JP5659759B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置に関する。
イメージセンサーとして用いられる固体撮像装置において、各フォトダイオードにおいて発生した電荷を排出させるために、リセットトランジスターを配置することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2008−210928号公報
しかし、リセットトランジスターを1つのフォトダイオード毎に配置すると、各フォトダイオードの受光部を配置し得る領域が浸食されるため、各フォトダイオードの面積を十分に確保できずに、感度が低下してしまう場合がある。
一方、リセットトランジスターを複数のフォトダイオードで共有すれば、そのような感度の低下を抑制できるが、複数のフォトダイオード間で、フォトダイオードの受光部を配置し得る領域が均等ではなくなり、同じ色を受光するためのフォトダイオードの面積にばらつきが生じてしまう場合がある。
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、固体撮像装置においてフォトダイオードの面積のばらつきに伴う不都合を抑制しつつ、2つの画素間でリセットトランジスターを共有化することに関連している。
本発明の幾つかの態様において、固体撮像装置は、第1の色の光を受光する第1のフォトダイオードと、第1のフォトダイオードの第1の方向の隣に配置され、第2の色の光を受光する第2のフォトダイオードと、第2のフォトダイオードの第2の方向の隣に配置され、第1の色の光を受光する第3のフォトダイオードと、第3のフォトダイオードの第1の方向の隣に配置され、第3の色の光を受光する第4のフォトダイオードと、第1及び第2のフォトダイオードにおいて発生した電荷を排出させる第1のリセットトランジスターと、第3及び第4のフォトダイオードにおいて発生した電荷を排出させる第2のリセットトランジスターと、を具備し、第1のフォトダイオードの受光部の面積と第3のフォトダイオードの受光部の面積との差が、第1のフォトダイオードの受光部の面積と第2のフォトダイオードの受光部の面積との差より小さく、かつ第3のフォトダイオードの受光部の面積と第4のフォトダイオードの受光部の面積との差より小さい。
これによれば、同色の画素に相当する第1及び第3のフォトダイオードの面積のばらつきを低減しつつ、異なる色の画素に相当する第2及び第4のフォトダイオードの面積との差を許容して、2つの画素間でリセットトランジスターを共有化することができる。
上述の態様において、第1のフォトダイオードの受光部の面積と第3のフォトダイオードの受光部の面積が同じであることが望ましい。
これによれば、同色の画素に相当する第1及び第3のフォトダイオードの面積を同じにし、同色の画素に相当するフォトダイオードの特性差を低減することができる。
上述の態様において、第1のフォトダイオードの受光部の面積と第3のフォトダイオードの受光部の形状が同じであることが望ましい。
これによれば、同色の画素に相当する第1及び第3のフォトダイオードの形状を同じにし、同色の画素に相当するフォトダイオードの特性差を低減することができる。
上述の態様において、第1のフォトダイオードの受光部の面積は、第2のフォトダイオードの受光部の面積より小さく、かつ第3のフォトダイオードの受光部の面積は、第4のフォトダイオードの受光部の面積より小さいことが望ましい。
これによれば、第1及び第3のフォトダイオードの面積が相対的に小さいので、第2及び第4のフォトダイオードからの受光信号にかけるゲインを小さくすることができる。
上述の態様において、第1の方向と第2の方向とは垂直であることが望ましい。
また、上述の態様において、第2の色の光と第3の色の光は同じ色の光であっても良い。
