JPS5990466A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は固体撮像素子、特に撮像に寄与する入射光を
効果的に向上させた固体撮像素子に関するものである。

〔従来技術〕

近年、工業用の分野において、ロボットなどの視覚セン
サとして固体撮像素子が注目をあびている。この固体撮
像素子は、従来から用いられてきた撮像管に比べて多数
の優れた点を備えているが、一方、改良すべき問題点も
多い。この問題点としては、感度の増加があるが、これ
は撮像管では入射光に対応した電荷を電子ビームが撮像
面を走査することにより、全撮像面を効果的に利用して
いるが、固体撮像素子では感光素子と電荷読み出し機構
とを同一面上に組込むので、入射光を有効に利用するこ
とができない。例えばＣＯＤ　（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐ
ｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　）形撮像累子では、約２０チ。

ＭＯ８形Ｘ−Ｙアドレス形では約５０％が感光素子の占
有率である。この値は光学系２／３インチにおける焦点
面で標準テレビ方式の表示系で分解能２５０ＴＶ本を確
保する場合である。したがって光学系が１／２インチと
なったとき、あるいは２／３インチ光学系で解像度が５
００ＴＶ本必要となった場合、電荷読み出し機構は従来
とほとんど寸法が変らないので、必然的に感光素子の面
積が小さくなる。すなわち感度の低下を意味することに
なる。

第１図はＭＯ８形スイッチやＭＯ８形シフトレジスタを
用いた固体撮像素子の一例を示す要部平面図である。図
中、点Ａ　、　Ａ’　、　Ａ”　、　Ａ”’で囲まれた
部分は撮像の単位であり、絵素と称している。

この−絵素は感光素子、スイッチおよび水平、垂直布線
から構成されている。すなわち同図において、（１）は
感光素子、（２）は水平走査線、（３）はドレイン、（
４）は垂直信号線、（５）は半導体基板との接触孔であ
る。

第２図は第１図で示したＭＯ８形固体撮像素子の断面概
念図である。同図において、半導体基板（６）を通常の
半導体デバイス製作プロセスにより、感光素子（１）、
ゲート電極すなわち水平走査線（２）とドレイン電極（
３）とでＭＯＳ　）ランジスタを構成し、さらに接触孔
（５）、垂直信号線（４）の出力信号線を布線し、その
上に透光性保護膜（７）で被覆されている。

すなわち、感光素子（１）の面積はＭＯＳ　）ランジス
タおよび布線によって制約され、結果として感度低下の
大きな原因となっている。

このような感光素子（１）の面積の増加対策としては、
感光部分と信号読み出し部分とを二層構造とし、上層に
光電変換膜を形成し、この感光素子（１）の電荷を読み
出す機能を下層、すなわち半導体基板（６）の表面に形
成する構造が考えられるが、しかしながら、このような
構成は構造が複雑となり、製作上の困難性、固体撮像素
子の信頼性の点からも容易に実施し得るものではなかっ
た。

以上説明したように固体撮像素子は、半導体基板上に感
光素子と信号読み出し機能を備えているので、撮像素子
の撮像面が不妊くなればなるほど、また、撮像面の絵素
数が増加すればする！１ど、受光素子の面積は急赦に減
少し、ひいては感度の低下を招くという欠点があった。

〔発明の概要〕

この発明は、上記の欠点を改善する目的でなされたもの
で、感光素子上に、入射光を集束するレンズを市松模様
に配置したレンズ層を二層備え、撮像に寄与する入射光
を効果的に利用できるようにした固体撮像素子を提供す
るものである。

〔発明の実施例〕

第３図はこの発明に係わる固体撮像素子の一実施例を示
す断面概念図であり、図中、（１）〜（７）は上記従来
素子と全く同一のものである。同図において、（８）は
透光性保護膜（７）上に形成された透光性下地膜、（９
）は下地膜（８）の上面にこの下地膜（８）よりも屈折
率の大なる透明物質で形成された第１の微小レンズであ
り、この第１の微小レンズ（９）は感光素子（１）と対
応する部位に一つ飛びに形成され、この配列は第４図に
平面図で示す如く、いわゆる市松模様を形成するように
配置されている。すなわち一つの絵素Ａ、Ａ’　、Ａ”
　、Ａ“′の囲む領域に対応する第１の微小レンズ（９
）の領域はア、イ、つ、工、オ、力、キ、りで示され、
そのｘ−ｘ’断面は第３図に示すように平凸レンズ形状
を有している。

この場合、この平凸レンズ形状の微小レンズ（９）によ
って集光された光は受光素子に入射し、結果として感光
素子（１）の感度が上昇する。しかしながら最隣接する
４個の絵素は入射光量が減少するので、これらの絵素の
受光素子に入射する光を増加する手段として、第１の微
小レンズ（９）群を透光性平坦膜（１０）で被覆し、下
層の第１の微小レンズ（９）がない絵素上に透明物質か
らなる第２の微小レンズ（１１）が形成されている。こ
の第２の微小レンズ（１１）群の配列は第５図に平面図
で示すように市松模様に配置されている。そして、この
第２の微小レンズ（１１）群は透光性の保護膜（１２）
を用いて埋設され、保穫されている。したがって、この
発明の撮像素子の断面構造は第３図に示す構造となる。

ここで、上述した下地膜（８）、平坦膜（１０）および
保護膜（１２）は比較的屈折率の低い透光性材料で有機
物質あるいは無機物質のいずれでも適用でき、有機物質
の場合、例えば屈折率１．４６４のインブチルメタアク
リルレートが使用できる。また、第１、第２の微小レン
ズ（９）　、　（ｎ）のレンズ用材料は、比較的屈折率
の大きい無機あるいは有機の透光性物質であれば適用で
き、例えば有機物質として屈折率が１．５５２のイソプ
ロピルメタアクリルレートを用いることができる。した
がって、これらの屈折率の差異、レンズと受光素子との
間の間隔から最適なレンズの大きさおよびレンズの凸面
の曲率が得られる。この場合、レンズの大きさおよび曲
率の制御はホトリソグラフィ技術によって極めて容易に
可能である。

第６図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は前述した微小
レンズ（９）の製作方法を説明するだめの断面図である
。まず、半導体基板（６）に組み込まれた固体撮像素子
上に平坦な下地膜（８）を被覆し、その上面にレンズ材
料（１３）を成膜する〔第６図（ａ）参照］。さらにこ
のレンズ材料（１３）上に感光膜（１４）を被覆し、こ
れをフォトリングラフィでレジスト膜としてパターンを
形成する〔第６図（ｂ）参照］。この状態でエツチング
液またはガスプラズマ中でレンズ材料（１３）をエツチ
ングし、微小レンズ（９）を形成する〔第６図（ｃ）参
照〕。そして、最終的にレジスト膜を除去し、レンズ製
作工程は児了する。

なお、固体撮像素子には、感光素子と信号域９出し方法
とによって種々の形式があり、この発明に係わるＭＯ８
形以外にＣＣＤ形、ＣＩＤ形があるが、この発明はこれ
ら総ての形式の固体撮像素子に適用できて前述と同等の
効果が得られる。また、固体撮像素子には白黒撮影、カ
ラー撮像などカラーフィルタの有無による分類もあるが
、これらいずれにもこの発明は適用でき、効果を生せし
めることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、半導体基板上に
、感光素子に入射する光を集束するレンズを市松模様に
配置した膚を二層設け、第一と第五の市松模様レンズ群
は互いに重なることがない状態に配置することによって
、全撮像面に入射する光が総てレンズで集光されて感光
素子に入射させ、感度を向上させることができるので、
感光部分と信号読み出し部分とを分離し一層構造とする
方式に比べて簡単な構造でかつ安価に製作でき、しかも
信頼性においても優れているという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像素子の一例を示す平面図、第２
図は第１因に示す固体撮像素子の断面図、第３図はこの
発明による固体撮像素子の一例を示す断面図、第４図は
二層レンズ群の一方、第５図は他方を示し、この発明に
よる固体撮像素子の表面Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄを切り取った平
面図、第６図（ａ）、　（ｂ）　、　（Ｃ）はこの発明
に係わるレンズの製作方法の一例を示す工程図である。 （１）・・・・感光素子、（２）・・・・水平走査線、
（３）・・・・ドレイン、（４）・・・・垂直信号線、
（５）・・・・接触孔、（６）・・・・半導体基板、（
７）・・・・透光性保！！膜、（８）・・・・下地膜、
（９）・・・・微小レンズ、（１０）・・・・平坦膜、
（１１）・・・・微小レンズ、（１２）・・・・保睦農
、（１３，）・・・・レンズ材料、（１４）・・・・感
光膜。 代理人　葛野信− 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に感光素子と電荷読み出し機構とを形成し
   てなる固体撮像素子において、前記半導体基板上に、感
   光素子に入射する光を集束するレンズを市松模様に配置
   した膚を二層備え、第一と第二の市松模様レンズ群は互
   いに重なることがない状態に配置したことを特徴とする
   固体撮像素子。