JP2015065268A - レンズアレイおよびその製造方法、固体撮像装置、並びに電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】画質の劣化を抑えつつ、AF特性を向上させる。【解決手段】レンズアレイは、撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズを備え、マイクロレンズは、そのレンズ面が実質的に球面をなし、平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成される。本技術は、例えばCMOSイメージセンサのレンズアレイに適用することができる。【選択図】図１５

Description

本技術は、レンズアレイおよびその製造方法、固体撮像装置、並びに電子機器に関し、特に、画質の劣化を抑えつつ、AF特性を向上させることができるようにするレンズアレイおよびその製造方法、固体撮像装置、並びに電子機器に関する。
撮像装置において、自動的に焦点が合った状態（合焦状態）にするAF（Auto Focus）方式は、大別すると、コントラスト検出方式と位相差検出方式とに分類される。位相差検出方式は、コントラスト検出方式に比べて高速AF動作が可能である点で優れている。
位相差検出方式としては、瞳分割型位相差検出方式が一般に知られている。瞳分割型位相差検出方式は、同一受光領域（撮像領域）に撮像画素とは別に、位相差検出用（焦点検出用）の画素（以下、位相差検出画素という）を設けて撮像面でAF測距する、すなわち、焦点のずれ方向およびずれ量を表す位相差検出信号を得る、という方式である。
固体撮像装置の撮像領域に位相差検出画素を組み込んだ場合、撮像画素の高い感度特性を維持しつつ、位相差検出画素の位相差検出の感度を高め、AF特性を向上させる必要がある。そのため、従来は、画素に対応して開口部を有して形成された遮光膜を、撮像画素と比較してその開口部を小さく形成し、かつ、位相差検出画素に対応するマイクロレンズの焦点を前ピンにするようにしていた（例えば、特許文献１参照）。ここで、「前ピン」とは、ピント（焦点）が被写体よりも手前にずれている状態を言う。
特開２００９−１０９９６５号公報
しかしながら、特許文献１の技術では、位相差検出画素に対応するマイクロレンズの焦点を前ピンにするために、そのマイクロレンズの平面視における形状を円形としているため、隣接画素との間に隙間ができてしまう。
その結果、隙間に入り込んだ光が隣接画素に入射することで混色が発生したり、マイクロレンズで集光しきれなかった光がマイクロレンズより下層に形成されている配線メタル等に反射することでフレアが発生し、出力される画像の画質が劣化するおそれがあった。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、画質の劣化を抑えつつ、AF特性を向上させることができるようにするものである。
本技術の一側面のレンズアレイは、撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズを備え、前記マイクロレンズは、そのレンズ面が実質的に球面をなし、平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成される。
前記マイクロレンズは、平面視において正方形形状に形成され、前記対辺中央部の断面における前記レンズ面の曲率半径である第１の曲率半径と、前記対角境界部の断面における前記レンズ面の曲率半径である第２の曲率半径とは略等しくなるように形成されるようにすることができる。
前記位相差検出画素の画素サイズは、３μｍ以上とされ、前記レンズ面の曲率半径ｒが、前記レンズ面の頂点を通る断面での底面の幅ｄと、前記底面を基準とした前記レンズ面の頂点の高さｔとを用いて、ｒ＝（ｄ２＋４ｔ２）／８ｔで表される場合、前記第１の曲率半径ｒ１と前記第２の曲率半径ｒ２との比である曲率半径比ｒ１／ｒ２は、0.98乃至1.20の範囲に含まれる値とされるようにすることができる。
前記レンズ面表面に、反射防止膜として、少なくとも１層の無機膜が形成されるようにすることができる。
前記無機膜は、前記第１の曲率半径ｒ１と前記第２の曲率半径ｒ２との差を小さくするようにすることができる。
本技術の一側面のレンズアレイの製造方法は、撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズを備えるレンズアレイの製造方法であって、前記マイクロレンズを、そのレンズ面を実質的に球面とし、平面視において矩形形状に形成するとともに四隅の角を略角取りされることなく形成し、断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面を、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成するステップを含む。
本技術の一側面の固体撮像装置は、撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズを備え、前記マイクロレンズが、そのレンズ面が実質的に球面をなし、平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成されるレンズアレイを備える。
本技術の一側面の電子機器は、撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズを備え、前記マイクロレンズが、そのレンズ面が実質的に球面をなし、平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成されるレンズアレイを備える固体撮像装置を備える。
本技術の一側面においては、マイクロレンズが、そのレンズ面が実質的に球面をなし、平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成される。
本技術の一側面によれば、画質の劣化を抑えつつ、AF特性を向上させることが可能となる。
本技術を適用したイメージセンサの一実施の形態を示すブロック図である。 単位画素の回路構成の例を示す図である。 撮像画素および位相差検出画素の構造例を示す断面図である。 位相差検出画素の遮光膜の例を示す図である。 従来の位相差検出画素における焦点位置について説明する図である。 本技術のマイクロレンズの構成例を示す平面図である。 本技術の位相差検出画素における焦点位置について説明する図である。 本技術のマイクロレンズの曲率半径について説明する図である。 従来のドライエッチング法について説明する図である。 画素サイズに対する隣接画素に対応するレジストパターン間の距離について説明する図である。 マイクロレンズの形成の流れについて説明する図である。 画素サイズに対する曲率半径比について説明する図である。 画素サイズと曲率半径比との依存関係について説明する図である。 マイクロレンズ形成処理の例について説明するフローチャートである。 マイクロレンズの形成の工程について説明する図である。 マイクロレンズ形成処理の他の例について説明するフローチャートである。 マイクロレンズの形成の工程について説明する図である。 画素サイズに対する曲率半径比について説明する図である。 表面照射型の固体撮像装置の構成例を示す断面図である。 裏面照射型の固体撮像装置の構成例を示す断面図である。 下凸層内レンズを有する位相差検出画素の構成例を示す断面図である。 下凸層内レンズの円周方向の位置と曲率半径について説明する図である。 上凸層内レンズを有する位相差検出画素の構成例を示す断面図である。 上凸層内レンズの円周方向の位置と曲率半径について説明する図である。 本技術を適用した電子機器の一実施の形態を示すブロック図である。
