JP2007208817A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面積を削減可能な半導体記憶装置及びそのデータ読み出し方法を提供すること。
【解決手段】固体撮像装置は、半導体基板１上に設けられ、入射光を光電変換する光検出部２を含む複数の画素と、前記光検出部２上に前記入射光Ｌ１を集光する複数のレンズ５とを具備し、前記レンズ５は前記入射光Ｌ１の入射面において一定の曲率を有し、且つ前記レンズ５の前記入射面における頂点Ｐ１は、前記レンズ５の底面の中央Ｃ１と、前記底面に対して水平な方向において異なる位置にある。
【選択図】図１

Description

この発明は、固体撮像装置に関する。特に、固体撮像装置において画素に入射される光を集光するマイクロレンズに関する。

電子カメラの小型化には、イメージエリアの縮小を行って光学系の小型化を行うことが有効である。このため、ＣＭＯＳセンサの画素サイズのシュリンクが要求されている。従来、画素サイズのシュリンクを行うため、複数のフォトダイオードで画素内のトランジスタを共有し、フォトダイオードあたりのトランジスタ数を削減する試みが行われている（例えば特許文献１参照）。

上記従来のＣＭＯＳセンサは、入射光を集光するマイクロレンズと、マイクロレンズによって集光された入射光を電荷に変換するフォトダイオードとを有している。通常、マイクロレンズの断面形状は左右対称である（例えば特許文献２参照）。従って、焦点の位置は、マイクロレンズの頂点直下、すなわちマイクロレンズの底面のほぼ中心直下に位置することになる。

しかし上記構成であると、マイクロレンズは等間隔で配置されているので焦点の位置も等間隔となる。その結果、フォトダイオードに隣接するＭＯＳトランジスタのゲートによって入射光が遮られ、ＣＭＯＳエリアセンサの光感度が低下するという問題があった。
特開平１０−１５０１８２号公報 特公昭６０−５９７５２号公報

この発明は、光感度の低下を抑制出来る固体撮像装置を提供する。

この発明の第１の態様に係る固体撮像装置は、半導体基板上に設けられ、入射光を光電変換する光検出部を含む複数の画素と、前記光検出部上に前記入射光を集光する複数のレンズとを具備し、前記レンズは前記入射光の入射面において一定の曲率を有し、且つ前記レンズの前記入射面における頂点は、前記レンズの底面の中央と、前記底面に対して水平な方向において異なる位置にある。

またこの発明の第２の態様に係る固体撮像装置は、半導体基板上に設けられ、入射光を光電変換する光検出部を含む画素と、複数の前記画素が二次元に配置された受光面と、前記受光面上に設けられ、前記光検出部上に前記入射光を集光する複数のレンズとを具備し、各々の前記レンズは、前記入射光が入射する入射面において一定の曲率を有し、且つ前記受光面の中央部に位置する前記レンズの曲率は、前記受光面の周辺部に位置する前記レンズの曲率よりも大きい。

本発明によれば、光感度の低下を抑制出来る固体撮像装置を提供出来る。

以下、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について図１及び図２を用いて説明する。図１及び図２はそれぞれ本実施形態に係る固体撮像装置の断面図及び平面図であり、固体撮像装置のイメージエリアの特に中心部について示している。また図１は図２におけるＸ１−Ｘ１’線に沿った断面図に相当する。

図示するように半導体基板１の表面内には複数のフォトダイオード２が設けられている。フォトダイオード２は、半導体基板１の表面内に、例えばイオン注入等の方法によって半導体基板１と反対導電型の不純物を導入することによって形成される。隣接するフォトダイオード２間の半導体基板１上には、ゲート電極３がゲート絶縁膜を介在して設けられている。そして上記フォトダイオード２及びゲート電極３を被覆するようにして、半導体基板１上には絶縁膜４が設けられている。絶縁膜４上には、各フォトダイオード２に対応するようにしてマイクロレンズ５が設けられている。上記構成において、各々が１つのフォトダイオードを含んで複数の画素が構成されている。

本実施形態に係るマイクロレンズ５の頂点Ｐ１は、マイクロレンズ５の一端から距離ｄ１の位置にあり、且つマイクロレンズ５の他端から距離ｄ２（≠ｄ１）の位置にある。従って、頂点Ｐ１の位置は、マイクロレンズ５の底面に対する水平方向において、底面の中央Ｃ１と異なる位置にある。換言すれば、マイクロレンズ５の頂点Ｐ１、すなわち焦点Ｆ１は、マイクロレンズ５の底面の中央Ｃ１を含む底面に対する垂線上からｄ３だけずれた位置に存在する（図２参照）。更に言い換えれば、図１に示すようにマイクロレンズ５は、左右非対称の断面形状を有している。なお頂点Ｐ１とは、マイクロレンズ５において膜厚が最も大きい位置であると定義する。またマイクロレンズ５は、入射光Ｌ１が入射する入射面において、均一の曲率を有しており、その曲率は焦点Ｆ１がフォトダイオード２表面に位置するように設定されている。

