(57)【要約】【課題】固体撮像装置を低コストで製造し、しかも、高感度画素と低感度画素に入射光を効率的に分配する。【解決手段】入射光量に応じた電荷を蓄積する光電変換素子１２Ｈ，１２Ｌが縦横に配列形成された半導体基板１０の表面にマイクロレンズ層１６が積層される固体撮像装置１０において、マイクロレンズ層１６に設けるマイクロレンズ１６Ｈを光電変換素子のうち高感度画素として用いる光電変換素子１２Ｈにだけ設け、残りの低感度画素として用いる光電変換素子１２Ｌに対面する位置のマイクロレンズ層１６を平面構成１６Ｌまたは穴あき構成１６Ｌとする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じた電荷を蓄積する光電変換素子が縦横に配列形成された半導体基板の表面側にマイクロレンズ層が積層される固体撮像装置において、前記マイクロレンズ層に設けるマイクロレンズを前記光電変換素子のうち高感度画素として用いる光電変換素子にだけ設け、残りの低感度画素として用いる光電変換素子に対面する位置のマイクロレンズ層を平面構成または穴あき構成としたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記マイクロレンズ層とは別の凸レンズ層であって少なくとも前記低感度画素として用いる光電変換素子への入射光を該光電変換素子に集光する凸レンズが設けられた凸レンズ層が前記マイクロレンズ層と前記半導体基板との間に介挿される構成を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記凸レンズ層の前記凸レンズが前記半導体基板側に凸に設けられることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記凸レンズ層の前記凸レンズが入射光側に凸に設けられることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
請求項３記載の凸レンズ層と請求項４記載の凸レンズ層とが前記マイクロレンズ層と前記半導体基板との間に介挿される構成を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＣＣＤ等の固体撮像装置に係り、特に、高感度画素と低感度画素を配列し広いダイナミックレンジを持たせた固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ等の固体撮像装置には、入射光量に応じて電荷を蓄積する微小なフォトダイオード等の光電変換素子（以下、フォトダイオードという。）が縦横に多数配列して設けられ、各フォトダイオードの蓄積電荷を読み出すことで、固体撮像装置の表面に結像した光の像を電気信号で再生する様になっている。
【０００３】
しかし、固体撮像装置の各画素を構成するフォトダイオードには飽和電荷量が存在し、一定光量以上の入射光量に応じた電荷を蓄積できず、ダイナミックレンジが狭いという問題がある。そこで、固体撮像装置に低感度な画素と高感度な画素の両方を配列し、ダイナミックレンジを広げる試みがなされている。
【０００４】
図５は、従来の固体撮像装置の断面模式図である。この図には、入射光線の屈折程度をシミュレートした結果が一緒に図示してある。シリコン基板１上には、多数の微小なフォトダイオード２Ｈ，２Ｌが交互に縦横に配列形成されており、フォトダイオード２Ｈが高感度画素として用いられ、フォトダイオード２Ｌが低感度画素として用いられる。シリコン基板１の表面には、各画素の蓄積電荷を転送する電極３と、それを覆う遮光膜４とが設けられている。
【０００５】
シリコン基板１の上部には色フィルタ層５とマイクロレンズ層６が積層されている。マイクロレンズ層６には大面積の高感度画素用マイクロレンズ６Ｈと小面積の低感度画素用マイクロレンズ６Ｌとが凸形成されており、高感度画素用マイクロレンズ６Ｈは、広い面積に入射する光をフォトダイオード２Ｈに集光し、低感度画素用マイクロレンズ６Ｌは、狭い面積に入射する光をフォトダイオード２Ｌに集光する。斯かる構成のマイクロレンズ層６は、例えば特開平１１―１７７０７３号公報に記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
固体撮像装置の画素数は近年では数百万画素に達し、固体撮像装置に搭載するマイクロレンズ層６も微細化が進んでいる。マイクロレンズ層６は一般的にフォトエッチング技術によって製造されるが、面積の異なる高感度用マイクロレンズ６Ｈと低感度用マイクロレンズ６Ｌの夫々の焦点距離を同じにするにはマイクロレンズ６Ｈ，６Ｌの厚さを変える必要がある。このため、一回のフォトエッチング工程では製造できず、多数回のフォトエッチング工程が必要となり、製造コストが上昇してしまうという問題がある。
【０００７】
このため従来は、図６に示す様に、高感度用マイクロレンズ６Ｈの厚さを低感度用マイクロレンズ６Ｌと同じ厚さで製造し、あるいは逆に、図７に示す様に、低感度用マイクロレンズ６Ｌの厚さを高感度用マイクロレンズ６Ｈと同じ厚さで製造し、マイクロレンズ層６の製造コストを削減している。
【０００８】
しかし、図６，図７に光線束をシミュレートした様に、図６では高感度用のフォトダイオード２Ｈへの集光効率が低下し、図７では低感度用のフォトダイオード２Ｌへの集光効率が低下し、固体撮像装置に入射する入射光を、高感度画素と低感度画素に効率的に分配できないという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、低コストで製造でき、しかも、高感度画素と低感度画素に入射光を効率的に分配することができる固体撮像装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、入射光量に応じた電荷を蓄積する光電変換素子が縦横に配列形成された半導体基板の表面側にマイクロレンズ層が積層される固体撮像装置において、前記マイクロレンズ層に設けるマイクロレンズを前記光電変換素子のうち高感度画素として用いる光電変換素子にだけ設け、残りの低感度画素として用いる光電変換素子に対面する位置のマイクロレンズ層を平面構成または穴あき構成としたことを特徴とする。
【００１１】
この構成により、入射光を高感度画素と低感度画素の各光電変換素子に効率的に分配でき、各光電変換素子への入射光の入射効率を向上させることができ、また、マイクロレンズ層を低コストで製造することが可能となる。
【００１２】
好適には、上記において、前記マイクロレンズ層とは別の凸レンズ層であって少なくとも前記低感度画素として用いる光電変換素子への入射光を該光電変換素子に集光する凸レンズが設けられた凸レンズ層が前記マイクロレンズ層と前記半導体基板との間に介挿される構成を特徴とする。この構成により、低感度画素として用いる光電変換素子への入射光の入射効率を更に高めることができ、しかも、低コストでマイクロレンズ層や凸レンズ層を製造可能となる。
【００１３】
更に好適には、上記において、前記凸レンズ層の前記凸レンズが前記半導体基板側に凸に設けられ、また、上記において、前記凸レンズ層の前記凸レンズが入射光側に凸に設けられ、更に、上記において、下凸レンズと上凸レンズの各凸レンズ層を積層して前記マイクロレンズ層と前記半導体基板との間に介挿される構成を特徴とする。この構成により、製造コストの安い凸レンズ層を利用することで更に固体撮像装置の製造コストの低減を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面模式図である。この図には、入射光線の屈折程度をシミュレートした結果が一緒に図示してある。固体撮像装置１０は、半導体基板１１と、この半導体基板１０に縦横に配列形成したフォトダイオード１２Ｈ，１２Ｌ（詳細な構造は図示を省略している。）と、半導体基板１１の表面に形成されフォトダイオードから読み出された蓄積電荷を転送する電極１３と、電極１３を遮光する遮光膜１４と、半導体基板１１の表面側に積層した色フィルタ層１５と、上部に積層したマイクロレンズ層１６とで構成される。
【００１６】
本実施形態に係るマイクロレンズ層１６には、フォトダイオード１２Ｈの上方位置に、大面積で集光点がフォトダイオード１２Ｈの表面位置にくる様に製造された高感度画素用マイクロレンズ１６Ｈが形成され、高感度画素用マイクロレンズ１６Ｈで囲まれる狭い平面領域１６Ｌ（図５〜図７で低感度画素用マイクロレンズ６Ｌが設けられる領域に相当）は、レンズは形成せず、平行光がそのまま透過してフォトダイオード１６Ｌ表面に達する様になっている。尚、この平面領域１６Ｌは、マイクロレンズ層１６に穴を設ける構成としてもよい。
【００１７】
斯かるマイクロレンズ層１６を搭載した固体撮像装置１０では、高感度画素用マイクロレンズ１６Ｈを通して集光された光がフォトダイオード１２Ｈに入力し、入力光量に応じた電荷が蓄積される。一方、マイクロレンズ１６Ｈで囲まれた狭い領域１６Ｌに入射した光は、そのまま真っ直ぐにフォトダイオード１２Ｌに入力し、入力光量に応じた電荷がフォトダイオード１２Ｌに蓄積される。
【００１８】
本実施形態では、フォトダイオード１２Ｌ用としてマイクロレンズを設けていないが、大面積の高感度用マイクロレンズ１６Ｈで囲まれた領域１６Ｌは狭いため、この領域１６Ｌを透過した光の大部分はフォトダイオード１２Ｌに入射され、マイクロレンズを設けて光を集光しなくても、低感度の画像用信号電荷をフォトダイオード１２Ｌに効率的に蓄積させることができる。
【００１９】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の断面模式図である。本実施形態の固体撮像装置２０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の半導体基板１１と色フィルタ層１５との間に、下凸レンズ層１７を介挿した点が異なり、他の構成は第１の実施形態と同じである。
【００２０】
この下凸レンズ層１７には、各フォトダイオード１２Ｈ，１２Ｌ方向に向く凸レンズ１７Ｈ，１７Ｌが形成されている。各凸レンズ１７Ｈ，１７Ｌの厚さは同一であり、且つ同一径であるため、下凸レンズ層１７の製造は容易である。大径のマイクロレンズ１６Ｈに比べて凸レンズ１７Ｈは小径であるが、マイクロレンズ１６Ｈで集光された光が凸レンズ１７Ｈを通るため、凸レンズ１７Ｈは小径でも十分となっている。
【００２１】
この下凸レンズ層１７を設けることにより、高感度画素用マイクロレンズ１６Ｈで囲まれた狭い領域１６Ｌを透過してきた平行光は、凸レンズ１７Ｌで集光され、周りの遮蔽膜１４に殆ど当たることなくフォトダイオード１２Ｌに入射される。一方、高感度画素用マイクロレンズ１６Ｈで集光された光は、更に、凸レンズ１７Ｈで集光されるため、フォトダイオード１２Ｈの表面で光束が図１に比べて広がってしまう。しかし、光束がフォトダイオード１２Ｈ外に広がることはなく、入射光が無駄になることはない。
【００２２】
尚、下凸レンズ層１７には凸レンズ１７Ｌだけ設け、高感度画素用の凸レンズ１７Ｈを設けない構成とすることでもよい。
【００２３】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の断面模式図である。本実施形態の固体撮像装置３０は、第２の実施形態に係る固体撮像装置２０に設けた下凸レンズ層１７の代わりに、上凸レンズ層１８を介挿した点が異なり、他の構成は第２の実施形態と同じである。
【００２４】
この上凸レンズ層１８には、各フォトダイオード１２Ｈ，１２Ｌに対応する位置に、入射光側を向く凸レンズ１８Ｈ，１８Ｌが形成されている。各凸レンズ１８Ｈ，１８Ｌの厚さは同一であるため、上凸レンズ層１８の製造は容易である。下凸レンズ層１７（図２）の高感度画素用の凸レンズ１７Ｈの径に比べて、上凸レンズ層１８の高感度画素用の凸レンズ１８Ｈの径を大径としているのは、凸レンズ１８Ｈ表面とマイクロレンズ１６Ｈとの距離が近いためであり、マイクロレンズ１６Ｈを通ってきた光が必ず凸レンズ１８Ｈに入射する様にするためである。
【００２５】
この上凸レンズ層１８を設けることにより、高感度画素用マイクロレンズ１６Ｈで囲まれた狭い領域１６Ｌを透過してきた平行光は、凸レンズ１８Ｌで集光され、周りの遮蔽膜１４に当たることなくフォトダイオード１２Ｌに入射される。一方、高感度画素用マイクロレンズ１６Ｈで集光された光は、更に、凸レンズ１８Ｈで集光されるため、第２の実施形態と同様に、フォトダイオード１２Ｈの表面で光束は広がってしまうが、光束がフォトダイオード１２Ｈ外に広がることはなく、入射光が無駄になることはない。
【００２６】
尚、上凸レンズ層１８には凸レンズ１８Ｌだけ設け、高感度画素用の凸レンズ１８Ｈを設けない構成とすることでもよいのは第２の実施形態と同様である。
【００２７】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の断面模式図である。本実施形態の固体撮像装置４０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の半導体基板１１と色フィルタ層１５との間に、第２の実施形態に係る下凸レンズ層１７と、第３の実施形態に係る上凸レンズ層１８とを重ね合わせて介挿した点が異なり、他の構成は第１の実施形態と同じである。
【００２８】
下凸レンズ層１７には、各フォトダイオード１２Ｈ，１２Ｌ側に向く凸レンズ１７Ｈ，１７Ｌが形成されている。各凸レンズ１７Ｈ，１７Ｌの厚さは同一であり、且つ同一径であるため、下凸レンズ層１７の製造は容易である。
【００２９】
上凸レンズ層１８には、各フォトダイオード１２Ｈ，１２Ｌに対応する位置に、入射光側を向く凸レンズ１８Ｈ，１８Ｌが形成されている。各凸レンズ１８Ｈ，１８Ｌの厚さは同一であるため、上凸レンズ層１８の製造も容易である。
【００３０】
本実施形態では、下凸レンズ層１７と上凸レンズ層１８とを別々に製造し、両者を重ね合わせて積層する構成としたが、下凸レンズ層１７と上凸レンズ層１８とを一枚のシートで一緒に形成する構成でもよい。また、第２の実施形態や第３の実施形態で述べた様に、凸レンズ１７Ｈ，１８Ｈを省略する構成でもよい。
【００３１】
斯かる下凸レンズ層１７，上凸レンズ層１８を設けることにより、高感度画素用マイクロレンズ１６Ｈで囲まれた狭い領域１６Ｌを透過してきた平行光は、凸レンズ１７Ｌ，１８Ｌで集光され、周りの遮蔽膜１４に当たることなくフォトダイオード１２Ｌに入射される。
【００３２】
以上述べた各実施形態によれば、高感度画素を構成するフォトダイオードと低感度画素を構成するフォトダイオードの夫々への入射光の入射効率を、低コストのマイクロレンズ構成（マイクロレンズ層１６や凸レンズ層１７，１８）で高めることができ、高性能な固体撮像装置を提供可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、高感度画素と低感度画素に入射光を分配するマイクロレンズの構造を低コストで製造できるため、高感度画素と低感度画素を有する固体撮像装置を安価に製造可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面模式図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の断面模式図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の断面模式図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の断面模式図である。
【図５】従来の固体撮像装置の断面模式図である。
【図６】従来の別の固体撮像装置の断面模式図である。
【図７】従来の更に別の固体撮像装置の断面模式図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０　固体撮像装置
１１　半導体基板
１２Ｈ　高感度画素用のフォトダイオード（光電変換素子）
１２Ｌ　低感度画素用のフォトダイオード（光電変換素子）
１３　電極
１４　遮光膜
１５　色フィルタ層
１６　マイクロレンズ層
１６Ｈ　高感度画素用マイクロレンズ
１６Ｌ　平面領域
１７　下凸レンズ層
１７Ｈ　高感度画素用の凸レンズ（マイクロレンズ）
１７Ｌ　低感度画素用の凸レンズ（マイクロレンズ）
１８　上凸レンズ層
１８Ｈ　高感度画素用の凸レンズ（マイクロレンズ）
１８Ｌ　低感度画素用の凸レンズ（マイクロレンズ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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