JP4391078B2 - 固体撮像装置及び放射線撮像装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及び放射線撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の固体撮像装置として、基板上にM行N列に配列された複数の光電変換素子と、各光電変換素子からの信号を読み出すための信号読み出しライン(信号線)とを有したものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。この信号読み出しラインは、隣接する光電変換素子の間を列方向に沿って延びて設けられている。
【0003】
【特許文献1】
国際公開WO00/26966号パンフレット
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術における構成では、信号読み出しライン(信号線)は、隣接する光電変換素子間に位置する導電性材料(例えば、信号線に接続されたゲートスイッチの制御端子と垂直シフトレジスタとを接続するゲートライン、隣接する光電変換素子の間に形成されるアイソレーション領域に所定の電位(接地も含む)を与えるための金属配線等)との間で電気的容量(寄生容量)を持つようになる。この寄生容量は、ノイズ発生の原因になるという問題があった。特に、撮像面を大面積化した場合、信号線自体の長さも長くなることから、寄生容量も大きくなってしまい、ノイズがより発生しやすくなってしまう。
【0005】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、光電変換素子の信号出力を読み出すための信号線の寄生容量を低減して、ノイズが発生するのを抑制することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、基板上に2次元配列された複数の光電変換素子と、光電変換素子に電気的に接続され、当該光電変換素子の出力を読み出すための信号線と、を有しており、信号線は、光電変換素子の上方に位置して設けられていることを特徴としている。
【0007】
本発明に係る固体撮像装置では、光電変換素子の出力を読み出すための信号線が光電変換素子の上方に位置して設けられており、隣接する光電変換素子の間の部分から離されて設けられることとなる。このため、信号線の寄生容量が低減され、ノイズの発生を抑制することができる。
【0008】
また、信号線は、複数の光電変換素子の列毎に当該各列方向に沿って延びて設けられており、複数の光電変換素子の列毎に各光電変換素子と信号線との間の電気的な接続及び遮断を制御する複数のスイッチからなるスイッチ群と、スイッチ群を構成する各スイッチの制御端子に接続され、当該各スイッチを複数の光電変換素子の行毎に遮断あるいは導通させる走査信号を制御端子に入力する配線と、を更に有し、配線は、隣接する光電変換素子の間を複数の光電変換素子の行方向に沿って延びて設けられていることが好ましい。
【0009】
また、本発明に係る固体撮像装置は、基板上にM行N列に配列された複数の光電変換素子と、列毎に設けられた第1の配線と、列毎に各光電変換素子と第1の配線とを接続する複数のスイッチからなる第1のスイッチ群と、第1のスイッチ群を構成する各スイッチを行毎に開閉させる垂直走査信号を出力する垂直シフトレジスタと、第1のスイッチ群を構成する各スイッチの制御端子と垂直シフトレジスタとを行毎に接続する第2の配線と、第1の配線それぞれと信号出力線とを接続する複数のスイッチからなる第2のスイッチ群と、第2のスイッチ群を構成する各スイッチを列毎に開閉させる水平走査信号を出力する水平シフトレジスタと、を有しており、第1の配線は、光電変換素子の上方に位置し、列方向に沿って延びて設けられ、第2の配線は、隣接する光電変換素子の間を行方向に沿って延びて設けられていることを特徴としている。
【0010】
本発明に係る固体撮像装置では、光電変換素子の信号出力を読み出すための信号線が光電変換素子の上方に位置して設けられており、隣接する光電変換素子の間の部分から離されて設けられることとなる。このため、信号線の寄生容量が低減され、ノイズの発生を抑制することができる。
【0011】
本発明に係る放射線撮像装置は、上記固体撮像装置と、複数の光電変換素子を覆うように設けられ、放射線を可視光に変換するシンチレータと、を有することを特徴としている。
【0012】
