JPH0437165A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は固体撮像素子に関し、特に、画素上にマイクロ
レンズを有する固体撮像素子に関する。

［従来の技術〕 インターライン型固体撮像素子では、受光部と電荷転送
部とが交互に配列されるため受光部の開口率が２０％〜
３０％程度と低く、入射光の利用効率は十分とはいえな
い。そこで受光部の上層にマイクロレンズのような集光
部をつける構造が提案されている（１９８４年テレビジ
ョン学会全国大会３−１７、石屋、谷垣「樹脂レンズア
レイを用いた高感度ＣＣＤイメージセンサＪ）。

第５図は、この種従来の固体撮像素子の断面図である。

同図において、５は、その表面領域内に受光部７と電荷
転送部６が形成されている半導体基板、４は、電荷読み
出し用および電荷転送用に用いられるゲート電極、３は
受光部７上に開口部を有する遮光膜である。そして、こ
の構造では、各受光部の表面を水平面とするために受光
面の上層に透明材料、例えばポリ・グリシジル・メタア
クリレ−）　（ＰＧＭＡ）系樹脂によって平坦化層２が
形成され、その上にノボラック系樹脂などの透明材料に
よって凸レンズ状に形成された集光部１ａが、各受光部
７に対応するように配列されている。

この構造では、集光部の底面積が受光部の開口面積より
大きくなっているため、遮光膜の開口部より広い範囲に
照射されている光を受光部に集めることができ、固体撮
像素子の高感度化が達成される。

［発明が解決しようとする課題］ この従来の固体撮像素子では、半導体基板５に対して光
が垂直に集光部１ａへ入射したとき受光部７へ集光する
ように集光部１ａの大きさや曲率などを設定した場合で
も、第５図に示した破線や一点鎖線の光路のように、大
きな入射角で入射した光は、集光部１ａの表面での屈折
角も大きくなり、受光部７へ集光しない場合がある。第
６図はその状況を示す図であって、同図は第５図の従来
例において、水平面に対して２０°傾けて開口部に光を
入射したときのスポットダイアグラムである。図中にお
いて各点は光入射点を示している。

第６図において、１０は遮光膜開口部の端面を示してい
るが同図からも明らかなように、斜め入射光は遮光膜３
の内部深く進入する。そして、電荷転送部およびその近
傍に入射した光によって発生した光電変換電荷は、スミ
ア成分となって画質を劣化させる。

［課題を解決するための手段］ 本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面に形成された
受光部と、受光部上に設けられた第１の集光部と、第１
の集光部上に設けられた平坦化層と、平坦化層上に設け
られた第２の集光部と、を備えている。

Ｅ実施例コ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は、本発明の第１の実施例を示す断面図である。

同図に示されるように、半導体基板５の表面領域内に受
光部７と電荷転送部６とが形成され、電荷転送部６の上
には絶縁膜を介してゲート電！４が設けられ、さらにそ
の上には受光部７上に開口部を有する遮光膜３が設けら
れている。そして遮光［３の開口部上に、透明材料によ
って第１の集光部８が設けられ、その上層の平坦化層２
の上に第２の集光部１がその光軸が第１の集光部の光軸
と一致するように形成されている。

ここで、大気中、第２の集光部１、平坦化層２および第
１の集光部８の屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｌ　、ｒ＋２
　、ｎ３とすると、ｎ（１＜ｎ１２ｎ２＜ｎ、となるよ
うに各部が形成されているものとする。これにより、大
きな入射角で第２の集光部１に入射した光は、第１図に
点線および一点鎖線で示したように、第２の集光部１で
屈折した後、第１の集光部８で再度屈折せしめられる。

ここで、第１の集光部８の曲率の中心を受光部７の中央
表面付近に設定しておく。このようにすれば、従来例で
開口部の端部から遮光膜３下に進入しスミアの原因とな
った入射光は、受光部７の中心付近に集光されるように
なる。

