JP2018082002A - Solid state imaging device and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画素ごとに区分された光電変換領域と、前記画素と一対一に対応させた単位マイクロレンズからなるマイクロレンズ群と、を有する固体撮像素子に関し、固体撮像素子の中心位置から測った距離rが短い固体撮像素子の中央部に対する、固体撮像素子の中心位置から測った距離rが長い固体撮像素子の周辺部などの感度低下を抑えることのできる固体撮像素子と、それを備えた電子機器に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device having a photoelectric conversion region divided for each pixel and a microlens group composed of unit microlenses corresponding to the pixels on a one-to-one basis, and measured from the center position of the solid-state imaging device. A solid-state imaging device capable of suppressing a decrease in sensitivity in the periphery of the solid-state imaging device having a long distance r measured from the center position of the solid-state imaging device with respect to the central portion of the solid-state imaging device having a short distance r, and an electronic device including the same Regarding equipment.
近年では、ビデオカメラ、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話に搭載される撮像装置の高画素化が進められている。撮像装置に組み込まれるCCDやCMOSセンサー等の固体撮像素子の画素微細化に伴い、1画素あたりに入射する光量減少による感度低下が問題となっている。 In recent years, an increase in the number of pixels of an imaging device mounted on a video camera, a digital camera, or a mobile phone with a camera has been promoted. Along with pixel miniaturization of solid-state imaging devices such as CCDs and CMOS sensors incorporated in an imaging apparatus, there is a problem of sensitivity reduction due to a decrease in the amount of light incident on each pixel.
感度低下を抑えるために、受光素子の入射側に、画素に一対一に対応させて単位マイクロレンズを形成する方式が広く用いられている。マイクロレンズを形成することで、入射光を効率よくフォトダイオードに集光することができ、受光感度を向上させることができる(特許文献1)。 In order to suppress a decrease in sensitivity, a method of forming unit microlenses on the incident side of the light receiving element so as to correspond to the pixels on a one-to-one basis is widely used. By forming the microlens, incident light can be efficiently collected on the photodiode, and the light receiving sensitivity can be improved (Patent Document 1).
しかし、集光性の高いマイクロレンズの形状は、入射光の入射角度に依存するため、主光線が垂直に入射するセンサー中央部と、主光線が傾いて入射するセンサー周辺部とでは、最適なレンズ形状が異なる。 However, since the shape of a highly condensing microlens depends on the incident angle of incident light, it is optimal for the sensor center where the chief ray is incident vertically and the sensor periphery where the chief ray is incident at an angle. The lens shape is different.
そのため、主光線が垂直である条件で最適化した単位マイクロレンズを一様に敷き詰めた場合、センサーの中央部で十分感度が高かったとしても、周辺部で感度が十分に足りないという問題が発生する。 Therefore, when unit microlenses optimized under the condition that the chief ray is vertical are spread uniformly, even if the sensitivity is high enough in the center of the sensor, there is a problem that the sensitivity is insufficient in the periphery To do.
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、単位マイクロレンズを、一様に敷き詰めた、画素ごとに区分された光電変換領域と、前記画素と一対一に対応させた単位マイクロレンズからなるマイクロレンズ群と、を有するCCDやCMOSセンサー等の固体撮像素子の中央部に対する固体撮像素子の周辺部の感度低下を抑えることが目的である。 The present invention has been made in view of the above-described problems. The unit microlenses are uniformly spread, the photoelectric conversion regions divided for each pixel, and the units corresponding to the pixels one-to-one. An object of the present invention is to suppress a decrease in sensitivity of the peripheral portion of the solid-state imaging device with respect to the central portion of the solid-state imaging device such as a CCD or CMOS sensor having a microlens group including microlenses.
