JP5281943B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。
固体撮像装置として、ＣＭＯＳ技術を用いたものが知られており、その中でもパッシブピクセルセンサ（ＰＰＳ: Passive Pixel Sensor）方式のものが知られている。ＰＰＳ方式の固体撮像装置は、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを含むＰＰＳ型の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列された受光部を備え、各画素において光入射に応じてフォトダイオードで発生した電荷を積分回路において容量素子に蓄積し、その蓄積電荷量に応じた電圧値を出力するものである。
一般に、各列のＭ個の画素それぞれの出力端は、その列に対応して設けられている読出用配線を介して、その列に対応して設けられている積分回路の入力端と接続されている。そして、第１行から第Ｍ行まで順次に行毎に、画素のフォトダイオードで発生した電荷は、対応する読出用配線を通って、対応する積分回路に入力されて、その積分回路から電荷量に応じた電圧値が出力される。
ＰＰＳ方式の固体撮像装置は、様々な用途で用いられ、例えば、シンチレータ部と組み合わされてＸ線フラットパネルとして医療用途や工業用途でも用いられ、更に具体的にはＸ線ＣＴ装置やマイクロフォーカスＸ線検査装置等においても用いられる。特許文献１に開示されたＸ線検査システムは、Ｘ線発生装置から出力されて検査対象物を透過したＸ線を固体撮像装置により撮像して該検査対象物を検査するシステムであって、検査対象物を透過したＸ線を固体撮像装置により複数種類の撮像モードで撮像することが可能であるとされている。これら複数種類の撮像モードの間では、受光部における撮像領域が互いに異なる。
国際公開第２００６／１０９８０８号パンフレット
従来より、上述した固体撮像装置の受光部の大きさは、素材となる半導体ウェハの大きさによって制限される。すなわち、略円形の半導体ウェハから長方形の固体撮像装置を作製する場合、半導体ウェハに内接する長方形が、該固体撮像装置の最大の形状となる。しかしながら、固体撮像装置の用途によっては、より広い面積の受光部が望まれる場合がある。例えば歯科用のＸ線撮像システムでは、固体撮像装置に要求される撮像領域の形状がパノラマやＣＴといった各種の撮像モードによって異なり、一つの固体撮像装置によってこれらの撮像モードを実現するため、これらの撮像モードにおける各撮像領域を一つの受光部内に収めることが求められている。
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、素材となる半導体ウェハの大きさによる制限下において、より広い面積の受光部を得る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。
上記した課題を解決するために、本発明による固体撮像装置は、フォトダイオードを各々含む複数の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る受光部と、各列毎に配設され、対応する列の画素に含まれるフォトダイオードと読出用スイッチを介して接続されたＮ本の読出用配線と、読出用配線を経て入力された電荷の量に応じた電圧値を出力する信号出力部と、読出用スイッチの開閉動作を各行毎に制御する垂直シフトレジスタとを備え、受光部の行方向に沿った一辺と列方向に沿った一対の辺との間の輪郭が階段状を呈しており、受光部の階段状の輪郭に沿って形成されたダミー用フォトダイオード領域を更に備えることを特徴とする。
上記固体撮像装置においては、受光部の行方向に沿った一辺と列方向に沿った一対の辺との間の輪郭（典型的には、受光部の隅に相当する部分の輪郭）を階段状とすることによって、略円形の半導体ウェハから当該固体撮像装置を作製する際に、該円形に内接する長方形より広い面積でもって固体撮像装置を作製することができる。したがって、上記固体撮像装置によれば、素材となる半導体ウェハの大きさによる制限下において、より広い面積の受光部を得ることができる。
また、上述したように受光部の輪郭の一部を階段状とした場合、半導体ウェハから当該固体撮像装置を切り出した後においても、その階段状部分と半導体ウェハの縁との間には比較的広いスペースが残る。このようなスペースに光が入射し、不要なキャリアが発生して受光部に流入すると、階段状の輪郭部分に近い受光部の各画素にノイズが重畳されてしまう。また、このようなキャリアの移動方向は多様であるため、階段状の輪郭部分に近い受光部の各画素の特性にムラが生じ易くなり、受光部の特性の均一性（ユニフォミティ）の低下に繋がる。このような問題点に対し、上記固体撮像装置では、受光部の階段状の輪郭に沿ってダミー用フォトダイオード領域が形成されている。これにより、階段状の受光部の周辺において発生する不要キャリアをこのダミー用フォトダイオード領域にて排除できる。したがって、上記固体撮像装置によれば、不要キャリアの受光部への流入を防ぎ、ノイズを低減すると共に、受光部のユニフォミティの低下を抑えることができる。
