JP2008177357A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】一部の画素に強い光が入射したことによるノイズ現象を低減する。
【解決手段】リセットトランジスタ15のゲート28に制御信号ΦRESを供給する制御線50が、電源線26(VDD)とFD12及びその配線40との間において、電源線VDDとFD12及び配線40とが重なる領域の全体にも及ぶように形成される。これにより、制御線50の一部が電源線VDDとFD12及び配線40との間をシールドする電気シールドとなる。
【選択図】図4
【解決手段】リセットトランジスタ15のゲート28に制御信号ΦRESを供給する制御線50が、電源線26(VDD)とFD12及びその配線40との間において、電源線VDDとFD12及び配線40とが重なる領域の全体にも及ぶように形成される。これにより、制御線50の一部が電源線VDDとFD12及び配線40との間をシールドする電気シールドとなる。
【選択図】図4
Description
本発明は、固体撮像素子に関するものである。
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラなどが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型の固体撮像素子や増幅型の固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子は、光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されており、各画素の光電変換部にて信号電荷を生成する。
増幅型固体撮像素子は、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷を画素に設けられた増幅部に導き、増幅部で増幅した信号を画素から出力する。増幅型固体撮像素子では、一般的に、各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、及び、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部を、有している。そして、このような増幅型固体撮像素子では、前記増幅部に電源を供給する電源線と、前記電荷電圧変換部に接続された配線と、を備えている。
このような増幅型固体撮像素子には、増幅部に接合型電界効果トランジスタ(JFET)を用いた固体撮像素子(特許文献1)や、増幅部にMOSトランジスタを用いた固体撮像素子(特許文献2)などが提案されている。増幅部にJFETを用いた固体撮像素子では、JFETのゲート領域が前記電荷電圧変換部となっている。増幅部にMOSトランジスタを用いた固体撮像素子では、フローティングディフュージョンが前記電荷電圧変換部となっている。
このような従来の増幅型固体撮像素子では、前記電源線と前記電荷電圧変換部及び前記配線との間には、層間絶縁膜が存在するだけであった。
特開平11−177076号公報
特開平11−196331号公報
しかしながら、前記従来の増幅型固体撮像素子では、ある任意の画素にのみ強い光が入射すると、得られた画像上において、その画素と同じ行の画素(光が入射していない画素)も、あたかもわずかな光が入射したかのようにわずかに光ってしまう現象(本願明細書では、「ノイズ現象」と呼ぶ。)が生ずる場合があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、前述したノイズ現象を低減することができる固体撮像素子を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様による固体撮像素子は、入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有する画素を、複数備えた固体撮像素子であって、前記増幅部に電源を供給する電源線と、前記電荷電圧変換部に接続された配線とを備え、前記電源線と前記電荷電圧変換部及び/又は前記配線との間に、電気シールドが設けられたものである。
本発明の第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記電気シールドは、前記電源線と前記電荷電圧変換部及び/又は前記配線とが重なる領域のほぼ全体に渡って配置されたものである。
