JP4321568B2 - 固体撮像装置および撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンナノチューブを用いたトランジスタを電荷検出回路に用いた固体撮像装置および撮像装置に関する。
固体撮像素子の信号電荷検出部としてフローティング拡散層（以下ＦＤという、ＦＤはfloating diffusionの略）タイプの検出部があるが、この方式はＣＣＤ（Charge Coupled Device）型撮像素子の電荷検出部やＣＭＯＳセンサー画素の電荷電圧変換部などとして広く用いられている。この方式ではＫＴＣノイズ（ＣＣＤ特有の熱雑音）を相関二重サンプリング（ＣＤＳ）等でキャンセルする必要性や後段の出力部動作電圧が比較的高い電圧を要する等の制約があるものの、高変換利得が得られやすい方式である。
ＦＤ以外の主要な電荷検出方式としてフローティングゲート（以下ＦＧという、ＦＧはFloating Gateの略）方式がある。ＦＧ方式は主にＣＣＤ素子の電荷検出部として用いられていて、例えばＣＣＤ撮像素子の水平ＣＣＤ終端部において、ある電位にリセットされた電荷検出用フローティングゲート(Floating Gate)下のＣＣＤチャネルに信号電荷を転送することで、信号電荷量に応じてＦＧ電位が変化し、このＦＧが出力ＭＯＳＦＥＴ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor ）のゲートに接続された構造をなしており、出力ＭＯＳＦＥＴのチャネル電流が信号量に応じて変調されることを原理としている。本方式ではＦＧ部リセット用トランジスタが接続されていることやＦＧ部面積の関係から、上記ＦＤ方式にくらべ電荷検出容量が大きくなり易く、高変換効率の電荷検出部を得られにくい。しかしながら後段の出力部動作電圧を低く設定し易いことや非破壊読み出しであることから複数個のＦＧを並べて検出回路のＳＮを向上させる手段をとれる等のメリットがある。
上記以外の電荷検出方式としては、直接電流読み出し法やＣＭＤ（Charge Modulation Device）型電荷検出部がある。直接電流読み出し法はＣＣＤ終端のＰＮ接合に信号電流を流し込み電流経路のＲ両端の電圧を読み出す方式であるがＳＮ的には劣る方式と考えられる。ＣＭＤ型電荷検出方式では埋め込みチャネルＣＣＤ（ＢＣＣＤ）上部の表面電位や下部のウエル電位がＢＣＣＤを流れる信号電荷によって変調されることを利用し、ここにＣＣＤとは逆導電型のトランジスタをＢＣＣＤと交差する形で形成されていて、信号成分はこの逆導電型のトランジスタを流れる電流から得られる。この方式も非破壊読み出しが可能である等のメリットを有するが構造が複雑で設計上、製造上のマージンが少ないと言われている。
また、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴという）トランジスタを光センシングに用いる技術がいくつか提案されている。その一つに、酸化シリコン（ＳｉＯ2）／シリコン（Ｓｉ）構造上にカーボンナノチューブＦＥＴの光センサーへの応用がある。これは、光電変換自体をシリコン（Ｓｉ）内部で行い、発生した電荷によるシリコン（Ｓｉ）表面の電位変化を酸化膜上部のカーボンナノチューブＦＥＴのチャネル領域電位を変調するものである（例えば、非特許文献１参照。）。
松田和彦（大阪大学）著「カーボンナノチューブＳＥＴ／ＦＥＴのセンサー応用」、電気学会研究会資料（電子材料研究会、２００３年１２月１９日）、ＥＦＭ−０３−４４、ｐ４７−５０、２００３年
解決しようとする問題点は、従来のＦＤ（floating diffusion）方式の出力部ではＫＴＣノイズやチャージシェアリング（Charge sharing）ノイズが存在する点であり、またＫＴＣノイズやチャージシェアリングノイズを持たない方式であるＦＧ（floating gate）方式ではＦＤ方式に比べ高変換利得を得にくい点である。
本発明は、カーボンナノチューブのチャネルに用いた駆動トランジスタを配することで、ＫＴＣノイズやチャージシェアリングノイズを抑制しつつ、高変換利得を可能にすることを課題とする。
