JP2008277511A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】CMOSイメージセンサにおいて画素微細化に不利になることを回避できて、かつ、グローバル電子シャッターを採用することができる撮像素子及び撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の撮像素子10は、光学素子基板部1の一方の面側から照射される入射光を光電変換することで信号電荷を発生させて、光学素子基板部1の他方の面側から読み出して撮像を行う構成であって、入射光を光電変換することで信号電荷を生じせしめるため、光学素子基板部1に形成された光電変換層と、光学素子基板部1の他方の面側に、光電変換層で生成された信号電荷を転送可能に接合されたCMOS回路基板部2とを備え、光電変換層に、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部25と、電荷蓄積部25に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出しトランジスタとが形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、撮像素子に関し、特に光電変換によって生成した信号電荷を蓄積し、所望のタイミングで信号電荷を読み出すことができる撮像素子及び撮像装置に関する。
従来のCMOSイメージセンサとしては、図4に示す画素等価回路の構成のものが知られている。図4に示すように、CMOSイメージセンサは、フォトダイオードで生成された信号電荷の読み出しを1画素づつ順に行う走査型読み出し方式を採用している。この方式の場合、撮像エリアにおいて、読み出しを行う順の早い画素と遅い画素との間で露光時間がずれてしまうことに起因して、動きのある被写体を撮像した際に、撮像画像が歪んでしまうという欠点がある。
走査型読み出し方式の欠点を解決するため、下記の非特許文献1のように、読み出し動作を高速にしてフレームレートを増やし、画素間の露光時間のずれを小さくすることで撮像画像の歪みを低減することが提案されている。
一方、CCDイメージセンサでは、フォトダイオードのリセット動作が全画素に対して一斉にかかりフォトダイオードから電荷転送路への読み出し動作もほぼ同時であるため、画素間の露光時間の同時性が確立されている(特に、プログレッシブスキャンCCD)。CMOSイメージセンサでは、下記特許文献2に示すように、画素内に遮光された蓄積部を設けることで、信号電荷を蓄積部に一時的に蓄え、同じタイミングで信号電荷を読み出す機能を実現することができる。
ITE Technical Report vol.30 No.25 pp21-24 特開2006−148104号公報
しかし、CMOSイメージセンサにおいて、信号電荷を蓄積するための蓄積部を設ける構成は、信号電荷を生成するフォトダイオードと同じ静電容量を有する素子が必要となり、画素微細化の際にCMOS回路では不利となることから、一般的に採用されていない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、CMOSイメージセンサにおいて画素微細化に不利になることを回避できて、かつ、グローバル電子シャッターを採用することができる撮像素子及び撮像装置を提供することにある。
本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
(1)光学素子基板部の一方の面側から照射される入射光を光電変換することで信号電荷を発生させて、前記光学素子基板部の他方の面側から読み出して撮像を行う撮像素子であって、
入射光を光電変換することで信号電荷を生じせしめるため、前記光学素子基板部に形成された光電変換層と、
前記光学素子基板部の前記他方の面側に、前記光電変換層で生成された信号電荷を転送可能に接合されたCMOS回路基板部とを備え、
前記光電変換層に、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出しトランジスタとが形成されていることを特徴とする撮像素子。
(2)前記読み出しトランジスタに接続され、前記光電素子基板部の前記他方の面側に画素ごとに設けられた素子側接続端子と、前記CMOS回路基板部の表面に画素ごとに設けられ、前記素子側接続端子と接続する回路側接続端子とを有することを特徴とする上記(1)に記載の撮像素子。
(3)前記読み出しトランジスタには、前記光電変換層における前記CMOS回路基板部側の界面に高濃度p層が形成されていることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の撮像素子。
(4)前記CMOS回路基板部に、配線層と、前記配線層の少なくとも一部を用いて形成されたスタック型の蓄積容量部と、前記蓄積容量部の容量を安定させるための電圧固定電極とを備えていることを特徴とする上記(1)から(3)のいずれか1つに記載の撮像素子。
