(57)【要約】【課題】隣接また近傍の画素からＯＰＢ画素への光の漏れ込みを抑止して、黒レベルの狂いを防止するとともに高画質の画像信号を得ることができる固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像素子３０における有効画素領域３２の周辺に、有効ＯＰＢ画素領域３５に隣接する無効画素領域３３を設け、この無効画素領域３３における複数層の配線４７，４８，４９を、フォトダイオードＰＤからオンチップレンズ５２に向かって無効画素領域３３の受光用開口部５４ｃがフォトダイオードＰＤに対し直交する方向に延在するように配置する構成にした。【選択図】図２
2008103472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が２次元アレイ状に配列され該画素の信号が有効な画素信号として用いられる有効画素領域と、
前記有効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効画素領域と、
前記無効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が遮光された状態で配列され該画素の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック画素領域と、
それら画素領域の前記半導体基板上に各画素の前記光電変換素子ごとに撮像光線を導くための受光用開口部が確保されるように画素の配列方向に絶縁層を介して複数層に設けられた配線と、
前記有効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第１オンチップレンズと、
前記無効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第２オンチップレンズとを備え、
前記第１オンチップレンズは、前記有効画素領域の中心部から周辺部に行くにしたがい大きくなる前記有効画素領域への前記撮像光線の入射角度に対応して前記有効画素領域の画素ごとに該有効画素領域の中心部に近づく方向にずらして配置され、
前記有効画素領域の前記複数層の配線は、前記受光用開口部が維持されたまま前記光電変換素子から前記第１オンチップレンズに向かって前記有効画素領域の中心に近づく方向に前記撮像光線の入射角度に対応してずらして配列され、
前記無効画素領域の前記複数層の配線は、前記光電変換素子から前記第２オンチップレンズに向かって前記無効画素領域の前記受光用開口部が光電変換素子に対し直交する方向に延在するように配置されている、
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記オプティカルブラック画素領域の前記複数層の配線は、前記光電変換素子から前記配線の積層方向に向かって該光電変換素子に対し前記オプティカルブラック画素領域の前記受光用開口部が直交する方向に延在するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記オプティカルブラック画素領域の前記最上層の配線は遮光層を兼ねていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記有効画素領域と前記無効画素領域との間に、複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効オプティカルブラック画素領域が設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記オプティカルブラック画素領域の外周に、複数の画素が配列され該画素の信号がダミーとされるダミー画素領域が設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項６】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に被写体からの入射光を導く光学系と、
前記固体撮像素子からの出力信号を処理する信号処理回路とを備え、
前記固体撮像素子は、
半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が２次元アレイ状に配列され該画素の信号が有効な画素信号として用いられる有効画素領域と、
前記有効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効画素領域と、
前記無効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が遮光された状態で配列され該画素の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック画素領域と、
それら画素領域の前記半導体基板上に各画素の前記光電変換素子ごとに撮像光線を導くための受光用開口部が確保されるように画素の配列方向に絶縁層を介して複数層に設けられた配線と、
前記有効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第１オンチップレンズと、
