JP2006012910A

JP2006012910A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2006012910A
Application number: JP2004183913A
Authority: JP
Inventors: Jun Yamamoto; 純山本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: JP4779312B2

Abstract

【課題】固体撮像装置におけるシェーディング特性の改善を図る。
【解決手段】画素を構成する受光部が複数配列された撮像領域上に、各受光部に対応してオンチップマイクロレンズが形成された固体撮像装置であって、有効撮像領域４２の最外周の画素３３Ｖ，３３Ｈ間の出力差が小さくなるように、オンチップマイクロレンズの射出瞳補正量が、等高線４４で表して同心非円状、例えば同心楕円状に変化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置に関し、特にオンチップマイクロレンズの射出瞳補正に関する。

固体撮像装置としては、単板式のカラーＣＣＤ固体撮像装置やカラーＣＭＯＳ固体撮像装置などが広く知られている。図９に単板式のカラーＣＣＤ固体撮像装置の従来構造の概略的な一例を示す。この単板式のカラーＣＣＤ固体撮像装置１は、例えばシリコン半導体基板２の撮像領域に画素となる複数の受光部３がマトリックス状に配列され、各受光部列に対応して垂直転送レジスタ４が形成され、さらに撮像領域上にパッシベーション膜、平坦化膜５を介してカラーフィルタ６及びオンチップマイクロレンズ（以下、マイクロレンズという）７を形成して構成される。垂直転送レジスタ４は、基板２の表面に形成した転送チャネル上にゲート絶縁層を介して例えば多結晶シリコンからなる転送電極８を形成して構成される。転送電極８上を含む基板２表面には、層間絶縁層９が形成され、この層間絶縁層９上に受光部３を除いて多結晶アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）などによる遮光膜１１が形成される。すなわち、遮光膜１１の受光部３に対応する部分には開口１１Ａが形成される。符号１３は絞り、符号１４は入射光を示す。

カラーフィルタ６は、オンチップで形成され、原色系と補色系が知られている。原色系はカラーフィルタの透過率が高く感度に有利である。原色系フィルタと補色系フィルタは、それぞれ目的に応じて使い分けられる。図９Ａ，Ｂは、原色系フィルタ６の例を示しており、赤（Ｒ）フィルタ成分６Ｒ、緑（Ｇ）フィルタ線分６Ｇ、青（Ｂ）フィルタ成分６Ｂがベイヤ配列のカラーフィルタ６として形成される。

このような固体撮像装置においては、有効撮像領域の周辺画素での斜め光による出力低下で生じるシェーディングの改善が図られている。特許文献１には、マイクロレンズの位置を補正してシェーディングを改善した技術が開示されている。
特許第２６００２５０号公報

近年、モバイル用途のＣＣＤ固体撮像装置の商品開発が注目されている。このようなＣＣＤ固体撮像装置では、射出瞳距離が短い商品が要求され、そのため光学レンズとして非球面レンズを用いている。しかし、非球面レンズは像高（有効撮像領域の中心から周辺に向かう距離に相当する）に対する入射角の変化がリニアではないため、従来の球面レンズに対応したマイクロレンズ位置の補正では、マイクロレンズ７による集光位置と受光部３との位置が食い違ってしまい、受光部周囲に形成されている遮光膜１１によって入射光が遮光される所謂「けられ」が生じ、シェーディングの悪化や感度の低下を招く。そこで、短出射瞳距離と非球面レンズに対応したマイクロレンズの位置補正が検討されるが、シェーディングの問題解決には未だ改善の余地がある。

非球面レンズの入射角データは、像高の増加に対して入射角度がリニアに増加しない。そのため、従来のリニアなマイクロレンズの射出瞳補正ではシェーディング、感度などが悪い。しかし、非球面レンズに対応させた技術は発展途上であり改善の余地がある。また、像高に対する最適な補正をレンズの特性に合わせてノンリニアに補正する方法も試作されているが、像高に対する補正だけではシェーディング特性として不十分である。すなわち、通常、ディスプレイ画面の横長形状に対応して有効撮像領域が横長形状で構成される固体撮像装置の光学系に対しては、画面の四隅にあたる部分の感度が落ち込み、シェーディング特性が不十分となる。

この点について更に説明する。従来ＣＣＤ固体撮像装置においては、有効撮像領域が上述したような横長形状（例えばテレビジョンでは縦横比４：３（＝横：縦）、ハイビジョンでは縦横比１６：６など）に保つ必要があり、且つ単位画素として正方形とすることが望ましいとされている。さらに、有効画素領域１２における画素（受光部）の開口形状、即ち遮光膜１１の開口１１Ａの形状）は、図７に示すように、一般的に垂直方向に長い縦長の長方形になりやすい。一方、横長形状の有効撮像領域１２において、マイクロレンズの射出瞳補正量は、有効撮像領域１２の中心から周辺に向って補正量が大きくなるように、図８に示すように、等高線１４で表して同心円状に変化させている。

