JP2018050028A - Solid state image pickup device and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置、及び、それを用いた電子機器等に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an electronic apparatus using the same.
従来は、固体撮像装置としてCCDが主流であったが、近年においては、低電圧で駆動でき、且つ、周辺回路も混載できるCMOSセンサーの発展が著しい。CMOSセンサーは、完全転送技術や暗電流防止構造等の製造プロセスによる対策や、CDS(correlated double sampling:相関2重サンプリング)等の回路による対策等がなされ、今や、CCDを質量共に凌ぐデバイスに成長している。CMOSセンサーの飛躍の要因は、画質が大きく改善されたことであるが、その内の1つに、電荷転送技術の改善がある。 Conventionally, CCDs have been the mainstream as solid-state imaging devices. However, in recent years, CMOS sensors that can be driven at a low voltage and can also be embedded with peripheral circuits have been remarkably developed. The CMOS sensor has been developed into a device that surpasses CCDs in terms of mass, with countermeasures by manufacturing processes such as complete transfer technology and dark current prevention structure and measures such as CDS (correlated double sampling). doing. The factor of the CMOS sensor leap is that the image quality has been greatly improved. One of them is the improvement of charge transfer technology.
関連する技術として、特許文献1には、信号電荷の完全転送を実現可能な半導体素子を画素として複数個配列して、高い空間解像度を有する固体撮像装置が開示されている。この半導体素子は、第1導電型の半導体領域と、半導体領域の上部に埋め込まれ、光を入射する第2導電型の受光用表面埋込領域と、半導体領域の上部に埋め込まれ、受光用表面埋込領域によって生成された信号電荷を蓄積する第2導電型の電荷蓄積領域と、電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を受け入れる電荷読み出し領域と、受光用表面埋込領域から電荷蓄積領域に信号電荷を転送する第1の電位制御手段と、電荷蓄積領域から電荷読み出し領域に信号電荷を転送する第2の電位制御手段とを備える。
As a related technique,
特許文献1の図3には、多層配線構造をなす複数の層間絶縁膜の内のいずれかの上部に設けられたアルミニウム(Al)等の金属薄膜で構成された遮光膜41が示されている。遮光膜41の開口部42は、フォトダイオードD1を構成している受光カソード領域11aの直下の半導体基板1で光電荷が生じるように選択的に設けられている。
FIG. 3 of
しかしながら、遮光膜41と半導体基板1との間の距離によっては、受光カソード領域11aの隣に位置する電荷蓄積領域12aの遮光特性が十分に得られず、電荷蓄積領域12aにも光が入射して、電荷読み出し領域13に転送される信号電荷の量が変動するおそれがある。
However, depending on the distance between the light shielding film 41 and the
また、電荷蓄積領域(以下においては、電荷保持領域ともいう)と配線層の配線との間の容量結合によって、配線層の信号配線又は制御配線の電位変化が電荷保持領域の電位に影響を及ぼしてポテンシャル分布が乱れ、画素間における転送特性のばらつきが生じるおそれもある。 Further, due to capacitive coupling between the charge storage region (hereinafter also referred to as a charge holding region) and the wiring in the wiring layer, the potential change in the signal wiring or the control wiring in the wiring layer affects the potential in the charge holding region. Thus, the potential distribution may be disturbed, and transfer characteristics may vary among pixels.
本発明の幾つかの態様は、電荷保持領域の遮光特性を改善して、電荷保持領域に入射する光による信号電荷量の変動を低減すると共に、電荷保持領域と配線層の配線との間の容量結合を低減して、配線層の配線の電位変化が電荷保持領域の電位に及ぼす影響による転送特性のばらつきを改善した固体撮像装置を提供することに関連している。さらに、本発明の幾つかの態様は、そのような固体撮像装置を用いた電子機器等を提供することに関連している。 Some aspects of the present invention improve the light shielding characteristics of the charge holding region, reduce fluctuations in the signal charge amount due to light incident on the charge holding region, and between the charge holding region and the wiring of the wiring layer. The present invention relates to providing a solid-state imaging device in which variation in transfer characteristics due to the influence of the change in the potential of the wiring in the wiring layer on the potential of the charge holding region is improved by reducing capacitive coupling. Further, some aspects of the present invention relate to providing an electronic device or the like using such a solid-state imaging device.
本発明の第1の態様に係る固体撮像装置は、半導体基板に配置された受光素子、電荷保持領域、及び、浮遊拡散領域と、半導体基板における受光素子と電荷保持領域との間の領域上にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極を有する第1の転送ゲートと、半導体基板における電荷保持領域と浮遊拡散領域との間の領域上にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極を有する第2の転送ゲートと、半導体基板上に複数の層間絶縁膜を介して配置された配線を含む配線層と、配線層よりも半導体基板側に配置されて、電荷保持領域を遮光する遮光膜とを備える。 The solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention includes a light receiving element, a charge holding region, and a floating diffusion region disposed on a semiconductor substrate, and a region between the light receiving element and the charge holding region on the semiconductor substrate. A first transfer gate having a gate electrode arranged through a gate insulating film; and a gate electrode arranged through a gate insulating film on a region between the charge holding region and the floating diffusion region in the semiconductor substrate. A second transfer gate; a wiring layer including wiring disposed on the semiconductor substrate via a plurality of interlayer insulating films; and a light shielding film disposed on the semiconductor substrate side of the wiring layer to shield the charge holding region Is provided.
本発明の第1の態様によれば、配線層よりも半導体基板側に遮光膜を配置することにより、電荷保持領域の遮光特性を改善して、電荷保持領域に入射する光による信号電荷量の変動を低減することができる。また、電荷保持領域と配線層の配線との間の容量結合を低減して、配線層の配線の電位変化が電荷保持領域の電位に及ぼす影響による転送特性のばらつきを改善することができる。 According to the first aspect of the present invention, the light shielding film is arranged closer to the semiconductor substrate than the wiring layer, thereby improving the light shielding characteristics of the charge holding region, and the amount of signal charge caused by light incident on the charge holding region. Variations can be reduced. In addition, capacitive coupling between the charge holding region and the wiring of the wiring layer can be reduced, and variation in transfer characteristics due to the influence of the change in the potential of the wiring in the wiring layer on the potential of the charge holding region can be improved.
ここで、遮光膜が、第1の転送ゲートのゲート電極に電気的に接続されていても良い。その場合には、例えば、第1の転送ゲートのゲート電極にハイレベルの制御信号が供給されて第1の転送ゲートがオン状態となる際に、遮光膜が形成する電界の影響によって電荷保持領域のポテンシャルが高くなるので、負の電荷を有する電子が受光素子から電荷保持領域に転送され易くなる。 Here, the light shielding film may be electrically connected to the gate electrode of the first transfer gate. In that case, for example, when a high-level control signal is supplied to the gate electrode of the first transfer gate and the first transfer gate is turned on, the charge holding region is affected by the influence of the electric field formed by the light shielding film. Therefore, electrons having negative charges are easily transferred from the light receiving element to the charge holding region.
あるいは、遮光膜が、第2の転送ゲートのゲート電極に電気的に接続されていても良い。その場合には、例えば、第1の転送ゲートのゲート電極にハイレベルの制御信号が供給されて第1の転送ゲートがオン状態となる際に、第2の転送ゲートのゲート電極にローレベルの制御信号が供給される。従って、遮光膜の上層の配線の電位変化が電荷保持領域の電位に及ぼす影響を低減して、電荷保持領域のポテンシャル分布を安定させることができる。 Alternatively, the light shielding film may be electrically connected to the gate electrode of the second transfer gate. In that case, for example, when a high-level control signal is supplied to the gate electrode of the first transfer gate and the first transfer gate is turned on, a low-level signal is applied to the gate electrode of the second transfer gate. A control signal is supplied. Therefore, it is possible to stabilize the potential distribution of the charge holding region by reducing the influence of the change in the potential of the upper wiring layer on the light shielding film on the potential of the charge holding region.