またマイクロレンズ５の頂点Ｐ１は、フォトダイオード２とゲート電極３とが並ぶ方向において、マイクロレンズ５の中心Ｃ１を挟んでゲート電極３に対向するように位置する。すなわち、マイクロレンズ５の頂点Ｐ１は、フォトダイオード２とゲート電極３とが並ぶ方向において、ゲート電極３に近い方の端部（一端）と遠い方の端部（他端）のうち、遠い方の端部側に設けられる。つまり図２において、フォトダイオード２及びゲート電極３が並ぶ方向に沿って、Ｐ１、Ｃ１、ゲート電極３の順に並ぶように頂点Ｐ１が設けられる。

上記構成において。入射光Ｌ１がマイクロレンズ５に到達すると、入射光Ｌ１はスネルの法則に従って屈折する。屈折した入射光Ｌ１は、各マイクロレンズ５に対応したフォトダイオード２上に像を結ぶ。フォトダイオード２は入射された光Ｌ１を光電変換によって電荷に変換する。

上記構成によれば、下記（１）の効果が得られる。
（１）固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る（その１）。
本実施形態に係る構成であると、フォトダイオード上に入射光を集光するマイクロレンズ底面に水平な方向において、該マイクロレンズの頂点が底面の中心とずれた位置にある。従って、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。本効果について以下詳細に説明する。

図３は従来の固体撮像装置の断面図である。図示するように半導体基板１０１の表面内にフォトダイオード１０２が設けられ、隣接するフォトダイオード１０２間の半導体基板１０１上にはゲート電極１０３が設けられている。そしてフォトダイオード１０２及びゲート電極１０３を被覆するようにして半導体基板１０１上に絶縁膜１０４が設けられ、絶縁膜１０４上にマイクロレンズ１０５が設けられている。従来構成におけるマイクロレンズ１０５は、その断面形状が頂点Ｐ１０１に対して左右対称である。つまりマイクロレンズ１０５の頂点Ｐ１０１は、フォトダイオード１０２とゲート電極１０３とが並ぶ方向におけるマイクロレンズ１０５の両端から等しい距離に位置する。従って、マイクロレンズ１０５の頂点Ｐ１０１、底面の中心Ｃ１０１、及び焦点Ｆ１０１の全ては、フォトダイオード１０２表面からの垂線上に位置する。

すると、マイクロレンズ１０５は等間隔で配置されているため、焦点Ｆ１０１の位置も等間隔となる。他方、フォトダイオード１０２の配置は等間隔でなく、ゲート電極１０３を挟む領域では間隔が広く、ゲート電極を挟まない領域では間隔が狭い。その結果、マイクロレンズ１０５で集光された入射光Ｌ１０１は、その一部がゲート電極１０３に遮られる（図３における領域Ａ１０１）。そのため、固体撮像装置の光感度が低下するという問題があった。

これに対して本実施形態に係る構成であると、マイクロレンズ５の頂点Ｐ１は、マイクロレンズ５の底面に対して水平方向において（すなわち、フォトダイオード２表面に対して水平方向において）、マイクロレンズ５底面の中心Ｃ１とずれた位置にある。従って、マイクロレンズ５は等間隔で配置されているが、各マイクロレンズ５の焦点位置は等間隔ではない。より具体的には、図２で説明したようにマイクロレンズ５の頂点Ｐ１は、フォトダイオード２とゲート電極３とが並ぶ方向において、ゲート電極３に近い方の端部（一端）と遠い方の端部（他端）のうち、遠い方の端部側に設けられる。従って、マイクロレンズ５の焦点位置は、従来に比べてゲート電極３から遠い位置となる。そのため、マイクロレンズ５で集光された入射光Ｌ１はゲート電極３の角部（図１における領域Ａ１）を避けるようにしてフォトダイオード２へ入射する。また、例え遮られたとしても従来に比べてその量は少なくて済む。その結果、より多くの光がフォトダイオード２へ入射することとなり、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。

次にこの発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について図４を用いて説明する。図４は本実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。本実施形態は、上記第１の実施形態において絶縁膜４内に金属配線層が設けられている場合に関するものである。

図示するように本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態で説明した図１の構成において、絶縁膜４内に設けられた複数の金属配線層６を更に備えている。なお金属配線層６は、図面を記載した紙面の垂線方向に延びるように形成されているものとする。また図４ではゲート電極３の図示を省略している。本実施形態に係るマイクロレンズ５の頂点Ｐ２は、マイクロレンズ５の一端から距離ｄ４の位置にあり、且つマイクロレンズ５の他端から距離ｄ５（＞ｄ４）の位置にある。図５及び図６は図４における１つの画素の拡大図であり、それぞれ断面及び平面構造を示しており、図５は図６におけるＸ２−Ｘ２’線に沿った断面に相当する。