前記無効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第２オンチップレンズとを備え、
前記第１オンチップレンズは、前記有効画素領域の中心部から周辺部に行くにしたがい大きくなる前記有効画素領域への前記撮像光線の入射角度に対応して前記有効画素領域の画素ごとに該有効画素領域の中心部に近づく方向にずらして配置され、
前記有効画素領域の前記複数層の配線は、前記受光用開口部が維持されたまま前記光電変換素子から前記第１オンチップレンズに向かって前記有効画素領域の中心に近づく方向に前記撮像光線の入射角度に対応してずらして配列され、
前記無効画素領域の前記複数層の配線は、前記光電変換素子から前記第２オンチップレンズに向かって前記無効画素領域の前記受光用開口部が光電変換素子に対し直交する方向に延在するように配置されている、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
前記オプティカルブラック画素領域の前記複数層の配線は、前記光電変換素子から前記配線の積層方向に向かって該光電変換素子に対し前記オプティカルブラック画素領域の前記受光用開口部が直交する方向に延在するように配置されていることを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
【請求項８】
前記オプティカルブラック画素領域の前記最上層の配線は遮光層を兼ねていることを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
【請求項９】
前記有効画素領域と前記無効画素領域との間に、複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効オプティカルブラック画素領域が設けられていることを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記オプティカルブラック画素領域の外周に、複数の画素が配列され該画素の信号がダミーとされるダミー画素領域が設けられていることを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等において、黒レベルの基準となる光学的黒信号を取り出す光学的黒画素への光の漏れ込みを抑止できるようにした固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子では、素子自体の小型化や画素の高密度化が進み、それに伴って画素が行列上に２次元配置されてなる撮像エリアの縮小化による感度低下などの特性劣化を招いている。この感度低下の対策として、固体撮像素子の撮像面に各受光部（画素）ごとにオンチップレンズを設け、このオンチップレンズの集光作用によって各受光部での集光効率を高めるようにしている（特許文献１参照）。
【０００３】
図４により、ＣＭＯＳ型固体撮像素子の撮像面の構成について説明する。
図４に示す固体撮像素子１の撮像面２には、画素信号を実際の撮像情報として用いる有効画素領域２ａと、この有効画素領域２ａの外周に位置し当該位置の画素信号を無効とする無効画素領域２ｂ、この無効画素領域２ｂの外周に位置し当該位置の画素信号を無効とする無効ＯＰＢ（オプティカルブラック）画素領域２ｃと、この無効ＯＰＢ画素領域２ｃの外周に位置し当該位置の画素信号を実際のＯＰＢ（オプティカルブラック）情報として用いる有効ＯＰＢ画素領域（光学的黒領域）２ｄと、この有効ＯＰＢ画素領域２ｄの外周に位置し当該位置の画素信号をダミーとするダミー画素領域２ｅと、周辺回路形成領域２ｆが存在している。
このように有効ＯＰＢ画素領域２ｄを設け、この有効ＯＰＢ画素領域２ｄ内の各画素信号である黒レベルを基準とし、この基準信号と有効画素領域２ａの各画素信号との差分を取ることにより、光が入射しない状態での熱的に発生するノイズ成分、いわゆる暗電流を除去することができる。これにより、映像信号の高画質化が可能になる。なお、無効ＯＰＢ画素領域２ｃ及び有効ＯＰＢ画素領域２ｄは、アルミニウムなどの金属からなる遮光膜によって遮光されている。
【０００４】
デジタルカメラなどの撮像装置に組み込まれた固体撮像素子においては、その撮像面に撮影像を結像するためにはレンズ等の光学システムが使用される。この場合、光学システムを通ってきた光の入射角度が変化する。特に撮像面の画角中央と周辺では光の入射角度が異なる。すなわち、図５に示すように、カメラレンズ４の中心を通る主光線５は固体撮像素子１の撮像面２の中央に結像されるが、周辺光線６は撮像面の周辺領域に結像され、そして撮像面に対する光の入射角度は、撮像面２の中央から周辺に行くにしたがって大きくなる。さらに、固体撮像素子の撮像面から射出瞳までの射出瞳距離が短くＦ値が小さくなると、周辺光の入射角度が更に大きくなる。例えば、Ｆ値が１．８程度のカメラレンズを使用した場合には、周辺光の入射角度は３５度となる。
【０００５】
一方、固体撮像素子の撮像面に対する光の入射角度が撮像面の中央から周辺に行くにしたがい大きくなると、各画素のオンチップレンズによる受光部への集光効率が撮像面の周辺に行くにしたがい低下し感度が低下してしまう。
そこで、従来の撮像面の有効画素領域におけるオンチップレンズによる受光部への集光効率を均一化するための画素の素子構造及び有効ＯＰＢ画素領域の画素の素子構造について図６を参照して説明する。
