JP2009141192A - 固体撮像素子およびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シェーディングを防止した固体撮像素子と、このような固体撮像素子を使用した撮像装置を提供する。
【解決手段】 固体撮像素子を、所定のピッチで２次元配置された複数の受光部と、個々の受光部に対応させて配置された複数の開口部を有する遮光層とを少なくとも備えているものとし、遮光層を構成する開口部を、開口面積が異なる２種以上の矩形の開口部からなるものとし、開口面積が異なる開口部間の一辺の寸法差を０．２ｎｍ以上とし、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、個々の部分領域内には、開口面積が同じ開口部を配置し、開口部の開口面積が異なる部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の開口面積の開口部を混在させて有する遮光層を備えた中間帯状部が存在するものとした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像素子と撮像装置に係り、特に複数の受光部と微小な開口部を配した遮光層を備える固体撮像素子と、この固体撮像素子を使用した撮像装置に関する。

近年、静止画像、動画像を撮像するデジタルカメラ、ビデオカメラが様々な分野で普及してきている。これらのカメラには、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子が用いられているが、半導体技術の進歩とともに、固体撮像素子の画素の微細化が一段と進み、カメラ自体の小型化も進んできている。このような固体撮像素子には、受光部に入射する光量を増し、感度を向上させるためのマイクロレンズが各画素の受光部に対応して設けられている。
ここで、固体撮像素子には有効撮像領域周辺で感度が低下するシェーディングという現象がある。このシェーディングは、図１９に示されるように、カメラレンズから入射する光が、有効撮像領域中心ではほぼ垂直に入射するのに対し、有効撮像領域周辺に向うにつれて入射角度が大きくなり、有効撮像領域周辺での受光部５１に対する入射光量の低下が起こることにより生じる現象である。

従来、シェーディングを防止するために、カメラレンズからの主光線入射角度を考慮して、有効撮像領域の中心ではマイクロレンズ５２を受光部５１の位置に配列し、有効撮像領域の周辺部では、受光部５１の位置とずらしてマイクロレンズ５２を配列することが行われている（図２０参照）。例えば、有効撮像領域の中心から周辺部へ向って微小スケーリングをかけてマイクロレンズを配列することにより、受光部の配列ピッチに対してマイクロレンズの配列ピッチをわずかに小さく設定することが行われている（特許文献１）。これにより、有効撮像領域中心では、受光部とマイクロレンズの位置にズレはないが、周辺に向うにつれて、対応する受光部位置に対しマイクロレンズの位置が徐々に有効撮像領域中心方向へずれたものとなる。また、画素毎に設けられている遮光層５３（図１９、図２０にて斜線を付して示す部材）の開口部の大きさを、有効撮像領域の中心から周辺部へ向って大きくすることによりシェーディングを補正することが提案されている（特許文献２）。ここでは、開口部の大きさを変化させることは提案されているが、大きさを変化させるための具体的手段の記述はない。また、マイクロレンズの大きさを有効撮像領域の中心から周辺部へ向って大きくし、かつ、受光部に対するマイクロレンズの位置を、有効撮像領域の中心から周辺部へ向うにつれて、有効撮像領域の中心寄りにずらすことが提案されている（特許文献３）。
特開平６−１４０６０９号公報 特開平６−１４０６１２号公報 特開２０００−３４９２６８号公報

デジタルカメラ、ビデオカメラ等の小型化が進むに伴い、カメラレンズ光学系も小型化、薄型化が進み、カメラレンズが固体撮像素子に接近して配設されるため、固体撮像素子の有効撮像領域周辺部では、カメラレンズより入射する主光線の入射角度はますます大きくなり、シェーディング補正をよりいっそう緻密に行うことが求められている。
ここで、画素数２５９２個×１９４４個（約５００万画素）、画素寸法２μｍの撮像素子を例として、特許文献２に開示されているように、遮光層の開口部の大きさを有効撮像領域の中心から周辺部へ向って大きくする方法を検討する。撮像素子に、その有効撮像領域の中心と最外周との間に非線形の感度差があり、これに対応するために、画素毎に設けられている遮光層の開口部の大きさを連続的に変化させるように個々の開口寸法を設計すると、１００万以上の開口寸法の設計が必要である。また、２μｍの画素サイズに対応して、例えば、図２１に示すような非線形の感度差（最大４０％）を遮光層の開口部の開口面積に置き換えて連続的に開口寸法を個々に変える場合、開口部（正方形）の最大寸法（一辺）を２μｍとすると、最小寸法（一辺）は１．５５μｍとなる。このサイズの差０．４５μｍを１２９６画素に亘って分配すると、隣接する画素間での開口部の開口寸法差は平均０．３４７２ｎｍとなる。これは５倍体フォトマスク上で１．７３６ｎｍとなり、フォトマスク描画時のグリッドが５ｎｍの場合、グリッドに適合せず、設計寸法を忠実にフォトマスク上に再現することが困難である。また、最小グリッド１ｎｍでマスク描画データを作成した場合、データ量が膨大となり、マスク描画時間の長時間化、マスク製造コストの増大を来たし好ましくない。

