【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体撮像素子を画素単位とし、各画素の受光部の上にマイクロレンズをオンチップで設けたイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、増幅型の固体撮像素子を画素とするイメージセンサにあっては、ＣＭＯＳプロセスによって各画素内にフォトダイオードおよび光検知制御用、増幅用、画素選択用の各トランジスタ等を構成するようにしているので、フォトダイオードの面積が小さくなり、そのため有効受光面積が小さくなって感度やＳＮ比の低下をきたしている。
【０００３】
そのため、従来では、固体撮像素子を画素とするイメージセンサにおける各フォトダイオードが形成されている受光部の上にオンチップでマイクロレンズを設けて、フォトダイオードに入射する光量を増加させるようにしている（特開平８−３１６４４８号公報、特開２０００−３０７０９０号公報参照）。
【０００４】
また、従来、固体撮像素子を画素とするイメージセンサにあって、基準信号を得るなどのために、オプティカルブラック用のしゃ光された画素を配設するようにしたものがある。
【０００５】
図５は、固体撮像素子を画素とするイメージセンサにあって、受光用の画素とオプティカルブラック用のしゃ光画素とが並設された部分的な構成を示している。
【０００６】
ここでは、各画素がＣＭＯＳプロセスによってフォトダイオードＰＤおよび光検知制御用トランジススタＱ１、増幅用トランジスタＱ２、画素選択用のトランジスタＱ３からなる光センサ回路（図１参照）が形成されている。そして、オンチップで設けられたマイクロレンズＬを通した光が受光用の画素１におけるフォトダイオードＰＤが形成されている受光部の上に直接照射され、隣接のしゃ光画素２に対応するマイクロレンズＬを通した光がしゃ断されるようにしゃ光層３が設けられている。図中４は、透明層を示している。
【０００７】
そのしゃ光層３としては、通常アルミニウムＡｌの薄膜によって形成されているが、Ａｌよりもしゃ光効果の大きな高融点材料であるタングステンＷ、モリブデンＭｏ、チタンＴｉ等、あるいはそれらの化合物による薄膜を形成することもある。
【０００８】
しかし、しゃ光層３といってもそれが薄膜によるものであるために、マイクロレンズＬを通した光が完全にしゃ断されることなく、微少ながらその通過光がしゃ光画素２のフォトダイオードＰＤによって受光されてしまう。
【０００９】
特にダイナミックレンジの大きな対数出力特性をもった光センサ回路を画素に用いたいメージセンサでは、しゃ光画素にはダイナミックレンジ以上のしゃ光性能が要求される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、固体撮像素子を画素単位として、受光用の画素とオプティカルブラック用のしゃ光画素とが設けられたイメージセンサにあって、各画素に対応してそれぞれマイクロレンズをオンチップで設けるのでは、しゃ光画素上に設けられたマイクロレンズによって集光された光が微少ながらしゃ断層を通過して光画素２のフォトダイオードＰＤによって受光されてしまい、暗時の出力感度が低下してしまうことである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体撮像素子を画素単位とし、受光用の画素とオプティカルブラック用のしゃ光画素とが設けられたイメージセンサにあって、各受光用の画素上にマイクロレンズをオンチップで設けて集光率を上げるとともに、しゃ光画素におけるしゃ光層を通過する光量を極力抑制して出力感度を上げるべく、しゃ光画素以外の受光用の画素における受光部の上にのみマイクロレンズを設けるようにしている。
【００１２】
【実施例】
図１は、本発明のイメージセンサにおける画素単位となる光センサ回路の基本的な構成を示している。
【００１３】
その光センサ回路は、光検知時における入射光Ｌｓの光量に応じたセンサ電流を生ずる光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤと、そのフォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流をサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号Ｖｐｄに変換するトランジスタＱ１と、その変換された電圧信号Ｖｐｄを増幅するトランジスタＱ２と、読出し信号Ｖｓのパルスタイミングでもってセンサ信号Ｓｏを出力するトランジスタＱ３とによって構成され、ダイナミックレンジを拡大して光信号の検出を高感度で行わせることができるようになっている。そして、光検知に先がけてトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定時間だけ定常値よりも低く設定して、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに蓄積された残留電荷を放電させて初期化することにより、センサ電流に急激な変化が生じても即座にそのときの入射光Ｌｓの光量に応じた電圧信号Ｖｐｄが得られるようにして、入射光量が少ない場合でも残像が生ずることがないようにしている。この光センサ回路自体は、公知である。
【００１４】
図２は、その光センサ回路における各部信号のタイムチャートを示している。ここで、ｔ１は初期化のタイミングを、ｔ２はセンサ信号Ｓｏの出力タイミングを、Ｔは光検知時の寄生容量Ｃにおける電荷蓄積期間をそれぞれ示している。
【００１５】
