JP4212447B2

JP4212447B2 - 固体撮像装置および電子カメラ

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Publication number: JP4212447B2
Application number: JP2003342569A
Authority: JP
Inventors: 長孝田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: CN1619824A; JP2005109262A; CN100382328C; US7522204B2; US20050104094A1

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、ＭＯＳセンサに関するものである。また、本発明は、その固体撮像装置を適用した電子カメラに関するものである。

半導体デバイス技術の進歩により、ビデオカメラは小型化されており、携帯便利になって広く利用されている。従来、ビデオカメラは固体撮像装置としてＣＣＤセンサを用いていた。しかしながら、ＣＣＤセンサは、デバイスの駆動に複数種の電圧を必要とし、その電圧を電源電圧から発生させる複数個の電源回路を必要とする。このため、ＣＣＤセンサの上記特徴が、ビデオカメラの更なる小型化をはかる妨げとなり、また、消費電力低減を妨げる一因となっていた。

そこで、ＣＣＤセンサを代替する固体撮像装置として、増幅型のＭＯＳトランジスタを用いたＭＯＳセンサが期待されている。ＭＯＳセンサは、単一の電源で駆動することができるとともに、低消費電力・低電圧化はかることができる。この従来の固体撮像装置の単位セルの構造を示す断面図を図１０に示す（例えば、特許文献１参照）。

シリコン基板２０１の上部にフォトダイオード２０２が設けられている。また、シリコン基板２０１の上部に、読み出しトランジスタのドレイン２０３がフォトダイオード２０２に離間して設けられている。フォトダイオード２０２とドレイン２０３との間には、ゲート配線２０４がシリコン基板２０１上にシリコン酸化膜２０５を介して設けられている。素子分離領域にはシリコン酸化膜２０６が設けられ、素子領域が電気的に分離されている。

ゲート配線２０４およびシリコン酸化膜２０５上に、層間絶縁膜２０７が設けられている。層間絶縁膜２０７上にはマイクロレンズ２０８が設けられ、マイクロレンズ２０８に入射した光をフォトダイオード２０２上に集光している。

次に、図１０に示した従来の固体撮像装置の単位セルにおいて光がフォトダイオード２０２に入射する様子について図１１を参照しながら説明する。図１１は、従来の固体撮像装置の単位セルにおける入射光の進行経路を示す図である。図１１においては、従来の固体撮像装置の上にカメラレンズ２０９が設けられ、このカメラレンズ２０９により集光された光がマイクロレンズ２０８に入射する場合を示している。なお、以下では、説明の便宜上、フォトダイオード２０２に対してゲート配線２０４が設けられた側を右側とし、フォトダイオード２０２に対してゲート配線２０４と反対側を左側として説明する。

図１１（ａ）は、イメージエリアにおいてカメラレンズ２０９の直下に単位セルが位置し、マイクロレンズ２０８の光軸とカメラレンズ２０９の光軸とが一致している場合を示している。また、図１１（ｂ）は、イメージエリアにおいてカメラレンズ２０９の光軸から右側に単位セルが位置し、マイクロレンズ２０８に対してカメラレンズ２０９が左上方に位置する場合を示している。更に、図１１（ｃ）は、イメージエリアにおいてカメラレンズ２０９の光軸から左側に単位セルが位置し、マイクロレンズ２０８に対してカメラレンズ２０９が右上方に位置する場合を示している。

まず、カメラレンズ２０９の直下に位置する単位セルにおいて光がフォトダイオード２０２に入射する様子を図１１（ａ）を参照しながら説明する。カメラレンズ２０９の中心を通る光（以下、主光線）は、マイクロレンズ２０８の中心を通り、フォトダイオード２
０２に垂直に入射する。一方、右上からマイクロレンズ２０８に入射した光は、層間絶縁膜２０７中をマイクロレンズ２０８の中心から外れた方向に進行し、フォトダイオード２０２に隣接する素子分離領域に入射する。また、左上からマイクロレンズ２０８に入射した光は、層間絶縁膜２０７中をマイクロレンズ２０８の中心から外れた方向に進行し、ゲート配線２０４に入射する。ゲート配線２０４に入射した光の一部はゲート配線２０４を透過し、ゲート配線２０４下のシリコン基板２０１に入射する。一方、ゲート配線２０４を透過しなかった残りの光は、ゲート配線２０４と層間絶縁膜２０７との境界において反射され、フォトダイオード２０２に入射する。

次に、カメラレンズ２０９の光軸から右側に位置する単位セルにおいて光がフォトダイオード２０２に入射する様子を図１１（ｂ）を参照しながら説明する。主光線は、左上に位置するカメラレンズ２０９から右下に位置するマイクロレンズ２０８にかけて斜め方向に進行し、フォトダイオード２０２に直接に入射する。一方、カメラレンズ２０９の右側から入射した光も、主光線と同様、フォトダイオード２０２に直接に入射する。また、カメラレンズ２０９の左側から入射した光は、ゲート配線２０４に入射する。ゲート配線２０４に入射した光の一部はゲート配線２０４と層間絶縁膜２０７との境界において反射され、フォトダイオード２０２に入射する。

次に、カメラレンズ２０９の光軸から左側に位置する単位セルにおいて光がフォトダイオード２０２に入射する様子を図１１（ｃ）を参照しながら説明する。主光線は、右上に位置するカメラレンズ２０９から左下に位置するマイクロレンズ２０８にかけて斜め方向に進行し、フォトダイオード２０２に直接に入射する。一方、カメラレンズ２０９の右側から入射した光は素子分離領域に入射する。また、カメラレンズ２０９の左側から入射した光は、ゲート配線２０４に入射する。ゲート配線２０４に入射した光の一部はゲート配線２０４と層間絶縁膜２０７との境界において反射され、フォトダイオード２０２に入射する。
特開平１０−１５０１８２号公報（第５頁および第６頁、図１）

