TWI383493B - Solid-state imaging device - Google Patents

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TWI383493B
TWI383493B TW096129138A TW96129138A TWI383493B TW I383493 B TWI383493 B TW I383493B TW 096129138 A TW096129138 A TW 096129138A TW 96129138 A TW96129138 A TW 96129138A TW I383493 B TWI383493 B TW I383493B
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Hiroaki Ishiwata
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Description

固體攝像裝置
本發明係關於一種CMOS影像感測器或CCD影像感測器等之固體攝像裝置，特別係關於一種具有實施有瞳補正之微透鏡或布線圖案之固體攝像裝置。
先前，在CMOS影像感測器中，在各像素中除包含使入射光進行光電變換之光電二極體(PD)以外，尚包含傳送光電變換後之電氣信號之電晶體(TG)、復位電晶體(RST)、放大電晶體(AMP)等電晶體，及浮置擴散(FD)部。光漏入此等主動區域後引起光電變換，因該結果而產生之電子生成偽信號，成為雜訊。因此，在CMOS影像感測器中，一般係採用遮光以避免光進入此等區域。又，傳遞藉由放大電晶體所放大之電氣信號之信號線、驅動前述電晶體之控制信號線、及電源線等布線通過，遮蔽了光到達光電二極體。
另一方面，在CCD影像感測器中，在各像素中除光電二極體區域之外，尚有傳送光電變換後之電荷的垂直CCD傳送區域，若光一旦入射該區域則成為偽信號，故該區域必須遮光。
如此，在影像感測器中，在單位像素內形成有遮光區域。
因此，在先前之影像感測器中，為了避開形成於像素內之遮光區域，而將光高效率地集光於光電二極體，提岀並實用化以下之技術，即：對應於各像素在光電二極體之上方形成微透鏡或層內透鏡。
然而，該情形下，在攝像區域(像素陣列部)之中心部之像素，入射於光電二極體之主光線角度通常為0°，光垂直地入射於光電二極體。另一方面，在攝像區域之周邊部之像素，入射於光電二極體之主光線角度，一般係呈一定角度入射。具體而言，對於攝像區域周邊部之像素之主光線，一般係朝遠離攝像區域之中心部方向傾斜入射。
其結果，雖然在攝像區域之中心部上使光電二極體之開口中心與微透鏡、層內透鏡之中心一致，但在攝像區域之周邊部上若使光電二極體之開口中心與微透鏡、層內透鏡之中心一致時，則對於傾斜之入射光，光軸成為傾斜，入射光之一部分入射於光電二極體之外，產生光截(kerare)現象。
因此作為其對策，提岀並實用化以下之技術，即：在攝像區域之周邊部，配合入射之光軸，將微透鏡、彩色濾光器、層內透鏡偏移配置於攝像區域之中心側，以防止光電二極體之光截(例如參照日本特開平11－186530號公報)。該技術被稱作瞳補正技術，亦可適用於布線、接點、孔等。
此時，攝像區域之周邊部之布置，若平行移動布線、微透鏡等，則與攝像區域之中心部之布置一致。
然而，實施如前所述之瞳補正技術時，雖然對於微透鏡及層內透鏡，在瞳補正之移動量上無限制，最適化容易，但對於布線，卻因像素內之元件配置或光電二極體之開口形狀等而增加限制。
