JP5693651B2 - 光電変換装置及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置、それを備える撮像システムに関する。

デジタルカメラなどに用いられている光電変換装置の代表的な種類として、ＣＣＤ型やＭＯＳ型光電変換装置が挙げられる。光電変換装置は、１つのフォトダイオード等の光電変換素子を含む画素が配置された画素部を有する。光電変換装置では多画素化がなされており、それよって生じうる隣接画素への光の漏れこみ（クロストーク）への対策が検討されている。例えば、角度の大きな斜め光が入射した場合の隣接画素への光の漏れこみに対して、ＭＯＳ型光電変換装置においては、例えばフローティングディフュージョン部の上部を通過する光を遮光することが考えられる。

特許文献１には、画素の駆動のための配線に幅広部を設ける構成が開示されている。この幅広部によって、フローティングディフュージョン部（以下、ＦＤ部）の遮光を行っているものと考えられる。

特開２００５−３１７５８１号公報

しかし、特許文献１の構成では、画素の駆動のための配線、即ち固定電位の配線がＦＤ部の上部に配されている。従って、ＦＤ部と幅広部を有する配線層との間に生じる容量によってＦＤ部の容量が増大してしまう。

ここで、ＦＤ部の容量の増大を抑制するために、特許文献１の幅広部を有する配線層を、電気的に固定しない方法も考えられる。しかし、電気的に固定されていない金属層を用いるため、金属層がＦＤ部の電気的な変動の影響を受け変動し、他のＦＤ部へ電気的な変動を伝播し電気的なクロストークが生じてしまう場合がある。

そこで本発明においては、ＦＤ部の容量増加及びＦＤ部の電気的なクロストークの増加を抑制しつつ、光学的なクロストークが低減可能な光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の光電変換装置は、光電変換素子と、前記光電変換素子にて生じた電荷を転送する転送用トランジスタと、前記転送用トランジスタによって前記電荷が転送される半導体領域を含むフローティングディフュージョン部と、をそれぞれが有する複数の画素を有する光電変換装置において、前記転送用トランジスタを駆動する駆動配線と、前記フローティングディフュージョン部の上部に配置された遮光部と、を有し、前記光電変換素子と、前記半導体領域とは、前記駆動配線が延在する第１の方向に沿って並び、前記複数の画素は、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って並んだ、第１の画素と第２の画素とを含み、前記遮光部は、前記第１の画素の前記半導体領域を覆う第１の遮光部と前記第２の画素の前記半導体領域を覆う第２の遮光部とを含み、前記第１の遮光部と前記第２の遮光部は、互いに分離して設けられ、前記フローティングディフュージョン部と導通しておらず、電気的にフローティングであることを特徴とする。

本発明においては、ＦＤ部の容量増加及び電気的なクロストークの増加を低減しつつ、光学的なクロストークの低減が可能となる。

第１の実施形態を説明する光電変換装置の平面模式図と断面模式図 光電変換装置の画素回路の一例 第２の実施形態を説明する光電変換装置の平面模式図と断面模式図 第３の実施形態を説明する光電変換装置の平面模式図 撮像システムを説明するブロック図

電気的に固定されていない遮光部を、各ＦＤ部の上部にそれぞれ独立に配置する。このような構成によって、ＦＤ部の容量の増加を最小限に抑えつつＦＤ部の上部を横切って隣接する画素等へ漏れこんでいた光を遮り光学的なクロストークを抑えることが可能となる。このような構成によって、電気的に固定された（固定電位の）遮光部があった場合に比べ、ＦＤ部の容量を減少させることが可能となる。また、電気的に固定されていない遮光部を複数の基本セルに渡って配置していた場合と比べ、電気的なクロストークを低減することも可能となる。

以下、光電変換素子を１つ含む最小単位を画素とし、繰り返し単位を基本セルという。
また、あるノードが電気的に固定されていない状態をフローティング、あるいは電気的な浮遊状態などとも表現する。

本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態の光電変換装置を、図１及び図２を用いて説明する。まず、図２を用いて光電変換装置の画素回路の一例を説明する。

