JPH1197655A

JPH1197655A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH1197655A
Application number: JP9253714A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Oba; 英史大場; Keiji Mabuchi; 圭司馬渕; Nagataka Tanaka; 長孝田中; Michio Sasaki; 道夫佐々木; Ryohei Miyagawa; 良平宮川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1997-09-18
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロレンズで集光された光が、形状バラツ
キのある遮光膜の開口部で部分的に遮られることによる
感度のバラツキを解消する。【解決手段】半導体基板に光電変換のためのフォトダイ
オード３を複数配置してなり、且つ、これらのフォトダ
イオードの光入射側に各フォトダイオードの受光領域対
応に開口を設けた遮光膜２を配置し、その前面に各フォ
トダイオード対応に入射光を集光させるマイクロレンズ
４１を配置してなる二次元撮像素子において、マイクロ
レンズはその焦点Ｆ位置が、前記遮光膜の開口面位置近
傍に設定されていることを特徴とする。さらには、フォ
トダイオードの受光面に到達した光束の広がりは、フォ
トダイオードの受光面の領域内に収まるように設定する
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像領域の遮光膜
の開口部が信号配線上に形成された構造を有する固体撮
像素子にかかわり、特に受光した光学像を高効率で電気
信号に変換できるようにした固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学像から画像信号を得るための
撮像素子としては、固体撮像素子が主流を占めている
が、固体撮像素子には大別して電荷結合（ＣＣＤ）型の
ものと、ＭＯＳ型のものとがある。前者は古くから実用
化され、今日の撮像素子の主流となっているセンサーで
ある。また、後者は原理は古くから知られていたが、種
々の問題点があり、実用化が難しかったが、それらの問
題点を解決して近年、ようやく実用化に至った新しいセ
ンサーである。

【０００３】これらいずれのセンサーも、光‐電変換素
子としてフォトダイオードを用いており、二次元画像入
力センサーを構成する場合には、微小サイズのフォトダ
イオードを多数、マトリックス状に配置して受光面と
し、このマトリックス状配置のフォトダイオード配置面
全面が、画面としての受光面を構成する。

【０００４】そして、ここに光学像を結像させて各フォ
トダイオードで画素単位の画像信号を得るものである。
ＣＣＤ型の場合、この各フォトダイオードからの画像信
号は、マトリックスのライン単位でラインレジスタに移
され、所定の読み取りタイミングでシフトさせてシリア
ルに出力される。ＭＯＳ型の場合は、画素単位で設けら
れたトランジスタスイッチの制御により任意のライン、
任意のカラムを能動化し、その画素の画像信号を読み出
す構造である。

【０００５】各フォトダイオードはそれぞれ単位画素を
構成するが、面積が微小であるから、信号レベルを確保
する上でも、単位画素としての受光面にはその画素の占
める領域に到来する光を１００％導いて光‐電変換さ
せ、画像信号化できるようにする必要がある。

【０００６】そのため、各フォトダイオードの光入射面
側に単位画素の領域のサイズに合わせた寸法のレンズを
配置するが、このレンズは径が微小であるからマイクロ
レンズと呼ばれる。そして、隣接の画素からの光が混入
しないように、各フォトダイオードの光入射面側に各フ
ォトダイオードの配置領域はそれぞれ開口させた光遮蔽
マスクである遮光膜（フォトシールド）が設けられてい
る。

【０００７】固体撮像素子は、フォトダイオードによる
画素や配線を半導体基板上に作り込むが、最も一般的な
電荷結合（ＣＣＤ）型の撮像素子（イメージセンサー）
の構造を図３に示す。図３の構造を説明すると、３１が
半導体基板（ｎ−Ｓｕｂ）であり、高エネルギでイオン
注入がなされたｐ−Ｗｅｌｌ領域３２があり、その上に
フォトダイオード形成のためのｎ型のイオンが注入され
たｎチャネル領域３３とｐチャネル領域３４およびＣＣ
Ｄ構成のためのｐ−Ｗｅｌｌ領域３５とｎ−Ｗｅｌｌ領
域３６が形成されている。