因此，作為該限制之具體例，以使用3層金屬布線構造之像素為例進行說明。圖6係顯示3層金屬布線之FD部周邊之元件配置之模式平面圖。
在圖中，使用共通之第2層布線膜來形成垂直信號線110及內部布線114，該垂直信號線110係將在各像素中光電變換後之信號作為電氣信號而傳遞者，該內部布線114係連接FD部112與放大電晶體之閘極(未圖示)。又，FD部112與內部布線114之間藉由接觸部116連接。
並且，在圖示之布線上作為第3層之金屬布線膜，採用形成有兼作遮光及電源線之布線者。
在該布線構造中，為了瞳補正而使垂直信號線110移動使用時，由於雖然在離開接觸部116之方向(亦即，圖中之右方向(箭頭A))可以比較自由地移動，但在相反方向(亦即，圖中之左方向(箭頭B))，由於連接FD部112與內部布線114之接觸部116之位置不能移動，若使垂直信號線110大幅度移動則會接觸到接觸部，故不能以充分之自由度進行移動。
因此，例如不更新製程，不改變設計凖則，原樣不變地使像素微細化時，若假定搭載於單位像素之布線數不減少，則因布置之制約，可布線瞳補正之最大移動量(瞳補正量)一定。並且，該布線瞳補正量較從模擬或理論計算所求得之布線瞳補正量小時，在攝像區域之周邊部布線瞳補正不能充分進行，產生因布線引起之光截，感度降低。
再者，因光截所產生之光線藉由反射、折射現象漏入相鄰之像素時，會產生被稱作混色之畫質劣化。
因此本發明之目的在於提供一種固體攝像裝置，其可改善布線層之配置構造，進行高自由度之布線之瞳補正。
為了達成前述目的，本發明之固體攝像裝置，其特徵在於其包含：像素陣列部，其係在半導體基板上沿2維方向配置複數光電轉換部者；布線層，其係在前述像素陣列部之上部層積絕緣膜及布線膜，且布線之一部分經由接觸部與前述半導體基板側連接者；及微透鏡，其係配置於前述布線層上，以與前述像素陣列部之光電轉換部之間距不同之因瞳補正產生之間距而形成者；且前述布線層，具有自前述像素陣列部之中心部側向周邊部側區分之至少2個分割區域，與前述像素陣列部之各像素對應之特定接觸部與特定布線之位置，在前述2個分割區域間相反配置。
依照本發明，因為固體攝像裝置之布線層具有從像素陣列部之中心部側向周邊部側區分之至少2個分割區域，且對應於像素陣列部之各像素之接觸部與布線之位置在2個分割區域間相反配置，故在攝像區域之各像素位置可在與布線之瞳補正方向相反側配置接觸部，可不受接觸部妨礙，在布線層上自如地移動進行瞳補正。
因此，有可以進行高自由度之瞳補正，可以改善攝像區域整體之受光效率或均勻性，有助於固體攝像裝置畫質之提高等效果。
圖1係顯示本發明實施例之固體攝像裝置具體例之平面圖，顯示CMOS影像感測器之例。又，圖2係顯示圖1所示之固體攝像裝置之像素內之電路構成之電路圖。並且，雖然以下之實施例係以CMOS影像感測器為中心進行說明，但本發明亦可同樣適用於CCD影像感測器。
本實施例之固體攝像裝置1，如圖1所示，係具有：像素陣列部20，其係藉由沿2維方向配置之複數像素16構成攝像區域者；垂直掃描電路21，其係沿垂直方向掃描像素陣列部20之各像素並控制像素信號之讀取動作者；負荷MOS電晶體電路24，其係控制由像素陣列部20之各像素行(行)導出之垂直信號線28者；CDS電路25，其係採集從像素陣列部20之各像素行讀取之像素信號，進行藉由相關雙重取樣處理之去除雜訊者；水平選擇電晶體電路26，其係向水平信號線27輸出CDS電路25之像素信號者；及水平掃描電路22，其係沿水平方向依次選擇水平選擇電晶體電路26而控制像素信號之輸出者。
然後，輸出於水平信號線27之像素信號經由緩衝放大傳送給後段之電路。
