JP2003273342A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２次元配列された光電変換手段の上層多層信
号線による入射光の乱反射を抑え、撮像領域の周辺部近
傍における受光感度の改善を図る。 【解決手段】 フォトダイオードＰＤやＭＯＳゲート等
を設けたシリコン基板４０の上部に、絶縁層４１を介し
て３層の信号線４２、４３、４４が配置され、その上部
にカラーフィルタ４６、オンチップレンズ４７が設けら
れている。そして、撮像領域の中心部近傍の画素では、
フォトダイオードＰＤの上方を避けるように信号線４
２、４３、４４を配置する。また、撮像領域の周辺部に
近づくにつれて、画素の信号線４２、４３、４４を中心
部近傍の画素に比べて光が入射してくる方向に配置し、
画素への斜め入射光をできる限り多くフォトダイオード
ＰＤに到達させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換手段等を
含む複数の単位画素が２次元配列された撮像領域を有す
る固体撮像素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビデオカメラや電子カメラが広く
普及しており、これらのカメラには、ＣＣＤ型や増幅型
の固体撮像素子が使用されている。これらの固体撮像素
子は、それぞれ光電変換手段（フォトダイオード；Ｐ
Ｄ）を設けた複数の単位画素が撮像領域内に２次元配列
のアレイ状に配置されたものである。そして、ＣＣＤ型
固体撮像素子では、各単位画素に入射した光をフォトダ
イオードによって光電変換して信号電荷を生成し、この
信号電荷を垂直ＣＣＤ転送レジスタおよび水平ＣＣＤ転
送レジスタを介して出力部に設けたフローティングデフ
ュージョン（ＦＤ）部に転送する。そして、このＦＤ部
の電位変動をＭＯＳトランジスタによって検出し、これ
を電気信号に変換、増幅することにより、撮像信号とし
て出力する。

【０００３】一方、増幅型固体撮像素子（ＣＭＯＳイメ
ージセンサ）では、各単位画素内にＦＤ部や転送、増幅
等の各種ＭＯＳトランジスタを有し、各単位画素に入射
した光をフォトダイオードによって光電変換して信号電
荷を生成し、この信号電荷を転送トランジスタによって
ＦＤ部に転送し、このＦＤ部の電位変動を増幅トランジ
スタによって検出し、これを電気信号に変換、増幅する
ことにより、各画素毎の信号を信号線より出力する。

【０００４】ところで、近年では、 携帯電話などのモバ
イル機器へのカメラ機能搭載の目的から、撮像素子の小
型化、省電力化に対する要求が強まっている。このよう
な要求に応えるためには、ＣＣＤ型の固体撮像素子より
も低電圧で動作可能であり、また、複雑な信号処理機能
も容易にワンチップ化できる増幅型固体撮像素子（ＣＭ
ＯＳイメージセンサ）が適している。そして、このよう
な増幅型固体撮像素子のうち、現時点では最も小型の画
素を有する構成としては、図１０に示すような画素構造
を有するものが提案されている（例えば、「Dun-Nian Y
aung, Shou-Gwo Wuu, Yean-Kuen Fang et al., "Nonsil
icide source/drain pixel for 0.25um CMOS image sen
sor" IEEE Electron Device Letters, Vol.22, No.2, p
p.71-73, February 2001」参照）。

【０００５】以下、この従来例について、図１０を参照
して説明する。図１０は、２×２＝４画素分の構成を示
しており、各単位画素は、シリコン基板にはｐ型拡散層
とｎ型拡散層からなるフォトダイオードＰＤと、このフ
ォトダイオードＰＤで光電変換された信号電荷を電圧信
号に変換して出力するための４つのＭＯＳトランジスタ
Ｔｒ１〜Ｔｒ４を設けたものである。すなわち、読み出
しトランジスタＴｒ１は、読み出しパルスに基づいてフ
ォトダイオードＰＤで生成された信号電荷を読み出して
増幅トランジスタＴｒ２にゲートに接続されたＦＤ部に
転送するものであり、増幅トランジスタＴｒ２は、ＦＤ
部の電位変動を対応して電圧信号（画素信号）を出力す
るものである。また、垂直選択（アドレス）トランジス
タＴｒ３は、アドレスパルスに基づいて画素信号を読み
出す水平ライン（画素行）を垂直方向に順次選択するた
めのものであり、リセットトランジスタＴｒ４は、リセ
ットパルスに基づいてＦＤ部の電位を電源電位にリセッ
トするものである。

【０００６】また、水平アドレス信号線１１は、垂直選
択トランジスタＴｒ３のゲートに結線され、垂直選択ト
ランジスタＴｒ３によって信号を読み出す水平ラインを
選択するものであり、リセット線１２はリセットトラン
ジスタＴｒ４のゲートに結線され、リセットトランジス
タＴｒ４によってＦＤ部の電位をリセットするものであ
る。また、垂直信号線１３は、増幅トランジスタＴｒ２
のソースに結線され、増幅トランジスタＴｒ２から出力
された画素信号を画素部の外部に出力するものであり、
定電流源１４は、各画素に駆動電流を供給しており、図
では省略しているが、画素列毎に垂直方向に配線された
信号線によって供給される。

