JP3648736B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、センサの上層にオンチップレンズを有する固体撮像素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、本願の発明の一従来例を示している。この一従来例では、半導体基板１１中に各画素のセンサ（図示せず）や転送部（図示せず）等が形成されており、半導体基板１１の表面にゲート絶縁膜１２が形成されている。ゲート絶縁膜１２上には転送電極１３が形成されており、転送電極１３は絶縁膜１４等に覆われている。
【０００３】
絶縁膜１４等は遮光膜１５に覆われており、この遮光膜１５のうちでセンサ上の部分に開口１５ａが形成されている。遮光膜１５等は平坦化膜１６に覆われており、カラーフィルタ層１７及びオンチップレンズ１８が平坦化膜１６上に順次に形成されている。この様な一従来例では、オンチップレンズ１８によって光１９がセンサに集められるので、オンチップレンズ１８が設けられていない構造に比べて感度が高い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、各画素の面積が縮小されても、転送電極１３の抵抗の増大や遮光膜１５の遮光能力の低下等を防止するために、転送電極１３や遮光膜１５等を薄くすることが困難である。このため、開口１５ａの大きさに対する遮光膜１５等の高さの比率が大きくなってきており、その結果、図６にも示した様に、オンチップレンズ１８で集められても遮光膜１５等によるけられでセンサまで導かれない光１９が生じ易かった。
【０００５】
このため、図６に示した一従来例では、高い感度を得ることが困難であった。また、遮光膜１５のパターンが画素毎にばらついており、更に、画素によって光１９の入射角度が異なっていてけられの割合も異なるので、光１９にけられが生じていると、画素毎の感度のむらも生じ易かった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願の発明による固体撮像素子は、複数層のオンチップレンズが設けられており、上層の前記オンチップレンズの焦点がその下層の前記オンチップレンズよりも前記上層側に位置しており、前記焦点と前記下層のオンチップレンズとの間の距離をＬｎとし、前記下層のオンチップレンズの焦点距離をｆｌとすると、
ｆｌ＜Ｌｎ
であることを特徴としている。
【０００７】
本願の発明による固体撮像素子は、
Ｌｎ＜２ｆｌ
であることが好ましい。
【０００８】
本願の発明による固体撮像素子は、前記上層のオンチップレンズの焦点距離をｆｕとすると、
ｆｌ＜ｆｕ
であることが好ましい。
【０００９】
本願の発明による固体撮像素子では、複数層のオンチップレンズのうちで上層のオンチップレンズの焦点がその下層のオンチップレンズよりも上層側に位置しており、しかも、上層のオンチップレンズの焦点と下層のオンチップレンズとの間の距離が下層のオンチップレンズの焦点距離よりも長いので、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光が下層のオンチップレンズで再び収束される。
【００１０】
このため、各層のオンチップレンズで光の発散を抑制しつつ、この光をセンサまで導くことができる。従って、センサ上の遮光膜の開口の大きさに対する遮光膜等の高さの比率が相対的に大きくても、遮光膜等による光のけられを生じることなく、この光をセンサまで導くことができる。
【００１１】
また、上層のオンチップレンズの焦点と下層のオンチップレンズとの間の距離が下層のオンチップレンズの焦点距離の２倍よりも短ければ、下層のオンチップレンズの径が小さくても、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光のうちで下層のオンチップレンズに入射しない光が少ない。
【００１２】
また、下層のオンチップレンズの焦点距離が上層のオンチップレンズの焦点距離よりも短ければ、下層のオンチップレンズの径が小さくても、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光のうちで下層のオンチップレンズに入射しない光が少ない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本願の発明の一実施形態を、図１〜５を参照しながら説明する。図１が、本実施形態を示している。本実施形態では、オンチップレンズ１８とは別のオンチップレンズ２１がセンサとオンチップレンズ１８との間に設けられていて、オンチップレンズ１８、２１が２層になっている。
【００１４】
オンチップレンズ１８の焦点距離をｆｕとすると、この固体撮像素子の表面に垂直に入射した光１９は、オンチップレンズ１８からｆｕの距離の焦点Ｐに収束する。この焦点Ｐが遮光膜１５の上面付近の高さに位置する様に、平坦化膜１６の厚さ等が選択されている。
