(57)【要約】【課題】撮像領域の全領域において感度低下及びノイズの発生が少ない固体撮像装置を実現できるようにする。【解決手段】固体撮像装置は、基板１０に行列状に形成され且つフォトダイオード２１を含む複数の撮像画素２０と、基板１０の上に形成された平坦化層４１の上における行方向に隣り合うフォトダイオード２１同士の間の部分に列方向に延びてそれぞれ形成された複数の金属配線３４とを備えている。金属配線３４を覆う平坦化層４３の上には、入射光を行方向に収束するシリンドリカルレンズである複数の第１のオンチップレンズ５１が、一の列に形成された各フォトダイオード２１を覆うように列方向に延びてそれぞれ形成されている。第１のオンチップレンズ５１を覆う平坦化層４４の上には、各フォトダイオード２１と対応する位置に複数の第２のオンチップレンズ５２がそれぞれ形成されている。【選択図】図２
2008034607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に行列状に形成され且つそれぞれフォトダイオードを含む複数の撮像画素と、
前記基板の上に形成された第１の平坦化層と、
前記第１の平坦化層の上における行方向に隣り合う前記フォトダイオード同士の間の領域にそれぞれ列方向に形成された複数の金属配線と、
前記第１の平坦化層の上に前記各金属配線を覆うように形成された第２の平坦化層と、
それぞれが前記第２の平坦化層の上に、一の列に形成された前記各フォトダイオードを覆うように列方向に形成され、入射光を行方向に収束するシリンドリカルレンズである複数の第１のオンチップレンズと、
前記第２の平坦化層の上に前記各第１のオンチップレンズを覆うように形成された第３の平坦化層と、
前記第３の平坦化層の上における前記各フォトダイオードと対応する位置にそれぞれ形成され、入射光を集光する複数の第２のオンチップレンズとを備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記基板の上における列方向に隣り合う前記フォトダイオード同士の間の領域にそれぞれ行方向に形成された複数のゲート配線をさらに備え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。
【請求項３】
前記各撮像画素は、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送トランジスタと、転送された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された信号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部に蓄積された信号電荷をリセットするリセットトランジスタとをそれぞれ有し、
前記複数のゲート配線は、行ごとに前記各転送トランジスタを駆動する水平選択線と、行ごとに前記各リセットトランジスタを駆動するリセット信号線とを含み、
前記複数の金属配線は、前記各増幅トランジスタ及び各リセットトランジスタに電源電圧を供給する電源線と、列ごとに前記各増幅トランジスタの出力が接続された垂直信号線とを含むことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記各フォトダイオードの平面形状は、行方向の長さが列方向の長さよりも短い長方形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記各第１のオンチップレンズは、カラーフィルタ材によりそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えていることを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びカメラに関すし、特にＭＯＳ型固体撮像装置及びそれを用いたカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＯＳ（金属−酸化膜−半導体）型固体撮像装置が携帯電話に組み込まれたカメラをはじめとするデジタルカメラ等の画像入力部として広く用いられている。ＭＯＳ型固体撮像装置は、光を受光し光電変換する撮像領域と、撮像領域からの画像信号を取り出す周辺回路等とが基板の上に形成されている。撮像領域には、数百万の撮像画素が２次元的に配置されており、各撮像画素は、基板上に形成されたフォトダイオード及びトランジスタからなる。また、撮像領域には、各撮像画素を駆動するための配線が埋め込まれた複数の配線層が形成されている。
【０００３】
近年のデジタル化に伴い、ＭＯＳ型撮像装置は小型化及び高画質化が求められており、撮像画素の微細化による多画素化が進められている。しかし、撮像画素を単純に微細化すると感度の低下を招くため、トランジスタの縮小化及び複数の配線層の縮小並びにトランジスタ及び配線層等のレイアウトの最適化により受光部面積を大きく保ち、感度低下を抑制する必要がある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、撮像画素が１つのフォトダイオードと３つのトランジスタからなるＭＯＳ型撮像装置を微細化するための以下のようなレイアウトが示されている。
【０００５】
基板の撮像領域に、行列状に配置された複数の撮像画素と、行方向に延びるポリシリコンからなるゲート配線と、列方向に延びる金属配線とが形成されている。ゲート配線は、フォトダイオードで光電変換された信号電荷をフォトダイオードから一時的に蓄積するためのフローティングディフュージョン部へ転送するための転送ゲートを駆動する水平選択線と、フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷をリセットするリセットトランジスタを駆動するためのリセット線である。金属配線は、各々の撮像画素からの画像信号を取り出すための増幅トランジスタのドレイン及びリセットトランジスタのドレインに共通して接続された電源線と、画像信号を転送するための垂直信号線である。
【０００６】
