(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長の光を通す第１のカラーフィルタと前記第１の波長より長い第２の波長の光を通す第２のカラーフィルタとを含む複数種類のカラーフィルタを有する光電変換装置であって、前記第２のカラーフィルタは、前記複数種類のカラーフィルタのうち最も波長が長い光を通すカラーフィルタであり、
前記光電変換装置は、
前記第１のカラーフィルタと光電変換部とがそれぞれ配された複数の第１の画素と、前記第２のカラーフィルタと光電変換部とがそれぞれ配された複数の第２の画素と、が配列された画素領域と、
前記画素領域の上に第１の方向に沿ってそれぞれ配された複数の第１の配線と、
前記複数の第１の配線の上に、絶縁層を介して、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿ってそれぞれ配された複数の第２の配線と、を備え、
前記第１の画素と前記第２の画素とは、前記第２の方向に沿って交互に配置され、
前記複数の第２の配線は、
前記第１の画素の開口の一部を構成する第１の部分と、
前記第２の画素の開口の一部を構成する第２の部分と、を有し、
前記複数の第２の配線は、前記第２の部分における前記複数の第２の配線間の距離が前記第１の部分における前記複数の第２の配線間の距離に比べて大きくなるように、前記第１の部分と前記第２の部分との間の領域のそれぞれにおいて２回にわたって曲がることにより、前記第２の方向に沿って進みながら蛇行している、
ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記複数の第１の配線は、
前記第１の画素の開口の一部を構成する部分と、
前記第２の画素の開口の一部を構成する部分と、
を有し、
前記第２の画素の開口の一部を構成する部分の前記複数の第１の配線間の距離は、前記第１の画素の開口の一部を構成する部分の前記複数の第１の配線間の距離に比べて大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記複数の第２の配線は、前記第１の画素および前記第２の画素から信号を読み出すための垂直信号線と、前記第１の画素および前記第２の画素をリセットするための垂直リセット電位線とを含み、
前記第１の画素の開口の前記一部および前記第２の画素の開口の前記一部は、前記垂直信号線と前記垂直リセット電位線とによって規定されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
平面図において、前記第１の画素と前記第２の画素とが前記第２の方向に沿って交互に配置された列の一方の側に一組の前記垂直信号線および前記垂直リセット電位線が配置され、前記列の他方の側に他の一組の前記垂直信号線および前記垂直リセット電位線が配置されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第２の配線の上に絶縁層を介して配された複数の第３の配線を更に備え、
前記複数の第３の配線は、
前記第１の画素の開口の一部を構成する部分と、
前記第２の画素の開口の一部を構成する部分と、
を有し、
前記第２の画素の開口の一部を構成する部分の前記複数の第３の配線間の距離は、前記第１の画素の開口の一部を構成する部分の前記複数の第３の配線間の距離に比べて大きい
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、ＭＯＳトランジスタを利用した撮像装置であるＣＭＯＳセンサの開発が盛んである。ＣＭＯＳセンサは、光電変換されたキャリアを画素内のＭＯＳトランジスタで増幅し、各画素から周辺領域に信号線を通じ電気信号として映像情報を読み出す。ＣＭＯＳセンサの詳細は、特許文献１などに開示されている。昨今では、撮像装置を使うビデオやデジタルカメラの高精細化、小型化、製造コストダウン、低消費電力などの要求から、１画素ピッチが３μｍ以下の縮小画素ＣＭＯＳセンサの開発が盛んになっている。
【０００３】
一方、撮像装置として、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）センサがある。ＣＣＤセンサは、光電変換されたキャリアを半導体内部でバケツリレー式に画素の周辺領域へ転送する。周辺領域に転送されたキャリアは、周辺領域にある周辺回路により電気信号に変換され映像情報として読み出される。ＣＣＤセンサの詳細は、特許文献２などに開示されている。ＣＣＤセンサにおいても、ＣＭＯＳセンサと同様の理由で、小画素化が盛んになっている。
【０００４】
特許文献２では、ＣＣＤセンサの画素を縮小化したときに、赤画素の遮光膜の開口を他の色の画素に比べて大きくすることを開示している。これは、波長の大きい赤画素の感度が、波長の小さい緑画素や青画素に比べて小さくなるためである。この構成により、他の画素との感度バランスを調整している。
【特許文献１】特開平９−０４６５９６号公報
【特許文献２】特開２００５−１１７００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
