JP2014165226A

JP2014165226A - 固体撮像素子及び撮像装置

Info

Publication number: JP2014165226A
Application number: JP2013032668A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Sugawara; 安浩菅原; Madoka Nishiyama; 円西山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】画質を向上させることができる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】固体撮像素子は、各々が光電変換部ＰＤを有する複数の画素ＰＸと、前記複数の画素ＰＸが２次元状に配置されている有効画素領域に設けられ、入射光を前記複数の画素ＰＸの光電変換部ＰＤにそれぞれ導く複数の第１のマイクロレンズ３５と、前記有効画素領域に設けられ、入射光を前記複数の画素ＰＸの光電変換部ＰＤには導かない複数の第２のマイクロレンズ３６と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置に関するものである。

従来から、固体撮像素子では、各画素の光電変換部への集光率を高めて感度を向上させるために、入射光を前記光電変換部へ導くマイクロレンズが２次元状に配置されている。

下記特許文献１の図１には、このような固体撮像素子において、対角方向に隣接するマイクロレンズ間の間隔が比較的大きくなることが開示されている。

特開２００１−２０８９０２号公報

前記従来の固体撮像素子では、対角方向に隣接するマイクロレンズ間の間隔にはレンズ等は何ら形成されていない。したがって、その間隔に入射された光は、隣接画素等の光電変換部に入射されてしまい、クロストークとなり、画質低下の原因となってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、画質を向上させ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を目的とする。

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による固体撮像素子は、各々が光電変換部を有する複数の画素と、前記複数の画素が２次元状に配置されている有効画素領域に設けられ、入射光を前記複数の画素の前記光電変換部にそれぞれ導く複数の第１のマイクロレンズと、前記有効画素領域に設けられ、入射光を前記複数の画素の前記光電変換部には導かない複数の第２のマイクロレンズと、を備えたものである。

第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、前記第２のマイクロレンズは、入射光を遮光部に導くものである。

第３の態様による固体撮像素子は、前記第１又は第２の態様において、前記複数の第１のマイクロレンズは、第１の方向及びこれと直交する第２の方向に並ぶように正方格子状に配列され、前記複数の第２のマイクロレンズは、前記複数の第１のマイクロレンズの位置から、前記第１の方向及び前記第２の方向に、前記複数の第１のマイクロレンズの前記第１の方向及び前記第２の方向のピッチの半分ずらされた各位置に配置されたものである。

第４の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記各光電変換部について、当該光電変換部の中心に対する、前記複数の第１のマイクロレンズのうち当該光電変換部に入射光を導く第１のマイクロレンズの中心の位置が、前記有効画素領域の中心と当該光電変換部の中心との間の距離が大きくなるにつれて連続的又は段階的に前記有効画素領域の中心側にシフトするものである。

第５の態様による撮像装置は、前記第１乃至第４のいずれかの態様による固体撮像素子を備えたものである。

本発明によれば、画質を向上させ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ができる。

本発明の一実施の形態による電子カメラを模式的に示す概略ブロック図である。図１中の固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。図２中の画素を示す回路図である。図１中の固体撮像素子の有効画素領域の一部（特に、マイクロレンズ）を模式的に示す概略平面図である。図４中のＡ−Ａ’線を延長した線に沿った概略断面図である。図４が有効画素領域の中央部を示すものとした場合の、図４中のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図である。図４が有効画素領域の周辺部を示すものとした場合の、図４中のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図である。比較例による固体撮像素子の有効画素領域の一部（特に、マイクロレンズ）を模式的に示す概略平面図である。図８が有効画素領域の中央部を示すものとした場合の、図８中のＣ−Ｃ’線に沿った概略断面図である。図８が有効画素領域の周辺部を示すものとした場合の、図８中のＣ−Ｃ’線に沿った概略断面図である。

以下、本発明による固体撮像素子及び撮像装置について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一の実施の形態による撮像装置としての電子カメラ１を模式的に示す概略ブロック図である。

本実施の形態による電子カメラ１は、例えば一眼レフのデジタルカメラとして構成されるが、本発明による撮像装置は、これに限らず、コンパクトカメラなどの他の電子カメラや、携帯電話に搭載された電子カメラや、動画を撮像するビデオカメラ等の電子カメラなどの種々の撮像装置に適用することができる。