【００１５】
また、オンチップレンズ２１の焦点距離をｆｌとし、焦点Ｐからオンチップレンズ２１までの距離をＬｎとすると、
ｆｌ＜Ｌｎ＜２ｆｌ ▲１▼
ｆｌ＜ｆｕ ▲２▼
の関係が満たされている。以上の点を除いて、本実施形態も図６に示した一従来例と実質的に同様の構成を有している。
【００１６】
本実施形態では、図１からも明らかな様に、オンチップレンズ１８で光１９が焦点Ｐに一旦収束されており、焦点Ｐを通過して発散した光１９もオンチップレンズ２１に入射して再び収束されている。つまり、オンチップレンズ１８、２１で光１９の発散が抑制されつつ、この光１９がセンサまで導かれている。
【００１７】
しかも、オンチップレンズ１８で光１９を収束している焦点Ｐが、遮光膜１５の上面付近の高さに位置している。従って、遮光膜１５の開口１５ａの大きさに対する遮光膜１５等の高さの比率が大きくても、遮光膜１５等による光１９のけられを生じることなく、この光１９をセンサまで導くことができる。
【００１８】
一方、本実施形態が満たしている上述の▲１▼の条件に反してｆｌ＝Ｌｎであると、図４に示す様に、オンチップレンズ１８を透過した光１９は収束されずに平行光になるので、遮光膜１５のうちで半導体基板１１に近い部分で光１９のけられが生じ易くなる。なお、ｆｌ＞Ｌｎであると、オンチップレンズ１８を透過した光１９が発散光になるので、光１９のけられが更に生じ易くなる。
【００１９】
また、▲１▼の条件に反してＬｎ≧２ｆｌであると、実際問題として、図５に示す様に、オンチップレンズ１８で焦点Ｐに一旦収束された後に発散した光１９のうちでオンチップレンズ２１に入射しない光１９が多い。この様にオンチップレンズ２１に入射しない光１９は、遮光膜１５の上面等に入射してけられ、感度に寄与しない。
【００２０】
また、▲２▼の条件に反してｆｌ≧ｆｕであると、この場合も、実際問題として、オンチップレンズ１８で焦点Ｐに一旦収束された後に発散した光１９のうちでオンチップレンズ２１に入射しない光１９が多い。この様にオンチップレンズ２１に入射しない光１９は、遮光膜１５の上面等に入射してけられ、感度に寄与しない。
【００２１】
図２は、平凸状のオンチップレンズ２１を有する固体撮像素子の第１の製造方法を示している。この第１の製造方法でも、図２（ａ）に示す様に、遮光膜１５に開口１５ａを形成するまでは従来公知の工程を実行する。しかし、この第１の製造方法では、遮光膜１５等を平坦化膜１６で覆った後、図２（ｂ）に示す様に、この平坦化膜１６のうちで遮光膜１５の開口１５ａ上の部分に凹部１６ａを形成する。
【００２２】
次に、図２（ｃ）に示す様に、平坦化膜１６よりも屈折率の高い樹脂層２２を平坦化膜１６上に平坦に塗布して、凹部１６ａを樹脂層２２で埋める。その後、図２（ｄ）に示す様に、樹脂層２２上にカラーフィルタ層１７を形成して凹部１６ａ内の樹脂層２２でオンチップレンズ２１を形成し、図２（ｅ）に示す様に、カラーフィルタ層１７上にオンチップレンズ１８を形成する。
【００２３】
図３は、両凸状のオンチップレンズ２１を有する固体撮像素子の第２の製造方法を示している。この第２の製造方法でも、図３（ａ）〜（ｃ）に示す様に、樹脂層２２を平坦化膜１６上に塗布するまでは、図２に示した第１の製造方法と実質的に同様の工程を実行する。
【００２４】
しかし、この第２の製造方法では、その後、図３（ｄ）に示す様に、樹脂層２２のうちで凹部１６ａ上以外の部分をエッチングして、凹部１６ａ上に断面が台形状の樹脂層２２を残す。そして、図３（ｅ）に示す様に、断面が台形状の樹脂層２２及び平坦化膜１６上に別の平坦化膜２３を塗布して樹脂層２２でオンチップレンズ２１を形成し、図示してはいないが、更に、カラーフィルタ層１７及びオンチップレンズ１８を形成する。
【００２５】
なお、以上の実施形態ではオンチップレンズ１８、２１が２層であるが、３層以上のオンチップレンズを固体撮像素子に設けることもできる。その場合も、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光を下層のオンチップレンズで順次に収束させる。
【００２６】
【発明の効果】
本願の発明による固体撮像素子では、センサ上の遮光膜の開口の大きさに対する遮光膜等の高さの比率が相対的に大きくても、遮光膜等による光のけられを生じることなく、この光をセンサまで導くことができるので、感度が高く画素毎の感度のむらも少ない。
【００２７】
また、上層のオンチップレンズの焦点と下層のオンチップレンズとの間の距離が下層のオンチップレンズの焦点距離の２倍よりも短ければ、下層のオンチップレンズの径が小さくても、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光のうちで下層のオンチップレンズに入射しない光が少ないので、感度が更に高い。