図２では、基本セル２０にフォトダイオード等の１つの光電変換素子２１、転送用トランジスタ２２、フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）２３、リセット用トランジスタ２４、増幅用トランジスタ２５、行の選択用トランジスタ２６を有する。光電変換素子２１にて生じた電荷は転送用トランジスタ２２によってＦＤ部２３へ転送される。転送用トランジスタ２２は光電変換素子２１とＦＤ部２３とを電気的に接続するスイッチとも言える。ＦＤ部２３と増幅用トランジスタ２５のゲート電極とは同一のノードとなっており、行の選択用トランジスタ２６がオンするとＦＤ部２３の電位に基づく信号が増幅用トランジスタ２５を介して出力線２７へと出力される。ここで、ＦＤ部は、半導体領域と増幅用トランジスタのゲート電極とそれらを接続する導電体とで構成されている。光電変換装置ではこのような基本セル２０が複数配されている。

本実施形態では、基本セル２０に１つの光電変換素子２１と１つのＦＤ部２３とが含まれているが、基本セル２０に２つの光電変換素子が含まれていてもよい。具体的には、２つの画素が増幅用トランジスタ２５、リセット用トランジスタ２４、選択用トランジスタ２６とを共有していてもよい。更に２つの画素でＦＤ部の半導体領域を共有していてもよい。また、選択用トランジスタ２６を用いない構成など適宜変更可能である。なお、画素とは１つの光電変換素子を含むものである。

次に、図１を用いて本実施形態を詳細に説明する。図１（Ａ）は、図２における光電変換素子２１を含む主要部分の２画素分の平面模式図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＡＢ線での断面模式図である。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）のいずれにおいても、図２における増幅用トランジスタやリセット用トランジスタ等は省略している。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）の各構成について説明する。１１はＰ型半導体領域である。
Ｐ型半導体領域１１は半導体基板でもよく、またＮ型であってもよい。１はフォトダイオードを構成するＮ型半導体領域、２はＮ型半導体領域１に蓄積された電荷を読み出す転送用トランジスタのゲート電極、４は電荷が転送されるＮ型の半導体領域であり、ＦＤ部を構成する。５は半導体領域４と増幅用トランジスタ（不図示）の入力ノードとを接続する配線であり、３は半導体領域４と配線５とを接続するコンタクトである。ここでは、半導体領域４と配線５とコンタクト３とは同一のノードとなっている。９は光電変換素子に対応して配されたマイクロレンズであり、１２はカラーフィルタである。カラーフィルタ１２は、本実施形態において、光電変換素子に対応して配されており、ベイヤー配列を有している。１０は素子分離領域であり、ＬＯＣＯＳやＳＴＩといった構成が適用される。図１（Ｂ）において、符号はないが配線等の周囲やカラーフィルタの下部には絶縁膜１３、１４、１５が配されている。保護膜や平坦化膜などの細かい構成については省略する。また、増幅用トランジスタやリセット用のトランジスタは８の領域にあるものとして省略している。Ｎ型半導体領域１のマイクロレンズ９側を光電変換素子の受光面とする。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）において、遮光部６が半導体領域４の上部に配置されている。複数の基本セル２０の遮光部６はそれぞれ独立して設けられており、遮光部６と他の単位セル２０の遮光部６との間には絶縁膜１５が配されている。つまり、複数の遮光部６は互いに電気的に分離されている。遮光膜６はＦＤ部とは導通していない。つまり、遮光部６はフローティングとなっている。また、本実施形態では遮光部６は基本セル２０内に配され、遮光部６は他の単位セルの有する素子上には延在しない。遮光部６は配線と同一材料、例えばアルミニウムや銅などの金属によって形成することが可能である。７は遮光用の部材６と同一層に形成された配線であり、例えばトランジスタの駆動配線である。

このような構成によって、半導体領域４からなるＦＤ部の容量の増大及びＦＤ部の電気的なクロストークの増大を抑制しつつ、光学的なクロストークを低減させることが可能となる。この効果について以下に詳細に説明する。

まず、図１（Ｂ）に１０１で示した様な入射光が光電変換素子へ入射する場合を考える。遮光部６を設ければ、入射光１０１は光１０３のように本来入射すべきではない隣接のＮ型半導体領域１、即ち光電変換素子に入射してしまう。そして、迷光となった光１０３は隣接画素の信号として出力されてしまい、形成される画像の色が実際の像とは異なる色となる混色が生じてしまう。一方、遮光部６をＦＤ部の上部に設けた場合には、光１０２のように遮光部６によって入射光１０１を反射させ、隣接する光電変換素子への光の入射を抑制することが可能となる。受光面に対して入射角の大きな入射光が入射した場合、ＦＤ部は光電変換素子に隣接して設けられるためＦＤ部の上部に光が入射しやすい。よって、ＦＤ部の上部を遮光することが入射角の大きな入射光に対して効果的である。よって、遮光部６をＦＤ部の上部に配することで、光学的なクロストークを抑えることが可能となる。特に、遮光部６がＦＤ部の直上部、水平投影面にて重なる位置に配されていることが好ましい。このような構成によって、遮光部６がＦＤ部の遮光を行うことが可能となる。