上記の課題を解決するための手段として、本発明の第1の態様は、画素ごとに区分された光電変換領域と、前記画素と一対一に対応させた単位マイクロレンズからなるマイクロレンズ群と、を有する固体撮像素子であって、
前記マイクロレンズ群は、凸レンズからなる第一の単位マイクロレンズとフレネルレンズからなる第二の単位マイクロレンズから構成され、
前記マイクロレンズ群の中において複数の単位マイクロレンズからなる同一の矩形形状からなる単位領域を複数任意に設定した場合、前記単位領域に含まれる第一の単位マイクロレンズの数である第一の単位マイクロレンズの配置数N1と、前記単位領域に含まれる
前記第二の単位マイクロレンズの数である第二の単位マイクロレンズの配置数N2との配置数比率N1/N2が、固体撮像素子の中央から周辺に向かうに従って数値が低くなっていることを特徴とする固体撮像素子である。
As means for solving the above-mentioned problem, the first aspect of the present invention includes a photoelectric conversion region divided for each pixel, and a microlens group including unit microlenses corresponding to the pixels one-to-one. A solid-state imaging device comprising:
The microlens group includes a first unit microlens made of a convex lens and a second unit microlens made of a Fresnel lens,
A first unit that is the number of first unit microlenses included in the unit region when a plurality of unit regions having the same rectangular shape including a plurality of unit microlenses are arbitrarily set in the microlens group. The arrangement number ratio N1 / N2 between the arrangement number N1 of the microlens and the arrangement number N2 of the second unit microlens that is the number of the second unit microlens included in the unit region is the center of the solid-state imaging device. The solid-state imaging device is characterized in that the numerical value becomes lower toward the periphery from.
また、本発明の第2の態様は、前記固体撮像素子に入射する光の主光線傾斜角が10°未満の領域に前記第一の単位マイクロレンズが配置され、前記主光線傾斜角が10°以上の領域に前記第二の単位マイクロレンズが配置されることを特徴とする第1の態様の固体撮像素子である。 In the second aspect of the present invention, the first unit microlens is disposed in a region where the chief ray tilt angle of light incident on the solid-state imaging device is less than 10 °, and the chief ray tilt angle is 10 °. The solid state imaging device according to the first aspect, wherein the second unit microlens is disposed in the above region.
また、本発明の第3の態様は、前記第一の単位マイクロレンズ、及び前記第二の単位マイクロレンズの少なくとも一方は、前記固体撮像素子の前記光入射側から垂直に眺めた時の底面の形状が楕円であることを特徴とする、第1または第2の態様の固体撮像素子である。 According to a third aspect of the present invention, at least one of the first unit microlens and the second unit microlens is a bottom surface when viewed from the light incident side of the solid-state image sensor vertically. The solid-state imaging device according to the first or second aspect, characterized in that the shape is an ellipse.
また、本発明の第4の態様は、前記第一の単位マイクロレンズ、及び前記第二の単位マイクロレンズの少なくとも一方は、前記画素ごとに区分された光電変換領域の中心位置と、それと対応する前記単位マイクロレンズの中心位置の差分が、前記固体撮像素子の中心位置から測った距離rの関数である差分関数Δ(r)で表されることを特徴とする、第1または第2のまたは第3の態様の固体撮像素子である。 According to a fourth aspect of the present invention, at least one of the first unit microlens and the second unit microlens corresponds to a center position of a photoelectric conversion region divided for each pixel. The difference between the center positions of the unit microlenses is expressed by a difference function Δ (r) that is a function of a distance r measured from the center position of the solid-state imaging device. It is a solid-state image sensor of the 3rd mode.
また、本発明の第5の態様は、第1から第4のいずれか1つの態様の固体撮像素子を備えたことを特徴とする電子機器である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an electronic apparatus including the solid-state imaging device according to any one of the first to fourth aspects.
本発明により、マイクロレンズ群の固体撮像素子の中心位置から測った距離rが短い中央部に対する、マイクロレンズ群の固体撮像素子の中心位置から測った距離rが長い周辺部の感度低下を抑えることができ、受光感度の向上を図ることができ、特に主光線が傾いた場合の、感度改善に効果があることが分かった。 According to the present invention, it is possible to suppress a decrease in sensitivity of a peripheral portion having a long distance r measured from the center position of the solid-state image sensor of the microlens group with respect to a central portion having a short distance r measured from the center position of the solid-state image sensor of the microlens group. It was found that the light receiving sensitivity could be improved, and that the sensitivity improvement was particularly effective when the chief ray was tilted.
