JP2005223707A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 つなぎ線を境にした出力段差、輝線、黒線等を抑制する。
【解決手段】 複数の光電変換領域（フォトダイオード）が設けられた基板上に、分割露光により形成された、少なくとも一つのパターン層が設けられた固体撮像素子１０３と、固体撮像素子１０３の複数の光電変換領域に光を入光するためのレンズ３００と、を備えた固体撮像装置において、レンズ３００の光軸中心を、パターン層の分割露光によりつなぎが行われたつなぎ位置に概略設定することで、つなぎ位置の左右での固体撮像素子１０３の画素出力の出力段差を抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は固体撮像装置に係わり、特に複数の光電変換領域が設けられた基板上に、分割露光により形成された、少なくとも一つのパターン層が設けられた固体撮像素子と、該固体撮像素子の複数の光電変換領域に光を入光するためのレンズと、を備えた固体撮像装置に関する。

大面積に渡って微細なパターンを形成しなければならない場合、例えば大判の固体撮像装置を形成する場合に、大面積のパターン露光するときに分割露光技術と呼ばれる技術が用いられる。このようなものの一例として特許文献１がある。図８は縮小投影装置の露光面積よりも大きなサイズの撮像素子を二分割して露光する場合を説明するための図である。また図９は縮小投影装置の概略的な構成を示す図である。

図８において、１０３は縮小投影装置の露光面積よりも大きなサイズの撮像素子、有効画素領域（オプティカルブラック画素領域等を除く、実際に画像を作るのにデータとして使われる画素領域）１０４、１０５Ｒは右のレチクルの露光領域、１０５Ｌは左のレチクルの露光領域であり、露光領域１０５Ｒと露光領域１０５Ｌとをつないで分割露光することで撮像素子１０３が形成される。図中、固体撮像素子のつなぎ位置のつなぎ線（右のレチクルの露光領域１０５Ｒとレチクルの露光領域１０５Ｌとの重なり部内でパターンがつながる境界の線）が示されている。

図９に示す縮小露光装置は光源２３０からの光が、コンデンサレンズ２４０、レチクル２５０、投影レンズ２６０を通過し、レチクル２５０に形成されたパターン２５１を介してパターン光としてステージ２００上のウエハ２２０上に投影され、撮像素子チップ２１０が形成される。ステージ２００はＸ−Ｙ方向に移動可能で、レチクルを交換し、ステージ２００を移動させて分割露光が行われる。なお、ここでは２分割露光の場合を説明したが３分割露光や６分割露光が行われる場合もある。
特開平０５−００６８４９号公報

上記の固体撮像素子１０３を図１０に示すようにスチルカメラ等の固体撮像装置３１０に組み込んだ場合、図１１に示すように、固体撮像素子のつなぎ位置のつなぎ線（図８に示すような、右のレチクルの露光領域１０５Ｒと左のレチクルの露光領域１０５Ｌとの重なり部内でパターンがつながる境界の線）上にスチルカメラのレンズ３００の光軸中心がなく、光軸中心がつなぎ線から離れて配置された場合、つなぎ線の左右で出力段差、輝線、黒線等が目立ちやすくなる課題が生ずる。この課題の詳細については発明の説明において説明する。

本発明の固体撮像装置は、複数の光電変換領域が設けられた基板上に、分割露光により形成された、少なくとも一つのパターン層が設けられた固体撮像素子と、該固体撮像素子の複数の光電変換領域に光を入光するためのレンズと、を備えた固体撮像装置において、
前記レンズの光軸中心を、前記パターン層の前記分割露光によりつなぎが行われたつなぎ位置のつなぎ線上に概略設定することを特徴とする。

