(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの画素に対して第１及び第２の光電変換部を持つと共に、少なくとも１つの画素に対して前記第１の光電変換部のみを持ち、前記第１と第２の光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、
前記第１及び第２の光電変換部を有する画素については、前記第２の光電変換部の直上の領域にはオンチップマイクロレンズを形成せず、前記第２の光電変換部の直上以外の領域に、前記第１の光電変換部に集光するためのオンチップマイクロレンズを形成し、前記第１の光電変換部のみを持つ画素については、前記第１の光電変換部に集光するためのオンチップマイクロレンズを形成してなることを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載のオンチップマイクロレンズ付き固体撮像素子であって、前記第１及び第２の光電変換部を有する画素に配置されるオンチップマイクロレンズの大きさは、
前記第１の光電変換部のみを有する画素であって、前記第１及び第２の光電変換部を有する画素と隣接しない画素に配置されるオンチップマイクロレンズの大きさより小さいことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付き固体撮像素子。
【請求項３】
少なくとも１つの画素に対して第１及び第２の光電変換部を持つと共に、少なくとも１つの画素に対して前記第１の光電変換部のみを持ち、前記第１と第２の光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、
全有効画素におけるオンチップマイクロレンズは、第１の光電変換部に集光するように略同一形状として各画素中の略同一場所に設けられ、かつ、前記オンチップマイクロレンズは、前記第１及び第２の光電変換部を有する画素において、前記第２の光電変換部直上の領域には形成されないことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項４】
少なくとも１つの画素に対して第１及び第２の光電変換部を持つと共に、少なくとも１つの画素に対して前記第１の光電変換部のみを持ち、前記第１と第２の光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、
全有効画素におけるオンチップマイクロレンズは、第１の光電変換部に集光するように設けられ、かつ、前記オンチップマイクロレンズは、前記第２の光電変換部直上の領域部分が除去されてなることを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項５】
前記オンチップマイクロレンズは、全有効画素において略同一形状として、各画素中の略同一場所に設けられることを特徴とする請求項４に記載のオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載のオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子であって、オンチップマイクロレンズが除去された前記領域部分の周囲であって、前記オンチップマイクロレンズの側壁に反射膜を形成したことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項７】
請求項６に記載のオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子であって、反射膜がAl膜であることを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項８】
請求項１から請求項７の内いずれか１項に記載のオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子であって、第１の光電変換部に集光するオンチップマイクロレンズがシリンドリカルレンズで、隣の画素同士の前記シリンドリカルレンズが円柱の軸方向で繋がっていて、分離していないことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項９】
少なくとも１つの画素に対して第１及び第２の光電変換部を持つと共に、少なくとも１つの画素に対して前記第１の光電変換部のみを持ち、前記第１と第２の光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、
前記第１の光電変換部の直上領域には、前記第１の光電変換部に集光するように第１のオンチップマイクロレンズが配置され、
前記第２の光電変換部の直上領域には、前記第２の光電変換部に集光するように、前記第１のオンチップマイクロレンズとは異なる大きさのオンチップマイクロレンズが配置されたことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項１０】
少なくとも１つの画素に対して第１、第２及び第３の光電変換部を持つと共に、少なくとも１つの画素に対して前記第１の光電変換部のみを持ち、各光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、
前記第１の光電変換部の直上領域には、前記第１の光電変換部に集光するように、第１のオンチップマイクロレンズが配置され、
前記第２の光電変換部の直上領域には、前記第２の光電変換部に集光するように、かつ、前記第３の光電変換部の直上領域には、前記第３の光電変換部に集光するように、前記第１のオンチップマイクロレンズとは異なる大きさのオンチップマイクロレンズが配置されたことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項１１】
撮像用に配置される第１の光電変換部と、入力光量のモニタ用に配置される第２の光電変換部とを有する画素が少なくとも１つ設けられ、かつ、撮像用に配置される前記第１の光電変換部のみを有する画素が少なくとも１つ設けられたオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子であって、
オンチップマイクロレンズは、前記第２の光電変換部に集光するために配置され、前記第１の光電変換部には、オンチップマイクロレンズが配置されていないことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項１２】