以下本発明を実施するための形態を、図面を用いて詳細に説明する。図1は、マイクロレンズを備えた固体撮像素子10の一例を示す画素配置の平面図(a)とマイクロレンズ群を含んだ固体撮像素子10の断面図(b)、マイクロレンズ群の平面図(c)であり、1は基板、1aは光電変換領域、2は配線層、3は配線、4はカラーフィルタ、5はマイクロレンズ群である。図1ではカラーフィルタ4がある構成の一例を示したが、カラーフィルタを削除して配線層2の上に直接単位マイクロレンズ、例えば凸レンズからなる第一の単位マイクロレンズ5aが配置される構成でも良い。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view (a) of a pixel arrangement showing an example of a solid-
固体撮像素子10に入射した光は、第一の単位マイクロレンズ5aで屈折し、さらに、カラーフィルタ4を透過して、画素ごとの色に応じた光が配線層2を透過して光電変換領域1aに集光する。光電変換領域1aは、画素ごとに分離されており、光電変換領域1aに光が照射されることで発生した電荷が電子回路に流れ、信号として読み出される。
The light incident on the solid-
基板1および光電変換領域1aは例えばシリコンで構成される。配線層2は、酸化シリコンや窒化シリコン等で形成する。配線3は、アルミニウム、銀、クロム、タングステンなどの金属で形成する。
The
カラーフィルタ4は、例えば、G(緑)、B(青)、R(赤)の色に対応する波長を選択的に透過する顔料や染料を含んだ有機材料により構成される。第一の単位マイクロレンズ5aは、例えば屈折率が1.4以上1.7以下程度の透明樹脂により構成される。
The
固体撮像素子10に入射した光が辿る経路を分類すると、(イ)第一の単位マイクロレンズ5aで集光され、光電変換領域1aに到達する光、(ロ)隣接する画素の光電変換領域1aに入射する光、(ハ)隣接する画素のカラーフィルタ4に吸収される光、(ニ)配線層2に吸収される光、(ホ)第一の単位マイクロレンズ5a表面もしくは固体撮像素子10内部からの反射光、に分類される。
When the path followed by the light incident on the solid-
受光感度を高めるためには、光(イ)を増やし、ロスとなる光(ロ)〜(ホ)を減らす必要がある。特に、光(ロ)は隣接画素の光(クロストーク光)が漏れこむことにより、色純度の劣化やノイズの発生を招くため好ましくない。クロストーク光は、主光線が固体撮像素子10に対して傾いて入射する場合に発生しやすくなる。
In order to increase the light receiving sensitivity, it is necessary to increase the light (A) and reduce the light (B) to (E) that becomes a loss. In particular, light (b) is not preferable because light from adjacent pixels (crosstalk light) leaks, leading to deterioration in color purity and generation of noise. Crosstalk light is likely to occur when the chief ray is incident on the solid-
本発明の固体撮像素子10を構成するマイクロレンズ群5のマイクロレンズは、凸レンズからなる第一の単位マイクロレンズ5aと、フレネルレンズからなる第二の単位マイクロレンズ5bのいずれかで構成される。第一の単位マイクロレンズ5aと第二の単位マイクロレンズ5bは、固体撮像素子10の面内の単位領域Sにおいて、第一の単位マイクロレンズ5aが形成された画素の数をN1、第二の単位マイクロレンズ5bが形成された画素の数をN2としたとき、固体撮像素子10の中心位置から測った距離rが比較的短い中央部から、固体撮像素子の中心位置から測った距離rが長い周辺部に向かうに従って、比率N1/N2が単調減少することを特徴とする。この場合の固体撮像素子の中心位置とは、最も上の光電変換領域の上端と最も下の光電変換領域の下端との中央で、最も左の光電変換領域の左端と最も右の光電変換領域の右端との中央の位置を指す。
