JP2008282961A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光の斜入射特性を低下させることなく、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。
【解決手段】ＭＯＳ型固体撮像装置１では、上層配線（電荷転送線１０１８〜１０４８）がシフト形成されている画素セル１０１〜１０４において、撮像領域の中央Ｌ₁を挟み両側となる部分に存在する画素セルどうし、例えば、画素セル１０１と画素セル１０４とを比較して見るときに、互いの画素セル１０１、１０４に関連する電源線１０１６、１０４６、垂直信号線１０１７、１０４７および電荷転送線１０１８、１０４８が、Ｘ軸方向において、センサ部１０の中央Ｌ₁から紙面に垂直な方向に想定する仮想平面を基準として面対称の関係を以って形成されている。
【選択図】図２

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センサ部の構造に関する。

ディジタルスチルカメラなどの撮像デバイスとして用いられる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、マトリクス状に配置）されてなるセンサ部を備える（特許文献１〜３）。従来のＭＯＳ型固体撮像装置におけるセンサ部の構造について、図１０を用い説明する。
図１０に示すように、ＭＯＳ型固体撮像装置における画素セル９００は、フォトダイオード９００１と、３つのトランジスタ（転送トランジスタ９００２、増幅トランジスタ９００４、リセットトランジスタ９００５）とを有し構成されている。フォトダイオード９００１は、受光した光をその強度に応じた量の電荷に変換して蓄積する素子部であって、一端が転送トランジスタ９００２のソースに接続されている。転送トランジスタ９００２のドレイン側には、転送された電荷を受けるフローティングディフュージョン（以下では、「ＦＤ」と記載する。）９００３が形成されている。ＦＤ９００３と増幅トランジスタ９００４のゲートとの間は、電荷転送線９００８で接続されている。

増幅トランジスタ９００４およびリセットトランジスタ９００５の各ドレインは、図１０におけるＹ軸方向に延伸される電源線９００６に接続されており、増幅トランジスタ９００４のソースは、電源線９００６と同様にＹ軸方向に延伸された垂直信号線９００７２接続されている。フォトダイオード９００１での光電変換により形成された電荷は、転送トランジスタがオンされることでＦＤ９００３へと転送され、当該信号電荷が増幅トランジスタ９００４のゲートに入力されることで、増幅された信号が垂直信号線９００７へと出力される。

センサ部における各画素セル９００は上記構成を有しているが、画素セル９００における電荷転送線９００８、電源線９００６および垂直信号線９００７のレイアウトについて、図１１を用い説明する。なお、図１１では、複数の画素セルをセンサ部９０の形成領域毎に区分けして、画素セル９０１〜９０４として示すが、各画素セル９０１〜９０４は、上記画素セル９００と回路面で同一構成となっている。

図１１に示すように、画素セル９０１〜９０４では、装置厚み方向において、電荷転送線９０１８〜９０４８と垂直信号線９０１７〜９０４７とが同一の高さレベルに形成され、電源線９０１６〜９０４６がそれよりも上層に形成されている。また、画素セル９０１〜９０４は、センサ部９０の中心Ｌ₉に対する配置毎に、上層に形成された電源線９０１６〜９０４６の各中心Ｌ₉₀₁〜Ｌ₉₀₄が中央側へとシフトした状態となっている（所謂、「シュリンク」と称される）。このような電源線９０１６〜９０４６のシフト配置は、入射光の斜入射特性の向上を目的とするものである。
特開２００４−１８６４０７号公報 特開２００２−３３５４５５号公報 米国特許６８３８７１５号公報

しかしながら、図１１に示すような電源線９０１６〜９０４６をセンサ部９０の中央側へとシフト配置した従来のＭＯＳ型固体撮像装置では、画素セル９０１〜９０４毎に出力信号のバラツキが生じ、出力画像の明るさにムラを生じる、所謂、シェーディングの問題が発生する。即ち、図１１に示すように、シュリンクにより電源線９０１６〜９０４６をセンサ部９０の中央側へとシフト配置した構成においては、Ｘ軸方向の左側に位置する画素セル９０１、９０２と右側に位置する画素セル９０３、９０４とで、電源線９０１６〜９０４６と電荷転送線９０１８〜９０４８との間の距離に差異を有する。その結果、画素セル９０１、９０２、９０３、９０４では、寄生容量Ｃ９０１１〜Ｃ９０４１に差異が生じる。

画素セル９０１〜９０４における各寄生容量Ｃ９０１１〜Ｃ９０４１は、ＦＤ９００３の容量を構成する位置要素であり、寄生容量Ｃ９０１１〜Ｃ９０４１のバラツキは、フォトダイオード９０１１〜９０４１で同じ数の電子を発生させた場合における出力信号の差異を生ずる原因となる。
本発明は、上記問題を解決しようとなされたものであって、入射光の斜入射特性を低下させることなく、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、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板における一方の主面（以下では、「基板主面」と記載する。）に沿う方向に複数の画素セルが二次元配置されてなる撮像領域を有し、複数の画素セルの各々にフォトダイオードとＦＤ（フローティングディフュージョン）と増幅トランジスタと第１の配線とを有する構成である。
ここで、フォトダイオードは入射した光をその光量に応じた電荷に変換する機能を有し、ＦＤはフォトダイオードでの光電変換により生成された電荷が転送される部分であり、増幅トランジスタはＦＤからの電荷を増幅して出力する。また、第１の配線は、ＦＤと増幅トランジスタとの間を接続する配線である。また、本発明に係る固体撮像装置では、複数の画素セルの各々における増幅トランジスタのドレインおよびソースに対し、一方に電力を供給する第２の配線が接続され、他方に当該増幅トランジスタでの増幅により生成された信号を出力する第３の配線が接続されている。