我々は、ＣＭＯＳセンサの画素の縮小化を検討している際に、ＣＣＤセンサの画素縮小化とは異なる問題があることを見出した。それは、配線による光の回折である。ＣＭＯＳセンサの配線は、数百ｎｍから数μｍ程度の透明なパッシベーション絶縁層を介して半導体の上方に配置されている。このため、光は、配線近傍で回折して半導体層に届くまでに、パッシベーション絶縁層内で広がってしまい、その一部が隣の画素まで届いてしまう恐れがある。回折には波長依存性があり、長波長の光ほど回折起因の光学的混色が増大することを見出した。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、長波長光の回折起因の光学的混色を低減し、色再現性が高く、鮮明な映像を写す光電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの側面に係る光電変換装置は、第１の波長の光を通す第１のカラーフィルタと前記第１の波長より長い第２の波長の光を通す第２のカラーフィルタとを含む複数種類のカラーフィルタを有する光電変換装置であって、前記第２のカラーフィルタは、前記複数種類のカラーフィルタのうち最も波長が長い光を通すカラーフィルタであり、前記光電変換装置は、前記第１のカラーフィルタと光電変換部とがそれぞれ配された複数の第１の画素と、前記第２のカラーフィルタと光電変換部とがそれぞれ配された複数の第２の画素と、が配列された画素領域と、前記画素領域の上に第１の方向に沿ってそれぞれ配された複数の第１の配線と、前記複数の第１の配線の上に、絶縁層を介して、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿ってそれぞれ配された複数の第２の配線と、を備え、前記第１の画素と前記第２の画素とは、前記第２の方向に沿って交互に配置され、前記複数の第２の配線は、前記第１の画素の開口の一部を構成する第１の部分と、前記第２の画素の開口の一部を構成する第２の部分と、を有し、前記複数の第２の配線は、前記第２の部分における前記複数の第２の配線間の距離が前記第１の部分における前記複数の第２の配線間の距離に比べて大きくなるように、前記第１の部分と前記第２の部分との間の領域のそれぞれにおいて２回にわたって曲がることにより、前記第２の方向に沿って進みながら蛇行している、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、長波長光の回折起因の光学的混色を低減し、色再現性が高く、鮮明な映像を写す光電変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の好適な第１〜第７の実施形態を例に挙げて説明する。なお、以下の説明において記載された各部の構成、配置、不純物タイプ等は、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、これらの実施形態の内容を任意に組み合わせた形態も本発明の範囲内に含まれる。
【００１０】
（第１の実施形態）
本発明の好適な第１の実施形態では、ベイヤー配列における赤色（Ｒ）画素の配線の回折による混色を緩和するために、半導体領域から遠い第２層配線（第２の配線）の光を通す領域を広げている。すなわち、赤色画素（第２の画素）のうちの少なくとも一部の画素（より好適には、全ての赤色画素）に隣接する部分における第２層配線の距離が、緑色画素（第１の画素）のうちの少なくとも一部の画素に隣接する部分における第２の配線間の距離より大きい。ここで、「画素に隣接する部分」とは、その画素に光が入射しうる領域を規定する部分のことである。第２〜第７の実施形態においても同様である。この画素に隣接する領域では、第２層配線間の距離が入射光の強度に影響する。これについては、図３を参照して後述するが、つまり、配線が、画素に入射する光を規定する画素の開口の一部を構成している。画素の開口とは、光が入射する領域の外縁を決めるためのものである。これは素子断面の光学シミュレーション等を行なうことによりどの配線が開口を決めているかがわかる。ここで、画素とは１つの光電変換素子を少なくとも含む最小単位であり、例えば上部にレッドカラーフィルタが配された画素を赤色画素と称する。
【００１１】
まず、課題について説明する。図１３は、従来のＣＭＯＳセンサの回折起因の混色問題を説明する画素領域の断面図である。ＰＤはフォトダイオード（光電変換部）、３１は転送ＭＯＳトランジスタのゲート電極、３２はフローティングディフュージョン、３３は層間絶縁層、３４は金属配線、３５は層内レンズを表す。また、３６はレッドカラーフィルタ、３７はグリーンカラーフィルタ、３８はオンチップマイクロレンズ、３９は透明なパッシベーション絶縁層、４０はレッドカラーフィルタ３６を通った光、４１はグリーンカラーフィルタ３７を通った光である。入射した光は、オンチップマイクロレンズ３８と層内レンズ３５によって、フォトダイオードＰＤに集光される。集光された光は、カラーフィルタ３６又は３７を通っているため、各カラーフィルタに対応した色となる。フォトダイオードＰＤでは、集光された光が光電変換されて電子となり、この電子を転送ＭＯＳトランジスタのゲート電極３１によって、フローティングディフュージョン３２に転送する。そして、各画素でフローティングディフュージョン３２の電位変化を読み取り、映像信号として出力される。
【００１２】
ここで、本発明者は、図１３の断面図に示すように、レッドカラーフィルタ３６を通った長波長の赤色光４０は、グリーンカラーフィルタ３７を通った短波長の緑色光４１より、不透明な金属配線３４による回折が大きく、光が広がってしまうことを見出した。波動光学シミュレーションによって、例えば１．６５μｍピッチ画素の場合、波長６１５ｎｍの赤色の光は隣の画素に最大３．５％漏れ込み、波長５４５ｎｍの緑色の光は最大１．８％漏れ込むという結果が得られた。つまり、赤色のカラーフィルタ３６を有する赤色画素では、回折起因の混色が問題となりうる。
