JP2009283809A

JP2009283809A - 固体撮像装置

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Publication number: JP2009283809A
Application number: JP2008136330A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sato; 尚佐藤; Yukimasa Ishida; 幸政石田; Yasushi Yamazaki; 泰志山崎
Original assignee: Epson Imaging Devices Corp
Current assignee: Epson Imaging Devices Corp
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】光電変換素子の形成領域を広げて光電変換特性を向上した場合でも、走査線の電位の影響を受けることがなく、さらに、電界効果型トランジスタの光リーク電流の発生を確実に防止することのできる固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】固体撮像装置１００において、光電変換素子８０は、複数本の走査線３ａのうち、この光電変換素子８０が属する画素１００ａ_nを制御する自段の走査線３ａ_nと、この画素１００ａより前段に位置する画素１００ａ_n-1を制御する前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域から、前段の走査線３ａ_n-1を跨ぐ領域まで形成され、前段の画素１００ａ_n-1に属する電界効果型トランジスタ３０_n-1の半導体膜１ａに平面視で重なっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、入射光を電気信号に変換する固体撮像装置に関するものである。

医療画像診断や非破壊検査等においてはＸ線などの放射線を用いて撮像しているが、放射線の撮影では縮小光学系の実現が難しいことから等倍での撮像が必要とされる。従って、医療画像診断や非破壊検査等には、大面積の撮像面が求められるので、ガラスなどの基板に対して各種薄膜を堆積させて複数の画素をマトリクス状に構成した固体撮像装置が用いられる。また、固体撮像装置によって２次元イメージセンサを構成する場合も、大面積の撮像面が求められるので、ガラスなどの基板に対して各種薄膜を堆積させて複数の画素がマトリクス状に構成される。

具体的には、支持基板上の撮像領域内に、所定方向に延在する複数本の走査線と、これらの走査線と交差する方向に延在する複数本のデータ線とが形成され、走査線とデータ線との各交差に対応する位置には、走査線により制御される電界効果型トランジスタ、およびこの電界効果型トランジスタを介してデータ線に電気的に接続された光電変換素子を備えた複数の画素が形成されている。従って、走査線を介して供給される走査信号によって電界効果型トランジスタをオンオフさせれば、各画素に蓄積された電荷に対応する信号を、データ線を介して検出することができる（特許文献１参照）。

このような固体撮像装置を、光電変換素子としてＰＩＮ型フォトダイオードを用い、支持基板の両面のうち、走査線、データ線、電界効果型トランジスタ、および光電変換素子が形成されている面側からに光が入射するように構成する場合は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように構成される。なお、図６（ａ）、（ｂ）に示す構成は、本発明との対比のために本願発明者が案出した参考例であり、従来技術ではない。

図６（ａ）、（ｂ）に示す固体撮像装置では、支持基板１０上の撮像領域内に、Ｘ方向に延在する複数本の走査線３ａと、Ｘ方向に対して交差するＹ方向に延在する複数本のデータ線６ａとが形成され、走査線３ａとデータ線６ａとの各交差に対応する位置には、走査線３ａにより制御される電界効果型トランジスタ３０、およびこの電界効果型トランジスタ３０を介してデータ線６ａに電気的に接続された光電変換素子８０を備えた複数の画素１００ａとが構成されている。光電変換素子８０は、複数の薄膜が積層されたＰＩＮフォトダイオードからなり、光電変換素子８０の第１電極８１ａは電界効果型トランジスタ３０のドレインに電気的接続する一方、光電変換素子８０の透光性の第２電極８５ａはバイアス線５ａに電気的接続している。従って、光電変換素子８０は、透光性の第２電極８５ａの側から光が入射した際、入射光量に対応する電荷を発生させる。

このように構成した複数の画素１００ａの各々において、電界効果型トランジスタ３０および光電変換素子８０は、複数本の走査線３ａのうち、自身が属する画素１００ａを制御する自段の走査線３ａ_nと、前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域内において、平面視でずれた位置に形成されているが、互いに近接した位置に形成されている。
特許第３１４４０９１号公報

このような固体撮像装置において、その光電変換特性を向上させるには、光電変換素子８０の形成領域を広げる必要があるが、光電変換素子８０の形成領域を、自身が属する画素１００ａを制御する自段の走査線３ａ_nと平面視に重なる領域まで広げると、光電変換素子８０で発生した電荷を正確に読み出すことができなくなる。すなわち、光電変換素子８０で発生した電荷を読み出す際、自段の走査線３ａ_nには電界効果型トランジスタ３０をオンとする走査信号が印加されているので、自段の走査線３ａ_nと第１電極８１ａとの間に介在する寄生容量の影響で第１電極８１ａの電位が変動してしまう。このため、従来は、１５０μｍの画素ピッチで光電変換素子８０が占有する面積が５０％程度であるなど、光電変換素子８０の形成領域を広げることができず、光電変換特性が低いという問題点がある。

