JP2012038768A - Solid-state imaging element and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子及び撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging apparatus.
焦点検出技術の1つとして位相差検出方式が知られている。この方式は、撮影レンズの異なる瞳領域を通過する光束を受光する一対の瞳分割用画素を設け、この一対の瞳分割用画素からの信号を用いることで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。このような位相差検出方式の原理を適用した撮像装置として、特許文献1,2に記載のものが知られている。
A phase difference detection method is known as one of focus detection techniques. In this method, a pair of pupil division pixels that receive light beams that pass through different pupil regions of the photographing lens are provided, and the defocus amount of the photographing lens is detected by using signals from the pair of pupil division pixels. Is. As imaging devices to which the principle of such a phase difference detection method is applied, those described in
特許文献1に記載の固体撮像素子は、1つのマイクロレンズ下方にある光電変換領域を2分割することで、一対の瞳分割用画素を形成するものである。しかし、この構成では、微細化するほど製造が難しくなるだけでなく、混色も発生しやすくなり、位相差検出精度に欠ける。また、様々な入射角に対するタフネス性に欠ける。
The solid-state imaging device described in
特許文献2には、光電変換素子上方に設ける遮光膜開口を偏心させることで瞳分割用画素を形成した固体撮像素子が記載されている。しかし、この構成は、光電変換素子の上方に遮光膜がある構成が前提となっており、光電変換素子の上方に遮光膜が不要となる裏面照射型の撮像素子や光電変換層積層型の撮像素子に簡単には適用できない。 Patent Document 2 describes a solid-state image sensor in which pupil dividing pixels are formed by decentering a light shielding film opening provided above a photoelectric conversion element. However, this configuration is premised on a configuration in which a light shielding film is provided above the photoelectric conversion element, and a back-illuminated imaging element or a photoelectric conversion layer stacked type imaging that does not require a light shielding film above the photoelectric conversion element. It cannot be easily applied to devices.
裏面照射型撮像素子は、開口率100%を実現できる構成であり、遮光膜は必要ない。光電変換領域上方に遮光膜を敢えて形成してしまうと、光電変換領域とその上方のマイクロレンズとの距離が大きくなり、全ての画素の感度低下、混色の発生が懸念される。また、遮光膜を形成する工程を追加する必要があり、製造コストの増大も懸念される。 The back-illuminated image sensor has a configuration that can realize an aperture ratio of 100% and does not require a light shielding film. If the light-shielding film is intentionally formed above the photoelectric conversion region, the distance between the photoelectric conversion region and the microlens above the photoelectric conversion region is increased, and there is a concern that sensitivity of all pixels may be reduced and color mixing may occur. In addition, it is necessary to add a step of forming a light shielding film, and there is a concern about an increase in manufacturing cost.
光電変換層積層型の撮像素子は、信号読出し回路を形成した半導体基板上方に、光を電荷に変換する光電変換層を積層し、この光電変換層で発生した電荷に応じた信号を、半導体基板に形成された信号読出し回路で読み出す構成である。光電変換層積層型の撮像素子も、裏面照射型撮像素子と同様に開口率100%を達成できる構成である。このため、遮光膜は不要であるが、敢えて遮光膜を設けると、感度低下、混色の発生、製造コストの増大が懸念される。 The photoelectric conversion layer stacked type imaging device has a photoelectric conversion layer that converts light into electric charges stacked on a semiconductor substrate on which a signal readout circuit is formed, and a signal corresponding to the electric charges generated in the photoelectric conversion layer is transmitted to the semiconductor substrate. It is the structure read by the signal reading circuit formed in this. The photoelectric conversion layer-stacked image sensor is also configured to achieve an aperture ratio of 100%, similar to the back-illuminated image sensor. For this reason, a light shielding film is unnecessary, but if a light shielding film is provided, there is a concern that sensitivity is lowered, color mixing occurs, and manufacturing costs are increased.
近年では、一般的な単板式の固体撮像素子の感度向上が限界に達してきており、感度を飛躍的に向上させることのできる裏面照射型撮像素子や光電変換層積層型撮像素子が注目されてきている。しかし、裏面照射型撮像素子や光電変換層積層型撮像素子において、感度低下、混色の発生、製造コストの増大を防ぎながら瞳分割を行うための画素構造は今まで提案されていない。 In recent years, the sensitivity improvement of a general single-plate solid-state image sensor has reached the limit, and back-illuminated image sensors and photoelectric conversion layer stacked image sensors that can dramatically improve the sensitivity have attracted attention. ing. However, a pixel structure for performing pupil division while preventing a decrease in sensitivity, occurrence of color mixing, and an increase in manufacturing cost has not been proposed so far in back-illuminated image sensors and photoelectric conversion layer stacked image sensors.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、感度低下、混色の発生を防ぎながら瞳分割を行うことのできる固体撮像素子及びこれを備える撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of performing pupil division while preventing a reduction in sensitivity and color mixing, and an imaging apparatus including the same.