本発明の第3の態様による固体撮像素子は、前記第1又は第2の態様において、前記電気シールドは、前記電荷転送部を制御する信号を前記電荷転送部に供給する制御線、前記リセット部を制御する信号を前記リセット部に供給する制御線、又は、前記選択部を制御する信号を前記選択部に供給する制御線、あるいは、これらの制御線のうちの1つの制御線と電気的に接続された導電層であるものである。
本発明によれば、前述したノイズ現象を低減することができる固体撮像素子を提供することができる。
以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施の形態による固体撮像素子を示す概略構成図である。本実施の形態による固体撮像素子の基本構成は、前記特許文献2に開示された固体撮像素子の基本構成と同様である。すなわち、本実施の形態による固体撮像素子は、図1に示すように、2次元状に配置された複数の単位画素1(図1では、4つの画素1のみを示す。)と、垂直走査回路2と、水平走査回路3と、信号蓄積部4と、垂直信号線5と、負荷電流源6と、転送ゲート7a,7bとを備えている。
各画素1は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオード11と、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョン(FD)12と、FD12の電位に応じた信号を出力する増幅部としての画素アンプ13と、フォトダイオード11からFD12に電荷を転送する電荷転送部としての転送トランジスタ14と、FDの電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタ15と、当該画素1を選択する選択部としての行選択トランジスタ16とを有している。
転送トランジスタ14のゲートは、行毎に、垂直走査回路2からの転送トランジスタ14を制御する制御信号ΦTX(n,n+1)を転送トランジスタ14に供給する制御線に、接続されている。リセットトランジスタ15のゲートは、行毎に、垂直走査回路2からのリセットトランジスタ15を制御する制御信号ΦRES(n,n+1)をリセットトランジスタ15に供給する制御線に、接続されている。行選択トランジスタ16のゲートは、行毎に、垂直走査回路2からの行選択トランジスタ16を制御する制御信号ΦSEL(n,n+1)を行選択トランジスタ16に供給する制御線に、接続されている。図1において、VDDは、リセットトランジスタ15に電源を供給するとともに行選択トランジスタ16を介して画素アンプ13に電源を供給する電源線である。
光電変換はフォトダイオード11で行われ、光電荷の蓄積期間中は転送トランジスタ14はオフ状態であり、画素アンプ13のゲート(したがって、FD12)には、このフォトダイオード11で光電変換された電荷は転送されない。画素アンプ13のゲートは、蓄積開始前にリセットトランジスタ15がオンし、適当な電圧に初期化されている。すなわちこれがダークレベルとなる。次に又は同時に行選択トランジスタ16がオンになると、負荷電流源6と画素アンプ13で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、ここで転送トランジスタ14をオンさせることで、フォトダイオード11に蓄積されていた電荷は、FD12に転送され、FD12により電圧に変換され、その電位が画素アンプ13のゲートに印加されることになる。
ここで、選択行の出力が垂直信号線5上に発生する。この出力は転送ゲート7a,7bを介して、信号蓄積部4に蓄積される。信号蓄積部4に一時記憶された出力は、水平走査回路3によって順次出力部V0へ読み出される。
図2は、本実施の形態による固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。全画素リセット期間T1のタイミングで、制御信号ΦTX(n),ΦTX(n+1)がアクティブになり、全画素のフォトダイオード11の電荷は、転送トランジスタ14を介して画素アンプ13のゲートに転送され、フォトダイオード11はリセットされる。この状態はフォトダイオード11のカソード電荷が画素アンプ13のゲート(したがって、FD12)に移って平均化された状態であるが、FD12の容量を大きくすることで、フォトダイオード11のカソードをリセットしたレベルと同様になる。
この時、対象画像の光量を導光するメカシャッター(図示せず)は開いており、期間T1の終了と同時に、全画素同時に蓄積を開始する。このメカシャッターは期間T3において開いたままで、この期間T3がフォトダイオード11の蓄積期間となる。
