対して有効となる。本発明のFD共通化により画素ピッチの縮小が可能となるが、FDの共通化を多くすると、拡散層の面積や配線層の面積の増加によってFD容量が増加し、感度低下を引き起こす。実際には4画素共通化程度であれば問題ないが、更なる高感度化を目指すためには2画素程度の共通化が好ましい。又、3画素共通も可能であるが、ベイヤー配列に対応したカラー撮像素子に対しては、2の倍数列でレイアウトすることが望ましいため、3画素共通は余り現実的ではない。
本実施の形態において、2画素当たり4個のMOSトランジスタ、つまり、1画素当たり2個のトランジスタ構成により、微細画素ピッチが可能な完全電荷転送型CMOSイメージセンサが実現した。本構成と0.18μmや0.13μm等の微細化デザインルールにより、2.25μm程度の画素ピッチが可能となる。又、FD容量も微細化により低減できるため、高感度化に対しても有利となる。
<実施の形態3>
次に、本発明の実施の形態3について説明する。
次に、本発明の実施の形態3について説明する。
図10に本発明に係る固体撮像装置にカラーフィルタとマイクロレンズをオンチップした場合の画素断面を示す。
従来はフォトダイオードの段差を穴埋めするための第1の平坦化層と、その上に形成する第2の平坦化層が必要であり、この第1平坦化層と第2平坦化層は合わせて2μm以上必要であった。
本実施の形態においては、半導体製造工程の最上部層であるパッシベーション層が平坦化されているため、カラーフィルタ製造工程の厚い平坦化層が不要となる。この平坦化パッシベーション層により、カラーフィルタ工程における平坦化層は1μm以下の薄膜化が可能となる。実際には薄膜化の制御により0.2μm程度が実現されている。
フォトダイオードとマイクロレンズまでの距離が短くなるため、明るい(F値が小さい)撮影レンズを用いた場合の集光能力劣化(Fナンバー比例性)を抑えることが可能となる。尚、更なるFナンバー比例性の向上のために、遮光層とマイクロレンズを画素毎にずらすことや、ブロック毎にずらすことも併用して行っても良い。
而して、本実施の形態によれば、Fナンバーが小さい大口径撮影レンズに対応したマイクロレンズ付きの固体撮像装置が実現した。
<実施の形態4>
次に、本発明の実施の形態4について説明する。
次に、本発明の実施の形態4について説明する。
図11に本発明に係る固体撮像装置をモノクロ撮像用イメージセンサや複眼撮像用イメージセンサに適用した場合の画素断面を示す。この応用例の場合、オンチップカラーフィルタが不要になるため、更なるFナンバー比例性の向上が可能となる。
而して、本実施の形態によれば、Fナンバーが小さい大口径撮影レンズに対応したマイクロレンズ付きの固体撮像装置が実現した。
<実施の形態5>
次に、本発明の実施の形態5について説明する。
次に、本発明の実施の形態5について説明する。
図12に高感度出力を得るためのタイミングチャートを示す。
前記実施の形態1の駆動タイミングにおいて、転送ゲートパルス(φTX1〜φTX4)を時間的にずらしてオンオフすることで全画素独立読み出しを行っていたが、本実施の形態では、2つ以上を同時にオンオフすることによりFD上で電荷加算を行うことを特徴とする。
図12においては、PD1とPD2、PD3とPD4の2画素信号加算を示している。FD上での電荷加算に応じて光電変換感度が向上する。例えば、2画素加算であると感度は2倍、4画素加算であると感度は4倍になる。従って、非常に暗い照明下での撮影において感度アップさせる際に有効である。例えば、画素信号加算なしで十分な感度が得られない場合、2画素信号加算を行い、更に感度が足りなければ4画素信号加算を行う駆動を行えば良い。又、この電荷加算方法は動画モニタリング(液晶モニター等に画素数を減らして動画を出力したい場合)等にも有効となる。
而して、本実施の形態によれば、非常に高感度の固体撮像装置が実現可能となった。尚、本発明では垂直方向の画素信号の加算を行っているが、読み出し回路上で水平方向の画素信号の加算を併用しても良い。この場合、更なる感度アップが期待できる。
<実施の形態6>
次に、本発明の実施の形態6について説明する。
次に、本発明の実施の形態6について説明する。
図13はデジタル回路をワンチップ化して成る本発明に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図、図14は概略的なチップレイアウトを示すずである。
図13及び図14において、イメージセンサブロックは前記実施の形態において述べた1.5トランジスタ構成や2トランジスタ構成等の共通画素技術を用いたイメージセンサである。T/Gは、外部DSPとの通信により固体撮像装置を駆動するパルスを発生させるタイミング発生器である。AGCブロックは、イメージセンサからのアナログ信号の自動利得調整を行う回路であり、AGC制御回路により制御され、0dB〜30dBの間でゲイン設定される。D/A回路は、DSPからのデジタル信号をアナログ信号に変えてAGC回路へ入力させるための回路である。A/D回路は、オフセット調整とオートゲインされたセンサ信号を10ビットデジタル信号に変換するためのADコンバータであり、3段のパイプライン型のシングルA/Dコンバータを用いることで、高精度A/D変換を実現している。
電源回路は、基準電位を発生させるためのバンドギャップ回路と、この基準電位からイメージセンサのリセット電位やADCのリファレンス電位を生成する。従来のように外部入力ではなく、オンチップバンドギャップ回路から全ての電位を生成したことが特徴である。又、イメージセンサ系とAD系とで電源を共通化することにより、チップサイズの縮小と消費電流の低減を可能としたことも特徴である。
