JP2007311563A - Solid-state imaging apparatus, and electronic information equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光を光電変換する受光部上方にマイクロレンズを備えたCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサなどの固体撮像装置および、この固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor provided with a microlens above a light-receiving unit that photoelectrically converts light, and the solid-state imaging device used as an image input device in an imaging unit, for example. The present invention relates to electronic information devices such as digital cameras such as digital video cameras and digital still cameras, image input cameras, scanners, facsimiles, and camera-equipped mobile phone devices.
一般に、CCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサなどの従来の固体撮像装置では、アレイ状に配置された画素セル内にフォトダイオードなどの受光部が設けられ、その受光部で光電変換された信号電荷が出力撮像信号として出力されている。 In general, in a conventional solid-state imaging device such as a CCD type image sensor or a CMOS type image sensor, a light receiving portion such as a photodiode is provided in a pixel cell arranged in an array, and signal charges photoelectrically converted by the light receiving portion. Is output as an output imaging signal.
例えば、CCD型イメージセンサの場合、上記画素セルは、上記受光部と、隣接する画素同士の分離を行うためのチャネルストップ部と、この受光部から信号電荷を読み出して垂直方向に電荷転送するための複数の垂直電荷転送部とによって構成されている。垂直電荷転送された信号電荷は、水平電荷転送部によって水平方向に電荷転送され、FD(フローティング・ディフュージョン)部においてMOSトランジスタにより電気信号に変換されて、固体撮像装置から外部に撮像信号として出力される。 For example, in the case of a CCD type image sensor, the pixel cell has the light receiving portion, a channel stop portion for separating adjacent pixels, and a signal charge read from the light receiving portion to transfer charges in the vertical direction. And a plurality of vertical charge transfer units. The signal charge transferred in the vertical charge is transferred in the horizontal direction by the horizontal charge transfer unit, converted into an electrical signal by the MOS transistor in the FD (floating diffusion) unit, and output as an imaging signal from the solid-state imaging device to the outside. The
CMOS型イメージセンサの場合、各画素で信号電荷を電気信号に光電変換するため、上記画素セルは、上記受光部と、隣接する画素同士の分離を行うためのチャネルストップ部と、この受光部から信号電荷を読み出すためのトランスファーゲート部と、読み出された信号電荷を電気信号に変換するためのFD(フローティング・ディフュージョン)部と、MOSトランジスタおよび金属配線とによって構成されている。 In the case of a CMOS type image sensor, since the signal charge is photoelectrically converted into an electrical signal in each pixel, the pixel cell includes the light receiving unit, a channel stop unit for separating adjacent pixels, and the light receiving unit. A transfer gate section for reading signal charges, an FD (floating diffusion) section for converting the read signal charges into electric signals, a MOS transistor, and a metal wiring are included.
さらに、受光部以外の部分に照射された光は光電変換されないため、各画素セルには、無効領域となる光をも効率よく受光部上に集光させるために、受光部の上方にマイクロレンズが設けられている。 Furthermore, since the light irradiated to the part other than the light receiving part is not photoelectrically converted, each pixel cell has a microlens above the light receiving part in order to efficiently collect the light that becomes an invalid area on the light receiving part. Is provided.
しかしながら、単位画素における受光部の位置が行方向または列方向に同一ピッチ(配置間隔)で配置されていない場合には、受光部の中央部とマイクロレンズの光軸とがずれて、受光感度が低下するという問題がある。 However, when the positions of the light receiving portions in the unit pixel are not arranged at the same pitch (arrangement interval) in the row direction or the column direction, the central portion of the light receiving portion and the optical axis of the microlens are shifted, and the light receiving sensitivity is increased. There is a problem of lowering.
この問題を解決するために、例えば特許文献1には、次のような従来の固体撮像装置が提案されている。 In order to solve this problem, for example, Patent Document 1 proposes the following conventional solid-state imaging device.
図11は、特許文献1において提案されている従来の固体撮像装置の概略要部構成例を示す上面図であり、図12は、図11に示す従来の固体撮像装置をA−A’線部分で切断した場合の縦断面図である。 FIG. 11 is a top view showing a schematic configuration example of a main part of a conventional solid-state imaging device proposed in Patent Document 1, and FIG. 12 shows a portion of the conventional solid-state imaging device shown in FIG. It is a longitudinal cross-sectional view at the time of cut | disconnecting by.
図11および図12において、従来の固体撮像装置20は、アレイ状に配置された複数の画素セル21のうち、周期性を有する4画素を構成する各フォトダイオード22a〜22dが一つのグループとしてまとめられており、この一つのグループに対して、4画素を構成する各フォトダイオード22a〜22dの中心部分に光軸Cが一致するように、オンチップマイクロレンズ23が形成されている。この場合、4つのフォトダイオード22a〜22dに対して1つのマイクロレンズ23が対応しており、マイクロレンズ23の光軸Cが、平面視で、4画素の各フォトダイオード22a〜22dを分離する2本のチャネルストップ部24のクロス部分に位置している。
11 and 12, in the conventional solid-
図13は、特許文献2において提案されている従来の固体撮像装置の概略要部構成例を示す縦断面図である。 FIG. 13 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration example of a main part of a conventional solid-state imaging device proposed in Patent Document 2.
図13において、従来の固体撮像装置30は、一方向に周期性を有する2画素を構成する各フォトダイオード32a,32bが一つのグループとして、2画素を構成する各フォトダイオード32a,32bの中心部分にそれぞれ集光するように、各マイクロレンズ33と、このマイクロレンズ33と各フォトダイオード32a,32b間に配された層間絶縁膜34、その上の保護膜35およびその上のカラーフィルタ層36とが形成されている。この場合に、層間絶縁膜34および保護膜35は、互いに異なる屈折率を持つ光透過材料からなり、層間絶縁膜34と保護膜35との界面が、マイクロレンズ33と各フォトダイオード32aまたは32bとの平面位置ずれ量に応じた傾斜部を有するように構成されている。
しかしながら、上記特許文献1において提案されている従来の固体撮像装置20には、次のような問題がある。
However, the conventional solid-
図14は、図11に示す従来の固体撮像装置20をA−A’線部分で切断した場合の縦断面図であって、図12が、真上から画像光が入射される受光領域の中央部分での各フォトダイオードへの集光の様子を示す図であるのに対して、斜め方向から光が入射される受光領域の周辺部分での各フォトダイオードへの集光の様子を示す図である。
FIG. 14 is a longitudinal sectional view of the conventional solid-
図12に示すように、従来の固体撮像装置20では、光軸Cを中心として、マイクロレンズ23からチャンネルストップ部24のクロス部分上に集光する画像光は、各フォトダイオード22a〜22dによりそれぞれ光電変換できないために、そのクロス部分上の光の分だけ各画素において受光感度が低下することになる。
As shown in FIG. 12, in the conventional solid-
また、図14に示すように、F(フォーカス)値が小さく、角度が大きい斜め光が入射したときに、マイクロレンズ23による集光方向がずれる分だけ、隣接して並んで寄ったフォトダイオード21c,21dに入射される光量が異なり、画素毎の特性が異なってしまう。特に、カラーフィルタ25が設けられている場合には、対応するカラーフィルタ25の色層と隣接する色層からの画像光がフォトダイオード22c,22dに入射されて、混色が生じる虞がある。さらに、マイクロレンズ23の周縁部に入射された画像光は、入射方向によっては、フォトダイオード22c,22d間の上方に設けられた金属配線層26a〜26cにより遮ぎられ、フォトダイオード22cまたは22dへの入射が妨げられる虞もある。
Further, as shown in FIG. 14, when oblique light having a small F (focus) value and a large angle is incident, the photodiodes 21c that are arranged adjacent to each other by an amount corresponding to the defocusing direction of the
また、特許文献2の固体撮像装置では、図13に示すように、層間絶縁膜34と保護膜35との界面が、マイクロレンズ33と各フォトダイオード32aまたは32bとの平面位置ずれ量に応じた傾斜部を有しているが、この谷型の傾斜部により、このマイクロレンズ33による集光を、各フォトダイオード32a,32bの寄り具合に応じて一方向にのみ寄るように構成している。ところが、この固体撮像装置では、周期性を有する画素が2画素の場合ではなく、図11のように4画素の場合には、一方向と異なる他の方向で集光が受光部からはみ出して受光感度が低下したり、これによって、隣接して並んで寄ったフォトダイオードに入射される光量が異なって、画素毎の特性が異なってしまったり、混色が生じたりする。さらには、画素サイズが更に縮小化される場合には、上記一方向においても、集光が受光部からはみ出して受光感度が低下したり、これによって、隣接して並んで寄った各フォトダイオードに入射される光量が異なって、画素毎の特性が異なってしまったり、混色が生じたりする。
Further, in the solid-state imaging device of Patent Document 2, as shown in FIG. 13, the interface between the interlayer
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、受光部の位置が周期的に異なる固体撮像装置において、画素サイズが更に縮小される場合にも、各画素の受光感度をより向上させ、F値による画素の特性劣化を抑制できる固体撮像装置および、この固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems. In a solid-state imaging device in which the positions of light receiving portions are periodically different, even when the pixel size is further reduced, the light receiving sensitivity of each pixel is further improved. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device capable of suppressing deterioration of pixel characteristics due to values and an electronic information device using the solid-state imaging device in an imaging unit.