上記構成を有する本発明に係る固体撮像装置においては、第１の配線および第２の配線および第３の配線が、基板主面上において、半導体基板の厚み方向の複数の層に層分けされた状態で配されており、基板主面から最も離れた側の層（以下では、「上層」と記載する。）に一の配線（以下では、「上層配線」と記載する。）を配し、それよりも基板主面に近い側の層（以下では、「下層」と記載する。）に残りの配線（以下では、「下層配線」と記載する。）を互いに並行する状態で配する。そして、本発明に係る固体撮像装置では、基板主面に沿う方向（複数の画素セルが二次元配置されてなる方向）において、撮像領域内における中央を囲む一部領域で、上層配線が撮像領域の中央側へとシフトして形成されている。また、上層配線がシフト形成された一部領域において、撮像領域の中央を挟んだ両側部分の画素セルどうしでは、第２の配線および第３の配線の少なくとも一方の配線と第１の配線とが、撮像領域の中央から上記シフト方向および上記基板主面に沿う方向の双方に対して交差する方向に想定する仮想面に対して、互いに面対称の配置関係を有する。

上記本発明に係る固体撮像装置では、次のようなバリエーションを採用することができる。
・上記本発明に係る固体撮像装置では、上層配線がシフト形成された箇所における撮像領域の中央を挟んだ両側の画素セルどうしでは、第１の配線、第２の配線および第３の配線の全てが、上記面対称の関係を有するという構成を採用することができる。

・上記本発明に係る固体撮像装置では、撮像領域における複数の画素セルの各々において、上層配線としての第１の配線を形成し、下層配線として第２の配線および第３の配線を形成するという構成を採用することができる。
・上記本発明に係る固体撮像装置では、撮像領域における複数の画素セルの各々において、上層配線としての第３の配線を形成し、下層配線として第１の配線および第２の配線を形成するという構成を採用することができる。

・上記本発明に係る固体撮像装置では、遮光画素領域において、撮像領域における上層と同一レベルの層上に導電層を形成し、当該導電層により遮光を行うという構成を採用することができる。この場合、導電層よりも基板主面に近い側の層に第１の配線および第３の配線を形成し、撮像領域における第２の配線を遮光画素領域における導電層に対し接続されてなる構成を採用することができる。さらに、この構成を採用する場合には、第１の配線および第３の配線を、撮像領域と遮光画素領域との間で、それぞれ接続する構成を採用する。

・上記撮像領域と遮光画素領域との間における第１の配線および第３の配線のそれぞれの接続には、複数のコンタクトプラグを用いることができる。
・上記本発明に係る固体撮像装置では、撮像領域における全ての第３の配線が、接続関係を有する各画素セルに対し、撮像領域の中心側に形成されてなる、という構成を採用することができる。

・上記本発明に係る固体撮像装置では、撮像領域における全ての画素セルにおいて、第１の配線が各画素セルの中心よりも撮像領域の中心から離れた側（外側）に形成されてなる、という構成を採用することができる。
・上記本発明に係る固体撮像装置では、撮像領域における複数の画素セルの各々において、上層配線としての第２の配線を形成し、下層配線としての第１の配線および第３の配線を形成するという構成を採用することができる。

上述のように、本発明に係る固体撮像装置では、上層配線が撮像領域の中央側へとシフトした状態で形成されているので、シフト形成された上層配線が斜め入射光を遮り難い。よって、本発明に係る固体撮像装置では、入射光に対する高い斜入射特性を得ることができる。
また、本発明に係る固体撮像装置では、上層配線がシフト形成されている画素セルにおいて、撮像領域の中央を挟み両側となる部分に存在する画素セルどうしを見るときに、互いの画素セルに関連する第２の配線および第３の配線の少なくとも一方の配線と第１の配線とが、基板主面に沿う方向において、上記面対称の関係を以って形成されている。このため、本発明に係る固体撮像装置では、高い斜入射特性を得るために上層配線をシフト形成しながら、少なくとも上記面対称の関係を有するように下層配線が形成された画素セルどうしで、第１の配線に対する第２の配線および第３の配線の少なくとも一方の配線との相互の距離が大きく異なることがない。よって、本発明に係る固体撮像装置では、上記撮像領域の中央を挟んで両側となる部分のそれぞれの部分に属する画素セルどうしの間で、ＦＤに存在する寄生容量の差異が、上記従来技術に係る固体撮像装置に比べて小さくなり、出力画像の明るさにムラを生じ難い（シェーディングを生じ難い）。

従って、本発明に係る固体撮像装置では、入射光の斜入射特性を低下させることなく、シェーディングの発生を抑制することができる。
なお、本発明は、一つの画素セルに複数のフォトダイオードと複数の転送トランジスタとが設けられた、所謂、多画素１セルの構成や、増幅トランジスタのソースと第３の配線との間に選択トランジスタを介挿させる構成などを採用する場合にも有効である。

また、本発明に係る固体撮像装置では、上層配線がシフト形成されている画素セルにおいて、撮像領域の中央を挟み両側となる部分に存在する画素セルどうしを見るときに、互いの画素セルに関連する第１の配線、第２の配線および第３の配線の全てが上記面対称の関係を有するという構成を採用する場合に、上記ＦＤに存在する寄生容量の画素間での差異を小さくできるという観点から、より望ましい。

以下では、本発明を実施するための最良の形態について、２つの具体例を用い説明する。なお、以下の説明で用いる実施形態はあくまでも本発明の一例であって、本発明は、その本質的な特徴部分以外に何ら以下の実施形態に限定を受けるものではない。
（実施の形態１）
１．ＭＯＳ型固体撮像装置１の全体構成
本実施の形態１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に示すように、ＭＯＳ型固体撮像装置１は、１枚の半導体基板にセンサ部１０と、当該センサ部１０を取り囲むように形成された回路部２１〜２４とを有し構成されている。センサ部１０には、複数の画素セル１００がマトリクス状に設けられており、各回路部２１〜２４に対して配線で接続されている。各画素セル１００の構成は、図１の拡大部分に示すように、フォトダイオード１００１と３つのトランジスタ（転送トランジスタ１００２、増幅トランジスタ１００４、リセットトランジスタ１００５）などから構成されている。そして、転送トランジスタ１００２のドレイン側には、フォローティングディフュージョン（ＦＤ）１００３が設けられている。

