JP2007180156A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】凹型マイクロレンズ層で高精度に光を集光して効率良く受光部へ受光させる。
【解決手段】固体撮像素子１０は、複数のフォトダイオード１１及び垂直転送路１３が形成された半導体基板１５と、この上に形成された転送電極１７と、この転送電極１７を遮光し、開口１８が形成された遮光膜２０と、凹レンズ面２１が形成された凹型マイクロレンズ層２２と、凹型マイクロレンズ層２２の上を覆う平坦化層２３と、カラーフィルタ２４と、最上層に位置し、凸レンズ面２５が形成された凸型マイクロレンズ層２６とを有する。凸レンズ面２５から入射した光は、凹レンズ面２１の反射面２１ｂで全反射して入射面２１ａに導かれ、入射面２１ａから凹型マイクロレンズ層２２に入射した光は集光されて開口１８を通過してフォトダイオード１１に受光される。
【選択図】図３
【解決手段】固体撮像素子１０は、複数のフォトダイオード１１及び垂直転送路１３が形成された半導体基板１５と、この上に形成された転送電極１７と、この転送電極１７を遮光し、開口１８が形成された遮光膜２０と、凹レンズ面２１が形成された凹型マイクロレンズ層２２と、凹型マイクロレンズ層２２の上を覆う平坦化層２３と、カラーフィルタ２４と、最上層に位置し、凸レンズ面２５が形成された凸型マイクロレンズ層２６とを有する。凸レンズ面２５から入射した光は、凹レンズ面２１の反射面２１ｂで全反射して入射面２１ａに導かれ、入射面２１ａから凹型マイクロレンズ層２２に入射した光は集光されて開口１８を通過してフォトダイオード１１に受光される。
【選択図】図３
Description
本発明は、ＣＣＤ等の固体撮像素子に関するものである。
近年、ＣＣＤなどの固体撮像素子を用いて撮像した撮影画像をデジタルの画像データに変換し、内蔵メモリやメモリカードなどの記録媒体に記録するデジタルカメラが普及してきている。このデジタルカメラに設けられているような固体撮像素子では、マトリクス状に配列された受光素子（フォトダイオード）が形成された半導体基板の上面に、各受光素子の位置に合わせた開口を有する遮光膜を形成し、さらにこの遮光膜の上方に位置するマイクロレンズを形成しており、このマイクロレンズで撮影レンズ光学系からの入射光が集光され、遮光膜の開口を通過して各受光素子に受光される。
一方、最近では、固体撮像素子の小型化、高画素化が益々進んできており、これに伴なって受光素子へ入射光を通過させる開口の面積が小さくなってきている。これにより、従来のマイクロレンズだけでは、受光素子への集光効率が不十分となってきているため、受光素子への集光効率を高めるための構成を有する固体撮像素子が例えば、特許文献１〜４に記載されている。
特許文献１及び２に記載されている固体撮像素子では、光電変換素子（受光素子）の上方に形成された凹型マイクロレンズ層と、この凹型マイクロレンズ層の上方に凸型マイクロレンズ層を配している。これによって、従来の凸型マイクロレンズ層のみで集光する構成よりも集光効果を高めている。
また、特許文献２に記載されている固体撮像素子では、凹型マイクロレンズ層の凹レンズ面の最大傾斜角が、全反射の臨界角の近傍に設定している。すなわち、凸レンズ面からの入射する光の入射角が、凹レンズ面のほとんど全ての位置で、全反射の臨界角以下となる。これによって、凸型マイクロレンズ層から凹型マイクロレンズ層へ入射する光が凹レンズ面で全反射することを防止し、入射光のほぼ全てが凹型マイクロレンズ層を透過するようにしている。
さらにまた、特許文献３では、凹型マイクロレンズ構造の凹レンズ面の底部からさらに受光素子側へ向かって延びる井戸状の掘り込み構造を設けており、この掘り込み構造によって、光を受光素子へと導いている。
特許登録第２５５８３８９号公報
特開平１１−２９７９７４号公報
特開平１１−６８０７４号公報
