(57)【要約】【課題】  固体撮像装置において、電荷保持部に対する遮光性能の低下を防ぎながら、ライン露光動作可能な構成を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、光電変換部と、信号電荷を保持可能な電荷保持部と、増幅部と、電荷保持部と前記増幅部の入力部との導通を制御する転送電極を有する転送部と、を有する画素を基板に行列状に配置した固体撮像装置で、前記電荷保持部を覆う遮光部と、前記制御電極と前記遮光部とを電気的に接続する接続手段と、同一画素行に含まれる隣接する画素の前記遮光部は前記画素行単位で電気的に接続され、異なる画素行に含まれる画素の前記遮光部は電気的に絶縁されていることを特徴とする。【選択図】  図３
2010056430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に行列状に配された画素と、増幅部とを有し、
各画素は、
光電変換部と、
半導体領域と、該半導体領域上に絶縁膜を介して配された制御電極とを有し、前記光電変換部で生じた信号電荷を該半導体領域に保持可能な電荷保持部と、
前記電荷保持部と前記増幅部の入力部との導通を制御する転送電極を有する転送部と、を有する固体撮像装置であって、
前記電荷保持部を覆う遮光部と、
前記制御電極と前記遮光部とを電気的に接続する接続手段と、を有し、
同一画素行に含まれる隣接する画素の前記遮光部は前記画素行単位で電気的に接続され、
異なる画素行に含まれる画素の前記遮光部は電気的に絶縁されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素行単位で電気的に接続された遮光部は、該遮光部の上部に配された配線層を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素行単位で電気的に接続された遮光部は、同一画素行内の隣接画素の該遮光部どうしが直接接続されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項４】
露光期間の開始と終了とを撮像面全体で共通に設定する駆動モードと、
露光期間の開始と終了を前記画素の行毎に共通に設定する駆動モードとを切り替え可能なことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子を含む画素が行列状に配列された固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳセンサのようなＭＯＳ型の増幅型固体撮像装置において、行列状に配された画素ごとの光電荷蓄積の開始時刻と終了時刻を全画素で同時に行なうグローバル電子シャッター動作が知られている。
【０００３】
グローバル電子シャッター動作のために、画素内には、光電変換により生じた電荷を所定時間保持する電荷保持部が必要となる。
【０００４】
一般に画素列毎に信号線を共通化しているため、電荷保持部はある画素の蓄積終了後から読み出しが行われるまで電荷を保持する役割を担う。したがって、電荷保持部での電荷保持期間中に、電荷保持部に光が入射し光電変換による電荷が発生するとノイズとなり画質の低下が起こる場合がある。
【０００５】
その課題を解決するために、特許文献１では、画素内に遮光の機能を有する光シールドを設けている。この光シールドは、共通の接地電位に固定されている。光シールドには、フォトダイオードへ光を導入するための開口及び、光シールドの下に配置される電極と配線とを接続するための開口を設けている。
【０００６】
また、特許文献２では、電荷保持部の周りに間隔を設け、その空隙と上層の遮光層をつなげることで、空隙部での全反射と遮光層で保持部を守るという手法を採用している。
【特許文献１】特表２００６‐５２３０３４号公報
【特許文献２】特開２００７−１５７９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＣＭＯＳセンサにおいては、各画素のトランジスタの駆動制御が必要であるため、遮光部を挟んで、配線層から基板までプラグなどの電気的接続構造が必要となる。特許文献１に示されるような手法では、画素のフォトダイオード以外をすべて覆うという考えを元にしているために、基板と配線層を電気的に接続する箇所には遮光膜に開口を設けている。
【０００８】
しかし、遮光部に開口を設けると、開口を光が直接通過したり、光が回折しながら伝搬するなどして、遮光部の下に光が漏れ込んでしまう場合がある。物理的な機械シャッターによる遮光に匹敵する性能を得ようとすると、遮光の能力としては１０万対１以上の能力、つまり１０万の光が入射したとして１の光しか電荷保持部には漏れ込まない、という厳しい特性が求められる場合がある。しかし、遮光部に開口が設けられている場合はそのような性能は期待できない。