【０００８】さらに、全面に光透過性の絶縁材料である
例えばＳｉＯ₂ （酸化珪素）による絶縁膜としての層間
膜３７があり、その上にフォトダイオードの受光面形成
領域３８を開口させたタングステンによる遮光膜３９が
形成されている。さらにその上にＳｉＯ₂ やＢＰＳＧガ
ラスによる透明層が平坦化膜４０として形成されてお
り、その上にマイクロレンズ４１が形成されている。ま
た、絶縁膜３７内には遮光膜３９部分の直下にポリシリ
コンによるゲート配線４２が形成されている。

【０００９】このような構造を持つＣＣＤ型の撮像素子
では、その素子配置と回路構成上、配線が極めてシンプ
ルであり、内部の配線構造に着目してみると、半導体基
板上に形成される配線の数が駆動のためのゲート配線４
２とその低抵抗化のための二重配線のみであった。その
ため、フォトダイオード上に積層される層間膜３７の高
さは低くできた。すなわち、図４に拡大図で示すよう
に、３がフォトダイオード部分（図３においてｎチャネ
ル領域３３とｐチャネル領域３４とから構成されたフォ
トダイオード部分）であり、４２がゲート配線であっ
て、配線がこのゲート配線４２のほかはないので、フォ
トダイオード３上に積層される層間膜３７の高さは低く
形成できた。

【００１０】そして、層間膜３７の高さが低いというこ
とは、ゲート配線４２の上層に形成される遮光膜３９の
高さがフォトダイオード３により近い位置に来るという
ことであり、低く形成できる分、図４（ｂ）に示すよう
に、フォトダイオード領域で層間膜３７の掘り込みが可
能で、この遮光膜３７を基板まで落とし込むことができ
た（図４（ｂ）のＡ部分参照）。そして、この遮光膜３
９の開口部を基板に接して形成できたためにフォトダイ
オード上に形成されるマイクロレンズ４１の焦点Ｆ位置
を、基板内部に来るように設定できた。

【００１１】これに対して、ＭＯＳ型のイメージセンサ
ーでは撮像領域に信号出力用の配線、行選択配線、電源
配線、信号読み出し駆動配線など、種々の配線が必要で
あり、撮像領域での配線数がＣＣＤ型に比べて格段に多
く、そのため、特に微細化されたセル構造では配線上に
絶縁層を残しながら半導体基板まで配線層間膜を掘り込
むことが困難である。

【００１２】図５は、増幅型ＭＯＳイメージセンサを用
いた固体撮像装置の回路図である。フォトダイオード３
（３−１−１，３−１−２，３−３−３，〜）の検出信
号を増幅する増幅トランジスタ１２（１２−１−１，１
２−１−２，１２−３−３，〜）、信号を読み出すライ
ンを選択する垂直選択トランジスタ１３（１３−１−
１，１３−１−２，１３−３−３，〜）、信号電荷をリ
セットするリセットトランジスタ１４（１４−１−１，
１４−１−２，１４−３−３，〜）からなる単位セルが
行列二次元状に配列されている。なお、単位セルは単位
画素を構成するもので、図では３×３個のセルが配列さ
れているが、実際には、これより多くの単位セルが配列
されている。

【００１３】垂直シフトレジスタ１５から水平方向に配
線されている水平アドレス線１６（１６−１，１６−
２，１６−３）は垂直選択トランジスタ１３のゲートに
接続され、信号を読み出すラインを決めている。同様
に、垂直シフトレジスタ１５から水平方向に配線されて
いるリセット線１７（１７−１，１７−２，１７−３）
は、リセットトランジスタ１４のゲートに接続されてい
る。増幅トランジスタ１２のソースは列方向に配置され
た垂直信号線１８（１８−１，１８−２，１８−３）に
接続され、その一端には負荷トランジスタ１９（１９−
１，１９−２，１９−３）が設けられている。

【００１４】垂直信号線１８の他端には、クランプ容量
１１０（１１０−１，１１０−２，１１０−３クランプ
トランジスタ１１１（１１１−１，１１１−２，１１１
−３）、サンプルホールドトランジスタ１１２（１１２
−１，１１２−２，１１２−３）、サンプルホールド容
量１１３（１１３−１，１１３−２，１１３−３）から
なる雑音除去回路が接続されている。そして、この雑音
除去回路は、水平シフトレジスタ１１４から供給される
選択パルスにより駆動される水平選択トランジスタ１３
０（１３０−１，１３０−２，１３０−３）を介して水
平信号線１５０に接続されている。

【００１５】図６は、このデバイスの動作を示すタイミ
ングチャートである。水平アドレス線１６−１をハイレ
ベルにするアドレスパルス１０１を印加すると、このラ
インの垂直選択トランジスタ１３のみＯＮし、このライ
ンの増幅トランジスタ１２と負荷トランジスタ１９でソ
ースホロア回路が構成される。そして、増幅トランジス
タ１２のゲート電圧、即ちフォトダイオード３の電圧と
ほぼ同等の電圧が垂直信号線１８に現れる。このとき、
クランプトランジスタ１１１のゲートにクランプパルス
１０２を印加し、クランプトランジスタ１１１をＯＮ
し、クランプノード１１６をクランプ電源１１７と同じ
電圧に固定する。

【００１６】次いで、クランプトランジスタ１１１をＯ
ＦＦした後、リセット線１７−１をハイレベルにするリ
セットパルス１０３を印加し、リセットトランジスタ１
４をＯＮして信号電荷をリセットする。すると、クラン
プノード１１６には、クランプ電源１１７にフォト・ダ
イオード３の電荷があるときと信号電荷がリセットされ
たときの電圧の差が加算された電圧が現れる。

【００１７】次いで、サンプルホールドトランジスタ１
２のゲートにサンプルホールドパルス１０４を印加し、
サンプルホールドトランジスタ１２をＯＮし、この信号
をサンプルホールド容量１１３に伝達する。その後、水
平シフトレジスタ１１４から水平選択パルス１０５（１
０５−１，１０５−２，１０５−３）を水平選択トラン
ジスタ１３０に順次印加し、水平信号線１１５から１ラ
イン分の信号を順次取り出す。

【００１８】この動作を次のライン、その次のラインと
順次続けることにより、２次元状全ての信号を読み出す
ことができる。このデバイスでは、クランプノード１１
６には最終的には信号があるときとリセットされ信号が
ないときの差の電圧が現れるため、増幅トランジスタ１
２のしきい値ばらつきによる雑音が抑圧されるという特
徴がある。即ち、クランプ容量１１０，クランプトラン
ジスタ１１１，サンプルホールドトランジスタ１１２，
及びサンプルホールド容量１１３からなる回路がノイズ
キャンセラとして作用する。このように、ノイズが解消
できるようになった結果、ＭＯＳ型のイメージセンサー
は画質の問題が解消され、実用化が可能になった。

【００１９】しかし、図５に示す回路例からわかるよう
に、セル毎に、多数のトランジスタと信号線などの配線
が必要であり、マトリックス配列されたセルの行方向、
列方向を結ぶ水平アドレス線、垂直信号線、リセット線
といったものが、セルの並ぶ領域である撮像領域に配置
されなければならないから、限られた配線可能な領域を
用いてこれらを配線を形成すると、必然的に多層配線構
造を採用せざるを得ない。

【００２０】このように、ＭＯＳ型のイメージセンサー
では撮像領域に信号出力用の配線、行選択配線、電源配
線、信号読み出し駆動配線など、種々の配線が必要であ
り、撮像領域での配線数がＣＣＤ型に比べて格段に多
く、そのため、特に微細化されたセル構造では配線上に
絶縁層を残しながら半導体基板面まで配線層間膜を掘り
込むことが困難である。

【００２１】すなわち、図３はＭＯＳ型のイメージセン
サーの構造を示すが、この図において、３はフォトダイ
オード、４はＬＯＣＯＳ素子分離領域、４０は平坦化
膜、４１はマイクロレンズ、２は遮光膜、５はゲート配
線、６は信号出力用の配線、７は電源配線を示すが、こ
の図からわかるように、配線の種類が多数あるので、多
層配置になり、配線層の層間絶縁膜もその配線層数分、
必要となる。図３の例では、配線層は２層になっている
ため、層間絶縁膜は３７ａ，３７ｂの２層が必要であ
る。層間絶縁膜の層数が多くなれば、当然フォトダイオ
ード３からみた最上層の層間絶縁膜３７ｂ上面までの高
さが高くなり、層間絶縁膜３７ｂ上面に形成される遮光
膜２の高さ位置も高くなる。

【００２２】そのため、特に微細化されたセル構造では
配線上に絶縁層（層間絶縁膜３７ａ，３７ｂ）を残しな
がら半導体基板まで当該層間絶縁膜３７ａ，３７ｂを掘
り込むことが困難である。そのため、図３に示すよう
に、フォトダイオード３からみた最上層の層間絶縁膜３
７ｂは平坦の状態のまま、その上面に遮光膜２を形成す
ることになり、遮光膜２の開口部が基板より高いところ
に形成されることなっていた。また、他方では光の集光
効率を上げるためのマイクロレンズ４１の焦点Ｆ位置
は、基板内のフォトダイオード３に設定していた。これ
は、広く実用に供されているＣＣＤ型イメージセンサー
での常識を、そのまま踏襲しているからである。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】ＭＯＳ型のイメージセ
ンサーにおいては、配線の種類が多数あるので、多層配
置になり、配線層の層間絶縁膜もその配線層数分、必要
となる。層間絶縁膜の層数が多くなれば、当然フォトダ
イオード３からみた最上層の層間絶縁膜上面までの高さ
が高くなり、当該層間絶縁膜上面に形成される遮光膜の
高さ位置も高くなる。

【００２４】そして、この場合、配線上に絶縁層（層間
絶縁膜）を残しながら基板まで配線層間の絶縁膜を掘り
込むことは困難であることから、図３に示すように、フ
ォトダイオード３からみた最上層の層間絶縁膜３７ｂは
平坦の状態のまま、その上面に遮光膜２を形成すること
になり、遮光膜２の開口部が基板より高いところに形成
されることなっていた。また、他方では光の集光効率を
上げるためのマイクロレンズ４１の焦点Ｆ位置は、基板
内のフォトダイオード３に設定していた。

【００２５】このように、従来のマイクロレンズ４１の
曲率設定は、その焦点Ｆ位置が基板内表面近傍に来るよ
う設定していたことから、配線上に形成された遮光膜２
が図３に示すように、焦点Ｆ位置とマイクロレンズ４１
の中間位置に来ることとなる。また、この時に、遮光膜
２の開口領域（窓サイズ）を十分に大きくしない眼り、
フォトダイオード３に入射する光の範囲がこの遮光膜２
の開口部で規定されるために開口部の形状バラツキ（窓
形状のバラツキ）によって画素毎のフォトダイオード３
に到達する光量のバラツキが発生する。つまり、光路に
いわゆる“けられ”が生じる。

【００２６】この光路の“けられ”を回避するために、
遮光膜２の開口領域を広げることが出来るが、この場
合、光の隣接画素への漏れが起こることがあり、そのた
めに、Ｓ／Ｎが劣化して、得られる画質が悪くなる。

【００２７】そこで、この発明は上記事情を考慮してな
されたもので、その目的とするところは、マイクロレン
ズに集光された光が遮光膜に遮られること無く光を効率
よく基板上のフォトダイオ−ドに導く構造にし、遮光膜
開口部のばらつきによる入射光のばらつきを低減して画
質の向上を図ることができるようにした固体撮像素子を
提供することにある。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のように構成する。すなわち、本発明
は、半導体基板に光電変換のためのフォトダイオードを
複数配置してなり、且つ、これらのフォトダイオードの
光入射側に各フォトダイオードの受光領域対応に開口を
設けた遮光膜を配置し、その前面に各フォトダイオード
対応に入射光を集光させるマイクロレンズを配置してな
る二次元撮像素子において、前記マイクロレンズはその
焦点Ｆ位置が、前記遮光膜の開口面位置近傍に設定され
ていることを特徴とする。また、フォトダイオードの受
光面に到達した光束の広がりは、フォトダイオードの受
光面の領域内に収まるように設定する。

【００２９】このような構造を持つ二次元撮像素子は、
例えば光学レンズ系などにより最上面に並ぶマイクロレ
ンズ群の位置に光学像が結像され、各マイクロレンズは
自己の位置に到来した光を集光してフォトダイオードの
受光面へと導く。

【００３０】各マイクロレンズの焦点はそれぞれ遮光膜
の開口面位置近傍にあり、従って、マイクロレンズで集
光された光は、遮光膜の開口部位置ではスポット径が最
小になる。故に遮光膜に光束が遮られることがない。そ
の後、光束は広がり、フォトダイオードの受光面に到達
する。当該受光面では光束が広がってスポット径が大き
くなるが、その径はフォトダイオードの受光面の領域内
に収まるようにしてある。そのため、マイクロレンズ４
１で集光された光は１００％、フォトダイオード２に入
射して検出され、電気信号に変換される。

【００３１】本発明の固体撮像素子は、遮光膜の開口領
域に入射した光を最も効率よく選択的フォトダイオード
に導く構造にすることにある。つまり、従来において
は、集光した光をフォトダイオードに導くことに主眼が
置かれてマイクロレンズの焦点位置はフォトダイオード
の受光面に来るようにした構造であった。

【００３２】本発明でこの楕造を改め、フォトダイオー
ド受光面に設定していたマイクロレンズの焦点位置を、
フォトダイオードの前方位置にある遮光膜の開口部を含
む面に変更し、光束が遮光膜開口部を通過する位置で最
も細く絞られるようにし、遮光膜による“けられ”を無
くして、遮光膜の開口部分面積のバラツキに対するフォ
トダイオード到達光量のバラツキをなくすことが出来る
ようにし、これによって、高品位の画像信号が得られる
ようにした。

【００３３】本発明によれば、マイクロレンズに入射し
た光を遮光膜で遮ることなく効率的にフォトダイオード
上に導くことが出来るために感度を向上できると同時に
開口部バラツキによる画素毎の信号のバラツキを抑える
ことができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
例によって説明する。（実施例１）この実施例１は、従来、図３に示すよう
に、フォトダイオード３面に設けていたマイクロレンズ
４１の焦点Ｆ位置を、配線上部の遮光膜開口面近傍に来
るように構成するものである。

【００３５】図１に本発明によるＭＯＳ型の撮像素子
（イメージセンサー）の構造を示す。図において、３１
が半導体基板であり、３はこの半導体基板３１上に形成
されたフォトダイオード、４は素子分離のためのＬＯＣ
ＯＳ素子分離領域である。５はゲート配線でＬＯＣＯＳ
素子分離領域４上に形成されている。そして、ゲート配
線５を絶縁すべく、ＳｉＯ₂ などの透光性絶縁材による
層間絶縁膜３７ａが全面に形成され、その上に信号出力
用の配線６や電源配線７が形成されている。そして、こ
れら配線６，７を絶縁すべく、全面にＳｉＯ₂ などの透
光性絶縁材による層間絶縁膜３７ｂを形成して電気的に
絶縁してある。

【００３６】さらに、層間絶縁膜３７ｂ上には全面に、
各フォトダイオード３の受光面形成領域３８をそれぞれ
開口させて窓にした遮光膜２が形成されている。さらに
その上に、ＳｉＯ₂ やＢＰＳＧガラスによる透明層が平
坦化膜４０として従来より厚めに形成されており、その
上にマイクロレンズ４１が形成されている。

【００３７】平坦化膜４０を厚めとしたことで、フォト
ダイオード３の上方にあるマイクロレンズ４１の焦点Ｆ
位置を、従来のフォトダイオード３の受光面位置下から
遮光膜２の開口面位置近傍に来るように構成するもので
ある。なお、焦点Ｆの位置が遮光膜２の開口面位置近傍
に来ることにより、フォトダイオード３の受光面では光
束が広がって光束のスポット径が大きくなるが、その径
はフォトダイオード２の受光面の領域内に収まるように
する必要がある。なお、１２はマイクロレンズの入射光
光路である。

【００３８】このような構造を持つＭＯＳ型の二次元撮
像素子（イメージセンサー）では、図示しない光学レン
ズ系により最上面に並ぶマイクロレンズ群の位置に光学
像が結像され、各マイクロレンズ４１は自己の位置に到
来した光を集光してフォトダイオード３の受光面へと導
く。

【００３９】各マイクロレンズ４１の焦点Ｆはそれぞれ
遮光膜２の開口面位置近傍にあり、従って、遮光膜２の
開口部位置（窓位置）ではスポット径が最小になる。故
に遮光膜２に光束が遮られることがない。その後、光束
は広がり、フォトダイオード３の受光面に到達する。当
該受光面では光束が広がってスポット径が大きくなる
が、その径はフォトダイオード２の受光面の領域内に収
まるようにしてある。そのため、マイクロレンズ４１で
集光された光は１００％、フォトダイオード２に入射し
て検出され、電気信号に変換される。

【００４０】このように、実施例１は、従来、図３に示
すように、フォトダイオード３の上方に設けていたマイ
クロレンズ４１の焦点Ｆ位置を、配線上部の遮光膜開口
面近傍に来るように構成するものである。これは、遮光
膜２上の層間膜を厚く形成することにより、マイクロレ
ンズ４１の位置を高く形成することで、図１に示すよう
に、前記マイクロレンズ４１の焦点Ｆ位置を配線上部の
遮光膜開口面位置近傍になるように設定する。

【００４１】そしてこのような改良を施したことによ
り、イメージセンサーに入射した光がマイクロレンズ４
１により集光され、光路１２を辿ることにより、遮光膜
２の開口中心を、最小のスポット径の光束で通過するよ
うにしたものである。そして、このようにして遮光膜２
を通過する光は、遮光膜２の開口中心に集光されるため
に遮光膜２で光路を遮蔽されることが無くなることか
ら、画素毎の遮光膜の開口部形状（窓形状）に画素毎の
バラツキがあったとしても、マイクロレンズ４１で収束
されて開口中心を通過する光束は遮光膜２で遮られるこ
とがなく、しかも、フォトダイオード受光面ではその受
光面の領域をはみ出すことのないスポット径で光束が集
光されるようにしてあるために、画素を構成するフォト
ダイオードの受光量のバラツキは抑えられので、均一な
画素特性の画像信号が得られるようになる。

【００４２】別の例を実施例２として説明する。（実施例２）実施例１は遮光膜２上の層間膜（平坦化膜
４０）を厚く形成することにより、マイクロレンズ４１
の位置を高くし、これによって、マイクロレンズの焦点
位置を遮光膜の開口面位置近傍に移動させるようにした
ものであった。焦点位置の遮光膜の開口面位置近傍にも
って来るには、この他にもマイクロレンズの曲率半径を
変えることでも可能である。

【００４３】実施例２においては従来、図３に示すよう
に、フォトダイオード面に設けていたマイクロレンズ４
１の焦点Ｆ位置を、マイクロレンズ４１の曲率半径を従
来より小さくすることで、図２に示すように、配線上部
の遮光膜近傍位置になるように形成する。遮光膜２上の
層間膜（平坦化膜４０）の膜厚は厚くせず、従来同様と
する。なお、この場合も、焦点Ｆの位置が遮光膜２の開
口面位置近傍（窓位置近傍）に来ることにより、フォト
ダイオード３の受光面では光束が広がって光束のスポッ
ト径が大きくなるが、その径はフォトダイオード２の受
光面の領域内に収まるようにする必要がある。

【００４４】このような構造を持つＭＯＳ型の二次元撮
像素子（イメージセンサー）では、図示しない光学レン
ズ系により最上面に並ぶマイクロレンズ群の位置に光学
像が結像され、各マイクロレンズ４１は自己の位置に到
来した光を集光してフォトダイオード３の受光面へと導
く。

【００４５】各マイクロレンズ４１の焦点Ｆはそれぞれ
遮光膜２の開口面位置近傍にあり、従って、遮光膜２の
開口部位置ではスポット径が最小になる。故に遮光膜２
に光束が遮られることがない。その後、光束は広がり、
フォトダイオード３の受光面に到達する。当該受光面で
は光束が広がってスポット径が大きくなるが、その径は
フォトダイオード２の受光面の領域内に収まるようにし
てある。そのため、マイクロレンズ４１で集光された光
は１００％、フォトダイオード２に入射して検出され、
電気信号に変換される。

【００４６】この実施例は、平坦化膜の厚みは特に厚く
はせず、代わりにマイクロレンズの曲率半径を小さくし
て焦点距離が遮光膜の開口面近傍に来るようにしたもの
である。

【００４７】そして、このような改良を加えることによ
り実施例１と同様、撮像素子に入射した光がマイクロレ
ンズ４１により集光され、収束されて遮光膜２の開口中
心をスポット径最小で通過し、その後、広がってフォト
ダイオード３の受光面に到達するようにしたものであ
る。

【００４８】この実施例においても、遮光膜２を通過す
る光は遮光膜２の開口中心に集光されるために遮光膜２
で光路を遮蔽されることが無くなることから、画素毎の
遮光膜の開口部形状（窓形状）に画素毎のバラツキがあ
ったとしても、マイクロレンズ４１で収束されて開口中
心を通過する光束は遮光膜２で遮られることがなく、し
かも、フォトダイオード受光面ではその受光面の領域を
はみ出すことのないスポット径で光束が集光されるよう
にしてあるために、画素を構成するフォトダイオードの
受光量のバラツキは抑えられ、均一な画素特性の画像信
号が得られるようになる。

【００４９】以上、種々の実施例を説明したが、要する
に本発明は、半導体基板に光電変換のためのフォトダイ
オードを複数配置してなり、且つ、これらのフォトダイ
オードの光入射側に各フォトダイオードの受光領域対応
に開口を設けた遮光膜を配置し、その前面に各フォトダ
イオード対応に入射光を集光させるマイクロレンズを配
置してなる二次元撮像素子において、前記マイクロレン
ズはその焦点Ｆ位置が、前記遮光膜の開口面位置近傍に
設定されていることを特徴とするものであり、さらに
は、フォトダイオードの受光面に到達した光束の広がり
は、フォトダイオードの受光面の領域内に収まるように
設定することを特徴とするものである。

【００５０】そして、このような構造を持つ二次元撮像
素子は、例えば光学レンズ系などにより最上面に並ぶマ
イクロレンズ群の位置に光学像が結像され、各マイクロ
レンズは自己の位置に到来した光を集光してフォトダイ
オードの受光面へと導くが、各マイクロレンズの焦点は
それぞれ遮光膜の開口面位置近傍にあり、従って、マイ
クロレンズで集光された光は、遮光膜の開口部位置では
スポット径が最小になることから遮光膜に光束が遮られ
ることがない。その後、光束は広がり、フォトダイオー
ドの受光面に到達する。当該受光面では光束が広がって
スポット径が大きくなるが、その径はフォトダイオード
の受光面の領域内に収まるようにしてある。そのため、
マイクロレンズ４１で集光された光は１００％、フォト
ダイオード２に入射して検出され、電気信号に変換され
る。

【００５１】本発明の固体撮像素子は、遮光膜の開口領
域に入射した光を最も効率よく選択的フォトダイオード
に導く構造にすることにあり、従来においては、集光し
た光をフォトダイオードに導くことに主眼が置かれてマ
イクロレンズの焦点位置はフォトダイオードの受光面に
来るようにした構造であった点を改め、フォトダイオー
ド受光面に設定していたマイクロレンズの焦点位置を、
フォトダイオードの前方位置にある遮光膜の開口部を含
む面に変更し、光束が遮光膜開口部を通過する位置で最
も細く絞られるようにし、遮光膜による“けられ”を無
くして、遮光膜の開口部分面積のバラツキに対するフォ
トダイオード到達光量のバラツキをなくすことが出来る
ようにし、これによって、高品位の画像信号が得られる
ようにした。

【００５２】すなわち、マイクロレンズに入射した光を
遮光膜で遮ることなく効率的にフォトダイオード上に導
くことが出来るために感度を向上できると同時に開口部
バラツキによる画素毎の信号のバラツキを抑えることが
できる効果が得られる。

【００５３】尚、本発明は、上述した実施例に限定され
るものでなく、種々変形して実施得ることは勿論であ
る。例えば、上記実施例ではＭＯＳ型イメージセンサー
について説明したが、マイクロレンズで集光された光束
の一部が、遮光膜に遮られるいわゆる“けられ”が懸念
されるイメージセンサー全般に適用可能である。また、
フォトダイオードを光電変換のための受光素子として使
用した説明としているが、半導体基板上に形成すること
ができる受光素子であればよく、フォトダイオードに限
るものではない。また、二次元イメージセンサーを主体
に説明したが、一次元イメージセンサー（ラインセンサ
ー）にも勿論応用可能である。

【００５４】

【発明の効果】以上詳述したように、発明によれば、マ
イクロレンズの焦点位置が配線上層の遮光膜の開口部位
置近傍に来るようにマイクロレンズの曲率を変えるか、
レンズ配置高さ位置を設定することで、イメージセンサ
ーに入射した光を効率的にフォトダイオードに導くこと
ができ、均一な画素特性が確保できて、高画質の画像信
号が得られるようなる固体撮像装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明するための図であって、本発明の
実施例１におけるセル構造を説明するための図。

【図２】本発明を説明するための図であって、本発明の
実施例２におけるセル構造を説明するための図。

【図３】従来技術を説明するための図であって、ＭＯＳ
型撮像素子の場合の従来のセル構造を説明するための
図。

【図４】従来技術を説明するための図であって、電荷結
合素子の場合のセル構造を説明するための図。

【図５】ＭＯＳイメージセンサーの回路構成例を示す回
路図。

【図６】図５のイメージセンサーの動作を説明するため
のタイミングチャート。

【符号の説明】

２…遮光膜３…フォトダイオード４…ＬＯＣＯＳ素子分離領域５…Polysilicon ゲート配線６…配線７…電源配線８…配線間層間膜１２…入射光光路３１…半導体基板３７ａ，３７ｂ…層間絶縁膜３８…フォトダイオード３の受光面形成領域４０…配線上平坦化膜４１…マイクロレンズＦ…焦点

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に光電変換素子を複数配置形成
してなり、且つ、これらの光電変換素子の光入射側には
各光電変換素子の受光領域対応に開口を設けた遮光膜を
配置し、その前面に各光電変換素子対応に入射光を集光
させるマイクロレンズを配置してなる固体撮像素子にお
いて、前記マイクロレンズはその焦点位置が、前記遮光膜の開
口面位置近傍に設定されていることを特徴とする固体撮
像素子。
【請求項２】半導体基板に光電変換のためのフォトダイ
オードを複数配置してなり、且つ、これらのフォトダイ
オードの光入射側に各フォトダイオードの受光領域対応
に開口を設けた遮光膜を配置し、その前面に各フォトダ
イオード対応に入射光を集光させるマイクロレンズを配
置してなる二次元撮像素子において、前記マイクロレンズはその焦点Ｆ位置が、前記遮光膜の
開口面位置近傍に設定されていることを特徴とする固体
撮像素子。
【請求項３】半導体基板に光電変換のためのフォトダイ
オードを複数配置してなり、且つ、これらのフォトダイ
オードの光入射側に各フォトダイオードの受光領域対応
に開口を設けた遮光膜を配置し、その前面に各フォトダ
イオード対応に入射光を集光させるマイクロレンズを配
置してなる二次元撮像素子において、前記マイクロレンズはその焦点Ｆ位置が、フォトダイオ
ード位置より前方位置に設定されていることを特徴とす
る固体撮像素子。
【請求項４】フォトダイオードの受光面に到達した光束
の広がりは、フォトダイオードの受光面の領域内に収ま
るようにマイクロレンズが設定されていることを特徴と
する請求項２および３いずれか一項記載の固体撮像素
子。