以下、本技術の実施の形態について図を参照して説明する。
＜固体撮像装置の構成例＞
図１は、本技術が適用される固体撮像装置の一実施の形態を示すブロック図である。以下においては、増幅型固体撮像装置の１つであるCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサの構成について説明する。なお、本技術は、CMOSイメージセンサへの適用に限られるものではなく、他の増幅型固体撮像装置やCCD（Charge Coupled Device）イメージセンサ等の電荷転送型の固体撮像装置にも適用可能である。
図１に示されるCMOSイメージセンサ１０は、半導体基板（以下、チップともいう）１１上に形成された画素アレイ部１２と、画素アレイ部１２と同じチップ１１上に集積された周辺回路部とを有する構成となっている。本例では、周辺回路部として、例えば、行走査部１３、カラム処理部１４、列走査部１５、およびシステム制御部１６が設けられている。
画素アレイ部１２には、入射光の光量に応じた電荷量の光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換部を有する単位画素（以下、単に画素ともいう）が行列状に２次元配置されている。ここで言う「単位画素」とは、撮像信号を得るための撮像画素である。単位画素（撮像画素）の具体的な回路構成については後述する。
さらに、画素アレイ部１２には、行列状の画素配列に対して画素行毎に画素駆動線１７が行方向（画素行の画素の配列方向）に沿って配線され、画素列毎に垂直信号線１８が列方向（画素列の画素の配列方向）に沿って配線されている。画素駆動線１７は、行走査部１３から行単位で出力される、画素を駆動するための駆動信号を伝送する。図１では、画素駆動線１７について１本の配線として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線１７の一端は、行走査部１３の各行に対応した出力端に接続されている。
行走査部１３は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、画素アレイ部１２の各画素を、例えば行単位で駆動する。ここでは、行走査部１３の具体的な構成については図示を省略するが、一般的に、読出し走査系と掃出し走査系の２つの走査系を有する構成となっている。
読出し走査系は、単位画素から信号を読み出すために、画素アレイ部１２の単位画素を行単位で順に選択走査する。単位画素から読み出される信号はアナログ信号である。掃出し走査系は、読出し走査系によって読出し走査が行われる読出し行に対して、その読出し走査よりもシャッタスピードの時間分だけ先行して掃出し走査を行う。
この掃出し走査系による掃出し走査により、読出し行の単位画素の光電変換部から不要な電荷が掃き出されることによって光電変換部がリセットされる。そして、この掃出し走査系による不要電荷の掃き出し（リセット）により、いわゆる電子シャッタ動作が行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換部の光電荷を捨てて、新たに露光を開始する（光電荷の蓄積を開始する）動作のことをいう。
読出し走査系による読出し動作によって読み出される信号は、その直前の読出し動作または電子シャッタ動作以降に入射した光量に対応するものである。そして、直前の読出し動作による読出しタイミングまたは電子シャッタ動作による掃出しタイミングから、今回の読出し動作による読出しタイミングまでの期間が、単位画素における光電荷の蓄積期間（露光期間）となる。
行走査部１３によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、垂直信号線１８の各々を通してカラム処理部１４に供給される。カラム処理部１４は、画素アレイ部１２の画素列毎に、選択行の各画素から垂直信号線１８を通して出力される信号に対して所定の信号処理を施すとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
具体的には、カラム処理部１４は、単位画素の信号を受け、その信号に対して、例えばCDS(Correlated Double Sampling）によるノイズ除去、信号増幅、AD（Analog-Digital）変換等の信号処理を行う。ノイズ除去処理により、リセットノイズや増幅トランジスタの閾値ばらつき等といった画素固有の固定パターンノイズが除去される。なお、ここで例示した信号処理は一例に過ぎず、信号処理としてはこれらに限られるものではない。
列走査部１５は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、カラム処理部１４の画素列に対応する単位回路を順番に選択する走査を行う。列走査部１５による選択走査により、カラム処理部１４の各単位回路で信号処理された画素信号が順番に水平バス１９に出力され、水平バス１９を通してチップ１１の外部へ伝送される。
システム制御部１６は、チップ１１の外部から与えられるクロックや、動作モードを指令するデータ等を受け取り、また、CMOSイメージセンサ１０の内部情報等のデータを出力する。さらに、システム制御部１６は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータを有し、そのタイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に行走査部１３、カラム処理部１４、および列走査部１５等の周辺回路部の駆動制御を行う。
＜単位画素の回路構成＞
図２は、単位画素の回路構成の一例を示す回路図である。
図２に示されるように、単位画素２０は、光電変換部として、例えばフォトダイオード２１を有している。また、単位画素２０は、フォトダイオード２１に加えて、例えば、転送トランジスタ（読出しゲート部）２２、リセットトランジスタ２３、増幅トランジスタ２４、および選択トランジスタ２５の４つのトランジスタを有している。
ここでは、４つのトランジスタとして、例えばＮチャネルのMOSトランジスタが用いられている。ただし、ここで例示した転送トランジスタ２２、リセットトランジスタ２３、増幅トランジスタ２４、および選択トランジスタ２５の導電型の組み合わせは一例に過ぎず、これらの組み合わせに限られるものではない。
また、単位画素２０に対して、画素駆動線１７として、例えば、転送線１７ａ、リセット線１７ｂ、および選択線１７ｃの３本の駆動配線が同一画素行の各画素について共通に設けられている。転送線１７ａ、リセット線１７ｂ、および選択線１７ｃは、それぞれの一端が行走査部１３の各画素行に対応した出力端に画素行単位で接続されており、単位画素２０を駆動する駆動信号である転送パルスφTRF、リセットパルスφRST、および選択パルスφSELを伝送する。
フォトダイオード２１は、アノード電極が負側電源（例えば、グランド）に接続されており、受光した光（入射光）をその光量に応じた電荷量の光電荷に光電変換してその光電荷を蓄積する。フォトダイオード２１のカソード電極は、転送トランジスタ２２を介して増幅トランジスタ２４のゲート電極と電気的に接続されている。増幅トランジスタ２４のゲート電極と電気的に繋がったノードを、FD（フローティングディフュージョン）部２６という。
転送トランジスタ２２は、フォトダイオード２１のカソード電極とFD部２６との間に接続されている。転送トランジスタ２２のゲート電極には、高レベル（例えば、Vddレベル）がアクティブ（以下、Highアクティブという）の転送パルスφTRFが転送線１７ａを介して与えられる。これにより、転送トランジスタ２２は導通状態となり、フォトダイオード２１で光電変換された光電荷がFD部２６に転送される。