【０００９】
また特許文献２では、すべての入射光が全反射するとは限らず、臨界角の条件を満たさない光が遮光されず電荷保持部に入射する場合がある。
【００１０】
あわせて、特許文献１，２共に、保持部の駆動を撮像面全面で同時に行うことのみを想定している。ＣＭＯＳセンサ特有のライン露光動作と呼ばれる動作には対応していない。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電荷保持部に対する遮光性能の低下を防ぎながら、ライン露光動作可能な構成を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題に鑑みて、本発明は基板上に行列状に配された画素と、増幅部とを有し、各画素は、光電変換部と、半導体領域と、該半導体領域上に絶縁膜を介して配された制御電極とを有し、前記光電変換部で生じた信号電荷を該半導体領域に保持可能な電荷保持部と、前記電荷保持部と前記増幅部の入力部との導通を制御する転送電極を有する転送部と、を有する固体撮像装置であって、前記電荷保持部を覆う遮光部と、前記制御電極と前記遮光部とを電気的に接続する接続手段と、を有し、同一画素行に含まれる隣接する画素の前記遮光部は前記画素行単位で電気的に接続され、異なる画素行に含まれる画素の前記遮光部は電気的に絶縁されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、例えば、高い遮光性能を得ることができ、且つ、画素行ごとの電荷保持部の制御が可能となり、画素行ごとの読み出し制御を行なうことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明の固体撮像装置を構成する画素の等価回路図である。説明の簡略化のために撮像領域に含まれる画素は３行×３列の計９画素での領域を例に取っているが、画素の数をこれに限定するものではない。
【００１５】
２は光電変換部である。３は電荷保持部である。電荷保持部は光電変換部で生じた信号電荷を保持可能な構成となっている。４は増幅部の入力部である。８は第１の転送部である。第１の転送部は電荷保持部の電荷を増幅部の入力部へ転送する。増幅部の入力部は増幅用トランジスタの制御電極及びこれに電気的に接続された浮遊拡散領域により構成され得る。９は必要に応じて設けられる第２の転送部である。第２の転送部は光電変換部の電荷を電荷保持部へ転送する。１０はリセット部である。リセット部は、少なくとも増幅部の入力部に基準電圧を供給する。更に電荷保持部に対して前述の基準電圧を供給しても良い。１１は必要に応じて設けられる選択部である。選択部は各光電変換部で生じた信号電荷に基づく信号を画素行ごとに信号線へ出力する。１２は増幅部である。信号線に設けられた定電流源とともにソースフォロワ回路を構成する。１３は電荷排出制御部である。電荷排出制御部は、光電変換部と、オーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤ）領域として機能する電源線との電気的接続を制御する。
【００１６】
図１の構成は以下の実施形態に共通に適用可能である。また等価回路はこれに限られるものではなく、浮遊拡散領域や増幅部、リセット部など、一部の構成を複数の画素で共有してもよい。
【００１７】
（第１の実施形態）
図２は第１の実施形態の画素レイアウトの上面図である。基板上に行列状に配された画素と、増幅部とを有する構成となっている。図２においては各画素毎に増幅部が設けられている。
【００１８】
１０１の矩形で示されているのは単位画素領域である。１０２は、光電変換部として機能するフォトダイオードである。１０３はフォトダイオードで生じた信号電荷を保持可能な半導体領域上に絶縁膜を介して設けられた制御電極である。この制御電極は信号電荷を保持可能な電荷保持部の一部を構成する。
【００１９】
１０４は第１の転送部を構成する第１の転送電極である。１０５は増幅部の入力部の一部を構成する浮遊拡散領域（ＦＤ領域）である。１０６はリセット部を構成するリセット用ＭＯＳトランジスタのゲート電極である。１０７は増幅部を構成する増幅用ＭＯＳトランジスタのゲート電極である。１０８は選択部を構成する選択用ＭＯＳトランジスタのゲート電極である。
【００２０】
１０９は、少なくとも制御電極１０３の上面を覆うように配された遮光部である。遮光部は電荷保持部の全体を完全に覆っているのが好ましいが、制御電極１０３の上面及び側面の一部を覆うことによって一定の遮光性能を得ることが可能である。遮光部の材質は、たとえばタングステン、タングステンシリサイド、もしくは他のとの合金など、導電性を示し、かつ遮光性能の高いものを用いることができる。１１５は制御電極と遮光部を電気的に接続するためのコンタクトプラグである。もしくはスルーホールに遮光部を形成する金属を連続して充填されているケースもありえるが、以降はコンタクトプラグで制御電極が接続されているとして説明を行う。