The microlens of the
図2は、固体撮像素子10に主光線が傾いて入射した場合の、第一の単位マイクロレン
ズ5aと第二の単位マイクロレンズ5bの光の伝搬経路の差を模数的に表したものである。図2(a)は第一の単位マイクロレンズ5aの場合を示し、図2(b)は第二の単位マイクロレンズの場合を示している。
FIG. 2 schematically shows the difference in the light propagation path between the
図2(a)のように第一の単位マイクロレンズ5aが凸レンズ形状の場合、第一の単位マイクロレンズ5aの頂部付近に入射した傾斜光は、第一の単位マイクロレンズ5aの頂部と光電変換領域1aまでの距離が離れているため、光電変換領域1aから外れた領域に集光し、隣接画素へのクロストーク光が増加し、受光感度が低下する。
In the case where the
図2(b)に示す第二の単位マイクロレンズ5bを形成した場合、第二の単位マイクロレンズ5bの頂部と光電変換領域1aの距離が近いため、傾斜光が光電変換領域1a内部に集光し、隣接画素へのクロストーク光が減少し、受光感度が増加する。
When the
図3(a)に示すようにカメラ光学系の開口絞りの中心を通過する光(実線)を主光線、中心から外れた周辺部を通過する光線(破線)を周辺光線と呼ぶ。固体撮像素子10の中心Oに対しては主光線が垂直に照射され、主光線を軸として円錐状の周辺光線が入射する。(b)に示すように固体撮像素子10の中心位置から測った距離rが大きい周辺部Eに対しては主光線が傾斜し、主光線を軸とした円錐状の周辺光線が入射する。そのため、周辺部Eに対しては固体撮像素子10の鉛直方向に対して大きく傾いた光が入射することになり、受光感度が低下しやすくなる。周辺部の画素の感度が低下すると、撮影画像の中心位置から測った距離が大きい周辺部の画像が暗くなるシェーディングが発生し、画質悪化の要因となる。
As shown in FIG. 3A, light passing through the center of the aperture stop of the camera optical system (solid line) is referred to as a principal ray, and light rays passing through a peripheral part off the center (broken line) are referred to as peripheral rays. A principal ray is irradiated perpendicularly to the center O of the solid-
このようなシェーディングの発生を抑制するため、単位領域における第一の単位マイクロレンズ5aの配置数をN1、第二の単位マイクロレンズ5bの配置数をN2としたとき、比率N1/N2が、固体撮像素子の中心位置から測った距離rが大きくなるに従って数値が低くなる様に、固体撮像素子の中心位置から測った距離rが小さい中央部から固体撮像素子の中心位置から測った距離rが大きい周辺部に向かうに従って単調減少するように、マイクロレンズ5aおよびマイクロレンズ5bを配置する。このような構成では、固体撮像素子10の中心位置から測った距離rが大きい周辺部の感度を従来の構成と比べて向上させることが出来る。
In order to suppress the occurrence of such shading, when the arrangement number of the
この場合の周辺部とは、上下左右端からなる周辺に接している位置という場合のみならず、周辺に近接していて固体撮像素子の中心位置から測った距離rが大きい位置をも含む。 The peripheral portion in this case includes not only the position in contact with the periphery composed of the upper, lower, left and right ends but also the position close to the periphery and having a large distance r measured from the center position of the solid-state imaging device.
