(57)【要約】【課題】フローティング容量部の容量値の可変範囲を広くする。【解決手段】固体撮像素子は、入射光に応じた電荷を生成し蓄積するフォトダイオードＰＤと、制御信号に応じた可変の容量値を示すマイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタ２１を有し、前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換するフローティング容量部ＦＣと、フローティング容量部ＦＣの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタとを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部と、
制御信号に応じた可変の容量値を示すマイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタを有し、前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換するフローティング容量部と、
前記フローティング容量部の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記マイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタは、前記制御信号に従って生ずる静電力により駆動されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記フローティング容量部は前記マイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタを複数有し、これらのマイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタは互いに独立して制御し得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。
【請求項４】
前記フローティング容量部及び前記増幅トランジスタは、複数の前記光電変換部に対して共通に設けられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子を製造する製造方法であって、
前記マイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタの前記可動部の下側に位置する第１の犠牲層を形成する段階と、
前記第１の犠牲層上に前記可動部を形成する段階と、
前記可動部上に第２の犠牲層を形成する段階と、
前記第１及び第２の犠牲層を除去する段階と、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換するフローティング容量部、及び、該フローティング容量部の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタを有する画素を、複数備えた固体撮像素子において、前記フローティング容量部を、供給される制御信号に応じて容量値が変化する可変容量部とした固体撮像素子が、開示されている。
【０００３】
この固体撮像素子によれば、フローティング容量部の容量を変えることができるので、高いＳＮ比で信号レベル調整を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０５９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したような固体撮像素子では、フローティング容量部の容量値の可変範囲が広いことが好ましい。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、フローティング容量部の容量値の可変範囲を広くすることができる固体撮像素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による固体撮像素子は、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部と、制御信号に応じた可変の容量値を示すマイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタを有し前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換するフローティング容量部と、前記フローティング容量部の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、を備えたものである。
【０００８】
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、前記マイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタは、前記制御信号に従って生ずる静電力により駆動されるものである。
【０００９】
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、前記フローティング容量部は前記マイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタを複数有し、これらのマイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタは互いに独立して制御し得るものである。
