JP6801230B2 - Solid-state image sensor and electronic equipment - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子および電子機器に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor and an electronic device.
近年では、ビデオカメラ、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話に搭載される撮像装置の高画素化、つまり画素微細化が進められている。しかし、撮像装置に組み込まれるCCDやCMOSセンサー等の固体撮像素子の画素微細化に伴い、1画素あたりに入射する光量減少による感度低下が問題となっている。 In recent years, the number of pixels of imaging devices mounted on video cameras, digital cameras, and camera-equipped mobile phones has been increased, that is, the number of pixels has been reduced. However, with the miniaturization of pixels of solid-state image pickup devices such as CCDs and CMOS sensors incorporated in image pickup devices, there is a problem that sensitivity is lowered due to a decrease in the amount of light incident on each pixel.
一般的なCCD、CMOSセンサーには、画素ごとに特定の波長の光を透過するためのカラーフィルタが形成される。最も一般的な構成では、赤色の光を通すRフィルタ、青色の光を通すBフィルタ、及び緑色の光を通すGフィルタの三種類のフィルタが、市松模様状に配置される。固体撮像装置に入射した光は、カラーフィルタによって画素ごとに特定の色に選別されて、受光素子で光を検出する。 In a general CCD or CMOS sensor, a color filter for transmitting light having a specific wavelength is formed for each pixel. In the most common configuration, three types of filters, an R filter that allows red light to pass through, a B filter that allows blue light to pass through, and a G filter that allows green light to pass through, are arranged in a checkered pattern. The light incident on the solid-state image sensor is sorted into a specific color for each pixel by a color filter, and the light is detected by a light receiving element.
カラーフィルタに一対一で対向するように配置される各マイクロレンズは、入射した光を画素の中央部に導き、受光感度の向上に寄与する。マイクロレンズ群は、略球面状の複数のマイクロレンズを画素毎に隙間無く配列することで、センサーの感度を効率的に高めることが出来る(特許文献1参照)。ここで、画素にマイクロレンズの形成されない平坦面が存在する場合、平坦面から入射した光が、カラーフィルタの隣接画素との境界面付近を通過することで、カラーフィルタの屈折率差による回折光が発生し、感度の低下、あるいは混色が発生する場合がある。そのため、マイクロレンズを配置する場合は、画素に隙間無く配置するのが望ましい。 Each microlens arranged so as to face the color filter on a one-to-one basis guides the incident light to the center of the pixel and contributes to the improvement of the light receiving sensitivity. In the microlens group, the sensitivity of the sensor can be efficiently increased by arranging a plurality of substantially spherical microlenses for each pixel without a gap (see Patent Document 1). Here, when a flat surface on which a microlens is not formed exists in the pixel, the light incident from the flat surface passes near the boundary surface with the adjacent pixel of the color filter, so that the diffracted light due to the difference in the refractive index of the color filter May occur, resulting in reduced sensitivity or color mixing. Therefore, when arranging the microlenses, it is desirable to arrange them without gaps in the pixels.
センサーの感度を高めるために、例えばマイクロレンズの曲率半径を小さくすることで集光性を高める方法がある。曲率半径を小さくする場合には、レンズの底面の面積を小さくするか、レンズの底面の面積を変えずにレンズ高さを上げる方法が一般に採用される。しかし、レンズの底面の面積を小さくすると、画素に平坦面が形成されるため、感度の低下や混色が発生しやすい。一方、レンズの高さを上げる場合、焦点位置のずれにより、フォトダイオードへの集光性が悪化し、感度の低下と混色が発生する場合がある。 In order to increase the sensitivity of the sensor, for example, there is a method of improving the light collection property by reducing the radius of curvature of the microlens. When reducing the radius of curvature, a method of reducing the area of the bottom surface of the lens or increasing the lens height without changing the area of the bottom surface of the lens is generally adopted. However, if the area of the bottom surface of the lens is reduced, a flat surface is formed on the pixels, so that sensitivity is likely to decrease and color mixing is likely to occur. On the other hand, when the height of the lens is increased, the focusing property on the photodiode deteriorates due to the deviation of the focal position, which may reduce the sensitivity and cause color mixing.
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、1画素あたりの感度を向上させることが可能な固体撮像素子および電子機器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state image sensor and an electronic device capable of improving the sensitivity per pixel.