リセットトランジスタ２３は、ドレイン電極が画素電源Vddに、ソース電極がFD部２６にそれぞれ接続されている。リセットトランジスタ２３のゲート電極には、HighアクティブのリセットパルスφRSTがリセット線１７ｂを介して与えられる。これにより、リセットトランジスタ２３は導通状態となり、FD部２６の電荷を画素電源Vddに捨てることによってFD部２６がリセットされる。
増幅トランジスタ２４は、ゲート電極がFD部２６に、ドレイン電極が画素電源Vddにそれぞれ接続されている。そして、増幅トランジスタ２４は、リセットトランジスタ２３によってリセットされた後のFD部２６の電位をリセット信号（リセットレベル）Vrstとして出力する。さらに、増幅トランジスタ２４は、転送トランジスタ２２によって信号電荷が転送された後のFD部２６の電位を光蓄積信号（信号レベル）Vsigとして出力する。
選択トランジスタ２５は、例えば、ドレイン電極が増幅トランジスタ２４のソース電極に、ソース電極が垂直信号線１８にそれぞれ接続されている。選択トランジスタ２５のゲート電極には、Highアクティブの選択パルスφSELが選択線１７ｃを介して与えられる。これにより、選択トランジスタ２５は導通状態となり、単位画素２０を選択状態として増幅トランジスタ２４から供給される信号が垂直信号線１８に出力される。
図２の例では、選択トランジスタ２５を、増幅トランジスタ２４のソース電極と垂直信号線１８との間に接続する回路構成としたが、選択トランジスタ２５を、画素電源Vddと増幅トランジスタ２４のドレイン電極との間に接続する回路構成を採ることも可能である。
また、単位画素２０は、上述した４つのトランジスタからなる画素構成のものに限られるものではない。例えば、増幅トランジスタ２４と選択トランジスタ２５とを兼用した３つのトランジスタからなる画素構成のもの等であってもよく、その画素回路の構成は問わない。
＜位相差検出画素の構造例＞
上述したCMOSイメージセンサ１０は、瞳分割型の位相差検出を実現するために、位相差検出信号を得るための位相差検出画素を備える。位相差検出信号は、焦点のずれ方向（デフォーカス方向）およびずれ量（デフォーカス量）を表す信号である。
位相差検出画素は、撮像画素（単位画素２０）が行列状に２次元配置されてなる、図１に示す画素アレイ部１２（有効画素領域）内に混在して設けられる。具体的には、位相差検出画素は、有効画素領域内において、例えば、左右上下方向に交差した状態で設けられる。
図２に示した画素回路は、撮像画素と位相差検出画素に共通の画素回路である。構造の点では、位相差検出画素は撮像画素と若干異なる。ここで、位相差検出画素の構造の一例について、図３および図４を用いて説明する。図３は撮像画素および位相差検出画素の断面図を、図４は位相差検出画素の遮光膜の平面図をそれぞれ示している。
撮像画素２０および位相差検出画素４０は、半導体基板１１の表層部に光電変換部であるフォトダイオード２１が形成され、フォトダイオード２１の受光面側に、遮光膜４１が配された構成となっている。撮像画素２０における遮光膜４１は、フォトダイオード２１の受光面（受光領域）に対応して設けられた開口部４１Ａを有する。一方、位相差検出画素４０における遮光膜４１は、位相差を検出するための遮光膜であり、瞳分割された光の一方を通過する開口部４１Ａを有する。位相差検出画素４０は、遮光膜４１に設けられた開口部４１Ａの大きさが、構造上、撮像画素２０と異なる。位相差検出画素４０における遮光膜４１の開口部４１Ａは、図４に示されるように、平面視で単位画素の半分程度の大きさを有する。
図３に示されるように、遮光膜４１は、配線層４２の一部として、具体的には、配線層４２の最下部の配線層を遮光膜として兼ねた状態で形成されている。そして、遮光膜４１および配線層４２を含む層間絶縁膜４３の上には絶縁膜４４が、絶縁膜４４の上にはカラーフィルタ４５が、カラーフィルタ４５の上にはアクリル系樹脂等からなる平坦化膜４６が、平坦化膜４６の上にはマイクロレンズ（オンチップレンズ）４７が順に積層されている。
なお、遮光膜４１は、配線層４２の最下部の配線層を兼ねて形成される他、配線層４２とは別に専用に形成されるようにしてもよい。遮光膜４１は、タングステン（Ｗ）やチタン（Ti）、アルミニウム（Al）、銅（Cu）等の遮光性を有する材料によって形成される。なお、図４Ａ，Ｂに示される遮光膜４１の構造は、位相差検出画素を有効画素領域内において左右方向に配置し、射出瞳からの左右の光束を分離する場合のものである。有効画素領域内において上下方向に配置する場合の位相差検出画素４０における遮光膜４１の構造は、図４Ａ，Ｂそれぞれにおいて、開口部４１Ａを９０°回転させた構造となる。
＜位相差検出画素における焦点位置＞
上述したように、位相差検出画素４０と撮像画素（単位画素）２０とは、構造上、遮光膜４１に設けられる開口部４１Ａの大きさが異なる他、マイクロレンズ４７の焦点距離も異なる。
撮像画素２０の高い感度特性を維持する上では、撮像画素２０に対応して形成されるマイクロレンズ（第１のマイクロレンズ）は、その焦点位置がフォトダイオード２１の受光面上に位置するように形成されるのが好ましい。一方、位相差検出画素４０の高い位相差検出特性を維持する上では、位相差検出画素４０に対応して形成されるマイクロレンズ（第２のマイクロレンズ）は、その焦点位置が遮光膜４１に位置するように形成されるのが好ましい。
このような理由から、位相差検出画素４０に対応して形成されるマイクロレンズは、撮像画素２０に対応して形成されるマイクロレンズに比べて焦点距離が短くなるように形成されるのが好ましい。焦点距離が短くなるということは、位相差検出画素４０に対応して形成されるマイクロレンズの焦点位置が、フォトダイオード２１の受光面から離れた位置に存在するということである。
ここで、図５を参照して、一般的に位相差検出画素４０に対応して形成されるマイクロレンズ４７と遮光膜４１との関係について説明する。図５Ａはマイクロレンズ４７の対辺方向の断面を、図５Ｂはマイクロレンズ４７の対角方向の断面をそれぞれ模式的に示している。なお、マイクロレンズ４７は、平面視において、略正方形形状に形成されているものとする。
ここで、対辺方向は、画素アレイ方向を示している。画素アレイ方向は、例えば、図１に示される行方向ｘまたは列方向ｙとされる。本例では、対辺方向は、図１の画素アレイ部１２の横方向を示すものとする。また、対角方向は、正方形形状に形成されているマイクロレンズ４７における対角の方向とされる。したがって、対角方向は、画素アレイ方向に対して傾いており、本例では、対辺方向は、図１の画素アレイ部１２の斜め方向を示すものとする。
マイクロレンズ４７には、図示せぬ撮像レンズの射出瞳の領域から光（光束）が入射する。そして、マイクロレンズ４７を通過した光は、平面視で単位画素の半分程度の大きさの開口部４１Ａを有する遮光膜４１へと導かれる。図５の例では、遮光膜４１の左側半分が開口部４１Ａとなっているので、射出瞳の領域から入射される右側の光のみが開口部４１Ａを通過し、遮光膜４１の下方に位置するフォトダイオード２１に導かれるのが好ましい。このとき、射出瞳の領域から入射される左側の光は遮光膜４１で遮光される。
マイクロレンズ４７の幅寸法が短い対辺方向（横方向）のレンズ部分においては、図５Ａに示されるように、その断面におけるレンズ面の曲率半径r1は、焦点位置fpが遮光膜４１の位置となるように設計されているため、射出瞳の左右から入射される光はそれぞれ良好に遮光膜４１の開口部４１Ａを通過するか、または、遮光膜４１で遮光される。
