JP3138502B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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JP3138502B2
JP3138502B2 JP03185994A JP18599491A JP3138502B2 JP 3138502 B2 JP3138502 B2 JP 3138502B2 JP 03185994 A JP03185994 A JP 03185994A JP 18599491 A JP18599491 A JP 18599491A JP 3138502 B2 JP3138502 B2 JP 3138502B2
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lens
solid
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隆 飯島
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NEC Corp
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子に関し、特
に個々の受光部上にレンズを有する固体撮像素子に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来のインター・ライン型及びフレーム
・インターライン型の固体撮像素子は、各受光部(フォ
トダイオード)で蓄積された電荷を転送する転送レジス
タが各受光部間に設けられており、この転送レジスタを
遮光するため、受光部の開口率は、実際の受光部の面積
の約20〜30%しかなく、十分な感度が得られなかっ
た。また、近年高画素化,チップの小型化によりさらに
開口率が小さくなり、感度を上げるために開口率を上げ
る必要があった。
【0003】こうして発明された技術が図3に示すよう
なレンズパターニング技術であり、現在の固体撮像素子
において欠くことのできない技術となっている。
【0004】図3はこのようなレンズパターニング技術
により、凸レンズ8を設けた固体撮像素子の断面構造の
模式図を示すもので、半導体基板1上に複数の受光部
(フォトダイオード)2があり、この隣接する受光部2
間に転送レジスタ(図示せず)が設けられ、その上にゲ
ート(図示せず)や層間膜3を形成し、さらに感光領域
を規定する遮光層(例えばアルミニウム)4が構成され
ている。さらに中間層5を介して各受光部2に対応させ
て選択的にパターニングして染色した染色層6(図中で
はマゼンタ(Mg),シアン(Cy),イエロー(Y
e))を形成し、その表面を平坦化する透明な平坦化層
7を設け、この平坦化層7上に各受光部2に対向する位
置に入射光を集光させる凸レンズ8を設けている。
【0005】平坦化層7の屈折率n1 (例えばフェノー
ル・ノボラック樹脂n1 =1.61)と凸レンズ8の屈
折率n0 (例えばフェノール・ノボラック樹脂n0
1.61)は、n0 ≧n1 のため両者の境界で凸レンズ
8より入射した光の光路が変えられることなく光路30
のように受光部2に集光する。このため、固体撮像素子
の開口率が等価的に上がり、図3では凸レンズ8の幅
a′の入射光を受光部2へ集光でき、感度を約2倍に向
上できる(1984年テレビ全大3−17石原,谷垣氏
「樹脂レンズアレーを用いた高感度CCDイメージセン
サ」)。また、感度をさらに向上させるためには、集光
率を保ちながら凸レンズの幅a′を単位画素ピッチcま
で広げ、隣接する凸レンズ8間の距離2b′をできるだ
け小さくすることが望ましい(c≧a′+2b′)。
【0006】ここで図4の固体撮像素子の断面構造の模
式図に示すように、単位画素ピッチcと凸レンズ8の幅
a′を同じ(c=a′、図中破線部分のレンズ形状)と
なるように形成するときにレンズ・パターニング時に隣
接する凸レンズ8間でレンズが接触しレンズパターン未
形成部分41ができてしまう。このため、図3よりも集
光できるレンズの幅が小さくなる(a″<a′)と同時
にレンズの幅a″に対するレンズ高さも低くなり、等価
的な開口率は小さくなってしまう。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の各受
光部に対向する位置に入射光を集光させる凸レンズを設
けた固体撮像素子では、光電変換有効領域の入射光を効
率よく集光するために、凸レンズの幅を単位画素ピッチ
にできるだけ近づけるように形成すると、隣接する凸レ
ンズ間で、レンズパターンが接触してくずれ、等価的な
開口率が小さくなという問題点があった。またこれらが
光電変換有効領域で部分的に発生している場合は、感度
が低下した部分ができて、感度が不均一となったり、あ
るいは、感度差が大きいときに感度低下部分が画素欠陥
のように見えてしまうといった問題点があった。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子
は、半導体基板上に配列した複数の受光部と、受光部で
生成した電荷を転送・出力する転送レジスタと、前記受
光部の表面に積層した透明平坦化層と、前記透明平坦化
層の上にさらに重ねて複数の凸レンズを前記複数の受光
部にそれぞれ対向する位置に形成した固体撮像素子にお
いて、前記複数の凸レンズのうち一の凸レンズが隣接す
る他の凸レンズとレンズパターンが接触してくずれない
ように前記一の凸レンズと前記他の凸レンズとの間の前
記透明平坦化層の表面に溝を掘り下げたことを特徴とす
る。
【0009】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1は本発明の第1の実施例の固体撮像素子の断面
