JP2008103472A - Solid-state imaging element and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CCDやCMOSイメージセンサ等において、黒レベルの基準となる光学的黒信号を取り出す光学的黒画素への光の漏れ込みを抑止できるようにした固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device capable of suppressing light leakage to an optical black pixel that extracts an optical black signal that serves as a reference for a black level in a CCD or CMOS image sensor, and an imaging device using the same. About.
近年、CCDやCMOSイメージセンサ等の固体撮像素子では、素子自体の小型化や画素の高密度化が進み、それに伴って画素が行列上に2次元配置されてなる撮像エリアの縮小化による感度低下などの特性劣化を招いている。この感度低下の対策として、固体撮像素子の撮像面に各受光部(画素)ごとにオンチップレンズを設け、このオンチップレンズの集光作用によって各受光部での集光効率を高めるようにしている(特許文献1参照)。 In recent years, in solid-state imaging devices such as CCD and CMOS image sensors, miniaturization of the device itself and higher density of pixels have progressed, and accordingly, sensitivity reduction due to reduction of an imaging area in which pixels are two-dimensionally arranged on a matrix. This causes deterioration of characteristics. As a countermeasure against this sensitivity reduction, an on-chip lens is provided for each light receiving portion (pixel) on the imaging surface of the solid-state image pickup device, and the light collection efficiency of each light receiving portion is increased by the light collecting action of this on-chip lens. (See Patent Document 1).
図4により、CMOS型固体撮像素子の撮像面の構成について説明する。
図4に示す固体撮像素子1の撮像面2には、画素信号を実際の撮像情報として用いる有効画素領域2aと、この有効画素領域2aの外周に位置し当該位置の画素信号を無効とする無効画素領域2b、この無効画素領域2bの外周に位置し当該位置の画素信号を無効とする無効OPB(オプティカルブラック)画素領域2cと、この無効OPB画素領域2cの外周に位置し当該位置の画素信号を実際のOPB(オプティカルブラック)情報として用いる有効OPB画素領域(光学的黒領域)2dと、この有効OPB画素領域2dの外周に位置し当該位置の画素信号をダミーとするダミー画素領域2eと、周辺回路形成領域2fが存在している。
このように有効OPB画素領域2dを設け、この有効OPB画素領域2d内の各画素信号である黒レベルを基準とし、この基準信号と有効画素領域2aの各画素信号との差分を取ることにより、光が入射しない状態での熱的に発生するノイズ成分、いわゆる暗電流を除去することができる。これにより、映像信号の高画質化が可能になる。なお、無効OPB画素領域2c及び有効OPB画素領域2dは、アルミニウムなどの金属からなる遮光膜によって遮光されている。
The configuration of the imaging surface of the CMOS solid-state imaging device will be described with reference to FIG.
On the imaging surface 2 of the solid-state imaging device 1 shown in FIG. 4, an effective pixel area 2a that uses a pixel signal as actual imaging information, and an invalidity that is located on the outer periphery of the effective pixel area 2a and invalidates the pixel signal at that position
By providing the effective
デジタルカメラなどの撮像装置に組み込まれた固体撮像素子においては、その撮像面に撮影像を結像するためにはレンズ等の光学システムが使用される。この場合、光学システムを通ってきた光の入射角度が変化する。特に撮像面の画角中央と周辺では光の入射角度が異なる。すなわち、図5に示すように、カメラレンズ4の中心を通る主光線5は固体撮像素子1の撮像面2の中央に結像されるが、周辺光線6は撮像面の周辺領域に結像され、そして撮像面に対する光の入射角度は、撮像面2の中央から周辺に行くにしたがって大きくなる。さらに、固体撮像素子の撮像面から射出瞳までの射出瞳距離が短くF値が小さくなると、周辺光の入射角度が更に大きくなる。例えば、F値が1.8程度のカメラレンズを使用した場合には、周辺光の入射角度は35度となる。
In a solid-state imaging device incorporated in an imaging device such as a digital camera, an optical system such as a lens is used to form a captured image on the imaging surface. In this case, the incident angle of light passing through the optical system changes. In particular, the incident angle of light differs between the center of the field angle and the periphery of the imaging surface. That is, as shown in FIG. 5, the principal ray 5 passing through the center of the camera lens 4 is imaged in the center of the imaging surface 2 of the solid-state imaging device 1, but the
一方、固体撮像素子の撮像面に対する光の入射角度が撮像面の中央から周辺に行くにしたがい大きくなると、各画素のオンチップレンズによる受光部への集光効率が撮像面の周辺に行くにしたがい低下し感度が低下してしまう。
そこで、従来の撮像面の有効画素領域におけるオンチップレンズによる受光部への集光効率を均一化するための画素の素子構造及び有効OPB画素領域の画素の素子構造について図6を参照して説明する。
On the other hand, when the incident angle of light with respect to the imaging surface of the solid-state imaging device increases from the center of the imaging surface to the periphery, the light collection efficiency by the on-chip lens of each pixel toward the periphery of the imaging surface increases. The sensitivity is lowered.
Therefore, an element structure of a pixel and a pixel structure of a pixel in an effective OPB pixel area for equalizing the light collection efficiency to the light receiving unit by the on-chip lens in the effective pixel area of the conventional imaging surface will be described with reference to FIG. To do.