しかしながら、上記特許文献１〜３に記載されている固体撮像素子では、受光素子へ集光する効率が低く、感度が不十分になってしまう。特に最近では固体撮像素子の小型化が進み、入射光を通過させる遮光膜の開口寸法が１μｍ以下となってきており、このような微小面積の開口を通すことは非常に困難である。
さらに、特許文献２記載の固体撮像素子では、固体撮像素子に対して垂直に入射した光については、凸型マイクロレンズ層と凸型マイクロレンズ層によって、開口と同程度の光束径に絞り込み、且つ平行光として開口を通すことができるが、斜めに入射した光については、光束を絞り込んで開口を通すことは困難である。
また、特許文献３記載の固体撮像素子では、凹型マイクロレンズ層の凹レンズ面の一部が井戸型の掘り込み構造となっているため、凹レンズ面自体は集光効果が少ない。よって、凹レンズ面で集光されることなく井戸型の掘り込み構造から出射された光が拡散してしまうため、受光素子への集光効率が悪くなってしまう。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、凹型マイクロレンズ層で高精度に光を集光して効率良く受光部へ受光させることが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像素子は、複数の受光部及びこの受光部で受光された電荷を転送する電荷転送部が形成された半導体基板と、前記電荷転送部の上面を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて開口が形成された遮光層と、この遮光層及び前記受光部の上方を覆い、その上面が下方に凹となる凹レンズ面に形成された凹型マイクロレンズ層と、前記凹レンズ面の上面を覆う中間層と、この中間層の上方に位置し、上方へ凸となる凸レンズ面が形成された凸型マイクロレンズ層とを備えた固体撮像素子において、前記凹レンズ面は、その中央且つ下端部に位置する入射面と、この入射面の周囲から上方へ向かって連続する反射面とからなり、前記反射面は、前記凸型マイクロレンズ層から入射する光を全反射して前記入射面へ導き、前記入射面から前記凹型マイクロレンズ層の内部へ入射された光が前記受光部で受光されることを特徴とする。
なお、前記凸レンズ面は、その焦点位置が前記凹レンズ面よりも上方、又は凸レンズ面の周縁と同じ高さに位置しており、前記反射面は、前記半導体基板と平行な面からの傾斜角をθ、凹型マイクロレンズ層の屈折率をＮ１、中間層の屈折率をＮ２、前記凸型マイクロレンズ層から前記反射面へ入射する入射光の垂直方向に対する傾き角をφとしたときに、Ｎ２・ｓｉｎ(θ−φ）＞Ｎ１の関係が成り立つことが好ましい。
また、前記凸レンズ面は、その焦点位置が前記凹レンズ面よりも下方に位置しており、前記反射面は、前記半導体基板と平行な面からの傾斜角をθ、凹型マイクロレンズ層の屈折率をＮ１、中間層の屈折率をＮ２、前記凸型マイクロレンズ層から前記反射面へ入射する入射光の垂直方向に対する傾き角をφとしたときに、Ｎ２・ｓｉｎ(θ＋φ）＞Ｎ１の関係が成り立つことが好ましい。
さらにまた、前記反射面は、前記半導体基板と平行な面から下方へ凹となる入り口部分の直径が、その入り口部分での前記凸レンズ面による光束の絞り径より大きいことや、前記入射面の曲率半径が前記開口の内径よりも小さいこと、あるいは、前記入射面と前記受光部との間隔は、前記入射面の曲率半径に応じて決まる焦点距離よりも小さいことも本発明においては効果的である。
本発明の固体撮像素子では、その中央且つ下端部に位置する入射面と、この入射面の周囲から上方へ向かって連続する反射面とからなる凹レンズ面を有しており、前記反射面が前記凸型マイクロレンズ層から入射する光を全反射して前記入射面へ導き、前記入射面から前記凹型マイクロレンズ層の内部へ入射された光が前記受光部で受光されるので、凹型マイクロレンズ層で高精度に光を集光して効率良く受光部へ受光させることができる。