【０００６】
図６（Ａ）は、図４に示す有効画素領域２ａの中央に位置する画素の素子構造を示すもので、シリコン基板１０の表層部にフォトダイオードＰＤが形成されているとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部ＦＤが形成されている。また、シリコン基板１０の表面上であって、フォトダイオードＰＤとフローティングデフュージョン部ＦＤ間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜１１を介して転送トランジスタ１２のゲート電極１３が形成されている。そして、フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ１２は画素ごとに素子分離層（ＬＯＣＯＳ）１４により個々に分離されている。さらに、シリコン基板１０の表面上には、層間絶縁層１５を介して金属配線１６，１７，１８が３層に設けられ、その上に平坦化膜（パッシベーション膜）等を介してカラーフィルタ２０及びオンチップレンズ２１が配置されている。
また、有効画素領域２ａの中央に位置する画素のオンチップレンズ２１は、入射角度が０度の光線２２ａの軸線上に光軸を一致して配置され、金属配線１６，１７，１８は光線２２ａの軸線と直交する方向に層間絶縁層１５を介して配置されている。また、フォトダイオードＰＤの上方に設けられた金属配線１６，１７，１８は、オンチップレンズ２１により集光された光線２２ａがフォトダイオードＰＤに導くための受光用開口部２３ａが維持されるようにフォトダイオードＰＤと直交する方向に配列される。
【０００７】
図６（Ｂ）は、図４に示す有効画素領域２ａの外周に位置する画素の素子構造を示すもので、有効画素領域２ａの画素の素子構造と同様に、シリコン基板１０の表層部に形成されたフォトダイオードＰＤを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部ＦＤが形成され、さらに、シリコン基板１０の表面上のフォトダイオードＰＤとフローティングデフュージョン部ＦＤ間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜１１を介して転送トランジスタ１２のゲート電極１３が形成されている。そして、フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ１２は画素ごとに素子分離層１４により個々に分離されている。また、シリコン基板１０の表面上には、層間絶縁層１５を介して金属配線１６，１７，１８が３層に設けられ、その上に平坦化膜等を介してカラーフィルタ２０及びオンチップレンズ２１が配置されている。
また、有効画素領域２ａの周辺に位置する画素のオンチップレンズ２１は、傾斜する光線２２ｂの入射角度に対応して有効画素領域２ａの中心に近づく方向にずらして配置されている。また、フォトダイオードＰＤの上方に設けられた金属配線１６，１７，１８は、オンチップレンズ２１により集光された光線２２ｂがフォトダイオードＰＤに導くための受光用開口部２３ｂが維持されるように傾斜する光線２２ｂに沿いフォトダイオードＰＤからカラーフィルタ２０に向かって有効画素領域２ａの中心に近づく方向にずらして配列されている。
なお、有効画素領域２ａにおける光線２２ｂの入射角度は、有効画素領域２ａの中央から外周に行くにしたがい大きくなる。
【０００８】
図６（Ｃ）は、図４に示す無効画素領域２ｂに位置する画素の素子構造を示すもので、有効画素領域２ａの画素の素子構造と同様に、シリコン基板１０の表層部に形成されたフォトダイオードＰＤを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部ＦＤが形成され、さらに、シリコン基板１０の表面上のフォトダイオードＰＤとフローティングデフュージョン部ＦＤ間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜１１を介して転送トランジスタ１２のゲート電極１３が形成されている。そして、フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ１２は画素ごとに素子分離層１４により個々に分離されている。また、シリコン基板１０の表面上には、層間絶縁層１５を介して金属配線１６，１７，１８が３層に設けられ、その上に平坦化膜等を介してカラーフィルタ２０及びオンチップレンズ２１が配置されている。
また、無効画素領域２ｂに位置する画素のオンチップレンズ２１は、傾斜する光線２２ｃの入射角度に対応して有効画素領域２ａの中心に近づく方向にずらして配置されている。また、フォトダイオードＰＤの上方に設けられた金属配線１６，１７，１８は、オンチップレンズ２１により集光された光線２２ａがフォトダイオードＰＤに導くための受光用開口部２３ａが維持されるように傾斜する光線２２ｃに沿いフォトダイオードＰＤからカラーフィルタ２０に向かって有効画素領域２ａの中心に近づく方向にずらして配列されている。
【０００９】
