JPH06163864A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 隣合うマイクロレンズ間のギャップに入射す
る光を有効に利用することができ、検出感度の高い固体
撮像装置を提供すること。 【構成】 半導体基板１上に画素電極２及び光導電膜
（光電変換層）３からなる感光部が配列形成され、この
感光部の上部に該感光部に開口部を持つ遮光層５が形成
され、この遮光層５の開口部に光を集光するマイクロレ
ンズ９が形成された固体撮像装置において、遮光層５の
開口部の中心に対してマイクロレンズ９の中心を実質的
にずらして配置し、隣接するマイクロレンズ９間のギャ
ップを通る光を感光部に入射させることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像装置に係わ
り、特に開口率向上のために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】２次元ＣＣＤ撮像装置は通常、光電変換
して信号電荷を蓄積するフォトダイオード・アレイと、
このフォトダイオード・アレイの信号電荷を転送する垂
直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤとにより構成される。この固体
撮像装置の縮小化，微細化のためには、固体撮像装置の
単位セルを益々微細化する必要があり、そのための光電
変換を行うフォトダイオードのさらなる微細化は必須で
ある。ところが、フォトダイオードの面積が小さくなれ
ば、受光面積が減るので、１画素当りの感度が低下して
しまう。

【０００３】そこで最近、感光部であるフォトダイオー
ド上にマイクロレンズを形成し、このマイクロレンズを
用いてフォトダイオードに集光することで実効的開口面
積を増やす工夫がなされている。

【０００４】また、フォトダイオードの面積を大きく取
るために、信号電荷の転送を行うＣＣＤを有する半導体
基板の上に光導電体膜を積層し、光電変換層を形成した
積層型固体撮像装置もある。この積層型固体撮像装置は
原理的には１００％の開口率を有するが、各画素の境界
に遮光層を配置する必要があり、実効的な開口率は１０
０％より小さくなる。このように、積層型の固体撮像装
置においても開口率が小さい場合は、マイクロレンズを
各画素の感光部上に形成することで、実効的開口率を大
きくすることができる。

【０００５】次に、マイクロレンズにより開口率を大き
くした従来の固体撮像装置の具体的構成例、及びその問
題点について説明する。

【０００６】図９は、従来のマイクロレンズを用いた固
体撮像装置の画素部の断面を模式的に示している。半導
体基板３１上にはフォトダイオード等からなる感光部３
８が形成され、隣接する感光部３８間には遮光層３５が
形成されている。そして、これらの上に平坦化層３６を
介してマイクロレンズ３９が形成されている。なお、図
９に示さないが、半導体基板３１内で遮光層３５の下に
信号電荷を転送する電荷転送素子が形成されている。

【０００７】マイクロレンズ３９により集光された光
は、感光部３８に入射して光電変換される。遮光層３５
は隣合う感光部３８に入射する光を分離しており、隣接
するマイクロレンズ３９間のギャップを通った光はこの
遮光層３５により電荷転送素子に入射することはない。
電荷転送素子に光が入射するとスミアと呼ばれるノイズ
が起こるが、遮光層３５によりスミアの発生を防止して
いる。

【０００８】しかしながら、この種の装置にあっては次
のような問題があった。即ち、マイクロレンズ３９で集
められる光は遮光層３５の開口部に集められるわけだか
ら、図１０に平面図を示すように、マイクロレンズ３９
の中心は遮光層３５の開口部４０の中心に一致するべく
設計されている。このため、固体撮像装置の実効的開口
率はマイクロレンズ３９の面積で決まってしまい、隣合
うマイクロレンズ３９間のギャップは無効領域となる。
そして、この無効領域のために開口率を十分大きくする
ことは困難であった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このよう従来、マイク
ロレンズを使用した固体撮像装置では、隣合うマイクロ
レンズ間のギャップが無効領域となるため、実効的開口
率を十分に大きくできないと言う問題があった。

【００１０】本発明は、上記の事情を考慮してなされた
もので、その目的とするところは、マイクロレンズ間の
ギャップに起因する無効領域をより小さくすることがで
き、実効的開口率が大きく感度が高い固体撮像装置を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、マイク
ロレンズの無効領域に入射した光を積極的に利用するこ
とにある。

【００１２】即ち本発明（請求項１）は、半導体基板又
は光導電体膜に感光部が配列形成され、この感光部の上
部に該感光部に開口部を持つ遮光層が形成され、この遮
光層の開口部に光を集光するマイクロレンズが形成され
た固体撮像装置において、遮光層の開口部の中心に対し
てマイクロレンズの中心を実質的にずらして配置し、隣
接するマイクロレンズ間のギャップを通る光を感光部に
入射せしめることを特徴とする。

