JP4419658B2

JP4419658B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4419658B2
Application number: JP2004122158A
Authority: JP
Inventors: 亮司鈴木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2024-04-16
Also published as: JP2005311469A

Description

本発明は、複数の受光部を含む撮像領域を形成した半導体基板上に各受光部に対応してオンチップレンズを設けた固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置のチップ周辺に生じる感度低下(シェーディング)を改善するための構造に関するものである。

従来より、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等において、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置が広く使用されている。
図４は従来の固体撮像装置の素子構造の例を示す断面図であり、ＣＭＯＳイメージセンサの例を示している。
図において、半導体基板１０の上層部には、上からＰ＋層１１、Ｎ層１２、Ｎ−層１３を含むフォトセンサ２０が２次元配列で設けられ、長方形状の撮像領域を構成しており、半導体基板１０の上部に層間絶縁膜３０を介して配線膜４０、５０、６０、層内レンズ７０、カラーフィルタ８０、オンチップレンズ９０等が配置されている。

ところで、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等においては、そこに用いられているレンズの絞りによって決定される射出瞳が存在する。レンズ焦点からその射出瞳までの距離である射出瞳距離が有限であるために、光学系の中心である固体撮像素子中心から周辺へと遠ざかるに従って固体撮像装置に入射する主光線が傾き、入射角度が大きくなる。
そのため、例えば図４に示すようなオンチップレンズを有する固体撮像装置において、半導体基板上に配置されたフォトセンサとオンチップレンズの配列ピッチが等しい場合、すなわち各画素のフォトセンサの直上にオンチップレンズが存在する場合は、半導体基板の周辺ではオンチップレンズに入射した光がフォトセンサ中心に集光せず、フォトセンサに隣接して形成されている配線等によってけられてしまい、感度低下を引き起こす。これはすなわちシェーディングと呼ばれる画面の感度ムラの原因である。

そこで、このシェーディングを補正する技術としては、フォトセンサのピッチよりもオンチップレンズのピッチを小さくする方法が用いられている。具体的には、オンチップレンズの配置を固体撮像装置の光学中心を中心として主に縮小倍率（以下、シュリンクという）をかけることによって実現している（例えば特許文献１参照）。
これは、いわゆる射出瞳補正と呼ばれる技術であり、特にＣＣＤイメージセンサを中心に、オンチップレンズ、層内レンズ、不純物レイヤ等にシュリンクをかけて撮像領域の中心部と周辺部とで各素子の位置をずらすことにより、固体撮像装置の周辺部においてもオンチップレンズに入射した光をフォトセンサに集光させている。特に最近では、携帯電話や個人情報携帯端末などのモバイル機器に固体撮像装置が搭載されるようになり、小型化のために射出瞳距離の非常に短い光学系が用いられているため、周辺画素への光の入射角度は更に大きくなり、オンチップレンズの射出瞳補正技術がますます重要になってきている。
特許公報第２６００２５０号

しかしながら、上記従来の射出瞳補正技術を用いた場合でも、ＣＭＯＳイメージセンサでは、各画素内に各種のトランジスタや多数の配線があるために、フォトセンサをシリコン基板上で矩形に作ることができないことから、フォトセンサ形状や遮光膜開口形状に起因して画素の四隅で光量の落ち方が異なり、感度が特に低下する場所が生じて不自然なシェーディングとなっている。

そこで本発明は、非対称なフォトセンサ形状及び遮光膜開口形状に起因する画面中心からの距離に対して不均一なシェーディングを補正し、撮像領域全体でシェーディング量を均一にでき、結果として感度ムラの低減や感度の向上を図ることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、複数の受光部を含む撮像領域と、前記受光部に向かって入射光を集光する複数のオンチップレンズとを有するとともに、１画素内に１つの前記受光部と１つの前記オンチップレンズとを含み、前記オンチップレンズは同画素内の前記受光部の直上から前記撮像領域内の所定の位置に向かってずれて形成され、前記オンチップレンズのシュリンク率が、水平方向及び垂直方向で異なる値であり、シュリンクの中心を通る垂直線及び水平線において、前記オンチップレンズのシュリンク率が対称であり、前記オンチップレンズのシュリンク率が、前記撮像領域の水平方向及び垂直方向で部分的に変化し、前記複数のオンチップレンズの隣接する２つのオンチップレンズの間隔は少なくとも２種類存在することを特徴とする。

本発明の固体撮像装置によれば、オンチップレンズが画素内の受光部の直上から撮像領域内の所定の位置に向かってずれて形成され、オンチップレンズのシュリンク率が水平方向及び垂直方向で異なる値であり、オンチップレンズのシュリンク率が撮像領域の水平方向及び垂直方向で部分的に変化し、隣接する２つのオンチップレンズの間隔が複数類存在する構造により、受光部の非対称形状にかかわらず、オンチップレンズの位置を最適化することが可能になるので、撮像領域全体でシェーディング量を均一にでき、結果として感度ムラの低減、感度の向上を実現できる効果がある。

本発明の実施の形態では、オンチップレンズ及びその下層に配置される層内レンズ、配線膜等のシュリンク率を水平方向及び垂直方向で異なる値とし、また、シュリンクする中心を撮像領域の中心からずらすことにより、非対称構造の受光部に対してオンチップレンズ等の配置を最適化し、均一なシェーディング特性を得られるようにする。また、水平方向及び垂直方向のシュリンク率についても、部分的に変化させることにより、さらに最適な素子配置を行い、シェーディング特性の均一化を達成する。

