WO2019180863A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

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WO2019180863A1
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pixel
unit
solid
light receiving
pixel unit
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学 薄田
繁 齋藤
三佳 森
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures

Definitions

  • the present disclosure relates to a solid-state imaging device, and more particularly, to a solid-state imaging device that requires a large-scale pixel circuit.
  • a solid-state imaging device such as a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) type image sensor or the like forms an imaging region by arranging a plurality of semiconductor integrated circuits (unit pixels) having a light receiving portion in a two-dimensional manner, and an optical signal from a subject Is converted into an electrical signal and an image is output. Since the sensitivity of the image sensor is defined by the magnitude of the output current of the light receiving unit with respect to the amount of incident light, it is an important factor for improving the sensitivity to reliably introduce incident light into the light receiving unit.
  • CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor
  • ADAS Advanced Driver Assistance System
  • TOF time-of-flight
  • Patent Document 1 green pixels are arranged in a checkered pattern, blue pixels and red pixels are alternately arranged for every row and every column, and upper, lower, left and right are surrounded by green pixels.
  • a structure in which circuit pixels are arranged in a pixel region has been proposed.
  • An object of the present disclosure is to solve the conventional problem and to reduce a light receiving loss of incident light incident on a circuit pixel in a solid-state imaging device in which a light receiving pixel and a circuit pixel are arranged in a unit pixel. To do.
  • the present disclosure provides a transfer unit that extends a part of a condensing lens that covers a specific light receiving pixel onto a circuit pixel and transfers charges from the specific light receiving pixel to the circuit pixel. Is arranged away from the long axis direction of the condenser lens.
  • the present disclosure is directed to a solid-state imaging device and has taken the following solutions.
  • one embodiment of the present disclosure includes a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and each of the plurality of pixels includes a unit structure, and each of the unit structures includes the first light receiving unit and the first light receiving unit.
  • a first pixel unit including a first condensing lens covering the first pixel unit; a second pixel unit including a second light receiving unit and a second condensing lens covering the second light receiving unit;
  • a third pixel portion including an output circuit portion that reads out signal charges photoelectrically converted by the pixel portion and the second pixel portion, and a signal charge photoelectrically converted by the first pixel portion is transferred to the output circuit portion.
  • a first transfer unit and a second transfer unit configured to transfer the signal charge photoelectrically converted by the second pixel unit to the output circuit unit.
  • the first pixel unit is arranged adjacent to the vertical direction or the horizontal direction in plan view of the third pixel unit, and the second pixel unit is arranged in a diagonal direction in plan view of the third pixel unit.
  • the second transfer unit is disposed adjacent to the second transfer unit between the second pixel unit and the third pixel unit in plan view, and a part of the first condenser lens is a third pixel.
  • the first transfer unit is arranged at corners facing each other in the first pixel unit, the second pixel unit, and the third pixel unit.
  • Another aspect of the present disclosure includes a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and the plurality of pixels includes a unit structure, and each unit structure includes a first light receiving unit and the first light receiving unit.
  • a first pixel portion including a first condensing lens covering the second pixel portion, a second pixel portion including a second light receiving portion and a waveguide, and a first pixel portion and a second pixel portion, respectively.
  • a third pixel unit including an output circuit unit that reads the converted signal charge; a first transfer unit that transfers the signal charge photoelectrically converted by the first pixel unit to the output circuit unit; and a second pixel unit. And a second transfer unit that transfers the signal charge photoelectrically converted to the output circuit unit.
  • the first pixel unit is disposed adjacent to the third pixel unit in the vertical direction or the horizontal direction in plan view, and the second pixel unit is adjacent to the diagonal direction in the plan view of the third pixel unit.
  • the second transfer unit is arranged between the second pixel unit and the third pixel unit in plan view, and a part of the first condenser lens is the third pixel unit.
  • the first transfer unit is disposed at corners facing each other in the first pixel unit, the second pixel unit, and the third pixel unit.
  • a solid-state imaging device in which a light receiving pixel and a circuit pixel are arranged in a unit pixel, it is possible to reduce a light receiving loss of incident light incident on the circuit pixel.
  • FIG. 1 is a schematic partial plan view showing two-dimensionally arranged pixels of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line II of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic partial plan view showing a solid-state imaging device according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic partial plan view showing two-dimensionally arranged pixels of the solid-state imaging device according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic partial plan view showing two-dimensionally arranged pixels of the solid-state imaging device according to the third embodiment.
  • the solid-state imaging device includes a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and the plurality of pixels includes a unit structure, and each of the unit structures includes the first light receiving unit and the first light receiving unit.
  • a first pixel unit including a first condensing lens covering the light receiving unit; a second pixel unit including a second light receiving unit and a second condensing lens covering the second light receiving unit;
  • a third pixel unit including an output circuit unit that reads out signal charges photoelectrically converted by the first pixel unit and the second pixel unit, respectively, and a signal charge photoelectrically converted by the first pixel unit to the output circuit unit
  • a first transfer unit that transfers the signal charge photoelectrically converted by the second pixel unit; and a second transfer unit that transfers the signal charge to the output circuit unit.
  • the first pixel unit is arranged adjacent to the vertical direction or the horizontal direction in plan view of the third pixel unit, and the second pixel unit is arranged in a diagonal direction in plan view of the third pixel unit.
  • the second transfer unit is disposed adjacent to the second transfer unit between the second pixel unit and the third pixel unit in plan view, and a part of the first condenser lens is a third pixel.
  • the first transfer unit is arranged at corners facing each other in the first pixel unit, the second pixel unit, and the third pixel unit.
  • a part of the first condenser lens covering the first pixel unit extends on the third pixel unit including the output circuit unit, and a signal from the first pixel unit is obtained.
  • the first transfer unit that transfers the electric charge to the output circuit unit is arranged at corners facing each other in the first pixel unit, the second pixel unit, and the third pixel unit.
  • incident light incident from the upper part of the third pixel portion of the first condenser lens is incident on the first light receiving portion without being blocked by the gate electrode or the like of the output circuit portion.
  • each of red, green, and blue pixels can be arranged in a 2 ⁇ 2 pixel region, so that the color balance can be maintained.
  • the first transfer unit may be disposed at a position facing the second transfer unit with respect to the long axis of the first condenser lens.
  • the first pixel unit and the second pixel unit may receive light in different wavelength bands.
  • the first pixel unit may receive light in a longer wavelength band than the second pixel unit.
  • the first light receiving lens extending on the third pixel as the circuit pixel is provided, and the sensitivity is improved. Since the first pixel portion receives light in the long wavelength band, high sensitivity can be realized.
  • the first pixel unit and the second pixel unit may receive light in the same wavelength band.
  • the first light receiving unit and the second light receiving unit have different planar shapes according to the difference in size between the first condensing lens and the second condensing lens. Also good.
  • the first light-extracting portion extending on the third pixel unit that is the circuit pixel unit.
  • the sensitivity of light in the first light receiving portion that receives the refracted light from the condenser lens is improved.
  • the solid-state imaging device includes a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and the plurality of pixels includes a unit structure, and each of the unit structures includes the first light receiving unit and the first light receiving unit.
  • Photoelectric conversion is performed by a first pixel unit including a condenser lens covering the light receiving unit, a second pixel unit including a second light receiving unit and a waveguide, and the first pixel unit and the second pixel unit, respectively.
  • a third pixel unit including an output circuit unit for reading the signal charge, a first transfer unit for transferring the signal charge photoelectrically converted by the first pixel unit to the output circuit unit, and a second pixel unit. And a second transfer unit that transfers the photoelectrically converted signal charge to the output circuit unit.
  • the first pixel unit is arranged adjacent to the vertical direction or the horizontal direction in plan view of the third pixel unit, and the second pixel unit is arranged in a diagonal direction in plan view of the third pixel unit.
  • the second transfer unit is arranged between the second pixel unit and the third pixel unit in plan view, and a part of the condensing lens is above the third pixel unit.
