JP2008108917A - 固体撮像装置及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【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
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。
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。
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L1´)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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L1)、及び配線における変調によるクロストークの抑制(図中L2)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
Claims (10)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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