フォトダイオード１００１は、入力された光の強弱に応じて電荷を生成する素子部であり、一端が接地され、他端が転送トランジスタ１００２のソースに接続されている。転送トランジスタ１００２は、フォトダイオード１００１で生成された電荷を検出部としてのＦＤ１００３に転送するための素子部であり、ドレインが増幅トランジスタ１００４のゲートおよびリセットトランジスタ１００５のソースに接続されている。

リセットトランジスタ１００５は、ＦＤ１００３に蓄積された電荷を予め設定された一定時間毎にリセットするための素子部であり、ドレインが電源線１００６と接続されている。増幅トランジスタ１００４は、ＦＤ１００３に蓄積された電荷を増幅する素子部であり、ドレインが電源線１００６２接続され、ソースが垂直信号線１００７に接続されている。なお、ＦＤ１００３と増幅トランジスタ１００４のゲートとの間は、電荷転送線１００８で接続されている。

また、ＭＯＳ型固体撮像装置１における垂直シフトレジスタ部２１および水平シフトレジスタ部２３は、ともにダイナミック回路であり、タイミング発生回路部２４からのタイミング信号に基づき、複数の画素セル１００あるいは画素選択回路部２２に対して順次駆動（スイッチング）パルスを送出する。画素選択回路部２２には、行単位の画素セル１００ごとに対応して形成されたスイッチング素子を内蔵しており、水平シフトレジスタ部２３からのパルスを受けて順次オン状態となる。

センサ部１０における複数の画素セル１００では、フォトダイオード１００１での光電変換により生成された電荷が、垂直シフトレジスタ部２１で選択された行と、画素選択回路部２２がＯＮ状態となっている列との交差した部分に該当するときに読み出されるよう構成されている。タイミング発生回路部２４は、垂直シフトレジスタ部２１および水平シフトレジスタ部２３に対し、電源電圧やタイミングパルスなどを印加する回路である。

２．センサ部１０における配線
次に、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１の配線構成について、図２を用い説明する。なお、図２では、センサ部１０の中央Ｌ₁を囲む領域に形成されている４つの画素セル１０１〜１０４を抽出し、各画素セル１０１〜１０４における配線１０１６〜１０４６、１０１７〜１０４７、１０１８〜１０４８の配線関係を模式的（層間絶縁膜などを省略した状態）に示す。また、図２における配線１０１６〜１０４６は、図１における電源線１００６に相当し、同様に、配線１０１７〜１０４７は、図１における垂直信号線１００７に相当し、配線１０１８〜１０４８は、図１における電荷転送線１００８に相当する。

図２に示すように、各画素セル１０１〜１０４におけるフォトダイオード１００１〜１００４は、半導体基板における厚み方向内方に形成されている。そして、配線１０１６〜１０４６、１０１７〜１０４７、１０１８〜１０４８は、各画素セル１０１〜１０４において、半導体基板の厚み方向（Ｚ軸方向）における主面よりも上に２層に分けた状態で形成されている。本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、２層の内の半導体基板の主面に近い側の層（以下では、「下層」と記載する。）に、電源線１０１６〜１０４６と垂直信号線１０１７〜１０４７とが互いに並設されている。

また、２層の内の半導体基板の主面から離れた側の層（以下では、「上層」と記載する。）に形成された電荷転送線１０１８〜１０４８が、それぞれの画素セル１０１〜１０４において、センサ部１０における中央Ｌ₁の側にシフトした状態となっている。具体的には、画素セル１０１では、電荷転送線１０１８の中心線Ｌ₁₀₁がＸ軸方向の右側（センサ部１０の中央Ｌ₁側）に向けてシフトされており、画素セル１０２では、電荷転送線１０２８の中心線Ｌ₁₀₂がＸ軸方向の右側（センサ部１０の中央Ｌ₁側）に向けてシフト配置されている。センサ部１０における中央Ｌ₁から離れた位置にある画素セル１０１の電荷転送線１０１８のシフト量は、近い位置にある画素セル１０２の電荷転送線１０２８のシフト量よりも大きくなっている。

画素セル１０３、１０４においても、上記同様の関係を以って、電荷転送線１０３８、１０４８がシフト配置されている。このような上層における配線１０１８〜１０４８のシフト配置は、斜入射光を遮るのを防止するためのものである。
下層には、電源線１０１６〜１０４６と垂直信号線１０１７〜１０４７が形成されている。

本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、電源線１０１６〜１０４６および垂直信号線１０１７〜１０４７および電荷転送線１０１８〜１０４８の全てが、Ｘ軸方向左側に配された画素セル１０１、１０２と右側に配された画素セル１０３、１０４との間での配置において、センサ部１０の中央Ｌ₁から紙面に垂直な方向に想定する仮想平面に対して面対称の関係にある。具体的に、画素セル１０１では、電源線１０１６が垂直信号線１０１７に対し左側に配置され、電荷転送線１０１８が垂直信号線１０１７に対しＺ軸方向上方に配されているのに対し、画素セル１０４では、電源線１０４６が垂直信号線１０４７に対し右側に配置され、電荷転送線１０４８が垂直信号線１０４７に対しＺ軸方向上方に配されており、センサ部１０の中央Ｌ₁から紙面に垂直な方向に想定する仮想平面を基準として、電源線１０１６、１０４６および垂直信号線１０１７、１０４７および電荷転送線１０１８、１０４８の全てが、画素セル１０１と画素セル１０４との間で面対称の関係にある。同様に、画素セル１０２と画素セル１０３とにおいても、電源線１０２６、１０３６および垂直信号線１０２７、１０３７および電荷転送線１０２８、１０４８の全てが、画素セル１０２と画素セル１０３との間で互いに上記仮想平面に対して面対称の関係にある。

