JP2015028960A - 固体撮像装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】各色の光電変換部を同一の画素部内に積層させた構成において、色シェーディングの発生を効果的に防止することが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】複数の画素部３が配列された撮像領域４と、各画素部３において各色に対応して積層された複数の光電変換部２３ｂ，２３ｒ，４１ｇと、各画素部３において光電変換部２３ｂ，２３ｒ，４１ｇに対する受光面Ａ側に配置された複数の集光素子１３とを備えた。各集光素子１３は、撮像領域４の中心から離れるほど非対称性を高めたことにより、当該受光面に対する斜め入射光の主光線を当該受光面に対して垂直に近づけて集光させる。
【選択図】図１

Description

本技術は固体撮像装置に関し、特には光電変換部を備えた画素部の光入射面側に、集光素子を設けた固体撮像装置および、この固体撮像装置を用いた電子機器に関する。

複数の画素部を面状に配列してなる固体撮像装置においては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各色の光に対応する光電変換部を同一の画素部（単一セル）内に積層させることにより、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の光に対応する信号電荷を得る構成のものがある。このような積層型の固体撮像装置としては、例えば光電変換膜を３層積層した構成、半導体層内に３層のフォトダイオードを積層した構成がある。

また積層型の別の例として、半導体層中に赤色（Ｒ）および青色（Ｂ）に対応するフォトダイオードを積層させ、この上部に緑色（Ｇ）に対応する光電変換膜を積層させた構成もある。このような構成の固体撮像装置においては、画素部が配列された撮像領域の周辺に行くに従って、緑色（Ｇ）用の光電変換部の配置を、赤色（Ｒ）用の光電変換部に対して撮像領域の中心方向にシフトさせる構成が提案されている。これにより、斜め入射光の主光線が、同一画素部（単一セル)内に積層された各色の光電変換部の感度分布の重心を通過するようになり、半導体層と光電変換膜との間の遮光膜でケラレる入射光が減少してシェーディングの発生が防止されるとしている（下記特許文献１参照）。

２００６−２６９９２３号公報（ＵＳ７５５０７９７）（図２および対応記載部分参照）

しかしながら上述したような、同一の画素部内において、光電変換膜で構成された光電変換部の配置をシフトさせる構成では、半導体層内に積層された赤色（Ｒ）用の光電変換部と青色（Ｂ）用の光電変換部の配置をずらすことが困難である。このため、斜め入射光の主光線を、同一画素部(単一セル)内に積層された全ての光電変換部の感度分布の重心を通過させることができず、半導体層内に積層された各色の光電変換部においての感度低下にばらつきが発生する。このような各色毎の感度低下のばらつきは、色シェーディングの発生要因となる。

そこで本技術は、各色の光電変換部を同一の画素部内に積層させた構成において、色シェーディングの発生を効果的に防止することが可能な固体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の本技術の固体撮像装置は、複数の画素部が配列された撮像領域と、各画素部において各色に対応して積層された複数の光電変換部と、各画素部において光電変換部に対する受光面側に配置された複数の集光素子とを備えている。特に集光素子は、撮像領域の中心から離れるほど非対称性を高めたことにより、受光面に対する斜め入射光の主光線を当該受光面に対して垂直に近づけて集光させる構成である。また本技術の電子機器はこのような固体撮像装置を備えた電子機器である。

このような構成の固体撮像装置では、各画素部に設けた集光素子の非対称性により、撮像領域の全域に配置された各画素部において、受光面に対する斜め入射光の主光線が当該受光面に対して垂直に近づけて集光されるようになる。このため、各画素部に積層された全ての光電変換部に対して垂直に近い入射角度で効果的に主光線が入射することになり、画素部内に積層された全ての光電変換部における感度低下のばらつきが防止される。

以上説明したように本技術によれば、同一の画素部内に積層された全ての光電変換部における感度低下のばらつきを防止できるため、色シェーディングの発生を効果的に防止することが可能な固体撮像装置とこれを備えた電子機器を得ることが可能である。

本技術が適用されるＭＯＳ型の固体撮像装置の概略構成図である。 第１実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための概略断面図である。 第１実施形態の固体撮像装置の構成を説明する平面模式図である。 第1実施形態の固体撮像装置における集光素子の非対称性を説明する図である。 第２実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための概略断面図である。 第３実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための概略断面図である。 第1例の集光素子に用いる波面制御型の光学素子（参考例その１）の基本原理を説明するための等位相面を示す図である。 第1例の基本構造となる波面制御型の光学素子（参考例その１）の平面模式図である。 第１例の基本構造となる波面制御型の光学素子（参考例その１）を用いた固体撮像装置（比較構造１）の断面模式図である。 比較構造１のシミュレーション結果を示す図である。 比較構造１のシミュレーション結果を示す図である。 第１例の基本構造となる波面制御型の光学素子（参考例その１）を用いた固体撮像装置（比較構造２）の断面模式図である。 比較構造２のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０ｎｍ）である。 第１例の基本構造となる波面制御型の光学素子（参考例その１）を用いた固体撮像装置（比較構造３）の断面模式図である。 比較構造３のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０ｎｍ）である。 第１例の基本構造となる波面制御型の光学素子（参考例その１）を用いた固体撮像装置（比較構造４）の断面模式図である。 比較構造４のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０ｎｍ）である。 第１例の基本構造となる波面制御型の光学素子（参考例その１）における斜め光の集光特性に関するシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０ｎｍ）である。 第1例の集光素子に用いる波面制御型の光学素子（参考例その２）の基本原理を説明するための等位相面を示す図である。 固体撮像装置に設けられる受光光学系を説明する図である。 第1例の基本構造となるもう一つの光学素子（参考例その２）の一例を示す平面模式図および斜視図である。 第1例の集光素子を用いた固体撮像装置の断面模式図である。 第1例の集光素子を用いた固体撮像装置のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０ｎｍ）である。 第２例の集光素子を説明するための等位相面を示す図である。 第２例の集光素子の平面模式図（その１）である。 第２例の集光素子の平面模式図（その２）である。 第２例の集光素子の固体撮像装置への配置状態を説明する平面模式図である。 第２例の集光素子を用いた固体撮像装置の模式図である。 第２例の集光素子を用いた固体撮像装置のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０ｎｍ）である。 第１例および第２例の集光素子の製造プロセスを説明するための断面工程図である。 第１例および第２例の集光素子の比較となる凸型集光レンズの製造プロセスを説明するための断面工程図である。 第３例の集光素子の参考例となる単純化した波面制御型の光学素子の模式図である。 参考例のシミュレーション結果を示す図（λ＝５５０ｎｍ）である。 第３例の集光素子（その１）の模式図である。 第３例の集光素子（その１）のシミュレーション結果を示す図（λ＝５５０ｎｍ）である。 第３例の集光素子（その２）の模式図である。 第３例の集光素子（その２）のシミュレーション結果を示す図（λ＝５５０ｎｍ）である。 第３例の集光素子（その３）の模式図である。 第３例の集光素子（その３）シミュレーション結果を示す図（λ＝５５０ｎｍ）である。 第３例の集光素子（その４）の模式図である。 第３例の集光素子（その４）シミュレーション結果を示す図（λ＝５５０ｎｍ）である。 第３例の集光素子を適用した固体撮像装置における撮像領域の平面模式図である。 第３例の集光素子の設計方法を説明する図である。 第４例の集光素子の断面模式図である。 電子機器の構成図である。 実施例および比較例の固体撮像装置について測定した規格化感度のシミュレーション結果を示す図である。 実施例および比較例の固体撮像装置に対して行った波動シミュレーションの結果を示す図である。

以下、図面に基づいて本技術の実施の形態を次に示す順に説明する。
１．本技術が適用される固体撮像装置の概略構成例
２．第１実施形態［半導体層および光電変換膜を用いて各色の光電変換部を積層した構成例］
３．第２実施形態［半導体層内に各色の光電変換部を積層した構成例］
４．第３実施形態［瞳補正を組み合わせた構成例］
５．実施形態に用いられる集光素子の第１例［波面制御型の光学素子の積層構造］
６．実施形態に用いられる集光素子の第２例［波面制御型の光学素子の単層構造］
７．第１例および第２例の集光素子の作製プロセス
８．実施形態に用いられる集光素子の第３例[単純化した波面制御型の光学素子]
９．実施形態に用いられる集光素子の第４例［積層型］
１０電子機器の実施形態

≪１．各実施形態の固体撮像装置の概略構成例≫
図１に、本技術が適用される固体撮像装置の一例として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor）型の固体撮像装置を用いた概略構成の一例を示す。尚、本技術は、これに限定されることなく、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置への適応も同様に可能である。

この図に示す固体撮像装置１は、支持基板２の一面上に光電変換部を含む複数の画素部３が２次元的に配列された撮像領域４を有している。各画素部３には、複数の光電変換部が積層された状態で配置されており、積層型の固体撮像装置を構成している。また各画素部３には、それぞれの光電変換部に対応するフローティングディフュージョン、読出ゲート、その他の複数のトランジスタ（いわゆるＭＯＳトランジスタ）および容量素子等で構成された画素回路が設けられている。

以上のような撮像領域４の周辺部分には、垂直シフトレジスタ５、カラム信号処理回路６、水平シフトレジスタ７、およびシステム制御回路８などの周辺回路が設けられている。

垂直シフトレジスタ５は、画素駆動線９を選択し、選択された画素駆動線９に画素部３を駆動するためのパルスを供給し、撮像領域４に配列された画素部３内の各光電変換部を行単位で駆動する。すなわち、垂直シフトレジスタ５は、撮像領域４に配列された各画素部３を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、画素駆動線９に対して垂直に配線された垂直駆動線１０を通して、各画素部３の各光電変換部において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、それぞれ個別にカラム信号処理回路６に供給する。

カラム信号処理回路６は、画素部の例えば列ごとに配置されており、１行分の画素部３に積層された各光電変換部から出力される信号を、画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。すなわちカラム信号処理回路６は、画素部固有の固定パターンノイズを除去するための相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double sampling）や、信号増幅、アナログ／デジタル変換（ＡＤ：Analog/Digital Conversion）等の信号処理を行う。

水平シフトレジスタ７は、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路６の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路６の各々から画素部信号を出力させる。

システム制御回路８は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、システム制御回路８では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直シフトレジスタ５、カラム信号処理回路６、および水平シフトレジスタ７などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、これらの信号を垂直シフトレジスタ５、カラム信号処理回路６、および水平シフトレジスタ７等に入力する。

以上のような各周辺回路５〜８と、撮像領域４に設けられた画素部回路とで、各画素部を駆動する駆動回路が構成されている。尚、周辺回路５〜８は、固体撮像装置１における受光面Ａとは反対側の面上において撮像領域４に積層される状態で配置されていても良い。この場合、周辺回路５〜８が設けられた側とは反対の裏面側が受光面Ａとなるため、この固体撮像装置は裏面照射型となる。

また支持基板２における受光面Ａ側の上部には、集光素子層１１が積層されている。この集光素子層１１は、各画素部３に対応する複数の集光素子１３を備えており、各画素部３に配置された光電変換部への集光率の向上が図られている。特に以下の各実施形態においては、以下に説明するように各集光素子１３の構成が特徴的である。

≪２．第１実施形態≫
［半導体層および光電変換膜を用いて各色の光電変換部を積層した構成例］
図２は、第１実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための概略断面図であり、図１に示した撮像領域４における両端部と中央部の断面に対応している。また図３は第１実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための平面模式図であり、撮像領域４の全体部分に対応している。以下、これらの図面に基づいて第１実施形態の固体撮像装置の構成の詳細を説明する。

＜固体撮像装置１-1の全体構成＞
図２に示す第1実施形態の固体撮像装置１-1は、例えばここでの図示を省略した支持基板上に半導体層２１を備えている。この半導体層２１の中央には撮像領域４が広く設定されており、この撮像領域４には複数の画素部３が配列されている。半導体層２１内における各画素部３には、受光面Ａ側から順に、青色（Ｂ）用の光電変換部２３ｂと、赤色（Ｒ）用の光電変換部２３ｒとが、積層して配置されている。またこの半導体層２１内の各画素部３には、光電変換部２３ｂに接続されたプラグ領域２５ｂが配置されている。

ここで、各光電変換部２３ｂ，２３ｒはｎ型の不純物領域からなり、半導体層２１におけるｐ型ウェル内に配置され、周囲がｐ型で覆われることとする。これにより、ｎ型の光電変換部２３ｂ，２３ｒと、その周囲のｐ型の半導体層２１部分とでフォトダイオードが構成されている。また、光電変換部２３ｂに接続されたプラグ領域２５ｂはｎ型であり、光電変換部２３ｂに蓄積された信号電荷が所定の方向に引き出される構成となっている。例えば受光面Ａに対する裏面側に駆動回路が設けられた構成である場合、光電変換部２３ｂに蓄積された信号電荷が駆動回路側に引き出される構成となっている。

また半導体層２１内には、ここでの図示を省略した素子分離、フローティングディフュージョンなどのその他の領域が必要に応じて設けられていることとする。

以上のような半導体層２１における受光面Ａ側の上部には、光透過性の絶縁膜３１を介して遮光膜３３が設けられている。この遮光膜３３は、複数の受光開口３３ａを備えている。各受光開口３３ａは、各画素部３に設けた光電変換部２３ｂ，２３ｒの上部のみを広く露出する形状であり、プラグ領域２５ｂや素子分離領域などのその他の領域を遮光膜３３で完全に覆う形状である。

