JP6785433B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
図1は、第1の実施形態に係る撮像装置の、例示的な回路構成を模式的に示す。図1に示す撮像装置101は、複数の単位画素セル11と周辺回路とを備える。複数の単位画素セル11は、半導体基板上に2次元に配列されることにより、感光領域(画素領域)を形成している。半導体基板は、その全体が半導体である基板に限定されない。半導体基板は
、感光領域が形成される側の表面に半導体層が設けられた絶縁性基板などであってもよい。
fが供給される。また、反転増幅器24の出力端子は、各列に対応して設けられたフィードバック線25を介して、その反転増幅器24の負側の入力端子との接続を有する複数の単位画素セル11に接続されている。反転増幅器24は、単位画素セル11からの出力を負帰還させるフィードバック回路の一部を構成する。反転増幅器24をフィードバックアンプと呼んでもよい。反転増幅器24は、反転増幅利得を変化させるためのゲイン調整端子24aを含む。反転増幅器24の動作は後述する。
次に、図面を参照しながら、撮像装置101の動作の一例を説明する。以下に説明するように、図2に例示する構成によれば、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38のゲート電圧を適切に制御することにより、感度の異なる2つの
動作モードを切り替えることが可能である。ここで説明する2つの動作モードは、比較的高い感度で撮像が可能な第1のモード、および、比較的低い感度で撮像が可能な第2のモードである。
として、一定の範囲内であれば任意の電圧(例えば電源電圧以外の電圧)を利用できる。
2のリセットトランジスタ38を電荷蓄積ノード44に直接接続した場合の(Cfd/C2)1/2×(C1/(C1+Cfd))倍である。上記の式中、Cfd、C1およびC2
は、それぞれ、電荷蓄積ノード44の容量値、第1容量素子41の容量値および第2容量素子42の容量値を表す。なお、式中の「×」は乗算を表す。このように、第2容量素子42の容量値C2が大きいほど、発生するノイズ自体が小さく、第1容量素子41の容量値C1が小さいほど、減衰率が大きい。したがって、本開示の実施形態によれば、第1容量素子41の容量値C1および第2容量素子42の容量値C2を適切に設定することにより、第2のリセットトランジスタ38をOFFすることによって生じるkTCノイズを十分に縮小することが可能である。
う。反転増幅器24のゲイン調整端子24aに印加される電圧は、ある所定の値である。
次に、図5および図6を参照しながら、単位画素セル11のデバイス構造の一例を説明する。
様に、第1のリセットトランジスタ36は、2つのソース/ドレイン拡散層2dと、半導体基板2上に形成されたゲート絶縁膜36gと、ゲート絶縁膜36g上に形成されたゲート電極36eとを含む。ソースまたはドレインとしての2つのソース/ドレイン拡散層2dの間に、チャネル領域36cが形成される。図示する例では、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38は、ソース/ドレイン拡散層2dのうちの1つを共有している。また、増幅トランジスタ34も同様に、2つのソース/ドレイン拡散層2dと、半導体基板2上に形成されたゲート絶縁膜34gと、ゲート絶縁膜34g上に形成されたゲート電極34eとを含む。なお、図6では、増幅トランジスタ34における2つのソース/ドレイン拡散層2dは示されておらず、ゲート絶縁膜34g、ゲート電極34e、および、2つのソース/ドレイン拡散層2dの間に形成されるチャネル領域34cが示されている。アドレストランジスタ40(図5参照)も、増幅トランジスタ34とほぼ同様の構成を有し得る。
eとを電気的に接続している。図6に例示する構成において、上部電極41wは、コンタクトプラグcpa、配線層6s、ビアva、配線層6a、ビアvb、配線層6bおよびビアvcを介して、第2電極15cと電気的に接続されている。典型的には、コンタクトプラグcpa、配線層6s、6aおよび6b、ならびに、ビアva〜vcは、銅などの金属から形成される。ポリシリコンプラグsp2、上部電極41w、コンタクトプラグcpa、配線層6s、6aおよび6b、ビアva〜vc、ならびに、第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインの一方(ここではドレイン)は、電荷蓄積領域として機能する。
次に、図9〜図12を参照しながら、撮像装置101の製造方法の一例を説明する。図9〜図11は、図5に示すA−A’線断面図に対応する図である。図12は、図7に示すB−B’線断面図に対応する図である。
ical Vapor Deposition(CVD))により、ゲート電極を形成するための材料をゲート酸化物上に堆積する。ここでは、ゲート酸化物上にポリシリコンの膜を形成する。
