JPH0774332A - Ccd型固体撮像装置 - Google Patents
Ccd型固体撮像装置Info
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- JPH0774332A JPH0774332A JP6147981A JP14798194A JPH0774332A JP H0774332 A JPH0774332 A JP H0774332A JP 6147981 A JP6147981 A JP 6147981A JP 14798194 A JP14798194 A JP 14798194A JP H0774332 A JPH0774332 A JP H0774332A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 光電変換領域およびそれに対応するマイクロ
レンズのレイアウトが変更されその感度特性が改善され
た固体撮像装置を提供する。 【構成】 第1垂直列に整列された画素と第2垂直列に
整列された画素が垂直方向へ互いに行き違うように配置
されたことが反復される画素アレー部43、44と、各
画素の受光部を中心としてその上部に形成された集光手
段を含む。 【効果】 これにより、非受光部に入射される光を受光
部に効率的に集光させることができ、光感度特性が非常
に向上される。
レンズのレイアウトが変更されその感度特性が改善され
た固体撮像装置を提供する。 【構成】 第1垂直列に整列された画素と第2垂直列に
整列された画素が垂直方向へ互いに行き違うように配置
されたことが反復される画素アレー部43、44と、各
画素の受光部を中心としてその上部に形成された集光手
段を含む。 【効果】 これにより、非受光部に入射される光を受光
部に効率的に集光させることができ、光感度特性が非常
に向上される。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はCCD(Charge Coupled
Device )型固体撮像装置に係り、特に有効集光面積を
増加させるためのマイクロレンズおよび受光部の配置に
関する。
Device )型固体撮像装置に係り、特に有効集光面積を
増加させるためのマイクロレンズおよび受光部の配置に
関する。
【0002】
【背景技術】固体撮像装置は光電変換機能および信号蓄
積機能を有する固体要素を1画素とする撮像面を形成
し、各画素に蓄積された信号電荷を電気信号に変換する
ことにより、映像情報を電気信号に変換させる装置であ
る。これは各画素の信号を読み出す方式(走査方式)に
よりX−Yアドレス方式の固体撮像装置と信号伝送方式
の固体撮像装置とに大きく分類される。X−Yアドレス
方式の固体撮像装置は、各画素の信号電荷を選択的に読
み出して出力を得る方式であり、MOS型固体撮像装置
が製品化されており、信号伝送方式の固体撮像装置は、
各画素の信号電荷をCCDに一時に伝送しておき、その
後にその信号を順に読み出す方式であり、CCD型固体
撮像装置が主流をなしている。
積機能を有する固体要素を1画素とする撮像面を形成
し、各画素に蓄積された信号電荷を電気信号に変換する
ことにより、映像情報を電気信号に変換させる装置であ
る。これは各画素の信号を読み出す方式(走査方式)に
よりX−Yアドレス方式の固体撮像装置と信号伝送方式
の固体撮像装置とに大きく分類される。X−Yアドレス
方式の固体撮像装置は、各画素の信号電荷を選択的に読
み出して出力を得る方式であり、MOS型固体撮像装置
が製品化されており、信号伝送方式の固体撮像装置は、
各画素の信号電荷をCCDに一時に伝送しておき、その
後にその信号を順に読み出す方式であり、CCD型固体
撮像装置が主流をなしている。
【0003】このCCD型固体撮像装置は伝送方式に応
じて再びフレーム伝送(Frame Transfer;FT)方式の
CCD型固体撮像装置とインタライン伝送(Interline
Transfer;IT)方式のCCD型固体撮像装置とに分類
されるが、前者は、入射光を信号電荷に変換する撮像
部、信号電荷を蓄積する蓄積部および信号電荷を垂直伝
送する垂直伝送用CCDとから構成されており、後者
は、入射される光の強さに応じて信号電荷を発生する光
ダイオード、信号電荷を垂直に伝送する垂直伝送CC
D、垂直伝送CCDから伝送された信号電荷を水平方向
へ伝送する水平伝送CCDおよび水平伝送CCDから伝
送された信号電荷を検出する出力回路部から構成されて
いる。
じて再びフレーム伝送(Frame Transfer;FT)方式の
CCD型固体撮像装置とインタライン伝送(Interline
Transfer;IT)方式のCCD型固体撮像装置とに分類
されるが、前者は、入射光を信号電荷に変換する撮像
部、信号電荷を蓄積する蓄積部および信号電荷を垂直伝
送する垂直伝送用CCDとから構成されており、後者
は、入射される光の強さに応じて信号電荷を発生する光
ダイオード、信号電荷を垂直に伝送する垂直伝送CC
D、垂直伝送CCDから伝送された信号電荷を水平方向
へ伝送する水平伝送CCDおよび水平伝送CCDから伝
送された信号電荷を検出する出力回路部から構成されて
いる。
【0004】図1は通常のCCD型固体撮像装置のレイ
アウトであり、より詳細には、半導体基板に光電変換領
域である光ダイオード10がアレーされており、信号電
荷の垂直伝送のための垂直伝送CCDが設けられている
インタライン伝送方式のCCD型固体撮像装置の画素セ
ルアレーの一部を示す。光電変換領域、すなわち光ダイ
オード10の領域はマトリックス状に配列され、垂直伝
送CCDを構成する垂直伝送チャネルを形成するための
マスクパターン11は前記光ダイオード10の間に垂直
的に配置され、前記垂直伝送CCDを構成する第1伝送
電極を形成するためのマスクパターン13は光ダイオー
ド10に垂直に配置されており、前記垂直伝送CCDを
構成する第2伝送電極を形成するためのマスクパターン
14はマスクパターン13に平行に配置される。この
際、マスクパターン14は前記マスクパターン13と部
分的に重畳する。伝送チャネル12は、光ダイオード1
0とマスクパターン11の間に存し、前記マスクパター
ン14と重なる。また、前記伝送チャネル12は第2伝
