JP2010040650A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度固体撮像装置の実現。
【解決手段】複数のピクセルを２次元配列したピクセルアレイ１を有する固体撮像装置１１であって、ピクセルアレイ１の部分Ａの配線はすべてシリコン膜５１で形成され、ピクセルアレイ１の部分以外の部分Ｂの配線は、シリコン膜および金属膜で形成されている。ピクセルアレイ１の部分Ａの上部に接して形成されたカラーフィルタ３３，３４およびマイクロレンズ３１，３２を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、ピクセルアレイを有する固体撮像装置に関し、特に信号処理回路および制御回路などを、ピクセルアレイと共に１チップに搭載した固体撮像装置に関する。

近年、デジタルカメラ、デジタルＴＶカメラ、携帯電話などに、固体撮像素子が広く使用されており、特にＭＯＳ撮像装置は簡略な製造工程で製造可能で、高集積化が可能であることから、広く使用されている。

図１は、固体（ＭＯＳ）撮像装置（イメージセンサチップ）１１の一般的な構成を示すブロック図である。図１に示すように、ＭＯＳ撮像装置１１は、複数のピクセルを２次元に配列したピクセルアレイ１と、内部で使用する各種電圧およびＡＤ変換処理に使用するランプ信号を発生する内部電圧発生回路＆ランプ発生回路２と、検出データ読み出す行（ロウ）を選択する選択信号を出力するシフトレジスタ列３と、選択信号からピクセルの検出信号を読み出すための各種制御信号を生成するピクセル制御回路列４と、制御信号をピクセル内のトランジスタに印加するドライバ列５と、ピクセルアレイ１から１行のピクセルの検出信号を同時に読み出すピクセル読出し回路列６と、読み出した１行のピクセルの検出信号をデジタルデータ（検出データ）に変換するＡＤＣ回路列７と、ＡＤＣ回路列７でＡＤ変換された１行のピクセルの検出データの転送動作させるシフト信号を発生するシフトレジスタ列８と、各部を制御するタイミング信号を発生すると共にＡＤＣ回路列８から検出データを転送するタイミングジェネレータ９と、検出データの信号処理を行うデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１０と、を有する。

ピクセルアレイ１は、図１において、横方向を行（ロウ）方向と称し、縦方向を列（コラム）方向と称する。ピクセル制御回路列５およびドライバ列は、コラム方向に同一の回路が行数分配列されており、活性化される回路が１つずつシフトする。ピクセル読出し回路列７およびＡＤＣ回路列８は、ロウ方向に同一の回路が列数分配列されており、すべての回路が並列で動作する。

固体撮像素子の基本構成は、特許文献１などに記載されており、広く知られているので、これ以上の説明は省略する。

図２は、ピクセル２１とＡＤＣ２５の構成例を示す図である。図２では、１個のピクセルのみを示したが、コラム方向に複数のピクセル２１が配列され、各ピクセルは共通のコラム信号線２３に接続され、１本のコラム信号線２３に１個のＡＤＣ回路２５が接続される。このようなピクセル２１、コラム信号線２３およびＡＤＣ回路２５の組みが、ロウ方向に複数組み配列される。

図２に示すように、ピクセル２１は、アノードがグランドに接続されたフォトダイオードＰＤと、リセット電圧線２４とフォトダイオードＰＤのカソード間に直列に接続された読み出し用トランジスタＴｒ１および基準用（リセット用）トランジスタＴｒ２と、ゲートが読み出し用トランジスタＴｒ１と基準用トランジスタＴｒ２の接続ノードに接続され、一方の非制御電極がリセット電圧線２４に接続された増幅用トランジスタＴｒ３と、増幅用トランジスタＴｒ３の他方の非制御電極とコラム信号線２３の間に接続された選択用トランジスタＴｒ４と、を有する。ピクセル制御回路列４は、読み出し信号ＴＧ、リセット信号ＲＳＴ、選択信号ＳＬＣＴを発生させ、ドライバ列６を介して、同一ロウの全ピクセルの読み出し用トランジスタＴｒ１のゲート、基準用トランジスタＴｒ２のゲートおよび選択用トランジスタＴｒ４のゲートにそれぞれ印加する。リセット電圧線２４には常時リセット電圧ＶＲが供給される。

