JP6071183B2

JP6071183B2 - 固体撮像装置およびカメラ

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Publication number: JP6071183B2
Application number: JP2011231093A
Authority: JP
Inventors: 智之野田; 公一郎岩田; 健史秋山; 太朗加藤; 和田　洋一; 洋一和田
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Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2031-10-20
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Description

本発明は、固体撮像装置およびそれを含むカメラに関する。

固体撮像装置の多画素化により画素の大きさが小さくなり、それに伴って光電変換素子の面積も小さくなる。一般的に、光電変換素子の面積が小さくなると、画素の感度が低下する。特許文献１には、感度を向上させるために、トランジスタやフローティングディフュージョンを複数の画素で共用することにより、これらの占める面積の割合を小さくし、これにより光電変換素子の面積の縮小を抑える技術が開示されている。

特許文献２には、光電変換素子の面積が小さくなることによる感度の低下を緩和する構造が開示されている。この構造は、光導波路と呼ばれ、光電変換素子の上方の平坦化膜に孔部を形成し、その孔部に高屈折率材料を充填することによって形成されうる。

特開２００８−０４２２３８号公報特開２００５−１０９４１１号公報

一般的に空間的に局在する電磁波は、回折によって広がろうとする性質がある。光導波路は、伝搬するに従って光軸から離れようとする光を反射や屈折によって光軸方向に戻しながら光軸に沿って導波路内に閉じ込めて伝搬させる。このため、光導波路の上部に入射した光を効率よく光電変換素子に導くことができる。しかしながら、光導波路の上部に入射した光の全てが光電変換素子に導かれることはなく、一部分は、光導波路からその外側に漏れる。

複数の画素がフローティングディフュージョンを共用した固体撮像装置では、フローティングディフュージョンを共有する画素の構造が互いに異なりうる。例えば、第１画素は光導波路の外側にポリシリコンパターンを有し、第２画素は光導波路の外側にポリシリコンパターンを有しない場合を考える。この場合、第１画素では、光導波路からその外側に漏れた光は、ポリシリコンパターンに入射し、反射したり屈折したりしうるが、第２画素では、ポリシリコンパターンに起因するそのような現象は起こらない。したがって、第１画素と第２画素との間に感度の差が生じうる。このような感度の差は、画像に固定パターンノイズを生じさせうる。

本発明は、本発明者等による上記の課題認識を契機としてなされたものであり、感度差の低減に有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、互いに隣接して配置された第１画素ユニットおよび第２画素ユニットを含む複数の画素ユニットを有する固体撮像装置に係り、前記固体撮像装置は、各画素ユニットは、第１光電変換素子と、第２光電変換素子と、第１拡散領域および第２拡散領域を含む電荷電圧変換部と、前記第１光電変換素子の電荷を前記第１拡散領域に転送する第１転送トランジスタを構成する第１ゲート電極と、前記第２光電変換素子の電荷を前記第２拡散領域に転送する第２転送トランジスタを構成する第２ゲート電極とを含み、前記固体撮像装置は、前記第１光電変換素子および前記第２光電変換素子が形成された半導体基板の上に、複数の配線層と、層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の屈折率よりも高い屈折率を有する材料を前記層間絶縁膜における前記第１光電変換素子および前記第２光電変換素子の上方に埋め込んで構成された第１光導波路および第２光導波路とを含む構造部を有し、前記複数の配線層は、前記第１ゲート電極および前記第２ゲート電極が配置されたゲート電極層を含み、前記ゲート電極層は、前記第１拡散領域と前記第２拡散領域とを接続する接続パターンを含み、前記接続パターンは、前記第１画素ユニットの前記第２光電変換素子と前記第２画素ユニットの前記第２光電変換素子との間に、前記第２画素ユニットの前記第２光電変換素子に沿って配置された部分を含み、前記第１画素ユニットの前記第１光導波路の周辺の構造と前記第２画素ユニットの前記第２光導波路の周辺の構造との相違による前記第１画素ユニットの前記第１光電変換素子の感度と前記第２画素ユニットの前記第２光電変換素子の感度との差を低減するようにダミーパターンが前記構造部に設けられ、前記ダミーパターンの上面は、前記第１光導波路および前記第２光導波路の下端より高く上端より低い位置に配置され、前記ダミーパターンは、前記ゲート電極層に配置された第１ダミーパターンを含み、前記第１ダミーパターンは、前記第１画素ユニットの前記第１光電変換素子に沿って配置されている。