なお、ここで、つなぎ位置とは図１５に示すように、第１のレチクル２５０Ｒのパターン１００１Ｒ’と第２のレチクル２５０Ｌのパターン１００１Ｌ’との合成により、基板上に形成されたパターン１００１Ｒ（レチクル上のパターン１００１Ｒ’が縮小投影されて形成されたパターン）とパターン１００１Ｌ（レチクル上のパターン１００１Ｌ’が縮小投影されて形成されたパターン）とがつながれる位置をいい、つなぎ線とはパターン１００１Ｒとパターン１００１Ｌとがつながる境界の線をいう。また、必ずしも、直線である必要はなく、レチクル上のパターン１００１Ｌ´、１００１Ｒ´のそれぞれの端部においてつながれておらず、重複部分を有してつながれていた場合には、その重複部分の領域をさす。

以下、本発明についてさらに説明する。

いま、図１２に示すように固体撮像素子１０３に光を集光するレンズの光軸中心に位置する固体撮像装置の画素Ｐ１と、レンズの光軸中心から離れた固体撮像装置の画素Ｐ２を考えると、図１２のＡ−Ａ′断面に対応する図１３に示すように、画素に入射する主光線は、画素Ｐ１に対しては垂直に光（図中実線矢印で示す）が入射し、画素Ｐ２に対してはレンズの集光により画素Ｐ１に比べて、垂直方向から傾いて光（図中破線矢印で示す）が入射することになる。

よって、分割露光により固体撮像装置が形成されたときに、固体撮像装置のつなぎ線がレンズの光軸中心にある場合は、つなぎ線にある画素Ｐ１には垂直に光線が入射しＰＮ接合領域に入光することになる。一方、固体撮像装置のつなぎ線がレンズの光軸中心から離れている場合には、つなぎ線にある画素Ｐ２には垂直方向から傾いて光線が入射することになる。

分割露光時の左右のズレがなく露光ができたときには、図１３に示すように、固体撮像装置のつなぎ線がレンズの光軸中心にあってＰＮ接合領域に対して垂直に光線（図中実線矢印）が入射しても、固体撮像装置のつなぎ線がレンズの光軸中心から離れていてＰＮ接合領域に対して斜め方向から光線（図中破線矢印）が入射しても、光は配線パターン１０２Ｒ、１０２Ｌに妨げられることなくＰＮ接合領域に入光できる。
しかし、配線パターン１０２の分割露光時の左右のズレが生じ、右のレチクルで露光された配線パターン１０２Ｒが図中左側にずれたときには、図１４に示すように、固体撮像装置のつなぎ線がレンズの光軸中心にあってＰＮ接合領域に対して垂直に光線（図中実線矢印）が入射する場合には、光は配線パターン１０２Ｒ、１０２Ｌに妨げられることなくＰＮ接合領域に入光できるが、固体撮像装置のつなぎ線がレンズの光軸中心から離れていてＰＮ接合領域に対して斜め方向から光線（図中破線矢印）が入射する場合には、光の一部は配線パターン１０２Ｒに妨げられてＰＮ接合領域に入光できなくなる。

よって、分割露光時の左右のズレが生じても、固体撮像装置のつなぎ線がレンズの光軸中心と概略一致していれば、つなぎ位置の左右で入射光量の変化は少なく、つなぎ位置を境にした出力段差、輝線、黒線等を抑制することができる。

固体撮像装置のつなぎ位置とレンズの光軸中心とを完全に一致させず、つなぎ位置での出力段差が生じても、固体撮像素子で再生された画像において視覚的に確認できない程度の出力段差は許容できるので、出力段差が許容できる範囲であれば、固体撮像装置のつなぎ位置とレンズの光軸中心とが離れていてもよく、本願において「前記レンズの光軸中心を、前記パターン層の前記分割露光によりつなぎが行われたつなぎ位置上に概略設定する」とは出力段差が許容できる範囲で固体撮像装置のつなぎ位置とレンズの光軸中心とが離れている場合も含めるものである。たとえば、本発明者らの実験では、つなぎ位置での出力段差がその時の出力値の１％を超えない範囲では出力段差を視覚的に確認できず、この範囲で固体撮像装置のつなぎ位置とレンズの光軸中心とが離れていてもよい。尚、本発明者らの実験では前記段差1%を越えない範囲のつなぎ位置と光軸中心の距離は、例えば、50mm、F1.8レンズ使用時においては+-3.6mmであった。少なくともこれよりもＦ値の大きなレンズに関しては、この範囲内につなぎ位置と光軸中心を一致させるのがよい。

