JP2008103628A

JP2008103628A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2008103628A
Application number: JP2006286492A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Yamazaki; 秀敏山崎
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】周辺減光の抑制と光電変換効率の低下に対応することができる新たな技法を提供すること。
【解決手段】２次元アレイ配列された単位セルのカラーフィルタ３とマイクロレンズ４の間に光路屈折素子５を設け、マイクロレンズ１の光軸方向を当該各マイクロレンズ毎に撮像レンズの主点方向に向けて傾け、光路屈折素子５により撮像レンズからの光路Ｌ１を光路屈折素子５により光電変換部１に向かう光路Ｌ２に屈折させ、周辺減光を抑えるようにした固体撮像素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトダイオードなどの光電変換部により得られた信号電荷を増幅して取り出す固体撮像素子に係り、特に光電変換部にマイクロレンズを備えた固体撮像素子に関する。

ビデオカメラなど、被写体の像をレンズにより固体撮像素子に結像させる方式の撮像装置においては、周知のように、固体撮像素子の中央部近傍にある画素と周辺部近傍の画素とで入射光量に差が生じ、固体撮像素子の中央部にある画素では光量が多く、周辺部にある画素では光量が少なくなり、このため、固体撮像素子の中央部と周辺部で感度が異なってしまうことになる。そして、このことは、光電変換部により得られた信号電荷を増幅して取り出すＣＭＯＳセンサにおいて特に著しい。

そこで、この問題を解決するため、従来から、色フィルタ部にあるマイクロレンズの位置をフォトダイオードの中心から水平方向に少しづつずらしてゆくスケーリング技法を適用し、これに併せて周辺部の開口率を上げることにより、固体撮像素子周辺部における感度が固体撮像素子中央部における感度よりも低下する現象、つまり周辺減光を補正するようにしていた。

しかも、この従来技術では、開口を規定する金属膜とフォトダイオード間の段差を考慮し、金属膜の開口位置もフォトダイオードの中心からずらす点について提案している(例えば、特許文献１参照。)。
特開２０００−１５０８４９号公報

上記従来技術は、光電変換面の配線による遮光、いわゆるケラレが発生し易い点について充分な配慮がされているとはいえず、周辺減光の抑制と光電変換効率の低下に問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、周辺減光の抑制と光電変換効率の低下に対応することができる新たな技法を提供することにある。

上記目的は、光電変換部と信号走査回路部が各々含まれた複数の単位セルを当該各セルから信号を読み出す信号線と共に半導体基板上に２次元アレイ状に配置し、前記各セル毎にマイクロレンズを備えた固体撮像素子において、前記各マイクロレンズの光軸方向を当該各マイクロレンズ毎に撮像レンズの主点方向に向けて傾ける光路屈折素子が設けられていることにより達成される。

また、上記目的は、光電変換部と信号走査回路部が各々含まれた複数の単位セルを当該各セルから信号を読み出す信号線と共に半導体基板上に２次元アレイ状に配置し、前記各セル毎にマイクロレンズを備えた固体撮像素子において、前記各マイクロレンズの光軸方向を当該各マイクロレンズ毎に撮像レンズの主点方向に向けて傾ける光路屈折素子が設けられ、このとき前記単位セルが、前記半導体基板上において、前記撮像レンズの光軸から離れるにしたがって当該光軸と平行な方向にずらされて配置され、前記各マイクロレンズと前記光電変換部の間の距離が各単位セルで同じにされていることによっても達成される。

同じく、上記目的は、光電変換部と信号走査回路部が各々含まれた複数の単位セルを当該各セルから信号を読み出す信号線と共に半導体基板上に２次元アレイ状に配置し、前記各セル毎にマイクロレンズを備えた固体撮像素子において、前記各マイクロレンズの光軸方向を当該各マイクロレンズ毎に撮像レンズの主点方向に向けて傾ける光路屈折素子が設けられ、このとき前記マイクロレンズと前記光路屈折素子が、前記単位セルにおいて、前記撮像レンズの光軸から離れるにしたがって当該光軸と平行な方向にずらされて配置され、前記光電変換部の位置が各単位セルで同じにされていることによっても達成される。

同じく、上記目的は、光電変換部と信号走査回路部が各々含まれた複数の単位セルを当該各セルから信号を読み出す信号線と共に半導体基板上に２次元アレイ状に配置し、前記各セル毎にマイクロレンズを備えた固体撮像素子において、前記各マイクロレンズの光軸方向を当該各マイクロレンズ毎に撮像レンズの主点方向に向けて傾ける光路屈折素子が設けられ、このとき前記光路屈折素子が、前記複数の単位セルの中で同じカラー撮像画素に属する単位セル毎に屈折特性が変えられ、当該屈折特性の違いにより、前記同じカラー撮像画素に属する単位セル間での色分解が与えられるようにしても達成される。

