JP2024076355A - イメージセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】改善されたイメージ品質を有するイメージセンサを提供する。【解決手段】本発明のイメージセンサは、第１サブピクセル及び平面図上の第１サブピクセルに隣接して配置された第２サブピクセルを含む複数の単位ピクセルと、複数の単位ピクセルの各々の第１サブピクセル上に配置される第１サブレンズ部と第２サブピクセル上に配置される第２サブレンズ部とを含むレンズアレイと、を備え、第１サブレンズ部は、第１マイクロレンズを含み、第２サブレンズ部は、第２マイクロレンズを含み、第１マイクロレンズは、中央区間に陥没した陥没部を含む。【選択図】図５

Description

本発明は、イメージセンサに関する。
イメージセンシング装置（ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）は、光学センサを用いてイメージを感知する装置である。イメージセンシング装置はイメージセンサを含む。イメージセンサの類型の一つはＣＭＯＳイメージセンサである。ＣＭＯＳイメージセンサは２次元的に配列された複数のピクセル（ＰＸ）を備える。ピクセル（ＰＸ）のそれぞれはフォトダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）を含む。フォトダイオードは入射する光を電気信号に変換する役割をする。
最近では、コンピュータ産業及び通信産業の発達につれて、デジタルカメラ、カムコーダ、スマートフォン、ゲーム機器、警備用カメラ、医療用マイクロカメラ、ロボット、車両などの多様な分野で性能を向上させたイメージセンサの需要が増大している。
特開２０２２－６１４７７号公報
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、改善されたイメージ品質を有するイメージセンサを提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様によるイメージセンサは、第１サブピクセル及び平面図上の前記第１サブピクセルに隣接して配置された第２サブピクセルを含む複数の単位ピクセルと、前記複数の単位ピクセルの各々の前記第１サブピクセル上に配置される第１サブレンズ部と前記第２サブピクセル上に配置される第２サブレンズ部とを含むレンズアレイと、を備え、前記第１サブレンズ部は、第１マイクロレンズを含み、前記第２サブレンズ部は、第２マイクロレンズを含み、前記第１マイクロレンズは、中央区間に陥没した陥没部を含む。
上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様によるイメージセンサは、第１サブピクセル及び平面図上の前記第１サブピクセルに隣接して配置され、平面図上の前記第１サブピクセルよりも小さい第２サブピクセルを含む複数の単位ピクセルと、前記第１サブピクセル上に配置される第１サブレンズ部と前記第２サブピクセル上に配置される第２サブレンズ部とを含むレンズアレイと、を備え、前記第１サブレンズ部は、第１マイクロレンズを含み、前記第２サブレンズ部は、第２マイクロレンズを含み、前記第２サブピクセルに向かう方向に沿って前記第１マイクロレンズを切断した第１断面の第１幅は、隣接する他の第１マイクロレンズに向かう方向に沿って前記第１マイクロレンズを切断した第２断面の第２幅よりも小さい。
上記目的を達成するためになされた本発明の更に他の態様によるイメージセンサは、第１サブピクセル及び平面図上の前記第１サブピクセルに隣接して配置され、平面図上の前記第１サブピクセルよりも小さい第２サブピクセルを含む複数の単位ピクセルと、前記複数の単位ピクセルの各々の前記第１サブピクセル上に配置される第１サブレンズ部と前記第２サブピクセル上に配置される第２サブレンズ部とを含むレンズアレイと、を備え、前記第１サブレンズ部は、複数の第１マイクロレンズを含み、前記第２サブレンズ部は、第２マイクロレンズを含み、前記第２サブレンズ部に含まれる前記第２マイクロレンズの数は、前記第１サブレンズ部に含まれる前記複数の第１マイクロレンズの数よりも小さい。
その他の具体的な内容は詳細な説明及び図面に含まれる。
本発明のイメージセンサによれば、マイクロレンズの形状や陥没部又は孔によって多様な光経路及び多様な集光領域を有することで、傾斜して入射する光に対してより高い受光効率を示し、レンズの高さの差による遮蔽現象を防止することができ、光電変換領域の広い領域で光電変換が行われる。従って、光電変換領域のより高い効率及び劣化に強い耐久性を期待することができる。
一実施形態によるイメージセンシング装置のブロック図である。 一実施形態によるイメージセンサの積層構造の一例を示す概略的な斜視図である。 一実施形態によるイメージセンサの積層構造の他の例を示す概略的な斜視図である。 一実施形態によるイメージセンサのブロック図である。 いくつかの実施形態によるイメージセンサの概略的な分解斜視図である。 図５の一ピクセルの例示的な回路図である。 図６の回路構造を有する一ピクセルの動作を説明するための例示的なタイミング図である。 図７のピクセル動作によるピクセルの照度に応じた信号対雑音比を示すグラフである。 一実施形態によるピクセルの断面図である。 多様な実施形態によるレンズアレイを通る光経路を示す概略図である。 多様な実施形態によるレンズアレイを通る光経路を示す概略図である。 多様な実施形態によるレンズアレイを通る光経路を示す概略図である。 多様な実施形態によるレンズアレイを通る光経路を示す概略図である。 一実施形態によるレンズアレイの第１例を示す断面図である。 一実施形態によるレンズアレイの第２例を示す断面図である。 一実施形態によるレンズアレイの第３例を示す断面図である。 一実施形態によるレンズアレイの第４例を示す断面図である。 一実施形態によるレンズアレイの第５例を示す断面図である。 一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図である。 図１９のＸＸ－ＸＸ’線に沿って切断した断面図である。 一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図である。 図２１のＸＸＩＩａ－ＸＸＩＩａ’線及びＸＸＩＩｂ－ＸＸＩＩｂ’線に沿って切断した断面図である。 一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図である。 図２３のＸＸＩＶａ－ＸＸＩＶａ’線及びＸＸＩＶｂ－ＸＸＩＶｂ’線に沿って切断した断面図である。 一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図である。 図２５のＸＸＶＩ－ＸＸＶＩ’線に沿って切断した断面図である。 一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図である。 図２７のＸＸＶＩＩＩ－ＸＸＶＩＩＩ’線に沿って切断した断面図である。 一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図である。 図２９のＸＸＸ－ＸＸＸ’線に沿って切断した断面図である。 一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図である。 図３１のＸＸＸＩＩ－ＸＸＸＩＩ’線に沿って切断した断面図である。 いくつかの実施形態によるレンズアレイの視野角による第２マイクロレンズの受光効率に関するシミュレーション結果を示すグラフである。
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、一実施形態によるイメージセンシング装置のブロック図である。
図１を参照すると、イメージセンシング装置１は、イメージセンサ１０及びイメージ信号プロセッサ９００を含む。
イメージセンサ１０は、光を用いてセンシング対象のイメージをセンシングして、ピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸを生成する。生成されたピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸは、例えばデジタル信号であるが、これに制限されるものではない。また、ピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸは特定の信号電圧やリセット電圧などを含む。ピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸはイメージ信号プロセッサ９００に提供されて処理される。
イメージセンサ１０は、コントロールレジスタブロック１１１０、タイミングジェネレータ１１２０、ロウ（ｒｏｗ）ドライバ１１３０、ピクセルアレイＰＡ、リードアウト回路１１５０、ランプ信号生成器１１６０、及びバッファ部１１７０を含む。
コントロールレジスタブロック１１１０はイメージセンサ１０の動作を全体的に制御する。コントロールレジスタブロック１１１０は、タイミングジェネレータ１１２０、ランプ信号生成器１１６０、及びバッファ部１１７０に直接動作信号を伝送する。
タイミングジェネレータ１１２０はイメージセンサ１０の複数の構成要素の動作タイミングの基準になる信号を発生する。タイミングジェネレータ１１２０で発生した動作タイミング基準信号は、ロウドライバ１１３０、リードアウト回路１１５０、ランプ信号生成器１１６０などに伝達される。
ランプ信号生成器１１６０はリードアウト回路１１５０に使用されるランプ信号を生成して伝送する。リードアウト回路１１５０は、相関二重サンプラ（ＣＤＳ）、比較器などを含み、ランプ信号生成器１１６０は、相関二重サンプラ（ＣＤＳ）、比較器などに使用されるランプ信号を生成して伝送する。
バッファ部１１７０は、外部に提供するピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸを一時的に格納し、ピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸを外部メモリ又は外部装置に伝送する役割をする。バッファ部１１７０はＤＲＡＭ又はＳＲＡＭのようなメモリを含む。
ピクセルアレイＰＡは外部イメージをセンシングする。ピクセルアレイＰＡは複数のピクセルＰＸ（又は単位ピクセルＰＸ）を含む。ロウドライバ１１３０はピクセルアレイＰＡのロウ（ｒｏｗ）を選択的に活性化させる。
リードアウト回路１１５０は、ピクセルアレイＰＡから提供されたピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸをサンプリングし、これをランプ信号と比較した後、比較結果に基づいてアナログイメージ信号（データ）をデジタルイメージ信号（データ）に変換する。
イメージ信号プロセッサ９００は、イメージセンサ１０のバッファ部１１７０から出力されたピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸを受信し、受信したピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸをディスプレイに容易なように加工又は処理する。イメージ信号プロセッサ９００はイメージセンサ１０から物理的に互いに分離して配置される。例えば、イメージセンサ１０が第１チップに搭載され、イメージ信号プロセッサ９００が第２チップに搭載されて所定のインターフェースを介して互いに通信する。しかし、実施形態はこれに制限されるものではなく、イメージセンサ１０とイメージ信号プロセッサ９００とは、一つのパッケージ、例えばＭＣＰ（ｍｕｌｔｉ－ｃｈｉｐ ｐａｃｋａｇｅ）として実現することもできる。
上述したように、イメージセンサは一つのチップとして提供される。例えば上述した全ての機能ブロックが一つのチップ内で実現される。しかし、実施形態はこれに制限されるものではなく、複数のチップに機能ブロックが分かれて提供され得る。イメージセンサが複数のチップとして提供される場合、各チップは積層される。以下では、例示的なイメージセンサのチップの積層構造について説明する。