上述の態様において、第1のフォトダイオードの第3の方向に隣接して設けられ、第1のフォトダイオードにおいて発生した電荷に応じた変調信号を出力する第1の変調素子と、第2のフォトダイオードの第3の方向に隣接して設けられ、第2のフォトダイオードにおいて発生した電荷に応じた変調信号を出力する第2の変調素子と、第3のフォトダイオードの第3の方向に隣接して設けられ、第3のフォトダイオードにおいて発生した電荷に応じた変調信号を出力する第3の変調素子と、第4のフォトダイオードの第3の方向に隣接して設けられ、第4のフォトダイオードにおいて発生した電荷に応じた変調信号を出力する第4の変調素子と、をさらに具備し、第1のリセットトランジスターは、第1の変調素子と第2の変調素子との間に配置され、第2のリセットトランジスターは、第3の変調素子と第4の変調素子との間に配置されていることが望ましい。
これによれば、第1のリセットトランジスターが第1の変調素子と第2の変調素子との間に配置され、第2のリセットトランジスターが第3の変調素子と第4の変調素子との間に配置されたことにより、第1のフォトダイオードに対する第1のリセットトランジスターの位置関係と、第3のフォトダイオードに対する第2のリセットトランジスターの位置関係とを一致させることができる。従って、同色の画素に相当する第1及び第3のフォトダイオードの面積及び形状のばらつきを低減することができる。
上述の態様において、第1のリセットトランジスターは、第1の変調素子と隣接する第1のゲート電極と、第2の変調素子と隣接する第2のゲート電極と、第1のゲート電極と第2のゲート電極との間に配置された第1の共通ドレイン部と、を含み、第2のリセットトランジスターは、第3の変調素子と隣接する第3のゲート電極と、第4の変調素子と隣接する第4のゲート電極と、第3のゲート電極と第4のゲート電極との間に配置された第2の共通ドレイン部と、を含むことが望ましい。
これによれば、リセットトランジスターが共通ドレイン部を有することにより、リセットトランジスターの占有面積を小さくして、フォトダイオードの受光面積を大きくすることができ、受光感度を向上することができる。
上述の態様において、第1の色の光を第1のフォトダイオードに向けて透過させる第1の光透過部と、第2の色の光を第2のフォトダイオードに向けて透過させる第2の光透過部と、第1の色の光を第3のフォトダイオードに向けて透過させる第3の光透過部と、第3の色の光を第4のフォトダイオードに向けて透過させる第4の光透過部と、をさらに具備し、第1〜第4の光透過部は、ベイヤー配列を有することが望ましい。
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図。 図1のII−II'線断面図。 第1の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す平面図。 第2の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す平面図。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。
<1.実施形態の構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図であり、図2は、図1のII−II'線断面図である。図1に示すように、固体撮像装置100は、固体撮像素子1を、第1の方向(例えば、右方向)及び第2の方向(例えば、下方向)に複数規則的に配列して構成されたものである。
1つの固体撮像素子1は、1つのフォトダイオード(2Gr、2R、2Gb、2B)と、1つの変調素子(3Gr、3R、3Gb、3B)とを含んでいる。変調素子3Gr、3R、3Gb、3Bの各々は後述のようにリング状のゲート電極31を有している。ゲート電極31は、フォトダイオード2Gr、2R、2Gb、2Bと重ならないように、且つフォトダイオード2Gr、2R、2Gb、2Bができるだけ大きな面積を確保できるように配置される。図1においては、各々のゲート電極31は、各々のフォトダイオード2Gr、2R、2Gb、2Bの第3の方向(例えば、左下方向)に隣接して配置されている。
図2に示すように、後述の信号出力線35等の各種信号線の上には、カラーフィルター16及びマイクロレンズアレイ17が形成されている。
マイクロレンズアレイ17は、凸レンズが規則的に配置され、この凸レンズの各々がフォトダイオード2Gr、2R、2Gb、2Bの各々に対向して配置されたものであり、フォトダイオード2Gr、2R、2Gb、2Bの各々に対して入射光を集光する。