【００２１】
遮光部上には、層間絶縁膜を介して配線層が配されている。配線層には、制御電極１０３への電圧供給を制御する第１の制御線１１１、第１の転送部の導通を制御する第２の制御線１１２が含まれる。更に、リセットＭＯＳトランジスタの導通を制御する第３の制御線１１３、選択部の導通を制御する第４の制御線１１４が含まれ、これら４本の配線が画素行に平行に配置されている。
【００２２】
１１０は第１の制御線と遮光部を電気的に接続するためのコンタクトプラグ、１１６、１１７、１１８は、残りの制御線とそれぞれのゲート電極とを接続するためのコンタクトプラグである。
【００２３】
なお、リセット部に基準電圧を供給するための配線、同一の画素列に属する画素からの信号を出力するための列出力線、ＦＤ領域と増幅用ＭＯＳトランジスタのゲート電極を接続するための配線なども画素内には存在している。しかし、それらは図面が煩雑になり、かつ本実施例の説明には不要なため、ここでは割愛している。
【００２４】
図３は、図２におけるＡ−Ｂ−Ｃで示される点線１１９、およびＤ−Ｂで示される点線１２０の断面図である。ここでは信号電荷として電子を用いる場合を例にとり説明を行なう。信号電荷がホールの場合には各半導体領域の導電型を逆導電型とすればよい。
【００２５】
図３（ａ）において、２０１はＰ型のウェルの中に配され、光電変換部で生じた電子を保持可能なＮ型の半導体領域である。Ｎ型半導体領域は上述の制御電極とともに電荷保持部を構成する。２０２は第１の転送部である。また、制御電極１０３は、半導体領域２０１上に絶縁膜３００を介して設けられている。更に制御電極１０３は、第一の接続手段となるコンタクトプラグ１１０、遮光部１０９、第二の接続手段となるコンタクトプラグ１１５を介して配線である第１の制御線１１１に電気的に接続されている。つまり、同一画素行に含まれる隣接する画素の遮光部は画素行単位で電気的に接続され、異なる画素行に含まれる画素の遮光部は電気的に絶縁された構成となる。このような構成とすることにより、制御線から供給される電圧が画素行ごとに遮光部を介して制御電極へ供給することが可能となる。
【００２６】
図３（ｂ）は電荷保持部の制御電極下の詳細を説明する図面である。第２の転送部２０４は、光電変換部を構成する埋め込み型のフォトダイオード１０１で生じた電子を電荷保持部を構成するＮ型半導体領域２０１へ転送するためにフォトダイオードと電荷保持部との間の電気経路の導通を制御するためのものである。制御電極１０３に正の電圧を供給するとフォトダイオード１０１からＮ型半導体領域２０１に電子が転送される。Ｎ型半導体領域２０１に転送された信号電荷は保持され、次に第１の転送部の転送電極２０２に正の電圧を供給することで電子がＦＤ領域２０３に転送される。
【００２７】
ここで制御電極１０３は、光電変換部と電荷保持部との間の電気経路の導通制御と、電荷保持部を共通に制御するように一体化されているが、第２転送部専用の電極を別途設けてもよい。
【００２８】
また、第１の制御線１１１を制御電極１０３に電気的に接続する際に、遮光部１０９を介して電気的に接続している。遮光部の材料に導電性物質を用いることにより、電荷保持部の制御電極への電圧供給を第１の制御線により行なうことができる。
【００２９】
次に、単位画素が行列状に配置された固体撮像装置の露光動作を簡単に説明する。ここでは、各行が、同じ露光開始時刻、開始終了時刻で像を撮影するグローバル露光と、各画素行が、少しずつ異なる時刻を露光する、ライン露光との二種の動作についてそれぞれ説明する。言い換えると、グローバル露光は画素における電荷を蓄積する動作の開始と終了とを撮像面全体で共通に設定する駆動モードであり、ライン露光は前記画素における電荷を蓄積する動作の開始と終了を前記画素の行毎に共通に設定する駆動モードである。これらは不図示の制御回路から固体撮像装置への制御信号により切り替え可能である。
【００３０】
なお、上記「グローバル露光」が、いわゆるグローバル電子シャッター機能に相当する。
【００３１】
図４は、ライン露光動作時の第１の制御線（電荷保持部の制御電極）、第２の制御線（第１の転送部）、第３の制御線（リセット部）、第４の制御線（選択部）に供給される制御パルスである。ここでは、画素行に共通の制御のみを抜き出しており、信号が列出力線に出力された以降の制御については不要なので割愛している。
【００３２】
ライン露光モードにおいては、各画素行ごとに、光電変換部から電荷保持部を介して浮遊拡散領域に信号電荷を転送する。ｎ行目の制御は以下のとおりに行われる。
【００３３】