図２は、一実施形態によるイメージセンサの積層構造の一例を示す概略的な斜視図である。
図２では、第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、及び第３方向Ｚが定義される。第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、及び第３方向Ｚは相互に交差する。例えば、第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、及び第３方向Ｚは互いに直角に交差する。第１方向Ｘと第２方向Ｙとはそれぞれ水平方向に該当し、第３方向Ｚは垂直方向に該当する。素子内における第３方向Ｚは厚さ方向及び／又は深さ方向を示す。
図２を参照すると、イメージセンサ１０は積層された上部チップＣＨＰ１及び下部チップＣＨＰ２を含む。上部チップＣＨＰ１はピクセルアレイＰＡを含む。下部チップＣＨＰ２はリードアウト回路１１５０を含むアナログ領域及びロジック領域ＬＣを含む。下部チップＣＨＰ２は、上部チップＣＨＰ１の下部に配置され、上部チップＣＨＰ１に電気的に接続される。下部チップＣＨＰ２は上部チップＣＨＰ１からピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸを受信し、ロジック領域ＬＣはピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸを受信する。
下部チップＣＨＰ２のロジック領域ＬＣにはロジック素子が配置される。ロジック素子はピクセルＰＸからのピクセル信号ＳＩＧ＿ＰＸを処理するための回路を含む。例えば、ロジック素子は、図１のコントロールレジスタブロック１１１０、タイミングジェネレータ１１２０、ロウ（ｒｏｗ）ドライバ１１３０、リードアウト回路１１５０、ランプ信号生成器１１６０などを含む。
図３は、一実施形態によるイメージセンサの積層構造の他の例を示す概略的な斜視図である。
図３の実施形態は、イメージセンサ１１がメモリチップＣＨＰ３を更に含む点で図２の実施形態とは差がある。
具体的に説明すると、図３に示すように、イメージセンサ１１は、上部チップＣＨＰ１、下部チップＣＨＰ２、及びメモリチップＣＨＰ３を含む。上部チップＣＨＰ１、下部チップＣＨＰ２、及びメモリチップＣＨＰ３は第３方向Ｚに沿って順次積層される。メモリチップＣＨＰ３は下部チップＣＨＰ２の下部に配置される。メモリチップＣＨＰ３はメモリ装置を含む。例えば、メモリチップＣＨＰ３は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどの揮発性メモリ装置を含む。メモリチップＣＨＰ３は、上部チップＣＨＰ１及び下部チップＣＨＰ２から信号の伝達を受けて、メモリ装置を介して信号を処理する。メモリチップＣＨＰ３を含むイメージセンサ１１は３層の積層イメージセンサに該当する。以下、イメージセンサのピクセル構造について更に具体的に説明する。
図４は、一実施形態によるイメージセンサのブロック図である。
図４を参照すると、ピクセルアレイＰＡは複数のピクセルＰＸを含む。ピクセルＰＸは光を受信して一つのピクセルＰＸに該当するイメージを出力するセンシングの基本単位である。各ピクセルＰＸは複数のサブピクセル（図５のＳＰＸ１、ＳＰＸ２）を含む。各サブピクセル（ＳＰＸ１、ＳＰＸ２）は光電変換部（図９のＬＥＣ１、ＬＥＣ２）を備える。
複数のピクセルＰＸは複数のロウ（ｒｏｗ）及び複数のカラム（ｃｏｌｕｍｎ）を有する２次元行列形状に配列される。説明の便宜上、図４におけるロウは第１方向Ｘに延びる配列を指し、カラムは第２方向Ｙに延びる配列を指すが、ロウ及びカラムが指す配列は互いに変わってもよい。また、図面ではロウとカラムとの交差によってなる平面形状が長方形の行列形状である場合を例示したが、ピクセルＰＸ配列が有する行列形状は多様に変形することができる。例えば、ロウ又はカラムの延長方向が直線ではないジグザグ形状であり、隣り合うロウ／カラムに位置するピクセルＰＸを互いにずれるように配置することもできる。
ロウドライバ１１３０には複数の駆動信号線ＤＲＳが連結される。複数の駆動信号線ＤＲＳはロウの延長方向（即ち、第１方向Ｘ）に沿って延びる。複数の駆動信号線ＤＲＳはピクセルＰＸが配置された有効領域であるピクセルアレイＰＡの活性領域を第１方向Ｘに横切る。複数の駆動信号線ＤＲＳはロウドライバ１１３０から提供された駆動信号をピクセルＰＸに伝達する。駆動信号は、例えば選択信号（図６のＳＥＬ）、リセット信号（図６のＲＳ）、伝送信号（図６のＴＳ＿１、ＴＳ＿２）などを含む。
一実施形態で、同じロウに位置するピクセルＰＸは同じ駆動信号線ＤＲＳに連結される。また、互いに異なるロウに位置するピクセルＰＸは互いに異なる駆動信号線ＤＲＳに連結される。しかし、実施形態はこれに制限されるものではなく、同じロウに位置するピクセルＰＸが互いに異なる駆動信号線ＤＲＳに連結されるか、或いは２以上のロウに位置するピクセルＰＸが同じ駆動信号線ＤＲＳに連結され得る。
リードアウト回路１１５０には複数の出力信号線ＣＯＬが連結される。複数の出力信号線ＣＯＬはカラムの延長方向（即ち、第２方向Ｙ）に沿って延びる。複数の出力信号線ＣＯＬはピクセルアレイＰＡの活性領域を第２方向Ｙに横切る。複数の出力信号線ＣＯＬはピクセルＰＸから提供された出力信号をリードアウト回路１１５０に伝達する。
一実施形態で、同じカラムに位置するピクセルＰＸは同じ出力信号線ＣＯＬに連結される。また、互いに異なるカラムに位置するピクセルＰＸは互いに異なる出力信号線ＣＯＬに連結される。しかし、実施形態はこれに制限されるものではなく、同じカラムに位置するピクセルＰＸが互いに異なる出力信号線ＣＯＬに連結されるか、或いは２以上のカラムに位置するピクセルＰＸが同じ出力信号線ＣＯＬに連結され得る。
図５は、いくつかの実施形態によるイメージセンサの概略的な分解斜視図である。
図５を参照すると、イメージセンサ１０＿１はピクセルアレイＰＸＡ及びレンズアレイＬＳＡを含む。レンズアレイＬＳＡはピクセルアレイＰＸＡの入射面上に配置される。ピクセルアレイＰＸＡとレンズアレイＬＳＡとの間にはカラーフィルタ層ＣＦＬが配置される。
ピクセルアレイＰＸＡには複数のピクセルＰＸが定義される。複数のピクセルＰＸはマトリックス形状に配列される。各ピクセルＰＸはフォトダイオードをなす光電変換部ＬＥＣを含む。
一つのピクセルＰＸは２以上にスプリットされる。即ち、ピクセルＰＸは複数のサブピクセル（ＳＰＸ１、ＳＰＸ２）を含む。例えば、一つのピクセルＰＸは２以上のサブピクセル（ＳＰＸ１、ＳＰＸ２）を含む。図に例示した実施形態で、ピクセルＰＸはそれぞれ第１サブピクセルＳＰＸ１及び第２サブピクセルＳＰＸ２を含む。一つのピクセルＰＸ内に属する第１サブピクセルＳＰＸ１及び第２サブピクセルＳＰＸ２は互いに隣接して配置される。一実施形態で、第１サブピクセルＳＰＸ１は８角形形状であり、第２サブピクセルＳＰＸ２は四角形形状である。第２サブピクセルＳＰＸ２は第１サブピクセルＳＰＸ１の８個のエッジのうちの一つのエッジに隣接して配置される。第１サブピクセルＳＰＸ１の一エッジと第２サブピクセルＳＰＸ２の一エッジとは互いに接触するが、これに制限されない。
一実施形態で、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って複数の第１サブピクセルＳＰＸ１が隣接するように配列され、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに交差する対角線方向に沿って第１サブピクセルＳＰＸ１と第２サブピクセルＳＰＸ２とが互いに隣接する状態で交互に配列される。
第１サブピクセルＳＰＸ１は第１フォトダイオードＰＤ１をなす第１光電変換部ＬＥＣ１を、第２サブピクセルＳＰＸ２は第２フォトダイオードＰＤ２をなす第２光電変換部ＬＥＣ２を含む。
第１サブピクセルＳＰＸ１と第２サブピクセルＳＰＸ２とは互いに異なるフルウェルキャパシティ（ｆｕｌｌ ｗｅｌｌ ｃａｐａｃｉｔｙ）を有する。例えば、第１サブピクセルＳＰＸ１は第２サブピクセルＳＰＸ２よりも大きなフルウェルキャパシティを有する。一実施形態で、平面図上の第１サブピクセルＳＰＸ１は第２サブピクセルＳＰＸ２よりも大きな大きさ（又は面積）を有し、そのため第１光電変換部ＬＥＣ１も、また第２光電変換部ＬＥＣ２よりも大きい。このように、平面図上で第１サブピクセルＳＰＸ１が第２サブピクセルＳＰＸ２よりも大きな大きさを有することで、より多くの受光量を有するようになるため、相対的に低照度の光量をセンシングするのに有利である。逆に第２サブピクセルＳＰＸ２は主に高照度の光量センシングに活用される。このように第１サブピクセルＳＰＸ１と第２サブピクセルＳＰＸ２とを適宜センシング駆動することによって、より大きなダイナミックレンジを実現することができる。
各ピクセルＰＸの光電変換部（ＬＥＣ１、ＬＥＣ２）は素子分離膜ＰＩＬにより互いに分離される。また、第１サブピクセルＳＰＸ１と第２サブピクセルＳＰＸ２との間にもこれらの間の電荷ドリフトを防止する素子分離膜ＰＩＬが配置される。即ち、素子分離膜ＰＩＬは平面図上の複数の第１サブピクセルＳＰＸ１及び複数の第２サブピクセルＳＰＸ２のそれぞれを囲む配置形状を有する。一実施形態で、各サブピクセル（ＳＰＸ１、ＳＰＸ２）の内部にはこれらを複数の領域に区画する素子分離膜ＰＩＬが配置されない。即ち、第１光電変換部ＬＥＣ１と第２光電変換部ＬＥＣ２とはそれぞれ断続されずに連結された一つの領域をなす。
素子分離膜ＰＩＬはＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）、ＤＴＩ（Ｄｅｅｐ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）などの形態で提供される。素子分離膜ＰＩＬがＤＴＩの形態で提供される場合、ＦＳＩ（ｆｒｏｎｔｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）タイプのイメージセンサに適用されて半導体基板の一面から垂直方向に拡張されたＦＤＴＩ（Ｆｒｏｎｔ ｄｅｅｐ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）タイプ又はＢＳＩ（ｂａｃｋｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）タイプのイメージセンサに適用され、半導体基板の他面から垂直方向に拡張されたＢＤＴＩ（Ｂａｃｋ ｄｅｅｐ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）タイプである。
素子分離膜ＰＩＬの形態、材質、積層構造は、位置に関係がなく同一であるが、これに制限されるものではない。例えば、一部領域で素子分離膜ＰＩＬは異なる分離構造を有する。
イメージセンサ１０＿１は入射光のカラーを区分してセンシングする。この場合、イメージセンサ１０＿１はカラーフィルタ層ＣＦＬを含む。カラーフィルタ層ＣＦＬはピクセルアレイＰＸＡの入射面上に配置される。カラーフィルタ層ＣＦＬは複数のカラーフィルタパターンＣＦＰを含む。例えば、カラーフィルタ層ＣＦＬは赤色カラーフィルタパターンＣＦＰ＿Ｒ、緑色カラーフィルタパターンＣＦＰ＿Ｇ、及び青色カラーフィルタパターンＣＦＰ＿Ｂを含む。
カラーフィルタパターンＣＦＰはそれぞれピクセルＰＸに対応する。一つのピクセルＰＸは同じ色相のカラーフィルタパターンＣＦＰに対応する。例えば、一つのピクセルＰＸに含まれる第１サブピクセルＳＰＸ１及び第２サブピクセルＳＰＸ２上には赤色カラーフィルタパターンＣＦＰ＿Ｒ、緑色カラーフィルタパターンＣＦＰ＿Ｇ、及び青色カラーフィルタパターンＣＦＰ＿Ｂのうちのいずれか一つが配置される。一つのピクセルＰＸに含まれる第１サブピクセルＳＰＸ１及び第２サブピクセルＳＰＸ２上に対応するカラーフィルタパターンＣＦＰは図示するように互いに連結された一つの単一パターンであり、各サブピクセル（ＳＰＸ１、ＳＰＸ２）別に分離したパターンでもある。カラーフィルタパターンＣＦＰが各サブピクセル（ＳＰＸ１、ＳＰＸ２）別に分離されて形成される場合でも、これらの色相は同じである。
