JP7042451B2

JP7042451B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP7042451B2
Application number: JP2020507202A
Authority: JP
Inventors: 学薄田; 繁齋藤; 三佳森
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2022-03-28
Anticipated expiration: 2038-03-22
Also published as: JPWO2019180863A1; WO2019180863A1

Description

本開示は、固体撮像装置に関し、特に、大規模な画素回路を必要とする固体撮像装置に関する。

ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）型イメージセンサ等の固体撮像装置は、受光部を有する複数の半導体集積回路（単位画素）を２次元状に配列して撮像領域を構成し、被写体からの光信号を電気信号に変換して画像を出力する。イメージセンサの感度は、入射光量に対する受光部の出力電流の大きさによって定義されるため、入射光を確実に受光部に導入することが感度向上のためには重要な要素となる。

ところで、近年の先進運転支援システム（Advanced Driver Assistance System：ＡＤＡＳ）技術の進展に伴い、自動車へのＡＤＡＳシステム導入が急速に進んでおり、従来の輝度画像の取得に加えて、被写体の距離を算出する距離画像（Time of Flight：ＴＯＦ）センサへの要望が高まってきている。距離画像センサは、被写体の距離を画素ごとに算出するための大規模な画素回路が必要となる。このため、画素回路の配置領域に入射する光をいかに損失なく受光部に導入するかが課題となる。

近年、受光部と信号読み出しのための出力回路部とを分離し、受光部を配置する画素（受光画素）上に形成するマイクロレンズを、出力回路部を形成する画素（回路画素）まで延伸して配置することにより、感度ロスを低減する構造が提案されている。

例えば、特許文献１では、緑色画素を市松模様状に配置した上で、青色画素と赤色画素とを１行毎及び１列毎に交互に配置し、また、上下左右を緑色画素に囲まれた画素領域に回路画素を配置した構造が提案されている。回路画素は、緑色用、青色用及び赤色用の３種類があり、各色の受光画素とそれに対応した回路画素との中間の位置に転送ゲート電極を配置している。

特開２０１６－５８８１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された構成では、緑色画素に対して、受光画素と回路画素の中間の位置に転送ゲート電極が配置されるため、マイクロレンズを回路画素上に延伸したとしても、入射光の一部がゲート電極に阻まれて、受光ロスが発生する。また、３×３画素の領域に着目すると、赤色画素と青色画素とは２画素分が含まれるのに対し、緑色画素は４画素分が含まれるレイアウトとなっている。このため、色のバランスが崩れる結果、色の再現性が低下してしまうという問題もある。

本開示は、前記従来の問題を解決し、単位画素内に受光画素と回路画素とを配置した固体撮像装置において、回路画素に入射する入射光の受光ロスを低減できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本開示は、特定の受光画素を覆う集光レンズの一部を回路画素上に延伸し、該特定の受光画素からの回路画素への電荷の転送を行う転送部を上記集光レンズの長軸方向から離して配置する構成とする。

具体的に、本開示は、固体撮像装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、本開示の一態様は、２次元状に配置された複数の画素を備え、複数の画素は単位構造を含み、該単位構造は、それぞれ、第１の受光部と該第１の受光部を覆う第１の集光レンズとを含む第１の画素部と、第２の受光部と該第２の受光部を覆う第２の集光レンズとを含む第２の画素部と、第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部を含む第３の画素部と、第１の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部と、第２の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第２の転送部とを有している。第１の画素部は、第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、第２の画素部は、第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、第２の転送部は、平面視で第２の画素部と第３の画素部との間に配置され、第１の集光レンズは、その一部が第３の画素部の上に延伸しており、第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。

また、本開示の他の態様は、２次元状に配置された複数の画素を備え、複数の画素は単位構造を含み、単位構造は、それぞれ、第１の受光部と該第１の受光部を覆う第１の集光レンズとを含む第１の画素部と、第２の受光部と導波路とを含む第２の画素部と、第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部を含む第３の画素部と、第１の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部と、第２の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第２の転送部とを有している。第１の画素部は、第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、２の画素部は、第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、第２の転送部は、平面視で第２の画素部と第３の画素部との間に配置され、第１の集光レンズは、その一部が第３の画素部の上に延伸しており、第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。

本発明によれば、単位画素内に受光画素と回路画素とを配置した固体撮像装置において、回路画素に入射する入射光の受光ロスを低減することができる。

図１は第１実施形態に係る固体撮像装置の２次元配列された画素を示す模式的な部分平面図である。図２は図１のＩ－Ｉ線における模式的な断面図である。図３は第１実施形態の一変形例に係る固体撮像装置を示す模式的な部分平面図である。図４は第２実施形態に係る固体撮像装置の２次元配列された画素を示す模式的な部分平面図である。図５は第３実施形態に係る固体撮像装置の２次元配列された画素を示す模式的な部分平面図である。

