JP2001102556A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 画素ずらし構造を有する固体撮像装置にオン
チップマイクロレンズを形成した、集光領域の等方性を
保ちながら、高い集光効率を得る。 【解決手段】 固体撮像装置は、多数個の画素ずらし光
電変換素子と、各光電変換素子上に受光開口を有する遮
光膜と、前記遮光膜上に形成される絶縁膜と、各受光開
口上に、前記絶縁膜を挟んで形成されるオンチップマイ
クロレンズであって、平面形状が四辺の長さがほぼ等し
い四角形でその対角線の一方が、一行の受光開口の中心
点を結んだ線に平行であるオンチップマイクロレンズと
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置に関
し、特に光像を効率的に入力するためのマイクロレンズ
の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上に多数の光電変換素子を形
成した固体撮像装置において、基板上に光電変換素子に
対応した開口を有する遮光膜が配置される。集光効率を
向上するためには遮光膜の開口上方にマイクロレンズが
配置される。

【０００３】ところで、画素ずらし配列を持つ受光素子
上にマイクロレンズを形成した構造は、例えば特開平６
−７７４５０等に記載されている。

【０００４】図１（ａ）は、画素ずらし構造をもつ固体
撮像装置の概略平面図である。

【０００５】ここでいう画素ずらし構造をもつ固体撮像
装置は、一定のピッチＰｈ及びＰｖで複数列、複数行に
配列された多数個の光電変換素子（受光部）1が、半導
体基板の表面に、奇数列の光電変換素子１に対し、偶数
列の光電変換素子１は各列内の光電変換素子ピッチＰｖ
の約１／２ずれるように、また、奇数行の光電変換素子
１に対し偶数行の光電変換素子１は各行内の光電変換素
子ピッチＰｈの約１／２ずれるように配置される。

【０００６】一列の光電変換素子列は、奇数行又は偶数
行の光電変換素子１のみを含み、一行の光電変換素子列
は、奇数列又は偶数列の光電変換素子１のみを含む。
複数の転送チャネル２は、隣接する光電変換素子列間の
半導体半導体基板表面に形成され、図中左側の光電変換
素子１と結合され、蛇行しつつ列方向に延在している。
転送電極は、半導体基板の表面上方で隣接する光電変換
素子行間に配置され、蛇行しつつ行方向に延在してい
る。

【０００７】複数の分離領域３は、転送チャネル２と光
電変換素子１とを各列間で分離するように、蛇行しつつ
列方向に延在している。

【０００８】さらに、各光電変換素子１上に受光開口を
有する遮光膜を有し、その遮光膜の上に絶縁膜を形成
し、その絶縁膜を挟むようにマイクロレンズを形成す
る。

【０００９】（従来例１Ａ）画素ずらし構造をもつ固体
撮像装置にマイクロレンズを適用する例を図７に示す。
この場合、市松状に設置された正方形が各頂点で接し、
約半分の面積にはマイクロレンズが配置されない。マイ
クロレンズ６で覆うことの出来ない領域が大幅に拡大
し、集光効率の著しい劣化という問題が生じる。

【００１０】上記問題を改善する目的で、画素ずらし構
造をもつ固体撮像装置におけるマイクロレンズ６の平面
形状が、本願と同一の発明者によって提案されている
（特開平１０−１３６３９１号参照）。これを図８及び
図９に示す。

【００１１】（従来例１Ｂ）図８は、図１（ａ）に示す
配列の受光部1の上に、マイクロレンズ６を円形に形成
したものである。図７の正方形に対し、その外接円にま
でマイクロレンズの面積を拡大できる。これにより、図
７のような形状に比べ、集光効率は増大するが、この場
合にも、光学的無効領域は存在する。

【００１２】（従来例１Ｃ）図９は、図１（ａ）に示す
配列の受光部1の上に、マイクロレンズ６を八角形に形
成したものである。この場合も、マイクロレンズ６を円
形に形成するのと同様、集光効率は増大するが、原理的
に光学的無効領域をなくすことは困難である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】原理的には、マイクロ
レンズの形状を六角形にすることで光学的無効領域をな
くすことが出来る。しかし、六角形は、水平方向と垂直
方向の長さが異なるので、集光領域の等方性を保つため
には、各列内及び各行内の受光部の水平配列ピッチＰｈ
と垂直配列ピッチＰｖのいずれかを大きく（Ｐｖ＞Ｐｈ
又はＰｖ＜Ｐｈ）しなければならない。

【００１４】本発明の目的は、画素ずらし構造を有する
固体撮像装置に従来のオンチップマイクロレンズを形成
した場合に生ずる光学的無効領域の拡大を回避すること
のできる固体撮像装置を提供することである。

