JP4813929B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものであり、とくに感度の異なる感光部をマトリックス状に配置した固体撮像素子に関する。

従来の固体撮像素子には、フォトダイオードで構成される感光部の感度を保持しつつ、感光部から得られる信号電荷のダイナミックレンジを広範囲に確保することを目的としたものがある。例えば特許文献１では、高感度の感光部が配列された水平なラインと、低感度の感光部が配列された水平なラインとが交互に繰り返されている。そして異なる感度を有する感光部同士を組み合わせて１画素として扱う。１画素を構成する各感光部の信号電荷は別々に読み出されて加算されるため、当該画素からはダイナミックレンジの広い信号電荷が得られる。
特開平４−２９８１７５号公報

特許文献１に記載のように、１画素を感度の異なる２種類の感光部で構成する場合、フォトダイオードに設けられる遮光膜の開口面積や、フォトダーオードの大きさで感度を異ならせ、ダイナミックレンジを広範囲にしているが、光学レンズ、とくにズームレンズが変化して射出瞳位置が変化したり、絞りサイズが変化して入射角度が変化すると、感度が低下したり、輝度や色シェーディングが発生しやすくなるという問題があった。

このことは、感度が低い感光部に原因があった。つまり、感度が低い感光部では、遮光膜の開口面積やフォトダイオードの面積が小さいため、射出瞳位置や入射角度が変化すると、フォトダーオードに照射される光の量が極端に少なくなってしまい、これが感度の低下や、シェーディングの発生の要因となっていた。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、感度が低い感光部におけるこのような特性変動を最小限に抑えて、安定した特性を維持する固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、本発明は、感度が低い感光部に設けられるマイクロレンズの曲率を小さく、または実質的にゼロして、集光の度合を低くする。またマイクロレンズと感光部との間に設けられる層内レンズも曲率を小さく、または実質的にゼロにする。

このように感度の低い感光部、すなわち低感度部に設けるレンズの曲率を小さく、または実質的にゼロにすると、射出瞳位置や入射角度が変化しても、低感度部では集光されないようになるため、フォトダイオードにある一定の光が照射されるようになる。その結果、低感度部における特性変動を抑えることが可能になる。

また本発明では、マイクロレンズの形状を低感度部と高感度部とで異なるようにすると、ダイシングの際に切断くずがマイクロレンズの凸部と凸部の間に入り込んでしまうという問題が生じるため、この問題を回避するために、マイクロレンズの凸面を平坦にする手段を設けて、切断くずが入り込むのを防ぐ。

本発明によれば、低感度部に設けられる集光手段の曲率を小さくするため、フォトダイオードにある一定の光が照射されるようになる。その結果、感光部における特性変動が最小限に抑えられ、感度の低下や、シェーディングの発生を防ぐことが可能になる。また、低感度部に設けられる集光手段の曲率を小さくしても、高感度部における集光手段と低感度部における集光手段との間に異物が入り込んでしまうことを防ぐことが可能になる。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の実施例を詳細に説明する。図１は、図２に示す固体撮像素子の撮像面を、直線A1によって水平方向に切断し、その断面を同直線A1に添付の矢印方向から概念的に示した図である。図２は、本発明の一実施例である固体撮像素子の正面を概念的に示した図である。図２において図１と同じ参照番号は同様の構成要素を示す。なお本発明の理解に直接関係のない部分は図示を省略し、冗長な説明を避ける。

図１、図２において、固体撮像素子10は、感光部12、14、トランスファーゲート16、列転送路18、転送電極20、層内レンズ22、24、カラーフィルタ26、トップマイクロレンズ28、30を含み、感光部12、14から得られた信号電荷を、トランスファーゲート16を介して列転送路18に転送し、また列転送路18から図示しない水平転送路に転送して電気信号を形成する素子である。感光部12、14には、感度の高い感光部12と、感度の低い感光部14が存在し、これらが隣り合うようにマトリックス状に複数配列されて撮像面を形成している。このような固体撮像素子10では、感度の高い感光部12と感度の低い感光部14を組み合わせて１画素として扱う。

なお本実施例では図２に示すように、大きさの異なる感光部12、14が設けられた固体撮像素子10を採用しているが、本発明はこれに限定するわけではなく、感度が低い感光部と感度が高い感光部とを含んでいれば、例えば図３に示すような、感光部12、14の大きさが同じ固体撮像素子10も本発明に含まれる。図３において、図２と同じ参照番号は同様の構成要素を示すため説明を省略する。また図３において、撮像面を例えば直線A2で示すように水平方向に切断し、同直線A2に添付の矢印方向から見ても、その断面は図１と同様である。なお図２、図３において水平転送路は図示されていないが公知の水平転送路を採用することが可能である。