第１実施形態に係る固体撮像装置は、２次元状に配置された複数の画素を備え、複数の画素は単位構造を含み、該単位構造は、それぞれ、第１の受光部と該第１の受光部を覆う第１の集光レンズとを含む第１の画素部と、第２の受光部と該第２の受光部を覆う第２の集光レンズとを含む第２の画素部と、第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部を含む第３の画素部と、第１の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部と、第２の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第２の転送部とを有している。第１の画素部は、第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、第２の画素部は、第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、第２の転送部は、平面視で第２の画素部と第３の画素部との間に配置され、第１の集光レンズは、その一部が第３の画素部の上に延伸しており、第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。

これによれば、第１の画素部を覆う第１の集光レンズは、その一部が出力回路部を含む第３の画素部の上に延伸し、且つ、第１の画素部からの信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。これにより、第１の集光レンズの第３の画素部上部分から入射する入射光が出力回路部のゲート電極等に阻まれることなく、第１の受光部に入射される。その結果、回路画素である第３の画素部に入射する入射光の受光ロスを低減することができる。その上、例えば、ＲＧＢカラーイメージングにおいて、２×２画素の領域に赤色、緑色及び青色の各画素を１つずつ配置することが可能となるので、色のバランスを保つことが可能となる。

第１実施形態において、第１の転送部は、第１の集光レンズの長軸に対して第２の転送部と互いに対向する位置に配置されていてもよい。

このようにすると、第１から第３の各画素部を２次元状に敷き詰めることが容易となる。

第１実施形態において、第１の画素部と第２の画素部とは、互いに異なる波長帯域の光を受光してもよい。

この場合に、第１の画素部は、第２の画素部よりも長波長帯域の光を受光してもよい。

これによれば、長波長帯域の光は短波長帯域の光と比べて感度が低いため、回路画素である第３の画素の上に延伸する第１の受光レンズを有し、感度を向上した第１の画素部に長波長帯域の光を受光させるので、高感度化を実現することができる。

また、第１実施形態において、第１の画素部と第２の画素部とは、同一波長帯域の光を受光してもよい。

これによれば、例えば、赤外線センサとしての用途に有効である。

第１実施形態において、第１の受光部と第２の受光部とは、第１の集光レンズと第２の集光レンズとの大きさの違いに応じて、互いに平面形状が異なっていてもよい。

これによれば、第１の受光部の平面積は、第２の受光部の平面積よりも実質的に大きくなるため、回路画素部である第３の画素部の上に延伸した第１の集光レンズからの屈折光を受ける第１の受光部における光の感度が向上する。

第２実施形態に係る固体撮像装置は、２次元状に配置された複数の画素を備え、複数の画素は単位構造を含み、該単位構造は、それぞれ、第１の受光部と該第１の受光部を覆う集光レンズとを含む第１の画素部と、第２の受光部と導波路とを含む第２の画素部と、第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部を含む第３の画素部と、第１の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部と、第２の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第２の転送部とを有している。第１の画素部は、第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、第２の画素部は、第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、第２の転送部は、平面視で第２の画素部と第３の画素部との間に配置され、集光レンズは、その一部が第３の画素部の上に延伸しており、第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。

これによれば、第１の画素部を覆う光レンズは、その一部が出力回路部を含む第３の画素部の上に延伸し、且つ、第１の画素部からの信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。これにより、集光レンズの第３の画素部上部分から入射する入射光が出力回路部のゲート電極等に阻まれることなく、第１の受光部に入射される。その結果、回路画素である第３の画素部に入射する入射光の受光ロスを低減することができる。その上、レンズを設けていない第２の画素部には、可視光の明暗（例えば、モノクローム（monochrome）、以下、モノクロと呼ぶ。）に感度を持たせ、第３の画素部の上に延伸したレンズを持つ第１の画素部には、より長波長の赤外線に感度を持たせることができる。

