JP2008010760A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
固体撮像素子の水平出力回路の出力信号線の浮遊容量や結合容量による分配ゲインの低下やクロストークの増加が問題であった。
【解決手段】
入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する単位画素が、二次元マトリクス状に配置された画素部と、画素部から読み出した電気信号を水平方向に出力する出力配線を有する水平出力部と、カラーフィルタとを有する固体撮像素子において、水平出力部の出力配線の上部のカラーフィルタを除去した。この結果、水平出力回路の出力信号線の浮遊容量や結合容量を低減でき、分配ゲインの増加やクロストークの低減が可能となる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、固体撮像素子に関する。

近年、ＣＭＯＳ（Ｃomplementary Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor）型の固体撮像素子が広く用いられるようになってきた。ＣＭＯＳ型固体撮像素子は、受ける光を電気信号に変換する光電変換部を有する複数の単位画素が二次元アレイ状に配置され、各単位画素の電気信号を一行分毎に読み出して出力する水平出力回路などで構成されている。また、カラー映像を得るために、各色のカラーフィルタがベイヤー配列などで規則的に固体撮像素子の上部に配置されている。

一方、デジタル一眼レフカメラなど高級カメラでは大型撮像素子が使用され、水平出力回路の出力信号線の浮遊容量や配線の抵抗が、大きな問題となってきた。
例えば、水平信号線を最上層に配置することによって、半導体基板と水平信号線との間隔を広げて、寄生容量を低減する技術が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２４１４９５号公報

水平出力回路の出力配線の浮遊容量や配線抵抗が高いと、出カゲインや出力速度に影響を与える。特に、水平出力回路の出力信号線の浮遊容量が大きくなると、出力信号線の浮遊容量と保持容量との比で決まる分配ゲインが小さくなり、出力レベルが低下するという問題が生じる。また、多線出力構成にして出力速度を向上させた場合は、出力信号線の配線が長くなり、信号線間の容量結合による信号のクロストークが増加するという問題もある。

上記課題に鑑み、本発明の目的は、水平出力回路の出力信号線の浮遊容量を減らすことによって、出力信号線間のクロストークを低減した固体撮像素子を提供することである。

本発明に係る固体撮像素子は、入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する単位画素が、二次元マトリクス状に配置された画素部と、前記画素部から読み出した電気信号を水平方向に出力する出力配線を有する水平出力部と、カラーフィルタとを有する固体撮像素子において、前記水平出力部の出力配線の上部のカラーフィルタを除去したことを特徴とする。

特に、前記水平出力部の最上位に位置する出力配線の上部のカラーフィルタを除去したことを特徴とする。
或いは、前記カラーフィルタの下に周囲の絶縁膜よりも屈折率の高い絶縁膜で構成された内部レンズを設け、前記水平出力部の出力配線の上部の前記内部レンズを構成する屈折率の高い絶縁膜の厚さを、前記内部レンズの厚さよりも薄くしたことを特徴とする。

または、前記カラーフィルタの下の絶縁膜の厚さを、前記水平出力部の出力配線の周囲の厚さより前記出力配線の上部の厚さを薄くしたことを特徴とする。

本発明によれば、水平出力回路の出力信号線上のカラーフィルタを除去することによって浮遊容量および信号線間の結合容量を減らし、出力ゲインの低下を防ぐと共に、クロストークを低減することができる。特に、出力信号線を最上層の配線にすることによって、より効果的に実現できる。さらに、内部レンズ層を有する固体撮像素子においては、出力信号線上には内部レンズ層を設けず、内部レンズに必要な高屈折率で高誘電率の材質の膜を薄膜化することで、浮遊容量およびクロストークを低減することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る固体撮像素子について説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１のブロック図で、固体撮像素子１０１の画素部を構成する単位画素１０２と、水平出力回路１０３および１０４と、垂直駆動回路１０５と、定電流供給回路１０６および１０７と、定電流源１０８および１０９と、切替回路１１２および１１３と、列切替信号線１１４と、論理を反転するインバータ１１５と、垂直信号線１１７と、転送信号線１１８と、リセット信号線１１９と、選択信号線１２０と、撮像素子制御回路１２１とで構成される。

