JPH0595098A

JPH0595098A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH0595098A
Application number: JP3280321A
Authority: JP
Inventors: Etsuro Shimizu; 悦朗清水
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-10-02
Filing date: 1991-10-02
Publication date: 1993-04-16

Abstract

(57)【要約】【目的】画素サイズが縮小された場合においても、入
射光をフォトダイオードに集束できるようにしたマイク
ロレンズを備えた固体撮像装置を提供する。【構成】シリコン基板１の表面にマトリクス状に配置
された複数のフォトダイオード２に対して、低屈折率領
域８と高屈折率領域９からなる絶縁膜３を介して、前記
シリコン基板１上のフォトダイオード２に対応する部分
に入射光を集束するマイクロレンズ５を配設する。これ
によりマイクロレンズ５の厚みを極端に薄くすることな
く、その焦点距離を伸ばし、入射光７を効率よくフォト
ダイオード２に集束させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、感度を向上させるた
めマイクロレンズを備えた固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＣＣＤやＣＭＤ（Charge Modul
ation Device）等を用いた固体撮像装置においては、半
導体主面に光電変換部及び信号読み出し部を備えている
ので、実際に光電変換に寄与する領域は、20〜50％に制
限されている。この欠点を解決するための手段として、
集光のためのマイクロレンズを画素毎に設け、入射光を
光電変換部に集光する方法が特公昭６０−５９７５２号
公報などに提案されている。

【０００３】図４は、上記公報記載のマイクロレンズ付
の固体撮像装置の画素部の構造を示す断面図であり、図
において、11はシリコン基板、12はチャネルストップ、
13は拡散層、14はフォトダイオード、15は絶縁膜、16は
ポリシリコンゲート、17は例えばホトレジスト等の有機
材料よりなるマイクロレンズ集束体であり、この構成に
よりＤで示す範囲の入射光がフォトダイオード14に照射
されるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、固体撮像素
子の画素が縮小された場合を考えると、この場合、画素
上に形成されたマイクロレンズのピッチも縮小され、従
来の構造ではマイクロレンズの焦点距離と、フォトダイ
オードの位置が一致しなくなるという問題点が発生す
る。

【０００５】この問題点を図５を用いて、詳細に説明す
る。図５において、１はシリコン基板、２はフォトダイ
オード、３は絶縁膜である。４は画素が縮小される前の
ピッチのマイクロレンズであり、このレンズ４により入
射光は実線６で示す如くフォトダイオード２に集束され
ている。これに対し、５は画素の縮小に伴いピッチを縮
小したマイクロレンズであり、この場合、入射光は破線
７で示す如く集光され、その集束位置（焦点）Ｐはフォ
トダイオード２よりレンズ側にずれることになる。この
ように構造をそのままにしてレンズのピッチを縮小しよ
うとした場合、レンズの焦点とフォトダイオードの位置
の不一致が必ず生じ、構造をそのままにしてフォトダイ
オードにレンズの焦点を合わせようとするならば、マイ
クロレンズ厚を薄くして焦点距離をのばすと共に、絶縁
膜厚を薄くしてレンズの焦点にフォトダイオードを近づ
けるように配置しなければならなくなる。

【０００６】しかしムービー用単板カラー固体撮像装置
の如く、マイクロレンズとフォトダイオード間にオンチ
ップフィルタまでも形成した固体撮像装置においては、
素子特性上、絶縁膜（フィルタを含む）の厚みを薄くす
るには限界があり、その結果、レンズ厚の設定に過大な
要求がかかってくることになる。

【０００７】表１は５μｍ□サイズの画素にオンチップ
フィルタと共にマイクロレンズを形成した場合の従来構
造で要求されるレンズ厚みの計算値であり、Y. Ihsihar
a and K. Tanigaki, IEDM Tech. Dig. Dec. 1983 pp. 4
97-500記載の次式（１）で見積もった値である。ｔ＝ｎ₁／（ｎ₁−ｎ₀）・（ｐ²＋ｔ′²）／２ｔ′−ｔ′・・・・・・（１）

