JP2008305872A

JP2008305872A - Solid-state imaging device and electronic information device

Info

Publication number: JP2008305872A
Application number: JP2007149812A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Konishi; 智広小西
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2008-12-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the sensitivity of a photodiode, an F-number characteristic and a luminance shading characteristic by setting the focal point of condensed light nearly on the surface of the photodiode while also directing an oblique ray L2 having a large incident angle on the photodiode. <P>SOLUTION: A first-layer convex microlens 8 having a refractive index larger than that of upper and lower interlayer dielectrics and a second-layer concave microlens 9 having a refractive index smaller than that of the upper and lower interlayer dielectrics are provided between a microlens 7 and a photodiode 1. Light incident to each pixel is condensed by a microlens 7, bent toward the center of the photodiode 1 by the first-layer microlens 8, and further bent toward the center of the photodiode 1 by the second-layer microlens 9. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、被写体からの画像光を撮像するＣＣＤ型イメージセンサおよびＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像装置であって、特に、感度、Ｆ値特性および輝度シェーディング特性が良好な固体撮像装置および、この固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。 The present invention is a solid-state imaging device such as a CCD image sensor and a CMOS image sensor that captures image light from a subject, and in particular, a solid-state imaging device having good sensitivity, F-number characteristics, and luminance shading characteristics, and the like The present invention relates to a digital camera using a solid-state imaging device as an image input device in an imaging unit, such as a digital video camera and a digital still camera, and an electronic information device such as an image input camera, a scanner, a facsimile, and a camera-equipped mobile phone device.

近年、ＣＣＤ型イメージセンサおよびＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像装置では、画素サイズの縮小化が図られており、それに伴って、角度のある斜め光成分をフォトダイオードへ集光させることが難しくなってきている。後述する図６のように、例えばカメラモジュールなどに角度の大きい斜め光Ｌ２が入ってくると、集光用のマイクロレンズの位置を、フォトダイオードに対する主光線Ｌ１を中心として最適化していても斜め光Ｌ２の集光のセンタがずれてフォトダイオード上から一部外れて集光に無効部分（図６の点線部分）ができ、これがフォトダイオードの感度低下になるという問題があった。これを解決する従来技術として層内マイクロレンズを設けた技術について、図６を用いて説明する。 In recent years, in solid-state imaging devices such as a CCD type image sensor and a CMOS type image sensor, the pixel size has been reduced, and accordingly, it is difficult to condense an oblique light component with an angle to a photodiode. It is coming. As shown in FIG. 6 to be described later, for example, when oblique light L2 having a large angle enters the camera module or the like, even if the position of the condensing microlens is optimized around the principal ray L1 with respect to the photodiode, it is oblique. There is a problem in that the light collection center of the light L2 is shifted and partly deviates from the photodiode to form an ineffective portion (dotted line portion in FIG. 6) for light collection, which reduces the sensitivity of the photodiode. As a conventional technique for solving this problem, a technique in which an in-layer microlens is provided will be described with reference to FIG.

図６は、従来のＣＣＤ型イメージセンサの要部構成例を示す縦断面図である。 FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing an example of the configuration of the main part of a conventional CCD image sensor.

図６に示すように、従来のＣＣＤ型イメージセンサ１００の各画素部には、受光素子として入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオード１０１が設けられ、各フォトダイオード１０１に隣接してフォトダイオード１０１からの信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部１０２ａおよびこの上にこれを電荷転送制御するための電荷転送電極としてのゲート電極１０２ｂが配置されている。このゲート電極１０２ｂ上には、入射光がゲート電極１０２ｂにより反射してノイズが発生するのを防ぐために遮光膜１０３が形成されている。また、フォトダイオード１０１の上方には、遮光膜１０３の開口部１０３ａから層間絶縁膜１０４、１０５を介してマイクロレンズ１０６が配置されている。さらに、フォトダイオード１０１と、フォトダイオード１０１に光を集光させるためのマイクロレンズ１０６との間で、層間絶縁膜１０４、１０５の間には、入射光をさらに集光させるための層内マイクロレンズ１０７が配置されている。 As shown in FIG. 6, each pixel portion of a conventional CCD image sensor 100 is provided with a photodiode 101 that photoelectrically converts incident light as a light receiving element to generate a signal charge, and is adjacent to each photodiode 101. Thus, a charge transfer portion 102a for transferring signal charges from the photodiode 101 in a predetermined direction, and a gate electrode 102b as a charge transfer electrode for controlling charge transfer thereon are disposed thereon. A light shielding film 103 is formed on the gate electrode 102b in order to prevent incident light from being reflected by the gate electrode 102b and generating noise. Above the photodiode 101, a microlens 106 is disposed from the opening 103 a of the light shielding film 103 through the interlayer insulating films 104 and 105. Further, an interlayer microlens for further condensing incident light between the interlayer insulating films 104 and 105 between the photodiode 101 and the microlens 106 for condensing the light on the photodiode 101. 107 is arranged.

上記構成により、複数の画素部が２次元状に配置された撮像領域に入射した光は、まず、マイクロレンズ１０６により集光された後に、層内マイクロレンズ１０７によりさらに集光されて、フォトダイオード１０１に入射される。 With the above configuration, light incident on an imaging region in which a plurality of pixel portions are two-dimensionally arranged is first condensed by the microlens 106, and then further condensed by the in-layer microlens 107, and the photodiode. 101 is incident.

次に、フォトダイオード１０１に入射された光は、フォトダイオード１０１で光電変換されて信号電荷となる。この信号電荷は電荷転送部１０２ａに読み出され、ゲート電極１０２ｂに印加されるパルス制御信号により制御されて所定方向（垂直方向）に順次電荷転送される。 Next, light incident on the photodiode 101 is photoelectrically converted by the photodiode 101 to become signal charges. This signal charge is read out to the charge transfer unit 102a and is sequentially transferred in a predetermined direction (vertical direction) under the control of a pulse control signal applied to the gate electrode 102b.

この場合、層内マイクロレンズ１０７は、その上のマイクロレンズ１０６に比べて、フォトダイオード１０１により近い位置で入射光を集光させることができるため、斜め光Ｌ２がフォトダイオード１０１に入射されやすくなり、集光特性が向上する。このように、層内マイクロレンズ１０７とマイクロレンズ１０６とを二枚組み合わせた固体撮像装置の構成は、例えば特許文献に開示されている。 In this case, since the in-layer microlens 107 can condense incident light at a position closer to the photodiode 101 than the microlens 106 thereabove, the oblique light L2 is likely to be incident on the photodiode 101. Condensation characteristics are improved. Thus, the configuration of a solid-state imaging device in which two in-layer microlenses 107 and microlenses 106 are combined is disclosed in, for example, Patent Literature.

以上は、従来のＣＣＤ型イメージセンサに層内レンズを設けた場合についてであるが、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサに層内レンズを設けた場合についても同様に考えられる。この場合、基板表面からマイクロレンズまでの距離が、多層配線の分だけ、ＣＣＤ型イメージセンサの場合よりも大きく、ＣＭＯＳ型イメージセンサに層内レンズを設ける方が効果があると考えられる。ＣＭＯＳ型イメージセンサに層内レンズを設けようとすると、多層配線が終わったその上に層内レンズを設ける必要がある。これについて、図７を用いて説明する。 The above is the case where an intra-layer lens is provided in a conventional CCD image sensor, but the same applies to the case where an intra-layer lens is provided in a conventional CMOS image sensor. In this case, the distance from the substrate surface to the microlens is larger than that of the CCD image sensor by the amount of the multilayer wiring, and it is considered that it is more effective to provide the inner lens in the CMOS image sensor. When an in-layer lens is provided in a CMOS image sensor, it is necessary to provide an in-layer lens on the multilayer wiring. This will be described with reference to FIG.

図７は、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサに層内レンズを設けた場合の要部構成例を示す縦断面図である。 FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing an example of the configuration of the main part when an intralayer lens is provided in a conventional CMOS image sensor.

図７に示すように、従来のＣＣＤ型イメージセンサ２００の各画素部にはそれぞれ、その半導体基板２０１の表面層として、受光素子（光電変換部）としてのフォトダイオード２０２が形成されている。このフォトダイオード２０２に隣接して、信号電荷がフローティングディヒュージョン部ＦＤに転送するための電荷転送トランジスタの電荷転送部２０３が設けられている。この電荷転送部２０３上には、ゲート絶縁膜２０４を介して引き出し電極であるゲート電極膜２０５が設けられている。さらに、このフォトダイオード２０２毎にフローティングディフュージョン部ＦＤに電荷転送された信号電荷が電圧変換され、この変換電圧に応じて増幅されて各画素部毎の撮像信号として読み出すための読出回路を有している。 As shown in FIG. 7, in each pixel portion of a conventional CCD image sensor 200, a photodiode 202 as a light receiving element (photoelectric conversion portion) is formed as a surface layer of the semiconductor substrate 201. Adjacent to the photodiode 202, a charge transfer portion 203 of a charge transfer transistor for transferring signal charges to the floating diffusion portion FD is provided. A gate electrode film 205 serving as an extraction electrode is provided on the charge transfer portion 203 via a gate insulating film 204. Further, the signal charge transferred to the floating diffusion portion FD for each photodiode 202 is converted into a voltage, amplified in accordance with the converted voltage, and read out as an imaging signal for each pixel portion. Yes.

このゲート電極膜２０５の上方には、この読出回路の回路配線部として、第１絶縁膜２０６ａが形成され、その上に第１配線２０７ａが形成され、その上に第２絶縁膜２０６ｂが形成され、その上に第２配線２０７ｂが形成され、同様に、その上に、第３絶縁膜２０６ｃ、第３配線２０７ｃさらに第４絶縁膜２０６ｄがこの順に順次形成されている。 Above the gate electrode film 205, a first insulating film 206a is formed as a circuit wiring portion of the readout circuit, a first wiring 207a is formed thereon, and a second insulating film 206b is formed thereon. The second wiring 207b is formed thereon, and similarly, the third insulating film 206c, the third wiring 207c, and the fourth insulating film 206d are sequentially formed thereon in this order.

また、これらの配線層２０７と半導体基板２０１間（図示せず）、配線層２０７とゲート電極膜２０５間および各配線層２０７間に、導電性材料からなる第１コンタクトプラグ２０８ａ、第２コンタクトプラグ２０８ｂおよび第３コンタクトプラグ２０８ｃがそれぞれ形成されて、配線層２０７と半導体基板２０１間、配線層２０７とゲート電極膜２０５間および各配線層２０７間が電気的に接続されて読出回路の多層配線を構成している。 Further, a first contact plug 208a and a second contact plug made of a conductive material are provided between the wiring layer 207 and the semiconductor substrate 201 (not shown), between the wiring layer 207 and the gate electrode film 205, and between each wiring layer 207. 208b and a third contact plug 208c are formed, and the wiring layer 207 and the semiconductor substrate 201, the wiring layer 207 and the gate electrode film 205, and the wiring layers 207 are electrically connected to form a multilayer wiring of the readout circuit. It is composed.