本発明の固体撮像装置は、位置が周期的に異なるように配置された複数の受光部と、該複数の受光部上にそれぞれ光を集光するためのマイクロレンズとを備えた固体撮像装置において、周期性を有する所定数の受光部毎にグループ化され、各グループに対してそれぞれ、該マイクロレンズは、該受光部毎に配置される第1マイクロレンズと、該所定数の受光部上方を覆うようにまたがる第2マイクロレンズとを有しており、そのことにより上記目的が達成される。 A solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device including a plurality of light receiving units arranged so that their positions are periodically different, and a microlens for condensing light on each of the plurality of light receiving units. Are grouped into a predetermined number of light receiving units having periodicity, and for each group, the microlens is disposed above the predetermined number of light receiving units with the first microlens arranged for each light receiving unit. A second microlens that covers the cover, thereby achieving the object.
また、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第2マイクロレンズは、円、楕円、矩形または正方形の平面視形状を有しており、該平面視形状の少なくとも外周部分がレンズ曲面形状に形成されている。 Preferably, the second microlens in the solid-state imaging device of the present invention has a circular, elliptical, rectangular, or square planar view shape, and at least an outer peripheral portion of the planar view shape is formed into a lens curved surface shape. ing.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第2マイクロレンズは、前記平面視形状の外周部分の内側の中央部分がレンズ曲面形状かまたは平面形状に形成されている。 Further preferably, in the second microlens in the solid-state imaging device of the present invention, a central portion inside the outer peripheral portion in the plan view is formed in a lens curved surface shape or a planar shape.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第2マイクロレンズは、前記所定数の受光部と前記第1マイクロレンズとの間に設けられている。 Still preferably, in a solid-state imaging device of the present invention, the second microlens is provided between the predetermined number of light receiving units and the first microlens.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第1マイクロレンズは、前記第2マイクロレンズよりも上層に位置している。 Still preferably, in a solid-state imaging device according to the present invention, the first microlens is located in an upper layer than the second microlens.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第2マイクロレンズは、前記受光部毎に配置された各第1マイクロレンズによる集光を、前記周期性を有する所定数の受光部毎に内側に曲げる構成となっている。 Still preferably, in a solid-state imaging device according to the present invention, the second microlens is configured such that light collected by each first microlens arranged for each light receiving unit is arranged inside each predetermined number of light receiving units having the periodicity. It is configured to bend.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第2マイクロレンズの断面形状が、上、下または上下に凸レンズ形状である。 Further, preferably, the cross-sectional shape of the second microlens in the solid-state imaging device of the present invention is a convex lens shape up, down or up and down.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第1マイクロレンズの断面形状が、上、下または上下に凸レンズ形状である。 Furthermore, preferably, the cross-sectional shape of the first microlens in the solid-state imaging device of the present invention is a convex lens shape up, down or up and down.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第1マイクロレンズおよび第2マイクロレンズは、前記各受光部の中央部に光が集光されるように配置されている。 Furthermore, preferably, the first microlens and the second microlens in the solid-state imaging device of the present invention are arranged so that light is collected at the center of each light receiving unit.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記受光部間の上方にあって、該受光部と前記第1マイクロレンズおよび前記第2マイクロレンズとの間に金属配線層が設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, a metal wiring layer is provided between the light receiving unit and the first micro lens and the second micro lens above the light receiving unit. .
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第1マイクロレンズがカラーフィルタ層よりも上層に設けられ、前記第2マイクロレンズが該カラーフィルタ層よりも下層に設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the first microlens is provided in an upper layer than the color filter layer, and the second microlens is provided in a lower layer than the color filter layer.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における複数の受光部は、平面視で一方向および該一方向と交差する方向のうちの少なくともいずれかの方向に周期的に異なるように配置されている。 Further preferably, the plurality of light receiving units in the solid-state imaging device of the present invention are arranged so as to be periodically different in at least one of one direction and a direction crossing the one direction in plan view. .
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における複数の受光部は、平面視で列方向および行方向にマトリクス状に設けられ、該列方向および行方向の少なくとも一方向に周期的に異なるように配置されている。 Further preferably, the plurality of light receiving units in the solid-state imaging device of the present invention are provided in a matrix in the column direction and the row direction in plan view, and are periodically different in at least one direction of the column direction and the row direction. Has been placed.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記周期性を有する所定数の受光部は、平面視で列方向および行方向に各2画素の合計4画素が一つのグループとされている。 Still preferably, in a solid-state imaging device according to the present invention, the predetermined number of light receiving units having periodicity is a group of a total of four pixels of two pixels each in the column direction and the row direction in plan view.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記周期性を有する所定数の受光部は、平面視で列方向または行方向に2画素が一つのグループとされている。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, the predetermined number of light receiving units having the periodicity are grouped into two pixels in the column direction or the row direction in plan view.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記グループ化された4画素毎に、前記受光部の4つが、隣接する各画素間のチャンネルストップ部のクロス部分側に均等に寄って形成されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, for each of the grouped four pixels, the four light receiving portions are formed evenly on the cross portion side of the channel stop portion between the adjacent pixels. ing.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記グループ化された4画素にまたがる下層マイクロレンズは、前記4画素を構成する4つの受光部の中心である前記チャンネルストップ部のクロス部分に光軸が一致するように設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, the lower-layer microlens extending over the grouped four pixels has a light beam at a cross portion of the channel stop unit, which is the center of the four light receiving units constituting the four pixels. It is provided so that the axes coincide.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記グループ化された2画素毎に、前記受光部の2つが、隣接する各画素間のチャンネルストップ部側に均等に寄って形成されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, for each of the two grouped pixels, two of the light receiving portions are formed evenly on the channel stop portion side between adjacent pixels.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記グループ化された2画素にまたがる下層マイクロレンズは、前記2画素を構成する2つの受光部間の中心である前記チャンネルストップ部に光軸が一致するように設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, the lower-layer microlens straddling the two grouped pixels has an optical axis at the channel stop portion which is the center between the two light receiving portions constituting the two pixels. It is provided to match.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第1マイクロレンズに入射された光がそれぞれに対応する受光部上の同じ位置に前記第2マイクロレンズを通して集光されるように、前記グループ化した互いに隣接する第1マイクロレンズのうちの一部または全部が、互いのレンズ周端部を超えて接近させる場合に、互いに重なるレンズ部分を切り取って隣接させたレンズ形状に形成されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the group is arranged such that light incident on the first microlens is condensed through the second microlens at the same position on the light receiving unit corresponding to each of the groups. When some or all of the formed first microlenses adjacent to each other are made to approach each other beyond the peripheral edge portions of the lenses, they are formed in a lens shape in which the overlapping lens portions are cut out and adjacent to each other.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記互いに隣接する第1マイクロレンズは、該第1マイクロレンズの周縁部の少なくとも一部が隣接する第1マイクロレンズと重なって形成されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, the first microlenses adjacent to each other are formed so that at least a part of the peripheral portion of the first microlens overlaps the adjacent first microlens.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記互いに隣接する第1マイクロレンズは、前記重なったレンズ部分を切り取ったレンズ形状同士を接触させて配置されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, the first microlenses adjacent to each other are arranged such that the lens shapes obtained by cutting out the overlapping lens portions are in contact with each other.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記互いに隣接する第1マイクロレンズは、前記重なったレンズ部分を切り取ったレンズ形状同士を所定隙間分だけ離間させて配置されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the first microlenses adjacent to each other are arranged such that lens shapes obtained by cutting the overlapping lens portions are separated from each other by a predetermined gap.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記受光部の間隔に応じて前記第1マイクロレンズの位置が異なって配置されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the position of the first microlens is arranged differently according to the interval of the light receiving portions.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記受光部および前記第1マイクロレンズの各位置がそれぞれ周期的に異なるようにN画素単位(Nは2以上の整数)で周期的に配置されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the light receiving unit and the first microlens are periodically arranged in units of N pixels (N is an integer of 2 or more) so that the positions of the light receiving unit and the first microlens are periodically different from each other. ing.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記受光部および前記第1マイクロレンズの各位置がそれぞれマトリクス状に配列されており、行方向にI画素(Iは2以上の整数)、列方向にJ画素(Jは2以上の整数)のK画素単位(K=I×J)で周期的に配置されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the positions of the light receiving unit and the first microlens are arranged in a matrix, respectively, and I pixels (I is an integer of 2 or more) and columns in the row direction The pixels are periodically arranged in units of K pixels (K = I × J) in J pixels (J is an integer of 2 or more).
