JP2008016722A - 固体撮像装置及びデジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】超微細画素においても形成でき、しかも、高感度を実現できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】固体撮像装置の各画素１３は、表面の受光領域１８から入射した光を電荷に変換する光電変換部２１を有する複数の受光セル１４と、受光セル１４の受光領域１８に形成された光透過部材１６とから構成される。各受光セル１４は、Ｎ型不純物が添加されたシリコンからなる基板１５を基礎として、光電変換層１７、絶縁層２３、金属層２５及びフィルタ層３３を備える。光透過部材１６は、第１の平坦層１６ａと第２の平坦層１６ｂとからなる２層構成になっている。第２の平坦層１６ｂの横断面における面積（平面視での面積）は、第１の平坦層１６ａの横断面における面積よりも小さく、第２の平坦層１６ｂが第１の平坦層１６ａの上面に積層された構成となるように受光セル１４の受光領域１８に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像装置及び当該固体撮像装置を利用したデジタルカメラに関する。

図１７は、従来の固体撮像装置における１画素に相当する部分の断面図である。
各画素９１３は、表面が受光領域９１８である受光セル９１４と、受光セル９１４の受光領域９１８の全面を覆うように形成されたマイクロレンズ９１６とから構成される。
受光セル９１４は、Ｎ型不純物が添加されたシリコンからなる基板９１５の上に、光電変換層９１７、絶縁層９２３、金属層９２５及びフィルタ層９３３を備える。

光電変換層９１７は、受光セル９１４に入射した光を電荷に変換する光電変換部９２１を有する。この光電変換層９１７は、基板９１５の一部にＰ型不純物をイオン注入してＰ型ウェル９１９を形成した上で、当該Ｐ型ウェル９１９の一部にＮ型不純物をイオン注入し、Ｎ型領域である光電変換部９２１を形成した層である。
絶縁層９２３は、光電変換層９１７と金属層９２５とを絶縁するために設けられ、受光セル９１４の平坦化のために形成された二酸化珪素９２７の層である。金属層９２５は、光電変換部９２１で変換された電荷を信号として取り出すための配線などを備え、例えば、ＣＶＤ法などにより形成されている層である。なお、ＣＶＤ法を利用して遮光膜９２９も形成され、遮光膜９２９の開口部９３１にＣＶＤ法などにより、受光セル９１４の平坦化のための二酸化珪素９３４が形成されている。

フィルタ層９３３は、入射光を、例えば、ＲＧＢに色分離する、顔料からなるフィルタ膜９３５と、受光セル９１４の表面を平坦化するための二酸化珪素９３７とを有する層である。なお、平坦化のために形成された二酸化珪素９３７の表面が、受光セル９１４の表面であって受光領域９１８に相当する。
入射光９３９は、受光セル９１４の上方からマイクロレンズ９１６に入射し当該マイクロレンズ９１６より集光されて、フィルタ膜９３５、開口部９３１を経て光電変換部９２１に到達する。

マイクロレンズ９１６は、図１７に示すように円弧面（実際は球面である。）を有し、当該円弧面の曲率等はマイクロレンズ９１６に入射した光が光電変換部９２１で集中するように設計されている。
なお、マイクロレンズとして、例えば、同心円状に異なる屈折率をもつ複数の層からなり、中心部が最も屈折率が高く、周辺部になるにつれて順に屈折率が減少するように構成されたもの（例えば、特許文献１）や、厚さ分布型レンズと、ドーピングによって連続的に屈折率分布を持たせた分布屈折率型レンズとで構成したもの（例えば、特許文献２）等がある。
特開２０００−３９５０３号公報 特開平５−２５１６７３号公報

固体撮像装置については、従来から高解像度化や高感度化が進められ、さらに、画素の小型化が要望されている。しかしながら、マイクロレンズ９１６は、通常、リフロ成形により自己組織化を利用して形成しているため、マイクロメートルオーダーでの球面形状の形成が非常に困難になる。
また、発明者等が集光率についてシミュレーションを用いて検討した結果（解析モデル等は後述する。）、１画素を平面視した（受光セルの表面と直交する方向から見た）際の受光セル９１４のサイズが１．４（μｍ）×１．４（μｍ）の正方形状よりも小さくなると、マイクロレンズ９１６の曲面形状を光学的に理想の形状（実際のマイクロレンズの成形においては不可能である。）とした解析モデルで解析しても、固体撮像装置における光の集光率が約５３％程度に低下することが分かった。

そこで、本発明は、超微細画素において精度良く形成でき、しかも、高感度を実現できる固体撮像装置及びデジタルカメラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、複数の受光セルの各表面に光透過部材を備え、前記光透過部材は、受光セル表面の受光領域よりも小さい面積の平坦層が１段以上載置された構成をしていることを特徴とする。
上記構造とすることで、１以上の層を積層した構成からなる屈折率分布によって、光の回折効果が生じ、結果的に受光領域で受光した光を集光させることが可能となる。特に、微細画素においては、従来のマイクロレンズと同等程度またはそれ以上の集光率を得ることが可能となる。
さらに、光透過部材は、例えば、半導体プロセスにより形成することができるので、微細画素になっても、マイクロレンズを形成する場合に比べて精度良く形成できる。

前記受光領域は、平面視において、一辺が２．１（μｍ）の正四角形の領域内に入る大きさであり、前記複数の受光セルは、等間隔で配列されていることを特徴とし、また、前記光透過部材は、前記平坦層を複数積層した形状をし、各平坦層における積層方向と直交する断面の面積は、上層になるに従って小さくなることを特徴としている。
一方、前記複数の平坦層は２層あり、下層の平坦層における積層方向と直交する断面の面積は、一辺が１．２（μｍ）の正方形の面積よりも小さく、上層の平坦層における積層方向と直交する断面の面積は、一辺１．０（μｍ）の正方形の面積よりも小さいことを特徴とし、或いは、複数に積層された各平坦層の厚みが略等しいことを特徴としている。

