JP3198572B2 - Photoelectric conversion element and method for manufacturing the same - Google Patents
Photoelectric conversion element and method for manufacturing the sameInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、例えばＣＣＤ撮像素子
などのような光電変換素子およびその製造方法に係わ
り、特に、感度の向上を図ることができる光電変換素子
およびその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion device such as a CCD image pickup device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a photoelectric conversion device capable of improving sensitivity and a method of manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ＣＣＤ撮像素子は、ビデオカメラ用イメ
ージャーを始めとして種々の用途に用いられている。最
近では、ビデオカメラ用イメージャーの大容量化および
小型化が着実に進んでいる。一方、イメージャーのデザ
インルールは、微細化の一途を辿り、光電変換するため
のセンサ用セル領域への光入射用開口部が小さくなり、
低感度になるという問題点が発生している。2. Description of the Related Art CCD image pickup devices are used for various purposes such as imagers for video cameras. Recently, the capacity and size of video camera imagers have been steadily increasing. On the other hand, the design rule of the imager has been steadily miniaturized, and the opening for light incidence on the sensor cell region for photoelectric conversion has become smaller,
There is a problem of low sensitivity.
【０００３】例えば、現在では、ビデオカメラのレンズ
口径が１インチから２／３インチと小さくなると共に、
受光部も２００万画素と微細化しており、感度の低下が
問題となっている。For example, at present, the lens diameter of a video camera is reduced from 1 inch to 2/3 inch,
The light receiving section has also been miniaturized to 2 million pixels, and a decrease in sensitivity has become a problem.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】そこで、ＣＣＤ撮像素
子の表面に、各画素に対応して、微細なレンズ群が形成
してあるデバイスが開発されている。このように微細な
レンズ群を設けることで、レンズ群を設けない場合に比
較して、感度が約２倍程度に向上する。Therefore, a device has been developed in which a fine lens group is formed on the surface of a CCD image sensor corresponding to each pixel. By providing such a fine lens group, the sensitivity is improved to about twice as compared with the case where no lens group is provided.
【０００５】しかしながら、今後、ビデオカメラの小型
化に伴い、カメラのレンズ口径が、１／２インチ、１／
３インチと小さくなるにつれて、撮像素子部に対して入
射される受光量が減少することから、さらに高感度な構
造が望まれている。However, with the miniaturization of video cameras in the future, the lens diameter of the cameras will be reduced to 1/2 inch, 1 /
As the size decreases to 3 inches, the amount of light incident on the image sensor decreases, so a structure with higher sensitivity is desired.
【０００６】本発明は、このような実状に鑑みてなさ
れ、例えば小型のビデオカメラ用撮像素子として用いら
れ、飛躍的に感度の向上を図ることができる光電変換素
子を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a photoelectric conversion element which is used as, for example, a small-sized video camera image pickup element and can dramatically improve sensitivity. .
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光電変換素子は、光電変換を行うセンサ用
セル領域が一次元以上の方向に複数配列され、各センサ
用セル領域の上部にレンズ部が形成されるように、透明
薄膜層が積層してある光電変換素子であって、上記各レ
ンズ部において、上記透明薄膜層の表面に形成された下
層レンズ部分の頂部に、多段レンズ形成用穴が形成さ
れ、この多段レンズ形成用穴の中に埋め込まれるよう
に、下層レンズ部分より小さい曲率半径の上層側レンズ
部分が形成されていることを特徴とする。また、本発明
の光電変換装置の製造方法は、透明薄膜層の表面に形成
された下層レンズ部分の頂部に、多段レンズ形成用穴を
形成し、この多段レンズ形成用穴の中に埋め込まれるよ
うに、下層レンズ部分の曲率半径より小さい曲率半径の
上層側レンズ部分を形成することを特徴とする。In order to achieve the above object, a photoelectric conversion element according to the present invention comprises a plurality of sensor cell regions for performing photoelectric conversion arranged in one or more dimensions. A photoelectric conversion element in which a transparent thin film layer is laminated so that a lens portion is formed on an upper portion , and in each of the lens portions , a lower portion formed on a surface of the transparent thin film layer.