本発明によれば、全ての光電変換部が一様な光照射を受けることができるようになり、従って、周辺部減光の無い固体撮像素子を作ることができる。

また、本発明によれば、カラーフィルタを用いなくても色分解ができるようになり、従って、カラーフィルタの無い固体撮像素子によりカラー画像を得ることができる。

以下、本発明による固体撮像素子について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

まず、図１は、本発明の第１の実施形態で、これは、図示のように、光電変換部１と遮光膜２、カラーフィルタ３、それにマイクロレンズ４を単位セルとして半導体基板上に複数個、２次元アレイ状に配置したものである。このとき、カラー撮像対応が一般的であることから、図示のように、３個の単位セルを群としてカラー撮像画素を構成し、それぞれのカラーフィルタ３については、各々Ｒ(赤色フィルタ)、Ｇ(緑色フィルタ)、Ｂ(青色フィルタ)にしてある。

ここで、まず、光電変換部１はフォトダイオードで構成され、図示してない撮像レンズから各単位セルに入射されてくる光を電荷に変換する働きをし、遮光膜２は所定の大きさの開口を備え、これにより光電変換部１に入射される光の範囲を限定する働きをする。ここで、この遮光膜２は、光電変換部１に対する配線、例えばアルミニウム配線により構成されている。換言すると、この実施形態においては、配線が遮光膜２として利用されていることになる。このときマイクロレンズ４は、撮像レンズから各単位セルに入射されて来る光を光電変換部１に収束させ、効率的な光電変換が得られるように働く。

そして、この図１の実施形態において、カラーフィルタ３とマイクロレンズ４の間に設けられてるのが光路屈折素子５で、これは、図示してない撮像レンズの主点から各単位セルに向けて入射されてくる光の方向を、各単位セルの光電変換部１に略垂直に到達するように変換する働きをするものであり、このため、図示のように、一種のプリズムとして作られている。しかも、この光路屈折素子５のプリズムとしての形状は、厳密にいえば、２次元アレイ状に配置されている単位セルの夫々毎に異なっているものである。

詳しく説明すると、固体撮像素子として２次元アレイ状に配置されている単位セルの中で、まず、撮像レンズの光軸上に位置するセルでは、光路屈折素子５の厚みがゼロにされ、光軸上から離れるに従って傾斜面の角度が大きくなっているプリズム形にされている。従って、この光路屈折素子５は、各マイクロレンズ４の光軸方向を当該各マイクロレンズ毎に撮像レンズの主点方向に向けて傾ける働きをするものであり、この結果、撮像レンズから各単位セルに入射する部分の光路Ｌ1 に対して各単位セル内では、マイクロレンズ４と光路屈折素子５を通過したことにより、光路Ｌ2 で示すように方向が変えられ、各々の光電変換部１の中心に入射されるようになる。

そこで、この結果、各単位セル内での光路Ｌ1 は、各々の単位セルの位置にかかわらず、常に遮光膜２の中心範囲を通り、何ら遮光されることなく各々の光電変換部１に入射されることになり、従って、この実施形態によれば、複数の単位セルの全てにおいて、撮像レンズの光軸上に位置する単位セルと同一の入射光量を与えることができ、この結果、周辺減光が無く、光電変換効率のよい固体撮像素子を提供することができる。

ところで、本発明は、上記した実施形態だけではなく、他にも別の態様により実施できる。そこで、以下、本発明の他の実施形態について説明すると、まず、図２は本発明の第２の実施形態で、この場合も、光電変換部１と遮光膜２、カラーフィルタ３、それにマイクロレンズ４を単位セルとして半導体基板上に複数個、２次元アレイ状に配置されていて、このときカラーフィルタ３とマイクロレンズ４の間に光路屈折素子５を備えている点も、図１で説明した第１の実施形態と同じである。

しかして、この図２の実施形態が、図１で説明した第１の実施形態と異なる点は、単位セルが、半導体基板上において、撮像レンズの光軸から離れるにしたがって当該光軸と平行な方向にずらされて配置され、各マイクロレンズ４と光電変換部１の間の距離が各単位セルで同じにされている点にある。そして、これにより、この実施形態によれば、図示のように、光路屈折素子５を備えているにもかかわらず、隣接する単位セル間でマイクロレンズ４の端部が揃った状態にすることができるようになっているものである。

ここで、図１の第１の実施形態においては、図示のように、隣接する単位セルでは、撮像レンズの光軸から遠い方のマイクロレンズ４の端部が、光軸に近い方のマイクロレンズ４により遮られ、光路Ｌ1 の一部がケラれてしまう虞がある。しかしながら、この図２の実施形態では、このような虞がなくなるので、より一層、周辺減光が抑えられ、更に光電変換効率のよい固体撮像素子を提供することができる。

次に、図３は、本発明の第３の実施形態で、これは、図２の第２の実施形態において、各単位セル毎に光電変換部１からカラーフィルタ３までの距離を変え、隣接する単位セル間でマイクロレンズ４の端部が揃った状態にした上で、各単位セル間での光電変換部１の位置が揃った状態にしたものであり、この結果、マイクロレンズ４と光路屈折素子５が、各単位セルにおいて、撮像レンズの光軸から離れるにしたがって当該光軸と平行な方向にずらされて配置され、光電変換部１の位置が各単位セルで同じにされていることになる。