３．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１を用い説明する。
（１）読み出し動作前の画素セル１００では、非選択状態となっている。具体的には、転送トランジスタ１００２およびリセットトランジスタ１００５がともにオフ状態となっており、ＦＤ１００３の電位は増幅トランジスタ１００４が駆動しないレベルに維持されている。

（２）一つの行を選択する場合には、先ず、リセットトランジスタ１００５をオン状態とし、この時点でＦＤ１００３の電位は電源と同一のＨｉｇｈレベルにリセットされる。
次に、リセットトランジスタ１００５をオフ状態とするが、この状態でのＦＤ１００３は寄生容量Ｃにより上記Ｈｉｇｈレベルにチャージされたままである。この動作により、該画素セル１００が選択されたことになる。

（３）次に、画素セル１００のフォトダイオード１００１に対し光が入射し、光電変換により入射光量に応じた電荷が生成される。そして、フォトダイオード１００１には、生成された電荷が蓄積される。
（４）次に、転送トランジスタ１００２をオン状態とすること、フォトダイオード１００１からＦＤ１００３へと電荷が転送される。なお、このときのＦＤ１００３の電位は、上記Ｈｉｇｈレベルから△Ｖだけ低下する。
［式１］
△Ｖ＝ｎ×ｅ／Ｃ
ここで、ｎはＦＤ１００３に転送された電子数を示し、ｅは素電荷でｅ＝１．６×１０^-19［Ｃ］である。また、式１におけるＣは、ＦＤ１００３の寄生容量である。

ＦＤ１００３の電位変動分△Ｖは、増幅トランジスタ１００４のゲートへと伝えられ、増幅トランジスタ１００４で増幅された信号が垂直信号線１００７へと出力される。
（５）信号が出力された画素セル１００に対しては、転送トランジスタ１００２をオフ状態とし、リセットトランジスタ１００５をオン状態とする。そして、電源線１００６に接続されている電源の電圧レベルを増幅トランジスタ１００４が動作しないレベルまで低下させて、リセットトランジスタ１００５をオフ状態とする。当該動作により、該画素セル１００では、増幅トランジスタ１００４が動作しないレベルにＦＤ１００３の電位がリセットされる（非選択状態）。

４．ＭＯＳ型固体撮像装置１の優位性
本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、図２に示す配線１０１６〜１０４６、１０１７〜１０４７、１０１８〜１０４８の配置形態を最大の特徴とする。そして、この構成上の特徴により本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１が有する優位性について、図１１に示す従来のＭＯＳ型固体撮像装置との比較により説明する。

図２に示すように、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、電源線１０１６〜１０４６および垂直信号線１０１７〜１０４７および電荷転送線１０１８〜１０４８の全てが、画素セル１０１〜１０４の互いの間で、センサ部１０の中央Ｌ₁から紙面に垂直な方向に想定する仮想平面に対して面対称の関係にある。そして、配線１０１８〜１０４８は、センサ部１０の中央Ｌ₁側へとシフト配置されている。当該配置状態においては、電荷転送線１０１８〜１０４８と電源線１０１６〜１０４６との間には、それぞれ寄生容量Ｃ１０１１〜Ｃ１０４１が存在し、電荷転送線１０１８〜１０４８と垂直信号線１０１７〜１０４７との間には、それぞれ寄生容量Ｃ１０１２〜Ｃ１０４２が存在することになる。

本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、Ｘ軸方向の左右の各画素セル１０１〜１０４において、上層における配線１０１８〜１０４８および下層における配線１０１６〜１０４６、１０１７〜１０４７を上記面対称の関係を有するように配置しているので、各画素セル１０１〜１０４の互いの間でＦＤの寄生容量Ｃ１０１１〜Ｃ１０４１が略同一の値を示すことになる。また、ＦＤの寄生容量Ｃ１０１２〜Ｃ１０４２についても、画素セル１０１〜１０４の互いの間で略同一の値を示すことになる。
［式２］
Ｃ１０１１≒Ｃ１０２１≒ Ｃ１０３１≒Ｃ１０４１
［式３］
Ｃ１０１２≒Ｃ１０２２≒ Ｃ１０３２≒Ｃ１０４２
［式４］
（Ｃ１０１１＋Ｃ１０１２）≒（Ｃ１０２１＋Ｃ１０２２）
≒（Ｃ１０３１＋Ｃ１０３２）
≒（Ｃ１０４１＋Ｃ１０４２）
ところで、上記のように、ＭＯＳ型固体撮像装置１の駆動に際して、増幅トランジスタ１００４へはＦＤ１００３の電位変動分△Ｖが伝えられるのであるが、上記（式１）のように△ＶはＦＤ１００３の寄生容量Ｃに大きな影響を受ける。そして、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、図２に示すように、センサ部１０の全域におけるＦＤ１００３の寄生容量Ｃ１０１１〜Ｃ１０４１、Ｃ１０１２〜Ｃ１０４２が略同一である。よって、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、センサ部１０の全ての画素セル１００において、フォトダイオード１００１で生成された電荷が同一であるとしたならば、垂直信号線１００７へ出力される信号も略同一となり、シェーディングの少ない画像出力が可能である。