本発明によれば、感度差の低減に有利な技術が提供される

２つの画素で電荷電圧変換部を共用する画素ユニットの等価回路を例示する図。図１に示す画素ユニットのレイアウト図。光導波路の構造を模式的に示す断面図。図１に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト図。光導波路で導かれる光の広がり（光電場の分布）特性を例示する図。光導波路で導かれる光の広がりを例示する図。図１に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト図。図１に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト図。４つの画素で電荷電圧変換部を共用する画素ユニットの等価回路を例示する図。図９に示す画素ユニットのレイアウト図。図９に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト図。図９に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト図。図９に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト図。

図１〜図８を参照しながら本発明の第１実施形態の固体撮像装置を説明する。第１実施形態の固体撮像装置は、複数の画素ユニットＰＵ有し、典型的には、複数の画素ユニットＰＵは、複数の行および複数の列が構成されるように配列されうる。各画素ユニットは、複数の画素と、該複数の画素によって共用される電荷電圧変換部とを含み、各画素は、半導体基板に形成された光電変換素子を含む。ここで、各画素ユニットＰＵの電荷電圧変換部ＣＶＣは、物理的に離隔された複数の浮遊拡散領域を含んでもよいが、その場合、該複数の浮遊拡散領域は、相互に電気的に接続されて１つの電荷電圧変換部ＣＶＣを形成する。複数の画素ユニットＰＵのそれぞれの複数の画素は、複数の行および複数の列が構成される配列されうる。

図１に示す例では、各画素ユニットＰＵは、複数の光電変換素子として、２つの光電変換素子１−１、１−２を含む。各画素ユニットＰＵは、その他、転送トランジスタ２−１、２−２、増幅トランジスタ４およびリセットトランジスタ５を含みうる。転送トランジスタ２−１、２−２は、それぞれ、転送制御線Ａ−１、Ａ−２を介して与えられる転送制御信号がアクティブレベルであるときに、光電変換素子１−１、１−２で発生した電荷を共通の電荷電圧変換部ＣＶＣに転送する。ここで、電荷電圧変換部ＣＶＣは、転送トランジスタ２−１の拡散領域３−１および転送トランジスタ２−２の拡散領域３−２を含みうる。転送トランジスタ２−１の拡散領域と転送トランジスタ２−２の拡散領域とは、共通な１つの連続した拡散領域で構成されうる。あるいは、転送トランジスタ２−１の拡散領域３−１と転送トランジスタ２−２の拡散領域３−２とは、互いに離隔して配置され、相互に導電性の接続パターン６で電気的に接続されうる。

電荷電圧変換部ＣＶＣの電位は、電荷電圧変換部ＣＶＣに転送されてきた電荷の量に応じて変化する。増幅トランジスタ４は、電荷電圧変換部ＣＶＣの電位に応じた信号を出力信号線ＯＵＴに出力する。出力信号線ＯＵＴは、典型的には、複数の行および複数の列が構成されるように配列された画素で構成される画素アレイにおける列信号線でありうる。増幅トランジスタ４の一方の拡散領域は、コンタクトＣＮＴ２を介して電源線ＶＤＤに接続され、他方の拡散領域は、コンタクトＣＮＴ３を介して出力信号線ＯＵＴに接続されている。リセットトランジスタ５は、リセット信号線Ｃ−１を介して与えられるリセット信号線がアクティブレベルであるときに、電荷電圧変換部ＣＶＣの電位をリセットする。リセットトランジスタ５の一方の拡散領域は、電荷電圧変換部ＣＶＣに接続され、他方の拡散領域は、コンタクトＣＮＴ１を介して電源線ＶＤＤに接続されている。

図２には、図１に示された画素ユニットＰＵのレイアウト設計例が示されている。図２では、ゲート電極層よりも上の配線層が省略されている。４Ｇは、増幅トランジスタのゲート電極、５Ｇは、リセットトランジスタ５のゲート電極、２−１Ｇ、２−２Ｇは、転送トランジスタ２−１、２−２のゲート電極であり、これらはゲート電極層に配置されている。図２に示す例では、転送トランジスタ２−１の拡散層３−１と転送トランジスタ２−２の拡散層３−２とは、ポリシリコンパターンまたはシリサイドパターン等の導電性の接続パターン６によって電気的に接続されている。