送電極により光電変換領域の信号電荷を垂直伝送CCD
に伝達する。
アウトであり、より詳細には、半導体基板に光電変換領
域である光ダイオード10がアレーされており、信号電
荷の垂直伝送のための垂直伝送CCDが設けられている
インタライン伝送方式のCCD型固体撮像装置の画素セ
ルアレーの一部を示す。光電変換領域、すなわち光ダイ
オード10の領域はマトリックス状に配列され、垂直伝
送CCDを構成する垂直伝送チャネルを形成するための
マスクパターン11は前記光ダイオード10の間に垂直
的に配置され、前記垂直伝送CCDを構成する第1伝送
電極を形成するためのマスクパターン13は光ダイオー
ド10に垂直に配置されており、前記垂直伝送CCDを
構成する第2伝送電極を形成するためのマスクパターン
14はマスクパターン13に平行に配置される。この
際、マスクパターン14は前記マスクパターン13と部
分的に重畳する。伝送チャネル12は、光ダイオード1
0とマスクパターン11の間に存し、前記マスクパター
ン14と重なる。また、前記伝送チャネル12は第2伝
送電極により光電変換領域の信号電荷を垂直伝送CCD
に伝達する。
【0005】前記図1にそのセルアレー部が簡略に示さ
れているインタライン伝送方式のCCD型固体撮像装置
の一般的な動作原理をみると、次の通りである。可視光
線のような光信号が光ダイオード10に入射されれば、
この光ダイオードには光子効果(入射される光の強さに
比例して電子が発生する効果)により発生した信号電荷
が蓄積される。電気的信号電荷に変換/蓄積された前記
光信号は、フィールドシフト期間の間に前記光ダイオー
ドと垂直伝送チャネル(前記マスクパターン11により
形成される)の間に形成された伝送チャネル12を通じ
て前記垂直伝送チャネルに伝送される。次いで、垂直伝
送チャネル上に形成された複数の伝送電極、すなわち第
1伝送電極群(前記マスクパターン13により形成され
る)と第2伝送電極群(前記マスクパターン14により
形成される)に印加されるクロックパルスにより、前記
信号電荷は垂直伝送チャネルの一方向(通常、水平伝送
CCDが形成されている方向)へ伝送され、その終端に
形成されている水平伝送CCD(図示せず)へ伝送され
る。水平伝送CCDに伝送された前記信号電荷は水平に
順に伝送され出力回路部(図示せず)へ送られ、ここで
前記信号電荷は電圧レベルに変換され信号出力として外
部に取り出される。
れているインタライン伝送方式のCCD型固体撮像装置
の一般的な動作原理をみると、次の通りである。可視光
線のような光信号が光ダイオード10に入射されれば、
この光ダイオードには光子効果(入射される光の強さに
比例して電子が発生する効果)により発生した信号電荷
が蓄積される。電気的信号電荷に変換/蓄積された前記
光信号は、フィールドシフト期間の間に前記光ダイオー
ドと垂直伝送チャネル(前記マスクパターン11により
形成される)の間に形成された伝送チャネル12を通じ
て前記垂直伝送チャネルに伝送される。次いで、垂直伝
送チャネル上に形成された複数の伝送電極、すなわち第
1伝送電極群(前記マスクパターン13により形成され
る)と第2伝送電極群(前記マスクパターン14により
形成される)に印加されるクロックパルスにより、前記
信号電荷は垂直伝送チャネルの一方向(通常、水平伝送
CCDが形成されている方向)へ伝送され、その終端に
形成されている水平伝送CCD(図示せず)へ伝送され
る。水平伝送CCDに伝送された前記信号電荷は水平に
順に伝送され出力回路部(図示せず)へ送られ、ここで
前記信号電荷は電圧レベルに変換され信号出力として外
部に取り出される。
【0006】一方、最近家庭用VTRカメラ等に用いら
れる固体撮像装置の小型化、軽量化の趨勢に応じて固体
撮像装置の光感度特性は非常に重要になった。CCD型
固体撮像装置の光感度は画素アレーの総面積に対する受
光部の面積比として表現される開口率に依存する。高集
積化により単位画素の大きさが小さくなれば、単位画素
内に配置される光ダイオードが占める領域および比率も
それに従い小さくなるので、光感度は減少する。また、
前記光感度は固体撮像装置のカラー化のために必須的に
形成されるカラーフィルター層の存在により(図3の符
号38参照)さらに低下するが、これは前記カラーフィ
ルター層は光ダイオードに入射される光を波長別に分解
して選択的に前記光ダイオードに入射させるため、元の
入射光の強さよりその強さの低下された光を前記光ダイ
オードに入射させるからである。
れる固体撮像装置の小型化、軽量化の趨勢に応じて固体
撮像装置の光感度特性は非常に重要になった。CCD型
固体撮像装置の光感度は画素アレーの総面積に対する受
光部の面積比として表現される開口率に依存する。高集
積化により単位画素の大きさが小さくなれば、単位画素
内に配置される光ダイオードが占める領域および比率も
それに従い小さくなるので、光感度は減少する。また、
前記光感度は固体撮像装置のカラー化のために必須的に
形成されるカラーフィルター層の存在により(図3の符
号38参照)さらに低下するが、これは前記カラーフィ
ルター層は光ダイオードに入射される光を波長別に分解
して選択的に前記光ダイオードに入射させるため、元の
入射光の強さよりその強さの低下された光を前記光ダイ
オードに入射させるからである。
【0007】最近、光感度を増加させるための様々な方
法が提案されている。光導電性の非晶質シリコン層を使
用したCCD型固体撮像装置(参照、N.Harada, et al,
"AHigh-resolution staggered configuration CCD ima
ger overlaid with an a-Si:H photoconductive laye
r", IEEE Trans, Electron Device, vol.ED-32, pp149
9-1504, 1985 )およびモノリシック樹脂レンズを使用
した方法(参照、Y.Ishihara, et al, "A High photose
nsitivity IL-CCD imager sensor with monolithic res
in lens array", IEDM Tech. Digest, pp497〜500, 198