(5)前記CMOS回路基板部に、信号電荷を検出する電荷検出領域と、前記電荷検出領域に信号電荷を転送するための転送トランジスタとが形成されていることを特徴とする上記(1)から(4)のいずれか1つに記載の撮像素子。
(6)上記(1)から(5)に記載の撮像素子と、
前記読み出しトランジスタに、前記CMOS回路基板部に印加する駆動電圧より高い電圧の読み出しパルスを印加する電圧印加手段とを備えていることを特徴とする撮像装置。
本発明によれば、光学素子基板部に、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から信号電荷を読み出すための読み出しトランジスタを設けた構成であるため、CMOS回路基板部に光電変換部の電荷蓄積容量より大きい容量の電荷蓄積部を設ける必要がなく、CMOS回路基板部の高密度化の妨げることを回避できる。
また、読み出しトランジスタによる読み出し動作後には光電変換部を完全に空乏化する完全転送が実現できるため、残像などの発生を防止することができる。
さらに、光電変換部からCMOS回路基板部への電荷の読み出し動作は、読み出しトランジスタを一律に制御することによって同時に実行できるため、読み出し動作の同時性を確保でき、読み出し動作に高速なクロックを使用する必要がない。こうすれば、読み出しパルスの電圧振幅を上げても消費電力はそれほど増えない。光学素子基板部とCMOS回路基板部とが、それぞれ別の半導体基板で構成でき、それぞれにトランジスタを構成した場合に、CMOS回路基板部の動作電圧によって制限されることがなく、光学素子基板部を高耐圧プロセスを利用して製造し、高電圧で読み出しできる光電変換部を形成することが可能である。このため、光電変換部の飽和蓄積電荷量を大幅に増加させることができる。
本発明によれば、CMOSイメージセンサにおいて画素微細化に不利になることを回避できて、かつ、グローバル電子シャッターを採用することができる撮像素子及び撮像装置を提供できる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図1は、本発明にかかる撮像素子の構成を示す断面図である。本発明にかかる撮像素子10は、光学素子基板部1と、光学素子基板部1の光が入射する側とは反対側に接合されたCMOS回路基板部2とで構成される。撮像素子10は、光学素子基板部1の一方の面側から照射される入射光を光電変換することで信号電荷を発生させて、光学素子基板部の他方の面側から読み出して撮像を行うものである。なお、本実施形態では、図1に示すように光学素子基板部1の上側から光を入射させて、信号電荷を光学素子基板部1の下側から読み出す構成である。
光学素子基板部1は、p−型のシリコン層(p−層)16と、p−型のシリコン層16よりも不純物濃度の高いp+型のシリコン層(p+層)17とからなるp型半導体基板を備えている。p型半導体基板及びn層14が、入射光に応じて信号電荷を生成する光電変換層として機能する。本実施形態において、光電変換層の空乏層の厚さが5μm以上20μm以下であることであることが好ましい。
p型半導体基板の下側の面の近傍には、n−型の不純物拡散層(n−層)14が、面に対して平行に複数配列されている。また、n−層14の下部には、p型のシリコン層(p層)27が、n−層14ごとに形成されている。n−層14の水平方向(図1中の左右の方向)両側には、p型不純物拡散層からなる素子分離領域15が形成されている。
p層27の水平方向に対して一方の端部の領域には、n−層14より不純物濃度が高いn型のシリコン層(n層)25と、p+型のシリコン層(p+層)26とが積層されている。
また、p層27の水平方向に対して、n層25及びp+層26とを形成した側とは反対側の他方の端部に、n層25よりも不純物濃度の高いn+型のシリコン層(n+層)28が形成されている。n層25及びn+層28は、p層27の下側表面において同一面上に形成されている。
p層27の下面(n層25及びn+層28が形成された面)には、ゲート絶縁膜12を介して、絶縁層11が形成されている。
絶縁層11のp層27側の界面には、読み出し電極29が画素ごとに面に対して平行に複数配列されている。読み出し電極29は、図示しない電圧印加手段に接続され、同じ電圧を同時に印加することができる構成である。
本実施形態では、p層27、n層25、p+層26、n+層28、読み出し電極29が読み出しトランジスタを構成しており、また、n層25が光電変換部で生成された信号電荷を読み出し前に一時的に蓄える電荷蓄積部(以下、電荷蓄積部25ともいう。)として機能する。この構成によれば、駆動時に、電荷蓄積部25に信号電荷を蓄積した後、各画素に対応する読み出し電極29に同時に同じ電圧の読み出しパルスを印加することで、電荷蓄積部25の信号電荷をn+層28に読み出すことができる。
絶縁層11には、n+層28の下面に電気的に接続され、上下方向に延設された柱形状のプラグ電極23が形成され、プラグ電極23の下方端部に素子側接続端子として機能するマイクロバンプ24が形成されている。マイクロバンプ24は、絶縁層11の下面において、外部に露呈するように形成されている。
