JP2014033047A - 固体撮像装置、及び撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】所定数の画素を1組とする単位セルが撮像面に2次元状に配置され、各単位セルは、信号電荷を電位に変換するフローティングディフュージョンと、増幅トランジスタと、選択トランジスタと、リセットトランジスタとを共有する構造を有し、単位セル内の各画素は、さらに信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、信号電荷をフローティングディフュージョンに転送する転送トランジスタとをそれぞれ有する固体撮像装置において、各単位セル内の所定の画素の転送トランジスタを制御する制御信号が供給される制御線の配線層から分岐される配線層であって、その配線層の一部の面が前記フローティングディフュージョンの配線層の一部の面と対向するダミー配線層を付加する。
【選択図】図3
Description
例えば、画素毎の特性のばらつきを少なくすることも画像の品質を高めるために要求される特性であるが、感度特性を高めるための対策が、画素毎の特性のばらつきを少なくする性能を低下させることがある。
ここで、より具体的な現象を例示する。組にした複数の画素で一部の構成(トランジスタなど)を共有させて感度特性を高めるように構成にしたことにより、一部の構成を共有しているにもかかわらず、組にした複数の画素同士の出力特性に差が生じることがある。上記のように構成したことにより画素同士の出力特性に差が生じていると、出力された画像において、その差が縞状のノイズとなって表れることが問題となる。
本実施形態の説明に先立って、図14から図17を参照し、固体撮像装置の感度特性を高めるための対策が、画素毎の出力特性のばらつきを生じることになる原因について説明する。
図14と図15は、従来の固体撮像素子(固体撮像装置)の撮像面を平面視した平面図である。
この図14と図15に示される従来の固体撮像素子の撮像面には、2次元に配列された複数の画素が設けられている。設けられている複数の画素があり、複数の画素を組にして、組にした複数の画素で一部のトランジスタなどを共有させて感度特性を高めている。
この図14は、垂直走査方向(Y方向)に並べて設けられている2つの画素でトランジスタを共有する固体撮像素子1Bの例を示し、固体撮像素子1Bにおける撮像面の一部、縦4画素×横4画素のみ抽出した画素の配列を示す。この固体撮像素子1Bでは、垂直走査方向(Y方向)に並べて設けられている2画素からなる単位セル4Bが、2次元状に配列されて画素領域が構成されている。また、この図15は、図14に示す固体撮像素子1において、1つの単位セル4Bの部分を拡大して示す。なお、以下の説明において、「垂直走査方向(Y方向)を図の「上下」方向に対応させて、例えば、「垂直走査方向(Y方向)に並べて設けられている2つの画素」のことを、単に「上下の2画素」という。
要するに、横縞現象は、第1転送トランジスタTX1の配線層とフローティングディフュージョンFDとの間の寄生容量が、フローティングディフュージョンの容量全体に対して占める比率(第1の容量比率)と、第2転送トランジスタTX2の配線層とフローティングディフュージョンFDの配線層との間の寄生容量が、フローティングディフュージョンの容量全体に対して占める比率(第2の容量比率)とが異なっていることにより発生する。
なお、本実施形態において、第1転送トランジスタTX1の配線層とフローティングディフュージョンFDの配線層との間に存在する寄生容量が、フローティングディフュージョンの容量全体に対して占める比率(第1の容量比率)を「容量比率C1」と呼び、下側画素の第2転送トランジスタTX2の配線層とフローティングディフュージョンFDの配線層との間に存在する寄生容量が、フローティングディフュージョンの容量全体に対して占める比率(第2の容量比率)を「容量比率C2」と呼ぶ。
この図において、図16(A)は、転送トランジスタTXがオフであって、フローティングディフュージョンFDの電位が初期化された状態(以下、「フローティングディフュージョンFDのリセット状態」という。)における電位、換言すれば、転送トランジスタTXがオン(フォトダイオードPDの信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する状態)になる前のフローティングディフュージョンFDがリセットされた状態における電位を示す。また、図16(B)は、転送トランジスタTXがオンになった状態の電位を示し、図16(C)は、転送トランジスタTXがオンからオフに移行した後の状態の電位を示している。なお、以下の説明において、第1転送トランジスタTX1とフローティングディフュージョンFDとの間の容量比率C1が、第2転送トランジスタTX2とフローティングディフュージョンFDとの間の容量比率C2よりも小さい(C1<C2)ものとして説明する。
そして、図16(B)に示す転送トランジスタTXがオンの状態になると、容量比率C1と容量比率C2との差異により、画素91においては、第1転送トランジスタTX1の電位(ゲート電極の下部の領域の電位)と、フローティングディフュージョンFDの電位とがそれぞれ電位V2’の状態になる。一方、画素92においては、第2転送トランジスタTX2の電位(ゲート電極の下部の領域の電位)と、フローティングディフュージョンFDの電位とがそれぞれV2(V2>V2’)になる。この場合に、画素91においては、フローティングディフュージョンFDの電位V2’が低いため(V2’<V2)、第1転送トランジスタTX1のゲート電極の下にフローティングディフュージョンFDから電荷が流れ込み、電荷(符号Aで示す電荷)が蓄積される状態になる。
図1は、本発明の第1実施形態に係わる固体撮像素子1の回路構成を示すブロック図である。この固体撮像素子1は、CMOS型の固体撮像素子として構成されている。この図1に示す固体撮像素子1は、2画素(フォトダイオードPD1を含む画素91とフォトダイオードPD2を含む画素92)からなる単位セル4が2次元状に配置されて画素領域が構成されている。この図では、説明の簡便のために2×4画素のみが配列された例を示しているが、実際には、例えば、全画素数が500〜1000万画素等の多数の画素で構成される。
この固体撮像素子1は、一般的なCMOS型固体撮像素子と同様に、垂直走査回路2と、水平走査回路3と、周知のCDS回路等を含む読み出し回路5と、出力アンプ6とを周辺回路として有しており、この周辺回路は、画素領域の周辺に配置されている。
この図においては、説明を簡便にするために4×4画素のみを模式的に示している。また、この図3では、配線層として、第2層目のメタル層2Mと第2層目よりも下層の第1層目のメタル層1Mまでを示し、それ以外の積層構造である他のメタル層や、電源電位VDDを与える電源層等は省略して示している。また、この図において、水平走査方向をX方向とし、垂直走査方向をY方向とし、紙面に垂直な方向をZ方向としている。
一方、第2層目より下層の第1層目のメタル層1Mは、主に垂直走査方向(Y方向)に延伸して形成されるメタル層であり、例えば、第1層目のメタル層1Mとして、垂直信号線(VL)31や、グランド配線(GND)32や、フローティングディフュージョンFDの配線層となるメタル層33などがある。
このダミー配線層は、図4(B)に示すように、第2層目のメタル層21のA点から分岐されるとともにフローティングディフュージョンの配線層(メタル層33)の方向に向かって延びるメタル層61と、このメタル層61の先端部61Aから第1層目のメタル層の方向に向かって延びるメタル層(ビア)62と、このメタル層62に一端が接続されるとともに第1層目のメタル層内をフローティングディフュージョンの配線層(メタル層33)の方向に向かって延びるメタル層63と、で形成されている。そして、このダミー配線層21Aは、メタル層63の先端部の面63Aと、フローティングディフュージョンFDのメタル層33の先端部の面33Aとが対向するように形成されている。
一方、従来の固体撮像素子1B(図14を参照)では、図5(B)に示すように、画素91の第1転送トランジスタTX1をオンにした場合に、フローティングディフュージョンFDの電位は、電位V2よりも低い電位V2’となり、第1転送トランジスタTX1のゲート電極の下に電荷(符号Aで示す電荷)が蓄積される状態になり、横縞現象が発生することになる。
上述した第1実施形態では、図4(B)に示すように、ダミー配線層21Aとして、第1転送トランジスタTX1のメタル層21からメタル層61を分岐し、さらにメタル層62と、メタル層63とによりメタル層をフローティングディフュージョンFDのメタル層33の方向に延ばし、メタル層63の先端部の面63AをフローティングディフュージョンFDのメタル層33の端部33Aの面と対向させるようにして寄生容量C11を形成し、容量比率C1を増加させている。これにより、第1転送トランジスタTX1の配線層とフローティングディフュージョンFDの配線層との間の容量比率C1と、第2転送トランジスタTX2の配線層とフローティングディフュージョンFDの配線層との間の容量比率C2とが、同一又は略同一になるようにしている。
この図7(B)に示すように、ダミー配線層21Bとして、第1転送トランジスタTX1のメタル層21からメタル層64を分岐して、メタル層64をフローティングディフュージョンFDの配線層(メタル層33)の方向に延ばし、このメタル層64の先端部分64Aの面が、フローティングディフュージョンFDのメタル層33の先端部33Bの面と対向するようにして寄生容量C11を形成する。
このように、メタル層21から分岐されるダミー配線層21Bを設け、第1転送トランジスタTX1のメタル層21とフローティングディフュージョンFDのメタル層33との間に寄生容量C11を形成することにより、第1転送トランジスタTX1の配線層とフローティングディフュージョンFDの配線層との間の容量比率C1を増加させることができる。これにより、第1転送トランジスタTX1の配線層とフローティングディフュージョンFDの配線層との間の容量比率C1と、第2転送トランジスタTX2の配線層とフローティングディフュージョンFDの配線層との間の容量比率C2とを、同一又は同一又は略同一にすることができる。
上述した第1実施形態及び第1の変形例では、第1転送トランジスタTX1のメタル層21からダミー配線層を延ばして、このダミー配線層をフローティングディフュージョンFDのメタル層33に接近させる例を示したが、逆に、フローティングディフュージョンFDのメタル層33からダミー配線層を延ばして、このダミー配線層を第1転送トランジスタTX1のメタル層21に接近させることもできる。
この図8(B)に示すように、フローティングディフュージョンFDのメタル層33から、第1転送トランジスタTX1のメタル層21の方向に向けてメタル層35を延ばし、このメタル層35の先端部分の面35Aを、第1転送トランジスタTX1のメタル層21の一部の面に対向するようにし寄生容量C11を形成する。これにより、第1転送トランジスタTX1の配線層とフローティングディフュージョンFDの配線層との間の容量比率C1を増加させることができる。
次に、第1実施形態の第3の変形例として、第1転送トランジスタTX1のメタル層と、フローティングディフュージョンFDのメタル層の両方からダミー配線層を延ばす例について説明する。
この図9(B)に示す例では、第1転送トランジスタTX1のメタル層21側にダミー配線層21Cを形成するとともに、フローティングディフュージョンFDのメタル層33側にもダミー配線層(メタル層36)を形成する。
そして、メタル層62の先端部分62Aが、フローティングディフュージョンFD側のメタル層36の先端部36Aに対向するようにして、寄生容量C11を形成する。これにより、第1転送トランジスタTX1の配線層とフローティングディフュージョンFDの配線層との間の容量比率C1を増加させることができる。
上述した第1実施形態では、第1転送トランジスタTX1のメタル層21と、フローティングディフュージョンFDのメタル層33との間に、ダミー配線層を用いた寄生容量を形成することにより、容量比率C1を増加させる例について説明したが、これに限定されず、第1転送トランジスタTX1のゲート電極となるポリシリコン層と、増幅トランジスタAMPのゲート電極となるポリシリコン層との間に寄生容量を形成することにより容量比率C1を増加させるようにしてもよい。
これは、第1転送トランジスタTX1のメタル層21は、第1転送トランジスタTX1のゲート電極に接続されており、また、フローティングディフュージョンFDのメタル層33は、増幅トランジスタAMPのゲート電極に接続されている。そのため、第1転送トランジスタTX1のゲート電極と増幅トランジスタのゲート電極との間に寄生容量を形成することは、転送トランジスタTX1のメタル層21と、フローティングディフュージョンFDのメタル層33との間に寄生容量を形成することと等価になる。
図13は、本発明の第3実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図であり、上述した第1実施形態又は第2実施形態の固体撮像素子を撮像装置100に適用した例を示す図である。この図13において、撮影レンズ101により形成された被写体像は、固体撮像素子102により光電変換され、画像信号が出力される。画像信号はAD変換部103によりデジタル画像信号に変換され、RAM等の揮発性のメモリ104に格納される。メモリ104に格納された画像信号は、液晶表示部105により画像表示されるとともに、メモリ等の不揮発性の記録媒体106に記録される。制御部(CPU)107は上述の撮像動作、格納動作、表示動作、記録動作の制御を行う。
これにより、複数の画素でトランジスタRST,SEL,AMPとフローティングディフュージョンFDとを共有する固体撮像素子において、横縞現象が発生することを回避できる。
これにより、2つの画素でトランジスタRST,SEL,AMPとフローティングディフュージョンFDとを共有する固体撮像素子1において、横縞現象が発生することを回避できる。
例えば、メタル層とダミー配線層の位置と幅は、各図に示される位置と幅に限られるものではなく適宜選択可能である。また、ダミー配線層21A,21B,21Cの厚さは、同じ層に形成されるメタル層の厚さと同じ厚さとして図示しているが、同じ層に形成されるメタル層の厚さと異なる厚さにしても良い。
Claims (10)
- 所定数の画素を1組とする単位セルが撮像面に2次元状に配置され、前記各単位セルは、信号電荷を電位に変換するフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの電圧信号を出力する選択トランジスタと、前記フローティングディフュージョンを初期状態の電位にリセットするリセットトランジスタとを共有する構造を有し、
前記単位セル内の各画素は、さらに前記信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、前記信号電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送トランジスタとをそれぞれ有する固体撮像装置において、
前記各単位セル内の所定の画素の転送トランジスタを制御する制御信号が供給される制御線の配線層から分岐される配線層であって、その配線層の一部の面が前記フローティングディフュージョンの配線層の一部の面と対向するように形成されるダミー配線層を付加した
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記単位セルの組は、
前記撮像面に沿った第1の方向に並べて配列されている第1画素と第2画素とを含み、
前記第1画素はさらに前記信号電荷を蓄積する第1フォトダイオードと、前記信号電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する第1転送トランジスタとを有し、
前記第2画素はさらに前記信号電荷を蓄積する第2フォトダイオードと、前記信号電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する第2転送トランジスタとを有しており、
前記第1画素の前記第1転送トランジスタの配線層から分岐される配線層であって、その配線層の一部の面が前記フローティングディフュージョンの配線層の一部の面と対向するように形成されるダミー配線層