さらに、第４絶縁層２０６ｅ上には、フォトダイオード２０２毎に対応して配置されたＲ，Ｇ，Ｂの各色のカラーフィルタ２０９が形成され、その上に第５絶縁膜２０６ｆが形成され、その上には、フォトダイオード２０２への集光用のマイクロレンズ２１０が形成されている。さらに、フォトダイオード２０２とマイクロレンズ２１０の間で、層間絶縁膜２０６ｄと層間絶縁膜２０６ｅの間には、入射光をさらに集光するための層内マイクロレンズ２１１が配置されている。
特開平６−１０４４１４号公報 Further, on the fourth insulating layer 206e, color filters 209 of R, G, B colors arranged corresponding to the respective photodiodes 202 are formed, and a fifth insulating film 206f is formed thereon, and A microlens 210 for condensing light onto the photodiode 202 is formed on the top. Further, between the photodiode 202 and the microlens 210, an intralayer microlens 211 for further collecting incident light is disposed between the interlayer insulating film 206d and the interlayer insulating film 206e.
JP-A-6-104414

しかしながら、上記従来技術には、以下のような問題がある。 However, the above prior art has the following problems.

上述したように、ＣＣＤ型イメージセンサ１００およびＣＭＯＳ型イメージセンサ２００などの従来の固体撮像装置では、近年の画素サイズの縮小化に伴って、間に層間マイクロレンズを設けても、角度のある斜め光成分（図６で入射光Ｌ２）をフォトダイオード１０１または２０２へ集光させることが困難となっている。さらに、固体撮像装置への入射角度が大きい入射光Ｌ２を多く含む（真上から入る入射光Ｌ１も含む）、図８に示すようなＦ値が小さいレンズに対しても、良好な集光特性が求められており、入射角度が大きい入射光Ｌ２の一部がフォトダイオード１０１または２０２上へ入射され難いことが問題となっている。入射角度が大きい光Ｌ２の一部がフォトダイオード１０１または２０２上へ入射されないことは、集光可能な光入射角度の範囲が小さくなり、フォトダイオード１０１または２０２の感度が低下することを意味する。なお、Ｆ値特性とは、レンズの明るさを示す値であり、図８の点線に示すようにＦ値が小さいほど、撮像領域Ｒに集光させるためのレンズの面積が大きくなって明るいレンズとなる。 As described above, in conventional solid-state imaging devices such as the CCD type image sensor 100 and the CMOS type image sensor 200, even if an interlayer microlens is provided between them as the pixel size is reduced in recent years, there is an oblique angle. It is difficult to collect the light component (incident light L2 in FIG. 6) onto the photodiode 101 or 202. Furthermore, it has a good light collection characteristic even for a lens having a small F value as shown in FIG. 8 that includes a large amount of incident light L2 having a large incident angle to the solid-state imaging device (including incident light L1 entering from directly above). Therefore, a part of the incident light L2 having a large incident angle is difficult to be incident on the photodiode 101 or 202. The fact that part of the light L2 having a large incident angle is not incident on the photodiode 101 or 202 means that the range of the incident angle of light that can be collected becomes small, and the sensitivity of the photodiode 101 or 202 decreases. The F value characteristic is a value indicating the brightness of the lens. As shown by the dotted line in FIG. 8, the smaller the F value, the larger the area of the lens for focusing on the imaging region R and the brighter the lens. It becomes.

さらに、撮像領域Ｒの周辺部においては、中央部に比べて、斜め光成分（斜め光Ｌ２）が多いため、入射角度が大きい光Ｌ２がフォトダイオード１０１または２０２へ入射されない場合には、輝度シェーディングが大きくなるという問題も生じる。 Furthermore, since there are more oblique light components (oblique light L2) in the peripheral part of the imaging region R than in the central part, luminance shading occurs when light L2 having a large incident angle is not incident on the photodiode 101 or 202. There is also a problem that becomes larger.

上記従来の固体撮像装置では、層内マイクロレンズ１０７または２１１によってフォトダイオード１０１または２０２に近い位置で集光させることができるため、斜め光Ｌ２がフォトダイオード１０１または２０２に入射されやすくなる。 In the conventional solid-state imaging device, since the in-layer microlens 107 or 211 can be condensed at a position close to the photodiode 101 or 202, the oblique light L2 is easily incident on the photodiode 101 or 202.

しかしながら、入射角度が大きい斜め光Ｌ２をフォトダイオード１０１または２０２上に全て入射させるためには、層内マイクロレンズ１０７または２１１の曲率をより小さくして、層内マイクロレンズ１０７または２１１により光が曲げられる角度をより大きくする必要がある。ところが、層内マイクロレンズ１０７または２１１の曲率を小さくして、層内マイクロレンズ１０７または２１１により光が曲げられる角度を大きくし過ぎると、集光焦点がフォトダイオード１０１または２０２の表面よりも上方にずれてしまい、フォトダイオード１０１または２０２の感度が低下することになる。このため、感度低下が生じないように、層内マイクロレンズ１０７または２１１の曲率をある一定範囲内の値に収めることが望ましく、入射角度が大きい斜め光Ｌ２をフォトダイオード１０１または２０２上に全て入射させることができないという問題があった。 However, in order to make all the oblique light L2 having a large incident angle incident on the photodiode 101 or 202, the curvature of the in-layer microlens 107 or 211 is made smaller and the light is bent by the in-layer microlens 107 or 211. It is necessary to increase the angle to be obtained. However, if the curvature of the in-layer microlens 107 or 211 is reduced and the angle at which the light is bent by the in-layer microlens 107 or 211 is increased too much, the focal point of the condensing is above the surface of the photodiode 101 or 202. It will shift | deviate and the sensitivity of the photodiode 101 or 202 will fall. For this reason, it is desirable to keep the curvature of the in-layer microlens 107 or 211 within a certain range so that the sensitivity does not decrease, and all the oblique light L2 having a large incident angle is incident on the photodiode 101 or 202. There was a problem that it could not be made.

当然のことながら、層内マイクロレンズ１０７または２１１の曲率を、ある一定範囲内の値に収めて、フォトダイオード１０１または２０２の表面上に集光焦点を合わせた場合、入射角度が大きい光Ｌ２に対する集光率が低下して、レンズの明るさを示すＦ値特性および、中央部に比べて周辺部ほど光量が落ちて画面全体で光量が一定にならない輝度シェーディング特性がより悪化する。 As a matter of course, when the curvature of the in-layer microlens 107 or 211 falls within a certain range and is focused on the surface of the photodiode 101 or 202, the light incident on the light L2 having a large incident angle. The condensing rate is reduced, and the F-number characteristic indicating the brightness of the lens and the luminance shading characteristic in which the light amount is reduced in the peripheral portion compared to the central portion and the light amount is not constant over the entire screen are further deteriorated.

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、入射角度が大きい斜め光をも受光素子に安定的に入射させつつ、集光焦点を受光素子表面付近に設定して、感度、Ｆ値特性および輝度シェーディング特性を共に向上させることができる固体撮像装置および、この固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems. The light-receiving element is set near the surface of the light-receiving element while the oblique light having a large incident angle is stably incident on the light-receiving element, and the sensitivity and F-number characteristics are set. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of improving both the luminance shading characteristics and an electronic information device using the solid-state imaging device in an imaging unit.

本発明の固体撮像装置は、複数の受光素子と、該複数の受光素子に入射光をそれぞれ集光させるために該受光素子上方に対応してそれぞれ配置された複数のマイクロレンズとを有する固体撮像装置において、該受光素子と該マイクロレンズ間に、上下の層よりも屈折率が大きい凸状の第１層内マイクロレンズと、上下の層よりも屈折率が小さい凹状の第２層内マイクロレンズとが配置されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。 A solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of light-receiving elements and a plurality of microlenses arranged respectively corresponding to the light-receiving elements so as to collect incident light on the plurality of light-receiving elements. In the apparatus, a convex first in-layer microlens having a refractive index larger than the upper and lower layers and a concave second in-layer microlens having a lower refractive index than the upper and lower layers between the light receiving element and the microlens. Are arranged so that the above-mentioned object is achieved.

また、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第１層内マイクロレンズが前記受光素子側に配置され、前記第２層内マイクロレンズが前記マイクロレンズ側に配置されている。 Preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the first layer microlens is disposed on the light receiving element side, and the second layer microlens is disposed on the microlens side.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第１層内マイクロレンズの両面が凸状であるか、または、前記受光素子側と前記マイクロレンズ側のいずれか一方の面が平坦である。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, both surfaces of the first in-layer microlens are convex, or either one of the light receiving element side and the microlens side is flat. .

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第２層内マイクロレンズの両面が凹状であるか、または、前記受光素子側と前記マイクロレンズ側のいずれか一方の面が平坦である。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, both surfaces of the second intra-layer microlens are concave, or one of the surfaces of the light receiving element side and the microlens side is flat.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第１層内マイクロレンズの屈折率は１．６以上２．１以下であり、該第１層内マイクロレンズの上下の層の屈折率は１．４以上１．６以下であり、前記第２層内マイクロレンズの屈折率が１．２以上１．４以下であり、該第２層内マイクロレンズの上下の層の屈折率は１．４以上１．６以下である。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the refractive index of the first in-layer microlens is 1.6 or more and 2.1 or less, and the refractive index of the upper and lower layers of the first in-layer microlens is 1.4 to 1.6, the refractive index of the second in-layer microlens is 1.2 to 1.4, and the refractive index of the upper and lower layers of the second in-layer microlens is 1. 4 or more and 1.6 or less.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第１層内マイクロレンズの屈折率は１．６以上２．１以下であり、前記第２層内マイクロレンズの屈折率が１．２以上１．４以下であり、該第１層内マイクロレンズおよび該第２層内マイクロレンズの上下の層の屈折率は１．４以上１．６以下である。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the refractive index of the first in-layer microlens is 1.6 or more and 2.1 or less, and the refractive index of the second in-layer microlens is 1.2 or more. The refractive index of the upper and lower layers of the first in-layer microlens and the second in-layer microlens is from 1.4 to 1.6.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第１層内マイクロレンズの上面と前記第２層内マイクロレンズの下面の間に、該第１層内マイクロレンズよりも屈折率が小さく、該第２層内マイクロレンズよりも屈折率が大きい層間膜が設けられている。 Furthermore, preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, a refractive index is smaller between the upper surface of the first layer microlens and the lower surface of the second layer microlens than the first layer microlens, An interlayer film having a refractive index larger than that of the second in-layer microlens is provided.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第１層内マイクロレンズおよび前記第２層内マイクロレンズの上下の層の屈折率は該第１層内マイクロレンズの屈折率よりも小さく、該第２層内マイクロレンズの屈折率よりも大きい。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the refractive index of the upper and lower layers of the first in-layer microlens and the second in-layer microlens is smaller than the refractive index of the first in-layer microlens, It is larger than the refractive index of the micro lens in the second layer.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第１層内マイクロレンズの上面と前記第２層内マイクロレンズの下面が接して配置されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the upper surface of the first in-layer microlens and the lower surface of the second in-layer microlens are arranged in contact with each other.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の受光素子が行列方向のマトリクス状に配設され、該列方向の各受光素子にそれぞれ隣接して該各受光素子からそれぞれ読み出された信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部および該電荷転送部上に設けられて電荷転送を制御するための電荷転送電極が所定方向に順次設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, the plurality of light receiving elements are arranged in a matrix in a matrix direction, and read from each light receiving element adjacent to each light receiving element in the column direction. A charge transfer portion for transferring the signal charge in a predetermined direction and a charge transfer electrode provided on the charge transfer portion for controlling the charge transfer are sequentially provided in the predetermined direction.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置はＣＣＤ型イメージセンサである。 Further preferably, the solid-state imaging device of the present invention is a CCD image sensor.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、複数の受光素子が２次元状に配設され、該複数の受光素子のうちの各受光素子にそれぞれ隣接して、該受光素子からの信号電荷をフローティングディヒュージョン部に電荷転送するための電荷転送部が設けられ、該電荷転送部上にはゲート電極膜が設けられ、該ゲート電極膜上には、画素部毎の信号読出回路部の多層回路配線が設けられており、該多層回路配線上の層間膜と前記マイクロレンズ間に、前記第１層内マイクロレンズおよび前記第２層内マイクロレンズが設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, the plurality of light receiving elements are two-dimensionally arranged, and adjacent to each of the light receiving elements of the plurality of light receiving elements, signal charges from the light receiving elements are provided. A charge transfer portion for transferring charges to the floating diffusion portion, a gate electrode film is provided on the charge transfer portion, and a multilayer of signal readout circuit portions for each pixel portion is provided on the gate electrode film. Circuit wiring is provided, and the first-layer microlens and the second-layer microlens are provided between the interlayer film on the multilayer circuit wiring and the microlens.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における信号読出回路部は、前記フローティングディフュージョン部に電荷転送された信号電荷が電圧変換され、この変換電圧に応じて増幅されて各画素部毎の撮像信号として読み出される多層回路配線を構成している。 Further preferably, in the signal readout circuit unit in the solid-state imaging device of the present invention, the signal charge transferred to the floating diffusion unit is subjected to voltage conversion, and is amplified in accordance with the conversion voltage, and the imaging signal for each pixel unit As shown in FIG.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置はＣＭＯＳ型イメージセンサである。 Further preferably, the solid-state imaging device of the present invention is a CMOS image sensor.

