JP2011119950A - 固体撮像装置および駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置および駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】グローバルシャッタ動作が可能で、かつ、高品位な画像を得やすい固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板19に形成された光電変換素子であるフォトダイオード1と、薄膜トランジスタで構成されたパストランジスタ6と蓄積容量7とで構成され、フォトダイオード1で生成された信号電荷を、パストランジスタ6を介して蓄積容量7に蓄積するメモリ回路と、半導体基板19に形成された電界効果トランジスタである出力トランジスタ9で構成され、蓄積容量7に蓄積された信号電荷に応じた信号電圧を出力する出力回路とを各々備えた複数の画素回路11が二次元状に配置されてなり、パストランジスタ6を構成する半導体薄膜31のバンドギャップが、半導体基板19のバンドギャップよりも大きい。
【選択図】図3

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特にグローバルシャッタ機能を備えた固体撮像装置に関する。
従来の固体撮像装置において、画素ごとに設けられる画素回路は、図7に示すように読み出し回路90とフォトダイオード1で構成され、マトリクス状に複数の画素回路が配置されている。読み出し回路90は、転送トランジスタ2、キャパシタ4、リセットトランジスタ5、出力トランジスタ9、および選択トランジスタ10で構成される。画素行に沿って選択線SEL、転送制御線TRANおよびリセット線RSTが設置され、これらは垂直走査回路(図面には示していない)に接続されている。一方、画素列に沿って信号線COLが設置され、水平走査回路(図面には示していない)に接続されている。
固体撮像装置は、画素回路内のフォトダイオード1で光電変換を行う。撮像動作には、光電変換を線順次に(例えば行ごとに順次、その行に配置されている画素回路で)行うローリングシャッタ動作と、全画素一斉に実行するグローバルシャッタ動作の2種類がある。
ローリングシャッタは線順次に光電変換していく間に被写体が動いた場合、得られた画像が歪んでしまうという課題がある。一方、グローバルシャッタは被写体の全体を同時刻に撮像するため、動く被写体であっても歪まずに撮像できるという点で優れる。
以下、従来の固体撮像装置において、全画素が同時に露光されるグローバルシャッタ撮像動作を説明する。
図8(a)に示すように、垂直走査回路は、トリガ信号の入力に応じて全行同時にリセット線RSTにハイレベルの全リセット信号を送出する。同時に、垂直走査回路は全行の転送制御線TRANにもハイレベルの転送パルスを送出する。すると、全画素のフォトダイオード1およびキャパシタ4に蓄えられた電荷がリセットトランジスタ5を通じて排出され、全画素のフォトダイオード1およびキャパシタ4がリセットされる。リセット後、全画素のフォトダイオード1は露光状態となり、光電変換によって入射光強度に応じた電荷を生成する。
露光期間が完了した後、垂直走査回路は全行のリセット線RSTをローレベルにした後、転送制御線TRANにハイレベルの転送パルスを再送出する。これにより、全画素のフォトダイオード1から転送トランジスタ2を通じてキャパシタ4に信号電荷が移動する。
全画素のキャパシタ4に信号電荷が蓄積された後、線順次に画素信号を出力する。図8(b)に示すように、垂直走査回路は選択線SELi(添え字iは行番号を示す)へアドレス線選択信号を送出し、選択トランジスタ10を画素行ごとに順次オン状態にする。このとき、出力トランジスタ9のゲート電極はキャパシタ4に格納されている信号電荷量に応じた電位に変調されており、そのチャネルコンダクタンスは信号電荷量に依存する。従って、信号線COL上には、信号電荷量に依存した信号電圧が出力される。
特開2007−226663号公報 特開2009−071057号公報