図３は、その光センサ回路における入射光量に応じたセンサ電流に対するセンサ信号Ｓｏの出力特性を示している。それは、フォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流が多いときには対数出力特性を示し、センサ電流が少ないときには寄生容量Ｃの充電に応答遅れを生じてほぼ線形の非対数出力特性を示している。図中、ＷＡは非対数応答領域を示し、ＷＢは対数応答領域を示している。
【００１６】
このような光センサ回路が画素単位として、図４に示すように、ＣＭＯＳプロセスによって固体撮像素子として構成されることになる。ここでは、受光用の画素１としゃ光層３によって遮蔽されたオプティカルブラック用のしゃ光画素２とが並設された部分的な構成を示している。
【００１７】
本発明では、図６および図７に示すように、受光用の画素１（１１，１２）としゃ光層３によって覆われたオプティカルブラック用のしゃ光画素２（２１，２２，２３）とが設けられたものにあって、各受光用の画素１の上にのみマイクロレンズＬをオンチップで設け、しゃ光画素２の上にはマイクロレンズを設けないようにしている。なお、図７では、簡略的に、各画素におけるフォトダイオードＰＤの部分のみを示している。
【００１８】
このような構成によれば、しゃ光層３が薄膜によって形成されているために、そのしゃ光層３を通して微少な光が各しゃ光画素２のフォトダイオードＰＤによって受光されてしまう。
【００１９】
その場合、図５に示すように、しゃ光画素２の上にマイクロレンズＬが設けられている場合に比して、しゃ光画素２の受光量が数分の１に減少する。その際、マイクロレンズＬの集光率が２倍ならば、そのマイクロレンズＬを設けないしゃ光画素２における受光量が１／２（３ｄＢ）に改善されたことになる。
【００２０】
図８は、マイクロレンズＬの集光率を５倍としたときの受光用の画素１の入射光量に応じたセンサ電流に対する出力特性Ａ、マイクロレンズＬを設けたときのしゃ光画素２の出力特性Ｂ、マイクロレンズＬを設けないときのしゃ光画素２の出力特性Ｃをそれぞれ示している。
【００２１】
それによれば、マイクロレンズＬを設けたときのしゃ光画素２の出力特性Ｂに比べて、マイクロレンズＬを設けないときのしゃ光画素２の出力特性Ｃは５倍程度の光量まで暗時と同じ出力を得ることができるようになる。
【００２２】
また、図９は本発明によるイメージセンサの他の実施例を示している。
【００２３】
ここでは、しゃ光画素２１に隣接する受光用の画素１２上に設けられるマイクロレンズＬの形状が崩れて変形することがないように、受光用の画素１２に接するしゃ光画素２１の上にダミー用のマイクロレンズＬを設けるようにしている。
【００２４】
このように、ダミー用のマイクロレンズＬを設けることで、Ｘ方向およびＹ方向に配設される受光用の画素１上にマイクロレンズＬが設けられる際の連続性がしゃ光画素２の存在によって途絶えても、受光用の画素１上に設けられるマイクロレンズＬが変形するがなくなる。したがって、各受光用の画素１において均一な受光量を得ることができるようになる。
【００２５】
このダミー用のマイクロレンズＬは受光用の画素１に隣接するしゃ光画素２の上だけに限らず、その隣接したしゃ光画素２１につながる複数のしゃ光画素２上に設けるようにしてもよい。
【００２６】
図１０は、オンチップでマイクロレンズＬを形成する際の工程の一例を示している。
【００２７】
ここでは、第１の工程（ａ）として、蒸着などによってレンズ形成層５を形成する。次いで、第２の工程（ｂ）として、そのレンズ形成層５上にマイクロレンズの形成箇所に応じたレジストパターン６の形成を行ったうえで、第３の工程（ｃ）として、ドライエッチングによって不要な箇所のレンズ形成層５をとり除く。次いで、第４の工程（ｄ）として、レジスト除去を行ったうえで、第５の工程（ｅ）として、熱処理によってマイクロレンズＬを形成するようにしている。
【００２８】
あるいはまた、感光性レジスト（またはポリイミド）を塗布してレンズ形成層を形成し、露光による所定のパターニングを行ってエッチングしたうえで、熱処理によってマイクロレンズを形成するようにすることも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上、本発明は、固体撮像素子を画素単位とし、受光用の画素とオプティカルブラック用のしゃ光画素とが設けられたイメージセンサにあって、しゃ光画素以外の受光用の画素における受光部の上にマイクロレンズを設けるようにしたもので、各受光用の画素上にマイクロレンズをオンチップで設けて集光率を上げるとともに、しゃ光画素におけるしゃ光層を通過する光量を極力抑制して出力感度を有効に上げることができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】イメージセンサにおける画素単位となる光センサ回路の基本的な構成を示す電気回路図である。
【図２】その光センサ回路における各部信号のタイムチャートである。
【図３】その光センサ回路における入射光量に応じたセンサ電流に対するセンサ信号の出力特性を示す図である。
【図４】その光センサ回路をＣＭＯＳプロセスによって固体撮像素子として形成したときのイメージセンサの部分的な正断面図である。
【図５】従来の受光用の画素としゃ光画素との上にそれぞれマイクロレンズが形成されたイメージセンサを示す部分的な正断面図である。
【図６】本発明による受光用の画素上にのみマイクロレンズが形成されたイメージセンサを示す部分的な正断面図である。
【図７】本発明による受光用の画素上にのみマイクロレンズが形成されたイメージセンサを示す部分的な簡略正断面図である。
【図８】マイクロレンズを設けた受光用の画素、マイクロレンズを設けたしゃ光画素およびマイクロレンズを設けないしゃ光画素における各入射光量に応じたセンサ電流に対するセンサ信号の出力特性をそれぞれ示す図である。
