JP2007299963A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】受光部の周囲へ漏れ込む迷光を低減して画質を向上させる。
【解決手段】画素は、シリコン基板21に設けられた光電変換を行うフォトダイオード1を含む。フォトダイオード1の周囲に存する半導体領域(電荷格納部3など)の表面が、フォトダイオード1の表面の中心部1aよりも高い位置に位置している。フォトダイオード1の表面の周縁部がフォトダイオード1の表面の中心部1aよりも高い位置に位置するように、フォトダイオード1の表面の周縁側領域1bが傾斜している。フォトダイオード1の周囲に存する半導体領域の表面は、フォトダイオード1の表面の周縁部と同じ高さに位置している。
【選択図】図3
【解決手段】画素は、シリコン基板21に設けられた光電変換を行うフォトダイオード1を含む。フォトダイオード1の周囲に存する半導体領域(電荷格納部3など)の表面が、フォトダイオード1の表面の中心部1aよりも高い位置に位置している。フォトダイオード1の表面の周縁部がフォトダイオード1の表面の中心部1aよりも高い位置に位置するように、フォトダイオード1の表面の周縁側領域1bが傾斜している。フォトダイオード1の周囲に存する半導体領域の表面は、フォトダイオード1の表面の周縁部と同じ高さに位置している。
【選択図】図3
Description
本発明は、被写体像を撮像する固体撮像装置に関するものである。
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラなどが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型や増幅型の固体撮像装置が使用されている。増幅型の固体撮像装置では、画素の受光部にて生成・蓄積された信号電荷を、画素に設けられた増幅部に導き、増幅部で増幅した信号を画素から出力する。そして、増幅型の固体撮像装置では、このような画素がマトリクス状に複数配置されている。増幅型の固体撮像装置には、例えば、増幅部に接合型電界効果トランジスタ(JFET)を用いた固体撮像装置(下記特許文献1,2)や、増幅部にCMOSトランジスタを用いたCMOS型固体撮像装置(下記特許文献3,4)などがある。
固体撮像装置では、CCD型及び増幅型等を問わず、一般的に、受光部の周囲に存する半導体領域等に不要な光が入射しないように遮光部が形成されている(下記特許文献1〜4等)。
また、従来の固体撮像装置では、受光部の表面のいずれの箇所も、受光部の周囲に存する半導体表面と同じ高さに位置している(下記特許文献1〜4等)。
ところで、従来から、増幅型の固体撮像装置において、電子シャッタ動作を行ったときの各画素の露光蓄積時間が行毎にずれてしまうこと(いわゆるローリングシャッタ)に起因する画像の歪みを防止するため、各画素の露光時間が一定となる全画素同時の電子シャッタ動作を実現する構成が提案されている(下記特許文献1〜4)。
特許文献1〜4に開示されている従来の固体撮像装置では、各画素は、受光部及び増幅部と、それらの間において一時的に電荷を蓄積する電荷格納部(蓄積部)とを有している。そして、このような従来の固体撮像装置では、全画素を同時に露光した後、各受光部にて生成された信号電荷を全画素同時に各電荷格納部に転送して一旦蓄積しておき、この信号電荷を所定の読出しタイミングで順次画素信号に変換するようにしている。
特開平11−177076号公報
特開2004−335882号公報
特開2004−111590号公報
特開2004−140149号公報
しかしながら、従来の固体撮像装置では、CCD型及び増幅型等を問わず、受光部の周囲に存する半導体領域等に対して迷光が入射してしまい、この迷光によってノイズが生じて画質が低下していた。