電子カメラ１には、撮影レンズ２が装着される。この撮影レンズ２は、レンズ制御部３によってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ２の像空間には、固体撮像素子４の撮像面が配置される。

固体撮像素子４は、撮像制御部５の指令によって駆動され、デジタルの画像信号を出力する。デジタル信号処理部６は、固体撮像素子４から出力されるデジタルの画像信号に対して、デジタル増幅、色補間処理、ホワイトバランス処理などの画像処理等を行う。メモリ７は、バス８に接続されている。バス８には、レンズ制御部３、撮像制御部５、ＣＰＵ９、液晶表示パネル等の表示部１０、記録部１１、画像圧縮部１２及び画像処理部１３なども接続される。ＣＰＵ９には、レリーズ釦などの操作部１４が接続される。また、記録部１１には記録媒体１１ａが着脱自在に装着される。

本実施の形態では、操作部１４のレリーズ釦の半押し操作が行われると、電子カメラ１内のＣＰＵ９は、図示しない焦点検出センサからの検出信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量に応じて合焦状態となるように、レンズ制御部３に撮影レンズ２を調節させる。また、ＣＰＵ９は、予め操作部１４により指令された絞りとなるように、レンズ制御部３に撮影レンズ２を調節させる。そして、操作部１４のレリーズ釦の全押し操作に同期して、ＣＰＵ９が撮像制御部５を介して固体撮像素子４を制御することによって、固体撮像素子４からデジタルの画像信号が読み出される。この画像信号は、デジタル信号処理部６により処理された後に、メモリ７に一旦格納される。その後、ＣＰＵ９は、操作部１４の指令に基づき、メモリ７内の画像信号に対して必要に応じて画像処理部１３や画像圧縮部１２にて所望の処理を行い、記録部１１に処理後の信号を出力させ記録媒体１１ａに記録する。

図２は、図１中の固体撮像素子４の概略構成を示す回路図である。本実施の形態では、固体撮像素子４は、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子として構成されているが、例えば、他のＸＹアドレス型固体撮像素子や、ＣＣＤ型の固体撮像素子として構成してもよい。

固体撮像素子４は、図２に示すように、ｎ行ｍ列に２次元マトリクス状に配置された画素ＰＸからなる画素部２１と、垂直走査回路２３と、画素ＰＸの行毎に設けられた制御線２４〜２６と、画素ＰＸの列毎に設けられ対応する列の画素ＰＸからの信号を受け取る複数の（ｍ本の）垂直信号線２７と、各垂直信号線２７に設けられた定電流源２８と、各垂直信号線２７に対応して設けられたＣＤＳ回路（相関２重サンプリング回路）２９及びＡ／Ｄ変換器３０と、水平読み出し回路４０とを有している。

図３は、図２中の１つの画素ＰＸを示す回路図である。各画素ＰＸは、一般的なＣＭＯＳイメージセンサと同様に、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードＰＤと、前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに電荷を転送する転送トランジスタＴＸと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするリセットトランジスタＲＥＳと、読み出し行を選択するための選択トランジスタＳＥＬとを有し、図３に示すように接続されている。図３において、ＶＤＤは電源電位である。

転送トランジスタＴＸのゲートは行毎に制御線２５に共通に接続され、そこには、制御信号φＴＸが垂直走査回路２３から供給される。リセットトランジスタＲＥＳのゲートは行毎に制御線２４に共通に接続され、そこには、制御信号φＲＥＳが垂直走査回路２３から供給される。選択トランジスタＳＥＬのゲートは行毎に制御線２６に共通に接続され、そこには、制御信号φＳＥＬが垂直走査回路２３から供給される。各制御信号φＴＸを行毎に区別する場合、ｊ行目の制御信号φＴＸは符号φＴＸ（ｊ）で示す。この点は、制御信号φＲＥＳ，φＳＥＬについても同様である。

垂直走査回路２３は、図１中の撮像制御部５からの制御信号を受けて、画素ＰＸの行毎に、制御信号φＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸをそれぞれ出力し、画素部２１の画素ＰＸを制御し、静止画読み出し動作などを実現する。この制御によって、各垂直信号線２７には、それに対応する列の画素ＰＸの信号（アナログ信号）が供給される。その具体的な動作については公知であるため、ここではその説明は省略する。

