JP2013004635A - 撮像素子、撮像装置、及び、形成方法 - Google Patents

撮像素子、撮像装置、及び、形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 １画素内に構成される複数の光電変換部を感度を持たない領域により分離した場合に、該領域による画素の感度低下や、入射角特性の劣化を低減すること。
【解決手段】 撮像素子（１０３）は、複数の画素を有し、前記複数の画素の内の少なくとも一部の画素が、それぞれ、複数の光電変換部（４０２ａ、４０２ｂ）と、マイクロレンズ（４４２）と、複数の光電変換部と前記マイクロレンズとの間に形成され、複数の光電変換部にそれぞれ対応するように一体的に構成された複数の層内レンズ（４４５ａ、４４５ｂ）とを有し、複数の層内レンズは、複数の層内レンズへの入射光を、それぞれ対応する複数の光電変換部に入射させることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、静止画像や動画像を撮像、記録、再生するために用いられる撮像装置及び該撮像装置に用いられる撮像素子、及び形成方法に関し、特に、撮像素子の光電変換部が分割構造を有する場合の撮像素子の構造に関する。
従来、固体メモリ素子を有するメモリカードを記録媒体として、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子で撮像した静止画像や動画像を記録及び再生する電子カメラ等の撮像装置が存在する。
これらの撮像装置に搭載される固体撮像素子に関する技術の一例として、固体撮像素子を構成する複数画素のうち、一部または全ての画素の光電変換部を複数に分割したものが、特許文献１や特許文献２などにおいて提案されている。このような撮像素子の用途としては、分割された光電変換部それぞれから得られる出力信号を基にして、瞳分割方式の焦点検出を行うことや、立体画像を生成することなどがあげられる。一方、分割された光電変換部の出力を画素毎に加算することで、通常の撮像信号として使用することも可能である。
特開２００３−２４４７１２号公報 特開２００９−１５８８００号公報
しかしながら、固体撮像装置における通常の撮影において、前述したように分割された光電変換部からの出力を加算して通常の撮像信号として用いる場合、以下のような問題があった。
先ず、特許文献１及び２のような分割された光電変換部を有する画素を構成する際、各画素の複数の光電変換部の間には、様々な画素構成要素が配置される可能性がある。例えば、感度向上のために光電変換部の面積を大きくしたい場合、光電変換部毎にフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）や出力信号線を配置するのではなく、複数の光電変換部がＦＤ部などを共用する構成が好ましい。この際、ＦＤ部は、ＦＤ部を共用する複数の光電変換部の中心に配置することが望ましい。このように、光電変換部の間にＦＤ部などの画素構成要素を配置すると、各分割画素の複数の光電変換部の間には、感度を持たない領域が存在することになる。一方、仮に、複数の光電変換部の間に配置する構成要素を無くしたとしても、画素部の製造精度やアライメント精度等から、各画素における複数の光電変換部の間の隙間を全く無くす事は困難である。
上記の理由により、各画素における複数の光電変換部の間には、感度を持たない、画素構成要素の領域や、各光電変換部を分離する分離領域（以下、まとめて「分離領域」と呼ぶ。）が必要となっている。しかし、これらの分離領域があるために、画素毎に複数の光電変換部からの出力信号を加算して１つの画素信号として使用しようとしたときに、光電変換部を分割していない通常の画素と比べて、分離領域の分だけ感度が低下してしまっていた。
また、分離領域が感度を持たないため、分離領域に到達する光束は出力信号には現れなくなるが、撮影レンズの状態や、絞り量、入射光の角度等によって撮像画素が受光する光量に対する分離領域に到達する光量が変動してしまう。そのため、出力信号に絞り依存性や、入射角依存性などが生じてしまっていた。
また、特許文献２は、分割された領域への入射光の分離を目的として、画素前方に間隙を設ける方法も提案されている。しかし、画素前方に配する間隙自体が分離領域に相当するため、やはり、画素を分割しない構成の場合と比べて、感度の低下や入射角特性の劣化を発生させてしまっていた。
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、１画素内に構成される複数の光電変換部を感度を持たない領域により分離した場合に、該領域による画素の感度低下や、入射角特性の劣化を低減することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、複数の画素を有し、前記複数の画素の内の少なくとも一部の画素が、それぞれ、複数の光電変換部と、マイクロレンズと、前記複数の光電変換部と前記マイクロレンズとの間に形成され、前記複数の光電変換部にそれぞれ対応するように一体的に構成された複数の層内レンズとを有し、前記複数の層内レンズは、該複数の層内レンズへの入射光を、それぞれ対応する前記複数の光電変換部に入射させることを特徴とする。
本発明によれば、１画素内に構成される複数の光電変換部を感度を持たない領域により分離した場合に、該領域による画素の感度低下や、入射角特性の劣化を低減することができる。