第２図は、この実施例において、第１の集光部８の受光
部７の表面からの高さを２０μｍ、その曲率半径を２５
μｍ、第１の集光部８の頂点から平坦化層２の上面まで
の厚さを７．０μｍ、第２の集光部１の平坦化層２上面
からの高さを２０μｍ、その曲率半径を５０μｍとし、
屈折率の比をｎ（、：ｎｌ　　：ｎ２　：ｎ３＝１．Ｏ
：１６・１，６・２２、開口部の幅を２．８μｍとして
、受光部７の水平方向に対し入射角を約２０°傾けて光
を入射させたときの受光部７の開口部でのスポットダイ
アグラムである。同図と従来例の第６図とを比較すると
、本実施例の方が光の散り方が少なく、入射光が受光部
７の中心（図中、十字線の交点）付近に集中しているこ
とが分る。

また従来例では、開口部端面１０を越えて、遮光膜３下
へ入射する光がかなりあるが、本実施例ではほとんど開
口部内に収まっており、スミアの発生が防止され感度も
上昇している。

なお、実際にカメラで使用される固体撮像素子において
は、入射光は全方向からある程度の入射角をもって入射
するので、実際のスポットダイアグラムは第２図を受光
部７の中央を中心に３６０度回転させたものになる。

第３図は本発明の第２の実施例を示す断面図である。こ
の実施例では、受光部７の上層に設ける第１の集光部８
を水平面上に形成するために、遮光膜３上に全面に平坦
化層９を設け、その上に第１の集光部８を形成している
。そして、さらにその上層に平坦化層２および第２の集
光部１を形成する。ここで、大気中、第２の集光部１、
平坦化層２、第１の集光部８、平坦化層９の屈折率をそ
れぞれｎ（、、ｎｌ　、ｎｌ　、ｎｌとして、ｎ、）＜
ｎｌ　２＝ｎ２　＜ｎ、ｋｆｉ４となるように各部を形
成するものとする。

このように構成することにより、第１の実施例と同様に
、感度を向上させスミアを減少させることができる。

第４図は本発明の第３の実施例を示す断面図である。本
実施例では、受光部７上に赤、縁、青のカラーフィルタ
１１．１２．１３が設けられており、その上に第１の集
光部８１．８２．８３が各カラーフィルタ毎にその形状
が異なるように形成されている。さらにその上層には、
先の各実施例と同様に、平坦化層２と第２の集光部１が
形成されている。

赤、緑、青の各フィルタ１１．１２．１３に同強度の光
が入射した場合、緑に比べて赤、青のフィルタは、透過
率が小さいため、透過光の強度は緑のフィルタに比べて
小さくなる。そこで、本実施例では第４図に示すように
カラーフィルタ（赤〉１１とカラーフィルタ（青）１３
の上に形成した第１の集光部８１および８３の形状をカ
ラーフィルタ（縁）１２上に形成した第１の集光部８２
に比べて、受光部７への集光率がよくなるように設定す
ることにより、各色のバランスをとっている。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は、各受光部に対応して形
成された第２の集光部と受光部との間に第１の集光部を
設けたものであるので、本発明によれば、遮光膜の開口
部より受光部の外側へ入射していた光を受光部中心へ集
光させることができるようになり、開口端部から散乱な
どによって電荷転送部へ入射していた光を減少させてス
ミア成分を減少させることができる。

７・・・受光部、　　８．８１．８２．８３・・・第１
の集光部、　　９・・・平坦化層、　　ｌＯ・・・開口
部端面、　　　１１・・カラーフィルタ（赤）、　　　
１２・カラーフィルタ（緑）、　　　１３・・カラーフ
ィルタく青）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面領域内に複数の受光部と電荷転送部とが形成
   されている半導体基板と、前記電荷転送部上に絶縁膜を
   介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上に絶
   縁膜を介して形成された、各前記受光部上に開口部を有
   する遮光膜と、前記遮光膜上に各前記開口部をそれぞれ
   覆うように形成された第１の集光部と、前記遮光膜およ
   び前記第１の集光部を覆って形成された平坦化層と、前
   記平坦化層上に各前記第１の集光部をそれぞれ覆うよう
   に形成された第２の集光部と、を具備する固体撮像素子
   。
2. （２）前記第１の集光部下にはカラーフィルタが配置さ
   れており、かつ、各カラーフィルタ上の第１または第２
   の集光部は、該カラーフィルタの透過させるべき色相の
   光の透過率に反比例するように集光能力が変化せしめら
   れている請求項１記載の固体撮像素子。