一方、遮光層の開口部の開口面積を段階的に変化させてシェーディング補正を行うこともできる。この場合、例えば、シェーディング補正のために、図２２に示すような遮光層の開口率変化が必要であるとする。このような遮光層の開口率変化を得るためには、図２３に示すように、有効撮像領域を複数に分割した部分領域を設定し、これらの部分領域間で段階的に開口面積を変化させることになる。尚、図２３の鎖線は、図２２で示した遮光層の開口率を示す。しかし、部分領域間には、異なる開口面積の開口部が存在する境界線（集光効率が段階的に変化する部位）が必ず発生し、このような境界線上には微妙に感度の異なる受光部の隣接する部分が連続し、これが線状の感度ムラとなり製品品質を大きく損なうという問題がある。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、シェーディングを防止した固体撮像素子と、このような固体撮像素子を使用した撮像装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の固体撮像素子は、所定のピッチで２次元配置された複数の受光部と、個々の前記受光部に対応させて配置された複数の開口部を有する遮光層とを少なくとも備えている固体撮像素子において、遮光層を構成する開口部は、開口面積が異なる２種以上の矩形の開口部からなり、開口面積が異なる開口部間の一辺の寸法差は０．２ｎｍ以上であり、有効撮像領域は中心から周辺に向って複数の部分領域に分割され、個々の部分領域内の遮光層は開口面積が同じ開口部を有し、開口部の開口面積が異なる部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の開口面積の開口部を混在させて有する遮光層を備えた中間帯状部が存在するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記中間帯状部での開口面積が異なる開口部の混在比率は１：０〜０：１の範囲内で連続的に変化するような構成とした。

また、本発明の固体撮像素子は、所定のピッチで２次元配置された複数の受光部と、個々の前記受光部に対応させて配置された複数の開口部を有する遮光層とを少なくとも備えている固体撮像素子において、遮光層を構成する開口部は、開口面積が異なる２種以上の矩形の開口部からなり、開口面積が異なる開口部間の一辺の寸法差は０．２ｎｍ以上であり、有効撮像領域は中心から周辺に向って複数の部分領域に分割され、該複数の部分領域には、開口面積の異なる開口部を混在させて有する遮光層を備えた部分領域が存在するような構成とした。
本発明の他の態様として、部分領域内での開口面積の異なる開口部の混在比率は、該部分領域内において有効撮像領域の中心から周辺に向う方向に沿って変化しているような構成とした。
本発明の他の態様として、部分領域内での開口面積の異なる開口部の混在比率は、該部分領域内においてほぼ均一であるような構成とした。

本発明の他の態様として、部分領域内にて、開口面積の異なる開口部がランダムに配置されているような構成とした。
本発明の他の態様として、同一の部分領域において隣接して配置される開口部の開口面積の差が１０％以下であるような構成とした。
本発明の他の態様として、部分領域毎の開口部の開口面積の平均的大きさが、有効撮像領域の中心から周辺に向って大きくなる傾向であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記部分領域はモザイク状であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記部分領域は有効撮像領域中心を中心とする同心の環状領域であるような構成とした。
本発明の撮像装置は、上述の固体撮像素子を備えるような構成とした。

このような本発明の固体撮像素子は、開口部を有する遮光層を、カメラレンズの主光線入射角と像高の関係等のレンズ特性に適合した最適なもの、例えば、開口面積を非線形に変化させた開口部を有する遮光層とすることができ、緻密なシェーディング補正が可能であり、かつ、開口面積の異なる二種以上の開口部の一辺の寸法差が０．２ｎｍ以上であるので、電子線描画による５倍体マスクの作製が可能であり、遮光層のマスク設計段階で全領域の開口部の寸法を個別に設計するという煩雑な操作が不要であり、緻密なシェーディング補正を容易に行えるという効果が奏される。
本発明の撮像装置は、シェーディングが防止され、有効撮像領域内で、斜め入射に起因するケラレ等のロスが少なく、入射光量に対しての効率分布の少ない高品位のものであり、小型化、薄型化が可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［固体撮像素子］
図１は本発明の固体撮像素子の一例を示す概略構成図である。図１において、固体撮像素子１は、一定の配置ピッチで設けられた複数の受光部３と金属電極４を備える基板２と、遮光層６を備えたパッシベーション層５を介して基板２と対向するように積層された下平坦化層７、カラーフィルタ８、上平坦化層９、および、マイクロレンズアレイ１０を有している。遮光層６は、個々の受光部３に対応して配置された複数の開口部６ａを有するものである。そして、一定の配置ピッチで設けられた複数の受光部３に対して、遮光層６を構成する開口部６ａは、開口面積が異なる２種以上の矩形の開口部からなるものである。尚、本発明の固体撮像素子は、図１に示す構成に限定されるものではない。例えば、金属電極４の上面（マイクロレンズアレイ１０側）に遮光膜を備えるものであってもよい。

本発明の固体撮像素子１では、遮光層６において、上記の開口面積が異なる開口部間の一辺の寸法差が０．２ｎｍ以上である。また、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、個々の部分領域内における遮光層６には開口面積が同じ開口部が配置されている。さらに、開口部の開口面積が異なる部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の開口面積の開口部を混在して有する遮光層６が設けられた中間帯状部を備えている。
上記の本発明の固体撮像素子を、シェーディング補正のために図２２に示すように遮光層６の開口率を変化させる場合を例として説明する。この場合、図２に示すように、有効撮像領域のＸ軸方向を（１）〜（９）の９個の部分領域に分割し、図２に実線で示される開口率となるように、各部分領域内の遮光層には、開口面積が同じ開口部が配置されている。そして、部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の開口面積の開口部を混在して有する遮光層６を備えた中間帯状部を設ける。

