JPS5990467A

JPS5990467A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPS5990467A
Application number: JP57201297A
Authority: JP
Inventors: Hideo Saeki; 佐伯　英夫; Shigeyuki Uematsu; 植松　滋幸; Hiroyasu Toyoda; 豊田　裕康
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-11-15
Filing date: 1982-11-15
Publication date: 1984-05-24

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕この発明は、固体撮像素子、特にフォトダイオード等の
受光部の寸法を大きくすることなく、光入力の信号レベ
ルを高め、素子感度を向上させた固体撮像素子に関する
ものである。

〔従来技術〕

固体撮像素子は、いわゆる家庭用カラービデオカメラの
他放送用、業務用においても急速に使用される傾向にあ
シ、産業用イメージセンサとしてもその可能性が極めて
大きいと考えられる。そして、この固体撮像素子は、カ
ラー、モノクロを問わず、種々の方式、例えばＭＯＳ（
Ｍｅｔａｌ　０ｘｉｄｅＳｉｌｉｃｏｎ）形やＣＣＤ（
Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｐｉｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）形やこれ
らの折中した方式のＣＰＤ（ＣｈａｒｇｅＰｒｉｍｉｎ
ｇ　Ｄｅｖｉｅｅ）形などが開発されている。

しかしながら、これらの方式による固体撮像素子の性能
としては、方式によ）一長一短があシ、例えばＭＯＳ形
では従来のＭＯＳ−ＬＳＩの製造技術による量産が可能
でかつ開口率、つまｂ撮像素子全体の中で占める受光面
積の割合が前記３方式中最大であるが、ノイズが大きい
こと、またＣＣＤ形ではノイズが少なく、低照度で使用
可能であるが、開口率が小さく残像が残るなどの問題が
ある。

このため、いずれの方式においても短所をなくし、長所
をよシ一層高めるべき努力がなされているが、撮像素子
においては、光入力信号（Ｓ）は一般に量子効率と開口
率と被写体照度との積で決まるとされている。そこで、
種々の検討改良の結果、現在では量子効率（光電変換効
率）は既にほぼ１に達しておシ、このため開口率を大き
くして取シ出せる信号量を大きくすることと、雑音を小
さくすることが考えられている。このうち開口率を大き
くすることについては、例えば構造的に開口率を大きく
とれるＭＯＳ形においてもその開口率は既に５０〜６０
チ近傍に達しておシ、これ以上開口率を高めるには転送
用Ａｌ線の配線幅を現在の３μｍルールから２μｍ　、
　１μｍへと細くしなければならない。しかしながら、
配線幅を細くすることはプロセス上、極めて困難を伴な
い、まだ近い将来に実現する可能性の高い撮像素子その
ものの小形化、つまシ現在の７４インチ形から７２イン
チ形への小形化や高品質画像テレビに対応するだめの画
素自体の小形化・高密度化（画素数４００Ｘ５００程度
から１０００ｘ１０００ないしそれ以上）等を考慮する
と、開口率のこれ以上の拡大は不可能と考えられ、むし
ろこの開口率は画素数が増大するにしたがって減少する
と考えられる。

〔発明の概要〕

仁の発明は、固体撮像素子の性能を向上させることを目
的として、前述のような困難なプロセスを避け、かつ高
密度化に対応するために固体撮像素子上の各画素上に微
小な凸形集光レンズ（以下単にマイクロレンズと称する
）を設けることによシ、各画素に入射する光信号を増大
させ、見掛は上、開口率を拡大したのと同等な効果を得
て光信号強度を高めることを可能にした固体撮像素子を
提供するものである。

この発明によるマイクロレンズの固体撮像素子上への設
置は、例えばモノリシック形としては、固体撮像素子上
のパッシベーション膜上に直接的に設置する方法、この
パッシベーション膜そのものをレンズ状に加工する方法
、カラー固体撮像素子においてはカラーフィルタ上の表
面保護膜上に直接的に設置する方法およびこの保護膜そ
のものをレンズ状に加工する方法などがある。また、貼
シ合わせ方式も可能で光学的透明なガラス板やカラー固
体撮像素子用カラーフィルタの表面もしくは裏面にこの
マイクロレンズを形成した後、固体撮像素子と正確に貼
合せて適用できる。以上のようにこの発明によるマイク
ロレンズの設置は種々の方法が可能であるが、もとよシ
前述の方法のみに限定されるものではない。