図６（Ｄ）は、図４に示す有効ＯＰＢ画素領域２ｄに位置する画素の素子構造を示すもので、有効画素領域２ａの画素の素子構造と同様に、シリコン基板１０の表層部に形成されたフォトダイオードＰＤを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部ＦＤが形成され、さらに、シリコン基板１０の表面上のフォトダイオードＰＤとフローティングデフュージョン部ＦＤ間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜１１を介して転送トランジスタ１２のゲート電極１３が形成されている。そして、フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ１２は画素ごとに素子分離層１４により個々に分離されている。また、シリコン基板１０の表面上には、層間絶縁層１５を介して金属配線１６，１７と遮光膜を兼ねた金属配線１８が３層に設けられ、その上に平坦化膜１９等を介してカラーフィルタ２０が配置されている。また、フォトダイオードＰＤの上方に設けられた金属配線１６，１７，１８は、フォトダイオードＰＤから上方へ行くにしたがい有効画素領域２ａの中心に近づく方向にずらして配置されている。なお、有効ＯＰＢ画素領域２ｄのフォトダイオードＰＤは、カメラレンズを透過した光が入射されないように遮光膜を兼ねた金属配線１８によって遮光される。
【特許文献１】特開平１１−１０３０３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このような従来の固体撮像素子においては、図６（Ｃ）に示すように、無効画素領域２ｂの画素のオンチップレンズ２１を通してフォトダイオードＰＤに入射する光線２２ｃの一部が金属配線１６，１７，１８によって乱反射され、その乱反射する一部の光２２ｃ１が隣接する有効ＯＰＢ画素領域２ｄに入射し、さらに、有効ＯＰＢ画素領域２ｄの金属配線１６，１７，１８で反射された光線２２ｃ２は、図６（Ｄ）に示すように、有効ＯＰＢ画素領域２ｄのフォトダイオードＰＤに到達し、光電変換される。その結果、暗電流成分以外の信号電荷が発生して、黒レベルの基準を狂わせてしまう。
このように黒レベルの基準を狂った場合には、有効ＯＰＢ画素領域２ｄの画素信号は、有効画素領域２ａの画素信号よりもレベルが低下することになる。この状態での撮影画像は、その一部に黒筋が走ったようになり、不自然な画像になるとともに画質を低下させてしまう。
【００１１】
有効ＯＰＢ画素領域２ｄの画素に無効画素領域２ｂから光が漏れこむ要因の１つに画素サイズの微細化がある。すなわち、半導体装置の製造で使用されている微細加工技術を用いることで固体撮像素子の金属配線等の細線加工が可能になり、画素サイズの微細化を実現できるが、画素サイズの微細化と加工技術の微細化は正比例しない場合があり、その結果として、画素サイズの微細化時に有効画素領域２ａの開口部の割合が小さくなってしまう。このため、固体撮像素子の撮像面に照射された光は、画素サイズの微細化に比例して金属配線で反射される割合が多くなる。
また、固体撮像素子における撮像面の中央と周辺では光の入射角度が違うため、入射光がフォトダイオードに集光されるようにオンチップレンズの位置をずらし、かつ、オンチップレンズで集光された光が金属配線の開口部を通過できるように配線パターンをレイアウトしている。
しかしながら、固体撮像素子の撮像面上にカメラレンズにより集光された光の入射角度は、撮像面の中央から周辺に行くにしたがい大きくなるため、画素ごとにオンチップレンズで集光される光の多くは開口部を通してフォトダイオードに到達するが、光の入射角度が大きくなるに比例して金属配線により反射される光の割合が多くなり、これに起因して有効ＯＰＢ画素から出力される黒基準信号が劣化し、画像の劣化を招くという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、その目的は、隣接また近傍の画素からＯＰＢ画素への光の漏れ込みを抑止して、黒レベルの狂いを防止するとともに高画質の画像信号を得ることができる固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明にかかる固体撮像素子は、半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が２次元アレイ状に配列され該画素の信号が有効な画素信号として用いられる有効画素領域と、前記有効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効画素領域と、前記無効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が遮光された状態で配列され該画素の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック画素領域と、それら画素領域の前記半導体基板上に各画素の前記光電変換素子ごとに撮像光線を導くための受光用開口部が確保されるように画素の配列方向に絶縁層を介して複数層に設けられた配線と、前記有効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第１オンチップレンズと、前記無効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