第２実施形態において、第１の転送部は、集光レンズの長軸に対して第２の転送部と互いに対向する位置に配置されていてもよい。

第２実施形態において、第１の画素部と第２の画素部とは、互いに異なる波長帯域の光を受光してもよい。

第２実施形態において、第１の画素部と第２の画素部とは、同一波長帯域の光を受光してもよい。

第２実施形態において、第１の受光部の平面積は、第２の受光部の平面積よりも大きくてもよい。

これによれば、回路画素部である第３の画素部の上に延伸した第１の集光レンズからの屈折光を受ける第１の受光部における光の感度が向上する。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物又はその用途を制限することを意図しない。また、各図面において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付し、その説明を省略する。また、各構成部材の寸法比は便宜上に過ぎず、実寸比を表すものではない。

（第１実施形態）
本開示の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は第１実施形態に係る固体撮像装置の平面構成を示している。図２は図１のＩ－Ｉ線における断面構成を示している。ここで、「平面」とは、固体撮像装置１００における受光面の法線方向から見た面をいう。

図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、単位構造１０が２次元状に配置されて構成されている。ここでは、単位構造１０は２×２画素構成である。単位構造１０は、マイクロレンズ１０１Ａと受光部１０２Ａとを含む第１の画素部としての受光画素Ａｒ、Ａｇと、マイクロレンズ１０１Ｂと受光部１０２Ｂとを含む第２の画素部としての受光画素Ｂｂと、各画素Ａｒ、Ａｇ及びＢｂによりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部１０３を含む第３の画素部としての回路画素Ｃとを有している。受光画素Ａｒ、Ａｇは、回路画素Ｃに対して、平面視で縦方向又は横方向に隣接して配置される。これに対し、受光画素Ｂｂは、回路画素Ｃに対して平面視で対角方向に隣接して配置される。なお、本実施形態においては、受光画素Ａｒ、Ａｇは、縦方向と横方向とで受光する光の波長帯域をそれぞれ異なる帯域に設定しているが、同一の波長帯域を設定してもよい。

各受光画素Ａｒ、Ａｇの上にそれぞれ配置されるマイクロレンズ１０１Ａは、その一部が回路画素Ｃの上に延伸するように配置されている。図１及び図２に示す例では、マイクロレンズ１０１Ａは、例えば楕円形状としている。但し、この楕円形状は幾何学的な楕円ではなく、通常、樹脂からなるレンズ材料の形成方法によっては長円形状となることもある。本実施形態においては、便宜上、楕円形状と呼ぶ。これにより、図２に示すように、回路画素Ｃに入射する光の一部を、例えば受光画素Ａｒの方向に屈折することができるので、当該受光画素Ａｒの感度を最大で１．５倍程度に引き上げることができる。図１及び図２は、固体撮像装置１００として、ＲＧＢカラーイメージングの場合の一例であり、高い感度を必要とする緑色（Ｇ）と、シリコン（Ｓｉ）における光吸収率が低い長波長帯域の赤色（Ｒ）とを受光画素Ａｇ、Ａｒにそれぞれ割り当てている。これに対し、ほぼ円形状のマイクロレンズ１０１Ｂであって、該マイクロレンズ１０１Ｂが回路画素Ｃの上に延伸しない受光画素Ｂｂには、青色（Ｂ）を割り当てている。

また、本実施形態においては、受光画素Ａｒ、Ａｇを覆うマイクロレンズ１０１Ａだけでなく、それぞれのカラーフィルタ１０６ｒ、１０６ｇにおいても、その一部を回路画素Ｃの上に延伸して配置している。このように、カラーフィルタ１０６ｒ、１０６ｇをマイクロレンズ１０１Ａに合わせて形成することにより、ノイズ光を低減することができる。なお、通常のカラーフィルタの構成材料は、レンズ材料とは異なり、平面形状を曲線状に形成し難いため、マイクロレンズ１０１Ａと外形状がほぼ一致する平面多角形状、例えば六角形状としている。また、互いに隣接するカラーフィルタ１０６ｒ、１０６ｇ及び１０６ｂは互いに重ならないように配置される。

さらに、本実施形態においては、図１に示すように、受光画素Ａｒ、Ａｇの受光部１０２Ａと、受光画素Ｂｂの受光部１０２Ｂとは、マイクロレンズ１０１Ａとマイクロレンズ１０１Ｂとの大きさの違いに応じて、互いの平面形状が異なっている。すなわち、受光部１０２Ａの平面積は、マイクロレンズ１０１Ａの一部が回路画素Ｃの上へ延伸して配置されているのに対応して、受光部１０２Ｂの平面積よりも大きい。この構成により、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ１０１Ａからの屈折光を受ける受光部１０２Ａにおける光の感度をより向上することができる。