図6(A)は、図4に示す有効画素領域2aの中央に位置する画素の素子構造を示すもので、シリコン基板10の表層部にフォトダイオードPDが形成されているとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部FDが形成されている。また、シリコン基板10の表面上であって、フォトダイオードPDとフローティングデフュージョン部FD間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜11を介して転送トランジスタ12のゲート電極13が形成されている。そして、フォトダイオードPD及び転送トランジスタ12は画素ごとに素子分離層(LOCOS)14により個々に分離されている。さらに、シリコン基板10の表面上には、層間絶縁層15を介して金属配線16,17,18が3層に設けられ、その上に平坦化膜(パッシベーション膜)等を介してカラーフィルタ20及びオンチップレンズ21が配置されている。
また、有効画素領域2aの中央に位置する画素のオンチップレンズ21は、入射角度が0度の光線22aの軸線上に光軸を一致して配置され、金属配線16,17,18は光線22aの軸線と直交する方向に層間絶縁層15を介して配置されている。また、フォトダイオードPDの上方に設けられた金属配線16,17,18は、オンチップレンズ21により集光された光線22aがフォトダイオードPDに導くための受光用開口部23aが維持されるようにフォトダイオードPDと直交する方向に配列される。
FIG. 6A shows an element structure of a pixel located in the center of the effective pixel region 2a shown in FIG. 4, and a photodiode PD is formed on the surface layer portion of the
Further, the on-
図6(B)は、図4に示す有効画素領域2aの外周に位置する画素の素子構造を示すもので、有効画素領域2aの画素の素子構造と同様に、シリコン基板10の表層部に形成されたフォトダイオードPDを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部FDが形成され、さらに、シリコン基板10の表面上のフォトダイオードPDとフローティングデフュージョン部FD間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜11を介して転送トランジスタ12のゲート電極13が形成されている。そして、フォトダイオードPD及び転送トランジスタ12は画素ごとに素子分離層14により個々に分離されている。また、シリコン基板10の表面上には、層間絶縁層15を介して金属配線16,17,18が3層に設けられ、その上に平坦化膜等を介してカラーフィルタ20及びオンチップレンズ21が配置されている。
また、有効画素領域2aの周辺に位置する画素のオンチップレンズ21は、傾斜する光線22bの入射角度に対応して有効画素領域2aの中心に近づく方向にずらして配置されている。また、フォトダイオードPDの上方に設けられた金属配線16,17,18は、オンチップレンズ21により集光された光線22bがフォトダイオードPDに導くための受光用開口部23bが維持されるように傾斜する光線22bに沿いフォトダイオードPDからカラーフィルタ20に向かって有効画素領域2aの中心に近づく方向にずらして配列されている。
なお、有効画素領域2aにおける光線22bの入射角度は、有効画素領域2aの中央から外周に行くにしたがい大きくなる。
FIG. 6B shows the element structure of the pixel located on the outer periphery of the effective pixel region 2a shown in FIG. 4, and is formed on the surface layer portion of the
Further, the on-
Note that the incident angle of the
図6(C)は、図4に示す無効画素領域2bに位置する画素の素子構造を示すもので、有効画素領域2aの画素の素子構造と同様に、シリコン基板10の表層部に形成されたフォトダイオードPDを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部FDが形成され、さらに、シリコン基板10の表面上のフォトダイオードPDとフローティングデフュージョン部FD間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜11を介して転送トランジスタ12のゲート電極13が形成されている。そして、フォトダイオードPD及び転送トランジスタ12は画素ごとに素子分離層14により個々に分離されている。また、シリコン基板10の表面上には、層間絶縁層15を介して金属配線16,17,18が3層に設けられ、その上に平坦化膜等を介してカラーフィルタ20及びオンチップレンズ21が配置されている。
また、無効画素領域2bに位置する画素のオンチップレンズ21は、傾斜する光線22cの入射角度に対応して有効画素領域2aの中心に近づく方向にずらして配置されている。また、フォトダイオードPDの上方に設けられた金属配線16,17,18は、オンチップレンズ21により集光された光線22aがフォトダイオードPDに導くための受光用開口部23aが維持されるように傾斜する光線22cに沿いフォトダイオードPDからカラーフィルタ20に向かって有効画素領域2aの中心に近づく方向にずらして配列されている。
FIG. 6C shows the element structure of the pixel located in the
Further, the on-
図6(D)は、図4に示す有効OPB画素領域2dに位置する画素の素子構造を示すもので、有効画素領域2aの画素の素子構造と同様に、シリコン基板10の表層部に形成されたフォトダイオードPDを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部FDが形成され、さらに、シリコン基板10の表面上のフォトダイオードPDとフローティングデフュージョン部FD間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜11を介して転送トランジスタ12のゲート電極13が形成されている。そして、フォトダイオードPD及び転送トランジスタ12は画素ごとに素子分離層14により個々に分離されている。また、シリコン基板10の表面上には、層間絶縁層15を介して金属配線16,17と遮光膜を兼ねた金属配線18が3層に設けられ、その上に平坦化膜19等を介してカラーフィルタ20が配置されている。また、フォトダイオードPDの上方に設けられた金属配線16,17,18は、フォトダイオードPDから上方へ行くにしたがい有効画素領域2aの中心に近づく方向にずらして配置されている。なお、有効OPB画素領域2dのフォトダイオードPDは、カメラレンズを透過した光が入射されないように遮光膜を兼ねた金属配線18によって遮光される。
このような従来の固体撮像素子においては、図6(C)に示すように、無効画素領域2bの画素のオンチップレンズ21を通してフォトダイオードPDに入射する光線22cの一部が金属配線16,17,18によって乱反射され、その乱反射する一部の光22c1が隣接する有効OPB画素領域2dに入射し、さらに、有効OPB画素領域2dの金属配線16,17,18で反射された光線22c2は、図6(D)に示すように、有効OPB画素領域2dのフォトダイオードPDに到達し、光電変換される。その結果、暗電流成分以外の信号電荷が発生して、黒レベルの基準を狂わせてしまう。
このように黒レベルの基準を狂った場合には、有効OPB画素領域2dの画素信号は、有効画素領域2aの画素信号よりもレベルが低下することになる。この状態での撮影画像は、その一部に黒筋が走ったようになり、不自然な画像になるとともに画質を低下させてしまう。
In such a conventional solid-state imaging device, as shown in FIG. 6C, a part of the
In this way, when the black level reference is violated, the pixel signal of the effective
有効OPB画素領域2dの画素に無効画素領域2bから光が漏れこむ要因の1つに画素サイズの微細化がある。すなわち、半導体装置の製造で使用されている微細加工技術を用いることで固体撮像素子の金属配線等の細線加工が可能になり、画素サイズの微細化を実現できるが、画素サイズの微細化と加工技術の微細化は正比例しない場合があり、その結果として、画素サイズの微細化時に有効画素領域2aの開口部の割合が小さくなってしまう。このため、固体撮像素子の撮像面に照射された光は、画素サイズの微細化に比例して金属配線で反射される割合が多くなる。
また、固体撮像素子における撮像面の中央と周辺では光の入射角度が違うため、入射光がフォトダイオードに集光されるようにオンチップレンズの位置をずらし、かつ、オンチップレンズで集光された光が金属配線の開口部を通過できるように配線パターンをレイアウトしている。
しかしながら、固体撮像素子の撮像面上にカメラレンズにより集光された光の入射角度は、撮像面の中央から周辺に行くにしたがい大きくなるため、画素ごとにオンチップレンズで集光される光の多くは開口部を通してフォトダイオードに到達するが、光の入射角度が大きくなるに比例して金属配線により反射される光の割合が多くなり、これに起因して有効OPB画素から出力される黒基準信号が劣化し、画像の劣化を招くという問題があった。
One of the factors that cause light to leak from the
In addition, since the incident angle of light is different between the center and the periphery of the imaging surface in the solid-state imaging device, the position of the on-chip lens is shifted so that the incident light is focused on the photodiode, and the on-chip lens is focused. The wiring pattern is laid out so that the transmitted light can pass through the opening of the metal wiring.