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The electronic information device of the present invention uses the solid-state imaging device of the present invention as an image input device in an imaging unit, thereby achieving the above object.

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。 The operation of the present invention will be described below with the above configuration.

本発明にあっては、マイクロレンズと受光素子との間に、２つの層内マイクロレンズを配置する。第１層内マイクロレンズは、凸状で、上下の層よりも屈折率が大きく、レンズ効果により受光素子の中心に向かって光が集光される。また、第２層内マイクロレンズは、凹状で、上下の層よりも屈折率が小さく、レンズ効果により受光素子の中心に向かって光が集光される。したがって、入射光は、第２層内マイクロレンズで受光素子中心方向へ曲げられた後、第１層内マイクロレンズで集光されるため、この２つの層内マイクロレンズにより、従来技術のように層内マイクロレンズの曲率を小さくして集光焦点が短くずれるようなことなく、角度が大きい斜め入射光を受光素子に容易に集光させて、感度、Ｆ値特性および輝度シェーディング特性をそれぞれ向上させることが可能となる。 In the present invention, two in-layer microlenses are arranged between the microlens and the light receiving element. The first in-layer microlens is convex and has a higher refractive index than the upper and lower layers, and the light is collected toward the center of the light receiving element by the lens effect. The second-layer microlens is concave and has a lower refractive index than the upper and lower layers, and the light is collected toward the center of the light receiving element by the lens effect. Accordingly, incident light is bent by the second in-layer microlens toward the center of the light receiving element and then condensed by the first in-layer microlens. By reducing the curvature of the in-layer microlens and shortening the focusing focal point, obliquely incident light with a large angle can be easily focused on the light-receiving element to improve sensitivity, F-number characteristics, and luminance shading characteristics, respectively. It becomes possible to make it.

また、第１層内マイクロレンズが受光素子側に配置されていれば、その下のゲート電極による凹凸を反映させて容易にレンズ形状の下面を形成でき、これに加えて、第２層内マイクロレンズがマイクロレンズ側に配置されていれば、基板表面からマイクロレンズまでの距離を短くできる。また、第１層内マイクロレンズの両面のうちのいずれか一方の面が平坦であるか、または／および第２層内マイクロレンズの両面のうちのいずれか一方の面が平坦であれば、製造工程が容易であると共に、基板表面からマイクロレンズまでの距離をより短くできる。 Further, if the first layer microlens is arranged on the light receiving element side, the lower surface of the lens shape can be easily formed by reflecting the unevenness due to the gate electrode below the first layer microlens. If the lens is arranged on the microlens side, the distance from the substrate surface to the microlens can be shortened. In addition, if either one of both surfaces of the microlenses in the first layer is flat or / and if either one of the both surfaces of the microlenses in the second layer is flat, the manufacturing is performed. The process is easy and the distance from the substrate surface to the microlens can be made shorter.

さらに、第１層内マイクロレンズの上面と第２層内マイクロレンズの下面の間に、第１層内マイクロレンズよりも屈折率が小さく、第２層内マイクロレンズよりも屈折率が大きい層間膜が設けられていれば、この３層の屈折率が、下から大、中、小となっているため、層内マイクロレンズが二枚設けられた場合に比べても基板表面からマイクロレンズまでの距離を短くできる。 Further, an interlayer film having a refractive index lower than that of the first layer microlens and higher than that of the second layer microlens between the upper surface of the first layer microlens and the lower surface of the second layer microlens. Since the refractive index of these three layers is large, medium, and small from the bottom, the distance from the substrate surface to the microlens is greater than when two in-layer microlenses are provided. The distance can be shortened.

第１層内マイクロレンズの上面と第２層内マイクロレンズの下面が接して配置されていれば、第１層内マイクロレンズと第２層内マイクロレンズ間の層間膜がなくなる分、基板表面からマイクロレンズまでの距離をさらに短くできる。 If the upper surface of the microlens in the first layer and the lower surface of the microlens in the second layer are in contact with each other, the interlayer film between the microlens in the first layer and the microlens in the second layer is eliminated, so that from the substrate surface. The distance to the micro lens can be further shortened.

以上により、本発明によれば、受光素子とマイクロレンズとの間に、上下の層よりも屈折率が大きい凸状の第１層内マイクロレンズと、上下の層よりも屈折率が小さい凹状の第２層内マイクロレンズの２つの層内マイクロレンズを設けることによって、角度が大きい斜め入射光をも受光素子上に集光させて、感度、Ｆ値特性および輝度シェーディング特性を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, a convex first in-layer microlens having a higher refractive index than the upper and lower layers and a concave shape having a lower refractive index than the upper and lower layers are provided between the light receiving element and the microlens. By providing two in-layer microlenses of the second in-layer microlens, oblique incident light having a large angle can be condensed on the light receiving element, and the sensitivity, F-number characteristics, and luminance shading characteristics can be improved. .

以下に、本発明の固体撮像装置の実施形態１〜３として、ＣＣＤ型イメージセンサまたはＣＭＯＳ型イメージセンサに適用した場合について図面を参照しながら詳細にそれぞれ説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るＣＣＤ型イメージセンサの要部構成例を示す縦断面図である。 In the following, as Embodiments 1 to 3 of the solid-state imaging device of the present invention, a case where the present invention is applied to a CCD image sensor or a CMOS image sensor will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of the configuration of the main part of a CCD image sensor according to Embodiment 1 of the present invention.

図１に示すように、本実施形態１のＣＣＤ型イメージセンサ１０の各画素部にはそれぞれ、受光素子として入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオード１が設けられ、各フォトダイオード１にそれぞれ隣接して各フォトダイオード１からの信号電荷をそれぞれ所定方向に電荷転送するための電荷転送部２ａおよびこの電荷転送部２ａ上に設けられて電荷転送を制御するための電荷転送電極としてのゲート電極２ｂが順次配置されている。ゲート電極２ｂ上には、入射光がゲート電極２ｂにより反射されてノイズが発生するのを防ぐために遮光膜３が形成されている。 As shown in FIG. 1, each pixel portion of the CCD image sensor 10 according to the first embodiment is provided with a photodiode 1 that photoelectrically converts incident light as a light receiving element to generate a signal charge. As a charge transfer electrode for controlling the charge transfer provided on the charge transfer section 2a and the charge transfer section 2a for transferring the signal charges from the respective photodiodes 1 in the predetermined direction. The gate electrodes 2b are sequentially arranged. A light shielding film 3 is formed on the gate electrode 2b in order to prevent incident light from being reflected by the gate electrode 2b and generating noise.

フォトダイオード１の上方には、遮光膜３の開口部から層間絶縁膜４〜６を介してマイクロレンズ７が配置されている。さらに、フォトダイオード１と、フォトダイオード１に光を集光させるためのマイクロレンズ７との間に、上下の層間絶縁膜４，６または４，５よりも屈折率が大きい凸状の第１層内マイクロレンズ８と、上下の層間絶縁膜４，６または５，６よりも屈折率が小さい凹状の第２層内マイクロレンズ９とが配置されている。第１層内マイクロレンズ８はフォトダイオード１側に配置され、第２層内マイクロレンズ９はマイクロレンズ７側に配置されている。 Above the photodiode 1, a microlens 7 is disposed from the opening of the light shielding film 3 through the interlayer insulating films 4 to 6. Further, a convex first layer having a refractive index larger than that of the upper and lower interlayer insulating films 4, 6 or 4, 5 between the photodiode 1 and the microlens 7 for condensing light on the photodiode 1. An inner microlens 8 and a concave second inner microlens 9 having a refractive index smaller than that of the upper and lower interlayer insulating films 4, 6 or 5, 6 are arranged. The first in-layer microlens 8 is disposed on the photodiode 1 side, and the second in-layer microlens 9 is disposed on the microlens 7 side.

本実施形態１において、第１層内マイクロレンズ８の屈折率は１．６以上２．１以下、第１層内マイクロレンズ８の上下層の屈折率は１．４以上１．６以下、第２層内マイクロレンズ９の屈折率は１．２以上１．４以下、第２層内マイクロレンズ９の上下層の屈折率は１．４以上１．６以下とされている。 In the first embodiment, the refractive index of the first in-layer microlens 8 is 1.6 to 2.1, the refractive index of the upper and lower layers of the first in-layer microlens 8 is 1.4 to 1.6, The refractive index of the two-layer microlens 9 is 1.2 to 1.4, and the refractive index of the upper and lower layers of the second-layer microlens 9 is 1.4 to 1.6.