第１の実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図。 第１の実施形態における撮像素子の画素配列を示す配置図。 第１の実施形態における撮像素子の１撮像画素分の断面図。 第１の実施形態における光束が光電変換部に到達する様子を示す図。 第１の実施形態における光束が光電変換部に到達する様子を示す図。 第１実施形態における撮像素子の製造方法を示す１画素分の工程断面図。 第１の実施形態における層内レンズの等高線を示す平面図。 第１の実施形態において層内レンズの製造に使用されるグレイトーンマスクの一例を示す平面図。 グレイトーンマスク内での開口率とレジスト除去深さとの関係を示すグラフ。 第１の実施形態における撮像素子の１画素分の概略断面図。 第１の実施形態における撮像素子の１画素分の構成及び読み出し回路の構成を示す回路図。 第１の実施形態における第１の駆動タイミングを示すタイミングチャート。 第１の実施形態における第２の駆動タイミングを示すタイミングチャート。 第２の実施形態における撮像素子の１撮像画素分の断面図。 第２の実施形態における光束が光電変換部に到達する様子を示す図。 第２の実施形態における光束が光電変換部に到達する様子を示す図。
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、１０１はレンズ及び絞りからなる光学系、１０２はメカニカルシャッタである。また、１０３は入射光を電気信号に変換する、複数の画素からなる撮像素子である。なお、撮像素子１０３の構成については、詳細に後述する。
１０６は撮像素子１０３から出力される画像信号に対してアナログ信号処理を行うアナログ信号処理回路である。アナログ信号処理回路１０６は、相関二重サンプリングを行うＣＤＳ回路１０７、アナログ信号を増幅する信号増幅器１０８、水平ＯＢクランプを行うクランプ回路１０９、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１１０を含む。
１１１は、撮像素子１０３及びアナログ信号処理回路１０６を動作させる信号を発生するタイミング信号発生回路、１１２は、光学系１０１及びメカニカルシャッタ１０２の駆動回路である。１１３は撮影した画像データに必要なデジタル信号処理を行うデジタル信号処理回路である。デジタル信号処理回路１１３は、画像データに対して必要な補正処理を行う画像補正回路１１４、デジタル信号を増幅する信号増幅回路１１５、画像データに対して必要な画像処理を行う画像処理回路１１６を含む。
１１７は信号処理された画像データを記憶する画像メモリ、１１８は撮像装置から取り外し可能な記録媒体、１１９は信号処理された画像データを記録媒体１１８に記録する記録回路である。１２０は信号処理された画像データを表示する画像表示装置、１２１は画像表示装置１２０に画像を表示する表示回路である。
１２２は撮像装置全体を制御するシステム制御部である。１２３は、システム制御部１２２で実行される制御方法を記載したプログラム、プログラムを実行する際に使用されるパラメータやテーブル等の制御データ、キズアドレス等の補正データを記憶しておく不揮発性メモリ（ＲＯＭ）である。１２４は不揮発性メモリ１２３に記憶されたプログラム、制御データ及び補正データを転送して記憶しておき、システム制御部１２２が撮像装置を制御する際に使用する揮発性メモリ（ＲＡＭ）となっている。
１２５は撮像素子１０３あるいはその周辺回路の温度を検出する温度検出部、１２６は撮像素子１０３の蓄積時間を設定する蓄積時間設定部、１２７はＩＳＯ感度設定などの撮影条件設定や、静止画撮影と動画撮影の切り替えなどを行う、撮影モード設定部である。
次に、上記構成を有する撮像装置における撮影動作について説明する。なお、撮影動作に先立ち、撮像装置の電源投入時等のシステム制御部１２２の動作開始時において、不揮発性メモリ１２３から必要なプログラム、制御データ及び補正データを揮発性メモリ１２４に転送して記憶しておくものとする。これらのプログラムやデータは、システム制御部１２２が撮像装置を制御する際に使用する。また、必要に応じて、追加のプログラムやデータを不揮発性メモリ１２３から揮発性メモリ１２４に転送したり、システム制御部１２２が直接、不揮発性メモリ１２３内のデータを読み出して使用したりするものとする。
まず、光学系１０１は、システム制御部１２２からの制御信号により、絞りとレンズを駆動して、適切な明るさに設定された被写体像を撮像素子１０３上に結像させる。次に、メカニカルシャッタ１０２は、静止画像撮影時においては、システム制御部１２２からの制御信号により、必要な露光時間となるように撮像素子１０３の動作に合わせて撮像素子１０３を遮光するように駆動される。この時、撮像素子１０３が電子シャッタ機能を有する場合は、メカニカルシャッタ１０２と併用して、必要な露光時間を確保してもよい。またメカニカルシャッタ１０２は、動画像撮影時においては、システム制御部１２２からの制御信号により、撮影中は常に撮像素子１０３が露光されているように、開放状態で維持される。
撮像素子１０３は、システム制御部１２２により制御されるタイミング信号発生回路１１１が発生する動作パルスを基にした駆動パルスで駆動され、被写体像を光電変換により電気信号に変換する。更に、入射光量に応じて設定された増幅率のゲインを変換された電気信号にかけ、アナログ画像信号として出力する。
撮像素子１０３から出力されたアナログの画像信号は、システム制御部１２２により制御されるタイミング信号発生回路１１１が発生する動作パルスにより、アナログ信号処理回路１０６で処理される。具体的には、ＣＤＳ回路１０７でクロック同期性ノイズを除去し、信号増幅器回路１０８で入射光量に応じて設定された増幅率のゲインをかける。更に、クランプ回路１０９で水平ＯＢ領域の信号出力を基準電圧としてクランプし、Ａ／Ｄ変換器１１０でデジタル画像信号に変換する。