従来の固体撮像装置においては、カメラレンズ２０９の光軸から右側に位置する単位セルでは、図１１（ｂ）に示したようにカメラレンズ２０９の右側から入射した光がフォトダイオード２０２に直接に入射する。これに対し、カメラレンズ２０９の光軸から左側に位置する単位セルでは、図１１（ｃ）に示したようにカメラレンズ２０９の右側から入射した光は素子分離領域に入射する。素子分離領域に入射した光は、シリコン酸化膜２０６を透過してシリコン基板２０１中で光電変換されるものの、その信号電荷の多くはシリコン酸化膜２０６近傍で再結合するためにフォトダイオード２０２に蓄積されない。このため、従来の固体撮像装置は、カメラレンズ２０９の光軸から左側に位置する単位セルよりも右側に位置する単位セルの方が、カメラレンズ２０９の右側からの入射光に対して感度が良い。

一方、カメラレンズ２０９の左側から入射した光に対しては、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）に示したように、ゲート配線２０４に反射されるため、単位セルがイメージエリアの左右どちらに位置するかに関係なく、フォトダイオード２０２に入射する光量は略同一である。

このため、従来の固体撮像装置は、カメラレンズ２０９の光軸から左側に位置する単位セルよりも右側に位置する単位セルの方が、入射光に対する感度が良くなっていた。

単位セルの感度は撮像画像に画素の明るさとして反映されるため、単位セルの感度がイメージエリア内での単位セルの位置に依存して異なると、得られる撮像画像は、一端が明るく、もう一端が暗いものとなってしまう。このため、イメージエリア内での単位セルの位置に対する単位セルの感度の変化を抑制することが求められている。

本発明は、以上の背景からなされたものであり、イメージエリア内での単位セルの位置に対する単位セルの感度の変化が抑制された固体撮像装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記した固体撮像装置を適用した電子カメラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上部に設けられた第１のフォトダイオードと、前記半導体基板の上部において前記第１のフォトダイオードから離間して設けられた拡散層と、前記第１のフォトダイオードと前記拡散層との間において前記半導体基板の上に第１のゲート絶縁膜を介して設けられた第１のゲート配線と、前記半導体基板の上において前記第１のフォトダイオードを介して前記第１のゲート配線と対向する位置に、前記第１のフォトダイオードに隣接して設けられた第１の配線と、前記半導体基板の上部において前記拡散層を介して前記第１のフォトダイオードと対向する位置に、前記拡散層から離間して設けられた第２のフォトダイオードと、前記第２のフォトダイオードと前記拡散層との間において前記半導体基板の上に第２のゲート絶縁膜を介して設けられた第２のゲート配線と、前記半導体基板の上において前記第２のフォトダイオードを介して前記第２のゲート配線と対向する位置に、前記第２のフォトダイオードに隣接して設けられた第２の配線とを具備することを特徴としている。

更に、本発明に係る電子カメラは、被写体から光学像を受光し、この光学像を所定位置に導く光学系と、前記所定位置に導かれた光学像を画素単位で前記光学像の光量に対応した電気信号に光電変換する固体撮像装置を有する画像処理手段と、前記画像処理手段の出力に対してシェーディング補正を行う信号加工手段とを具備し、前記固体撮像装置が上記した固体撮像装置であることを特徴としている。

本発明によれば、イメージエリア内での単位セルの位置に対する単位セルの感度の変化が抑制された固体撮像装置を提供することができる。

また、本発明によれば、上記した固体撮像装置を適用した電子カメラを提供することができる。

以下に、本発明に係る固体撮像装置についての実施例を図１乃至７を参照しながら説明する。

まず、本実施例に係る固体撮像装置の回路構成について図１を参照しながら説明する。
図１は、本実施例に係る固体撮像装置の回路構成を示す回路図である。

単位セルが２×２と二次元状に配置され、この二次元状に配置された複数の単位セルによりイメージエリアが構成されている。なお、実際には、これより多くの単位セルが配置される。単位セルは、フォトダイオード１、読み出しトランジスタ２、増幅トランジスタ３、アドレストランジスタ４およびリセットトランジスタ５を具備している。フォトダイオード１は、入射した光を光電変換して信号電荷を蓄積する。読み出しトランジスタ２は、読み出し線６がハイレベルとなることによって、フォトダイオード１により蓄積された信号電荷を増幅トランジスタ３のゲートに読み出す。増幅トランジスタ３と負荷トランジスタ１１とはソースフォロワ回路として動作し、増幅トランジスタ３のゲート電圧に応じた電圧を垂直信号線７に出力する構成になっている。リセットトランジスタ５は、増幅トランジスタ３のゲートに蓄積された信号電荷を所定の電圧にリセットする。

垂直シフトレジスタ８から水平方向に配線されている水平アドレス線９は、アドレストランジスタ４のゲートに結線され、どの行をソースフォロワ回路として動作させるかを決めている。リセット線１０は、リセットトランジスタ５のゲートに結線されている。垂直信号線７の一端には負荷トランジスタ１１が設けられている。また、垂直信号線７の他端は、水平シフトレジスタ１２から供給される選択パルスにより選択される選択トランジスタ１３を介して、水平信号線１４に接続されている。この水平信号線１４に読み出された信号は、アンプ１５により増幅されて出力される。