従来の固体撮像装置は例えばシリコンなどからなる半導体基板上に形成されるのが一般的であり、光電変換により生成された電荷を保持するためのキャパシタはpn接合容量(通称フローティングディフュージョン、FD)である。それ故、キャパシタはフォトダイオードと同等の光電変換特性を示す。1フレーム相当の期間、キャパシタに電荷を保持するためには、キャパシタへ入射する光を遮る遮光構造が必須となる。しかしながら、キャパシタに遮光を施したとしても完全に入射光強度をゼロにすることは難しく、キャパシタが持つ光電変換特性のためにある程度のノイズ電荷が発生して画質を低下させるという課題がある。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、グローバルシャッタ動作が可能で、かつ、高品位な画像を得やすい固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板に形成された光電変換素子と、薄膜トランジスタと蓄積容量とで構成され、前記光電変換素子で生成された信号電荷を、前記薄膜トランジスタを介して前記蓄積容量に蓄積するメモリ回路と、前記半導体基板に形成された電界効果型トランジスタで構成され、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に応じた信号電圧を出力する出力回路とを各々備えた複数の画素回路が二次元状に配置されてなり、前記薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜のバンドギャップが、前記半導体基板のバンドギャップよりも大きい。
本発明により、基板に形成した電界効果型トランジスタに比べて薄膜トランジスタの光リークを抑制することができ、蓄積容量に格納された信号電荷にノイズ電荷が混じって画質を低下することが防止できる。
また、前記固体撮像装置において、前記半導体薄膜のバンドギャップが3電子ボルト以上であってもよい。
主にカラー撮像を目的とするカメラに内蔵される固体撮像装置において、画素の入射面にはカラーフィルタが配置される。カラーフィルタを通して入射する可視光の波長は450nm〜650nm程度であり、これは2.76eV未満のエネルギーに相当する。本発明の薄膜トランジスタに使用される半導体薄膜のバンドギャップは入射光エネルギーよりも大きいので、薄膜トランジスタの光リークをほぼゼロにすることができる。
また、前記固体撮像装置において、前記蓄積容量は、前記半導体基板に形成されたもう1つの電界効果型トランジスタであってもよい。
電界効果トランジスタのゲート電極はゲート絶縁膜により半導体(一般的にはシリコンが用いられる)基板と絶縁されているので、ゲート電極に信号電荷を蓄積すればリーク電流を極めて抑制することが可能である。なお、低インピーダンス配線を通して基板に基準電位を印加しておけば、基板に入射した光でノイズ電荷が発生したとしてもすぐに排出されるので問題ない。
また、前記固体撮像装置において、前記薄膜トランジスタは、前記蓄積容量の上部に形成され、平面的に重なるように配置されていてもよい。
電界効果型トランジスタと薄膜トランジスタを平面的に並べて配置するよりも画素開口率(光電変換素子の開口面積÷画素面積)を大きくでき、高感度とすることができる。
また、前記固体撮像装置において、前記半導体薄膜は、In、Ga、Znの少なくともいずれかを含む酸化物半導体であってもよい。
ZnOやIn−Ga−Zn−Oといった酸化物半導体は、GaNなどの窒化物半導体に比べて低温成膜可能なワイドバンドギャップ材料である。これらの酸化物半導体を用いることにより、電界効果トランジスタを接続する配線に高融点金属ではなく、LSI(Large Scale Integrated Circuit)で一般的に使われるAlやCuを使用することができ、コスト面で優位となる。
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、半導体基板に形成された光電変換素子と、薄膜トランジスタと蓄積容量とで構成されたメモリ回路と、前記半導体基板に形成された電界効果型トランジスタで構成された出力回路とを各々備えた複数の画素回路が二次元状に配置されてなり、前記薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜のバンドギャップが、前記半導体基板のバンドギャップよりも大きい固体撮像装置の駆動方法であって、全ての画素回路の前記光電変換素子で一斉に光電変換を行って信号電荷を生成し、全ての画素回路の前記薄膜トランジスタを一斉にオンすることにより、前記光電変換素子で生成された信号電荷を、前記薄膜トランジスタを介して前記蓄積容量に蓄積し、前記複数の画素回路の部分ごとに順次、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に応じた信号電圧を前記出力回路から出力する。
本発明によって、光電変換素子から一斉に電荷を取り出すグローバルシャッタ動作が可能となり、動く被写体の一瞬を撮像できる。
本発明の固体撮像装置によれば、グローバルシャッタ動作によって光電変換素子から蓄積容量へと取り出された信号電荷の保持特性が改善され、画像の品位を向上することが可能となる。