本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換して得られた信号電荷を電圧に変換して出力する信号電荷検出部を備え、前記信号電荷検出部は、本固体撮像装置の水平転送部を転送された信号電荷を前記信号電荷検出部のチャネル領域に転送する出力ゲートと前記チャネル領域から信号電荷を吐き出すリセットゲートとの間の前記チャネル領域上に、絶縁膜を介してカーボンナノチューブのチャネルを備えた駆動トランジスタを配置してなり、前記出力ゲートと前記リセットゲートとの間に、前記駆動トランジスタが複数配置され、前記駆動トランジスタ間の前記チャネル領域上に絶縁膜を介して転送ゲートが配置されていることを特徴とする。
本発明の固体撮像装置では、カーボンナノチューブのチャネル下のチャネル領域に転送された信号電荷によって、駆動トランジスタのカーボンナノチューブからなるチャネルの電位が変調され、これによって、駆動トランジスタを流れる電流が変調を受けて信号電圧に変換されて読み出されるため、上記駆動トランジスタは高いトランスコンダクタンス（ｇｍ）を有する。また、信号電荷検出部は、小型で高感度、高い周波数特性（ｆ特）を有するものとなる。
本発明の固体撮像装置によれば、信号電荷検出部がチャネル領域（例えばＣＣＤチャネル）と連続して存在し、信号電荷検出部からリセットゲートへの電荷転送がＣＣＤ転送（完全転送）で行われるため、ＫＴＣノイズやチャージシェアリング（Charge sharing）ノイズを持たないので、高感度な撮像素子となるという利点がある。また、信号電荷検出部が基本的にはＦＧ方式の一種であるものの、ＦＧ方式以上の高変換利得を得ることができる。
本発明の固体撮像装置に係わる基本例を、図１および図２に示した固体撮像装置の出力部の構成図、図３の固体撮像装置の構成図によって説明する。
まず、固体撮像装置の概要を、ＣＣＤ型固体撮像装置を一例として説明する。図３に示すように、固体撮像装置（ＣＣＤ型固体撮像装置）１は、入射光を光電変換する光電変換部と、光電変換部で光電変換して得られた電荷を垂直転送する垂直転送部１２とを備えたイメージ部１３と、垂直転送された信号電荷を出力側に水平転送する水平転送部１４と、水平転送部１４より出力された信号電荷を電圧に変換し増幅する出力部１５が備えられている。
上記出力部１５の詳細は、図１および図２に示すように、半導体基板１０には、水平転送部（例えば水平転送ＣＣＤ）１４が形成されている。この水平転送部１４は、半導体基板１０に形成されたチャネル領域２１上に絶縁膜２２を介して転送ゲート２３が配列された構成となっており、各転送ゲート２３が図示はしないが各垂直転送部に接続されている。上記水平転送部の出力側の半導体基板１０上には上記絶縁膜２２を介して出力ゲート（水平出力ゲート）２４、信号電荷検出部２５、リセットゲート２６が順に形成されている。上記信号電荷検出部２５は、例えば駆動トランジスタ３１で構成されている。
上記駆動トランジスタ３１には、上記チャネル領域２１上に形成された絶縁膜２２上に、カーボンナノチューブのチャネル３２が備えられている。このカーボンナノチューブのチャネル３２の一方側にソース３３が配置され、カーボンナノチューブのチャネル３２の他方側にドレイン３４が配置されている。上記チャネル３２には絶縁膜（図示せず）を介してコントロールゲート３５が設置されている。上記チャネル３２の方向は、水平転送部１４の電荷転送方向と交差する方向（図面に垂直方向）である。したがって、駆動トランジスタ３１のソース３３、ドレイン３４の位置は、チャネル３２を挟む両側位置の絶縁膜２２上に設けられることになる。
上記駆動トランジスタ３１のソース３３側には、負荷（Ｌｏａｄ）ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４１を接続するとともに、ドライブＭＯＳＦＥＴ４２を介して負荷（Ｌｏａｄ）ＭＯＳＦＥＴ４３を接続して、２段のソースフォロワを形成している。この実施例では２段のソースフォロワとしているが、ソースフォロワの段数は、１段であっても３段、４段等であってよい。また負荷ＭＯＳＦＥＴ４１、４３を実施例としているが、オンチップでなくてもよい。またＭＯＳＦＥＴでなくバイポーラトランジスタであってもよく、エミッターフォロワ等でもよい。なお、図２において、図面の見やすさを考慮して、図１に示したコントロールゲート３５の図示は省略した。
