JP2011165951A - Solid-state imaging element - Google Patents

Solid-state imaging element Download PDF

Info

Publication number
JP2011165951A
JP2011165951A JP2010027749A JP2010027749A JP2011165951A JP 2011165951 A JP2011165951 A JP 2011165951A JP 2010027749 A JP2010027749 A JP 2010027749A JP 2010027749 A JP2010027749 A JP 2010027749A JP 2011165951 A JP2011165951 A JP 2011165951A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pixel
solid
lens surface
sub
state imaging
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2010027749A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5544912B2 (en
Inventor
Yasuo Shimizu
康男 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP2010027749A priority Critical patent/JP5544912B2/en
Publication of JP2011165951A publication Critical patent/JP2011165951A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5544912B2 publication Critical patent/JP5544912B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging element suitable to effectively use incident light without making the structure complicated. <P>SOLUTION: The solid-state imaging element includes a pixel group arrayed on the same substrate and microlenses (65) provided to respective pixels (20) constituting the pixel group. The pixels (20) each have at least two light reception portions (41, 42) arrayed, and a microlens (65) of each pixel (20) has a main lens surface (65M) having positive refracting power to the incident light and a sub-lens surface (65S) having lower refracting power to the incident light than the positive refracting power. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device.

従来、ダイナミックレンジの拡大などを目的として、個々の画素に高感度受光部と低感度受光部とを設けた固体撮像素子が提案されている(特許文献1等を参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, for the purpose of expanding a dynamic range, a solid-state imaging device in which a high sensitivity light receiving portion and a low sensitivity light receiving portion are provided for each pixel has been proposed (see Patent Document 1 and the like).

特に、特許文献1に記載の固体撮像素子は、画素へ入射する光の利用効率を高めるため、その画素上にオンチップマイクロレンズを設けており、更に、オンチップマイクロレンズで集光された光の一定量を高感度受光部へ導光するため、そのオンチップマイクロレンズと高感度受光部との間にインナーレンズを設けている(特許文献2の図1を参照。)。   In particular, the solid-state imaging device described in Patent Document 1 is provided with an on-chip microlens on the pixel in order to increase the utilization efficiency of light incident on the pixel, and further, the light condensed by the on-chip microlens. An inner lens is provided between the on-chip microlens and the high-sensitivity light-receiving unit (see FIG. 1 of Patent Document 2).

特許第4236168号公報Japanese Patent No. 4236168

しかしながら固体撮像素子は通常、半導体プロセスで製造されるので、その構造が複雑化すると製造コストが著しく増大する。   However, since the solid-state imaging device is usually manufactured by a semiconductor process, the manufacturing cost increases remarkably when the structure becomes complicated.

そこで本発明は、構造を複雑化することなく、入射光を有効利用するのに適した構成の固体撮像素子を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a configuration suitable for effectively using incident light without complicating the structure.

本発明を例示する固体撮像素子は、同一基板上に配列された画素群と、前記画素群を構成する各々の画素に設けられたマイクロレンズとを備え、前記各々の画素には、少なくとも2つの受光部が配列されており、前記各々の画素のマイクロレンズには、入射光に対して正の屈折力を有したメインレンズ面と、入射光に対して前記屈折力より弱い屈折力を有したサブレンズ面とが形成されている。   A solid-state imaging device exemplifying the present invention includes a pixel group arranged on the same substrate, and a microlens provided in each pixel constituting the pixel group, and each pixel includes at least two A light receiving portion is arranged, and the micro lens of each pixel has a main lens surface having a positive refractive power with respect to incident light and a refractive power weaker than the refractive power with respect to incident light. A sub lens surface is formed.

本発明によれば、構造を複雑化することなく、入射光を有効利用するのに適した構成の固体撮像素子が実現する。   According to the present invention, a solid-state imaging device having a configuration suitable for effectively using incident light is realized without complicating the structure.

固体撮像素子の概略構成を示す回路図。The circuit diagram which shows schematic structure of a solid-state image sensor. 複数の画素20の各々の回路図。FIG. 4 is a circuit diagram of each of a plurality of pixels 20. 撮像領域31の中央に配置された画素20を光入射側から見たときの概略平面図。FIG. 3 is a schematic plan view when the pixel 20 arranged in the center of the imaging region 31 is viewed from the light incident side. 画素20を図3のA−A’線で切断してできる概略断面図。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view obtained by cutting the pixel 20 along the line A-A ′ of FIG. 3. 画素20を図3のB−B’線で切断してできる概略断面図(連結/分離トランジスタ55がオフのとき)。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view obtained by cutting the pixel 20 along line B-B ′ in FIG. 3 (when the connection / separation transistor 55 is off). 画素20を図3のB−B’線で切断してできる概略断面図(連結/分離トランジスタ55がオンのとき)。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view obtained by cutting the pixel 20 along line B-B ′ in FIG. 3 (when the connection / separation transistor 55 is on). 画素20の機能を説明する図(メインレンズ65Mについて)。The figure explaining the function of the pixel 20 (about the main lens 65M). 画素20の機能を説明する図(サブレンズ65Sについて)。The figure explaining the function of the pixel 20 (about the sub lens 65S). クロストーク防止措置の施された画素20の機能を説明する図(メインレンズ65Mについて)。The figure explaining the function of the pixel 20 in which the crosstalk prevention measure was taken (about the main lens 65M). クロストーク防止措置の施された画素20の機能を説明する図(サブレンズ65Sについて)。The figure explaining the function of the pixel 20 in which the crosstalk prevention measure was given (about the sub lens 65S). 撮像領域31の周辺部に配置された画素20の構造を説明する図。FIG. 4 is a diagram for explaining the structure of a pixel 20 arranged in the periphery of an imaging region 31. 周辺部の画素20の機能を説明する図(メインレンズ65Mについて)。The figure explaining the function of the pixel 20 of the peripheral part (about the main lens 65M). 周辺部の画素20の機能を説明する図(サブレンズ65Sについて)。The figure explaining the function of the pixel 20 of a peripheral part (about the sub lens 65S). サブレンズ面65Sの屈折力をゼロにした場合の画素20の機能を説明する図(メインレンズ65Mについて)。The figure explaining the function of the pixel 20 when the refractive power of the sub lens surface 65S is made zero (about the main lens 65M). サブレンズ面65Sの屈折力をゼロにした場合の画素20の機能を説明する図(サブレンズ65Sについて)。The figure explaining the function of the pixel 20 when the refractive power of the sub lens surface 65S is made into zero (about the sub lens 65S). 周辺部の画素20の機能を説明する図(サブレンズ65Sの屈折力がゼロである場合)。The figure explaining the function of the pixel 20 of a peripheral part (when the refractive power of the sub lens 65S is zero).

[実施形態]
以下、本発明の実施形態として固体撮像素子を説明する。
[Embodiment]
Hereinafter, a solid-state imaging device will be described as an embodiment of the present invention.

先ず、固体撮像素子の全体構成を説明する。   First, the overall configuration of the solid-state image sensor will be described.

図1は、固体撮像素子の全体の回路図である。図1に示すとおり固体撮像素子3は、複数の画素20をマトリクス状に配置した撮像領域31と、それら複数の画素20の各々から信号を出力するための周辺回路とを有する。なお、図1では、撮像領域31に配置された画素20の個数を4×4=16としたが、実際の個数はそれよりもはるかに多い。   FIG. 1 is an overall circuit diagram of the solid-state imaging device. As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 3 includes an imaging region 31 in which a plurality of pixels 20 are arranged in a matrix, and a peripheral circuit for outputting a signal from each of the plurality of pixels 20. In FIG. 1, the number of pixels 20 arranged in the imaging region 31 is 4 × 4 = 16, but the actual number is much larger than that.

固体撮像素子3の周辺回路には、垂直走査回路21と、水平走査回路22と、垂直走査回路21に接続される駆動信号線23と、水平走査回路22に接続される駆動信号線24と、複数の画素20から信号を受け取る垂直信号線25と、垂直信号線25に接続される定電流源26及び相関二重サンプリング回路(CDS回路)27と、CDS回路27から出力される信号を受け取る水平信号線28と、出力アンプ29とが備えられる。   Peripheral circuits of the solid-state imaging device 3 include a vertical scanning circuit 21, a horizontal scanning circuit 22, a driving signal line 23 connected to the vertical scanning circuit 21, a driving signal line 24 connected to the horizontal scanning circuit 22, A vertical signal line 25 that receives signals from a plurality of pixels 20, a constant current source 26 and a correlated double sampling circuit (CDS circuit) 27 connected to the vertical signal line 25, and a horizontal signal that receives signals output from the CDS circuit 27. A signal line 28 and an output amplifier 29 are provided.