カラーフィルタ層ＣＦＬ上にはレンズアレイＬＳＡが配置される。レンズアレイＬＳＡは複数のマイクロレンズＭＬＺを含む。マイクロレンズＭＬＺは、入射光を集光して混色を防止し、光効率を上げる役割をする。複数のマイクロレンズＭＬＺの各々は各ピクセルＰＸの一部領域をカバーするように配置される。レンズアレイＬＳＡに関する詳細な説明は後述する。
図６は、図５の一ピクセルの例示的な回路図である。
図６を参照すると、一ピクセルＰＸの回路は第１フォトダイオードＰＤ１、第２フォトダイオードＰＤ２、複数のトランジスタ、及びキャパシタＣ１を含む。複数のトランジスタは、伝送トランジスタＴＳＴ、ソースフォロワトランジスタＳＦＴ、選択トランジスタＳＬＴ、リセットトランジスタＲＳＴ、連結トランジスタＣＲＴ、及びスイッチングトランジスタＳＲＴを含む。伝送トランジスタＴＳＴは、第１伝送トランジスタＴＳＴ＿１及び第２伝送トランジスタＴＳＴ＿２を含む。
第１サブピクセルＳＰＸ１は第１フォトダイオードＰＤ１及び第１伝送トランジスタＴＳＴ１を含み、第２サブピクセルＳＰＸ２は第２フォトダイオードＰＤ２及び第２伝送トランジスタＴＳＴ２を含む。第１フォトダイオードＰＤ１は第１光電変換領域ＬＥＣ１に対応し、第２フォトダイオードＰＤ２は第２光電変換領域ＬＥＣ２に対応する。平面図上で相対的に面積が大きい第１光電変換領域ＬＥＣ１を含む第１フォトダイオードＰＤ１はラージフォトダイオードと称され、相対的に小さい第２光電変換領域ＬＥＣ２を含む第２フォトダイオードＰＤ２はスモールフォトダイオードと称される。
第１サブピクセルＳＰＸ１及び第２サブピクセルＳＰＸ２は、一つのソースフォロワトランジスタＳＦＴ、一つの選択トランジスタＳＬＴ、及び一つのリセットトランジスタＲＳＴを共有する。
より具体的に説明すると、第１伝送トランジスタＴＳＴ１は第１フォトダイオードＰＤ１と第１ノードＮＤ１との間に配置される。第１ノードＮＤ１は、第１フローティング拡散領域ＦＤ１に連結されるか、又はそれ自体が第１フローティング拡散領域ＦＤ１である。第１伝送トランジスタＴＳＴ１のゲートは第１伝送ラインに連結されて第１伝送信号ＴＳ＿１の提供を受ける。
ソースフォロワトランジスタＳＦＴは第１電源電圧ＶＤＤ＿１を提供する第１電源電圧線と出力信号線ＣＯＬとの間に連結される。ソースフォロワトランジスタＳＦＴのゲートは第１フローティング拡散領域ＦＤ１に連結された第１ノードＮＤ１に連結される。
選択トランジスタＳＬＴはソースフォロワトランジスタＳＦＴと出力信号線ＣＯＬとの間に配置される。選択トランジスタＳＬＴのゲートは該当するロウの選択ラインに連結されて選択信号ＳＥＬの印加を受ける。
第１ノードＮＤ１と第２電源電圧ＶＤＤ＿２を提供する第２電源電圧線との間には連結トランジスタＣＲＴ及びリセットトランジスタＲＳＴが配置される。連結トランジスタＣＲＴとリセットトランジスタＲＳＴとの間には第２ノードＮＤ２が定義される。
連結トランジスタＣＲＴは第１ノードＮＤ１と第２ノードＮＤ２との間に配置される。連結トランジスタＣＲＴのゲートは連結信号ラインに連結される。連結トランジスタＣＲＴは連結信号ラインから提供される連結制御信号ＣＲに応じて第１ノードＮＤ１と第２ノードＮＤ２とを連結する役割をする。
リセットトランジスタＲＳＴは第２電源電圧線と第２ノードＮＤ２との間に配置される。リセットトランジスタＲＳＴのゲートはリセットラインに連結されてリセット信号ＲＳの提供を受ける。
第２フォトダイオードＰＤ２と第２ノードＮＤ２との間には第２伝送トランジスタＴＳＴ２及びスイッチングトランジスタＳＲＴが配置される。第２伝送トランジスタＴＳＴ２とスイッチングトランジスタＳＲＴとの間には第３ノードＮＤ３が定義される。
第２伝送トランジスタＴＳＴ２は第２フォトダイオードＰＤ２と第３ノードＮＤ３との間に連結される。第３ノードＮＤ３は第２フローティング拡散領域ＦＤ２に連結されるか、又は第２フローティング拡散領域ＦＤ２自体である。第２伝送トランジスタＴＳＴ２のゲートは第２伝送ラインに連結される。第２伝送ラインには第１伝送ラインとは異なるスキャン信号である第２伝送信号ＴＳ＿２が印加され、そのため第１伝送トランジスタＴＳＴ１と第２伝送トランジスタＴＳＴ２とが異なる時点でターンオン及びターンオフされる。
スイッチングトランジスタＳＲＴは第３ノードＮＤ３と第２ノードＮＤ２との間に配置される。スイッチングトランジスタＳＲＴのゲートはスイッチ制御ラインに連結される。スイッチングトランジスタＳＲＴはスイッチ制御ラインを介して印加されるスイッチ制御信号ＳＲに応じて第３ノードＮＤ３と第２ノードＮＤ２とを連結する役割をする。
キャパシタＣ１は第３ノードＮＤ３と第２電源電圧線との間に配置される。キャパシタＣ１は第２フォトダイオードＰＤ２からオーバーフローする電荷を貯蔵する役割をする。
図７は、図６の回路構造を有する一ピクセルの動作を説明するための例示的なタイミング図であり、図８は、図７のピクセル動作によるピクセルの照度に応じた信号対雑音比を示すグラフである。
図７は該当時点でリードアウトの対象になるロウに位置する一ピクセルＰＸに印加される信号のタイミングを示す図である。同一時点で、リードアウトの対象として選択されていない他のロウに該当するピクセルＰＸは図示する例とは異なる信号が印加される。例えば、リードアウトの対象として選択されていない他のロウに該当するピクセルＰＸは図７の４個の動作（ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３、ＯＰ４）の前又は後に現れる信号波形が印加される。図７のタイミング図には、選択信号ＳＥＬ、リセット信号ＲＳ、連結制御信号ＣＲ、スイッチ制御信号ＳＲ、第１伝送信号ＴＳ＿１、第２伝送信号ＴＳ＿２の波形が順に示されている。各信号波形はハイレベルの電圧とローレベルの電圧との間でスイングする。ハイレベルの電圧は印加されるトランジスタをターンオンさせるターンオン信号であり、ローレベルの電圧は印加されるトランジスタをターンオフさせるターンオフ信号である。
図６～図８を参照すると、ピクセルＰＸのリードアウトは４個の動作を含む。具体的に、ピクセルＰＸのリードアウトは、時間順に順次行われる第１動作ＯＰ１、第２動作ＯＰ２、第３動作ＯＰ３、及び第４動作ＯＰ４を含む。各動作は信号動作（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）を含み、各動作はリセット動作（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）を更に含む。一つの動作内で、リセット動作は信号動作の前に行われるか又は後に行われる。一部の動作内で、リセット動作は省略することもできる。４個の動作の間の選択信号ＳＥＬはハイレベルを維持する。
リードアウト前の時間の間、言い換えると第１動作ＯＰ１の前の時間の間、選択信号ＳＥＬ、スイッチ制御信号ＳＲ、第１伝送信号ＴＳ＿１、及び第２伝送信号ＴＳ＿２はローレベルを維持し、リセット信号ＲＳ及び連結制御信号ＣＲはハイレベルを維持する。
第１動作ＯＰ１は、第１時間ｔ１に第１リセット動作Ｒ１が先に行われた後、第２時間ｔ２に第１信号動作Ｓ１が行われる。
具体的に、第１リセット動作Ｒ１が行われる第１時間ｔ１まで、選択信号ＳＥＬはローレベルからハイレベルに転換され、リセット信号ＲＳ及びスイッチ制御信号ＳＲはハイレベルからローレベルに転換される。第１リセット動作Ｒ１の間に第１ノードＮＤ１に蓄積された電荷がソースフォロワトランジスタＳＦＴを介して第１リセット電圧ＶＲ１に変換されて出力される。
次に、第２時間ｔ２に第１信号動作Ｓ１が行われる。第１時間ｔ１と第２時間ｔ２との間の時間区間の間に、第１伝送信号ＴＳ＿１がローレベルからハイレベルに転換されてから再びローレベルに転換される。第１伝送信号ＴＳ＿１がハイレベルを維持する間、第１伝送トランジスタＴＳＴ１は所定時間ターンオンされてからターンオフされる。第１伝送トランジスタＴＳＴ１がターンオンされた時間の間、第１ノードＮＤ１は第１フォトダイオードＰＤ１に連結される。これにより、第１フォトダイオードＰＤ１に貯蔵されていた電荷が第１ノードＮＤ１（即ち、第１フローティング拡散領域ＦＤ１）に伝達される。第１ノードＮＤ１に伝達された電荷はソースフォロワトランジスタＳＦＴにより第１信号電圧ＶＳ１に変換されて出力される。
第１フォトダイオードＰＤ１から生成されて第１ノードＮＤ１に伝達された電荷を出力する第１動作ＯＰ１ではピクセルＰＸが相対的に小さなキャパシタンスを有するため、第１動作ＯＰ１の第１ダイナミックレンジＤＲ１は図８に示すように、低照度のダイナミックレンジを有する。従って、第１動作ＯＰ１は低照度環境のイメージセンシングに有用に活用することができる。
第１動作ＯＰ１に続き、第２動作ＯＰ２が行われる。第２動作ＯＰ２では、第３時間ｔ３に第２信号動作Ｓ２が先に行われた後、第４時間ｔ４に第２リセット動作Ｒ２が行われる。
具体的に、第２時間ｔ２と第３時間ｔ３との間の時間区間の間に、連結制御信号ＣＲはローレベルからハイレベルに転換されて連結トランジスタＣＲＴをターンオンさせる。その結果、第１ノードＮＤ１と第２ノードＮＤ２とが連結される。
また、第２時間ｔ２と第３時間ｔ３との間の時間区間の間、連結トランジスタＣＲＴがターンオンされた状態で第１伝送信号ＴＳ＿１がローレベルからハイレベルに転換された後に再びローレベルに転換される。連結トランジスタＣＲＴ及び第１伝送トランジスタＴＳＴ１が同時にターンオンされた時間の間、第１ノードＮＤ１は第１フォトダイオードＰＤ１及び第２ノードＮＤ２に連結される。従って、この時間の間第１ノードＮＤ１に第１フォトダイオードＰＤ１及び第２ノードＮＤ２の電荷が伝達される。第１ノードＮＤ１に伝達された電荷はソースフォロワトランジスタＳＦＴにより第２信号電圧ＶＳ２に変換されて出力される。
次に、第４時間ｔ４に第２リセット動作Ｒ２が行われる。第３時間ｔ３と第４時間ｔ４との間にリセット信号ＲＳがローレベルからハイレベルに転換されてから再びローレベルに転換される。リセット信号ＲＳがハイレベルを維持する間にリセットトランジスタＲＳＴがターンオンされ、第１ノードＮＤ１及び第２ノードＮＤ２の電荷がリセットされる。リセットされた第１ノードＮＤ１及び第２ノードＮＤ２の電荷はソースフォロワトランジスタＳＦＴにより第２リセット電圧ＶＲ２に変換されて出力される。
第２動作ＯＰ２では、第１ノードＮＤ１と第２ノードＮＤ２とを連結しているため、第１動作ＯＰ１でよりもピクセルＰＸが大きなキャパシタンスを有する。従って、第２動作ＯＰ２の第２ダイナミックレンジＤＲ２は図８に示すように、第１ダイナミックレンジＤＲ１よりも大きな値を有する。第２ダイナミックレンジＤＲ２は第１ダイナミックレンジＤＲ１に一部重なり、第１ダイナミックレンジＤＲ１よりも大きな最大信号対ノイズ値ＳＮＲを有する。
第２動作ＯＰ２に続き、第３動作ＯＰ３が行われる。第３動作ＯＰ３では、第５時間ｔ５に第３信号動作Ｓ３が先に行われた後に第６時間ｔ６に第３リセット動作Ｒ３が行われる。
具体的に、第４時間ｔ４と第５時間ｔ５との間の時間区間の間に、スイッチ制御信号ＳＲはローレベルからハイレベルに転換されてスイッチングトランジスタＳＲＴをターンオンさせる。その結果、キャパシタＣ１に連結された第３ノードＮＤ３と第２ノードＮＤ２とが連結される。即ち、この時間の間に第１ノードＮＤ１、第２ノードＮＤ２、及び第３ノードＮＤ３が全て連結され、それに蓄積されていた電荷がソースフォロワトランジスタＳＦＴにより第３信号電圧ＶＳ３に変換されて出力される。第３信号電圧ＶＳ３はキャパシタＣ１に蓄積された電荷に対応する出力を含む。
次に、第６時間ｔ６に第３リセット動作Ｒ３が行われる。第５時間ｔ５と第６時間ｔ６との間にリセット信号ＲＳがローレベルからハイレベルに転換されてから再びローレベルに転換される。リセット信号ＲＳがハイレベルを維持する間にリセットトランジスタＲＳＴがターンオンされ、第１ノードＮＤ１、第２ノードＮＤ２、及び第３ノードＮＤ３の電荷がリセットされる。リセットされた第１ノードＮＤ１、第２ノードＮＤ２、及び第３ノードＮＤ３の電荷はソースフォロワトランジスタＳＦＴにより第３リセット電圧ＶＲ３に変換されて出力される。