【図９】本発明による受光用の画素に隣接するしゃ光画素の上にダミー用のマイクロレンズが形成されたイメージセンサを示す部分的な簡略正断面図である。
【図１０】オンチップでマイクロレンズを形成する際の工程の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 受光用の画素
２ しゃ光画素
３ しゃ光層
４ 透明層
Ｌ マイクロレンズ
ＰＤ フォトダイオード[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an image sensor in which a solid-state imaging device is used as a pixel unit and a microlens is provided on a light receiving unit of each pixel on a chip.
[0002]
[Prior art]
In general, in an image sensor having an amplification type solid-state imaging device as a pixel, a photodiode and transistors for light detection control, amplification, and pixel selection are formed in each pixel by a CMOS process. As a result, the area of the photodiode is reduced, and the effective light receiving area is reduced, thereby lowering the sensitivity and the SN ratio.
[0003]
For this reason, conventionally, a microlens is provided on-chip on a light receiving unit on which each photodiode is formed in an image sensor having a solid-state imaging device as a pixel, so as to increase the amount of light incident on the photodiode. (See JP-A-8-316448 and JP-A-2000-307090).
[0004]
In addition, there is a conventional image sensor having a solid-state image sensor as a pixel, in which a light-shielded pixel for optical black is provided in order to obtain a reference signal.
[0005]
FIG. 5 shows a partial configuration of an image sensor having pixels as solid-state imaging elements, in which pixels for light reception and light-shielded pixels for optical black are arranged side by side.
[0006]
Here, an optical sensor circuit (see FIG. 1) in which each pixel includes a photodiode PD, a light detection control transistor Q1, an amplification transistor Q2, and a pixel selection transistor Q3 is formed by a CMOS process. Then, light passing through a microlens L provided on-chip is directly radiated onto the light receiving portion of the light receiving pixel 1 where the photodiode PD is formed, and the micro lens corresponding to the adjacent light blocking pixel 2 The light blocking layer 3 is provided so that light passing through L is blocked. Reference numeral 4 in the drawing indicates a transparent layer.
[0007]
The light-shielding layer 3 is usually formed of a thin film of aluminum Al, but a thin film of a high melting point material such as tungsten W, molybdenum Mo, titanium Ti, or the like, which has a larger light-shielding effect than Al, or a compound thereof is formed. Sometimes.