なお、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、上層に電荷転送線１０１８〜１０４８を形成し、当該電荷転送線１０１８〜１０４８をシフト配置することとしているので、シフトのバラツキが生じても、（式４）に示すように、ＦＤの寄生容量は全ての画素セルにおいて、殆ど同一となる。また、垂直信号線１０１７〜１０４７の電位は、ＦＤの電位に追従して変動することを考えるとき、電荷転送線１０１８〜１０４８と垂直信号線１０１７〜１０４７との間の容量Ｃ１０１２〜Ｃ１０４２は見かけ上小さくなる。このため、電荷転送線１０１８〜１０４８が垂直信号線１０１７〜１０４７の各上方をシフトして配置された場合の方が、電源線１０１６〜１０４６の上方をシフトして配置の場合よりも、ＦＤ全体としての寄生容量Ｃのバラツキを小さく抑えることが可能となる。

また、ＭＯＳ型固体撮像装置１では、上層の配線（電荷転送線１０１８〜１０４８）をシフト形成しているので、斜入射光を遮り難く、高い斜入射特性を有する。
従って、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、高い斜入射特性を得ながら、シェーディングの発生を抑制することができるので、高い画質性能を実現できる。
５．センサ部１０のレイアウト
図２に示す配線１０１６〜１０４６、１０１７〜１０４７、１０１８〜１０４８の配置形態を実現するための具体的なレイアウトについて、図３〜図５を用い説明する。図３〜図５は、半導体基板の厚み方向における階層毎のレイアウトを示す模式平面図であり、図３から図４、図５へと行くに従って、半導体基板の主面から遠ざかるようになっている。なお、図３を用いた説明では、画素セル１０１だけを抽出して説明する。

図３に示すように、ＭＯＳ型固体撮像装置１においては、略矩形の平面形状をしたフォトダイオード１０１１・・がＸ−Ｙ平面においてマトリクス状に配されている。各フォトダイオード１０１１に対しては、Ｙ軸方向の下側縁部で上方の一部を覆う状態で転送トランジスタ１０１２のゲートが設けられている。転送トランジスタ１０１２のＹ軸方向における他方の縁部は、ＦＤ１０１３の上方の一部を覆っている。転送トランジスタ１０１２のゲートは、Ｘ軸方向に連続形成されており、ＦＤ１０１３は、各画素セル１０１単位で区切られており、Ｌ字状に形成されている。ＦＤ１０１３におけるＬ字状に屈曲した先端部分の上方には、Ｘ軸方向に延伸形成されたリセットトランジスタ１０１５のゲートが配されている。

一方、Ｘ軸方向におけるフォトダイオード１０１１・・の互いの間には、増幅トランジスタ１０１４が形成されている。
次に、図４（ａ）に示すように、画素セル１０１では、下層におけるＸ軸方向のフォトダイオード１０１１・・の間に、互いにＹ軸方向に延伸形成された電源線１０１６と垂直信号線１０１７とが並設されている。また、図４（ｂ）に示すように画素セル１０４についても、同様に、電源線１０４６と垂直信号線１０４７とが延伸形成されている。ここで、上述のように、図４（ａ）に示す画素セル１０１に対応した電源線１０１６および垂直信号線１０１７は、図４（ｂ）に示す画素セル１０４に対応した電源線１０４６および垂直信号線１０４７と、上記面対称の関係を有し配置されている。

次に、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、画素セル１０１、１０２では、それぞれの電源線１０１６、１０２６に対しＸ軸方向右側に配置された垂直信号線１０１７、１０２７の上方に対し、電荷転送線１０１８、１０２８が形成されている。電荷信号線１０１８、１０２８は、ともにＹ軸方向に延伸した状態で形成されている。一方、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、画素セル１０３、１０４では、それぞれの電源線１０３６、１０４６に対しＸ軸方向左側に配置された垂直信号線１０３７、１０４７の上方に対し、電荷転送線１０３８、１０４８が形成されている。

電荷転送線１０１８〜１０４８は、その中心線Ｌ₁₀₁〜Ｌ₁₀₄がセンサ部１０の中央Ｌ₁側へとシフト形成されている。電荷転送線１０１８〜１０４８についても、下層に配された配線（電源線１０１６、１０４６および垂直信号線１０１７、１０４７）などとの関係において、画素セル１０１〜１０４の間で、上記面対称の関係を有する。
６．センサ部１０の領域構成
図６に示すように、ＭＯＳ型固体撮像装置１のセンサ部１０には、有効画素領域１０ａの外周を取り囲むように遮光画素領域１０ｂが設けられている。遮光画素領域１０ｂは、撮像画像における基準となる黒色レベルを検出するために設けられている領域であって、フォトダイオードなどの上方全体がメタル配線で覆われた構成となっている。本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、遮光のためのメタル配線として電源線１００６を適用している。なお、図６に示すようなセンサ部１０の構成については、例えば、特開２００４−２７３５６６号公報に開示されているので、詳しい説明を省略する。

以下では、有効画素領域１０ａと遮光画素領域１０ｂとの各境界部分１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆにおける配線レイアウトについて説明する。
７．境界部分１０ｃにおける配線レイアウト
図７（ａ）に示すように、境界部分１０ｃに位置する画素セル１０５においては、下層に配された電源線１０５６および垂直信号線１０５７の内、電源線１０５６におけるＹ軸方向の一方がＴ字状に形成されており、当該Ｔ字状の部分に３つのコンタクトプラグ１０５９が設けられている。なお、垂直信号線１０５７については、そのままＹ軸方向に延伸形成されている。

図７（ｂ）に示すように、電荷転送線１０５８については、図５（ａ）における画素セル１０１と同様に、垂直信号線１０５７の上方に形成されている。そして、遮光画素領域１０ｂについては、メタル配線の被覆形成により遮光がなされている。本実施の形態では、上述のように、メタル配線として電源を適用するので、境界部分１０ｃにおいて、図７（ａ）に示す電源線１０５６に対して上記３つのコンタクトプラグ１０５９を用い接続されている。

