JP4667168B2 - 撮像装置およびそれを備える撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、スキャナ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に用いられる撮像装置に関する。

近年、ＣＭＯＳプロセスを利用したＣＭＯＳセンサと呼ばれる固体撮像装置が注目されている。ＣＭＯＳセンサは、周辺回路の混載の容易性、低電圧駆動等の理由から、特に携帯情報機器への利用が期待されている。一方で、固体撮像装置に要求される性能も高度化しており、多画素化と小型化は開発における不可欠な課題とされている。

固体撮像装置において、多画素化を行う場合は、画素サイズの縮小を余儀なくされる。画素サイズを縮小すると、画素に入射する光量が減ることになり、結果として感度の低下を招く。感度が低下すると、ＳＮ比が悪化し、画質が劣化する。このため、画素サイズを縮小する場合は、いかに高い感度を維持するかが課題となる。高い感度を維持するための手法として、画素を構成する受光部（フォトダイオード）の上方（より具体的には最上部）に、オンチップマイクロレンズを形成する方法が知られている。

しかし、画素のさらなる微細化に伴い、感度をさらに向上させる必要が生じてきている。上述したようなオンチップマイクロレンズを最上部に形成するだけでは、十分な集光効率を得ることは困難になってきている。そこで、より集光効率を高めるために、積層構造の最上部だけでなく、その内部にもレンズを形成する層内レンズ構造が提案されている（特許文献１、２参照）。この層内レンズは、光電変換が行われる受光部の直上において、層間膜中に形成される。オンチップマイクロレンズと同様、入射する光は層内レンズの上面側または下面側の界面で屈折して受光部に導かれる。層内レンズとオンチップマイクロレンズを併用した場合は、オンチップレンズで集光した光をさらに層内レンズで集光することができ、固体撮像素子全体としての集光効率をより高めることができる。

図１３に、上述した層内レンズを備える固体撮像素子が適用されるＭＯＳ型センサの概略構成を示す。このＭＯＳ型センサは以下の構成を含む。１００は、複数の光電変換素子１１０が２次元状に配列されたセンサアレイである。１２０は光電変換素子１１０を行単位に選択する垂直シフトレジスタ回路である。１３０は垂直シフトレジスタ回路１２０で選択した光電変換素子１１０の信号成分（Ｓ）およびリセット（ノイズ）成分（Ｎ）をそれぞれ保持しておく信号成分保持容量Ｃｔｓおよびリセット成分保持容量Ｃｔｎを含むラインメモリ回路である。１４０はラインメモリ回路１３０に保持された１行分の信号データの中から同時に２つずつデータを選択する水平シフトレジスタ回路である。１５０ａ、１５０ｂは水平シフトレジスタ回路１４０で同時に選択したデータについて信号成分（Ｓ）とリセット成分（Ｎ）の差分（以下Ｓ−Ｎと言う）信号を増幅して出力するＳ−Ｎ読出し回路である。

Ｓ−Ｎ読出し回路１５０ａは、一方の入力にＳ-共通出力線Ｃｈ１ｓが接続され、他方の入力にＮ-共通出力線Ｃｈ１ｎが接続されている。Ｓ−Ｎ読出し回路１５０ｂは、一方の入力にＳ-共通出力線Ｃｈ２ｓが接続され、他方の入力にＮ-共通出力線Ｃｈ２ｎが接続されている。これらＮ-共通出力線Ｃｈ１ｎ、Ｃｈ２ｎおよびＳ-共通出力線Ｃｈ１ｓ、Ｃｈ２ｓが共通出力線１６０である。

Ｓ-共通出力線Ｃｈ１ｓには、奇数列の光電変換素子１１０の保持容量Ｃｔｓを含む線が共通に接続されている。Ｎ-共通出力線Ｃｈ１ｎには、奇数列の光電変換素子１１０の保持容量Ｃｔｎを含む線が共通に接続されている。Ｓ-共通出力線Ｃｈ２ｓには、偶数列の光電変換素子１１０の保持容量Ｃｔｓを含む線が共通に接続されている。Ｎ-共通出力線Ｃｈ２ｎには、偶数列の光電変換素子１１０の保持容量Ｃｔｎを含む線が共通に接続されている。

ラインメモリ回路１３０から共通出力線１６０へのデータの読出しは、以下の容量の関係により決まる。一つが、ラインメモリ回路１３０に含まれる保持容量Ｃｔと共通出力線１６０の主に接地点との間に生じる配線容量である。もう一つが、共通出力線１６０に接続されたＭＯＳスイッチのソース−ゲート間およびソース−バックゲート間の容量である容量Ｃｈである。そしてこれらの容量分割比（Ｃｔ／（Ｃｔ＋Ｃｈ））とで決まるゲインに従って読出しが行われる。各Ｓ−Ｎ読出し回路１５０ａ、１５０ｂでは、Ｓ-共通出力線に、容量分割比ゲインに従って信号電荷（Ｓ）が読み出される。同じく、Ｎ-共通出力線に、容量分割比ゲインに従ってリセット成分（Ｎ）が読み出され、これらの差分信号（Ａ×（Ｃｔｓ／（Ｃｔｓ＋Ｃｈｓ）Ｖｓ−Ｃｔｎ／（Ｃｔｎ＋Ｃｈｎ）Ｖｎ））が出力される。ここで、Ａは増幅器の増幅率を表す。このＳ−Ｎ読出しによれば、差分信号をとることで、信号電荷に含まれているノイズ成分（画素で発生する固定パターンノイズ）がキャンセルされる。
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しかしながら、上述した従来の層内レンズを備える固体撮像装置においては、以下のような問題がある。