また、遮光部６はＦＤ部と導通していない。このことによってＦＤ部の容量が増大することを抑制する。さらに、遮光部６をフローティングにすることにより、遮光部６が固定電位の場合に比べてＦＤ部とのカップリング容量を小さくすることが可能となる。このＦＤ部の容量の増大を抑えることで、光電変換装置の出力信号のＳＮ比の低下を抑えることが可能となる。

更に、遮光部６が配されたある半導体領域４に隣接する半導体領域４の上部まで遮光部６が配されていないことで、電気的なクロストークを低減することが可能となる。それは、遮光部６が複数のＦＤ部がカップリングしている場合には、電荷が転送された時にＦＤ部の電位が変動するため、電荷の量やタイミングが異なるＦＤ部の電位の変動が、遮光部６を介して伝達されてしまうためである。あるＦＤ部と、それとは異なるＦＤ部の上部に共通の遮光部６は配されていないことで、電気的なクロストークを低減することが可能となる。また、遮光部６は他の基本セル２０まで延在していないとより好ましい。この構成によって、容量の増大を抑制し、他の基本セル２０のトランジスタ等の影響を低減することが可能となる。

よって、本実施形態の構成によって、ＦＤ部の容量の増加及び電気的なクロストークを押さえつつ、光学的なクロストークを低減することが可能となる。ここで、ＦＤ部の容量が大きい場合にはＳＮ比（シグナルノイズ比）が低下してしまう。よって、本願発明の構成によって、固定電位の遮光層がある場合と比べてＳＮ比の向上が可能となる。

本実施形態のように隣接するカラーフィルタで異なる色のカラーフィルタ１２を設けた構成の他に、カラーフィルタ１２を設けない構成や同一色のカラーフィルタ１２を設けた構成であってもよい。しかし、本実施形態のようなカラーフィルタ１２の構成においては、例えば赤色を構成するべき光を緑色の光電変換素子が検出してしまう場合があるため、特に遮光部６の効果を得ることが可能となる。

また、本実施形態のようにマイクロレンズ９を有する場合には、遮光部６が隣接するマイクロレンズ９の境界に対応して配されていると好ましい。マイクロレンズ９の境界に入射する光がＦＤ部に入射することを抑制し、隣接画素への光学的なクロストークを低減することが可能となるためである。

（第２の実施形態）
本実施形態について、図３を用いて説明する。図３（Ａ）は光電変換装置の２画素分の平面模式図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＣＤ線に対応した断面模式図である。図３（Ａ）は図１（Ａ）と、図３（Ｂ）は図１（Ｂ）と対応している。図３において図１と同様の構成については、同一の符号を付し説明を省略する。また、図３においても図１と同様に着目部分以外の構成については省略している。

本実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、半導体領域４の上部の遮光部が２層配されていることである。更に、本実施形態では半導体領域４から信号を読み出すためにシェアードコンタクトを用いていることが第１の実施形態と異なる。具体的には、半導体領域４の上部に第１の配線層と同一の高さに配された遮光部３３と第２の配線層と同一の高さに配された遮光部３４とを有する。そして半導体領域４からポリシリコン等からなる配線３１に信号を読み出すためのシェアードコンタクト３０とを有する。なお、配線３１は増幅用トランジスタのゲート電極３２と連続して形成されている。本実施形態では、半導体領域４とシェアードコンタクト３０と増幅用トランジスタのゲート電極３２とが同一ノードであり、ＦＤ部を構成している。

本実施形態のように遮光部を２層設けることで、斜めに入射する光を遮光することが容易となるため、光学的なクロストークを低減することが可能となる。また、半導体領域４からの信号の引き出し部をコンタクトからシェアードコンタクトにすることで、第１の配線層と同一の高さの遮光部を設けることが可能となる。半導体領域１１に近い、ＦＤ部に最も近接した第１の配線層と同一の高さに配されることで、角度のある入射光に対しても遮光性能が向上させることが可能となる。また、ＦＤ部に最も近接した配線層に遮光部を設けることで、積極的に遮光部とＦＤ部との間で容量を形成することが可能となるため、他の固定電位の配線等とのカップリングを抑制することが可能となる。よって、ＦＤ部の容量の増大や電気的なクロストークの影響を小さくすることが可能となる。