このような遮光膜３３の上部には、光透過性の絶縁膜３５を介して透明導電性材料からなる複数の画素電極３７が設けられている。これらの画素電極３７は画素部３毎に分離して設けられており、遮光膜３３の上方を分離部分として各画素部３を独立して広く覆う状態で設けられている。尚、各画素電極３７は、ここでの図示を省略した配線によって、対応する緑色（Ｒ）用のフローティングディフュージョンに接続されていることとする。

画素電極３７が設けられた絶縁膜３５の上部には、画素電極３７を分離するための分離絶縁膜３９が設けられている。この分離絶縁膜３９は、各画素電極３７を広く開口する画素開口を備えており、各画素電極３７に接続された配線を覆う状態で設けられている。したがってこの分離絶縁膜３９は、遮光膜３３と類似の平面パターンで形成されることとなる。

以上のような各画素電極３７および分離絶縁膜３９上には、例えば緑色（Ｇ）の光を吸収して光電変換する光電変換膜４１と、透明導電性材料からなる共通電極４３とがこの順に積層されている。これらの光電変換膜４１および共通電極４３は、全画素部３に共通の膜としてベタ膜状で設けられており、光電変換膜４１において画素電極３７と共通電極４３とで挟持された各部分が、各画素部３における緑色（Ｇ）用の光電変換部４１ｇとなる。

このような構成において、共通電極４３の上部に、光透過性の平坦化絶縁膜４５を介して集光素子層１１が配置されている。この集光素子層１１は、各画素部３に対応する複数の集光素子１３を有する層である。

各集光素子１３は、各画素部３に対応して配置されており、例えば集光素子１３の中心を画素部３における受光開口３３ａの中心と一致させて設けられていることとする。ここで、集光素子１３の中心および受光開口３３ａの中心は、受光面Ａ側からこれらを平面視的に見た場合の図形的な中心であって良い。

本第１実施形態では、これらの集光素子１３が、撮像領域４の中心から離れて配置されるものほど非対称性を高めたことにより、全ての画素部３において受光面Ａに対する斜め入射光の主光線ｈ０を受光面Ａに対して垂直に近づけて集光させる構成となっている。つまり、各集光素子１３は、集光機能と共に、斜め入射光の主光線ｈ０の入射角度θ０が、各集光素子１３を通過することによって入射角度θ＝０°に近づくような斜め補正機能を有しているところが特徴的である。このような集光素子１３は、次のようなものである。

＜集光素子１３＞
ここで用いる集光素子１３は、以下に詳細に説明するような集光機能と斜め補正機能とを実現できる構成のものであれば良く、集光素子１３自体の構成が限定されることはない。

先ず、各集光素子１３の集光特性は、各画素部３において集光素子１３から最も遠く配置された赤色（Ｒ）の光電変換部２３ｒの内部を焦点としている。また、集光素子１３で集光された入射光が、分離絶縁膜３９や遮光膜３３でケラレることが最小限に抑えられていることとする。

また各集光素子１３が有する斜め補正機能は、具体的には次のようである。
撮像領域４の中心に配置される画素部３（ｘ０、ｙ０）においては、入射光の主光線ｈ０は、受光面Ａに対して入射角度θ０＝０°、すなわち垂直で入射する。尚、受光面Ａは、集光素子１３を有する集光素子層１１の光入射側の面、および半導体層２１における光入射側の面である。このような中心の画素部３（ｘ０、ｙ０）に配置された集光素子１３（ｘ０、ｙ０）は、非対称性ゼロ、すなわち対称性が確保された集光特性を有する。このため、集光素子１３（ｘ０、ｙ０）を通過した主光線ｈは、入射角度θ＝０°に維持された状態で当該画素部３（ｘ０、ｙ０）の光電変換部４１ｇ，２３ｂ，２３ｒに入射する。つまり、撮像領域４の中心に配置される画素部３（ｘ０、ｙ０）の集光素子１３（ｘ０、ｙ０）には、集光機能のみを持たせ、斜め補正機能を持たせる必要はない。

これに対して、撮像領域４の中心から最も遠く配置された画素部３（ｘｍ，ｙｎ）においては、入射光が斜め入射光となり、その主光線ｈ０は受光面Ａに対して入射角度θ０＝θｍｎ°となる。このような画素部３（ｘｍ，ｙｎ）に設けられる集光素子１３（ｘｍ、ｙｎ）は、最も非対称性を高めた斜め補正機能を有する。この非対称性は、集光素子１３（ｘｍ、ｙｎ）を通過した主光線ｈが、入射角度θ＝０°に近づくように構成されていることする。

また図３を参照し、上記画素部３（ｘｍ，ｙｎ）よりも、撮像領域４の中心に近い方向に配置された画素部３（ｘa、ｙb）の集光素子１３（ｘa、ｙb）は、集光素子１３（ｘｍ、ｙｎ）よりも非対称性が弱い斜め補正機能を有する。このような画素部３（ｘa、ｙb）の非対称性も同様に、集光素子１３（ｘa、ｙb）を通過した主光線ｈが、入射角度θ＝０°に近づくように構成されていることする。

図４に示す様に、このような斜め補正機能は、画素部３の幅をｗ、集光素子１３と集光素子１３から最も遠く配置された光電変換部２３ｒの最深部との間隔をｄとした場合、ｔａｎθ≦ｗ／（２ｄ）となるように、各集光素子１３の斜め補正機能を設定する。尚、受光開口３３ａおよび光電変換部２３ｂ，２３ｒ，４１ｇは、画素部３の中央に配置されていることとする。また間隔ｄは、正確には集光素子１３の厚み方向の中間部からの間隔であることとする。

尚、幅ｗは、集光素子１３から最も遠く配置された光電変換部２３ｒの幅であっても良く、受光開口３３ａの幅であっても良い。このうち、幅ｗとして最も小さい値を選択することで斜め入射光の漏れ出しが確実に防止されるため好ましいが、これに限定されることはない。

以上のような集光素子１３の非対称性は、各集光素子１３が配置される画素部３の撮像領域４の中心からの距離に依存し、撮像領域４の中心から離れるほど、すなわち撮像領域４の中心からの距離が大きいほど非対称性を高めた構成となっている。またこのような非対称性は段階的であっても良く、撮像領域４の中心からの距離に範囲を設定し、その範囲毎に非対称性を設定しても良い。

尚、このような集光素子１３の具体例は、各実施形態の後に詳細に説明するが、例えば光透過性材料の屈折率差を利用したさまざまな構成のものを用いることができる。屈折率差を利用した集光素子としては、屈折率の異なる光透過性材料を交互に配置し、それらの分布を調整した構成のものが例示される。後で詳細に説明するように、このような集光素子は、屈折率の異なる光透過性材料の配置間隔(分布）を、集光素子の中心に対して非対称に調整することにより、入射光の集光特性と、斜め入射光の補正特性を任意に調整可能な光学素子である。

以上説明した第１実施形態の固体撮像装置１-1によれば、各画素部３に設けた集光素子１３の非対称性により、撮像領域４の全域に配置された各画素部３おいて、受光面Ａに対する斜め入射光の主光線ｈ０が受光面Ａに対して垂直に近づけて集光されるようになる。このため、各画素部３に積層された全ての光電変換部２３ｂ，２３ｒ，４１ｇに対して、垂直に近い入射角度θで効果的に主光線ｈが入射し、全ての光電変換部２３ｂ，２３ｒ，４１ｇにおける感度低下のばらつきが防止される。

例えば、集光素子として斜め補正機能のないものを用いた場合であれば、撮像領域４の端部の画素部３においては、斜め入射光がそのままの入射角度で光電変換部２３ｂ，２３ｒ，４１ｇに入射することになる。この場合、図２の左端の画素部３（ｘ−ｍ，ｙ−ｎ）では、赤色（Ｒ）用の光電変換部２３ｒで吸収されるべき斜め入射光が、青色（Ｂ）用のプラグ領域２５ｂに入射され、赤色の感度が低下して青色の感度が上昇し、色毎に感度低下の割合が異なる色シェーディングが発生する。逆に図２の右端における画素部３（ｘｍ，ｙｎ）には、隣接する画素部３（ｘｍ-1，ｙｎ-1）の赤色（Ｒ）用の光電変換部２３ｒで吸収されるべき斜め入射光が、画素部３（ｘｍ，ｙｎ）の青色（Ｂ）用のプラグ領域２５ｂに入射され、同様に色シェーディングが発生する。また、混色による分光特性の裾浮きが増加する。

以上のような色シェーディングおよびこれに起因する混色は、特に半導体層２１内における各画素部３の光電変換部２３ｂ，２３ｒおよびプラグ領域２５ｂなどの配置状態の非対称構造に依存する。このため、撮像領域４における画素部３の配置箇所によってそれぞれ異なる状態で発生し、光電変換膜４１を用いた光電変換部４１ｇの配置位置をシフトさせる瞳補正では解決できない課題である。

しかしながら本第１実施形態の固体撮像装置１-1によれば、上述したように同一の画素部３内に積層された全ての光電変換部２３ｂ，２３ｒ，４１ｇに対して、垂直に近い入射角度θで効果的に主光線ｈが入射する。このため、全ての光電変換部２３ｂ，２３ｒ，４１ｇにおける感度低下のばらつきが防止され、色シェーディングの発生を効果的に防止することが可能になる。

≪３．第２実施形態≫
［半導体層内に各色の光電変換部を積層した構成例］
図５は、第２実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための概略断面図であり、撮像領域４における両端部と中央部の断面に対応している。この図に示す第２実施形態の固体撮像装置１-2が、第1実施形態の固体撮像装置と異なるところは、光電変換膜を用いることなく各色の光電変換部を半導体層２１の内部のみに設けたところにあり、他の構成は第１実施形態と同様である。このため第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して重複する詳細な説明は省略し、第２実施形態の固体撮像装置の特徴的な構成を説明する。

図５に示す第２実施形態の固体撮像装置１-2は、半導体層２１の内部の各画素部３に、受光面Ａ側から青色（Ｂ）用の光電変換部２３ｂと、緑色（Ｇ）用の光電変換部２３ｇと、赤色（Ｒ）用の光電変換部２３ｒとが積層して配置されている。またこの半導体層２１の内部の各画素部３には、光電変換部２３ｂに接続されたプラグ領域２５ｂ、および光電変換部２３ｇに接続されたプラグ領域（図示省略）が設けられていることとする。

各光電変換部２３ｂ，２３ｇ，２３ｒはｎ型であり、半導体層２１におけるｐ型ウェル内に配置され、周囲がｐ型で覆われることとする。これにより、ｎ型の光電変換部２３ｂ，２３ｇ，２３ｒと、その周囲のｐ型の半導体層２１部分とでフォトダイオードが構成されている。また、各プラグ領域２５ｂはｎ型であり、光電変換部２３ｂに蓄積された信号電荷を、受光面Ａに対する裏面側に設けた駆動回路に引き出される構成となっている。

また半導体層２１内には、ここでの図示を省略した素子分離、フローティングディフュージョンなどのその他の領域が必要に応じて設けられていることとする。

以上のような半導体層２１の受光面Ａ側の上部には、光透過性の絶縁膜３１を介して遮光膜３３が設けられている。この遮光膜３３は、複数の受光開口３３ａを備えている。このような遮光膜３３の上部には、光透過性の平坦化絶縁膜４５を介して第１実施形態と同様の集光素子層１１が配置されている。この集光素子層１１には、各画素部３に対応する複数の集光素子１３が、受光開口３３ａと中心を一致させて設けられている。尚、受光開口３３ａおよび光電変換部２３ｂ，２３ｇ，２３ｒは、画素部３の中央に配置されていることとする。

各集光素子１３は、第１実施形態と同様であり、撮像領域４の中心から離れるほど非対称性を高めたことにより、全ての画素部３において受光面Ａに対する斜め入射光の主光線ｈ０を受光面Ａに対して垂直に近づけて集光させる構成となっている。

以上説明した第２実施形態の固体撮像装置１-2であっても、第１実施形態と同様に各画素部３に設けた集光素子１３の非対称性により、撮像領域４の全域に配置された各画素部３おいて、受光面Ａに対する斜め入射光の主光線ｈ０が受光面Ａに対して垂直に近づけて集光されるようになる。このため、各画素部３に積層された全ての光電変換部２３ｂ，２３ｇ，２３ｒに対して、垂直に近い入射角度θで効果的に主光線ｈが入射し、全ての光電変換部２３ｂ，２３ｇ，２３ｒにおける感度低下のばらつきが防止される。

特に本第２実施形態の固体撮像装置１-2は、全ての光電変換部２３ｂ，２３ｇ，２３ｒが半導体層２１内に積層された構成であるため、同一の画素部３内において光電変換部の配置位置を受光面Ａの面方向にシフトさせる瞳補正を適用することはできない。このような構成であっても、本第２実施形態の構成であれば、上述したように画素部３に積層された全ての光電変換部２３ｂ，２３ｇ，２３ｒに対して、垂直に近い入射角度θで効果的に主光線ｈを入射させることができる。このため、全ての光電変換部２３ｂ，２３ｇ，２３ｒが半導体層２１内に積層された構成であっても、各色の感度低下のばらつきが防止され、色シェーディングの発生を効果的に防止することが可能になる。

