JP2013161868A - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び、電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】受光した光量に応じた光電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部、及び、光電荷を蓄積する電荷蓄積部を有する単位画素が半導体基板上に複数配置されている画素アレイ部を備える固体撮像装置において、電荷蓄積部の単位画素に光が入射する入射側に近い方の電極のうちの少なくとも一部が遮光膜として機能する金属膜により構成される。本技術は、例えば、固体撮像素子に適用できる。
【選択図】図8
Description
1.本技術が適用される固体撮像装置
1−1.基本的なシステム構成
1−2.他のシステム構成
2.実施形態に関する説明
2−1.電荷蓄積部を分割することによって電荷蓄積部のトータルの容量値を大きくすることが出来る理由
2−2.単位面積当たりの容量値が大きいキャパシタの説明
2−3.電荷蓄積部の製造プロセス
3.実施例
4.ノイズ除去処理及び演算処理に関する説明
5.参考例
6.変形例
6−1.フォトダイオードのみで光電荷を蓄積する例
6−2.その他の変形例
7.電子機器(撮像装置)
[1−1.基本的なシステム構成]
図1は、本技術が適用される固体撮像装置、例えばX−Yアドレス方式固体撮像装置の一種であるCMOSイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。ここで、CMOSイメージセンサとは、CMOSプロセスを応用して、または、部分的に使用して作成されたイメージセンサである。
本技術が適用されるCMOSイメージセンサ10としては、上述したシステム構成のものに限られるものではない。他のシステム構成として、以下のようなシステム構成のものを挙げることができる。
グローバル露光を実現するにあたって、実施形態に係る固体撮像装置(例えば、CMOSイメージセンサ)は、グローバル露光を実現している従来技術と比較して、暗時や低照度時における撮像画像の画質を悪化させずに、飽和電荷量をより多く確保するために、単位画素内に第1、第2の2つの電荷蓄積部を持つ。そして、第1の電荷蓄積部として埋め込み型MOSキャパシタを用い、第2の電荷蓄積部として第1の電荷蓄積部よりも単位面積当たりの容量値が大きいキャパシタを用いる。
このように、第1の電荷蓄積部として埋め込み型MOSキャパシタを用い、第2の電荷蓄積部として第1の電荷蓄積部よりも単位面積当たりの容量値が大きいキャパシタを用いることで、電荷蓄積部のトータルの容量値を大きくすることが出来る。ここで、電荷蓄積部のトータルの容量値を大きくすることが出来る理由について、一数値例を挙げて説明する。
ここで、第1の電荷蓄積部を構成する埋め込み型MOSキャパシタと、第2の電荷蓄積部を構成する例えば表面側MOSキャパシタとの違いについて説明する。
電荷蓄積領域24の単位面積当たりの容量値をCbとすると、当該容量値Cbは次式(1)で表わされる。
Cb=Cox・Cch/(Cox+Cch)+Csi
=Cox・{1/(1+Cox/Cch)}+Csi ・・・(1)
Cb≒Cox・{1/(1+Cox/Cch)} ・・・(2)
電荷蓄積領域の単位面積当たりの容量値をCsとすると、当該容量値Csは次式(3)で表わされる。
Cs=Cox+Csi ・・・(3)
Cs≒Cox ・・・(4)
単位面積当たりのゲート酸化膜22の容量値Coxは次式(5)で表される。
Cox=εox/tox ・・・(5)
ここで、εoxはゲート酸化膜22の誘電率、toxはゲート酸化膜22の膜厚である。
Si3N4 : 比誘電率7
Ta2O5 : 比誘電率26
HfO2 : 比誘電率25
ZrO2 : 比誘電率25
また、構造的には、複数のキャパシタ構造を組み合わせることにより、単位面積当たりの容量値を増やすことができる。その組合せ構造の一例として、図5に示す構造、即ち、プレーナ型MOSキャパシタとジャンクション型キャパシタとを組み合わせた構造Aや、プレーナ型MOSキャパシタとスタック型キャパシタとを組み合わせた構造Bを挙げることができる。
図6及び図7に、第2の電荷蓄積部40の他の構造例を示す。図6及び図7において、図5と同等部位には同一符号を付して示している。
次に、図8乃至図10を参照して、第1の電荷蓄積部30及び第2の電荷蓄積部40への光の漏れ込みを抑制する方法について説明する。
次に、図11乃至図17を参照して、第2の電荷蓄積部40からのリーク電流(より正確にはゲートリーク電流)を抑制する方法について説明する。
次に、図18乃至図29を参照して、図8の第1の電荷蓄積部30及び第2の電荷蓄積部40の製造プロセスについて説明する。
以下に、画素内に第1の電荷蓄積部30、及び、第2の電荷蓄積部40を有する単位画素についての具体的な実施例について説明する。
