(57)【要約】【課題】ＦＤ容量のばらつきを低減させ、光学特性を向上させた固体撮像装置を提供する。【解決手段】セル１０１が行列状に配置されてなる画素アレイが設けられている。各セル１０１内には、フォトダイオード１０２と、ＦＤ１０３と、転送トランジスタ１１１と、リセットトランジスタ１１２と、ゲート電極がＦＤ１０３に、ドレインが電源線１０６に、ソースが垂直信号線１０７に接続された増幅トランジスタ１０８と、ＦＤ配線１２０とが設けられている。電源線１０６は第１の配線層に配置され、垂直信号線１０７は第１の配線層の上方に位置する第２の配線層に配置される。ＦＤ配線１２０の電位は垂直信号線１０７の電位に追従するのでセル１０１の位置に応じて垂直信号線１０７の位置をシフトさせた場合にＦＤ１０３に生じる容量のばらつきを抑えることができる。【選択図】図３
2007243093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受けた光の強度に応じた量の電荷を蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードによって蓄積され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、前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンへの電荷の転送を制御する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に応じた信号がソースから読み出される増幅トランジスタとが設けられ、セルが複数個配置されてなる画素アレイと、
前記画素アレイの上方に設けられ、前記増幅トランジスタのドレインに接続された少なくとも１本の電源線と、
前記画素アレイの上方に設けられ、前記増幅トランジスタのソースに接続された少なくとも１本の垂直信号線と、
前記画素アレイの上方に設けられ、前記増幅トランジスタのゲート電極と前記転送トランジスタとを接続する複数のフローティングディフュージョン配線とを備え、
前記複数のセルの各々には、前記フォトダイオードと前記フォトダイオードに接続された前記転送トランジスタとが少なくとも一対設けられており、
前記画素アレイの少なくとも一部の領域上において、前記電源線が第１の配線層に配置されるとともに前記垂直信号線が前記第１の配線層より上方に位置する第２の配線層に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素アレイにおいて、前記フォトダイオードは行列状に配置されており、
前記垂直信号線および前記電源線は前記フォトダイオードの列方向に延びるとともに前記フォトダイオードの列ごとに設けられ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】
前記画素アレイの前記少なくとも一部の領域上において、前記垂直信号線は、列方向に延びる前記画素アレイの中心線からの距離が大きくなるにつれて前記画素アレイの中心線に近づく方向にシフトしている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】
前記複数のセルの各々の上方において前記フォトダイオードから見て列方向の位置に配置され、前記増幅トランジスタのソースと前記垂直信号線とを接続し、且つ前記第１の配線層と前記第２の配線層とを接続するためのコンタクトをさらに備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記複数のセルの各々の上方において前記フォトダイオードから見て行方向の位置に配置され、前記増幅トランジスタのソースと前記垂直信号線とを接続し、且つ前記第１の配線層と前記第２の配線層とを接続するためのコンタクトをさらに備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記複数のセルの各々の上方において前記フォトダイオードから見て列方向の位置に配置され、前記増幅トランジスタのソースと前記垂直信号線とを接続し、且つ前記第１の配線層と前記第２の配線層とを接続するための第１のコンタクトと、
前記複数のセルの各々の上方において前記フォトダイオードから見て行方向の位置に配置され、前記増幅トランジスタのソースと前記垂直信号線とを接続し、且つ前記第１の配線層と前記第２の配線層とを接続するための第２のコンタクトとをさらに備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第２の配線層に配置された前記垂直信号線の間隔は、前記画素アレイの同一層内における最小幅であることを特徴とする請求項２〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第２の配線層に設けられた前記垂直信号線は、前記複数のセルの各々に設けられた前記フォトダイオードの上方領域を仕切るように配置され、
前記第２の配線層において行方向に隣接する前記垂直信号線間で最も近接する部分に配置される空間の幅は、前記画素アレイの同一層内における最小幅であることを特徴とする請求項２〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記空間は、平面的に見て前記フォトダイオードの角の位置に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記空間は、前記垂直信号線のうち前記画素アレイの前記中心線からの行方向の距離が最大の部分に隣接して配置されることを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記複数のフローティングディフュージョン配線は、前記第１の配線層に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記複数のセルの各々には、前記フローティングディフュージョンに接続され、前記フローティングディフュージョンの状態を初期化するためのリセット手段がさらに設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記画素アレイの少なくとも一部の領域は有効画素領域であり、
前記画素アレイには、前記有効画素領域の周囲に配置された遮光画素領域がさらに形成されており、
前記遮光画素領域上では、前記垂直信号線が前記第１の配線層に配置され、前記電源線が前記第２の配線層に配置されるとともに前記遮光画素領域内の前記複数のセルの上方全体を覆うことを特徴とする請求項２〜１２のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記画素アレイには、前記有効画素領域と前記遮光画素領域との間であって前記有効画素領域の列方向に隣接する位置に配置された配線層乗り換え領域がさらに形成されており、
前記配線層乗り換え領域内に配置された前記複数のセルの各々の上方には、前記垂直信号線が配置された配線層を前記第２の配線層から前記第１の配線層に乗り換えるための第３のコンタクトと、前記電源線が配置された配線層を前記第１の配線層から前記第２の配線層に乗り換えるための第４のコンタクトの少なくとも一方が設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記配線層乗り換え領域内に配置された前記複数のセルの各々の上方には、前記第３のコンタクトおよび前記第４のコンタクトが共に設けられていることを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記配線層乗り換え領域内に配置された前記複数のセルの各々の上方には、複数個の前記第３のコンタクトと、複数個の前記第４のコンタクトの少なくとも一方が設けられていることを特徴とする請求項１４または１５に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記垂直信号線を介して読み出された前記信号が、前記配線層乗り換え領域内に設けられた前記増幅トランジスタのソースから出力されたものであるか否かを判定する配線乗り換え画素判定部と、
前記信号が前記配線層乗り換え領域内に設けられた前記増幅トランジスタのソースから出力されたものであると判定された場合に、前記信号に代えてダミー信号を出力するダミー信号生成部と、
前記有効画素領域内および前記遮光画素領域内に設けられた前記増幅トランジスタのソースから出力された前記信号を処理し、前記ダミー信号を無効処理する映像信号処理部とをさらに備えていることを特徴とする請求項１４〜１６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
前記転送トランジスタのうち、前記配線層乗り換え領域内に設けられた転送トランジスタは常に不活性状態となっていることを特徴とする請求項１４〜１６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
前記複数のセルの各々には、前記フォトダイオードと前記フォトダイオードに接続された前記転送トランジスタとが複数対設けられていることを特徴とする請求項１〜１８のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項２０】
前記電源線および前記垂直信号線の少なくとも一方のうち前記フォトダイオードの両隣に設けられた部分同士は、前記フォトダイオードを挟んで線対称になっていることを特徴とする請求項１〜１８のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項２１】
