JP2010021289A - 撮像装置、撮像システム、及び撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カラーフィルタ層の上面における平坦性を確保しながら、複数の出力線の間におけるクロストークを低減する。
【解決手段】撮像装置は、撮像領域と、前記撮像領域の周辺に位置する周辺領域と有する撮像装置であって、前記撮像領域に配され、複数の画素が配列された画素配列と、前記周辺領域に配され、前記画素配列から信号を読み出す読み出し部と、前記周辺領域に配された出力部と、前記周辺領域に配され、前記読み出し部から転送された信号を前記出力部へ伝達する複数の出力線と、前記撮像領域および前記周辺領域に配され、前記複数の画素の上方に配されたカラーフィルタからなるカラーフィルタ層とを備え、前記カラーフィルタ層は、前記複数の出力線を囲むように延びているとともに前記複数の出力線の上に配された開口を有し、前記カラーフィルタ層の開口は、気体により、又は、前記カラーフィルタより低い誘電率を有する絶縁物により満たされている。
【選択図】図４

Description

本発明は、撮像装置、撮像システム、及び撮像装置の製造方法に関する。

撮像装置は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサとＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＭＯＳ：相補的ＭＯＳ）センサとに大別される。初期のＣＭＯＳセンサにおいては、ノイズが大きく、ＣＣＤに比べて画質に劣るとされてきた。しかし、近年のノイズ低減技術の進歩により、現在では、ＣＭＯＳセンサは、ＣＣＤと同等程度まで画質を向上してきている。

特許文献１には、２組の光信号用の出力線（以下、Ｓ出力線とする）とノイズ信号用の出力線（以下、Ｎ出力線とする）とを配し、それらから差分信号を増幅して読み出すためのＳ−Ｎ読み出し回路を２つ設けて、高速化を図ることが記載されている。そして、出力線は、第１Ｓ出力線、第１Ｎ出力線、第２Ｎ出力線、第２Ｓ出力線の順に配置されている。このような配置順にすることで、第１Ｓ出力線を第２Ｓ出力線及び第２Ｎ出力線から遠ざけて、第１Ｓ出力線と第２Ｓ出力線及び第２Ｎ出力線との間に形成されるカップリング容量を低減している。同様に、第２Ｓ出力線を第１Ｓ出力線及び第１Ｎ出力線から遠ざけて、第２Ｓ出力線と第１Ｓ出力線及び第１Ｎ出力線との間に形成されるカップリング容量を低減している。これらにより、特許文献１によれば、２組のＳ出力線とＮ出力線との間における容量性カップリングによって発生するクロストークを低減できるとされている。 一方、特許文献２には、複数のカラーフィルタのアレイ以外の所定の非フィルタ領域に、ダミーパターンを形成することが開示されている。これにより、特許文献２によれば、カラーフィルタ上の平滑層の平坦性を確保して焦点ずれや画像ぼけを解消し、かつ、周囲の散乱光による画質の劣化を回避することができるので、ＣＭＯＳセンサにより得られる画像の画質を向上できるとされている。
特開２００４−１５３６８２号公報 特開平１１−３３０４４４号公報

特許文献２に示された技術では、カラーフィルタと同じ物質で形成されたダミーパターンが、カラーフィルタ上の平滑層の平坦性を確保するために設けられるので、画素配列以外の大部分の領域に配されると考えられる。

ここで、仮に、特許文献１の技術に特許文献２の技術を適用すると、２組のＮ出力線及びＳ出力線の上にもダミーパターンが配されることになる。この場合、複数の出力線上にカラーフィルタのダミーパターンを形成しなかった場合に比べて、出力線間の誘電率が高くなる。ダミーパターンにより出力線間の誘電率が高くなると、出力線間のカップリング容量が増大し、出力線同士の容量性カップリングによるクロストークが増大する可能性がある。

出力線間の誘電率が高い場合、チップサイズ縮小のために出力線間の距離を近づけると、この出力線間の距離が短くなっていくことに対するカップリング容量の増加分がより大きくなる。その結果、出力線間の距離を一定以上に近づけることが困難になり、チップサイズを縮小することができない。

本発明の目的は、複数の出力線の間におけるクロストークを低減することにある。

本発明の第１側面に係る撮像装置は、撮像領域と、前記撮像領域の周辺に位置する周辺領域と有する撮像装置であって、前記撮像領域に配され、複数の画素が配列された画素配列と、前記周辺領域に配され、前記画素配列から信号を読み出す読み出し部と、前記周辺領域に配された出力部と、前記周辺領域に配され、前記読み出し部から転送された信号を前記出力部へ伝達する複数の出力線と、前記撮像領域および前記周辺領域に配され、前記複数の画素の上方に配されたカラーフィルタからなるカラーフィルタ層とを備え、前記カラーフィルタ層は、前記複数の出力線を囲むように延びているとともに前記複数の出力線の上に配された開口を有し、前記カラーフィルタ層の開口は、気体により、又は、前記カラーフィルタより低い誘電率を有する絶縁物により満たされていることを特徴とする。