尚、部分領域の大きさは適宜設定することができ、例えば、幅を１００〜１０，０００μｍの範囲、あるいは、幅方向の画素数を５０〜２，０００個の範囲となるように設定することができる。以下、部分領域の大きさについて更に説明する。上述の図２では、有効撮像領域のＸ軸方向を（１）〜（９）の９個の部分領域に分割しており、それぞれの部分領域の幅は約２００画素〜４００画素に渡っている（有効撮像領域中心を含む部分領域では約７００画素）。このような例を含めて、部分領域の幅が約１００〜９００画素の幅を有するとした場合、画素ピッチを２μｍとすれば部分領域の幅は２００〜１８００μｍ、画素ピッチを１μｍとすれば部分領域の幅は１００〜９００μｍ、画素ピッチを６μｍとすれば部分領域の幅は６００〜５４００μｍとなる。これらの幅は、使用するカメラレンズにも依存しており、像高変化に対する主光線入射角度変化の値が小さいカメラレンズを用いる場合は、部分領域の幅はより大きくなる。したがって、部分領域の大きさとして、上記の範囲（幅１００〜１０，０００μｍ、あるいは、幅方向の画素数５０〜２，０００個）を挙げることができる。

上記の中間帯状部での開口面積が異なる開口部の混在比率は、例えば、１：１とした場合には、図２に実線で示されるように、隣接する部分領域の中間的な開口面積をもつ開口部が配設された遮光層が中間帯状部に出現する。これにより、９個の部分領域における階段状変化は細分化され、部分領域間の境界線上に微妙に感度の異なる受光部が形成されることが防止され、線状の感度ムラ等の欠陥を防止することができる。
また、中間帯状部における開口面積が異なる開口部の混在比率を連続的に、すなわち、１：０〜０：１に変化させた場合には、図２に鎖線で示されるように、遮蔽層の開口部の開口面積変化を更にスムースなものとすることができる。
尚、中間帯状部の幅は適宜設定することができ、例えば、部分領域の幅の１〜５０％の範囲で、あるいは、２０〜５，０００μｍの範囲で設定することができる。
また、本発明では、固体撮像素子１を、遮光層６が有する開口部について、開口面積が異なる開口部間の一辺の寸法差を０．２ｎｍ以上とし、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、これらの複数の部分領域には、開口面積の異なる開口部を混在させて有する遮光層を備えた部分領域が存在するものであってもよい。

このような本発明の固体撮像素子について、シェーディング補正のために図２２に示すように遮光層６の開口率を変化させる場合を例として説明する。この場合、図３に示すように、有効撮像領域のＸ軸方向を（１）〜（１０）の１０個の部分領域に分割する。そして、この図３から、部分領域（１）では、部分領域（１）を示す左側鎖線と開口率の補正曲線の交点ａでの開口率を９７％、右側鎖線と開口率の補正曲線の交点ｂでの開口率を８９％とし、以下、部分領域（２）では、部分領域（２）を示す右側鎖線と開口率の補正曲線の交点ｃでの開口率を８１％とし、部分領域（３）では、部分領域（３）を示す右側鎖線と開口率の補正曲線の交点ｄでの開口率を７４％とし、部分領域（４）では、部分領域（４）を示す右側鎖線と開口率の補正曲線の交点ｅでの開口率を６８％とし、部分領域（５）では一律６８％とする。さらに、部分領域（６）では、部分領域（６）を示す左側鎖線と開口率の補正曲線の交点ｆでの開口率を６８％とし、部分領域（７）では、部分領域（７）を示す左側鎖線と開口率の補正曲線の交点ｇでの開口率を７３％とし、部分領域（８）では、部分領域（８）を示す左側鎖線と開口率の補正曲線の交点ｈでの開口率を７９％とし、部分領域（９）では、部分領域（９）を示す左側鎖線と開口率の補正曲線の交点ｉでの開口率を８５％とし、部分領域（１０）を示す左側鎖線と開口率の補正曲線の交点ｊでの開口率を９３％、右側鎖線と開口率の補正曲線の交点ｋでの開口率を１０１％とする。尚、この例では、有効撮像領域の中心からＸ軸両方向への部分領域の数が等しくなっていないが、これは、図２１の非線形の感度差、図２２の開口面積補正に対応して部分領域を設定したからである。本発明では、有効撮像領域の中心からＸ軸両方向、あるいはＹ軸両方向への部分領域の数は、等しくてもよく、また、異なるものであってもよい。

そして、最大開口面積１０１％を１．８μｍ×１．８μｍの矩形とすると、部分領域（１）での遮光層には、１．７６４μｍ×１．７６４μｍと１．６９０μｍ×１．６９０μｍの２種の開口面積の開口部を混在させて配置することになる。そして、部分領域（１）の左側鎖線では１．７６４μｍ×１．７６４μｍの開口部の混在比率を１００％とし、右側（有効撮像領域の中心方向）へ向って１．６９０μｍ×１．６９０μｍの開口部の混在比率を徐々に高め、部分領域（１）の右側鎖線では１．６９０μｍ×１．６９０μｍの開口部の混在比率を１００％とする。以下、部分領域（２）では１．６９０μｍ×１．６９０μｍと１．６１２μｍ×１．６１２μｍの２種の開口面積の開口部、部分領域（３）では１．６１２μｍ×１．６１２μｍと１．５４１μｍ×１．５４１μｍの２種の開口面積の開口部、部分領域（４）では１．５４１μｍ×１．５４１μｍと１．４７７μｍ×１．４７７μｍの２種の開口面積の開口部、部分領域（５）では１．４７７μｍ×１．４７７μｍの１種の開口面積の開口部、部分領域（６）では１．４７７μｍ×１．４７７μｍと１．５３０μｍ×１．５３０μｍの２種の開口面積の開口部、部分領域（７）では１．５３０μｍ×１．５３０μｍと１．５９２μｍ×１．５９２μｍの２種の開口面積の開口部、部分領域（８）では１．５９２μｍ×１．５９２μｍと１．６５１μｍ×１．６５１μｍの２種の開口面積の開口部、部分領域（９）では１．６５１μｍ×１．６５１μｍと１．７２７μｍ×１．７２７μｍの２種の開口面積の開口部、部分領域（１０）では１．７２７μｍ×１．７２７μｍと１．８００μｍ×１．８００μｍの２種の開口面積の開口部を、部分領域（１）と同様に混在させて配置する。

