(57)【要約】【課題】  固体撮像装置の出力レベルを高めるための技術を提供する。【解決手段】  本発明の固体撮像装置は、次の構成を備える。複数の画素部は、入射光を光電変換してその結果を電気信号に変換する。垂直読み出し線は、画素部の垂直転送の単位に設けられる。垂直転送部は、画素部から垂直読み出し線へ画素出力を読み出す。列コンデンサは、読み出された画素出力を保持する。水平読み出し線は、列コンデンサにスイッチング素子を介して接続される。水平転送部は、スイッチング素子を開閉して列コンデンサの画素出力を水平読み出し線に順次読み出す。この構成において、水平読み出し線の配線近傍にエアギャップを形成した絶縁域を設ける。【選択図】      図３
2007184788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換し、その結果を電気信号に変換する複数の画素部と、
前記画素部の垂直転送の単位に設けられる垂直読み出し線と、
前記画素部の画素出力を前記垂直読み出し線に読み出す垂直転送部と、
前記垂直読み出し線に読み出される前記画素出力を保持する列コンデンサと、
前記列コンデンサにスイッチング素子を介して接続される水平読み出し線と、
前記スイッチング素子を開閉駆動することにより、前記列コンデンサに保持された前記画素出力を前記水平読み出し線に順次読み出す水平転送部とを備え、
前記水平読み出し線の配線近傍にエアギャップを形成した絶縁域を設けた
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
複数本の前記水平読み出し線を備え、
前記絶縁域の前記エアギャップは、複数本の前記水平読み出し線の配線間に形成される
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記水平読み出し線とは電位差を有する信号線を備え、
前記絶縁域の前記エアギャップは、前記水平読み出し線と前記信号線の配線間に形成される
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記絶縁域の前記エアギャップは、素子表面を上として、前記水平読み出し線の配線の上部、下部、および側部のいずれかに形成される
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
前記水平読み出し線の配線近傍のエアギャップと併せて、
前記画素部の近傍にも、迷光防止用のエアギャップが形成される
ことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体撮像装置として、画素出力を垂直読み出し線および水平読み出し線を介して読み出すものが知られている。
また、従来より、配線相互間にエアギャップを形成して配線容量を減らし、配線容量による信号遅延を抑制する半導体技術が知られている（特許文献１など）。
【０００３】
さらに、固体撮像装置の画素近傍にエアギャップを形成することで、迷光を防止する技術も知られている（特許文献２など）。
【特許文献１】特公平7-114236号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第2005/0040317号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、レンズ交換式デジタルカメラなどに搭載される固体撮像装置は、撮像面サイズの大型化に伴って、固体撮像装置の素子サイズが拡大される。
本発明者は、この素子サイズの拡大によって、固体撮像装置の出力レベルが低下するという現象に気が付いた。この出力レベル低下により、外乱ノイズの影響を受けやすくなってＳ／Ｎが低下し、撮像画像の画質が低下してしまう。
【０００５】
本発明の目的は、固体撮像装置の出力レベルを高める上で、効果的なエアギャップの配置位置を開示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
《１》  本発明の固体撮像装置は、複数の画素部、垂直読み出し線、垂直転送部、列コンデンサ、水平読み出し線、水平転送部を備える。
これらの画素部は、入射光を光電変換し、その結果を電気信号に変換する。
垂直読み出し線は、画素部の垂直転送の単位に設けられる。
垂直転送部は、画素部の画素出力を垂直読み出し線に読み出す。
列コンデンサは、垂直読み出し線に読み出される画素出力を保持する。
水平読み出し線は、列コンデンサにスイッチング素子を介して接続される。
水平転送部は、列コンデンサのスイッチング素子を開閉駆動することにより、列コンデンサに保持された画素出力を水平読み出し線に順次読み出す。
以上の構成において、水平読み出し線の配線近傍にエアギャップを形成した絶縁域を設ける。
《２》  なお好ましくは、固体撮像装置は、複数本の水平読み出し線を備える。この場合、複数本の水平読み出し線の配線間にエアギャップが配置される。
