JP2012164892A

JP2012164892A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2012164892A
Application number: JP2011025444A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Matsunaga; 誠之松長
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2012-08-30

Abstract

【課題】ローリングシャッタ的雑音を低減した高性能なグローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置を提供する。
【解決手段】二次元状に配置された複数の単位画素セルを備え、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置であって、前記複数の単位画素セル２３のそれぞれは、半導体基板の上方に形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換膜１６と、前記光電変換膜の前記半導体基板側の面に形成された画素電極１５と、前記半導体基板上に形成され、グローバルシャッタによって前記光電変換膜１６から転送された信号電荷を蓄積するグローバル電荷蓄積拡散層７とを備え、前記グローバルシャッタは前記複数の単位セルにおいて同時に光電変換膜１６からグ信号電荷を転送することであり、前記画素電極１５は、遮光性を有する金属で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および電子機器に関し、特にグローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置および当該固体撮像装置を有するカメラに関する。

固体撮像装置は、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサに代表されるＸ−Ｙアドレス方式の固体撮像装置と、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサに代表される電荷転送方式の固体撮像装置とに大別される。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサは、画素信号のランダムアクセスが可能であり、さらにＣＣＤイメージセンサと比較して画素信号の読出しが高速で、低消費電力であるという特長を有している。

ところで、多くのＣＭＯＳイメージセンサは、光電変換部に蓄積された信号電荷を電荷電圧変換部へ転送し、得られた電圧を出力とする。電子シャッタ機能は電荷電圧変換部を周期的にリセットすることで実現される。ＣＭＯＳイメージセンサの電子シャッタ機能のシャッタ方式は、２次元配列された多数の画素に対して画素行ごとに露光の開始および終了の設定を行う、いわゆるローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタとも呼ばれる）方式である。

したがって、ローリングシャッタ方式のＣＭＯＳイメージセンサは、全画素に対して同一のタイミングで露光を行うグローバルシャッタ方式のＣＣＤイメージセンサと異なり、画素行ごとに露光期間がずれる（異なる）。そして、露光期間が画素行ごとにずれると、移動している物体を撮影した場合、撮像画像に歪みが生じる。

グローバルシャッタ機能を実現するためにいくつかの手段があるが、例えば、図14の特許文献１Fig.2に示すように画素セル内に新たにグローバル蓄積容量（ＴＳＡ）、グローバル転送ゲート（ＴＸ１Ａ）およびオーバーフロー機能（オーバーフローゲートＯＡ、オーバーフロードレインは電源のＶＤＤ兼用）を持たせる方法がある。簡単な動作方法は次のとおりである。フォトダイオード（ＰＤＡ）に蓄積された電荷は配列された全画素で同時にグローバル転送ゲートをＯＮしグローバル蓄積容量（ＴＳＡ）に転送される。しかる後、グローバル蓄積容量の信号は列ごとに従来のCMOSセンサと同じ原理で順次読み出される。

米国特許出願公開第２００７／００１３７９８号明細書

特許文献１記載の従来技術のものを実際にカメラに応用すると、グローバル蓄積容量ＴＳＡが若干ではあるが入射光に反応し感度を持っている。すると、フォトダイオードＰＤＡで光電変換された信号はグローバルシャッタが機能するが、グローバル蓄積容量ＴＳＡで光電変換された電荷はローリングシャッタ的な動作により検出される。すなわち、フォトダイオードＰＤＡで検出されたグローバルシャッタ動作の信号に、グローバル蓄積容量ＴＳＡで検出されたローリングシャッタ的な雑音が重畳することになる。このローリングシャッタ的な雑音は、主に、入射光の一部がグローバル検出容量ＴＳＡにまで入り込むことにより発生する。また、グローバル検出容量ＴＳＡに生ずる暗電流もローリングシャッタ的な雑音になる。

グローバル蓄積容量の感度がフォトダイオードの感度の１／１００とすると、グローバルシャッタ信号の上にその１／１００のローリングシャッタ的な雑音が重畳する。大きな雑音ではないように思われるが、グローバルシャッタの蓄積時間を短くしていると信号が少なくなるのでＳ／Ｎ比が劣化する。ローリングシャッタの蓄積時間は１フレームの信号を読み出す時間で決まる。その１フレームの時間の１／１００のグローバルシャッタをかけると、グローバルシャッタの信号レベルとローリングシャッタ的な雑音レベルが同じになり、グローバルシャッタの効果がほとんどなくなるといっていい。グローバルシャッタはシャッタ時間が短いときに効果を発揮するので、グローバル蓄積容量感度起因のローリングシャッタ的雑音は大きな問題となる。グローバルシャッタのシャッタ時間が短くなる明るい動的被写体を撮像したときに問題となる。カメラを動かしながら明るい被写体を撮像した時にも問題となる。

実際に必要なフォトダイオードとグローバル蓄積容量の光感度比は、デジタル一眼レフカメラ応用では１０００００００：１と言われている。インターライン型のCCDイメージセンサで、フォトダイオードとフォトダイオードに隣接する垂直転送CCDの光感度比は、放送用カメラ応用で約３００００００：１であるので、それより約３０倍厳しい値であり、フォトダイオードとグローバル蓄積容量を同じ半導体基板内部に形成する方法では実現が難しい。