≪４．第３実施形態≫
［瞳補正を組み合わせた構成例］
図６は、第３実施形態の固体撮像装置の構成を説明するための概略断面図であり、撮像領域４における両端部と中央部の断面に対応している。この図に示す第３実施形態の固体撮像装置１-3が、第1実施形態の固体撮像装置と異なるところは、画素部３に対して集光素子１３の配置をシフトさせた瞳補正を組み合わせたところにあり、他の構成は第１実施形態と同様である。このため第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して重複する詳細な説明は省略し、第３実施形態の固体撮像装置の特徴的な構成を説明する。

図６に示す第３実施形態の固体撮像装置１-3において、集光素子層１１に設けられた各集光素子１３は、撮像領域４の中心から離れて配置されるほど、撮像領域４の中心方向に大きくシフトして配置されている。

例えばここでは、受光開口３３ａおよび各光電変換部２３ｂ，２３ｒ，４１ｇは、画素部３の中央に配置されていることとする。この場合、画素部３におる光電変換部２３ｒ，２３ｂ，４１ｇの中心を中心Φ３とし、各集光素子１３の中心を中心Φ１３とした場合、撮像領域４の中心から離れた画素部３の集光素子１３ほど、中心Φ１３を撮像領域４の中心方向に大きくシフトさせて配置される。

したがって、撮像領域４の中心から離れた画素部３の集光素子１３ほど、シフト量Ｄ＝|Φ３−Φ１３|は大きくなっている。ただし、撮像領域４の中心に配置された画素部３（ｘ０，ｙ０）では、画素部３の中心Φ３と集光素子１３の中心Φ１３とを一致させて良く、シフト量|Φ３−Φ１３|＝０である。

また各集光素子１３は、第１実施形態と同様に、撮像領域４の中心から離れて配置されるほど非対称性を高めたことにより、受光面Ａに対する斜め入射光の主光線ｈ０を受光面Ａに対して垂直に近づけて集光させる構成となっている。ただし、本第３実施形態が第１実施形態と異なるところは、集光素子１３の配置状態が瞳補正されているため、撮像領域４の中心から離れるほど、集光素子１３を通過した主光線ｈの入射角度θはθ＝０°よりも大きくなることである。

つまり、各画素部３において、集光素子１３を通過する前の入射光の主光線ｈ０の入射角度θ０と、集光素子１３を通過した後の入射光の主光線ｈの入射角度θとは、撮像領域４の中心に配置された画素部３（ｘ０，ｙ０）では、θ=θ０＝０°である。これに対して、撮像領域４の中心から離れて配置された画素部３では、θ＜θ０である。また、撮像領域４の中心から離れた画素部３ほど、入射角度の差|θ−θ０|は大きくなる。このような入射角度の差|θ−θ０|は、シフト量Ｄ＝|Φ３−Φ１３|と一定の関係を有している。

尚、集光素子１３と半導体層２１との間に位置する各光学部材も、瞳補正された位置にシフトさせても良い。これらの光学部材は、例えば受光開口３３ａ、画素電極３７および分離絶縁膜３９の開口(すなわち光電変換部４１ｇ）であり、集光素子１３を通過した後の入射光の主光線ｈに沿って、これらの光学部材を撮像領域４の中心方向にシフトさせれば良い。

以上のような撮像領域４の中心方向への集光素子１３のシフトは、シフト量Ｄを段階的に変化させても良く、撮像領域４の中心からの距離に範囲を設定し、その範囲毎にシフト量を設定しても良い。

以上説明した第３実施形態の固体撮像装置１-3では、第１実施形態の構成に瞳補正を組み合わせた構成である。このため、例えば撮像領域４が大面積化することで集光素子１３による斜め補正機能が撮像領域４の周辺部で不十分となった場合、補正機能の不足分を瞳補正で補うことが可能になる。

尚、以上の第１実施形態〜第３実施形態では、画素部３が２次元状に配列された構成の固体撮像装置を例示したが、本技術は画素部３が１次元状に配列された構成の固体撮像装置にも同様に適用可能であり、各実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

≪５．実施形態に用いられる集光素子の第１例≫
以下においては、実施形態に用いられる集光素子の第１例の詳細な説明として、先ず当該集光素子の基本構造となる波面制御型の光学素子の２つの例を説明し、次に第１例として用いられる集光素子の構成を説明する。

［第１例の基本構造となる波面制御型の光学素子（参考例その１）］
図７は、第１例の集光素子に用いる波面制御型の光学素子の基本原理を説明する図であり、光学素子２００と共に当該光学素子２００に入射する光Ｈの等位相面（波面）１００-1，１０-2，…を示す。尚、ここで説明する波面制御型の光学素子は、対称構造を持つ点で本技術の実施形態で用いた集光素子とは異なっている。

図７Ａに示す光学素子２００は、サブ波長の周期構造を有する集光素子（Subwave length Lens ：ＳＷＬＬ）の仕組みを利用したものである。この光学素子２００は、素子の光軸に対する垂直方向に、屈折率の異なる光透過性材料からなる層を交互に配列するとともに、それぞれの線幅を波長オーダーまたはそれより小さい線幅としてその分布を調整することで集光機能を有している。

このような光学素子２００は、屈折率ｎ０の断面矩形状の低屈折率層２００Ａと、屈折率ｎ０よりも高い（大きい）屈折率ｎ１（ｎ１＞ｎ０）の断面矩形状の高屈折率層２００Ｂとを、光軸と垂直な方向に交互に配列した板状の交互配置層である。そして特に、光学素子２００の機械的な中心ＣＬでは、高屈折率層２００Ｂが密に配置され、中心ＣＬから離れるに従って高屈折率層２００Ｂの配置が疎になる構造である。また低屈折率層２００Ａは、中心ＣＬでは粗に配置され、中心ＣＬから離れるに従って密に配置され、中心ＣＬから離れるに従って低屈折率層２００Ａの配置が密になる構造である。これにより、この光学素子２００は、中心ＣＬを通る断面において、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａとの配置状態が左右対称構造となっている。尚、光学素子２００の機械的な中心ＣＬは、本例では光軸位置と一致していることとする。

このような光学素子２００における各層の具体的配置例としては、高屈折率層の線幅が光学素子の中心ＣＬに向かって徐々に大きくなる構造、低屈折率層の線幅が光学素子の中心ＣＬに向かって徐々に小さくなる構造、さらにはこれらを組み合わせた構造がある。

以上のような光学素子２００は、ここでは例えば光入射面側には屈折率ｎ０の板状の単一材層１００が隣接して（詳しくは入射する光Ｈの位相面１００-4に隣接して）設けられ、光透過面側には屈折率ｎ０の板状の単一材層１０１が設けられることとする。

このような構成の光学素子２００に対して、屈折率ｎ０の単一材層１００側から光学素子２００の光軸に沿って光Ｈが入射したとする。そのとき、光速ｃはｃ＝ｃ０／ｎである。ここでｃ０は真空中の光速であり、ｎは媒質の屈折率である。したがって、屈折率ｎ０の低屈折率層２００Ａおよび屈折率ｎ１の高屈折率層２００Ｂ内では、光速ｃはそれぞれの屈折率に応じた異なる値に小さくなる。一方、高屈折率層２００Ｂおよび低屈折率層２００Ａは、光軸と垂直な横方向の線幅が波長オーダー程度かまたはそれより短い。このため、このような光学素子２００と通過する光Ｈは、波動方程式の連続性により、隣接する低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂの内部の波面、すなわち等位相面が連続的に繋がる。この結果、光学素子２００を通過する光Ｈは、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａの線幅の並び方に応じて等位相面（波面）が湾曲することになる。

ここで光学素子２００では、高屈折率層２００Ｂの密度が中心ＣＬで密になる構造である。このため図７Ｂに示すように、このような光学素子２００を通過する光の波面は、全体の等位相面が中心ＣＬに向かって湾曲する。これにより光学素子２００は、集光性を有するものとなる。

以上のような光学素子２００は、極めて薄い凸レンズにすることができる。たとえば、従来のスネル則を利用した屈折型レンズ構造では１μｍ以上となってしまうものが、本構成の光学素子とすることで、０．５μｍ以下までレンズを薄くできる。

レンズ厚を薄くできれば、固体撮像装置に適用する場合、上層が薄くなることによって、混色が減るので色再現性がよくなる。また、混色が減るので色再現性を回復させるための演算処理が不要となり、演算処理による余分なノイズ発生も少なくなる。また、レンズ厚が薄いので、外付けの結像系レンズのＦ値を小さくする場合でも斜め入射光が増えることはなく、Ｆ値光感度低下の問題が起きない。

また以上のような光学素子２００は、平面構造においても、当然に中心ＣＬにおいて高屈折率層２００Ｂが密で、中心ＣＬから離れるに従って疎になる構造になっていればよく、その限りにおいて、様々な平面構造を採ることができる。高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれの平面形状は、円形、楕円形、正方形、長方形、三角形など、任意の環状とすることができる。

例えば図８Ａに示すように、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれが円形または円形リング形状の、全体として環状となったものでもよい。図８Ｂに示すように、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれが楕円または楕円形リング形状の、全体として環状となったものでもよい。図８Ｃに示すように、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれが正方形または正方リング形状の、全体として環状となったものでもよい。図８Ｄに示すように、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれが長方形または長方リング形状の、全体として環状となったものでもよい。

またここでの図示は省略するが、以上の光学素子２００は、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれが三角形または三角リング形状の、全体として環状となったものでもよい。また光学素子２００は、中心では円形または円形リング形状のものとし、外周では四角リング形状とするなど、中心側と外周側とで異なった形状のものを使用して、それらを組み合わせて、全体として環状となるようにしてもよい。

［第１例の基本構造となる光学素子（参考例その１）のシミュレーション−１］
図９は、上述した第１例の基本構造となる光学素子２００（参考例その１）を用いた固体撮像装置（比較構造１）の断面模式図である。図１０および図１１は、この固体撮像装置に対して行った波動シミュレーションの結果を示す図である。尚、以降における波動シミュレーションには、全てFinite-difference time-domain法（ＦＤＴＤ法）を適用した。

図９に示す比較構造１の固体撮像装置は、光電変換部が設けられる基板３００上に反射防止膜３０１を介して、単一材層１０１、光学素子２００、および単一材層１００を設けた構成である。

基板３００は、シリコン（Ｓｉ）で構成され、屈折率ｎ３＝４．１、消衰係数（光の吸収と関連がある係数）ｋ＝０．０４である。

反射防止膜３０１は窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成され、屈折率ｎ４＝２．０、膜厚０．１μｍである。

単一材層１００，１０１は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で構成され、屈折率ｎ０＝１．４６である。このうち基板３００と光学素子２００との間に配置された単一材層１０１は、反射防止膜３０１との合計膜厚が３．６μｍである。この合計膜厚が、光学素子２００における実質的な集光長（レンズ長）となる。これからも判るように、第１例の光学素子２００の膜厚は、集光長に比べて十分に薄く設定されている。

光学素子２００は、画素部のサイズ（画素ピッチ）に合わせ、３．６μｍのサイズ（ピッチ）で３個配置されている。この光学素子２００は、低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとが交互に配置されている。このうち低屈折率層２００Ａは、単一材層１００，１０１と同様の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で構成され、屈折率ｎ０＝１．４６である。一方、高屈折率層２００Ｂは、窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成され、屈折率ｎ１＝２．０である。これらの光学素子２００の膜厚は０．５μｍである。

この光学素子２００は、高屈折率層２００Ｂの線幅が各光学素子２００の中心に向かって徐々に大きく、低屈折率層２００Ａの線幅が光学素子２００の中心に向かって徐々に小さくなるように配置されている。

具体的は、光学素子２００における低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂの線幅は、最小線幅を０．１μｍとして図示したとおりである。
高屈折率層２００Ｂの線幅は、光学素子２００の中心ＣＬから縁部に向かって０．４５μｍ、０．２５μｍ、０．２０μｍ、０．１５μｍ、０．１０μｍである。
低屈折率層２００Ａの線幅は、光学素子２００の中心から縁部に向かって０．１０μｍ、０．１５μｍ、０．２０μｍ、０．２２５μｍ、０．４０μｍである。

以上のような光学素子２００に対して、光学素子２００を構成する低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとの配列方向と垂直な方向から光Ｈを入射させた場合の波動シミュレーションを行った。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、図９に示した光学素子２００を通過する波長λ＝５４０ｎｍの緑色光に関してのシミュレーション結果を示す図であり、光Ｈの入射方向を矢印で示した。図中、ｃＴは、光速ｃに時間Ｔを掛けたもので、光が真空中を進んだ距離（単位μｍ）を表す。ここでは、シミュレーションに掛った時間と捉えてもよい。

先ず図１０Ａは、緑色光が光学素子２００を通過した直後のシミュレーション結果である。この結果から、光学素子２００を通過した緑色光のフロント（基板３００側）の波面が凹面になっていることがわかる。

図１０Ｂは、緑色光が光学素子２００を通過し、さらに基板３００の表面にほぼ到達したときのシミュレーション結果である。この結果から、各光学素子２００の中心（ｘ＝０）に緑色光が集光しており、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）に関しての集光効果があることが判る。

図１１Ａ〜図１１Ｄは、図９に示した光学素子２００を通過する各波長光に関してのシミュレーション結果を示す図である。図１１Ａは近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、図１１Ｂは赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、図１１Ｃは緑色光（λ＝５４０ｎｍ）、図１１Ｄは青色光（λ＝４６０ｎｍ）の結果であり、各波長光が基板３００の表面に到達したときのシミュレーション結果である。この結果から、何れの波長の光も光学素子２００によって集光されていて、光学素子２００に集光効果があることがわかる。

