JP2008108917A - 固体撮像装置及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体撮像装置において、クロストークの低減による画質向上を図る。
【解決手段】固体撮像装置1の画素1aにおいて、フォトダイオード17の周辺の周辺配線部14の少なくとも一部に、多層構造の各層を連結する、遮光性の層間連結材15を設ける。
【選択図】図1

Description

本発明は、固体撮像装置、及びこの固体撮像装置を備える電子機器に関する。
固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタル一眼レフカメラ、デジタルビデオカメラなど、携帯端末をはじめとする各種電子機器の画像入力装置として、広く用いられている。
固体撮像装置は、多数の画素(画素セル)が、2次元マトリクス状、例えばアレイ状に配置された構造を有する。画素は、少なくとも、光を電子に変換する受光部であるフォトダイオードと、転送部とを有する。転送部は、例えばCCD(charged couplingdevice)型の固体撮像装置では、CCD素子による垂直転送部と水平転送部を備え、例えばCMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)型の固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)では、フォトダイオードからの電子を電圧に変換して増幅転送する増幅回路部を備える。
固体撮像装置において、多数の画素は互いに隣り合っているため、ある画素のフォトダイオードに向かって入射してきた光の一部が、隣接する画素に混入(クロストーク)してしまうことがある。
クロストークは、一部の入射光が変調(反射,回折,散乱など)することによって生じる。そして、このような画素間のクロストークが生じると、出力、つまり得られる画像データにも影響が生じる。すなわち、黒色であるはずの画像で明点が生じるなど、本来得られるべき画像データを正確に得ることができなくなる。
この、クロストークの発生について、前述の変調が反射である場合を例として、具体的に説明する。
図8に、従来の固体撮像装置の画素構成を示す。
従来の固体撮像装置101においては、画素101a(セルサイズx´)の、フォトダイオード117を含む半導体基板の表面で、フォトダイオード117に向かって入射してきた光(図中L´)の一部が反射し、隣接画素へと漏れ出してしまう。このため、画素間のクロストークは、CCD型/CMOS型を問わず、フォトダイオードを有するすべての固体撮像装置において、避けることのできない問題となる。
この問題への対策として、基板表面に反射防止膜を設けるなどの手法が提案されている。しかし、この手法では、分光特性が変化するなど、別の問題を生じてしまうことが知られている。
また、入射光の中には、フォトダイオードに至る前に周囲の部材に反射するものがある(図中L´)。例えば、フォトダイオードの周囲に多層構造の周辺配線部114が設けられている固体撮像装置においては、この周辺配線部114の配線(図8では、第1配線111,第2配線112、第3配線113)で繰り返し反射され、基板表面での反射光(L´)とは別の経路で、隣接画素へと漏れ出し、混入する。
このような、繰り返し反射によるクロストークをも防止する手法として、画素間に遮光を目的とする壁を別途設けた構成なども提案されている。しかし、この手法では、壁の形成のために別途工程を設ける必要があり、煩雑である。また、このような壁の設置は、画素面積の拡大を要するため、装置の小型化を阻害することにもなる。
特開2005−277404号公報
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、より簡潔に画素間のクロストークが抑制される固体撮像装置と、この固体撮像装置を備える電子機器を提供することにある。
本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部を有する画素が、多数、1次元状または2次元マトリクス状に配置された固体撮像装置であって、前記多数の各画素において、光電変換部の周囲の少なくとも一部に、多層構造による周辺配線部が設けられ、前記周辺配線部の少なくとも一部に、前記多層構造の各層を連結する、遮光性の層間連結材が設けられることを特徴とする。