【０００８】ここで、ｔは絶縁膜の厚み（9.３μｍ）、
ｎ₁はレンズの屈折率、ｎ₀は空気の屈折率（1.０）、
ｐはレンズ径の１／２（2.05μｍ）、ｔ′はレンズ厚み
である。レンズの屈折率は現状では1.55程度であるが、
将来的に1.４程度まで低屈折率化されることを見込ん
で、1.４と1.55の２条件について計算した。

【０００９】

【表１】

【００１０】表１よりレンズの屈折率が1.４まで小さく
なったとしても、レンズ厚ｔ′の要求レベルがサブミク
ロンのオーダーであることがわかる。レンズを例えば樹
脂の熱フローで形成しようとした場合、この程度の厚み
では再現性の良いレンズ形状を得ることは不可能であ
る。

【００１１】本発明は、従来のマイクロレンズを備えた
固体撮像装置における上記問題点を解消するためになさ
れたもので、画素サイズが５μｍ□程度まで縮小された
場合においても、入射光をフォトダイオードに集束する
ことが可能な固体撮像装置を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び作用】上記問題点を解
決するため、本発明は、半導体基板の表面領域にマトリ
クス状に配設された複数の光電変換素子と、前記半導体
基板上に絶縁膜を介して配設した前記各光電変換素子に
対応する部分に入射光を集束するマイクロレンズとをそ
れぞれ備えた固体撮像装置において、前記絶縁膜を構成
する膜のうち、厚み方向における全てあるいは一部分の
膜の屈折率を、前記マイクロレンズの屈折率よりも大き
な値とするものである。

【００１３】このように構成した固体撮像装置において
は、マイクロレンズの厚みを極端に薄くすることなく、
その焦点距離をのばすことが可能となり、画素サイズが
小さくなっても効率良く光電変換素子へ入射光を集束す
ることができる。

【００１４】

【実施例】次に本発明に係る固体撮像装置の実施例につ
いて説明する。図１は、本発明に係る固体撮像装置の第
１実施例を説明するための図であり、光電変換素子から
マイクロレンズにかけての画素部の構造を示しており、
図５に示した従来のものと同一又は対応する部分には同
一符号を付して示している。図中、１はシリコン基板、
２はフォトダイオード、５はマイクロレンズ、３はマイ
クロレンズ５と同じ屈折率の低屈折率領域８とマイクロ
レンズ５よりも大きな屈折率の高屈折率領域９よりなる
絶縁膜である。

【００１５】このような絶縁膜構造を備えた固体撮像装
置においては、入射光７は実線で示す如く、絶縁膜３の
低屈折率領域８と高屈折率領域９の境界領域で、屈折率
の違いにより焦点距離が伸ばされて、フォトダイオード
２に集束される。表２は従来構造で見積もったと同様
に、５μｍ□サイズの画素上にフィルタとマイクロレン
ズを形成した場合に要求されるマイクロレンズ厚みを計
算した値を示したものである。見積もりに当たって、レ
ンズ５のピッチｐ（2.05μｍ）及び絶縁膜３の厚みｔ
（9.３μｍ）は従来構造と同じとし、絶縁膜３のうち低
屈折率の領域８は厚みが2.３μｍで屈折率がマイクロレ
ンズと同じ1.４あるいは1.55、高屈折率の領域９は厚み
が7.０μｍで屈折率を1.８とした。

【００１６】

【表２】

【００１７】表２中の屈折率値を表１中の値と比較する
と、本発明における絶縁膜構造においては、マイクロレ
ンズの厚みｔ′が従来構造のものより大きくとれること
が明らかであり、特にマイクロレンズの屈折率が1.４の
場合には、マイクロレンズの厚みは１μｍを越えるまで
大きくとれる。この場合、レンズ形状の再現性が従来よ
りも大きく改善される。

【００１８】なお本実施例におけるレンズ厚みの見積も
りで仮定した屈折率1.４あるいは1.８の数値は、樹脂と
して設定可能な範囲にあり、したがってマイクロレンズ
あるいは絶縁膜の一部、特に平坦化層をこのような樹脂
で形成する場合には、本実施例の構成は十分に実現可能
なものである。また高屈折率の絶縁膜は、例えばプラズ
マＣＶＤによるSiＯ_xＮ_y膜によっても形成可能であ
る。SiＯ_xＮ_y膜はｘ，ｙの設定次第で1.55〜2.０の間
の屈折率となり、その熱的安定性からメタル配線間の絶
縁膜としての使用に適している。