また、固体撮像装置は、受光部が、同じ列数の複数行から成るＬ個（Ｌ≧２）の行群が列方向に並んで構成されており、受光部の階段状の輪郭は、Ｌ個の行群のうち列方向の一端に位置する行群（列数ＮＬ）を含む連続するＬＡ個（２≦ＬＡ＜Ｌ）の行群それぞれの列数ＮＬ−ＬＡ＋１〜ＮＬがＮＬ＜ＮＬ−１＜…＜ＮＬ−ＬＡ＋１を満たすことにより実現されていることを特徴としてもよい。このように、受光部の端に近づくほど行群の列数を減じることで、受光部の階段状の輪郭を好適に形成できる。
また、固体撮像装置は、垂直シフトレジスタが、Ｌ個の行群それぞれの端列に沿って配設されており、受光部の各行群に対応する垂直シフトレジスタの各部分と当該行群との間に、ダミー用フォトダイオード領域の少なくとも一部分が形成されていることを特徴としてもよい。上述した不要キャリアは、垂直シフトレジスタにおいても発生し得るので、このように垂直シフトレジスタと受光部の各行群との間にダミー用フォトダイオード領域の少なくとも一部分を設けることによって、受光部へ流入する不要キャリアをより確実に排除することができる。
また、固体撮像装置は、受光部の各行群に対応する垂直シフトレジスタの各部分に信号及び電力を供給するために受光部の列方向に沿って延設された幹配線を更に備え、ダミー用フォトダイオード領域の少なくとも一部分が、幹配線の両側に沿って形成されていることを特徴としてもよい。或いは、固体撮像装置は、受光部の各行群に対応する垂直シフトレジスタの各部分に信号及び電力を供給するために受光部の列方向に沿って延設された幹配線を更に備え、ダミー用フォトダイオード領域が、幹配線の直下を除く領域に形成されていることを特徴としてもよい。
このように、垂直シフトレジスタへ信号・電力を供給する為に列方向に延設された幹配線の両側、或いは該幹配線の直下を除く領域にダミー用フォトダイオード領域を形成し、幹配線と基板との間にはダミー用フォトダイオード領域を形成しないことによって、幹配線とダミー用フォトダイオード領域との間隔を十分に確保し、配線の寄生容量の増加を抑制できる。特に、大面積の固体撮像装置においては、大面積であるが故に幹配線の配線長が長くなり、信号遅延が生じやすくなるため、この様な工夫が好ましい。更に、受光部の輪郭が階段状となっている箇所では、受光部の各行群に対応する垂直シフトレジスタの各部分が互いに離れてしまい、幹配線も長くなるので、このような効果が顕著となる。
なお、本発明における幹配線とは、垂直シフトレジスタに信号や電力を供給するための配線のうち、垂直シフトレジスタに含まれる複数の部分に共通の配線（または配線群）を指すものであり、共通の配線から分岐して垂直シフトレジスタの各部分へ延びる配線は含まれない。
また、固体撮像装置は、受光部の各行群に対応する複数のバッファアンプを更に備え、幹配線と垂直シフトレジスタの各部分とがバッファアンプを介して接続されていることを特徴としてもよい。先に述べたように、受光部の輪郭が階段状となっている箇所では、幹配線が長くなってしまう。長くなった幹配線は容量負荷となり、信号遅延を生じやすくなる。その上、全ての垂直シフトレジスタに幹配線から直接配線すると、非常に多くのゲートスイッチに対して一本の幹配線から配線がなされることとなるが、このことが容量負荷の増加につながり、更に信号遅延が生じやすくなる。このような場合に、受光部の各行群に対応する垂直シフトレジスタの各部分と幹配線とをバッファアンプを介して接続することによって、寄生容量による影響を効果的に抑えるとともに、幹配線から直接駆動されるゲート数を減らすことで幹配線に対する容量負荷を低減し、信号遅延を生じ難くすることができる。
また、固体撮像装置は、ダミー用フォトダイオード領域が、フォトダイオードと同一の半導体層構造を有することを特徴としてもよい。これにより、固体撮像装置を作製する際に特別な工程を追加することなくダミー用フォトダイオード領域を容易に形成できる。
本発明による固体撮像装置によれば、素材となる半導体ウェハの大きさによる制限下において、より広い面積の受光部を得ることができる。
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成図である。 固体撮像装置１が備える受光部１０の構成を示す図である。なお、同図では、受光部１０の一部の領域Ｄを拡大して示している。 受光部１０の階段状の輪郭部分の周辺の構成を示す平面図である。 図３のIV−IV線に沿った断面の主要部を示す側断面図である。 受光部１０の或る行群に含まれる２つの画素群１０ａの構成と、当該行群に対応するシフトレジスタ部分３０ａの構成とをより詳細に示した回路図である。 信号出力部２０の出力部分２０ａにおいて、各読出用配線１２に接続された回路の具体的構成を示す回路図である。 略円形の半導体ウェハ２００において固体撮像装置の面付けを行った様子を示す図であって、（ａ）従来の矩形状の受光部９０を有する固体撮像装置８０の面付けを行った様子、（ｂ）本実施形態の固体撮像装置１の面付けを行った様子、をそれぞれ示している。 一実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１００の構成図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明による固体撮像装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置１は、いわゆるパッシブ型ＣＭＯＳイメージセンサに用いられるものであり、複数の画素が二次元状に配置された半導体素子である。図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、受光部１０と、複数の出力部分２０ａを含む信号出力部２０と、複数のシフトレジスタ部分３０ａを含む垂直シフトレジスタ３０とを備えている。受光部１０、信号出力部２０、及び垂直シフトレジスタ３０は、例えばシリコン基板といった半導体基板１４の主面に作り込まれている。なお、この半導体基板１４は、機械的強度を維持するための平板状の基材に貼り付けられてもよい。