期間T3が終了する時点T4で前記メカシャッターは閉じ、フォトダイオード11の光電荷(信号電荷)の蓄積が終了する。この状態では、フォトダイオード11に電荷が蓄積されている。次に、各行毎に読み出しがスタートする。すなわち、n行目を読み出してからn+1行目を読み出す。
期間T5において制御信号ΦSEL(n)がアクティブになり、当該行の行選択トランジスタ16がオンし、n行目の全ての画素1の画素アンプ13で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になる。ここで、画素アンプ13のゲートは期間T2において制御信号ΦRES(n)がアクティブになり、リセットトランジスタ15がオンとなり、画素アンプ13のゲートは初期化される。すなわち、垂直信号線5にはこのダークレベルの信号が出力される。
次に、期間T8において制御信号ΦTN(n)がアクティブになり、転送ゲート7bがオンし、信号蓄積部4に保持される。この動作は、n行目の全ての画素1に対して同時並列に実行される。ダークレベルの信号蓄積部4への転送が終了した後の期間T9において、制御信号ΦTX(n)をアクティブとすることで、転送トランジスタ14をオンとし、フォトダイオード11に蓄積されていた信号電荷を、FD12に転送する。この信号電荷がFD12により電圧に変換され、転送されてきた信号電荷に見合う分だけリセットレベルから電位が変動し、信号レベルが確定する。
期間T9の終了後に、制御信号ΦTSがアクティブになり、転送ゲート7aがオンし、信号レベルが信号蓄積部4に保持される。この動作は、n行目の全ての画素1に対して同時並列に実行される。ここで、信号蓄積部4には、n行目の全ての画素1のダークレベルと信号レベルを保持しており、各画素1でのダークレベルと信号レベルとの差をとることでソース・フォロワーのスレシホールド電圧Vthバラツキによる固定パターンノイズ(FPN)やリセットトランジスタ15がリセット時に発生するKTCノイズをキャンセルし、S/Nの高いノイズ成分を除去された信号が得られる。
水平走査回路3によって、信号蓄積部4に蓄積されたダークレベルと信号レベルの差信号を水平走査し、時系列的に、期間T7のタイミングで出力される。これでn行目の出力は終了である。同様に、制御信号ΦSEL(n+1),ΦRES(n+1),ΦTX(n+1),ΦTN,ΦTSを図2に示すようにn行目と同様に駆動することで、n+1行目の信号を読み出すことができる。
ここで、画素1の構造について、図3及び図4を参照して説明する。図3は、図1中の単位画素1を模式的に示す概略平面図である。図4は、図3中のA−A’線に沿った概略断面図である。本実施の形態では、3層による多層配線が用いられているが、図3及び図4では、一部の配線層等は省略して示している。また、実際には、フォトダイオード11の上部にはカラーフィルタやマイクロレンズが配置されるが、ここでは省略する。
図3において、符号21〜23は、N型のシリコン基板24上に形成されたP型ウエル25(図4参照)に形成されたN型不純物拡散領域である。また、FD12も、P型ウエル25に形成されたN型不純物拡散領域となっている。拡散領域21は、3層目の配線層26からなる電源線VDDにコンタクト部26aで接続された電源拡散部である。電源線VDD(配線層26)は、フォトダイオード11に対応する領域のみに開口26bを有し、他の領域を全体的に覆うように形成されている。
図3において、符号27〜30は、ポリシリコン層で構成された前記各トランジスタのゲート(電極)である。図面には示していないが、フォトダイオード11は、P型ウエル25にN型層(電荷蓄積層)が形成されることで構成されている。このフォトダイオード11は、空乏化防止層をなす高濃度のP型層を基板表面側に付加した構造を持ち、埋め込みフォトダイオードとして構成されている。配線層26(VDD)は、例えば、アルミニウムで構成される。
フォトダイオード11は、入射する光を光電変換し、生じた電荷を電荷蓄積層に蓄積する。フォトダイオード11の電荷蓄積層に蓄積された電荷は、転送トランジスタ14がオン状態とされることによってFD12に転送される。
転送トランジスタ14は、フォトダイオード11の電荷蓄積層をソース、FD12をドレインとするMOSトランジスタである。転送トランジスタ14は、そのゲート27に印加される制御信号ΦTX(n,n+1)により駆動される。
FD12は、アルミニウムなどからなる1層目の配線層で構成された配線40によって、画素アンプ13のゲート30に電気的に接続されている。画素アンプ13は、拡散領域22をドレイン、拡散領域23をソースとするMOSトランジスタである。画素アンプ13は、そのゲート30の電圧に応じた電気信号を出力する。したがって、画素アンプ13は、フォトダイオード11で生成・蓄積された電荷の量に応じた電気信号を出力する。