また、図６（ａ）、（ｂ）に示す構造では、入射した光が電界効果型トランジスタ３０の能動層を構成する半導体膜１ａに届いて電界効果型トランジスタ３０に光リーク電流が発生しやすいという問題点があり、かかる光リーク電流は、光電変換特性を低下させる。すなわち、光電変換素子８０が電荷を蓄える際、電界効果型トランジスタ３０に光リーク電流が発生すると、光電変換素子８０が蓄えようとする電荷が電界効果型トランジスタ３０を介して漏れてしまい、入射光量に対応する電荷を正確に蓄えることができない結果、微小なデータが消失する。また、光電変換素子８０が電荷を蓄えた以降においても、電界効果型トランジスタ３０に光リーク電流が発生すると、光電変換素子８０が蓄えた電荷が電界効果型トランジスタ３０を介して漏れてしまい、情報を正確に読み出すことができなくなってしまう。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、光電変換素子の形成領域を広げて光電変換特性を向上した場合でも、走査線の電位の影響を受けることのない固体撮像装置を提供することにある。

次に、本発明の課題は、電界効果型トランジスタの光リーク電流の発生を確実に防止して、光電変換特性を向上することのできる固体撮像装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明では、支持基板上の撮像領域内に、所定方向に延在する複数本の走査線と、該複数本の走査線と交差する方向に延在する複数本のデータ線とが形成され、前記走査線と前記データ線との各交差に対応する位置には、前記走査線により制御される電界効果型トランジスタ、および該電界効果型トランジスタを介して前記データ線に電気的に接続された光電変換素子を備えた複数の画素が形成された固体撮像装置において、前記複数の画素の各々において、前記光電変換素子は、前記複数本の走査線のうち、当該光電変換素子が属する画素を制御する自段の走査線と、当該画素より前段に位置する画素を制御する前段の走査線とによって挟まれた領域から前記前段の走査線の少なくとも一部と絶縁膜を介して平面視で重なる領域まで形成されていることを特徴とする。

本発明では、光電変換素子は、自段の走査線と前段の走査線とによって挟まれた領域から前段の走査線の少なくとも一部と絶縁膜を介して平面視で重なる領域まで形成されているため、光電変換素子の形成領域を広げて光電変換特性を向上させた場合でも、自段の走査線に対して平面視でずれている。このため、光電変換素子の形成領域を広げた場合でも、光電変換素子の第１電極の電位が自段の走査線の影響で変動しないので、光電変換素子で発生させた電荷を確実に読み出すことができる。

本発明では、前記複数の画素の各々において、前記光電変換素子は、前記自段の走査線に対して平面視で完全にずれた領域に形成されていることが好ましい。このように構成すると、光電変換素子の形成領域を広げた場合でも、光電変換素子の第１電極の電位は、自段の走査線から一切の影響を受けないので、光電変換素子で発生させた電荷を確実に読み出すことができる。

本発明では、前記複数の画素の各々において、前記光電変換素子は、前記自段の走査線と前記前段の走査線とによって挟まれた領域から当該前段の走査線を跨ぐ領域まで形成されていることが好ましい。このように構成すると、光電変換素子の形成領域を十分、広げた場合でも、光電変換素子が自段の走査線から離間しているので、光電変換素子の第１電極の電位は、自段の走査線から一切の影響を受けず、光電変換素子で発生させた電荷を確実に読み出すことができる。

本発明では、前記複数の画素の各々において、前記光電変換素子を構成する複数の薄膜のうち、少なくとも１つの遮光膜は、前記前段の走査線を跨いで、前記前段の画素に属する前記電界効果型トランジスタの能動層に対して光入射側において当該能動層に絶縁膜を介して平面視で重なっていることが好ましい。このように構成すると、電界効果型トランジスタの能動層に入射しようとする光を、光電変換素子を構成する遮光性の薄膜で遮ることができる。従って、電界効果型トランジスタに光リーク電流が発生しないので、光電変換素子が電荷を蓄える際、および光電変換素子が電荷を蓄えた以降のいずれにおいても、光リーク電流に起因する電荷も漏れが発生しないので、光電変換特性を向上することができる。

本発明では、前記複数の画素の各々において、前記光電変換素子全体が、前記前段の走査線を跨いで、前記前段の画素に属する前記電界効果型トランジスタの能動層に対して光入射側において当該能動層に絶縁膜を介して平面視で重なっている構成を採用してもよい。光電変換素子を構成する薄膜の多くが遮光性を備えているので、光電変換素子全体で電界効果型トランジスタの能動層を覆えば、電界効果型トランジスタの能動層に光が入射しようとするのを確実に防止することができる。

本発明においては、前記支持基板の両面のうち、前記走査線、前記データ線、前記電界効果型トランジスタ、および前記光電変換素子が形成されている面側から光が入射する構成を採用することができる。

