JP6110154B2 - 固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法に関する。
従来、複数の行及び複数の列により構成されるマトリクス状の画素構造を有する受光部を備える固体撮像装置が知られている(例えば特許文献1,2参照)。この固体撮像装置では、受光部に入射した光に応じて画素に蓄積される電荷が、転送電極に供給される電圧により転送される。
固体撮像装置の駆動方法の一例として、画素に蓄積された電荷を物体の移動速度に対応した速度で同列上の画素に転送しつつ、さらに電荷の蓄積を行うTDI(Time Delay and Integration)駆動法がある。TDI駆動法によれば、例えばベルトコンベア上にある物体など、一定速度で移動している物体を明瞭に撮像することができる。固体撮像装置の駆動方法の別の例として、所定個数の画素において発生した電荷を加算して出力信号とするビニングがある。ビニングによれば、隣接する複数の画素を単位画素として扱うことができる。
特開2000−101061号公報 特開2003−347539号公報
ところで、近年、固体撮像装置の感度の向上が求められており、これに応じて固体撮像装置の大面積化が進められている。一方、固体撮像装置の製造時における露光工程において、一度に露光を行える面積は限られている。そのため、固体撮像装置の面積が大きい場合、一度の露光により固体撮像装置を製造することは難しい。そこで、大面積の固体撮像装置を製造する場合には、半導体基板上の複数の領域に対応する形状のパターンを有するマスクを用いて、それぞれの領域を順に露光することにより固体撮像装置を製造する、継ぎ露光という手法が用いられている。
しかしながら、継ぎ露光により製造された固体撮像装置をTDI駆動法により駆動した場合、この固体撮像装置の受光部全体に一様な強度の光を入射させても、それぞれの領域の境界である継ぎ目の部分において、出力が継ぎ目以外の部分と異なる値となる。すなわち、継ぎ目の部分において、出力信号が不均一なものとなる。
そこで、本発明は、出力信号を十分に均一なものとすることができる固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板上に複数のパターンが第一方向に継ぎ合わされるように露光されて形成された受光部を備えた固体撮像装置であって、受光部は、第一方向と第一方向に直交する第二方向とに2次元状に配列された複数の画素を有し、複数の画素のうち、第二方向に配列された複数の画素からなる画素列ごとに、電荷を第二方向に転送しており、受光部では、複数のパターンが継ぎ合わされる境界が、第一方向と第二方向とに交差する方向に延びる一つ以上の線分上に沿って位置していることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置では、受光部は、複数のパターンが第一方向に継ぎ合わされるように露光されて形成されている。この受光部は、第一方向とこれに直交する第二方向とに2次元状に配列された複数の画素を有する。複数の画素のうち、第二方向に配列された複数の画素からなる画素列ごとに、電荷が第二方向に転送される。一方、複数のパターンが継ぎ合わされる境界は、第一方向と第二方向とに交差する方向に延びる一つ以上の線分上に沿って位置している。したがって、電荷が転送される第二方向と、画素列を構成する複数の画素の配列方向とは異なっている。このため、複数のパターンの境界の影響が画素の特定の列のみに集中せず、複数の画素列に分散される。この結果、複数のパターンの境界の部分において、画素列からの出力信号の不均一性が緩和され、出力信号を十分に均一なものとすることができる。
複数のパターンが継ぎ合わされる境界は、第二方向に延びる一つの直線に対して、1箇所のみで交差していてもよい。この場合には、第二方向に沿って電荷の転送が行われる画素列と、複数のパターンの境界とが交差する箇所が多くとも1箇所となる。このため、複数のパターンの境界による出力信号の不均一性を一層緩和し、出力信号を一層均一なものとすることができる。
TDI駆動が可能であってもよい。この場合には、一定速度で移動する物体を撮影する場合に、物体の移動方向を第二方向として、固体撮像装置をTDI駆動することにより、出力信号を十分に均一な状態として、この移動する物体の撮影を行うことができる。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に複数のパターンを第一方向に継ぎ合わせるように露光して受光部を形成するステップを備えた固体撮像装置の製造方法であって、受光部は、第一方向と第一方向に直交する第二方向とに2次元状に配列された複数の画素を有し、複数の画素のうち、第二方向に配列された複数の画素からなる画素列ごとに、電荷を第二方向に転送しており、受光部では、複数のパターンが継ぎ合わされる境界が、第一方向と第二方向とに交差する方向に延びる一つ以上の線分上に沿って位置していることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法によれば、上述したように、電荷が転送される第二方向と、受光部の形成の際に継ぎ合わされるパターンの境界が延びる方向とが異なる固体撮像装置が得られる。したがって、複数のパターンの境界による出力信号の不均一性を緩和し、固体撮像装置の出力信号を、十分に均一なものとすることができる。