図３には、図１に示す画素ユニットＰＵの１つの画素の光導波路の構造を模式的に示されている。図３では、上記の光電変換素子１−１、１−２は、代表的に光電変換素子１として示され、転送トランジスタ２−１、２−２のゲート電極２−１Ｇ、２−２Ｇは、代表的にゲート電極２Ｇとして示されている。ゲート電極層２Ｇは、配線層２としてのゲート電極層に形成されている。光電変換素子１は、半導体基板ＳＵＢに形成されている。固体撮像装置は、半導体基板ＳＵＢの上に構造部ＳＴを含む。構造部ＳＴは、複数の配線層２、８、９と、層間絶縁膜ＩＦと、層間絶縁膜ＩＦの屈折率よりも高い屈折率を有する材料を層間絶縁膜ＩＦにおける各光電変換素子１の上方に埋め込んで構成された光導波路ＬＷＧとを含む。配線層２は、ゲート電極層であり、典型的にはポリシリコンまたはシリサイドで構成されうる。配線層８、９は、典型的には金属で構成されうる。

図４には、図１に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト設計例が示されている。実線１３は、光電変換素子１と平行かつ配線層２と同じ高さで切断した面（図３中のＡ−Ａ’）における光導波路を示している。”Ｒ”，”Ｇ”，”Ｂ”は、ベイヤー配列に従うカラーフィルタアレイを適用した場合における各画素に割り当てられたカラーフィルタのカラー（赤、緑、青）を示している。第１画素ＰＡおよび第２画素ＰＢは、同一のカラーのカラーフィルタが割り当てられた２つの画素の例である。点線１４は、第１画素ＰＡおよび第２画素ＰＢにおける想定される光の漏れ範囲を示している。構造部ＳＴは、ダミーパターン１５を含んでいる。ダミーパターン１５は、互いに隣接する光導波路ＬＷＧの間に配置されうる。ダミーパターン１５は、ゲート電極４Ｇおよび５Ｇ、接続パターン６と同様に配線層２としてのゲート電極層に形成されるパターンである。例えば、ゲート電極４Ｇおよび５Ｇ、接続パターン６がポリシリコンで構成される場合、ダミーパターン１５もポリシリコンで構成されうる。ダミーパターン１５は、固定電位が与えられ、または、フローティング状態にされうる。

ここで、ダミーパターン１５が存在しない場合を考えてみる。この場合、第１画素ＰＡの光電変換素子１−１の上方に配置された光導波路ＬＷＧの周辺の構造と第２画素ＰＢの光電変換素子１−２の上方に配置された光導波路ＬＷＧの周辺の構造との相違によって第１画素ＰＡの感度と第２画素ＰＢの感度との間に差が生じうる。ここで、図４に示す例では、第２画素ＰＢの左側には接続パターン６が存在するが、第１画素ＰＡの左側には接続パターン６が存在しない。したがって、第２画素ＰＢでは、その左側に存在する接続パターン６によって、第２画素ＰＢの光導波路ＬＷＧ（図４では、符号１３で示されている）から漏れた光が反射されたり、屈折したりする。これにより、第２画素ＰＢの光電変換素子１−２に入射する光が影響を受ける。一方、第１画素ＰＡでは、そのような影響を受けない。よって、第１画素ＰＡの感度と第２画素ＰＢの感度との間に差が生じうる。ダミーパターン１５は、第１画素ＰＡの光導波路ＬＷＧの周辺の構造が第１画素ＰＡの感度に与える影響を第２画素ＰＢの光導波路ＬＷＧの周辺の構造が第２画素ＰＢの感度に与える影響に近づけることによって第１画素ＰＡと第２画素ＰＢとの間の感度差を低減する。ダミーパターン１５は、例えば、その周辺のゲート電極（例えば、ゲート電極４）を延長することによって形成されもよい。

ダミーパターン１５は、それを設けることによって第１画素ＰＡの構造と第２画素ＰＢの構造とが相似形状に近づくように、または、第１画素ＰＡの構造に対してミラー対象な構造と第２画素ＰＢの構造とが相似形状に近づくように設けられうる。

