JPH0714997A

JPH0714997A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH0714997A
Application number: JP5147645A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Taura; 義弘田浦
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-06-18
Filing date: 1993-06-18
Publication date: 1995-01-17
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JP3240752B2

Abstract

(57)【要約】【目的】マイクロ集光レンズの対物レンズによるＦ値
依存、シェーディング等の低減、並びに斜めの入射光で
問題となっていたスミアの発生の低減を図る。【構成】シリコン基板１の表面に、イメージエリアを
構成する多数の受光部２が形成され、これら受光部２を
含む全面に平坦化膜３が形成され、更に平坦化膜３上に
おいて、各受光部２に対応した位置にマイクロ集光レン
ズ４が形成されたイメージセンサにおいて、各マイクロ
集光レンズ４上に中間層５を挟んでその上部に第２のレ
ンズ層６を形成し、特に、撮像領域の周辺部に、各マイ
クロ集光レンズに対応して光発散特性を有する凹レンズ
形状の部材（マイクロ凹レンズ）７を一体に形成して構
成する。この場合、マイクロ集光レンズ４、マイクロ凹
レンズ及び中間層の屈折率をそれぞれｎ₁、ｎ₂ 及びｎ
₃ としたとき、ｎ₁＞ｎ₃，ｎ₂＞ｎ₃，及びｎ₃≧１
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，固体撮像素子に関する
もので、特に、その受光部上にそれぞれマイクロ集光レ
ンズを形成した固体撮像素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、固体撮像素子、例えばＣＣＤ固
体撮像素子は、そのＣＣＤにおける信号電荷及び雑音と
像面照度との関係をみた場合、低照度側において、信号
電荷のゆらぎによる雑音（ショット雑音）及び暗時雑音
の影響が大きくなるということが知られている。

【０００３】上記ショット雑音を減らすには、受光部の
開口率を大きくすればよいが、最近の微細化傾向に伴
い、上記開口率の増大化には限界がある。そこで現在、
受光部上にマイクロ集光レンズを形成した構造の場合、
光の利用率が上がり、受光部における感度の向上を図る
ことができ、上記ショット雑音の低減化に有効となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、対物レ
ンズ（ビデオレンズ）のＦ値を小さくする（絞り解放に
近づける）際に、入射光線の、上記対物レンズ中心を通
る法線からの角度が大きくなるので、ＣＣＤ固体撮像素
子の受光部に効率よく入射光が集光されず、感度が低下
するという問題がある。これは、マイクロ集光レンズが
平行光線の入射に対して最適な集光となるように設計さ
れているためである。

【０００５】また、上記対物レンズ中心を通る法線から
の角度が大きい入射光がＶ（垂直）転送電極下に進入す
ることにより、画面に白い縦筋が現れるスミア現象が発
生するという問題もある。

【０００６】さらに、上記対物レンズの射出瞳距離が短
いと、やはり入射光の角度が大きくなり、そのために周
辺部のセンサに集光されず、シェーディングを生じると
いった問題もある。

【０００７】本発明は、上記課題に鑑みて提案されたも
のであり、その目的とするところは、マイクロ集光レン
ズの対物レンズによるＦ値依存、シェーディング等を低
減することができ、しかも斜めの入射光で問題となって
いたスミアの発生も低減することができる固体撮像素子
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、多数の受光部
２が配列されて構成された撮像領域の各受光部２上に、
それぞれマイクロ集光レンズ４が形成された固体撮像素
子において、マイクロ集光レンズ４上に、中間層５を介
して上部層６を形成し、この上部層６中、少なくとも周
辺部の上面に、入射光Ｌを鉛直方向に屈折させる屈折部
材を一体に形成して構成する。

【０００９】この場合、上記屈折部材としては、各マイ
クロ集光レンズ４に対応して形成されたマイクロ発散レ
ンズ７とすることができ、あるいは各マイクロ集光レン
ズ４に対応して形成され、かつ撮像領域の中央部に向か
って下方に傾斜するテーパ面１１とすることができる。