第１層内マイクロレンズ８の上面と第２層内マイクロレンズ９の下面の間に、第１層内マイクロレンズ８よりも屈折率が小さく、第２層内マイクロレンズ９よりも屈折率が大きい層間絶縁膜５が設けられており、この３層の屈折率が、下から大、中、小となっているため、図３で後述する層内マイクロレンズが二枚設けられた場合に比べて、基板表面（フォトダイオード１）からマイクロレンズ７までの距離を短くすることができてフォトダイオード１上に集光させやすく入射光も減衰しにくい。 Between the upper surface of the first-layer microlenses 8 and the lower surface of the second-layer microlenses 9, the refractive index is lower than that of the first-layer microlenses 8, and higher than that of the second-layer microlenses 9. Since the interlayer insulating film 5 is provided, and the refractive indexes of these three layers are large, medium, and small from the bottom, compared with the case where two intra-layer microlenses described later in FIG. 3 are provided. The distance from the substrate surface (photodiode 1) to the microlens 7 can be shortened, and the light can be easily condensed on the photodiode 1 and the incident light is also difficult to attenuate.

本実施形態１のＣＣＤ型イメージセンサ１０は、例えば以下のようにして製造される。 The CCD image sensor 10 of the first embodiment is manufactured as follows, for example.

まず、フォトダイオード１、電荷転送部２ａ、ゲート電極２ｂおよび遮光膜３が形成された基板部上に、層間絶縁膜４を形成する。このとき、層間絶縁膜４は、ゲート電極２および遮光膜３による凹凸形状を反映してその表面がレンズ状に凹凸形状になっている。その層間絶縁膜４上に、熱だれにより第１層内マイクロレンズ８を形成する。本実施形態１では、層間絶縁膜４として酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２膜）を形成した。また、第１層内マイクロレンズ８はアクリル樹脂材料を用いて形成した。 First, the interlayer insulating film 4 is formed on the substrate portion on which the photodiode 1, the charge transfer portion 2a, the gate electrode 2b, and the light shielding film 3 are formed. At this time, the surface of the interlayer insulating film 4 has a concavo-convex shape like a lens reflecting the concavo-convex shape of the gate electrode 2 and the light shielding film 3. On the interlayer insulating film 4, the first in-layer microlenses 8 are formed by heat dripping. In the first embodiment, a silicon oxide film (SiO ₂ film) is formed as the interlayer insulating film 4. The first in-layer microlens 8 was formed using an acrylic resin material.

次に、層間絶縁膜４およびその上の第１層内マイクロレンズ８が形成された基板部上に、層間絶縁膜５を形成する。このとき、層間絶縁膜５は、第１層内マイクロレンズ８の表面凸形状を反映してその表面がレンズ状の凸部になっている。その層間絶縁膜５上に第２層内マイクロレンズ９を形成する。本実施形態１では、層間絶縁膜５としてアクリル樹脂材料を用いて形成した。また、第２層内マイクロレンズ９もアクリル樹脂材料を用いて形成した。 Next, the interlayer insulating film 5 is formed on the substrate portion on which the interlayer insulating film 4 and the first in-layer microlenses 8 are formed. At this time, the interlayer insulating film 5 reflects the convex shape of the surface of the first in-layer microlens 8 and has a lens-like convex portion on the surface. A second in-layer microlens 9 is formed on the interlayer insulating film 5. In the first embodiment, the interlayer insulating film 5 is formed using an acrylic resin material. The second layer microlenses 9 were also formed using an acrylic resin material.

その後、層間絶縁膜５およびその上の第２層内マイクロレンズ９が形成された基板部上に、上面が平坦化するように層間絶縁膜６を形成する。その上にマイクロレンズ７を形成する。本実施形態１では、層間絶縁膜６としてアクリル樹脂材料を用いて形成した。また、マイクロレンズ７もアクリル樹脂材料を用いて形成した。 Thereafter, the interlayer insulating film 6 is formed on the substrate portion on which the interlayer insulating film 5 and the second in-layer microlenses 9 are formed so that the upper surface thereof is flattened. A microlens 7 is formed thereon. In the first embodiment, the interlayer insulating film 6 is formed using an acrylic resin material. The microlens 7 was also formed using an acrylic resin material.

上記構成により、本実施形態１のＣＣＤ型イメージセンサ１０において、各画素部に入射された光は、マイクロレンズ７により集光された後、第２層内マイクロレンズ９によりフォトダイオード１の中心方向に向かってさらに集光されて曲げられ、第１層内マイクロレンズ８によりフォトダイオード１の中心方向に向かってさらに集光されて曲げられて、フォトダイオード１に入射される。 With the above configuration, in the CCD image sensor 10 according to the first embodiment, the light incident on each pixel unit is collected by the microlens 7 and then the center direction of the photodiode 1 by the second-layer microlens 9. The light is further condensed and bent toward the center, and further condensed and bent toward the center direction of the photodiode 1 by the first in-layer microlens 8 to be incident on the photodiode 1.

入射光が第２層内マイクロレンズ９によりフォトダイオード１の中心方向へ曲げられた後に第１層内マイクロレンズ８によりさらに集光されるため、第１層内マイクロレンズ８の曲率を大きくしても、入射角度が大きい斜め光成分（斜め光Ｌ２）をフォトダイオード１側に充分集光させることができる。第１層内マイクロレンズ８の曲率を大きくすることができるため、集光焦点をフォトダイオード１の表面付近に容易に設定することが可能となって、フォトダイオード１に良好な感度が得られる。 Since the incident light is further condensed by the first in-layer microlens 8 after being bent toward the center of the photodiode 1 by the second in-layer microlens 9, the curvature of the first in-layer microlens 8 is increased. However, the oblique light component (oblique light L2) having a large incident angle can be sufficiently condensed on the photodiode 1 side. Since the curvature of the first in-layer microlens 8 can be increased, the focal point of focusing can be easily set near the surface of the photodiode 1, and good sensitivity can be obtained for the photodiode 1.

以上説明したように、本実施形態１によれば、斜め入射光Ｌ２に対して良好な集光特性を有し、フォトダイオード１の感度が良好で、輝度シェーディングが良好なＣＣＤ型イメージセンサ１０を実現することができる。 As described above, according to the first embodiment, the CCD image sensor 10 having a good condensing characteristic with respect to the obliquely incident light L2, the sensitivity of the photodiode 1 is good, and the luminance shading is good. Can be realized.

なお、本実施形態１では、第１層内マイクロレンズ８と第２層内マイクロレンズ９は、上面と下面の両方が湾曲しているが、少なくともいずれかのレンズのいずれか一方の面が平面になっていてもよく、上記実施形態１の場合と同様の効果を得ることができる。要するに、第１層内マイクロレンズ８の両面のうちのいずれか一方の面が平坦であるか、または／および第２層内マイクロレンズ９の両面のうちのいずれか一方の面が平坦であれば、製造工程が容易であると共に、基板表面（フォトダイオード１）からマイクロレンズ７までの距離をより短くすることが可能となる。例えば、第２層内マイクロレンズ９の上面が平坦面である場合を後述する図２の破線にて示している。 In the first embodiment, the first in-layer microlens 8 and the second in-layer microlens 9 are both curved on the upper and lower surfaces, but at least one surface of any one of the lenses is flat. The same effects as those of the first embodiment can be obtained. In short, if either one of both surfaces of the first in-layer microlens 8 is flat or / and one of both surfaces of the second in-layer microlens 9 is flat. The manufacturing process is easy and the distance from the substrate surface (photodiode 1) to the microlens 7 can be made shorter. For example, the case where the upper surface of the second-layer microlens 9 is a flat surface is indicated by a broken line in FIG.

また、本実施形態１では、特に説明しなかったが、カラー表示を行う場合に、第２層内マイクロレンズ９とマイクロレンズ７間の層間絶縁膜６の配置部分にカラーフィルタが設けられる。この場合を図２に示している。図２では、層間絶縁膜６ａ、６ｂ間にカラーフィルタ１１の各色のアクリル樹脂材料部分が各フォトダイオード１にそれぞれ対応するように形成されている。 Although not particularly described in the first embodiment, when performing color display, a color filter is provided in a portion where the interlayer insulating film 6 is disposed between the microlenses 9 in the second layer and the microlenses 7. This case is shown in FIG. In FIG. 2, the acrylic resin material portions of the respective colors of the color filter 11 are formed between the interlayer insulating films 6 a and 6 b so as to correspond to the respective photodiodes 1.

さらに、本実施形態１では、層内レンズを二つ設けて、第１層内マイクロレンズ８よりも高い位置の第２層内マイクロレンズ９で光路を補正しているので、その補正効果が大きい。さらに、本実施形態１では、第２層内マイクロレンズ９として、上下よりも屈折率の小さい凹レンズ形状とすることにより、基板（フォトダイオード１）の表面からマイクロレンズ７までの距離を、より小さく薄くすることができてフォトダイオード１上に集光させやすく入射光も減衰しにくい。 Further, in the first embodiment, two intra-layer lenses are provided, and the optical path is corrected by the second intra-layer microlens 9 positioned higher than the first intra-layer microlens 8, so that the correction effect is great. . Furthermore, in the first embodiment, the second-layer microlens 9 is formed as a concave lens having a refractive index smaller than that of the upper and lower sides, so that the distance from the surface of the substrate (photodiode 1) to the microlens 7 is further reduced. It can be made thin, it is easy to condense on the photodiode 1, and the incident light is also difficult to attenuate.

ここで、第１層内マイクロレンズ８からカラーフィルタ１１までの距離Ａについて、本実施形態１の変形例である図２の場合の距離Ａ１と、単に層内レンズを２枚用いた図３の場合の距離Ａ２とを比較して説明する。 Here, with respect to the distance A from the first in-layer microlens 8 to the color filter 11, the distance A1 in the case of FIG. 2, which is a modification of the first embodiment, and FIG. 3 in which only two in-layer lenses are used. The case distance A2 will be compared and described.

図２に示す第１層内マイクロレンズ８からカラーフィルタ１１までの距離Ａ１は、第２層内マイクロレンズ９として、上下よりも屈折率の小さい凹レンズ形状とすることにより、この第１層内マイクロレンズ８、層間絶縁膜５および第２層内マイクロレンズ９の３層の屈折率が、下から大、中、小となっているため、層内レンズ１２を間に用いた図３に示す第１層内マイクロレンズ８からカラーフィルタ１１までの距離Ａ２よりも短くすることができてフォトダイオード１上に集光させやすく入射光も減衰しにくい。要するに、図３に示す層内レンズ１２の方が、図２に示す第２層内マイクロレンズ９よりも高さが高くなってしまうだけではなく、層内レンズ１２はメルトさせてレンズ形状を作るので、第２層内マイクロレンズ９よりもその製造工数がかかる。
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２に係るＣＣＤ型イメージセンサの要部構成例を示す縦断面図である。なお、図４では、図１の構成部材と同様の作用効果を奏する構成部材には同一の部材番号を付けて説明する。 The distance A1 from the first in-layer microlens 8 to the color filter 11 shown in FIG. 2 is formed as a concave lens having a refractive index smaller than that of the upper and lower layers as the second in-layer microlens 9. Since the refractive index of the three layers of the lens 8, the interlayer insulating film 5, and the second in-layer microlens 9 is large, medium, and small from the bottom, the second lens shown in FIG. The distance can be shorter than the distance A2 from the micro lens 8 in one layer to the color filter 11, and the light can be easily condensed on the photodiode 1, and the incident light is also difficult to attenuate. In short, the inner lens 12 shown in FIG. 3 is not only higher in height than the second inner microlens 9 shown in FIG. 2, but the inner lens 12 is melted to form a lens shape. Therefore, the number of manufacturing steps is longer than that of the second layer microlens 9.
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing an example of the configuration of the main part of a CCD image sensor according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 4, the same member numbers are used for the description of the structural members having the same effects as the structural members of FIG. 1.