あるいは、遮光膜が、低電位側の電源電位が供給される配線に電気的に接続されていても良い。その場合には、遮光膜の電位が常に一定となるので、遮光膜の上層の配線の電位変化が電荷保持領域の電位に及ぼす影響を低減して、電荷保持領域のポテンシャル分布を安定させることができる。 Alternatively, the light shielding film may be electrically connected to a wiring to which a power supply potential on the low potential side is supplied. In that case, since the potential of the light shielding film is always constant, it is possible to reduce the influence of the potential change of the wiring in the upper layer of the light shielding film on the potential of the charge retention region and stabilize the potential distribution of the charge retention region. it can.
以上において、固体撮像装置が、1列に配置された4つの受光素子と、4つの受光素子に対応して配置された4つの電荷保持領域、4つの浮遊拡散領域、4つの第1の転送ゲート、及び、4つの第2の転送ゲートと、4つの電荷保持領域を遮光する遮光層とを備え、4つの浮遊拡散領域が、1つのバッファートランジスターのゲート電極に電気的に接続されていても良い。その場合には、1つの遮光層で4つの電荷保持領域を遮光することができる。 In the above, the solid-state imaging device includes four light receiving elements arranged in one row, four charge holding regions arranged corresponding to the four light receiving elements, four floating diffusion regions, and four first transfer gates. And four second transfer gates, and a light shielding layer that shields the four charge holding regions, and the four floating diffusion regions may be electrically connected to the gate electrode of one buffer transistor. . In that case, the four charge holding regions can be shielded by one light shielding layer.
また、固体撮像装置が、ロジック回路が配置された領域において、遮光膜と同じ高さに配置された配線をさらに備えるようにしても良い。その場合には、遮光膜とロジック回路の配線とを同時に形成することにより、固体撮像装置の製造工程を簡略化することができる。 The solid-state imaging device may further include a wiring arranged at the same height as the light shielding film in the region where the logic circuit is arranged. In that case, the manufacturing process of the solid-state imaging device can be simplified by forming the light shielding film and the wiring of the logic circuit at the same time.
あるいは、遮光膜が、ロジック回路が配置された領域における配線層から独立した層に配置されていても良い。その場合には、例えば、ロジック回路の配線よりも低い位置に遮光膜を配置することにより、電荷保持領域の遮光特性をさらに改善し、又は、電荷保持領域と配線層の配線との間の容量結合をさらに低減することができる。 Alternatively, the light shielding film may be disposed in a layer independent of the wiring layer in the region where the logic circuit is disposed. In that case, for example, by arranging a light shielding film at a position lower than the wiring of the logic circuit, the light shielding characteristics of the charge holding region are further improved, or the capacitance between the charge holding region and the wiring of the wiring layer Bonding can be further reduced.
さらに、遮光膜が、アルミニウム又は銅を含む第1の層と、第1の層の半導体基板側に配置され、窒化チタンを含む第2の層とを有するようにしても良い。窒化チタンは、アルミニウム、銅、又は、それらの合金よりも光を反射し難い性質を有している。従って、窒化チタンを含む第2の層を第1の層の半導体基板側に配置することにより、半導体基板の主面で反射した後に遮光膜の下面で再度反射して電荷保持領域に入射する光の量を低減することができる。 Further, the light shielding film may include a first layer containing aluminum or copper and a second layer containing titanium nitride disposed on the semiconductor substrate side of the first layer. Titanium nitride has a property that it is less likely to reflect light than aluminum, copper, or alloys thereof. Accordingly, by disposing the second layer containing titanium nitride on the semiconductor substrate side of the first layer, the light reflected by the main surface of the semiconductor substrate and then reflected again by the lower surface of the light shielding film and entering the charge holding region The amount of can be reduced.
ここで、第2の層の膜厚が、50nm〜80nmの範囲内であることが望ましい。それにより、第2の層が、光を反射し難い窒化チタンの性質を発揮するために必要かつ十分な膜厚を有することになる。また、遮光膜が、第2の層の半導体基板側に配置され、チタンを含む第3の層をさらに有しても良い。その場合には、窒化チタンを含む第2の層の下地層に対する接合性を、チタンを含む第3の層によって改善することができる。 Here, it is desirable that the film thickness of the second layer be in the range of 50 nm to 80 nm. As a result, the second layer has a film thickness necessary and sufficient for exhibiting the properties of titanium nitride that hardly reflects light. The light-shielding film may further include a third layer that is disposed on the semiconductor substrate side of the second layer and contains titanium. In that case, the bonding property of the second layer containing titanium nitride to the base layer can be improved by the third layer containing titanium.
本発明の第2の態様に係る電子機器は、上記いずれかの固体撮像装置を備える。本発明の第2の態様によれば、電荷保持領域に入射する光による信号電荷量の変動を低減すると共に、配線層の配線の電位変化が電荷保持領域の電位に及ぼす影響による転送特性のばらつきを改善した固体撮像装置を用いることにより、被写体を撮像して得られる画像データの画質が改善された電子機器を提供することができる。 An electronic apparatus according to a second aspect of the present invention includes any one of the solid-state imaging devices described above. According to the second aspect of the present invention, variation in the signal charge amount due to light incident on the charge holding region is reduced, and variation in transfer characteristics due to the influence of the change in the wiring potential of the wiring layer on the potential of the charge holding region. By using a solid-state imaging device with improved image quality, it is possible to provide an electronic device with improved image quality of image data obtained by imaging a subject.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
<電子機器>
以下においては、本発明の一実施形態に係る電子機器として、本発明のいずれかの実施形態に係る固体撮像装置(イメージセンサーチップ)を含むコンタクトイメージセンサー(CIS)モジュールを用いたCIS方式のスキャナー装置について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the same component and the overlapping description is abbreviate | omitted.
<Electronic equipment>
In the following, a CIS scanner using a contact image sensor (CIS) module including a solid-state imaging device (image sensor chip) according to any embodiment of the present invention as an electronic apparatus according to an embodiment of the present invention. The apparatus will be described.