また、グローバル蓄積容量は、信号をセンサ外部に読み出すまでの長い時間電荷を蓄積するため、フォトダイオード並みの低暗電流構造が要求される。

そこで、本発明は、ローリングシャッタ的雑音を低減した高性能なグローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置およびカメラを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため本発明の一形態における固体撮像装置は、二次元状に配置された複数の単位画素セルを備え、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置であって、前記複数の単位画素セルのそれぞれは、半導体基板の上方に形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換膜と、前記光電変換膜の前記半導体基板側の面に形成された画素電極と、前記半導体基板上に形成され、グローバルシャッタによって前記光電変換膜から転送された信号電荷を蓄積するグローバル電荷蓄積拡散層とを備え、前記グローバルシャッタは前記複数の単位セルにおいて同時に光電変換膜から信号電荷を転送することであり、前記画素電極は、遮光性を有する金属で形成される。

この構成によれば、光電変換膜で吸収しきれない光を画素電極で遮光するので、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射を低減することによりグローバル電荷蓄積拡散層の光感度を小さくすることができる。これにより、ローリングシャッタ的雑音を低減し、高性能なグローバルシャッタ機能を実現することができる。

ここで、前記固体撮像装置は、さらに、隣接する画素電極の間隙の下方に当該間隙よりも大きい幅をもつ遮光性の金属層を備える構成としてもよい。

この構成によれば、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光を金属層により遮光するので、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射をさらに低減することができる。

ここで、前記画素電極の面積は、前記グローバル電荷蓄積拡散層よりも大きく、前記画素電極は、前記グローバル電荷蓄積拡散層の上方を覆うようにしてもよい。

この構成によれば、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光等がグローバル電荷蓄積拡散層に入射しにくくする。

ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記画素電極に接続されたコンタクトと、前記半導体基板に形成され、前記画素電極から前記コンタクトを介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層と、前記電荷積分拡散層からグローバル電荷蓄積拡散層に、グローバルシャッタ時に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極とを備え、前記グローバル転送ゲート電極は、グローバル電荷蓄積拡散層の領域を覆い、前記グローバル電荷蓄積拡散層の信号電荷が維持される信号蓄積期間では、グローバル転送ゲート電極６に負電圧が印加されるようにしてもよい。

この構成によれば、グローバル転送ゲート電極に負電圧を印加することによって、グローバル電荷蓄積拡散層の界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が低減することができる。これにより、暗電流によるローリングシャッタ的雑音を低減することができる。

ここで、前記グローバル転送ゲート電極は、ポリシリコン層と、前記ポリシリコン層上に形成された金属層とを含むようにしてもよい。

この構成によれば、グローバル転送ゲート電極が金属層を含み、かつグローバル電荷蓄積拡散層の領域を覆うので、さらにグローバル電荷蓄積拡散層に入射する光を低減することができる。

ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記画素電極に接続されたコンタクトと、前記半導体基板に形成され、前記画素電極から前記コンタクトを介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層と、グローバルシャッタ時に、前記電荷積分拡散層からグローバル電荷蓄積拡散層に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極とを備え、前記グローバル転送ゲート電極は、電荷積分拡散層とグローバル電荷蓄積拡散層間の上方に形成され、前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層を備えるとしてもよい。

この構成によれば、グローバル電荷蓄積拡散層の半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層を備えることによって、グローバル電荷蓄積拡散層の界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が低減することができる。これにより、暗電流によるローリングシャッタ的雑音を低減することができる。

ここで、前記電荷積分拡散層は、第１導電型であり、前記固体撮像装置は、さらに、前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第１導電型とは逆の第２導電型の界面バリア層と、前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極１４と接続される第１導電型の電荷収集拡散層とを備えていてもよい。

ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記コンタクトに接続された第１導電型の電荷収集拡散層と、前記半導体基板の表面で前記電荷収集拡散層に隣接する領域に形成され、信号電荷の転送経路となるチャネル拡散層と、前記半導体基板の表面で前記チャネル拡散層に隣接する領域に形成され、前記電荷収集拡散層からチャネル拡散層を介して転送された信号電荷を蓄積する第１導電型の電荷積分拡散層と、前記電荷収集拡散層の端部、前記チャネル拡散層、および、前記電荷積分拡散層の上方を覆うバリア電極とを備え、前記グローバル転送ゲート電極は、電荷積分拡散層の端部、および前記グローバル電荷蓄積拡散層の上方を覆い、前記光電変換膜の露光期間において、前記バリア電極に負電圧が印加されるとしてもよい。

ここで、前記グローバル電荷蓄積拡散層および前記電荷積分拡散層は一体の領域として形成され、前記グローバル転送ゲート電極および前記バリア電極は一体の電極として形成されていてもよい。

ここで、前記電荷積分拡散層は、第１導電型であり、前記固体撮像装置は、さらに、前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第１導電型とは逆の第２導電型の界面バリア層と、前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極１４と接続される第１導電型の電荷収集拡散層とを備える構成としてもよい。

ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記コンタクトに接続された第１導電型の電荷収集拡散層と、前記電荷収集拡散層から転送された信号電荷を蓄積する第１導電型の電荷積分拡散層と、前記電荷収集拡散層と前記電荷積分拡散層との間の上方に形成されたバリア電極と、前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に、前記電荷積分拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層とを備える構成としてもよい。

ここで、前記グローバル電荷蓄積拡散層は、第１導電型であり、前記固体撮像装置は、さらに、前記画素電極に接続されたコンタクトと、前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第１導電型とは逆の第２導電型の界面バリア層と、前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極１４と接続される第１導電型の電荷収集拡散層とを備える構成としてもよい。

ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記画素電極に接続されたコンタクトと、前記コンタクトに接続された第１導電型の電荷収集拡散層と、前記電荷収集拡散層と前記グローバル電荷蓄積拡散層との間の上方に形成されたバリア電極と、前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に、前記グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層とを備える構成としてもよい。

また、上記課題を解決する本発明の一形態におけるカメラは、上記の固体撮像装置を備える。

本発明によれば、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射を低減することによりグローバル電荷蓄積拡散層の光感度を小さくすることができる。これにより、ローリングシャッタ的雑音を低減し、高性能なグローバルシャッタ機能を実現することができる。

また、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光を金属層により遮光するので、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射をさらに低減することができる。

さらに、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光等がグローバル電荷蓄積拡散層に入射しにくくする。

また、グローバル電荷蓄積拡散層の界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が低減することができる。これにより、暗電流によるローリングシャッタ的雑音を低減することができる。

第１の実施形態に係る単位画素セルの断面図である。第1の実施形態が適用されるＣＭＯＳイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。第１の実施形態に係る回路動作の説明に供するタイミングチャートである。第２の実施形態に係る単位画素セルの断面図である。第３の実施形態に係る単位画素セルの断面図である。第４の実施形態に係る単位画素セルの断面図である。積層膜による電子シャッタの電位説明図である。第５の実施形態に係る単位画素セルの断面図である。第５の実施形態に係る単位画素セルの断面図である。第５の実施形態に係る単位画素セルの断面図である。第６の実施形態が適用されるＣＭＯＳイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。第７の実施形態に係る回路動作の説明に供するタイミングチャートである。本発明による撮像装置の構成例を示すブロック図である。特許文献１のセンサ回路図である。

（第１の実施形態）
図１に第１の実施形態の画素セルの断面図を示す。同図の固体撮像装置は、二次元状に配置された複数の単位画素セル２３−１、２３−２、２３−３、２３−４を備え、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置である。同図では便宜上４つの単位画素セルを示しているが、実際には多数存在する。また、４つの単位画素セル２３−１、２３−２、２３−３、２３−４を特に区別しない場合、単に単位画素セル２３と記す。

単位画素セル２３は、半導体基板１の上方に形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換膜１６と、光電変換膜１６の半導体基板１側の面に形成された画素電極１５と、半導体基板１上に形成され、グローバルシャッタによって光電変換膜１６から転送された信号電荷を蓄積するグローバル電荷蓄積拡散層７とを主に備える。グローバルシャッタは複数の単位セルにおいて同時に光電変換膜１６から信号電荷を転送することをいう。

具体的には、Ｐ型ウェル２をもったＮ型の半導体基板１上に、光電変換された信号電荷を積分蓄積するＮ型の電荷収集拡散層３、Ｐ型の界面バリア層４およびＮ型の電荷積分拡散層５、グローバル転送ゲート電極６により電荷積分拡散層５から転送された信号電荷を一時蓄積するＮ型のグローバル電荷蓄積拡散層７、グローバル電荷蓄積拡散層７の信号電荷を画素アンプトランジスタ８のゲート電極と電気接合した浮遊拡散層９に転送するライン転送ゲート電極１０、浮遊拡散層９から信号電荷を画素アンプトランジスタ８の電源と接続した電源拡散層１１に排出するリセットゲート電極１２からなる画素回路の上部に、バッファ絶縁膜１３を貫通し電荷収集拡散層３と電気的接触を持ったコンタクト電極１４介して画素電極１５を設け、その上部に光電変換膜１６、透明電極１７を形成している。

隣接画素の画素回路との間はＳＴＩ１８（Shallow Trench Isolation）で分離されている。電荷積分拡散層５の下部にはオーバーフロー経路１９が設けられ、電荷積分拡散層５の電荷はオーバーフロードレインとなる前記半導体基板１に排出できる。

また、上記の画素電極１５は、遮光性を有する金属で形成される。遮光性をもたせるために画素電極１５の膜厚は、５００ｎｍ程度以上であることが望ましい。あるいは、画素電極１５と他の金属配線層との膜厚を合わせて実質的に５００ｎｍ程度以上であることがのぞましい。これにより、光電変換膜で吸収しきれない光を画素電極で遮光するので、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射を低減することによりグローバル電荷蓄積拡散層の光感度を小さくすることができる。これにより、ローリングシャッタ的雑音を低減し、高性能なグローバルシャッタ機能を実現することができる。