図４において、本実施形態２のＣＣＤ型イメージセンサ２０のフォトダイオード１の上方にそれぞれ、遮光膜３の開口部から層間絶縁膜４および６を介してマイクロレンズ７が配置されている。さらに、フォトダイオード１とマイクロレンズ７の間に、上下の層間絶縁膜４，６よりも屈折率が大きい凸状の第１層内マイクロレンズ８と、上下の層間絶縁膜４，６よりも屈折率が小さい凹状の第２層内マイクロレンズ９Ａとが配置されている。第１層内マイクロレンズ８はフォトダイオード１側に配置され、第２層内マイクロレンズ９Ａはマイクロレンズ７側に配置されている。 In FIG. 4, microlenses 7 are arranged above the photodiodes 1 of the CCD image sensor 20 of the second embodiment from the openings of the light shielding film 3 through the interlayer insulating films 4 and 6. Further, a convex first in-layer microlens 8 having a refractive index larger than that of the upper and lower interlayer insulating films 4 and 6 and the upper and lower interlayer insulating films 4 and 6 are refracted between the photodiode 1 and the microlens 7. A concave second in-layer microlens 9A having a low rate is disposed. The first layer microlenses 8 are arranged on the photodiode 1 side, and the second layer microlenses 9A are arranged on the microlens 7 side.

本実施形態２では、凸状の第１層内マイクロレンズ８の上面と凹状の第２層内マイクロレンズ９Ａの下面とが互いに接して配置されている。要するに、上記実施形態１の層間絶縁膜５を設けていない状態である。それ以外の構成は、上記実施形態１のＣＣＤ型イメージセンサ１０の場合と同様である。このように、第１層内マイクロレンズ８の上面と第２層内マイクロレンズ９Ａの下面が接して配置されているため、第１層内マイクロレンズ８と第２層内マイクロレンズ９Ａ間の層間絶縁膜５がなくなる分、基板表面からマイクロレンズ７までの距離をさらに短く薄くすることができてフォトダイオード１上に集光させやすく入射光も減衰しにくい。 In the second embodiment, the upper surface of the convex first in-layer microlens 8 and the lower surface of the concave second in-layer microlens 9A are arranged in contact with each other. In short, the interlayer insulating film 5 of the first embodiment is not provided. Other configurations are the same as those of the CCD image sensor 10 of the first embodiment. As described above, the upper surface of the first in-layer microlens 8 and the lower surface of the second in-layer microlens 9A are arranged in contact with each other, and therefore, the interlayer between the first in-layer microlens 8 and the second in-layer microlens 9A. Since the insulating film 5 is eliminated, the distance from the substrate surface to the microlens 7 can be further shortened and thinned, so that the light can be easily collected on the photodiode 1 and the incident light is not easily attenuated.

第１層内マイクロレンズ８および第２層内マイクロレンズ９Ａの上下の層間絶縁膜４，６の屈折率は第１層内マイクロレンズ８の屈折率よりも小さく、第２層内マイクロレンズ９Ａの屈折率よりも大きい。 The refractive indexes of the upper and lower interlayer insulating films 4 and 6 of the first-layer microlens 8 and the second-layer microlens 9A are smaller than the refractive index of the first-layer microlens 8 and the second-layer microlens 9A. Greater than refractive index.

第１層内マイクロレンズ８の屈折率は１．６以上２．１以下であり、第２層内マイクロレンズ９Ａの屈折率が１．２以上１．４以下であり、第１層内マイクロレンズ８および第２層内マイクロレンズ９Ａの上下の層間絶縁膜４，６の屈折率は１．４以上１．６以下である。 The first layer microlens 8 has a refractive index of 1.6 or more and 2.1 or less, and the second layer microlens 9A has a refractive index of 1.2 or more and 1.4 or less. The refractive indexes of the upper and lower interlayer insulating films 4 and 6 of the microlens 8 and the second-layer microlens 9A are 1.4 or more and 1.6 or less.

本実施形態２のＣＣＤ型イメージセンサ２０は、例えば以下のようにして製造される。 The CCD image sensor 20 of the second embodiment is manufactured as follows, for example.

まず、フォトダイオード１、電荷転送部２ａ、ゲート電極２ｂおよび遮光膜３が形成された基板部上に、層間絶縁膜４を形成する。このとき、層間絶縁膜４は、ゲート電極２および遮光膜３による凹凸形状を反映してその表面がレンズ状に凹凸形状になっている。その層間絶縁膜４上に、熱だれにより第１層内マイクロレンズ８を形成する。本実施形態２では、層間絶縁膜４として酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２膜）を形成した。また、第１層内マイクロレンズ８はアクリル樹脂材料を用いて形成した。 First, the interlayer insulating film 4 is formed on the substrate portion on which the photodiode 1, the charge transfer portion 2a, the gate electrode 2b, and the light shielding film 3 are formed. At this time, the surface of the interlayer insulating film 4 has a concavo-convex shape in a lens shape reflecting the concavo-convex shape by the gate electrode 2 and the light shielding film 3. On the interlayer insulating film 4, the first in-layer microlenses 8 are formed by heat dripping. In the second embodiment, a silicon oxide film (SiO ₂ film) is formed as the interlayer insulating film 4. The first in-layer microlens 8 was formed using an acrylic resin material.

次に、層間絶縁膜４およびその上の第１層内マイクロレンズ８が形成された基板部上に、第２層内マイクロレンズ９Ａを形成する。本実施形態２では、第２層内マイクロレンズ９Ａとしてアクリル樹脂材料を用いて形成した。 Next, a second in-layer microlens 9A is formed on the substrate portion on which the interlayer insulating film 4 and the first in-layer microlens 8 are formed. In the second embodiment, an acrylic resin material is used as the second in-layer microlens 9A.

その後、第２層内マイクロレンズ９Ａが形成された基板部上に、上面が平坦化するように層間絶縁膜６を形成する。その上にマイクロレンズ７を形成する。本実施形態２では、層間絶縁膜６としてアクリル樹脂材料を用いて形成した。また、マイクロレンズ７もアクリル樹脂材料を用いて形成した。 Thereafter, an interlayer insulating film 6 is formed on the substrate portion on which the second-layer microlenses 9A are formed so that the upper surface is flattened. A microlens 7 is formed thereon. In the second embodiment, the interlayer insulating film 6 is formed using an acrylic resin material. The microlens 7 was also formed using an acrylic resin material.

上記構成により、本実施形態２のＣＣＤ型イメージセンサ２０において、各画素部に入射された光は、マイクロレンズ７により集光された後、第２層内マイクロレンズ９Ａによりフォトダイオード１の中心方向に向かってさらに集光されて曲げられ、第１層内マイクロレンズ８によりフォトダイオード１の中心方向に向かってさらに集光されて曲げられて、フォトダイオード１上に入射される。 With the above configuration, in the CCD image sensor 20 according to the second embodiment, the light incident on each pixel unit is collected by the microlens 7 and then the center direction of the photodiode 1 by the second-layer microlens 9A. The light is further condensed and bent toward the center, and further condensed and bent toward the center of the photodiode 1 by the first in-layer microlens 8 to be incident on the photodiode 1.

本実施形態２では、凸状の第１層内マイクロレンズ８の上面と、凹状の第２層内マイクロレンズ９Ａの下面とが互いに接しているため、フォトダイオード１からマイクロレンズ７までの距離を、上記実施形態１の層間絶縁膜５を設けていない分だけ、短くすることができてフォトダイオード１上に集光させやすく入射光も減衰しにくい。一般に、フォトダイオード１の開口部の大きさを一定とすると、フォトダイオード１からマイクロレンズ７までの距離が短いほど、入射角度が大きい斜め入射光Ｌ２でもフォトダイオード１上に入りやすくなり、入射角度依存性が小さくなる。 In Embodiment 2, since the upper surface of the convex first in-layer microlens 8 and the lower surface of the concave second in-layer microlens 9A are in contact with each other, the distance from the photodiode 1 to the microlens 7 is increased. Since the interlayer insulating film 5 of the first embodiment is not provided, the distance can be shortened, and the light can be easily condensed on the photodiode 1 and the incident light is not easily attenuated. In general, if the size of the opening of the photodiode 1 is constant, the shorter the distance from the photodiode 1 to the microlens 7, the more easily the oblique incident light L 2 having a large incident angle enters the photodiode 1. Dependency is reduced.

以上説明したように、本実施形態２によれば、斜め入射光に対して良好な集光特性を有し、フォトダイオード１の感度が良好で、輝度シェーディングが良好なＣＣＤ型イメージセンサ２０を実現することができる。 As described above, according to the second embodiment, a CCD image sensor 20 having a good light collection characteristic with respect to obliquely incident light, good sensitivity of the photodiode 1, and good luminance shading is realized. can do.

なお、本実施形態２でも、第１層内マイクロレンズ８と第２層内マイクロレンズ９Ａとは、上面と下面の両方が湾曲しているが、第１層内マイクロレンズ８の下面と第２層内マイクロレンズ９Ａの上面の少なくともいずれかが平面になっていても、本実施形態２の場合と同様の効果を得ることができる。要するに、第１層内マイクロレンズ８の両面のうちのいずれか一方の面が平坦であるか、または／および第２層内マイクロレンズ９Ａの両面のうちのいずれか一方の面が平坦であれば、製造工程が容易であると共に、基板表面（フォトダイオード１）からマイクロレンズ７までの距離をより短くすることが可能となる。 In the second embodiment, both the upper and lower surfaces of the first in-layer microlens 8 and the second in-layer microlens 9A are curved, but the lower surface and the second in-layer microlens 8 are curved. Even if at least one of the upper surfaces of the in-layer microlenses 9A is a flat surface, the same effect as in the second embodiment can be obtained. In short, if either one of the two surfaces of the first in-layer microlens 8 is flat or / and either one of the two surfaces of the second in-layer microlens 9A is flat. The manufacturing process is easy and the distance from the substrate surface (photodiode 1) to the microlens 7 can be made shorter.

また、本実施形態２では、上記実施形態１の場合と同様に、カラー表示を行う場合には、第２層内マイクロレンズ９Ａとマイクロレンズ７間の層間絶縁膜６の部分にカラーフィルタが設けられる。 In the second embodiment, similarly to the first embodiment, when color display is performed, a color filter is provided in the portion of the interlayer insulating film 6 between the second-layer microlenses 9A and the microlenses 7. It is done.