図５及び図６に示すように、マイクロレンズ５の底面に対する水平方向において、マイクロレンズ５の頂点Ｐ２、すなわち焦点Ｆ２は、マイクロレンズ５の底面の中央Ｃ２を含むマイクロレンズ５底面に対する垂線Ｖ１から距離ｄ６だけずれた位置に存在する。すなわち、第１の実施形態と同様にマイクロレンズ５は左右非対称の断面形状を有している。勿論、マイクロレンズ５は入射光Ｌ２が入射する入射面において均一の曲率を有している。

また、垂線Ｖ１を挟んで位置する２つの金属配線層６の垂線Ｖ１との距離をｄ７、ｄ８（ｄ７＜ｄ８）とすると、垂線Ｖ１に近い一方の金属配線層６を配線Ｗ１、遠い金属配線層６を配線Ｗ２と呼ぶことにする。すると、マイクロレンズ５の頂点Ｐ２は、垂線Ｖ１を挟んで配線Ｗ１と対向するように位置している。換言すれば、マイクロレンズ５の頂点Ｐ２と焦点Ｆ２とを結ぶ直線Ｖ２は、配線Ｗ２と垂線Ｖ１との間に位置している。

上記構成によれば、下記（２）の効果が得られる。
（２）固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る（その２）。
本実施形態に係る構成であると、マイクロレンズ５の頂点Ｐ２は、第１の実施形態と同様にマイクロレンズ５の底面に対して水平方向において、マイクロレンズ５底面の中心Ｃ２とずれた位置にある。従って、マイクロレンズ５は等間隔で配置されているが、各マイクロレンズ５の焦点位置は等間隔ではない。より具体的には、図５及び図６で説明したように、マイクロレンズ５の底面に対する水平方向においてマイクロレンズ５の頂点Ｐ２は、画素の中心を通る垂線Ｖ１を挟んで位置する２つの金属配線層６のうち、垂線Ｖ１に遠い方の配線Ｗ２に近接するように設けられている。従って、マイクロレンズ５の焦点位置は、従来に比べて配線Ｗ１から遠い位置となる。そのため、マイクロレンズ５で集光された入射光Ｌ２は金属配線層６、特に配線Ｗ１の角部を避けるようにしてフォトダイオード２へ入射する。また、例え遮られたとしても従来に比べてその量は少なくて済む。その結果、より多くの光がフォトダイオード２へ入射することとなり、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。

つまり、上記第１の実施形態と同様の作用により、入射光Ｌ２が金属配線層６に遮られることを防止する。しかし、金属配線層６は第１の実施形態で説明したゲート電極よりも上のレベルにある、すなわちマイクロレンズ５により近い位置にあることが通常である。従って、金属配線層６はゲート電極よりも入射光Ｌ２を遮りやすい。従って、本実施形態に係るマイクロレンズ５を用いることは、第１の実施形態の場合よりもより効果がある。

次にこの発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態は、上記第１、第２の実施形態で説明したマイクロレンズ５を、２つのフォトダイオードで増幅トランジスタを共用する固体撮像装置に適用したものである。図７は固体撮像装置のブロック図である。

図示するように固体撮像装置１０は、クランプ回路１１、サンプルホールド回路１２、垂直方向選択回路１３、水平方向選択回路１４、及び受光部２０を備えている。
受光部２０は、入射光の光電変換を行うユニットセル２１を複数備えている。図７においては、ユニットセル２１は（２×３）個しか示されていないが、その数は特に限定されるものではない。複数のユニットセル２１はマトリクス状に配置され、垂直信号線２２に列毎に共通接続されている。また同一行のユニットセル２１は、同一のアドレス信号線ＡＤ、リセット信号線ＲＳ、及び読み出し信号線ＲＤ１、ＲＤ２に共通接続される。アドレス信号線ＡＤ、リセット信号線ＲＳ、及び読み出し信号線ＲＤ１、ＲＤ２は、垂直方向選択回路１３によって選択される。

クランプ回路１１は、各垂直信号線２２の一端に接続されており、垂直信号線２２に読み出された信号をクランプする。なお、垂直信号線２２の他端はロードトランジスタ２３を介して接地電位に接続されている。

サンプルホールド回路１２は、上記クランプ回路１１でクランプされた信号を標本化して保持する。そして、サンプルホールド回路１２で保持された信号は、読み出し用トランジスタ２４を介して出力ノードＯＵＴに出力される。読み出し用トランジスタ２４のゲートは、水平方向選択回路１４によって制御される。