また、図２に示すように、単位構造１０における、各受光画素、例えば受光画素Ａｒは、ｎ型又はｐ型シリコンからなる半導体基板１２の受光面側に光電変換部を含む受光回路（図示せず）を有している。さらに、半導体基板１２の主面（受光面）の上には層間絶縁膜１４が形成され、該層間絶縁膜１４の内部には複数の配線層１５が積層されて形成されている。半導体基板１２における光電変換部の上側部分には、層間絶縁膜１４を選択的に除去してなる開口部が形成されている。この開口部は、高屈折率絶縁材料１６、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）又は炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等が埋め込まれることにより、入射光の導波路１０７として機能する。

図２においては、各マイクロレンズ１０１Ａのそれぞれの一部が、回路画素Ｃの上側部分にまで延伸し、該マイクロレンズ１０１Ａによって、各導波路１０７の内側に入射光が屈折する様子を模式的に表している。上述したように、回路画素Ｃに入射する光の一部が各受光画素Ａｒの方向に屈折するので、各受光画素Ａｒにおける受光感度を向上することができる。なお、導波路（開口部）１０７の内壁の半導体基板１２の主面との角度（テーパ角）θを９０°よりも小さく、すなわち鋭角にすることが好ましい。例えば、このテーパ角θは６０°以上且つ８５°以下程度が好ましい。これにより、テーパ角θを９０°程度とする場合と比べて、導波路１０７への、すなわち光電変換部への光の取り込み量を増やすことができる。

また、各受光画素Ａｒ、Ａｇ及びＢｂには、それぞれ、光電変換部から光電変換された電荷を転送する転送部１０４Ａ、１０４Ｂと、該転送部１０４Ａ、１０４Ｂにより転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂとが設けられている。具体的には、受光画素Ａｒ、Ａｇには、転送部１０４Ａ及び電荷蓄積部１０５Ａが配置されている。受光画素Ｂｂには、転送部１０４Ｂ及び電荷蓄積部１０５Ｂが配置されている。各電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂは、回路画素Ｃに設けられた増幅トランジスタのゲート電極（図示せず）と配線により接続されている。

また、図１に示すように、受光画素Ｂｂの転送部１０４Ｂは、受光画素Ｂｂ内の角部で且つ回路画素Ｃとの間に配置されている。同様に、受光画素Ａｒ、Ａｇの転送部１０４Ａは、受光画素Ａｒ、Ａｇ、Ｂｂ、及び回路画素Ｃにおける互いに対向する角部に配置されている。換言すれば、受光画素Ａｒ、Ａｇの転送部１０４Ａは、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ１０１Ａの長軸１１０、１１１における軸線上を避けて配置される。望ましくは、転送部１０４Ａは、マイクロレンズ１０１Ａの長軸１１０、１１１に対して転送部１０４Ｂと対向する位置に配置するのがよい。

このような配置とすることにより、平面楕円形状のマイクロレンズ１０１Ａの一部を回路画素Ｃ上に延伸した際に、入射光の一部がゲート電極に阻まれることにより生じる受光ロスが低減される。さらには、転送部１０４Ａ、１０４Ｂ及び配線を、互いに隣接するマイクロレンズ１０１Ａ、１０１Ｂの間に配置することにより、当該転送部１０４Ａ、１０４Ｂが受光画素Ａｒ、Ａｇ、Ｂｂの間の遮光の役目も果たす。その結果、隣接する他の画素への混色を抑制するという効果も期待できる。

また、図１に示す固体撮像装置１００は、異なる画素間の信号電荷を加算しない、すなわち、各画素回路Ｃがそれと隣接する１画素分の信号電荷を処理するので、解像度が低下することがない。

なお、図１に示す固体撮像装置１００は、ＲＧＢカラーイメージングの場合の一例であったが、本開示はこれに限られず、同一波長帯域の光を受光する撮像装置に用いてもよい。例えば、ＴＯＦセンサ等の近赤外光の受光を必要とするような距離画像センサに対しても、本開示の構成を用いることができる。

（第１実施形態の一変形例）
図３に第１実施形態の一変形例に係る固体撮像装置１００Ａの平面構成を示す。

図３に示すように、本変形例に係る固体撮像装置１００Ａは、各受光画素Ｂｂにおける回路画素Ｃと対向する角部であって、転送部１０４Ａ、１０４Ｂ及び電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂが設けられていない領域に、該回路画素Ｃから延伸した回路部１０３Ａを形成している。具体的には、各回路画素Ｃは、その４つの側部が平面視での縦方向及び横方向に延伸したマイクロレンズ１０１Ａに覆われると共に、その３つの角部には電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂ等がそれぞれ形成されている。従って、受光画素Ｂｂにおける４つ目の角部（図３の右下の角部）には、マイクロレンズ１０１Ａ及びマイクロレンズ１０１Ｂに覆われず、且つ電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂ等も形成されない未使用領域、いわゆるデッドスペースが存在している。そこで、本変形例においては、このデッドスペースに回路部１０３Ａを設けている。