次に、本実施例に係る固体撮像装置の単位セルの構造について図２を参照しながら説明する。図２は、本実施例に係る固体撮像装置の単位セルの構成を示す平面図である。

半導体基板の素子領域１６に、フォトダイオード１７および読み出しトランジスタ２のドレイン１８が離間して形成されている。また、フォトダイオード１７とドレイン１８との間には、読み出しトランジスタ２のゲート配線１９が設けられている。このゲート配線１９は、読み出し線６（図示せず）に接続されている。

フォトダイオード１７を介してゲート配線１９と対向する位置には、配線２０が設けられている。この配線２０は、リセット線１０（図示せず）に接続されている。また、ゲート配線１９のフォトダイオード１７に隣接する側の側面と配線２０のフォトダイオード１７に隣接する側の側面とは、フォトダイオード１７を介して互いに対向する半導体基板の上面からの同一高さ位置において、フォトダイオード１７上に形成されたマイクロレンズの光軸Ａとの距離が等しくなるように設けられている。

読み出しトランジスタ２のドレイン１６は、ジャンプ配線２１を経て、増幅トランジスタ３のゲート配線２２に接続されている。素子領域２３には、ゲート配線２２を挟んで、増幅トランジスタ３のソース２４およびドレイン２５が形成されている。このドレイン２５は、増幅トランジスタ３とアドレストランジスタ４とに共有され、増幅トランジスタ３のドレインであるとともにアドレストランジスタ４のソースでもある。アドレストランジスタ４のドレイン２６が、増幅トランジスタ３のドレイン２５（アドレストランジスタ４のソース）とゲート配線２７を挟んで形成されている。また、増幅トランジスタ３のソース２４は、コンタクトを経て、垂直信号線７（図示せず）に接続されている。

読み出しトランジスタ２のドレイン１６および増幅トランジスタ３のゲート配線２２は、ジャンプ配線２１を経て、素子領域２８に形成されたリセットトランジスタ５のソース２９に接続されている。また、素子領域２８には、リセットトランジスタ５のドレイン３０がソース２９に離間して形成されている。更に、ソース２９とドレイン３０との間にはゲート配線３１が設けられている。なお、ソース２９´およびゲート配線３１´は、隣接
する単位セルのリセットトランジスタ５のソースおよびゲート配線である。

次に、本実施例に係る固体撮像装置の単位セルの断面構造について図３を参照しながら説明する。図３は、図２中のＢ−Ｂ´線に沿った断面図である。なお、図２と共通する部分には、図２と同一の符号を付している。なお、ここでは、半導体基板としてシリコン基板を例に挙げて説明する。

シリコン基板３２の上部にフォトダイオード１７が設けられている。また、シリコン基板３２の上部に、読み出しトランジスタ２のドレイン１８がフォトダイオード１７に離間して設けられている。フォトダイオード１７とドレイン１８との間には、ゲート配線１９がシリコン基板３２上にシリコン酸化膜３３（ゲート絶縁膜）を介して設けられている。また、フォトダイオード１７を介してゲート配線１９と対向する位置には、配線２０がシリコン基板３２上にシリコン酸化膜３３を介して設けられている。素子分離領域（素子領域１６を囲む領域）にはシリコン酸化膜３４が設けられ、素子領域１６が電気的に分離されている。

シリコン酸化膜３３およびゲート配線１９および配線２０の上に、層間絶縁膜３５が設けられている。層間絶縁膜３５上にはマイクロレンズ３６が設けられ、マイクロレンズ３６に入射した光をフォトダイオード１７上に集光している。また、ゲート配線１９のフォトダイオード１７に隣接する側の側面と配線２０のフォトダイオード１７に隣接する側の側面とは、フォトダイオード１７を介して互いに対向するシリコン基板３２の上面からの同一高さ位置において、マイクロレンズ３６の光軸Ａとの距離が等しくなるように設けられている。更に、ゲート配線１９と配線２０とは同一の材料により形成され、層間絶縁膜３５はゲート配線１９および配線２０とは屈折率が異なる材料により形成されている。

次に、図３に示した本実施例に係る固体撮像装置の単位セルにおいて光がフォトダイオード１７に入射する様子について図４を参照しながら説明する。図４は、本実施例に係る固体撮像装置の単位セルにおける入射光の進行経路を示す図である。図４においては、本実施例に係る固体撮像装置の上にカメラレンズ３７が設けられ、このカメラレンズ３７により集光された光がマイクロレンズ３６に入射する場合を示している。なお、以下では、説明の便宜上、フォトダイオード１７に対してゲート配線１９が設けられた側を右側とし、フォトダイオード１７に対して配線２０が設けられた側を左側として説明する。

マイクロレンズ３６に入射する光の進行経路は、単位セルとカメラレンズ３７との位置関係に依存する。つまり、マイクロレンズ３６に入射する光の進行経路は、イメージエリア内での単位セルの位置によって異なる。図４（ａ）は、カメラレンズ３７の直下に単位セルが位置し、マイクロレンズ３６の光軸とカメラレンズ３７の光軸とが一致している場合を示している。また、図４（ｂ）は、イメージエリアにおいてカメラレンズ３７の光軸から右側に単位セルが位置し、マイクロレンズ３６に対してカメラレンズ３７が左上方に位置する場合を示している。更に、図４（ｃ）は、イメージエリアにおいてカメラレンズ３７の光軸から左側に単位セルが位置し、マイクロレンズ３６に対してカメラレンズ３７が右上方に位置する場合を示している。なお、図４（ｂ）に示した単位セルと図４（ｃ）に示した単位セルとは、図４（ａ）に示した単位セルに対して対称に位置する単位セルである。