図１において、感光部のうち、感度の高い感光部、すなわち高感度部12と、感度の低い感光部、すなわち低感度部14は、互いに隣り合うように設けられている。高感度部12は、フォトダイオード40と、このフォトダイオード40の上に設けられた遮光膜42を含み、また感度の低い感光部、すなわち低感度部14も同様に、フォトダイオード44と、このフォトダイオード44の上に設けられた遮光膜42とを含み、それぞれ感光部を形成している。フォトダイオード40、44は、被写界からの入射光を取り込み、信号電荷を生成する部分である。信号電荷はトランスファーゲート16を介して列転送路18に送られる。なお図１においてトランスファーゲート16が設けられた側と対向する側には、チャンネルストップ32が設けられ、このチャネルストップ32により、トランスファーゲート16が設けられていない側の垂直転送路18に信号電荷が転送されるのを防いでいる。

また図１において遮光膜42は、列転送路18に光が当たるのを防ぐ役割を果たすと共に、感光部の感度を異ならせ、高感度部12と低感度部14とを形成する部分である。具体的には、高感度部12側では遮光膜42の、フォトダイオードに係る部分を小さくして開口48が大きくなるように、また低感度部14側では遮光膜42の、フォトダイオード44に係る部分を大きくして開口50が小さくなるように設けられており、開口48、50の大きさによって感度を異ならせている。なお本発明はこれに限定するわけではなく、高感度部12と低感度部14のフォトダイオードの大きさを異ならせてもよい。

高感度部12、および低感度部14のうち、光が照射される側、すなわち遮光膜42の上部には、プラズマ窒化膜を介して層内レンズ22、24がそれぞれ設けられている。また層内レンズ22、24の上部には、平坦膜を介してカラーフィルタ26が設けられ、さらにその上部に平坦膜を介してトップマイクロレンズ28、30が設けられて、固体撮像素子10を形成している。つまり下から順に、フォトダイオード40、44、遮光膜42、層内レンズ22、24、カラーフィルタ26、トップマイクロレンズ28、30の順に設けられている。

トップマイクロレンズ28は、図示しない光学レンズを介して固体撮像素子10に入射した光を集光する部分であり、集光した光を、カラーフィルタ26を介して層内レンズ22、24へと照射する。層内レンズ22、24では、トップマイクロレンズ28、30が集光した光をさらに集光してフォトダイオード40、44にそれぞれ照射する。つまり、高感度部12では、トップマイクロレンズ28が集光した光がカラーフィルタ26を介して層内レンズ22へ照射され、層内レンズ22でさらに集光されてフォトダイオード40へ照射される。また低感度部14では、トップマイクロレンズ30が集光した光が、カラーフィルタ26を介して層内レンズ24でさらに集光されてフォトダイオード44へ照射される。

以上のようなフォトダイオード40、44、遮光膜42、カラーフィルタ26は、公知のものを採用することが可能である。また高感度部12側の層内レンズ22、およびトップマイクロレンズ28も公知のものを採用することが可能である。例えば、本実施例では、層内レンズ22は入光する側に凸となったレンズであるが、本発明はこれに限定するわけではなく、入光する側と対向する側、すなわち、フォトダイオード40側に凸となったレンズであってもよい。また例えば、入光する側とフォトダイオード40側の両方に凸となったレンズにしてもよく任意のものを採用することが可能である。

図４は、図１に示す低感度部を矢印B1で示す上部から見た概念図である。図４において、図１と同じ参照番号は同様の構成要素を示すため説明を省略する。図４を用いて、従来の低感度部14で発生していた特性変動について説明すると、低感度部14では、図１に示すように開口50が高感度部12と比較して狭いため、フォトダイオード44に光が照射する面積が狭くなっている。このような低感度部14において、従来では高感度部12側に設けられた層内レンズ22、およびトップマイクロレンズ28と実質的に同じ曲率のレンズが設けられていた。

しかし、低感度部14側に、高感度部12側に設けられた層内レンズ22、およびトップマイクロレンズ28と実質的に同じ曲率のレンズを設けた場合では、図４に示すようにフォトダイオード44に照射される光の範囲、すなわちイメージサークル60が小さくなる。しかし、低感度部14は遮光膜42によって開口50が狭くなっているため、イメージサークル60が小さいと、例えば射出瞳位置や入射角度が変化による影響を受けやすくなってしまっていた。つまり、開口50が狭くなっている上にイメージサークル60が小さいため、例えば射出瞳位置や入射角度等が変化して光が斜めから入射すると、図４に矢印64で示すように光が照射する位置がずれて開口50から外れてしまう。その結果フォトダイオード44に光の一部しか照射しなくなってしまい、感度低下や輝度、色シェーディング等が発生していた。

