JP2012049431A - 固体撮像装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＯＢ領域を十分に遮光しつつも撮像領域とＯＢ領域との境界部上方を平坦に保つことが可能で、これにより撮像特性を劣化させることなく、精度の良好な光学的黒レベルの基準信号を得ることが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像領域ａとその周辺領域ｂとに光電変換部３がマトリックス状に配置されている。光電変換部３の側方には、垂直転送電極２７が垂直方向に配列されている。またこれらの垂直転送電極２７を水平方向に接続する状態で、積層配線構造の第１層配線７および第２層配線９が配置されている。また特に周辺領域ｂにおいては、第１層配線７および第２層配線ｂが、光電変換部３を覆う遮光パターンとして設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は固体撮像装置および電子機器に関し、特には光電変換部が配列されたセンサ領域内の周縁部に光電変換部を遮光した黒基準画素を有する固体撮像装置、およびこの固体撮像装置を有する電子機器に関する。

撮像領域に光電変換部をマトリックス状に配列してなる固体撮像装置には、撮像領域の周縁部分に遮光された光電変換部を配置したオプティカルブラック領域（以下、ＯＢ領域と記す）を設けている。ＯＢ領域の遮光には、光電変換部の脇に配置された転送電極やこれに接続された転送配線を覆う遮光膜が用いられており、この遮光膜には撮像領域における光電変換部上のみを露出させる画素開口が設けられている。

ところが、ＯＢ領域は、画素出力の黒レベル基準を決めるために確実に遮光しなければならないが、上述した遮光膜だけでは十分な遮光性が得られないことがわかっている。

そこで、ＯＢ領域のさらに外側に配置される周辺回路用の配線をＯＢ領域の遮光に用いることで、ＯＢ領域の遮光性を確保している。

またこの他にも、導電性材料からなる遮光膜を、絶縁層を挟んで電気的に分離された２層構造とし、ＯＢ領域上のみを２重に遮光することで光学的黒レベルの基準信号のスミア電荷による影響を極力排除する構成が提案されている（以上、下記特許文献1参照）。

特開２００９−７０９１２号公報（特に段落００３７）

しかしながら、上述したような周辺回路用の配線をＯＢ領域の遮光に用いる構成や、ＯＢ領域の遮光膜を２層構造とする構成では、ＯＢ領域の遮光性を確保できるものの、ＯＢ領域上層の層数が撮像領域上層の積層数よりも多くなる。このため、撮像領域およびＯＢ領域を覆う平坦化絶縁膜には、これらの領域の境界部分に段差が生じる。このような境界部分の段差は、いわゆる額縁ムラと呼ばれる撮像特性の不具合を発生させる要因となる。

そこで本発明は、ＯＢ領域を十分に遮光しつつも撮像領域とＯＢ領域との境界部上方を平坦に保つことが可能で、これにより撮像特性を劣化させることなく、精度の良好な光学的黒レベルの基準信号を得ることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するための本発明の固体撮像装置は、撮像領域とその周辺領域とに光電変換部がマトリックス状に配置されている。光電変換部の側方には、転送電極が垂直方向に配列されている。またこれらの転送電極を水平方向に接続する状態で、積層配線構造の第１層配線および第２層配線が配置されている。また特に周辺領域においては、第１層配線および第２層配線が、光電変換部を覆う遮光パターンとして設けられている。また本発明は、上記構成の固体撮像装置を備えた電子機器でもある。

このような構成によれば、周辺領域の光電変換部が、第1層配線と第２層配線とからなる積層構造の遮光パターンによって十分に遮光される。また、この遮光パターンを構成する第1層配線および第２層配線は、転送電極を水平方向に接続するものであるため、撮像領域にも共通に配置される。このため、周辺領域と撮像領域との境界部上方の積層構造が同一になり、当該境界上部が平坦に保たれる。