However, since the incident angle of the light collected by the camera lens on the imaging surface of the solid-state imaging device increases from the center of the imaging surface to the periphery, the light collected by the on-chip lens for each pixel Most of the light reaches the photodiode through the opening, but the proportion of the light reflected by the metal wiring increases in proportion to the increase in the incident angle of the light, resulting in the black reference output from the effective OPB pixel. There was a problem that the signal deteriorated and the image deteriorated.
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、その目的は、隣接また近傍の画素からOPB画素への光の漏れ込みを抑止して、黒レベルの狂いを防止するとともに高画質の画像信号を得ることができる固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to prevent the black level from being distorted by suppressing light leakage from adjacent or neighboring pixels to the OPB pixel. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of obtaining a high-quality image signal and an imaging device using the same.
上記目的を達成するために本発明にかかる固体撮像素子は、半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が2次元アレイ状に配列され該画素の信号が有効な画素信号として用いられる有効画素領域と、前記有効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効画素領域と、前記無効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が遮光された状態で配列され該画素の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック画素領域と、それら画素領域の前記半導体基板上に各画素の前記光電変換素子ごとに撮像光線を導くための受光用開口部が確保されるように画素の配列方向に絶縁層を介して複数層に設けられた配線と、前記有効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第1オンチップレンズと、前記無効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第2オンチップレンズとを備え、前記第1オンチップレンズは、前記有効画素領域の中心部から周辺部に行くにしたがい大きくなる前記有効画素領域への前記撮像光線の入射角度に対応して前記有効画素領域の画素ごとに該有効画素領域の中心部に近づく方向にずらして配置され、前記有効画素領域の前記複数層の配線は、前記受光用開口部が維持されたまま前記光電変換素子から前記第1オンチップレンズに向かって前記有効画素領域の中心に近づく方向に前記撮像光線の入射角度に対応してずらして配列され、前記無効画素領域の前記複数層の配線は、前記光電変換素子から前記第2オンチップレンズに向かって前記無効画素領域の前記受光用開口部が光電変換素子に対し直交する方向に延在するように配置されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, in a solid-state imaging device according to the present invention, a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a gate element are arranged in a two-dimensional array on a semiconductor substrate, and the signal of the pixel is used as an effective pixel signal. An invalid pixel in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a gate element are arranged on the semiconductor substrate and arranged on the outer periphery of the effective pixel area, and the signal of the pixel is an invalid pixel signal that is not valid An optical black in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a gate element are arranged on the semiconductor substrate in a state of being shielded from light, and a signal of the pixel is used as a black level reference. The pixel arrangement and the light receiving opening for guiding the imaging light beam for each photoelectric conversion element of each pixel are secured on the semiconductor substrate of the pixel area. Wiring provided in a plurality of layers with an insulating layer in the direction and the wiring including the insulating layer in the effective pixel region arranged for each pixel above the imaging light beam to the photoelectric conversion element and the light receiving opening A first on-chip lens that condenses through the unit, and is arranged for each pixel above the wiring including the insulating layer in the invalid pixel region, and condenses the imaging light beam through the light receiving opening through the photoelectric conversion element. A second on-chip lens that corresponds to an incident angle of the imaging light beam to the effective pixel region that increases with increasing distance from the center to the periphery of the effective pixel region. The pixels in the effective pixel region are arranged so as to be shifted in a direction approaching the central portion of the effective pixel region, and the plurality of layers of wiring in the effective pixel region have the light receiving openings maintained therein. The plurality of layers of wiring in the invalid pixel region are arranged in a direction approaching the center of the effective pixel region from the electrical conversion element toward the first on-chip lens in correspondence with the incident angle of the imaging light beam. The light receiving opening of the invalid pixel region is arranged so as to extend in a direction orthogonal to the photoelectric conversion element from the photoelectric conversion element toward the second on-chip lens.