本発明に係る電子機器は、固体撮像装置を備える電子機器であって、前記固体撮像装置は、光電変換部を有する画素が、多数、1次元状または2次元マトリクス状に配置された固体撮像装置であって、前記多数の各画素において、光電変換部の周囲の少なくとも一部に、多層構造による周辺配線部が設けられ、前記周辺配線部の少なくとも一部に、前記多層構造の各層を連結する、遮光性の層間連結材が設けられることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置によれば、周辺配線部の少なくとも一部に、多層構造の各層を連結する、遮光性の層間連結材が設けられることから、クロストークの低減による画質向上が図られる。
本発明に係る電子機器によれば、固体撮像装置において、クロストークの低減による画質向上が図られることから、高画質の画像データを扱うことが可能となる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
なお、CMOS型の固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)は、CCD型の固体撮像装置に比べ、クロストークの発生及び影響の点構造的に不利とされている。
また、CMOSイメージセンサは、画素内に複数のトランジスタを備えているために、トランジスタに加えて、トランジスタを選択する為の配線をも設けられる必要がある。したがって、CMOSイメージセンサは、画素内で配線の占める割合がCCD型の固体撮像装置よりも高くなることが避けられない。つまり、配線やトランジスタの占有面積によってフォトダイオードの開口面積が制限される。近年、画素の微細化によって、この制限は更に厳しくなりつつある。
また、このように画素内の配線が増えると、これらの各配線を同層(同一の深さ,高さ)に設けることによって配線同士が極端に近接して配置されざるを得なくなるため、接触するおそれも強くなる。よって、接触をより確実に避けるために、CMOSイメージセンサの配線は、多層構造による周辺配線層として形成される。
しかし、このような多層構造によれば、配線同士の接触は抑制されるものの、フォトダイオードが設けられている半導体基板の表面から多層構造の上までは、非常に高さ(深さ)の大きな構造になってしまう。そのため、外部から入射した光がフォトダイオードに到達するまでの距離が長く、配線の数及び占有空間も増大してしまうため、入射光が基板に到達する前に、前述した変調(基板表面や配線における反射,回折,散乱)が生じやすい。
よって、本実施形態では、本発明によって特に改善が図られる固体撮像装置の例として、CMOS型の固体撮像装置を例として、説明を行う。
本実施形態に係る固体撮像装置は、列(カラム)毎にアナログ/デジタル変換器を有するMOS増幅型固体撮像装置である。
この固体撮像装置は、一般に、光電変換部つまりフォトダイオードを有する画素が、多数、2次元マトリクス状に規則性を有して、例えば垂直方向及び水平方向に列及び行として規則的な配列とされた撮像領域と、垂直駆動部及び水平転送部による転送部、及び出力部とによって構成されている。具体的には、撮像領域2に複数の画素1aが2次元行列状に配置され、垂直信号線3、カラム部4、水平信号線5に接続された出力回路6、垂直駆動回路7、水平駆動回路8及び制御回路9を有して、固体撮像装置1が構成される。
制御回路9は、入力クロックや、動作モードなどを指令するデータをMOSイメージセンサの外部から受け取り、それに従って以下の各部の動作に必要なクロックやパルスを供給する。
垂直駆動回路7は、画素部の行を選択し、その行の画素に図示しない横方向の制御配線を通して必要なパルスが供給される。
カラム部4には、カラム信号処理回路10が列に対応して並ぶ。カラム信号処理回路10は、1行分の画素の信号を受けて、その信号にCDS(Correlated Double Sampling:固定パターンノイズ除去の処理)や信号増幅やAD変換などの処理を行う。
水平駆動回路8は、カラム信号処理回路10を順番に選択し、その信号を水平信号線5に導く。出力回路6は、水平信号線5の信号を処理して出力する。例えばバッファリングだけする場合もあるし、その前に黒レベル調整、列ばらつき補正、信号増幅、色関係処理などを行うこともある。
また、画素1aは、1つの光電変換素子であるフォトダイオード(PD)と、複数のMOSトランジスタとによって構成される。