【００２８】
また、下層のオンチップレンズの焦点距離が上層のオンチップレンズの焦点距離よりも短ければ、下層のオンチップレンズの径が小さくても、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光のうちで下層のオンチップレンズに入射しない光が少ないので、感度が更に高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の発明の一実施形態の概念的な側断面図である。
【図２】一実施形態の第１の製造方法を工程順に示す側断面図である。
【図３】一実施形態の第２の製造方法を工程順に示す側断面図である。
【図４】一実施形態とは構成が異なる場合の問題点を説明するための側断面図である。
【図５】一実施形態とは構成が異なる別の場合の問題点を説明するための側断面図である。
【図６】本願の発明の一従来例の側断面図である。
【符号の説明】
１８、２１ オンチップレンズ Ｐ 焦点
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、センサの上層にオンチップレンズを有する固体撮像素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、本願の発明の一従来例を示している。この一従来例では、半導体基板１１中に各画素のセンサ（図示せず）や転送部（図示せず）等が形成されており、半導体基板１１の表面にゲート絶縁膜１２が形成されている。ゲート絶縁膜１２上には転送電極１３が形成されており、転送電極１３は絶縁膜１４等に覆われている。
【０００３】
絶縁膜１４等は遮光膜１５に覆われており、この遮光膜１５のうちでセンサ上の部分に開口１５ａが形成されている。遮光膜１５等は平坦化膜１６に覆われており、カラーフィルタ層１７及びオンチップレンズ１８が平坦化膜１６上に順次に形成されている。この様な一従来例では、オンチップレンズ１８によって光１９がセンサに集められるので、オンチップレンズ１８が設けられていない構造に比べて感度が高い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、各画素の面積が縮小されても、転送電極１３の抵抗の増大や遮光膜１５の遮光能力の低下等を防止するために、転送電極１３や遮光膜１５等を薄くすることが困難である。このため、開口１５ａの大きさに対する遮光膜１５等の高さの比率が大きくなってきており、その結果、図６にも示した様に、オンチップレンズ１８で集められても遮光膜１５等によるけられでセンサまで導かれない光１９が生じ易かった。
【０００５】
このため、図６に示した一従来例では、高い感度を得ることが困難であった。また、遮光膜１５のパターンが画素毎にばらついており、更に、画素によって光１９の入射角度が異なっていてけられの割合も異なるので、光１９にけられが生じていると、画素毎の感度のむらも生じ易かった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願の発明による固体撮像素子は、複数層のオンチップレンズが設けられており、上層の前記オンチップレンズの焦点がその下層の前記オンチップレンズよりも前記上層側に位置しており、前記焦点と前記下層のオンチップレンズとの間の距離をＬｎとし、前記下層のオンチップレンズの焦点距離をｆｌとすると、
ｆｌ＜Ｌｎ
であることを特徴としている。
【０００７】
本願の発明による固体撮像素子は、
Ｌｎ＜２ｆｌ
であることが好ましい。
【０００８】
本願の発明による固体撮像素子は、前記上層のオンチップレンズの焦点距離をｆｕとすると、
ｆｌ＜ｆｕ
であることが好ましい。
【０００９】
本願の発明による固体撮像素子では、複数層のオンチップレンズのうちで上層のオンチップレンズの焦点がその下層のオンチップレンズよりも上層側に位置しており、しかも、上層のオンチップレンズの焦点と下層のオンチップレンズとの間の距離が下層のオンチップレンズの焦点距離よりも長いので、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光が下層のオンチップレンズで再び収束される。
【００１０】
このため、各層のオンチップレンズで光の発散を抑制しつつ、この光をセンサまで導くことができる。従って、センサ上の遮光膜の開口の大きさに対する遮光膜等の高さの比率が相対的に大きくても、遮光膜等による光のけられを生じることなく、この光をセンサまで導くことができる。
【００１１】
また、上層のオンチップレンズの焦点と下層のオンチップレンズとの間の距離が下層のオンチップレンズの焦点距離の２倍よりも短ければ、下層のオンチップレンズの径が小さくても、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光のうちで下層のオンチップレンズに入射しない光が少ない。