本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の画素回路図 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の構成図 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の画素断面構造図 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の製造工程毎の画素断面構造図 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置のグローバルシャッタ撮像動作 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の読み出し動作 従来の固体撮像装置の画素回路図 (a)従来の固体撮像装置のグローバルシャッタ撮像動作、(b)従来の固体撮像装置の読み出し動作
以下、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の固体撮像装置を構成する画素回路11の一例を示す回路図である。光電変換素子としてのフォトダイオード1のアノード電極が転送トランジスタ2を介してフローティングディフュージョン(FD)ノード3に接続されており、FDノード3にはpn接合で形成されたキャパシタ4、リセットトランジスタ5が接続される。さらに、FDノード3には、薄膜トランジスタにて構成されるパストランジスタ6と蓄積容量7からなるメモリ回路が接続され、そのメモリ回路の蓄積ノード8には出力回路としての出力トランジスタ9のゲート電極が接続されている。
出力トランジスタ9のソース電極は、選択トランジスタ10を介して、画素列に沿って設置された信号線COLに接続される。転送トランジスタ2、リセットトランジスタ5、パストランジスタ6および選択トランジスタ10のゲート電極は、それぞれ画素行に沿って設置された転送制御線TRAN、リセット線RST、書き込み線WRTおよび選択線SELに接続される。全てのトランジスタは、N型伝導である。
図2に示すように、固体撮像装置100において、複数の画素回路11はm行、n列のマトリクスに配置されている。各画素回路のTRANi、RSTi、WRTiおよびSELi(添え字iは行番号を示す)は垂直走査回路40に接続され、COLj(添え字jは列番号を示す)は水平走査回路41に接続される。行ごとの画素回路11から順次出力される信号電圧は水平走査回路41によって水平方向に転送され、出力アンプ42で増幅されて出力端子43から出力する。
固体撮像装置100はシリコンからなる半導体基板19上に形成されている。画素回路11の一部の断面構造を図3に示す。半導体基板19上はSiO2からなる素子分離領域22によって分離され、p型不純物領域20、n型不純物領域21が形成されている(説明を簡単にするために不純物濃度の高低による領域は区別していない)。
図3において、PDと示したn型不純物領域21とその周辺のp型不純物領域20はフォトダイオード1である。また、FDと示したn型不純物領域21がFDノード3であり、その周辺のp型不純物領域20との間で形成されるpn接合がキャパシタ4に対応する。
半導体基板19上にはSiO2のゲート絶縁膜23、ポリシリコンのゲート電極24からなるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOS型電界効果トランジスタ)が形成されている。図3には、3つのMOSFETが配置されており、左から転送トランジスタ2(PDとFDの間)、蓄積容量7および出力トランジスタ9に対応している。
蓄積容量7に対応するMOSFETは、半導体基板19の表面に高濃度のn型不純物領域21を形成しており、正のゲート電圧印加で電荷が蓄積されるMOSキャパシタとして機能する。これらのMOSFET上はSiO2の第1層間絶縁膜25で覆われており、半導体基板およびゲート電極24に達する第1ビア26とメタル配線層27が形成されている。図3中にSTと示したメタル配線は蓄積容量7および出力トランジスタ9のゲート電極を短絡しており、図1の蓄積ノード8に対応している。
メタル配線層27の上はさらにSiO2の第2層間絶縁膜28で覆われており、FDノード3と蓄積ノード8(図3にそれぞれFD、STと記載)に導通する第2ビア29が形成されている。第2ビア29上には、ソースおよびドレインとなる電極30、チャネルとなる半導体薄膜31、ゲート絶縁膜32およびゲート電極33が形成され、これらはパストランジスタ6を構成している。半導体薄膜31には、例えばZnO(酸化亜鉛)、In−Ga−Zn−O(インジウム−ガリウム−亜鉛の複合酸化物)などが適する。これらのバンドギャップはそれぞれ3.4eV、3.2eVであり、可視光に対して透明である。半導体薄膜31へ高効率に電子注入するため電極30は仕事関数の小さい材料が適する。例えば、仕事関数が4.7eVのITO(Indium Tin Oxide:酸化インジウムスズ)と、第2ビア29をプロセスダメージから保護するTiN(窒化チタン)との積層電極を用いるとよい。