本発明の第２側面に係る撮像システムは、本発明の第１側面に係る撮像装置と、前記撮像装置の撮像面へ像を形成する光学系と、前記撮像装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部とを備えたことを特徴とする。

本発明の第３側面に係る撮像装置の製造方法は、撮像領域と、前記撮像領域の周辺に位置する周辺領域と有する撮像装置の製造方法であって、複数の画素が配列された画素配列を前記撮像領域に形成し、前記画素配列から信号を読み出す読み出し部と、出力部と、前記読み出し部から転送された信号を前記出力部へ伝達する複数の出力線とを前記周辺領域に形成する工程と、前記撮像領域および前記周辺領域におけるカラーフィルタを含む第１の樹脂層を形成する工程と、前記撮像領域および前記周辺領域における前記第１の樹脂層の上に第２の樹脂層を形成する工程と、前記第２の樹脂層の上面を平坦化する工程と、前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層における前記複数の出力線の上に位置する部分を除去し、前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層の開口を形成する工程とを備え、前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層の開口は、気体により、又は、前記複数のカラーフィルタのそれぞれより低い誘電率を有する絶縁物により満たされていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の出力線の間におけるクロストークを低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る撮像装置１００の構成を、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る撮像装置１００の構成図である。図２は、撮像装置１００における画素の構成を示す図である。図３は、撮像装置１００におけるカラーフィルタ層の構成を示す図である。

撮像装置１００は、撮像領域ＩＲと周辺領域ＰＲとを有する。撮像領域ＩＲは、被写体の撮像が行われる領域である。周辺領域ＰＲは、撮像領域ＩＲの周辺に位置する領域である。

撮像領域ＩＲには、画素配列ＰＡが配される。周辺領域ＰＲには、垂直走査回路１２０、読み出し回路（読み出し部）１３０、水平走査回路１４０、出力線群（複数の出力線）１６０、及び出力部１５０が配される。撮像領域ＩＲ及び周辺領域ＰＲには、カラーフィルタ層３１０（図４参照）が配される。

画素配列ＰＡでは、複数の画素１１０が２次元状に（行方向及び列方向に）配列されている。各画素１１０は、図２に示すように、リセットトランジスタ２５、光電変換部２７、転送ゲート９、フローティングディフュージョン（以下、ＦＤとする）７、及び、増幅トランジスタ２９を含む。リセットトランジスタ２５は、ＦＤ７をリセットする。光電変換部２７は、光電変換により、入射した光に応じた電荷（信号）を発生させるとともに蓄積する。光電変換部２７は、例えば、フォトダイオードである。転送ゲート９は、光電変換部２７により蓄積された電荷（信号）をＦＤ７へ転送する。ＦＤ７は、電荷（信号）を電圧（信号）に変換する。増幅トランジスタ２９は、ＦＤ７から入力された信号を増幅して列信号線ＲＬへ出力する。増幅トランジスタ２９は、ＦＤ７がリセットされた状態でノイズ信号を列信号線ＲＬへ出力する。増幅トランジスタ２９は、光電変換部２７からＦＤ７へ電荷が転送された状態で光信号を列信号線ＲＬへ出力する。

なお、ノイズ信号は、ＦＤ７がリセットされた状態で画素から出力される信号という意味でリセット信号と言い換えることができる。

垂直走査回路１２０は、画素配列ＰＡを垂直方向に走査し、画素１１０を行単位で選択する。垂直走査回路１２０は、制御信号ＶＤ，ＶＣＬＫを受けて、画素１１０を選択するための信号や画素１１０を駆動するための信号を画素配列ＰＡに供給する。

読み出し回路１３０は、画素配列ＰＡから信号を読み出す。読み出し回路１３０は、読み出しスイッチ、保持容量Ｃｔｓ，Ｃｔｎ、及び水平転送スイッチを、画素配列ＰＡの列ごとに含む。保持容量Ｃｔｓは、垂直走査回路１２０により選択された画素１１０から出力された光信号を列信号線ＲＬ及び読み出しスイッチ経由で受けて保持する。保持容量Ｃｔｎは、垂直走査回路１２０により選択された画素１１０から出力されたノイズ信号を列信号線ＲＬ及び読み出しスイッチ経由で受けて保持する。水平転送スイッチ２５０は、保持容量Ｃｔｓ，Ｃｔｎと出力線群１６０との接続を開閉する。水平転送スイッチ２５０は、閉状態において、保持容量Ｃｔｓ，Ｃｔｎに保持された信号を出力線群１６０へ転送する。

なお、読み出し回路１３０は、１行分の信号を一時的に蓄積するためのメモリという意味でラインメモリと言い換えることができる。

水平走査回路１４０は、読み出し回路１３０を水平方向に走査し、各２列の保持容量Ｃｔｓに保持された光信号を順次に出力線群１６０へ転送する。水平走査回路１４０は、各２列の保持容量Ｃｔｎに保持されたノイズ信号を順次に出力線群１６０へ転送する。水平走査回路１４０は、制御信号ＨＤ，ＨＣＬＫを受けて、各２列の保持容量Ｃｔｓ及びＣｔｎに保持された信号を出力線群１６０へ転送するための制御信号を読み出し回路１３０に供給する。