本発明によれば、分割露光時のつなぎ位置の左右での配線パターン等のズレが生じても、つなぎ線を境にした出力段差、輝線、黒線等を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

本発明の撮像装置は撮像素子とこの撮像素子に光を集光するレンズとを備えたものであり、具体的にはスチルカメラ、ビデオカメラ等が挙げられる。ここでは図１０に示すようなスチルカメラを例に取って説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の撮像装置の第１の実施形態におけるレンズと撮像素子との配置を示す図である。

図１において、１０３は少なくともひとつの配線層もしくはウエハの不純物注入領域の形成を分割露光により形成された撮像素子、１０４は有効画素領域（オプティカルブラック画素領域等を除く、実際に画像を作るのにデータとして使われる画素領域）、１０７は有効画素領域の中心を示す。１０５Ｒは右側のレチクルでの露光範囲、１０５Ｌは左側のレチクルでの露光範囲を示し、露光範囲１０５Ｒと露光範囲１０５Ｌの重複部でつなぎが行われる。本実施形態では分割露光を行なわれる層を配線層とした。配線層の例としては、固体撮像素子として、画素ごとにリセットトランジスタ、増幅用トランジスタ、選択トランジスタを有するような構成で、各トランジスタの制御用配線、出力配線等が考えられる。このような配線を複数層の配線層に割り振ることも可能であり、例えば、第１層目として、各トランジスタの制御用配線、第２層目として出力配線を分配し、両方の層を分割露光により形成する。また、合わせて各配線層どうし、もしくは基板と配線とのコンタクトのためのコンタクトホール、スルーホールを形成するための露光も分割露光で行なう。これらの層は、画素の高精細化、高開口化に対して影響が大きいために、分割露光で、より高精彩でパターンニングするのがよい。
撮像素子１０３のつなぎ位置のつなぎ線上に、レンズ３００の光軸中心（交差する一点鎖線の交差点）が設定されるように、レンズ３００と撮像素子１０３が配置される。１０６はチップの中心である。既に説明したように、撮像素子１０３のつなぎ線上に、レンズ３００の光軸中心（交差する一点鎖線の交差点）が設定されるように、レンズ３００と撮像素子１０３を配置することにより、分割露光時の左右のズレが生じても、固体撮像装置のつなぎ線がレンズの光軸中心と概略一致していれば、ＰＮ接合領域１０２へ入射する光線の変化は少なく、つなぎ線を境にした出力段差、輝線、黒線等を抑制することができる。

実際に、つなぎ位置と光軸中心とを合わせるためには、例えば、設計段階で、つなぎ位置はチップ上の座標として分かるため、この座標を元に、カメラに組み込む際に、レンズとの位置合わせを行い、光軸中心とつなぎ位置を合わせればよい。
（実施形態２）
図２は本発明の撮像装置の第２の実施形態におけるレンズと撮像素子との配置を示す図である。図１に示した構成部材と同一構成部材については同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、１０６はチップの中心、つなぎ線上に撮像素子の有効画素領域の中心１０７とレンズ３００の光軸中心が重なるように配置した。レンズ３００の光軸中心と撮像素子１０３の有効画素領域１０４の中心とが一致するように配置すると、実施形態１の効果に加えてレンズ３００のイメージサークル(レンズを通った光がセンサー面位置で結像する範囲)の中心に有効画素領域が配置されるので、イメージサークルを有効に用いることができる。
（実施形態３）
図３は本発明の撮像装置の第３の実施形態を説明するための図、図４は本発明の撮像装置の第３の実施形態におけるレンズと撮像素子との配置を示す図である。図１に示した構成部材と同一構成部材については同一符号を付して説明を省略する。

