JP2003218332A - 固体撮像素子 - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
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- H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L27/14627—Microlenses
Abstract
(57)【要約】
【課題】 単位画素の面積に対してオンチップマイクロ
レンズの膜厚を抑制でき、プロセスコントロールが容易
で光の透過効率を向上できる。 【解決手段】 １つの単位画素２０に対応させて、オン
チップマイクロレンズ５０の４つの凸レンズ部５０Ａ、
５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを配置した。また、読み出しト
ランジスタＭ２の読み出しゲート３８およびＦＤ部２４
を、フォトダイオード２２の受光部２２Ａの中央部に孤
立島状に設ける。そして、オンチップマイクロレンズ５
０の各凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの境
界部を用いて読み出しゲート３８のコントロール配線４
０と、ＦＤ部２４の配線４２を配置する。また、この境
界部には、その他の配線４４や遮光帯配線４６を配置す
ることができる。
レンズの膜厚を抑制でき、プロセスコントロールが容易
で光の透過効率を向上できる。 【解決手段】 １つの単位画素２０に対応させて、オン
チップマイクロレンズ５０の４つの凸レンズ部５０Ａ、
５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを配置した。また、読み出しト
ランジスタＭ２の読み出しゲート３８およびＦＤ部２４
を、フォトダイオード２２の受光部２２Ａの中央部に孤
立島状に設ける。そして、オンチップマイクロレンズ５
０の各凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの境
界部を用いて読み出しゲート３８のコントロール配線４
０と、ＦＤ部２４の配線４２を配置する。また、この境
界部には、その他の配線４４や遮光帯配線４６を配置す
ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の光電変換素
子を設けた半導体チップの上部にオンチップマイクロレ
ンズを装着した例えばＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯ
Ｓ型イメージセンサ等の固体撮像素子に関する。
子を設けた半導体チップの上部にオンチップマイクロレ
ンズを装着した例えばＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯ
Ｓ型イメージセンサ等の固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ＣＣＤ型イメージセンサやＣ
ＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子においては、
２次元配された複数のフォトダイオード（光電変換素
子）を有し、各フォトダイオードによって生成した信号
電荷を周辺素子によって電気信号に変換して出力する。
すなわち、ＣＣＤ型イメージセンサでは、各フォトダイ
オードからの信号電荷をＣＣＤ垂直転送レジスタおよび
ＣＣＤ水平転送レジスタによって転送し、最終の出力段
に設けたＦＤ（フローティングデフュージョン）部と電
位検出用のＭＯＳトランジスタによって電気信号に変換
して出力するものである。一方、ＣＭＯＳ型イメージセ
ンサでは、各単位画素毎にフォトダイオードとＦＤ部と
各種ＭＯＳトランジスタによるゲート回路とを設け、フ
ォトダイオードからの信号電荷をＦＤ部と電位検出用の
ＭＯＳトランジスタによって電気信号に変換し、出力信
号線に出力するものである。
ＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子においては、
２次元配された複数のフォトダイオード（光電変換素
子）を有し、各フォトダイオードによって生成した信号
電荷を周辺素子によって電気信号に変換して出力する。
すなわち、ＣＣＤ型イメージセンサでは、各フォトダイ
オードからの信号電荷をＣＣＤ垂直転送レジスタおよび
ＣＣＤ水平転送レジスタによって転送し、最終の出力段
に設けたＦＤ（フローティングデフュージョン）部と電
位検出用のＭＯＳトランジスタによって電気信号に変換
して出力するものである。一方、ＣＭＯＳ型イメージセ
ンサでは、各単位画素毎にフォトダイオードとＦＤ部と
各種ＭＯＳトランジスタによるゲート回路とを設け、フ
ォトダイオードからの信号電荷をＦＤ部と電位検出用の
ＭＯＳトランジスタによって電気信号に変換し、出力信
号線に出力するものである。
【０００３】そして、このようなイメージセンサにおい
て、その感度を上げるためには、各フォトダイオードへ
の集光効率を上げる必要があり、その１つの方法とし
て、固体撮像素子を設けた半導体チップ上にオンチップ
マイクロレンズ（ＯＣＬ）を設けることが行われてい
る。図５は、従来の固体撮像素子におけるオンチップマ
イクロレンズの配置例を示す概略要部平面図である。こ
の固体撮像素子は、上述したＣＭＯＳ型イメージセンサ
の例であり、各単位画素１０には、フォトダイオード１
２とＦＤ部１４と読み出しゲート１６が設けられてい
る。読み出しゲート１６は、フォトダイオード１２の信
号電荷をＦＤ部１４側に読み出すものである。そして、
オンチップマイクロレンズ１８は、このような固体撮像
素子の上面にカラーフィルタ等を介して位置決め装着さ
れている。このオンチップマイクロレンズ１８は、図５
に示すように、１つの単位画素１０に対応して１つの凸
レンズ１８Ａを形成したものである。
て、その感度を上げるためには、各フォトダイオードへ
の集光効率を上げる必要があり、その１つの方法とし
て、固体撮像素子を設けた半導体チップ上にオンチップ
マイクロレンズ（ＯＣＬ）を設けることが行われてい