また、本発明の撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子に被写体からの入射光を導く光学系と、前記固体撮像素子からの出力信号を処理する信号処理回路とを備え、前記固体撮像素子は、半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が2次元アレイ状に配列され該画素の信号が有効な画素信号として用いられる有効画素領域と、前記有効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効画素領域と、前記無効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が遮光された状態で配列され該画素の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック画素領域と、それら画素領域の前記半導体基板上に各画素の前記光電変換素子ごとに撮像光線を導くための受光用開口部が確保されるように画素の配列方向に絶縁層を介して複数層に設けられた配線と、前記有効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第1オンチップレンズと、前記無効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第2オンチップレンズとを備え、前記第1オンチップレンズは、前記有効画素領域の中心部から周辺部に行くにしたがい大きくなる前記有効画素領域への前記撮像光線の入射角度に対応して前記有効画素領域の画素ごとに該有効画素領域の中心部に近づく方向にずらして配置され、前記有効画素領域の前記複数層の配線は、前記受光用開口部が維持されたまま前記光電変換素子から前記第1オンチップレンズに向かって前記有効画素領域の中心に近づく方向に前記撮像光線の入射角度に対応してずらして配列され、前記無効画素領域の前記複数層の配線は、前記光電変換素子から前記第2オンチップレンズに向かって前記無効画素領域の前記受光用開口部が光電変換素子に対し直交する方向に延在するように配置されていることを特徴とする。 The image pickup apparatus of the present invention includes a solid-state image pickup device, an optical system that guides incident light from a subject to the solid-state image pickup device, and a signal processing circuit that processes an output signal from the solid-state image pickup device. The imaging element includes an effective pixel area in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a gate element are arranged in a two-dimensional array on a semiconductor substrate, and a signal of the pixel is used as an effective pixel signal, and an outer periphery of the effective pixel area. A plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a gate element are arranged on the semiconductor substrate and an invalid pixel region in which the signal of the pixel is an invalid pixel signal is not valid, and is positioned on the outer periphery of the invalid pixel region An optical black pixel region in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a gate element are arranged in a light-shielded state on the semiconductor substrate, and a signal of the pixel is used as a black level reference; Provided in a plurality of layers through an insulating layer in the pixel array direction so that a light receiving opening for guiding the imaging light beam for each photoelectric conversion element of each pixel is secured on the semiconductor substrate in the pixel region. A first on-chip lens that is disposed for each pixel above the wiring including the insulating layer in the effective pixel region and collects the imaging light beam on the photoelectric conversion element through the light receiving opening, A second on-chip lens that is disposed for each pixel above the wiring including the insulating layer in the invalid pixel region and collects the imaging light beam on the photoelectric conversion element through the light receiving opening. One on-chip lens corresponds to the effective pixel area for each pixel in the effective pixel area corresponding to the incident angle of the imaging light beam to the effective pixel area that increases as it goes from the center to the periphery of the effective pixel area. The plurality of layers of wiring in the effective pixel region are arranged so as to approach the center of the elementary region, and the light receiving opening is maintained from the photoelectric conversion element toward the first on-chip lens. The multiple layers of wiring in the invalid pixel region are arranged in a direction approaching the center of the effective pixel region in accordance with the incident angle of the imaging light beam, and are directed from the photoelectric conversion element to the second on-chip lens. The light receiving opening of the invalid pixel region is arranged so as to extend in a direction orthogonal to the photoelectric conversion element.
本発明にかかる固体撮像素子及び撮像装置によれば、有効画素領域の周辺にオプティカルブラック画素領域に隣接する無効画素領域を設け、この無効画素領域における複数層の配線を、光電変換素子から第2オンチップレンズに向かって無効画素領域の受光用開口部が光電変換素子に対し直交する方向に延在するように配置する構成にしたので、この無効画素領域の配線で入射光が乱反射されても、その乱反射光がオプティカルブラック画素領域のオプティカルブラック画素へ漏れ込むのを防止もしくは抑止することができ、これにより黒レベルの狂いを防止できるとともに高画質の画像信号を得ることができる。 According to the solid-state imaging device and the imaging apparatus according to the present invention, the invalid pixel region adjacent to the optical black pixel region is provided around the effective pixel region, and the plurality of layers of wiring in the invalid pixel region are connected to the second from the photoelectric conversion device. Since the light receiving opening in the invalid pixel area is arranged so as to extend in a direction orthogonal to the photoelectric conversion element toward the on-chip lens, even if incident light is irregularly reflected by the wiring in the invalid pixel area Therefore, it is possible to prevent or suppress the irregular reflection light from leaking into the optical black pixel in the optical black pixel region, thereby preventing the black level from being distorted and obtaining a high-quality image signal.
