JP2003142671A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｆ値が小さい場合のシェーディングの発生を
防止する。 【解決手段】 平坦化膜１４０中に埋設された反射体４
は、平面視において各光センサー１０６ごとに光センサ
ーを囲む略矩形の枠状に形成され、各辺部はそれぞれ板
状を呈し、反射面としての側面６は平坦であり、光セン
サー１０６の正面方向Ｃに対してほぼ平行に延在してい
る。反射体４は、絶縁材料により形成され、絶縁材料は
平坦化膜１４０とは異なる屈折率を有している。したが
って、光センサー１０６に対して斜めに入射して反射体
４の表面に到達した光１０は、反射体４と平坦化膜１４
０との屈折率が異なっていることから、反射体４の表面
で反射して光センサーに入射する。その結果、斜めに入
射する光に対しても高い感度が得られ、Ｆ値が小さい場
合に撮影画像周辺部が暗くなる現象を防止できる。

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に関
し、特に固体撮像素子において光を効率よく光センサー
に入射させる技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子は、ビデオカメラやデジタ
ルスチルカメラの撮像手段として、さらにはパーソナル
コンピュータや通信端末装置の画像入力手段として広く
用いられている。固体撮像素子には種々のタイプのもの
が存在するが、インターライン方式の固体撮像素子が最
も一般的となっている。図２は従来のインターライン方
式の固体撮像素子の一例を示す概略平面図、図３は図２
におけるＡＡ’線に沿った部分断面側面図である。図２
に示したように、従来の固体撮像素子１０２は、半導体
基板１０４の上に設けた多数の光センサー１０６（フォ
トダイオード）、垂直電荷転送レジスター１０８、水平
電荷転送レジスター１１０などにより構成されている。
光センサー１０６はマトリクス状に配列され、垂直電荷
転送レジスター１０８は、光センサー１０６の各列ごと
に光センサー１０６の列に沿って延設されている。水平
電荷転送レジスター１１０は垂直電荷転送レジスター１
０８の一方の端部側に垂直電荷転送レジスター１０８に
直交して、すなわち光センサー１０６の行の方向に延設
され、その出力端には電荷電圧変換を行うフローティン
グディフュージョン部１１２（ＦＤ部１１２）が設けら
れている。ＦＤ部１１２が生成した映像信号は出力回路
１１４を通じて低インピーダンスで固体撮像素子１０２
の外部に出力される。

【０００３】垂直電荷転送レジスター１０８および水平
電荷転送レジスター１１０の電荷転送路上には、トラン
スファー電極およびストレッジ電極の対から成る転送電
極（図２では省略されている）が、各転送レジスターに
おける電荷転送方向に配列され、これらの電極に転送パ
ルスを印加することで信号電荷が転送レジスター上を転
送される。

【０００４】各光センサー１０６が受光して生成した信
号電荷は、垂直電荷転送レジスター１０８の転送電極に
読み出し電圧を印加することによって、光センサー１０
６の各列ごとに、垂直電荷転送レジスター１０８に一斉
に読み出される。その後、垂直電荷転送レジスター１０
８を、その転送電極に転送パルスを印加して駆動するこ
とで、光センサー１０６から読み出された信号電荷は垂
直電荷転送レジスター１０８上を水平電荷転送レジスタ
ー１１０に向けて順次転送され、光センサー１０６の１
行分の信号電荷ごとに水平電荷転送レジスター１１０に
供給される。

【０００５】水平電荷転送レジスター１１０に供給され
た光センサー１行分の信号電荷は、水平電荷転送レジス
ター１１０を転送パルスにより駆動することで、水平電
荷転送レジスター１１０上をＦＤ部１１２に向けて順次
転送され、水平電荷転送レジスター１１０の端部よりＦ
Ｄ部１１２に出力される。信号電荷はＦＤ部１１２にお
いて電圧に変換され、出力回路１１４より映像信号とし
て低インピーダンスで外部に出力される。

【０００６】次に、光センサー１０６周辺の断面構造に
ついて詳しく説明する。固体撮像素子１０２はたとえば
ｎ型の半導体基板１０４により形成され、図３に示した
ように、半導体基板１０４の表面側にはｐ型ウェル領域
１１６が形成されている。このｐ型ウェル領域１１６の
上層部に、光センサー１０６や、垂直電荷転送レジスタ
ー１０８の垂直電荷転送路１１８が形成されている。光
センサー１０６はｎ型領域１２０を含み、このｎ型領域
１２０と、その下に接するｐ型ウェル領域１１６とによ
りフォトダイオードとしてのｐｎ接合が形成されてい
る。光センサー１０６はまた、その表面部にノイズの低
減を図るための、高濃度のｐ型不純物を含むｐ＋領域１
２２を有している。

【０００７】垂直電荷転送レジスター１０８は、光セン
サー１０６に隣接して設けられ、その垂直電荷転送路１
１８は半導体基板１０４の表面部に形成されたｎ型領域
１２４およびｐ型領域１２６を含み、これらは垂直電荷
転送レジスター１０８における信号電荷の転送方向、す
なわち図３の紙面に直交する方向に延在している。ｎ型
領域１２４の上には、半導体基板１０４の表面全体に形
成された絶縁膜１２８を介して、たとえばポリシリコン
による転送電極１３０が形成され、転送電極１３０は絶
縁膜１３２を介して遮光膜１３４により覆われている。

