JP2007035674A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換領域からフローティング領域に電荷を効率よく転送する。
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、単位画素に容量結合電極を備える。この容量結合電極は、光電変換領域からフローティング領域に信号電荷を移送するためのゲート電極と電気的に導通する。さらに、容量結合電極は、フローティング領域と容量的に結合する。このような容量結合電極を備えるで、ゲート電極による信号電荷の移送期間に、フローティング領域の電位を信号電荷を誘引する方向に変化させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

従来、光電変換領域で得た信号電荷をフローティング領域に移送して電圧を生じさせ、その電圧を増幅素子などを介して読み出す固体撮像装置が知られている。
この種の固体撮像装置は、高画素化によって回路パターンが微細化され、それに伴って電源電圧が低くなる傾向にある。この電源電圧の低下に伴って、信号電荷の読み出し電圧も低くなる。そのため、光電変換領域からフローティング領域へ移送できる電荷数が減少し、ダイナミックレンジが狭くなるという問題が生じる。

近年、このような問題に対処するため、特許文献１の従来技術が提案されている。この従来技術は、２段の読み出し電極を備える。まず、第１の読み出し電極は、光電変換領域とフローティング領域との間に設けられる。一方、第２の読み出し電極は、この第１の読み出し電極と近接し、かつフローティング領域の端にかかるように設けられる。これら２段の読み出し電極は電気的に分離され、別々の信号ラインによって駆動される。
このような構成では、２段の読み出し電極それぞれに異なる電圧を印加することにより、読み出しゲートからフローティング領域の端部にかけて、階段状の電位勾配を発生させる。この階段状の電位勾配により、信号電荷の読み出し効率を高めている。
特開２００５−９３５５４号公報（図２，図３など）

ところで、特許文献１では、階段状の電位勾配を発生させるため、２段の読み出し電極に異なる電圧を印加しなければならない。そのため、２段の読み出し電極に別々の信号ラインを配線しなければならず、配線引き回しのためのスペースが余分に必要になる。そのため、単位画素の配線構造が複雑になり、開口率が低下するなどの問題が生じる。

また、特許文献１では、フローティング領域の端部を通過した信号電荷に対して、この電位勾配が作用しなくなる。そのため、通過後の信号電荷は比較的ゆっくり移動するようになる。その結果、信号電荷は、フローティング領域の端部の狭い範囲に一時的に集中する。この信号電荷の集中によって電位勾配が緩和されるため、読み出し効率の改善効果が損なわれてしまう。

なお、特許文献１では、第２の読み出し電極をフローティング領域の全てを覆うように形成してもよい。これによって信号電荷の集中を避けることができる。しかし、全面を覆う構成では、フローティング領域に大きな静電容量が発生する。そのため、フローティング領域の電圧（＝電荷量／静電容量）が低くなり、画像信号の信号レベルが小さくなってＳ／Ｎが低下するなどの問題が発生する。
本発明の目的は、上述した問題点に鑑みて、光電変換領域からフローティング領域に電荷を効率よく転送するための別の技術を提供することである。

《１》 本発明の固体撮像装置は、単位画素を複数備える。この単位画素は、光電変換領域、フローティング領域、出力部、ゲート電極、および容量結合電極を備える。
光電変換領域は、入射光に応じた信号電荷を生成する。
フローティング領域は、信号電荷を受け取り、電荷量に応じた信号電圧を生じる。
出力部は、フローティング領域の信号電圧に対応した画素信号を出力する。
ゲート電極は、光電変換領域とフローティング領域との間に、電圧制御によるチャネルを形成して信号電荷の移送を行う。
容量結合電極は、フローティング領域と容量的に結合し、かつゲート電極と電気的に導通する。その結果、ゲート電極による信号電荷の移送期間に、容量結合電極の容量結合によって、フローティング領域の電位を信号電荷を誘引する方向に変化させる。

《２》 なお好ましくは、容量結合電極の直下には、誘電体層（絶縁層）を挟んで、フローティング領域の一部となる不純物領域が形成される。

《３》 また好ましくは、ゲート電極と間隔を空けて容量結合電極を配置する。これにより、ゲート電極から離れたフローティング領域の一部に容量結合電極を容量結合させる。

《４》 なお好ましくは、フローティング領域は、複数のフローティング領域を電気的に接続して構成される。容量結合電極は、ゲート電極から離れたフローティング領域と容量結合する。