次に、アナログ信号処理回路１０６から出力されたデジタル画像信号に対して、システム制御部１２２により制御されるデジタル信号処理回路１１３は、色変換、ホワイトバランス、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理等を行う。まず、画像補正回路１１４でキズ補正、ダークシェーディング補正などの各種画像補正処理を施し、信号増幅回路１１５で入射光量に応じて設定された増幅率のゲインをかける。その後、画像処理回路１１６で色変換、ホワイトバランス、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理等の各種画像処理を行う。
画像メモリ１１７は、上述した信号処理中のデジタル画像信号を一時的に記憶したり、信号処理されたデジタル画像信号である画像データを記憶したりするために用いられる。デジタル信号処理回路１１３で信号処理された画像データや画像メモリ１１７に記憶されている画像データは、記録回路１１９において記録媒体１１８に適したデータ（例えば、階層構造を持つファイルシステムデータ）に変換される。そして、記録媒体１１８に記録される。また、デジタル信号処理回路１１３で解像度変換処理を実施された後、表示回路１２１において画像表示装置１２０に適した信号（例えば、ＮＴＳＣ方式のアナログ信号等）に変換されて、画像表示装置１２０に表示されたりする。
ここで、デジタル信号処理回路１１３においては、システム制御部１２２からの制御信号により信号処理をせずにデジタル画像信号をそのまま画像データとして、画像メモリ１１７や記録回路１１９に出力してもよい。また、デジタル信号処理回路１１３は、システム制御部１２２から要求があった場合に、信号処理の過程で生じたデジタル画像信号や画像データの情報、あるいは、それらから抽出された情報をシステム制御部１２２に出力する。なお、信号処理の過程で生じたデジタル画像信号や画像データの情報とは、例えば、画像の空間周波数、指定領域の平均値、圧縮画像のデータ量等の情報である。さらに、記録回路１１９は、システム制御部１２２から要求があった場合に、記録媒体１１８の種類や空き容量等の情報をシステム制御部１２２に出力する。
次に、記録媒体１１８に画像データが記録されている場合の再生動作について説明する。システム制御部１２２からの制御信号により、記録回路１１９は記録媒体１１８から画像データを読み出す。同じくシステム制御部１２２からの制御信号により、デジタル信号処理回路１１３は、画像データが圧縮画像であった場合には、画像伸長処理を行い、また、圧縮画像でなかった場合には画像伸長処理を行わずに、画像メモリ１１７に記憶する。そして、画像メモリ１１７に記憶された画像データは、デジタル信号処理回路１１３で解像度変換処理を実施された後、表示回路１２１において画像表示装置１２０に適した信号に変換されて画像表示装置１２０に表示される。
図２は本発明の第１の実施形態における撮像素子１０３の画素配列を説明する配置図である。
図２において、（０，０）、（１，０）、（０，１）等で示される各領域は、撮像信号における１画素を示す。また、この撮像信号における１画素毎に、１つのマイクロレンズが配置されている。なお、図２では、６×６画素のみが示されているが、実際には非常に多数の画素から構成されている。
また、ａ、ｂ、ｃ、ｄで示される各領域は、複数の画素それぞれに形成された複数の光電変換部である。図２に示すように、本第１の実施形態においては、各画素はそれぞれ、２×２配列された４つの光電変換部ａ、ｂ、ｃ、ｄを含み、同一の記号により示される光電変換部は、マイクロレンズとの位置関係において、各画素の同じ象現にあることを意味する。また、各画素に記された「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の文字は、各画素上に形成されるカラーフィルタの色相を表す。
図２に示す画素配列を有する撮像素子１０３を用いた撮像装置においては、撮像信号を生成する場合は、各画素の「光電変換部ａ、ｂ、ｃ、ｄからの出力信号の和」をもって、１画素の出力信号とする。
また、撮像素子１０３の出力を焦点検出用信号もしくは立体画像生成用信号として使用する場合には、次のようにして信号を生成する。即ち、「光電変換部ａ、ｂの出力信号」の和と「光電変換部ｃ、ｄの出力信号」の和を生成したり、「光電変換部ａ、ｃの出力信号」の和と「光電変換部ｂ、ｄの出力信号」の和を生成して利用する。
なお、図２に示す例では、全ての画素の光電変換部が４つに分割されている場合を示しているが、本願発明はこれに限られるものではなく、撮像素子１０３の少なくとも一部の画素の光電変換部が、２以上の光電変換部に分割されていればよい。
次に、本第１の実施形態に係る撮像素子１０３を構成する画素の構造について説明する。図３は、本第１の実施形態に係る撮像素子１０３の１画素分の水平方向の断面図である。図３に示す画素は、図２を用いて説明した４つに分割された光電変換部の内、撮像素子１０３における水平方向の２つの光電変換部ａ、ｂ（図３では４０２ａ、４０２ｂ）を示している。なお、残りの２つの光電変換部ｃ、ｄは不図示であるが、図３の奥行き方向に光電変換部４０２ａ、４０２ｂと同様の構成のものが配されている。
まず、光電変換部４０２ａ、４０２ｂの周辺には、光電変換部４０２ａ、４０２ｂで発生した電荷を転送するためのポリシリコンで構成された第１の電極４０３ａ、４０３ｂが配置される。