(実施の形態1)
以下、本発明にかかる固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置について図面を参照して説明する。
図1は本発明の実施の形態1における有効画素領域及びOPB画素領域を含む固体撮像素子の概略構成図、図2は本実施の形態1における固体撮像素子の各画素領域における画像の素子構造を示す説明図、図3は本実施の形態1に示す固体撮像素子を用いた撮像装置の全体の構成を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a solid-state imaging device and an imaging apparatus using the same according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging device including an effective pixel region and an OPB pixel region in Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 shows an element structure of an image in each pixel region of the solid-state imaging device in Embodiment 1. FIG. 3 is a block diagram showing the overall configuration of the imaging apparatus using the solid-state imaging device shown in the first embodiment.
図1に示した固体撮像素子30の撮像面31には、複数の画素が2次元アレイ状に配列され該画素の信号が有効な画素信号として用いられる有効画素領域32と、この有効画素領域32の外周に位置して複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効画素領域33と、この無効画素領域33の外周に位置して複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効OPB(オプティカルブラック)画素領域34と、この無効OPB画素領域34の外周に位置して複数の画素が遮光された状態で配列され該画素の信号が黒レベルの基準として用いられる(OPB情報)有効OPB画素領域(光学的黒領域)35と、この有効OPB画素領域35の外周に位置して複数画素が配列され該画素の信号がダミーとされるダミー画素領域36と、周辺回路形成領域37が存在している。
On the imaging surface 31 of the solid-state imaging device 30 shown in FIG. 1, an effective pixel region 32 in which a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional array and signals of the pixels are used as effective pixel signals, and the effective pixel region 32. An
有効画素領域32の中央に位置する画素321は、図2(A)に示す素子構造の画素を備えている。この画素321は、図2(A)に示すように、シリコン基板41の表層部にフォトダイオードPD(特許請求の範囲に記載した光電変換素子に相当する)が形成されているとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部FDが形成されている。また、シリコン基板41の表面上であって、フォトダイオードPDとフローティングデフュージョン部FD間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜42を介して転送トランジスタ43(特許請求の範囲に記載したゲート素子に相当する)のゲート電極44が形成されている。そして、フォトダイオードPD及び転送トランジスタ43は画素ごとに素子分離層(LOCOS)45により個々に分離されている。さらに、シリコン基板41の表面上には、層間絶縁層46を介して金属配線47,48,49が3層に設けられ、その上に平坦化膜(パッシベーション膜)等を介してカラーフィルタ51及びオンチップレンズ52が配置されている。
A
有効画素領域32の中央に位置する画素321のカラーフィルタ51とオンチップレンズ52は、フォトダイオードPDの中心を通る軸線と一致する入射角度が0度の撮像光線53aの軸線上に光軸を一致して配置される。また、金属配線47,48,49は、オンチップレンズ52により集光された撮像光線53aをフォトダイオードPDに導くための受光用開口部54aがフォトダイオードPDに対し直交する方向に延在し、かつ、該方向が維持されるようにフォトダイオードPDからオンチップレンズ52に向かって画素321の行方向または列方向に沿い3層に配列される。
The
有効画素領域32の周辺にある画素322は、図2(B)に示す素子構造の画素を備えている。この画素322は、有効画素領域32の画素321の素子構造と同様に、シリコン基板41の表層部に形成されたフォトダイオードPDを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部FDが形成され、さらに、シリコン基板41の表面上のフォトダイオードPDとフローティングデフュージョン部FD間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜42を介して転送トランジスタ43のゲート電極44が形成されている。そして、フォトダイオードPD及び転送トランジスタ43は画素ごとに素子分離層45により個々に分離されている。また、シリコン基板10の表面上には、層間絶縁層46を介して金属配線47,48,49が3層に設けられ、その上に平坦化膜等を介してカラーフィルタ51及びオンチップレンズ52が配置されている。
A
有効画素領域32の周辺にある画素322のカラーフィルタ51とオンチップレンズ52は、有効画素領域32の周辺側へ大きな入射角度で傾斜する撮像光線53bの入射角度に対応して有効画素領域32の中心に近づく方向にずらして配置される。この場合、図2(B)に示すように、オンチップレンズ52のずれ量はカラーフィルタ51のずれ量より大きく設定されている。
また、金属配線47,48,49は、オンチップレンズ52により集光された撮像光線52aをフォトダイオードPDに導くための受光用開口部54bが維持されるように配置され、さらに、この金属配線47,48,49は、受光用開口部54bが傾斜する撮像光線53bに沿って延在するようにフォトダイオードPDからオンチップレンズ52に向かって有効画素領域32の中心に近づく方向にずらして画素321の行方向または列方向に沿い3層に配列される。この場合、金属配線47,48,49のずれ量は上層に行くほど大きくなる。
なお、図2の(A)と(B)は有効画素領域32の中央部の画素321と周辺の画素322について示しているが、この中央部の画素321と周辺の画素322との間に存在する各画素に対する撮像光線の入射角度は中央部の画素321と周辺の画素322側へ行くに従い大きくなり、この入射角度に対応してオンチップレンズ52及び金属配線47,48,49の有効画素領域32の中心方向へのずれ量も変化する。
The
The metal wirings 47, 48, and 49 are arranged so as to maintain the
2A and 2B show the
無効画素領域33の画素331は、図2(C)に示す素子構造の画素を備えている。この画素331は、有効画素領域32の画素321の素子構造と同様に、シリコン基板41の表層部に形成されたフォトダイオードPDを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部FDが形成され、さらに、シリコン基板41の表面上のフォトダイオードPDとフローティングデフュージョン部FD間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜42を介して転送トランジスタ43のゲート電極44が形成されている。そして、フォトダイオードPD及び転送トランジスタ43は画素ごとに素子分離層45により個々に分離されている。また、シリコン基板10の表面上には、層間絶縁層46を介して金属配線47,48,49が3層に設けられ、その上に平坦化膜等を介してカラーフィルタ51及びオンチップレンズ52が配置されている。