又，各像素16，如圖2所示，具有：光電二極體(PD)1，其係使入射光予以光電變換者；電晶體(TG)12，其係將光電變換後之電氣信號基於傳送脈衝(Φ TRG)傳送給浮置擴散(FD)部3者；復位電晶體(RST)14，其係基於復位脈衝(Φ RST)將FD部3之電位復位至電源電壓VDD者；放大電晶體(AMP)13，其係將FD部3之電位變動轉換為電壓信號或電流信號者；及選擇電晶體15，其係基於選擇信號(Φ SEL)將放大電晶體13之輸出連接於垂直信號線28者。
因此，在像素16之附近，沿垂直方向布線垂直信號線28或電源線等，沿水平方向布線讀取線17、復位線18、選擇線19等。
如前所述在先前之固體攝像裝置中有以下之問題，即：在攝像區域之周邊部進行布線之瞳補正時，接觸部等之其他要素成為障礙，不能充分進行布線瞳補正。
該問題其起因在於不管想要藉由瞳補正移動布線之方向因攝像區域之部位而不同，而像素之基本布置(布線之位置關係)在整個攝像區域係共同的。亦即，若將像素陣列部(攝像區域)分割為左右2部分來考慮，進行布線之瞳補正時，在攝像區域之右側區域布線成為向左方向移動布線，在攝像區域之左側區域布線成為向右方向移動布線，故若係如接觸部之障礙物位於布線右側之布置，想要向右方向移動之攝像區域左側之布線則無充足之瞳補正自由度，相反若係障礙物位於布線之左側，想要向左方向移動之攝像區域右側之布線則無自由度。亦即，在想要藉由瞳補正移動布線之方向上有障礙物之區域，及在想要藉由瞳補正移動布線之方向之相反側有障礙物之區域混雜，作為整體進行有效之瞳補正受到限制。
並且，將像素陣列部(攝像區域)分割為上下左右4部分來考慮時，同樣在想要藉由瞳補正移動布線之方向上有障礙物之區域，及在想要藉由瞳補正移動布線之方向之相反側有障礙物之區域混雜，作為整體充分之瞳補正受到限制。
因此，在本發明之實施例中，藉由在像素陣列部(攝像區域)之每一分割區域，改變布線(具體而言係垂直信號線與接觸部)之位置關係，採用以在與想要藉由瞳補正移動之垂直信號線之移動方向之相反側配置接觸部之方式，藉由確保垂直信號線充分之移動量，可進行充分之瞳補正，提高補正之效果。
又，本實施例中係將攝像區域沿像素數多之方向分割為2部分，在各分割區域改變布線與接觸部之位置關係。
例如，考慮攝像元件之規格。在HDTV規格中橫縱比(水平垂直比)為16：9，NTSC規格中橫縱比為4：3，單鏡頭反光式照相機中橫縱比為3：2。亦即，在所有之規格中橫向(水平方向)較縱向(垂直方向)長。因此，以正方網格實現攝像元件時，水平方向之像素數較垂直方向之像素數多。又，即使將單位像素配置為正方形之像素係傾斜45°之偏移像素，水平方向之像素數亦較垂直方向之像素數多。又，還有非球面鏡，其係入射光線角度一般呈隨著像高變大而變大之趨勢，或者增大至某一像高後大體一定或有時略變小。
總之，水平方向呈較垂直方向瞳補正之量多之趨勢。
因此，下面使用圖3所示之攝像區域之座標進行說明。首先，以該攝像區域30之有效像素之中心(0、0)作為原點，以水平方向作為X軸，以垂直方向作為Y軸，以從攝像面光軸方向作為Z軸。各像素之位置可以用該座標來識別。令某像素之光電二極體之中心座標為(X1、Y1)，X1>0、Y1>0。
此處，考慮對微透鏡施加瞳補正。令藉由光學模擬等所決定之最適偏移量相對於X軸係Xm1(>0)，相對於Y軸係Ym1(>0)時，該像素之微透鏡之座標成為(X1－Xm1、Y1－Ym1)。位於相對於Y軸與其對稱之位置之像素之座標係(－X1、Y1)，最適之微透鏡之座標成為(－X1＋Xm1，Y1－Ym1)。