上記課題を解決するための、本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素に区画され、各画素のそれぞれに光電変換領域が配置された半導体基板と、上記光電変換領域の光入射面側に設けられ、入射光を上記光電変換領域のそれぞれに集光させる複数のマイクロレンズが配列してなるマイクロレンズ群と、上記半導体基板と上記マイクロレンズ群との間に配置され、各画素に対応させて赤色光を透過するRフィルタと、青色光を透過するBフィルタと、緑色光を透過するGフィルタとをベイヤー配列で配置したカラーフィルタと、を備え、上記マイクロレンズ群は、隣り合うマイクロレンズ間であるレンズ境界部の断面が、上記カラーフィルタ側に凹の凹形状であり、かつ、各マイクロレンズは、レンズ中央部の断面が上記カラーフィルタから離れる方向に凸の凸形状であり、上記マイクロレンズの全波長の屈折率は1.4以上1.7以下であり、上記Rフィルタ、Gフィルタ及びBフィルタの波長450nmの各屈折率をそれぞれNr,Ng,Nbとし、上記マイクロレンズの高さをH、上記レンズ境界部における画素境界部上方での曲率半径をr、画素ピッチをPとしたとき、下記(1)式を満たすと共に、上記マイクロレンズ群において、互いに直交する2つの画素配列方向に切断したときの上記レンズ境界部の曲率半径rをそれぞれr1及びr2としたとき、r1とr2が異なる値であり、上記Rフィルタと上記Gフィルタの境界部の鉛直上における上記レンズ境界部の曲率半径をrgr、上記Bフィルタと上記Gフィルタの境界部の鉛直上における上記レンズ境界部の曲率半径をrgbと定義した場合、上記マイクロレンズ群は、|Ng−Nr|>|Ng−Nb|である場合、rgr<rgbを満たし、|Ng−Nr|<|Ng−Nb|である場合、rgr>rgbを満たすことを特徴とする。
0.05<r/P<0.24 かつ、0.36<H/P<0.5 ・・・(1)
The solid-state imaging device according to the present invention for solving the above problems is divided into a plurality of pixels, and a photoelectric conversion region is arranged in each pixel, and the solid-state imaging device according to the present invention is located on the light incident surface side of the photoelectric conversion region. It is provided between a microlens group in which a plurality of microlenses are arranged to collect incident light in each of the photoelectric conversion regions, and between the semiconductor substrate and the microlens group, and correspond to each pixel. The microlens group includes an R filter that transmits red light, a B filter that transmits blue light, and a color filter in which G filters that transmit green light are arranged in a Bayer arrangement. the cross section of the lens boundary is between is a concave-concave on the color filter side, and each microlens, the cross section of the lens central portion is a convex shape projecting in a direction away from the color filter, the The refractive index of all wavelengths of the microlens is 1.4 or more and 1.7 or less, and the refractive indices of the R filter, G filter, and B filter at wavelengths of 450 nm are Nr, Ng, and Nb, respectively, and the height of the microlens is high. When the value is H, the radius of curvature above the pixel boundary at the lens boundary is r, and the pixel pitch is P, the following equation (1) is satisfied , and in the microlens group, two pixel arrays orthogonal to each other are arranged. When the radius of curvature r of the lens boundary when cut in the direction is r1 and r2, respectively, r1 and r2 have different values, and the lens boundary is vertically above the boundary between the R filter and the G filter. When the radius of curvature of the lens is defined as rgr and the radius of curvature of the lens boundary vertically above the boundary between the B filter and the G filter is defined as rgb, the microlens group is | Ng-Nr |> | Ng-Nb. When |, rgr <rgb is satisfied, and when | Ng-Nr | << Ng-Nb |, rgr> rgb is satisfied .
0.05 <r / P <0.24 and 0.36 <H / P <0.5 ... (1)
本発明の態様によれば、マイクロレンズ群のレンズ形状を工夫することで、1画素あたりの感度を向上させることが可能となる。 According to the aspect of the present invention, it is possible to improve the sensitivity per pixel by devising the lens shape of the microlens group.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
However, in each of the figures described below, the parts corresponding to each other are designated by the same reference numerals, and the description of the overlapping parts will be omitted as appropriate. Further, the embodiment of the present invention exemplifies a configuration for embodying the technical idea of the present invention, and specifies the material, shape, structure, arrangement, dimensions, etc. of each part as follows. Not. The technical idea of the present invention may be modified in various ways within the technical scope specified by the claims stated in the claims.