回路部１０３Ａには、固体撮像装置１００ＡがＲＧＢカラーイメージングである場合は、例えばカウント回路等を設けることができる。また、固体撮像装置１００Ａが距離画像（ＴＯＦ）センサである場合は、より回路規模が大きい、例えば演算回路等を設けることができる。

（第２実施形態）
以下、本開示の第２実施形態について図面を参照しながら説明する。

図４は第２実施形態に係る固体撮像装置の平面構成を示している。

図４に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置２００は、単位構造２０が２次元状に配置されて構成されている。ここでは、単位構造２０は２×２画素構成である。単位構造２０は、マイクロレンズ２０１Ａと受光部２０２Ａとを含む第１の画素部としての受光画素Ａirと、導波路２０７と受光部２０２Ｂとを含む第２の画素部としての受光画素Ｂｗと、各画素Ａir及びＢｗによりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部２０３Ａを含む第３の画素部としての回路画素Ｃとを有している。受光画素Ａirは、回路画素Ｃに対して、平面視で縦方向又は横方向に隣接して配置されている。受光画素Ｂｗは、回路画素Ｃに対して平面視で対角方向に隣接して配置されている。

なお、本実施形態においても、第１実施形態の一変形例と同様に、マイクロレンズ２０１Ａに覆われず、且つ電荷蓄積部２０５Ａ、２０５Ｂ等も形成されないデッドスペースには、例えば、ＴＯＦセンサ等に有用で回路規模が比較的に大きい演算回路を含む回路部２０３Ａを設けている。

各受光画素Ａirの上にそれぞれ配置されるマイクロレンズ２０１Ａは、その一部が回路画素Ｃの上に延伸するように配置されている。図４に示す例では、マイクロレンズ２０１Ａは、例えば楕円形状としている。但し、楕円形状に限られず、長円形状でもよい。これにより、回路画素Ｃに入射する光の一部を、例えば受光画素Ａirの方向に屈折することができるので、当該受光画素Ａirの感度を最大で１．５倍程度に引き上げることが可能となる。図４は、固体撮像装置２００として、モノクロと赤外（infrared：ＩＲ）カラーとのイメージングの場合の一例であり、光吸収率が低い長波長帯域の赤外光ＩＲを受光画素Ａirに割り当てている。

また、本実施形態においては、受光画素Ａirを覆うマイクロレンズ２０１Ａだけでなく、それぞれのＩＲフィルタ２０６irにおいても、その一部を回路画素Ｃの上に延伸して配置している。このように、ＩＲフィルタ２０６irをマイクロレンズ２０１Ａに合わせて形成することにより、ノイズ光を低減することができる。なお、ここでは、マイクロレンズ２０１Ａと外形状がほぼ一致する平面多角形状、例えば六角形状としている。また、互いに隣接するＩＲフィルタ１０６irは互いに重ならないように配置される。

さらに、図４に示すように、受光画素Ａirの受光部２０２Ａと、受光画素Ｂｗの受光部２０２Ｂとは、互いの平面形状が異なっている。すなわち、受光部２０２Ａの平面積は、マイクロレンズ２０１Ａの一部が回路画素Ｃの上へ延伸して配置されているのに対応して、受光部２０２Ｂの平面積よりも大きい。この構成により、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ２０１Ａからの屈折光を受ける受光部２０２Ａにおける光の感度をより向上することができる。

また、各受光画素Ａir及びＢｗには、それぞれ、光電変換部から光電変換された電荷を転送する転送部２０４Ａ、２０４Ｂと、該転送部２０４Ａ、２０４Ｂにより転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂとが設けられている。具体的には、受光画素Ａirには、転送部２０４Ａ及び電荷蓄積部１０５Ａが配置されている。受光画素Ｂｗには、転送部２０４Ｂ及び電荷蓄積部２０５Ｂが配置されている。各電荷蓄積部２０５Ａ、２０５Ｂは、回路画素Ｃに設けられた増幅トランジスタのゲート電極（図示せず）と配線により接続されている。