しかしながら、横方向のレンズ部分より幅寸法が長い対角方向（斜め方向）のレンズ部分においては、その底面が、横方向のレンズ部分の底面と同一平面上に形成されるため、図５Ｂに示されるように、その断面におけるレンズ面の曲率半径r2は、横方向の断面におけるレンズ面の曲率半径r1より大きくなり、焦点位置fpが遮光膜４１よりもフォトダイオード２１側の位置となってしまう。すなわち、焦点距離が長くなってしまうため、左右の光が遮光膜４１によって良好に分離されず、位相差検出画素４０の検出精度（以下、AF検出精度ともいう）が低下してしまう。
一方、本技術のCMOSイメージセンサ１０において、画素アレイ部１２に配置される画素に対応して形成されることでレンズアレイを構成するマイクロレンズ４７は、そのレンズ面が実質的に球面をなし、図６に示されるように、平面視において、単位画素の境界部に対応して、矩形形状（正方形形状）に形成されるとともに、四隅の角が略角取りされることなく形成される。具体的には、マイクロレンズ４７の四隅の角は、図６に示されるように、対角方向に隣接するマイクロレンズ４７の角同士の間隔ｃが、およそ可視光領域の光の波長である0.4μｍより小さくなるように形成される。
このように、隣接画素との隙間がほとんどないので、光が隣接画素に入射することによる混色や、光がマイクロレンズ４７より下層に形成されている配線層４２に反射することによるフレアを抑制し、画質の劣化を抑えることが可能となる。
さらに、本技術のCMOSイメージセンサ１０におけるマイクロレンズ４７は、断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面、すなわち、横方向（a-a'方向）の底面より、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面、すなわち、斜め方向（b-b'方向）の底面が低くなるように形成される。
ここで、図７を参照して、位相差検出画素４０に対応して形成される本技術のマイクロレンズ４７と遮光膜４１との関係について説明する。図７Ａはマイクロレンズ４７の対辺方向の断面を、図７Ｂはマイクロレンズ４７の対角方向の断面をそれぞれ模式的に示している。なお、以下においては、マイクロレンズ４７は、平面視において略正方形形状に形成されているものとして説明するが、平面視において略長方形形状に形成されるようにしてもよい。
マイクロレンズ４７の幅寸法が短い対辺方向（横方向）のレンズ部分においては、図７Ａに示されるように、その断面におけるレンズ面の曲率半径r1は、焦点位置fpが遮光膜４１の位置となるように設計されているため、射出瞳の左右から入射される光はそれぞれ良好に遮光膜４１の開口部４１Ａを通過するか、または、遮光膜４１で遮光されている。
また、横方向のレンズ部分より幅寸法が長い対角方向（斜め方向）のレンズ部分においては、その底面が、横方向のレンズ部分の底面より低く形成されることで、図７Ｂに示されるように、その断面におけるレンズ面の曲率半径r2は、横方向の断面におけるレンズ面の曲率半径r1と略等しくなり、焦点位置fpが遮光膜４１の位置となっている。このように、横方向と斜め方向とでレンズ部分の底面の位置が異なるようにマイクロレンズ４７を形成することで、横方向の良好な分離性を維持した上で、斜め方向の分離性を向上できるため、AF検出精度が良好となり、AF特性を向上させることが可能となる。
また、後述するように、本技術のマイクロレンズ４７は、画素サイズ（正方形形状の画素領域の一辺の長さ）が、３μｍ以上の位相差検出画素４０に適用されるものとする。
さらに、図８に示されるように、レンズ面の曲率半径ｒが、レンズ面の頂点を通る断面での底面の幅ｄと、その底面を基準としたレンズ面の頂点の高さｔとを用いて、ｒ＝（ｄ２＋４ｔ２）／８ｔで表される場合、本技術のマイクロレンズ４７において、図７に示される曲率半径ｒ１と曲率半径ｒ２との比である曲率半径比ｒ１／ｒ２は、0.98乃至1.20の範囲に含まれる値とされる。
＜マイクロレンズの形成手法＞
ところで、一般的なマイクロレンズの形成手法として、熱メルトフロー法とドライエッチング法とが知られている。
熱メルトフロー法は、感光性樹脂からなるマイクロレンズ材を基板に塗布した後、プリベーク、露光、現像、ブリーチング露光の各処理を順次行い、感光性樹脂の熱軟化点以上の温度で熱処理（熱メルトフロー）を行うことで、上に凸形状のレンズを形成する手法である。この熱処理において、流動した樹脂が接触すると、表面張力によりパターンが流れてしまい、レンズ形状が崩れてしまう。そこで、熱処理が行われる際には、隣接する画素同士に対応して形成された感光性樹脂パターン同士が融着しないように条件設定が行われる。
ドライエッチング法は、マイクロレンズ材を基板に形成した後、その上に感光性樹脂を塗布し、プリベーク、露光、現像の各処理を順次行い、感光性樹脂の熱軟化点以上の温度で熱処理を行い、上に凸形状のレンズ形状を有するマスク層を形成し、このマスク層を、その下地のマイクロレンズ材にエッチング転写する手法である。この手法によれば、マイクロレンズを、マスク層の寸法よりも平面的に大きく形成することができるので、有効面積の広い、集光性の高いレンズを形成することができる。
＜従来のドライエッチング法に対する検討＞
ここで、ドライエッチング法を用いたマイクロレンズの形成手法として、例えば、特開２００８−５２００４号公報に開示されている手法について検討する。
この手法においては、まず、図９左側に示されるように、平面視において円形で断面が矩形であるレジストパターン５１が、画素毎に形成される。次に、レジストパターン５１に、熱処理を施すことにより、図９右側に示されるように、レジストパターン５１の表面が球面レンズ形状に変形される。このとき、レジストパターン５１は、円周方向で曲率半径が略等しくなるように変形される。そして、隣接する画素に対応するレンズとの間隔を縮小させる条件で全面エッチバックを行い、レジストパターン５１を、その下地のマイクロレンズ材にエッチング転写することで、隣接する画素に対応するレンズとの間隔が縮小されたレンズアレイが形成される。
なお、本手法においても、球面レンズ形状のレジストパターン５１に形成時に熱処理が行われる際には、隣接する画素同士に対応して形成された感光性樹脂パターン同士が融着しないように条件設定が行われる。
図９右側に示されるように、横方向（対辺方向）に隣接する画素に対応するレジストパターン５１同士の間の距離をｗとすると、距離ｗは、用いられる露光装置や、材料種、プロセス条件（熱処理温度、時間等）で決まる。例えば、露光装置としてｉ線ステッパが用いられた場合、距離ｗは、0.2乃至0.6μｍ程度となる。ここで、図９左側に示されるように、画素サイズをａとし、図９右側に示されるように、斜め方向（対角方向）に隣接する画素に対応するレジストパターン５１同士の間の距離をｘとすると、距離ｘは、ｘ＝ａ×√２−（ａ−ｗ）という近似式で表される。
図１０は、上述した近似式に基づいて、距離ｗが0.35μｍとなるようにレジストパターン５１を形成した場合の、画素サイズａに対する距離ｘの関係を示した図である。
図１０に示されるように、画素サイズが大きくなる程、対角方向の距離ｘも大きくなる。
ところで、本技術のマイクロレンズは、平面視において実質的に画素領域と等しく形成されるので、その形成の工程で、距離ｗおよび距離ｘが０となるまでドライエッチング処理が施される必要がある。しかしながら、画素サイズが大きくなると、隣接する画素との距離ｗや距離ｘも大きくなるため、距離ｗおよび距離ｘを０とするためのドライエッチング処理に要する時間が長くなる。例えば、画素サイズが４μｍの場合のドライエッチング処理には、画素サイズが１μｍの場合のおよそ2.6倍の時間がかかってしまう。このように、ドライエッチング処理にかかる時間が長くなると、製造コストの増加や、固体撮像装置へのプラズマダメージ等の増加による特性劣化を招いてしまう。