【００１５】本発明の他の目的は、画素ずらし構造を有
する固体撮像装置にオンチップマイクロレンズを形成し
た場合に高い集光効率を得られる固体撮像装置を提供す
ることである。

【００１６】本発明のさらに他の目的は、画素ずらし構
造を有する固体撮像装置にオンチップマイクロレンズを
形成した場合に集光領域の等方性を保ちながら、高い集
光効率を得られる固体撮像装置を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置
は、２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基
板の表面に一定のピッチで複数列、複数行に配列された
多数個の光電変換素子であって、奇数列の光電変換素子
に対し、偶数列の光電変換素子は各列内の光電変換素子
ピッチの約１／２ずれており、奇数行の光電変換素子に
対し偶数行の光電変換素子は各行内の光電変換素子ピッ
チの約１／２ずれており、前記各光電変換素子列は、奇
数行又は偶数行の光電変換素子のみを含む多数個の光電
変換素子と、前記半導体基板上方に形成され、各光電変
換素子上に受光開口を有する遮光膜と、前記遮光膜上に
形成される絶縁膜と、前記各受光開口上に、前記絶縁膜
を挟んで形成されるオンチップマイクロレンズであっ
て、平面形状が四辺の長さがほぼ等しい四角形でその対
角線の一方が、一行の受光開口の中心点を結んだ線に平
行であるオンチップマイクロレンズとを有する。

【００１８】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の固体撮像装置の
一部の拡大断面図である。

【００１９】ｐ型ウェル１１を有するｎ型シリコン等の
半導体基板７の表面に例えばｐｎ接合構造の光電変換素
子１と、ｎ型領域の転送チャネル２を形成し、転送チャ
ネル２に隣接してｐ⁺型領域である分離領域３を形成す
る。光電変換素子１、転送チャネル２、分離領域３を形
成した半導体基板７の表面を酸化して、絶縁膜９を形成
する。

【００２０】次に、転送チャネル２の上方に、２層多結
晶シリコン等の転送電極８を形成し、その上に、さらに
絶縁膜９を形成した後、Ａｌ（アルミニュウム）等から
なり、光電変換素子１上方に開口を有する遮光膜４を転
送電極８の上方に形成する。

【００２１】遮光膜４を形成した上に、表面を平坦化す
るために、透明絶縁膜等の絶縁膜である平坦化層１０を
スピンコートで形成する。その上に、透明な感光性樹脂
材料でレンズ層をスピンコートし、フォトリソグラフィ
によりパターンニングし、熱処理により流動化させる方
法等を利用してオンチップマイクロレンズ６が形成され
る。

【００２２】図１（ａ）及び図１（ｂ）を用いて、本発
明の第１の実施例を説明する。

【００２３】本実施例は、前述の従来例１Ａ〜１Ｃのマ
イクロレンズの形状及び配置を改善するものであり、光
電変換素子等は従来例１Ａ〜１Ｃ同様、図１（ａ）に示
す画素ずらし構造を有している。

【００２４】すなわち、互いに隣接する受光素子１の行
同士において、一方の行の受光素子１の配列が他方の行
の受光素子１の配列に対して該配列間隔Ｐｈのほぼ１／
２だけ相対的にずれて配置されている。

【００２５】さらに行方向に隣接する受光素子１間には
２列分の列方向転送チャネル２が配置され、斜め方向に
隣接する受光素子１間には１列分の列方向転送チャネル
２が配置され、列方向転送チャネル２が受光素子１間を
蛇行するように半導体基板上に形成されている構成を採
用している。

【００２６】この時、第１の実施例では、各列内及び各
行内の受光素子１の水平配列ピッチＰｈと垂直配列ピッ
チＰｖが等しくなっている（Ｐｈ＝Ｐｖの状態）。そし
て、図１（ｂ）に示すように、受光素子１等が形成され
た上に、遮光膜４が形成される。この遮光膜４には、複
数の受光素子１の直上部にそれぞれに対応して受光開口
５があけられる。このため、受光開口５も、受光素子１
と同様の配列になる。つまり、各列内及び各行内の受光
開口５の水平配列ピッチと垂直配列ピッチも受光素子の
ピッチＰｈ、Ｐｖと等しくなっている。

【００２７】受光開口５の形状は、本実施例では、各列
方向転送チャネル２の蛇行角度に整合するような八角形
の形状を採用している。この形状により受光面積を最大
限に拡大することができる。なお、受光開口５の形状
は、八角形に限られず、例えば、円形、楕円形、方形等
でもよい。

【００２８】次に、図２に示すように、遮光膜４の上
に、平坦化層１０を形成し、その平坦化層１０を挟むよ
うに、それぞれの受光素子１の真上にマイクロレンズ６
を形成する。マイクロレンズ６の平面形状は、図１
（ｂ）に示すように菱形とする。