そこで本実施例では、図１に示すように低感度部14に設けられる層内レンズ24、およびトップマイクロレンズ30の曲率を、高感度部12に設けられる層内レンズ22、およびトップマイクロレンズ28の曲率よりも小さくして、低感度部14におけるイメージサークル60を大きくする。その結果、射出瞳位置や入射角度等の変化による影響を受け難くし、感度低下や輝度、色シェーディング等を防ぐ。以下、詳細に説明する。

図１において、層内レンズ24、およびトップマイクロレンズ30は、その曲率が、高感度部12に設けられた層内レンズ22およびトップマイクロレンズ28の曲率よりも小さい。よって光を集光しないようになるため、図５に示すようにイメージサークル60を従来よりも大きくすることが可能になる。なお本実施例では層内レンズ24が存在するが、層内レンズ24が存在せずにトップマイクロレンズ30のみが存在する場合も、トップマイクロレンズ30の曲率を小さくすることで低感度部14のイメージサークルを大きくすることが可能である。

ここで低感度部14における層内レンズ24、およびトップマイクロレンズ30の曲率をどのくらい小さくするかは、開口50の大きさや高感度部12との感度差に応じて任意に決めることが可能である。例えば本実施例では、高感度部12と低感度部14との感度比が16対1で、イメージサークル60の外周が開口15よりも外側に位置するように、すなわち、開口15全体に光が照射されるように、層内レンズ24とトップマイクロレンズ30の曲率をそれぞれ定めている。

なお本発明はこれに限定するわけではなく、射出瞳位置や入射角度等が変化して、照射する光の位置がずれた場合であってもフォトダイオード44にある一定以上の光が照射されるようであれば、開口15の大きさや感度差に応じて任意の値を採用することが可能である。例えば開口15の幅や対角線の長さがイメージサークル60の直径となるように曲率を定めることも可能であるし、また例えば曲率を実質的にゼロ(1/無限大)、すなわち集光率を実質的１にして、光学レンズからの光をそのままフォトダイオード44に照射することも可能である。例えば低感度部14に集光するものを何も設けないことで、層内レンズ24、およびトップマイクロレンズ30の曲率を実質的にゼロにしてもよい。なお本発明は、これに限定するわけではない。

以上のようにして本実施例では、低感度部14に曲率の小さい層内レンズ24およびトップマイクロレンズ30を設けるため、低感度部14におけるイメージサークル60を大きくすることが可能になる。その結果、集光しないために光は弱いが、開口50全体に光が照射されるため、射出瞳位置や入射角度が変化してもフォトダイオード44にある一定の光が照射されるようになる。よって、低感度部における特性変動を抑えること可能になり、感度低下や輝度、色シェーディング等を防ぐことが可能になる。なお本実施例のように、低感度部14におけるイメージサークルが大きくなるように層内レンズ24やトップマイクロレンズ30の曲率を変更する場合では、高感度部12と低感度部14の感度比の調節は、例えばそれぞれの開口48、50の大きさを制御したり、感光時間を異ならせたり、光透過率を異ならせることで制御可能である。

なおこのように高感度部12および低感度部14で、層内レンズ24、およびトップマイクロレンズ30の曲率を変えた場合であっても公知のやり方を採用して層内レンズ24、およびトップマイクロレンズ30を形成することが可能である。図６は、図１に示す層内レンズ22、24を形成する処理の一例を概念的に示した図である。図６において図１と同じ参照番号は同様の構成要素を示すため説明を省略する。なお図６では、分かりやすくするためにフォトダイオード40、44、トランスファーゲート16、列転送路18、チャネルストップ32は省略する。また図６に示す例では、低感度部14の層内レンズ24の曲率を実質的にゼロにする。

図６( a ) において、高感度部12では、入光する側に凸となる層内レンズ22を形成するため、遮光膜42の上に設けられたプラズマ窒化膜70の所定の位置にレジスト72を形成する。一方、低感度部14では、層内レンズ24の曲率を実質的にゼロにするため、レジスト72を形成しない。このように高感度部12のみにレジスト72を形成し、エッチバック方式でレジスト72の形で削ることにより、図６( b ) に示すように高感度部12のみに層内レンズ22が形成される。また低感度部14では、層内レンズ24は形成されず、層内レンズ24の曲率を実質的にゼロにしている。なお本発明はこれに限定するわけではなく、例えば層内レンズ24を、層内レンズ22よりも小さい曲率を有するように形成する際は、形成するレジスト72の形状を変えることで可能である。

このようにして層内レンズ22、24が形成されると、層内レンズ22の凸面を平坦にするために、層内レンズ22、24の上に平坦化膜74が形成され、さらにその上にカラーフィルタ26が形成されてゆく。なお図示しないがカラーフィルタ26の上にはさらに平坦化膜が形成されて、トップマイクロレンズが形成される。なおマイクロレンズも高感度部12と低感度部14の曲率が異なるだけで、公知の手法を採用して形成することが可能である。