第３動作ＯＰ３では、第１ノードＮＤ１及び第２ノードＮＤ２だけでなく、キャパシタンスが大きなキャパシタＣ１が連結された第３ノードＮＤ３まで共に連結されているため、より大きなフルウェルキャパシティを有する。従って、図８に示すように、第３動作ＯＰ３は第２ダイナミックレンジＤＲ２に比べてより大きな第３ダイナミックレンジＤＲ３を有する。第３ダイナミックレンジＤＲ３は第２ダイナミックレンジＤＲ２とは重ならない。即ち、第３ダイナミックレンジＤＲ３の最小照度Ｍｉｎ３は第２ダイナミックレンジＤＲ２の最大照度Ｍａｘ２よりも大きい。
第３動作ＯＰ３により実現される第３ダイナミックレンジＤＲ３は高照度環境のイメージセンシングに有用に活用することができる。第３ダイナミックレンジＤＲ３は第２ダイナミックレンジＤＲ２よりも大きな最大信号対ノイズ値ＳＮＲを有する。
第３動作ＯＰ３に続き、第４動作ＯＰ４が行われる。第４動作ＯＰ４の場合、第７時間ｔ７に第４リセット動作Ｒ４が先に行われた後、第８時間ｔ８に第４信号動作Ｓ４が行われる。
第４リセット動作Ｒ４は印加される信号を変更せずに行われる。即ち、第６時間ｔ６～第７時間ｔ７の間の時間区間の間に信号は変更されない。第１ノードＮＤ１、第２ノードＮＤ２、及び第３ノードＮＤ３に蓄積された電荷がソースフォロワトランジスタＳＦＴを介して第４リセット電圧ＶＲ４として出力される。
いくつかの実施形態で、第４リセット動作Ｒ４は省略される。第４リセット動作Ｒ４を省略する場合、第３リセット動作Ｒ３により生成された第３リセット電圧ＶＲ３が基準電圧として使用される。
次に、第８時間ｔ８に第４信号動作Ｓ４が行われる。第７時間ｔ７と第８時間ｔ８との間の時間区間の間に、第２伝送信号ＴＳ＿２はローレベルからハイレベルに転換されてから再びローレベルに転換される。第２伝送信号ＴＳ＿２がハイレベルを維持する間に第２伝送トランジスタＴＳＴ２がターンオンされて第３ノードＮＤ３が第２フォトダイオードＰＤ２に連結される。これにより第２フォトダイオードＰＤ２に貯蔵されていた電荷が第３ノードＮＤ３（即ち、第２フローティング拡散領域ＦＤ２）に伝達される。この時点で、第３ノードＮＤ３は第２ノードＮＤ２及び第１ノードＮＤ１に連結されているため、第２フォトダイオードＰＤ２から伝達された電荷は、既存の第３ノードＮＤ３及び第２ノードＮＤ２に蓄積されていた電荷と共に第１ノードＮＤ１に伝達され、ソースフォロワトランジスタＳＦＴにより第４信号電圧ＶＳ１に変換されて出力される。
第４動作ＯＰ４は第２フォトダイオードＰＤ２から生成されて第３ノードＮＤ３に伝達された電荷を出力する動作である。第４動作ＯＰ４は、第３動作ＯＰ３と同様に第１ノードＮＤ１、第２ノードＮＤ２、及び第３ノードＮＤ３が共に連結されるが、第３ノードＮＤ３に連結されたキャパシタＣ１によるリードアウトが完了してリセットされた後に行われるため、図８に示すように、第３ダイナミックレンジＤＲ３よりも小さい第４ダイナミックレンジＤＲ４を有する。第４ダイナミックレンジＤＲ４は第２ダイナミックレンジＤＲ２と第３ダイナミックレンジＤＲ３との間に位置する。第４ダイナミックレンジＤＲ４の最小照度Ｍｉｎ４は第２ダイナミックレンジＤＲ２の最大照度Ｍａｘ２よりも小さいが、第１ダイナミックレンジＤＲ１の最大照度Ｍｉｎ１よりも大きい。第４ダイナミックレンジＤＲ４の最大照度Ｍａｘ４は、第３ダイナミックレンジＤＲ３の最小照度Ｍｉｎ３よりも大きく、最大照度Ｍａｘ３よりも小さい。第４ダイナミックレンジＤＲ４の最大信号対ノイズ値ＳＮＲは、第１ダイナミックレンジＤＲ１の最大信号対ノイズ値ＳＮＲよりも大きく、第２ダイナミックレンジＤＲ２の最大信号対ノイズ値ＳＮＲよりも小さいが、これに制限されるものではない。
このように、ピクセルＰＸが互いに異なる大きさの第１フォトダイオードＰＤ１及び第２フォトダイオードＰＤ２を有する場合、ノードの連結関係を多角化して多様な範囲のダイナミックレンジＤＲを設定することができる。従って、ピクセルＰＸが第１～第４ダイナミックレンジ（ＤＲ１、ＤＲ２、ＤＲ３、ＤＲ４）を含むフルダイナミックレンジＦＤＲを有する信号を出力できるため、イメージセンサ１０＿１のフルウェルキャパシティが増加する。また、複数のダイナミックレンジが重なって設定されることにより、広い照度範囲で求められる最小基準である基準信号対雑音比（ＳＮＲｍｉｎ）以上の出力を得ることができるため、イメージセンシング品質を改善することができる。
第４動作ＯＰ４の後、選択信号ＳＥＬ及びスイッチ制御信号ＳＲはハイレベルからローレベルに転換され、リセット信号ＲＳはローレベルからハイレベルに転換される。
図９は、一実施形態によるピクセルの断面図であり、図５のＩＸ－ＩＸ’線を基準として切断した断面形状を示す。
図９では、便宜上レンズアレイＬＳＡがピクセルアレイＰＸＡの下部に配置された場合を示したが、これらの上下部関係はピクセルＰＸをどのように観察するのかによって変わることは自明である。
ピクセルアレイＰＸＡは対向する第１面１００ａと第２面１００ｂとを有する基板１００を含む。基板１００の１面１００ａは基板１００の表面（ｆｒｏｎｔ ｓｉｄｅ）と称され、第２面１００ｂは基板１００の裏面（ｂａｃｋ ｓｉｄｅ）と称される。基板１００の第２面１００ｂは光が入射する受光面である。即ち、いくつかの実施形態によるイメージセンサ１０＿１は裏面照射型（ＢＳＩ）イメージセンサ１０＿１である。
ピクセルアレイＰＸＡは基板１００の第１面１００ａ上に配置された回路層ＣＣＬを更に含む。カラーフィルタ層ＣＦＬ及びレンズアレイＬＳＡはそれぞれ基板１００の第２面１００ｂ上に順次配置される。
基板１００は半導体基板である。例えば、基板１００はバルクシリコン又はＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）である。基板１００は、シリコン基板であるか、又は他の物質、例えばシリコンゲルマニウム、アンチモン化インジウム、鉛テルル化合物、インジウム砒素、インジウムリン化物、ガリウム砒素、又はアンチモン化ガリウムを含む。基板１００はベース基板上にエピ層が形成されたものである。
基板１００はその内部に異なる導電型を有する複数の領域を含む。例えば、基板は第１導電型物質を含み、領域は第２導電型物質を含む。一実施形態で、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である。例えば、領域はホウ素（Ｂ）などがドープされたｐ型の基板１００内にｎ型不純物（例えば、リン（Ｐ）又はヒ素（Ａｓ））がイオン注入されて形成される。
基板１００内の領域は第１光電変換領域ＬＥＣ１及び第２光電変換領域ＬＥＣ２を含む。例えば、第１サブピクセルＳＰＸ１には第１光電変換領域ＬＥＣ１が配置され、素子分離膜ＰＩＬにより第１サブピクセルＳＰＸ１とは区分される第２サブピクセルＳＰＸ２には第２光電変換領域ＬＥＣ２が配置される。第１光電変換領域ＬＥＣ１は第２光電変換領域ＬＥＣ２よりも水平方向に更に広い幅を有する。また、深さ方向である第３方向Ｚを基準として、第１光電変換領域ＬＥＣ１の幅は第２光電変換領域ＬＥＣ２の幅よりも小さいが、これに制限されるものではない。第１及び第２光電変換領域（ＬＥＣ１、ＬＥＣ２）は基板１００の第１面１００ａと第２面１００ｂとの間に配置されて第１面１００ａから所定距離離隔される。基板１００の第１面１００ａから第１光電変換領域ＬＥＣ１までの離隔距離は、第２光電変換領域ＬＥＣ２までの隔離距離よりも小さいが、これに制限されるものではない。
基板１００内の領域は第１フローティング拡散領域ＦＤ１及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２を更に含む。例えば、第１サブピクセルＳＰＸ１には第１フローティング拡散領域ＦＤ１が配置され、第２サブピクセルＳＰＸ２には第２フローティング拡散領域ＦＤ２が配置される。第１フローティング拡散領域ＦＤ１及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２はそれぞれ基板１００の第１面１００ａに隣接して配置される。第１及び第２フローティング拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）は第１及び第２光電変換領域（ＬＥＣ１、ＬＥＣ２）よりも高い不純物濃度を有するが、これに制限されるものではない。
基板１００の内部には素子分離膜ＰＩＬが更に配置される。素子分離膜ＰＩＬは隣り合うピクセルＰＸとサブピクセル（ＳＰＸ１、ＳＰＸ２）とを互いに分離する役割をする。素子分離膜ＰＩＬは、例えばピクセルＰＸとサブピクセル（ＰＸ、ＳＰＸ２）との間の電荷のドリフトを遮断する役割をする。
一実施形態で、素子分離膜ＰＩＬは基板１００の第１面１００ａから第２面１００ｂまで延びる。延長方向を基準として、素子分離膜ＰＩＬの一端は基板１００の第１面１００ａに、他端は基板１００の第２面１００ｂに置かれる。言い換えると、素子分離膜ＰＩＬは基板１００を第３方向Ｚに貫通する形状を有する。しかし、これに制限されるものではなく、トレンチ形状のように素子分離膜ＰＩＬの一端又は他端が基板１００の内部に位置することもできる。
素子分離膜ＰＩＬは基板１００の構成物質を除去した後、除去された空間に分離膜物質を埋めることによって形成される。一実施形態で、素子分離膜ＰＩＬはバリア層ＰＩＬ＿Ｂとフィリング層ＰＩＬ＿Ｆを含む。バリア層ＰＩＬ＿Ｂは素子分離膜ＰＩＬの側壁をなす。バリア層ＰＩＬ＿Ｂは高誘電率の絶縁物質を含むが、これに制限されるものではない。バリア層ＰＩＬ＿Ｂは、所定空間を定義し、その空間内にフィリング層ＰＩＬ＿Ｆが配置される。フィリング層ＰＩＬ＿Ｆは、ギャップフィル（ｇａｐ－ｆｉｌｌ）性能に優れる物質、例えばポリシリコン（ｐｏｌｙ－Ｓｉ）を含むが、これに制限されるものではない。
基板１００の第１面１００ａ上に配置される回路層ＣＣＬは、図６に示すピクセルＰＸ回路を構成するための各種電極、配線、誘電体などを構成する。回路層ＰＸは、例えばゲート（ＴＧ１、ＴＧ２）、ゲート絶縁膜１１０、ゲートスペーサ１２０、層間絶縁膜（１３０、１４０）、コンタクト電極や配線層ＷＲなどを含む。ゲート（ＴＧ１、ＴＧ２）及び／又はゲート絶縁膜１１０は、図９に示すように、基板１００の内部に部分的に埋め込まれるが、これに制限されるものではない。
基板１００の第２面１００ｂ上にはパッシベーション層１５０が配置される。パッシベーション層１５０は、例えば高誘電率絶縁物質を含む。また、パッシベーション層１５０は非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）結晶構造を含む。
図面では、パッシベーション層１５０が一つの層からなる場合を例示したが、これに制限されない。他のいくつかの実施形態で、パッシベーション層１５０は平坦化層及び／又は反射防止層を更に含む。この場合、平坦化層は、例えばシリコン酸化膜系の物質、シリコン窒化膜系の物質、樹脂又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも一つを含む。反射防止層は、高誘電率物質、例えばハフニウム酸化物（ＨｆＯ２）を含むが、本発明の技術的思想はこれに制限されるものではない。
パッシベーション層１５０上にはグリッドパターン１６０が配置される。グリッドパターン１６０は素子分離膜ＰＩＬに重なるように配置される。即ち、グリッドパターン１６０は基板１００の第２面１００ｂ上で格子形に形成されてそれぞれのピクセルＰＸ及びサブピクセル（ＳＰＸ１、ＳＰＸ２）を囲むように配置される。グリッドパターン１６０は、斜めに入射する入射光を反射させて光電変換領域（ＬＥＣ１、ＬＥＣ２）に、より多くの入射光を提供する役割をする。
カラーフィルタ層ＣＦＬはグリッドパターン１６０が配置されたパッシベーション層１５０上に配置される。上述したように、カラーフィルタ層ＣＦＬは、複数のカラーフィルタパターンＣＦＰを含み、一つのピクセルＰＸに対して同じ色相のカラーフィルタパターンＣＦＰが配置される。図示した例では、第１サブピクセルＳＰＸ１及び第２サブピクセルＳＰＸ２に一体化された一つのカラーフィルタパターンＣＦＰが配置されているが、同じ色相のカラーフィルタパターンＣＦＰがグリッドパターン１６０又は素子分離膜ＰＩＬを基準として分離されて形成され得る。