【００１３】
以下、第１の実施形態を図１〜図８を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係るＣＭＯＳセンサにおいて、層内レンズより上を取り除いて、上面から見た平面図である。２は垂直信号線、４は垂直リセット電位線であり、第２層配線に属する。第２層配線の下には層間絶縁層を介して配された第１層配線（第１の配線）がある。第１層配線には、Ｒｅｓ１〜３で表されるリセット線と、Ｔｘ１〜５で表される転送線と、対称性を良くするためのダミー配線３０と、が属する。ここで、第１層配線は第１の方向（行方向）に沿って配され、第２層配線は第２の方向（列方向）に沿って配されている。この第２層配線は、例えば、Ｒの画素の開口の一部を構成する部分とＧｂの画素の開口の一部を構成する部分とを有している。第１層配線も同様である。そして、ＰＤは光電変換部としてのフォトダイオードである。フォトダイオードＰＤの上にはＲＧＢ（赤、緑、青）別のカラーフィルタ３６、３７が配置されている。フォトダイオードＰＤは、ＲＧＢによらず、同じ形であってもよいし、線対称、点対称な形であってもよい。カラーフィルタは、図１のようにＲとＧとＢの個数が１：２：１となっており、市松状に配置するベイヤー配列となっている。つまり、緑色画素（Ｇ）には、横方向の隣の画素がＲであるＧｒと、横方向の隣の画素がＢであるＧｂとが存在する。
【００１４】
図２は、図１のＸＸ’における断面図である。長波長光（第２の波長の光）を通すレッドカラーフィルタ３６を通る赤い光４０の第２層配線の下方の光路の幅は、短波長光（第１の波長の光）を通すグリーンカラーフィルタ３７を通る緑色光４１の第２層配線の下方の光路の幅より広い。つまり、短波長光を通すカラーフィルタのある第１の画素の上の第２層配線間の距離より、長波長光を通すカラーフィルタのあるカラーフィルタのある第２の画素の上の第２層配線間の距離が大きい。画素上の第２層配線の距離とは、言い換えると開口の一部を構成する部分である。
【００１５】
赤色光の典型的な波長は６００〜６３０ｎｍであり、緑色光の典型的な波長は５３０〜５６０ｎｍである。Ｄは、第２層配線の下面からフォトダイオードＰＤのあるシリコン表面までの距離である。λＬは、異なる色の画素を比較した場合における、長波長光が入る画素のカラーフィルタの対象透過光のピーク波長である。λＳは、異なる色の画素を比較した場合における、短波長光が入る画素のカラーフィルタの対象透過光のピーク波長である。ａＬは長波長光が入る画素の上にある第２層配線間の距離であり、ａＳは短波長光が入る画素の上にある第２層配線間の距離である。なお、第１の実施形態では、第２層配線の上に第３層配線が無い構造となっている。また、フォトダイオードの面積は、異なる色の画素でも同じである。
【００１６】
以下、距離ａＬと距離ａＳの関係について説明する。図３は、１．６５μｍ角の画素において、その画素の上にある第２層配線間距離を変えたときの、シリコン表面での光強度分布を表すグラフである。このグラフは、境界要素法を用いた波動光学シミュレータを使いて、１．６５μｍ角ＣＭＯＳセンサに入射角０°の光を当てたときの計算結果である。図３において、横軸はシリコン表面での水平方向の距離を表し、原点はフォトダイオードＰＤの中心を表している。また、縦軸は、シリコン表面の各位置における光強度を表している。ここで、第２層配線の下からフォトダイオードのあるシリコン表面までの距離は、１．３４μｍとしている。図３から分かるように、配線間距離（ａＬ）が１．０４μｍである場合の方が、１．２９μｍである場合より、１．６５μｍ幅（＝画素ピッチ）から外側に漏れ込む割合が多い。そのため、配線間距離（ａＬ）を出来るだけ大きくすることが好ましい。
【００１７】
一方、長波長光が入る画素の上にある第２層配線間の距離（ａＬ）を広げるには、ルール上の最小幅、最小距離で作っている場合、隣の短波長光が入る画素の上にある第２層配線間の距離（ａＳ）を小さくせざるを得ない。このことを、図４を使って説明する。図４は、隣り合う画素の配線間距離を変化させたときに画素の外側に漏れる光の強度を表すグラフである。図４のグラフでは、隣り合う画素を赤色画素と緑色画素としている。また、赤色画素と緑色画素の上にある配線間距離（ａＬとａＳ）を変化させたときの、１．６５μｍ幅（＝画素ピッチ）から外側に漏れる光の強度（以下「光学的混色割合」という。）を表している。菱形（◆）は、６００〜６３０ｎｍの波長の赤い光の光学的混色割合の平均を表している。また、円形（●）は、５３０〜５６０ｎｍの波長の緑色光の光学的混色割合の平均を表している。縦軸は、各色の波長において、シリコン面に届く光の全強度に対し、１．６５μｍ幅から外に漏れる光の強度の割合を百分率（％）で表している。このグラフから、画素の上にある配線間の距離（ａＬとａＳ）が小さくなるにつれて、光学的混色割合が増えていくことが分かる。また、その割合は、長波長の赤色画素の方が大きい。ここで、第２層配線の下からフォトダイオードのあるシリコン表面までの距離は、１．３４μｍとしている。
【００１８】
