JPH08330555A

JPH08330555A - 撮像素子

Info

Publication number: JPH08330555A
Application number: JP7131417A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Asai; 淳浅井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1995-05-30
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】光学カメラのレンズの絞り値に影響されるこ
となく高い集光効率が得られる撮像素子を提供する。【構成】基体１１の表層部に光電変換を行う受光部１
３を複数形成し、受光部１３の受光面１３ａ上に透明層
１９を設けてなる撮像素子１０である。透明層１９上
の、受光面１３ａの略直上位置のそれぞれに、受光面１
３ａと反対の側に向かって凸となる凸レンズ部２２を設
け、凸レンズ部２２の裾部に、その内方に向かって凹ん
でなる環状の凹部２３を設けた。凸レンズ部２２、２２
間に臨む透明層１９の表層部に、基体１１側に向かって
凹むように湾曲した底面形状を有する凹部２４を設けて
もよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光電変換を行う受光部
を有したＣＣＤ（Charge-Coupled Device ）等の撮像素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばＣＣＤ等の撮像素子では、
転送レジスタなど光電変換に寄与しない領域が各画素に
存在しているため、画素面全体に占める受光部の受光面
の開口率が通常１５〜３０％程度であり、入射光の利用
率が十分でないといった不満ががある。このような不満
を解消し、その感度向上を達成するため、例えば画素面
全体に占める受光面の割合を高くするといったことも考
えられるが、受光面の割合を高くすることは構造的に限
界があることから、近年では、図４に示すように受光面
１ａ…の個々の上にそれぞれの受光面１ａに対応してド
ーム型形状を有する凸型のマイクロレンズ（以下、凸レ
ンズと称する）２を設け、入射した光をそれぞれの画素
毎でその受光面１ａに集中させて効率的な集光をなし、
実効的な開口率を高めるようにした、いわゆるオンチッ
プマイクロレンズを有した撮像素子３が提供されてい
る。このような撮像素子３は、通常その受光部１の受光
面１ａが略正方形、略長方形といった形状を有してお
り、したがって凸レンズ２の焦点が受光面の略中央に位
置するように該凸レンズ２を形成しておくことにより、
例えば凸レンズ２の集光度が２．５倍である場合、受光
面１ａの実効的な開口率を７５％とすることができ、前
述したように集光効率を高めることができるのである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、通常の
１／２〜１／３インチ光学系撮像素子では、その集光率
が２．５倍程度であり、例えばこの撮像素子が組み込ま
れた光学カメラのレンズの絞り値に予め対応させ、この
絞り値に基づく入射光の入射角に合わせて前記凸レンズ
の形状を最適化しても、その集光効率が３倍程度にしか
上げられないのが実状である。しかして、光学カメラの
レンズの絞り値に対応させて凸レンズの形状を最適化し
ておくと、光学カメラの使用にあたってその絞り値を設
定された値から他の値に変えた場合、むしろその集光効
率が低くなって感度の低下を招いてしまうおそれがあ
り、また、スミアの増大を招くといった不都合もある。
さらに、画素間部に垂直に入射した光の多くは遮光膜等
で反射して撮像素子の外に出射し、集光効率の向上に何
等寄与しないばかりか、撮像素子の外側のパッケージガ
ラスで反射し、離れた画素の受光面に再入射してゴース
トパターンを発生させるといった不都合がある。

【０００４】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、光学カメラのレンズの絞り値に影響されることなく
高い集光効率が得られる撮像素子を提供することを第一
の目的とし、さらに、ゴーストパターンの発生が抑えら
れるとともに高い集光効率が得られる撮像素子を提供す
ることを第二の目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の撮像素子では、
基体の表層部に光電変換を行う受光部を複数形成し、該
受光部の受光面上に透明層を設けてなり、前記透明層上
の、前記受光面の略直上位置のそれぞれに、該受光面と
反対の側に向かって凸となる凸レンズ部を設け、該凸レ
ンズ部の裾部に、その内方に向かって凹んでなる環状の
凹部を設けたことを前記課題の解決手段とした。