図4は、(a)略矩形形状の固体撮像素子10の平面図、(b)と(c)は直線Qに沿った断面図である。マイクロレンズ群5と光電変換素子1aの配置について、図4(b)に示すように、画素ごとのマイクロレンズ5の第一の単位マイクロレンズ5aや第二の単位マイクロレンズ5bの中心位置と光電変換素子1aの中心位置を一致させてもよいし、図4(c)に示すように、周辺へ向かうにつれてマイクロレンズ5の第一の単位マイクロレンズ5aや第二の単位マイクロレンズ5bの中心位置と光電変換素子1aの画素ごとの中心位置を水平方向にずらして配置してもよい。画素ごとの中心位置をずらすことで、主光線が傾いた光が光電変換素子1aに入射しやすくなる。
4A is a plan view of the substantially rectangular solid-
固体撮像素子10の中心位置、すなわち、最も上の光電変換領域の上端と最も下の光電変換領域の下端との中央で、最も左の光電変換領域の左端と最も右の光電変換領域の右端との中央の位置を中心位置O、略矩形状の固体撮像素子10の上下左右の端辺からなる周辺E、中心位置Oから周辺Eに向けて引いた垂線を垂線Qとする。
The center position of the solid-
ここで、第一の単位マイクロレンズ5aと第二の単位マイクロレンズ5bの配置手法について説明する。まず、ある単位面積を有する矩形形状の単位領域Sを設定し、単位領域Sに中心位置Oが含まれる位置を開始位置とする。そして、単位領域Sを1画素ずつずらしながら周辺部の略矩形状の固体撮像素子10のいずれかの周辺Eに向けて移動させ、周辺Eに単位領域Sの一辺が達したら移動を終了させる。
Here, an arrangement method of the
このとき、中心Oから周辺Eに移動するに従って固体撮像素子10の中心位置から単位領域Sの中心位置への測った距離rが大きくなり、単位領域Sに含まれる第一の単位マイクロレンズ5aと第二の単位マイクロレンズ5bの配置数の比率N1/N2が単調減少するように、第一の単位マイクロレンズ5aと第二の単位マイクロレンズ5bを固体撮像素子10上に配列する。
At this time, the distance r measured from the center position of the solid-
この場合の単位領域Sの中心位置とは、領域上端と領域下端の中央で、領域左端と領域右端中央の位置を表す。 In this case, the center position of the unit area S is the center between the upper end of the area and the lower end of the area, and represents the position between the left end of the area and the center of the right end of the area.
図4は、単位領域Sに含まれる画素数を9(縦3画素×横3画素)としたときの例である。ここでの単調減少とは、単位領域Sを1画素ずらしたときに、比率N1/N2が不変の場合も含む。但し、単位領域Sの移動終了時の比率N1/N2は、単位領域Sの移動開始時の比率N1/N2よりも小さくなるように設定する。単位領域Sの画素数は上述の9画素のほか16画素(4×4)や25画素(5×5)等の正方形としてもよく、6画素(2×3)や12画素(3×4)等の矩形としてもよい。 FIG. 4 is an example when the number of pixels included in the unit region S is 9 (3 vertical pixels × 3 horizontal pixels). The monotonic decrease here includes a case where the ratio N1 / N2 is unchanged when the unit region S is shifted by one pixel. However, the ratio N1 / N2 at the end of movement of the unit area S is set to be smaller than the ratio N1 / N2 at the start of movement of the unit area S. The number of pixels in the unit area S may be a square such as 16 pixels (4 × 4) or 25 pixels (5 × 5) in addition to the 9 pixels described above, and may be 6 pixels (2 × 3) or 12 pixels (3 × 4). It is good also as rectangles, such as.
固体撮像素子10の中心位置O付近は、主光線がほぼ垂直に入射するため、第一の単位マイクロレンズ5aを単位領域S内により多く配置することで集光性を高めることができる。そして、固体撮像素子10の周辺Eに近付くにつれて、主光線が傾いて入射するようになるため、第二の単位マイクロレンズ5bを単位領域S内により多く配置する。このように、第一の単位マイクロレンズ5aと第二の単位マイクロレンズ5bを、単位領域Sが固体撮像素子10の中央部から中心位置から測った距離rが大きくなる周辺部に向かうに従って、比率が単調減少するように配置することで、固体撮像素子10の中心位置O付近と周辺E付近の双方の感度を高めることができる。
In the vicinity of the center position O of the solid-