本発明に係る放射線撮像装置では、上述したように、固体撮像装置に含まれる信号線の寄生容量が低減されることとなるので、同様にノイズの発生を抑制することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。本実施形態に係る放射線撮像装置は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置(固体撮像素子)を含んでいる。
【0014】
図1及び図2は、本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図であり、図3は、本実施形態に係る放射線撮像装置を示す平面図である。図4は、本実施形態に係る放射線撮像装置を示す構成図である。なお、図3では、ボンディングワイヤの図示を省略している。
【0015】
本実施形態の放射線撮像装置1は、図1〜図3に示されるように、固体撮像素子11、シンチレータ21、マウント基板23、枠体25等を備えている。
【0016】
固体撮像素子11は、MOS型イメージセンサであって、半導体基板12の一方面側に形成された、光感応部31、シフトレジスタ部41及び増幅部51を有している。このように、光感応部31、シフトレジスタ部41及び増幅部51は、同一基板(半導体基板12)に形成されている。半導体基板12(固体撮像素子11)は、マウント基板23上に固定されている。本実施形態においては、半導体基板12の面積は、16900mm2(=130mm×130mm)程度であり、光感応部31の面積は、15625mm2(=125mm×125mm)程度である。
【0017】
光感応部31は、図4に示されるように、光の入射強度に応じた電荷量を蓄積するフォトダイオード(光電変換素子)33を半導体基板12上に複数個配列して構成される。より具体的には、y軸方向にM行、x軸方向にN列(M,Nは自然数)に配列されたM×N個のフォトダイオード33によって光感応部31が構成される。なお、図4においては、M及びNが「4」に設定されている。
【0018】
光感応部31を構成するフォトダイオード33のそれぞれには、一端が当該フォトダイオード33に電気的に接続され、他端が後述の信号読み出しラインに電気的に接続されたゲートスイッチ(第1のスイッチ群を構成するスイッチ)35が設けられている。従って、ゲートスイッチ35が開のときには、フォトダイオード33への光の入射に伴って電荷が蓄積され、ゲートスイッチ35が閉になるとフォトダイオード33に蓄積された電荷が後述の信号読み出しラインに読み出される。なお、ゲートスイッチ35は、MOSFET(電界効果トランジスタ)にて構成することができる。
【0019】
シフトレジスタ部41は、垂直シフトレジスタ43を含み、半導体基板12上であって、光感応部31の一辺に面して形成されている。この垂直シフトレジスタ43は、ゲートスイッチ35を開閉させるための垂直走査信号を出力する。
【0020】
各ゲートスイッチ35の制御端子と垂直シフトレジスタ43とは、ゲートライン(第2の配線)45によって電気的に接続されており、垂直シフトレジスタ43から出力された垂直走査信号によって各ゲートスイッチ35を開閉させることができるようになっている。ゲートライン45は、具体的には、光感応部31に配列されたフォトダイオード33の行間を縫ってx軸方向に延線されており、同一行に存在する各ゲートスイッチ35の制御端子に接続されている。従って、垂直シフトレジスタ43とゲートスイッチ35の制御端子とは、行毎に接続されていることになる。
【0021】
光感応部31に配列されたフォトダイオード33の列間には、さらに、上記ゲートスイッチ35の他端が列毎に電気的に接続されたN本の信号読み出しライン(第1の配線;信号線)53が設けられている。当該N本の信号読み出しライン53は、増幅部51に電気的に接続されている。増幅部51は、チャージアンプ55、読み出しスイッチ(第2のスイッチ群を構成するスイッチ)57及び水平シフトレジスタ59等を含み、半導体基板12上であって、光感応部31におけるシフトレジスタ部41が面して形成された一辺に隣接する一辺に面して形成されている。
【0022】
チャージアンプ55は、信号読み出しライン53毎に設けられており、信号読み出しライン53に読み出された電荷量(電流出力)を増幅する。読み出しスイッチ57は、信号読み出しライン53毎に設けられるとともにフォトダイオード33から読み出された電荷量(電流出力)を信号出力ライン60に出力する。水平シフトレジスタ59は、読み出しスイッチ57を開閉させるための水平走査信号を出力する。
【0023】