A hole for forming a multi-stage lens is formed at the top of the layer lens part.
To be embedded in this multi-stage lens forming hole.
The upper-layer lens with a smaller radius of curvature than the lower-layer lens
It is characterized in that a part is formed . Further, in the method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention, a multi-stage lens forming hole is formed at the top of a lower-layer lens portion formed on the surface of a transparent thin film layer, and embedded in the multi-stage lens forming hole. In addition, an upper lens portion having a radius of curvature smaller than the radius of curvature of the lower lens portion is formed.
【０００８】[0008]
【作用】本発明の光電変換素子では、各レンズ部が、曲
率半径が相違する多段のレンズ部分で構成され、透明薄
膜層の表面に形成された下層レンズ部分の頂部に、多段
レンズ形成用穴が形成され、この多段レンズ形成用穴の
中に埋め込まれるように、下層レンズ部分より小さい曲
率半径の上層側レンズ部分が形成されているので、上層
側のレンズ部分の作用により、集光範囲の拡張を伴った
広角集光効果を発揮し、飛躍的に感度が向上する。 ま
た、本発明の光電変換素子の製造方法では、下層側のレ
ンズ部分の上に上層側のレンズ部分を形成する際に、下
層側のレンズ部分を形成するためのホトマスクと同様な
ホトマスクを用いて微細加工が行えるので、製造コスト
が極端に増大することもなく、多段のレンズ群を容易に
製造することができる。[Action] In the photoelectric conversion device of the present invention, each lens unit is constituted by a multi-stage lens portion of the radius of curvature is different, transparent thin
At the top of the lower lens part formed on the surface of the film layer,
A hole for forming a lens is formed.
A song smaller than the lower lens part so that it can be embedded inside
Because the upper lens portion of the radius of curvature is formed , the action of the upper lens portion has expanded the light collection range.
It exhibits a wide-angle light-collecting effect and dramatically improves sensitivity. Further, in the method for manufacturing a photoelectric conversion element of the present invention, when forming the upper lens portion on the lower lens portion, a photomask similar to the photomask for forming the lower lens portion is used. Since fine processing can be performed, a multi-stage lens group can be easily manufactured without extremely increasing the manufacturing cost.
【０００９】[0009]
【実施例】以下、本発明の一実施例に係る光電変換素子
としてのＣＣＤ撮像素子について、図面を参照しつつ詳
細に説明する。図１は本発明の一実施例に係るＣＣＤ撮
像素子の要部断面図である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a CCD image pickup device as a photoelectric conversion device according to one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a main part of a CCD image pickup device according to one embodiment of the present invention.
【００１０】図１に示す実施例に係るＣＣＤ撮像素子２
は、例えば小型ビデオカメラ用撮像素子として用いら
れ、半導体基板４の表面に、ｐｎ接合からなる光電変換
部であるセンサ用セル領域６が、画素数に対応して２次
元方向に所定間隔で多数配列してある。半導体基板４と
しては、特に限定されないが、シリコン製半導体基板が
用いられる。センサ用セル領域６としては、ｐｎ接合か
らなる光電変換部以外に、例えばＭＯＳ構造の光電変換
部、あるいはその他の光電変換部を用いることができ
る。A CCD image pickup device 2 according to the embodiment shown in FIG.
Is used, for example, as an image pickup device for a small video camera, and a plurality of sensor cell regions 6 serving as photoelectric conversion units formed of a pn junction are provided on a surface of a semiconductor substrate 4 at predetermined intervals in a two-dimensional direction corresponding to the number of pixels. They are arranged. Although not particularly limited, a semiconductor substrate made of silicon is used as the semiconductor substrate 4. As the sensor cell region 6, for example, a photoelectric conversion unit having a MOS structure or another photoelectric conversion unit can be used in addition to the photoelectric conversion unit having a pn junction.
