JP5313550B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、ＭＯＳ型固体撮像装置における画素領域の構造に関する。

ディジタルスチルカメラなどの撮像デバイスとして、ＭＯＳ型固体撮像装置が用いられている。ＭＯＳ型固体撮像装置では、複数の画素セルが二次元配置（例えば、アレイ状に配置）された画素領域と、画素領域における各画素セルを駆動する回路領域とを有する（特許文献１）。ＭＯＳ型固体撮像装置における画素領域の構成について、図１０を用い説明する。

図１０に示すように、画素領域における各画素セルには、１つのフォトダイオード８１と、４つのトランジスタ（転送トランジスタ８２、増幅トランジスタ８３、選択トランジスタ８４、リセットトランジスタ８５）とを含み構成されている。これら素子８１〜８５は、半導体基板に形成されたウェル領域に形成されている。また、撮像領域においては、隣接する画素セル８０と画素セル８０との間に基板コンタクトが設けられている（図１０では、図示を省略）。基板コンタクトの配置について、図１１を用い説明する。図１１は、画素領域９１における６つの画素セル８０ｒ１、８０ｇ１〜８０ｇ３、８０ｂ１〜８０ｂ２を抜き出して示している。

図１１に示すように、画素領域９１においては、上段の左から、青色の画素セル８０ｂ１、緑色の画素セル８０ｇ３、青色の画素セル８０ｂ２が配列されており、同じく下段の左から、緑色の画素セル８０ｇ１、赤色の画素セル８０ｒ１、緑色の画素セル８０ｇ２が配列されている。
なお、赤色の画素セル８０ｒ１は、構成中に赤色（波長；５７５［ｎｍ］〜７００［ｎｍ］）の可視光を透過するカラーフィルタを含み、緑色の画素セル８０ｇ１〜８０ｇ３は、構成中に緑色（波長；４９０［ｎｍ］〜５７５［ｎｍ］）の可視光を透過するカラーフィルタを含み、青色の画素セル８０ｂ１〜８０ｂ２は、構成中に青色（４００［ｎｍ］〜４９０［ｎｍ］）の可視光を透過するカラーフィルタを含んでいる。

図１１に示すように、従来技術に係るＭＯＳ型固体撮像装置では、画素領域９１では、隣接する画素セルと画素セルとの間に基板コンタクト８０１〜８０８が形成されている。基板コンタクト８０１〜８０８は、画素セル８０ｒ１、８０ｇ１〜８０ｇ３、８０ｂ１〜８０ｂ２の各フォトダイオード８１ｒ１、８１ｇ１〜８１ｇ３、８１ｂ１〜８１ｂ２に対して、同じ間隔をあけて形成されている。

ＭＯＳ型固体撮像装置では、図１１に示すように、撮像領域９１に基板コンタクト８０１〜８０８を設けることによりウェル電位を安定化させ、画素セル８０ｒ１、８０ｇ１〜８０ｇ３、８０ｂ１〜８０ｂ２の各々におけるトランジスタ８２〜８５を高速、且つ、安定に動作させることができる。
特開２０００−３６５５５２号公報 特開２００６−２８６８４８号公報 特表２００２−５１３１４５号公報

しかしながら、上記基板コンタクトを有するＭＯＳ型固体撮像装置では、画素セルの微細化に伴い、出力信号に大きなシェーディングが現れる、という問題がある。特に、波長の短い青色の可視光を受ける画素セル８０ｂ１〜８０ｂ２では、他の色の画素セル８０ｒ１、８０ｇ１〜８０ｇ３に比べて出力信号に大きなシェーディングが現れる。従来技術に係るＭＯＳ型固体撮像装置におけるシェーディング発生のメカニズムについて、図１２を用い説明する。

図１２に示すように、画素セルでは、半導体基板に対して、素子分離９０１、配線９０２（９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃ）、カラーフィルタ９０３およびトップレンズ９０４が形成されている。また、半導体基板に対しては、フォトダイオード８１の両脇部分に該当する箇所に、基板コンタクト８００が形成されている。
図１２における符号７０１は、光電変換により発生した電子がフォトダイオード８１に吸収される境界（以下では、「分水嶺」と記載する。）を示す。光電変換により発生した電子は、基板コンタクト８００の存在に影響を受け、これに反発してフォトダイオード８１に集中しやすくなる傾向がある。このため、半導体基板の浅い領域では、分水嶺７０１が基板コンタクト８００の側へと広がっている。

ここで、特許文献３に示されているとおり、波長が短い（４００［ｎｍ］〜４９０［ｎｍ］）青色の可視光は、その大部分が、約０．２［μｍ］〜０．５［μｍ］の深さで半導体基板（シリコン基板）に吸収される。このため、図１２に示すように、従来技術に係るＭＯＳ型固体撮像装置では、青色の可視光の入射に対して、半導体基板の浅い領域で光電変換により電子が発生する。よって、従来技術に係るＭＯＳ型固体撮像装置では、基板コンタクト８００とフォトダイオード８１との相対的な位置関係により、感度特性に差異を生じ、上述のように、青色の可視光の入射を受ける画素セル８０ｂ１〜８０ｂ２では、特に大きな影響を受けることになる。

