JP2006032583A

JP2006032583A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2006032583A
Application number: JP2004208026A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Noda; 智之野田; Shunsuke Inoue; 俊輔井上
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】増幅ＣＭＯＳ型光電変換装置において、中央部と周辺部の開口面積を変えることなく、周辺減光を抑える構造を提案すること。
【解決手段】半導体基板上に受光素子が２次元に且つ長方形に配列された光電変換部と、前記受光素子で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部から前記蓄積部への電荷転送を制御するスイッチ手段と、前記蓄積部の電位を入力とする増幅部と、この増幅部の入力端子をリセットする手段を有し、全面に形成される平坦化膜を介してカラーフィルタが配設され、前記カラーフィルタ上方にオンチップレンズが形成されている固体撮像装置において、前記受光素子において前記光電変換部の長方形の短手方向に取り込める最大入射光角度をθ１、長手方向に取り込める最大入射光角度をθ２とすると、前記受光素子に取り込める入射光の角度がθ１＜θ２となる構造とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に増幅ＣＭＯＳ型光電変換装置の開口形状に関する。

従来、固体撮像装置としては、ＣＣＤ型光電変換素子を用いる例が多かったが最近、ＣＭＯＳ型光電変換素子を製品化する動きが出てきている。ＣＭＯＳ型光電変換装置は、ＣＣＤ型に比較して画質が劣ると言われてきたが、雑音を減少して、ＣＣＤ型よりも低消費電力で、単一電源で動作させ、受光部と周辺回路とを同じＣＭＯＳプロセスで製造できて集積し易いというメリットにより、見直されている。

ＣＭＯＳ型光電変換装置は１画素当たりの素子数が多いため、メタル層を多層に配線することで開口率を上げ、且つ、オンチップマイクロレンズを形成し、1 画素当たりの集光率を上げることで高感度の固体撮像装置を実現している。

しかし、メタル層を多層配線することによりオンチップマイクロレンズから受光面までの距離が長くなり、入射角が大きい光が受光面に入りにくくなる。そのため、撮像レンズのＦ値を小さくする（絞りを開放する）とチップの中央部よりチップの端部の方が主光線の入射角が大きくなり、チップ端部での光量が少なくなる、所謂周辺減光が発生する。

図１２に撮像レンズのＦ値を小さくしたときの周辺減光の様子を表した断面図を示す。１２０１は主光線、１２０２はオンチップマイクロレンズ、１２０３はメタル配線層、１３０４は受光部である。図１２より分かるように、主光線１２０１の入射角はチップ中央部と、チップ端部で異なっており、チップ端部の方が角度を持ってオンチップマイクロレンズ１２０２に入射している。そのため、チップ端部では、１２０５のように、受光部１２０４に集められた光の一部がメタル配線層１２０３により蹴られ、チップ端部の受光部１２０４に十分集光しない。このとき、この固体撮像装置から得られる出力信号は図１３に示すようになり、チップ端部で出力信号が小さくなってシェーディングを起こしている。このことはデジタルカメラ等のセンサの性能としては非常に大きな問題点である。

このような問題に対して特許文献１においては、中央部分の開口面積より周辺部分の開口面積を大きくして（図１４）周辺部分の感度を上げ、図１３のようなシェーディングを改善する方法が提案されている。

特開平７−１４３４１１号公報

近年、デジタルカメラのセンサは高画素数化が進み、１画素のサイズは縮小される傾向にあるため、高感度のセンサを実現するためには、中央の画素部で最大の開口サイズを確保する必要がある。

しかし、チップ中央の開口面積を最大に保ったまま更にチップ端部で開口面積を大きくするのは不可能であるため、周辺減光を改善する手段として特許文献１（特開平７−１４３４１１号公報）を用いることはできない。