る。図５は、従来の固体撮像素子におけるオンチップマ
イクロレンズの配置例を示す概略要部平面図である。こ
の固体撮像素子は、上述したＣＭＯＳ型イメージセンサ
の例であり、各単位画素１０には、フォトダイオード１
２とＦＤ部１４と読み出しゲート１６が設けられてい
る。読み出しゲート１６は、フォトダイオード１２の信
号電荷をＦＤ部１４側に読み出すものである。そして、
オンチップマイクロレンズ１８は、このような固体撮像
素子の上面にカラーフィルタ等を介して位置決め装着さ
れている。このオンチップマイクロレンズ１８は、図５
に示すように、１つの単位画素１０に対応して１つの凸
レンズ１８Ａを形成したものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の固体撮像素子においては、オンチップマイクロレン
ズ１８が１つの単位画素（フォトダイオード１２の受光
部）１０に対応して１つの凸レンズ１８Ａを形成したも
のであるため、単位画素の面積が小さい場合には有効に
働くが、比較的に大きい面積の単位画素となってくる
と、以下のような問題が生じる。まず、１つの凸レンズ
で単位画素の受光領域全体をカバーするため、特に球形
レンズを想定した場合、オンチップマイクロレンズの半
径、つまり、高さを高くする必要があり、そのために
は、厚い素材膜を用いて加工することが必要となり、プ
ロセス上のコントロールが困難となる。また、凸レンズ
を含むオンチップマイクロレンズの膜厚が大きくなり、
光の透過率にも悪影響を及ぼすこととなる。また、この
ような球形レンズによる不具合を回避する方法として、
台形状のレンズ、つまり、各凸レンズ面の中心部分はフ
ラットで、周辺のエッジ部分のみ曲率を持たせる構成も
考えられるが、このような形状にした場合にもプロセス
コントロールの困難性は共通である。
来の固体撮像素子においては、オンチップマイクロレン
ズ１８が１つの単位画素（フォトダイオード１２の受光
部）１０に対応して１つの凸レンズ１８Ａを形成したも
のであるため、単位画素の面積が小さい場合には有効に
働くが、比較的に大きい面積の単位画素となってくる
と、以下のような問題が生じる。まず、１つの凸レンズ
で単位画素の受光領域全体をカバーするため、特に球形
レンズを想定した場合、オンチップマイクロレンズの半
径、つまり、高さを高くする必要があり、そのために
は、厚い素材膜を用いて加工することが必要となり、プ
ロセス上のコントロールが困難となる。また、凸レンズ
を含むオンチップマイクロレンズの膜厚が大きくなり、
光の透過率にも悪影響を及ぼすこととなる。また、この
ような球形レンズによる不具合を回避する方法として、
台形状のレンズ、つまり、各凸レンズ面の中心部分はフ
ラットで、周辺のエッジ部分のみ曲率を持たせる構成も
考えられるが、このような形状にした場合にもプロセス
コントロールの困難性は共通である。
【０００５】また、上記従来の固体撮像素子においては
以下のような２つの課題がある。まず、この種の固体撮
像素子において、通常は、フォトダイオードの受光部へ
の光の通過路を確保するため、この受光部内には周辺回
路の配線等を配置することはできない。つまり、フォト
ダイオードの受光部外の領域に回路配線をレイアウトす
る必要があり、これは、単位画素サイズを大きくし、ひ
いては、画素サイズに対する受光部の面積の割合、つま
り開口率を落とすこととなる。したがって、上記従来の
固体撮像素子において、各撮像画素内でのフォトダイオ
ードの受光部の面積を犠牲にすることなく、回路配線領
域を確保できるようにする方法が望まれる。
以下のような２つの課題がある。まず、この種の固体撮
像素子において、通常は、フォトダイオードの受光部へ
の光の通過路を確保するため、この受光部内には周辺回
路の配線等を配置することはできない。つまり、フォト
ダイオードの受光部外の領域に回路配線をレイアウトす
る必要があり、これは、単位画素サイズを大きくし、ひ
いては、画素サイズに対する受光部の面積の割合、つま
り開口率を落とすこととなる。したがって、上記従来の
固体撮像素子において、各撮像画素内でのフォトダイオ
ードの受光部の面積を犠牲にすることなく、回路配線領
域を確保できるようにする方法が望まれる。
【０００６】また、図５に示す固体撮像素子では、電荷
転送用の読み出しゲートがフォトダイオード（受光部）
のエッジ部に配置されているが、この場合、フォトダイ
オードの面積が大きいと、信号電荷の読み出し時にポテ
ンシャルの最下点に読み出しゲートがオーバーラップし
ないため、その最下点がポテンシャルのくぼみ（ポテン
シャルポケット）となり、電荷の転送し残しが生ずる問
題がある。したがって、このような電荷の転送し残しを
回避するような転送ゲートの配置方法が望まれている。
転送用の読み出しゲートがフォトダイオード（受光部）
のエッジ部に配置されているが、この場合、フォトダイ
オードの面積が大きいと、信号電荷の読み出し時にポテ
ンシャルの最下点に読み出しゲートがオーバーラップし
ないため、その最下点がポテンシャルのくぼみ（ポテン
シャルポケット）となり、電荷の転送し残しが生ずる問
題がある。したがって、このような電荷の転送し残しを
回避するような転送ゲートの配置方法が望まれている。
【０００７】そこで本発明の目的は、単位画素の面積に
対してオンチップマイクロレンズの膜厚を抑制でき、プ
ロセスコントロールが容易で光の透過効率を向上できる
固体撮像素子を提供することにある。また、本発明の他
の目的は、単位画素における受光部の面積を犠牲にせず
に、光の集光効率を向上できるとともに、単位画素にお
ける回路の配線効率を向上でき、また電荷転送残しを回
避して画質の向上を図ることができる固体撮像素子を提
供することにある。
対してオンチップマイクロレンズの膜厚を抑制でき、プ
ロセスコントロールが容易で光の透過効率を向上できる
固体撮像素子を提供することにある。また、本発明の他
の目的は、単位画素における受光部の面積を犠牲にせず
に、光の集光効率を向上できるとともに、単位画素にお
ける回路の配線効率を向上でき、また電荷転送残しを回
避して画質の向上を図ることができる固体撮像素子を提
供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、複数の光電変換素子を設けた半導体チップの