＜本技術のマイクロレンズ形成手法について＞
次に、本技術のマイクロレンズ形成手法について説明する。
マイクロレンズ材が基板に形成された後、その上に感光性樹脂が塗布され、プリベークされた後、図１１Ａに示されるようなフォトマスク６１を用いて、露光が開始される。図１１Ａに示されるフォトマスク６１において、黒色部分は露光光を遮光する遮光部であり、白色部分は、露光光を透過する透過部である。なお、フォトマスク６１において、透過部は、露光によりレジストパターンが残る部分に対応し、透過部は、露光によりレジストパターンが現像除去される部分に対応する。
ここで、露光装置としては、例えば投影倍率が１／４倍の縮小露光装置が用いられ、露光光としては、ｉ線や、KrF，ArF等のエキシマレーザが用いられる。例えば、投影倍率が１／４倍の縮小露光装置で、露光光にｉ線が用いられた場合、フォトマスク６１において、横方向（対辺方向）に隣接する遮光部同士の間隔ｗは、1.4μｍとされる。この場合、投影倍率が１／４倍であるので、実際にパターン露光された場合の間隔は、0.35μｍとなる。
なお、図１１Ａに示されるフォトマスク６１において、単位画素に対応する遮光部の斜め（対角）方向の幅は、横方向の幅の√２倍とされる。
図１１Ｂは、フォトマスク６１を用いて露光され、テトラメチルハイドロオキシサイド等の有機アルカリ水溶液を用いて現像処理された、ノボラック系樹脂等を主成分としたポジ型フォトレジストパターンを示している。なお、単位画素に対応して形成されたフォトレジストパターン６２において、四隅の角は、露光時の光回折等の影響により若干丸みを帯びるため、フォトレジストパターン６２の斜め（対角）方向の幅は、横方向の幅の√２倍より若干小さくなる。
図１１Ｂの状態から、フォトレジストパターン６２に対して、その熱軟化点以上の温度でさらに熱処理が行われると、図１１Ｃに示されるように、フォトレジストパターン６２の表面は球面状になる。
図１１Ｃに示されるフォトレジストパターン６２が、その下地に形成されている、スチレン系樹脂等からなるマイクロレンズ材にエッチング転写される。このドライエッチング処理は、形成されるマイクロレンズの有効面積が実質的に画素領域と等しくなるまで拡大し、マイクロレンズ同士の間隔がなくなるまで、例えばフロロカーボン系のエッチングガスCF4を用いて行われる。結果として、図１１Ｄに示されるような、平面視において実質的に画素領域と等しいマイクロレンズ６３が形成される。
ここで、本出願人は、上述した手法によって、図１１Ａにおける間隔ｗを1.4μｍ一定としてマイクロレンズ６３を形成した場合の、画素サイズに対する曲率半径比（対辺方向の断面におけるレンズ面の曲率半径ｒ１／対角方向の断面におけるレンズ面の曲率半径ｒ２）の関係を調べた。その結果を図１２に示す。
図１２に示されるように、画素サイズが１乃至２μｍ程度であれば、曲率半径比は1.1より小さいが、画素サイズが２μｍを超えると、曲率半径比は1.2を超えてしまうことが判明した。
＜画素サイズと曲率半径比との依存関係＞
ここで、図１３を参照して、曲率半径比が画素サイズに依存する理由について説明する。
図１３Ａは、画素サイズが3.0μｍである場合のフォトレジストパターン６２の平面図を示しており、図１３Ｂは、画素サイズが1.0μｍである場合のフォトレジストパターン６２の平面図を示している。
上述したように、現像処理で形成されたフォトレジストパターン６２は、その四隅の角が丸みを帯びて形成される。この丸みの大きさは、図１１Ａで示されたフォトマスク６１の遮光部の大きさ（正方形形状の遮光部の一辺の長さ）が2.6μｍ（投影倍率が１／４倍であるので、実際にパターン露光される場合の間隔は0.65μｍ。画素サイズは1.0μｍに相当。）以上であれば、実質的に変わらないものとされる。
図１３Ａに示されるように、画素サイズが3.0μｍである場合、フォトレジストパターン６２の２辺の仮想延長線の交点と、フォトレジストパターン６２の丸み部分との距離は、0.12μｍとされる。一方、図１３Ｂに示されるように、画素サイズが1.0μｍである場合、フォトレジストパターン６２の２辺の仮想延長線の交点と、フォトレジストパターン６２の丸み部分との距離は、0.13μｍとされる。
すなわち、画素サイズが3.0μｍである場合には、フォトレジストパターン６２の横方向（対辺方向）の幅に対する斜め方向（対角方向）の幅は十分大きい値となり、フォトレジストパターン６２は平面視において正方形に近い形状で形成される。
一方、画素サイズが1.0μｍである場合には、フォトレジストパターン６２は平面視において略円形に近い形状で形成される。フォトレジストパターン６２が平面視において略円形に近い形状で形成された場合、図９の例と同様にして、フォトレジストパターン６２は、円周方向で曲率半径が略等しくなるように形成される。このようなフォトレジストパターン６２が、その下地に形成されているマイクロレンズ材にエッチング転写されることで、曲率半径比が1.1以下のマイクロレンズが形成される。
このようにして、画素サイズが2.0μｍ以下の場合、結果的に、円周方向で曲率半径が略等しいマイクロレンズが形成されるため、その曲率半径比も1.1以下となる。
ところで、近年、同一受光領域に撮像画素と位相差検出画素とを設ける構成は、特に、APS-Cサイズや35mmフルサイズの固体撮像装置へ適用され、その高性能化を図るべく様々な検討がなされている。このような固体撮像装置における画素サイズは、一般的に３乃至６μｍ程度とされる。
しかしながら、上述したように、画素サイズが2.0μｍを超える場合、マイクロレンズの曲率半径比は1.2を超えてしまう。本出願人が、APS-Cサイズ、画素サイズ3.9μｍの固体撮像装置について、上述した手法によりマイクロレンズ（レンズアレイ）を製造したところ、その曲率半径比は1.34であった。さらに、本出願人は、そのマイクロレンズを備える固体撮像装置について、AF特性を調べてみたが、良好なAF特性を得ることはできなかった。
そこで、以下においては、APS-Cサイズや35mmフルサイズの固体撮像装置のAF特性の向上を図るために、画素サイズが３乃至６μｍであっても曲率半径比を抑えつつ、ドライエッチング処理時間の増大を抑えるようにするマイクロレンズの形成手法について説明する。
＜本技術のマイクロレンズの形成手法１＞
図１４および図１５を参照して、本技術のマイクロレンズの形成手法について説明する。図１４は、マイクロレンズの形成処理について説明するフローチャートであり、図１５は、マイクロレンズの形成の工程を示す平面図、横方向の断面図、および斜め方向の断面図である。
まず、ステップＳ１１において、平坦化膜上に、スチレン系樹脂等からなるマイクロレンズ材が成膜される。
ステップＳ１２において、フォトリソグラフィ法により、マイクロレンズ材上に、ノボラック樹脂等からなるポジ型フォトレジストパターンが形成される。
ステップＳ１３において、熱処理により、図１５の工程Ａに示されるように、フォトレジストパターン７１が上凸形状のレンズ形状に形成される。このとき、フォトレジストパターン７１は、横方向（a-a'方向）の幅より斜め方向（b-b'方向）の幅の方が大きく、また、対辺方向の断面の曲率半径より対角方向の断面の曲率半径の方が大きい状態となる。
ステップＳ１４において、フォトレジストパターン７１を、その下地に形成されたマイクロレンズ材にエッチング転写することで、ドライエッチング処理が行われる。
ここで、このとき用いられるエッチング装置およびエッチングガスについて説明する。
（エッチング装置について）