図４において四角で囲まれた部分は、赤色画素の上にある第２層配線間の距離（ａＬ）と緑画素の上にある第２層配線間の距離（ａＳ）とが１．１３８μｍである場合における、それぞれの光学的混色割合を表す。このとき、赤色画素の光学的混色割合は４．７％であり、緑色画素の光学的混色割合は３．１％である。また、第２層配線のデザインルールは、最小幅が０．１７μｍ、最小距離が０．１７μｍである。１画素当りの第２層配線の本数は、垂直信号線２と垂直リセット電位線４の２本である。画素の上にある第２層配線間の距離（ａＬとａＳ）以外は、最小ルールで配置している。
【００１９】
一方、円で囲まれた部分は、赤色画素の上にある第２層配線間距離（ａＬ）を１．１９μｍ、緑色画素の上にある第２層配線間の距離（ａＳ）を１．０９μｍとした場合における、それぞれの光学的混色割合を表す。このとき、赤色画素の光学的混色割合は３．６％であり、緑色画素の光学的混色割合も３．６％である。つまり、赤色画素の光学的混色割合は１．１％減少する。これに対し、緑色画素の光学的混色割合は０．５％増える。この場合、赤画素の光学的混色割合の減り分（１．１％）の方が大きいため、センサ全体としては、光学的混色が減少する。その結果、画素ピッチ１．６５μｍという微細な画素のセンサでも、光学的混色が小さいセンサを実現できる。
【００２０】
本実施形態では、赤色画素の配線間距離（ａＬ）を１．１９μｍとし、緑色画素の配線間距離（ａＳ）を１．０９μｍとし、両者に０．１０μｍの差を持たせている。
【００２１】
図５は、スクリーン５１と遮光層５２との間の距離をＤと設定した場合における、スクリーン５１上の光の回折広がりを説明する模式図である。遮光層５２の開口を光が通過した後の回折光の広がり角度を図５のようにθとすると、θ＝ｔａｎ−１（λＤ／Δｘ）となる。スクリーン５１と遮光層５２との間の距離ＤがΔｘに比べて十分大きければ、開口幅Δｘの遮光層５２によるスクリーン上の光広がり幅はλＤ／Δｘとなる。本発明では、この光広がり幅を、色の異なる画素毎に大概同じにしている。
【００２２】
例えば、波長λＬの長波長光が遮光層の開口幅ΔｘＬを通り、波長λＳの短波長光が遮光層の開口幅ΔｘＳを通ったとき、スクリーン上への両者の光の回折拡がりを同じにするためには、以下の数式１の関係を満たす必要がある。
【００２３】
λＬ／ΔｘＬ＝λＳ／ΔｘＳ…数式１
長波長光の開口幅ΔｘＬと短波長光の開口幅ΔｘＳの平均をｄ０、つまりｄ０＝（ΔｘＳ＋ΔｘＬ）／２とすると、（３）式は以下の数式２のように変形することができる。
【００２４】
ΔｘＬ−ΔｘＳ＝２・ｄ０・（λＬ−λＳ）／（λＬ＋λＳ）…数式２
数式２は、長波長光の開口幅ΔｘＬと短波長光の開口幅ΔｘＳとの差をどれほどにすればよいかを示している。
【００２５】
以上の考察は、スクリーン５１と遮光層５２との間の距離Ｄが、遮光層５２の開口幅Δｘより十分大きいとき、つまりｄ０≪Ｄのときの定性的な回折広がりの見積もりである。実際のセンサでは、ｄ０とＤは同じ程度の桁である。そして、スクリーン上への両者の光の回折拡がりを同じにするための長波長光の開口幅ΔｘＬと短波長光の開口幅ΔｘＳとの差は、スクリーン５１と遮光層５２の距離Ｄに対して正の相関がある。これは、距離Ｄが大きいほど、回折拡がりが大きくなるからである。また、長波長光の開口幅ΔｘＬと短波長光の開口幅ΔｘＳとの差は、それらの平均に対して負の相関がある。これは、平均開口幅が大きくなればなるほど、回折拡がりが小さくなるからである。本発明者は、これらの定性的な見積もりと、図２のような少し複雑な系の波動光学シミュレータを使った解析から、より一般的な回折起因の混色を緩和する条件を見出した。
【００２６】
すなわち、本実施形態では、長波長光を通すカラーフィルタのある画素の上にある第２層配線間の距離は、短波長光を通すカラーフィルタのある画素の上にある場合より大きくなっている。その望ましい距離の差をΔｄ（μｍ）とすると、Δｄは以下の数式３を満たす。
【００２７】
０．３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜４・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝…数式３
（Ｄは第２層配線下から前記半導体領域の表面までの距離（μｍ）である。λＳは第１の波長の光を通すカラーフィルタ透過率のピーク波長（μｍ）である。λＬは第２の波長の光を通すカラーフィルタ透過率のピーク波長（μｍ）である。ｄ０は、第１の波長の光を通すカラーフィルタのある画素の上にある配線間距離と、第２の波長の光を通すカラーフィルタのある画素の上にある配線間距離との平均（μｍ）、つまりｄ０＝（ａＳ＋ａＬ）／２である。）
このようにΔｄ（μｍ）を設定することにより、第１の波長の光を通すカラーフィルタのある画素の光学的混色割合と第２の波長の光を通すカラーフィルタのある画素の光学的混色割合との差を５０％以内にすることができる。
【００２８】
更に望ましくは、距離の差Δｄ（μｍ）は以下の数式４を満たす。
【００２９】
１．３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜２・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝…数式４
このようにΔｄ（μｍ）を設定することにより、第１の波長の光を通すカラーフィルタのある画素の光学的混色割合と第２の波長の光を通すカラーフィルタのある画素の光学的混色割合との差を１０％以内にすることができる。
【００３０】