時刻３０１でｎ行の選択部を導通させてｎ行を選択する。この時ｎ行のリセット部は導通状態となっており、ＦＤ領域に基準電圧を供給して電位をリセットしている状態である。
【００３４】
時刻３０２でＦＤ領域のリセットを解除し、時刻３０３で電荷保持部の制御電極、第１の転送部の転送電極に高い電圧を供給してそれぞれを導通させ、フォトダイオードから電荷保持部を介してＦＤ領域に電子を読み出す。時刻３０４に電荷保持部の制御電極、時刻３０５に第１転送部の転送電極の順に低い電圧を供給してそれぞれを非導通状態とする。次のｎ＋１行目では、同じ動作をｎ行目の処理が終わった後に同様に行う。機械的な遮光手段（外部の機械シャッター）を用いない限り、ｎ行目は、電荷保持部の制御電極に供給される電圧が低い電圧になる時刻３０４まで光を露光（蓄積）しており、ラインごとに蓄積時間が異なるのがライン露光といわれる所以である。
【００３５】
図５は、グローバル露光動作時の第１〜第４の制御線に供給される制御パルスである。図４と同様に、信号が列出力線に出力された以降の制御については不要なので割愛している。
【００３６】
グローバル露光モードにおいては、各画素行の制御をする前に、全画素行同時に時刻４０１に光電変換部から電荷保持部への電子の転送を開始し、時刻４０２に電荷保持部への転送を終了する。次に、時刻４０３である画素行を選択した後、時刻４０４でＦＤ領域のリセットを解除し、時刻４０５に第１の転送部の転送電極に高い電圧を供給して導通させ、電荷保持部からＦＤ領域に電子を転送する。その後、時刻４０６に第１転送電極に供給する電圧を低くし非導通状態とする。次のｎ＋１行目では、同じ動作をｎ行目の処理が終わった後に同様に行う。
【００３７】
光電変換部から電荷保持部への電子の転送は、時刻４０２で全画素終了しており、露光の終了時刻を全画面で共通にそろえられることから、グローバル露光と呼ばれており、高速に動く物体を歪みなくとらえることができる。
【００３８】
本実施形態によれば、電荷保持部上に配された遮光部に、電荷保持部と制御線を接続するためのコンタクトプラグを形成するための開口を設けることなく、遮光性能を高く保ったままライン露光動作とグローバル露光動作とを両立可能となる。電荷保持部の制御電極上を低い位置で覆い、漏れ光を抑えながら、画素ごとに遮光部は分離し、行方向に配された配線と分離された遮光部をそれぞれ接続することで、遮光性能を高めつつ、ライン露光動作、グローバル露光動作の両立を図ることが可能となる。
【００３９】
なお、ここで、遮光部は画素内のリセット部、増幅部、選択部などを構成するＭＯＳトランジスタ上部を覆っていないが、それぞれを覆ってもよい。遮光部が表面から比較的近い位置に配されているので、寄生容量を考慮する必要はあるが、たとえばリセット部を構成するＭＯＳトランジスタのドレイン電極をなるべく覆うようにして遮光性能をさらに高めても良い。
【００４０】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態の固体撮像装置の上面図である。第１の実施形態と異なる点は、同一画素行内の隣接画素の遮光部どうしが直接接続されている点である。その際に、遮光部は、ＦＤ領域や各トランジスタのソース、ドレイン領域などを形成するアクティブ領域ではなく、酸化膜等により構成される素子分離領域であるフィールド領域上に配されている。
【００４１】
本実施形態によれば、同一画素行の遮光部を電気的に接続するために、配線を介さずに直接遮光部どうしを接続しているため、遮光部の電気的接続のために別途配線を設けなくても良い。配線のために使用する面積が減ることから、より画素の微細化が可能になる。
【００４２】
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態の固体撮像装置の上面図である。電荷保持部の制御電極と遮光部とを接続するためのコンタクトプラグ６０１と、遮光部とその上部に配された配線層とを接続するためのコンタクトプラグ６０２とが平面上で重ねて配置されている。
【００４３】
図８は、図７中での、Ｘ−Ｙ−Ｚ線６０３における断面図である。７０１は配線と遮光部とを電気的に接続するコンタクトプラグ、７０２は遮光部と制御電極とを電気的に接続するコンタクトプラグである。
【００４４】
７０３、７０４は、それぞれのコンタクトプラグと共に形成されたバリアメタルであり、たとえばチタンナイトライドやタンタルなど、様々な高融点金属を用いることができる。コンタクトホールを埋めこんでプラグを構成する導電体としては、タングステンや、ポリシリコンを用いることができる。
【００４５】
本実施形態によれば、遮光部がコンタクトプラグ７０１のためのホール形成時に突き破られて穴が開くことを防ぎ、遮光性能の低下を防ぐことが可能となる。
【００４６】
