WO2007129451A1 - イメージセンサ - Google Patents

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electrical
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Takashi Tokuda
Jun Ohta
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Nara Institute of Science and Technology NUC
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    • H10F39/809—Constructional details of image sensors of hybrid image sensors

Definitions

  • the present invention relates to an image sensor for detecting optical information and electrical information derived from a specimen (measuring object) and reproducing a two-dimensional image related to the measuring object sample.
  • an image sensor for detecting optical information and electrical information derived from a specimen (measuring object) and reproducing a two-dimensional image related to the measuring object sample.
  • Measurement of various biological tissues such as DNA, mRNA, protein, peptide, saccharide, etc. ⁇ It relates to an image sensor suitable for performing observation.
  • DNA microarrays also called DNA chips
  • DNA probes having a plurality of types of known base sequences are immobilized on a substrate such as a slide glass.
  • a sample DNA which is a specimen
  • hybridization is performed.
  • the sample DNA is immobilized on the substrate by complementary binding to the corresponding specific DNA probe. Therefore, information on the base sequence of sample DN A can be obtained by identifying the DN A probe to which sample DN A is bound.
  • Methods for identifying a DN A probe to which a sample DNA is bound are roughly classified into optical measurement and electrical measurement.
  • a sample DNA preliminarily labeled with fluorescence is allowed to flow on a microarray substrate and complementarily bound with a DNA probe.
  • the microarray is irradiated with excitation light of a predetermined wavelength, only the DNA probe bound to the sample DNA emits fluorescence. Therefore, information on the base sequence of the sample DNA can be obtained by detecting this fluorescence intensity with a photodetector and examining which DNA probe emits light.
  • Electrochemistry associated with rehybridization is achieved by an electrode that directly contacts a measurement target spot.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 0 2-2 0 2 3 0 3
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 _ 4 9 9 1
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 5 _ 2 0 7 1 5 5
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems.
  • the first object of the present invention is to acquire a high-resolution two-dimensional image and optical measurement by optical measurement such as fluorescence for the same sample. It is an object of the present invention to provide an image sensor capable of acquiring a high-resolution two-dimensional image by using a parallel method or a time-division method.
  • a second object of the present invention is to provide an image sensor capable of easily removing such residual charges and suppressing background noise.
  • a third object of the present invention is to provide an image sensor that enables high-performance measurement, which has been difficult with conventional electrical measurement, by utilizing LSI technology. .
  • a first invention made to achieve the first object includes an optical measurement function for acquiring optical information from a specimen, and the specimen by directly contacting the specimen or via capacitive coupling.
  • a photoelectric conversion unit for an optical measurement function provided on a surface layer of the semiconductor substrate; b) provided so as to cover the surface layer of the semiconductor substrate, at least the uppermost layer being a conductor layer, and the photoelectric conversion A plurality of light-shielding layers having a non-light-shielding region for introducing light into the part, C) a measurement electrode for an electrical measurement function formed using the uppermost conductor layer of the light shielding layer;
  • the conductor layer is typically a metal layer, but may be a layer made of a conductive substance other than metal.
  • a large number of pixel cells are arranged two-dimensionally in n rows and m columns on one surface of the semiconductor substrate, and each pixel cell is connected to the photoelectric conversion unit.
  • a first readout circuit for selectively reading out the electrical signal obtained by the photoelectric conversion unit, and a second readout circuit for reading out the electrical signal obtained by the measurement electrode A configuration is preferable.
  • the photoelectric conversion unit is typically a photodiode.
  • a metal wiring layer laminated on a semiconductor substrate is used for the multilayer wiring as the light shielding layer. it can. Further, in addition to the metal wiring layer, it may include a polycrystalline silicon layer used for forming a gate electrode or a capacitor of a MOS transistor, but at least the uppermost layer of the light shielding layer is a conductor layer such as a metal.
  • the light shielding layer is for preventing unnecessary charges from being generated by the incidence of light on a MOS transistor other than the photoelectric conversion unit, for example, a MOS transistor constituting a readout circuit, etc.
  • the light shielding region and the non-light shielding region are set by appropriately designing the multilayer wiring pattern as described above.
  • the uppermost conductive layer in the light shielding layer is separated, for example, by dividing it into pixel cells, and this is used as a measurement electrode.
  • the portion where the conductor layer is removed to separate each pixel cell does not function for light shielding, so consider that the light shielding is performed with a pattern such as a lower metal wiring layer. It is desirable.
  • a photoelectric conversion unit is provided for each pixel.
  • Measurement electrodes can be placed together with a two-dimensional image that captures an optical phenomenon based on an electrical signal from a photoelectric converter and a two-dimensional image that captures an electrical phenomenon based on an electrical signal from a measurement electrode.
  • Resolution can be set.
  • both two-dimensional images can be acquired simultaneously or in time division.
  • one of the two types of measurement electrodes can be selected by providing a protective film layer on the surface of the light shielding layer. That is, a protective film layer is formed on the surface of the light shielding layer, but if the measurement electrode is exposed by providing an opening in the protective film layer on the measurement electrode, the measurement electrode is brought into contact with the specimen directly. Thus, an electrical signal can be measured. Further, in the configuration in which the measurement electrode is covered with the protective film layer that is an insulator so that the measurement electrode is not exposed, the sample placed on the protective film layer is capacitively coupled with the protective film layer interposed therebetween. Thus, an electric signal generated at the measurement electrode can be measured.
  • direct measurement and capacitive coupling measurement can be selected even with the same electric measurement.
  • a predetermined number of pixel cells can be used as a direct measurement type, and the other can be used as a capacitive coupling measurement type.
  • the first readout circuit for optical measurement and the second readout circuit for electrical measurement are provided independently in each pixel cell, and are arranged in a row.
  • optical measurement and electrical measurement can be performed simultaneously.
  • the first readout circuit and the second readout circuit is shared in each pixel cell, and a signal readout line common to a plurality of pixel cells arranged in the column is used for optical measurement.
  • the pixel cell size can be increased by reducing the size of each pixel cell.
  • a second invention made to achieve the second object is an image sensor for acquiring a two-dimensional image based on an electrical phenomenon of a specimen
  • a plurality of measurement electrodes arranged in a two-dimensional array of n rows and m columns to obtain an electrical signal from the specimen via capacitive coupling;
  • a MOS transistor circuit provided for each measurement electrode for reading out an electric signal obtained by the measurement electrode
  • a MOS transistor circuit provided for each measurement electrode for resetting the accumulated potential of the measurement electrode
  • each measurement electrode can be reset to a predetermined potential through the reset MOS transistor circuit, so that the junction in the vicinity of the measurement electrode can be obtained during the LSI manufacturing process. It is possible to easily remove the charge accumulated in the part. As a result, the background noise due to the residual charge can be reduced and the accuracy of the acquired two-dimensional image can be improved.