3 )等はそのうちの一つである。しかしながら、前記紹
介した方法のうち、前者はイメージ残像や暗電流の問題
が発生してCCDの特性を劣化させる欠点があり、後者
は十分な感度を得るには不十分であるという欠点があ
る。
法が提案されている。光導電性の非晶質シリコン層を使
用したCCD型固体撮像装置(参照、N.Harada, et al,
"AHigh-resolution staggered configuration CCD ima
ger overlaid with an a-Si:H photoconductive laye
r", IEEE Trans, Electron Device, vol.ED-32, pp149
9-1504, 1985 )およびモノリシック樹脂レンズを使用
した方法(参照、Y.Ishihara, et al, "A High photose
nsitivity IL-CCD imager sensor with monolithic res
in lens array", IEDM Tech. Digest, pp497〜500, 198
3 )等はそのうちの一つである。しかしながら、前記紹
介した方法のうち、前者はイメージ残像や暗電流の問題
が発生してCCDの特性を劣化させる欠点があり、後者
は十分な感度を得るには不十分であるという欠点があ
る。
【0008】このような欠点を解決するための方法とし
て最近CCD型固体撮像装置の光感度向上のためにマイ
クロレンズの集光効果を利用した技術が一般化されてき
た。固体撮像装置内にマイクロレンズを配置する前記技
術は、受光部に集光される光の量を増加させるためのも
のであり、非受光部に入射される光を受光部に集光する
ために、各画素単位でマイクロレンズを配置することを
特徴とする。これは受光部に入射される光だけでなく、
非受光部に入射される光まで前記受光部に集光できる。
それで、マイクロレンズを配置していない固体撮像装置
とマイクロレンズを配置した固体撮像装置が同じ開口率
を有する時、光感度は前記マイクロレンズを配置した固
体撮像装置がさらに大きい。
て最近CCD型固体撮像装置の光感度向上のためにマイ
クロレンズの集光効果を利用した技術が一般化されてき
た。固体撮像装置内にマイクロレンズを配置する前記技
術は、受光部に集光される光の量を増加させるためのも
のであり、非受光部に入射される光を受光部に集光する
ために、各画素単位でマイクロレンズを配置することを
特徴とする。これは受光部に入射される光だけでなく、
非受光部に入射される光まで前記受光部に集光できる。
それで、マイクロレンズを配置していない固体撮像装置
とマイクロレンズを配置した固体撮像装置が同じ開口率
を有する時、光感度は前記マイクロレンズを配置した固
体撮像装置がさらに大きい。
【0009】一般的に、インタライン伝送方式のCCD
型固体撮像装置では、各画素面積の約30%は撮像され
るイメージを受光する受光部(前記図2において符号1
0)が占め、残りの約70%は垂直伝送CCD等が占め
る。通常、受光部には平行光だけでなく様々な角度の光
が入射される。従って、マイクロレンズの集光率(マイ
クロレンズがある場合の感度/マイクロレンズがない場
合の感度)を高めるためにはマイクロレンズの曲率を各
画素(受光部および非受光部)に入射される光を受光部
に最もよく集光できる程度に調整すべきである。
型固体撮像装置では、各画素面積の約30%は撮像され
るイメージを受光する受光部(前記図2において符号1
0)が占め、残りの約70%は垂直伝送CCD等が占め
る。通常、受光部には平行光だけでなく様々な角度の光
が入射される。従って、マイクロレンズの集光率(マイ
クロレンズがある場合の感度/マイクロレンズがない場
合の感度)を高めるためにはマイクロレンズの曲率を各
画素(受光部および非受光部)に入射される光を受光部
に最もよく集光できる程度に調整すべきである。
【0010】マイクロレンズの形状としては長方形・ド
ームタイプ、半円筒形、半球形等が提案され、このうち
集光効率が最も優れた長方形・ドームタイプが広く用い
られる(参照、Yoshikazu Sano. et al, "Submicron sp
aced Lens Array Process Technology for a High phot
osensitivity CCD Image Sensor", IEDM Tech. Digest,
pp283〜286, 1990 )。
ームタイプ、半円筒形、半球形等が提案され、このうち
集光効率が最も優れた長方形・ドームタイプが広く用い
られる(参照、Yoshikazu Sano. et al, "Submicron sp
aced Lens Array Process Technology for a High phot
osensitivity CCD Image Sensor", IEDM Tech. Digest,
pp283〜286, 1990 )。
【0011】図2は前記図1の画素レイアウトの最上層
に形成される長方形・ドームタイプのマイクロレンズの
配置図であり、マスクパターン15は各光ダイオードを
中心としてマトリックス状に配置されるマイクロレンズ
を形成するためのものである。図3は前記図2をIII −
III 線で切った断面図であり、前記マイクロレンズまで
形成されたCCD型固体撮像装置を示す。
に形成される長方形・ドームタイプのマイクロレンズの
配置図であり、マスクパターン15は各光ダイオードを
中心としてマトリックス状に配置されるマイクロレンズ
を形成するためのものである。図3は前記図2をIII −
III 線で切った断面図であり、前記マイクロレンズまで
形成されたCCD型固体撮像装置を示す。
【0012】前記固体撮像装置は、N型半導体基板2
7、前記N型半導体基板内に形成されたP型ウェル2
8、前記P型ウェル28内に各画素単位に限定されるよ
うに形成され、入射された光を信号電荷に転換/蓄積す
る光ダイオード30、前記P型ウェル内に前記マスクパ
ターン11を利用して形成され、前記光ダイオードに蓄
積された信号電荷が伝達され水平伝送CCD(図示せ
ず)へ伝送する垂直伝送CCDのN型垂直伝送チャネル
31、前記光ダイオード30と垂直伝送チャネル31の
