JP2005311469A - Solid-state imaging apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、複数の受光部を含む撮像領域を形成した半導体基板上に各受光部に対応してオンチップレンズを設けた固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置のチップ周辺に生じる感度低下(シェーディング)を改善するための構造に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device in which an on-chip lens is provided corresponding to each light-receiving unit on a semiconductor substrate in which an imaging region including a plurality of light-receiving units is formed. ) For improving the structure.
従来より、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等において、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等の固体撮像装置が広く使用されている。
図4は従来の固体撮像装置の素子構造の例を示す断面図であり、CMOSイメージセンサの例を示している。
図において、半導体基板10の上層部には、上からP+層11、N層12、N−層13を含むフォトセンサ20が2次元配列で設けられ、長方形状の撮像領域を構成しており、半導体基板10の上部に層間絶縁膜30を介して配線膜40、50、60、層内レンズ70、カラーフィルタ80、オンチップレンズ90等が配置されている。
Conventionally, solid-state imaging devices such as CCD image sensors and CMOS image sensors have been widely used in video cameras, digital still cameras, and the like.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the element structure of a conventional solid-state imaging device, and shows an example of a CMOS image sensor.
In the figure,
ところで、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等においては、そこに用いられているレンズの絞りによって決定される射出瞳が存在する。レンズ焦点からその射出瞳までの距離である射出瞳距離が有限であるために、光学系の中心である固体撮像素子中心から周辺へと遠ざかるに従って固体撮像装置に入射する主光線が傾き、入射角度が大きくなる。
そのため、例えば図4に示すようなオンチップレンズを有する固体撮像装置において、半導体基板上に配置されたフォトセンサとオンチップレンズの配列ピッチが等しい場合、すなわち各画素のフォトセンサの直上にオンチップレンズが存在する場合は、半導体基板の周辺ではオンチップレンズに入射した光がフォトセンサ中心に集光せず、フォトセンサに隣接して形成されている配線等によってけられてしまい、感度低下を引き起こす。これはすなわちシェーディングと呼ばれる画面の感度ムラの原因である。
By the way, in a video camera, a digital still camera, or the like, there is an exit pupil determined by the lens aperture used therein. Since the exit pupil distance, which is the distance from the lens focal point to the exit pupil, is finite, the principal ray incident on the solid-state imaging device is tilted as the distance from the center of the solid-state image sensor, which is the center of the optical system, to the periphery. Becomes larger.
Therefore, for example, in a solid-state imaging device having an on-chip lens as shown in FIG. 4, when the arrangement pitch of the photo sensor arranged on the semiconductor substrate and the on-chip lens is equal, that is, on-chip directly above the photo sensor of each pixel. If there is a lens, the light incident on the on-chip lens is not collected at the center of the photosensor around the semiconductor substrate, but is scattered by the wiring formed adjacent to the photosensor, resulting in a decrease in sensitivity. cause. This is a cause of uneven sensitivity of the screen called shading.
そこで、このシェーディングを補正する技術としては、フォトセンサのピッチよりもオンチップレンズのピッチを小さくする方法が用いられている。具体的には、オンチップレンズの配置を固体撮像装置の光学中心を中心として主に縮小倍率(以下、シュリンクという)をかけることによって実現している(例えば特許文献1参照)。
これは、いわゆる射出瞳補正と呼ばれる技術であり、特にCCDイメージセンサを中心に、オンチップレンズ、層内レンズ、不純物レイヤ等にシュリンクをかけて撮像領域の中心部と周辺部とで各素子の位置をずらすことにより、固体撮像装置の周辺部においてもオンチップレンズに入射した光をフォトセンサに集光させている。特に最近では、携帯電話や個人情報携帯端末などのモバイル機器に固体撮像装置が搭載されるようになり、小型化のために射出瞳距離の非常に短い光学系が用いられているため、周辺画素への光の入射角度は更に大きくなり、オンチップレンズの射出瞳補正技術がますます重要になってきている。
This is a technique called so-called exit pupil correction. In particular, with the CCD image sensor as the center, an on-chip lens, an intra-layer lens, an impurity layer, etc. are shrunk, and the center and peripheral portions of the imaging region By shifting the position, the light incident on the on-chip lens is condensed on the photosensor also in the peripheral portion of the solid-state imaging device. In particular, recently, solid-state imaging devices have been installed in mobile devices such as mobile phones and personal information portable terminals, and an optical system with a very short exit pupil distance is used for miniaturization. Increasing the incident angle of light on the screen, the on-chip lens exit pupil correction technology is becoming increasingly important.