つなぎ露光で形成される配線パターン１０２のマスクずれによって生ずる出力段差は、その上層である遮光層１１０のマージンをもって内側に絞ることによって図３に示すようにある程度回避することができる。
図３において、つなぎ位置は配線パターンのつなぎ位置を示す。図３に示すように、遮光層１１０を内側に絞れば、遮光層１１０で入射する光線が制限されるので、右のレチクルで露光された配線パターン１０２Ｒが左側にずれてもその影響は少ない。しかし、遮光層より上の層をつなぎ露光で形成した場合、そのつなぎズレは遮光層１１０の絞りでは回避することは困難である。

本実施形態は遮光層よりも上の層におけるつなぎ位置とレンズの光軸中心とを一致させたものである。遮光層よりも上の層としては例えば、マイクロレンズ層(第１のレンズ層)、インナーレンズ層(第２のレンズ層)がある。インナーレンズ層とはマイクロレンズ層下に配置されるレンズ層である。例えば、マイクロレンズ層は樹脂をパターニングして形成され、インナーレンズ層はＳｉＮ等の層をパターニングして得られる。このパターニングの際の露光を分割露光により行なう。

図４に示すように、マイクロレンズ層１１１の分割露光時のつなぎ位置を境に、左右のパターンでのズレが生じ、いま右のレチクルで露光されたマイクロレンズ層が図中左側にずれたときには、図４に示すように、マイクロレンズ層のつなぎ位置がレンズの光軸中心にあってＰＮ接合領域に対して垂直に光線が入射する場合（図４中実線矢印で示す）には、光は位置ずれがあるマイクロレンズ層によってもＰＮ接合領域に集光できるが、マイクロレンズ層のつなぎ線がレンズの光軸中心から離れていて光線がＰＮ接合領域に対して斜め方向から入射する場合（図中破線矢印で示す）には、光の一部はずれた左側にずれたマイクロレンズ層（図４中右側のマイクロレンズ層）ではＰＮ接合領域に一部集光できなくなる。

よって、分割露光時の左右のズレが生じても、マイクロレンズ層のつなぎ線がレンズの光軸中心と概略一致していれば、光線集光状態にの変化は少なく、つなぎ線を境にした出力段差、輝線、黒線等を抑制することができる。したがって、例えば、遮光層よりも下の配線層で、高精細化が要求される配線層は３分割以上でより高精彩となる分割露光を行い、遮光層よりも上にあるマイクロレンズ層に関しては、２分割露光によりつなぎ位置を光軸中心と合わせてもよい。この場合、必ずしも配線層に関してはつなぎ位置と光軸中心は一致しない。これはインナーレンズ層においても同様である。

（実施形態４）
図５は本発明の撮像装置の第４の実施形態における画素の平面図、図６は撮像素子の配置を示す図である。図１に示した構成部材と同一構成部材については同一符号を付して説明を省略する。

つなぎ線に対して平行に配される層パターンは垂直に配される層パターンに対して感度ずれに顕著に影響する。例えば、図５及び図６に示すように、つなぎ線に対して平行で且つ右のレチクルで露光された配線パターン１０２Ｒが左側にずれると、配線パターン１０２Ｒで反射され、光軸中心から離れた画素の主光線の一部はＰＮ接合領域１０１に入らなくなるが、垂直に配置される配線パターンは影響が小さく、画素の感度ずれの原因に締める割合は小さい。

そこで、本実施形態では、つなぎ線に対して平行に配置される例えば配線パターンのつなぎ線とレンズの光軸中心と概略一致させた。

図７は本発明の固体撮像装置の一例である“スチルカメラ”を示すブロック図である。

図７において、１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２は被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させるレンズ、３はレンズ２を通った光量を可変するための絞り、４はレンズ２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、６は固体撮像素子４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、８は固体撮像素子４、撮像信号処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６、信号処理部７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１２は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１３は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について、説明する。