前記複数のセルの各々には、前記フォトダイオード、前記転送トランジスタ、前記フローティングディフュージョン、および前記増幅トランジスタがそれぞれ１つ形成されていることを特徴とする請求項１〜１８、２０のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項２２】
受けた光の強度に応じた量の電荷を蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードによって蓄積され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、前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンへの電荷の転送を制御する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に応じた信号がソースから読み出される増幅トランジスタとが設けられ、セルが複数個配置されてなる画素アレイと、
前記画素アレイの上方に設けられ、前記増幅トランジスタのドレインに接続された少なくとも１本の電源線と、
前記画素アレイの上方に設けられ、前記増幅トランジスタのソースに接続された少なくとも１本の垂直信号線と、
前記画素アレイの上方に設けられ、前記増幅トランジスタのゲート電極と前記転送トランジスタとを接続する複数のフローティングディフュージョン配線とが形成された第１のチップを備え、
前記複数のセルの各々には、前記フォトダイオードと前記フォトダイオードに接続された前記転送トランジスタとが少なくとも一対設けられており、
前記画素アレイにおいて前記フォトダイオードは行列状に配置されており、
前記画素アレイの少なくとも一部の領域上において、前記電源線が第１の配線層に配置されるとともに前記垂直信号線が前記第１の配線層より上方に位置する第２の配線層に配置されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２３】
前記画素アレイの前記少なくとも一部の領域上において、前記垂直信号線は、列方向に延びる前記画素アレイの中心線からの距離が大きくなるにつれて前記画素アレイの中心線に近づく方向にシフトしていることを特徴とする請求項２２に記載の撮像装置。
【請求項２４】
前記画素アレイの前記少なくとも一部の領域は有効画素領域であり、
前記画素アレイには、前記有効画素領域の周囲に配置された遮光画素領域がさらに形成されており、
前記遮光画素領域上では、前記垂直信号線が前記第１の配線層に配置され、前記電源線が前記第２の配線層に配置されるとともに前記遮光画素領域内の前記複数のセルの上方全体を覆うことを特徴とする請求項２２または２３に記載の撮像装置。
【請求項２５】
前記画素アレイには、前記有効画素領域と前記遮光画素領域との間であって前記有効画素領域の列方向に隣接する位置に配置された配線層乗り換え領域がさらに形成されており、
前記配線層乗り換え領域内に配置された前記複数のセルの各々の上方には、前記垂直信号線が配置された配線層を前記第２の配線層から前記第１の配線層に乗り換えるための第１のコンタクトと、前記電源線が配置された配線層を前記第１の配線層から前記第２の配線層に乗り換えるための第２のコンタクトの少なくとも一方が設けられていることを特徴とする請求項２４に記載の撮像装置。
【請求項２６】
前記垂直信号線を介して読み出された前記信号が、前記配線層乗り換え領域内に設けられた前記増幅トランジスタのソースから出力されたものであるか否かを判定する配線乗り換え画素判定回路と、
前記信号が前記配線層乗り換え領域内に設けられた前記増幅トランジスタのソースから出力されたものであると判定された場合に、前記信号に代えてダミー信号を出力するダミー信号生成回路と、
前記有効画素領域内および前記遮光画素領域内に設けられた前記増幅トランジスタのソースから出力された前記信号を処理し、前記ダミー信号を無効処理する映像信号処理回路とを有する信号処理回路が形成された第２のチップをさらに備えていることを特徴とする請求項２５に記載の撮像装置。
【請求項２７】
受けた光の強度に応じた量の電荷を蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードから転送された電荷に応じた信号がソースから読み出される増幅トランジスタとが各々設けられた複数のセルが行列状に配置されてなり、前記増幅トランジスタのドレインが接続された電源線が第１の配線層に配置され、前記増幅トランジスタのソースに接続された垂直信号線が前記第１の配線層より上方に位置する第２の配線層に配置された有効画素領域と、前記有効画素領域の周辺に配置され、前記垂直信号線が前記第１の配線層に配置され、前記電源線が前記第２の配線層に配置された遮光画素領域と、前記有効画素領域と前記遮光画素領域との間であって前記有効画素領域の列方向に隣接して設けられ、前記垂直信号線および前記電源線が配置された配線層を乗り換えるための配線層乗り換え領域とが形成された画素アレイから読み出された前記信号を処理する信号処理方法であって、
前記垂直信号線を介して前記複数のセルのいずれか１つに設けられた前記増幅トランジスタのソースから前記信号を読み出すステップ（ａ）と、
前記信号が前記配線層乗り換え領域内に設けられた前記増幅トランジスタのソースから出力されたものであるか否かを判定するステップ（ｂ）と、
前記ステップ（ｂ）で前記信号が前記配線層乗り換え領域内に設けられた前記増幅トランジスタのソースから出力されたものであると判定された場合に、前記信号に代えてダミー信号を生成するステップ（ｃ）と、
前記ダミー信号を無効信号として処理するステップ（ｄ）とを備えていることを特徴とする信号処理方法。
【請求項２８】
前記ステップ（ｂ）において、前記信号が前記配線層乗り換え領域内に設けられた前記増幅トランジスタのソースから出力されたものではない場合、前記信号を処理して映像を構成するステップ（ｅ）をさらに備えていることを特徴とする請求項２７に記載の信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディジタルカメラ等に使用されるＭＯＳ型の固体撮像装置および信号処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１６は、一般的なＭＯＳ型の固体撮像装置のセルを示す回路図である。
【０００３】
同図に示すように、セル１９０１は、受けた光の強度に応じた量の電荷を蓄積するフォトダイオード１９０２と、フォトダイオード１９０２によって蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョン（Floating diffusion；以下、「ＦＤ」と略記する）１９０３と、転送ゲート配線１９０４により制御され、フォトダイオード１９０２からＦＤ１９０３への電荷の転送を制御する転送トランジスタ１９１１と、ＦＤ１９０３に接続された配線容量などを含む容量と、リセットゲート配線１９０５により制御され、ＦＤ１９０３の電位を初期化するリセットトランジスタ１９１２と、ゲート電極がＦＤ１９０３に、ドレインが電源線１９０６に、ソースが垂直信号線１９０７にそれぞれ接続され、ソースフォロワを構成する増幅トランジスタ１９０８とを有している。図１６ではＦＤ１９０３は転送トランジスタ１９１１のドレインと増幅トランジスタ１９０８のゲート電極との間のノードとして示されている。転送トランジスタ１９１１、リセットトランジスタ１９１２、およびＦＤ１９０３は読み出し制御回路１９０９として機能する。
【０００４】
図１７（ａ）〜（ｃ）は、従来の画素アレイのレイアウト例（第１の従来例）を示す平面図である。図１７（ａ）は、画素アレイのうちポリシリコン配線層と、半導体基板に形成された拡散層またはポリシリコン配線と第１のメタル配線層とを接続するコンタクトとを示しており、（ｂ）は、第１のメタル配線層までに形成された配線および各コンタクトを示しており、（ｃ）は、第２のメタル配線層までに形成された配線および各コンタクトを示している。これらの図中で点線に囲まれた部分の各々がセル１９０１である。
【０００５】
図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように、転送トランジスタ１９１１のゲート電極や増幅トランジスタ１９０８のゲート電極はポリシリコン配線層内に形成されており、第１のメタル配線１９０７、第２のメタル配線１９２０はそれぞれ第１のメタル配線層内に形成される。また、第３のメタル配線１９０６は第２のメタル配線層内に形成される。
【０００６】
図１８は、複数のセルが配置されてなる画素アレイ２００１の従来のレイアウト例（第２の従来例）を示す図である。従来の画素アレイ２００１では、有効画素領域２２０１の周辺に遮光画素領域２２０２が配置されている。この遮光画素領域２２０２は基準となる黒色を検出するために設けられている。遮光画素領域２２０２ではセル上の全面にわたってメタル配線が設けられており、フォトダイオードに入る光が遮断されている。
【０００７】
図１９は、従来の固体撮像装置において、有効画素領域での画素アレイの断面を示す図である。
【０００８】
フォトダイオード２３０１、２３０２、２３０３への光の斜入射特性を向上させるため、配線２３１４、２３１５、２３１６が画素アレイの中心線から離れるに従い位置２３０７、２３０８、２３０９から位置２３０４、２３０５、２３０６へと中心線側にシフトされている。配線の位置を中心線側へとシフトさせることを、以下「シュリンク」と称する。
【特許文献１】特開２００４−１８６４０７
【特許文献２】特開２００４−２７３５６６
【特許文献３】特開２００２−３３５４５５