そこで、本発明は、増幅ＣＭＯＳ型光電変換装置において、中央部と周辺部の開口面積を変えることなく、周辺減光を抑える構造を提案する。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体基板上に受光素子が２次元に且つ長方形に配列された光電変換部と、前記受光素子で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部から前記蓄積部への電荷転送を制御するスイッチ手段と、前記蓄積部の電位を入力とする増幅部と、この増幅部の入力端子をリセットする手段を有し、全面に形成される平坦化膜を介してカラーフィルタが配設され、前記カラーフィルタ上方にオンチップレンズが形成されている固体撮像装置において、前記受光素子において前記光電変換部の長方形の短手方向に取り込める最大入射光角度をθ１、長手方向に取り込める最大入射光角度をθ２とすると、前記受光素子に取り込める入射光の角度がθ１＜θ２となる構造を有した固体撮像装置であり、このためチップ端部でのメタル層での入射光の蹴られを抑えることができ、周辺減光を抑えることができる構造を提案するものである。

本発明によれば、１つの受光部に取り込める入射光の角度がθ１＜θ２となる構造を有した固体撮像装置であり、このような手法を採ることによりチップ端部でのメタル層での入射光の蹴られを抑えることができ、周辺減光を抑えることができる構造を得ることができる。又、このことを利用すればレンズ系の小さなカメラが実現できる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１に本発明の実施の形態１を示す。

図１（ａ）はセンサの全受光領域を上から見た模式図である。１０１は受光領域、１０２は右隅の１つの受光部を示している。図１（ｂ）は図１（ａ）の右隅の受光部１０２を拡大したものを上から見た図である。１０３は最上層のメタル遮光層、１０４はオンチップマイクロレンズを示している。

図２（ａ）は図１（ａ）の右隅受光部１０２をチップの短手方向Ａ−Ａ’で切断した時の断面図を示している。１０３は図１（ｂ）と同じく最上層メタル遮光層、１０４はオンチップマイクロレンズを示している。２０１は受光部を示している。θ１は受光部２０１に入射する光の最大入射光角度を示している。図２（ｂ）は図１（ａ）の右隅受光部１０２をチップの長手方向Ｂ−Ｂ’で切断した時の断面図を示している。

１０３は図１（ｂ）と同じく最上層メタル遮光層、１０４はオンチップマイクロレンズを示している。２０１は受光部を示している。θ２は受光部２０１に入射する光の最大入射光角度を示している。

図３において、３０１は主光線、３０２はオンチップマイクロレンズ、３０３はメタル遮光層、３０４は受光部である。通常、入射光の主光線の角度は、図３に示すように、中心から離れるに従って大きくなる。このため、図１（ａ）に示す右隅の受光部１０２においては、チップ長手方向の辺の方がチップ短手方向の辺より角度の大きな光が入射することが分かる。このことにより、チップ端の受光部に入射する光量が最上層遮光層で蹴られ周辺減光の原因の１つになっている。

本実施の形態では、受光領域１０１の長手方向の開口幅ｘは、短手方向の開口幅ｙよりも大きくなっている。このため、受光領域端の受光部１０２において、短手方向の取り込める最大入遮光の角度θ１より、長手方向の取り込める最大入射光の角度θ２の方が大きくなっている。このことにより、より大きな角度の光が入射してくる長手方向において、取り込める最大入射光角度が大きくなるため、チップ端部での最上層メタル層での入射光の蹴られを抑えることができ、周辺減光を抑えることができる。図４に本実施の形態におけるセンサから得られる出力信号を示す。チップ端部でのシェーディングが改善されていることが分かる。

＜実施の形態２＞
図５に本発明の実施の形態２を示す。

図５（ａ）はセンサの全受光領域を上から見た模式図である。

５０１は受光領域、５０２は右隅の１つの受光部を示している。図５（ｂ）は図５（ａ）の右隅の受光部５０２を拡大したものを上から見た図である。５０３は第１のメタル層、５０４は第２のメタル層、５０５はオンチップマイクロレンズを示している。本実施の形態の受光部は、長手方向は第１のメタル層５０３で開口が決まっており、短手方向は第２のメタル層５０４で決まっている。

図６（ａ）は図５（ａ）の右隅受光部５０２をチップの短手方向Ａ−Ａ’で切断した時の断面図を示している。

５０３は図５（ｂ）と同じく第１のメタル層、５０４は第２のメタル層、５０５はオンチップマイクロレンズを示している。６０１は受光部を示している。θ１は受光部６０１に入射する光の最大入射光角度を示している。

図６（ｂ）は図５（ａ）の右隅受光部６０２をチップの長手方向Ｂ−Ｂ’で切断した時の断面図を示している。

５０３は図５（ｂ）と同じく第１のメタル層、５０４は第２のメタル層、５０５はオンチップマイクロレンズを示している。６０１は受光部を示している。θ２は受光部６０１に入射する光の最大入射光角度を示している。

本実施の形態では、受光領域５０１の長手方向の開口は第１のメタル層で決められており、短手方向の開口は第２のメタル層で決められている。この受光部の開口はｘ方向もｙ方向も同じ長さにも拘らず、受光領域端の受光部５０２において、遮光メタル層の高さの違いより、短手方向の取り込める最大入遮光の角度θ１より、長手方向の取り込める最大入射光の角度θ２の方が大きくなっている。このことにより、より大きな角度の光が入射してくる長手方向において、取り込める最大入射光角度が大きくなるため、チップ端部での最上層メタル層での入射光の蹴られを抑えることができ、周辺減光を抑えることができる。図７に本実施の形態におけるセンサから得られる出力信号を示す。チップ端部でのシェーディングが改善されていることが分かる。

＜実施の形態３＞
図８に本発明の実施の形態３を示す。

図８（ａ）はセンサの全受光領域を上から見た模式図である。８０１は受光領域、８０２は右隅の１つの受光部を示している。図８（ｂ）は図８（ａ）の右隅の受光部８０２を拡大したものを上から見た図である。８０３は最上層のメタル遮光層、８０４はオンチップマイクロレンズを示している。８０５は電荷転送を制御するスイッチのゲート電極層を示している。

図９（ａ）は図８（ａ）の右隅受光部８０２をチップの短手方向Ａ−Ａ’で切断した時の断面図を示している。８０３は図１（ｂ）と同じく最上層メタル遮光層、８０４はオンチップマイクロレンズを示している。８０５は電荷転送を制御するスイッチのゲート電極層を示している。９０１は受光部を示している。θ１は受光部９０１に入射する光の最大入射光角度を示している。図９（ｂ）は図８（ａ）の右隅受光部８０２をチップの長手方向Ｂ−Ｂ’で切断した時の断面図を示している。８０３は図１（ｂ）と同じく最上層メタル遮光層、８０４はオンチップマイクロレンズを示している。８０５は電荷転送を制御するスイッチのゲート電極層を示している。２０１は受光部を示している。θ２は受光部２０１に入射する光の最大入射光角度を示している。

本実施の形態では、電荷転送を制御するスイッチのゲート電極層８０５が受光領域８０１の長手方向と平行に配置されている。前述のように、チップ長手方向の辺の方がチップ短手方向の辺より角度の大きな光が入射するが、図９から分かるように、本実施の形態では、角度の大きな光が入射する長辺方向には転送スイッチのゲート電極層が配置されていない。このため、周辺減光が厳しい長手方向の辺においてもゲート電極層に邪魔されることなく光が取り込むことができる。図１０に本実施の形態におけるセンサから得られる出力信号を示す。チップ端部でのシェーディングが改善されていることが分かる。