特に、全画素同時の電子シャッタ動作を実現する特許文献1〜4に開示されているような従来の固体撮像装置では、受光部の周囲に配置され信号電荷を一時蓄積している電荷格納部へ迷光が入射してしまうことによって、比較的大きいノイズが生じていた。これは、電荷格納部おける信号電荷読み出しまでの待ち時間(電荷格納部において信号電荷が格納されている時間)が比較的長くなる場合もあるが、その待ち時間中に迷光により余分に蓄積されてしまうノイズ分の電荷が増大するためである。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、受光部の周囲へ漏れ込む迷光を低減して画質を向上させることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様による固体撮像装置は、半導体基板に設けられた光電変換を行う受光部を含む画素を有する固体撮像装置であって、前記受光部の周囲に存する半導体表面が、前記受光部の表面の中心部よりも高い位置に位置するものである。
本発明の第2の態様による固体撮像装置は、前記第1の態様において、前記受光部の表面の周縁部が前記受光部の表面の中心部よりも高い位置に位置するように、前記受光部の表面の周縁側領域が傾斜したものである。
本発明の第3の態様による固体撮像装置は、前記第1又は第2の態様において、前記画素は、前記受光部で得られた信号電荷を増幅する増幅部を含むものである。
本発明の第4の態様による固体撮像装置は、前記第3の態様において、前記増幅部は、所定部位の電荷量に応じた信号を出力し、前記画素は、前記受光部から転送される電荷を蓄積する電荷格納部と、前記受光部から前記電荷格納部に電荷を転送する第1の転送ゲート部と、前記電荷格納部から前記所定部位に電荷を転送する第2の転送ゲート部とを含むものである。
本発明によれば、受光部の周囲へ漏れ込む迷光を低減して画質を向上させることができる固体撮像装置を提供することができる。
以下、本発明による固体撮像装置について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施の形態による固体撮像装置の概略構成を示す電気回路図である。
図1では、本実施の形態による固体撮像装置は、2次元マトリクス状に配置した2列×2行=4個の画素10を有するものとして示している。その画素数は、特に限定されるものではないが、実際には、例えば、各行や各列には、数十から数千の画素が配置され、画素数を多くして解像度を高める。なお、本発明は、2次元イメージセンサのみならず、1次元イメージセンサにも適用可能である。
各画素10は、図1に示すように、光電変換を行う受光部(入射光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部)としてのフォトダイオード1と、フォトダイオード1から転送される電荷を蓄積する電荷格納部3と、所定部位としてのフローティングディフュージョン(FD)4と、所定部位(本実施の形態では、FD4)の電荷量に応じた信号を出力する増幅部としてのMOSトランジスタ(増幅用トランジスタ)7と、FD4の電荷を排出するリセットゲート部6と、フォトダイオード1から電荷格納部3に電荷を転送する第1の転送ゲート部11と、第1の転送ゲート部11を構成するゲート電極及び電荷格納部3用のゲート電極の両ゲート電極として機能する電極2と、電荷格納部3からFD4に電荷を転送する第2の転送ゲート部5と、フォトダイオード1で生成された電荷であって画像形成に寄与しない不要電荷をフォトダイオード1から排出させる不要電荷排出ゲート部としてのMOSトランジスタ(不要電荷排出用トランジスタ)8と、MOSトランジスタからなる垂直選択スイッチ9と、を備えている。
また、本実施の形態による固体撮像装置は、図1に示すように、複数の画素10からなる撮像部の他に、撮像部の外側に設けられた駆動制御部と、CDS(Correlated Double Sampling;相関2重サンプリング)回路51とを備えている。前記駆動制御部は、水平走査回路52、垂直走査回路53、MOSトランジスタからなる水平選択スイッチ54、出力バッファアンプ55などを備えている。
図1に示すように、全画素10の不要電荷排出用トランジスタ8のゲート電極は、共通に接続されており、垂直走査回路53から駆動パルスφPDRSTを受ける。全画素10の電極2(第1の転送ゲート部11のゲート電極及び電荷格納部3用のゲート電極を兼ねる電極)は、共通に接続されており、垂直走査回路53から駆動パルスφSTGを受ける。
図1に示すように、垂直選択スイッチ9の一端(前記N型層27)は、列毎に垂直信号線50に接続され、更には列毎に設けられたCDS回路51に接続されている。CDS回路51により処理された信号は、水平選択スイッチ54を介して出力バッファ55に入力され、出力端子Voutから撮像信号として図示しない外部回路に供給される。水平選択スイッチ54は、水平走査回路52によって制御される。