【００１０】
第４の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第３の態様において、前記フローティング容量部及び前記増幅トランジスタは、複数の前記光電変換部に対して共通に設けられたものである。
【００１１】
第５の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第４のいずれかの態様による固体撮像素子を製造する製造方法であって、前記マイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタの前記可動部の下側に位置する第１の犠牲層を形成する段階と、前記第１の犠牲層上に前記可動部を形成する段階と、前記可動部上に第２の犠牲層を形成する段階と、前記第１及び第２の犠牲層を除去する段階と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、フローティング容量部の容量値の可変範囲を広く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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の１つの画素の要部を簡略化して模式的に示す概略図である。
【図３】図１に示す固体撮像素子の製造工程の各工程を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明による固体撮像素子及びその製造方法について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。本実施の形態による固体撮像素子は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と異なり、固定の容量値を持つフローティング容量部に代えてフローティング容量部ＦＣが設けられ、フローティング容量制御回路４が設けられているが、その他の点については、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に構成されている。
【００１６】
すなわち、本実施の形態による固体撮像素子は、２次元状に配置された複数の画素１と、垂直走査回路２と、水平走査回路３と、フローティング容量制御回路４と、垂直信号線５と、定電流源６と、第１及び第２の水平信号線７Ｓ，７Ｎと、差動出力アンプ８と、を備えている。
【００１７】
また、本実施の形態による固体撮像素子は、画素１の各列に対応して、いわゆる光信号を蓄積する光信号蓄積容量ＣＳ、いわゆる暗信号を蓄積する暗信号蓄積容量ＣＮ、光信号垂直転送トランジスタＴＳ、暗信号垂直転送トランジスタＴＮ、光信号水平転送トランジスタＨＳ、及び、暗信号水平転送トランジスタＨＮを有している。なお、実際には、水平信号線７Ｓ，７Ｎをそれぞれ所定タイミングでリセットするための各トランジスタが設けられるが、それらの図示は省略している。
【００１８】
本実施の形態では、各画素１は、入射光に応じた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ＰＤと、前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換するフローティング容量部ＦＣと、フローティング容量部ＦＣの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタＡＭＰと、フォトダイオードＰＤからフローティング容量部ＦＣに電荷を転送する転送トランジスタＴＸと、フローティング容量部ＦＣの電位をリセットするリセットトランジスタＲＥＳと、当該画素１を選択するための選択トランジスタＳＥＬとを有している。
【００１９】
転送トランジスタＴＸのゲートは、行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＴＸを導く制御線に接続されている。リセットトランジスタＲＥＳのゲートは、行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＲＥＳを導く制御線に接続されている。選択トランジスタＳＥＬのゲートは、行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＳＥＬを選択トランジスタＳＥＬに供給する制御線に接続されている。図１において、Ｖｄｄは電源電圧である。
【００２０】
フローティング容量部ＦＣは、フローティング容量制御回路４から供給される制御信号φＶｇに応じて容量値が変化する可変容量部となっている。フローティング容量部ＦＣの具体的な構造は、後に詳述する。本実施の形態では、フローティング容量部ＦＣの第２の固定電極２５（後述する図２（ｂ）（ｃ）及び図３（ｆ）参照）は、列毎に、フローティング容量制御回路４からの制御信号φＶｇを導く制御線に接続されている。この制御信号φＶｇによって、フローティング容量部ＦＣの容量値が調整され、ひいては、画素１の変換ゲイン（フローティング容量部ＦＣが受け取る素電荷に対する増幅トランジスタＡＭＰの出力値の比）が調整される。フローティング容量部ＦＣの容量値をＣ、素電荷をｑ、増幅トランジスタＡＭＰによるソースフォロアゲインをＧｓｆとすると、画素１の変換ゲインＧは、Ｇ＝Ｇｆｓ・ｑ／Ｃで表される。各画素１の変換ゲインＧは、それぞれ、選択トランジスタのパルスφＳＥＬと制御信号φＶｇとの組み合わせで画素１を選択することで、自由に調整することができる。