まず、カメラレンズ３７の直下に位置する単位セルにおいて光がフォトダイオード１７に入射する様子を図４（ａ）を参照しながら説明する。カメラレンズ３７の中心を通る光（以下、主光線）は、マイクロレンズ３６の中心を通り、フォトダイオード１７に垂直に入射する。一方、右上からマイクロレンズ３６に入射した光は、層間絶縁膜３５中をマイクロレンズ３６の中心から外れた方向に進行し、フォトダイオード１７に隣接する素子分
離領域上に設けられた配線２０に入射する。配線２０に入射した光の一部は配線２０を透過し、配線２０下のシリコン酸化膜３４に入射する。一方、配線２０を透過しなかった残りの光は、配線２０と層間絶縁膜３５とは屈折率が異なることから配線２０と層間絶縁膜３５との境界において反射され、フォトダイオード１７に入射する。また、左上からマイクロレンズ３６に入射した光は、層間絶縁膜３５中をマイクロレンズ３６の中心から外れた方向に進行し、ゲート配線１９に入射する。ゲート配線１９に入射した光の一部はゲート配線１９を透過し、ゲート配線１９下のシリコン基板３２に入射する。一方、ゲート配線１９を透過しなかった残りの光は、ゲート配線１９と層間絶縁膜３５とは屈折率が異なることからゲート配線１９と層間絶縁膜３５との境界において反射され、フォトダイオード１７に入射する。

次に、カメラレンズ３７の光軸から右側に位置する単位セルにおいて光がフォトダイオード１７に入射する様子を図４（ｂ）を参照しながら説明する。主光線は、左上に位置するカメラレンズ３７から右下に位置するマイクロレンズ３６にかけて斜め方向に進行し、フォトダイオード１７に直接に入射する。一方、カメラレンズ３７の右側から入射した光は配線２０に入射する。配線２０に入射した光の一部は配線２０と層間絶縁膜３５との境界において反射され、フォトダイオード１７に入射する。また、カメラレンズ３７の左側から入射した光は、ゲート配線１９に入射する。ゲート配線１９に入射した光の一部はゲート配線１９と層間絶縁膜３５との境界において反射され、フォトダイオード１７に入射する。

次に、カメラレンズ３７の光軸から左側に位置する単位セルにおいて光がフォトダイオード１７に入射する様子を図４（ｃ）を参照しながら説明する。主光線は、右上に位置するカメラレンズ３７から左下に位置するマイクロレンズ３６にかけて斜め方向に進行し、フォトダイオード１７に直接に入射する。一方、カメラレンズ３７の右側から入射した光は配線２０に入射する。配線２０に入射した光の一部は配線２０と層間絶縁膜３５との境界において反射され、フォトダイオード１７に入射する。また、カメラレンズ３７の左側から入射した光は、ゲート配線１９に入射する。ゲート配線１９に入射した光の一部はゲート配線１９と層間絶縁膜３５との境界において反射され、フォトダイオード１７に入射する。

図２および図３に示した単位セルにおいては、ゲート配線１９および配線２０がフォトダイオード１７を介して対向する位置に設けられている。このため、図４（ｂ）に示した単位セル（カメラレンズ３７の光軸から右側に位置する単位セル）においてゲート配線１９に反射される光と、図４（ｃ）に示した単位セル（カメラレンズ３７の光軸から右側に位置する単位セル）において配線２０に反射される光とは、光量が略同一となる。また、図４（ｂ）に示した単位セルにおいて配線２０に反射される光と、図４（ｃ）に示した単位セルにおいてゲート配線１９に反射される光とは、光量が略同一となる。よって、図４（ｂ）に示した単位セルと図４（ｃ）に示した単位セルとは感度が略同一となる。つまり、ゲート配線１９と配線２０とが対向する方向においてカメラレンズ３７の光軸に対して対称に位置する単位セルの感度が略同一となる。なお、ゲート配線１９に反射される光と配線２０に反射される光との光量を同一とするため、図２および図３に示したように、ゲート配線１９のフォトダイオード１７に隣接する側の側面と配線２０のフォトダイオード１７に隣接する側の側面とは、フォトダイオード１７を介して互いに対向する半導体基板の上面からの同一高さ位置において、フォトダイオード１７上に形成されたマイクロレンズ３６の光軸Ａとの距離が等しくなるように設けることが望ましい。

本実施例に係る固体撮像装置の単位セルの感度を図５に示す。横軸はイメージエリアの中心に対する単位セルの位置を示し、縦軸は単位セルの感度を示している。また、本実施例に係る固体撮像装置の単位セルの感度を実線で示し、図１０に示した従来の固体撮像装
置の単位セルの感度を破線で示している。

図２および図３に示した本実施例に係る固体撮像装置の単位セルは、読み出しトランジスタ２のゲート配線１９とフォトダイオード１７を介して対向する位置に配線２０が設けられている。配線２０が設けられると、図１０に示した従来の固体撮像装置の単位セルにおいて素子分離領域に入射していた光が、配線２０と層間絶縁膜３５との境界において反射され、フォトダイオード１７に入射する。この配線２０に反射される光量は、図４（ｃ）に示したようにイメージエリアの中心から左側に単位セルが位置する場合に多い。このため、本実施例に係る固体撮像装置は、図１０に示した従来の固体撮像装置に比較して、イメージエリアの左側に位置する単位セルの感度が向上している。