さらに、隣接する画素電極２５の間隙の下方に当該間隙よりも大きい幅をもつ遮光性の金属層２１を備える。この構成によれば、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光を金属層により遮光するので、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射をさらに低減することができる。

また、画素電極１５の面積は、グローバル電荷蓄積拡散層７よりも大きい。画素電極１５は、グローバル電荷蓄積拡散層７の上方を覆うように形成されている。これによれば、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光等がグローバル電荷蓄積拡散層に入射しにくくする。

また、固体撮像装置は、さらに、画素電極１５に接続されたコンタクト１４と、半導体基板に形成され、画素電極１５からコンタクト１４を介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層５と、電荷積分拡散層５からグローバル電荷蓄積拡散層７に、グローバルシャッタ時に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極６とを備えている。ここで、グローバル転送ゲート電極６は、グローバル電荷蓄積拡散層７の領域を覆い、グローバル電荷蓄積拡散層７の信号電荷が維持される信号蓄積期間では、グローバル転送ゲート電極６に負電圧が印加される。グローバル転送ゲート電極に負電圧を印加することによって、グローバル電荷蓄積拡散層の界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が低減することができる。これにより、暗電流によるローリングシャッタ的雑音を低減することができる。

さらに、グローバル転送ゲート電極６は、ポリシリコン層と、前記ポリシリコン層上に形成された金属層とを含む構成になっている。この金属層は、例えば、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ等の少なくとも１つでよい。

次に、動作原理を説明する。まず、半導体基板１に正の電圧パルスを印加し電荷積分拡散層５内部の電荷(電子)を完全に排出したのち元の電圧に戻す。このタイミングが電子シャッタを開いた状態で信号電荷の蓄積が開始される。図面の負電圧が印加された透明電極１７の上部から入射した光は光電変換膜１６で信号電荷（電子）に変換され、画素電極１５、引き上げコンタクト電極１４を通り電荷収集拡散層３に集められる。

この信号電荷(電子)により電荷収集拡散層３は負電圧になり順バイアスされるため界面バリア層４を通り電荷積分拡散層５に蓄積される。

次にグローバル転送ゲート電極６に正のパルス電圧を印加し、電荷積分拡散層５の信号電荷をグローバル電荷蓄積拡散層7に転送する。このタイミングが電子シャッタを閉じた時刻である。一定期間信号電荷はグローバル電荷蓄積拡散層内にとどまるが、この期間強い入射光により電荷積分拡散層５をあふれた電荷がグローバル電荷蓄積拡散層７に漏れこまないように、オーバーフロー経路１９は過剰の電荷を半導体基板１に排出する機能も持っている。この後、ライン転送ゲート電極１０をONし浮遊拡散層９に信号電荷を転送し電圧変換し画素アンプトランジスタで画素外部に読み出される。読み出しの終わった信号電荷はリセットゲート電極１２をONし排出される。

光電変換膜１６に入射した光はここで光電変換されるがすべての光は吸収できない。この光の一部がグローバル電荷蓄積拡散層７に到達すると、前述したローリングシャッタ雑音となる。この光を１０００００００分の１に遮光する必要がある。まず画素電極１５に遮光性の高い金属を用いる。さらにその下部にもちられる画素回路の金属配線２２をグローバル電荷蓄積拡散層７上部に配する。画素回路の金属配線層は２層以上の多層構造であるので、上部から見た平面図でグローバル電荷蓄積拡散層７を完全に覆うことも有効である。また、隣接する画素の画素電極２０との間の隙間の下にも画素間光シールド電極２１を設ける。これは画素回路の金属配線と兼用してもいい。グローバル転送ゲート電極６にサリサイド電極を用いることも有効である。画素電極１５の材料としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｇ、Ａｕ等が考えられる。画素間光シールド電極２１、金属配線２２の材料としてはＡｌ、Ｃｕ等が考えられる。光電変換膜としては、セレン、アモルファスシリコン、ＧａＡｓ等化合物半導体、有機光導電膜等の半導体が考えられる。特になだれ増倍により増感機能のあるアバランシェ増倍型の光電変換膜が有効である。

グローバル電荷蓄積拡散層７には信号読み出しにかかる長い時間信号電荷が蓄積される。この部分の暗電流を下げることが非常に重要である。ここでは信号蓄積期間においてグローバル転送ゲート電極６にグローバル電荷蓄積拡散層７の半導体界面に正孔が蓄積される状態になるように負電圧を印加することが有効である。図１のグローバル電荷蓄積拡散層７の領域中の破線は、上記の負電圧の印加により半導体基板１表面から正孔が蓄積された状態を示している。こうすることにより半導体界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が下がる。界面に正孔層ができやすくなるようにグローバル電荷蓄積拡散層７の上部にｐ型不純物を導入することも有効である。