また、画素の繰り返し周期（画素ピッチ）が２μｍ以下のＣＭＯＳセンサにおいて、本実施形態の構成がより効力を発揮することを見出した。よって、上記の条件を使用する望ましい画素ピッチは、２μｍ画素ピッチ以下である。また、画素領域の全画素にわたって、長波長光を通すカラーフィルタのある画素の上にある第２層配線の距離は、短波長光を通すカラーフィルタのある画素の上にある第２層配線間の距離より大きいことが望ましい。
【００３１】
なお、図４のグラフで、波動光学シミュレータを使い赤色画素の光学的混色割合を小さくする画素上の配線間距離の差を開示している。つまり、Ｄ＝１．３４μｍ、ｄ０＝１．１４μｍ、λＬ＝０．６１μｍ、λＳ＝０．５４μｍのときに、距離の差Δｄ（μｍ）に以下の数式５を用いて、０．１０μｍを適用している。
【００３２】
１．３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜２・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝…数式５
赤色など長波長光は、シリコン中で吸収されにくいため、シリコンの深いところまで届いてしまう。よって、長波長光は自分の画素の中でも隣の画素の近傍で、光のポインティングベクトルが外向きの成分を持っていれば、やはり混色の原因となる。よって、波長の大きい赤色画素などでは、緑色画素など波長の小さい画素に比べても、光が広がらないようにした方が良い場合もある。このとき、長波長光を通すカラーフィルタのある画素の、第２層配線間の距離は、短波長光を通すカラーフィルタのある画素のそれより更に大きくするのが望ましい。この場合、その望ましい距離の差Δｄ（μｍ）は、以下の数式６を満たす。
【００３３】
２・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝…数式６
このようにΔｄ（μｍ）を設定することにより、第１の波長の光を通すカラーフィルタのある画素の光学的混色割合と第２の波長の光を通すカラーフィルタのある画素のシリコンの内部を含む混色割合との差を１０％以内にすることができる。
【００３４】
つぎに、本実施形態のＣＭＯＳセンサの駆動方法について説明する。図６は、ＣＭＯＳセンサの画素領域と垂直走査回路の回路図を表す。図６の回路図では、４行×３列で１２画素の画素領域を便宜上表しているが、実際には、数百万画素以上ある。１は画素領域、７は垂直走査回路を表し、ＰＤ３−２等の符号は、２行３列目のフォトダイオードを表している。他の符号は、以前に説明した構成要素と同様である。また、ＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３はフローティングディフュージョン容量を表している。図２の画素では、２画素分のフォトダイオードと転送ＭＯＳトランジスタに対して、ひとつのフローティングディフュージョン容量、リセットＭＯＳトランジスタＭ３、アンプ用ＭＯＳトランジスタＭ４を有する２画素共通の駆動を使っている。よって、１つのフローティングディフュージョン容量ＦＤ１に対して、２つの転送ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２がつながっている。
【００３５】
図７は、図６の画素領域につながった周辺回路領域を示す回路図である。１は図６で示した画素領域、３はクリップ回路、６は信号読み出し回路、１１は負荷電流源、２１は輝度信号用水平信号線、２２はノイズ信号用水平信号線、２３はメインアンプ、２４は水平走査回路を表す。他の符号は、以前に説明した構成要素と同様である。
【００３６】
図６と図７で示したＣＭＯＳセンサの駆動を、図８のタイミングチャートを使って説明する。φＲｅｓ１、φＴＸ１、φＴＸ２、φＲｅｓ２は、図６の画素領域１とつながった配線の電圧のタイミングを表しており、その配線位置については図６に記述されている。φＲｅｓ１とφＲｅｓ２は、それぞれリセットＭＯＳトランジスタＭ３、Ｍ５のオンオフを制御する。また、φＴＸ１、φＴＸ２は、それぞれ転送ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２のオンオフを制御する。また、φＶＦＤは、図６又は図７の垂直リセット電位線４に通じる配線の電圧のタイミングを表している。
【００３７】
まず、１行目の走査について説明する。タイミングｔ１で、φＲｅｓ１がハイとなってリセットＭＯＳトランジスタＭ３がオンされ、ＦＤ１の電位をＶＲＨとしてＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３を活性化する。つぎに、タイミングｔ２で、ＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３のノイズ信号がアンプ用ＭＯＳトランジスタＭ４によって増幅され、垂直信号線２を通じて信号読み出し回路６に読み出される。
【００３８】
タイミングｔ３で、φＴＸ１がハイとなって転送ＭＯＳトランジスタＭ１がオンされ、光照射によりＰＤ１−１に蓄積された電荷がＦＤ１に転送される。また、光照射によりＰＤ２−１、ＰＤ３−１に蓄積された電荷が、それぞれＦＤ２、ＦＤ３に転送される。つぎに、タイミングｔ４で、転送ＭＯＳトランジスタＭ１がオフされ、光照射によるＰＤ１−１、ＰＤ２−１、ＰＤ３−１の電荷発生量がアンプＭＯＳトランジスタＭ４と垂直信号線２を通じて、輝度信号として信号読み出し回路６に読み出される。