第一の単位マイクロレンズ5aには、例えば略球面の一部からなる凸レンズを採用することで受光感度を効果的に高めることが出来る。球面以外にも楕円体や放物面の一部など、画素の構造に応じた適切な形状を選ぶことが望ましい。第二の単位マイクロレンズ5bには、フレネルレンズを採用することで、主光線の傾いた光を効果的に光電変換領域1a内に集光でき、感度を高めることが出来る。ここで採用するフレネルレンズは、図5(a)に示すような、凸レンズをリング状に切り出して高さを揃えた構造であるレリーフ型回折レンズからなるフレネルレンズや、(b)に示すようにステップ状の断面で近似したバイナリ型回折レンズからなるフレネルレンズであっても良い。
As the
着目する画素の中心と固体撮像素子10の中心位置Oの距離をrとした場合、r<R(Rはある値)を満たす領域において、第一の単位マイクロレンズ5aのみが配置される、N2=0を満たし、r≧Rを満たす領域において、第二の単位マイクロレンズ5bのみが配置される、N1=0を満たすように、マイクロレンズ群5を配列しても良い。
When the distance between the center of the pixel of interest and the center position O of the solid-
距離Rは、例えば主光線傾斜角が10°となる画素の中心位置と固体撮像素子10の中心位置Oの距離とする。これは、主光線傾斜角が10°以上の場合に、フレネルレンズが凸レンズと比べて感度が向上しやすいためである。
The distance R is, for example, the distance between the center position of the pixel where the chief ray tilt angle is 10 ° and the center position O of the solid-
第一の単位マイクロレンズ5a、及び第二の単位マイクロレンズ5bの少なくとも一方
は、固体撮像素子10の光入射側から垂直に眺めた時の底面の形状が楕円であっても良い。これは、画素、もしくは光電変換領域1aの寸法が、固体撮像素子10の水平方向もしくは垂直方向に測った時に異なる場合、例えば長方形に感度向上に有効である。このような場合に第一の単位マイクロレンズ5aまたは第二の単位マイクロレンズ5bの底面の形状が円形であると、画素間に隙間が発生し、隙間から透過した光がロスとなるためである。
At least one of the
第一の単位マイクロレンズ5aまたは第二の単位マイクロレンズ5bの中心位置と光電変換領域の中心位置を水平方向にずらす場合、ずらし量をΔとすると、固体撮像素子10の中心位置Oと画素の中心位置の距離rの関数Δ(r)で記述されるように、ずらし量を決めても良い。Δが距離rの関数で記述される場合、固体撮像素子10を具備したカメラで撮影した画像に表れるシェーディングが固体撮像素子10の中心位置Oを基準とした円形状となるため、画像撮影後に計算によるシェーディングの補正が容易となるメリットがある。一方、ずらし量Δが距離rの関数で記述されない場合、例えば非対称で複雑な形のシェーディングが発生し、計算によるシェーディングの補正が難しくなる。
When the center position of the
このようなマイクロレンズ群5は、光リソグラフィを利用することで作製できる。マイクロレンズに対応するパターンが形成されたフォトマスクを用いて基材上に塗布された感光性レジストを露光し、現像することで立体形状の矩形パターンを作製する。光透過率が段階的に変化するマスクを使用してレジストを露光、現像し、立体的なレジストパターンを得る。さらに、必要に応じ、レジストを基材とともにエッチングすることで、基材にマイクロレンズのパターンを転写する。
Such a
次に、このような構成の本実施形態の固体撮像素子10の作用について説明する。固体撮像素子10に入射した光Lは、第一の単位マイクロレンズ5aまたは第二の単位マイクロレンズ5bにより集光され、カラーフィルタ4に入射する。カラーフィルタ4では、画素に応じて必要な波長の光が透過し、不要な波長の光は吸収される。透過した光は配線層2に入射する。カラーフィルタ4がない固体撮像素子10の場合、入射した光はマイクロレンズ5で集光後、そのまま配線層2に入射する。
Next, the operation of the solid-
配線層2を透過した光の一部、もしくは全ての光は、光電変換領域1aに集光される。光電変換領域1aに光が照射されると、光強度に比例して電荷が発生し、発生した電荷は電子回路に転送されて信号が読み出される。
Part or all of the light transmitted through the
固体撮像素子10の平面視中央部には凸レンズからなる第一の単位マイクロレンズ5aが、固体撮像素子10の平面視周辺部にはフレネルレンズからなる第二の単位マイクロレンズ5bが、単位領域S内により多く配置される。それにより、固体撮像素子10の中心位置から測った距離rが大きい周辺部において傾斜した光が光電変換領域1aに効率よく集光され、固体撮像素子10の中心位置から測った距離rが小さい中央部に対する中心位置から測った距離rが大きい周辺部の受光感度の低下を抑えることができる。
A unit region S includes a
本実施形態における固体撮像素子10は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ、カメラ付き携帯電話等に代表される電子機器に適用することで、これらの電子機器の感度と画質の均一性を高めることができる。
The solid-
本発明の固体撮像素子10の実施例について説明する。
An embodiment of the solid-
(実施例1および比較例1)
第一の単位マイクロレンズ5aを球面の一部からなる凸レンズ、第二の単位マイクロレ