ゲート絶縁膜32はワイドバンドギャップの半導体薄膜31よりもさらにバンドギャップが大きい絶縁膜材料が好適であり、例えばAl23を用いる。ゲート電極33は、例えばIr(イリジウム)やMo(モリブデン)を用いる。以上のように構成したパストランジスタ6はワイドバンドギャップ薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT)であり、その上部は保護膜34で覆われている。
以上のように構成された固体撮像装置の製造工程毎の断面構造を図4(a)〜図4(e)に示す。
最初に、一般的な半導体技術を用いて半導体基板上にフォトダイオード1、MOS構造である転送トランジスタ2、蓄積容量7および出力トランジスタ9、並びに第1層間絶縁膜25、配線構造、第2層間絶縁膜28を形成する(図4(a))。
次いで、ドライエッチングによって第2層間絶縁膜28を貫通するビアホールを形成し、タングステンをCVD(Chemical Vapor Deposition)法により埋め込む。その上方にTiをターゲットとして窒素雰囲気中でスパッタ法によるTiNの成膜、In−Sn−O(インジウム−スズの複合酸化物)をターゲットとして酸素雰囲気中でスパッタ法によるITO成膜を順次行った後に、リソグラフィおよびイオンミリングにより電極30をパターニングする(図4(b))。
ソースおよびドレインとなる電極30上にZnOをスパッタ法により堆積した後、リソグラフィおよび硝酸によるウェットエッチングを行ってTFTのアクティブ領域となる半導体薄膜31を形成する(図4(c))。
半導体薄膜31を覆うようにゲート絶縁膜32となるAl23をALD(Atomic Layer Deposition)法により成膜する(図4(d))。
ゲート電極33となるIrをスパッタ法で成膜し、リソグラフィおよびイオンミリングによりゲート電極33の形状にパターニングし、保護膜34を成膜する(図4(e))。
本発明の固体撮像装置におけるグローバルシャッタによる撮像動作について説明する。図5は、全画素のRST、TRAN、WRTおよびSELへ一斉に印加される電圧波形を示しており、これらの信号に応じて変化するFDノード3の電位VFDおよび蓄積ノード8の電位VSTの典型例を合わせて示す。
最初に(t0〜t1期間)、RST、TRANおよびWRTにハイ電圧を印加し、フォトダイオード1、FDノード3および蓄積ノード8をリセットする。
時刻t1にTRANにロー電圧を印加して転送トランジスタ2をオフし、フォトダイオード1に入射した光を光電変換して得られた電荷の蓄積を開始する。
蓄積終了となる時刻t3より前の時刻t2にRSTおよびWRTをロー電位にしてリセットトランジスタ5およびパストランジスタ6をオフにした後、時刻t3にTRANをハイ電位にして転送トランジスタ2をオン状態にし、フォトダイオード1に蓄積された電荷をFDノード3へ転送する(S01)。工程S01において、全ての画素回路11のフォトダイオード1で一斉に光電変換を行って生成された信号電荷がキャパシタ4へ転送され、FDノード3の電位VFDはロー電位へと変化する。
転送完了後の時刻t4にTRANをハイ電位にして転送トランジスタ2を再びオフ状態にした後、時刻t5〜t6期間にWRTにハイ電位を印加してパストランジスタ6をオンにする(S02)。工程S02において、FDノード3に接続されたキャパシタ4と蓄積ノード8に接続された蓄積容量7とが結合され、キャパシタ4に保持されている信号電荷の一部は、パストランジスタ6を介して蓄積容量7に分配され、VFDおよびVSTはキャパシタ4と蓄積容量7との容量比で決まる電圧へ変化する。
時刻t7にRSTをハイ電位にしてリセットトランジスタ5をオン状態にして、グローバルシャッタ動作を完了する。
グローバルシャッタ動作により全ての画素回路11の蓄積ノード8に記憶された信号電圧は、図6(a)に示すように行ごとのSELへ順次パルス電圧を印加することにより、行ごとに順次読み出される(S03)。工程S03において、アドレスされた行の選択トランジスタ10はオン状態となり、出力トランジスタ9のソース電極は信号線COLと接続される。
信号線COLの一端には負荷トランジスタ(図面には示していない)が接続されており、直列接続された出力トランジスタ9と負荷トランジスタはソースフォロワ回路を構成する。このソースフォロワ回路は、蓄積ノード8に記憶された画素信号電圧に対応した信号電圧を信号線COLへと出力し、信号電圧は水平走査回路41によって水平方向に転送され、出力アンプ42で増幅されて出力端子43から出力する。
