JP5225434B2 - Solid-state imaging device and imaging system - Google Patents
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Description
本発明は、ディジタルカメラ等の画像入力用撮像装置として使用される固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device used as an image input imaging device such as a digital camera.
固体撮像装置は、近年ディジタルスチルカメラ、ビデオカムコーダーを中心とする画像入力用撮像装置として、急速に需要が高まっている。 In recent years, the demand for solid-state imaging devices has been rapidly increasing as imaging devices for image input centering on digital still cameras and video camcorders.
これらの固体撮像装置としてCCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)やMOS型センサが用いられている。前者は後者と比較して、感度が高くノイズが小さいために、高画質の撮像装置として普及している反面、消費電力が大きく、駆動電圧が高い、汎用の半導体製造プロセスが使えないためにコストが高く、駆動回路等の周辺回路を集積することが困難であるなどの弱点を抱えているため、今後需要の拡大が予想される携帯機器への応用には、上記の弱点をカバーできるMOS型固体撮像装置が適用されてくるものと予想されている。 As these solid-state imaging devices, CCD (Charge Coupled Device) and MOS type sensors are used. Compared to the latter, the former has higher sensitivity and lower noise, so it is widely used as a high-quality imaging device. On the other hand, the power consumption is high, the drive voltage is high, and a general-purpose semiconductor manufacturing process cannot be used. MOS type that can cover the above weak points for applications to portable devices where demand is expected to expand in the future because it has high weakness and it is difficult to integrate peripheral circuits such as drive circuits. It is expected that solid-state imaging devices will be applied.
MOS型固体撮像装置の代表としてCMOSプロセスにより形成する、CMOS固体撮像装置が実用化されている。CMOS固体撮像装置の画素回路を図1に、画素の平面レイアウトを図2に、その断面構造を図3に示す。 A CMOS solid-state imaging device formed by a CMOS process as a representative of a MOS solid-state imaging device has been put into practical use. FIG. 1 shows a pixel circuit of the CMOS solid-state imaging device, FIG. 2 shows a planar layout of the pixel, and FIG. 3 shows a sectional structure thereof.
図1にて、1はフォトダイオード、2はフォトダイオードの電荷を転送する転送MOSトランジスタ、3は転送された電荷を一時的に蓄えておくフローティングディフュージョン、4はフローティングディフュージョンおよびフォトダイオードをリセットするためのリセットMOSトランジスタ、5はアレイ中の任意の1行を選択するための選択MOSトランジスタ、6はフローティングディフュージョンの電荷を電圧に変換してソースフォロワー型増幅器で増幅するソースフォロワーMOSトランジスタ、7は1つの列で共通化され画素電圧信号を読み出す読み出し線、8は読み出し線7を定電流とするための定電流源である。
In FIG. 1, 1 is a photodiode, 2 is a transfer MOS transistor for transferring the charge of the photodiode, 3 is a floating diffusion for temporarily storing the transferred charge, and 4 is for resetting the floating diffusion and the photodiode. Reset
動作を簡単に説明する。入射光はフォトダイオード1により電荷に変換され、電荷は転送MOSトランジスタ2により、フローティングディフュージョン3に蓄えられる。フローティングディフュージョン3および、フォトダイオード1は予めリセットMOSトランジスタ4および転送MOSトランジスタ2を開とすることで一定電位にリセットされているので、フローティングディフュージョン3の電位は入射光により発生した電荷に応じて変化する。フローティングディフュージョン3の電位はソースフォロワーMOSトランジスタ6により増幅され、読み出し線7に出力される。当該画素は選択MOSトランジスタ5を開とすることで選ばれる。不図示の出力回路ではフローティングディフュージョン3のリセット電位と光信号蓄積後の電位の差分演算を行うことで、光信号分を検出する。
The operation will be briefly described. Incident light is converted into electric charge by the
図2は、図1の画素回路のレイアウトの一例である。10はフォトダイオードが形成されているアクティブ領域、11は選択MOSトランジスタおよびソースフォロワートランジスタが形成されているアクティブ領域を示す。20は転送MOSトランジスタの領域、21は転送MOSトランジスタのゲート線を示している。破線で囲まれた領域30はフローティングディフュージョンのうち半導体のPN接合で形成されている部分を示している。また31はフローティングディフュージョンから電極を引き出すためのコンタクト、32はフローティングディフュージョンの引き出しのための金属電極、33は32の金属電極からポリシリコンに接続するためのコンタクト、34はポリシリコン電極である。40はリセットMOSトランジスタ領域、41はリセット電源との接続のためのコンタクトを示す。50は選択MOSトランジスタのゲート領域、51はVDD電源と接続するためのコンタクト、60はソースフォロワーMOSトランジスタ領域を示しており、フローティングディフュージョンと電気的に接続されているポリシリコン34をゲート電極としている。70は出力線で金属電極で構成される。また71は出力線70とソースフォロワーMOSトランジスタ60の主電極を接続するコンタクトである。
FIG. 2 is an example of the layout of the pixel circuit of FIG.