次にユニットセル２１の構成について図８を用いて説明する。図８は図７における１つのユニットセル２１の回路図である。図示するようにユニットセル２１は、２つの画素２５、２５と１つの信号出力部２７とを備えている。画素２５の各々は、読み出しトランジスタ２８とフォトダイオード２９とを備えている。同一のユニットセル２１に含まれる２つの読み出しトランジスタ２８のゲートはそれぞれ読み出し信号線ＲＤ１、ＲＤ２に接続され、ドレインが対応する画素２５内におけるフォトダイオード２９のアノードに接続されている。フォトダイオード２９のカソードは接地されている。

信号出力部２６は、増幅トランジスタ３０、アドレストランジスタ３１、及びリセットトランジスタ３２を備えている。増幅トランジスタ３０は、ゲートが２つの画素２５におけるトランジスタ２８のソースに接続され、ソースが垂直信号線２２に接続され、ドレインがトランジスタ３１のソースに接続されている。アドレストランジスタ３１は、ゲートがアドレス信号線ＡＤに接続され、ドレインが電源電位ＶＤＤに接続されている。リセットトランジスタ３２は、ゲートがリセット信号線ＲＳに接続され、ソースが２つの画素２５におけるトランジスタ２８のソースに接続され、ドレインが電源電位ＶＤＤに接続されている。すなわち、２つの画素２５によって１つの信号出力部２６が共有されている。

図９は図８に示すユニットセル２１の平面図である。図示するように、２つのフォトダイオード２９が第１方向に沿って配置されている。２つのフォトダイオード２９間には信号出力部２６を第１方向に沿って挟むようにしてトランジスタ２８が設けられ、トランジスタ２８のゲート３３が第１方向に直交する第２方向に沿って形成されている。なお図９では信号出力部２６の詳細の図示を省略している。

図１０は図９におけるＸ３−Ｘ３’線に沿った方向の断面図である。断面構成は第１の実施形態とほぼ同様である。すなわち図示するように、半導体基板４０の表面内には複数のフォトダイオード２９が設けられている。隣接するフォトダイオード間の半導体基板４０上には、ゲート絶縁膜を介在して２つのトランジスタ２８のゲート電極３３が設けられている。また隣接するゲート電極３３間の半導体基板４０内には、２つのトランジスタ２８のソース領域４１が設けられている。なお図１０では信号出力部２６の図示を省略している。そして、上記フォトダイオード２９及びトランジスタ２８を被覆するようにして、半導体基板４０上に絶縁膜４２が設けられている。絶縁膜４２上には、各画素２５に対応するようにしてマイクロレンズ３４が設けられている。従って、１つのユニットセル２１あたり２つのマイクロレンズ３４が含まれる。

本実施形態に係る固体撮像装置の備えるマイクロレンズ３４は、その頂点Ｐ３（焦点Ｆ３）と、底面の中心Ｃ３との間に、第１の実施形態と同様の関係を有している。すなわち、マイクロレンズ３４の頂点Ｐ３、すなわち焦点Ｆ３は、マイクロレンズ３４の底面の中央Ｃ３を含む垂線からｄ９だけ、ゲート電極３３から遠ざかるようにずれた位置に存在する。更に言い換えれば、図１０に示すようにマイクロレンズ３４は、左右非対称の断面形状を有している。

次に上記構成の固体撮像装置の動作について簡単に説明する。まず受光部２０においていずれかのユニットセル２１が選択される。この選択動作は、垂直方向選択回路１３の出力するアドレス信号ＡＤによっていずれかのユニットセル２１におけるアドレストランジスタ３１がオン状態とされ、且ついずれかの垂直信号線２２に接続されるロードトランジスタ２３がオン状態とされることによって行われる。

また、垂直信号線２２を一定の基準電位とするリセット動作が行われる。リセット動作は、垂直方向選択回路１３によってリセット信号ＲＳがアサートされることにより、選択された単位画素内のリセットトランジスタ３２がオン状態とされることで行われる。リセットトランジスタ３２がオン状態になると、トランジスタ３２の電流経路を介して増幅トランジスタ３０のゲートにＶＤＤが与えられ、トランジスタ３０はオン状態となる。すると、アドレストランジスタ３１がオン状態であるから、電源電位ＶＤＤからトランジスタ３１、３０の電流経路を介して垂直信号線２２に達するパスによって、垂直信号線２２は一定の基準電位とされる。

