JP2742185B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JP2742185B2 JP4263574A JP26357492A JP2742185B2 JP 2742185 B2 JP2742185 B2 JP 2742185B2 JP 4263574 A JP4263574 A JP 4263574A JP 26357492 A JP26357492 A JP 26357492A JP 2742185 B2 JP2742185 B2 JP 2742185B2
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嘉昭 西
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松下電子工業株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロレンズを備え
た固体撮像装置に係り、特に受光領域内の感度を均一に
するための対策に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、固体撮像素子の小型化、高画素化
に伴い受光部面積の減少による感度の低下が問題となっ
ている。そこで、この問題を解決するために、現在では
受光部の上にマイクロレンズを備えた固体撮像装置が利
用されている。
【0003】以下に、従来のマイクロレンズを備えた固
体撮像装置について説明する。
【0004】図6は従来の固体撮像装置の断面図であ
る。図6において、1はシリコンからなる半導体基板、
2はフォトダイオードからなる受光部、3はアルミニウ
ムからなる遮光部、4はアクリル系透明膜からなる平坦
化層、5は天然有機レジストからなり、所望の色に染色
された色フィルター層、6はアクリル系透明膜からなる
マイクロレンズ下平坦化層、7はアクリル系樹脂からな
るマイクロレンズである。この構成によって、受光部2
の上方だけではなく遮光部3の上方にも入射してくる光
がマイクロレンズ7を通り集光され、マイクロレンズ下
平坦化層6を通った後、所望の波長を持った光のみが色
フィルター層5を通過し、さらに平坦化層4を通り、受
光部2に入射するようになされている。そして、この受
光部2に入射した光は、その量に応じて受光部2で信号
電荷に変換される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図6に示し
た従来の固体撮像装置の構造では、入射光が垂直光の場
合は、図7のように入射光の集光点が受光部2上に設定
されているため、入射光は問題なく受光部2に集光す
る。しかし、入射光が斜め光になった場合は、図8に示
すように、集光位置が受光部2から外方にずれて受光部
2に入射する光量が減少し、それによって感度が低下す
る。一方、ビデオカメラのレンズにより集光されて固体
撮像装置に入射してくる光の主光線は、レンズ絞りの開
口径に関係なく固体撮像装置の光軸中心から遠ざかるほ
ど角度をもつため、固体撮像装置の受光領域内でも光軸
中心から遠ざかるほどマイクロレンズ7による集光位置
が受光部2からずれることになる。このため、周辺部に
おける感度の低下によって輝度シェーディングがおこる
という問題があった。
【0006】これらの問題に対して、光軸中心から端へ
向かうに従ってマイクロレンズと受光部の位置をずらせ
ることにより、周辺部における集光位置と受光部との位
置のずれを解消する方法も提案されているが、そうする
と、パターン形成工程の繁雑化,精度の悪化等を招く虞
れがある。
【0007】本発明は斯かる点に鑑み、特に上述のよう
な受光領域の周辺部における感度の低下は、平坦な面上
にマイクロレンズが形成されていることが一因となって
いる点に着目してなされたものであり、その目的は、固
体撮像装置において、マイクロレンズが形成される面を
素子中央部が隆起した凸状とすることにより、周辺部に
おける感度の低下を抑制し、もって、マイクロレンズと
受光部をずらせることなく、輝度シェーディングを抑制
することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明の講じた手段は、図1に示すよう
に、固体撮像素子の受光部の上に中間層を介してマイク
ロレンズを配設してなる固体撮像装置を前提とし、上記
マイクロレンズの形成面となる中間層の上面を、固体撮
像素子の中央部から周辺部へむかうに従って連続的に低