これにより、遮光層において、ほぼ連続的に図２２の開口率の補正曲線に準じた開口面積の変化、すなわち、部分領域毎の開口部の開口面積の平均的大きさが、有効撮像領域の中心から周辺に向って大きくなるような変化が、図４の実線で示すように実現可能となる（図４の鎖線は図２２の開口率の補正曲線と同じ）。このとき、５倍体マスクの製造時の電子線描画グリッドは１ｎｍであるので、電子線描画が可能であり、かつ、本来マスク描画に乗らない１ｎｍ未満の開口面積の変化を表現できる。
尚、本発明では、同一の部分領域において隣接して配置される開口部の開口面積の差が１０％以下、好ましくは５％以下とすることがノイズ防止の点から望ましい。
ここで、本発明における平均的大きさとは、ある画素に着目した際の、その画素を含む近傍の連続した画素の集合での遮光層が有する開口部の開口面積の平均値である。

次に、本発明の固体撮像素子について実施形態を挙げて説明する。
（第１の実施形態）
図５は、本発明の固体撮像素子の一実施形態における遮光層の開口部の配置を説明するための図である。本実施形態の固体撮像素子は、開口部の開口面積を２種以上で設定し、矩形の開口部の一辺の寸法差を０．２ｎｍ以上とする。さらに、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、個々の部分領域内の遮光層には開口面積が同じ開口部を配置し、開口部の開口面積が異なる部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の開口面積の開口部を混在して有する遮光層を備えた中間帯状部を設ける。すなわち、図５に示されるように、複数の開口部を有する遮光層において、有効撮像領域が中心（０，０）から周辺に向ってＸ軸方向に３分割、Ｙ軸方向に３分割され、モザイク状に（１）〜（９）までの９種の部分領域に分割されている。そして、隣接する部分領域には鎖線で示すような中間帯状部が設定されている。

上記の（１）〜（９）までの各部分領域における遮光層の開口部は、その開口面積を、例えば、最外周に位置する部分領域（９）では１．７９μｍ×１．７９μｍとし、開口部の一辺の寸法差を０．０３５μｍ（３５ｎｍ）として、下記の表１のように各部分領域に所望の開口面積の開口部を配置する。

これにより、開口面積を約８５％から１００％までほぼ連続的に変化させて開口部を遮光層に配置することができる。
図６は図５において円で囲んだ部分領域（１）、（２）、（４）、（５）の拡大図であり、隣接する部分領域に設定される中間帯状部は鎖線で囲まれた領域であり、斜線を付して示している。この図６のＹ軸方向では、部分領域（１）と部分領域（４）の境界の中間帯状部に、１．６５μｍ×１．６５μｍと１．６８５μｍ×１．６８５μｍの２種の開口部が混在して配置される。このような２種の開口部の混在比率は、例えば、１．６５μｍ×１．６５μｍと１．６８５μｍ×１．６８５μｍとが交互となるような１：１とすることができる。また、２種の開口部の混在比率を１：０〜０：１の範囲内で連続的に変化させてもよい。例えば、部分領域（１）側では１．６５μｍ×１．６５μｍの開口部が２／３、１．６８５μｍ×１．６８５μｍの開口部が１／３の比率で混在し、部分領域（４）側では１．６５μｍ×１．６５μｍの開口部が１／３、１．６８５μｍ×１．６８５μｍの開口部が２／３の比率で混在するように連続的に変化させることにより、部分領域（１）と部分領域（４）の境界部付近でのスムースな開口面積の変化が可能となる。さらに、部分領域（１）側では１．６５μｍ×１．６５μｍの開口部の比率をほぼ１００％とし、部分領域（４）に向うにつれて１．６８５μｍ×１．６８５μｍの開口部の比率を高め、部分領域（４）側では１．６８５μｍ×１．６８５μｍの開口部がほぼ１００％となるように混在させることにより、部分領域（１）と部分領域（４）の境界部付近での開口部の開口面積の変化が更にスムースなものとなる。
また、同様に、Ｙ軸方向の部分領域（２）と部分領域（５）の境界の中間帯状部には、１．６８５μｍ×１．６８５μｍと１．７２μｍ×１．７２μｍの２種の開口部が混在して配置される。

一方、図６のＸ軸方向についても同様に、部分領域（１）と部分領域（２）の境界の中間帯状部には、１．６５μｍ×１．６５μｍと１．６８５μｍ×１．６８５μｍの２種の開口部が混在して配置され、また、部分領域（４）と部分領域（５）の境界の中間帯状部には、１．６８５μｍ×１．６８５μｍと１．７２μｍ×１．７２μｍの２種の開口部が混在して配置される。このような２種の開口部の混在比率は、上述のＹ軸方向の中間帯状部と同様とすることができる。
また、中間帯状部が交差する部分については、例えば、図７（Ａ）に示すように、隣接する中間帯状部の境界を交差中心の向けて斜め方向に設けることもでき、また、図７（Ｂ）に示すように、交差する部分（斜線を付した部分）に隣接する４つの部分領域（１）、（２）、（４）、（５）に配置される開口部の全て種類を混在して配置してもよい。この場合、混在比率は、交差する部分の左下側から右上側に向って（図７（Ｂ）に矢印で示す方向）開口面積が連続的に大きくなるように配置してもよく、また、４種の開口面積の開口部をランダムに配置して、交差する部分での混在比率を均等にしてもよい。