【０００７】これらの配線は、例えばＡｌ多層配線が形
成されている。フォトダイオードＰＤに多くの光を導入
するためには、フォトダイオードＰＤの開口率を上げる
必要があり、フォトダイオードＰＤの上方には、できる
だけ信号線を配置しないようにレイアウトされている。
そして、この配線層の上方には、オンチップレンズ（Ｏ
ＣＬ）を配置して開口率を上げる工夫がなされる。ま
た、カラー信号を得るためのカラーフィルタが各フォト
ダイオードＰＤに対応して配線層上に配置される。ま
た、ＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４による回路部に
光が入射しないようにするための遮光膜が配置されてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、被写体をレ
ンズにより結像して撮像する固体撮像装置においては、
シェーディングによる周辺減光の問題がある。具体的に
は、信号線などのチップ上の構造物による斜め光成分の
乱反射により、画面中央部に比べて周辺部でフォトダイ
オードへの入射光量や光電変換効率が低下するという問
題である。特に近年はカメラ機能部品の小型化の要求か
ら瞳距離の短い光学系が望まれるが、 その場合、画面周
辺の画素において斜めに入射する光の成分が信号線によ
って遮られるため、感度が低下し、シェーディングによ
る画質劣化が顕著になってしまう。

【０００９】そこで従来は、瞳補正と称して、例えば特
開2000-150849 号公報に開示されるように、撮像領域の
周辺部寄りの領域において斜め光がフォトダイオードに
集光されるように、オンチップレンズや遮光膜の開口の
位置を補正し、シェーディングを軽減している。具体的
には、フォトダイオードから見て光が入射する方向にオ
ンチップレンズおよび遮光膜開口を配置する。

【００１０】しかし、ＣＣＤ型の固体撮像素子であれ
ば、画面内には多層配線が無く、フォトダイオード以外
の領域を覆うための遮光膜以外には光をさえぎるものが
ない。従って、瞳補正によるシェーディング低減が効果
的である。図１１は、ＣＣＤ型の固体撮像素子の積層構
造を示しており、シリコン基板２０の表層部にフォトダ
イオードＰＤが設けられている。そして、このシリコン
基板２０の上部にＣＣＤの転送電極となる第１層目の配
線層２１が形成され、その上に所定膜厚の絶縁膜２３を
介して第２層目の配線層２２が積層されている。そし
て、その上に平坦化膜２４等を介してカラーフィルタ２
５およびオンチップレンズ２６が配置されている。

【００１１】これに対し、増幅型の固体撮像素子では、
画面内に少なくとも２層、望ましくは３層以上の多層信
号線が必要である。図１２は、増幅型の固体撮像素子の
積層構造を示しており、シリコン基板３０の表層部にフ
ォトダイオードＰＤが設けられ、このシリコン基板３０
の上部にそれぞれ所定膜厚の絶縁膜３１を介して３層の
配線層３２、３３、３４が積層され、その上に平坦化膜
３５等を介してカラーフィルタ３６およびオンチップレ
ンズ３７が配置されている。すなわち、図１１に示すＣ
ＣＤ型撮像素子の積層構造に比較して、より膜厚の大き
い多層構造となっている。

【００１２】このため上述した特開2000-150849 号公報
に開示されるように、遮光膜やオンチップレンズのみの
位置補正ではシェーディング改善の効果は小さい。ま
た、最上層の信号線はフォトダイオードの表面から３μ
ｍから５μｍ程度上層にあるのが普通である。この段差
は０．２５μｍゲート長世代のプロセス技術用いて製造
した増幅型撮像素子の画素サイズとほぼ等しいため、瞳
補正を行っても信号線によって斜め入射光が遮られ、特
に短射出瞳距離の場合においてシェーディング抑制が十
分にできない。以上のように、従来の増幅型撮像素子に
おいては、ＰＤ表面と信号線との間に画素サイズと同等
の段差があるため、瞳補正を行っても撮像領域の周辺部
寄りの領域でシェーディングが大きいという問題があっ
た。

【００１３】そこで本発明の目的は、２次元配列された
光電変換手段の受光面の上層に配置される多層信号線に
よる入射光の乱反射を抑えることができ、特に撮像領域
の周辺部近傍における受光感度の改善を図ることができ
る固体撮像素子及びその製造方法を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子
は、前記目的を達成するため、半導体基板に光電変換素
子とゲート素子を含む複数の単位画素を２次元アレイ状
に配列した撮像領域を設けるとともに、前記半導体基板
上に各単位画素の受光用開口部を避ける状態で単位画素
の行方向、または列方向、または格子状に複数層の信号
線を配置した固体撮像素子において、前記撮像領域の中
心部から周辺部に行くに従って前記各単位画素に対する
前記信号線の相対位置が撮像領域の中心に近づく方向に
ずれていることを特徴とする。

【００１５】また、本発明の固体撮像素子の製造方法
は、半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数
の単位画素を２次元アレイ状に配列した撮像領域を設け
るとともに、前記半導体基板上に各単位画素の受光用開
口部を避ける状態で単位画素の行方向、または列方向、
または格子状に複数層の信号線を配置した固体撮像素子
の製造方法において、前記複数層の信号線を形成する場
合に、前記撮像領域の中心部から周辺部に行くに従って
前記各単位画素に対する前記信号線の相対位置を撮像領
域の中心に近づく方向にずらして形成することを特徴と
する。