出力線群１６０は、読み出し回路１３０から転送された光信号及びノイズ信号を２列単位で出力部１５０へ伝達する。

出力線群１６０は、第１の出力線及び第２の出力線をそれぞれ複数含む。第１の出力線は、読み出し回路１３０から出力された光信号（第１の信号）を伝達する。第２の出力線は、読み出し回路１３０から出力されたノイズ信号（第２の信号）を伝達する。すなわち、出力線群１６０は、図１に示すように、第１Ｓ出力線（第１の出力線）１７０ａ、第１Ｎ出力線（第２の出力線）１７０ｂ、第２Ｓ出力線（第１の出力線）１７０ｄ、及び第２Ｎ出力線（第２の出力線）１７０ｃを含む。そして、第１Ｓ出力線１７０ａ及び第１Ｎ出力線１７０ｂ、第２Ｓ出力線１７０ｄ及び第２Ｎ出力線１７０ｃは、それぞれ１つの組となっている。

出力部１５０は、複数の差動アンプ（複数の差分回路）１５０ａ、１５０ｂを含む。複数の差動アンプ１５０ａ、１５０ｂのそれぞれは、組となった第１の出力線及び第２の出力線を介してそれぞれ伝達された光信号とノイズ信号との差分信号を生成する。複数の差動アンプ１５０ａ、１５０ｂのそれぞれは、生成した差分信号を出力端子１８０ａ，１８０ｂ経由で出力する。

カラーフィルタ層３１０は、図３に示すように、複数の画素１１０の上方に複数のカラーフィルタを含む。複数のカラーフィルタのそれぞれは、可視領域における所定の波長の光が画素に入射するように、その所定の波長（例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長）の光を選択的に透過する。カラーフィルタ層３１０は、撮像領域ＩＡから周辺領域ＰＲまで延在して形成されている。カラーフィルタ層３１０は、出力線群１６０の上（出力線形成領域４０１）に開口３１０ａを有する。すなわち、カラーフィルタ層３１０は、出力線形成領域４０１以外の領域を覆うように形成されている。これにより、カラーフィルタ層３１０は、その上面における平坦性を確保しやすい。

ここで、カラーフィルタ層は、単色の、１層のカラーフィルタから構成されていてもよい。適宜設定可能である。

次に、出力線間のクロストーク量とカップリング容量との関係を、図４を用いて説明する。図４は、図３のＡ−Ａ’線における概略断面図である。

光電変換部５は、半導体基板ＳＢにおける半導体領域として形成されている。

水平転送スイッチ２５０は、半導体基板ＳＢに形成された２つの半導体領域をソース・ドレインとし、半導体基板ＳＢの上に形成された電極をゲートとするＭＯＳトランジスタとして形成されている。

層間絶縁膜３３０は、半導体基板ＳＢの上に配されている。層間絶縁膜３３０の上には、出力線群１６０を含む最上の配線層が配されている。

パッシベーション層３２０は、出力線群１６０を含む最上の配線層を覆うように配されている。パッシベーション層３２０は、例えば、ＳｉＮで形成されている。これにより、パッシベーション層３２０は、配線層及び半導体素子の耐久性を確保する。

カラーフィルタ層３１０は、パッシベーション層３２０の上に配されている。カラーフィルタ層３１０の開口３１０ａは、パッシベーション層３２０における出力線群１６０を覆っている部分を露出している。カラーフィルタ層３１０の開口３１０ａは、気体（例えば、空気）により満たされている。

出力線群１６０における出力線間には、図４に示すように、カップリング容量Ｃｐ１〜Ｃｐ４が形成される。すなわち、第１Ｓ出力線１７０ａと第２Ｎ出力線１７０ｃとの間には、カップリング容量Ｃｐ１が形成される。第１Ｓ出力線１７０ａと第２Ｓ出力線１７０ｄとの間には、カップリング容量Ｃｐ２が形成される。第１Ｎ出力線１７０ｂと第２Ｎ出力線１７０ｃとの間には、カップリング容量Ｃｐ３が形成される。第１Ｎ出力線１７０ｂと第２Ｓ出力線１７０ｄとの間には、カップリング容量Ｃｐ４が形成される。なお、以下の図５の説明では、カップリング容量Ｃｐ３を便宜的にカップリング容量Ｃｐとして説明する。