切替回路１１２および１１３は、１列目または２列目を選択するスイッチＳＷ１１およびＳＷ１２と、３列目または４列目を選択するスイッチＳＷ２１およびＳＷ２２と、５列目または６列目を選択するスイッチＳＷ３１およびＳＷ３２とで構成され、これらのスイッチによって、奇数列か偶数列かのいずれかを選択する。
尚、図１の切替回路１１３においては、ＳＥＬＣＯＬ信号はインバータ１１５によって論理が反転されて入力されるので、切替回路１１２が偶数列目を選択している時は切替回路１１３は奇数列目を選択し、切替回路１１２が奇数列目を選択している時は切替回路１１３は偶数列目を選択する。尚、以下の説明においては、水平出力回路１０３および１０４の区別は特に明記しないが、インバータ１１５によって、動作が反転すること以外は、水平出力回路１０３および１０４は同様の回路構成で同じように動作する。

定電流供給回路１０６は、各列の垂直信号線１１７に設けられた定電流用のトランジスタＴi１１，Ｔi２１，Ｔi３１，Ｔi４１，Ｔi５１およびＴi６１と、トランジスタＴib１とでカレントミラー回路を構成する。同様に、定電流供給回路１０７は、各列の垂直信号線１１７に設けられた定電流用のトランジスタＴi１２，Ｔi２２，Ｔi３２，Ｔi４２，Ｔi５２およびＴi６２と、トランジスタＴib２とでカレントミラー回路を構成する。固体撮像素子１０１の各単位画素の信号は、これらの定電流供給回路によってソースフォロワ回路を構成する各列の垂直信号線１１７に読み出される。

撮像素子制御回路１２１は、固体撮像素子１０１の各部に以下のタイミング信号を供給する。ＣＡrstはリセット信号、ＳＨsignalは光信号のサンプルホールド信号、ＳＨdarkはダーク信号のサンプルホールド信号、ＨＳＴＲは水平駆動開始信号、ＨＲＳＴは出力リセット信号、ＳＥＬＣＯＬは列切替信号、ＣＬＫＶ１およびＣＬＫＶ２は垂直駆動用信号、ＣＬＫＨ１およびＣＬＫＨ２は水平駆動用信号である。

次に、単位画素１０２の回路構成について、図２を用いて説明する。尚、図１に示すＲＧＢ各色の単位画素の回路構成は全て同じである。図２において、単位画素１０２は、フォトダイオード２０１と、転送用トランジスタ２０２と、画素アンプを構成する増幅用トランジスタ２０３と、選択用トランジスタ２０４と、リセット用トランジスタ２０５と、電源２０６と、接地２０７とで構成される。また、ＴＸは転送用駆動信号、ＦＤＲＳＴはリセット用駆動信号、ＳＥＬは選択用駆動信号、ＦＤは転送用トランジスタ２０２のドレインとリセット用トランジスタ２０５のソースと増幅用トランジスタ２０３のゲートとが接続されるフローティングディフュージョン部をそれぞれ示している。

次に、図１の水平出力回路１０３の回路構成について、図３を用いて説明する。尚、水平出力回路１０４も同じ回路構成である。図３において、水平出力回路１０３は、水平駆動回路３０１と、ノイズリダクション用サンプリング回路３０２と、列増幅回路３０３と、ダーク信号用水平リセット用トランジスタＴHRdと、光信号用水平リセット用トランジスタＴHRsとで構成される。また、Ｓ１からＳ６は１列から６列までの各垂直信号線に出力される電気信号、Ｖoutdはダーク信号出力、Ｖoutsigは光信号出力、Ｈ１からＨ３は水平駆動信号、Ｖrefはリファレンス電圧、３０５は光信号用水平信号線、３０６はダーク信号用水平信号線をそれぞれ示している。また、一点鎖線で囲んだ３０７は、本実施形態の特徴である出力配線部分を示す。