垂直走査回路21が駆動信号を出力すると、複数の画素20の各々は、駆動信号線23を介してその駆動信号を受け取って駆動され、画素20で生成された信号を垂直信号線25へ出力する。なお、垂直走査回路21からは複数種類の駆動信号が出力されるので、駆動信号線23も駆動信号の種類数と同数だけ用意される。   When the vertical scanning circuit 21 outputs a drive signal, each of the plurality of pixels 20 is driven by receiving the drive signal via the drive signal line 23 and outputs a signal generated by the pixel 20 to the vertical signal line 25. . Since a plurality of types of drive signals are output from the vertical scanning circuit 21, the same number of drive signal lines 23 as the number of types of drive signals are prepared.

複数の画素20の各々から出力された信号は、CDS回路27にてノイズ除去が施される。ノイズ除去後の信号は、水平走査回路22からの駆動信号に応じて、水平信号線28及び出力アンプ29を介して外部へ出力される。   The signal output from each of the plurality of pixels 20 is subjected to noise removal by the CDS circuit 27. The signal after noise removal is output to the outside through the horizontal signal line 28 and the output amplifier 29 in accordance with the drive signal from the horizontal scanning circuit 22.

図2は、複数の画素20の各々の回路図である。図2に示すとおり画素20には2つの埋め込みフォトダイオード41、42と、埋め込みフォトダイオード41から転送される電荷を蓄積する第1の電荷格納部43と、埋め込みフォトダイオード42から転送される電荷を蓄積する第2の電荷格納部44と、埋め込みフォトダイオード41から第1の電荷格納部43へ電荷を転送する第1の転送トランジスタ45と、埋め込みフォトダイオード42から第2の電荷格納部44へ電荷を転送する第2の転送トランジスタ46と、フローティング拡散領域(FD)47と、第1の電荷格納部43からFD47へ電荷を転送する第3転送トランジスタ48と、第2の電荷格納部44からFD47へ電荷を転送する第4の転送トランジスタ49と、FD47の電荷量に応じた信号を出力する増幅トランジスタ50と、FD47の電荷を排出するFDリセットトランジスタ51と、増幅トランジスタ50の信号を画素20の外部へ出力する選択トランジスタ52と、埋め込みフォトダイオード41から電荷(埋め込みフォトダイオード41で生成された不要電荷)を排出させる第1のPDリセットトランジスタ53と、埋め込みフォトダイオード42から電荷(埋め込みフォトダイオード42で生成された不要電荷)を排出させる第2のPDリセットトランジスタ54とが備えられる。また、画素20には、2つの埋め込みフォトダイオード41、42の間の電気的な連結及び分離を行う連結/分離トランジスタ55も備えられる。   FIG. 2 is a circuit diagram of each of the plurality of pixels 20. As shown in FIG. 2, the pixel 20 has two embedded photodiodes 41 and 42, a first charge storage portion 43 that accumulates charges transferred from the embedded photodiode 41, and charges transferred from the embedded photodiode 42. Charge accumulated from the second charge storage unit 44, the first transfer transistor 45 for transferring charge from the embedded photodiode 41 to the first charge storage unit 43, and the charge from the embedded photodiode 42 to the second charge storage unit 44 Transfer transistor 46, floating diffusion region (FD) 47, third transfer transistor 48 that transfers charges from first charge storage unit 43 to FD 47, and second charge storage unit 44 to FD 47. A fourth transfer transistor 49 for transferring charges to the output transistor, and an amplification transistor for outputting a signal corresponding to the charge amount of the FD The register 50, the FD reset transistor 51 that discharges the charge of the FD 47, the selection transistor 52 that outputs the signal of the amplification transistor 50 to the outside of the pixel 20, and the charge from the embedded photodiode 41 (unnecessary generated by the embedded photodiode 41 A first PD reset transistor 53 that discharges charges) and a second PD reset transistor 54 that discharges charges (unnecessary charges generated by the embedded photodiode 42) from the embedded photodiode 42 are provided. The pixel 20 also includes a connection / separation transistor 55 that performs electrical connection and separation between the two embedded photodiodes 41 and 42.

第1転送トランジスタ45、第2転送トランジスタ46、第3転送トランジスタ48、第4転送トランジスタ49、増幅トランジスタ50、FDリセットトランジスタ51、選択トランジスタ52、第1のPDトランジスタ53、第2のPDリセットトランジスタ54、連結/分離トランジスタ55の各々は、MOSトランジスタにて構成される。   First transfer transistor 45, second transfer transistor 46, third transfer transistor 48, fourth transfer transistor 49, amplification transistor 50, FD reset transistor 51, selection transistor 52, first PD transistor 53, second PD reset transistor 54. Each of the connection / separation transistor 55 is formed of a MOS transistor.

なお、ここでは、これらのトランジスタ(増幅トランジスタ50を除く。)の特性を、そのゲート電極がハイであればオンし、ローであればオフする特性(NチャネルMOSトランジスタ)と仮定する。   Here, the characteristics of these transistors (excluding the amplification transistor 50) are assumed to be on (N-channel MOS transistor) that turns on when the gate electrode is high and off when the gate electrode is low.

連結/分離トランジスタ55のゲート電極は、同一ラインの複数の画素20の間で共通であり、図1の垂直走査回路21から駆動信号線23を介して駆動信号φPDBが供給される。   The gate electrode of the connection / separation transistor 55 is common among the plurality of pixels 20 on the same line, and the drive signal φPDB is supplied from the vertical scanning circuit 21 of FIG.

φPDBがハイであれば、連結/分離トランジスタ55がオンし、画素20の2つの埋め込みフォトダイオード41、42の間が電気的に連結される。その結果、2つの埋め込みフォトダイオード41、42の全体は、1つの光電変換部として機能する。   If φPDB is high, the connection / separation transistor 55 is turned on, and the two embedded photodiodes 41 and 42 of the pixel 20 are electrically connected. As a result, the entire two embedded photodiodes 41 and 42 function as one photoelectric conversion unit.

一方、φPDBがローであれば、連結/分離トランジスタ55がオフし、画素20の2つの埋め込みフォトダイオード41、42の間が電気的に分離される。その結果、2つの埋め込みフォトダイオード41、42の各々は、個別の光電変換部として機能する。   On the other hand, if φPDB is low, the connection / separation transistor 55 is turned off, and the two embedded photodiodes 41 and 42 of the pixel 20 are electrically separated. As a result, each of the two embedded photodiodes 41 and 42 functions as an individual photoelectric conversion unit.

埋め込みフォトダイオード41で生成された電荷は、FD47へ転送される前に、第1の電荷格納部43へ蓄積され、埋め込みフォトダイオード42で生成された電荷は、FD47へ転送される前に、第2の電荷格納部44へ蓄積される。   The charge generated by the embedded photodiode 41 is accumulated in the first charge storage unit 43 before being transferred to the FD 47, and the charge generated by the embedded photodiode 42 is transferred to the FD 47 before being transferred to the FD 47. 2 is stored in the charge storage unit 44.

第1の転送トランジスタ45は、埋め込みフォトダイオード41から電荷を第1の電荷格納部43に転送し、第2の転送トランジスタ46は、埋め込みフォトダイオード42から電荷を第2の電荷格納部44に転送する。   The first transfer transistor 45 transfers charge from the embedded photodiode 41 to the first charge storage unit 43, and the second transfer transistor 46 transfers charge from the embedded photodiode 42 to the second charge storage unit 44. To do.

第1の転送トランジスタ45のゲート電極と、第2転送トランジスタ46のゲート電極とは共通であり、更にそれらのゲート電極は、同一ラインの複数の画素20の間でも共通である。それらのゲート電極には、図1の垂直走査回路21から駆動信号線23を介して共通の駆動信号φTGAが供給される。第1の転送トランジスタ45及び第2の転送トランジスタ46は、この駆動信号φTGAに従って所定のタイミングで同時にオンとされ、2つの埋め込みフォトダイオード41、42の電荷を同一のタイミングで電荷格納部43、44へ転送する。   The gate electrode of the first transfer transistor 45 and the gate electrode of the second transfer transistor 46 are common, and the gate electrodes are also common among the plurality of pixels 20 on the same line. A common drive signal φTGA is supplied to these gate electrodes from the vertical scanning circuit 21 of FIG. The first transfer transistor 45 and the second transfer transistor 46 are simultaneously turned on at a predetermined timing in accordance with the drive signal φTGA, and the charges of the two embedded photodiodes 41 and 42 are charged at the same timing. Forward to.