請求項１、請求項４、請求項９又は請求項１０に記載のオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子であって、第１の光電変換部からの信号を、その実効開口率に基づいて補正し、各画素の感度を調整する手段を設けたことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子。
【請求項１３】
請求項７に記載のオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子の製造方法であって、固体撮像素子本体部の上部にマイクロレンズを形成した後、フォトリソグラフィにより第２の光電変換部直上の領域部分の前記オンチップマイクロレンズを除去して穴を開け、AlスパッタリングによりAl膜を穴の全面に蒸着し、その後ＲＩＥによる異方性エッチングにより、穴の側壁のAl膜のみを残すことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オンチップマイクロレンズ付固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に、少なくとも１つの画素に対して第１及び第２の光電変換部を持ち、第１と第２の光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、オンチップマイクロレンズを有するものに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子は近年多画素化が進み、画素サイズも小さくなってきている。それに伴い、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）などでは電荷転送部、増幅型固体撮像素子では光信号電荷の転送部や増幅用トランジスタなど、光電変換部以外の領域が構造的に存在するため、画素全体に占める受光面の面積率が下がってくる傾向にある。そこで、受光面直上にマイクロレンズを形成して、入射光を効率的に受光面に集光し、実効的な開口率を高める技術が開発されており、例えば特開平９−６４３２５号公報に記載されている。この種の固体撮像素子においては、光電変換部であるフォトダイオード以外の領域は素子上に形成された遮光膜により遮光されており、所定の露光時間内に光電変換部に入射した光に関する情報のみを素子外部に出力する。
【０００３】
図１４は、従来のマイクロレンズ付き固体撮像装置であるＣＣＤの構造を示す図であり、その平面構造が(a)に、そのＡ−Ａ’部断面構造が（ｂ）に、模式的にされている。図１４において1400はＣＣＤ単位画素、1401は垂直ＣＣＤ電極、1402はフォトダイオード、1403はマイクロレンズ、1404はAl遮光膜、1405はフォトダイオードのＮ型半導体領域、1406はフォトダイオードのＰ型半導体領域、1407は垂直ＣＣＤのＮ型半導体領域、1408は垂直ＣＣＤのＰ型半導体領域である。
【０００４】
外部から入射する光は、マイクロレンズ1403でフォトダイオード1402に集光されるので、見かけ上受光面の面積率が向上する。
【０００５】
上記のような固体撮像素子では、予め決められた露光時間で撮像することになる。しかし、この場合、この露出時間内に入射光量が想定していた値から急激に変化すると、最適な露光量で光情報を読み出せなくなる。そこで、一般に、固体撮像装置とは別にメカニカルシャッターを配置して、その開閉のタイミングを制御して入射光量を調整することが行われている。この場合、通常、露光中の入射光量の変化をモニタできる露出制御センサを取り付ける。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような、露光中の入射光量の変化をモニタする方式として、本出願人は、固体撮像装置の光学系の中に露出制御センサを配置して、固体撮像装置の入射光の一部をモニタする方式を発明し、特願平９−２４８４３５号として特許出願した。その概略構成図を図１５に示す。
【０００７】
図１５において、光電変換素子２００は、フォトダイオード２０１、接合型電界制御トランジスタＪＦＥＴ、フォトダイオード２０１からの信号電荷をＪＦＥＴのゲート領域に供給する転送用トランジスタＱTG、リセット用トランジスタＱRSGを備えている。Ｉbiasはバイアス定電流、２９１はサンプルホールド回路、２９２は差分処理回路である。
【０００８】
そして、前記出願の第１の発明における最大の特徴は、通常ＪＥＦＴの上部を蔽う遮光膜が除去されて、ＪＦＥＴのゲート領域に光が入射するようになっており、ゲート領域で入射光に応じて信号電荷が生成することである。すなわち、ＪＦＥＴのゲート領域がフォトダイオード２０１とは別の第２の受光素子となっている。ゲート領域からの信号電荷は、フォトダイオード２０１からの信号電荷とは個別に、又はそれと加算されて、ＪＦＥＴのソースから、電気信号ＶOUTとして、信号検出回路２９０に送られる。
【０００９】
また、前記出願の第２の発明における最大の特徴は、リセット用トランジスタＱRSGの主電極（リセットドレイン）領域に光が入射するようになっており、リセットドレイン領域で入射光に応じて信号電荷が生成することである。この信号電荷は、図１５においては図示されていない別の電子回路によって外部に取出される。すなわち、リセットドレインがフォトダイオード２０１とは別の第２の受光素子となっている。
【００１０】
このような先願発明の固体撮像素子を使用すれば、第２の受光素子を露光中の入射光量のセンサとして利用し、自動シャッタシステムを構成することができる。
また、このリセットドレインを第２の受光素子、前記ＪＦＥＴのゲート領域を第３の受光素子とし、３つの受光部を持つ画素を形成してもよい。
【００１１】
先願の発明は、このような格段なる特徴を有するものの、近年の撮像素子は、多画素化が進んで各画素の開口率が下がる傾向にあるため、特に微弱光での撮像に不利となる懸念を有していた。
【００１２】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、前記特願平９−２４８４３５号に係る発明のように、少なくとも１つの画素に対して第１及び第２の光電変換部を持ち、第１と第２の光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子において、マイクロレンズを最適に設計することにより、固体撮像素子の実効開口率を上げると同時に、固体撮像素子へ直接入射する光量の変化をリアルタイムで検出する露出制御センサにも効率よく集光し、最適な露光量で撮影できるオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子及びその製造方法を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、少なくとも１つの画素に対して第１及び第２の光電変換部を持つと共に、少なくとも１つの画素に対して前記第１の光電変換部のみを持ち、前記第１と第２の光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、前記第１及び第２の光電変換部を有する画素については、前記第２の光電変換部の直上の領域にはオンチップマイクロレンズを形成せず、前記第２の光電変換部の直上以外の領域に、前記第１の光電変換部に集光するためのオンチップマイクロレンズを形成し、前記第１の光電変換部のみを持つ画素については、前記第１の光電変換部に集光するためのオンチップマイクロレンズを形成してなることを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子（請求項１）である。
【００１４】
固体撮像素子の画素のうちには、遮光して暗電流や基準電位を補正するために用いられる画素があり、ダミーブラック、オプティカルブラック等と呼ばれている。こうした画素は、有効受光領域を持たないので、こうした画素の上には、必ずしもオンチップマイクロレンズを形成する必要はない。もちろん、製作工程の都合上から、これらの画素の上にオンチップマイクロレンズを設ける場合も有りうる。
【００１５】
更に、撮像素子の中心部から離れた画素になるにつれて、入射光が斜め入射となるために、マイクロレンズの焦点が光電変換部の中心から撮像素子の周辺部方向へずれてしまい、いわゆるシェーディングが起こることが考えられるが、このような場合にマイクロレンズの中心と光電変換部の中心をずらして、撮像素子周辺部の画素の感度むらを低減することにより、感度向上のための補正を行う場合についてもこの手段は適用できる。
【００１６】
この手段によれば、第１の光電変換部の実効開口率を下げることなく、第２の光電変換部にも効率よく採光することが可能となる。
【００１７】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記第１及び第２の光電変換部を有する画素に配置されるオンチップマイクロレンズの大きさは、
前記第１の光電変換部のみを有する画素であって、前記第１及び第２の光電変換部を有する画素と隣接しない画素に配置されるオンチップマイクロレンズの大きさより小さいことを特徴とするもの（請求項２）である。
前記課題を解決するための第３の手段は、少なくとも１つの画素に対して第１及び第２の光電変換部を持つと共に、少なくとも１つの画素に対して前記第１の光電変換部のみを持ち、前記第１と第２の光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、全有効画素におけるオンチップマイクロレンズは、第１の光電変換部に集光するように略同一形状として各画素中の略同一場所に設けられ、かつ、前記オンチップマイクロレンズは、前記第１及び第２の光電変換部を有する画素において、前記第２の光電変換部直上の領域には形成されないことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子（請求項３）である。
【００１８】
ここに、「全有効画素」とは、前記ダミーブラック、オプティカルブラックを除いた、光を検出するのに用いられる全画素のことである。よって、ダミーブラック、オプティカルブラックとされている素子の上には必ずしもオンチップマイクロレンズを形成する必要はない。また、「略同一形状」、「略同一場所」とは、製作誤差程度の形状の不揃い、位置のずれを許容する意味である。
【００１９】
この手段によれば、第１の光電変換部に集光するためのオンチップマイクロレンズの形状は、全ての画素について同じである。よって、前記第１の手段に比べて第１の光電変換部の実効開口率は少し落ちるものの、全画素の第１の光電変換部の実効開口率に差がなくなり、実効開口率の補正処理を行う必要がなくなる。また、第２の光電変換部にも効率よく採光することが可能となる。
【００２０】
前記課題を解決するための第４の手段は、少なくとも１つの画素に対して第１及び第２の光電変換部を持つと共に、少なくとも１つの画素に対して前記第１の光電変換部のみを持ち、前記第１と第２の光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、全有効画素におけるオンチップマイクロレンズは、第１の光電変換部に集光するように設けられ、かつ、前記オンチップマイクロレンズは、前記第２の光電変換部直上の領域部分が除去されてなることを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子（請求項４）である。
【００２１】
この手段においても、第１の光電変換部の実効開口率を下げることなく、第２の光電変換部にも効率よく採光することが可能となる。さらに、前記各手段においてはマイクロレンズを形成できなかった領域にマイクロレンズを形成することができるようになり、その部分の実効開口率を上げることができる。
【００２２】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であって、前記オンチップマイクロレンズは、全有効画素において略同一形状として、各画素中の略同一場所に設けられることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００２３】
「略同一形状」、「略同一場所」の意味は、第３の手段の説明において説明した意味と同一である。
【００２４】
この手段によれば、第１の光電変換部に集光するためのオンチップマイクロレンズの形状は、全ての画素について同じである。よって、前記第４の手段に比して第１の光電変換部の実効開口率は少し落ちるものの、全画素の第１の光電変換部の実効開口率に差がなくなり、実効開口率の補正処理を行う必要がなくなる。
【００２５】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第４の手段又は第５の手段であって、オンチップマイクロレンズが除去された前記領域部分の周囲であって、前記オンチップマイクロレンズの側壁に反射膜を形成したことを特徴とするもの（請求項６）である。
【００２６】
