JP2006203034A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インパクトイオン化の耐性を高めるに都合の良い固体撮像装置の構成を提供する。
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、単位画素を半導体基板に配列し、被写体像を単位画素ごとの画素信号に変換する固体撮像装置である。この単位画素には、入射光に応じて信号電荷を生成する受光素子と、受光素子で生成された信号電荷を取り込んで信号電荷に応じた画素信号を出力する増幅素子とを備える。一方、排出部については、複数の増幅素子に対して１つの割合で配置する。このように配置される排出部により、これら複数の増幅素子の信号電荷を排出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。特に、単位画素から電荷を排出するための排出部のレイアウトに特徴を有する固体撮像装置に関する。

従来、固体撮像装置として、受光素子、増幅素子、および排出部を単位画素ごとに備えた撮像装置が知られている。特許文献１の図５には、この増幅素子としてＪＦＥＴ（接合型電界効果トランジスタ）を採用した固体撮像装置が開示されている。
この種の固体撮像装置では、被写体像を単位画素ごとの受光素子で光電変換し、信号電荷を生成する。この信号電荷は、単位画素内の増幅素子に移されて増幅され、画素信号として出力される。固体撮像装置は、この画素信号を順次に走査出力することにより、画像信号として出力する。一方、増幅素子内に移された信号電荷は、増幅素子ごとに設けられた排出部を介して排出される。

また、特許文献２には、ＪＦＥＴなどの増幅素子の微細化において、インパクトイオン化が発生することが記載されている。一般に、このインパクトイオン化は、電界により加速されたキャリアが結晶格子などと衝突することによって、不要な電子や正孔が発生する現象である。例えば、ＪＦＥＴのソース−ドレイン間のチャネル長を短くすると、チャネル内の電界強度が強くなり、ドレイン端などでインパクトイオン化が起こりやすくなる。このインパクトイオン化は、固体撮像装置の白点欠陥画素の原因となることが知られている。

特開２０００−１６４８３６号公報（図５） 特開平１０−２０９１７４号公報（段落０００８〜０００９）

近年、固体撮像装置では、高解像度化の要望によって、単位画素の寸法がますます縮小される傾向にある。このような単位画素の縮小により、単位画素内に形成される増幅素子も併せて微細化する必要が生じる。
また、固体撮像装置では、受光素子の受光面積をなるべく拡大することによって、受光効率を高めたり、レンズ収差やモアレなどの光学的な問題を改善したいといった要望がある。このような要望に応えて単位画素内の受光素子を拡大すると、その分だけ増幅素子を微細化しなければならない。
このような理由から増幅素子を単純に微細化すると、上述したようにインパクトイオン化の耐性が低くなるという問題が発生する。

そこで、本発明の目的は、インパクトイオン化の耐性を高める上で好適な固体撮像装置の構成を提供することである。
また、本発明の目的は、固体撮像装置の高解像度化を実現する上で好適な固体撮像装置の構成を提供することである。
また、本発明の目的は、受光効率の改善を容易とする固体撮像装置の構成を提供することである。

《１》
本発明の固体撮像装置は、単位画素を半導体基板に配列し、被写体像を単位画素ごとの画素信号に変換する固体撮像装置である。この単位画素には、入射光に応じて信号電荷を生成する受光素子と、受光素子で生成された信号電荷を取り込んで信号電荷に応じた画素信号を出力する増幅素子とを備える。一方、排出部については、複数の増幅素子に対して１つの割合で配置する。このように配置される排出部は、これら複数の増幅素子の信号電荷を排出する。

《２》
また好ましくは、複数の増幅素子から信号電荷を排出する排出部を、これら複数の増幅素子の中央に配置する。ちなみに、ここでの中央は、各増幅素子から排出部への距離が実質的に等しく、排出ムラが画質的に問題とならない中央範囲にあることを意味する。

《３》
なお好ましくは、排出部に関して、これら複数の増幅素子の素子構造が対称形に形成される。ちなみに、ここでの対称形は、各増幅素子と排出部との位置対応が実質的に等しく、排出ムラが画質的に問題とならない形状範囲にあることを意味する。

《４》
また好ましくは、２つの増幅素子に対して１つの割合で排出部を配置する。この場合、排出部を挟んで、両側（ここでは左右と表現する）に配置された増幅素子の素子構造が線対称形に形成される。
ちなみに、ここでの左右という表現は対向するという意味であり、見方によっては上下や斜めなどになる。

《５》
なお好ましくは、単位画素の配列は、被写体像を点順次に複数の色成分に変換するものとし、カラーの画像信号を撮影する。この場合、単位画素の配列は、主たる色成分に変換する市松配列の群と、残りの色成分に変換する群とに分類される。
このような単位画素の配列に対し、排出部を、市松配列の群のいずれか一方側に決まって配列する。その結果、主たる色成分を出力する増幅素子は、その素子構造の向きが等しく揃う。