そして、垂直方向選択回路１３は、読み出し信号線ＲＤ１、ＲＤ２のいずれかを選択する。すると、選択された読み出し信号線ＲＤ１、ＲＤ２のいずれかに接続された読み出しトランジスタ２８がオン状態となる。従って、トランジスタ２８がオン状態とされた画素２５においては、フォトダイオード２９において入射光に応じて発生した電荷がトランジスタ２８の電流経路を介して増幅トランジスタ３０のゲートに達する。その結果、フォトダイオード２９における光電変換の結果に応じて垂直信号線２２の電位が変動する。つまり、フォトダイオード２９で得られた電荷に応じて、画像信号が垂直信号線２２に与えられる。そして画像信号は、クランプ回路１１、サンプルホールド回路１２及び読み出し用トランジスタ２４を介して出力ノードＯＵＴに読み出される。

上記のように、本実施形態に係る固体撮像装置であると、第１の実施形態で説明した（１）の効果が得られる。この効果（１）は、本実施形態のように信号出力部２６を複数の画素で共用する場合に特に顕著に得られる。図９及び図１０に示すように、信号出力部２６を２つの画素２５で共用する場合、２つの画素２５の間にトランジスタ２８及び信号出力部２６が配置される。従って画素２５毎の形状は、図１０に示す方向において左右非対称となり、画素２５の一端側にゲート電極３３が位置するパターンとなる。従って、画素２５の中心（すなわちマイクロレンズ５の中心）の位置はフォトダイオード２９の中心の位置と異なり、入射光はゲート電極３３に遮られやすい。

しかし本実施形態であると、フォトダイオード２９上に入射光を集光するマイクロレンズ３４底面に対する水平方向において、該マイクロレンズ３４の頂点Ｐ３が底面の中心Ｃ３とずれた位置にある。従って、入射光がゲート電極に遮られることを防止し、第１の実施形態で説明したように固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。

次にこの発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態は上記第３の実施形態において、１つのユニットセル２１が４つの画素２５を含み、また受光部２０が読み出し信号線ＲＤ１、ＲＤ２の他にＲＤ３、ＲＤ４を含むものである。読み出し信号線ＲＤ１〜ＲＤ４は垂直方向選択回路によって選択される。図１１は本実施形態に係る固体撮像装置が備えるユニットセル２１の回路図である。

図示するようにユニットセル２１は、４つの画素２５−１〜２５−４と１つの信号出力部２６とを備えている。画素２５−１〜２５−４及び信号出力部２６の構成は第３の実施形態で説明したとおりである。信号出力部２６は、４つの画素２５−１〜２５−４によって共用されている。従って、４つの画素２５−１〜２５−４の各々に含まれる読み出しトランジスタ２８のソースは、信号出力部２６における増幅トランジスタ３０のゲート及びリセットトランジスタ３２のソースに共通接続される。また４つの画素２５−１〜２５−４の各々に含まれる読み出しトランジスタ２８のゲートは、それぞれ読み出し信号線ＲＤ１〜ＲＤ４に接続される。読み出し信号線ＲＤ１〜ＲＤ４は、アドレス信号線ＡＤ及びリセット信号線ＲＳと同様に垂直方向選択回路１３によって選択される。以上の構成において、画素２５−１〜２５−４は図示せぬカラーフィルタを備え、それぞれ緑（Ｇｒ）、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇｂ）の入射光を検出する。

図１２は、本実施形態に係る４つのユニットセル２１の平面図であり、図１３は図１２におけるＸ４−Ｘ４’線に沿った断面図である。図示するように、１つのユニットセル２１内には４つの画素２５−１〜２５−４が（２×２）のマトリクス状に配置されており、受光部２０において奇数列に画素２５−１、２５−３が並び、偶数列に画素２５−２、２５−４が並んでいる。また同一ユニットセル２１内において第１方向で隣接する画素２５−１と２５−２、及び画素２５−３と２５−４は、互いの読み出しトランジスタ２８同士が近接するように配置されている。そして、各画素２５−１〜２５−４毎に、上記第３の実施形態で説明したマイクロレンズ３４が設けられている。第３の実施形態で説明したとおり、マイクロレンズ３４はその頂点Ｐ３と焦点Ｆ３とを結ぶ直線が、マイクロレンズ３４底面の中心Ｃ３から間隔ｄ９だけずれた異なる位置にある。

上記構成の固体撮像装置であると、受光部２０において奇数列にある画素２５−１、２５−３のフォトダイオード２９、及び偶数列にある画素２５−２、２５−４のフォトダイオード２９は、各画素２５−１〜２５−４内において、対応する信号出力部２６から離隔するように配置されている。そして各画素に対応するマイクロレンズ３４の頂点Ｐ３は、隣接する画素と中心Ｃ３を挟んで第１方向に沿って対向するように位置する。従って図１２の例であると、受光部２０において各画素２５−１、２５−３に対応するマイクロレンズ３４の頂点Ｐ３は、中心Ｃ３よりも右側に位置し、且つこれらは第２方向に沿って同一列に位置する。また、各画素２５−２、２５−４に対応するマイクロレンズ３４の頂点Ｐ３は、中心Ｃ３よりも左側に位置し、且つこれらは第２方向に沿って同一列に位置する。