【００３９】
つぎに、タイミングｔ５で、φＲｅｓ１がハイとなって、リセットＭＯＳトランジスタＭ３がオンし、ＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３の電位がＧＮＤとなり、ＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３をオフする。このとき、垂直リセット電位線４の電位はＧＮＤとなる。
【００４０】
つぎに、タイミングｔ６で、水平走査回路２４により信号読み出し回路６に蓄えられたノイズレベルと輝度信号が読み出され、それぞれノイズ信号用水平信号線２２と輝度信号用水平信号線２１を通じてメインアンプ１７に送られる。このとき、水平走査回路２４から複数の信号読み出し回路６に順々にパルスが送られ、左の列から順に、輝度信号とノイズ信号が読み出される。メインアンプ２３は、輝度信号用水平信号線２１を通じて入力された輝度信号から、ノイズ信号用水平信号線２２を通じて入力されたノイズ信号を引き算し、外部出力用輝度信号を外部信号端子２５に送り、１行目の走査が終わる。
【００４１】
２行目も、タイミング期間ｔ７の間で、転送ＭＯＳトランジスタＭ２をオンすることを除けば、１行目と同様の走査をする。つまり、２行目を選択するために、φＴＸ２のハイにより転送ＭＯＳトランジスタＭ２がオンされ、光照射によりＰＤ１−２に蓄積された電荷がＦＤ１に転送される。また、光照射によりＰＤ２−２、ＰＤ３−２に蓄積された電荷が、それぞれＦＤ２、ＦＤ３に転送される。
【００４２】
３行目は、タイミングｔ８でφＲｅｓ２をハイにすることによって、リセットＭＯＳトランジスタＭ５をオンして、３行目用と４行目用のＦＤの電位をＶＲＨにして活性化する。このとき、φＲｅｓ１はローであり、リセットＭＯＳトランジスタＭ３はオフであるため、１行目用と２行目用のＦＤの電位はＧＮＤのままである。同様に、３行目用と４行目用以外の行のリセットＭＯＳトランジスタはオフされているため、これらの行のＦＤの電位はＧＮＤのままである。
【００４３】
これらの走査を全ての行で繰り返すことによって、１フレームの輝度信号が外部に読み出され、ＣＭＯＳエリアセンサ上に投影された画像情報が１フレーム分の電気信号となる。図７のクリップ回路３は、垂直信号線２を安定させるために用いられている。
【００４４】
本実施形態では、図６の画素領域１の垂直信号線２と垂直リセット電位線４の２本のセットを第２層配線としている。つまり、垂直信号線２と垂直リセット電位線４とが、画素領域の平面図である図１のように垂直方向に走っている。そして、列方向で隣り合う画素の境界部にある上述した第１層配線の上で、垂直信号線２と垂直リセット電位線４とが曲げられている。すなわち、第２層配線（第２の配線）は、フォトダイオードの受光面に垂直な方向から透視した場合に第１層配線（第１の配線）と交わる部分で曲げられている。これによって、赤色画素の上にある第２層配線間距離が大きくなり、赤色画素の混色を小さくすることができる。なお、本実施形態では、赤色画素の混色を抑えることを主要な目的にしている。このため、緑色画素と比べて波長の短い青色の画素の上にある第２層配線間距離の方が、緑色画素のそれより大きい構成となっている。しかし、ブルーカラーフィルタを透過する光の波長は短いため、回折による混色の影響が小さく問題とならない。また、本実施形態の第２層配線は、垂直方向に走っているため、本発明における第２の配線に相当する。
【００４５】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、隣り合う画素の上にある第１層配線間の距離をも異ならせている。図９は、第２の実施形態のＣＭＯＳセンサにおいて、層内レンズより上を取り除いて、上面から見て第１層配線（第１の配線）と第２層配線（第２の配線）の配置を示した平面図である。図中の符号は、図１を使って説明した構成要素を同じものを表す。画素配列は、第１の実施形態と同様ベイヤー配列となっている。第１層配線には、第１の実施形態と同様に、Ｒｅｓ１〜３で表されるリセット線と、Ｔｘ１〜５で表される転送線と、対称性を良くするためのダミー配線３０と、が属する。また、第２層配線には、垂直信号線２と垂直リセット電位線４と、が属する。
【００４６】
第２の実施形態では、図９のように長波長光の入る赤色画素（第２の画素）の上にある第１層配線間距離又は第２層配線間距離を大きくしている。このため、赤色画素における配線の回折起因の光学的混色が低減され、色再現性の良い光電変換装置を提供することができる。第２の実施形態では、短波長光の入る青色画素（第１の画素）の上にある第１層配線間距離又は第２層配線間距離を小さくしてもよい。この構造では、更なる別の効果がある。この別の効果について説明する。
【００４７】
ＣＭＯＳセンサの画素では、図１０の転送ＭＯＳトランジスタのゲート電極３１のようにポリシリコンがフォトダイードＰＤの一部を覆っている。ポリシリコンは、短波長光を長波長光より大きく吸収する。また、ＣＭＯＳエリアセンサの場合、画素領域の中央部画素と端部画素では、光の入射角が異なる。このため、青色画素では、緑色画素、赤色画素に比べて、画素中央と画素端でのゲート電極３１で吸収される光量の違いの入射角依存が大きい。このままでは、画素領域の中央部画素と端部画素とで色比の違いが大きくなる。しかしながら、本実施形態の短波長光の入る青色画素の上にある第１層配線間距離又は第２層配線間距離を小さくする構造により、青色画素の入射光がゲート電極３１に吸収される割合を小さくすることができる。すると、ゲート電極３１で吸収される光量の入射角依存は小さい。よって、画素領域の中央部画素と端部画素とで色比の違いが小さくなり、色むらの小さい画像を提供することができる。なお、第２の実施形態は、第２層配線の上に第３層配線が無い構造となっている。また、フォトダイードの面積は、色が異なる画素でも同じである。