この場合、前記電界効果型トランジスタは、前記支持基板の下層側から上層側にゲート電極、ゲート絶縁膜、および能動層が順に積層されたボトムゲート構造を備えている構成を採用することができる。すなわち、電界効果型トランジスタがボトムゲート構造を備えている場合、能動層に入射しようとする光をゲート電極で遮ることができないが、本発明によれば、能動層に入射しようとする光を、光電変換素子を構成する遮光性の薄膜あるいは光電変換素子全体で遮ることができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。また、以下の説明では、図６を参照して説明した構成との対比が分りやすいように、共通する機能を有する部分には同一の符号を付して説明する。電界効果型トランジスタの場合、その導電型や電流が流れる方向によって、ソースとドレインとが入れ替わるが、本発明では、便宜上、光電変換素子が接続されている側をドレインとし、信号線（データ線）が接続されている側をソースとしてある。また、以下の説明において、Ｙ方向に配列された多数の画素１００ａ、電界効果型トランジスタ３０および光電変換素子８０のうち、Ｙ方向の１つの画素１００ａ、電界効果型トランジスタ３０および光電変換素子８０を示す場合には符号の後に添え字「n」を付し、それより前段に位置する画素１００ａ、電界効果型トランジスタ３０および光電変換素子８０を示す場合には符号の後に添え字「n-1」を付し、後段に位置する画素１００ａ、電界効果型トランジスタ３０および光電変換素子８０を示す場合には符号の後に添え字「n+1」を付して説明する。

［実施の形態１］
（全体構成）
図１および図２は各々、本発明を適用した固体撮像装置の電気的構成を示すブロック図、および外観を模式的に示す説明図である。

図１に示す固体撮像装置１００は、Ｘ方向に延在する複数本の走査線３ａと、Ｘ方向と交差するＹ方向に延在する複数本のデータ線６ａとを有している。走査線３ａとデータ線６ａとの交差に対応する各位置には画素１００ａが配置されており、これら複数の画素１００ａがマトリクス状に配置された領域によって撮像領域１００ｃが構成されている。複数の画素１００ａの各々には、入射光量に応じた電荷を発生させる光電変換素子８０、およびこの光電変換素子８０に電気的に接続された電界効果型トランジスタ３０が形成されており、本形態において、光電変換素子８０はＰＩＮフォトダイオードからなる。走査線３ａは電界効果型トランジスタ３０のゲートに電気的接続し、データ線６ａは電界効果型トランジスタ３０のソースに電気的接続している。電界効果型トランジスタ３０のドレインは、光電変換素子８０の第１電極８１ａ（カソード）に電気的接続している。本形態では、データ線６ａと並列するようにバイアス線５ａが延在しており、バイアス線５ａは、光電変換素子８０の第２電極８５ａ（アノード）に電気的接続している。ここで、バイアス線５ａには定電位が印加されており、光電変換素子８０に逆バイアスを印加することができる。バイアス線５ａは、走査線３ａと並列するように延在している構成を採用することもできる。定電位をバイアス線５ａに印加するにあたって、本形態では、複数本のバイアス線５ａを１本の主線を介して走査線駆動回路１１０に向けて引き回した構成が採用されている。

複数の画素１００ａの各々には保持容量９０を備えており、かかる保持容量９０の一方の電極は、光電変換素子８０の第１電極８１ａと同様、電界効果型トランジスタ３０のドレインに電気的接続され、保持容量９０の他方の電極は、光電変換素子８０の第２電極８５ａと同様、バイアス線５ａに電気的接続されている。このため、保持容量９０は、光電変換素子８０に並列に電気的接続されている。ここで、保持容量９０は、光電変換素子８０に逆バイアスを印加した際、光電変換素子８０に生成される空乏層などにより形成される構成や、かかる空乏層により形成される容量成分に加えて、別途、画素１００ａに対して光電変換素子８０とは並列に電気的接続された蓄積容量を形成することによっても構成される。いずれの場合も、保持容量９０は、光電変換素子８０で発生した電界を蓄積し、かかる保持容量９０に蓄積された電荷は、画素１００ａで受光した光量に対応する。

複数の走査線３ａは走査線駆動回路１１０に接続されており、各画素１００ａの電界効果型トランジスタ３０は、走査線駆動回路１１０から出力された走査信号（ゲートパルス）によって矢印Ｙの方向に順次、オンオフする。複数のデータ線６ａは、読出回路１２０に接続されており、電界効果型トランジスタ３０のオンオフ動作に連動して、各画素１００ａでの入射光量に応じた電気信号が順次、データ線６ａを介して読出回路１２０に出力される。読出回路１２０は、オペアンプとキャパシタとにより構成されるいわゆるチャージセンシングアンプを備えている。

かかる固体撮像装置１００において、図１を参照して説明した走査線３ａ、データ線６ａ、バイアス線５ａ、画素１００ａ（光電変換素子８０、電界効果型トランジスタ３０、保持容量９０）は、図２に示す支持基板１０上に形成される。ここで、支持基板１０の略中央領域は、上記の画素１００ａが複数マトリクス状に配列された撮像領域１００ｃとして利用される。また、図２に示す例では、走査線駆動回路１１０および読出回路１２０は、支持基板１０上とは別に形成されている。このため、支持基板１０において、撮像領域１００ｃを外側で囲む周辺領域には、駆動用ＩＣ（図２には図示せず）が実装されたフレキシブル基板１５０、１６０が接続されている。