さらに、上記実施形態１、２では、ＣＣＤ型イメージセンサ１０、１０Ａ、２０として本発明を適用した事例について説明したが、ＣＭＯＳ型イメージセンサについても本発明は適用可能である。ここでは、実施形態３として、上記実施形態２の第１層内マイクロレンズ８および第２層内マイクロレンズ９ＡをＣＭＯＳ型イメージセンサに適用した場合について説明する。
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３に係る固体撮像装置であるＣＭＯＳ型イメージセンサの要部構成例を示す縦断面図である。なお、図５では、図１の構成部材と同様の作用効果を奏する構成部材には同一の部材番号を付けて説明する。 Further, in the first and second embodiments, the case where the present invention is applied as the CCD type image sensor 10, 10A, 20 has been described, but the present invention can also be applied to a CMOS type image sensor. Here, as Embodiment 3, the case where the first-layer microlenses 8 and the second-layer microlenses 9A of Embodiment 2 are applied to a CMOS image sensor will be described.
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing an example of the configuration of the main part of a CMOS image sensor which is a solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 5, the same member numbers are used for the description of the structural members that have the same effects as the structural members of FIG.

図５において、本実施形態３のＣＭＯＳ型イメージセンサ３０の各画素部にはそれぞれ、その半導体基板２１に、受光素子としてのフォトダイオード２２が形成されている。このフォトダイオード２２に隣接して、フォトダイオード２２で光電変換された信号電荷をフローティングディヒュージョン部ＦＤに電荷転送するための電荷転送トランジスタのチャネル部（読出部）としての電荷転送部２３が設けられている。このフォトダイオード２２上以外の電荷転送部２３上には、ゲート絶縁膜２４を介して引き出し電極であるゲート電極膜２５が設けられている。このゲート電極膜２５上には信号の読出回路部が設けられている。この信号の読出回路部は、フォトダイオード２２毎にフローティングディフュージョン部ＦＤに電荷転送された信号電荷が電圧変換され、この変換電圧に応じて増幅されて各画素部毎の撮像信号として読み出す機能を有している。 In FIG. 5, in each pixel portion of the CMOS image sensor 30 of the third embodiment, a photodiode 22 as a light receiving element is formed on the semiconductor substrate 21. Adjacent to the photodiode 22 is provided a charge transfer portion 23 as a channel portion (reading portion) of a charge transfer transistor for transferring the signal charge photoelectrically converted by the photodiode 22 to the floating diffusion portion FD. ing. On the charge transfer portion 23 other than the photodiode 22, a gate electrode film 25 that is an extraction electrode is provided via a gate insulating film 24. A signal readout circuit portion is provided on the gate electrode film 25. This signal readout circuit unit has a function of converting the signal charge transferred to the floating diffusion unit FD for each photodiode 22 and amplifying the signal charge according to the converted voltage and reading it as an imaging signal for each pixel unit. is doing.

このゲート電極膜２５の上方には、この読出回路の回路配線部として、第１絶縁膜２６ａが形成され、その上に第１配線２７ａが形成され、その上に第２絶縁膜２６ｂが形成され、その上に第２配線２７ｂが形成され、同様に、その上に、第３絶縁膜２６ｃ、第３配線２７ｃさらに第４絶縁膜２６ｄがこの順に順次形成されている。また、第１コンタクトプラグ２８ａ、第２コンタクトプラグ２８ｂおよび第３コンタクトプラグ２８ｃによって配線層２７と半導体基板２１間、配線層２７とゲート電極膜２５間および各配線層２７間が電気的に接続されて読出回路の回路配線を構成している。 Above the gate electrode film 25, a first insulating film 26a is formed as a circuit wiring portion of the readout circuit, a first wiring 27a is formed thereon, and a second insulating film 26b is formed thereon. The second wiring 27b is formed thereon, and similarly, the third insulating film 26c, the third wiring 27c, and the fourth insulating film 26d are sequentially formed thereon in this order. Further, the wiring layer 27 and the semiconductor substrate 21, the wiring layer 27 and the gate electrode film 25, and the wiring layers 27 are electrically connected by the first contact plug 28a, the second contact plug 28b and the third contact plug 28c. Thus, the circuit wiring of the readout circuit is configured.

また、第４絶縁層２６ｅ上には、フォトダイオード２２毎に対応して配置されたＲ，Ｇ，Ｂの各色のカラーフィルタ２９が形成され、その上に第５絶縁膜２６ｆが形成され、その上には、受光部２２への集光用のマイクロレンズ３１が形成されている。さらに、フォトダイオード２２とマイクロレンズ３１の間で、層間絶縁膜２６ｄと層間絶縁膜２６ｅの間には、入射光をさらに集光するための二枚の第１層内マイクロレンズ８および第２層内マイクロレンズ９Ａが配置されている。 On the fourth insulating layer 26e, color filters 29 of R, G, and B colors arranged corresponding to the respective photodiodes 22 are formed, and a fifth insulating film 26f is formed thereon, and A microlens 31 for condensing light to the light receiving unit 22 is formed on the top. Further, between the photodiode 22 and the microlens 31, between the interlayer insulating film 26d and the interlayer insulating film 26e, two first in-layer microlenses 8 and a second layer for further collecting incident light. An inner microlens 9A is arranged.

第１層内マイクロレンズ８は、上下の層間絶縁膜２６ｄ、２６ｅよりも屈折率が大きい凸状レンズであり、第２層内マイクロレンズ９Ａは、上下の層間絶縁膜２６ｄ、２６ｅよりも屈折率が小さい凹状レンズである。第１層内マイクロレンズ８はフォトダイオード１側に配置され、第２層内マイクロレンズ９Ａはマイクロレンズ７側に配置されている。 The first inner microlens 8 is a convex lens having a higher refractive index than the upper and lower interlayer insulating films 26d and 26e, and the second inner microlens 9A has a refractive index higher than that of the upper and lower interlayer insulating films 26d and 26e. Is a small concave lens. The first layer microlenses 8 are arranged on the photodiode 1 side, and the second layer microlenses 9A are arranged on the microlens 7 side.

本実施形態２では、凸状の第１層内マイクロレンズ８の上面と凹状の第２層内マイクロレンズ９Ａの下面とが互いに接して配置されている。このように、第１層内マイクロレンズ８の上面と第２層内マイクロレンズ９Ａの下面が接して配置されているため、上記実施形態２の場合と同様に、それらの間に層間絶縁膜を設ける必要がなく、この分だけ、基板表面（フォトダイオード２２）からカラーフィルタ２９までの距離を短く薄くすることができてフォトダイオード１上に集光させやすく入射光も減衰しにくい。一般に、フォトダイオード１の開口部の大きさを一定とすると、フォトダイオード１からマイクロレンズ７までの距離が短いほど、入射角度が大きい斜め入射光Ｌ２でもフォトダイオード１上に入りやすくなり、入射角度依存性が小さくなる。 In the second embodiment, the upper surface of the convex first in-layer microlens 8 and the lower surface of the concave second in-layer microlens 9A are arranged in contact with each other. As described above, since the upper surface of the first in-layer microlens 8 and the lower surface of the second in-layer microlens 9A are arranged in contact with each other, an interlayer insulating film is provided between them as in the case of the second embodiment. The distance from the substrate surface (photodiode 22) to the color filter 29 can be shortened and thinned accordingly, and the incident light is not easily attenuated. In general, if the size of the opening of the photodiode 1 is constant, the shorter the distance from the photodiode 1 to the microlens 7, the more easily the oblique incident light L 2 having a large incident angle enters the photodiode 1. Dependency is reduced.

本実施形態３のＣＭＯＳ型イメージセンサ３０は、例えば以下のようにして製造される。 The CMOS image sensor 30 according to the third embodiment is manufactured, for example, as follows.

まず、ゲート電極膜２５の形成後、その上に、第１絶縁膜２６ａをＢＰＳＧ(ホウ素リンシリケートガラス)や高密度プラズマＳｉＯ_２(ＨＤＰ−ＳｉＯ_２)などのＳｉＯ_２系材料によって膜成長させる。 First, after forming the gate electrode film 25, the first insulating film 26a is grown on the SiO ₂ material such as BPSG (boron phosphorus silicate glass) or high-density plasma SiO ₂ (HDP-SiO ₂ ).

次に、第１コンタクトプラグ２８ａを形成するために、第１絶縁膜２６ａ上に感光性レジスト材料を塗布して露光および現像により所定形状にパターニングし、そのパターニングしたレジスト膜をマスクとして第１絶縁膜２６ａに対して異方性エッチングを行う。このレジストマスク膜のパターンとして、第１コンタクトプラグ２８ａのための形状を加工する。レジストマスク膜を用いた第１絶縁膜２６ａに対するエッチング後、その上にメタルスパッタリングによりコンタクトプラグ用の金属膜を成長させる。コンタクトプラグ用の金属膜は、例えばタングステンなどのＣＶＤによっても膜成長させることができる。また、下地とのシリサイド化を防ぐために、メタルスパッタリング前にバリアメタル膜がスパッタリングされる。その後、第１絶縁膜２６ａの全面をエッチングすることにより第１絶縁膜２６ａ上のスパッタリング膜を除去して、第１絶縁膜２６ａの穴（コンタクトホール）内に充填された第１コンタクトプラグ２８ａが形成される。 Next, in order to form the first contact plug 28a, a photosensitive resist material is applied on the first insulating film 26a and patterned into a predetermined shape by exposure and development, and the patterned resist film is used as a mask for the first insulation. Anisotropic etching is performed on the film 26a. A shape for the first contact plug 28a is processed as a pattern of the resist mask film. After etching the first insulating film 26a using the resist mask film, a metal film for contact plugs is grown thereon by metal sputtering. The metal film for the contact plug can also be grown by CVD such as tungsten. In order to prevent silicidation with the base, a barrier metal film is sputtered before metal sputtering. After that, the entire surface of the first insulating film 26a is etched to remove the sputtering film on the first insulating film 26a, and the first contact plug 28a filled in the hole (contact hole) of the first insulating film 26a is formed. It is formed.

さらに、これらの第１コンタクトプラグ２８ａが形成された基板部上に、第１配線２７ａを形成するために、メタルスパッタリングにより金属膜を膜成長させ、その後、その上に感光性レジスト膜を塗布して露光および現像により所定形状にパターニングし、そのパターニングしたレジスト膜をマスクとしてその金属膜に対して異方性エッチングを行って、第１配線２７ａを形成する。 Further, in order to form the first wiring 27a on the substrate portion on which the first contact plugs 28a are formed, a metal film is grown by metal sputtering, and then a photosensitive resist film is applied thereon. Then, patterning into a predetermined shape by exposure and development, and anisotropic etching is performed on the metal film using the patterned resist film as a mask to form the first wiring 27a.