以上において説明した本実施例に係る固体撮像装置は、読み出しトランジスタ２のゲート配線１９とフォトダイオード１７を介して対向する位置に配線２０がフォトダイオード１７に隣接して設けられている。このため、本実施例に係る固体撮像装置は、ゲート配線１９と配線２０とが対向する方向においてカメラレンズ３７の光軸に対して対称に位置する単位セルの感度を略同一とし、イメージエリア内での単位セルの位置に対する単位セルの感度の変化を抑制することができる。

また、本実施例に係る固体撮像装置は、素子分離領域に入射する斜め方向からの入射光を配線２０により反射してフォトダイオード１７に入射させている。このため、本実施例に係る固体撮像装置は、従来の固体撮像装置に比較して、斜め方向からの入射光に対して単位セルの感度が向上している。

更に、本実施例に係る固体撮像装置は、配線２０を読み出しトランジスタ２のゲート配線１９と同一のレイヤーで同一の材料により形成している。このため、本実施例に係る固体撮像装置は、ゲート配線１９を形成する工程において配線２０を同時に形成することにより、図１０に示した従来の固体撮像装置を製造する場合に比較して工程数の増加を伴わずに製造することができる。

更に、本実施例に係る固体撮像装置の単位セルの感度は、図５に示したように、イメージエリア内での単位セルの位置に対してカメラレンズ３７の直下を頂点とする放物線状の特性を有している。このため、本実施例に係る固体撮像装置により得られた撮像画像は、効果的にシェーディング補正を行うことができる。このシェーディング補正については、後に詳述する。

次に、本実施例の第１変形例に係る固体撮像装置について図６を参照して説明する。図６は、本実施例の第１変形例に係る固体撮像装置の単位セルの構造を示す平面図である。なお、図２を参照して説明したものと共通する部分については、図６において図２と同一の符号を付し、その説明を省略する。

フォトダイオード１７とドレイン１８との間にゲート配線１９が設けられている。ゲート配線１９にはフォトダイオード１７の一部を覆うように凸部３８が設けられている。また、フォトダイオード１７を介してゲート配線１９と対向する位置には、配線２０が設けられている。配線２０にはフォトダイオード１７の一部を覆うように凸部３９が設けられている。更に、ゲート配線１９のフォトダイオード１７に隣接する側の側面と配線２０のフォトダイオード１７に隣接する側の側面とは、フォトダイオード１７を介して互いに対向する半導体基板の上面からの同一高さ位置において、フォトダイオード１７上に形成されたマイクロレンズの光軸Ａとの距離が等しくなるように設けられている。

以上に説明した本実施例の第１変形例に係る固体撮像装置においても、本実施例に係る
固体撮像装置と同様の効果を得ることができる。このように、本実施例に係る固体撮像装置において、ゲート配線１９と配線２０との形状は図２および図３に示したものに限られない。

次に、本実施例の第２変形例に係る固体撮像装置について図７を参照しながら説明する。図７は、本実施例の第２変形例に係る固体撮像装置の単位セルの構造を示す平面図である。なお、図２を参照して説明したものと共通する部分については、図７において図２と同一の符号を付し、その説明を省略する。

半導体基板の素子領域１６においてドレイン１８を介してフォトダイオード１７（第１のフォトダイオード）と対向する位置に、フォトダイオード４０（第２のフォトダイオード）がドレイン１８と離間して設けられている。ドレイン１８とフォトダイオードの間にはゲート配線４１（第２のゲート配線）が設けられている。このゲート配線４１は、読み出し線５（図示せず）に接続されている。

フォトダイオード４０を介してゲート配線４１と対向する位置には、配線４２（第２の配線）が設けられている。この配線４２は、リセット線１０（図示せず）に接続されている。そして、ゲート配線４１のフォトダイオード４０に隣接する側の側面と配線４２のフォトダイオード４０に隣接する側の側面とは、フォトダイオード４０を介して互いに対向する半導体基板の上面からの同一高さ位置において、フォトダイオード４０上に形成されたマイクロレンズ（第２のマイクロレンズ）の光軸Ａ´との距離が等しくなるように設けられている。なお、図７中のＣ−Ｃ´線に沿った断面構造は、図３において示したＢ−Ｂ´線に沿った断面構造と略同一である。

このように、本実施例の第２変形例に係る固体撮像装置は、ドレイン１８を介して対向する位置に２つのフォトダイオード１７、４０を形成し、２つの読み出しトランジスタがドレイン１８を共有することで、増幅トランジスタ、アドレストランジスタおよびリセットトランジスタを共有したものである。

ここで、図７に示した本実施例の第２変形例に係る固体撮像装置において配線２０、４２が設けられていない場合を考える。２つの読み出しトランジスタがドレイン１８を共有すると、２つのゲート配線１９、４１がドレイン１８を介して対向するように設けられる。つまり、フォトダイオードに対してゲート配線が設けられる位置が、２つの読み出しトランジスタにおいて反対となる。すると、フォトダイオード１７は、ゲート配線１９が入射光を反射するため、図７の上側（フォトダイオード１７に対してゲート配線１９が設けられた側）から斜め方向に光が入射した場合に比較して、図７の下側（フォトダイオード１７に対してゲート配線１９と反対側）から斜め方向に光が入射した場合の方が、感度が高くなる。一方、フォトダイオード４０は、ゲート配線４１が入射光を反射するため、図７の下側（フォトダイオード４０に対してゲート配線４１が設けられた側）から斜め方向に光が入射した場合に比較して、図７の上側（フォトダイオード４０に対してゲート配線４１と反対側）から斜め方向に光が入射した場合の方が、感度が高くなる。このように、２つの読み出しトランジスタがドレイン１８を共有すると、同一の単位セル内の２つのフォトダイオード１７、４０において、斜め方向からの入射光に対する感度が異なってしまう。隣接するフォトダイオードの感度が異なると、被写体に関係なく、得られる撮像画像は隣接する画素の明るさが異なったものとなる。