《５》 また好ましくは、ゲート電極のパターンをフローティング領域と容量結合する範囲まで拡大する。これにより、ゲート電極の拡大部分を容量結合電極とする。

《６》 なお好ましくは、光電変換領域は、埋込型フォトダイオードであることを特徴とする。

本発明では、ゲート電極に電圧を印加すると、電気的に導通する容量結合電極にも同一の電圧が印加される。この容量結合電極は、フローティング領域と容量結合しているため、容量結合電極の電圧により、フローティング領域の電位はバイアス変化する。信号電荷は、このフローティング領域のバイアス変化した電位に誘引されるため、信号電荷の読み出し効率が高くなる。
また、本発明は、ゲート電極と容量結合電極とが電気的に導通する。そのため、容量結合電極に対して別の信号ラインを配線する必要がなく、信号ライン引き回しのためのスペースを省略することが可能になる。その結果、単位画素の構成を簡略化し、光電変換領域の開口効率を上げたり、多画素化の実現などが容易になる。

《第１実施形態》
［構成説明］
図１は、固体撮像装置１１の回路構成を示す図である。
図１に示すように、固体撮像装置１１は、画素配列された単位画素１２の群と、垂直走査回路１３と、水平走査回路１４とから概略構成される。この垂直走査回路１３は、この単位画素１２の行ごとに、選択信号φSEL(n)、リセット信号φRES(n)、および移送信号φTX(n)を供給する。垂直走査回路１３は、これらの信号ラインを駆動制御するで、単位画素１２の画素信号を垂直出力線２７に読み出す。水平走査回路１４は、垂直出力線２７の画素信号を水平走査し、画像信号として外部へ出力する。この水平走査回路１４には、制御信号φTN，φTSが入力される。

図２は、単位画素１２の構造を示す図である。以下、図１および図２を参照しながら、単位画素１２の構成について説明する。
単位画素１２には、入射光を画素ごとに光電変換する光電変換領域２１が設けられる。この光電変換領域２１は、表面側に空乏化阻止層を設けた埋込型フォトダイオードである。この光電変換領域２１の隣には、ゲート電極２３Ａを介して、フローティング領域２２が設けられる。このゲート電極２３Ａは、移送信号φTX(n)の電圧制御によりチャネルを形成することで、光電変換領域２１からフローティング領域２２へ信号電荷を移送する。

フローティング領域２２は、移送された信号電荷の電荷量に応じた信号電圧を発生する。この信号電圧は、配線２４を介して、ソースホロワトランジスタ２５のゲートに印加される。このソースホロワトランジスタ２５のドレインは、選択スイッチ２６を介して、電源ラインＶｂｂに接続される。この選択スイッチ２６が、選択信号φSEL(n)によって導通することによって、ソースホロワトランジスタ２５が回路動作し、フローティング領域の信号電圧に対応した画素信号を垂直出力線２７に出力する。

さらに、フローティング領域２２は、リセットスイッチ２８を介して、電源ラインＶｂｂに接続される。このリセットスイッチ２８が、リセット信号φRES(n)によって導通することにより、フローティング領域２２の電位がリセットされ、移送された信号電荷が排出される。
また、フローティング領域２２の表面の少なくとも一部に対して、誘電体層（絶縁層）を介して、容量結合電極２３Ｂが設けられる。この構造によって、フローティング領域２２と容量結合電極２３Ｂは容量的に結合する。この容量結合電極２３Ｂとゲート電極２３Ａは、”く”の字パターンの電極（ここではポリシリコン電極）２３によって、一体に形成される。その結果、容量結合電極２３Ｂには、ゲート電極２３Ａと同様に、移送信号φTX(n)が印加される。

［製造方法の一例］
図３は、固体撮像装置１１の製造工程を示す図である。なお、この製造工程に示す断面は、図２中のＸ−Ｘ′箇所の断面である。
まず、図３［Ａ］に示すように、Ｎ型シリコン基板３０の表面に、Ｐ型ウェル３１を形成する。さらに、素子分離のためのフィールド酸化膜３２を形成する。

次に、図３［Ｂ］に示すように、フォトリソ工程によりＰ型ウェル３１上にレジスト３３をパターン形成する。このレジスト３３を介してイオン注入を行うことにより、フローティング領域２２の一部となるＮ型領域２２Ａをパターン形成する。このＮ型領域２２Ａは、後から形成する容量結合電極２３Ｂの直下に位置し、かつ容量結合電極２３Ｂのパターンよりも一回り大きなパターンである。