さらに、シェーディングは、青色光の入射方向の違いによっても発生する。即ち、固体撮像装置の画素アレイ全体の中でも、上方に位置する画素では、青色光が下方向から斜めに入射することになる。このため、当該上方に位置する画素では、光電変換がフォトダイオードの上部（基板コンタクトが配置されている領域の近傍）で起こり、感度が上がることになる。逆に、固体撮像装置の画素アレイ全体の中でも、下方に位置する画素では、青色光が上方向から斜めに入射することになる。このため、当該下方に位置する画素では、光電変換がフォトダイオードの下部（基板コンタクトが配置されていない領域の近傍）で起こり、感度が上がらないことになる。このように光の入射方向に対して基板コンタクトの位置の違いにより、画素アレイ面内の上部と下部とで感度差が起こり、シェーディングが発生する。

また、４画素１セルのような多画素１セル構成を採用する固体撮像装置では、基板コンタクトが近傍に配されている青色の画素のフォトダイオードと、基板コンタクトが近傍に配されていない青色の画素のフォトダイオードとが存在することになる。このような場合にも、上記２つの画素におけるフォトダイオードの間でも感度差が生じる。
本発明は、上記のような問題を解決しようとなされたものであって、基板の基準電位の安定化を図ることにより、画素セルのトランジスタの高速・安定な動作を確保しながら、入射可視光の波長に関係なく、シェーディングの発生を抑制す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。

上記目的を達成するために、本発明は、次の構成を採用することを特徴とする。
（１） 本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板に対し、互いに間隔をおいて二次元配置され、各々が光電変換機能を有する複数のフォトダイオードと、複数のフォトダイオードの各々の上に形成され、フォトダイオードごとに対応して、互いにピーク波長の異なる光を透過する複数種のカラーフィルタと、複数のフォトダイオードの一部あるいは全部の近傍に形成され、半導体基板に基準電圧を印加する複数の基板コンタクトとを備える。

また、本発明に係る固体撮像装置では、複数のフォトダイオードの中から、その上に形成されたカラーフィルタの透過ピーク波長が最も長い第１グループと、透過ピーク波長が最も短い第２グループとにおいて、複数の基板コンタクトは、第２グループに属する（全ての）フォトダイオードの近傍よりも、第１グループに属する（全ての）フォトダイオードの近傍で高密度に分布していることを特徴とする。例えば、第２グループに属するフォトダイオードの近傍には、基板コンタクトが形成されておらず、第１グループに属するフォトダイオードの近傍に複数の基板コンタクトが分布していることを特徴としている。

あるいは、複数のフォトダイオードの全ての近傍に基板コンタクトが形成されている場合には、第２グループに属するフォトダイオードよりも、第１グループに属するフォトダイオードに対して、全体としてより近い位置に配置されている。
また、本発明では、第２グループに属するフォトダイオードの近傍に基板コンタクトが形成されていない形態だけでなく、第１グループに属するフォトダイオードの近傍に形成されている基板コンタクトとの相対的な分布密度が、上記関係を満たせばよい。

（２） 上記（１）に係る本発明の固体撮像装置では、複数のフォトダイオードが二次元配置された領域内に、第１グループに属する一のフォトダイオードと、第２グループに属する一のフォトダイオードとが、互いに隣接し、且つ、互いの間に基板コンタクトが形成された箇所が存在する。そして、上記基板コンタクトが形成された箇所において、基板コンタクトは、第２グループに属する一のフォトダイオードよりも、第１グループに属する一のフォトダイオードの側にオフセットした状態で形成されていることを特徴とする。

（３） 上記（１）、（２）に係る本発明の固体撮像装置では、複数のフォトダイオードが二次元形成されてなる領域において、基板コンタクトが少なくとも３箇所形成されており、少なくとも３箇所の基板コンタクトが等ピッチで形成されていることを特徴とする。
（４） 上記（１）〜（３）に係る本発明の固体撮像装置では、複数のフォトダイオードの各々に対応して、ソースがフォトダイオードの一端に接続されてなる転送トランジスタと、転送トランジスタのドレインに接続され、そのドレインの電位を増幅する増幅トランジスタと、転送トランジスタにおけるドレインの電位レベルを初期化するリセットトランジスタとが形成されており、基板コンタクトがフォトダイオードの近傍に形成された箇所において、基板コンタクトと転送トランジスタとの間に幅トランジスタまたはリセットトランジスタが配置されていることを特徴とする。

（５） 上記（１）〜（３）に係る本発明の固体撮像装置では、複数のフォトダイオードが二次元配置された領域において、互いに隣接する２以上のフォトダイオードを有し各画素セルが構成されており、各画素セルには、２以上のフォトダイオードの各々に対応し、ソースが各フォトダイオードの一端に接続され、ドレインが共有された２以上の転送トランジスタと、転送トランジスタのドレインに接続され、ドレインの電位を増幅する増幅トランジスタと、転送トランジスタにおけるドレインの電位レベルを初期化するリセットトランジスタとが形成されており、基板コンタクトがフォトダイオードの近傍に形成された箇所では、基板コンタクトと上記２以上の転送トランジスタの内の１つとの間には、増幅トランジスタまたはリセットトランジスタが配置されていることを特徴とする。