また、上記リセットゲート２６は、上記コントロールゲート３５の信号電荷の進行方向側に間隔を配して設置されていることになる。上記リセットゲート２６の上記駆動トランジスタ３１とは反対側の上記半導体基板１０には、リセットドレイン２７が形成されている。
上記固体撮像装置１では、水平転送部１４を転送された信号電荷は水平出力ゲート２４下のチャネル領域２１を通って、コントロールゲート３５下のチャネル領域２１に転送されると、信号電荷量に応じた電位変化が同チャネル領域２１に生ずる。このチャネル領域２１に生じた電位変化が容量結合で駆動トランジスタ３１のチャネル３２の電位を変調する。上記駆動トランジスタ３１の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性はＭＯＳＦＥＴの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性と同様なる傾向を示す。したがって、チャネル領域２１が駆動トランジスタ３１のゲート電極部として機能する。よって、駆動トランジスタ３１を流れる電流が変調を受けて信号電圧に変換されて、ソースフォロワを通して、信号出力として外部に出力される。
本実施例では、信号電荷を読み出した後に、リセットゲート２６をＨｉｇｈにして、チャネル領域２１からリセットドレイン２７に電荷の吐き出しを行う。このリセット動作において、コントロールゲート３５に対してＬｏｗ側に電位を与え、チャネル領域２１の電位を浅くし、チャネル領域２１からリセットゲート２６への完全転送を助長する動作とすることもできる。
上記固体撮像装置１では、信号電荷検出部２５が水平転送部１４と水平出力ゲート２４を介して連続して形成され、信号電荷検出部２５からリセットゲート２６への電荷転送がＣＣＤ転送（完全転送）で行われる。そのためＫＴＣノイズやチャージシェアリング（Charge sharing）ノイズを持たないため、高感度化が可能になる。また、上記固体撮像装置１は、基本的にはＦＧ方式の固体撮像装置の一種であるものの、ＦＧ方式以上の高変換利得を得ることが可能である。
その理由を以下に説明する。今、図４に示すように、ＦＤ方式では、信号電荷量Ｑsigによる出力トランジスタにおける電位変化Ｖsigは、Ｖsig＝Ｑsig／（ＣFD+Ｃp）…（１）式で与えられる。ここでは、ｎ＋層で形成されるフローティングディフュージョンＦＤの容量をＣFD、出力トランジスタの容量をＣpとする。
図５に示すように、ＦＧ方式においては、Ｃｓ１とＣｏｘおよびＣｐの直列容量をＣｔとすると、１／Ｃt＝１／Ｃs1＋１／Ｃox＋１／Ｃp…（２）式が得られる。また、Ｖsig*＝Ｑsig／（Ｃs2＋Ｃt）…（３）式、および、出力トランジスタにおける電位変化Ｖsig＝（Ｃｓ1＋Ｃox）・Ｖsig*／（Ｃs1＋Ｃox＋Ｃp）…（４）式の関係が成り立つ。いま（１）式と（４）式を簡略的に表すことにする。例えば、ＣFD＝Ｃp＝Ｃs1＝Ｃox＝Ｃs2＝１（単位容量）と仮定して見積もると、（１）式の容量分係数は１／２、（４）式の容量分係数は１／４となり、容量分の効果による変換利得がＦＧ方式はＦＤ方式の１／２になることが分かる。これはあくまで容量成分を均等にした場合の簡略的評価であるが実際上もほぼこれに近い値になりやすい。
上記固体撮像装置１においてはＦＧ方式におけるＣoxとＣpが共用した構造をなしているため、変換利得に関係する容量成分が小さくなる。上記同様な簡略化した単位容量で議論すると１／３が得られ、ＦＧ方式とＦＤ方式の中間の値が得られる。すなわち、一般的なＦＧ方式と比較して、大きな変換利得が得られるといえる。