【特許文献４】ＵＳ６８３８７１５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のような固体撮像装置においては、シュリンクすることにより画素アレイ内でＦＤとメタル配線との間に生じる容量がばらつき、「シェーディング」と呼ばれる出力画像の明るさにムラがある状態が発生する。近年は斜入射光学特性を向上させるため配線層間を薄くしているためその影響はより顕著に現れる。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、画素アレイ内での配線レイアウトを工夫することにより、ＦＤ容量のばらつきを低減させ、光学特性を向上させた固体撮像装置および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】
【００１１】
本発明の固体撮像装置は、受けた光の強度に応じた量の電荷を蓄積するフォトダイオードと、フォトダイオードによって蓄積され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、フォトダイオードからフローティングディフュージョンへの電荷の転送を制御する転送トランジスタと、フローティングディフュージョンに転送された電荷に応じた信号がソースから読み出される増幅トランジスタとが設けられ、セルが複数個配置されてなる画素アレイと、画素アレイの上方に設けられ、増幅トランジスタのドレインに接続された少なくとも１本の電源線と、画素アレイの上方に設けられ、増幅トランジスタのソースに接続された少なくとも１本の垂直信号線と、画素アレイの上方に設けられ、増幅トランジスタのゲート電極と転送トランジスタとを接続する複数のフローティングディフュージョン配線とを備え、複数のセルの各々には、フォトダイオードとフォトダイオードに接続された転送トランジスタとが少なくとも一対設けられており、画素アレイの少なくとも一部の領域上において、電源線が第１の配線層に配置されるとともに垂直信号線が第１の配線層より上方に位置する第２の配線層に配置されている。フォトダイオードは行列状に配置されていることが好ましい。なお、ここで言う「画素アレイの少なくとも一部領域」とは有効な映像信号を出力するための有効画素領域のことを指す。
【００１２】
固体撮像装置では、増幅トランジスタのソースから信号が読み出される際に、当該垂直信号線の電位がフローティングディフュージョンおよびフローティングディフュージョン配線の電位に追従して変化する。
【００１３】
画素アレイの少なくとも一部の領域上において、列方向に延びる画素アレイの中心線からの距離が大きくなるにつれて垂直信号線を画素アレイの中心線に近づく方向にシフトさせる場合には、効果的にシェーディングの発生を抑えることができる。従って、本発明によれば、光の斜入射特性が改善され、且つシェーディングの発生が抑えられた固体撮像装置を実現することが可能になる。
【００１４】
また、各セル上において、第１の配線層と第２の配線層とを接続するコンタクトをフォトダイオードから見て列方向の位置に配置する場合、フォトダイオードに行方向から斜めに入ってくる光の入射特性を改善することができる。これに対し、コンタクトをフォトダイオードから見て行方向の位置に配置する場合、フォトダイオードに列方向から斜めに入ってくる光の入射特性を改善することができる。あるいは、フォトダイオードから見て行方向と列方向の位置にそれぞれコンタクトを配置して行方向と列方向の斜めから入射する光の量を均等にすることもできる。
【００１５】
また、列ごとに設けられた垂直信号線の一部が分岐して各フォトダイオードの上方領域を仕切るような形状となっていれば、隣接するセルに入射すべき光がフォトダイオードに入射されるのを防ぐことができるので、混色の発生を抑えることができる。また、垂直信号線同士を互いに接続することはできないので、互いに隣接する垂直信号線の間には隙間（空間）が配置されなければならない。この空間を画素アレイの同一層内で最小幅にすれば混色の発生を抑えることができる。この空間がフォトダイオードから見て角の位置に形成されることにより、光の斜入射特性を悪化させることなくセルごとに生じる容量のばらつきを抑えることができる。
【００１６】
画素アレイには、有効画素領域の他に、有効画素領域の周囲に配置された遮光画素領域がさらに形成されていることが好ましい。遮光画素領域上では、垂直信号線が第１の配線層に配置され、電源線が第２の配線層に配置されるとともに遮光画素領域内の複数のセルの上方全体を覆っている。これにより、遮光画素領域内のセルから出力された信号を用いて基準となる黒色を設定することができるので、映像（または画像）の品質を向上させることができる。
【００１７】
遮光画素領域上と有効画素領域上とで垂直信号線および電源線が配置される配線層が異なっている場合、有効画素領域と遮光画素領域との間であって有効画素領域の列方向に隣接する位置に配置された配線層乗り換え領域が必要となる。配線層乗り換え領域は複数行のセルで構成されていてもよいが、１行分のセルで構成されていてもよい。この場合には１つのセル内に垂直信号線が配置された配線層を第２の配線層から第１の配線層に乗り換えるためのコンタクトと、電源線が配置された配線層を第１の配線層から第２の配線層に乗り換えるためのコンタクトとが設けられる。
【００１８】
上述の配線層乗り換え領域上では有効画素領域上と配線レイアウト等が異なっている。そのため、配線層乗り換え領域内のセルから出力された信号を無効信号として処理することにより、高品質な映像を得ることができる。
【００１９】
例えば、垂直信号線を介して読み出された信号が、配線層乗り換え領域内に設けられた増幅トランジスタのソースから出力されたものであるか否かを判定する配線乗り換え画素判定部と、信号が配線層乗り換え領域内に設けられた増幅トランジスタのソースから出力されたものであると判定された場合に、信号に代えてダミー信号を出力するダミー信号生成部と、有効画素領域内および遮光画素領域内に設けられた増幅トランジスタのソースから出力された信号を処理し、ダミー信号を無効処理する映像信号処理部とが固体撮像装置にさらに備えられていてもよい。信号処理を行う回路が画素アレイと同一チップ上に形成されていることにより、固体撮像装置を搭載する撮像装置全体のサイズを小さくすることが可能となる。
【００２０】
転送トランジスタのうち、配線層乗り換え領域内に設けられた転送トランジスタを常に不活性状態としてもよい。
【００２１】
本発明の撮像装置は、受けた光の強度に応じた量の電荷を蓄積するフォトダイオードと、フォトダイオードによって蓄積され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、フォトダイオードからフローティングディフュージョンへの電荷の転送を制御する転送トランジスタと、フローティングディフュージョンに転送された電荷に応じた信号がソースから読み出される増幅トランジスタとが設けられ、セルが複数個配置されてなる画素アレイと、画素アレイの上方に設けられ、増幅トランジスタのドレインに接続された少なくとも１本の電源線と、画素アレイの上方に設けられ、増幅トランジスタのソースに接続された少なくとも１本の垂直信号線と、画素アレイの上方に設けられ、増幅トランジスタのゲート電極と転送トランジスタとを接続する複数のフローティングディフュージョン配線とが形成された第１のチップを備え、複数のセルの各々には、フォトダイオードとフォトダイオードに接続された転送トランジスタとが少なくとも一対設けられており、画素アレイにおいてフォトダイオードは行列状に配置されており、画素アレイの少なくとも一部の領域（有効画素領域）上において、電源線が第１の配線層に配置されるとともに垂直信号線が第１の配線層より上方に位置する第２の配線層に配置されている。
【００２２】
これにより、画素アレイの少なくとも一部の領域で垂直信号線とフローティングディフュージョン配線との間に生じる容量を低減することができる。そのため、特に、画素アレイの少なくとも一部の領域上において、列方向に延びる画素アレイの中心線からの距離が大きくなるにつれて垂直信号線を画素アレイの中心線に近づく方向にシフトさせる場合には、効果的にシェーディングの発生を抑えることができる。
【００２３】
画素アレイに有効画素領域、遮光画素領域、配線層乗り換え領域が形成されている場合、垂直信号線を介して読み出された信号が、配線層乗り換え領域内に設けられた増幅トランジスタのソースから出力されたものであるか否かを判定する配線乗り換え画素判定回路と、信号が配線層乗り換え領域内に設けられた増幅トランジスタのソースから出力されたものであると判定された場合に、信号に代えてダミー信号を出力するダミー信号生成回路と、有効画素領域内および遮光画素領域内に設けられた増幅トランジスタのソースから出力された信号を処理し、ダミー信号を無効処理する映像信号処理回路とを有する信号処理回路が形成された第２のチップが撮像装置にさらに備えられていてもよい。このように、信号処理回路を画素アレイと別のチップ上に設けることにより、信号処理の速度を向上させることが可能となる。
【００２４】
有効画素領域、遮光画素領域、配線層乗り換え領域が形成された画素アレイを備えた固体撮像装置を用いる場合、上述のように配線層乗り換え領域からの信号を無効処理する必要がある。
【００２５】
このため、本発明の信号処理方法は、垂直信号線を介して複数のセルのいずれか１つに設けられた増幅トランジスタのソースから信号を読み出すステップ（ａ）と、信号が配線層乗り換え領域内に設けられた増幅トランジスタのソースから出力されたものであるか否かを判定するステップ（ｂ）と、ステップ（ｂ）で信号が配線層乗り換え領域内に設けられた増幅トランジスタのソースから出力されたものであると判定された場合に、信号に代えてダミー信号を生成するステップ（ｃ）と、ダミー信号を無効信号として処理するステップ（ｄ）とを備えている。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の固体撮像装置、撮像装置および信号処理方法によれば、画素アレイ上方に配置される配線のレイアウトを工夫することにより、各セル内に生じる配線容量のばらつきを低減することができる。その結果、シェーディングの発生を抑えることができるという格別な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の固体撮像装置の特徴は、画素アレイにおける配線のレイアウトを変更したものである。以下、本実施形態の固体撮像装置の各実施形態について説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