本実施形態に係る固体撮像装置1においては、図2に模式的断面図を示すように、光電変換部17を有する画素1a(セルサイズx)において、光電変換部17の周囲の少なくとも一部に、第1配線11,第2配線12,第3配線13の多層構造による周辺配線部14が設けられる。そして、この周辺配線部14の少なくとも一部に、多層構造の各層11及び12または12及び13を連結する、遮光性の層間連結材15が設けられる。このようにして、層間連結材15を備えた周辺配線部14は、前述した変調によるクロストークを抑制する遮光体16として構成される。
すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置1においては、層間連結材15を備えた周辺配線部14つまり遮光体16が設けられているため、基板表面における変調によるクロストークの抑制(図中L)、及び配線における変調によるクロストークの抑制(図中L)によって、ある画素1aから隣接画素へのクロストークが、低減される。
なお、層間連結材15は、埋め込み性の良い材料、例えばタングステン(W)によって構成することが好ましい。また、本実施形態において遮光性とは、可視光域の少なくとも一部において、反射ないし吸収する特性を有していれば良い。
本実施形態に係る固体撮像装置1において、層間連結材15を備えた周辺配線部14、つまり遮光体16は、画素1aの光電変換部17の周囲のうち、少なくとも、隣接画素の光電変換部17との間に配置することが好ましいと考えられる。すなわち、図3に示すように、ある画素1bの光電変換部17と、この画素1bに対して、複数のトランジスタ等が設けられる増幅回路部18を介することなく直接的に隣接する、隣接画素1cの光電変換部17との間に、遮光体16が設けられることにより、従来特に問題が発生しやすかった画素間におけるクロストークを抑制することができる。
また、層間連結材15を備えた周辺配線部14、つまり遮光体16は、画素1aの光電変換部17の周囲のうち、例えば複数箇所に設けられた構成とすれば、より好ましいと考えられる。すなわち、図4に示すように、増幅回路部18を介することなく直接的に隣接する画素1b及び画素1cの間(、そして画素1d及び画素1eの間)のみならず、増幅回路部18を介して比較的間接的に隣接する、画素1b及び画素1dの間(、そして画素1c及び画素1eの間)にも遮光体16を設ける構成とすれば、より好ましいと考えられる。このようにすることにより、従来増幅回路部18を介して生じていたクロストークを抑制できるとともに、各画素中の複数箇所において遮光体16が設けられることにより、より遮光の領域を大きくとることができ、より大幅なクロストークの抑制を図ることができるためである。
なお、層間連結材15が設けられる周辺配線部14は、光電変換部17で生じた電荷を変換伝達するための増幅回路部18を含めても良い。すなわち、遮光体16を構成する周辺配線部14の各配線は、増幅回路部18に直接関係のある配線であっても良いし、そうでなくても良い。
また、遮光体16を構成する周辺配線部14及び層間連結材15のうち、少なくとも一方は、特定の電位に接地されることが好ましい。これは、例えば製造時に電荷が生じやすい工程(プラズマエッチングなど)がある場合、接地しないと特性の不安定化につながるおそれがあるためである。
また、図5に示すように、層間連結材15は、多数の画素1fがマトリクス状に配列された2次元に関して、直線状に配置されることが好ましい。直線状の配置の具体例としては、複数の(一組の)層間連結材15を直線状に配置する構成のほか、直線的な形状を有する層間連結材15aとしても良い。
なお、これらの直線状に配置される層間連結材15(または直線的形状の層間連結材15a)の長さ(図中y)は、前述した2次元に関して多角形状(本実施形態では四角形)とされる画素1fの長さ(図中z)よりも短くする、或いは、多角形状の最長対角線よりも短くすることが好ましい。これは、固体撮像装置における、多数の画素の光学的対称性を向上させるためには、層間連結材15を画素(画素セル)ごとに配置することが好ましいと考えられるためである。
ここで、画素1aに用いられ得る回路構成について説明する。
まず、例えば図3に示す所謂3トランジスタ型の構成が挙げられる。