第２オンチップレンズとを備え、前記第１オンチップレンズは、前記有効画素領域の中心部から周辺部に行くにしたがい大きくなる前記有効画素領域への前記撮像光線の入射角度に対応して前記有効画素領域の画素ごとに該有効画素領域の中心部に近づく方向にずらして配置され、前記有効画素領域の前記複数層の配線は、前記受光用開口部が維持されたまま前記光電変換素子から前記第１オンチップレンズに向かって前記有効画素領域の中心に近づく方向に前記撮像光線の入射角度に対応してずらして配列され、前記無効画素領域の前記複数層の配線は、前記光電変換素子から前記第２オンチップレンズに向かって前記無効画素領域の前記受光用開口部が光電変換素子に対し直交する方向に延在するように配置されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子に被写体からの入射光を導く光学系と、前記固体撮像素子からの出力信号を処理する信号処理回路とを備え、前記固体撮像素子は、半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が２次元アレイ状に配列され該画素の信号が有効な画素信号として用いられる有効画素領域と、前記有効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効画素領域と、前記無効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が遮光された状態で配列され該画素の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック画素領域と、それら画素領域の前記半導体基板上に各画素の前記光電変換素子ごとに撮像光線を導くための受光用開口部が確保されるように画素の配列方向に絶縁層を介して複数層に設けられた配線と、前記有効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第１オンチップレンズと、前記無効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第２オンチップレンズとを備え、前記第１オンチップレンズは、前記有効画素領域の中心部から周辺部に行くにしたがい大きくなる前記有効画素領域への前記撮像光線の入射角度に対応して前記有効画素領域の画素ごとに該有効画素領域の中心部に近づく方向にずらして配置され、前記有効画素領域の前記複数層の配線は、前記受光用開口部が維持されたまま前記光電変換素子から前記第１オンチップレンズに向かって前記有効画素領域の中心に近づく方向に前記撮像光線の入射角度に対応してずらして配列され、前記無効画素領域の前記複数層の配線は、前記光電変換素子から前記第２オンチップレンズに向かって前記無効画素領域の前記受光用開口部が光電変換素子に対し直交する方向に延在するように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる固体撮像素子及び撮像装置によれば、有効画素領域の周辺にオプティカルブラック画素領域に隣接する無効画素領域を設け、この無効画素領域における複数層の配線を、光電変換素子から第２オンチップレンズに向かって無効画素領域の受光用開口部が光電変換素子に対し直交する方向に延在するように配置する構成にしたので、この無効画素領域の配線で入射光が乱反射されても、その乱反射光がオプティカルブラック画素領域のオプティカルブラック画素へ漏れ込むのを防止もしくは抑止することができ、これにより黒レベルの狂いを防止できるとともに高画質の画像信号を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
(実施の形態１)
以下、本発明にかかる固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態１における有効画素領域及びＯＰＢ画素領域を含む固体撮像素子の概略構成図、図２は本実施の形態１における固体撮像素子の各画素領域における画像の素子構造を示す説明図、図３は本実施の形態１に示す固体撮像素子を用いた撮像装置の全体の構成を示すブロック図である。
【００１７】
図１に示した固体撮像素子３０の撮像面３１には、複数の画素が２次元アレイ状に配列され該画素の信号が有効な画素信号として用いられる有効画素領域３２と、この有効画素領域３２の外周に位置して複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効画素領域３３と、この無効画素領域３３の外周に位置して複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効ＯＰＢ（オプティカルブラック）画素領域３４と、この無効ＯＰＢ画素領域３４の外周に位置して複数の画素が遮光された状態で配列され該画素の信号が黒レベルの基準として用いられる（ＯＰＢ情報）有効ＯＰＢ画素領域（光学的黒領域）３５と、この有効ＯＰＢ画素領域３５の外周に位置して複数画素が配列され該画素の信号がダミーとされるダミー画素領域３６と、周辺回路形成領域３７が存在している。
【００１８】