さらに、平坦層は、一定の屈折率を示す材料から構成され、前記各平坦層の屈折率が２種類以上あることを特徴とし、或いは、前記複数の受光セルは、所定色の光のみを透過させるフィルタ膜を複数種類備えると共に、各受光セルは、複数種類の内の１種類のフィルタ膜を備え、各光透過部材の厚みは、フィルタ膜の種類に対応して異なることを特徴としている。

また、前記複数の受光セルの平坦層の軸心は、入射光方向に偏心していることを特徴とし、或いは、前記複数の受光セルが２次元状に配され、２次元状に配されている受光セルの内、略中央に位置する受光セルから離れた位置にある受光セルにおける平坦層の重心は、前記受光領域の中心位置から前記中央に位置する受光セルに近づく側にずれていることを特徴としている。

本発明に係る固体撮像装置は、光透過部材が受光領域より小さい面積の平坦層を１層積層した構造とすることで、回折効果を用いて入射光の集光を実現できる。さらに、光透過部材を、例えば、半導体プロセスにより形成すると、微細画素になっても、例えば、マイクロレンズよりも精度の高いものが得られる。

以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施の形態＞
１．カメラシステムの構成
図１は、本発明に係るカメラシステムの構成を示す図である。
このカメラシステム１は、固体撮像装置３、垂直走査回路５、水平走査回路７、出力アンプ９、駆動回路１１等を備える。

固体撮像装置３は、後述するが、ＭＯＳ型のイメージセンサであり、複数の画素１３を二次元状（行列状）、例えば、４行５列に配列してなる。各画素１３は、受光量に相当する信号(電荷)を出力する。なお、言うまでもなく、画素１３の二次元状の配列、さらには、４行５列の配列は一例である。
垂直走査回路５は、固体撮像装置３の各画素１３を行毎に順次アクティブ状態とし、アクティブ状態となった１行分の画素１３の信号を一斉に水平走査回路７に転送する。

水平走査回路７は、転送されてきた１行分の画素１３の信号を順次出力アンプ９に出力する。出力アンプ９は、画素１３の信号を増幅する。なお、駆動回路１１は、垂直走査回路５、水平走査回路７、出力アンプ９を駆動動作させる。
２．画像撮像装置の構成
図２の（ａ）は、固体撮像装置における１画素の断面図であり、（ｂ）は、固体撮像装置における１画素の平面図である。

固体撮像装置３の各画素１３は、表面が受光領域１８となった受光セル１４と、受光セル１４の受光領域１８に形成された光透過部材１６とから構成される。
各受光セル１４は、基板１５、光電変換層１７、絶縁層２３、金属層２５及びフィルタ層３３をこの順で備える。
基板１５は、例えば、Ｎ型不純物が添加されたシリコンからなる。光電変換層１７は、受光セル１４に入射した光を電荷に変換するためのもので、光電変換部２１を有する。光電変換層１７は、基板１５の一部にＰ型不純物をイオン注入してＰ型ウェル１９を形成した上で、Ｐ型ウェル１９の一部にＮ型不純物をイオン注入し、Ｎ型領域である光電変換部２１を形成した層である。

絶縁層２３は、光電変換層１７と金属層２５とを分離するため、そして受光セル１４の受光領域１８を最終的に平坦化し、配線を容易にするために設けられている。具体的には、当該絶縁層２３はＣＶＤ法などにより形成された二酸化珪素２７の層からなる。
金属層２５は、垂直走査回路５からの配線や、光電変換部２１に到達した光から変換された電荷である信号を水平走査回路７に転送する配線などが、例えば、ＣＶＤ法などにより形成されている層であり、さらに、ＣＶＤ法を利用して遮光膜２９も形成されている。

なお、遮光膜２９間の開口部３１には、例えば、ＣＶＤ法により、受光セル１４の表面を最終的に平坦化するための二酸化珪素３４が形成されている。また、垂直走査回路５等からの配線の図示は省略する。
フィルタ層３３は、入射光を所定の光色、例えば、Ｒ（赤）、Ｇ(緑)、Ｂ（青）に色分離するフィルタ膜３５と、受光セル１４の受光領域１８を平坦にするために形成された二酸化珪素３７と有する層である。なお、受光セル１４は、１つのフィルタ膜３５を有し、また、前記フィルタ膜３５は、Ｒ，Ｇ，Ｂ用の３種類ある。当該フィルタ膜３５は、例えば、顔料から構成される。

入射光３９は、受光セル１４の受光領域１８の上方から光透過部材１６、フィルタ膜３５、開口部３１等を経て光電変換部２１に到達する。
発明の特徴部分である光透過部材１６は、図２の（ａ）に示すように、第１の平坦層１６ａと第２の平坦層１６ｂとからなる２層構成になっている。つまり、光透過部材１６は、第１の平坦層１６ａと、当該第１の平坦層１６ａよりも平面視において面積の小さい第２の平坦層１６ｂとがこの順で積層された構成を有し、受光領域１８に形成されている。

ここでの光透過部材１６は、図２の（ｂ）に示すように、第１の平坦層１６ａ及び第２の平坦層１６ｂが、平面視において、正四角形であって各角が丸くなった形状をしている。また、光透過部材１６は、第１の平坦層１６ａの重心を通り受光セル１４の受光領域１８と直交する方向の仮想線分（以下、「軸心」とする。）と、第２の平坦層１６ｂの軸心とが略一致し、且つ両平坦層１６ａ，１６ｂの軸心が受光領域１８の略中心に位置している。

光透過部材１６は、第１の平坦層１６ａ及び第２の平坦層１６ｂとも、同じ媒質で構成され、例えば、屈折率が１．４６である二酸化珪素から構成されている。
３.製造方法
次に、本実施の形態で説明した固体撮像装置の製造工程について説明する。
固体撮像装置３は、先ず、半導体プロセスにより、複数の受光セル１４を成形した後、光透過部材１６を形成する。受光セル１４は、従来の固体撮像装置の受光セル（９１４）と同じ工程で製造できるので、受光セル１４の製造工程の説明は省略し、光透過部材１６の製造工程について説明する。

