JP4236168B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関し、特にダイナミックレンジの広い固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device with a wide dynamic range.
半導体基板上に画素として多数のホトダイオードを形成した固体撮像装置が広く用いられている。高集積化による画素数の増大と共に分解能は向上し、銀塩カメラを凌駕するものも出現している。チップ面積の拡大を抑制し、画素数を増大すると1画素あたりの占有面積は減少する。S/N比の低下を防ぎ、高い感度を得るためには、入射する光線をなるべく有効利用することが望まれる。 2. Description of the Related Art Solid-state imaging devices in which a large number of photodiodes are formed as pixels on a semiconductor substrate are widely used. As the number of pixels increases due to higher integration, the resolution improves, and some have surpassed silver halide cameras. When the increase in the chip area is suppressed and the number of pixels is increased, the occupied area per pixel is reduced. In order to prevent a decrease in the S / N ratio and obtain a high sensitivity, it is desirable to make effective use of incident light as much as possible.
半導体基板の受光領域には、ホトダイオードのみでなく、CCD型の場合は電荷転送用CCD、MOS型の場合は画像信号形成回路、画像信号転送部も形成する必要がある。これらホトダイオード以外の領域に入射する光は無効となる。入射光を有効に利用するため、画素上にオンチップマイクロレンズを形成することが行われている。 In the light receiving region of the semiconductor substrate, it is necessary to form not only a photodiode but also a charge transfer CCD in the case of the CCD type and an image signal forming circuit and an image signal transfer unit in the case of the MOS type. Light incident on areas other than these photodiodes is invalid. In order to effectively use incident light, an on-chip microlens is formed on a pixel.
図7Aは、特公平4−55028号公報に提案されたオンチップマイクロレンズを有するCCD型固体撮像装置の構成を再現する。半導体基板SUBの表面部に逆導電型領域でホトダイオードPDとVCCD用チャネルVCが形成され、その間の転送ゲート領域TGを介して電荷読出が可能とされている。転送ゲート領域TG、チャネルVCの上方には、絶縁層を介して転送電極TEが形成され、さらに上方に遮光層LSが形成されている。遮光層LSは、チャネルVC近傍に入射する光を遮り、ノイズを低減する。 FIG. 7A reproduces the configuration of a CCD solid-state imaging device having an on-chip microlens proposed in Japanese Examined Patent Publication No. 4-55028. A photodiode PD and a VCCD channel VC are formed in the reverse conductivity type region on the surface portion of the semiconductor substrate SUB, and charge can be read through the transfer gate region TG therebetween. A transfer electrode TE is formed above the transfer gate region TG and the channel VC via an insulating layer, and a light shielding layer LS is formed further above. The light blocking layer LS blocks light incident near the channel VC and reduces noise.
基板上方に平坦化層PLを介してオンチップマイクロレンズMLが形成されている。オンチップマイクロレンズMLは、各ホトダイオードの中心に軸合わせされ、互いに接するように形成されて入射光の大部分をホトダイオードPD上に集束する。このようにして、オンチップマイクロレンズを用いることにより、遮光層の存在に拘わらず、入射光を有効利用することができる。 An on-chip microlens ML is formed above the substrate via a planarization layer PL. The on-chip microlens ML is aligned with the center of each photodiode and is formed so as to be in contact with each other to focus most of the incident light on the photodiode PD. In this manner, by using the on-chip microlens, incident light can be effectively used regardless of the presence of the light shielding layer.
ホトダイオードは入射光の光量に従って、信号電荷を蓄積する。ホトダイオードが電荷で飽和すると、その後は入射光によって光電変換が生じ、電荷が発生してもその電荷は蓄積できない。ホトダイオードに光が入射する開口を狭くすれば、単位光量によって発生する電荷が減少するのでダイナミックレンジは拡大できるが感度が低下してしまう。感度を良好に保った場合、銀塩フィルムと較べ、ホトダイオードで画素を形成した固体撮像装置のダイナミックレンジは狭い。 The photodiode accumulates signal charges according to the amount of incident light. When the photodiode is saturated with electric charge, photoelectric conversion occurs thereafter by incident light, and even if electric charge is generated, the electric charge cannot be accumulated. If the aperture through which light enters the photodiode is narrowed, the charge generated by the unit light quantity is reduced, so that the dynamic range can be expanded but the sensitivity is lowered. When the sensitivity is kept good, the dynamic range of a solid-state imaging device in which pixels are formed by photodiodes is narrower than that of a silver salt film.