また、前記凸レンズ面の焦点位置が前記凹レンズ面よりも上方、又は凸レンズ面の周縁と同じ高さに位置している場合には、前記半導体基板と平行な面からの傾斜角をθ、凹型マイクロレンズ層の屈折率をＮ１、中間層の屈折率をＮ２、前記凸型マイクロレンズ層から前記反射面へ入射する入射光の垂直方向に対する傾き角をφとしたときに、Ｎ２・ｓｉｎ(θ−φ）＞Ｎ１の関係が成り立つように前記反射面を形成し、また、前記凸レンズ面の焦点位置が前記凹レンズ面よりも下方に位置している場合には、前記半導体基板と平行な面からの傾斜角をθ、凹型マイクロレンズ層の屈折率をＮ１、中間層の屈折率をＮ２、前記凸型マイクロレンズ層から前記反射面へ入射する入射光の垂直方向に対する傾き角をφとしたときに、Ｎ２・ｓｉｎ(θ＋φ）＞Ｎ１の関係が成り立つように前記反射面を形成しているので、集光効率を高めて受光部に確実に受光させることができる。
さらにまた、前記反射面は、前記半導体基板と平行な面から下方へ凹となる入り口部分の直径が、その入り口部分での前記凸レンズ面による光束の絞り径より大きいことや、前記入射面の曲率半径が前記開口の内径よりも小さいこと、あるいは、前記入射面と前記受光部との間隔は、前記入射面の曲率半径に応じて決まる焦点距離よりも小さいことによって、さらに集光効率を高めることが可能となっている。
以下、図面を参照して本発明を適用したＣＣＤの構造について説明する。図１は、平面図、図２は、図１のＸ−Ｘ線（水平転送方向Ｈと平行）における断面図である。なお、図１においては、遮光膜など一部の上面構造を省略している。ＣＣＤ１０は、撮影領域において、２次元マトリクス状に配列された複数のフォトダイオード（受光部）１１を有し、このフォトダイオード１１の各列、すなわち垂直転送方向Ｖに沿って垂直転送路１３が設けられて構成されている。
このＣＣＤ１０の断面構造は、図２に示すように、フォトダイオード（受光部）１１と、このフォトダイオード１１を除く部分に垂直転送路１３を構成する電荷転送部１４が形成された半導体基板１５を備えており、電荷転送部１４の上には、絶縁膜１６を介して転送電極１７が形成される。これら電荷転送部１４及び転送電極１７が垂直転送路１３を構成し、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を垂直転送する。なお、転送電極１７はドライエッチング法などによって例えば第１ポリシリコンから形成されている。また、絶縁膜１６は、例えば熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによってＳｉＯ２から形成される。
さらに、半導体基板１５の上部には、スパッタリング法により例えばアルミニウムなどの金属で形成され、転送電極１７を覆って遮光するとともに、フォトダイオード１１に合わせた位置に形成された開口１８を有する遮光膜２０と、開口１８及び遮光膜２０の上方を覆い、開口１８の上方に凹レンズ面２１が位置するように形成された凹型マイクロレンズ層２２と、この凹型マイクロレンズ層２２の上方を覆い、その上面が平坦化されるように形成された平坦化層（中間層）２３と、さらにこの平坦化層２３の上面に位置するカラーフイルタ２４と、このカラーフイルタ２４の上方に位置し、凹型マイクロレンズ層２２の凹レンズ面２１の上方に位置するように凸レンズ面２５が形成された凸型マイクロレンズ層２６とを備えている。凹型マイクロレンズ層２２は、例えばＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケートガラス；屈折率ｎ１＝１．４〜１．５）などからなり、平坦化層２３は、例えば、ＳｉＮ（窒化シリコン；屈折率ｎ２＝１．９〜２．０）などからなる。また、カラーフイルタ２４は、３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）又は４色（Ｒ，Ｇ，Ｂ＋中間色）の色に対応する色素がそれぞれ含まれたレジスト材などからなる。