［第１例の基本構造となる光学素子（参考例その１）のシミュレーション−２］
図１２は、上述した第１例の基本構造となる光学素子を用いた固体撮像装置（比較構造２）の断面模式図である。図１３は、この固体撮像装置に対して行った波動シミュレーションの結果を示す図である。

図１２に示す比較構造２の固体撮像装置は、比較構造１（図９参照）の固体撮像装置を基本の構造としつつ、光学素子２００を構成する低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとの線幅のみを変更した構成である。

具体的は、光学素子２００における低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂの線幅は、最小線幅を０．２μｍとして図示したとおりである。
高屈折率層２００Ｂの線幅は、光学素子２００の中心ＣＬから縁部に向かって０．７５μｍ、０．２５μｍ、０．２５μｍ、０．２０μｍである。
低屈折率層２００Ａの線幅は、光学素子２００の中心から縁部に向かって０．２０μｍ、０．２５μｍ、０．３７５μｍである。

図１３は、図１２に示した光学素子２００を通過する波長λ＝５４０ｎｍの緑色光に関してのシミュレーション結果を示す図であり、緑色光が基板３００の表面に到達したときのシミュレーション結果である。

この結果からわかるように、光学素子２００は、低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂの最小線幅を０．２μｍとした場合であっても、低屈折率層２００Ａおよび高屈折率層２００Ｂの数や配置間隔（線幅）を適切に設定することで、集光効果を得ることができる。尚、ここでの図示は省略するが、近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）についても、同様に集光効果が得られる。

［第１例の基本構造となる光学素子（参考例その１）のシミュレーション−３］
図１４は、上述した第１例の基本構造となる光学素子を用いた固体撮像装置（比較構造３）の断面模式図である。図１５は、この固体撮像装置に対して行った波動シミュレーションの結果を示す図である。

図１４に示す比較構造３の固体撮像装置は、基本的には比較構造１（図９参照）の固体撮像装置を基本構造としつつ、光学素子２００の膜厚（実質的な素子厚）のみを変更した構成である。

具体的には、光学素子２００の膜厚は、比較構造１（図９参照）の０．５μｍから、より薄い０．３μｍとなっている。この様な光学素子２００の膜厚の変更に伴い、必要に応じて、低屈折率層２００Ａおよび高屈折率層２００Ｂの数や配置間隔（線幅）を調整しても良いが、ここでは比較構造１（図９参照）と全く同じにしている。

図１５は、図１４に示した光学素子２００を通過する波長λ＝５４０ｎｍの緑色光に関してのシミュレーション結果を示す図であり、緑色光が基板３００の表面に到達したときのシミュレーション結果である。

この結果からわかるように、光学素子２００は、膜厚を０．３μｍとした場合であっても、低屈折率層２００Ａおよび高屈折率層２００Ｂの数や配置間隔（線幅）を適切に設定することで、集光効果を得ることができる。尚、ここでの図示は省略するが、近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）についても、同様に集光効果が得られる。

［第１例の基本構造となる光学素子（参考例その１）のシミュレーション−４］
図１６は、上述した第１例の基本構造となる光学素子を用いた固体撮像装置（比較構造４）の断面模式図である。図１７は、この固体撮像装置に対して行った波動シミュレーションの結果を示す図である。

図１６に示す比較構造４の固体撮像装置は、比較構造１（図９参照）の固体撮像装置を基本構造としつつ、光学素子２００自体のサイズを３．６μｍのサイズ（ピッチ）から１．４μｍに縮小した構成である。これに伴い、各構成部分のサイズ、および光学素子２００を構成する高屈折率層２００Ｂの構成が以下のように変更されている。

具体的には、集光長（レンズ長）、すなわち基板３００と光学素子２００との間の距離は２．３μｍに変更され、このうち反射防止膜３０１の膜厚は０．１μｍである。

高屈折率層２００Ｂは、窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成され、屈折率ｎ１＝２．０であり、膜厚０．５μｍである。これらの高屈折率層２００Ｂにおける光の入射側と射出側の両面には、反射による光学的なロスを少なくするための反射防止膜２０１が設けられている。この反射防止膜２０１は、低屈折率層２００Ａの屈折率（ＳｉＯ_２：ｎ０＝１．４６）と、高屈折率層２００Ｂの屈折率（ＳｉＮ：ｎ１＝２．０）との中間の屈折率を有する。このような反射防止膜２０１は、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ：ｎ５＝１．７）で構成されている。

反射防止膜２０１は薄膜であり、その厚さや幅に関わらず光学素子２００の集光効果そのものには影響を与えない。もちろん、反射防止膜２０１は、上述した他の比較構造１〜３にも設けて良い。尚、上述した集光長（レンズ長）＝２．３μｍは、基板３００と反射防止膜２０１との間の距離である。

光学素子２００における低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂの線幅は、最小線幅を０．１μｍとして図示したとおりである。
高屈折率層２００Ｂの線幅は、光学素子２００の中心ＣＬから縁部に向かって０．２５μｍ、０．１５μｍ、０．１０μｍである。
低屈折率層２００Ａの線幅は、光学素子２００の中心ＣＬから縁部に向かって０．１０μｍ、０．１３μｍ、０．１９μｍである。

図１７は、図１６に示した光学素子２００を通過する波長λ＝５４０ｎｍの緑色光に関してのシミュレーション結果を示す図であり、緑色光が基板３００の表面に到達したときのシミュレーション結果である。

この結果からわかるように、光学素子２００は、サイズを１．４μｍとした縮小した場合であっても、集光長や、低屈折率層２００Ａおよび高屈折率層２００Ｂの数や配置間隔（線幅）を適切に設定することで、集光効果を得ることができる。尚、ここでの図示は省略するが、近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）についても、同様に集光効果が得られる。

［第１例の基本構造となる光学素子（参考例その１）のシミュレーション−５］
図１８は、上述した第１例の基本構造となる光学素子について、斜め光の集光特性をシミュレーションした結果を示す図である。シミュレーションは、図９に示した固体撮像装置に対して波長λ＝５４０ｎｍの緑色光を斜め方向から照射した場合を想定した。

この結果から、第１例の基本構造の光学素子２００は、斜め方向から入射した光の集光位置が、光学素子２００の中心（ｘ＝０）に対して入射方向と逆側にずれることが判る。これは通常の球面レンズでも生じる現象であるが、上述した光学素子２００でも同様に生じるのである。

［第１例の基本構造となる波面制御型の光学素子（参考例その２）］
図１９は、第１例の集光素子の基本原理を説明するための図であり、光学素子２０３と共に当該光学素子２０３に入射する光Ｈの等位相面（波面）を示す。尚、ここで説明する光学素子２０３は、次に説明するように集光機能を備えていない点で本技術の実施形態で用いた集光素子とは異なっている。

この図に示す光学素子２０３は、サブ波長の周期構造を有する集光素子（Subwave length Lens ：ＳＷＬＬ）の仕組みを利用したものである。この光学素子２０３は、素子の光軸に対する垂直方向に、屈折率の異なる光透過性材料からなる層を交互に配列するとともに、それぞれの線幅を波長オーダーまたはそれより小さい線幅としてその分布を調整することで、斜め入射光の入射角度を垂直に近づける斜め補正機構を備える。

このような光学素子２０３は、屈折率ｎ０の断面矩形状の低屈折率層２００Ａと、屈折率ｎ０よりも高い（大きい）屈折率ｎ１（ｎ１＞ｎ０）の断面矩形状の高屈折率層２００Ｂとを、光軸と垂直な方向に交互に配列した板状の交互配置層である。そして特に、光学素子２０３の機械的な中心ＣＬを境に、片側（図示した例では左側）では低屈折率層２００Ａの配置密度が高く、反対側（図示した例では右側）では高屈折率層２００Ｂの配置密度が高い。つまり、低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとの配置密度が非対称である点で、上述の光学素子２００と相違する。尚、光学素子２０３の機械的な中心ＣＬは、本例では光軸位置と一致していることとする。

このような非対称性は、例えば光学素子２０３の一方の端部側から他方の端部側に向かって、高屈折率層２００Ｂの線幅が徐々に大きくなる構造、または低屈折率層２００Ａの線幅が徐々に小さくなる構造、さらにはこれらを組み合わせた構造がある。

以上のような光学素子２０３は、ここでは例えば光入射面側には屈折率ｎ０の板状の単一材層１００が隣接して設けられ、光透過面側には屈折率ｎ０の板状の単一材層１０１が設けられることとする。

このような構成の光学素子２０３に対して、屈折率ｎ０の単一材層１００側で、図面上の右手方向（すなわち高屈折率層２００Ｂの密度が高い方向）から、光学素子２０３の光軸に対して斜めに光Ｈが入射したとする。この場合、高屈折率層２００Ｂ中と低屈折率層２００Ａ中とで、光速ｃが異なることに起因し、光学素子２０３を通過する光の波面が高屈折率層２００Ｂが密に配置された側（図面上においては右側）に傾く。これにより、光学素子２０３が斜め入射光を垂直入射光に変換する斜め補正機能をなす。

このような光学素子２０３は、例えば固体撮像装置１の各画素部に適用して設けることができる。例えば、図２０に示すように、固体撮像装置１の光入射面側には、絞り３０３を介して結像レンズ３０５を配置した受光光学系が配置される。この場合、結像レンズ３０５を通過した被写体３０７からの主光線ｈ０は、固体撮像装置１の端部にいくほど入射角度が大きくなる。このため、固体撮像装置１に設ける光学素子２０３は、固体撮像装置１の中心では斜め補正機能を弱くして、端部になるほど補正機能を強いものであれば良い。例えば、固体撮像装置１における撮像領域の端部になるほど、高屈折率層２００Ｂの配置密度の非対称性を大きくすれば良い。

以上のような光学素子２０３も、極めて薄い凸レンズにすることができることは、先の光学素子２００と同様である。

また以上のような光学素子２０３は、平面構造においても、中心ＣＬを境に、片側では高屈折率層２００Ｂが割合で多く存在し、反対側では割合で少なく存在する構造になっていればよく、その限りにおいて、様々な平面構造を採ることができる。

例えば図２１Ａの平面模式図および図２１Ｂの斜視図に示すように、線状の低屈折率層２００Ａおよび高屈折率層２００Ｂを、線幅を徐々に変化させて平行に配列した構造でもよい。また、ここでの図示は省略するが、低屈折率層２００Ａおよび高屈折率層２００Ｂは曲線状のものでもよい。

［第１例の集光素子…波面制御型の光学素子の積層構造］
図２２は、第１例の集光素子を用いた固体撮像装置(実施例構造１）の模式図である。図２３は、この固体撮像装置に対して行った波動シミュレーションの結果を示す図である。

図２２に示す固体撮像装置は、上述した比較構造１（図９参照）の固体撮像装置をベースとし、これに斜め補正機能を有する光学素子２０３を追加したものであり、２つの光学素子２００，２０３を積層させて集光素子１３-1を構成している。

ここでは、集光機能を有する光学素子２００における光Ｈの入射面側に、斜め補正機能を有する光学素子２０３を積層させた構成である。このような集光素子１３-1は、画素部のサイズ（画素ピッチ）に合わせ、３．６μｍのサイズ（ピッチ）で３個配置されている。ただし、集光機能を有する光学素子２００に対して、斜め補正機能を有する光学素子２０３は、素子の中心を光Ｈの入射方向にずらして配置している。

このうち集光機能を有する光学素子２００は、比較構造１（図９参照）で説明した構成のものである。

一方、斜め補正機能を有する光学素子２０３は、膜厚０．５μｍである。
高屈折率層２００Ｂの線幅は、斜め入射させる光Ｈの入射方向から順に、０．４５μｍ、０．３５μｍ、０．２５μｍ、０．２０μｍ、０．１５μｍ、０．１１μｍ、０．１０μｍである。
低屈折率層２００Ａの線幅は、光Ｈの入射方向から順に、０．１０μｍ、０．１２μｍ、０．１８５μｍ、０．２３５μｍ、０．２６０μｍ、０．３４５μｍ、０．７４５μｍである。

以上のような集光素子１３-1に対して、屈折率ｎ０の単一材層１００側で、図面上の右手方向、すなわち集光素子１３-1において高屈折率層２００Ｂの密度が高い方向から、光学素子２０３の光軸に対して斜めに光Ｈが入射させた場合の波動シミュレーションを行った。

図２３は、図２２に示した集光素子１３-1を通過する緑色光（λ＝５４０ｎｍ）の斜め入射光に関してのシミュレーション結果を示す図であり、緑色光Ｈが基板３００の表面に到達したときのシミュレーション結果である。

この結果から判るように、本第１例の集光素子１３-1は、緑色光の斜め入射光を集光素子１３-1のほぼ中心ＣＬ（ここではｘ＝０に一致）に集光させることができる。これは入射角変換機能による斜め補正機能が効果的に働いていることを意味する。尚、ここでの図示は省略するが、近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）についても、同様に斜め入射光を集光素子１３-1のほぼ中央に集光させる斜め補正集光効果が得られる。

したがって、本第１例の集光素子１３-1は、上述した各実施形態の集光素子１３として用いることができる。ただし、これらの集光素子１３-1が配置される撮像領域の中心では、斜め入射光入射が問題とならないので集光機能を有する光学素子２００のみで集光素子１３-1とすればよく、斜め補正機能を有する光学素子２０３は不要である。