図30は、本技術を適用した単位画素60Aの回路構成を示す回路図である。図30に示すように、単位画素60Aは、光を受光して光電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部として、例えば、PN接合のフォトダイオード61を有している。フォトダイオード61は、受光した光量に応じた光電荷を生成しかつ蓄積する。
第1の転送ゲート部62は、回路的に、フォトダイオード61と第1の電荷蓄積部66との間に接続されている。そして、第1の転送ゲート部62は、駆動信号TG(以下、転送信号TGとも称する)がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオード61に蓄積されている光電荷を第1の電荷蓄積部66に転送する。第1の転送ゲート部62によって転送された光電荷は、第1の電荷蓄積部66に一時的に蓄積される。
第2の転送ゲート部63は、回路的に、第1の電荷蓄積部66と、増幅トランジスタ68のゲート電極が接続されたフローティングディフュージョン部(以下、「FD部」と記述する)71との間に接続されている。FD部71は、光電荷を電気信号、例えば電圧信号に変換して出力する。そして、第2の転送ゲート部63は、駆動信号FG(以下、転送信号FGとも称する)がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、第1の電荷蓄積部66に蓄積されている光電荷をFD部71に転送する。
第3の転送ゲート部64は、回路的に、第1の電荷蓄積部66と第2の電荷蓄積部67との間に接続されている。そして、第3の転送ゲート部64は、駆動信号CG(以下、転送信号CGとも称する)がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、第1の電荷蓄積部66と第2の電荷蓄積部67のポテンシャルを結合する。
選択トランジスタ69は、回路的に、増幅トランジスタ68のソース電極と垂直信号線17との間に接続されている。そして、選択トランジスタ69は、駆動信号SEL(以下、選択信号SELとも称する)がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態となり、単位画素60Aを選択状態として増幅トランジスタ68から出力される画素信号を垂直信号線17に接続する。
図31は、単位画素60Aの画素構造を示す概略図であり、図中、図30と同等部位には同一符号を付して示している。尚、図31には、画素レイアウトを示す平面パターン、当該平面パターンにおけるA−A´矢視断面、及び、B−B´矢視断面をそれぞれ示している。
次に、図32のタイミングチャート及び図33乃至図40のポテンシャル図を参照して、単位画素60Aの回路動作について説明する。
逆に、飽和電荷量が同等でよければ、省スペース化出来る分だけ単位画素サイズの縮小を図ることができる。
図41は、単位画素60Aの変形例1に係る単位画素60A1の回路構成を示す回路図であり、図中、図30と同等部位には同一符号を付して示している。
図42は、単位画素60Aの変形例2に係る単位画素60A2の回路構成を示す回路図であり、図中、図30と同等部位には同一符号を付して示している。
すなわち、増幅トランジスタ68は、ドレイン電圧DRNの切替え動作と相俟って、選択トランジスタとしての作用を為す。選択トランジスタ69を省略することで、単位画素60を構成する回路素子を1画素につき1個削減できる利点がある。
単位画素60A、60A1、60A2では、画素を構成する回路素子を複数の画素間で共有することが可能である。
以上説明した単位画素60A及びその変形例に係る単位画素からは、第1のリセットレベルN1、第1の信号レベルS1、第2の信号レベルS2、及び、第2のリセットレベルN2の順に、垂直信号線17に対して信号が出力される。そして、後段の信号処理部、例えば、図1乃至図3に示すカラム処理部13や信号処理部18において、第1のリセットレベルN1、第1の信号レベルS1、第2の信号レベルS2、及び、第2のリセットレベルN2に対して所定のノイズ除去処理及び信号処理が行われる。以下、後段のカラム処理部13におけるノイズ除去処理及び信号処理部18における演算処理について説明する。
先ず、信号の読出し時にFD部71に転送された光電荷に基づく電圧信号S1と、FD部71に光電荷が転送される前のリセットレベルに基づく電圧信号N1との差分をとる。
更に、FD部71、第1の電荷蓄積部66、及び、第2の電荷蓄積部67に蓄積された光電荷に基づく電圧信号S2と、FD部71、第1の電荷蓄積部66、及び、第2の電荷蓄積部67をリセットした後のリセットレベルに基づく電圧信号N2との差分をとる。第1の差分をSN1、第2の差分をSN2とすると、SN1=S1−N1、SN2=S2−N2となる。
処理例2では、前のフレームの情報を用いるために、記憶手段、例えば、フレームメモリが必要になる。従って、処理例2の演算処理は、例えば、信号処理部18において、データ格納部19を記憶手段として用いたり、外部のDSP回路において、フレームメモリを用いたりして行うことになる。