従来は、特許文献１に示すように、排出部と増幅素子とを１対１に配置していた。これを本発明では、排出部を複数の増幅素子当たり１つずつ配置するように変更した。したがって、固体撮像装置に形成する排出部の個数を減数し、その分だけ半導体基板上のスペース余裕を確保することが可能になる。

このスペース余裕の分だけ単位画素の数を増やした場合、撮像品質を損なわずに固体撮像装置を高解像度化することができる。

また、このスペース余裕の分だけ増幅素子１個当たりの寸法を拡大した場合、インパクトイオン化の耐性を高めることが可能になる。この場合、白点欠陥画素の発生を低減することができる。さらに、インパクトイオン化の耐性向上分だけ増幅素子の駆動電圧を上げた場合には、信号電荷を画素信号に変換する際のダイナミックレンジを拡大し、かつ画素信号のリニアリティーを高めることが可能になる。

一方、このスペース余裕の分だけ受光素子１個当たりの寸法を拡大した場合、固体撮像装置の受光効率を高め、かつレンズ収差やモアレなどの影響を受けにくくなる。

このように、本発明の構成を採用することにより、固体撮像装置の特性を改善して良質な画素信号を得ることが可能になる。

《第１実施形態》
図１〜図３は、製造工程順に固体撮像装置８０の構造を説明する図である。以下、これらの図を参照しながら、固体撮像装置８０について順に説明する。

（メタル配線前の構造）
図１［Ａ］は、メタル配線前の固体撮像装置８０の上面図である。図１［Ｂ］は、この上面図のＸ−Ｘ′箇所の断面図である。図１［Ｃ］は、この上面図のＹ−Ｙ′箇所の断面図である。
これらの図において、Ｎ＋型半導体基板１の上には、Ｎ型エピタキシャル層２および絶縁層４が形成される。このＮ型エピタキシャル層２の面内に単位画素が形成される。
まず、埋込型のフォトダイオード１２は、Ｎ型エピタキシャル層２内にＰ型領域２１を設け、絶縁層４界面に表面Ｎ層１３を設けることによって形成される。
これらのフォトダイオード１２は、不図示のベイヤ配列カラーフィルタにより、ベイヤ配列に従ったＲＧＢ光を点順次に受光する。

このようなフォトダイオード１２の隣には、転送ゲート１１を間に介して、増幅素子９０が形成される。この増幅素子９０は、Ｎ型ソース領域６、Ｎ型チャネル領域７、Ｐ型ゲート領域１０，Ｐ型ゲート領域８、およびＮ型ドレイン領域９を備えることにより、ＪＦＥＴ構造をなす。
この増幅素子９０のＰ型ゲート領域１０の隣には、転送ゲート５を間に介して、Ｐ型リセットドレインからなる排出部３が設けられる。

なお、排出部３とフォトダイオード１２との間には電位障壁が設けられる。この電位障壁によって、フォトダイオード１２の蓄積容量を越えた信号電荷は、排出部３に排出される。なお、排出部３とフォトダイオード１２との間に転送ゲートを設け、フォトダイオード１２から排出部３へ信号電荷を排出する排出ルートを設けてもよい。
上記構成において、構成上の重要な特徴は、次の点である。

（１）２つの増幅素子９０に対して、１つの割合で排出部３を備えている。従来よりも排出部３の設置数が半減したことにより、増幅素子９０のチャネル長を長くし、インパクトイオン化の耐性を高めている。また、フォトダイオード１２の受光面積も拡大することにより、受光効率も高めている。

（２）排出部３に対して、左右の増幅素子９０が対称位置に配置されている。

（３）排出部３に対して、左右の増幅素子９０の素子構造（向き）が線対称形をなす。

（４）主たる色成分（この場合はＧ成分）の増幅素子９０の図面右側に排出部３を決まって配置する。この構成により、ＲＧ行とＧＢ行において、Ｇ画素内の増幅素子９０の向きを等しく揃える。

（第１メタル配線後の構造）
図２［Ａ］は、第１メタル配線後の固体撮像装置８０の上面図である。図２［Ｂ］は、この上面図のＸ−Ｘ′箇所の断面図である。図２［Ｃ］は、この上面図のＹ−Ｙ′箇所の断面図である。

これらの図において、絶縁層１４を中間層に介して、第１メタル配線１５が形成される。この第１メタル配線１５は、ジクザクにパターン配線され、各行のＮ型ソース領域６とオーミック接触する。このような配線により、Ｇ画素信号を出力する垂直読み出し線と、ＲＢ画素信号を出力する垂直読み出し線とが、１本おきに形成される。