本発明の固体撮像素子は、複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズの各々で集光される光を受光する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部の各々で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し回路とを有する固体撮像素子であって、前記複数の光電変換部が存在する層に対して、一方の側に前記複数のマイクロレンズが設けられ、他方の側に前記信号読出し回路が設けられ、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部は、第一の上凸レンズ形状部を備え、前記第一の上凸レンズ形状部は、その中心が前記マイクロレンズの中心に対して偏心し、かつ、その透過率が前記マイクロレンズの最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも高くなっているものである。
この構成によれば、遮光膜を用いることなく、瞳分割を行うことができる。この構成は、特許文献1の構成と比較して微細化が進んでも容易に製造することができると共に、混色も発生しにくくなり、位相差検出精度を向上させることができる。
The solid-state imaging device of the present invention includes a plurality of microlenses, a plurality of photoelectric conversion units that receive light collected by each of the plurality of microlenses, and charges generated in each of the plurality of photoelectric conversion units. A solid-state imaging device having a signal readout circuit for reading out a corresponding signal, wherein the plurality of microlenses are provided on one side with respect to the layer in which the plurality of photoelectric conversion units exist, and the other side A signal readout circuit is provided, and at least a part of the plurality of microlenses includes a first upward convex lens shape portion, and the center of the first upward convex lens shape portion is decentered with respect to the center of the microlens. In addition, the transmittance is higher than the transmittance of the outermost lens portion of the microlens.
According to this configuration, pupil division can be performed without using a light shielding film. This configuration can be easily manufactured even if the miniaturization is advanced as compared with the configuration of
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備えるものである。 The imaging device of the present invention includes the solid-state imaging device.
本発明によれば、感度低下、混色の発生を防ぎながら瞳分割を行うことのできる固体撮像素子及びこれを備える撮像装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a solid-state image sensor which can perform pupil division | segmentation, preventing a sensitivity fall and generation | occurrence | production of color mixing, and an imaging device provided with the same can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。固体撮像素子100は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話機の撮像モジュール等の撮像装置に搭載して用いられる。図1に示した固体撮像素子100は、行方向Xとこれに直交する列方向Yに二次元状(図1の例では正方格子状)に配列された複数の画素部を備えている。この複数の画素部は、通常画素部10と瞳分割用画素部11と瞳分割用画素部12とを含む。
FIG. 1 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a solid-state imaging device for explaining an embodiment of the present invention. The solid-
瞳分割用画素部11は、これに近接して配置(図1の例では斜め右下に隣接して配置)された瞳分割用画素部12と共にペアを構成し、このペアを構成する瞳分割用画素部11と瞳分割用画素部12が、固体撮像素子100が搭載される撮像装置の撮影レンズの異なる瞳領域を通過する光束を受光するものとなる。
The pupil
通常画素部10は、瞳分割機能を有していない画素部である。
The
図2は、図1に示した固体撮像素子100におけるA−A線断面模式図である。図3は、図1に示した固体撮像素子100におけるB−B線断面模式図である。
2 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in the solid-
固体撮像素子100は、支持基板26上に絶縁層25が形成され、絶縁層25上に半導体基板としてのシリコン基板Sが形成され、シリコン基板S上方にカラーフィルタ層が形成され、カラーフィルタ層上にマイクロレンズ層が形成された構成である。
In the solid-