  • a third invention made to achieve the third object is an image sensor for acquiring a two-dimensional image by an electrical phenomenon of a specimen
  • a plurality of measurement electrodes arranged in a two-dimensional array of n rows and m columns to directly contact the sample and acquire an electrical signal from the sample
  • a readout MOS transistor circuit provided for each measurement electrode for reading out an electrical signal obtained by the measurement electrode;
  • a MOS transistor circuit for current injection provided for each measurement electrode for supplying current to the specimen via the measurement electrode;
  • a current supply line connected in common to the current injection MOS transistor corresponding to a plurality of measurement electrodes arranged in a column and provided independently for each column; and a current supply circuit;
  • the read MOS transistor circuit is controlled while controlling the current value when a predetermined current is passed through the specimen via the current injection MOS transistor circuit. It is possible to measure the local potential change of the specimen. It is also possible to measure the current that flows locally in the specimen while applying a predetermined voltage to the specimen. In this way, various measurements are possible with either the current or voltage as the controlled variable and the other as the measured variable.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of an image sensor according to an embodiment (first embodiment) of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit configuration diagram of one pixel cell in the image sensor of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a plan view of a pixel layout in the image sensor of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic longitudinal sectional view of one pixel cell in the image sensor of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a column circuit in the image sensor of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic longitudinal sectional view of one pixel cell in an image sensor according to another embodiment (second embodiment) of the present invention.
  • FIG. 7 One image sensor according to another embodiment (third embodiment) of the present invention.
  • FIG. 8 is a circuit configuration diagram of one pixel cell in an image sensor according to another embodiment (fourth embodiment) of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the image sensor according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a circuit configuration diagram of one pixel cell
  • FIG. 3 is a plan view of a pixel layout
  • FIG. 4 is an outline of one pixel cell.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a column circuit provided in each row.
  • the image sensor includes an image cell unit 1 in which pixel cells 10 are arranged in a two-dimensional array of n rows and Xm columns, and each row in the image cell unit 1. Obtained by a row scanner 2 for setting various control signals for each of the m pixel cells 10, a column circuit unit 3 and a power column circuit unit 3 provided corresponding to each column in the image cell unit 1. Output circuit section 4 for parallel-serial conversion of the signal for each column and output, and column scanner 5 for setting various control signals for each of n pixel cells 10 in each column in image cell section 1 And a timing control circuit 6 for supplying a predetermined control signal to each part.
  • Each pixel cell 10 includes an optical measurement unit 10 a for capturing optical information from a measurement object and an electrical measurement unit 1 Ob for capturing electrical information.
  • the optical measuring unit 10 a and the electrical measuring unit 10 b are provided independently.
  • the optical measuring unit 1 0 a consists of one photodiode 1 1 and 3 MOS transistors 1 2, 1 3 and 1 4, and the electrical measuring unit 1 0 b consists of 1 measuring electrode 1 5 It consists of three MOS transistors 1 6, 1 7 and 1 8.
  • the optical measurement unit 10 a and the electrical measurement unit 10 b have the same structure except that the diode 11 and the measurement electrode 15 are interchanged.
  • the photodiode terminal 1 has the anode terminal grounded, and the force sword terminal functions as a source terminal and a source follower amplifier of the first MOS transistor 12 for reset. It is connected to the gate terminal of the second MOS transistor 13.
  • the gate terminal and drain terminal of the first MOS transistor 13 are connected to the optical measurement reset signal line 20 and the column reset signal line 24, respectively, and the drain terminal of the second MOS transistor 13 is connected to the voltage signal line 22, Its source terminal is connected to the optical measurement output signal line 25 via a third MOS transistor 14 which is an output selection switch.
  • the gate terminal of the third MOS transistor 14 is connected to the row selection signal line 23.
  • the measuring electrode 15 is connected to the source terminal of the fourth MOS transistor 16 and the gate terminal of the fifth MOS transistor 17 that functions as a source follower amplifier. It is connected.
  • the gate terminal and drain terminal of the fourth MOS transistor 16 are connected to the electrical measurement reset signal line 21 and the column reset signal line 24, respectively, and the drain terminal of the fifth MOS transistor 17 is connected to the voltage signal line 22, respectively.
  • the source terminal is connected to the electrical measurement output signal line 26 via a sixth MOS transistor 18 which is an output selection switch.
  • the gate terminal of the sixth MOS transistor 18 is connected to the row selection signal line 23.
  • the optical measurement reset signal line 20, the electrical measurement reset signal line 21, and the row selection signal line 23 are common to the m pixel cells 10 belonging to the same row in the image cell unit 1, while
  • the column reset signal line 24, the optical measurement output signal line 25, and the electrical measurement output signal line 26 are n pixel cells belonging to the same column in the image cell unit 1. Is common.
  • Such a configuration is the same as the pixel configuration of a conventional general image sensor.
  • each pixel cell 10 is provided with the photodiode 11 as a photoelectric conversion unit and the measurement electrode 15 for electrical measurement.
  • the electrode 15 In order to provide the electrode 15, it has a characteristic pixel structure. That is, as shown in FIG. 3, in one pixel cell 10, the light receiving area 11a of the photodiode 11 and the area occupied by the measurement electrode 15 so as to surround it are surrounded. 15 a and a region 15 a of the measurement electrode 15 of the adjacent pixel cell 10 is separated in a lattice shape.
  • the surface layer of the Si substrate 30 which is a semiconductor substrate is provided with a MOS transistor or a measuring electrode 15 for reading a signal obtained by the photodiode 11 or the photodiode 11.
  • a circuit unit 31 composed of MOS transistors for reading out the obtained signals is formed.
  • Four metal wiring layers 3 2 are formed on the surface layer with an insulating interlayer film 3 3 made of Si 0 2 or the like interposed between them, and a protective film layer 3 4 is formed on the uppermost layer. Is formed.
  • the metal wiring layer 3 2 is formed in the order of formation from the lower layer to the first metal wiring layer 3 2 1, the second metal wiring layer 3 2 2, the third metal wiring layer 3 2 3, and the fourth metal wiring layer 3 2 4. ing.
  • the first metal wiring layer 3 2 1 and the second metal wiring layer 3 2 2 are used for signal wiring in and between circuits
  • the third metal wiring layer 3 2 3 and the fourth metal wiring layer 3 2 4 is often used for the power supply and ground of the solid pattern.
  • each metal wiring layer 3 2 1 to 3 2 4 has a region in which no metal wiring exists (that is, non-light-shielding) immediately above the photodiode 11 1 that needs to detect light.
  • a window opening 36 consisting only of a substantially cylindrical insulating interlayer film 33 and a protective film layer 34 for allowing light to enter the photodiode 11 is formed.
  • light entering from above reaches the photodiode 11 and is photoelectrically converted by the photodiode 11.
  • the metal wiring layer 3 2 has a light shielding function as well as a wiring function.
  • the uppermost fourth metal wiring layer 3 2 4 is used as the measurement electrode 15. It is used. That is, conventionally, in the case of such a four-layer wiring, the fourth metal wiring layer 3 2 4 is electrically used for a power supply or a ground potential, and in particular, a region other than the photodiode 11 is used for light shielding.
  • the pattern of the fourth metal wiring layer 3 2 4 is separated for each pixel cell 10 as shown in FIG. By providing an opening 35 in the protective film layer 34 that covers the surface of the layer 3 24, the measurement electrode 15 exposed to the outside is formed for each pixel cell 10.
  • the measurement electrode 15 itself also functions as a light shielding layer that prevents light from reaching the circuit portion 31 and the like.
  • the fourth metal wiring layer 3 2 4 has a grid-like non-wiring region as described above, and in this region, the fourth metal Wiring layer 3 2 4 has no light blocking effect. Therefore, by covering the area with the metal wiring pattern of the first to third metal wiring layers 3 2 1 to 3 2 3 below that, the light shielding property immediately below the non-wiring area is sufficiently secured. Yes. As a result, the overall light shielding performance is not impaired.
  • the uppermost fourth metal wiring layer 3 2 4 that has been conventionally used mainly for light shielding has been used.
  • a measurement electrode 15 can be provided for each pixel cell 10.