列増幅回路３０３は、差動増幅器からなるチャージアンプＡ１からＡ３と、入力容量Ｃi１からＣi３と、帰還容量Ｃf１からＣf３と、リセット用トランジスタＴr１からＴr３とで構成される。尚、各チャージアンプの増幅率は、例えば、チャージアンプＡ１の場合、入力容量Ｃi１と帰還容量Ｃf１との比Ｃf１／Ｃi１によって決まる。
ノイズリダクション用サンプリング回路３０２は、チャージアンプＡ１からＡ３が出力するオフセット信号を蓄積するダーク信号用容量Ｃtd１からＣtd３と、オフセット信号が重畳された光信号を蓄積する光信号用容量Ｃts１からＣts３と、１列目と２列目の列増幅回路３０３の出力を光信号とダーク信号とに切り替えてそれぞれの容量にホールドさせるサンプルホールド用トランジスタＴh１１およびＴh１２と、同様に３列目と４列目のサンプルホールド用トランジスタＴh２１およびＴh２２と、５列目と６列目のサンプルホールド用トランジスタＴh３１およびＴh３２と、１列目と２列目の光信号とダーク信号とを選択して出力する出力用トランジスタＴa１１およびＴa１２と、同様に３列目と４列目の出力用トランジスタＴa２１およびＴa２２と、５列目と６列目の出力用トランジスタＴa３１およびＴa３２とで構成される。

また、本図において、切替回路１１２は、図１で示したＳＷ１１，２１および３１が具体的な回路で示されている。３０４は論理反転用のインバータ、Ｔs１１とＴs１２のペアは１列目の電気信号Ｓ１か２列目の電気信号Ｓ２のいずれか１つを選択するためのスイッチ用トランジスタ、Ｔs２１とＴs２２のペアは３列目の電気信号Ｓ３か４列目の電気信号Ｓ４のいずれか１つを選択するためのスイッチ用トランジスタ、同様にＴs３１とＴs３２のペアは５列目の電気信号Ｓ５か６列目の電気信号Ｓ６のいずれか１つを選択するためのスイッチ用トランジスタを示している。これらの各ペアのトランジスタの一方のゲートには非反転の信号、他方のゲートにはインバータ３０４で反転した信号が入力されているので、交互にオンオフする。

次に、上記に説明した構成の固体撮像素子１０１の動作について、図４のタイミングチャートを用いて説明する。尚、各信号の初期状態として、Ｔ１の期間が始まる前に、図２のリセット信号線１１９からＦＤＲＳＴ信号がリセット用トランジスタ２０５のゲートに与えられ、各単位画素のＦＤ部はリセットレベルになっている。
先ず、Ｔ１の期間において、ＳＥＬＣＯＬ信号がハイレベルになると、図３の切替回路１１２のスイッチ用トランジスタＴs１１，Ｔs２１，Ｔs３１がオンになり、Ｓ１，Ｓ２およびＳ３の奇数列目の各単位画素から読み出された電気信号が列増幅回路３０３に出力される。尚、他方の切替回路１１３においては、反転されたＳＥＬＣＯＬ信号（ローレベル）が供給されるため、偶数列目の電気信号が水平出力回路１０４に出力される。逆に、ＳＥＬＣＯＬ信号がローレベルになると、インバータ３０４によって論理が反転されたハイレベルの信号がスイッチ用トランジスタＴs１２，Ｔs２２，Ｔs３２の各ゲートに与えられる。これによって、スイッチ用トランジスタＴs１２，Ｔs２２，Ｔs３２はオンになり、Ｓ２，Ｓ４およびＳ６の偶数列目の各単位画素から読み出された電気信号が列増幅回路３０３に出力される。同様に、他方の切替回路１１３においては、反転されたＳＥＬＣＯＬ信号（ハイレベル）が供給されるため、奇数列目の電気信号が水平出力回路１０４に出力される。このように、ＳＥＬＣＯＬ信号によって、奇数列目と偶数列目が交互に選択される。