なお、画素ＰＸの構成は、前述した図３に示す構成に限らない。例えば、列方向に隣り合う複数の画素ＰＸ毎に、当該複数の画素ＰＸが１組のフローティングディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳ及び選択トランジスタＳＥＬを共有してもよい。

画素ＰＸから垂直信号線２７に読み出された信号は、各列毎に、ＣＤＳ回路２９にて所定のノイズ除去処理が施された後に、Ａ／Ｄ変換器３０にてデジタル信号に変換され、そのデジタル信号はＡ／Ｄ変換器３０に保持される。各Ａ／Ｄ変換器３０に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路４０によって水平走査され、必要に応じて所定の信号形式に変換されて、外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。なお、固体撮像素子４は必ずしもＡ／Ｄ変換器３０を含む必要はなく、水平読み出し回路４０からアナログ画像信号が出力されるように構成してもよい。

図４は、図１中の固体撮像素子４の有効画素領域の一部（特に、マイクロレンズ３５，３６）を模式的に示す概略平面図である。図５は、図４中のＡ−Ａ’線を延長した線に沿った断面を模式的に示す概略断面図である。図５では、遮光膜３７の図示は省略している。図６は、図４が有効画素領域の中央部を示すものとした場合の、図４中のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図である。図７は、図４が有効画素領域の周辺部を示すものとした場合の、図４中のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図である。図６及び図７では、入射光の光線の様子も示され、入射光が真っ直ぐ入射する光線が破線で示されるとともに、入射光が斜めに入射する光線が実線で示されている。図６は有効画素領域の中央部を示しているので、入射光は真っ直ぐ入射することから、実線の光線は参考にすぎず、図６での光線の様子は破線を参照されたい。図７は有効画素領域の周辺部を示しているので、入射光は斜めに入射することから、破線の光線は参考にすぎず、図７での光線の様子は実線を参照されたい。遮光膜３７の上面に到達した入射光はその上面で反射されるが、図７では、光線の様子の理解を容易にするため、一部の光線については、遮光膜３７の上面で反射する光線を示す矢印付きのラインだけでなく、あたかも遮光膜３７をそのまま透過したようなラインも記載している。

本実施の形態では、シリコン基板３１にフォトダイオードＰＤなどの画素部における各素子が設けられている。シリコン基板３１上に層間絶縁膜３２を介してカラーフィルタ３３が設けられ、更にその上に、平坦化膜３４を介して、複数の第１のマイクロレンズ３５及び複数の第２のマイクロレンズ３６が、オンチップで設けられている。カラーフィルタ３３は、各フォトダイオードＰＤに対応して設けられている。カラーフィルタ３３の色配列として、例えば、ベイヤー配列が採用される。

図６及び図７に示すように、層間絶縁膜３２中には、遮光部としての遮光膜３７が形成されている。本実施の形態では、遮光膜３７として、最上層のアルミニウム等の配線層が用いられている。もっとも、遮光膜３７は、配線層とは別に設けてもよいし、光を反射する反射膜に限らず光を吸収する吸収膜でもよい。図面には示していないが、フォトダイオードＰＤと遮光膜３７との間の１層以上の中間階層において、フォトダイオードＰＤに導かれる入射光を妨げない位置に、アルミニウム等の配線層が形成されている。遮光膜３７には、マイクロレンズ３５を介してフォトダイオードＰＤに導かれる入射光を通過させる開口３７ａが形成されている。

複数の第１のマイクロレンズ３５は、入射光を有効画素領域の複数の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤにそれぞれ導く。一方、複数の第２のマイクロレンズ３６は、入射光を有効画素領域の複数の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤには導かない。本実施の形態では、複数の第１のマイクロレンズ３６は、入射光を遮光膜３７に導くようになっている。入射光を有効に利用するため、第１のマイクロレンズ３５の面積を極力大きくすることが、好ましい。本実施の形態では、第１のマイクロレンズ３５の平面視の形状は、四隅を丸めた正方形状とされているが、これに限らない。第１及び第２のマイクロレンズ３５，３６は、例えば、エッチバック法等により形成することができる。