図2のレイアウトのAA′断面を図3に示す。301はn型シリコン基板、302aはP型ウエル、302bはP型埋め込み層、303aはMOSトランジスタのゲート酸化膜、303bは受光部上の薄い酸化膜、304は転送MOSトランジスタのゲート電極、305はフォトダイオード1のN型カソード、306はフォトダイオードを埋め込み構造とするための表面P型領域、307aは素子分離のためのLOCOS酸化膜、307bはP型チャネルストップ層、308はフローティングディフュージョン3を形成し転送MOSトランジスタ2のドレイン領域ともなっているN型高濃度領域、309はゲート電極とメタル第一層を絶縁するシリコン酸化膜、320はコンタクトプラグ、321はメタル第一層、322はメタル第一層とメタル第二層を絶縁する層間絶縁膜、323はメタル第二層、324はメタル第二層とメタル第三層を絶縁する層間絶縁膜、325はメタル第三層、326はパッシベーション膜である。カラー用光電変換装置では、パッシベーション膜326の上層に更に不図示のカラーフィルター層、さらに感度向上のためのマイクロレンズを形成する。
FIG. 3 shows an AA ′ cross section of the layout of FIG. 301 is an n-type silicon substrate, 302a is a P-type well, 302b is a P-type buried layer, 303a is a gate oxide film of a MOS transistor, 303b is a thin oxide film on a light receiving portion, 304 is a gate electrode of a transfer MOS transistor, 305 is The N-type cathode of the
表面から入射した光はメタル第3層の無い開口部を通して、フォトダイオードに入る。光はフォトダイオードのN型アノード305或いはP型ウエル302a内で吸収され、電子・ホール対を生成する。このうち電子はN型アノード領域に蓄積されてゆく。
Light incident from the surface enters the photodiode through the opening without the third metal layer. The light is absorbed in the N-
しかしながら上記の従来のCMOS型固体撮像装置では、入射光により発生した信号電子がフローティングディフュージョン3に混入し、出力電圧を変化させるという課題があった。図3に示すように、斜方入射した光線330aにより、転送MOSトランジスタのゲート下で発生した電子・正孔対330bのうち電子は、フォトダイオードのN型カソード305より、フローティングディフュージョンを構成するN型高濃度層308に引き寄せられる。また、例えば転送MOSトランジスタのゲート電極304上に入射した光331aは図3ように反射を繰り返し、N型高濃度層308直下で電子・正孔対331bを発生させる。このうち電子はN型高濃度層に引き寄せられる。第一層メタル320を図3で開口側に引き伸ばして遮光性を向上すると、フローティングディフュージョン部の静電容量が増大し、電荷変換係数が低下することで、S/Nが劣化するという問題を生じていた。
However, the conventional CMOS solid-state imaging device has a problem in that signal electrons generated by incident light are mixed into the floating diffusion 3 to change the output voltage. As shown in FIG. 3, electrons out of the electron-
以上の様にして、フォトダイオードを介すること無く、直接フローティングディフュージョンに捉えられた電子は、擬信号となり、固体撮像装置のノイズを増加させる、ダイナミックレンジを縮小させる、暗時の出力を増大させる、暗時のシェーディングを増大させる等の問題を引き起こす。このため、フローティングディフュージョンの遮光性を向上させることが従来のCMOS型固体撮像装置の課題であった。 As described above, the electrons directly captured by the floating diffusion without going through the photodiode become a pseudo signal, increase the noise of the solid-state imaging device, reduce the dynamic range, increase the output in the dark, It causes problems such as increasing shading in the dark. For this reason, improving the light shielding property of the floating diffusion has been a problem of the conventional CMOS type solid-state imaging device.
CCD型固体撮像装置でも、読み出し回路の最終段にフローティングディフュージョンを用いたソースフォロワー型増幅回路が一般に使用されている。例えば、ソースフォロワー増幅器への電極引き出しをポリシリコンで行う例がある(例えば、特許文献1参照)。
しかしこの例には遮光性の向上については触れられておらず、先の従来例で示したような、シリコン内部で発生した電子がフローティングディフュージョンに流入することに関しても考慮していない。更にCCD型固体撮像装置では、フローティングディフュージョン増幅回路は水平CCDの後段に1つあるだけであるので、画素部から遠いために、画素面積に制約されること無くレイアウトできるので、あまり工夫は必要でない。
Even in a CCD solid-state imaging device, a source follower type amplifier circuit using a floating diffusion at the final stage of a readout circuit is generally used. For example, there is an example in which the electrode extraction to the source follower amplifier is performed by polysilicon (for example, see Patent Document 1).