次に、Ｔ１の前半期間におけるＴ２の期間において、図２の選択用トランジスタ２０４のゲートにＳＥＬ信号が選択信号線１２０から与えられると、選択用トランジスタ２０４がオンになり、その行の画素の信号が垂直信号線１１７に出力される状態になる。それと同時に、ＦＤ部のリセット用トランジスタ２０５のゲートにＦＤＲＳＴ信号のローレベルが入力され、ＦＤ部のリセットが解除され、ＦＤ部のリセットノイズを含むダークレベル信号が増幅用トランジスタ２０３のゲートに入力され、ソースからソースフォロワ出力として出力される。

例えば、読み出す行が１行目だとすれば、１行目の選択用トランジスタ２０４がオンとなる。これにより、１行目の各画素が選択され、増幅用トランジスタ２０３と垂直信号線１１７とが電気的に接続される。この状態で、増幅用トランジスタ２０３が出力するダークレベルの信号が垂直信号線１１７を介して読み出され、各列のチャージアンプＡ１からＡ３の入力容量Ｃi１からＣi３に入力される。

次に、Ｔ２の前半期間におけるＴ３の期間において、ＳＨdark信号が図３のノイズリダクション用サンプリング回路３０２のサンプルホールド用トランジスタＴh１１のゲートに与えられると、チャージアンプＡ１の出力がダーク信号用容量Ｃtd１に蓄積される。同様に、サンプルホールド用トランジスタＴh２１およびＴh３１によって、チャージアンプＡ２およびＡ３の出力がダーク信号用容量Ｃtd２およびＣtd３に蓄積される。この状態で、Ｔ４の期間において、ＣＡrst信号が一時的にハイレベルになり、帰還容量Ｃf１からＣf３がリセットされる。それと同時に、Ｃi１からＣi３のチャージアンプ側はＶrefに固定されるため、Ｃi１からＣi３に各コラムに出力されたリセットノイズを含むダーク信号分とＶrefの差がチャージされる。チャージアンプＡ１からＡ３のダークオフセット電圧が出力され、ダーク信号用容量Ｃtd１からＣtd３にそれぞれ蓄積される。

次に、Ｔ５の期間において、ＳＨsignal信号が図３のノイズリダクション用サンプリング回路３０２のサンプルホールド用トランジスタＴh１２のゲートに与えられると、チャージアンプＡ１の出力が光信号用容量Ｃts１に蓄積される。同様に、サンプルホールド用トランジスタＴh２２およびＴh３２によって、チャージアンプＡ２およびＡ３の出力が光信号用容量Ｃts２およびＣts３に蓄積される。

この状態で、Ｔ６の期間において、図２の転送用トランジスタ２０２のゲートにＴＸ信号が転送信号線１１８から与えられると、フォトダイオード２０１に蓄積した光信号の電荷がＦＤ部、つまり、増幅用トランジスタ２０３のゲートに転送される。増幅用トランジスタ２０３で増幅された電気信号は選択用トランジスタ２０４を介して垂直信号線１１７に出力される。さらに、垂直信号線１１７に出力されたダーク信号と光信号とが重畳された電気信号は、各列のチャージアンプＡ１からＡ３において、先にＣi１からＣi３に蓄積されていたダーク信号分から変化した正味の光信号分のみが反転増幅され、反転増幅された光信号とチャージアンプＡ１からＡ３のオフセットが光信号用容量Ｃts１からＣts３のそれぞれに蓄積される。その結果、画素のリセットノイズは除去される。