（６） 上記（１）〜（５）に係る本発明の固体撮像装置では、第１グループにおいて、その上に形成されたカラーフィルタを通して、５７５［ｎｍ］〜７００［ｎｍ］の範囲内にピーク波長を有する光が入射され、第２グループにおいて、その上に形成されたカラーフィルタを通して、４００［ｎｍ］〜４９０［ｎｍ］の範囲内にピーク波長を有する光が入射されることを特徴とする。

上記（１）のように、本発明に係る固体撮像装置では、複数のフォトダイオードが二次元配置された領域（画素領域）に、基板コンタクトが形成されている。このため、本発明に係る固体撮像装置では、半導体基板（ウェルを含む。）に基準電圧を印加することができ、半導体基板の電位（ウェル電位）を安定化させることができる。よって、本発明に係る固体撮像装置では、画素セルにおけるトランジスタを、高速且つ安定に動作させることができる。

また、本発明に係る固体撮像装置では、基板コンタクトが、第２グループに属するフォトダイオードの近傍よりも、第１グループに属するフォトダイオードの近傍で高密度に分布している。上述のように、第１グループに属するフォトダイオードの上に形成されたカラーフィルタは、第２グループに属するフォトダイオードの上に形成されたカラーフィルタよりも、ピーク波長が長い光を選択的に透過するものである。

ピーク波長が短い光の大部分が、約０．２［μｍ］〜０．５［μｍ］の深さで半導体基板に吸収され、一方、ピーク波長が長い光は、上記深さよりも深い領域で半導体基板に吸収される（特許文献３を参照）。よって、基板コンタクトを第１グループに属するフォトダイオードの近傍で高密度に分布されている本発明に係る固体撮像装置では、上記従来技術に係る固体撮像装置のように、入射光のピーク波長に無関係に基板コンタクトを形成する場合に比べて、基板コンタクトの存在によって広がる上記分水嶺に影響を受けにくい。

従って、本発明に係る固体撮像装置では、基板の基準電位の安定化を図ることにより、画素セルのトランジスタの高速・安定な動作を確保しながら、入射可視光の波長に関係なく、シェーディングの発生を抑制することができる。
本発明に係る構成は、１画素１セル構成を採用する上記（４）に係る固体撮像装置での採用も可能であるし、また、多画素１セル構成を採用する上記（５）に係る固体撮像装置での採用も可能である。

以下では、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下の各実施の形態は、本発明の構成およびそこから奏される作用・効果を分かり易く説明するために用いる一例であって、本発明は、本質的な特徴部分以外に何ら以下の形態に限定を受けるものではない。
［実施の形態１］
１．全体構成
本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１の全体構成について、図１を用い説明する。 図１に示すＭＯＳ型固体撮像装置１は、例えば、ディジタルスチルカメラやディジタルムービーカメラなどの画像入力用デバイスとしての装置である。

図１に示すように、実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１は、複数の画素セル１０からなる画素領域２１と、画素領域２１の周辺に配設され、画素領域２１における画素セル１０の駆動を実行する周辺回路部から構成されている。周辺回路部には、垂直走査回路２２、読み出し回路２３、水平走査回路２４および負荷回路２５が含まれている。
画素領域２１は、複数の撮像画素１０により構成されているが、複数の画素セル１０は、半導体基板の主面に沿って二次元配置されている。なお、図１では、半導体基板を図示していないが、紙面に沿う方向が半導体基板の主面に沿う方向に該当する。

図１の二点鎖線で囲む部分に示すように、画素セル１０は、増幅型の単位画素であり、その相当域に同一の回路構成を有している。画素セル１０は、フォトダイオード１１と、４つのトランジスタ（転送トランジスタ１２、増幅トランジスタ１３、選択トランジスタ１４、リセットトランジスタ１５）などにより構成されている。
図１の水平方向に配列されている画素セル１０間においては、転送トランジスタ１２のゲート電極どうしが配線ラインＬ１により接続され、リセットトランジスタ１５のゲート電極どうしが配線ラインＬ２により接続され、選択トランジスタ１４のゲート電極どうしが配線ラインＬ３により接続されている。また、垂直方向に配列されている画素セル１０間においては、選択トランジスタ１４のドレインどうしが配線ラインＬ４により接続されている。

フォトダイオード１１は、各画素セル１０に入射された光の強度に応じて信号電荷を発生する光電変換機能を有する素子部である。なお、フォトダイオード１１の一端は、接地されており、他端が転送トランジスタ１２のソースに接続されている。転送トランジスタ１２は、フォトダイオード１１の光電変換機能をもって生成された信号電荷を、検出部として自らのドレインに転送するための素子部であって、ドレインが増幅トランジスタ１３のゲート電極およびリセットトランジスタ１５のソースに接続されている。なお、転送トランジスタ１２のドレインあるいはその延長上箇所が、フローティングディフュージョンＦＤである。

リセットトランジスタ１５は、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された信号電荷を予め設定された一定時間毎にリセットする素子部である。そして、リセットトランジスタ１５のドレインは、電源電圧ＶＤＤと電気的に接続されている。増幅トランジスタ１３は、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された信号電荷を垂直走査回路２２などからの信号に応じて、選択トランジスタ１４がＯＮ状態となったときに、出力する素子部である。増幅トランジスタ１３のドレインは、電源電圧ＶＤＤに接続され、ソースは、選択トランジスタ１４のドレインに接続されている。