【００１０】また、マイクロ集光レンズ４、上部層６及
び中間層５の屈折率をそれぞれｎ₁、ｎ₂、ｎ₃とした
とき、ｎ₁＞ｎ₃、ｎ₂＞ｎ₃及びｎ₃≧１の関係にす
ることが好ましい。

【００１１】

【作用】本発明に係る固体撮像素子においては、撮像領
域の周辺部において、斜め入射される光Ｌが、まず、上
部層６の屈折部材にて鉛直方向に屈折される。即ち、撮
像領域の中央部側内方に向かって屈折される。これによ
って、撮像領域の周辺部において、上部層６に対して斜
め入射された光Ｌは、マイクロ集光レンズ４側に導かれ
ることになる。その結果、撮像領域の中央部及び周辺部
全体にかけて、受光部２に効率よく入射光Ｌが集光され
るようになり、撮像領域全体に入射する光Ｌを有効利用
することができ、感度の向上を図ることが可能となる。

【００１２】特に、上記マイクロ集光レンズ４、上部層
６及び中間層５の屈折率をそれぞれｎ₁，ｎ₂及びｎ₃
としたとき、ｎ₁＞ｎ₃，ｎ₂＞ｎ₃，及びｎ₃≧１の
関係にすることにより、上部層６と中間層５との界面に
おいて、上部層６と中間層５との屈折率の違いから、わ
ずかに撮像領域の周辺部側外方に向かって屈折されるこ
とになる。

【００１３】これによって、上部層６の屈折部材による
光屈折をわずかに修正し、上部層６に対して斜め入射さ
れた光Ｌが下層のマイクロ集光レンズ４に向かって誘導
されることと等価になり、この中間層５を透過した光Ｌ
は、マイクロ集光レンズ４によって受光部２側に効率よ
く集光されることになる。

【００１４】従って、この場合、撮像領域全体に入射す
る光Ｌを受光部へ有効に集光させることができ、更に感
度の向上を図ることが可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係る固体撮像素子を、ビデオ
カメラ用のイメージセンサに適用したいくつかの実施例
を図１〜図１０を参照しながら説明する。

【００１６】まず、第１実施例に係るイメージセンサ
は、図１に示すように、矢印Ｙの方向が中心部となる撮
像領域の周辺部において、シリコン基板１の表面に、イ
メージエリアを構成する多数の受光部２が形成され、こ
れら受光部２を含む全面に平坦化膜３が形成され、そし
て、この平坦化膜３上において、各々の上記受光部２に
対応した位置にマイクロ集光レンズ４が形成されてい
る。

【００１７】更に、この第１実施例においては、各々の
集光レンズ４上に中間層５を挟んでその上部に第２のレ
ンズ層６が形成され、特に、撮像領域の周辺部（この図
においては、右側周辺部を示す）に、各マイクロ集光レ
ンズに対応して光発散特性を有する凹レンズ形状の部材
（以下、単にマイクロ凹レンズと記す）７が一体に形成
されて構成されている。なお、この図１において、８は
転送電極及び遮光膜の形成による段差を模式的に示すも
のである。

【００１８】上記第２のレンズ層６は、図１に示すよう
に、上記撮像領域の中心部においては、上記マイクロ凹
レンズ７は形成せず、平坦な面となっている。

【００１９】上記マイクロ凹レンズ７は、中間層５の屈
折率ｎ₃よりも高い屈折率ｎ₂を有する材料、例えば光
学材料であるＰＭＭＡ（メタクリル樹脂）等の樹脂を用
いて作製される。このマイクロ凹レンズ７は、いわゆる
ウェットエッチング等の等方性エッチングを用いて容易
に作製可能である。マイクロ集光レンズ４についても、
中間層５の屈折率ｎ₃よりも高い屈折率ｎ₁を有する材
料を用いている。また、中間層５は、屈折率が低いもの
であればよいので、例えば屈折率が１である空気層とし
てもよい。