図２を参照すると、受光部１０は、複数の画素１１がＭ行Ｎ列（Ｍ，Ｎは２以上の整数）に２次元配列されて成る。本実施形態の受光部１０は、列数が互いに等しい複数の行から成るＬ個（Ｌ≧２）の行群Ａ１〜ＡＬが列方向に並んで構成されている。各行群Ａ１〜ＡＬは、例えば図２において行群ＡＬ−１の範囲を一定鎖線で示しているように、行方向に並んだ複数の画素群１０ａによって構成され、各画素群１０ａは、Ｍａ行Ｎａ列（２≦Ｍａ＜Ｍ，２≦Ｎａ＜Ｎ）に２次元配列された複数の画素１１によって構成されている。画素群１０ａは、例えば受光部１０をフォトリソグラフィ技術により作製する際の露光の単位である。
また、本実施形態の受光部１０においては、Ｌ個の行群Ａ１〜ＡＬのうち列方向の一端に位置する行群ＡＬ（列数ＮＬ）を含む連続するＬＡ個（２≦ＬＡ＜Ｌ）の行群ＡＬ−ＬＡ＋１〜ＡＬそれぞれの列数ＮＬ−ＬＡ＋１〜ＮＬがＮＬ＜ＮＬ−１＜…＜ＮＬ−ＬＡ＋１を満たすことにより、受光部１０の行方向に沿った一辺１０ｂと、列方向に沿った一対の辺１０ｃ，１０ｄとの間の輪郭が、階段状を呈している。
具体的に、ＬＡ＝３の場合について説明する。図２において、Ｌ個の行群Ａ１〜ＡＬのうち列方向の一端に位置する行群ＡＬに含まれる画素群１０ａの個数をｎとする。このとき、行群ＡＬに含まれる画素１１の列数ＮＬは、ＮＬ＝ｎ×Ｎａとなる。次に、行群ＡＬに隣接する行群ＡＬ−１に含まれる画素群１０ａの個数は、行群ＡＬと比較して両端に一つずつ増え、（ｎ＋２）となる。したがって、行群ＡＬ−１に含まれる画素１１の列数ＮＬ−１は、ＮＬ−１＝（ｎ＋２）×Ｎａとなる。同様にして、行群ＡＬ−２に含まれる画素群１０ａの個数は（ｎ＋４）となり、行群ＡＬ−２に含まれる画素１１の列数ＮＬ−２は、ＮＬ−２＝（ｎ＋４）×Ｎａとなる。なお、行群ＡＬ−２から他端の行群Ａ１までの各行群ＡＬ−２〜Ａ１に含まれる画素群１０ａの個数は一定であり、これらの行群ＡＬ−２〜Ａ１に含まれる画素１１の列数ＮＬ−２〜Ｎ１は全て等しく（ｎ＋４）×Ｎａとなっている。
このように、図２に示す受光部１０においては、列方向の一端に位置する行群ＡＬを含む連続する３個の行群ＡＬ−２〜ＡＬそれぞれの列数ＮＬ−２〜ＮＬが、行群ＡＬ側から順に増加しており、ＮＬ＜ＮＬ−１＜ＮＬ−２の関係を満たしている。そして、本実施形態の固体撮像装置１においては、行群ＡＬ−２〜ＡＬに含まれる画素１１の列数がこのように設定されることにより、行群ＡＬ−２〜ＡＬによって規定される受光部１０の輪郭、すなわち受光部１０の辺１０ｂと辺１０ｃ，１０ｄとの間の輪郭が階段状を呈している。
受光部１０の各画素１１は、ＰＰＳ方式のものであって、共通の構成を有している。すなわち、各画素１１は、フォトダイオードＰＤおよび読出用スイッチＳＷａを含む。フォトダイオードＰＤのアノード端子は接地され、フォトダイオードＰＤのカソード端子は読出用スイッチＳＷａを介して読出用配線１２と接続されている。フォトダイオードＰＤは、入射光強度に応じた量の電荷を発生し、その発生した電荷を接合容量部に蓄積する。読出用スイッチＳＷａには、行選択用配線１３を介して行選択制御信号が与えられる。行選択制御信号は、受光部１０の各行に含まれる画素１１の読出用スイッチＳＷａの開閉動作を指示するものである。
各画素１１では、行選択制御信号がロー（Ｌ）レベルであるときに、読出用スイッチＳＷａが開いて、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は、読出用配線１２へ出力されることなく、接合容量部に蓄積される。一方、行選択制御信号がハイ（Ｈ）レベルであるときに、読出用スイッチＳＷａが閉じて、それまでフォトダイオードＰＤで発生して接合容量部に蓄積されていた電荷は、読出用スイッチＳＷａを経て、読出用配線１２へ出力される。
再び図１を参照すると、垂直シフトレジスタ３０は、行方向における受光部１０の両端に配置されている。垂直シフトレジスタ３０は、図２に示した画素１１からの電荷出力を各行毎に制御するために設けられており、行選択用配線１３を介して行選択制御信号を各画素１１に与える。垂直シフトレジスタ３０は、上述したＬ個の行群Ａ１〜ＡＬに対応して設けられた複数のシフトレジスタ部分３０ａによって構成されている。本実施形態では、行方向における行群Ａ１〜ＡＬの一端側にＬ個のシフトレジスタ部分３０ａが配置され、他端側に更にＬ個のシフトレジスタ部分３０ａが配置されている。各シフトレジスタ部分３０ａは、それぞれ対応する行群の端列に沿って配設されており、当該行群のＭａ本の行選択用配線１３に接続されている。