以上説明したように本発明によれば、撮像領域の周辺領域において光電変換部を十分に遮光しつつも、撮像領域と周辺領域との境界部上方を平坦に保つことが可能である。これにより撮像領域の全域においての撮像特性を良好に維持しつつ、光電変換部が十分に遮光された周辺領域において精度の良好な光学的黒レベルの基準信号を得ることが可能になる。

本発明が適用されるＣＣＤ固体撮像装置の概略構成図である。 実施形態の固体撮像装置の構成を示す要部断面図である。 実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための要部工程図（その1）である。 実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための要部工程図（その２）である。 実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための要部工程図（その３）である。 実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための要部工程図（その４）である。 実施形態の電子機器の構成図である。

以下本発明の実施の形態を図面に基づいて、次に示す順に実施の形態を説明する。
１．固体撮像装置の概略構成例
２．固体撮像装置の実施形態
３．電子機器の実施形態

＜１．固体撮像装置の概略構成例＞
図１には、本発明が適用されるＣＣＤ固体撮像装置の概略構成の一例を示す。

この図に示す固体撮像装置１は、例えば単結晶シリコンからなる半導体基板１１の一表面側に光電変換部３がマトリックス状に配列されたセンサ領域１１ａと、このセンサ領域１１ａの周囲に配置された駆動領域１１ｂとを有して構成される。

センサ領域１１ａには、例えばフォトダイオードからなる光電変換部３と共に、光電変換部３の側方において垂直方向に延設された垂直電荷転送部５、さらに垂直電荷転送部５を駆動するための第１層配線７および第２層配線９が設けられている。垂直電荷転送部５は、以降で詳細に説明するように、不純物領域からなる垂直転送路とその上部の垂直転送電極とで構成されており、隣接する光電変換部３からの信号電荷の読み出しと、読み出した信号電荷の垂直方向への転送を行う。第１層配線７および第２層配線９は、垂直電荷転送部５を構成する各垂直転送電極を水平方向に接続する状態で設けられている。

また特に本発明においては、各光電変換部３の上方に、後で説明する層内レンズやオンチップレンズ等のマイクロレンズが配置され、各光電変換部への集光率の向上が図られている。また層内レンズ−オンチップレンズ間には透明な白色フィルタや各色のカラーフィルタ等の光フィルタが分配配置され、特定の波長の光が選択されて入射される構成となっている。

一方、駆動領域１１ｂには、垂直駆動回路１２と、水平電荷転送部１３と、水平駆動回路１４と、出力回路１５と、制御回路１６、入出力端子１７などを有して構成される。

垂直駆動回路１２は、例えばシフトレジスタによって構成され、第１層配線７および第２層配線９を選択し、選択された第１層配線７および第２層配線９に垂直電荷転送部５を駆動するためのパルスを供給し、行単位で垂直電荷転送部５を駆動する。すなわち、垂直駆動回路１２は、センサ領域１１ａの各光電変換部３から垂直電荷転送部５に行単位で信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を順次垂直方向に転送させる。

水平電荷転送部１３は、垂直電荷転送部５と同様に不純物領域からなる水平転送路とその上部の水平転送電極とで構成されており、垂直電荷転送部５の最終段を構成する状態で水平方向に延設されている。この水平電荷転送部１３は、垂直電荷転送部５からの信号電荷の水平方向への転送を行う。

水平駆動回路１４は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、水平電荷転送部１３を駆動する。すなわち、水平駆動回路１４は、垂直電荷転送部５から転送されてきた信号電荷を水平電荷転送部１３に列毎に読み出し、読み出した信号電荷を順次垂直方向に転送させる。

出力回路１５は、水平電荷転送部１３において順次で転送された信号電荷を信号処理を行って出力する。例えば、バファリングだけする場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などが行われる場合もある。

制御回路１６は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、制御回路１６では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路１２、水平駆動回路１４などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、これらの信号を垂直駆動回路１２および水平駆動回路１４等に入力する。