これに対して、第3の転送トランジスタ48のゲート電極と、第4の転送トランジスタ49のゲート電極とには、個別の駆動信号が供給される。すなわち、第3の転送トランジスタ48のゲート電極には、図1の垂直走査回路21から、駆動信号線23の或る信号線を介して駆動信号φTGBが供給され、第4の転送トランジスタ49のゲート電極には、図1の垂直走査回路21から、駆動信号線23の別の信号線を介して別の駆動信号φTGCが供給される。なお、第3の転送トランジスタ48のゲート電極は、同一ラインの複数の画素20の間で共通であり、第4の転送トランジスタ49のゲート電極は、同一ラインの複数の画素20の間で共通である。   On the other hand, separate drive signals are supplied to the gate electrode of the third transfer transistor 48 and the gate electrode of the fourth transfer transistor 49. That is, the drive signal φTGB is supplied to the gate electrode of the third transfer transistor 48 from the vertical scanning circuit 21 of FIG. Another drive signal φTGC is supplied to the electrodes from the vertical scanning circuit 21 in FIG. 1 via another signal line of the drive signal line 23. Note that the gate electrode of the third transfer transistor 48 is common among the plurality of pixels 20 on the same line, and the gate electrode of the fourth transfer transistor 49 is common among the plurality of pixels 20 on the same line. is there.

第3の転送トランジスタ48及び第4の転送トランジスタ49は、駆動信号φTGB、及び駆動信号φTGCに従って所定のタイミングで個別にオンとされ、第1の電荷格納部43及び第2の電荷格納部44の電荷を個別のタイミング又は同一のタイミングでFD47へ転送する。   The third transfer transistor 48 and the fourth transfer transistor 49 are individually turned on at a predetermined timing in accordance with the drive signal φTGB and the drive signal φTGC, and the first charge storage unit 43 and the second charge storage unit 44 The charge is transferred to the FD 47 at an individual timing or at the same timing.

選択トランジスタ52のゲート電極は、同一ラインの複数の画素20の間で共通であり、図1の垂直走査回路21から駆動信号線23を介して駆動信号φSが供給される。FDリセットトランジスタ51のゲート電極は、同一ラインの複数の画素20の間で共通であり、垂直走査回路21から駆動信号線23を介して駆動信号φFDRが供給される。   The gate electrode of the selection transistor 52 is common among the plurality of pixels 20 on the same line, and the drive signal φS is supplied from the vertical scanning circuit 21 of FIG. The gate electrode of the FD reset transistor 51 is common among the plurality of pixels 20 on the same line, and the drive signal φFDR is supplied from the vertical scanning circuit 21 via the drive signal line 23.

また、第1のPDリセットトランジスタ53のゲート電極と、第2のPDリセットトランジスタ54のゲート電極とは、共通であり、更にそれらのゲート電極は、同一ラインの複数の画素20の間でも共通である。それらのゲート電極には、垂直走査回路21から駆動信号線23を介して共通の駆動信号φPDRが供給される。   Further, the gate electrode of the first PD reset transistor 53 and the gate electrode of the second PD reset transistor 54 are common, and further, these gate electrodes are common among the plurality of pixels 20 on the same line. is there. A common drive signal φPDR is supplied to the gate electrodes from the vertical scanning circuit 21 via the drive signal line 23.

なお、図2では、埋め込みフォトダイオード41の一方の端子と、埋め込みフォトダイオード42の一方の端子と、電荷格納部43の一方の端子と、電荷格納部44の一方の端子と、FD47の一方の端子とを便宜的に接地したが、実際は、後述するP型ウエル61と同じ電位に設定される。   In FIG. 2, one terminal of the embedded photodiode 41, one terminal of the embedded photodiode 42, one terminal of the charge storage unit 43, one terminal of the charge storage unit 44, and one of the FDs 47. Although the terminal is grounded for convenience, the terminal is actually set to the same potential as a P-type well 61 described later.

次に、複数の画素20を代表して、撮像領域31の中央に配置された1つの画素20の構造を詳しく説明する。   Next, as a representative of the plurality of pixels 20, the structure of one pixel 20 arranged in the center of the imaging region 31 will be described in detail.

図3は、撮像領域31の中央に配置された画素20を光入射側から見たときの概略平面図である。但し、図3では代表的な要素のみを表し、駆動信号線などの図示を省略した。   FIG. 3 is a schematic plan view when the pixel 20 arranged in the center of the imaging region 31 is viewed from the light incident side. However, in FIG. 3, only representative elements are shown, and illustration of drive signal lines and the like is omitted.

図3に示すとおりこの画素20の中央には、埋め込みフォトダイオード41が形成されており、埋め込みフォトダイオード41の一方の側(図の下側)には、一定の間隙を置いて埋め込みフォトダイオード42が形成されている。   As shown in FIG. 3, an embedded photodiode 41 is formed at the center of the pixel 20, and the embedded photodiode 42 is placed on one side (the lower side in the drawing) of the embedded photodiode 41 with a certain gap. Is formed.

埋め込みフォトダイオード41の別の側(図の右側)には、一定の間隙を置いて第1の電荷格納部43が形成されており、埋め込みフォトダイオード42の同じ側(図の右側)には、一定の間隔を置いて第2の電荷格納部44が形成されている。   On the other side (right side of the figure) of the embedded photodiode 41, a first charge storage portion 43 is formed with a certain gap, and on the same side (right side of the figure) of the embedded photodiode 42, Second charge storage portions 44 are formed at regular intervals.

このうち、一方の埋め込みフォトダイオード41の開口は、他方の埋め込みフォトダイオード42の開口よりも広い。その埋め込みフォトダイオード41は、画素20に対する入射光強度を高感度に検出する高感度受光部として使用され、他方の埋め込みフォトダイオード42は、画素20に対する入射光強度を低感度に検出する低感度受光部として使用される。以下、埋め込みフォトダイオード41を「高感度埋め込みフォトダイオード41」と称し、埋め込みフォトダイオード42を「低感度埋め込みフォトダイオード42」と称す。   Among these, the opening of one embedded photodiode 41 is wider than the opening of the other embedded photodiode 42. The embedded photodiode 41 is used as a high sensitivity light receiving unit that detects incident light intensity with respect to the pixel 20 with high sensitivity, and the other embedded photodiode 42 has low sensitivity light receiving with which the incident light intensity with respect to the pixel 20 is detected with low sensitivity. Used as part. Hereinafter, the embedded photodiode 41 is referred to as “high sensitivity embedded photodiode 41”, and the embedded photodiode 42 is referred to as “low sensitivity embedded photodiode 42”.

また、画素20の光入射側には、オンチップマイクロレンズ65が設けられており、オンチップマイクロレンズ65の中心は、高感度埋め込みフォトダイオード41の中心に位置している。   An on-chip microlens 65 is provided on the light incident side of the pixel 20, and the center of the on-chip microlens 65 is located at the center of the highly sensitive embedded photodiode 41.

図4は、画素20を図3のA−A’線で切断してできる概略断面図であり、図5は、画素20を図3のB−B’線で切断してできる概略断面図である。なお、図4、図5では、駆動信号線の図示を省略した。   4 is a schematic cross-sectional view obtained by cutting the pixel 20 along the line AA ′ in FIG. 3, and FIG. 5 is a schematic cross-sectional view obtained by cutting the pixel 20 along the line BB ′ in FIG. 3. is there. In FIGS. 4 and 5, the drive signal lines are not shown.

図4、図5に示すとおり画素20の形成先は、N型のシリコン基板61である。シリコン基板61には、P型ウエル62が設けられており、図5に示すとおり、P型ウエル62の互いに異なる2つの領域の各々にN型の電荷蓄積層63が形成され、それらの電荷蓄積層63の表面にP型の空乏化防止層64が付加されている。このうち一方の電荷蓄積層63が高感度埋め込みフォトダイオード41を構成し、他方の電荷蓄積層63が低感度埋め込みフォトダイオード42を構成する。   As shown in FIGS. 4 and 5, the pixel 20 is formed on an N-type silicon substrate 61. A P-type well 62 is provided in the silicon substrate 61. As shown in FIG. 5, an N-type charge storage layer 63 is formed in each of two different regions of the P-type well 62, and the charge storage of these N-type charge storage layers 63 is performed. A P-type depletion preventing layer 64 is added to the surface of the layer 63. Among these, one charge storage layer 63 constitutes a high sensitivity embedded photodiode 41, and the other charge storage layer 63 constitutes a low sensitivity embedded photodiode 42.