【００１１】センサ用セル領域６が配列された半導体基
板４の表面には、絶縁薄膜層８を介して転送用ゲート電
極層１０が、センサ用セル領域６に望む開口部１２を形
成するような所定のパターンで形成してある。これらゲ
ート電極層１０は、例えばＣＶＤ法で成膜されたポリシ
リコン層で構成される。これらゲート電極層１０を通し
て、光照射によりセンサ用セル領域６に蓄積された電荷
が転送されるようになっている。絶縁薄膜層８は、例え
ば、シリコン製半導体基板４の表面を熱酸化して得られ
るシリコン酸化物膜で構成される。On the surface of the semiconductor substrate 4 on which the sensor cell region 6 is arranged, a transfer gate electrode layer 10 is formed via an insulating thin film layer 8 so as to form an opening 12 desired in the sensor cell region 6. It is formed in a predetermined pattern. These gate electrode layers 10 are composed of, for example, a polysilicon layer formed by a CVD method. Through these gate electrode layers 10, the charges accumulated in the sensor cell region 6 by light irradiation are transferred. The insulating thin film layer 8 is composed of, for example, a silicon oxide film obtained by thermally oxidizing the surface of the silicon semiconductor substrate 4.
【００１２】ゲート電極層１０の上部には、絶縁層１４
を介して、透明薄膜層１６が積層される。絶縁層１４
は、例えばＣＶＤ法により成膜されるシリコン酸化物膜
で構成される。透明薄膜層１６は、その材質は特に限定
されないが、例えば透明レジスト膜で構成される。透明
薄膜層１６の膜厚ｄ1 は、特に限定されないが、２．０
〜３．５μｍ程度が好ましい。また、透明薄膜層１６の
下からセンサ用セル領域６までの膜厚ｄ2 も特に限定さ
れないが、たとえば２．５〜４．０μｍ程度である。On the gate electrode layer 10, an insulating layer 14
, The transparent thin film layer 16 is laminated. Insulating layer 14
Is formed of, for example, a silicon oxide film formed by a CVD method. The material of the transparent thin film layer 16 is not particularly limited, but is composed of, for example, a transparent resist film. The thickness d 1 of the transparent thin film layer 16 is not particularly limited, but may be 2.0
About 3.5 μm is preferred. Although it not the thickness d 2 is particularly limited from the bottom of the transparent thin layer 16 to the sensor cell region 6, for example, about 2.5～4.0Myuemu.
【００１３】透明薄膜層１６の表面には、各センサ用セ
ル領域６の上部に位置するように、微細なレンズ部１８
が所定のパターンで形成してある。レンズ部１８と、そ
の隣に配置されるレンズ部との間には、無効領域２０が
形成される。従来では、この無効領域２０の上方に位置
する部分から入射される光は、感度の向上に寄与しなか
った。On the surface of the transparent thin film layer 16, a fine lens portion 18 is provided so as to be located above each sensor cell region 6.
Are formed in a predetermined pattern. An ineffective area 20 is formed between the lens part 18 and a lens part arranged next to the lens part 18. Conventionally, light incident from a portion located above the invalid region 20 has not contributed to improvement in sensitivity.
【００１４】本実施例では、レンズ部１８を二段のレン
ズ部分２２，２４で構成している。上層側のレンズ部分
２４の曲率半径は、下層側のレンズ部分２２の曲率半径
より小さく構成してある。このように、各レンズ部１８
を二段のレンズ部で構成することにより、特に上層側の
レンズ部分２４が、集光範囲の拡張を伴った広角集光効
果を発揮する。その結果、センサ用セル領域６における
感度が飛躍的に向上する。例えば、従来の一段のレンズ
部を有する撮像素子に比較し、二段のレンズ部分２２，
２４を有する撮像素子では、無効領域２０の上方に位置
する部分２６からの光も集光され、感度が飛躍的に向上
する。レンズ部１８で集光された光は、各画素に対応し
たセンサ用セル領域６に対して収束される。なお、下層
側のレンズ部分２２の高さは、特に限定されないが、た
とえば、１．０〜１．５μｍ程度である。また、上層側
のレンズ部分２４の高さも特に限定されないが、たとえ
ば、１．５〜２．０μｍ程度である。In this embodiment, the lens portion 18 is constituted by two stages of lens portions 22 and 24. The radius of curvature of the lens portion 24 on the upper layer side is smaller than the radius of curvature of the lens portion 22 on the lower layer side. Thus, each lens unit 18
Is constituted by a two-stage lens portion, especially the upper lens portion 24 exhibits a wide-angle light-condensing effect with an expansion of the light-condensing range. As a result, the sensitivity in the sensor cell area 6 is dramatically improved. For example, compared to a conventional imaging device having a single-stage lens unit, a two-stage lens unit 22
In the image pickup device having 24, the light from the portion 26 located above the invalid area 20 is also collected, and the sensitivity is dramatically improved. The light collected by the lens unit 18 is converged on the sensor cell area 6 corresponding to each pixel. The height of the lens portion 22 on the lower layer side is not particularly limited, but is, for example, about 1.0 to 1.5 μm. The height of the lens portion 24 on the upper layer side is also not particularly limited, but is, for example, about 1.5 to 2.0 μm.