しかしながら、本実施例の第２変形例に係る固体撮像装置は、フォトダイオード１７を介してゲート配線１９と対向する位置に配線２０が設けられ、フォトダイオード４０を介してゲート配線４１と対向する位置に配線４２が設けられている。このため、本実施例の第２変形例に係る固体撮像装置は、隣接するフォトダイオードの感度が同一となり、撮像
画像の隣接する画素の明るさを被写体からの光量に応じたものとすることができる。

また、本実施例の第２変形例に係る固体撮像装置は、他の効果においても本実施例に係る固体撮像装置と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施例においては、半導体基板としてシリコン基板を例に挙げて説明したが、これに限られない。

また、本実施例においては、ゲート配線１９および配線２０を層間絶縁膜３５とは屈折率が異なる材料により形成しているが、ゲート配線１９および配線２０の材料は、これに限られない。例えば、ゲート配線１９および配線２０を金属により形成し、ゲート配線１９および配線２０に入射する光を鏡面反射することによっても、本実施例において説明したものと同様の効果を得ることができる。

更に、本実施例においては、ＭＯＳトランジスタのゲート配線として実質的に機能しない配線を配線２０、４２として設けているが、配線２０、４２は、このようにＭＯＳトランジスタのゲート配線として実質的に機能しない配線である必要はない。読み出しトランジスタ２のゲート配線とフォトダイオードを介して対向する位置に、増幅トランジスタ３やリセットトランジスタ５などのゲート配線をフォトダイオードに隣接して設けることによっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

更に、本実施例においては、配線２０、４２がリセット線１０に接続された場合を示したが、この配線２０、４２は、読み出し線６や水平アドレス線９に接続されてもよいし、電源または半導体基板と同電位にしてもよい。しかしながら、以下の理由により、配線２０、４２はリセット線１０に接続することが望ましい。

配線２０、４２を読み出し線６に接続した場合、フォトダイオード１７、４０から信号を読み出すときに、読み出しゲート（ゲート配線１９、４１）と反対側の電極（配線２０、４２）にもハイレベルが印加されることとなり、フォトダイオード１７、４０からの読み出しが阻害され、残像特性が劣化する可能性がある。また、配線２０、４２を水平アドレス線９に接続した場合、ソースフォロワ回路を用いて信号を読み出すときに、配線２０、４２がハイレベルになってしまい、不安定になりやすい。画素で発生する雑音を低減するためには、なるべく不安定な信号を減らすべきである。これに対して、リセット線１０は接地状態であり、電圧として安定している。このため、配線２０、４２をリセット線１０に接続した場合、信号を読み出すときに配線２０、４２にハイレベルが印加されることがない。
（適用例）
本実施例に係る固体撮像装置においては、様々な適用例が可能である。この適用例の一つとして、本実施例に係る固体撮像装置を適用した電子カメラについて図８を参照しながら説明する。図８は、本実施例に係る固体撮像装置を適用した電子カメラの構成を示すブロック図である。

カメラレンズ４３は被写体像を取り込む光学系である。ＭＯＳセンサ４４は、カメラレンズ４３で結像された光学像を画素単位でその光学像の光量に対応した電気信号に変換する固体撮像装置である。このＭＯＳセンサ４４に、本実施例に係る固体撮像装置を適用することができる。撮像回路４５は、ＭＯＳセンサ４４で得られた電気信号を画素単位でアナログ電圧信号に変換する。撮像回路４５で変換されたアナログ電圧信号はノイズキャンセル回路４６に入力される。ノイズキャンセル回路４６は、撮像回路４５の出力特性のばらつきをキャンセルする回路である。ノイズキャンセル回路４６の出力信号は、電圧信号のゲインを調整するＡＧＣ回路（図示せず）、および、レベルが揃えられた電圧信号をク
ランプするクランプ回路（図示せず）を介してＡ／Ｄ変換回路４７に入力される。Ａ／Ｄ変換回路４７は、例えば、クランプ後のアナログ電圧信号を１サンプル値が１０ビットからなるデジタルデータに変換し、このデジタルデータを出力する。

タイミング制御回路４８は、システムの動作の基本となるタイミングをとるタイミングパルス（システムクロック信号）を生成する。タイミング発生回路４９は、タイミング制御回路４８が生成したタイミングパルスに同期してＭＯＳセンサ４４、撮像回路４５、ノイズキャンセル回路４６およびＡ／Ｄ変換回路４７の駆動制御を行う。信号処理回路５０はシェーディング補正回路を具備している。シェーディング補正回路は、Ａ／Ｄ変換回路４７から入力されたデジタルデータに対してシェーディング補正を行う。また、信号処理回路５０は、シェーディング補正回路の他に、例えば、色分離回路、ガンマ補正回路、ホワイトクリップ回路、ブラッククリップ回路およびニー回路などを具備しており、入力されたデジタルデータに対して必要に応じた信号処理をほどこす。更に、信号処理回路５０は、必要に応じて色バランスなどの処理をほどこす。出力回路５１は、信号処理回路５０により信号処理されたデジタルデータを出力する。Ｄ／Ａ変換回路５２は、出力回路５１から入力されたデジタルデータをアナログ信号に変換する。