図1に示すように、第2の転送ゲート部5のゲート電極は、行毎に接続されており、行毎に垂直走査回路53から駆動パルスφTX(1),φTX(2)をそれぞれ受ける。垂直選択スイッチ9のゲート電極は、行毎に接続されており、行毎に垂直走査回路53から駆動パルスφSEL(1),φSEL(2)をそれぞれ受ける。リセットゲート部6のゲート電極6aは、行毎に接続されており、行毎に垂直走査回路53から駆動パルスφRST(1),φRST(2)をそれぞれ受ける。
次に、本実施の形態による固体撮像装置の動作について、図2を参照して説明する。図2は、本実施の形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。なお、図2では、各駆動パルスがハイのときに、対応するトランジスタがオンするものとしている。
まず、φPDRSTをハイにして全画素10の不要電荷排出用トランジスタ8を同時にオンし、全画素10のフォトダイオード1に貯まっている電荷を電源VDDに捨てる。
次に、φPDRSTをローにして全画素10の不要電荷排出用トランジスタ8を同時にオフし、全画素10のフォトダイオード1における電荷の蓄積を始める。この時、電荷格納部3に貯まっていた電荷は前の読出し時に順次読み出されて電荷格納部3は空になっているとしているが、別途電荷格納部3をリセットするタイミングを設けてもよい。
次いで、φPDRSTをローにしてから所定の蓄積時間を経過する前にφSTGをハイにして全画素10の第1の転送ゲート部11を同時にオンして、フォトダイオード1に貯まっている電荷を電荷格納部3に転送し、φSTGをローにして全画素10の第1の転送ゲート部11をオフする。図2に示すように、φPDRSTをローにしてからφSTGを再度ローにするまでの時間が、蓄積露光時間(電子シャッタの時間)となる。なお、φSTGをハイにしてフォトダイオード1から第1の転送ゲート部2へ電荷を転送する際には、φSTGの電位は、フォトダイオード1からの電荷を完全転送できる電位にする。
次に、φPDRSTをハイにして全画素10の不要電荷排出用トランジスタ8をオンしてフォトダイオード1をリセットする。これにより、電荷格納部3に貯まっている電荷を読み出す間にフォトダイオード1に貯まりフォトダイオード1の最大蓄積電荷を超えた時に電荷が電荷格納部3へ溢れてしまうのを、防ぐ。あるいは、次の電荷の蓄積に備えてフォトダイオード1を電源VDDにリセットする。電荷格納部3に電荷を蓄積している間は、φSTGの電位として、電荷格納部3の表面に反転層を形成するような電位を加えてもよく、これにより蓄積中の暗電流の発生を防ぐことができるようになっている。
その後、φSEL(1)をハイにして1行目の垂直選択スイッチ9をオンし、1行目の画素10を選択する。この選択状態において、φRST(1)をハイにしてリセットゲート部6をオンすることで、増幅用トランジスタ7のゲート電極7aに接続されているFD4のリセットを行う。このときの増幅用トランジスタ7からのリセット時出力は、垂直信号線50を介してCDS回路51に保存される。次いで、φTX(1)をハイにして1行目の画素10の第2の転送ゲート部5をオンし、1行目の画素10の電荷格納部3にある電荷をFD4へ転送させる。このとき、φSTGの電位は、電荷格納部3からFD4へ電荷を完全転送できる電位にする。FD4の電荷量に応じた増幅された電位が、垂直出力線50を通してCDS回路51に送られる。CDS回路51では、先ほど保存したリセット時出力との差を1行目の画素10の画素信号として出力する。そして、これらの1行目の画素10の画素信号は、水平走査回路52により水平選択スイッチ54を順次オンすることで、出力バッファアンプ55を経て出力端子Voutからシリアルに出力される。
その後、φSEL(1)をローにした後に、φSEL(2)をハイにして2行目の垂直選択スイッチ9をオンし、2行目の画素10を選択する。この選択状態において、図2に示すように、駆動パルスφTX(2),φRST(2)の状態を、φSEL(1)をハイにした状態における駆動パルスφTX(1),φRST(1)の状態と同様の状態とする。これにより、2行目の画素10に関して、先に説明した1行目の画素10と同様の読み出し動作が行われる。