さらに、図３［Ｃ］に示すように、電極２３（ゲート電極２３Ａおよび容量結合電極２３Ｂ）、およびリセットスイッチ２８の電極などをポリシリコンにより形成する。このポリシリコンと、Ｐ型ウェル３１との間には、誘電体層（絶縁層）が介在する。次に、光電変換領域２１となる領域にイオンを注入して、Ｎ型領域２１Ａを形成する。続いて、Ｎ型領域２１Ａの浅い領域にイオンを注入して、Ｐ型の空乏化阻止層２１Ｂを形成する。これにより、埋込フォトダイオード構造の光電変換領域２１が完成する。

次に、図３［Ｄ］に示すように、フォトリソ工程によって光電変換領域２１などをレジストで覆い、イオン注入を行う。これによって、Ｎ＋拡散領域２２Ｂなどを形成する。このＮ＋拡散領域２２Ｂと、事前に形成しておいたＮ型領域２２Ａによって、フローティング領域２２が完成する。その後、レジスト剥離などの後処理を経て、固体撮像装置１１が完成する。

［第１実施形態の動作説明］
図４は、第１実施形態の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。
図５は、動作時のポテンシャル変化の様子を模式的に示す図である。
以下、これらの図を参照しながら、固体撮像装置１１の動作について説明する。
まず、垂直走査回路１３は、期間Ｔ１のタイミングで、全画素の移送信号φTXをアクティブにする。その結果、無効電荷はフローティング領域２２に移送され、全画素の光電変換領域２１が同時にリセットされる。このリセット時点において、不図示のメカシャッタを開いておくことにより、全画素の光電変換領域２１は信号電荷の蓄積を同時に開始する。このリセット時点からメカシャッタが閉じる時点Ｔ４までの期間Ｔ３が、光電変換領域２１の電荷蓄積期間となる。

その後、垂直走査回路１３は、単位画素１２の群から行単位に画素信号を読み出す。すなわち、ｎ行目の読み出しタイミングにおいて、垂直走査回路１３は、Ｔ５の期間、ｎ行目の選択信号φSEL(n)をアクティブにする。その結果、ｎ行目のソースホロワトランジスタ２５が選択的に動作状態となる。
この動作と並行して、Ｔ２の期間、ｎ行目のリセット信号φRES(n)をアクティブにする。その結果、ｎ行目のリセットスイッチ２８は一時的に導通し、フローティング領域２２は、電源ラインＶｂｂの電圧にリセットされる。

その後、リセットスイッチ２８を遮断することにより、フローティング領域２２は、フローティング状態に戻り、この時点のリセット電圧を保持する。この期間（図４に示すＴ８）、ｎ行目のソースホロワトランジスタ２５は、このリセット電圧に対応するダークレベルを、垂直出力線２７に出力する。水平走査回路１４は、このｎ行目のダークレベルを制御信号φTNのアクティブ期間に取り込み、内部の信号蓄積部に保持する。

続いて、垂直走査回路１３は、Ｔ９の期間に、ｎ行目の移送信号φTX(n)をアクティブにする。その結果、ゲート電極２３Ａの直下にチャネルが形成され、光電変換領域２１とフローティング領域２２とが導通する。
仮に、図５［Ａ］に示す従来構造であれば、Ｔ９の期間において、ゲート電極２３Ａの電位が上昇すると、フローティング領域２２の電位はゲート電極２３Ａとの容量結合による分だけ上昇する。この状態のポテンシャルダイアグラムを示したのが図５中の（ａ）である。

一方、図５［Ｂ］に示す本実施形態の構造では、容量結合電極２３Ｂにも移送信号φＴＸ（ｎ）が印加される。そのため、ゲート電極２３ａとフローティング領域２２の間の容量結合だけでなく、容量結合電極２３Ｂとフローティング領域２２間の容量結合も加わり、図５中の（ｂ）に示すように、光電変換領域２１とフローティング領域２２との電位差が拡大する。

その結果、本実施形態では、従来構造よりも多くの信号電荷を、フローティング領域２２に移送することが可能になり、光電変換領域２１に残存する信号電荷を減らすことが可能になる。
この状態で、移送信号φTX(n)が非アクティブに変化すると、ゲート電極２３Ａの直下のチャネルが遮断され、フローティング領域２２は再びフローティング状態に戻る。さらに、容量結合電極２３Ｂを介して与えられていたバイアス電圧が消滅することにより、フローティング領域２２には、保持する信号電荷に見合った信号電圧が発生する。