以上のような固体撮像装置であっても、上記第１、第３の実施形態で説明した（１）の効果が得られる。

次にこの発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態は、上記第１、第２の実施形態で説明したマイクロレンズ５を、特願２００５−１１８７５２号に適用したものである。図１４は固体撮像装置の備える受光部の平面図である。

本実施形態に係る固体撮像装置は、第３の実施形態で説明した図７乃至図９の構成において、読み出しトランジスタ２８のゲート３３の位置を変えたものである。図１４は本実施形態に係る固体撮像装置の受光部２０の平面図である。図示するように、受光部２０においては複数個の画素２５がマトリクス状に配置されている。

図示するようにユニットセル２１は、上記第３の実施形態において説明した図９と同様の構成を有しており、第１方向で隣接する２つの画素２５を含んでいる。受光部２０において複数の画素２５は、奇数列にあるユニットセル２１が偶数列にあるユニットセル２１と画素１個分だけずれるように、市松状に配置されている。そしてあるユニットセル２１内の信号出力部２６は、当該ユニットセル２１内の２つの画素２５間から、第２方向で隣接する２つのユニットセル２１間にわたって配置されている。

つまり、図１４において奇数列にあり且つゲート３３がフォトダイオード２９の下方にある画素２５に第２方向で隣接する画素２５では、ゲート３３はフォトダイオード２９の上方にある。逆に奇数列にあり且つゲート３３がフォトダイオード２９の上方にある画素２５に第２方向で隣接する画素２５では、ゲート３３はフォトダイオード２９の下方にある。

以上のような構成においても、第３の実施形態で説明したマイクロレンズ３４を用いることが出来る。すると、第２方向で隣接する画素２５のゲート３３は、画素２５の中心を挟んで第１方向に互い違いに配置されているので、マイクロレンズ３４の頂点Ｐ３すなわち焦点Ｆ３の位置も、第２方向で隣接する画素２５間で、第１方向に互い違いとなる。本実施形態に係る構成であっても、上記第１、第３の実施形態で説明した（１）の効果が得られる。

次にこの発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態は、受光部内の位置に応じてマイクロレンズの曲率を変化させることによって、固体撮像装置の光感度を向上させるものである。

固体撮像装置の構成は、第１の実施形態で説明した図７のとおりである。図１５は受光部２０の断面構成と、マイクロレンズの曲率を示す図である。図示するように、フォトダイオード２９の上方には絶縁膜４２を介在してマイクロレンズ４３が画素毎に設けられている。各マイクロレンズ４３における光の入射面の曲率はマイクロレンズ４３毎に一定である。また各マイクロレンズ４３の曲率は、受光部２０の中央において最も高く、端部に行くに従って低くなっていく。なお図１５においては、図面の簡単化のためゲート電極３３の図示は省略した。

本構成であると、下記（３）の効果が得られる。
（３）固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る（その３）。
本実施形態に係る構成であると、入射光は受光面２０の端部においても効率よくフォトダイオード２９に入射するため、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。以下、本効果について、図１６を用いて受光面の中央と端部とでマイクロレンズ４３の曲率が一定である場合と比較しつつ説明する。図１６は受光部２０の断面図である。

図示するようにマイクロレンズ１０５は、受光部２０内の全領域において同一の曲率を有している。従って、マイクロレンズ４３の焦点距離（マイクロレンズ４３表面から焦点Ｆ１０１までの距離）は、受光部の中央及び端部で同一である。また入射光は受光部の中央ではマイクロレンズ１０５に対して垂直に入射するが、端部ではマイクロレンズ１０５に対して斜めに入射する。すると、例えばマイクロレンズ１０５の焦点距離が受光部の中央部においてフォトダイオード１０２の表面に像を結ぶように設計されている場合、受光部の中央部から離れるに従って焦点Ｆ１０１はフォトダイオード１０２表面から大きく離れる。その結果、入射光の一部はフォトダイオード１０２に入射せず、固体撮像装置の光感度低下の原因となる。

これに対して本実施形態であると、図１５に示すように受光部２０の中央部から離れるに従ってマイクロレンズ４３の曲率が小さくされている。換言すれば、受光部２０の中央部から離れるに従い、マイクロレンズ４３の焦点距離（マイクロレンズ４３から焦点Ｆ４までの距離）が長くなる。そのため、受光部２０の端部においてもマイクロレンズ４３の焦点Ｆ４はフォトダイオード２９表面に位置する。よって、入射光は効率的にフォトダイオード２９に入射するので、固体撮像装置の光感度を向上出来る。