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記所定数の受光部毎に一つの出力アンプが共有して設けられている。 Furthermore, preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, one output amplifier is shared for each of the predetermined number of light receiving units.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における受光部は光を光電変換する光電変換部である。 Still preferably, in a solid-state imaging device according to the present invention, the light receiving unit is a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts light.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置はCCD型イメージセンサまたはCMOS型イメージセンサである。 Further preferably, the solid-state imaging device of the present invention is a CCD type image sensor or a CMOS type image sensor.
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置を撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。 An electronic information device according to the present invention uses the solid-state imaging device according to the present invention as an imaging unit, thereby achieving the object.
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。 The operation of the present invention will be described below with the above configuration.
本発明にあっては、複数の受光部の配置間隔が行方向および列方向のうちの少なくとも一方向に周期的に異なる固体撮像装置において、周期性を有する所定数(例えば2または4)の画素がグループ化され、各グループに対してそれぞれ、各画素毎に配置される第1マイクロレンズと、グループ化された所定数の画素にまたがって配置される第2マイクロレンズとを有している。 In the present invention, a predetermined number (for example, 2 or 4) of pixels having periodicity in a solid-state imaging device in which arrangement intervals of a plurality of light receiving portions are periodically different in at least one of the row direction and the column direction. Are grouped, and each group has a first microlens arranged for each pixel and a second microlens arranged over a predetermined number of grouped pixels.
このように、2種類以上のマイクロレンズを設けることによって、画素サイズが更に縮小される場合にも、上下二つのマイクロレンズにより集光しつつ、受光無効領域を縮小して集光率を高めて、受光部の中央部上に効率良く画像光を集光させ、各画素の受光感度を向上させることが可能となる。また、受光領域周辺部など、斜め光が入射されたときでも、上層の第1マイクロレンズにより画像光を集光し、下層の第2マイクロレンズにより光軸の中心を各画素の受光部の中央部上に合わせることが容易かつ確実にできるため、画素毎の集光率のばらつきや混色を低減して各画素の特性劣化を抑制することが可能となる。 In this way, even when the pixel size is further reduced by providing two or more types of microlenses, the light receiving invalid area is reduced while condensing by the two upper and lower microlenses, thereby increasing the light condensing rate. Thus, it is possible to efficiently collect the image light on the central portion of the light receiving portion and improve the light receiving sensitivity of each pixel. In addition, even when oblique light is incident on the periphery of the light receiving region, the image light is collected by the upper first microlens, and the center of the optical axis is centered on the light receiving portion of each pixel by the lower second microlens. Since it can be easily and reliably matched to the part, it is possible to reduce variations in light collection rate and color mixing from pixel to pixel, and to suppress characteristic deterioration of each pixel.
また、グループ化して隣接する上層の各第1マイクロレンズをその外周部分が重なる位置まで近づけて配置することができるため、画素サイズを更にいっそう縮小化する場合にも、受光感度の向上と共に画素の特性劣化の抑制を行うことが可能となる。 In addition, since the first microlenses in the upper layer adjacent to each other can be arranged close to the position where the outer peripheral portions overlap each other, even when the pixel size is further reduced, the light receiving sensitivity is improved and the pixel size is reduced. It becomes possible to suppress characteristic deterioration.
第1マイクロレンズおよび第2マイクロレンズが金属配線層よりも上層に形成されていることにより、受光部間の上方の金属配線により集光が妨げられることをも防ぐことが可能となる。 Since the first microlens and the second microlens are formed above the metal wiring layer, it is possible to prevent light collection from being hindered by the metal wiring above the light receiving portion.
以上により、本発明によれば、複数の受光部の配置間隔が周期的に異なる固体撮像装置において、画素サイズが更に縮小される場合にも、上下二つの第1マイクロレンズおよび第2マイクロレンズにより集光しつつ、受光無効領域を縮小して集光率を高めて各画素における受光感度を向上させると共に、受光領域周辺部などにおいて、角度が大きい斜め光が入射されたときに生じる集光率のばらつきや混色を低減できて各画素の特性劣化を抑制できるなど、画素の特性向上を図ることできる。 As described above, according to the present invention, even when the pixel size is further reduced in the solid-state imaging device in which the arrangement intervals of the plurality of light receiving units are periodically different, the two upper and lower first microlenses and second microlenses are used. While condensing, the light reception invalid area is reduced to increase the light collection rate to improve the light reception sensitivity in each pixel, and the light collection rate that occurs when oblique light with a large angle is incident on the periphery of the light reception region, etc. The pixel characteristics can be improved, for example, the variation in color and color mixing can be reduced and the characteristic deterioration of each pixel can be suppressed.
以下に、本発明の固体撮像装置の実施形態1〜5について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る固体撮像装置の概略要部構成例を示す平面図であり、図2は、図1に示す固体撮像装置をB−B’線部分で切断した場合の断面図である。
Embodiments 1 to 5 of the solid-state imaging device of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view illustrating a schematic configuration example of a main part of a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 illustrates a case where the solid-state imaging device illustrated in FIG. 1 is cut along a line BB ′. FIG.
図1および図2において、本実施形態1の固体撮像装置10は、位置が周期的に異なるように配置された複数の受光部としての複数のフォトダイオード11と、この複数のフォトダイオード11上にそれぞれ画像光を集光するためのマイクロレンズ12とを備えている。
1 and 2, the solid-
複数のフォトダイオード11は、光をそれぞれ光電変換する各光電変換部であって、平面視で行方向および列方向に周期的に異なるように配置されており、周期性を有する4つのフォトダイオード11a〜11dは、平面視で行方向および列方向に各2画素の合計4画素毎に一つのグループを構成している。
The plurality of
マイクロレンズ12は、フォトダイオード11毎に配置される第1マイクロレンズとしての上層マイクロレンズ12Aと、周期性を有しグループ化された4つのフォトダイオード11a〜11d毎にこれらの上方を覆うようにまたがる第2マイクロレンズとしての下層マイクロレンズ12Bとを有しており、下層マイクロレンズ12Bは、4つの上層マイクロレンズ12Aによる各集光をそれぞれ、周期性を有する所定数(ここでは4つ)の互いに寄ったフォトダイオード11の各中央部に対して曲げるようになっている。
The
下層マイクロレンズ12Bは、フォトダイオード11と上層マイクロレンズ12Aとの間に設けられており、上層マイクロレンズ12Aおよび下層マイクロレンズ12Bは、平面視で矩形状または正方形状であり、その断面形状は共に上に凸のレンズ形状(下面は平面)である。
The lower-
これらのフォトダイオード11a〜11dおよびマイクロレンズ12により、ストライプ状の2本のチャンネルストップ部13で区切られたマトリクス状でアレイ状の画素セル14(14a〜14d)が構成されており、それぞれの画素セル14a〜14dにはそれぞれ、一つのフォトダイオード11と一つの上層マイクロレンズ12Aとが対応している。上層マイクロレンズ12Aは、各画素セル14a〜14dをそれぞれほぼ覆うように各画素毎に設けられている。
These
各画素セル14a〜14d内におけるフォトダイオード11a〜11dの配置間隔は、行方向および列方向に周期的に異なっており、本実施形態1では、グループ化された4画素毎に、隣接する画素セル14a〜14d間のチャンネルストップ部13のクロス部分に近い部分に寄って形成されている。即ち、チャンネルストップ部13に近づいて隣接している4つの画素セル14a〜14d毎に一つのグループとしてまとめられており、一つのグループに対してそれぞれ、4画素を覆うようにまたがる下層マイクロレンズ12Bが一つ設けられて、4画素セル14a〜14d毎に共有化されている。下層マイクロレンズ12Bは、4画素セル14a〜14dの中心(チャンネルストップ部13のクロス部分)に光軸Cが一致するように設けられている。
The arrangement intervals of the
上記構成により、以下に、その作用について説明する。 The operation of the above configuration will be described below.