光導波路ＬＷＧからその外側に光が漏れる範囲は、即ち、形成される光電場の分布は、以下の波動方程式を解くことで求めることができる。

ここで、Ｅｙは光導波路内の縦方向の電界、ｎ_１は光導波路内の屈折率、ｎ_２は光導波路外の屈折率、ｋ_０は真空中の伝搬係数、βは光導波路中の伝搬係数である。この波動方程式の一般解は、光導波路内ではｓｉｎ関数もしくはｃｏｓ関数で近似することができ、光導波路外では指数関数で近似することができる。境界条件を光導波路内と光導波路外とで連続、ｎ_１＝１．６〜２．１、ｎ_２＝１．４３（ＳｉＯ）として、ある光導波路の半径（ｄ＝０．３ｕｍ）に対して解くと、光導波路の光電場の分布は図５（ａ）のようになる。この光電場の分布の標準偏差σと同じ標準偏差σのガウス分布を重ねて表示すると図５（ｂ）のようになる。固定パターンノイズは、目安として約７％の感度差が生じると目立ち始める。ガウス分布では２σの範囲に約９５％を含むので、２σの外部の分布がガウス分布よりも少ない光電場では、光の漏れ範囲として半径２σの円を考えれば十分である。光導波路の半径ｄが０．１ｕｍから０．８ｕｍの範囲で式１と式２を解き、横軸に光導波路の半径ｄ、縦軸に光電場の分布の標準偏差σの２倍である２σをプロットすると、図６のような関係になる。ここで、直線近似をすると、近似直線は次式になる。

Ｒ＝（４／３）ｄ・・・（式３）
よって、光導波路ＬＷＧの外側に光が漏れる範囲として、光導波路ＬＷＧの半径ｄとして、径が（４／３）ｄで光導波路ＬＷＧと同心の仮想的な円柱を考えれば十分である。なお、図６では光導波路の半径ｄが０．８ｕｍ以下に対する解をプロットしているが、半径が０．８ｕｍ以上についても同様な特性となる。

以上より、光導波路ＬＷＧの径をｄとしたときに、ダミーパターン１５は、径が（４／３）ｄで光導波路ＬＷＧと同心の仮想的な円柱の中に配置された部分を含むパターンであることが好ましい。

図７には、図１に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト設計例が示されている。図７に示すレイアウト設計例は、図４に示すレイアウト設計例とともに採用されてもよいし、個別に採用されてもよい。転送制御線Ａ−１、Ａ−２、リセット信号線Ｃ−１、コンタクトＣＮＴ１、ＣＮＴ２、ＣＮＴ３、ダミーパターンＤＭおよび１６は、配線層８（図３参照）に形成されるパターンである。配線層８は、第１層のメタル配線層である。ただし、コンタクトＣＮＴ１、ＣＮＴ２、ＣＮＴ３は、更に拡散層と配線層８とを接続するプラグを含む。実線１８は、配線層８と平行かつ配線層２と同じ高さで切断した面（図３中のＢ−Ｂ’）における光導波路を示している。点線１４は、第１画素ＰＡと第２画素ＰＢにおける想定される光の漏れ範囲を示していて、これは（式３）により計算される。

ダミーパターンＤＭおよび１５は、それを設けることによって第１画素ＰＡの構造と第２画素ＰＢの構造とが相似形状に近づくように、または、第１画素ＰＡの構造に対してミラー対象な構造と第２画素ＰＢの構造とが相似形状に近づくように設けられうる。

図８には、図１に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト設計例が示されている。図８に示すレイアウト設計例は、図４および／または図７に示すレイアウト設計例とともに採用されてもよいし、個別に採用されてもよい。電源線ＶＤＤおよび出力信号線ＯＵＴは、配線層９（図３参照）に形成されるパターンである。配線層９は、第２層のメタル配線層である。実線２１は、配線層８と平行かつ配線層２と同じ高さで切断した面（図３中のＣ−Ｃ’）における光導波路を示している。点線２２は、第１画素ＰＡと第２画素ＰＢにおける想定される光の漏れ範囲を示していて、これは（式３）により計算される。

電源線ＶＤＤおよび出力信号線ＯＵＴは、それらの配置により第１画素ＰＡの構造と第２画素ＰＢの構造とが相似形状に近づくように、または、第１画素ＰＡの構造に対してミラー対象な構造と第２画素ＰＢの構造とが相似形状に近づくように配置されている。