ダイナミックレンジを拡大するため、1画素内に高感度光電変換素子と低感度光電変換素子とを備え、両者を合わせてダイナミックレンジを拡大する提案がされている。 In order to expand the dynamic range, a proposal has been made in which a high-sensitivity photoelectric conversion element and a low-sensitivity photoelectric conversion element are provided in one pixel, and the dynamic range is expanded by combining them.
図7Bは、特開平9−205589号公報に提案された画素分割構造固体撮像装置の構成を再現する。チャネルストップ領域CSで分離された2つのホトダイオードPD1、PD2が形成されている。その上に形成された遮光膜に、ホトダイオードPD1上に広い開口LA,ホトダイオードPD2上に狭い開口SAが形成されている。広い開口LAは高感度光電変換素子HS−PECを構成し、狭い開口SAは低感度光電変換素子LS−PECを構成する。広い開口LA上にはオンチップマイクロレンズMLが配置され、さらに感度を向上している。 FIG. 7B reproduces the configuration of the pixel-divided structure solid-state imaging device proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-205589. Two photodiodes PD1 and PD2 separated by the channel stop region CS are formed. A wide opening LA is formed on the photodiode PD1 and a narrow opening SA is formed on the photodiode PD2 in the light shielding film formed thereon. The wide opening LA constitutes a high sensitivity photoelectric conversion element HS-PEC, and the narrow opening SA constitutes a low sensitivity photoelectric conversion element LS-PEC. An on-chip microlens ML is disposed on the wide aperture LA to further improve sensitivity.
オンチップマイクロレンズMLにも、狭い開口SAにも入射しない光は利用されない。もし、図7Aに示すような画素の大部分を覆うような広いオンチップマイクロレンズを形成すれば、入射光の大部分を利用できるが、焦点は1つであるから、2つの開口LA,SAに入射光を分配することは出来なくなる。 Light that does not enter the on-chip microlens ML nor the narrow aperture SA is not used. If a wide on-chip microlens that covers most of the pixels as shown in FIG. 7A is formed, most of the incident light can be used, but since there is only one focal point, the two apertures LA and SA are used. It becomes impossible to distribute incident light to.
本出願人は、目的は異なるが、単位画素内に主ホトダイオードと従ホトダイオードの2つのホトダイオードを形成し、共通の開口内に露出させる構成を提案した(特開2003―218343号)。 The applicant of the present invention has proposed a configuration in which two photodiodes of a main photodiode and a sub-photodiode are formed in a unit pixel and exposed in a common opening, although the purposes are different (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-218343).
図8A、8B、8Cは、この提案の一部を再現する。 Figures 8A, 8B, 8C reproduce part of this proposal.
図8Aは、固体撮像装置の平面図、図8B、8Cは、図8AのXB−XB線に沿う断面図及びXC−XC線に沿う断面図である。図8Aにおいて、2つの画素PIXが横に並んで示されている。各画素PIXは、主ホトダイオード領域3、従ホトダイオード領域4を含む。画素PIXの右側に垂直電荷転送路(VCCD)8が配置されている。
8A is a plan view of the solid-state imaging device, and FIGS. 8B and 8C are a cross-sectional view taken along line XB-XB and a cross-sectional view taken along line XC-XC in FIG. 8A. In FIG. 8A, two pixels PIX are shown side by side. Each pixel PIX includes a
なお、図示したハニカム構造の画素配列においては、図示した2つの画素の上側及び下側の画素は横方向に半ピッチずれた位置に配置される。4相駆動するためのポリシリコン電極24、25、28、29(まとめてELで示す)がVCCD8の上方に配置される。例えば転送電極24、28は第1ポリシリコン層で形成され、転送電極25、29は第2ポリシリコン層で形成される。転送電極25は、従ホトダイオード4からの電荷読出しも制御する。転送電極28は、主ホトダイオードからの電荷読出しも制御する。
Note that in the illustrated pixel structure of the honeycomb structure, the upper and lower pixels of the two illustrated pixels are arranged at positions shifted by a half pitch in the horizontal direction.