この回路構成においては、フォトダイオード(PD)のカソード(n領域)が、転送トランジスタTr1を介して増幅トランジスタTr3のゲートに接続される。この増幅トランジスタTr3のゲートと電気的に繋がったノードをフローティング・ディフージョン(FD)と呼ぶ。転送トランジスタTr1はフォトダイオード(PD)とフローティング・ディフュージョン(FD)との間に接続され、ゲートに転送線21を介して転送パルスφTRGが与えられることによりオン状態となり、フォトダイオード(PD)で光電変換された信号電荷をフローティング・ディフージョン(FD)に転送する。
リセットトランジスタTr2は、ドレインが画素電源Vdd1に接続され、ソースがフローティング・ディフージョン(FD)に接続される。リセットトランジスタTr2は、ゲートにリセット線22を介してリセットパルスφRSTが与えられことによってオン状態となり、フォトダイオード(PD)からフローティング・ディフージョン(FD)への信号電荷の転送に先立って、フローティング・ディフージョン(FD)の電荷を画素電源Vdd1に捨てることによりフローティング・ディフージョン(FD)をリセットする。
増幅トランジスタTr3は、ゲートがフローティング・ディフージョン(FD)に接続され、ドレインが画素電源Vdd2に接続され、ソースが垂直信号線23に接続される。増幅トランジスタTr3は、リセットトランジスタTr2によってリセットした後のフローティング・ディフージョン(FD)の電位をリセットレベルとして垂直信号線に出力し、さらに転送トランジスタTr1によって信号電荷を転送した後のフローティング・ディフージョン(FD)の電位を信号レベルとして垂直信号線23に出力する。
なお、画素の駆動に伴い画素電源Vdd1が高レベルと低レベルとに切り換えられる影響を受け、増幅トランジスタTr3のドレインは変動する。
一方、画素1aに用いられ得る他の回路構成としては、例えば図4に示す所謂4トランジスタ型の構成が挙げられる。
この回路構成においては、光電変換素子、例えばフォトダイオード(PD)に加えて4つのトランジスタTr1〜Tr4が設けられる。ここで、トランジスタTr1〜Tr4は、例えばNチャネルのMOSトランジスタにとして構成される。
フォトダイオード(PD)は、受光した光をその光量に応じた電荷量の光電荷(ここでは、電子)に光電変換する。フォトダイオード(PD)のカソード(n型領域)は、転送トランジスタTr1を介して増幅トランジスタTr3のゲートと接続されている。この増幅トランジスタTr3のゲートと電気的に繋がったノードがフローティングディフュージョン(FD)となる。
横方向の配線、即ち転送線24、リセット線25および選択線26は、同一行の画素について共通となっており、垂直駆動回路7によって制御される。但し、画素1aのpウェル電位を固定するためのウェル配線27は、グランド電位に固定されている。
また、この構成において、転送トランジスタTr1は、フォトダイオード(PD)のカソードとフローティング・ディフュージョン(FD)との間に接続され、ゲートに転送線24を介して転送パルスφTRGが与えられることによってオン状態となり、フォトダイオード(PD)で光電変換された光電荷をフローティング・ディフュージョン(FD)に転送する。
リセットトランジスタTr2は、ドレインが画素電源Vddに、ソースがフローティング・ディフュージョン(FD)にそれぞれ接続され、ゲートにリセット線25を介してリセットパルスφRSTが与えられることによってオン状態となり、フォトダイオード(PD)からフローティング・ディフュージョン(FD)への信号電荷の転送に先立って、フローティング・ディフュージョン(FD)の電荷を画素電源Vddに捨てることによってこのフローティングディフュージョン(FD)をリセットする。
増幅トランジスタTr3は、ゲートがフローティング・ディフュージョン(FD)に、ドレインが画素電源Vddにそれぞれ接続され、リセットトランジスタTr2によってリセットした後のフローティング・ディフュージョン(FD)の電位をリセットレベルとして出力し、さらに転送トランジスタTr1によって信号電荷を転送した後のフローティング・ディフュージョン(FD)の電位を信号レベルとして出力する。
選択トランジスタTr4は、例えば、ドレインが増幅トランジスタTr3のソースに、ソースが垂直信号線28にそれぞれ接続され、ゲートに選択線26を介して選択パルスφSELが与えられることによってオン状態となり、画素1aを選択状態として増幅トランジスタTr3から出力される信号を垂直信号線28に中継する。
なお、本実施形態に係る固体撮像装置1は、これら3トランジスタ型と4トランジスタ型の、いずれの構成をもとり得る。