シリコン基板S内には、素子分離層23によって画素部毎に分離された光電変換部としてのフォトダイオード(PD)21が形成されている。
In the silicon substrate S, a photodiode (PD) 21 is formed as a photoelectric conversion unit separated for each pixel unit by the
シリコン基板S内と絶縁層25内には、画素部毎に、その画素部のPD21で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読出し回路22が形成されている。信号読出し回路22はCMOS回路で構成される。
In the silicon substrate S and the
信号読出し回路22として、シリコン基板S内には、PD21で発生した電荷を蓄積するフローティングディフュージョン、フローティングディフュージョンの電位に応じた信号を読み出したり当該電位をリセットしたりするためのトランジスタの半導体素子層等が形成され、絶縁層25内には、当該トランジスタのゲート電極、当該トランジスタに接続される配線等の導電性材料層が形成される。
As the
各PD21の上方には、図示しない絶縁層を介してカラーフィルタ20が形成されており、複数のカラーフィルタ20同士の間には、混色防止のために隔壁24が形成されている。この複数のカラーフィルタ20によって前述したカラーフィルタ層が構成される。複数のカラーフィルタ20の配列は、例えばベイヤー配列となっており、瞳分割用画素部11,12に含まれるカラーフィルタ20は例えば緑色光を透過するものとなっている。
A
通常画素部10のカラーフィルタ20上にはマイクロレンズ10aが形成されている。マイクロレンズ10aは、その下方のPD21に光を集光する。
A
瞳分割用画素部11のカラーフィルタ20上には、外形がマイクロレンズ10aと同じマイクロレンズ11aが形成されている。マイクロレンズ11aは上凸レンズ形状部11bを備えており、上凸レンズ形状部11bとそれを除く部分と共に、その下方のPD21に光を集光する。
On the
上凸レンズ形状部11bは、マイクロレンズ11aの最も外側のレンズ部分(上凸レンズ形状部11bを除く部分)よりも屈折率が高く、かつ、当該レンズ部分よりも光の透過率が高く、かつ、その平面視における中心がマイクロレンズ11aの平面視における中心に対して行方向Xの左側に偏心している。
The upward convex
上凸レンズ形状部11bは、より具体的には、その端部がマイクロレンズ11aの外周端部と接触する位置まで偏心して設けられている。
More specifically, the upward convex lens-shaped
瞳分割用画素部12のカラーフィルタ20上には、外形がマイクロレンズ10aと同じマイクロレンズ12aが形成されている。マイクロレンズ12aは、外形が上凸レンズ形状部11bと同じ上凸レンズ形状部12bを備えており、上凸レンズ形状部12bとそれを除く部分と共に、その下方のPD21に光を集光する。
On the
上凸レンズ形状部12bは、マイクロレンズ12aの最も外側のレンズ部分(上凸レンズ形状部12bを除く部分)よりも屈折率が高く、かつ、当該レンズ部分よりも光の透過率が高く、かつ、その平面視における中心がマイクロレンズ12aの平面視における中心に対して行方向Xの右側に偏心している。
The upward convex
上凸レンズ形状部12bは、より具体的には、その端部がマイクロレンズ12aの外周端部と接触する位置まで偏心して設けられている。
More specifically, the upward convex
このように、固体撮像素子100は、シリコン基板Sの光入射側の面(表面)上方に、マイクロレンズ10a,11a,12aを含むマイクロレンズ層が形成され、シリコン基板Sの光入射側とは反対側の面(裏面)に信号読出し回路22が形成された、所謂、裏面照射型の撮像素子となっている。
Thus, in the solid-
このような構成の固体撮像素子100では、マイクロレンズ10に入射した光が、マイクロレンズ10下のカラーフィルタ20に入射する。また、マイクロレンズ11aに入射した光は、その一部が上凸レンズ形状部11bを通過してカラーフィルタ20に入射し、その残りが上凸レンズ形状部11bに入射することなくカラーフィルタ20に入射する。また、マイクロレンズ12aに入射した光は、その一部が上凸レンズ形状部12bを通過してカラーフィルタ20に入射し、その残りが上凸レンズ形状部12bに入射することなくカラーフィルタ20に入射する。各カラーフィルタ20を通過した光はその下方のPD21に入射して、ここで電荷に変換され、変換後の電荷が信号読出し回路22によって信号に変換されて読み出される。
In the solid-
図4は、図1に示した固体撮像素子100における瞳分割用画素部11,12の瞳分割原理を説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of pupil division of the pupil
FIG4Aに示すように、瞳分割用画素部11では、マイクロレンズ11aに対して行方向Xの右側から入射してきた光線R1と、マイクロレンズ11aに対して行方向Xの左側から入射してきた光線L1は、それぞれ、マイクロレンズ11aの最も外側のレンズ部分で屈折した後、上凸レンズ形状部11bに入射し、ここで屈折した後、カラーフィルタ20へと入射する。また、FIG4Bに示すように、瞳分割用画素部12では、マイクロレンズ12aに対して行方向Xの右側から入射してきた光線R1と、マイクロレンズ12aに対して行方向Xの左側から入射してきた光線L1は、それぞれ、マイクロレンズ12aの最も外側のレンズ部分で屈折した後、上凸レンズ形状部12bに入射し、ここで屈折した後、カラーフィルタ20へと入射する。
As shown in FIG. 4A, in the pupil
FIG4Aを見て分かるように、光線R1は、透過率の低いマイクロレンズ11aの最も外側のレンズ部分内を、光線L1よりも長い距離進んで上凸レンズ形状部11bに到達する。このため、瞳分割用画素部11のPD21に到達する光の量は、光線R1の方が光線L1よりも少なくなる。また、マイクロレンズ11aに行方向Xの右側から入射してくる光線には、上凸レンズ形状部11bに入射せずにカラーフィルタ20に到達する光線もあるが、このような光線は、透過率の低いマイクロレンズ11aのレンズ部分によって光量が減衰されてPD21に到達する。また、マイクロレンズ11aに行方向Xの左側から入射してくる光線にも、上凸レンズ形状部11bに入射せずにカラーフィルタ20に到達する光線があるが、このような光線は右側からの光線に比べて少ない。この結果、瞳分割用画素部11は、撮影レンズの瞳の中心から行方向Xの左側に偏心した瞳領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
