JP2006059847A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像画素部の上層膜に対する瞳補正を容易に行う。
【解決手段】 撮像画素部の上層膜は瞳補正によって所定のずれ量をもって配置されている。一方、垂直選択回路においては、この回路を構成する全ての層が、垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている垂直方向のずれ量と同等の垂直方向のみのずれ量をもって形成している。また、水平選択回路においても同様に、この回路を構成する全ての層が、水平選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている水平方向のずれ量と同等の水平方向のみのずれ量をもって形成している。これにより、撮像画素部と垂直・水平選択回路との接続構造を簡素化でき、撮像画素部の瞳補正を容易に行うことが可能となる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光電変換を行う複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素部と、この撮像画素部を制御する垂直選択回路及び水平選択回路を有する固体撮像装置に関し、特に撮像画素部の上層膜が各画素に対する入射光率を改善するために、画素の位置に応じたずれ量を持った配置されている固体撮像装置に関する。

従来、例えばＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置では、半導体チップ上にフォトダイオード（光電変換素子）を含む複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素部を有し、光学系を通して入射した光をマイクロレンズやカラーフィルタ等を通して各画素のフォトダイオードに入射させて光電変換を行い、画素信号を得るようになっている。
そして、このような固体撮像装置においては、撮像画素部の中央寄りの画素と周辺寄りの画素とで入射光量に差が生じ、周辺寄りの画素で受光量が不足する問題がある。
そこで、このような問題を緩和する方法として、撮像画素部の上層に配置される各種の配線膜やプラグ、並びにカラーフィルタやマイクロレンズの配置を画素の位置に応じて適量だけずらし、受光量の均一化を図ることが行われている。なお、このような各層の配置の補正を瞳補正という。
特開平１−２１３０７９号公報

しかしながら、上記瞳補正を行う従来技術において、マイクロレンズやカラーフィルタ等の絶縁膜上に配置される部材の瞳補正は比較的容易に行えるが、電気的導通を伴う配線層やコンタクトプラグ層の瞳補正は、導通やデザインルールの観点から、周辺回路との接続が複雑となる問題がある。

そこで本発明は、撮像画素部の上層膜に対する瞳補正を容易に行うことができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子を含む複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素部と、前記撮像画素部の各画素行を垂直方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する垂直選択回路と、前記撮像画素部の各画素列を水平方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する水平選択回路とを有し、前記撮像画素部の上部に配置される積層膜が前記光電変換素子に対して各層毎に所定のずれ量をもって形成され、前記垂直選択回路を構成する全ての層が、垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている垂直方向のずれ量と同等の垂直方向のみのずれ量をもって形成されていることを特徴とする。

また本発明の固体撮像装置は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子を含む複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素部と、前記撮像画素部の各画素行を垂直方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する垂直選択回路と、前記撮像画素部の各画素列を水平方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する水平選択回路とを有し、前記撮像画素部の上部に配置される積層膜が前記光電変換素子に対して各層毎に所定のずれ量をもって形成され、前記水平選択回路を構成する全ての層が、水平選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている水平方向のずれ量と同等の水平方向のみのずれ量をもって形成されていることを特徴とする。

また本発明の固体撮像装置は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子を含む複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素部と、前記撮像画素部の各画素行を垂直方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する垂直選択回路と、前記撮像画素部の各画素列を水平方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する水平選択回路とを有し、前記撮像画素部の上部に配置される積層膜が前記光電変換素子に対して各層毎に所定のずれ量をもって形成され、前記垂直選択回路を構成する全ての層が、垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている垂直方向のずれ量と同等の垂直方向のみのずれ量をもって形成され、前記水平選択回路を構成する全ての層が、水平選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている水平方向のずれ量と同等の水平方向のみのずれ量をもって形成されていることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置によれば、垂直選択回路を構成する全ての層が、垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている垂直方向のずれ量と同等の垂直方向のみのずれ量をもって形成されたことにより、垂直選択回路の全ての層で垂直方向の位置のみを一定のずれ量でずらすことができ、瞳補正を行った撮像画素部と垂直選択回路との接続を簡素化でき、瞳補正を容易に行うことが可能となる。
また同様に本発明の固体撮像装置によれば、水平選択回路を構成する全ての層が、水平選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている水平方向のずれ量と同等の水平方向のみのずれ量をもって形成されたことにより、水平選択回路の全ての層で水平方向の位置のみを一定のずれ量でずらすことができ、瞳補正を行った撮像画素部と水平選択回路との接続を簡素化でき、瞳補正を容易に行うことが可能となる。