6e、36e)および第2容量素子42の上部電極42eの直下には直接には打ち込まれない。ここでは、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38の組、増幅トランジスタ34およびアドレストランジスタ40の組、ならびに、第2容量素子42を囲むように素子分離領域2sが形成される(図5参照)。素子分離領域2sの形成後、レジストマスクを除去する。
縁層48を介して第2容量素子42の上部電極42eに重なるように行う。これにより、絶縁膜が2つのポリシリコン層に挟まれた構造を有する第1容量素子41を形成することができる。上記から明らかなように、第1容量素子41の上部電極41wは、ポリシリコン層s1の一部であり得る。また、第1容量素子41が有する第2誘電体層41gは、絶縁層48の一部であり得る。本開示の第1の実施形態によれば、工程を増加させることなく、単位画素セル11内に第1容量素子41を形成することが可能である。
図13を参照しながら、本開示の第1の実施形態による撮像装置の変形例を説明する。
スおよびドレインのうちの他方に直接に接続されている。しかしながら、図13に示すように、第1のリセットトランジスタ36は、第1容量素子41と必ずしも並列接続でなくてもよい。
図14は、第2の実施形態に係る撮像装置における単位画素セル13の、例示的な回路構成を模式的に示す。図14に例示するように、第2の実施形態の撮像装置は、単位画素セル13の各列に反転増幅器24(図2および図13参照)の代わりに切替回路50が設けられている点で、第1の実施形態の撮像装置101と異なる。このため、第2の実施形態に係る撮像装置の各列を構成している複数の単位画素セル13において、フィードバック線25は、単位画素セル13間を接続していない。
TCノイズを低減することが可能である。
図15は、第3の実施形態に係る撮像装置における、単位画素セル14の、例示的な回路構成を示す。第2の実施形態と同様、第3の実施形態の撮像装置は、単位画素セル14の各列に、反転増幅器24(図2および図13参照)に代えて切替回路50’が設けられている点で、第1の実施形態の撮像装置101と異なる。また各列を構成している複数の単位画素セル14において、フィードバック線25は、単位画素セル14間を接続していない。
ONにする(時刻t1)。このとき、電荷蓄積ノード44に蓄積されている信号電荷の読み出しを行う。
(1+A)1/2の大きさまでキャンセルされる。
動され、各単位画素セル14内でフィードバック回路により、kTCノイズが抑制される。
図18は、第3の実施形態の変形例に係る撮像装置における単位画素セル14aの、例示的な回路構成を模式的に示す。図18に示すように、この例においても、反転増幅器24(図2および図13参照)が省略されており、フィードバック線25は、第2のリセットトランジスタ38のソースまたはドレインのうち、リセットドレインノード46に接続されていない側と、増幅トランジスタ34のソースまたはドレインとを接続している。図18に例示する構成では、増幅トランジスタ34の出力がリセットにおける基準電圧として利用される。
上述の実施形態では、半導体基板2に電極領域42cを設け、いわゆるMISキャパシ
タとして第2容量素子42を形成している。しかしながら、信号検出回路SCにおける高容量の容量素子の構成は、上述した例に限定されない。以下に説明するように、金属または金属化合物から形成された2つの電極の間に誘電体が挟まれた構造を有する容量素子を、半導体基板2と光電変換部15との間に設けられた層間絶縁層内に配置してもよい。以下では、金属または金属化合物から形成された2つの電極の間に誘電体が挟まれた構造を「MIM(Metal−Insulator−Metal)構造」と呼ぶことがある。半導体基板2と光電変換部15との間の層間絶縁層内に配置される容量素子を、いわゆるMIM構造を有する容量素子として形成することにより、より大きな容量値を得やすい。以下に説明するデバイス構造は、上述の第1〜第3の実施形態のいずれにも適用可能である。
材料を用い得る。誘電体層62dが、互いに異なる材料から形成された2以上の層を含んでいてもよい。
るので、ノイズをより低減し得る。
とは反対側の面において、ビアvc3に電気的に接続されている。このように、上部電極62uと感度調整線32との間の電気的接続のためのコンタクトを半導体基板2に近い側の面に設けることにより、配線の複雑化を回避し得る。また、上部電極62uと光電変換部15の第2電極15cとの間の距離を縮小し得るので、互いに隣接する画素間における、電荷蓄積領域同士の寄生容量を低減し得る。
単位画素セル60Aの中央に開口APを配置し、接続部66uおよび接続部66bを取り囲むように上部電極62uを形成してもよい。単位画素セル60Aの中央に開口APを配置し、上部電極62uの形状を接続部66uに関して対称性の高い形状とすると、単位画素セル60A内における容量の偏りを低減し得るので有益である。半導体基板2の法線方向から見たときにおける、上部電極62uの形状は、図21に示す形状に限定されない。例えば、上部電極62uが複数の部分を含んでいてもよい。誘電体層62dおよび下部電極62bについても同様である。