入出力端子１７は、出力回路１５および制御回路１６に接続され、装置外部と信号のやりとりをする。

以上のように構成された固体撮像装置１において、センサ領域１１ａは、さらに撮像領域と周辺領域とに分けられている。撮像領域は、センサ領域１１ａの大部分を占める中央部分の領域であって、各光電変換部３が受光可能に構成されている。一方、周辺領域は、撮像領域の周辺部分に配置され、各光電変換部３が遮光されて受光が不可能に構成されている。本発明においては、次の実施形態で詳細に説明するように、このような周辺領域の遮光構造が特徴的である。

＜２．固体撮像装置の実施形態＞
図２は、本発明を適用した実施形態の固体撮像装置の構成を示す要部平面図および要部断面図であり、センサ領域１１ａにおける撮像領域ａと周辺領域ｂと境界部周辺の図である。また図３〜図６には、図２に示す実施形態の固体撮像装置の構成を説明するために、固体撮像装置の各層の平面図を下層側から順に示し、さらに各平面図におけるＡ−Ａ’断面図を合わせて示す。

以下、図２に示した固体撮像装置の詳細を、図３〜６を用いて下層側から順に説明する。尚、図１を用いて説明した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を行う。また、絶縁膜は、断面図のみに図示し、平面図への図示は省略している。

先ず図３に示すように、例えばｐ型の半導体基板１１におけるセンサ領域１１ａの表面側には、センサ領域１１ａの全面にわたってマトリックス状に光電変換部３が配列されている。光電変換部３は、ｎ型の不純物層からなる。光電変換部３の一方側の側方には、間隔を有して垂直方向にわたって垂直転送路２１が設けられている。垂直転送路２１は、ｎ型の不純物層からなる。光電変換部３と垂直転送路２１との間の間隔は、光電変換部３の電荷を垂直転送路２１に読み出すためのチャネル領域となる。

また光電変換部３を挟んで垂直転送路２１と反対側の側方、および光電変換部３を垂直方向に挟持する位置には、光電変換部３を３方向から囲む状態で素子分離２３が設けられている。素子分離２３は、ｐ型の不純物層からなり、光電変換部３および垂直転送路２１に接して配置されている。

以上の光電変換部３、垂直転送路２１および素子分離２３は、例えばイオン注入とその後の熱処理とによって形成されている。

次に、図４に示すように、表面層に光電変換部３、垂直転送路２１、および素子分離２３が設けられた半導体基板１１上には、ゲート絶縁膜２５を介して垂直転送電極２７が設けられている。垂直転送電極２７は、垂直転送路２１と共に垂直電荷転送部５を構成するものであり、垂直転送路２１上に垂直方向にわたって配列されている。垂直方向に配列された各垂直転送電極２７は、それぞれ絶縁された状態で配列さており、垂直転送路２１よりも広い幅でパターニングされている。また、水平方向に並んで配列された垂直転送電極２７同士であれば、図示したように素子分離２３の上方において連結させて連続パターンとしても良く、連結させなくても良い。以上のような垂直転送電極２７は、例えばポリシリコンで構成され、ポリシリコン膜をパターニングすることによって形成される。

以上までの層構成において、各構成要素のパターンはセンサ領域１１ａの全域で同様であって、撮像領域ａと周辺領域ｂとで差はなく、次の層からのパターンが特徴的である。

すなわち図５に示すように、垂直転送電極２７が設けられた半導体基板１１上には、層間絶縁膜２９を介して、第１層配線７、および第１層配線７と同一層で構成された第１遮光マスク７ａが設けられている。

第１層配線７は、次に説明する第２層配線と共に垂直転送電極２７を駆動するためのものである。このような第１層配線７のうちの１つの配線形態は、垂直方向に配列された光電変換部３−光電変換部３間の素子分離２３上において水平方向（行方向）に延設され、例えば水平方向の偶数行に配置された垂直転送電極２７同士を接続する状態で配線されている。