光透過部材１６の媒質として、例えば、二酸化珪素を用いると、半導体プロセスとエッチングプロセスとを利用して光透過部材１６を形成することができる。つまり、光透過部材１６は、所定の厚みの二酸化珪素層を成膜した後、光透過部材１６の形状となるように二酸化珪素層の余分な部分をエッチングにより削除して得られる。
特に、光透過部材１６が、第１の平坦層１６ａの上面に、この第１の平坦層１６ａよりも横断面（受光セルの表面と平行となる断面）の面積が小さい第２の平坦層１６ｂを積み重ねた構成をしている場合（つまり、光透過部材１６が２層の平坦層からなる場合）には、１回の二酸化珪素層の成膜工程と、２回のエッチング工程、もしくは２回の二酸化珪素層の成膜工程と、２回のエッチング工程から光透過部材１６を容易に形成することができ、しかも、微細画素となっても低コストで精度良く形成することができる。

４．光強度分布について
図３は、第１の実施の形態に係る固体撮像装置と従来の固体撮像装置における光伝搬シミュレーションの結果図であり、図４は図３の結果図を基にして作成した模式図である。
また、図３の（ａ）と図４の（ａ）は、第１の実施の形態に係る固体撮像装置について、図３の（ｂ）と図４の（ｂ）は、従来の固体撮像装置について、それぞれ示している。

なお、シミュレーションの模式図である図３の（ｂ）及び図４の（ｂ）において、囲い部分は、固体撮像装置に入射した光の強度の高い部分を示している。また、第１の実施の形態に係る固体撮像装置を発明品と称し、従来技術であるマイクロレンズを用いた固体撮像装置を従来品と称する。
（１）解析モデル
発明品と従来品とは、各画素の表面に相当する部分が異なる。つまり、発明品では光透過部材を備え、従来品はマイクロレンズを備えている点で両者は異なり、受光セル部分の構成は同じである。

発明品及び従来品における解析に用いた受光セルのモデルは、１画素における受光セルのサイズが同じであり、平面視において、１．４×１．４（μｍ）の正方形状をしている。また、受光領域（受光セルの表面）と光電変換部２１，９２１の受光面との距離は３．４（μｍ）で、光変換部の表面積は０．５×０．５（μｍ）の正方形状をしている。開口部の大きさは、０．６×０．６（μｍ）の略正方形状をしている。

次に、発明品における光透過部材１６のサイズ及び形状は、第１の平坦層１６ａが一辺（図２の（ｂ）における（ａ１＋ａ２＋ａ３）である。）が０．８（μｍ）で、厚さ（図２の（ａ）のｄ１である。）が０．１５（μｍ）の略正四角柱であり、第２の平坦層１６ｂが一辺（図２の（ｂ）におけるａ２である。）が０．５（μｍ）で、厚さ（図２の（ａ）のｄ２である。）が０．１５（μｍ）の略正四角柱である。

一方、従来品におけるマイクロレンズのサイズ及び形状は、背景技術の欄で説明したように、半球状をしており、マイクロレンズの曲率は、マイクロレンズに入射した光が、光電変換部９２１で集光するように設定され、円弧面の半径が０．８（μｍ）で、高さが０．４１(μｍ)である。
集光率は、図４の（ａ）及び図４の（ｂ）に示す受光領域に相当する領域Ｘ１を通過した光の強さと、光電変換部２１、９２１での光の強さの比率から算出する。

また、本解析モデルにおける入射光の波長は、緑色（Ｇ）に相当する５３０（ｎｍ）の光である。今後の、解析モデルにおける入射光は全て５３０（ｎｍ）としている。
（２）解析結果
先ず、発明品では、略光電変換部２１，９２１で光の強度が高くなり、このときの集光率は６５％である。一方の従来品では、略光電変換部で光の強度が高くなり、このときの集光率は５３％である。

この結果から、本実施の形態に係る光透過部材１６は、従来のマイクロレンズよりも集光特性が良いことが分かる。これは、光透過部材１６が、受光セルのサイズが非常に小さくなった場合、光の回折現象により、光の進行方向を適切に制御できたからと考えられる。
なお、従来品は、マイクロレンズの球面を理想的な形状として、解析を行っており、実際にリフロ成形によって、受光セルの平面視におけるサイズが、一辺が１．４（μｍ）の正方形状よりも小さいマイクロレンズを形成すると、マイクロレンズの曲面の形状が理想的な形状でなくなり、集光率がさらに低下するものと考えられる。
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態では、光透過部材１６は、入射光をＲＧＢのいずれかに色分離するフィルタ膜３５の種類に関係なく、光透過部材１６のサイズを一定にしていたが、フィルタ膜３５の光色に対応して各光透過部材１６のサイズを変えても良い。

以下、光透過部材のサイズが各フィルタ膜の種類によって異なる例として、光透過部材の厚さが異なる場合を第２の実施の形態として説明する。
図５は、第２の実施の形態に係る固体撮像装置における画素の断面図である。
第２の実施の形態に係る固体撮像装置１０３は、第１の実施の形態と同様に、複数の画素１１３Ｂ，１１３Ｇ，１１３Ｒからなる。各画素１１３Ｂ，１１３Ｇ，１１３Ｒは、３種類の光色、つまり、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれか一つの光色を透過させるフィルタ膜３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂを備え、各光透過部材１１６Ｒ，１１６Ｇ，１１６Ｂは、各フィルタ膜３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂに対応して、その厚さが設定されている。