以下、単位画素セル60Aを有する撮像装置の製造方法の概略を説明する。ビアvcを形成するまでの製造工程は、第1の実施形態とほぼ同様であり得るので説明を省略する。図12を参照して説明したように、第2容量素子42の上部電極42eに重なる位置に、電極領域42cに電気的に接続された上部電極43eを形成してもよい。ここでは、ビアvcの形成と並行して、ビアvc1およびvc3も形成される。
回繰り返すことにより、22nmの厚さを有する膜を形成する。
図22は、単位画素セルのデバイス構造のさらに他の一例を模式的に示す。図23は、図22に示す単位画素セル60Bを半導体基板2の法線方向から見たときの、上部電極62u、誘電体層62dおよび下部電極62bの配置の一例を示す。図22は、図23に示すC−C’線断面図に対応する図である。図22および図23に示す単位画素セル60Bと、図20および図21を参照して説明した単位画素セル60Aとの間の主な相違点は、上部電極62uおよび下部電極62bが、それぞれ、リセットドレインノード46および感度調整線32に接続されている点である。
介して一定の電圧を下部電極62bに供給すれば、下部電極62bをシールド電極として機能させ得る。
図24は、単位画素セルのデバイス構造のさらに他の一例を模式的に示す。図25は、図24に示す単位画素セル60Cを半導体基板2の法線方向から見たときの、上部電極62u、誘電体層62dおよび下部電極62bの配置の一例を示す。図24は、図25に示すC−C’線断面図に対応する図である。図24および図25に示す単位画素セル60Cと、図20および図21を参照して説明した単位画素セル60Aとの間の主な相違点は、第1容量素子41に代えて、下部電極62bを一方の電極として有する低容量の容量素子41Cを層間絶縁層内に形成している点である。
図26を参照して、本実施形態によるカメラシステム105を説明する。
利用することによって、読出時のリセットノイズ(kTCノイズ)を適切に抑制することができる。その結果、電荷を正確に読み出すことができ、良好な画像を取得できる。
2d ドレイン拡散層
2s 素子分離領域
2w ウェル
4a〜4d、4s 層間絶縁層
6a、6b、6s 配線層
6bx 電極
6w、6z 配線
11〜14、14a、14b 単位画素セル
15 光電変換部
15a 第1電極
15b 光電変換膜
15c 第2電極
15h 受光面
16 垂直走査回路
17 蓄積制御線
18 垂直信号線
19 負荷回路
20 カラム信号処理回路
21 水平信号読み出し回路
22 電源配線
23 水平共通信号線
24 反転増幅器
24a ゲイン調整端子
25 フィードバック線
26 リセット信号線
27、27’ 定電流源
28 フィードバック制御線
30 アドレス信号線
32 感度調整線
34 増幅トランジスタ
34c チャネル領域
34e ゲート電極
34g ゲート絶縁膜
36 第1のリセットトランジスタ
36c チャネル領域
36e ゲート電極
36g ゲート絶縁膜
38 第2のリセットトランジスタ
38c チャネル領域
38e ゲート電極
38g ゲート絶縁膜
40 アドレストランジスタ
41、41B、41C 第1容量素子
41g 誘電体層
41w、41x 上部電極
42 第2容量素子
42c 電極領域
42e 上部電極
42g 誘電体層
43 第3容量素子
43e 上部電極
43g 誘電体層
44 電荷蓄積ノード
45 容量回路
46 リセットドレインノード
50、50’ 切替回路
51 スイッチ素子
51’ スイッチ素子
52 スイッチ素子
52’ スイッチ素子
53a 第1スイッチ
53b 第2スイッチ
54 電圧切替回路
60A〜60C 単位画素セル
62 容量素子
62b 下部電極
62d 誘電体層
62u 上部電極
101、602 撮像装置
105 カメラシステム
601 レンズ光学系
602 撮像装置
603 システムコントローラ
604 カメラ信号処理部
Claims (16)
- 入射光を光電変換し電荷を生成する光電変換部と、
ゲートが前記光電変換部に電気的に接続され、前記電荷に対応する電気信号を出力する第1トランジスタと、
ソースおよびドレインの一方が前記光電変換部に電気的に接続された第2トランジスタと、
第1端子および第2端子を有する第1容量素子であって、前記第1端子が前記第2トランジスタのソースおよびドレインの他方に電気的に接続され、前記第2端子が電圧供給源またはグラウンドに接続され、前記第2端子に第1電圧が供給される第1容量素子と、
ソースおよびドレインの一方が前記第2トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に接続された第3トランジスタと、
前記電気信号を前記第2トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に負帰還させるフィードバック回路と、
を含む、撮像装置。 - 前記フィードバック回路は、反転増幅器を含み、