エッチング装置としては、マイクロ波プラズマ型エッチング装置の他、平行平板RIE（Reactive Ion Etching）装置、高圧狭ギャップ型プラズマエッチング装置、ECR（Electron Cyclotron Resonance）型エッチング装置、変成器結合プラズマ型エッチング装置、誘導結合プラズマ型エッチング装置、およびヘリコン波プラズマ型エッチング装置等、他の高密度プラズマ型エッチング装置が用いられる。
（エッチングガスについて）
エッチングガスとしては、エッチング速度をコントロールするための第１のグループのガスと、CD（Critical Dimension）ゲインをコントロールするための第２のグループのガスの、少なくとも２種類のガスが用いられる。
第１のグループのガスには、CF4，NF3，SF6等が含まれ、第２のグループのガスには、C3F8，C4F8，C4F6，C5F8，C2F6等が含まれる。
これらのフッ素含有ガスは、プラズマ中で、ＦラジカルとCFラジカルを生成する。Ｆラジカルは、ドライエッチングの過程において、フォトレジストパターンとマイクロレンズに対する深さ方向へのエッチングに作用し、CFラジカルは、フロロカーボン系の堆積物によるマイクロレンズの有効面積の拡大に作用する。すなわち、第１のグループのガスは、Ｆラジカルを多く生成し、第２のグループのガスは、CFラジカルを多く生成する。
第１のグループのガスと第２のグループのガスの比は、マイクロレンズにおいて、所望の曲率半径比が得られるように適宜調整され、また、その他のガスが添加されてもよい。
図１５の工程Ｂにおいては、ドライエッチングの過程において、フォトレジストパターン７１とマイクロレンズ７２に対する深さ方向へのエッチングが進行するとともに、マイクロレンズの有効面積が拡大している。図１５の工程Ｂでは、横方向（a-a'方向）に隣接する画素に対応するマイクロレンズ７２同士が接触した状態となっている。このとき、マイクロレンズ７２は、対辺方向の断面の曲率半径より対角方向の断面の曲率半径の方がやや大きい状態となる。
図１５の工程Ｂの状態からさらに継続的にドライエッチングが行われることで、図１５の工程Ｃにおいては、斜め方向（b-b'方向）に隣接する画素に対応するマイクロレンズ７２同士が接触した状態となっている。このとき、マイクロレンズ７２は、平面視において、隣接する画素に対応するマイクロレンズ７２と実質的にギャップがない状態となる。また、このとき、マイクロレンズ７２においては、横方向（対辺方向）の断面の曲率半径が、斜め方向（対角方向）の断面の曲率半径に近づくようになる。
以上の処理によれば、マイクロレンズの有効面積が拡大され、対辺方向の断面の曲率半径が、対角方向の断面の曲率半径に近づくようになる。すなわち、曲率半径比が1.0に近づくようになり、AF特性の改善につながる。本出願人が、APS-Cサイズ、画素サイズ3.9μｍの固体撮像装置について、上述した本技術の手法によりマイクロレンズ（レンズアレイ）を製造したところ、その曲率半径比は1.20となり、良好なAF特性を得ることができた。このように、本技術の手法によれば、画質の劣化を抑えつつ、AF特性を向上させることができるマイクロレンズを形成することが可能となる。
なお、本出願人は、上述した本技術の手法において、エッチング条件を変えて、曲率半径比を1.20乃至1.34の間で変化させた場合のAF特性の評価を行ったところ、良好なAF特性を得ることはできなかった。したがって、良好なAF特性を得るには、曲率半径比を1.20以下とすることが望ましいといえる。
＜本技術のマイクロレンズの形成手法２＞
次に、図１６および図１７を参照して、本技術のマイクロレンズの形成手法の他の例について説明する。図１６は、マイクロレンズの形成処理について説明するフローチャートであり、図１７は、マイクロレンズの形成の工程を示す横方向の断面図および斜め方向の断面図である。
なお、図１６のフローチャートのステップＳ３１乃至Ｓ３４の処理は、図１４のフローチャートのステップＳ１１乃至Ｓ１４の処理と同様であるので、その説明は省略する。
すなわち、ステップＳ３４において、図１７の工程Ｃに示されるように、ドライエッチング処理によりマイクロレンズ７２が形成された後、ステップＳ３５において、マイクロレンズ７２上に、図１７の工程Ｄに示されるように、第１の無機膜８１が形成される。
第１の無機膜８１は、例えば、プラズマCVD（Chemical Vapor Deposition）等の乾式成膜法により、SiON等を160乃至200℃程度の温度で堆積させることで形成される。このとき、SiONの屈折率が、ポリスチレン系樹脂からなるマイクロレンズ材の屈折率1.57乃至1.61程度と略同等となるように、成膜条件が調整される。
上述の乾式成膜法によれば、第１の無機膜８１の成膜スピードは、成膜分子の平均自由工程の差により、平均自由工程の大きいマイクロレンズ７２の頂部８１ａ近傍では早く、平均自由工程の小さいマイクロレンズ７２の溝部８１ｂ，８１ｃ近傍では遅くなる。特に、マイクロレンズ７２の溝部８１ｃ近傍における成膜スピードは最も遅くなるため、マイクロレンズ７２においては、横方向（a-a'方向）の断面の曲率半径と、斜め方向（b-b'方向）の断面の曲率半径との差が小さくなる。その結果、曲率半径比は、ドライエッチング後の1.20から1.15に改善された。
さらに、第１の無機膜８１が成膜された後、ステップＳ３６において、第１の無機膜８１上に、図１７の工程Ｅに示されるように、第２の無機膜８２が形成される。
第２の無機膜８２は、SiONより屈折率の低いSiO，SiOC，SiOF，SiOCH等を160乃至200℃程度の温度で堆積させることで形成される。このとき、第２の無機膜８２は、その膜厚が可視光の波長の１／４となるように形成されることで、マイクロレンズ７２の反射防止膜として作用する。なお、この場合のマイクロレンズ７２、第１の無機膜８１、および第２の無機膜８２の屈折率の大小関係は、以下のようになる。
（マイクロレンズ７２）≒（第１の無機膜８１）＞（第２の無機膜８２）
以上の処理によれば、図１４のフローチャートを参照して説明した処理と同様に、画質の劣化を抑えつつ、AF特性を向上させることができるマイクロレンズを形成することが可能となる。さらに、第２の無機膜８２が、マイクロレンズ７２の反射防止膜として作用することで、マイクロレンズ７２での反射率が低減し、固体撮像装置の感度特性の向上やフレアの低減を図ることができるので、より画質を向上させることが可能となる。
なお、上述した処理において、第１の無機膜８１を、マイクロレンズ７２より屈折率の大きいSiONやSiN等を160乃至200℃程度の温度で堆積させることで形成し、第２の無機膜８１を、マイクロレンズ７２および第１の無機膜８１より屈折率の小さいSiOやSiOC，SiOF，SiOCH等を160乃至200℃程度の温度で堆積させることで形成するようにしてもよい。このとき、第１の無機膜８１および第２の無機膜８２は、２層の反射防止膜として作用する。これにより、マイクロレンズ７２での反射率をさらに低減させることができる。
なお、この場合のマイクロレンズ７２、第１の無機膜８１、および第２の無機膜８２の屈折率の大小関係は、以下のようになる。
（第１の無機膜８１）＞（マイクロレンズ７２）＞（第２の無機膜８２）
本出願人は、上述した本技術の手法の２例によってマイクロレンズ７２を形成した場合の、画素サイズに対する曲率半径比の関係を調べた。その結果を図１８に示す。