【００２１】
図２（ａ）は、図１に示す固体撮像素子の１つの画素１の要部を簡略化して模式的に示す概略平面図である。図２（ｂ）は、マイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタ（ＭＥＭＳキャパシタ）２１が第１の状態（プルイン状態）にある場合の、図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面を、簡略化して模式的に示す概略断面図である。図２（ｃ）は、マイクロエレクトロメカニカルシステムキャパシタ（ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）キャパシタ）２１が第２の状態（復帰状態）にある場合の、図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面を、簡略化して模式的に示す概略断面図である。図３（ｆ）は、図２（ｂ）をより具体化して模式的に示す概略断面図である。
【００２２】
なお、図２（ａ）において、実際には、フォトダイオードＰＤ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。もっとも、本発明はいわゆる白黒の固体撮像素子にも適用することができ、その場合にはカラーフィルタは設けられない。本実施の形態では、カラーフィルタの組み合わせとしてＲ、Ｇ、Ｂを用いる系が採用され、ベイヤー配列が採用されている。図１には、各画素１のカラーフィルタの色を符号Ｒ、Ｇ、Ｂで示している。また、図２（ａ）において、配線２２以外の配線や、転送トランジスタＴＸ以外のトランジスタも省略する。
【００２３】
本実施の形態では、Ｎ型シリコン基板３１（図３（ｆ）参照）上にＰ型ウエル（図示せず）が設けられ、前記Ｐ型ウエル中にフォトダイオードＰＤなどの画素部における各素子が配置されている。フォトダイオードＰＤは、前記Ｐ型ウエル中に設けられたＮ型の電荷蓄積層（図示せず）とその表面側に配置されたＰ型の空乏化防止層（図示せず）からなる埋め込み型フォトダイオードである。フォトダイオードＰＤは、入射する光を光電変換し、生じた電荷をその電荷蓄積層に蓄積する。
【００２４】
転送トランジスタＴＸは、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層をソース、前記Ｐ型ウエルに設けられたＮ型不純物拡散領域１１をドレイン、ポリシリコンからなるゲート電極１２をゲートとするｎＭＯＳトランジスタである。拡散領域１１は、配線（図示せず）によって、リセットトランジスタＲＥＳのソースをなすＮ型不純物拡散領域（図示せず）、及び、増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極（図示せず）に接続されている。
【００２５】
本実施の形態では、フローティング容量部ＦＣは、ＭＥＭＳキャパシタ２１を有している。本実施の形態では、ＭＥＭＳキャパシタ２１は、片持ち梁をなす可動部２３と、可動部２３の図２（ｂ）中の下方に対向して配置された第１及び第２の固定電極２４，２５とを有している。可動部２３の固定端（図中の右端）は、支持部を兼ねるＡｌ膜からなる配線２２によって支持されている。可動部２３は、下側のシリコン窒化膜３４、中間のＡｌ膜３５及び上側のシリコン窒化膜３６からなる３層構造を有している。膜３５は、ＣｕやＡｕ等の金属で構成してもよい。可動部２３の上下には、可動部２３が可動となるように空隙が形成されている。可動部２３のＡｌ膜３５が、可動電極となっており、配線２２ひいては拡散領域１１等に接続されている。
【００２６】
可動部２３の可動端側には、下方に突出した突起２３ａ，２３ｂが形成されている。突起２３ａ，２３ｂは、可動部２３が図２（ｃ）に示すようにプルインされたときに、可動部２３の可動電極（Ａｌ膜３５）と第１及び第２の固定電極２４，２５との間のギャップを規定するものである。突起２３ａ，２３ｂの突出量を設定することによって、プルイン状態でのＭＥＭＳキャパシタ２１の容量値を所望の値に設定し易くなる。もっとも、突起２３ａ，２３ｂは、必ずしも設ける必要はない。
【００２７】
なお、前記Ｐ型ウエル等が設けられたシリコン基板３１上に、シリコン酸化膜等の保護膜３２が形成されている。第１及び第２の固定電極２４，２５は、シリコン窒化膜３３により覆われて保護されている。可動部２３の上方には、シリコン酸化膜３７が形成されている。
【００２８】
第１の固定電極２４は、電気的に浮いている。各画素１のＭＥＭＳキャパシタ２１の第２の固定電極２５は、列毎に、フローティング容量制御回路４からの制御信号φＶｇを導く配線（図示せず）に接続されている。
【００２９】
次に、本実施の形態による固体撮像素子の製造方法の一例について、図３を参照して説明する。図３（ａ）〜（ｆ）は、この製造方法の各工程をそれぞれ模式的に示す概略断面図であり、図２（ａ）中のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応している。