図5に示すとおり、高感度埋め込みフォトダイオード41と低感度埋め込みフォトダイオード42との間隙上には、薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極67が形成されている。このゲート電極67は、高感度埋め込みフォトダイオード41の電荷蓄積層63及び低感度埋め込みフォトダイオード42の電荷蓄積層63をソース/ドレインとするMOSトランジスタ(連結/分離トランジスタ55)のゲートを構成する。   As shown in FIG. 5, a gate electrode 67 is formed on the gap between the high sensitivity embedded photodiode 41 and the low sensitivity embedded photodiode 42 via a thin silicon oxide film 66. This gate electrode 67 constitutes the gate of a MOS transistor (connection / separation transistor 55) having the charge storage layer 63 of the high sensitivity embedded photodiode 41 and the charge storage layer 63 of the low sensitivity embedded photodiode 42 as source / drain.

このゲート電極67に供給される駆動信号φPDBがローであれば、連結/分離トランジスタ55のチャネル領域に反転層ができないため、連結/分離トランジスタ55はオフする。一方、ゲート電極67に供給される駆動信号φPDBがハイであれば、連結/分離トランジスタ55のチャネル領域に反転層69ができるので、連結/分離トランジスタ55がオンする。   If the drive signal φPDB supplied to the gate electrode 67 is low, since the inversion layer cannot be formed in the channel region of the connection / separation transistor 55, the connection / separation transistor 55 is turned off. On the other hand, if the drive signal φPDB supplied to the gate electrode 67 is high, the inversion layer 69 is formed in the channel region of the connection / separation transistor 55, so that the connection / separation transistor 55 is turned on.

なお、ゲート電極67は、ITO膜など、可視波長域に対して透光性を有する材料で構成されているので、画像20に入射した光は、ゲート電極67で遮られることなく、高感度埋め込みフォトダイオード41、42の間隙にも到達する。   Note that since the gate electrode 67 is made of a material having translucency with respect to the visible wavelength region, such as an ITO film, the light incident on the image 20 is not blocked by the gate electrode 67 and embedded with high sensitivity. The gap between the photodiodes 41 and 42 is also reached.

したがって、連結/分離トランジスタ55がオフしていれば、図5に示すとおり高感度埋め込みフォトダイオード41、42の間隙に反転層69が現れず、高感度埋め込みフォトダイオード41、42が個別の光電変換部として機能するが、連結/分離トランジスタ55がオンしていれば、図6に示すとおり高感度埋め込みフォトダイオード41、42の間隙に反転層69が現れ、高感度埋め込みフォトダイオード41、42の全体が1つの光電変換部として機能する。   Therefore, if the connection / separation transistor 55 is off, the inversion layer 69 does not appear in the gap between the high sensitivity embedded photodiodes 41 and 42 as shown in FIG. If the coupling / separation transistor 55 is turned on, an inversion layer 69 appears in the gap between the high sensitivity embedded photodiodes 41 and 42 as shown in FIG. Functions as one photoelectric conversion unit.

そして、連結/分離トランジスタ55がオフされているときには、高感度埋め込みフォトダイオード41、42の信号は個別に読み出され、連結/分離トランジスタ55がオンされているときには、高感度埋め込みフォトダイオード41、42の信号は一緒に(加算して)読み出される。   When the connection / separation transistor 55 is turned off, the signals of the high sensitivity embedded photodiodes 41 and 42 are individually read out. When the connection / separation transistor 55 is turned on, the high sensitivity embedded photodiode 41, The 42 signals are read together (added).

また、図4に示すとおり、高感度埋め込みフォトダイオード41と第1の電荷格納部43との間隙上には、薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極71が形成されている。また、図4には現れていないが、同様に、低感度埋め込みフォトダイオード42と第2の電荷格納部44との間隙上にも、薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極71が形成されている。   In addition, as shown in FIG. 4, a gate electrode 71 is formed on the gap between the high sensitivity embedded photodiode 41 and the first charge storage portion 43 with a thin silicon oxide film 66 interposed therebetween. Although not shown in FIG. 4, similarly, a gate electrode 71 is formed on the gap between the low-sensitivity embedded photodiode 42 and the second charge storage portion 44 via a thin silicon oxide film 66. Yes.

このゲート電極71は、高感度埋め込みフォトダイオード41の電荷蓄積層63及び第1の電荷格納部43をソース又はドレインとするMOSトランジスタ(第1の転送トランジスタ45)のゲートを構成する。また、図4には現れていないが、同様に、このゲート電極71は、低感度埋め込みフォトダイオード42の電荷蓄積層63及び第2の電荷格納部44をソース又はドレインとするMOSトランジスタ(図2における第2の転送トランジスタ46)のゲートを構成する。   The gate electrode 71 constitutes the gate of a MOS transistor (first transfer transistor 45) having the charge storage layer 63 of the high sensitivity embedded photodiode 41 and the first charge storage unit 43 as a source or drain. Although not appearing in FIG. 4, similarly, the gate electrode 71 is a MOS transistor having the charge storage layer 63 and the second charge storage portion 44 of the low-sensitivity embedded photodiode 42 as sources or drains (FIG. 2). Constitutes the gate of the second transfer transistor 46).

このように、第1の転送トランジスタ45のゲート及び第2の転送トランジスタ46のゲートは、共通のゲート電極71なので、第1の転送トランジスタ45及び第2の転送トランジスタ46は、このゲート電極71に供給される駆動信号φTGAに従って同時にオン、オフされる。よって、高感度埋め込みフォトダイオード41の電荷が電荷格納部43へ格納されるタイミングと、低感度埋め込みフォトダイオード42の電荷が電荷格納部44へ格納されるタイミングとは一致する。   Thus, since the gate of the first transfer transistor 45 and the gate of the second transfer transistor 46 are the common gate electrode 71, the first transfer transistor 45 and the second transfer transistor 46 are connected to the gate electrode 71. They are simultaneously turned on and off in accordance with the supplied drive signal φTGA. Therefore, the timing at which the charge of the high sensitivity embedded photodiode 41 is stored in the charge storage unit 43 coincides with the timing at which the charge of the low sensitivity embedded photodiode 42 is stored in the charge storage unit 44.

また、図4に示すとおり、第1の転送トランジスタ45のゲート電極71は、第1の電荷格納部43のN型層73の上部に覆いかぶさるように配置されている。これによってMOSキャパシタが構成される。また、図4には現れていないが、同様に、第2の転送トランジスタ46のゲート電極71は、第2の電荷格納部44のN型層の上部に覆いかぶさるように配置されている。これによってMOSキャパシタが構成される。   As shown in FIG. 4, the gate electrode 71 of the first transfer transistor 45 is disposed so as to cover the upper portion of the N-type layer 73 of the first charge storage unit 43. This constitutes a MOS capacitor. Although not shown in FIG. 4, similarly, the gate electrode 71 of the second transfer transistor 46 is disposed so as to cover the upper portion of the N-type layer of the second charge storage unit 44. This constitutes a MOS capacitor.

また、図4に示すとおり、第1の電荷格納部43と、FD47のN型拡散層75との間隙上には、薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極78が形成されている。このゲート電極78は、第1の電荷格納部43のN型層73及びFD47のN型拡散領域75をソース/ドレインとするMOSトランジスタ(第3の転送トランジスタ48)のゲートを構成する。また、図4には現れていないが、同様に、第2の電荷格納部44と、FD47のN型拡散層75との間隙上には、薄いシリコン酸化膜66を介して、別のゲート電極が形成されている。この別のゲート電極は、第2の電荷格納部44のN型層及びFD47のN型拡散層75をソース又はドレインとするMOSトランジスタ(図2における第4の転送トランジスタ49)のゲートを構成する。   Further, as shown in FIG. 4, a gate electrode 78 is formed on the gap between the first charge storage portion 43 and the N-type diffusion layer 75 of the FD 47 via a thin silicon oxide film 66. The gate electrode 78 constitutes the gate of a MOS transistor (third transfer transistor 48) having the N-type layer 73 of the first charge storage unit 43 and the N-type diffusion region 75 of the FD 47 as source / drain. Although not shown in FIG. 4, similarly, another gate electrode is interposed on the gap between the second charge storage portion 44 and the N-type diffusion layer 75 of the FD 47 via a thin silicon oxide film 66. Is formed. This another gate electrode constitutes the gate of a MOS transistor (fourth transfer transistor 49 in FIG. 2) having the N-type layer of the second charge storage portion 44 and the N-type diffusion layer 75 of the FD 47 as the source or drain. .