【００２９】マイクロレンズ６は、水平方向の対角線の
長さが、水平配列ピッチＰｈと等しいか、それよりも隣
接するマイクロレンズ６との間隔分小さく形成され、さ
らに、垂直方向の対角線の長さは、垂直配列ピッチＰｖ
と等しいか、それよりも隣接するマイクロレンズ６との
間隔分小さく形成される。これにより、マイクロレンズ
６の形状は、水平配列ピッチＰｈ及び垂直配列ピッチＰ
ｖの長さに対応して変化する。

【００３０】マイクロレンズ６は、一行の受光開口５の
中心点を結んだ線に、水平方向の対角線が平行になるよ
うに設置される。

【００３１】ここで形成されるマイクロレンズ６は、破
線でしめすように、四辺の長さの等しい四角形である。
また、Ｐｖ＝Ｐｈであるので、マイクロレンズ６の形状
は、ほぼ正方形となる。

【００３２】図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実
施例のマイクロレンズ６を周知のマイクロレンズ製造方
法で形成した場合の断面構造を示す。図３（ａ）は、斜
め４５度方向（図１（ｂ）のＺ１−Ｚ２）の断面図であ
り、図３（ｂ）は、水平方向（図１（ｂ）のＸ１−Ｘ
２）の断面図である。両者は、曲率は異なるが、共に入
射光を受光開口５に集光することが出来る。

【００３３】マイクロレンズの曲率が方向により変化す
るため、マイクロレンズ接地後の画像は歪む。しかし、
一つの光電変換素子が供給する画像情報は画像中の点の
情報であり画像の歪みは問題とならない。

【００３４】図４に本発明の第１の実施例の変形例を示
す。マイクロレンズ６の形状以外は、全て第１の実施例
と同様である。図４（ａ）のマイクロレンズ６は、破線
でしめすように、本発明の第１の実施例のマイクロレン
ズ６の四隅を面取りした形状のものである。

【００３５】図４（ｂ）は、マイクロレンズ６の拡大図
である。左側にしめすマイクロレンズ６の破線部分を面
取りして、右側に示す本実施例の面取りされたマイクロ
レンズ６を形成する。ここでは面取り部は平面となって
いるが、曲面であってもよい。各部を面取りすることに
より、マイクロレンズの長径と短径の差が減少し、レン
ズ表面の球面からの変位が減少する。レンズ曲面の制御
が容易となり、集光効率の向上を期待できる。

【００３６】図５に本発明の第２の実施例を示す。光電
変換素子等は画素ずらし構造を有しており、基本的に
は、第１の実施例と同様であるが、各列内及び各行内に
おいて、受光素子１の水平配列ピッチＰｈが、垂直配列
ピッチＰｖより広くなっている（Ｐｈ＞Ｐｖの状態）。
つまり、水平方向に長い形状となっている。

【００３７】受光開口５は、受光素子１とほぼ同一の配
列ピッチを有するので、各列内及び各行内の受光開口５
の水平配列ピッチも垂直配列ピッチより広くなる。ま
た、受光開口５の形状は、本実施例においても、各列方
向転送チャネル２の蛇行角度に整合するような八角形の
形状をしている。よって、受光開口５の形状は、この場
合、水平方向に長い八角形になる。

【００３８】厚さ方向の断面形状としては、図２に示す
ように、第１の実施例同様、遮光膜４の上に、平坦化層
１０を形成し、その平坦化層１０を挟むように、それぞ
れの受光素子１の真上にマイクロレンズ６を形成する。
マイクロレンズ６は、一行の受光開口５の中心点を結ん
だ線に、一方の対角線が平行になるように設置される。

【００３９】なお、受光開口５の形状は、八角形に限ら
れない。例えば、円形、楕円形、方形等でもよい。マイ
クロレンズ６が入射光をなるべく多く受光開口５内に導
入できる形状が好ましい。

【００４０】ここで形成されるマイクロレンズ６は、四
辺の長さが等しく、Ｐｖ＜Ｐｈであるので、破線でしめ
すように、その形状は、水平方向に長い菱形となる。

【００４１】なお、図４に示すように菱形の角部を面取
りしてもよい。本明細書においては、このように面取り
した形状も含めて菱形等と呼ぶ。

【００４２】図６に本発明の第３の実施例を示す。光電
変換素子１等は画素ずらし構造を有しており、基本的に
は、第１の実施例と同様であるが、各列内及び各行内に
おいて、受光素子１の水平配列ピッチＰｈが、垂直配列
ピッチＰｖより狭くなっている（Ｐｈ＜Ｐｖの状態）。
つまり、垂直方向に長い形状となっている。