間に形成され、前記光ダイオードに蓄積された信号電荷
を前記垂直伝送チャネルに伝達する伝送チャネル32、
各画素単位で前記画素を隔離するためのシャネルストッ
パー層29、前記マスクパターン13、14を利用して
形成され、前記垂直伝送チャネルへ伝送された信号電荷
を水平伝送CCDに伝達するためのクロックパルスが印
加される第1および第2伝送電極(図示せず)34、受
光部を除いた全画素アレー領域に形成される遮光膜3
7、各受光部上に形成され入射される光を波長別に選択
的に透過させ色信号が感知できるようにするカラーフィ
ルター層38、前記カラーフィルター層の上下部にそれ
ぞれ形成される第1、第2平坦化層39a、39bおよ
び前記マスクパターン15を利用して各受光部、すなわ
ち光ダイオードを中心として前記第2平坦化層上に形成
され入射される光を前記受光部に集光するマイクロレン
ズ35から構成される。
7、前記N型半導体基板内に形成されたP型ウェル2
8、前記P型ウェル28内に各画素単位に限定されるよ
うに形成され、入射された光を信号電荷に転換/蓄積す
る光ダイオード30、前記P型ウェル内に前記マスクパ
ターン11を利用して形成され、前記光ダイオードに蓄
積された信号電荷が伝達され水平伝送CCD(図示せ
ず)へ伝送する垂直伝送CCDのN型垂直伝送チャネル
31、前記光ダイオード30と垂直伝送チャネル31の
間に形成され、前記光ダイオードに蓄積された信号電荷
を前記垂直伝送チャネルに伝達する伝送チャネル32、
各画素単位で前記画素を隔離するためのシャネルストッ
パー層29、前記マスクパターン13、14を利用して
形成され、前記垂直伝送チャネルへ伝送された信号電荷
を水平伝送CCDに伝達するためのクロックパルスが印
加される第1および第2伝送電極(図示せず)34、受
光部を除いた全画素アレー領域に形成される遮光膜3
7、各受光部上に形成され入射される光を波長別に選択
的に透過させ色信号が感知できるようにするカラーフィ
ルター層38、前記カラーフィルター層の上下部にそれ
ぞれ形成される第1、第2平坦化層39a、39bおよ
び前記マスクパターン15を利用して各受光部、すなわ
ち光ダイオードを中心として前記第2平坦化層上に形成
され入射される光を前記受光部に集光するマイクロレン
ズ35から構成される。
【0013】この際、前記マイクロレンズ35は長方形
・ドームタイプの非球面レンズであり、レンズの中心で
は緩慢な傾斜面を形成するため大きい曲率半径を有し、
レンズの縁の付近では急傾斜面を形成するため小さい曲
率半径を有する。すなわち、レンズの曲率半径はレンズ
の断面別に多様であり、それにより長方形レンズの焦点
距離は一定の値でなく所定範囲に属する様々な値を有す
る。
・ドームタイプの非球面レンズであり、レンズの中心で
は緩慢な傾斜面を形成するため大きい曲率半径を有し、
レンズの縁の付近では急傾斜面を形成するため小さい曲
率半径を有する。すなわち、レンズの曲率半径はレンズ
の断面別に多様であり、それにより長方形レンズの焦点
距離は一定の値でなく所定範囲に属する様々な値を有す
る。
【0014】図4は前記長方形・ドームタイプの単位マ
イクロレンズ35の有効集光面積を説明するための模式
図である。前記単位マイクロレンズ35をフォトダイオ
ード30の幅の狭い横方向Aへ切った断面が‘A断面’
であり、その幅の広い縦方向Bへ切った断面が‘B断
面’であり、前記長方形タイプのマイクロレンズ35の
対角線方向Cへ切った断面が‘C断面’である。前記各
方向のレンズ曲率は色々の値を有し、各方向の有効集光
面積を図式的に比較するために同一平面上に遮光層37
とマイクロレンズ35のみを示した。
イクロレンズ35の有効集光面積を説明するための模式
図である。前記単位マイクロレンズ35をフォトダイオ
ード30の幅の狭い横方向Aへ切った断面が‘A断面’
であり、その幅の広い縦方向Bへ切った断面が‘B断
面’であり、前記長方形タイプのマイクロレンズ35の
対角線方向Cへ切った断面が‘C断面’である。前記各
方向のレンズ曲率は色々の値を有し、各方向の有効集光
面積を図式的に比較するために同一平面上に遮光層37
とマイクロレンズ35のみを示した。
【0015】一般的にマイクロレンズの集光率を決定す
る主な変数としてはマイクロレンズの厚さと幅(曲率半
径)、レンズを構成する物質、カラーフィルタ層の反射
指数、カラーフィルタ層の厚さ、光ダイオードの面積、
遮光膜の厚さおよび単位画素の面積等がある。前記様々
な変数のうちでもマイクロレンズの曲率半径はマイクロ
レンズの集光率を決定付ける最も重要な変数である。従
って、前記図4はマイクロレンズの曲率半径を主として
図式化した。
る主な変数としてはマイクロレンズの厚さと幅(曲率半
径)、レンズを構成する物質、カラーフィルタ層の反射
指数、カラーフィルタ層の厚さ、光ダイオードの面積、
遮光膜の厚さおよび単位画素の面積等がある。前記様々
な変数のうちでもマイクロレンズの曲率半径はマイクロ
レンズの集光率を決定付ける最も重要な変数である。従
って、前記図4はマイクロレンズの曲率半径を主として
図式化した。
【0016】通常、前記マイクロレンズはフォトレジス
トの特性を共に有する物質から形成されるが、このレン
ズ物質を露光および現像して任意のプロファイルを有す
るパターンを形成し、この後熱的成形工程を通じてパタ
ーンの縁部を緩慢にして、適正なプロファイルと曲率を
有するレンズを形成する。マイクロレンズに入射される
光を全て受光部、すなわち光ダイオードに集光するため
には前記マイクロレンズの曲率半径を適切に調節するの
が重要であるが、その中でも受光部以外の領域上に形成
されているマイクロレンズの曲率半径はさらに重要であ
る。
トの特性を共に有する物質から形成されるが、このレン
ズ物質を露光および現像して任意のプロファイルを有す
るパターンを形成し、この後熱的成形工程を通じてパタ
ーンの縁部を緩慢にして、適正なプロファイルと曲率を
有するレンズを形成する。マイクロレンズに入射される
光を全て受光部、すなわち光ダイオードに集光するため
には前記マイクロレンズの曲率半径を適切に調節するの
が重要であるが、その中でも受光部以外の領域上に形成
されているマイクロレンズの曲率半径はさらに重要であ
る。
【0017】受光部領域上に形成されているマイクロレ
ンズの曲率半径は入射光を受光部に集める役割を果たす
程度なら良いが、非受光部領域上に形成されているマイ
クロレンズの曲率半径は非受光部領域に入射される光を
受光部に効果的に集光できる程度でなければならない。
通常、マイクロレンズの曲率半径はマイクロレンズと光
ダイオードの間の間隔および受光部と非受光部の縁の間
の間隔等を考慮して、マイクロレンズのどんな部位に入
射される光でも効果的に受光部に集光できるように決定
される。
ンズの曲率半径は入射光を受光部に集める役割を果たす
程度なら良いが、非受光部領域上に形成されているマイ
クロレンズの曲率半径は非受光部領域に入射される光を
受光部に効果的に集光できる程度でなければならない。
通常、マイクロレンズの曲率半径はマイクロレンズと光
ダイオードの間の間隔および受光部と非受光部の縁の間
の間隔等を考慮して、マイクロレンズのどんな部位に入
射される光でも効果的に受光部に集光できるように決定
される。
【0018】図4に示した長方形・ドームタイプの前記
マイクロレンズ35を実際形成することにおいて、通常
非受光部の比率の大きい‘A断面’を基準としてマイク
ロレンズの曲率半径を決定する。従って、‘A断面’の
場合は、マイクロレンズの集光率を最大にできる程度
(非受光部の縁部に入射される光を受光部に全部集光で
きる程度)の曲率半径を有する。そして、‘B断面’の
場合は、受光部の縁と非受光部の縁の間の間隔が‘A断
面’より小さいため、‘A断面’を基準として決定され
た前記マイクロレンズの曲率半径により当然マイクロレ
ンズの集光率は満足される。
マイクロレンズ35を実際形成することにおいて、通常
非受光部の比率の大きい‘A断面’を基準としてマイク
ロレンズの曲率半径を決定する。従って、‘A断面’の
場合は、マイクロレンズの集光率を最大にできる程度
(非受光部の縁部に入射される光を受光部に全部集光で
きる程度)の曲率半径を有する。そして、‘B断面’の
場合は、受光部の縁と非受光部の縁の間の間隔が‘A断
面’より小さいため、‘A断面’を基準として決定され
た前記マイクロレンズの曲率半径により当然マイクロレ
ンズの集光率は満足される。
【0019】しかしながら、‘C断面’の場合には、受
光部の縁と非受光部の縁の間の間隔が前記‘A断面’の
間隔よりさらに大きくなるが、これは‘A断面’を基準
として決定された曲率半径を有するマイクロレンズでは
非受光部に入射される光を効果的に受光部に集光できな
いことを意味する。すなわち、‘C断面’のマイクロレ
ンズの集光率は‘A断面’あるいは‘B断面’の集光率
より小さいことを意味する。
光部の縁と非受光部の縁の間の間隔が前記‘A断面’の
間隔よりさらに大きくなるが、これは‘A断面’を基準
として決定された曲率半径を有するマイクロレンズでは
非受光部に入射される光を効果的に受光部に集光できな
いことを意味する。すなわち、‘C断面’のマイクロレ
ンズの集光率は‘A断面’あるいは‘B断面’の集光率
より小さいことを意味する。
【0020】図5は長方形・ドームタイプのマイクロレ
ンズの有効集光面積を示す模式図である。前記図4で調
べてみたように、マイクロレンズの‘C断面’の集光率
は非常に落ちるが、これは‘A断面’を基準としてその
曲率半径が決定された前記マイクロレンズでは前記‘C
断面’の縁部に入射される光を効果的に受光部に集光で
きないからである。それで、実際的な有効集光面20は
楕円形となる。
ンズの有効集光面積を示す模式図である。前記図4で調
べてみたように、マイクロレンズの‘C断面’の集光率
は非常に落ちるが、これは‘A断面’を基準としてその
曲率半径が決定された前記マイクロレンズでは前記‘C
断面’の縁部に入射される光を効果的に受光部に集光で
きないからである。それで、実際的な有効集光面20は
楕円形となる。
【0021】一方、CCD型固体撮像素子が高集積化さ
れるにつれ単位画素の幅/長さの比は段々減少し、例え
ば1/3インチの大きさに25万個の画素を有するCC
D型固体撮像装置では画素の幅/長さの比が約1.28
(9.6μm/7.5μm)であったが、1インチの大
きさに200万個の画素を有するCCD型固体撮像装置
ではその比が約0.96(7.3μm/7.6μm)と
なり、略正方形に近い形の画素形を有する。
れるにつれ単位画素の幅/長さの比は段々減少し、例え
ば1/3インチの大きさに25万個の画素を有するCC
D型固体撮像装置では画素の幅/長さの比が約1.28
(9.6μm/7.5μm)であったが、1インチの大
きさに200万個の画素を有するCCD型固体撮像装置
ではその比が約0.96(7.3μm/7.6μm)と
なり、略正方形に近い形の画素形を有する。
【0022】図6は従来の画素アレー上に形成されるマ
イクロレンズの有効集光面の配列41を示す概略図であ
る。マトリックス状に配列される光ダイオード上に(前
記図1参照)長方形・ドームタイプのマイクロレンズを
配置すれば、その有効集光面はほぼ円形の各有効集光面
が2次元の単純格子模様に配列されたのと同様である。
イクロレンズの有効集光面の配列41を示す概略図であ
る。マトリックス状に配列される光ダイオード上に(前
記図1参照)長方形・ドームタイプのマイクロレンズを
配置すれば、その有効集光面はほぼ円形の各有効集光面
が2次元の単純格子模様に配列されたのと同様である。
【0023】しかしながら、前記図6において、各画素
上に形成されたマイクロレンズの有効集光面を半径rの
円とみたとき、各画素当たり有効集光面積の理論的比は
78.5%である。従って、単位セルの残りの21.5
%に当たる入射光は集光されず損失され、マイクロレン
ズの集光率を落とし、これは固体撮像装置の光感度特性
を低下させる要因となる。
上に形成されたマイクロレンズの有効集光面を半径rの
円とみたとき、各画素当たり有効集光面積の理論的比は
78.5%である。従って、単位セルの残りの21.5
%に当たる入射光は集光されず損失され、マイクロレン
ズの集光率を落とし、これは固体撮像装置の光感度特性
を低下させる要因となる。
【0024】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は各画素