【００３０】
まず、従来の固体撮像素子と同様に半導体製造プロセスを利用して、シリコン基板３１上のＰ型ウエル（図示せず）に各拡散領域が形成され、更に各トランジスタのゲート電極などが形成されたものを用意する。次に、この基板上に、シリコン酸化膜３２を形成し、その上にＡｌ膜を形成し、このＡｌ膜をフォトリソエッチング法により第１及び第２の固定電極２４，２５等の形状にパターニングする。次いで、その上にシリコン窒化膜３３を形成する（図３（ａ））。
【００３１】
引き続いて、犠牲層としてのレジスト５１，５２を形成する（図３（ｂ））。このとき、上側のレジスト５２には、可動部２３の突起２３ａ，２３ｂに対応する開口５２ａ，５２ｂを形成しておく。その後、シリコン窒化膜３４を形成し、これを可動部２３の形状にパターニングする（図３（ｃ））。さらに、犠牲層としてのレジスト５３を形成した後、Ａｌ膜の形成・パターニングにより、可動部２３のＡｌ膜３５及び配線２２を形成する（図３（ｄ））。
【００３２】
次に、Ａｌ膜３６を形成し、これを可動部２３の形状にパターニングする。次いで、犠牲層としてのレジスト５４を形成した後に、シリコン酸化膜３７を形成する（図３（ｅ））。引き続いて、犠牲層（レジスト５１〜５４）をプラズマアッシング法等により除去する（図３（ｆ））。
【００３３】
その後、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、上層の各配線層とそれらの間の層間絶縁膜の形成、平坦化層の形成、カラーフィルタの形成、平坦化層の形成及びマイクロレンズの形成などの、各工程を順次経ることによって、本実施の形態による固体撮像素子が完成する。
【００３４】
なお、ＭＥＭＳキャパシタ２１の構造及び材料は、前述した例に限定されるものではない。例えば、可動部２３を両持ち梁としてもよい。また、固定電極２４，２５を分離せずに一体に形成してもよい。さらに、本実施の形態では、ＭＥＭＳキャパシタ２１は、静電力により駆動されるように構成されているが、例えば、圧電素子を用いてそれにより駆動されるように構成してもよい。
【００３５】
本実施の形態では、フローティング容量制御回路４が、制御信号φＶｇとして、可動部２３のＡｌ膜３５と第２の固定電極２５との間に静電力が生じないか、あるいは、その間の静電力が十分に小さくなるような信号（以下、「復帰状態信号」と呼ぶ。）を供給すると、可動部２３のバネ力によって図２（ｂ）及び図３（ｆ）に示す状態（復帰状態）に復帰する。その結果、ＭＥＭＳキャパシタ２１の容量値は比較的小さい所定値Ｃ１となる。フローティング容量部ＦＣは、ＭＥＭＳキャパシタ２１による容量、拡散領域１１による容量、配線２２等の関連する配線による容量、及び、リセットトランジスタＲＥＳのソースをなすＮ型不純物拡散領域による容量によって構成されている。したがって、前記復帰状態では、フローティング容量部ＦＣの容量値も比較的小さい値Ｃ１’となる。
【００３６】
フローティング容量制御回路４が、制御信号φＶｇとして、可動部２３のＡｌ膜３５と第２の固定電極２５との間に十分に大きい静電力が生じるような信号（以下、「プルイン状態信号」と呼ぶ。）を供給すると、可動部２３のバネ力に抗して可動部２３が固定電極２５側にプルインされ、図２（ｃ）に示す状態（プルイン状態）となる。その結果、ＭＥＭＳキャパシタ２１の容量値は比較的大きい所定値Ｃ２となる。したがって、このプルイン状態では、フローティング容量部ＦＣの容量値も比較的大きい値Ｃ２’となる。
【００３７】
本実施の形態では、フローティング容量制御回路４は、外部からの指令信号に応答して、各列毎に、制御信号φＶｇとして前記復帰状態信号及び前記プルイン状態信号のいずれかに切り替えて出力する。これにより、フローティング容量部ＦＣの容量値が２値Ｃ１’，Ｃ２’のいずれかに調整され、変換ゲインＧが２値のいずれかに調整され、信号レベル調整が行われる。このような信号レベル調整は、増幅トランジスタＡＭＰのノイズやリセットノイズなどのノイズ成分の増幅を伴うものではないため、高いＳＮ比で信号レベル調整を行うことができる。
【００３８】
例えば、室内や夜間等においてストロボを使わずに高感度撮影を行う場合、カメラ内の当該固体撮像素子外からその旨の指令信号に応じて、通常撮影時に比べて、各画素の変換ゲインＧが高まるように制御信号φＶｇを制御することで、高いＳＮ比で高感度撮影を行うことができる。このとき、垂直走査回路２は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子の場合と同様の読み出し動作を行うように、行毎に、制御信号φＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸを供給する。
【００３９】
その読み出し動作に従ってフローティング容量部ＦＣの電位（したがって、ＭＥＭＳキャパシタ２１の可動部２３のＡｌ膜３５）の電位が変動するので、これを考慮して、制御信号φＶｇにおける復帰状態信号の具体的な信号形態及びプルイン状態信号の具体的な信号形態を定めればよい。
【００４０】