これに対して、撮像領域の端部ほど、斜め入射光の入射角度が大きくなる。このため、撮像領域の端部の画素部に配置される集光素子１３-1ほど、斜め補正機能を有する光学素子２０３における非対称性を高め、集光素子１３-1内において撮像領域の中心方向における高屈折率層２００Ｂの配置密度を高くする。これにより、撮像領域の端部ほど、光学素子２０３による斜め補正機能を強め、斜め入射光を垂直に近づけて集光ポイントを画素部の中心に持っていく構成とすることができる。

尚、第1例の集光素子１３-1としては、光の入射側から順に、集光機能を有する光学素子２００、斜め補正機能を有する光学素子２０３を積層させた構成を説明した。しかしながら、光学素子２００，２０３の積層構造がこれに限定されることはなく、積層順が逆の構成や、斜め補正機能を有する光学素子２０３で集光機能を有する光学素子２００を挟持した構成であっても良い。

≪６．実施形態に用いられる集光素子の第２例≫
［第２例の集光素子…波面制御型の光学素子の単層構造］
図２４は、上述した各実施形態に用いられる集光素子の第２例の構成を説明する図であり、集光素子と共に等位相面を示す。

この図に示す集光素子１３-2は、先に説明した第1例の集光素子を構成する２つの光学素子２００，２０３を、1つの光学素子として設計することにより集光機能と斜め補正機能とを備えた１つの光学素子で構成されているところが特徴的である。

このような集光素子１３-2は、第1例と同様の低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとを交互に配置した構成であり、高屈折率層２００Ｂの配置密度が、素子の中心から離れるに従って疎になる構造と、素子の中心を境にして非対称になる構造との両方を有することで、集光機能と斜め補正機能とを同時に持つ点に特徴を有する。

この場合、撮像領域の中心では、斜め入射光が問題とならないので集光素子１３-2は、集光機能を有する光学素子２００と同様の構成であってよく、斜め補正機能は不要である。したがって、撮像領域の中心に配置される集光素子１３-2は、非対称性がゼロであり、集光素子１３-2の機械的な中心に向かって、全方向から均等に高屈折率層２００Ｂの配置状態が徐々に密になっている。

これに対して、撮像領域の端部ほど、斜め入射光の入射角度が大きくなる。このため、撮像領域の端部に配置される集光素子１３-2ほど、非対称性を高めた構成であり、集光素子１３-2の重心Ｏを中心から撮像領域の中心方向に大きくシフトさせる。

ここで上述した「重心Ｏ」とは、周囲の屈折率の１次モーメントの積分が０となる位置である。すなわち、集光素子１３-2の面内において、高屈折率層２００Ｂの屈折率ｎ１、低屈折率層２００Ａの屈折率ｎ０とした場合、平面内の（ｘ，ｙ）座標において、下記の式（１）が成り立つ場合、その（ｘ１，ｙ１）の位置を「重心Ｏ」と定義する。

これにより、撮像領域の端部ほど、集光素子１３-2による斜め補正機能を強め、斜め入射光の入射角度をゼロ、すなわち集光素子１３-2の光軸に近づけて集光ポイントを画素部の中心に持っていく構成とする。

またさらに、非対称性を持たせた各集光素子１３-1は、非対称の重心Ｏに向かって高屈折率層２００Ｂの配置密度が徐々に大きくなる構造を有し、これによって集光機能を得ている。この場合、非対称の重心Ｏに対して、撮像領域の中心に向かう側では、高屈折率層２００Ｂの配置が最も密な配列になり、これと逆に向かう側では高屈折率層Ｂの配置が最も疎な配列になる。

このような集光素子１３-2における各層の具体的配置例としては、たとえば、高屈折率層２００Ｂの線幅が重心Ｏに向かって徐々に大きくなる構造、低屈折率層２００Ａの線幅が重心Ｏに向かって徐々に小さくなる構造、およびこれらを組み合わせた構造がある。

また以上のような集光素子１３-2は、平面構造においても、当然に重心Ｏにおいて高屈折率層２００Ｂが密で、重心Ｏから離れるに従って疎になる構造になっていればよく、その限りにおいて、様々な平面構造を採ることができる。高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれの平面形状は、円形、楕円形、正方形、長方形、三角形など、任意の環状とすることができる。そして、これらの同一と見なし得る形状のものを環状とするものや、異なった形状のものを組み合わせて、各環状の線幅が素子の中心ではなく重心Ｏを境に、左右で段階的に異なる構成とすればよい。

たとえば、図２５Ａに示すように、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれが円形または円形リング形状の、全体として環状となったもので、その重心Ｏが、撮像領域の中心方向に偏ったものでもよい。図２５Ｂに示すように、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれが楕円または楕円形リング形状の、全体として環状となったもので、その重心Ｏが、撮像領域の中心方向に偏ったものでもよい。図２５Ｃに示すように、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれが正方形または正方リング形状の、全体として環状となったもので、その重心Ｏが、撮像領域の中心方向に偏ったものでもよい。図２５Ｄに示すように、高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａのそれぞれが長方形または長方リング形状の、全体として環状となったもので、その重心Ｏが、撮像領域の中心方向に偏ったものでもよい。

もちろん、各集光素子のトータルの集光効果は、当該集光素子の平面構造、すなわち高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａの並び方の平面構造の影響を受けるので、特に重心Ｏの高屈折率層２００Ｂの形状は、光電変換部の平面形状(受光開口）に整合させるのがよい。

また、斜め入射光を垂直光に変換する機能は、撮像領域中において集光素子が配置される位置により、重心Ｏに対して一方向に存在するので、重心に対して一方のみを使用する構造にすることもできる。たとえば、図２６Ａに示すように、重心Ｏが偏って配置される側において、円形リング形状の低屈折率層２００Ａや高屈折率層２００Ｂの一部が欠けて環状にならない構造のものでもよい。あるいは、図２６Ｂに示すように、重心Ｏが偏って配置される側において、正方リング形状の低屈折率層２００Ａや高屈折率層２００Ｂの一部が欠けて環状にならない構造のものでもよい。

以上のような集光素子１３-2であっても、第1例の集光素子と同様に、撮像領域の端部に配置される集光素子１３-2ほど、主光線が斜め入射するのを補正して集光素子１３-2による集光ポイントを画素中心に持っていく構成とすることができる。

図２７は、以上のような第２例の集光素子１３-2の固体撮像装置への配置状態を説明する平面模式図であり、図２５Ｃに示した正方形または正方リング形状の集光素子を用いた構成である。なお、図２７では、撮像領域４に設けられた全ての画素部３に対して個別に配置される集光素子１３-2に関し、代表的な位置のみをピックアップして拡大して示している。

図２７に示すように、撮像領域４の中心に配置される集光素子１３-2は、非対称性がゼロのものである。これに対して、撮像領域４の端部に配置される集光素子１３-2ほど、素子の中心に対して重心Ｏを撮像領域４の中心側に大きくシフトさせて非対称性を強めた構造とする。

なお、先の第1実施形態で説明した図３の固体撮像装置も、本第２例の集光素子１３-2を用いた構成であり、図３の集光素子１３として図２５Ａに示した円形または円形リング形状の集光素子１３-2を適用した図である。

［第２例の集光素子のシミュレーション］
図２８は、第２例の集光素子を用いた固体撮像装置(実施例構造２）の模式図である。図２９は、この固体撮像装置に対して行った波動シミュレーションの結果を示す図である。

図２８に示す固体撮像装置は、上述した比較構造４（図１６参照）の固体撮像装置をベースとし、その光学素子２００を集光素子１３-2に変更したものであり、他の構成は比較構造４と同様である。すなわち、画素部のサイズ（画素ピッチ）および各集光素子１３-2のサイズは１．４μｍであり、高屈折率層２００Ｂにおける光の入射面側と射出面側の両面には、反射による光学的なロスを少なくするための反射防止膜２０１が設けられている。

光学素子２００における低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂの線幅は、最小線幅を０．１μｍとして図示したとおりである。
高屈折率層２００Ｂの線幅は、斜め入射させる光Ｈの入射方向から順に、０．１０μｍ、０．２５μｍ、０．１５μｍ、０．１０μｍである。
高屈折率層２００Ｂ間における低屈折率層２００Ａの線幅は、光Ｈの入射方向から順に、０．１４μｍ、０．１５５μｍ、０．１９５μｍである。

図２９は、図２８に示した集光素子１３-2を通過する緑色光（λ＝５４０ｎｍ）の斜め入射光に関してのシミュレーション結果を示す図であり、緑色光が基板３００の表面に到達したときのシミュレーション結果である。

この結果から判るように、本第２例の集光素子１３-2であっても、緑色光Ｈの斜め入射光を集光素子１３-2のほぼ中心（ここではｘ＝０に一致）に集光させることができる。これは入射角変換機能による斜め補正機能が効果的に働いていることを意味する。尚、ここでの図示は省略するが、近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）についても、同様に斜め入射光を集光素子１３-2のほぼ中央に集光させる斜め補正集光効果が得られる。

したがって、本第２例の集光素子１３-2も、第１例の集光素子と同様に、上述した各実施形態の集光素子１３として用いることができる。ただし、これらの集光素子１３-2が配置される撮像領域の中心では、斜め入射光入射が問題とならないので、集光素子１３-2は非対称性をゼロにして集光機能のみを持たせれば良い。

≪７．第１例および第２例の集光素子の製造プロセス≫
図３０は、実施形態の固体撮像装置に用いられる第１例および第２例の集光素子の製造プロセスを説明するための断面工程図である。尚、比較として図３１には通常の凸型集光レンズの製造プロセスを説明するための断面工程図を示した。以下、先ず図３０を用いて第１例および第２例の集光素子の製造プロセスを説明する。

第１例及び第２例の集光素子を、固体撮像装置と一体的に形成する場合、先ず、半導体層内やその上部の各画素部に光電変換部を積層形成し、必要に応じて反射防止膜を成膜する（以上、図示省略）。

次に図３０Ａに示すように、この上部に集光素子の媒質となる単一材層１０１を、所定の膜厚で形成する。この単一材層１０１は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２：ｎ０＝１．４６）で構成された平坦化絶縁膜であり、所定の膜厚とは下層に形成された最上部の光電変換部からの膜厚であることとする。次いで、単一材層１０１上に、窒化シリコン（ＳｉＮ：ｎ１＝１．７）からなる高屈折率層２００Ｂを成膜する。

その後、図３０Ｂに示すように、高屈折率層２００Ｂ上に、レジスト膜３１１を成膜する。

次いで、図３０Ｃに示すように、レジスト膜３１１に対してパターン露光および現像処理を含むリソグラフィ処理を行うことにより、レジスト膜３１１をパターニングする。ここでは、上述した第１例および第２例で説明したような高屈折率層の線幅の並びに対応させてレジスト膜３１１をパターニングする。

次に、図３０Ｄに示すように、パターニングされたレジスト膜３１１をマスクにしたエッチングによって、高屈折率層２００Ｂを所定の線幅と間隔を設けてパターニングする。ここでのエッチングは、例えば反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）を行ない、高屈折率層２００Ｂの異方性を確保する。この際、高屈折率層２００Ｂの下地には、単一材層１０１が存在するため、半導体層またはこの上部に形成した光電変換部に対してエッチングすることによるダメージの問題は起きない。エッチング終了後には、パターニングされた高屈折率層２００Ｂ上のレジスト膜３１１を除去する。

以上により、図３０Ｅに示すように、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる単一材層１０１の上層に、複数の高屈折率層２００Ｂが所定の間隔を設けて形成される。この場合、高屈折率層２００Ｂ間に形成された空間部の空気を低屈折率層２００Ａとし、第２例の集光素子１３-2を完成させても良い。また、高屈折率層２００Ｂ間に形成された空間部に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２：ｎ０＝１．４６）などの低屈折率材料を埋め込み、これを低屈折率層２００Ａとして第２例の集光素子を完成させても良い。

またインナーレンズへの適用の場合には、図３０Ｆに示すように、平坦化などのため、高屈折率層２００Ｂ間を埋め込む状態で、単一材層１０１の上層に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２：ｎ０＝１．４６）などの低屈折率材料膜３１３を成膜する。これにより、高屈折率層２００Ｂ間の低屈折率材料膜３１３を低屈折率層２００Ａとして第２例の集光素子１３-2を完成させ、これよりも上部の低屈折率材料膜３１３を保護膜としても良い。この保護膜は、光入射側の媒質となる単一材層ともなる。

なお、第１例で示したような２層の積層構造の集光素子を形成する場合、先の集光素子１３-2を１層目の光学素子２００として形成し、この上述した低屈折率材料膜３１３からなる保護膜を薄い膜厚で形成する。

その後、図３０Ｇに示すように、この光学素子２００の上部に、高屈折率層２００Ｂを所定の線幅と間隔とで配列形成する。これらの高屈折率層２００Ｂは、先の図３０Ａ〜図３０Ｅで説明したと同様の手順で形成される。この場合、高屈折率層２００Ｂ間に形成された空間部の空気を低屈折率層２００Ａとして、２層目の光学素子２０３を完成させても良い。これにより光学素子２００と光学素子２０３とを積層させた第１例の集光素子１３-1が得られる。

また、高屈折率層２００Ｂ間に形成された空間部に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２：ｎ０＝１．４６）などの低屈折率材料を埋め込み、これを低屈折率層として２層目の光学素子を完成させても良い。

さらにインナーレンズへの適用の場合には、平坦化などのため、高屈折率層２００Ｂ間を埋め込む状態で、光学素子２００の上層に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２：ｎ０＝１．４６）などの低屈折率材料膜を成膜する。これにより、高屈折率層２００Ｂ間の低屈折率材料膜を低屈折率層２００Ａとして積層構造からなる第１例の集光素子１３-1を完成させ、これよりも上部の低屈折率材料膜を保護膜としても良い。この保護膜は、光入射側の媒質となる。