  • FIG. 5 shows a circuit configuration for one column in the column circuit section 3, but the circuit on the left side is provided by the optical measurement output signal line 25 and the electrical measurement output signal line 26, respectively.
  • the output circuit connected to the end of this optical measurement output signal line 25 or electrical measurement output signal line 26 is two MOS transistors 4 0, 4 1 connected in series, and one MOS functioning as an amplifier. Transi Includes Star 4 2. On the other hand, reset connected to the end of column reset signal line 2 4
  • the Z current supply circuit has a plurality of different values from the switch unit 4 3, the I ZV conversion amplifier 44, and the switch unit 45 including a plurality of switches inserted in the feedback path of the amplifier 44. Including a resistance portion 4 6 including a resistor.
  • the photodiode 11 in each pixel cell 10 is first reset at the beginning of one cycle (for example, one frame) for acquiring an image signal. That is, at this time, in the column circuit section 3, the switch 4 3 is turned on and b is turned off, and the column reset signal line 24 is supplied with a predetermined reset voltage V R S.
  • the first MOS transistor 12 in the pixel cell 10 is turned on by applying the reset signal ORS to the optical measurement reset signal line 20 in this state, the potential on the power sword side of the photodiode 11 is Reset to the reset voltage VRS.
  • the current signal supplied to the optical measurement output signal line 25 is converted into a voltage signal by the MOS transistors 4 1 and 4 2 functioning as load resistors in the column circuit section 3, and is then converted by the MOS transistor 43 in the next stage.
  • the readout columns are sequentially selected one by one by the row scanner 2, and correspond to the pixel cells 10 belonging to the selected column among the m pixel cells 10 in one row.
  • the voltage signal is output to output terminal 7.
  • voltage signals corresponding to the amount of light received by the photodiodes 11 of the pixel cells 10 are sequentially output.
  • the following measurement can be performed using the column reset signal line 24.
  • the switch 4 3 is turned on and turned off, the predetermined control voltage VCT is applied to the inverting input terminal of the I ZV conversion amplifier 44, and either one is turned on with the switch 45. Turn on and set the gain of I ZV conversion amplifier 4 4.
  • the fourth MOS transistor 16 is turned on in this state, the fourth MOS transistor 1 6, the column reset signal line 2 4, the switch 4 3 b, and the switch section 4 5 are connected to the measurement object in contact with the measurement electrode 15.
  • the measurement current flows through the resistance section 46, and a voltage signal corresponding to the measurement current is obtained at the output of the I ZV conversion amplifier 44.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the pixel cell of the second embodiment, which is basically the same structure as FIG. 4 shown in the first embodiment. The difference is that in the first embodiment, the measurement electrode 15 was exposed because the opening 35 was formed in the protective film layer 3 4 covering the measurement electrode 15, whereas this second implementation was different. In the example, the entire surface of the measurement electrode 15 is left covered with the protective film layer 34.
  • the specimen that is the measurement object is placed directly on the protective film layer 34, but the protective film layer that is a kind of dielectric between the measurement electrode 15 and the specimen. Since 3 4 exists, measurement electrode 15 is capacitively coupled to the sample immediately above it, thereby generating a potential. In the case of the configuration of the second embodiment, the potential generated in the measurement electrode 15 in this way is taken out to the electric measurement output signal line 26 through the MOS transistors 17 and 18 and detected.
  • the measurement electrode 15 is not exposed in the configuration of the second embodiment. If charge is accumulated in the gate-source Z-drain junction of MOS transistor 17 in this case, there is no path through which this charge can escape, which may result in residual charge and cause background noise.
  • the measurement electrodes 15 of all the pixel cells 10 can be reset via the reset MOS transistor 16 and the column reset signal line 24. Is possible. As a result, it is possible to carry out electrical measurement in a state with little noise by removing the accumulated charge as described above.
  • each pixel cell 10 requires 6 MOS transistors and pixel cell 1 It is disadvantageous for 0 miniaturization.
  • the image sensors of the third embodiment and the fourth embodiment have a configuration in which the number of transistors in the pixel cell 10 can be reduced instead of performing optical measurement and electrical measurement simultaneously.
  • FIG. 7 is a circuit configuration diagram of one pixel cell in the image sensor of the third embodiment.
  • MOS transistors for reset, source follower amplifier, and output switch are shared between optical measurement and electrical measurement, and output signal line 25 is also 1 Only a book.
  • a MOS transistor 50 for optical measurement selection and a MOS transistor 51 for electrical measurement selection are provided to select optical measurement and electrical measurement, and the gate terminal of each MOS transistor is an optical measurement selection signal line. 2 7, connected to electrical measurement selection signal line 2 8
  • Either the terminal or the measurement electrode 15 is connected to the MOS transistors 1 2, 1 3, etc., and the measurement operation as described above becomes possible.
  • FIG. 8 is a circuit configuration diagram of one pixel cell in the image sensor of the fourth embodiment.
  • the MOS transistor 50 is further removed from the configuration of the pixel cell 10 in the third embodiment.
  • the MOS transistor 51 is off, the measurement electrode 15 is disconnected, and optical measurement by the photodiode 11 can be performed.
  • the MOS transistor 51 is turned on, the measurement electrode 15 is connected to the gate terminal of the MOS transistor 13 and electrical measurement by the measurement electrode 15 is possible.
  • the photodiode 11 since the photodiode 11 is still connected, it is desirable to perform electrical measurement under conditions where the fluctuation of incident light on the photodiode 11 can be ignored.
  • either a direct measurement type as in the first embodiment or a capacitive coupling measurement type as in the second embodiment can be adopted.