（第２の実施形態）
本実施形態の固体撮像素子は、遮光層を構成する開口部の開口面積を２種以上で設定し、矩形の開口部の一辺の寸法差を０．２ｎｍ以上とし、さらに、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、これらの複数の部分領域には、開口面積の異なる開口部を混在させて有する遮光層を備えた部分領域が存在するものである。
図８は本実施形態の固体撮像素子における遮光層の開口部配置を示す図である。図８において、（０，０）点は有効撮像領域の中心点を示し、図面が煩雑になるのを避けるために、中心点から右上の１／４の領域の３０個×３０個の画素のみを示している。図８に示される固体撮像素子では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とも５画素毎に部分領域に分割され、Ｘ軸方向では（Ｘ１）〜（Ｘ６）の６分割、Ｙ軸方向では（Ｙ１）〜（Ｙ６）の６分割とされ、中心点から右上の１／４の領域はモザイク状に３６個の部分領域に分割されている。また、遮光層を構成する開口部は、正方形の一辺がＥのものと、一辺がＥよりＤだけ小さいＦのもの、２種類で構成されている。そして、これらが図８に示すように、１個の部分領域当たり２５個の割合で、３６個の部分領域に配置されている。尚、図８では、一辺がＥである開口寸法の開口部を斜線で表示し、一辺がＦである開口寸法の開口部を白で表示している。また、図９は、図８において円で囲んだ箇所の２個の開口部を示す図である。

まず、Ｘ軸方向について説明する。部分領域（Ｘ１）内では、５個の開口部がすべて一辺Ｆである開口寸法の開口部とされ、部分領域（Ｘ２）内では、一辺がＥである開口寸法の開口部１個と、一辺がＦである開口寸法の開口部４個が配置され、部分領域（Ｘ３）内では、一辺がＥである開口寸法の開口部２個と、一辺がＦである開口寸法の開口部３個が配置され、部分領域（Ｘ４）内では、一辺がＥである開口寸法の開口部３個と、一辺がＦである開口寸法の開口部２個が配置され、部分領域（Ｘ５）内では、一辺がＥである開口寸法の開口部４個と、一辺がＦである開口寸法の開口部１個が配置され、部分領域（Ｘ６）内では、５個の開口部がすべて一辺Ｅである開口寸法の開口部とされている。また、Ｙ軸方向においても、部分領域（Ｙ１）から部分領域（Ｙ６）方向に、上述の部分領域（Ｘ１）から部分領域（Ｘ６）方向への２種の開口部の配置と同様の配置がなされる。

これにより、Ｘ軸方向に（Ｘ１）〜（Ｘ６）の６分割、Ｙ軸方向に（Ｙ１）〜（Ｙ６）の６分割して画定された各部分領域での、一辺がＥである開口寸法の開口部の数は図１０に示すようになる。したがって、一辺がＥである開口寸法の開口部と、一辺がＦである開口寸法の開口部とで構成された５画素×５画素の各部分領域内の開口部の開口面積の平均的大きさは、３０画素×３０画素の領域内でほぼ連続的に変化しており、この３０画素×３０画素の領域を１つの部分領域と見なすこともできる。
上記の例で、Ｅ＝１．９μｍ、Ｆ＝１．８μｍであれば、Ｅを基準としたとき、遮光層の開口率を９０％から１００％まで２％以下の刻みでほぼ連続的に表現できる。そして、実際に使用される開口部は２種類であり、マスク作製時のマスクデータも比較的小さくすることができ、５倍体マスクとして作製するのであれば、電子線描画のグリッドも５ｎｍとすることができる。

ここで、本発明において、開口部を有する遮光層の形成方法としては特に制限はないが、例えば、遮光性の金属層（例えば、Ａｌ、Ａｌ／Ｓｉ／Ｃｕ合金等）を成膜し、この金属層上にポジ型の感光性レジストを塗布し、露光、現像のフォトリソグラフィー工程によってレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとして金属層をエッチングして開口部を形成して遮光層を得ることができる。また、遮光層材料としてネガ型の感光性ブラックレジストを用い、塗布、露光、現像のフォトリソグラフィー工程の後、ポストベークを行って成形する方法を挙げることができる。前者の成形方法で使用する遮光層形成用フォトマスクの一画素分を例示すると、図１１のようになる。図１１において、一画素２１は、光透過部２２と、その周囲の遮光部２３からなっており、寸法Ａは開口部の配置ピッチを示している。図示例での寸法Ｂ、Ｃは同じ値としてもよいが、マスク描画時のグリッド等の制約を受ける場合は異なる値としてもよい。

図８に示した例では、開口面積が異なる２種の開口部、すなわち、一辺がＥである開口寸法の開口部と一辺がＦである開口寸法の開口部とが、各部分領域にほぼ均一で規則的に配置されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、一辺の長さがＥ＞Ｅ′＞Ｆ′＞Ｆの関係となるような、一辺がＥ′である開口寸法の開口部と一辺がＦ′である開口寸法の開口部とを加えて、開口面積が異なる４種の開口部を使用することにより、３０画素×３０画素の領域内での開口部の開口面積の平均的大きさの変化を更にスムースなものとすることができる。また、遮光層の各部分領域での開口部の配置は、ほぼ均一に規則的なものでなく、ランダムな配置としてもよい。

