JP2008147284A

JP2008147284A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2008147284A
Application number: JP2006330521A
Authority: JP
Inventors: Ko Funamizu; 航船水
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: JP5092378B2

Abstract

【課題】
従来の固体撮像装置は、製造時の面内露光量やエッチングのばらつき等により、各部の容量がばらついて画素感度が変動し、固定パターンノイズとなって画像に現れるという問題があった。
【解決手段】
光を信号電荷に変換する光電変換部と、信号電荷を転送する転送用トランジスタと、転送された信号電荷を保持する浮遊拡散領域と、浮遊拡散領域の信号電位を出力する増幅用トランジスタと、保持された信号電荷をリセットするリセット用トランジスタと、増幅用トランジスタの出力端子に接続された選択用トランジスタとで構成される単位画素がマトリクス状に配置された固体撮像装置において、増幅用トランジスタのゲートおよび浮遊拡散領域の形状を、増幅用トランジスタのゲート部分の容量変動と浮遊拡散領域の容量変動とが互いに打ち消し合うような形状にした。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

一般に、固体撮像装置は複数の単位画素が二次元アレイ状に配置されている。各単位画素は、受光した光を信号電荷に変換するフォトダイオード（ＰＤ）、ＰＤで発生した信号電荷を転送するための転送用トランジスタ、転送された信号電荷を蓄えるフローテイングディフュージョン（ＦＤ：浮遊拡散領域）、増幅用トランジスタ、画素を選択する選択用トランジスタ、ＦＤ部に蓄積された電荷をリセットするリセット用トランジスタなどにより構成されている。

ところが、ＦＤ部の容量や増幅用トランジスタのゲート部の容量の変化は、固体撮像装置の感度の低下やクロストークなどに大きな影響を与えることが知られており、影響ができるだけ小さくなるように配線長を短くするなどの工夫が行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１９５７７６号公報

ところが、ＦＤ部の容量や増幅用トランジスタのゲート部の容量は、製造時の面内露光量ばらつきやエッチングのばらつき等によって、変動するという問題があった。特に、ＦＤ部や増幅用トランジスタのゲート部におけるパターン面積の変動が各部の容量のばらつきに大きな影響を与えるにも拘わらず、これらのばらつきを補償するための工夫が為されていなかった。各部の容量のばらつきは、画素感度のばらつきとなり、固体撮像装置全体では固定パターンノイズとなって画像に現れるため、上記容量のばらつきを抑えることは、固体撮像装置にとって非常に重要な課題である。

本発明の目的は、製造工程で回路各部の容量がばらついても感度のばらつきを抑制することが可能な固体撮像装置を提供することにある。

本発明に係る固体撮像装置は、光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を転送する転送用トランジスタと、前記転送された信号電荷を保持する浮遊拡散領域と、前記浮遊拡散領域の信号電位を出力する増幅用トランジスタと、前記保持された信号電荷をリセットするリセット用トランジスタと、前記増幅用トランジスタの出力端子に接続された選択用トランジスタとで構成される単位画素がマトリクス状に配置された固体撮像装置において、前記増幅用トランジスタのゲートおよび前記浮遊拡散領域の形状を、前記増幅用トランジスタのゲート部分の容量変動と前記浮遊拡散領域の容量変動とが互いに打ち消し合うような形状にしたことを特徴とする。

特に、前記増幅用トランジスタ，前記転送用トランジスタ，前記リセット用トランジスタの少なくとも１つのゲートにダミー領域を設けたことを特徴とする。
さらに、前記ダミー領域は、前記浮遊拡散領域の上方にあって、前記増幅用トランジスタ，前記転送用トランジスタ，前記リセット用トランジスタの少なくとも１つのゲートが酸化膜を挟んで前記浮遊拡散領域と対向する位置に設けたことを特徴とする。

また、前記増幅用トランジスタのゲートが前記選択用トランジスタのソースに重なる部分の辺の長さの和と，前記転送用トランジスタのゲートおよび前記リセット用トランジスタのゲートが前記浮遊拡散領域の境界に位置する各ゲートの辺の長さの和がほぼ等しくなるような形状にしたことを特徴とする。