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Abstract

　各画素セルにおいてフォトダイオード（１１）の受光領域以外に光が入射することを妨げる、多層金属配線（３２）による遮光層の中の最上層の金属配線層（３２４）を、検体に直接接触して電気信号を計測するための計測電極（１５）として利用する。また、各画素セル内に、フォトダイオード（１１）よる電気信号を読み出す回路のほかに、独立して或いは共用化して、計測電極（１５）による電気信号を読み出すための回路を設ける。これにより、各画素セル毎に光計測用のフォトダイオード（１１）と電気計測用の計測電極（１５）とを設けることができる。従って、検体による光学的情報を取得する光計測機能と検体による電気的情報を取得する電気計測機能と一体化したイメージセンサにおいて、両二次元画像の空間分解能をともに高くすることができる。

Description

明 細 書
イメージセンサ
技術分野
[0001] 本発明は、 検体 （測定対象物） に由来する光学的情報や電気的情報を検出 してその測定対象試料に関連した二次元画像を再現するためのィメージセン ザに関し、 特に、 主として生化学、 分子生物学、 臨床医学等の分野において
、 DNA、 mRNA、 タンパク質、 ペプチド、 糖類などの各種生体組織の測 定■観察を行うために好適なイメージセンサに関する。
背景技術
[0002] 近年、 生化学、 分子生物学、 臨床医学等の分野において、 生物の遺伝子情 報の利用が進んでおリ、 それに伴い D N Aの構造解析の技術は急速に進歩し ている。 従来より、 DN A構造を解明するために DN Aマイクロアレイ （D NAチップともいう） が用いられている。 DN Aマイクロアレイでは、 スラ ィドガラス等の基板上に複数種類の既知の塩基配列を有する DN Aプローブ が固定されており、 この基板上に検体であるサンプル DN Aを流すと、 ハイ ブリダイゼーシヨンによりサンプル D N Aは対応する特定の D N Aプローブ と相補的に結合して基板上に固定される。 したがって、 サンプル DN Aが結 合した DN Aプローブを特定することによりサンプル DN Aの塩基配列に関 する情報を得ることができる。
[0003] サンプル DN Aが結合した DN Aプローブを特定する方法として、 大別し て、 光学計測によるものと電気計測によるものとがある。 前者の方法では、 予め蛍光標識を施したサンプル DN Aをマイクロアレイ基板上に流し、 DN Aプローブと相補結合させる。 その状態で、 所定波長の励起光をマイクロア レィに照射するとサンプル DNAと結合した DNAプロ一ブのみが蛍光発光 する。 したがって、 この蛍光強度を光検出器により検出し、 いずれの DNA プロ一ブが発光しているのかを調べることでサンプル D N Aの塩基配列に関 する情報を得ることができる。 一般的には、 例えば近接場顕微鏡などの微弱 な蛍光を検出可能な装置を用いる必要があるが、 D N Aマイクロアレイと二 次元検出器とを一体化した装置も提案されている （例えば特許文献 1、 2な ど参照） 。
[0004] 一方、 電気計測においても D N Aマイクロアレイと検出用のセンサとを一 体化する試みがなされており、 計測対象のスポッ卜に直接接触する電極によ リハイブリダィゼーシヨンに伴う電気化学特性の変化を検出する方法と、 絶 縁膜等を挟んで計測対象のスポッ卜と容量結合する電極によリスポッ卜の静 電的特性の変化を検出する方法とが提案されている。
[0005] 上記のような D N Aマイクロアレイを用いた D N A構造解析において、 光 学計測による検出と電気計測による検出とを並行的に進めることが可能であ れば、 それぞれの検出漏れや不確定性を補って解析精度の大幅な向上が望め る。 しかしながら、 従来、 こうした解析を実現可能なセンサは存在しなかつ
[0006] また上記のような D N Aマイクロアレイに限らず、 生体組織等の生体試料 の観察や測定を行う上で、 光学計測と電気計測とを並行して実行することは 非常に有効である。 こうした観点から、 本願出願人は、 生体試料についての 光学計測と電気計測とを同時に行えるようにしたイメージセンサを特許文献 3において提案している。 この文献に記載のイメージセンサによれば、 二次 元状に配列された光電変換部の一部で、 画素に代えて保護膜から上方に突出 する電極を設けており、 この電極を保護膜上に載置された試料に接触させる ようにして試料の電気信号を取リ出すとともに光電変換部で試料から発せら れた蛍光などを検出することが可能となっている。
[0007] しかしながら、 上記構成では、 電気計測はあくまで補助的なものであるこ とを想定しているため、 電気計測による二次元画像の空間分解能を上げるた めに電極の数を増加しょうとすると光電変換部の数を減らさなければならず 、 光学計測による二次元画像の空間分解能が低下する。 即ち、 両方の二次元 画像の空間分解能をともに高くすることはできず、 必ずしも相補的に利用で きるような結果を得ることは難しいという問題がある。 [0008] 特許文献 1 ：特開 2 0 0 2 - 2 0 2 3 0 3号公報
特許文献 2：特開 2 0 0 5 _ 4 9 9 1号公報
特許文献 3：特開 2 0 0 5 _ 2 0 7 1 5 5号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] 本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、 その第 1の目的とすると ころは、 同一の試料に対し蛍光等の光学計測による高分解能の二次元画像の 取得と電気計測による高分解能の二次元画像の取得とを同時並行的に或いは 時分割で以て行うことができるィメージセンサを提供することにある。
[0010] また上記のようなイメージセンサを実現するためには電気計測を行うため の計測電極を L S I技術により実現することが必要であるが、 容量結合型の 構成では、 L S I製造プロセスの過程で発生する残留電荷が蓄積し、 これが バックグラウンドノイズとなる可能性がある。
[0011 ] 本発明の第 2の目的とするところは、 こうした残留電荷を容易に除去する ことができ、 バックグラウンドノイズを抑制することができるイメージセン サを提供することにある。
[0012] さらにまた、 本発明の第 3の目的とするところは、 L S I技術を利用する ことで従来の電気計測では困難であった高機能な計測を可能とするイメージ センサを提供することにある。
課題を解決するための手段
[0013] 上記第 1の目的を達成するために成された第 1発明は、 検体による光学的 情報を取得する光計測機能と、 前記検体に直接接触して又は容量結合を介し て該検体による電気的情報を取得する電気計測機能と、 を同一半導体基体上 に搭載したイメージセンサであって、
a)前記半導体基体の表層に設けられた光計測機能のための光電変換部と、 b)前記半導体基体の表層を被覆するように設けられ、 少なくとも最上層が 導電体層であって前記光電変換部への光の導入のための非遮光領域を有する 複数層の遮光層と、 C)前記遮光層の最上層の導電体層を利用して形成された電気計測機能のた めの計測電極と、
を備えることを特徴としている。
[0014] ここで導電体層は典型的には金属層であるが、 金属以外の導電性物質から 成る層でもよい。
[0015] 上記第 1発明に係るイメージセンサの一態様として、 前記半導体基体の一 面に画素セルが n行 m列の二次元状に多数配置され、 各画素セルは、 前記光 電変換部と前記計測電極のほか、 前記光電変換部で得られた電気信号を選択 的に読み出すための第 1読み出し回路と、 前記計測電極で得られた電気信号 を読み出すための第 2読み出し回路と、 を含む構成とすることが好ましい。 ここで光電変換部は典型的にはフォ卜ダイオードである。