以下、図９〜図１３を参照しながら本発明の第２実施形態の固体撮像装置を説明する。なお、第２実施形態として説明しない事項については、第１実施形態に従いうる。図９に示す第２実施形態では、各画素ユニットＰＵは、複数の光電変換素子として、４つの光電変換素子１−１、１−２、１−３、１−４を含む。各画素ユニットＰＵは、その他、転送トランジスタ２−１、２−２、２−３、２−４、増幅トランジスタ４およびリセットトランジスタ５を含みうる。転送トランジスタ２−１〜２−４は、転送制御線Ａ−１〜Ａ−４を介して与えられる転送制御信号がアクティブレベルであるときに、光電変換素子１−１〜１−４で発生した電荷を共通の電荷電圧変換部ＣＶＣに転送する。ここで、電荷電圧変換部ＣＶＣは、転送トランジスタ２−１の拡散領域３−１、転送トランジスタ２−２の拡散領域３−２、転送トランジスタ２−３の拡散領域３−３、転送トランジスタ２−４の拡散領域３−４を含みうる。転送トランジスタ２−１、２−２、２−３、２−４は、共通な１つの連続した拡散領域で構成されうる。あるいは、転送トランジスタ２−１、２−２、２−３、２−４の全部または一部は、互いに離隔していて、相互に導電性の接続パターン６で接続されうる。

図１０には、図９に示された画素ユニットＰＵのレイアウト設計例が示されている。図１０では、ゲート電極層よりも上の配線層が省略されている。４Ｇは、増幅トランジスタのゲート電極であり、５Ｇは、リセットトランジスタ５のゲート電極、２−１Ｇ、２−２Ｇ、２−３Ｇ、２−４Ｇは、転送トランジスタ２−１、２−２、２−３、２−４のゲート電極であり、これらはゲート電極層に配置されている。図１０に示す例では、転送トランジスタ２−１、２−２の拡散層３−１、３−２が拡散層３Ａとして共通化され、転送トランジスタ２−３、２−４の拡散層３−３、３−４が拡散層３Ｂとして共通化されている。また、拡散層３Ａと拡散層３Ｂとは、ポリシリコンパターン等の導電性の接続パターン６によって接続されている。

図１１には、図９に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト設計例が示されている。実線１３は、光電変換素子１と平行かつ配線層２と同じ高さで切断した面（図３中のＡ−Ａ’）における光導波路を示している。”Ｒ”，”Ｇ”，”Ｂ”は、ベイヤー配列に従うカラーフィルタアレイを適用した場合における各画素に割り当てられたカラーフィルタのカラーを示している。第１画素ＰＡ、第２画素ＰＢ、第３画素ＰＣ、第４画素Ｄは、”Ｒ”，”Ｇ”，”Ｂ”は、ベイヤー配列に従うカラーフィルタアレイを適用した場合における各画素に割り当てられたカラーフィルタのカラーを示している。点線１４は、第１画素ＰＡ、第２画素ＰＢ、第３画素ＰＣ、第４画素ＰＤにおける想定される光の漏れ範囲を示していて、これは（式３）により計算される。

第１画素ＰＡおよび第４画素ＰＤのために、構造部ＳＴにダミーパターン２３が設けられている。ダミーパターン２３は、ゲート電極４Ｇおよび５Ｇ、接続パターン６と同様に配線層２としてのゲート電極層に形成されるパターンである。例えば、ゲート電極４Ｇおよび５Ｇ、接続パターン６がポリシリコンで構成される場合、ダミーパターン２３もポリシリコンで構成されうる。ダミーパターン２３は、固定電位が与えられ、または、フローティング状態にされうる。

ダミーパターン２３は、それを設けることによって第１画素ＰＡ、第２画素ＰＢ、第３画素ＰＣおよび第４画素ＰＤの構造が相互に相似形状に近づくように設けられうる。あるいは、ダミーパターン２３は、第１画素ＰＡ、第２画素ＰＢ、第３画素ＰＣおよび第４画素ＰＤのうち１つの画素に対してミラー対象な構造と他の画素の構造とが相似形状に近づくように設けられうる。第１実施形態と同様に、光導波路ＬＷＧの径をｄとしたときに、ダミーパターン２３は、径が（４／３）ｄで光導波路ＬＷＧ同心の仮想円柱の中に配置された部分を含むパターンであることが好ましい。