つまり、光透過部材１１６Ｒ，１１６Ｇ，１１６Ｂの厚さは、フィルタ膜３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂを透過できる光色が、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の順で、赤が最も厚くなっている。また、各光透過部材１１６Ｒ，１１６Ｇ，１１６Ｂは、第１の実施の形態と同様に、２つの平坦層１１６Ｒａ，１１６Ｒｂ、１１６Ｇａ，１１６Ｇｂ、１１６Ｂａ，１１６Ｂｂを２層に重ねた構成を有し、上下の各平坦層の厚さは略同じである。なお、第１の平坦層１１６Ｒａ，１１６Ｇａ，１１６Ｂａの符号を「１１６（Ｒ，Ｇ，Ｂ）ａ」で、第２の平坦層１１６Ｒｂ，１１６Ｇｂ，１１６Ｂｂの符号を「１１６（Ｒ，Ｇ，Ｂ）ｂ」として表示する。

具体的に説明すると、フィルタ膜３５Ｒを有する画素１１３Ｒでの光透過部材１１６Ｒの第１及び第２の平坦層１１６Ｒａ，１１６Ｒｂの厚さは０．２２（μｍ）であり、フィルタ膜３５Ｇを有する画素１１３Ｇでの光透過部材１１６Ｇの第１及び第２の平坦層１１６Ｇａ，１１６Ｇｂの厚さは０．１９（μｍ）であり、フィルタ膜３５Ｂを有する画素１１３Ｂでの光透過部材１１６Ｂの第１及び第２の平坦層１１６Ｂａ，１１６Ｂｂの厚さは、０．１５（μｍ）である。

なお、光透過部材１１６Ｒ，１１６Ｇ，１１６Ｂは、第１の平坦層１１６（Ｒ，Ｇ，Ｂ）ａ及び第２の平坦層１１６（Ｒ，Ｇ，Ｂ）ｂが、平面視において、角が丸くなった略正四角形状（図２の（ｂ）参照）をし、図５に示すように、第２の平坦層１１６（Ｒ，Ｇ，Ｂ）ｂが第１の平坦層１０６（Ｒ，Ｇ，Ｂ）ａに積層された形状をしている。
また、第１の平坦層１１６（Ｒ，Ｇ，Ｂ）ａの軸心と第２の平坦層１１６（Ｒ，Ｇ，Ｂ）ｂの軸心とが略一致し、且つこれらの軸心が受光領域１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂの略中心に位置している。

上記のように、例えば、光透過部材１１６Ｒを光透過部材１１６Ｂよりも厚く、光透過部材１１６Ｂを光透過部材１１６Ｇよりも厚くすることで、緑色光を受光する画素１１３Ｇ、青色光を受光する画素１１３Ｂ及び赤色光を受光する画素１１３Ｒにおいて焦点距離を等しくすることができ、各色光に対応する受光セル１４の製造が容易になる。
なお、第１の実施の形態における光透過部材１６と同じような形状とすることで、各色光に対応して、光電変換部２１で光の強度の高くできる。これにより、高感度な固体撮像装置１０３を得ることができる。

＜第３の実施の形態＞
第１の実施の形態の固体撮像装置３及び第２の実施の形態の固体撮像装置１０３は、複数の画素１３，１１３を有し、各画素１３，１１３の光透過部材１６，１１６は、全画素中における画素１３，１１３の位置に関係なく、つまり、中央に位置する画素１３，１１３も、周縁近くに位置する画素１３，１１３も、同じ形状の光透過部材１６，１１６を受光セル１４，１４における受光領域１８，１８の同じ位置に備えている。

しかしながら、一般的に、固体撮像装置は複数の画素を２次元配列で構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、中央位置の画素と周縁位置の画素とでは入射角度が異なる。
第３の実施の形態では、画素の位置によって異なる入射角度に対応するように、光透過部材の形状を変化させたものである。

１．構成について
図６は、固体撮像装置に入射する光の概略を説明する図である。
同図に示すように、固体撮像装置２０３の略中心部分の画素２１３Ｙでは入射光は、固体撮像装置２０３の表面に対して直交する角度（法線である。）で入射するのに対して、周辺部分の画素２１３Ｘ，２１３Ｚでは、法線に対して２０（°）以上、３０（°）以下の範囲程度傾斜して入射する。

図７は、固体撮像装置における中央に位置する画素と、当該画素の両側であって周縁部付近の画素の断面図を示す図である。
第３の実施の形態における固体撮像装置２１３Ｘ，２１３Ｙ，２１３Ｚの受光セル１４は、第１及び第２の実施の形態で説明した各受光セル１４と同じ構成であり、同じ符号を使用すると共に、これらの説明は省略する。

各受光セル１４に形成されている光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｙ，２１６Ｚ（以下、光透過部材の符号を、「２１６（Ｘ，Ｙ，Ｚ）」で示す。）は、第１の実施の形態と同じように、第１の平坦層２１６Ｘａ，２１６Ｙａ，２１６Ｚａ（以下、第１の平坦層の符号を、「２１６（Ｘ，Ｙ，Ｚ）ａ」で示す。）と、第２の平坦層２１６Ｘｂ，２１６Ｙｂ，２１６Ｚｂ（以下、第２の平坦層の符号を、「２１６（Ｘ，Ｙ，Ｚ）ｂ」で示す。）との２層構造を有している。なお、各画素２１３Ｘ，２１３Ｙ，２１３Ｚの符号も、２１３（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で示す。

第３の実施の形態における光透過部材２１６（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、固体撮像装置２０３における画素の位置に対応して、受光領域１８上に形成される位置及びその形状が異なる点で、第１の実施の形態と異なる。
つまり、図７では、光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚがある画素２１３Ｘ，２１３Ｚは、固体撮像装置２０３の中央位置からはずれており、この光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚの固体撮像装置２０３における位置に対応して、光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚの第１の平坦層２１６Ｘａ，２１６Ｚａ及び第２の平坦層２１６Ｘｂ，２１６Ｚｂの各層の形成位置が、受光領域１８の中央位置から、固体撮像装置２０３の中心側（中央の画素２１３Ｙに近づく側）に偏っている。