上記固体撮像装置１は、カーボンナノチューブをチャネル３２とした駆動トランジスタ３１を形成したことが特徴である。このような駆動トランジスタをシリコン（Ｓｉ）ＴＦＴで形成する構造も考えられるが、カーボンナノチューブをチャネル３２とした駆動トランジスタ３１のトランスコンダクタンスｇｍは、同サイズのシリコンＴＦＴもしくはシリコンバルクトランジスタのｇｍの数十倍ある。これによりソースフォロワとして利得の大きな増幅器がカーボンナノチューブをチャネル３２とした駆動トランジスタ３１で実現可能となる。
また、カーボンナノチューブをチャネル３２とした駆動トランジスタ３１の熱雑音である１／ｆノイズは、シリコントランジスタと比較して小さい。このため、高Ｓ／Ｎの増幅器（アンプ）を実現することができる。
次に、本発明の固体撮像装置に係わる一実施の形態を、図６に示した固体撮像装置の出力部の構成平面図によって説明する。
図６に示すように、半導体基板（前記半導体基板１０に相当）には、水平転送部（例えば水平転送ＣＣＤ）１４が形成されている。この水平転送部１４は、半導体基板に形成されたチャネル領域（前記チャネル領域２１に相当）上に絶縁膜（図示せず）を介して転送ゲート２３が配列された構成となっており、各転送ゲート２３が図示はしないが各垂直転送部に接続されている。上記水平転送部１４の出力側の半導体基板上には上記絶縁膜を介して水平出力ゲート２４、信号電荷検出部２５、リセットゲート２６が順に形成されている。上記信号電荷検出部２５は、非破壊読み出しが可能なため、例えば複数段の駆動トランジスタ３１（３１ａ）、３１（３１ｂ）、３１（３１ｃ）が配置され、各駆動トランジスタ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ間に転送ゲート２８（２８ａ）、２８（２８ｂ）が形成されているものである。また、上記リセットゲート２６は、上記コントロールゲート３５の信号電荷の進行方向側に間隔を配して設置されていることになる。上記リセットゲート２６の上記駆動トランジスタ３１とは反対側の上記半導体基板１０には、リセットドレイン２７が形成されている。
上記各駆動トランジスタ３１ａ〜３１ｃには、上記チャネル領域上に形成された絶縁膜上に、カーボンナノチューブのチャネル３２ａ〜３２ｃが備えられている。各カーボンナノチューブのチャネル３２ａ〜３２ｃの一方側にソース３３ａ〜３３ｃが配置され、各カーボンナノチューブのチャネル３２ａ〜３２ｃの他方側にドレイン３４ａ〜３４ｃが配置されている。上記チャネル３２には絶縁膜（図示せず）を介してコントロールゲート（図示せず）が設置されている。この構成は前記図１によって説明したコントロールゲート３５と同様となる。上記各チャネル３２ａ〜３２ｃの方向は、水平転送部１４の電荷転送方向と交差する方向（図面に垂直方向）である。したがって、駆動トランジスタ３１のソース３３、ドレイン３４の位置は、チャネル３２を挟む両側位置の絶縁膜上に設けられることになる。
上記各駆動トランジスタ３１のソース３３側には、負荷（Ｌｏａｄ）ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４１を接続して、ソースフォロワを形成している。この実施例では２段のソースフォロワとしているが、ソースフォロワの段数は、１段であっても複数段であってよい。また負荷ＭＯＳＦＥＴ４１を実施例としているが、オンチップでなくてもよい。またＭＯＳＦＥＴでなくバイポーラトランジスタであってもよく、エミッターフォロワ等でもよい。さらに各駆動トランジスタの出力部に遅延（Delay）回路５１、５２、５３を設け、加算器５４によって加算して平均化して、出力している。いわゆる、分布浮動ゲート増幅器（Distributed Floating gate amplifier）を構成している。