【００１２】
また、下層のオンチップレンズの焦点距離が上層のオンチップレンズの焦点距離よりも短ければ、下層のオンチップレンズの径が小さくても、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光のうちで下層のオンチップレンズに入射しない光が少ない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本願の発明の一実施形態を、図１〜５を参照しながら説明する。図１が、本実施形態を示している。本実施形態では、オンチップレンズ１８とは別のオンチップレンズ２１がセンサとオンチップレンズ１８との間に設けられていて、オンチップレンズ１８、２１が２層になっている。
【００１４】
オンチップレンズ１８の焦点距離をｆｕとすると、この固体撮像素子の表面に垂直に入射した光１９は、オンチップレンズ１８からｆｕの距離の焦点Ｐに収束する。この焦点Ｐが遮光膜１５の上面付近の高さに位置する様に、平坦化膜１６の厚さ等が選択されている。
【００１５】
また、オンチップレンズ２１の焦点距離をｆｌとし、焦点Ｐからオンチップレンズ２１までの距離をＬｎとすると、
ｆｌ＜Ｌｎ＜２ｆｌ ▲１▼
ｆｌ＜ｆｕ ▲２▼
の関係が満たされている。以上の点を除いて、本実施形態も図６に示した一従来例と実質的に同様の構成を有している。
【００１６】
本実施形態では、図１からも明らかな様に、オンチップレンズ１８で光１９が焦点Ｐに一旦収束されており、焦点Ｐを通過して発散した光１９もオンチップレンズ２１に入射して再び収束されている。つまり、オンチップレンズ１８、２１で光１９の発散が抑制されつつ、この光１９がセンサまで導かれている。
【００１７】
しかも、オンチップレンズ１８で光１９を収束している焦点Ｐが、遮光膜１５の上面付近の高さに位置している。従って、遮光膜１５の開口１５ａの大きさに対する遮光膜１５等の高さの比率が大きくても、遮光膜１５等による光１９のけられを生じることなく、この光１９をセンサまで導くことができる。
【００１８】
一方、本実施形態が満たしている上述の▲１▼の条件に反してｆｌ＝Ｌｎであると、図４に示す様に、オンチップレンズ１８を透過した光１９は収束されずに平行光になるので、遮光膜１５のうちで半導体基板１１に近い部分で光１９のけられが生じ易くなる。なお、ｆｌ＞Ｌｎであると、オンチップレンズ１８を透過した光１９が発散光になるので、光１９のけられが更に生じ易くなる。
【００１９】
また、▲１▼の条件に反してＬｎ≧２ｆｌであると、実際問題として、図５に示す様に、オンチップレンズ１８で焦点Ｐに一旦収束された後に発散した光１９のうちでオンチップレンズ２１に入射しない光１９が多い。この様にオンチップレンズ２１に入射しない光１９は、遮光膜１５の上面等に入射してけられ、感度に寄与しない。
【００２０】
また、▲２▼の条件に反してｆｌ≧ｆｕであると、この場合も、実際問題として、オンチップレンズ１８で焦点Ｐに一旦収束された後に発散した光１９のうちでオンチップレンズ２１に入射しない光１９が多い。この様にオンチップレンズ２１に入射しない光１９は、遮光膜１５の上面等に入射してけられ、感度に寄与しない。
【００２１】
図２は、平凸状のオンチップレンズ２１を有する固体撮像素子の第１の製造方法を示している。この第１の製造方法でも、図２（ａ）に示す様に、遮光膜１５に開口１５ａを形成するまでは従来公知の工程を実行する。しかし、この第１の製造方法では、遮光膜１５等を平坦化膜１６で覆った後、図２（ｂ）に示す様に、この平坦化膜１６のうちで遮光膜１５の開口１５ａ上の部分に凹部１６ａを形成する。
【００２２】
次に、図２（ｃ）に示す様に、平坦化膜１６よりも屈折率の高い樹脂層２２を平坦化膜１６上に平坦に塗布して、凹部１６ａを樹脂層２２で埋める。その後、図２（ｄ）に示す様に、樹脂層２２上にカラーフィルタ層１７を形成して凹部１６ａ内の樹脂層２２でオンチップレンズ２１を形成し、図２（ｅ）に示す様に、カラーフィルタ層１７上にオンチップレンズ１８を形成する。
【００２３】
図３は、両凸状のオンチップレンズ２１を有する固体撮像素子の第２の製造方法を示している。この第２の製造方法でも、図３（ａ）〜（ｃ）に示す様に、樹脂層２２を平坦化膜１６上に塗布するまでは、図２に示した第１の製造方法と実質的に同様の工程を実行する。
【００２４】
しかし、この第２の製造方法では、その後、図３（ｄ）に示す様に、樹脂層２２のうちで凹部１６ａ上以外の部分をエッチングして、凹部１６ａ上に断面が台形状の樹脂層２２を残す。そして、図３（ｅ）に示す様に、断面が台形状の樹脂層２２及び平坦化膜１６上に別の平坦化膜２３を塗布して樹脂層２２でオンチップレンズ２１を形成し、図示してはいないが、更に、カラーフィルタ層１７及びオンチップレンズ１８を形成する。
【００２５】