【００１９】本発明に係る第１の実施例においては、絶
縁膜を低屈折率領域と高屈折率領域とに２分し、高屈折
率領域をフォトダイオードと接する位置に形成してある
が、本発明では、マイクロレンズから入射した光がフォ
トダイオードに到達する経路中に低屈折率領域と高屈折
率領域があれば良く、第１実施例に示した屈折率の設定
に限られるものではない。絶縁膜の全ての領域をマイク
ロレンズより高屈折率に設定しても良いし、図２に示す
本発明に係る第２の実施例の如く、絶縁膜３が低屈折率
領域８-1−高屈折率領域９−低屈折率領域８-2の順で構
成されていても良い。この第２実施例においては、マイ
クロレンズ５を通過した入射光７が実線で示すように屈
折しながら、フォトダイオード２に集束される。この場
合においても従来構造よりもマイクロレンズの焦点距離
が伸ばされている。

【００２０】次に図３に基づいて本発明に係る第３の実
施例を説明する。この実施例は絶縁膜厚が特に厚く、マ
イクロレンズからフォトダイオードまでの距離が非常に
長い場合にも、フォトダイオードへ入射光を集束できる
ように構成したものである。同図において、１はシリコ
ン基板、２はフォトダイオード、５はマイクロレンズで
あり、絶縁膜３は低屈折率領域８と高屈折率領域９で構
成されており、ここまでの構成は図１に示した第１実施
例と同じであるが、低屈折率領域８と高屈折率領域９の
境界のうち、マイクロレンズ５で集光された光が通過す
る部分10が、高屈折率領域９が凹形状となるように低屈
折率領域８を突出させている点が異なる。この凹形状部
分10は、実線で示すように入射光７をマイクロレンズ５
よりより遠い位置で集束させる作用を果たす。この第３
実施例に示した構成は、前述のように絶縁膜厚が特に厚
い場合やマイクロレンズのピッチが極めて小さい場合に
効果的である。

【００２１】なお上記第１〜第３実施例においては、低
屈折率領域と高屈折率領域の境界を明瞭に区別して記述
したが、実際には屈折率の変化が連続的であっても何ら
問題ない。

【００２２】

【発明の効果】以上実施例に基づいて説明したように、
本発明によれば、マイクロレンズの焦点距離を従来より
も伸ばすことができるため、画素サイズを縮小し従って
マイクロレンズのピッチが小さくなった場合にも、マイ
クロレンズの厚みを従来より厚く設定したままで、入射
光をフォトダイオード上に集束できる。そしてマイクロ
レンズ厚が厚くできることにより、マイクロレンズの形
状再現性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像装置の第１実施例を説明
するための画素部の断面図である。

【図２】第２実施例の画素部を示す断面図である。

【図３】第３実施例の画素部を示す断面図である。

【図４】従来のマイクロレンズ付固体撮像装置の画素部
の断面図である。

【図５】従来のマイクロレンズ付固体撮像装置の問題点
を説明するための図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２フォトダイオード３絶縁膜５マイクロレンズ８低屈折率領域９高屈折率領域 10 凹形状部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の表面領域にマトリクス状に
配設された複数の光電変換素子と、前記半導体基板上に
絶縁膜を介して配設した前記各光電変換素子に対応する
部分に入射光を集束するマイクロレンズとをそれぞれ備
えた固体撮像装置において、前記絶縁膜を構成する膜の
うち、厚み方向における全てあるいは一部分の膜の屈折
率を、前記マイクロレンズの屈折率よりも大きな値とし
たことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】前記絶縁膜の屈折率の変化する境界面の
うち、入射光が通過する部分において、低屈折率の領域
を高屈折率の領域に対して、高屈折率の領域が凹状とな
るように突出させたことを特徴とする請求項１記載の固
体撮像装置。