具体的には、光透過部材２１６（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、各画素の位置に対応して、中央部に位置する画素２１３Ｙでは、光透過部材２１６Ｙの軸心が受光セル１４の中心軸と略一致し、逆に、周縁周辺に位置する画素２１３Ｘ，２１３Ｚでは、光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚの軸心が受光セル１４の中心軸から、固体撮像装置２０３の中央位置に近づく側（図７では画素２１３Ｙ側）に偏り、第１の平坦層２１６Ｘａ，２１６Ｚａ及び第２の平坦層２１６Ｘｂ，２１６Ｚｂのそれぞれの軸心の位置が、中心側に近づいている。このときの第２の平坦層２１６Ｘａ，２１６Ｚａの軸心の位置は、第１の平坦層２１６Ｘａ，２１６Ｚａの軸心よりも固体撮像装置２１６の中央側（画素２１３Ｙ側）に偏っている。

本第３の実施の形態では、光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚの受光セル１４の中心軸に対する偏りは、光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚが形成されている画素２１３Ｘ，２１３Ｚが、中央位置の画素２１３Ｙから離れるに従って大きく、また、中央に位置する画素２１３Ｙを基準とする（中央に位置する画素がない場合には、中央の位置に対応する点を基準とする）点対称の関係にある２つの画素（例えば、２１３Ｘ，２１３Ｚ）では、その偏り量は略同じである。

これによって、それぞれの光透過部材２１６（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、入射光の入射角度及び固体撮像装置２０３における画素２１３（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の位置によって、光透過部材２１６（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の形成位置及びその形状を最適化し、各画素２１３Ｘ，２１３Ｙ，２１３Ｚにおける光電変換部２１での集光率を高めることができる。
また、第１の実施の形態に係る固体撮像装置３の各光透過部材１６は、その軸心が受光セル１４の中心軸と同心上にあることから、第１の実施の形態に係る固体撮像装置３を「同心タイプ」と称し、第３の実施の形態に係る固体撮像装置２０３の各光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚは、画素２１３Ｘ，２１３Ｚの位置に対応して、その軸心が受光セル１４の中心軸に対して偏心していることから、第３の実施の形態に係る固体撮像装置２０３を「偏心タイプ」と称する。

２．解析結果
次に、偏心タイプと同心タイプの画素に対して光の入射角が傾斜した場合に、各タイプでの集光率の違いについて、光伝搬シミュレーションにより解析した結果について説明する。
（１）解析モデル
解析に用いた固体撮像装置の画素モデルは、同心タイプの受光セル、偏心タイプの受光セルとも同構成であり、その解析モデルは、第１の実施の形態での４．光強度分布についての（１）解析モデルの欄で説明したモデルと同じである。

同心タイプと偏心タイプとの光透過部材は、第１の平坦層及び第２の平坦層とを有し、各タイプの平坦層とも略同じサイズを有している。両タイプで異なるのは、固体撮像装置における画素の位置に対応して、例えば、周縁部付近の画素では、当該画素の光透過部材２１６の軸心が受光セル１４の中心線に対して偏心していることである。
なお、解析モデルの画素への光の入射角度は、受光セル１４の受光領域１８の法線に対して、１０度傾斜している。

（２）解析結果
図８は、周縁に位置する画素における光伝搬シミュレーションの結果図であり、図９は、図８の結果図を基にして作成した模式図である。
なお、図９は、図４と同様に、囲い部分が固体撮像装置に入射した光の強度が強いことを示す。

先ず、同心タイプは、図８の（ａ）及び図９の（ａ）に示すように、光の強度の分布において、最も強くなる部分が、光電変換部２１から外れ、横方向にズレているのが分かる。このため、光電変換部２１での集光率も低く、２２％であった。
一方、偏心タイプは、図８の（ｂ）及び図９の（ｂ）に示すように、光の強度の最も強くなる部分が、光電変換部２１６上に略一致しているのが分かる。このため、光電変換部２１での集光率は、同心タイプよりも高く、６２％となっている。

この結果から、各画素に対して光の入射角が傾斜するような場合には、第３の実施の形態に係る光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚのように、画素２１３Ｘ，２１３Ｚの位置、つまり画素２１３Ｘ，２１３Ｚへの光の入射角に対応して、光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚの形成位置及び形状を変化させることで、高感度の固体撮像装置２０３を得ることができる。

具体的には、光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚの軸心が受光セル１４の中心軸から、固体撮像装置の中央（側）に位置する画素側にずれ、また、第１の平坦層２１６Ｘａ，２１６Ｚａの上面に積層された第２の平坦層２１６Ｘｂ，２１６Ｚｂの軸心の位置を、第１の平坦層２１６Ｘａ，２１６Ｚａの軸心から固体撮像装置２０３の中央に近づくようにずれた（偏心した）形状とすることで、光透過部材２１６Ｘ，２１６Ｚに傾斜して光が入射した場合でも、光の入射時に入射方向を曲げることができ、結果的に高感度の固体撮像装置２０３を得ることができる。

以上、本発明を各実施の形態に基づいて説明したが、本発明の内容が、上記各実施の形態に示された具体例に限定されないことは勿論であり、例えば、以下のような変形例をさらに実施することができる。
１．受光セルのサイズについて
上記各実施の形態では、受光セルを平面視したときに、受光セルの形状は略正四角形状をし、その一辺が１．４（μｍ）である。しかしながら、本発明に係る受光セルのサイズは、受光セルを平面視したときに正方形状をしている場合、その一辺が１．４（μｍ）以下であれば良い。

図１０は、セルサイズと集光率との関係を示す図である。
この図１０は、図３で示したように、光伝搬シミュレーションによる結果であり、基本となった解析モデルは、図３で用いられたモデルと同じである。なお、図中のセルサイズは、平面視正四角形状の一辺の寸法である。
この図１０から、セルサイズが約２．１（μｍ）より大きいと、従来のマイクロレンズを用いた方が、本発明に係る光透過部材を用いるよりも集光率が高くなっている。しかしながら、セルサイズが約２．１（μｍ）より小さいと、本発明に係る光透過部材を用いた方が、従来のマイクロレンズを用いるよりも集光率が高くなっているのが分かる。特に、セルサイズが１．４（μｍ）になると、光透過部材を用いた場合の集光率が６０（％）を越え、マイクロレンズを用いた場合の集光率よりもよくなっているのが分かる。