本発明の固体撮像装置は、ＦＤ部の容量と増幅用トランジスタのゲート部の容量のばらつきを互いに打ち消し合うようにしたので、感度のばらつきを抑制し、固定パターンノイズを少なくすることができる。

以下、本発明に係る固体撮像装置のいくつかの実施形態を説明するが、先ず、各実施形態に共通の固体撮像装置全体の構成について説明する。
図１は固体撮像装置全体を示す平面図で、固体撮像装置１００は、複数の単位画素１０１がマトリクス状に配置されている。同図では、分かり易いように４×４画素の構成を示しているが、実際には１００万画素などで構成される。４×４画素の各単位画素には、垂直走査回路１０２から選択用駆動信号線１０７，リセット用駆動信号線１０８および転送用駆動信号線１０９が配線され、各単位画素で光電変換された信号電荷は電圧に変換されて、定電流源回路１０４によってソースフォロワ回路を構成する各列の垂直信号線に読み出される。例えば、単位画素１０１で光電変換された信号電荷は電圧に変換されて、垂直信号線１０５に読み出される。各列の垂直信号線に読み出された各単位画素の信号は、読み出し回路１０３で水平方向に一行分の信号が読み出され、出力アンプ１０６から出力される。

次に、単位画素１０１の回路構成について、図２を用いて説明する。被写体からの光はフォトダイオード（ＰＤ）２０１で信号電荷として蓄積され、蓄積された信号電荷は転送用トランジスタ（ＴＸ）２０２によって浮遊拡散領域（ＦＤ）２０３に転送されて保持される。尚、信号電荷が転送される前にリセット用トランジスタ（ＲＥＳ）２０４によって浮遊拡散領域２０３の信号電荷がリセットされている。浮遊拡散領域２０３に保持された信号電荷は、増幅用トランジスタ（ＳＦ）２０５のゲート２０５ａに入り、電圧に変換されて増幅される。増幅された信号は、選択用トランジスタ（ＳＥＬ）２０６を介して垂直信号線１０５に読み出される。尚、φＴＸは転送用駆動信号線１０９から転送用トランジスタ２０２のゲートに入力される駆動信号、φＲＥＳはリセット用駆動信号線１０８からリセット用トランジスタ２０４のゲートに入力される駆動信号、φＳＥＬは選択用駆動信号線１０７から選択用トランジスタ２０６のゲートに入力される駆動信号をそれぞれ示す。また、Ｃｆｄは浮遊拡散領域２０３の容量成分、Ｃｓｔｒは増幅用トランジスタ２０５のゲート２０５ａ部分の容量成分、ＶＲはリセット電圧、ＶＤＤは電源をそれぞれ示す。

以下、各実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素１０１の平面図である。尚、図１および図２と同符号のものは同じものを示す。図３において、２０２ａはフォトダイオード２０１に蓄積した信号電荷を浮遊拡散領域２０３に転送するポリシリコンからなる転送用トランジスタ２０２のゲート、２０４ａはリセット用トランジスタ２０４のゲート、２０４ｃはリセット用トランジスタ２０４のソース、２０５ａは増幅用トランジスタ２０５のゲート、２０５ｃは増幅用トランジスタ２０５のドレイン、２０５ｄは増幅用トランジスタ２０５のソース、２０６ａは選択用トランジスタ２０６のゲート、２０６ｃは選択用トランジスタ２０６のソース、２０７はメタル配線、２０８は基板へコンタクトを取るための拡散領域、２０９はＬＯＣＯＳ酸化膜などによって形成されるフィールド部（素子分離領域）をそれぞれ示す。また、２０２ｂ，２０４ｂ，２０６ｂは各駆動信号線に接続されるコンタクト部、２０５ｂおよび２０７ａはメタル配線２０７に接続するコンタクト部、２１１は垂直信号線１０５に接続されるコンタクト部、２０８ａ，２１０，２１２はＧＮＤ（接地），リセット電圧（ＶＲ），ＶＤＤ（電源）にそれぞれ接続するためのコンタクト部を示す。