上記固体撮像装置２において、信号が水平転送部１４を図面右から左に向かって転送されるとする。このとき各駆動トランジスタ３１下のチャネル領域において信号量Ａであった場合、駆動トランジスタ３１ａによって信号量Ａ＊が生成されるとする。水平転送部１４と遅延回路５１〜５３は同一クロックで動作するとして、駆動トランジスタ３１ａ下のチャネル領域を非破壊的に通過した信号は、駆動トランジスタ３１ａによって信号量Ａ＊が生成される。同様に、各駆動トランジスタ３１ｂ、３１ｃによって信号量Ａ＊が生成される。生成された各信号量Ａ＊は、遅延回路５１〜５３を経て、加算器５４に読み込まれ、加算され、平均化される。各信号量Ａ＊は、遅延回路５１〜５３を経て加算器５４に読み込まれることから、信号量Ａ＊は同時に読み込まれることになる。すなわち、各信号量Ａ＊が加算器５４に同時に読み込まれるように、遅延回路５１〜５３が調整されている。このようにして、各駆動トランジスタ３１ａ〜３１ｃで信号量を失うことなく、非破壊的に信号の読み出しが行われるので、例えば、Ｍ個の増幅段があれば信号量はＭ×（Ａ＊／Ａ）となる。ここで、カーボンナノチューブをチャネル３２に用いた駆動トランジスタ３１の特性から、信号量Ａ＊／信号量Ａ≒１とすると、Ｓ／Ｎは、Ｍ回のサンプリングにより、およそ√Ｍ倍となる。本例の場合では、３段の増幅段（駆動トランジスタ３１ａ〜３１ｃ）を有していることから、√３倍のＳ／Ｎ増が可能となる。
次に、本発明の固体撮像装置の一製造方法を以下に説明する。なお、製造方法で説明する各構成部品には、前記基本例で説明したのと構成部品が同様なものに同一符号を付した。
例えば、固体撮像装置を形成する半導体基板１０には、通常のＮ型シリコン基板を用いる。まず、半導体基板１０上にＮ型のエピタキシャル層を、例えば１０μｍの厚さに形成する。このエピタキシャル層にＣＣＤ部を形成するための不純物プロファイル形成を形成する。すなわち、チャネル領域２１、チャネルストップ部、光電変換部等を形成する。
次に、上記エピタキシャル層上に絶縁膜２２（ゲート絶縁膜）を形成する。例えば、９００℃の熱酸化法によって、５０ｎｍの厚さの酸化シリコン膜で形成する。
次に、各ゲートを形成するために、例えばポリシリコン膜を形成した後、このポリシリコン膜をリソグラフィー技術およびエッチング技術等によってパターニングして、各ゲート（例えば、垂直転送部１２のＣＣＤ転送電極、水平転送部１４のＣＣＤ転送電極、水平出力ゲート２４の水平出力電極、リセットゲート２６のリセット電極等）を形成する。さらに、出力部のＭＯＳトランジスタの電極を形成する。この電極形成は、上記電極形成と同時に行うことも可能である。次に、各ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域を形成する。
次に、駆動トランジスタ３１ソース３３、ドレイン３４を形成する。例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）等の金属膜もしくは合金膜を形成した後、その金属膜を加工することによる。次いで、カーボンナノチューブを形成してチャネル３２を構成する。この形成には、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法等を用いることができる。上記チャネル３２上に絶縁膜（図示せず）を形成する。例えば、ＣＶＤ法によって、酸化シリコンを堆積することで形成する。さらに、コントロールゲートを形成するための導電層を、例えばタングステンシリサイド（ＷＳｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等で形成した後、パターニングして、コントロールゲート３５を得る。さらに、全面に絶縁膜を形成する。
次に、通常のコンタクトホールの形成技術によって、コンタクトホールを形成した後、金属配線を、例えば、アルミニウム、銅等により形成する。必要に応じて、光電変換部上を開口した遮光膜を形成する。さらに平坦化膜、パッシベーション膜等を形成した後、カラーフィルター、オンチップレンズ等を形成して、固体撮像装置１が完成する。
次に、本発明の撮像装置に係る一実施の形態（実施例）を、図７のブロック図によって説明する。
図７に示すように、撮像装置８０は、本発明の固体撮像装置１を備えている。この固体撮像装置１の集光側には像を結像させる結像光学系８２が備えられ、さらに固体撮像装置１で光電変換された信号を画像に処理する信号処理回路８４が接続されている。上記信号処理回路８４によって処理された画像信号は画像記憶部８５によって記憶される。なお、この画像記憶部８５は外部に設けられていても良い。