これは、セルサイズが約２．１（μｍ）より小さくなると、回折現象が顕著に表れるためと考えられる。
２．光透過部材について
（１）媒質について
上記の各実施の形態では、光透過部材は、単一の媒質から構成されていたが、例えば、第１の平坦層と第２の平坦層とを別の媒質で構成しても良い。

以下、複数の媒質で光透過部材を構成した場合を変形例１として説明する。
図１１は、変形例１に係る固体撮像装置における１画素の断面図である。
変形例１における固体撮像装置の一画素は、図１１に示すように、第１の実施の形態等と同じように、受光セル１４と、当該受光セル１４の受光領域１８に形成された光透過部材３１６とを備える。なお、受光セル１４の構成等は、第１の実施の形態と同様であり、第１の実施の形態と同じ符号を用い、その説明は省略する。

光透過部材３１６は、第１の実施の形態での光透過部材１６と略同じ形状をしているが、第１の平坦層３１６ａと第２の平坦層３１６ｂとで構成する材料の媒質が異なる点で、第１の実施の形態と異なる。
本変形例１では、第１の平坦層３１６ａ及び第２の平坦層３１６ｂは二酸化珪素で構成され、第１の平坦層３１６ａにおける第１の屈折率が２．０で、第２の平坦層３１６ｂにおける第２の屈折率が１．４６となっている。

このような光透過部材３１６では、両平坦層３１６ａ，３１６ｂの屈折率を上層・下層で変化させているので、両平坦層３１６ａ，３１６ｂの屈折率の差により、光電変換部２１で高い集光率を得ることができる。
ここで、変形例１に係る光透過部材３１６ｂの製造方法について簡単に説明する。
まず、第１の平坦層３１６ａ用の層を、例えば、屈折率が２．０（第１の屈折率である。）の二酸化珪素で形成した後、当該層の面上に、屈折率が１．４６（第２の屈折率である。）の二酸化珪素を第２の平坦層３１６ｂ用の層として形成する。

そして、光透光部材３１６の形状になるように、上記で形成された両層についてエッチング加工すれば、変形例１に係る光透過部材３１６を得ることができる。この際、エッチング対象である媒質が異なるので、エッチンググレートの差を利用することができる。これにより、各平坦層３１６ａ，３１６ｂの厚みを精度良く加工でき、精度の良い光透過部材３１６を得ることができる。

なお、変形例１では、第１の平坦層及び第２の平坦層を二酸化珪素で構成しているが、他の材料、例えば、窒化珪素等で構成して屈折率が異なる媒質を用いても良い。さらには、第１の平坦層と第２の平坦層とで異なる材料からなる媒質を用いても良い。また、変形例１に記載の内容を、上記第１の実施の形態の他、第２及び第３の形態に適用しても良い。

（２）平坦層の形状
各実施の形態及び変形例１における平坦層は、図２の（ｂ）に示すように、平面視したときに、角が丸い四角形状をしていたが、他の形状でも良い。他の形状をした平坦層を変形例２として説明する。
図１２は、変形例２における光透過部材の平面図である。

光透過部材４０１は、図１２の（ａ）に示すように、円形状をした平坦層、つまり、円状平坦層４０１ａ，４０１ｂで構成しても良いし、光透過部材４０３は、図１２の（ｂ）に示すように、正四角形状をした四角状平坦層４０３ａ，４０３ｂで構成しても良い。さらには、光透過部材４０５は、図１２の（ｃ）に示すように、（正）八角形をした平坦層、つまり、八角状平坦層４０５ａ，４０５ｂで構成しても良い。

ここで説明した光透過部材４０１，４０３，４０５は、第１の平坦層４０１ａ，４０３ａ，４０５ａと第２の平坦層４０１ｂ，４０３ｂ，４０５ｂとの厚さについて特に説明していないが、第１の実施の形態で説明した光透過部材１６と同様に、第１の平坦層４０１ａ，４０３ａ，４０５ａと第２の平坦層４０１ｂ，４０３ｂ，４０５ｂとの厚みが略同じであっても良いし、第２の実施の形態で説明した光透過部材１１６Ｒ，１１６Ｇ，１１６Ｂと同様に、フィルタ膜３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂの色分離の光色に対応して、各平坦層の厚さを換えても良い。

この場合、第１の平坦層の厚さと第２の平坦層の厚さを等しくして、全体として所定の厚さとするようにしても良いし、さらには、第１の平坦層の厚さを一定にして、第２の平坦層でフィルタ膜の種類に合わせて厚さを調整しても良い。
さらに、ここで説明した光透過部材４０１，４０３，４０５は、第１の平坦層４０１a，４０３a，４０５ａの軸心と第２の平坦層４０１ｂ，４０３ｂ，４０５ｂの軸心とが一致する形状であったが、第３の実施の形態（図７）で説明したように、光透過部材２１６（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の第１の平坦層及び第２の平坦層の両層の軸心が、画素の位置に対応して、受光セル１４の中心軸から、固体撮像装置の中心側へと別々に偏心していても（両層で偏心量が異なるように偏心していても）良いし、さらには、第３の実施の形態において、第２の平坦層だけが偏心していても良いし、また、第１の平坦層だけが偏心していても良い（図示省略）。

（３）形状
上記各実施の形態、変形例１及び変形例２における光透過部材は、２層の平坦層から構成していたが、例えば、３層以上で構成しても良い。この場合、光透過部材は、各層の平坦層の横断面積は、上層になるに従って小さくなっていれば良い。また、例えば、光透過部材は、２層の平坦層を備え、上層の平坦層の平面視の面積が受光領域の平面視の面積より小さければ良く、この場合、下層の平坦層のサイズが受光領域と同じ或いはそれより大きくても良い。