（第２メタル配線後の構造）
図３［Ａ］は、第２メタル配線後の固体撮像装置８０の上面図である。図３［Ｂ］は、この上面図のＸ−Ｘ′箇所の断面図である。図３［Ｃ］は、この上面図のＹ−Ｙ′箇所の断面図である。
これらの図において、絶縁層１７を中間層に介して、第２メタル配線１６が形成される。この第２メタル配線１６は、水平にパターン配線され、排出部３とオーミック接触する。さらに、第２メタル配線１６は、増幅素子９０および排出部３を覆うように形成される。その結果、図３［Ａ］に示すように、第１メタル配線１５および第２メタル配線１６によって、フォトダイオード１２の受光域のみが開口した遮光構造が完成する。

（発明との対応関係）
以下、発明と本実施形態との対応関係について説明する。なお、ここでの対応関係は、参考のために一解釈を例示するものであり、本発明を徒らに限定するものではない。
請求項記載の受光素子は、フォトダイオード１２に対応する。
請求項記載の増幅素子は、増幅素子９０に対応する。
請求項記載の排出部は、排出部３に対応する。

（第１実施形態の効果など）
以上説明した固体撮像装置８０によって、下記の効果が得られる。

（１）本実施形態では、排出部３を複数の増幅素子９０当たり１つずつ配置する。そのため、従来よりも排出部３の設置個数が低減し、そのスペース分だけフォトダイオード１２および／または増幅素子９０の寸法を拡大することが可能になる。
このとき、排出部３の減数によって生まれたスペースを増幅素子９０に配分することにより、インパクトイオン化の耐性を高めることが可能になる。その結果、白点欠陥画素の発生数を低減できる。
さらに、インパクトイオン化の耐性向上分だけ増幅素子の駆動電圧を上げることが可能になる。その結果、画素信号のダイナミックレンジを拡大し、かつ画素信号のリニアリティーを高めることができる。
また、排出部３の減数によって生まれたスペースをフォトダイオード１２に配分することにより、固体撮像装置８０の受光効率を改善することが可能になる。その結果、画素信号のＳ／Ｎを高めることができる。さらに、受光域の拡大によって、レンズ収差やモアレの影響を低減できる。

（２）さらに、本実施形態では、複数の増幅素子９０の中央に排出部３を配置し、その排出部３に対して複数の増幅素子９０から信号電荷を排出する。したがって、複数の増幅素子９０からの電荷排出が均一になり、電荷の排出ムラが小さくなる。その結果、排出ムラによって撮像画像に生じるパターンノイズを低減することが可能になる。

（３）その上、本実施形態では、中央の排出部３に対して、複数の増幅素子９０の素子構造が対称形に形成される。その結果、各増幅素子９０から見て排出部３に近い側に、信号電荷が存在するＰ型ゲート領域１０を位置させることが可能になり、いずれの増幅素子９０についても信号電荷の排出経路を等しく短くすることが可能になる。また、各増幅素子９０の排出パターンを等しくできる。その結果、排出効率を均一に高め、排出ムラによって撮像画像に生じるパターンノイズをより一層低減することが可能になる。

（４）特に、本実施形態は、２つの増幅素子９０に対して１つの割合で排出部３を配置する。この場合、左右の隣接画素の中間に排出部３を１次元配列することになる。この１次元配列により、排出経路は、フォトダイオード１２などを迂回する必要がなくなり、短い経路で結ばれる。すなわち、この２対１の配分を選択することにより、画素構成から見て短い排出経路を形成することが可能になる。そのため、この排出経路の面積縮小分だけ、フォトダイオード１２や増幅素子９０の面積を広げることが可能になり、受光効率や受光感度の一層の向上、インパクトイオン化の一層の耐性向上を実現できる。

（５）さらに、本実施形態では、固体撮像装置は、主たる色成分（ここではＧ成分）を出力する市松配列の画素群と、残りの色成分（ここではＲ成分またはＢ成分）を出力する画素群とを備える。このようなカラー画素配列に対し、排出部３を、市松配列の画素群のいずれか一方側に決まって配置する。その結果、ＲＧ行とＧＢ行において、主たる色成分を出力する増幅素子９０の素子方向を等しく揃えることができる。その結果、主たる色成分を出力する増幅素子９０については製造時のアライメントなどが均一に揃い、増幅素子の特性を厳密に揃えることが可能になる。したがって、主たる色成分の画素信号は、増幅素子の特性ムラが少なくなり、結果的に良質な画像信号を出力することが可能になる。