画素セル１０において、４つのトランジスタ１２〜１５の内、増幅トランジスタ１３が信号電荷の増幅機能を果たし、他のトランジスタ１２、１４〜１５がスイッチング機能を果たす。
なお、図１では図示を省略しているが、各画素セル１０には、フォトダイオード１１の上に、赤色、緑色および青色の３色に分けられたカラーフィルタ２０３、カラーフィルタ２０３上において、各画素セル１０ごとに形成されたトップレンズ２０４を有する（図５および図６を参照）。また、ＭＯＳ型固体撮像装置１では、画素領域２１において、半導体基板に基準電位（例えば、０［Ｖ］）を印加する基板コンタクトが複数形成されている（図１では、図示を省略）。これについては、後述する。

２．各画素セル１０におけるフォトダイオード１１の周辺領域の構成
ＭＯＳ型固体撮像装置１における各画素セル１０でのフォトダイオード１１の周辺領域の構成について、図２を用い説明する。
図２に示すように、実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、各画素セル１０において、左からフォトダイオード１１、転送トランジスタ１２およびフローティングディフュージョンＦＤが形成されている。フォトダイオード１１は、上部に形成されたｐ型注入領域１１ｐと、下部に形成されたｎ型注入領域１１ｎとから構成されている。符号１２ｇは、転送トランジスタ１２のゲートを示す。

ＭＯＳ型固体撮像装置１では、フォトダイオード１１におけるｎ型注入領域１１ｎが、転送トランジスタ１２のゲート１２ｇの下方まで入り込んだ状態となっている。
上記構成を有するＭＯＳ型固体撮像装置１では、ｎ型注入領域１１ｎが転送トランジスタ１２のゲート１２ｇの下方まで入り込んでいない形態を採用する場合に比べて、データの読み出し時において、フォトダイオード１１で生成された信号電荷を残さずフローティングディフュージョンＦＤに転送することができる。

３．基板コンタクト１０１〜１０４
画素領域２１におけるフォトダイオード１１ｒ１、１１ｇ１〜１１ｇ３、１1ｂ１〜１１ｂ２と、基板コンタクト１０１〜１０４との相対的な位置関係について、図３を用い説明する。図３では、模式的に６つの画素セル１０ｒ１、１０ｇ１〜１０ｇ３、１０ｂ１〜１０ｂ２を抜き出して示しており、また、フォトダイオード１１ｒ１、１１ｇ１〜１１ｇ３、１1ｂ１〜１１ｂ２と、基板コンタクト１０１〜１０４とだけを示している。

画素セル１０ｒ１は、フォトダイオード１１ｒ１の上方に赤色のカラーフィルタ２０３（図５および図６を参照。）が設けられており、フォトダイオード１１ｒ１には、５７５［ｎｍ］〜７００［ｎｍ］の範囲内にピーク波長を有する赤色の可視光が入射される。
また、画素セル１０ｇ１〜１０ｇ３は、それぞれのフォトダイオード１１ｇ１〜１１ｇ３の上方に緑色のカラーフィルタ２０３（図５および図６を参照。）が設けられており、フォトダイオード１１ｇ１〜１１ｇ３には、４９０［ｎｍ］〜５７５［ｎｍ］の範囲内にピーク波長を有する緑色の可視光が入射される。同様に、画素セル１０ｂ１〜１０ｂ２は、それぞれのフォトダイオード１１ｂ１〜１１ｂ２の上方に青色のカラーフィルタ２０３（図５および図６を参照。）が設けられており、フォトダイオード１１ｂ１〜１１ｂ２には、４００［ｎｍ］〜４９０［ｎｍ］の範囲内にピーク波長を有する青色の可視光が入射される。

図３に示すように、実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、画素領域２１において、基板コンタクト１０１〜１０４は画素セル１０ｇ１、１０ｒ１、１０ｇ２に隣接した状態で形成されている。そして、Ｙ軸方向の上段部分に配列される画素セル１０ｂ１、１０ｂ２に隣接する箇所には、基板コンタクトが形成されていない。
基板コンタクト１０２、１０３を見るとき、これら基板コンタクト１０２、１０３は、画素セル１０ｒ１の側へとオフセットされた状態で形成されている。即ち、例えば、基板コンタクト１０２は、その左側に配置されている画素セル１０ｇ１のフォトダイオード１１ｇ１よりも、右側に配置されている画素セル１０ｒ１のフォトダイオード１１ｒ１の側により近い状態で配置されている。

また、図３に示すように、基板コンタクト１０１〜１０４は、画素セル１０ｒ１、１０ｇ１〜１０ｇ２における各フォトダイオード１１ｒ１、１１ｇ１〜１１ｇ２のＹ軸方向の中心同士を結んだ線Ｌ上に形成されている。このような構成を採用することにより、フォトダイオード１１ｒ１、１１ｇ１〜１１ｇ２に対する、Ｙ軸方向における基板コンタクト１０１〜１０４の配置の対称性が確保される。よって、ＭＯＳ型固体撮像装置１では、入射光の入射方向に対しても、画素領域２１全体での感度特性のバラツキを抑えることができる。