レンズアレイＬＳＡはカラーフィルタ層ＣＦＬ上に配置される。レンズアレイＬＳＡは複数のマイクロレンズＭＬＺを含む。一つのマイクロレンズＭＬＺは基底面ＢＳＦから突出する。各マイクロレンズＭＬＺは少なくとも一部区間で外側に膨らんだ凸面を有する。
マイクロレンズＭＬＺの外側境界（ＢＤＬ：ＢＤＬ１、ＢＤＬ２）の平面形状は閉曲線をなす。例えば、円形や楕円形のような曲線型閉曲線であるか、八角形、六角形、長方形、正方形、菱形のような多角形であるか、或いはコーナー部が丸い多角形である。
マイクロレンズＭＬＺの外側境界ＢＤＬは基底面ＢＳＦ上に置かれる。マイクロレンズＭＬＺの外側境界ＢＤＬはマイクロレンズＭＬＺよりも低い高さ（又は小さい厚さ）を有する。このような低い高さのマイクロレンズＭＬＺの外側境界ＢＤＬは谷部ＶＬＹと称される。
一実施形態で、レンズアレイＬＳＡは複数のマイクロレンズＭＬＺの基底面ＢＳＦの下部に配置された基底層ＢＳＬを含む。基底層ＢＳＬの表面がマイクロレンズＭＬＺの基底面ＢＳＦをなす。
基底層ＢＳＬは、マイクロレンズＭＬＺ別に、ピクセルＰＸ別に、又はサブピクセル（ＳＰＸ１、ＳＰＸ２）別に分離されて設けられるが、これらの区分とは関係なく一体化して設けられてもよい。後者の場合、複数のマイクロレンズＭＬＺは基底層ＢＳＬにより相互連結される。
一実施形態で、基底層ＢＳＬはマイクロレンズＭＬＺと一体化してなる。即ち、基底層ＢＳＬは、マイクロレンズＭＬＺと同じ物質からなり、マイクロレンズＭＬＺと物理的境界をなさず、一つの層のように一体に連結される。
他の例として、基底層ＢＳＬはマイクロレンズＭＬＺとは異なる層からなる。例えば、カラーフィルタ層ＣＦＬの表面が基底面ＢＳＦの役割をする。また、カラーフィルタ層ＣＦＬとレンズアレイＬＳＡとの間に平坦化膜や他のパッシベーション膜が追加で配置され得、この場合、追加で介在する膜の表面が基底面ＢＳＦの役割をする。
隣り合うマイクロレンズＭＬＺは互いに連結されるか又は離隔される。隣り合うマイクロレンズＭＬＺ間の連結又は離隔を区分する基準は、隣り合うマイクロレンズＭＬＺの間の谷部ＶＬＹの幅がマイクロレンズＭＬＺの外径に対して５％以上であるか否かである。
レンズアレイＬＳＡは、第１サブピクセルＳＰＸ１に対応する第１サブレンズ部ＳＬＳ１と第２サブピクセルＳＰＸ２に対応する第２サブレンズ部ＳＬＳ２とを含む。
第１サブレンズ部ＳＬＳ１は、第１サブピクセルＳＰＸ１に重なって配置され、入射光を第１光電変換領域ＬＥＣ１に集光する役割をする。第２サブレンズ部ＳＬＳ２は、第２サブピクセルＳＰＸ２に重なって配置されて入射光を第２光電変換領域ＬＥＣ２に集光する役割をする。上述したように、第１サブピクセルＳＰＸ１が第２サブピクセルＳＰＸ２よりも大きい面積を有するため、第１サブレンズ部ＳＬＳ１によりカバーされる面積も、また第２サブレンズ部ＳＬＳ２によりカバーされる面積よりも大きい。
第１サブレンズ部ＳＬＳ１及び第２サブレンズ部ＳＬＳ２はそれぞれ一つ以上のマイクロレンズＭＬＺを含む。第１サブレンズ部ＳＬＳ１に含まれる第１マイクロレンズＭＬＺ１及び第２サブレンズ部ＳＬＳ２に含まれる第２マイクロレンズＭＬＺ２は、それぞれ少なくとも部分的に凸面を含む点で同一であるが、形状、個数、及び配置のうちの少なくとも一側面で相違する。
図９に例示した実施形態で、第１サブピクセルＳＰＸ１上には一つの第１マイクロレンズＭＬＺ１が配置され、第２サブピクセルＳＰＸ２上には一つの第２マイクロレンズＭＬＺ２が配置される。
第２マイクロレンズＭＬＺ２の外側境界ＢＤＬ２は第２サブピクセルＳＰＸ２のエッジ上に置かれる。第２マイクロレンズＭＬＺ２の外側境界ＢＤＬ２はグリッドパターン１６０に重なる。また、第２マイクロレンズＭＬＺ２の外側境界ＢＤＬ２は素子分離膜ＰＩＬに重なる。一実施形態で、第２マイクロレンズＭＬＺ２の周辺に位置する谷部ＶＬＹの中心（幅方向を基準として中央地点）は素子分離膜ＰＩＬの中心及びグリッドパターン１６０の中心に整列される。第２マイクロレンズＭＬＺ２の外側境界ＢＤＬ２の平面形状は第２サブピクセルＳＰＸ２の平面形状と実質的に同一である。例えば、第２マイクロレンズＭＬＺ２の外側境界ＢＤＬ２の平面形状は正方形又はコーナー部が丸い正方形である。
第２マイクロレンズＭＬＺ２は断面形状が円又は楕円の一部である。最も高さが大きい（即ち、最も厚い）第２マイクロレンズＭＬＺ２の頂部ＳＭＴ２は第２マイクロレンズＭＬＺ２の中心に位置する。第２マイクロレンズＭＬＺ２の中心は第２サブピクセルＳＰＸ２の中心に整列されるが、これに制限されるものではない。但し、本明細書で特に言及しない限り、マイクロレンズＭＬＺの中心は下部のサブピクセルＳＰＸの中心に整列されることを前提とする。第２マイクロレンズＭＬＺ２の断面形状は頂部ＳＭＴ２を基準として対称形状を有する。第２マイクロレンズＭＬＺ２は、後述する第１マイクロレンズＭＬＺ１とは異なり、中央区間に陥没部を含まない。
第１マイクロレンズＭＬＺ１の外側境界ＢＤＬ１は第１サブピクセルＳＰＸ１のエッジ上に置かれる。第１マイクロレンズＭＬＺ１の外側境界ＢＤＬ１はグリッドパターン１６０に重なる。また、第１マイクロレンズＭＬＺ１の外側境界ＢＤＬ１は素子分離膜ＰＩＬとも重なる。一実施形態で、第１マイクロレンズＭＬＺ１の周辺に位置する谷部ＶＬＹの中心（幅方向を基準として中央地点）は素子分離膜ＰＩＬの中心及びグリッドパターン１６０の中心に整列される。第１マイクロレンズＭＬＺ１の外側境界ＢＤＬ１の平面形状は第１サブピクセルＳＰＸ１の平面形状と実質的に同一である。例えば、第１マイクロレンズＭＬＺ１の外側境界ＢＤＬ１の平面形状は八角形又はコーナー部が丸い八角形である。
第１マイクロレンズＭＬＺ１の外側境界ＢＤＬ１の平面形状は第２マイクロレンズＭＬＺ２の外側境界ＢＤＬ２の平面形状よりも大きい。
例示した実施形態で、第１マイクロレンズＭＬＺ１はその断面形状が第２マイクロレンズＭＬＺ２とは異なる。第１マイクロレンズＭＬＺ１は、中心を含む中央区間と周辺に位置する周辺区間とに区分され、中央区間に陥没部ＤＥＮを含む。第１マイクロレンズＭＬＺ１の周辺区間は第２マイクロレンズＭＬＺ２と同様に凸状に突出した形状を有するが、中央区間に至っては、これ以上突出せずに、基底面ＢＳＦに向かって陥没する。陥没部ＤＥＮは図９に示すように、凸となった形状を有するが、凹んだ形状を有してもよい。
第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部ＳＭＴ１は中心に位置せず、突出形状から陥没形状に転換される変曲地点に位置する。第１マイクロレンズＭＬＺ１の中心は陥没部ＤＥＮの中心に一致する。平面図上で、第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部ＳＭＴ１を連結した線は外側境界ＢＤＬ１の平面形状と実質的に同一である。例えば、第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部（ＳＭＴ１１、ＳＭＴ１２）を連結した線の平面形状と第１マイクロレンズＭＬＺ１の外側境界ＢＤＬ１の平面形状とは、相似であって中心が同じである円又は多角形の関係にある。
陥没部ＤＥＮの中心を基準として、第１マイクロレンズＭＬＺ１は一側の第１部分ＭＬＺ１１と他側の第２部分ＭＬＺ１２とに分けられる。第１部分ＭＬＺ１１と第２部分ＭＬＺ１２との間に位置する陥没部ＤＥＮの中心を内側境界ＢＤＭと称する。
このように、第１マイクロレンズＭＬＺ１は外側境界ＢＤＬ１から中心に向かって突出してから変曲地点で再び陥没するため、中心に向かって陥没せずに突出する場合に比べて最大高さ（即ち、頂部ＳＭＴ１の高さ）を低くすることができる。従って、隣接する第２マイクロレンズＭＬＺ２に対する入射光の遮蔽現象を緩和することができる。図１０～図１３を参照して、第１マイクロレンズＭＬＺ１の構造が、隣接する第２マイクロレンズＭＬＺ２の入射光に及ぼす影響についてより詳細に説明する。
図１０～図１３は、多様な実施形態によるレンズアレイを通る光経路を示す概略図である。
説明の便宜上、図１０～図１３は図９に示したものと比較して上下を反転させて示す図である。
図１０及び図１１は、第１マイクロレンズＭＬＺ１が第２マイクロレンズＭＬＺ２と類似の形状を有するが、より高い頂部を有する実施形態であり、法線方向に入射する光及び傾斜方向に入射する光の進行経路を示す。
レンズアレイＬＳＡ＿Ｃに入射する入射光は、第１マイクロレンズＭＬＺ１及び第２マイクロレンズＭＬＺ２の表面形状によって決定される入射角及び媒質境界における屈折率の差に応じて屈折して基板１００の内部に進む
レンズアレイＬＳＡ＿Ｃに対して法線方向に光が入射する場合、光（即ち、法線光）は図１０に示すように、設計された第１及び第２マイクロレンズ（ＭＬＺ１、ＭＬＺ２）の焦点距離に相応する位置に集光する。
レンズアレイＬＳＡ＿Ｃに対して傾斜して光が入射する場合、光（即ち、傾斜光）は図１１に示すように、第１及び第２マイクロレンズ（ＭＬＺ１、ＭＬＺ２）の表面で屈折して基板１００側に進む。
法線光は、光経路上で他の障害物がないと、第１マイクロレンズＭＬＺ１及び第２マイクロレンズＭＬＺ２の全体表面に到達するが、傾斜光の場合は、隣接するマイクロレンズＭＬＺにより部分的に遮られて全ての表面には到達できない。特に、相対的に大きさが小さい第２マイクロレンズＭＬＺ２は、隣接する第１マイクロレンズＭＬＺ１による遮蔽現象によって、傾斜光が入射する表面の面積が減る。そのため、傾斜光が第２サブピクセルＳＰＸ２に進入する量が減って、第２サブピクセルＳＰＸ２による光センシングの正確度が減少する。
図１２及び図１３は、レンズアレイＬＳＡの第１マイクロレンズＭＬＺ１が図９の実施形態と同じ形状を有する場合における法線方向に入射する光と傾斜方向に入射する光の進行経路を示す概略図である。
図１３の実施形態では、第２マイクロレンズＭＬＺ２に隣接する第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部ＳＭＴ１が図１１の実施形態よりも低い高さを有する。従って、減った高さだけ第１マイクロレンズＭＬＺ１による傾斜光遮蔽現象が低減し、より多くの面積の表面で傾斜光を受光することができるため、第２サブピクセルＳＰＸ２による光センシングの正確度を高めることができる。
図１３の実施形態で、第１マイクロレンズＭＬＺ１の断面は、あたかも２個の第２マイクロレンズＭＬＺ２が隣接して配列されているようである。従って、傾斜光は、第１マイクロレンズＭＬＺ１の中心とそれに隣接する第２マイクロレンズＭＬＺ２の中心とを連結する直線の延長方向を基準として、第１マイクロレンズＭＬＺ１の中心から一側（図面の右側）に位置する第１部分ＭＬＺ１１及び他側（図面の左側）に位置する第２部分ＭＬＺ１２に全て到達する。第１部分ＭＬＺ１１により第２部分ＭＬＺ１２が一部遮られるが、既に第１部分ＭＬＺ１１の表面に到達して第１サブピクセルＳＰＸ１の内部に進入するため、理論的にそれによる光損失は発生しない。
法線光の場合、図１２に示すように、第１マイクロレンズＭＬＺ１の第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２を介して全て集光する。
一方、図１２及び図１３の場合、第１マイクロレンズＭＬＺ１が断面図上で実質的に２個の第２マイクロレンズＭＬＺ２が隣接して配列されたものに類似するため、進入する光がどの領域に到達するかによって集光する位置が変わる。また、同じ角度で入射する光に対して２以上の集光領域を有する。第１マイクロレンズＭＬＺ１の形状によって多様な光経路と多様な集光領域を有することで、第１光電変換領域ＬＥＣ１の広い領域で光電変換が行われる。従って、第１光電変換領域ＬＥＣ１のより高い効率及び劣化に強い耐久性を期待することができる。
以下、レンズアレイＬＳＡの多様なマイクロレンズＭＬＺ配置について説明する。
図１４は、一実施形態によるレンズアレイの第１例を示す断面図である。
図１４に示すように、レンズアレイＬＳＡは所定の厚さの基底層ＢＳＬを含む。基底層ＢＳＬの一面は、基底面ＢＳＦであり、基底層ＢＳＬの他面は背面と称される。基底面ＢＳＦはその上に配置されるマイクロレンズＭＬＺの谷部ＶＬＹを平面的に連結した面である。基底面ＢＳＦは平坦である。基底層ＢＳＬの背面も、また平坦であり、基底面ＢＳＦに平行である。
例示的な実施形態で、第１マイクロレンズＭＬＺ１の幅（水平方向の幅、Ｗ１）は第２マイクロレンズＭＬＺ２の幅Ｗ２の２倍である。ここで、「２倍」とは、数値的に正確な２倍である場合の他に、２倍を基準として±１０％以内の誤差を有する場合を含み、このような解析は以下で他の倍数を言及する際にも同様に適用される。
陥没部ＤＥＮを基準として第１マイクロレンズＭＬＺ１の第１部分ＭＬＺ１１（以下、第１部分ＭＬＺ１１）の断面と第１マイクロレンズＭＬＺ１の第２部分ＭＬＺ１２（以下、第２部分ＭＬＺ１２）の断面とは対称形状である。一実施形態で、第１部分ＭＬＺ１１、第２部分ＭＬＺ１２、及び第２マイクロレンズＭＬＺ２の断面は、それぞれ円の一部、例えば半円である。第１部分ＭＬＺ１１、第２部分ＭＬＺ１２、及び第２マイクロレンズＭＬＺ２が置かれる各円の中心は基底面ＢＳＦに位置する。また、第１マイクロレンズＭＬＺ１と第２マイクロレンズＭＬＺ２との間の谷部ＶＬＹだけではなく、第１部分ＭＬＺ１１と第２部分ＭＬＺ１２との間の内側境界ＢＤＭも、また基底面ＢＳＦに位置する。
水平方向を基準とした第１部分ＭＬＺ１１の幅Ｗ１１、第２部分ＭＬＺ１２の幅Ｗ１２、及び第２マイクロレンズＭＬＺ２の幅Ｗ２は同一である。また、第１部分ＭＬＺ１１、第２部分ＭＬＺ１２、及び第２マイクロレンズＭＬＺ２が置かれる各円の半径は互いに全て同一である。言い換えると、第１部分ＭＬＺ１１、第２部分ＭＬＺ１２、及び第２マイクロレンズＭＬＺ２の曲率半径は互いに同一である。
第１マイクロレンズＭＬＺ１で最も突出した部位である頂部（ＳＭＴ１：ＳＭＴ１１、ＳＭＴ１２）はそれぞれ第１部分ＭＬＺ１１の中心及び第２部分ＭＬＺ１２の中心に設けられる。第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部ＳＭＴ１を連結した線は平面図上の円と同じ閉曲線をなす。
第２マイクロレンズＭＬＺ２の頂部ＳＭＴ２は第２マイクロレンズＭＬＺ２の中心に位置する。マイクロレンズＭＬＺの谷部ＶＬＹ、言い換えると基底面ＢＳＦから第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部ＳＭＴ１までの高さ（厚さ方向に測定された高さ）及び第２マイクロレンズＭＬＺ２の頂部ＳＭＴ２までの高さはそれぞれ円の半径と同一である。ここで、曲率半径や高さが同一であることは、数値的に完全に同じである場合だけではなく、±１０％以内の誤差を有する場合を含む。
このように、図１４の実施形態では、実質的に同じ断面形状を有する第１部分ＭＬＺ１１、第２部分ＭＬＺ１２、及び第２マイクロレンズＭＬＺ２が連続して配列されるため、レンズの高さの差による遮蔽現象を防止することができる。
なお、図１４では、第１部分ＭＬＺ１１、第２部分ＭＬＺ１２、及び第２マイクロレンズＭＬＺ２が幅方向を基準とした全体区間でそれぞれ均一な曲率（又は曲率半径）を有する場合を想定している。しかし、技術的思想はそれに制限されない。例えば、第２マイクロレンズＭＬＺ２の曲率が、幅方向の位置別、区間別に変化してもよく、位置に応じて連続的に変化してもよい。この場合、第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２も、また第２マイクロレンズＭＬＺ２と実質的に同じ区間別の曲率を有する。
図１５は、一実施形態によるレンズアレイの第２例を示す断面図である。
本実施形態で、レンズアレイＬＳＡ＿１の第１マイクロレンズＭＬＺ１の幅（水平方向の幅、Ｗ１）は第２マイクロレンズＭＬＺ２の幅Ｗ２の２倍よりも小さい。図１５はこのような条件で図１４のマイクロレンズＭＬＺを変形した一例を示す。
第１部分ＭＬＺ１１、第２部分ＭＬＺ１２、及び第２マイクロレンズＭＬＺ２はそれぞれ同一半径の円の一部である。円の中心はそれぞれ基底面ＢＳＦに位置する。断面を基準として、第２マイクロレンズＭＬＺ２は反円形状であるが、第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２は半円が一部重なった形状である。
第１マイクロレンズＭＬＺ１と第２マイクロレンズＭＬＺ２との間の谷部ＶＬＹは基底面ＢＳＦに位置するが、第１部分ＭＬＺ１１と第２部分ＭＬＺ１２との間の内側境界ＢＤＭは基底面ＢＳＦよりも高い位置に存在する。
第１マイクロレンズＭＬＺ１で最も突出した部位である頂部ＳＭＴはそれぞれ第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２に位置する。第１部分ＭＬＺ１１の頂部ＳＭＴ１１は第１部分ＭＬＺ１１の中心から第２部分ＭＬＺ１２側に偏って位置し、第２部分ＭＬＺ１２の頂部ＳＭＴ１２は第２部分ＭＬＺ１２の中心から第１部分ＭＬＺ１１側に偏って位置する。第２マイクロレンズＭＬＺ２の頂部ＳＭＴ２は第２マイクロレンズＭＬＺ２の中心に位置する。
基底面ＢＳＦから第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部ＳＭＴ１の高さと第２マイクロレンズＭＬＺ２の頂部ＳＭＴ２の高さとは同一である。
図１５の実施形態では、第１マイクロレンズＭＬＺ１の第１部分ＭＬＺ１１と第２部分ＭＬＺ１２とが一部重なる形状を有するが、同じ高さの頂部（ＳＭＴ１１、ＳＭＴ１２、ＳＭＴ２）を有する第１部分ＭＬＺ１１、第２部分ＭＬＺ１２、及び第２マイクロレンズＭＬＺ２が連続して配列されるため、レンズの高さの差による遮蔽現象を防止することができる。また、第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２を定義する円の重畳によって内側境界ＢＤＭ側の曲面区間が減るが、集光効率に、より大きな影響を及ぼす外側境界ＢＤＬ１側の曲面区間は、図１４の実施形態と同等な水準を維持するため、集光効率には大きな影響がない。
図１６は、一実施形態によるレンズアレイの第３例を示す断面図である。
図１６のレンズアレイＬＳＡ＿２は図１５と同様に第１マイクロレンズＭＬＺ１の幅（水平方向の幅、Ｗ１）が第２マイクロレンズＭＬＺ２の幅Ｗ２の２倍よりも小さい場合におけるマイクロレンズＭＬＺ配置の他の例を示す。図１６は第１マイクロレンズＭＬＺ１が特定位置に応じて異なる曲率（又は曲率半径）を有する場合を例示する。
図１６を参照すると、第１部分ＭＬＺ１１の頂部ＳＭＴ１１及び第２部分ＭＬＺ１２の頂部ＳＭＴ１２は図１５と同様にそれぞれ中心から内側境界ＢＤＭ側に偏って位置する。第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２で外側境界ＢＤＬ１と頂部（ＳＭＴ１１、ＳＭＴ１２）との間の区間（以下、「頂部の外側区間ＰＥＬ」）はそれぞれ第２マイクロレンズＭＬＺ２と同じ曲率半径を有する。反面、第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２で内側境界ＢＤＭと頂部（ＳＭＴ１１、ＳＭＴ１２）との間区間（以下、「頂部の内側区間ＰＥＭ」）は第２マイクロレンズＭＬＺ２の曲率半径よりも大きい曲率半径を有する。第１部分ＭＬＺ１１と第２部分ＭＬＺ１２との間の内側境界ＢＤＭは基底面ＢＳＦよりも高い位置に存在するが、図１５の例よりはより低い位置に存在する。
図１６の変形により、第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部の外側区間ＰＥＬ及び頂部の内側区間ＰＥＭのそれぞれで、位置に応じて曲率が変化する。この場合にも、頂部の内側区間ＰＥＭの曲率半径は頂部の外側区間ＰＥＬの曲率半径よりも小さい。
図１７は、一実施形態によるレンズアレイの第４例を示す断面図である。
図１７では、レンズアレイＬＳＡ＿３の第１マイクロレンズＭＬＺ１が幅方向に３個の部分を含むことを例示する。例えば、第１マイクロレンズＭＬＺ１の幅（水平方向の幅、Ｗ１）は第２マイクロレンズＭＬＺ２の幅Ｗ２の３倍である。第１マイクロレンズＭＬＺ１は、第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２の他に第１部分ＭＬＺ１１と第２部分ＭＬＺ１２との間に位置する第３部分ＭＬＺ１３を更に含む。第１部分ＭＬＺ１１と第３部分ＭＬＺ１３との間には第１内側境界ＢＤＭ１が位置し、第３部分ＭＬＺ１３と第２部分ＭＬＺ１２との間には第２内側境界ＢＤＭ２が位置する。平面図上の第１内側境界ＢＤＭ１と第２内側境界ＢＤＭ２とは互いに連結されて閉曲線をなす。第１内側境界ＢＤＭ１及び第２内側境界ＢＤＭ２により定義された閉曲線は、円形であるか又は第１マイクロレンズＭＬＺ１の外側境界ＢＤＬ１の平面形状と同一であり、例えば相似であって中心が同じである円又は多角形の関係にある。
第３部分ＭＬＺ１３で、頂部ＳＭＴ１３は第１マイクロレンズＭＬＺ１の中心に位置する。第１部分ＭＬＺ１１、第２部分ＭＬＺ１２、及び第３部分ＭＬＺ１３は同じ断面形状を有し、第２マイクロレンズＭＬＺ２も、またこれらと同じ断面形状を有する。
図１８は、一実施形態によるレンズアレイの第５例を示す断面図である。
図１８では、レンズアレイＬＳＡ＿４の第１部分ＭＬＺ１１、第２部分ＭＬＺ１２、及び第３部分ＭＬＺ１３が異なる大きさを有することを例示する。例えば、第１マイクロレンズＭＬＺ１で中央に位置する第３部分ＭＬＺ１３が周辺に位置する第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２よりも大きい大きさを有する。従って、第３部分ＭＬＺ１３の頂部ＳＭＴ１３は第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２の頂部（ＳＭＴ１１、ＳＭＴ１２）よりも高い位置に存在する。第１部分ＭＬＺ１１及び第２部分ＭＬＺ１２は第２マイクロレンズＭＬＺ２の大きさよりも小さいか又は同じである。このように、少なくとも一部の区間に大きい大きさのマイクロレンズ形状が求められる場合、相対的に第２マイクロレンズＭＬＺ２から遠く離れた区間に配置することで、第２マイクロレンズＭＬＺ２に対する入射光の遮蔽現象を最小化することができる。
図１９は、一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図であり、図２０は、図１９のＸＸ－ＸＸ’線に沿って切断した断面図である。
図１９及び図２０は、レンズアレイＬＳＡ＿５の第１マイクロレンズＭＬＺ１の中央に位置する陥没部が孔ＨＬＥを含むことを例示する。
第１マイクロレンズＭＬＺ１の中央部は孔ＨＬＥに向かって陥没する。第１マイクロレンズＭＬＺ１の内側境界ＢＤＭは平面図上で閉曲線をなす。内側境界ＢＤＭにより定義される閉曲線は円形であるか又は外側境界ＢＤＬの平面形状と同一である。例えば、内側境界ＢＤＭにより定義される閉曲線と外側境界ＢＤＬの平面形状とは相似であって中心が同じである円又は多角形の関係にある。内側境界ＢＤＭ及び外側境界ＢＤＬにより定義される第１マイクロレンズＭＬＺ１の平面形状はドーナツ形状である。
中央部の孔ＨＬＥは基底面ＢＳＦを露出する。断面図上の第１マイクロレンズＭＬＺ１は孔ＨＬＥを基準として第１部分ＭＬＺ１１と第２部分ＭＬＺ１２とに分割され、第１部分ＭＬＺ１１と第２部分ＭＬＺ１２とは孔ＨＬＥの幅（又は直径、Ｈ１）だけ互いに離隔される。中央部の孔ＨＬＥの中心は第１マイクロレンズＭＬＺ１の中心と一致する。図面では、第１部分ＭＬＺ１１と第２部分ＭＬＺ１２との断面形状及び大きさが第２マイクロレンズＭＬＺ２の断面形状及び大きさと同じである場合を例示したが、これらの形状及び大きさは本明細書で説明する技術的思想の範囲内で多様に変形することができる。
このように、レンズアレイＬＳＡ＿５は中央部に孔ＨＬＥを備えることによって、第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部（ＳＭＴ１１、ＳＭＴ１２）の高さをより低くすることができる。従って、隣接する第２マイクロレンズＭＬＺ２に対する入射光の遮蔽現象を緩和することができる。図１９及び図２０で例示する実施形態は第１マイクロレンズＭＬＺ１の幅Ｗ１が第２マイクロレンズＭＬＺ２の幅Ｗ２よりも２倍以上大きい場合に有用に選択される。