上記において、遮光画素領域１０ｂにおける遮光のためのメタル配線として電源線を採用するのは、Ｘ軸方向に隣り合う列間で接合した場合にも、電源線であれば問題を生じないという理由からである。
また、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、境界部分１０ｃにおける電源線１０５６とメタル配線との接続に３つのコンタクトプラグ１０５９を用いているので、１つのコンタクトプラグでのみ接続する場合に比べて、低抵抗化を図ることができる。

なお、図７（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置１では、電荷転送線１０５８を上層に形成することとしたが、電荷転送線１０５８については、各画素セルで電気的に独立した状態とすることが必要であるため、遮光画素領域１０ｂにおけるメタル配線と接続を避けなければならない。このため、図７（ｂ）では、図示を省略しているが、コンタクトプラグによりメタル配線が形成された層（上層）とは異なる層と接続を図り、遮光画素領域１０ｂにおけるメタル配線と立体交差（潜通）させることが必要である。ここで、接続のためのコンタクトプラグについては、上記同様に複数形成することが望ましい。

（実施の形態２）
１．ＭＯＳ型固体撮像装置３の主要構成
次に、実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置３の主要構成について、図８を用い説明する。なお、ＭＯＳ型固体撮像装置３における回路構成などについては、図１に示すＭＯＳ型固体撮像装置１と変わるところがないので、図示および説明を省略する。

図８に示すように、本実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置３では、全ての画素セル３０１〜３０４において、上層に垂直信号線３０１７〜３０４７が形成され、下層に電源線３０１６〜３０４６および電荷転送線３０１８〜３０４８が形成されている。また、本実施の形態においても、上層に形成された配線（垂直信号線３０１７〜３０４７）がセンサ部３０の中央Ｌ₃側に向けてシフト配置されている。具体的には、画素セル３０１では、垂直信号線３０１７の中心線Ｌ₃₀₁がＸ軸方向の右側（センサ部３０の中央Ｌ₃側）に向けてシフトされており、画素セル３０２では、垂直信号線３０２７の中心線Ｌ₃₀₂がＸ軸方向の右側（センサ部３０の中央Ｌ₃側）に向けてシフト配置されている。センサ部３０における中央Ｌ₃から離れた位置にある画素セル３０１の垂直信号線３０１７のシフト量は、近い位置にある画素セル３０２の垂直信号線３０２７のシフト量よりも大きくなっている。

画素セル３０３、３０４においても、上記同様の関係を以って、垂直信号線３０３７、３０４７がシフト配置されている。また、上層に形成された垂直信号線３０１７〜３０４７および下層に形成された電源線３０１６〜３０４６と電荷転送線３０１８〜３０４８は、上記実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１の電源線１０１６〜１０４６および垂直信号線１０１７〜１０４７および電荷転送線１０１８〜１０４８の配置関係と同様に（図２を参照）、Ｘ軸方向左側に配された画素セル３０１、３０２と右側に配された画素セル３０３、３０４との間で、センサ部３０の中央Ｌ₃から紙面に垂直な方向に想定する仮想平面に対して面対称の関係にある。

２．ＭＯＳ型固体撮像装置３の優位性
図８に示すように、ＭＯＳ型固体撮像装置３では、画素セル３０１〜３０４の全てにおいて、下層に形成された電荷転送線３０１８〜３０４８を、上層に形成された垂直信号線３０１７〜３０４７に対して電源線３０１６〜３０４６よりも遠い位置に配置している。このため、電荷転送線３０１８〜３０４８と垂直信号線３０１７〜３０４７との間での寄生容量Ｃ３０１２〜Ｃ３０４２が、電荷転送線３０１８〜３０４８と電源線３０１６〜３０４６との間での寄生容量Ｃ３０１１〜Ｃ３０４１よりも小さくなり、ＦＤの容量Ｃに占める割合が小さい。

また、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置３においても、電源線３０１６〜３０４６と電荷転送線３０１８〜３０４８とを、画素セル３０１、３０２と画素セル３０３、３０４との間で、センサ部３０の中央Ｌ₃から紙面に垂直な方向に想定する仮想平面に対して面対称の関係に配置しているので、画素セル３０１、３０２と画素セル３０３、３０４とで、寄生容量Ｃ３０１２〜Ｃ３０４２が略同一の値をとる。

さらに、電荷転送線３０１８〜３０４８と電源線３０１６〜３０４６とは、ともに下層に形成されているために、画素セル３０１〜３０４の互いの間でその間隔が変化せず、寄生容量Ｃ３０１１〜Ｃ３０４１は略同一である。よって、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置３では、上記実施の形態１に係るＭＯＳ型固体撮像装置１よりも一層シェーディングの発生を抑制できる。

なお、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置３においても、上層に形成された垂直信号線３０１７〜３０４７をセンサ部３０の中央Ｌ₃側へとシフトして配置しているので、高い斜入射特性を有する。
３．境界部分３０ｃにおける配線レイアウト
本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置３では、基本的に図３〜図６に示す上記ＭＯＳ型固体撮像装置１における配線レイアウトを適宜変更して採用することができる。このため、以下では、センサ部３０における有効画素領域と遮光画素領域３０ｂとの境界部分３０ｃにおける配線レイアウトについて、図９を用い説明する。

図９（ａ）に示すように、境界部分３０ｃに位置する画素セル３０５においては、下層に電荷転送線３０５８と垂直信号線４０５７が形成されている。なお、上述のように、センサ部３０ａの有効画素領域における画素セル３０１〜３０４では、垂直信号線３０１７〜３０４７が上層に形成されているのであるが（図８を参照）、境界部分３０ｃにおける画素セル３０５では、遮光のためのメタル配線を回避すべく、垂直信号線４０５７が下層に形成されているものである。