しかしながら、上記従来の射出瞳補正技術を用いた場合でも、CMOSイメージセンサでは、各画素内に各種のトランジスタや多数の配線があるために、フォトセンサをシリコン基板上で矩形に作ることができないことから、フォトセンサ形状や遮光膜開口形状に起因して画素の四隅で光量の落ち方が異なり、感度が特に低下する場所が生じて不自然なシェーディングとなっている。 However, even when the above-described conventional exit pupil correction technology is used, in the CMOS image sensor, there are various transistors and a large number of wirings in each pixel, so that the photosensor cannot be made rectangular on the silicon substrate. Therefore, due to the shape of the photosensor and the opening shape of the light shielding film, the way in which the amount of light falls at the four corners of the pixel is different, and there is a place where the sensitivity is particularly lowered, resulting in an unnatural shading.
そこで本発明は、非対称なフォトセンサ形状及び遮光膜開口形状に起因する画面中心からの距離に対して不均一なシェーディングを補正し、撮像領域全体でシェーディング量を均一にでき、結果として感度ムラの低減や感度の向上を図ることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention corrects non-uniform shading with respect to the distance from the center of the screen due to the asymmetric photosensor shape and the shape of the light shielding film opening, and makes it possible to make the shading amount uniform over the entire imaging region, resulting in sensitivity variations. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of reducing and improving sensitivity.
上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、複数の受光部を含む撮像領域と、前記受光部に向かって入射光を集光する複数のオンチップレンズとを有するとともに、1画素内に1つの前記受光部と1つの前記オンチップレンズとを含み、前記オンチップレンズは同画素内の前記受光部の直上から前記撮像領域内の所定の位置に向かってずれて形成され、前記複数のオンチップレンズの隣接する2つのオンチップレンズの間隔は少なくとも2種類存在することを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, a solid-state imaging device of the present invention includes an imaging region including a plurality of light receiving units, a plurality of on-chip lenses that collect incident light toward the light receiving unit, and one pixel. Including the one light receiving portion and one on-chip lens, wherein the on-chip lens is formed to be shifted from a position immediately above the light receiving portion in the pixel toward a predetermined position in the imaging region, There are at least two kinds of intervals between two adjacent on-chip lenses of the plurality of on-chip lenses.
本発明の固体撮像装置によれば、オンチップレンズが画素内の受光部の直上から撮像領域内の所定の位置に向かってずれて形成され、隣接する2つのオンチップレンズの間隔が複数類存在する構造により、受光部の非対称形状にかかわらず、オンチップレンズの位置を最適化することが可能になるので、撮像領域全体でシェーディング量を均一にでき、結果として感度ムラの低減、感度の向上を実現できる効果がある。 According to the solid-state imaging device of the present invention, the on-chip lens is formed so as to be shifted from a position immediately above the light receiving unit in the pixel toward a predetermined position in the imaging region, and there are plural kinds of intervals between two adjacent on-chip lenses. With this structure, it is possible to optimize the position of the on-chip lens regardless of the asymmetric shape of the light receiving part, so that the shading amount can be made uniform throughout the imaging area, resulting in reduced sensitivity unevenness and improved sensitivity. There is an effect that can be realized.
本発明の実施の形態では、オンチップレンズ及びその下層に配置される層内レンズ、配線膜等のシュリンク率を水平方向及び垂直方向で異なる値とし、また、シュリンクする中心を撮像領域の中心からずらすことにより、非対称構造の受光部に対してオンチップレンズ等の配置を最適化し、均一なシェーディング特性を得られるようにする。また、水平方向及び垂直方向のシュリンク率についても、部分的に変化させることにより、さらに最適な素子配置を行い、シェーディング特性の均一化を達成する。 In the embodiment of the present invention, the shrink rate of the on-chip lens, the inner layer lens disposed below the on-chip lens, the wiring film, and the like is set to different values in the horizontal direction and the vertical direction, and the shrinking center is set from the center of the imaging region. By shifting, it is possible to optimize the arrangement of on-chip lenses and the like with respect to the light receiving portion having an asymmetric structure, and obtain uniform shading characteristics. Further, by partially changing the shrink ratio in the horizontal direction and the vertical direction, further optimal element arrangement is performed, and uniform shading characteristics are achieved.