図1は、CISモジュールの構成例を示す斜視図であり、図2は、図1に示すCISモジュールを用いたスキャナー装置の構成例を示すブロック図である。図1に示すように、CISモジュール10は、原稿1に光を照射するライトガイド11と、原稿1からの反射光を結像させるレンズアレイ12と、結像位置に配置されるフォトダイオード等の受光素子を有するイメージセンサー13とを含んでいる。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a CIS module, and FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of a scanner device using the CIS module shown in FIG. As shown in FIG. 1, the
図1及び図2を参照すると、CISモジュール10は、ライトガイド11の端部に入射する光を生成する光源14を含んでいる。カラースキャナーの場合には、光源14が、例えば、赤色(R)、緑色(G)、及び、青色(B)のLEDを含んでいる。3色のLEDは、時分割でパルス点灯される。ライトガイド11は、光源14によって生成される光が主走査方向Aに沿った原稿1の領域に照射されるように光を案内する。
Referring to FIGS. 1 and 2, the
レンズアレイ12は、例えば、ロッドレンズアレイ等で構成される。イメージセンサー13は、主走査方向Aに沿って複数の画素を有しており、ライトガイド11及びレンズアレイ12と共に、副走査方向Bに移動する。
The
図2に示すように、イメージセンサー13は、複数のイメージセンサーチップ20を直列接続して構成されても良い。副走査方向Bに移動可能なCISモジュール10は、フレキシブル配線15を介して、スキャナー装置に固定されたメイン基板16に接続されている。メイン基板16には、システムオンチップ(SoC)17と、アナログフロントエンド(AFE)18と、電源回路19とが搭載されている。
As shown in FIG. 2, the
システムオンチップ17は、CISモジュール10に制御信号及びクロック信号等を供給する。CISモジュール10によって生成される画素信号は、アナログフロントエンド18に供給される。アナログフロントエンド18は、アナログの画素信号をアナログ/デジタル変換し、デジタルの画素データをシステムオンチップ17に出力する。
The system on
電源回路19は、システムオンチップ17及びアナログフロントエンド18に電源電圧を供給すると共に、CISモジュール10に電源電圧及び基準電圧等を供給する。なお、アナログフロントエンド18、電源回路19の一部、又は、光源ドライバー等を、CISモジュール10に搭載しても良い。
The
<固体撮像装置>
図3は、本発明のいずれかの実施形態に係る固体撮像装置であるイメージセンサーチップの構成例を示すブロック図である。図3に示すように、イメージセンサーチップ20は、画素部30と、読み出し回路部40と、制御回路部50とを含み、さらに、キャパシター61〜64を含んでも良い。
<Solid-state imaging device>
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of an image sensor chip that is a solid-state imaging device according to any embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the
画素部30において、複数の画素にそれぞれの受光素子(例えば、フォトダイオード)が配置されている。読み出し回路部40は、画素部30から出力される信号電荷を信号電圧に変換して画素情報を読み出す。制御回路部50は、読み出し回路部40の出力電圧に基づいて画素信号を生成するための制御を行う。例えば、制御回路部50は、相関二重サンプリング(CDS:correlated double sampling)回路51と、出力回路52と、ロジック回路53とを含んでいる。
In the
相関二重サンプリング回路51は、読み出し回路部40の出力電圧を相関二重サンプリング処理する。即ち、相関二重サンプリング回路51は、リセット直後の電圧と露光後の電圧とをサンプリングし、それらの差分処理を行うことにより、リセット雑音をキャンセルして、光の強度に応じた出力電圧を生成する。出力回路52は、相関二重サンプリング回路51の出力電圧に基づいて画素信号を生成して出力する。ロジック回路53には、図2に示すシステムオンチップ17から制御信号及びクロック信号等が供給される。
The correlated
キャパシター61は、イメージセンサーチップ20の第1の領域AR1に配置された高電位側の電源電位の配線と低電位側の電源電位の配線との間に接続されて、電源電圧を安定化する。また、キャパシター62〜64は、イメージセンサーチップ20の第2の領域AR2に配置された高電位側の電源電位の配線と低電位側の電源電位の配線との間に接続されて、電源電圧を安定化する。
The
<画素部及び読み出し回路部>
図4は、1画素分の画素部及び読み出し回路部の等価回路を示す回路図である。図3に示す画素部30の1つの画素には、光電変換機能を有する受光素子として、例えば、フォトダイオードPDが配置されている。フォトダイオードPDは、入射した光の強度に応じた信号電荷を生成して蓄積する。
<Pixel part and readout circuit part>
FIG. 4 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a pixel portion and a readout circuit portion for one pixel. For example, a photodiode PD is disposed in one pixel of the
フォトダイオードPDから信号電荷を読み出すために、図3に示す読み出し回路部40は、第1の転送ゲートである前段転送ゲートTG1と、電荷保持容量C1と、第2の転送ゲートである後段転送ゲートTG2と、電荷保持容量C2とを含んでいる。さらに、読み出し回路部40は、読み出し用バッファーアンプを構成するトランジスター(本願においては、バッファートランジスターともいう)QN1と、リセットトランジスターQN2と、選択トランジスターQN3とを含んでいる。なお、ラインセンサーにおいて、読み出し回路部40の最終段にアナログシフトレジスターが設けられる場合には、選択トランジスターQN3をアナログシフトレジスターに含めることができる。
In order to read out the signal charge from the photodiode PD, the
ここで、前段転送ゲートTG1は、フォトダイオードPDのカソードとストレージダイオードのカソード(電荷保持領域CH)とをソース及びドレインとするNチャネルMOSトランジスターの一部を構成している。また、ストレージダイオードは、電荷保持容量C1を構成している。 Here, the pre-stage transfer gate TG1 constitutes a part of an N-channel MOS transistor having the cathode of the photodiode PD and the cathode of the storage diode (charge holding region CH) as the source and drain. Further, the storage diode constitutes a charge retention capacitor C1.
さらに、後段転送ゲートTG2は、電荷保持領域CHとP型の半導体層に配置されたN型の浮遊拡散領域(フローティングディフュージョン)FDとをソース及びドレインとするNチャネルMOSトランジスターの一部を構成している。また、P型の半導体層及びN型の浮遊拡散領域FDは、電荷保持容量C2を構成している。なお、本願において、半導体層とは、半導体基板、半導体基板に形成されたウェル、又は、半導体基板上に形成されたエピタキシャル層のことをいう。 Further, the post-transfer gate TG2 constitutes a part of an N-channel MOS transistor having the charge holding region CH and the N-type floating diffusion region (floating diffusion) FD disposed in the P-type semiconductor layer as the source and drain. ing. Further, the P-type semiconductor layer and the N-type floating diffusion region FD constitute a charge retention capacitor C2. In the present application, the semiconductor layer refers to a semiconductor substrate, a well formed in the semiconductor substrate, or an epitaxial layer formed on the semiconductor substrate.
フォトダイオードPD、前段転送ゲートTG1、及び、後段転送ゲートTG2は、低電位側の電源電位VSSの配線とバッファートランジスターQN1のゲート電極との間に直列に接続されている。また、バッファートランジスターQN1のドレインは、高電位側の電源電位VDDの配線に接続されている。以下においては、電源電位VSSが接地電位0Vであるものとする。 The photodiode PD, the front-stage transfer gate TG1, and the rear-stage transfer gate TG2 are connected in series between the low-potential-side power supply potential VSS line and the gate electrode of the buffer transistor QN1. The drain of the buffer transistor QN1 is connected to the wiring of the power supply potential VDD on the high potential side. In the following, it is assumed that the power supply potential VSS is the ground potential 0V.
リセットトランジスターQN2は、電源電位VDDの配線に接続されたドレインと、バッファートランジスターQN1のゲート電極に接続されたソースと、リセット信号RSTが供給されるゲート電極とを有している。また、選択トランジスターQN3は、バッファートランジスターQN1のソースに接続されたドレインと、読み出し回路部40の出力端子に接続されたソースと、画素選択信号SELが供給されるゲート電極とを有している。
The reset transistor QN2 has a drain connected to the wiring of the power supply potential VDD, a source connected to the gate electrode of the buffer transistor QN1, and a gate electrode to which the reset signal RST is supplied. The selection transistor QN3 has a drain connected to the source of the buffer transistor QN1, a source connected to the output terminal of the
前段転送ゲートTG1は、制御信号Tx1がハイレベルに活性化されたときに、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷を電荷保持容量C1に転送する。電荷保持容量C1は、前段転送ゲートTG1によって転送された信号電荷を保持する。制御信号Tx1がローレベルに非活性化された後に、制御信号Tx2がハイレベルに活性化される。後段転送ゲートTG2は、制御信号Tx2がハイレベルに活性化されたときに、電荷保持容量C1に保持された信号電荷を電荷保持容量C2に転送する。電荷保持容量C2は、後段転送ゲートTG2によって転送された信号電荷を保持し、信号電荷を信号電圧に変換する。 The pre-stage transfer gate TG1 transfers the signal charge accumulated in the photodiode PD to the charge holding capacitor C1 when the control signal Tx1 is activated to a high level. The charge holding capacitor C1 holds the signal charge transferred by the previous transfer gate TG1. After the control signal Tx1 is deactivated to the low level, the control signal Tx2 is activated to the high level. The rear transfer gate TG2 transfers the signal charge held in the charge holding capacitor C1 to the charge holding capacitor C2 when the control signal Tx2 is activated to a high level. The charge holding capacitor C2 holds the signal charge transferred by the subsequent transfer gate TG2, and converts the signal charge into a signal voltage.
