JP2000174244A

JP2000174244A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2000174244A
Application number: JP10345192A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sasaki; 武佐々木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】オンチップマイクロレンズを有し、画素の
サイズが１：１から大きく外れた固体撮像素子におい
て、集光効率を高め、スミアの低減を図る。【解決手段】各画素１に対応してオンチップマイクロレ
ンズ３を画素１の長辺方向に沿って複数個ずつ設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子、特
に、各画素を成す受光素子をマトリックス状に配設した
半導体基板の表面上に画素への光を集光するオンチップ
マイクロレンズを配設してなり、各画素の平面形状が長
方形である固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子は、例えば、一般に画素
（ユニットセル）の中核を成す受光素子をマトリックス
状に配設し、各受光素子垂直列に対応して垂直レジスタ
を設け、該各垂直レジスタの転送先側に水平レジスタを
設け、該水平レジスタの転送先側に出力部を設けた構成
を有しており、受光素子を中核とする各画素上にオンチ
ップマイクロレンズを設けて一つの画素に入射される光
を有効にその画素の受光素子に集光して感度を高めるよ
うにしたものが多くなっている。そして、各画素は、一
般的には、長方形を成しているが、縦横比率が１：１か
ら大きく外れておらず、比較的正方形に近い平面形状を
有していた。そして、各画素に対応して設けられるオン
チップマイクロレンズの数は１個であった。

【０００３】しかし、固体撮像素子の用途の拡大等によ
り、他品種化が進み、画素のサイズの縦横比率が１：１
から大きくずれる固体撮像素子が存在するようになって
きた。図３（Ａ）〜（Ｃ）はそのような固体撮像素子の
従来例の一つを示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は
Ｈ（水平）方向断面図、（Ｃ）はＶ（垂直）方向断面図
である。図面において、１は画素（ユニットセル）、２
はその画素１の開口（受光窓）であり、３はオンチップ
マイクロレンズ、４は水平方向におけるマイクロレンズ
間ギャップ、５は垂直方向におけるマイクロレンズ間ギ
ャップである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図３に示す
ような従来の固体撮像素子には、各画素１の平面形状に
おける縦横比率が１：１から大きく外れていることか
ら、各マイクロレンズ２の表面の曲率半径が水平方向
と、垂直方向とで異なり、そのため、その一方の方向に
おける曲率半径を受光素子に最も有効に集光し得る大き
さに設定すると、他方のおける曲率半径は必然的にその
値から大きくずれるので、受光素子に有効に集光するこ
とができない。

【０００５】即ち、従来においては、水平方向と垂直方
向との両方向において集光特性を最適にすることは不可
能であり、この傾向は縦横比率が１：１からのずれが大
きくなる程強くなる。そのため、感度の向上、スミアの
低減を図ることが大きく制約されるという問題があっ
た。

【０００６】本発明はこのような問題点を解決すべく為
されたものであり、オンチップマイクロレンズを有し、
画素のサイズが１：１から大きく外れた固体撮像素子に
おいて、集光効率を高め、スミアの低減を図ることを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の固体撮像素子
は、各画素に対応してオンチップマイクロレンズがその
画素の長手方向に沿って複数個ずつ設けられてなる。

【０００８】従って、請求項１の固体撮像素子によれ
ば、各画素毎にその長手方向に沿ってオンチップマイク
ロレンズを複数配設したので、各画素の縦横比率が１：
１から大きく外れていても一つの画素の各オンチップマ
イクロレンズの表面の水平方向における曲率半径と垂直
方向における曲率半径とが比較的近い値になるようにす
ることができる。依って、水平方向及び垂直方向の曲率
半径を共に受光素子に有効に集光し得る値にすることが
可能になる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明固体撮像素子は、基本的に
は、各画素を成す受光素子をマトリックス状に配設した
半導体基板の表面に画素の受光素子へ被写体側からの光
を集光するオンチップマイクロレンズを配設してなり、
各画素の平面形状が長方形である固体撮像素子におい
て、各画素に対応してオンチップマイクロレンズがその
画素の長手方向に沿って複数個ずつ設けられてなり、本
発明が適用できる固体撮像素子はＣＣＤ固体撮像素子に
限らず、ＭＯＳ型固体撮像素子や増幅型固体撮像素子
等、オンチップマイクロレンズを有し、画素（ユニット
セル）の縦横比率が１：１から大きくずれている固体撮
像素子一般に適用することができ、カラー固体撮像素子
でも白黒固体撮像素子でも適用対象になる。