図２にセンサチップの構成例を示す。ここでは単位画素セル２３−１，２，３，４が行列２ｘ２で配置されている。図１と同じ部分は説明を割愛する。ライン転送トランジスタ２４およびリセットトランジスタ２５のゲート電極はそれぞれ図１のライン転送ゲート電極１０およびリセットゲート電極１２に対応する。画素アンプトランジスタ２６は図１の画素アンプトランジスタ８と同じものであり、一つの列にある画素を選択する選択トランジスタ２７を介して垂直信号線３７の一端にある負荷トランジスタ３８との組み合わせでソースフォロア回路を構成し、垂直信号線３７の他端にあるカラム信号処理部３９に信号は読み出される。ここで雑音抑圧やＡＤ変換等の信号処理をした後、列選択部４１により列選択トランジスタ４０−１を介して出力部４２に順次読み出される。

行列２次元状に配列された画素を列ごとに駆動するライン転送トランジスタ２４、リセットトランジスタ２５および選択トランジスタ２７をそれぞれ動作するライン転送制御線２８−１、リセット制御線２９−１および行選択制御線３０−１は行選択部３１に接続されている。

全画素を同時に駆動する半導体基板１およびグローバル転送ゲート電極６をそれぞれ動作する基板制御線３３およびグローバル転送制御線３４はグローバル制御部３６に接続されている。透明電極１７はここではＤＣ動作するが、パルス動作することも考えられるので、透明電極制御線３５もグローバル制御部３６に接続する。センサチップ全体を制御するセンサ制御部４３も搭載する。

全体の動作を図３のタイミングチャートで示す。透明電極制御線３５には負のＤＣ電圧が印加される。時刻ｔ１で、基板制御線３３に正のパルスを印加し、電荷積分拡散層５内部の電荷をすべて半導体基板１に排出する。ここが電子シャッタを開けるタイミングである。この時点ではまだ一つ前のフレームの信号を読み出しており、一部のグローバル電荷蓄積拡散層７にはまだ前のフレームの信号電荷が蓄積されている。ｔ１以降は光電変換膜１６で光電変換された信号電荷は上述したように電荷積分拡散層５に蓄積されていく。前フレームの信号がすべて読み終わってすべての画素のグローバル電荷蓄積拡散層７がカラになった後、時刻ｔ２でグローバル転送制御線３４にパルスを印加しすべての画素の電荷積分拡散層５の信号電荷をグローバル電荷蓄積拡散層７に転送する。ここが電子シャッタを閉じるタイミングである。ｔ１とｔ２の間が感度のある電子シャッタ時間である。この電子シャッタ時間は全部の画素で同じであり、グローバルシャッタの動作をしている。上述したようにグローバル電荷蓄積拡散層７の暗電流を小さくするためにグローバル転送ゲート電極６に印加するパルスの低レベルは負電圧が望ましい。

ここから後の信号読み出し方法は従来のＣＭＯＳセンサの読み出し方法と同じである。簡単に説明すると、第１の行の行選択制御線３０−１に選択パルスを印加し、第１行のみ読み出される状態にする。リセット制御線２９−１にリセットパルスを印加し信号のない状態の雑音を読み出し、図２のカラム信号処理部３９に蓄積する。ライン転送制御線２８−１にライン転送パルスを印加し信号電荷を画素アンプトランジスタ２６を通して信号をカラム信号処理部３９に読み出し、すでに読み出している雑音との差分処理を行う。またＡＤ変換を行うこともある。列選択トランジスタ４０−１にパルスを印加し、単位画素セル２３−１の信号を出力する。列選択トランジスタ４０−２にパルスを印加し、単位画素セル２３−２の信号を出力する。同様に第１列の信号も読み出す。

グローバル電荷蓄積拡散層７の信号を順次読み出しているときに、電子シャッタを開き次のフレームの信号蓄積を開始することができる。この動作は動画撮影に適している。もちろん静止画撮影にも応用できる。

（第２の実施形態）
図４に第２の実施形態を示す。第１の実施形態と異なるところはグローバル電荷蓄積部の構造である。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

図４の固体撮像装置では、グローバル電荷蓄積拡散層７の上部にｐ型の埋め込みダイオードバリア層４４を設けて暗電流を抑圧している。そのためグローバル転送ゲート電極６はグローバル電荷蓄積拡散層７の上部には不要である。第１の実施形態ではグローバル転送ゲート電極６に印加するパルスの低レベルは負電圧が望ましかったが、第２の実施形態ではその必要はない。電荷積分拡散層５からグローバル電荷蓄積拡散層７への電荷転送を完全に行うためにはグローバル電荷蓄積拡散層７の電位が電荷積分拡散層５の電位よりも高い必要がある。

図４の固体撮像装置は、画素電極１５に接続されたコンタクト１４と、半導体基板１に形成され、画素電極１５からコンタクトを介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層５と、グローバルシャッタ時に、電荷積分拡散層５からグローバル電荷蓄積拡散層７に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極６とを備える。

グローバル転送ゲート電極６は、電荷積分拡散層５とグローバル電荷蓄積拡散層７間の上方に形成される。グローバル電荷蓄積拡散層７の半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層７とは逆の導電型のダイオードバリア層４４を備えている。

また、固体撮像装置は、第１導電型（ここではＮ型）の電荷積分拡散層５の半導体基板表面側に形成された、第１導電型とは逆の第２導電型（ここではＰ型）の界面バリア層４と、界面バリア層４の表面に形成され、コンタクト電極１４と接続される第１導電型の電荷収集拡散層３とを備える。

