JPH11297974A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入射角度が異なる各種光源に対して、感度を
最大にすることができる固体撮像素子を提供する。 【解決手段】 基板２表面と平行な面Ｓ_S に対する層内
レンズ１１の曲面Ｓ_L の最大傾斜角θｍａｘが、全反射
の臨界角θｃの近傍の角度である固体撮像素子２０を構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば内部に凹レ
ンズ構造（層内レンズ）を形成した固体撮像素子に係わ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、カラー用固体撮像素子において
は、素子の小型化に伴い、素子上部にマイクロレンズを
形成した、いわゆるオンチップレンズ構造を採って、入
射光をこのマイクロレンズで集光することによりセンサ
（受光部）における感度の向上を図っている。

【０００３】そして、上述のオンチップレンズ構造を有
する固体撮像素子において、さらに表面のマイクロレン
ズと受光部との間に、集光する特性を持つ第２のレンズ
構造即ちいわゆる層内レンズを設けているものがある。
この層内レンズの構造としては、例えば屈折率が異なる
２層の境界面を凹面として、ここに凹レンズを形成する
凹レンズ構造等が挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の層内レンズを形
成したＣＣＤ固体撮像素子においては、層内レンズの形
状を感度が最大となるようにしたいが、カメラのレンズ
システムの絞りの値（Ｆ値）によって、様々な入射角度
の光の入射がある。

【０００５】例えばＦ値が大きい場合には、入射光が絞
られて垂直光に近い状態になる。このとき、入射光量は
少なくなる。一方、Ｆ値が小さい場合には、入射光が拡
げられ斜め成分が多くなる。このとき、入射光量は多く
なる。

【０００６】しかしながら、斜め方向から層内レンズの
曲面に光が入射した場合、その入射角度によっては、層
内レンズの凹面で光が全反射を起こし、受光部に到達し
ないことがあり、これにより感度の向上が不十分になっ
てしまうおそれがある。

【０００７】また、同一形状のオンチップレンズに対し
ても、カメラのＦ値が変わることにより斜め成分の量が
変化するため、感度が異なってくる。

【０００８】このため、感度が最大となる形状を決める
ための基準を求めるために、試作を繰り返して試行錯誤
を行っていた。そして、上述のような問題を回避して、
充分な感度の向上を得るような層内レンズの形状につい
ては、どのような形状が最適であるか、これまでは解明
されていなかった。

【０００９】上述の問題の解決のために、本発明におい
ては、入射角度が異なる各種光源に対して、感度を最大
にすることができる固体撮像素子を提供するものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子
は、基板表面と平行な面に対する層内レンズの曲面の最
大傾斜角が、全反射の臨界角の近傍の角度であるもので
ある。

【００１１】上述の本発明の構成によれば、層内レンズ
の曲面の最大傾斜角を全反射の臨界角の近傍の角度とす
ることにより、層内レンズの曲面の傾斜角がどの部分で
も全反射の臨界角を大きく超えることがないため、入射
した光が層内レンズの曲面において全反射してしまうこ
とを防ぎ、より多くの光がこの曲面を透過するようにす
ることができる。また、最大傾斜角が全反射の臨界角の
近傍であるため、層内レンズによる集光が高まり、受光
部へ多くの光を集光させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、基板表面と平行な面に
対する層内レンズの曲面の最大傾斜角が、全反射の臨界
角の近傍の角度である固体撮像素子である。

【００１３】また本発明は、上記固体撮像素子におい
て、全反射の臨界角の近傍の角度が、全反射の臨界角±
１０°以内の角度である構成とする。

【００１４】また本発明は、上記固体撮像素子におい
て、画素のセンサ開口の短辺方向の断面において、上記
層内レンズの曲面の上記最大傾斜角が上記全反射の臨界
角の近傍の角度とする構成を採る。

【００１５】図１は本発明に係る固体撮像素子の実施の
形態としてＣＣＤ型の固体撮像素子の概略構成図（１画
素に対応する素子の断面図）を示す。

【００１６】この固体撮像素子２０は、半導体基体１内
にセンサ（受光部）２が形成され、この受光部２以外の
半導体基体１上には、ゲート絶縁膜３を介して転送電極
４が形成されている。転送電極４上には層間絶縁膜５を
介して遮光膜６が形成され、この遮光膜６は転送電極４
への光の入射を防止するものであり、この遮光膜６には
受光部２上に開口が設けられて、受光部２に光が入射す
るようにしている。また、遮光膜６を覆って、遮光膜６
による段差に対応した凹凸を表面に有する例えばＢＰＳ
Ｇ（屈折率ｎ＝１．４〜１．５）等からなる層間絶縁層
７が形成されている。

【００１７】そして、層間絶縁層７上には、例えばＳｉ
Ｎ膜（屈折率ｎ＝１．９〜２．０）等による高屈折率層
８が形成され、これら層間絶縁層７及び高屈折率層８の
界面が凹面となり、高屈折率層８内にいわゆる層内レン
ズ１１を構成している。この凹面において、入射光が屈
折もしくは反射される。尚、受光部２上に集光させるた
めに、層間絶縁層膜７の屈折率よりも、上層の高屈折率
層８の屈折率の方が大きくなるように調整されている。

【００１８】この高屈折率層８の上面は平坦化され、こ
れの上に上層絶縁層９が形成されている。この上層絶縁
層９内には、例えば図示しないがカラーフィルター等が
形成されて構成される。さらに最上部には、入射光を受
光部２上に集光するためのマイクロレンズ１１が形成さ
れている。

【００１９】本実施の形態においては、特に、高屈折率
層８により構成された層内レンズ１１の曲面の基板表面
即ち半導体基体１の表面と並行な面に対する最大傾斜角
θｍａｘが、後述するように、全反射の臨界角θｃ近傍
の角度、例えばθｃ±１０°以内の範囲の角度となるよ
うに形成する。

【００２０】ここで、図２に層内レンズ１１の曲面にお
ける、基板表面に垂直な方向の入射光と屈折光の関係の
概略図を示す。基板表面Ｓ_S に平行な面に対するレンズ
曲面Ｓ_L の傾きを傾斜角θとする。基板表面Ｓ_S に対し
て垂直な方向の入射光（以下垂直入射光とする）Ｌ_V の
屈折を考える。この垂直入射光Ｌ_V は、レンズ曲面Ｓ_L
の法線ｎに対して入射角θ１を有する。また、垂直入射
光Ｌ_V と基板表面Ｓ_S とが垂直であるため、レンズ曲面
Ｓ_L の傾斜角θは、垂直入射光Ｌ_V の入射角θ１と一致
する（θ＝θ１）。

【００２１】このとき、入射側の光屈折率層８からなる
層内レンズ１１の屈折率ｎ１と、屈折側の層間絶縁層７
の屈折率ｎ２とから、次の数１に示すスネルの法則によ
り、屈折角θ２を容易に求めることができる。

【００２２】

【数１】ｎ１・ｓｉｎ（θ１）＝ｎ２・ｓｉｎ（θ２）

【００２３】ところが、垂直入射光Ｌ_V の入射角θ１
が、次の数２に示す条件に該当するときには、全反射条
件となり、垂直入射光Ｌ_V が層内レンズ１１の曲面Ｓ_L
で全て反射されてしまう。

【００２４】

【数２】（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎ（θ１）＞１ ただしｎ１＞ｎ２

【００２５】ここで、前述したように、実際の入射光は
異なる入射角度の入射光成分の集まりとなっていて、絞
りのＦ値の違いによって入射角度の範囲も異なってく
る。Ｆ値と感度との関係を考えるために、入射光の集光
率について、層内レンズ１１の曲面Ｓ_L の傾斜角θの最
大値即ち最大傾斜角θｍａｘへの依存性を、３つのＦ値
（Ｆ＝１．２，Ｆ＝４，Ｆ＝１１）に対して調べた。結
果を図３に示す。

【００２６】図３より、絞りが開放されたとき、即ちＦ
＝１．２のときには、最大傾斜角θｍａｘの増大に伴っ
て集光率即ち感度が向上している。

【００２７】一方、絞りが絞られたとき、即ちＦ＝１１
のときには、傾斜角θがある値までは集光率に変化が少
なく傾斜角θの増加に伴い微増する傾向があるが、ある
値以上では急激に集光率の減少即ち感度低下を起こして
いる。これは、前述の異なる入射角度の入射光成分の集
まりのうち、層内レンズ１１の曲面Ｓ_L において全反射
条件が成り立つ入射光成分が支配的になるためである。

【００２８】また、図３より、Ｆ値が異なっていても、
集光率が最大で最大の感度となる傾斜角θは、ほぼ等し
くなっている。図３に、この最大の感度となる傾斜角θ
を最適角θＢとして示す。

【００２９】ここで、Ｆ値が大きい場合は、入射光がほ
ぼ垂直入射光Ｌ_V によって代表されるため、垂直入射光
Ｌ_V に対して感度が最大となるように、層内レンズ１１
の曲面Ｓ_L の傾斜角θを設定すれば、ほぼ満足する感度
が得られる。

【００３０】尚、上層の凸形状のオンチップレンズ１０
による集光状態によっても、層内レンズ１１の曲面Ｓ_L
に入射する角度θ１が様々に変化して存在するが、これ
は平均化するとほぼ無視できる。実際、図３の結果は、
上層のオンチップレンズ１０をある状態に設定した場合
を示している。

【００３１】以上のことからまとめると、感度を最大に
するためには、垂直入射光Ｌ_V に対して、感度が最大と
なるように、層内レンズ１１の曲面Ｓ_L の傾斜角θを、
例えば図３に示した最適角θＢに設定すればよく、この
ときＦ値が小さい場合でもＦ値が大きい場合と同様に感
度がほぼ最大になる。

【００３２】垂直入射光Ｌ_V に対して感度が最大となる
最適角θＢは、実際にはほぼ全反射の臨界角θｃ近傍の
角度となる。

【００３３】この全反射の臨界角θｃは、前述の数１で
θ２＝９０°となる入射角θ１であり、即ち次の数３に
示す条件を満たす角度である。そして、入射角θ１≧θ
ｃのとき、入射光は全反射される。

【００３４】

【数３】ｓｉｎθｃ＝ｎ２／ｎ１（ただしｎ１＞ｎ２）

【００３５】この全反射の臨界角θｃ近傍で、最大傾斜
角θｍａｘとなる範囲に層内レンズ１１の曲面Ｓ_L の形
状を構成するとよいことがわかり、このとき入射角の異
なる各種入射光に対して感度が最大となる。

【００３６】例えば、層内レンズ１１が屈折率約２．０
のプラズマ窒化膜から成り、センサ側の下層の層間絶縁
層７がＳｉＯ₂ 系の屈折率１．４５の材料から成る場合
には、全反射の臨界角θｃ＝ｓｉｎ^-1（１．４５／２．
０）＝４６°となる。即ち最大傾斜角θｍａｘを４６°
近傍の角度とする。

【００３７】最大傾斜角θｍａｘ＝４６°のとき、固体
撮像素子の１画素に対応する素子の断面図は図４のよう
になる。

【００３８】これに対して、全反射の臨界各θｃよりも
傾斜角θが大きいと、例えば傾斜角θ＝６０°とした場
合を図５に示すように、層内レンズ１１の曲面Ｓ_L のこ
の傾斜角θが大きい部分で垂直入射光Ｌ_V が全反射され
る。従って、層内レンズ１１の曲面Ｓ_L 全体として全反
射される割合が増加するため、受光部２に入射する光が
減少し、固体撮像素子１の感度が低下する。

【００３９】尚、最大傾斜角θｍａｘを小さくすると、
全反射は起こりにくくなるが、図３に示すＦ＝１．２の
場合に、集光率が低下するので好ましくない。従って、
最大傾斜角θｍａｘは、感度を最大にするためにも、な
るべく大きくして、全反射の臨界角θｃ近傍の角度とす
る必要がある。

【００４０】上述の本実施の形態によれば、各種の光源
に対して、層内レンズ１１の形状を感度が最大にできる
ように形成することができる。

【００４１】そして、層内レンズ１１の材料の屈折率
と、その下の層間絶縁層７等の層の屈折率により、求め
る傾斜角θを得ることができるため、傾斜角θを決定す
るための試作を繰り返す必要がなくなる。また、所望の
特性の固体撮像素子２０を再現性良く製造することがで
きる。

【００４２】さらに、層内レンズ１１の材料が変更され
ても、変更した材料の屈折率から最適なレンズ曲面Ｓ_L
の傾斜角及び形状を求めることができるので、容易に最
適化を図ることができる。

【００４３】層内レンズ１１の曲面Ｓ_L の最大傾斜角θ
ｍａｘは、例えば次のような手順により、上述の全反射
の臨界角θｃ近傍の角度に設定する。

【００４４】まず、画素の条件、受光部２の開口幅、ア
スペクト比（固体撮像素子２０の全層厚と受光部２上の
開口幅との比）等の条件を考慮する。そして、下層の層
間絶縁層７の材料を選択し、この層間絶縁層７の粘度特
性や膜厚、及びリフロー等熱処理の温度を制御すること
により、所定の最大傾斜角θｍａｘが得られるようにす
る。例えば層間絶縁層７をＢＰＳＧ等のガラス材料とし
た場合には、ガラスの組成によって粘度特性が変化する
ため、所定の粘度特性が得られるように組成を変更する
ようにする。

【００４５】また例えば層間絶縁層７の膜厚を薄くする
と、遮光膜６の段差に応じて、層内レンズ１１の曲面Ｓ
_L の傾斜角θが大きくなる。一方、層間絶縁層７の膜厚
を厚くすると、遮光膜６の段差が埋まるようになり、層
内レンズ１１の曲面Ｓ_L の傾斜角θが小さくなる。

【００４６】続いて、本発明による固体撮像素子の他の
実施の形態について説明する。本実施の形態の固体撮像
素子は、図６Ａに平面図を示すように、センサ（受光
部）２の開口１２の縦横比が１：１でなく、即ち長辺と
短辺とが存在する場合、特に長辺の長さと短辺の長さに
明らかな差がある場合である。

【００４７】この場合の、受光部２の開口１２の長辺方
向の断面図即ち図６ＡのＡ−Ａにおける断面図を図６Ｂ
に示す。長辺方向では遮光膜６による開口１２が広いた
め、層内レンズ１１の下層の層間絶縁層７に用いられる
材料の性質から、図６Ｂに示すように、層間絶縁層７の
断面が、遮光膜６に近い部分では傾斜角が大きく垂直に
近くなり、一方開口１２の中央部付近では傾斜角が小さ
く水平に近くなる。即ち層間絶縁膜７の断面形状及び層
内レンズ１１の曲面Ｓ_L の形状が、鍋底形状となる。

【００４８】このように層内レンズ１１の曲面Ｓ_L の形
状が鍋底形状となる場合には、傾斜角の範囲が水平（傾
斜角０°）付近から垂直（傾斜角９０°）付近までと非
常に広くなり、本発明を適用することが困難である。し
かしながら、受光部２の開口１２の長辺方向は、開口１
２が広いため充分に入射光を受光することができること
から、層内レンズ１１の集光率を上げる必要性が低く、
本発明を適用して層内レンズ１１の曲面Ｓ_L の最大傾斜
角θｍａｘを規定するには及ばない。

【００４９】これに対して、受光部２の開口１２の短辺
方向は、遮光膜６によって形成される開口１２が狭いた
め、集光率を上げて入射光Ｌ_V が狭い開口１２内に充分
集光されるようにする必要が生じる。

【００５０】従って、受光部２の開口１２の縦横比が
１：１でなく、長辺と短辺とが存在する場合には、受光
部２の開口１２の短辺方向に対して本発明を適用して、
短辺方向の層内レンズ１１の曲面Ｓ_L の最大傾斜角θｍ
ａｘを、全反射の臨界角θｃ近傍の角度とする。このよ
うに構成することにより、短辺方向の集光率を高め、固
体撮像素子の感度を向上させることができる。

【００５１】本発明の固体撮像素子は、上述の実施の形
態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲でその他様々な構成が取り得る。

【００５２】

【発明の効果】上述の本発明によれば、基板表面と平行
な面に対する層内レンズの曲面の最大傾斜角が、全反射
の臨界角の近傍の角度であることにより、各種の光源に
対して感度が最大となるように、層内レンズの形状を形
成することができる。

【００５３】そして、層内レンズを構成する材料の屈折
率と、その下層の層間絶縁層等の屈折率とにより、求め
る傾斜角を得ることができるため、傾斜角を決定するた
めの試作を繰り返す必要がなくなり、再現性も良く製造
することができる。

【００５４】また、層内レンズの材料が変更されても、
屈折率から最適なレンズ曲面の傾斜角及び形状を求める
ことができるので、容易に最適化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態の概
略構成図（断面図）である。

【図２】層内レンズの曲面における、基板表面に垂直な
方向の入射光と屈折光の関係の概略図である。

【図３】入射光の集光率の、層内レンズの曲面の傾斜角
θ依存性を、３つのＦ値に対して示す図である。

【図４】層内レンズの曲面の最大傾斜角が、全反射の臨
界角近傍である場合（４６°）を示す固体撮像素子の断
面図である。

【図５】層内レンズの曲面の最大傾斜角が、全反射の臨
界角より大きい場合（６０°）の垂直入射光の経路を示
す固体撮像素子の断面図である。

【図６】Ａ 本発明に係る固体撮像素子の他の実施の形
態の受光部の形状を示す平面図である。 Ｂ 本発明の受光部の開口の長辺方向の断面図（図６Ａ
のＡ−Ａによる断面図）である。

【符号の説明】

１ 半導体基体、２ 受光部、３ ゲート絶縁膜、４
転送電極、５ 層間絶縁膜、６ 遮光膜、７ 層間絶縁
層、８ 高屈折率層、９ 上層絶縁層、１０ オンチッ
プレンズ、１１ 層内レンズ、１２ 受光部の開口、２
０ 固体撮像素子、Ｌ_V 垂直入射光、Ｌ_D 屈折光、
Ｓ_L 層内レンズの曲面、Ｓ_S 基板表面、θ 傾斜
角、θ１ 入射角、θ２ 屈折角、θＢ 最適角、θｍ
ａｘ 最大傾斜角、θｃ 全反射の臨界角

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板表面と平行な面に対する層内レンズ
   の曲面の最大傾斜角が、全反射の臨界角の近傍の角度で
   あることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 上記全反射の臨界角の近傍の角度が、該
   全反射の臨界角±１０°以内の角度であることを特徴と
   する請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 画素のセンサ開口の短辺方向の断面にお
   いて、上記層内レンズの曲面の上記最大傾斜角が上記全
   反射の臨界角の近傍の角度とすることを特徴とする請求
   項１に記載の固体撮像素子。