【０００８】光センサー１０６とｎ型領域１２４との間
の領域は信号電荷の読み出しゲート部１３６であり、図
３に示したように、転送電極１３０は読み出しゲート部
１３６の上部にまで延出しており、光センサー１０６か
ら信号電荷を読み出す際に、転送電極１３０に印加した
読み出し電圧が読み出しゲート部１３６に印加され、光
センサー１０６に蓄積している信号電荷が垂直電荷転送
路１１８に移動する構造となっている。垂直電荷転送路
１１８を成すｎ型領域１２４の、読み出しゲート部１３
６と反対側の側部には、高濃度のｐ型不純物を含むチャ
ネルストップ領域１３８が形成されている。

【０００９】そして、半導体基板１０４の表面は透明な
絶縁材料、たとえばシリコンの酸化物からなる平坦化膜
１４０により覆われ、その上にカラーフィルター１４２
が各光センサーごとに配置されており、さらに、カラー
フィルター１４２の上に各光センサーごとにオンチップ
レンズ１４４が形成されている。このオンチップレンズ
１４４によって、各光センサーに向かう光は収束して効
果的に光センサーに入射し、その結果、固体撮像素子１
０２の感度が向上する。なお、図２では遮光膜１３４、
平坦化膜１４０、カラーフィルター１４２、ならびにオ
ンチップレンズ１４４などは示されていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
固体撮像素子１０２を用いたカメラでは、通常の銀塩フ
ィルムを用いたカメラと同様に、固体撮像素子１０２の
前方に光学レンズが配置されるとともに、絞り機構が設
けられ、被写体の明るさに応じて絞りが調整される。そ
して、光学レンズの口径は大きいほど、被写体が暗い場
合でも絞りを開いて鮮明に撮影することが可能となる。

【００１１】しかし、従来の固体撮像素子１０２では、
口径の大きなレンズを用い、そして絞りを開くと（つま
りＦ値を小さくすると）、撮影画像の周辺部ほど暗くな
るシェーディングが生じ易くなる。すなわち、撮影視野
範囲における周辺部の撮影対象からの光は、固体撮像素
子１０２における周辺部の光センサーに対して斜めに入
射することになるが、オンチップレンズ１４４に対して
実線１４６（図３）により示したように、光りが斜めに
入射すると、光の収束位置は光センサーの中央からズレ
るため、光センサーへの入射光量が減少して感度が低下
する。この現象はＦ値が小さいほど顕著となり、シェー
ディングが現れ易くなる。

【００１２】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、その目的は、Ｆ値が小さい場合でもシ
ェーディングが生じることのない固体撮像素子を提供す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、半導体基板上に複数の光センサーを配列して
構成した固体撮像素子であって、前記光センサーの正面
方向に対し斜めに入射する光を反射して前記光センサー
に入射させる反射体を各光センサーごとに前記光センサ
ーに近接して前記半導体基板上に設けたことを特徴とす
る。本発明の固体撮像素子では、光センサーの正面方向
に対して斜めに入射した光は反射体により反射して光セ
ンサーに入射する。よって、被写体からの光は、オンチ
ップレンズが設けられていないにもかかわらず光センサ
ーに効果的に集められ、高い感度が得られる。そして、
オンチップレンズを用いた場合のように収束点のズレの
問題がないため、入射光の入射角度による感度の変化は
小さい。したがって、周辺部に配置された光センサーに
光が斜めに入射しても感度の低下は少なく、Ｆ値が小さ
い場合でもシェーディング現象は発生し難い。さらに、
本発明ではオンチップレンズを設ける必要がないため、
固体撮像素子の薄型化に有利である。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態例につい
て図面を参照して説明する。図１の（Ａ）は本発明によ
る固体撮像素子の一例を示す部分概略平面図、（Ｂ）は
（Ａ）におけるＢＢ’線に沿った部分断面図である。図
中、図２、図３と同一の要素には同一の符号が付されて
おり、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
実施の形態例の固体撮像素子は一例としてインターライ
ン方式の固体撮像素子であり、垂直電荷転送レジスタ
ー、水平電荷転送レジスター、光センサーなどの平面的
な構造、および遮光膜以下の断面構造は図２、図３に示
した従来の固体撮像素子と基本的に同一である。