次に、Ｔ７の期間において、図３の水平駆動信号Ｈ１が出力用トランジスタＴa１１およびＴa１２のゲートに与えられると、出力用トランジスタＴa１１およびＴa１２のそれぞれがオンになり、ダーク信号用容量Ｃtd１に蓄積されていたダーク信号はダーク信号用水平信号線３０６を介して出力アンプＡＶ２に入り、増幅されてＶoutdから出力され、光信号用容量Ｃts１に蓄積されていた光信号は光信号用水平信号線３０５を介して出力アンプＡＶ１に入り、増幅されてＶoutsigから出力される。尚、一つの信号が出力される毎に、光信号用水平信号線３０５およびダーク信号用水平信号線３０６は、水平リセット用トランジスタＴhrdおよびＴhrsのゲートに水平リセット信号ＲＳＴＨが与えられることにより、リセットされる。

同様に、Ｔ８の期間において、水平駆動回路３０１が出力する水平駆動信号Ｈ２がハイレベルとされ、出力用トランジスタＴa２１およびＴa２２のそれぞれがオンになり、ダーク信号はダーク信号用水平信号線３０６を介して出力され、光信号は光信号用水平信号線３０５を介して出力される。そして、図示されない外部の引き算回路で光信号とダーク信号の引き算を行うことにより、チャージアンプＡ１のオフセットが除去される。Ｔ９の期間においても、水平駆動信号Ｈ３によって、出力用トランジスタＴa３１およびＴa３２のそれぞれがオンになり、Ｔ７およびＴ８の期間と同様に動作する。

このようにして、１行の画素から信号の読み出しが行われる。続いて次の行の読み出しが行われる。但し、次の行においては、ＳＥＬＣＯＬ信号はローレベルになる。従って、切替回路１１２は偶数列を選択し、切替回路１１３は奇数列を選択する。
尚、これらの動作は、水平出力回路１０３と水平出力回路１０４とで、同時に行われ、合計二組の信号が一度に出力されるので、高速読み出しが可能となる。

次に、図３における水平出力回路１０３の出力配線部分３０７の断面ＡＢについて、図５を用いて説明する。図５において、５０１は誘電率ε＝１１．８のシリコン基材（Ｓｉ）、５０２は誘電率ε＝４．３の酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）、５０３は誘電率ε＝７．５で厚さｔ＝１．３μｍの窒化シリコン膜（ＳｉＮ）、５０４は誘電率ε＝１．０の空気層（Ａｉｒ）である。また、断面で示した信号線Ｓ１およびＳ２は、図３の水平出力回路１０３の出力配線部分３０７の光信号用水平信号線３０５およびダーク信号用水平信号線３０６にそれぞれ対応する。同様に断面で示したＧ１，Ｇ２およびＧ３は、信号線にノイズが載らないように、光信号用水平信号線３０５およびダーク信号用水平信号線３０６の信号線間および信号線の外側に配置されたグランド線である。

ここで、本実施形態の効果を説明するために、比較例を示す。図６はカラーフィルタ層がある従来の断面図であり、水平出力回路１０３の出力配線部分３０７の断面ＡＢに相当する。図６において、誘電率ε＝４．３で厚さｔ＝２．５μｍのカラーフィルタ層５０５がある以外は、図５と同じである。
図５および図６において、信号線Ｓ１およびＳ２の上部の厚さを比べてみると、本実施形態の図５では信号線Ｓ１およびＳ２の上部に厚さｔ＝１．３μｍの窒化シリコン膜（ＳｉＮ）５０３があるだけである。一方、比較例の図６では、信号線Ｓ１およびＳ２の上部に誘電率の高い厚さｔ＝１．３μｍの窒化シリコン膜（ＳｉＮ）５０３と厚さｔ＝２．５μｍのカラーフィルタ層５０５があるので、信号線Ｓ１およびＳ２とグランド線Ｇ１，Ｇ２およびＧ３との間の浮遊容量を増大させる。さらに、グランド線を超えて信号線Ｓ１とＳ２の間の結合容量も増大させて、信号線Ｓ１とＳ２の間のクロストークを悪化させる。