以上の説明からわかるように、全画素同時の電子シャッタ動作が実現される。
ここで、本実施の形態による固体撮像装置の画素の断面構造について、図3を参照して説明する。図3は画素を模式的に示す断面図である。図4は、図3の一部を拡大した拡大断面図である。図3及び図4には、入射光の様子の例も示している。
図3に示すように、N型のシリコン基板21の表面側領域に例えばボロンを注入して熱拡散させることでP型ウエル22が形成されている。このようにシリコン基板21の表面側領域自体をP型ウエル22にする代わりに、例えば、シリコン基板21上に成長させたエピタキシャル層によってP型ウエル22を構成してもよい。
図3に示すように、P型ウエル22にN型層23が形成されることで、フォトダイオード1が構成されている。このフォトダイオード1は、P型層24を基板表面側に付加した構造を有している。受光部としてのフォトダイオード1の表面は、P型層24の表面(図3中の上面)となっている。本実施の形態では、フォトダイオード1の表面の周縁部がフォトダイオード1の表面の中心部1aよりも高い位置に位置するように、フォトダイオード1の表面の周縁側領域1bが傾斜している。
電荷格納部3は、図3に示すように、P型ウエル22に形成されたN型層(N+)で構成されている。電荷格納部3上には、ポリシリコンからなる電極2の、電荷格納部3用のゲート電極に相当する部分2aが形成されており、電荷格納部3は、事実上、ゲートを持つMOSダイオードとして構成されている。
電極2は、図3に示すように、前記部分2aの他に、電荷格納部3とフォトダイオード1との間の上に形成された部分2bを有している。第1の転送ゲート部11は、電極2の部分2bをゲートとするとともに電荷格納部3及びフォトダイオード1のN型層23をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして、構成されている。
また、P型ウエル22には、図3に示すように、N型層(N+)からなるFD4が、形成されている。電荷格納部3とFD4との間の上にポリシリコンからなるゲート電極5aが形成され、第2の転送ゲート部5は、ゲート電極5aをゲートとするとともに電荷格納部3及びFD4をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして、構成されている。
図3には現れてないが、リセットゲート部6、増幅用トランジスタ7、不要電荷排出用トランジスタ8及び垂直選択スイッチ9も、第2の転送ゲート部5と同様に、MOSトランジスタとして構成されている。
本実施の形態では、電荷格納部3などのフォトダイオード1の周囲に存する半導体領域の表面は、フォトダイオード1の表面の周縁部と同じ高さに位置している。したがって、本実施の形態では、前述したようにフォトダイオード1の表面の周縁側領域1bが傾斜していることと相俟って、フォトダイオード1の周囲に存する半導体領域の表面が、フォトダイオード1の表面の中心部1aよりも高い位置に位置している。このようにフォトダイオード1の表面の周縁側領域1bが傾斜していることが、迷光を低減させるためにより好ましい。しかし、本発明では、これに限定されるものではなく、フォトダイオード1の周囲に存する半導体領域の表面が、フォトダイオード1の表面の中心部1aよりも高い位置に位置していれば、それなりに迷光低減効果が得られるので、必ずしも周縁側領域1bを傾斜させる必要はない。
図3において、25はLOCOSによる素子分離部、26は素子分離用のP型領域(P+)である。
基板21上には、ゲート絶縁膜等となるシリコン酸化膜31、及び、例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜32が、形成されている。また、図3に示すように、1層目のアミルニウム配線層33、2層目のアミルニウム配線層34及び3層目のアミルニウム配線層35が形成され、これらによって、図1に示す回路の配線がなされている。3層目のアミルニウム配線層36は、受光部1に対応する領域以外を覆う遮光膜となっている。