図1は本発明の実施例による固体撮像装置の素子構造の例を示す断面図である。
本実施例の固体撮像装置は、1画素内に1つの受光部と1つのオンチップレンズとを含むCMOSイメージセンサとして構成されており、半導体基板110の上層部には、上からP+層111、N層112、N−層113を含むフォトセンサ120が2次元配列で設けられており、半導体基板110の上部に層間絶縁膜130を介して電極膜140、配線膜150、160、層内レンズ170、カラーフィルタ180、オンチップレンズ190等が配置されている。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an element structure of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
The solid-state imaging device according to the present embodiment is configured as a CMOS image sensor including one light receiving unit and one on-chip lens in one pixel, and an upper layer portion of the
そして、本実施例の固体撮像装置では、フォトセンサの集光に影響を与える各レイヤ、具体的には図1の各矢印ア〜オに示すように、フォトセンサ120のN−層113、配線膜160、層内レンズ170、カラーフィルタ180、及びオンチップレンズ190は、それぞれ個別に設定されるシュリンク率でシュリンクされ、フォトセンサ120の中心から所定のずれ量だけずれた状態で配置されている。
なお、各レイヤのずれ量(シュリンク率)は、フォトセンサ120から遠いレイヤになるにしたがって大きくなっているが、各レイヤ内においても、一律のずれ量を有するものでなく、各レイヤの垂直方向と水平方向とで異なるずれ量で形成され、さらに、垂直方向及び水平方向においても異なるすれ量をもって形成されている。また、シュリンクの中心も、撮像領域の中心とは異なる位置に配置されている。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the N-
Note that the shift amount (shrink rate) of each layer increases as the layer becomes farther from the
以下、このような撮像装置におけるシュリンク構造の具体例を説明する。
図2は本実施例における撮像領域のシュリンク構造の具体例を示す平面図である。
図において、撮像領域200にシュリンク中心201を通る垂直線202及び水平線203を引き、これら垂直線202及び水平線203で区切られた領域A〜Dのシュリンク率及びシュリンク方向を矢印a〜d及びa´〜d´で示している。
本実施例では、各領域におけるシュリンク率は、垂直線202及び水平線203を挟んで水平方向及び垂直方向にそれぞれ線対称であるが、水平方向と垂直方向とで異なるシュリンク率を用いており、また、同じ水平方向でも矢印aと矢印a´で示す部分では、異なるシュリンク率を用いている。
Hereinafter, a specific example of the shrink structure in such an imaging apparatus will be described.
FIG. 2 is a plan view showing a specific example of the shrink structure of the imaging region in the present embodiment.
In the figure, a
In this embodiment, the shrinkage rate in each region is symmetrical with respect to the horizontal direction and the vertical direction across the
これは、例えば図3に示すように、垂直方向と水平方向とで同じシュリンク率を用いた場合には、各領域A〜Dで一様なシュリンクをかけてしまうと、撮像領域の外周に行くに従い、各画素間の継ぎ目のずれ量が大となり、画面上につなぎ目が見えてしまい、さらにそのシュリンク率の差が大きいときは、電気的な接続も取れなくなってしまう。
そこで、図2に示すように、各領域A〜Dで異なるシュリンクをかけることにより、各画素のつなぎ目でのずれは発生しないため、画面上につなぎ目が見えることはない。
また、撮像領域の中心とシュリンクの中心とをずらすことにより、各レイヤにおいて最適な集光を得ることができる。
For example, as shown in FIG. 3, when the same shrink rate is used in the vertical direction and the horizontal direction, if uniform shrink is applied in each of the areas A to D, it goes to the outer periphery of the imaging area. Accordingly, the amount of shift of the joint between the pixels becomes large, and a joint can be seen on the screen. Further, when the difference in the shrink rate is large, the electrical connection cannot be established.
Therefore, as shown in FIG. 2, by applying different shrinkage in each of the areas A to D, no shift occurs at the joint of each pixel, so that the joint is not visible on the screen.
Further, by shifting the center of the imaging region and the center of the shrink, it is possible to obtain optimum light collection in each layer.
なお、以上の実施例は本発明の一例であり、本発明の具体的な形態、例えば上述したシュリンク率のかけ方やシュリンクをかけるレイヤの選択等については、種々変形が可能である。
また、以上は本発明をCMOSイメージセンサに適用した例を説明したが、CCDイメージセンサにも同様に適用できるものである。
The above embodiment is an example of the present invention, and various modifications can be made to the specific form of the present invention, for example, the method of applying the shrink rate and the selection of the layer to which the shrink is applied.
Further, the example in which the present invention is applied to the CMOS image sensor has been described above, but the present invention can be similarly applied to a CCD image sensor.
110……半導体基板、111……P層、112……N層、113……N−層、120……フォトセンサ、130……層間絶縁膜、140……電極膜、150、160……配線膜、170……層内レンズ、180……カラーフィルタ、190……オンチップレンズ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記オンチップレンズは同画素内の前記受光部の直上から前記撮像領域内の所定の位置に向かってずれて形成され、
前記複数のオンチップレンズの隣接する2つのオンチップレンズの間隔は少なくとも2種類存在する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 An imaging region including a plurality of light receiving units, and a plurality of on-chip lenses that collect incident light toward the light receiving unit, and one light receiving unit and one on-chip lens in one pixel Including
The on-chip lens is formed to be shifted from a position immediately above the light receiving unit in the pixel toward a predetermined position in the imaging region,
There are at least two kinds of intervals between two adjacent on-chip lenses of the plurality of on-chip lenses.
A solid-state imaging device.
The solid-state imaging device according to claim 6, wherein there are a plurality of deviation amounts in a vertical direction and a horizontal direction of the imaging region.
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