図１４の（ａ）〜（ｃ）に、層内レンズの形成手順を示す。層内レンズは、概ね次のような手順で形成される。まず、半導体基板２００上に、素子分離領域２０１、フォトダイオード領域２０２、絶縁膜２０３および遮光膜２０４を所定の順序で形成し、表面（絶縁膜２０３の上面）を平坦化する。続いて、平坦化された面上に、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、またはＳｉＯ₂よりなる層内レンズ材料膜２０５をＣＶＤ法（化学蒸着法）により形成し、さらにその上にエッチングマスク２０６をフォトリソ工程により形成する（図１４（ａ）参照）。このエッチングマスク２０６は、層内レンズ材料膜２０５に層内レンズを形成するためのマスクであって、マスク部分が、各フォトダイオード領域２０２の直上に位置するように島状に配置されている。

続いて、エッチングマスク２０６を加熱処理によりリフローさせて、マスク部分を目的の層内レンズの形状と実質的に同じ形状の凸レンズ形状２０６ａにする（図１４（ｂ）参照）。そして、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、Ｏ₂、Ａｒ、Ｈｅなどのエッチングガスを導入して、層内レンズ形成膜２０５全体にガスエッチングを施すことで、エッチングマスク２０６の凸レンズ形状２０６ａを層内レンズ材料膜２０５に転写する（図１４（ｃ）参照）。こうして、層内レンズ２０７を得る。この後は、平坦化膜（絶縁膜）が形成され、その上にカラーフィルタ層やマイクロレンズが適宜形成される。

上記の層内レンズの形成工程において、層内レンズは、センサアレイ１００の各光電変換素子１１０上にそれぞれ形成されることから、層内レンズ形成膜２０５は、センサアレイ１００の領域（光電変換領域）全体にわたって形成される。層内レンズ形成膜２０５の外周部付近（層内レンズが形成されない領域との境界近傍）では、ガスエッチング時の条件にばらつきがある。そのため、外周部付近に形成される層内レンズの大きさや誘電率が異なる場合がある。例えば、層内レンズ形成膜２０５の外周部付近では、エッチングガスの供給が不均一になって、凸レンズ形状の大きさにばらつきを生じる。また、層内レンズ形成膜２０５の外周部付近と中央部とでは、プラズマ密度が異なる。それによって、外周部付近と中央部とでプラズマダメージが異なることになり、誘電率にばらつきを生じる。このように層内レンズの大きさや誘電率にばらつきがあると、光電変換素子１１０（フォトダイオード領域２０２）への集光効率が場所によって異なることになり、光出力のばらつきや感度の低下を招く。

なお、上記の光出力のばらつきや感度の低下の問題は、レンズの大きさや誘電率にばらつきを生じることになる外周部付近の層内レンズが、光電変換領域から外れるように層内レンズ材料膜２０５の形成範囲を広げることで解決することができる。具体的には、層内レンズ材料膜２０５の形成範囲を光電変換領域から周辺部まで広げる。広げる幅は、１画素以上で、より望ましくは５〜１０画素程度である。この構成によれば、光電変換領域の周辺部に形成される層内レンズは、集光を目的としない単なるダミーの層内レンズとして扱われるので、レンズの大きさや誘電率がばらついても何ら問題になることはない。また、光電変換領域において、レンズの大きさや誘電率がほぼ同じ層内レンズを形成することができ、目的の集光効率を達成することができる。しかし、この場合には、以下のような問題が生じる。

図１３に示したＭＯＳセンサにおいて、共通出力線１６０は、通常、光電変換領域の周辺部に設けられるため、ダミーの層内レンズが共通出力線の直上または直下に位置する場合がある。ここで、ダミーの層内レンズが共通出力線上に形成された場合を考える。図１５に、ダミーの層内レンズが共通出力線上に形成された場合のＣＭＯＳエリアセンサの平面概念図、図１６に、図１５のＡ−Ａ線における概略断面図を示す。

図１５を参照すると、センサアレイ１００の光電変換素子１１０が形成される光電変換領域３００の両側に共通出力線形成領域３０１ａ、３０１ｂが配されている。共通出力線形成領域３０１ａ、３０１ｂには、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０ａの入力にそれぞれ接続されたＳ共通出力線Ｃｈ１ｓおよびＮ共通出力線Ｃｈ１ｎと、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０ｂの両入力に接続されたＳ共通出力線Ｃｈ２ｓおよびＮ共通出力線Ｃｈ２ｎとがそれぞれ形成される。層内レンズおよびダミーの層内レンズが形成される層内レンズ形成領域３０２は、光電変換領域３００の全領域およびその周辺領域を含む範囲にわたって形成されており、層内レンズ形成領域３０２の外周部分は共通出力線が形成される領域３０１ａ、３１０ｂと重なっている。

図１６に示すように、光電変換領域３００においては、フォトダイオード領域２０２の直上に層内レンズ２０７が形成されている。光電変換領域３００以外の領域、すなわちダミー領域では、ダミーの層内レンズ２０７ａが、層内レンズ２０７と同じピッチで形成されており、共通出力線形成領域３０１ａに対応する領域に、共通出力線Ｃｈ１ｓ、Ｃｈ１ｎにそれぞれ対応する配線層２０８ａ、２０８ｂが形成されている。配線層２０８ａ、２０８ｂの下方には、さらに、別の配線層２０９ａ、２０９ｂが形成されている。図１６には示されていないが、ダミー領域の共通出力線形成領域３０１ａに対応する領域には、共通出力線Ｃｈ２ｓ、Ｃｈ２ｎに対応する配線も形成される。

上記の構成の場合、配線層２０８ａ、２０８ｂの間に、図１７に示すような電気力線ｅが生じる。配線層２０８ａ、２０８ｂのピッチは、ダミーの層内レンズ２０７ａのピッチとは無関係に設定される。そのため、ダミーの層内レンズ２０７ａと配線層２０８ａの重なり合う面積と、ダミーの層内レンズ２０７ａと配線層２０８ｂの重なり合う面積とが異なる。このため、配線層２０８ａと他の配線の間に生じる結合容量（電気力線ｅの密度）と、配線層２０８ｂと他の配線の間に生じる結合容量（電気力線ｅの密度）とが異なる。これは、誘電率の高いダミーの層内レンズによって電気力線が増幅されるが、ピッチが異なるために増幅される割合も異なってしまうためである。

信号成分(Ｓ)に対応したＳ-共通出力線である配線層２０８ａ（共通出力線Ｃｈ１ｓ）とリセット成分（Ｎ）に対応したＮ-共通出力線である配線層２０８ｂ（共通出力線Ｃｈ１ｎ）とで、それぞれ他の配線層に対する結合容量が異なる場合がある。そうすると、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０ａの入力におけるノイズのレベルがＳ-共通出力線とＮ-共通出力線との間で異なってしまう。このため、Ｓ-共通出力線に現れたノイズとＮ-共通出力線に現れたノイズを完全にキャンセルすることができなくなる。このため、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０ａの出力にノイズが含まれることになる。同様のノイズの問題が、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０ｂにおいても生じる。

上記結合容量は、Ｓ−Ｎ読出し回路以外の他の読出し回路においても問題となる。具体的には、各光電変換素子からの信号成分（Ｓ）が列単位に供給される複数の共通出力線を備え、各共通出力線に供給された信号成分（Ｓ）を増幅するように構成された読出し回路を有する場合である。この場合において、上記結合容量が生じると、各共通出力線を通じて出力される信号レベルにばらつきを生じ、その結果、信号成分（Ｓ）を正確に読み出すことができなくなる。

また、上記結合容量は、読出し回路の出力の減衰を引き起こす。具体的には、共通出力配線と他の配線との間に結合容量が生じると、容量Ｃｈが増加し、その結果、容量分割比（Ｃｔ／（Ｃｔ＋Ｃｈ））が減少して、Ｓ−Ｎ読出し回路の出力（信号成分（Ｓ））が減衰する。この出力の減衰が大きいと、信号成分（Ｓ）の正確な読出しが困難となり、また、高い感度を維持することができなくなる。

本発明の目的は、上記の問題を解決し、信号成分（Ｓ）の正確な読出しを行うことができる撮像装置およびそれを用いた撮像システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体基板に配された複数の画素を含む光電変換領域と、前記光電変換領域から信号を読み出すための周辺回路領域と、前記周辺回路領域に配され、前記複数の画素から信号を伝送するための共通出力線と、前記共通出力線を含む層上に、絶縁膜を介して配された層内レンズと、前記層内レンズ上に配されたカラーフィルタと、前記カラーフィルタ上に配されたマイクロレンズと、を有し、前記層内レンズは、前記共通出力線と重ならないように配置され、前記カラーフィルタは前記周辺回路領域上にも配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、層内レンズを配設することで集光効率を向上するという既存の構造における効果を維持しつつ、各共通出力線の結合容量が異なるといった影響を与えないので、正確なＳ−Ｎ読出しを行うことができ、ノイズ除去率が向上する。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態である固体撮像装置の平面概念図、図２は、図１のＡ−Ａ線における概略断面図である。図３は、本実施形態の固体撮像装置の概略構成図である。

本実施形態の固体撮像装置は、ラインメモリ回路および読出し回路の部分が異なる以外は、基本的には、図１３に示したものと同様のものである。図３中、図１３に示したものと同じものには、同じ符号を付してある。

ラインメモリ回路１３２は、垂直シフトレジスタ回路１２０で選択した光電変換素子１１０の信号成分（Ｓ）およびリセット成分（Ｎ）をそれぞれ保持しておく保持容量Ｃｔｓおよび保持容量Ｃｔｎを含む。水平シフトレジスタ回路１４０は、ラインメモリ回路１３に保持された１行分の信号データの中から１つずつデータを選択する。Ｓ−Ｎ読出し回路１５０は、水平シフトレジスタ回路１４０で選択したデータについて信号成分（Ｓ）とリセット成分（Ｎ）の差分（以下Ｓ−Ｎと言う）信号を増幅して出力する。

Ｓ−Ｎ読出し回路１５０の一方の入力には、Ｓ-共通出力線Ｃｈ１ｓが接続され、他方の入力には、Ｎ-共通出力線Ｃｈ１ｎが接続されている。Ｓ-共通出力線Ｃｈ１ｓには、各列の光電変換素子１１０の保持容量Ｃｔｓを含む線が共通に接続されている。Ｎ-共通出力線Ｃｈ１ｎには、各列の光電変換素子１１０の保持容量Ｃｔｎを含む線が共通に接続されている。

本実施形態の固体撮像装置では、レンズの大きさや誘電率にばらつきを生じることになる外周部付近の層内レンズは、ダミーの層内レンズとしてセンサアレイ１００の光電変換領域の周辺部に形成されている。しかも、そのダミーの層内レンズは共通出力線１６０とは重ならないようになっている。その具体的な構造を、図１〜３を参照して以下に説明する。

図１に示すように、センサアレイ１００の光電変換素子１１０が形成される光電変換領域４００の両側に共通出力線形成領域４０１ａ、４０１ｂが配されている。各共通出力線形成領域４０１ａ、４０１ｂと光電変換領域４００との間隔は、設計条件によって異なるが、概ね十〜数百μｍのオーダーである。共通出力線形成領域４０１ａ、４０１ｂには、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０の入力にそれぞれ接続されたＳ-共通出力線Ｃｈ１ｓおよびＮ-共通出力線Ｃｈ１ｎがそれぞれ形成される。

層内レンズ形成領域４０２には、一定のピッチ（画素ピッチに同じ）で層内レンズが形成される。層内レンズの大きさは、通常、１〜１０μｍのオーダーである。層内レンズ形成領域４０２は、光電変換領域４００の全領域およびその周辺領域を含む範囲にわたっている。しかし、共通出力線形成領域４０１ａ、４１０ｂとは重ならない。周辺領域上に形成された層内レンズが、ダミーの層内レンズである。

図２に示すように、光電変換領域４００においては、フォトダイオード領域２０２の直上に層内レンズ２０７が形成されている。光電変換領域４００以外の領域、すなわちダミー領域では、ダミーの層内レンズ２０７ａが、層内レンズ２０７と同じピッチで形成されている。そして、共通出力線形成領域４０１ａに対応する領域に、共通出力線Ｃｈ１ｓ、Ｃｈ１ｎにそれぞれ対応する配線層２０８ａ、２０８ｂが形成されている。配線層２０８ａ、２０８ｂの下方には、さらに、別の配線層２０９ａ、２０９ｂが形成されている。

上記の構造によれば、ダミーの層内レンズ２０７ａは配線層２０８ａ、２０８ｂと重ならないようになっているので、配線層２０８ａ、２０８ｂと他の配線の間において生じる結合容量のばらつきは生じない。このため、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０の入力におけるノイズの差はＳ-共通出力線とＮ-共通出力線とで小さくなり、Ｓ-共通出力線に現れたノイズとＮ-共通出力線に現れたノイズを好適にキャンセルすることができる。よって、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０の出力端子において、光電変換素子１１０で発生した信号とノイズ（リセット成分）のうち、信号を効率的に得る事ができ、正確なＳ−Ｎ読出しを行うことができる。なお、ここで“重ならない”とは、層内レンズと共通出力線とで、半導体基板から積層方向の上方にある層内レンズを、共通出力線が配される面と同一面に、該面に対して垂直方向から投影した場合に、層内レンズの投影図が共通出力線と重ならない状態をいう。図２で示すように、断面図で見た場合には、層内レンズ２０７ａを共通出力線が配される面に対して垂直に移動させた場合に重ならない状態である。層内レンズと共通出力線の上下関係が逆であってもよい。以下の実施形態においても“重ならない”とはこのような状態を指す。

なお、共通出力配線と他の配線間にダミーの層内レンズ２０７ａによって増幅された結合容量が生じると、容量Ｃｈが増加し、その結果、容量分割比（Ｃｔ／（Ｃｔ＋Ｃｈ））が減少して、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０の出力（信号電荷（Ｓ））が減衰する。本実施形態では、結合容量がダミーの層内レンズによって増幅されないことから、そのような信号電荷（Ｓ）の減衰も生じないので、高い感度を維持することができる。

（実施形態２）
本発明の第２の実施形態である固体撮像装置は、図２に示した構造において、配線層２０８ａ、２０８ｂに代えて、配線層２０９ａ、２０９ｂをそれぞれ共通出力線Ｃｈ１ｓ、Ｃｈ１ｎとする。そして、層内レンズ２０７およびダミーの層内レンズ２０７ａが形成される層を、配線層２０８ａ、２０８ｂを含む層（第１配線層）と配線層２０９ａ、２０９ｂを含む層（第２配線層）との間に位置するように形成する。これによってダミーの層内レンズ２０７ａが配線層２０９ａ、２０９ｂとは重ならないように形成したことを特徴する。この場合、第１配線層は、光電変換領域以外では、遮光膜として使用するようにしてもよい。この構造においても、上述した正確なＳ−Ｎ読出しおよび高感度の維持といった同様の効果を奏する。

本実施形態の固体撮像装置の効果をよりわかり易くするため、比較例として、図４に、第２配線層を共通出力線とし、ダミーの層内レンズを共通出力線上に配した場合における、共通出力線と他の配線の間に生じる結合容量を模式的に示す。図４において、第２配線層である配線層２０９ａ、２０９ｂは、図２に示したものと同じものである。比較例では、これら配線層２０９ａ、２０９ｂに重なるように、ダミーの層内レンズ２０７ｂが形成されており、さらにそのダミーの層内レンズ２０７ｂの上層には、第１配線層としての配線層２０８が存在する。また、第１配線層、ダミーの層内レンズ２０７ｂ、第２配線層のそれぞれの間には絶縁層が存在する。

図４に示した構造では、配線層２０９ａ、２０９ｂのピッチは、ダミーの層内レンズ２０７ｂのピッチとは無関係に設定される。そのため、ダミーの層内レンズ２０７ｂと配線層２０９ａの重なり合う面積と、ダミーの層内レンズ２０７ｂと配線層２０９ｂの重なり合う面積とが異なる。このため、配線層２０９ａと他の配線の間に生じる結合容量（電気力線ｅの密度）と、配線層２０９ｂと他の配線の間に生じる結合容量（電気力線ｅの密度）とが異なることになる。この結果、Ｓ−Ｎ読出し回路の入力におけるノイズのレベルがＳ-共通出力線（配線層２０９ａ）とＮ-共通出力線（配線層２０９ｂ）との間で異なってしまい、ノイズが残ってしまう場合がある。

これに対して、本実施形態の固体撮像装置では、ダミーの層内レンズは、配線層２０９ａ、２０９ｂとは重ならないようになっているので、Ｓ-共通出力線およびＮ-共通出力線において、ダミーの層内レンズによって結合容量が影響を受けることがない。よって、正確なＳ−Ｎ読出しを行う事が可能である。

（実施形態３）
図５は、本発明の第３の実施形態である固体撮像装置の、共通出力線の近傍の断面図である。この固体撮像装置は、図２に示した構造において、第１配線層である配線層２０８ａ、２０８ｂに代えて、第２配線層である配線層２０９ａ、２０９ｂをそれぞれ共通出力線Ｃｈ１ｓ、Ｃｈ１ｎとし、配線層２０９ａ、２０９ｂと、その上方に位置する配線層２０８ａ、２０８ｂとが重ならないような構造（第１配線層が配線層２０９ａ、２０９ｂの直上において開口した構造）とされている。この構造においても、正確なＳ−Ｎ読出しおよび高感度の維持といった同様の効果を奏する。

本実施形態の固体撮像装置の効果をよりわかり易くするため、比較例として、図６に、第２配線層を共通出力線とし、ダミーの層内レンズを共通出力線上に配した場合における、共通出力線と他の配線の間に生じる電気力線を模式的に示す。図６において、第１配線層である配線層２０８ａ、２０８ｂおよび第２配線層である配線層２０９ａ、２０９ｂは、図５に示したものと同じものである。比較例では、配線層２０９ａ、２０９ｂに重なるように、第１配線層の上層にダミーの層内レンズ２０７ｂが形成されている。第１配線層、ダミーの層内レンズ２０７ｂ、第２配線層のそれぞれの間には絶縁層が存在する。

図６に示した構造では、配線層２０９ａ、２０９ｂのピッチは、ダミーの層内レンズ２０７ｂのピッチとは無関係に設定されている。このため、ダミーの層内レンズ２０７ｂと配線層２０９ａの重なり合う面積と、ダミーの層内レンズ２０７ｂと配線層２０９ｂの重なり合う面積とが異なる。このため、配線層２０９ａと他の配線の間に生じる結合容量（電気力線ｅの密度）と、配線層２０９ｂと他の配線の間に生じる結合容量（電気力線ｅの密度）とが異なる。この結果、Ｓ−Ｎ読出し回路の入力におけるノイズのレベルがＳ-共通出力線（配線層２０９ａ）とＮ-共通出力線（配線層２０９ｂ）との間で異なってしまい、そのノイズを完全にキャンセルすることができなくなってしまう。

これに対して、本実施形態の固体撮像装置では、ダミーの層内レンズは、配線層２０９ａ、２０９ｂとは重ならないようになっているので、Ｓ-共通出力線およびＮ-共通出力線において、ダミーの層内レンズによって結合容量が影響を受けることがない。よって、正確なＳ−Ｎ読出しを行う事が可能である。

（実施形態４）
図７は、本発明の第４の実施形態である固体撮像装置の平面概念図、図８は、図７のＡ−Ａ線における概略断面図である。

本実施形態の固体撮像装置は、図３に示した回路構成に適用されるものであって、レンズの大きさや誘電率にばらつきを生じることになる外周部付近の層内レンズは、ダミーの層内レンズとしてセンサアレイ１００の光電変換領域の周辺部に形成されている。そして、そのダミーの層内レンズは共通出力線１６０と重なっている。その具体的な構造を、図３、図７及び図８を参照して以下に説明する。

図７に示すように、センサアレイ１００の光電変換素子１１０が形成される光電変換領域４００の両側に共通出力線形成領域４０１ａ、４０１ｂが配されている。共通出力線形成領域４０１ａ、４０１ｂには、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０の入力にそれぞれ接続されたＳ-共通出力線Ｃｈ１ｓおよびＮ-共通出力線Ｃｈ１ｎがそれぞれ形成される。

層内レンズ形成領域４０３には、一定のピッチ（画素ピッチに同じ）で層内レンズが形成される。層内レンズの大きさは、通常、１〜１０μｍのオーダーである。層内レンズ形成領域４０３は、光電変換領域４００の全領域およびその周辺領域を含む範囲にわたっており、共通出力線形成領域４０１ａ、４１０ｂと重なっている。周辺領域上に形成された層内レンズが、ダミーの層内レンズである。

図８に示すように、光電変換領域４００においては、フォトダイオード領域２０２の直上に層内レンズ２０７が一定のピッチａ（フォトダイオード領域２０２のピッチに対応する）で形成されている。光電変換領域４００の周辺部のダミー領域には、ダミーの層内レンズ２０７ｃが、層内レンズ２０７と同じピッチａで形成されている。共通出力線形成領域４０１ａに対応する領域に、共通出力線Ｃｈ１ｓ、Ｃｈ１ｎにそれぞれ対応する配線層２０８ａ、２０８ｂがダミーの層内レンズ２０７ｃと同じピッチａで形成されている。配線層２０８ａ、２０８ｂの下方には、さらに、別の配線層２０９ａ、２０９ｂが形成されている。

上記の構造によれば、ダミーの層内レンズ２０７ｃと配線層２０８ａ、２０８ｂとが重なるようになっている。ダミーの層内レンズ２０７ｃのピッチと配線層２０８ａ、２０８ｂのピッチは同じであるので、ダミーの層内レンズ２０７ｃと配線層２０８ａの重なる面積は、ダミーの層内レンズ２０７ｃと配線層２０８ａの重なる面積と同じになる。このため、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０の入力におけるノイズのレベルはＳ-共通出力線とＮ-共通出力線とで同じになり、Ｓ共通出力線に現れたノイズとＮ共通出力線に現れたノイズを好適にキャンセルすることができる。よって、Ｓ−Ｎ読出し回路１５０の出力端子において、光電変換素子１１０で発生した信号とノイズのうち、信号を効率的に得る事ができ、正確なＳ−Ｎ読出しを行うことができる。

なお、課題で説明したように、層内レンズ形成領域４０３の外周部付近では、ガスエッチング時の条件のばらつきにより、層内レンズの大きさや誘電率に違いを生じる。このため、そのような大きさや誘電率に違いを生じる層内レンズ（ダミーの層内レンズ）が共通出力線上に形成されてしまうと、ダミーの層内レンズ２０７ｃと配線層２０８ａの重なる面積が、ダミーの層内レンズ２０７ｃと配線層２０８ａの重なる面積と異なってしまう。これによって、上述したような正確なＳ−Ｎ読出しを行うことができなくなる。これを低減すためには、大きさや誘電率に違いを生じる層内レンズが共通出力線形成領域４０１ａ、４０１ｂのさらに外側に位置するように、層内レンズ形成領域４０３を十分に広くとる必要がある。共通出力線形成領域４０１ａ、４０１ｂの両側部から層内レンズ形成領域４０３の縁までの間隔は、１画素以上で、より望ましくは５〜１０画素程度である。

（実施形態５）
本発明の第５の実施形態である固体撮像装置は、図８に示した構造において、配線層２０８ａ、２０８ｂに代えて、配線層２０９ａ、２０９ｂをそれぞれ共通出力線Ｃｈ１ｓ、Ｃｈ１ｎとし、さらに、層内レンズ２０７およびダミーの層内レンズ２０７ｃが形成される層を、配線層２０８ａ、２０８ｂを含む層（第１配線層）と配線層２０９ａ、２０９ｂを含む層（第２配線層）との間に位置するように形成したことを特徴する。この場合、第１配線層は、光電変換領域以外では、遮光膜として使用するようにしてもよい。この構造においても、第４の実施形態の場合と同様に、正確なＳ−Ｎ読出しを行うことができる。

（実施形態６）
図９は、本発明の第６の実施形態である固体撮像装置の、共通出力線の近傍の断面図である。この固体撮像装置は、図８に示した構造において、第１配線層である配線層２０８ａ、２０８ｂに代えて、第２配線層である配線層２０９ａ、２０９ｂをそれぞれ共通出力線Ｃｈ１ｓ、Ｃｈ１ｎとし、配線層２０９ａ、２０９ｂと、その上方に位置する配線層２０８ａ、２０８ｂとが重ならないような構造（第１配線層が配線層２０９ａ、２０９ｂの直上において開口した構造）とされている。この構造においても、第４の実施形態の場合と同様に、正確なＳ−Ｎ読出しを行うことができる。

（実施形態７）
図１８は本発明の第７の実施形態の撮像装置の断面図である。本実施形態においては、層内レンズを含む層、カラーフィルタ層、マイクロレンズ層の配置に関して述べる。

１８００は光電変換部が配された半導体基板、１８０２は光電変換部である。たとえば光電変換部としては、Ｐ型半導体領域とＮ型半導体領域を含んで構成されるフォトダイオードがある。また画素ごと、複数画素ごとに増幅素子を有する増幅型の構成をとることができる。

１８０３は半導体基板と配線、もしくは配線どうしを絶縁するための層間膜である。１８０４は画素領域に配された配線である。

１８０７は層内レンズである。この層内レンズは画素領域において光電変換部に対応して設けられており、共通出力線を含む層上に絶縁層を介して配されている。

１８０８ａ、１８０８ｂは共通出力線である。一方が信号成分に対応した信号を伝送するＳ-共通出力線、他方がＮ-共通出力線として機能する。１８０９ａ，１８０９ｂは配線であり、例えば周辺回路領域に配されたＭＯＳトランジスタを駆動するための配線として用いる。１８１０は平坦化膜、１８１１はカラーフィルタ、１８１２は平坦化膜、１８１３はマイクロレンズである。１８１４が画素領域、１８１５が画素領域から信号を読み出すための周辺回路領域を示している。

ここで層内レンズを形成するためのレンズ材料層は、周辺回路領域上も含めて配されており、画素領域において上述した形成方法により入射光に対して凸形状のレンズ形状を構成している。周辺回路領域においては、層内レンズを形成する際に上述したレジストをレンズ形状に加工した後のエッチングの工程によって、層内レンズの膜厚（レンズ高さ）よりも薄くなっている。この膜厚は、レンズ形状に加工する際のエッチングによって同時に薄膜化されるため、画素領域の層内レンズ周辺に配されるレンズ材料層と略等しい膜厚となっている。

カラーフィルタは画素領域において、各光電変換部に対応して各色が配されている。また、周辺回路領域においても、カラーフィルタがダミーのパターンとして配されている。図１８ではダミーパターンが１色で構成されているが、複数色で構成することも可能である。カラーフィルタが周辺回路領域上にダミーパターンを有することによって、画素領域の周辺回路領域に近接する領域においてマイクロレンズのパターンのだれが低減され、画素領域の端でも中央付近と同様の光学特性を得ることが可能となる。また同様にマイクロレンズも周辺回路領域においてダミーパターンとして配されている。層内レンズにおいても、画素領域と同様にダミーパターンを配することが考えられるが、上述したように共通出力線どうし、もしくは共通出力線とその他の配線との容量のばらつきに影響を与えるため、周辺回路領域においては、略均一な膜厚を有するレンズ材料層は残すものの、レンズ形状に加工しない。また、このように略均一な膜厚のレンズ材料層を残すことによって、そのあとで形成される平坦化膜の膜厚を薄くすることも可能となり、カラーフィルタ、マイクロレンズのダミーパターンを好適に形成できる。

なお、上述した第１乃至第７の実施形態は、いずれも、図３に示した回路構成に適用した場合を例に挙げて説明したが、他の回路構成に適用することもできる。例えば、図１３に示したような、複数のＳ-共通出力線と複数のＮ-共通出力線とが存在するＳ−Ｎ読出し回路の構成にも各実施形態の構造を適用することができる。この場合は、共通出力線形成領域４０１ａ、４０１ｂにおいて、複数のＳ-共通出力線および複数のＮ-共通出力線のそれぞれに対応する配線層が形成される。第１乃至第３及び第7の実施形態の構造を適用した場合は、ダミーの層内レンズが、いずれの共通出力通線の配線層とも重ならないようにすることで、正確なＳ−Ｎ読出しおよび高感度の維持といった同様の効果を奏する。加えて、各共通出力線の間の出力におけるばらつき（チャネル間出力のばらつき）も低減される、といった効果を奏する。第４乃至第６の実施形態の構造を適用した場合は、ダミーの層内レンズのピッチと各共通出力通線の配線層のピッチとを同じにすることで、正確なＳ−Ｎ読出しの効果を奏するとともに、チャネル間出力のばらつきを低減できるという効果を奏する。

さらに、第１乃至第７の実施形態は、図１０に示すような、Ｓ−Ｎ読出し回路を持たない構成に適用することもできる。この回路は、ＭＯＳ型センサであって、ラインメモリ回路および読出し回路の部分が異なる以外は、基本的には、図３に示したものと同様のものである。ラインメモリ回路１３３は、垂直シフトレジスタ回路１２０で選択した光電変換素子１１０の信号成分（Ｓ）を保持しておく保持容量Ｃｔｓを含む。水平シフトレジスタ回路１４０は、ラインメモリ回路１３３に保持された１行分の信号データの中から同時に２つずつデータを選択する。読出し回路は、水平シフトレジスタ回路１４０で同時に選択したデータ（信号成分（Ｓ））信号をそれぞれ増幅して出力するゲインアンプ１５２ａ、１５２ｂを備える。ゲインアンプ１５２ａの入力には共通出力線Ｃｈ１ｓが接続されており、ゲインアンプ１５２ｂの入力には共通出力線Ｃｈ２ｓが接続されている。共通出力線Ｃｈ１ｓには、奇数列の光電変換素子１１０の保持容量Ｃｔｓを含む線が共通に接続されている。共通出力線Ｃｈ２ｓには、偶数列の光電変換素子１１０の保持容量Ｃｔｓを含む線が共通に接続されている。

図１０に示した回路構成の場合は、共通出力線形成領域４０１ａ、４０１ｂにおいて、共通出力線Ｃｈ１ｓ、Ｃｈ２ｓのそれぞれに対応する配線層が形成される。第１乃至第３及び第7の実施形態の構造を適用した場合は、ダミーの層内レンズが、いずれの共通出力通線の配線層とも重ならないようにすることで、信号成分（Ｓ）の正確な読出しを行うことができるとともに高感度を維持することができる。第４乃至第６の実施形態の構造を適用した場合も、ダミーの層内レンズのピッチと各共通出力通線の配線層のピッチとを同じにすることで、信号成分（Ｓ）の正確な読出しを行うことができる。

なお、図１０に示した回路構成においては、共通出力線と他の配線の間に結合容量が生じると、各ゲインアンプ１５２ａ、１５２ｂ間出力にばらつきを生じるために、固体撮像装置の出力に基づいて画像を表示した場合に混色の問題が生じる。第１乃至第３の実施形態の構造を適用した場合は、結合容量が生じないので、混色の問題を防止することができる。第４乃至第６の実施形態の構造を適用した場合は、各共通出力線における結合容量を同じにすることができるので、この場合も混色の問題を防止することができる。

また、第１乃至第３及び第7の実施形態は、図１１に示すような回路構成にも適用することができる。この回路は、ラインメモリ回路および読出し回路の部分が異なる以外は、基本的には、図１３に示したものと同様のものである。ラインメモリ回路１３１は、垂直シフトレジスタ回路１２０で選択した光電変換素子１１０の信号成分（Ｓ）を保持する。水平シフトレジスタ回路１４０は、ラインメモリ回路１３０に保持された１行分の信号データの中から１つずつデータを選択する。読出し回路は、水平シフトレジスタ回路１４０で選択したデータ信号（信号成分（Ｓ））を増幅して出力するゲインアンプ１５１を備えている。光電変換素子１１０の出力が、ゲインアンプ１５１の入力に接続された共通出力線１６１に、列単位で接続されている。

図１１に示した回路構成の場合は、共通出力線形成領域４０１ａ、４０１ｂにおいて、共通出力線１６１に対応する配線層が形成される。ダミーの層内レンズが、共通出力通線の配線層とも重ならないようにすることで、信号成分（Ｓ）の正確な読出しを行うことができるとともに高感度を維持することができる。

以上、第１乃至第７の実施形態で述べた本発明の固体撮像装置は、スキャナ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の固体撮像システムに適用することができる。以下、本発明の固体撮像装置を備える固体撮像システムについて、その構成および動作を詳細に説明する。

図１２は、本発明の固体撮像装置を備える固体撮像システムの概略構成を示すブロック図である。この固体撮像システムは、バリア１、レンズ２、絞り３、固体撮像素子４、撮像信号処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６、信号処理部７、タイミング発生部８、全体制御・演算部９、メモリ部１０、記録媒体制御インターフェース部１１、記録媒体１２および外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部１３からなる。

バリア１は、レンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねる。レンズ２は、被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させる。絞り３は、レンズ２を通った光量を可変するためのものである。固体撮像素子４は、レンズ２で結像された被写体を画像信号として取り込むためのものであって、第１乃至第６の実施形態のいずれかの固体撮像装置の構造を備える。

撮像信号処理回路５は、固体撮像素子４から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う。Ａ／Ｄ変換器６は、固体撮像素子４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行う。信号処理部７は、Ａ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする。タイミング発生部８は、固体撮像素子４、撮像信号処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６および信号処理部７に各種タイミング信号をそれぞれ供給する。これら撮像信号処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６、信号処理部７およびタイミング発生部８は、固体撮像素子４と同一チップ上に形成しても良い。

全体制御・演算部９は、各種演算とシステム全体を制御する。メモリ部１０は、画像データを一時的に記憶するためのものである。記録媒体制御インターフェース部１１は、記録媒体１２に対して記録又は読み出しを行う。記録媒体１２は、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。外部Ｉ／Ｆ部１３は、外部コンピュータ等と通信する。

次に、本固体撮像システムの動作について説明する。バリア１がオープンされると、メイン電源、コントロール系の電源、Ａ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源が順次オンされる。電源がオンされると、露光量を制御するために、全体制御・演算部９が、絞り３を開放にする。固体撮像素子４から出力された信号は、撮像信号処理回路５を介してＡ／Ｄ変換器６へ供給され、そこでＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換された信号は、信号処理部７に供給される。信号処理部７は、全体制御・演算部９を通じて、その供給された信号を基に露出の演算を行う。この動作により測光が行われ、その結果により、明るさが判断される。そして、その判断結果に応じて、全体制御・演算部９が絞りを制御する。

次に、全体制御・演算部９は、固体撮像素子４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し、被写体までの距離の演算を行う。その後、全体制御・演算部９は、レンズ２を駆動して合焦か否かを判断する。合焦していないと判断したときは、全体制御・演算部９は、再びレンズ２を駆動し測距を行う。

合焦が確認された後に、本露光が始まる。本露光が終了すると、固体撮像素子４から出力された画像信号は、撮像信号処理回路５において補正等がなされた後、Ａ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換された画像信号は、信号処理部７を経て、全体制御・演算９によりメモリ部１０に蓄積される。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９の制御によって、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１を通じて半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１３を通じて、直接、外部のコンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

本発明の第１の実施形態である固体撮像装置の平面概念図である。 図１のＡ−Ａ線における概略断面図である。 本発明の第１の実施形態である固体撮像装置の概略構成図である。 本発明の第２の実施形態である固体撮像装置の比較例における結合容量を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態である固体撮像装置の、共通出力線の近傍の断面図である。 本発明の第３の実施形態である固体撮像装置の比較例における結合容量を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態である固体撮像装置の平面概念図である。 図７のＡ−Ａ線における概略断面図である。 本発明の第６の実施形態である固体撮像装置の、共通出力線の近傍の断面図である。 本発明の固体撮像装置の構造を適用可能な回路構成の一例を示すブロック図である。 本発明の固体撮像装置の構造を適用可能な回路構成の他の例を示すブロック図である。 本発明の固体撮像装置を備える固体撮像システムの一例を示すブロック図である。 層内レンズを備える固体撮像素子が適用されるＭＯＳ型センサの一例を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は、層内レンズの形成手順を説明するための工程断面図である。 ダミーの層内レンズが共通出力線上に形成された従来のＣＭＯＳエリアセンサの平面概念図である。 図１５のＡ−Ａ線における概略断面図である。 層内レンズを備える従来の固体撮像素子における結合容量を示す模式図である。 本発明の第７の実施形態である固体撮像装置の概略構成図である。

符号の説明

１００ センサアレイ
１１０ 光電変換素子
１２０ 垂直シフトレジスタ回路
１３０ ラインメモリ回路
１４０ 水平シフトレジスタ回路
１５０ Ｓ−Ｎ読出し回路
１６０ 共通出力線
４００ 光電変換領域
４０１ａ、４０１ｂ 共通出力線形成領域
４０２ 層内レンズ形成領域

Claims (6)

1. 半導体基板に配された複数の画素を含む光電変換領域と、
   前記光電変換領域から信号を読み出すための周辺回路領域と、
   前記周辺回路領域に配され、前記複数の画素から信号を伝送するための共通出力線と、
   前記共通出力線を含む層上に、絶縁膜を介して配された層内レンズと、
   前記層内レンズ上に配されたカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタ上に配されたマイクロレンズと、を有し、
   前記層内レンズは、前記共通出力線と重ならないように配置され、前記カラーフィルタは前記周辺回路領域上にも配置されていることを特徴とする撮像装置。
2. 前記信号は、画像信号に対応する第１の信号成分と、ノイズ信号に対応する第２の信号成分とを含んでおり、前記共通出力線は、前記第１の信号成分が伝送される第１の共通出力線と、前記第２の信号成分が伝送される第２の共通出力線とを含む、請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記層内レンズが入射光に対して凸形状を有している、請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記周辺回路領域上に、前記層内レンズを形成するレンズ材料層が、略均一な膜厚で配されている、請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記画素領域の前記層内レンズの周囲に略均一な膜厚を有するレンズ材料層を有しており、前記画素領域に配されたレンズ材料層は、前記周辺回路領域上に配されたレンズ材料層と略同一な膜厚を有している、請求項４に記載の撮像装置。
6. 請求項１に記載の撮像装置と、
   被写体の光学像を前記固体撮像装置の受光面に結像させるレンズと、
   前記固体撮像装置の出力から前記被写体の画像信号を得る信号処理手段とを有する撮像システム。

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