続いて、シェーディング補正回路が行うシェーディング補正について説明する。シェーディング補正とは、ＭＯＳセンサ４４の単位セルの感度がイメージエリア内での単位セルの位置に依存することから撮像画像の端部に位置する画素の信号強度が弱くなった信号波形を、単位セルの感度を均一とした場合の信号波形に変換する処理である。このシェーディング補正は、ＭＯＳセンサ４４により得られた信号波形が放物線形状であると仮定して演算を行う。すなわち、信号波形ｆ´（Ｘ）が以下の式で表される放物線であると仮定する。ここで、Ｘ₀は信号強度が最も強い画素の画素位置であり、αは放物線の性質を表す係数である。
ｆ´（Ｘ）＝ｆ（Ｘ）＋α×ｆ（Ｘ₀）×（Ｘ−Ｘ₀）²
本発明の実施例に係る固体撮像装置を適用した電子カメラにおけるシェーディング補正後の信号波形を示す図９に示す。ここでは、撮像画像の水平方向にシェーディング補正を行う場合を例に挙げて説明する。横軸は撮像画像の水平方向に隣接して並んだ画素の位置を示し、縦軸は画素の信号強度を示している。また、シェーディング補正前の信号波形を実線で示し、シェーディング補正後の信号波形を破線で示している。

以上に説明したように、本発明の実施例に係る固体撮像装置は、カメラレンズ３７の光軸に対して対称に位置する単位セルの感度が略同一となる。このため、本実施例に係る固体撮像装置により得られる信号波形は、撮像画像の中心部に位置する画素を頂点とした放物線形状となる。よって、信号波形を放物線形状と仮定することにより効果的にシェーディング補正を行うことができ、図９に示すように撮像画像の全体において画素の信号強度を一定にすることができる。

このように、本発明の実施例に係る固体撮像装置を電子カメラに適用すると、効果的にシェーディング補正を行うことができ、撮像画像の端部に写った被写体が薄暗くなるという問題を防止することができる。

なお、以上の適用例においては、撮像画像の水平方向にシェーディング補正を行う場合を例に挙げて説明しているが、シェーディング補正を行う方向は水平方向に限られない。例えば、撮像画像の垂直方向にシェーディング補正を行ってもよい。

本発明は、実施段階ではその要旨を変更しない範囲で種々に変形することが可能である。

以上、詳述したように、本発明に係る固体撮像装置および電子カメラの特徴をまとめると以下の通りになる。

本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上部に設けられたフォトダイオードと、前記半導体基板の上部において前記フォトダイオードに離間して設けられた拡散層と、前記フォトダイオードと前記拡散層との間において前記半導体基板の上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート配線と、前記半導体基板の上において前記フォトダイオードを介して前記ゲート配線と対向する位置に、前記フォトダイオードに隣接して設けられた配線とを具備することを特徴としている。

また、本発明に係る固体撮像装置は、前記半導体基板、前記ゲート配線および前記配線の上に設けられた層間絶縁膜と、前記フォトダイオードの上に前記層間絶縁膜を介して設けられたマイクロレンズとを更に具備し、前記ゲート配線の前記フォトダイオードに隣接する側の側面と前記配線の前記フォトダイオードに隣接する側の側面とが、前記フォトダイオードを介して互いに対向する前記半導体基板の上面からの同一高さ位置において、前記マイクロレンズの光軸との距離が等しくなるように設けられたことを特徴としている。

更に、本発明に係る固体撮像装置は、前記第１および第２のゲート配線が、前記層間絶縁膜とは屈折率が異なる材料により形成されていることを特徴としている。

更に、本発明に係る固体撮像装置は、前記第１および第２のゲート配線が、金属により形成されていることを特徴としている。

更に、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上部に設けられた第１のフォトダイオードと、前記半導体基板の上部において前記第１のフォトダイオードに離間して設けられた拡散層と、前記第１のフォトダイオードと前記拡散層との間において前記半導体基板の上に第１のゲート絶縁膜を介して設けられた第１のゲート配線と、前記半導体基板の上において前記第１のフォトダイオードを介して前記第１のゲート配線と対向する位置に、前記第１のフォトダイオードに隣接して設けられた第１の配線と、前記半導体基板の上部において前記拡散層を介して前記第１のフォトダイオードと対向する位置に、前記拡散層に離間して設けられた第２のフォトダイオードと、前記第２のフォトダイオードと前記拡散層との間において前記半導体基板の上に第２のゲート絶縁膜を介して設けられた第２のゲート配線と、前記半導体基板の上において前記第２のフォトダイオードを介して前記第２のゲート配線と対向する位置に、前記第２のフォトダイオードに隣接して設けられた第２の配線とを具備することを特徴としている。

更に、本発明に係る固体撮像装置は、前記半導体基板、前記第１のゲート配線、前記第２のゲート配線、前記第１の配線および前記第２の配線の上に設けられた層間絶縁膜と、前記第１のフォトダイオードの上に前記層間絶縁膜を介して設けられた第１のマイクロレンズと、前記第２のフォトダイオードの上に前記層間絶縁膜を介して設けられた第２のマイクロレンズとを更に具備し、前記第１のゲート配線の前記第１のフォトダイオードに隣接する側の側面と前記第１の配線の前記第１のフォトダイオードに隣接する側の側面とが、前記第１のフォトダイオードを介して互いに対向する前記半導体基板の上面からの同一高さ位置において、前記第１のマイクロレンズの光軸との距離が等しくなるように設けられ、前記第２のゲート配線の前記第２のフォトダイオードに隣接する側の側面と前記第２の配線の前記第２のフォトダイオードに隣接する側の側面とが、前記第２のフォトダイオードを介して互いに対向する前記半導体基板の上面からの同一高さ位置において、前記第２のマイクロレンズの光軸との距離が等しくなるように設けられたことを特徴としている。