信号出力部２０は、行方向に沿った受光部１０の一辺（具体的には、行群Ａ１によって規定される一辺）に隣接して配置されている。信号出力部２０は、受光部１０の各列に対応して配設された読出用配線１２と接続されており、読出用配線１２を経て入力された電荷の量に応じた電圧値（アナログ値またはデジタル値）を出力する。信号出力部２０は、上述した行群Ａ１を構成する複数の画素群１０ａに対応して設けられた複数の出力部分２０ａによって構成されている。各出力部分２０ａは、それぞれ対応する画素群１０ａのＮａ本の読出用配線１２に接続されている。
本実施形態の固体撮像装置１は、図１に示すように、複数の端子電極４０を更に備えている。複数の端子電極４０は、例えば信号出力部２０に沿った半導体基板１４の縁部に並んで設けられている。複数の端子電極４０の一部は、信号出力部２０に接続されており、例えば、信号出力部２０に含まれる積分回路のリセットを行うリセット信号、信号出力部２０に含まれる保持回路への信号入力を制御するホールド信号、信号出力部２０に含まれる水平シフトレジスタの動作を開始する水平スタート信号、水平シフトレジスタのクロックを規定する水平クロック信号、及び信号出力部２０を駆動するための電源電圧を固体撮像装置１の外部から入力し、また、信号出力部２０から出力される電圧信号を固体撮像装置１の外部へ出力する。
また、複数の端子電極４０の他の一部は、幹配線５０を介して垂直シフトレジスタ３０の各シフトレジスタ部分３０ａと接続されている。これらの端子電極４０は、例えば、垂直シフトレジスタ３０において使用されるゲート信号、垂直スタート信号、及び垂直クロック信号、並びに各シフトレジスタ部分３０ａを駆動するための電源電圧をそれぞれ入力する。
幹配線５０は、受光部１０の各行群Ａ１〜ＡＬに対応する各シフトレジスタ部分３０ａに信号及び電力を供給するために、受光部１０の列方向に沿って延設された複数の配線から成る配線群である。本実施形態における幹配線５０とは、垂直シフトレジスタ３０に信号や電力を供給するための配線のうち、垂直シフトレジスタ３０に含まれる複数の部分に共通の配線（または配線群）を指すものであり、共通の配線から分岐して垂直シフトレジスタ３０の各シフトレジスタ部分３０ａへ延びる配線は含まれない。なお、固体撮像装置１は、各行群Ａ１〜ＡＬに対応して設けられた複数のバッファアンプ６１を備えており、幹配線５０と各シフトレジスタ部分３０ａとは、それぞれ対応するバッファアンプ６１を介して互いに接続されていることが好ましい。また、端子電極４０と幹配線５０との間にも、バッファアンプ６２が接続されていると尚良い。
ここで、受光部１０において輪郭が階段状となっている部分の周辺の構成について更に説明する。図３は、当該部分の周辺の構成を示す平面図であり、図４は、図３のIV−IV線に沿った断面の主要部を示す側断面図である。
図３及び図４に示すように、固体撮像装置１は、上記構成に加え、更にダミー用フォトダイオード領域７０を備えている。ダミー用フォトダイオード領域７０は、受光部１０の外部に入射した光を吸収し、発生したキャリアを排除するための領域であり、主に受光部１０の階段状の輪郭に沿って形成されている。
ダミー用フォトダイオード領域７０は、各画素１１のフォトダイオードＰＤと同一の半導体層構造を有する。具体的には、図４に示すように、各画素１１のフォトダイオードＰＤは、第１導電型（例えばｐ型）であって半導体基板１４の基体となる第１導電型半導体領域１５の表面側に形成された、イオン注入層である第２導電型（例えばｎ型）半導体層１６を有する。第２導電型半導体層１６と第１導電型半導体領域１５とは互いにｐｎ接合を構成しており、第２導電型半導体層１６は光の像を入射して電荷（キャリア）を生成する光検出領域となっている。各画素１１の第２導電型半導体層１６は、酸化膜（ＬＯＣＯＳ；Local Oxidation of Silicon）１７によって互いに分離（アイソレーション）されている。
ダミー用フォトダイオード領域７０の構成もフォトダイオードＰＤと同様であり、第１導電型半導体領域１５の表面側に形成されたイオン注入層である第２導電型半導体層７１を有する。第２導電型半導体層７１と第１導電型半導体領域１５とは互いにｐｎ接合を構成しており、受光部１０の周囲に入射した光や放射線が第２導電型半導体層７１に入射すると、電荷が発生する。第２導電型半導体層７１は、例えば複数の端子電極４０に含まれる電極を介して基準電位（接地電位）に接続されており、発生した電荷は該電極を介して不要キャリアとして外部へ排出される。
なお、受光部１０の各画素１１およびダミー用フォトダイオード領域７０、更には図１に示した信号出力部２０、垂直シフトレジスタ３０および幹配線５０といった、端子電極４０を除く半導体基板１４上の各構成物は、図４に示すパシベーション膜８０によって覆われ、保護されている。
このような構成を有するダミー用フォトダイオード領域７０は、図３に示すように、部分領域７０ａ〜７０ｄをそれぞれ複数含んでいる。複数の部分領域７０ａは、受光部１０の各行群Ａ１〜ＡＬに対応する各シフトレジスタ部分３０ａと、当該行群Ａ１〜ＡＬとの間にそれぞれ形成されており、各部分領域７０ａは、各行群Ａ１〜ＡＬの端列に沿って延びている。図４に示すように、各行群Ａ１〜ＡＬの端列のフォトダイオードＰＤと部分領域７０ａとの間、および各シフトレジスタ部分３０ａと部分領域７０ａとの間は、それぞれ酸化膜１７によって互いに仕切られている。