（第３の実施形態）
本実施形態の固体撮像素子は、遮光層を構成する開口部の開口面積を２種以上で設定し、矩形の開口部の一辺の寸法差を０．２ｎｍ以上とし、さらに、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、これらの複数の部分領域には、開口面積の異なる開口部を混在させて有する遮光層を備えた部分領域が存在するものである。
図１２は本実施形態の固体撮像素子における遮光層の開口部配置を示す図である。図１２において、（０，０）点は有効撮像領域の中心点を示し、有効撮像領域はこの中心点を中心とする同心の環状領域に分割されて４つの部分領域（１）〜（４）が画定されている。また、遮光層を構成する開口部は、開口面積の小さい開口部Ｏ１と開口面積の大きい開口部Ｏ２の２種類で構成されている。そして、部分領域（１）には、小さい開口部Ｏ１のみが配置され、部分領域（２）には、小さい開口部Ｏ１が２／３、大きい開口部Ｏ２が１／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（３）には、小さい開口部Ｏ１が１／３、大きい開口部Ｏ２が２／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（４）には、大きい開口部Ｏ２のみが配置されている。

この実施形態においても、開口面積の小さい開口部Ｏ１と開口面積の大きい開口部Ｏ２は、上述（図１１参照）の一辺がＦである開口寸法の開口部と一辺がＥである開口寸法の開口部と同様に適宜設定することができる。この場合も、図１１における寸法Ａは開口部の配置ピッチを示し、図示例での寸法Ｂ、Ｃは同じ値としてもよいが、マスク描画時のグリッド等の制約を受ける場合は異なる値としてもよい。
上述の実施形態では、開口面積の小さい開口部Ｏ１と開口面積の大きい開口部Ｏ２の２種類を用いているが、この中間となるような大きさの開口部を用いて種類を増やし、また、部分領域を細分化することにより、更に滑らかな補正を行うことができる。図１３は、このような実施形態を示す図である。

図１３において、（０，０）点は有効撮像領域の中心点を示し、有効撮像領域はこの中心点を中心とする同心の環状領域に分割されて７つの部分領域（１）〜（７）が画定されている。また、遮光層を構成する開口部は、開口面積の小さい開口部Ｏ１と、開口面積の大きい開口部Ｏ３と、その中間の開口面積を有する開口部Ｏ２（斜線を付して示す）の３種類で構成されている。そして、部分領域（１）には、開口部Ｏ１のみが配置され、部分領域（２）には、開口部Ｏ１が２／３、開口部Ｏ２が１／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（３）には、開口部Ｏ１が１／３、開口部Ｏ２が２／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（４）には、開口部Ｏ２のみが配置されている。さらに、部分領域（５）には、開口部Ｏ２が２／３、開口部Ｏ３が１／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（６）には、開口部Ｏ２が１／３、開口部Ｏ３が２／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（７）には、開口部Ｏ３のみが配置されている。

また、図１３に示される例では、２種の開口部が混在する部分領域（２）、（３）、（５）、（６）において、周辺方向に向けて開口面積の大きな開口部の混在比率が高くなるように連続的に混在比率を変化させ、かつ、１種の開口部のみが配置されている部分領域（１）、（４）、（７）の幅を、２種の開口部が混在する部分領域（２）、（３）、（５）、（６）の幅よりも狭めることにより、更に滑らかな補正を行うことができる。

（第４の実施形態）
本実施形態の固体撮像素子は、遮光層の開口部の開口面積の変化と、マイクロレンズの配置ピッチの変化を組み合わせたものである。図１４に示されるように、（０，０）点は有効撮像領域の中心点を示し、有効撮像領域はこの中心点を中心とする同心の環状領域に分割されて３つの部分領域（１）〜（３）が画定されている。そして、部分領域（１）〜（３）では、例えば、図１５に示すようなカメラレンズ特性の線形変化部位に対応するように、有効撮像領域の中心では、マイクロレンズの中心と受光部の中心が一致し、部分領域（１）の周辺に向うにつれて、マイクロレンズの中心を受光部の中心よりも有効撮像領域の中心側にずれるようにマイクロレンズの配置ピッチが調整されている。しかし、このようなマイクロレンズの配置ピッチの変化には、図１５に示すカメラレンズ特性の非線形性は加味されていないため、依然として部分領域（２）、（３）では感度低下（例えば、５〜１０％程度）が生じることになる。そこで、本発明では、例えば、部分領域（１）に、１．７μｍ×１．７μｍの開口面積の開口部のみを配置し、部分領域（２）には、１．７μｍ×１．７μｍと１．７４２μｍ×１．７４２μｍの２種の開口面積の開口部を混在させて配置し、部分領域（３）には、１．７４２μｍ×１．７４２μｍと１．７８３μｍ×１．７８３μｍの２種の開口面積の開口部を混在させて配置する。そして、部分領域（２）では、部分領域（１）との境界近傍で１．７μｍ×１．７μｍの開口部の混在比率を高くし、部分領域（３）方向に向って１．７４２μｍ×１．７４２μｍの開口部の混在比率を高くする。また、部分領域（３）では、部分領域（２）との境界近傍で１．７４２μｍ×１．７４２μｍの開口部の混在比率を高くし、最外周部方向に向って１．７８３μｍ×１．７８３μｍの開口部の混在比率を高くする。