続いて、これらの第１配線２７ａが形成された基板部上に、第２絶縁膜２６ｂをＢＰＳＧ(ホウ素リンシリケートガラス)や高密度プラズマＳｉＯ_２(ＨＤＰ−ＳｉＯ_２)等のＳｉＯ_２系材料によって膜成長させる。 Subsequently, the second insulating film 26b is formed on the substrate portion on which the first wirings 27a are formed by using a SiO ₂ material such as BPSG (boron phosphorus silicate glass) or high density plasma SiO ₂ (HDP-SiO ₂ ). Grow the film.

第２コンタクトプラグ２８ｂを形成するために、その上に感光性レジスト材料を塗布して露光および現像により所定形状をパターニングし、そのパターニングしたレジスト膜をマスクとして第２絶縁膜２６ｂに対して異方性エッチングを行う。このレジストマスク膜のパターンとして、第２コンタクトプラグ２８ｂの形状を加工することによって、第２コンタクトプラグ２８ｂを形成するための第２絶縁膜２６ｂの形状（コンタクトホール）が加工される。エッチング後、その上にメタルスパッタリングによりコンタクトプラグ用の金属膜を成長させる。このコンタクトプラグ用の金属膜は、例えばタングステンなどのＣＶＤによっても成長される。また、下地とのシリサイド化を防ぐために、メタルスパッタリング前にバリアメタル膜がスパッタリングされる。その後、第２絶縁膜２６ｂ上の全面をエッチングすることにより第２絶縁膜２６ｂ上のスパッタリング膜を除去してコンタクトホール内に第２コンタクトプラグ２８ｂが形成される。 In order to form the second contact plug 28b, a photosensitive resist material is applied thereon, and a predetermined shape is patterned by exposure and development. The patterned resist film is used as a mask to anisotropically form the second insulating film 26b. Etching is performed. By processing the shape of the second contact plug 28b as the pattern of the resist mask film, the shape (contact hole) of the second insulating film 26b for forming the second contact plug 28b is processed. After the etching, a metal film for contact plugs is grown thereon by metal sputtering. The metal film for the contact plug is also grown by CVD such as tungsten. In order to prevent silicidation with the base, a barrier metal film is sputtered before metal sputtering. Thereafter, the entire surface of the second insulating film 26b is etched to remove the sputtering film on the second insulating film 26b, thereby forming a second contact plug 28b in the contact hole.

さらに、この第２コンタクトプラグ２８ｂが形成された基板部上に、第２配線２７ｂを形成するために、メタルスパッタリングにより金属膜を膜成長させ、その後、その上に感光性レジスト膜を塗布して露光および現像により所定形状にパターニングし、そのパターニングしたレジスト膜をマスクとしてその金属膜に対して異方性エッチングを行う。このレジストマスク膜のパターンとして、第２配線２７ｂの形状に対応して加工する。エッチングにより、このレジストマスク膜を用いて第２配線２７ｂを形成する。 Further, in order to form the second wiring 27b on the substrate portion on which the second contact plug 28b is formed, a metal film is grown by metal sputtering, and then a photosensitive resist film is applied thereon. Patterning into a predetermined shape by exposure and development, and anisotropic etching is performed on the metal film using the patterned resist film as a mask. The resist mask film pattern is processed corresponding to the shape of the second wiring 27b. By etching, the second wiring 27b is formed using this resist mask film.

以下、同様にして、第３絶縁膜２６ｃと、第３コンタクトプラグ２８ｃと、第３配線２７ｃと、第４絶縁膜２６ｄとをこの順にそれぞれ形成する。 Thereafter, similarly, the third insulating film 26c, the third contact plug 28c, the third wiring 27c, and the fourth insulating film 26d are formed in this order.

さらに、この第４絶縁膜２６ｄ（層間絶縁膜）上をエッチングによりレンズ面状の凹部を形成し、その凹部上に、熱だれにより両面レンズ状の第１層内マイクロレンズ８を形成する。本実施形態３では、第４絶縁膜２６ｄとしてアクリル樹脂材料を用いて形成した。また、第１層内マイクロレンズ８もアクリル樹脂材料を用いて形成した。 Further, a concave portion having a lens surface shape is formed by etching on the fourth insulating film 26d (interlayer insulating film), and a first lens microlayer 8 having a double-sided lens shape is formed on the concave portion by heat dripping. In the third embodiment, the fourth insulating film 26d is formed using an acrylic resin material. The first layer microlenses 8 were also formed using an acrylic resin material.

続いて、第４絶縁膜２６ｄおよびその上の第１層内マイクロレンズ８が形成された基板部上に接して、凹レンズ状の第２層内マイクロレンズ９Ａを形成する。本実施形態３では、第２層内マイクロレンズ９Ａとしてアクリル樹脂材料を用いて形成した。 Subsequently, a concave lens-shaped second in-layer microlens 9A is formed in contact with the substrate portion on which the fourth insulating film 26d and the first in-layer microlens 8 are formed. In the third embodiment, an acrylic resin material is used as the second in-layer microlens 9A.

その後、第２層内マイクロレンズ９Ａが形成された基板部上に、上面が平坦化するように第５絶縁膜２６ｅを形成する。本実施形態３では、第５絶縁膜２６ｅとしてアクリル樹脂材料を用いて形成した。 Thereafter, a fifth insulating film 26e is formed on the substrate portion on which the second-layer microlenses 9A are formed so that the upper surface is flattened. In the third embodiment, the fifth insulating film 26e is formed using an acrylic resin material.

さらに、平坦化膜としての第５絶縁層２６ｅ上に、各色毎に配置されたカラーフィルタ２９が形成され、その上に平坦化膜としての第６絶縁膜２６ｆが形成され、さらにその上にマイクロレンズ７が形成されて、本実施形態３のＣＭＯＳ型イメージセンサ３０が作製される。 Further, a color filter 29 arranged for each color is formed on the fifth insulating layer 26e as a planarizing film, a sixth insulating film 26f as a planarizing film is formed thereon, and a micro filter is further formed thereon. The lens 7 is formed, and the CMOS image sensor 30 of the third embodiment is manufactured.

以上により、上記実施形態１〜３によれば、マイクロレンズ７とフォトダイオード１との間に、上下の層間絶縁膜よりも屈折率が大きい凸状の第１層内マイクロレンズ８と、上下の層間絶縁膜よりも屈折率が小さい凹状の第２層内マイクロレンズ９または９Ａを設ける。各画素部への入射光は、マイクロレンズ７により集光された後、第１層内マイクロレンズ８によりフォトダイオード１の中心方向へ曲げられ、第２層内マイクロレンズ９または９Ａによりフォトダイオード１の中心方向へさらに曲げられる。これによって、フォトダイオード１上にマイクロレンズ７を有する固体撮像装置において、入射角度が大きい斜め光Ｌ２をもフォトダイオード１上に入射させつつ、集光焦点をフォトダイオード１の表面付近に設定して、フォトダイオード１の感度、Ｆ値特性および輝度シェーディング特性を向上させることができる。 As described above, according to the first to third embodiments, the convex first in-layer microlens 8 having a refractive index larger than that of the upper and lower interlayer insulating films between the microlens 7 and the photodiode 1, and the upper and lower A concave second in-layer microlens 9 or 9A having a refractive index smaller than that of the interlayer insulating film is provided. Incident light to each pixel portion is collected by the microlens 7, then bent toward the center of the photodiode 1 by the first in-layer microlens 8, and the photodiode 1 by the second in-layer microlens 9 or 9 A. It is further bent toward the center. Thus, in the solid-state imaging device having the microlens 7 on the photodiode 1, the condensing focal point is set near the surface of the photodiode 1 while the oblique light L <b> 2 having a large incident angle is also incident on the photodiode 1. The sensitivity, F value characteristic, and luminance shading characteristic of the photodiode 1 can be improved.

なお、上記実施形態１〜３では、特に説明しなかったが、受光素子としてのフォトダイオード１とマイクロレンズ７との間に、上下の層間絶縁膜よりも屈折率が大きい凸状の第１層内マイクロレンズ８と、上下の層間絶縁膜よりも屈折率が小さい凹状の第２層内マイクロレンズ９または９Ａとが配置されていれば、入射角度が大きい斜め光をも受光素子に入射させつつ、集光焦点を受光素子表面付近に設定して、感度、Ｆ値特性および輝度シェーディング特性を共に向上させることができる本発明の目的を達成することができる。 Although not particularly described in the first to third embodiments, a convex first layer having a higher refractive index than the upper and lower interlayer insulating films between the photodiode 1 as the light receiving element and the microlens 7. If the inner microlens 8 and the concave second inner microlens 9 or 9A having a refractive index smaller than that of the upper and lower interlayer insulating films are arranged, oblique light having a large incident angle is incident on the light receiving element. The object of the present invention can be achieved by setting the focusing focal point near the surface of the light receiving element and improving both sensitivity, F-number characteristic and luminance shading characteristic.

また、上記実施形態１〜３では、特に説明しなかったが、上記実施形態１、２のＣＣＤ型イメージセンサ１０，１０Ａおよび２０のいずれかまたは、上記実施形態３のＣＭＯＳ型イメージセンサ３０を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラ、テレビジョン電話用カメラおよび携帯電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。 Although not specifically described in the first to third embodiments, the CCD image sensor 10, 10A or 20 of the first or second embodiment or the CMOS image sensor 30 of the third embodiment is imaged. Digital cameras such as digital video cameras and digital still cameras used in the department, image input cameras such as surveillance cameras, door phone cameras, in-vehicle cameras, television phone cameras, and mobile phone cameras, scanners, facsimiles, and mobile phones with cameras An electronic information device having an image input device such as a telephone device will be described.

本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態１、２のＣＣＤ型イメージセンサ１０，１０Ａおよび２０のいずれかまたは、上記実施形態３のＣＭＯＳ型イメージセンサ３０を撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。 The electronic information device of the present invention was obtained by using any one of the CCD image sensors 10, 10A and 20 of the first and second embodiments of the present invention or the CMOS image sensor 30 of the third embodiment as an imaging unit. A memory unit such as a recording medium for recording data after high-definition image data has been subjected to predetermined signal processing for recording, and this image data is displayed on a display screen such as a liquid crystal display screen after predetermined signal processing for display Display means such as a liquid crystal display device, communication means such as a transmission / reception device that performs communication processing after this image data is subjected to predetermined signal processing for communication, and the image data is printed (printed) and output (printed out). And at least one of image output means.

以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。 As mentioned above, although this invention has been illustrated using preferable Embodiment 1-3 of this invention, this invention should not be limited and limited to this Embodiment 1-3. It is understood that the scope of the present invention should be construed only by the claims. It is understood that those skilled in the art can implement an equivalent range based on the description of the present invention and the common general technical knowledge from the description of specific preferred embodiments 1 to 3 of the present invention. Patents, patent applications, and documents cited herein should be incorporated by reference in their entirety, as if the contents themselves were specifically described herein. Understood.