【０００６】

【作用】本発明の撮像素子によれば、凸レンズ部の裾部
に、その内方に向かって凹んでなる環状の凹部を設けた
ことから、光学カメラのレンズの絞り値を調整したこと
により入射光が斜めに入射して前記凹部に入射すると、
この凹部にてその屈折角度が低められ、これにより従来
のごとく凹面でなく凸レンズの一部である凸面に入射し
た場合に比べ、凸レンズ部を出射した光がより受光面に
近い位置、あるいは受光面上に到達する。また、凸レン
ズ部間に臨む透明層の表層部に、前記基体側に向かって
凹むように湾曲した底面形状を有する凹部を設ければ、
凸レンズ部間、すなわち画素間に垂直に入射した光が該
凹部にて屈折することにより、この入射した光が遮光膜
等で反射し、そのまま撮像素子外へ反射する度合いが少
なくなる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳しく説明す
る。図１、図２は本発明の撮像素子をＣＣＤに適用した
場合の一実施例を示す図であり、図１は要部側断面図、
図２は要部平面図である。これらの図において符号１０
はＣＣＤ撮像素子であり、この撮像素子１０は、シリコ
ン基板（基体）１１の表層部にオーバーフローバリア１
２を形成し、さらにこれの上に受光部１３を形成したも
のである。受光部１３は、図２に示すように平面視形状
が、略長方形あるいは略正方形状のものである。

【０００８】この受光部１３の受光面１３ａ上には図１
に示すように表面バリア層１４が形成され、受光部１３
の一方の側方にはｐウェル１５が配設され、ｐウェル１
５の上にはレジスター転送部１６が配設されている。ま
た、受光部１３の他方の側方にはチャネルストップ１７
が配設されている。なお、このチャネルストップ１７
は、隣合う画素のレジスター転送部１６との間に配置さ
れている。そして、このような構成により撮像素子１０
は、チャネルストップ１７、１７間に一画素を形成した
ものとなっている。

【０００９】シリコン基板１１の表面には絶縁膜１８が
形成され、この絶縁膜１８の上には、透明樹脂等からな
り、表面が平坦化されてなる透明絶縁層（透明層）１９
が形成されている。透明絶縁層１９内には、前記レジス
ター転送部１６の略直上位置に転送電極２０が配設さ
れ、さらに該転送電極２０上にはこれを覆った状態で遮
光膜２１が形成されている。なお、これら転送電極２
０、遮光膜２１は、当然前記受光面１３ａの直上位置を
避けて配置されており、これによって受光面１３ａの直
上は透明絶縁層１９のみとなっている。

【００１０】透明絶縁層１９の表面上には、本発明の特
徴となる凸レンズ部２２が形成されている。この凸レン
ズ部２２は、ポリスチレン系樹脂等の透明材料からなる
もので、前記受光面１３ａの略直上位置に形成された平
面視楕円形状のものである。また、この凸レンズ部２２
には、その裾部、すなわち透明絶縁層１９側の外周部
に、該凸レンズ部２２の全周に亘って環状の凹部（以
下、環状凹部と称する）２３が形成されている。この凹
部２３は、該凸レンズ部２２の内方に向かって凹んでな
るものであり、これによって凸レンズ部２２は、その上
部から裾部にかけて凸面から凹面となり、これらの間で
全く曲率が異なるものとなっている。

【００１１】また、前記透明絶縁層１９の凸レンズ部２
２、２２間に臨む位置には、その表層部に、シリコン基
板１１側に向かって凹んでなる凹部２４が形成されてい
る。この凹部２４は、その底面が湾曲してなる、横断面
略Ｕ字状のものである。また、この凹部２４は、図２に
示すように縦横に配置された四つの凸レンズ部２２…の
中央部に、平面視略十字状に形成されたもので、凸レン
ズ２２、２２間に臨む透明絶縁層１９の表面のほぼ全域
を覆うように形成されたものである。

【００１２】このような構成の撮像素子１０を形成する
には、まず、図４に示したようなトーム型の凸レンズ２
を有した従来の撮像素子を形成する。ここで、凸レンズ
２の形成法としては、具体的には例えば以下の二つの方
法が採用される。一つめの形成法では、まず、該凸レン
ズ２の形成材料、すなわち透明レンズ材料を前記透明絶
縁層１９の上に堆積し、さらに該透明レンズ材料からな
る層の上にレジスト層を形成する。次に、このレジスト
層に露光・現像処理を施し、該レジスト層を、前記受光
部１（１３）を平面視した外形形状より十分に大きい島
状パターンにする。次いで、この島状パターンのレジス
ト層を加熱して溶融・軟化させ、その表面張力によって
該島状パターンのレジスト層を、上に向けてドーム型に
凸となる凸レンズ状パターンとする。その後、該凸レン
ズ状パターンとなったレジスト層をマスクとし、前記透
明レンズ材料からなる層をエッチングすることにより、
該層を凸レンズ状パターンに、すなわち図４に示した凸
レンズ２に形成する。

【００１３】二つめの形成法では、前記形成法と同様に
して透明絶縁層１９の上に、透明レンズ材料からなる
層、レジスト層を順次形成し、次に該レジスト層を前記
と同様の島状パターンにする。次いで、この島状パター
ンとなったレジスト層をマスクとして透明レンズ材料か
らなる層をエッチングし、該透明レンズ材料からなる層
をレジスト層と同じ島状パターンにする。その後、この
島状パターンの透明レンズ材料からなる層を加熱して溶
融・軟化させ、その表面張力によって該島状パターンの
透明レンズ材料層を、上に向けてドーム型に凸となる凸
レンズ状パターンに、すなわち図４に示した凸レンズ２
に形成する。

【００１４】このようにして凸レンズ２を形成したら、
さらに図３（ａ）に示すように、該凸レンズ２を覆った
状態で前記透明絶縁層１９の上にレジスト層２５を形成
する。なお、このレジスト層２５については、リフロー
処理等の公知の手段によってその表面を平坦化してお
く。次いで、このレジスト層２５の上に、図２に示した
凹部２４の形状に略一致する開口パターン２６（図３
（ａ）参照）を有したフォトリソグラフィ用のレジスト
マスク２７をセットする。そして、このマスク２７を用
いてドライエッチングを行い、図３（ａ）に示したよう
にレジスト層２５を貫通して透明絶縁層１９の表層部に
達する凹状部２８を形成する。

【００１５】なお、ここでのエッチングについては、レ
ジスト層２５に対してはそのエッチングレートが高く、
透明絶縁層１９に対してはそのエッチングレートが低い
エッチングガスが好適に用いられ、例えばＯ₂から発生
したＯラジカルを主成分とし、ＣＦ₄などを配合したエ
ッチングガスが好適に用いられる。また、このようなエ
ッチングによると、形成した凹状部２８における底面部
では、その角部においてエッチングがやや等方性を示
し、結果として前記角部は図３（ａ）に示したように湾
曲した形状となる。また、これと同様に、エッチングに
よって得られる凹状部２８は、マスク２７の開口パター
ン２６よりやや大きく形成されることから、凸レンズ２
の裾部における最低部も同時にエッチングされる。

【００１６】次いで、レジスト層２５の開口パターン２
６をそのまま用い、レジスト材料をエッチングすること
なく凸レンズ２の形成材料をエッチングするエッチング
剤を用い、ウェットエッチングを行う。すると、図３
（ｂ）に示すようにレジスト層２５は侵食されず、凸レ
ンズ２のみ侵食されることから、該凸レンズ２にはその
裾部に、内方に向かって凹んでなる環状凹部２３が形成
される。その後、マスク２７を取り除くとともに透明絶
縁層１９上に残ったレジスト層２５を除去し、さらに加
熱しリフロー処理する。このようにリフロー処理する
と、凸レンズ２に形成された環状凹部２３はその湾曲形
状がなだらかになり、これによって凸レンズ２は図１に
示した凸レンズ部２２となる。また、このようなリフロ
ー処理により、透明絶縁層１９の表層部に形成された凹
状部２８の底面も、その湾曲形状がなだらかになり、図
１に示した凹部２４となる。そして、このように環状凹
部２３、凹部２４が形成されることにより、図１に示し
た本実施例の撮像素子が得られる。

【００１７】なお、環状凹部２３、凹部２４の形成法に
ついては、前記方法に限ることなく、他に例えば、以下
のような方法も採用可能である。まず、図３（ａ）に示
したように凹状部２８を形成する。次に、図３（ｃ）に
示すように前記マスク２７よりその開口パターンの幅が
大きいマスク２９を用い、先に形成した凹状部２８の幅
を拡げるようにしてエッチングを行い、凸レンズ２の裾
部を削る。その後、ウェットエッチングを行って凸レン
ズ２の裾部を削り、ここに環状凹部２３を形成し、さら
にレジスト層２５を除去した後、リフロー処理を行って
凹状部の底面をなだらかにし、凹部２４を形成する。ま
た、ウェットエッチングを行うことなく、直接レジスト
層２５を除去し、その後リフロー処理を行って裾部に環
状凹部２３を形成するとともに凹状部の底面をなだらか
にして凹部２４を形成することもできる。

【００１８】このようにして得られた撮像素子１０にあ
っては、凸レンズ部２２の裾部に環状凹部２３を形成し
たことから、例えばこの撮像素子が光学カメラに組み込
まれて用いられた場合、光学レンズのレンズの絞り値を
変化させて撮像素子に入射する光の入射角を変化させて
も、特に図１中矢印Ａで示すように前記環状凹部２３に
斜めに入射した光は、該環状凹部２３にてその屈折角度
が低められ、これにより凸レンズ部２２を出射した光が
より受光面１３ａに近い位置、あるいは受光面１３ａ上
に到達する。したがって、従来のごとく環状凹部２３の
部分が凹面でなく凸面である場合に比べ、入射光の集光
効率が高まるとともにスミア特性が向上し、しかも前記
レンズの絞り値の変化による集光効率の変化が少なくな
り、これにより光学カメラ自体の感度を安定させるもの
となる。

【００１９】また、凸レンズ部２２、２２間に臨む透明
絶縁層１９の表層部に凹部２４を設けたことにより、図
１中矢印Ｂで示す、凸レンズ部２２、２２間、すなわち
画素間に垂直に入射した光が該凹部２４にて屈折し、こ
れによりこの入射した光Ｂが遮光膜２１等で反射してそ
のまま撮像素子１０の外へ反射する度合いが少なくな
り、したがってこのような反射に起因するゴーストパタ
ーンの発生を防止することができる。また、画素間に光
が斜めに入射した場合、凹部２４でこれを屈折させるこ
とによって入射した光の一部を受光面１３ａ上に集める
ことができ、したがって従来ほとんど集光し得なかった
画素間への入射光の一部を集光することができることに
より、従来に比べ一層集光効率を高めることができる。

【００２０】なお、前記実施例では透明絶縁層１９に凹
部２４を形成したが、本発明は単に環状凹部２３を設け
たものでもよいのはもちろんであり、また、凸レンズ部
２２の形状についても、平面視楕円形状に限定されるこ
となく、受光面１３ａの形状に応じた種々の形状を採用
することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の撮像素子
は、凸レンズ部の裾部に環状の凹部を設けたものである
から、例えばこの撮像素子が光学カメラに組み込まれて
用いられた場合、光学レンズのレンズの絞り値を変化さ
せて撮像素子に入射する光の入射角を変化させても、特
に前記環状の凹部に斜めに入射した光がより受光面に近
い位置、あるいは受光面上に到達する。したがって、従
来のごとく環状の凹部の部分が凹面でなく凸面である場
合に比べ、入射光の集光効率を高めることができるとと
もにスミア特性を向上させることができ、しかも前記レ
ンズの絞り値の変化による集光効率の変化を少なくし、
これにより光学カメラ自体の感度を安定させることがで
きる。

【００２２】また、凸レンズ部間に臨む透明層の表層部
に湾曲した底面形状を有する凹部を設ければ、凸レンズ
部間、すなわち画素間に垂直に入射した光を該凹部にて
屈折させることにより、入射した光が遮光膜等で反射す
ることに起因するゴーストパターンの発生を防止するこ
とができる。また、画素間に光が斜めに入射した場合、
前記凹部でこれを屈折させることによって入射した光の
一部を受光面上に集めることができ、したがって従来ほ
とんど集光し得なかった画素間への入射光の一部を集光
することができることにより、従来に比べ一層集光効率
を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の撮像素子の一実施例の概略構成を示す
要部側断面図である。

【図２】図１に示した撮像素子の要部平面図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は図１に示した撮像素子の製造
方法を説明するための要部側断面図である。

【図４】従来の撮像素子の一例を示す要部側断面図であ
る。

【符号の説明】

１０撮像素子１１シリコン基板（基体）１３受光部１３ａ受光面１９透明絶縁層（透明層）２２凸レンズ部２３環状凹部２４凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体の表層部に光電変換を行う受光部を
複数形成し、該受光部の受光面上に透明層を設けてなる
撮像素子であって、前記透明層上の、前記受光面の略直上位置のそれぞれ
に、該受光面と反対の側に向かって凸となる凸レンズ部
を設け、該凸レンズ部の裾部に、その内方に向かって凹んでなる
環状の凹部を設けたことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】前記凸レンズ部間に臨む透明層の表層部
に、前記基体側に向かって凹むように湾曲した底面形状
を有する凹部を設けたことを特徴とする請求項１記載の
撮像素子。