【００４８】
第２の実施形態は、第１層配線間距離を赤色画素の上で大きくしているが、これは本発明を第１の配線を第１層配線とした例である。本実施形態においては、長波長光を通すカラーフィルタのある画素の上にある第１の配線間の距離は、短波長光を通すカラーフィルタのある画素のそれより大きく、その望ましい距離の差Δｄ（μｍ）は、以下の数式７を満たす。
【００４９】
０．３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜４・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝…数式７
（Ｄは第１層配線下から前記半導体領域の表面までの距離である。λＳは第１の波長の光を通すカラーフィルタ透過率のピーク波長である。λＬは第２の波長の光を通すカラーフィルタ透過率のピーク波長である。ｄ０は、長波長光を通すカラーフィルタのある画素の上にある配線間距離と、短波長光を通すカラーフィルタのある画素の上にある配線間距離との平均である。）
更に望ましくは、距離の差Δｄ（μｍ）は、以下の数式８を満たす。
【００５０】
１．３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜２・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝…数式８
更に、シリコン内部での光の混色も考えれば、Δｄ（μｍ）の望ましい範囲は、以下の数式９を満たす。
【００５１】
２・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝…数式９
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第２の実施形態と同様であるが垂直方向に走る配線を第１層配線（第１の配線）とし、水平方向に走る配線を第２層配線（第２の配線）としている。つまり、第３の実施形態は、垂直方向に走る配線と水平方向に走る配線との層構成における上下の配置が入れ替わっている点が第２の実施形態と相違している。この場合、本発明の第１の配線は第２層配線となり、第２の配線は第１層配線となる。
【００５２】
（第４の実施形態）
第４の実施形態を図１１を使って説明する。図１１は、ベイヤー配列を有するＣＭＯＳエリアセンサの各色の画素の配列と第３層配線５３の配置を表している。第３層配線５３とフォトダイオードＰＤとの間には、透明絶縁層を介して第２層配線（第２の配線）と第１層配線（第１の配線）が配置されている。本実施形態は、本発明の第３の配線として、第３層配線を用いた例である。本実施形態においては、長波長光を通すカラーフィルタのある第２の画素に隣接する部分における第３の配線間の距離は、短波長光を通すカラーフィルタのある第１の画素のそれより大きく、その望ましい距離の差Δｄ（μｍ）は、以下の数式１０を満たす。
【００５３】
０．３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜４・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝…数式１０
（Ｄは第３層配線下から前記半導体領域の表面までの距離（μｍ）である。λＳは第１の波長の光を通すカラーフィルタ透過率のピーク波長（μｍ）である。λＬは第２の波長の光を通すカラーフィルタ透過率のピーク波長（μｍ）である。ｄ０は、長波長光を通すカラーフィルタのある画素の上にある配線間距離と、短波長光を通すカラーフィルタのある画素の上にある配線間距離との平均（μｍ）である。）
更に望ましくは、距離の差Δｄ（μｍ）は、以下の数式１１を満たす。
【００５４】
１．３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜２・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝…数式１１
更に、シリコン内部での光の混色も考えれば、Δｄ（μｍ）の望ましい範囲は、以下の数式１２を満たす。
【００５５】
２・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝…数式１２
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、第１の実施形態と同様であるが、ＲＧＢ画素をベイヤー配列にするのでは無く、補色フィルターで配列されている点が相違している。図１２は、第５の実施形態に係るＣＭＯＳエリアセンサの各色画素の配列と第２層配線の配置の平面図である。図１２では、層内レンズより上を取り除いて、上面から見た第１層配線（第１の配線）と第２層配線（第２の配線）との配置を示している。図中の符号は、以前に説明した構成要素を同じものを表す。画素には、イエロー（Ｙｅ）、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍｇ）、グリーン（Ｇ）の４色を配列しており、長波長光の入るマゼンタ（Ｍｇ）の第２の画素に隣接する部分における第２層配線間距離を大きくしている。その結果、マゼンタ（Ｍｇ）画素から隣の画素に光が漏れる混色を抑えることができる。