このような場合も、各層の平坦層の軸心が、第１の実施の形態と同様に一致させても良いし、第３の実施の形態と同様に、一致させなくても良い。さらには、各平坦層の厚さは、第１の実施の形態での各平坦層のように同じであっても良く、さらには、第２の実施の形態での各平坦層のようにフィルタ膜に対応して異なるようにしても良い。
なお、光透過部材を構成する平坦層は、２層から３層が好ましい。これは、光透過部材の成形が簡易であり、さらに高い集光率が得られるからである。

また、光透過部材は、１つの平坦層により構成しても良い。但し、この場合は、平坦層の横断面の面積が受光領域の面積より小さく、且つ、当該受光領域内に形成される必要がある。この場合、一つの平坦層の軸心が、受光領域の中心と一致させても良いし（第１及び第２の実施の形態参照）、一致させなくて偏っても良い（第３の実施の形態での第２の平坦層参照）。

（４）フィルタ膜
上記各実施の形態におけるフィルタ膜は、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）用の３種類であったが、例えば、補色フィルタとして赤の補色であるシアン（Ｃ）、緑の補色であるマゼンタ（Ｍ）、青の補色である黄（Ｙ）用の補色フィルタ膜も用いても良い。
なお、一般的に補色フィルタを用いる場合、ＣＭＹと緑（Ｇ）を通して得た信号を用い、各受光セルに上記のいずれかが一定のパターンで割り当てられる。このようにすることで、各受光セルは、（原色）フィルタ膜によって色分離された色信号の輝度に応じて信号を生成し、固体撮像装置は、全ての受光セルにおける上記の信号を収集することで、１枚分の撮像データを生成することができる。

（５）受光領域について
各実施の形態及び変形例では、受光セルを平面視したときに、受光セル（及び受光領域）は略正方形状をしていたが、受光セル及び受光領域は、平面視において、正方形状に限定するものでなく、例えば、円形、(正)六角形等の（正）多角形であっても良いし、受光セルの表面形状と受光領域の形状とを必ずしも一致させる必要はない。
（６）寸法について
６−１.第１及び第２の平坦層の厚み
第１の実施の形態では、第１及び第２の平坦層の厚みを０．１５（μｍ）としているが、本発明の平坦層の厚みは、０．１５（μｍ）に限定するものではない。ここで、第１及び第２の平坦層の厚みについて説明する。

図１３は、第１及び第２の平坦層の厚みと集光率との関係を示す図である。
なお、図１３は、第１及び第２の平坦層の厚みが等しいモデルを用いての解析結果である。
第１及び第２の平坦層の厚みは、図１３からわかるように、０．１７（μｍ）が、今回の設計（モデル）において最適となっている。そして、この厚さのときに、焦点距離が、レンズ−光電変換部間の距離（図中では「ＰＤレンズ間距離」で表している。）と略一致する。

一方、第１及び第２の平坦層の厚みが０．１７（μｍ）よりも薄くなると、焦点距離がレンズ−光電変換部間距離よりも長くなり、逆に、０．１７（μｍ）よりも厚くなると、焦点距離がレンズ−光電変換部間距離よりも短くなる。
特に、焦点距離がレンズ−光電変換部間距離よりも短くなりすぎると、他の画素に光が入ることにより混色を発生するおそれがある。しかし、焦点距離が少しでも変動すれば混色が起こるというものではなく、焦点距離が若干短くなるだけでは問題無いことが分かっている。

従って、第１の実施の形態で説明した第１及び第２の平坦層の厚みが０．１５（μｍ）というのは、０．１７（ｕｍ）よりも若干焦点距離が長く、混色は起こらずに優れた集光特性をそのまま得られる。
このように、第１及び第２の平坦層の厚みは、最適な０．１７（μｍ）の近傍であれば、優れた集光特性を得ることができ、特に第１及び第２の平坦層の厚みが、０．１３（μｍ）以上、０．２０（μｍ）以下の範囲であれば、混色を生じることなく、集光率は６５（％）以上を確保でき、また、第１及び第２の平坦層の厚みが、０．１０（μｍ）以上、０．２６（μｍ）以下の範囲であれば、集光率は６０（％）以上を確保できる。

６−２．平坦層のサイズ
第１の平坦層と第２の平坦層とのサイズと、集光率との関係について説明する。
図１４は、第１の平坦層と第２の平坦層とのサイズ比率と、集光率との関係を示す図である。
なお、図１４も、第１及び第２の平坦層の厚みが等しいモデルを用いての解析結果である。

同図より、第１の平坦層が１．０（μｍ）の場合に、平面視における、第２の平坦層のサイズにおける第１の平坦層のサイズの比率（以下、単に、「サイズ比率」という。）が、０．２５以上、０．７５以下の場合に、集光率が５３（％）以上のレンズを得ることが可能となり、従来のマイクロレンズと比較して高い集光率を得ることが可能となる。さらに、サイズ比率が０．４以上の場合には、サイズ比率が０．４未満の場合と比較して混色が起こりにくく、信号の誤検出の問題が低減される。

したがって、平面視における第１及び第２の平坦層のサイズ比率は、混色及び集光率を考慮すると、０．４以上が好ましい。
また、図１４に示すように、１辺の長さが３種類（図中では「１項目：１．２μｍ」等で示す。）の第１の平坦層のそれぞれについて、サイズ比率と集光率との関係を示している。これにより、第１の平坦層のサイズが０．８（μｍ）以上、１．２（μｍ）以下の場合には、第１の平坦層の１辺の長さが小さくなるほど、集光率が良くなることが分かる。逆を言うと、第１の平坦層の１辺の長さが１．２（μｍ）より大きくなると、集光率を５３（％）以上にすることはできないことが分かる。