【００２０】すなわち、第１実施例に係るイメージセン
サの上記マイクロ集光レンズ４の屈折率ｎ₁、中間層５
の屈折率ｎ₃ 及びマイクロ凹レンズ７の屈折率ｎ₂ の関
係を式を用いて表せば、ｎ₁＞ｎ₃，ｎ₂＞ｎ₃，及び
ｎ₃≧１となる。中間層５の材料として、マイクロ集光
レンズ４の材料及びマイクロ凹レンズ７の材料の屈折率
の値に近い値を有する材料を用いると、入射光が受光部
２に良好に集光されないおそれがあるため、上記関係式
を満足する材料を選定することが望ましい。

【００２１】次に、上記撮像領域に入射する入射光の光
路について説明する。一般に、図２に示すように、光学
部品である凹レンズ２１に平行光線を入射すると、焦点
を結ばずに発散するが、この凹レンズ２１に、収束する
光線Ｌを入射すると、平行に近い光線が得られる。

【００２２】上記第１実施例においては、この凹レンズ
２１の特性を利用して、撮像領域の周辺部における第２
のレンズ層の上部にマイクロ凹レンズ７を一体に形成す
る。これによって、ビデオレンズからの角度の大きい斜
め入射光は、上記マイクロ凹レンズ７で角度の小さい光
線に修正され、下層のマイクロ集光レンズ４に入射され
ることになる。

【００２３】ここで、第１実施例の上記第２のレンズ層
６及び中間層５を形成せずに、従来のイメージセンサと
同様の構成を有するイメージセンサについて、その入射
光の光路を主体にして説明すると、まず、撮像領域の中
心部においては、図３に示すように、マイクロ集光レン
ズ４にほぼ垂直に入射する光Ｌは、このマイクロ集光レ
ンズ４の表面にて屈折する。すなわち、Ｚ軸方向に沿っ
て（すなわち入射角≒０で）入射した上記光Ｌは、マイ
クロ集光レンズ４の表面において受光部２側に屈折し、
受光部２に効率よく入射することになる。

【００２４】このように、入射される光の角度（入射
角）が小さいときは、マイクロ集光レンズ４は、平行光
線が受光部２に効率よく集光されるように設計されてい
るために問題はないが、上記入射角は、撮像領域の周辺
部においては比較的大きな値となるので、図４（図中、
矢印Ｙは撮像領域の中心部側を示す方向である）に示す
ように、効率よく受光部に集光させることができず、Ｚ
軸に対して斜めに入射した光Ｌは、マイクロ集光レンズ
４の表面で屈折することになるが、その屈折率が小さ
く、そのため入射光が受光部２から外れてしまう場合が
ある。

【００２５】そこで、上記第１実施例においては、図５
に示すように、マイクロ集光レンズ上に、発散特性を有
するマイクロ凹レンズ７を設けて構成する。この図５
は、上記図１に示したイメージセンサの撮像領域の周辺
部（図中、矢印Ｙは撮像領域の中心部側を示す方向であ
る）について示す図である。ここでは比較のために、第
２のレンズ層（マイクロ凹レンズ７）及び中間層がない
場合の光Ｌの光路を破線で示している。

【００２６】上記マイクロ凹レンズ７に入射した光Ｌ
は、まず、マイクロ凹レンズ７の特性によって屈折す
る。すなわち、Ｚ軸方向に対して斜め入射した光Ｌは、
マイクロ凹レンズ７の表面にて、Ｚ軸方向に対して撮像
領域の中心部側内方に屈折する。

【００２７】さらに、マイクロ凹レンズ７を通過した光
Ｌは、このマイクロ凹レンズ７の屈折率ｎ₂よりも小さ
い屈折率ｎ₃（１≦ｎ₃＜ｎ₂）を有する中間層５に入
射し、この屈折率の差によって、Ｚ軸方向に対して撮像
領域の周辺部側外方にわずかに屈折する。この屈折によ
って、光Ｌはマイクロ集光レンズ４側に導かれることに
なる。