<実施例>
本発明の実施例について説明する。
本実施例では、本実施形態に係る固体撮像装置のシミュレーションによる検討を行った結果について、説明する。
本実施形態に係る固体撮像装置について、シミュレータを用いて検証を行った。その結果、半導体基板表面で反射し、その反射光が最上位の配線メタルの裏面で反射することによるクロストークが、大幅に低減されることを確認することができた。
また、配線の多層構造の内容に応じて値は変動したが、例えば周辺配線部が3層の積層配線構造を持つCMOSイメージセンサにおいては、主に最上層に位置する配線メタルの裏面で反射し、その後0回〜数回の反射を経て隣接画素へ混入していた成分によるクロストークが、10〜30%改善されることを確認することができた。
以上の実施の形態及び実施例で説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、層間連結材が、光の混入を防ぐ壁の役割を果たすため、クロストークの低減による画質向上が図られる。
また、この固体撮像装置によって電子機器を構成すれば、固体撮像装置において、クロストークの低減による画質向上が図られることから、高画質の画像データを扱うことが可能となる。
特に、軽量化及び小型化の要求に応じて画素サイズが微細化されている固体撮像装置、つまり、画素間の分離幅が光学的に十分とれない固体撮像装置や、配線の占める割合が高い固体撮像装置においては、本発明構成は従来構成に比べて大幅な特性改善が期待できる。微細加工技術の進歩などによって画素サイズが微細化された固体撮像装置は、画素サイズが大きい場合に比べて、繰り返し反射などによる隣接画素への光の混入が生じやすくなるが、本発明構成によれば、この生じやすい混入によるクロストークが、大幅に抑制されるためである。
また、本実施形態に係る固体撮像装置においては、半導体基板や配線及び層間膜等に起因する、拡散光,散乱光,反射光の抑制を図る。したがって、光電変換部に向かうもともとの入射光を遮ることがないため、感度や光学的な開口面積を劣化させることを回避することができる。
また、本実施形態に係る固体撮像装置の製造においては、特段の工程を追加する必要がなく、多層構造の配線を連結する層間連結材の形成態様(形成位置や形状などのパターン)を選定することによってクロストークの低減を図ることができる。したがって、工程数の増加を必要としないため、コストや製造タクトの低減も図られる。更に、ウェーハプロセスの新規条件出し(条件の設計及び設定)なども必要としないため、遮光体の基本設計が完了した後、製造現場への導入を迅速に行うことができる。
なお、以上の実施の形態の説明で挙げた使用材料及びその量、処理時間及び寸法などの数値的条件は好適例に過ぎず、説明に用いた各図における寸法形状及び配置関係も概略的なものである。すなわち、本発明は、この実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述の実施形態では、層間連結材を備えた周辺配線部(遮光体)を、固体撮像装置の画素ごとに設ける場合を例として説明を行ったが、遮光体の配置はこれに限られない。すなわち、すべての画素に一定の数で層間連結材や遮光体が設けられる構成に限られず、例えば四角形の画素の場合に、2辺に設けられた画素と4辺に設けられた画素とが混在していても良い。また、複数の画素を1ユニットとして、このユニットを囲うように層間連結材や遮光体が設けられていても良い。また、複数の画素間で、画素の担う色(例えば赤,緑,青)が異なる箇所にのみ、層間連結材や遮光体が設けられていても良い。
また、前述の実施形態では、多数の画素が2次元マトリクス状に配列された固体撮像装置の例について説明を行ったが、多数の画素が1次元的(1次元状)に配列された、所謂リニアセンサに適用することも可能であることは言うまでもない。リニアセンサに適用する場合には、特に明暗境界部での特性改善が図られると考えられる。
また、例えば、前述の実施形態では、遮光性について、可視光域の少なくとも一部において反射ないし吸収する特性を有していれば良いとしたが、更に紫外光を反射ないし吸収する特性を有していても良い。
また、前述の実施の形態では、CMOS型の固体撮像装置の例について説明したが、本発明に係る固体撮像装置によって、CCD型の固体撮像装置を構成することも可能である。