また、本実施の形態では、図3に示すように、3層目のアミルニウム配線層35より上側の位置において、フォトダイオード1上には、カラーフィルタ36や入射光をフォトダイオード1へ向けて集光させるためのオンチップマイクロレンズ37が設けられている。カラーフィルタ36の下側に平坦化層38が介在され、カラーフィルタ36とマイクロレンズ37との間に平坦化層39が介在されている。
次に、本実施の形態による固体撮像装置の製造方法の一例について、図5及び図6を参照して簡単に説明する。図5及び図6は、この製造方法における各工程の状態を模式的に示す概略断面図であり、図3に対応している。
まず、N型のシリコン基板21の表面側領域に、ボロンを注入して熱拡散させることで、P型ウエル22を形成する(図5(a))。次に、LOCOS法により選択酸化膜63を形成する(図5(b)(c))。すなわち、熱酸化によって、P型ウエル22の表面に、パッド酸化膜としてシリコン酸化膜61を形成する。次いで、シリコン酸化膜61上にシリコン窒化膜62を形成し、フォトリソエッチング法により、シリコン窒化膜62におけるフォトダイオード1に対応する箇所に開口62aを形成する(図5(b))。その後、シリコン窒化膜62をマスクとして熱酸化を行うことで、選択酸化膜63を形成する(図5(c))。選択酸化膜63の外周部は、バーズビーク部63aとなる。
次に、シリコン酸化膜61、シリコン窒化膜62及び選択酸化膜63を除去する(図6(a))。これにより、P型ウエル22の表面に、選択酸化膜63の下側形状が転写された凹部22aが形成される。凹部22aは、フォトダイオード1の表面の中心部1aに対応する底面(平面)22bと、フォトダイオード1の表面の周縁側領域1bに対応する傾斜面22cとを有している。
引き続いて、LOCOS法により選択酸化膜(素子分離部)25を形成するとともに、イオン注入等によりP型ウエル22に素子分離用のP型領域26を形成する(図6(b))。
次に、シリコン酸化膜61を形成し、更にポリシリコンによって第2の転送ゲート部5及び電極2等を形成し、イオン注入等により、P型ウエル22に前述した各種の領域3,4,23,24等を形成する(図6(c))。
その後、周知の方法で、層間絶縁膜32、配線層33〜35、平坦化層38,39、カラーフィルタ36及びマイクロレンズ37等を形成する。これにより、本実施の形態による固体撮像装置が完成する。
ここで、本実施の形態による固体撮像装置と比較される比較例による固体撮像装置について、図7及び図8を参照して説明する。
図7は、この比較例による固体撮像装置の画素を模式的に示す断面図であり、図3に対応している。図8は、図7の一部を拡大した拡大断面図であり、図4に対応している。図7及び図8には、入射光の様子の例も示している。図7及び図8において、図3及び図4中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
この比較例による固体撮像装置が本実施の形態による固体撮像装置と異なる所は、フォトダイオード1の表面のいずれの箇所も、電荷格納部3などのフォトダイオード1の周囲に存する半導体領域の表面と同じ高さに位置している。この比較例による固体撮像装置は、図5及び図6を参照して説明した製造方法において、図5(a)に示す工程の後に、図5(b)乃至図6(a)に示す工程を経ずにウエル22に凹部22aを形成しないで、図6(b)以降の工程を行うことで製造することができる。この比較例による固体撮像装置は、従来技術に相当している。
この比較例では、図7に示すように、斜入射した光は、マイクロレンズ37で集められて、フォトダイオード1の端部付近に集光する。この入射光のうちマイクロレンズ37の端部付近(所望のレンズ形状からずれの大きい部分)を通過した図7中の光線Aや図8中の光線Bは、比較的大きく傾斜した角度で、フォトダイオード1の端部付近に入射する。これらの光線A,Bの一部はフォトダイオード1を透過する(図7では光線Aの透過光線は図示せず。)が、光線A,Bの他の一部は、フォトダイオード1の表面で反射した後に、1層目のアミルニウム配線層33で反射し、ポリシリコンからなる電極2を透過し、電荷格納部3に入射する。また、光線Bの他の一部は、図8に示すように、電極2で反射した後に1層目のアミルニウム配線層33で反射し、ポリシリコンからなるゲート電極5aを透過し、FD4に入射してしまう。なお、ポリシリコンに入射した光線は、その一部がポリシリコンで反射されるが、他の一部はポリシリコンを透過する。このように、光線A,Bが迷光となって電荷格納部3やFD4に入射してしまうので、ノイズが生じ、画質が劣化してしまう。