画素セル３０５における垂直信号線４０５７は、電荷転送線３０５８との並行部分を有するとともに、Ｙ軸方向下端部分がＴ字状に形成されている。そして、そのＴ字状の部分に３つのコンタクトプラグ４０５９が形成されている。
ＭＯＳ型固体撮像装置３では、境界部分３０ｃよりも有効画素領域（Ｙ軸方向下側の領域）における画素セルに対し接続された電源線３０５６が、画素セル３０５の垂直信号線４０５７を回避すべくクランク状に曲折されている。電源線３０５６の先端は、画素セル３０５に対しＸ軸方向右側に隣接する画素セル３０６のフォトダイオード３０６１の上方に位置し、Ｔ字状に形成されている。電源線３０５６においても、そのＴ字状に形成された部分に３つのコンタクトプラグ３０５９が形成されている。

図９（ｂ）に示すように、上層における電源線３０５６の上方に位置する部分には、垂直信号線３０５７が形成され、先端部分がＴ字状に形成されている。垂直信号線３０５７における先端部分は、上記遮光画素領域３０ｂにおける垂直信号線４０５７に対し３つのコンタクトプラグ４０５９により接続が図られている。
また、遮光画素領域３０ｂでは、上層の全域がメタル配線により覆われており、当該メタル配線により遮光が図られている。遮光画素領域３０ｂにおけるメタル配線は、電源線３０５６に対し３つのコンタクトプラグ３０５９により接続が図られている。即ち、遮光画素領域３０ｂにおけるメタル配線は、電源線として機能するものである。そして、遮光画素領域３０ｂでは、電荷転送線３０５８および垂直信号線３０５７が下層に形成されることにより、メタル配線に対し絶縁が図られた状態で潜通することになる。

以上のように、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置３では、センサ部３０の有効画素領域では垂直信号線３０１７〜３０５７を上層に形成し、且つ、遮光画素領域３０ｂでは垂直信号線４０５７を下層に形成するという構成を採用している。これは、遮光画素領域３０ｂの全面を覆うためのメタル配線には電源線を適用することが最も望ましく、有効画素領域では、上記理由から、垂直信号線３０１７〜３０５７を上層に形成することが望ましい、という両方を満足させるためである。

また、本実施の形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置３でも、各配線間の接続に際し、それぞれ３つのコンタクトプラグ３０５９、４０５９を用いるのは、電気的抵抗を低減するのに望ましいためである。これより、サイズの観点から許容される範囲でコンタクトプラグの形成数は多いほうが望ましい。
（その他の事項）
上記実施の形態１および実施の形態２では、１画素１セルの構成を有するセンサ部１０、３０を一例として適用したが、本発明はこれに限定を受けるものではない。例えば、２画素１セルや４画素１セルなどの多画素１セル構成を採用することも可能である。また、上記実施の形態１および実施の形態２では、センサ部１０、３０における複数の画素セル１０１〜１０５、３０１〜３０６がマトリクス状に配置された構成を採用したが、本発明はこのような配置に限定されるものではない。例えば、ハニカム形状の画素セル構造を採用することもできる。

また、上記実施の形態１では電荷転送線１０１８〜１０５８を上層に形成し、上記実施の形態２では垂直信号線３０１７〜３０５７を上層に形成することとしたが、電源線を上層に形成するという構成についても採用することができる。また、上記実施の形態１および実施の形態２では、電源線および垂直信号線および電荷転送線を２層に振り分けて形成することとしたが、３層に振り分けて形成することも可能である。

また、上記実施の形態１および実施の形態２では、電源線１００６・・、垂直信号線１００７・・、電荷転送線１００８・・の全てが上記仮想平面に対して面対称の関係を有する構成を採用したが、本発明は必ずしも電源線１００６・・、垂直信号線１００７・・、電荷転送線１００８・・の全てが上記仮想平面に対して面対称の関係を有する必要はない。例えば、電荷転送線１００８・・と電源線１００６・・とが上記面対称の関係を有することとしても、電荷転送線１００８・・と垂直信号線１００７・・とが上記面対称の関係を有することとしてもよい。

上記構成を採用する場合においても、電源線１００６・・または垂直信号線１００７と、電荷転送線１００８・・との相互の間隔がセンサ部１０、３０内の全ての画素セル１０１〜１０５、３０１〜３０６で略均一となり、ＦＤ１００３、１０１３の寄生容量が上記特許文献１〜３に記載の固体撮像装置よりも差異が小さくなる。よって、本発明に係る固体撮像装置では、その分だけシェーディングの発生を抑制することができる。

また、上記実施の形態１および実施の形態２では、増幅トランジスタのソースを垂直信号線に対し接続する構成を採用したが、増幅トランジスタのソースと垂直信号線との間に選択用のトランジスタを挿設することもできる。
また、上記実施の形態１、２では、ＭＯＳ型固体撮像装置のセンサ部における配線の内、ＦＤ１００３、１０１３の寄生容量に大きく関係する電源線１００６・・、垂直信号線１００７・・、電荷転送線１００８・・における互いの配置関係についての説明をしたが、これ以外に、例えば、垂直方向（図３〜図５におけるＹ軸方向）にグランド線などを形成することもできる。

さらに、上記実施の形態１、２では、各々の上層に形成される配線をセンサ部における中央側にシフトした状態としたが、必ずしも中央ではなくてもよく、ずれていてもよい。

本発明は、ディジタルスティ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のためにシェーディングの発生抑制が要求されるＭＯＳ型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の構成を示す模式ブロック図である。 ＭＯＳ型固体撮像装置１のセンサ部１０における領域毎の配線レイアウトを示す模式配線図である。 センサ部１０における各画素セル１０１でのレイアウトを示す模式平面図である。 センサ部１０における各画素セル１０１、１０４でのレイアウトを示す模式平面図である。 センサ部１０における各画素セル１０１、１０２、１０３、１０４でのレイアウトを示す模式平面図である。 センサ部１０における有効画素領域１０ａと遮光画素領域１０ｂとのレイアウトを示す模式平面図である。 センサ部１０の有効画素領域１０ａと遮光画素領域１０ｂとの境界部分１０ｃにおける配線レイアウトを示す模式配線図である。 実施の形態２に係るＭＯＳ型固体撮像装置３のセンサ部３０における領域毎の配線レイアウトを示す模式配線図である。 センサ部３０の有効画素領域と遮光画素領域との境界部分３０ｃにおける配線レイアウトを示す模式配線図である。 従来技術に係るＭＯＳ型固体撮像装置の各画素セル９００の構成を示す回路図である。 従来技術に係るＭＯＳ型固体撮像装置のセンサ部９０における領域毎の配線レイアウトを示す模式配線図である。