このようにこの発明によるマイクロレンズは各々のフォ
トダイオード、つまシ画素上にアシ、かつこのフォトダ
イオードの配列に正確に一致していることが必要である
。さらに、このマイクロレンズの大きさとしては、フォ
トダイオードと同等ないしはそれ以上大きいことが必須
であるが、その形状は第１図（、）〜（Ｃ）に平面図で
示すようにフォトダイオード（１）に対してマイクロレ
ンズＱ）が同図（、）の如く円形状である必要はなく、
フォトダイオード（１）の形状によっては同図（ｂ）の
如く矩形もしくは同図（ｃ）の如く楕円形ででも良く、
あるいはフォトダイオード（１）と同等の形状でも良い
。まだ、このマイクロレンズ（２）の表面形状は例えば
第２図（、）に示す如く単一の曲率を有することが望ま
しいが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第２
図（ｂ）に示す如く中央部は平坦でその周辺部分がフォ
トダイオード（１）上に集光可能な所望の曲率を有して
おればこの発明の目的は十分に達成せられる。

さらに第２図（ａ）　、　（ｂ、）の場合でも各マイク
ロレンズ（２）が完全に分離している必要はなく、第２
図（ｅ）に示すよう人連続的な形状であってもこの発明
の目的は達せられる。なお、第２図（ａ）　、　（ｂ）
　、　（Ｃ）において、（３）ハシリコン基Ｌ　（４）
はパッシベーション膜、（５）は中間膜である。また、
このマイクロレンズ（２）の曲率半径はこのマイクロレ
ンズ（２）の厚さや大きさ、フォトダイオード（１）の
大きさ、マイクロレンズ（２）とフォトダイオード（１
）との間の距離さらにはマイクロレンズ（２）およびそ
の下地の屈折率等によって異なり、種々の場合に応じて
適切な値を定めることが必要である。例えばマイクロレ
ンズ（２）とフォトダイオード（１）との間の距離を約
５μｍ、フォトダイオード（１）の口径を約１０μｍ、
マイクロレンズ（２）の口径を約１６μｍ　とすると、
好ましいマイクロレンズ（２）の厚さは約１．５〜３．
０μｍ、このマイクロレンズ（２）の屈折率ｎ２ζ１．
５程度の場合の曲率半径は約１５〜３０μｍが好ましい
。また、このマイクロレンズ（２）の諸次元はもとより
前記例にのみに限定されるものではなく、固体撮像素子
のフォトダイオード形状によっては前記例とは異なった
諸次元を有することも可能である。

さらに前記第１図、第２図においては、簡単のためマイ
クロレンズＣ２）の下地、すなわち中間膜（５）は平坦
かつマイクロレンズ（２）と同等の屈折率（ｎ２）を有
するものとして説明したが、固よりかかる例のみに限定
されるものではなく、下地つｔ、ｂ中間膜（５）を加工
することによシ、第３図（、）の如く凸形である場合や
第３図（ｂ）の如く凹形であっても差支えない。なお、
図中同一符号は同一または相当部分を示す。

以上のようにマイクロレンズ（２）の構成を簡単のため
第２図および第３図を用いて説明したが、カラー固体撮
像素子の場合においては中間膜（５）の部分に色フィル
タおよび分離膜が設けられる。また保護膜としてマイク
ロレンズ（２）上に有機おるいは無機の透明な薄膜を設
けることも可能である。

また、この発明に係わるマイクロレンズ（２）の材質と
しては、光学的に無色透明かつ安定で、厚さ０．５〜５
．　Ｏ１１，ｍ程度の薄膜形成および種々の微細加工技
術による成形が容易でアシ、かつこれらの加工プロセス
条件に耐えられるものであれば、無機材料または有機材
料を問わず適用可能である。

具体的には、無機材料としては透明な薄膜形成が可能な
酸化シリコン、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ジル
コニウム、酸化インジウム、ＰＳＧおよびチツ化シリコ
ン等、あるいはこれらを組合せたもの等が挙げられる。

また、有機材料とじては、ポリメチルメタクリレート、
ポリエチルメタクリレート、ポリイソプロピルメタクリ
レート。

ポリフェニルメタクリレート、ポリクリシジルメタクリ
レート等の光透過性の良いメタクリレート系ポリマーお
よびコポリマーさらにポリスチレン。

ポリケイ皮酸ビニル、ポリイソプロペニルケトン等のポ
リマーおよびコポリマー並びにこれらのポリマーを主成
分としたコポリマーや側鎖もしくは主鎖の一部を塩素、
フッ素、ヨウ素等でハロゲン化したポリマーおよびコポ
リマー等が挙げられる。

〔発明の実施例〕

実施例１画素数３８４Ｘ４８５を有するＭＯ８形固体撮像素子の
パッシベーション膜上にＰＳＧを約２μｍ程度成膜し、
これを加工してレンズ厚約１．５μｍ。

曲率半径３０μｍ程度の第２図（ｂ）に示すようなマイ
クロレンズ（２）の配列を形成した。そして、各々のフ
ォトダイオード（１）よシ得られる光入力信号は、マイ
クロレンズ（２）を設置しない場合よシ２０〜３０チ程
度増加し、また画像の質もマイクロレンズ（２）の設置
前よシ向上させることができた。