ここで、切断面Ａ−Ａ’で切断した時の断面について図４を用いて説明する。尚、図３と同符号のものは同じものを示す。図４において、１５０はｎ型半導体基板、１５１はｐ型ウェル、１５２は酸化膜である。尚、製造時には、浮遊拡散領域２０３を形成するための不純物イオン注入を行う際、ＬＯＣＯＳ酸化膜と、転送用トランジスタ２０２のゲート２０２ａと、リセット用トランジスタ２０４のゲート２０４ａのポリシリコンとをマスクとして使用し、セルフアラインによって形成されるので、露光量やエッチングのばらつきによってポリシリコンの線幅が変動する。例えば、転送用トランジスタ２０２のゲート２０２ａは、点線２６２ａのように細くなったり、点線２７２ａのように太くなったりする。同様に、リセット用トランジスタ２０４のゲート２０４ａも、点線２６４ａのように細くなったり、点線２７４ａのように太くなったりする。ポリシリコンの線幅が細くなると浮遊拡散領域２０３の面積が増加して容量が増え、逆にポリシリコンの線幅が太くなると浮遊拡散領域２０３の面積が減少して容量が減る。

次に、浮遊拡散領域２０３の容量Ｃｆｄと、増幅用トランジスタ２０５のゲート２０５ａ部分の容量Ｃｓｔｒとの容量変動について図５を用いて説明する。図５（ａ）は図３の浮遊拡散領域２０３の部分を、図５（ｂ）は図３の増幅用トランジスタ２０５のゲート２０５ａの部分をそれぞれ拡大して描いたものである。
例えば、露光量やエッチングのばらつきによって線幅がΔＷだけ細くなった場合を考えると、図５（ａ）において、転送用トランジスタ２０２のゲート２０２ａの幅がΔＷだけ減るので、浮遊拡散領域２０３の面積は（ΔＷ×Ｌ１）だけ増える。同様に、リセット用トランジスタ２０４のゲート２０４ａの幅もΔＷだけ減るので、浮遊拡散領域２０３の面積は（ΔＷ×Ｌ２）だけ増える。つまり、浮遊拡散領域２０３に面する側の転送用トランジスタ２０２のゲート２０２ａとリセット用トランジスタ２０４のゲート２０４ａの辺の長さの和をＬｆｄとすると、Ｌｆｄ＝Ｌ１＋Ｌ２なので、浮遊拡散領域２０３の面積は（ΔＷ×Ｌｆｄ）だけ増える。面積の増加による容量Ｃｆｄの変動をΔＣｆｄとすると、ΔＣｆｄは（式１）のように表すことができる。

ここで、ε0は真空の誘電率、εfdは酸化膜の比誘電率、ｄfdは酸化膜の厚さである。
同様に、図５（ｂ）の増幅用トランジスタ２０５のソース２０５ｄ側において、増幅用トランジスタ２０５のゲート２０５ａの幅がΔＷだけ減るので、ゲート２０５ａ部分の面積は（ΔＷ×Ｌ３）だけ減る。同様に、増幅用トランジスタ２０５のドレイン２０５ｃ側において、増幅用トランジスタ２０５のゲート２０５ａの幅がΔＷだけ減るので、ゲート２０５ａ部分の面積は（ΔＷ×（Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６））だけ減る。尚、角の部分の面積は微少なので無視する。つまり、ゲート２０５ａがドレイン２０５ｃ側およびソース２０５ｄ側に面する部分のゲート２０５ａの辺の長さの和をＬｓｔｒとすると、Ｌｓｔｒ＝Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６なので、ゲート２０５ａの面積は（ΔＷ×Ｌｓｔｒ）だけ減る。面積の減少による容量Ｃｓｔｒの変動をΔＣｓｔｒとすると、ΔＣｓｔｒは（式２）のように表すことができる。

ここで、ε0は真空の誘電率、εstrは酸化膜の比誘電率、ｄstrは酸化膜の厚さである。
次に、ΔＣｆｄとΔＣｓｔｒが単位画素１０１の出力信号に及ぼす影響について説明する。容量Ｃｆｄと容量Ｃｓｔｒとに蓄えられる電荷をＱ、信号レベルをＡとすると、単位画素１０１の出力レベルＶｏｕｔは（式３）で表すことができる。