更に、本発明に係る固体撮像装置は、前記第１乃至４のゲート配線が、前記層間絶縁膜とは屈折率が異なる材料により形成されていることを特徴としている。

更に、本発明に係る固体撮像装置は、前記第１乃至４のゲート配線が、金属により形成されていることを特徴としている。

本発明の実施例に係る固体撮像装置の回路構成を示す回路図。本発明の実施例に係る固体撮像装置の単位セルの構造を示す平面図。本発明の実施例に係る固体撮像装置の単位セルの構造を示す断面図。本発明の実施例に係る固体撮像装置の単位セルにおける入射光の進行経路を示す図。本発明の実施例に係る固体撮像装置の単位セルの感度を示す図。本発明の実施例の第１変形例に係る固体撮像装置の単位セルの構造を示す平面図。本発明の実施例の第２変形例に係る固体撮像装置の単位セルの構造を示す平面図。本発明の実施例に係る固体撮像装置を適用した電子カメラの構成を示すブロック図。本発明の実施例に係る固体撮像装置を適用した電子カメラにおけるシェーディング補正後の信号波形を示す図。従来の固体撮像装置の単位セルの構造を示す断面図。従来の固体撮像装置の単位セルにおける入射光の進行経路を示す図。

符号の説明

１、１７、４０…フォトダイオード
２…読み出しトランジスタ
３…増幅トランジスタ
４…アドレストランジスタ
５…リセットトランジスタ
６…読み出し線
７…垂直信号線
８…垂直シフトレジスタ
９…水平アドレス線
１０…リセット線
１１…負荷トランジスタ
１２…水平シフトレジスタ
１３…選択トランジスタ
１４…水平信号線
１５…アンプ
１６、２３、２８…素子領域
１８、２５、２６、３０…ドレイン
１９、２０、２２、２７、３１、４１…ゲート配線
２０、４２…配線
２１…ジャンプ配線
２４、２９…ソース
３２…シリコン基板
３３、３４…シリコン酸化膜
３５…層間絶縁膜
３６…マイクロレンズ
３７、４３…カメラレンズ
３８、３９…凸部
４４…ＭＯＳセンサ
４５…撮像回路
４６…ノイズキャンセル回路
４７…Ａ／Ｄ変換回路
４８…タイミング制御回路
４９…タイミング発生回路
５０…信号処理回路
５１…出力回路
５２…Ｄ／Ａ変換回路

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の上部に設けられた第１のフォトダイオードと、
前記半導体基板の上部において前記第１のフォトダイオードから離間して設けられた拡散層と、
前記第１のフォトダイオードと前記拡散層との間において前記半導体基板の上に第１のゲート絶縁膜を介して設けられた第１のゲート配線と、
前記半導体基板の上において前記第１のフォトダイオードを介して前記第１のゲート配線と対向する位置に、前記第１のフォトダイオードに隣接して設けられた第１の配線と、
前記半導体基板の上部において前記拡散層を介して前記第１のフォトダイオードと対向する位置に、前記拡散層から離間して設けられた第２のフォトダイオードと、
前記第２のフォトダイオードと前記拡散層との間において前記半導体基板の上に第２のゲート絶縁膜を介して設けられた第２のゲート配線と、
前記半導体基板の上において前記第２のフォトダイオードを介して前記第２のゲート配線と対向する位置に、前記第２のフォトダイオードに隣接して設けられた第２の配線とを具備することを特徴とする固体撮像装置。
前記第１の配線は、前記第１のフォトダイオードの一部を覆うように前記半導体基板の上に設けられ、
前記第２の配線は、前記第２のフォトダイオードの一部を覆うように前記半導体基板の上に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。
前記半導体基板、前記第１のゲート配線、前記第２のゲート配線、前記第１の配線および前記第２の配線の上に設けられた層間絶縁膜と、
前記第１のフォトダイオードの上に前記層間絶縁膜を介して設けられた第１のマイクロレンズと、
前記第２のフォトダイオードの上に前記層間絶縁膜を介して設けられた第２のマイクロレンズとを更に具備し、
前記第１のゲート配線の前記第１のフォトダイオードに隣接する側の側面と前記第１の配線の前記第１のフォトダイオードに隣接する側の側面とが、前記第１のフォトダイオードを介して互いに対向する前記半導体基板の上面からの同一高さ位置において、前記第１のマイクロレンズの光軸との距離が等しくなるように設けられ、
前記第２のゲート配線の前記第２のフォトダイオードに隣接する側の側面と前記第２の配線の前記第２のフォトダイオードに隣接する側の側面とが、前記第２のフォトダイオードを介して互いに対向する前記半導体基板の上面からの同一高さ位置において、前記第２のマイクロレンズの光軸との距離が等しくなるように設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体撮像装置。
被写体から光学像を受光し、この光学像を所定位置に導く光学系と、
前記所定位置に導かれた光学像を画素単位で前記光学像の光量に対応した電気信号に光電変換する固体撮像装置を有する画像処理手段と、
前記画像処理手段の出力に対してシェーディング補正を行う信号加工手段とを具備し、
前記固体撮像装置が請求項１乃至３のいずれか１項記載の固体撮像装置であることを特徴とする電子カメラ。