図8B、8Cの断面図に示すように、n型半導体基板1の1表面に、p型ウエル2が形成されている。p型ウエル2の表面領域に2つのn型領域3、4が形成され、主と従の2つのホトダイオードを構成している。p+型領域7は、画素、VCCD等の電気的な分離を行なうチャネルストッパである。図8Cに示すように、ホトダイオードを構成するn型領域3(4)の近傍に、VCCDを構成するn型チャネル領域8が配置されている。又、n型領域3(4)、p型ウエル2、n型基板1が基板向きシャッタ構造を構成している。
As shown in the sectional views of FIGS. 8B and 8C, a p-
半導体基板表面上には、酸化シリコン等の絶縁層が形成され、その上にポリシリコンで形成された転送電極ELが形成される。転送電極ELは、VCCDのチャネル領域8上方を覆うように配置されている。転送電極ELの上に、さらに酸化シリコン等の絶縁層が形成され、その上にVCCD等の構成要素を覆い、ホトダイオード上方に開口を有する遮光膜12がタングステン等により形成されている。遮光膜12を覆うようにホスホシリケートガラス等で形成された層間絶縁膜13が形成され、その表面が平坦化されている。
An insulating layer such as silicon oxide is formed on the surface of the semiconductor substrate, and a transfer electrode EL formed of polysilicon is formed thereon. The transfer electrode EL is disposed so as to cover the
層間絶縁膜13の上に、カラーフィルタ15が形成されている。カラーフィルタ15の上に各画素に対応してオンチップマイクロレンズ16がレジスト材料等により形成されている。オンチップマイクロレンズ16は、各画素の上に1つ形成されており、その下方には遮光膜12の開口18が配置されている。オンチップマイクロレンズ16は、上方より入射する光を開口18内に集光させる機能を有する。
A
近年、デバイスの小型化、高集積化に伴い、集光効率の向上が望まれている。オンチップマイクロレンズによる集光効果はほぼ限界に近づいていると言われ、オンチップマイクロレンズの下方に層内(インナ)レンズを挿入する種々の提案がされている(例えば、特許文献4)。 In recent years, with the miniaturization and high integration of devices, improvement in light collection efficiency is desired. It is said that the light collection effect by the on-chip microlenses is almost approaching the limit, and various proposals have been made to insert an inner (inner) lens below the on-chip microlenses (for example, Patent Document 4).
本発明の目的は、良好な特性を保持し、ダイナミックレンジを拡大した固体撮像装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that maintains good characteristics and expands a dynamic range.
本発明の他の目的は、入射光の利用効率が高く、ダイナミックレンジが広く、特性が優れた固体撮像装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having high utilization efficiency of incident light, a wide dynamic range, and excellent characteristics.
本発明のさらに他の目的は、新規な構成を有する固体撮像装置を提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a novel configuration.