【００１５】図１に示した本実施の形態例の固体撮像素
子２が、従来の固体撮像素子と異なるのは、オンチップ
レンズを除去するとともに、平坦化膜１４０（図１の
（Ｂ））中に反射体４を設けた点である。反射体４は、
光センサー１０６ごとに光センサー１０６に近接して設
けられ、光センサー１０６の正面方向Ｃに対して斜めに
入射する光を反射して光センサー１０６に入射させるよ
う形成されており、より詳しくは、反射体４は、平坦化
膜１４０中に埋設され、平坦化膜１４０とは異なる屈折
率を有する、たとえば石英などの材料により形成されて
いる。そして、平面視において各光センサー１０６ごと
に光センサー１０６を囲む略矩形の枠状に形成され、各
辺部は、それぞれ板状を呈して、深さ方向では平坦化膜
１４０の底部から上面までの全体に延在し、反射面とし
ての側面６は、光センサー１０６の正面方向Ｃに対して
ほぼ平行となっている。平坦化膜１４０の上には、従来
と同様にカラーフィルター１４２が形成されているが、
カラーフィルター１４２の上には、従来とは異なり、オ
ンチップレンズは設けられていない。なお、図１の
（Ａ）ではカラーフィルターは示されていない。

【００１６】このような構成において、光センサー１０
６に対し真正面から入射した光８はそのまま光センサー
１０６に入射する一方、光センサー１０６に対して斜め
に入射して反射体４の表面に到達した光１０は、反射体
４と平坦化膜１４０との屈折率が異なっていることか
ら、反射体４の表面で反射して光センサー１０６に入射
する。よって、本実施の形態例の固体撮像素子２では、
被写体からの光は、オンチップレンズが形成されていな
いにもかかわらず光センサー１０６に効果的に集められ
ることから、高い感度が得られる。そして、オンチップ
レンズを用いた場合のように収束点のズレの問題がない
ため、入射光の入射角度による感度の変化は小さい。し
たがって、周辺部に配置された光センサー１０６に光が
斜めに入射しても感度の低下は少なく、Ｆ値が小さい場
合でもシェーディング現象は発生し難い。さらに、オン
チップレンズを設ける必要がないため、固体撮像素子２
の薄型化に有利である。

【００１７】なお、本実施の形態例では、反射体４は平
坦化膜１４０と屈折率が異なる絶縁体によって形成する
としたが、反射体４をたとえば金属材料により形成し
て、その側面で光を鏡面反射させ光センサー１０６に入
射させる構成とすることも可能であり、その場合にも同
様の効果を得ることができる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、半導体基
板上に複数の光センサーを配列して構成した固体撮像素
子であって、前記光センサーの正面方向に対し斜めに入
射する光を反射して前記光センサーに入射させる反射体
を各光センサーごとに前記光センサーに近接して前記半
導体基板上に設けたことを特徴とする。本発明の固体撮
像素子では、光センサーの正面方向に対して斜めに入射
した光は反射体により反射して光センサーに入射する。
よって、被写体からの光は、オンチップレンズが設けら
れていないにもかかわらず光センサーに効果的に集めら
れ、高い感度が得られる。そして、オンチップレンズを
用いた場合のように収束点のズレの問題がないため、入
射光の入射角度による感度の変化は小さい。したがっ
て、周辺部に配置された光センサーに光が斜めに入射し
ても感度の低下は少なく、Ｆ値が小さい場合でもシェー
ディング現象は発生し難い。さらに、本発明ではオンチ
ップレンズを設ける必要がないため、固体撮像素子の薄
型化に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明による固体撮像素子の一例を示
す部分概略平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢＢ’線に
沿った部分断面図である。

【図２】従来のインターライン方式の固体撮像素子の一
例を示す概略平面図である。

【図３】図２におけるＡＡ’線に沿った部分断面側面図
である。

【符号の説明】

２、１０２……固体撮像素子、４……反射体、６……側
面、８、１０……光、１０４……半導体基板、１０６…
…光センサー、１０８……垂直電荷転送レジスター、１
１０……水平電荷転送レジスター、１１２……フローテ
ィングディフュージョン部（ＦＤ部）、１１４……出力
回路、１１６……ｐ型ウェル領域、１１８……垂直電荷
転送路、１４０……平坦化膜、１４２……カラーフィル
ター、１４４……オンチップレンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA01 AA05 AB01 BA13 CA04 CA40 FA06 FA35 GA09 GC07 GD04 GD15 5C024 CX35 GY04 5F049 MA01 NA01 NA19 NB05 RA08 SZ06 SZ20

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に複数の光センサーを配列
   して構成した固体撮像素子であって、 前記光センサーの正面方向に対し斜めに入射する光を反
   射して前記光センサーに入射させる反射体を各光センサ
   ーごとに前記光センサーに近接して前記半導体基板上に
   設けたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記光センサーは前記半導体基板の表面
   部に形成され、前記半導体基板の表面は透明な材料によ
   り覆われており、前記反射体は前記透明材料に埋設され
   た、前記透明材料とは異なる屈折率を有する材料により
   形成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】 前記透明材料および前記反射体は絶縁材
   料により形成されていることを特徴とする請求項２記載
   の固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記反射体は前記光センサーを囲んで形
   成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。
5. 【請求項５】 前記反射体の反射面は、前記光センサー
   の正面方向に対してほぼ平行に延在していることを特徴
   とする請求項１記載の固体撮像素子。
6. 【請求項６】 前記光センサーはマトリクス状に配列さ
   れ、前記反射体は各光センサーごとに平面略視矩形の枠
   状に形成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。