【００１５】このような二段のレンズ部１８は、例えば
次のようにして形成することができる。まず、透明薄膜
層１６の表面に、所定のパターンで、下層側のレンズ部
分２２を形成する。このレンズ部分２２は、ホトリソグ
ラフィ技術と熱処理とを組み合わせて成形することがで
きる。Such a two-stage lens section 18 can be formed, for example, as follows. First, the lower lens portion 22 is formed on the surface of the transparent thin film layer 16 in a predetermined pattern. The lens portion 22 can be formed by combining photolithography and heat treatment.
【００１６】次に、下層側のレンズ部分２２の頂部に、
多段レンズ形成用穴２８をエッチングなどの手段で形成
する。その際には、下層側のレンズ部分２２を形成する
ためのホトマスクと同様なホトマスクを用いて加工する
ことができる。次に、この多段レンズ形成用穴２８の中
に埋め込まれるように、下層のレンズ部分２２の曲率半
径より小さい曲率半径の上層側のレンズ部分２４を形成
する。上層側のレンズ部分２４の形成方法は、下層側の
レンズ部分の形成方法と同様である。Next, on the top of the lower lens portion 22,
The multi-stage lens forming hole 28 is formed by means such as etching. In this case, the processing can be performed using a photomask similar to the photomask for forming the lens portion 22 on the lower layer side. Next, the upper lens portion 24 having a radius of curvature smaller than the radius of curvature of the lower lens portion 22 is formed so as to be embedded in the multi-stage lens forming hole 28. The method of forming the upper lens portion 24 is the same as the method of forming the lower lens portion.
【００１７】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変するこ
とができる。例えば、上述した実施例では、本発明を二
次元ＣＣＤ撮像素子に適用した例について説明したが、
センサ用セル領域が一次元方向に配列したリニアＣＣＤ
撮像素子に対して、本発明を適用することも可能であ
る。また、ＣＣＤ撮像素子以外の光電変換素子に対して
本発明を適用することも可能である。また、上述した実
施例では、微細なレンズ部を、二段のレンズ部分で構成
したが、三段以上のレンズ部分で構成することも本発明
の範囲である。The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to a two-dimensional CCD imaging device has been described.
Linear CCD with sensor cell area arranged in one dimension
The present invention can be applied to an image sensor. Further, the present invention can be applied to a photoelectric conversion element other than the CCD image pickup element. Further, in the above-described embodiment, the fine lens portion is constituted by the two-stage lens portion. However, it is also within the scope of the present invention to constitute the fine lens portion by the three-stage lens portion.