−回路構成−
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＯＳ型の固体撮像装置のセルを示す回路図である。本実施形態の固体撮像装置のように、１つのセルに１つのフォトダイオードが設けられている場合、セルは一般的に「画素セル」とも呼ばれる。
【００２９】
同図に示すように、本実施形態の固体撮像装置においてセル１０１には、受けた光の強度に応じた量の電荷を蓄積するフォトダイオード１０２と、フォトダイオード１０２によって蓄積された電荷が転送されるＦＤ１０３と、転送ゲート配線１０４により制御され、フォトダイオード１０２からＦＤ１０３への電荷の転送を制御する転送トランジスタ１１１と、ＦＤ１０３に接続された配線容量などを含む容量と、リセットゲート配線１０５により制御され、ＦＤ１０３の電位を初期化するリセットトランジスタ１１２と、ゲート電極がＦＤ１０３に、ドレインが電源線１０６に、ソースが垂直信号線１０７にそれぞれ接続され、ソースフォロワを構成する増幅トランジスタ１０８とが設けられている。図１では、ＦＤ１０３が転送トランジスタ１１１のドレインと増幅トランジスタ１０８のゲート電極との間のノードとして示されている。フォトダイオード１０２、転送トランジスタ１１１、リセットトランジスタ１１２、および増幅トランジスタ１０８は各セル１０１につきそれぞれ１個設けられている。
【００３０】
図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路図を概略的に示す図である。
【００３１】
同図に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、多数のセル１０１が行列状に配置されてなる画素アレイ１と、行方向（水平方向）に延び、同一の行に配置されたセル１０１内の回路に共通に接続される転送ゲート配線１０４およびリセットゲート配線１０５と、同じ列に配置されたセル１０１内の回路に共通に接続される垂直信号線１０７と、転送ゲート配線１０４を介して画素アレイ１のうちからいずれかの行に属するセルを選択する垂直シフトレジスタ２と、垂直信号線１０７を流れる信号からノイズを除去するＣＤＳ回路３と、ＣＤＳ回路３からの信号を水平信号線６に転送する選択トランジスタ４と、選択トランジスタを制御する水平シフトレジスタ５とを備えている。すなわち、垂直信号線１０７および電源線１０６は列ごとに設けられるとともに垂直方向に延びており、転送ゲート配線１０４およびリセットゲート配線１０５は行ごとに設けられている。
【００３２】
−固体撮像装置の画素アレイのレイアウト−
図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイのレイアウトを示す平面図である。図３（ａ）は、画素アレイにおいて、ポリシリコン配線層と、半導体基板に形成された拡散層またはポリシリコン配線と第１の配線層とを接続するコンタクトとを示しており、（ｂ）は、第１の配線層までに形成された配線と、拡散層等と第１の配線層とを接続するコンタクトと、第１の配線層と第２の配線層とを接続するコンタクトとを示しており、（ｃ）は、第２の配線層に形成された配線をさらに示している。これらの図中で点線に囲まれた部分の各々がセル１０１である。また、図４は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の図３に示すIV-IV線間の断面図である。同図に示すように、半導体基板１０上の素子分離領域にはＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)が形成されている。そして、素子分離領域に囲まれた活性領域２０内にフォトダイオード（図４中に示す「ＰＤ」）が形成されている。ポリシリコン配線層と第１の配線層との間、第１の配線層と第２の配線層との間にはそれぞれ層間絶縁膜が形成されている。また、第２の配線層の上方には、層間絶縁膜を挟んでカラーフィルタ４０が形成され、カラーフィルタ４０の上には入射光をフォトダイオードに集めるためのマイクロレンズ５０が形成されている。カラーフィルタ４０には例えば青、緑、赤の三色があり、１つのフォトダイオードの上方にはいずれか一色のカラーフィルタ４０が配置される。
【００３３】
本実施形態の固体撮像装置では、配線等のレイアウトが従来の固体撮像装置と異なっていることが特徴である。
【００３４】
本実施形態の固体撮像装置のセル１０１では、図３に示すように、フォトダイオード１０２が例えば四辺形状となっている。このフォトダイオード１０２は、画素アレイにおいて行列状に配置されている。
【００３５】
転送ゲート配線１０４のうち平面的に見て不純物拡散領域（転送トランジスタのソース領域およびドレイン領域）に挟まれた部分は転送トランジスタ１１１のゲート電極として機能し、リセットゲート配線１０５のうち不純物拡散領域（リセットトランジスタ１１２のソース領域およびドレイン領域）に挟まれた部分はリセットトランジスタ１１２のゲート電極として機能する。転送ゲート配線１０４、リセットゲート配線１０５、および増幅トランジスタ１０８のゲート電極はそれぞれゲート絶縁膜を挟んで半導体基板上に配置されたポリシリコン層からなっている。
【００３６】
また、半導体基板に形成され、例えばｎ型不純物を含むＦＤ１０３は、コンタクト領域１３０を含むＦＤ配線１２０を介して増幅トランジスタ１０８のゲート電極に接続されている。またＦＤ配線１２０は増幅トランジスタ１０８のゲート電極と転送トランジスタ１１１のドレインとを接続している。
【００３７】
本実施形態の固体撮像装置では、画素アレイの上方において、ＦＤ配線１２０および電源線１０６が第１の配線層に配置されたメタル配線で構成されている。そして、垂直信号線１０７は、第１の配線層の上方に形成された第２の配線層に配置されたメタル配線で構成されている。なお、配線層は３層以上設けられていてもよいが、この場合には、少なくとも垂直信号線１０７はＦＤ配線１２０（または電源線１０６）よりも上の配線層に配置する。
【００３８】
また、垂直信号線１０７は、斜入射光学特性を向上させるために画素アレイの中心線からの距離が大きくなるほど、セル１０１内での位置が画素アレイの中心線に近づく方向に大きくシフトしている。
【００３９】
また、本実施形態の固体撮像装置において、第１の配線層と第２の配線層とを接続し、増幅トランジスタ１０８のソースと垂直信号線１０７とを電気的に接続させるためのコンタクト１０９は、フォトダイオード１０２から見て列方向（図３中の上下方向）の位置に設けられている。
【００４０】
−固体撮像装置の動作および作用・効果−
以上の構成を有する本実施形態の固体撮像装置の動作を説明する。
【００４１】
まず、垂直シフトレジスタ２によりリセットパルス信号が出されると、リセットトランジスタ１１２がオン状態となってＦＤ１０３の電位が電源線１０６の電位と等しくなり、ＦＤ１０３は初期化される。次に、セル１０１に光が当たることによりフォトダイオード１０２に電荷が蓄えられる。次いで、垂直シフトレジスタ２により選択された転送トランジスタ１１１を介してフォトダイオード１０２に蓄積された電荷がＦＤ１０３に転送される。転送された電荷によりＦＤ１０３の電位は変化する。フォトダイオード１０２でｎ個の電子が光電変換により蓄積されたとすると、ＦＤ１０３に”素電荷×ｎ（素電荷のｎ倍）”の電荷量Ｑが転送される。ＦＤ１０３の容量をＣとするとＦＤ１０３の電位変動ΔＶは、
ΔＶ＝Ｑ／Ｃ＝（素電荷ｘｎ）／Ｃ  ・・・（１）
となる。ＦＤ１０３の電位が変化すると増幅トランジスタ１０８を通して垂直信号線１０７の電位が変化する。式（１）から明らかなようにＦＤ１０３の電位変動はＦＤ１０３の容量に反比例する。
【００４２】
ここで、ＦＤ１０３の容量は周辺の配線間との寄生容量及び増幅トランジスタ１０８、転送トランジスタ、リセットトランジスタ１１２の各ゲート容量、拡散容量などからなる。そのためシュリンクにより垂直信号線１０７がシフトした場合、従来の配線レイアウトのままでは、寄生容量が変化しＦＤ１０３の電位変動の値が変わってくる。つまり、セル１０１が配置される位置により同じ光を受けてもＦＤ１０３の電位変動が異なり、その影響は増幅トランジスタ１０８を通して垂直信号線１０７に伝わり出力され、出力画像の明るさにムラがある状態（以下シェーディングと称す）が発生する。ところが、本実施形態の固体撮像装置においては、図４に示すように垂直信号線１０７を第２の配線層に形成されたメタル配線で構成している。垂直信号線１０７の電位は、信号の読み出し時にはＦＤ１０３およびＦＤ配線１２０の電位に追従して変動する。これに対して電源線１０６の電位は理論的には一定であるので、本実施形態の配線レイアウトによれば、電源線１０６を第２の配線層に配置してシフトさせる場合に比べてＦＤ１０３の容量の変動を小さくすることができる。
【００４３】
つまり、増幅トランジスタ１０８のゲインをＡとすると垂直信号線１０７の信号読み出し時の電位変動ΔＶ’は
ΔＶ’＝ＡΔＶ  ・・・（２）
となる。従って、垂直信号線１０７とＦＤ１０３との寄生容量Ｃ’は電源線が第２の配線層に配置される場合の寄生容量をＣ”とすると