As can be seen from FIG. 4A, the light ray R1 travels a longer distance than the light ray L1 in the outermost lens portion of the
FIG4Bを見て分かるように、光線R1は、透過率の低いマイクロレンズ12aの最も外側のレンズ部分内を、光線L1よりも短い距離進んで上凸レンズ形状部12bに到達する。このため、瞳分割用画素部12のPD21に到達する光の量は、光線R1の方が光線L1よりも多くなる。また、マイクロレンズ12aに行方向Xの左側から入射してくる光線には、上凸レンズ形状部12bに入射せずにカラーフィルタ20に到達する光線もあるが、このような光線は、透過率の低いマイクロレンズ12aのレンズ部分によって光量が減衰されてPD21に到達する。また、マイクロレンズ12aに行方向Xの右側から入射してくる光線にも、上凸レンズ形状部12bに入射せずにカラーフィルタ20に到達する光線があるが、このような光線は左側からの光線に比べて少ない。この結果、瞳分割用画素部12は、撮影レンズの瞳の中心から行方向Xの右側に偏心した瞳領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
As can be seen from FIG. 4B, the light ray R1 travels a shorter distance than the light ray L1 in the outermost lens portion of the low-
通常画素部10については、光線R1,L1とも、同じ量だけPD21に到達するため、撮影レンズの瞳の中心から実質的に偏心しない瞳領域からの光束を受光して光電変換することになる。
In the
固体撮像素子100では、このような原理により、瞳分割用画素部11,12で瞳分割を行うことを可能にしている。固体撮像素子100は、裏面照射型であるため、図2,3に示すように、PD21よりも上に遮光層が存在していない。このため、遮光層をわざわざ設け、この遮光層の開口を偏心させることで瞳分割を行う場合と比較して、固体撮像素子100の薄型化による感度向上及び混色の防止を防ぐことができる。また、マイクロレンズの形成方法を工夫して瞳分割を行うため、特許文献1に記載の構造と比較して、微細化にも対応しやすく、製造が容易となる。
In the solid-
固体撮像素子100において、遮光層を使用せずに瞳分割を行う方法としては、例えば、図5に示すように、瞳分割用画素部11のマイクロレンズを上凸レンズ形状部11bのみにする方法(瞳分割用画素部12についても同様)も考えられる。しかし、このようにした場合は、図5に示すように、上凸レンズ形状部11bを通過した光が、素子分離層23に入射し、ここを貫通して隣のPD21に到達してしまう可能性が高くなる。
In the solid-
これに対し、マイクロレンズ11aに上凸レンズ形状部11bを内蔵した二重構造によれば、図6に示すように、マイクロレンズ11aで光線をPD21側に一旦屈折させることができる。このため、図5に示した構成よりも、素子分離層23に到達する光を減らすことができ、混色を防止することができる。
On the other hand, according to the double structure in which the upward convex
また、図5に示した構成の場合、マイクロレンズ10aと上凸レンズ形状部12bとの間に大きな隙間が生じるため、マイクロレンズ10aが横に広がってしまう可能性があるが、図2,図3に示した構成によれば、そのようなこともない。
In the case of the configuration shown in FIG. 5, a large gap is generated between the
なお、通常画素部10は感度が高い方が好ましいため、マイクロレンズ10aの透過率は高くしておくことが好ましく、上凸レンズ形状部11b,12bも、瞳分割用画素部11,12の感度低下を避けるために、透過率を高くしておくことが好ましい。したがって、マイクロレンズ10aと上凸レンズ形状部11b,12bの透過率を同じとし、マイクロレンズ11a,12aの最も外側のレンズ部分の透過率を、マイクロレンズ10a及び上凸レンズ形状部11b,12bよりも低くしておくことが好ましい。また、マイクロレンズ11aの上凸レンズ形状部11bを除くレンズ部分の屈折率と、上凸レンズ形状部11bの屈折率は、同じであってもよいし、上凸レンズ形状部11bの屈折率の方が低くてもよい。上凸レンズ形状部11bの屈折率を相対的に高くすることで、左に偏心した瞳領域からの光を効率的にPD21に導くことができ、瞳分割性能を向上させることができる。同様に、マイクロレンズ12aの上凸レンズ形状部12bを除くレンズ部分の屈折率と、上凸レンズ形状部12bの屈折率は、同じであってもよいし、上凸レンズ形状部12bの屈折率の方が低くてもよい。上凸レンズ形状部12bの屈折率を相対的に高くすることで、右に偏心した瞳領域からの光を効率的にPD21に導くことができ、瞳分割性能を向上させることができる。
Since the
以上の説明では、瞳分割用画素部11,12のカラーフィルタ20は、緑色光を透過するものとしたが、これに限らず、カラーフィルタを設けない構成、グレーフィルタを設ける構成、白色フィルタを設ける構成、NDフィルタを設ける構成等であってもよい。
In the above description, the
また、固体撮像素子100は、カラー撮像が目的でなければ、カラーフィルタ20を省略してもよい。また、固体撮像素子100を測距専用の素子としてもよく、この場合には、固体撮像素子100に含まれる全ての画素部を瞳分割用画素部11,12にすればよい。測距専用の素子としたときも、カラーフィルタ20は省略してよい。
Further, in the solid-
また、信号読出し回路22はCCD回路であってもよい。CCD回路の場合、シリコン基板S内には、PD21で発生した電荷を転送する電荷転送チャネル等の半導体素子層が形成され、絶縁層25内には、電荷転送チャネルに電圧を印加するための電極、当該電極に接続される配線等の導電性材料層が形成される。この場合、信号読出し回路22は、画素部毎ではなく、全ての画素部全体に対して設けられる。
The
以下では、固体撮像素子100の変形例を説明する。
Below, the modification of the solid-
(第一の変形例)
図7及び図8は、図1に示した固体撮像素子100の第一の変形例を示す図であり、図3に対応する図である。
(First modification)
7 and 8 are diagrams showing a first modification of the solid-