次に、信号処理部18における演算処理について説明する。まず、前記第1の差分が所定の範囲内となったときに、当該第1の差分と前記第2の差分の比を画素毎、複数画素毎、色毎、共有画素単位内の特定画素毎、もしくは全画素一律にゲインとして算出してゲインテーブルを生成する。そして、当該第2の差分と当該ゲインテーブルの積を第2の差分の演算値として算出する。
G=SN1/SN2
=(Cfd+Cgs+Ccap)/Cfd ・・・(6)
SN2´=G×SN2 ・・・(7)
ここで、CfdはFD部71の容量値、Cgsは第1の電荷蓄積部66の容量値、Ccapは第2の電荷蓄積部67の容量値である。ゲインGは、容量比と等価である。
次の演算処理では、図49Bに示すように、第1の差分SN1が所定の範囲内において、第1の差分SN1の値及び第2の差分SN2の演算値SN2´を予め設定された比率において合成し、画素信号SNとして出力する。
Vt×0.90≦SN1<Vt×0.94の場合に、
SN=0.9×SN1+0.1×SN2´
Vt×0.94≦SN1<Vt×0.98の場合に、
SN=0.7×SN1+0.3×SN2´
Vt×0.98≦SN1<Vt×1.02の場合に、
SN=0.5×SN1+0.5×SN2´
Vt×1.02≦SN1<Vt×1.06の場合に、
SN=0.3×SN1+0.7×SN2´
Vt×1.06≦SN1<Vt×1.10の場合に、
SN=0.1×SN1+0.9×SN2´
Vt×1.10≦SN1の場合に、SN=SN2´
以上説明した実施形態では、単位画素内に2つの電荷蓄積部66、67を持ち、第2の電荷蓄積部67について、第1の電荷蓄積部66よりも単位面積当たりの容量値が大きいキャパシタからなることを主な特徴としている。しかし、2つの電荷蓄積部66、67の単位面積当たりの容量値が同等でも、ダイナミックレンジを拡大できる、という効果を得ることができる。このことについて、図50を参照して説明する。
SN1=S1−N1
SN3=S3−N2
G=SN1/SN3
=(Cfd+Csg+Ccap)/Cfd
SN3´=G×SN3×Tpd/Tcap
SN1<Vtの場合に、SN=SN1(SNにSN1を代入)
Vt≦SN1の場合に、SN=SN3´(SNにSN3´を代入)
[6−1.フォトダイオード61のみで光電荷を蓄積する例]
以上の実施例及び変形例では、高照度時にフォトダイオード61から溢れた光電荷を、第1の転送ゲート部62のオーバーフローパスを介して第1の蓄積電荷部66に蓄積し、更に、第3の転送ゲート部64のオーバーフローパスを介して第2の電荷蓄積部67に蓄積するようにしている。すなわち、本実施形態の特徴とするところは、高照度時にフォトダイオード61から溢れた光電荷を、フォトダイオード61に蓄積するとともに、当該フォトダイオード61に加えて、第1、第2の蓄積電荷部66、67でも蓄積するようにした点にある。
但し、光電荷をフォトダイオード61のみで蓄積するためダイナミックレンジはフォトダイオード61の飽和電荷量で制限される。そのため、大幅なダイナミックレンジ拡大は望めない。
また、上記実施形態では、単位画素が行列状に配置されてなるCMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本技術はCMOSイメージセンサへの適用に限られるものではない。すなわち、本技術は、単位画素が行列状に2次元配置されてなるX−Yアドレス方式の固体撮像装置全般に対して適用可能である。
本技術は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、携帯電話機などの撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機など、画像取込部(光電変換部)に固体撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
受光した光量に応じた光電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部、及び、前記光電荷を蓄積する電荷蓄積部を有する単位画素が半導体基板上に複数配置されている画素アレイ部を備え、
前記電荷蓄積部の前記単位画素に光が入射する入射側に近い方の電極のうちの少なくとも一部が遮光膜として機能する金属膜により構成される
固体撮像装置。
(2)
前記金属膜は2層構造を有し、前記電荷蓄積部の容量絶縁膜に隣接する第1層が、第2層より仕事関数が高く、遮光性が低い
前記(1)に記載の固体撮像装置。
(3)
複数の前記単位画素の一括露光が可能であり、露光期間中に前記光電変換部に蓄積された電荷を前記電荷蓄積部に蓄積する
前記(1)または(2)に記載の固体撮像装置。
(4)
前記電荷蓄積部は、露光期間中に前記光電変換部から溢れた電荷を蓄積する
前記(3)に記載の固体撮像装置。
(5)
前記電荷蓄積部は、埋め込み型MOSキャパシタからなる第1の電荷蓄積部、及び、表面型MOSキャパシタからなる第2の電荷蓄積部を含むように構成され、