従って、この第３の実施形態の場合、厳密にいえば、マイクロレンズ４の焦点距離を撮像レンズの光軸から離れるにしたがって各単位セル毎に変える必要があるが、図２の第２の実施形態の場合と同じく、光路Ｌ1 の一部がケラれてしまう虞が無くなるので、周辺減光が抑えられ、更に光電変換効率のよい固体撮像素子を提供することができる。

ところで、光学材料の屈折率は光の波長(又は光波動の振動数)に依存する。これは、分散現象として周知の事項で、特にプリズムの場合、例えば分光器に利用されていることから明らかなように、この分散現象が顕著に現われ、波長が短いほど、つまり振動数が多いほど屈折率が大きくなる。そこで、次に、この分散現象を利用し、カラーフィルタを用いないでカラー撮像に必要な色分解が得られるようにした実施形態について、図４により、本発明の第４の実施形態として説明する。

まず、この図４の実施形態の場合、その単位セルの構成は、図１の第１の実施形態において、カラーフィルタ３を除いたものに相当している。つまり、各単位セルは、半導体基板上に光電変換部１と遮光膜２、マイクロレンズ４、それに光路屈折素子５だけで構成され、ここにはカラーフィルタは存在していない。しかして、その代りに、図には明確に表されていないが、同じカラー撮像画素に属する単位セルＲ(赤色)、Ｇ(緑色)、Ｂ(青色)毎に、光路屈折素子５のプリズム角度が変えられている。

すなわち、まず、単位セルＲでは角度大、次に単位セルＧでは角度中、そして単位セルＢでは角度小にしてある。ここで、既に説明したように、屈折率は、波長が短い(又は振動数が多い)ほど大きくなる。従って、Ｒ(赤色光)からＧ(緑色光)、更にＢ(青色光)になるにつれて屈折率が大きくなり、光路が折り曲げられる角度は順次、大になってゆく。

そこで、図４に示されているように、まず、単位セルＲでは光路屈折素子５のプリズム角度を一番大きくして、一番、屈折し難いＲ(赤色光)だけが丁度、光電変換部１に入射され、他のＧ(緑色光)とＢ(青色光)は大きく屈折されて光電変換部１から外されてしまうようにする。次に、単位セルＧでは光路屈折素子５のプリズム角度を中くらいにし、これによりＧ(緑色光)だけが丁度、光電変換部１に入射されるように調整し、更に単位セルＢでは光路屈折素子５のプリズム角度を更に小さくし、今度はＢ(青色光)だけが丁度、光電変換部１に入射されるように調整するのである。

そうすると、単位セルＲの光電変換素部１からはＲ(赤色光)による映像信号が、単位セルＧの光電変換素部１からはＧ(緑色光)による映像信号が、そして単位セルＢの光電変換素部１からはＢ(青色光)による映像信号が、夫々得られることになり、この結果、この図４の実施形態によれば、同じカラー撮像画素に属する単位セル間での色分解が、カラーフィルタ無しで与えられることになる。

このとき、この図４の第４の実施形態において、カラーフィルタを併用することにより、より一層、色選別性能の向上を図ることもできる。

本発明に係る固体撮像素子の第１の実施形態を示す拡大断面図である。本発明に係る固体撮像素子の第２の実施形態を示す拡大断面図である。本発明に係る固体撮像素子の第３の実施形態を示す拡大断面図である。本発明に係る固体撮像素子の第４の実施形態を示す拡大断面図である。

符号の説明

１：光電変換部(フォトダイオード)
２：遮光膜(配線)
３：カラーフィルタ
４：マイクロレンズ
５：光路屈折素子
Ｌ1：撮像レンズから各単位セルに入射する光路
Ｌ2：各単位セル内での光路
ＬR：各単位セル内での赤色光の光路
ＬG：各単位セル内での緑色光の光路
ＬB：各単位セル内での青色光の光路

Claims

光電変換部と信号走査回路部が各々含まれた複数の単位セルを当該各セルから信号を読み出す信号線と共に半導体基板上に２次元アレイ状に配置し、前記各セル毎にマイクロレンズを備えた固体撮像素子において、
前記各マイクロレンズの光軸方向を当該各マイクロレンズ毎に撮像レンズの主点方向に向けて傾ける光路屈折素子が設けられていることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記単位セルが、前記半導体基板上において、前記撮像レンズの光軸から離れるにしたがって当該光軸と平行な方向にずらされて配置され、前記各マイクロレンズと前記光電変換部の間の距離が各単位セルで同じにされていることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記マイクロレンズと前記光路屈折素子が、前記単位セルにおいて、前記撮像レンズの光軸から離れるにしたがって当該光軸と平行な方向にずらされて配置され、前記光電変換部の位置が各単位セルで同じにされていることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記光路屈折素子が、前記複数の単位セルの中で同じカラー撮像画素に属する単位セル毎に屈折特性が変えられ、当該屈折特性の違いにより、前記同じカラー撮像画素に属する単位セル間での色分解が与えられることを特徴とする固体撮像素子。