これに対し、本実施の形態では、フォトダイオード1の表面の周縁側領域1bが傾斜している。したがって、本実施の形態では、図3及び図4にそれぞれ示すように、前述した光線A,Bの大部分がフォトダイオード1を透過する(図3では光線Aの透過光線は図示せず。)とともに、前述した光線A,Bのうちの残りの光線は、フォトダイオード1の表面の周縁側領域1bで反射して、配線層33へ向かうことなく(ひいては、電荷格納部3やFD4へ向かうことなく)外部へ戻され、迷光とならない。
垂直に近い角度で入射する光は、マイクロレンズ37マイクロレンズによってフォトダイオード1の中心部1aに集められるため、中心部1aで反射した成分は、配線層33へ向かうことなく(ひいては、電荷格納部3やFD4へ向かうことなく)外部へ戻され、迷光とならない。
本実施の形態では、フォトダイオード1の表面の周縁側領域1bの傾斜角が小さいと迷光低減効果が低いが、その傾斜角が大き過ぎても、周縁側領域1bを反射した反射光の一部が反対側の配線層33〜35の下に入り、迷光になってしまう可能性が生じ、やはり迷光低減効果は低くなる可能性がある。
よって、フォトダイオード1の表面で一回反射した光が極力外部へ抜けるようにして、迷光低減効果を一層高めることができるように、フォトダイオード1の表面の周縁側領域1bの傾斜角を最適化することが好ましい。フォトダイオード1のサイズや、カメラレンズの射出瞳距離、F値等に依存するが、例えば、その傾斜角は20°〜30°、周縁側領域1bの長さは1ミクロン程度が望ましい。
以上説明したように、本実施の形態によれば、フォトダイオード1の周囲へ漏れ込む迷光を低減して画質を向上させつつ、全画素同時読み出しの電子シャッター動作を行うことができる。
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
例えば、前記実施の形態は、全画素同時の電子シャッタ動作を実現する構成を有するCOS型固体撮像装置に適用した例であったが、本発明は、画素同時の電子シャッタ動作を実現し得ない通常のCOS型固体撮像装置や、特許文献1,2に示すような増幅部に接合型電界効果トランジスタ(JFET)を用いた固体撮像装置や、その他の種々の増幅型撮像装置や、CCD型固体撮像装置などにも、適用することができる。
1 フォトダイオード
1a 中心部
1b 周縁側領域
3 電荷格納部
4 フローティングディフュージョン
7 増幅用トランジスタ
1a 中心部
1b 周縁側領域
3 電荷格納部
4 フローティングディフュージョン
7 増幅用トランジスタ
Claims (4)
- 半導体基板に設けられた光電変換を行う受光部を含む画素を有する固体撮像装置であって、前記受光部の周囲に存する半導体表面が、前記受光部の表面の中心部よりも高い位置に位置することを特徴とする固体撮像装置。
- 前記受光部の表面の周縁部が前記受光部の表面の中心部よりも高い位置に位置するように、前記受光部の表面の周縁側領域が傾斜したことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記画素は、前記受光部で得られた信号電荷を増幅する増幅部を含むことを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。
- 前記増幅部は、所定部位の電荷量に応じた信号を出力し、
前記画素は、前記受光部から転送される電荷を蓄積する電荷格納部と、前記受光部から前記電荷格納部に電荷を転送する第1の転送ゲート部と、前記電荷格納部から前記所定部位に電荷を転送する第2の転送ゲート部とを含む、ことを特徴とする請求項3記載の固体撮像装置。
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JP7487252B2 (ja) | 2018-03-16 | 2024-05-20 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 受光素子 |
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