本実施の形態では、図４に示すように、有効画素領域において、複数の第１のマイクロレンズ３５は、第１の方向（図４中の横方向）及びこれと直交する第２の方向（図４中の縦方向）に並ぶように、それぞれピッチＰで正方格子状に配列されている。複数の第２のマイクロレンズ３６は、複数の第１のマイクロレンズ３５の位置から、前記第１の方向及び前記第２の方向に、複数の第１のマイクロレンズ３５の前記第１の方向及び前記第２の方向のピッチＰの半分ずらされた各位置に配置されている。第１及び第２のマイクロレンズ３５，３６は、平面視で互いに重ならないように配置されている。第２のマイクロレンズ３６は、対角方向に隣接する第１のマイクロレンズ３５間の間隔に配置されている。

本実施の形態では、フォトダイオードＰＤ、遮光膜３７の開口３７ａ及びカラーフィルタ３３も、図４中の横方向及び縦方向に並ぶように、正方格子状に配置されている。図５及び図６に示すように、平面視で、有効画素領域の中央部のフォトダイオードＰＤの中心、遮光膜３７の開口３７ａの中心、及び、第１のマイクロレンズ３５の中心が、互いに一致している。そして、図５及び図７に示すように、フォトダイオードＰＤのピッチ、遮光膜３７の開口３７ａのピッチ、カラーフィルタ３３のピッチ及び第１のマイクロレンズ３５のピッチＰの順に、小さくされている。これにより、有効画素領域の中心に比べて周辺部の入射光が斜めに入射することに起因したシェーディングを低減することができる。したがって、本実施の形態のように前記各ピッチをそれぞれ変えることが好ましいが、本発明では、前記各ピッチを互いに同一にしてもよい。

なお、図面表記の便宜上、図７では、フォトダイオードＰＤのピッチと遮光膜３７の開口３７ａのピッチとが同一であるととともに、カラーフィルタ３３のピッチと第１のマイクロレンズ３５のピッチとが同一であるものとして、フォトダイオードＰＤと開口３７ａとの位置関係が図６の場合と同一にされるとともに、カラーフィルタ３３と第１及び第２のマイクロレンズ３５，３６との位置関係が図６の場合と同一にされている。

前述したように、本実施の形態では、有効画素領域の中央部の第１のマイクロレンズ３５の中心とフォトダイオードＰＤの中心とが平面視で一致しているとともに、第１のマイクロレンズ３５のピッチＰがフォトダイオードＰＤのピッチよりも小さくされている。これにより、各フォトダイオードＰＤについて、当該フォトダイオードＰＤの中心に対する、前記複数の第１のマイクロレンズ３５のうち当該フォトダイオードＰＤに入射光を導く第１のマイクロレンズ３５の中心の位置が、前記有効画素領域の中心と当該フォトダイオードＰＤの中心との間の距離が大きくなるにつれて連続的に有効画素領域の中心側にシフトしている。もっとも、連続的にシフトさせる代わりに、段階的にシフトさせてもよく、その場合にも前記シェーディングを低減することができる。

図８は、比較例による固体撮像素子の有効画素領域の一部（特に、マイクロレンズ３５）を模式的に示す概略平面図であり、図４に対応している。図９は、図８が有効画素領域の中央部を示すものとした場合の、図８中のＣ−Ｃ’線に沿った概略断面図であり、図６に対応している。図１０は、図８が有効画素領域の周辺部を示すものとした場合の、図８中のＣ−Ｃ’線に沿った概略断面図であり、図７に対応している。図８乃至図１０において、図４、図６及び図７中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

この比較例による固体撮像素子が本実施の形態における固体撮像素子４と異なる所は、第２のマイクロレンズ３６が設けられていない点のみである。

ここで、本実施の形態における有効画素領域の中央部での入射光の光線の様子（図６中の破線）と、前記比較例における有効画素領域の中央部での入射光の光線の様子（図９中の破線）とを比較する。前記比較例では、第２のマイクロレンズ３６が設けられていないので、第１のマイクロレンズ３５間の間隔（ギャップ）に入射する光は、何ら集光されないものの、その入射光のうちの回折光を除いて、遮光膜３７によって遮光され、フォトダイオードＰＤに到達せずに、クロストークとならない。しかし、図面には示していないが、前記比較例では、例えば、図９中のラインＬ１と平行にラインＬ１の極近くの右側を通る光線は、図９中の左側の第１のマイクロレンズ３５の右縁付近において回折して回折光となって、ほぼ図９中のラインＬ２を通って、図９中の左側のフォトダイオードＰＤに入射してしまい、クロストークとなる。これに対し、本実施の形態では、第１のマイクロレンズ３５間の間隔（ギャップ）に入射する光は、図６のラインＬ１と平行にラインＬ１の極近くの右側を通る光線も含めて、第２のマイクロレンズ３６によって遮光膜３７に集光され、遮光膜３７によって遮光され、フォトダイオードＰＤに到達せずにクロストークとならない。