カップリング容量Ｃｐを介して第２Ｓ出力線１７０ｄから第１Ｎ出力線１７０ｂへ電荷が移動する様子を図５の等価回路を用いて説明する。図５の（ａ）は、保持容量Ｃｔ１ｎ及びＣｔ２ｓから出力線へ信号が転送される前の状態（ｔ＝０）における第１Ｎ出力線１７０ｂと第２Ｓ出力線１７０ｄとに関する等価回路を示す。図５の（ｂ）は、保持容量Ｃｔ１ｎ及びＣｔ２ｓから出力線へ信号が転送された状態（ｔ＝ｔ１）における第１Ｎ出力線１７０ｂと第２Ｓ出力線１７０ｄとに関する等価回路を示す。図５の（ａ）及び図５の（ｂ）の等価回路において、Ｃｈ１ｎは、第１Ｎ出力線１７０ｂの寄生容量を示し、Ｃｈ２ｓは、第２Ｓ出力線１７０ｄの寄生容量を示す。

ｔ＝０において、保持容量Ｃｔ１ｎへのノイズ信号のサンプリングと、Ｃｔ２ｓへの光信号のサンプリングとは終了しているものとする。各ノードの電圧を次のように定義する。

図５の（ａ）において、保持容量Ｃｔ１ｎは、ｐｉｘ＿ｏｕｔ１からきた画素からのノイズ信号をサンプリングするためのサンプルホールド容量である。簡単化のため、図中のノードａの電圧Ｖａは０とし、ｔ＝０の時点でＣｔ１ｎには電荷は蓄積されていないものとする。保持容量Ｃｔ２ｓは、ｐｉｘ＿ｏｕｔ２からきた、Ｃｔ１ｎとは別の画素の光信号をサンプリングするためのサンプルホールド容量であり、ｔ＝０において、図中のｂで示すノードの電圧をＶｂとする。また、ｔ＝０において、第１Ｎ出力線１７０ｂおよび第１Ｓ出力線１７０ａは接地電位にリセットされているものとし、容量Ｃｈ１ｎ、Ｃｈ２ｓ、Ｃｐ、それぞれの端子間電圧は０とし、電荷は蓄積されていないものとする。

ここで、Ｃｔ１ｎ＝Ｃｔ２ｓ＝Ｃｔ、Ｃｈ１ｎ＝Ｃｈ２ｓ＝Ｃｈとし、ｔ＝ｔ１における第２Ｓ出力線１７０ｄの電位をＶｄで表すと、上記の条件から、電荷保存の法則により以下の等式が成り立つ。

Ｃｔ×Ｖｂ＝［Ｃｔ＋Ｃｈ＋｛Ｃｐ×（Ｃｔ＋Ｃｈ）｝／｛Ｃｐ＋Ｃｔ＋Ｃｈ｝］×Ｖｄ・・・数式１
数式１をＶｄについて解くと、
Ｖｄ＝Ｃｔ／［Ｃｔ＋Ｃｈ＋｛Ｃｐ×（Ｃｔ＋Ｃｈ）｝／｛Ｃｐ＋Ｃｔ＋Ｃｈ｝］×Ｖｂ・・・数式２
となる。

また、ｔ＝ｔ１における第１Ｎ出力線１７０ｂの電位Ｖｃは、Ｖｄを用いた以下の式で表すことが出来る。

Ｖｃ＝Ｃｐ／（Ｃｔ＋Ｃｈ＋Ｃｐ）×Ｖｄ・・・数式３
数式２を数式３へ代入すると、Ｖｃは、以下の式のようになる。

Ｖｃ＝Ｃｐ／（Ｃｔ＋Ｃｈ＋Ｃｐ）×Ｃｔ／［Ｃｔ＋Ｃｈ＋｛Ｃｐ×（Ｃｔ＋Ｃｈ）｝／｛Ｃｐ＋Ｃｔ＋Ｃｈ｝］×Ｖｂ
＝Ｃｐ×Ｃｔ／［（Ｃｔ＋Ｃｈ）×（２×Ｃｐ＋Ｃｔ＋Ｃｈ）］×Ｖｂ・・・数式４
ここで、Ｃｔ、Ｃｈ＞＞Ｃｐとすると、
２×Ｃｐ＋Ｃｔ＋Ｃｈ≒Ｃｔ＋Ｃｈ・・・数式５
と近似することができる。また、ＣｐをＣｈの関数として、
Ｃｐ＝ａ×Ｃｈ（ａは正の小数）・・・数式６
とすると、数式５及び数式６を数式４へ代入することにより、Ｖｃは以下のようになる。

Ｖｃ＝ａ×Ｃｈ×Ｃｔ／（Ｃｔ＋Ｃｈ）^２×Ｖｂ・・・数式７
数式７より、Ｃｐの係数であるａが大きいほど、本来０であるＶｃの電圧が高くなり、クロストーク量が大きくなることがわかる。

逆に、カップリング容量Ｃｐが０であれば、数式６からａ＝０となり、図５の等価回路において、第１Ｎ出力線１７０ｂと第２Ｓ出力線１７０ｄとの間では、クロストークが発生しない。

なお、第１Ｓ出力線１７０ａから第２Ｎ出力線１７０ｃへ、第１Ｓ出力線１７０ａから第２Ｓ出力線１７０ｄへ、などの他の出力線間でのクロストークに関しても同様の考え方で求まる。