カラーフィルター16は、図1に示すように、例えば赤(R)、緑(Gr又はGb)、青(B)の3色の光透過部が規則的に配列され、この光透過部の各々がフォトダイオード2Gr、2R、2Gb、2Bの各々に対向して配置されたものであり、フォトダイオード2Gr、2R、2Gb、2Bの各々に対する入射光の波長を選択する。図1において、緑(Gr)の画素の右隣には赤(R)の画素が配置され、赤(R)の画素の下隣には緑(Gb)の画素が配置され、当該緑(Gb)の画素の右隣には青(B)の画素が配置されている。このような色の配列をベイヤー(Bayer)配列と呼ぶ。ここで、Grは、赤(R)の画素と同じ行(右隣)に配置された緑の画素を示し、Gbは、青(B)の画素と同じ行(右隣)に配置された緑の画素を示す。また、1つの画素の隣にもう1つ別の画素を配置した場合、隣り合う画素の間に画素分離領域のような画素以外のものが介在してもよい。
<1−1.フォトダイオード>
図2に示すように、フォトダイオード2Rは半導体基板110に形成され、変調素子3Rは半導体基板110の表面上に形成されている。
半導体基板110は、第1導電型(例えば、P型)の基板である。なお、基板自体が第1導電型である場合に限らず、第2導電型(例えば、N型)の半導体基板の表面側に、第1導電型のウェルが形成されていても良い。
半導体基板110内には、半導体基板110の表面側に、第2導電型(例えば、N型)の半導体領域12が形成されている。第2導電型の半導体領域12内には、半導体基板110の表面側に、第1導電型の半導体領域11が形成されている。第1導電型の半導体領域11と、第2導電型の半導体領域12とで、フォトダイオード2Rが構成される。
半導体基板110の最表面には、第2導電型のピニング層15が形成されている。ピニング層15は、基板表面における暗電流の発生を防止している。
なお、ここではフォトダイオード2Rについて説明したが、フォトダイオード2Gr、2Gb、2Bについても同様である。
<1−2.変調素子>
変調素子3Rは、半導体基板110上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極31を含むトランジスターである。ゲート電極31は、平面視(図1参照)でリング状に形成されている。ゲート電極31は、ゲートコンタクト32を介して変調制御線33に接続されている。
半導体基板110表面には、平面視でゲート電極31に囲まれる領域にソース部が形成され、半導体基板110上のソースコンタクト34を介して信号出力線35に接続されている。また、半導体基板110表面には、平面視でゲート電極31より外側の領域にドレイン部が形成され、半導体基板110上のドレインコンタクト36(図1参照)を介してドレイン線37に接続されている。
半導体基板110の変調素子3R直下の領域には、フォトダイオード2Rの第1導電型の半導体領域11及び第2導電型の半導体領域12が延在している。光を受光したフォトダイオード2Rにおいて発生した電荷(例えば、正孔)は、第1導電型の半導体領域11の変調素子3R直下の領域に形成された高濃度の第1導電型半導体領域であるキャリアポケット13に蓄積される。この電荷蓄積により、変調素子3Rに基板バイアスがかかり、変調素子3Rの閾値電圧が変化するので、この閾値電圧の変化量を入射光量として検出する。
なお、ここでは変調素子3Rについて説明したが、変調素子3Gr、3Gb、3Bについても同様である。
<1−3.リセットトランジスター>
図1に示すように、変調素子3Grと変調素子3Rとの間には、リセットトランジスター4rが配置されており、変調素子3Gbと変調素子3Bとの間には、リセットトランジスター4bが配置されている。
図2に示すように、リセットトランジスター4rは、半導体基板110の第2導電型の半導体領域12上に絶縁膜を介して形成された2つのゲート電極41Gr、41Rを含むトランジスターである。ゲート電極41Gr、41Rは、リセットトランジスター4rの両端側において、それぞれ絶縁膜を介して変調素子3Gr、3Rの各ゲート電極31上に延在している。ゲート電極41Gr、41Rは、それぞれ、ゲートコンタクト42(図1参照)を介して共通のリセット制御線43(図1参照)に接続されている。