このように、第3の転送トランジスタ48のゲート及び第4の転送トランジスタ49のゲートは個別のゲート電極なので、第3の転送トランジスタ48及び第4の転送トランジスタ49は、これらのゲート電極へ個別に供給される駆動信号φTGB、φTGCに個別に従って個別にオン、オフされる。よって、第1の電荷格納部43の電荷がFD47へ転送されるタイミングと、第2の電荷格納部44の電荷がFD47へ転送されるタイミングとは、個別の設定が可能である。   Thus, since the gates of the third transfer transistor 48 and the fourth transfer transistor 49 are separate gate electrodes, the third transfer transistor 48 and the fourth transfer transistor 49 are individually connected to these gate electrodes. The drive signals φTGB and φTGC are individually turned on and off according to the supplied drive signals φTGB and φTGC. Therefore, the timing at which the charge in the first charge storage unit 43 is transferred to the FD 47 and the timing at which the charge in the second charge storage unit 44 is transferred to the FD 47 can be individually set.

また、図4に示すとおり、高感度埋め込みフォトダイオード41の側らにはN型層87が形成されており、高感度埋め込みフォトダイオード41とN型層87との間隙上には、薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極88が形成されている。このゲート電極88は、高感度埋め込みフォトダイオード41の電荷蓄積層63及びN型層87をソース/ドレインとするMOSトランジスタ(第1のPDリセットトランジスタ53)のゲートを構成する。また、図4には現れていないが、同様に、低感度埋め込みフォトダイオード42の側らにはN型層が形成されており、低感度埋め込みフォトダイオード42とそのN型層との間隙上には、薄いシリコン酸化膜66を介して別のゲート電極が形成されている。このゲート電極は、低感度埋め込みフォトダイオード42の電荷蓄積層63及びN型層をソース/ドレインするMOSトランジスタ(図2における第2のPDリセットトランジスタ54)のゲートを構成する。   Further, as shown in FIG. 4, an N-type layer 87 is formed on the side of the high-sensitivity embedded photodiode 41, and a thin silicon oxide is formed on the gap between the high-sensitivity embedded photodiode 41 and the N-type layer 87. A gate electrode 88 is formed via the film 66. The gate electrode 88 constitutes the gate of a MOS transistor (first PD reset transistor 53) having the charge storage layer 63 and the N-type layer 87 of the high sensitivity embedded photodiode 41 as sources / drains. Although not shown in FIG. 4, similarly, an N-type layer is formed on the side of the low-sensitivity embedded photodiode 42, and above the gap between the low-sensitivity embedded photodiode 42 and the N-type layer. Another gate electrode is formed through a thin silicon oxide film 66. This gate electrode constitutes the gate of the MOS transistor (second PD reset transistor 54 in FIG. 2) that sources / drains the charge storage layer 63 and the N-type layer of the low-sensitivity embedded photodiode 42.

また、第1のPDリセットトランジスタ53のゲート電極88と、第2のPDリセットトランジスタ54のゲート電極とは、配線によって互いに接続されており、共通の駆動信号φPDRが供給される。なお、両者のゲート電極は、配線で接続される代わりに、予め共通化されていてもよい。   In addition, the gate electrode 88 of the first PD reset transistor 53 and the gate electrode of the second PD reset transistor 54 are connected to each other by wiring, and a common drive signal φPDR is supplied. Note that both gate electrodes may be shared in advance instead of being connected by wiring.

第1のPDリセットトランジスタ53には、高感度埋め込みフォトダイオード41で生成された不要電荷を排出させる働きがあり、第2のPDリセットトランジスタ54には、低感度埋め込みフォトダイオード42で生成された不要電荷を排出させる働きがある。   The first PD reset transistor 53 has a function of discharging unnecessary charges generated by the high sensitivity embedded photodiode 41, and the second PD reset transistor 54 has an unnecessary function generated by the low sensitivity embedded photodiode 42. There is a function to discharge electric charge.

また、以上の高感度埋め込みフォトダイオード41、42、各N型層の周囲には、図4〜図6に示すとおり厚いシリコン酸化膜70が形成されており、それら要素の間は分離されている。   Further, as shown in FIGS. 4 to 6, a thick silicon oxide film 70 is formed around the high-sensitivity embedded photodiodes 41 and 42 and the N-type layers, and the elements are separated from each other. .

また、以上の各要素の上部(光入射側)には、図4〜図6に示すとおり平坦化膜79が形成されており、その平坦化膜79の表面にカラーフィルタ層80が形成され、カラーフィルタ層80の表面に平坦化膜81が形成され、その平坦化膜81の表面に、画素20の幅と同じほぼサイズの径を有したオンチップマイクロレンズ65が形成されている。   Further, a flattening film 79 is formed on the upper part (light incident side) of each element as shown in FIGS. 4 to 6, and a color filter layer 80 is formed on the surface of the flattening film 79. A planarizing film 81 is formed on the surface of the color filter layer 80, and an on-chip microlens 65 having a diameter of approximately the same size as the width of the pixel 20 is formed on the surface of the planarizing film 81.

オンチップマイクロレンズ65は、光入射側に対して凸となった球面の平凸レンズ(正の屈折力を有する正レンズ)であるが、その平凸レンズの頂点近傍には凹部が形成されており、この凹部の壁面は球面状をしている。つまり、オンチップマイクロレンズ65の表面の周辺部は、正の屈折力を有したメインレンズ面65Mとなっており、オンチップマイクロレンズ65の表面の中央部は、負の屈折力を有したサブレンズ面65Sとなっている。   The on-chip microlens 65 is a spherical plano-convex lens (positive lens having a positive refractive power) that is convex with respect to the light incident side, and a concave portion is formed in the vicinity of the apex of the plano-convex lens. The wall surface of the recess is spherical. That is, the peripheral portion of the surface of the on-chip microlens 65 is a main lens surface 65M having a positive refractive power, and the central portion of the surface of the on-chip microlens 65 is a sub lens having a negative refractive power. It is a lens surface 65S.

なお、このような表面形状のオンチップマイクロレンズ65は、凹部(すなわちサブレンズ面65S)を有しない従来のオンチップマイクロレンズと同様の半導体プロセスによって形成することが可能である。この半導体プロセスは、例えば、オンチップマイクロレンズ65の基体となる窒化シリコン膜上にホトレジストを形成し、オンチップマイクロレンズ65の表面形状に対応した照度分布でそのホトレジストを露光してから現像し、現像後に残存したホトレジストをエッチングマスクとして、その窒化シリコン膜をエッチングする半導体プロセスである。その露光及びエッチングの手法には、公知の何れかの手法を適用することができる。   The on-chip microlens 65 having such a surface shape can be formed by a semiconductor process similar to a conventional on-chip microlens that does not have a concave portion (that is, the sub-lens surface 65S). In this semiconductor process, for example, a photoresist is formed on a silicon nitride film serving as a base of the on-chip microlens 65, the photoresist is exposed with an illuminance distribution corresponding to the surface shape of the on-chip microlens 65, and developed. This is a semiconductor process in which the silicon nitride film is etched using the photoresist remaining after development as an etching mask. Any known technique can be applied to the exposure and etching techniques.

図7、図8は、画素20の機能を説明する図である。   7 and 8 are diagrams for explaining the function of the pixel 20.

先ず、図7に示すとおり、メインレンズ面65Mの曲率中心CMは、高感度埋め込みフォトダイオード41の開口中心の近傍(すなわち画素20の中心の近傍)に位置している。よって、固体撮像素子3の使用時にメインレンズ面65Mへ入射する結像光束の全部は、高感度埋め込みフォトダイオード41へ入射する。   First, as shown in FIG. 7, the center of curvature CM of the main lens surface 65M is located in the vicinity of the opening center of the high-sensitivity embedded photodiode 41 (that is, in the vicinity of the center of the pixel 20). Therefore, all of the imaging light beam incident on the main lens surface 65M when using the solid-state imaging device 3 enters the high-sensitivity embedded photodiode 41.

なお、ここでいう「結像光束」は、固体撮像素子3に適用される標準的な撮影レンズの結像光束のことを指しており、撮像領域31の中央の画素20へ入射する結像光束は、その主光線が基板法線と平行な結像光束である。   Note that the “imaging beam” here refers to an imaging beam of a standard photographic lens applied to the solid-state imaging device 3, and an imaging beam incident on the central pixel 20 in the imaging region 31. Is an imaging light beam whose principal ray is parallel to the substrate normal.

また、図8に示すとおり、サブレンズ面65Sの曲率中心CSは、高感度埋め込みフォトダイオード41の開口中心を通る基板法線上、かつサブレンズ面65Sより上側(光入射側)に位置している。よって、固体撮像素子3の使用時にサブレンズ面65Sへ入射した結像光束は、発散しながら高感度埋め込みフォトダイオード41の開口及びその周辺へ向かう。   Further, as shown in FIG. 8, the center of curvature CS of the sub lens surface 65S is located on the substrate normal passing through the center of the aperture of the high sensitivity embedded photodiode 41 and above the sub lens surface 65S (light incident side). . Therefore, the imaging light beam incident on the sub-lens surface 65S when using the solid-state imaging device 3 is directed toward the opening of the highly sensitive embedded photodiode 41 and its periphery while diverging.