コラム信号線２３には、定電流源２２およびスイッチＳｗ１０を介してＡＤＣ回路２５が接続される。

各ピクセル内のトランジスタの閾値にバラツキがあると、読み出した検出信号に影響する。そこで、図２のＡＤＣ回路２５は、ピクセルから雑音信号および雑音信号が重畳された検出信号をそれぞれ読み出して、同相雑音を除去するＣＤＳ（二重相関サンプリング:Correlated Double Sampling)）処理を行った上で検出信号をＡＤ変換する。

図示のように、ＡＤＣ回路２５は、比較回路２６と、比較回路２６の反転（−）入力ノードに接続された第１容量素子Ｃ１と、比較回路２６の出力ノードと反転入力ノード間に接続されたスイッチＳｗ１と、比較回路２２の非反転（＋）入力ノードに接続されたキャンセル用容量素子Ｃ１０と、指示された期間中クロックをカウントするカウンタ２７と、を有する。比較回路２６は、オペアンプなどで実現される。図２のＡＤＣ回路２５の動作は広く知られているので、説明は省略する。

上記のように、ピクセルアレイ１では、読み出し信号ＴＧ、リセット信号ＲＳＴおよび選択信号ＳＬＣＴが出力される横方向に伸びる複数組の信号線と、複数のコラム信号線２３が格子状に配列され、交差部分にピクセル２１が配置される。ピクセル２１は、フォトダイオードＰＤと、複数のトランジスタ（図２では４個）を有している。従って、ピクセルアレイ１では、受光部であるフォトダイオードＰＤを遮光しないように信号線が複数層にわたって形成される。また、ピクセルアレイ１以外の周辺部分には、図１に示した回路のうちピクセルアレイ１を除く部分が形成される。周辺回路部分では、小型化するためにピクセルアレイ１の部分より多い層数で回路が形成されるのが一般的である。

上記のように各種回路を１チップに集積した固体（ＭＯＳ）撮像装置を使用することにより、小型化、軽量化および低コスト化を図っているが、更なる小型化が要求されている。そのためピクセルアレイにおけるピクセルも微細化されており、その結果、受光部の開口率の低下による感度低下を引き起こす。そこで、感度を向上させるためピクセルアレイ上にマイクロレンズを形成することが行われている。

図３は、ピクセルアレイ上にマイクロレンズを形成した固体撮像装置の断面を模式的に示す図である。Ａで示す部分がピクセルアレイの部分であり、Ｂで示す部分がピクセルアレイ以外の周辺回路部分である。図示のように、ピクセルアレイでは、基板１２にフォトダイオードである受光部３５，３６が形成され、受光部３５，３６を遮光しないように、受光部３５，３６の間の部分に複数組の信号線が格子状に設けられる。

複数組の信号線は、１層のシリコン膜配線３８および３層の金属配線３７で構成される。周辺回路部分では、基板１２に図示していないトランジスタなどの回路要素が形成され、それらの回路要素を接続する配線が、１層のシリコン膜配線４０および５層の金属配線３９で構成される。配線の間には層間絶縁膜が形成される。特許文献２は、受光部３５，３６と接続される読み出し用トランジスタのソースのコンタクトをポリシリコンで形成することを記載している。言い換えれば、図３に示したように、ピクセルアレイの最下層における配線をポリシリコンで形成することを記載している。

上記のように、周辺回路部分の集積度を上げるために、多層配線化が進められており、周辺回路部分の配線層数は、ピクセルアレイ部分の配線層数より多くなっている。ピクセルアレイ部分のシリコン膜配線３８と周辺回路部分のシリコン膜配線４０は同じ工程で形成され、ピクセルアレイ部分の３層の金属配線３７と周辺回路部分の対応する５層の金属配線３９は同じ工程で形成される。周辺回路部分では、この上にさらに２層の金属配線３９が形成され、ピクセルアレイ部分には対応する厚さで層間絶縁膜の誘電体が形成されるので、ピクセルアレイ部分と周辺回路部分の高さは同じである。周辺回路部分ではこの誘電体の上に、画素に対応したマイクロレンズ３１，３２およびカラーフィルタ３３，３４が形成される。マイクロレンズ３１，３２は、入射した光を受光部３５，３６付近に集光するようなレンズ特性を有し、感度を向上させる。