[0016] 一般的な C M O Sイメージセンサ等の L S I回路では 2層以上の多層配線 が利用されるから、 前記遮光層としてこの多層配線のために半導体基体上に 積層される金属配線層を用いることができる。 また、 金属配線層以外に、 M O Sトランジスタのゲー卜電極やコンデンサを形成するために用いられる多 結晶シリコン層などを含んでもよいが、 少なくとも遮光層の最上層は金属等 の導電体層である。
[0017] 基本的に、 遮光層は光電変換部以外の、 例えば読み出し回路等を構成する M O Sトランジスタなどに、 光が入射することにより不要な電荷が発生する ことを防止するためのものであり、 上述したような多層配線のパターンを適 宜に設計することにより遮光領域と非遮光領域が設定される。 第 1発明に係 るイメージセンサでは、 この遮光層の中で最上層の導電体層を例えば画素セ ル毎に区画することで分離し、 これを計測電極として利用する。 但し、 画素 セル毎に分離するために導電体層が除去された部分は遮光のために機能しな <なるから、 その部分について下層の金属配線層等のパターンで遮光が行わ れるように配慮することが望ましい。
発明の効果
[0018] 第 1発明に係るイメージセンサによれば、 各画素毎にそれぞれ光電変換部 とともに計測電極を配置することができるため、 光電変換部による電気信号 に基づく光学的現象を捉えた二次元画像と計測電極による電気信号に基づく 電気的現象を捉えた二次元画像とをともに高い空間分解能とすることができ る。 また、 両二次元画像を同時並行的に又は時分割で取得することができる 。 これにより、 例えば光学的情報と電気的情報とを適宜組み合わせて又は補 い合うようにして測定対象物の観察■測定精度を大幅に向上させることがで さる。
[0019] 上記第 1発明に係るイメージセンサでは、 遮光層の表層に保護膜層を設け る構成とすることにより計測電極の形態として 2つのいずれかを選択するこ とができる。 即ち、 遮光層の表層には保護膜層が形成されるが、 計測電極上 で保護膜層に開口部を設けることで計測電極が露出するようにすれば、 検体 に計測電極を接触させて直接的に電気信号を計測することができる。 また、 絶縁体である保護膜層で計測電極を被覆して計測電極が露出しないようにし た構成では、 保護膜層上に載置される検体と該保護膜層を挟んで容量結合す ることで該計測電極に発生する電気信号を計測することができる。
[0020] 即ち、 計測電極上を被覆する保護膜層を除去するかどうかにより、 同じ電 気計測でも直接計測と容量結合計測とを選択することが可能となる。 もちろ ん、 一個のイメージセンサにおいて、 複数の画素セルの中の所定個数を直接 計測型にし、 他を容量結合計測型にするように両者を混在させることも可能 である。
[0021 ] また、 第 1発明に係るイメージセンサでは、 各画素セルにおいて光学計測 用の第 1読み出し回路と電気的計測用の第 2読み出し回路とが独立して設け られ、 列内に配置される複数の画素セルに共通の信号読み出し線を光計測用 と電気計測用とで独立して設ける構成とすることにより、 光学計測と電気計 測とを同時に行うことができる。
[0022] 一方、 各画素セルにおいて第 1読み出し回路と第 2読み出し回路との少な くとも一部を共用化し、 列内に配置される複数の画素セルに共通の信号読み 出し線は光計測用と電気計測用とで共用する構成とすることにより、 完全な 同時計測はできないものの、 各画素セルのサイズを縮小化して画素セルの密 度を高めることができる。
[0023] 上記第 2の目的を達成するために成された第 2発明は、 検体の電気的現象 による二次元画像を取得するためのイメージセンサであって、
n行 m列の二次元状に配列された、 容量結合を介して検体による電気信号 を取得するための複数の計測電極と、
各計測電極毎に設けられた、 該計測電極で得られた電気信号を読み出すた めの M O Sトランジスタ回路と、
各計測電極毎に設けられた、 該計測電極の蓄積電位をリセッ卜するための M O Sトランジスタ回路と、
を備えることを特徴としている。
[0024] 第 2発明に係るイメージセンサによれば、 リセット用の M O S卜ランジス タ回路を通して各計測電極を所定電位にリセッ卜することができるので、 L S I製造プロセスの過程等で計測電極付近の接合部などに蓄積される電荷を 簡単に除去することができる。 これにより、 残留電荷によるバックグラウン ドノイズを軽減して、 取得される二次元画像の精度を向上させることができ る。
[0025] もちろん、 この第 2発明の構成要素を第 1発明に係るイメージセンサに導 入することにより、 光電変換部による電気信号に基づく光学的現象を捉えた 二次元画像と計測電極による電気信号に基づく電気的現象を捉えた二次元画 像とをともに高い空間分解能とし、 しかも後者の二次元画像の精度を向上さ せることができる。
[0026] 上記第 3の目的を達成するために成された第 3発明は、 検体の電気的現象 による二次元画像を取得するためのイメージセンサであって、
n行 m列の二次元状に配列された、 検体に直接接触して該検体による電気 信号を取得するための複数の計測電極と、
各計測電極毎に設けられた、 該計測電極で得られた電気信号を読み出すた めの読み出し用 M O Sトランジスタ回路と、 各計測電極毎に設けられた、 該計測電極を介して前記検体に電流を供給す るための電流注入用 M O Sトランジスタ回路と、
列内に配置される複数の計測電極に対応した前記電流注入用 M O S卜ラン ジスタ回路に共通に接続され、 且つ列毎に独立した設けられた電流供給線、 及び電流供給回路と、
を備えることを特徴としている。
[0027] 第 3発明に係るイメージセンサによれば、 例えば電流注入用 M O S卜ラン ジスタ回路を介して検体に所定の電流を流したリその電流値を制御したリし ながら読み出し用 M O Sトランジスタ回路を介して検体の局所的な電位変化 を計測することができる。 また、 所定の電圧を検体に印加しながら検体に局 所的に流れる電流を計測することもできる。 このように、 電流と電圧のいず れか一方を制御量、 他方を計測量として多様な計測が可能となる。
[0028] もちろん、 この第 3発明の構成要素を第 1発明に係るイメージセンサに導 入することにより、 光電変換部による電気信号に基づく光学的現象を捉えた 二次元画像と計測電極による電気信号に基づく電気的現象を捉えた二次元画 像とをともに高い空間分解能とし、 しかも計測電極を用いた計測において、 電流と電圧のいずれか一方を制御量、 他方を計測量として多様な計測が行え る。
図面の簡単な説明
[0029] [図 1 ]本発明の一実施例 （第 1実施例） によるイメージセンサの全体構成を示 すブロック図。
[図 2]第 1実施例のイメージセンサにおける 1個の画素セルの回路構成図。
[図 3]第 1実施例のィメージセンサにおける画素レイァゥ卜の平面図。
[図 4]第 1実施例のイメージセンサにおける 1個の画素セルの概略縦断面図。
[図 5]第 1実施例のイメージセンサにおけるカラム回路の構成図。
[図 6]本発明の他の実施例 （第 2実施例） によるイメージセンサにおける 1個 の画素セルの概略縦断面図。
[図 7]本発明の他の実施例 （第 3実施例） によるイメージセンサにおける 1個 の画素セルの回路構成図。
[図 8]本発明の他の実施例 （第 4実施例） によるイメージセンサにおける 1個 の画素セルの回路構成図。
符号の説明
1…イメージセル部
2…行スキャナ
3…カラム回路部
4…出力回路部
5…列スキャナ
6…タイミング制御回路
7…出力端子
1 0…画素セル
1 0 a…光計測部
1 0 b…電気計測部
1 1…フォ卜ダイォード
1 2、 1 3、 1 4、 1 6、 1 7、 1 8、 40、 41、 42、 43、 50、 5
1—MOSトランジスタ
1 5…計測電極
20…光計測リセッ卜信号線
21…電気計測リセッ卜信号線
22…電圧信号線
23…行選択信号線