この手段によれば、第１の光電変換部へ集光される光は、反射膜により反射され、第２の光電変換部に入射しない。逆に、第２の光電変換部へ入射する光は、反射膜により反射され、第１の光電変換部に入射しない。よって、第１の光電変換部への入射光と、第２の光電変換部への入射光のクロストークを防ぐことができる。
【００２７】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第６の手段であって、反射膜がAl膜であることを特徴とするもの（請求項７）である。
【００２８】
Al膜は、反射膜として理想的であり、かつ、蒸着、異方性エッチングといった、固体撮像素子を製造する工程で使用される技術により成膜することができるので、製造方法が簡単となる。
【００２９】
前記課題を解決するための第８の手段は、前記第１の手段から第７の手段の内のいずれかであって、第１の光電変換部に集光するオンチップマイクロレンズがシリンドリカルレンズで、隣の画素同士の前記シリンドリカルレンズが円柱の軸方向で繋がっていて、分離していないことを特徴とするもの（請求項８）である。
【００３０】
この手段によれば、複数の画素のオンチップマイクロレンズを１つのシリンドリカルレンズで形成することができる。よって、オンチップマイクロレンズが繋がっている方向の分離幅や形状を管理する必要がなくなり、オンチップマイクロレンズの形成プロセスを簡素化することができる。
【００３１】
前記課題を解決するための第９の手段は、少なくとも１つの画素に対して第１及び第２の光電変換部を持つと共に、少なくとも１つの画素に対して前記第１の光電変換部のみを持ち、前記第１と第２の光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、前記第１の光電変換部の直上領域には、前記第１の光電変換部に集光するように第１のオンチップマイクロレンズが配置され、
前記第２の光電変換部の直上領域には、前記第２の光電変換部に集光するように、前記第１のオンチップマイクロレンズとは異なる大きさのオンチップマイクロレンズが配置されたことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子（請求項９）である。
【００３２】
これにより、第２の光電変換部の実効開口率も大きくなり、微量な光量中で撮像を行う場合でも、光量をモニタし、最適なシャッタスピードとすることができるようになる。
【００３３】
前記課題を解決するための第１０の手段は、少なくとも１つの画素に対して第１、第２及び第３の光電変換部を持つと共に、少なくとも１つの画素に対して前記第１の光電変換部のみを持ち、各光電変換部は、その入射光量に応じて互いに独立した信号出力を送出する固体撮像素子であって、前記第１の光電変換部の直上領域には、前記第１の光電変換部に集光するように、第１のオンチップマイクロレンズが配置され、前記第２の光電変換部の直上領域には、前記第２の光電変換部に集光するように、かつ、前記第３の光電変換部の直上領域には、前記第３の光電変換部に集光するように、前記第１のオンチップマイクロレンズとは異なる大きさのオンチップマイクロレンズが配置されたことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子（請求項１０）である。
【００３４】
この手段によれば、各光電変換部に対してオンチップマイクロレンズが設けられているので、それぞれの光電変換部の実効開口率を上げることができる。
【００３５】
前記課題を解決するための第１１の手段は、撮像用に配置される第１の光電変換部と、入力光量のモニタ用に配置される第２の光電変換部とを有する画素が少なくとも１つ設けられ、かつ、撮像用に配置される前記第１の光電変換部のみを有する画素が少なくとも１つ設けられたオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子であって、オンチップマイクロレンズは、前記第２の光電変換部に集光するために配置され、前記第１の光電変換部には、オンチップマイクロレンズが配置されていないことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子（請求項１１）である。
【００３６】
この手段によれば、第２の光電変換部の上に大きなオンチップマイクロレンズを形成することができる。よって、第１の光電変換部の実効開口率は低くなるが、第２の光電変換部の実効開口率を上げることができ、かつ、第２の光電変換部の実効開口率を比較的自由に設計できる。
【００３７】
前記課題を解決するための第１２の手段は、前記第１の手段、第４の手段、第９の手段、第１０の手段のいずれかであって、第１の光電変換部からの信号を、その実効開口率に基づいて補正し、各画素の感度を調整する手段を設けたことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子（請求項１２）である。
【００３８】
この手段によれば、各第１の素子からの信号を、それぞれの素子に設けられたオンチップマイクロレンズの形状に応じた実効開口率に基づいて補正することができる。よって、第１の素子の実効開口率が画素間で異なる場合であっても、各画素間で感度にむらのない画像出力を得ることができる。
【００３９】
前記課題を解決するための第１３の手段は、前記第７の手段であるオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子の製造方法であって、固体撮像素子本体部の上部にマイクロレンズを形成した後、フォトリソグラフィにより第２の光電変換部直上の領域部分の前記オンチップマイクロレンズを除去して穴を開け、AlスパッタリングによりAl膜を穴の全面に蒸着し、その後ＲＩＥによる異方性エッチングにより、穴の側壁のAl膜のみを残すことを特徴とするオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子の製造方法（請求項１３）である。
【００４０】
この手段によれば、固体撮像素子を製造するのと同種の工程で、前記第７の手段であるオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子を製造することができる。
【００４１】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図を参照して説明する。まず、増幅型固体撮像装置の通常の（従来型の）単位画素の平面構造の模式図を図１に示す。図１において１００は光電変換部となる埋込み型フォトダイオード（以下、単にＢＰＤという）、１０１は出力部で接合型電界効果トランジスタ（以下、単にＪＦＥＴという）、１０２はＪＦＥＴ１０１の制御電極の電位を制御するためのリセット用トランジスタの主電極の領域（リセットドレイン、以下、単にＲＳＤという）である。また、ＢＰＤ１００とＪＦＥＴ１０１の間に転送部となる転送ゲート（以下、単にＴＧという）１０３が、ＪＦＥＴ１０１とＲＳＤ１０２の間にはリセット用トランジスタの制御電極（以下、単にＲＳＧという）１０４が形成されている。
【００４２】
ＲＳＤ１０２はスルーホール１０５を介して第２層アルミに接続され、この第２層アルミで形成されたＲＳＤ電極１０６は遮光も兼ねてＪＦＥＴ１０１とＲＳＤ１０２の領域を覆っている。よって、ＢＰＤ１０１の領域のみに開口部が設けられた構造となっている。また、１０７はＪＦＥＴのソース電極である。
【００４３】
図２にＴＴＬ調光で、露出中に入射光量をリアルタイムにモニタするための単位画素の平面構造の模式図を示す。基本的な素子構造は図１と同一である。異なる点はＲＳＤ１０２の部分で、ＲＳＤ１０２とＲＳＤ電極１０６とのコンタクトが無く、ＲＳＤ１０２直上にＲＳＤ電極１０６の開口部１０８がある点である。ＲＳＤ１０２とその下の半導体領域は常時逆バイアスされており、ＲＳＤ１０２はフォトダイオードとして働く。これにより、開口部１０８から入射した光に応じて発生した信号電荷による光電流をＲＳＤ電極１０６から出力させて、入射光量のモニタを行う。すなわち、ＲＳＤ１０２のフォトダイオードが第２の光電変換部として作用する。（ＢＰＤ１０１が第１の光電変換部である。）
本発明は、図１に示すような単位画素と図２に示すような単位画素が混在する固体撮像素子に関するものである。
【００４４】
（実施形態１）
図３に本発明の第１の実施の形態の模式図を示す。本実施の形態では、撮像面の中央部に図２に対応する、第２の光電変換部（図２のＲＳＤ開口部１０８に相当）がある単位画素（図中の２Ａ）が２次元マトリックスに配列され、その周りに図１に対応する、第２の光電変換部を持たない従来型の単位画素（図中の１Ａ）が配置されている。図３は、一つの単位画素２Ａとその周辺の単位画素１Ａについて拡大した構成模式図である。
【００４５】
図３において、１は第１の光電変換部上の開口部、２は第２の光電変換部上の開口部である。また、３は従来型の画素（１Ａ）用の標準オンチップマイクロレンズ、４は第２の光電変換部を持つ画素（２Ａ）における第１の光電変換部用のオンチップマイクロレンズである。（以下、オンチップマイクロレンズを単にマイクロレンズということもある。）マイクロレンズ４は、画素２Ａの上側の画素１Ａにも設けられている。すなわち、この画素１Ａにおいては、標準マイクロレンズ３は設けられていない。ここに標準マイクロレンズ３を設けると、第２の光電変換部上の開口部２上にかぶさってしまうので、これを避けるためである。
【００４６】
本実施の形態では、隣同士のマイクロレンズ３の分離幅は水平方向、垂直方向ともに0.2μmである。マイクロレンズ４については水平方向の分離幅は0.2μmであるが、垂直方向では、第２の光電変換部上の開口部２を回避するように分離幅が大きく取られており、第１の光電変換部に集光するように、サイズが小さくなっている。また、マイクロレンズ３、４は共に、その被覆面積をできるだけ大きくして画素の実効開口率を稼ぐ為にドーム型レンズ（トーリック面）を用いており、第１の光電変換部の中心点とマイクロレンズの中心点が一致するように配置されている。
【００４７】
本実施の形態においては、第１の光電変換部へ集光するためのマイクロレンズ４が、第２の光電変換部上の開口部２を避けて設けられているので、第２の光電変換部に入射する光が第１の光電変換部へ集光するマイクロレンズにより妨げられることがない。また、画素２Ａに近接しない画素１Ａにおいては、大きな標準のマイクロレンズ３を使用している。
【００４８】
これにより、各画素の実効開口率を下げることなく、かつ、第２の光電変換部上の開口部にも効率良く採光可能となり、露出中の入射光量をモニタする機能を持つ固体撮像素子の実効開口率を上げると同時に入射光量のモニタも可能となる。
本発明で用いるオンチップマイクロレンズは、半球型レンズや、シリンドリカルレンズでもよい。
【００４９】
（実施形態２）
図４に本発明の第２の実施の形態の模式図を示す。本実施の形態では、撮像面の中央部に図２に対応する、第２の光電変換部（図２のＲＳＤ開口部１０２に相当）がある単位画素（図中の２Ａ）が２次元マトリックスに配列され、その周りに図１に対応する、第２の光電変換部を持たない従来型の単位画素（図中の１Ａ）が配置されている。図４は、一つの単位画素２Ａとその周辺の単位画素１Ａについて拡大した構成模式図である。以下の図においては、前出の図において示された構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
図４において、５は第１の光電変換部上に設けられたマイクロレンズである。マイクロレンズ５は、第１の光電変換部に集光するためのものであるが、実施形態１での図３のマイクロレンズ４と同様のものである。すなわち、水平方向の分離幅は0.2μmであるが、垂直方向では、第２の光電変換部上の開口部を回避するように分離幅が大きく取られており、サイズが小さくなっている。
【００５１】
また、マイクロレンズ５はその被覆面積をできるだけ大きくして画素の実効開口率を稼ぐ為にドーム型レンズ（トーリック面）を用いており、第１の光電変換部の中心点とマイクロレンズの中心点が一致するように配置されている。このマイクロレンズ５を１Ａ、２Ａの画素の区別なく全面に搭載している。
【００５２】
これにより、第２の光電変換部上の開口部にも効率良く採光可能となり、露出中の入射光量をモニタする機能を持つ固体撮像素子の実効開口率を上げると同時に入射光量のモニタも可能となる。
【００５３】
また、実施形態１に比べて各画素の実効開口率は多少落ちるが、全てのマイクロレンズが同じ形状で画素内の同じ位置に設けられているため、１Ａと２Ａの画素間の実効開口率の差が無く、よって補正処理を行う必要が無いというメリットがある。
本発明で用いるオンチップマイクロレンズは、半球型レンズやシリンドリカルレンズでもよい。
【００５４】
（実施形態３）
図５に本発明の第３の実施の形態の模式図を示す。本実施の形態は、マイクロレンズ以外は図３に示す実施形態１と同様の構造である。図５において、６は穴、７、８は切り欠かれたマイクロレンズ、９は穴の側壁に設けられたAl膜である。
【００５５】