ここで、サブレンズ面65Sの曲率半径の大きさは、サブレンズ面65Sで発散した結像光束が、2つの埋め込みフォトダイオードの全開口を過不足なくカバーできるような最適値に設定されている。よって、その結像光束のうち高感度埋め込みフォトダイオード41へ入射する光線を光線Laとおき、低感度埋め込みフォトダイオード42へ入射する光線を光線Lbとおき、残りの光線をLcとおくと、残りの光線Lcは、光電変換されない無駄な光線であるが、サブレンズ面65Sの曲率半径の大きさを最適値に設定しておけば、無駄な光線の光量は最小限に抑えられるはずである。   Here, the radius of curvature of the sub-lens surface 65S is set to an optimum value so that the imaging light beam diverged from the sub-lens surface 65S can cover all the openings of the two embedded photodiodes without excess or deficiency. . Therefore, the light beam incident on the high-sensitivity embedded photodiode 41 in the imaging light beam is set as the light beam La, the light beam incident on the low-sensitivity embedded photodiode 42 is set as the light beam Lb, and the remaining light beam is set as Lc. The light beam Lc is a wasteful light beam that is not photoelectrically converted, but if the size of the radius of curvature of the sub-lens surface 65S is set to an optimum value, the light amount of the wasteful light beam should be minimized.

更に、以上のオンチップマイクロレンズ65では、光入射側から見たサブレンズ面65Sの面積と、同じ側から見たメインレンズ面65Mの面積との比は、予め決められた比率に設定されている。よって、オンチップマイクロレンズ65に入射した結像光束は、予め決められた比率で2つの埋め込みフォトダイオードへ振り分けられる。   Further, in the above on-chip microlens 65, the ratio of the area of the sub lens surface 65S viewed from the light incident side to the area of the main lens surface 65M viewed from the same side is set to a predetermined ratio. Yes. Therefore, the imaging light beam incident on the on-chip microlens 65 is distributed to the two embedded photodiodes at a predetermined ratio.

なお、メインレンズ面65Mの面積に対するサブレンズ面65Sの面積比と、高感度埋め込みフォトダイオード41の入射光量に対する低感度埋め込みフォトダイオード42の入射光量比とは等しい訳では無いが、その面積比を大きくすればその入射光量比も大きくなるはずである。   The area ratio of the sub lens surface 65S to the area of the main lens surface 65M and the incident light amount ratio of the low sensitivity embedded photodiode 42 to the incident light amount of the high sensitivity embedded photodiode 41 are not necessarily equal, but the area ratio is Increasing it should increase the incident light ratio.

したがって、オンチップマイクロレンズ65は、1枚のレンズでありながら、画素20へ入射した結像光束の利用効率を一定以上に維持し、しかも、高感度埋め込みフォトダイオード41及び低感度埋め込みフォトダイオード42に対して適当な比率で結像光束を振り分けることができる。   Accordingly, the on-chip microlens 65 is a single lens, but maintains the utilization efficiency of the imaging light beam incident on the pixel 20 at a certain level or more, and the high-sensitivity embedded photodiode 41 and the low-sensitivity embedded photodiode 42. Therefore, the imaging light flux can be distributed at an appropriate ratio.

なお、上述した画素20では、オンチップマイクロレンズ65の形成先となる平坦化膜81の屈折率をオンチップマイクロレンズ65の屈折率よりも高く設定することにより、サブレンズ面65Sを通過した発散光束の隣接画素への漏れ込み(クロストーク)を防止しても良い。図9、図10は、その防止措置が採られた場合の例を示す図である。   In the pixel 20 described above, the divergence that has passed through the sub-lens surface 65S is set by setting the refractive index of the planarizing film 81, which is the formation destination of the on-chip microlens 65, higher than the refractive index of the on-chip microlens 65. Leakage (crosstalk) of light flux into adjacent pixels may be prevented. FIG. 9 and FIG. 10 are diagrams showing an example when the preventive measure is taken.

また、上述した画素20には、クロストークを抑えるための他の手法を採用することもできる。例えば、平坦化膜81のうち隣接画素との境界部分に溝(エアギャップ)を形成してもよい。   In addition, other methods for suppressing crosstalk can be employed for the pixel 20 described above. For example, a groove (air gap) may be formed in the boundary portion between adjacent pixels in the planarizing film 81.

次に、撮像領域31の周辺部に配置された画素20の構造を説明する。   Next, the structure of the pixels 20 arranged in the periphery of the imaging region 31 will be described.

図11は、撮像領域31の周辺部に配置された画素20の構造を説明する図である。撮像領域31の周辺部に配置された画素20の構造は、基本的に、撮像領域31の中央部に配置された画素20の構造と同じであるが、固体撮像素子3のシェーディングを低減するために、周辺部に配置された画素20では、オンチップマイクロレンズ65の形成位置が、と、中央部に配置された画素20のそれとは異なる。また、周辺部に配置された画素20では、オンチップマイクロレンズ65上のサブレンズ面65Sの形成位置が、中央部に配置された画素20のそれとは異なる。   FIG. 11 is a diagram illustrating the structure of the pixels 20 arranged in the peripheral part of the imaging region 31. The structure of the pixel 20 arranged in the peripheral part of the imaging region 31 is basically the same as the structure of the pixel 20 arranged in the central part of the imaging region 31, but in order to reduce the shading of the solid-state imaging device 3. In addition, in the pixel 20 arranged in the peripheral portion, the formation position of the on-chip microlens 65 is different from that of the pixel 20 arranged in the central portion. Further, in the pixel 20 arranged in the peripheral portion, the formation position of the sub lens surface 65S on the on-chip microlens 65 is different from that of the pixel 20 arranged in the central portion.

具体的に、撮像領域31の周辺部に配置された画素20のオンチップマイクロレンズ65は、撮像領域31の中央寄りにずれており、個々の画素20におけるオンチップマイクロレンズ65のズレ量は、その画素20が撮像領域31の中央から離れるほど大きい。   Specifically, the on-chip microlens 65 of the pixel 20 arranged in the periphery of the imaging region 31 is shifted toward the center of the imaging region 31, and the amount of deviation of the on-chip microlens 65 in each pixel 20 is The larger the pixel 20 is from the center of the imaging region 31, the larger the pixel 20 is.

また、撮像領域31の周辺部に配置されたオンチップマイクロレンズ65のサブレンズ65Sは、撮像領域31の中央寄りにずれており、個々のオンチップマイクロレンズ65におけるサブレンズ65Sのズレ量は、そのオンチップマイクロレンズ65が撮像領域31の中央から離れているほど大きい。   Further, the sub-lens 65S of the on-chip microlens 65 arranged in the periphery of the imaging region 31 is shifted toward the center of the imaging region 31, and the amount of deviation of the sub-lens 65S in each on-chip microlens 65 is as follows. The larger the on-chip micro lens 65 is, the larger the distance from the center of the imaging region 31 is.

以下、撮像領域31の周辺部に配置された1つの画素20を代表して説明する。   Hereinafter, one pixel 20 arranged in the peripheral part of the imaging region 31 will be described as a representative.

図12、図13は、図11の下側に位置する画素20の機能を説明する図(図11のB−B’線で切断してできる概略断面図)である。図12、図13では、図の左方向を、撮像領域31の中央の方向とみなせばよい。   FIGS. 12 and 13 are diagrams (schematic cross-sectional views obtained by cutting along the line B-B ′ in FIG. 11) for explaining the function of the pixel 20 located on the lower side of FIG. 11. In FIGS. 12 and 13, the left direction in the figure may be regarded as the center direction of the imaging region 31.

この画素20では、オンチップマイクロレンズ65へ入射する結像光束の主光線は、左上から右下へ向かって傾斜している。   In the pixel 20, the principal ray of the imaging light beam incident on the on-chip microlens 65 is inclined from the upper left to the lower right.

このような傾斜に対応するべく、図12に示すとおり、オンチップマイクロレンズ65の中心線Lは、高感度埋め込みフォトダイオード41の中心線LPより左側にずれている(なお、ここでいう「中心線」は、中心を通る基板法線のことを指す。)。   In order to cope with such an inclination, as shown in FIG. 12, the center line L of the on-chip microlens 65 is shifted to the left side from the center line LP of the high-sensitivity embedded photodiode 41. "Line" refers to the substrate normal passing through the center.)