24…列リセッ卜信号線
25…光計測出力信号線
26…電気計測出力信号線
27…光計測選択信号線
28…電気計測選択信号線
3 C^"S i基板 31…回路部
32、 321〜 324…金属配線層
33, 絶縁層間膜
34- 保護膜層
35, ··開口部
36- 窓開口
43- ■■スィッチ部
44- ■■ I ZV変換用アンプ
45- ■■スィッチ部
46- 抵抗部
発明を実施するための最良の形態
[0031] [第 1実施例]
本発明に係るイメージセンサの一実施例 （第 1実施例という） について図 面を参照して説明する。 図 1は本実施例によるイメージセンサの全体構成を 示すブロック図、 図 2は 1個の画素セルの回路構成図、 図 3は画素レイァゥ 卜の平面図、 図 4は 1個の画素セルの概略縦断面図、 図 5は各列に設けられ るカラム回路の構成図である。
[0032] 図 1に示すように、 本実施例によるイメージセンサは、 n行 Xm列の二次 元アレイ状に画素セル 1 0が配置されたイメージセル部 1と、 イメージセル 部 1内の各行の m個の画素セル 1 0毎に各種制御信号を設定する行スキャナ 2と、 イメージセル部 1内の各列に対応して設けられたカラム回路部 3と力 ラム回路部 3で得られた各列毎の信号をパラレル一シリアル変換して出力す るための出力回路部 4と、 イメージセル部 1内の各列の n個の画素セル 1 0 毎に各種制御信号を設定する列スキャナ 5と、 各部に所定の制御信号を供給 するタイミング制御回路 6と、 を備える。 各画素セル 1 0は、 測定対象物か らの光学的情報を取り込むための光計測部 1 0 aと電気的情報を取り込むた めの電気計測部 1 O bとを備える。
[0033] この第 1実施例のイメージセンサでは、 図 2に示すように、 1個の画素セ ル 1 0において光計測部 1 0 aと電気計測部 1 0 bとは独立して設けられて いる。 光計測部 1 0 aは 1個のフォ卜ダイオード 1 1と 3個の MOS卜ラン ジスタ 1 2、 1 3、 1 4とから成り、 電気計測部 1 0 bは 1個の計測電極 1 5と 3個の MOSトランジスタ 1 6、 1 7、 1 8とから成る。 光計測部 1 0 aと電気計測部 1 0 bとは、 フォ卜ダイォード 1 1と計測電極 1 5とが入れ 替わっているだけで他は同じ構造となっている。
[0034] 光計測部 1 0 aにおいて、 フォトダイオード 1 1はァノ一ド端子が接地さ れ、 力ソード端子はリセット用の第 1 MOSトランジスタ 1 2のソース端子 とソースホロアアンプとして機能する第 2MOSトランジスタ 1 3のゲー卜 端子とに接続されている。 第 1 MOSトランジスタ 1 3のゲート端子及びド レイン端子はそれぞれ光計測リセッ卜信号線 20及び列リセッ卜信号線 24 に接続され、 第 2MOSトランジスタ 1 3のドレイン端子は電圧信号線 22 に接続され、 そのソース端子は出力選択用スィッチである第 3 MOS卜ラン ジスタ 1 4を介して光計測出力信号線 25に接続されている。 この第 3MO Sトランジスタ 1 4のゲート端子は行選択信号線 23に接続されている。
[0035] 一方、 電気計測部 1 0 bにおいて、 計測電極 1 5は第 4 M O S卜ランジス タ 1 6のソース端子とソースホロアアンプとして機能する第 5MOS卜ラン ジスタ 1 7のゲー卜端子とに接続されている。 第 4MOSトランジスタ 1 6 のゲー卜端子及びドレイン端子はそれぞれ電気計測リセッ卜信号線 21及び 列リセッ卜信号線 24に接続され、 第 5MOSトランジスタ 1 7のドレイン 端子は電圧信号線 22に接続され、 そのソース端子は出力選択用スィッチで ある第 6MOSトランジスタ 1 8を介して電気計測出力信号線 26に接続さ れている。 この第 6MOSトランジスタ 1 8のゲート端子は行選択信号線 2 3に接続されている。
[0036] 光計測リセッ卜信号線 20、 電気計測リセッ卜信号線 21、 及び行選択信 号線 23はイメージセル部 1内で同一行に属する m個の画素セル 1 0に共通 であり、 一方、 列リセット信号線 24、 光計測出力信号線 25及び電気計測 出力信号線 26はイメージセル部 1内で同一列に属する n個の画素セル 1 0 に共通である。 こうした構成は従来の一般的なイメージセンサの画素構成と 同様である。
[0037] 上述のように本実施例のイメージセンサでは、 各画素セル 1 0にそれぞれ 光電変換部としてのフォ卜ダイォード 1 1と電気計測用の計測電極 1 5とが 設けられているが、 計測電極 1 5を設けるために特徴的な画素構造を有して いる。 即ち、 図 3に示すように、 1個の画素セル 1 0の中にはフォ卜ダイォ ード 1 1の受光領域 1 1 aと、 それを取り囲むように広く計測電極 1 5が占 める領域 1 5 aとが設けられ、 隣接する画素セル 1 0の計測電極 1 5の領域 1 5 aは格子状に分離されている。
[0038] 図 4に示すように、 半導体基体である S i基板 3 0の表層には、 フォトダ ィオード 1 1やフォトダイオード 1 1で得られた信号を読み出すための M O Sトランジスタや計測電極 1 5で得られた信号を読み出すための M O Sトラ ンジスタから成る回路部 3 1が形成されている。 その表層の上には、 それぞ れ S i 0 2などによる絶縁層間膜 3 3を挟んで 4層の金属配線層 3 2が形成さ れ、 その最上層の上には保護膜層 3 4が形成されている。 金属配線層 3 2は 形成の順番に、 下層から第 1金属配線層 3 2 1、 第 2金属配線層 3 2 2、 第 3金属配線層 3 2 3、 第 4金属配線層 3 2 4となっている。 一般的には、 第 1金属配線層 3 2 1及び第 2金属配線層 3 2 2が回路内や回路間の信号配線 に利用され、 第 3金属配線層 3 2 3や第 4金属配線層 3 2 4はほぼべタパタ ーンの電源やグラウンドに利用されることが多い。
[0039] 金属配線は光を遮るため、 光を検出する必要のあるフォ卜ダイオード 1 1 の直上において各金属配線層 3 2 1〜3 2 4は金属配線が全く存在しない領 域 （つまり非遮光領域） となっており、 これによりフォトダイオード 1 1に 光を入射させるための略筒状の絶縁層間膜 3 3及び保護膜層 3 4のみから成 る窓開口 3 6が形成されている。 これにより、 図 4に示すように上方から入 射して来る光はフォトダイオード 1 1に到達してフォトダイオード 1 1で光 電変換される。 一方、 フォトダイオード 1 1以外の回路部 3 1や各画素で得 られた信号を保持■転送する図示しないレジスタ回路などに光が入射すると 、 これがノイズとなって誤動作や画質劣化の一因となる。 そこで、 フォトダ ィオード 1 1直上以外の部分は金属配線層 3 2で被覆して遮光を行うように している。
[0040] このように金属配線層 3 2は配線の機能とともに遮光の機能を有している が、 本実施例では、 さらに最上層の第 4金属配線層 3 2 4が計測電極 1 5と して利用されている。 即ち、 従来、 このような 4層配線の場合、 第 4金属配 線層 3 2 4は電気的には電源又はグラウンド電位に利用され、 特に遮光のた めにフォ卜ダイオード 1 1以外の領域を広く覆うようなパターンとされるが 、 本実施例のイメージセンサでは、 図 4に示すように第 4金属配線層 3 2 4 のパターンを各画素セル 1 0毎に分離し、 さらに第 4金属配線層 3 2 4の表 層を被覆する保護膜層 3 4に開口部 3 5を設けることで、 各画素セル 1 0毎 に外部に露出する計測電極 1 5を形成するようにしている。 もちろん、 この 計測電極 1 5自体も回路部 3 1などに光が到達することを妨げる遮光層とし て機能する。