本発明の実施の形態は、半導体チップ上に受光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード（光電変換素子）とその信号電荷を画素信号に変換して読み出す画素トランジスタ回路とを備えた複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素部と、この撮像画素部の駆動回路や信号処理回路を設けた各種周辺回路を配置した周辺回路部とを有し、この周辺回路部に、撮像画素部の各画素行を垂直方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する垂直選択回路と、撮像画素部の各画素列を水平方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する水平選択回路を含んでいる。
そして、撮像画素部の上部には、各種配線層、コンタクト層、層間絶縁膜、平坦化膜等の積層膜が設けられ、その上にカラーフィルタ及びマイクロレンズが配置されており、積層膜の各層は、フォトダイオードに対して上層から下層に向かうにつれて徐々にパターンが拡大するように所定のずれ量をもって形成されており、入射光率の向上が図られている。また、その他の絶縁体やマイクロレンズ、カラーフィルタも、それぞれ所定のずれ量を持って形成されている。

一方、垂直選択回路においては、この回路を構成する全ての層が、垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている垂直方向のずれ量と同等の垂直方向のみのずれ量をもって形成されている。
また、水平選択回路においても同様に、この回路を構成する全ての層が、水平選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている水平方向のずれ量と同等の水平方向のみのずれ量をもって形成されている。
このように垂直選択回路では、撮像画素部に接続された配線膜を垂直方向のずれ量だけ合わせて形成し、水平選択回路では、撮像画素部に接続された配線膜を水平方向のずれ量だけ合わせて形成することで、撮像画素部と垂直・水平選択回路との接続構造を簡素化することができ、撮像画素部の瞳補正を容易に行うことが可能となる。

また本実施の形態では、垂直選択回路と水平選択回路が繋がる４隅部については各層をずらさずに形成し、さらにこの４隅部に撮像画素部外の回路との接続を行う配線を設けたことで、各層をずらすことによる導通の不具合をなくして接続を容易化し、デザインルールに左右されない設計を可能とした。
また本実施の形態では、撮像画素部の積層膜をずらす際に生じる垂直選択回路と撮像画素部との隙間に配線の接続を強化する特定のレイアウトを施し、さらに、積層膜をずらす際に生じる垂直選択回路と水平選択回路が繋がる４隅部と撮像画素部との隙間に配線の接続を強化する特定のレイアウトを施すことにより、接続状態の信頼性を向上することが可能となる。

図１は本発明の実施例による固体撮像装置の概要を示すブロック図である。
図示のように、本実施例の固体撮像装置は、半導体チップ１００上に、多数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素部２００と、この撮像画素部２００の駆動回路や信号処理回路を含む各種回路を配置した周辺回路部３００とを設けたものである。
撮像画素部２００の各画素は、受光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード（光電変換素子）とその信号電荷を画素信号に変換して読み出す転送、増幅、リセット、選択等の画素トランジスタ回路が設けられており、各トランジスタが周辺回路部３００からの各種制御線によって制御され、フォトダイオードで生成した信号電荷を電圧信号や電流信号に変換し、画素信号として撮像画素部の外部に出力する。
周辺回路部３００は、撮像画素部２００の各トランジスタを制御して画素信号の出力動作を実行させるための垂直選択回路（Ｖ選択回路）３１０及び水平選択回路（Ｈ選択回路）３２０が設けられている。なお、本実施例では、図示のように、垂直選択回路３１０及び水平選択回路３２０によって撮像画素部２００の４つの辺を包囲する配置となっているが、撮像画素部２００の３つの辺あるいは２つの辺に選択回路を設けた構成であってもよい。

図２は撮像画素部の上層膜の構造を示す断面図である。
図示のように、この固体撮像装置では、半導体チップ１００のシリコン基板１１０の表面側に複数のフォトダイオードＰＤが形成されており、このフォトダイオードＰＤの配置に合わせて、上層膜５００のパターンやカラーフィルタ６００及びマイクロレンズ７００のパターンが形成されている。
上層膜５００は、層間絶縁膜５１０中に各種の配線層ＢＭＤ、１ＭＴ、２ＭＴ、３ＭＴ及びコンタクト層１ＭＣ、２ＭＣ、３ＭＣが設けられている。そして、この上層膜５００の各層、並びにカラーフィルタ６００及びマイクロレンズ７００の各パターンは、入射効率の改善するための瞳補正として、所定のずれ量（ずれ率）を有して形成されており、全体として、上層から下層に向かうに従って徐々に縮小するようなパターンとなっている。