Ｃ’＝ΔＱ／ΔＶ＝Ｃ”（ΔＶ−ΔＶ’）／ΔＶ＝Ｃ”（１−Ａ）  ・・・（３）
となり、Ｃ’は（１−Ａ）倍に減少する。そのため、垂直信号線１０７を第２の配線層に配置してシュリンクによりシフトさせれば、光の斜入力特性を改善しつつ、セル１０１ごとのＦＤ１０３の配線間容量のばらつきを（１−Ａ）倍に削減できる。その結果、シェーディングの発生を抑制することができる。
【００４４】
また、本実施形態の固体撮像装置において、垂直信号線１０７は第２の配線層に、最小幅の配線でレイアウトされていることにより、ＦＤ１０３に生じる寄生容量が低減されている。
【００４５】
また、本実施形態の固体撮像装置では、増幅トランジスタ１０８のソースと第２の配線層に配置された垂直信号線１０７とを接続するためのコンタクト１０９をフォトダイオード１０２から見て垂直方向（列方向）の位置に設けている。この構成を用いれば、フォトダイオード１０２の水平方向（行方向）から斜めに入ってくる光の入射特性を改善することができる。フォトダイオード１０２の形状が垂直方向に長い場合、フォトダイオード１０２は垂直方向からの光に比べて水平方向からの光が入射しにくくなっているので、この構成をとることが良好な映像を得る上で有効である。なお、本願明細書で「垂直方向」とは、垂直信号線１０７が延びる方向を意味し、「水平方向」とは基板面に平行で且つ垂直方向と直行する方向を意味するものとする。
【００４６】
なお、本実施形態ではポリシリコン配線層以外の配線層が２層である例を説明したが、先に触れたように、配線層は３層以上であってもよい。その場合、垂直信号線１０７を最上層の配線層に置けば、ＦＤ１０３およびＦＤ配線１２０との間に生じる寄生容量を小さくすることができるので好ましい。一方、特に配線層間に形成される層間絶縁膜が薄い場合、有効画素領域において電源線１０６（またはＦＤ配線１２０）はできるだけ下層（例えば垂直信号線１０７より下層）に配置することが好ましい。電源線１０６を上層に配置すると斜めから入射する光がフォトダイオード１０２に入射しにくくなって性能が低下する場合があるからである。
【００４７】
なお、図３（ａ）〜（ｃ）ではフォトダイオード１０２の形状が水平方向に長い四辺形である例を示しているが、フォトダイオード１０２の形状はこれに限られず、水平方向に長い場合や略円形など任意に設定されていてもよい。また、本発明は１つのセル１０１にフォトダイオード１０２および転送トランジスタ１１１を複数組み設けられたいわゆる多画素１セルの構成や、増幅トランジスタ１０８の出力部（ソース）と垂直信号線との間に選択トランジスタを配置した構成のセル１０１に適用した構成に応用しても本実施形態の固体撮像装置と同様の効果が期待できる。なお、後の実施形態で説明するが、多画素１セルの場合、１つのセル１０１内には少なくとも複数のフォトダイオード１０２と複数の転送トランジスタ１１１が設けられていればよい。また、セル１０１は必ずしも行列状に配置されていなくてもよいが、フォトダイオード１０２は行列状に配置されていることが好ましい。
【００４８】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイのレイアウトを示す平面図である。同図中で点線に囲まれた部分の各々がセル３０１である。
【００４９】
本実施形態のセル３０１には、フォトダイオード３０２と、ＦＤ３０３と、転送トランジスタ３１１と、リセットトランジスタ３１２と、ゲート電極がＦＤ３０３に、ドレインが電源線３０６に、ソースが垂直信号線３０７にそれぞれ接続され、ソースフォロワを構成する増幅トランジスタ３０８と、一部が転送トランジスタ３１１のゲート電極として機能する転送ゲート配線３０４と、一部がリセットトランジスタ３１２のゲート電極として機能するリセットゲート配線３０５とが設けられている。また、セル３０１上には、ＦＤ３０３と増幅トランジスタ３０８のゲート電極とを接続するためのコンタクト領域３３０を含むＦＤ配線３２０が配置されている。
【００５０】
本実施形態のセル３０１の構成は図３（ａ）〜（ｃ）に示すセル１０１と基本的に同一であるが、第１の配線層と第２の配線層とを接続し、第２の配線層に形成された垂直信号線３０７とＦＤ３０３とを電気的に接続するためのコンタクト３０９がフォトダイオード３０２の水平方向（行方向）の位置に設けられていることが異なる。
【００５１】
このように、垂直信号線３０７とＦＤ３０３とを電気的に接続するためのコンタクト３０９が設けられていることにより、垂直方向（図５での上下方向）からの光の入射特性を改善することができる。特にフォトダイオード３０２が水平方向に長い形状を有している場合、垂直方向からの光が入りにくくなるので、この構成をとることが好ましい。そのため、本実施形態の固体撮像装置は、ＦＤ３０３に生じる寄生容量のばらつきが抑えられ、且つ光学特性も向上している。
【００５２】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイのレイアウトを示す平面図である。
【００５３】
本実施形態のセル４０１には、フォトダイオード４０２と、ＦＤ４０３と、転送トランジスタ４１１と、リセットトランジスタ４１２と、ゲート電極がＦＤ４０３に、ドレインが電源線４０６に、ソースが垂直信号線４０７にそれぞれ接続され、ソースフォロワを構成する増幅トランジスタ４０８と、一部が転送トランジスタ４１１のゲート電極として機能する転送ゲート配線４０４と、一部がリセットトランジスタ４１２のゲート電極として機能するリセットゲート配線４０５とが設けられている。また、セル４０１上にはＦＤ４０３と増幅トランジスタ４０８のゲート電極とを接続するためのコンタクト領域４３０を含むＦＤ配線４２０が配置されている。
【００５４】
本実施形態のセル４０１の構成は図３に示すセル１０１と基本的に同一であるが、第１の配線層と第２の配線層とを接続し、第２の配線層に形成された垂直信号線４０７とＦＤ４０３とを電気的に接続するためのコンタクト４０９、４１０がフォトダイオード４０２の水平方向および垂直方向の位置にそれぞれ設けられていることが異なる。
【００５５】
この構成によれば、フォトダイオード４０２から見て垂直方向からの光の入射量と水平方向からの光の入射量とを均等にすることができる。特に、フォトダイオード４０２が正方形状を有している場合、この構成をとることが好ましい。
【００５６】
本実施形態の固体撮像装置によれば、垂直信号線４０７をＦＤ４０３に接続するためのコンタクト４０９、４１０をフォトダイオード４０２の水平方向および垂直方向の位置に設けることにより、垂直方向と水平方向からそれぞれ入射する光の入射特性ばらつきを抑えることができる。また、第２の配線層内の垂直信号線に接続されるコンタクトをセル４０１当たり２箇所で設けているので、コンタクトが１つのみ設けられる場合に比べて接続不良を起こしにくくなっている。
【００５７】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイのレイアウトを模式的に示す平面図である。
【００５８】
本実施形態の固体撮像装置には、基本的に第１、第３の実施形態と同様の構成の画素アレイ５１２が形成されている。また、固体撮像装置を有する撮像装置は、外光を画素アレイ５１２内のフォトダイオード５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１に集めるためのレンズ５１３を画素アレイ５１２の上方に備えている。
【００５９】
図７に示すように、本実施形態の固体撮像装置の画素アレイ５１２では、第２の配線層に形成され、シュリンクされた垂直信号線５０１、５０２、５０３、５０４、５０５がフォトダイオード５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１の上方領域を仕切るようにレイアウトされている。これにより、フォトダイオード５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１のそれぞれに、隣接するセルから光が漏れるのを抑制し、混色の発生を抑えることができる。
【００６０】
また、垂直信号線５０１、５０２、５０３、５０４、５０５はそれぞれ電気的に独立しており、隣接する垂直信号線間の間隔が最も小さくなる部分にはそれぞれ空間５１４、５１５、５１６、５１７が配置されている。これら垂直信号線５０１、５０２、５０３、５０４、５０５の空間５１４、５１５、５１６、５１７は、第２の配線層において画素アレイ５１２の同一層内で最小間隔になるようレイアウトされている。これにより、混色に発生を抑えることができる。
【００６１】
また、空間５１４、５１５、５１６、５１７は、フォトダイオード５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１から見て平面図における角（かど）の位置に配置される。空間５１４、５１５、５１６、５１７がフォトダイオード５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１がフォトダイオード５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１から見て垂直方向に配置された場合、これらの空間５１４、５１５、５１６、５１７を光が通り抜けることにより混色が発生するおそれがある。特にフォトダイオードの中心では光電変換が最も効率良く行われるので混色の影響は大きい。そのため、空間５１４、５１５、５１６、５１７をそれぞれ最寄りのフォトダイオード５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１から見て角の位置に配置することで、フォトダイオード５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１のそれぞれに、垂直方向に隣接するセルから光を漏れにくくすることができる。