今、垂直方向の最端部の画素（受光部）３Ｖの出力と、水平方向の最端部の画素（受光部）３Ｈの出力を比較する。垂直及び水平方向における最端部のマイクロレンズ３の出射瞳補正量αＶ，αＨは最適化されている（αＶ＜αＨ：図５、図６参照）。しかし、入射光量を比較すると、垂直方向の最端部では、図５に示すように、入射光１４の絞り１３の開口点Ｐからの光路長Ｌｖが短く光強度の減衰が少なく、かつ開口１１Ａの断面幅が垂直方向の長さＹに対応するので大きくなり、結果として光束が多くなり入射光量が多くなる。これに対して、水平方向の最端部では、図６に示すように、入射光１４の絞り１３の開口点Ｐからの光路長Ｌｈが短く光強度の減衰が多く、かつ開口１１Ａの断面幅が水平方向の幅Ｘに対応するので小さくなり、結果として光束が減り入射光量が少なくなる。その他、入射光量は、受光部３への入射角が異なることから、受光部３に到達した時点での光スポット形状の違いや、受光部３内への光の到達位置の違いにより光電変換された電荷のうち利用できる有効電荷量の違い等が影響される。このため、有効撮像領域１２の中心を通る垂直方向の画素の出力は図４の曲線ａとなり、中心を通る水平方向の画素の出力は図４の曲線ｂとなり、両端での出力差が生じる。この出力差によりシェーディング特性が悪くなる。対角方向の四隅の出力は、水平方向の端部の出力よりさらに少なくなり、さらに暗さが目立つ。

本発明は、上述の点に鑑み、シェーディング特性の改善を図った固体撮像装置を提供するものである。

本発明に係る固体撮像装置は、画素を構成する受光部が複数配列された撮像領域上に、各受光部に対応してオンチップマイクロレンズが形成された固体撮像装置であって、有効撮像領域の最外周の画素間の出力差が小さくなるように、オンチップマイクロレンズの射出瞳補正量が、等高線で表して同心非円状に変化していることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像装置は、画素を構成する受光部が複数配列された撮像領域上に、カラーフィルタを介して各受光部に対応してオンチップマイクロレンズが形成された固体撮像装置であって、有効撮像領域の最外周の画素間の出力差が小さくなるように、オンチップマイクロレンズの射出瞳補正量が、各色毎に等高線で表して同心非円状に変化していることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置においては、上述の同心非円状を同心楕円形状とすることができる。
本発明の固体撮像装置においては、受光部の開口が有効撮像領域の垂直方向に長い縦長形状に形成されている場合に有効である。

本発明の固体撮像装置では、オンチップマイクロレンズの射出瞳補正量を等高線で表して同心非円状、例えば同心楕円状に変化させることにより、有効撮像領域の最外周の画素間での入射光量の差が縮まり、出力差を小さくすることができる。特に、受光部の開口形状が縦長としたときには、有効撮像領域の垂直方向の最端画素への入射光量が抑制されて水平方向の最短画素への入射光量に近づき、全体として最外周の画素間の出力差が近接する。

本発明に係る固体撮像装置によれば、固体撮像装置におけるシェーディング特性を改善することができる。特に、非球面レンズを用いた短射出瞳距離対応の固体撮像装置の重要な特性であるシェーディングの改善を図り、短射出瞳距離の固体撮像装置の実現が可能になる。従って、固体撮像装置全体の薄型化が促進され、カメラ付きモバイル機器の更なる薄型化を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る固体撮像装置を単板式のカラーＣＣＤ固体撮像装置に適用した一実施の形態を示す。同図は撮像領域に対応する要部の概略断面構造である。
本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像装置３１は、例えばシリコン半導体基板３２の撮像領域に画素を構成する複数の受光部３３をマトリックス状に配列し、各受光部列に対応してＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３４を形成し、さらに撮像領域上にパッシベーション膜、平坦化膜３５を介してカラーフィルタ３６及びマイクロレンズ３７を形成して構成される。垂直転送レジスタ３４は、基板３２の表面に形成した転送チャネル領域上にゲート絶縁層を介して例えば多結晶シリコンからなる転送電極３８を形成して構成される。転送電極３８上を含む基板３２の表面には、層間絶縁膜３９が形成され、この層間絶縁膜３９上に受光部３３を除いて例えばアルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）などによる遮光膜４１が形成される。すなわち、遮光膜４１の受光部３３に対応する部分に開口４１Ａが形成される。符号４５は絞り、符号４６は入射光を示す。