当たり有効集光面積を増加させ光感度を増加させるCC
D型固体撮像装置を提供することである。
当たり有効集光面積を増加させ光感度を増加させるCC
D型固体撮像装置を提供することである。
【0025】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、第1垂直列に整列された画素と第2垂直列に整列さ
れた画素が垂直方向へ互いに行き違うように配置された
ことが反復される画素アレー部と、各画素の光感度を高
めるために各画素の受光部を中心としてその上部に形成
された集光手段を含むことを特徴とするCCD型固体撮
像装置を具備する。
に、第1垂直列に整列された画素と第2垂直列に整列さ
れた画素が垂直方向へ互いに行き違うように配置された
ことが反復される画素アレー部と、各画素の光感度を高
めるために各画素の受光部を中心としてその上部に形成
された集光手段を含むことを特徴とするCCD型固体撮
像装置を具備する。
【0026】望ましい一実施例として前記受光部の形状
は四角形であり、前記集光手段は四角形・ドームタイプ
のマイクロレンズであり、前記第1垂直列と第2垂直列
の間に形成され、受光部に蓄積された信号電荷が伝達さ
れ垂直に伝送する垂直伝送CCDと、該垂直伝送CCD
の終端に形成され垂直伝送CCDから垂直伝送された信
号電荷が伝達され水平に伝送する水平伝送CCDをさら
に具備する。
は四角形であり、前記集光手段は四角形・ドームタイプ
のマイクロレンズであり、前記第1垂直列と第2垂直列
の間に形成され、受光部に蓄積された信号電荷が伝達さ
れ垂直に伝送する垂直伝送CCDと、該垂直伝送CCD
の終端に形成され垂直伝送CCDから垂直伝送された信
号電荷が伝達され水平に伝送する水平伝送CCDをさら
に具備する。
【0027】望ましい他の実施例は、前記受光部の形状
は少なくとも六角形である多角形であり、前記集光手段
は少なくとも六角以上の多角形、すなわち円形に近いマ
イクロレンズであり、前記第1垂直列と第2垂直列の間
に形成され、受光部に蓄積された信号電荷が伝達され垂
直へ伝送する垂直伝送CCDと、該垂直伝送CCDの終
端に形成され垂直伝送CCDから垂直伝送された信号電
荷が伝達され水平へ伝送する水平伝送CCDをさらに具
備する。この際、前記垂直伝送CCDの2次元的形状は
ジグザグ形である。
は少なくとも六角形である多角形であり、前記集光手段
は少なくとも六角以上の多角形、すなわち円形に近いマ
イクロレンズであり、前記第1垂直列と第2垂直列の間
に形成され、受光部に蓄積された信号電荷が伝達され垂
直へ伝送する垂直伝送CCDと、該垂直伝送CCDの終
端に形成され垂直伝送CCDから垂直伝送された信号電
荷が伝達され水平へ伝送する水平伝送CCDをさらに具
備する。この際、前記垂直伝送CCDの2次元的形状は
ジグザグ形である。
【0028】
【作用および発明の効果】従って、本発明のCCD型固
体撮像装置によると、同一面積の画素アレー部でさらに
大きい有効集光面積を得ることができ、固体撮像装置の
光感度を増加させ得る。全体的に蜂の巣の形をなすよう
に光ダイオードを配置することにより、固体撮像装置の
光感度を増加させ得る。
体撮像装置によると、同一面積の画素アレー部でさらに
大きい有効集光面積を得ることができ、固体撮像装置の
光感度を増加させ得る。全体的に蜂の巣の形をなすよう
に光ダイオードを配置することにより、固体撮像装置の
光感度を増加させ得る。
【0029】図7は、本発明の一方法により配列された
各画素上に集光手段であるマイクロレンズを形成した
後、該マイクロレンズのの有効集光面の配列のみを示し
た概略図である。マイクロレンズの有効集光面の配列4
2は、第1垂直列に整列された有効集光面43と第2垂
直列に整列された有効集光面44とが垂直方向へ移動さ
れ互いに行き違う形に配置されることにより、前記有効
集光面は全体的に蜂の巣の形をなす。各画素上に形成さ
れたマイクロレンズの有効集光面を半径rの円とみた
時、各画素当たり有効集光面の理論的比は90.6%で
ある。これは図6に示した従来の構造で有効集光面の理
論比が78.5%であることに比べ、入射光の集光率が
非常に向上されたことを示す。
各画素上に集光手段であるマイクロレンズを形成した
後、該マイクロレンズのの有効集光面の配列のみを示し
た概略図である。マイクロレンズの有効集光面の配列4
2は、第1垂直列に整列された有効集光面43と第2垂
直列に整列された有効集光面44とが垂直方向へ移動さ
れ互いに行き違う形に配置されることにより、前記有効
集光面は全体的に蜂の巣の形をなす。各画素上に形成さ
れたマイクロレンズの有効集光面を半径rの円とみた
時、各画素当たり有効集光面の理論的比は90.6%で
ある。これは図6に示した従来の構造で有効集光面の理
論比が78.5%であることに比べ、入射光の集光率が
非常に向上されたことを示す。
【0030】従って、本発明によるCCD形固体撮像装
置によると、次のような利点がある。 (1)画素アレー部の面積とマイクロレンズの有効集光
面積が一定している場合、従来の方法(図6参照)より
マイクロレンズの集積度をさらに増加させることがで
き、結果的に画素の集積度が増加しても高い光感度を維
持できる。
置によると、次のような利点がある。 (1)画素アレー部の面積とマイクロレンズの有効集光
面積が一定している場合、従来の方法(図6参照)より
マイクロレンズの集積度をさらに増加させることがで
き、結果的に画素の集積度が増加しても高い光感度を維
持できる。
【0031】(2)画素の集積度が一定している場合、
各画素が有効集光面積を従来の方法(図6参照)よりさ
らに増加させることができ、固体撮像装置の光感度を増
加させ得る。
各画素が有効集光面積を従来の方法(図6参照)よりさ
らに増加させることができ、固体撮像装置の光感度を増
加させ得る。
【0032】
【実施例】以下、本発明の具体的な実施例を添付した図
面を参照してさらに詳細に説明する。添付した図面にお
いて、前記図1で参照した符号と同一の符号は同一構成
要素を示す。第1実施例 図8は本発明の第1実施例により配列された画素のレイ
アウト図である。
面を参照してさらに詳細に説明する。添付した図面にお
いて、前記図1で参照した符号と同一の符号は同一構成