一般に、出力配線部分３０７にある信号線Ｓ１やＳ２などの配線層は、シリコン基材（Ｓｉ）５０１との間の浮遊容量を小さくするため、例えば３層の配線層の場合は最上位にある３層目の金属配線層を使用している。ところが、出力配線部分３０７の上部には、高誘電率のカラーフィルタ層５０５があり、最上部における配線層の浮遊容量が問題となる。特に、水平出力回路１０３の信号線Ｓ１およびＳ２への出力を、保持容量を介した電圧出力で行う場合は、信号をローノイズで読み出せる利点はあるが、信号線の浮遊容量Ｃｈが大きくなると、信号線の浮遊容量Ｃｈと保持容量Ｃｔとで決まる分配ゲインＧ＝Ｃｔ／（Ｃｔ＋Ｃｈ）が小さくなるという問題がある。また、多線出力で出力速度を向上させた場合には、長い配線により、信号線間の結合容量が増大し、信号のクロストークが増加する。

本発明によれば、出力配線部分３０７にある信号線Ｓ１およびＳ２を最上層の配線にするとともに配線上のマイクロレンズ層とカラーフィルタ層とを除去して、信号線の浮遊容量を減らすとともに信号線間の結合容量を減らし、分配ゲインの増加およびクロストークの減少が可能となる。
ここで、シミュレーションによる計算結果について説明する。図５のように出力配線部分３０７の上部にカラーフィルタ層５０５がある場合は、信号線Ｓ１およびＳ２の配線長当たりの浮遊容量は０．１４５ｆＦ／μｍ程度となり、その約４．６％が信号線間の結合容量となる。これに対して、本実施形態の場合は、信号線Ｓ１およびＳ２の配線長当たりの浮遊容量は約０．１３９ｆＦ／μｍとなり、その約３．４％が信号線間の結合容量となる。尚、信号線間の結合容量はクロストークに比例するので、結合容量が小さくなった分だけ、クロストークも低減できる。また、上記の計算結果は、図１に示した固体撮像素子１０１の６×６画素の場合ではない。

このように、本実施形態に係る固体撮像素子は、画素の周辺部、特に水平出力回路の出力配線部分の上部のカラーフィルタ層を除去することによって、信号線の浮遊容量や信号線間の結合容量を小さくし、分配ゲインの増加およびクロストークの減少が可能となり、信号品質の劣化を少なくできる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る固体撮像素子について図７を用いて説明する。尚、固体撮像素子の回路構成および動作は第１の実施形態の固体撮像素子１０１と同じなので、説明を省略する。第１の実施形態と異なるのは、図３における水平出力回路１０３の出力配線部分３０７の断面ＡＢの構造である。第１の実施形態では、水平出力回路１０３の出力配線部分３０７の上部のカラーフィルタ層を除去しただけであったが、本実施形態の場合は、図６のカラーフィルタ層５０５の下にある絶縁膜を形成する窒化シリコン膜（ＳｉＮ）５０３の厚さも薄くする。図７において、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）５０３ｂは厚さｔ＝０．３μｍで、第１の実施形態の図５の窒化シリコン膜（ＳｉＮ）５０３の厚さｔ＝１．３μｍより薄い。つまり、誘電率の高い（ε＝７．５）層が薄いので、信号線Ｓ１およびＳ２の浮遊容量や結合容量は図５の場合に比べてさらに小さくなる。

尚、シミュレーションによる計算結果では、図５の第１の実施形態のように窒化シリコン膜（ＳｉＮ）５０３が１．３μｍ場合は、信号線Ｓ１およびＳ２の配線長当たりの浮遊容量は約０．１３９ｆＦ／μｍで、その約３．４％が信号線間の結合容量であったが、本実施形態の窒化シリコン膜（ＳｉＮ）５０３ｂのように、約０．３μｍまで薄膜化した場合では、信号線Ｓ１およびＳ２の浮遊容量は約０．１２４ｆＦ／μｍとなり、その約１．８％が信号線間の結合容量となる。