構成の模式図である。従来と同様に、半導体基板1上に
設けられた各受光部2に対向する位置に入射光を集光さ
せる凸レンズ8を形成している。層間膜3,遮光層4,
中間層5,染色層6,平坦化層7も従来通りである。こ
こで平坦化層7の屈折率n1 (例えばフェノール・ノボ
ラック樹脂n1 =1.61)と凸レンズ8の屈折率n0
(例えばフェノール・ノボラック樹脂n0 =1.61)
はn0≧n1のため、両者の境界で幅aをもつ凸レンズ
8より入射した光の光路が変えられることなく、光路1
1のように受光部2に集光する。さらに本発明では、隣
接する凸レンズ8間の幅2bに溝を設け、図中では凹レ
ンズ9を平坦化層7内に形成している。この凹レンズ9
は平坦化層7と同一の屈折率n1 からなり、上面の空気
(屈折率nair ≒1)より幅2bをもつ凹レンズ9に入
射する光は、固体撮像素子の開口率を等価的にほぼ単位
画素ピッチc近傍まで上げ、光路10のように受光部2
に集光する。また凸レンズ8の形状,高さおよび凹レン
ズ9の形状は、平坦化層7から受光部2までの距離や受
光部2の実際の開口幅や撮像系側のレンズの設定(絞り
値)などによって、最適値を決める。このように凹レン
ズ9を平坦化層7を形成した後に、エッチング手法によ
り例えば0.1〜0.5μmの深さをもつ溝を設けて形
成し、さらに凹レンズ9が形成されていない幅aなる部
分に凸レンズ8(たとえば2.0〜2.5μm)に形成
する。これらにより、感度は、レンズ形成前より約2.
5〜2.8倍に上げることができる。また凹レンズ9の
形成により、凸レンズ8間を入射する光が受光部2へ集
光するためスミア成分を低減できる。また、凹レンズ9
を形成することにより凸レンズ8を形成する幅aが確保
でき隣接する凸レンズが接触し、レンズ・パターンがく
ずれるといった問題がなくなる。さらには、幅bを小さ
くし凹レンズ9を小さくすることによって、凸レンズ8
のレンズ・パターンをくずすことなく凸レンズ8の幅a
を単位画素ピッチcに近づけ、開口率を上げることも可
能となる。
【0010】次に本発明の第2の実施例の固体撮像素子
の断面構成の模式図を図2に示す。この場合、隣接する
凸レンズ8間の溝を平坦化層7に深く形成し、染色層
6,中間層5に沿って上部に凹レンズ9を形成する。等
価的な開口率は実施例1と同様になる。このように溝を
深くすることにより、レンズ・パターンをくずすことな
く凸レンズ8のパターン精度がさらに向上し、単位画素
ピッチc近傍でパターンを切ることができる。
【0011】さらに前記凹レンズ9を設けた溝を隣接す
るレンズパターンをくずさない最小寸法とし、遮光層4
上まで設けると、凸レンズ8の幅aを単位画素ピッチc
近傍まで開口率を上げるとともに、隣接した凸レンズか
ら斜め入射光が混入してくることを防止でき、フレアや
スミアを低減できるという効果がある。
【0012】またこれらは染色層6をもたない白黒デバ
イスに適用することも可能であることは言うまでもな
い。
【0013】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、各受光部
に対向する位置に入射光を集光させる隣接した凸レンズ
間に、溝を設けて凹レンズにすることにより、隣接した
凸レンズどうしが接触しレンズパターン未形成部分がで
きるといったことを防ぐことにより、安定したレンズ・
パターニング形成ができ、入射光を単位画素ピッチ近傍
の幅で有効的に集光でき、感度を向上させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の固体撮像素子の断面構
造の模式図。
【図2】本発明の第2の実施例の固体撮像素子の断面構
造の模式図。
【図3】従来の固体撮像素子の断面構造の模式図。
【図4】従来の問題点を示した固体撮像素子の断面構造
の模式図。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 受光部 3 層間膜 4 遮光層 5 中間層 6 染色層 7 平坦化層 8 凸レンズ 9 凹レンズ 10,11,20,30,40 光路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−154164(JP,A) 特開 平3−152972(JP,A) 特開 平3−218067(JP,A) 実開 昭63−200136(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G03B 27/00 H01L 27/14 H04N 5/335

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に配列した複数の受光部
    、受光部で生成した電荷を転送・出力する転送レジス
    タと、前記受光部の表面に積層した透明平坦化層と、前
    記透明平坦化層の上にさらに重ねて複数の凸レンズを前
    記複数の受光部にそれぞれ対向する位置に形成した固体
    撮像素子において、前記複数の凸レンズのうち一の凸レ
    ンズが隣接する他の凸レンズとレンズパターンが接触し
    てくずれないように前記一の凸レンズと前記他の凸レン
    ズとの間の前記透明平坦化層の表面に溝を掘り下げた
    とを特徴とする固体撮像素子。
  2. 【請求項2】 前記溝は、凹レンズとなるように形成さ
    れた溝であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像
    素子。
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