光電変換部４０２ａ、４０２ｂの光入射側には、光電変換部４０２ａ、４０２ｂにそれぞれ対応する層内レンズ４４５ａ、４４５ｂが一体的に形成される。実際には図３の奥行き方向にも不図示の光電変換部４０２ｃ、４０２ｄにそれぞれ対応する不図示の層内レンズ４４５ｃ、４４５ｄが存在するが、層内レンズ４４５ａ〜４４５ｄの形状については、図７を参照して詳細に後述する。
また、転送された電荷を選択的に外部に出力するために、アルミニウムで構成された第２の電極４１６及び第３の電極４１７が配置される。第１の電極４０３ａ、４０３ｂと第２の電極４１６との間、及び、第２の電極４１６と第３の電極４１７との間には、層間絶縁膜４１５が配置される。第１の電極４０３ａ、４０３ｂと第２の電極４１６、及び、第２の電極４１６と第３の電極４１７とは、タングステンで構成された不図示の第１のプラグ及び第２のプラグでそれぞれ接続されている。
第３の電極４１７の上部には、保護層としての窒化シリコン（SiN）膜４５４が形成される。また、SiN膜４５４の光入射側には、平坦化層４４３を介してカラーフィルタ４４１が形成される。また、カラーフィルタ４４１の上には、平坦化層４４３を介してマイクロレンズ４４２が形成される。マイクロレンズ４４２の厚さは、不図示の撮影レンズの瞳と層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの上面（図３の結像面α）とが略結像関係になるレンズパワーになるように設定されている。
次に、第１の実施形態に係る撮像素子１０３に入射する光について説明する。図３に示す画素では、マイクロレンズ４４２に入射した光束は集光され、カラーフィルタ４４１で一部吸収され、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの表面（結像面α）近傍に集光する。マイクロレンズ４４２によって、不図示の撮影レンズの瞳と層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの表面（結像面α）とが略結像関係になっており、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂに入射した光束は光電変換部４０２ａ、４０２ｂに到達する。そのため、光電変換部４０２ａ、４０２ｂは、各層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの開口を撮影レンズの瞳側に逆投影した瞳領域の光束を受光可能になっている。
以上説明したような第１の実施形態に係る撮像素子１０３の構造においては、本来、光電変換部４０２ａと４０２ｂの間にある分離領域に入射するはずの光束も、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂを介して光電変換部４０２ａ、４０２ｂに集光可能となる。
図４は、第１の実施形態において、マイクロレンズ４４２の結像面近傍の層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの開口に光束が収束され、光電変換部に到達する様子を示している。
図４（ａ）は、入射角０での光束の様子で、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの開口のちょうど真ん中に収束する。その後、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂそれぞれにより光束が屈折され、光電変換部４０２ａ、４０２ｂそれぞれに広がりながら到達する。
図４（ｂ）は、入射角θ１での光束の様子で、層内レンズ４４５ｂの光学中心（曲率頂点）に収束する。その後、層内レンズ４４５ｂにより光束が屈折され、光電変換部４０２ｂに広がりながら到達する。
図４（ｃ）は，入射角θ２での光束の様子で、層内レンズ４４５ｂの端側に収束する。その後、層内レンズ４４５ｂにより光束が屈折され、光電変換部４０２ｂに広がりながら到達する。
図５は、第１の実施形態において、マイクロレンズ４４２の開口位置と光電変換部４０２ｂとが層内レンズ４４５ｂにより共役な関係になっていることを示す図である。なお、
図５（ａ）は，入射角０〜θ２でマイクロレンズ４４２の左端部に到達した光束が光電変換部４０２ｂに到達するまでの様子を示す。図から分かるように、マイクロレンズ４４２の屈折により、層内レンズ４４５ｂの開口全域を透過し、光電変換部４０２ｂの右端部に収束する。
図５（ｂ）は，入射角０〜θ２でマイクロレンズ４４２の中央に到達した光束が光電変換部４０２ｂに到達するまでの様子を示す。図から分かるように、マイクロレンズ４４２の屈折により、層内レンズ４４５ｂの開口全域を透過し、光電変換部４０２ｂの中央部に収束する。
図５（ｃ）は，入射角０〜θ２でマイクロレンズ４４２の左端部に到達した光束が光電変換部４０２ｂに到達するまでの様子を示す。図から分かるように、マイクロレンズ４４２の屈折により、層内レンズ４４５ｂの開口全域を透過し、光電変換部４０２ｂの左端部に収束する。
なお、図４及び図５においては、図に向かって左方向に入射角を有する光束について説明しているが、図に向かって右方向に入射角を有する光束の場合は、光電変換部４０２ａに光束が入射することになる。
次に、本発明の第１実施形態に係る撮像素子１０３の製造方法を、図６を用いて説明する。図６は、本発明の第１実施形態に係る撮像素子１０３の製造方法を示す１画素分の工程断面図である。
図６（ａ）に示す工程では、光電変換部４０２が形成された半導体基板４１１の上に、第１の電極４０３ａ、４０３ｂを形成する。第１の電極４０３ａ、４０３ｂは、例えば、ポリシリコン（p-Si）で形成する。その後、光電変換部４０２ａ、４０２ｂと第１の電極４０３ａ、４０３ｂとを覆うように、層間絶縁膜４１５を形成する。層間絶縁膜４１５は、例えば、二酸化珪素（SiO2）で形成する。