４．ＭＯＳ型固体撮像装置１の駆動
ＭＯＳ型固体撮像装置１の駆動について、図４を用い概略を説明する。
図４において、パルスφＲＳは、リセットトランジスタ１５のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御パルスである。また、パルスφＳＥＬは、選択トランジスタ１４のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御パルスである。パルスφＴＧは、転送トランジスタ１２のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御パルスである。

図４に示すように、先ず選択された１水平ライン上の画素セル１０に対し、Ｈｉｇｈレベルの制御パルスφＲＳがリセットトランジスタ１５のゲートに印加される。その結果、選択された画素セル１０におけるリセットトランジスタ１５がＯＮ状態となる（タイミングｔ１）。
続いて、制御パルスφＲＳをＬｏｗレベルとし、リセットトランジスタ１５をＯＦＦ状態とする（タイミングｔ２）。そして、画素セル１０に対し、選択トランジスタ１４のゲートに対しＨｉｇｈレベルの制御パルスφＳＥＬを印加し（タイミングｔ３）、選択トランジスタ１４をＯＮ状態とする。選択トランジスタ１４がＯＮ状態となることにより、配線ラインＬ４の電位が読み出し回路２３内にメモリされる。

次に、Ｈｉｇｈレベルの制御パルスφＴＧが転送トランジスタ１２のゲートに印加される（タイミングｔ４）。このパルス印加により、転送トランジスタ１２がＯＮ状態となり、フォトダイオード１１での光電変換により生成・蓄積された電荷が、フローティングディフュージョンＦＤを通り、増幅トランジスタ１３のゲートへと転送される。
増幅トランジスタ１３のゲートへと転送された電荷は、寄生容量により電圧情報に変換され、増幅トランジスタ１３および選択トランジスタ１４を通り、配線ラインＬ４へと読み出される。読み出し回路２３では、電圧情報に変換されて読み出されたデータと、先にメモリしておいた信号レベルとの差分を、出力する。

なお、上記信号出力処理の後、制御パルスφＳＥＬおよび制御パルスφＴＧは、順次、Ｌｏｗレベルとされる（タイミングｔ５、ｔ６）。
５．ＭＯＳ型固体撮像装置１の優位性
実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１が有する優位性について、図５から図７を用い説明する。図５は、青色の画素セル１０の構成と、フォトダイオード１１ｂ１に対する電子ｅ_ｂの吸収状態とを模式的に示す模式断面図であり、図６は、赤色あるいは緑色の画素セル１０の構成と、フォトダイオード１１ｒ１（１１ｇ１）に対する電子ｅ_ｒ（ｅ_ｇ）の吸収状態とを模式的に示す模式断面図である。

先ず、実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、画素領域２１において複数の基板コンタクト１０１〜１０４、・・・が形成されている。そして、基板コンタクト１０１〜１０４、・・・を用いて、半導体基板の電位（ウェル電位）が基準電位（例えば、０［Ｖ］）とされている。このため、ＭＯＳ型固体撮像装置１では、半導体基板の電位（ウェル電位）が安定化され、画素セル１０におけるトランジスタ１２〜１５を、高速且つ安定に動作させることができる。

図５に示すように、青色の画素セル１０の近傍領域では、フォトダイオード１１ｂ１の上方両側を囲むように素子分離２０１が形成され、基板コンタクトを設けず、その上方に配線２０２（配線層２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ）、カラーフィルタ２０３およびトップレンズ２０４が形成されている。
一方、図６に示すように、赤色あるいは緑色の画素セル１０の近傍領域では、フォトダイオード１１ｒ１（１１ｇ１）の上方両側を囲むように素子分離２０１が形成され、その素子分離２０１に挟まれるように基板コンタクト１００（１０１〜１０４、・・・に相当）が形成されている。基板コンタクト１００は、配線層２０２ａに接続され、この配線層２０２ａを介して基準電位が与えられている。

すなわち、ＭＯＳ型固体撮像装置１では、青色の画素セル１０におけるフォトダイオード１１ｂ１の近傍領域に比べ、赤色および緑色の画素セル１０におけるフォトダイオード１１ｒ１（１１ｇ１）の近傍領域で、基板コンタクト１００が高密度に分布されている。
このように、実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、青色の画素セル１０の近傍領域には基板コンタクト１００を形成せず、赤色あるいは緑色の画素セル１０の近傍領域に基板コンタクト１００を形成している。これにより、図５に示すように、青色の画素セル１０では、分水嶺（光電変換により発生した電子がフォトダイオード１１ｂ１に吸収される境界）が、基板表面においてもそれに沿って広がらない。このため、波長域（４００［ｎｍ］〜４９０［ｎｍ］）の青色の光は、基板表面から浅い領域（約０．２［μｍ］〜０．５［μｍ］）で光電変換されるが、基板コンタクトが近傍に設けられていないので、周辺領域で生成された電子ｅ_ｂがフォトダイオード１１ｂ１へと集まることがない。