バリア１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。

それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部９は絞り３を開放にし、固体撮像素子４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器６で変換された後、信号処理部７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部９で行う。

この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御する。

次に、固体撮像素子４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器６でＡ−Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算９によりメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。又外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

本発明の構成によれば、分割露光を行なって形成した撮像素子においても、そのつなぎ位置における出力段差、輝線、黒線等を抑制することができるため、大面積で1chipで作製した固体撮像素子を備えた固体撮像装置に用いることができる。

本発明の撮像装置の第１の実施形態におけるレンズと撮像素子との配置を示す図である。 本発明の撮像装置の第２の実施形態におけるレンズと撮像素子との配置を示す図である。 本発明の撮像装置の第３の実施形態の原理を示す図である。 本発明の撮像装置の第３の実施形態の原理を示す図である。 本発明の撮像装置の第４の実施形態における画素の平面図である。 本発明の撮像装置の第４の実施形態におけるレンズと撮像素子との配置を示す図である。 本発明の固体撮像装置の一例である“スチルカメラ”を示すブロック図である。 縮小投影装置の露光面積よりも大きなサイズの撮像素子を二分割して露光する場合を説明するための図である。 縮小投影装置の概略的な構成を示す図である。 固体撮像装置としてのスチルカメラの一構成例を示す図である。 固体撮像素子のつなぎ位置のつなぎ線上にスチルカメラのレンズの光軸中心がなく、光軸中心がつなぎ線から離れて配置された場合を示す図である。 固体撮像素子のつなぎ位置が光軸中心の一部を通る場合とそうでない場合とを違いを説明するための図である。 分割露光時の左右のズレがなく露光ができたときの画素の光入射状態を示す図である。 分割露光時の左右のズレが生じて露光された画素の光入射状態を示す図である。 分割露光によるつなぎを説明するための図である。

符号の説明

１００ 半導体基板
１０１ ＰＮ接合領域
１０２、１０２Ｒ、１０２Ｌ 配線パターン
１０３ 分割露光により形成された撮像素子
１０４ 有効画素領域
１０５Ｒ 右側のレチクルでの露光範囲
１０５Ｌ 左側のレチクルでの露光範囲
１０６ chip中心
１０７ 有効画素領域の中心
３００ レンズ

Claims (7)

1. 複数の光電変換領域が設けられた基板上に、分割露光により形成された、少なくとも一つのパターン層が設けられた固体撮像素子と、該固体撮像素子の複数の光電変換領域に光を入光するためのレンズと、を備えた固体撮像装置において、
   前記レンズの光軸中心を、前記パターン層の前記分割露光のつなぎ位置に概略設定することを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、前記固体撮像素子の前記光電変換領域を有する複数の画素からなる有効画素領域の中心を、前記パターン層の前記つなぎ位置上に概略設定することを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１又は２記載の固体撮像装置において、前記固体撮像素子は遮光層を有し、前記パターン層は該遮光層より上に設けられている固体撮像装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、前記パターン層はマイクロレンズ層である固体撮像装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、前記パターン層は前記つなぎ線と略平行に配置された層であることを特徴とする固体撮像装置。
6. 複数の光電変換領域が設けられた基板上に、分割露光により形成された、複数のパターン層が設けられた固体撮像素子と、該固体撮像素子の複数の光電変換領域に光を入光するためのレンズと、を備えた固体撮像装置において、
   前記レンズの光軸中心を、第１のパターン層の前記分割露光のつなぎ位置に概略設定し、第２のパターン層のつなぎ位置とは一致しないことを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項６に記載の固体撮像装置において、前記第１のパターン層はマイクロレンズ層であることを特徴とする固体撮像装置。

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