【００６２】
また、レンズ５１３を通った光は画素アレイ５１２の中心上方から各セルへと放射状に入射するので、空間５１４、５１５、５１６、５１７は、垂直信号線５０１、５０２、５０３、５０４、５０５のそれぞれのうち画素アレイ５１２の列方向（垂直方向）に延びる中心線からの行方向の距離が最大の部分に隣接して配置される。
【００６３】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置では光の斜入射特性を悪化させることなくシュリンクによりＦＤに生じる容量のばらつきを低減することができる。
【００６４】
（第５の実施形態）
−画素アレイの概略構成−
図８は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイを模式的に示す平面図である。
【００６５】
図８に示すように、本実施形態の固体撮像装置において画素アレイ６０１は、複数の有効画素が行列状に配置された有効画素領域６０２と、複数の遮光画素が行列状に配置され、有効画素領域６０２を囲む遮光画素領域６０３と、有効画素領域６０２と遮光画素領域６０３との間であって有効画素領域６０２の垂直方向に隣接して形成され、セルが列状または行列状に配置された配線層乗り換え領域６０４とが形成されている。
【００６６】
有効画素領域６０２には、例えば第１〜第４の実施形態で説明したいずれかのセルが配置されている。
【００６７】
遮光画素領域６０３および配線層乗り換え領域６０４では、有効画素領域６０２と同様にフォトダイオードなどが形成されたセルが行列状に配置されているが、これらのフォトダイオードで受けた光は映像化（または画像化）されない。ただし、遮光画素領域６０３に形成されたセルからの信号は基準となる黒色を設定するために用いられる。
【００６８】
遮光画素領域６０３に設けられたセルのレイアウトは、以下のように、有効画素領域６０２に設けられたセルと一部異なっている。
【００６９】
−遮光画素領域のセルのレイアウト−
図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の遮光画素領域のレイアウトを示す平面図である。図９（ａ）は、遮光画素領域においてポリシリコン配線層と、半導体基板に形成された拡散層またはポリシリコン配線と第１の配線層とを接続するコンタクトとを示しており、（ｂ）は、第１の配線層までに形成された配線と、拡散層等と第１の配線層とを接続するコンタクトと、第１の配線層と第２の配線層とを接続するコンタクトとを示しており、（ｃ）は、第２の配線層に形成された配線をさらに示している。これらの図中で点線に囲まれた部分の各々がセル７０１である。また、図１０は、第５の実施形態に係る固体撮像装置の図９（ｃ）に示すIX-IX線間の断面図である。
【００７０】
本実施形態のセル７０１には、受けた光の強度に応じた量の電荷を蓄積するフォトダイオード７０２と、フォトダイオード７０２によって蓄積された電荷が転送されるＦＤ７０３と、転送ゲート配線７０４により制御され、フォトダイオード７０２からＦＤ７０３への電荷の転送を制御する転送トランジスタ７１１と、ＦＤ７０３に接続された配線容量などを含む容量と、リセットゲート配線７０５により制御され、ＦＤ７０３の電位を初期化するリセットトランジスタ７１２と、ゲート電極がＦＤ７０３に、ドレインが電源線７０６に、ソースが垂直信号線７０７にそれぞれ接続され、ソースフォロワを構成する増幅トランジスタ７０８とが設けられている。上述のフォトダイオード７０２やＦＤ７０３は、半導体基板１０上に形成され、素子分離領域に囲まれた活性領域２０内に形成されている。
【００７１】
なお、図９（ｂ）、図１０に示すように、ＦＤ配線７２０は第１の配線層に形成されており、その形状は有効画素領域６０２内のセル上と同一である。つまり、ＦＤ配線７２０の形状は、有効画素領域６０２内と遮光画素領域内とで均一である。
【００７２】
遮光画素領域６０３内のセル７０１が有効画素領域６０２内のセルと異なる点は、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、垂直信号線７０７が第１の配線層に設けられ、電源線７０６が第１の配線層の上の第２の配線層に設けられている点、および、フォトダイオード７０２に光が入らないように電源線７０６がセル上の全体を覆うように形成されている点である。
【００７３】
電源線７０６がセル７０１の上方全体を覆っていることにより、フォトダイオード７０２に光が入射するのが防がれ、より正確に基準となる黒色を設定することが可能となる。また、有効画素領域６０２内とは逆に電源線７０６が第２の配線層内のメタル配線として形成されているのは、第１の配線層に電源線７０６を形成した場合、垂直信号線７０７などに接続するコンタクトを形成することができなくなるためである。
【００７４】
さらに、本実施形態のセル７０１上では、垂直信号線７０７は、有効画素領域６０２内のセル上における電源線（例えば図３（ｃ）の電源線１０６）とほぼ同じ形状となっている。これにより、ＦＤ７０３から見た周辺の配線形状はセル１０１のＦＤ１０３（図３参照）とほぼ同じにすることができる。これにより、有効画素領域６０２内のセルと遮光画素領域６０３内のセルとでＦＤ７０３に生じる容量のバラツキを抑えることができ、シェーディングなどの発生を抑えることができる。
【００７５】
−配線層乗り換え領域のセルのレイアウト−
図１１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の配線層乗り換え領域内に配置されたセルのレイアウトを示す平面図である。図１１（ａ）は、配線層乗り換え領域においてポリシリコン配線層と、半導体基板に形成された拡散層またはポリシリコン配線と第１の配線層とを接続するコンタクトとを示しており、（ｂ）は、第１の配線層までに形成された配線と、拡散層等と第１の配線層とを接続するコンタクトと、第１の配線層と第２の配線層とを接続するコンタクトとを示しており、（ｃ）は、第２の配線層に形成された配線をさらに示している。図１１（ａ）〜（ｃ）において、中段に示す点線で囲まれた領域が配線層乗り換え領域６０４（図８参照）内のセル８０１であり、上段に示す領域が遮光画素領域６０３であり、下段に示す領域が有効画素領域６０２である。
【００７６】
本実施形態の固体撮像装置のように、有効画素領域６０２と遮光画素領域６０３とで電源線および垂直信号線が設けられている配線層が異なっている場合、コンタクトを用いて配線が形成された配線層の乗り換えを行うための配線層乗り換え領域６０４を有効画素領域６０２と遮光画素領域６０３との間に設ける必要がある。ただし、垂直信号線８０７および電源線８０６は共に垂直方向に配置されているので、配線層乗り換え領域６０４は有効画素領域６０２の側方（水平方向）には設けられない。
【００７７】
この配線層乗り換え領域６０４内のセル８０１には、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、フォトダイオード８０２と、ＦＤ８０３と、転送ゲート配線８０４により制御された転送トランジスタ８１１と、ＦＤ８０３に接続された配線容量などを含む容量と、リセットゲート配線８０５により制御されたリセットトランジスタ８１２と、ゲート電極がＦＤ８０３に、ドレインが電源線８０６（図９（ｃ）に示す電源線７０６と同じもの）に、ソースが垂直信号線８０７にそれぞれ接続され、ソースフォロワを構成する増幅トランジスタ８０８と、ＦＤ配線８２０とが設けられている。
【００７８】
本実施形態の配線層乗り換え領域６０４では、図１１（ｃ）に示すように、電源線８０６を第２の配線層から第１の配線層へと乗り換えるためのコンタクトが複数個形成されている。これにより、コンタクトが１つのみ形成される場合に比べ電気抵抗を低減するとともに、一部のコンタクトに接続不良が生じても電気的な接続を確保することが可能となる。
【００７９】
また、配線層乗り換え領域６０４では、垂直信号線８０７を第１の配線層から第２の配線層へと乗り換えるためのコンタクトが複数個形成されている。これにより、垂直信号線８０７における電気抵抗の低減も図ることができる。なお、垂直信号線８０７や電源線８０６のコンタクトの平面面積を他のコンタクトよりも大きくすることによっても電気抵抗を低減することは可能である。ただし、これらのコンタクトが他のコンタクトと同じサイズであれば製造が容易であるので他のコンタクトと同じサイズのコンタクトを複数個作成する方がより好ましい。
【００８０】
なお、図１１（ａ）〜（ｃ）では１行分のセルで配線層の乗り換えを行う例を示したが、２行以上のセルを用いて配線層の乗り換えを行うこともできる。例えば、配線層乗り換え領域６０４内の１行目のセルで電源線８０６について配線層の乗り換えを行い、２行目のセルで垂直信号線８０７について配線層の乗り換えを行ってもよい。ただし、本実施形態のように１つのセルで電源線８０６および垂直信号線８０７の両方について配線層の乗り換えを行うことにより、配線層乗り換え領域６０４の面積を縮小できるのでより好ましい。
【００８１】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態として、図８に示すような配線層乗り換え領域６０４が設けられた画素アレイを備えた固体撮像装置における信号処理方法について説明する。
【００８２】