半導体基板12には、図2及び図3に示されるように、それぞれの増幅部51と電気的に接続されて形成されたボンディングパッド部61が複数形成されている。これらのボンディングパッド部61は、ボンディングワイヤ63により、マウント基板23に形成されたボンディングパッド部65に電気的に接続されている。これにより、増幅部51からの出力は、マウント基板23を通して撮像装置1の外部に送られることとなる。また、半導体基板12には、それぞれのシフトレジスタ部41と電気的に接続されて形成されたボンディングパッド部67が複数形成されている(特に、図3参照)。これらのボンディングパッド部67は、ボンディングワイヤ(図示せず)により、マウント基板23に形成されたボンディングパッド部69に電気的に接続されている。これにより、撮像装置1の外部からの信号は、マウント基板23を通してシフトレジスタ部41に送られることとなる。
【0024】
シンチレータ21は、入射した放射線(例えば、X線)を可視光に変換するもので、柱状構造を呈している。シンチレータ21は、図3にも示されるように、半導体基板12の一方面における光感応部31、シフトレジスタ部41及び増幅部51が形成された領域を覆うように、当該領域上に直接形成されている。これにより、シンチレータ21は、半導体基板12の一方面における光感応部31、シフトレジスタ部41及び増幅部51が形成された領域に接触して配置されることとなる。なお、半導体基板12の一方面におけるボンディングパッド部61,67が形成された領域は、シンチレータ21にて覆われておらず、露出している。
【0025】
シンチレータ21には、各種の材料を用いることができるが、発光効率が良いTlドープのCsI等が好ましい。シンチレータ21の上には、シンチレータ21の柱状構造を覆ってその間隙まで入り込み、シンチレータ21を密閉する保護膜(図示せず)が形成されている。保護膜は、放射線を透過し、水蒸気を遮断する材料、例えばポリパラキシリレン樹脂(スリーボンド社製、商品名パリレン)、特にポリパラクロロキシリレン(同社製、商品名パリレンC)を用いることが好ましい。本実施形態においては、シンチレータ21の厚みは、300μm程度である。
【0026】
シンチレータ21は、蒸着法により、CsIの柱状結晶を成長させることで形成することができる。また、保護膜は、CVD法により形成することができる。なお、シンチレータ21及び保護膜の形成方法については、本願出願人による国際公開WO98/36290号パンフレット等において詳細に開示されており、ここでの説明を省略する。
【0027】
枠体25は、固体撮像素子11を囲むようにマウント基板23上に固定されている。枠体25には、光感応部31に対応する位置に、矩形形状の開口27が形成されており、放射線がこの開口27を通ってシンチレータ21に入射することとなる。枠体25と、半導体基板12及びマウント基板23との間には空間Sが形成されている。空間S内には、固体撮像素子11のシフトレジスタ部41及び増幅部51、ボンディングパッド部61,65、ボンディングワイヤ63等が位置する。このように、ボンディングワイヤ63は、枠体25と、半導体基板12及びマウント基板23とで画成される空間S内に配設されているので、当該ボンディングワイヤ63は枠体25によって押さえつけられることなく、外部からの物理的応力から保護される。また、枠体25には、その増幅部51側とは反対側に放射線遮蔽性の材料(例えば、鉛等)からなる遮蔽材29が設けられており、この遮蔽材29にて放射線を十分に遮蔽している。本実施形態おいては、遮蔽材29の厚みは2.5mm程度である。
【0028】
次に、図5〜図9に基づいて、光感応部31の構成について説明する。図5は、光感応部を示す平面図である。図6は図5のVI−VI線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図7は図5のVII−VII線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図8は図5のVIII−VIII線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図9は図5のIX−IX線に沿った断面構成を説明するための概略図である。なお、図5においては、第1〜第4絶縁層13,15〜17、ゲートスイッチ35の図示を省略している。
【0029】
半導体基板12は、図6〜図9に示されるように、P+型半導体基板12aを含み、このP+型半導体基板12a上にP−型エピタキシャル半導体層12bとP−型ウエル層12cが形成されている。P+型半導体基板12aは、接地電位とされている。なお、この固体撮像素子11は、半導体としてSiを用いるものであり、「高濃度」とは不純物濃度が1×1017/cm3程度以上のことであって、「+」を導電型に付けて示し、「低濃度」とは不純物濃度が1×1015/cm3程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。