図３は撮像画素部及び各選択回路のずれ量の具体例を示す説明図である。なお、図中に示した各数値は、説明のために便宜的に用いたものであり、実際には他の数値が用いられるものである。
図中に示すように、撮像画素部２００上の各配線層ＢＭＤ、１ＭＴ、２ＭＴ、３ＭＴ及びコンタクト層１ＭＣ、２ＭＣ、３ＭＣのパターンは、それぞれ固有のずれ率をもって形成されており、前に示す数値が水平方向のずれ率を示し、後に示す数値が垂直方向のずれ率を示している。
例えば最上層の配線層３ＭＴのずれ率は、水平方向、垂直方向ともに０．９９３であり、フォトダイオードのパターンに対して０．９９３だけ縮小したパターンとなっている。なお、その他の絶縁膜等は水平方向、垂直方向ともにずれ率１（すなわち、ずれのないパターン）で形成されている。

一方、このような瞳補正がなされた上層膜５００に対し、垂直選択回路３１０は配線層１ＭＴを用いた信号線で撮像画素部２００側に接続され、水平選択回路３２０は配線層２ＭＴを用いた信号線で撮像画素部２００側に接続される。
そして、本実施例においては、垂直選択回路３１０を構成する全ての層が、配線層１ＭＴのずれ率（０．９９８、０．９９８）のうち垂直方向のずれ率のみを用いたずれ率（すなわち、１．０００、０．９９８）で形成されている。また、水平選択回路３１０を構成する全ての層が、配線層２ＭＴのずれ率（０．９９５、０．９９５）のうち水平方向のずれ率のみを用いたずれ率（すなわち、０．９９５、１．０００）で形成されている。

また、垂直選択回路３１０の端部と水平選択回路３２０の端部が繋がる４つの隅部３３０の各層については、ずれのないパターン（すなわち、ずれ率が１．０００、１．０００）で形成する。また、この隅部３３０からは、撮像画素部外の周辺回路部の回路ブロックに接続される配線３１２、３２２が引き出されている。
また、垂直選択回路３１０及び水平選択回路３２０の撮像画素部２００に接する斜線で示す領域３１１、３２１は、ずれ率が異なるパターンが合流する隙間の領域であり、また、垂直選択回路３１０及び水平選択回路３２０と隅部３３０との境界の斜線で示す領域３３１も同様に、ずれ率が異なるパターンが合流する隙間の領域である。
そこで、これらの隙間領域では、特定のレイアウトを施すことにより、パターンの隙間が適切に接続されるようにする。例えば、領域３１１、３２１は、垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜と同じずらし量をもつ層のみのパターンが存在し、その他の層が存在しない、または全面べたのパターンで形成される領域とする。また、領域３３１は、垂直選択回路と水平選択回路の間に水平、垂直ともにずらしていない層を形成した領域とする。

以上のような本実施例の固体撮像装置によれば、垂直選択回路を構成する全ての層が、垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている垂直方向のずれ量と同等の垂直方向のみのずれ量をもって形成されたことにより、垂直選択回路の全ての層で垂直方向の位置のみを一定のずれ量でずらすことができ、瞳補正を行った撮像画素部と垂直選択回路との接続が複雑化するのを回避することが可能となる。
また同様に本実施例の固体撮像装置によれば、水平選択回路を構成する全ての層が、水平選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている水平方向のずれ量と同等の水平方向のみのずれ量をもって形成されたことにより、水平選択回路の全ての層で水平方向の位置のみを一定のずれ量でずらすことができ、瞳補正を行った撮像画素部と水平選択回路との接続が複雑化するのを回避することが可能となる。
また本実施例の固体撮像装置によれば、垂直選択回路と水平選択回路が繋がる４隅部をずらす必要をなくし、さらにこの４隅部に撮像画素部外の回路との接続を行う配線を設けたことで、各層をずらすことによる導通の不具合をなくし、デザインルールに左右されない設計が可能となる。
この結果、撮像画素部の各層をずらすことによって垂直選択回路や水平選択回路に生じる不具合を解消でき、撮像画素部の瞳補正を容易に行うことが可能となる。

本発明の実施例による固体撮像装置の概要を示すブロック図である。 図１に示す固体撮像装置の上層膜の積層構造を示す断面図である。 図１に示す固体撮像装置のずれ率の具体例を示す説明図である。

符号の説明

１００……半導体チップ、２００……撮像画素部、３００……周辺回路部、３１０……垂直選択回路、３２０……水平選択回路、５００……上層膜、６００……カラーフィルタ、７００……マイクロレンズ。

Claims (24)