ンズ5bをフレネルレンズとした場合の受光感度のシミュレーションを、入射角を0°から30°まで5°刻みで実施した。シミュレーションは、厳密結合波理論(RCWA法)により実施した。第一の単位マイクロレンズ5aが固体撮像素子10に一面に周期的に配列された場合と、第二の単位マイクロレンズ5bが固体撮像素子10に一面に周期的に配列された場合で、それぞれ分けてシミュレーションを行った。シミュレーションでは、1画素への入射パワーを1[W]として、光電変換領域1aへの入射光量[W]を受光感度として算出した。光電変換領域1aは幅が画素ピッチと同一とした。シミュレーションモデルは、図6に示した。隣接画素との境界領域には、幅1.2μmの材質がAlからなる配線層2を形成した。
(Example 1 and Comparative Example 1)
The simulation of the light receiving sensitivity when the
<計算条件>
画素ピッチ:5μm
第一の単位マイクロレンズ5aの高さ:2.5μm
第二の単位マイクロレンズ5bの高さ:0.92μm
マイクロレンズ群5の屈折率:1.6
カラーフィルタなし
配線層厚:6μm
入射波長:0.55μm
第二の単位マイクロレンズ5bは、高さが0.92μmとなるような断面が鋸歯形状のレリーフ型回折レンズとした。第二の単位マイクロレンズ5bの高さはλ/(n−1)より計算した。ここで、λは波長、nはマイクロレンズ群5の屈折率であり、レリーフ型回折レンズの回折効率が理論的に最適となる高さとした。
<Calculation conditions>
Pixel pitch: 5 μm
Height of the
Height of
Refractive index of the microlens group 5: 1.6
Without color filter Wiring layer thickness: 6μm
Incident wavelength: 0.55 μm
The
第一の単位マイクロレンズ5aが球面の一部からなる凸レンズの場合の受光感度を表1(比較例1)に、第二の単位マイクロレンズ5bがフレネルレンズの場合の受光感度を表1(実施例1)に記載した。また、横軸に角度、縦軸に受光面への入射光強度をプロットしたグラフを図7に示した。その結果、入射角が10°未満の場合は第一の単位マイクロレンズ5aの受光感度が強くなるのに対し、入射角が10°以上では第二の単位マイクロレンズ5bの受光感度が強くなることが確認された。
Table 1 (Comparative Example 1) shows the light receiving sensitivity when the
(実施例2および比較例2)
画素ピッチを10μmに変更し、以下に示す計算条件で同様にシミュレーションを行った。
(Example 2 and Comparative Example 2)
The pixel pitch was changed to 10 μm, and a simulation was similarly performed under the calculation conditions shown below.
<計算条件>
画素ピッチ:10μm
第一の単位マイクロレンズ5aの高さ:5μm
第二の単位マイクロレンズ5bの高さ:0.92μm
マイクロレンズ群5屈折率:1.6
配線層厚:6μm
入射波長:0.55μm
第一の単位マイクロレンズ5aが球面の一部からなる凸レンズの場合を表2(比較例2)に、第二の単位マイクロレンズ5bがフレネルレンズの場合を表2(実施例2)に記載した。また、横軸に角度、縦軸に受光面への入射光強度をプロットしたグラフを図8に示した。その結果、入射角が10°未満の場合は第一の単位マイクロレンズ5aの受光感度が強くなるのに対し、入射角が10°以上では第二の単位マイクロレンズ5bの受光感度が強くなることが確認された。
<Calculation conditions>
Pixel pitch: 10 μm
Height of the
Height of
Wiring layer thickness: 6μm
Incident wavelength: 0.55 μm
Table 2 (Comparative Example 2) shows the case where the
以上の実施例より、主光線が垂直の場合においてマイクロレンズが凸レンズ、すなわち第一の単位マイクロレンズ5aの場合に、受光感度の向上に効果があることを確認した。
また、主光線が傾いた場合にマイクロレンズをフレネルレンズ、すなわち第二の単位マイクロレンズ5bとすることで感度改善に効果があることを確認した。
From the above examples, it was confirmed that when the chief ray is vertical, the microlens is a convex lens, that is, the
Further, it was confirmed that when the chief ray is tilted, the sensitivity is improved by using a microlens as a Fresnel lens, that is, the
換言すると、主に入射光が垂直に入射される固体撮像素子10の平面視中央部、すなわち固体撮像素子の中心位置から測った距離rが小さい部分には、凸レンズからなるマイクロレンズ、すなわち第一の単位マイクロレンズ5aを多く配置すればよい。また、主に入射光が傾いて入射される固体撮像素子10の平面視周辺部、すなわち固体撮像素子の中心位置から測った距離rが大きい部分には、フレネルレンズからなるマイクロレンズすなわち第二の単位マイクロレンズ5bを、より多く配置すればよいと言える。さらに、固体撮像素子10への入射光は、固体撮像素子の中心位置から測った距離rが大きくなるに従って、すなわち、中央部から周辺部に向かって段階的に傾斜して入射される。従って、入射角に合わせて固体撮像素子の中心位置から測った距離rが大きくなるに従って、すなわち、中央部から周辺部に向かうに従い、単位領域S内の凸レンズからなる第一の単位マイクロレンズ5aの配置数を単調減少させる一方で、フレネルレンズからなる第二の単位マイクロレンズ5bを単調増加させればよいことが分かる。