カラーフィルタ３６としては、本例では前述の図９Ｂで示すと同様の、赤色フィルタ成分３６Ｒ、緑色フィルタ線分３６Ｇ及び青色フィルタ成分３６Ｂからなるベイヤ配列の原色系カラーフィルタで形成される。マイクロレンズ３７は、それぞれ対応する受光部３３に集光される位置に配列形成される。この場合、受光部３３上には遮光膜４１の開口４１Ａがあり、基本的にこの開口４１Ａを通過した光のみが受光部３３に到達するようになされる。図１では、後述にて明らかとなるように、撮像領域における各画素のマイクロレンズ３７に対して、適正な射出瞳補正がなされていることを表している。

撮像領域は、有効撮像領域（画角に相当する）４２が所要の大きさで形成される（図２参照）。本例では有効撮像領域４２が横長形状で形成される。また、単位画素としては正方形に形成されると共に、その受光部３３の開口４１Ａが前述の図７に示すと同様に縦長の長方形に形成される。

そして、本実施の形態においては、有効撮像領域４２の最外周の画素間の出力差が可及的に小さくなるように、マイクロレンズの射出瞳補正量α（図１参照）を等高線で表して同心非円状に変化させて構成する。

本実施の形態は、例えば、図２に示すように、有効撮像領域４２の中心から周辺に向かう距離（像高に対応する）に対するマイクロレンズの射出瞳補正量αを、等高線４４で表して同心楕円状に変化させて構成することができる。この同心楕円状の射出瞳補正量は、各画素の開口中心での補正量としている。図２では、垂直及び水平方向の最端部の画素（受光部）３３Ｖ，３３Ｈでの射出瞳補正量が等しくなるように、例えば有効撮像領域に内接するような同心楕円状で射出瞳補正量を変化させているが、受光部、開口形状、その他の要因に応じて楕円形状は選択され、同心楕円形状は、図２の例に限らない。

勿論、この射出瞳補正量αは、有効撮像領域４２の中心から周辺に向って漸次大きくなるように変化している。マイクロレンズ３７の射出瞳補正としては、光学レンズとして球面レンズを用い、有効撮像領域４２の中心から周辺に向ってリニアに補正する場合、あるいは光学レンズとして非球面レンズの短射出瞳レンズを用い、有効撮像領域４２の中心から周辺に向ってノンリニアに補正する場合のいずれにも適用することができる。

なお、図２の例では、マイクロレンズ３７の射出瞳補正量αを同心楕円状としたが、射出瞳補正量を等高線で表した場合、固体撮像装置の受光部、開口形状、その他の要因に応じて同心楕円状以外の非円形状に形成することもできる。

本実施の形態によれば、例えば、マイクロレンズ３７の射出瞳補正量αを等高線で表して、図２に示す同心楕円状４４に変化させたとき、前述の図８の同心円状１４に変化させたときに比べて垂直方向の画素への入射光量が抑制され、垂直方向の最端部の画素３３Ｖの出力が低減されて、水平方向の最端部の画素３３Ｈの出力に近づけることができる。同様にして四隅部の画素の出力も水平方向の最端部の画素の出力に近づけることができる。図３の出力特性の曲線ａ，ｂは、この垂直方向の最端部の画素の出力が水平方向の最端部の画素の出力に近づくことを示している。この結果、有効撮像領域全体のシェーディング特性を改善することができる。

この効果は、特に開口４１Ａの形状が縦長の長方形である場合に有効である。すなわち、射出瞳補正量に対する許容量を見たとき、水平方向での許容量は小さく、垂直方向での許容量は大きい。このため、中心からの距離が短い垂直方向の最端部で補正量を中心からの距離が長い水平方向の最端部での補正量に合わせても、入射光量が極端に影響することがなく、水平方向の最端部の入射光量に近づけることができ、出力差を小さくすることが可能になる。

次に、本発明に係る固体撮像装置をＣＣＤ固体撮像装置に適用した場合の他の実施の形態を説明する。本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像装置は、光の波長毎に異なる屈折率を考慮して、各色毎にマイクロレンズの射出瞳補正量を、上述と同様に等高線で表して同心非円状、例えば図２に示す同心楕円状に変化させて構成する。すなわち、原色フィルタ３６を有したＣＣＤ固体撮像装置の場合、赤の信号を受光するため赤色フィルタ成分３６Ｒを配置している画素には、赤の波長の光が最もけられが少なく受光部に入射するようにマイクロレンズ３７の位置を補正する。同様にして、緑の信号、青の信号を受光する画素のマイクロレンズ３７の位置をそれぞれ補正する。

このように、各色毎に画素のマイクロレンズ３７の射出瞳補正を行うことにより、非球面レンズを用いた短射出瞳距離に対応したＣＣＤ固体撮像装置で問題となる混色及び色シェーディング特性を改善することができる。

上記説明は原色ベイヤ配列のカラーフィルタを有する場合であったが、カラーフィルタの配置に関しては、その他市松配列、ストライプ配列などいかなる配列のカラーフィルタにおいても実施可能である。また、カラーフィルタは原色系に限らず、補色系でも同様の効果が得られる。

さらに、本発明は、図示せざるもマイクロレンズの射出瞳補正量の変化分を、上述のマイクロレンズのずらし量を変化させるのに代えて、マイクロレンズの曲率又は／及び屈折率を変化させて構成することも可能である。この場合のマイクロレンズ曲率、屈折率の変化は、上述したと同様に等高線で表して同心非円状に変化させるようになす。また、マイクロレンズの射出瞳補正量の変化分を、マイクロレンズのずらし量を変化させると供にマイクロレンズの曲率又は／及び屈折率を変化させて構成することも可能である。

上述した本発明の実施の形態によれば、非球面レンズを用いた短射出瞳距離対応の固体撮像装置の重要な特性であるシェーディング特性の改善を図ることができ、短射出瞳距離対応の固体撮像装置の実現を可能にする。従って、固体撮像装置全体の薄型化が促進され、カメラ付きモバイル機器の更なる薄型化を図ることができる。

上例では、受光部の開口形状が縦長の長方形のＣＣＤ固体撮像装置に適用したが、例えば正方形、その他の縦長形状以外の開口形状を有する固体撮像装置にも適用することができる。この場合、少なくとも有効撮像領域の最外周の各画素部では、光路長の違いにより入射光量に差が生じるので、出射瞳補正量を上述した同心非円状に変化させることにより、よりシェーディング特性の改善を図ることができる。

上例では、本発明をＣＣＤ固体撮像装置に適用した場合について説明したが、その他、ＣＭＯＳ固体撮像装置にも適用することができる。

本発明に係る固体撮像装置の一実施の形態を示す撮像領域の要部を示す断面図である。本発明に係るマイクロレンズの射出瞳補正量を等高線で表して、同心非円状の一例である同心楕円状に変化させた場合の模式的な平面図である。本発明に係る固体撮像装置における有効撮像領域の垂直及び水平方向の画素の出力特性を示す模式的なグラフである。比較のための射出瞳補正量を同心円状に変化させたときの有効撮像領域の垂直及び水平方向の画素の出力特性を示す模式的なグラフである。本発明の説明に供する説明図である。本発明の説明に供する説明図である。固体撮像装置の行こう撮像領域における画素の開口形状の例を示す平面図である。従来の射出瞳補正量を同心円状に変化させた模式的な平面図である。Ａ，Ｂ従来の固体撮像装置の例を示す撮像領域の要部を示す断面図、及びその平面図である。

符号の説明

３１・・ＣＣＤ固体撮像装置、３２・・半導体基板、３３・・受光部、３４・・垂直転送レジスタ、３５・・平坦化膜、３６・・カラーフィルタ、３７・・オンチップマクロレンズ、３８・・転送電極、３９・・層間絶縁膜、４１・・遮光膜、４２・・有効撮像領域、４４・・射出瞳補正量を表す同心楕円状の等高線、４５・・絞り、４６・・入射光、ａ，ｂ・・垂直及び水平方向の画素の出力特性

Claims

画素を構成する受光部が複数配列された撮像領域上に、各受光部に対応してオンチップマイクロレンズが形成された固体撮像装置であって、
有効撮像領域の最外周の画素間の出力差が小さくなるように、前記オンチップマイクロレンズの射出瞳補正量が、等高線で表して同心非円状に変化している
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記同心非円状が同心楕円形状である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記受光部の開口が、前記有効撮像領域の垂直方向に長い縦長形状に形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
画素を構成する受光部が複数配列された撮像領域上に、カラーフィルタを介して各受光部に対応してオンチップマイクロレンズが形成された固体撮像装置であって、
有効撮像領域の最外周の画素間の出力差が小さくなるように、前記オンチップマイクロレンズの射出瞳補正量が、各色毎に等高線で表して同心非円状に変化している
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記同心非円状が同心楕円形状である
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
前記受光部の開口が、前記有効撮像領域の垂直方向に長い縦長形状に形成されている
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。