有効画素領域３２の中央に位置する画素３２１は、図２（Ａ）に示す素子構造の画素を備えている。この画素３２１は、図２（Ａ）に示すように、シリコン基板４１の表層部にフォトダイオードＰＤ（特許請求の範囲に記載した光電変換素子に相当する）が形成されているとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部ＦＤが形成されている。また、シリコン基板４１の表面上であって、フォトダイオードＰＤとフローティングデフュージョン部ＦＤ間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜４２を介して転送トランジスタ４３（特許請求の範囲に記載したゲート素子に相当する）のゲート電極４４が形成されている。そして、フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ４３は画素ごとに素子分離層（ＬＯＣＯＳ）４５により個々に分離されている。さらに、シリコン基板４１の表面上には、層間絶縁層４６を介して金属配線４７，４８，４９が３層に設けられ、その上に平坦化膜（パッシベーション膜）等を介してカラーフィルタ５１及びオンチップレンズ５２が配置されている。
【００１９】
有効画素領域３２の中央に位置する画素３２１のカラーフィルタ５１とオンチップレンズ５２は、フォトダイオードＰＤの中心を通る軸線と一致する入射角度が０度の撮像光線５３ａの軸線上に光軸を一致して配置される。また、金属配線４７，４８，４９は、オンチップレンズ５２により集光された撮像光線５３ａをフォトダイオードＰＤに導くための受光用開口部５４ａがフォトダイオードＰＤに対し直交する方向に延在し、かつ、該方向が維持されるようにフォトダイオードＰＤからオンチップレンズ５２に向かって画素３２１の行方向または列方向に沿い３層に配列される。
【００２０】
有効画素領域３２の周辺にある画素３２２は、図２（Ｂ）に示す素子構造の画素を備えている。この画素３２２は、有効画素領域３２の画素３２１の素子構造と同様に、シリコン基板４１の表層部に形成されたフォトダイオードＰＤを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部ＦＤが形成され、さらに、シリコン基板４１の表面上のフォトダイオードＰＤとフローティングデフュージョン部ＦＤ間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜４２を介して転送トランジスタ４３のゲート電極４４が形成されている。そして、フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ４３は画素ごとに素子分離層４５により個々に分離されている。また、シリコン基板１０の表面上には、層間絶縁層４６を介して金属配線４７，４８，４９が３層に設けられ、その上に平坦化膜等を介してカラーフィルタ５１及びオンチップレンズ５２が配置されている。
【００２１】
有効画素領域３２の周辺にある画素３２２のカラーフィルタ５１とオンチップレンズ５２は、有効画素領域３２の周辺側へ大きな入射角度で傾斜する撮像光線５３ｂの入射角度に対応して有効画素領域３２の中心に近づく方向にずらして配置される。この場合、図２（Ｂ）に示すように、オンチップレンズ５２のずれ量はカラーフィルタ５１のずれ量より大きく設定されている。
また、金属配線４７，４８，４９は、オンチップレンズ５２により集光された撮像光線５２ａをフォトダイオードＰＤに導くための受光用開口部５４ｂが維持されるように配置され、さらに、この金属配線４７，４８，４９は、受光用開口部５４ｂが傾斜する撮像光線５３ｂに沿って延在するようにフォトダイオードＰＤからオンチップレンズ５２に向かって有効画素領域３２の中心に近づく方向にずらして画素３２１の行方向または列方向に沿い３層に配列される。この場合、金属配線４７，４８，４９のずれ量は上層に行くほど大きくなる。
なお、図２の（Ａ）と（Ｂ）は有効画素領域３２の中央部の画素３２１と周辺の画素３２２について示しているが、この中央部の画素３２１と周辺の画素３２２との間に存在する各画素に対する撮像光線の入射角度は中央部の画素３２１と周辺の画素３２２側へ行くに従い大きくなり、この入射角度に対応してオンチップレンズ５２及び金属配線４７，４８，４９の有効画素領域３２の中心方向へのずれ量も変化する。
【００２２】
無効画素領域３３の画素３３１は、図２（Ｃ）に示す素子構造の画素を備えている。この画素３３１は、有効画素領域３２の画素３２１の素子構造と同様に、シリコン基板４１の表層部に形成されたフォトダイオードＰＤを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部ＦＤが形成され、さらに、シリコン基板４１の表面上のフォトダイオードＰＤとフローティングデフュージョン部ＦＤ間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜４２を介して転送トランジスタ４３のゲート電極４４が形成されている。そして、フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ４３は画素ごとに素子分離層４５により個々に分離されている。また、シリコン基板１０の表面上には、層間絶縁層４６を介して金属配線４７，４８，４９が３層に設けられ、その上に平坦化膜等を介してカラーフィルタ５１及びオンチップレンズ５２が配置されている。