本発明の一観点によれば、受光領域を画定した半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に形成された多数の画素であって、各画素が高感度光電変換素子と低感度光電変換素子とを含む多数の画素と、前記受光領域上方に形成され、各画素の上方で前記高感度光電変換素子の少なくとも一部と前記低感度光電変換素子の少なくとも一部とを露出する単一の開口を有する遮光膜と、前記遮光膜の前記開口上方に形成され、入射光を集束させるオンチップマイクロレンズと、前記遮光膜と前記オンチップマイクロレンズとの間に形成され、面内に長軸と短軸とを有する長円状インナレンズであって、前記オンチップマイクロレンズで集束された光の内、一部を除く光を受け、さらに短軸方向で前記高感度光電変換素子上に、長軸方向で前記高感度光電変換素子の延在方向に沿う線上に集束させるとともに、前記一部は長円状インナレンズを透過せずに前記低感度光電変換素子に向かうように配置されている長円状インナレンズと、を有し、前記低感度光電変換素子は、前記高感度光電変換素子を挟む複数の領域を含む固体撮像装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a semiconductor substrate in which a light receiving region is defined, and a plurality of pixels formed in the light receiving region of the semiconductor substrate, each pixel having a high sensitivity photoelectric conversion element and a low sensitivity photoelectric conversion element. And a single opening that is formed above the light receiving region and exposes at least a part of the high-sensitivity photoelectric conversion element and at least a part of the low-sensitivity photoelectric conversion element above each pixel. A light-shielding film, an on-chip microlens that is formed above the opening of the light-shielding film and focuses incident light, and is formed between the light-shielding film and the on-chip microlens. An ellipse-shaped inner lens having an axis, receiving light excluding a part of the light focused by the on-chip microlens, and further having a long axis on the high-sensitivity photoelectric conversion element in a short axis direction High sensitivity in the direction With focusing on a line along the extending direction of the photoelectric conversion element, wherein a portion the oblong inner lens disposed to face the low-sensitive photoelectric conversion element without passing through the oblong inner lens, have a, the low-sensitive photoelectric conversion device, the solid-state imaging device including a plurality of areas which sandwich the said sensitive photoelectric conversion element is provided.
オンチップマイクロレンズを用い、入射光の利用効率を高く保つ。さらに長円状インナレンズを用いることにより、高感度光電変換素子の特性を良好に保つと共に、入射光の利用効率を高く保つ。遮光膜の開口を1つとし、オンチップマイクロレンズで集束された光の一部は長円状インナレンズを介さず、低感度光電変換素子上に入射させることにより低感度光電変換素子の特性も良好にする。 Use on-chip microlens to keep the incident light utilization efficiency high. Further, by using an oval inner lens, the characteristics of the high-sensitivity photoelectric conversion element are kept good and the utilization efficiency of incident light is kept high. The light-shielding film has one aperture, and part of the light focused by the on-chip microlens is not incident on the elliptical inner lens, but is incident on the low-sensitivity photoelectric conversion element, so that the characteristics of the low-sensitivity photoelectric conversion element can be improved. Make good.