【００１０】ちなみに、画素の縦横比率が１：２或いは
２：１の場合には、オンチップマイクロレンズを２個そ
の画素の長手方向に沿って形成すると、水平方向、垂直
方向の両方の曲率半径を略等しくすることができる。縦
横比率が１：３の場合には当然に１画素あたりに設ける
べきマイクロレンズ数が３個ということになる。勿論、
１画素あたりのマイクロレンズ数は４個以上であっても
良い。

【００１１】そして、各画素に対応して設けられた複数
のマイクロレンズの凸曲部同士が互いに連結（結合）さ
れるように形成すると良い。すると、集光に寄与しない
面積を少なくすることができ、より感度の向上を図るこ
とができるからである。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図示実施例に従って詳細に説
明する。図１（Ａ）〜（Ｃ）は本発明固体撮像素子固体
撮像素子の第１の実施例を示すもので、（Ａ）は平面
図、（Ｂ）はＨ（水平）方向断面図、（Ｃ）はＶ（垂
直）方向断面図である。図面において、１は画素（ユニ
ットセル）であり、本実施例においてその平面形状の縦
横比率は約１：２である。

【００１３】２はその画素１の開口（受光窓）であり、
３、３はオンチップマイクロレンズで、本実施例におい
て各画素１毎にその長手方向に２個ずつ設けられてい
る。従って、各画素１に対応して設けられた各オンチッ
プマイクロレンズ３、３の水平方向における幅と、垂直
方向における幅を略等しくし、水平方向における曲率半
径と、垂直方向における曲率半径を略等しくすることが
できる。そして、その曲率半径は受光素子の開口２に有
効に集光できるように設定されている。

【００１４】即ち、従来においては画素１の縦横比率が
例えば１：２というように１：１と大きくずれている場
合マイクロレンズの水平方向における幅が大きく、垂直
方向における幅が小さいので、水平方向における曲率半
径が大きく、垂直方向における曲率半径が小さくなった
が、本実施例においては１画素エリア内に水平方向にオ
ンチップマイクロレンズを２個（３、３）並べたので、
水平方向における曲率半径が垂直方向における曲率半径
と略同じ程度に小さくなる。そこで、その曲率半径で受
光素子の開口２に有効に集光できるようにオンチップマ
イクロレンズ３、３（の表面）と、開口１（受光窓）と
の距離（間隔）を従来よりも小さく、換言すれば、オン
チップマイクロレンズ３、３に対する開口１の相対的高
さを高くしてある。

【００１５】従って、画素１のエリアに向けて入射した
被写体側からの光がその画素１の受光素子に有効に集光
されるようにすることができ、実質的開口率を高めて感
度の向上を図ることができるし、耐スミア特性も高ま
る。

【００１６】４は水平方向におけるマイクロレンズ間ギ
ャップ、５は垂直方向における隣接画素１・１のマイク
ロレンズ３・３間ギャップである。尚、従来において
は、マイクロレンズが１個であり、画素の縦横比率が
１：１から大きくずれていると、マイクロレンズが長細
になり過ぎることから真円に近づけるためにいずれか一
方のギャップ４又は５を広めにとるようにすることがあ
った。しかし、それは画素の面積に占めるマイクロレン
ズの占有面積の比をより小さくすることに他ならない。
それに対して、本発明によればそのような制約がないの
で、両方のギャップ４、５を共に狭くすることができ
る。そして、ギャップ４、５を狭くすることにより画素
１の面積に占めるマイクロレンズ３、３の占有面積の比
をより大きくすることにより、感度をより向上させ、ス
ミアをより低減することができるのである。

【００１７】尚、本実施例の固体撮像素子のオンチップ
マイクロレンズは、既に公知の各種オンチップマイクロ
レンズ形成方法、例えば特開平４−２６８７６３号公報
により紹介されたオンチップマイクロレンズの形成方法
等により形成するができる。基本的には、レジスト膜を
塗布し、それをレンズを形成すべき部分のみが残るよう
にパターニングし、その後、残ったレジスト膜を溶融し
て表面張力により凸球面状に整形し、それをもってマイ
クロレンズとするとか、或いは、そのレジスト膜をその
ままレンズとして用いるのではなく、その形状を該レジ
スト膜の下地として予め形成しておいたレンズ形成用膜
まで転写するエッチングをしてレンズを形成するという
のがオンチップマイクロレンズ形成方法の主流を成して
いるが、これは本発明に適用することができる。