しかし、図３に示すように、周辺回路部分の配線層数が多いため、マイクロレンズ３１，３２と受光部３５，３６との距離が増加し、マイクロレンズによる集光率が低下すると共に、シェーディングや混色（色にじみ）などの問題が発生した。

特許文献３は、ピクセルアレイ部分において配線層が存在しない部分を除くことにより、ピクセルアレイ部分の厚さを薄くすることによりマイクロレンズ３１，３２と受光部３５，３６との距離を短くする構成を記載している。

図４は、特許文献３に記載された撮像装置の断面を模式的に示す図であり、図３に対応する図である。図４に示すように、ピクセルアレイ部分において配線が存在しない４層目と５層目の金属配線層に対応する誘電体をなくして、ピクセルアレイ部分を薄くし、その上にマイクロレンズ３１，３２およびカラーフィルタ３３，３４を形成する。

特開２００５−３０３６４８号公報 特開２００７−２５０９５６号公報 特開２０００−１５０８４６号公報

しかし、微細化が進むと特許文献２に記載された図４の構成でも十分に感度を向上できないという問題を生じた。微細化が進むとマイクロレンズ３１，３２の直径も小さくなり、現状の製造プロセスではマイクロレンズ３１，３２の焦点距離も短くなり、マイクロレンズに入射した光を効率よく受光部３５，３６に集光できなくなる。

また、金属配線層および層間絶縁膜を薄くすれば、マイクロレンズ３１，３２と受光部３５，３６との距離を短くすることも可能であるが、製造プロセスから限界がある。

開示の実施形態は、感度を向上した固体撮像装置を記載している。

実施形態の固体撮像装置は、複数のピクセルを２次元配列したピクセルアレイを有する固体撮像装置であって、ピクセルアレイ部分の配線はすべてシリコン膜で形成され、ピクセルアレイ部分以外の部分の配線は、シリコン膜および金属膜で形成されている。

ピクセルアレイ部分の配線層の厚さは、ピクセルアレイ部分以外の部分の配線層の厚さより薄くすることが望ましい。

カラーフィルタおよびマイクロレンズを、ピクセルアレイ部分の上部に接して形成することが望ましい。

ピクセルアレイ部分の配線層数を、ピクセルアレイ部分以外の部分の配線層数より少なくすれば、ピクセルアレイ部分の厚さを一層薄くできる。

開示の技術によれば、固体撮像素子の感度が向上する。

図５は、第１実施形態の固体撮像装置の断面を模式的に示す図である。第１実施形態の固体撮像装置では、カラーフィルタおよびマイクロレンズを設けていない。

図５に示すように、第１実施形態の固体撮像装置は、参照符号Ａで示すピクセルアレイ部分の配線が、すべてシリコン膜５１で形成されている。図５ではピクセルアレイ部分は３層の配線層を有するが、３層の配線がすべてシリコン膜５１で形成されている。これに対して、参照符号Ｂで示すピクセルアレイ部分以外の周辺回路部分は、１層のシリコン膜４０および５層の金属膜３９で形成されている。ピクセルアレイ部分には、基板１２にフォトダイオードである受光部３５，３６が形成され、受光部３５，３６の上を避けるように３層の信号線５１が格子状に設けられる。周辺回路部分の構成は図３および図４に示した従来例と同じである。

現状の製造プロセスで形成する金属膜配線の厚さは、最低でも約１μｍ程度である。これに対してシリコン膜配線の厚さは、０．１μｍ程度にすることが可能である。また、層間絶縁膜の厚さも、金属膜配線の場合よりシリコン膜配線の方が薄くできる。最上層の信号線５１は１層の層間絶縁膜で覆われている。したがって、第１実施形態の固体撮像装置では、ピクセルアレイ部分の厚さは周辺回路部分の厚さより薄くなる。