複数の部分領域７０ｂは、主に各シフトレジスタ部分３０ａと幹配線５０との間にそれぞれ形成されており、各部分領域７０ｂは、半導体基板１４の板面に垂直な方向から見て幹配線５０の内側の縁に沿って延設されている。ここで、幹配線５０のうち、列群Ａ１〜ＡＬ−２の一端すなわち受光部１０の直線状の輪郭に沿って延びる部分は、列方向に沿って真っ直ぐ延びている。これに対し、列群ＡＬ−１〜ＡＬの一端すなわち受光部１０の階段状の輪郭に沿って延びる部分は、行方向に延びる部分と列方向に延びる部分とが交互に連結され、幹配線５０もまた階段状を呈している。部分領域７０ｂは、幹配線５０のうち列方向に延びる部分に沿った領域だけでなく、行方向に延びる部分に沿った領域にも形成されている。
複数の部分領域７０ｃは、幹配線５０の外側（すなわち、部分領域７０ｂが形成された反対側）の縁に沿ってそれぞれ形成されている。部分領域７０ｃは、対応する行群によってその形状および面積が大きく異なる。すなわち、受光部１０の直線状の輪郭を形成する行群Ａ１〜ＡＬ−２に対応する部分領域７０ｃは、列方向に延びる幹配線５０に沿って延びており、半導体基板１４の縁と幹配線５０との間の比較的狭い領域において列方向を長手方向とする細長形状を呈している。これに対し、受光部１０の階段状の輪郭を形成する行群ＡＬ−１〜ＡＬに対応する部分領域７０ｃは、幹配線５０の行方向に延びる部分および列方向に延びる部分の双方に沿って形成されており、半導体基板１４の縁と幹配線５０との間の比較的広い領域において行方向を長手方向とする幅広形状を呈している。
なお、上述した部分領域７０ｂ及び７０ｃは、幹配線５０の両側に沿って形成されており、幹配線５０の直下には形成されていない。幹配線５０の直下には、図４に示すように酸化膜１７が形成されており、この酸化膜１７によって幹配線５０と第１導電型半導体領域１５とが互いに絶縁されている。酸化膜１７は、ダミー用フォトダイオード領域７０の第２導電型半導体層７１より厚く形成されており、幹配線５０と第１導電型半導体領域１５との間隔を十分に確保することによって幹配線５０の寄生容量を低減している。但し、幹配線５０からバッファアンプ６１を介してシフトレジスタ部分３０ａに延びる枝配線の一部については、寄生容量による影響が軽微のため、部分領域７０ｂを構成する第２導電型半導体層７１上に形成されている。
複数の部分領域７０ｄは、行方向に沿った受光部１０の一対の辺のうち、信号出力部２０が設けられた辺とは反対側の一辺に沿って並んで形成されており、行群ＡＬを構成する複数の画素群１０ａに隣接してそれぞれ設けられている。
なお、上述した部分領域７０ａ〜７０ｄの配置は、各行群Ａ１〜ＡＬの両端にシフトレジスタ部分３０ａ等がフォトリソグラフィ技術により形成される際、露光の単位領域それぞれに各一つの部分領域７０ａ〜７０ｄが併せて形成されることによって簡易に実現される。
続いて、受光部１０、信号出力部２０および垂直シフトレジスタ３０の詳細な構成について説明する。図５は、受光部１０の或る行群に含まれる２つの画素群１０ａの構成と、当該行群に対応するシフトレジスタ部分３０ａの構成とをより詳細に示した回路図である。
シフトレジスタ部分３０ａは、互いに直列に接続された複数のシフトレジスタ３１と、受光部１０の当該行群に含まれる各行に対応して設けられた否定論理和回路（ＮＯＲゲート）３２及びバッファ３３とを含んで構成されている。複数のシフトレジスタ３１のそれぞれには、各シフトレジスタ３１の動作クロックを規定する垂直クロック信号Ｃｋｖが、幹配線５０（図１参照）を介して与えられる。また、複数のシフトレジスタ３１から成る直列回路の一端には、垂直シフトレジスタ３０の動作を開始させる垂直スタート信号Ｓｐｖが、幹配線５０を介して与えられる。
初段に位置するシフトレジスタ３１に垂直スタート信号Ｓｐｖが入力されると、各シフトレジスタ３１の出力電圧Ｓｈｉｆｔは、垂直クロック信号Ｃｋｖのタイミングに合わせて一定期間だけ順に立ち下がる。そして、各シフトレジスタ３１の出力電圧Ｓｈｉｆｔは、各行毎に設けられたＮＯＲゲート３２に順に入力され、ゲート信号Ｇａｔｅとの否定論理和がバッファ３３へ出力される。バッファ３３から出力された信号は、行選択制御信号Ｖｓｅｌとして行選択用配線１３へ提供される。なお、ゲート信号Ｇａｔｅは、行選択制御信号Ｖｓｅｌに含まれるパルスの時間幅を短縮するための信号である。
また、図５に示すように、画素群１０ａの各列を構成するＭａ個の画素１１それぞれの出力端は、読出用配線１２を介して、当該画素群１０ａに対応する出力部分２０ａ（具体的には、当該出力部分２０ａにおいて各列毎に設けられた積分回路２１）それぞれと接続される。
図６は、信号出力部２０の出力部分２０ａにおいて、各読出用配線１２に接続された回路の具体的構成を示す回路図である。なお、図６においては、一本の読出用配線１２に対応する出力部分２０ａの回路構成を示している。
図６に示すように、出力部分２０ａは、各読出用配線１２毎に設けられた積分回路２１及び保持回路２２を有する。積分回路２１は、アンプＡＭ、積分用容量素子Ｃ１および放電用スイッチＳＷ１を含む。積分用容量素子Ｃ１および放電用スイッチＳＷ１は、互いに並列に接続され、アンプＡＭの入力端子と出力端子との間に設けられている。アンプＡＭの入力端子は、対応する読出用配線１２と接続されている。放電用スイッチＳＷ１には、図示しない制御回路から放電制御信号Ｒｅｓｅｔが与えられる。放電制御信号Ｒｅｓｅｔは、出力部分２０ａに含まれる複数の積分回路２１それぞれの放電用スイッチＳＷ１の開閉動作を一括して制御する信号である。
この積分回路２１では、放電制御信号Ｒｅｓｅｔがハイレベルであるときに、放電用スイッチＳＷ１が閉じて、積分用容量素子Ｃ１が放電され、積分回路２１から出力される電圧値が初期化される。放電制御信号Ｒｅｓｅｔがローレベルであるときに、放電用スイッチＳＷ１が開いて、入力端に入力された電荷が積分用容量素子Ｃ１に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が積分回路２１から出力される。
保持回路２２は、入力用スイッチＳＷ２１、出力用スイッチＳＷ２２および保持用容量素子Ｃ２を含む。保持用容量素子Ｃ２の一端は接地されている。保持用容量素子Ｃ２の他端は、入力用スイッチＳＷ２１を介して積分回路２１の出力端と接続され、出力用スイッチＳＷ２２を介して電圧出力用配線１８と接続されている。入力用スイッチＳＷ２１には、図示しない制御回路から保持制御信号Ｈｏｌｄが与えられる。保持制御信号Ｈｏｌｄは、出力部分２０ａに含まれる複数の保持回路２２それぞれの入力用スイッチＳＷ２１の開閉動作を一括して制御する信号である。また、出力用スイッチＳＷ２２には、図示しない制御回路から第ｎ列選択制御信号Ｈｓｅｌ（ｎ）が与えられる。第ｎ列選択制御信号Ｈｓｅｌ（ｎ）は、保持回路２２に含まれる出力用スイッチＳＷ２２の開閉動作を各列毎に制御する信号である。
この保持回路２２では、保持制御信号Ｈｏｌｄがハイレベルからローレベルに転じると、入力用スイッチＳＷ２１が閉状態から開状態に転じて、そのときに入力端に入力されている電圧値が保持用容量素子Ｃ２に保持される。また、第ｎ列選択制御信号Ｈｓｅｌ（ｎ）がハイレベルであるときに、出力用スイッチＳＷ２２が閉じて、保持用容量素子Ｃ２に保持されている電圧値が電圧出力用配線１８へ出力される。
以上に説明した本実施形態の固体撮像装置１によって得られる作用効果について説明する。固体撮像装置１においては、受光部１０に含まれる画素群１０ａの配置を工夫することによって、受光部１０の行方向に沿った一辺１０ｂと、列方向に沿った一対の辺１０ｃ，１０ｄとの間の輪郭（すなわち、矩形状の受光部１０の二隅に相当する部分の輪郭）が階段状となっている。
ここで、図７は、略円形の半導体ウェハ２００において固体撮像装置の面付けを行った様子を示す図であって、図７（ａ）は従来の矩形状の受光部９０を有する固体撮像装置８０の面付けを行った様子を示しており、図７（ｂ）は本実施形態の固体撮像装置１の面付けを行った様子を示している。固体撮像装置は、一般的に図７に示すような略円形の半導体ウェハ２００からダイシングにより切り出されるが、図７（ａ）に示すように、矩形状の受光部９０を有する固体撮像装置８０の場合、素子面積を出来るだけ広く得ようとすると、固体撮像装置８０の外形は、略円形の半導体ウェハ２００の外縁に内接する長方形（行方向の幅Ｗ１、列方向の幅Ｗ２）となる。これに対し、図７（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置１では、受光部１０の二隅の輪郭を階段状としたことにより、固体撮像装置１の対応する部分の輪郭も階段状となって、固体撮像装置１の行方向の幅Ｗ３、及び列方向の幅Ｗ４をそれぞれ幅Ｗ１、Ｗ２より長くすることができ、階段状に切り欠かれた部分の面積を考慮しても、受光部１０の面積をより広くすることができる。
このように、本実施形態の固体撮像装置１によれば、素材となる半導体ウェハ２００の大きさによる制限下において、より広い面積の受光部１０を得ることができる。
また、上述したように受光部１０の輪郭の一部を階段状とした場合、半導体ウェハ２００から固体撮像装置１を切り出した後においても、その階段状部分と半導体基板１４の縁との間には比較的広いスペースが残る。このようなスペースに光が入射し、不要なキャリアが発生して受光部１０に流入すると、階段状の輪郭部分に近い受光部１０の各画素１１にノイズが重畳されてしまう。また、このようなキャリアの移動方向は多様であり、隣接するスペースの大きさも各画素１１毎に均一ではないため、階段状の輪郭部分に近い受光部１０の各画素１１の特性にムラが生じ易くなり、受光部１０の特性の均一性（ユニフォミティ）の低下に繋がってしまう。
このような問題点に対し、本実施形態の固体撮像装置１においては、受光部１０の階段状の輪郭に沿ってダミー用フォトダイオード領域７０が形成されている。これにより、階段状の受光部１０の周辺において発生する不要キャリアをこのダミー用フォトダイオード領域７０にて排除できる。したがって、本実施形態の固体撮像装置１によれば、不要キャリアの受光部１０への流入を防ぎ、ノイズを低減すると共に、受光部１０のユニフォミティの低下を抑えることができる。
また、本実施形態のように、受光部１０は、同じ列数の複数行から成るＬ個（Ｌ≧２）の行群Ａ１〜ＡＬが列方向に並んで構成されており、受光部１０の階段状の輪郭は、Ｌ個の行群Ａ１〜ＡＬのうち列方向の一端に位置する行群ＡＬ（列数ＮＬ）を含む連続するＬＡ個（２≦ＬＡ＜Ｌ）の行群ＡＬ−ＬＡ＋１〜ＡＬそれぞれの列数ＮＬ−ＬＡ＋１〜ＮＬが、ＮＬ＜ＮＬ−１＜…＜ＮＬ−ＬＡ＋１を満たすことにより実現されていることが好ましい。このように、受光部１０の端に近づくほど行群の列数を減じることで、受光部１０の階段状の輪郭を好適に形成できる。
また、本実施形態のように、垂直シフトレジスタ３０が、Ｌ個の行群Ａ１〜ＡＬそれぞれの端列に沿って配設されている場合、垂直シフトレジスタ３０の各シフトレジスタ部分３０ａと、対応する各行群Ａ１〜ＡＬとの間に、ダミー用フォトダイオード領域７０の部分領域７０ａが形成されていることが好ましい。上述した不要キャリアは、垂直シフトレジスタ３０においても発生し得るので、ダミー用フォトダイオード領域７０の部分領域７０ａをこのように配置することにより、受光部１０へ流入する不要キャリアをより確実に排除することができる。
また、本実施形態のように、受光部１０の各行群に対応する垂直シフトレジスタ３０の各部分に信号及び電力を供給するための幹配線５０が受光部１０の列方向に沿って延設されている場合、ダミー用フォトダイオード領域７０の部分領域７０ｂ及び７０ｃが、幹配線５０の両側に沿って形成されていること、すなわち幹配線５０の直下を除く領域に形成されていることが好ましい。このように、幹配線５０の両側、或いは幹配線５０の直下を除く領域にダミー用フォトダイオード領域７０を形成し、幹配線５０の直下の半導体基板１４の領域にはダミー用フォトダイオード領域７０を形成しないことによって、幹配線５０と半導体基板１４との間隔を十分に確保し、幹配線５０の寄生容量の増加、及びそれに伴う信号の遅延を抑制できる。特に、大面積の固体撮像装置１においては、大面積であるが故に幹配線５０の配線長が長くなり、信号遅延が生じやすくなるため、この様な工夫が好ましい。更に、受光部１０の輪郭が階段状となっている箇所では、受光部１０の各行群（本実施形態ではＡＬ，ＡＬ−１及びＡＬ−２）に対応する垂直シフトレジスタ３０の各シフトレジスタ部分３０ａが互いに離れており、幹配線５０も長くなるので、このような効果が顕著となる。
また、本実施形態のように、受光部１０の各行群Ａ１〜ＡＬに対応する複数のバッファアンプ６１を介して幹配線５０と各シフトレジスタ部分３０ａとが接続されていることが好ましい。先に述べたように、受光部１０の輪郭が階段状となっている箇所では、幹配線５０が長くなってしまう。長くなった幹配線５０は容量負荷となり、信号遅延を生じやすくなる。その上、垂直シフトレジスタ３０の全てのシフトレジスタ部分３０ａに幹配線５０から直接配線すると、非常に多くのゲートスイッチに対して一本の幹配線５０から配線がなされることとなるが、このことが容量負荷の増加につながり、更に信号遅延が生じやすくなる。このような場合に、受光部１０の各行群Ａ１〜ＡＬに対応する垂直シフトレジスタ３０の各シフトレジスタ部分３０ａと幹配線５０とをバッファアンプ６１を介して接続することによって、寄生容量による影響を効果的に抑えるとともに、幹配線５０から直接駆動されるゲート数を減らすことで幹配線５０に対する容量負荷を低減し、信号遅延を生じ難くすることができる。
また、本実施形態のように、ダミー用フォトダイオード領域７０は、各画素１１を構成するフォトダイオードＰＤと同一の半導体層構造を有することが好ましい。これにより、固体撮像装置１を作製する際に特別な工程を追加することなくダミー用フォトダイオード領域７０を容易に形成できる。
本実施形態に係る固体撮像装置１は、受光部１０の前面にシンチレータが設けられることにより、例えばＸ線ＣＴ装置において好適に用いられ得る。そこで、本実施形態に係る固体撮像装置１を備えるＸ線ＣＴ装置の実施形態について次に説明する。
図８は、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１００の構成図である。この図に示されるＸ線ＣＴ装置１００では、Ｘ線源１０６は被写体に向けてＸ線を発生する。Ｘ線源１０６から発生したＸ線の照射野は、１次スリット板１０６ｂによって制御される。Ｘ線源１０６は、Ｘ線管が内蔵され、そのＸ線管の管電圧、管電流および通電時間などの条件が調整されることによって、被写体へのＸ線照射量が制御される。Ｘ線撮像器１０７は、本実施形態に係る固体撮像装置１に相当し、その受光部１０の前面にはシンチレータパネルが設けられており、被写体を通過したＸ線像を撮像する。Ｘ線撮像器１０７の前方には、Ｘ線入射領域を制限する２次スリット板１０７ａが設けられる。
旋回アーム１０４は、Ｘ線源１０６およびＸ線撮像器１０７を対向させるように保持して、これらをパノラマ断層撮影の際に被写体の周りに旋回させる。また、リニア断層撮影の際にはＸ線撮像器１０７を被写体に対して直線変位させるためのスライド機構１１３が設けられる。旋回アーム１０４は、回転テーブルを構成するアームモータ１１０によって駆動され、その回転角度が角度センサ１１２によって検出される。また、アームモータ１１０は、ＸＹテーブル１１４の可動部に搭載され、回転中心が水平面内で任意に調整される。
Ｘ線撮像器１０７から出力される画像信号は、ＡＤ変換器１２０によって例えば１０ビット（＝１０２４レベル）のデジタルデータに変換され、ＣＰＵ（中央処理装置）１２１にいったん取り込まれた後、フレームメモリ１２２に格納される。フレームメモリ１２２に格納された画像データから、所定の演算処理によって任意の断層面に沿った断層画像が再生される。再生された断層画像は、ビデオメモリ１２４に出力され、ＤＡ変換器１２５によってアナログ信号に変換された後、ＣＲＴ（陰極線管）などの画像表示部１２６によって表示され、各種診断に供される。
ＣＰＵ１２１には、信号処理に必要なワークメモリ１２３が接続され、さらにパネルスイッチやＸ線照射スイッチ等を備えた操作パネル１１９が接続されている。また、ＣＰＵ１２１は、アームモータ１１０を駆動するモータ駆動回路１１１、１次スリット板１０６ｂおよび２次スリット板１０７ａの開口範囲を制御するスリット制御回路１１５，１１６、Ｘ線源１０６を制御するＸ線制御回路１１８にそれぞれ接続され、さらに、Ｘ線撮像器１０７を駆動するためのクロック信号を出力する。
Ｘ線制御回路１１８は、Ｘ線撮像器１０７により撮像された信号に基づいて、被写体へのＸ線照射量を帰還制御することが可能である。
Ｘ線ＣＴ装置１００は、本実施形態に係る固体撮像装置１を備えることにより、受光部の面積をより広くすることができる。また、不要キャリアの受光部への流入を防ぎ、ノイズを低減すると共に、受光部のユニフォミティの低下を抑えることができる。
本発明による固体撮像装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では行方向における受光部の両端に垂直シフトレジスタを配置した構成を例示したが、一方の端に垂直シフトレジスタを配置する構成においても、本発明を適用できる。また、上記実施形態ではダミー用フォトダイオード領域が４種類の部分領域を含む場合について説明したが、本発明においてはダミー用フォトダイオード領域が受光部の階段状の輪郭に沿って形成されていれば、上記形態と異なっていたとしても上述した効果を好適に得ることができる。
１…固体撮像装置、１０…受光部、１０ａ…画素群、１１…画素、１２…読出用配線、１３…行選択用配線、１４…半導体基板、１５…第１導電型半導体領域、１６…第２導電型半導体層、１７…酸化膜、１８…電圧出力用配線、２０…信号出力部、２０ａ…出力部分、２１…積分回路、２２…保持回路、３０…垂直シフトレジスタ、３０ａ…シフトレジスタ部分、３１…シフトレジスタ、３２…ゲート、３３…バッファ、４０…端子電極、５０…幹配線、６１，６２…バッファアンプ、７０…ダミー用フォトダイオード領域、７０ａ〜７０ｄ…部分領域、７１…第２導電型半導体層、８０…パシベーション膜、２００…半導体ウェハ、Ａ１〜ＡＬ…行群。

Claims (7)

  1. フォトダイオードを各々含む複数の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る受光部と、
    各列毎に配設され、対応する列の前記画素に含まれる前記フォトダイオードと読出用スイッチを介して接続されたＮ本の読出用配線と、
    前記読出用配線を経て入力された電荷の量に応じた電圧値を出力する信号出力部と、
    前記読出用スイッチの開閉動作を各行毎に制御する垂直シフトレジスタと
    を備え、
    前記受光部の行方向に沿った一辺と列方向に沿った一対の辺との間の輪郭が階段状を呈しており、
    前記受光部の階段状の輪郭に沿って形成されたダミー用フォトダイオード領域を更に備えることを特徴とする、固体撮像装置。
  2. 前記受光部は、同じ列数の複数行から成るＬ個（Ｌ≧２）の行群が列方向に並んで構成されており、
    前記受光部の階段状の輪郭は、前記Ｌ個の行群のうち列方向の一端に位置する行群（列数ＮＬ）を含む連続するＬＡ個（２≦ＬＡ＜Ｌ）の行群それぞれの列数ＮＬ−ＬＡ＋１〜ＮＬがＮＬ＜ＮＬ−１＜…＜ＮＬ−ＬＡ＋１を満たすことにより実現されていることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記垂直シフトレジスタは、前記Ｌ個の行群それぞれの端列に沿って配設されており、
    前記受光部の各行群に対応する前記垂直シフトレジスタの各部分と当該行群との間に、前記ダミー用フォトダイオード領域の少なくとも一部分が形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記受光部の各行群に対応する前記垂直シフトレジスタの各部分に信号及び電力を供給するために前記受光部の列方向に沿って延設された幹配線を更に備え、
    前記ダミー用フォトダイオード領域の少なくとも一部分が、前記幹配線の両側に沿って形成されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の固体撮像装置。
  5. 前記受光部の各行群に対応する前記垂直シフトレジスタの各部分に信号及び電力を供給するために前記受光部の列方向に沿って延設された幹配線を更に備え、
    前記ダミー用フォトダイオード領域が、前記幹配線の直下を除く領域に形成されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の固体撮像装置。
  6. 前記受光部の各行群に対応する複数のバッファアンプを更に備え、
    前記幹配線と前記垂直シフトレジスタの各部分とが前記バッファアンプを介して接続されていることを特徴とする、請求項４または５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記ダミー用フォトダイオード領域は、前記フォトダイオードと同一の半導体層構造を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
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