なお、可動部２３のＡｌ膜３５を、第１の固定電極２４と対向する部分と第２の固定電極２５と対向する部分とに電気的に分離し、可動部に設けた配線パターン（図示せず）を介して後者から独立した電位を前者に供給できるようにすることで、前者を駆動用可動電極とするとともに後者を容量用可動電極とし、両者の機能を分離してもよい。このとき、第１の固定電極２４に制御信号φＶｇを印加し、第２の固定電極２５は電気的に浮かせておく。このようにすれば、フローティング容量部ＦＣの電位の状態と無関係に、前記第１の固定電極２４の電位及び前記駆動用可動電極の電位を設定し、制御信号φＶｇの信号形態を定めることができる。このとき、駆動電極に印加する制御信号は、パルス電圧でもよいし、高周波電圧でもよい。プルイン状態から復帰状態にする場合は、逆バイアスを一瞬印加してもよい。復帰状態からプルイン状態にする場合は、一瞬高電圧をかけて、プルイン状態になった後には、比較的小さい保持電圧（復帰状態に戻らない程度の電圧）をかけていてもよい。この場合、消費電力を低減することができる。
【００４１】
本実施の形態では、フローティング容量部ＦＣがＭＥＭＳキャパシタ２１を有している。ＭＥＭＳキャパシタ２１は、電極間のギャップを変えることで容量値が変わるので、容量値の可変幅を大きくすることができる。したがって、例えば、Ｃ１’＝２×Ｃ２’に設定することも可能となる。勿論、ＭＥＭＳキャパシタ２１は、容量値の可変幅を小さく設定することもでき、Ｃ１’とＣ２’の差を小さく設定することも可能である。
【００４２】
このように、本実施の形態によれば、高いＳＮ比で信号レベル調整を行うことができ、しかも、その調整範囲を広くすることも可能となる。
【００４３】
先の説明では、本実施の形態による固体撮像素子を、高感度撮影と低感度撮影とを切り替えて撮像する場合に用いる例について説明した。しかしながら、本発明の固体撮像素子は、このような用途に限定されるものではなく、種々の信号レベル調整に用いることができる。例えば、前記特許文献１に開示されている固体撮像素子と同様に、ＲＧＢの感度の相違の補償に用いてもよい。
【００４４】
本実施の形態では、各フローティング容量部ＦＣは単一のＭＥＭＳキャパシタ２１を有しているが、本発明は、各フローティング容量部ＦＣは複数のＭＥＭＳキャパシタ２１を有していてもよい。この場合、フローティング容量制御回路４から、複数のＭＥＭＳキャパシタ２１に対する制御信号Ｖｇを独立して供給することで、各フローティング容量部ＦＣの容量値を多値に変えることが可能となる。例えば、１つのフローティング容量部ＦＣに２つのＭＥＭＳキャパシタ２１を設け、一方のＭＥＭＳキャパシタ２１と他方のＭＥＭＳキャパシタ２１とで電極面積を変えるなどにより両者の示し得る容量値を適宜変えておくことで、各ＭＥＭＳキャパシタ２１の復帰状態・プルイン状態の組み合わせによる４状態で、フローティング容量部ＦＣの容量値を４つの値に変えることが可能となる。このとき、ＭＥＭＳキャパシタ２１の容量値の可変範囲を広くすることができるので、例えば、フローティング容量部ＦＣの容量値を、所定値の１倍、２倍、４倍、８倍の値に変えることができるように設定することができる。これによって、ゲインＧを所定値の１倍、２倍、４倍、８倍の値に変えることができる。これは、撮像素子のゲイン調整として非常に好ましいことは、言うまでもない。通常、撮像素子のゲインをこのような値に調整できるようにするためには、垂直信号線５毎にスイッチトキャパシタアンプからなるカラムアンプを設け、その帰還容量の容量値を変えている。この場合には、フローティング容量部ＦＣの容量値を変える場合に比べてＳＮ比が低下するとともに、帰還容量の占有面積が非常に大きなものとなっている。これに対し、前述したように、複数のＭＥＭＳキャパシタ２１を用いる場合には、ＳＮ比が高くなるとともに、占有面積を大幅に低減することができる。
【００４５】
本発明では、本実施の形態による固体撮像素子を、次のように改変してもよい。すなわち、列方向に隣り合う２つ以上の所定数の画素１毎に、当該２つの画素１が１組のフローティング容量部ＦＣ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳ及び選択トランジスタＳＥＬを共有してもよい。この場合、フローティング容量部ＦＣ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳ及び選択トランジスタＳＥＬが複数のフォトダイオードＰＤに対して共通して設けられることになる。この場合、トランジスタの数が少なくなるので、スペースの観点から、前記したように１つのフローティング容量部ＦＣに複数のＭＥＭＳキャパシタ２１を設け易くなる。
【００４６】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４７】
４  フローティング容量制御回路
２１  ＭＥＭＳキャパシタ
ＰＤ  フォトダイオード
ＡＭＰ  増幅トランジスタ
ＲＥＳ  リセットトランジスタ
ＴＸ  転送トランジスタ
ＳＥＬ  選択トランジスタ
ＦＣ  フローティング容量部
【図１】
2011066338.tif 000003
【図２】
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【図３】
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