また、遮光部３３は第１の配線層の配線と同一工程で形成可能であり、遮光部３４は第２の配線層の配線と同一工程で形成可能である。つまり、遮光部３３と第１の配線層の配線は同一材料であり、遮光部３４と第２の配線層の配線が同一材料であってもよい。更に、第３の配線層の高さに遮光部を設けてもよく、複数の遮光部の設け方は任意である。なお、この第１の配線層、第２の配線層、第３の配線層は半導体領域１１からこの順に絶縁膜１５、１６を介して配されている。

（第３の実施形態）
本実施形態について、図４を用いて説明する。図４は光電変換装置の４画素分の平面模式図であり、図１（Ａ）と対応している。図４において図１（Ａ）と同様の構成については、同一の符号を付し説明を省略する。また、図４においても図１と同様に着目部分以外の構成については省略している。

本実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、２つの光電変換素子によって１つの増幅用トランジスタが共有化されていることである。つまり図２にて示した基本セル２０において、光電変換素子２１と転送用トランジスタ２２が追加されたことになる。本実施形態では、２つの半導体領域４が配線５によって接続され同一のノードになっている。
つまり、２つの半導体領域４とそれらを接続する配線５と増幅用トランジスタのゲート電極とが同一ノードであり、ＦＤ部を構成している。このＦＤ部の上部に、複数の遮光部４１、４２、４３とが配置されている。また、遮光部４１、４２、４３は他の単位セル２０が有する素子の上部には延在していない。

このような形成によれば、１つの光電変換素子に対する読み出し用トランジスタの数を削減できるため、そのトランジスタの駆動配線も削減可能となり、配線レイアウトの自由度が向上し、光電変換素子の開口率を向上させることが可能となる。また、各遮光部４１、４２、４３のように１つのＦＤ部に対して複数の遮光部を設けてもよく、この構成によってより電気的なクロストークの発生を抑制することが可能となり、光学的なクロストークを低減することが可能となる。また、半導体領域４ではなく、配線５の上部に配されている遮光部４２だけを設けてもよく、各遮光部を１つの部材から構成した場合でも本願発明は有効である。

また、本実施形態では半導体領域４は１つの光電変換素子に対して１つずつ配されているが、複数の光電変換素子に対して１つの半導体領域４が配されていてもよい。

（撮像システムへの応用）
本実施形態では、第１の実施形態及び第３の実施形態にて説明してきた光電変換装置を撮像システムに適用した場合について、図５を用いて説明する。撮像システムとは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラや携帯電話用デジタルカメラ等である。

図５はデジタルスチルカメラの構成図である。被写体の光学像は、レンズ８０２等を含む光学系によって光電変換装置８０４の撮像面に結像される。レンズ８０２の外側には、レンズ８０２のプロテクト機能とメインスイッチを兼ねるバリア８０１が設けられうる。
レンズ８０２には、それから出射される光の光量を調節するための絞り８０３が設けられうる。光電変換装置８０４から複数チャンネルで出力される撮像信号は、撮像信号処理回路８０５によって、各種の補正、クランプ等の処理が施される。撮像信号処理回路８０５から複数チャンネルで出力される撮像信号は、Ａ／Ｄ変換器８０６でアナログ−ディジタル変換される。Ａ／Ｄ変換器８０６から出力される画像データは、信号処理部（画像処理部）８０７によって各種の補正、データ圧縮などがなされる。光電変換装置８０４、撮像信号処理回路８０５、Ａ／Ｄ変換器８０６及び信号処理部８０７は、タイミング発生部８０８が発生するタイミング信号にしたがって動作する。各ブロックは、全体制御・演算部８０９によって制御される。その他、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部８１０、記録媒体への画像の記録又は読み出しのための記録媒体制御インターフェース部８１１を備える。記録媒体８１２は、半導体メモリ等を含んで構成され、着脱が可能である。

さらに、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部８１３を備えてもよい。ここで、８０５から８０８は、光電変換装置８０４と同一チップ上に形成されてもよい。