【００５６】
（第６の実施形態）
第６の実施形態は、第１の実施形態の第２層配線（第２の配線）のデザインルールを、最小幅０．１４μｍ、最小距離０．１５μｍとしたときの例である。第６の実施形態では第１の実施形態と同様に、１画素当りの第２層配線の本数を、垂直信号線２と垂直リセット電位線４の２本にしている。このデザインルールで、画素上の第２層配線間の距離（ａＬとａＳ）以外は、最小ルールで配置した。すると、隣り合う画素の上の第２層配線間の距離の平均ｄ０｛＝（ａＬ＋ａＳ）／２｝は、１．２２μｍとなる。このとき、グリーンカラーフィルタのある第１の画素に隣接する部分における配線間距離（ａＳ）と、レッドカラーフィルタのある第２の画素に隣接する部分における配線間距離（ａＬ）との差Δｄを０．１１μｍとした。ここで、グリーンカラーフィルタのピーク波長λＳは０．５４μｍであり、レッドカラーフィルタのピーク波長λＬは０．６１μｍである。
【００５７】
つまり、ａＳ＝１．１６５μｍ、ａＬ＝１．２７５μｍとなる。このとき、本発明のΔｄ（μｍ）として、１．３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜２・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝を適用した。
【００５８】
（第７の実施形態）
第７の実施形態は、第１の実施形態の第２層配線（第２の配線）のデザインルールを、最小幅０．１１μｍ、最小距離０．１１μｍとしたときの例である。第６の実施形態では第１の実施形態と同様に、１画素当りの第２層配線の本数を、垂直信号線２と垂直リセット電位線４と画素共有のための３本にしている。このデザインルールで、画素上の第２層配線間の距離（ａＬとａＳ）以外は、最小ルールで配置した。すると、隣り合う画素上の第２層配線間の距離の平均ｄ０｛＝（ａＬ＋ａＳ）／２｝は、１．１０μｍとなる。このとき、グリーンカラーフィルタのある第１の画素上の配線間距離（ａＳ）と、レッドカラーフィルタのある第２の画素上の配線間距離（ａＬ）との差Δｄを０．１２μｍとした。ここで、グリーンカラーフィルタのピーク波長λＳは０．５４μｍであり、レッドカラーフィルタのピーク波長λＬは０．６１μｍである。つまり、ａＳ＝１．０４、ａＬ＝１．１６となる。このとき本発明のΔｄ（μｍ）として、１．３・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝＜Δｄ＜２・Ｄ・（λＬ−λＳ）／｛ｄ０・（λＬ＋λＳ）｝を適用した。
【００５９】
なお、本発明の光電変換装置は、スチルカメラや、ビデオカメラなどの、撮像用の撮像装置として、利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の好適な第１の実施形態に係る画素領域の第１層配線と第２層配線を示す平面図である。
【図２】本発明の好適な第１の実施形態に係る画素領域の断面図である。
【図３】１．６５μｍ角の画素において、シリコン上の光強度分布を表すグラフである。
【図４】隣り合う画素の配線間距離を変化させたときの画素外に漏れる光の強度を表すグラフである。
【図５】回折角度の定性的な見積もりを説明する模式図である。
【図６】ＣＭＯＳセンサの画素領域と垂直走査回路の回路図である。
【図７】画素領域につながる周辺回路領域を示す回路図である。
【図８】本発明の好適な第１の実施形態に係る駆動タイミングチャートである。
【図９】本発明の好適な第２の実施形態に係る画素領域の第１層配線と第２層配線を示す平面図である。
【図１０】本発明の好適な第２の実施形態に係る画素領域の断面図である。
【図１１】本発明の好適な第４の実施形態に係るＣＭＯＳエリアセンサの各色画素の配列と第３層配線の配置の平面図である。
【図１２】本発明の好適な第５の実施形態に係るＣＭＯＳエリアセンサの各色画素の配列と第２層配線の配置の平面図である。
【図１３】従来のＣＭＯＳセンサの回折起因の混色問題を説明する画素領域の断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  画素領域
２  垂直信号線
３０  ダミー配線
３６  レッドカラーフィルタ
３７  グリーンカラーフィルタ
Ｒｅｓ１〜３  リセット線
Ｔｘ１〜５  転送線
【図１】
0005173542.tif 000002
【図２】
0005173542.tif 000003
【図３】
0005173542.tif 000004
【図４】
0005173542.tif 000005
【図５】
0005173542.tif 000006
【図６】
0005173542.tif 000007
【図７】
0005173542.tif 000008
【図８】
0005173542.tif 000009
【図９】
0005173542.tif 000010
【図１０】
0005173542.tif 000011
【図１１】
0005173542.tif 000012
【図１２】
0005173542.tif 000013
【図１３】
0005173542.tif 000014