次にこの発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態は、上記第１乃至第５の実施形態と上記第６の実施形態とを組み合わせたものである。図１７は固体撮像装置の受光部２０の一部領域の断面図である。図１７でも図面の簡単化のため、ゲート電極３３及び金属配線層６の一部の図示を省略している。

図示するように、本実施形態に係る固体撮像装置の備えるマイクロレンズ４４は、マイクロレンズ４４毎に一定の曲率を有し、且つ受光部２０の中央から端部に行くに従って曲率は小さくなっていく。また第１乃至第５の実施形態で説明したように、マイクロレンズ４４の頂点Ｐ５と底面の中心Ｃ５は水平方向において異なる位置にある。

本実施形態に係る構成であると、上記第１乃至第３の実施形態で説明した（１）、（２）の効果と、第６の実施形態で説明した（３）の効果を併せて得られる。

上記のように、この発明の第１乃至第５の実施形態に係る固体撮像装置によれば、フォトダイオードへの入射光を集光するマイクロレンズは、その入射面の曲率が一定とされ、且つ頂点は該マイクロレンズの水平方向において底面の中心とずれた位置にある。従って、マイクロレンズは画素の中心からずれた位置に焦点を有する。そのため、入射光がゲート電極等によって遮られることを防止出来、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。

また第６、第７の実施形態に係る固体撮像装置によれば、マイクロレンズの曲率を受光部の中央において大きく端部において小さくしている。その結果、マイクロレンズに対して光が斜めに入射する受光部端部においても光はフォトダイオードに効率良く入射する。よって、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。

なお上記第１乃至第７の実施形態において、曲率が「一定」なる文言は、例えば次のような誤差を許容するものである。図１８はマイクロレンズの断面図であり、入射光が集光される様子を示している。まずマイクロレンズ５０が光軸ＯＰ１に対して左右対称（曲率Ｒ）であったとすると（ＣＡＳＥ１）、マイクロレンズ５０の左側及び右側の焦点距離は共にｆである。従って、理想光学系を仮定すれば、マイクロレンズ５０からフォトダイオード５１に射出された光線は一点で交わる。この点が焦点Ｆ６である。

しかしマイクロレンズが光軸ＯＰ１に対して左右非対称であり、光軸ＯＰ１に対して左側の曲率がＲで焦点距離がｆ、右側の曲率がＲ’で焦点距離がｆ’であったとする（ＣＡＳＥ２）。すると、マイクロレンズ５２で集光された光線は一点で交わらない。そのため、マイクロレンズ５２の最も右側で集光された光と最も左側で集光された光とが交わる部分において、光線は幅ｘを持つことになる。この幅ｘは次式で表される。

ｘ＝ａ・｜ｆ−ｆ’｜／（ｆ＋ｆ’）
但しａはマイクロレンズ５２の半径である。光が電磁波であることを考えると、そもそも光は波長程度の広がりを持つ。従って、この幅ｘが波長λ程度であれば実用上問題はないと考えられる。特に可視光センサの場合には、人間の視感度が最も高い５５５ｎｍよりもｘが小さければ、マイクロレンズ５０の曲率が左右で異なる影響は小さい。すなわち、
ｘ＝ａ・｜ｆ−ｆ’｜／（ｆ＋ｆ’）＜λ（＝５５５ｎｍ）
を満たすことが望ましい。勿論、λは固体撮像装置によって適宜選択することが出来る。なおマイクロレンズ５２の曲率半径と焦点の関係式は次式で表される。

（１／ｆ）＝（ｎＬ−１）／Ｒ
但しｎＬはマイクロレンズ５２の屈折率である。よって、次式が導かれる。

ｘ＝ａ・｜Ｒ−Ｒ’｜／（Ｒ＋Ｒ’）＜λ（＝５５５ｎｍ）
以上のような範囲であれば、上記実施形態における「曲率一定」に相当する。

またマイクロレンズは図１９に示すようなシリンドリカルレンズ５であっても良い。更に、上記実施形態に係るマイクロレンズは図２０に示すフォトマスクを用いて作製することが出来る。図２０はフォトマスクの平面図と透過率を示している。図中において斜線部は光を遮る領域であり、白抜きで示した領域は光を透過する領域である。図示するようにフォトマスク６０の透過率は、その両端においてが高く、且つ中央から一定幅だけずれた部分で最低となるように設計されている。このフォトマスク６０を用いたマイクロレンズの作製方法について図２１及び図２２を用いて説明する。図２１及び図２２は本実施形態に係るマイクロレンズの作製工程を順次示す断面図である。