【００１６】また、本発明の携帯機器は、半導体基板に
光電変換素子とゲート素子を含む複数の単位画素を２次
元アレイ状に配列した撮像領域を設けるとともに、前記
半導体基板上に各単位画素の受光用開口部を避ける状態
で単位画素の行方向、または列方向、または格子状に複
数層の信号線を配置した固体撮像素子を搭載した携帯機
器において、前記固体撮像素子は、その撮像領域の中心
部から周辺部に行くに従って前記各単位画素に対する前
記信号線の相対位置が撮像領域の中心に近づく方向にず
れていることを特徴とする。

【００１７】本発明の固体撮像素子では、撮像領域の中
心部から周辺部に行くに従って各単位画素に対する信号
線の相対位置が撮像領域の中心に近づく方向にずれてい
ることから、撮像領域の周辺部近傍における斜めの入射
光を有効に光電変換手段の受光部に入射させることがで
き、受光感度の改善を図ることができる。また、本発明
の製造方法では、撮像領域の中心部から周辺部に行くに
従って各単位画素に対する信号線の相対位置が撮像領域
の中心に近づく方向にずらして形成することにより、撮
像領域の周辺部近傍における斜めの入射光を有効に光電
変換手段の受光部に入射させることが可能な固体撮像素
子を製造することができ、受光感度の改善した固体撮像
素子を提供できる。

【００１８】さらに、本発明の携帯機器では、固体撮像
素子を搭載し、この固体撮像素子が撮像領域の中心部か
ら周辺部に行くに従って各単位画素に対する信号線の相
対位置が撮像領域の中心に近づく方向にずれていること
から、光学系を小型化した場合にも、撮像領域の周辺部
近傍における斜めの入射光を有効に光電変換手段の受光
部に入射させることができ、受光感度の改善を図ること
ができるため、固体撮像素子をコンパクトに搭載でき、
携帯機器の小型化を図ることが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による固体撮像素子
及びその製造方法の実施の形態例について説明する。本
実施の形態による固体撮像素子は、回路構成については
上記図１０で示した従来例と同様の増幅型固体撮像素子
であるが、その素子構造、特に各単位画素と周辺回路と
を接続している信号線（上層配線層）の位置関係が従来
例と異なっている。図１は、本実施の形態による固体撮
像素子の素子構造、特にフォトダイオードＰＤと信号線
との位置関係を示す部分断面図であり、図１（Ａ）は撮
像領域の中心部近傍の画素における素子構造、図１
（Ｂ）は撮像領域の中心部と周辺部との中間に位置する
画素における素子構造、図１（Ｃ）は撮像領域の周辺部
近傍の画素における素子構造を示している。

【００２０】図示のように、この固体撮像素子において
は、シリコン基板４０の表層部にフォトダイオードＰＤ
が設けられ、このシリコン基板４０の上部にそれぞれ所
定膜厚の絶縁膜４１を介して３層の配線層（信号線）４
２、４３、４４が積層され、その上に平坦化膜（パッシ
ベーション膜）４５等を介してカラーフィルタ４６およ
びオンチップレンズ４７が配置されている。そして、図
１（Ａ）に示すように、撮像領域の中心部近傍の画素で
は、フォトダイオードＰＤの上方を避けるように信号線
を配置する。また、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、撮
像領域の周辺部に近づくにつれて、画素の信号線を、中
心部近傍の画素に比べて光が入射してくる方向に配置
し、画素への斜め入射光をできる限り多くフォトダイオ
ードＰＤに到達させる。

【００２１】図２は、フォトダイオードＰＤと信号線と
の平面方向の位置関係を示す平面図である。図示のよう
に、この固体撮像素子において、シリコン基板４０に２
次元マトリクス状にフォトダイオードＰＤが配置されて
おり、そのシリコン基板４０の上部に行方向の信号線４
４Ａと列方向の信号線４４Ｂが配置されている。各フォ
トダイオードＰＤは、行方向および列方向に一定の間隔
で配置されているが、各信号線４４Ａ、４４Ｂの位置
は、各フォトダイオードＰＤに対して撮像領域の中心部
と周辺部とで位置関係がずれている。すなわち、撮像領
域の中心部の画素では、フォトダイオードＰＤ中心に対
して各信号線４４Ａ、４４Ｂの間の中心位置が一致して
いる。また、撮像領域の周辺部側の画素では、信号線４
４Ａ、４４Ｂが撮像領域の中心方向にずれている。

【００２２】次に、このような固体撮像素子の製造方法
について説明する。まず、イオン注入と熟拡散によりｐ
型半導体層のｐウェル、あるいはｎ型半導体層のｎウェ
ルを形成する。その後、素子分離領域を形成し、各ＭＯ
Ｓトランジスタのしきい値を決めるためのイオン注入を
行い、ポリシリコン等でゲート層などを形成する。次い
で、レジスト塗布、パターニングを行い、リンなどのｎ
型半導体層を形成するイオンを、例えば０．８ＭｅＶの
エネルギで２×１０１３ｃｍ^-2のドーズ量で、イオン注
入法により基板に打ち込み、フォトダイオードＰＤを形
成する。次いで、ＰＳＧなどの酸化シリコン材料で層間
膜を形成する。次いで、コンタクトホールを開口し、タ
ングステンを埋め込み、コンタクトを形成する。次い
で、アルミ等の導電膜を、例えば４００ｎｍ堆積し、パ
ターニングを行い、１層目の信号線を形成する。次い
で、コンタクト形成と信号線の形成を繰り返して、所望
の層数の多層配線を形成する。