如此適用瞳補正時，在攝像區域之周邊部，對攝像區域之中心部方向加以偏移之位置，成為最適之微透鏡形成位置。
但是，與微透鏡、層內透鏡、彩色濾光器不同，金屬布線、孔插塞、接點插塞需要滿足與下層之電性連接條件，可瞳補正之量，若已決定中心之布置，則藉由與設計凖則之連接關係自動確定。
因此，令金屬布線之瞳補正量相對於X軸係－Xm2，相對於Y軸係－Y2時，經瞳補正之金屬布線之座標，在像素座標(X1、Y1)之位置成為(X1－Xm1、Y1－Ym2)，在像素座標(X1、－Y1)之位置成為(X1－Xm2、－Y1＋Ym2)，在像素座標(－X1、Y1)之位置成為(－X1＋Xm1、Y1－Ym2)，在像素座標(－X1、－Y1)之位置成為(－X1＋Xm1、－Y1＋Ym2)，根據各像素位置，為了瞳補正而移動之方向、位置不同。
亦即，在攝像區域之周邊部，進行瞳補正之方向涉及多歧，滿足此等所有之瞳補正要求之布置，特別係在縮小像素而對移動布線等之量加以限制之微細像素中，成為不可能。
因此，在本實施例中，適用利用藉由像素位置進行瞳補正之方向不同之布線布置。例如，像素位置係＋X(>0)時，布線之瞳補正之方向僅係－X(<0)方向，像素位置係－X(<0)時，布線之瞳補正之方向僅係＋X(>0)方向。藉此，若在像素位置＋X，採用沿－X方向易於進行瞳補正之布線布置，在像素位置－X，採用沿＋X方向易於進行瞳補正之布線布置，在整個攝像區域瞳補正之自由度將增加。
圖4係顯示本實施例所採用之布線布置之具體例之模式平面圖，顯示垂直信號線28、連接FD部3之接觸部31、及將該接觸部31連接於放大電晶體之內部布線32之位置關係。
並且，圖4中顯示有配置於從攝像區域之中心側向周邊側區分之左右2分割區域之像素布線，圖4(A)係配置於攝像區域中心左側(－X側)之像素位置布線，圖4(B)係配置於攝像區域中心右側(＋X側)之像素位置布線。
並且，如圖4(A)所示，在配置於攝像區域之左側之像素中，接觸部31及布線32配置於左側，垂直信號線28配置於右側。
另一方面，如圖4(B)所示，在配置於攝像區域之右側之像素中，接觸部31及布線32配置於右側，垂直信號線28配置於左側。
圖5係顯示對圖4之各像素布線實施瞳補正時之具體例之模式平面圖，圖5(A)對應於圖4(A)，圖5(B)對應於圖4(B)。
以下，就藉由該布線之作用效果進行說明。並且，此處為了簡化說明，以圖4所示之2個像素位置單純地配置於X軸上者進行說明。因此，此等像素之瞳補正僅考慮X方向即可。
首先，在圖4(A)所示之攝像區域之左側之像素中，布線瞳補正之方向係＋X方向，在攝像區域左側之像素中，布線之瞳補正係將布線28、32向攝像區域之中心方向偏移，亦即如圖5(A)所示，向右方向(箭頭a方向)移動布線28、32。
同樣，在攝像區域之右側之像素中，布線之瞳補正係將布線28、32向攝像區域之中心方向移動，亦即如圖5(B)所示，向左方向(箭頭b方向)移動布線28、32。
若將圖4(A)所示之左側像素之布置如圖4(B)所示之右側像素般形成時，為了確保連接於用於向FD部3連接而不能移動之接觸部31之布線32，與由設計凖則所規定之空間，垂直信號線28不能向右方向移動。因此，在攝像區域之周邊部入射光因不能移動(不能瞳補正)之垂直信號線而成為光截、感度低下及混色之原因。
對此，如本實施例，利用在像素之位置瞳補正方向固有確定之點，藉由變更在像素配置位置成為基本之布置，可以提高瞳補正之自由度，降低因布線產生之光截，防止感度降低，防止混色。