However, this example does not mention improvement of the light shielding property, and does not take into consideration that electrons generated in the silicon flow into the floating diffusion as shown in the conventional example. Further, in the CCD type solid-state imaging device, since there is only one floating diffusion amplifier circuit in the subsequent stage of the horizontal CCD, since it is far from the pixel portion, it can be laid out without being constrained by the pixel area. .
一方CMOS型固体撮像装置では、画素毎にフローティングディフュージョンが存在するので、フォトダイオードとフローティングディフュージョンが近接していること、遮光の役目を果たす金属電極は回路の配線としても使用するので、どうしても隙間をつくる必要があること、などがCCD型固体撮像装置と事情が異なるため、構造上の新たな工夫が必要であった。 On the other hand, in the CMOS type solid-state imaging device, since there is a floating diffusion for each pixel, the photodiode and the floating diffusion are close to each other, and the metal electrode serving as a light shield is also used as a circuit wiring. Since the situation is different from that of the CCD type solid-state imaging device in that it needs to be made, a new device on the structure is required.
そこで本発明は、フローティングディフュージョンの遮光性を向上することによって、暗時のシェーディングが無く、ダイナミックレンジ、S/Nを高くすることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can increase the dynamic range and S / N without shading in the dark by improving the light shielding property of the floating diffusion.
本発明の第1の側面は、固体撮像装置に係り、前記固体撮像装置は、光電変換部と、前記光電変換部の電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンへ電荷を転送する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョンと電気的に接続された信号増幅部と、を有する固体撮像装置において、前記信号増幅部はMOSトランジスタを含み、前記フローティングディフュージョンから前記MOSトランジスタのゲート電極までの電気的接続は、前記MOSトランジスタの前記ゲート電極と同一の配線層を用いてなされ、前記ゲート電極と同一の配線層よりも上に配置されたメタル第一層を含む複数のメタル層のうち前記フローティングディフュージョンに最も近接した前記メタル第一層の遮光メタルが、平面レイアウトにおいて前記フローティングディフュージョンを覆い隠していることを特徴とする。 A first aspect of the present invention relates to a solid-state imaging device, which includes a photoelectric conversion unit, a floating diffusion to which charges of the photoelectric conversion unit are transferred, and a charge from the photoelectric conversion unit to the floating diffusion. In a solid-state imaging device having a transfer transistor for transferring a signal and a signal amplifying unit electrically connected to the floating diffusion, the signal amplifying unit includes a MOS transistor, from the floating diffusion to the gate electrode of the MOS transistor Is electrically connected using the same wiring layer as that of the gate electrode of the MOS transistor, and the plurality of metal layers including a first metal layer disposed above the same wiring layer as the gate electrode. Before the closest to the floating diffusion The light shielding metal of the metal first layer, characterized in that it obscures the floating diffusion in a planar layout.
本発明の第2の側面は、固体撮像装置に係り、前記固体撮像装置は、光電変換部と、前記光電変換部の電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンへ電荷を転送する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョンと電気的に接続された信号増幅部と、を有する固体撮像装置において、前記信号増幅部はMOSトランジスタを含み、前記MOSトランジスタのゲート電極が前記フローティングディフュージョンと接していて、前記ゲート電極よりも上に配置されたメタル第一層を含む複数のメタル層のうち前記フローティングディフュージョンに最も近接した前記メタル第一層の遮光メタルが、平面レイアウトにおいて前記フローティングディフュージョンを覆い隠していることを特徴とする。 A second aspect of the present invention relates to a solid-state imaging device, which includes a photoelectric conversion unit, a floating diffusion to which charges of the photoelectric conversion unit are transferred, and a charge from the photoelectric conversion unit to the floating diffusion. A signal amplification unit electrically connected to the floating diffusion, the signal amplification unit includes a MOS transistor, and a gate electrode of the MOS transistor is connected to the floating diffusion. The light shielding metal of the first metal layer closest to the floating diffusion among the plurality of metal layers including the first metal layer disposed in contact with the first metal layer, the floating diffusion in the planar layout. Covering Hidden, characterized in that is.
本発明により、固体撮像装置のフローティングディフュージョンの遮光性を向上できる。その結果、暗時のシェーディングが無く、ダイナミックレンジ、S/Nを高くすることができる。更に、本発明を用いると、固体撮像装置で、全画素同時蓄積型の電子シャッターを高画質で実現することができる。 According to the present invention, the light shielding property of the floating diffusion of the solid-state imaging device can be improved. As a result, there is no shading in the dark, and the dynamic range and S / N can be increased. Furthermore, when the present invention is used, an all-pixel simultaneous storage type electronic shutter can be realized with high image quality in a solid-state imaging device.