p+層17の上面には、入射光に対して透明な絶縁層18が形成されている。また、絶縁層18の上面には、絶縁層18とp型半導体基板との屈折率差に起因して生じる、p型半導体基板の下面での光の反射を防止するために、窒化シリコンやダイヤモンド構造炭素膜等の入射光に対して透明な高屈折率層19が形成されている。
高屈折率層19の上には、画素ごとにR(赤)、G(緑)、B(青)のいずれか1つが所定のパターンで配置されてなるカラーフィルタ層21が形成されている。カラーフィルタ層21の上には、上方に突出する湾曲面を有する上凸レンズ形状のマイクロレンズ層22が形成されている。なお、マイクロレンズ層22は設けずに、高屈折率層19の上にカラーフィルタ層21のみを形成した構成としてもよい。
CMOS回路基板部2は、絶縁層32を有し、該絶縁層32の上面には、光学素子基板部1の下面に接合させた状態で、下面に露呈するマイクロバンプ24に接続し、且つ、回路側接続端子として機能するマイクロバンプ33が形成されている。
また、絶縁層32には、マイクロバンプ33に電気的に接続され、上下方向に延設されたプラグ電極34と、プラグ電極34に接続されたアルミニウム等の配線層35とが形成されている。絶縁層32の下面には、ゲート絶縁膜39を介してp型の不純物拡散層からなる半導体基板31が設けられている。
半導体基板31の上面近傍には、プラグ電極34の下方端部と接続されるn+型の不純物拡散層からなり、検出される信号電荷を一時的に蓄積させる検出前電荷蓄積部36と、検出前電荷蓄積部36に対して水平方向に間隔をおいて設けられたn+型の不純物拡散層からなる電荷検出領域38とが形成されている。また、ゲート絶縁膜39の上面には、検出前電荷蓄積部36に蓄積した信号電荷を電荷検出領域38へ転送するための転送電極37が形成されている。
上記の構成を有する撮像素子10は、マイクロレンズ層22に入射した光が、カラーフィルタ層21を透過し、p型半導体基板で信号電荷に光電変換され、生成された信号電荷が電荷蓄積部25に一時的に蓄えられる。そして、読み出し電極29に同時に同じ電圧の読み出しパルスを印加することで、全ての画素ごとに電荷蓄積部25の信号電荷をn+層28に同時に読み出す。n+層28に読み出された信号電荷は、プラグ電極23を介してマイクロバンプ24に移され、接合されたCMOS回路基板部2のマイクロバンプ33と、更にプラグ電極34とを介して、CMOS回路基板部2の半導体基板31の検出前電荷蓄積部36に蓄積される。そして、転送電極37に電圧が印加されることで、検出前電荷蓄積部36に蓄積された信号電荷が電荷検出領域38に転送され、その後、各画素内のアンプに入力される。
本実施形態の構成によれば、光学素子基板部1に、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から信号電荷を読み出すための読み出しトランジスタを設けた構成であるため、CMOS回路基板部2に光電変換部の電荷蓄積容量より大きい容量の電荷蓄積部を設ける必要がなく、CMOS回路基板部2の高密度化を妨げることを回避できる。
また、読み出しトランジスタによる読み出し動作後には光電変換部を完全に空乏化する完全転送が実現できるため、残像などの発生を防止することができる。
さらに、電荷蓄積部25からn+層28及び検出前電荷蓄積部36への電荷の読み出し動作は、読み出しトランジスタを一律に制御することによって同時に実行できるため、読み出し動作の同時性を確保でき、読み出し動作に高速なクロックを使用する必要がない。こうすれば、読み出しパルスの電圧振幅を上げても消費電力はそれほど増えない。光学素子基板部1とCMOS回路基板部2とが、それぞれ別の半導体基板で構成でき、それぞれにトランジスタを構成した場合に、CMOS回路基板部2の動作電圧によって制限されることがなく、光学素子基板部1を高耐圧プロセスを利用して製造し、高電圧で読み出しできる光電変換部を形成することが可能である。このため、光電変換部の飽和蓄積電荷量を大幅に増加させることができる。
図2は、本発明にかかる撮像素子の別の実施形態の構成を示す断面図である。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。
本実施形態の撮像素子10の基本的な構成は、図1に示す上記実施形態の構成のものと同じである。以下、上記実施形態と相違する点についてのみ説明する。
図2に示す構成の撮像素子10では、CMOS回路基板部2において、配線層35の少なくとも一部を用いて形成されたスタック型の蓄積容量部42が形成されている。本構成では、蓄積容量部42は、配線層35の一部を水平方向に延設することで、蓄積できる電荷容量を確保した構成である。なお、蓄積容量部42の構成は、図2に示す構成に限定されず、所望の電荷容量を蓄積できる範囲で適宜に変更することができる。
また、CMOS回路基板部2には、蓄積容量部42の容量を安定させるための電圧固定電極41が設けられている。撮像素子10の駆動時に、電圧固定電極41に図示しない固定電圧印加手段によって所定の電圧が印加され、電圧固定電極41の電圧に応じて、蓄積容量部42の電圧が一定に保持される。
このような構成によれば、蓄積容量部42において、光学素子基板部1の光電変換部で生成される信号電荷を蓄積するために十分な蓄積容量を確保することができる。