ここで、図７（特許文献３から引用。）に示すように、ピーク波長が４００［ｎｍ］〜４９０［ｎｍ］の青色の光は、その大部分が、約０．２［μｍ］〜０．５［μｍ］の深さで半導体基板に吸収される。
一方、ピーク波長が４９０［ｎｍ］〜４９０［ｎｍ］の緑色の光は、その大部分が、約０．５［μｍ］〜１．５［μｍ］の深さで半導体基板に吸収され、 ピーク波長が５７５［ｎｍ］〜７００［ｎｍ］の赤色の光は、その大部分が、約１．５［μｍ］〜３．０［μｍ］の深さで半導体基板に吸収される。

従って、ＭＯＳ型固体撮像装置１では、青色の画素セル１０におけるフォトダイオード１１ｂ１の近傍に基板コンタクト１００を設けないことによって、基板の浅い領域での青色光のフォトダイオード１１ｂ１への過度の集中が抑制される。
また、図３に示すように、ＭＯＳ型固体撮像装置１では、基板コンタクト１０１〜１０４の各々を、各フォトダイオード１１ｇ１、１１ｒ１、１１ｇ２に対し、そのＹ軸方向の中心部分に配置している。即ち、フォトダイオード１１ｒ１とフォトダイオード１１ｇ２との中心間を通る仮想線Ｌ上に基板コンタクト１０１〜１０４が配置されている。このため、赤色および緑色の画素セル１０においても、各フォトダイオード１１ｇ１、１１ｒ１、１１ｇ２の領域内での基板コンタクト１０１〜１０４の影響を、少なくともＹ軸方向上下で均一化することができる。

さらに、図３に示すように、基板コンタクト１０２、１０３は、それぞれフォトダイオード１１ｇ１とフォトダイオード１１ｒ１との中間点、フォトダイオード１１ｒ１とフォトダイオード１１ｇ２との中間点に配置されているのではなく、それぞれが赤色の画素セル１０ｒ１の側へとオフセットして配置されている。これにより、赤色よりも波長が短い緑色の光が入射される緑色の画素セル１０ｇ１、１０ｇ２での基板コンタクト１０２、１０３の影響をより小さく抑えることができる。

実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、上記の構成を採用することにより、基板コンタクト１００〜１０４の形成により、各画素セル１０におけるトランジスタ１２〜１５の高速で安定した動作を保証し、且つ、基板コンタクト１００〜１０４の配置により、シェーディングの発生を抑制することができる。この技術は、画素セルのより一層の微細化を進める上で有用である。

［実施の形態２］
実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置の構成について、図８および図９を用い説明する。なお、図８および図９では、画素領域５１における一部画素セル４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）を抜き出して示す。実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置における他の構成については、上記実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１と基本的に同一である。

図８に示すように、実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置では、一つの画素セル４０に対して２つのフォトダイオード１１、４１が形成されている。そして、画素セル４０では、２つのフォトダイオード１１、４１に対し、２つの転送トランジスタ１２、４２が形成されている。他の構成については、上記画素セル１０と同一である。
図９に示すように、画素領域５１の中から、３つの画素セル４０ａ、４０ｂ、４０ｃを抜き出して見るとき、行方向に３つの画素セル４０ａ、４０ｂ、４０ｃが配列されている。画素セル４０ａは、青色光用のフォトダイオード１１ｂａと緑色光用のフォトダイオード４１ｇ１が一対として形成されており、それぞれ２つの転送トランジスタ１２ａ、４２ａのそれぞれに接続され、増幅トランジスタ１３ａ、選択トランジスタ１４ａおよびリセットトランジスタ１５ａを共有している。

同様に、画素セル４０ｂでは、緑色光用のフォトダイオード１１ｇｂと赤色光用のフォトダイオード４１ｒｂとを一対として形成され、画素セル４０ｃでは、青色光用のフォトダイオード１１ｂｃと緑色光用のフォトダイオード４１ｇｃとを一対として形成されている。
図９に示すように、実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置では、画素領域５１において、各画素セル４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対して、下側の行のフォトダイオード４１ｇａ、４１ｒｂ、４１ｇｃの近傍に基板コンタクト１１１〜１１４が形成されており、上側の行のフォトダイオード１１ｂａ、１１ｇｂ、１１ｂｃの近傍には基板コンタクトが形成されていない。なお、基板コンタクト１１１〜１１４は、上記実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１と相違し、下側の行の各フォトダイオード４１ｇａ、４１ｒｂ、４１ｇｃの中心間を結んだ線上には形成されていないが、上記実施の形態１と同様に、リセットトランジスタ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの配置などを工夫することにより、中心間を結んだ線上に基板コンタクト１１１〜１１４を配置することも勿論可能である。

上記のように、実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置では、所謂、２画素１セルタイプの画素セル構成を採用するものであるが、図９に示す基板コンタクト１１１〜１１４の配置形態を採用することにより、上記実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１と同様の効果作用を奏することが可能である。即ち、実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置でも、画素セル４０におけるトランジスタ１２〜１５、４２の高速で安定した動作を保証しながら、シェーディングを有効に抑制することができる。

なお、図９に示すように、実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置では、各画素セル４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおいて、基板コンタクト１１１〜１１４を転送トランジスタ４２ａ、４２ｂ、４２ｃに隣接して配置するのではなく、間にリセットトランジスタ１５ａ、１５ｂ、１５ｃを介挿した状態で配置しているので、各画素セル４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおける２つのフォトダイオード１１ｂａ、４１ｇａ、１１ｇｂ、４１ｒｂ、１１ｂｃ、４１ｇｃの間での感度特性の差を小さく抑制することができる。

即ち、実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置においても、図２で示したような構成、転送トランジスタ１２（４２）の下にフォトダイオード１１（４１）のｎ型領域１１ｎが入り込んだ構成を採用しているので、転送トランジスタ４２に対し隣接させた状態で基板コンタクト１１１〜１１４を配置したと仮定すると、基板コンタクトの影響により２つのフォトダイオード１１ｂａ、４１ｇａ、１１ｇｂ、４１ｒｂ、１１ｂｃ、４１ｇｃの間で感度特性の差を生じやすくなってしまう。

これに対して、図９に示すように、実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置では、転送トランジスタ４２ａ、４２ｂ、４２ｃに対して、リセットトランジスタ１５ａ、１５ｂ、１５ｃを介挿させた状態で基板コンタクト１１１〜１１４を配置しているので、２つのフォトダイオード１１ｂａ、４１ｇａ、１１ｇｂ、４１ｒｂ、１１ｂｃ、４１ｇｃの間で感度特性の差を抑えることができる。このように、リセットトランジスタを介挿させる構成は、上記実施の形態１に係る１画素１セル構成の固体撮像装置１に採用することもできる。この場合にも、基板コンタクトによる転送トランジスタへの影響を抑制するという効果を奏する。

なお、転送トランジスタ４２ａ、４２ｂ、４２ｃと基板コンタクト１１１〜１１４との間に介挿させる素子は、必ずしもリセットトランジスタ１５ａ、１５ｂ、１５ｃに限られるものではなく、他の素子であってもよい。
［その他の事項］
上記実施の形態１、２では、青色の画素セル１０におけるフォトダイオード１１ｂ１、１１ｂ２、１１ｂａ、１１ｂｃの近傍には基板コンタクト１０１〜１０４、１１１〜１１４を配置しないこととしたが、本発明は、青色の画素セルにおけるフォトダイオードの近傍への基板コンタクトの配置を全くしないことを意図するものではない。本発明では、赤色および緑色の画素セルにおけるフォトダイオードの近傍に配置される基板コンタクトの分布密度と、青色の画素セルにおけるフォトダイオードの近傍に配置される基板コンタクトの分布密度とを比べるとき、前者（第１グループのフォトダイオードの近傍での基板コンタクト）の分布密度に比べて後者（第２グループに属するフォトダイオードの近傍での基板コンタクト）の分布密度が、高くなっていればよい。

また、上記実施の形態２では、２画素１セル構成の画素領域５１を有するＭＯＳ型固体撮像装置を一例として用いたが、本発明を４画素１セルや６画素１セルなど多画素１セル構成のＭＯＳ型固体撮像装置に対して適用することも勿論できる。なお、多画素１セル構成のＭＯＳ型固体撮像装置に対し本発明を適用する場合には、上記実施の形態２のように、必ずしも転送トランジスタのドレインの拡散部を共有する必要はなく、転送トランジスタごとに別々に拡散部を設け、共有する増幅トランジスタに電気的に接続することもできる。

また、上記実施の形態１、２では、複数の画素セル１０、４０がマトリクス状（アレイ状）に配置された構成を一例として採用したが、本発明は、この他にハニカム状に複数の画素セルが配置された構成のＭＯＳ型固体撮像装置に対しても適用が可能である。
上記実施の形態１、２では、カラーフィルタ２０３として原色フィルタを採用することを想定しているが、その他に補色フィルタや多層膜干渉フィルタなどを採用することもできる。

また、図９では、１行の３つの画素セル４０ａ、４０ｂ、４０ｃを抜き出しているが、その上下方向にも勿論画素セルが存在する。この場合、基板コンタクト１１１〜１１４と青色の画素セルのフォトダイオードとの間隔を他の色の画素セルのフォトダイオードよりも広くするために、行ごとに画素セルにおける２つのフォトダイオードの配置を上下反転させて配置することもできる。このようにすれば、同じ列に属する画素セル同士の間でも、青色のカラフィルタ２０３が設けられてなるフォトダイオードと基板コンタクトとの間隔を赤色あるいは緑色に比べて広くとることができる。

また、本発明に係る構成は、上記実施の形態１、２に係る固体撮像装置に限らず、１画素１セル構成の固体撮像装置および多画素１セル構成の固体撮像装置について採用することが可能であり、上記同様の効果を得ることができる。