前記金属膜は、前記第1の電荷蓄積部に対する遮光膜、及び、前記第2の電荷蓄積部の前記入射側に近い方の電極を構成する
前記(4)に記載の固体撮像装置。
(6)
前記第1の電荷蓄積部に対する前記遮光膜と前記第2の電荷蓄積部の前記電極とが前記単位画素内において離間して配置される
前記(5)に記載の固体撮像装置。
(7)
前記第1の電荷蓄積部に対する前記遮光膜と前記第2の電荷蓄積部の前記電極とは互いに異なる電位に設定される
前記(5)または(6)に記載の固体撮像装置。
(8)
受光した光量に応じた光電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部、埋め込み型MOSキャパシタからなり前記光電荷を蓄積する第1の電荷蓄積部、及び、表面型MOSキャパシタからなり前記光電荷を蓄積する第2の電荷蓄積部を有する単位画素が半導体基板上に複数配置されている画素アレイ部を備える固体撮像装置の製造方法において、
遮光膜を成膜する第1工程と、
前記遮光膜を加工することにより、前記第1の電荷蓄積部に対する遮光膜、及び、前記第2の電荷蓄積部の前記単位画素に光が入射する入射側に近い方の電極を形成する第2工程と
を含む固体撮像装置の製造方法。
(9)
受光した光量に応じた光電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部、及び、前記光電荷を蓄積する電荷蓄積部を有する単位画素が半導体基板上に複数配置されている画素アレイ部を備え、前記電荷蓄積部の前記単位画素に光が入射する入射側に近い電極のうちの少なくとも一部が遮光膜として機能する金属膜により構成される固体撮像装置と、
前記単位画素から出力される信号に対して信号処理を行う信号処理部と
を備える電子機器。
Claims (9)
- 受光した光量に応じた光電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部、及び、前記光電荷を蓄積する電荷蓄積部を有する単位画素が半導体基板上に複数配置されている画素アレイ部を備え、
前記電荷蓄積部の前記単位画素に光が入射する入射側に近い方の電極のうちの少なくとも一部が遮光膜として機能する金属膜により構成される
固体撮像装置。 - 前記金属膜は2層構造を有し、前記電荷蓄積部の容量絶縁膜に隣接する第1層が、第2層より仕事関数が高く、遮光性が低い
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 複数の前記単位画素の一括露光が可能であり、露光期間中に前記光電変換部に蓄積された電荷を前記電荷蓄積部に蓄積する
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記電荷蓄積部は、露光期間中に前記光電変換部から溢れた電荷を蓄積する
請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記電荷蓄積部は、埋め込み型MOSキャパシタからなる第1の電荷蓄積部、及び、表面型MOSキャパシタからなる第2の電荷蓄積部を含むように構成され、
前記金属膜は、前記第1の電荷蓄積部に対する遮光膜、及び、前記第2の電荷蓄積部の前記入射側に近い方の電極を構成する
請求項4に記載の固体撮像装置。 - 前記第1の電荷蓄積部に対する前記遮光膜と前記第2の電荷蓄積部の前記電極とが前記単位画素内において離間して配置される
請求項5に記載の固体撮像装置。 - 前記第1の電荷蓄積部に対する前記遮光膜と前記第2の電荷蓄積部の前記電極とは互いに異なる電位に設定される
請求項5に記載の固体撮像装置。 - 受光した光量に応じた光電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部、埋め込み型MOSキャパシタからなり前記光電荷を蓄積する第1の電荷蓄積部、及び、表面型MOSキャパシタからなり前記光電荷を蓄積する第2の電荷蓄積部を有する単位画素が半導体基板上に複数配置されている画素アレイ部を備える固体撮像装置の製造方法において、
遮光膜を成膜する第1工程と、
前記遮光膜を加工することにより、前記第1の電荷蓄積部に対する遮光膜、及び、前記第2の電荷蓄積部の前記単位画素に光が入射する入射側に近い方の電極を形成する第2工程と
を含む固体撮像装置の製造方法。 - 受光した光量に応じた光電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部、及び、前記光電荷を蓄積する電荷蓄積部を有する単位画素が半導体基板上に複数配置されている画素アレイ部を備え、前記電荷蓄積部の前記単位画素に光が入射する入射側に近い電極のうちの少なくとも一部が遮光膜として機能する金属膜により構成される固体撮像装置と、
前記単位画素から出力される信号に対して信号処理を行う信号処理部と
を備える電子機器。
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