前記フィードバック回路は、前記第1トランジスタ、前記反転増幅器、および前記第3トランジスタを介して、前記電気信号を前記第2トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に負帰還させる、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1トランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記第3トランジスタのソースおよびドレインの他方に電気的に接続され、
前記フィードバック回路は、前記第1トランジスタおよび前記第3トランジスタを介して、前記電気信号を前記第2トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に負帰還させる、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記画素は、前記第1トランジスタのソースおよびドレインの前記一方と、前記第3トランジスタのソースおよびドレインの前記他方との間に接続された第4トランジスタを含み、
前記フィードバック回路は、前記第1トランジスタ、前記第4トランジスタ、および前記第3トランジスタを介して、前記電気信号を前記第2トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に負帰還させる、請求項3に記載の撮像装置。 - 前記フィードバック回路は、前記第1トランジスタのソースおよびドレインの他方に互いに異なる2つの電圧を選択的に供給する切替回路を含む、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の撮像装置。
- 入射光を光電変換し電荷を生成する光電変換部と、
ゲートが前記光電変換部に電気的に接続され、前記電荷に対応する電気信号を出力する第1トランジスタと、
ソースおよびドレインの一方が前記光電変換部に電気的に接続された第2トランジスタと、
第1端子および第2端子を有し、前記第1端子が前記第2トランジスタのソースおよびドレインの他方に電気的に接続され、前記第2端子が電圧供給源またはグラウンドに接続され、前記第2端子に第1電圧が供給される第1容量素子と、
第3端子および第4端子を有する第2容量素子であって、前記第3端子が前記第2トランジスタのソースおよびドレインの前記一方に接続され、前記第4端子が前記第2トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に接続された第2容量素子と、を含む、
撮像装置。 - 前記第1容量素子の容量値は、前記第2容量素子の容量値よりも大きい、請求項6に記載の撮像装置。
- 前記第1容量素子の容量値は、前記第2トランジスタのソースおよびドレインの前記一方と、前記第1容量素子の前記第1端子との間の容量値よりも大きい、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の撮像装置。
- 制御回路をさらに備え、
前記制御回路は、撮影モードに応じて、前記第2トランジスタをオンまたはオフする、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 前記撮影モードは、第1モードと、前記第1モードよりも撮像装置の感度が低い第2モードと、を含む、請求項9に記載の撮像装置。
- 前記第1モードでは、前記制御回路は、前記電気信号の読み出し時に前記第2トランジスタをオフ状態にし、
前記第2モードでは、前記制御回路は、前記電気信号の読み出し時に前記第2トランジスタをオン状態にする、請求項10に記載の撮像装置。 - 入射光を光電変換し電荷を生成する光電変換部と、
前記電荷を蓄積する電荷蓄積ノードと、
ゲートが前記光電変換部に電気的に接続され、前記電荷に対応する電気信号を出力する第1トランジスタと、
ソースおよびドレインの一方が前記光電変換部に電気的に接続された第2トランジスタと、
第1端子および第2 端子を有する第1容量素子であって、前記第1端子が前記第2 トランジスタのソースおよびドレインの他方に電気的に接続され、前記第2端子が電圧供給源またはグラウンドに接続され、前記第2端子に第1電圧が供給される第1容量素子と、
ソースおよびドレインの一方が前記第2トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に接続された第3トランジスタと、
前記電荷蓄積ノードと前記第1トランジスタのソースおよびドレインの一方とを電気的に接続するフィードバック線と、を含む、
撮像装置。 - 前記フィードバック線と前記第1トランジスタのソースおよびドレインの前記一方とを電気的に接続する反転増幅器を含む、請求項12に記載の撮像装置。
- 前記反転増幅器の正側の入力端子には、基準電圧が供給される、請求項13に記載の撮像装置。
- 前記反転増幅器の負側の入力端子には、前記電気信号が供給される、請求項13または14に記載の撮像装置。
- 前記反転増幅器の出力端子は、前記フィードバック線と接続される、請求項13から15のいずれか一項に記載の撮像装置。
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