なお、以上の実施形態ではオンチップレンズ１８、２１が２層であるが、３層以上のオンチップレンズを固体撮像素子に設けることもできる。その場合も、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光を下層のオンチップレンズで順次に収束させる。
【００２６】
【発明の効果】
本願の発明による固体撮像素子では、センサ上の遮光膜の開口の大きさに対する遮光膜等の高さの比率が相対的に大きくても、遮光膜等による光のけられを生じることなく、この光をセンサまで導くことができるので、感度が高く画素毎の感度のむらも少ない。
【００２７】
また、上層のオンチップレンズの焦点と下層のオンチップレンズとの間の距離が下層のオンチップレンズの焦点距離の２倍よりも短ければ、下層のオンチップレンズの径が小さくても、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光のうちで下層のオンチップレンズに入射しない光が少ないので、感度が更に高い。
【００２８】
また、下層のオンチップレンズの焦点距離が上層のオンチップレンズの焦点距離よりも短ければ、下層のオンチップレンズの径が小さくても、上層のオンチップレンズで一旦収束された後に発散した光のうちで下層のオンチップレンズに入射しない光が少ないので、感度が更に高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の発明の一実施形態の概念的な側断面図である。
【図２】一実施形態の第１の製造方法を工程順に示す側断面図である。
【図３】一実施形態の第２の製造方法を工程順に示す側断面図である。
【図４】一実施形態とは構成が異なる場合の問題点を説明するための側断面図である。
【図５】一実施形態とは構成が異なる別の場合の問題点を説明するための側断面図である。
【図６】本願の発明の一従来例の側断面図である。
【符号の説明】
１８、２１ オンチップレンズ Ｐ 焦点
Claims (3)
- 複数層のオンチップレンズが設けられており、
上層の前記オンチップレンズの焦点がその下層の前記オンチップレンズよりも前記上層側に位置しており、
前記焦点と前記下層のオンチップレンズとの間の距離をＬｎとし、前記下層のオンチップレンズの焦点距離をｆｌとすると、
ｆｌ＜Ｌｎ
であることを特徴とする固体撮像素子。 - Ｌｎ＜２ｆｌ
であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記上層のオンチップレンズの焦点距離をｆｕとすると、
ｆｌ＜ｆｕ
であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02202897A JP3648736B2 (ja) | 1997-01-21 | 1997-01-21 | 固体撮像素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02202897A JP3648736B2 (ja) | 1997-01-21 | 1997-01-21 | 固体撮像素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10209409A JPH10209409A (ja) | 1998-08-07 |
| JP3648736B2 true JP3648736B2 (ja) | 2005-05-18 |
Family
ID=12071536
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02202897A Expired - Fee Related JP3648736B2 (ja) | 1997-01-21 | 1997-01-21 | 固体撮像素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005072364A (ja) * | 2003-08-26 | 2005-03-17 | Fuji Film Microdevices Co Ltd | 固体撮像素子及びその製造方法 |
| JP5404732B2 (ja) * | 2011-02-09 | 2014-02-05 | キヤノン株式会社 | 光電変換素子およびこれを用いた光電変換装置、撮像システム |
-
1997
- 1997-01-21 JP JP02202897A patent/JP3648736B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10209409A (ja) | 1998-08-07 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
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