図２１は、一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図であり、図２２は、図２１のＸＸＩＩａ－ＸＸＩＩａ’線及びＸＸＩＩｂ－ＸＸＩＩｂ’線に沿って切断した断面図である。
図２１及び図２２は、レンズアレイＬＳＡ＿６の第１マイクロレンズＭＬＺ１が内側に陥没部ＤＥＮを含まない代わりに、第２マイクロレンズＭＬＺ２に隣接する外側境界ＢＤＬ１が第２マイクロレンズＭＬＺ２から離隔されるように内側に後退した例を図示する。
第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部ＳＭＴ１は中心に位置する。第１マイクロレンズＭＬＺ１の頂部ＳＭＴ１の高さは第２マイクロレンズＭＬＺ２の頂部ＳＭＴ２の高さよりも大きい。
例示した実施形態で、対角線方向を基準とした第１マイクロレンズＭＬＺ１の幅Ｗ１ｂは第１方向Ｘ及び第２方向Ｙを基準とした第１マイクロレンズＭＬＺ１の幅Ｗ１ａよりも小さい。第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに隣接する第１マイクロレンズＭＬＺ１は連結されているか（即ち、離隔距離が０）又は第１距離ＤＴ１だけ離隔される。対角線方向に隣接する第１マイクロレンズＭＬＺ１と第２マイクロレンズＭＬＺ２とは第１距離ＤＴ１よりも大きい第２距離ＤＴ２だけ離隔される。
第１マイクロレンズＭＬＺ１は断面方向によって異なる曲率を有する。例えば、第１マイクロレンズＭＬＺ１は第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って切断した断面で第１曲率半径を有し、対角線方向に沿って切断した断面で第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径を有する。
図２２を参照すると、第１マイクロレンズＭＬＺ１は第２マイクロレンズＭＬＺ２に隣接する対角線方向が第１及び第２方向（Ｘ、Ｙ）に比べて内側に萎縮している。また、第１マイクロレンズＭＬＺ１と第２マイクロレンズＭＬＺ２との間で第１マイクロレンズＭＬＺ１の間よりも大きい離隔距離（即ち、ＤＴ２＞ＤＴ１）を有する。従って、第１マイクロレンズＭＬＺ１と第２マイクロレンズＭＬＺ２との間により多くの空間が確保され、第１マイクロレンズＭＬＺ１が萎縮した空間だけ第２マイクロレンズＭＬＺ２に対する入射光の遮蔽現象が減る。
図２３は、一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図であり、図２４は、図２３のＸＸＩＶａ－ＸＸＩＶａ’線及びＸＸＩＶｂ－ＸＸＩＶｂ’線に沿って切断した断面図である。
図２３及び図２４を参照すると、レンズアレイＬＳＡ＿７の第１マイクロレンズＭＬＺ１は第２マイクロレンズＭＬＺ２に隣接する外側境界ＢＤＬ付近に孔ＨＬＥを含む。孔ＨＬＥは、また第１マイクロレンズＭＬＺ１の外側境界ＢＤＬ１に重なるか又は外側境界ＢＤＬ１の一部を構成する。孔ＨＬＥの平面形状は円形であるが、これに制限されるものではない。孔ＨＬＥの中心は第１マイクロレンズＭＬＺ１の中心から外側に位置する。更に、孔ＨＬＥの全部が第１マイクロレンズＭＬＺ１の中心から外側に位置する。第１マイクロレンズＭＬＺ１の中心には頂部ＳＭＴ１が位置する。
第１マイクロレンズＭＬＺ１が孔ＨＬＥを備えることにより、第１マイクロレンズＭＬＺ１と第２マイクロレンズＭＬＺ２との間により多くの離隔距離が確保される。第１マイクロレンズＭＬＺ１の孔ＨＬＥにより確保された空間だけ、隣接する第２マイクロレンズＭＬＺ２に対する入射光の遮蔽現象が減る。
図２５は、一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図であり、図２６は、図２５のＸＸＶＩ－ＸＸＶＩ’線に沿って切断した断面図である。
図２５及び図２６は、レンズアレイＬＳＡ＿８の第１サブレンズ部ＳＬＳ１が複数のマイクロレンズを含むことを例示する。例えば、第１サブレンズ部ＳＬＳ１は図２５に示すように４個のマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）を含む。説明の便宜上４個のマイクロレンズはそれぞれ第１～第４サブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）と称される。第２サブレンズ部ＳＬＳ２内における第２マイクロレンズＭＬＺ２の数は、第１サブレンズ部ＳＬＳ１内のマイクロレンズの数よりも小さく、図面では一つの第２マイクロレンズＭＬＺ２が配置された場合を例示する。
第１～第４サブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）はそれぞれ同じ形状及び大きさを有する。また、これに制限されるものではないが、第１～第４サブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）は第２マイクロレンズＭＬＺ２と同じ形状及び大きさを有する。
第１サブマイクロレンズＭＬＺ１１と第３サブマイクロレンズＭＬＺ１３とは第１方向Ｘに沿って配列され、第２サブマイクロレンズＭＬＺ１２と第４サブマイクロレンズＭＬＺ１４とは第２方向Ｙに沿って配列される。第１サブマイクロレンズＭＬＺ１１と第２サブマイクロレンズＭＬＺ１２とは互いに隣接して配置され、第２サブマイクロレンズＭＬＺ１２と第３サブマイクロレンズＭＬＺ１３とは互いに隣接して配置され、第３サブマイクロレンズＭＬＺ１３と第４サブマイクロレンズＭＬＺ１４とは互いに隣接して配置され、第４サブマイクロレンズＭＬＺ１４と第１サブマイクロレンズＭＬＺ１１とは互いに隣接して配置される。
第１～第４サブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）により囲まれた空間は孔のように基底面ＢＳＦを露出する空間になる。第１サブレンズ部ＳＬＳ１の中心は第１～第４サブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）により覆われず、基底面ＢＳＦが露出する。
また、第１～第４サブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）とそれに隣接する第２マイクロレンズＭＬＺ２との間にも基底面ＢＳＦを露出する離隔空間が配置される。
このように、第１サブピクセルＳＰＸ１を複数のサブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）でカバーする場合、これをより大きい曲率半径を有する一つの第１マイクロレンズでカバーする場合に比べて頂部（ＳＭＴ１１、ＳＭＴ１３）の高さを低くすることができる。また、マイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）の配列により第２マイクロレンズＭＬＺ２との間に離隔空間を設けることができるため、入射光の遮蔽現象を減らすことができる。
図２７は、一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図であり、図２８は、図２７のＸＸＶＩＩＩ－ＸＸＶＩＩＩ’線に沿って切断した断面図である。
図２７及び図２８は、レンズアレイＬＳＡ＿９が第１サブピクセルＳＰＸ１別に異なる形状の第１マイクロレンズＭＬＺ１が適用されることを例示する。
例えば、複数の第１サブピクセルＳＰＸ１にそれぞれ一つの第１マイクロレンズＭＬＺ１が配置され、一部の第１マイクロレンズＭＬＺ１ａは中央に孔ＨＬＥを備え、他の一部の第１マイクロレンズＭＬＺ１ｂは中心から偏って配置された孔ＨＬＥを含む。図に示すように第１マイクロレンズＭＬＺ１の一部配列である３×３配列を例として説明すると、配列内で中央に位置する第１サブピクセルＳＰＸ１の第１マイクロレンズＭＬＺ１ａは中央に孔ＨＬＥを備え、その周辺に位置する８個の第１サブピクセルＳＰＸ１の第１マイクロレンズＭＬＺ１ｂはそれぞれ中央の第１サブピクセルＳＰＸ１側に偏った孔ＨＬＥを備える。孔ＨＬＥは第１マイクロレンズ（ＭＬＺ１ａ、ＭＬＺ１ｂ）の中心に重なるか又は重ならない。
中心から偏って配置された孔ＨＬＥは、例えば図２３に示すように外側境界ＢＤＬ１に重なることもできるが、図２７及び図２８に示すように、それよりは内側に位置する。この場合、孔ＨＬＥとそれに隣接する外側境界ＢＤＬとの間にも第１マイクロレンズＭＬＺ１の曲率区間が配置される。図２８に示すように、孔ＨＬＥを基準として近い外側境界ＢＤＬまでの曲率半径は遠い外側境界ＢＤＬまでの曲率半径よりも小さい。
図２７及び図２８に示す例でも、第１マイクロレンズＭＬＺ１が孔ＨＬＥを含むことによって、頂部の高さが低くなるか又は孔ＨＬＥにより空間が確保される。従って、入射光の遮蔽現象を減らすことができる。
のみならず、上記のような第１マイクロレンズ（ＭＬＺ１ａ、ＭＬＺ１ｂ）の配列は図２８に示すように入射光を中央部に位置する第１サブピクセルＳＰＸ１側に向かって集光する効果を有する。言い換えると、上記のような第１マイクロレンズ（ＭＬＺ１ａ、ＭＬＺ１ｂ）の配列を適用すると、グローバルレンズを移動させるような別途の措置がなくとも集光位置を多様にチューニングすることができる。また、互いに異なるカラーのピクセルＰＸのうちの特定カラーのピクセルＰＸがより多くの受光量を要求する場合にも、上記のような第１マイクロレンズ（ＭＬＺ１ａ、ＭＬＺ１ｂ）の配列を適用することができる。例えば、青色ピクセルＰＸに、より多くの受光が必要な場合、中央部に青色ピクセルＰＸを配置し、その周辺に赤色及び緑色ピクセルＰＸを配置する。
図２９は、一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図であり、図３０は、図２９のＸＸＸ－ＸＸＸ’線に沿って切断した断面図である。
図２９及び図３０は、第２サブピクセルＳＰＸ２が第１サブピクセルＳＰＸ１の内部に配置された場合を例示する。ピクセルＰＸは、正方形形状を有し、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って配列される。各ピクセルＰＸは、内部に閉鎖された孔ＨＬＬを有する第１サブピクセルＳＰＸ１及び閉鎖された孔ＨＬＬの内部に配置された第２サブピクセルＳＰＸ２を含む。
レンズアレイＬＳＡ＿１０は第１サブピクセルＳＰＸ１をカバーする第１サブレンズ部ＳＬＳ１及び第２サブピクセルＳＰＸ２をカバーする第２サブレンズ部ＳＬＳ２を含む。中央に位置する第２サブレンズ部ＳＬＳ２は一つの第２マイクロレンズＭＬＺ２を含む。第１サブレンズ部ＳＬＳ１は第２マイクロレンズＭＬＺ２を囲む一つ以上の第１マイクロレンズＭＬＺ１を含む。例えば、中央に孔ＨＬＬを含む一つの第１マイクロレンズＭＬＺ１が第２マイクロレンズＭＬＺ２を囲むように配置され、図に示すように４個のサブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）がそれぞれ正方形形状のピクセルＰＸの各辺に沿って配置される。第１サブレンズ部ＳＬＳ１が４個のサブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）を含む場合、各サブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）の平面形状は楕円であるが、これに制限されるものではない。
図２９及び図３０の場合、第１サブピクセルＳＰＸ１が中央に孔ＨＬＬを含む構造により一つの第１マイクロレンズＭＬＺ１又は複数のサブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４）が小さい幅を有するため、頂部ＳＭＴの高さが第２マイクロレンズＭＬＺ２に類似するように設計することができる。従って、第２マイクロレンズＭＬＺ２に対する入射光の遮蔽現象が減る。
図３１は、一実施形態によるイメージセンサの多様な例を示す平面配置図であり、図３２は、図３１のＸＸＸＩＩ－ＸＸＸＩＩ’線に沿って切断した断面図である。
図３１及び図３２は、複数の第２サブピクセルＳＰＸ２が相互に隣接して配置され、複数の第１サブピクセルＳＰＸ１により囲まれたピクセルＰＸ構造を例示する。