図１２には、図９に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト設計例が示されている。図１２に示すレイアウト設計例は、図１１に示すレイアウト設計例とともに採用されてもよいし、個別に採用されてもよい。転送制御線Ａ−１、Ａ−２、Ａ−３、Ａ−４、リセット信号線Ｃ−１、コンタクト１７、ダミーパターンＤＭは、配線層８（図３参照）に形成されるパターンである。配線層８は、第１層のメタル配線層である。ただし、コンタクト１７は、更に拡散層と配線層８とを接続するプラグを含む。実線１８は、配線層８と平行かつ配線層２と同じ高さで切断した面（図３中のＢ−Ｂ’）における光導波路を示している。点線１９は、第１画素ＰＡと第２画素ＰＢにおける想定される光の漏れ範囲を示していて、これは（式３）により計算される。

ダミーパターンＤＭは、それを設けることによって第１画素ＰＡ、第２画素ＰＢ、第３画素ＰＣおよび第４画素ＰＤの構造が相互に相似形状に近づくように設けられうる。あるいは、ダミーパターンＤＭは、第１画素ＰＡ、第２画素ＰＢ、第３画素ＰＣおよび第４画素ＰＤのうち１つの画素に対してミラー対象な構造と他の画素の構造とが相似形状に近づくように設けられうる。第１実施形態と同様に、光導波路ＬＷＧの径をｄとしたときに、ダミーパターンＤＭは、径が（４／３）ｄで光導波路ＬＷＧ同心の仮想円柱の中に配置された部分を含むパターンであることが好ましい。

図１３には、図９に示す画素ユニットを有する固体撮像装置のレイアウト設計例が示されている。図１３に示すレイアウト設計例は、図１１および／または図１２に示すレイアウト設計例とともに採用されてもよいし、個別に採用されてもよい。電源線ＶＤＤおよび出力信号線ＯＵＴは、配線層９（図３参照）に形成されるパターンである。配線層９は、第２層のメタル配線層である。実線２１は、配線層８と平行かつ配線層２と同じ高さで切断した面（図３中のＣ−Ｃ’）における光導波路を示している。点線２２は、第１画素ＰＡと第２画素ＰＢにおける想定される光の漏れ範囲を示していて、これは（式３）により計算される。

以上のように、第１および第２実施形態によれば、複数の画素の構造が相互に相似形状に近づくように、または、複数の画素のうち１つの画素に対してミラー対象な構造と他の画素の構造とが相似形状に近づくようにダミーパターンが設けられる。これにより、画素間の感度の差を低減することができる。

第１および第２実施形態では、説明の簡単化のために、緑（Ｒ）の画素に関して説明しているが、他のカラーのカラーフィルタが割り当てられる画素にも適用することができる。典型的には、感度差の低減は、同一のカラーのカラーフィルタが割り当てられる画素の間で考慮される。モノクロセンサおよび３板式カラーセンサにおいては、１つのセンサチップ内のすべての画素の間における感度差が低減されるようにダミーパターンが配置されうる。

導波路の断面（半導体基板の表面に平行な断面）における形状は、円形でなくてもよい。換言すれば、導波路は、円柱の他、多角柱等の他の柱状形状を有してもよい。つまり、光導波路の幅をｄとしたときに、ダミーパターンは、幅が（４／３）ｄで該光導波路と同心の仮想的な柱状形状の中に配置された部分を含むように構成されうる。

構造部ＳＴは、ゲート電極層のほかに、３層以上の配線層を有してもよい。

第１および第２実施形態では、光導波路の径ｄがすべての高さで同じ場合について述べているが、光導波路にテーパー角をつけた構造では導波路の側壁で入射光を全反射させることができ、効率よく受光部に集光できることが知られている。この構造では、各配線層の高さで導波路の径が異なるが、それぞれの配線層に対して本発明を適用すればよい。

ゲート電極層の材料は特に限定されないが、ゲート電極層がポリシリコンで構成される場合には、本発明の効果がより顕著に得られる。これは、ポリシリコンは、メタル材料に比べ高屈折率材料であり、そのために光導波路内から光が漏れやすく、更には、漏れた光がポリシリコンによりフォトダイオードから離れる方向に曲げられるために感度に与える影響が大きいからである。

以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含む。該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims

互いに隣接して配置された第１画素ユニットおよび第２画素ユニットを含む複数の画素ユニットを有する固体撮像装置であって、
各画素ユニットは、第１光電変換素子と、第２光電変換素子と、第１拡散領域および第２拡散領域を含む電荷電圧変換部と、前記第１光電変換素子の電荷を前記第１拡散領域に転送する第１転送トランジスタを構成する第１ゲート電極と、前記第２光電変換素子の電荷を前記第２拡散領域に転送する第２転送トランジスタを構成する第２ゲート電極とを含み、
前記固体撮像装置は、前記第１光電変換素子および前記第２光電変換素子が形成された半導体基板の上に、複数の配線層と、層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の屈折率よりも高い屈折率を有する材料を前記層間絶縁膜における前記第１光電変換素子および前記第２光電変換素子の上方に埋め込んで構成された第１光導波路および第２光導波路とを含む構造部を有し、
前記複数の配線層は、前記第１ゲート電極および前記第２ゲート電極が配置されたゲート電極層を含み、前記ゲート電極層は、前記第１拡散領域と前記第２拡散領域とを接続する接続パターンを含み、前記接続パターンは、前記第１画素ユニットの前記第２光電変換素子と前記第２画素ユニットの前記第２光電変換素子との間に、前記第２画素ユニットの前記第２光電変換素子に沿って配置された部分を含み、
前記第１画素ユニットの前記第１光導波路の周辺の構造と前記第２画素ユニットの前記第２光導波路の周辺の構造との相違による前記第１画素ユニットの前記第１光電変換素子の感度と前記第２画素ユニットの前記第２光電変換素子の感度との差を低減するようにダミーパターンが前記構造部に設けられ、前記ダミーパターンの上面は、前記第１光導波路および前記第２光導波路の下端より高く上端より低い位置に配置され、
前記ダミーパターンは、前記ゲート電極層に配置された第１ダミーパターンを含み、前記第１ダミーパターンは、前記第１画素ユニットの前記第１光電変換素子に沿って配置されている、
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記ダミーパターンは、前記第１光導波路および前記第２光導波路に接しないように配置され、
前記第１ゲート電極に対する前記第１光導波路の相対位置と前記第２ゲート電極に対する前記第２光導波路の相対位置とが同じである、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記ダミーパターンは、固定電位が与えられる、または、フローティング状態にされる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
複数のカラーのカラーフィルタを更に備え、
前記第１光電変換素子および前記第２光電変換素子には、同一のカラーのカラーフィルタが割り当てられている、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１光導波路および前記第２光導波路の幅をｄとしたときに、前記ダミーパターンは、幅が（４／３）ｄで前記第１光導波路と同心の仮想的な柱状形状の中に配置された部分を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記ダミーパターンは、ポリシリコンで構成されたパターンを含む、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
互いに隣接して配置された第１画素ユニットおよび第２画素ユニットを含む複数の画素ユニットを有する固体撮像装置であって、
前記第１画素ユニットは、複数の第１光電変換素子と、複数の第１拡散領域を含む第１電荷電圧変換部と、前記複数の第１光電変換素子の電荷を前記複数の第１拡散領域にそれぞれ転送する複数の第１転送トランジスタをそれぞれ構成する複数の第１ゲート電極とを含み、前記第２画素ユニットは、複数の第２光電変換素子と、複数の第２拡散領域を含む第２電荷電圧変換部と、前記複数の第２光電変換素子の電荷を前記複数の第２拡散領域にそれぞれ転送する複数の第２転送トランジスタをそれぞれ構成する複数の第２ゲート電極とを含み、
前記固体撮像装置は、
前記複数の第１光電変換素子および前記複数の第２光電変換素子が形成された半導体基板の上に配置された複数の配線層と、
前記複数の配線層の間に配置された層間絶縁膜と、
前記複数の第１光電変換素子の上にそれぞれ配置され前記層間絶縁膜の屈折率よりも高い材料で構成された複数の第１光導波路と、
前記複数の第２光電変換素子の上にそれぞれ配置され前記層間絶縁膜の屈折率よりも高い材料で構成された複数の第２光導波路と、
前記複数の第１光電変換素子のうちの１つの第１光電変換素子および前記複数の第２光電変換素子のうちの１つの第２光電変換素子に対して同一のカラーのカラーフィルタが割り当てられたカラーフィルタアレイと、を備え、