（画素構成）
図３（ａ）、（ｂ）は各々、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００において、隣接する複数の画素１００ａの平面図、およびその１つ分の断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ１−Ａ１′線に相当する位置で固体撮像装置１００を切断したときの断面図に相当する。なお、図３（ａ）では、走査線３ａおよびそれと同時形成された薄膜は細い実線で示し、データ線６ａおよびそれと同時形成された薄膜は細い一点鎖線で示し、半導体膜（能動層）は細くて短い点線で示し、光電変換素子８０の第１電極８１ａは太い実線で示し、光電変換素子８０の半導体膜は太い一点鎖線で示し、光電変換素子８０の第２電極８５ａは太い実線で示してある。

図３（ａ）に示すように、支持基板１０上には、走査線３ａとデータ線６ａとが互いに交差する方向に延在しており、走査線３ａとデータ線６ａとの交差に対応する各位置に画素１００ａが形成されている。また、データ線６ａと並列するようにバイアス線５ａが延在している。本形態において、データ線６ａは、Ｘ方向で隣接する画素１００ａの境界領域と重なる位置で当該境界領域に沿ってＹ方向に延在し、バイアス線５ａは画素１００ａのＸ方向の中央を通ってＹ方向に延在している。走査線３ａは、Ｙ方向で隣接する画素１００ａの境界領域に沿ってＸ方向に延在しているが、後述する理由から、Ｙ方向で隣接する画素１００ａの境界領域に対してずれた位置でＸ方向に延在している。

画素１００ａには、ＰＩＮフォトダイオードからなる光電変換素子８０、およびこの光電変換素子８０に電気的に接続された電界効果型トランジスタ３０が形成されており、走査線３ａの一部によって電界効果型トランジスタ３０のゲート電極３ｂが形成され、データ線６ａの一部によって電界効果型トランジスタ３０のソース電極６ｂが形成されている。電界効果型トランジスタ３０のドレイン電極６ｄは、光電変換素子８０の第１電極８１ａに電気的接続し、バイアス線５ａは、光電変換素子８０の第２電極８５ａに電気的接続している。

かかる画素１００ａの断面構成等を、図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）、（ｂ）に示す固体撮像装置１００において、支持基板１０は、石英基板や耐熱性のガラス基板などからなり、その両側の面１０ｘ，１０ｙのうち。上側の面１０ｘには、ボトムゲート構造の電界効果型トランジスタ３０が形成されている。電界効果型トランジスタ３０では、走査線３ａの一部からなるゲート電極３ｂ、ゲート絶縁膜２１、電界効果型トランジスタ３０の能動層を構成するアモルファスシリコン膜からなる半導体膜１ａ、高濃度Ｎ型不純物がドープされたアモルファスシリコン膜からなるコンタクト層４ａ、４ｂがこの順に積層されたボトムゲート構造を有している。半導体膜１ａのうち、ソース側の端部には、コンタクト層４ａを介してデータ線６ａがソース電極６ｂとして重なっており、ドレイン側の端部には、コンタクト層４ｂを介してドレイン電極６ｄが重なっている。データ線６ａおよびドレイン電極６ｄは同時形成された導電膜からなる。走査線３は、例えば、厚さが５０ｎｍ程度のモリブデン膜と、厚さが２５０ｎｍ程度のアルミニウム膜の積層膜である。半導体膜１ａは、例えば厚さが１５０ｎｍ程度のアモルファスシリコン膜であり、ゲート絶縁膜２１は、例えば厚さが４００ｎｍ程度のシリコン窒化膜である。コンタクト層４ａ、４ｂは、例えば厚さが５０ｎｍ程度の高濃度Ｎ型のアモルファスシリコン膜であり、データ線６ａは、例えば、厚さが５０ｎｍ程度のモリブデン膜と、厚さが２５０ｎｍ程度のアルミニウム膜と、厚さが５０ｎｍ程度のモリブデン膜の積層膜からなる。

本形態では、Ｘ方向に延在する走査線３ａの一部をそのままゲート電極３ｂとして用い、ゲート電極３ｂと交差するように半導体膜１ａをＹ方向に長手方向を向けた島状領域として形成してある。このため、ソース電極６ｂは、データ線６ａからＸ方向に突出した後、Ｙ方向に屈曲した部分として形成されている。

データ線６ａおよびドレイン電極６ｄの表面側には、厚さが４００ｎｍ程度のシリコン窒化膜などからなる下層側絶縁膜２２が形成されている。下層側絶縁膜２２の上層には、光電変換素子８０の第１電極８１ａが形成されており、かかる第１電極８１ａは下層側絶縁膜２２に形成されたコンタクトホール２２ａの内部でドレイン電極６ｄの上面に接して電気的接続している。このようにして、第１電極８１ａは、第１電極８１ａより下層側で電界効果型トランジスタ３０のドレインに電気的接続している。第１電極８１ａは、例えば、厚さが１００ｎｍ程度のアルミニウム膜からなる。

第１電極８１ａの上層には、高濃度Ｎ型の不純物がドープされたアモルファスシリコン膜からなる高濃度Ｎ型半導体膜８２ａ、真性のアモルファスシリコン膜からなるＩ型半導体膜８３ａ（真性半導体膜）、高濃度Ｐ型の不純物がドープされたアモルファスシリコン膜からなる高濃度Ｐ型半導体膜８４ａが積層され、高濃度Ｐ型半導体膜８４ａの上層には第２電極８５ａが積層されている。かかる第１電極８１ａ、高濃度Ｎ型半導体膜８２ａ、Ｉ型半導体膜８３ａ、高濃度Ｐ型半導体膜８４ａ、および第２電極８５ａによって、光電変換素子８０はＰＩＮフォトダイオードとして構成されている。第２電極８５ａは、例えば、厚さが９０ｎｍ程度のＩＴＯ膜からなり、光電変換素子８０は、透光性の第２電極８５ａの側から入射した光を検出する。