リセットトランジスターQN2は、リセット信号RSTがハイレベルに活性化されたときに、バッファートランジスターQN1のゲート電位を初期状態の電位(例えば、電源電位VDD)にリセットする。リセットが解除されると、バッファートランジスターQN1は、電荷保持容量C2の両端間の信号電圧に応じた出力電圧をソースから出力する。 The reset transistor QN2 resets the gate potential of the buffer transistor QN1 to an initial state potential (for example, the power supply potential VDD) when the reset signal RST is activated to a high level. When the reset is released, the buffer transistor QN1 outputs an output voltage corresponding to the signal voltage across the charge holding capacitor C2 from the source.
選択トランジスターQN3は、画素選択信号SELがハイレベルに活性化されたときに、バッファートランジスターQN1の出力電圧を選択する。それにより、バッファートランジスターQN1の出力電圧が、選択トランジスターQN3を介して読み出し回路部40の出力端子に出力されて出力電圧Vsとなる。
The selection transistor QN3 selects the output voltage of the buffer transistor QN1 when the pixel selection signal SEL is activated to a high level. As a result, the output voltage of the buffer transistor QN1 is output to the output terminal of the read
<画素部及び読み出し回路部の単位ブロック>
図5は、ラインセンサーにおける画素部及び読み出し回路部の単位ブロックの例を示す回路図である。図5に示すように、主走査方向Aにおいて連続する4つのフォトダイオードPDa〜PDdと、それらのフォトダイオードPDa〜PDdから転送される信号電荷を信号電圧に変換して画素情報を読み出す読み出し回路部とが、1つの単位ブロック40Aを構成している。例えば、1つのラインセンサーに設けられる単位ブロック40Aの数は、216個である。
<Unit block of pixel portion and readout circuit portion>
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating an example of a unit block of the pixel unit and the readout circuit unit in the line sensor. As shown in FIG. 5, four photodiodes PDa to PDd that are continuous in the main scanning direction A, and a readout circuit unit that reads out pixel information by converting signal charges transferred from the photodiodes PDa to PDd into signal voltages Constitutes one
単位ブロック40Aの読み出し回路部は、4つの前段転送ゲートTG1a〜TG1dと、4つの後段転送ゲートTG2a〜TG2dと、1つのバッファートランジスターQN1と、1つのリセットトランジスターQN2とを含んでいる。即ち、1つのバッファートランジスターQN1及び1つのリセットトランジスターQN2が、4つのフォトダイオードPDa〜PDdで共用される。
The read circuit unit of the
ここで、解像度のモードに拘わらず、4つの前段転送ゲートTG1a〜TG1dは、同時にオン状態に制御される。一方、4つのフォトダイオードPDa〜PDdの各々が1画素を構成するので、4つの後段転送ゲートTG2a〜TG2dは、異なるタイミングでオン状態に制御される。それにより、4つのフォトダイオードPDa〜PDdの信号電荷にそれぞれ応じた4つの出力電圧が、単位ブロック40Aから時分割で出力される。
Here, regardless of the resolution mode, the four pre-stage transfer gates TG1a to TG1d are simultaneously controlled to be in the on state. On the other hand, since each of the four photodiodes PDa to PDd constitutes one pixel, the four subsequent transfer gates TG2a to TG2d are controlled to be turned on at different timings. As a result, four output voltages corresponding to the signal charges of the four photodiodes PDa to PDd are output from the
図5には、4つの前段転送ゲートTG1a〜TG1dに共通に供給される制御信号Tx1と、4つの後段転送ゲートTG2a〜TG2dにそれぞれ供給される4つの制御信号Tx2a〜Tx2dとが示されている。上述した通り、4つの前段転送ゲートTG1a〜TG1dが同時にオンするために、共通の制御信号Tx1が供給される。 FIG. 5 shows a control signal Tx1 commonly supplied to the four preceding transfer gates TG1a to TG1d and four control signals Tx2a to Tx2d supplied to the four succeeding transfer gates TG2a to TG2d, respectively. . As described above, since the four pre-stage transfer gates TG1a to TG1d are simultaneously turned on, the common control signal Tx1 is supplied.
ここで、前段転送ゲートTG1a〜TG1dに供給される制御信号Tx1と、後段転送ゲートTG2a〜TG2dにそれぞれ供給される制御信号Tx2a〜Tx2dとにおいて、ハイレベルの電位が相違しても良い。例えば、前段転送ゲートTG1a〜TG1dに供給される制御信号Tx1のハイレベルは、電源電位VDDよりも高い電位を有している。 Here, the high-level potential may be different between the control signal Tx1 supplied to the preceding transfer gates TG1a to TG1d and the control signal Tx2a to Tx2d supplied to the succeeding transfer gates TG2a to TG2d, respectively. For example, the high level of the control signal Tx1 supplied to the pre-stage transfer gates TG1a to TG1d has a potential higher than the power supply potential VDD.
即ち、前段転送ゲートTG1a〜TG1dに電源電位VDDよりも高い電位を有する制御信号Tx1を供給すれば、オン時の前段転送ゲートTG1a〜TG1dは、規定値以下の露光強度では電荷転送能力が飽和することがなく、あるいは、飽和レベルを向上させることができる。従って、フォトダイオードPDa〜PDdに蓄積された信号電荷を高い転送能力で転送して、コントラストの高い画像を形成することができる。 That is, if the control signal Tx1 having a potential higher than the power supply potential VDD is supplied to the pre-stage transfer gates TG1a to TG1d, the pre-stage transfer gates TG1a to TG1d in the on state are saturated in charge transfer capability at an exposure intensity equal to or less than a specified value. The saturation level can be improved. Therefore, the signal charges accumulated in the photodiodes PDa to PDd can be transferred with high transfer capability, and an image with high contrast can be formed.
一方、制御信号Tx2a〜Tx2dは、図5に示すように、CMOS論理回路70a〜70dから後段転送ゲートTG2a〜TG2dにそれぞれ供給される。CMOS論理回路70a〜70dは、単位ブロック40Aを選択するためのブロック選択信号Tx2及びTx2rに従ってオン状態となり、タイミング信号Tx2a1〜Tx2d1を制御信号Tx2a〜Tx2dとして単位ブロック40Aに供給する。その際に、電圧降下を生じることなく制御信号Tx2a〜Tx2dが生成されるので、後段転送ゲートTG2a〜TG2dの転送能力を高めることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 5, the control signals Tx2a to Tx2d are supplied from the
図5においては、CMOS論理回路70a〜70dとして、PチャネルMOSトランジスター及びNチャネルMOSトランジスターで構成されるアナログスイッチ(トランスミッションゲート)が用いられているが、CMOS論理回路70a〜70dの構成は、これに限定されない。例えば、CMOS論理回路70a〜70dとして、クロックドCMOS論理回路やアンドゲート回路等、電圧降下を生じない回路を用いることができる。
In FIG. 5, analog switches (transmission gates) composed of P-channel MOS transistors and N-channel MOS transistors are used as the
<第1の実施形態>
図6は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の一部の平面図であり、図7は、図6に示すVII−VIIにおける断面図である。第1の実施形態に係る固体撮像装置は、複数の画素が1列に配置されたラインセンサーである。図6には、図5に示す画素部及び読み出し回路部の単位ブロックの構成が示されている。
<First Embodiment>
FIG. 6 is a plan view of a part of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII shown in FIG. The solid-state imaging device according to the first embodiment is a line sensor in which a plurality of pixels are arranged in one row. FIG. 6 shows a configuration of a unit block of the pixel portion and the readout circuit portion shown in FIG.