而して、本実施の形態によれば、電子シャッタとAGC回路によって自動露出制御された10ビット並列デジタル信号の出力を行うことができるため、CCDを用いたカメラシステムと比較してシステムの簡略化が可能である。本実施の形態のように、DSPとの通信回路を内蔵することにより、DSPとの2チップ構成でカメラモジュールが実現することができる。
更に、信号処理機能をオンチップで実現するためにDSP回路をオンチップすることもCMOS型固体撮像装置であるため、実現は容易である。
本発明は、各画素に増幅機能を有するCMOS型固体撮像装置に対して適用可能である。
1〜4 埋め込み型フォトダイオード
5〜8 転送ゲート
9 フローティングディフュージョン
10 リセットMOSトランジスタ
11 増幅MOSトランジスタ
12 スイッチMOSトランジスタ
13 定電流源
14 垂直出力線
15〜17 スイッチMOSトランジスタ
18 ノイズ除去回路
19 水平シフトレジスタ(HSR)
20 垂直シフトレジスタ(VSR)
21 4画素共通ユニット
5〜8 転送ゲート
9 フローティングディフュージョン
10 リセットMOSトランジスタ
11 増幅MOSトランジスタ
12 スイッチMOSトランジスタ
13 定電流源
14 垂直出力線
15〜17 スイッチMOSトランジスタ
18 ノイズ除去回路
19 水平シフトレジスタ(HSR)
20 垂直シフトレジスタ(VSR)
21 4画素共通ユニット
Claims (13)
- 複数の光電変換素子を1つのフローティングディフュージョンに転送スイッチを介して接続、前記フローティングディフュージョンを垂直出力線にリセットスイッチを介して接続、前記フローティングディフュージョンを増幅用MOSトランジスタのゲートに接続した画素構成を二次元状に配置したことを特徴とする固体撮像装置。
- 前記複数の光電変換素子が4つのフォトダイオードであることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
-
複数の光電変換素子を1つのフローティングディフュージョンに転送スイッチを介して接続、前記フローティングディフュージョンを垂直出力線にリセットスイッチを介して接続、前記フローティングディフュージョンを増幅用MOSトランジスタのゲートに接続、前記増幅用MOSトランジスタの出力を前記垂直出力線に接続した画素構成を二次元に配置した固体撮像装置であって、前記垂直出力線に前記MOSトランジスタをカットオフさせる電圧源又は接地電位、活性化させる電圧源、ソースフォロワ動作を行わせるための定電流源を時系列に接続させるスイッチを設けたことを特徴とする固体撮像装置。 -
同一のフローティングディフュージョンには2の倍数の光電変換素子を接続することを特徴とする請求項3記載の固体撮像装置。 -
前記光電変換素子が埋め込み型フォトダイオードであり、フローティングディフュージョンへ光電変換された電荷を完全転送できる構造であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の固体撮像装置。 - フォトダイオードが同一形状で対称レイアウトであり、且つ、配列ピッチが水平方向と垂直方向で同じであることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の固体撮像装置。
-
光電変換素子がシリサイド化されていないポリシリコン1層とALを主成分とするメタル2層以下の配線層で構成されていることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の固体撮像装置。 -
光電変換素子の最上層に位置する保護膜が平坦化されていることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の固体撮像装置。 -
複数の光電変換素子を1つのフローティングディフュージョンに転送スイッチを介して接続、前記フローティングディフュージョンを垂直出力線にリセットスイッチを介して接続、前記フローティングディフュージョンを増幅用MOSトランジスタのゲートに接続、前記増幅用MOSトランジスタの出力を前記垂直出力線に接続した画素構成を二次元に配置した固体撮像装置であって、
前記垂直出力線に読み出し期間以外は前記MOSトランジスタをカットオフさせる電圧源又は接地電位、リセット期間と読み出し動作前に活性化させる電圧源、読み出し期間にソースフォロワ動作を行わせるための定電流源を時系列に接続させることを特徴とする固体撮像装置。 -
転送ゲートがオンする期間を任意に変えることで各光電変換素子からの電荷を独立読み出し、又は、フローティングディフュージョン領域で電荷加算した読み出しが行えることを特徴とする請求項9記載の固体撮像装置。 - 固体撮像装置を動作させるための駆動パルスを発生させるためのタイミングジェネレータ、光電変換素子からの出力信号の自動利得調整を行うためのオートゲインコントロール回路、オートゲインされた出力信号をデジタル信号に変換するためのA/Dコンバータを同一半導体基板上に集積した請求項1〜10の何れかに記載の固体撮像装置。
- A/Dコンバータがパイプライン型シングルAD変換器であり、分解能が10ビット以上であることを特徴とする請求項11記載の固体撮像装置。
- 固体撮像装置を動作させるための電源回路が内蔵されており、固体撮像装置にオンチップされている各アナログ回路の動作に必要となる電源を共通化して用いることを特徴とする請求項11又は12記載の固体撮像装置。
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