配線層乗り換え領域６０４内のセルでは垂直信号線および電源線が配置される配線層の乗り換えが行われるため、配線レイアウトが有効画素領域６０２内のセルと異なっている。そのため、フォトダイオードにおける入射光の電気信号への変換効率は、有効画素領域内のセルと配線層乗り換え領域６０４内のセルとで異なったものとなる。また、配線層乗り換え領域６０４ではフォトダイオードに入射する光を完全に遮ることができないので、遮光画素領域６０３内のセルと配線層乗り換え領域６０４内のセルとではフォトダイオードの挙動が異なっている。このため、配線層乗り換え領域６０４を含む画素アレイ全体からのデータを用いて信号処理を行うと高品質な映像を得ることができない。そのため、本実施形態の信号処理方法では、配線層乗り換え領域６０４に設けられたセルからのデータは無効としてデータ処理をする。
【００８３】
図１２（ａ）は、本実施形態の信号処理方法の一例を示すフローチャートである。
【００８４】
まず、画素アレイで生成された信号は水平信号線（図２の符号６）から出力される。次に、水平信号線から出力された信号は配線層乗り換え領域６０４から出力された信号であるか否かが判定される。その結果、配線層乗り換え領域６０４から出力された信号ではないと判定されれば当該信号はそのまま信号処理回路などに送られ、配線層乗り換え領域６０４から出力された信号であると判定されれば当該信号の代わりに無効信号として処理されるダミー信号が映像信号処理部などに送られる。この方法によれば、特性が有効画素領域６０２内のセルとは異なる配線層乗り換え領域６０４内のセルから出力された信号が映像信号として処理されないので、シェーディングが抑えられた高品質な映像を実現することができる。
【００８５】
図１２（ｂ）は、本実施形態の信号処理方法を実現する固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。同図に示すように、固体撮像装置９０９は、有効画素領域、配線層乗り換え領域および遮光画素領域が形成された画素アレイ９０１と、画素アレイ９０１から出力された信号を受け、当該信号が配線層乗り換え領域内のセルから出力された信号であるか否かを判定する配線乗り換え画素判定部９０３と、当該信号が配線層乗り換え領域内のセルから出力された信号である場合にダミー信号を出力するダミー信号生成部９０５と、当該信号が配線層乗り換え領域内のセルから出力された信号ではない場合（信号が有効画素領域および遮光画素領域内のセルから出力された信号である場合）に当該信号を受けて処理する映像信号処理部９０７とを備えている。画素アレイ９０１、配線乗り換え画素判定部９０３、ダミー信号生成部９０５および映像信号処理部９０７は例えば同一チップ上に形成される。
【００８６】
このように、信号処理を行う回路が光を感知する画素アレイなどと同一チップ上に形成される場合には、固体撮像装置を備えた撮像装置（ディジタルカメラ等）全体のサイズを小さくすることができる。
【００８７】
これに対して、画素アレイから出力された信号を外部の信号処理回路（Digital Signal Processor;DSP)で行っても本実施形態の信号処理方法を実現することが可能である。その場合、撮像装置には、図２に示すような画素アレイ１およびその周辺回路（垂直シフトレジスタ２、水平シフトレジスタ５、ＣＤＳ１０７等）が形成されたチップの他に、画素アレイから出力された信号を処理して映像を構成するＤＳＰが形成されたチップが搭載されることになる。そして、このＤＳＰが図１２（ａ）に示す配線層乗り換え領域内のセルから出力された信号であるか否かを判定する回路と、ダミー生成信号を生成する回路と、信号を処理する回路とを有することになる。
【００８８】
このような構成によれば、画素アレイが形成されたチップおよびＤＳＰが形成されたチップのそれぞれの構成を最適化できることなどから、信号を処理する回路を画素アレイと同一チップ上に形成する場合に比べて信号処理速度を向上させることが可能となる。
【００８９】
（第７の実施形態）
図１３は、本発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイを概略的に示す図である。
【００９０】
同図に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、図８に示す第５の実施形態に係る固体撮像装置と同様に、それぞれにセルが配置された有効画素領域９５２、遮光画素領域９５３および配線層乗り換え領域９５４が形成された画素アレイ９５１と、各セル中に設けられた転送トランジスタのゲート電極に接続され、水平方向に延びる複数の転送ゲート配線９６４と、複数の転送ゲート配線９６４を駆動する垂直シフトレジスタとを備えている。
【００９１】
本実施形態の固体撮像装置が第５の実施形態と異なっているのは、複数の転送ゲート配線９６４のうち、配線層乗り換え領域９５４内に配置された転送トランジスタのゲート電極に接続された転送ゲート配線が垂直シフトレジスタに接続されずに接地されている点である。
【００９２】
このため、配線層乗り換え領域９５４内に配置された転送トランジスタは常にオフ状態（不活性状態）となっており、配線層乗り換え領域９５４内に設けられたセルからの信号が読み出されることがなくなっている。その結果、本実施形態の固体撮像装置では、配線層乗り換え領域９５４内に設けられたセルから出力された信号を無効化する処理が不要となっている。これにより、信号処理速度を従来の固体撮像装置に比べて落とすことなくシェーディングの発生を抑えることが可能となる。
【００９３】
特に、固体撮像装置を備える撮像装置において、画素アレイ９５１とＤＳＰとを別個のチップ上に設ける場合には、従来のＤＳＰが形成されたチップを用いることができるので、汎用性が高くなっている。
【００９４】
なお、垂直シフトレジスタに接続されない転送ゲート配線の本数は配線層乗り換え領域９５４内に配置されたセルの列数と同じであり、図１３に示す例では１本となっている。
【００９５】
また、図１３に示す回路構成に限らず、画素アレイは、転送トランジスタが常にオフ状態となるような回路構成を有していればよい。
【００９６】
（第８の実施形態）
図１４は、本発明の第８の実施形態に係る固体撮像装置のセルを示す回路図である。本実施形態では、いわゆる多画素１セル型固体撮像装置の例として１つのセルに２画素（すなわち、２つのフォトダイオード）が含まれた固体撮像装置について説明する。
【００９７】
図１４に示すように、本実施形態の固体撮像装置においてセルには、受けた光の強度に応じた量の電荷を蓄積する第１のフォトダイオード１００２ａおよび第２のフォトダイオード１００２ｂと、第１のフォトダイオード１００２ａ、第２のフォトダイオード１００２ｂによって蓄積された電荷がそれぞれ転送される第１のＦＤ１００３ａ、第２のＦＤ１００３ｂと、第１の転送ゲート配線１００４ａ（図１５参照）により制御され、第１のフォトダイオード１００２ａから第１のＦＤ１００３ａへの電荷の転送を制御する第１の転送トランジスタ１０１１ａと、第２の転送ゲート配線１００４ｂ（図１５参照）により制御され、第２のフォトダイオード１００２ｂから第２のＦＤ１００３ｂへの電荷の転送を制御する第２の転送トランジスタ１０１１ｂと、リセットゲート配線１００５（図１５参照）により制御され、第１のＦＤ１００３ａおよび第２のＦＤ１００３ｂの電位を初期化するリセットトランジスタ１０１２と、ゲート電極が第１のＦＤ１００３ａおよび第２のＦＤ１００３ｂ、ドレインが電源線１００６に、ソースが垂直信号線１００７にそれぞれ接続され、ソースフォロワを構成する増幅トランジスタ１００８と、増幅トランジスタ１００８のソースと垂直信号線１００７との間に設けられ、増幅トランジスタ１００８からの出力信号を垂直信号線１００７に伝達させる選択トランジスタ１０２０と、基板上に形成されたｐ型不純物を含む基板コンタクト領域に接続された基板コンタクト用配線１１００（図１５参照）が設けられている。基板コンタクト領域はセルにつき少なくとも１つ形成されている。
【００９８】
本実施形態の固体撮像装置では、１つのセルにフォトダイオードとこれと対になった転送トランジスタとが２対形成されている。なお、フォトダイオードとこれに接続された転送トランジスタとが３対以上形成される場合もある。また、１つのセル内には第１のＦＤ１００３ａと第２のＦＤ１００３ｂとが設けられているが、１つのＦＤをセル内の複数のフォトダイオードで共用してもよい。また、リセットトランジスタ１０１２、増幅トランジスタ１００８、選択トランジスタ１０２０なども複数のフォトダイオードで共用することができる。なお、本実施形態の画素アレイでは、複数のセルが行列状に配置されるとともに複数のフォトダイオードも行列状に配置されている。
【００９９】
図１５（ａ）〜（ｃ）は、第８の実施形態に係る固体撮像装置の有効画素領域のレイアウトを示す平面図である。図１５（ａ）は、有効画素領域においてポリシリコン配線層と、半導体基板に形成された拡散層またはポリシリコン配線と第１の配線層とを接続するコンタクト（下層コンタクト）とを示しており、（ｂ）は、第１の配線層までに形成された配線と、拡散層等と第１の配線層とを接続するコンタクトと、第１の配線層と第２の配線層とを接続するコンタクトとを示しており、（ｃ）は、第２の配線層に形成された配線をさらに示している。なお、図１５（ａ）〜（ｃ）中の破線はセルの区切りを示している。図１５は画素アレイの一部のみを示しているが、実際には行方向、列方向ともに図１５に示された構成と同様の構成が繰り返されている。
【０１００】
本実施形態の固体撮像装置では、１つのセル内に２つのフォトダイオード（第１のフォトダイオード１００２ａ、第２のフォトダイオード１００２ｂ）が設けられているので、撮像領域（画素アレイ）の単位面積のうちフォトダイオードが占める面積の割合を大きくすることができる。このため、フォトダイオードの感度および飽和特性を向上させることができる。
【０１０１】