行選択トランジスタ16は、電源拡散部21をドレイン、拡散領域22をソースとするMOSトランジスタである。ゲート29は、行選択トランジスタ16のゲートである。行選択トランジスタ16は、オン状態にされることで、画素アンプ13の出力を垂直信号線5に出力させる。すなわち、画素アンプ13と行選択トランジスタ16によって、ソースフォロワによる読み出しが可能となっている。
リセットトランジスタ15は、電源拡散部21をドレイン、FD12をソースとするMOSトランジスタである。ゲート28は、リセットトランジスタ15のゲートである。リセットトランジスタ15は、オン状態にされることで、FD12に蓄積されている電荷をリセットする。
垂直信号線5は、1層目の配線層で構成され、拡散領域23に電気的に接続されている。図3では、前述した制御信号ΦTX,ΦRES,ΦSELをそれぞれ供給する各制御線のうち、制御信号ΦRESを供給する制御線50のみを示し、各制御信号ΦTX,ΦSELをそれぞれ供給する各制御線は省略している。図3では、理解を容易にするため、制御線50の外形を破線で示している。制御線50及び他の各制御線は、アルミニウムなどからなる2層目の配線層によって構成されている。なお、制御線50は、コンタクト部28aでリセットトランジスタ15のゲート28に接続されている。
図4において、34はLOCOSによるフィールド酸化膜、41はゲート27〜30等のポリシリコン層と配線40や垂直信号線5等の1層目の配線層との間の層間絶縁膜、42は1層目の配線層と2層目の配線層との間の層間絶縁膜、43は2層目の配線層と電源線VDD(3層目の配線層26)との間の層間絶縁膜である。
本実施の形態では、図3及び図4に示すように、2層目の配線層により構成された制御線50は、電源線VDD(3層目の配線層26)とFD12及びその配線40との間において、電源線VDDとFD12及び配線40とが重なる領域の全体にも及ぶように形成されている。これにより、制御線50における前記重なる領域に形成された部分が、電源線VDDとFD12及び配線40との間をシールドする電気シールドとなっている。
ここで、制御線50をこのように配置して、制御線50の一部を、電源線VDDとFD12及び配線40との間をシールドする電気シールドとすることの、技術的意義について、図5及び図6に示す比較例と比較して説明する。図5は、本実施の形態による固体撮像素子と比較される比較例に係る固体撮像素子を模式的に示す概略平面図であり、図3に対応している。図6は、図5中のB−B’線に沿った概略断面図であり、図4に対応している。この比較例が本実施の形態と異なる所は、制御線50の平面視での配置が変更され、制御線50は電源線VDDとFD12及び配線40とが重なる領域には及んでおらず、電源線VDDとFD12及び配線40との間には、層間絶縁膜41〜43が存在するだけで導電層は存在していない点のみである。この比較例は従来技術に相当している。
このような比較例では、ある任意の画素1にのみ強い光が入射すると、得られた画像上において、その画素1と同じ行の画素1(光が入射していない画素)も、あたかもわずかな光が入射したかのようにわずかに光ってしまうノイズ現象が生ずる。本発明者の研究の結果、このノイズ現象の原因の1つが次の通りであることが判明した。すなわち、前記比較例では、電源線VDDとFD12及び配線40との間には、層間絶縁膜41〜43が存在するのみであるので、その間にカップリングが生ずる。強い光が入射した画素1では、フォトダイオード11から転送トランジスタ14を介してFD12に転送される信号電荷の量が大きい。よって、強い光が入射した画素1では、FD12及びそれの配線40の電位が大きく低下し、FD12及び配線40の電位の変動が大きい。その結果、強い光が入射した画素1において、FD12及び配線40と電源線VDDとの間がカップリングしていることから、FD12及び配線40の電位の変動に従って電源線VDDの電位も変動してしまう。電源線VDDは全画素に共通であるので、光が入射していない画素1において、FD12及び配線40と電源線VDDとの間がカップリングしていることから、電源線VDDの電位の変動に従ってFD12の電位が変動してしまう。このように、光が入射していない画素においては、強い光が入射した画素1の影響を受けて、FD12及び配線40と電源線VDDとの間のカップリングに基づいて、電源線VDDの電位及びFD12の電位が両方とも変動してしまう。その結果、強い光が入射した画素1と同じ行の画素1は、同時に読み出されることから、同じ行の実際には光が入射していない画素1から、VDDの電位の変動及びFD12の電位の変動に応じた信号が光信号として垂直信号線5に出力されてしまう。これが、前記ノイズ現象の1つの原因である。