図3は、図1の固体撮像装置10をB−B’線部分で切断した場合の断面図であって、図2が真上から光が入射されたときのフォトダイオードへの集光の様子を示しているのに対して、斜め方向から画像光が入射されたときのフォトダイオードへの集光の様子を示す図である。ここでは、従来の固体撮像装置20を示した図11および図13と比較して詳細に説明する。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the solid-
まず、各画素セル14が受光領域中央部分で、真上から画像光が各画素セル14に入射される場合、従来の固体撮像装置20では、図12に示したように、光軸Cの中心が周期性を有する4画素の中心に位置するが、この部分は、4画素を分離するためのチャネルストップ部24のクロス部分に相当する。よって、このクロス部分に集光された画像光は、フォトダイオード22a〜22dでは光電変換することができず、各画素において受光感度が低下する。
First, when each
これに対して、本実施形態1の固体撮像装置10では、図2に示すように、上層マイクロレンズ12Aおよび下層マイクロレンズ12Bの上下の2つのマイクロレンズによって、左右二つの上層マイクロレンズ12Aによってある程度集光した画像光を、一つの下層マイクロレンズ12Bによって内側に寄せるように曲げることができるため、左右の各上層マイクロレンズ12Aの光軸Cの中心を各フォトダイオード22cおよび12dの各中央部に容易かつ確実にそれぞれ合わせることができて、より受光効率よく画像光をフォトダイオード11a〜11d上にそれぞれ集光させることができる。
On the other hand, in the solid-
次に、各画素セル14が受光領域周辺部分で、斜め方向から画像光が各画素セル14に入射される場合、従来の固体撮像装置20では、図14に示したように、F値が小さく、角度が大きい斜め光が右上から左下方向に入射されたときに、右側のフォトダイオード22dよりも左側のフォトダイオード22cに入射される光量が多くなって、画素セル毎に集光特性にばらつきが生じる。特に、カラーフィルタ25が設けられている場合には、異なる色層を通った画像光が隣接する画素のフォトダイオード22に入射されてしまい、そのフォトダイオード22にて混色が生じる虞がある。
Next, when each
これに対して、本実施形態1の固体撮像装置10では、図3に示すように、上層マイクロレンズ12Aで集光された画像光が、その下の下層マイクロレンズ12Bにより受光部であるフォトダイオード11の中央部にその光軸Cを合わせるように集光されるため、斜め光が右上から左下方向に入射されたときにも、右側のフォトダイオード11dと左側のフォトダイオード11cとに入射される光量に差がなくなって、画素毎の集光ばらつきが少なく、混色も低減することができる。さらに、上記下層マイクロレンズ12Bは、金属配線8〜10よりも上層に形成されるため、グループ化されたフォトダイオード11a〜11dとフォトダイオード11a〜11dとの間上方に設けられた金属配線16a〜16cにより、各フォトダイオード11a〜11dへの集光が妨げられることを防ぐことができる。
On the other hand, in the solid-
次に、本実施形態1の固体撮像装置10の製造方法について図4A〜図4Cを用いて説明する。
Next, a method for manufacturing the solid-
図4A〜図4Cは、本実施形態1の固体撮像装置10の製造方法の各製造工程(その1〜3)について説明するための要部縦断面図である。ここでは、上に凸のレンズ形状となった下層マイクロレンズ12Bおよび上層マイクロレンズ12Aの形成方法について説明する。
4A to 4C are main part longitudinal cross-sectional views for explaining the respective manufacturing steps (Nos. 1 to 3) of the method for manufacturing the solid-
まず、図4Aに示すように、3層目の金属配線16cをエッチング加工して所定のパターン形成にした後、その上に平坦化膜17を形成し、その上にマイクロレンズ材12bを、下層マイクロレンズ12Bの所定パターンで転写して現像する。
First, as shown in FIG. 4A, the third-
次に、図4Bに示すように、マイクロレンズ材12bをベーク(熱処理)して、上に凸状となった下層マイクロレンズ12Bを形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, the
その後、図4Cに示すように、平坦化膜17および下層マイクロレンズ12B上に平坦化膜18を形成し、その上にマイクロレンズ材12aを、上層マイクロレンズ12Aの所定パターンで転写して現像する。さらに、マイクロレンズ材12aをベーク(熱処理)して、一つの下層マイクロレンズ12B毎に、上に凸状となった4つの上層マイクロレンズ12Aをそれぞれ形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 4C, the
以上により、上記実施形態1によれば、各画素毎に配置される上層マイクロレンズ12Aと、4画素を覆うようにまたがる下層マイクロレンズ12Bとの2種類のマイクロレンズ12を形成することにより、画素セル14内の受光部としての各フォトダイオード11の配置が行方向(横方向)および列方向(縦方向)で周期的に異なる固体撮像装置10においても、各画素の受光感度を向上させ、画素毎の集光のばらつきを少なくして、混色を低減することができる。
(実施形態2)
上記実施形態1では、上に凸状のレンズ形状の上層マイクロレンズ12Aおよび下層マイクロレンズ12Bの場合について説明したが、本実施形態2では、上層マイクロレンズ12Aは上に凸状のレンズ形状であるが、上に凸状のレンズ形状の下層マイクロレンズ12Bに代えて上下に凸レンズ形状の下層マイクロレンズ12Cとする場合について説明する。
As described above, according to the first embodiment, by forming two types of
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the case of the
図5および図6は、本発明の実施形態2に係る固体撮像装置について、図1に示すB−B’線部分で切断した場合と同様の要部縦断面図であり、図5は真上から画像光が入射されたときの各フォトダイオードへの集光の様子を示す図、図6は斜め方向から画像光が入射されたときの各フォトダイオードへの集光の様子を示す図である。なお、図5および図6では、上記実施形態1の図2および図3に対応しており、図2および図3の作用効果と同一の作用効果を奏する部材には同一の符号を付している。 5 and FIG. 6 are longitudinal sectional views of the main part of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, which is the same as that cut along the line BB ′ shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing a state of light condensing on each photodiode when image light is incident from FIG. 6, and FIG. 6 is a diagram showing a state of condensing on each photodiode when image light is incident from an oblique direction. . 5 and FIG. 6 correspond to FIG. 2 and FIG. 3 of the first embodiment, and members having the same operational effects as those of FIG. 2 and FIG. Yes.