このように、水平出力回路１０３の出力配線部分３０７の上部のカラーフィルタ層５０５を除去しただけの第１の実施形態に比べて、さらに分配ゲインの増加およびクロストークの減少が可能となり、信号品質が改善される。尚、本実施形態では、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）５０３ｂの厚さを０．３μｍとしたが、この厚さに限らない。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る固体撮像素子ついて説明する。尚、固体撮像素子の回路構成および動作は第１の実施形態の固体撮像素子１０１と同じなので、説明を省略する。第１および第２の実施形態と異なるのは、固体撮像素子１０１の撮像面に効率的に集光させるための内部レンズを有していることである。

図８は、図３において画素周辺部の出力配線部分３０７の断面ＡＢの構造と、周辺部に隣接する画素部の断面構造とを連続して描いた図である。尚、同図（ａ）および（ｂ）の違いは、出力配線部分の上部の窒化シリコン膜（ＳｉＮ）６０１および６０２の厚さが異なる点だけである。
図８（ａ）において、７０１は光電変換部を構成するフォトダイオード、７０２，７０３および７０４は酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）５０２に内に形成された画素部の１層目と２層目の配線、７０５も酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）５０２内に形成された３層目に位置する遮光膜、７０６は窒化シリコン膜（ＳｉＮ）に形成された内部レンズ（ＩＬ）、７０７はカラーフィルタ層（ＣＯＦ）、７０８はマイクロレンズ（ＭＬ）をそれぞれ示している。

出力配線部分３０７の上部の窒化シリコン膜（ＳｉＮ）６０１は、内部レンズ７０６の厚さｈ１と同じ厚さｔ＝１．３μｍになっている。また、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）６０１の上のカラーフィルタ層７０７は、第１の実施形態と同様に除去されており、誘電率ε＝１の空気層（Ａｉｒ）があるだけである。従って、この場合は、第１の実施形態と同様の効果が得られ、信号線Ｓ１およびＳ２の浮遊容量および結合容量は小さくなって、分配ゲインの増加およびクロストークの減少が可能となり、信号品質が改善される。

次に、図８（ｂ）の構成は同図（ａ）の構成と同じであるが、出力配線部分３０７の上部の窒化シリコン膜（ＳｉＮ）６０２は、内部レンズ７０６の周囲の厚さｈ２と同程度の厚さ０．３μｍになっている。尚、ここでも窒化シリコン膜（ＳｉＮ）６０２の上のカラーフィルタ層７０７は、第１の実施形態と同様に除去されており、誘電率ε＝１の空気層があるだけである。従って、第２の実施形態と同様の効果が得られ、信号線Ｓ１およびＳ２の浮遊容量および結合容量は、同図（ａ）の場合より、さらに小さくなり、分配ゲインの増加およびクロストークの減少が可能となり、信号品質の劣化がより少なくなる。

ここで、シミュレーションによる計算結果について説明する。図８（ａ）のように、マイクロレンズ７０８とカラーフィルタ層７０７とを除去して、１．３μｍの窒化シリコン膜（ＳｉＮ）６０１だけにした場合は、第１の実施形態の図５と同様に、信号線Ｓ１およびＳ２の浮遊容量は約０．１３９ｆＦ／μｍとなり、その約３．４％が信号線間の結合容量となる。さらに、図８（ｂ）のように窒化シリコン膜（ＳｉＮ）を０．３μｍまで薄膜化した場合は、第２の実施形態の図７と同様に、信号線Ｓ１およびＳ２の浮遊容量は約０．１２４ｆＦ／μｍとなり、その約１．８％が信号線間の結合容量となる。

このように、図６の場合に比べると、信号線の浮遊容量で約１３．８％が減少し、信号線間の結合容量に比例するクロストークは約１／３まで低減することができる。
尚、本実施形態では、内部レンズ７０６のレンズの厚さを１．３μｍ、レンズ周辺の厚さを０．３μｍとしたが、この厚さに限らず、出力配線部分３０７の上部の厚さを、内部レンズ７０６のレンズ部分の厚さより薄くなるようにすればよい。また、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）６０２を完全に除去せずにわずかに残しておくことで、湿度による配線層の劣化を予防するパシベーション膜としての効果を持たせることもできる。

また、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）６０２の厚みの調整は、内部レンズを形成するプロセスで、内部レンズ部分だけをマスクしてエッチングすることで、専用の工程を設けることなく製造可能である。
以上、本発明に係る固体撮像素子の各実施形態について説明してきたが、図１のように、水平出力回路１０３および１０４の２系統ある固体撮像素子１０１だけでなく、図９に示すような水平出力回路１０３の１系統だけの固体撮像素子１０１ｂにおいても、上記の各実施形態の効果は同じである。尚、図９において、図１と同符号のものは同じものを示し、図１と同様に動作するので、重複する説明は省略する。

さらに、各実施形態の説明では、分かり易いように６×６画素の固体撮像素子１０１として説明したが、１６００×１２００画素のような高解像度の固体撮像素子でも同様に実現できる。特に、固体撮像素子自体が大きい場合、水平出力回路の出力配線の長さが長くなって、信号線の浮遊容量や結合容量の影響が大きくなるので、本発明の効果はさらに大きくなる。

第１の実施形態に係る固体撮像素子の回路構成図である。 単位画素の回路図である。 切替回路１１２および水平出力回路１０３の回路図である。 第１の実施形態に係る固体撮像素子のタイミングチャートである。 第１の実施形態に係る固体撮像素子の出力配線部分の断面図である。 カラーフィルタ層がある場合の固体撮像素子の出力配線部分の断面図である。 第２の実施形態に係る固体撮像素子の出力配線部分の断面図である。 第３の実施形態に係る固体撮像素子の出力配線部分の断面図である。 固体撮像素子のその他の回路構成図である。

符号の説明

１０１・・・固体撮像素子 １０２・・・単位画素
１０３，１０４・・・水平出力回路 １０５・・・垂直駆動回路
１０６，１０７・・・定電流供給回路
１１２，１１３・・・切替回路 １１７・・・垂直信号線
２０１・・・フォトダイオード
３０２・・・ノイズリダクション用サンプリング回路
３０５・・・出力配線部分 ５０１・・・シリコン基材
５０２・・・酸化シリコン膜 ５０３・・・窒化シリコン膜
５０４・・・空気層 ５０５，７０７・・・カラーフィルタ層
７０６・・・内部レンズ ７０８・・・マイクロレンズ

Claims (4)

1. 入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する単位画素が二次元マトリクス状に配置された画素部と、前記画素部から読み出した電気信号を水平方向に出力する出力配線を有する水平出力部と、カラーフィルタとを有する固体撮像素子において、
   前記水平出力部の出力配線上部のカラーフィルタを除去したことを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子において、
   前記水平出力部の最上位に位置する出力配線上部のカラーフィルタを除去したことを特徴とする固体撮像素子。
3. 入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する単位画素が二次元マトリクス状に配置された画素部と、前記画素部から読み出した電気信号を水平方向に出力する出力配線を有する水平出力部と、カラーフィルタと、前記カラーフィルタの下に周囲の絶縁膜よりも屈折率の高い絶縁膜からなる内部レンズとを有する固体撮像素子において、
   前記水平出力部の出力配線上部にかかる前記屈折率の高い絶縁膜の厚さを、前記内部レンズ部分の厚さより薄くしたことを特徴とする固体撮像素子。
4. 入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する単位画素が二次元マトリクス状に配置された画素部と、前記画素部から読み出した電気信号を水平方向に出力する出力配線を有する水平出力部と、カラーフィルタと、前記カラーフィルタの下に絶縁膜とを有する固体撮像素子において、
   前記水平出力部の出力配線上部にかかる前記絶縁膜の厚さを、前記水平出力部の出力配線の周囲の厚さより薄くしたことを特徴とする固体撮像素子。

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