【００１３】また本発明（請求項２）は、半導体基板又
は光導電体膜に感光部が配列形成され、これらの感光部
の上部に該感光部に対する開口部を持つ遮光層が形成さ
れ、この遮光層の開口部に光を集光するマイクロレンズ
が形成された固体撮像装置において、感光部の互いに隣
接するもの同士に対し、一方の感光部の上部にはマイク
ロレンズを形成し、他方の感光部の上部にはマイクロレ
ンズを形成しないことを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明（請求項１）によれば、感光部（画素）
の感光領域を定義する遮光層の開口部の中心に対し、マ
イクロレンズの中心を実質的にずらすことにより、隣接
するマイクロレンズ間のギャップ（無効領域）を通過し
た光が感光領域に入ることになり、その分だけ実効的開
口率が増加する。

【００１５】また、本発明（請求項２）によれば、隣合
う２つの感光部（画素）のうち、１つの画素に対してマ
イクロレンズを設け、他の画素についてはマイクロレン
ズ無しとし、遮光層をでき得る限りマイクロレンズを設
けた画素のマイクロレンズの下に配置することにより、
従来の固体撮像装置では無効領域となってた隣合うマイ
クロレンズ間のギャップを通過する光も利用でき、実効
的開口率を増加することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１７】図１は、本発明の第１の実施例に係わる固
体撮像装置を模式的に示す素子構造断面図である。半導
体基板１の表面層には信号電荷を蓄積する蓄積ダイオー
ドと信号電荷の転送素子（図示せず）が形成されてお
り、半導体基板１上には画素電極２がマトリックス状に
形成されている。画素電極２の上には水素化アモルファ
スシリコン等の光導電体膜からなる光電変換層３が形成
され、その上に光電変換層３に電圧を印加するためのＩ
ＴＯ等の透明電極４が形成されている。透明電極４の上
には遮光層５が形成され、その上に平坦化層６が形成さ
れている。そして、平坦化層６の上部にマイクロレンズ
９が形成されている。

【００１８】本実施例の固体撮像装置は、電荷転送素子
が形成された半導体基板１上の全面に光電変換層３が形
成され、各画素の感光部は画素電極２により定義され
る。このような光導電体膜を形成する積層型固体撮像装
置では、遮光層５が無ければ１００％の開口率である
が、以下の理由から遮光層５が必要になる場合がある。

【００１９】例えば、画素電極２間のギャップを通って
入射した光が半導体基板１の電荷転送素子に漏れ込む
と、スミアと呼ばれるノイズが生じる。遮光層５はこれ
を防いでいる。また、画素電極２間のギャップ上の光電
変換層３に光が入射すると、残像が大きくなる。光電変
換により光電変換層３に生成された電荷は、画素電極２
と透明電極４の間に印加された電圧により、画素電極２
に集められる。そして、光電変換された電荷の一部は光
電変換層３内をゆっくりと走るため、残像が生じる。こ
の残像は、光電変換層３内の電界が小さいと当然大きく
なる。画素電極２間のギャップ上の光電変換層３の電界
は画素電極２上の光電変換層３の電界よりも小さいの
で、画素電極２間のギャップ上の光電変換層３に光が入
ると残像が大きくなる。この残像を防ぐためにも、遮光
層５が形成される。

【００２０】また、単板式のカラーカメラ用固体撮像装
置として、マイクロレンズ９と遮光層５の間に色フィル
タを形成することがある。この場合は、隣合う画素の色
フィルタを通った光の分離が不十分であると混色が起こ
るので、遮光層５は必須となる。

【００２１】以上述べたように、遮光層５を隣合う画素
の間に配置する必要がある場合があり、この遮光層５の
開口部にマイクロレンズ９により集光している。このよ
うにマイクロレンズ９を使用すると、図９で説明したと
同様に、隣合うマイクロレンズ９間のギャップが無効領
域となる。

【００２２】本実施例ではこれを防ぐため、マイクロレ
ンズ９の中心の位置を遮光層５の開口部の中心の位置に
対してずらしている。これにより、図１から分かるよう
に、マイクロレンズ９間のギャップを通った光が遮光層
５の開口部を通ることができる。また、マイクロレンズ
９で集められる光も遮光層５の開口部に集められてい
る。従って、マイクロレンズ９間のギャップを通る光も
利用できるので、実効的開口率がマイクロレンズ９の面
積で決まるより大きくなる。