これにより、部分領域（２）、（３）において、開口面積が最大１０％増大するようにほぼ連続的に変化させて開口部が配置され、図１５に示すカメラレンズ特性の非線形変化に対応することができる。
上述の実施形態は例示であり、本発明の固体撮像素子はこれらに限定されるものではない。

［撮像装置］
図１６は、本発明の撮像装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１６において、本発明の撮像装置３１は、本発明の固体撮像素子３２を備えた基板３３と、固体撮像素子３２の外側に配した封止用部材３４と、この封止用部材３４を介して固体撮像素子３２と所望の間隙を設けて対向するように配設された保護材３５とを備えている。また、固体撮像素子３２は配線３６、表裏導通ビア３７を介して外部端子３８に接続されている。このようなセラミックパッケージ型の撮像装置３１は、種々のデジタルカメラ、ビデオカメラ等に使用することができ、カメラの高感度化、小型化、薄型化が可能である。

また、図１７は、本発明の撮像装置の他の実施形態を示す概略断面図である。図１７に示される本発明の撮像装置４１は、携帯電話用カメラモジュールの例であり、本発明の固体撮像素子４２を備えた基板４３と、固体撮像素子４２の外側に配した封止用部材４４と、固体撮像素子４２と所望の間隙を設けて対向するように配設された赤外カットフィルタ４５と、赤外カットフィルタ４５上に配設された鏡筒４６と、この鏡筒４６内に装着されたレンズユニット４７を備えている。このような撮像装置４１は、本発明の固体撮像素子４２がシェーディング補正されていて高感度のものであるため、小型化、薄型化が可能である。
本発明の撮像装置は上述の実施形態に限定されるものではなく、固体撮像素子として本発明の固体撮像素子を備えるものであればよく、従来の種々の撮像装置の構成をそのまま採用することができる。

次に、実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例］
まず、画素受光部ピッチ２．０μｍ、画素数２５９２個×１９４４個のＣＭＯＳイメージセンサーを形成したウェハを用意した。
次に、上記のウェハ上に、以下のようにして、遮光層、パッシベーション層、下平坦化層、カラーフィルタ、上平坦化層、および、マイクロレンズを形成した。

（遮光層の形成）
ウェハ表面をスピンスクラパーで洗浄した後、スパッタリング法によってアルミニウム薄膜層（厚み０．６μｍ）を形成した。このアルミニウム薄膜層上にポジ型の感光性レジスト（住友化学（株）製 ＰＦＩ５８）を塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像を行ってレジストパターンを形成した。その後、このレジストパターンをマスクとしてアルミニウム薄膜層をエッチング（エッチングガスとしてＢＣｌ₃、Ｃｌ₂を使用したドライエッチング法）して開口部を設けて遮光層を形成した。
上記の露光においては、図１１にてＡ＝２．０μｍ、Ｂ＝Ｃ＝０．１μｍ、Ｄ＝０．０８μｍとし、Ｅ＝１．８μｍ、Ｆ＝１．７２μｍの２種の光透過部を有する遮光層形成用フォトマスクを使用し、図１２に示されるように、部分領域（１）〜（４）に開口部を配置した。この場合、部分領域（１）はＸ軸上の４００画素までとし、部分領域（２）はＸ軸上の４０１画素から７５０画素まで、部分領域（３）はＸ軸上の７５１画素から１１００画素まで、部分領域（４）はＸ軸上の１１０１画素から最外周の１２９６画素までとした。

（パッシベーション層の形成）
遮光層を被覆するように、プラズマＣＶＤ法により二酸化珪素層（厚み０．３μｍ）と窒化珪素層（厚み０．３μｍ）を順次形成して、２層構造のパッシベーション層とした。

（下平坦化層の形成）
パッシベーション層上に、光硬化型アクリル系透明樹脂材料（富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＴ−２０２０Ｌ）をスピン塗布し、次いで、プリベーク、紫外線全面露光、ポストベークを行って下平坦化層（厚み０．３μｍ）を形成した。

（カラーフィルタの形成）
ネガ型感光性の赤色材料（Ｒ用材料）、緑色材料（Ｇ用材料）、青色材料（Ｂ用材料）として以下の材料を用意した。
Ｒ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＲ−４０００Ｌ
Ｇ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＧ−４０００Ｌ
Ｂ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＢ−４０００Ｌ
Ｇ、Ｒ、Ｂの形成順序で、上記材料をスピン塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像、ポストベークを行って、ＲＧＢカラーフィルタ（厚み０．８μｍ）を形成した。尚、現像液として、富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＤ−２０００の５０％希釈液を使用した。また、カラーフィルタの配置ピッチは２．０μｍとした。

（上平坦化層の形成）
ＲＧＢカラーフィルタ上に、光硬化型アクリル系透明樹脂材料（富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＴ−２０２０Ｌ）をスピン塗布し、次いで、プリベーク、紫外線全面露光、ポストベークを行って上平坦化層（厚み０．３μｍ）を形成した。

（マイクロレンズの形成）
上平坦化層上に、マイクロレンズ材料としてＪＳＲ（株）製 ＭＦＲ４０１Ｌをスピン塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像、後露光、ポストベークによるメルトフローを行って、マイクロレンズを形成した。尚、現像液として、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）の１．１９％液を使用した。
上記の露光においては、配置ピッチを２．０μｍとしたマイクロレンズ用フォトマスクを使用した。