まず図２１に示すように、絶縁膜６１上にフォトレジスト６２を塗布する。そして、フォトマスク６０を用いたフォトリソグラフィ技術によりフォトレジスト６２を露光する。その結果フォトレジスト６２は、フォトマスク６０において透過率が高い領域に対応する部分では大きく除去され、透過率の低い領域に対応する部分では殆ど除去されない。すなわち図２２に示すように、フォトレジスト６２はその表面が、フォトマスク６０の中央、すなわちレジスト６２の中央から一定幅だけずれた領域に頂点を有する球面形状に加工される。この球面形状のレジスト６２を、上記実施形態で説明したマイクロレンズとして用いる。

なお上記第３乃至第７の実施形態は、第２の実施形態のように金属配線層とゲートとを有する場合、または金属配線層を有するがゲートを有しない場合にも適用出来る。金属配線層とゲートとを有する場合、通常金属配線層はゲートよりも上層に設けられるため、より入射光を妨げやすい。従ってマイクロレンズの曲率はゲートよりも金属配線層を考慮して設計されることが望ましい。

なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。

この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面図。 この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の平面図。 従来の固体撮像装置の断面図。 この発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の断面図。 図４における一部領域の拡大図。 この発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の平面図。 この発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置のブロック図。 この発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の備えるユニットセルの回路図。 この発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の備えるユニットセルの平面図。 図９におけるＸ３−Ｘ３’線に沿った断面図。 この発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の備えるユニットセルの回路図。 この発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の備える受光部の平面図。 図１２におけるＸ４−Ｘ４’線に沿った断面図。 この発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の備える受光部の平面図。 この発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の備える受光部の断面図。 従来の固体撮像装置の断面図。 この発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置の備える受光部の断面図。 この発明の第１乃至第７の実施形態に係る固体撮像装置及び従来の固体撮像装置の一部領域の断面図。 この発明の第１乃至第７の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の斜視図。 この発明の第１乃至第５、第７の実施形態に係る固体撮像装置の備えるマイクロレンズの作製に使用するフォトマスクの平面図。 この発明の第１乃至第５、第７の実施形態に係る固体撮像装置の備えるマイクロレンズの第１の製造方法の断面図。 この発明の第１乃至第５、第７の実施形態に係る固体撮像装置の備えるマイクロレンズの第２の製造方法の断面図。

符号の説明

１、４０、１０１…半導体基板、２、５１、１０２…フォトダイオード、３、３３、１０３…ゲート電極、４、４２、１０４…絶縁膜、５、３４、４３、４４、５０、５２、１０５…マイクロレンズ、６…金属配線層、１０…固体撮像装置、１１…クランプ回路、１２…サンプルホールド回路、１３…垂直方向選択回路、１４…水平方向選択回路、２０…受光部、２１…ユニットセル、２２…垂直信号線、２３、２４、２８、３０〜３２…ＭＯＳトランジスタ、２５、２５−１〜２５−４…画素、２６…信号出力部、２９…ダイオード、６０…フォトマスク、６１…樹脂層、６２…フォトレジスト

Claims (5)

1. 半導体基板上に設けられ、入射光を光電変換する光検出部を含む複数の画素と、
   前記光検出部上に前記入射光を集光する複数のレンズと
   を具備し、前記レンズは前記入射光の入射面において一定の曲率を有し、且つ前記レンズの前記入射面における頂点は、前記レンズの底面の中央と、前記底面に対して水平な方向において異なる位置にある
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記画素は、前記光検出部に隣接して設けられ且つ前記光検出部において前記入射光を光電変換して得られた電荷を読み出すスイッチ素子を更に含み、
   隣接する前記画素は、互いの前記スイッチ素子が隣接するようにして配置され、
   前記レンズは前記画素毎に設けられ、該レンズの頂点は、前記光検出部と前記スイッチ素子とが並ぶ方向において、該レンズの中心を挟んで前記スイッチ素子に対向するように位置する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記半導体基板と前記レンズとの間に設けられた複数の金属配線層を更に備え、
   前記レンズは前記画素毎に設けられ、該レンズの頂点は、前記光検出部の表面の中心を含む前記半導体基板表面に対する垂線を挟んで対向する２本の前記金属配線層のうち、前記半導体基板表面に対して水平な方向において、前記垂線に近い一方の前記金属配線層と前記垂線を挟んで対向するように位置する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 複数の前記画素が二次元に配置された受光面の中央部に位置する前記レンズの曲率は、前記受光面の周辺部に位置する前記レンズの曲率よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の固体撮像装置。
5. 半導体基板上に設けられ、入射光を光電変換する光検出部を含む画素と、
   複数の前記画素が二次元に配置された受光面と、
   前記受光面上に設けられ、前記光検出部上に前記入射光を集光する複数のレンズと
   を具備し、各々の前記レンズは、前記入射光が入射する入射面において一定の曲率を有し、且つ前記受光面の中央部に位置する前記レンズの曲率は、前記受光面の周辺部に位置する前記レンズの曲率よりも大きい
   ことを特徴とする固体撮像装置。

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