図１８に示されるように、従来の技術（黒丸のプロット）では、画素サイズが3.0μｍを超えると、曲率半径比は、望ましい値とされる1.2を超えてしまう。一方、図１４および図１５を参照して説明した本技術の例（例１）（白四角のプロット）では、画素サイズが4.0μｍであっても、曲率半径比は、望ましい値とされる1.2以下の値となる。さらに、図１６および図１７を参照して説明した本技術の例（例２）（白三角のプロット）では、画素サイズが5.0μｍであっても、曲率半径比は、望ましい値とされる1.2以下の値となる。このように、本技術によれば、画素サイズが３乃至５μｍであっても曲率半径比を抑えることができるので、特に、APS-Cサイズや35mmフルサイズ等の、撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズを備えた固体撮像装置のAF特性の向上を図ることが可能となる。
なお、上述した乾式成膜法により成膜される膜種としては、SiON，SiN，SiO，SiOC等に限らず、ZnO，ZrO，Al2O3，TiO2，CaF2，LiF，MgO等を用いることも可能であり、その屈折率は適宜、適切に調整される。
また、以上においては、乾式成膜法として、プラズマCVDを用いるようにしたが、熱CVD、有金属CVD、光CVD等、他のCVD法を用いるようにしてもよい。また、他の成膜法として、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング、レーザアブレーション、分子線エピキタシ等のPVD（Physical Vapor Deposition）法を用いることも可能である。
＜固体撮像装置への適用＞
本技術が適用可能な固体撮像装置は、主に、表面照射型の固体撮像装置と、裏面照射型の固体撮像装置とに大別される。
図１９は、表面照射型の固体撮像装置の構造例を示す断面図である。
図１９に示されるように、表面照射型の固体撮像装置においては、フォトダイオード１０１の上層に形成された絶縁膜１０２上に、画素トランジスタのゲート電極１０３が形成され、その上層には、例えば３層の配線層１０４が形成される。ゲート電極１０３と配線層１０４、配線層１０４同士は、互いにコンタクト１０５により電気的に接続される。
配線層１０４の上層には、平坦化膜１０６が形成され、平坦化膜１０６の上層には、カラーフィルタ１０７が形成される。そして、カラーフィルタ１０７の上層には、マイクロレンズ１０８が形成される。
図１９の表面照射型の固体撮像装置に、位相差検出画素を設けるようにした場合、１層目（最下層）の配線層１０４が、位相差検出画素において瞳分割を行う遮光膜として形成される。したがって、図１９の例では、位相差検出画素における遮光膜とフォトダイオード１０１表面との距離t1は、コンタクト１０５を含んだ厚さとなる。
図２０は、裏面照射型の固体撮像装置の構造例を示す断面図である。
図２０に示されるように、裏面照射型の固体撮像装置においては、フォトダイオード１１１の上層に形成された絶縁膜１１２上に、画素毎に遮光膜１１３が形成され、その上層には、カラーフィルタ１１４が形成される。そして、カラーフィルタ１１４の上層には、マイクロレンズ１１５が形成される。
なお、裏面照射型の固体撮像装置においては、マイクロレンズ１１５が形成される面とは逆の面に、図示せぬ画素トランジスタや配線層が形成される。
図２０の裏面照射型の固体撮像装置に、位相差検出画素を設けるようにした場合、画素毎に設けられる遮光膜１１３が、位相差検出画素において瞳分割を行う遮光膜として形成される。したがって、図２０の例では、位相差検出画素における遮光膜とフォトダイオード１１１表面との距離t2は、図１９の距離t1と比較して短くすることができる。
ところで、上述した表面照射型の固体撮像装置や裏面照射型の固体撮像装置における撮像画素に対応するマイクロレンズにも、本技術のマイクロレンズを適用することができる。これにより、撮像画素に位相差検出画素が混在した画素アレイを備える固体撮像装置において、撮像画素に対応するマイクロレンズと、位相差検出画素に対応するマイクロレンズの製造工程を分けることなく、一括して同一形状のマイクロレンズ（レンズアレイ）を形成することができ、工程数の増加を避けることができる。
なお、位相差検出画素に対応するマイクロレンズの焦点位置は、AF特性向上の観点から遮光膜に合わせることが好ましく、また、撮像画素に対応するマイクロレンズの焦点位置は、感度特性向上の観点からフォトダイオード表面に合わせることが好ましい。
ここで、図１９の表面照射型の固体撮像装置と、図２０の裏面照射型の固体撮像装置とでは、裏面照射型の固体撮像装置の方が、遮光膜とフォトダイオード表面との距離が短いので、撮像画素と位相差検出画素とで一括して同一形状のマイクロレンズを形成した場合に、それぞれの画素の特性劣化を、表面照射型の固体撮像装置と比べて抑制することができる。
しかしながら、表面照射型の固体撮像装置においても、本技術を用いて、撮像画素と位相差検出画素とで一括して同一形状のマイクロレンズを形成した場合には、それぞれの画素の特性は、従来の技術と比べて良好となる。
ところで、撮像画素と位相差検出画素とで一括して同一形状のマイクロレンズを形成した場合に、それぞれの画素に対応するマイクロレンズの焦点位置のずれを補正する構成として、層内レンズを設けるようにしてもよい。
ここで、下凸層内レンズおよび上凸層内レンズの構造例について説明する。ここでは、裏面照射型の固体撮像装置に適用する場合を例に挙げて説明するものとする。
＜下凸層内レンズ＞
図２１は、カラーフィルタ上に形成された下凸層内レンズを有する画素構造を示す断面図である。ここでは、互いに隣接する、撮像画素２０および位相差検出画素４０の２画素分の断面構造を示している。
図２１に示されるように、位相差検出画素４０に対してのみ、瞳分割された光の一方を通過する開口部４１Ａを有する遮光膜４１が形成され、さらに、カラーフィルタ４５の上の平坦化膜４６内に下凸層内レンズ１２１が形成されている。なお、遮光膜４１は、単位画素に対応して形成され画素間を遮光する遮光膜も兼ねている。遮光膜４１の凹凸は、平坦化膜４８によって平坦化されている。
撮像画素２０に対応するカラーフィルタ４５は、赤、緑、青の各色のカラーフィルタとして形成される。一方、位相差検出画素４０に対応するカラーフィルタ４５は、緑色やシアンのカラーフィルタや、可視光を透過する膜、カーボンブラックやチタンブラック等の黒色色素からなる層として形成される。なお、位相差検出画素４０に対応するカラーフィルタ４５を設けないようにして、撮像画素２０に対応するカラーフィルタ４５が形成された後に、平坦化膜４６を埋め込むようにしてもよい。
平坦化膜４６は、屈折率が1.5程度のアクリル系の樹脂や、屈折率が1.45乃至1.5程度のシロキサン系樹脂、また、これらの樹脂にフッ素を添加して屈折率が1.4乃至1.44程度に調整された樹脂や、中空シリカ微粒子を添加して屈折率が1.2乃至1.39程度に調整された樹脂等で形成される。
平坦化膜４６において、下凸層内レンズ１２１が形成される部分は、フォトリソグラフィおよびドライエッチングにより、下凸層内レンズ１２１に対応した形状に加工される。
下凸層内レンズ１２１は、図２２に示されるように、好ましくは平面視で円形の形状にて、平面視における中点を中心として円周方向の断面の曲率半径ｒが、円周方向の位置によらず等しくなるように形成される。
このとき、下凸層内レンズ１２１は、マイクロレンズ４７と同一の材料でマイクロレンズ４７と一体的に形成されるのが好ましい。マイクロレンズ４７は、例えば、屈折率が1.57乃至1.61程度のスチレン系樹脂、屈折率が1.6程度のノボラック系樹脂、屈折率が1.7程度のポリイミド系樹脂、または、例えば酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化錫等の金属酸化微粒子を樹脂中に添加して屈折率が1.7乃至2.0程度に調整された樹脂を用いて、撮像画素と位相差検出画素とで一括して同一形状で形成される。