次に、ボンディングパッド部の窓開けを行った。すなわち、ポジレジスト（住友化学（株）製 ｉ線用ポジレジスト ＰＦＩ−２７）をスピン塗布し、次いで、プリベーク後、ボンディングパッド部およびスクライブ部に対応するパターンを有するフォトマスク用いて露光、現像を行い、ボンディングパッド部およびスクライブ部のレジストを除去し、その後、酸素アッシングを行って、当該箇所上の上平坦化層、下平坦化層をエッチング除去した。次いで、レジスト剥離液を用いてポジレジストを除去した。
次いで、ウェハのダイシングを行い、パッケージ組立を行って、本発明の固体撮像素子を作製した。

［比較例］
遮光層の形成において、Ｅ＝１．７２μｍの１種の光透過部を有する遮光層形成用フォトマスクを使用した他は、実施例と同様にして固体撮像素子を作製した。
［評 価］
上述のように作製した固体撮像素子に関して、下記の条件で感度を測定し、結果を図１８に示した。図１８に示されるように、本発明の固体撮像素子は、シェーディング補正が有効になされ、その感度分布（図１８に実線で示す）は比較例の固体撮像素子の感度分布（図１８に鎖線で示す）に比べて約１０％改善されていることが確認された。
（感度の測定条件）
作製した固体撮像素子に、カメラレンズとして図１５に示す特性のものを用い、
白色光源に対するＸ軸方向の感度分布を測定した。

小型で高信頼性の固体撮像素子、撮像装置が要求される種々の分野において適用できる。

本発明の固体撮像素子の一例を示す概略構成図である。 本発明の固体撮像素子を説明するための部分領域毎の遮光層の開口率を示す図である。 本発明の固体撮像素子を説明するための遮光層の開口率の補正曲線を示す図である。 本発明の固体撮像素子を説明するための部分領域毎の開口部の開口面積を示す図である。 本発明の固体撮像素子の一実施形態における遮光層の開口部の配置を説明するための図である。 図５において円で囲んだ部分領域の拡大図である。 図６に示される中間帯状部の交差部分における開口部の配置を説明するための図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態における遮光層の開口部の配置を示す図である。 開口面積の異なる開口部を示す図である。 図８に示される開口部配置における開口面積が大きい開口部の各部分領域での数を示す図である。 遮光層形成用フォトマスクの一画素分を示す図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態における遮光層の開口部配置を示す図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態における遮光層の開口部配置を示す図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態における遮光層の開口部配置を説明するための図である。 撮像装置に用いられるレンズの主光線入射角度と像高の関係を示した図である。 本発明の撮像装置の一例を説明するための図である。 本発明の撮像装置の他の例を説明するための図である。 実施例における感度測定の結果を示す図である。 固体撮像素子におけるシェーディング現象を説明するための図である。 固体撮像素子におけるシェーディングの補正を説明するための図である。 有効撮像領域内での感度差を示す図である。 シェーディング補正のための遮光層の開口率の補正曲線を示す図である。 固体撮像素子におけるシェーディングの補正をする際の開口部の開口面積の変化を説明するための図である。

符号の説明

１…固体撮像素子
２…基板
３…受光部
４…金属電極
５…パッシベーション層
６…遮光層
６ａ…開口部
７…下平坦化層
８…カラーフィルタ
９…上平坦化層
１０…マイクロレンズアレイ
１１…マイクロレンズ
３１，４１…撮像装置
３２，４２…固体撮像素子

Claims (11)

1. 所定のピッチで２次元配置された複数の受光部と、個々の前記受光部に対応させて配置された複数の開口部を有する遮光層とを少なくとも備えている固体撮像素子において、
   遮光層を構成する開口部は、開口面積が異なる２種以上の矩形の開口部からなり、開口面積が異なる開口部間の一辺の寸法差は０．２ｎｍ以上であり、有効撮像領域は中心から周辺に向って複数の部分領域に分割され、個々の部分領域内の遮光層は開口面積が同じ開口部を有し、開口部の開口面積が異なる部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の開口面積の開口部を混在させて有する遮光層を備えた中間帯状部が存在することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記中間帯状部での開口面積が異なる開口部の混在比率は１：０〜０：１の範囲内で連続的に変化することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 所定のピッチで２次元配置された複数の受光部と、個々の前記受光部に対応させて配置された複数の開口部を有する遮光層とを少なくとも備えている固体撮像素子において、
   遮光層を構成する開口部は、開口面積が異なる２種以上の矩形の開口部からなり、開口面積が異なる開口部間の一辺の寸法差は０．２ｎｍ以上であり、有効撮像領域は中心から周辺に向って複数の部分領域に分割され、該複数の部分領域には、開口面積の異なる開口部を混在させて有する遮光層を備えた部分領域が存在することを特徴とする固体撮像素子。
4. 部分領域内での開口面積の異なる開口部の混在比率は、該部分領域内において有効撮像領域の中心から周辺に向う方向に沿って変化していることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
5. 部分領域内での開口面積の異なる開口部の混在比率は、該部分領域内においてほぼ均一であることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
6. 部分領域内にて、開口面積の異なる開口部がランダムに配置されていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
7. 同一の部分領域において隣接して配置される開口部の開口面積の差が１０％以下であることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の固体撮像素子。
8. 部分領域毎の開口部の開口面積の平均的大きさが、有効撮像領域の中心から周辺に向って大きくなる傾向であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の固体撮像素子。
9. 前記部分領域はモザイク状であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の固体撮像素子。
10. 前記部分領域は有効撮像領域中心を中心とする同心の環状領域であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の固体撮像素子。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。

Images