JPH03283572A - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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JPH03283572A
JPH03283572A JP2083788A JP8378890A JPH03283572A JP H03283572 A JPH03283572 A JP H03283572A JP 2083788 A JP2083788 A JP 2083788A JP 8378890 A JP8378890 A JP 8378890A JP H03283572 A JPH03283572 A JP H03283572A
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solid
light
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多重レンズ構造を有する固体撮像素子に関する
〔発明の概要] 本発明は、チップ上に一体に多重構造のレンズが設けら
れた固体撮像素子において、そのレンズを少なくともセ
ンサー開口部より大面積の口径有する集光用の第1のレ
ンズと、その第1のレンズで集光された光線を上記チッ
プに対して垂直な方向へ向けて屈折させる第2のレンズ
とを有する構造とすることにより、集光量の増大や集光
の効率の向上を図るものである。
〔従来の技術〕
CCDイメージヤの如き固体撮像素子として、そのセン
サ一部に入射する光量を増加させるために、チップ上に
レンズ形成層を設けた素子が知られている(例えば特開
昭64−10666号公報参照、)。
このレンズ形成層は、無機若しくは有機の透明材料層を
例えば凸面状に加工した層であり、その凸面状の表面で
の光線の屈折により集光がなされることになる。
第9図は従来のレンズ形成層を有した固体撮像素子の模
式的な断面図である。シリコン基板101上に遮光性を
有する電極層102が形成され、その電極層102の開
口部103の底部に臨んで光電変換するためのセンサ一
部104が形成される。その電極層102は平坦化層1
05に被覆されており、その上部にはカラーフィルター
としての染色層106が形成されている。そして、その
染色層106の上部にレンズ形成層107が設けられて
おり、このレンズ形成層107のセンサーの開口部10
3上は凸面部108が形成されている。
チップの表面から入射した光は、その凸面部108で屈
折され、基板表面のセンサ一部104に導かれる。そし
て、そのセンサ一部104で光電変換が行われ、所要の
画像信号が得られることになる。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、上述の固体撮像素子では、レンズ形成層10
7の凸面部108の寸法や形状のみで集光量等が決めら
れるため、仮にプロセス上、凸面部108の径などが拡
がって形成された場合では、本来信号として受光される
光も、図中の光線Wのように、電極層102の表面で反
射する等の現象が生じ、実際には集光量が低下する等の
問題が生じる。
そこで、本発明は、上述の技術的な課題に鑑み、安定し
た集光を実現する多重レンズ構造の固体撮像素子の提供
を目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上述の目的を達成するために、本発明の固体撮像素子は
、チップ上に一体にレンズが形成される固体撮像素子で
あって、上記レンズは、センサー開口部より大面積の口
径有する集光用の第1のレンズと、その第1のレンズで
集光された光線を上記チップに対して垂直な方向へ向け
て屈折させる第2のレンズとを少なくとも有する多重レ
ンズ構造とされることを特徴とする。
〔作用] 単一のレンズによる集光では、そのレンズ自体の形状に
応して集光量が変動することになるが、本発明の固体撮
像素子では、集光用の第1のレンズに加えて、光を垂直
な方向に向けて屈折する第2のレンズを有しているため
、センサー関口部に入射する光はより垂直方向から入射
してくることになる。このように受光される入射光の角
度が垂直方向に近づくことで、その光路が受光部の中心
寄りになり、プロセス上レンズの形状が多少変形した場
合でも、開口部のエツジ等により反射される量が減少す
ることになる。
〔実施例〕
本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。
第1の実施例 本実施例は、CCD固体撮像素子上に、2層のレンズ形
成層からなるレンズが形成される例である。
まず、その模式的な断面構造を第1図に示す。
この第1図に示すように、シリコン基板1の表面にはセ
ンサ一部2が形成されており、このセンサ一部2で入射
した光が光電変換される。そのセンサ一部2の表面は、
シリコン基板1上に形成された電極層4がパターニング
され、センサー開口部3が設けられている。!極層4は
アルミニウム遮光膜等からなる。このセンサー開口部3
を有した電極層4を覆うように第1層目の透明材料層5