並且，在圖4所示之實施例中，係從圖3所示之攝像區域之原點分割為X軸為正之像素、與X軸為負之像素之2部分之例，對X軸上之像素進行了說明，但即使係對於未配置於X軸之像素，向X方向之移動亦可同樣適用。又，如前所述，由於配置於X軸方向之像素一般較配置於Y軸方向之像素多，故X方向之補正量多。因此，即使係對於攝像區域之Y軸，亦可預見到以下之效果，即：藉由分割為右半部與左半部之2部分，可在一定程度上增加瞳補正之自由度。
但是，作為進一步鑽研之例，若以攝像區域之中心作為原點分割為上下左右4部分，變更在各自之像素中成為基本之布置，瞳補正之自由度將進一步增加，可謀求畫質之提高。例如，對於前述之圖2所示之水平方向之信號線布線，藉由在攝像區域之上側與下側反方向配置與接觸部之位置關係，可以期待提高瞳補正之自由度。
藉由如上之本發明實施例可以在如下之應用領域中取得各種效果。
例如，在行動電話等攜帶終端搭載照相機時，應採用可以搭載於攜帶終端之薄度，對於透鏡模組(假設透鏡與攝像元件為1個模組)之薄度要求強烈。並且，該情形之透鏡，射出瞳距離短之透鏡多，在該射出瞳距離短之透鏡中，在攝像區域之周邊部之主光線入射角度呈變大趨勢，沿著該光軸進行之瞳補正需要大之瞳補正量。
又，在攜帶終端，因物理性制約，目前尚不能搭載可以發光充分光量之閃光燈，為了取得防止手晃之快門速度，呈使用F2.8等之F值小、更亮透鏡之趨勢。但是，該F值小之透鏡副光線角度變大，光難以入射到光電二極體。
再者，攝像元件與透鏡予以一體化之透鏡模組，由於後期製品之設計容易，呈以下趨勢，即：保持光學尺寸一定，縮小影像感測器之像素尺寸，謀求多像素化。該情形，主光線角度大保持原樣不變，而像素尺寸被縮小。
又，如前所述，瞳補正不僅需要對微透鏡、彩色濾光器、層內透鏡進行，對需要電性連接條件之金屬布線、孔、接點亦需要進行。若不如此，會產生因布線等引起之光截而成為感度降低、混色之原因。另一方面，布線之金屬布線寬度、金屬布線空間係藉由金屬布線製程，作為設計凖則而決定，在實際之布置中可瞳補正之範圍受到限制。例如，雖然理論計算或光學模擬之結果，布線之偏移量需要0.5 μm，但假定在滿足設計凖則之布置中，只能偏移至0.3 μm。該狀況下，由於在攝像區域之周邊部布線不能進行充分之瞳補正，故產生因布線引起之光截，產生在攝像區域之周邊部之感度降低。因該布線而光截之光，漏入相鄰像素會造成混色。
對此，在先前之方法中，由於進行瞳補正之基本布置係1個，故不能進行充分之瞳補正，但在本實施例中，藉由像素之配置位置，利用決定瞳補正之方向，藉由像素之配置位置來變更基本布置，可以增加瞳補正之自由度。
例如，在1個像素布置中，實現在所有之像素位置之瞳補正之情形，令在前述之攝像區域左側之像素中向右方向移動布線之量為H1，令在攝像區域右側之像素中向左方向移動布線之量為H2時，在攝像區域內可以均等地瞳補正之量成為H1與H2之絕對值之最小值。另一方面，若將攝像區域以Y軸分割為左右2部分，在右側之像素與左側之像素中變更基本布置，可以進行為先前之瞳補正可能量的約2倍之瞳補正。
並且，以上之實施例係本發明之一例，本發明可進一步變形。例如在實施例中雖然係以CMOS影像感測器為例進行了說明，但在CCD影像感測器中同樣亦可適用。又，在實施例中雖然說明瞭改善垂直信號線與FD用之接觸部之位置關係之例，但同樣亦可適用於如變更其他之布線與接點或孔之位置關係之情形。
又，雖然在實施例中係說明如以攝像區域之中心為基點，分割為上下或左右2部分，或者分割為上下左右4部分之分割區域之例，但作為分割區域之設置方法，可配合瞳補正之實情等而採用各種方法，例如亦可係僅在除了攝像區域之中心區域以外之周邊區域設置變更布線之位置關係之區域之形態。