[0041 ] 但し、 画素セル 1 0間の計測電極 1 5を分離するために第 4金属配線層 3 2 4には上述のように格子状の非配線領域が存在し、 その領域では第 4金属 配線層 3 2 4に遮光性がない。 そこで、 その下層の第 1〜 3金属配線層 3 2 1〜3 2 3の金属配線パターンで以てその領域をカバーすることにより、 上 記非配線領域の直下における遮光性も十分に確保している。 これにより、 全 体としての遮光性は損なわれない。
[0042] 以上のように、 本実施例のイメージセンサの画素構造では、 従来、 主とし て遮光のために利用している最上層の第 4金属配線層 3 2 4を利用すること で、 各画素セル 1 0毎にそれぞれ計測電極 1 5を設けることができる。
[0043] 図 5はカラム回路部 3の中の 1列分の回路構成を示しているが、 左側の回 路は光計測出力信号線 2 5と電気計測出力信号線 2 6とでそれぞれ設けられ ているものの 1つを省略している。 この光計測出力信号線 2 5又は電気計測 出力信号線 2 6の末端に接続される出力用回路は直列接続される 2個の M O Sトランジスタ 4 0、 4 1と、 アンプとして機能する 1個の M O Sトランジ スタ 4 2を含む。 一方、 列リセット信号線 2 4の末端に接続されるリセット
Z電流供給用回路は、 スィッチ部 4 3と、 I ZV変換用アンプ 4 4と、 該ァ ンプ 4 4の帰還経路に挿入される複数のスィツチを含むスィッチ部 4 5と複 数の異なる値の抵抗を含む抵抗部 4 6とを含む。
[0044] 次に、 上記構成のイメージセンサを用いた計測の際の動作について説明す る。 このイメージセンサを用いて検体の光学的二次元画像及び電気的二次元 画像を取得する際には、 全体としてイメージセンサの表層を覆う保護膜層 3 4の上に直接検体を載せるようにする。
[0045] 光計測の場合、 画像信号を取得するための 1サイクル （例えば 1フレーム ) の最初に、 まず各画素セル 1 0内のフォトダイオード 1 1をリセットする 。 即ち、 このときにはカラム回路部 3においてスィッチ 4 3は aがオン、 b がォフされ、 列リセッ卜信号線 2 4には所定のリセット電圧 V R Sが与えら れている。 この状態で光計測リセッ卜信号線 2 0にリセッ卜信号 O R Sを印 加することにより画素セル 1 0内の第 1 M O Sトランジスタ 1 2がオンする と、 フォトダイオード 1 1の力ソード側の電位はリセット電圧 V R Sに一旦 リセッ卜される。 その後、 第 1 M O Sトランジスタ 1 2がオフした状態でフ オトダイオード 1 1に光が入射すると、 その受光強度に応じた電流がフォト ダイォード 1 1に流れ、 その電流による放電のためにフォ卜ダイォード電位 は徐々に低下する。 このときの電位の低下速度は受光強度に依存しておリ、 受光強度が大きいほど低下速度が速くなる。
[0046] 第 3 M O Sトランジスタ 1 4がオフしている間、 第 2 M O Sトランジスタ
1 3は光計測出力信号線 2 5と実質的には切り離されているが、 行選択信号 線 2 3に供給される選択信号 S E Lによって第 3 M O Sトランジスタ 1 4が オンすると、 そのときのフォ卜ダイォード電位に応じてソースホロアアンプ である第 2 M O Sトランジスタ 1 3に流れる電流信号が光計測出力信号線 2 5に供給される。 上述のようにフォ卜ダイオード電位の低下速度は受光強度 が大きいほど速いため、 所定の受光期間内の受光量が大きいほどフォ卜ダイ オード電位は小さい。 [0047] 光計測出力信号線 2 5に供給された電流信号はカラム回路部 3において負 荷抵抗として機能する M O Sトランジスタ 4 1、 4 2により電圧信号に変換 され、 次段の M O Sトランジスタ 4 3により増幅されて出力回路部 4に送ら れる。 そして、 出力回路部 4では、 行スキャナ 2により読み出し列が順次 1 つずつ選択され、 1行の m個の画素セル 1 0の中でその選択された列に属す る画素セル 1 0に対応した電圧信号が出力端子 7に出力される。 これにより 、 各画素セル 1 0のフォトダイオード 1 1で受光した受光量に対応した電圧 信号が順番に出力されることになる。
[0048] 一方、 電気計測の場合、 単純に測定対象物の電圧計測を行う場合には光計 測のようにリセッ卜を行う必要はなく、 第 4 M O Sトランジスタ 1 6をオフ させた状態で第 6 M O Sトランジスタ 1 8をオンし、 計測電極 1 5に発生し た電位に応じて電気計測出力信号線 2 6に流れる電流信号をカラム回路部 3 で電圧信号に変換して出力回路部 4を通して読み出すようにすればよい。
[0049] また、 電気計測の場合で、 観察対象物に電流を注入しながら電流計測を行 う場合には列リセッ卜信号線 2 4を利用して次のような計測を行うことがで きる。 即ち、 このときにはカラム回路部 3においてスィッチ 4 3は bがオン 、 aがオフされ、 I ZV変換用アンプ 4 4の反転入力端子に所定の制御電圧 V C Tを印加し、 スィッチ 4 5でいずれかをオンして I ZV変換用アンプ 4 4のゲインを設定する。 この状態で第 4 M O Sトランジスタ 1 6をオンさせ ると計測電極 1 5に接触している測定対象物に第 4 M O Sトランジスタ 1 6 、 列リセット信号線 2 4、 スィッチ 4 3 b、 スィッチ部 4 5、 抵抗部 4 6を 通して計測電流が流れ、 I ZV変換用アンプ 4 4の出力ではその計測電流に 応じた電圧信号が得られる。
[0050] これによリ、 1行の m個の画素セル 1 0に含まれる m個の計測電極 1 5で 同時並行的にそれぞれ異なる制御電圧の下での電流信号を計測することがで さる。
[0051 ] [第 2実施例]
第 1実施例のイメージセンサでは、 電気計測は観察対象物に直接に接触す る計測電極 1 5によリ得た電圧信号又は電流信号を取リ出すものであつたが 、 上記第 1実施例の構造を少し変更するだけで間接的な容量結合型計測を行 うものに変更することができる。 図 6はこの第 2実施例の画素セルの縦断面 図であり、 第 1実施例で示した図 4と基本的には同じ構造である。 異なるの は、 第 1実施例では計測電極 1 5を被覆する保護膜層 3 4に開口部 3 5が形 成されていたために計測電極 1 5が露出していたのに対し、 この第 2実施例 では、 計測電極 1 5の全面が保護膜層 3 4で被覆されたままとされているこ とである。
[0052] 上記と同様に、 測定対象物である検体は保護膜層 3 4の上に直接載置され るが、 計測電極 1 5と検体との間には一種の誘電体である保護膜層 3 4が存 在するため、 計測電極 1 5はその直上の検体と容量結合してそれにより電位 が発生する。 この第 2実施例の構成の場合、 このようにして計測電極 1 5に 発生した電位を M O Sトランジスタ 1 7、 1 8を通して電気計測出力信号線 2 6に取り出して検出することになる。
[0053] この場合、 第 1実施例の構成とは異なり計測電極 1 5から検体に電流を流 すことはできないため、 図 5に示したカラム回路において I ZV変換用アン プ 4 4やその帰還回路は不要である。 一方、 スィッチ部 4 3を通したリセッ 卜は重要である。
[0054] 即ち、 図 2に示す回路においてリセッ卜用の M O Sトランジスタ 1 6が無 い場合を考えると、 この第 2実施例の構成では計測電極 1 5が露出していな いため、 L S I製造プロセス等において M O Sトランジスタ 1 7のゲート一 ソース Zドレイン接合に電荷が蓄積されると、 この電荷が抜ける経路がなく 残留電荷となってバックグラウンドノイズの原因となる可能性がある。 これ に対し、 この第 2実施例の構成では、 リセッ卜用の M O Sトランジスタ 1 6 と列リセッ卜信号線 2 4を介して全ての画素セル 1 0の計測電極 1 5をリセ ッ卜することが可能である。 これにより、 上記のように蓄積される電荷を抜 いてノイズの少ない状態で電気計測を行うことが可能である。