【００４３】受光開口５は、受光素子１とほぼ同一の配
列ピッチを有するので、各列内及び各行内の受光開口５
の水平配列ピッチも垂直配列ピッチより狭くなる。ま
た、受光開口５の形状は、本実施例においても、各列方
向転送チャネル２の蛇行角度に整合するような八角形の
形状をしている。よって、受光開口５の形状は、この場
合、垂直方向に長い八角形になる。なお、受光開口５の
形状は、八角形に限らない。例えば、円形、楕円形、方
形等でもよい。

【００４４】厚さ方向の断面形状としては、図２に示す
ように、上記実施例同様、遮光膜４の上に、平坦化層１
０を形成し、その平坦化層１０を挟むように、それぞれ
の受光素子１の真上にマイクロレンズ６を形成する。マ
イクロレンズ６は、一行の受光開口の中心点を結んだ線
に、一方の対角線が平行になるように設置される。

【００４５】なお、受光開口５の形状は、八角形に限ら
れない。例えば、円形、楕円形、方形等でもよい。マイ
クロレンズ６が入射光をなるべく多く受光開口５内に導
入できる形状が好ましい。

【００４６】ここで形成されるマイクロレンズ６は、四
辺の長さが等しく、Ｐｖ＞Ｐｈであるので、その形状
は、破線でしめすように、垂直方向に長い菱形となる。
なお、上述のように菱形は角部を面取りしてもよい。

【００４７】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組合せ等が可能なことは当業者に自明
であろう。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
画素ずらし構造を有する固体撮像装置に従来のオンチッ
プマイクロレンズを形成した場合に生ずる光学的無効領
域の拡大を回避することができる。

【００４９】また、画素ずらし構造を有する固体撮像装
置にオンチップマイクロレンズを形成した場合に高い集
光効率が得られる。

【００５０】さらにまた、画素ずらし構造を有する固体
撮像装置にオンチップマイクロレンズを形成した場合に
集光領域の等方性を保ちながら、高い集光効率を得るこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す概略平面図であ
る。

【図２】本発明の固体撮像装置の一部の拡大断面図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施例のマイクロレンズを示す
断面図である。

【図４】本発明の第１の実施例の変形例を示す概略平面
図である。

【図５】本発明の第２の実施例を示す概略平面図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施例を示す概略平面図であ
る。

【図７】第１の従来例の一形態を示す概略平面図であ
る。

【図８】第１の従来例の他の形態を示す概略平面図であ
る。

【図９】第１の従来例のさらに他の形態を示す概略平面
図である。

【符号の説明】

１…受光素子（受光部）、２…列方向転送チャネル、３
…分離領域、４…遮光膜、５…受光開口、６…マイクロ
レンズ、７…半導体基板、８…転送電極、９…絶縁膜、
１０…平坦化層、１１…ウェル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA01 AA06 AB01 BA10 CA03 CA19 CA20 DA12 FA02 FA06 GB11 GD04 GD06 5C024 AA01 CA12 EA04 FA01 FA12 GA51

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）２次元表面を画定する半導体基板
   と、 （ｂ）前記半導体基板の表面に一定のピッチで複数列、
   複数行に配列された多数個の光電変換素子であって、奇
   数列の光電変換素子に対し、偶数列の光電変換素子は各
   列内の光電変換素子ピッチの約１／２ずれており、奇数
   行の光電変換素子に対し偶数行の光電変換素子は各行内
   の光電変換素子ピッチの約１／２ずれており、前記各光
   電変換素子列は、奇数行又は偶数行の光電変換素子のみ
   を含む多数個の光電変換素子と、 （ｃ） 前記半導体基板上方に形成され、各光電変換素
   子上に受光開口を有する遮光膜と、 （ｄ） 前記遮光膜上に形成される絶縁膜と、 （ｅ） 前記各受光開口上に、前記絶縁膜を挟んで形成
   されるオンチップマイクロレンズであって、平面形状が
   四辺の長さがほぼ等しい四角形でその対角線の一方が、
   一行の受光開口の中心点を結んだ線に平行であるオンチ
   ップマイクロレンズとを有する固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記光電変換素子ピッチは、行方向と列
   方向で等しく、 前記オンチップマイクロレンズは、平面形状がほぼ正方
   形である請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記光電変換素子ピッチは、行方向が列
   方向より大きく、 前記オンチップマイクロレンズは、平面形状が行方向に
   長い菱形である請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記光電変換素子ピッチは、行方向が列
   方向より小さく、 前記オンチップマイクロレンズは、平面形状が列方向に
   長い菱形である請求項１に記載の固体撮像装置。