要素を示す。第1実施例 図8は本発明の第1実施例により配列された画素のレイ
アウト図である。
【0033】第1垂直列で一定した間隔を置いて整列さ
れた光ダイオード10部位と第2垂直列で一定した間隔
を置いて整列された光ダイオード10部位は1/2ピッ
チ程度互いに行き違うように配置され、結果的に画素ア
レー部に配置される前記光ダイオード10部位は全体的
に蜂の巣の形をなす。前記のように全体的に蜂の巣の形
をなす光ダイオード10は画素アレー全体で反復的に形
成される前記第1垂直列および第2垂直列に整列されて
おり、前記第1垂直列と第2垂直列の間には垂直伝送C
CDを構成する垂直伝送チャネルを形成するためのマス
クパターン11が配置されており、前記マスクパターン
11の上部には垂直伝送CCDに伝送された信号電荷を
水平伝送CCDへ伝送するためのパルス信号が印加され
る第1伝送電極および第2伝送電極を形成するためのマ
スクパターン13、14が反復的に形成されている。前
記図8において、光ダイオード10と垂直伝送チャネル
11の間に存する無数の点の打たれた領域は光ダイオー
ドから垂直伝送CCDに伝達するための伝送チャネル1
2を示す。
れた光ダイオード10部位と第2垂直列で一定した間隔
を置いて整列された光ダイオード10部位は1/2ピッ
チ程度互いに行き違うように配置され、結果的に画素ア
レー部に配置される前記光ダイオード10部位は全体的
に蜂の巣の形をなす。前記のように全体的に蜂の巣の形
をなす光ダイオード10は画素アレー全体で反復的に形
成される前記第1垂直列および第2垂直列に整列されて
おり、前記第1垂直列と第2垂直列の間には垂直伝送C
CDを構成する垂直伝送チャネルを形成するためのマス
クパターン11が配置されており、前記マスクパターン
11の上部には垂直伝送CCDに伝送された信号電荷を
水平伝送CCDへ伝送するためのパルス信号が印加され
る第1伝送電極および第2伝送電極を形成するためのマ
スクパターン13、14が反復的に形成されている。前
記図8において、光ダイオード10と垂直伝送チャネル
11の間に存する無数の点の打たれた領域は光ダイオー
ドから垂直伝送CCDに伝達するための伝送チャネル1
2を示す。
【0034】前記図8は光ダイオード10の配置および
第1電極と第2電極形成のためのマスクパターン13、
14の配置は異なるが、CCD形固体撮像装置の根本的
な動作原理は前記図1と同様である。図9は前記図8の
各画素上に集光手段であるマイクロレンズを形成するた
めのマスクパターン15を追加させたレイアウト図であ
る。すなわち、各光ダイオード10を中心として長方形
あるいは正方形のマイクロレンズが形成されるように前
記マスクパターン15を追加で配置した。
第1電極と第2電極形成のためのマスクパターン13、
14の配置は異なるが、CCD形固体撮像装置の根本的
な動作原理は前記図1と同様である。図9は前記図8の
各画素上に集光手段であるマイクロレンズを形成するた
めのマスクパターン15を追加させたレイアウト図であ
る。すなわち、各光ダイオード10を中心として長方形
あるいは正方形のマイクロレンズが形成されるように前
記マスクパターン15を追加で配置した。
【0035】前記図9に示したマスクパターンを利用
し、固体撮像装置の各画素上にマイクロレンズを形成し
た場合、該マイクロレンズの有効集光面は前記図7に示
したような配列を示す。この際、前記図6と図7を参照
した時、横方向の幅を等しくすれば、図7のレンズを図
6のレンズよりさらに大きく形成することができる。従
って、前記図9を適用して形成されたマイクロレンズは
前記図7に示したようなレンズ配列において有効集光面
を大きく形成できるため、前記図6に示したような有効
集光面を有していた従来に比べ、各画素当たり有効集光
面が占める面積比は増加する。これはマイクロレンズの
集光率を高め、結果的に固体撮像装置の光感度を増加さ
せ得る。
し、固体撮像装置の各画素上にマイクロレンズを形成し
た場合、該マイクロレンズの有効集光面は前記図7に示
したような配列を示す。この際、前記図6と図7を参照
した時、横方向の幅を等しくすれば、図7のレンズを図
6のレンズよりさらに大きく形成することができる。従
って、前記図9を適用して形成されたマイクロレンズは
前記図7に示したようなレンズ配列において有効集光面
を大きく形成できるため、前記図6に示したような有効
集光面を有していた従来に比べ、各画素当たり有効集光
面が占める面積比は増加する。これはマイクロレンズの
集光率を高め、結果的に固体撮像装置の光感度を増加さ
せ得る。
【0036】第2実施例 図10は本発明の第2実施例により配列された画素のレ
イアウト図であり、図11は前記図10のレイアウトの
各画素上にマイクロレンズ形成のためのマスクパターン
15を追加させたレイアウト図である。前記図10およ
び図11に示したレイアウトを参照すれば、光ダイオー
ド10部位は前記図8のような形(全体的に蜂の巣の
形)に配置され、それに対応してマイクロレンズ形成の
ためのマスクパターン15も前記図9のような形に配置
されることが判る。
イアウト図であり、図11は前記図10のレイアウトの
各画素上にマイクロレンズ形成のためのマスクパターン
15を追加させたレイアウト図である。前記図10およ
び図11に示したレイアウトを参照すれば、光ダイオー
ド10部位は前記図8のような形(全体的に蜂の巣の
形)に配置され、それに対応してマイクロレンズ形成の
ためのマスクパターン15も前記図9のような形に配置
されることが判る。
【0037】第2実施例は、前記光ダイオード10部位
が六角形に変形され、これにより垂直伝送CCDを構成
する垂直伝送チャネル形成のためのマスクパターン11
もジグザグ形に変形される点において前記第1実施例と
異なる。これは、(1)長方形タイプのマイクロレンズ
において対角線方向で現れる集光効率の低下を最大限減
少させ得るようにするためであり、(2)パターンの形
を始めから円形に近い六角形に形成することにより、集
積度が増加するにつれ、微細パターンの縁部が不均一に
形成されることによる欠点を最小化するためである。
が六角形に変形され、これにより垂直伝送CCDを構成
する垂直伝送チャネル形成のためのマスクパターン11
もジグザグ形に変形される点において前記第1実施例と
異なる。これは、(1)長方形タイプのマイクロレンズ
において対角線方向で現れる集光効率の低下を最大限減
少させ得るようにするためであり、(2)パターンの形
を始めから円形に近い六角形に形成することにより、集
積度が増加するにつれ、微細パターンの縁部が不均一に
形成されることによる欠点を最小化するためである。
【0038】本発明は前記実施例に限定されるものでは
なく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で種々の改
変が可能であることは無論である。以上の実施例から見
た通り、本発明によると全体的に蜂の巣の形をなすよう
に光ダイオードを配置することにより、固体撮像装置の
光感度を増加させ得る。
なく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で種々の改
変が可能であることは無論である。以上の実施例から見
た通り、本発明によると全体的に蜂の巣の形をなすよう
に光ダイオードを配置することにより、固体撮像装置の
光感度を増加させ得る。
【図1】従来のCCD型固体撮像装置の画素レイアウト
図である。
図である。
【図2】図1の画素レイアウト図上に長方形タイプのマ
イクロレンズ形成のためのマスクパターンを追加で配置
したレイアウト図である。
イクロレンズ形成のためのマスクパターンを追加で配置
したレイアウト図である。
【図3】図2のIII −III 線断面図である。
【図4】長方形タイプの単位マイクロレンズの有効集光
面積を説明するための模式図である。
面積を説明するための模式図である。
【図5】長方形タイプのマイクロレンズの有効集光面積
を示す模式図である。
を示す模式図である。
【図6】従来の方法で配置された画素アレー上に形成さ
れるマイクロレンズの有効集光面の配列を示す概略図で
ある。
れるマイクロレンズの有効集光面の配列を示す概略図で
ある。
【図7】本発明の方法で配置された画素アレー上に形成
されるマイクロレンズの有効集光面の配列を示す概略図
である。
されるマイクロレンズの有効集光面の配列を示す概略図
である。
【図8】本発明の第1実施例によるCCD型固体撮像装
置の画素レイアウト図である。
置の画素レイアウト図である。
【図9】図8の画素レイアウト図上にマイクロレンズ形
成のためのマスクパターンを追加で配置したレイアウト
図である。
成のためのマスクパターンを追加で配置したレイアウト
図である。
【図10】本発明の第2実施例によるCCD型固体撮像
装置の画素レイアウト図である。
装置の画素レイアウト図である。
【図11】図10の画素レイアウト図上にマイクロレン
ズ形成のためのマスクパターンを追加で配置したレイア
ウト図である。
ズ形成のためのマスクパターンを追加で配置したレイア
ウト図である。
10 光ダイオード 11 マスクパターン 12 伝送チャネル 13、14、15 マスクパターン 42 マイクロレンズの有効集光面の配列 43 第1垂直列の有効集光面(画素アレー部) 44 第2垂直列の有効集光面(画素アレー部)
Claims (7)
- 【請求項1】 第1垂直列に整列された画素と第2垂直
列に整列された画素が垂直方向へ互いに行き違うように
配置されたことが反復される画素アレー部と、 各画素の光感度を高めるために各画素の受光部を中心と
してその上部に形成された集光手段を含むことを特徴と
するCCD型固体撮像装置。 - 【請求項2】 前記受光部の形状は四角形であることを
特徴とする請求項1記載のCCD型固体撮像装置。 - 【請求項3】 前記集光手段は四角形・ドームタイプの
マイクロレンズであることを特徴とする請求項1記載の
CCD型固体撮像装置。 - 【請求項4】 前記受光部の形状は六角形以上の円形に
近い多角形の形状であることを特徴とする請求項1記載
のCCD型固体撮像装置。 - 【請求項5】 前記集光手段は六角形以上の円形に近い
多角形の形状のマイクロレンズであることを特徴とする
請求項1記載のCCD型固体撮像装置。 - 【請求項6】 前記第1垂直列と第2垂直列の間に形成
され、受光部に蓄積された信号電荷が伝達され垂直に伝
送する垂直伝送CCDと、該垂直伝送CCDの終端に形
成され垂直伝送CCDから垂直伝送された信号電荷が伝
達され水平に伝送する水平伝送CCDをさらに具備する
ことを特徴とする請求項1記載のCCD型固体撮像装
置。 - 【請求項7】 前記垂直伝送CCDの2次元的形状はジ
グザグ形であることを特徴とする請求項4記載のCCD
型固体撮像装置。
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---|---|---|---|
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---|---|
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Family Applications (1)
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KR (1) | KR950002410A (ja) |
DE (1) | DE4422825A1 (ja) |
FR (1) | FR2708147A1 (ja) |
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1993
- 1993-06-30 KR KR1019930012224A patent/KR950002410A/ko not_active Application Discontinuation
-
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- 1994-06-29 JP JP6147981A patent/JPH0774332A/ja active Pending
- 1994-06-30 FR FR9408094A patent/FR2708147A1/fr active Pending
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