(57)【要約】【課題】光電変換素子の信号出力を読み出すための信号線の寄生容量を低減して、ノイズが発生するのを抑制することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供すること。【解決手段】半導体基板１２のＰ−型ウエル層１２ｃの表面側には、Ｎ＋型半導体領域１２ｄが形成されており、このＮ＋型半導体とＰ−型半導体とでフォトダイオードが構成される。第１絶縁層１３の上には、アイソレーション領域１２ｅに接続される金属配線１４が形成されている。この金属配線１４は、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向及び列方向に沿って延びて設けられており、光入射方向から見て格子形状を呈している。第３絶縁層１６の上には、信号読み出しライン５３が形成されている。この信号読み出しライン５３は、アルミニウム等の金属からなり、光入射方向から見てＮ＋型半導体領域１２ｄの上方に位置し、列方向に沿って延びて設けられている。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に２次元配列された複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子に電気的に接続され、当該光電変換素子の出力を読み出すための信号線と、を有しており、
前記信号線は、前記光電変換素子の上方に位置して設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記信号線は、前記複数の光電変換素子の列毎に当該各列方向に沿って延びて設けられており、
前記複数の光電変換素子の列毎に前記各光電変換素子と前記信号線との間の電気的な接続及び遮断を制御する複数のスイッチからなるスイッチ群と、
前記スイッチ群を構成する各スイッチの制御端子に接続され、当該各スイッチを前記複数の光電変換素子の行毎に遮断あるいは導通させる走査信号を前記制御端子に入力する配線と、を更に有し、
前記配線は、隣接する前記光電変換素子の間を前記複数の光電変換素子の行方向に沿って延びて設けら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】
基板上にＭ行Ｎ列に配列された複数の光電変換素子と、
前記列毎に設けられた第１の配線と、
前記列毎に前記各光電変換素子と前記第１の配線とを接続する複数のスイッチからなる第１のスイッチ群と、
前記第１のスイッチ群を構成する各スイッチを前記行毎に開閉させる垂直走査信号を出力する垂直シフトレジスタと、
前記第１のスイッチ群を構成する各スイッチの制御端子と前記垂直シフトレジスタとを前記行毎に接続する第２の配線と、
前記第１の配線それぞれと信号出力線とを接続する複数のスイッチからなる第２のスイッチ群と、
前記第２のスイッチ群を構成する各スイッチを前記列毎に開閉させる水平走査信号を出力する水平シフトレジスタと、を有しており、
前記第１の配線は、前記光電変換素子の上方に位置し、前記列方向に沿って延びて設けられ、
前記第２の配線は、隣接する前記光電変換素子の間を前記行方向に沿って延びて設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の固体撮像装置と、
前記複数の光電変換素子を覆うように設けられ、放射線を可視光に変換するシンチレータと、を有することを特徴とする放射線撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及び放射線撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の固体撮像装置として、基板上にＭ行Ｎ列に配列された複数の光電変換素子と、各光電変換素子からの信号を読み出すための信号読み出しライン（信号線）とを有したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この信号読み出しラインは、隣接する光電変換素子の間を列方向に沿って延びて設けられている。
【０００３】
【特許文献１】
国際公開ＷＯ００／２６９６６号パンフレット
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術における構成では、信号読み出しライン（信号線）は、隣接する光電変換素子間に位置する導電性材料（例えば、信号線に接続されたゲートスイッチの制御端子と垂直シフトレジスタとを接続するゲートライン、隣接する光電変換素子の間に形成されるアイソレーション領域に所定の電位（接地も含む）を与えるための金属配線等）との間で電気的容量（寄生容量）を持つようになる。この寄生容量は、ノイズ発生の原因になるという問題があった。特に、撮像面を大面積化した場合、信号線自体の長さも長くなることから、寄生容量も大きくなってしまい、ノイズがより発生しやすくなってしまう。
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、光電変換素子の信号出力を読み出すための信号線の寄生容量を低減して、ノイズが発生するのを抑制することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、基板上に２次元配列された複数の光電変換素子と、光電変換素子に電気的に接続され、当該光電変換素子の出力を読み出すための信号線と、を有しており、信号線は、光電変換素子の上方に位置して設けられていることを特徴としている。
【０００７】
本発明に係る固体撮像装置では、光電変換素子の出力を読み出すための信号線が光電変換素子の上方に位置して設けられており、隣接する光電変換素子の間の部分から離されて設けられることとなる。このため、信号線の寄生容量が低減され、ノイズの発生を抑制することができる。
【０００８】
また、信号線は、複数の光電変換素子の列毎に当該各列方向に沿って延びて設けられており、複数の光電変換素子の列毎に各光電変換素子と信号線との間の電気的な接続及び遮断を制御する複数のスイッチからなるスイッチ群と、スイッチ群を構成する各スイッチの制御端子に接続され、当該各スイッチを複数の光電変換素子の行毎に遮断あるいは導通させる走査信号を制御端子に入力する配線と、を更に有し、配線は、隣接する光電変換素子の間を複数の光電変換素子の行方向に沿って延びて設けられていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る固体撮像装置は、基板上にＭ行Ｎ列に配列された複数の光電変換素子と、列毎に設けられた第１の配線と、列毎に各光電変換素子と第１の配線とを接続する複数のスイッチからなる第１のスイッチ群と、第１のスイッチ群を構成する各スイッチを行毎に開閉させる垂直走査信号を出力する垂直シフトレジスタと、第１のスイッチ群を構成する各スイッチの制御端子と垂直シフトレジスタとを行毎に接続する第２の配線と、第１の配線それぞれと信号出力線とを接続する複数のスイッチからなる第２のスイッチ群と、第２のスイッチ群を構成する各スイッチを列毎に開閉させる水平走査信号を出力する水平シフトレジスタと、を有しており、第１の配線は、光電変換素子の上方に位置し、列方向に沿って延びて設けられ、第２の配線は、隣接する光電変換素子の間を行方向に沿って延びて設けられていることを特徴としている。
【００１０】
本発明に係る固体撮像装置では、光電変換素子の信号出力を読み出すための信号線が光電変換素子の上方に位置して設けられており、隣接する光電変換素子の間の部分から離されて設けられることとなる。このため、信号線の寄生容量が低減され、ノイズの発生を抑制することができる。
【００１１】
本発明に係る放射線撮像装置は、上記固体撮像装置と、複数の光電変換素子を覆うように設けられ、放射線を可視光に変換するシンチレータと、を有することを特徴としている。
【００１２】
本発明に係る放射線撮像装置では、上述したように、固体撮像装置に含まれる信号線の寄生容量が低減されることとなるので、同様にノイズの発生を抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。本実施形態に係る放射線撮像装置は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）を含んでいる。
【００１４】
図１及び図２は、本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図であり、図３は、本実施形態に係る放射線撮像装置を示す平面図である。図４は、本実施形態に係る放射線撮像装置を示す構成図である。なお、図３では、ボンディングワイヤの図示を省略している。
【００１５】
本実施形態の放射線撮像装置１は、図１〜図３に示されるように、固体撮像素子１１、シンチレータ２１、マウント基板２３、枠体２５等を備えている。
【００１６】
固体撮像素子１１は、ＭＯＳ型イメージセンサであって、半導体基板１２の一方面側に形成された、光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１を有している。このように、光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１は、同一基板（半導体基板１２）に形成されている。半導体基板１２（固体撮像素子１１）は、マウント基板２３上に固定されている。本実施形態においては、半導体基板１２の面積は、１６９００ｍｍ２（＝１３０ｍｍ×１３０ｍｍ）程度であり、光感応部３１の面積は、１５６２５ｍｍ２（＝１２５ｍｍ×１２５ｍｍ）程度である。
【００１７】
光感応部３１は、図４に示されるように、光の入射強度に応じた電荷量を蓄積するフォトダイオード（光電変換素子）３３を半導体基板１２上に複数個配列して構成される。より具体的には、ｙ軸方向にＭ行、ｘ軸方向にＮ列（Ｍ，Ｎは自然数）に配列されたＭ×Ｎ個のフォトダイオード３３によって光感応部３１が構成される。なお、図４においては、Ｍ及びＮが「４」に設定されている。
【００１８】
光感応部３１を構成するフォトダイオード３３のそれぞれには、一端が当該フォトダイオード３３に電気的に接続され、他端が後述の信号読み出しラインに電気的に接続されたゲートスイッチ（第１のスイッチ群を構成するスイッチ）３５が設けられている。従って、ゲートスイッチ３５が開のときには、フォトダイオード３３への光の入射に伴って電荷が蓄積され、ゲートスイッチ３５が閉になるとフォトダイオード３３に蓄積された電荷が後述の信号読み出しラインに読み出される。なお、ゲートスイッチ３５は、ＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）にて構成することができる。
【００１９】
シフトレジスタ部４１は、垂直シフトレジスタ４３を含み、半導体基板１２上であって、光感応部３１の一辺に面して形成されている。この垂直シフトレジスタ４３は、ゲートスイッチ３５を開閉させるための垂直走査信号を出力する。
【００２０】
各ゲートスイッチ３５の制御端子と垂直シフトレジスタ４３とは、ゲートライン（第２の配線）４５によって電気的に接続されており、垂直シフトレジスタ４３から出力された垂直走査信号によって各ゲートスイッチ３５を開閉させることができるようになっている。ゲートライン４５は、具体的には、光感応部３１に配列されたフォトダイオード３３の行間を縫ってｘ軸方向に延線されており、同一行に存在する各ゲートスイッチ３５の制御端子に接続されている。従って、垂直シフトレジスタ４３とゲートスイッチ３５の制御端子とは、行毎に接続されていることになる。
【００２１】
光感応部３１に配列されたフォトダイオード３３の列間には、さらに、上記ゲートスイッチ３５の他端が列毎に電気的に接続されたＮ本の信号読み出しライン（第１の配線；信号線）５３が設けられている。当該Ｎ本の信号読み出しライン５３は、増幅部５１に電気的に接続されている。増幅部５１は、チャージアンプ５５、読み出しスイッチ（第２のスイッチ群を構成するスイッチ）５７及び水平シフトレジスタ５９等を含み、半導体基板１２上であって、光感応部３１におけるシフトレジスタ部４１が面して形成された一辺に隣接する一辺に面して形成されている。
【００２２】
チャージアンプ５５は、信号読み出しライン５３毎に設けられており、信号読み出しライン５３に読み出された電荷量（電流出力）を増幅する。読み出しスイッチ５７は、信号読み出しライン５３毎に設けられるとともにフォトダイオード３３から読み出された電荷量（電流出力）を信号出力ライン６０に出力する。水平シフトレジスタ５９は、読み出しスイッチ５７を開閉させるための水平走査信号を出力する。
【００２３】
半導体基板１２には、図２及び図３に示されるように、それぞれの増幅部５１と電気的に接続されて形成されたボンディングパッド部６１が複数形成されている。これらのボンディングパッド部６１は、ボンディングワイヤ６３により、マウント基板２３に形成されたボンディングパッド部６５に電気的に接続されている。これにより、増幅部５１からの出力は、マウント基板２３を通して撮像装置１の外部に送られることとなる。また、半導体基板１２には、それぞれのシフトレジスタ部４１と電気的に接続されて形成されたボンディングパッド部６７が複数形成されている（特に、図３参照）。これらのボンディングパッド部６７は、ボンディングワイヤ（図示せず）により、マウント基板２３に形成されたボンディングパッド部６９に電気的に接続されている。これにより、撮像装置１の外部からの信号は、マウント基板２３を通してシフトレジスタ部４１に送られることとなる。
【００２４】
シンチレータ２１は、入射した放射線（例えば、Ｘ線）を可視光に変換するもので、柱状構造を呈している。シンチレータ２１は、図３にも示されるように、半導体基板１２の一方面における光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域を覆うように、当該領域上に直接形成されている。これにより、シンチレータ２１は、半導体基板１２の一方面における光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域に接触して配置されることとなる。なお、半導体基板１２の一方面におけるボンディングパッド部６１，６７が形成された領域は、シンチレータ２１にて覆われておらず、露出している。
【００２５】
シンチレータ２１には、各種の材料を用いることができるが、発光効率が良いＴｌドープのＣｓＩ等が好ましい。シンチレータ２１の上には、シンチレータ２１の柱状構造を覆ってその間隙まで入り込み、シンチレータ２１を密閉する保護膜（図示せず）が形成されている。保護膜は、放射線を透過し、水蒸気を遮断する材料、例えばポリパラキシリレン樹脂（スリーボンド社製、商品名パリレン）、特にポリパラクロロキシリレン（同社製、商品名パリレンＣ）を用いることが好ましい。本実施形態においては、シンチレータ２１の厚みは、３００μｍ程度である。
【００２６】
シンチレータ２１は、蒸着法により、ＣｓＩの柱状結晶を成長させることで形成することができる。また、保護膜は、ＣＶＤ法により形成することができる。なお、シンチレータ２１及び保護膜の形成方法については、本願出願人による国際公開ＷＯ９８／３６２９０号パンフレット等において詳細に開示されており、ここでの説明を省略する。
【００２７】
枠体２５は、固体撮像素子１１を囲むようにマウント基板２３上に固定されている。枠体２５には、光感応部３１に対応する位置に、矩形形状の開口２７が形成されており、放射線がこの開口２７を通ってシンチレータ２１に入射することとなる。枠体２５と、半導体基板１２及びマウント基板２３との間には空間Ｓが形成されている。空間Ｓ内には、固体撮像素子１１のシフトレジスタ部４１及び増幅部５１、ボンディングパッド部６１，６５、ボンディングワイヤ６３等が位置する。このように、ボンディングワイヤ６３は、枠体２５と、半導体基板１２及びマウント基板２３とで画成される空間Ｓ内に配設されているので、当該ボンディングワイヤ６３は枠体２５によって押さえつけられることなく、外部からの物理的応力から保護される。また、枠体２５には、その増幅部５１側とは反対側に放射線遮蔽性の材料（例えば、鉛等）からなる遮蔽材２９が設けられており、この遮蔽材２９にて放射線を十分に遮蔽している。本実施形態おいては、遮蔽材２９の厚みは２．５ｍｍ程度である。
【００２８】
次に、図５〜図９に基づいて、光感応部３１の構成について説明する。図５は、光感応部を示す平面図である。図６は図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図７は図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図８は図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図９は図５のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。なお、図５においては、第１〜第４絶縁層１３，１５〜１７、ゲートスイッチ３５の図示を省略している。
【００２９】
半導体基板１２は、図６〜図９に示されるように、Ｐ＋型半導体基板１２ａを含み、このＰ＋型半導体基板１２ａ上にＰ−型エピタキシャル半導体層１２ｂとＰ−型ウエル層１２ｃが形成されている。Ｐ＋型半導体基板１２ａは、接地電位とされている。なお、この固体撮像素子１１は、半導体としてＳｉを用いるものであり、「高濃度」とは不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低濃度」とは不純物濃度が１×１０１５／ｃｍ３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。
【００３０】
Ｐ−型ウエル層１２ｃの表面側には、Ｎ＋型半導体領域１２ｄが形成されており、このＮ＋型半導体（Ｎ＋型半導体領域１２ｄ）とＰ−型半導体（Ｐ−型ウエル層１２ｃ）とのｐｎ接合によりフォトダイオード（光電変換素子）３３が構成されることとなる。Ｎ＋型半導体領域１２ｄは、図５に示されるように、光入射方向から見て矩形形状を呈しており、Ｍ行Ｎ列に２次元配列されている。これにより、光感応部３１においては、フォトダイオード３３がＭ行Ｎ列に２次元配列されることとなる。本実施形態では、Ｎ＋型半導体領域１２ｄの一辺の長さは５０μｍ程度に設定されている。
【００３１】
また、Ｐ−型ウエル層１２ｃの表面側には、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間に、Ｐ＋型半導体からなるアイソレーション領域１２ｅが形成されている。このアイソレーション領域１２ｅは、図５に示されるように、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向及び列方向に沿って延びており、光入射方向から見て格子形状を呈している。
【００３２】
Ｐ−型ウエル層１２ｃ、Ｎ＋型半導体領域１２ｄ、アイソレーション領域１２ｅの上には第１絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１３が形成され、この第１絶縁層１３に形成されたスルーホールを介して金属（例えば、アルミニウムからなる）配線１４がアイソレーション領域１２ｅに電気的に接続されている。この金属配線１４は、図５に示されるように、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向及び列方向に沿って延びて設けられており、光入射方向から見て格子形状を呈している。本実施形態において、金属配線１４の幅は、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄ間の距離よりも大きく設定されており、金属配線１４は、その一部が光入射方向から見てＮ＋型半導体領域１２ｄの端部と重なっている。金属配線１４は接地されており、アイソレーション領域１２ｅは接地電位とされる。なお、金属配線１４は、接地する代わりに、固定電位に接続してもよい。
【００３３】
第１絶縁層１３の上には第２絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１５が形成されている。この第２絶縁層１５の上には、上記ゲートライン４５及び第３絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１６が形成されている。ゲートライン４５は、アルミニウム等の金属からなり、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向に沿って延びて設けられている。
【００３４】