In other words, a microlens that is a convex lens, that is, a first lens is formed in a central portion in plan view of the solid-
以上により、固体撮像素子10の中心位置から測った距離rが小さい中央部に対する中心位置から測った距離rが大きい周辺部の受光感度の低下を抑えることができる。
As described above, it is possible to suppress a decrease in light receiving sensitivity in the peripheral portion where the distance r measured from the center position with respect to the central portion where the distance r measured from the center position of the solid-
1・・・基板
1a・・・光電変換領域
2・・・配線層
3・・・配線
4・・・カラーフィルタ
5・・・マイクロレンズ群
5a・・・第一の単位マイクロレンズ
5b・・・第二の単位マイクロレンズ
10・・・固体撮像素子
O・・・中心位置
E・・・周辺
S・・・単位領域
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記マイクロレンズ群は、凸レンズからなる第一の単位マイクロレンズとフレネルレンズからなる第二の単位マイクロレンズから構成され、
前記マイクロレンズ群の中において複数の単位マイクロレンズからなる同一の矩形形状からなる単位領域を複数任意に設定した場合、前記単位領域に含まれる第一の単位マイクロレンズの数である第一の単位マイクロレンズの配置数N1と、前記単位領域に含まれる前記第二の単位マイクロレンズの数である第二の単位マイクロレンズの配置数N2との配置数比率N1/N2が、前記固体撮像素子の中心位置から測った距離rが大きくなるに従って数値が低くなっていることを特徴とする固体撮像素子。 A solid-state imaging device having a photoelectric conversion region divided for each pixel, and a microlens group composed of unit microlenses corresponding to the pixels on a one-to-one basis,
The microlens group includes a first unit microlens made of a convex lens and a second unit microlens made of a Fresnel lens,
A first unit that is the number of first unit microlenses included in the unit region when a plurality of unit regions having the same rectangular shape including a plurality of unit microlenses are arbitrarily set in the microlens group. The arrangement number ratio N1 / N2 between the arrangement number N1 of microlenses and the arrangement number N2 of second unit microlenses, which is the number of the second unit microlenses included in the unit region, is the solid-state imaging element. A solid-state imaging device characterized in that the numerical value decreases as the distance r measured from the center position increases.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020049867A1 (en) * | 2018-09-05 | 2020-03-12 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Image capture device and image capture element |
WO2022168907A1 (en) * | 2021-02-05 | 2022-08-11 | ブリルニクスジャパン株式会社 | Solid-state imaging device, method for manufacturing solid-state imaging device, and electronic apparatus |
WO2024018904A1 (en) * | 2022-07-19 | 2024-01-25 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid-state imaging device |
-
2016
- 2016-11-15 JP JP2016222460A patent/JP2018082002A/en active Pending
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