また、図４に示すように、受光画素Ｂｗの転送部２０４Ｂは、受光画素Ｂｗ内の角部で且つ回路画素Ｃとの間に配置されている。同様に、受光画素Ａirの転送部２０４Ａは、受光画素Ａir、Ｂｗ、及び回路画素Ｃにおける互いに対向する角部に配置されている。換言すれば、受光画素Ａirの転送部２０４Ａは、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ２０１Ａの長軸２１０、２１１における軸線上を避けて配置される。望ましくは、転送部２０４Ａは、マイクロレンズ２０１Ａの長軸２１０、２１１に対して転送部２０４Ｂと対向する位置に配置するのがよい。

このような配置とすることにより、平面楕円形状のマイクロレンズ２０１Ａの一部を回路画素Ｃ上に延伸した際に、入射光の一部がゲート電極に阻まれることにより生じる受光ロスが低減される。さらには、転送部２０４Ａ、２０４Ｂ及び配線を、互いに隣接するマイクロレンズ２０１Ａの間に配置することにより、当該転送部２０４Ａ、２０４Ｂが受光画素Ａir、Ｂｗの間の遮光の役目も果たす。その結果、隣接する他の画素への混色を抑制するという効果も期待できる。

なお、固体撮像装置２００における２つの受光画素Ａirが画素回路Ｃを挟む領域の断面構成は、図２と同様である。

このように、図４に示す固体撮像装置２００は、異なる画素間の信号電荷を加算しない、すなわち、各画素回路がそれと隣接する１画素分の信号電荷を処理するので、解像度が低下することがない。

また、本実施形態においては、長波長帯域の光（赤外光）を受光する画素にのみ画素回路上に延伸するマイクロレンズを設けるため、長波長帯域の光に対する感度が向上する。その上、マイクロレンズの基板上での形成密度が低下するので、該マイクロレンズの生産性も向上して、製造歩留まりが高くなる。

従って、本実施形態に係る固体撮像装置２００は、モノクロイメージ及び赤外イメージを必要とするイメージセンサに対して有用である。

（第３実施形態）
以下、本開示の第３実施形態について図面を参照しながら説明する。

図５は第３実施形態に係る固体撮像装置の平面構成を示している。

図５に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置３００は、単位構造３０が２次元状に配置されて構成されている。ここでは、単位構造３０は２×２画素構成である。単位構造３０は、マイクロレンズ３０１Ａと受光部３０２Ａとを含む第１の画素部としての受光画素Ａir、マイクロレンズ３０１Ｂと受光部３０２Ｂとを含む第２の画素部としての受光画素Ｂirと、各画素Ａir及びＢirによりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部３０３Ａを含む第３の画素部としての回路画素Ｃとを有している。受光画素Ａirは、回路画素Ｃに対して、平面視で縦方向又は横方向に隣接して配置されている。受光画素Ｂirは、回路画素Ｃに対して平面視で対角方向に隣接して配置されている。

なお、本実施形態においても、第１実施形態の一変形例と同様に、マイクロレンズ３０１Ａ、３０１Ｂに覆われず、且つ電荷蓄積部３０５Ａ、３０５Ｂ等も形成されないデッドスペースには、例えば、ＴＯＦセンサ等に有用で回路規模が比較的に大きい演算回路を含む回路部３０３Ａを設けている。

各受光画素Ａirの上にそれぞれ配置されるマイクロレンズ３０１Ａは、その一部が回路画素Ｃの上に延伸するように配置されている。図１に示す例では、マイクロレンズ３０１Ａは、例えば楕円形状としている。但し、楕円形状に限られず、長円形状でもよい。これにより、回路画素Ｃに入射する光の一部を、例えば受光画素Ａirの方向に屈折することができるので、当該受光画素Ａirの感度を最大で１．５倍程度に引き上げることが可能となる。図５は、固体撮像装置３００として、赤外（ＩＲ）イメージングの場合の一例であり、単位構造３０においては、シリコンにおける光吸収率が低い、より長波長帯域の赤外光ＩＲを受光画素Ａirに割り当てている。

また、本実施形態においては、各受光画素Ａirを覆うマイクロレンズ３０１Ａだけでなく、それぞれのＩＲフィルタ３０６irにおいても、その一部を回路画素Ｃの上に延伸して配置している。このように、ＩＲフィルタ３０６irをマイクロレンズ３０１Ａに合わせて形成することにより、ノイズ光を低減することができる。なお、ここでは、マイクロレンズ３０１Ａと外形状がほぼ一致する平面多角形状、例えば六角形状としている。また、互いに隣接するＩＲフィルタ３０６ｉｒは互いに重ならないように配置される。