なお、ここでのサイズ比率が１．００とは、第１の平坦層と第２の平坦層の間に段差がない状態を言う。また、図１４は、解析により求めた結果であり、第１の平坦層及び第２の平坦層とも、その厚みが０．１５（μｍ）である。
６−３．光透過部材の軸心の偏心
第３の実施の形態では、光透過部材の第１の平坦層及び第２の平坦層の両層の軸心が、画素の位置に対応して、固体撮像装置の中心側へと偏心し、その偏心量は、固体撮像装置の中心から離れるほど大きい。ここで、偏心量について説明する。

図１５は、画素の位置と感度との関係を示す図である。
図１５には、光透過部材の軸心が偏心していない画素の固体撮像装置を作成し、中央を基準として、当該中央から端に離れた際の感度の変化（低下）を示している。図中には、設計上の感度特性（解析により求めた結果）と、実際の感度特性（実験値）の２種類の特性を示している。

同図に示すように、設計上の感度特性においては、画素が中央から離れるにしたがって、線形的に感度が低下する傾向にあるのに対し、実際の感度特性においては、画素が中央から離れるにしたがって、上に凸の２次方物線状に感度が変化する傾向にある。
特に、実際の固体撮像装置としては、対物レンズとして非球面レンズを用いる場合があり、セル面の端に近づく（中央から離れる）に従って、線形的に低下することは考えにくい。

従って、各画素への入射角に合わせて、光透過部材の軸心を偏心させれば良く、この際に、設計上の感度特性（線形的）を基準にしても良いし、実験を行うことで実際の感度特性（画素の位置が中央から所定位置まで離れるに従って偏心量を増やし、前記所定位置から端に至るまで偏心量を少なくする）を基準にしても良い。
なお、図中の実際の感度特性は、モデルの単位画素のサイズが２．２（μｍ）での解析結果である。

（７）その他
上記の各実施の形態及び上記の各変形では、光透過部材が露出していたが、固体撮像装置は、光透過部材を被覆する被覆部材を備えても良い。
以下、光透過部材を被覆する被覆部材を備える固体撮像装置を変形例３として、図面を参照しながら説明する。

図１６は、変形例３に係る固体撮像装置における１画素の断面図である。
固体撮像装置の画素３５０は、図１６に示すように、第１の実施の形態で説明した固体撮像装置３における光透過部材１６に被覆部材３５５を設けたものである。この被覆部材３５５は、例えば、光透過部材１６が窒化珪素（ｎ＝２）の場合に、窒化珪素よりも低い屈折率の媒質である二酸化珪素（ｎ＝１．４６）で構成され、固体撮像装置３５０としてその表面を平坦化している。

このように光透過部材１６を被覆する被覆部材３５５を設けることにより、ウエハからチップにダイシングする際に光透過部材１６の複数層の段差部分の隙間にダイシングにより発生する異物の混入を防ぐことが可能となったり、ダイシングの振動により光透過部材１６が破損するのを防ぐことが可能となったりする。

本発明は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの固体撮像装置に利用することができる。

第１の実施の形態に係るカメラシステムの構成を示す図である。 （ａ）は、固体撮像装置における１画素の断面図であり、（ｂ）は、固体撮像装置における１画素の平面図である。 第１の実施の形態に係る固体撮像装置と従来の固体撮像装置における光伝搬シミュレーションの結果図である。 図３の結果図を基にして作成した模式図である。 第２の実施の形態に係る固体撮像装置における画素の断面図である。 固体撮像装置に入射する光の概略を説明する図である。 固体撮像装置における中央に位置する画素と、当該画素の両側であって周縁部付近の画素の断面図を示す図である。 周縁に位置する画素における光伝搬シミュレーションの結果図である。 図８の結果図を基にして作成した模式図である。 セルサイズと集光率との関係を示す図である。 変形例１に係る固体撮像装置における画素の断面図である。 変形例２における光透過部材の平面図である。 第１及び第２の平坦層の厚みと集光率との関係を示す図である。 第１の平坦層と第２の平坦層とのサイズ比率と、集光率との関係を示す図である。 画素の位置と感度との関係を示す図である。 変形例３に係る固体撮像装置における１画素の断面図である。 従来の固体撮像装置における１画素に相当する部分の断面図である。

符号の説明

１ カメラシステム
３ 固体撮像装置
１３ 画素
１４ 受光セル
１６ 光透過部材
１６ａ 第１の平坦層
１６ｂ 第２の平坦層

Claims (10)

1. 複数の受光セルの各表面に光透過部材を備える固体撮像装置であって、
   前記光透過部材は、受光セル表面の受光領域よりも小さい面積の平坦層が１段以上載置された構成をしていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記受光領域は、平面視において、一辺が２．１μｍの正四角形の領域内に入る大きさであり、前記複数の受光セルは、等間隔で配列されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記光透過部材は、前記平坦層を複数積層した形状をし、各平坦層における積層方向と直交する断面の面積は、上層になるに従って小さくなることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の平坦層は２層あり、下層の平坦層における積層方向と直交する断面の面積は、一辺が１．２μｍの正方形の面積よりも小さく、上層の平坦層における積層方向と直交する断面の面積は、一辺１．０μｍの正方形の面積よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 複数に積層された各平坦層の厚みが略等しいことを特徴とする請求項３又４に記載の固体撮像装置。
6. 平坦層は、一定の屈折率を示す材料から構成され、前記各平坦層の屈折率が２種類以上あることを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記複数の受光セルは、所定色の光のみを透過させるフィルタ膜を複数種類備えると共に、各受光セルは、複数種類の内の１種類のフィルタ膜を備え、
   各光透過部材の厚みは、フィルタ膜の種類に対応して異なることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記複数の受光セルの平坦層の軸心は、入射光方向に偏心していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記複数の受光セルが２次元状に配され、２次元状に配されている受光セルの内、略中央に位置する受光セルから離れた位置にある受光セルにおける平坦層の重心は、前記受光領域の中心位置から前記中央に位置する受光セルに近づく側にずれていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするデジタルカメラ。