JP2004311594A

JP2004311594A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2004311594A
Application number: JP2003100750A
Authority: JP
Inventors: Taichi Natori; 太知名取
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: US6970293B2; CN100356573C; KR20040088400A; CN1551364A; JP4075669B2; US20040196563A1; KR101038596B1

Abstract

【課題】固体撮像素子において、撮像領域周辺の感度低下（テーディング）の改善を図る。
【解決手段】撮像領域４２の各センサ部２３に対応したオンチップマイクロレンズ２８を有し、オンチップマイクロレンズ２８に施された射出瞳補正の縮小倍率中心が撮像領域４２の中心からずれた位置Ｏに設定して成る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像カメラにおいては、固体撮像素子が広く使用されている。撮像カメラ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。撮像カメラでは、レンズ焦点から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、光学系の中心から周辺へと遠ざかるに従って固体撮像素子に入射する主光線が傾き、入射角度が大きくなる。
【０００３】
図９は、ＣＣＤ固体撮像素子の一例を示す。このＣＣＤ固体撮像素子１は、シリコン半導体基板１の撮像領域にフォトダイオードによる複数のセンサ部２がマトリックス状に配列形成され、各センサ部列にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３が形成されて成る。垂直転送レジスタ３は、転送チャネル４上にゲート絶縁膜５を介して転送方向に複数の転送電極６を配列して形成される。垂直転送レジスタ３上にはこれを被覆するように絶縁膜８を介して遮光膜９が形成される。この遮光膜９にはセンサ部２が望む開口７が形成される。また、屈折率の異なるリフロー膜（絶縁膜）１０と平坦化膜（絶縁膜）１１により各センサ部２に対応する層内レンズ（この例では凹レンズ）１２が形成される。さらに、層内レンズ１２上にカラーフィルタ１３及び平坦化膜１４を介して各センサ部２に対応するオンチップマイクロレンズ１５が形成される。
【０００４】
このような構成の固体撮像素子１においては、センサ部２とオンチップマイクロレンズ１５の配列ピッチが等しい場合、すなわちセンサ部２の直上にオンチップマイクロレンズ１５が存在する場合、撮像領域の周辺（図９参照）ではオンチップマイクロレンズ１５に入射した光Ｌがセンサ部２の中心に集光せず、センサ部２に隣接して形成されている遮光膜９に蹴られ感度低下を引き起こす。これはシェーディングと呼ばれる画面の感度むらの原因となるものである。
【０００５】
このシェーディングを補正する技術としては、特許文献１に開示されているような、センサ部２の配列ピッチよりもオンチップマイクロレンズ１５の配列ピッチを小さくする方法が一般的に用いられている。具体的には、図１０に示すように、オンチップマイクロレンズ１５の配列ピッチを固体撮像素子の光学中心（図１０では撮像領域１７の中心）を中心として縮小倍率をかけることによって実現している。この場合の縮小倍率は、オンチップマイクロレンズの配列ピッチが撮像領域の全域にわたって等倍率で縮小される。これにより射出瞳補正を行い、図１１に示すように、撮像領域周辺においてもオンチップマイクロレンズ１５に入射した光Ｌをセンサ部２に集光させている。
【０００６】
また、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素子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。そのため、周辺画素への光の入射角度は更に大きくなり、オンチップマイクロレンズの射出瞳補正技術が益々重要になってきている。
【０００７】
近年、固体撮像素子として従来から用いられてきたＣＣＤイメージセンサに加え、“蓄積されたＭＯＳ構造の製造技術を用いることが出来る”“低消費電力である”、などの理由によりＣＭＯＳイメージセンサが、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、モバイル機器に搭載されるようになってきた。このＣＭＯＳイメージセンサは、各画素に数個のトランジスタを有することもあり、画素内を立体的にアルミニウムなどの配線層を配置する必要がある。ＣＭＯＳイメージセンサでは、このように２層以上の配線が存在するため、混色等を防止するための画素間の遮光を最上層の配線で行うのが一般的である。また、画素毎に電荷を読み出すために、信号線である読み出しゲートを各画素内に配置する必要がある。
【０００８】
図４はＣＭＯＳイメージセンサの撮像領域の概略構成を示す。ＣＭＯＳイメージセンサ２１は、半導体基板２２上にマトリックス状にフォトダイオードによる複数のセンサ部２３が形成され、このセンサ部２３と複数のＭＯＳトランジスタで１画素が形成され、層間絶縁膜２４を介して複数層の配線層間絶縁膜２５、本例では第１層、第２層及び第３層の配線層２５１、２５２及び２５３が形成され、更に平坦化層２６を介してカラーフィルタ２７及びその上に角センサ部２３に対応したオンチップマイクロレンズ２８が形成されてなる撮像領域を備えて構成される。このＣＭＯＳイメージセンサ２１では、例えば、垂直信号線が第１層目の配線層２５１に、水平リッセト線、垂直読み出し線及び垂直選択線が第２層目の配線層２５２に、電源線が第３層目の配線層２５３に相当する。このＣＭＯＳイメージセンサ２１においても、図１０に示すと同様にオンチップマイクロレンズ２８の射出瞳補正が施される。
【０００９】
ここで、読み出しゲート及び配線層の配置によっては、センサ部の形状、遮光膜の開口形状それぞれが垂直方向または水平方向に対称ではなくなる。この場合、従来通りにオンチップマイクロレンズの射出瞳補正を行うと、撮像素子の光学中心からの距離に対して一定の補正がかかるため、センサ部形状や遮光膜開口形状に起因して感度が特に低下する場所が存在してしまう。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１ー２１３０７９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば遮光膜開口３１が最上層の配線層２５３ａで形成されており、図５のような四角形状の左下コーナ部が斜めに遮蔽された形状のセンサ部２３を有したＣＭＯＳイメージセンサの場合、撮像領域（画面）３１（図６参照）上の左上下コーナの場所「２」「３」及び右下コーナの場所「４」に最適な出射瞳補正を行ったときの各場所の感度は、図５に示すようになる。すなわち、画面３１の右上コーナの場所「１」の感度の低下が著しい。
【００１２】
場所「１」では、遮光膜開口の斜めに遮光された方向から光Ｌ１が入射してくるため、オンチップマイクロレンズ２８の射出瞳補正を行うことにより図５の太斜線部分で示される斜め遮光部分３２によって蹴られ光が更に増加してしまう。逆に、場所「１」にてオンチップマイクロレンズ１５の射出瞳補正量を最適化した場合は、場所「２」「３」「４」の感度低下が著しいことは容易に想像できることである。モバイル機器などの射出瞳距離が短い光学系に搭載する場合にはこの現象がより顕著に現れてくるため、問題は深刻である。
【００１３】
もう一つの例では、図７に示すように、左下コーナ側が斜め・垂直に遮光された形状のセンサ部２３を有したＣＭＯＳイメージセンサ場合、撮像領域（画面）３１（図８参照）上の右上下コーナの場所「１」「４」及び左上下コーナの場所「２」に最適な出射瞳補正を行ったときの各場所の感度は、図８に示すようになる。すなわち、画面３１の場所「３」の感度の低下が著しい。
【００１４】
場所「３」では、図７のセンサ部２３として機能しない部分３２に集光位置がずれているので、蹴られる光が発生してしまう。逆に、場所「３」にてオンチップマイクロレンズ２８の射出瞳補正量を最適化した場合は、場所「１」「２」「４」の感度低下が著しくなることは容易に想像できることである。
【００１５】
このようなシェーディングは、従来のオンチップマイクロレンズの射出瞳補正ではもはや補正できず、画面内で著しく暗い場所が存在してしまうことになる。また、画面中心からの距離に対してシェーディング量が一定でないため、画面周辺を電気的に明るくしてシェーディング補正を行うなどのオンチップマイクロレンズの射出瞳補正以外のシェーディング補正技術の適用も困難である。
【００１６】
上述したように、非対称なセンサ部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、画面中心からの距離に対するシェーディング量を均一にすると共に、結果として感度むらの低減、その感度を向上させた固体撮像素子を提供するための技術が望まれている。
【００１７】
本発明は、上述の点に鑑み、撮像領域周辺の感度低下（テーディング）の改善を図った固体撮像素子を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像素子は、撮像領域の各センサ部に対応してオンチップマイクロレンズを有し、オンチップマイクロレンズに施された射出瞳補正の縮小倍率中心が撮像領域の中心からずれた位置に設定した構成とする。
【００１９】
本発明の固体撮像素子では、オンチップマイクロレンズに施された射出瞳補正の縮小倍率中心が撮像領域の中心からずれた位置に設定されるので、非対称形状のセンサ部、遮光膜開口を有する固体撮像素子において、画面中心からの距離に対するシェーディング量が均一になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
本実施の形態に係る固体撮像素子は、複数のセンサ部がマトリックス状に配列され、少なくとも各センサ部に対応してオンチップマイクロレンズを配列してなる撮像領域を有し、オンチップマイクロレンズに施された射出瞳補正の縮小倍率中心を撮像領域の中心からずれた位置に設定して構成される。オンチップマイクロレンズの縮小倍率は、縮小倍率中心からの距離に対して一定にし、即ちオンチップマイクロレンズの配列ピッチが撮像領域の全域で一定にし、または縮小倍率中心からの距離に対して変化、即ちオンチップマイクロレンズの配列ピッチが距離の応じて異なるように設定させることができる。オンチップマイクロレンズの縮小倍率を、縮小倍率中心からの距離に対して変化させる場合は、この距離に応じて連続的にまたは段階的に変化させることができる。
【００２２】
つまり、本実施の形態においては、オンチップマイクロレンズのずらし量を、撮像領域の中心からの距離に対して画素の位置（従って、センサ部の位置）によって最適なずらし量に設定される。本実施の形態では、センサ部あるいは遮光膜開口が非対称形状のときに適する。なお、対称形状のセンサ部あるいは遮光膜開口を有する場合にも、適用可能である。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像素子４１は、ＣＭＯＳイメージセンサに適用した場合であり、最上層の配線層及び他の配線層により、前述の図５に示すと同様に四角形状の左下コーナ部が斜めに遮蔽された非対称形状のセンサ部２３を有して成る。左下コーナ部が遮光された部分（例えば図５の部分３２）での入射光Ｌ１の蹴られを少なくするためには、撮像領域（画素領域）右上コーナの場所「１」の画素に対応するオンチップマイクロレンズの射出瞳補正量を、撮像領域右下コーナ、撮像領域左上コーナ及び左下コーナの場所「４」、「２」「３」の画素に対応したオンチップマイクロレンズの射出瞳補正量と比較して小さくする必要がある。
【００２４】
本実施の形態においては、図１に示すように、オンチップマイクロレンズ２８に対して撮像領域４２の光学中心よりも撮像領域４２の右上を中心Ｏとして縮小倍率を施す。即ち、センサ部２３の中心とオンチップマイクロレンズ２８の中心とが一致する位置が右上の中心Ｏとなる。本例では、この中心Ｏに向って垂直方向及び水平方向のオンチップマイクロレンズ２８の配列ピッチを等ピッチで縮小する。
【００２５】
本実施の形態においては、図１に示すように、撮像領域４２の左上コーナ、左下コーナ及び右下コーナの場所「２」「３」「４」と比較して少ない量の射出瞳補正を右上コーナの場所「１」に対して行うことができる。ここで、どの程度に縮小倍率補正中心をずらすかは、例えば各場所に対して光学シミュレーションを行った結果を基に決定することができる。
【００２６】
ここで、具体的に、対角５ｍｍ、縦横比３：４の撮像領域を有するＣＭＯＳイメージセンサを、射出瞳距離６ｍｍ、Ｆ値２．８の光学系を有するレンズと組み合わせた場合を考える。遮光膜開口形状は前述の図５と同様であり、遮光膜はセンサ部から６μｍの位置に存在するものとする。
【００２７】
この系において、従来のオンチップマイクロレンズの射出瞳補正を場所「３」において最適化した場合、各場所「１」「２」「３」「４」の感度は図２に示す破線ａのようになる。これに対して、図１の本実施の形態を適用した場合の各場所「１」「２」「３」「４」の感度は、図２に示す実線ｂのようになる。即ち、撮像領域の周辺に感度は略一様になる。ここで、縮小倍率補正は、撮像領域中心から横０．１８ｍｍ、縦０．１４ｍｍずらしたところを中心としてかけている。
【００２８】
本実施の形態の他の例を示す。前述の図７に示すと同様の非対称形状のセンサ部を有するＣＭＯＳイメージセンサを考える。この場合は、斜めに遮光された部分（図９の部分３２）での入射光の蹴られを少なくするためには、場所「３」の左下コーナのオンチップマイクロレンズの射出瞳補正量を場所「１」「２」「４」と比較して少なくする必要がある。そこで、図示せざるもオンチップマイクロレンズに対して撮像領域の光学中心よりも左下を中心として縮小倍率を施す。即ち、センサ部の中心とオンチップマイクロレンズの中心とが一致する位置が撮像領域の左下の中心Ｏとなる。本例では、この中心Ｏに向って垂直方向及び水平方向のオンチップマイクロレンズの配列ピッチを等ピッチで縮小する。
【００２９】
本実施の形態においては、場所「１」「２」「４」と比較して少ない量の射出瞳補正を場所「３」に対して行うことができる。この場合も、どの程度に縮小倍率補正中心をずらすかは、例えば各場所に対して光学シミュレーションを行った結果を基に決定することができる。
【００３０】
ここで、上例と同様に、対角５ｍｍ、縦横比３：４の撮像領域を有するＣＭＯＳイメージセンサを出射瞳距離６ｍｍ、Ｆ値２．８の光学系を有するレンズと組み合わせた例を考える。遮光膜開口形状は図７と同じであり、遮光膜はセンサ部から６μｍの位置に存在するものとする。
【００３１】
この系において、従来のオンチップマイクロレンズの出射瞳補正を場所「３」において最適化した場合、各場所「１」「２」「３」「４」における感度は図３に示す破線ｃのようになる。これに対して、本実施の形態を適用した場合の各場所「１」「２」「３」「４」の感度は、図３の実線ｄのようになる。即ち、撮像領域の周辺に感度は略一様になる。ここで、縮小倍率補正は、撮像領域中心から横−０．２６ｍｍ、縦−０．２ｍｍずらしたところを中心としてかけている。
【００３２】
上述した実施の形態に係る固体撮像素子によれば、オンチップマイクロレンズの射出瞳補正を行う際の縮小倍率補正の中心を、撮像領域の光学中心からずらした位置に設定することにより、非対称形状のセンサ部あるいは、遮光膜開口を有する固体撮像素子において、画面中心からの距離に対するシェーディング量を均一にすることがでくる。その結果、感度むらを低減し、その感度を向上することができる。このように、画面中で特定のコーナが暗いなどの不均一なシェーディング特性がなくなる。これにより、電気的に画面周囲の信号レベルを上げる等のシェーディング補正がし易くなる。
【００３３】
オンチップマイクロレンズの形成は、一般的にフォトリソグラフィの手法を用いて感光性樹脂を露光、現像、熱リフローすることにより実現される。オンチップマイクロレンズの配置は、オンチップマイクロレンズパターンを形成するための露光時に決定されるため、本発明の実施は、予め撮像領域の光学中心からずらした位置を中心として縮小倍率をかけたマスクを準備することにより行うことができる。
【００３４】
上例では、ＣＭＯＳイメージセンサへの適用について説明したが、その他、ＣＣＤイメージセンサやその他のイメージセンサへも同様に適用可能であり、その用途を制限するものではない。
【００３５】
本発明は、上述の固体撮像素子を搭載することにより、シェーディングを改善した高品質の、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどの撮像カメラ、あるいは携帯電話や個人情報携帯端末等のモバイル機器を構成することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明に係る固体撮像素子によれば、オンチップマイクロレンズの射出瞳補正を行う際の縮小倍率補正の中心を、撮像領域の光学中心からずらした位置に設定することにより、画面中心からの距離に対するシェーディング量を均一にすることがでくる。その結果、感度むらを低減し、その感度を向上することができる。本発明は、特に、非対称形状のセンサ部あるいは、遮光膜開口を有する固体撮像素子に適用して好適である。
【００３７】
縮小倍率中心からの距離に対して、オンチップマイクロレンズの縮小倍率を一定とするときは、製造を容易にする。縮小倍率中心からの距離に対して、オンチップマイクロレンズの縮小倍率を変化するときは、より射出瞳補正を良好にする。
縮小倍率中心からの距離に対して、オンチップマイクロレンズの縮小倍率を連続的または段階的に変化するときも、より射出瞳補正を良好にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態を示す撮像領域の概略構成図である。
【図２】本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態の撮像領域の各位置と相対感度の関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る他の実施の形態の撮像領域の各位置と相対感度の関係を示すグラフである。
【図４】ＣＭＯＳイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図５】ＣＭＯＳイメージセンサの遮光膜開口形状の一例を示す要部の拡大平面図である。
【図６】図５のＣＭＯＳイメージセンサにおける撮像領域の各位置と相対感度の関係を示すグラフである。
【図７】ＣＭＯＳイメージセンサの遮光膜開口形状の他の例を示す要部の拡大平面図である。
【図８】図７のＣＭＯＳイメージセンサにおける撮像領域の各位置と相対感度の関係を示すグラフである。
【図９】ＣＣＤイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図１０】ＣＣＤイメージセンサの撮像領域の概略構成図である。
【図１１】射出瞳補正が施されたＣＣＤイメージセンサの周辺での断面図である。
【符号の説明】
１・・・ＣＣＤイメージセンサ、２・・・センサ部、３・・・垂直転送レジスタ、７・・・遮光膜開口、９・・・遮光膜、１２・・・層内レンズ、１３・・・カラーフィルタ、１４・・・平坦化膜、１５・・・オンチップマイクロレンズ、１７・・・撮像領域、２１・・・ＣＭＯＳイメージセンサ、２２・・・半導体基板、２３・・・センサ部、２５〔２５１、２５２、２５３〕・・・配線層、２７・・・カラーフィルタ、２８・・・オンチップマイクロレンズ、４１・・・固体撮像素子、４２・・・撮像領域

Claims

撮像領域の各センサ部に対応したオンチップマイクロレンズを有し、
前記オンチップマイクロレンズに施された射出瞳補正の縮小倍率中心が、前記撮像領域の中心からずれた位置に設定して成る
ことを特徴とする固体撮像素子。
前記センサ部、あるいは遮光膜開口が非対称形状である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記縮小倍率中心からの距離に対して、前記オンチップマイクロレンズの縮小倍率が一定または変化して成る
ことを特徴とする請求１記載の固体撮像素子。
前記縮小倍率中心からの距離に対して、前記オンチップマイクロレンズの縮小倍率が連続的または段階的に変化して成る
請求項１記載の固体撮像素子。