図7,図8に示した固体撮像素子100は、瞳分割用画素部12のカラーフィルタ20を行方向Xに縮めて上凸レンズ形状部12bの下方にのみ形成し、カラーフィルタ20を縮めたことで生じた残りのスペースに遮光層24aを追加した構成となっている。遮光層24aは、光を吸収又は反射できる材料で構成されていればよく、例えば黒色のカラーフィルタで構成されている。なお、図7,図8では、瞳分割用画素部12についてしか図示していないが、瞳分割用画素部11についても同様に遮光層24aが設けられる。なお、瞳分割用画素部11,12のカラーフィルタ20は省略し、省略した部分には透明な絶縁材料を埋めておいてもよい。
In the solid-
図7,図8に示した構成によれば、上凸レンズ形状部12bに入射せずに、マイクロレンズ12aの上凸レンズ形状部12bを除く部分のみを通過してPD21に向かう光を遮光層24aで吸収又は反射することができる。このため、瞳分割用画素部11,12の瞳分割性能を図2,図3に示した場合と比較して向上させることができる。また、遮光層24aは、PD21の開口を偏心させる役割も果たすため、これだけでもある程度の瞳分割を実現することができる。したがって、遮光層24aを設けない場合と比較すると、上凸レンズ形状部12bの大きさと、マイクロレンズ12aの上凸レンズ形状部12bを除く部分の透過率の設計自由度を上げることができる。また、遮光層24aは、カラーフィルタ20と同一層に形成されているため、固体撮像素子100の厚みが大きくなることはなく、感度低下、混色の増大を防ぐことができる。
According to the configuration shown in FIG. 7 and FIG. 8, the light that passes through only the portion excluding the upper convex
(第二の変形例)
図9,図10は、図1に示した固体撮像素子100の第二の変形例を示す図であり、図2,図3に対応する図である。
(Second modification)
9 and 10 are diagrams showing a second modification of the solid-
図9に示した固体撮像素子100は、瞳分割用画素部11の上凸レンズ形状部11bのサイズが小さくなっており、マイクロレンズ11aが、上凸レンズ形状部11bを内蔵する上凸レンズ形状部11cを有する点を除いては、図2に示した構成と同じである。
In the solid-
上凸レンズ形状部11cは、マイクロレンズ11aの上凸レンズ形状部11cより外側のレンズ部分よりも透過率が低く、かつ、その平面視における中心が、マイクロレンズ11aの平面視における中心よりも行方向Xの左側に偏心している。また、マイクロレンズ11aの全てのレンズ部分の屈折率は、内側にあるものほど高くなっている。つまり、マイクロレンズ11aの最も外側のレンズ部分の屈折率(上凸レンズ形状部11cより外側の部分)<上凸レンズ形状部11cの屈折率<上凸レンズ形状部11bの屈折率となっている。
The upward convex lens shape portion 11c has a lower transmittance than the lens portion outside the upward convex lens shape portion 11c of the
図10に示した固体撮像素子100は、瞳分割用画素部12の上凸レンズ形状部12bのサイズが小さくなっており、マイクロレンズ12aが、上凸レンズ形状部12bを内蔵する上凸レンズ形状部12cを有する点を除いては、図3に示した構成と同じである。
In the solid-
上凸レンズ形状部12cは、マイクロレンズ12aの上凸レンズ形状部12cより外側のレンズ部分よりも透過率が低く、かつ、その平面視における中心が、マイクロレンズ12aの平面視における中心よりも行方向Xの右側に偏心している。また、マイクロレンズ12aの全てのレンズ部分の屈折率は、内側にあるものほど高くなっている。つまり、マイクロレンズ12aの最も外側のレンズ部分の屈折率(上凸レンズ形状部12cより外側の部分)<上凸レンズ形状部12cの屈折率<上凸レンズ形状部12bの屈折率となっている。
The upward convex
図9,図10に示した構成によれば、瞳分割用画素部11,12のマイクロレンズを3重構造にしているため、上凸レンズ形状部11b,12bを通過した光が、シリコン基板Sに対してより垂直方向に向かいやすくなり、混色防止効果を高めることができる。また、この構成では、上凸レンズ形状部11c,12cの透過率が、マイクロレンズ11a,12aの最も外側のレンズ部分よりも低くなっている。このため、瞳分割用画素部11であれば、行方向Xの右側から入射する光線をマイクロレンズ11aの最も外側のレンズ部分と上凸レンズ形状部11cの2つで強く減衰させることができ、瞳分割用画素部12であれば、行方向Xの左側から入射する光線をマイクロレンズ12aの最も外側のレンズ部分と上凸レンズ形状部12cの2つで強く減衰させることができ、瞳分割性能を向上させることができる。
9 and 10, since the microlenses of the pupil
なお、図9,図10では、上凸レンズ形状部11c,12cの透過率がマイクロレンズ11a,12aの最も外側のレンズ部分より高くてもよいし、同じでもよい。このようにした場合でも、マイクロレンズを三重構造にしたことによる混色防止効果を得ることができる。また、マイクロレンズ11a,12aのレンズ部分の屈折率は、全て同じであってもよいし、外側にあるものほど高くなっていてもよい。屈折率を内側にあるものほど高くすることで、右又は左に偏心した瞳領域からの光を効率的にPD21に導くことができ、瞳分割性能を向上させることができる。
In FIGS. 9 and 10, the transmittance of the upper convex lens-shaped
また、マイクロレンズ11a(12a)内には、上凸レンズ形状部11b(12b)を内蔵する上凸レンズ形状部を複数設けてもよい。この場合、複数設ける上凸レンズ形状部は、大きさ以外は全て上凸レンズ形状部11c(12c)と同じ構成(例えば、マイクロレンズ11a(12a)に対して中心が左側(右側)に偏心し、マイクロレンズ11a(12a)の最も外側のレンズ部分よりも透過率が低い構成)とすればよい。
Further, in the
(第三の変形例)
図11は、図1に示した固体撮像素子100の第三の変形例を示す図である。図11に示した固体撮像素子200は、行方向Xと列方向Yに二次元状に配列された複数の画素部を備える。この複数の画素部は、図1に示した瞳分割用画素部11と瞳分割用画素部12の2種類の瞳分割用画素部のみで構成されている。
(Third modification)
FIG. 11 is a diagram showing a third modification of the solid-
図11では、瞳分割用画素部11については、そこに含まれるマイクロレンズ11a、上凸レンズ形状部11bのみを図示し、瞳分割用画素部12については、そこに含まれるマイクロレンズ12a、上凸レンズ形状部12bのみを図示している。