ゲート電極41Grと41Rとの間には、半導体基板110表面に高濃度の第1導電型半導体領域である共通のドレイン部14が形成され、半導体基板110上の共通のドレインコンタクト46rを介してドレイン線47に接続されている。
変調素子3Gr、3Rによって入射光量を検出した後、ゲート電極41Gr、41Rに閾値以上の電圧を印加すると、半導体基板110のゲート電極41Gr、41R直下の領域にそれぞれチャネルが形成され、キャリアポケット13に蓄積されていた電荷がドレイン部14に排出される。
なお、ここではリセットトランジスター4rについて説明したが、リセットトランジスター4bについても同様である。
<1−4.リセットトランジスターの配置>
本実施形態においては、リセットトランジスター4rのドレイン部14及びドレインコンタクト46rが、第1の方向(例えば、右方向)に隣接する2つの固体撮像素子1間で共有されており、リセットトランジスター4rは、第1の方向に隣接する2つの変調素子3Gr、3R間に位置している。
従って、本実施形態においては、リセットトランジスター4rを1つの変調素子毎に設ける場合に比べて、リセットトランジスター4rの占有面積が減少するため、フォトダイオード2Gr、2R、2Gb、2Bの受光面積を増加することができ、受光感度を向上することができる。
同様に、リセットトランジスター4bのドレイン部14及びドレインコンタクト46bが、第1の方向(例えば、右方向)に隣接する2つの固体撮像素子1間で共有されており、リセットトランジスター4bは、第1の方向に隣接する2つの変調素子3Gb、3B間に位置している。
従って、フォトダイオード2Gr、2R、2Gb、2Bの受光面積を増加することができ、受光感度を向上することができる。
本実施形態においては更に、リセットトランジスター4r、4bが、第2の方向(例えば、下方向)にフォトダイオード1つ分ずれる毎に、第1の方向(例えば、右方向)にフォトダイオード1つ分ずれた位置に配置されている。図1に示す例においては、リセットトランジスター4r、4bは、常に、緑(Gr又はGb)の画素からみて第2の方向側(赤(R)又は青(B)の画素からみて第2の方向と反対側)に隣接して設けられる。こうすることにより、緑(Gr又はGb)の画素に相当するフォトダイオード2Gr、2Gbの面積及び形状を同一にすることができる。このように、同一色の画素に相当するフォトダイオード2Gr、2Gbの面積及び形状のばらつきを低減することにより、同一色の画素の特性差を小さくすることができる。
本実施形態においては、赤(R)及び青(B)の画素に相当するフォトダイオード2R、2Bの面積及び形状は、緑(Gr又はGb)の画素に相当するフォトダイオード2Gr、2Gbの面積及び形状と異なっている。しかしながら、異なる色については、後段の信号処理において特性差を補正(分光感度を調整)することが可能である。
むしろ、赤(R)及び青(B)の画素に相当するフォトダイオード2R、2Bの面積は、緑(Gr又はGb)の画素に相当するフォトダイオード2Gr、2Gbの面積より大きいことが望ましい。これらの面積が同じである場合には、可視光域における分光感度特性を均一化するために、赤(R)及び青(B)に相当する固体撮像素子の受光信号に一定量のゲインをかけて補正する必要があるが、赤(R)及び青(B)の画素に相当するフォトダイオード2R、2Bの面積を大きくした場合には、そのようなゲインは小さくて済む。従って、赤(R)及び青(B)の画素に相当するフォトダイオード2R、2Bの面積を大きくすることにより、補正の自由度を大きくすることができる。図1に示す例においては、赤(R)及び青(B)の画素に相当するフォトダイオード2R、2Bの面積は、緑(Gr又はGb)の画素に相当するフォトダイオード2Gr、2Gbの面積より若干大きくなっている。
<1−5.他の実施形態>
上述の実施形態においては、第1の方向と第2の方向とが垂直に交差する例を示したが、第1の方向と第2の方向とは垂直以外の角度で交差しても良い。但し、第1の方向と第2の方向とが平行であると、フォトダイオードが平面上に配置されないので、第1の方向と第2の方向とは交差する方向、望ましくは、50°以上130°以下の範囲で交差する方向であることが望ましい。