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1Aは、本発明の第1の実施例による固体撮像装置の構成を概略的に示す断面図である。n型基板1の1表面にp型ウエル2が形成され、p型ウエル2の表面層にn型領域3、4が形成され、第1のホトダイオード、第2のホトダイオードを構成する。2つn型領域3、4の間にはp型分離領域5が形成されている。p型ウエル2の表面層には、他にVCCD用nチャネル領域8、p型素子分離領域7、p+型埋め込み領域6等も形成される。
FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. A p-
半導体基板表面にはONO膜(酸化膜−窒化膜−酸化膜)等の絶縁層9を介して多結晶シリコンの転送電極10、11が形成され、その上には絶縁層を介して遮光膜12がタングステン等により形成されている。遮光膜12は、主ホトダイオード3、従ホトダイオード4を含む各画素の中央に開口18を有する。
Polycrystalline
開口内に主ホトダイオード3の一部と従ホトダイオード4の一部が露出し、入射光を受ける。主ホトダイオード3の開口率は、従ホトダイオード4の開口率よりも大きく設定されている。従って、従ホトダイオードは、主ホトダイオードより感度が低く、飽和しにくい。
A part of the
遮光膜上に燐ガラス層等の絶縁層13が形成され、表面が平坦化されている。絶縁層13の平坦表面上に平面形状が短軸と長軸とを有する長円状インナレンズ14が形成される。図には、長円状インナレンズの短軸方向が示されている。長円状インナレンズ14の光軸は遮光膜の開口18の中心から右方向、すなわち従ホトダイオード領域4から離れる方向、にずらされている。長円状インナレンズ14は、例えば屈折率1.8〜2.4の窒化シリコン膜を堆積し、その上にレジストパターンを形成し、軟化、溶融させて長円状レンズ形状とした後異方性エッチングしてレジストパターンの長円状レンズ形状を窒化シリコン膜に転写することで形成される。
An insulating
長円状インナレンズ14形成後、表面の凹凸を埋め、平坦化された表面を有する有機樹脂膜または燐ガラス膜やボロン−燐ガラス膜等の平坦化絶縁膜13aが形成される。この平坦化表面上にカラーフィルタ15が形成される。カラーフィルタ15は3色以上のカラーフィルタを別個形成する物であり、その表面には凹凸が生じる。カラーフィルタ15の上にも有機樹脂膜等の平坦化絶縁膜13bが形成され平坦な表面を提供する。
After the oval
この平坦化絶縁膜13bの平坦表面上にオンチップマイクロレンズ16が形成される。オンチップマイクロレンズ16は、例えばホトレジスト層をパターニングし、その後軟化、溶融することによって表面を球面状に変化させ、硬化させて形成する。オンチップマイクロレンズ16は、ほぼ遮光膜12の開口18と軸合わせされている。すなわち、オンチップマイクロレンズ16の光軸は、開口18の中心に合致する。オンチップマイクロレンズ16によって集束された光束は、開口18内に向かう。
On-
図1Bは、主ホトダイオード3、従ホトダイオード4を含む画素PIX、遮光膜の開口18、その上方の長円状インナレンズ14の関係を概略的に示す平面図である。図に示すように、画素PIXは、ほぼ正方形の矩形形状である。画素PIX内の大部分の面積を占有するように、長方形状の主ホトダイオード3、従ホトダイオード4が並んで配置されている。開口18は、画素PIXの中央部に形成されている。主ホトダイオード領域3は、画素の下端から開口18の中心を越え上側まで分布している。従って、主ホトダイオードの中心は開口の中心より上側に位置する。
FIG. 1B is a plan view schematically showing the relationship among the pixel PIX including the
従ホトダイオード領域4は、画素の上端から開口18の上端を越え、開口18内に一部露出する。従ホトダイオード4の開口18内に露出している面積の率、開口率、は主ホトダイオード領域3の開口率より低く設定されている。
The
ホトダイオードの開口率は高いほど多くの光を受光できるので、感度を高くすることが可能である。単位面積当たりの電荷蓄積能力が一定であれば、開口率が低いほど飽和光量を高くすることが可能である。但し、オンチップマイクロレンズ、長円状インナレンズで入射光を集光すると、実効開口率を変化させることができる。 Since the higher the aperture ratio of the photodiode, the more light can be received, the sensitivity can be increased. If the charge storage capacity per unit area is constant, the saturation light quantity can be increased as the aperture ratio is lower. However, when the incident light is condensed by the on-chip microlens and the oval inner lens, the effective aperture ratio can be changed.