図5および図6において、本実施形態2の固体撮像装置10Aは、位置が周期的に異なるように配置された複数の受光部としての複数のフォトダイオード11と、この複数のフォトダイオード11上にそれぞれ画像光を集光するためのマイクロレンズ121とを備えている。
5 and 6, the solid-
複数のフォトダイオード11は、光をそれぞれ光電変換する各光電変換部であって、平面視で行方向および列方向に周期的に異なるように配置されており、周期性を有する4つのフォトダイオード11a〜11dは、平面視で行方向および列方向に各2画素の合計4画素毎に一つのグループを構成している。
The plurality of
マイクロレンズ121は、フォトダイオード11毎に配置される第1マイクロレンズとしての上層マイクロレンズ12Aと、グループ化された4つのフォトダイオード11a〜11d毎にこれらの上方を覆うようにまたがる第2マイクロレンズとしての下層マイクロレンズ12Cとを有している。
The
下層マイクロレンズ12Cは、フォトダイオード11と上層マイクロレンズ12Aとの間に設けられており、上層マイクロレンズ12Aは、平面視で矩形状または正方形状であり、その断面形状は上に凸状(片面凸状)のレンズ形状(下面は平面)であり、下層マイクロレンズ12Cは、平面視で矩形状または正方形状であり、その断面形状は上下に凸状(両面凸状)のレンズ形状である。このように、下層マイクロレンズ12Cが両面凸状の場合には、上記実施形態1の下層マイクロレンズ12Bが片面凸状の場合に比べて、フォトダイオード11上への集光率がより良好なものとなる。
The lower-layer microlens 12C is provided between the
次に、本実施形態2の固体撮像装置10Aの製造方法について図7A〜図7Eを用いて説明する。
Next, a method for manufacturing the solid-
図7A〜図7Fは、本実施形態2の固体撮像装置10Aの製造方法の各製造工程(その1〜6)について説明するための要部縦断面図である。ここでは、上下に凸状のレンズ形状となった下層マイクロレンズ12Cおよび、上に凸状のレンズ形状となった上層マイクロレンズ12Aの形成方法について説明する。
7A to 7F are main part longitudinal cross-sectional views for describing each manufacturing process (Nos. 1 to 6) of the manufacturing method of the solid-
まず、図7Aに示すように、3層目の金属配線16cをエッチング加工して所定パターンに形成した後、その上に平坦化膜17を形成し、その平坦化膜17上に、平坦化膜17との選択比が0.5〜2.0程度のレジスト膜7を転写して現像する。このとき、左右に隣接しているフォトダイオード11c、11dの間のチャンネルストップ部13のクロス部分上にレジスト膜7の開口部が配置されるように、レジスト膜7を所定のパターンに形成する。
First, as shown in FIG. 7A, after the third-
次に、図7Bに示すように、このレジスト膜7をベーク(熱処理)して、レジスト膜7aとして、チャンネルストップ部13の真上が最も凹んだ凹凸状のレンズ面形状を有するように形成する。このとき、左右に隣接するフォトダイオード11c、11d間のチャンネルストップ部13のクロス部分上方に凹部の最も低位置(レンズ中央部)が設けられ、その両側(レンズ周囲)に凸部が設けられている。
Next, as shown in FIG. 7B, the resist
さらに、図7Cに示すように、凹凸状のレジスト膜7a上から異方性エッチングを行って、レジスト膜7aの凹凸形状を平坦化膜17に転写して平坦化膜17aとする。
Further, as shown in FIG. 7C, anisotropic etching is performed on the concavo-convex resist
続いて、図7Dに示すように、平坦化膜17a上にマイクロレンズ材12aを、下層マイクロレンズ12Cの所定パターンで転写して現像する。
Subsequently, as shown in FIG. 7D, the
その後、図7Eに示すように、マイクロレンズ材12aをベーク(熱処理)して、上下に凸状(両面凸)となった下層マイクロレンズ12Cを形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 7E, the
さらに、図7Fに示すように、平坦化膜17aおよび下層マイクロレンズ12C上に平坦化膜18を形成し、その上にマイクロレンズ材12aを、上層マイクロレンズ12Aの所定パターンで転写して現像する。さらに、マイクロレンズ材12aをベーク(熱処理)して、一つの下層マイクロレンズ12C毎に、上に凸状となった4つの上層マイクロレンズ12Aをそれぞれ形成する。
Further, as shown in FIG. 7F, the
以上により、上記実施形態2によれば、各画素毎に配置される上層マイクロレンズ12Aと、4画素を覆うようにまたがる下層マイクロレンズ12Cとの2種類のマイクロレンズ121を形成することにより、画素セル14内の受光部としての各フォトダイオード11の配置が行方向(横方向)および列方向(縦方向)で周期的に異なる固体撮像装置10Aにおいても、上記実施形態1の場合と同様に、各画素の受光感度を向上させ、画素毎の集光のばらつきを少なくして、混色を低減することができる。本実施形態2では、上層マイクロレンズ12Aは上に凸状のレンズ形状であるが、上記実施形態1の上(片面)に凸レンズ形状の下層マイクロレンズ12Bに代えて上下(両面)に凸レンズ形状の下層マイクロレンズ12Cとしており、この下層マイクロレンズ12Cが両面凸状であるため、上記実施形態1の片面凸状の場合に比べて、各フォトダイオード11a〜11d上への集光率が更に良好なものとなって、画素サイズが更に縮小された場合にも、各画素の受光感度を向上させ、画素毎の集光のばらつきを少なくして、混色を低減することができる。
(実施形態3)
上記実施形態1では、上に凸状のレンズ形状の上層マイクロレンズ12Aおよび下層マイクロレンズ12Bの場合について説明したが、本実施形態3では、上に凸状のレンズ形状の上層マイクロレンズ12Aおよび、下に凸状のレンズ形状の下層マイクロレンズ12Dの場合について説明について説明する。
As described above, according to the second embodiment, by forming the two types of
(Embodiment 3)
In the first embodiment, the case of the upper-
図8は、本発明の実施形態3に係る固体撮像装置について、図1に示すB−B’線部分で切断した場合と同様の要部縦断面図であり、斜め方向から画像光が入射されたときの各フォトダイオードへの集光の様子を示す図である。なお、図8では、上記実施形態1の図3に対応しており、図3の作用効果と同一の作用効果を奏する部材には同一の符号を付している。また、上記実施形態1の図2に対応する真上から画像光が入射されたときの各フォトダイオードへの集光の様子については、図2において、上に凸状のレンズ形状の下層マイクロレンズ12Bを、図8で後述するが、下に凸状のレンズ形状の下層マイクロレンズ12Dに代えればよい。
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of the main part of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, which is the same as that cut along the line BB ′ shown in FIG. 1, and image light is incident from an oblique direction. It is a figure which shows the mode of condensing to each photodiode at the time. In addition, in FIG. 8, it respond | corresponds to FIG. 3 of the said Embodiment 1, and the same code | symbol is attached | subjected to the member which show | plays the same effect as the effect of FIG. In addition, regarding the state of light condensing on each photodiode when image light is incident from directly above corresponding to FIG. 2 of the first embodiment, the lower microlens having a lens shape convex upward in FIG. Although 12B will be described later with reference to FIG. 8, the
図8において、本実施形態3の固体撮像装置10Bは、位置が周期的に異なるように配置された複数の受光部としての複数のフォトダイオード11と、この複数のフォトダイオード11上にそれぞれ画像光を集光するためのマイクロレンズ122とを備えている。
In FIG. 8, the solid-
複数のフォトダイオード11は、光をそれぞれ光電変換する各光電変換部であって、平面視で行方向および列方向に周期的に異なるように配置されており、周期性を有する4つのフォトダイオード11a〜11dは、平面視で行方向および列方向に各2画素の合計4画素毎に一つのグループを構成している。
The plurality of
マイクロレンズ122は、フォトダイオード11毎に配置される第1マイクロレンズとしての上層マイクロレンズ12Aと、グループ化された4つのフォトダイオード11a〜11d毎にこれらの上方を覆うようにまたがる第2マイクロレンズとしての下層マイクロレンズ12Dとを有している。
The
下層マイクロレンズ12Dは、フォトダイオード11と上層マイクロレンズ12Aとの間に設けられており、上層マイクロレンズ12Aは、平面視で矩形状または正方形状であり、その断面形状は上に凸状(片面凸状)のレンズ形状(下面は平面)であり、下層マイクロレンズ12Dは、平面視で矩形状または正方形状であり、その断面形状は下に凸状(片面凸状)のレンズ形状(上面は平面)である。このように、下層マイクロレンズ12Dが下に凸状の場合には、上記実施形態1の上に凸状の下層マイクロレンズ12Bの場合と同様に、グループ化したフォトダイオード11c,11dに合わせて、上層マイクロレンズ12Aによる集光を互いに内側に曲げて寄らせる(集光を互いに近づける)ことができる。また、下層マイクロレンズ12Dの透明材料の屈折率が、下層マイクロレンズ12Dのレンズ曲面側に接する透明材料の屈折率よりも大きく設定されている。
The lower-
以上により、上記実施形態3によれば、各画素毎に配置される上層マイクロレンズ12Aと、4画素を覆うようにまたがる下層マイクロレンズ12Dとの2種類のマイクロレンズ122を形成することにより、画素セル14内の受光部としての各フォトダイオード11の配置が行方向(横方向)および列方向(縦方向)で周期的に異なる固体撮像装置10Bにおいても、上記実施形態1の場合と同様に、各画素の受光感度を向上させ、画素毎の集光のばらつきを少なくして、混色を低減することができる。
(実施形態4)
上記実施形態1では、上に凸状のレンズ形状の上層マイクロレンズ12Aおよび下層マイクロレンズ12Bの場合について説明したが、本実施形態3では、上に凸状のレンズ形状の上層マイクロレンズ12Aおよび、下に凸状で外周部分のみがレンズ曲面形状の下層マイクロレンズ12Eの場合について説明について説明する。
As described above, according to the third embodiment, by forming the two types of
(Embodiment 4)
In the first embodiment, the case of the upper-
図9は、本発明の実施形態4に係る固体撮像装置について、図1に示すB−B’線部分で切断した場合と同様の要部縦断面図であり、真上から画像光が入射されたときの各フォトダイオードへの集光の様子を示す図である。なお、図9では、上記実施形態1の図2に対応しており、図2の作用効果と同一の作用効果を奏する部材には同一の符号を付している。また、上記実施形態1の図3に対応する斜め方向から画像光が入射されたときの各フォトダイオードへの集光の様子については、図3において、上に凸状のレンズ形状の下層マイクロレンズ12Bを、図9で後述するが、下に凸状で外周部分のみがレンズ曲面形状の下層マイクロレンズ12Eに代えればよい。
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of the main part of the solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention, which is the same as that cut along the line BB ′ shown in FIG. 1, and image light is incident from directly above. It is a figure which shows the mode of condensing to each photodiode at the time. In addition, in FIG. 9, it respond | corresponds to FIG. 2 of the said Embodiment 1, and the same code | symbol is attached | subjected to the member which show | plays the same effect as the effect of FIG. In addition, regarding the state of light condensing on each photodiode when image light is incident from an oblique direction corresponding to FIG. 3 of the first embodiment, the lower microlens having a lens shape convex upward in FIG. Although 12B will be described later with reference to FIG. 9, it is only necessary to replace the
図9において、本実施形態4の固体撮像装置10Cは、位置が周期的に異なるように配置された複数の受光部としての複数のフォトダイオード11と、この複数のフォトダイオード11上にそれぞれ画像光を集光するためのマイクロレンズ123とを備えている。
In FIG. 9, the solid-
複数のフォトダイオード11は、光をそれぞれ光電変換する各光電変換部であって、平面視で行方向および列方向に周期的に異なるように配置されており、周期性を有する4つのフォトダイオード11a〜11dは、平面視で行方向および列方向に各2画素の合計4画素毎に一つのグループを構成している。
The plurality of
マイクロレンズ123は、フォトダイオード11毎に配置される第1マイクロレンズとしての上層マイクロレンズ12Aと、グループ化された4つのフォトダイオード11a〜11d毎にこれらの上方を覆うようにまたがる第2マイクロレンズとしての下層マイクロレンズ12Eとを有している。
The
下層マイクロレンズ12Eは、フォトダイオード11と上層マイクロレンズ12Aとの間に設けられており、上層マイクロレンズ12Aは、平面視で矩形状または正方形状であり、その断面形状は上に凸状(片面凸状)のレンズ形状(下面は平面)であり、下層マイクロレンズ12Eは、平面視で矩形状または正方形状であり、その断面形状は下に凸状(片面凸状)のレンズ形状(上面は平面)である。また、下層マイクロレンズ12Eは、平面視円形または楕円形の外周部分12Eaが凸レンズ曲面形状に形成され、平面視円形または楕円形の中央部分12Ebが平面状に形成されている。このように、下層マイクロレンズ12Eが下に凸状でその平面視で外周部分のみが凸レンズ曲面形状の場合には、グループ化したフォトダイオード11c,11d(11c,11dのみが図示されているが実際には11a〜11dの4つ全部)の外周部分の上層マイクロレンズ12Aによる集光を互いに内側に曲げて寄らせる(集光を互いに近づける)ことができる。また、下層マイクロレンズ12Eの透明材料の屈折率が、下層マイクロレンズ12Eのレンズ曲面側に接する透明材料の屈折率よりも大きく設定されている。
The lower-
したがって、上記実施形態4によれば、各画素毎に配置される上層マイクロレンズ12Aと、4画素毎に画素上方を覆うようにまたがる下層マイクロレンズ12Eとの2種類のマイクロレンズ123を形成することにより、画素セル14内の受光部としての各フォトダイオード11の配置が行方向(横方向)および列方向(縦方向)で周期的に異なる固体撮像装置10Cにおいても、上記実施形態1の場合と同様に、各画素の受光感度を向上させ、画素毎の集光のばらつきを少なくして、混色を低減することができる。この場合に、大きい下層マイクロレンズ12Eを製造する場合に、中央部分が平面であるため、その形成がより容易になる。
(実施形態5)
上記実施形態1では、上に凸状のレンズ形状の上層マイクロレンズ12Aがそれぞれ単独で設けられている場合について説明したが、本実施形態5では、上に凸状のレンズ形状の四つの上層マイクロレンズが、グループとして隣接する場合に、互いに重なるなど、互いのレンズ周端部を超えて接近する場合について説明について説明する。
Therefore, according to the fourth embodiment, the two types of
(Embodiment 5)
In the first embodiment, the case where the
図10は、本発明の実施形態5に係る固体撮像装置について、図1に示すB−B’線部分で切断した場合と類似の要部縦断面図であり、真上方向から画像光が入射されたときの各フォトダイオードへの集光の様子を示す図である。なお、図10では、上記実施形態1の図2に対応しており、図2の作用効果と同一の作用効果を奏する部材には同一の符号を付している。また、上記実施形態1の図3に対応する斜め方向から画像光が入射されたときの各フォトダイオードへの集光の様子についてはここでは省略している。 10 is a longitudinal sectional view of a main part similar to the case where the solid-state imaging device according to Embodiment 5 of the present invention is cut along the line BB ′ shown in FIG. 1, and image light is incident from directly above. It is a figure which shows the mode of condensing to each photodiode at the time of being carried out. In addition, in FIG. 10, it respond | corresponds to FIG. 2 of the said Embodiment 1, and the same code | symbol is attached | subjected to the member which show | plays the same effect as the effect of FIG. Further, the state of light condensing on each photodiode when image light is incident from an oblique direction corresponding to FIG. 3 of the first embodiment is omitted here.