本発明は、被写体からの画像光を撮像するＣＣＤ型イメージセンサおよびＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像装置であって、特に、感度、Ｆ値特性および輝度シェーディング特性が良好な固体撮像装置および、この固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、受光素子とマイクロレンズとの間に、上下の層よりも屈折率が大きい凸状の第１層内マイクロレンズと、上下の層よりも屈折率が小さい凹状の第２層内マイクロレンズの２つの層内マイクロレンズを設けることによって、角度が大きい斜め入射光をも受光素子に集光させて、感度、Ｆ値特性および輝度シェーディング特性を向上させることができる。 The present invention is a solid-state imaging device such as a CCD image sensor and a CMOS image sensor that captures image light from a subject, and in particular, a solid-state imaging device having good sensitivity, F-number characteristics, and luminance shading characteristics, and the like In the field of electronic information devices such as digital cameras such as digital video cameras and digital still cameras, image input cameras, scanners, facsimiles, camera-equipped mobile phone devices, etc. Between the light receiving element and the microlens, a convex first in-layer microlens having a higher refractive index than the upper and lower layers, and a concave second in-layer microlens having a lower refractive index than the upper and lower layers. By providing an in-layer microlens, oblique incident light with a large angle can be condensed on the light receiving element. Sensitivity, it is possible to improve the F value characteristic and luminance shading characteristic.

本発明の実施形態１に係る固体撮像装置であるＣＣＤ型イメージセンサの要部構成例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the example of a principal part structure of the CCD type image sensor which is a solid-state imaging device concerning Embodiment 1 of this invention. 図１のＣＣＤ型イメージセンサの変形例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the modification of the CCD type image sensor of FIG. 図２のＣＣＤ型イメージセンサとの比較例として、層内マイクロレンズを二枚用いた場合の要部構成例を示す縦断面図である。FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a configuration example of a main part when two in-layer microlenses are used as a comparative example with the CCD image sensor of FIG. 2. 本発明の実施形態２に係る固体撮像装置であるＣＣＤ型イメージセンサの要部構成例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the principal part structural example of the CCD type image sensor which is a solid-state imaging device concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態３に係る固体撮像装置であるＣＭＯＳ型イメージセンサの要部構成例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the principal part structural example of the CMOS type image sensor which is a solid-state imaging device concerning Embodiment 3 of this invention. 従来のＣＣＤ型イメージセンサの要部構成例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the example of a principal part structure of the conventional CCD type image sensor. 従来のＣＭＯＳ型イメージセンサに層内レンズを設けた場合の要部構成例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the principal part structural example at the time of providing the intralayer lens in the conventional CMOS type image sensor. レンズの明るさを示すＦ値特性を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating F value characteristic which shows the brightness of a lens.

符号の説明Explanation of symbols

１、２２フォトダイオード
２ａ、２３電荷転送部
２ｂゲート電極
３遮光膜
４、５、６、６ａ、６ｂ層間絶縁膜（層間膜または層）
７、３１マイクロレンズ
８第１層内マイクロレンズ
９、９Ａ、１２第２層内マイクロレンズ
１１、２９カラーフィルタ
１０、１０Ａ、２０ＣＣＤ型イメージセンサ
２１半導体基板
２４ゲート絶縁膜
２５ゲート電極膜（ゲート電極）
２６、２６ａ〜２６ｆ第１〜第６絶縁膜（層間絶縁膜または層）
２７、２７ａ〜２７ｃ第１〜第３配線（多層配線）
２８ａ〜２８ｃ第１〜第３コンタクトプラグ（接続部）
３０ＣＭＯＳ型イメージセンサ
Ａ１、Ａ２フォトダイオードからマイクロレンズまでの距離
Ｌ１真上から入る入射光
Ｌ２入射角度が大きい入射光
ＦＤフローティングディフュージョン部 1, 22 Photodiode 2a, 23 Charge transfer part 2b Gate electrode 3 Light-shielding film 4, 5, 6, 6a, 6b Interlayer insulating film (interlayer film or layer)
7, 31 Micro lens 8 Micro lens in first layer 9, 9A, 12 Micro lens in second layer 11, 29 Color filter 10, 10A, 20 CCD image sensor 21 Semiconductor substrate 24 Gate insulating film 25 Gate electrode film (gate electrode)
26, 26a-26f 1st-6th insulating film (interlayer insulating film or layer)
27, 27a-27c 1st-3rd wiring (multilayer wiring)
28a-28c 1st-3rd contact plug (connection part)
30 CMOS type image sensor A1, A2 Distance from photodiode to microlens L1 Incident light entering from directly above L2 Incident light having a large incident angle FD Floating diffusion part

Claims

複数の受光素子と、該複数の受光素子に入射光をそれぞれ集光させるために該受光素子上方に対応してそれぞれ配置された複数のマイクロレンズとを有する固体撮像装置において、
該受光素子と該マイクロレンズ間に、上下の層よりも屈折率が大きい凸状の第１層内マイクロレンズと、上下の層よりも屈折率が小さい凹状の第２層内マイクロレンズとが配置されている固体撮像装置。 In a solid-state imaging device having a plurality of light receiving elements, and a plurality of microlenses respectively disposed corresponding to the light receiving elements for condensing incident light on the plurality of light receiving elements,
Between the light receiving element and the microlens, a convex first in-layer microlens having a higher refractive index than the upper and lower layers and a concave second in-layer microlens having a lower refractive index than the upper and lower layers are arranged. Solid-state imaging device.

前記第１層内マイクロレンズが前記受光素子側に配置され、前記第２層内マイクロレンズが前記マイクロレンズ側に配置されている請求項１に記載の固体撮像装置。 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first in-layer microlens is disposed on the light receiving element side, and the second in-layer microlens is disposed on the microlens side.

前記第１層内マイクロレンズの両面が凸状であるか、または、前記受光素子側と前記マイクロレンズ側のいずれか一方の面が平坦である請求項１に記載の固体撮像装置。 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein both surfaces of the micro lens in the first layer are convex, or one of the light receiving element side and the micro lens side is flat.

前記第２層内マイクロレンズの両面が凹状であるか、または、前記受光素子側と前記マイクロレンズ側のいずれか一方の面が平坦である請求項１に記載の固体撮像装置。 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein both surfaces of the micro lens in the second layer are concave, or one of the surfaces of the light receiving element side and the micro lens side is flat.

前記第１層内マイクロレンズの屈折率は１．６以上２．１以下であり、該第１層内マイクロレンズの上下の層の屈折率は１．４以上１．６以下であり、前記第２層内マイクロレンズの屈折率が１．２以上１．４以下であり、該第２層内マイクロレンズの上下の層の屈折率は１．４以上１．６以下である請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。 The refractive index of the microlens in the first layer is 1.6 or more and 2.1 or less, the refractive index of the upper and lower layers of the microlens in the first layer is 1.4 or more and 1.6 or less, The refractive index of the two-layer microlens is 1.2 or more and 1.4 or less, and the refractive index of the upper and lower layers of the second intralayer microlens is 1.4 or more and 1.6 or less. The solid-state imaging device according to any one of the above.

前記第１層内マイクロレンズの屈折率は１．６以上２．１以下であり、前記第２層内マイクロレンズの屈折率が１．２以上１．４以下であり、該第１層内マイクロレンズおよび該第２層内マイクロレンズの上下の層の屈折率は１．４以上１．６以下である請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。 The first layer microlens has a refractive index of 1.6 to 2.1, the second layer microlens has a refractive index of 1.2 to 1.4, and the first layer microlens 5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the refractive index of the lens and the upper and lower layers of the second-layer microlens is 1.4 or more and 1.6 or less.

前記第１層内マイクロレンズの上面と前記第２層内マイクロレンズの下面の間に、該第１層内マイクロレンズよりも屈折率が小さく、該第２層内マイクロレンズよりも屈折率が大きい層間膜が設けられている請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。 Between the upper surface of the microlens in the first layer and the lower surface of the microlens in the second layer, the refractive index is smaller than the microlens in the first layer, and the refractive index is larger than the microlens in the second layer. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an interlayer film is provided.

前記第１層内マイクロレンズおよび前記第２層内マイクロレンズの上下の層の屈折率は該第１層内マイクロレンズの屈折率よりも小さく、該第２層内マイクロレンズの屈折率よりも大きい請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。 The refractive index of the upper and lower layers of the first-layer microlens and the second-layer microlens is smaller than the refractive index of the first-layer microlens and larger than the refractive index of the second-layer microlens. The solid-state imaging device according to claim 1.

前記第１層内マイクロレンズの上面と前記第２層内マイクロレンズの下面が接して配置されている請求項１または８に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an upper surface of the first in-layer microlens and a lower surface of the second in-layer microlens are disposed in contact with each other.

前記複数の受光素子が行列方向にマトリクス状に配設され、該列方向の各受光素子にそれぞれ隣接して該各受光素子からそれぞれ読み出された信号電荷を所定方向に電荷転送するための電荷転送部および該電荷転送部上に設けられて電荷転送を制御するための電荷転送電極が所定方向に順次設けられている請求項１に記載の固体撮像装置。 The plurality of light receiving elements are arranged in a matrix in the matrix direction, and the charge for transferring the signal charges read from the light receiving elements adjacent to the respective light receiving elements in the column direction in a predetermined direction. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a transfer unit and charge transfer electrodes provided on the charge transfer unit for controlling charge transfer are sequentially provided in a predetermined direction.

ＣＣＤ型イメージセンサである請求項１０に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 10, which is a CCD type image sensor.

前記複数の受光素子が２次元状に配設され、該複数の受光素子のうちの各受光素子にそれぞれ隣接して、該受光素子からの信号電荷をフローティングディヒュージョン部に電荷転送するための電荷転送部が設けられ、該電荷転送部上にはゲート電極膜が設けられ、該ゲート電極膜上には、画素部毎の信号読出回路部の多層回路配線が設けられており、
該多層回路配線上の層間膜と前記マイクロレンズ間に、前記第１層内マイクロレンズおよび前記第２層内マイクロレンズが設けられている請求項１に記載の固体撮像装置。 The plurality of light receiving elements are two-dimensionally arranged, and adjacent to each of the plurality of light receiving elements, a charge for transferring signal charges from the light receiving elements to the floating diffusion portion A transfer unit, a gate electrode film is provided on the charge transfer unit, and a multilayer circuit wiring of a signal readout circuit unit for each pixel unit is provided on the gate electrode film;
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first-layer microlens and the second-layer microlens are provided between an interlayer film on the multilayer circuit wiring and the microlens.

前記信号読出回路部は、前記フローティングディフュージョン部に電荷転送された信号電荷が電圧変換され、この変換電圧に応じて増幅されて各画素部毎の撮像信号として読み出される多層回路配線を構成している請求項１２に記載の固体撮像装置。 The signal readout circuit unit constitutes a multilayer circuit wiring in which the signal charge transferred to the floating diffusion unit is converted into a voltage, amplified in accordance with the converted voltage, and read out as an imaging signal for each pixel unit. The solid-state imaging device according to claim 12.

ＣＭＯＳ型イメージセンサである請求項１２または１３に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 12, which is a CMOS image sensor.

請求項１〜１４のいずれかに記載の固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。 The electronic information apparatus which used the solid-state imaging device in any one of Claims 1-14 as an image input device for the imaging part.