本発明の撮像装置８０では、本発明の固体撮像装置１を用いているため、ＫＴＣノイズやチャージシェアリングノイズを持たないので、高品質な画像が得られる撮像装置となるという利点がある。また、ＦＧ方式以上の高変換利得を得ることができるという利点がある。
なお、本発明の撮像装置８０は、上記構成に限定されることはなく、固体撮像装置を用いる撮像装置であれば如何なる構成のものにも適用することができる。例えば、カメラや撮像機能を有する携帯機器のことをいう。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時の像の撮りこみだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。
また、本発明の固体撮像装置１、２はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
１…固体撮像装置、２１…チャネル領域２１、２４…水平出力ゲート、２５信号電荷検出部、２６…リセットゲート、３１…駆動トランジスタ、３２…チャネル３２
Claims (7)
- 入射光を光電変換して得られた信号電荷を電圧に変換して出力する信号電荷検出部を備え、
前記信号電荷検出部は、本固体撮像装置の水平転送部を転送された信号電荷を前記信号電荷検出部のチャネル領域に転送する出力ゲートと前記チャネル領域から信号電荷を吐き出すリセットゲートとの間の前記チャネル領域上に、絶縁膜を介してカーボンナノチューブのチャネルを備えた駆動トランジスタを配置してなり、
前記出力ゲートと前記リセットゲートとの間に、前記駆動トランジスタが複数配置され、
前記駆動トランジスタ間の前記チャネル領域上に絶縁膜を介して転送ゲートが配置されている
固体撮像装置。 - 前記駆動トランジスタは、
前記チャネル領域に交差して前記カーボンナノチューブのチャネルが配置され、
前記カーボンナノチューブのチャネルの一方側にソースが配置され、
前記カーボンナノチューブのチャネルの他方側にドレインが配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記チャネルは、前記絶縁膜上に形成され、前記チャネル上に別の絶縁膜を介してコントロールゲートを有する
請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記リセットゲートは、前記コントロールゲートの信号電荷の進行方向側に間隔を配して設置されている
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。 - 前記リセットゲートの前記コントロールゲートとは反対側にリセットドレインを有する
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。 - 前記コントロールゲート下の前記チャネル領域に転送された信号電荷によって、前記駆動トランジスタのカーボンナノチューブからなるチャネルの電位が変調され、これによって、前記駆動トランジスタを流れる電流が変調を受けて信号電圧に変換されて読み出される
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。 - 入射光を光電変換して得られた電荷を電圧に変換して出力する信号電荷検出部を有する固体撮像装置を備え、
前記信号電荷検出部は、前記固体撮像装置の水平転送部を転送された信号電荷を前記信号電荷検出部のチャネル領域に転送する出力ゲートと前記チャネル領域から信号電荷を吐き出すリセットゲートとの間の前記チャネル領域上に、絶縁膜を介してカーボンナノチューブからなるチャネルを備えた駆動トランジスタを配置してなり、
前記出力ゲートと前記リセットゲートとの間に、前記駆動トランジスタが複数配置され、
前記駆動トランジスタ間の前記チャネル領域上に絶縁膜を介して転送ゲートが配置されている
撮像装置。
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