JP4403383B2

JP4403383B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4403383B2
Application number: JP2004017908A
Authority: JP
Inventors: 和司和田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: JP2005216886A

Description

本発明は、画素によって取り込んだ電荷を所定のタイミングで読み出し、転送レジスタにより順次転送する固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子の単位画素の小型化に伴い、より高い感度、取り扱い電荷量を達成するためには、画素間部の面積を極力減らす必要がある。また、よりよい集光状態を確保するためには、撮像領域の高さ、すなわち画素における開口部分の高さを低く抑えることが有効で、その技術として単層構造のＣＣＤ撮像素子が考案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図５は、従来の単層構造ＣＣＤを説明する模式平面図である。すなわち、このＣＣＤでは、縦横に並ぶフォトセンサ（画素）１の間（画素間）に電極Ｄが同層に配置されたものである。電極Ｄは４相から成り、φ１、φ４の組みとφ２、φ３の組みとが交互に画素間に配置されている。また、電極Ｄの上にはフォトセンサ１の部分に開口を有する遮光膜Ｓが形成されている。

特開２００１−３２６３４２号公報

しかしながら、従来の単層構造のＣＣＤ撮像素子では画素間部に２本の配線が配置されるため、画素間部を狭くすることが困難であり、画素の高密度化および特性の確保が難しくなるという問題が生じる。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、基板上の水平方向および垂直方向の各々に沿ってマトリクス状に形成される複数の画素と、複数の画素の水平方向に沿った画素間に対応してライン状に配置される第１の電極と、複数の画素と隣接してアイランド状に配置される第２の電極と、第２の電極にコンタクトを介して接続され、複数の画素に合わせた開口を有し、垂直方向に沿った画素列ごと分離して設けられる金属製の遮光膜兼用の配線層とを備える固体撮像装置である。また、基板上の水平方向および垂直方向の各々に沿ってマトリクス状に形成される複数の画素と、複数の画素の水平方向に沿った画素間に対応してライン状に配置される第１の電極と、複数の画素と隣接してアイランド状に配置される第２の電極と、第２の電極にコンタクトを介して接続され、複数の画素に合わせた開口を有し、水平方向に沿った画素列ごと分離して設けられる金属製の遮光膜兼用の配線層とを備える固体撮像装置でもある。

このような本発明では、複数の画素の画素間に対応した水平列間に第１の電極が配置されているため、複数相毎の電極が配置される場合に比べて画素間を狭くすることができる。また、複数の画素の画素上に対応した垂直列間もしくは水平列間に配線層が設けられ、これを遮光膜と導通させることで配線と遮光膜とを兼用させることができ、画素周辺の層数を減らすことができる。

したがって、本発明によれば、画素間を狭くできるため画素配置の高密度化を達成できる。また、同じ画素密度でも画素領域の拡大を図ることができ、感度、取り扱い電荷量の増大を図ることが可能となる。さらに、読み出し電極に対して遮光膜である金属材料を配線として利用するため、伝播遅延を抑えることによる読み出し電圧の低下を図ることができ、電荷転送速度の向上および消費電力の低減を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。すなわち、この固体撮像装置は、マトリクス状に配列された光電変換を行う複数のフォトセンサ（画素）１、各フォトセンサ１の列に対応したＣＣＤ（Charge Coupled Device）構造の複数の垂直転送レジスタ２１、各画素を分離するために垂直転送レジスタ２１に沿って配置されたチャネルストップ領域２２からなる撮像領域３と、撮像領域３の一端に配され、撮像領域３からの信号電荷を出力部に転送するＣＣＤ構造の水平転送レジスタ４と、水平転送レジスタ４の最終段に接続された出力部５、およびバスラインなどがある周辺領域６とから構成される。

このような固体撮像装置では、各フォトセンサ１で受けた光に応じて電荷を蓄積し、この電荷を所定のタイミングにより垂直転送レジスタ２１へ読み出し、垂直転送レジスタ２１上の電極から印加した複数相の電圧によって電荷を順次転送していく。さらに、水平転送レジスタ４まで達した電荷を出力部５へ順次転送し、出力部５から所定の電圧として出力する。

図２は、本実施形態の固体撮像装置における主要部を説明する模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。本実施形態の固体撮像装置では、４相の電圧で駆動される垂直転送レジスタ２１の電極としてPoly-Siが用いられる。このうち、φ１、φ３の電極Ｄ１、Ｄ３はバスラインからバイアスを印加し、φ２、φ４の電極は遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４を兼ねたシャント配線によりバイアスを印加する構成となっている。

具体的には、マトリクス状に並ぶ複数のフォトセンサ１における水平列間にφ１、φ３の一相毎の電極Ｄ１、Ｄ３が交互に配置され、フォトセンサ１の位置と隣接してマトリクス状にφ２、φ４の一相毎の電極Ｄ２、Ｄ４が交互に配置される。

このうち、φ１、φ３の電極Ｄ１、Ｄ３は図中横方向に沿ってライン状に形成される。また、φ２、φ４の電極Ｄ２、Ｄ４は各フォトセンサ１に隣接する位置にアイランド状に形成されるとともに、図中縦方向に沿って列状に配置される遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４とコンタクトｈを介して各々導通する状態となっている。

つまり、電極Ｄ１〜Ｄ４は、各フォトセンサ１の間（画素間）に対応する部分および各フォトセンサ１の位置に対応する部分（画素と隣接する位置）に各々一相分毎配置される状態となる。

ライン状に形成される電極Ｄ１、Ｄ３には、そのライン状の延長上から電圧が供給されるが、アイランド状に形成される電極Ｄ２、Ｄ４には、遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４を介して電圧が供給される。

遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４は例えばアルミニウムやタングステンから成る金属材料によって構成され、電極Ｄ２、Ｄ４上に絶縁膜Ｉを介して設けられている。また、遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４は、電極Ｄ２、Ｄ４と各々独立して電気的な導通を得るために垂直転送レジスタ２１上で分離して設けられている。そして、各遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４の列が各々φ２、φ４の電極Ｄ２、Ｄ４とコンタクトｈを介して導通する状態となっている。

なお、遮光膜が垂直転送レジスタ２１上で分離していることにより、この分離部分から光が漏れ込みフォトセンサに入射する可能性がある。そこで、この分離部分の幅は可視光の波長より短く、好ましくは１００ｎｍ以下とすることで、この部分からの光の入射を最小限に抑えることが可能となる。また、それでも不十分である場合は、分離部分を被うように第２の遮光膜Ｓ２を上部に配することで光の入射を防止することが可能となる。

このような本実施形態の固体撮像装置では、各フォトセンサ１の水平列間に対応して一相毎の電極Ｄ１、Ｄ３が交互に配置されるため、複数相毎の電極が配置される場合に比べて画素間を狭く設定できるようになる。また、フォトセンサ１と隣接する一相毎の電極Ｄ２、Ｄ４を配置し、遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４と導通させることで、電荷転送のための電極と不要光を遮断する遮光膜とを兼用させることができ、配線構造の簡素化および画素周辺の構造における層数を減らすことができる。しかも、アルミニウムやタングステンから成る遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４を配線として利用するため、Poly-Siを用いる配線に比べて信号の遅延を抑制でき、電気的特性の向上を図ることができる。

図３は、本実施形態の他の例を説明する模式図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。この固体撮像装置では、４相の電圧で駆動される垂直転送レジスタ２１の電極として、φ１、φ３の電極Ｄ１、Ｄ３は電極は図中横方向に沿ってライン状に形成され、φ２、φ４の電極Ｄ２、Ｄ４は遮光膜を兼ねたシャント配線により図中横方向に沿って形成されている。

つまり、マトリクス状に並ぶ複数のフォトセンサ１における水平列間にφ１、φ３の各１相分の電極Ｄ１、Ｄ３が交互に配置され、フォトセンサ１の位置と隣接してマトリクス状にφ２、φ４の各１相分の電極Ｄ２、Ｄ４が交互に配置される。

このうち、φ１、φ３の電極Ｄ１、Ｄ３は先の例と同様に図中横方向に沿ってライン状に形成される。また、φ２、φ４の電極Ｄ２、Ｄ４は各フォトセンサ１に隣接する位置にアイランド状に形成されるとともに、図中横方向に沿って列状に配置される遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４とコンタクトｈを介して各々導通する状態となっている。

遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４は例えばアルミニウムやタングステンから成る金属材料によって構成され、電極Ｄ２、Ｄ４上に絶縁膜Ｉを介して設けられている。また、遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４は、電極Ｄ２、Ｄ４と各々独立して電気的な導通を得るためにφ１、φ３の電極Ｄ１、Ｄ３上で分離して設けられている。そして、各遮光膜Ｓ１２、Ｓ１４の列が各々φ２、φ４の電極Ｄ２、Ｄ４とコンタクトｈを介して導通する状態となっている。

なお、遮光膜がφ１、φ３の電極Ｄ１、Ｄ３上で分離していることにより、この分離部分から光が漏れ込みフォトセンサに入射する可能性がある。そこで、この分離部分の幅は可視光の波長より短く、好ましくは１００ｎｍ以下とすることで、この部分からの光の入射を最小限に抑えることが可能となる。また、それでも不十分である場合は、分離部分を被うように第２の遮光膜Ｓ２を上部に配することで光の入射を防止することが可能となる。

この例のような固体撮像装置では、遮光膜の分離部分が平坦な部分（φ１、φ３の電極上）で加工できるため、リソグラフィ、エッチングの精度が高くなり、歩留まりの向上が期待される。しかも、分離領域を透過した光がPoly-Siから成る電極Ｄ１、Ｄ３で吸収されることにより、Ｓｉ基板への不要光入射量が低減する。また、電極Ｄ２、Ｄ４とコンタクトｈを取る部分の配置の自由度が増すため、デザインルールがゆるくなり、歩留まりが安定する。

図４は、本実施形態に係る固体撮像装置の電荷転送時のタイミングチャートである。先に説明した本実施形態の固体撮像装置では、４相の電圧を順次印加する構成となっており、フォトセンサに隣接してφ２、φ４の電極が配置されているため、φ２、φ４の印加に応じてフォトセンサから電荷が垂直転送レジスタ側へ読み出される。また、このタイミングに合わせてφ１、φ３が順次印加されることによって、読み出された電荷が垂直転送レジスタ内を順に転送されることになる。なお、このタイミング例では、φ２の印加で読み出された電荷が転送され、下段のフォトセンサに対応する位置まで達した際、φ４の印加でそのフォトセンサから読み出された電荷と加算され、２画素混合の状態で転送されるようになる。

本実施形態では、主としてフォトセンサがマトリクス状に配置されたエリア型のＣＣＤ固体撮像装置について説明したが、フォトセンサが列状に並ぶリニア型のＣＣＤ固体撮像装置であっても適用可能である。

本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。本実施形態の固体撮像装置における主要部を説明する模式図である。本実施形態の他の例を説明する模式図である。本実施形態に係る固体撮像装置の電荷転送時のタイミングチャートである。従来例の単層構造ＣＣＤを説明する模式平面図である。

符号の説明

１…フォトセンサ、３…撮像領域、４…水平転送レジスタ、５…出力部、２１…垂直転送レジスタ、２２…チャネルストップ領域、Ｄ１〜Ｄ４…電極、ｈ…コンタクト、Ｓ１２…遮光膜、Ｓ１４…遮光膜、Ｓ２…第２の遮光膜

Claims

基板上の水平方向および垂直方向の各々に沿ってマトリクス状に形成される複数の画素と、
前記複数の画素の前記水平方向に沿った画素間に対応してライン状に配置される第１の電極と、
前記複数の画素と隣接してアイランド状に配置される第２の電極と、
前記第２の電極にコンタクトを介して接続され、前記複数の画素に合わせた開口を有し、前記垂直方向に沿った画素列ごと分離して設けられる金属製の遮光膜兼用の配線層と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記配線層の分離部分の幅は、可視光の波長より短くなっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記配線層の分離部分の上方を覆う遮光層を備えている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
基板上の水平方向および垂直方向の各々に沿ってマトリクス状に形成される複数の画素と、
前記複数の画素の前記水平方向に沿った画素間に対応してライン状に配置される第１の電極と、
前記複数の画素と隣接してアイランド状に配置される第２の電極と、
前記第２の電極にコンタクトを介して接続され、前記複数の画素に合わせた開口を有し、前記水平方向に沿った画素列ごと分離して設けられる金属製の遮光膜兼用の配線層と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記配線層の分離部分の幅は、可視光の波長より短くなっている
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
前記配線層の分離部分の上方を覆う遮光層を備えている
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。