以上説明した製造プロセスでは、リフロー工程やエッチバックなどの複雑な工程がなく、単純で簡便なリソグラフィ処理とエッチングの加工技術だけで集光素子を作製できる。したがって、工程数が少なくコストが少なくて済むだけでなく再現性や均一性や量産性に優れる。

さらにリソグラフィの際の露光マスクの設計によって、それぞれ段階的に変化する所定幅の各低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとが所定の順序に配列されるようにすることができる。このため面内方向に非対称な構造を作製するのも容易であり、従来の球面レンズを製造する場合に比べて光学的に設計の幅が広がる。

＜比較例の製造プロセス＞
次に、図３１を用いて比較例となる凸型集光レンズの製造プロセスを説明する。先ず図３１Ａに示すように、光電変換部などが形成された下地の上部に酸化シリコン（ＳｉＯ_２：ｎ０＝１．４６）で構成された単一材層１０１を成膜し、この上部にレンズ媒質層３２１となる窒化シリコン（ＳｉＮ）を所定の厚さに形成する。所定の厚さは、最終的なインナーレンズの厚さよりも少し厚い程度である。

その後、図３１Ｂに示すように、レンズ媒質層３２１上に、レジスト膜３２３を成膜する。

次いで、図３１Ｃに示すように、レジスト膜３２３に対してパターン露光および現像処理を含むリソグラフィ処理を行うことにより、各画素部に対応させてレジスト膜３２３を島状にパターニングする。

この後、図３１Ｄに示すように、熱処理を行うことにより、島状にパターニングされたレジスト膜３２３をレンズ形状にリフローさせる。

この後、図３１Ｅに示すように、レンズ形状のレジスト膜３２３上からエッチバックを行うことにより、レジスト膜３２３のレンズ形状を下地のレンズ媒質層３２１に転写する。また、レジスト膜３２３をエッチング除去する。

これにより図３１Ｆに示すように、レンズ媒質層３２１の表面側に凸レンズ３２１Ａが形成される。

またここでの図示は省略するが、インナーレンズへの適用の場合には、平坦化などのため、凸レンズ３２１Ａを埋め込む状態で、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるレンズ媒質層３２１の上層に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２：ｎ０＝１．４６）などの低屈折率材料膜を成膜する。

以上のように比較例の製造プロセスでは、リフローとエッチバックで凸レンズの形成が行なわれる。レンズ形状の元となるレジストのリフローでは表面張力によって球状を作るために面内において非対称な構造はできない。また工程数も多く、コストが掛る。

≪８．実施形態に用いられる集光素子の第３例≫
以下においては、実施形態に用いられる集光素子の第３例の詳細な説明として、先ず参考となる光学素子の構造を説明し、次に第３例として用いられる当該集光素子の構成を説明する。尚、上述した第１例および第２例と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図３２は、上述した各実施形態に用いられる集光素子の第３例の構成を説明するための参考例となる光学素子の模式図である。図３２Ａは上面図(平面模式図)であり、図３２Ｂは平面図におけるｘ方向の断面模式図である。これらの図に示す光学素子２０５も、屈折率の異なる光透過性材料の分布によって集光機能を持たせたものであり、前述の第１例および第２例の波面制御型に加えて、ゾーンプレートの回折レンズ効果を採り入れた構造にする点に特徴がある。

このような参考例となる光学素子２０５は、図１９を用いて説明した波面制御型の光学素子と同様に、低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとを交互に配置した板状のものである。この光学素子２０５において、その光入射面側には単一材層１００が設けられ、光射出面側には単一材層１０１が設けられている。

各層の構成は、第１例および第２例の集光素子を構成する各光学素子と同様である。すなわち、単一材層１００，１０１および低屈折率層２００Ａは酸化シリコン（ＳｉＯ_２：屈折率ｎ０＝１．４６）からなり、高屈折率層２００Ｂは窒化シリコン（ＳｉＮ：屈折率ｎ１＝２．０）からなる。

この光学素子２０５の厚さは０．５μｍとする。光学素子２０５は、第２例と同様に、集光機能と斜め入射光補正機能との両者を兼ね備えたもので、光学長（レンズ長）に比べて十分に薄く設定される点は第２例と同様である。

この光学素子２０５は、集光機能と斜め入射光補正機能の両者を兼ね備えるべく、左右非対称構造を持っている。画素部３対応して配置される光学素子２０５内において、素子の中心ＣＬよりも光Ｈの入射側においては、低屈折率層２００Ａよりも高屈折率層２００Ｂの配置密度が高く、逆側においては低屈折率層２００Ａよりも高屈折率層２００Ｂの配置密度が低い。

つまり第２例で説明した重心を用いて説明すると、画素部３に対応して配置される光学素子２０５内において、素子の重心よりも光Ｈの入射側においては、低屈折率層２００Ａの幅が小さく（狭く）、かつ高屈折率層２００Ｂの幅が大きい（広い）。これに対して、重心よりも光Ｈの入射側とは反対側においては、低屈折率層２００Ａの幅が大きく（広く）、かつ高屈折率層２００Ｂの幅が小さく（狭く）設定されている。

低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂの数が少ないものの、光学素子２０５内における光Ｈの入射方向においては、高屈折率層２００Ｂが割合で多く存在しかつ低屈折率層２００Ａが割合で少なく存在し、反対側では高屈折率層２００Ｂが割合で少なくかつ低屈折率層２００Ａが割合で多く存在するようにしている点で、第２例の状態と同様になっている。このような光学素子２０５の具体的な構成は、例えば次のようである。

すなわち光学素子２０５は、画素部のサイズ（画素サイズ）に合わせてｘ−ｙ方向で１．１μｍ×１．１μｍのサイズを有し、このサイズを１周期として高屈折率層２００Ｂと低屈折率層２００Ａとがｘ方向に交互に配列されて構成されている。これらの低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂは、斜め入射光の入射方向から以下のような線幅の４本が順に配置され、さらに４本を１組として斜め入射光の入射方向（ここでは図面上ｘ方向）に１．１μｍピッチで繰り返し配置されている。

高屈折率層２００Ｂ：０．２５μｍ
低屈折率層２００Ａ：０．１７μｍ
高屈折率層２００Ｂ：０．１７μｍ
低屈折率層２００Ａ：０．５１μｍ

そして、最も線幅の太い高屈折率層２００Ｂの外側の辺から、光Ｈの入射する先の−ｘ方向に０．６５μｍ隔てた位置を、光学素子２０５の中心ＣＬとしている。尚、各低屈折率層２００Ａおよび高屈折率層２００Ｂの長さ、すなわち光Ｈの入射方向に対して垂直な方向（ここでは図面上ｙ方向）の延設長さは、画素ピッチ１．１よりも十分に長く、画素部３を縦断して配置されていることとする。

図３３は、図３２に示した光学素子２０５を通過する緑色光（λ＝５５０ｎｍ）の斜め入射光に関しての３次元の波動ミュレーション結果を示す図である。斜め入射光の入射角度は、光学素子２０５内のｘｙ平面のｘ方向で１７deg（空気中換算２５deg）である。

図３３Ａのｘ−ｚ断面に示すように、光学素子２０５において低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとを配列させたｘ方向においては、斜め入射光Ｈは、光学素子２０５を通過することにより、光学素子２０５のほぼ中心（ｘ＝０μｍ）に集光している。これにより、低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとを配列させたｘ方向に対しては、集光機能と共に斜め補正機能が効果的に働くことが判る。

しかしながら、図３３Ｂのｙ−ｚ断面および図３３Ｃのｘ−ｙ断面に示すように、低屈折率層２００Ａおよび高屈折率層２００Ｂを延設させたｙ方向においては、斜め入射光は、光学素子２０５を通過することにより、１μｍ前後の深さ（ｚ方向）に集光するものの、ｙ方向には集光しない。これにより、低屈折率層２００Ａおよび高屈折率層２００Ｂを延設させたｙ方向には、集光機能がないと言って良い。

ここで一般的な固体撮像装置において光電変換部は、各画素部の中心付近に孤立した島状で配置される。したがって、この光学素子２０５を集光素子として用いた場合には、ｙ方向に光電変換部に入射しない光が存在することになり、ロスが発生してしまう。

[第３例の集光素子（その１）…単純化した波面制御型の光学素子]
図３４は、上述した各実施形態に用いられる第３例の集光素子（その１）の平面模式図である。この図に示す第３例の集光素子（その１）は、上述した参考例の光学素子において一方向のみに集光されてしまう点を解消するものである。

図３４に示す集光素子１３-3ａは、図３２に示した参考例の構造において、画素部３において斜め入射光Ｈの入射方向と垂直に延設して設けた高屈折率層２００Ｂの長さを、画素サイズと同等か画素サイズよりも短くした構成である。ここでは、高屈折率層２００Ｂは、画素サイズ（ｘ×ｙ＝１．１μｍ×１．１μｍ）に対して０．９μｍの長さであり、長さ方向（ｙ方向）において画素部３の中央に配置されている。尚、１つの高屈折率層２００Ｂは、平面視的な形状が矩形上であって線幅が一定であり、斜め入射光Ｈの入射方向（ｘ方向）に対して垂直な方向（ｙ方向）において、高屈折率層２００Ｂは対称性を有している。また低屈折率層２００Ａは、高屈折率層２００Ｂの周囲を埋め込む状態で設けられていて良い。

このような構造の集光素子１３-3aでは、画素部３の中心に比べてｙ方向の端における屈折率が低くなり、ｙ方向においてゾーンプレートの回折レンズ効果が機能する。これにより、ｙ方向で集光していなかった光は、その屈折率差によってｙ方向の中心に集められるようになる。

図３５は、図３４に示した集光素子１３-3aを通過する緑色光（λ＝５５０ｎｍ）の斜め入射光に関しての３次元の波動ミュレーション結果を示す図である。斜め入射光の入射角度は、集光素子１３-3a内のｘ−ｙ平面のｘ方向で１７deg（空気中換算２５deg）である。

図３５Ａのｘ−ｚ断面に示すように、集光素子１３-3aにおいて低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとを配列させたｘ方向においては、斜め入射光Ｈは、集光素子１３-3aを通過することにより、集光素子１３-3aのほぼ中心（ｘ＝０μｍ）に集光している。これにより、低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとを配列させたｘ方向に対しては、集光機能と共に斜め補正機能が効果的に働くことが判る。

また、図３５Ｂのｙ−ｚ断面に示すように、高屈折率層２００Ｂを延設させたｙ方向においても、斜め入射光は、集光素子１３-3aを通過することにより、０．９μｍ程度の深さ（ｚ方向）に集光する。さらに図３５Ｃのｘ−ｙ断面に明らかなように、斜め入射光は、集光素子１３-3aを通過することにより、ｘ−ｙ方向に集光する。ただし、ｙ方向において画素の端部で光の漏れが発生しており、光のロスが僅かではあるが残っている。

以上の結果、ｙ方向においてゾーンプレートの回折レンズ効果を機能させた集光素子１３-3aは、低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとが直線のみでパターン形成された単純な構成でありながらも、集光機能と共に斜め補正を備えていることがわかる。

[第３例の集光素子（その２）…単純化した波面制御型の光学素子]
図３６は、上述した各実施形態に用いられる第３例の集光素子（その２）の平面模式図である。この図に示す第３例の集光素子（その２）は、上述した第３例の集光素子（その１）において、画素部３の端部で発生する光の漏れを解消するものである。

図３６に示す集光素子１３-3bの仕組みは、図３４に示した第３例の集光素子（その１：１３-3a）の構造において、素子内における斜め入射光Ｈの入射側に配置された２つの高屈折率層２００Ｂ間を、その長手方向の中間部で接続させた構成である。２つの高屈折率層２００Ｂ間を接続する追加の高屈折率層２００Ｂ’は、例えばｙ方向に０．１７μｍの幅を有していることとする。

このような構造では、ｙ方向におけるゾーンプレートの回折レンズ効果が、追加の高屈折率層２００Ｂ’部分でも機能するようになり、ｙ方向の集光効果がより高まる。

図３７は、図３６に示した集光素子１３-3bを通過する緑色光（λ＝５５０ｎｍ）の斜め入射光に関しての３次元の波動ミュレーション結果を示す図である。斜め入射光の入射角度は、集光素子１３-3b内のｘｙ平面のｘ方向で１７deg（空気中換算２５deg）である。

図３７Ａのｘ−ｚ断面に示すように、集光素子１３-3bにおいて低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとを配列させたｘ方向においては、斜め入射光Ｈは、集光素子１３-3bを通過することにより、集光素子１３-3bのほぼ中心（ｘ＝０μｍ）に集光している。これにより、低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとを配列させたｘ方向に対しては、集光機能と共に斜め補正機能が効果的に働くことが判る。

さらに図３７Ｂのｙ−ｚ断面に示すように、斜め入射光の入射方向と垂直をなすｙ方向においても、斜め入射光は、集光素子１３-3bを通過することにより、集光素子１３-3bのほぼ中心（ｙ＝０μｍ）に集光している。

以上は図３７Ｃのｘ−ｙ断面からも明らかであり、ｙ方向での画素の端部における光の漏れがなく、画素中心で集光効率が高くなっていることが判る。実際に画素中心では５％ほどの集光効率の上昇が見られた。