また、結像光束の傾斜に対応するべく、図12に示すとおり、サブレンズ65Sの中心線LSは、オンチップマイクロレンズ65の中心線Lよりも更に左側にずれている。   Further, as shown in FIG. 12, the center line LS of the sub-lens 65 </ b> S is shifted further to the left than the center line L of the on-chip microlens 65 so as to correspond to the inclination of the imaging light beam.

したがって、傾斜した結像光束は、メインレンズ65Mへ入射すると、図12に示すとおりオンチップマイクロレンズ65の中心線Lよりも右側に向かって集光し、その中心線Lより右側に位置する高感度埋め込みフォトダイオード41へ確実に入射する。   Therefore, when the tilted imaging light beam enters the main lens 65M, it is condensed toward the right side of the center line L of the on-chip microlens 65 as shown in FIG. The light is reliably incident on the sensitivity-embedded photodiode 41.

また、図13に示すとおり、中心線Lより左側に形成されたサブレンズ面65Sは、傾斜した結像光束を正対した姿勢(又は正対に近い姿勢)で受けるので、その結像光束を効率的に導光することができる(なお、サブレンズ65Sの中心線LSがオンチップマイクロレンズ65の中心線Lと一致していた場合には、傾斜した結像光束を斜めの姿勢で受けることになるので、その結像光束を効率的に導光できない虞がある。)。   Further, as shown in FIG. 13, the sub lens surface 65S formed on the left side of the center line L receives the tilted imaging light beam in a posture (or a posture close to the front), so that the imaging light beam is received. Light can be efficiently guided (in addition, when the center line LS of the sub lens 65S coincides with the center line L of the on-chip micro lens 65, the tilted imaging light beam is received in an oblique posture. Therefore, there is a possibility that the imaged light beam cannot be guided efficiently.)

以上の構成によれば、撮像領域31の周辺部に配置された画素20の高感度埋め込みフォトダイオード41に対する光の入射効率と、低感度埋め込みフォトダイオード42に対する光の入射効率とをそれぞれ高く維持できる。   According to the above configuration, the light incident efficiency with respect to the high-sensitivity embedded photodiode 41 and the light incident efficiency with respect to the low-sensitivity embedded photodiode 42 of the pixel 20 disposed in the peripheral portion of the imaging region 31 can be maintained high. .

したがって、固体撮像素子3は、高感度埋め込みフォトダイオード41に関するシェーディングと、低感度埋め込みフォトダイオード42に関するシェーディングとの双方を抑えることができる。
[補足]
なお、上述した画素20では、2つの埋め込みフォトダイオードの感度に差異を付与するために、2つの埋め込みフォトダイオードの開口サイズと入射光量比との双方に差異を設けたが、入射光量比のみに差異を設けてもよい。
Therefore, the solid-state imaging device 3 can suppress both shading relating to the high sensitivity embedded photodiode 41 and shading relating to the low sensitivity embedded photodiode 42.
[Supplement]
In the pixel 20 described above, in order to give a difference in sensitivity between the two embedded photodiodes, a difference is provided in both the opening size and the incident light amount ratio of the two embedded photodiodes. A difference may be provided.

また、上述した画素20では、サブレンズ面65Sの屈折力を負に設定したが、サブレンズ面65Sの屈折力を、メインレンズ65Mの屈折力より弱い正に設定してもよい。この場合、サブレンズ面65Sは、緩やかなカーブの凸面となる。   In the pixel 20 described above, the refractive power of the sub lens surface 65S is set to be negative, but the refractive power of the sub lens surface 65S may be set to a positive value that is weaker than the refractive power of the main lens 65M. In this case, the sub lens surface 65S is a convex surface having a gentle curve.

或いは、サブレンズ面65Sの屈折力を、ゼロに設定してもよい。この場合、サブレンズ面65Sは、平面となる。図14、図15は、サブレンズ面65Sの屈折力をゼロにした場合の例である。この場合、オンチップマイクロレンズ65の構造は、最もシンプルになる。   Alternatively, the refractive power of the sub lens surface 65S may be set to zero. In this case, the sub lens surface 65S is a flat surface. 14 and 15 are examples in the case where the refractive power of the sub lens surface 65S is zero. In this case, the structure of the on-chip microlens 65 is the simplest.

この場合も、撮像領域31の周辺部に位置する画素20では、オンチップマイクロレンズ65上のサブレンズ面65Sの形成位置を、撮像領域31の中央寄りにずらすことが望ましい。また、その場合、撮像領域31の周辺部に位置する画素20では、図16に示すとおり、傾斜した結像光束を正対した姿勢(又は正対に近い姿勢)で受けられるようサブレンズ面65Sを傾斜させる必要がある。   Also in this case, it is desirable to shift the formation position of the sub lens surface 65S on the on-chip microlens 65 toward the center of the imaging region 31 in the pixels 20 located in the peripheral part of the imaging region 31. In that case, the sub-lens surface 65S is arranged so that the pixel 20 positioned in the peripheral portion of the imaging region 31 can receive the tilted imaging light beam in a posture (or a posture close to the front) as shown in FIG. It is necessary to tilt.

また、上述した画素20では、サブレンズ面65Sで発散した結像光束の一部の光線Lc(図8、図10、図13、図15を参照。)が無駄な光線となっていたが、画素20内のレイアウトに自由度がある場合には、高感度埋め込みフォトダイオード41を光線Lcの入射位置にまで延在させることで、無駄な光線を軽減又は防止してもよい(但し、その場合は、高感度埋め込みフォトダイオード41の中央は、画素20の中央から外れることになる。)。   Further, in the pixel 20 described above, a part of the light beam Lc (see FIGS. 8, 10, 13, and 15) of the imaging light beam diverged from the sub-lens surface 65 </ b> S is a useless light beam. If there is a degree of freedom in the layout within the pixel 20, useless light rays may be reduced or prevented by extending the high sensitivity embedded photodiode 41 to the incident position of the light rays Lc (in this case, however) The center of the high-sensitivity embedded photodiode 41 deviates from the center of the pixel 20).

また、上述した画素20では、サブレンズ面65Sで発散した結像光束の一部の光線Lc(図8、図10、図13、図15を参照。)が無駄な光線となっていたが、サブレンズ面65Sの形成位置を、低感度埋め込みフォトダイオード42の直上側へとずらすことで、無駄な光線を軽減又は防止してもよい。   Further, in the pixel 20 described above, a part of the light beam Lc (see FIGS. 8, 10, 13, and 15) of the imaging light beam diverged from the sub-lens surface 65 </ b> S is a useless light beam. By shifting the formation position of the sub-lens surface 65S directly above the low-sensitivity embedded photodiode 42, useless light rays may be reduced or prevented.

また、上述した画素20では、サブレンズ面65Sで発散した結像光束の一部の光線Lc(図8、図10、図13、図15を参照。)が無駄な光線となっていたが、画素20内のレイアウトに自由度がある場合には、光線Lcの入射位置に1又は複数の別の埋め込みフォトダイオード(低感度埋め込みフォトダイオード)を形成し、その光線Lcを有効利用してもよい。   Further, in the pixel 20 described above, a part of the light beam Lc (see FIGS. 8, 10, 13, and 15) of the imaging light beam diverged from the sub-lens surface 65 </ b> S is a useless light beam. When the layout in the pixel 20 has a degree of freedom, one or a plurality of other embedded photodiodes (low sensitivity embedded photodiodes) may be formed at the incident position of the light beam Lc, and the light beam Lc may be effectively used. .

また、上述した固体撮像素子3は、マイクロレンズを1層しか有しない固体撮像素子であったが、マイクロレンズを2層有する固体撮像素子にも本発明は適用可能である。例えばアウターレンズとインナーレンズとを有した固体撮像素子において、そのインナーレンズの側へ前述したサブレンズ面を設けることとしてもよい。   Moreover, although the solid-state imaging device 3 described above is a solid-state imaging device having only one microlens layer, the present invention can also be applied to a solid-state imaging device having two layers of microlenses. For example, in a solid-state imaging device having an outer lens and an inner lens, the above-described sub lens surface may be provided on the inner lens side.

また、上述した固体撮像素子3は、MOS型の固体撮像素子であったが、本発明はCCD型など他のタイプの固体撮像素子にも適用することができる。   The solid-state imaging device 3 described above is a MOS type solid-state imaging device, but the present invention can also be applied to other types of solid-state imaging devices such as a CCD type.