また各第１層配線７の他の配線形態は、例えば水平方向の奇数行に配置された垂直転送電極２７を、次に説明する第２層配線によって接続するため、奇数行に配置された垂直転送電極２７上に電極パッド形状で設けられている。尚、断面図は、水平方向の奇数行に配置された垂直転送電極２７部分の断面に相当する。

以上のような各形態の第１層配線７は、層間絶縁膜２９に設けられた接続孔を介して、各垂直転送電極２７に接続されている。

そして特に本実施形態では、以上のように配線された各第１層配線７が、撮像領域ａにおいては各光電変換部３を開口する形状であるのに対して、周辺領域ｂにおいては光電変換部３を遮光する遮光パターンとして設けられていることが特徴的である。

ここで、撮像領域ａの周辺に設けられる周辺領域ｂのうち、撮像領域ａの水平方向に隣接して配置される領域は、光学的黒レベルの基準信号を得るためのＯＢ領域ｂ１として設けられている。このようなＯＢ領域ｂ１には、光電変換部３上を覆う遮光ターンとして第１層配線７が配置されているのである。またＯＢ領域ｂ１においては、第１層配線７がそれぞれが独立してパターニングされる一方、光電変換部３に対して十分な遮光状態を確保するために、狭い間隔で配置されることが好ましい。

一方、撮像領域ａの周辺に設けられる周辺領域ｂのうち、撮像領域ａおよびＯＢ領域ｂ１の垂直方向に隣接して配置される領域は、撮像領域ａの断面構造を周端部まで均一に保つために配置された遮光領域ｂ２として設けられている。このような遮光領域ｂ２においては、光電変換部３はダミーとして配置さるため、電荷の読み出しを行う必要はない。したがって、この遮光領域ｂ２には、第１層配線７と同一層で構成された第１遮光マスク７ａが、垂直転送電極２７に接続されることなく配置されているのである。このような第１遮光マスク７ａは、フローティング状態にあるため、グランドに接続された状態で設けられることとする。尚、第１遮光マスク７ａは、グランドに接続されていれば、垂直転送電極２７に接続されていても良い。

以上の第１層配線７および第１遮光マスク７ａは、金属材料のような遮光性と導電性に優れた導電性材料で構成され、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）の積層膜をパターニングすることによって形成される。

次に図６に示すように、第１層配線７および第１遮光マスク７ａが設けられた半導体基板１１上には、層間絶縁膜３１を介して、第２層配線９、および第２層配線９と同一層で構成された第２遮光マスク９ａが設けられている。

第２層配線９は、第１層配線７と共に垂直転送電極２７を駆動するためのものである。このような第２層配線９の配線形態は、垂直方向に配列された光電変換部３間の素子分離２３上において第１層配線７上に配線され、さらに光電変換部３間において、奇数行に配置された各垂直転送電極２７上に向かって垂直方向（列方向）に延設されている。そして例えば水平方向の奇数行に配置された垂直転送電極２７同士を接続する状態で配線されている。

以上の第２層配線９は、層間絶縁膜３１に設けられた接続孔を介して、奇数行に配置された第１層配線７に接続され、さらに第１層配線７を介して奇数行に配置された各垂直転送電極２７に接続されている。

そして特に本実施形態では、以上のように配線された第２層配線９が、撮像領域ａにおいては光電変換部３を開口する形状であるのに対して、周辺領域ｂのＯＢ領域ｂ１においては光電変換部３を遮光する遮光パターンとして設けられていることが特徴的である。またＯＢ領域ｂ１においては、第１層配線７のパターン間の上部を覆うと共に、第１層配線７と十分な重なりを持って第２層配線９が設けられており、これによってＯＢ領域ｂ１が十分に遮光されていることとする。尚、第１層配線７と第２層配線９との重なりによって発生する寄生容量を防止するためには、第１層配線７のパターン間の上部のみを覆い、第１層配線７で遮光されない部分のみを第２層配線９で遮光するように、第２層配線９をパターン形成しても良い。