[第３例の集光素子（その３）…単純化した波面制御型の光学素子]
図３８は、上述した各実施形態に用いられる第３例の集光素子（その３）の平面模式図である。この図に示す第３例の集光素子（その３）は、画素部３のｘｙ平面においてｘ方向に対する斜方向からの斜め入射光に対応するものである。

図３８に示す集光素子１３-3cの仕組みは、基本的には第３例の他の集光素子と同様であり、集光素子１３-3cの中心よりも、素子における斜め入射光Ｈの入射方向で高屈折率層２００Ｂを高密度とし、かつ低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとを交互に配置した構成である。

ここでは図示したように、４枚の高屈折率層２００Ｂを、集光素子１３-3ｃ内における斜め入射光Ｈの入射方向に偏って配置することにより、画素部３の中心ＣＬよりも斜め入射光の入射方向に重心を偏らせ、さらにこれらの高屈折率層２００Ｂ間に低屈折率層２００Ａを配置している。また、４枚の矩形の高屈折率層２００Ｂを部分的に重ねることで一連の高屈折率層のパターンを形成している。４枚の高屈折率層２００Ｂは、斜め入射光の入射角度と入射方向によって、それぞれのサイズでそれぞれの配置箇所に設けられ、入射角度が大きいほど画素部の中心からの重心のシフト量が大きくなるように配置される。図示した例では、ｘ方向に対して斜め４５°の方向から、入射角度１１．３deg（空気中換算１６．５deg ）で斜め入射光が入射される場合を想定し、４枚の各サイズの高屈折率層２００Ｂを配置している。尚、これらの４枚の高屈折率層２００Ｂ間は、低屈折率層２００Ａで埋め込まれている。

図３９は、図３７に示した集光素子１３-3cを通過する緑色光（λ＝５５０ｎｍ）の斜め入射光に関しての３次元の波動ミュレーション結果を示す図である。斜め入射光の入射角度は、集光素子１３-3c内のｘｙ平面の＋ｘ＋ｙ方向４５°で入射角度１１．３deg（空気中換算１６．５deg ）である。

図３９Ａのｘ−ｚ断面、図３９Ｂのｙ−ｚ断面、および図３９Ｃのｘ−ｙ断面（上面図）に示すように、画素部に対する斜め方向からの斜め入射光Ｈは、集光素子１３-3cを通過することにより、画素部３の中心（ｘ＝０、ｙ＝０）に集光されていることが判る。これにより、集光素子１３-3cは、低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとが直線のみでパターン形成された単純な構成でありながらも、集光機能と共に斜め補正機能が効果的に働いていることが判る。

[第３例の集光素子（その４）…単純化した波面制御型の光学素子]
図４０は、上述した各実施形態に用いられる第３例の集光素子（その４）の平面模式図である。この図に示す第３例の集光素子（その４）は、画素部３のｘｙ平面において−ｙ方向からの斜め入射光Ｈに対応するものである。

図４０に示す集光素子１３-3dは、基本的には第３例の他の集光素子と同様であり、集光素子１３-3cの中心よりも斜め入射光の入射側で高屈折率層２００Ｂを高密度とし、かつ低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとを交互に配置した構成である。具体的には、集光素子１３-3cの中心よりも斜め入射光の入射側に偏らせて、入射方向と垂直方向に延設する高屈折率層２００Ｂを配置している。また、２つの高屈折率層２００Ｂ間には、画素部３の端部で発生する光の漏れを解消するための追加の高屈折率層２００Ｂ’を配置し、２つの高屈折率層２００Ｂ間を接続している。

これらの高屈折率層２００Ｂ，２００Ｂ’のサイズは、斜め入射光Ｈの入射角度によって、それぞれのサイズでそれぞれの位置に設けられ、入射角度が大きいほど画素部３の中心からの重心のシフト量が大きくなるように配置される。図示した例では、−ｙ方向から入射角度８．５deg（空気中換算１２．５deg ）で斜め入射光が入射される場合を想定した、各サイズと配置位置で高屈折率層２００Ｂ，２００Ｂ’が設けられている。尚、これらの３枚の高屈折率層２００Ｂ，２００ｂ’間は、低屈折率層２００Ａで埋め込まれている。

図４１は、図４０に示した集光素子１３-3dを通過する緑色光（λ＝５５０ｎｍ）の斜め入射光Ｈに関しての３次元の波動ミュレーション結果を示す図である。斜め入射光Ｈの入射角度は、集光素子１３-3d内のｙ方向で入射角度８．５deg（空気中換算１２．５deg ）である。

図４１Ａのｘ−ｚ断面、図４１Ｂのｙ−ｚ断面、および図４１Ｃのｘ−ｙ断面（上面図）に示すように、画素部に対する−ｙ方向からの斜め入射光Ｈは、集光素子１３-3dを通過することにより、画素部の中心に集光されていることが判る。これにより、集光素子１３-3dは、低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとが直線のみでパターン形成された単純な構成でありながらも、集光機能と共に斜め補正機能が効果的に働いていることが判る。

[第３例の集光素子の固体撮像装置への適用例]
図４２は、上述した第３例の集光素子を適用した固体撮像装置の構成を説明するための撮像領域の平面模式図であり、撮像領域における代表的な位置の集光素子をピックアップして拡大して示している。

図４２に示すように、固体撮像装置の撮像領域４には、複数の画素部３がアレイ状に配列されており、各画素部３における光入射面側にそれぞれ集光素子１３-3が設けられている。各集光素子１３-3は、各画素部３に入射する光を、各画素部３の中央に集光させるように構成されている。したがって各集光素子１３-3は、撮像領域４における配置箇所毎、すなわち入射光の入射方向および入射角度毎に、上述した（その１）〜（その４）のようなそれぞれのサイズと配置位置とで低屈折率層２００Ａと高屈折率層２００Ｂとが設けられた構成を備えている。

具体的には、撮像領域４において中央よりも左側(図面上−ｘ側）の領域に位置する画素部３に対しては、右側(図面上＋ｘ側）から斜め入射光が入射する。このため、この領域に配置される集光素子１３-3には、高屈折率層２００Ｂを画素部３内の右側に偏って配置した集光素子１３-3bが適用される。このような高屈折率層２００Ｂの偏りは、撮像領域４の端部に位置する画素部３ほど大きくなる。また、２つの高屈折率層２００Ｂ間に配置される追加の高屈折率層２００Ｂ’は、撮像領域４の端部に位置する画素部３ほど小さくなる。

同様に、撮像領域４において中央よりも右側(図面上＋ｘ側）の領域に位置する画素部３に対しては、左側(図面上−ｘ側）から斜め入射光が入射する。このため、この領域に配置される集光素子１３-3には、高屈折率層２００Ｂを左側に偏って配置した集光素子１３-3bが適用される。このような高屈折率層２００Ｂの偏りは、撮像領域４の端部に位置する画素部３ほど大きくなる。また、２つの高屈折率層２００Ｂ間に配置される追加の高屈折率層２００Ｂ’は、撮像領域４の端部に位置する画素部３ほど小さくなり、撮像領域４の中央部に近づくほど±ｙ方向に伸びる。そして、撮像領域４の中央付近では、２つの高屈折率層２００Ｂと、これらの間に配置された追加の高屈折率層２００Ｂ’とのｙ方向の長さが同一となり、四角形の高屈折率層２００Ｂが画素部３の中央に配置されることになる。

また撮像領域４において中央よりも上側(図面上＋ｙ側）の領域に位置する画素部３に対しては、下側（図面上−ｙ側）から斜め入射光が入射する。このため、この領域に配置される集光素子１３-3には、高屈折率層２００Ｂを下側に偏って配置した集光素子１３-3dが適用される。このような高屈折率層２００Ｂの偏りは、撮像領域４の端部に位置する画素部３ほど大きくなる。また、２つの高屈折率層２００Ｂ間に配置される追加の高屈折率層２００Ｂ’は、撮像領域４の端部に位置する画素部３ほど小さくなり、撮像領域４の中央部に近づくほど±ｘ方向に伸びる。そして、撮像領域４の中央付近では、２つの高屈折率層２００Ｂと、これらの間に配置された追加の高屈折率層２００Ｂ’とのｘ方向の長さが同一となり、先と同様に四角形の高屈折率層２００Ｂが画素部３の中央に配置されることになる。

尚、撮像領域４の中央付近の画素部３には、入射角度０°で光が入射する。このため、これらの画素部３に配置される集光素子１３-3は、斜め補正機能を備える必要はなく、集光機能のみで良い。したがって、集光素子１３-3の中心と重心とは一致していて良く、集光素子１３-3の中央に集光用の高屈折率層２００Ｂを設ければ良い。

さらに撮像領域４の左下側（図面上−ｘ，−ｙ側）の領域に位置する画素部３に対しては、右上側（図面上＋ｘ，＋ｙ側）から斜め入射光が入射する。このため、この領域に配置される集光素子１３-3には、４枚の高屈折率層２００Ｂを右上側（図面上＋ｘ，＋ｙ側）に偏って配置した集光素子１３-3ｃが適用される。このような高屈折率層２００Ｂの偏りは、撮像領域４の端部に位置する画素部３ほど大きくなる。

尚、各集光素子１３における高屈折率層２００Ｂの配置状態は、例えばこの領域に配置された基準となる集光素子１３-3ｃを構成する４枚の高屈折率層２００Ｂのパターン情報と、画素部３の位置情報とに基づき、４枚の高屈折率層２００Ｂを所定方向に変形させることで得ることができる。

[第３例の集光素子の設計方法]
以上のような第３例の集光素子１３-3における高屈折率層２００Ｂのパターン設計には、特開２００９−１５３１５号公報におけるマスクパターンの製法の何れかを適用すればよい。図４３は、以上のような第３例の集光素子１３-3の設計方法の一例を説明するための図であり、先の図４２と共に設計方法の一例を説明する。

これらの図を用いて説明される設計方法は、撮像領域４の中心位置と、着目する画素部３の座標位置との関係から、各画素部３に配置される集光素子１３-3における高屈折率層２００Ｂのパターン設計を行う方法である。

この場合先ず、撮像領域４の中心の座標（ｘ，ｙ）＝（０，０）を原点とし、この原点に配置される画素部３（ｘ０，ｙ０）に対して、座標＝（０，０）を付与する。そして、その+ｘ方向隣の画素部３（ｘ１，ｙ０）に対して座標＝（１，０）を付与し、さらにその＋ｘ方向隣の画素部３（ｘ２，ｙ０）に対して座標＝（２，０）を付与し…、すべての画素部３に座標を付与する。

また撮像領域４を、座標の原点（ｘ，ｙ）＝（０，０）に対して、第１象限（＋ｘ、＋ｙ）、第２象限（−ｘ、＋ｙ）、第３象限（−ｘ、−ｙ）、第４象限（＋ｘ、−ｙ）の４つの領域に分ける。

またさらに、ｘｙ座標を付与した各画素部３に、計算用のＸ軸とＹ軸を決める。各画素部３におけるＸＹ原点は、第１象限〜第４象限のそれぞれにおいて異なる、第１象限では画素部３の右上の角、第２象限では画素部３の左上の角、第３象限では画素部３の左下の角、第４象限では画素部３の右下の角とする。これにより、撮像領域４の全面においては、左右対称性および上下対称性が保たれるようにする。

その後、例えば第１象限〜第４象限を代表し、第３象限における手順を説明すると、先ず、第３象限の左下コーナー寄りに存在する画素部３（ｘａ，ｙｂ）に着目する。この画素部３（ｘａ，ｙｂ）は、撮像領域４全体中においても左下側（図面上−ｘ，−ｙ側）の領域に位置する。このような画素部３（ｘａ，ｙｂ）には、図３８を用いて説明した第３例の集光素子（その３）のように、４枚の高屈折率層２００Ｂが、素子内において撮像領域４の中心側に偏って配置される。

そこで、画素部３（ｘａ，ｙｂ）における４枚の高屈折率層２００Ｂを、それぞれの頂点の座標（頂点座標）を使って数式化する。

先ず図４３に示すように、画素部３（ｘａ，ｙｂ）の中心に最も近く配置される高屈折率層２００Ｂ-1に着目したとき、４つの頂点座標を（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ１，Ｙ２）とする。そして、この高屈折率層２００Ｂ-1を規定する設計式ｆ１（ｘａ，ｙｂ）を、下記式（２）および式（３）のように定義する。なお、係数ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５，ｓ６，ｓ７，ｓ８，ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４は定数となる。また、｜ｘａ｜，｜ｙｂ｜は、それぞれｘａ，ｙｂの絶対値を示す。

同様にして、画素部３（ｘａ，ｙｂ）に配置される残りの高屈折率層２００Ｂ-2〜２００Ｂ-4についても、設計式ｆ２（ｘａ，ｙｂ）〜ｆ４（ｘａ，ｙｂ）で定義する。また同様に、全ての画素部３について、高屈折率層２００Ｂ-1〜２００Ｂ-4を設計式ｆ１（ｘａ，ｙｂ）〜ｆ４（ｘａ，ｙｂ）で定義する。

そして以上のような設計式を、全て矛盾なく成り立つように係数ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５，ｓ６，ｓ７，ｓ８，ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４を設定すれば良い。

尚、第１象限〜第４象限において、先に説明したような各画素部３のＸ，Ｙ座標の原点・方向の取り方をすることにより、象限に関わらず、各設計式ｆ1〜ｆ4の係数ｓの正負の関係は、全ての象限で同じで成り立つ。これは、画素部のシフト方向に着目したとき、撮像領域の四隅から中央の画素部３（ｘａ，ｙａ）＝（０，０）に画素位置をシフトさせる設計式であるので、そのシフト方向に沿ってＸ，Ｙ座標の原点・方向を取ることで、左右対称性や上下対称性が保たれることに起因する。