また、例えば、本発明に係る固体撮像装置は、ワンチップとして形成された素子状のものでもよいし、複数のチップから構成されるもの、更にはモジュールとして構成されたものでもよいなど、本発明は、種々の変形及び変更をなされうる。
本発明に係る固体撮像装置の、一例の構成を示す概略図である。 本発明に係る固体撮像装置の一例における、画素内の周辺配線部及び層間連結材の説明図である。 本発明に係る固体撮像装置の、画素の回路の一例を示す回路図である。 本発明に係る固体撮像装置の、画素の回路の他の例を示す回路図である。 本発明に係る固体撮像装置の、周辺配線部及び層間連結材の構成の一例を示す説明図である。 本発明に係る固体撮像装置の、周辺配線部及び層間連結材の構成の他の例を示す説明図である。 本発明に係る固体撮像装置の、周辺配線部及び層間連結材に関する説明図である。 従来の固体撮像装置に関する、画素内の周辺配線部の説明図である。
符号の説明
1・・・固体撮像装置、1a〜1f・・・画素、2・・・撮像領域、3・・・垂直信号線、4・・・カラム部、5・・・水平信号線、6・・・出力回路、7・・・垂直駆動回路、8・・・水平駆動回路、9・・・制御回路、10・・・カラム信号処理回路、11・・・第1配線、12・・・第2配線、13・・・第3配線、14・・・周辺配線部、15・・・層間連結材、16・・遮光体、17・・・光電変換部(フォトダイオード)、18・・・増幅回路部、21・・・転送線、22・・・リセット線、23・・・垂直信号線、24・・・転送線、25・・・リセット線、26・・・選択線、27・・・ウェル配線、28・・・垂直信号線

Claims (10)

  1. 光電変換部を有する画素が、多数、1次元状または2次元マトリクス状に配置された固体撮像装置であって、
    前記多数の各画素において、光電変換部の周囲の少なくとも一部に、多層構造による周辺配線部が設けられ、
    前記周辺配線部の少なくとも一部に、前記多層構造の各層を連結する、遮光性の層間連結材が設けられる
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記周辺配線部が、前記光電変換部と、隣接画素の光電変換部との間に設けられる
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記周辺配線部が、前記光電変換部の周囲の複数箇所に設けられる
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  4. 前記周辺配線部に、複数の前記層間連結材が設けられる
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  5. 前記周辺配線部が、前記光電変換部で生じた電荷を変換伝達する増幅回路部を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  6. 前記層間連結材及び前記周辺配線部の少なくとも一方が、特定の電位に接地される
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  7. 前記層間連結材が、前記2次元に関して直線状に設けられる
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  8. 前記画素が、前記2次元に関して多角形状に設けられ、
    前記2次元に関して、前記層間連結材の長さが、前記多角形状の最長辺よりも短い
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  9. 前記画素が、前記2次元に関して多角形状に設けられ、
    前記2次元に関して、前記層間連結材の長さが、前記多角形状の最長対角線よりも短い
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  10. 固体撮像装置を備える電子機器であって、
    前記固体撮像装置は、
    光電変換部を有する画素が、多数、1次元状または2次元マトリクス状に配置された固体撮像装置であって、
    前記多数の各画素において、光電変換部の周囲の少なくとも一部に、多層構造による周辺配線部が設けられ、
    前記周辺配線部の少なくとも一部に、前記多層構造の各層を連結する、遮光性の層間連結材が設けられる
    ことを特徴とする電子機器。
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