The
無効画素領域33における画素331のオンチップレンズ52は、フォトダイオードPDの中心を通る軸線と一致する軸線上に光軸を一致して配置される。この場合、画素331の信号は無効の画素信号として取り扱われるので、オンチップレンズ52に入射される撮像光線53cが効率よくフォトダイオードPDに集光される必要がないため、撮像光線53cの入射角度とオンチップレンズ52の配置関係は任意である。
また、この実施の形態に示す無効画素領域33の金属配線47,48,49は、これら金属配線で乱反射された撮像光線53cの一部が隣接する有効OPB画素領域35の画素351内に漏れ込まない配線パターンにレイアウトされている。すなわち、金属配線47,48,49は、オンチップレンズ52により集光された撮像光線53aをフォトダイオードPDに導くための受光用開口部54cがフォトダイオードPDに対し直交する方向に延在し、かつ、該方向が維持されるようにフォトダイオードPDからオンチップレンズ52に向かって画素331の行方向または列方向に沿い3層に配列される。
The on-
Further, in the
有効OPB画素領域35の画素351は、図2(D)に示す素子構造の画素を備えている。この画素351は、有効画素領域32の画素321の素子構造と同様に、シリコン基板41の表層部に形成されたフォトダイオードPDを有するとともに、その近傍にフローティングデフュージョン部FDが形成され、さらに、シリコン基板41の表面上のフォトダイオードPDとフローティングデフュージョン部FD間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜42を介して転送トランジスタ43のゲート電極44が形成されている。そして、フォトダイオードPD及び転送トランジスタ43は画素ごとに素子分離層45により個々に分離されている。また、シリコン基板10の表面上には、層間絶縁層46を介して金属配線47,48,49が3層に設けられ、その上に平坦化膜等を介してカラーフィルタ51が配置されている。
A
有効OPB画素領域35の画素351において、その金属配線47,48,49は、フォトダイオードPDに対応して形成された受光用開口部54dがフォトダイオードPDに対し直交する方向に延在し、かつ、該方向が維持されるようにフォトダイオードPDからオンチップレンズ52に向かって画素351の行方向または列方向に3層に配列される。
そして、最上層の金属配線49は、固体撮像素子30の撮像面31にカメラレンズ等の光学系により結像された光が入射されないように遮光する遮光膜を兼ねている。
In the
The
このように構成された固体撮像素子30において、その撮像面31にカメラレンズ等の光学系により被写体の光の像が結ばれると、この撮像光線は、図2(A)、(B)に示すように、有効画素領域32の画素を構成するオンチップレンズ52により集光され、カラーフィルタ51を通してフォトダイオードPDに入射させる。フォトダイオードPDで生成された信号電荷は転送トランジスタによりフローティングデフュージョン部に転送され、このフローティングデフュージョン部の電位変動を増幅トランジスタにより検出し、これを電気信号に変換した後、この電気信号は有効な画素信号として、図示省略の信号処理部に出力して、所定の画像処理を行う。
また、無効画素領域33に入射された画像光線53cは、図2(B)に示すように、オンチップレンズ52により集光され、カラーフィルタ51を通してフォトダイオードPDに入射させる。フォトダイオードPDで生成された信号電荷は転送トランジスタによりフローティングデフュージョン部に転送され、このフローティングデフュージョン部の電位変動を増幅トランジスタにより検出し、電気信号に変換する。そして、この電気信号は有効ではない無効の画素信号として処理される。
In the solid-state imaging device 30 configured as described above, when an image of the light of the subject is formed on the imaging surface 31 by an optical system such as a camera lens, the imaging light rays are shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B). As described above, the light is collected by the on-
Further, the
一方、無効画素領域33に入射された画像光線53cは、オンチップレンズ52により集光され、カラーフィルタ51を通してフォトダイオードPDに入射させるが、この画素331の金属配線47,48,49は、受光用開口部54cがフォトダイオードPDに対し直交する方向に延在し、かつ、該方向が維持されるようにフォトダイオードPDからオンチップレンズ52に向かって3層に配列されているため、オンチップレンズ52により集光された入射光の金属配線47,48,49によるケラレ量が減少するとともに、金属配線47,48,49で反射された一部の光53c1は、図2(C)に示すように、フォトダイオードPDに戻される。また、金属配線47,48,49により画素331の外側へ向けて反射された一部の光53c2は、図2(C)及び(D)に示すように、隣接する有効OPB画素領域35の画素351内に漏れ込むことがなくなり、有効OPB画素領域35に漏れ込む光を抑制することができる。
On the other hand, the
このような本実施の形態1によれば、固体撮像素子30における有効画素領域32の周辺に、有効OPB画素領域35に隣接する無効画素領域33を設け、この無効画素領域33における複数層の配線47,48,49を、フォトダイオードPDからオンチップレンズ52に向かって無効画素領域33の受光用開口部54cがフォトダイオードPDに対し直交する方向に延在するように配置したので、有効OPB画素領域35に隣接する無効画素領域33の配線47,48,49により入射光が乱反射されても、その乱反射光が有効OPB画素領域35のOPB画素へ漏れ込むのを防止もしくは抑止することができ、しかも、固体撮像素子30の撮像面に対するカメラレンズ等の光学系からの光入射角度が変化しても、有効OPB画素領域35への光の乱反射によるOPB画素信号のノイズ増加もなくなり、これにより、黒レベルの狂いを防止できるとともに高画質の画像信号を得ることができる。
According to the first embodiment as described above, the
また、この実施の形態における無効OPB画素領域34は、その画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされるため、この無効OPB画素領域34の画素に隣接する無効画素領域33から金属配線などの乱反射光が漏れ込んでも、これが画像信号に画質低下などの悪影響を及ぼすことがない。
また、この実施の形態においては、ダミー画素領域36を備えることにより、その画素の信号が固体撮像素子のダミー信号として利用することができる。
また、この実施の形態においては、有効OPB画素領域35の複数層の配線47,48,49が、フォトダイオードPDから配線の積層方向に向かって、その受光用開口部54dがフォトダイオードPDに対し直交する方向に延在するように配置したので、隣接する画素領域からの漏れ光の侵入を抑制することができる。
In addition, the invalid
In this embodiment, by providing the dummy pixel region 36, the signal of the pixel can be used as a dummy signal of the solid-state imaging device.