本実施形態の固体撮像装置では、画素アレイの上方において、ＦＤ配線１１２０および電源線１００６が第１の配線層に配置されている。そして、垂直信号線１００７は、第１の配線層の上方に形成された第２の配線層に配置されている。そのため、第１の実施形態の固体撮像装置と同様に画素アレイの中心線からの距離に応じて垂直信号線１００７の位置をシフトさせる場合であってもセルに生じる寄生容量のバラツキを抑え、シェーディングの発生を抑えることが可能となる。
【０１０２】
また、本実施形態の固体撮像装置では、１つのフォトダイオードに注目した場合、第１の配線層または第２の配線層に配置された金属配線のうち当該フォトダイオードの行方向（図１５での左右方向）の両側に隣接する部分がフォトダイオードから見て左右対称となっている。図１５に示す例では、垂直信号線１００７のうち平面的に見てフォトダイオードの両隣に隣接する部分同士は当該フォトダイオードを挟んで線対称になっており、電源線１００６、基板コンタクト用配線１１００およびＦＤ配線１１２０についても同様である。この構成により、各フォトダイオードにおいて左側から入射する光と右側から入射する光とが均等になるので、フォトダイオードの面内での感度のバラツキが抑えられ、シェーディングの発生を効果的に抑えることが可能となる。なお、リセットトランジスタ１０１２のゲート配線は図１５（ａ）に示すようにセルごとに同一の形状であってもよいが、フォトダイオードの行方向に隣接するゲート配線は同士がフォトダイオードから見て行方向に対称に配置されていてもよい。
【０１０３】
また、第１の配線層に配置された電源線１００７は、２本が１組となって梯子状となり、１つの列に配置されたフォトダイオードのそれぞれの上方を囲む。第１の配線層に配置された基板コンタクト用配線１１００は電源線１００７と同様に２本が１組となって梯子状となり、１つの列に配置されたフォトダイオードのそれぞれの上方を囲む。一方、第２の配線層に配置された垂直信号線１００７はそれぞれフォトダイオード（またはセル）の列ごとに設けられ、直線上に延びている。この構成により、マイクロレンズによって集光された光のうち、本来フォトダイオードに到達させるべき光が最上層の配線層（ここでは第２の配線層）に配置された配線に遮られにくくなっているので、最上層の配線層に配置された垂直信号線１００７がフォトダイオードの上方を囲む場合に比べ、フォトダイオードの感度および飽和特性を向上させることができる。なお、本実施形態の固体撮像装置では、電源線１００７に囲まれたフォトダイオードの列と基板コンタクト用配線１１００に囲まれたフォトダイオードの列とは交互に配置されている。
【０１０４】
また、本実施形態の固体撮像装置では、画素アレイが設けられた基板上にセルごとに基板コンタクト領域が形成されている。このため、画素アレイ内に形成されたトランジスタの動作を安定化させ、信号の読み出し速度を向上させることができる。
【０１０５】
また、パルス状の電源電圧を供給する電源線１００６がリセットトランジスタ１０１２のドレインに接続されてリセット電源としても機能することにより、配線レイアウトが簡潔になり、フォトダイオードの開口面積の拡大を図ることが可能となる。
【０１０６】
また、本実施形態の固体撮像装置では、図１５（ｃ）に示すように、電源線１００６と垂直信号線１００７とが互いに層間絶縁膜を挟んでほぼ平行な位置に配置されている。さらに、平面的に見て電源線１００６と垂直信号線１００７とはできるだけ重複しないように配置されている。この構成により、垂直信号線１００７を伝搬する信号が電源線１００６からのノイズの影響を受けにくくなっている。
【０１０７】
また、ＦＤと増幅トランジスタ１００８のゲート電極とを接続するＦＤ配線１１２０は、電源線１００６に対してほぼ平行な位置に配置されている。この構成により、ＦＤ配線１１２０に蓄積される電荷が電源線１００６からのノイズの影響を受けにくくなっている。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明にかかる固体撮像装置は、例えばディジタルカメラやビデオカメラなどの撮像装置に好ましく用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＯＳ型の固体撮像装置のセルを示す回路図である。
【図２】第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路図を概略的に示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイのレイアウトを示す平面図である。
【図４】第１の実施形態に係る固体撮像装置の図３に示すIV-IV線間の断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイのレイアウトを示す平面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイのレイアウトを示す平面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイのレイアウトを模式的に示す平面図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイを模式的に示す平面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、第５の実施形態に係る固体撮像装置の遮光画素領域のレイアウトを示す平面図である。
【図１０】第５の実施形態に係る固体撮像装置の図９（ｃ）に示すIX-IX線間の断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、第５の実施形態に係る固体撮像装置において、配線層乗り換え領域内に配置されたセルのレイアウトを示す平面図である。
【図１２】（ａ）は、本発明の第６の実施形態に係る信号処理方法の一例を示すフローチャートであり、（ｂ）は、第６の実施形態に係る信号処理方法を実現する固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイを概略的に示す図である。
【図１４】本発明の第８の実施形態に係る固体撮像装置のセルを示す回路図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は、第８の実施形態に係る固体撮像装置の有効画素領域のレイアウトを示す平面図である。
【図１６】一般的なＭＯＳ型の固体撮像装置のセルを示す回路図である。
【図１７】（ａ）〜（ｃ）は、従来の画素アレイのレイアウト例（第１の従来例）を示す平面図である。
【図１８】画素アレイの従来のレイアウト例（第２の従来例）を示す図である。
【図１９】従来の固体撮像装置において、有効画素領域での画素アレイの断面を示す図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１、５１２、６０１、７０１、９０１、９５１      画素アレイ
２      垂直シフトレジスタ
３      ＣＤＳ回路
４      選択トランジスタ
５      水平シフトレジスタ
６      水平信号線
１０    半導体基板
２０    活性領域
４０    カラーフィルタ
５０    マイクロレンズ
１０１、３０１、４０１、８０１    セル
１０２、３０２、４０２、７０２、８０２      フォトダイオード
１０３、３０３、４０３、７０３、８０３      ＦＤ
１０４、３０４、４０４、７０４、８０４、９６４      転送ゲート配線
１０５、３０５、４０５、７０５、８０５      リセットゲート配線
１０６、３０６、４０６、７０６、８０６      電源線
１０７、３０７、４０７、７０７、８０７      垂直信号線
１０８、３０８、４０８、７０８、８０８      増幅トランジスタ
１０９、３０９、４０９、４１０      コンタクト
１１１、３１１、４１１、７１１、８１１      転送トランジスタ
１１２、３１２、４１２、７１２、８１２      リセットトランジスタ
１２０、３２０、４２０、７２０、８２０      ＦＤ配線
１３０、３３０、４３０      コンタクト領域
５０１、５０２、５０３、５０４、５０５    垂直信号線
５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１  フォトダイオード
５１３      レンズ
５１４、５１５、５１６、５１７      空間
６０２、９５２      有効画素領域
６０３、９５３      遮光画素領域
６０４、９５４      配線層乗り換え領域
９０３      配線乗り換え画素判定部
９０５      ダミー信号生成部
９０７      映像信号処理部
９０９      固体撮像装置
【図１】
2007243093.tif 000003
【図２】
2007243093.tif 000004
【図３】
2007243093.tif 000005
【図４】
2007243093.tif 000006
【図５】
2007243093.tif 000007
【図６】
2007243093.tif 000008
【図７】
2007243093.tif 000009
【図８】
2007243093.tif 000010
【図９】
2007243093.tif 000011
【図１０】
2007243093.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2007243093.tif 000014
【図１３】
2007243093.tif 000015
【図１４】
2007243093.tif 000016
【図１５】
2007243093.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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