本形態では、光電変換素子８０の段差での耐電圧低下に起因する信頼性や歩留まりの低下を避けることを目的に、光電変換素子８０を構成する複数の薄膜（第１電極８１ａ、高濃度Ｎ型半導体膜８２ａ、Ｉ型半導体膜８３ａ、高濃度Ｐ型半導体膜８４ａ、および第２電極８５ａ）のうち、第１電極８１ａのみがコンタクトホール２２ａと重なる領域に形成されているが、光電変換素子８０全体（第１電極８１ａ、高濃度Ｎ型半導体膜８２ａ、Ｉ型半導体膜８３ａ、高濃度Ｐ型半導体膜８４ａ、および第２電極８５ａの全て）がコンタクトホール２２ａと重なる領域に形成されている構成を採用してもよい。

光電変換素子８０の上層側には、撮像領域１００ｃの全面に、厚さが４００ｎｍ程度のシリコン窒化膜などの無機絶縁膜からなる上層側絶縁膜２３が形成されており、かかる上層側絶縁膜２３の上層にはバイアス線５ａが形成されている。ここで、上層側絶縁膜２３には、第２電極８５ａと重なる位置にコンタクトホール２３ａが形成されている。このため、バイアス線５ａは、コンタクトホール２３ａの内部で第２電極８５ａに重なって第２電極８５ａに電気的接続されている。バイアス線５ａは、例えば、厚さが５０ｎｍ程度のモリブデン膜と、厚さが２５０ｎｍ程度のアルミニウム膜と、厚さが５０ｎｍ程度のモリブデン膜の積層膜からなる。

また、バイアス線５ａの上層側には、厚さが４００ｎｍ程度のシリコン窒化膜などからなる表面保護層２４が形成されている。固体撮像装置１００をＸ線などの放射線を用いた医療画像診断や非破壊検査等に用いる場合、表面保護層２４自身によって、あるいは表面保護層２４の上層にリン光体などによって放射線ビームを可視光に変換するシンチレーターが構成される。また、Ｘ線以外の撮像を行なう場合には、また、光の各波長に対応するシンチレーターがあればその波長の光を撮像することもでき、本形態の固体撮像装置１００は、Ｘ線撮像装置に限定されるものではない。

（画素１００ａにおける光電変換素子８０のレイアウト）
このように構成した固体撮像装置１００において、光電変換素子８０の光電変換特性を向上させるには、光電変換素子８０の形成領域が広いことが必要であるが、光電変換素子８０を、自身が属する画素１００ａを制御する自段の走査線３ａ_nと平面視で重なるように形成すると、自段の走査線３ａ_nと第１電極８１ａとの間に介在する寄生容量の影響で第１電極８１ａの電位が変動してしまう。

そこで、本形態では、複数の画素１００ａの各々において、光電変換素子８０は、複数本の走査線３ａのうち、この光電変換素子８０が属する画素１００ａ_nを制御する自段の走査線３ａ_nと、この画素１００ａより前段に位置する画素１００ａ_n-1を制御する前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域から、前段の走査線３ａ_n-1と絶縁膜（ゲート絶縁膜２１および下層側絶縁膜２２）を介して平面視で重なる領域まで形成されている。

しかも、光電変換素子８０は、自段の走査線３ａ_nと前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域から前段の走査線３ａ_n-1を跨ぐ領域まで形成されている。このため、光電変換素子８０は、前段に向けて大きくずれた位置に形成され、自段の走査線３ａ_nに対して平面視で完全にずれた領域に形成されている。また、光電変換素子８０は、自段の走査線３ａ_nと前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域から前段の走査線３ａ_n-1を跨ぐ領域まで形成されている。このため、光電変換素子８０は、全体が前段の走査線３ａ_n-1を跨いで、前段の画素１００ａ_n-1に属する電界効果型トランジスタ３０_n-1の能動層（半導体膜１ａ）に対して上層側（光入射側）で絶縁膜（下層側絶縁膜２２）を介して平面視で重なっている。従って、図３（ｂ）に示すように、画素１００ａ_nの電界効果型トランジスタ３０_nの上層側には、後段に位置する画素１００ａ_n+1に属する光電変換素子８０が形成されることなる。また、走査線３ａ_nに対して前段の走査線３ａ_n-1は保持容量線としても機能し、走査線３ａ_n-1と第１電極８１ａとの間に保持容量９０が形成される。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、複数の画素１００ａの各々において、光電変換素子８０は、自段の走査線３ａ_nと前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域から前段の走査線３ａ_n-1を跨いだ領域まで形成されているため、光電変換素子８０の形成領域を広げて光電変換特性を向上させた場合でも、自段の走査線３ａ_nからは平面視でずれている。本形態では、１５０μｍの画素ピッチで光電変換素子８０が占有する面積が６０％程度となるまで、光電変換素子８０の形成領域を広げてあるため、光電変換効率が高く、微弱な光も検出することができる。すなわち、微小な光が電荷に変換される量は、光電変換素子８０の面積に比例するため、撮像領域１００ｃ全体の感度（電荷量）が一定の場合、検出できる光の最小強度は面積に反比例することになるからである。