もし、上記で示したクロストークが光信号とノイズ信号とのなかに等しく含まれていれば、後段の差動アンプ１５０ａ、１５０ｂで光信号とノイズ信号の差分をとる際に除去することが可能である。だが、実際には配線間の距離の違いによって各出力線に対するカップリング容量が異なることにより、クロストークに起因したノイズを除去することはできない。

例えば、図４に示す第１Ｓ出力線１７０ａが受けるクロストーク（Ｃｐ１＋Ｃｐ２）と、第１Ｎ出力線１７０ｂが受けるクロストーク（Ｃｐ３＋Ｃｐ４）とは、異なっている。これにより、差動アンプ１５０ａにより生成される差分信号において、
Ｎ１＝ｋ１｛（Ｃｐ１＋Ｃｐ２）−（Ｃｐ３＋Ｃｐ４）｝・・・数式８
の大きさのクロストークに起因したノイズが残存する。ここで、ｋ１は、所定の係数である。

例えば、第２Ｓ出力線１７０ａが受けるクロストーク（Ｃｐ１＋Ｃｐ４）と、第２Ｎ出力線１７０ｂが受けるクロストーク（Ｃｐ２＋Ｃｐ３）とは、異なっている。これにより、差動アンプ１５０ｂにより生成される差分信号において、
Ｎ２＝ｋ２｛（Ｃｐ１＋Ｃｐ４）−（Ｃｐ２＋Ｃｐ３）｝・・・数式９
の大きさのクロストークに起因したノイズが残存する。ここで、ｋ２は、所定の係数である。

ここで、仮に、カラーフィルタと同じ誘電率を有する物質で形成されたダミーパターンを、出力線群１６０を覆うように形成したとする。この場合、カップリング容量Ｃｐ１〜Ｃｐ４は、誘電率に比例して、いずれも同程度の割合で増大する。これにより、数式８で示されるノイズＮ１も、数式９で示されるノイズＮ２も、ともに増大する可能性がある。

また、出力線間のカップリング容量の増大は、読み出し回路から出力線への出力の減衰を引き起こす。読み出し回路から出力線への信号の読み出しは、以下の２つの容量の関係により決まる。１つが、読み出し回路に含まれる画素からの光信号とノイズ信号とを保持しておくための保持容量Ｃｔである。もう１つが、出力線の主に接地点との間に生じる配線容量と、出力線に接続されたスイッチのソース−ゲート間およびソース−バックゲート間の容量からなる容量Ｃｈである。すなわち、読み出し回路から出力線への信号の読み出しは、容量分割比（Ｃｔ／（Ｃｔ＋Ｃｈ））で決まるゲインで行われる。出力線間にカップリング容量が生じると、容量Ｃｈが増加し、その結果、容量分割比が減少するので、読み出し回路の出力が減衰する。光信号の出力（Ｓ）の減衰が大きいと、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ比）が低くなり、高いＳ／Ｎを維持することができなくなる。

それに対して、本実施形態では、出力線形成領域４０１上にはカラーフィルタが存在せず開口３１０ａを空気（又は真空）が占めている。そのため、出力線上に空気より誘電率の高いカラーフィルタが存在した従来の撮像装置に比べて、出力線間の誘電率が低くなっている。これは、出力線間に形成されるカップリング容量が、従来の撮像装置に比べて小さくなったことを意味する。カップリング容量Ｃｐ１〜Ｃｐ４は、誘電率に比例して、いずれも同程度の割合で小さくなる。カップリング容量が小さくなったことは、数式７において、係数ａが小さくなったことに相当する。その結果、クロストーク量も低減することになる。出力線間のクロストークが低減したことにより、低ノイズな読み出しが可能となる。すなわち、数式８で示されるノイズＮ１も、数式９で示されるノイズＮ２も、ともに低減する。

また、数式２において、読み出し回路１３０に蓄積されていた光信号Ｖｂは、カップリング容量Ｃｐが存在することによって、第２Ｓ出力線１７０ｄに転送される際に減衰していることがわかる。つまり、図１のような読み出し回路から信号を出力する場合、ゲインを決める容量分割比にカップリング容量Ｃｐが影響を与えてしまう。具体的にはＣｐがＣｈに追加されるので、容量分割比が（Ｃｔ／（Ｃｔ＋Ｃｈ））から、（Ｃｔ／（Ｃｔ＋Ｃｈ＋Ｃｐ））となってしまう。本実施形態のように出力線上の誘電率を低くし、出力線間のカップリング容量を小さくしたことにより、上記出力線上での信号が減衰することによる影響を抑制することができるようになり、高いＳ／Ｎを維持できるようになる。

このように、本実施形態においては、出力線上にカラーフィルタを設けないことにより、出力線間で容量性カップリングによって発生していたクロストークを低減できることを説明した。出力線間のカップリング容量が小さくなることによって、クロストークを低減できるとともに、出力線上での信号の減衰の影響を低くし、高いＳ／Ｎを維持できる。また、出力線間の距離が短くなっていくことに対するカップリング容量の増加分を小さくすることができるため、チップサイズの縮小化にも有効である。