一方、周辺領域ｂのうち、撮像領域ａの垂直方向に隣接して配置される遮光領域ｂ２においては、第２層配線９と同一層で構成された第２遮光マスク９ａが、第１遮光マスク７ａおよび垂直転送電極２７に接続されることなく配置されているのである。このような第２遮光マスク９ａは、フローティング状態にあるため、グランドに接続された状態で設けられることとする。尚、第２遮光マスク９ａは、グランドに接続されていれば、第１遮光マスク７ａや垂直転送電極２７に接続されていても良い。尚、第１遮光マスク７ａと第２遮光マスク９ａとの重なりによって発生する寄生容量を防止するためには、遮光領域ｂには、第１遮光マスク７ａまたは第２遮光マスク９ａの一方のみを設けても良い。

以上の第２層配線９および第２遮光マスク９ａは、金属材料のような遮光性と導電性に優れた導電性材料で構成され、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）の積層膜をパターニングすることによって形成される。

その後は図２に示すように、第２層配線９および第２遮光マスク９ａが設けられた半導体基板１１上には、層間絶縁膜３３を介して遮光膜３５が設けられている。この遮光膜３５は、撮像領域ａに配列された光電変換部３上のみを個々に露出させる複数のセンサ開口３５ａを備えている。このような遮光膜３５は、例えばタングステン（Ｗ）のような遮光性の良好な材料を用いて構成されている。

またこの遮光膜３５上には、平坦化絶縁膜３７が設けられ、平坦化絶縁膜３７上には、撮像領域ａに配列された各光電変換部３に光を集光するためのマイクロレンズ３９が配置され、固体撮像装置１が構成されている。

以上のような構成の固体撮像装置１においては、周辺領域ｂのうちの特にＯＢ領域ｂ１に配置された光電変換部３は、撮像領域ａにも配置されている第1層配線７および第２層配線９の積層構造からなる遮光パターンによって十分に遮光される。したがって、ＯＢ領域ｂ１の光電変換部３から読み出した信号電荷は、精度の良好な光学的黒レベルの基準信号として用いることが可能である。

また、周辺領域ｂのうちの遮光領域ｂ２に配置された光電変換部３も、第１層配線７および第２層配線９と同一層からなる第１遮光マスク７ａおよび第２遮光マスク９ａの積層構造によって遮光されている。つまり、周辺領域ｂは、撮像領域ａに対して、特別な遮光層を追加することなく、撮像領域ａと同一の層構成によって遮光されているもである。

以上から、ＯＢ領域ｂ１および遮光領域ｂ２を含む周辺領域ｂと、遮光されない光電変換部３が配置された撮像領域ａとで、半導体基板１１の上方の積層構造が同一となる。これにより、撮像領域ａと周辺領域ｂとを覆う平坦化絶縁膜３７の表面において、撮像領域ａ−周辺領域ｂの境界部に対応する部分に段差が発生することはない。

これにより周辺領域ｂとの境界部を含む撮像領域ａの全域において、撮像特性を良好に維持することが可能である。つまり、撮像領域ａにおける周辺領域ｂとの境界付近における平坦化絶縁膜３７の段差上にマイクロレンズが配置され、集光特性が劣化する等の不具合が発生することが防止され、撮像領域ａのより広い範囲で良好な撮像特性を確保することが可能になるのである。

また、以上のように撮像領域ａの全域においての撮像特性を良好に維持できることから、撮像領域ａにおける周辺領域ｂとの境界部にダミー領域を設定する場合、撮像領域ａに占めるダミー領域を狭くして、有効画素領域を拡大することができる。尚、ダミー領域とは、画像表示に直接寄与しない光電変換部３が配置された領域である。