配線と遮光部とを電気的に接続するコンタクトプラグ７０１のためのホールは、配線から基板、および配線層から制御電極へのコンタクトホールと同工程でエッチングにより形成される。配線から遮光部までの厚みは、配線から基板、配線から制御電極までの厚さに比べて薄いために、エッチング時に遮光部を突き破る可能性がある。バリアメタルの材質は様々あるが、チタンナイトライドなどを用いた場合、比較的遮光性能が高くなく、ホール形成時に遮光部の一部に開口が形成されてしまい、バリアメタルを導光して遮光性能が弱まってしまう場合がある。本実施形態のように、配線から遮光部、および、遮光部からゲート膜までのコンタクトプラグの平面位置を重ねあわせることで、コンタクトホールのオーバーエッチングを抑制することが可能となり、遮光性能の低減を防止することができるようになる。
【００４７】
以上具体的に実施形態を挙げて本発明の説明を行なったが、これらに限定されるものではなく、発明の概念を超えない範囲で適宜変更等を行なうことが可能である。本発明によれば、少なくとも、グローバル露光モードとライン露光モードとを選択的に動作させることが可能である。これは特に光電変換部に光が入射している期間中において、光電変換部から電荷保持部へ信号電荷が移動する構成において特に有効である。例えば具体的な構成としては、光電変換部と電荷保持部との間の電荷転送部をＭＯＳトランジスタであるとすると、このＭＯＳトランジスタが埋め込みチャネル構造である。そして、非導通状態であっても表面よりも深い部位にエネルギー障壁がその部位だけが一部低くなっている部分が存在している構成である。この場合には電荷転送部は積極的な制御を行なわずに一定の電圧が供給された状態とすることもできる。つまり転送部としての機能を有さずとも固定のポテンシャル障壁を設けても良い。
【００４８】
このような構成によれば、光電変換部に光が入射した際に光電変換により生成した信号電荷の大半が光電変換部で蓄積されることなく電荷保持部へ転送可能となる。したがって、全ての画素に含まれる光電変換部において電荷の蓄積時間を揃えることが可能となる。また、ＭＯＳトランジスタが非導通時においてはチャネル表面にホールが蓄積されており、かつ電荷が転送されるチャネルが表面よりも所定深さの部分に存在するため、絶縁膜界面における暗電流の影響を低減することが可能となる。
【００４９】
別の観点でいうと、光電変換部及び電荷保持部で信号電荷を蓄積している期間において、光電変換部と電荷保持部の間の電荷経路のポテンシャルが光電変換部とＯＦＤ領域との間の電荷経路のポテンシャルよりも低いともいえる。ここでのポテンシャルとは信号電荷に対してのポテンシャルである。
【００５０】
さらに駆動という観点では、１露光期間中に光電変換部から第１の電荷保持部に移動してきた電荷を第１の電荷保持部において保持し、画像信号として用いている。つまり、光電変換部での１露光期間を開始後、電荷保持部のリセット動作を介することなく画素外部へ信号を読み出しているともいえる。なお１露光期間とは１フレームの画像を撮影する際に、各光電変換部で共通に決定されるものである。
【００５１】
このような構成においては、グローバル露光は比較的容易に実施できるが、電荷保持部からＦＤ領域への転送期間中は光電変換部の電荷はＯＦＤ領域へ排出されるため、画像が間欠的になる。このような構成において画像の連続性が特に必要な場合には、ライン露光を行なうことによって連続的な画像を得ることが可能となる。必要に応じて両者を切り替え可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】固体撮像装置の等価回路図である。
【図２】第１の実施形態の固体撮像装置の画素の上面図である。
【図３】第１の実施形態の固体撮像装置の画素の断面図である。
【図４】ライン露光モードでのタイミングの一例である。
【図５】グローバル露光モードでのタイミングの一例である。
【図６】第２の実施形態の固体撮像装置の画素の上面図である。
【図７】第３の実施形態の固体撮像装置の画素の上面図である。
【図８】第３の実施形態の固体撮像装置の画素の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０１  画素
１０２  光電変換部
１０３  制御電極
１０４  第１転送電極
１０５  ＦＤ領域
１０７  増幅トランジスタのゲート電極
１０９  遮光部
３００  絶縁膜
【図１】
2010056430.tif 000003
【図２】
2010056430.tif 000004
【図３】
2010056430.tif 000005
【図４】
2010056430.tif 000006
【図５】
2010056430.tif 000007
【図６】
2010056430.tif 000008
【図７】
2010056430.tif 000009
【図８】
2010056430.tif 000010