次に、本発明の最良の形態について図面を参照して説明する。 Next, the best mode of the present invention will be described with reference to the drawings.
図4は、第一の実施例を説明する画素回路のレイアウトを示す。110はフォトダイオードが形成されているアクティブ領域、111は選択MOSトランジスタおよびソースフォロワートランジスタが形成されているアクティブ領域を示す。120は転送MOSトランジスタの領域、121は転送MOSトランジスタのゲート線を示している。破線で囲まれた領域130はフローティングディフュージョンのうち半導体のPN接合で形成されている部分を示している。
FIG. 4 shows a layout of a pixel circuit for explaining the first embodiment. 110 denotes an active region in which a photodiode is formed, and 111 denotes an active region in which a selection MOS transistor and a source follower transistor are formed.
フローティングディフュージョンからの電極の引き出しは、ポリシリコン131からの直接コンタクトで行っている点が従来例との違いである。ポリシリコン131は金属電極を介すること無く、直接ソースフォロワーMOSトランジスタのゲート電極となっている。また132はフローティングディフュージョン上を覆う遮光メタルで、本実施例では転送トランジスタ部120のゲート電極上、フローティングディフュージョンPNの接合部130をオーバーサイズで覆っている。このようにフローティングディフュージョンをポリシリコンで引き出すことで、シリコンに近接した位置でフローティングディフュージョンを遮光することが可能となっている。このフローティングディフュージョンは電気的にフローティングとしてもよいし、第二層メタル、あるいは第三層メタルと接続することで固定電位にしてもよい。他の部分は図2と同様であり、140はリセットMOSトランジスタ領域、141はリセット電源との接続のためのコンタクト、150は選択MOSトランジスタのゲート領域、151はVDD電源と接続するためのコンタクト、160はソースフォロワーMOSトランジスタ領域を示しており、フローティングディフュージョンと電気的に接続されているポリシリコン131をゲート電極としている。170は出力線で金属電極で構成される。また171は出力線170とソースフォロワーMOSトランジスタ160の主電極を接続するコンタクトである。
The difference from the conventional example is that the electrodes are drawn from the floating diffusion by direct contact from the
図5は、図4のBB′断面を示す。501はn型シリコン基板、502aはP型ウエル、502bはP型埋め込み層、503aはMOSトランジスタのゲート酸化膜、503bは受光部上の薄い酸化膜、504は転送MOSトランジスタのゲート電極、505はフォトダイオード1のN型カソード、506はフォトダイオードを埋め込み構造とするための表面P型領域、507aは素子分離のためのLOCOS酸化膜、507bはP型チャネルストップ層、508aはフローティングディフュージョンを形成し転送MOSトランジスタのドレイン領域ともなっているN型高濃度領域である。508bはN型高濃度領域と直接コンタクトをとっているポリシリコン引き出し電極である。また509はゲート電極とメタル第一層を絶縁するシリコン酸化膜、521はメタル第一層でフローティングディフュージョン部を遮光している。522はメタル第一層とメタル第二層を絶縁する層間絶縁膜、523はメタル第二層、524はメタル第二層とメタル第三層を絶縁する層間絶縁膜、525はメタル第三層、526はパッシベーション膜である。カラー用光電変換装置では、パッシベーション膜526の上層に更に不図示のカラーフィルター層、さらに感度向上のためのマイクロレンズを形成するのは従来と同じである。
FIG. 5 shows a BB ′ cross section of FIG. 501 is an n-type silicon substrate, 502a is a P-type well, 502b is a P-type buried layer, 503a is a gate oxide film of a MOS transistor, 503b is a thin oxide film on the light receiving portion, 504 is a gate electrode of a transfer MOS transistor, and 505 is The N-type cathode of the
表面から入射した光はメタル第3層の無い開口部を通して、フォトダイオードに入る。入射光のうち、転送MOSトランジスタのゲート電極504上面で反射した光は、図5のようにポリシリコン直上の第一層メタルで反射されるので、フローティングディフュージョン部に入射する前に複数回の反射を繰り返すので、充分に減衰し、偽信号はきわめて小さくなる。また図4のようにフローティングディフュージョンは隙間無くメタルで覆われるので、図5の断面以外の経路をたどる光に対しても遮光性が高い。
Light incident from the surface enters the photodiode through the opening without the third metal layer. Of the incident light, the light reflected on the upper surface of the
第一層メタルは通常はアルミニウムあるいはアルミニウムを主体とする合金で形成されるが、本発明の効果を顕著にするためには、第一層メタルの最下層はTiNを形成することにより迷光の反射率を下げるのが好適である。TiNはバリアメタルの役割も果たすので、微細な配線を形成する上でも適した材料である。 The first layer metal is usually formed of aluminum or an alloy mainly composed of aluminum. However, in order to make the effect of the present invention remarkable, the bottom layer of the first layer metal is formed of TiN to reflect stray light. It is preferable to reduce the rate. TiN also serves as a barrier metal, and is therefore a suitable material for forming fine wiring.