＜実施の形態４＞
図１１に本発明の実施の形態４を示す。

図１１（ａ）はセンサの全受光領域を上から見た模式図である。１１０１は受光領域、１１０２は右隅の１つの受光部を示している。図１１（ｂ）は図１１（ａ）の右隅の受光部１１０２を拡大したものを上から見た図である。１１０３は第１のメタル層、１１０４は第２のメタル層、１１０５はオンチップマイクロレンズを示している。１１０６は電荷転送を制御するスイッチのゲート電極層を示している。長手方向の開口を決めている第１のメタル層１１０３に平行に転送スイッチのゲート電極が配置されている。このため、実施の形態３と同様の効果が得られ、周辺減光が厳しい長手方向の辺においてもゲート電極層に邪魔されることなく光が取り込むことができる。

本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置を示した図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の断面を示した図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の概念を示した図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の改善結果を示した図である。本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置を示した図である。本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の断面を示した図である。本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の改善結果を示した図である。本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置を示した図である。本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の断面を示した図である。本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の改善結果を示した図である。本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置を示した図である。周辺減光の現象を説明した図である。周辺減光の現象を説明した図である。従来例を示した図である。

符号の説明

１０１受光領域
１０２受光部
１０３メタル遮光層
１０４オンチップマイクロレンズ
２０１受光部
３０１主光源
３０２オンチップマイクロレンズ
３０３メタル遮光層
３０４受光部
５０１受光領域
５０２受光部
５０３第１のメタル層
５０４第２のメタル層
５０５オンチップマイクロレンズ
６０１受光部
８０１受光領域
８０２受光部
８０３メタル遮光層
８０４オンチップマイクロレンズ
８０５ゲート電極層
９０１受光部
１１０１受光領域
１１０２受光部
１１０３第１のメタル層
１１０４第２のメタル層
１１０５オンチップマイクロレンズ
１１０６ゲート電極層

Claims

半導体基板上に受光素子が２次元に且つ長方形に配列された光電変換部と、前記受光素子で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部から前記蓄積部への電荷転送を制御するスイッチ手段と、前記蓄積部の電位を入力とする増幅部と、この増幅部の入力端子をリセットする手段を有し、全面に形成される平坦化膜を介してカラーフィルタが配設され、前記カラーフィルタ上方にオンチップレンズが形成されている固体撮像装置において、
前記受光素子において前記光電変換部の長方形の短手方向に取り込める最大入射光角度をθ１、長手方向に取り込める最大入射光角度をθ２とすると、前記受光素子に取り込める入射光の角度がθ１＜θ２となる構造を有することを特徴とする固体撮像装置。
半導体基板上に受光素子が２次元に且つ長方形に配列された光電変換部と、前記受光素子で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部から前記蓄積部への電荷転送を制御するスイッチ手段と、前記蓄積部の電位を入力とする増幅部と、この増幅部の入力端子をリセットする手段を有し、全面に形成される平坦化膜を介してカラーフィルタが配設され、前記カラーフィルタ上方にオンチップレンズが形成されている固体撮像装置において、
前記受光素子の開口形状が最上部メタル配線で決まり、且つ、開口形状が前記光電変換部の長方形の短手方向と長手方向が同じ長方形であることを特徴とする固体撮像装置。
半導体基板上に受光素子が２次元に且つ長方形に配列された光電変換部と、前記受光素子で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部から前記蓄積部への電荷転送を制御するスイッチ手段と、前記蓄積部の電位を入力とする増幅部と、この増幅部の入力端子をリセットする手段を有し、全面に形成される平坦化膜を介してカラーフィルタが配設され、前記カラーフィルタ上方にオンチップレンズが形成され、前記受光素子の開口形状を決めている一辺が第１のメタル配線層で決まり、もう一辺が第２のメタル配線層で規定される固体撮像装置において、
前記光電変換部の長方形の長手方向の開口が第１のメタル配線層で規定し、短手方向の開口が第２のメタル配線層で規定されていることを特徴とする固体撮像装置。
前記電荷転送を制御するスイッチのゲート電極層が開口形状の長手方向と平行に配置されていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
前記電荷転送を制御するスイッチのゲート電極層が前記第１のメタル配線層と平行に配置されていることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。