実施例２画素数３８４Ｘ４８５を有するＭＯ８形カラー固体撮像
素子（モノリシック形）の保護膜上に屈折率１．４８程
度の有機材料によシレンズ厚さ約３μｍ。

曲率半径２０１１ｍ　　程度の第２図（、）に示すよう
な形状を有するマイクロレンズ（２）の配列を形成した
。

このような構成によると、各々のフォトダイオード（１
）より得られる光入力信号は、マイクロレンズＱ）を設
置しない場合に比べて１５〜２０％程度向上した。また
色再現性や画質もマイクロレンズ（２）の設置前に比べ
て優れたものであった。

実施例３カラー固体撮像素子用色フィルタを有するガラス基板の
裏面に屈折率１．５０程度の有機材料によシレンズ厚約
５μｍ、曲率半径１５μｍ程度の第２図（Ｃ）に示すよ
う匁マイクロレンズ（２）の配列を形成した。そして、
このマイクロレンズ（２）を有する色フィルタを、レン
ズ面を表に向けてＭＯ８形固体撮像素子のフォトダイオ
ード（１）列に一致するように貼シ付けしていわゆる貼
シ合せ形カラー固体撮像素子を形成した。そして各々の
フォトダイオード（１）よシ得られる光入力信号はマイ
クロレンズ（２）を設置しない場合に比べ、約２０％程
度向上し、かっ色再現性や画質はマイクロレンズＱ）の
設置前に比べて優れたものであった。

なお、前記実施例においては、ＭＯ８形固体撮像素子に
限って説明したが、この発明によるマイクロレンズａ＞
は前述の如く、他の方式の固体撮像素子にも適用可能で
ある。すなわち、この発明によるマイクロレンズ（２）
はいわゆる二次元のカラー固体撮像素子のみに限らず、
モノクロの固体撮像素子やさらには一次元の固体撮像素
子等にも設置可能である。またＭＯＳ形の固体撮像素子
の他、ＣＯＤ、ＣＰＤ、ＢＢＤ（Ｂｕｃｋｅｔ　Ｂｒｉ
ｇａｄｅ　Ｄｅｖｉｃｅ）お喧ＣＩＤ（Ｃｈａｒｇｅ　
Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ）形等の固体撮像素
子や赤外線固体撮像素子等にも適用できて前述と同等の
効果が得られる。

〔発明の効果〕

１　以上のように固体撮像素子中の各々のフォトダイオ
ード上に無機もしくは有機材料からなる微小な凸形集光
レンズ（マイクロレンズ）をそれぞれ設けることによっ
て、開口率を増大したものと同等の効果、すなわちフォ
トダイオードに対する光入力信号を増大させる効果を、
固体撮像素子の構成寸法を変えることなく、実現でき感
度および色再現性を向上させる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）・〜（Ｃ）はこの発明による固体撮像素子
の一例を示す要部平面図、第２図（＆）〜（Ｃ）は第１
図の要部断面図、第３図（ａ）　、　（ｂ）はこの発明
による固体撮像素子の他の実施例を示す要部断面図であ
る。（１）・・・・フォトダイオード、（２）・・・・マイ
クロレンズ、（３）・・ｅ１１シリコン基板、＜４）−
・・・パッシベーション膜、（５）・・・・中間膜。代理人　　　葛　野　信　− 手続補正書（自発）特許庁長官殿１、事件の表示　　　　特願昭　５７−２０１２９７号
２、発明の名称固体撮像素子３、補正をする者事件との関係　　　特許出願人住　所　　　　　東京都千代田区丸の内二丁［１２番３
号名　称（６０１）　　　三菱電機株式会社代表者片由
仁八部４、代理人住　所　　　　　東京都千代田区丸の内二Ｊ十１２番３
翼・５、補正の対象明細書の発明の詳細な説明の欄６、補正の内容（１）明細書第２頁第１５行目の［ＣＣＤ　（Ｃｈａｒ
ｇｅＣｏｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　）　Ｊを［ＣＣＤ　
（Ｃｈａｒｇｅ　ＣｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ　）　Ｊと
補正する。（２）同書第５頁第８行目の「光学的透明な」を「光学
的に透明な」と補正する。以　　上

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板の表面に複数のフォトダイオードを設
けてなる固体撮像素子において、前記各フォトダイオー
ド上に微小な凸形集光レンズを設けたことを特徴とする
固体撮像素子。
（２）前記凸形集光レンズを、光学的に透明な無機材料
もしくは有機材料で形成したことを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の固体撮像素子。
（３）前記凸形集光レンズを、フォトダイオード上にガ
ラス板を介して設けたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の固体撮像素子。
（４）前記凸形集光レンズを、フォトダイオード上に設
けられたフィルタの一部に形成したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の固体撮像素子。
（５）前記凸形集光レンズを、フォトダイオード上に直
接的に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
たは第２項記載の固体撮像素子。