本実施形態によれば、光電変換領域におけるカラーフィルタ層の上面における平坦性を確保しつつ、出力線間で発生するクロストークを低減して色再現性の良い信号を得ることを可能とし、かつ、高Ｓ／Ｎでチップサイズ縮小を可能とする撮像装置を提供できる。

なお、本実施形態における“出力線上にカラーフィルタを設けない”とは、以下のような状態を指す。“出力線上にカラーフィルタを設けない”とは、半導体基板から積層方向の上方にあるカラーフィルタを出力線が配される面と同一面に、該面に対して垂直方向から投影した場合、カラーフィルタの投影図が出力線と重ならない状態をいう。図４で示すように、断面図で見た場合には、カラーフィルタ層３１０を出力線群１６０が配される面に対して垂直に移動させた場合に重ならない状態である。

さらに好ましくは、“出力線上にカラーフィルタを設けない”とは、図１の点線枠Ｂで囲った領域の概略断面図を示す図６において、マージン２４０とマージン２３０とを次のようにした状態をいう。マージン２４０は、カラーフィルタ境界Ｘと出力線境界Ｙとの間のマージンである。マージン２３０は、カラーフィルタ境界Ｘと水平転送スイッチ２５０の半導体領域（ドレイン又はソース）２２０の端Ｚとの間のマージンである。

マージン２４０は、プロセス条件やチップサイズ、レイアウト条件等によるが、基本的には、図６において、出力線１７０ａの境界側につくカップリング容量と出力配線間につくカップリング容量とが同程度になるようにする。

マージン２３０は、入射光や散乱光２１０が、転送スイッチ等のＭＯＳトランジスタの半導体領域２２０に到達してしまい、光電変換によって発生した電荷により光信号が変化することを避けるために、入射光や散乱光２１０を遮光できるような間隔にする。例えば、マージン２３０は、半導体領域２２０からカラーフィルタまでの膜厚と入射光の入射角の関係などから概ね１ｕｍ以上、より望ましくは１０μｍ程度となる。なお、入射光の入射角は主に撮像装置を搭載する撮像システムにより決まる。

また、図６において、Ｘ’とＹ’とにおいても、上記と同様の効果を得るために、上述したＸとＹとの位置関係と同じ関係にすることが好ましい。

また、Ｘ’は、水平走査回路１４０内のトランジスタの半導体領域（ソース又はドレイン）に対しても上記のＸとＺとの位置関係になるようにすることが望ましい。

なお、本実施形態においては、出力線群１６０上にパッシベーション層３２０が形成される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。パッシベーション層の有無に関わらず、出力線間を結ぶ電気力線の経路に存在する物質の誘電率の総和は、出力線上にカラーフィルタが形成されていた場合に比べて小さくなっており、出力線間のカップリング容量は小さくなっている。そのため、出力線上のパッシベーション層の有無に関わらず本実施形態で示した効果は得られる。このことは、以降の実施形態においても同様である。

また、カラーフィルタ層３１０の開口３１０ａは、複数のカラーフィルタのそれぞれより低い誘電率を有する絶縁物により満たされていてもよい。例えば、図７に示すように、撮像装置は、低誘電率層３４０をさらに備えても良い。低誘電率層３４０は、カラーフィルタ層３１０の開口３１０ａを埋めるように配されている。低誘電率層３４０は、カラーフィルタ層３１０における複数のカラーフィルタのそれぞれの誘電率より低い誘電率を有する。低誘電率層３４０は、例えば、モールド樹脂で形成される。このような構成においても、出力線群１６０上にカラーフィルタ構造が存在した従来の撮像装置に比べて出力線間のカップリング容量が小さくなるため、上述した本実施形態における効果と同様の効果が得られる。

また、図８に示すように、マイクロレンズ６１０が出力線群１６０上に形成される場合においても、本実施形態における効果は得られる。

また、出力線群１６０における各出力線の並び方は、読み出し回路１３０の側から、第１Ｓ出力線１７０ａ、第１Ｎ出力線１７０ｂ、第２Ｎ出力線１７０ｃ、第２Ｓ出力線１７０ｄの順に限定されるものではない。例えば、出力線群１６０において、読み出し回路１３０の側から、第１Ｓ出力線１７０ａ、第１Ｎ出力線１７０ｂ、第２Ｓ出力線１７０ｄ、第２Ｎ出力線１７０ｃの順に構成しても効果が得られるものである。

また、出力線群１６０における第１の出力線と第２の出力線との組の数は、３組以上のであっても、同様の効果が得られる。

また、画素配列ＰＡは、画素がエリア状に配列される構成に限るものではなく、画素がリニア状に配列されたものにおいても同様の効果が得られる事はいうまでもない。

次に、本発明の撮像装置を適用した撮像システムの一例を図９に示す。

撮像システム９０は、図９に示すように、主として、光学系、撮像装置１００及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター９１、撮影レンズ９２及び絞り９３を備える。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６、画像信号処理部９７、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、タイミング発生部９８、全体制御・演算部９９、記録媒体８８及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を備える。なお、信号処理部は、記録媒体８８を備えなくても良い。