（式３）において、ΔＣｆｄとΔＣｓｔｒが等しくなれば、出力レベルＶｏｕｔが安定することが分かる。つまり、ΔＣｆｄを構成する面積（ΔＷ×Ｌｆｄ）と、ΔＣｓｔｒを構成する面積（ΔＷ×Ｌｓｔｒ）が等しくなればよいので、Ｌｆｄ≒Ｌｓｔｒを満たすようにすればよいことが分かる。例えば、図５において（Ｌ１＋Ｌ２）≒（Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６）を満たすように、ダミー領域３０１を形成することで実現できる。

尚、本実施例では、（Ｌ１＋Ｌ２）が（Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５）より長い場合を想定したので、増幅用トランジスタ２０５のゲート２０５ａにダミー領域３０１を設けて、ΔＣｓｔｒを調整するようにした。また、図５では辺Ｌ６の部分にダミー領域３０１を設けたが、例えば、図６に示すように、コンタクト部２１２を囲むようにダミー領域３０２を設けても構わない。この場合は、コンタクト部２１２を囲む部分のゲート２４５ａの部分だけ、辺の長さを長くすることができる。尚、増幅用トランジスタ２０５のゲート２４５ａの面積はできるだけ小さくするのが望ましい。

このように、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、製造時の面内露光量のばらつきやエッチングのばらつきによる出力レベルの変動を打ち消すようにしたので、単位画素１０１の感度のばらつきを抑制することができ、固体撮像素子１００の固定パターンノイズを少なくすることができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る固体撮像装置１００について、図７を用いて説明する。尚、図７において、第１の実施形態の図３と同符号のものは同じものを示す。第１の実施形態と異なるのは、増幅用トランジスタ２０５のゲート２５５ａの形状と、転送用トランジスタ２０２のゲート２５２ａの形状と、リセット用トランジスタ２０４のゲート２５４ａの形状である。第１の実施形態では、図３の増幅用トランジスタ２０５のゲート２０５ａにダミー領域３０１を設けてΔＣｓｔｒを調整するようにしたが、本実施形態では、図７の増幅用トランジスタ２０５のゲート２５５ａにはダミー領域はなく、浮遊拡散領域２０３に面する転送用トランジスタ２０２のゲート２５２ａおよびリセット用トランジスタ２０４のゲート２５４ａにダミー領域３０３を設けている。これは、ΔＣｆｄがΔＣｓｔｒより小さい場合に、ΔＣｆｄを増やしたい時に有効である。

第１の実施形態の図５で説明したように、ダミー領域３０３によって、転送用トランジスタ２０２のゲート２５２ａおよびリセット用トランジスタ２０４のゲート２５４ａが浮遊拡散領域２０３に面する部分の辺の長さＬｆｄを長くすることができ、増幅用トランジスタ２０５のゲート２５５ａのＬｓｔｒと等しくなるように調整することで、製造時の面内露光量ばらつきやエッチングのばらつきによるΔＣｆｄの変動とΔＣｓｔｒの変動とが互いに打ち消され、（式３）で説明したように安定した出力を得ることができる。

このように、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、製造時の面内露光量ばらつきやエッチングのばらつきによる出力レベルの変動を打ち消すようにしたので、単位画素１０１の感度のばらつきを抑制することができ、固体撮像素子１００の固定パターンノイズを少なくすることができる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る固体撮像装置１００について、図８を用いて説明する。尚、図８において、第１の実施形態の図３および第２の実施形態の図７と同符号のものは同じものを示す。

第１の実施形態では、増幅用トランジスタ２０５のゲート２０５ａにダミー領域３０１を設けてΔＣｓｔｒを調整するようにした。また、第２の実施形態では、転送用トランジスタ２０２のゲート２５２ａとリセット用トランジスタ２０４のゲート２５４ａにダミー領域３０３を設けてΔＣｆｄを調整するようにした。本実施形態では、増幅用トランジスタ２０５のゲート２０５ａにダミー領域３０１を、転送用トランジスタ２０２のゲート２５２ａとリセット用トランジスタ２０４のゲート２５４ａにダミー領域３０３をそれぞれ設けてΔＣｆｄとΔＣｓｔｒの両方を調整できるようになっている。