以上により、各画素部３の集光素子１３に配置される高屈折率層２００Ｂを、頂点座標としてパターン設計することが可能になる。

≪９．実施形態に用いられる集光素子の第４例≫
［第４例の集光素子…積層型］
図４４は、上述した各実施形態に用いられる集光素子の第４例の構成を説明する断面模式図である。

この図に示す集光素子１３-4も、他の例と同様に屈折率の異なる光透過性材料の分布によって集光機能を持たせたものであり、低屈折率層２００Ａ間に配置された高屈折率層２００Ｂの積層位置と大きさを調整することにより集光機能と斜め補正機能とを得ている。

この場合、撮像領域の中心に配置される集光素子１３-4には、光Ｈが垂直に(入射角度＝０°）で入射する。このため撮像領域の中心に配置される集光素子１３-4は、画素サイズよりも一回り小さな高屈折率層２００Ｂと、この上部の中央に偏ることなくさらに一回り小さな高屈折率層２００Ｂを積層させた構成である。したがって、撮像領域の中心に配置される集光素子１３-4は、非対称性がゼロであり、集光素子１３-4の機械的な中心に向かって、全方向から均等に高屈折率層２００Ｂの配置状態が徐々に密になっている。

これに対して、撮像領域の端部に配置される集光素子１３-4には、撮像領域の中心側から斜めに光Ｈが入射する。このため、撮像領域の端部に配置される集光素子１３-4は、画素サイズよりも一回り小さな高屈折率層２００Ｂと、この上部の撮像領域の中心側に偏った位置にさらに一回り小さな高屈折率層２００Ｂを積層させた非対称な構成である。この際、撮像領域の端部ほど、斜め入射光の入射角度が大きくなる。このため、撮像領域の端部に配置される集光素子１３-4ほど、非対称性を高めた構成であり、上部に積層させる高屈折率層２００Ｂの撮像領域の中心方向への偏り大きくする。

このような構成の集光素子１３-4であっても、他の例の集光素子と同様に、撮像領域の端部に配置される集光素子１３-4ほど、主光線が斜め入射するのを補正して集光素子１３-4による集光ポイントを画素中心に持っていく構成とすることができる。

≪１０．電子機器の実施形態≫
上述の各実施形態で説明した本技術に係る積層型の固体撮像装置は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器、などの電子機器に適用することができる。

図４５は、本技術に係る電子機器の一例として、固体撮像装置を用いたカメラの構成図を示す。本実施形態例に係るカメラは、静止画像又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。本実施形態例のカメラ９１は、固体撮像装置１と、固体撮像装置１の受光センサ部に入射光を導く光学系９３と、シャッタ装置９４と、固体撮像装置１を駆動する駆動回路９５と、固体撮像装置１の出力信号を処理する信号処理回路９６とを有する。

固体撮像装置１は、上述した各実施形態で説明した構成の固体撮像装置（１-1，１-2，１-3）が適用される。光学系（光学レンズ）９３は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の撮像面上に結像させる。光学系９３は、複数の光学レンズから構成された光学レンズ系としても良い。シャッタ装置９４は、固体撮像装置１への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路９５は、固体撮像装置１の転送動作及びシャッタ装置９４のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路９５から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１の信号転送を行う。信号処理回路９６は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、或いは、モニタに出力される。

以上説明した本実施形態に係る電子機器によれば、複数の光電変換部を画素部において積層させた積層型でありながらも、色シェーディングの発生が防止された固体撮像装置を用いたことにより、小型化および撮像画像の高品質化を達成することが可能になる。

図４６は、実施例および比較例の固体撮像装置について、入射角度を変化させた場合の各色光の規格化感度のシミュレーション結果を示す図である。

実施例の固体撮像装置としては、図２を用いて説明した第１実施形態の固体撮像装置１-1を採用した。集光素子１３としては、図２８に示した実施例構造２の非対称な集光素子１３-2を用いた。この実施例については、半導体層２１の最も深い位置に設けた赤色（Ｒ）の光電変換部２３ｒについて、＋ｘ方向に入射角度０°〜２５°の範囲においての規格化感度をシミュレーションした。その結果を、図４６中のＲに示した。

また比較例の固体撮像装置としては、第1実施形態の固体撮像装置１-1における集光素子１３を、通常の対称型の凸レンズに変更した構成を採用した。この比較例については、各色の光電変換部２３ｒ、２３ｂ、４１ｇについて、＋ｘ方向に入射角度０°〜２５°の範囲においての規格化感度をシミュレーションした。その結果を、図４６中のｒ，ｇ，ｂに示した。また、青色の光電変換部２３ｂについては、−ｘ方向に入射角度０°〜２５°の範囲においての規格化感度をシミュレーションした。その結果を図４６中のｂ（−）に示した。

尚、規格化感度は、半導体層２１に設けた赤色（Ｒ）の光電変換部２３ｒでλ＝６５０ｎｍ、青色（Ｂ）の光電変換部２３ｂでλ＝４５０ｎｍとした。また、光電変換膜（膜厚１．３７μｍ）を用いた緑色（Ｇ）の光電変換部４１ｇでλ＝５５０ｎｍとした。

図４６に示すように、通常の対称型の凸レンズを集光素子として設けた比較例の構成の結果ｒ，ｇ，ｂ，ｂ（−）では、光の入射角度が大きくなると感度が低下し、特に最も深い位置に設けた赤色（Ｒ）の光電変換部２３ｒの感度低下が著しい。これに対して、本技術構成のように非対称な集光素子１３を設けた実施例の構成の結果Ｒでは、光の入射角度が大きくなっても赤色（Ｒ）の光電変換部２３ｒの感度低下が抑えられていることがわかる。これにより、大きい入射角度で入射光であっても、非対称な集光素子１３によって斜め入射光が垂直な入射角度に補正され、深い位置に配置された赤色の光電変換部２３ｒにおいての光吸収が十分になされていることが確認された。

また以上のように、一つの画素部３内に積層した各光電変換部２３ｒ、２３ｂ、４１ｇにおいての光吸収が十分になされることにより、同一の画素部３内においては青色用のプラグ領域２５ｂや緑色用のプラグ領域への等への光の漏れ込みが防止され、さらに隣接する画素部３への光の漏れ込みが防止されることが確認された。

また図４７は、実施例および比較例の固体撮像装置に対して行った波動シミュレーションの結果を示す図である。図４７Ａは本技術を適用した実施例の結果であり、図４７Ｂは比較例の結果である。

実施例の固体撮像装置としては、図２を用いて説明した第１実施形態の固体撮像装置１-1を採用した。集光素子１３としては、図２８に示した実施例構造２の非対称な集光素子１３-2を用いた。また比較例の固体撮像装置としては、図６を用いて説明した第３実施形態の瞳補正を組み合わせた固体撮像装置１-3における集光素子１３を、通常の対称型の凸レンズ１０３に変更した構成を採用した。

これらの実施例および比較例の固体撮像装置に対して、＋ｘ方向から入射角度２５°で波長λ＝４５０ｎｍの光Ｈを入射させた。

図４７Ｂに示す、通常の対称型の凸レンズ１３０を瞳補正した位置に設けた構成では、凸レンズ１３０で集光されて半導体層２１内に達した光Ｈは、赤色（Ｒ）用の光電変換部２３ｒに隣接する青色用のプラグ領域２５ｂにまで漏れ込んでいることがわかる。これに対して図４７Ａに示す、本技術を適用して非対称の集光素子１３を設けた構成では、集光素子１３で集光された光Ｈは、非対称な集光素子１３によって斜め補正され、半導体層２１に対して入射角度＝０°で入射されている。これにより、半導体層２１内に達した光Ｈは、赤色（Ｒ）用の光電変換部２３ｒで吸収され、隣接する青色用のプラグ領域２５ｂに対する漏れ込みがほとんど無いことがわかる。

本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
複数の画素部が配列された撮像領域と、
前記各画素部において各色に対応して積層された複数の光電変換部と、
前記各画素部において前記光電変換部に対する受光面側に配置され、前記撮像領域の中心から離れるほど非対称性を高めたことにより、当該受光面に対する斜め入射光の主光線を当該受光面に対して垂直に近づけて集光させる複数の集光素子とを備えた
固体撮像装置。

（２）
前記各集光素子は、光透過性材料の分布によって前記非対称性を得ている
（１）記載の固体撮像装置。

（３）
前記各集光素子は、前記撮像領域の中心から離れるほど前記光電変換部に対する配置位置が当該撮像領域の中心に向かって大きくずれて配置されている
（１）または（２）に記載の固体撮像装置。

（４）
前記各集光素子を通過した前記主光線の入射角度θは、前記画素部の幅をｗ、集光素子と光電変換部の最深部との間隔をｄとした場合、ｔａｎθ≦ｗ／（２ｄ）である
（１）〜（３）の何れかに記載の固体撮像装置。

（５）
前記撮像領域は、半導体層を備え、
前記画素部に積層された前記複数の光電変換部は、前記半導体層内に積層されている
（１）〜（４）の何れかに記載の固体撮像装置。

（６）
前記撮像領域は、半導体層と、当該半導体層上に積層された光電変換膜とを備え、
前記画素部に積層された前記複数の光電変換部は、前記半導体層内に積層された複数の光電変換部と、前記光電変換膜に設けられた光電変換部とである
（１）〜（４）の何れかに記載の固体撮像装置。

（７）
前記各集光素子は、前記撮像領域の中心から離れるほど前記半導体層内に積層された光電変換部に対する配置位置が当該撮像領域の中心に向かって大きくずれて配置され、
前記光電変換膜に設けられた光電変換部は、前記集光素子のズレ幅の範囲内において、前記撮像領域の中心から離れるほど前記半導体層内に積層された光電変換部に対する配置位置が当該撮像領域の中心に向かって大きくずれて配置されている
（６）記載の固体撮像装置。

（８）
複数の画素部が配列された撮像領域と、
前記各画素部において各色に対応して積層された複数の光電変換部と、
前記各画素部において前記光電変換部に対する受光面側に配置され、前記撮像領域の中心から離れるほど非対称性を高めたことにより、当該受光面に対する斜め入射光の主光線を当該受光面に対して垂直に近づけて集光させる複数の集光素子と、
前記撮像領域に入射光を導く光学系とを備えた
電子機器。

１，１-1，１-2，１-3…固体撮像装置
３…画素部
４…撮像領域
１３，１３-1，１３-2，１３-3a，１３-3b，１３-3c，１３-3d，１３-4…集光素子
２１…半導体層
２３ｂ…光電変換部[青色（Ｂ）用]
２３ｇ…光電変換部[緑色（Ｇ）用]
２３ｒ…光電変換部[赤色（Ｒ）用]
４１…光電変換膜
４１ｇ…光電変換部[緑色（Ｇ）用]
２００Ａ…低屈折率層（光透過性材料）
２００Ｂ…高屈折率層（光透過性材料）
Ａ…受光面、
ｄ…集光素子と光電変換部の最深部との間隔
ｈ０…主光線（集光素子通過前）
ｈ…主光線（集光素子通過後）
ｗ…画素部の幅
θ０…入射角度（集光素子通過前）、
θ…入射角度（集光素子通過後）

Claims (8)

1. 複数の画素部が配列された撮像領域と、
   前記各画素部において各色に対応して積層された複数の光電変換部と、
   前記各画素部において前記光電変換部に対する受光面側に配置され、前記撮像領域の中心から離れるほど非対称性を高めたことにより、当該受光面に対する斜め入射光の主光線を当該受光面に対して垂直に近づけて集光させる複数の集光素子とを備えた
   固体撮像装置。
2. 前記各集光素子は、光透過性材料の分布によって前記非対称性を得ている
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記各集光素子は、前記撮像領域の中心から離れるほど前記光電変換部に対する配置位置が当該撮像領域の中心に向かって大きくずれて配置されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記各集光素子を通過した前記主光線の入射角度θは、前記画素部の幅をｗ、集光素子と光電変換部の最深部との間隔をｄとした場合、ｔａｎθ≦ｗ／（２ｄ）である
   請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記撮像領域は、半導体層を備え、
   前記画素部に積層された前記複数の光電変換部は、前記半導体層内に積層されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記撮像領域は、半導体層と、当該半導体層上に積層された光電変換膜とを備え、
   前記画素部に積層された前記複数の光電変換部は、前記半導体層内に積層された複数の光電変換部と、前記光電変換膜に設けられた光電変換部とである
   請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記各集光素子は、前記撮像領域の中心から離れるほど前記半導体層内に積層された光電変換部に対する配置位置が当該撮像領域の中心に向かって大きくずれて配置され、
   前記光電変換膜に設けられた光電変換部は、前記集光素子のズレ幅の範囲内において、前記撮像領域の中心から離れるほど前記半導体層内に積層された光電変換部に対する配置位置が当該撮像領域の中心に向かって大きくずれて配置されている
   請求項６記載の固体撮像装置。
8. 複数の画素部が配列された撮像領域と、
   前記各画素部において各色に対応して積層された複数の光電変換部と、
   前記各画素部において前記光電変換部に対する受光面側に配置され、前記撮像領域の中心から離れるほど非対称性を高めたことにより、当該受光面に対する斜め入射光の主光線を当該受光面に対して垂直に近づけて集光させる複数の集光素子と、
   前記撮像領域に入射光を導く光学系とを備えた
   電子機器。