本発明によれば、出力信号を十分に均一なものとすることができる固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法を提供することができる。
一実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。 図1の一部分を拡大して示す図である。 一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法において使用されるフォトマスクのパターンの形状を示す概略図である。 フォトマスクのパターンの別の形状を示す概略図である。 フォトマスクのパターンの別の形状を示す概略図である。 比較例に係るフォトマスクのパターンの形状を示す概略図である。 別の比較例に係るフォトマスクのパターンの形状を示す概略図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
まず、図1及び図2を参照して、本実施形態に係る固体撮像装置1の構成を説明する。図1は、固体撮像装置1の概略構成を示す平面図である。図2は、図1における矩形RIIの内部を拡大して示す図である。
図1に示されるように、固体撮像装置1は、垂直転送部(受光部)2、水平転送部3、出力部4及びボンディングパッド5を備えている。固体撮像装置1は、後述するように、TDI駆動が可能な固体撮像装置である。
垂直転送部2は、半導体基板上に、複数(図1に示される例では2個)のパターン2A,2Bが、境界SでY軸方向(第一方向)に継ぎ合わされるように露光されて形成されている。図2に示されるように、垂直転送部2は、Y軸方向と、Y軸方向に直交するX軸方向(第二方向)とに2次元状に配列された複数の画素6を有している。画素6は、それぞれ、垂直転送部2に入射する光を受けて、受光強度に応じた量の電荷を発生する。
複数の画素6のうち、X軸方向に配列された複数の画素6は、画素列を構成する。垂直転送部2は、画素列ごとに、電荷をX軸方向の正の向きに転送する。垂直転送部2は、画素6の上方においてY軸方向に平行に延びる複数の電極(不図示)を有している。垂直転送部2は、この電極の電位を変化させて、電極の下方に位置する半導体層のポテンシャルの深さを変化させることにより、電荷を転送する。特に、固体撮像装置1がTDI駆動される場合には、垂直転送部2は、X軸方向に移動する撮像対象物の移動速度に等しい速度で、電荷をX軸方向に転送する。垂直転送部2は、電荷を、最終的に水平転送部3まで転送する。
垂直転送部2のパターン2Aとパターン2Bとが継ぎ合わされる境界Sは、X軸方向とY軸方向とに交差する方向に延びる一つ以上の線分上に沿って位置している。特に、本実施形態では、境界Sは、X軸方向とY軸方向とのいずれにも交差する一つの線分に沿って、直線状に設けられている。なお、パターン2Aとパターン2Bとは、境界Sの近傍において、互いに重なり合う領域を有していてもよい。
水平転送部3は、垂直転送部2から転送された電荷を、Y軸方向に転送する。水平転送部3は、垂直転送部2と同様に電極(不図示)を有している。水平転送部3は、垂直転送部2における電荷の転送と同様に、電極の電位を変化させて、電極の下方に位置する半導体層のポテンシャルの深さを変化させることにより、電荷を転送する。
出力部4は、水平転送部3から転送された電荷を、その電荷量に応じた電圧に変換して出力する。出力部4としては、例えばフローティング・ディフュージョン・アンプを使用することができる。
ボンディングパッド5は、垂直転送部2及び水平転送部3における電荷の転送のために使用される電極に、固体撮像装置1の外部から電位を与えるために使用される。ボンディングパッド5は、その他の目的、例えば出力部4から出力される電圧信号を取り出すために使用されてもよい。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。この固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に複数のパターンを継ぎ合わせるようにして露光して受光部を形成するステップを備えている。
まず、図3を参照して、露光に使用されるフォトマスクのマスクパターンの好適な形状について説明する。図3(A)に、受光部の形成のための露光において使用されるフォトマスクの形状の一例を示す。フォトマスク20Aは、平面視において台形形状のマスクパターン21A及びマスクパターン22Aを有している。