このような配置とすれば、列方向に隣り合うフォトダイオード同士の間の部分にリセットトランジスタ及び増幅トランジスタを配置し、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタの上に列方向に延びる金属配線を形成することができ、撮像画素に占めるフォトダイオードの割合を大きくすることができる。また、金属配線がリセットトランジスタ及び増幅トランジスタの遮光膜を兼ねることになるため、撮像領域に金属配線を効率よく配置することができる。
【特許文献１】特開２０００４−２７３７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来のＭＯＳ型固体撮像装置の撮像画素は、以下のような問題を有している。電源線等の金属配線が列方向に形成されるため、フォトダイオードが行方向の長さが列方向の長さよりも短い長方形状になる。このため、オンチップマイクロレンズによって一様に集光された光束の一部が、金属配線に遮られフォトダイオードに到達しない、いわゆるケラレという現象が発生する。これによりフォトダイオードに到達する光量が減少して感度の低下が発生するばかりでなく、金属配線により乱反射した光がノイズ成分となり、撮像領域内において感度ムラが発生するという問題がある。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題を解決し、撮像領域の全領域において感度低下及びノイズの発生が少ない固体撮像装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明は固体撮像装置を、入射光を一様に収束するオンチップレンズと一方向にのみ収束するオンチップレンズとを備えた構成とする。
【００１０】
具体的に、本発明に係る固体撮像装置は、基板に行列状に形成され且つそれぞれフォトダイオードを含む複数の撮像画素と、基板の上に形成された第１の平坦化層と、第１の平坦化層の上における行方向に隣り合うフォトダイオード同士の間の領域にそれぞれ列方向に形成された複数の金属配線と、第１の平坦化層の上に各金属配線を覆うように形成された第２の平坦化層と、それぞれが第２の平坦化層の上に、一の列に形成された各フォトダイオードを覆うように列方向に形成され、入射光を行方向に収束するシリンドリカルレンズである複数の第１のオンチップレンズと、第２の平坦化層の上に各第１のオンチップレンズを覆うように形成された第３の平坦化層と、第３の平坦化層の上における各フォトダイオードと対応する位置にそれぞれ形成され、入射光を集光する複数の第２のオンチップレンズとを備えていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体撮像装置によれば、入射光を行方向に収束するシリンドリカルレンズである複数の第１のオンチップレンズと、各フォトダイオードを覆うようにそれぞれ形成された複数の第２のオンチップレンズとを備えているため、金属配線によって入射光が遮られるケラレの発生を防ぐことができ且つ各フォトダイオードの全体に光を入射させることができる。従って、金属配線によって光が遮られることによる感度の低下及びノイズの増大を抑えることができるので、感度ムラの少ない固体撮像装置を実現できる。
【００１２】
本発明の固体撮像装置は、基板の上における列方向に隣り合うフォトダイオード同士の間の領域にそれぞれ行方向に形成された複数のゲート配線をさらに備えていることが好ましい。この場合において、各撮像画素は、フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送トランジスタと、転送された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷を増幅する増幅トランジスタと、フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷をリセットするリセットトランジスタとをそれぞれ有し、複数のゲート配線は、行ごとに各転送トランジスタを駆動する水平選択線と、行ごとに各リセットトランジスタを駆動するリセット信号線とを含み、複数の金属配線は、各増幅トランジスタ及び各リセットトランジスタに電源電圧を供給する電源線と、列ごとに各増幅トランジスタの出力が接続された垂直信号線とを含むことが好ましい。このような構成とすることにより、フォトダイオードの面積を大きくすることができる。
【００１３】
本発明の固体撮像装置において、各フォトダイオードの平面形状は、行方向の長さが列方向の長さよりも短い長方形状であることが好ましい。
【００１４】
本発明の固体撮像装において、各第１のオンチップレンズは、カラーフィルタ材によりそれぞれ形成されていることが好ましい。
【００１５】
本発明に係るカメラは、本発明の固体撮像装置を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る固体撮像装置によれば、撮像領域の全領域において感度低下及びノイズの発生が少ない固体撮像装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本実施形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置の等価回路を示している。図１に示すように本実施形態のＭＯＳ型固体撮像装置は、複数の撮像画素２０と、各撮像画素２０同士を接続する複数の信号線とを備えている。
【００１８】
各撮像画素２０は、フォトダイオード２１及び３個のトランジスタからなる。３個のトランジスタは、フォトダイオード２１に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン（ＦＤ）部２２へ転送する転送トランジスタ２３と、ＦＤ部２２に蓄積された信号電荷を増幅する増幅トランジスタ２４と、ＦＤ部２２に蓄積された信号電荷をリセットするリセットトランジスタ２５とである。
【００１９】
信号線は、行ごとに転送トランジスタ２３のゲート同士を接続する水平選択線３１と、行ごとにリセットトランジスタ２５のゲート同士を接続するリセット信号線３２と、列ごとに増幅トランジスタ２４のソース同士を接続する垂直信号線３３と、すべてのリセットトランジスタ２５のドレイン及び増幅トランジスタ２４のドレインを共通に接続する電源線３４とである。