このような構成により、グローバル電荷蓄積拡散層の半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層を備えることによって、グローバル電荷蓄積拡散層の界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が低減することができる。これにより、暗電流によるローリングシャッタ的雑音を低減することができる。

（第３の実施形態）
図５に第３の実施形態を示す。第２の実施形態の電荷収集拡散層３を界面バリア層４の外に出した構成である。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図５の固体撮像装置は、コンタクトに接続された第１導電型の電荷収集拡散層３と、電荷収集拡散層３から転送された信号電荷を蓄積する第１導電型の電荷積分拡散層５と、電荷収集拡散層３と電荷積分拡散層５との間の上方に形成されたバリア電極４５と、電荷積分拡散層５の半導体基板表面側に、電荷積分拡散層５とは逆の導電型のダイオードバリア層４とを主に備える。

これにより、隣接してバリア電極４５を設け一定電圧を印加しその直下のＰ型ウェル２の上面界面にチャネルを作り電荷収集拡散層３に集められた電荷を電荷積分拡散層５に流れ込むようにする。第２に実施形態に比べ集積度は劣るが、界面バリア層４内部に電荷収集拡散層３を作る必要がなく製造工程は容易になる。

（第４の実施形態）
図６は第４の実施形態を示す。グローバル電荷蓄積拡散層７とその上部のグローバル転送ゲート電極からなるグローバル電荷蓄積部の構造は第１の実施形態と同じである。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

図６の固体撮像装置は、コンタクトに接続された第１導電型の電荷収集拡散層３と、半導体基板の表面で電荷収集拡散層３に隣接する領域に形成され、信号電荷の転送経路となるチャネル拡散層４６と、半導体基板の表面でチャネル拡散層４６に隣接する領域に形成され、電荷収集拡散層３からチャネル拡散層４６を介して転送された信号電荷を蓄積する第１導電型の電荷積分拡散層５と、電荷収集拡散層３の端部、チャネル拡散層４６、および、電荷積分拡散層５の上方を覆うバリア電極４５とを備える。

グローバル転送ゲート電極６は、電荷積分拡散層５の端部、およびグローバル電荷蓄積拡散層７の上方を覆っている。光電変換膜１６の露光期間において、バリア電極４５に負電圧が印加される。

このように、界面バリア層４と同様に界面の暗電流を抑圧するために電荷積分拡散層５上部にバリア電極４５を伸延し、電荷積分拡散層５上部の界面に正孔蓄積層ができるように一定の負電圧を印加する。負電圧を印加すると電荷収集拡散層３と電荷積分拡散層５の間のＰ型ウェル２の上面界面にチャネルができないので、チャネル形成用のチャネル拡散層４６が必要となる。

（第５の実施形態）
上述の実施形態では透明電極１７に一定電圧を印加した例を示してきたが、以下では、透明電極１７をパルス駆動することによってグローバルシャッタを実現する。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

図７は図１に示すＸ−Ｙ方向の電位図を示す。負電圧が印加された透明電極１７により光検出状態になった光電変換膜１６に外部より入射した光は電子と正孔を発生する。正孔は透明電極に吸収される。電子は信号電荷として画素電極１５、コンタクト電極を通り電荷収集拡散層３に集められる。電荷収集拡散層３は負電圧にバイアスされるので界面バリア層４との間が順バイアスとなり界面バリア層４を乗り越え電荷積分拡散層５に到達しここで蓄積される。

透明電極１７に正電圧を印加すると、電子が透明電極１７側に流れる。正孔は電荷収集拡散層３側に流れるが界面バリア層との間が逆バイアスとなるため、電荷積分拡散層側には何も影響を及ぼさない。こうすることにより電子シャッタを閉じる効果があることがわかる。この状態で強い光が入射しても電荷積分拡散層には電荷は流れないのでオーバーフロードレインの効果も有していることがわかる。以上の説明により、透明電極１７をパルス駆動することにより、電子シャッタを閉じる機能のために必要であったグローバル電荷蓄積拡散層７が不要となる。また、オーバーフロードレインの構造も不要となる。

図８は第５の実施形態で、図６の第４の実施形態から、グローバル電荷蓄積拡散層７とグローバル転送ゲート電極６を省いたものである。あるいは、別の見方をすれば、グローバル電荷蓄積拡散層７および電荷積分拡散層５は一体の領域として形成され、グローバル転送ゲート電極６およびバリア電極４５は一体の電極として形成されたものである。

またオーバーフロードレインの構造も不要なので、半導体基板４７はＰ型基板でＰ型ウェル２は不要である。またオーバーフロー経路１９も不要である。構造が非常に簡単になる。電荷積分拡散層５はグローバル電荷蓄積拡散層７と同様に高い遮光性が必要である。また暗電流も低く抑圧する必要がある。