図3(B)に、フォトマスク20Aを用いて露光を行った場合のウエハW(半導体基板)におけるパターンの配置を示す。ウエハWにおいて、パターン11Aとパターン12Aとが、境界SAを介して、Y軸方向に継ぎ合わされている。パターン11Aとパターン12Aとが継ぎ合わされて、固体撮像装置1Aを形成する。パターン11Aは、マスクパターン21Aにより露光されるパターンである。パターン12Aは、マスクパターン22Aにより露光されるパターンである。境界SAは、X軸方向とY軸方向とに交差する方向に延びる線分上に沿って位置している。特に、図3(B)に示した境界SAは、X軸方向に沿って延びる一つの直線LAに対して、1箇所のみで交差している。
図3(C)に、固体撮像装置1Aに、一様な強度の光を入射させた場合の出力信号強度のY軸に対する変化を示す。固体撮像装置1Aに入射する光の強度は一様であるから、出力信号強度は、一定となることが好ましい。固体撮像装置1Aの場合では、パターン11Aとパターン12Aとの位置合わせのずれ等により、出力信号強度は、境界SAの一端のY座標y1Aと、境界SAの他端のY座標y2Aとの間で、他の部分と比べてわずかに差が生じている。この差は、境界SA上に位置する画素6においては、パターン11Aとパターン12Aとの位置合わせのずれ等の影響により、境界SA上に位置しない画素6と比較して、入射光の強度と、発生する電荷の量との間の関係が異なることに起因する。Y座標y1AとY座標y2Aとの間の領域では、X軸方向に沿った画素列には、境界SA上に位置する画素6が含まれるのに対し、Y座標がy1Aより小さい領域、又はY座標がy2Aより大きい領域では、X軸方向に沿った画素列には、境界SA上に位置する画素6は含まれない。このため、図3(C)に示したように、Y座標y1AとY座標y2Aとの間の領域では、他の領域と比較して、出力信号強度の特性にわずかに差が生じる。しかしながら、図3(C)に示した出力信号強度のY座標による差は十分に小さく、実用上、出力信号強度は、十分に均一なものとなっている。
次に、図4を参照して、露光に使用されるフォトマスクのマスクパターンの別の好適な形状について説明する。図4(A)に、フォトマスクの形状の一例を示す。フォトマスク20Bは、五角形形状のマスクパターン21B及びマスクパターン22Bを有している。
図4(B)に、フォトマスク20Bを用いて露光を行った場合のウエハWにおけるパターンの配置を示す。ウエハWにおいて、パターン11Bとパターン12Bとが、境界SAを介して、Y軸方向に継ぎ合わされている。パターン11Bとパターン12Bとが継ぎ合わされて、固体撮像装置1Bを形成する。パターン11Bは、マスクパターン21Bにより露光されるパターンである。パターン12Bは、マスクパターン22Bにより露光されるパターンである。境界SBは、一つの角によって区切られた二つの部分を有する折れ線として設けられている。二つの部分は、それぞれ、X軸方向とY軸方向とに交差する方向に延びる二本の線分のそれぞれに沿って位置している。図4(B)に示した境界SBは、X軸方向に沿って延びる一つの直線LBに対して、2箇所で交差している。境界SBのうち、Y座標が最小となる点のY座標はy1Bであり、Y座標が最大となる点の座標はy2Bである。
図4(C)に、固体撮像装置1Bに、一様な強度の光を入射させた場合の出力信号強度のY軸に対する変化を示す。固体撮像装置1Bの場合では、パターン11Bとパターン12Bとの位置合わせのずれ等により、出力信号強度は、Y座標y1Bと、Y座標y2Bとの間で、他の部分と比べてわずかに差が生じている。この差は、図3(C)に示した、Y座標y1AとY座標y2Aとの間の領域とその他の領域との出力信号強度の差よりはやや大きいとはいえ、十分に小さいものであり、実用上、出力信号強度は、十分に均一なものとなっている。
なお、図3に示した固体撮像装置1Aのパターン11A,12Aと、図4に示した固体撮像装置1Bのパターン11B,12Bの境界SBの形状とを比較して、それらの特徴について以下に述べる。図3(B)に示したように、直線LAに沿った画素列は境界SAと1箇所で交差するのに対し、図4(B)に示したように、直線LBに沿った画素列は境界SBと2カ所で交差する。このため、固体撮像装置1Aは、固体撮像装置1Bと比較すると、境界上に位置する画素の数が少ないため、出力信号強度が一層均一なものとなる点では有利である。一方、境界を、X軸に対して一定の角度で傾斜する1つ以上の線分に沿った直線又は折れ線とする場合、図4(A)に示したフォトマスク20Bは、図3(A)に示したフォトマスク20Aよりも面積を小さくできる点で有利である。
マスクパターンの数及び固体撮像装置の垂直転送部におけるパターンの数は、それぞれ2つに限定されるものではない。マスクパターンの数と固体撮像装置のパターンの数とを、異なる数としてもよい。図5を参照して、露光に使用されるフォトマスクのマスクパターンの、さらに別の好適な形状について説明する。図5(A)に、フォトマスクの形状の一例を示す。フォトマスク20Cは、台形形状のマスクパターン21C、平行四辺形形状のマスクパターン22C、及び台形形状のマスクパターン23Cを有している。