上部にオンチップマイクロレンズを位置決め装着した固
体撮像素子において、前記オンチップマイクロレンズ
は、１つの光電変換素子の受光部に対応して複数のレン
ズ部を有することを特徴とする。また、本発明は、前記
光電変換素子の受光部上であって、前記オンチップマイ
クロレンズの各レンズ部の境界部に位置する領域に、前
記光電変換素子から信号電荷を取り出すためのフローテ
ィングデフュージョン部および信号電荷の読み出しゲー
トを設け、さらに、前記オンチップマイクロレンズの各
レンズ部の境界部に沿って前記フローティングデフュー
ジョン部用の配線と読み出しゲート用の配線を設けたこ
とを特徴とする。
するため、複数の光電変換素子を設けた半導体チップの
上部にオンチップマイクロレンズを位置決め装着した固
体撮像素子において、前記オンチップマイクロレンズ
は、１つの光電変換素子の受光部に対応して複数のレン
ズ部を有することを特徴とする。また、本発明は、前記
光電変換素子の受光部上であって、前記オンチップマイ
クロレンズの各レンズ部の境界部に位置する領域に、前
記光電変換素子から信号電荷を取り出すためのフローテ
ィングデフュージョン部および信号電荷の読み出しゲー
トを設け、さらに、前記オンチップマイクロレンズの各
レンズ部の境界部に沿って前記フローティングデフュー
ジョン部用の配線と読み出しゲート用の配線を設けたこ
とを特徴とする。
【０００９】本発明の固体撮像素子では、１つの光電変
換素子の受光部に対応して複数のレンズ部を有するオン
チップマイクロレンズを設けたことから、単位画素の面
積に対してオンチップマイクロレンズの膜厚を抑制でき
るので、プロセスコントロールが容易となり、また、光
の透過効率を向上することが可能となる。また、本発明
の固体撮像素子では、上述のようなオンチップマイクロ
レンズの各レンズ部の境界部に位置する光電変換素子の
受光部上の領域に、光電変換素子から信号電荷を取り出
すためのフローティングデフュージョン部および信号電
荷の読み出しゲートを設け、さらに、オンチップマイク
ロレンズの各レンズ部の境界部に沿ってフローティング
デフュージョン部用の配線と読み出しゲート用の配線を
設けたことにより、単位画素における受光部の面積を犠
牲にせずに、光の集光効率を向上できるとともに、単位
画素における回路の配線効率を向上でき、また電荷転送
残しを回避して画質の向上を図ることができる。
換素子の受光部に対応して複数のレンズ部を有するオン
チップマイクロレンズを設けたことから、単位画素の面
積に対してオンチップマイクロレンズの膜厚を抑制でき
るので、プロセスコントロールが容易となり、また、光
の透過効率を向上することが可能となる。また、本発明
の固体撮像素子では、上述のようなオンチップマイクロ
レンズの各レンズ部の境界部に位置する光電変換素子の
受光部上の領域に、光電変換素子から信号電荷を取り出
すためのフローティングデフュージョン部および信号電
荷の読み出しゲートを設け、さらに、オンチップマイク
ロレンズの各レンズ部の境界部に沿ってフローティング
デフュージョン部用の配線と読み出しゲート用の配線を
設けたことにより、単位画素における受光部の面積を犠
牲にせずに、光の集光効率を向上できるとともに、単位
画素における回路の配線効率を向上でき、また電荷転送
残しを回避して画質の向上を図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明による固体撮像素子
の実施の形態例について説明する。この固体撮像素子
は、１つの単位画素に対して複数の凸レンズを有するオ
ンチップマイクロレンズを配置することにより、マイク
ロレンズの作製を容易化するとともに、各単位画素の光
電変換素子に入射する光の集光効率を向上し、かつ、受
光部上の回路配線を可能としたものである。図１は本発
明の第１の実施の形態による固体撮像素子のオンチップ
マイクロレンズの配置例を示す概略要部平面図であり、
図２は図１に示す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。図示の例は、本発明をＣＭＯＳ型イ
メージセンサに適用したものであり、まず、図２に基づ
いて本例における単位画素の構成について説明する。
の実施の形態例について説明する。この固体撮像素子
は、１つの単位画素に対して複数の凸レンズを有するオ
ンチップマイクロレンズを配置することにより、マイク
ロレンズの作製を容易化するとともに、各単位画素の光
電変換素子に入射する光の集光効率を向上し、かつ、受
光部上の回路配線を可能としたものである。図１は本発
明の第１の実施の形態による固体撮像素子のオンチップ
マイクロレンズの配置例を示す概略要部平面図であり、
図２は図１に示す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。図示の例は、本発明をＣＭＯＳ型イ
メージセンサに適用したものであり、まず、図２に基づ
いて本例における単位画素の構成について説明する。
【００１１】この単位画素２０には、１つのフォトダイ
オード２２と５つのＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ５が設
けられている。フォトダイオード２２は、受光部からの
入射光量に応じた信号電荷を生成し、蓄積するものであ
り、読み出しトランジスタＭ２およびアドレストランジ
スタＭ１は、転送線２６とカラム選択線２８によって供
給されるパルス信号に基づいて、所定のタイミングでフ
ォトダイオード２２に蓄積された信号電荷をＦＤ（フロ
ーティングデフュージョン）部２４に転送するものであ
る。また、増幅トランジスタＭ４は、フォトダイオード
２２から転送された信号電荷によるＦＤ部２４の電位変
動を検出し、電圧（電流）信号に変換するものであり、
選択トランジスタＭ５は、選択線３０によって供給され
るパルス信号に基づいて、増幅トランジスタＭ４の出力
信号を信号線３２に出力するものである。また、リセッ
トトランジスタＭ３は、リセット線３４によって供給さ
れるリセットパルスに基づいて、ＦＤ部２４の電位を電
源電位にリセットするものである。