画素回路11からの信号電圧の読み出しにおいて、信号電圧とともにリセット信号電圧を読み出し、その差分を出力してもよい。このような動作を行った場合の信号線COLの電位変化の一例を図6(b)のVCLに示す。
図6(b)に示すように、行順次にSELをハイ電圧にしている期間に、上記読み出し方法で信号電圧を読み出した後、WRTをハイ電位にしてパストランジスタ6をオンにする。グローバルシャッタ動作最後の工程でリセットトランジスタ5はオン状態としているので、この動作によって蓄積ノード8には電源電圧VDDが印加されたリセット状態となり、出力トランジスタ9と負荷トランジスタで構成するソースフォロワ回路はリセット信号電圧を出力する。
以上の動作で読み出した信号電圧とリセット信号電圧の差分を、例えば周知の相関二重サンプリング回路などを用いて、とることにより、出力トランジスタ9の特性ばらつきを除去することができ、画質向上に有用である。
本発明は、特に固体撮像装置を内蔵するデジタルスチルカメラやビデオカメラに有用であり、特に動く被写体の撮像に最適である。
1 フォトダイオード
2 転送トランジスタ
3 FDノード
4 キャパシタ
5 リセットトランジスタ
6 パストランジスタ
7 蓄積容量
8 蓄積ノード
9 出力トランジスタ
10 選択トランジスタ
11 画素回路
19 半導体基板
20 p型不純物領域
21 n型不純物領域
22 素子分離領域
23 ゲート絶縁膜
24 ゲート電極
25 第1層間絶縁膜
26 第1ビア
27 メタル配線層
28 第2層間絶縁膜
29 第2ビア
30 電極
31 半導体薄膜
32 ゲート絶縁膜
33 ゲート電極
34 保護膜
40 垂直走査回路
41 水平走査回路
42 出力アンプ
43 出力端子
90 読み出し回路
100 固体撮像装置
COL 信号線
TRAN 転送制御線
RST リセット線
WRT 書き込み線
SEL 選択線

Claims (6)

  1. 半導体基板に形成された光電変換素子と、
    薄膜トランジスタと蓄積容量とで構成され、前記光電変換素子で生成された信号電荷を、前記薄膜トランジスタを介して前記蓄積容量に蓄積するメモリ回路と、
    前記半導体基板に形成された電界効果型トランジスタで構成され、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に応じた信号電圧を出力する出力回路と
    を各々備えた複数の画素回路が二次元状に配置されてなり、
    前記薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜のバンドギャップが、前記半導体基板のバンドギャップよりも大きい
    固体撮像装置。
  2. 前記半導体薄膜のバンドギャップが3電子ボルト以上である
    請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記蓄積容量は、前記半導体基板に形成されたもう1つの電界効果型トランジスタである
    請求項1または2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記薄膜トランジスタは、前記蓄積容量の上部に形成され、平面的に重なるように配置されている
    請求項1から3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記半導体薄膜は、In、Ga、およびZnの少なくともいずれかを含む酸化物半導体である
    請求項1から4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  6. 半導体基板に形成された光電変換素子と、
    薄膜トランジスタと蓄積容量とで構成されたメモリ回路と、
    前記半導体基板に形成された電界効果型トランジスタで構成された出力回路と
    を各々備えた複数の画素回路が二次元状に配置されてなり、
    前記薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜のバンドギャップが、前記半導体基板のバンドギャップよりも大きい固体撮像装置の駆動方法であって、
    全ての画素回路の前記光電変換素子で一斉に光電変換を行って信号電荷を生成し(、
    全ての画素回路の前記薄膜トランジスタを一斉にオンすることにより、前記光電変換素子で生成された信号電荷を、前記薄膜トランジスタを介して前記蓄積容量に蓄積し、
    前記複数の画素回路の部分ごとに順次、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に応じた信号電圧を前記出力回路から出力する
    駆動方法。
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