シャッター９１は、光路上において撮影レンズ９２の手前に設けられ、露出を制御する。

撮影レンズ９２は、入射した光を屈折させて、撮像装置１００の画素配列（撮像面）に被写体の像を形成する。

絞り９３は、光路上において撮影レンズ９２と撮像装置１００との間に設けられ、撮影レンズ９２を通過後に撮像装置１００へ導かれる光の量を調節する。

撮像装置１００は、画素配列に形成された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置１００は、その画像信号を画素配列から読み出して出力する。

撮像信号処理回路９５は、撮像装置１００に接続されており、撮像装置１００から出力された画像信号を処理する。

Ａ／Ｄ変換器９６は、撮像信号処理回路９５に接続されており、撮像信号処理回路９５から出力された処理後の画像信号（アナログ信号）をデジタル信号へ変換する。

画像信号処理部９７は、Ａ／Ｄ変換器９６に接続されており、Ａ／Ｄ変換器９６から出力された画像信号（デジタル信号）に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、全体制御・演算部９９及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４などへ供給される。

メモリ部８７は、画像信号処理部９７に接続されており、画像信号処理部９７から出力された画像データを記憶する。

外部Ｉ／Ｆ部８９は、画像信号処理部９７に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、外部Ｉ／Ｆ部８９を介して外部の機器（パソコン等）へ転送する。

タイミング発生部９８は、撮像装置１００、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７に接続されている。これにより、撮像装置１００、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置１００、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７がタイミング信号に同期して動作する。

全体制御・演算部９９は、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に接続されており、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を全体的に制御する。

記録媒体８８は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を介して記録媒体８８へ記録する。

以上の構成により、撮像装置１００において良好な画像信号が得られれば、良好な画像（画像データ）を得ることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る撮像装置１００ｉを、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の第２実施形態に係る撮像装置１００ｉの断面構成を示す図である。図１０は、第１実施形態の図４と対応した位置の断面図である。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

撮像装置１００ｉは、図１０に示すように、カラーフィルタ層３１０ｉの上下に、上部平坦化層３５０ｉ及び下部平坦化層３６０ｉをさらに備える。

カラーフィルタ層３１０ｉに含まれる複数のカラーフィルタのそれぞれは、カラーフィルタリング特性に応じたアクリル系樹脂で形成される。カラーフィルタ層３１０ｉは、出力線群１６０の上に開口３１０ｉａを有する。

上部平坦化層３５０ｉは、カラーフィルタ層３１０ｉの上面の凹凸を緩和することにより、マイクロレンズ６１０が配される面の平坦性を確保するために設けられる。上部平坦化層３５０ｉは、例えば、アクリル系樹脂で形成される。上部平坦化層３５０ｉは、開口３１０ｉａに整合した開口（他の開口）３５０ｉａを有する。

下部平坦化層３６０ｉは、パッシベーション膜３２０の上面の凹凸を緩和することにより、カラーフィルタ層３１０ｉが配される面の平坦性を確保するために設けられる。下部平坦化層３６０ｉは、例えば、アクリル系樹脂で形成される。下部平坦化層３６０ｉは、開口３１０ｉａに整合した開口３６０ｉａを有する。

このように、カラーフィルタ層３１０ｉだけでなく、下部平坦化層３６０ｉおよび上部平坦化層３５０ｉも出力線群１６０上に設けないようにしている。また、上部平坦化層３５０ｉの開口３５０ｉａの側面３５０ｉｂと、カラーフィルタ層３１０ｉの開口３１０ｉａの側面３１０ｉｂと、下部平坦化層３６０ｉの開口３６０ｉａの側面３６０ｉｂとは、連続している。

すなわち、撮像装置１００ｉは、次のような工程（製造方法）を経て形成される。

第１の工程では、画素配列ＰＡを半導体基板ＳＢ（図４参照）における撮像領域ＩＲ（図１参照）に形成する。また、読み出し回路１３０と、出力部１５０と、出力線群１６０とを、半導体基板ＳＢにおける周辺領域ＰＲに形成する。

第２の工程では、半導体基板ＳＢの全面（撮像領域ＩＲ及び周辺領域ＰＲ）において、パッシベーション膜３２０の上に第３の樹脂層を形成する。第３の樹脂層は、下部平坦化層３６０ｉとなるべき層である。さらに、半導体基板ＳＢの全面（撮像領域ＩＲ及び周辺領域ＰＲ）において、第３の樹脂層の上に、複数のカラーフィルタを含む第１の樹脂層を形成する。第１の樹脂層は、カラーフィルタ層３１０ｉとなるべき層である。

第３の工程では、半導体基板ＳＢの全面（撮像領域ＩＲ及び周辺領域ＰＲ）において、第１の樹脂層の上に第２の樹脂層を形成する。第２の樹脂層は、上部平坦化層３５０ｉとなるべき層である。