第１実施形態の固体撮像装置では、ピクセルアレイ部分の信号配線はすべてシリコン膜配線である。シリコン膜配線は可視光を透過するので、金属膜配線を使用した場合のように光を遮断せず、斜めに入射する光も受光部３５，３６に到達する。従って、同じ開口率の受光部の場合、金属膜配線を使用した場合よりも、シリコン膜配線を使用した方が、感度が向上する。

シリコン膜配線は金属膜配線に比べて抵抗が大きいが、ピクセルアレイ部分の信号配線には大きな電流は流れないので問題を生じない。

図６は、第２実施形態の固体撮像装置の断面を模式的に示す図である。第２実施形態の固体撮像装置は、第１実施形態の固体撮像装置において、マイクロレンズ３１，３２およびカラーフィルタ３３，３４を設けた構成を有する。図４の従来例と比較して明らかなように、マイクロレンズ３１，３２と受光部３５、３６の間の距離が小さくなっている。前述のように、現状の製造プロセスでは、高集積度のピクセルアレイでは、マイクロレンズ３１，３２の焦点距離は短くなる。そのため、第２実施形態のように、マイクロレンズ３１，３２と受光部３５、３６の間の距離が小さくなると、図３および図４に示した従来例と比べて集光率が増加して感度が向上する。また、第１実施形態と同様に、シリコン膜配線は可視光を透過するので、金属膜配線による光の遮断が発生しないので感度が向上する。

図２に示すように、各ピクセルで、１個の受光部に対して４個のトランジスタを設ける場合には４層の配線層を必要とする。複数のピクセルでトランジスタの一部を共通にすることにより、１個の受光部当たりのトランジスタの個数を４個から３個または２．５個にして、高集積化することが行われている。１個の受光部当たりの３個のトランジスタを設ける場合には、３層の配線層で配線を実現可能である。第１および第２実施形態の固体撮像装置は、このような複数のピクセルでトランジスタの一部を共通化した場合に対応し、ピクセルアレイ部分の配線層は、３層である。

図７は、第３実施形態の固体撮像装置の断面を模式的に示す図である。第３実施形態の固体撮像装置は、図３および図４に示した従来例と同様に、ピクセルアレイ部分の配線層数が４層であり、ほかの部分は第２実施形態と同じである。第２実施形態に比べてシリコン膜の配線層が１層増加している分、マイクロレンズ３１，３２と受光部３５、３６の間の距離が第２実施形態に比べて増加し、集光率が若干低下するが、類似の効果が得られる。

以上実施形態を説明したが、開示した実施形態は説明のために例示したに過ぎず、開示の技術はこれに限定されるものではない。

図１は、固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 図２は、固体撮像装置のピクセルとＡＤＣ回路の部分の構成を示す図である。 図３は、従来例の固体撮像装置の断面を模式的に示す図である。 図４は、別の従来例の固体撮像装置の断面を模式的に示す図である。 図５は、第１実施形態の固体撮像装置の断面を模式的に示す図である。 図６は、第２実施形態の固体撮像装置の断面を模式的に示す図である。 図７は、第３実施形態の固体撮像装置の断面を模式的に示す図である。

符号の説明

１ ピクセルアレイ
１１ 固体撮像装置
１２ 基板
１３ コラム信号線
３１，３２ マイクロレンズ
３３，３４ カラーフィルタ
３５，３６ 受光部（フォトダイオード）
３９ 周辺回路部分の金属膜配線
４０ 周辺回路部分のシリコン膜配線
５１ ピクセルアレイ部分のシリコン膜配線
Ａ ピクセルアレイ部分
Ｂ 周辺回路部分

Claims (4)

1. 複数のピクセルを２次元配列したピクセルアレイを有する固体撮像装置であって、
   前記ピクセルアレイ部分の配線はすべてシリコン膜で形成され、
   前記ピクセルアレイ部分以外の部分の配線は、シリコン膜および金属膜で形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ピクセルアレイ部分の配線層の厚さは、前記ピクセルアレイ部分以外の部分の配線層の厚さより薄いことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記ピクセルアレイ部分の上部に接して形成されたカラーフィルタおよびマイクロレンズを備え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。
4. 前記ピクセルアレイ部分の配線層数は、前記ピクセルアレイ部分以外の部分の配線層数より少ないことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

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