[0055] [第 3実施例] 上記第 1実施例のイメージセンサでは、 各画素セル 1 0において光計測部
1 0 aと電気計測部 1 0 bとが独立して設けられており、 光計測と電気計測 とを同時に実行できる反面、 各画素セル 1 0に 6個の M O Sトランジスタが 必要になり画素セル 1 0の小型化には不利である。 第 3実施例及び第 4実施 例のイメージセンサは、 光計測と電気計測とが同時に実行できない代わリに 画素セル 1 0のトランジスタ数を減らすことができる構成を有している。
[0056] 図 7は第 3実施例のィメージセンサにおける 1個の画素セルの回路構成図 である。 この構成では、 リセット用、 ソースホロアアンプ用、 及び出力スィ ツチ用の M O Sトランジスタ 1 2、 1 3、 1 4は光計測と電気計測とで共用 化されており、 出力信号線 2 5も 1本だけである。 一方、 光計測と電気計測 とを選択するために光計測選択用の M O Sトランジスタ 5 0と電気計測選択 用の M O Sトランジスタ 5 1が設けられ、 各 M O Sトランジスタのゲー卜端 子は光計測選択信号線 2 7、 電気計測選択信号線 2 8に接続されている。
[0057] 即ち、 この構成では、 光計測選択信号線 2 7及び電気計測選択信号線 2 8 により択一的にオン駆動される M O Sトランジスタ 5 0、 5 1に応じてフォ 卜ダイオード 1 1のカソード端子又は計測電極 1 5のいずれかが M O Sトラ ンジスタ 1 2、 1 3等に接続され、 前述のような計測のための動作が可能と なる。
[0058] [第 4実施例]
図 8は第 4実施例のイメージセンサにおける 1個の画素セルの回路構成図 である。 この構成では、 第 3実施例における画素セル 1 0の構成から、 さら に M O Sトランジスタ 5 0が取り除かれている。 この場合、 M O Sトランジ スタ 5 1がオフ状態であれば計測電極 1 5は切り離され、 フォ卜ダイォード 1 1による光計測が可能である。 一方、 M O Sトランジスタ 5 1をオン状態 とすれば計測電極 1 5が M O Sトランジスタ 1 3のゲート端子に接続され、 計測電極 1 5による電気計測が可能である。 但し、 この場合にはフォトダイ オード 1 1も接続されたままであるので、 フォトダイオード 1 1に対する入 射光の変動が無視できる条件の下で電気計測を行うことが望ましい。 [0059] もちろん、 第 3、 第 4実施例においては、 第 1実施例のような直接計測型 、 第 2実施例のような容量結合計測型のいずれの構成も採ることができる。
[0060] なお、 上記各実施例は一例であって、 本発明の趣旨の範囲で適宜変形ゃ修 正を行っても、 本願の特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

Claims

請求の範囲
[1] 検体による光学的情報を取得する光計測機能と、 前記検体に直接接触して 又は容量結合を介して該検体による電気的情報を取得する電気計測機能と、 を同一半導体基体上に搭載したイメージセンサであって、
a)前記半導体基体の表層に設けられた光計測機能のための光電変換部と、 b)前記半導体基体の表層を被覆するように設けられ、 少なくとも最上層が 導電体層であって前記光電変換部への光の導入のための非遮光領域を有する 複数層の遮光層と、
c)前記遮光層の最上層の導電体層を利用して形成された電気計測機能のた めの計測電極と、
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
[2] 前記遮光層の表層には保護膜層が形成され、 前記計測電極上で前記保護膜 層には開口部が設けられていることを特徴とする請求項 1に記載のィメージ センサ。
[3] 前記計測電極は保護膜層で被覆され、 該保護膜層上に載置される検体と該 保護膜層を挟んで容量結合することで前記計測電極に電気信号が発生するも のであることを特徴とする請求項 1に記載のィメージセンサ。
[4] 前記半導体基体の一面に画素セルが n行 m列の二次元状に多数配置され、 各画素セルは、 前記光電変換部と前記計測電極のほか、 前記光電変換部で得 られた電気信号を選択的に読み出すための第 1読み出し回路と、 前記計測電 極で得られた電気信号を読み出すための第 2読み出し回路と、 を含むことを 特徴とする請求項 1〜 3のいずれかに記載のィメージセンサ。
[5] 各画素セルにおいて前記第 1読み出し回路と前記第 2読み出し回路とは独 立して設けられ、 列内に配置される複数の画素セルに共通の信号読み出し線 は光計測用と電気計測用とで独立していることを特徴とする請求項 4に記載 のイメージセンサ。
[6] 各画素セルにおいて前記第 1読み出し回路と前記第 2読み出し回路との少 なくとも一部は共用化され、 列内に配置される複数の画素セルに共通の信号 読み出し線は光計測用と電気計測用とで共用されることを特徴とする請求項 4に記載のイメージセンサ。
[7] 各画素セル内に前記光電変換部であるフォ卜ダイオードをリセッ卜するた めのトランジスタ素子を有し、 該トランジスタ素子を用いて同一画素セル内 の前記計測電極をリセット可能としたことを特徴とする請求項 4に記載のィ メージセンサ。
[8] 前記計測電極は n行 m列の二次元状に配列され、 容量結合を介して検体に よる電気信号を取得するものであって、
前記各計測電極毎に設けられ、 該計測電極で得られた電気信号を読み出す ための M O Sトランジスタ回路と、
前記各計測電極毎に設けられ、 該計測電極の蓄積電位をリセッ卜するため の M O Sトランジスタ回路と、 をさらに備えることを特徴とする請求項 1に 記載のイメージセンサ。
[9] 前記計測電極は n行 m列の二次元状に配列され、 検体に直接接触して該検 体による電気信号を取得するものであって、
前記各計測電極毎に設けられ、 該計測電極で得られた電気信号を読み出す ための読み出し用 M O Sトランジスタ回路と、
前記各計測電極毎に設けられ、 該計測電極を介して前記検体に電流を供給 するための電流注入用 M O Sトランジスタ回路と、
列内に配置される複数の計測電極に対応した前記電流注入用 M O S卜ラン ジスタ回路に共通に接続され、 且つ列毎に独立して設けられた電流供給線、 及び電流供給回路と、
さらにを備えることを特徴とする請求項 1に記載のィメージセンサ。
[10] 検体の電気的現象による二次元画像を取得するためのイメージセンサであ つて、
a) n行 m列の二次元状に配列された、 容量結合を介して検体による電気信 号を取得するための複数の計測電極と、
b)各計測電極毎に設けられ、 該計測電極で得られた電気信号を読み出すた めの M O Sトランジスタ回路と、
C)各計測電極毎に設けられ、 該計測電極の蓄積電位をリセッ卜するための M O Sトランジスタ回路と、
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
検体の電気的現象による二次元画像を取得するためのイメージセンサであ つて、
a) n行 m列の二次元状に配列された、 検体に直接接触して該検体による電 気信号を取得するための複数の計測電極と、
b)各計測電極毎に設けられ、 該計測電極で得られた電気信号を読み出すた めの読み出し用 M O Sトランジスタ回路と、
C)各計測電極毎に設けられ、 該計測電極を介して前記検体に電流を供給す るための電流注入用 M O Sトランジスタ回路と、
d)列内に配置される複数の計測電極に対応した前記電流注入用 M O Sトラ ンジスタ回路に共通に接続され、 且つ列毎に独立して設けられた電流供給線 、 及び電流供給回路と、
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
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