《３》  また好ましくは、固体撮像装置は、水平読み出し線とは電位差を有する信号線を備える。この場合、水平読み出し線と信号線の配線間にエアギャップが配置される。
《４》  なお好ましくは、絶縁域のエアギャップは、素子表面を上として、水平読み出し線の配線の上部、下部、および側部のいずれかに配置される。
《５》  また好ましくは、水平読み出し線の配線近傍のエアギャップと併せて、画素部の近傍にも、迷光防止用のエアギャップを配置する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、水平読み出し線の配線近傍にエアギャップを配置する。この配置位置によって、水平転送時の信号レベルが大きくなり、固体撮像装置の出力レベルを大きくすることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
［固体撮像装置の説明］
図１は、固体撮像装置１１の回路構成を示す図である。
図１において、固体撮像装置１１の受光面には、画素単位に画素部１２が配列される。これら画素部１２の垂直転送の単位に垂直読み出し線１３が設けられる。画素部１２は、垂直転送部１４によって水平行の単位に選択駆動され、リセット電圧および信号電圧からなる画素出力を時分割に垂直読み出し線１３へ出力する。
この内、リセット電圧は、画素部１２内で信号電荷を排出（リセット）した際に生じた出力電圧であり、画素部１２ごとにばらつくスイッチングノイズなどを含む。垂直転送部１４は、このリセット電圧の出力タイミングに合わせて、制御信号φＴｎを用いてＭＯＳスイッチＭＴＮを一時的に導通させる。この動作により、リセット電圧は列コンデンサ１５ｎの側へ保持される。
一方、信号電圧は、画素部１２で光電変換した信号電荷分だけリセット電圧から相対変化した電圧である。垂直転送部１４は、この信号電圧の出力タイミングに合わせて、制御信号φＴｓを用いてＭＯＳスイッチＭＴＳを一時的に導通させる。この動作により、信号電圧は列コンデンサ１５ｓの側へ保持される。
【０００９】
以上の動作によって、水平一行分のリセット電圧と信号電圧は、一行分の列コンデンサ１５ｎ，１５ｓにそれぞれ保持される。
この一行分を保持した状態において、水平転送部１７は、まず、ＭＯＳスイッチＭＨＲＳ，ＭＨＲＮを一時的に導通させる。この動作により、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの配線容量（出力アンプＡＭＰ１の入力容量なども含む）に残存する不要電荷はリセットされる。
続いて、水平転送部１７は、制御信号φＨＮ１，φＨＳ１を用いて、行先頭のＭＯＳスイッチＭＨＮ１，ＭＨＳ１を一時的に導通させる。
【００１０】
このとき、行先頭の列コンデンサ１５ｓに保持されていた出力電圧Ｖｃｓ１は、列コンデンサ１５ｓと水平読み出し線１６ｓとの間で容量分圧される。その結果、水平読み出し線１６ｓには、下記の出力電圧Ｖｃｈｓ１が生じる。
Ｖｃｈｓ１＝Ｖｃｓ１×Ｃｓ１／（Ｃｓ１＋Ｃｈｓ）  …［１］
（ただし、Ｃｓ１は、行先頭の列コンデンサ１５ｓの静電容量である。Ｃｈｓは、水平読み出し線１６ｓの配線容量と出力アンプＡＭＰ１の入力容量の和である。）
【００１１】
この容量分圧に所要する時間遅れは、下記の時定数Ｔｓで表される。
Ｔｓ＝（Ｒｍｈｓ１＋Ｒｈｓ）×Ｃｈｓ  …［２］
（ただし、Ｒｍｈｓ１は、行先頭のＭＯＳスイッチＭＨＳ１のオン抵抗である。Ｒｈｓは、水平読み出し線１６ｓの配線抵抗である。なお、Ｃｈｓの部分は、ＣｈｓとＣｓ１との直列容量としてもよい。）
【００１２】
同様にして、行先頭の列コンデンサ１５ｎに保持されていたリセット電圧Ｖｃｎ１は、列コンデンサ１５ｎと水平読み出し線１６ｎとの間で容量分圧され、下式のリセット電圧Ｖｃｈｎ１が水平読み出し線１６ｎに生じる。
Ｖｃｈｎ１＝Ｖｃｎ１×Ｃｎ１／（Ｃｎ１＋Ｃｈｎ）  …［３］
（ただし、Ｃｎ１は、行先頭の列コンデンサ１５ｎの静電容量である。Ｃｈｎは、水平読み出し線１６ｎの配線容量と出力アンプＡＭＰ２の入力容量の和である。）
【００１３】
この容量分圧に所要する時間遅れは、下記の時定数Ｔｎで表される。
Ｔｎ＝（Ｒｍｈｎ１＋Ｒｈｎ）×Ｃｈｎ  …［４］
（ただし、Ｒｍｈｎ１は、行先頭のＭＯＳスイッチＭＨＮ１のオン抵抗である。Ｒｈｎは、水平読み出し線１６ｎの配線抵抗である。なお、Ｃｈｎの部分は、ＣｈｎとＣｎ１との直列容量としてもよい。）
【００１４】
このように読み出された出力電圧Ｖｃｈｓ１とリセット電圧Ｖｃｈｎ１は、出力アンプＡＭＰ１〜３を介して差分増幅されることによってノイズ分が同相除去される。その結果、出力アンプＡＭＰ３からは、真の出力電圧が出力される。
以上の水平転送ステップを２列目以降についても順次実行することにより、一行分の水平転送が完了する。さらに、この一行分の水平転送を他行についても順次実行することによって、一画面分の画像読み出しが完了する。
【００１５】
［エアギャップの配置例その１］
図２は、上述した水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの配線付近の半導体回路パターンを示す上面図である。図３は、この図２に示すＸ−Ｘ′の断面構造を示す図である。
図２および図３に示すように、水平読み出し線１６ｓは、各列のＭＯＳスイッチＭＨＳ１，ＭＨＳ２・・に接続するため、下層の接続線２０ｓに配線接続される。一方、水平読み出し線１６ｎも、各列のＭＯＳスイッチＭＨＮ１，ＭＨＮ２・・に接続するため、下層の接続線２０ｎに配線接続される。
【００１６】
これらの接続線２０ｓおよび接続線２０ｎは、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの配線方向に沿って近接かつ交互に配線パターンを繰り返し、櫛歯状をなす。この櫛歯状の箇所は、対向面積の計が顕著に大きくなるため、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎ間の配線容量を増大させるネックとなる。
そこで、本実施形態では、この接続線２０ｓ，２０ｎの間の絶縁域５にエアギャップ３０を設ける。このエアギャップ３０の形成方法については、上述した特許文献１などから公知であるため、ここでの説明を省略する。
このエアギャップ３０によって、配線近傍の誘電率を下げ、接続線２０ｓ，２０ｎ間の静電容量を下げることが可能になる。さらに、個々の接続線２０ｓ，２０ｎと周囲との間に生じる静電容量も下げることが可能になる。
このように本実施形態では、配線容量のネックとなる櫛歯状の配線近傍にエアギャップ３０を配置することによって、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの配線容量を劇的に下げることが可能になる。
【００１７】
［エアギャップの配置例その２］
図４は、上述した水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの配線近傍の半導体回路パターンを示す上面図である。図５は、この図４に示すＹ−Ｙ′の断面構造を示す図である。
図４および図５に示すように、水平読み出し線１６ｓと水平読み出し線１６ｎのパターン間には、両者間の信号干渉を低減するため、シールド線２１のパターンが形成される。このシールド線２１のような信号線は、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎとの対向距離が長く、かつ水平読み出し線１６ｓ，１６ｎと電位差を有するため、比較的大きな配線容量の原因となる。
【００１８】
そこで、本実施形態では、シールド線２１と水平読み出し線１６ｓ，１６ｎとの対向間の絶縁域６にエアギャップ３１を設ける。このエアギャップ３１によって、配線近傍の誘電率を下げ、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの配線容量を効果的に下げることが可能になる。
なお、シールド線２１は、Ｓ／Ｎ向上のために設けられているが、必須ではない。シールド線２１を省く場合には、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの対向間にエアギャップ３１を配置してもよい。
【００１９】
［エアギャップの配置例その３］
図６は、エアギャップの別の配置例を示した図である。
画素部１２の上方には、シリコン酸化膜からなる絶縁域４２ａ，４２ｂ，４２ｃが層状に形成される。この内、中間の絶縁域４２ｂには、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎが形成される。また、表層の絶縁域４２の上には、アルミ膜などからなる遮光膜４４が設けられる。
このような構成において、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの上部、下部、および側部に、エアギャップ３２が立体的に配置される。この構成により、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの周囲の誘電率を総体的に下げ、配線容量を一段と低下させることが可能になる。
さらに、画素部１２の近傍（例えば、隣接する画素部１２の境界線の上部）には、迷光防止の目的からエアギャップ３３が配置される。このエアギャップ３３は、絶縁域４２ａ内のエアギャップ３２と同一工程で形成することができる。そのため、製造工程を特に増やすことなく、画素部１２の迷光防止まで併せて実現することが可能になる。
【００２０】
なお、図６では、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの上下左右全てにエアギャップ３２を配置している。しかしながら、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの上下左右のいずれかにエアギャップ３２を配置してもよい。