また、上述の実施形態においては、第1の方向と第3の方向とが45°の角度で交差する例を示したが、第1の方向と第3の方向とは45°以外の角度で交差しても良い。但し、第1の方向と第3の方向とが平行であると、第1の方向に隣接するフォトダイオード間でリセットトランジスターを共有する場合にレイアウト上の制約が増えるので、第1の方向と第3の方向とは交差する方向、望ましくは、30°以上150°以下の範囲で交差する方向であることが望ましい。
また、上述の実施形態においては、半導体基板110に蓄積した電荷に基づく変調素子3Gr、3R、3Gb、3Bの閾値電圧の変化を検出する、いわゆる基板変調型の固体撮像素子について説明したが、他の変調方法や検出方法によるものでも良く、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサーでも良い。
また、上述の実施形態においては、カラーフィルター16及びマイクロレンズアレイ17を半導体基板110の表面側に形成した例を示したが、これに限らず、カラーフィルター16及びマイクロレンズアレイ17を半導体基板110の裏面側に形成し、裏面側から受光するようにしても良い。
<2.比較例>
図3は、第1の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。図3においては、リセットトランジスター4を、1つのフォトダイオード2及び1つの変調素子3毎に配置している。このような構成では、固体撮像装置におけるフォトダイオード2の受光部の面積が小さくなってしまい、感度が低下してしまうことが懸念される。
図4は、第2の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。図4においては、リセットトランジスター4を2つのフォトダイオード2及び2つの変調素子3毎に配置し、1つのリセットトランジスター4を2つの固体撮像素子で共有している。この構成によれば、図3の構成に比べて、青(B)の画素に相当するフォトダイオード2と、赤(R)と同じ行に配置された緑(Gr)の画素に相当するフォトダイオード2の面積は大きくなる。
しかし、青(B)と同じ行に配置された緑(Gb)の画素に相当するフォトダイオード2の面積及び形状と、赤(R)と同じ行に配置された緑(Gr)の画素に相当するフォトダイオード2の面積及び形状とが異なっている。このような構成では、同色(緑)のフォトダイオード間で特性差が生じてしまうので、画像にスジが入ってしまう等の不具合が懸念される。
これに対し、図1及び図2で説明した本発明の実施形態によれば、リセットトランジスター4r、4bが、第2の方向(例えば、下方向)にフォトダイオード1つ分ずれる毎に、第1の方向(例えば、右方向)にフォトダイオード1つ分ずれた位置に配置されている。このため、本発明の実施形態においては、緑(Gr又はGb)の画素に相当するフォトダイオード2Gr、2Gbの面積及び形状を同一にすることができる。
1…固体撮像素子、2…フォトダイオード、2Gr…第1のフォトダイオード、2R…第2のフォトダイオード、2Gb…第3のフォトダイオード、2B…第4のフォトダイオード、11…第1導電型の半導体領域、12…第1導電型の半導体領域、13…キャリアポケット、14…ドレイン部、15…ピニング層、16…カラーフィルター、17…マイクロレンズアレイ、3…変調素子、3Gr…第1の変調素子、3R…第2の変調素子、3Gb…第3の変調素子、3B…第4の変調素子、31…ゲート電極、32…ゲートコンタクト、33…変調制御線、34…ソースコンタクト、35…信号出力線、36…ドレインコンタクト、37…ドレイン線、4…リセットトランジスター、4r…第1のリセットトランジスター、4b…第2のリセットトランジスター、41Gr、41R、41Gb、41B…ゲート電極、42…ゲートコンタクト、43…リセット制御線、46r、46b…ドレインコンタクト、47…ドレイン線、100…固体撮像装置、110…半導体基板。

Claims (5)

  1. 第1の色の光を受光する第1のフォトダイオードと、