In FIG. 11, only the
瞳分割用画素部11と瞳分割用画素部12は、それぞれ、同一数存在し、かつ、同一ピッチで正方格子状に配列されている。瞳分割用画素部11のカラーフィルタ20の配列は全体としてベイヤー配列になっており、瞳分割用画素部12のカラーフィルタ20の配列も全体としてベイヤー配列になっている。そして、正方格子状に配列された瞳分割用画素部11を斜め45°右下にずらした位置に、この瞳分割用画素部11と同色のカラーフィルタを持つ瞳分割用画素部12が配置されており、瞳分割用画素部11と、この瞳分割用画素部11に対して斜め右下方向に隣接する瞳分割用画素部12とでペアを構成している。
The same number of pupil
この固体撮像素子200では、全ての瞳分割用画素部11から得られる撮像画像信号と、全ての瞳分割用画素部12から得られる撮像画像信号とが、同一被写体を異なる方向から見たときのものとなる。したがって、全ての瞳分割用画素部11から得られる撮像画像信号に基づく画像と、全ての瞳分割用画素部12から得られる撮像画像信号に基づく画像とには視差が存在することになり、この2つの画像によって立体画像を再生することができる。
In the solid-
瞳分割用画素部11,12として図9,10に示した構成を採用した場合は、視差を特に大きくすることができる。
When the configurations shown in FIGS. 9 and 10 are adopted as the pupil
なお、固体撮像素子200では、瞳分割用画素部11と瞳分割用画素部12の2種類の画素部により、視差のある画像を1組生成可能であるが、例えば、上凸レンズ形状部11bや上凸レンズ形状部12bの中心が列方向Yに偏心している別の瞳分割用画素部を設けて3種類以上の瞳分割用画素部を持つ固体撮像素子を実現することもできる。この場合、3種類以上の瞳分割用画素部の各々で得られる画像を組み合わせることで、同一被写体に対し、視点を変えた2つ以上の立体画像を再生することもできるようになる。
Note that in the solid-
(第四の変形例)
図12は、図1に示した固体撮像素子100の第四の変形例を示す図であり、図3に対応する図である。図1〜図11の説明では、固体撮像素子を裏面照射型としたが、本発明は光電変換層積層型の固体撮像素子にも適用可能であり、この場合の構成例を示したものが図12である。図12において、カラーフィルタ20より上の構成については、図3と同じであるため、以下では、カラーフィルタ20よりも下の構成について説明する。なお、瞳分割用画素部11の構成については、カラーフィルタ20から上の構成が図2に示したものになる以外は、図12と同じであるため、説明を省略する。
(Fourth modification)
FIG. 12 is a diagram illustrating a fourth modification of the solid-
図12に示した固体撮像素子は、シリコン基板35上方に光電変換層33が形成され、光電変換層33上方にカラーフィルタ層が形成された構成である。
The solid-state imaging device shown in FIG. 12 has a configuration in which a
シリコン基板35上の絶縁層39上には、画素部毎に分割された画素電極34が形成されている。絶縁層39内には、画素部毎に、画素電極34と電気的に接続されるコンタクト部37が形成されている。
On the insulating
シリコン基板35内と絶縁層39内には、画素部毎に信号読出し回路32が形成されており、この信号読出し回路32がコンタクト部37を介して画素電極34と接続されている。
A
信号読出し回路32は、画素電極34で捕集された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、この電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すCMOS回路で構成される。
The
信号読出し回路32として、シリコン基板35内には、電荷蓄積部と、電荷蓄積部の電荷に応じた信号を読み出したり当該電荷をリセットしたりするためのトランジスタの半導体素子層が形成され、絶縁層39内には、当該トランジスタのゲート電極、当該トランジスタに接続される配線等の導電性材料層が形成される。
As the
信号読出し回路32がCCD回路の場合、シリコン基板35内には、電荷蓄積部と、電荷蓄積部で発生した電荷を転送する電荷転送チャネル等の半導体素子層が形成され、絶縁層39内には、電荷転送チャネルに電圧を印加するための電極、当該電極に接続される配線等の導電性材料層が形成される。なお、CCD回路の場合は、信号読出し回路32は、画素部毎ではなく、全ての画素部全体に対して設けられる。
When the
画素部毎に設けられた画素電極34の上には、これを覆うように全画素部で共通の光電変換層33が形成されている。光電変換層33は、光を受光して、この光に応じた電荷を発生する光電変換材料で構成された層である。
On the
光電変換層33上には、全画素部で共通の透明な対向電極31が形成されている。対向電極31上には透明な絶縁層38が形成され、この上に、カラーフィルタ層が形成されている。
On the
このように、光電変換層積層型の固体撮像素子であっても、遮光層を用いることなく、瞳分割を行うことができる。 Thus, even with a photoelectric conversion layer stacked solid-state imaging device, pupil division can be performed without using a light shielding layer.
これまで説明してきた内容は、矛盾の生じない範囲で適宜組み合わせることができる。例えば、第一の変形例と第二の変形例を組み合わせたり、第一及び第二の変形例と第三の変形例を組み合わせたり、第四の変形例と第一〜第三の変形例を組み合わせたりすることができる。 The contents described so far can be appropriately combined within a range where no contradiction occurs. For example, the first modified example and the second modified example are combined, the first and second modified examples are combined with the third modified example, the fourth modified example and the first to third modified examples are combined. Can be combined.