本実施の形態においては、始めに実施形態１での図３のマイクロレンズ３と同様のマイクロレンズ３を全面に、分離幅を水平方向、垂直方向ともに0.2μmで形成する。また、当該マイクロレンズ３は、その被覆面積をできるだけ大きくして画素の実効開口率を稼ぐ為にドーム型レンズ（トーリック面）を用いており、第１の光電変換部の中心点とマイクロレンズの中心点が一致するように配置されている。
【００５６】
次に、フォトリソグラフィー技術により、第２の光電変換部上の開口部２がある画素（２Ａ）についてのみマイクロレンズの一部を除去し、第２の光電変換部上の開口部２の上の部分に穴６を開ける。これにより、一部が切りかかれたマイクロレンズ７、８が形成される。
【００５７】
更に、穴６の側壁については、図５の断面図に示される９のように遮光用Al膜を付けることにより、第２の光電変換部上の開口部２への入射光と第１の光電変換部上の開口部１への入射光との、光のクロストークを防ぐように加工を施してもよい。その手段としては、マイクロレンズを形成して穴６を開けた後に、AlスパッタによりAl膜を全面に蒸着し、ＲＩＥによる異方性エッチングによって穴６の側壁の遮光用Al膜９のみを残すようにエッチングすればよい。
【００５８】
これまでの実施形態では単位画素２Ａについては図５のＢの領域にはマイクロレンズを形成できなかった為に、その領域への入射光は第１の光電変換部へ集光できなかったが、本実施形態では、Ｂの領域への入射光も第１の光電変換部へ集光できるようになり、実効開口率が向上する。
なお、本発明で用いるオンチップマイクロレンズは、半球型レンズや、シリンドリカルレンズでもよい。
【００５９】
（実施形態４）
図６に本発明の第４の実施の形態の模式図を示す。本実施の形態は、マイクロレンズ以外は図３に示す実施形態１の同様の構造である。本実施の形態では、始めに実施形態１での図３の３と同様のマイクロレンズを全面に分離幅を水平方向、垂直方向ともに0.2μmで形成している。また、当該マイクロレンズは、その被覆面積をできるだけ大きくして画素の実効開口率を稼ぐ為にドーム型レンズ（トーリック面）を用いており、第１の光電変換部の中心点とマイクロレンズの中心点が一致するように配置されている。
【００６０】
次に、フォトリソグラフィー技術により、全画素につきマイクロレンズの一部を除去し、穴６を開けて第２の光電変換部の開口部２の直上を開口している。これにより、一部に切り欠きを有するマイクロレンズ１０が形成される。
【００６１】
図５の断面図の９と同様にマイクロレンズの開口部（穴）６の側壁に遮光用Al膜を付けることにより、第２の光電変換部上の開口部２への入射光と第１の光電変換部上の開口部１への入射光との光のクロストークを防ぐ加工を施すことが好ましい。これにより、実施形態３と同様に高い実効開口率を実現できると同時に、実施形態３に比べて、第１の光電変換部の実効開口率は低下するものの、第２の光電変換部上の開口部の無い画素１Ａと、ある画素２Ａの画素間の実効開口率の差が無いため、その補正処理をする必要がないというメリットがある。
なお、本発明で用いるオンチップマイクロレンズは、半球型レンズや、シリンドリカルレンズでもよい。
【００６２】
（実施形態５）
図７に本発明の第５の実施の形態の模式図を示す。図７において１１はシリンドリカルレンズである。本実施の形態は、マイクロレンズ以外は図４に示す実施形態２と同様の構造である。
【００６３】
シリンドリカルレンズ１１の軸方向は水平方向である。そして、水平方向では隣同士のマイクロレンズが繋がっており、水平方向に一本の細長いシリンドリカルなマイクロレンズ１１が形成されている。また、垂直方向では、第２の光電変換部上の開口部２を回避するように分離幅が大きく取られており、第１の光電変換部に集光するようになっている。
【００６４】
さらに、マイクロレンズのシリンダーの中心線は水平方向の各第１の光電変換部の中心点を通るように配置されている。これにより、第２の光電変換部上の開口部２にも効率良く採光可能となり、露出中の入射光量をモニタする機能を持つ固体撮像素子の実効開口率を上げると同時に入射光量のモニタも可能となる。また、実施形態２と同様に、実施形態１に比べて各画素の実効開口率は多少落ちるが、１Ａと２Ａの画素間の実効開口率の差が無いので開口率の補正が不要である。
【００６５】
さらに、実施形態２に比べてマイクロレンズの水平方向の分離幅や形状を管理する必要がなくなり、マイクロレンズ形成プロセスが簡素化するメリットがある。
【００６６】
（実施形態６）
図８に本発明の第６の実施の形態の模式図を示す。図８において、１２は第１の光電変換部に集光する小さなマイクロレンズ、１３は第２の光電変換部に集光するマイクロレンズを示す。本実施の形態は、マイクロレンズ以外は図３に示す実施形態１と同様の構造である。
【００６７】
本実施の形態においては、第２の光電変換部上の開口部２直上に第２の光電変換部へ集光させるためのマイクロレンズ１３が形成されている。また、単位画素２Ａとその周辺の単位画素１Ａの３画素についてはマイクロレンズ１３と分離幅0.2μmで、第１の光電変換部へ集光する小さなマイクロレンズ１２が形成されている。その他の第１の光電変換部へ集光するためのマイクロレンズ３は分離幅0.2μmで形成されている。
【００６８】
マイクロレンズ３、１２、１３の中心点はそれぞれ、集光する領域である第１の光電変換部、第２の光電変換部の中心点と一致するように配置されており、マイクロレンズ１２とマイクロレンズ３の垂直方向の分離幅は大きくなっている。このため、マイクロレンズ１２はマイクロレンズ３に比べてサイズが小さくなっている。また、これらマイクロレンズはドーム型レンズ（レンズの表面がトーリック面のもの）を用いている。
【００６９】
本実施の形態においては、第２の光電変換部の上にもマイクロレンズ１３が設けられているので、第２の光電変換部の実効開口率も大きくすることができる。よって、微量な光量を露出する場合にも露出中の入射光量をモニタすることができるようになり、より高感度なＴＴＬ調光が可能となる。
【００７０】
（実施形態７）
図９に本発明の第７の実施の形態の模式図を示す。図９において、１４は第１の光電変換部に集光するマイクロレンズ、１５は第２の光電変換部に集光するマイクロレンズを示す。本実施の形態は、マイクロレンズ以外は図４に示す実施形態２と同様の構造である。これらマイクロレンズはドーム型レンズ（レンズの表面がトーリック面のもの）を用いている。
【００７１】
本実施の形態では、全画素について同じ形状のマイクロレンズ１４が画素内の同一位置に設けられており、かつ、マイクロレンズ１４は、第２の光電変換部上の開口部２部を避けて設けられている。マイクロレンズ１４は、第１の光電変換部に集光させるためのものである。更に、２Ａの画素とその右側の画素については、第２の光電変換部へ集光させるためのマイクロレンズ１５が形成され、第２の光電変換部の実効開口率を上げることにより、より高感度なＴＴＬ調光が可能なようになっている。また、全ての画素の第１の光電変換部の実効開口率が等しいため、開口率補正処理を行う必要がない。
【００７２】
本実施の形態で示した、マイクロレンズ１４は、先に示した第５の実施の形態（図７）において、第２の光電変換部上の開口部２の上に設けてもよい。
また、本発明で用いるマイクロレンズは、半球型レンズや、シリンドリカルレンズでもよい。
【００７３】
（実施形態８）
図１０に本発明の第８の実施の形態の模式図を示す。図１０は、３つの光電変換部を有する画素を含んだ固体撮像素子に関する例である。３つの光電変換部を有する画素とは、例えば図１５において、フォトダイオード２０１が第１の光電変換部、リセット用トランジスタＱRSGの主電極（リセットドレイン）が第２の光電変換部、接合型電界効果トランジスタＪＦＥＴのゲート領域が第３の光電変換部となっているような画素をいい、図２において、ＪＦＥＴ１０１の領域にもゲートに対応する部分の上部にも開口部を有するようなものである。
【００７４】
図１０において２’は、例えば上記のようにＪＦＥＴのゲート領域のような第３の光電変換部上部に設けられた開口部、１６は第１の光電変換部上に設けられた小さなマイクロレンズ、１７は第２の光電変換部上に設けられたマイクロレンズ、１８は第３の光電変換部上に設けられたマイクロレンズである。これらマイクロレンズはドーム型レンズ（レンズの表面がトーリック面のもの）を用いている。
【００７５】
この実施の形態においては、画素２Ａに、３個のマイクロレンズ１６、１７、１８が設けられている。これらのマイクロレンズは、それぞれ、第１、第２、第３の光電変換部の中心と中心が一致するように配置されており、それぞれ対応する光電変換部に集光している。画素２Ａの右、上及び右上の画素１Ａにおいては、第１の光電変換部上のマイクロレンズ１６は、画素２Ａにおけるものと同一の形状をしており、その他の画素１Ａにおけるマイクロレンズ３より小さくなっている。これは、マイクロレンズ１７、１８と分離距離をとるためである。
【００７６】
この実施の形態によれば、第２及び第３の光電変換部へ集光させるためのマイクロレンズ１７、１８が形成されているため、これらの光電変換部の実効開口率を高くでき、より高感度なＴＴＬ調光が可能である。
本発明で用いるマイクロレンズは、半球型レンズや、シリンドリカルレンズでもよい。
【００７７】
（実施形態９）
図１１に本発明の第９の実施の形態の模式図を示す。図１１において１９は第２の光電変換部上に設けられたマイクロレンズである。
本実施の形態においては、マイクロレンズ以外は、図３に示される実施形態１と同様の構造である。本実施の形態においては、第２の光電変換部上の開口部２直上に第２の光電変換部に集光するためのマイクロレンズ１９のみが形成されている。マイクロレンズ１９は、第１の光電変換部上の開口部を回避するように設置されている。第２の光電変換部を有する画素は数画素から数十画素おきに配置されており、隣接していないので、マイクロレンズ１９は、隣接するマイクロレンズ１９と充分な分離幅を確保できる。
【００７８】
マイクロレンズ１９を設けることにより、第２の光電変換部へ効率良く集光することが可能となる。よって、ＴＴＬ調光のための光電変換部の実効開口率も自由に設定することができるようになり、より高感度なＴＴＬ調光が可能になる。
図１１の例で用いるマイクロレンズ１９はドーム型レンズであるが、半球型レンズや、シリンドリカルレンズを用いてもよい。
【００７９】
（実施形態１０）
図１２は、本発明の第１０の実施の形態である撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図１２において、1200は画像読み出しを制御するＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）、1201はタイミングジェネレータ、1202は画像出力信号を読み出すためのドライバ、1203は固体撮像素子、1204は画像出力信号の増幅器、1205はＡ／Ｄ変換器、1206は開口率補正を行う開口率補正処理装置、1207は信号の補正を行う信号処理装置、1208はメモリコントローラ、1209は画像出力装置のインターフェース、1210はＣＲＴ等の画像出力装置である。
【００８０】
入射した光は、撮像素子1203によって電気信号に変換され、増幅器1204で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器1205によりディジタル信号に変換される。そして、必要に応じて開口率補正処理装置1206により開口率補正を受け、信号処理装置1207に送られる。信号処理装置1207における信号処理は、従来公知のものであり、必要に応じて適宜選択された処理が行われる。信号処理を受けた信号は、メモリコントローラ1208に入り、画像メモリに記憶された後、インタフェース1209を介して画像出力装置1210に送出される。
【００８１】
図１３は、図１２に示す撮像装置の動作を説明するためのフローチャートである。図１３に基づいて、撮像装置の動作を説明する。撮像素子に光が入射すると（Ｓ１）、ＭＰＵ1200は、それを受光した画素の第１の光電変換部（撮像素子）上のマイクロレンズが標準のものであるかどうかを判断する（Ｓ２）。標準のものとは、例えば図３、図５におけるマイクロレンズ３のように、画素２Ａに近接していない画素１Ａに用いられているマイクロレンズのことをいい、標準外のものとは、例えば図３におけるマイクロレンズ４、図５におけるマイクロレンズ７、８のように、画素２Ａ及びこれに近接する画素１Ａにおいて用いられる小さい、又は特殊な形状をしたマイクロレンズをいう。
【００８２】
マイクロレンズが標準のものであれば、従来通りの信号処理に進み（Ｓ３ａ）、標準外のものであれば、開口率の補正を行った後（Ｓ３ｂ）、従来通りの信号処理に進む（Ｓ３ａ）。その後、画像出力を行う（Ｓ４）。開口率補正の方法としては、例えば、標準のマイクロレンズの実効開口率が90％で、標準外のマイクロレンズの実効開口率が60％である場合、標準外のマイクロレンズを有する撮像素子からの出力信号を1.5（＝90/60）倍に補正して出力する。
以上の開口率補正処理を行うことにより、各画素間で感度にむらのない画像出力が可能となる。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明のうち請求項１に係る発明においては、第１の光電変換部の実効開口率を下げることなく、第２の光電変換部にも効率よく採光することが可能となる。