くなるよう凸状に形成したものである。
【0009】請求項2の発明の講じた手段は、図5に示
すように、固体撮像素子の受光部の上に中間層を介して
マイクロレンズを配設してなる固体撮像装置を前提と
し、上記マイクロレンズ形成面となる中間層の上面を、
固体撮像素子中央部から周辺部へむかうに従ってステッ
プ状に低くなるよう凸状に形成したものである。
【0010】請求項3の発明の講じた手段は、固体撮像
素子の受光部の上に中間層を介してマイクロレンズを配
設してなる固体撮像装置を前提とし、上記マイクロレン
ズ形成面となる中間層の上面を、固体撮像素子中央部か
ら周辺部へむかうに従って、一部は連続的に他部はステ
ップ状に低くなるよう凸状に形成したものである。
【0011】
【作用】以上の構成により、請求項1の発明では、ビデ
オカメラのレンズによって集光された光は、固体撮像装
置の受光領域の中心部付近においては、固体撮像装置の
表面に対してほぼ垂直に入射する垂直光成分が多く、マ
イクロレンズに入射した光は、凸状の中間層の最も厚い
部分を通過して受光部に入射し、入射光の集光点は受光
部の垂線上にあるため、容易に感度が得られる。
【0012】一方、固体撮像装置の受光領域の周辺部に
おいては、斜め方向の入射光成分が多くなる。その場
合、入射光が斜め光のため集光点が受光部から外方にず
れようとするが、マイクロレンズの形成面となる中間層
の上面が凸状に形成され、中間層の周辺部における膜厚
が中心部の膜厚よりも薄いので、周辺部における受光部
とマイクロレンズの間の距離がマイクロレンズのもつ焦
点距離よりも短くなり、大部分の入射光が外方にずれる
ことなく受光部に取り入れられる。また、中間層が周辺
部では薄いことで、固体撮像素子の感度が周辺部で高く
なる。
【0013】したがって、受光部の周辺部における集光
率の低下が可及的に抑制され、固体撮像装置の受光領域
内で均一な感度が得られることになる。
【0014】請求項2の発明では、マイクロレンズ形成
面となる中間層の上面が、固体撮像素子の中央部から周
辺部に向かうにしたがってステップ状に低くなるよう凸
状に形成されているので、受光部の周辺部におけるマイ
クロレンズとの間の距離がマイクロレンズの焦点距離よ
りも短くなり、上記請求項1の発明と同様の作用が得ら
れることになる。
【0015】請求項3の発明では、マイクロレンズ形成
面となる中間層の上面が、固体撮像素子の中央部から周
辺部に向かうにしたがって、一部は連続的に他部はステ
ップ状に低くなるよう凸状に形成されているので、上記
請求項1又は2の発明と同様の作用が得られることにな
る。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。
【0017】まず、請求項1の発明に係る第1実施例に
ついて説明する。
【0018】図1は、第1実施例における固体撮像装置
の断面構造を示し、1はシリコンからなる半導体基板、
2はフォトダイオードからなる受光部、3はアルミニウ
ムからなる遮光部、4はアクリル系透明膜からなる平坦
化層、5は天然有機レジストからなり、所望の色に染色
された色フィルター層、7はアクリル系樹脂からなるマ
イクロレンズ、8aはアクリル系透明膜からなるマイク
ロレンズ直下の中間層である。
【0019】ここで、本発明の特徴として、上記図1の
マイクロレンズ7が形成される中間層8aの上面は、素
子中央部が隆起した凸状に形成されている。この凸状の
中間層8aは、後述のような固体撮像装置の感度特性
(図2参照)を考慮して、受光部2からマイクロレンズ
7までの距離が固体撮像装置の中心部付近で約10μ
m、そして周辺部にむかうほどその距離は連続的に短く
なり、固体撮像装置周辺端部で約4〜5μmとなるよう
な構造が得られる形状になされている。
【0020】一方、図2はビデオカメラのレンズの絞り
値がF1.4(開放)およびF8のときの固体撮像装置
受光部からマイクロレンズまでの距離に対する固体撮像
装置の感度の変化の一例をグラフに示したものである。
同図に示すように、ビデオカメラのレンズの絞り値がF
1.4(開放)の場合、すなわち固体撮像装置への入射
光が固体撮像装置表面に対して角度をもつ場合は、受光
部2からマイクロレンズ7までの距離が短くなるほど感
度が向上することがわかる。また、ビデオカメラのレン
ズの絞り値がF8の場合つまり固体撮像装置への入射光
が固体撮像装置表面に対して垂直に近い場合、この例で
は受光部2からマイクロレンズ7までの距離が約10μ