符号の説明

１、３．ＭＯＳ型固体撮像装置
１０、３０．センサ部
２１．垂直シフトレジスタ部
２２．画素選択回路部
２３．水平シフトレジスタ部
２４．タイミング発生回路部
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、３０１、３０２、３０３、３０４、３
０５、３０６．画素セル
１００１、１０１１、１０２１、１０３１、１０４１、１０５１、３０１１、３０２１、３０３１、３０４１、３０５１、３０６１．フォトダイオード
１００２、１０１２．転送トランジスタ
１００３、１０１３．フローティングディフュージョン
１００４、１０１４．増幅トランジスタ
１００５、１０１５．リセットトランジスタ
１００６、１０１６、１０２６、１０３６、１０４６、１０５６、３０１６、３０２６、３０３６、３０４６、３０５６．電源線
１００７、１０１７、１０２７、１０３７、１０４７、１０５７、３０１７、３０２７、３０３７、３０４７、３０５７、４０５７．垂直信号線
１００８、１０１８、１０２８、１０３８、１０４８、１０５８、３０１８、３０２８、３０３８、３０４８、３０５８．電荷転送線
１０５９、３０５９、４０５９．コンタクトプラグ

Claims (9)

1. 半導体基板の一方の主面に沿う方向において、複数の画素セルが二次元配置されてなる撮像領域を有し、前記複数の画素セルの各々に、光電変換を行うフォトダイオードと、光電変換により生じた電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、当該フローティングディフュージョンからの電荷を増幅する増幅トランジスタと、前記フローティングディフュージョンと前記増幅トランジスタのゲートとを接続する第１の配線とを有する固体撮像装置において、
   前記複数の画素セルの各々には、前記増幅トランジスタのドレインおよびソースに対し、一方に電力を供給する第２の配線が接続され、他方に当該増幅トランジスタでの増幅により生成された信号を出力する第３の配線が接続されており、
   前記第１の配線および第２の配線および第３の配線は、前記一方の主面上において、前記半導体基板の厚み方向の複数の層に層分けされた状態で配されており、
   前記一方の主面に沿う方向において、
   前記撮像領域内における中央を囲む一部領域では、前記第１の配線および第２の配線および第３の配線の内、前記一方の主面から最も離れた側の層に配される一の配線が、前記撮像領域の中央側へとシフトして形成され、
   前記撮像領域における前記一部領域において、前記中央を挟んだ両側部分の画素セルどうしでは、前記第２の配線および前記第３の配線の少なくとも一方の配線と前記第１の配線とが、前記撮像領域の中央から前記シフトの方向および前記一方の主面に沿う方向の双方に対して交差する方向に想定する仮想面に対して、互いに面対称の配置関係を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記撮像領域における前記一部領域において、前記中央を挟んだ両側部分の画素セルどうしでは、前記第１の配線および第２の配線および第３の配線の全てが、前記仮想面に対して面対称の関係を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の画素セルの各々では、前記一の配線としての前記第１の配線が、前記一方の主面から最も離れた側の層に形成されているとともに、前記残りの配線としての前記第２の配線および前記第３の配線が、前記第１の配線が形成された層よりも前記一方の主面に近い側の層に形成されている
   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. 前記複数の画素セルの各々では、前記一の配線としての前記第３の配線が、前記一方の主面から最も離れた側の層に形成されているとともに、前記残りの配線としての前記第１の配線および前記第２の配線が、前記第３の配線が形成された層よりも前記一方の主面に近い側の層に形成されている
   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. 前記半導体基板の一方の主面に沿う方向において、前記撮像領域の外周を取り囲み、且つ、隣接する状態で遮光画素領域が形成されており、
   前記遮光画素領域では、前記撮像領域における前記一方の主面から最も離れた側の層と同一レベルにある層上に形成された導電層により遮光されているとともに、当該導電層が形成された層よりも前記一方の主面に近い側の層に前記第１の配線および前記第３の配線が形成されており、
   前記撮像領域と前記遮光画素領域との間で、前記第１の配線および前記第３の配線が接続されている
   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。
6. 前記撮像領域では、前記第１の配線および前記第３の配線の少なくとも一方の配線が、前記一方の主面から最も離れた側の層に形成されており、
   前記一方の主面から最も離れた側の層に形成されてなる配線は、前記撮像領域と前記遮光画素領域との間で複数のコンタクトプラグにより接続が図られている
   ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記撮像領域における全ての前記第３の配線は、接続関係を有する各画素セルに対し、前記撮像領域の中央側に形成されている
   ことを特徴とする請求項３から６の何れかに記載の固体撮像装置。
8. 前記撮像領域の全ての画素セルにおける前記第１の配線は、各画素セルの中心に対して、前記撮像領域の中央とは逆方向に離れた状態で形成されている
   ことを特徴とする請求項３から７の何れかに記載の固体撮像装置。
9. 前記複数の画素セルの各々では、前記一の配線としての前記第２の配線が、前記一方の主面から最も離れた側の層に形成されているとともに、前記残りの配線としての前記第１の配線および前記第３の配線が、前記第２の配線が形成された層よりも前記一方の主面に近い側の層に形成されている
   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。

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