以上より本実施形態で説明した固体撮像装置１によれば、撮像領域ａの全域においての撮像特性を良好に維持しつつ、光電変換部３が十分に遮光された周辺領域ｂ（ＯＢ領域ｂ１）において精度の良好な光学的黒レベルの基準信号を得ることが可能になる。

＜３．電子機器の実施形態＞
上述の実施形態で説明した本発明に係る固体撮像装置は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器、などの電子機器に適用することができる。

図７には、本発明に係る電子機器の一例として、固体撮像装置を適用したカメラの構成図を示す。本実施形態例に係るカメラは、静止画像又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。本実施形態例のカメラ９１は、固体撮像装置１と、固体撮像装置１の受光センサ部に入射光を導く光学系９３と、シャッタ装置９４と、固体撮像装置１を駆動する駆動回路９５と、固体撮像装置１の出力信号を処理する信号処理回路９６とを有する。

固体撮像装置１は、上述した実施形態の構成のものが適用される。光学系（光学レンズ）９３は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置１内に、一定期間信号電荷が蓄積される。光学系９３は、複数の光学レンズから構成された光学レンズ系としてもよい。シャッタ装置９４は、固体撮像装置１への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路９５は、固体撮像装置１の転送動作及びシャッタ装置９４のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路９５から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１の信号転送を行う。信号処理回路９６は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、或いは、モニタに出力される。

以上説明した本実施形態に係る電子機器によれば、撮像領域ａの全域においての撮像特性を良好に維持しつつ、精度の良好な光学的黒レベルの基準信号を得ることが可能な固体撮像装置１を用いたことにより、高画質な画像を得ることが可能になる。

１…固体撮像装置、３…光電変換部、７…第１層配線、９…第２層配線、７ａ…第１遮光マスク、９ａ…第２遮光マスク、２７…垂直転送電極（転送電極）、３５…遮光膜、３５ａ…センサ開口、３７…平坦化絶縁膜、３９…マイクロレンズ、９１…電子機器、９３…光学系、９６…信号処理回路、ａ…撮像領域、ｂ…周辺領域

Claims (6)

1. 撮像領域とその周辺領域とにマトリックス状に配置された光電変換部と、
   前記光電変換部の側方において垂直方向に配列された転送電極と、
   前記転送電極を水平方向に接続する状態で配置された積層配線構造の第１層配線および第２層配線とを備え、
   前記周辺領域においては、前記第１層配線および第２層配線が前記光電変換部を覆う遮光パターンとして設けられている
   固体撮像装置。
2. 前記周辺領域においては、前記第１層配線のパターン間の上部を覆う状態で、前記第２層配線が設けられている
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記周辺領域には、前記第1層配線または第２層配線と同一の層で構成された遮光マスクが、当該第1層配線および第２層配線と絶縁された状態で前記光電変換部上に設けられている
   請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記遮光マスクは、グランドに接続されている
   請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記第1層配線および第２層配線が設けられた前記撮像領域および周辺領域上には、
   前記撮像領域に配置された前記光電変換部の上方を露出するセンサ開口を有する遮光膜と、
   前記撮像領域および周辺領域を覆う平坦化絶縁膜と、
   前記光電変換部に対応して前記平坦化絶縁膜上に配列されたマイクロレンズとが、
   この順に設けられた
   請求項1〜４の何れかに記載の固体撮像装置。
6. 固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置の撮像領域に入射光を導く光学系と、
   前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備え、
   前記固体撮像装置は、
   前記撮像領域とその周辺領域とにマトリックス状に配置された光電変換部と、
   前記光電変換部の側方において垂直方向に配列された転送電極と、
   前記転送電極を水平方向に接続する状態で配置された積層配線構造の第１層配線および第２層配線とを備え、
   前記周辺領域においては、前記第１層配線および第２層配線が前記光電変換部を覆う遮光パターンとして設けられている
   電子機器。

Images