図5(B)に、フォトマスク20Cを用いて露光を行った場合のウエハWにおけるパターンの配置を示す。ウエハWにおいて、パターン11C,12C,13C,14C,15Cが、それぞれ境界SC1,SC2,SC3,SC4を介して、Y軸方向に継ぎ合わされている。境界SC1〜SC4は、それぞれX軸方向とY軸方向の両方に対してそれぞれ一定の角度をなす線分に沿って配置されている。境界SC1,SC2,SC3,SC4は、それぞれの一端のY座標がy1C,y3C,y5C,y7Cであり、それぞれの他端のY座標がy2C,y4C,y6C,y8Cである。境界SC1は、X軸方向に沿って延びる一つの直線LCに対して、1箇所で交差している。境界SC2〜SC4も同様に、X軸方向に沿って延びる直線に対して1箇所で交差する。
パターン11C,12C,13C,14C,15Cが継ぎ合わされて、固体撮像装置1Cを形成する。パターン11Cは、マスクパターン21Cにより露光される。パターン12C,13C,14Cは、マスクパターン22Cにより露光される。パターン15Cは、マスクパターン23Cにより露光される。パターン12C,13C,14Cの露光は、フォトマスク20CのウエハWに対する位置を変えながら繰り返し露光を行うことによって行われる。
図5(C)に、固体撮像装置1Cに、一様な強度の光を入射させた場合の出力信号強度のY軸に対する変化を示す。固体撮像装置1Cの場合では、パターン11C〜15Cの位置合わせのずれ等により、出力信号が、Y座標y1C〜y2C、Y座標y3C〜y4C、Y座標y5C〜y6C、Y座標y7C〜y8Cの領域において、他の領域と比べて差が生じている。しかしながら、図5(C)に示した出力信号強度のY座標による差は十分に小さく、実用上、出力信号強度は、十分に均一なものとなっている。
以下、図6及び図7を参照して、本発明の実施形態に対する比較例を説明する。図6(A)に、比較例に係るフォトマスクの形状の一例を示す。フォトマスク120Dは、長方形形状のマスクパターン121D及びマスクパターン122Dを有している。
図6(B)に、フォトマスク120Dを用いて露光を行った場合のウエハWにおけるパターンの配置を示す。ウエハWにおいて、パターン111Dとパターン112Dとが、境界SAを介して、Y軸方向に継ぎ合わされている。パターン111Dとパターン112Dとが継ぎ合わされて、固体撮像装置101Dを形成する。パターン111Dは、マスクパターン121Dにより露光されるパターンである。パターン112Dは、マスクパターン122Dにより露光されるパターンである。境界SDは、X軸方向に沿って位置している。図6(B)に示した境界SDは、X軸方向に沿って延びる一つの直線LDと平行に位置している。境界SD上の各点のY座標はy1Dである。
図6(C)に、固体撮像装置101Dに、一様な強度の光を入射させた場合の出力信号強度のY軸に対する変化を示す。固体撮像装置101Dの場合では、パターン111Dとパターン111Dとの位置合わせのずれ等により、出力信号強度は、Y座標y1Dにおいて、他の部分と比べて大きな差が生じている。この差は、図3に示した、Y座標がy1A〜y2Aの区間とその他の区間との出力信号強度の差よりも著しく大きい。これは、Y座標がy1Dとなる画素列を構成する画素6が、全て境界SD上に位置するために、他の位置の画素6と比較して出力信号強度の特性が異なっているからである。
図7に、別の比較例を示す。図7(A)に、比較例に係るフォトマスクの形状の一例を示す。フォトマスク120Eは、長方形の短辺のうち一辺を、X軸方向及びY軸方向の両方に交差する辺2本と、これらの辺を接続しY軸に平行な1本の辺とからなる折れ線で置き換えた六角形形状のマスクパターン121E及びマスクパターン122Eを有している。
図7(B)に、フォトマスク120Eを用いて露光を行った場合のウエハWにおけるパターンの配置を示す。ウエハWにおいて、パターン111Eとパターン112Eとが、境界SAを介して、Y軸方向に継ぎ合わされている。パターン111Eとパターン112Eとが継ぎ合わされて、固体撮像装置101Eを形成する。パターン111Eは、マスクパターン121Eにより露光されるパターンである。パターン112Eは、マスクパターン122Eにより露光されるパターンである。境界SEは、X軸方向及びY軸方向の両方に交差する部分SE1、SE3と、Y軸方向に平行な部分SE2からなる。図6(B)に示した境界SEは、X軸方向に沿って延びる一つの直線LEと3箇所で交差している。境界SE上の各点のY座標はy1Dである。
図7(C)に、固体撮像装置101Eに、一様な強度の光を入射させた場合の出力信号強度のY軸に対する変化を示す。固体撮像装置101Eの場合では、パターン111Eとパターン112Eとの位置合わせのずれ等により、出力信号強度は、Y座標y1E〜y2Eにおいて、他の部分と比べて大きな差が生じている。この差は、図4に示した、Y座標がy1B〜y2Bの区間とその他の区間との出力信号強度の差よりも大きい。これは、境界SEに、Y軸方向に平行な部分SE2が存在することにより、Y座標がy1E〜y2Eの区間に位置する画素列を構成する画素6のうち、部分SE2上に位置するものが存在することにより、境界SE上に位置する画素6の数が増加しているためである。このように、パターンの境界上に、Y軸方向に平行な部分を設けることは、出力信号強度の特性を不均一なものとするため、好ましくない。
本発明の実施形態に係る固体撮像装置1では、垂直転送部2は、複数のパターン11、12が第一方向に継ぎ合わされるように露光されて形成されている。この垂直転送部2は、X軸方向とこれに直交するY軸方向とに2次元状に配列された複数の画素6を有する。複数の画素6のうち、X軸方向に配列された複数の画素からなる画素列ごとに、電荷がX軸方向に転送される。一方、複数のパターンが継ぎ合わされる境界は、X軸方向とY軸方向とに交差する方向に延びる一つ以上の線分上に沿って位置している。したがって、電荷が転送されるX軸方向と、画素列を構成する複数の画素6の配列方向とは異なっている。このため、複数のパターンの境界の影響が画素6の特定の列のみに集中せず、複数の画素列に分散される。この結果、複数のパターンの境界の部分において、画素列からの出力信号の不均一性が緩和され、出力信号を十分に均一なものとすることができる。
複数のパターン11、12が継ぎ合わされる境界が、X軸方向に延びる一つの直線に対して、1箇所のみで交差している場合には、Y軸方向に沿って電荷の転送が行われる画素列と、複数のパターン11、12の境界とが交差する箇所が1箇所となる。このため、複数のパターンの境界による出力信号の不均一性を一層緩和し、出力信号を一層均一なものとすることができる。
固体撮像装置1が、TDI駆動が可能である場合には、一定速度で移動する物体を撮影する場合に、物体の移動方向をX軸方向として、固体撮像装置をTDI駆動することにより、出力信号を十分に均一な状態として、この移動する物体の撮影を行うことができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限られるものではない。パターンの境界の形状は、パターンの境界が前記第一方向と前記第二方向とに交差する方向に延びる一つ以上の線分上に沿って位置していれば、図3〜5に示したものに限定されず、どのようなものでもよい。また、本発明の固体撮像装置は、電荷を転送することにより、ビニングを行って隣接する複数の画素を単位画素として扱うものであってもよい。
1…固体撮像装置、2…垂直転送部(受光部)、2A,2B,11A,12A,11B,12B,11C〜15C…パターン、3…水平転送部、6…画素、W…ウエハ(半導体基板)。

Claims (4)

  1. 半導体基板上に複数のパターンが第一方向に継ぎ合わされるように露光されて形成された受光部を備えた固体撮像装置であって、
    前記受光部は、前記第一方向と前記第一方向に直交する第二方向とに2次元状に配列された複数の画素を有し、前記複数の画素のうち、前記第二方向に配列された複数の画素からなる画素列ごとに、電荷を第二方向に転送しており、
    前記受光部では、前記複数のパターンが継ぎ合わされる境界が、前記第一方向と前記第二方向とに交差する方向に延びる一つ以上の線分上に沿ってのみ位置していることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記複数のパターンが継ぎ合わされる前記境界は、前記第二方向に延びる一つの直線に対して、一箇所のみで交差することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. TDI駆動が可能であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。
  4. 半導体基板上に複数のパターンを第一方向に継ぎ合わせるように露光して受光部を形成するステップを備えた固体撮像装置の製造方法であって、
    前記受光部は、前記第一方向と前記第一方向に直交する第二方向とに2次元状に配列された複数の画素を有し、前記複数の画素のうち、前記第二方向に配列された複数の画素からなる画素列ごとに、電荷を第二方向に転送しており、
    前記受光部では、前記複数のパターンが継ぎ合わされる境界が、前記第一方向と前記第二方向とに交差する方向に延びる一つ以上の線分上に沿ってのみ位置していることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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