次に、図５の動作について説明する。バリア８０１のオープンに応じて、メイン電源、コントロール系の電源、Ａ／Ｄ変換器８０６等の撮像系回路の電源が順にオンする。その後、露光量を制御するために、全体制御・演算部８０９が絞り８０３を開放にする。光電変換装置８０４から出力された信号は、撮像信号処理回路８０５をスルーしてＡ／Ｄ変換器８０６へ提供される。Ａ／Ｄ変換器８０６は、その信号をＡ／Ｄ変換して信号処理部８０７に出力する。信号処理部８０７は、そのデータを処理して全体制御・演算部８０９に提供し、全体制御・演算部８０９において露出量を決定する演算を行う。全体制御・演算部８０９は、決定した露出量に基づいて絞りを制御する。次に、全体制御・演算部８０９は、光電変換装置８０４から出力され信号処理部８０７で処理された信号にから高周波成分を取り出して、高周波成分に基づいて被写体までの距離を演算する。その後、レンズ８０２を駆動して、合焦か否かを判断する。合焦していないと判断したときは、再びレンズ８０２を駆動し、距離を演算する。そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、光電変換装置８０４から出力された撮像信号は、撮像信号処理回路８０５において補正等がされ、Ａ／Ｄ変換器８０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部８０７で処理される。信号処理部８０７で処理された画像データは、全体制御・演算部８０９によりメモリ部８１０に蓄積される。その後、メモリ部８１０に蓄積された画像データは、全体制御・演算部８０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を介して記録媒体８１２に記録される。また、画像データは、外部Ｉ／Ｆ部８１３を通してコンピュータ等に提供されて処理される。

このようにして、本発明の光電変換装置は撮像システムに適用される。撮像システムの中でも特に、一眼レフカメラ用の光電変換装置においては、コンパクトカメラやビデオカメラとは異なり、絞り（Ｆ値）がＦ＝１．２という値で使用される場合がある。その場合に入斜する光は光電変換装置の光電変換素子の受光面に対してかなり大きい角度からの光も多くなる。具体的には、光電変換素子の受光面に対する垂線方向から概略７０度以上の角度を持った光線などである。よって、一眼レフカメラにおいて本発明の光電変換装置を適用することは、特に効果的である。

以上、説明してきた実施形態は本発明の一例を示したに過ぎず、半導体領域の導電型や回路構成は限定されない。例えば、４つの光電変換素子で増幅用トランジスタ等を共有化するような場合であっても本発明は有効である。また、各実施形態の構成、具体的には画素構成や配線の構成は、適宜組み合わせ可能である。

１ Ｎ型半導体領域
２ 転送用トランジスタのゲート電極
３ コンタクト
４ ＦＤ部
５ 配線
６ 遮光部
７ 配線
８ トランジスタ等
９ マイクロレンズ
１０ 素子分離
１１ Ｐ型半導体領域
１２ カラーフィルタ

Claims (8)

1. 光電変換素子と、
   前記光電変換素子にて生じた電荷を転送する転送用トランジスタと、
   前記転送用トランジスタによって前記電荷が転送される半導体領域を含むフローティングディフュージョン部と、をそれぞれが有する複数の画素を有する光電変換装置において、
   前記転送用トランジスタを駆動する駆動配線と、
   前記フローティングディフュージョン部の上部に配置された遮光部と、を有し、
   前記光電変換素子と、前記半導体領域とは、前記駆動配線が延在する第１の方向に沿って並び、
   前記複数の画素は、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って並んだ、第１の画素と第２の画素とを含み、
   前記遮光部は、前記第１の画素の前記半導体領域を覆う第１の遮光部と前記第２の画素の前記半導体領域を覆う第２の遮光部とを含み、
   前記第１の遮光部と前記第２の遮光部は、互いに分離して設けられ、前記フローティングディフュージョン部と導通しておらず、電気的にフローティングであることを特徴とした光電変換装置。
2. 複数の配線を有し、
   前記遮光部は前記複数の配線と同一材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第１の画素の前記半導体領域と前記第２の画素の前記半導体領域とは互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電変換装置。
4. 増幅用トランジスタを有し、
   前記増幅用トランジスタのゲート電極が前記半導体領域と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記増幅用トランジスタのゲート電極と前記半導体領域とが、コンタクトプラグによって電気的に接続され、
   前記コンタクトプラグと前記遮光部との間に、前記コンタクトプラグと接触するように配された絶縁膜が配されることを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
6. 前記フローティングディフュージョン部は、前記半導体領域と前記増幅用トランジスタのゲート電極とを含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光電変換装置。
7. 前記複数の画素の前記光電変換素子のそれぞれに対応して、前記光電変換素子の上部に配されたカラーフィルタを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
   前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理回路とを有する撮像システム。

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