【００２３】
無効画素領域３３における画素３３１のオンチップレンズ５２は、フォトダイオードＰＤの中心を通る軸線と一致する軸線上に光軸を一致して配置される。この場合、画素３３１の信号は無効の画素信号として取り扱われるので、オンチップレンズ５２に入射される撮像光線５３ｃが効率よくフォトダイオードＰＤに集光される必要がないため、撮像光線５３ｃの入射角度とオンチップレンズ５２の配置関係は任意である。
また、この実施の形態に示す無効画素領域３３の金属配線４７，４８，４９は、これら金属配線で乱反射された撮像光線５３ｃの一部が隣接する有効ＯＰＢ画素領域３５の画素３５１内に漏れ込まない配線パターンにレイアウトされている。すなわち、金属配線４７，４８，４９は、オンチップレンズ５２により集光された撮像光線５３ａをフォトダイオードＰＤに導くための受光用開口部５４ｃがフォトダイオードＰＤに対し直交する方向に延在し、かつ、該方向が維持されるようにフォトダイオードＰＤからオンチップレンズ５２に向かって画素３３１の行方向または列方向に沿い３層に配列される。
【００２４】
有効ＯＰＢ画素領域３５の画素３５１は、図２（Ｄ）に示す素子構造の画素を備えている。この画素３５１は、有効画素領域３２の画素３２１の素子構造と同様に、シリコン基板４１の表層部に形成されたフォトダイオードＰＤを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部ＦＤが形成され、さらに、シリコン基板４１の表面上のフォトダイオードＰＤとフローティングデフュージョン部ＦＤ間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜４２を介して転送トランジスタ４３のゲート電極４４が形成されている。そして、フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ４３は画素ごとに素子分離層４５により個々に分離されている。また、シリコン基板１０の表面上には、層間絶縁層４６を介して金属配線４７，４８，４９が３層に設けられ、その上に平坦化膜等を介してカラーフィルタ５１が配置されている。
【００２５】
有効ＯＰＢ画素領域３５の画素３５１において、その金属配線４７，４８，４９は、フォトダイオードＰＤに対応して形成された受光用開口部５４ｄがフォトダイオードＰＤに対し直交する方向に延在し、かつ、該方向が維持されるようにフォトダイオードＰＤからオンチップレンズ５２に向かって画素３５１の行方向または列方向に３層に配列される。
そして、最上層の金属配線４９は、固体撮像素子３０の撮像面３１にカメラレンズ等の光学系により結像された光が入射されないように遮光する遮光膜を兼ねている。
【００２６】
このように構成された固体撮像素子３０において、その撮像面３１にカメラレンズ等の光学系により被写体の光の像が結ばれると、この撮像光線は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、有効画素領域３２の画素を構成するオンチップレンズ５２により集光され、カラーフィルタ５１を通してフォトダイオードＰＤに入射させる。フォトダイオードＰＤで生成された信号電荷は転送トランジスタによりフローティングデフュージョン部に転送され、このフローティングデフュージョン部の電位変動を増幅トランジスタにより検出し、これを電気信号に変換した後、この電気信号は有効な画素信号として、図示省略の信号処理部に出力して、所定の画像処理を行う。
また、無効画素領域３３に入射された画像光線５３ｃは、図２（Ｂ）に示すように、オンチップレンズ５２により集光され、カラーフィルタ５１を通してフォトダイオードＰＤに入射させる。フォトダイオードＰＤで生成された信号電荷は転送トランジスタによりフローティングデフュージョン部に転送され、このフローティングデフュージョン部の電位変動を増幅トランジスタにより検出し、電気信号に変換する。そして、この電気信号は有効ではない無効の画素信号として処理される。
【００２７】
一方、無効画素領域３３に入射された画像光線５３ｃは、オンチップレンズ５２により集光され、カラーフィルタ５１を通してフォトダイオードＰＤに入射させるが、この画素３３１の金属配線４７，４８，４９は、受光用開口部５４ｃがフォトダイオードＰＤに対し直交する方向に延在し、かつ、該方向が維持されるようにフォトダイオードＰＤからオンチップレンズ５２に向かって３層に配列されているため、オンチップレンズ５２により集光された入射光の金属配線４７，４８，４９によるケラレ量が減少するとともに、金属配線４７，４８，４９で反射された一部の光５３ｃ１は、図２（Ｃ）に示すように、フォトダイオードＰＤに戻される。また、金属配線４７，４８，４９により画素３３１の外側へ向けて反射された一部の光５３ｃ２は、図２（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、隣接する有効ＯＰＢ画素領域３５の画素３５１内に漏れ込むことがなくなり、有効ＯＰＢ画素領域３５に漏れ込む光を抑制することができる。
【００２８】