以上説明してきたように、本明細書には次の事項が開示されている。 As described above, the following items are disclosed in this specification.
開示された固体撮像素子は、複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズの各々で集光される光を受光する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部の各々で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し回路とを有する固体撮像素子であって、前記複数の光電変換部が存在する層に対して、一方の側に前記複数のマイクロレンズが設けられ、他方の側に前記信号読出し回路が設けられ、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部は、第一の上凸レンズ形状部を備え、前記第一の上凸レンズ形状部は、その中心が前記マイクロレンズの中心に対して偏心し、かつ、その透過率が前記マイクロレンズの最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも高くなっているものである。 The disclosed solid-state imaging device includes a plurality of microlenses, a plurality of photoelectric conversion units that receive light collected by each of the plurality of microlenses, and a charge generated in each of the plurality of photoelectric conversion units. A solid-state imaging device having a signal readout circuit for reading out a corresponding signal, wherein the plurality of microlenses are provided on one side with respect to the layer in which the plurality of photoelectric conversion units exist, and the other side A signal readout circuit is provided, and at least a part of the plurality of microlenses includes a first upward convex lens shape portion, and the center of the first upward convex lens shape portion is decentered with respect to the center of the microlens. In addition, the transmittance is higher than the transmittance of the outermost lens portion of the microlens.
開示された固体撮像素子は、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部が、前記第一の上凸レンズ形状部を備える少なくとも1つの第二の上凸レンズ形状部を内蔵し、前記第二の上凸レンズ形状部は、その中心が前記マイクロレンズの中心に対して、前記第一の上凸レンズ形状部の前記マイクロレンズに対する中心の偏心方向と同じ方向に偏心しているものである。 In the disclosed solid-state imaging device, at least a part of the plurality of microlenses incorporates at least one second upward convex lens shape portion including the first upward convex lens shape portion, and the second upward convex lens shape The center of the portion is decentered in the same direction as the center decentering direction of the first upward convex lens-shaped portion with respect to the microlens with respect to the center of the microlens.
開示された固体撮像素子は、前記マイクロレンズが備える前記第二の上凸レンズ形状部の透過率が、前記マイクロレンズの最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも低くなっているものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the transmittance of the second upward convex lens-shaped portion included in the microlens is lower than the transmittance of the lens portion located on the outermost side of the microlens.
開示された固体撮像素子は、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の屈折率が、全てのレンズ部分で異なっているものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the refractive indexes of at least some of the plurality of microlenses are different in all lens portions.
開示された固体撮像素子は、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の屈折率が、内側にあるレンズ部分ほど大きくなっているものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the refractive index of at least a part of the plurality of microlenses is larger as the lens portion is on the inner side.
開示された固体撮像素子は、前記第一の上凸レンズ形状部を備えるマイクロレンズが、前記複数のマイクロレンズの一部のマイクロレンズであり、前記複数のマイクロレンズのうちの前記一部を除くマイクロレンズと前記光電変換部との間にカラーフィルタを備え、前記一部のマイクロレンズと前記光電変換部との間の前記カラーフィルタと同一層に、当該マイクロレンズで集光された光の前記光電変換部への入射量を制限する遮光層を備え、前記遮光層は、前記一部のマイクロレンズが備える前記第一の上凸レンズ形状部の下方に開口が形成されているものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the microlens provided with the first upward convex lens-shaped portion is a microlens that is a part of the plurality of microlenses, and a micro that excludes the part of the plurality of microlenses. A color filter is provided between the lens and the photoelectric conversion unit, and the photoelectric of the light collected by the micro lens is formed in the same layer as the color filter between the partial micro lens and the photoelectric conversion unit. The light-shielding layer which restrict | limits the incident amount to a conversion part is provided, The said light-shielding layer is an opening formed in the downward direction of said 1st upward convex lens-shaped part with which said one part microlens is equipped.
開示された固体撮像素子は、前記第一の上凸レンズ形状部を備えるマイクロレンズが、前記複数のマイクロレンズの全部のマイクロレンズであり、全ての前記第一の上凸レンズ形状部と前記光電変換部との間にカラーフィルタを備え、全ての前記マイクロレンズと前記光電変換部との間のうち、前記カラーフィルタを除く部分には遮光層が形成されているものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the microlens including the first upward convex lens shape portion is all the microlenses of the plurality of microlenses, and all the first upward convex lens shape portion and the photoelectric conversion portion A color filter is provided between the microlens and the photoelectric conversion unit, and a light shielding layer is formed on a portion excluding the color filter.
開示された固体撮像素子は、前記信号読み出し回路が半導体基板に形成され、前記光電変換部が、前記半導体基板上方に積層されたものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the signal readout circuit is formed on a semiconductor substrate, and the photoelectric conversion unit is stacked above the semiconductor substrate.
開示された固体撮像素子は、前記光電変換部が半導体基板内に形成され、前記信号読み出し回路が前記半導体基板の表面側に形成され、前記複数のマイクロレンズが前記半導体基板の裏面側に形成されているものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the photoelectric conversion unit is formed in a semiconductor substrate, the signal readout circuit is formed on the front surface side of the semiconductor substrate, and the plurality of microlenses are formed on the back surface side of the semiconductor substrate. It is what.