[0008]
However, since the light blocking layer 3 is made of a thin film, the light passing through the microlens L is not completely blocked, and the light passing therethrough is slightly reduced by the photodiode PD of the light blocking pixel 2. Will be received.
[0009]
In particular, in a image sensor in which an optical sensor circuit having a logarithmic output characteristic having a large dynamic range is used for a pixel, the light-shielding pixel is required to have a light-shielding performance higher than the dynamic range.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved is that the solid-state image sensor is a pixel unit, and the image sensor is provided with light receiving pixels and light blocking pixels for optical black. When provided by a chip, the light condensed by the microlens provided on the light-shielded pixel is slightly received through the light-shielding layer and received by the photodiode PD of the light pixel 2, and the output sensitivity in darkness is reduced. It will be reduced.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides an image sensor in which a solid-state imaging device is provided in pixel units and pixels for light reception and light blocking pixels for optical black are provided, and a microlens is provided on each light reception pixel on-chip. In order to increase the light collection rate and minimize the amount of light passing through the shading layer in the shading pixel, and increase the output sensitivity, provide a microlens only on the light receiving part of the light receiving pixel other than the shading pixel. I have to.
[0012]
【Example】
FIG. 1 shows a basic configuration of a photosensor circuit serving as a pixel unit in the image sensor of the present invention.
[0013]
The optical sensor circuit includes a photodiode PD as a photoelectric conversion element that generates a sensor current corresponding to the amount of incident light Ls at the time of light detection, and a sensor current flowing through the photodiode PD is weakly utilizing characteristics of a sub-threshold region. It is composed of a transistor Q1 that converts a voltage signal Vpd into a voltage signal Vpd in an inverted state, a transistor Q2 that amplifies the converted voltage signal Vpd, and a transistor Q3 that outputs a sensor signal So at the pulse timing of the read signal Vs. In addition, the detection of the optical signal can be performed with high sensitivity by expanding the dynamic range. Then, prior to the light detection, the drain voltage VD of the transistor Q1 is set lower than the steady value for a predetermined time, and the residual charge accumulated in the parasitic capacitance C of the photodiode PD is discharged and initialized to thereby initialize the sensor. Even if a sudden change occurs in the current, a voltage signal Vpd corresponding to the amount of incident light Ls at that time is immediately obtained so that an afterimage does not occur even when the amount of incident light is small. This optical sensor circuit itself is known.
[0014]
FIG. 2 shows a time chart of signals of each part in the optical sensor circuit. Here, t1 indicates the initialization timing, t2 indicates the output timing of the sensor signal So, and T indicates the charge accumulation period in the parasitic capacitance C at the time of light detection.
[0015]
FIG. 3 shows output characteristics of the sensor signal So with respect to a sensor current according to the amount of incident light in the optical sensor circuit. It shows a logarithmic output characteristic when the sensor current flowing through the photodiode PD is large, and exhibits a substantially linear non-logarithmic output characteristic when a small sensor current causes a response delay in charging the parasitic capacitance C. In the drawing, WA indicates a non-logarithmic response area, and WB indicates a logarithmic response area.
[0016]
As shown in FIG. 4, such an optical sensor circuit is configured as a solid-state imaging device by a CMOS process as a pixel unit. Here, a partial configuration in which a light receiving pixel 1 and an optical black light blocking pixel 2 shielded by a light blocking layer 3 are arranged side by side is shown.
[0017]
In the present invention, as shown in FIGS. 6 and 7, the light receiving pixel 1 (11, 12) and the optical black light shielding pixel 2 (21, 22, 23) covered by the light shielding layer 3 are provided. In this arrangement, a microlens L is provided on-chip only on each light-receiving pixel 1, and no microlens is provided on the light-shielded pixel 2. FIG. 7 simply shows only the photodiode PD portion in each pixel.
[0018]
According to such a configuration, since the light blocking layer 3 is formed of a thin film, a small amount of light is received by the photodiode PD of each light blocking pixel 2 through the light blocking layer 3.