    前記第1のフォトダイオードの第1の方向の隣に配置され、第2の色の光を受光する第2のフォトダイオードと、
    前記第2のフォトダイオードの第2の方向の隣に配置され、前記第1の色の光を受光する第3のフォトダイオードと、
    前記第3のフォトダイオードの前記第1の方向の隣に配置され、第3の色の光を受光する第4のフォトダイオードと、
    前記第1及び第2のフォトダイオードにおいて発生した電荷を排出させる第1のリセットトランジスターと、
    前記第3及び第4のフォトダイオードにおいて発生した電荷を排出させる第2のリセットトランジスターと、
    前記第1のフォトダイオードの第3の方向に隣接して設けられ、前記第1のフォトダイオードにおいて発生した電荷に応じた変調信号を出力する第1の変調素子と、
    前記第2のフォトダイオードの前記第3の方向に隣接して設けられ、前記第2のフォトダイオードにおいて発生した電荷に応じた変調信号を出力する第2の変調素子と、
    前記第3のフォトダイオードの前記第3の方向に隣接して設けられ、前記第3のフォトダイオードにおいて発生した電荷に応じた変調信号を出力する第3の変調素子と、
    前記第4のフォトダイオードの前記第3の方向に隣接して設けられ、前記第4のフォトダイオードにおいて発生した電荷に応じた変調信号を出力する第4の変調素子と、
    を具備し、
    前記第1の方向と前記第2の方向とは垂直であり、
    前記第1の方向と前記第3の方向とは30°以上45°以下の範囲の角度で交差し、
    前記第1のリセットトランジスターは、前記第1の変調素子と前記第2の変調素子との間に配置され、
    前記第2のリセットトランジスターは、前記第3の変調素子と前記第4の変調素子との間に配置され、
    前記第1のリセットトランジスターは、
    前記第1の変調素子と隣接する第1のゲート電極と、
    前記第2の変調素子と隣接する第2のゲート電極と、
    前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極との間に配置された第1の共通ドレイン部と、
    を含み、
    前記第2のリセットトランジスターは、
    前記第3の変調素子と隣接する第3のゲート電極と、
    前記第4の変調素子と隣接する第4のゲート電極と、
    前記第3のゲート電極と前記第4のゲート電極との間に配置された第2の共通ドレイン部と、
    を含み、
    前記第1のフォトダイオードの受光部の面積と前記第3のフォトダイオードの受光部の面積との差が、
    前記第1のフォトダイオードの受光部の面積と前記第2のフォトダイオードの受光部の面積との差より小さく、かつ
    前記第3のフォトダイオードの受光部の面積と前記第4のフォトダイオードの受光部の面積との差より小さい固体撮像装置。
  2. 請求項1において、
    前記第1のフォトダイオードの受光部の面積と前記第3のフォトダイオードの受光部の面積が同じである固体撮像装置。
  3. 請求項1又は2において、
    前記第1のフォトダイオードの受光部の形状と前記第3のフォトダイオードの受光部の形状が同じである固体撮像装置。
  4. 請求項1乃至3の何れか一項において、
    前記第1のフォトダイオードの受光部の面積は、前記第2のフォトダイオードの受光部の面積より小さく、かつ
    前記第3のフォトダイオードの受光部の面積は、前記第4のフォトダイオードの受光部の面積より小さい固体撮像装置。
  5. 請求項1乃至の何れか一項において、
    第1の色の光を前記第1のフォトダイオードに向けて透過させる第1の光透過部と、
    第2の色の光を前記第2のフォトダイオードに向けて透過させる第2の光透過部と、
    前記第1の色の光を前記第3のフォトダイオードに向けて透過させる第3の光透過部と、
    第3の色の光を前記第4のフォトダイオードに向けて透過させる第4の光透過部と、
    をさらに具備し、
    前記第1〜第4の光透過部は、ベイヤー配列を有する固体撮像素子。
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