ｎ行目のソースホロワトランジスタ２５は、ｎ行目の信号電圧に対応する信号レベルを、垂直出力線２７に出力する。水平走査回路１４は、このｎ行目の信号レベルを制御信号φTSのアクティブ期間に取り込む。水平走査回路１４の内部では、相関二重サンプリング動作によって信号レベルとダークレベルとの差分信号を求め、真の信号レベルとする。水平走査回路１４は、Ｔ７の期間に、このｎ行目の真の信号レベルを水平走査により出力する。
固体撮像装置１１は、この動作を各行ごとに順次実行することにより、１画面分の画像信号が外部に出力される。

［第１実施形態の効果など］
第１実施形態では、ゲート電極２３Ａから間隔を離すようにパターンを引き回して、容量結合電極２３Ｂを形成する。この構成により、ゲート電極２３Ａから離れたフローティング領域２２の一部に、容量結合電極２３Ｂが容量結合する。その結果、フローティング領域２２の中央から奥の方にかけて、容量結合によるバイアス電圧が作用するようになる。そのため、このバイアス電圧の作用する広い範囲で信号電荷を誘引することが可能になり、信号電荷の読み出し効率を高めることができる。

この効果により、プロセスの微細化によって電源電圧が小さくなっても、信号電荷を効率的に移送することが可能になる。その結果、ダイナミックレンジの低下を抑制したり、残像などの不具合現象を防止することができる。また、電源電圧が同じ場合には、信号電荷を効率良く転送し、ダイナミックレンジを拡大することが可能になる。

また、第１実施形態では、容量結合電極２３Ｂを、フローティング領域２２の全面ではなく、部分的に容量結合させる。そのため、フローティング領域２２の静電容量はさほど大きくならない。そのため、フローティング領域２２の信号電圧（＝電荷量／静電容量）の低下を抑制し、高い信号電圧を確保することができる。

さらに、第１実施形態は、ゲート電極２３Ａと容量結合電極２３Ｂが電気的に導通する。そのため、容量結合電極２３Ｂに別の信号ラインを配線する必要がなく、配線引き回しのためのスペースが不要となる。このスペース分だけ単位画素１２の構造を簡略化できるので、光電変換領域２１の開口効率を上げたり、単位画素１２のサイズ縮小による多画素化が容易となる。

また、第１実施形態では、光電変換領域２１を埋込型フォトダイオードとする。そのため、光電変換領域２１の表面空乏化を阻止して、表面から発生する暗電流の混入を抑制することができる。さらに、光電変換領域２１のＮ型領域２１Ａは、埋込型のために完全空乏化しやすくなる。そのため、信号電荷の読み出し効率をさらに高めることができる。

《第２実施形態》
第２実施形態は、第１実施形態（図１）の単位画素１２に代えて、単位画素４２の群を画素配列する。図６は、この単位画素４２の構造を示す図である。
図６において、単位画素４２には、入射光を画素ごとに光電変換する光電変換領域５１が設けられる。この光電変換領域５１は、表面側に空乏化阻止層を設けた埋込型フォトダイオード構造を有する。
この光電変換領域５１の隣には、ゲート電極５３Ａを介して、第１のフローティング領域５２Ｐが設けられる。この第１のフローティング領域５２Ｐは、配線５４により、第２のフローティング領域５２Ｑと電気的に接続される。

これらフローティング領域５２Ｐ，５２Ｑの信号電圧は、配線５４を介して、ソースホロワトランジスタ５５のゲートに印加される。このソースホロワトランジスタ５５のドレインは、電源ラインＶｂｂに接続される。一方、ソースホロワトランジスタ５５のソースは、選択スイッチ５６を介して、垂直出力線５７に接続される。この選択スイッチ２６が、導通制御されることによって、フローティング領域５２Ｐ，５２Ｑの信号電圧に応じた画素信号が垂直出力線５７に出力される。

さらに、第２のフローティング領域５２Ｑは、リセットスイッチ５８を介して、電源ラインＶｂｂに接続される。このリセットスイッチ５８が、導通制御されることにより、２つのフローティング領域５２Ｐ，５２Ｑの電位がリセットされ、領域内の信号電荷が排出される。
また、第２のフローティング領域５２Ｑの表面の少なくとも一部に対して、誘電体層（絶縁層）を介して、容量結合電極５３Ｂが設けられる。この構造によって、第２のフローティング領域５２Ｑと容量結合電極５３Ｂは容量的に結合する。この容量結合電極５３Ｂとゲート電極５３Ａは、配線５３Ｃによって電気的に接続される。

［第２実施形態の効果など］
第２実施形態では、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第２実施形態では、フローティング領域を複数に分断する。この分断されたフローティング領域の内、ゲート電極５３Ａから離れたフローティング領域５２Ｑに対して、容量結合電極５３Ｂを容量結合させる。