が形成され、この第1層目の透明材料層5のセンサー開
口部3に対応した領域には、レンズ6が形成されている
。この第1層目の透明材料層5は、その屈折率が02と
され、そのレンズ6の口径はW□2曲率半径はrt+基
板からの高さはhtとされている。そして、このレンズ
6を有した第1層目の透明材料層5上に第2層目の透明
材料層7が形成され、その第2層目の透明材料層7のセ
ンサー開口部3に対応した領域には、レンズ8が形成さ
れている、このレンズ8は、センサー開口部3の面積よ
りも大面積の口径W、を有し、その曲率半径はrl+第
1層目の透明材料層5との界面からの高さはhlとされ
ている。この第2層目の透明材料層7の屈折率はn、で
ある。
ここで2つのレンズ6.8の間の関係の一例について説
明すると、例えば曲率半径がr、<r!とされ、さらに
屈折率がn、>n、となるように設定することで、レン
ズ8に入射した光はレンズ8の表面で集束するように屈
折し、さらに屈折してレンズ6に入射した光はそのレン
ズ6の表面で基板に対して垂直な方向に向かうように曲
げられる。すなわち、レンズ6の表面で基板主面に対し
て完全に垂直な方向に屈折されないまでも、それに近い
方向に屈折される。第1図中、光線Pは2つのレンズ6
.8を進む光線の一例であり、光軸からやや離れて入射
した光線Pは、レンズ8の表面でレンズ8の無点の向か
って進み、レンズ6に入射する。このレンズ6では、屈
折率や曲率半径の関係でさらに深い位置が焦点fとなり
、このような垂直方向化によって、センサ一部2には垂
直方向の度合の強い入射光が入射して光電変換が行われ
ることになる。
このような多重レンズ構造により、本実施例の固体撮像
素子では、まず、レンズ8がセンサー開口部3の面積よ
りも大面積の口径W1を有しているために、集光量を増
大させることが可能である。
また、レンズ6によって垂直方向へ曲げられるため、プ
ロセス上の問題からの設計からのずれに強い構造となっ
てセンサー非開口部分等での乱反射が抑えられると共に
、センサ一部2の面積を最大限に活用できる。また、垂
直方向の度合の強い入射光により、電極の多層構造化に
よって、電極層4の厚みが厚くなった場合でも、十分に
対処できる。
次に、本実施例の固体撮像素子のレンズ構造を従来の単
層のレンズ構造のものと対比させながら、第3図〜第8
図を参照して説明する。
第1に斜め入射光に対する特性について、第3図と第4
図を比較してみると、第3図の多重レンズ構造の方が優
れていることが判る。すなわち、F値を1.4.入射角
θiを19.7°と想定して、センサ一部などの位置を
示す素子面をレンズの位置から相対的に変化させてみる
と、第3図の本実施例の固体撮像素子にかかる多重レン
ズ構造の方が素子面A及び素子面Bの両方で第4図の従
来の単層レンズ構造のものに比べて光量を受ける割合が
高くなっている。また、第3図の本実施例の固体撮像素
子にかかる多重レンズ構造では、素子面Aでも素子面B
でもそれほど変わらず集光された光を受けることが可能
であるが、第4図の従来の単層レンズ構造では、素子面
Aで最大であった感度が素子面Bに向かうに従って低下
することになる。これはレンズの位置とセンサ一部2の
位置が、本実施例の固体撮像素子ではよりばらつきに強
い構造となっていることを示し、また設計上も有利であ
ることを示す。
第2に、その斜め入射光の画角周辺の入射光について、
第5図と第6図を比較してみると、同様に、第5図の多
重レンズ構造の方が優れている。
例えばF値を1.4.入射角θiを19.7°、さらに
チルト角θtを6.loと想定し、固体撮像素子の素子
面をレンズの位置から相対的に変化させてみても、先の
比較と同様に、第5図の本実施例の固体撮像素子にかか
る多重レンズ構造の一方が素子面A及び素子面Bの両方
で第6図の従来の単層レンズ構造のものに比べて光量を
受ける割合が高くなっている。
第7図と第8図はシェーデイング量を示す図であり、第
7図が本実施例の固体撮像素子にかかる多重レンズ構造
の特性であり、第8図が従来の単層レンズ構造の特性で
ある。第7図と第8図の特性を比較してみると、第7図
のシェーデイング量が51であるのに対して、第8図の
シェーデイング量がS!であって、s、<s、の間係に
なっている。従って、第7図の本実施例の固体撮像素子
の多重レンズ構造の方がシェーデイング量も低下してい
ることが判り、しかも全体的に集光量も増大しているこ
とが判る。
このように本実施例の固体撮像素子では、光の斜め入射
に対しても高感度となり、シェーデイング量も低下して
いることが判る。また、レンズ6によって入射光が垂直
化させられるため、電極層4の厚みが厚くなった場合や
レンズの高さが変化した場合でも、安定した感度を得る
ことが可能である。
第2の実施例 本実施例は、3層のレンズ構造を有する固体撮像素子の
例である。
まず、その模式的な断面構造を第2図に示す。
この第2図に示すように、シリコン基板11の表面には
センサ一部12が形成されており、入射光はそのセンサ
一部12で光電変換される。そのセンサ一部12の表面
は、シリコン基板11上に形成された電極層14がパタ