1．．．固體攝像裝置
3．．．浮置擴散部
12．．．電晶體
13．．．放大電晶體
14．．．復位電晶體
15．．．選擇電晶體
16．．．像素
17．．．讀取線
18．．．復位線
19．．．選擇線
20．．．像素陣列部
21．．．垂直掃描電路
22．．．水平掃描電路
23．．．電源線
24．．．負荷MOS電晶體電路
25．．．CDS電路
26．．．水平選擇電晶體電路
27．．．水平信號線
28．．．垂直信號線
30．．．攝像區域
31．．．接觸部
32．．．布線
110．．．垂直信號線
112．．．FD部
114．．．布線
116．．．接觸部
圖1係顯示依照本發明實施例之固體攝像裝置概要之方塊圖。
圖2係顯示圖1所示之固體攝像裝置之像素電路構成之電路圖。
圖3係顯示攝像區域之X－Y座標之說明圖。
圖4(A)、4(B)係顯示圖1所示之固體攝像裝置所採用之布線布置之具體例之模式平面圖。
圖5(A)、5(B)係顯示對圖4之各像素布線實施瞳補正時之具體例之模式平面圖。
圖6係顯示先前之固體攝像裝置所採用之布線布置之具體例之模式平面圖。
3．．．浮置擴散部
28．．．垂直信號線
31．．．接觸部
32．．．布線

Claims (9)

  1. 一種固體攝像裝置，其特徵在於包含：像素陣列部，其係在半導體基板上沿2維方向配置有複數之光電轉換部者；布線層，其係在前述像素陣列部之上部層積絕緣膜及布線膜，布線之一部分經由接觸部與前述半導體基板側連接者；及微透鏡，其係配置於前述布線層上，以與前述像素陣列部之光電轉換部之間距不同之因瞳補正產生之間距而形成者；且前述布線層，具有自前述像素陣列部之中心部側向周邊部側區分之至少2個分割區域，與前述像素陣列部之各像素對應之特定接觸部及特定布線之位置，在前述2個分割區域間相反配置。
  2. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述布線層包含：第1接觸部，其係對應於像素陣列部之各像素者；及第1布線，其係相鄰於前述第1接觸部且不與第1接觸部連接者；在前述分割區域，各第1布線分別配置於較第1接觸部更接近像素陣列部之中心側。
  3. 如請求項2之固體攝像裝置，其中前述第1布線係以向微透鏡之瞳補正方向偏移之間距而形成。
  4. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述布線層之分割區域係沿像素陣列部之垂直方向分割之區域。
  5. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述布線層之分割區 域係沿像素陣列部之水平方向分割之區域。
  6. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述布線層之分割區域係沿像素陣列部之垂直方向及水平方向分別分割之至少4個區域。
  7. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述布線層之分割區域係沿像素陣列部之像素數多的方向分割之區域。
  8. 如請求項2之固體攝像裝置，其中前述第1接觸部係連接於用於自前述光電轉換部取出信號電荷之浮置擴散(floating diffusion)部者。
  9. 如請求項2之固體攝像裝置，其中前述第1布線係用於傳送像素信號之垂直信號線。
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