さらに、図５に示すように、受光画素Ａirの受光部３０２Ａと、受光画素Ｂirの受光部３０２Ｂとは、マイクロレンズ３０１Ａとマイクロレンズ３０１Ｂとの大きさの違いに応じて、互いの平面形状が異なっている。すなわち、受光部３０２Ａの平面積は、マイクロレンズ３０１Ａの一部が回路画素Ｃの上へ延伸して配置されているのに対応して、受光部３０２Ｂの平面積よりも大きい。この構成により、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ３０１Ａからの屈折光を受ける受光部３０２Ａにおける光の感度をより向上することができる。

また、各受光画素Ａir、Ｂirには、それぞれ、光電変換部から光電変換された電荷を転送する転送部３０４Ａ、３０４Ｂと、該転送部３０４Ａ、３０４Ｂにより転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部３０５Ａ、３０５Ｂとが設けられている。具体的には、受光画素Ａirには、転送部３０４Ａ及び電荷蓄積部３０５Ａが配置されている。受光画素Ｂirには、転送部３０４Ｂ及び電荷蓄積部３０５Ｂが配置されている。各電荷蓄積部３０５Ａ、３０５Ｂは、回路画素Ｃに設けられた増幅トランジスタのゲート電極（図示せず）と配線により接続されている。

また、図５に示すように、受光画素Ｂirの転送部３０４Ｂは、受光画素Ｂir内の角部で且つ回路画素Ｃとの間に配置されている。同様に、受光画素Ａirの転送部３０４Ａは、受光画素Ａir、Ｂir、及び回路画素Ｃにおける互いに対向する角部に配置されている。換言すれば、受光画素Ａirの転送部３０４Ａは、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ３０１Ａの長軸３１０、３１１における軸線上を避けて配置される。望ましくは、転送部３０４Ａは、マイクロレンズ３０１Ａの長軸３１０、３１１に対して転送部３０４Ｂと対向する位置に配置するのがよい。

このような配置とすることにより、平面楕円形状のマイクロレンズ３０１Ａの一部を回路画素Ｃ上に延伸した際に、入射光の一部がゲート電極に阻まれることにより生じる受光ロスが低減される。さらには、転送部３０４Ａ、３０４Ｂ及び配線を、互いに隣接するマイクロレンズ３０１Ａ、３０１Ｂの間に配置することにより、当該転送部３０４Ａ、３０４Ｂが受光画素Ａir、Ｂirの間の遮光の役目も果たす。その結果、隣接する他の画素への混色を抑制するという効果も期待できる。

なお、本実施形態においても、固体撮像装置３００における２つの受光画素Ａirが画素回路Ｃを挟む領域の断面構成は、図２と同様である。

このように、図５に示す固体撮像装置３００は、異なる画素間の信号電荷を加算しない、すなわち、各画素回路がそれと隣接する１画素分の信号電荷を処理するので、解像度が低下することがない。

本実施形態に係る固体撮像装置３００は、赤外光等の単一波長帯の光を受光する構成において、単位構造内の特定の画素に対して画素回路の上に延伸するマイクロレンズを設けている。このため、画素回路に入射する入射光の一部を該画素回路上に延伸したレンズから受光画素に取り込むことが可能となるので、回路画素への入射光の受光ロスを低減することができる。

従って、本実施形態に係る固体撮像装置３００は、ＴＯＦセンサ等の近赤外光の受光を必要とするような距離画像センサに対して有用である。

本開示に係る固体撮像装置は、大規模な画素回路を必要とする固体撮像装置に利用可能であり、特に、画素毎に被写体までの距離を算出する距離画像センサ等に応用でき、産業上有用である。

１００、１００Ａ、２００、３００固体撮像装置
Ａｒ、Ａｇ、Ａir 受光画素（第１の画素部）
Ｂｂ、Ｂｗ、Ｂir 受光画素（第２の画素部）
Ｃ回路画素（第３の画素部）
１０、２０、３０単位構造
１２半導体基板
１４層間絶縁膜
１５配線層
１６高屈折率絶縁材料
１０１Ａ、２０１Ａ、３０１Ａマイクロレンズ（第１の集光レンズ）
１０１Ｂ、３０１Ｂマイクロレンズ（第２の集光レンズ）
１０２Ａ、１０２Ｂ、２０２Ａ、２０２Ｂ、３０２Ｂ受光部
１０３、１０３Ａ、２０３Ａ、３０３Ａ出力回路部
１０４Ａ、１０４Ｂ、２０４Ａ、２０４Ｂ、３０４Ａ、３０４Ｂ転送部
１０５Ａ、１０５Ｂ、２０５Ａ、２０５Ｂ、３０５Ａ、３０５Ｂ電荷蓄積部
１０６ｇ、１０６ｒ、１０６ｂカラーフィルタ
２０６ir、３０６ir ＩＲフィルタ
１０７、２０７、３０７導波路