凸型マイクロレンズ層２６の凸レンズ面２５は、上方に向かって、すなわちフォトダイオード１１から離反する方向に沿って突出するように形成されている。さらに、凹型マイクロレンズ層２２の凹レンズ面２１は、下方に向かって、すなわちフォトダイオード１１へ接近する方向に沿って凹となるように形成されている。
本実施形態においては、詳しくは図３に示すように、凸型マイクロレンズ層２６の凸レンズ面２５は、その焦点位置ｆ１が、凹型マイクロレンズ層２２の凹レンズ面２１よりも上方に位置している。なお、これに限らず、焦点位置ｆ１が凹レンズ面２１の入り口部分２１ｃと同じ高さ位置、又は凹レンズ面２１の内部に位置していてもよい。また、凸レンズ面２５には収差があり、凸レンズ面２５に光が入射するときの位置及び方向によって焦点位置が異なるため、一点には収束せず、凸レンズ面２５の曲率半径に応じた直径に収束されるようになっている。
さらに、本実施形態においては、凹型マイクロレンズ層２２の凹レンズ面２１は、その最も下方に位置し、且つ中心付近に位置する部分が入射面２１ａとなっており、この入射面２１ａの周囲から上方へ向かって連続する部分が反射面２１ｂとなっている。そして、この凹レンズ２１は、反射面２１ｂが凸レンズ面２５から入射してきた光を全反射し、その光を入射面２１ａへ導くように形成している。このように反射面２１ｂで光を全反射し、入射面２１ａへ導く条件を以下に説明する。ここで、図４に凹レンズ面２１の反射面２１ｂに入射した光とその反射光の概略関係図を示す。先ず反射面２１ｂは、先端部が切り欠かれた略円錐面状に形成されており、半導体基板１５に平行な面ＳＳに対する反射面２１ｂの母線の傾きをθ１とする。さらに、上述したように凸レンズ面２５の焦点位置ｆ１は、凹レンズ面２１よりも上方にあるので、凸レンズ面２５から入射した光は焦点位置ｆ１へ向かって収束し、そして焦点位置ｆ１を通過すると外側へ向かって発散する。焦点位置ｆ１を通過した後発散して凹レンズ面２１へと入射する入射光Ｌｉｎ１は、半導体基板１５に直交する垂直方向Ｖに対して傾き角φ１を持って反射面２１ｂに入射する。よって、この入射光Ｌ１は、反射面２１ｂの法線ｎ１（母線に対して直交する線）に対する入射角が（θ１−φ１）となる。そして、凹型マイクロレンズ層２２の屈折率をＮ１とし、その上面に位置する平坦化層２３の屈折率をＮ２とすると、入射光Ｌ１の全反射条件は、Ｎ２・ｓｉｎ（θ１−φ１）＞Ｎ１‥（１）の関係となり、この式（１）の関係が成り立つように反射面２１ｂを形成している。
上述したように、反射面２１ｂで入射光Ｌｉｎ１が全反射した反射光Ｌｏｕｔ１は、入射面２１ａへと導かれる。本実施形態では、入射面２１ａが球面状に形成されており、さらにこの入射面２１ａの曲率半径Ｒ１を遮光膜２０の開口１８の内径ｄ１よりも小さくなるように形成している。これによって、反射面２１ｂから入射面２１ａへと導かれ、さらに入射面２１ａによって光束径が絞られた光が凹型マイクロレンズ層２２を透過してフォトダイオード１１に受光される。
また、反射面２１ａは、凹型マイクロレンズ層２２の上面２２ａから下方に凹となる入り口部分２１ｃの直径をＤ１とし、凸レンズ面２５から入射した光束の直径のうち、入り口部分２１ｃにおける光束の絞り径をＷ１とすると、入り口直径Ｄ１が光束の絞り径Ｗ１よりも大きくなっている。これによって、凸レンズ面２５から入射する光は、入射面２１ａに直接入射するか、反射面２１ｂによって入射面２１ａへ導かれ、入射面２１ａから凹型マイクロレンズ層２２へと入射してフォトダイオード１１へと到達する。