開示された撮像装置は、前記固体撮像素子を備えるものである。 The disclosed imaging device includes the solid-state imaging device.
100 固体撮像素子
10 通常画素部
11,12 瞳分割用画素部
10a,11a,12a マイクロレンズ
11b,12b 上凸レンズ形状部
20 カラーフィルタ
21 PD
22 信号読出し回路
S シリコン基板
DESCRIPTION OF
22 Signal readout circuit S Silicon substrate
Claims (10)
前記複数の光電変換部が存在する層に対して、一方の側に前記複数のマイクロレンズが設けられ、他方の側に前記信号読出し回路が設けられ、
前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部は、第一の上凸レンズ形状部を備え、
前記第一の上凸レンズ形状部は、その中心が前記マイクロレンズの中心に対して偏心し、かつ、その透過率が前記マイクロレンズの最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも高くなっている固体撮像素子。 A plurality of microlenses, a plurality of photoelectric conversion units that receive light collected by each of the plurality of microlenses, and a signal readout circuit that reads signals according to the charges generated in each of the plurality of photoelectric conversion units A solid-state imaging device comprising:
The plurality of microlenses are provided on one side with respect to the layer in which the plurality of photoelectric conversion units exist, and the signal readout circuit is provided on the other side,
At least a part of the plurality of microlenses includes a first upward convex lens shape portion,
The first upward convex lens-shaped portion is a solid whose center is decentered with respect to the center of the microlens and whose transmittance is higher than the transmittance of the lens portion on the outermost side of the microlens Image sensor.
前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部が、前記第一の上凸レンズ形状部を備える少なくとも1つの第二の上凸レンズ形状部を内蔵し、
前記第二の上凸レンズ形状部は、その中心が前記マイクロレンズの中心に対して、前記第一の上凸レンズ形状部の前記マイクロレンズに対する中心の偏心方向と同じ方向に偏心している固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
At least a part of the plurality of microlenses incorporates at least one second upward convex lens shape portion including the first upward convex lens shape portion,
The second upward convex lens-shaped part is a solid-state imaging device whose center is decentered with respect to the center of the microlens in the same direction as the eccentric direction of the center of the first upward convex lens-shaped part with respect to the microlens.
前記マイクロレンズが備える前記第二の上凸レンズ形状部の透過率が、前記マイクロレンズの最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも低くなっている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2,
A solid-state imaging device in which the transmittance of the second upward convex lens-shaped portion included in the microlens is lower than the transmittance of a lens portion located on the outermost side of the microlens.
前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の屈折率が、全てのレンズ部分で異なっている固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 3,
A solid-state imaging device in which a refractive index of at least some of the plurality of microlenses is different in all lens portions.
前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の屈折率が、内側にあるレンズ部分ほど大きくなっている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 4,
A solid-state imaging device in which a refractive index of at least a part of the plurality of microlenses is increased toward an inner lens portion.
前記第一の上凸レンズ形状部を備えるマイクロレンズが、前記複数のマイクロレンズの一部のマイクロレンズであり、
前記複数のマイクロレンズのうちの前記一部を除くマイクロレンズと前記光電変換部との間にカラーフィルタを備え、
前記一部のマイクロレンズと前記光電変換部との間の前記カラーフィルタと同一層に、当該マイクロレンズで集光された光の前記光電変換部への入射量を制限する遮光層を備え、
前記遮光層は、前記一部のマイクロレンズが備える前記第一の上凸レンズ形状部の下方に開口が形成されている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5,
The microlens having the first upward convex lens shape portion is a microlens that is part of the plurality of microlenses,
A color filter is provided between the microlens excluding the part of the plurality of microlenses and the photoelectric conversion unit,
In the same layer as the color filter between the part of the microlenses and the photoelectric conversion unit, a light shielding layer for limiting the amount of light collected by the microlens to the photoelectric conversion unit is provided,
The light shielding layer is a solid-state imaging device in which an opening is formed below the first upward convex lens-shaped portion provided in the partial microlens.
前記第一の上凸レンズ形状部を備えるマイクロレンズが、前記複数のマイクロレンズの全部のマイクロレンズであり、
全ての前記第一の上凸レンズ形状部と前記光電変換部との間にカラーフィルタを備え、
全ての前記マイクロレンズと前記光電変換部との間のうち、前記カラーフィルタを除く部分には遮光層が形成されている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5,
The microlens provided with the first upward convex lens shape portion is all microlenses of the plurality of microlenses,
A color filter is provided between all the first upward convex lens-shaped portions and the photoelectric conversion portions,
A solid-state imaging device in which a light shielding layer is formed in a portion excluding the color filter among all the microlenses and the photoelectric conversion unit.
前記信号読み出し回路が半導体基板に形成され、
前記光電変換部が、前記半導体基板上方に積層されたものである固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7,
The signal readout circuit is formed on a semiconductor substrate;
A solid-state imaging device in which the photoelectric conversion unit is stacked above the semiconductor substrate.
前記光電変換部が半導体基板内に形成され、
前記信号読み出し回路が前記半導体基板の表面側に形成され、
前記複数のマイクロレンズが前記半導体基板の裏面側に形成されている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7,
The photoelectric conversion part is formed in a semiconductor substrate,
The signal readout circuit is formed on the surface side of the semiconductor substrate;
A solid-state imaging device in which the plurality of microlenses are formed on the back side of the semiconductor substrate.
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