本実施例によりフローティングディフュージョンの遮光性を向上することができ、偽信号の影響を排除することができる。 According to this embodiment, the light shielding property of the floating diffusion can be improved, and the influence of the false signal can be eliminated.
図8は、本発明の画素回路を多数個2次元配置したときの回路構成での略図である。ひとつの画素801にはフォトダイオード802、転送MOSトランジスタ803、ソースフォロワーMOSトランジスタ804、リセットMOSトランジスタ805、選択MOSトランジスタ806がある。同じ行の選択MOSトランジスタのゲートは選択線807、リセットMOSトランジスタのゲートはリセット線808、そして転送MOSトランジスタのゲートは転送線809でそれぞれ接続され、垂直走査回路801により、走査・選択される。同じ列の出力線811には電流源812が接続され、出力線の電位をソースフォロワー動作で読み出すことができる。光信号は出力線上の光信号読み出し線815で選択された光信号転送MOSトランジスタ813より、ノイズ信号はノイズ信号読み出し線816で選択されたノイズ814信号転送MOSトランジスタより、それぞれ電荷蓄積部818に蓄えられる。電荷蓄積部818に蓄積された信号は水平走査回路で順次走査・読み出され、不図示の差動増幅回路により、光信号とノイズ信号の差分が出力される。
FIG. 8 is a schematic diagram of a circuit configuration when a number of pixel circuits of the present invention are two-dimensionally arranged. One
本発明はCMOS型固体撮像装置で、全画素同時蓄積型の電子シャッター動作を行う場合に顕著な効果が得られる。図9にこの電子シャッター動作を説明するタイミング図を示す。まず全画素のフォトダイオードをリセットするために全行のリセットパルスをON、全行の転送パルスをONする。両パルスをOFFにした瞬間から全画面で同時にフォトダイオードの蓄積動作が始まる。所望の時間だけ蓄積を行い、全行の転送パルスをONした後、OFFすることで、各画素の信号電荷が一斉に各画素のフローティングディフュージョンに転送される。次に、行ごとに選択パルスをON/OFFさせることにより、フローティングディフュージョンの電荷が行ごとに順次読み出される。読み出された信号は図8の電荷蓄積部818に「S+N」信号として蓄えられる。
The present invention is a CMOS type solid-state imaging device, and a remarkable effect can be obtained when an all-pixel simultaneous storage type electronic shutter operation is performed. FIG. 9 is a timing chart for explaining this electronic shutter operation. First, in order to reset the photodiodes of all pixels, the reset pulse for all rows is turned on and the transfer pulse for all rows is turned on. From the moment when both pulses are turned OFF, the accumulation operation of the photodiode starts simultaneously on the entire screen. Accumulation is performed for a desired time, and the transfer pulses of all the rows are turned on and then turned off, so that the signal charges of each pixel are transferred to the floating diffusion of each pixel at the same time. Next, by turning ON / OFF the selection pulse for each row, the charges of the floating diffusion are sequentially read for each row. The read signal is stored as an “S + N” signal in the
次に全行のリセットパルスをONとすることで、全画素のフローティングディフュージョンが一斉にリセットされる。リセットパルスをOFFとした後、各行のフローティングディフュージョンの電位を順次読み出す。読み出された信号は「N」信号として、電荷蓄積部818に「S+N」と併設された容量部に蓄えられる。蓄えられた「S+N」信号と「N」信号を差動増幅器の入力とすることにより、「S」信号を取り出す。
Next, by turning ON the reset pulse of all rows, the floating diffusions of all the pixels are simultaneously reset. After the reset pulse is turned OFF, the potential of the floating diffusion in each row is read sequentially. The read signal is stored as an “N” signal in a capacitor unit that is provided with “S + N” in the
この動作ではフローティングディフュージョンに電荷が保持される時間が行ごとに異なるので、従来の構造では、保持時間が短い行(この場合は第一行)に比して、保持時間が長い量(この場合は最終行)はフローティングディフュージョンに入り込む偽信号により、出力電位がシェーディングする。本発明ではフローティングディフュージョンに流入するが抑制されるので、このようなシェーディングは出ない、あるいは問題にならないレベルとなる。 In this operation, since the time during which charges are held in the floating diffusion varies from row to row, the conventional structure has a long holding time (in this case, compared to the row having a short holding time (in this case, the first row)). In the last row), the output potential is shaded by a false signal entering the floating diffusion. In the present invention, although it flows into the floating diffusion is suppressed, such shading does not occur or does not cause a problem.
図10は、本発明による固体撮像装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示したものである。撮影レンズ1002の手前にはシャッター1001があり、露出を制御する。絞り1003により必要に応じ光量を制御し、固体撮像装置1004に結像させる。固体撮像装置1004から出力された信号は信号処理回路1005で処理され、A/D変換器1006によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部1007で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ1010に蓄えられたり、外部I/F1013を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置1004、撮像信号処理回路1005、A/D変換器1006、信号処理部1007はタイミング発生部1008により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部1009で制御される。記録媒体1012に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御I/F部1011を通して、記録される。
FIG. 10 shows an example of a circuit block when the solid-state imaging device according to the present invention is applied to a camera. A
なお、本実施例は、他の全ての導電型を反転することにより、ホール蓄積型画素を構成した場合にも本発明を適用できることは言うまでもない。 Needless to say, this embodiment can be applied to a case where a hole accumulation type pixel is formed by inverting all other conductivity types.
図6は、本発明の第二実施例の固体撮像装置画素部の断面図である。601はn型シリコン基板、602aはP型ウエル、602bはP型埋め込み層、603aはMOSトランジスタのゲート酸化膜、603bは受光部上の薄い酸化膜、604は転送MOSトランジスタのゲート電極、605はフォトダイオード1のN型カソード、606はフォトダイオードを埋め込み構造とするための表面P型領域、607aは素子分離のためのLOCOS酸化膜、607bはP型チャネルストップ層、608aはフローティングディフュージョンを形成し転送MOSトランジスタのドレイン領域ともなっているN型高濃度領域である。608bはN型高濃度領域と直接コンタクトをとっているポリシリコン引き出し電極である。ポリシリコン引出し電極608bは最上面が金属で構成させる。608cはたとえばTi,W、あるいはMoのシリコン化物である。また609はゲート電極とメタル第一層を絶縁するシリコン酸化膜、621はメタル第一層でフローティングディフュージョン部を遮光している。622はメタル第一層とメタル第二層を絶縁する層間絶縁膜、623はメタル第二層、624はメタル第二層とメタル第三層を絶縁する層間絶縁膜、625はメタル第三層、626はパッシベーション膜である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the pixel portion of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. 601 is an n-type silicon substrate, 602a is a P-type well, 602b is a P-type buried layer, 603a is a gate oxide film of a MOS transistor, 603b is a thin oxide film on a light receiving portion, 604 is a gate electrode of a transfer MOS transistor, and 605 is The N-type cathode of the
本実施例では、ポリシリコン電極の上面を可視光に対して低反射とすることで、フローティングディフュージョンに入り込む光を更に低減した。すなわち、入射光のうち、転送MOSトランジスタのゲート電極604上面に入射した光は透過することはないので、シリコン内部に直接入る光が減少する。またシリサイド608cの反射率を低く抑えることで、反射光の強度もさげることができる。ポリシリコン直接コンタクト608bの上面もシリサイドで覆われているので、迷光があっても、ポリシリコンを直接透過してくる光成分を小さくすることができる。
In this example, the light entering the floating diffusion was further reduced by making the upper surface of the polysilicon electrode low reflective to visible light. That is, the light incident on the upper surface of the
図7は、本発明の第三実施例の固体撮像装置画素部の断面図である。701はN型シリコン基板、702は埋め込みP型高濃度層、703aはN型エピタキシャル層、703bはフォトダイオードのN型カソード、704a、704b、704cはP型分離層、705a、705b、705cはP型ウエル層である。また、706a、706bはフィールド酸化膜下のチャンネルストップP型層である。714はフォトダイオードからフローティングディフュージョンへの電荷転送路を規定し、転送MOSトランジスタ直下のポテンシャル障壁を形成するためのフィールドストップ層、707はフィールド酸化膜、708はMOSトランジスタのゲート酸化膜、709aは転送MOSトランジスタのゲートポリシリコンで表面には金属シリサイド層709b、710はフォトダイオードを埋め込み型とするための表面P型層である。711は転送MOSトランジスタのN型高濃度拡散領域である。712aはN型高濃度領域と直接コンタクトをとっているポリシリコン引き出し電極である。ポリシリコン引出し電極712bは最上面が金属シリサイドである。また713はゲート電極とメタル第一層を絶縁するシリコン酸化膜、721はメタル第一層でフローティングディフュージョン部を遮光している。722はメタル第一層とメタル第二層を絶縁する層間絶縁膜、723はメタル第二層、724はメタル第二層とメタル第三層を絶縁する層間絶縁膜、725はメタル第三層、726はパッシベーション膜である。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the pixel portion of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. 701 is an N-type silicon substrate, 702 is a buried P-type high concentration layer, 703a is an N-type epitaxial layer, 703b is an N-type cathode of a photodiode, 704a, 704b and 704c are P-type isolation layers, and 705a, 705b and 705c are P It is a mold well layer.
本実施例は第二の実施例と同じく、ポリシリコンゲートの最上層を金属シリサイド化することにより上面からフローティングディフュージョンに入射する偽信号を低減すると同時に、斜め入射光731aによりフォトダイオード端部で発生した電子・ホール対731bのうち電子はP型分離層704b、P型ウエル層705b、フィールドストップ層714により、フローティングディフュージョン側には拡散さずに、フォトダイオードのカソード703に集まる。
As in the second embodiment, this embodiment reduces the false signal incident on the floating diffusion from the upper surface by metalizing the uppermost layer of the polysilicon gate, and at the same time, is generated at the end of the photodiode by the
このように本実施例では、シリコン内部からのフローティングディフュージョンへ拡散を抑制することができる。シリサイドとポテンシャル障壁の組み合わせにより、より効果的に偽信号を排除できる。 As described above, in this embodiment, diffusion can be suppressed from the inside of silicon to the floating diffusion. By combining the silicide and the potential barrier, the false signal can be eliminated more effectively.
(図1)
1 フォトダイオード
2 転送MOSトランジスタ
3 フローティングディフュージョン
4 リセットMOSトランジスタ
5 選択MOSトランジスタ
6 ソースフォロワーMOSトランジスタ
7 読み出し線
8 定電流源
(図2)
10 フォトダイオードが形成されているアクティブ領域
11 選択MOSトランジスタおよびソースフォロワートランジスタが形成されているアクティブ領域
20 転送MOSトランジスタの領域
21 転送MOSトランジスタのゲート線
30 フローティングディフュージョンのPN接合部
31 フローティングディフュージョンから電極を引き出すためのコンタクト
32 フローティングディフュージョンの引き出しのための金属電極
33 ポリシリコンに接続するためのコンタクト
34 ポリシリコン電極
40 リセットMOSトランジスタ領域
41 リセット電源との接続のためのコンタクト
50 選択MOSトランジスタのゲート領域
51 VDD電源と接続するためのコンタクト
60 ソースフォロワーMOSトランジスタ領域
70 出力線
71 出力線70とソースフォロワーMOSトランジスタ60の主電極を接続するコンタ
クト
(図3)
301 n型シリコン基板
302a P型ウエル
302b P型埋め込み層
303a MOSトランジスタのゲート酸化膜
303b 受光部上の薄い酸化膜
304 転送MOSトランジスタのゲート電極
305 フォトダイオードのN型カソード
306 表面P型領域
307a 素子分離のためのLOCOS酸化膜
307b P型チャネルストップ層
308 N型高濃度領域
309 シリコン酸化膜
320 コンタクトプラグ
321 メタル第一層
322 層間絶縁膜
323 メタル第二層
324 層間絶縁膜
325 メタル第三層
326 パッシベーション膜
330a,331a 斜め入射光
330b,331b 電子・正孔対
(図4)
110 フォトダイオードが形成されているアクティブ領域
111 選択MOSトランジスタおよびソースフォロワートランジスタが形成されている
アクティブ領域
120 転送MOSトランジスタの領域
121 転送MOSトランジスタのゲート線
130 フローティングディフュージョンのPN接合部フローティングディフ
131 ポリシリコン
132 第一メタル層による遮光メタル
140 リセットMOSトランジスタ領域
141 リセット電源との接続のためのコンタクト
150 選択MOSトランジスタのゲート領域
151 VDD電源と接続するためのコンタクト
160 ソースフォロワーMOSトランジスタ領域
170 出力線
(図5)
501 n型シリコン基板
502a P型ウエル
502b P型埋め込み層
503a MOSトランジスタのゲート酸化膜
503b 受光部上の薄い酸化膜
504 転送MOSトランジスタのゲート電極
505 フォトダイオードのN型カソード
506 表面P型領域
507a 素子分離のためのLOCOS酸化膜
507b P型チャネルストップ層
508a N型高濃度領域
508b ポリシリコン引き出し電極
509 シリコン酸化膜
521 メタル第一層
522 層間絶縁膜
523 メタル第二層
524 層間絶縁膜
525 メタル第三層
526 パッシベーション膜
531 斜め入射光
(図6)
601 n型シリコン基板
602a P型ウエル
602b P型埋め込み層
603a MOSトランジスタのゲート酸化膜
603b 受光部上の薄い酸化膜
604 転送MOSトランジスタのゲート電極
605 フォトダイオードのN型カソード
606 表面P型領域
607a 素子分離のためのLOCOS酸化膜
607b P型チャネルストップ層
608a N型高濃度領域
608b ポリシリコン引き出し電極
608c 金属シリサイド
609 シリコン酸化膜
621 メタル第一層
622 層間絶縁膜
623 メタル第二層
624 層間絶縁膜
625 メタル第三層
626 パッシベーション膜
631 斜め入射光
(図7)
701 N型シリコン基板
702 埋め込みP型高濃度層
703a N型エピタキシャル層
703b フォトダイオードのN型カソード
704a,704b,704c P型分離層
705a,705b,705c P型ウエル層
706a,706b チャンネルストップP型層
707 フィールド酸化膜
708 MOSトランジスタのゲート酸化膜
709a ゲートポリシリコン
709b 金属シリサイド層
710 表面P型層
711 N型高濃度拡散領域
712a ポリシリコン引き出し電極
713 シリコン酸化膜
714 フィールドストップ層
721 メタル第一層
722 層間絶縁膜
723 メタル第二層
724 層間絶縁膜
725 メタル第三層
726 パッシベーション膜
731a 斜め入射光
731b 電子・ホール対
(Figure 1)
1
DESCRIPTION OF
301 n-
110
501 n-
601 n-
701 N-
Claims (8)
前記光電変換部の電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンへ電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョンと電気的に接続された信号増幅部と、を有する固体撮像装置において、
前記信号増幅部はMOSトランジスタを含み、前記フローティングディフュージョンから前記MOSトランジスタのゲート電極までの電気的接続は、前記MOSトランジスタの前記ゲート電極と同一の配線層を用いてなされ、
前記ゲート電極と同一の配線層よりも上に配置されたメタル第一層を含む複数のメタル層のうち前記フローティングディフュージョンに最も近接した前記メタル第一層の遮光メタルが、平面レイアウトにおいて前記フローティングディフュージョンを覆い隠していることを特徴とする固体撮像装置。 A photoelectric conversion unit;
Floating diffusion to which charges of the photoelectric conversion unit are transferred;
A transfer transistor for transferring charge from the photoelectric conversion unit to the floating diffusion;
In a solid-state imaging device having a signal amplifying unit electrically connected to the floating diffusion,
The signal amplification unit includes a MOS transistor, and the electrical connection from the floating diffusion to the gate electrode of the MOS transistor is made using the same wiring layer as the gate electrode of the MOS transistor,
Of the plurality of metal layers including the metal first layer disposed above the same wiring layer as the gate electrode, the light shielding metal of the metal first layer closest to the floating diffusion is the floating diffusion in a planar layout. A solid-state imaging device characterized by covering and concealing .
前記光電変換部の電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンへ電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョンと電気的に接続された信号増幅部と、を有する固体撮像装置において、
前記信号増幅部はMOSトランジスタを含み、前記MOSトランジスタのゲート電極が前記フローティングディフュージョンと接していて、
前記ゲート電極よりも上に配置されたメタル第一層を含む複数のメタル層のうち前記フローティングディフュージョンに最も近接した前記メタル第一層の遮光メタルが、平面レイアウトにおいて前記フローティングディフュージョンを覆い隠していることを特徴とする固体撮像装置。 A photoelectric conversion unit;
Floating diffusion to which charges of the photoelectric conversion unit are transferred;
A transfer transistor for transferring charge from the photoelectric conversion unit to the floating diffusion;
In a solid-state imaging device having a signal amplifying unit electrically connected to the floating diffusion,
The signal amplification unit includes a MOS transistor, and the gate electrode of the MOS transistor is in contact with the floating diffusion,
Of the plurality of metal layers including the metal first layer disposed above the gate electrode, the light shielding metal of the metal first layer closest to the floating diffusion covers the floating diffusion in a planar layout . A solid-state imaging device.
前記画素毎にリセット手段および電荷転送手段を有し、
全画素一斉にリセットを行った後、前記光電変換部に蓄えられた信号電荷を全画素一斉に前記フローティングディフュージョンへ転送し、前記フローティングディフュージョンの電位を順次読み出すことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 A plurality of pixels having the photoelectric conversion unit and the signal amplification unit are arranged in an array, and the floating diffusion is arranged for each pixel or for each of a plurality of pixels,
Each pixel has reset means and charge transfer means,
After reset simultaneously all the pixels, the stored was the signal charge in the photoelectric conversion unit are transferred to the floating diffusion simultaneously all pixels to claim 1, characterized in that sequentially reading a potential of the floating diffusion 6 The solid-state imaging device according to any one of the above.
この結像された像を光電変換する請求項1乃至7のいずれか1項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置からの出力信号をディジタル変換して処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。 An imaging optical system for imaging light from a subject;
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7 , which photoelectrically converts the formed image.
An image pickup system comprising: a signal processing circuit for digitally converting and processing an output signal from the solid-state image pickup device.
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