第４の工程では、第２の樹脂層の上面を平坦化する。

第５の工程では、第３の樹脂層、第１の樹脂層及び第２の樹脂層における出力線群１６０の上に位置する部分を除去する。これにより、出力線群１６０を囲むように延びるとともに出力線群１６０の上に開口３６０ｉａ、３１０ｉａ、３５０ｉａをそれぞれ有した下部平坦化層３６０ｉ、カラーフィルタ層３５０ｉ及び上部平坦化層３５０ｉを形成する。 以上の工程により、上部平坦化層３５０ｉの上面が平坦性を確保できるとともに、開口３５０ｉａの側面３５０ｉｂと、開口３１０ｉａの側面３１０ｉｂと、開口３６０ｉａの側面３６０ｉｂとを連続するように形成できる。

なお、図１０には出力線群１６０上にマイクロレンズが形成されない場合を示したが、第１実施形態の変形例（図８）で示したように、出力線群１６０の上にマイクロレンズが配されていてもよい。出力線群１６０上のマイクロレンズの有無に関わらず、出力線間を結ぶ電気力線の経路に存在する物質の誘電率の総和は、出力線群１６０上にカラーフィルタが形成されていた場合と比べて小さくなって分だけ、出力線間のカップリング容量は小さくなっている。そのため、出力線群１６０上のマイクロレンズの有無に関わらず、本発明による効果は得られる。

本発明の第１実施形態に係る撮像装置１００の構成図。 撮像装置１００における画素の構成を示す図。 撮像装置１００におけるカラーフィルタ層の構成を示す図。 図３のＡ−Ａ’線における概略断面図。 図１における出力線と容量との関係を示した等価回路図。 図１の点線枠Ｂで囲った領域の概略断面図。 本発明の第１実施形態の変形例に係る撮像装置の断面構成図。 本発明の第１実施形態の別の変形例に係る撮像装置の断面構成図。 第１実施形態に係る光電変換装置を適用した撮像システムの構成図。 本発明の第２実施形態に係る撮像装置の断面構成図。

符号の説明

９０ 撮像システム
１００、１００ｉ 撮像装置

Claims (7)

1. 撮像領域と、前記撮像領域の周辺に位置する周辺領域と有する撮像装置であって、
   前記撮像領域に配され、複数の画素が配列された画素配列と、
   前記周辺領域に配され、前記画素配列から信号を読み出す読み出し部と、
   前記周辺領域に配された出力部と、
   前記周辺領域に配され、前記読み出し部から転送された信号を前記出力部へ伝達する複数の出力線と、
   前記撮像領域および前記周辺領域に配され、前記複数の画素の上方に配されたカラーフィルタからなるカラーフィルタ層と、
   を備え、
   前記カラーフィルタ層は、前記複数の出力線を囲むように延びているとともに前記複数の出力線の上に配された開口を有し、
   前記カラーフィルタ層の開口は、気体により、又は、前記カラーフィルタより低い誘電率を有する絶縁物により満たされている
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記読み出し部は、
   前記画素から読み出した信号を保持する保持容量と、
   前記保持容量と前記出力線との接続を開閉するスイッチと、
   を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記カラーフィルタ層の下において、前記複数の出力線を覆うパッシベーション層をさらに備え、
   前記カラーフィルタ層の開口は、前記パッシベーション層における前記複数の出力線の上に位置する部分を露出させている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記撮像領域および前記周辺領域において前記カラーフィルタ層の上に配された平坦化層をさらに備え、
   前記平坦化層は、前記カラーフィルタ層の開口に整合した開口を有しており、
   前記カラーフィルタ層の開口の側面と前記平坦化層の開口の側面とによって連続した面が形成されている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記複数の出力線は、前記読み出し部から出力された第１の信号を伝達する第１の出力線と、前記読み出し部から出力された第２の信号を伝達する第２の出力線との組を複数含み、
   前記出力部は、前記第１の信号と前記第２の信号との差分信号をそれぞれ生成する複数の差分回路を含む
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置と、
   前記撮像装置の撮像面へ像を形成する光学系と、
   前記撮像装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部と、
   を備えたことを特徴とする撮像システム。
7. 撮像領域と、前記撮像領域の周辺に位置する周辺領域と有する撮像装置の製造方法であって、
   複数の画素が配列された画素配列を前記撮像領域に形成し、前記画素配列から信号を読み出す読み出し部と、出力部と、前記読み出し部から転送された信号を前記出力部へ伝達する複数の出力線とを前記周辺領域に形成する工程と、
   前記撮像領域および前記周辺領域におけるカラーフィルタを含む第１の樹脂層を形成する工程と、
   前記撮像領域および前記周辺領域における前記第１の樹脂層の上に第２の樹脂層を形成する工程と、
   前記第２の樹脂層の上面を平坦化する工程と、
   前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層における前記複数の出力線の上に位置する部分を除去し、前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層の開口を形成する工程と、
   を備え、
   前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層の開口は、気体により、又は、前記複数のカラーフィルタのそれぞれより低い誘電率を有する絶縁物により満たされている
   ことを特徴とする撮像装置の製造方法。

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