ーニングされ、センサー開口部13が設けられている。
電極層14はアルミニウム遮光膜等からなる。
本実施例の固体撮像素子の多重レンズ構造は、3つのレ
ンズ16.18.20を有したものである。すなわち、
センサー開口部13を有した電極層14を覆うように第
1層目の透明材料層15が形成されている。この第1層
目の透明材料層15のセンサー開口部13に対応した領
域には、レンズ16が形成されている。この第1層目の
透明材料層15は、その屈折率が103とされ、そのレ
ンズ16の口径はW011曲率半径はrosとされてい
る。そして、このレンズ16を有した第1層目の透明材
料層15上に第2層目の透明材料層17が形成され、そ
の第2層目の透明材料層17のセンサー開口部13に対
応した領域には、レンズ18が形成されている。このレ
ンズ18は、口径W02を有し、その曲率半径はre2
である。また、この第2層目の透明材料層17の屈折率
はno、とされる。さらに、レンズ18が形成された第
2層目の透明材料層17上に、第3層目の透明材料層1
9が形成される。この第3層目の透明材料層19のセン
サー開口部13に対応した領域には、レンズ20が形成
される。このレンズ20はそのセンサー開口部13より
も大面積の口径W0.を有しており、その曲率半径は「
。1.屈折率はno+とされている。
これら3つのレンズ16.18.20について説明する
と、例えば曲率半径がre、<r。2く、。。
とされ、さらに屈折率がn or > n ox> n
 asとなるように設定される。このように設定するこ
とで、レンズ20に入射した光はレンズ20の表面で集
束するように屈折し、さらにその光はレンズ18゜16
の各表面で、基板に対して垂直な方向に向かうように曲
げられる。第2図中、光線P1は3つのレンズ20,1
8.16を進む光線の一例であり、光軸からやや離れて
入射した光線P、は、レンズ20で集束するように曲げ
られ、レンズ18゜16の2段階で一層垂直な方向に曲
げられて行く。
本実施例の固体撮像素子は、多重レンズ構造により、集
光量を増大させることが可能であり、レンズ20により
集光された光線がレンズ18.16によって垂直方向へ
曲げられるため、センサー非開口部分等での乱反射が抑
えられると共に、センサ一部12の面積を最大限に活用
できる。また、本実施例の固体描像素子は、電極の多層
構造化にも十分に対処でき、シェーデイング量も抑える
ことができる。
なお、上述の各実施例では、レンズをそれぞれ上に凸の
ものとして説明したが、屈折率や曲率半径、レンズ形成
層の膜厚等に応して、凹レンズ等であっても良く、凹凸
の組合せであっても良い。
また、各レンズの形成方法は、通常の方法であれば良く
、例えば透明材料層上の熱変形膜を各センサー開口部毎
にパターニングし、その熱変形膜をリフローさせてから
エツチングするような方法が挙げられる。また、固体撮
像素子には、必要に応して染色層や平坦化膜をチップ上
に設けることができる。
〔発明の効果〕
本発明の固体撮像素子は、上述の如き多重レンズ構造に
よって、その集光量を増大させることができ、同時にセ
ンサ一部に入射する光が垂直方向に曲げられてきている
ために、乱反射防止や、製造上のばらつきに強い構造と
され、さらに高密度化や高画素化に対応できる。また、
電極が多層化することで電極層の厚みも増加するが、光
が垂直方向に入射して行くことで、電極の多層化にも十
分に適応できる。さらに、カメラ等に搭載した場合のシ
ェーデイング量も抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の固体撮像素子の一例の要部の模式的な
断面図、第2図は本発明の固体撮像素子の他の一例の要
部の模式的な断面図、第3図は本発明の固体撮像素子の
一例についての斜めの入射光の場合における光路の一例
を示す図、第4図は従来の固体撮像素子の一例について
の斜めの入射光の場合における光路の一例を示す図、第
5図は本発明の固体撮像素子の一例についての斜めの入
射光の場合における他の光路を示す図、第6図は従来の
固体撮像素子の一例についての斜めの入射光の場合にお
ける他の光路を示す図、第7図は本発明の固体撮像素子
の一例についてのシェーデイング量を示す図、第8図は
従来の固体撮像素子の一例についてのシェーデイング量
を示す図、第9図は従来の固体撮像素子の一例の模式的
な断面図である。 1.11・・・シリコン基板 2.12・・・センサ一部 3.13・・・センサー開口部 4.14・・・電極層

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】  チップ上に一体にレンズが形成される固体撮像素子で
    あって、 上記レンズは、センサー開口部より大面積の口径を有す
    る集光用の第1のレンズと、その第1のレンズで集光さ
    れた光線を上記チップに対して垂直な方向へ向けて屈折
    させる第2のレンズとを少なくとも有する多重レンズ構
    造とされることを特徴とする固体撮像素子。
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