図１は本発明の実施例による固体撮像装置の素子構造の例を示す断面図である。
本実施例の固体撮像装置は、１画素内に１つの受光部と１つのオンチップレンズとを含むＣＭＯＳイメージセンサとして構成されており、半導体基板１１０の上層部には、上からＰ＋層１１１、Ｎ層１１２、Ｎ−層１１３を含むフォトセンサ１２０が２次元配列で設けられており、半導体基板１１０の上部に層間絶縁膜１３０を介して電極膜１４０、配線膜１５０、１６０、層内レンズ１７０、カラーフィルタ１８０、オンチップレンズ１９０等が配置されている。

そして、本実施例の固体撮像装置では、フォトセンサの集光に影響を与える各レイヤ、具体的には図１の各矢印ア〜オに示すように、フォトセンサ１２０のＮ−層１１３、配線膜１６０、層内レンズ１７０、カラーフィルタ１８０、及びオンチップレンズ１９０は、それぞれ個別に設定されるシュリンク率でシュリンクされ、フォトセンサ１２０の中心から所定のずれ量だけずれた状態で配置されている。
なお、各レイヤのずれ量（シュリンク率）は、フォトセンサ１２０から遠いレイヤになるにしたがって大きくなっているが、各レイヤ内においても、一律のずれ量を有するものでなく、各レイヤの垂直方向と水平方向とで異なるずれ量で形成され、さらに、垂直方向及び水平方向においても異なるずれ量をもって形成されている。また、シュリンクの中心も、撮像領域の中心とは異なる位置に配置されている。

以下、このような撮像装置におけるシュリンク構造の具体例を説明する。
図２は本実施例における撮像領域のシュリンク構造の具体例を示す平面図である。
図において、撮像領域２００にシュリンク中心２０１を通る垂直線２０２及び水平線２０３を引き、これら垂直線２０２及び水平線２０３で区切られた領域Ａ〜Ｄのシュリンク率及びシュリンク方向を矢印ａ〜ｄ及びａ´〜ｄ´で示している。
本実施例では、各領域におけるシュリンク率は、垂直線２０２及び水平線２０３を挟んで水平方向及び垂直方向にそれぞれ線対称であるが、水平方向と垂直方向とで異なるシュリンク率を用いており、また、同じ水平方向でも矢印ａと矢印ａ´で示す部分では、異なるシュリンク率を用いている。

これは、例えば図３に示すように、垂直方向と水平方向とで同じシュリンク率を用いた場合には、各領域Ａ〜Ｄで一様なシュリンクをかけてしまうと、撮像領域の外周に行くに従い、各画素間の継ぎ目のずれ量が大となり、画面上につなぎ目が見えてしまい、さらにそのシュリンク率の差が大きいときは、電気的な接続も取れなくなってしまう。
そこで、図２に示すように、各領域Ａ〜Ｄで異なるシュリンクをかけることにより、各画素のつなぎ目でのずれは発生しないため、画面上につなぎ目が見えることはない。
また、撮像領域の中心とシュリンクの中心とをずらすことにより、各レイヤにおいて最適な集光を得ることができる。

なお、以上の実施例は本発明の一例であり、本発明の具体的な形態、例えば上述したシュリンク率のかけ方やシュリンクをかけるレイヤの選択等については、種々変形が可能である。
また、以上は本発明をＣＭＯＳイメージセンサに適用した例を説明したが、ＣＣＤイメージセンサにも同様に適用できるものである。

本発明の実施例による固体撮像装置の素子構造の例を示す断面図である。図１に示す固体撮像装置におけるシュリンク構造を示す平面図である。従来の固体撮像装置におけるシュリンク構造を示す平面図である。従来例による固体撮像装置の素子構造の例を示す断面図である。

符号の説明

１１０……半導体基板、１１１……Ｐ層、１１２……Ｎ層、１１３……Ｎ−層、１２０……フォトセンサ、１３０……層間絶縁膜、１４０……電極膜、１５０、１６０……配線膜、１７０……層内レンズ、１８０……カラーフィルタ、１９０……オンチップレンズ。

Claims

複数の受光部を含む撮像領域と、前記受光部に向かって入射光を集光する複数のオンチップレンズとを有するとともに、１画素内に１つの前記受光部と１つの前記オンチップレンズとを含み、
前記オンチップレンズは同画素内の前記受光部の直上から前記撮像領域内の所定の位置に向かってずれて形成され、
前記オンチップレンズのシュリンク率が、水平方向及び垂直方向で異なる値であり、
シュリンクの中心を通る垂直線及び水平線において、前記オンチップレンズのシュリンク率が対称であり、
前記オンチップレンズのシュリンク率が、前記撮像領域の水平方向及び垂直方向で部分的に変化し、
前記複数のオンチップレンズの隣接する２つのオンチップレンズの間隔は少なくとも２種類存在する、
固体撮像装置。
前記シュリンクの中心は前記撮像領域の中心とずれている請求項１記載の固体撮像装置。
前記１画素を構成する要素のうち、前記オンチップレンズの下方に位置する少なくも１つの要素は、前記撮像領域内の所定の位置に向かってずれて形成されている請求項１記載の固体撮像装置。
前記オンチップレンズの下方に位置する要素には、カラーフィルタ、層内レンズ、配線膜、不純物マスク、電極膜、素子分離層のいくつかを含む請求項３記載の固体撮像装置。