【００８４】
請求項２に係る発明においては、第１の光電変換部の実効開口率は少し落ちるものの、全画素の第１の光電変換部の実効開口率に差がなくなり、実効開口率の補正処理を行う必要がなくなる。また、第２の光電変換部にも効率よく採光することが可能となる。
【００８５】
請求項３に係る発明においては、第１の光電変換部の実効開口率を下げることなく、第２の光電変換部にも効率よく採光することが可能となる。さらに、マイクロレンズを形成できなかった領域にマイクロレンズを形成することができるようになり、その部分の実効開口率を上げることができる。
【００８６】
請求項４に係る発明においては、請求項３に係る発明に比して第１の光電変換部の実効開口率は少し落ちるものの、全画素の第１の光電変換部の実効開口率に差がなくなり、実効開口率の補正処理を行う必要がなくなる。
【００８７】
請求項５に係る発明においては、第１の光電変換部への入射光と、第２の光電変換部への入射光のクロストークを防ぐことができる。
【００８８】
請求項６に係る発明においては、反射膜として理想的なものを使用でき、かつ、蒸着、異方性エッチングといった、固体撮像素子を製造する工程で使用される技術により成膜することができるので、製造方法が簡単となる。
【００８９】
請求項７に係る発明においては、マイクロレンズが繋がっている方向の分離幅や形状を管理する必要がなくなり、マイクロレンズの形成プロセスを簡素化することができる。
【００９０】
請求項８に係る発明においては、第２の光電変換部の実効開口率も大きくなり、微量な光量中で撮像を行う場合でも、光量をモニタし、最適なシャッタスピードとすることができるようになる。
【００９１】
請求項９に係る発明においては、各光電変換部に対して、それぞれ実効開口率を上げることができる。
【００９２】
請求項１０に係る発明においては、第１の光電変換部の実効開口率は低くなるが、第２の光電変換部の実効開口率を上げることができ、かつ、第２の光電変換部の実効開口率を比較的自由に設計できる。
【００９３】
請求項１１に係る発明においては、第１の素子の実効開口率が画素間で異なる場合であっても、各画素間で感度にむらのない画像出力を得ることができる。
【００９４】
請求項１２に係る発明においては、固体撮像素子を製造するのと同種の工程で、前記第６の手段であるオンチップマイクロレンズ付固体撮像素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】増幅型固体撮像装置の、通常の単位画素の平面構造を示す模式図である。
【図２】増幅型固体撮像装置の、露出中に入射光量をリアルタイムにモニタするための単位画素の平面構造を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す模式図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示す模式図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態を示す模式図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態を示す模式図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態を示す模式図である。
【図９】本発明の第７の実施の形態を示す模式図である。
【図１０】本発明の第８の実施の形態を示す模式図である。
【図１１】本発明の第９の実施の形態を示す模式図である。
【図１２】本発明の第１０の実施の形態を示す模式図である。
【図１３】図１２に示す撮像装置の動作を説明するための図である。
【図１４】従来のマイクロレンズ付固体撮像素子の構造を示す図である。
【図１５】先願発明の概略構成図である。
【符号の説明】
１…第１の光電変換部上の開口部
１Ａ…第２の光電変換部を持たない単位画素
２…第２の光電変換部上の開口部
２’…第３の光電変換部上の開口部
２Ａ…第２の光電変換部を持つ単位画素
３…標準オンチップマイクロレンズ
４…第１の光電変換部に集光する標準外のオンチップマイクロレンズ
５…小さな標準オンチップマイクロレンズ
６…穴
７、８…切り欠き部を有するオンチップマイクロレンズ
９…Al膜
１０…切り欠き部を有する標準オンチップマイクロレンズ
１１…シリンドリカルレンズ
１２…第１の光電変換部に集光する小さなオンチップマイクロレンズ
１３…第２の光電変換部に集光するオンチップマイクロレンズ
１４…小さな標準オンチップマイクロレンズ
１５…第２の光電変換部に集光するオンチップマイクロレンズ
１６…第１の光電変換部に集光する小さなオンチップマイクロレンズ
１７…第２の光電変換部に集光するオンチップマイクロレンズ
１８…第３の光電変換部に集光するオンチップマイクロレンズ
１９…第２の光電変換部に集光するオンチップマイクロレンズ
１００…光電変換部（ＢＰＤ）
１０１…ＪＦＥＴ
１０２…リセットドレイン（ＲＳＤ）
１０３…転送ゲート（ＴＧ）
１０４…リセット用トランジスタ
１０５…ＲＳＤスルーホール
１０６…ＲＳＤ電極
１０７…ＪＦＥＴソース電極
１０８…ＲＳＤ開口部
1200…画像読み出し制御用ＭＰＵ
1201…タイミングジェネレータ
1202…画像出力信号読み出し用ドライバ
1203…固体撮像素子
1204…画像出力信号増幅器
1205…Ａ／Ｄ変換器
1206…開口率補正処理装置
1207…信号処理装置
1208…メモリコントローラ
1209…画像出力装置用インターフェース
1210…画像出力装置
【図１】
0003901320.tif 000002
【図２】
0003901320.tif 000003
【図３】
0003901320.tif 000004
【図４】
0003901320.tif 000005
【図５】
0003901320.tif 000006
【図６】
0003901320.tif 000007
【図７】
0003901320.tif 000008
【図８】
0003901320.tif 000009
【図９】
0003901320.tif 000010
【図１０】
0003901320.tif 000011
【図１１】
0003901320.tif 000012
【図１２】
0003901320.tif 000013
【図１３】
0003901320.tif 000014
【図１４】
0003901320.tif 000015
【図１５】
0003901320.tif 000016