Claims

２次元状に配置された複数の画素を備え、
前記複数の画素は、単位構造を含み、
前記単位構造は、それぞれ、
第１の受光部と該第１の受光部を覆う第１の集光レンズとを含む第１の画素部と、
第２の受光部と該第２の受光部を覆う第２の集光レンズとを含む第２の画素部と、
前記第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路を含む第３の画素部と、
前記第１の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第１の転送部と、
前記第２の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第２の転送部とを有し、
前記第１の画素部は、前記第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、
前記第２の画素部は、前記第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、
前記第２の転送部は、平面視で前記第２の画素部と前記第３の画素部との間に配置され、
前記第１の集光レンズは、その一部が前記第３の画素部の上に延伸しており、
前記第１の転送部は、前記第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置され、
前記第１の転送部は、前記第１の集光レンズの長軸に対して前記第２の転送部と互いに対向する位置に配置される、固体撮像装置。
２次元状に配置された複数の画素を備え、
前記複数の画素は、単位構造を含み、
前記単位構造は、それぞれ、
第１の受光部と該第１の受光部を覆う第１の集光レンズとを含む第１の画素部と、
第２の受光部と該第２の受光部を覆う第２の集光レンズとを含む第２の画素部と、
前記第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路を含む第３の画素部と、
前記第１の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第１の転送部と、
前記第２の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第２の転送部とを有し、
前記第１の画素部は、前記第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、
前記第２の画素部は、前記第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、
前記第２の転送部は、平面視で前記第２の画素部と前記第３の画素部との間に配置され、
前記第１の集光レンズは、その一部が前記第３の画素部の上に延伸しており、
前記第１の転送部は、前記第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置され、
前記第１の画素部と前記第２の画素部とは、互いに異なる波長帯域の光を受光し、
前記第１の画素部は、前記第２の画素部よりも長波長帯域の光を受光する、固体撮像装置。
請求項１記載の固体撮像装置において、
前記第１の画素部と前記第２の画素部とは、同一波長帯域の光を受光する、固体撮像装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
前記第１の受光部と前記第２の受光部とは、前記第１の集光レンズと前記第２の集光レンズとの大きさの違いに応じて、互いの平面形状が異なる、固体撮像装置。
２次元状に配置された複数の画素を備え、
前記複数の画素は、単位構造を含み、
前記単位構造は、それぞれ、
第１の受光部と該第１の受光部を覆う集光レンズとを含む第１の画素部と、
第２の受光部と導波路とを含む第２の画素部と、
前記第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路を含む第３の画素部と、
前記第１の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第１の転送部と、
前記第２の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第２の転送部とを有し、
前記第１の画素部は、前記第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、
前記第２の画素部は、前記第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、
前記第２の転送部は、平面視で前記第２の画素部と前記第３の画素部との間に配置され、
前記集光レンズは、その一部が前記第３の画素部の上に延伸しており、
前記第１の転送部は、前記第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置され、
前記第１の転送部は、前記集光レンズの長軸に対して前記第２の転送部と互いに対向する位置に配置される、固体撮像装置。
２次元状に配置された複数の画素を備え、
前記複数の画素は、単位構造を含み、
前記単位構造は、それぞれ、
第１の受光部と該第１の受光部を覆う集光レンズとを含む第１の画素部と、
第２の受光部と導波路とを含む第２の画素部と、
前記第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路を含む第３の画素部と、
前記第１の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第１の転送部と、
前記第２の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第２の転送部とを有し、
前記第１の画素部は、前記第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、
前記第２の画素部は、前記第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、
前記第２の転送部は、平面視で前記第２の画素部と前記第３の画素部との間に配置され、
前記集光レンズは、その一部が前記第３の画素部の上に延伸しており、
前記第１の転送部は、前記第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置され、
前記第１の画素部と前記第２の画素部とは、互いに異なる波長帯域の光を受光し、
前記第１の画素部は、前記第２の画素部よりも長波長帯域の光を受光する、固体撮像装置。
請求項５記載の固体撮像装置において、
前記第１の画素部と前記第２の画素部とは、同一波長帯域の光を受光する、固体撮像装置。
請求項５～７のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
前記第１の受光部の平面積は、前記第２の受光部の平面積よりも大きい、固体撮像装置。