また、本形態によれば、光電変換素子８０の形成領域を広げた場合でも、光電変換素子８０の第１電極８１ａの電位が自段の走査線３ａ_nの影響で変動しないので、光電変換素子８０で発生させた電荷を確実に読み出すことができる。特に本形態において、光電変換素子８０は、自段の走査線３ａ_nに対して平面視で完全にずれているため、光電変換素子８０の第１電極８１ａの電位は、自段の走査線３ａ_nから一切の影響を受けないので、光電変換素子８０で発生させた電荷を確実に読み出すことができる。なお、光電変換素子８０の第１電極８１ａを前段の走査線３ａ_n-1に重ねると、光電変換素子８０の第１電極８１ａと前段の走査線３ａ_n-1との間に大きな寄生容量をもつことになり、前段の走査線３ａ_n-1がオンオフ動作する際に、それらの振幅で容量結合により、光電変換素子８０の第１電極８１ａの電位は振られるが、オンとオフでの往復動作であるため、光電変換素子８０が蓄える電荷に与える影響はキャンセルされるので、支障がない。

また、複数の画素１００ａの各々において、光電変換素子８０が、前段の走査線３ａ_n-1を跨いで、前段の画素１００ａ_n-1に属する電界効果型トランジスタ３０ａ_n-1の能動層（半導体膜１ａ）に対して光入射側において平面視で重なっているため、電界効果型トランジスタ３０の能動層（半導体膜１ａ）に光が入射しようとするのを確実に防止することができる。

さらに、本形態において、電界効果型トランジスタ３０は、支持基板１０の下層側から上層側にゲート電極３ｂ、ゲート絶縁膜２１、および能動層（半導体膜１ａ）が順に積層されたボトムゲート構造を備えているため、能動層に入射しようとする光をゲート電極３ｂで遮ることができないが、本形態によれば、能動層に入射しようとする光を、光電変換素子８０で遮ることができる。従って、電界効果型トランジスタ３０に光リーク電流が発生しないので、光電変換素子８０が電荷を蓄える際、および光電変換素子８０が電荷を蓄えた以降のいずれにおいても、光リーク電流に起因する電荷も漏れが発生しないので、光電変換特性を向上することができる。

さらにまた、電界効果型トランジスタ３０の第１電極８１ａは、前段の走査線３ａ_n-1に対してゲート絶縁膜２１および下層側絶縁膜２２を介して重なっているため、図１を参照して説明した保持容量９０と同様に機能する蓄積容量を形成することができる。従って、容量線など追加しなくても、十分な容量を備えた保持容量を確保することができるので、その点でも、光電変換特性を向上することができる。

［実施の形態２］
図４（ａ）、（ｂ）は各々、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置１００において、隣接する複数の画素１００ａの平面図、およびその１つ分の断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ２−Ａ２′線に相当する位置で固体撮像装置１００を切断したときの断面図に相当する。なお、図４（ａ）、（ｂ）は各々、図３（ａ）、（ｂ）に対応する図面であり、走査線３ａおよびそれと同時形成された薄膜は細い実線で示し、データ線６ａおよびそれと同時形成された薄膜は細い一点鎖線で示し、半導体膜（能動層）は細くて短い点線で示し、光電変換素子８０の第１電極８１ａは太い実線で示し、光電変換素子８０の半導体膜は太い一点鎖線で示し、光電変換素子８０の第２電極８５ａは太い実線で示してある。なお、本形態の基本的な構成は、実施の形態１と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。

実施の形態１では、Ｘ方向に延在する走査線３ａの一部をそのままゲート電極３ｂとして用い、ゲート電極３ｂと交差するように半導体膜１ａをＹ方向に長手方向を向けた島状領域として形成したが、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の固体撮像装置１００では、Ｘ方向に延在する走査線３ａからＹ方向に突出した部分を電界効果型トランジスタ３０のゲート電極３ｂとして用い、ゲート電極３ｂと交差するように半導体膜１ａをＸ方向に長手方向を向けた島状領域として形成してある。かかる構成を採用した場合も、本形態では、実施の形態１と同様、光電変換素子８０は、複数本の走査線３ａのうち、この光電変換素子８０が属する画素１００ａ_nを制御する自段の走査線３ａ_nと、この画素１００ａより前段に位置する画素１００ａ_n-1を制御する前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域から、前段の走査線３ａ_n-1を跨ぐ領域まで形成され、前段の画素１００ａ_n-1に属する電界効果型トランジスタ３０_n-1の能動層（半導体膜１ａ）に対して上層側（光入射側）において絶縁膜（下層側絶縁膜２２）を介して平面視で重なっている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