【００２０】
図２（ａ）〜（ｃ）は本実施形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置であり、（ａ）はレイアウトパターンを示し、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示し、（ｃ）は（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面構成を示している。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、基板１０に形成された撮像領域１１に複数のフォトダイオード２１が行列状に形成されている。水平選択線３１及びリセット信号線３２は、行方向に延びるポリシリコン配線として形成されている。垂直信号線３３及び電源線３４は、列方向に延びる金属配線として形成されている。
【００２２】
断面方向にみた場合には、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、基板１０の上にポリシリコン配線である水平選択線３１及びリセット信号線３２と、水平選択線３１及びリセット信号線３２を覆うアクリル樹脂等からなる第１の平坦化層４１が形成されている。第１の平坦化層４１の上には、アルミ等からなる垂直信号線３３と垂直信号線３３を覆う第２の平坦化層４２が形成されている。第２の平坦化層４２の上には、アルミ等からなる電源線３４と、電源線３４を覆う第３の平坦化層４３が形成されている。電源線３４は、基板１０におけるフォトダイオード２１の側方に形成された増幅トランジスタ２４及びリセットトランジスタ２５を遮光する遮光膜としても機能する。
【００２３】
第３の平坦化層４３の上には、アクリル樹脂等からなる第１のオンチップレンズ５１と、第１のオンチップレンズ５１を覆う第４の平坦化層４４が形成されている。第１のオンチップレンズは、隣り合う電源線３４同士の間に列方向に延びるように形成された、略半円筒形状のシリンドリカルレンズである。第４の平坦化層４４は、フッ素樹脂等の第１のオンチップレンズ５１と比べて屈折率が低い材料からなる。
【００２４】
第４の平坦化層５４の上には、アクリル樹脂等からなる第２のオンチップレンズ５２が形成されている。第２のオンチップレンズ５２は、通常の凸レンズであり、入射した光を一様に集光する。
【００２５】
以下に、本実施形態の固体撮像装置における第１のオンチップレンズ５１の機能について説明する。通常、各撮像画素２０は平面正方形状形成される。しかし、列方向に延びる金属配線を形成する必要があるため、フォトダイオード２１は、行方向の幅が列方向の長さよりも短い平面長方形状にレイアウトされる。このため、入射光をレンズにより一様に集光してフォトダイオード２１の列方向いっぱいに入射させようとすると、行方向においては光束の一部が電源線３４に入射し、いわゆるケラレが生じてしまう。
【００２６】
しかし、本実施形態の固体撮像装置は、第２のオンチップレンズ５２により一様に集光された光を、シリンドリカルレンズである第１のオンチップレンズ５１により行方向にさらに集光する。このため、電源線３４によるケラレの発生を防止し、平面長方形状のフォトダイオード２１の全体に光を入射させることが可能となる。
【００２７】
本実施形態においては、第１のオンチップレンズ５１をアクリル樹脂により形成する例を示したが、特定の波長領域の光のみを透過させるカラーフィルタにより形成してもよい。
【００２８】
また、１個のフォトダイオードと３個のトランジスタとにより撮像画素が構成された例を示したが、他の構成としてもよい。また、撮像画素及び配線のレイアウトを変更してもよい。
【００２９】
また、感度の均一化を図るために、第１のオンチップレンズ及び第２のオンチップレンズの位置を撮像領域の中心部と周辺部とでずらせて配置してもよい。例えば、射出瞳が光軸上手前に位置する光学系においては、撮像領域上の主光線角度に応じて電源線及び第１のオンチップレンズを撮像装置中央部に向かって、周辺ほどずらし量を大きく、中央部ほどずらし量を小さく配置し、第２のオンチップレンズは水平垂直両方向に本撮像装置中央部に向かって、周辺ほどずらし量を大きく、中央部ほどずらし量を小さく配置すればよい。
【００３０】
また、射出瞳が本装置より光軸上奥に位置する光学系では、撮像領域上の主光線角度に応じて電源線及び第１のオンチップレンズを水平方向に本撮像装置周辺部に向かって、周辺ほどずらし量を大きく、中央部ほどずらし量を小さく配置し、第２のオンチップレンズは水平垂直両方向に本撮像装置周辺部に向かって、周辺ほどずらし量を大きく、中央部ほどずらし量を小さく配置すればよい。
【００３１】
本実施形態の固体撮像装置は、感度が高く且つノイズが少ないため、カメラに組み込むことにより、高感度で且つ低ノイズのカメラが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係る固体撮像装置及びカメラによれば、撮像領域の全領域において感度低下及びノイズの発生が少ない固体撮像装置を実現でき、ＭＯＳ型固体撮像装置及びカメラ等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置を示す回路図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０    基板
１１    撮像領域
２０    撮像画素
２１    フォトダイオード
２２    フローティングディフュージョン部
２３    転送トランジスタ
２４    増幅トランジスタ
２５    リセットトランジスタ
３１    水平選択線
３２    リセット信号線
３３    垂直信号線
３４    電源線
４１    第１の平坦化層
４２    第２の平坦化層
４３    第３の平坦化層
４４    第４の平坦化層
５１    第１のオンチップレンズ
５２    第２のオンチップレンズ
【図１】
2008034607.tif 000003
【図２】
2008034607.tif 000004