【００２３】図２に、本実施例装置における画素部の平
面図を示した。この図より分かるように、隣合うマイク
ロレンズ９間のギャップの多くの部分が遮光層５の開口
部１０の上にあり、マイクロレンズ９間のギャップを通
る光が有効に利用されることになる。

【００２４】このように本実施例によれば、画素電極２
及び光電変換層３からなる感光部（画素）の感光領域を
定義する遮光層５の開口部１０の中心に対し、マイクロ
レンズ９の中心を実質的にずらして配置し、隣接するマ
イクロレンズ９間のギャップが開口部１０上に位置する
ようにしているため、マイクロレンズ９間のギャップ
（無効領域）を通過した光が感光領域に入ることにな
り、その分だけ実効的開口率が増加する。また、遮光層
５の開口部１０の面積が比較的大きい場合、マイクロレ
ンズ９に入射した光は遮光層５で遮られることなく、開
口部１０内に入射する。従って、マイクロレンズ９の無
効領域を小さくして検出感度の向上をはかることができ
る。

【００２５】図３は、本発明の第２の実施例に係わる固
体撮像装置を模式的に示す素子構造断面図である。な
お、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい
説明は省略する。

【００２６】この実施例が第１の実施例と異なる点は、
色フィルタを各画素に配置し、カラーカメラ用の固体撮
像装置を構成したことにある。即ち、図３において平坦
化層６の上部に色フィルタ７を形成し、さらにその上部
に平坦化層１３を形成している。そして、この平坦化層
１３の上にマイクロレンズ９が形成されている。

【００２７】この実施例でも第１の実施例と同様、マイ
クロレンズ９間のギャップを通った光が遮光層５の開口
部を通ることができる。従って、マイクロレンズ９間の
ギャップを通る光も利用できるので、実効的開口率がマ
イクロレンズ９の面積で決まるより大きくなる。

【００２８】ここで、第１，第２の実施例共に注意すべ
き点は、マイクロレンズ９の中心を遮光層５の開口部の
中心よりずらしているにも拘らず、マイクロレンズ９に
入射した光が遮光層５の開口部で集められていることで
ある。実効的開口率を増加させるには、遮光層５の開口
部の中心に対してマイクロレンズ９の中心をマイクロレ
ンズ９間のギャップ長程度ずらす必要があるが、そうし
た場合、マイクロレンズ９に入射した光が遮光層５の開
口部で集めるためには遮光層５の開口率がある程度大き
い必要がある。遮光層５の開口部が小さければ、マイク
ロレンズ９により光は遮光層５の上に集められ反射さ
れ、かえって実効的開口率が下がってしまう。

【００２９】第１，第２の実施例は感光部である光導電
体膜３を積層した積層型固体撮像装置の場合であるが、
特に積層型固体撮像装置では半導体基板内に感光部を持
つ固体撮像素子と比較して遮光層５の開口が大きくなる
ので、本発明において有利である。しかし、半導体基板
内に感光部がある固体撮像素子においても、遮光層の開
口部を大きくできる場合は本発明は有効である。

【００３０】図４は、本発明の第３の実施例に係わる固
体撮像装置を模式的に示す素子構造断面図である。な
お、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい
説明は省略する。

【００３１】この実施例は、半導体基板内に感光部があ
る固体撮像装置の例である。即ち、半導体基板１の表面
層にフォトダイオード等からなる感光部８が形成され、
その上に第１の実施例と同様に、遮光層５，平坦化層６
及びマイクロレンズ９が形成されている。

【００３２】この実施例でも第１の実施例と同様、マイ
クロレンズ９間のギャップを通った光が遮光層５の開口
部を通ることができる。従って、マイクロレンズ９間の
ギャップを通る光も利用できるので、実効的開口率がマ
イクロレンズ９の面積で決まるより大きくなる。

【００３３】図５は、本発明の第４の実施例に係わる固
体撮像装置を模式的に示す素子構造断面図である。な
お、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい
説明は省略する。

【００３４】この実施例は、ある隣合う２つの画素のう
ち、一方にはマイクロレンズ９が形成されており、他方
の画素にはマイクロレンズ９が形成されていないことが
特徴である。具体的には、マイクロレンズ９のある感光
部上では遮光層５の開口部を小さくし、マイクロレンズ
９の無い感光部上では遮光層５の開口部を大きくしてい
る。特に、マイクロレンズ９の無い感光部上では、画素
電極２の大きさと遮光層５の開口部とが略一致するよう
にしている。