【００１８】図２（Ａ）〜（Ｃ）は本発明固体撮像素子
の第２の実施例を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）
はＨ（水平）方向断面図、（Ｃ）はＶ（垂直）方向断面
図である。本実施例は、一つの画素１に対応して設けら
れた複数のオンチップマイクロレンズ３・３間にギャッ
プを設けないようにしたものである。即ち、第１の実施
例の場合、一つの画素１エリア内の複数のオンチップマ
イクロレンズ３・３間にはギャップが小さいとはいえ存
在している。従って、図１（Ａ）のａで示す部分に入射
した光は開口１内に集光しない。そこで、そのオンチッ
プマイクロレンズ３・３間のギャップを０にし、換言す
れば、オンチップマイクロレンズ３・３同士を結合させ
るようにして入射しても開口１に集光されない領域をで
きるだけ小さくしたのが本実施例である。従って、本実
施例によれば、第１の実施例よりもより有効に感度を向
上させることができる。

【００１９】尚、本実施例に係るオンチップマイクロレ
ンズは、一つの画素のオンチップマイクロレンズを二つ
結合させて作らなければならないので、特別の配慮が必
要である。即ち、第１の実施例の場合は各マイクロレン
ズはすべて他のマイクロレンズから独立しているので、
各画素内に複数の独立したレンズが描写されているマス
クを使用してパターニングのためのフォトリソグラフィ
技術を駆使するだけでマイクロレンズの形成は比較的容
易に為し得る。しかし、第２の実施例の場合には各画素
内の複数のレンズは結合するようにする必要があるの
で、例えばマイクロレンズとなる、或いはマイクロレン
ズの転写元（源）となるレジスト膜をレンズ状に整形し
た後、更に温度を加えて画素内隣接マイクロレンズ間を
結合させるようにするという技術が必要である。

【００２０】また、各画素内のマイクロレンズが独立し
て描かれているが、そのギャップがフォトリソグラフィ
の解像度以下の大きさ（当然のことながら異なる画素の
マイクロレンズ間ギャップはフォトリソグラフィの解像
度以上の大きさ）のものをマスクとして用いるという技
術を駆使することにより画素内隣接マイクロレンズ間を
結合させるようにようにしても良い。

【００２１】このように、本発明は種々の態様で実施す
ることができる。

【００２２】

【発明の効果】請求項１の固体撮像素子によれば、各画
素毎にその長手方向に沿ってオンチップマイクロレンズ
を複数配設したので、各画素の縦横比率が１：１から大
きく外れていても一つの画素の各オンチップマイクロレ
ンズの表面の曲率半径が水平方向と垂直方向において比
較的近い値になるようにすることができる。依って、水
平方向及び垂直方向の曲率半径を共に受光素子に有効に
集光し得る値にすることが可能になる。

【００２３】請求項２の固体撮像素子によれば、各画素
においてその面積に占めるオンチップマイクロレンズの
占有面積の割合をより大きくすることができ、延いては
感度をより高め、スミアをより低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明固体撮像素子の第１の
実施例を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＨ（水
平）方向断面図、（Ｃ）はＶ（垂直）方向断面図であ
る。

【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明固体撮像素子の第２の
実施例を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＨ（水
平）方向断面図、（Ｃ）はＶ（垂直）方向断面図であ
る。

【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は固体撮像素子の従来例の一つ
を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＨ（水平）方
向断面図、（Ｃ）はＶ（垂直）方向断面図である。

【符号の説明】

１・・・画素（ユニットセル）、２・・・開口（受光
窓）、３・・・オンチップマイクロレンズ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各画素を成す受光素子をマトリックス状
に配設した半導体基板の表面に画素の受光素子へ被写体
側からの光を集光するオンチップマイクロレンズを配設
してなり、各画素の平面形状が長方形である固体撮像素
子において、各画素に対応してオンチップマイクロレンズがその画素
の長手方向に沿って複数個ずつ設けられてなることを特
徴とする固体撮像素子。
【請求項２】各画素に対応して設けられた複数のマイ
クロレンズの凸曲部同士が互いに連結されて形成された
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。