さらにまた、本実施形態においては、入射面２１ａの最下端からフォトダイオード１１までの間隔Ｇ１を、入射面２１ａの曲率半径Ｒ１に応じて決まる焦点距離Ａ１よりも小さくするように形成している。なお、この入射面２１ａの曲率半径Ｒ１を小さくすることによって効率良く光をフォトダイオード１１に集光することが可能となるとともに、入射面２１ａの焦点距離Ａ１が短くなる。しかしながら、入射面２１ａの焦点距離Ａ１を短くすると、入射面２１ａの焦点位置を通過した光が急速に拡散してしまうこととなる。そこで上述のように入射面２１ａの焦点距離Ａ１よりもフォトダイオード１１までの間隔Ｇ１を小さくすることによって、入射面２１ａから凹型マイクロレンズ層２２へ入射した光が拡散することなく、フォトダイオード１１へと到達する。
以下、上記構成の作用について説明する。上述したように、凸レンズ面２５から入射された入射光Ｌｉｎ１が凹レンズ面２１の反射面２１ｂで全反射して中央付近の入射面２１ａへと導かれ、この入射面２１ａからフォトダイオード１１へと集光して受光させているので、非常に効率良く集光を行うことが可能となり、ＣＣＤ１０の感度を向上させることができる。なお、反射面２１ａの入り口部分２１ｃの直径Ｄ１が、入り口部分２１ｃにおける光束の絞り径をＷ１よりも大きくなっているので、凸レンズ面２５から入射した光は確実に入射面２１ａから凹型マイクロレンズ層２２へと入射してフォトダイオード１１へと到達するので、さらに集光効率を高めることができる。また、凹レンズ２１面の反射面２１ｂから中央の入射面２１ａへと導いた光を、開口１８の直径ｄ１よりもその曲率半径Ｒ１が小さい入射面２１ａで集光しているので、光束を絞って確実にフォトダイオード１１へと受光させることができる。さらにまた、入射面２１ａの曲率半径Ｒ１に応じて決まる焦点距離Ａ１よりもフォトダイオード１１までの間隔Ｇ１を小さくするように形成しているので、さらに効率良くフォトダイオード１１へと受光させることができる。
なお、上記実施形態においては、凸レンズ面の焦点位置が、凹レンズ面の上方に位置している構成を例に上げているが、本発明はこれに限らず、凸レンズ面の焦点位置が、凹レンズ面よりもさらに下方に位置している場合にも適用することができる。この場合、ＣＣＤの断面構造は図５に示すようになる。なお、図５においては、上記実施形態と同様の部品及び部材を用いている場合については、同符号を付して説明を省略する。この図５に示すＣＣＤ５０では、凹レンズ面５１が形成された凹型マイクロレンズ層５２と、凸レンズ面５５が形成された凸型マイクロレンズ層５６とを備えており、凸レンズ面５５の焦点位置ｆ２は、凹レンズ面５１よりも下方に位置している。
さらに、凹レンズ面５１は、中心付近且つ底部に位置する部分が入射面５１ａとなっており、この入射面５１ａの周囲から上方へ向かって連続する部分が反射面５１ｂとなっている。この円錐面５１ａは、凸レンズ５５から入射してきた光を全反射し、その光を入射面５１ａへ導くように形成している。反射面５１ｂで光を全反射して入射面５１ａへ導く条件は以下のようになっている。なお、図６には、凹レンズ面５１の反射面５１ｂに入射した光とその反射光の概略関係図を示す。先ず半導体基板１５に平行な面ＳＳに対する反射面２１ｂの母線の傾きをθ２とする。さらに、上述したように凸レンズ面５５の焦点位置ｆ２は、凹レンズ面５１よりも下方にあるので、凸レンズ面５５から入射した光は内側へ収束しながら凹レンズ５１へと向かってくる。凹レンズ面５５へ入射する入射光Ｌｉｎ２は、半導体基板１５に直交する垂直方向Ｖに対して傾き角φ２を持って反射面５１ｂに入射する。よって、この入射光Ｌｉｎ２は、反射面５１ｂの法線ｎ２（母線に対して直交する線）に対する入射角が(θ２＋φ２）となる。そして、凹型マイクロレンズ層５２の屈折率をＮ１とし、その上面に位置する平坦化層２３の屈折率をＮ２とすると、入射光Ｌｉｎ２の全反射条件は、Ｎ２・ｓｉｎ(θ２＋φ２）＞Ｎ１‥（２）の関係となり、この式（２）の関係が成り立つように反射面５１ｂを形成している。また、入射面５１ａが球面状に形成されており、さらにこの入射面５１ａの曲率半径Ｒ２を遮光膜２０の開口１８の内径ｄ１よりも小さくなるように形成している。このような構成とすることによって、凸レンズ面５５から入射した入射光Ｌｉｎ２は凹レンズ面５１の反射面５１ｂで全反射し、この反射面５１ｂで全反射した反射光Ｌｏｕｔ２が入射面５１ａへと導かれ、さらに入射面５１ａによって光束径が絞られた光が凹型マイクロレンズ層５２を透過してフォトダイオード１１に受光されるので、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、反射面５１ａは、凹型マイクロレンズ層５２の上面５２ａから下方に凹となる入り口部分５１ｃの直径をＤ２とし、凸レンズ面５５から入射した光束の直径のうち、入り口部分５１ｃにおける光束の絞り径をＷ２とすると入り口直径Ｄ２が光束の絞り径Ｗ２よりも大きくなっている。さらにまた、入射面５１ａの最下端からフォトダイオード１１までの間隔Ｇ２を、入射面５１ａの曲率半径Ｒ２に応じて決まる焦点距離Ａ２よりも小さくするように形成している。これによって、入射面５１ａから凹型マイクロレンズ層５２へ入射した光が拡散することなく、フォトダイオード１１へと到達する。これらのことから上記実施形態と同様に集光効率を高めることが可能となっている。
以下実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明の内容がこれらに限定されるものではない。この実施例１では、上記実施形態と同様の構成で、且つ凸レンズ面２５の焦点位置ｆ１を凹レンズ面２１の周縁と同じ高さに形成し、フォトダイオード１１へ光を通過させる開口１８の直径ｄ１を０．４μｍに形成したＣＣＤを使用し、凹レンズ面２１の反射面２１ａの傾斜角θ１に応じた集光効率の良否について調べた。なお、この実施例１で使用したＣＣＤの凹レンズ面２１は、以下の表１で示す反射面の傾斜角θ１と、入射面の曲率半径Ｒ１とを有する。
表１に示す反射面の傾斜角θ１、入射面の曲率半径Ｒ１を持つ凹レンズ面２１が形成されたＣＣＤで集光効率を調べた結果を図７のグラフに示す。なお、この実施例１では、反射面２１ａが全反射する条件（上記式（１））を満たす傾斜角θ１は、約４７°以上となっている。そして、図７のグラフに示すように、全反射の条件を満たす傾斜角を持つＣＣＤは、全て良好な集光効率を持つようになっており、特に傾斜角θ１が６０°のものが最も高い集光効率を有する。なお、入射面２１ａの曲率半径Ｒ１＝０．８μｍのものが、曲率半径Ｒ１＝０．４μｍのものより集光効率が悪くなっているのは、開口１８の直径よりも曲率半径Ｒ１の寸法が大きくなっているため、光束の絞り込みが不十分なためである。
以下の実施例２では、上記実施形態の変形例と同様の構成で、且つ凸レンズ面５５の焦点位置ｆ２を凹レンズ面５１よりも下方の位置（フォトダイオード１１の位置と同じ）に形成し、フォトダイオード１１へ光を通過させる開口１８の直径ｄ２を０．４μｍに形成したＣＣＤを使用し、凹レンズ面５１の反射面５１ａの傾斜角θ２に応じた集光効率の良否について調べた。なお、この実施例２で使用するＣＣＤの凹レンズ面５１は、上記表１で示す反射面の傾斜角θ２と、入射面の半径Ｒ２とを有する。
上述した反射面の傾斜角θ２、入射面の半径Ｒ２を持つ凹レンズ面５１が形成されたＣＣＤで集光効率を調べた結果を図８のグラフに示す。なお、この実施例２では、反射面５１ａが全反射する条件（上記式（２））を満たす傾斜角θ２は、約２７°以上となっている。そして、図８のグラフに示すように、全反射の条件を満たす傾斜角θ２を持つＣＣＤは、全て良好な集光効率を持つようになっており、特に傾斜角θ２が６０°のものが最も高い集光効率を有する。なお、入射面５１ａの曲率半径Ｒ２＝０．８μｍのものが、曲率半径Ｒ２＝０．４μｍのものより集光効率が悪くなっているのは、開口１８の直径よりも曲率半径Ｒ２の寸法が大きくなっているため、光束の絞り込みが不十分なためである。