ところで、光電変換領域５１から移送される信号電荷は、配線５４を介して、分断されたフローティング領域が等電位となるように分配される。その結果、信号電荷は、個々のフローティング領域５２Ｐ，５２Ｑの静電容量比に従って分配されるようになる。このとき、第２のフローティング領域５２Ｑは、容量結合電極５３Ｂが容量結合している分だけ静電容量が大きく、その分だけ沢山の信号電荷が分配される。

このような動作により、第２実施形態では、ゲート電極５３Ａから離れた第２のフローティング領域５２Ｑまで信号電荷を多く移送することが可能になる。その結果、信号電荷の読み出し効率を高めることができる。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、ゲート電極と容量結合電極の間隔を空けている。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、ゲート電極７３Ａをフローティング領域２２側に拡大し、その拡大部分を容量結合電極７３Ｂとしてもよい。この場合、容量結合電極７３Ｂに別の信号ラインを配線する必要がない。さらに、ゲート電極７３Ａから間隔を離すために、容量結合電極７３Ｂのパターンを引き回す必要がないため、両電極の占有スペースをできる限り縮小することも可能になる。その結果、単位画素の構成を一段と単純化することが可能になる。

また、第２実施形態では、２つのフローティング領域５２Ｐ，５２Ｑを設けている。しかしながら、フローティング領域の数はこれに限定されるものではない。３つ以上のフローティング領域を設けても良い。この場合、ゲート電極５３Ａの付近に信号電荷が停滞しないよう、ゲート電極５３Ａから離れたフローティング領域のいずれかに容量結合電極５３Ｂを容量結合させることが好ましい。

なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、前述の実施例はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。

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。

固体撮像装置１１の回路構成を示す図である。 固体撮像装置１１の単位画素１２の構造を示す図である。 固体撮像装置１１の製造方法の一例を示す図である。 動作シーケンスを示すタイミングチャートである。 動作時のポテンシャル変化の様子を模式的に示す図である。 単位画素４２の構造を示す図である。 単位画素の構造を示す図である。

符号の説明

１１…固体撮像装置，１２…単位画素，１３…垂直走査回路，１４…水平走査回路，２１…光電変換領域，２１Ａ…Ｎ型領域，２１Ｂ…空乏化阻止層，２２…フローティング領域，２２Ｂ…Ｎ＋拡散領域，２２Ａ…Ｎ型領域，２３Ａ…ゲート電極，２３Ｂ…容量結合電極，２４…配線，２５…ソースホロワトランジスタ，２６…選択スイッチ，２７…垂直出力線，２８…リセットスイッチ，４２…単位画素，５１…光電変換領域，５２Ｐ…第１のフローティング領域，５２Ｑ…第２のフローティング領域，５３Ａ…ゲート電極，５３Ｂ…容量結合電極，５５…ソースホロワトランジスタ，５７…垂直出力線，５８…リセットスイッチ

Claims (6)

1. 入射光に応じた信号電荷を生成する光電変換領域と、
   前記信号電荷を受け取り、電荷量に応じた信号電圧を生じるフローティング領域と、
   前記フローティング領域の信号電圧に対応した画素信号を出力する出力部と、
   前記光電変換領域と前記フローティング領域との間に、電圧制御によるチャネルを形成して前記信号電荷の移送を行うゲート電極と
   を備えた単位画素を複数備えた固体撮像装置であって、
   前記フローティング領域と容量的に結合し、かつ前記ゲート電極と電気的に導通することにより、前記ゲート電極による前記信号電荷の移送期間に、前記フローティング領域の電位を前記信号電荷を誘引する方向に変化させる容量結合電極を前記単位画素に備えた
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記容量結合電極の直下には、誘電体層（絶縁層）を挟んで、前記フローティング領域の一部となる不純物領域が形成される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記ゲート電極と間隔を空けて前記容量結合電極を配置することにより、前記ゲート電極から離れた前記フローティング領域の一部に前記容量結合電極を容量結合させる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項３に記載の固体撮像装置において、
   前記フローティング領域は、複数のフローティング領域を電気的に接続して構成され、
   前記容量結合電極は、前記ゲート電極から離れた前記フローティング領域と容量結合する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記ゲート電極のパターンを前記フローティング領域と容量結合する範囲まで拡大し、前記ゲート電極の拡大部分を前記容量結合電極とした
   ことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
   前記光電変換領域は、埋込型フォトダイオードである
   ことを特徴とする固体撮像装置。
   

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