ΔＣｆｄとΔＣｓｔｒの両方を調整する方法は、第１および第２の実施形態と同様で、転送用トランジスタ２０２のゲート２５２ａおよびリセット用トランジスタ２０４のゲート２５４ａが浮遊拡散領域２０３に面する部分の辺の長さＬｆｄと、増幅用トランジスタ２０５のゲート２０５ａの辺の長さＬｓｔｒとが同じになるように調整することで、製造時の面内露光量ばらつきやエッチングのばらつきによるΔＣｆｄの変動とΔＣｓｔｒの変動とが互いに打ち消されて、（式３）で説明したように安定した出力を得ることができる。

このように、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、製造時の面内露光量ばらつきやエッチングのばらつきによる出力レベルの変動を打ち消すようにしたので、単位画素１０１の感度のばらつきを抑制することができ、固体撮像素子１００の固定パターンノイズを少なくすることができる。
尚、本実施形態では、ダミー領域３０３の形状は一例を述べただけで、ΔＣｆｄの変動とΔＣｓｔｒの変動が互いに打ち消される条件、つまりＬｆｄ≒Ｌｓｔｒを満たせば、他の形状のダミー領域を作成しても構わない。

本発明の各実施形態に係る固体撮像装置１００のブロック図である。本発明の各実施形態に係る固体撮像装置１００の単位画素１０１の回路図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の単位画素１０１の平面図である。単位画素１０１の断面図である。単位画素１０１の一部を拡大した平面図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の単位画素１０１のその他の例を示す平面図である。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置１００の単位画素１０１の平面図である。本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置１００の単位画素１０１の平面図である。

符号の説明

１０１・・・単位画素２０１・・・フォトダイオード
２０２・・・転送用トランジスタのゲート
２０２ａ，２５２ａ・・・転送用トランジスタのゲート
２０３・・・浮遊拡散領域２０４・・・リセット用トランジスタ
２０４ａ，２５４ａ・・・リセット用トランジスタのゲート
２０５・・・増幅用トランジスタ
２０５ａ，２５５ａ・・・増幅用トランジスタのゲート
２０６・・・選択用トランジスタ
３０１，３０２，３０３・・・ダミー領域

Claims

光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を転送する転送用トランジスタと、前記転送された信号電荷を保持する浮遊拡散領域と、前記浮遊拡散領域の信号電位を出力する増幅用トランジスタと、前記保持された信号電荷をリセットするリセット用トランジスタと、前記増幅用トランジスタの出力端子に接続された選択用トランジスタとで構成される単位画素がマトリクス状に配置された固体撮像装置において、
前記増幅用トランジスタのゲートおよび前記浮遊拡散領域の形状を、前記増幅用トランジスタのゲート部分の容量変動と前記浮遊拡散領域の容量変動とが互いに打ち消し合うような形状にしたこと
を特徴とする固体撮像装置。
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記増幅用トランジスタ，前記転送用トランジスタ，前記リセット用トランジスタの少なくとも１つのゲートにダミー領域を設けたこと
を特徴とする固体撮像装置。
請求項２に記載の固体撮像装置において、
前記ダミー領域は、前記浮遊拡散領域の上方にあって、前記増幅用トランジスタ，前記転送用トランジスタ，前記リセット用トランジスタの少なくとも１つのゲートが酸化膜を挟んで前記浮遊拡散領域と対向する位置に設けたこと
を特徴とする固体撮像装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
前記増幅用トランジスタのゲートが前記選択用トランジスタのソースに重なる部分の辺の長さの和と，前記転送用トランジスタのゲートおよび前記リセット用トランジスタのゲートが前記浮遊拡散領域の境界に位置する各ゲートの辺の長さの和がほぼ等しくなるような形状にしたこと
を特徴とする固体撮像装置。