本発明の固体撮像素子は、デジタルカメラや携帯電話用のカメラ部等の各種撮像装置に適用される他、電子内視鏡等の医療機器にも適用される。
１０ ＣＣＤ（固体撮像素子）
１１ フォトダイオード（受光部）
１５ 半導体基板
１７ 転送電極
２０ 遮光膜
２１，５１ 凹レンズ面
２１ａ，５１ａ 入射面
２１ｂ，５１ｂ 反射面
２２，５２ 凹型マイクロレンズ層
２３ 平坦化層（中間層）
２５，５５ 凸レンズ面
２６，５６ 凸型マイクロレンズ層
１１ フォトダイオード（受光部）
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２１ｂ，５１ｂ 反射面
２２，５２ 凹型マイクロレンズ層
２３ 平坦化層（中間層）
２５，５５ 凸レンズ面
２６，５６ 凸型マイクロレンズ層
Claims (6)
- 複数の受光部及びこの受光部で受光された電荷を転送する電荷転送部が形成された半導体基板と、前記電荷転送部の上面を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて開口が形成された遮光層と、この遮光層及び前記受光部の上方を覆い、その上面が下方に凹となる凹レンズ面に形成された凹型マイクロレンズ層と、前記凹レンズ面の上面を覆う中間層と、この中間層の上方に位置し、上方へ凸となる凸レンズ面が形成された凸型マイクロレンズ層とを備えた固体撮像素子において、
前記凹レンズ面は、その中央且つ下端部に位置する入射面と、この入射面の周囲から上方へ向かって連続する反射面とからなり、前記反射面は、前記凸型マイクロレンズ層から入射する光を全反射して前記入射面へ導き、前記入射面から前記凹型マイクロレンズ層の内部へ入射された光が前記受光部で受光されることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記凸レンズ面は、その焦点位置が前記凹レンズ面よりも上方、又は凸レンズ面の周縁と同じ高さに位置しており、前記反射面は、前記半導体基板と平行な面からの傾斜角をθ、凹型マイクロレンズ層の屈折率をＮ１、中間層の屈折率をＮ２、前記凸型マイクロレンズ層から前記反射面へ入射する入射光の垂直方向に対する傾き角をφとしたときに、Ｎ２・ｓｉｎ(θ−φ）＞Ｎ１の関係が成り立つことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
- 前記凸レンズ面は、その焦点位置が前記凹レンズ面よりも下方に位置しており、前記反射面は、前記半導体基板と平行な面からの傾斜角をθ、凹型マイクロレンズ層の屈折率をＮ１、中間層の屈折率をＮ２、前記凸型マイクロレンズ層から前記反射面へ入射する入射光の垂直方向に対する傾き角をφとしたときに、Ｎ２・ｓｉｎ(θ＋φ）＞Ｎ１の関係が成り立つことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
- 前記反射面は、前記半導体基板と平行な面から下方へ凹となる入り口部分の直径が、その入り口部分での前記凸レンズ面による光束の絞り径より大きいことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の固体撮像素子。
- 前記入射面は、その曲率半径が前記開口の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載の固体撮像素子。
- 前記入射面と前記受光部との間隔は、前記入射面の曲率半径に応じて決まる焦点距離よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし５記載の固体撮像素子。
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