長円状インナレンズ14は、開口18の中心から下方向に変位され、主ホトダイオード領域3上に焦合するように配置されている。例えば、主ホトダイオード領域3が開口18の下縁から距離d離れた下辺を有する時、長円状インナレンズ14は開口の中心からd/4以上、例えばd/2以上d以下同一方向に移動している。
The oval
図1Aに示すように、オンチップマイクロレンズ16は、入射する光のなるべく多くを集束し、開口18内に向かわせる。長円状インナレンズ14は主ホトダイオード領域3方向に変位しているので、従ホトダイオード4側に空間を残している。従って、長円状インナレンズ14は、オンチップマイクロレンズ16で集束された光の内、一部分を除く光を受け、さらに集束し、好ましくは短軸方向で半導体基板のn型領域3表面上に焦合させる。長軸方向は、主ホトダイオード3の延在方向に沿って線上に焦合する。長円状インナレンズの集束作用により、実効開口率はさらに大きくなる。
As shown in FIG. 1A, the on-
オンチップマイクロレンズ16で集束を受けたが、長円状インナレンズ14を透過しない光はそのまま進行し、開口18を通過して、従ホトダイオード領域4の表面に入射する。なお、長円状インナレンズ14を透過しなかった光が全て従ホトダイオード領域4に入射せず、その一部は主ホトダイオード領域3や両ホトダイオードの間の分離領域5に入射してもよい。長円状インナレンズ14で集束された光は主ホトダイオード領域3に入射するので、開口率比以上に主ホトダイオードは高感度に、従ホトダイオードは低感度に(すなわち、高飽和光量に)設定される。
The light that has been focused by the on-
図2は、図1A、1Bに示された画素構造を有する固体撮像装置の半導体基板1全体の構成を示す概略平面図である。半導体チップ1の表面上に受光領域20が画定され、この受光領域内に複数の画素PIXが行列状に配置されている。各画素PIXは、主ホトダイオード3と従ホトダイオード4とを含む。画素PIXの各列に沿って、VCCDが配置されている。複数のVCCDの下方には1つのHCCD21が配置され、1行分の画像信号を転送する。HCCD21の出力端には出力回路22が接続されている。
FIG. 2 is a schematic plan view showing the entire configuration of the
画素の配列は図2に示す正方行列に限らない。 The arrangement of the pixels is not limited to the square matrix shown in FIG.
図3は、画素ずらし配置のハニカム配列の例を示す。主ホトダイオード領域3と従ホトダイオード領域4とを含む各画素が1行ごとに横方向に半ピッチずれて配列されている。その結果、列方向のピッチも隣接する列で1/2ピッチずれている。
FIG. 3 shows an example of a honeycomb arrangement with a pixel shift arrangement. Each pixel including the
4相の駆動電極24、25、28、29が行方向に延在して配列され、その間の空間に画素を配置している。転送電極の上方の遮光膜は、開口18を画素中央に有する。単一開口18内に、主ホトダイオード領域3、従ホトダイオード領域4のそれぞれ一部が露出されている。主ホトダイオード領域3の開口率は、従ホトダイオード領域の開口率よりも大きく設定されている。従って、同一強度の光が入射した場合、主ホトダイオード領域3が先に飽和し、その後従ホトダイオード領域4が飽和する。
Four-
図1Bに示すように長円状インナレンズ14が主ホトダイオード領域3に入射光を集光するので、主ホトダイオードの感度はさらに高く、従ホトダイオードの飽和光量は主ホトダイオード領域3の飽和光量よりも著しく大きくなる。1画素が1つのホトダイオードを有する場合の性能と比べ、性能を大幅に低下させないように、主ホトダイオード領域3はなるべく広い面積を有し、入射光の大部分を受光して高い感度を有することが望まれる。
As shown in FIG. 1B, since the elliptical
従ホトダイオード領域4は、高照度の場合にダイナミックレンジを拡大する目的に用いられ、主として、主ホトダイオード領域3が飽和した後の画像情報を得るために用いられる。主ホトダイオードと較べれば、精度は低くてもよい。従ホトダイオード領域4の基板表面上の占有面積は、主ホトダイオード領域占有面積よりも小さく設定し、主ホトダイオードの性能が低下しすぎないようにする。
The
図4A、4Bは、長円状インナレンズ14の長軸方向、短軸方向に沿う断面で光の焦合状態をシミュレーションで調べた結果を示す。長円状レンズは、短軸方向で短い焦点距離を有し、長軸方向で長い焦点距離を有する。
4A and 4B show the results of examining the in-focus state of light in a cross section along the major axis direction and minor axis direction of the oval
図4Bに示すように、半導体基板表面で短軸方向の焦合がなされる。1点に焦合すれば、長方形状主ホトダイオード3内、短辺方向の焦合の位置合わせ余裕が大きくなる。
As shown in FIG. 4B, focusing in the minor axis direction is performed on the surface of the semiconductor substrate. When focusing on one point, the margin for focusing in the short side direction in the rectangular
図4Aに示すように、長円状インナレンズ14の長軸方向では、光は1点には焦合せず、線上に焦合する。長さ方向が、主ホトダイオードの長辺に沿う方向なので、十分な位置合わせ余裕度が得られる。
As shown in FIG. 4A, in the major axis direction of the oval
図5Aは、本発明の第2の実施例による画素構造を示す概略平面図である。半導体基板表面の各画素PIXにおいて、中央に主ホトダイオード領域3を配置し、その左右に従ホトダイオード領域4を配置する。主ホトダイオード領域3に対し、従ホトダイオード領域は対称的に配置することが好ましい。このような構成とすると、両側の従ホトダイオード領域4が互いに補完的な役割を果たす。