  • the first transfer unit is disposed at corners facing each other in the first pixel unit, the second pixel unit, and the third pixel unit.
  • a part of the optical lens covering the first pixel unit extends on the third pixel unit including the output circuit unit, and the signal charge from the first pixel unit is output to the output circuit.
  • the first transfer unit that transfers to the unit is disposed at corners of the first pixel unit, the second pixel unit, and the third pixel unit that face each other.
  • the second pixel portion that is not provided with a lens has sensitivity to visible light contrast (for example, monochrome, hereinafter referred to as monochrome), and is stretched over the third pixel portion.
  • monochrome for example, monochrome, hereinafter referred to as monochrome
  • the first pixel portion having such a lens can be sensitive to longer wavelength infrared rays.
  • the first transfer unit may be disposed at a position opposite to the second transfer unit with respect to the long axis of the condenser lens.
  • the first pixel unit and the second pixel unit may receive light in different wavelength bands.
  • the first pixel unit may receive light in a longer wavelength band than the second pixel unit.
  • the first light receiving lens extending on the third pixel as the circuit pixel is provided, and the sensitivity is improved. Since the first pixel portion receives light in the long wavelength band, high sensitivity can be realized.
  • the first pixel unit and the second pixel unit may receive light in the same wavelength band.
  • the plane area of the first light receiving unit may be larger than the plane area of the second light receiving unit.
  • the sensitivity of the light in the first light receiving portion that receives the refracted light from the first condensing lens extended on the third pixel portion that is the circuit pixel portion is improved.
  • FIG. 1 shows a planar configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional configuration taken along the line II of FIG.
  • the “plane” refers to a surface viewed from the normal direction of the light receiving surface in the solid-state imaging device 100.
  • the solid-state imaging device 100 is configured by unit structures 10 arranged two-dimensionally.
  • the unit structure 10 has a 2 ⁇ 2 pixel configuration.
  • the unit structure 10 includes light receiving pixels Ar and Ag as first pixel portions including a micro lens 101A and a light receiving portion 102A, and light receiving pixels Bb as second pixel portions including a micro lens 101B and a light receiving portion 102B.
  • a circuit pixel C as a third pixel unit including an output circuit unit 103 that reads out signal charges photoelectrically converted by the pixels Ar, Ag, and Bb, respectively.
  • the light receiving pixels Ar and Ag are arranged adjacent to the circuit pixel C in the vertical direction or the horizontal direction in plan view.
  • the light receiving pixel Bb is arranged adjacent to the circuit pixel C in the diagonal direction in plan view.
  • the light receiving pixels Ar and Ag set the wavelength bands of light received in the vertical direction and the horizontal direction to different bands, but they may be set to the same wavelength band.
  • the microlens 101A arranged on each of the light receiving pixels Ar and Ag is arranged so that a part thereof extends on the circuit pixel C.
  • the microlens 101A has, for example, an elliptical shape.
  • this elliptical shape is not a geometrical ellipse, and may usually be an oval shape depending on the method of forming a lens material made of resin. In this embodiment, it is called an elliptical shape for convenience.
  • a part of the light incident on the circuit pixel C can be refracted in the direction of the light receiving pixel Ar, for example, so that the sensitivity of the light receiving pixel Ar is about 1.5 times at maximum.
  • FIGS. 1 and 2 are examples of RGB color imaging as the solid-state imaging device 100.
  • Green (G) that requires high sensitivity and red in a long wavelength band with low light absorption in silicon (Si).
  • R is assigned to each of the light receiving pixels Ag and Ar.
  • blue (B) is assigned to the light receiving pixel Bb which is a substantially circular microlens 101B and does not extend over the circuit pixel C.
  • the microlens 101A that covers the light receiving pixels Ar and Ag, but also a part of each of the color filters 106r and 106g is arranged to extend on the circuit pixel C.
  • noise light can be reduced by forming the color filters 106r and 106g in accordance with the microlens 101A.
  • the ordinary color filter is made of a planar polygonal shape, for example, a hexagonal shape, whose outer shape substantially matches that of the microlens 101A, unlike the lens material.
  • the color filters 106r, 106g and 106b adjacent to each other are arranged so as not to overlap each other.
  • the light receiving portions 102A of the light receiving pixels Ar and Ag and the light receiving portion 102B of the light receiving pixels Bb are different in size between the microlens 101A and the microlens 101B. Accordingly, the planar shapes are different from each other. That is, the planar area of the light receiving unit 102A is larger than the planar area of the light receiving unit 102B correspondingly to a part of the microlens 101A extending on the circuit pixel C. With this configuration, it is possible to further improve the sensitivity of light in the light receiving unit 102A that receives the refracted light from the microlens 101A extended on the circuit pixel C.
  • each light receiving pixel for example, the light receiving pixel Ar in the unit structure 10 is a light receiving circuit (not shown) including a photoelectric conversion unit on the light receiving surface side of a semiconductor substrate 12 made of n-type or p-type silicon. Z). Furthermore, an interlayer insulating film 14 is formed on the main surface (light-receiving surface) of the semiconductor substrate 12, and a plurality of wiring layers 15 are stacked inside the interlayer insulating film 14. An opening formed by selectively removing the interlayer insulating film 14 is formed in the upper portion of the photoelectric conversion portion in the semiconductor substrate 12.
  • the opening functions as an incident light waveguide 107 by embedding a high refractive index insulating material 16, for example, silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), silicon carbonitride (SiCN), or the like.
  • a high refractive index insulating material for example, silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), silicon carbonitride (SiCN), or the like.
  • each microlens 101 ⁇ / b> A extends to the upper part of the circuit pixel C, and a state in which incident light is refracted inside each waveguide 107 by the microlens 101 ⁇ / b> A is schematically illustrated.
  • the angle (taper angle) ⁇ between the inner wall of the waveguide (opening) 107 and the main surface of the semiconductor substrate 12 is preferably smaller than 90 °, that is, an acute angle.
  • the taper angle ⁇ is preferably about 60 ° to 85 °.
  • transfer units 104A and 104B that transfer charges photoelectrically converted from the photoelectric conversion unit, and charge storage that stores charges transferred by the transfer units 104A and 104B, respectively.
  • Portions 105A and 105B are provided.
  • the transfer unit 104A and the charge storage unit 105A are arranged in the light receiving pixels Ar and Ag.
  • a transfer unit 104B and a charge storage unit 105B are disposed in the light receiving pixel Bb.
  • Each of the charge storage units 105A and 105B is connected to a gate electrode (not shown) of an amplification transistor provided in the circuit pixel C by wiring.
  • the transfer unit 104B of the light receiving pixel Bb is arranged at a corner portion in the light receiving pixel Bb and between the circuit pixel C.
  • the transfer unit 104A for the light receiving pixels Ar and Ag is arranged at corners of the light receiving pixels Ar, Ag, Bb and the circuit pixel C that face each other.
  • the transfer unit 104A for the light receiving pixels Ar and Ag is arranged so as to avoid the axis on the major axes 110 and 111 of the microlens 101A extending on the circuit pixel C.
  • the transfer unit 104A may be disposed at a position facing the transfer unit 104B with respect to the long axes 110 and 111 of the microlens 101A.
  • the transfer units 104A and 104B also serve to block light between the light receiving pixels Ar, Ag, and Bb. . As a result, an effect of suppressing color mixture to other adjacent pixels can be expected.
  • each pixel circuit C processes signal charges for one pixel adjacent thereto, so that the resolution does not decrease.
  • the solid-state imaging device 100 illustrated in FIG. 1 is an example in the case of RGB color imaging, but the present disclosure is not limited thereto, and may be used for an imaging device that receives light in the same wavelength band.
  • the configuration of the present disclosure can be used for a distance image sensor that requires near-infrared light reception, such as a TOF sensor.
  • FIG. 3 shows a planar configuration of a solid-state imaging device 100A according to a modification of the first embodiment.
  • the solid-state imaging device 100A is a corner portion of each light receiving pixel Bb facing the circuit pixel C, and includes transfer units 104A and 104B and charge storage units 105A and 105B.
  • a circuit portion 103A extending from the circuit pixel C is formed in the unexposed region.
  • each circuit pixel C is covered with a microlens 101A whose four side portions extend in the vertical direction and the horizontal direction in plan view, and the charge storage portions 105A and 105B at the three corners. Etc. are formed respectively. Accordingly, the fourth corner (lower right corner in FIG.
  • the circuit unit 103A is provided in this dead space.
  • the circuit unit 103A can be provided with a count circuit or the like.
  • the solid-state imaging device 100A is a range image (TOF) sensor, for example, an arithmetic circuit or the like having a larger circuit scale can be provided.
  • TOF range image
  • FIG. 4 shows a planar configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment.
  • the solid-state imaging device 200 is configured by unit structures 20 arranged two-dimensionally.
  • the unit structure 20 has a 2 ⁇ 2 pixel configuration.
  • the unit structure 20 includes a light receiving pixel Air as a first pixel unit including a microlens 201A and a light receiving unit 202A, a light receiving pixel Bw as a second pixel unit including a waveguide 207 and a light receiving unit 202B, It has a circuit pixel C as a third pixel portion including an output circuit portion 203A that reads out signal charges photoelectrically converted by the pixels Air and Bw, respectively.
  • the light receiving pixel Air is arranged adjacent to the circuit pixel C in the vertical direction or the horizontal direction in plan view.
  • the light receiving pixels Bw are arranged adjacent to the circuit pixels C in the diagonal direction in plan view.
  • a dead space that is not covered by the microlens 201A and in which the charge storage portions 205A, 205B, etc. are not formed is, for example, a TOF sensor.
  • a circuit portion 203A including an arithmetic circuit that is useful and has a relatively large circuit scale is provided.
  • the microlens 201A disposed on each light receiving pixel Air is disposed so that a part thereof extends on the circuit pixel C.
  • the microlens 201A has, for example, an elliptical shape.
  • the shape is not limited to an elliptical shape, and may be an elliptical shape.
  • part of the light incident on the circuit pixel C can be refracted, for example, in the direction of the light receiving pixel Air, so that the sensitivity of the light receiving pixel Air can be increased up to about 1.5 times. .
  • FIG. 4 shows an example of monochrome and infrared (infrared: IR) color imaging as the solid-state imaging device 200, in which infrared light IR having a long wavelength band with low light absorptance is assigned to the light receiving pixel Air. Yes.
  • each IR filter 206ir is partially extended on the circuit pixel C.
  • noise light can be reduced by forming the IR filter 206ir in accordance with the microlens 201A.
  • a planar polygonal shape whose outer shape substantially coincides with the microlens 201A, for example, a hexagonal shape is used.
  • the IR filters 106ir adjacent to each other are arranged so as not to overlap each other.
  • the light receiving part 202A of the light receiving pixel Air and the light receiving part 202B of the light receiving pixel Bw are different from each other in planar shape.
  • the plane area of the light receiving unit 202A is larger than the plane area of the light receiving unit 202B corresponding to the part of the microlens 201A extending and arranged on the circuit pixel C.
  • transfer units 204A and 204B that transfer charges photoelectrically converted from the photoelectric conversion unit, and a charge storage unit 105A that stores the charges transferred by the transfer units 204A and 204B, respectively. , 105B.
  • the transfer unit 204A and the charge storage unit 105A are arranged in the light receiving pixel Air.
  • a transfer unit 204B and a charge storage unit 205B are disposed in the light receiving pixel Bw.
  • Each of the charge storage units 205A and 205B is connected to a gate electrode (not shown) of an amplification transistor provided in the circuit pixel C by wiring.
  • the transfer unit 204B of the light receiving pixel Bw is arranged at the corner in the light receiving pixel Bw and between the circuit pixel C.
  • the transfer unit 204 ⁇ / b> A of the light receiving pixel Air is arranged at corners of the light receiving pixels Air and Bw and the circuit pixel C that face each other.
  • the transfer unit 204A of the light receiving pixel Air is arranged so as to avoid the axis on the major axes 210 and 211 of the microlens 201A extending on the circuit pixel C.
  • the transfer unit 204A may be disposed at a position facing the transfer unit 204B with respect to the long axes 210 and 211 of the microlens 201A.
  • the transfer units 204A and 204B and the wiring between the microlenses 201A adjacent to each other the transfer units 204A and 204B also serve to block light between the light receiving pixels Air and Bw. As a result, an effect of suppressing color mixture to other adjacent pixels can be expected.
  • the solid-state imaging device 200 shown in FIG. 4 does not add signal charges between different pixels, that is, each pixel circuit processes signal charges for one pixel adjacent thereto, so that the resolution may be lowered. Absent.
  • the microlens extending on the pixel circuit is provided only in the pixel that receives light in the long wavelength band (infrared light), the sensitivity to light in the long wavelength band is improved.
  • the formation density of the microlenses on the substrate is lowered, the productivity of the microlenses is improved and the manufacturing yield is increased.
  • the solid-state imaging device 200 is useful for an image sensor that requires a monochrome image and an infrared image.
  • FIG. 5 shows a planar configuration of the solid-state imaging device according to the third embodiment.
  • the solid-state imaging device 300 is configured by unit structures 30 arranged two-dimensionally.
  • the unit structure 30 has a 2 ⁇ 2 pixel configuration.
  • the unit structure 30 includes a light receiving pixel Air as a first pixel unit including a micro lens 301A and a light receiving unit 302A, a light receiving pixel Bir as a second pixel unit including a micro lens 301B and a light receiving unit 302B, and each pixel.
  • a circuit pixel C as a third pixel unit including an output circuit unit 303A that reads out signal charges photoelectrically converted by Air and Bir, respectively.
  • the light receiving pixel Air is arranged adjacent to the circuit pixel C in the vertical direction or the horizontal direction in plan view.
  • the light receiving pixel Bir is disposed adjacent to the circuit pixel C in a diagonal direction in plan view.
  • a dead space where the microlenses 301A and 301B are not covered and the charge storage portions 305A and 305B are not formed is formed, for example, in a TOF sensor.
  • a circuit portion 303A including an arithmetic circuit having a relatively large circuit scale is provided.
  • the microlens 301A arranged on each light receiving pixel Air is arranged so that a part thereof extends on the circuit pixel C.
  • the microlens 301A has, for example, an elliptical shape.
  • the shape is not limited to an elliptical shape, and may be an elliptical shape.
  • part of the light incident on the circuit pixel C can be refracted, for example, in the direction of the light receiving pixel Air, so that the sensitivity of the light receiving pixel Air can be increased up to about 1.5 times.
  • FIG. 5 shows an example of infrared (IR) imaging as the solid-state imaging device 300.
  • IR infrared
  • each IR filter 306ir is partially extended on the circuit pixel C.
  • noise light can be reduced by forming the IR filter 306ir in accordance with the microlens 301A.
  • a planar polygonal shape whose outer shape substantially coincides with the microlens 301A, for example, a hexagonal shape is used.
  • the adjacent IR filters 306ir are arranged so as not to overlap each other.
  • the light receiving unit 302A of the light receiving pixel Air and the light receiving unit 302B of the light receiving pixel Bir have a planar shape with each other depending on the size difference between the micro lens 301A and the micro lens 301B. Is different. That is, the planar area of the light receiving unit 302A is larger than the planar area of the light receiving unit 302B corresponding to the part of the microlens 301A extending over the circuit pixel C. With this configuration, it is possible to further improve the sensitivity of light in the light receiving unit 302A that receives the refracted light from the microlens 301A extended on the circuit pixel C.
  • transfer units 304A and 304B that transfer the photoelectrically converted charges from the photoelectric conversion unit, and a charge storage unit 305A that stores the charges transferred by the transfer units 304A and 304B, respectively. , 305B.
  • a transfer unit 304A and a charge storage unit 305A are arranged in the light receiving pixel Air.
  • a transfer unit 304B and a charge storage unit 305B are arranged.
  • Each of the charge storage units 305A and 305B is connected to a gate electrode (not shown) of an amplification transistor provided in the circuit pixel C by wiring.
  • the transfer unit 304B of the light receiving pixel Bir is arranged at a corner in the light receiving pixel Bir and between the circuit pixel C.
  • the transfer unit 304 ⁇ / b> A of the light receiving pixel Air is arranged at corners of the light receiving pixels Air and Bir and the circuit pixel C that face each other.
  • the transfer unit 304A of the light receiving pixel Air is arranged so as to avoid the axis on the major axes 310 and 311 of the microlens 301A extending on the circuit pixel C.
  • the transfer unit 304A is disposed at a position facing the transfer unit 304B with respect to the long axes 310 and 311 of the microlens 301A.
  • the transfer units 304A and 304B and the wiring between the adjacent microlenses 301A and 301B also serve to block light between the light receiving pixels Air and Bir. As a result, an effect of suppressing color mixture to other adjacent pixels can be expected.
  • the cross-sectional configuration of the region where the two light receiving pixels Air sandwich the pixel circuit C in the solid-state imaging device 300 is the same as in FIG.
  • the solid-state imaging device 300 shown in FIG. 5 does not add signal charges between different pixels, that is, each pixel circuit processes signal charges for one pixel adjacent thereto, so that the resolution may be lowered. Absent.
  • the solid-state imaging device 300 is configured to receive light in a single wavelength band such as infrared light, and is provided with a microlens extending on a pixel circuit for a specific pixel in a unit structure. Yes. For this reason, a part of incident light incident on the pixel circuit can be taken into the light receiving pixel from a lens extended on the pixel circuit, and thus a light receiving loss of incident light on the circuit pixel can be reduced.
  • the solid-state imaging device 300 is useful for a distance image sensor that needs to receive near-infrared light such as a TOF sensor.
  • the solid-state imaging device can be used for a solid-state imaging device that requires a large-scale pixel circuit, and can be applied to a distance image sensor that calculates a distance to a subject for each pixel, and is industrially useful. It is.
  • Solid-state imaging device Ar, Ag, Air Ir light receiving pixel (first pixel portion) Bb, Bw, Bir light receiving pixel (second pixel portion) C circuit pixel (third pixel unit) 10, 20, 30 Unit structure 12
  • Semiconductor substrate 14 Interlayer insulating film 15 Wiring layer 16
  • High refractive index insulating material 101A, 201A, 301A Micro lens (first condenser lens) 101B, 301B Microlens (second condenser lens) 102A, 102B, 202A, 202B, 302B
  • Output circuit unit 104A, 104B, 204A, 204B, 304A, 304B Transfer unit 105A, 105B, 205A, 205B, 305A, 305B

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Abstract

固体撮像装置１００は、複数の画素を含む単位構造１０を有し、該単位構造は、受光部１０２Ａとマイクロレンズ１０１Ａを含む受光画素Ａｒ、Ａｇと、受光部１０２Ｂとマイクロレンズ１０１Ｂを含む受光画素Ｂｂと、信号電荷を読み出す出力回路部１０３を含む回路画素Ｃと、信号電荷を出力回路部へ転送する転送部１０４Ａ、１０４Ｂとを有する。受光画素Ａｒ、Ａｇは回路画素Ｃの平面視での縦方向又は横方向に配置され、受光画素Ｂｂは回路画素Ｃの平面視での対角方向に配置される。転送部１０４Ｂは平面視で受光画素Ｂｂと回路画素Ｃの間に配置され、マイクロレンズ１０１Ａは回路画素Ｃの上に延伸しており、転送部１０４Ａは受光画素Ａｒ、Ａｇ、受光画素Ｂｂ及び回路画素Ｃの対向する角部に配置される。

Description

固体撮像装置
　本開示は、固体撮像装置に関し、特に、大規模な画素回路を必要とする固体撮像装置に関する。
　ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）型イメージセンサ等の固体撮像装置は、受光部を有する複数の半導体集積回路（単位画素）を２次元状に配列して撮像領域を構成し、被写体からの光信号を電気信号に変換して画像を出力する。イメージセンサの感度は、入射光量に対する受光部の出力電流の大きさによって定義されるため、入射光を確実に受光部に導入することが感度向上のためには重要な要素となる。
　ところで、近年の先進運転支援システム（Advanced Driver Assistance System：ＡＤＡＳ）技術の進展に伴い、自動車へのＡＤＡＳシステム導入が急速に進んでおり、従来の輝度画像の取得に加えて、被写体の距離を算出する距離画像（Time of Flight：ＴＯＦ）センサへの要望が高まってきている。距離画像センサは、被写体の距離を画素ごとに算出するための大規模な画素回路が必要となる。このため、画素回路の配置領域に入射する光をいかに損失なく受光部に導入するかが課題となる。
　近年、受光部と信号読み出しのための出力回路部とを分離し、受光部を配置する画素（受光画素）上に形成するマイクロレンズを、出力回路部を形成する画素（回路画素）まで延伸して配置することにより、感度ロスを低減する構造が提案されている。
　例えば、特許文献１では、緑色画素を市松模様状に配置した上で、青色画素と赤色画素とを１行毎及び１列毎に交互に配置し、また、上下左右を緑色画素に囲まれた画素領域に回路画素を配置した構造が提案されている。回路画素は、緑色用、青色用及び赤色用の３種類があり、各色の受光画素とそれに対応した回路画素との中間の位置に転送ゲート電極を配置している。
特開２０１６－５８８１８号公報
　しかしながら、特許文献１に記載された構成では、緑色画素に対して、受光画素と回路画素の中間の位置に転送ゲート電極が配置されるため、マイクロレンズを回路画素上に延伸したとしても、入射光の一部がゲート電極に阻まれて、受光ロスが発生する。また、３×３画素の領域に着目すると、赤色画素と青色画素とは２画素分が含まれるのに対し、緑色画素は４画素分が含まれるレイアウトとなっている。このため、色のバランスが崩れる結果、色の再現性が低下してしまうという問題もある。
　本開示は、前記従来の問題を解決し、単位画素内に受光画素と回路画素とを配置した固体撮像装置において、回路画素に入射する入射光の受光ロスを低減できるようにすることを目的とする。
　前記の目的を達成するため、本開示は、特定の受光画素を覆う集光レンズの一部を回路画素上に延伸し、該特定の受光画素からの回路画素への電荷の転送を行う転送部を上記集光レンズの長軸方向から離して配置する構成とする。
　具体的に、本開示は、固体撮像装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。
　すなわち、本開示の一態様は、２次元状に配置された複数の画素を備え、複数の画素は単位構造を含み、該単位構造は、それぞれ、第１の受光部と該第１の受光部を覆う第１の集光レンズとを含む第１の画素部と、第２の受光部と該第２の受光部を覆う第２の集光レンズとを含む第２の画素部と、第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部を含む第３の画素部と、第１の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部と、第２の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第２の転送部とを有している。第１の画素部は、第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、第２の画素部は、第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、第２の転送部は、平面視で第２の画素部と第３の画素部との間に配置され、第１の集光レンズは、その一部が第３の画素部の上に延伸しており、第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。
　また、本開示の他の態様は、２次元状に配置された複数の画素を備え、複数の画素は単位構造を含み、単位構造は、それぞれ、第１の受光部と該第１の受光部を覆う第１の集光レンズとを含む第１の画素部と、第２の受光部と導波路とを含む第２の画素部と、第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部を含む第３の画素部と、第１の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部と、第２の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第２の転送部とを有している。第１の画素部は、第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、２の画素部は、第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、第２の転送部は、平面視で第２の画素部と第３の画素部との間に配置され、第１の集光レンズは、その一部が第３の画素部の上に延伸しており、第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。
　本発明によれば、単位画素内に受光画素と回路画素とを配置した固体撮像装置において、回路画素に入射する入射光の受光ロスを低減することができる。
図１は第１実施形態に係る固体撮像装置の２次元配列された画素を示す模式的な部分平面図である。 図２は図１のＩ－Ｉ線における模式的な断面図である。 図３は第１実施形態の一変形例に係る固体撮像装置を示す模式的な部分平面図である。 図４は第２実施形態に係る固体撮像装置の２次元配列された画素を示す模式的な部分平面図である。 図５は第３実施形態に係る固体撮像装置の２次元配列された画素を示す模式的な部分平面図である。
　第１実施形態に係る固体撮像装置は、２次元状に配置された複数の画素を備え、複数の画素は単位構造を含み、該単位構造は、それぞれ、第１の受光部と該第１の受光部を覆う第１の集光レンズとを含む第１の画素部と、第２の受光部と該第２の受光部を覆う第２の集光レンズとを含む第２の画素部と、第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部を含む第３の画素部と、第１の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部と、第２の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第２の転送部とを有している。第１の画素部は、第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、第２の画素部は、第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、第２の転送部は、平面視で第２の画素部と第３の画素部との間に配置され、第１の集光レンズは、その一部が第３の画素部の上に延伸しており、第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。
　これによれば、第１の画素部を覆う第１の集光レンズは、その一部が出力回路部を含む第３の画素部の上に延伸し、且つ、第１の画素部からの信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。これにより、第１の集光レンズの第３の画素部上部分から入射する入射光が出力回路部のゲート電極等に阻まれることなく、第１の受光部に入射される。その結果、回路画素である第３の画素部に入射する入射光の受光ロスを低減することができる。その上、例えば、ＲＧＢカラーイメージングにおいて、２×２画素の領域に赤色、緑色及び青色の各画素を１つずつ配置することが可能となるので、色のバランスを保つことが可能となる。
　第１実施形態において、第１の転送部は、第１の集光レンズの長軸に対して第２の転送部と互いに対向する位置に配置されていてもよい。
　このようにすると、第１から第３の各画素部を２次元状に敷き詰めることが容易となる。
　第１実施形態において、第１の画素部と第２の画素部とは、互いに異なる波長帯域の光を受光してもよい。
　この場合に、第１の画素部は、第２の画素部よりも長波長帯域の光を受光してもよい。
　これによれば、長波長帯域の光は短波長帯域の光と比べて感度が低いため、回路画素である第３の画素の上に延伸する第１の受光レンズを有し、感度を向上した第１の画素部に長波長帯域の光を受光させるので、高感度化を実現することができる。
　また、第１実施形態において、第１の画素部と第２の画素部とは、同一波長帯域の光を受光してもよい。
　これによれば、例えば、赤外線センサとしての用途に有効である。
　第１実施形態において、第１の受光部と第２の受光部とは、第１の集光レンズと第２の集光レンズとの大きさの違いに応じて、互いに平面形状が異なっていてもよい。
　これによれば、第１の受光部の平面積は、第２の受光部の平面積よりも実質的に大きくなるため、回路画素部である第３の画素部の上に延伸した第１の集光レンズからの屈折光を受ける第１の受光部における光の感度が向上する。
　第２実施形態に係る固体撮像装置は、２次元状に配置された複数の画素を備え、複数の画素は単位構造を含み、該単位構造は、それぞれ、第１の受光部と該第１の受光部を覆う集光レンズとを含む第１の画素部と、第２の受光部と導波路とを含む第２の画素部と、第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部を含む第３の画素部と、第１の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部と、第２の画素部により光電変換された信号電荷を出力回路部へ転送する第２の転送部とを有している。第１の画素部は、第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、第２の画素部は、第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、第２の転送部は、平面視で第２の画素部と第３の画素部との間に配置され、集光レンズは、その一部が第３の画素部の上に延伸しており、第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。
　これによれば、第１の画素部を覆う光レンズは、その一部が出力回路部を含む第３の画素部の上に延伸し、且つ、第１の画素部からの信号電荷を出力回路部へ転送する第１の転送部は、第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される。これにより、集光レンズの第３の画素部上部分から入射する入射光が出力回路部のゲート電極等に阻まれることなく、第１の受光部に入射される。その結果、回路画素である第３の画素部に入射する入射光の受光ロスを低減することができる。その上、レンズを設けていない第２の画素部には、可視光の明暗（例えば、モノクローム（monochrome）、以下、モノクロと呼ぶ。）に感度を持たせ、第３の画素部の上に延伸したレンズを持つ第１の画素部には、より長波長の赤外線に感度を持たせることができる。
　第２実施形態において、第１の転送部は、集光レンズの長軸に対して第２の転送部と互いに対向する位置に配置されていてもよい。
　このようにすると、第１から第３の各画素部を２次元状に敷き詰めることが容易となる。
　第２実施形態において、第１の画素部と第２の画素部とは、互いに異なる波長帯域の光を受光してもよい。
　この場合に、第１の画素部は、第２の画素部よりも長波長帯域の光を受光してもよい。
　これによれば、長波長帯域の光は短波長帯域の光と比べて感度が低いため、回路画素である第３の画素の上に延伸する第１の受光レンズを有し、感度を向上した第１の画素部に長波長帯域の光を受光させるので、高感度化を実現することができる。
　第２実施形態において、第１の画素部と第２の画素部とは、同一波長帯域の光を受光してもよい。
　これによれば、例えば、赤外線センサとしての用途に有効である。
　第２実施形態において、第１の受光部の平面積は、第２の受光部の平面積よりも大きくてもよい。
　これによれば、回路画素部である第３の画素部の上に延伸した第１の集光レンズからの屈折光を受ける第１の受光部における光の感度が向上する。
　以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物又はその用途を制限することを意図しない。また、各図面において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付し、その説明を省略する。また、各構成部材の寸法比は便宜上に過ぎず、実寸比を表すものではない。
　（第１実施形態）
　本開示の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。
　図１は第１実施形態に係る固体撮像装置の平面構成を示している。図２は図１のＩ－Ｉ線における断面構成を示している。ここで、「平面」とは、固体撮像装置１００における受光面の法線方向から見た面をいう。
　図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、単位構造１０が２次元状に配置されて構成されている。ここでは、単位構造１０は２×２画素構成である。単位構造１０は、マイクロレンズ１０１Ａと受光部１０２Ａとを含む第１の画素部としての受光画素Ａｒ、Ａｇと、マイクロレンズ１０１Ｂと受光部１０２Ｂとを含む第２の画素部としての受光画素Ｂｂと、各画素Ａｒ、Ａｇ及びＢｂによりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部１０３を含む第３の画素部としての回路画素Ｃとを有している。受光画素Ａｒ、Ａｇは、回路画素Ｃに対して、平面視で縦方向又は横方向に隣接して配置される。これに対し、受光画素Ｂｂは、回路画素Ｃに対して平面視で対角方向に隣接して配置される。なお、本実施形態においては、受光画素Ａｒ、Ａｇは、縦方向と横方向とで受光する光の波長帯域をそれぞれ異なる帯域に設定しているが、同一の波長帯域を設定してもよい。
　各受光画素Ａｒ、Ａｇの上にそれぞれ配置されるマイクロレンズ１０１Ａは、その一部が回路画素Ｃの上に延伸するように配置されている。図１及び図２に示す例では、マイクロレンズ１０１Ａは、例えば楕円形状としている。但し、この楕円形状は幾何学的な楕円ではなく、通常、樹脂からなるレンズ材料の形成方法によっては長円形状となることもある。本実施形態においては、便宜上、楕円形状と呼ぶ。これにより、図２に示すように、回路画素Ｃに入射する光の一部を、例えば受光画素Ａｒの方向に屈折することができるので、当該受光画素Ａｒの感度を最大で１．５倍程度に引き上げることができる。図１及び図２は、固体撮像装置１００として、ＲＧＢカラーイメージングの場合の一例であり、高い感度を必要とする緑色（Ｇ）と、シリコン（Ｓｉ）における光吸収率が低い長波長帯域の赤色（Ｒ）とを受光画素Ａｇ、Ａｒにそれぞれ割り当てている。これに対し、ほぼ円形状のマイクロレンズ１０１Ｂであって、該マイクロレンズ１０１Ｂが回路画素Ｃの上に延伸しない受光画素Ｂｂには、青色（Ｂ）を割り当てている。
　また、本実施形態においては、受光画素Ａｒ、Ａｇを覆うマイクロレンズ１０１Ａだけでなく、それぞれのカラーフィルタ１０６ｒ、１０６ｇにおいても、その一部を回路画素Ｃの上に延伸して配置している。このように、カラーフィルタ１０６ｒ、１０６ｇをマイクロレンズ１０１Ａに合わせて形成することにより、ノイズ光を低減することができる。なお、通常のカラーフィルタの構成材料は、レンズ材料とは異なり、平面形状を曲線状に形成し難いため、マイクロレンズ１０１Ａと外形状がほぼ一致する平面多角形状、例えば六角形状としている。また、互いに隣接するカラーフィルタ１０６ｒ、１０６ｇ及び１０６ｂは互いに重ならないように配置される。
　さらに、本実施形態においては、図１に示すように、受光画素Ａｒ、Ａｇの受光部１０２Ａと、受光画素Ｂｂの受光部１０２Ｂとは、マイクロレンズ１０１Ａとマイクロレンズ１０１Ｂとの大きさの違いに応じて、互いの平面形状が異なっている。すなわち、受光部１０２Ａの平面積は、マイクロレンズ１０１Ａの一部が回路画素Ｃの上へ延伸して配置されているのに対応して、受光部１０２Ｂの平面積よりも大きい。この構成により、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ１０１Ａからの屈折光を受ける受光部１０２Ａにおける光の感度をより向上することができる。
　また、図２に示すように、単位構造１０における、各受光画素、例えば受光画素Ａｒは、ｎ型又はｐ型シリコンからなる半導体基板１２の受光面側に光電変換部を含む受光回路（図示せず）を有している。さらに、半導体基板１２の主面（受光面）の上には層間絶縁膜１４が形成され、該層間絶縁膜１４の内部には複数の配線層１５が積層されて形成されている。半導体基板１２における光電変換部の上側部分には、層間絶縁膜１４を選択的に除去してなる開口部が形成されている。この開口部は、高屈折率絶縁材料１６、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）又は炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等が埋め込まれることにより、入射光の導波路１０７として機能する。
　図２においては、各マイクロレンズ１０１Ａのそれぞれの一部が、回路画素Ｃの上側部分にまで延伸し、該マイクロレンズ１０１Ａによって、各導波路１０７の内側に入射光が屈折する様子を模式的に表している。上述したように、回路画素Ｃに入射する光の一部が各受光画素Ａｒの方向に屈折するので、各受光画素Ａｒにおける受光感度を向上することができる。なお、導波路（開口部）１０７の内壁の半導体基板１２の主面との角度（テーパ角）θを９０°よりも小さく、すなわち鋭角にすることが好ましい。例えば、このテーパ角θは６０°以上且つ８５°以下程度が好ましい。これにより、テーパ角θを９０°程度とする場合と比べて、導波路１０７への、すなわち光電変換部への光の取り込み量を増やすことができる。
　また、各受光画素Ａｒ、Ａｇ及びＢｂには、それぞれ、光電変換部から光電変換された電荷を転送する転送部１０４Ａ、１０４Ｂと、該転送部１０４Ａ、１０４Ｂにより転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂとが設けられている。具体的には、受光画素Ａｒ、Ａｇには、転送部１０４Ａ及び電荷蓄積部１０５Ａが配置されている。受光画素Ｂｂには、転送部１０４Ｂ及び電荷蓄積部１０５Ｂが配置されている。各電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂは、回路画素Ｃに設けられた増幅トランジスタのゲート電極（図示せず）と配線により接続されている。
　また、図１に示すように、受光画素Ｂｂの転送部１０４Ｂは、受光画素Ｂｂ内の角部で且つ回路画素Ｃとの間に配置されている。同様に、受光画素Ａｒ、Ａｇの転送部１０４Ａは、受光画素Ａｒ、Ａｇ、Ｂｂ、及び回路画素Ｃにおける互いに対向する角部に配置されている。換言すれば、受光画素Ａｒ、Ａｇの転送部１０４Ａは、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ１０１Ａの長軸１１０、１１１における軸線上を避けて配置される。望ましくは、転送部１０４Ａは、マイクロレンズ１０１Ａの長軸１１０、１１１に対して転送部１０４Ｂと対向する位置に配置するのがよい。
　このような配置とすることにより、平面楕円形状のマイクロレンズ１０１Ａの一部を回路画素Ｃ上に延伸した際に、入射光の一部がゲート電極に阻まれることにより生じる受光ロスが低減される。さらには、転送部１０４Ａ、１０４Ｂ及び配線を、互いに隣接するマイクロレンズ１０１Ａ、１０１Ｂの間に配置することにより、当該転送部１０４Ａ、１０４Ｂが受光画素Ａｒ、Ａｇ、Ｂｂの間の遮光の役目も果たす。その結果、隣接する他の画素への混色を抑制するという効果も期待できる。
　また、図１に示す固体撮像装置１００は、異なる画素間の信号電荷を加算しない、すなわち、各画素回路Ｃがそれと隣接する１画素分の信号電荷を処理するので、解像度が低下することがない。
　なお、図１に示す固体撮像装置１００は、ＲＧＢカラーイメージングの場合の一例であったが、本開示はこれに限られず、同一波長帯域の光を受光する撮像装置に用いてもよい。例えば、ＴＯＦセンサ等の近赤外光の受光を必要とするような距離画像センサに対しても、本開示の構成を用いることができる。
　（第１実施形態の一変形例）
　図３に第１実施形態の一変形例に係る固体撮像装置１００Ａの平面構成を示す。
　図３に示すように、本変形例に係る固体撮像装置１００Ａは、各受光画素Ｂｂにおける回路画素Ｃと対向する角部であって、転送部１０４Ａ、１０４Ｂ及び電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂが設けられていない領域に、該回路画素Ｃから延伸した回路部１０３Ａを形成している。具体的には、各回路画素Ｃは、その４つの側部が平面視での縦方向及び横方向に延伸したマイクロレンズ１０１Ａに覆われると共に、その３つの角部には電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂ等がそれぞれ形成されている。従って、受光画素Ｂｂにおける４つ目の角部（図３の右下の角部）には、マイクロレンズ１０１Ａ及びマイクロレンズ１０１Ｂに覆われず、且つ電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂ等も形成されない未使用領域、いわゆるデッドスペースが存在している。そこで、本変形例においては、このデッドスペースに回路部１０３Ａを設けている。
　回路部１０３Ａには、固体撮像装置１００ＡがＲＧＢカラーイメージングである場合は、例えばカウント回路等を設けることができる。また、固体撮像装置１００Ａが距離画像（ＴＯＦ）センサである場合は、より回路規模が大きい、例えば演算回路等を設けることができる。
　（第２実施形態）
　以下、本開示の第２実施形態について図面を参照しながら説明する。
　図４は第２実施形態に係る固体撮像装置の平面構成を示している。
　図４に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置２００は、単位構造２０が２次元状に配置されて構成されている。ここでは、単位構造２０は２×２画素構成である。単位構造２０は、マイクロレンズ２０１Ａと受光部２０２Ａとを含む第１の画素部としての受光画素Ａirと、導波路２０７と受光部２０２Ｂとを含む第２の画素部としての受光画素Ｂｗと、各画素Ａir及びＢｗによりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部２０３Ａを含む第３の画素部としての回路画素Ｃとを有している。受光画素Ａirは、回路画素Ｃに対して、平面視で縦方向又は横方向に隣接して配置されている。受光画素Ｂｗは、回路画素Ｃに対して平面視で対角方向に隣接して配置されている。
　なお、本実施形態においても、第１実施形態の一変形例と同様に、マイクロレンズ２０１Ａに覆われず、且つ電荷蓄積部２０５Ａ、２０５Ｂ等も形成されないデッドスペースには、例えば、ＴＯＦセンサ等に有用で回路規模が比較的に大きい演算回路を含む回路部２０３Ａを設けている。
　各受光画素Ａirの上にそれぞれ配置されるマイクロレンズ２０１Ａは、その一部が回路画素Ｃの上に延伸するように配置されている。図４に示す例では、マイクロレンズ２０１Ａは、例えば楕円形状としている。但し、楕円形状に限られず、長円形状でもよい。これにより、回路画素Ｃに入射する光の一部を、例えば受光画素Ａirの方向に屈折することができるので、当該受光画素Ａirの感度を最大で１．５倍程度に引き上げることが可能となる。図４は、固体撮像装置２００として、モノクロと赤外（infrared：ＩＲ）カラーとのイメージングの場合の一例であり、光吸収率が低い長波長帯域の赤外光ＩＲを受光画素Ａirに割り当てている。
　また、本実施形態においては、受光画素Ａirを覆うマイクロレンズ２０１Ａだけでなく、それぞれのＩＲフィルタ２０６irにおいても、その一部を回路画素Ｃの上に延伸して配置している。このように、ＩＲフィルタ２０６irをマイクロレンズ２０１Ａに合わせて形成することにより、ノイズ光を低減することができる。なお、ここでは、マイクロレンズ２０１Ａと外形状がほぼ一致する平面多角形状、例えば六角形状としている。また、互いに隣接するＩＲフィルタ１０６irは互いに重ならないように配置される。
　さらに、図４に示すように、受光画素Ａirの受光部２０２Ａと、受光画素Ｂｗの受光部２０２Ｂとは、互いの平面形状が異なっている。すなわち、受光部２０２Ａの平面積は、マイクロレンズ２０１Ａの一部が回路画素Ｃの上へ延伸して配置されているのに対応して、受光部２０２Ｂの平面積よりも大きい。この構成により、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ２０１Ａからの屈折光を受ける受光部２０２Ａにおける光の感度をより向上することができる。
　また、各受光画素Ａir及びＢｗには、それぞれ、光電変換部から光電変換された電荷を転送する転送部２０４Ａ、２０４Ｂと、該転送部２０４Ａ、２０４Ｂにより転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部１０５Ａ、１０５Ｂとが設けられている。具体的には、受光画素Ａirには、転送部２０４Ａ及び電荷蓄積部１０５Ａが配置されている。受光画素Ｂｗには、転送部２０４Ｂ及び電荷蓄積部２０５Ｂが配置されている。各電荷蓄積部２０５Ａ、２０５Ｂは、回路画素Ｃに設けられた増幅トランジスタのゲート電極（図示せず）と配線により接続されている。
　また、図４に示すように、受光画素Ｂｗの転送部２０４Ｂは、受光画素Ｂｗ内の角部で且つ回路画素Ｃとの間に配置されている。同様に、受光画素Ａirの転送部２０４Ａは、受光画素Ａir、Ｂｗ、及び回路画素Ｃにおける互いに対向する角部に配置されている。換言すれば、受光画素Ａirの転送部２０４Ａは、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ２０１Ａの長軸２１０、２１１における軸線上を避けて配置される。望ましくは、転送部２０４Ａは、マイクロレンズ２０１Ａの長軸２１０、２１１に対して転送部２０４Ｂと対向する位置に配置するのがよい。
　このような配置とすることにより、平面楕円形状のマイクロレンズ２０１Ａの一部を回路画素Ｃ上に延伸した際に、入射光の一部がゲート電極に阻まれることにより生じる受光ロスが低減される。さらには、転送部２０４Ａ、２０４Ｂ及び配線を、互いに隣接するマイクロレンズ２０１Ａの間に配置することにより、当該転送部２０４Ａ、２０４Ｂが受光画素Ａir、Ｂｗの間の遮光の役目も果たす。その結果、隣接する他の画素への混色を抑制するという効果も期待できる。
　なお、固体撮像装置２００における２つの受光画素Ａirが画素回路Ｃを挟む領域の断面構成は、図２と同様である。
　このように、図４に示す固体撮像装置２００は、異なる画素間の信号電荷を加算しない、すなわち、各画素回路がそれと隣接する１画素分の信号電荷を処理するので、解像度が低下することがない。
　また、本実施形態においては、長波長帯域の光（赤外光）を受光する画素にのみ画素回路上に延伸するマイクロレンズを設けるため、長波長帯域の光に対する感度が向上する。その上、マイクロレンズの基板上での形成密度が低下するので、該マイクロレンズの生産性も向上して、製造歩留まりが高くなる。
　従って、本実施形態に係る固体撮像装置２００は、モノクロイメージ及び赤外イメージを必要とするイメージセンサに対して有用である。
　（第３実施形態）
　以下、本開示の第３実施形態について図面を参照しながら説明する。
　図５は第３実施形態に係る固体撮像装置の平面構成を示している。
　図５に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置３００は、単位構造３０が２次元状に配置されて構成されている。ここでは、単位構造３０は２×２画素構成である。単位構造３０は、マイクロレンズ３０１Ａと受光部３０２Ａとを含む第１の画素部としての受光画素Ａir、マイクロレンズ３０１Ｂと受光部３０２Ｂとを含む第２の画素部としての受光画素Ｂirと、各画素Ａir及びＢirによりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路部３０３Ａを含む第３の画素部としての回路画素Ｃとを有している。受光画素Ａirは、回路画素Ｃに対して、平面視で縦方向又は横方向に隣接して配置されている。受光画素Ｂirは、回路画素Ｃに対して平面視で対角方向に隣接して配置されている。
　なお、本実施形態においても、第１実施形態の一変形例と同様に、マイクロレンズ３０１Ａ、３０１Ｂに覆われず、且つ電荷蓄積部３０５Ａ、３０５Ｂ等も形成されないデッドスペースには、例えば、ＴＯＦセンサ等に有用で回路規模が比較的に大きい演算回路を含む回路部３０３Ａを設けている。
　各受光画素Ａirの上にそれぞれ配置されるマイクロレンズ３０１Ａは、その一部が回路画素Ｃの上に延伸するように配置されている。図１に示す例では、マイクロレンズ３０１Ａは、例えば楕円形状としている。但し、楕円形状に限られず、長円形状でもよい。これにより、回路画素Ｃに入射する光の一部を、例えば受光画素Ａirの方向に屈折することができるので、当該受光画素Ａirの感度を最大で１．５倍程度に引き上げることが可能となる。図５は、固体撮像装置３００として、赤外（ＩＲ）イメージングの場合の一例であり、単位構造３０においては、シリコンにおける光吸収率が低い、より長波長帯域の赤外光ＩＲを受光画素Ａirに割り当てている。
　また、本実施形態においては、各受光画素Ａirを覆うマイクロレンズ３０１Ａだけでなく、それぞれのＩＲフィルタ３０６irにおいても、その一部を回路画素Ｃの上に延伸して配置している。このように、ＩＲフィルタ３０６irをマイクロレンズ３０１Ａに合わせて形成することにより、ノイズ光を低減することができる。なお、ここでは、マイクロレンズ３０１Ａと外形状がほぼ一致する平面多角形状、例えば六角形状としている。また、互いに隣接するＩＲフィルタ３０６ｉｒは互いに重ならないように配置される。
　さらに、図５に示すように、受光画素Ａirの受光部３０２Ａと、受光画素Ｂirの受光部３０２Ｂとは、マイクロレンズ３０１Ａとマイクロレンズ３０１Ｂとの大きさの違いに応じて、互いの平面形状が異なっている。すなわち、受光部３０２Ａの平面積は、マイクロレンズ３０１Ａの一部が回路画素Ｃの上へ延伸して配置されているのに対応して、受光部３０２Ｂの平面積よりも大きい。この構成により、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ３０１Ａからの屈折光を受ける受光部３０２Ａにおける光の感度をより向上することができる。
　また、各受光画素Ａir、Ｂirには、それぞれ、光電変換部から光電変換された電荷を転送する転送部３０４Ａ、３０４Ｂと、該転送部３０４Ａ、３０４Ｂにより転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部３０５Ａ、３０５Ｂとが設けられている。具体的には、受光画素Ａirには、転送部３０４Ａ及び電荷蓄積部３０５Ａが配置されている。受光画素Ｂirには、転送部３０４Ｂ及び電荷蓄積部３０５Ｂが配置されている。各電荷蓄積部３０５Ａ、３０５Ｂは、回路画素Ｃに設けられた増幅トランジスタのゲート電極（図示せず）と配線により接続されている。
　また、図５に示すように、受光画素Ｂirの転送部３０４Ｂは、受光画素Ｂir内の角部で且つ回路画素Ｃとの間に配置されている。同様に、受光画素Ａirの転送部３０４Ａは、受光画素Ａir、Ｂir、及び回路画素Ｃにおける互いに対向する角部に配置されている。換言すれば、受光画素Ａirの転送部３０４Ａは、回路画素Ｃの上に延伸したマイクロレンズ３０１Ａの長軸３１０、３１１における軸線上を避けて配置される。望ましくは、転送部３０４Ａは、マイクロレンズ３０１Ａの長軸３１０、３１１に対して転送部３０４Ｂと対向する位置に配置するのがよい。
　このような配置とすることにより、平面楕円形状のマイクロレンズ３０１Ａの一部を回路画素Ｃ上に延伸した際に、入射光の一部がゲート電極に阻まれることにより生じる受光ロスが低減される。さらには、転送部３０４Ａ、３０４Ｂ及び配線を、互いに隣接するマイクロレンズ３０１Ａ、３０１Ｂの間に配置することにより、当該転送部３０４Ａ、３０４Ｂが受光画素Ａir、Ｂirの間の遮光の役目も果たす。その結果、隣接する他の画素への混色を抑制するという効果も期待できる。
　なお、本実施形態においても、固体撮像装置３００における２つの受光画素Ａirが画素回路Ｃを挟む領域の断面構成は、図２と同様である。
　このように、図５に示す固体撮像装置３００は、異なる画素間の信号電荷を加算しない、すなわち、各画素回路がそれと隣接する１画素分の信号電荷を処理するので、解像度が低下することがない。
　本実施形態に係る固体撮像装置３００は、赤外光等の単一波長帯の光を受光する構成において、単位構造内の特定の画素に対して画素回路の上に延伸するマイクロレンズを設けている。このため、画素回路に入射する入射光の一部を該画素回路上に延伸したレンズから受光画素に取り込むことが可能となるので、回路画素への入射光の受光ロスを低減することができる。
　従って、本実施形態に係る固体撮像装置３００は、ＴＯＦセンサ等の近赤外光の受光を必要とするような距離画像センサに対して有用である。
　本開示に係る固体撮像装置は、大規模な画素回路を必要とする固体撮像装置に利用可能であり、特に、画素毎に被写体までの距離を算出する距離画像センサ等に応用でき、産業上有用である。
１００、１００Ａ、２００、３００　固体撮像装置
Ａｒ、Ａｇ、Ａir　受光画素（第１の画素部）
Ｂｂ、Ｂｗ、Ｂir　受光画素（第２の画素部）
Ｃ　回路画素（第３の画素部）
１０、２０、３０　単位構造
１２　半導体基板
１４　層間絶縁膜
１５　配線層
１６　高屈折率絶縁材料
１０１Ａ、２０１Ａ、３０１Ａ　マイクロレンズ（第１の集光レンズ）
１０１Ｂ、３０１Ｂ　マイクロレンズ（第２の集光レンズ）
１０２Ａ、１０２Ｂ、２０２Ａ、２０２Ｂ、３０２Ｂ　受光部
１０３、１０３Ａ、２０３Ａ、３０３Ａ　出力回路部
１０４Ａ、１０４Ｂ、２０４Ａ、２０４Ｂ、３０４Ａ、３０４Ｂ　転送部
１０５Ａ、１０５Ｂ、２０５Ａ、２０５Ｂ、３０５Ａ、３０５Ｂ　電荷蓄積部
１０６ｇ、１０６ｒ、１０６ｂ　カラーフィルタ
２０６ir、３０６ir　ＩＲフィルタ
１０７、２０７、３０７　導波路

Claims (12)

  1. 　２次元状に配置された複数の画素を備え、
    　前記複数の画素は、単位構造を含み、
    　前記単位構造は、それぞれ、
    　第１の受光部と該第１の受光部を覆う第１の集光レンズとを含む第１の画素部と、
    　第２の受光部と該第２の受光部を覆う第２の集光レンズとを含む第２の画素部と、
    　前記第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路を含む第３の画素部と、
    　前記第１の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第１の転送部と、
    　前記第２の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第２の転送部とを有し、
    　前記第１の画素部は、前記第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、
    　前記第２の画素部は、前記第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、
    　前記第２の転送部は、平面視で前記第２の画素部と前記第３の画素部との間に配置され、
    　前記第１の集光レンズは、その一部が前記第３の画素部の上に延伸しており、
    　前記第１の転送部は、前記第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される、固体撮像装置。
  2. 　請求項１に記載の固体撮像装置において、
    　前記第１の転送部は、前記第１の集光レンズの長軸に対して前記第２の転送部と互いに対向する位置に配置される、固体撮像装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の固体撮像装置において、
    　前記第１の画素部と前記第２の画素部とは、互いに異なる波長帯域の光を受光する、固体撮像装置。
  4. 　請求項３に記載の固体撮像装置において、
    　前記第１の画素部は、前記第２の画素部よりも長波長帯域の光を受光する、固体撮像装置。
  5. 　請求項１又は２記載の固体撮像装置において、
    　前記第１の画素部と前記第２の画素部とは、同一波長帯域の光を受光する、固体撮像装置。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
    　前記第１の受光部と前記第２の受光部とは、前記第１の集光レンズと前記第２の集光レンズとの大きさの違いに応じて、互いの平面形状が異なる、固体撮像装置。
  7. 　２次元状に配置された複数の画素を備え、
    　前記複数の画素は、単位構造を含み、
    　前記単位構造は、それぞれ、
    　第１の受光部と該第１の受光部を覆う集光レンズとを含む第１の画素部と、
    　第２の受光部と導波路とを含む第２の画素部と、
    　前記第１の画素部及び第２の画素部によりそれぞれ光電変換された信号電荷を読み出す出力回路を含む第３の画素部と、
    　前記第１の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第１の転送部と、
    　前記第２の画素部により光電変換された信号電荷を前記出力回路へ転送する第２の転送部とを有し、
    　前記第１の画素部は、前記第３の画素部における平面視での縦方向又は横方向に隣接して配置され、
    　前記第２の画素部は、前記第３の画素部における平面視での対角方向に隣接して配置され、
    　前記第２の転送部は、平面視で前記第２の画素部と前記第３の画素部との間に配置され、
    　前記集光レンズは、その一部が前記第３の画素部の上に延伸しており、
    　前記第１の転送部は、前記第１の画素部、第２の画素部及び第３の画素部における互いに対向する角部に配置される、固体撮像装置。
  8. 　請求項７に記載の固体撮像装置において、
    　前記第１の転送部は、前記集光レンズの長軸に対して前記第２の転送部と互いに対向する位置に配置される、固体撮像装置。
  9. 　請求項７又は８に記載の固体撮像装置において、
    　前記第１の画素部と前記第２の画素部とは、互いに異なる波長帯域の光を受光する、固体撮像装置。
  10. 　請求項９に記載の固体撮像装置において、
    　前記第１の画素部は、前記第２の画素部よりも長波長帯域の光を受光する、固体撮像装置。
  11. 　請求項７又は８記載の固体撮像装置において、
    　前記第１の画素部と前記第２の画素部とは、同一波長帯域の光を受光する、固体撮像装置。
  12. 　請求項７～１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
    　前記第１の受光部の平面積は、前記第２の受光部の平面積よりも大きい、固体撮像装置。
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