本発明は、ディジタルスチルカメラなどの撮像デバイスとして高い画質性能の確保できる固体撮像装置を実現するのに有用である。

実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１の構成を示すブロック図である。 ＭＯＳ型固体撮像装置１における画素セル１０の一部構成示す断面図である。 画素領域２１におけるフォトダイオード１１ｒ１、１１ｇ１〜１１ｇ３、１１ｂ１〜１１ｂ２と基板コンタクト１０１〜１０４の相対的な位置関係を示す模式レイアウトである。 ＭＯＳ型固体撮像装置１の駆動に係るタイミングチャートである。 青色の画素セル１０の構成と、フォトダイオード１１ｂ１に対する電子ｅ_ｂの吸収状態とを模式的に示す模式断面図である。 赤色あるいは緑色の画素セル１０の構成と、フォトダイオード１１ｒ１（１１ｇ１）に対する電子ｅ_ｇ（ｅ_ｒ）の吸収状態とを模式的に示す模式断面図である。 可視スペクトルの光に関するシリコン基板内での光吸収長を示す特性図である（特許文献３より引用）。 実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置の画素セル４０の構成を示す回路図ある。 実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置の撮像領域５１におけるフォトダイオード１１ｂａ、１１ｇｂ、１１ｂｃ、４１ｇａ、４１ｒｂ、４１ｇｃと基板コンタクト１１１〜１１４との相対的な位置関係を示す模式レイアウトである。 従来技術に係るＭＯＳ型固体撮像装置の画素セル８０の構成を示す回路図である。 従来技術に係るＭＯＳ型固体撮像装置の撮像領域９１におけるフォトダイオード８１ｒ１、８１ｇ１〜８１ｇ３、８１ｂ１〜８１ｂ２と基板コンタクト８０１〜８０８との相対的な位置関係を示す模式レイアウトである。 画素セル８０の構成と、フォトダイオード８１に対する電子ｅ_ｒ、ｅ_ｇ、ｅ_ｂの吸収状態とを模式的に示す模式断面図である。

符号の説明

１．ＭＯＳ型固体撮像装置
１０、４０．画素セル
１０ｒ１、４１ｒｂ．赤色画素セル
１０ｇ１、１０ｇ２、１０ｇ３．緑色画素セル
１０ｂ１、１０ｂ２．青色画素セル
１１、４１．フォトダイオード
１１ｐ．ｐ型注入領域（フォトダイオード）
１１ｎ．ｎ型注入領域（フォトダイオード）
１２、４２．転送トランジスタ
１２ｇ．ゲート（転送トランジスタ）
１３．増幅トランジスタ
１４．選択トランジスタ
１５．リセットトランジスタ
２１、５１．画素領域
２２．垂直走査回路
２３．読み出し回路
２４．水平走査回路
２５．負荷回路
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１１１、１１２、１１３、１１４．基板コンタクト
２０１．素子分離
２０２．配線
２０３．カラーフィルタ
２０４．トップレンズ
３００、３０１．分水嶺
ＦＤ．フローティングディフュージョン

Claims (5)

1. 半導体基板に対し、互いに間隔をおいて二次元配置され、各々が光電変換機能を有する複数のフォトダイオードと、
   前記複数のフォトダイオードの各々の上に形成され、前記フォトダイオードごとに対応して、互いにピーク波長の異なる光を透過する複数種のカラーフィルタと、
   前記複数のフォトダイオードの一部あるいは全部の近傍に形成され、前記半導体基板に基準電圧を印加する複数の基板コンタクトとを備え、
   前記複数のフォトダイオードの中から、その上に形成された前記カラーフィルタの透過ピーク波長が最も長い第１グループと、透過ピーク波長が最も短い第２グループとにおいて、
   前記複数の基板コンタクトは、前記第２グループに属するフォトダイオードの近傍よりも、前記第１グループに属するフォトダイオードの近傍で高密度に分布している
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数のフォトダイオードが二次元配置された領域内には、前記第１グループに属する一のフォトダイオードと、前記第２グループに属する一のフォトダイオードとが、互いに隣接し、且つ、互いの間に前記基板コンタクトが形成された箇所が存在し、
   前記箇所において、前記基板コンタクトは、前記第２グループに属する一のフォトダイオードよりも、前記第１グループに属する一のフォトダイオードの側にオフセットした状態で形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数のフォトダイオードの各々に対応して、
   ソースが前記フォトダイオードの一端に接続されてなる転送トランジスタと、
   前記転送トランジスタのドレインに接続され、前記ドレインの電位を増幅する増幅トランジスタと、
   前記転送トランジスタにおけるドレインの電位レベルを初期化するリセットトランジスタとが形成されており、
   前記基板コンタクトが前記フォトダイオードの近傍に形成された箇所では、
   前記基板コンタクトと前記転送トランジスタとの間には、前記増幅トランジスタまたは前記リセットトランジスタが配置されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記複数のフォトダイオードが二次元配置された領域では、互いに隣接する２以上の前記フォトダイオードを有し各画素セルが構成されており、
   前記各画素セルには、
   前記２以上のフォトダイオードの各々に対応し、ソースが前記各フォトダイオードの一端に接続され、ドレインが共有された２以上の転送トランジスタと、
   前記転送トランジスタのドレインに接続され、前記ドレインの電位を増幅する増幅トランジスタと、
   前記転送トランジスタにおけるドレインの電位レベルを初期化するリセットトランジスタとが形成されており、
   前記基板コンタクトが前記フォトダイオードの近傍に形成された箇所では、
   前記基板コンタクトと前記２以上の転送トランジスタの内の１つとの間には、前記増幅
   トランジスタまたは前記リセットトランジスタが配置されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
5. 前記第１グループでは、その上に形成された前記カラーフィルタを通して、５７５ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内にピーク波長を有する光が入射され、
   前記第２グループでは、その上に形成された前記カラーフィルタを通して、４００ｎｍ〜４９０ｎｍの範囲内にピーク波長を有する光が入射される
   ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の固体撮像装置。

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