図3は、本発明にかかる撮像素子の画素単位の等価回路を示す図である。図3中の「PD」は、光学素子基板部1に設けられた光電変換部を示し、「S」は読み出しトランジスタを示し、「C」はn+層28を示している。また、「S」は、CMOS回路基板部2に設けられた転送トランジスタを示し、「C」は検出前電荷蓄積部36を示している。
撮像素子の駆動時の動作を図3を用いて説明する。光学素子基板部1の撮像面に入射光が照射されると、光学素子基板部1に構成された光電変換部(PD)によって信号電荷が生成され、電荷蓄積部25に蓄積される。そして、読み出しトランジスタ(S)に、各画素間に同時に読み出しパルスを印加する。すると、電荷蓄積部25に蓄積された信号電荷がn+層28(C)に読み出される。n+層28は読み出し後に、信号電荷を蓄積するための読み出し後蓄積部として機能する。また、光学素子基板部1とCMOS回路基板部2とが素子側接続端子及び回路側接続端子によって接続されているため、検出前電荷蓄積部36(C)にも信号電荷の一部が蓄積される。その後、転送トランジスタ(S)に電圧が印加されると、n+層28(C)及び検出前電荷蓄積部36(C)に蓄積された電荷が電荷検出領域38に転送されて画素内のアンプに入力される。
本発明は、上記実施形態の撮像素子を適用した撮像装置であってもよい。本発明にかかる撮像装置は、光学素子基板部1とCMOS回路基板部2とからなる撮像素子10を備え、光学素子基板部1の光電変換層に、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部25と、電荷蓄積部25に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出しトランジスタとが形成されている。また、撮像装置は、読み出しトランジスタに、CMOS回路基板部2に印加する駆動電圧より高い電圧の読み出しパルスを印加する電圧パルス発生部などの電圧印加手段とを備えている。このような構成の撮像装置によれば、光電変換部からCMOS回路基板部への電荷の読み出し動作は、読み出しトランジスタを一律に制御することによって同時に実行できるため、また、読み出し動作の同時性を確保でき、読み出し動作に高速なクロックを使用する必要がない。したがって、本発明の撮像装置は、グローバル電子シャッターを備えたデジタルカメラに好適である。
撮像素子の構成を示す断面図である。 撮像素子の他の構成を示す断面図である。 撮像素子の画素単位の等価回路を示す図である。 従来のCMOSイメージセンサの画素等価回路の構成を示す図である。
符号の説明
1 光学素子基板部
2 CMOS回路基板部
10 撮像素子
25 電荷蓄積部
41 電圧固定電極
42 蓄積容量部

Claims (6)

  1. 光学素子基板部の一方の面側から照射される入射光を光電変換することで信号電荷を発生させて、前記光学素子基板部の他方の面側から読み出して撮像を行う撮像素子であって、
    入射光を光電変換することで信号電荷を生じせしめるため、前記光学素子基板部に形成された光電変換層と、
    前記光学素子基板部の前記他方の面側に、前記光電変換層で生成された信号電荷を転送可能に接合されたCMOS回路基板部とを備え、
    前記光電変換層に、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出しトランジスタとが形成されていることを特徴とする撮像素子。
  2. 前記読み出しトランジスタに接続され、前記光電素子基板部の前記他方の面側に画素ごとに設けられた素子側接続端子と、前記CMOS回路基板部の表面に画素ごとに設けられ、前記素子側接続端子と接続する回路側接続端子とを有することを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
  3. 前記読み出しトランジスタには、前記光電変換層における前記CMOS回路基板部側の界面に高濃度p層が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像素子。
  4. 前記CMOS回路基板部に、配線層と、前記配線層の少なくとも一部を用いて形成されたスタック型の蓄積容量部と、前記蓄積容量部の容量を安定させるための電圧固定電極とを備えていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の撮像素子。
  5. 前記CMOS回路基板部に、信号電荷を検出する電荷検出領域と、前記電荷検出領域に信号電荷を転送するための転送トランジスタとが形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の撮像素子。
  6. 上記請求項1から5に記載の撮像素子と、
    前記読み出しトランジスタに、前記CMOS回路基板部に印加する駆動電圧より高い電圧の読み出しパルスを印加する電圧印加手段とを備えていることを特徴とする撮像装置。
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