《第２実施形態》
図４は、第２実施形態における固体撮像装置８１の構成を示す図である。
固体撮像装置８１では、２画素×２画素の画素ブロックごとに、排出部３を１つずつ配置する。
上記構成において、構成上の重要な特徴は下記の点である。

（１）従来よりも排出部３の設置数が１／４に減ったことにより、増幅素子９０のチャネル長を長くし、インパクトイオン化の耐性を高めている。また、フォトダイオード１２の受光面積も拡大することにより、受光効率を高めている。

（２）４つの増幅素子９０の中央に排出部３を配置する。その結果、排出部３に対して、周囲の増幅素子９０が対称位置に配置されている。

（３）排出部３に対して、周囲の画素構造を点対称にレイアウトする。その結果、周囲の増幅素子９０の素子構造（向き）は、排出部３を中心に対称形をなす。

（第２実施形態の効果など）
以上の構成により、第２実施形態では、フォトダイオード１２および／または増幅素子９０の寸法を更に拡大することが可能になる。その結果、インパクトイオン化の耐性を更に高めることが可能になる。また、固体撮像装置８０の受光効率を更に高めることが可能になる。

《実施形態の補足事項》
上述した実施形態は、従来構成に平面的なレイアウト変更を施すことによって実施することができる。したがって、製造プロセスを大幅に変更することなくコストをかけずに実施できるという点ですぐれている。

また、増幅素子９０の駆動電圧を高める以外は、従来と同様の制御シーケンスを踏襲できる。したがって、固体撮像装置８０の制御回路などは従来品をそのまま使えるという点でもすぐれている。

なお、複数の増幅素子９０から排出部３へ電荷排出するタイミングを時分割にずらすように制御シーケンスを変更してもよい。この場合、大量の信号電荷が排出部３に一度に排出されることがなくなり、大量の信号電荷による排出部３の電位変動を低減することができる。その結果、各増幅素子９０のリセット電位を一定に揃えることが可能になり、撮像画像の品質を更に高めることができる。

また、本実施形態では、縦横等間隔に画素配列した固体撮像装置８０，８１について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。縦横に不等間隔に画素配列した固体撮像装置に本発明を適用してもよい。また、ハニカム画素配列の固体撮像装置に本発明を適用してもよい。

さらに、本実施形態では、増幅素子９０と排出部３を、２対１または４対１の比率で設置している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。一般に、複数の増幅素子に対して１つの割合で排出部を設置してもよい。

以上説明したように、本発明は、固体撮像装置などに利用可能な技術である。

メタル配線前の固体撮像装置８０を示す図である。 第１メタル配線後の固体撮像装置８０を示す図である。 第２メタル配線後の固体撮像装置８０を示す図である。 固体撮像装置８１の構成を示す図である。

符号の説明

１ Ｎ＋型半導体基板
２ Ｎ型エピタキシャル層
３ 排出部
４ 絶縁層
５ 転送ゲート
６ Ｎ型ソース領域
８ Ｐ型ゲート領域
９ Ｎ型ドレイン領域
１０ Ｐ型ゲート領域
１１ 転送ゲート
１２ フォトダイオード
１３ 表面Ｎ層
１４ 絶縁層
１５ 第１メタル配線
１６ 第２メタル配線
８０ 固体撮像装置
８１ 固体撮像装置
９０ 増幅素子

Claims (5)

1. 入射光に応じて信号電荷を生成する受光素子と、
   前記受光素子で生成された前記信号電荷を取り込み、前記信号電荷に応じた画素信号を出力する増幅素子と
   を有する単位画素を半導体基板に配列し、被写体像を単位画素ごとの画素信号に変換する固体撮像装置であって、
   複数の前記増幅素子に対して１つの割合で排出部を配置し、前記排出部は、複数の前記増幅素子の前記信号電荷を排出する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１の固体撮像装置において、
   複数の前記増幅素子の中央に、前記排出部を配置する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項２の固体撮像装置において、
   前記排出部に関して、複数の前記増幅素子の素子構造が対称形に形成される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項３の固体撮像装置において、
   ２つの前記増幅素子に対して１つの割合で排出部を配置し、
   前記排出部を挟んで、両側（ここでは左右と表現する）に配置された前記増幅素子の素子構造が線対称形をなす
   ことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項４に記載の固体撮像装置において、
   前記単位画素の配列は、前記被写体像を点順次に複数の色成分に変換するものであり、主たる色成分に変換する市松配列の群と、残りの色成分に変換する群とに分類され、
   前記排出部を、前記市松配列の群のいずれか一方側に決まって配列することによって、主たる色成分を出力する増幅素子の素子構造の向きを等しく揃えた
   ことを特徴とする固体撮像装置。
   

Images