FIG. 5A is a schematic plan view showing a pixel structure according to a second embodiment of the present invention. In each pixel PIX on the surface of the semiconductor substrate, the
図5B、5C、5Dは、入射光の角度による焦合状態の変化を、主ホトダイオード3と10ホトダイオードが並ぶ方向でシミュレーションにより調べた結果を示す断面図である。入射角度が振れた場合を示している。
FIGS. 5B, 5C, and 5D are cross-sectional views showing the results of examining the change in the focusing state depending on the angle of incident light by simulation in the direction in which the
図5B、5C、5Dはそれぞれ入射角度0度、7度、−7度の場合を示している。入射角度が傾くと、長円状インナレンズ外側の光の一方は従ホトダイオードに入射しなくなるが、他方の光は依然入射する。従って、従ホトダイオードに入射する光が無くなってしまうことが防止できる。 5B, 5C, and 5D show cases where the incident angles are 0 degree, 7 degrees, and -7 degrees, respectively. When the incident angle is tilted, one of the light outside the oval inner lens does not enter the slave photodiode, but the other light still enters. Therefore, it is possible to prevent the light incident on the sub photodiode from being lost.
しかし、入射方向が傾けば、主ホトダイオード3と従ホトダイオード4との入射光分割比を一定に保つのは容易でない。1つの画素に入射する光の方向は、撮像レンズとの関係で決まり、一定である。そこで、シェーディングを防止することも可能である。
However, if the incident direction is inclined, it is not easy to keep the incident light splitting ratio of the
図5Eは、シェーディング防止のため、画素と、その上のインナレンズ、オンチップマイクロレンズとの関係を修正する方法を概略的に示す。オンチップマイクロレンズから、インナレンズ、画素と向かうに従って、その位置を半径方向外側にずらす。このようにすれば、光が入射する位置に主ホトダイオード、従ホトダイオードを配置することが出来る。 FIG. 5E schematically shows a method for correcting the relationship between a pixel, an inner lens thereon, and an on-chip microlens to prevent shading. The position is shifted outward in the radial direction from the on-chip microlens toward the inner lens and the pixel. In this way, the main photodiode and the sub-photodiode can be arranged at the position where the light is incident.
図6A、6Bは、上述の実施例の変形例を示す。図6Aにおいて、従ホトダイオード領域4は、主ホトダイオード領域3を挟んで実質的に対称な領域を有すると共に、これらの領域を接続する接続領域も含む。なお、実質的に対称とは、光電変換機能に着目した時対称な配置と同等の機能を示す配置を含む概念である。従ホトダイオード領域4に蓄積された電荷は、図で示すように右上のチャネルに転送され、主ホトダイオード領域3に蓄積された電荷は、右下の方向に転送される。従ホトダイオード領域4は、開口18の上下端部においてわずかに入射光に露出するのみである。
6A and 6B show a modification of the above-described embodiment. In FIG. 6A, the
図6Bは、CCD型固体撮像装置ではなく、MOS型固体撮像装置の場合を示す。各画素の主ホトダイオード領域3及び従ホトダイオード領域4にそれぞれMOS型電荷検出回路Q1、Q2が接続されている。MOS型電荷検出回路Q1,Q2の出力はスイッチSW1,SW2を介して出力信号配線(画像信号転送部)TRに供給される。電荷読出し機構が異なるが、入射光を受光し、光電変換する機能に関しては、上述の実施例同様である。
FIG. 6B shows a case of a MOS type solid-state imaging device instead of a CCD type solid-state imaging device. MOS type charge detection circuits Q1 and Q2 are connected to the
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
デジタルカメラ、携帯端末等に用いられる固体撮像装置に広く利用できる。特に、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置に利用される。 It can be widely used for solid-state imaging devices used in digital cameras, portable terminals, and the like. In particular, it is used for a solid-state imaging device having a wide dynamic range.
1 n型基板
2 p型ウエル
3 高感度ホトダイオード領域(n型領域)
4 低感度ホトダイオード領域(n型領域)
5 ホトダイオード領域間素子分離領域(p型領域)
6 ホトダイオード埋込p+型領域
7 素子分離領域(p型領域)
8 垂直CCDチャネル領域
9 ゲート絶縁膜(ONO膜)
10、11 転送電極
12 遮光膜
13 平坦化絶縁膜
14 長円状インナレンズ
15 カラーフィルタ
16 オンチップマイクロレンズ
18 開口
21 HCCD
22 出力回路
Q1、Q2 電荷検出回路
1 n-type substrate 2 p-type well 3 high sensitivity photodiode region (n-type region)
4 Low sensitivity photodiode region (n-type region)
5 Photodiode element isolation region (p-type region)
6 Photodiode buried p + type region 7 Element isolation region (p type region)
8 Vertical CCD channel region 9 Gate insulation film (ONO film)
DESCRIPTION OF
22 Output circuit Q1, Q2 Charge detection circuit
Claims (19)
前記半導体基板の受光領域に形成された多数の画素であって、各画素が高感度光電変換素子と低感度光電変換素子とを含む多数の画素と、
前記受光領域上方に形成され、各画素の上方で前記高感度光電変換素子の少なくとも一部と前記低感度光電変換素子の少なくとも一部とを露出する単一の開口を有する遮光膜と、
前記遮光膜の前記開口上方に形成され、入射光を集束させるオンチップマイクロレンズと、
前記遮光膜と前記オンチップマイクロレンズとの間に形成され、面内に長軸と短軸とを有する長円状インナレンズであって、前記オンチップマイクロレンズで集束された光の内、一部を除く光を受け、さらに短軸方向で前記高感度光電変換素子上に、長軸方向で前記高感度光電変換素子の延在方向に沿う線上に集束させるとともに、前記一部は長円状インナレンズを透過せずに前記低感度光電変換素子に向かうように配置されている長円状インナレンズと、
を有し、
前記低感度光電変換素子は、前記高感度光電変換素子を挟む複数の領域を含む固体撮像装置。 A semiconductor substrate defining a light receiving region;
A large number of pixels formed in the light receiving region of the semiconductor substrate, each pixel including a high-sensitivity photoelectric conversion element and a low-sensitivity photoelectric conversion element;
A light-shielding film formed above the light receiving region and having a single opening exposing at least a part of the high-sensitivity photoelectric conversion element and at least a part of the low-sensitivity photoelectric conversion element above each pixel;
An on-chip microlens that is formed above the opening of the light-shielding film and focuses incident light;
An oval inner lens formed between the light-shielding film and the on-chip microlens and having a major axis and a minor axis in a plane, and one of the lights focused by the on-chip microlens. Receiving light excluding the portion and further focusing on the high-sensitivity photoelectric conversion element in the short axis direction and on the line along the extending direction of the high-sensitivity photoelectric conversion element in the long axis direction, and the part is in an oval shape An oval inner lens arranged to face the low-sensitivity photoelectric conversion element without passing through the inner lens;
Have
The low-sensitivity photoelectric conversion element is a solid-state imaging device including a plurality of regions sandwiching the high-sensitivity photoelectric conversion element.
前記多数の画素の各列に沿うように形成された画像信号転送部と、
前記オンチップマイクロレンズと前記長円状インナレンズとの間に配置されたカラーフィルタと、
を有する請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The plurality of pixels are arranged in a matrix; and
An image signal transfer unit formed along each column of the plurality of pixels;
A color filter disposed between the on-chip microlens and the oval inner lens;
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 6.
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