図10において、本実施形態5の固体撮像装置10Dは、位置が周期的に異なるように配置された複数の受光部としての複数のフォトダイオード11と、この複数のフォトダイオード11上にそれぞれ画像光を集光するためのマイクロレンズ124とを備えている。
In FIG. 10, the solid-
複数のフォトダイオード11は、光をそれぞれ光電変換する各光電変換部であって、平面視で行方向および列方向に周期的に異なるように配置されており、周期性を有する4つのフォトダイオード11a〜11dは、平面視で行方向および列方向に各2画素の合計4画素毎に一つのグループを構成している。
The plurality of
マイクロレンズ124は、フォトダイオード11毎に配置される第1マイクロレンズとしての上層マイクロレンズ12Fと、グループ化された4つのフォトダイオード11a〜11d毎にこれらの上方を覆うようにまたがる第2マイクロレンズとしての下層マイクロレンズ12Bとを有している。
The
上層マイクロレンズ12Fは、入射された光がそれぞれに対応するグループ毎の4つの各フォトダイオード11a〜11d上の同じ位置に集光されるように、互いに隣接する上層マイクロレンズ12Fのうちの一部(例えば4つのうちの2つなど)または全部(例えば4つ全部)が、互いのレンズ周端部を超えて接近させる場合(フォトダイオード同士が接近しすぎる場合にレンズ自体が重なってもレンズを更に接近させる場合)に、互いに重なるレンズ部分を切り取って隣接させたレンズ形状に形成されている。この互いに隣接する上層マイクロレンズ12Fは、上層マイクロレンズ12Fの周縁部の少なくとも一部が隣接する上層マイクロレンズ12Fと重なって形成されている。また、互いに隣接する上層マイクロレンズ12Fは、重なったレンズ部分を切り取ったレンズ形状同士を接触、または所定隙間分だけ離間させて配置されている。さらに、各フォトダイオード11の間隔に応じて上層マイクロレンズ12Fの位置が異なって配置されている。
The
下層マイクロレンズ12Bは、フォトダイオード11と上層マイクロレンズ12Fとの間に設けられており、上層マイクロレンズ12Fは、平面視で矩形状または正方形状であり、その断面形状は上に凸状(片面凸状)のレンズ形状(下面は平面)であり、下層マイクロレンズ12Bは、平面視で矩形状または正方形状であり、その断面形状は上に凸状(片面凸状)のレンズ形状(下面は平面)である。このように、下層マイクロレンズ12Bは、グループ化したフォトダイオード11a〜11dの各位置に合わせて、各上層マイクロレンズ12Fによる集光を互いに内側に曲げて寄らせる(集光を互いに近づける)ことができる。また、下層マイクロレンズ12Bの透明材料の屈折率は、下層マイクロレンズ12Bのレンズ曲面側に接する透明材料の屈折率よりも大きく設定されている。
The lower-
上層マイクロレンズ12Fの形成方法の一例について簡単に説明する。
An example of a method for forming the
従来、マイクロレンズ同士を重ねてくっ付ける場合には、固まった後に互いに引っ張られて表面が変形したり内部応力が生じてクラックの原因になったり、レンズとして使えない状態になる場合があるので、本実施形態5では、上層マイクロレンズ12Fの配置間隔を縮小して互いに重ねる場合には、重なる一方の上層マイクロレンズ12Fを形成して固まってから、他方の上層マイクロレンズ12Fを形成して固めるというように、2回に分けて別々に上層マイクロレンズ12Fを形成すること(4つの上層マイクロレンズ12Fがグループ化している場合には、2つづつ形成して固めること)によって、上記問題を解決し、一方が他方に重なる場合にも、隣接する上層マイクロレンズ12Fの位置を任意に近づけて光軸Cの間隔を容易に設定できる。
Conventionally, when microlenses are stacked on top of each other, they are pulled together after being solidified, causing the surface to deform or internal stress, causing cracks, or becoming unusable as a lens. In the fifth embodiment, when the arrangement interval of the
即ち、上層マイクロレンズ12Fの形成方法は、各上層マイクロレンズ12Fのうち互いに接触しない位置にある各上層マイクロレンズ12Fを形成する第1工程と、形成していない各上層マイクロレンズ12Fのうち互いに接触しない位置にある上層マイクロレンズ12Fを、少なくとも行方向および列方向のいずれか一方向(ここでは行方向および列方向の両方向)に、既に形成された隣接する上層マイクロレンズ12Fと重なるかまたは接触するように形成する第2工程とを有し、形成していない上層マイクロレンズ12Fがなくなるまでこの第2の工程を繰り返す。
That is, the method of forming the
また、上層マイクロレンズ12Fの形成方法として、重なったレンズ部分を切り取ったレンズ形状同士を所定隙間分だけ微細な隙間を開けて配置する場合には、少なくとも行方向および列方向のいずれか一方向(ここでは行方向および列方向の両方向)に、互いに隣接する上層マイクロレンズ12Fとして、重なったレンズ部分を切り取ったレンズ形状同士を、所定隙間分だけ離間させて形成する工程を有する。
Further, as a method of forming the
このように、各上層マイクロレンズ12Fの間隔を任意に縮小をして設定することができるため、各フォトダイオード11の位置、受光感度およびシェーディング特性を考慮して、例えば、各フォトダイオード11の中心位置C1が上層マイクロレンズ12Fの光軸位置C2と一致するように、上層マイクロレンズ12Fの最適位置に、容易に配置することができる。
As described above, since the interval between the
したがって、上記実施形態5によれば、各画素毎に配置される上層マイクロレンズ12Fと、4画素を覆うようにまたがる下層マイクロレンズ12Bとの2種類のマイクロレンズ124を形成することにより、画素セル14内の受光部としての各フォトダイオード11の配置が行方向(横方向)および列方向(縦方向)で周期的に異なる固体撮像装置10Dにおいて、画素サイズが更に縮小される場合にも、各画素の受光感度を向上させ、画素毎の集光のばらつきを少なくして、混色を低減することができる。
Therefore, according to the fifth embodiment, the pixel cell is formed by forming the two types of
以上により、上記実施形態1〜5によれば、各フォトダイオード11の配置が行方向および列方向で周期的に異なるように各フォトダイオード11が偏った画素セル14を有する固体撮像装置10(または10A、10B、10C、10D)において、周期性を有する4画素をグループ化し、一つのグループ毎に、各画素毎に配置され、画像光を集光するための上層マイクロレンズ12A(または12F)と、4画素を覆ってまたがり、上層マイクロレンズ12A(または12F)による集光を内側に曲げるための下層マイクロレンズ12B(または12C、12D、12E)とを有している。これによって、画素サイズが更に縮小される場合にも、上下二つのマイクロレンズにより集光しつつ、受光無効領域を縮小して集光率を高めて各画素の受光感度を向上させ、F値による画素の特性劣化を抑制することができる。
As described above, according to the first to fifth embodiments, the solid-state imaging device 10 (or the pixel device 14) having the
また、受光部領域の中央部分とその周辺部分、その周辺部分でも位置によって三原色のRGBの混色の様子(GにRが混ざったりGにB混ざったりする様子)が異なっていたが、上記実施形態1〜4によれば、受光部領域の中央部分でもその周辺部分でも、受光部(各フォトダイオード11)の中央部分に容易かつ確実に集光させることができるため、受光感度はもちろんのこと、輝度シェーディング特性の低下や不均一を防ぐことができ。よって、これを補正処理で解決しようとすると複雑な補正制御は必要なくなる。 In addition, although the central portion of the light receiving region, the peripheral portion thereof, and the peripheral portion thereof have different colors of the three primary colors RGB (a state where R is mixed with G or B is mixed with G), the above embodiment is different. According to 1-4, since it can be easily and reliably focused on the central portion of the light receiving portion (each photodiode 11) in the central portion of the light receiving portion region and its peripheral portion, not only the light receiving sensitivity, Decrease in luminance shading characteristics and unevenness can be prevented. Therefore, complicated correction control is not required if this is solved by correction processing.
なお、上記実施形態1〜5では、下層マイクロレンズ12B〜12Dは、矩形または正方形の平面視形状を有し、この平面視形状の外周部分およびその内側の中央部分が共にレンズ曲面形状の場合について説明し、また、下層マイクロレンズ12Eは、矩形または正方形の平面視形状を有し、この平面視形状の外周部分がレンズ曲面形状で、平面視形状の外周部分の内側の中央部分が平面形状の場合について説明したが、これに限らず、本発明の下層マイクロレンズは、円形(近似円形を含む)または楕円形の平面視形状を有しておてもよく、この平面視形状の外周部分およびその内側の中央部分が共にレンズ曲面形状であってもよく、その中央部分が平面形状であってもよい。要するに、本発明の下層マイクロレンズは、円(近似円形を含む)、楕円(近似楕円形を含む)、矩形(近似矩形を含む;四隅の角のうち少なくとも一つの角がアール状になっている)または正方形(近似正方形を含む;少なくとも一つの角がアール状など)の平面視形状を有しており、該平面視形状の少なくとも外周部分がレンズ曲面形状に形成されている。
In the first to fifth embodiments, the lower-
また、上記実施形態1〜5では、複数の受光部としての複数のフォトダイオード11は、平面視で列方向および行方向にマトリクス状(2次元状)に設けられ、この列方向および行方向に共に周期的に異なるように配置されている場合について説明したが、これに限らず、画素セル14内の受光部(フォトダイオード11)の位置が行方向および列方向のうちのいずれか一方向に周期的に異なる全ての固体撮像装置にも適用することができる。また、このような列方向および行方向の直交する方向に限らず、複数のフォトダイオード11は、平面視で一方向およびこの一方向と交差する方向のうちの少なくともいずれかの方向に周期的に異なるように配置されている場合にも本発明を適用することができる。
In the first to fifth embodiments, the plurality of
さらに、上記実施形態1〜5では、周期性を有する複数の画素として、4画素を一つのグループとしたが、本発明はこれに限らず、周期性を有する2画素以上の複数の画素が設けられた全ての固体撮像装置に適用することができる。 Furthermore, in Embodiments 1 to 5, four pixels are grouped as a plurality of pixels having periodicity. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of pixels having two or more pixels having periodicity are provided. The present invention can be applied to all the solid-state imaging devices.