このような本実施の形態１によれば、固体撮像素子３０における有効画素領域３２の周辺に、有効ＯＰＢ画素領域３５に隣接する無効画素領域３３を設け、この無効画素領域３３における複数層の配線４７，４８，４９を、フォトダイオードＰＤからオンチップレンズ５２に向かって無効画素領域３３の受光用開口部５４ｃがフォトダイオードＰＤに対し直交する方向に延在するように配置したので、有効ＯＰＢ画素領域３５に隣接する無効画素領域３３の配線４７，４８，４９により入射光が乱反射されても、その乱反射光が有効ＯＰＢ画素領域３５のＯＰＢ画素へ漏れ込むのを防止もしくは抑止することができ、しかも、固体撮像素子３０の撮像面に対するカメラレンズ等の光学系からの光入射角度が変化しても、有効ＯＰＢ画素領域３５への光の乱反射によるＯＰＢ画素信号のノイズ増加もなくなり、これにより、黒レベルの狂いを防止できるとともに高画質の画像信号を得ることができる。
【００２９】
また、この実施の形態における無効ＯＰＢ画素領域３４は、その画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされるため、この無効ＯＰＢ画素領域３４の画素に隣接する無効画素領域３３から金属配線などの乱反射光が漏れ込んでも、これが画像信号に画質低下などの悪影響を及ぼすことがない。
また、この実施の形態においては、ダミー画素領域３６を備えることにより、その画素の信号が固体撮像素子のダミー信号として利用することができる。
また、この実施の形態においては、有効ＯＰＢ画素領域３５の複数層の配線４７，４８，４９が、フォトダイオードＰＤから配線の積層方向に向かって、その受光用開口部５４ｄがフォトダイオードＰＤに対し直交する方向に延在するように配置したので、隣接する画素領域からの漏れ光の侵入を抑制することができる。
【００３０】
（実施の形態２）
次に、本実施の形態１に示した固体撮像素子を動画撮影可能なビデオカメラや携帯電話に内蔵されるカメラ等の撮像装置に適用した場合の例について図３を参照して説明する。
図３において、撮像装置６０は、固体撮像素子６１と、この固体撮像素子６１に被写体からの入射光を導く光学系６２と、固体撮像素子６１からの出力信号を処理する信号処理回路６３と、固体撮像素子６１を駆動する駆動回路６４などを備える構成になっている。
この撮像装置６０において、固体撮像素子６１には、前記実施の形態１にかかる固体撮像素子３０が使用される。
【００３１】
駆動回路６４は、固体撮像素子６１の転送動作および固体撮像素子６１に内蔵されたシャッタ装置（図示せず）のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。また、駆動回路６３から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像素子６１の電荷転送を行う。信号処理回路６３は、ビデオカメラや携帯電話などに応じた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（図示省略）に記憶され、あるいは図示省略のモニタに出力され、映像が表示される。
【００３２】
このような撮像装置によれば、上述した実施の形態１にかかる固体撮像素子を用いることにより、無効画素領域の配線で入射光が乱反射されても、その乱反射光がオプティカルブラック画素領域のオプティカルブラック画素へ漏れ込むのを防止もしくは抑止することができ、これにより黒レベルの狂いを防止できるとともに高画質の画像信号を得ることができるほか、高画質の撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１における有効画素領域及びＯＰＢ画素領域を含む固体撮像素子の概略構成図である。
【図２】本実施の形態１における固体撮像素子の各画素領域における画像の素子構造を示す説明図である。
【図３】本実施の形態１に示す固体撮像素子を用いた撮像装置の全体の構成を示すブロック図である。
【図４】従来における有効画素領域及びＯＰＢ画素領域を含む固体撮像素子の概略構成図である。
【図５】固体撮像素子の撮像面に対するカメラレンズの入射角度との関係を示す説明図である。
【図６】従来における固体撮像素子の各画素領域における画像の素子構造を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
３０……固体撮像素子、３１……撮像面、３２……有効画素領域、３３……無効画素領域、３４……無効ＯＰＢ画素領域、３５……有効ＯＰＢ画素領域、３６……ダミー画素領域、３２１，３３１，３５１，３２２……画素、ＰＤ……フォトダイオード、ＦＰ……フローティングデフュージョン部、４１……シリコン基板、４３……転送トランジスタ、４４……ゲート電極、４５……素子分離層、４６……層間絶縁層、４７，４８，４９……金属配線、５０……平坦化膜、５１……カラーフィルタ、５２……オンチップレンズ、６０……撮像装置、６１……固体撮像素子、６２……光学系、６３……信号処理回路、６４……駆動回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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