In this embodiment, the plurality of layers of
(実施の形態2)
次に、本実施の形態1に示した固体撮像素子を動画撮影可能なビデオカメラや携帯電話に内蔵されるカメラ等の撮像装置に適用した場合の例について図3を参照して説明する。
図3において、撮像装置60は、固体撮像素子61と、この固体撮像素子61に被写体からの入射光を導く光学系62と、固体撮像素子61からの出力信号を処理する信号処理回路63と、固体撮像素子61を駆動する駆動回路64などを備える構成になっている。
この撮像装置60において、固体撮像素子61には、前記実施の形態1にかかる固体撮像素子30が使用される。
(Embodiment 2)
Next, an example in which the solid-state imaging device described in Embodiment 1 is applied to an imaging device such as a video camera capable of shooting a moving image or a camera built in a mobile phone will be described with reference to FIG.
In FIG. 3, an imaging device 60 includes a solid-
In the imaging device 60, the solid-state imaging device 30 according to the first embodiment is used as the solid-
駆動回路64は、固体撮像素子61の転送動作および固体撮像素子61に内蔵されたシャッタ装置(図示せず)のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。また、駆動回路63から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像素子61の電荷転送を行う。信号処理回路63は、ビデオカメラや携帯電話などに応じた各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体(図示省略)に記憶され、あるいは図示省略のモニタに出力され、映像が表示される。
The
このような撮像装置によれば、上述した実施の形態1にかかる固体撮像素子を用いることにより、無効画素領域の配線で入射光が乱反射されても、その乱反射光がオプティカルブラック画素領域のオプティカルブラック画素へ漏れ込むのを防止もしくは抑止することができ、これにより黒レベルの狂いを防止できるとともに高画質の画像信号を得ることができるほか、高画質の撮像装置を提供できる。 According to such an imaging apparatus, by using the solid-state imaging device according to the first embodiment described above, even if incident light is irregularly reflected by the wiring in the invalid pixel region, the irregularly reflected light is optical black in the optical black pixel region. Leakage into the pixel can be prevented or suppressed, whereby black level deviation can be prevented and a high-quality image signal can be obtained, and a high-quality imaging device can be provided.
30……固体撮像素子、31……撮像面、32……有効画素領域、33……無効画素領域、34……無効OPB画素領域、35……有効OPB画素領域、36……ダミー画素領域、321,331,351,322……画素、PD……フォトダイオード、FP……フローティングデフュージョン部、41……シリコン基板、43……転送トランジスタ、44……ゲート電極、45……素子分離層、46……層間絶縁層、47,48,49……金属配線、50……平坦化膜、51……カラーフィルタ、52……オンチップレンズ、60……撮像装置、61……固体撮像素子、62……光学系、63……信号処理回路、64……駆動回路。
30... Solid imaging device 31. Imaging surface 32.