【0030】
P−型ウエル層12cの表面側には、N+型半導体領域12dが形成されており、このN+型半導体(N+型半導体領域12d)とP−型半導体(P−型ウエル層12c)とのpn接合によりフォトダイオード(光電変換素子)33が構成されることとなる。N+型半導体領域12dは、図5に示されるように、光入射方向から見て矩形形状を呈しており、M行N列に2次元配列されている。これにより、光感応部31においては、フォトダイオード33がM行N列に2次元配列されることとなる。本実施形態では、N+型半導体領域12dの一辺の長さは50μm程度に設定されている。
【0031】
また、P−型ウエル層12cの表面側には、隣接するN+型半導体領域12dの間に、P+型半導体からなるアイソレーション領域12eが形成されている。このアイソレーション領域12eは、図5に示されるように、隣接するN+型半導体領域12dの間を行方向及び列方向に沿って延びており、光入射方向から見て格子形状を呈している。
【0032】
P−型ウエル層12c、N+型半導体領域12d、アイソレーション領域12eの上には第1絶縁層(例えば、シリコン酸化膜からなる)13が形成され、この第1絶縁層13に形成されたスルーホールを介して金属(例えば、アルミニウムからなる)配線14がアイソレーション領域12eに電気的に接続されている。この金属配線14は、図5に示されるように、隣接するN+型半導体領域12dの間を行方向及び列方向に沿って延びて設けられており、光入射方向から見て格子形状を呈している。本実施形態において、金属配線14の幅は、隣接するN+型半導体領域12d間の距離よりも大きく設定されており、金属配線14は、その一部が光入射方向から見てN+型半導体領域12dの端部と重なっている。金属配線14は接地されており、アイソレーション領域12eは接地電位とされる。なお、金属配線14は、接地する代わりに、固定電位に接続してもよい。
【0033】
第1絶縁層13の上には第2絶縁層(例えば、シリコン酸化膜からなる)15が形成されている。この第2絶縁層15の上には、上記ゲートライン45及び第3絶縁層(例えば、シリコン酸化膜からなる)16が形成されている。ゲートライン45は、アルミニウム等の金属からなり、隣接するN+型半導体領域12dの間を行方向に沿って延びて設けられている。
【0034】
第3絶縁層16の上には、上記信号読み出しライン53及び第4絶縁層(例えば、シリコン酸化膜からなる)17が形成されている。信号読み出しライン53は、アルミニウム等の金属からなり、図5及び図6に示されるように、光入射方向から見てN+型半導体領域12dの上方に位置し、列方向に沿って延びて設けられている。本実施形態では、信号読み出しライン53の幅は0.5μm程度に設定されている。また、信号読み出しライン53は、N+型半導体領域12dの一辺から1〜2μm程度N+型半導体領域12d上にずれて配置されている。
【0035】
以上のように、本実施形態によれば、信号読み出しライン53は、フォトダイオード33を構成するN+型半導体領域12dの上方に位置して設けられており、隣接するN+型半導体領域12dの間の部分、すなわち金属配線14から離されて設けられることとなる。このため、信号読み出しライン53の寄生容量が低減され、ノイズの発生を抑制してSN比を向上することができる。
【0036】
信号読み出しライン53をN+型半導体領域12dの上方に位置して設けることにより、信号読み出しライン53を隣接するN+型半導体領域12dの間に配置したものに比して、フォトダイオード33における受光感度が低下することとなる(本実施形態においては、1.6%程度低下することとなる)。しかしながら、この受光感度の低下分は、増幅部51での増幅率を高める手法等によって補うことができ、結果として撮像出力の低下を防ぐことができる。
【0037】
なお、信号読み出しライン53の寄生容量を低減するためには、N+型半導体領域12dの一辺(隣接するN+型半導体領域12dの間の部分)からのずれ量を大きくする、たとえば、信号読み出しライン53を光入射方向から見てN+型半導体領域12dの中央部分に配置することが好ましい。しかしながら、信号読み出しライン53は、ゲートスイッチ35(MOSFET)に接続する必要があるため、N+型半導体領域12dの一辺から大きくずらしてしまうのは現実的でない。このため、上記ずれ量は、寄生容量の低減量とゲートスイッチ35との接続性を勘案して設定することが好ましい。
【0038】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。本実施形態においては、シンチレータ21を半導体基板12上に直接形成するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、放射線透過性基板上にシンチレータを形成したシンチレータ基板を用い、半導体基板12の一方面における光感応部31、シフトレジスタ部41及び増幅部51が形成された領域とシンチレータとが接触するように、シンチレータ基板を配置した構成としてもよい。なお、シンチレータの上に保護膜が形成されている場合には、上記光感応部31、シフトレジスタ部41及び増幅部51が形成された領域と保護膜とが接触するようになる。
【0039】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光電変換素子の信号出力を読み出すための信号線の寄生容量を低減して、ノイズが発生するのを抑制することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図である。
【図2】本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図である。
【図3】本実施形態に係る放射線撮像装置を示す平面図である。
【図4】本実施形態に係る放射線撮像装置を示す構成図である。
【図5】本実施形態に係る放射線撮像装置の固体撮像素子に含まれる光感応部を示す平面図である。
【図6】図5のVI−VI線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図7】図5のVII−VII線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図8】図5のVIII−VIII線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図9】図5のIX−IX線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【符号の説明】
1…放射線撮像装置、11…固体撮像素子、12…半導体基板、12d…N+型半導体領域、12e…アイソレーション領域、14…金属配線、21…シンチレータ、23…マウント基板、31…光感応部、33…フォトダイオード、35…ゲートスイッチ、41…シフトレジスタ部、43…垂直シフトレジスタ、45…ゲートライン、51…増幅部、53…信号読み出しライン、55…チャージアンプ、57…読み出しスイッチ、59…水平シフトレジスタ、60…信号出力ライン。
Claims (3)
- 基板上に2次元配列された複数の光電変換素子と、
前記複数の光電変換素子の列毎に当該各列方向に沿って延びて設けられると共に、前記光電変換素子に電気的に接続され、当該光電変換素子の出力を読み出すための信号線と、
前記複数の光電変換素子の列毎に前記各光電変換素子と前記信号線との間の電気的な接続及び遮断を制御する複数のスイッチからなるスイッチ群と、
前記スイッチ群を構成する各スイッチの制御端子に接続され、当該各スイッチを前記複数の光電変換素子の行毎に遮断あるいは導通させる走査信号を前記制御端子に入力する配線と、を有しており、
前記信号線は、前記光電変換素子の上方に位置して設けられ、
前記配線は、隣接する前記光電変換素子の間を前記複数の光電変換素子の行方向に沿って延びて設けられていることを特徴とする固体撮像装置。 - 基板上にM行N列に配列された複数の光電変換素子と、
前記列毎に設けられた第1の配線と、
前記列毎に前記各光電変換素子と前記第1の配線とを接続する複数のスイッチからなる第1のスイッチ群と、
前記第1のスイッチ群を構成する各スイッチを前記行毎に開閉させる垂直走査信号を出力する垂直シフトレジスタと、
前記第1のスイッチ群を構成する各スイッチの制御端子と前記垂直シフトレジスタとを前記行毎に接続する第2の配線と、
前記第1の配線それぞれと信号出力線とを接続する複数のスイッチからなる第2のスイッチ群と、
前記第2のスイッチ群を構成する各スイッチを前記列毎に開閉させる水平走査信号を出力する水平シフトレジスタと、を有しており、
前記第1の配線は、前記光電変換素子の上方に位置し、前記列方向に沿って延びて設けられ、
前記第2の配線は、隣接する前記光電変換素子の間を前記行方向に沿って延びて設けられていることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の固体撮像装置と、
前記複数の光電変換素子を覆うように設けられ、放射線を可視光に変換するシンチレータと、を有することを特徴とする放射線撮像装置。
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