mの点にピークが存在することがわかる。すなわち、固
体撮像装置表面に対して角度をもった入射光成分に対し
て、最も高い感度が得られる受光部2からマイクロレン
ズ7までの距離は、平坦化層4および色フィルター層5
の層厚を考慮に入れた場合、約4〜5μmであるといえ
る。また、垂直光成分に対して高い感度を得るためには
その距離は約10μm必要である。
【0021】次に、図1に示すような凸状中間層8aを
有するカラー固体撮像装置について、その動作を説明を
する。
【0022】図2に示すように、ビデオカメラのレンズ
によって集光された光は、固体撮像装置受光領域の中心
部付近においては、固体撮像装置の表面に対してほぼ垂
直に入射する垂直光成分が多い。しかし、中心部から周
辺部へ離れる程、入射光の主光線が角度を持つようにな
り、斜め方向の入射光成分が増加する。ここで受光領域
の中心付近と周辺部に分けて、その動作を説明する。
【0023】図3は、上記固体撮像装置の受光領域の中
心付近における断面構造を抜粋したものである。図3に
示すように、垂直光に近い光が入射する中心部において
は、マイクロレンズ7に入射した光は、凸状の中間層8
aの最も厚い部分を通過し、所望の波長を持った光のみ
が色フィルター層5を通り、さらに平坦化層4を通り、
受光部2に入射する。この場合は、入射光の集光点は受
光部2の垂線上にあるため、容易に感度を得ることがで
きる。
【0024】次に、受光領域の周辺部について述べる。
図4は上記固体撮像装置の受光領域の周辺部における断
面構造を抜粋したものである。図4に示すように、ここ
では斜め方向の入射光成分が多くなる。マイクロレンズ
7に入射した斜め光は、膜厚が中心に比べて薄い凸状の
中間層8を通過し、所望の波長を持った光のみが色フィ
ルター層5を通り、さらに平坦化層4を通り、受光部2
に入射する。この場合、入射光が斜め光のため集光点が
受光部5からずれる。しかし、中間層8aを凸状とし
て、受光部2の周辺部における膜厚を中心部よりも薄く
し、周辺部における受光部2とマイクロレンズ7の間の
距離をマイクロレンズ7のもつ焦点距離より短くするこ
とにより、外方の遮光部3にずれて遮光部3で遮られる
光を極力少なくして、大部分の入射光を受光部2に取り
入れることができる。
【0025】すなわち、上記図8のごとく、マイクロレ
ンズ7と受光部2との間に上面が平面状であるマイクロ
レンズ下平坦化層6が介在する場合には、集光位置が受
光部2からずれて受光部2に入射する光量が減少し、そ
れによって感度が低下する。これに対し、上記第1実施
例では、斜め方向の入射光成分が多い受光領域周辺部に
おいても、中間層8aの周辺部における厚みが薄くなっ
ているために、集光位置の外方へのずれが解消される。
また、上記図2に示すように、固体撮像装置の感度も、
中間層8aが薄い周辺部で最も高い。したがって、集光
率の低下が抑制され、固体撮像装置の受光領域内で均一
な感度を得ることができるのである。
【0026】次に、請求項2の発明に係る第2実施例に
ついて説明する。
【0027】図2は、第2実施例における固体撮像装置
の構成を示し、アクリル系透明膜からなるマイクロレン
ズ7の直下部は、中央部から周辺部にむかうほどステッ
プ状に薄くなるように形成された階段状の中間層8bと
なっている。その他の構成は上記第1実施例における図
1に示す構成と同様である。
【0028】本実施例でも、上記第1実施例と同様に、
階段状の中間層8bの周辺部における膜厚を受光領域の
中心部よりも薄くし、受光部2とマイクロレンズ7の間
の距離をマイクロレンズ7のもつ焦点距離より短くする
ことにより、遮光部3に遮られる光を極力少なくして、
大部分の入射光を受光部2に取り入れることができると
ともに、中間層8bが周辺部で薄いことで周辺部におけ
る受光部2の感度が高くなる。よって、斜め方向の入射
光成分が多い受光領域周辺部においても集光率の低下は
ほとんどなく、固体撮像装置受光領域内で均一な感度を
得ることができる。
【0029】なお、上記各実施例では、色フィルター層
5を有するカラー固体撮像装置について説明したが、本
発明はかかる実施例に限定されるものではなく、色フィ
ルター層を形成しない白黒固体撮像装置についても同様
の効果が得られる。
【0030】さらに、実施例は省略するが、中間層8を
中央部から周辺部にかけて薄くする場合、その一部を連
続的に他部を階段的に薄くしていくようにしてもよい。
その場合にも、上記各実施例と同様の効果を得ることが