Claims (10)
前記有効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効画素領域と、
前記無効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が遮光された状態で配列され該画素の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック画素領域と、
それら画素領域の前記半導体基板上に各画素の前記光電変換素子ごとに撮像光線を導くための受光用開口部が確保されるように画素の配列方向に絶縁層を介して複数層に設けられた配線と、
前記有効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第1オンチップレンズと、
前記無効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第2オンチップレンズとを備え、
前記第1オンチップレンズは、前記有効画素領域の中心部から周辺部に行くにしたがい大きくなる前記有効画素領域への前記撮像光線の入射角度に対応して前記有効画素領域の画素ごとに該有効画素領域の中心部に近づく方向にずらして配置され、
前記有効画素領域の前記複数層の配線は、前記受光用開口部が維持されたまま前記光電変換素子から前記第1オンチップレンズに向かって前記有効画素領域の中心に近づく方向に前記撮像光線の入射角度に対応してずらして配列され、
前記無効画素領域の前記複数層の配線は、前記光電変換素子から前記第2オンチップレンズに向かって前記無効画素領域の前記受光用開口部が光電変換素子に対し直交する方向に延在するように配置されている、
ことを特徴とする固体撮像素子。 An effective pixel region in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a gate element are arranged in a two-dimensional array on a semiconductor substrate, and a signal of the pixel is used as an effective pixel signal;
A plurality of pixels arranged on the outer periphery of the effective pixel region and including a photoelectric conversion element and a gate element on the semiconductor substrate, and an invalid pixel region in which the signal of the pixel is an invalid pixel signal;
An optical black pixel region that is arranged on the outer periphery of the invalid pixel region and is arranged in a state where a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a gate element are shielded from light on the semiconductor substrate, and a signal of the pixel is used as a black level reference; ,
Provided in a plurality of layers through an insulating layer in the pixel array direction so as to secure a light receiving opening for guiding the imaging light beam for each photoelectric conversion element of each pixel on the semiconductor substrate in the pixel region. Wiring and
A first on-chip lens that is arranged for each pixel above the wiring including the insulating layer in the effective pixel region and collects the imaging light beam to the photoelectric conversion element through the light receiving opening;
A second on-chip lens that is arranged for each pixel above the wiring including the insulating layer in the invalid pixel region and collects the imaging light beam to the photoelectric conversion element through the light receiving opening,
The first on-chip lens is effective for each pixel in the effective pixel region corresponding to an incident angle of the imaging light beam to the effective pixel region that increases as it goes from the center to the periphery of the effective pixel region. Arranged in a direction approaching the center of the pixel area,
The plurality of layers of wirings in the effective pixel region are arranged so that the imaging light beam is in a direction approaching the center of the effective pixel region from the photoelectric conversion element toward the first on-chip lens while maintaining the light receiving opening. It is arranged by shifting according to the incident angle,
The plurality of layers of wiring in the invalid pixel region extend in a direction in which the light receiving opening in the invalid pixel region is orthogonal to the photoelectric conversion element from the photoelectric conversion element toward the second on-chip lens. Located in the
A solid-state imaging device.
前記固体撮像素子に被写体からの入射光を導く光学系と、
前記固体撮像素子からの出力信号を処理する信号処理回路とを備え、
前記固体撮像素子は、
半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が2次元アレイ状に配列され該画素の信号が有効な画素信号として用いられる有効画素領域と、
前記有効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が配列され該画素の信号が有効ではない無効の画素信号とされる無効画素領域と、
前記無効画素領域の外周に位置して前記半導体基板に光電変換素子とゲート素子を含む複数の画素が遮光された状態で配列され該画素の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック画素領域と、
それら画素領域の前記半導体基板上に各画素の前記光電変換素子ごとに撮像光線を導くための受光用開口部が確保されるように画素の配列方向に絶縁層を介して複数層に設けられた配線と、
前記有効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第1オンチップレンズと、
前記無効画素領域の前記絶縁層を含む前記配線の上方に各画素ごとに配置され前記撮像光線を前記光電変換素子に前記受光用開口部を通して集光する第2オンチップレンズとを備え、
前記第1オンチップレンズは、前記有効画素領域の中心部から周辺部に行くにしたがい大きくなる前記有効画素領域への前記撮像光線の入射角度に対応して前記有効画素領域の画素ごとに該有効画素領域の中心部に近づく方向にずらして配置され、
前記有効画素領域の前記複数層の配線は、前記受光用開口部が維持されたまま前記光電変換素子から前記第1オンチップレンズに向かって前記有効画素領域の中心に近づく方向に前記撮像光線の入射角度に対応してずらして配列され、
前記無効画素領域の前記複数層の配線は、前記光電変換素子から前記第2オンチップレンズに向かって前記無効画素領域の前記受光用開口部が光電変換素子に対し直交する方向に延在するように配置されている、
ことを特徴とする撮像装置。 A solid-state image sensor;
An optical system for guiding incident light from a subject to the solid-state imaging device;
A signal processing circuit for processing an output signal from the solid-state imaging device,
The solid-state imaging device is
An effective pixel region in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a gate element are arranged in a two-dimensional array on a semiconductor substrate, and a signal of the pixel is used as an effective pixel signal;
A plurality of pixels arranged on the outer periphery of the effective pixel region and including a photoelectric conversion element and a gate element on the semiconductor substrate, and an invalid pixel region in which the signal of the pixel is an invalid pixel signal;
An optical black pixel region that is arranged on the outer periphery of the invalid pixel region and is arranged in a state where a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a gate element are shielded from light on the semiconductor substrate, and a signal of the pixel is used as a black level reference; ,
Provided in a plurality of layers through an insulating layer in the pixel array direction so as to secure a light receiving opening for guiding the imaging light beam for each photoelectric conversion element of each pixel on the semiconductor substrate in the pixel region. Wiring and
A first on-chip lens that is arranged for each pixel above the wiring including the insulating layer in the effective pixel region and collects the imaging light beam to the photoelectric conversion element through the light receiving opening;
A second on-chip lens that is arranged for each pixel above the wiring including the insulating layer in the invalid pixel region and collects the imaging light beam to the photoelectric conversion element through the light receiving opening,
The first on-chip lens is effective for each pixel in the effective pixel region corresponding to an incident angle of the imaging light beam to the effective pixel region that increases as it goes from the center to the periphery of the effective pixel region. Arranged in a direction approaching the center of the pixel area,
The plurality of layers of wirings in the effective pixel region are arranged so that the imaging light beam is in a direction approaching the center of the effective pixel region from the photoelectric conversion element toward the first on-chip lens while maintaining the light receiving opening. It is arranged by shifting according to the incident angle,
The plurality of layers of wiring in the invalid pixel region extend in a direction in which the light receiving opening in the invalid pixel region is orthogonal to the photoelectric conversion element from the photoelectric conversion element toward the second on-chip lens. Located in the
An imaging apparatus characterized by that.
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