第１サブピクセルＳＰＸ１は第２サブピクセルＳＰＸ２の３倍の面積を有する。例えば、ピクセルＰＸは第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って四等分に分割され、この中の３個の領域が第１サブピクセルＳＰＸ１として使用され、残りの１個の領域がサブピクセルＰＸとして使用される。隣接するピクセルＰＸも同じサブピクセル（ＳＰＸ１、ＳＰＸ２）の配置を有するが、第２サブピクセルＳＰＸ２が互いに隣接するように設計することができる。このような配置設計はピクセルＰＸを領域別にグループ化して光センシングするのに容易である。
レンズアレイＬＳＡ＿１１で、第２サブピクセルＳＰＸ２をカバーする第２サブレンズ部ＳＬＳ２は一つの第２マイクロレンズＭＬＺ２を含む。第１サブピクセルＳＰＸ１をカバーする第１サブレンズ部ＳＬＳ１は、分割された３個の領域をそれぞれカバーする３個のサブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１３）を含む。第２マイクロレンズＭＬＺ２及び３個のサブマイクロレンズ（ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１３）はそれぞれ同じ形状及び大きさを有する。従って、上述したように、第２マイクロレンズＭＬＺ２に隣接するサブマイクロレンズＭＬＺによる入射光の遮蔽現象が抑制される。
図３３は、いくつかの実施形態によるレンズアレイの視野角に応じた第２マイクロレンズの受光効率に関するシミュレーション結果を示すグラフである。図３３で、第１線Ｌ１は図１９及び図２０に例示したレンズアレイＬＳＡ＿５を採択した場合の第２マイクロレンズの受光効率を示し、第２線Ｌ２は図９に例示したレンズアレイＬＳＡを採択した場合の第２マイクロレンズの受光効率を示し、第３線Ｌ３は図１０及び図１１に例示したレンズアレイＬＳＡ＿Ｃを採択した場合の第２マイクロレンズの受光効率を示す。図３３により、第１マイクロレンズの頂部の高さが大きい第３線Ｌ３に比べて陥没部又は孔により頂部高さを低くした第１線Ｌ１及び第２線Ｌ２が、第２マイクロレンズに対して傾斜して入射する光に対してより高い受光効率を示すことを確認することができる。
以上で説明したイメージセンサは光学センサの一種であり、実施形態による思想はイメージの他に半導体を用いて入射する光量を感知する異なる種類のセンサ、指紋センサ、距離測定センサなどにも適用することができる。
以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
１ イメージセンシング装置
１０、１０＿１、１１ イメージセンサ １００ 基板
１００ａ、１００ｂ 第１、第２面
１１０ ゲート絶縁膜
１２０ ゲートスペーサ
１３０、１４０ 層間絶縁膜
１５０ パッシベーション層
１６０ グリッドパターン
９００ イメージ信号プロセッサ
１１１０ コントロールレジスタブロック
１１２０ タイミングジェネレータ
１１３０ ロウ（ｒｏｗ）ドライバ
１１５０ リードアウト回路
１１６０ ランプ信号生成器
１１７０ バッファ部
ＢＤＬ１、ＢＤＬ２ 第１、第２マイクロレンズの外側境界
ＢＤＭ 陥没部の中心（内側境界）
ＢＤＭ１、ＢＤＭ２ 第１、第２内側境界
ＢＳＦ 基底層の一面（基底面）
ＢＳＬ 基底層
Ｃ１ キャパシタ
ＣＣＬ 回路層
ＣＦＬ カラーフィルタ層
ＣＦＰ カラーフィルタパターン
ＣＦＰ＿Ｂ、ＣＦＰ＿Ｇ、ＣＦＰ＿Ｒ 青、緑、赤色カラーフィルタパターン
ＣＨＰ１、ＣＨＰ２ 上部、下部チップ
ＣＨＰ３ メモリチップ
ＣＯＬ 出力信号線
ＣＲ 連結制御信号
ＣＲＴ 連結トランジスタ
ＤＥＮ 陥没部
ＤＲ１～ＤＲ４ 第１～第４ダイナミックレンジ
ＤＲＳ 駆動信号線
ＤＴ１、ＤＴ２ 第１、第２距離
ＦＤ１、ＦＤ２ 第１、第２フローティング拡散領域
ＨＬＥ 孔
ＬＣ ロジック領域
ＬＥＣ１、ＬＥＣ２ 第１、第２光電変換部 ＬＳＡ レンズアレイ
ＬＳＡ＿１～ＬＳＡ＿１１、ＬＳＡ＿Ｃ レンズアレイ
Ｍａｘ１～Ｍａｘ４ 最大照度
Ｍｉｎ１～Ｍｉｎ４ 最小照度
ＭＬＺ マイクロレンズ
ＭＬＺ１、ＭＬＺ２ 第１、第２マイクロレンズ
ＭＬＺ１１～ＭＬＺ１４ 第１～第４部分
ＭＬＺ１ａ、ＭＬ１ｂ 一部の第１マイクロレンズ
ＮＤ１～ＮＤ３ 第１～第３ノード
ＯＰ１～ＯＰ４ 第１～第４動作
ＰＡ ピクセルアレイ
ＰＤ１、ＰＤ２ 第１、第２フォトダイオード
ＰＩＬ 素子分離膜
ＰＩＬ＿Ｂ バリア層
ＰＩＬ＿Ｆ フィリング層
ＰＸ ピクセル
ＰＸＡ ピクセルアレイ
Ｒ１～Ｒ４ 第１～第４リセット動作
ＲＳ リセット信号
ＲＳＴ リセットトランジスタ
Ｓ１～Ｓ４ 第１～第４信号動作
ＳＥＬ 選択信号
ＳＦＴ ソースフォロワトランジスタ
ＳＬＴ 選択トランジスタ
ＳＩＧ＿ＰＸ ピクセル信号
ＳＬＳ１、ＳＬＳ２ 第１、第２サブレンズ部
ＳＮＲ 最大信号対ノイズ値
ＳＭＴ１１～ＳＭＴ１３ 第１マイクロレンズの頂部
ＳＭＴ２ 第２マイクロレンズの頂部
ＳＰＸ１、ＳＰＸ２ 第１、第２サブピクセル
ＳＲ スイッチ制御信号
ＳＲＴ スイッチングトランジスタ
ＴＧ１、ＴＧ２ ゲート
ＴＳ＿１、ＴＳ＿２ 第１、第２伝送信号
ＴＳＴ 伝送トランジスタ
ＴＳＴ１、ＴＳＴ２ 第１、第２伝送トランジスタ
ＶＤＤ＿１、ＶＤＤ＿２ 第１、第２電源電圧
ＶＬＹ 谷部
Ｗ１、Ｗ２ 第１、第２マイクロレンズの水平方向の幅
ＷＲ 配線層

Claims (20)

  1. 第１サブピクセル及び平面図上の前記第１サブピクセルに隣接して配置された第２サブピクセルを含む複数の単位ピクセルと、
    前記複数の単位ピクセルの各々の前記第１サブピクセル上に配置される第１サブレンズ部と前記第２サブピクセル上に配置される第２サブレンズ部とを含むレンズアレイと、を備え、
    前記第１サブレンズ部は、第１マイクロレンズを含み、
    前記第２サブレンズ部は、第２マイクロレンズを含み、
    前記第１マイクロレンズは、中央区間に陥没した陥没部を含むことを特徴とするイメージセンサ。
  2. 前記第１マイクロレンズの外側境界の平面形状は、前記第２マイクロレンズの外側境界の平面形状よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記第１マイクロレンズの頂部を連結した線は、平面図上で閉曲線をなすことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
  4. 前記第１マイクロレンズは、前記陥没部を中心に一側に位置する第１部分と他側に位置する第２部分とを含むことを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
  5. 前記第１部分及び前記第２部分の頂部の高さは、前記第２マイクロレンズの頂部の高さよりも小さいか同じであることを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサ。
  6. 前記第１部分と前記第２部分とは、前記陥没部を基準として対称形状であることを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサ。
  7. 前記第１部分、前記第２部分、及び前記第２マイクロレンズの断面の曲率半径は、同じであることを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
  8. 前記第１マイクロレンズの外側境界と頂部との間の頂部の外側区間と、前記頂部と前記陥没部との間の頂部の内側区間とは、異なる曲率半径を有することを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサ。
  9. 前記頂部の外側区間は、前記第２マイクロレンズと同じ曲率半径を有することを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサ。
  10. 前記レンズアレイは、前記第１マイクロレンズ及び前記第２マイクロレンズの外側境界が置かれる基底面を含み、
    前記陥没部は、前記基底面に置かれることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  11. 前記陥没部は、孔を含み、
    前記孔の平面形状は、閉曲線をなすことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  12. 前記第１マイクロレンズは、前記孔を中心に一側に位置する第１部分と他側に位置する第２部分とを含み、
    前記第１部分と前記第２部分とは、前記孔の直径だけ離隔され、
    前記第１部分の断面、前記第２部分の断面、及び前記第２マイクロレンズ２の断面は、同じ形状及び大きさを有することを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサ。
  13. 前記第２マイクロレンズは、中央区間に陥没部を含まないことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  14. 第１サブピクセル及び平面図上の前記第１サブピクセルに隣接して配置され、平面図上の前記第１サブピクセルよりも小さい第２サブピクセルを含む複数の単位ピクセルと、
    前記第１サブピクセル上に配置される第１サブレンズ部と前記第２サブピクセル上に配置される第２サブレンズ部とを含むレンズアレイと、を備え、
    前記第１サブレンズ部は、第１マイクロレンズを含み、
    前記第２サブレンズ部は、第２マイクロレンズを含み、
    前記第２サブピクセルに向かう方向に沿って前記第１マイクロレンズを切断した第１断面の第１幅は、隣接する他の第１マイクロレンズに向かう方向に沿って前記第１マイクロレンズを切断した第２断面の第２幅よりも小さいことを特徴とするイメージセンサ。
  15. 前記第１サブピクセル上の前記第１マイクロレンズに隣接する前記第２サブピクセルの間の離隔距離は、前記第１サブピクセル上の前記第１マイクロレンズに隣接する前記第１サブピクセル上の他の第１マイクロレンズの間の距離よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサ。
  16. 前記第１マイクロレンズは、前記第２マイクロレンズに隣接する領域に孔を含むことを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサ。
  17. 前記複数の単位ピクセルのうちの少なくとも一つは、カバーする前記第１マイクロレンズが中心に配置された第１孔を含む第１ピクセルであり、
    前記複数の単位ピクセルのうちの少なくとも他の一つは、カバーする前記第１マイクロレンズが中心から偏って配置された第２孔を含む第２ピクセルであることを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサ。
  18. 前記第２ピクセルは、前記第１ピクセルに隣接して配置され、
    前記第２孔は、中心から前記第１ピクセル側に偏って配置されることを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ。
  19. 第１サブピクセル及び平面図上の前記第１サブピクセルに隣接して配置され、平面図上の前記第１サブピクセルよりも小さい第２サブピクセルを含む複数の単位ピクセルと、
    前記複数の単位ピクセルの各々の前記第１サブピクセル上に配置される第１サブレンズ部と前記第２サブピクセル上に配置される第２サブレンズ部とを含むレンズアレイと、を備え、
    前記第１サブレンズ部は、複数の第１マイクロレンズを含み、
    前記第２サブレンズ部は、第２マイクロレンズを含み、
    前記第２サブレンズ部に含まれる前記第２マイクロレンズの数は、前記第１サブレンズ部に含まれる前記複数の第１マイクロレンズの数よりも小さいことを特徴とするイメージセンサ。
  20. 前記複数の第１マイクロレンズと前記第２マイクロレンズとは、同じ形状及び大きさを有することを特徴とする請求項１９に記載のイメージセンサ。

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