前記複数の配線層の１つの配線層は、前記複数の第１光導波路および前記複数の第２光導波路の下端より高く上端より低い位置に存在する上面を有するゲート電極層であり、前記ゲート電極層は、第１パターンおよび第２パターンを含み、前記第１パターンは、ダミーパターンであり、前記複数の第１光導波路のうち前記１つの第１光電変換素子に対応する第１光導波路と、前記対応する第１光導波路に隣接する光導波路との間に、前記１つの第１光電変換素子に沿って配置され、前記第２パターンは、前記複数の第２光導波路のうち前記１つの第２光電変換素子に対応する第２光導波路と、前記対応する第２光導波路に隣接する光導波路との間に、前記１つの第２光電変換素子に沿って配置された部分を含み、
前記対応する第１光導波路および前記対応する第２光導波路の幅をｄとしたときに、前記第１パターンは、幅が（４／３）ｄで前記対応する第１光導波路と同心の第１の仮想的な柱状形状の中に配置された部分を含み、前記第２パターンは、幅が（４／３）ｄで前記対応する第２光導波路と同心の第２の仮想的な柱状形状の中に配置された部分を含む、
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記第１パターンおよび前記第２パターンは、前記複数の第１光導波路および前記複数の第２光導波路に接しないように配置され、
前記１つの第１光電変換素子の電荷の転送のための前記第１ゲート電極に対する、前記１つの第１光電変換素子の上に配置された前記第１光導波路の相対位置と、前記１つの第２光電変換素子の電荷の転送のための前記第２ゲート電極に対する、前記１つの第２光電変換素子の上に配置された前記第２光導波路の相対位置とが同じである、
ことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
画素ユニットを含む固体撮像装置であって、
前記画素ユニットは、第１光電変換素子と、第２光電変換素子と、第１拡散領域および第２拡散領域を含む電荷電圧変換部と、前記第１光電変換素子の電荷を前記第１拡散領域に転送する第１転送トランジスタを構成する第１ゲート電極と、前記第２光電変換素子の電荷を前記第２拡散領域に転送する第２転送トランジスタを構成する第２ゲート電極とを含み、
前記固体撮像装置は、
前記第１光電変換素子および前記第２光電変換素子が形成された半導体基板の上に配置された複数の配線層と、
前記複数の配線層の間に配置された層間絶縁膜と、
前記第１光電変換素子の上に配置され前記層間絶縁膜の屈折率よりも高い材料で構成された第１光導波路と、
前記第２光電変換素子の上に配置され前記層間絶縁膜の屈折率よりも高い材料で構成された第２光導波路と、
前記第１光電変換素子および前記第２光電変換素子に対して同一のカラーのカラーフィルタが割り当てられたカラーフィルタアレイと、を備え、
前記複数の配線層の１つの配線層は、前記第１光導波路および前記第２光導波路の下端より高く上端より低い位置に存在する上面を有するゲート電極層であり、前記ゲート電極層は、第１パターンおよび第２パターンを含み、前記第１パターンは、ダミーパターンであり、前記第１光導波路と、前記第１光導波路に隣接する光導波路との間に前記第１光電変換素子に沿って配置され、前記第２パターンは、前記第２光導波路と、前記第２光導波路に隣接する光導波路との間に前記第２光電変換素子に沿って配置された部分を含み、
前記第１光導波路および前記第２光導波路の幅をｄとしたときに、前記第１パターンは、幅が（４／３）ｄで前記第１光導波路と同心の第１の仮想的な柱状形状の中に配置された部分を含み、前記第２パターンは、幅が（４／３）ｄで前記第２光導波路と同心の第２の仮想的な柱状形状の中に配置された部分を含む、
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記第１パターンおよび前記第２パターンは、前記第１光導波路および前記第２光導波路に接しないように配置され、
前記第１ゲート電極に対する前記第１光導波路の相対位置と前記第２ゲート電極に対する前記第２光導波路の相対位置とが同じである、
ことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
前記第１パターンは、固定電位が与えられる、または、フローティング状態にされる、
ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１光電変換素子を含む画素および前記第２光電変換素子を含む画素は、前記第１パターンが存在しない場合よりも、互いに近い形状を有する、
ことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１パターンおよび前記第２パターンは、ポリシリコンで構成されている、
ことを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１パターンは、トランジスタのゲート電極から離れて配置され、前記第２パターンは、トランジスタのゲート電極に接続されている、
ことを特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１パターンは、トランジスタのゲート電極から延びている、
ことを特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
を備えることを特徴とするカメラ。