図６（ｂ）に示す工程（第１の工程）では、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの材料となる層４５２を、高屈折材、例えば窒化シリコン（SiN）で形成する。
図６（ｃ）に示す工程（第２の工程）では、有機材料をスピンコートすることにより、平坦化層４５３を形成する。
図６（ｄ）に示す工程（第３の工程）では、平坦化層４５３に、後述するグレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィによるギャップレスのマイクロレンズ４５３ａ、４５３ｂを形成する。
図６（ｅ）に示す工程（第４の工程）では、エッチバックを行うことにより、図６（ｄ）で形成したマイクレンズ形状を高屈折材（例えばSiN）で形成された層４５２に転写して、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂを形成する。
図６（ｆ）に示す工程では、第２の電極４１６、第３の電極４１７、更に層間絶縁膜４１５、不図示のスルーホール配線を形成する。
図６（ｇ）に示す工程では、電極を保護するための保護層であるSiN膜４５４を形成する。SiN膜４５４は、例えば、１０ｎｍの厚さで形成される。
図６（ｈ）に示す工程では、SiN膜４５４の上に有機材料をスピンコートすることにより、平坦化層４４３を形成する。その後、フォトリソグラフィにより、平坦化層４４３の上にカラーフィルタ４４１を形成する。更に、カラーフィルタ４４１の上に有機材料をスピンコートすることにより、更に平坦化層４４３を形成する。
図６（ｉ）に示す工程では、平坦化層４４３の上に、マイクロレンズ４４２を形成する。例えば、平坦化層４４３の上に有機材料等で形成した膜をパターニングし、そのパターンを熱溶融させることにより、球面を有するマイクロレンズ４４２を形成する。
次に、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂを形成するために形状転写される元の、図６（ｄ）の工程におけるマイクロレンズ４５３ａ、４５３ｂの形成方法について説明する。
従来のマイクロレンズは、フォトリソグラフィ工程でマイクロレンズの開口形状と相似のレジストパターンを形成し、その後、熱溶融させることにより球面のマイクロレンズを形成する。本発明のギャップレス形状の層内レンズを形成するためには、従来の製造方法は適用することができない。そのためグレイトーンマスクを利用したフォトリソグラフィにより、露光箇所でレジスト除去深さを異ならせるプロセスを適用する。
図７に層内レンズ４４５ａ〜４４５ｄの等高線を、図８にグレイトーンマスク５００の一例を示す。
図７からわかるように、４つの層内レンズ４４５ａ〜４４５ｄは、個々に光学的にパワーがある状態の部分で領域が区切られ、一体的に構成されている。このような状態をギャップレスレンズ構造と呼ぶ。ギャップレスレンズ構造の場合、層内レンズ４４５ａ〜４４５ｄ間の境界領域で光学的な不感帯が存在せず、マイクロレンズ４４２から各層内レンズ４４５ａ〜４４５ｄの開口に入射した光束全てが光電変換部４０２に到達する。従って、不感帯を生じずに光電変換部４０２ａ〜４０２ｄにて到達した光束を光電変換することができる。
ここで、図５で示したように、マイクロレンズ４４２の開口位置と光電変換部４０２ａ〜４０２ｄとが層内レンズ４４５ａ〜４４５ｄにより共役な関係になっている。そのため、各層内レンズ４４５ａ〜４４５ｄの光軸は各光電変換部４０２ａ〜４０２ｄの中心に対し、内側に配置される。従って、各層内レンズ４４５ａ〜４４５ｄの開口に対し、各層内レンズ４４５ａ〜４４５ｄの光軸は内側に非対称な系とすることが望ましい。但し、光電変換部４０２ａ〜４０２ｄの配置を工夫することにより、正方形形状の開口で、光軸を対象に持っていってもよい。
図８では元々の設計形状に対し段々形状となっているが、グレイトーンマスク５００の単一パターンピッチを細かくすることによって、設計形状との誤差が減り、実質的な差を無くすことができる。図９はグレイトーンマスク５００の単一パターン内での開口率とレジスト除去深さとの関係を示すグラフである。露光装置とレジスト材料に対して事前にこのような関係データを取得することにより、マイクロレンズ設計形状をグレイトーンマスク５００のパターンにデータ変換することができる。
以上の方法により、マイクロレンズに任意の開口形状と面曲率を形成することができる。このように、マイクロレンズ４５３ａ〜４５３ｄは、従来の製造方法のマスクパターンを変更することによって製造することができ、従来とほぼ同等のコストで、図７に示すようなギャップレスの層内レンズ４４５ａ〜４４５ｄを形成することが可能となる。
図１０は第１の実施形態における撮像素子１０３の１画素分の概略断面図である。図１０において、４１１は半導体基板であるＰ型ウェル、４１２は二酸化珪素（SiO2）膜で構成されたゲート絶縁膜である。４１４ａ及び４１４ｂは、Ｐ型ウェル４１１の表面に形成されたｐ＋層であり、ｎ層４１３ａ、４１３ｂと共に光電変換部４０２ａ、４０２ｂを構成する。４２３ａ及び４２３ｂは、光電変換部４０２ａ、４０２ｂで発生した信号電荷をフローティングディフュージョン（ＦＤ）部４０７へ転送するための転送ゲートである。４４１はカラーフィルタ、４４２はマイクロレンズ（オンチップレンズ）であり、マイクロレンズ４４２は、不図示の撮影レンズ（光学系１０１）の瞳と撮像素子１０３の光電変換部４０２ａ及び４０２ｂとが略共役になるような形状及び位置に形成される。
また、光電変換部４０２ａ、４０２ｂとカラーフィルタ４４１との間には、それぞれ層内レンズ４４５ａ、４４５ｂが配置される。
なお、この画素では、ＦＤ部４０７の周りに、ＦＤ部４０７を共用する４つの光電変換部４０２ａ〜４０２ｄがそれぞれ形成される。また、各光電変換部４０２ａ、４０２ｂで発生した信号電荷をそれぞれＦＤ部４０７へ転送する転送ゲート４２３ａ、４２３ｂが形成されると共に、不図示ではあるが、光電変換部４０２ｃ、４０２ｄについても、転送ゲート４２３ｃ、４２３ｄが同様に形成される。
図１１は第１の実施形態における撮像素子１０３の１画素分の構成及び読み出し回路の構成を示す回路図である。図１１において、４０８は各画素毎、即ち、４つの光電変換部４０２ａ〜４０２ｄ毎に配置される画素共通部である。また、転送ゲート４２３ａ〜４２３ｄは、光電変換部４０２ａ〜４０２ｄの光電変換によって生成された電荷をパルスＰＴＸａ〜ＰＴＸｄの制御によってＦＤ部４０７に転送する。
画素共通部４０８は、転送ゲート４２３ａ〜４２３ｄによって転送された電荷を蓄積するＦＤ部４０７、画素アンプ４０６のゲートと接続されたＦＤ部４０７をリセットパルスＰＲＥＳによって電位ＳＶＤＤのレベルにリセットするリセットスイッチ４０４を含む。更に、ＦＤ部４０７に蓄積された電荷をソースフォロワとして増幅する画素アンプ４０６、不図示の垂直走査回路により選択される行の画素を選択パルスＰＳＥＬにより選択する行選択スイッチ４０５を含む。
行選択スイッチ４０５によって選択された行の画素の電荷は、負荷電流源４２１によりソースフォロワで増幅されて垂直出力線４２２に出力され、信号出力パルスＰＴＳにより転送ゲート４２５をＯＮとして転送容量４２７に蓄積される。一方、行選択スイッチ４０５によって選択された行のノイズ成分の電荷も同様に、負荷電流源４２１によりソースフォロワで増幅されて垂直出力線４２２に出力され、ノイズ出力パルスＰＴＮにより転送ゲート４２４をＯＮとして転送容量４２６に蓄積される。続けて不図示の水平走査回路からの制御信号ＰＨＳ、ＰＨＮにより転送スイッチ４２８、４２９を介して、ノイズ成分は容量４３０に、信号成分は容量４３１に蓄えられ、両者の差分を差動アンプ４３２によって画素信号として出力する。
図１２は第１の実施形態における第１の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。図１２において説明する第１の駆動タイミングは、図１１に示す光電変換部４０２ａ〜４０２ｄそれぞれの出力信号を独立に読み出すための駆動タイミングである。この第１の駆動タイミングによる信号読み出しを行う場合には、出力信号をデジタル信号処理回路１１３により焦点検出用信号もしくは立体画像生成用信号に加工して利用することができる。
図１２のタイミングチャートにおいて説明される駆動においては、光電変換部４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄの順に読み出すような構成としている。
ＨＢＬＫａ＋ＨＳＲａの期間では、光電変換部４０２ａの信号の読み出しを行う。先ず、１水平走査期間の開始を示す信号ＨＤの立下りに伴い、不図示の回路により垂直出力線４２２は定電位にリセットされる。その後、ＰＲＥＳ信号でリセットスイッチ４０４がＯＮされることにより、Ｔ１ａの期間に画素アンプ４０６のゲートに設けられたＦＤ部４０７に蓄積された電荷が定電位ＳＶＤＤになるようにリセットされる。
続いてＰＲＥＳ信号をハイレベルとし、リセットスイッチ４０４をＯＦＦとした後、ＰＳＥＬ信号をハイレベルにする。これにより、行選択スイッチ４０５であるＭＯＳトランジスタと負荷電流源４２１で構成されたソースフォロワ回路が動作状態になり、垂直出力線４２２上に画素アンプ４０６のフローティングゲートリセット電位に応じたノイズ出力がなされる。このＰＳＥＬがハイレベルの期間にＰＴＮ信号をハイレベルにすることで、ノイズ成分を蓄積する転送容量４２６が垂直出力線４２２と接続され、この転送容量４２６はノイズ成分の信号を保持するようになる。
続いて、光電変換部４０２ａで発生した光電荷とノイズ成分の混合信号の蓄積が行われる。垂直出力線４２２は、不図示の回路により、定電位にリセットされる。その後、ＰＴＸａ信号がハイレベルにされ、光電変換部４０２ａに蓄積された光電荷は、Ｔ３ａの期間に転送ゲート４２３ａがＯＮされることにより、画素アンプ４０６のフローティングゲートに転送される。その際、ＰＳＥＬ信号はハイレベルのままであるために、ソースフォロワ回路が動作状態となり、垂直出力線４２２上に画素アンプ４０６のフローティングゲートの電位に応じた「光信号＋ノイズ信号」の出力がなされる。このＴ３ａの期間を内包する期間Ｔ４ａの間に、ＰＴＳ信号をハイレベルにすることで、転送容量４２７が垂直出力線４２２と接続され、この転送容量４２７に光電荷成分＋ノイズ成分の信号が保持される。
上述のようにして、１行分のノイズ成分と、光電変換部４０２ａで発生した光信号＋ノイズ成分が、それぞれ転送容量４２６、４２７に保持される。
次に、ＨＳＲａの期間に、転送容量４２６、４２７にそれぞれ蓄積された信号を、不図示の水平シフトレジスタにより制御される制御パルスＰＨＮ、ＰＨＳによってそれぞれ容量４３０、４３１に転送する。そして容量４３０、４３１に蓄積されたノイズ成分と光信号＋ノイズ成分は、差動アンプ４３２によって、（光信号＋ノイズ成分）−ノイズ成分の差分が取られ、光信号となって出力される。
続けて、ＨＢＬＫｂ＋ＨＳＲｂの期間に、制御信号ＰＴＸｂ、ＰＲＥＳ、ＰＳＥＬを制御し、光電変換部４０２ｂからの信号の読み出しを行う。なお、光電変換部４０２ｂからの信号読み出しタイミングは、上述した光電変換部４０２ａの信号読出しタイミングと同様のため、説明は割愛する。更に、同様にして、光電変換部４０２ｃ、４０２ｄからも信号の読み出しを行う。
以上のようにして読み出しを行うことで、１行分の４つの光電変換部４０２ａ〜４０２ｄの信号読み出しを終了する。
図１３は本発明の実施形態における第２の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。図１３において説明する第２の駆動タイミングは、図１１に示す光電変換部４０２ａ〜４０２ｄそれぞれの出力信号を一括で読み出すための駆動タイミングである。この第２の駆動タイミングによる信号読み出しは、通常撮像時など、個々の光電変換部４０２ａ〜４０２ｄからの出力信号が不要な場合などに行われ、高速に読み出すことができる。
図１３における駆動タイミングにおいて、ＰＳＥＬ信号がハイレベルの期間にＰＴＮ信号をハイレベルにすることで、転送容量４２６にノイズ成分の信号を保持するようにするところまでは、図６を用いて説明した、第一の駆動タイミングと同じである。
続いて、光電変換部４０２ａ〜４０２ｄで発生した光電荷とノイズ成分の混合信号の転送が行われる。まず垂直出力線４２２は、不図示の回路により、定電位にリセットされる。その後、ＰＴＸａ〜ＰＴＸｄ信号が同時にハイレベルにされ、光電変換部４０２ａ〜４０２ｄに蓄積された光電荷は、Ｔ３の期間に転送ゲート４２３ａ〜４２３ｄがＯＮされることにより、画素アンプ４０６のフローティングゲートに転送される。その際、ＰＳＥＬ信号はハイレベルのままであるために、ソースフォロワ回路が動作状態となり、垂直出力線４２２上に画素アンプ４０６のフローティングゲートの電位に応じた「光信号＋ノイズ信号」の出力がなされる。このＴ３の期間を内包する期間Ｔ４の間に、ＰＴＳ信号をハイレベルにすることで、転送容量４２７が垂直出力線４２２と接続され、この転送容量４２７に光電荷成分＋ノイズ成分の信号が保持される。
上述のように、１行分のノイズ成分と、光電変換部４０２ａ〜４０２ｄで発生した光信号＋ノイズ成分が、それぞれ転送容量４２６、４２７に保持される。
次に、ＨＳＲの期間に、転送容量４２６、４２７にそれぞれ蓄積された信号を、不図示の水平シフトレジスタにより制御される制御パルスＰＨＮ、ＰＨＳによってそれぞれ容量４３０、４３１に転送する。そして容量４３０、４３１に蓄積されたノイズ成分と光信号＋ノイズ成分は、差動アンプ４３２によって、（光信号＋ノイズ成分）−ノイズ成分の差分が取られ、光信号となって出力される。
上記の通り本第１の実施形態によれば、１画素内に構成される複数の光電変換部を感度を持たない領域により分離した場合であっても、該領域による画素の感度低下や、入射角特性の劣化を緩和することができる。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１４は、第２の実施形態における撮像素子６００の１撮像画素分の水平方向の断面図であり、第１の実施形態で説明した撮像素子１０３の代わりに用いることができる。なお、図１４において、図３と同一の部材には同一の符号を記している。
第１の実施形態で説明した図３に示す撮像素子１０３との構造の違いは、以下の２点である。即ち、光電変換部４０２ａ、４０２ｂの上部に導波路６０１ａ、６０１ｂを形成している点と、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂが第２の電極４１６と第３の電極４１７との間に配置されている点である。その他は、図３の構成と同等であるため、適宜説明を省略する。
カラーフィルタ４４１の上には、平坦化層４４３を介してマイクロレンズ４４２が形成される。マイクロレンズ４４２の厚さは、不図示の撮影レンズの瞳と層内レンズ４４５の上面（図１４の結像面α）とが略結像関係になるレンズパワーになるように設定されている。
次に、第２の実施形態に係る撮像素子６００に入射する光について説明する。図１４に示す画素では、マイクロレンズ４４２に入射した光束は集光され、カラーフィルタ４４１で一部吸収され、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの表面（結像面α）近傍に集光する。マイクロレンズ４４２によって、不図示の撮影レンズの瞳と層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの表面（結像面α）とが略結像関係になっている。そして、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂに入射した光束は、導波路６０１ａ、６０１ｂを通って光電変換部４０２ａ、４０２ｂに到達する。即ち、光電変換部４０２ａ、４０２ｂは、各層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの開口を撮影レンズの瞳側に逆投影した瞳領域の光束を受光可能になっている。
以上説明したような第２の実施形態に係る撮像素子６００の構造においては、本来、光電変換部４０２ａと４０２ｂの間にある分離領域に入射するはずの光束も、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂを介して光電変換部４０２ａ、４０２ｂに集光可能となる。
図１５は、第２の実施形態において、マイクロレンズ４４２の焦点位置近傍の層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの開口に光束が収束され、導波路６０１ａ、６０１ｂの開口に到達する様子を示している。