図９にセンサ構成を示す。図２でグローバル転送ゲート電極６に結線していたグローバル転送制御線３４はバリア電極４５に結線するが、一定電圧を印加するのでグローバル制御部３６から制御する必要はない。基板制御線３３も同様である。一方、後述するがライン転送トランジスタ２４およびリセットトランジスタ２５のゲート電極は全画素を同時に転送、リセットする必要があるので、ライン転送制御線２８−１，２８−２およびリセット制御線２９−１，２９−２はグローバル制御部３６にも接続している。行選択部３１に一部グローバル制御部３６と同じ機能をもたせてもよい。

図１０にタイミングチャートを示す。バリア電極４５に結線しているグローバル転送制御線３４には一定電圧を印加する。光感度のないハイレベル電圧を印加していた透明電極制御線３５を光感度のあるローレベルを印加する。次に全部の列のリセット制御線２９−１，２９−２および全部の列のライン転送制御線２８−１，２８−２にパルスを印加し電荷積分拡散層５内部の電荷をすべて排出しカラの状態にし、時刻ｔ３に再びローレベルにする。このタイミングが電子シャッタを開いた時刻である。次に時刻ｔ４に透明電極制御線３５を光感度のないハイレベルにする。このタイミングが電子シャッタを閉じたタイミングである。ｔ３とｔ４の間のみ光感度がある。しかる後、電荷積分拡散層５内部に蓄積された信号電荷を順次読み出している。これ以降は図３の説明と同じであるので割愛する。

この動作が、図３の動作と大きく異なる点は、入射光を受け信号電荷を蓄積している間は信号の読み出しが行われないことである。この動画は静止画撮影には問題ないが、動画撮影では若干不利である。信号の読み期間の入射光の感度がないためである。信号蓄積、信号読み出しと繰り返せば動画も撮影可能ではある。しかし、グローバル電荷蓄積拡散層があるタイプのものに比べ構造、動作とも非常に簡単で低消費電力でコストダウンができる利点がある。

（第６の実施形態）
第６の実施形態を図１１に示す。図１および図４から電荷積分拡散層５と界面バリア層４とオーバーフロードレイン機能を省いたものである。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図１１の固体撮像装置は、画素電極１５に接続されたコンタクト１４と、グローバル電荷蓄積拡散層７の半導体基板表面側に形成された、第１導電型とは逆の第２導電型の界面バリア層４と、界面バリア層４の表面に形成され、コンタクト電極１４と接続される第１導電型の電荷収集拡散層３とを備える。この構成によっても、図１０のように透明電極１７をパルス駆動することによってグローバルシャッタを実現することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態を図１２に示す。図５から電荷積分拡散層５とオーバーフロードレイン機能を省いたものである。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図１１の固体撮像装置は、画素電極１５に接続されたコンタクト１４と、コンタクトに接続された第１導電型の電荷収集拡散層３と、電荷収集拡散層３とグローバル電荷蓄積拡散層７との間の上方に形成されたバリア電極４５と、グローバル電荷蓄積拡散層７の半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層７とは逆の導電型のダイオードバリア層４とを備える。この構成によっても、図１０のように透明電極１７をパルス駆動することによってグローバルシャッタを実現することができる。

図１３に本発明の固体撮像装置を用いた撮像装置（カメラ）の構成例を示す。同図の撮像装置１００は、レンズ１０１、シャッタ１０２、固体撮像装置１０３、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１０４、表示素子１０５、メモリ１０６、制御部１０７、電源部１０８を備える。シャッタ１０２は、備えていなくてもよい。固体撮像装置１０３は、第１〜第７の実施形態の何れかで説明したものである。レンズ１０１を通して入射した光は固体撮像装置１０３で電気信号に変換されＤＳＰ１０４で画像処理されメモリに蓄積される。従来は制御部１０７からメカニカルなシャッタ１０２にシャッタの制御信号が出されていたが、本実施形態では電子シャッタ機能を持つ固体撮像装置１０３にシャッタ制御信号を与える。ほかに表示部１０５、電源部１０８を含んでカメラを構成する。

以上説明したように、本発明は、固体撮像装置およびカメラに適しており、例えば、ＭＯＳ固体撮像装置、ディジタルスチルカメラ、ムービーカメラ、カメラ付き携帯電話機、監視カメラ等に適用できる。

１半導体基板
２ P型ウェル
３電荷収集拡散層
４界面バリア層
５電荷積分拡散層
６グローバル転送ゲート電極
７グローバル電荷蓄積拡散層
８画素アンプトランジスタ
９浮遊拡散層
１０ライン転送ゲート電極
１１電源拡散層
１２リセットゲート電極
１３バッファ絶縁膜
１４コンタクト電極
１５画素電極
１６光電変換膜
１７透明電極
１８ＳＴＩ
１９オーバーフロー経路
２０隣接する画素の画素電極
２１画素間光シールド電極
２２金属配線
２３-1,2,3,4 単位画素セル
２４ライン転送トランジスタ
２５リセットトランジスタ
２６画素アンプトランジスタ
２７選択トランジスタ
２８-1,2 ライン転送制御線
２９-1,2 リセット制御線
３０-1,2 行選択制御線
３１行選択部
３３基板制御線
３４グローバル転送制御線
３５透明電極制御線
３６グローバル制御部
３７垂直信号線
３８負荷トランジスタ
３９カラム信号処理部
４０-1,2 列選択トランジスタ
４１列選択部
４２出力部
４３センサ制御部
４４埋め込みダイオードバリア層
４５バリア電極
４６チャネル拡散層
４７半導体基板