【００１８】[0018]
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、各レンズ部が、曲率半径が相違する多段のレンズ部
分で構成され、上層側のレンズ部分の曲率半径が、下層
側のレンズ部分の曲率半径より小さく構成してあるの
で、上層側のレンズ部分の作用により、集光範囲の拡張
を伴った広角集光効果を発揮し、飛躍的に感度が向上す
る。また、本発明では、全く新しい構造により感度の向
上を図ったので、従来のように、各微細レンズ部間に存
在する無効領域をいかに小さくして感度の向上を図るか
というデザインルールに対して苦慮する必要がなくな
る。このような本発明の光電変換素子は、例えばビデオ
カメラ用ＣＣＤ撮像素子を始めとして、光電変換を行う
素子一般に広く用いることができる。また、本発明の光
電変換素子の製造方法では、下層側のレンズ部分の上に
上層側のレンズ部分を形成する際に、下層側のレンズ部
分を形成するためのホトマスクと同様なホトマスクを用
いて微細加工が行えるので、製造コストが極端に増大す
ることもなく、多段のレンズ群を容易に製造することが
できる。As described above, according to the present invention, each lens portion is composed of multi-stage lens portions having different radii of curvature, and the radius of curvature of the upper lens portion is lower than that of the lower lens portion. Since it is configured to be smaller than the radius of curvature of the portion, the effect of the lens portion on the upper layer exhibits a wide-angle light-collecting effect with an expansion of the light-collecting range, and the sensitivity is dramatically improved. Further, in the present invention, the sensitivity is improved by a completely new structure, and therefore, as in the conventional case, the design rule of how to reduce the ineffective area existing between each minute lens portion to improve the sensitivity is considered. There is no need to worry. Such a photoelectric conversion device of the present invention can be widely used in general for devices that perform photoelectric conversion, such as a CCD image pickup device for a video camera. Further, in the method for manufacturing a photoelectric conversion element of the present invention, when forming the upper lens portion on the lower lens portion, a photomask similar to the photomask for forming the lower lens portion is used. Since fine processing can be performed, a multi-stage lens group can be easily manufactured without extremely increasing the manufacturing cost.
【図１】本発明の一実施例に係る光電変換素子としての
ＣＣＤ撮像素子の要部断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a CCD image sensor as a photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention.
２…ＣＣＤ撮像素子 ４…半導体基板 ６…センサ用セル領域 １６…透明薄膜層 １８…レンズ部 ２２…下層側のレンズ部分 ２４…上層側のレンズ部分 ２８…多段レンズ形成用穴 2 ... CCD imaging device 4 ... Semiconductor substrate 6 ... Sensor cell area 16 ... Transparent thin film layer 18 ... Lens part 22 ... Lower lens part 24 ... Upper lens part 28 ... Multi-stage lens forming hole
Claims (2)
元以上の方向に複数配列され、各センサ用セル領域の上
部にレンズ部が形成されるように、透明薄膜層が積層し
てある光電変換素子であって、 上記各レンズ部において、上記透明薄膜層の表面に形成
された下層レンズ部分の頂部に、多段レンズ形成用穴が
形成され、この多段レンズ形成用穴の中に埋め込まれる
ように、下層レンズ部分より小さい曲率半径の上層側レ
ンズ部分が形成されていることを特徴とする光電変換素
子。1. A photoelectric cell in which a plurality of sensor cell regions for performing photoelectric conversion are arranged in one or more dimensions, and a transparent thin film layer is laminated so that a lens portion is formed above each sensor cell region. A conversion element, wherein each of the lens portions is formed on a surface of the transparent thin film layer.
A hole for forming a multi-stage lens is provided at the top of the lower lens
Formed and embedded in this multi-stage lens forming hole
As shown in the figure, the upper layer has a radius of curvature smaller than that of the lower lens.
A photoelectric conversion element, wherein a lens portion is formed .
元以上の方向に複数配列された光電変換素子の上層部
に、各センサ用セル領域の上部にレンズ部が形成される
ように、透明薄膜層を積層する光電変換素子の製造方法
において、 上記透明薄膜層の表面に形成された下層レンズ部分の頂
部に、多段レンズ形成用穴を形成し、この多段レンズ形
成用穴の中に埋め込まれるように、下層レンズ部分の曲
率半径より小さい曲率半径の上層側レンズ部分を形成す
ることを特徴とする光電変換素子の製造方法。2. A sensor, comprising: a plurality of sensor cell regions for performing photoelectric conversion arranged in one or more dimensions in an upper layer portion of the photoelectric conversion element such that a lens portion is formed above each sensor cell region; In the method for manufacturing a photoelectric conversion element in which a thin film layer is laminated, a multi-stage lens forming hole is formed at the top of a lower lens portion formed on the surface of the transparent thin film layer, and embedded in the multi-stage lens forming hole. A method of manufacturing a photoelectric conversion element, comprising forming an upper lens portion having a radius of curvature smaller than a radius of curvature of a lower lens portion.
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