<構成>
本実施形態の固体撮像素子10は、図1に示すように、半導体基板1の上に、第1の平坦化層3a、カラーフィルタ4、第2の平坦化層3b、マイクロレンズ群5がこの順番で積層されて構成される。図1では、各画素の境界部位置には、遮光膜2が立設されている。
半導体基板1の光入射側の面は、複数の画素に区画され、各画素のそれぞれに光電変換領域1aが配置されている。光電変換領域1aには例えば光電素子が配置される。本実施形態では、図1(a)のように、各画素が矩形の場合であって、直交する2方向に沿って画素が配列する場合を例示している。画素の2次元の配列方向は、互いに直交していなくても良い。
<Composition>
As shown in FIG. 1, the solid-
The surface of the
マイクロレンズ群5は、光電変換領域1aの光入射面側に設けられ、入射光を光電変換領域1aのそれぞれに集光させる複数のマイクロレンズ5Aが配列することで構成される。即ち、画素単位に、各マイクロレンズ5Aは、画素の直上に配置される。
カラーフィルタ4は、半導体基板1とマイクロレンズ群5との間に配置され、複数の上記光電変換領域1aの各々に対応させて複数色を予め設定した規則パターンで配置される。本実施形態のカラーフィルタ4は、赤色光を透過するRフィルタと、青色光を透過するBフィルタと、緑色光を透過するGフィルタとが予め設定した規則パターンで配置されて構成される。
The
The
すなわち、本実施形態の固体撮像素子10のカラーフィルタ4は、図1に示すように、光電変換領域1aの光入射面側(図1(b)、(c)では、上面)に設けられ、赤色光を透過するRフィルタ(図1(a)で「R」と記載)、青色光を透過するBフィルタ(図1(a)で「B」と記載)、緑色光を透過するGフィルタ(図1(a)で「G」と記載)とをそれぞれ有するカラーフィルタ4と、カラーフィルタ4の光入射面側に設けられ、カラーフィルタの表面を平坦化する第2の平坦化層3bと、第2の平坦化層3bを介してカラーフィルタ4の光入射面側に設けられ、Rフィルタ、Bフィルタ及びGフィルタと一対一で向かい合う複数のマイクロレンズ5Aを有するマイクロレンズ群5と、を備える。
That is, as shown in FIG. 1, the
また、マイクロレンズ群5は、隣り合うマイクロレンズ5A間であるレンズ境界部5aの断面が、カラーフィルタ4側に凹に湾曲した谷状の凹形状であり、かつ、各マイクロレンズ5Aは、レンズ中央部の断面がカラーフィルタ4から離れる方向に凸の凸形状である。マイクロレンズ5Aの高さをH、レンズ境界部5aにおける画素境界部上方での曲率半径をr、画素ピッチをPとしたとき、マイクロレンズ群5は、0.05<r/P<0.24 かつ、0.36<H/P<0.5を満たすように形成される。
Further, the
すなわち、マイクロレンズ群5は、画素境界部の直上に位置するレンズ境界部5aの断面が、谷を形成するように滑らかに湾曲した形状をなす。ここで、図1(a)に示すV1、V2は互いに直交する画素配列方向を表す。マイクロレンズ群5を断面V1、V2で切断したとき、図1(b)及び(c)に示すように、画素境界部の直上におけるレンズ境界部5aの谷を円でフィッティングした場合、その円をC1、C2とする。それぞれの円C1、C2の曲率半径rを、r1、r2とする。r1とr2は等しくても良いし、異なっていても良い。
ここで、円C1、C2と接触するマイクロレンズ群5の位置がレンズ境界部5aである。
That is, the
Here, the position of the
また、r1とr2が異なっている場合には、断面V1方向と断面V2方向でマイクロレンズ5Aのレンズ中央部の曲率半径の違いにより、V1方向とV2方向でマイクロレンズ5Aの集光特性が異なる。そのため、例えばフォトダイオードがV1方向とV2方向で寸法が異なる非対称形状の場合に、フォトダイオードの形状に合わせて光を集光させることが出来、感度を効率的に高められるという効果を奏する。
各マイクロレンズ5Aの立体的な形状の例を図2に示す。図2(a)は本発明に基づくマイクロレンズ5Aの形状を、(b)は、レンズ境界部5aの谷を形成する部分を丸めない従来のマイクロレンズ5Aの形状の一例を表す。
画素ピッチをP、マイクロレンズ5Aの高さをHと定義する。このとき、マイクロレンズ群5の各マイクロレンズ5Aの集光性を高めるには、0.05<ri/P<0.24 (i=1,2)かつ、0.36<H/P<0.5を満たす範囲に設定するのが望ましい。
When r1 and r2 are different, the focusing characteristics of the
An example of the three-dimensional shape of each microlens 5A is shown in FIG. FIG. 2A shows an example of the shape of the