[0019]
In this case, as shown in FIG. 5, the amount of light received by the light-shielded pixel 2 is reduced to a fraction of that in the case where the microlens L is provided on the light-shielded pixel 2. At this time, if the condensing rate of the microlens L is twice, it means that the amount of light received by the light-shielded pixel 2 without the microlens L is reduced to （(3 dB).
[0020]
FIG. 8 shows an output characteristic A with respect to a sensor current corresponding to the amount of incident light on the light receiving pixel 1 when the light condensing rate of the micro lens L is set to 5 times, and an output of the light blocking pixel 2 when the micro lens L is provided. A characteristic B and an output characteristic C of the light-shielded pixel 2 when the microlens L is not provided are shown.
[0021]
According to this, the output characteristic C of the light-shielded pixel 2 when the micro-lens L is not provided is about five times as large as the output characteristic B of the light-shielded pixel 2 when the micro-lens L is provided. You can get the same output.
[0022]
FIG. 9 shows another embodiment of the image sensor according to the present invention.
[0023]
Here, a dummy is placed on the light-shielding pixel 21 in contact with the light-receiving pixel 12 so that the shape of the microlens L provided on the light-receiving pixel 12 adjacent to the light-shielding pixel 21 is not deformed. Is provided.
[0024]
As described above, by providing the dummy microlenses L, the continuity when the microlenses L are provided on the light receiving pixels 1 arranged in the X direction and the Y direction depends on the presence of the light blocking pixels 2. Even if the interruption occurs, the micro lens L provided on the light receiving pixel 1 is not deformed. Therefore, a uniform amount of received light can be obtained in each of the light receiving pixels 1.
[0025]
This dummy microlens L is not limited to the light-shielding pixel 2 adjacent to the light-receiving pixel 1 but may be provided on a plurality of light-shielding pixels 2 connected to the adjacent light-shielding pixel 21. .
[0026]
FIG. 10 shows an example of a process when the microlens L is formed on-chip.
[0027]
Here, as the first step (a), the lens forming layer 5 is formed by vapor deposition or the like. Next, as a second step (b), a resist pattern 6 is formed on the lens forming layer 5 in accordance with the location where the microlens is formed, and then, as a third step (c), it is unnecessary by dry etching. Then, the lens forming layer 5 at an appropriate location is removed. Next, as a fourth step (d), the resist is removed, and as a fifth step (e), the microlenses L are formed by heat treatment.
[0028]
Alternatively, a microlens can be formed by applying a photosensitive resist (or polyimide) to form a lens forming layer, performing predetermined patterning by exposure, etching, and then heat-treating.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides an image sensor in which a solid-state imaging device is provided in pixel units and a light receiving pixel and an optical black light blocking pixel are provided, and a light receiving portion of the light receiving pixel other than the light blocking pixel is provided. A micro lens is provided on the top, and a micro lens is provided on each light receiving pixel on chip to increase the light collection rate and minimize the amount of light passing through the light blocking layer in the light blocking pixel. This has the advantage that the output sensitivity can be effectively increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electric circuit diagram showing a basic configuration of a photosensor circuit serving as a pixel unit in an image sensor.
FIG. 2 is a time chart of signals of each part in the optical sensor circuit.
FIG. 3 is a diagram showing output characteristics of a sensor signal with respect to a sensor current according to the amount of incident light in the optical sensor circuit.
FIG. 4 is a partial front sectional view of an image sensor when the photosensor circuit is formed as a solid-state imaging device by a CMOS process.
FIG. 5 is a partial front sectional view showing a conventional image sensor in which a microlens is formed on a light receiving pixel and a light blocking pixel.
FIG. 6 is a partial front sectional view showing an image sensor in which a micro lens is formed only on a light receiving pixel according to the present invention.
FIG. 7 is a partial simplified front sectional view showing an image sensor in which a microlens is formed only on a light receiving pixel according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating output characteristics of a sensor signal with respect to a sensor current according to each incident light amount in a light receiving pixel provided with a microlens, a light blocking pixel provided with a microlens, and a light blocking pixel not provided with a microlens. It is.
FIG. 9 is a partial simplified front sectional view showing an image sensor in which a dummy microlens is formed on a light-shielded pixel adjacent to a light-receiving pixel according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing an example of a process when forming a microlens on-chip.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Receiving pixel 2 Shading pixel 3 Shading layer 4 Transparent layer L Microlens PD Photodiode