【００２３】増幅型固体撮像素子では、水平方向と垂直
方向の信号線を形成するために、最低でも２層の多層配
線が必要である。また、撮像領域の周辺に配置されてい
る信号処理回路や画素の微細化のためには３層の多層配
線が効果的であるし、さらに複雑な信号処理を行う回路
を混載するためには４層以上の多層配線が有効であり、
配線層数は製品の種類によって異なる。たとえば、アル
ミで３層配線を形成する場合にはフォトダイオードＰＤ
から３層目配線までの高さは５μｍ程度が普通である。

【００２４】そして、本実施の形態では、信号線のパタ
ーニング時に使用するマスクにおいて、信号線の画素内
に配置されるフォトダイオードＰＤと信号線の位置関係
が、撮像領域の中央近傍の画素と周辺部側の画素とで異
なるようなパターンを用いる。具体的には、中央近傍の
画素ではフォトダイオードＰＤの上方に信号線が配置さ
れないように各層の信号線を配置し、周辺部側の画素で
は、縦（垂直）方向の信号線は撮像領域の右側では左方
向、左側では右方向にずれており、横（水平）方向の信
号線は撮像領域の上側では下方向、下側では上方向にず
れている。なお、理想的には、隣接画素間で信号線のズ
レ量が緩やかに変化するのが理想的である。このような
マスクを用いてパターニングすると、信号線をフォトダ
イオードＰＤの位置に対してずらして形成することがで
きる。

【００２５】また、コンタクトホールのパターニング時
に使用するマスクにおいては、上記のように単位画素に
対する信号線の相対位置が画素によって異なるので、信
号線の位置に対応してコンタクトの位置をずらすことが
必要である。また、単に信号線のズレに合わせてコンタ
クトをずらすだけでは接続できない場合も生じる。そこ
で、このような場合には、新たに配線素片を配置して正
しく信号線と接続する。また、この場合には、隣接画素
間で配線素片の形状が緩やかに変化するように形成す
る。すなわち、配線素片の形状を隣接画素間で急激に変
化させると、画素間特性差が大きくなり、画質劣化の原
因となるからである。この後、従来の方法でパッシベー
ション膜（ＳｉＮなど）を堆積し、さらにオンチップフ
ィルタやオンチップレンズを形成することで、本実施の
形態による固体撮像装置が完成することになる。このよ
うな増幅型固体撮像素子では、フォトダイオードの受光
面に結像する光学系を配置して用いることが望ましい。
そして、この光学系のＦ値は有限の値をとり、瞳中心は
画面（撮像領域）の中央位置の上方になるようにする。

【００２６】続いて、本実施の形態例に示した増幅型撮
像素子の特性面での特徴を従来例と比較しながら説明す
る。まず、撮像領域（画面）の中心部の画素では、フォ
トダイオードＰＤ上方には信号線が存在しない領域があ
り、中心画素の上方に瞳中心がある。このため、図１
（Ａ）に示すように、画面中心では主要な光の成分ａは
ほぼ垂直に受光面に入射し、信号線が存在しない領域を
通過してフォトダイオードＰＤに到達できる。この画面
中心では従来例と本例との違いはなく、光を効率よくフ
ォトダイオードＰＤに導入できる。

【００２７】一方、画面周辺部の画素では、瞳中心が斜
め上方に位置し、主要な光の成分ａが瞳から斜めに入射
する（図１（Ｂ）（Ｃ））。上記従来例のように、フォ
トダイオードＰＤの上方を避けて信号線を配置しても、
斜め入射光の光路上に信号線が配置されることになり、
フォトダイオードＰＤの入射光を遮ってしまう。しか
し、本例では、信号線が存在しない領域が光の入射方向
にあるので、光を効率よくフォトダイオードＰＤに導く
ことができる。結果として、周辺画素での減光の少な
い、すなわちシェーディングの少ないフォトダイオード
ＰＤを製造できる。また、製造工程の上でも変更点はな
く、信号線を形成する際に用いるマスクにおいて、信号
線を所望の形状に設計するのみで容易に実現できるとい
う利点がある。

【００２８】なお、本発明は上述した各実施の形態例に
限定されるものではない。１つの画素となる基本セルの
回路構成は図１０に示したものに何ら限定されるもので
はなく、光電変換部で得られた信号電荷を増幅して取り
出すことのできる構成であればよい。また、画面周辺の
画素における金属膜による開口中心のずれ量や開口面積
増大量等の条件は、適宜に定めればよい。その他、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施するこ
とができる。

【００２９】次に、以上のような本実施の形態例による
固体撮像素子のより具体的な実施例および応用例につい
て説明する。 （１）上述のように図１に示す実施例は、従来の瞳補正
でオンチップレンズをずらすのと同様な原理で信号線を
ずらすことにより、フォトダイオードＰＤへの入射光量
を増加させるようにしたものである。撮像素子に結像す
る光学系の瞳中心は撮像素子の画面中心の直上にある場
合がほとんどであるので、信号線は画面の中心方向にず
らし、そのずらし量は画面端に行くほどずらし量を大き
くしていくのが好ましい。ただし、画面の一部のみ、た
とえば、中心部分はずらさず、周辺部近傍部分だけをず
らすだけでも、シェーディングの大きい画面周辺部近傍
でのシェーディングが軽減され、画質の向上が達成され
る。

【００３０】（２）従来例で示したように、一部の信号
線は電源電位やグランド電位を供給するために、すべて
の単位画素に接続されている。その場合は、網状に信号
線を形成し、網目に相当する開口部から各単位画素のフ
ォトダイオードＰＤに光を導入する。この場合でも、信
号線パターンを画面中心部に向かってずらすことで、シ
ェーディングが改善される。 （３）例えば０．２５ミクロン世代の素子では、配線幅
が０．４０ミクロン、ビアコンタクト径が０．３４ミク
ロン程度となる。単純に信号線だけを１ミクロンずらす
と、ビアコンタクトと接続できないため、画素は動作で
きない。そこで、信号線をずらしても接続を保つための
構造として、図３に示すように、信号線５０Ａ、５０Ｂ
がずれる方向に長径の断面を有するビアコンタクト５２
を形成し、信号線がどこにずれても、ビアコンタクトと
信号線とを接触できるようにする。 （４）または、図４に示すように、新たな配線素片５４
を配置して、ビアコンタクト５６と信号線５０Ａ、５０
Ｂを接続する。なお、配線素片５４の形状は全画素で同
一にするとよい。

【００３１】（５）また、この配線素片を全画素で同一
形状にする場合、信号線のずれの範囲内でどのようにず
れても接続が保たれるような大きさにしなければならな
い。つまり、一部のずれ量が大きい場合には、全ての配
線素片を大きくしなければならず、配線素片が光を遮っ
てしまう。そこで、こういった場合には、配線素片の形
状を画素ごとに変化させることで、配線素片を小さくす
る。図５は、ずれ量が大きい場合に配線素片の形状を変
化させてビアコンタクトと信号線を接続する場合の一例
を示す平断面図である。図４に示すようなずれ量を有す
る領域では小さい配線素片５４を用い、図５に示すよう
に、ずれ量が大きい領域では大きい配線素片５８を用い
て接続する。

【００３２】（６）信号線のずらし量は画面中心から端
に行くにしたがって徐々に大きくすることが好ましい。
このため、ずらし量を細かく設定する必要がある場合が
多い。たとえば、４ｕｍピッチの画素アレイで、射出瞳
距離が数１０〜数ｍｍであれは、１画素あたり０．１か
ら１ｎｍ程度の小さいずらし量の最適値となる。つま
り、信号線のピッチは３．９９９９μｍから３．９９９
０μｍというように細かく設定する必要がある。そし
て、このように半端な数値を取り扱う場合、設計作業は
現在入手可能なＣＡＤツールで問題ないが、マスクの作
成に問題がある。つまり、このマスク作成作業は、マス
ク描画機を用いて描画グリッド（単位格子）でマスクパ
ターンを設定していくものであるが、たとえば、よく用
いられるＪＥＯＬ社製のマスク描画機ＡＬＴＡでは最小
描画グリッドが２０ｎｍであるから、５倍マスクの場
合、２０／５＝４ｎｍが半導体基板上にパターニング後
の最小グリッドとなり、０．１から１ｎｍ程度の小さい
ずらし量で信号線を形成することができない。

【００３３】そこで、この対策として、ずらし量の丸め
を行い、最小グリッドに乗らない信号線をグリッドに載
せるようにする。上述のように、ずらし量は隣接する画
素間で大きく変化しないことが重要であるが、たとえ
ば、最小グリッド４ｎｍで０．５ｎｍ／pixel のずらし
を行うと、８画素ごとに４μｍずつずらし量が増加する
ことになる。この場合、８画素ごとに特性が変化してし
まい、撮像結果に８画素ごとの縦筋が現れて問題となる
ことが懸念されるが、最小グリッドが画素サイズの０．
５％以下であれば、縦筋は認識できない程度であり、問
題にならないことが分かった。また、画素ピッチは最小
グリッドの整数倍としてグリッドに載るようにするのが
設計上便利である。

【００３４】（７）信号線の位置合わせずれにより設計
どおりの位置に信号線が形成できないと、信号線により
光が遮られ感度が低下する。そこで、普通は多層配線は
直下の層に位置合わせを行うのであるが、より下の層に
対して合わせを行うことにより、全体の位置合わせずれ
量を減らすことができる。図６は、多層配線を直下の層
を基準として各層の位置合わせを行う場合の手順を示す
フローチャートである。図示のように、シリコン基板の
素子分離領域（Ｓ１）を位置合わせの基準として、イオ
ン注入（Ｓ２）とゲート形成（Ｓ３）を行う。その後、
各層のコンタクト（１ＭＣ、２ＭＣ、３ＭＣ）と配線層
（１ＭＴ、２ＭＴ）を直下の層を位置合わせの基準とし
て形成し（Ｓ４〜Ｓ８）、さらに遮光膜（３ＭＴ）、カ
ラーフィルタ、オンチップレンズを直下の層を位置合わ
せの基準として形成する（Ｓ９〜Ｓ１１）。

【００３５】また、図７は、多層配線を直下でなく、よ
り下層を位置袷の基準として各層の位置合わせを行う場
合の手順を示すフローチャートである。図示のように、
通常のアルミ配線ならば、コンタクトの全層をゲート層
に合わせるようにするとよい。この位置合わせのため
に、たとえば全層のコンタクトに対する合わせマークを
ゲート層に形成しておく。また、通常のアルミ配線プロ
セスを用いる場合は、アルミ配線層は直下のコンタクト
層にしか合わせられないので、図示のように各コンタク
ト層をゲート層などに合わせ、その上のアルミ配線層は
直下のコンタクト層に合わせるようにする。

【００３６】すなわち、図７において、シリコン基板の
素子分離領域（Ｓ２１）を位置合わせの基準として、イ
オン注入（Ｓ２２）とゲート形成（Ｓ２３）を行う。そ
の後、第１層目のコンタクト（１ＭＣ）をゲート層に位
置合わせして形成し（Ｓ２４）、このコンタクト（１Ｍ
Ｃ）に第１層目の配線層（１ＭＴ）を位置合わせして形
成する（Ｓ２５）。次に、第２層目のコンタクト（２Ｍ
Ｃ）をゲート層に位置合わせして形成し（Ｓ２６）、こ
のコンタクト（２ＭＣ）に第２層目の配線層（２ＭＴ）
を位置合わせして形成する（Ｓ２７）。

【００３７】次に、第３層目のコンタクト（３ＭＣ）を
ゲート層に位置合わせして形成し（Ｓ２８）、このコン
タクト（３ＭＣ）に遮光膜（３ＭＴ）を位置合わせして
形成する（Ｓ２９）。さらに、カラーフィルタ、オンチ
ップレンズをゲート層に位置合わせして形成する（Ｓ３
０、Ｓ３１）。このような位置わせ方法は、信号線をず
らさない場合にも効果があるが、特に信号線をずらす場
合に効果が大きいものである。なお、本例では全コンタ
クト層をゲート層に対して位置合わせマークを設けて位
置合わせしたが、例えば素子分離領域やバルクコンタク
トに対して全配線層に位置合わせマークを設けて位置合
わせを行うようにしてもよい。また、このような方法は
埋め込み配線などの場合には必ずしも採用しないものと
する。

【００３８】（８）通常の増幅型固体撮像素子は、水平
方向、垂直方向の画素選択信号線のドライバや読み出し
信号線のからの信号処理回路等の周辺回路を配置する。
これらの回路は、画素アレイの行や列ごとに必要である
ため、 便宜上、画素ピッチと同じピッチで画素の周囲に
配置するのがもっとも便利である。しかし、本例のよう
に信号線をずらす場合、 信号線の位置と周辺回路の位置
がずれて、周辺回路のつなぎ部分が接続できない問題が
ある。そこで信号線と周辺回路との間に配線素片を配置
して、信号線を周辺回路と接続する。図８は、この配線
例を示す説明図である。図示のように、撮像領域（画素
アレイ）６０から引き出された各信号線６２は、それぞ
れ周辺回路６４に導かれるが、図示の例では、各周辺回
路６４側に配線素片６６を設け、各周辺回路６４内の配
線６４Ａと各信号線６２とを接続している。

【００３９】（９）信号線のずらし量を上層の配線層に
いくほど大きくすると、斜め光が効率よく入射するため
感度が向上する。図９は、このようなずらし構造を一例
を示す断面図である。なお、図１と共通する構成には同
一符号を付してある。図１に示す例では、２層目の配線
層（信号線）４３と３層目の配線層（信号線）４４がず
れない例を示したが、図９に示すように、２層目の配線
層（信号線）４３と３層目の配線層（信号線）４４とを
ずらすことにより、さらに有効な素子配置を得ることで
き、感度を向上することができる。また、図９に示す例
において、上層のオンチップレンズ４７やカラーフィル
タ４６を配置する場合に、それらを信号線と同様にずら
して、ずらし量は上層にいくほど大きくするとよい。

【００４０】以上に記した構造の固体撮像素子は、特に
瞳射出距離が短い光学系と組み合わせると効果が大き
い。増幅型の固体撮像素子は、Ａ／Ｄ回路や画像信号処
理をワンチップ化できることもあり、レンズ系を含めた
撮像システムを小さく形成することができる。そして、
このような撮像システムは、携帯機器に搭載すると機器
全体を小型化でき都合がよい。特に近年は、携帯電話な
ど通信機能を備えた携帯機器への撮像機能の搭載が始ま
っており、上述のような実施の形態で説明した固体撮像
素子を搭載した携帯機器についても本発明の範囲に含ま
れるものとする。また、以上の説明では、増幅型固体撮
像素子について本発明を適用したが、上部配線層の少な
い固体撮像素子（例えばＣＣＤ型固体撮像素子）につい
ても本発明を適用し得るものであり、このような固体撮
像素子にも本発明の範囲に含まれるものとする。

【００４１】以上詳述したように本実施の形態によれ
ば、増幅型固体撮像装置において、垂直、水平、あるい
は網状の信号線を光が入射してくる方向にずらすことに
よって画面周辺の感度低下を抑制することができる。ま
た、信号線をずらす際に、ずらし量を工夫することで、
製造コストの増加は最小限になる。また、同時にオンチ
ップカラーフィルタやオンチップマイクロレンズをずら
すことで、 さらに画面周辺の感度低下を抑制できる。ま
た、本実施の形態による撮像素子を用いれば、射出瞳距
離を短くできるため、各種の携帯機器に搭載することに
よって、機器の小型化が可能となり、携帯機器の付加価
値を向上できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子によれば、撮像領域の中心部から周辺部に行くに従っ
て各単位画素に対する信号線の相対位置が撮像領域の中
心に近づく方向にずれていることから、撮像領域の周辺
部近傍における斜めの入射光を有効に光電変換手段の受
光部に入射させることができ、受光感度の改善を図るこ
とができる。

【００４３】また、本発明の製造方法によれば、撮像領
域の中心部から周辺部に行くに従って各単位画素に対す
る信号線の相対位置が撮像領域の中心に近づく方向にず
らして形成することにより、撮像領域の周辺部近傍にお
ける斜めの入射光を有効に光電変換手段の受光部に入射
させることが可能な固体撮像素子を製造することがで
き、受光感度の改善した固体撮像素子を提供できる。

【００４４】さらに、本発明の携帯機器によれば、搭載
した固体撮像素子が撮像領域の中心部から周辺部に行く
に従って各単位画素に対する信号線の相対位置が撮像領
域の中心に近づく方向にずれていることから、光学系を
小型化した場合にも、撮像領域の周辺部近傍における斜
めの入射光を有効に光電変換手段の受光部に入射させる
ことができ、受光感度の改善を図ることができるため、
固体撮像素子をコンパクトに搭載でき、携帯機器の小型
化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の単
位画素における素子構造を示す部分断面図である。

【図２】図１に示す固体撮像素子のフォトダイオードＰ
Ｄと信号線との平面方向の位置関係を示す平面図であ
る。

【図３】図１に示す固体撮像素子の信号線とビアコンタ
クトの一例を示す部分平面図である。

【図４】図１に示す固体撮像素子のビアコンタクトと信
号線を接続する配線素片の一例を示す部分平面図であ
る。

【図５】図１に示す固体撮像素子のビアコンタクトと信
号線のずれ量が大きい場合の配線素片の形状例を示す部
分平面図である。

【図６】図１に示す固体撮像素子の製造方法において多
層配線を直下の層を基準として各層の位置合わせを行う
場合の手順を示すフローチャートである。

【図７】図１に示す固体撮像素子の製造方法において多
層配線を直下でなく、より下の層を基準として各層の位
置合わせを行う場合の手順を示すフローチャートであ
る。

【図８】図１に示す固体撮像素子の撮像領域の信号線と
周辺回路の信号線との配線例を示す説明図である。

【図９】本発明の他の実施の形態例による固体撮像素子
の単位画素における素子構造を示す部分断面図である。

【図１０】増幅型固体撮像素子の単位画素の回路構成を
示す回路図である。

【図１１】従来のＣＣＤ型固体撮像素子に対する斜め入
射光の一例を示す部分断面図である。

【図１２】従来の増幅型固体撮像素子に対する斜め入射
光の一例を示す部分断面図である。

【符号の説明】

ＰＤ……フォトダイオード、４０……シリコン基板、４
１……絶縁膜、４２、４３、４４、４４Ａ、４４Ｂ、５
０Ａ、５０Ｂ……配線層（信号線）、４５……平坦化
膜、４６……カラーフィルタ、４７……オンチップレン
ズ、５２、５６……ビアコンタクト、５４、５８……配
線素片。

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に光電変換素子とゲート素子
   を含む複数の単位画素を２次元アレイ状に配列した撮像
   領域を設けるとともに、前記半導体基板上に各単位画素
   の受光用開口部を避ける状態で単位画素の行方向、また
   は列方向、または格子状に複数層の信号線を配置した固
   体撮像素子において、 前記撮像領域の中心部から周辺部に行くに従って前記各
   単位画素に対する前記信号線の相対位置が撮像領域の中
   心に近づく方向にずれている、 ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記半導体基板および複数層の信号線が
   それぞれ絶縁膜を介して配置されていることを特徴とす
   る請求項１記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記ゲート素子と前記信号線がビアコン
   タクトを介して接続されていることを特徴とする請求項
   １記載の固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記ゲート素子と前記信号線がビアコン
   タクトおよび配線素片を介して接続されていることを特
   徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
5. 【請求項５】 前記ビアコンタクトは、前記信号線の相
   対位置がずれた方向に長径断面を有して形成され、前記
   ビアコンタクトの長径断面により、相対位置のずれた信
   号線とビアコンタクトとが接触していることを特徴とす
   る請求項３記載の固体撮像素子。
6. 【請求項６】 前記配線素片は、前記信号線の相対位置
   がずれた方向に長尺に形成され、前記長尺の配線素片に
   より、相対位置のずれた信号線と配線素片とが接触し、
   前記配線素片を介して信号線とビアコンタクトが接続さ
   れていることを特徴とする請求項４記載の固体撮像素
   子。
7. 【請求項７】 前記ビアコンタクトと信号線とを接続す
   る配線素片の形状が撮像領域の中心部から周辺部に行く
   に従って徐々に変化していることを特徴とする請求項６
   記載の固体撮像素子。
8. 【請求項８】 マスク描画機による描画グリッドに対
   し、前記信号線は画素一辺の長さの０．５％以下の描画
   グリッドに配置され、隣接した信号線間隔の差が１描画
   グリッド以下であることを特徴とする請求項１記載の固
   体撮像素子。
9. 【請求項９】 全ての配線層が素子分離領域、ゲート
   層、バルクコンタクトのいずれかに対する位置合わせマ
   ークを備えていることを特徴とする請求項１記載の固体
   撮像素子。
10. 【請求項１０】 前記撮像領域の少なくとも一辺に沿っ
    て、単位画素行または単位画素列に対応して配置され、
    単位画素行または単位画素列から導かれる信号線に接続
    される周辺回路を有し、単位画素行または単位画素列か
    ら導かれる信号線と前記周辺回路内の信号線とが配線素
    片を介して接続されていることを特徴とする請求項１記
    載の固体撮像素子。
11. 【請求項１１】 前記複数層の信号線のずれ量が上層に
    行くほど大きくなっていることを特徴とする請求項１０
    記載の固体撮像素子。
12. 【請求項１２】 前記複数層の信号線の上層にオンチッ
    プレンズとカラーフィルタの少なくとも１つを含む上部
    積層物を有し、前記撮像領域の中心部から周辺部に行く
    に従って前記各単位画素に対する前記上部積層物の相対
    位置が撮像領域の中心に近づく方向にずれていることを
    特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
13. 【請求項１３】 前記上部積層物のずれ量が上層にいく
    ほど大きくなっていることを特徴とする請求項１２記載
    の固体撮像素子。
14. 【請求項１４】 前記各単位画素に対応する受光用開口
    部を有する遮光膜を有し、前記撮像領域の中心部から周
    辺部に行くに従って前記各単位画素に対する前記遮光膜
    の受光用開口部の相対位置が撮像領域の中心に近づく方
    向にずれていることを特徴とする請求項１記載の固体撮
    像素子。
15. 【請求項１５】 前記複数層の信号線と遮光膜の受光用
    開口部のずれ量が上層に行くほど大きくなっていること
    をことを特徴とする請求項１４記載の固体撮像素子。
16. 【請求項１６】 半導体基板に光電変換素子とゲート素
    子を含む複数の単位画素を２次元アレイ状に配列した撮
    像領域を設けるとともに、前記半導体基板上に各単位画
    素の受光用開口部を避ける状態で単位画素の行方向、ま
    たは列方向、または格子状に複数層の信号線を配置した
    固体撮像素子の製造方法において、 前記複数層の信号線を形成する場合に、前記撮像領域の
    中心部から周辺部に行くに従って前記各単位画素に対す
    る前記信号線の相対位置を撮像領域の中心に近づく方向
    にずらして形成する、 ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記複数層の信号線を形成するマスク
    パターンをマスク描画機によって形成する場合に、前記
    マスク描画機による描画グリッドに対し、前記信号線は
    画素一辺の長さの０．５％以下の描画グリッドに配置
    し、隣接した信号線間隔の差を１描画グリッド以下とす
    ることを特徴とする請求項１６記載の固体撮像素子の製
    造方法。
18. 【請求項１８】 全ての配線層が素子分離領域、ゲート
    層、バルクコンタクトのいずれかに対する位置合わせマ
    ークを備え、前記位置合わせマークを基準として各配線
    層の位置合わせを行うことを特徴とする請求項１６記載
    の固体撮像素子の製造方法。
19. 【請求項１９】 前記複数層の信号線のずれ量を上層に
    行くほど大きくしたことを特徴とする請求項１６記載の
    固体撮像素子。
20. 【請求項２０】 半導体基板に光電変換素子とゲート素
    子を含む複数の単位画素を２次元アレイ状に配列した撮
    像領域を設けるとともに、前記半導体基板上に各単位画
    素の受光用開口部を避ける状態で単位画素の行方向、ま
    たは列方向、または格子状に複数層の信号線を配置した
    固体撮像素子を搭載した携帯機器において、 前記固体撮像素子は、その撮像領域の中心部から周辺部
    に行くに従って前記各単位画素に対する前記信号線の相
    対位置が撮像領域の中心に近づく方向にずれている、 ことを特徴とする携帯機器。
21. 【請求項２１】 前記固体撮像素子は、撮像領域の少な
    くとも一辺に沿って、単位画素行または単位画素列に対
    応して配置され、単位画素行または単位画素列から導か
    れる信号線に接続される周辺回路を有し、単位画素行ま
    たは単位画素列から導かれる信号線と前記周辺回路内の
    信号線とが配線素片を介して接続されていることを特徴
    とする請求項２１記載の携帯機器。
22. 【請求項２２】 前記固体撮像素子は、前記複数層の信
    号線のずれ量が上層に行くほど大きくなっていることを
    特徴とする請求項２１記載の携帯機器。
23. 【請求項２３】 前記固体撮像素子は、前記複数層の信
    号線の上層にオンチップレンズとカラーフィルタの少な
    くとも１つを含む上部積層物を有し、前記撮像領域の中
    心部から周辺部に行くに従って前記各単位画素に対する
    前記上部積層物の相対位置が撮像領域の中心に近づく方
    向にずれていることを特徴とする請求項２１記載の携帯
    機器。
24. 【請求項２４】 前記上部積層物のずれ量が上層にいく
    ほど大きくなっていることを特徴とする請求項２４記載
    の携帯機器。
25. 【請求項２５】 前記固体撮像素子は、前記各単位画素
    に対応する受光用開口部を有する遮光膜を有し、前記撮
    像領域の中心部から周辺部に行くに従って前記各単位画
    素に対する前記遮光膜の受光用開口部の相対位置が撮像
    領域の中心に近づく方向にずれていることを特徴とする
    請求項２１記載の携帯機器。
26. 【請求項２６】 前記複数層の信号線と遮光膜の受光用
    開口部のずれ量が上層に行くほど大きくなっていること
    をことを特徴とする請求項２６記載の携帯機器。