これに対し、本実施の形態では、制御線50が、電源線VDDとFD12及び配線40との間において、電源線VDDとFD12及び配線40とが重なる領域の全体にも及ぶように形成され、制御線50の一部が電源線VDDとFD12及び配線40との間をシールドする電気シールドとなっている。したがって、FD12及び配線40と電源線VDDとの間がカップリングしないかあるいはそのカップリングが弱められる。よって、本実施の形態によれば、比較例の場合に比べて、強い光が入射した画素1の影響が低減され、光が入射していない画素1における電源線VDDの電位及びFD12の電位の変動が抑制され、前記ノイズ現象が抑制される。
なお、前記実施の形態では、制御線50が、電源線VDDとFD12及び配線40との間において、電源線VDDとFD12及び配線40とが重なる領域の全体にも及ぶように形成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明では、電源線VDDとFD12及び/又は配線40との間に、電気シールドを設ければよい。ただし、この電気シールドは、ノイズ現象低減効果を高めるためには、電源線VDDとFD12及び/又は配線40とが重なる領域のほぼ全体に渡って配置することが好ましい。
例えば、制御線50は、電源線VDDとFD12及び配線40とが重なる領域の一部にのみ及ぶように形成してもよい。この場合、前記実施の形態に比べるとノイズ現象低減効果は低下するものの、前記比較例に比べるとノイズ現象を低減することができる。
また、制御線50自体を、電源線VDDとFD12及び配線40との間をシールドする電気シールドとして用いるのではなく、例えば、当該電気シールドとして、制御線50とは別の階層(ただし、電源線VDDとFD12及び配線40との間の階層)において前記重なる領域に導電層を設け、この導電層を制御線50(あるいは、制御信号ΦTXを供給する制御線又は制御信号ΦSELを供給する制御線)に電気的に接続してもよい。
さらに、制御信号ΦRESを供給する制御線50の代わりに、制御信号ΦTXを供給する制御線又は制御信号ΦSELを供給する制御線を、電源線VDDとFD12及び配線40との間において、電源線VDDとFD12及び配線40とが重なる領域の全体にも及ぶように形成し、当該制御線の一部を、電源線VDDとFD12及び配線40との間をシールドする電気シールドとしてもよい。
以上、本発明の一実施の形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、本発明は、特許文献1に開示されているような、増幅部に接合型電界効果トランジスタを用いた固体撮像素子にも、適用することができる。
1 画素
11 フォトダイオード
12 フローティングディフュージョン(FD)
26(VDD) 電源線
40 FDに接続された配線
50 制御線
11 フォトダイオード
12 フローティングディフュージョン(FD)
26(VDD) 電源線
40 FDに接続された配線
50 制御線
Claims (3)
- 入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有する画素を、複数備えた固体撮像素子であって、
前記増幅部に電源を供給する電源線と、前記電荷電圧変換部に接続された配線とを備え、
前記電源線と前記電荷電圧変換部及び/又は前記配線との間に、電気シールドが設けられたことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記電気シールドは、前記電源線と前記電荷電圧変換部及び/又は前記配線とが重なる領域のほぼ全体に渡って配置されたことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記電気シールドは、前記電荷転送部を制御する信号を前記電荷転送部に供給する制御線、前記リセット部を制御する信号を前記リセット部に供給する制御線、又は、前記選択部を制御する信号を前記選択部に供給する制御線、あるいは、これらの制御線のうちの1つの制御線と電気的に接続された導電層であることを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像素子。
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