【００２８】そして、上記中間層５を通過した光Ｌは、
マイクロ集光レンズ４の表面にて、Ｚ軸方向に対して撮
像領域の中央部側内方に屈折し、下層の平坦化膜３の表
面にて幾分屈折して、最終的にシリコン基板１上に形成
された受光部２に入射することになる。

【００２９】上述のように、上記第１実施例によれば、
受光部２上に形成されたマイクロ集光レンズ４の上部
に、中間層５を挟んで第２のレンズ層を形成し、特に、
撮像領域の周辺部に対応する部分に発散特性を有するマ
イクロ凹レンズ７を形成したので、以下に示す効果が生
じる。

【００３０】即ち、図５に示すように、撮像領域の周辺
部に斜め入射した光Ｌは、マイクロ凹レンズ７による撮
像領域の中央部側内方への屈折作用及び中間層５による
マイクロ集光レンズ４方向への屈折作用によって、マイ
クロ集光レンズ４の表面に達する際に、破線で示す入射
光Ｌと比較して、一様に矢印Ｙの方向にシフトすること
になる。つまり、上記斜め入射光Ｌは、第２のレンズ層
６におけるマイクロ凹レンズ７にて鉛直方向に屈折さ
れ、撮像領域の中央部側内方に向かうことになる。

【００３１】この第２のレンズ層６を通過した光Ｌは、
次の第２のレンズ層６と中間層５との界面において、第
２のレンズ層６と中間層５との屈折率の違いから、わず
かに撮像領域の周辺部側外方に向かって屈折されること
になる。

【００３２】これによって、第２のレンズ層６の上記マ
イクロ凹レンズ７による光屈折をわずかに修正し、第２
のレンズ層６に対して斜め入射された光Ｌが、下層のマ
イクロ集光レンズ４に向かって導かれることと等価にな
り、この中間層５を透過した光Ｌは、マイクロ集光レン
ズ４によって受光部２側に集光されることになる。

【００３３】このように、上記第１実施例に係るイメー
ジセンサにおいては、特に、撮像領域の周辺部におい
て、第２のレンズ層６に一体に形成されたマイクロ凹レ
ンズ７及びその下層の中間層５によって、斜め入射光Ｌ
のマイクロ集光レンズ４による受光部２への集光が調整
され、効率よく受光部２に集光させることが可能とな
る。

【００３４】また、この第１実施例においては、第２の
レンズ層６に対して、撮像領域の全体に一様にマイクロ
凹レンズ７を形成することはせず、撮像領域の周辺部の
み対応した領域にマイクロ凹レンズ７を形成するように
し、撮像領域の中央部に対応する領域は、平坦な面とし
たので、撮像領域の中央部において入射光Ｌの受光部２
に対する集光効率が低下するということがなく、撮像領
域の全体の集光効率を一様にすることが可能となり、更
に感度の向上を図ることができる。

【００３５】次に、上記第１実施例のいくつかの変形例
を図６〜図８を参照しながら説明する。なお、図１と対
応するものについては同符号を記す。

【００３６】まず、第１の変形例を図６に示す。この第
１の変形例は、上記第１実施例とほぼ同様の構成を有す
るが、マイクロ集光レンズ４の頂点Ｐからマイクロ凹レ
ンズ７までの距離を、撮像領域の周辺部と中心部とで各
々Ｓ，Ｔとしたとき、Ｓ＜Ｔの関係になるように中間層
６が形成されている点と、撮像領域の中央部に対応する
領域にも、周辺部に対応する領域に形成されたマイクロ
凹レンズ７と同じ形状のマイクロ凹レンズ７が形成され
ている点で異なる。この第１の変形例においても、上記
第１実施例と同様に、撮像領域の中央部及び周辺部全体
にかけて、受光部２に効率よく入射光Ｌを集光させるこ
とができ、その結果、撮像領域全体に入射する光Ｌを有
効利用することができ、感度の向上を図ることが可能と
なる。

【００３７】次に、第２の変形例を図７に示す。この第
２の変形例は、上記第１実施例とほぼ同様の構成を有す
るが、第２のレンズ層６の全面に、マイクロ凹レンズ７
が形成されている点と、撮像領域の中心部から周辺部へ
向かうにつれて、マイクロ凹レンズ７の曲率半径が小さ
くなっている点で異なる。この第２の変形例において
も、上記第１実施例と同様に、撮像領域の中央部及び周
辺部全体にかけて、受光部２に効率よく入射光Ｌを集光
させることができ、その結果、撮像領域全体に入射する
光Ｌを有効利用することができ、感度の向上を図ること
が可能となる。

【００３８】次に、第３の変形例を図８に示す。この第
３の変形例は、第２の変形例とほぼ同様の構成を有する
が、マイクロ凹レンズ７の中心を通る線ｍとマイクロ集
光レンズ４の中心を通る線ｎとの距離ｄが、撮像領域の
中心部から周辺部へ向かう程、大きくなっている点で異
なる。なお、撮像領域の中央部においては、上記距離ｄ
はほぼ零に設定されている。この第３の変形例において
も、上記第１実施例と同様に、撮像領域の中央部及び周
辺部全体にかけて、受光部２に効率よく入射光Ｌを集光
させることができ、その結果、撮像領域全体に入射する
光Ｌを有効利用することができ、感度の向上を図ること
が可能となる。

【００３９】次に、第２実施例に係るイメージセンサに
ついて図９及び図１０を参照しながら説明する。なお、
図１と対応するものについては同符号を記す。

【００４０】この第２実施例に係るイメージセンサは、
図９に示すように、上記第１実施例とほぼ同様の構成を
有するが、第２のレンズ層６中、撮像領域の周辺部に対
応する領域に、撮像領域の中央部に向かって下方に傾斜
するテーパ面１１が形成されている点で異なる。各テー
パ面１１の傾斜角θは、周辺部側外方へ向かうにつれて
増大するように設定されている。

【００４１】次に、この第２実施例に係るイメージセン
サの撮像領域に入射する入射光Ｌの光路について図１０
を参照しながら説明する。この図１０は、撮像領域の右
側周辺部（図中、矢印Ｙは撮像領域の中心部を示す方向
である）について示す図である。ここでは比較のため
に、第２のレンズ層６（テーパ面１１）及び中間層５が
ない場合の光Ｌの光路を破線で示している。

【００４２】上記第２のレンズ層６に入射した光Ｌは、
まず、テーパ面１１によって屈折する。すなわち、Ｚ軸
方向に対して斜め入射した光Ｌは、テーパ面１１の表面
にて、Ｚ軸方向に対して撮像領域の中心部側内方に屈折
する。

【００４３】第２のレンズ層６を通過した光Ｌは、第２
のレンズ層６の屈折率ｎ₂よりも小さい屈折率ｎ₃（１
≦ｎ₃＜ｎ₂）を有する中間層５に入射し、この屈折率
の差によって、Ｚ軸方向に対して撮像領域の周辺部側外
方にわずかに屈折する。この屈折によって、光Ｌはマイ
クロ集光レンズ４側に導かれることになる。

【００４４】そして、上記中間層５に入射した光Ｌは、
マイクロ集光レンズ４の表面にて、Ｚ軸方向に対して撮
像領域の中央部側内方に屈折し、下層の平坦化膜３の表
面にて幾分屈折して、最終的にシリコン基板１上に形成
された受光部２に入射することになる。

【００４５】このように、上記第２実施例に係るイメー
ジセンサにおいては、上記第１実施例に係るイメージセ
ンサと同様に、撮像領域の周辺部において、第２のレン
ズ層６に一体に形成されたテーパ面１１及びその下層の
中間層５によって、斜め入射光Ｌのマイクロ集光レンズ
４による受光部２への集光が調整され、効率よく受光部
２に集光させることが可能となる。これにより、感度の
向上を図ることができる。

【００４６】また、この第２実施例においては、上記撮
像領域の中心部に対応するテーパ面の傾斜角を零、つま
り平坦面にしたので、撮像領域の全体の集光効率を一様
にすることが可能となり、更に感度の向上を図ることが
できる。

【００４７】なお、この第２実施例においても、上記撮
像領域に対する全体の集光効率を一様にするために、第
１実施例の各種変形例と同様の構成とすることもでき
る。すなわち、撮像領域の中心部の中間層５の厚さを薄
くすること（第１の変形例に対応）や、撮像領域の周辺
部へ向かう程、マイクロ集光レンズ４の中心位置とテー
パ面１１の中心位置とをずらす（第３の変形例に対応）
等である。

【００４８】上記第１実施例及び各種変形例並びに第２
実施例においては、主にイメージセンサの撮像領域の中
心部と右側周辺部の構成を主体にして説明したが、もち
ろん撮像領域の左側周辺部についても同様な構成をとる
ことができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明に係る固体撮像素子によれば、多
数の受光部が配列されて構成された撮像領域の各受光部
上に、それぞれマイクロ集光レンズが形成された固体撮
像素子において、上記マイクロ集光レンズ上に、中間層
を介して上部層を形成し、上記上部層中、少なくとも周
辺部の上面に、入射光を鉛直方向に屈折させる屈折部材
を一体に形成するようにしたので、撮像領域全体に入射
する光を有効利用することができ、対物レンズによるＦ
値依存、シェーディング等を低減させることが可能とな
る。しかも、斜め入射光に起因するスミアを低減させる
ことも可能となる。

【００５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子を、ビデオカメラ用
のイメージセンサに適用した第１実施例（以下、単に第
１実施例に係るイメージセンサと記す）の要部、特に撮
像領域の中央部と右側周辺部を示す構成図である。

【図２】光学部品の凹レンズの発散特性を示す原理図で
ある。

【図３】従来のイメージセンサと同様の構成を有するイ
メージセンサについて、その撮像領域の中央部における
入射光の光路を説明するために参考に用いる構成図であ
る。

【図４】従来のイメージセンサと同様の構成を有するイ
メージセンサについて、その撮像領域の周辺部における
入射光の光路を説明するために参考に用いる構成図であ
る。

【図５】第１実施例に係るイメージセンサにおける撮像
領域の周辺部を入射光路と共に拡大して示す構成図であ
る。

【図６】第１実施例に係るイメージセンサの第１の変形
例を示す構成図である。

【図７】第１実施例に係るイメージセンサの第２の変形
例を示す構成図である。

【図８】第１実施例に係るイメージセンサの第２の変形
例を示す構成図である。

【図９】本発明に係る固体撮像素子を、ビデオカメラ用
のイメージセンサに適用した第２実施例（以下、単に第
２実施例に係るイメージセンサと記す）の要部、特に撮
像領域の中央部と右側周辺部を示す構成図である。

【図１０】第２実施例に係るイメージセンサにおける撮
像領域の周辺部を入射光路と共に拡大して示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１シリコン基板２受光部３平坦膜４マイクロ集光レンズ５中間層６第２のレンズ層７マイクロ凹レンズ１１テーパ面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の受光部が配列されて構成された撮
像領域の各受光部上に、それぞれマイクロ集光レンズが
形成された固体撮像素子において、上記マイクロ集光レンズ上に、中間層を介して上部層が
形成され、上記上部層中、少なくとも周辺部の上面に、入射光を鉛
直方向に屈折させる屈折部材が一体に形成されているこ
とを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】上記屈折部材は、上記各マイクロ集光レ
ンズに対応して形成されたマイクロ発散レンズであるこ
とを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】上記屈折部材は、各マイクロ集光レンズ
に対応して形成され、かつ上記撮像領域の中央部に向か
って下方に傾斜するテーパ面を有することを特徴とする
請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】上記マイクロ集光レンズ、上記上部層及
び上記中間層の屈折率をそれぞれｎ₁、ｎ₂、ｎ₃とし
たとき、ｎ₁＞ｎ₃、ｎ₂＞ｎ₃及びｎ₃≧１の関係を
有することを特徴とする請求項１、２又は３記載の固体
撮像素子。