図6及び図7に示すように、この固体撮像装置は、N型の半導体基板(Nsub)100と、半導体基板100内に形成されたPウェル(P−−)110と、Pウェル110内に形成されたN型の不純物領域(N−)121、電荷保持領域(CH)122、及び、浮遊拡散領域(FD)123とを備えている。電荷保持領域122及び浮遊拡散領域123は、高濃度のN型の不純物領域(N+)である。
As shown in FIGS. 6 and 7, this solid-state imaging device includes an N-type semiconductor substrate (Nsub) 100, a P well (P −− ) 110 formed in the
半導体基板100としては、例えば、燐(P)若しくは砒素(As)等のN型の不純物を含むシリコン(Si)基板が用いられる。また、Pウェル110は、例えば、半導体基板100にボロン(B)等のP型の不純物イオンを注入し、熱処理を施すことによって不純物を熱拡散して形成される。
As the
フォトダイオードPDaは、Pウェル110で構成されたアノードと、N型の不純物領域121で構成されたカソードとを有している。N型の不純物領域121又は電荷保持領域122の上部には、高濃度のP型の不純物領域(ピニング層)が配置されても良い。ピニング層を設ける場合には、N型の不純物領域121又は電荷保持領域122において発生する暗電流を低減することができる。
The photodiode PDa has an anode composed of a P well 110 and a cathode composed of an N-
このように、固体撮像装置は、半導体基板100に配置された受光素子(フォトダイオードPDa)、電荷保持領域122、及び、浮遊拡散領域123を備えている。また、固体撮像装置は、半導体基板100における受光素子と電荷保持領域122との間の領域上にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極141を有する前段転送ゲートTG1aと、半導体基板100における電荷保持領域122と浮遊拡散領域123との間の領域上にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極142を有する後段転送ゲートTG2aとを備えている。
As described above, the solid-state imaging device includes the light receiving element (photodiode PDa), the
ゲート電極141及び142は、例えば、不純物がドープされて導電性を有するポリシリコン等で構成される。また、図6には、バッファートランジスターQN1及びリセットトランジスターQN2も示されている。
The
さらに、固体撮像装置は、半導体基板100上に複数の層間絶縁膜を介して配置された配線(信号配線又は制御配線)を含む配線層と、配線層よりも半導体基板100側に配置されて、電荷保持領域122を遮光する遮光膜とを備えている。即ち、遮光膜は、配線層の配線と半導体基板100との間に配置されている。ここで、層間絶縁膜は、2層でも良いし、3層以上でも良い。
Furthermore, the solid-state imaging device is disposed on the
図7には、一例として、半導体基板100上に配置された層間絶縁膜150と、層間絶縁膜150上に配置された遮光膜161を含む遮光層と、層間絶縁膜150及び遮光層上に配置された層間絶縁膜170と、層間絶縁膜170上に配置された配線(信号配線又は制御配線)181〜184を含む配線層とが示されている。遮光膜161は、配線層よりも半導体基板100側に配置されて、電荷保持領域122を遮光している。
In FIG. 7, as an example, an
層間絶縁膜150及び170は、例えば、BPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass)又はシリコン酸化膜(SiO2)等で構成される。また、遮光膜161及び配線181〜184は、例えば、アルミニウム(Al)又は銅(Cu)等を含んでいる。
The
上記の構成によれば、配線層よりも半導体基板100側に遮光膜161を配置することにより、電荷保持領域122の遮光特性を改善して、電荷保持領域122に入射する光による信号電荷量の変動を低減することができる。また、電荷保持領域122と配線層の配線181〜184との間の容量結合を低減して、配線層の配線の電位変化が電荷保持領域の電位に及ぼす影響による転送特性のばらつきを改善することができる。
According to the above configuration, the
また、図6に示すフォトダイオードPDb〜PDd等の構成は、図7に示すフォトダイオードPDa等の構成と同一である。従って、固体撮像装置は、図6に示す単位ブロックにおいて、1列に配置された4つの受光素子(フォトダイオードPDa〜PDd)と、4つの受光素子に対応して配置された4つの電荷保持領域122、4つの浮遊拡散領域123、4つの前段転送ゲートTG1a〜TG1d、及び、4つの後段転送ゲートTG2a〜TG2dとを備えている。
Further, the configuration of the photodiodes PDb to PDd and the like illustrated in FIG. 6 is the same as the configuration of the photodiode PDa and the like illustrated in FIG. Accordingly, the solid-state imaging device includes four light receiving elements (photodiodes PDa to PDd) arranged in a row and four charge holding regions arranged corresponding to the four light receiving elements in the unit block shown in FIG. 122, four floating
4つの浮遊拡散領域123は、1つのバッファートランジスターQN1のゲート電極に電気的に接続されている。さらに、固体撮像装置は、4つの電荷保持領域122を遮光する遮光層を備えている。その場合には、1つの遮光層で4つの電荷保持領域122を遮光することができる。例えば、遮光層は、4つの電荷保持領域122をそれぞれ遮光する4つの遮光膜161を含んでいる。
The four floating
層間絶縁膜150に形成されたコンタクトホール内には、例えば、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、又は、銅(Cu)等を含む複数のコンタクトプラグ151及び152が配置されている。
In the contact hole formed in the
第1の実施形態においては、遮光膜161が、コンタクトプラグ151を介して、前段転送ゲートTG1aのゲート電極141に電気的に接続されている。その場合には、前段転送ゲートTG1aのゲート電極141にハイレベルの制御信号が供給されて前段転送ゲートTG1aがオン状態となる際に、遮光膜161が形成する電界の影響によって電荷保持領域122のポテンシャルが高くなるので、負の電荷を有する電子が受光素子(例えば、フォトダイオードPDa)から電荷保持領域122に転送され易くなる。
In the first embodiment, the
なお、遮光層には、信号配線162が配置されても良い。信号配線162は、コンタクトプラグ152を介して浮遊拡散領域123とバッファートランジスターQN1(図6)のゲート電極とを電気的に接続している。
Note that the
<第2の実施形態>
図8は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の一部の断面図である。第2の実施形態においては、遮光膜161が、層間絶縁膜150のコンタクトホール内に配置されたコンタクトプラグ153を介して、後段転送ゲートTG2aのゲート電極142に電気的に接続されている。その他の点に関しては、第2の実施形態は、第1の実施形態と同様でも良い。
<Second Embodiment>
FIG. 8 is a partial cross-sectional view of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the
その場合には、前段転送ゲートTG1aのゲート電極141にハイレベルの制御信号が供給されて前段転送ゲートTG1aがオン状態となる際に、後段転送ゲートTG2aのゲート電極142にローレベルの制御信号が供給される。従って、遮光膜161の上層の配線181〜184の電位変化が電荷保持領域122の電位に及ぼす影響を低減して、電荷保持領域122のポテンシャル分布を安定させることができる。
In that case, when a high-level control signal is supplied to the
<第3の実施形態>
図9は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の一部の断面図である。第3の実施形態においては、遮光膜161が、遮光層又は配線層において、低電位側の電源電位VSSが供給される配線に電気的に接続されている。その他の点に関しては、第3の実施形態は、第1の実施形態と同様でも良い。
<Third Embodiment>
FIG. 9 is a partial cross-sectional view of a solid-state imaging apparatus according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the
その場合には、遮光膜161の電位が常に一定となるので、遮光膜161の上層の配線181〜184の電位変化が電荷保持領域122の電位に及ぼす影響を低減して、電荷保持領域122のポテンシャル分布を安定させることができる。
In that case, since the potential of the
<第1の実施形態の変形例>