次に、本実施の形態における有効画素領域の周辺部での入射光の光線の様子（図７中の実線）と、前記比較例における有効画素領域の周辺部での入射光の光線の様子（図１０中の実線）とを比較する。前記比較例では、第２のマイクロレンズ３６が設けられていないので、第１のマイクロレンズ３５間の間隔（ギャップ）に入射する光は、何ら集光されないものの、その入射光のうちの回折光を除いて、遮光膜３７によって遮光され、フォトダイオードＰＤに到達せずに、クロストークとならない。しかし、図面には示していないが、前記比較例では、例えば、図１０中のラインＬ３と平行にラインＬ３の極近くの左側を通る光線は、図１０中の右側の第１のマイクロレンズ３５の左縁付近において回折して回折光となって、図１０中のラインＬ４を通って、図１０中の右側のフォトダイオードＰＤに入射してしまい、クロストークとなる。これに対し、本実施の形態では、第１のマイクロレンズ３５間の間隔（ギャップ）に入射する光は、図７のラインＬ３と平行にラインＬ３の極近くの左側を通る光線も含めて、第２のマイクロレンズ３６によって遮光膜３７に集光され、遮光膜３７によって遮光され、フォトダイオードＰＤに到達せずにクロストークとならない。

このように、有効画素領域の中央部及び周辺部のいずれにおいても、第２のマイクロレンズ３６が設けられていない比較例では、第１のマイクロレンズ３５間の間隔（ギャップ）に入射する光の一部が、遮光されずにフォトダイオードＰＤに到達してクロストークとなるのに対し、第２のマイクロレンズ３６が設けられている本実施の形態では、第１のマイクロレンズ３５間の間隔（ギャップ）に入射する光は、遮光されてフォトダイオードＰＤに到達せず、クロストークとならない。

したがって、本実施の形態によれば、第１のマイクロレンズ３５間の間隔（ギャップ）に入射する光によるクロストークを低減することができる。

なお、第１のマイクロレンズ３５間の間隔（ギャップ）に入射する光は第２のマイクロレンズ３６によって集光されるので、遮光膜３７の幅を狭くすることも可能である。遮光膜３７の幅を狭くすることで、遮光膜３７の開口率を高めて感度を向上させることができ、例えばＦ１．４等の光においても集光率を向上することが可能となる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

例えば、前記実施の形態における固体撮像素子は、表面照射型固体撮像素子であるが、本発明は、裏面照射型固体撮像素子に適用することもできる。

また、本発明では、図４に示すような正方格子状の配置を４５度回転させたような正方格子状の配置を採用してもよい。

１電子カメラ
４固体撮像素子
３５第１のマイクロレンズ
３６第２のマイクロレンズ
３７遮光膜（遮光部）
ＰＸ画素
ＰＤフォトダイオード（光電変換部）

Claims

各々が光電変換部を有する複数の画素と、
前記複数の画素が２次元状に配置されている有効画素領域に設けられ、入射光を前記複数の画素の前記光電変換部にそれぞれ導く複数の第１のマイクロレンズと、
前記有効画素領域に設けられ、入射光を前記複数の画素の前記光電変換部には導かない複数の第２のマイクロレンズと、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
前記第２のマイクロレンズは、入射光を遮光部に導くことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記複数の第１のマイクロレンズは、第１の方向及びこれと直交する第２の方向に並ぶように正方格子状に配列され、
前記複数の第２のマイクロレンズは、前記複数の第１のマイクロレンズの位置から、前記第１の方向及び前記第２の方向に、前記複数の第１のマイクロレンズの前記第１の方向及び前記第２の方向のピッチの半分ずらされた各位置に配置された、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
前記各光電変換部について、当該光電変換部の中心に対する、前記複数の第１のマイクロレンズのうち当該光電変換部に入射光を導く第１のマイクロレンズの中心の位置が、前記有効画素領域の中心と当該光電変換部の中心との間の距離が大きくなるにつれて連続的又は段階的に前記有効画素領域の中心側にシフトすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。