Claims

二次元状に配置された複数の単位画素セルを備え、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置であって、
前記複数の単位画素セルのそれぞれは、
半導体基板の上方に形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換膜と、
前記光電変換膜の前記半導体基板側の面に形成された画素電極と、
前記半導体基板上に形成され、グローバルシャッタによって前記光電変換膜から転送された信号電荷を蓄積するグローバル電荷蓄積拡散層と
を備え、
前記グローバルシャッタは前記複数の単位セルにおいて同時に光電変換膜から信号電荷を転送することであり、
前記画素電極は、遮光性を有する金属で形成される
固体撮像装置。
前記固体撮像装置は、さらに、
隣接する画素電極の間隙の下方に当該間隙よりも大きい幅をもつ遮光性の金属層を備える
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記画素電極の面積は、前記グローバル電荷蓄積拡散層よりも大きく、
前記画素電極は、前記グローバル電荷蓄積拡散層の上方を覆う
請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像装置は、さらに、
前記画素電極に接続されたコンタクトと、
前記半導体基板に形成され、前記画素電極から前記コンタクトを介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層と、
前記電荷積分拡散層からグローバル電荷蓄積拡散層に、グローバルシャッタ時に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極と
を備え、
前記グローバル転送ゲート電極は、グローバル電荷蓄積拡散層の領域を覆い、
前記グローバル電荷蓄積拡散層の信号電荷が維持される信号蓄積期間では、グローバル転送ゲート電極６に負電圧が印加される
請求項１〜３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
前記グローバル転送ゲート電極は、ポリシリコン層と、前記ポリシリコン層上に形成された金属層とを含む
請求項４に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像装置は、さらに、
前記画素電極に接続されたコンタクトと、
前記半導体基板に形成され、前記画素電極から前記コンタクトを介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層と、
グローバルシャッタ時に、前記電荷積分拡散層からグローバル電荷蓄積拡散層に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極と
を備え、
前記グローバル転送ゲート電極は、電荷積分拡散層とグローバル電荷蓄積拡散層間の上方に形成され、
前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層を備える
請求項１〜３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
前記電荷積分拡散層は、第１導電型であり、
前記固体撮像装置は、さらに、
前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第１導電型とは逆の第２導電型の界面バリア層と、
前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極１４と接続される第１導電型の電荷収集拡散層と
を備える請求項４に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像装置は、さらに、
前記コンタクトに接続された第１導電型の電荷収集拡散層と、
前記半導体基板の表面で前記電荷収集拡散層に隣接する領域に形成され、信号電荷の転送経路となるチャネル拡散層と、
前記半導体基板の表面で前記チャネル拡散層に隣接する領域に形成され、前記電荷収集拡散層からチャネル拡散層を介して転送された信号電荷を蓄積する第１導電型の電荷積分拡散層と、
前記電荷収集拡散層の端部、前記チャネル拡散層、および、前記電荷積分拡散層の上方を覆うバリア電極と
を備え、
前記グローバル転送ゲート電極は、電荷積分拡散層の端部、および前記グローバル電荷蓄積拡散層の上方を覆い、
前記光電変換膜の露光期間において、前記バリア電極に負電圧が印加される
請求項４に記載の固体撮像装置。
前記グローバル電荷蓄積拡散層および前記電荷積分拡散層は一体の領域として形成され、
前記グローバル転送ゲート電極および前記バリア電極は一体の電極として形成される
請求項８に記載の固体撮像装置。
前記電荷積分拡散層は、第１導電型であり、
前記固体撮像装置は、さらに、
前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第１導電型とは逆の第２導電型の界面バリア層と、
前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極１４と接続される第１導電型の電荷収集拡散層と
を備える請求項６に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像装置は、さらに、
前記コンタクトに接続された第１導電型の電荷収集拡散層と、
前記電荷収集拡散層から転送された信号電荷を蓄積する第１導電型の電荷積分拡散層と、
前記電荷収集拡散層と前記電荷積分拡散層との間の上方に形成されたバリア電極と、
前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に、前記電荷積分拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層と
を備える請求項６に記載の固体撮像装置。
前記グローバル電荷蓄積拡散層は、第１導電型であり、
前記固体撮像装置は、さらに、
前記画素電極に接続されたコンタクトと、
前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第１導電型とは逆の第２導電型の界面バリア層と、
前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極１４と接続される第１導電型の電荷収集拡散層と
を備える請求項１に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像装置は、さらに、
前記画素電極に接続されたコンタクトと、
前記コンタクトに接続された第１導電型の電荷収集拡散層と、
前記電荷収集拡散層と前記グローバル電荷蓄積拡散層との間の上方に形成されたバリア電極と、
前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に、前記グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層と
を備える請求項１に記載の固体撮像装置。
請求項１〜１３の何れか１項に記載の固体撮像装置を備えるカメラ。