図10は、本発明の第1の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の一部の平面図である。図10には、図6に示す構成要素に加えて、遮光膜161及び配線181〜184の具体的な配置例が示されている。その他の点に関しては、第1の実施形態の変形例は、第1の実施形態と同様でも良い。
<Modification of First Embodiment>
FIG. 10 is a plan view of a part of a solid-state imaging device according to a modification of the first embodiment of the present invention. FIG. 10 shows a specific arrangement example of the
層間絶縁膜150(図7)上の遮光層に配置された遮光膜161は、層間絶縁膜150のコンタクトホール内に配置されたコンタクトプラグ151a〜151dを介して、前段転送ゲートTG1a〜TG1dのゲート電極141に電気的に接続されている。それにより、1つの遮光膜161で複数の電荷保持領域122を遮光することができる。
The
さらに、図11に示すように、複数の単位ブロック40Aに亘って遮光膜161が連続的に配置されるようにしても良い。それにより、1つの遮光膜161で複数の単位ブロック40Aの電荷保持領域122を遮光することができる。その場合に、遮光膜161は、複数の単位ブロック40Aにおいて、前段転送ゲートTG1a〜TG1dのゲート電極141に共通に接続されることになる。
Furthermore, as shown in FIG. 11, the
また、層間絶縁膜170(図7)上の配線層に配置された配線181〜184は、層間絶縁膜170のコンタクトホール内に配置されたコンタクトプラグ171a〜171d及び層間絶縁膜150のコンタクトホール内に配置された4つのコンタクトプラグ(図示せず)を介して、後段転送ゲートTG2a〜TG2dのゲート電極142にそれぞれ電気的に接続されている。それにより、後段転送ゲートTG2a〜TG2dを個別に制御することができる。
Further, the
<第2の実施形態の変形例>
図12は、本発明の第2の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の一部の平面図である。図12には、図6に示す構成要素に加えて、遮光膜161a〜161d及び配線180〜184の具体的な配置例が示されている。その他の点に関しては、第2の実施形態の変形例は、第2の実施形態と同様でも良い。
<Modification of Second Embodiment>
FIG. 12 is a plan view of a part of a solid-state imaging device according to a modification of the second embodiment of the present invention. FIG. 12 shows a specific arrangement example of the
層間絶縁膜170(図8)上の配線層に配置された配線180は、層間絶縁膜170のコンタクトホール内に配置されたコンタクトプラグ170a〜170d及び層間絶縁膜150のコンタクトホール内に配置された4つのコンタクトプラグ(図示せず)を介して、前段転送ゲートTG1a〜TG1dのゲート電極141に電気的に接続されている。
The
層間絶縁膜170上の配線層に配置された配線181〜184は、層間絶縁膜170のコンタクトホール内に配置されたコンタクトプラグ171a〜171dを介して、層間絶縁膜150(図8)上の遮光層に配置された遮光膜161a〜161dにそれぞれ電気的に接続されている。
The
さらに、遮光膜161a〜161dは、層間絶縁膜150のコンタクトホール内に配置された4つのコンタクトプラグ(図示せず)を介して、後段転送ゲートTG2a〜TG2dのゲート電極142にそれぞれ電気的に接続されている。それにより、後段転送ゲートTG2a〜TG2dを個別に制御することができる。
Further, the
<第3の実施形態の変形例>
図13は、本発明の第3の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の一部の平面図である。図13には、図6に示す構成要素に加えて、遮光膜161及び配線180〜184の具体的な配置例が示されている。その他の点に関しては、第3の実施形態の変形例は、第3の実施形態と同様でも良い。
<Modification of Third Embodiment>
FIG. 13 is a plan view of a part of a solid-state imaging device according to a modification of the third embodiment of the present invention. FIG. 13 shows a specific arrangement example of the
層間絶縁膜170(図9)上の配線層に配置された配線180は、層間絶縁膜170のコンタクトホール内に配置されたコンタクトプラグ170a〜170d及び層間絶縁膜150のコンタクトホール内に配置された4つのコンタクトプラグ(図示せず)を介して、前段転送ゲートTG1a〜TG1dのゲート電極141に電気的に接続されている。
The
層間絶縁膜150(図9)上の遮光層に配置された遮光膜161は、遮光層又は配線層において、低電位側の電源電位VSSが供給される配線に電気的に接続されている(図9参照)。それにより、1つの遮光膜161で複数の電荷保持領域122を遮光することができる。
The light-shielding
さらに、図11に示すように、複数の単位ブロック40Aに亘って遮光膜161が連続的に配置されるようにしても良い。それにより、1つの遮光膜161で複数の単位ブロック40Aの電荷保持領域122を遮光することができる。その場合に、遮光膜161は、複数の単位ブロック40Aにおいて、低電位側の電源電位が供給される配線に共通に接続されることになる。
Furthermore, as shown in FIG. 11, the
また、層間絶縁膜170上の配線層に配置された配線181〜184は、層間絶縁膜170のコンタクトホール内に配置されたコンタクトプラグ171a〜171d及び層間絶縁膜150のコンタクトホール内に配置された4つのコンタクトプラグ(図示せず)を介して、後段転送ゲートTG2a〜TG2dのゲート電極142にそれぞれ電気的に接続されている。それにより、後段転送ゲートTG2a〜TG2dを個別に制御することができる。
In addition, the
<第4の実施形態>
図14は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の一部の平面図であり、図15は、図14に示すXV−XVにおける断面図である。第4の実施形態に係る固体撮像装置は、複数の画素が2次元マトリクス状に配置されたエリアセンサーである。図14には、1画素分の画素部及び読み出し回路部の構成が示されており、その等価回路は、図4に示す等価回路と同様である。
<Fourth Embodiment>
FIG. 14 is a plan view of a part of a solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line XV-XV shown in FIG. The solid-state imaging device according to the fourth embodiment is an area sensor in which a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional matrix. FIG. 14 shows a configuration of a pixel portion and a readout circuit portion for one pixel, and an equivalent circuit thereof is the same as the equivalent circuit shown in FIG.
エリアセンサーは、複数のラインに配置された画素部及び読み出し回路部を有しており、それらのラインの受光素子からそれぞれの電荷保持領域CH(以下、図4を参照)に、同時に信号電荷が転送される。この機能は、グローバルシャッター(電子シャッター)と呼ばれている。 The area sensor has pixel portions and readout circuit portions arranged in a plurality of lines, and signal charges are simultaneously transferred from the light receiving elements of those lines to the respective charge holding regions CH (refer to FIG. 4 below). Transferred. This function is called a global shutter (electronic shutter).
その後、順次選択されたラインの電荷保持領域CHに保持されている信号電荷が浮遊拡散領域FDに転送され、選択トランジスターQN3がオン状態となって、バッファートランジスターQN1の出力電圧が、選択トランジスターQN3を介して読み出し回路部の出力端子に出力される。 Thereafter, the signal charges held in the charge holding region CH of the sequentially selected lines are transferred to the floating diffusion region FD, the selection transistor QN3 is turned on, and the output voltage of the buffer transistor QN1 changes the selection transistor QN3. Via the output terminal of the readout circuit section.
図14及び図15に示すように、この固体撮像装置は、N型の半導体基板(Nsub)100と、半導体基板100内に形成されたPウェル(P−−)110と、Pウェル110内に形成されたN型の不純物領域121及び124〜126、電荷保持領域(CH)122、及び、浮遊拡散領域(FD)123とを備えている。フォトダイオードPDは、Pウェル110で構成されたアノードと、N型の不純物領域(N−)121で構成されたカソードとを有している。
As shown in FIGS. 14 and 15, this solid-state imaging device includes an N-type semiconductor substrate (Nsub) 100, a P well (P −− ) 110 formed in the
図14に示す浮遊拡散領域123は、リセットトランジスターQN2のソースを構成する。また、N型の不純物領域124は、リセットトランジスターQN2のドレインを構成すると共に、バッファートランジスターQN1のドレインを構成する。N型の不純物領域125は、バッファートランジスターQN1のソースを構成すると共に、選択トランジスターQN3のドレインを構成する。N型の不純物領域126は、選択トランジスターQN3のソースを構成する。
The floating
Pウェル110が形成された半導体基板100におけるN型の不純物領域121と電荷保持領域122との間の領域上には、ゲート絶縁膜を介して、前段転送ゲートTG1のゲート電極141が配置されている。半導体基板100における電荷保持領域122と浮遊拡散領域123との間の領域上には、ゲート絶縁膜を介して、後段転送ゲートTG2のゲート電極142が配置されている。
On the region between the N-
同様に、浮遊拡散領域123とN型の不純物領域124との間の領域上には、ゲート絶縁膜を介して、リセットトランジスターQN2のゲート電極143が配置されている。N型の不純物領域124とN型の不純物領域125との間の領域上には、ゲート絶縁膜を介して、バッファートランジスターQN1のゲート電極144が配置されている。N型の不純物領域125とN型の不純物領域126との間の領域上には、ゲート絶縁膜を介して、選択トランジスターQN3のゲート電極145が配置されている。ゲート電極141〜145は、例えば、不純物がドープされて導電性を有するポリシリコン等で構成される。
Similarly, on the region between the floating
さらに、固体撮像装置は、例えば、図15に示すように、半導体基板100上に配置された層間絶縁膜150と、層間絶縁膜150上に配置された遮光膜161を含む遮光層と、層間絶縁膜150及び遮光層上に配置された層間絶縁膜170と、層間絶縁膜170上に配置された配線181〜184を含む配線層とを備えている。遮光膜161は、配線層よりも半導体基板100側に配置されて、電荷保持領域122を遮光する。
Further, for example, as shown in FIG. 15, the solid-state imaging device includes an
図15においては、第1の実施形態と同様に、遮光膜161が、層間絶縁膜150のコンタクトホール内に配置されたコンタクトプラグ151を介して前段転送ゲートTG1のゲート電極141に電気的に接続されている。あるいは、遮光膜161は、第2の実施形態と同様に、後段転送ゲートTG2のゲート電極142に電気的に接続されても良いし、第3の実施形態と同様に、低電位側の電源電位が供給される配線に電気的に接続されても良い。
In FIG. 15, as in the first embodiment, the
<第4の実施形態の変形例>
図16は、本発明の第4の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の一部の平面図である。図16には、図14に示す構成要素に加えて、遮光膜161の具体的な配置例が示されており、ゲート電極141及び142のレイアウトが変更されている。その他の点に関しては、第4の実施形態の変形例は、第4の実施形態と同様でも良い。
<Modification of Fourth Embodiment>
FIG. 16 is a plan view of a part of a solid-state imaging device according to a modification of the fourth embodiment of the present invention. FIG. 16 shows a specific arrangement example of the
図16に示す例においては、層間絶縁膜150(図15)上の遮光層に配置された遮光膜161が、平面視で電荷保持領域122を完全に覆うように配置されて電荷保持領域122を遮光する。なお、本願において、「平面視」とは、半導体基板100の主面(図15における上面)に垂直な方向から各部を透視することをいう。
In the example shown in FIG. 16, the
そのために、遮光膜161が前段転送ゲートTG1(図15)のゲート電極141又は低電位側の電源電位が供給される配線に電気的に接続される場合には、後段転送ゲートTG2(図15)のゲート電極142が平面視で遮光膜161の外側に突出するように配置される。それにより、層間絶縁膜150のコンタクトホール内に配置されたコンタクトプラグ153を介して、ゲート電極142を上層の配線に電気的に接続することができる。
Therefore, when the
一方、遮光膜161が後段転送ゲートTG2(図15)のゲート電極142又は低電位側の電源電位が供給される配線に電気的に接続される場合には、前段転送ゲートTG1(図15)のゲート電極141が、平面視で遮光膜161の外側に突出するように配置される。それにより、層間絶縁膜150のコンタクトホール内に配置されたコンタクトプラグ151を介して、ゲート電極141を上層の配線に電気的に接続することができる。
On the other hand, when the
<第5の実施形態>
次に、本発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
図17は、本発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。固体撮像装置は、ラインセンサーであっても良いし、エリアセンサーであっても良いが、以下においては、一例として、ラインセンサーの場合について説明する。
<Fifth Embodiment>
Next, a solid-state imaging device according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 17 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention. The solid-state imaging device may be a line sensor or an area sensor. In the following, a case of a line sensor will be described as an example.
図17には、画素部及び読み出し回路部が配置される第1の領域AR1と、ロジック回路が配置される第2の領域AR2とが示されている。図17に示す第1の領域AR1における画素部及び読み出し回路部の構成は、図7に示す画素部及び読み出し回路部の構成と同様である。第2の領域AR2には、ロジック回路において用いられるPチャネルMOSトランジスターQP4及びNチャネルMOSトランジスターQN4が設けられている。例えば、トランジスターQP4及びQN4は、図5に示すCMOS論理回路70a〜70dの内のいずれかを構成する。
FIG. 17 shows a first area AR1 in which a pixel portion and a readout circuit section are arranged, and a second area AR2 in which a logic circuit is arranged. The configurations of the pixel portion and the readout circuit portion in the first area AR1 shown in FIG. 17 are the same as the configurations of the pixel portion and the readout circuit portion shown in FIG. In the second region AR2, a P-channel MOS transistor QP4 and an N-channel MOS transistor QN4 used in the logic circuit are provided. For example, the transistors QP4 and QN4 constitute any of the
第2の領域AR2において、半導体基板100内にNウェル111及びPウェル112が形成されている。Nウェル111内には、トランジスターQP4のソース及びドレインを構成するP型の不純物領域(P+)131及び132が形成されており、Pウェル112内には、トランジスターQN4のソース及びドレインを構成するN型の不純物領域(N+)127及び128が形成されている。
An N well 111 and a P well 112 are formed in the
また、第2の領域AR2において、層間絶縁膜150上には、配線163〜166を含む第1の配線層が配置されており、層間絶縁膜170上には、配線185〜188を含む第2の配線層が配置されている。配線163〜166及び185〜188は、例えば、アルミニウム(Al)又は銅(Cu)等を含んでいる。
In the second region AR2, a first wiring
このように、固体撮像装置は、ロジック回路が配置された第2の領域AR2において、遮光膜161と同じ高さに配置された配線163〜166をさらに備えている。その場合には、遮光膜161とロジック回路の配線163〜166とを同時に形成することにより、固体撮像装置の製造工程を簡略化することができる。なお、本願において「高さ」とは、半導体基板100の主面(図中の上面)からの高さを意味する。
As described above, the solid-state imaging device further includes the
一方、遮光膜161は、ロジック回路が配置された第2の領域AR2における配線層から独立した層に配置されても良い。その場合には、例えば、ロジック回路の配線よりも低い位置に遮光膜161を配置することにより、電荷保持領域122の遮光特性をさらに改善し、又は、電荷保持領域122と配線層の配線181〜184との間の容量結合をさらに低減することができる。
On the other hand, the
<遮光膜の例>
次に、本発明の第1〜第5の実施形態において使用される遮光膜の例について、図7及び図18を参照しながら説明する。図18は、遮光膜の例を示す断面図である。本発明の第1〜第5の実施形態において、図18に示すような遮光膜161を使用しても良い。
<Example of light shielding film>
Next, examples of the light shielding film used in the first to fifth embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 18 is a cross-sectional view showing an example of a light shielding film. In the first to fifth embodiments of the present invention, a
図18に示す遮光膜161は、アルミニウム(Al)又は銅(Cu)を含む第1の層191と、第1の層191の半導体基板100側に配置され、窒化チタン(TiN)を含む第2の層192とを有している。窒化チタン(TiN)は、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、又は、それらの合金よりも光を反射し難い性質を有している。
18 is a
従って、窒化チタン(TiN)を含む第2の層192を第1の層191の半導体基板100側に配置することにより、層間絶縁膜170及び150を通過して半導体基板100の主面で反射した後に遮光膜161の下面で再度反射して電荷保持領域122に入射する光の量を低減することができる。第2の層192の膜厚は、500Å〜800Å(50nm〜80nm)の範囲内であることが望ましい。それにより、第2の層192が、光を反射し難い窒化チタン(TiN)の性質を発揮するために必要かつ十分な膜厚を有することになる。
Therefore, by disposing the
また、遮光膜161は、第2の層192の半導体基板100側に配置され、チタン(Ti)を含む第3の層193をさらに有しても良い。その場合には、窒化チタン(TiN)を含む第2の層192の下地層に対する接合性を、チタン(Ti)を含む第3の層193によって改善することができる。第3の層193の膜厚は、100Å〜250Å(10nm〜25nm)の範囲内であることが望ましい。それにより、第3の層193は、第2の層192の下地層に対する接合性を改善すると共に、光の反射特性に殆ど影響を及ぼさない。
The light-shielding
さらに、遮光膜161は、第1の層191の半導体基板100と反対側に配置され、窒化チタン(TiN)を含む第4の層194をさらに有しても良い。第4の層194を設けることにより、固体撮像装置の製造におけるフォトリソグラフィー工程において、フォトレジストを露光する際の反射光を低減することができる。第4の層194の膜厚は、第2の層192の膜厚と同様に、500Å〜800Å(50nm〜80nm)の範囲内であることが望ましい。なお、遮光膜161と同じ高さに配置される配線(例えば、図17に示す配線162〜166)を、遮光膜161と同じ構成としても良い。
Further, the light-shielding
第1〜第5の実施形態において説明したように、電荷保持領域122に入射する光による信号電荷量の変動を低減すると共に、配線層の配線181〜184の電位変化が電荷保持領域122の電位に及ぼす影響による転送特性のばらつきを改善した固体撮像装置を用いることにより、被写体を撮像して得られる画像データの画質が改善された電子機器を提供することができる。
As described in the first to fifth embodiments, the fluctuation of the signal charge amount due to the light incident on the
また、第1〜第5の実施形態に係る固体撮像装置は、スキャナー装置以外にも、例えば、ドライブレコーダー、デジタルムービー、デジタルスチルカメラ、携帯電話機等の移動端末、テレビ電話、防犯用テレビモニター、測定機器、及び、医療機器等のように、被写体を撮像して画像データを生成する電子機器に適用することができる。 In addition to the scanner device, the solid-state imaging devices according to the first to fifth embodiments include, for example, a drive recorder, a digital movie, a digital still camera, a mobile terminal such as a mobile phone, a video phone, a crime prevention TV monitor, The present invention can be applied to an electronic device that images a subject and generates image data, such as a measurement device and a medical device.
上記の実施形態においては、P型の半導体層にN型の不純物領域等を形成する場合について説明したが、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明は、N型の半導体層にP型の不純物領域等を形成する場合に適用することも可能である。このように、当該技術分野において通常の知識を有する者に従って、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。 In the above-described embodiment, the case where an N-type impurity region or the like is formed in a P-type semiconductor layer has been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the present invention can also be applied to the case where a P-type impurity region or the like is formed in an N-type semiconductor layer. As described above, many modifications can be made within the technical idea of the present invention according to persons having ordinary knowledge in the technical field.
1…原稿、10…CISモジュール、11…ライトガイド、12…レンズアレイ、13…イメージセンサー、14…光源、15…フレキシブル配線、16…メイン基板、17…システムオンチップ、18…アナログフロントエンド、19…電源回路、20…イメージセンサーチップ、30…画素部、40…読み出し回路部、40A…単位ブロック、50…制御回路部、51…相関二重サンプリング回路、52…出力回路、53…ロジック回路、61〜64…キャパシター、70a〜70d…CMOS論理回路、100…半導体基板、110、112…Pウェル、111…Nウェル、121、124〜128…N型の不純物領域、122、CH…電荷保持領域、123、FD…浮遊拡散領域、131〜132…P型の不純物領域、141〜145…ゲート電極、150、170…層間絶縁膜、151、151a〜151d、152、153、170a〜170d、171a〜171d…コンタクトプラグ、161、161a〜161d…遮光膜、162…信号配線、163〜166、180〜188…配線、191〜194…遮光膜の第1〜第4の層、PD…フォトダイオード、TG1、TG1a〜TG1d…前段転送ゲート、TG2、TG2a〜TG2d…後段転送ゲート、QN1…バッファートランジスター、QN2…リセットトランジスター、QN3…選択トランジスター、QN4…NチャネルMOSトランジスター、QP4…PチャネルMOSトランジスター、C1、C2…電荷保持容量
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記半導体基板における前記受光素子と前記電荷保持領域との間の領域上にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極を有する第1の転送ゲートと、
前記半導体基板における前記電荷保持領域と前記浮遊拡散領域との間の領域上にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極を有する第2の転送ゲートと、
前記半導体基板上に複数の層間絶縁膜を介して配置された配線を含む配線層と、
前記配線層よりも前記半導体基板側に配置されて、前記電荷保持領域を遮光する遮光膜と、
を備える固体撮像装置。 A light receiving element, a charge holding region, and a floating diffusion region disposed on a semiconductor substrate;
A first transfer gate having a gate electrode disposed via a gate insulating film on a region between the light receiving element and the charge holding region in the semiconductor substrate;
A second transfer gate having a gate electrode disposed through a gate insulating film on a region between the charge holding region and the floating diffusion region in the semiconductor substrate;
A wiring layer including wiring disposed on the semiconductor substrate via a plurality of interlayer insulating films;
A light-shielding film disposed on the semiconductor substrate side of the wiring layer and shielding the charge holding region;
A solid-state imaging device.
前記4つの受光素子に対応して配置された4つの電荷保持領域、4つの浮遊拡散領域、4つの第1の転送ゲート、及び、4つの第2の転送ゲートと、
前記4つの電荷保持領域を遮光する遮光層と、
を備え、前記4つの浮遊拡散領域が、1つのバッファートランジスターのゲート電極に電気的に接続されている、請求項1〜4のいずれか1項記載の固体撮像装置。 Four light receiving elements arranged in one row;
Four charge holding regions, four floating diffusion regions, four first transfer gates, and four second transfer gates arranged corresponding to the four light receiving elements;
A light shielding layer that shields the four charge holding regions;
5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the four floating diffusion regions are electrically connected to a gate electrode of one buffer transistor.
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