このように、本形態でも、実施の形態１と同様、複数の画素１００ａの各々において、光電変換素子８０は、自段の走査線３ａ_nと前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域から前段の走査線３ａ_n-1を跨いだ領域まで形成されているため、光電変換素子８０の形成領域を広げて光電変換特性を向上させた場合でも、自段の走査線３ａ_n-1からは平面視でずれている。このため、光電変換素子８０の形成領域を広げた場合でも、光電変換素子８０の第１電極８１ａの電位が自段の走査線３ａ_nの影響で変動しないので、光電変換素子８０で発生させた電荷を確実に読み出すことができる。また、光電変換素子８０が、前段の走査線３ａ_n-1を跨いで、前段の画素１００ａ_n-1に属する電界効果型トランジスタ３０ａ_n-1の能動層（半導体膜１ａ）に対して光入射側において平面視で重なっているため、電界効果型トランジスタ３０の能動層（半導体膜１ａ）に光が入射しようとするのを確実に防止することができるなど、実施の形態１と同様な効果を奏する。

［実施の形態３］
図５（ａ）、（ｂ）は各々、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置１００において、隣接する複数の画素１００ａの平面図、およびその１つ分の断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ３−Ａ３′線に相当する位置で固体撮像装置１００を切断したときの断面図に相当する。なお、図５（ａ）、（ｂ）は各々、図３（ａ）、（ｂ）に対応する図面であり、走査線３ａおよびそれと同時形成された薄膜は細い実線で示し、データ線６ａおよびそれと同時形成された薄膜は細い一点鎖線で示し、半導体膜（能動層）は細くて短い点線で示し、光電変換素子８０の第１電極８１ａは太い実線で示し、光電変換素子８０の半導体膜は太い一点鎖線で示し、光電変換素子８０の第２電極８５ａは太い実線で示してある。なお、本形態の基本的な構成は、実施の形態１、２と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の固体撮像装置１００では、実施の形態２と同様、Ｘ方向に延在する走査線３ａからＹ方向に突出した部分を電界効果型トランジスタ３０のゲート電極３ｂとして用い、ゲート電極３ｂと交差するように半導体膜１ａをＸ方向に長手方向を向けた島状領域として形成してある。

かかる構成を採用した場合も、本形態では、実施の形態１、２と同様、光電変換素子８０は、複数本の走査線３ａのうち、この光電変換素子８０が属する画素１００ａ_nを制御する自段の走査線３ａ_nと、この画素１００ａより前段に位置する画素１００ａ_n-1を制御する前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域から、前段の走査線３ａ_n-1を跨ぐ領域まで形成されている。従って、本形態でも、実施の形態１と同様、複数の画素１００ａの各々において、光電変換素子８０は、自段の走査線３ａ_nと前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域から前段の走査線３ａ_n-1を跨いだ領域まで形成されているため、光電変換素子８０の形成領域を広げて光電変換特性を向上させた場合でも、自段の走査線３ａ_n-1からは平面視でずれている。このため、光電変換素子８０の形成領域を広げた場合でも、光電変換素子８０の第１電極８１ａの電位が自段の走査線３ａ_nの影響で変動しないので、光電変換素子８０で発生させた電荷を確実に読み出すことができる。

但し、本形態では、実施の形態１、２と違って、光電変換素子８０は、前段の画素１００ａ_n-1に属する電界効果型トランジスタ３０_n-1の能動層（半導体膜１ａ）に平面視で重なる位置までは形成されていない。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

なお、本形態では、光電変換素子８０が、前段の画素１００ａ_n-1に属する電界効果型トランジスタ３０_n-1の能動層（半導体膜１ａ）に平面視で重なる位置までは形成されていないが、電界効果型トランジスタ３０自身を光リーク電流を低減させた構造、例えば、能動層（半導体膜１ａ）を構成するシリコン膜の膜厚が７０ｎｍと薄くしたチャネル保護型薄膜トランジスタ構造とすれば、光リーク電流に起因する光電変換特性の低下を抑えることができる。

［その他の実施の形態］
上記実施の形態１〜３では、光電変換素子８０が、自段の走査線３ａ_nと前段の走査線３ａ_n-1とによって挟まれた領域から前段の走査線３ａ_n-1を跨ぐ領域まで形成されている構成を採用したが、光電変換素子８０の端部が前段の走査線３ａ_n-1の幅方向の全体あるいは一部に重なり、前段の走査線３ａ_n-1を跨いでいない構成を採用してもよく、かかる構成を採用した場合も、図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明した構成と比較すると、光電変換素子８０の形成領域を広げて光電変換特性を向上させた場合でも、自段の走査線３ａ_n-1からは平面視でずれていることになるとともに、光電変換素子８０の第１電極８１ａと前段の走査線３ａ_n-1との間に蓄積容量を形成することができる。

上記実施の形態１、２では、光電変換素子８０全体が、前段の画素１００ａ_n-1に属する電界効果型トランジスタ３０_n-1の能動層（半導体膜１ａ）に平面視で重なる構成を採用したが、光電変換素子８０を構成する多数の薄膜の一部、例えば、第１電極８１ａのみが遮光膜として、前段の電界効果型トランジスタ３０_n-1の能動層（半導体膜１ａ）に平面視で重なる構成を採用してもよい。

上記実施の形態１〜３では、光電変換素子８０としてＰＩＮフォトダイオードを用いたが、ＰＮフォトダイオードを用いてもよく、さらには、ＭＩＳ型の光電変換素子８０を用いてもよい。

上記実施の形態１〜３では、電界効果型トランジスタ３０として、アモルファスシリコン膜を用いたＴＦＴを例に説明したが、微結晶シリコン膜や、ポリシリコン膜、単結晶シリコン層を用いた薄膜トランジスタを電界効果型トランジスタ３０として用いてもよい。

上記実施の形態１〜３では、電界効果型トランジスタ３０として、支持基板１０の下層側から上層側に向かってゲート電極３ｂ、ゲート絶縁膜２１および半導体膜２ａ（能動層）が順に積層されたボトムゲート構造を備えていたが、支持基板１０の下層側から上層側に向かって半導体膜（能動層）、ゲート絶縁膜およびゲート電極が順に積層されたトップゲート構造を備える構造であってもよい。かかるトップゲート構造を採用した場合において、ゲート電極の側から光が入射するように構成する場合、ゲート電極をＩＴＯ膜などの透光性導電膜を用いれば、能動層への光の入射を効率よく行なうことができる。また、電界効果型トランジスタ３０の構造については、スタガ型、逆スタガ型、コプラナー型、逆コプラナー型のいずれであってもよい。

光電変換素子８０は下から高濃度N型半導体膜８２ａ、I型半導体膜８３ａ、高濃度P型半導体膜８４ａの順番で形成したが、逆に高濃度Ｐ型半導体膜、Ｉ型半導体膜、高濃度Ｎ型半導体膜の順に形成しても良い。この場合は図１のダイオード８０のアノードとカソードが逆になる。さらに、高濃度Ｎ、Ｐ型半導体膜８２ａ、８４ａはＮ，Ｐ型であればよく、必ずしも高濃度である必要はない。

また、上記実施の形態１〜３では、ドレイン電極６ｄと第１電極８１ａを別々に形成したが、第１電極８１ａをドレイン電極と兼用してもよい。

本発明を適用した固体撮像装置の電気的構成を示すブロック図である。本発明を適用した固体撮像装置の外観を模式的に示す説明図である。（ａ）、（ｂ）は各々、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置において、隣接する複数の画素の平面図、およびその１つ分の断面図である。（ａ）、（ｂ）は各々、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置において、隣接する複数の画素の平面図、およびその１つ分の断面図である。（ａ）、（ｂ）は各々、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置において、隣接する複数の画素の平面図、およびその１つ分の断面図である。（ａ）、（ｂ）は各々、本発明の参考例に係る固体撮像装置において、隣接する複数の画素の平面図、およびその１つ分の断面図である。

符号の説明

３ａ・・走査線、５ａ・・バイアス線、６ａ・・データ線、１０・・支持基板、３０・・電界効果型トランジスタ、８０・・光電変換素子、８１ａ・・光電変換素子の第１電極、８５ａ・・光電変換素子の第２電極、１００・・固体撮像装置、１００ａ・・画素、１００ｃ・・撮像領域

Claims

支持基板上の撮像領域内に、所定方向に延在する複数本の走査線と、該複数本の走査線と交差する方向に延在する複数本のデータ線とが形成され、前記走査線と前記データ線との各交差に対応する位置には、前記走査線により制御される電界効果型トランジスタ、および該電界効果型トランジスタを介して前記データ線に電気的に接続された光電変換素子を備えた複数の画素が形成された固体撮像装置において、
前記複数の画素の各々において、前記光電変換素子は、前記複数本の走査線のうち、当該光電変換素子が属する画素を制御する自段の走査線と、当該画素より前段に位置する画素を制御する前段の走査線とによって挟まれた領域から前記前段の走査線の少なくとも一部と絶縁膜を介して平面視で重なる領域まで形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
前記複数の画素の各々において、前記光電変換素子は、前記自段の走査線に対して平面視で完全にずれた領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記複数の画素の各々において、前記光電変換素子は、前記自段の走査線と前記前段の走査線とによって挟まれた領域から当該前段の走査線を跨ぐ領域まで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記複数の画素の各々において、前記光電変換素子を構成する複数の薄膜のうち、少なくとも１つの遮光膜は、前記前段の走査線を跨いで、前記前段の画素に属する前記電界効果型トランジスタの能動層に対して光入射側において当該能動層に絶縁膜を介して平面視で重なっていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の固体撮像装置。
前記複数の画素の各々において、前記光電変換素子全体が、前記前段の走査線を跨いで、前記前段の画素に属する前記電界効果型トランジスタの能動層に対して光入射側において当該能動層に絶縁膜を介して平面視で重なっていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
前記支持基板の両面のうち、前記走査線、前記データ線、前記電界効果型トランジスタ、および前記光電変換素子が形成されている面側から光が入射することを特徴とする請求項４または５に記載の固体撮像装置。
前記電界効果型トランジスタは、前記支持基板の下層側から上層側にゲート電極、ゲート絶縁膜、および能動層が順に積層されたボトムゲート構造を備えていることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。