第３絶縁層１６の上には、上記信号読み出しライン５３及び第４絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１７が形成されている。信号読み出しライン５３は、アルミニウム等の金属からなり、図５及び図６に示されるように、光入射方向から見てＮ＋型半導体領域１２ｄの上方に位置し、列方向に沿って延びて設けられている。本実施形態では、信号読み出しライン５３の幅は０．５μｍ程度に設定されている。また、信号読み出しライン５３は、Ｎ＋型半導体領域１２ｄの一辺から１〜２μｍ程度Ｎ＋型半導体領域１２ｄ上にずれて配置されている。
【００３５】
以上のように、本実施形態によれば、信号読み出しライン５３は、フォトダイオード３３を構成するＮ＋型半導体領域１２ｄの上方に位置して設けられており、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間の部分、すなわち金属配線１４から離されて設けられることとなる。このため、信号読み出しライン５３の寄生容量が低減され、ノイズの発生を抑制してＳＮ比を向上することができる。
【００３６】
信号読み出しライン５３をＮ＋型半導体領域１２ｄの上方に位置して設けることにより、信号読み出しライン５３を隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間に配置したものに比して、フォトダイオード３３における受光感度が低下することとなる（本実施形態においては、１．６％程度低下することとなる）。しかしながら、この受光感度の低下分は、増幅部５１での増幅率を高める手法等によって補うことができ、結果として撮像出力の低下を防ぐことができる。
【００３７】
なお、信号読み出しライン５３の寄生容量を低減するためには、Ｎ＋型半導体領域１２ｄの一辺（隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間の部分）からのずれ量を大きくする、たとえば、信号読み出しライン５３を光入射方向から見てＮ＋型半導体領域１２ｄの中央部分に配置することが好ましい。しかしながら、信号読み出しライン５３は、ゲートスイッチ３５（ＭＯＳＦＥＴ）に接続する必要があるため、Ｎ＋型半導体領域１２ｄの一辺から大きくずらしてしまうのは現実的でない。このため、上記ずれ量は、寄生容量の低減量とゲートスイッチ３５との接続性を勘案して設定することが好ましい。
【００３８】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。本実施形態においては、シンチレータ２１を半導体基板１２上に直接形成するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、放射線透過性基板上にシンチレータを形成したシンチレータ基板を用い、半導体基板１２の一方面における光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域とシンチレータとが接触するように、シンチレータ基板を配置した構成としてもよい。なお、シンチレータの上に保護膜が形成されている場合には、上記光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域と保護膜とが接触するようになる。
【００３９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光電変換素子の信号出力を読み出すための信号線の寄生容量を低減して、ノイズが発生するのを抑制することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図である。
【図２】本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図である。
【図３】本実施形態に係る放射線撮像装置を示す平面図である。
【図４】本実施形態に係る放射線撮像装置を示す構成図である。
【図５】本実施形態に係る放射線撮像装置の固体撮像素子に含まれる光感応部を示す平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図７】図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図８】図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図９】図５のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１…放射線撮像装置、１１…固体撮像素子、１２…半導体基板、１２ｄ…Ｎ＋型半導体領域、１２ｅ…アイソレーション領域、１４…金属配線、２１…シンチレータ、２３…マウント基板、３１…光感応部、３３…フォトダイオード、３５…ゲートスイッチ、４１…シフトレジスタ部、４３…垂直シフトレジスタ、４５…ゲートライン、５１…増幅部、５３…信号読み出しライン、５５…チャージアンプ、５７…読み出しスイッチ、５９…水平シフトレジスタ、６０…信号出力ライン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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