65…オンチップマイクロレンズ、65M…メインレンズ面、65S…サブレンズ面、41…高感度埋め込みフォトダイオード、42…低感度埋め込みフォトダイオード 65: On-chip micro lens, 65M: Main lens surface, 65S: Sub lens surface, 41: High sensitivity embedded photodiode, 42: Low sensitivity embedded photodiode

Claims (9)

同一基板上に配列された画素群と、
前記画素群を構成する各々の画素に設けられたマイクロレンズとを備え、
前記各々の画素には、2つの受光部が配列されており、
前記各々の画素のマイクロレンズには、入射光に対して正の屈折力を有したメインレンズ面と、入射光に対して前記屈折力より弱い屈折力を有したサブレンズ面とが形成されている
ことを特徴とする固体撮像素子。
A group of pixels arranged on the same substrate;
A microlens provided in each pixel constituting the pixel group,
In each of the pixels, two light receiving portions are arranged,
The micro lens of each pixel is formed with a main lens surface having a positive refractive power with respect to incident light and a sub lens surface having a refractive power weaker than the refractive power with respect to incident light. A solid-state image sensor characterized by comprising:
請求項1に記載の固体撮像素子において、
前記各々の画素のメインレンズ面は、その画素の2つの受光部のうち一方のみへ入射光を導光するものであり、
前記各々の画素のサブレンズ面は、その画素の2つの受光部のうち少なくとも他方へ入射光を導光するものである
ことを特徴とする固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1,
The main lens surface of each pixel guides incident light to only one of the two light receiving portions of the pixel,
The sub-lens surface of each of the pixels guides incident light to at least the other of the two light receiving portions of the pixel.
請求項2に記載の固体撮像素子において、
前記各々の画素のメインレンズ面は、その画素のマイクロレンズの周辺部に位置し、
前記各々の画素のサブレンズ面は、その画素のマイクロレンズの中央部に位置する
ことを特徴とする固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 2,
The main lens surface of each pixel is located at the periphery of the microlens of the pixel,
The sub-lens surface of each pixel is located in the center of the microlens of the pixel.
請求項3に記載の固体撮像素子において、
前記各々の画素のメインレンズ面は、その画素の2つの受光部のうち一方のみへ入射光を導光するものであり、
前記各々の画素のサブレンズ面は、その画素の2つの受光部の双方へ入射光を導光するものである
ことを特徴とする固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 3,
The main lens surface of each pixel guides incident light to only one of the two light receiving portions of the pixel,
The sub-lens surface of each pixel guides incident light to both of the two light receiving portions of the pixel.
請求項4に記載の固体撮像素子において、
前記各々の画素のメインレンズ面の屈折力は、正であり、
前記各々の画素のサブレンズ面の屈折力は、前記画素のメインレンズ面の屈折力よりも弱い正である
ことを特徴とする固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 4,
The refractive power of the main lens surface of each pixel is positive,
The solid-state imaging device, wherein the refractive power of the sub-lens surface of each pixel is positive that is weaker than the refractive power of the main lens surface of the pixel.
請求項4に記載の固体撮像素子において、
前記各々の画素のメインレンズ面の屈折力は、正であり、
前記各々の画素のサブレンズ面の屈折力は、ゼロである
ことを特徴とする固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 4,
The refractive power of the main lens surface of each pixel is positive,
The refractive power of the sub lens surface of each pixel is zero.
請求項5に記載の固体撮像素子において、
前記各々の画素のメインレンズ面の屈折力は、正であり、
前記各々の画素のサブレンズ面の屈折力は、負である
ことを特徴とする固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 5,
The refractive power of the main lens surface of each pixel is positive,
The solid-state imaging device, wherein the refractive power of the sub lens surface of each pixel is negative.
請求項1〜請求項7の何れか一項に記載の固体撮像素子において、
前記固体撮像素子の撮像面の中央から離れた画素ほど、前記マイクロレンズの形成位置が前記中央の側にずれている
ことを特徴とする固体撮像素子。
In the solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 7,
The solid-state image sensor, wherein the formation position of the microlens is shifted to the center side as the pixel is farther from the center of the imaging surface of the solid-state image sensor.
請求項1〜請求項8の何れか一項に記載の固体撮像素子において、
前記固体撮像素子の撮像面の中央から離れた画素ほど、前記マイクロレンズにおける前記サブレンズ面の形成位置が前記中央の側にずれている
ことを特徴とする固体撮像素子。
In the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 8,
The solid-state image sensor, wherein the sub-lens surface forming position of the microlens is shifted to the center side as the pixel is farther from the center of the imaging surface of the solid-state image sensor.
JP2010027749A 2010-02-10 2010-02-10 Solid-state image sensor Expired - Fee Related JP5544912B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010027749A JP5544912B2 (en) 2010-02-10 2010-02-10 Solid-state image sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010027749A JP5544912B2 (en) 2010-02-10 2010-02-10 Solid-state image sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011165951A true JP2011165951A (en) 2011-08-25
JP5544912B2 JP5544912B2 (en) 2014-07-09

Family

ID=44596268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010027749A Expired - Fee Related JP5544912B2 (en) 2010-02-10 2010-02-10 Solid-state image sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5544912B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019150534A1 (en) * 2018-02-01 2019-08-08 株式会社京都セミコンダクター Semiconductor light receiving element
WO2023017838A1 (en) * 2021-08-13 2023-02-16 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Imaging device and electronic apparatus

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001250931A (en) * 2000-03-07 2001-09-14 Canon Inc Solid-state image sensor and image sensing system using the same
JP2005086083A (en) * 2003-09-10 2005-03-31 Fuji Film Microdevices Co Ltd Solid-state imaging device
JP2005327921A (en) * 2004-05-14 2005-11-24 Sony Corp Solid state imaging apparatus
JP2007019308A (en) * 2005-07-08 2007-01-25 Fujifilm Corp Microlens, manufacturing method thereof, solid-state imaging element using the microlens, and manufacturing method of the element
JP2008244225A (en) * 2007-03-28 2008-10-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid-state imaging apparatus, gray scale mask, color filter and microlens

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001250931A (en) * 2000-03-07 2001-09-14 Canon Inc Solid-state image sensor and image sensing system using the same
JP2005086083A (en) * 2003-09-10 2005-03-31 Fuji Film Microdevices Co Ltd Solid-state imaging device
JP2005327921A (en) * 2004-05-14 2005-11-24 Sony Corp Solid state imaging apparatus
JP2007019308A (en) * 2005-07-08 2007-01-25 Fujifilm Corp Microlens, manufacturing method thereof, solid-state imaging element using the microlens, and manufacturing method of the element
JP2008244225A (en) * 2007-03-28 2008-10-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid-state imaging apparatus, gray scale mask, color filter and microlens

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019150534A1 (en) * 2018-02-01 2019-08-08 株式会社京都セミコンダクター Semiconductor light receiving element
JPWO2019150534A1 (en) * 2018-02-01 2020-02-06 株式会社京都セミコンダクター Semiconductor light receiving element
WO2023017838A1 (en) * 2021-08-13 2023-02-16 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Imaging device and electronic apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
JP5544912B2 (en) 2014-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102437162B1 (en) Image sensor
US8564701B2 (en) Solid-state imaging device having a buried photodiode and a buried floating diffusion positioned for improved signal charge transfer, and electronic apparatus including the solid-state imaging device
US7498650B2 (en) Backside illuminated CMOS image sensor with pinned photodiode
JP5537523B2 (en) Solid-state imaging device
JP4413940B2 (en) Solid-state image sensor, single-plate color solid-state image sensor, and electronic device
JP4751865B2 (en) Back-illuminated solid-state imaging device and manufacturing method thereof
US20220085220A1 (en) Image sensor and image-capturing device
US20200243578A1 (en) Image sensor
JP5566093B2 (en) Solid-state imaging device
US20080258187A1 (en) Methods, systems and apparatuses for the design and use of imager sensors
KR20050057378A (en) Sold state imaging device and production method therefor
JP2008218670A (en) Solid-state image pickup device
WO2017057278A1 (en) Imaging element and imaging device
KR101373905B1 (en) Solid-state imaging device
JP2005268644A (en) Back irradiation type solid-state image pickup element, electronic equipment module, and camera module
JP5544912B2 (en) Solid-state image sensor
JPH0964329A (en) Solid-state image pickup element
JP4751803B2 (en) Back-illuminated image sensor
JP4893244B2 (en) Solid-state image sensor
WO2024101028A1 (en) Optical detection device and electronic apparatus
JP5007739B2 (en) Back-illuminated solid-state imaging device, electronic device module, and camera module
JP4957775B2 (en) Back-illuminated solid-state imaging device, electronic device module, and camera module
JP2010040997A (en) Solid-state imaging element
JP6230637B2 (en) Solid-state imaging device
KR20080024807A (en) Cmos image sensors

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130205

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140116

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140121

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140324

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140415

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140428

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5544912

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees