JP2004134790A - 固体撮像装置及びその製造方法並びに電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 画面周辺部の画素においては、主光線aが入射角度θで入射することから、マイクロレンズ260、カラーフィルタ250、配線220、230、240、フォトダイオード110等の位置関係は、この入射角度θに合わせて入射方向に沿って配置する。この際の入射角度θを、マイクロレンズ260からシリコン基板100の表面までの距離、及びシリコン基板100の表面からフォトダイオード110の光電変換領域の深さ位置を考慮して決定する。また、画面周辺部の画素においては、フォトダイオード110の光電変換領域(n型領域)が入射角度θに対応して傾斜した状態で形成される。
【選択図】 図2
Description
特に最近では、撮像画素部の多画素化(高集積化)や高機能化等に伴い、配線層の層数の増加やレイアウトパターンの複雑化が生じ、その膜厚が大きくなることにより、カラーフィルタやマイクロレンズ等の光学系とフォトダイオードの受光面(以下、センサ受光部という)との距離が増大する傾向にある。
また、撮像画素部の多画素化に伴う微細化により、マイクロレンズのレンズ形状も微細化する傾向にある。
特に、1画素当りの面積が縮小し、レンズも小型化してくると、画面周辺部に対する光の入射角は大きくなってくる一方、小型化した画素では後述のようにセンサ受光部の形状が画面の上下左右に非対称になり易く、例えば画面の上下左右端でそれぞれ不均一な感度になる場合がある。
また、特に読み出しゲートや信号配線、電源配線等の複数の配線がフォトダイオードの近傍領域に存在するCMOSイメージセンサでは、有効な画素領域が非対称になり易く、上記の問題が顕著になる。
例えば、図7は、このような従来の固体撮像装置の撮像画素部における各画素と遮光膜開口部及び集光レンズの位置関係を示す平面図であり、図8は図7に示す撮像画素部の対角線A−A’及びB−B’における感度低下を示す説明図である。
図7において、遮光膜開口部及び集光レンズ11は、画面中央部では画素10に対して中心を一致させた位置に配置されているが、画面周辺部では各画素10に対して光の入射方向にずれた位置に配置されている。
また、各画素10のセンサ受光部10Aの左下隅部には、センサ受光部10Aの信号電荷を読み出すための読み出しゲート部10Bが形成されている。
このため、遮光膜開口部や集光レンズの配置をずらした固体撮像装置においても、各画素10の非対称性により、例えば図8(A)に示すように、A点近傍の画素10において感度低下が顕著であり、上下左右で不均一に変化することになる。
図1及び図2は、本発明の実施の形態による固体撮像装置の積層構造を示す拡大断面図であり、図1は画面中央部における画素の構造を示し、図2は画面周辺部における画素の構造を示している。
また、図3は、本発明の実施の形態による固体撮像装置の撮像画素部における各画素と遮光膜開口部及び集光レンズの位置関係を示す平面図であり、図4は図3に示す撮像画素部の対角線A−A’及びB−B’における感度低下を示す説明図である。
なお、読み出し回路の構成としては、種々の方式のものが提案されているが、例えばフォトダイオードで生成した信号電荷をフローティングデフュージョン(FD)部に転送トランジスタと、FD部における電位変動を電気信号に変換するための増幅トランジスタと、この増幅トランジスタの出力信号を出力信号線に出力する読み出しトランジスタと、FD部の電位をリセットするリセットトランジスタ等を有しているものとする。
また、フォトダイオード110は、シリコン基板100の最表面及び画素分離領域にp+型領域を設け、その内側にn型領域を形成したものであり、p+型領域を通過した光子がn型領域に入射することにより、正孔と電子が分離され、そのうちの電子がn型領域の下層に形成される空乏層に蓄積される。
そして、本実施例のフォトダイオード110では、シリコン基板100の比較的深い位置に低濃度のn型領域(不純物濃度の異なるn型領域を複数層設ける場合もある)を形成して、空乏層を拡大することで電荷蓄積量を拡大して感度の向上を図るようにしたものである。
したがって、各画素の感度は、フォトダイオード110における光電変換部としてのn型領域に対する光の入射量によって決定されるものであり、この光電変換部に対する入射効率によって各画素の感度が左右される。
この多層配線層には、図示の例では、絶縁膜210を介して3層の配線220、230、240が設けられている。そして、下層の配線220が遮光膜を構成しており、フォトダイオード110に対応する開口部210Aを有し、この開口部210Aを通してフォトダイオード110に光(矢印aは主光線を示す)が入射する。
また、各配線220、230、240は、各層間のコンタクト220A、230A、240Aによって接続されている。
また、このような多層配線層の上には、パッシベーション層(図示せず)を介してオンチップカラーフィルタ(光学フィルタ)250が形成され、また、その上層にはオンチップマイクロレンズ(集光レンズ)260が配置されている。
一方、図2に示す画面周辺部の画素においては、主光線aが入射角度θで入射することから、マイクロレンズ260、カラーフィルタ250、配線220、230、240、フォトダイオード110等の位置関係は、この入射角度θに合わせて入射方向に沿って配置され、各素子の配置を最適化している。
すなわち、本実施例では、光が入射する基板表面ではなく、フォトダイオード110の光電変換部の深さ位置を基準として入射角度θを設定し、実質的に光電変換が行われる位置に光が集光されるようにし、各画素の受光効率(すなわち感度)を向上するものである。
なお、ここで用いる光電変換部の深さ位置としては、フォトダイオード110のn型領域の深さに対応して決定される値を用いるものとする。
このようにフォトダイオード110の光電変換部を入射角度θに対応して傾斜した状態で形成することにより、傾斜して入射される主光線を効率的に光電変換部(n型領域)に入射させ、画面周辺部の画素の受光効率(すなわち感度)を向上するものである。
また、図5に示すように、画素(フォトダイオード)110の光電変換部は、シリコン半導体への複数回(例えば、3回)のイオン注入により形成された不純物領域110aから構成されていてもよい。また、この不純物領域110aは、打ち込み角度の異なる複数回のイオン注入により形成により構成することも可能である。
このため、図7に示した従来例で説明したように、この読み出しゲート部110Bの存在によって各センサ受光部110A(光電変換部の受光面)の形状は、上下左右非対称、すなわち、受光面上で直交する2方向に対して非対称な矩形形状となる。特に画面の1つの隅部(この場合には画面の左下部(図3のA点側))の画素の感度が他の隅部の画素の感度に対して低下することになる。
なお、図3に示す実施例では、センサ受光部110Aの形状が上下左右非対称、すなわち、受光面上で直交する2方向に対して非対称形状である場合について説明したが、これに限らず、センサ受光部110Aの形状は、上下または左右の何れか一方、すなわち、受光面上の少なくとも一方に対して非対称形状であってもよい。
また、図3から明らかのように、撮像領域の中央部分から外側へ等しい距離に位置する画素、例えば撮像画素部の対角線A−A’において、A点側の画素110のレンズ260及び遮光膜開口部210Aのシフト量は、A’点側の画素110のレンズ260及び遮光膜開口部210Aのシフト量より大きい。
すなわち、図3に示す撮像領域の中央部分Oから外側方向に等しい距離に位置する各画素のレンズ260のシフト量は、各画素の読み出しゲート部110Bの撮像領域の中央部分Oに対する方位(例えばX1,X2)に応じて異なっている。言い換えると、撮像領域の中央部分Oから外側方向に等しい距離に位置する画素であっても、各画素の読み出しゲート部110Bの撮像領域の中央部分Oに対する方位(例えばX1,X2)が異なると、レンズ260のシフト量は異なっている。
この結果、各画素の感度分布は図4に示すように、上下左右方向に均等に変化することになり、従来例で説明した不均一性を解消することが可能となる。
ここで位置修正量を増やすのは、A点側のライン上にある画素に限らず、A点側のライン付近の画素に対しても行う方が好ましい。
まず、例えばn型シリコン基板100に素子形成領域となるp型ウェル領域を形成し、また、素子間分離層150を形成する。
そして、p型ウェル領域にイオン注入や熱拡散等の方法によりフォトダイオード110やトランジスタ140等の素子を形成するが、フォトダイオード110のn型領域については、例えば注入角度の異なるイオン注入を複数回行うことにより、さらには複数回のマスク工程と複数回のイオン注入を用いて、画素毎に異なる形状のn型領域を形成する。
この後、シリコン基板上に各種成膜技術やリソグラフィ技術を用いて電極層や多層配線層を形成し、さらにその上層にカラーフィルタ、マイクロレンズを順次形成していく。この際、上述のようにして決定した各素子の位置関係により、遮光膜開口部、配線、カラーフィルタ、マイクロレンズを最適化した位置に形成していく。
このようにして受光効率を改善し、感度分布を上下左右で均一化した固体撮像装置を得ることが可能である。
また、上述した説明は、本発明を固体撮像装置単体に適用した例について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば図6に示すように、上述した構成の固体撮像装置60を搭載した通信装置や画像処理装置等の各種の電子機器61に適用できるものである。
この図6に示す電子機器61は、被写体光を固体撮像装置60に集光する光学系62及び固体撮像装置60からの信号などを処理する周辺回路部63を含んで構成されている。
特に、上述した固体撮像装置の構造により、射出瞳距離を短くできるため、携帯機器に搭載することにより、機器の小型化が可能となり、携帯機器の付加価値を大きく向上することができ、このような携帯機器についても本発明に含まれるものとする。
Claims (18)
- 2次元配列された複数の画素を含む撮像領域を有し、
前記画素は集光レンズと光電変換部とを有し、
前記光電変換部の受光面は、欠け部によって該受光面上の少なくとも一方向に対して非対称形状であり、
前記撮像領域の中央部分に位置する画素の前記集光レンズは前記光電変換部の上方であって、該集光レンズの中心が前記受光面の略中心上に位置するように形成され、
前記撮像領域の中央部分以外に位置する画素の前記集光レンズは、前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど、該集光レンズの中心が前記受光面の略中心から前記撮像領域の中央部分方向へシフトして形成され、
前記撮像領域の中央部分から外側方向に等しい距離に位置する各画素の集光レンズのシフト量は、各画素の前記欠け部の前記撮像領域の中央部分に対する方位に応じて異なっている、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記欠け部は読み出しゲート部で構成され、前記光電変換部の受光面は矩形状を呈し、前記欠け部はこの矩形状受光面の少なくとも一隅に設けられていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 2次元配列された複数の画素を含む撮像領域を有し、
前記画素は集光レンズと光電変換部とを有し、
前記集光レンズは前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど前記撮像領域の中央部分側へシフトして形成され、
前記集光レンズのシフト量は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さとに基づき、前記光電変換部に入射される光の量が増加するように設定されている、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記撮像領域の中央部分から外側方向へ等しい距離に位置する各画素の集光レンズのシフト量は、各受光面の欠け部の前記撮像領域の中央部分に対する方位に応じて異なっていることを特徴とする請求項3記載の固体撮像装置。
- 前記画素はさらに、絶縁膜を介して設けられた複数の配線を有し、前記配線は前記撮像領域の中心部方向へシフトして形成されていることを特徴とする請求項3記載の固体撮像装置。
- 前記光電変換部の底部は、該光電変換部の受光面よりも前記撮像領域の中央部分から外側へシフトして形成されていることを特徴とする請求項3記載の固体撮像装置。
- 前記光電変換部の底部のシフト量は前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素ほど大きいことを特徴とする請求項6記載の固体撮像装置。
- 前記光電変換部は、半導体層への複数回のイオン注入により形成された不純物領域により構成されていることを特徴とする請求項3記載の固体撮像装置。
- 2次元配列された複数の画素を含む撮像領域を有し、
前記画素は光電変換部を有し、
前記複数の画素の少なくとも一部の画素において、前記光電変換部の底部は該光電変換部の受光面よりも前記撮像領域の中央部分から外側へシフトして形成されている、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記光電変換部の底部のシフト量は、前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素ほど大きいことを特徴とする請求項9記載の固体撮像装置。
- 前記光電変換部は、半導体層への複数回のイオン注入により形成された不純物領域により構成されていることを特徴とする請求項9記載の固体撮像装置。
- 前記不純物領域は、打ち込み角度の異なる複数回のイオン注入により形成されていることを特徴とする請求項11記載の固体撮像装置。
- 固体撮像装置を有する電子機器であって、
前記固体撮像装置は、
2次元配列された複数の画素を含む撮像領域を有し、
前記画素は集光レンズと光電変換部とを有し、
前記集光レンズは前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど前記撮像領域の中央部分側にシフトして形成され、
前記集光レンズのシフト量は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さとに基づいて設定され、
前記光電変換部の底部は、該光電変換部の受光面よりも前記撮像領域の中央部分から外側方向にシフトして形成されている、
ことを特徴とする電子機器。 - 撮像領域の画素毎に光電変換部と集光レンズとを形成する工程を有し、
前記集光レンズは前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど、前記撮像領域の中央部分側にシフトして形成され、
前記集光レンズのシフト量は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さ位置とに基づき、前記光電変換部に入射される光の量が増加するように設定される、
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 前記光電変換部の底部は表面部よりも、前記撮像領域の中央部分から外側方向へシフトして形成されることを特徴とする請求項14記載の固体撮像装置の製造方法。
- 前記光電変換部の底部のシフト量は、前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素ほど大きいことを特徴とする請求項15記載の固体撮像装置の製造方法。
- 前記光電変換部は、半導体層への複数回の不純物イオン注入により形成されることを特徴とする請求項16記載の固体撮像装置の製造方法。
- 前記複数回の不純物イオン注入は、打ち込み角度が互いに異なることを特徴とする請求項17記載の固体撮像装置の製造方法。
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