【００３５】図５から分かるように、隣合う画素電極２
間のギャップに向かって入射する光は、マイクロレンズ
９によりマイクロレンズ９のある画素に集められるよう
にマイクロレンズ９は配置されている。つまり、画素電
極２により感光部が定義されるが、隣合う感光部のうち
マイクロレンズ９のある感光部には、隣合う感光部のギ
ャップに入射する光も集められる。そして、マイクロレ
ンズ９のない部分に入射する光は、マイクロレンズ９の
無い画素の感光部に入射する。

【００３６】このようにマイクロレンズ９の無い部分の
下部には遮光層５がなく、遮光層５はマイクロレンズ９
の下に配置している。図６に、マイクロレンズ９と遮光
層５の開口部１１，１２の平面形状を示した。この図よ
り、マイクロレンズ９の無い領域の下には遮光層５の開
口部１２があり、光が有効に利用されていることが分か
る。

【００３７】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、画素の感光領域を定義
するために遮光層５を設けたが、マイクロレンズ９によ
り光が確実に画素電極２で定義される感光部に入射する
場合は、遮光層５を省略してもよい。このように遮光層
５を省略した例を、図７，図８に示す。図７は図１にお
いて遮光層５を省略したもので、図８は図５において遮
光層５を省略したものである。但し、マイクロレンズ９
の製造上のばらつきにより光の一部が画素電極２のギャ
ップの上部に入射する場合等は、遮光層５を入れるのが
望ましい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、
種々変形して実施することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明（請求項１）
によれば、各画素の感光領域を定義する遮光層の開口部
の中心に対し、マイクロレンズの中心を実質的にずらす
ことにより、マイクロレンズの無効領域を通過した光が
感光領域に入ることができるので、その分だけ実効的開
口率を増加させることができる。

【００３９】また、本発明（請求項２）によれば、隣合
う２つの画素のうち、１つの画素に対してマイクロレン
ズを設け、他の画素についてはマイクロレンズ無しと
し、遮光層をでき得る限り、マイクロレンズを設けた画
素のマイクロレンズの下に配置しいてる。このことによ
り、従来の固体撮像装置では無効領域となっていた隣合
うマイクロレンズのギャップを通過する光も利用でき，
実効的開口率を増加することができる。

【００４０】そして、これら２つの発明のいずれにおい
ても、感光領域の実効的開口率が増すために、固体撮像
装置としての感度が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる固体撮像装置を示す素子
構造断面図。

【図２】第１の実施例の固体撮像装置の画素部形状を示
す平面図。

【図３】第２の実施例に係わる固体撮像装置を示す素子
構造断面図。

【図４】第３の実施例に係わる固体撮像装置を示す素子
構造断面図。

【図５】第４の実施例に係わる固体撮像装置を示す素子
構造断面図。

【図６】第４の実施例の固体撮像装置の画素部形状を示
す平面図。

【図７】本発明の変形例を示す素子構造断面図。

【図８】本発明の変形例を示す素子構造断面図。

【図９】従来のマイクロレンズを用いた固体撮像装置を
示す素子構造断面図。

【図１０】従来の固体撮像装置の画素部形状を示す平面
図。

【符号の説明】

１…半導体基板 ２…画素電極 ３…光電変換層 ４，６，１３…平坦化層 ５…遮光層 ７…カラーフィルタ ８…感光部 ９…マイクロレンズ １０，１１，１２…遮光層の開口部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板又は光導電体膜に感光部が配列
   形成され、これらの感光部の上部に該感光部に対する開
   口部を持つ遮光層が形成され、この遮光層の開口部に光
   を集光するマイクロレンズが形成された固体撮像装置に
   おいて、 前記遮光層の開口部の中心に対し前記マイクロレンズの
   中心を実質的にずらして配置し、隣接するマイクロレン
   ズ間のギャップを通る光を前記感光部に入射せしめるこ
   とを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】半導体基板又は光導電体膜に感光部が配列
   形成され、これらの感光部の上部に該感光部に対する開
   口部を持つ遮光層が形成され、この遮光層の開口部に光
   を集光するマイクロレンズが形成された固体撮像装置に
   おいて、 前記感光部の互いに隣接するもの同士に対し、一方の感
   光部の上部には前記マイクロレンズを形成し、他方の感
   光部の上部には前記マイクロレンズを形成しないことを
   特徴とする固体撮像装置。