図１５（ａ）は，入射角０での光束の様子で、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂの開口ちょうど真ん中に収束する。その後、層内レンズ４４５ａ、４４５ｂのそれぞれにより光束が屈折され、導波路６０１ａ、ｂの開口それぞれに広がりながら到達する。
図１５（ｂ）は，入射角θ１での光束の様子で、層内レンズ４４５ｂの光学中心（曲率頂点）に収束する。その後、層内レンズ４４５ｂより光束が屈折され、導波路６０１ｂの開口に広がりながら到達する。
図１５（ｃ）は，入射角θ２での光束の様子で、層内レンズ４４５ｂの端側に収束する。その後、層内レンズ４４５ｂにより光束が屈折され、導波路６０１ｂの開口に広がりながら到達する。
図１６は、第２の実施形態において、マイクロレンズ４４２の開口位置と導波路６０１ｂの開口とが層内レンズ４４５ｂにより共役な関係になっていることを示す図である。
図１６（ａ）は，入射角０〜θ２でマイクロレンズ４４２の左端部に到達した光束が導波路６０１ｂの開口に到達するまでの様子を示す。図から分かるように、マイクロレンズ４４２の屈折により、層内レンズ４４５ｂの開口全域を透過し、導波路６０１ｂの開口の右端部に収束する。
図１６（ｂ）は，入射角０〜θ２でマイクロレンズ４４２の中央に到達した光束が導波路６０１ｂの開口に到達するまでの様子を示す。図から分かるように、マイクロレンズ４４２の屈折により、層内レンズ４４５ｂの開口全域を透過し、導波路６０１ｂの開口の中央部に収束する。
図１６（ｃ）は，入射角０〜θ２でマイクロレンズ４４２の左端部に到達した光束が導波路６０１ｂの開口に到達するまでの様子を示す。図から分かるように、マイクロレンズ４４２の屈折により、層内レンズ４４５ｂの開口全域を透過し、導波路６０１ｂの開口の左端部に収束する。
なお、図１５及び図１６においては、図に向かって左方向に入射角を有する光束について説明しているが、図に向かって右方向に入射角を有する光束の場合は、導波路６０１ａに光束が入射することになる。
上記の通り第２の実施形態によれば、導波路を用いて、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
以上、図１〜図１６を用いて本発明の実施形態にかかる撮像装置の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、様々な形態をとることが可能である。

Claims (8)

  1. 複数の画素を有し、前記複数の画素の内の少なくとも一部の画素が、それぞれ、
    複数の光電変換部と、
    マイクロレンズと、
    前記複数の光電変換部と前記マイクロレンズとの間に形成され、前記複数の光電変換部にそれぞれ対応するように一体的に構成された複数の層内レンズとを有し、
    前記複数の層内レンズは、該複数の層内レンズへの入射光を、それぞれ対応する前記複数の光電変換部に入射させることを特徴とする撮像素子。
  2. 前記画素はそれぞれが、前記複数の層内レンズと、前記複数の光電変換部との間にそれぞれ構成された複数の導波路を更に有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記複数の層内レンズは、前記マイクロレンズの焦点位置に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
  4. 前記複数の層内レンズは、ギャップレスレンズ構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
  5. 前記マイクロレンズと、前記複数の光電変換部は、前記複数の層内レンズにより共役であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。
  6. 前記画素のそれぞれにおける前記複数の光電変換部は、光電変換を行わない領域により分離され、該領域は、前記複数の光電変換部によって共用される構成、及び、前記複数の光電変換を分離するための分離領域の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像素子。
  7. 撮影レンズと、
    前記撮影レンズからの入射光を受光する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子と
    を備えたことを特徴とする撮像装置。
  8. 複数の画素を有し、前記複数の画素の内の少なくとも一部の画素が、それぞれ、複数の光電変換部と、マイクロレンズと、前記複数の光電変換部と前記マイクロレンズとの間に形成され、前記複数の光電変換部にそれぞれ対応するように一体的に構成された複数の層内レンズとを有し、前記複数の層内レンズは、該複数の層内レンズへの入射光を、それぞれ対応する前記複数の光電変換部に入射することを特徴とする撮像素子において、前記複数の層内レンズを形成する形成方法であって、
    前記複数の層内レンズの材料となる層を形成する第１の工程と、
    前記１の工程で形成された層の上に、有機材料を形成する第２の工程と、
    前記第２の工程で形成された層に、グレイトーンマスクを利用して、フォトリソグラフィにより前記複数の層内レンズの形状を形成する第３の工程と、
    エッチバックにより、前記第３の工程で形成された形状を、前記第１の工程で形成された層に転写する第４の工程と
    を有することを特徴とする形成方法。
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