The pixel pitch is defined as P, and the height of the
次に、図3を参照して、0.05<ri/P<0.24 (i=1,2)の範囲に曲率半径riを設定する理由を述べる。
図3(a)は、ri/Pが0.24よりも大きい場合、図3(b)は、ri/Pが0.05よりも小さい場合、図3(c)は、0.05<ri/P<0.24を満たす場合の、各入射光の振る舞いを模式的に示したものである。
図3(a)では、レンズ境界部5a付近のマイクロレンズ5Aが平坦に近いため、平坦面を直進した光がカラーフィルタの境界部付近へ侵入する。カラーフィルタは、各色で異なる屈折率材料で形成されるため、カラーフィルタ境界部での屈折率差により光が回折して、一部の光は隣接画素へ散乱される。そのため、センサーの混色や感度低下を引き起こす。また、図3(b)では、レンズ境界部5a付近のマイクロレンズ5Aは傾斜しているため、マイクロレンズ5Aで光が屈折され、画素中央部に光が集められる。この場合、カラーフィルタの境界部付近へ侵入する光が少ないため、回折光による混色や感度低下は発生しにくい。しかしこの場合、マイクロレンズ5Aの頂部(中央部)の曲率半径が、図3(a)と比べて大きいため、光電変換領域1a内部に光を集める能力が劣る。一方、図3(c)では、レンズ境界部5a付近のマイクロレンズ5Aは傾斜しているため、マイクロレンズ5Aで光が屈折され、画素中央部に光が集められる。また、カラーフィルタの境界部付近へ侵入する光が少ないため、回折光による混色や感度低下は発生しにくい。さらに、図3(c)は、図3(b)と比べるとマイクロレンズ5Aの頂部(中央部)の曲率半径が小さいため、光電変換領域1aの内部に光を集める能力が図3(c)と比べて改善される。このように、レンズ境界部5aの曲率半径riを0.05<ri/P<0.24を満たす範囲に設定することで、マイクロレンズ5Aの集光性を犠牲にせず、混色や感度低下を抑えることが出来る。なお、詳細は実施例に記述する。
Next, with reference to FIG. 3, the reason for setting the radius of curvature ri in the range of 0.05 <ri / P <0.24 (i = 1, 2) will be described.
3 (a) shows when ri / P is greater than 0.24, FIG. 3 (b) shows when ri / P is less than 0.05, and FIG. 3 (c) shows 0.05 <ri. The behavior of each incident light when / P <0.24 is satisfied is schematically shown.
In FIG. 3A, since the
次に、0.36<H/P<0.5を満たす範囲にレンズ高さHを設定することが望ましい理由を、図4を用いて述べる。
図4(a)はH/Pが0.5よりも大きい場合、図4(b)はH/Pが0.36よりも小さい場合、図4(c)は0.36<H/P<0.5を満たす場合の、各入射光の振る舞いを模式的に示したものである。
図4(a)の場合、レンズ頂部の曲率半径が図4(b)や図4(c)と比べて小さいため、図4(b)や図4(c)と比べるとマイクロレンズ5Aの集光性が高い。しかし、マイクロレンズ5Aの高さが上昇するに従い、マイクロレンズ5Aの焦点位置が光入射側にシフトするため、光電変換領域1aに広がった光が入射し、隣接画素への光入射による混色や感度低下が発生する。また図4(b)の場合、レンズ頂部(レンズ中央部)の曲率半径が図4(a)や図4(c)と比べて大きいため、図4(a)や図4(c)と比べるとマイクロレンズ5Aの集光性が低くなる。そのため、光電変換領域1aに集光できない光が発生し、感度低下を引き起こす。レンズ高さHを図4(c)のような範囲に設定することで、光電変換領域1aに光を効果的に集めることができる。
Next, the reason why it is desirable to set the lens height H in the range satisfying 0.36 <H / P <0.5 will be described with reference to FIG.
4 (a) shows the case where the H / P is larger than 0.5, FIG. 4 (b) shows the case where the H / P is smaller than 0.36, and FIG. 4 (c) shows 0.36 <H / P <. The behavior of each incident light when 0.5 is satisfied is schematically shown.
In the case of FIG. 4A, the radius of curvature of the top of the lens is smaller than that of FIGS. 4B and 4C, so that the collection of
固体撮像素子10に入射した光は、マイクロレンズ群5の各マイクロレンズ5Aで屈折し、さらに、カラーフィルタ4を透過して、画素ごとの色に応じた光が光電変換領域1aに集光する。光電変換領域1aは、画素ごとに分離されており、光電変換領域1aに光が照射されることで発生した電荷が電子回路に流れ、信号として読み出される。
The light incident on the solid-
基板1および光電変換領域1aは例えばシリコンで構成される。画素間の混色を防ぐため、必要に応じて遮光膜2をアルミニウム、銀、クロム、タングステンなどの金属で形成する。第1の平坦化層3aは、基板1上に形成されており、光電変換領域1aと遮光膜2とを覆っている。第1の平坦化層3aの表面は、基板1の表面に平行な平坦面である。この第1の平坦化層3a及び第2の平坦化層3bは、酸化シリコンや窒化シリコン等で形成する。
The
カラーフィルタ4は、第1の平坦化層3a上に形成されている。カラーフィルタ4は、例えば、G(緑)、B(青)、R(赤)の色に対応する波長を選択的に透過する顔料や染料を含んだ有機材料により構成される。マイクロレンズ群5の各マイクロレンズ5Aは、例えば屈折率が1.4以上1.7以下程度の透明樹脂により構成される。
The
カラーフィルタ4の代表的な配列方式は、図1(a)に示したような緑市松(べイヤー(Bayer)配列)である。色再現性が高く、デジタルカメラを中心に多く採用されている配列方式である。
A typical arrangement method of the
R、G、Bの各フィルタの波長450nmの屈折率をそれぞれ、Nr、Ng、Nbとし、R画素とG画素の境界部におけるレンズ境界部5aの曲率半径rをrgr、B画素とG画素の境界部におけるレンズ境界部5aの曲率半径rをrgbとすると、
|Ng−Nr|>|Ng−Nb|である場合には、rgr<rgbを満たし、
|Ng−Nr|<|Ng−Nb|である場合には、rgr>rgbを満たすように、マイクロレンズ群5の各マイクロレンズ5Aを形成することが好ましい。
このように、カラーフィルタ4の屈折率差に応じて、マイクロレンズ群5のレンズ境界部5aでの曲率半径riを境界面で異なる値としても良い。カラーフィルタ4の屈折率差が大きい境界面で回折光が発生しやすくなるため、マイクロレンズ群5の谷部を形成するレンズ境界部5aでの曲率半径riは、カラーフィルタの屈折率差の大きな画素境界部で小さくするように設計するのが好ましい。
The refractive indexes of the R, G, and B filters at wavelengths of 450 nm are Nr, Ng, and Nb, respectively, and the radius of curvature r of the
When | Ng-Nr |> | Ng-Nb |, rgr <rgb is satisfied, and
When | Ng-Nr | << Ng-Nb |, it is preferable to form each
In this way, the radius of curvature ri at the
ここで、波長450nmの屈折率で規定している理由は、BLUE画素からGREEN画素方向への混色を抑制するためである。フォトダイオードの一般的な特性として、シリコンフォトダイオードの最表面における電子とホールの再結合等により短波長の光は感度が低下しやすい。そのため、混色によりBLUE画素からGREEN画素方向へ光が流れると、もともと低くなる傾向のあるBLUE画素の感度をさらに低下させることになり好ましくないためである。
上記マイクロレンズ5Aは、例えば、画素中央部の直上に位置するレンズ中央部の形状が球面や楕円体若しくはそれに近似する曲面の一部とする。このような形状とすることで、他の形状と比べてマイクロレンズ5Aの焦点の収差を低減し、効率的に光電変換領域1aに光を集光することが出来る。あるいは、放物面形状若しくはそれに近似する曲面の一部としても良い。放物面形状の一部とする場合、球面や楕円体の一部と比べてマイクロレンズ5Aの頂部の曲率半径が小さくなるため、マイクロレンズ5Aの高さが低い場合に効率的に光を光電変換領域1aに光を集光することが出来る。
Here, the reason why the refractive index is specified at a wavelength of 450 nm is to suppress color mixing in the direction from the BLUE pixel to the GREEN pixel. As a general characteristic of a photodiode, the sensitivity of short-wavelength light tends to decrease due to the recombination of electrons and holes on the outermost surface of the silicon photodiode. Therefore, when light flows from the BLUE pixel toward the GREEN pixel due to color mixing, the sensitivity of the BLUE pixel, which originally tends to be low, is further lowered, which is not preferable.
The
固体撮像素子10に入射した光Lは、マイクロレンズ5Aにより集光され、カラーフィルタ4に入射する。カラーフィルタ4では、画素に応じて必要な波長の光が透過し、不要な波長の光は吸収される。
カラーフィルタ4を透過した光は、第1の平坦化層3aを透過し、光電変換領域1aに集光される。光電変換領域1aに光が照射されると、光強度に比例して電荷が発生し、発生した電荷は電子回路に転送されて信号が読み出される。
The light L incident on the solid-
The light that has passed through the
<製造方法>
マイクロレンズ群5の作製方法の一例は、以下の通りである。
上記説明してきたマイクロレンズ群5は、光リソグラフィを利用することで作製できる。光リソグラフィを利用する方法として、熱フローを利用する方法と、グレースケールマスクを利用する方法が知られている。前者の方法では、マイクロレンズ群5に対応するパターンが形成されたフォトマスクを用いて基材上に塗布された感光性レジストを露光し、現像することで立体形状の矩形パターンを作製する。その後、熱フローによりレジストを曲面形状に変形させることで、マイクロレンズ群5を形成する。さらに、必要に応じ、レジストを基材とともにエッチングすることで、基材にマイクロレンズ群5のパターンを転写する。
後者の方法では、光透過率が段階的に変化するマスクを使用してレジストを露光、現像し、立体的なレジストパターンを得る。さらに、必要に応じ、レジストパターンを基材に転写することで、基材のマイクロレンズパターンを作製する。本発明におけるマイクロレンズ群5の各マイクロレンズ5Aは、形状が複雑であるため、後者の方法を用いるのが理想的である。
<Manufacturing method>
An example of a method for producing the
The
In the latter method, the resist is exposed and developed using a mask whose light transmittance changes stepwise to obtain a three-dimensional resist pattern. Further, if necessary, the resist pattern is transferred to the base material to produce a microlens pattern of the base material. Since each
<実施形態の効果>
本発明の実施形態に係るマイクロレンズ群5は、レンズ間のレンズ境界部5aの断面が凹形状であり、かつ、レンズ中央部の断面が凸形状である。また、各マイクロレンズ5Aの高さをH、マイクロレンズ群5のレンズ境界部5aの曲率半径をri、画素ピッチをPとしたとき、0.05<ri/P<0.2(i=1、2) かつ、0.36<H/P<0.5とする。
この構成によれば、マイクロレンズ5Aの集光性を高めつつ、カラーフィルタ4の屈折率差による散乱を抑えることが出来る。この結果、センサーの感度を従来のマイクロレンズ5Aを使用した場合と比べて高めることが出来る。
<Effect of embodiment>
In the
According to this configuration, it is possible to suppress scattering due to the difference in refractive index of the
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、固体撮像素子の1画素あたりの感度を向上させることが可能である。この固体撮像素子を例えばデジタルカメラやビデオカメラ、カメラ付き携帯電話等に代表される電子機器に適用することで、これらの電子機器の感度と画質の均一性を高めることができる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, it is possible to improve the sensitivity per pixel of the solid-state image sensor. By applying this solid-state image sensor to electronic devices such as digital cameras, video cameras, and camera-equipped mobile phones, it is possible to improve the sensitivity and uniformity of image quality of these electronic devices.
次に、本発明の実施例と比較例とについて説明する。
マイクロレンズ群5の各マイクロレンズ5Aは、放物面形状をベースに、レンズ間のレンズ境界部5aの谷部分に所定の曲率半径rで凹形状の丸みが形成されるように、マイクロレンズ群の各マイクロレンズ5Aの形状を設計した。カラーフィルタ4はベイヤー配列とした。感度シミュレーションは、波長オーダーの構造の光学解析で一般的に用いられる時間領域差分法(FDTD法)を用いて実施した。
計算条件は次の通りである。
Next, Examples and Comparative Examples of the present invention will be described.
Each
The calculation conditions are as follows.
〔計算条件〕
・画素ピッチ:1200nm(1.2μm)
・マイクロレンズ5Aの高さ:350nm〜600nm(50nm刻み)
・マイクロレンズ5Aの屈折率:1.6(全波長)
・カラーフィルタ4:700nm厚、RGB3色のベイヤー配列
・Rフィルタの屈折率:1.75(波長450nm)
・Gフィルタの屈折率:1.74(波長450nm)
・Bフィルタの屈折率:1.45(波長450nm)
・遮光膜2:なし
・第1の平坦化層3aの厚み:500nm
・第2の平坦化層3bの厚み:100nm
・入射波長:400nm〜700nm(10nm刻み)
・入射角:0°、15°
・偏光:TE波、TM波
・受光面:平坦化層3と光電変換領域1aとの界面に設定(受光面は画素面積の80%に設定)
〔Calculation condition〕
-Pixel pitch: 1200 nm (1.2 μm)
-Height of
・ Refractive index of
・ Color filter 4: 700 nm thickness, Bayer arrangement of 3 RGB colors ・ Refractive index of R filter: 1.75 (wavelength 450 nm)
-Refractive index of G filter: 1.74 (wavelength 450 nm)
-Refractive index of B filter: 1.45 (wavelength 450 nm)
-Light-shielding film 2: None-Thickness of the
-Thickness of the
-Incident wavelength: 400 nm to 700 nm (in 10 nm increments)
・ Incident angle: 0 °, 15 °
-Polarized light: TE wave, TM wave-Light receiving surface: Set at the interface between the flattening layer 3 and the photoelectric conversion region 1a (the light receiving surface is set to 80% of the pixel area)
マイクロレンズ群5のレンズ境界部5aの曲率半径ri(i=1,2)を以下のように設定した(riの値はマイクロレンズ5Aの高さに関わらず、r1=r2とした)。
(実施例1)88nm(ri/P=0.07)
(実施例2)135nm(ri/P=0.11)
(実施例3)185nm(ri/P=0.15)
(比較例1)60nm(ri/P=0.05)
(比較例2)240nm(ri/P=0.20)
(比較例3)293nm(ri/P=0.24)
(比較例4)377nm(ri/P=0.31)
The radius of curvature ri (i = 1, 2) of the
(Example 1) 88 nm (ri / P = 0.07)
(Example 2) 135 nm (ri / P = 0.11)
(Example 3) 185 nm (ri / P = 0.15)
(Comparative Example 1) 60 nm (ri / P = 0.05)
(Comparative Example 2) 240 nm (ri / P = 0.20)
(Comparative Example 3) 293 nm (ri / P = 0.24)
(Comparative Example 4) 377 nm (ri / P = 0.31)
以上の実施例・比較例の条件において、R画素、G画素、B画素の感度シミュレーションを実施した。
ここで、R画素の感度は波長600nm〜700nmの平均値、G画素の感度は波長510nm〜570nmの平均値、B画素の感度は波長420nm〜470nmの平均値で計算を行った。シミュレーションでは、入射光量に対する光電変換領域1aへ入射した光量のTE波とTM波の平均を計算し、図2(b)に示すリファレンス(放物面形状・高さ450nm)の光量との比を計算した。
結果を表1、表2に示す。
表1は、(a)GREEN画素、(b)BLUE画素、(c)RED画素の、垂直入射における感度の値である。表2は、(a)GREEN画素、(b)BLUE画素、(c)RED画素の、斜め15°入射における感度の値である。
Under the conditions of the above Examples and Comparative Examples, sensitivity simulations of R pixels, G pixels, and B pixels were performed.
Here, the sensitivity of the R pixel was calculated with an average value of a wavelength of 600 nm to 700 nm, the sensitivity of the G pixel was calculated with an average value of a wavelength of 510 nm to 570 nm, and the sensitivity of the B pixel was calculated with an average value of a wavelength of 420 nm to 470 nm. In the simulation, the average of the TE wave and the TM wave of the amount of light incident on the photoelectric conversion region 1a with respect to the amount of incident light is calculated, and the ratio of the amount of light of the reference (parabolic shape / height 450 nm) shown in FIG. 2B is calculated. Calculated.
The results are shown in Tables 1 and 2.
Table 1 shows the sensitivity values of (a) GREEN pixel, (b) BLUE pixel, and (c) RED pixel in vertical incidence. Table 2 shows the sensitivity values of (a) GREEN pixel, (b) BLUE pixel, and (c) RED pixel at an oblique angle of 15 °.
表1、表2における、灰色で塗り撫したセルは、感度がリファレンスに対して1%以上低下した条件を表す。マイクロレンズ5Aの高さが400nm以下の場合、或いはri/Pが0.24以上の場合、BLUE画素の感度がリファレンスと比べて大きく低下する結果となった。一方、マイクロレンズ5Aの高さが550nm以上の場合、斜め15°の条件においてRED画素の感度が大きく低下する結果となった。ri/Pが0.05以下の場合、マイクロレンズ5Aの高さを変えてもリファレンスとの感度差が±1%未満と微小であり、シミュレーションの誤差以上の有意な感度上昇が得られなかった。リファレンスとの有意な感度差1%以上を得るためには、ri/Pは0.05よりも大きく、0.24未満であることが望ましい。さらに、H/Pは0.36よりも大きく、0.5未満であることが望ましい。
The cells painted in gray in Tables 1 and 2 represent the condition in which the sensitivity is reduced by 1% or more with respect to the reference. When the height of the
ri/Pが0.24以上でBLUE画素の感度低下が大きくなるのは、BLUEフィルタの屈折率が、GREENフィルタの屈折率と比べて大きな差があるため、BLUE画素方向からGREEN画素方向へ回折光が発生し、BLUE画素の光電変換領域1aに入射する光量が減少するためである。一方、REDフィルタとGREENフィルタの屈折率は差が小さいため、回折光が発生せず、BLUE画素に見られるような感度低下は発生しない。従って、GREEN画素とRED画素の境界部におけるレンズ境界部5aの谷部曲率半径rgrは、GREEN画素とBLUE画素の境界部における谷部曲率半径rgbと比べて小さくなるように設定しても、問題はない。
When the ri / P is 0.24 or more, the sensitivity of the BLUE pixel decreases significantly because the refractive index of the BLUE filter has a large difference from the refractive index of the GREEN filter, so that the diffraction is performed from the BLUE pixel direction to the GREEN pixel direction. This is because light is generated and the amount of light incident on the photoelectric conversion region 1a of the BLUE pixel is reduced. On the other hand, since the difference between the refractive indexes of the RED filter and the GREEN filter is small, diffracted light is not generated, and the sensitivity decrease as seen in BLUE pixels does not occur. Therefore, even if the valley radius of curvature rgr of the
1 基板
1a 光電変換領域
2 遮光膜
3a 第1の平坦化層
3b 第2の平坦化層
4 カラーフィルタ
5 マイクロレンズ群
5A マイクロレンズ
5a レンズ境界部
10 固体撮像素子
1 Substrate 1a
Claims (8)
上記光電変換領域の光入射面側に設けられ、入射光を上記光電変換領域のそれぞれに集光させる複数のマイクロレンズが配列してなるマイクロレンズ群と、
上記半導体基板と上記マイクロレンズ群との間に配置され、各画素に対応させて赤色光を透過するRフィルタと、青色光を透過するBフィルタと、緑色光を透過するGフィルタとをベイヤー配列で配置したカラーフィルタと、
を備え、
上記マイクロレンズ群は、隣り合うマイクロレンズ間であるレンズ境界部の断面が、上記カラーフィルタ側に凹の凹形状であり、かつ、各マイクロレンズは、レンズ中央部の断面が上記カラーフィルタから離れる方向に凸の凸形状であり、
上記マイクロレンズの全波長の屈折率は1.4以上1.7以下であり、
上記Rフィルタ、Gフィルタ及びBフィルタの波長450nmの各屈折率をそれぞれNr,Ng,Nbとし、
上記マイクロレンズの高さをH、上記レンズ境界部における画素境界部上方での曲率半径をr、画素ピッチをPとしたとき、下記(1)式を満たすと共に、
上記マイクロレンズ群において、互いに直交する2つの画素配列方向に切断したときの上記レンズ境界部の曲率半径rをそれぞれr1及びr2としたとき、r1とr2が異なる値であり、
上記Rフィルタと上記Gフィルタの境界部の鉛直上における上記レンズ境界部の曲率半径をrgr、上記Bフィルタと上記Gフィルタの境界部の鉛直上における上記レンズ境界部の曲率半径をrgbと定義した場合、
上記マイクロレンズ群は、
|Ng−Nr|>|Ng−Nb|である場合、rgr<rgbを満たし、
|Ng−Nr|<|Ng−Nb|である場合、rgr>rgbを満たす
ことを特徴とする固体撮像素子。
0.05<r/P<0.24 かつ、0.36<H/P<0.5 ・・・(1) A semiconductor substrate divided into a plurality of pixels and a photoelectric conversion region is arranged in each pixel.
A group of microlenses provided on the light incident surface side of the photoelectric conversion region and having a plurality of microlenses arranged to collect the incident light in each of the photoelectric conversion regions.
A Bayer arrangement of an R filter that is arranged between the semiconductor substrate and the microlens group and transmits red light corresponding to each pixel, a B filter that transmits blue light, and a G filter that transmits green light. With the color filter placed in
With
In the microlens group, the cross section of the lens boundary between adjacent microlenses is concave on the color filter side, and in each microlens, the cross section of the central part of the lens is separated from the color filter. It has a convex shape that is convex in the direction,
The refractive index of all wavelengths of the microlens is 1.4 or more and 1.7 or less.
The refractive indexes of the R filter, G filter, and B filter at a wavelength of 450 nm are defined as Nr, Ng, and Nb, respectively.
When the height of the microlens is H, the radius of curvature above the pixel boundary at the lens boundary is r, and the pixel pitch is P, the following equation (1) is satisfied and the result is satisfied .
In the microlens group, when the radius of curvature r of the lens boundary portion when cut in the directions of two pixel arrangements orthogonal to each other is r1 and r2, respectively, r1 and r2 are different values.
The radius of curvature of the lens boundary on the vertical boundary between the R filter and the G filter is defined as rgr, and the radius of curvature of the lens boundary on the vertical boundary between the B filter and the G filter is defined as rgb. If
The above microlens group
When | Ng-Nr |> | Ng-Nb |, rgr <rgb is satisfied, and
When | Ng-Nr | << | Ng-Nb |, the solid-state image sensor is characterized in that rgr> rgb is satisfied .
0.05 <r / P <0.24 and 0.36 <H / P <0.5 ... (1)
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the length between the semiconductor substrate and the microlens group is 1300 nm .
上記カラーフィルタと上記マイクロレンズ群との間に配置された第2の平坦化層と、
を備え、
上記カラーフィルタの厚みは700nm、上記第1の平坦化層の厚みは500nm、上記第2の平坦化層の厚みは100nmである
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。 A first flattening layer arranged between the semiconductor substrate and the color filter,
A second flattening layer arranged between the color filter and the microlens group,
With
The solid-state image sensor according to claim 2, wherein the thickness of the color filter is 700 nm, the thickness of the first flattening layer is 500 nm, and the thickness of the second flattening layer is 100 nm .
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の固体撮像素子。The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 3, characterized in that.
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の固体撮像素子。The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 4, characterized in that.
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 5 , wherein the shape of the central portion of the lens is a part of an ellipsoidal shape.
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 5 , wherein the shape of the central portion of the lens is a part of the parabolic shape.
ことを特徴とする電子機器。 An electronic device comprising the solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 7 .
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