オード２２と５つのＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ５が設
けられている。フォトダイオード２２は、受光部からの
入射光量に応じた信号電荷を生成し、蓄積するものであ
り、読み出しトランジスタＭ２およびアドレストランジ
スタＭ１は、転送線２６とカラム選択線２８によって供
給されるパルス信号に基づいて、所定のタイミングでフ
ォトダイオード２２に蓄積された信号電荷をＦＤ（フロ
ーティングデフュージョン）部２４に転送するものであ
る。また、増幅トランジスタＭ４は、フォトダイオード
２２から転送された信号電荷によるＦＤ部２４の電位変
動を検出し、電圧（電流）信号に変換するものであり、
選択トランジスタＭ５は、選択線３０によって供給され
るパルス信号に基づいて、増幅トランジスタＭ４の出力
信号を信号線３２に出力するものである。また、リセッ
トトランジスタＭ３は、リセット線３４によって供給さ
れるリセットパルスに基づいて、ＦＤ部２４の電位を電
源電位にリセットするものである。
【００１２】本例の固体撮像素子（ＣＭＯＳ型イメージ
センサ）は、以上のような構成の単位画素を２次元配列
で配設することによって有効画素領域を構成し、この有
効画素領域の周辺部に垂直・水平スキャナ回路、シャッ
タスキャナ回路、信号処理回路、およびバスライン等を
配置したものである。そして、このような固体撮像素子
が形成された半導体チップ上にオンチップマイクロレン
ズが配置されている。以下、図１に基づいて本例におけ
る固体撮像素子の単位画素の構成について説明する。図
１に示す構成は、図２に示す素子のうち、フォトダイオ
ード２２（受光部）、読み出しトランジスタＭ２（読み
出しゲート）、およびＦＤ部２４のレイアウト構成を示
したものである。
センサ）は、以上のような構成の単位画素を２次元配列
で配設することによって有効画素領域を構成し、この有
効画素領域の周辺部に垂直・水平スキャナ回路、シャッ
タスキャナ回路、信号処理回路、およびバスライン等を
配置したものである。そして、このような固体撮像素子
が形成された半導体チップ上にオンチップマイクロレン
ズが配置されている。以下、図１に基づいて本例におけ
る固体撮像素子の単位画素の構成について説明する。図
１に示す構成は、図２に示す素子のうち、フォトダイオ
ード２２（受光部）、読み出しトランジスタＭ２（読み
出しゲート）、およびＦＤ部２４のレイアウト構成を示
したものである。
【００１３】図示のように、本例の固体撮像素子におい
ては、１つの単位画素２０に対応させて、オンチップマ
イクロレンズ５０の４つの凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、
５０Ｃ、５０Ｄを配置したものである。すなわち、４つ
の凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄは、方形
状の単位画素２０を縦方向と横方向に２分割したそれぞ
れ方形状の４つの分割領域２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２
０Ｄに対応して配置されており、各凸レンズ部５０Ａ、
５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの光軸が各分割領域２０Ａ、２
０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの中心部に一致するような状態で
配置されている。なお、各凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、
５０Ｃ、５０Ｄは、オンチップマイクロレンズ５０の一
体成型により形成され、例えば球面状のレンズ面を有し
ている。また、読み出しトランジスタＭ２の読み出しゲ
ート３８、およびＦＤ部２４は、フォトダイオード２２
の受光部２２Ａの中央部に孤立島状に設けられている。
なお、図示の例では、読み出しゲート３８は方形枠状に
形成されており、その中心にＦＤ部２４が配置されてい
る。
ては、１つの単位画素２０に対応させて、オンチップマ
イクロレンズ５０の４つの凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、
５０Ｃ、５０Ｄを配置したものである。すなわち、４つ
の凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄは、方形
状の単位画素２０を縦方向と横方向に２分割したそれぞ
れ方形状の４つの分割領域２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２
０Ｄに対応して配置されており、各凸レンズ部５０Ａ、
５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの光軸が各分割領域２０Ａ、２
０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの中心部に一致するような状態で
配置されている。なお、各凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、
５０Ｃ、５０Ｄは、オンチップマイクロレンズ５０の一
体成型により形成され、例えば球面状のレンズ面を有し
ている。また、読み出しトランジスタＭ２の読み出しゲ
ート３８、およびＦＤ部２４は、フォトダイオード２２
の受光部２２Ａの中央部に孤立島状に設けられている。
なお、図示の例では、読み出しゲート３８は方形枠状に
形成されており、その中心にＦＤ部２４が配置されてい
る。
【００１４】上述した従来の固体撮像素子における画素
構成では、読み出しトランジスタのゲート１６は、フォ
トダイオード１２の受光部のエッジに設定されるが、本
例では、フォトダイオード２２の受光部２２Ａの中心部
に読み出しトランジスタＭ２のゲート３８を設けてい
る。このように電荷読み出し時のポテンシャルが最も小
さくなる箇所に読み出しトランジスタＭ２を配置するこ
とにより、電荷転送スピードを向上し、また、ポテンシ
ャルのくぼみ（ポテンシャルポケット）の存在による電
荷の転送し残しを回避することとなる。
構成では、読み出しトランジスタのゲート１６は、フォ
トダイオード１２の受光部のエッジに設定されるが、本
例では、フォトダイオード２２の受光部２２Ａの中心部
に読み出しトランジスタＭ２のゲート３８を設けてい
る。このように電荷読み出し時のポテンシャルが最も小
さくなる箇所に読み出しトランジスタＭ２を配置するこ
とにより、電荷転送スピードを向上し、また、ポテンシ
ャルのくぼみ（ポテンシャルポケット）の存在による電
荷の転送し残しを回避することとなる。
【００１５】また、読み出しトランジスタＭ２のゲート
３８をフォトダイオード２２の受光部２２Ａの中心部に
設定した場合、ゲート３８のコントロール用配線を受光
部２２Ａの中心部まで配置する必要がある。また、ＦＤ
部２４も受光部２２Ａの中心にくるので、ＦＤ部２４か
らの配線の取り出しも必要となるので、そのための配線
を受光部２２Ａの中心部まで配置する必要がある。これ
らの配線は、通常、受光部２２Ａに入射する光を妨げる
ので、実効的に画素の開口率を下げ、センサの感度を落
とすこととなる。
３８をフォトダイオード２２の受光部２２Ａの中心部に
設定した場合、ゲート３８のコントロール用配線を受光
部２２Ａの中心部まで配置する必要がある。また、ＦＤ
部２４も受光部２２Ａの中心にくるので、ＦＤ部２４か
らの配線の取り出しも必要となるので、そのための配線
を受光部２２Ａの中心部まで配置する必要がある。これ
らの配線は、通常、受光部２２Ａに入射する光を妨げる
ので、実効的に画素の開口率を下げ、センサの感度を落
とすこととなる。
【００１６】そこで、これを回避するために、図１に示
すように、１つの単位画素２０に対して４つの凸レンズ
部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを有するオンチップ
マイクロレンズ５０を設け、各凸レンズ部５０Ａ、５０
Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの境界部を用いて上述した各配線を
配置する。すなわち、読み出しゲート３８のコントロー
ル配線４０は、各凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、
５０Ｄの境界部に配置され、読み出しゲート３８と受光
部２２Ａの外側に配置されたアドレストランジスタＭ１
とを接続している。また、ＦＤ部２４に接続される配線
４２は、各凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ
の境界部に配置され、ＦＤ部２４と受光部２２Ａの外側
に配置された増幅トランジスタＭ４とを接続している。
なお、コントロール配線４０には例えばタングステン等
の高融点金属配線が用いられ、上部配線４２には例えば
アルミニウム配線が用いられている。
すように、１つの単位画素２０に対して４つの凸レンズ
部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを有するオンチップ
マイクロレンズ５０を設け、各凸レンズ部５０Ａ、５０
Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの境界部を用いて上述した各配線を
配置する。すなわち、読み出しゲート３８のコントロー
ル配線４０は、各凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、
５０Ｄの境界部に配置され、読み出しゲート３８と受光
部２２Ａの外側に配置されたアドレストランジスタＭ１
とを接続している。また、ＦＤ部２４に接続される配線
４２は、各凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ
の境界部に配置され、ＦＤ部２４と受光部２２Ａの外側
に配置された増幅トランジスタＭ４とを接続している。
なお、コントロール配線４０には例えばタングステン等
の高融点金属配線が用いられ、上部配線４２には例えば
アルミニウム配線が用いられている。
【００１７】また、遮光物である配線４０、４２を凸レ
ンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの境界部に設け
たことから、この境界部を透過して各配線４０、４２に
入射した光も配線４０、４２の表面で反射されてマイク
ロレンズ５０内で両側の凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５
０Ｃ、５０Ｄにより受光部２２Ａに入射させることが可
能である。つまり、本例においては、各配線４０、４２
はフォトダイオード２２上に配置されているが、それら
は光線を妨げることにはならず、実効的な開口部は、ほ
ぼ、フォトダイオード２２の受光部２２Ａ全体の面積と
ほぼ同サイズであると捉えることができる。
ンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの境界部に設け
たことから、この境界部を透過して各配線４０、４２に
入射した光も配線４０、４２の表面で反射されてマイク
ロレンズ５０内で両側の凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５
０Ｃ、５０Ｄにより受光部２２Ａに入射させることが可
能である。つまり、本例においては、各配線４０、４２
はフォトダイオード２２上に配置されているが、それら
は光線を妨げることにはならず、実効的な開口部は、ほ
ぼ、フォトダイオード２２の受光部２２Ａ全体の面積と
ほぼ同サイズであると捉えることができる。
【００１８】図３は本発明の第２の実施の形態による固
体撮像素子のオンチップマイクロレンズの配置例を示す
概略要部平面図である。なお、図１に示すものと共通の
構成については同一符号を付して説明する。この固体撮
像素子は、上述した図１に示す構成に加えて、さらに上
層のメタル配線４４をオンチップマイクロレンズの各凸
レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの境界部に配
置したものである。このメタル配線４４は、アルミニウ
ム等よりなり、上述した各配線４０、４２と直行する方
向に配置されている。すなわち、各配線４０、４２、４
４を、各凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄに
よって形成される十字状の境界部を全て用いて配置して
いる。このような上部配線４４は、各種トランジスタの
コントロール配線、電源、ＧＮＤ配線などに利用するこ
とができる。
体撮像素子のオンチップマイクロレンズの配置例を示す
概略要部平面図である。なお、図１に示すものと共通の
構成については同一符号を付して説明する。この固体撮
像素子は、上述した図１に示す構成に加えて、さらに上
層のメタル配線４４をオンチップマイクロレンズの各凸
レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの境界部に配
置したものである。このメタル配線４４は、アルミニウ
ム等よりなり、上述した各配線４０、４２と直行する方
向に配置されている。すなわち、各配線４０、４２、４
４を、各凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄに
よって形成される十字状の境界部を全て用いて配置して
いる。このような上部配線４４は、各種トランジスタの
コントロール配線、電源、ＧＮＤ配線などに利用するこ
とができる。
【００１９】図４は本発明の第３の実施の形態による固
体撮像素子のオンチップマイクロレンズの配置例を示す
概略要部平面図である。なお、図１に示すものと共通の
構成については同一符号を付して説明する。この固体撮
像素子では、マイクロレンズ５０の各凸レンズ部５０
Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの境界部に沿って、光の乱
反射、迷光を防ぐために設けられる遮光帯配線４６をフ
ォトダイオード２２上で十文字に配置している。この遮
光帯は通常、電源線として利用されるが、このように十
文字に設定することにより、電源配線面積を大きくし、
電流貫通時の電位降下を緩和する役目を果たすことが可
能となる。
体撮像素子のオンチップマイクロレンズの配置例を示す
概略要部平面図である。なお、図１に示すものと共通の
構成については同一符号を付して説明する。この固体撮
像素子では、マイクロレンズ５０の各凸レンズ部５０
Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの境界部に沿って、光の乱
反射、迷光を防ぐために設けられる遮光帯配線４６をフ
ォトダイオード２２上で十文字に配置している。この遮
光帯は通常、電源線として利用されるが、このように十
文字に設定することにより、電源配線面積を大きくし、
電流貫通時の電位降下を緩和する役目を果たすことが可
能となる。
【００２０】以上のような構成により、光の集光率を変
えることなく、フォトダイオード２２上での回路配線４
０、４２、４４、４６の設定が可能となり、結果的に周
辺の回路領域も節約できるので、フォトダイオード２２
の開口率も上げることができる。なお、以上は１つの単
位画素に対して４つの凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０
Ｃ、５０Ｄを配置した例について説明したが、本発明は
これに限定されるものではなく、例えば２つの凸レンズ
部や６つの凸レンズ部を設けるような構成も可能であ
る。また、上述の例では、ＣＭＯＳ型イメージセンサに
適用した例について説明したが、本発明はＣＣＤ型イメ
ージセンサに適用することも可能である。
えることなく、フォトダイオード２２上での回路配線４
０、４２、４４、４６の設定が可能となり、結果的に周
辺の回路領域も節約できるので、フォトダイオード２２
の開口率も上げることができる。なお、以上は１つの単
位画素に対して４つの凸レンズ部５０Ａ、５０Ｂ、５０
Ｃ、５０Ｄを配置した例について説明したが、本発明は
これに限定されるものではなく、例えば２つの凸レンズ
部や６つの凸レンズ部を設けるような構成も可能であ
る。また、上述の例では、ＣＭＯＳ型イメージセンサに
適用した例について説明したが、本発明はＣＣＤ型イメ
ージセンサに適用することも可能である。
【００２１】
【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、１つの光電変換素子の受光部に対応して複
数のレンズ部を有するオンチップマイクロレンズを設け
たことから、単位画素の面積に対してオンチップマイク
ロレンズの膜厚を抑制できるので、プロセスコントロー
ルが容易となり、光の透過効率を向上することが可能と
なる。また、本発明の固体撮像素子によれば、上述のよ
うなオンチップマイクロレンズの各レンズ部の境界部に
位置する光電変換素子の受光部上の領域に、光電変換素
子から信号電荷を取り出すためのフローティングデフュ
ージョン部および信号電荷の読み出しゲートを設け、さ
らに、オンチップマイクロレンズの各レンズ部の境界部
に沿ってフローティングデフュージョン部用の配線と読
み出しゲート用の配線を設けたことにより、単位画素に
おける受光部の面積を犠牲にせずに、光の集光効率を向
上できるとともに、単位画素における回路の配線効率を
向上でき、また電荷転送残しを回避して画質の向上を図
ることができる。
子によれば、１つの光電変換素子の受光部に対応して複
数のレンズ部を有するオンチップマイクロレンズを設け
たことから、単位画素の面積に対してオンチップマイク
ロレンズの膜厚を抑制できるので、プロセスコントロー
ルが容易となり、光の透過効率を向上することが可能と
なる。また、本発明の固体撮像素子によれば、上述のよ
うなオンチップマイクロレンズの各レンズ部の境界部に
位置する光電変換素子の受光部上の領域に、光電変換素
子から信号電荷を取り出すためのフローティングデフュ
ージョン部および信号電荷の読み出しゲートを設け、さ
らに、オンチップマイクロレンズの各レンズ部の境界部
に沿ってフローティングデフュージョン部用の配線と読
み出しゲート用の配線を設けたことにより、単位画素に
おける受光部の面積を犠牲にせずに、光の集光効率を向
上できるとともに、単位画素における回路の配線効率を
向上でき、また電荷転送残しを回避して画質の向上を図
ることができる。
【図１】本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子
のオンチップマイクロレンズの配置例を示す概略要部平
面図である。
のオンチップマイクロレンズの配置例を示す概略要部平
面図である。
【図２】図１に示す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。
を示す回路図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による固体撮像素子
のオンチップマイクロレンズの配置例を示す概略要部平
面図である。
のオンチップマイクロレンズの配置例を示す概略要部平
面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による固体撮像素子
のオンチップマイクロレンズの配置例を示す概略要部平
面図である。
のオンチップマイクロレンズの配置例を示す概略要部平
面図である。
【図５】従来の固体撮像素子におけるオンチップマイク
ロレンズの配置例を示す概略要部平面図である。
ロレンズの配置例を示す概略要部平面図である。
２０……単位画素、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ…
…分割領域、２２……フォトダイオード、２２Ａ……受
光部、２４……ＦＤ部、２６……転送線、２８……カラ
ム選択線、３０……選択線、３２……信号線、３４……
リセット線、４０、４２、４４、４６……配線、５０…
…オンチップマイクロレンズ、５０Ａ、５０Ｂ、５０
Ｃ、５０Ｄ……凸レンズ部、Ｍ１……アドレストランジ
スタ、Ｍ２……読み出しトランジスタ、Ｍ３……リセッ
トトランジスタ、Ｍ４……増幅トランジスタ、Ｍ５……
選択トランジスタ。
…分割領域、２２……フォトダイオード、２２Ａ……受
光部、２４……ＦＤ部、２６……転送線、２８……カラ
ム選択線、３０……選択線、３２……信号線、３４……
リセット線、４０、４２、４４、４６……配線、５０…
…オンチップマイクロレンズ、５０Ａ、５０Ｂ、５０
Ｃ、５０Ｄ……凸レンズ部、Ｍ１……アドレストランジ
スタ、Ｍ２……読み出しトランジスタ、Ｍ３……リセッ
トトランジスタ、Ｍ４……増幅トランジスタ、Ｍ５……
選択トランジスタ。
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フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｈ０１Ｌ 31/10 Ａ
// Ｈ０１Ｌ 31/0232 31/02 Ｄ
Ｆターム(参考） 4M118 AA10 AB01 BA10 BA14 CA02
DD04 DD12 FA06 FA33 GB06
GB15 GD04 GD07
5C024 CX41 EX43 GY31
5F049 MA01 NA08 NA20 NB05 TA12
5F088 AA01 BA03 BA15 BA16 BB03
EA04 EA08 EA11 EA16 JA12
KA03 KA08
Claims (11)
- 【請求項１】 複数の光電変換素子を設けた半導体チッ
プの上部にオンチップマイクロレンズを位置決め装着し
た固体撮像素子において、 前記オンチップマイクロレンズは、１つの光電変換素子
の受光部に対応して複数のレンズ部を有することを特徴
とする固体撮像素子。 - 【請求項２】 前記オンチップマイクロレンズの各レン
ズ部は、前記１つの光電変換素子の受光部を複数の領域
に等分割し、各分割領域に対応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。 - 【請求項３】 前記１つの光電変換素子の受光部を縦方
向と横方向に２分割して４つの領域に等分割し、４つの
分割領域に対応して前記オンチップマイクロレンズの４
つのレンズ部が配置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。 - 【請求項４】 前記光電変換素子の受光部上であって、
前記オンチップマイクロレンズの各レンズ部の境界部に
位置する領域に、前記光電変換素子から信号電荷を取り
出すためのフローティングデフュージョン部および信号
電荷の読み出しゲートを設けたことを特徴とする請求項
１記載の固体撮像素子。 - 【請求項５】 前記オンチップマイクロレンズの各レン
ズ部の境界部が前記光電変換素子の受光部の中央部を通
り、前記フローティングデフュージョン部および読み出
しゲートが前記光電変換素子の受光部の中央部に孤立島
状に配置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。 - 【請求項６】 前記オンチップマイクロレンズの各レン
ズ部の境界部に沿って前記フローティングデフュージョ
ン部用の配線と読み出しゲート用の配線を設けたことを
特徴とする請求項５記載の固体撮像素子。 - 【請求項７】 前記オンチップマイクロレンズの各レン
ズ部の境界部に沿って前記フローティングデフュージョ
ン部用の配線と読み出しゲート用の配線とその他の配線
とを設けたことを特徴とする請求項５記載の固体撮像素
子。 - 【請求項８】 前記オンチップマイクロレンズの各レン
ズ部の境界部に沿って配線を設けたことを特徴とする請
求項４記載の固体撮像素子。 - 【請求項９】 前記オンチップマイクロレンズの各レン
ズ部の境界部に沿って遮光帯を設けたことを特徴とする
請求項４記載の固体撮像素子。 - 【請求項１０】 ＣＭＯＳ型イメージセンサであること
を特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 【請求項１１】 ＣＣＤ型イメージセンサであることを
特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
Priority Applications (5)
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|---|---|---|---|
| JP2002012568A JP2003218332A (ja) | 2002-01-22 | 2002-01-22 | 固体撮像素子 |
| US10/341,707 US6900480B2 (en) | 2002-01-22 | 2003-01-14 | Solid-state imaging device |
| US11/118,246 US6974980B2 (en) | 2002-01-22 | 2005-04-29 | Solid-state imaging device |
| US11/117,845 US6969877B2 (en) | 2002-01-22 | 2005-04-29 | Solid-state imaging device |
| US11/117,862 US6965135B2 (en) | 2002-01-22 | 2005-04-29 | Solid-state imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002012568A JP2003218332A (ja) | 2002-01-22 | 2002-01-22 | 固体撮像素子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=19191755
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|---|---|---|---|
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| Country | Link |
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| JP2007035837A (ja) * | 2005-07-26 | 2007-02-08 | Toppan Printing Co Ltd | 固体撮像素子及びその製造方法 |
| JP2007250588A (ja) * | 2006-03-13 | 2007-09-27 | Mitsubishi Electric Corp | リニアイメージセンサ |
| WO2009031304A1 (ja) * | 2007-09-05 | 2009-03-12 | Tohoku University | 固体撮像素子及びその製造方法 |
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| KR20170053697A (ko) * | 2014-09-08 | 2017-05-16 | 마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨 | 가변 해상도 픽셀 |
| WO2018173872A1 (ja) * | 2017-03-24 | 2018-09-27 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | センサチップおよび電子機器 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2003218332A (ja) * | 2002-01-22 | 2003-07-31 | Sony Corp | 固体撮像素子 |
| KR100561003B1 (ko) * | 2003-09-30 | 2006-03-16 | 동부아남반도체 주식회사 | 이미지 센서 및 그 제조방법 |
| US7329856B2 (en) * | 2004-08-24 | 2008-02-12 | Micron Technology, Inc. | Image sensor having integrated infrared-filtering optical device and related method |
| JP2006237315A (ja) * | 2005-02-25 | 2006-09-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体撮像装置 |
| JP4660228B2 (ja) * | 2005-03-09 | 2011-03-30 | 株式会社東芝 | 固体撮像装置 |
| JP4768305B2 (ja) * | 2005-04-15 | 2011-09-07 | 岩手東芝エレクトロニクス株式会社 | 固体撮像装置 |
| JP2007318002A (ja) * | 2006-05-29 | 2007-12-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体撮像装置及びその製造方法 |
| WO2010018677A1 (ja) * | 2008-08-11 | 2010-02-18 | 本田技研工業株式会社 | 画素、画素の製造方法、撮像装置および画像形成方法 |
| JP5029624B2 (ja) * | 2009-01-15 | 2012-09-19 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置及び電子機器 |
| JP5471174B2 (ja) * | 2009-08-28 | 2014-04-16 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器 |
| JP6021613B2 (ja) * | 2012-11-29 | 2016-11-09 | キヤノン株式会社 | 撮像素子、撮像装置、および、撮像システム |
| WO2017094362A1 (ja) * | 2015-12-03 | 2017-06-08 | ソニー株式会社 | 固体撮像素子および撮像装置 |
| US10861892B2 (en) * | 2018-11-21 | 2020-12-08 | Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. | Low-light-level CMOS image sensor pixel |
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