1. 受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子を含む複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素部と、
   前記撮像画素部の各画素行を垂直方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する垂直選択回路と、
   前記撮像画素部の各画素列を水平方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する水平選択回路とを有し、
   前記撮像画素部の上部に配置される積層膜が前記光電変換素子に対して各層毎に所定のずれ量をもって形成され、
   前記垂直選択回路を構成する全ての層が、垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている垂直方向のずれ量と同等の垂直方向のみのずれ量をもって形成されている、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記垂直選択回路と水平選択回路が繋がる隅部の各層がずれていないことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記垂直選択回路と水平選択回路が繋がる隅部に撮像画素部外の回路との接続を行う配線が設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記撮像画素部の上部に配置されるマイクロレンズ、カラーフィルタ、またはその他の絶縁体の少なくとも１つがずれていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記積層膜をずらす際に生じる垂直選択回路と撮像画素部との隙間に配線の接続を強化する特定のレイアウト領域が形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記特定のレイアウト領域は垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜と同じずらし量をもつ層のみのパターンが存在し、その他の層が存在しない、または全面べたのパターンで形成される領域であることを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
7. 前記積層膜をずらす際に生じる垂直選択回路と水平選択回路が繋がる隅部と撮像画素部との隙間に配線の接続を強化する特定のレイアウト領域が形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
8. 前記特定のレイアウト領域は垂直選択回路と水平選択回路の間に水平、垂直ともにずらしていない層を形成した領域であることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
9. 受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子を含む複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素部と、
   前記撮像画素部の各画素行を垂直方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する垂直選択回路と、
   前記撮像画素部の各画素列を水平方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する水平選択回路とを有し、
   前記撮像画素部の上部に配置される積層膜が前記光電変換素子に対して各層毎に所定のずれ量をもって形成され、
   前記水平選択回路を構成する全ての層が、水平選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている水平方向のずれ量と同等の水平方向のみのずれ量をもって形成されている、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
10. 前記垂直選択回路と水平選択回路が繋がる隅部の各層がずれていないことを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
11. 前記垂直選択回路と水平選択回路が繋がる隅部に撮像画素部外の回路との接続を行う配線が設けられていることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
12. 前記撮像画素部の上部に配置されるマイクロレンズ、カラーフィルタ、またはその他の絶縁体の少なくとも１つがずれていることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
13. 前記積層膜をずらす際に生じる水平選択回路と撮像画素部との隙間に配線の接続を強化する特定のレイアウト領域が形成されていることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
14. 前記特定のレイアウト領域は垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜と同じずらし量をもつ層のみのパターンが存在し、その他の層が存在しない、または全面べたのパターンで形成される領域であることを特徴とする請求項１３記載の固体撮像装置。
15. 前記積層膜をずらす際に生じる垂直選択回路と水平選択回路が繋がる隅部と撮像画素部との隙間に配線の接続を強化する特定のレイアウト領域が形成されていることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
16. 前記特定のレイアウト領域は垂直選択回路と水平選択回路の間に水平、垂直ともにずらしていない層を形成した領域であることを特徴とする請求項１５記載の固体撮像装置。
17. 受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子を含む複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素部と、
    前記撮像画素部の各画素行を垂直方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する垂直選択回路と、
    前記撮像画素部の各画素列を水平方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する水平選択回路とを有し、
    前記撮像画素部の上部に配置される積層膜が前記光電変換素子に対して各層毎に所定のずれ量をもって形成され、
    前記垂直選択回路を構成する全ての層が、垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている垂直方向のずれ量と同等の垂直方向のみのずれ量をもって形成され、
    前記水平選択回路を構成する全ての層が、水平選択回路から撮像画素部に接続された配線膜が撮像画素部上で受けている水平方向のずれ量と同等の水平方向のみのずれ量をもって形成されている、
    ことを特徴とする固体撮像装置。
18. 前記垂直選択回路と水平選択回路が繋がる隅部の各層がずれていないことを特徴とする請求項１７記載の固体撮像装置。
19. 前記垂直選択回路と水平選択回路が繋がる隅部に撮像画素部外の回路との接続を行う配線が設けられていることを特徴とする請求項１７記載の固体撮像装置。
20. 前記撮像画素部の上部に配置されるマイクロレンズ、カラーフィルタ、またはその他の絶縁体の少なくとも１つがずれていることを特徴とする請求項１７記載の固体撮像装置。
21. 前記積層膜をずらす際に生じる垂直選択回路または水平選択回路と撮像画素部との隙間に配線の接続を強化する特定のレイアウト領域が形成されていることを特徴とする請求項１７記載の固体撮像装置。
22. 前記特定のレイアウト領域は垂直選択回路から撮像画素部に接続された配線膜と同じずらし量をもつ層のみのパターンが存在し、その他の層が存在しない、または全面べたのパターンで形成される領域であることを特徴とする請求項２１記載の固体撮像装置。
23. 前記積層膜をずらす際に生じる垂直選択回路と水平選択回路が繋がる隅部と撮像画素部との隙間に配線の接続を強化する特定のレイアウト領域が形成されていることを特徴とする請求項１７記載の固体撮像装置。
24. 前記特定のレイアウト領域は垂直選択回路と水平選択回路の間に水平、垂直ともにずらしていない層を形成した領域であることを特徴とする請求項２３記載の固体撮像装置。
    

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