【００２１】
例えば、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの上部のみにエアギャップ３２を形成してもよい。この場合、素子表面の遮光膜４４と、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎとの間に発生する配線容量を効果的に低減することができる。
【００２２】
また、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの下部のみにエアギャップを形成してもよい。この場合、下部の半導体基板と、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎとの間に発生する配線容量を効果的に低減することができる。
【００２３】
さらに、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの側部のみにエアギャップを形成してもよい。この場合、側部の回路や配線と、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎとの間に発生する配線容量を効果的に低減することができる。
【００２４】
［本実施形態の効果など］
一般に、固体撮像装置１１の素子サイズを拡大すると、垂直読み出し線１３および水平読み出し線１６ｓ，１６ｎは配線長が長くなり、それに伴って配線容量が増加する。
この垂直読み出し線１３の配線容量については、画素部１２の増幅素子によって低インピーダンス駆動されるため、出力レベル低下に与える影響は少ない。また、垂直転送時の信号速度は、水平転送時の信号速度よりも何倍も低いため、垂直読み出し線１３の配線容量による信号遅延（時定数増大）の影響も比較的少ない。
【００２５】
しかし、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎについては、垂直読み出し線１３とは異なり、配線容量の増加による影響が顕著に現れる。すなわち、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎは、列コンデンサ１５ｓ，１５ｎ中の画素出力を容量分圧して読み出す。この容量分圧の比は、素子サイズが拡大して水平読み出し線の配線容量が増加することで低下し、固体撮像装置１１の出力レベルがその分だけ低下してしまう。
【００２６】
このような考察に基づいて、本実施形態では、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの配線近傍に、エアギャップ３０〜３３を重点的に配置する。その結果、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの配線容量を低減して［１］式および［３］式に示した容量分圧の比を高め、固体撮像装置の出力レベルを高めることに成功した。
【００２７】
特に、本実施形態では、櫛歯状の配線近傍にエアギャップ３０を形成することにより、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの配線容量を劇的に下げ、固体撮像装置１１の出力レベルを一段と高めることが可能になる。
【００２８】
このように出力レベルが高くなることにより、外乱ノイズの影響が相対的に小さくなり、Ｓ／Ｎ比の高い高品位の画像信号を得ることが可能になる。
【００２９】
さらに、本実施形態では、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの配線容量が下がることで、［２］式および［４］式に示した時定数を低減することができる。その結果、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎへの信号読み出しにかかる時間が短縮する。そのため、水平転送のサイクル時間を短縮することが可能になり、画像読み出しの所要時間のネックとなる水平転送時間を効果的に短縮することが可能になる。
【００３０】
以下、配線容量の理論計算に基づいて、配線容量の低減効果について更に説明する。まず、水平読み出し線の幅をＷｈ、長さをＬｈ、半導体基板との間隔をＨｈ、絶縁域（酸化膜など）の比誘電率をεｏｘとする。一方、エアギャップの比誘電率をεａ、真空の誘電率をε０とする。
ここで、エアギャップ無しの従来ケースでは、水平読み出し線の配線容量Ｃｈｓは、
Ｃｈｓ＝Ｗｈ×Ｌｈ×（εｏｘ）×（ε０）／Ｈｈ  …［５］
となる。
【００３１】
一方、水平読み出し線の配線近傍に対して対向面積の比Ａの割合でエアギャップを設けたとすると、水平読み出し線の配線容量Ｃｈｓ′は、
Ｃｈｓ′＝Ｗｈ×Ｌｈ×［（εｏｘ）×（１−Ａ）＋（εａ）×Ａ］ｘ（ε０）／Ｈｈ
…［６］
まで低くなる。
【００３２】
すなわち、エアギャップによる配線容量の低減率Ｚは、
Ｚ＝［（εｏｘ）×（１−Ａ）＋（εａ）×Ａ］／εｏｘ
となる。
例えば、εｏｘ＝３．９、εａ＝１．０、Ａ＝０．５とすると、Ｚ≒０．６３となる。この場合、水平読み出し線の配線容量を約３７％低減することができる。
【００３３】
ここで、列コンデンサ１５ｓ，１５ｎの静電容量をＣｈｓ程度に設定し、かつ出力アンプの入力容量を無視すると、エアギャップによって［１］式および［３］式に示す容量分圧比を約２２％高めることができる。その結果、固体撮像装置の出力レベルは約２２％高まり、その分だけ高Ｓ／Ｎの画像信号を得ることが可能になる。
【００３４】
さらに、［２］式および［４］式に示す時定数Ｔｓ，Ｔｎも、水平読み出し線の配線容量が約３７％低減されることにより、時定数を約３７％短縮することが可能になる。そのため、時定数の短縮分だけ水平転送の速度を高速化することが可能になる。その結果、固体撮像装置１１を搭載する電子カメラなどの連写速度を一段と高速化することが可能になる。
【００３５】
また、配線容量の低減率Ｚ≒０．６３の分だけ素子サイズを拡大することを考えると、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎの長さを１／Ｚ≒１．５８倍まで長くすることが可能である。その結果、受光面の水平寸法を１．５８倍まで拡大できる。
【００３６】
《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態において、水平読み出し線の配線近傍とは、例えば、エアギャップを配置して配線容量が低減する水平読み出し線の周辺という意味である。
【００３７】
また、上述した実施形態では、受光面の画素出力を、１チャンネルの水平読み出し線１６ｓ，１６ｎで読み出すケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、複数チャンネルの水平読み出し線を設け、チャンネルごとの画素出力を同時に読み出してもよい。この場合、複数チャンネルの水平読み出し線それぞれの配線近傍にエアギャップを配置することが好ましい。また、チャンネルの異なる水平読み出し線が櫛歯状に配線される箇所や、平行して配線される箇所が存在する場合には、特にエアギャップを配置することが好ましい。
【００３８】
なお、上述した実施形態では、信号電圧用の水平読み出し線１６ｓと、リセット電圧用の水平読み出し線１６ｎとを独立に設けている。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。列コンデンサ１５ｓ，１５ｎなどの保持回路に代えて、相関二重サンプリング回路（信号電圧とリセット電圧の差分を垂直読み出し線ごとに出力する回路）を設けることにより、水平読み出し線を単線化することができる。この場合、相関二重サンプリング回路の回路内容量と、水平読み出し線の配線容量とによって、水平読み出し線上の信号レベルは容量分圧される。したがって、この回路構成においても、水平読み出し線の配線近傍にエアギャップを配置することは有効である。
【００３９】
また、上述した実施形態において、水平読み出し線１６ｓ，１６ｎと同様に、垂直読み出し線１３の配線近傍などにもエアギャップを併せて配置してもよい。
【００４０】
なお、上述した実施形態において、エアギャップの内部に周辺の絶縁域よりも低誘電率の材料を入れてもよい。この構成によって固体撮像装置の機械的な強度を高めることも可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上説明したように、本発明は、固体撮像装置に利用可能な技術である。特に、固体撮像装置の素子サイズを拡大する際に有効な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】固体撮像装置１１の回路構成を示す図である。
【図２】水平読み出し線の配線近傍を示す上面図である。
【図３】Ｘ−Ｘ′の断面構造を示す図である。
【図４】水平読み出し線の配線近傍を示す上面図である。
【図５】Ｙ−Ｙ′の断面構造を示す図である。
【図６】エアギャップの配置例を示した図である。
【符号の説明】
【００４３】
５，６…絶縁域，１１…固体撮像装置，１２…画素部，１３…垂直読み出し線，１４…垂直転送部，１５ｎ…列コンデンサ，１５ｓ…列コンデンサ，１６ｎ…水平読み出し線，１６ｓ…水平読み出し線，１７…水平転送部，２０ｓ…接続線，２１…シールド線，３０〜３３…エアギャップ，４２ａ〜ｃ…絶縁域，４４…遮光膜
【図１】
2007184788.tif 000003
【図２】
2007184788.tif 000004
【図３】
2007184788.tif 000005
【図４】
2007184788.tif 000006
【図５】
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【図６】
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