を備えることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記ダミー配線層は、
前記第1転送トランジスタの配線層と前記フローティングディフュージョンの配線層との間の寄生容量が、フローティングディフュージョンの容量全体に対して占める比率と、
前記第2転送トランジスタの配線層と前記フローティングディフュージョンの配線層との間の寄生容量が、フローティングディフュージョンの容量全体に対して占める比率とが、
同一又は略同一になるように形成されている
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記ダミー配線層は、
前記第1及び第2フォトダイオードが遮光され入射光がない状態にあり、かつ前記フローティングディフュージョンの電位が前記リセットトランジスタにより初期状態の電位にリセットされた状態において、
前記第1転送トランジスタを、前記信号電荷を前記フローティングディフュージョンに転送するオン状態にした際の前記フローティングディフュージョンの電位と、
前記第2転送トランジスタを、前記信号電荷を前記フローティングディフュージョンに転送するオン状態にした際の前記フローティングディフュージョンの電位とが、
同一又は略同一になるように形成されている
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョン及び前記第1転送トランジスタの配線層にはメタル層が含まれており、
前記ダミー配線層は、前記第1転送トランジスタのメタル層から分岐され、該ダミー配線層の一部の面が前記フローティングディフュージョンの前記メタル層の一部の面に対向するように形成されている
ことを特徴とする請求項2から4の何れか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記メタル層は第1層目と第2層目とを含めて形成されており、
前記第1転送トランジスタ及び第2転送トランジスタのゲート電極は前記第2層目に設けられている異なるメタル層にそれぞれ接続され、
前記フローティングディフュージョンは前記第2層目より下層に設けられた前記第1層目のメタル層に接続され、
前記フローティングディフュージョンの前記第1層目のメタル層は、
前記メタル層を前記撮像面に対して射影した状態で、前記第1転送トランジスタの前記第2層目のメタル層と交差せず、前記第2転送トランジスタの前記第2層目のメタル層と交差するように形成されており、
前記ダミー配線層は、
前記第1転送トランジスタの前記第2層目のメタル層から分岐されるとともに、前記フローティングディフュージョンの配線層の方向に向けて延ばされ、その一部の面が前記フローティングディフュージョンの前記第1層目のメタル層の一部の面に対向するように形成されている
ことを特徴とする請求項5に記載の固体撮像装置。 - 前記ダミー配線層は、
前記第1転送トランジスタの前記第2層目のメタル層から分岐されるとともに、前記第2層目のメタル層内を前記フローティングディフュージョンの配線層の方向に向かう平面方向と、前記第2層目から前記第1層目のメタル層の方向に向かう高さ方向と、前記第1層目のメタル層内を前記平面方向とに向けて順に延ばされ、その先端部の面が前記フローティングディフュージョンの前記第1層目のメタル層の一部の面に対向するように形成されている
ことを特徴とする請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョン及び前記第1転送トランジスタの配線層にはメタル層とポリシリコン層とが含まれており、
前記ダミー配線層は、
前記第1転送トランジスタの前記ポリシリコン層から延ばされ、該ダミー配線層の一部の面が前記フローティングディフュージョンの前記ポリシリコン層の一部の面に対向するように形成されている
ことを特徴とする請求項2から4の何れか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記メタル層は第1層目と第2層目とを含めて形成されており、
前記第1転送トランジスタ及び第2転送トランジスタのゲート電極はポリシリコン層で構成されるとともに前記第2層目に設けられている異なるメタル層にそれぞれ接続され、
前記フローティングディフュージョンは前記第2層目より下層に設けられた前記第1層目のメタル層に接続され、
前記増幅トランジスタのゲート電極はポリシリコン層で構成されるとともに前記フローティングディフュージョンの前記第1層目のメタル層に接続され、
前記フローティングディフュージョンの前記第1層目のメタル層は、
前記メタル層を前記撮像面に対して射影した状態で、前記第1転送トランジスタの前記第2層目のメタル層と交差せず、前記第2転送トランジスタの前記第2層目のメタル層と交差するように形成されており、
前記ダミー配線層は、
前記第1転送トランジスタのゲート電極であるポリシリコン層から前記増幅トランジスタのゲート電極であるポリシリコン層の方向に向けて平面方向に延ばされ、その一部の面が前記増幅トランジスタのゲート電極であるポリシリコン層の一部の面に対向するように形成されている
ことを特徴とする請求項8に記載の固体撮像装置。 - 請求項1から9の何れか1項に記載の固体撮像装置を備えたことを特徴とする撮像装置。
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