できる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明に
よれば、固体撮像素子の受光部の上に中間層を介してマ
イクロレンズを配設してなる固体撮像装置において、マ
イクロレンズの形成面となる中間層の上面を、固体撮像
素子の中央部から周辺部に向かうにしたがって連続的に
低くなるよう凸状に形成するようにしたので、斜め光が
多くなる固体撮像装置の受光領域の周辺部においても、
受光部とマイクロレンズの間の距離がマイクロレンズの
もつ焦点距離よりも短くなることで、集光率の低下を可
及的に抑制することができ、よって、固体撮像装置の受
光領域における感度の均一化を図り、輝度シェーディン
グを抑制することができる。
【0032】請求項2の発明によれば、固体撮像素子の
受光部の上に中間層を介してマイクロレンズを配設して
なる固体撮像装置において、マイクロレンズ形成面とな
る中間層の上面を、固体撮像素子の中央部から周辺部に
向かうにしたがってステップ状に低くなるよう凸状に形
成したので、受光部の周辺部におけるマイクロレンズと
の間の距離がマイクロレンズの焦点距離よりも短くな
り、上記請求項1の発明と同様の効果を得ることができ
る。
【0033】請求項3の発明によれば、固体撮像素子の
受光部の上に中間層を介してマイクロレンズを配設して
なる固体撮像装置において、マイクロレンズ形成面とな
る中間層の上面を、固体撮像素子の中央部から周辺部に
向かうにしたがって一部は連続的に他部はステップ状に
低くなるよう凸状に形成したので、上記請求項1又は2
の発明と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例における固体撮像装置の主要部の構
造を示す断面図である。
【図2】固体撮像装置受光部からマイクロレンズまでの
距離に対する固体撮像装置の感度変化を示したグラフで
ある。
【図3】第1実施例における固体撮像装置の受光領域の
中心付近における入射光の状態を示す断面図である。
【図4】第1実施例における固体撮像装置の受光領域の
周辺付近における入射光の状態を示す断面図である。
【図5】第2実施例における固体撮像装置の主要部の断
面図である。
【図6】従来の固体撮像装置の主要部の断面図である。
【図7】従来の固体撮像装置の受光領域の中心付近にお
ける入射光の状態を示す断面図である。
【図8】従来の固体撮像装置の受光領域の周辺付近にお
ける入射光の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 受光部 3 遮光部 4 平坦化層 5 色フィルター層 6 マイクロレンズ下平坦化層 7 マイクロレンズ 8 中間層
フロントページの続き (72)発明者 北村 則久 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内 (72)発明者 冨谷 克巳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内 (72)発明者 児玉 宏達 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体撮像素子の受光部の上に中間層を介
    してマイクロレンズを配設してなる固体撮像装置におい
    て、 上記マイクロレンズの形成面となる中間層の上面は、固
    体撮像素子の中央部から周辺部へむかうに従って連続的
    に低くなるよう凸状に形成されていることを特徴とする
    固体撮像装置。
  2. 【請求項2】 固体撮像素子の受光部の上に中間層を介
    してマイクロレンズを配設してなる固体撮像装置におい
    て、 上記マイクロレンズ形成面となる中間層の上面は、固体
    撮像素子中央部から周辺部へむかうに従ってステップ状
    に低くなるよう凸状に形成されていることを特徴とする
    固体撮像装置。
  3. 【請求項3】 固体撮像素子の受光部の上に中間層を介
    してマイクロレンズを配設してなる固体撮像装置におい
    て、 上記マイクロレンズ形成面となる中間層の上面は、固体
    撮像素子中央部から周辺部へむかうに従って、一部は連
    続的に他部はステップ状に低くなるよう凸状に形成され
    ていることを特徴とする固体撮像装置。
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