図７は、本発明の別の一実施例の固体撮像素子の断面を概念的に示した図である。なお図７に示す固体撮像素子の正面図は図２と同様であるので省略する。また図７において図１と同じ参照番号は同様の構成要素を示すため説明を省略する。図７において、固体撮像素子は、トップマイクロレンズ28、30の、入射光が照射される側、すなわち、本実施例では凸面側に、凸面を平坦にする平坦化膜80が設けられ、この平坦化膜80によって、トップマイクロレンズ28、30の凸部と凸部の間に異物が入り込むのを防ぐ。

より具体的に説明すると、本実施例では、低感度部14におけるイメージサークル60を大きくしつつ感度比を維持するために、高感度部12と低感度部14とでトップマイクロレンズ28、30の形状が異なっている。しかし、このようにトップマイクロレンズ28、30の形状が異なると、固体撮像素子10を製造する工程の一つである、ダイシング工程、すなわち切断する工程において、切断くずが隣り合うトップマイクロレンズ28、30の凸部と凸部の間82に入り込むという問題があった。そこで本実施例では、ダイシングの前にトップマイクロレンズ28、30全体を覆って、トップマイクロレンズ28、30の凸面を平坦にする平坦化膜80を設け、この平坦化膜80によって切断くずがトップマイクロレンズ28、30の凸部と凸部の間82に入り込むのを防ぐ。以下詳細に説明する。

図７において、平坦化膜80はトップマイクロレンズ28、30よりも屈折率が低く、実質的に透明で平坦な膜である。また平坦化膜80は、トップマイクロレンズ28、30の凸面側に、トップマイクロレンズ28、30を覆うように設けられ、隣り合うトップマイクロレンズ28、30の凸部と凸部の間82に異物が入り込むのを防ぐ役割を果たしている。なおこの平坦化膜80を設ける工程は、固体撮像素子10を製造する工程のうち、トップマイクロレンズ28、30を設ける工程の後であり、ダイシングの工程よりも前である。また平坦化膜80は、トップマイクロレンズよりも屈折率が低く、実質的に透明で平坦にすることが可能であれば、任意の材料を採用して形成することが可能であり、例えば、図６に示す平坦化膜74と同様の材料で形成することも可能であるが、本発明はこれに限定するわけではない。

図２の直線A1による撮像面の断面を概念的に示した図である。 本発明の一実施例である固体撮像素子の正面を概念的に示した図である。 本発明の別の実施例である固体撮像素子の正面を概念的に示した図である。 図１に示す低感度部を矢印B1で示す上部から見た概念図である。 図１に示す低感度部を矢印B1で示す上部から見た概念図である。 ( a ) は、層内レンズを形成するためにレジストを設ける処理の一例を概念的に示した図であり、( b ) は、層内レンズ形成後の処理の一例を概念的に示した図である。 本発明の別の一実施例の固体撮像素子の断面を概念的に示した図である。

符号の説明

10 固体撮像素子
12 高感度部
14 低感度部
16 トランスファーゲート
18 列転送部

Claims (6)

1. 被写界からの光が照射される面に第１の感光部と第２の感光部とがマトリックス状に複数配列され、第１の感光部の感光面積が第２の感光部の感光面積より広い固体撮像素子において、該固体撮像素子は、
   第１の感光部の前記光が照射される側に設けられ、該光を集光する第１の集光手段と、
   第２の感光部の前記光が照射される側に設けられ、該光を集光する第２の集光手段とを含み、
   第２の集光手段の曲率は、第１の集光手段の曲率よりも小さいことを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、該固体撮像素子はさらに、
   第１の感光部と第１の集光手段との間に設けられ、第１の集光手段により集光された光をさらに集光する第３の集光手段と、
   第２の感光部と第２の集光手段との間に設けられ、第２の集光手段により集光された光をさらに集光する第４の集光手段とを含み、
   第４の集光手段の曲率は、第３の集光手段の曲率よりも小さいことを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の固体撮像素子において、第２の集光手段、および第４の集光手段の曲率は、ゼロであることを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像素子において、該固体撮像素子はさらに、第１の集光手段および第２の集光手段の前記光が照射される側の面を平坦にする平坦化手段を含むことを特徴とする固体撮像素子。
5. 請求項１に記載の固体撮像素子において、第１および第２の感光部のフォトダイオードは遮光膜で覆われ、第１および第２の感光部の感光面積は、該遮光膜の該感光部における開口面積により決定されることを特徴とする固体撮像素子。
6. 請求項１に記載の固体撮像素子において、第１および第２の感光部の感光面積は、該感光部のフォトダイオードの大きさにより決定されることを特徴とする固体撮像素子。