例えば、周期性を有する所定数の受光部(フォトダイオード11)として、平面視で列方向または行方向に2画素が一つのグループとされていてもよい。この場合に、グループ化された2画素毎に、受光部(フォトダイオード11)の2つが、隣接する各画素間のチャンネルストップ部13側に均等に寄って形成されている。また、グループ化された2画素にまたがる下層マイクロレンズは、2画素を構成する2つの受光部(フォトダイオード11)間の中心であるチャンネルストップ部13上に光軸Cが一致するように設けられている。
For example, as a predetermined number of light receiving portions (photodiodes 11) having periodicity, two pixels may be grouped in the column direction or the row direction in plan view. In this case, for each grouped two pixels, two light receiving portions (photodiodes 11) are formed evenly on the
また、前述したが、周期性を有する所定数の受光部(フォトダイオード11)として、平面視で列方向および行方向に各2画素の合計4画素が一つのグループとされている場合には、グループ化された4画素毎に、受光部(フォトダイオード11)の4つが、隣接する各画素間の2本のチャンネルストップ部13のクロス部分側に均等に寄って形成されている。また、グループ化された4画素にまたがる下層マイクロレンズは、4画素を構成する4つの受光部(フォトダイオード11)の中心である2本のチャンネルストップ部13のクロス部分の中心位置に光軸Cが一致するように設けられている。
In addition, as described above, as a predetermined number of light receiving units (photodiodes 11) having periodicity, when a total of four pixels, each of two pixels in the column direction and the row direction in a plan view, are grouped, For each grouped four pixels, four light receiving portions (photodiodes 11) are formed evenly on the cross portion side of two
さらに、上記実施形態1〜5では、第1マイクロレンズとしての上層マイクロレンズ12A(または12F)の断面形状が上に凸レンズ形状で、第2マイクロレンズとしての下層マイクロレンズ12Bまたは12C、12D,12Eの断面形状が、上、下または上下に凸レンズ形状である場合について説明したが(上層マイクロレンズ12Fと下層マイクロレンズ12Bまたは12C、12D,12Eの組合せでもよい)、これに限らず、上層マイクロレンズ12A(または12F)の断面形状として、下または上下に凸レンズ形状であってもよく、これらのいずれかと上記下層マイクロレンズ12Bまたは12C、12D,12Eとの組合せであってもよい。
Furthermore, in the first to fifth embodiments, the cross-sectional shape of the
さらに、本発明は、上記実施形態1〜5では、特に説明しなかったが、各フォトダイオード11と各上層マイクロレンズ12Aまたは12Fとの各位置がそれぞれ周期的に異なるようにN画素単位(Nは2以上の整数)で周期的に配置されている。また、各フォトダイオード11と各上層マイクロレンズ12Aまたは12Fとの各位置がそれぞれマトリクス状に配列されており、行方向にI画素(Iは2以上の整数)、列方向にJ画素(Jは2以上の整数)の合計K画素単位(K=I×J)で周期的に配置されている。これらのN画素単位またはK画素単位で所定数の画素としてグループ化されている。
Furthermore, although the present invention has not been particularly described in the first to fifth embodiments, the N pixel unit (N) so that the positions of the
さらに、本発明は、上記実施形態1,2,5で説明した製造方法に限定されず、フォトリソグラフィー、エッチングなど、周知のプロセス技法によりマイクロレンズが形成された全ての固体撮像装置に適用することができる。 Furthermore, the present invention is not limited to the manufacturing method described in the first, second, and fifth embodiments, and may be applied to all solid-state imaging devices in which microlenses are formed by a known process technique such as photolithography and etching. Can do.
さらに、本発明は、上記実施形態1〜5では、特に説明しなかったが、CCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサのいずれにも適用することができる。 Further, the present invention is not particularly described in the first to fifth embodiments, but can be applied to either a CCD image sensor or a CMOS image sensor.
さらに、上記実施形態1〜5では、特に説明しなかったが、次に、上記実施形態1〜4の固体撮像装置10(または10A、10B、10C、10D)を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、例えば、本発明の上記実施形態1〜5の固体撮像装置10(または10A、10B、10C、10D)のいずれかを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷(印字)して出力(プリントアウト)する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。 Further, although not particularly described in the first to fifth embodiments, next, for example, digital video using the solid-state imaging device 10 (or 10A, 10B, 10C, 10D) of the first to fourth embodiments as an imaging unit. An electronic information device having a digital camera such as a camera or a digital still camera, or an image input device such as an image input camera, a scanner, a facsimile, or a camera-equipped mobile phone device will be described. The electronic information device of the present invention is, for example, high-quality image data obtained by using any of the solid-state imaging devices 10 (or 10A, 10B, 10C, and 10D) of Embodiments 1 to 5 of the present invention as an imaging unit. A memory unit such as a recording medium for recording data after performing predetermined signal processing for recording, and a liquid crystal display device for displaying the image data on a display screen such as a liquid crystal display screen after performing predetermined signal processing for display A display unit, a communication unit such as a transmission / reception apparatus that performs communication processing after performing predetermined signal processing on the image data for communication, and an image output unit that prints (prints) and outputs (prints out) the image data. Have at least one of them.
以上のように、本発明の好ましい実施形態1〜5を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態1〜5に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態1〜5の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。 As mentioned above, although this invention has been illustrated using preferable Embodiment 1-5 of this invention, this invention should not be limited and limited to this Embodiment 1-5. It is understood that the scope of the present invention should be construed only by the claims. It is understood that those skilled in the art can implement an equivalent range based on the description of the present invention and the common general technical knowledge from the description of specific preferred embodiments 1 to 5 of the present invention. Patents, patent applications, and documents cited herein should be incorporated by reference in their entirety, as if the contents themselves were specifically described herein. Understood.
本発明は、受光部上にマイクロレンズを備えたCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサなどの固体撮像装置および、この固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、画素サイズが更に縮小される場合にも、上下二つの第1マイクロレンズおよび第2マイクロレンズにより集光しつつ、受光無効領域を縮小して集光率を高めて各画素における受光感度を向上させると共に、受光領域周辺部などにおいて、角度が大きい斜め光が入射されたときに生じる集光率のばらつきや混色を低減できて各画素の特性劣化を抑制できるなど、画素の特性向上を図ることできる。 The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CCD-type image sensor or a CMOS-type image sensor provided with a microlens on a light-receiving unit, and a digital video camera and a digital device using this solid-state imaging device as an image input device in an imaging unit In the field of electronic information equipment such as a digital camera such as a still camera, an image input camera, a scanner, a facsimile, and a camera-equipped mobile phone device, even when the pixel size is further reduced, the upper and lower first microlenses and 2 Condensing light by a microlens and reducing the light reception invalid area to increase the light collection rate to improve the light reception sensitivity in each pixel, and when oblique light having a large angle is incident on the periphery of the light reception area, etc. It is possible to reduce variations in light collection rate and color mixing, and to suppress deterioration of the characteristics of each pixel. It can be improve the characteristics of the unit.
10、10A、10B、10C、10D 固体撮像装置
11、11a〜11d フォトダイオード(受光部)
12、121、122、123、124 マイクロレンズ
12a マイクロレンズ材
12A、12F 上層マイクロレンズ
12B、12C、12D、12E 下層マイクロレンズ
13 チャネルストップ部
14、14a〜14d 画素セル
15 カラーフィルタ
16a 金属配線(1層目)
16b 金属配線(2層目)
16c 金属配線(3層目)
17〜19 平坦化膜
17a 凹凸状の平坦化膜
7、7a レジスト膜
10, 10A, 10B, 10C, 10D Solid-
12, 121, 122, 123, 124
16b Metal wiring (second layer)
16c Metal wiring (3rd layer)
17-19
Claims (30)
周期性を有する所定数の受光部毎にグループ化され、各グループに対してそれぞれ、該マイクロレンズは、該受光部毎に配置される第1マイクロレンズと、該所定数の受光部上方を覆うようにまたがる第2マイクロレンズとを有している固体撮像装置。 In a solid-state imaging device including a plurality of light receiving units arranged so that their positions are periodically different and a microlens for condensing light on each of the plurality of light receiving units,
A predetermined number of light receiving units having periodicity are grouped, and for each group, the microlens covers a first microlens arranged for each light receiving unit and above the predetermined number of light receiving units. A solid-state imaging device having a second microlens that straddles.
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