図２１の固体撮像装置においては、下凸層内レンズ１２１が、マイクロレンズ４７により集光された光の焦点位置をマイクロレンズ４７側に補正し、その焦点位置は、下凸層内レンズ１２１の平面視における円周方向の位置によらず一定となるので、遮光膜とフォトダイオードとの間の距離にかかわらず、固体撮像装置のAF特性を向上させることができる。
なお、本例では、下凸層内レンズ１２１を、カラーフィルタ４５の上の平坦化膜４６内に形成する構成を例に挙げて説明したが、カラーフィルタ４５の下に平坦化膜を形成するようにし、その平坦化膜内に形成する構成を採ることも可能である。
＜上凸層内レンズ＞
図２３は、カラーフィルタ上に形成された上凸層内レンズを有する画素構造を示す断面図である。ここでは、互いに隣接する、撮像画素２０および位相差検出画素４０の２画素分の断面構造を示している。
図２３に示されるように、位相差検出画素４０に対してのみ、瞳分割された光の一方を通過する開口部４１Ａを有する遮光膜４１が形成され、さらに、カラーフィルタ４５の上の平坦化膜４６内に上凸層内レンズ１２２が形成されている。なお、遮光膜４１は、単位画素に対応して形成され画素間を遮光する遮光膜も兼ねている。遮光膜４１の凹凸は、平坦化膜４８によって平坦化されている。
撮像画素２０に対応するカラーフィルタ４５は、赤、緑、青の各色のカラーフィルタとして形成される。一方、位相差検出画素４０に対応するカラーフィルタ４５は、緑色やシアンのカラーフィルタや、可視光を透過する膜、カーボンブラックやチタンブラック等の黒色色素からなる層として形成される。なお、位相差検出画素４０に対応するカラーフィルタ４５を設けないようにして、撮像画素２０に対応するカラーフィルタ４５が形成された後に、アクリル系樹脂等からなるカラーフィルタカバー膜４５Ａを埋め込むようにしてもよい。
上凸層内レンズ１２２は、図２４に示されるように、好ましくは平面視で円形の形状にて、平面視における中点を中心として円周方向の断面の曲率半径ｒが、円周方向の位置によらず等しくなるように形成される。
上凸層内レンズ１２２は、例えば、屈折率が1.57乃至1.61程度のスチレン系樹脂、屈折率が1.6程度のノボラック系樹脂、屈折率が1.7程度のポリイミド系樹脂、または、例えば酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化錫等の金属酸化微粒子を樹脂中に添加して屈折率が1.7乃至2.0程度に調整された材料、乾式成膜法によって成膜された屈折率が1.6乃至1.9程度のSiON，SiN等に対して、フォトリソグラフィおよびドライエッチングが行われることにより形成される。
平坦化膜４６は、上凸層内レンズ１２２の屈折率よりも低い、屈折率が1.5程度のアクリル系の樹脂や、屈折率が1.45乃至1.5程度のシロキサン系樹脂、これらの樹脂にフッ素を添加して屈折率が1.4乃至1.44程度に調整された樹脂や、また、中空シリカ微粒子を添加して屈折率が1.2乃至1.39程度に調整された樹脂等で形成される。
マイクロレンズ４７は、例えば、スチレン系樹脂等を用いて、撮像画素と位相差検出画素とで一括して同一形状で形成される。
図２３の固体撮像装置においては、上凸層内レンズ１２２が、マイクロレンズ４７により集光された光の焦点位置をマイクロレンズ４７側に補正し、その焦点位置は、上凸層内レンズ１２２の平面視における円周方向の位置によらず一定となるので、遮光膜とフォトダイオードとの間の距離にかかわらず、固体撮像装置のAF特性を向上させることができる。
なお、本例では、上凸層内レンズ１２２を、カラーフィルタ４５の上の平坦化膜４６内に形成する構成を例に挙げて説明したが、カラーフィルタ４５の下に平坦化膜を形成するようにし、その平坦化膜内に形成する構成を採ることも可能である。
本技術は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、携帯電話機等の撮像機能を有する携帯端末装置等、固体撮像装置を備える電子機器全般に対して適用することができる。
＜電子機器への適用＞
図２５は、本技術を適用した電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図２５に示されるように、撮像装置２００は、撮像レンズ２０１等を含む光学系、撮像素子２０２、カメラ信号処理部であるDSP（Digital Signal Processor）回路２０３、フレームメモリ２０４、表示装置２０５、記録装置２０６、操作系２０７、および電源系２０８等を有している。DSP回路２０３、フレームメモリ２０４、表示装置２０５、記録装置２０６、操作系２０７、および電源系２０８は、バスライン２０９を介して相互に通信可能に接続されている。
撮像レンズ２０１は、被写体からの入射光を取り込んで撮像素子２０２の撮像面上に結像する。撮像素子２０２は、撮像レンズ２０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この撮像素子２０２として、位相差検出用画素を備える本技術の固体撮像装置を用いることができる。
表示装置２０５は、液晶表示装置や有機EL（Electro Luminescence）表示装置等のパネル型表示装置からなり、撮像素子２０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置２０６は、撮像素子２０２で撮像された動画または静止画を、メモリカード、ビデオテープ、DVD（Digital Versatile Disk）等の記録媒体に記録する。
操作系２０７は、ユーザによる操作の下、撮像装置２００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系２０８は、DSP回路２０３、フレームメモリ２０４、表示装置２０５、記録装置２０６、および操作系２０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
さらに、撮像装置２００は、撮像レンズ２０１をその光軸方向に駆動するレンズ駆動部２１０を備えている。レンズ駆動部２１０は、撮像レンズ２０１とともに、焦点の調節を行うフォーカス機構を構成している。そして、撮像装置２００は、システムコントローラ２１１により、フォーカス機構の制御や、上述した各構成要素の制御等、種々の制御が行われる。
フォーカス機構の制御に関しては、本技術の固体撮像装置における位相差検出用画素から出力される位相差検出信号に基づいて、例えばDSP回路２０３において、焦点のずれ方向およびずれ量を算出する演算処理が行われる。この演算結果を受けて、システムコントローラ２１１は、レンズ駆動部２１０を介して撮像レンズ２０１をその光軸方向に移動させることによって焦点（ピント）が合った状態にするフォーカス制御を行う。
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
さらに、本技術は以下のような構成をとることができる。
（１）
撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズ
を備え、
前記マイクロレンズは、
そのレンズ面が実質的に球面をなし、
平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、
断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成される
レンズアレイ。
（２）
前記マイクロレンズは、
平面視において正方形形状に形成され、
前記対辺中央部の断面における前記レンズ面の曲率半径である第１の曲率半径と、前記対角境界部の断面における前記レンズ面の曲率半径である第２の曲率半径とは略等しくなるように形成される
（１）に記載のレンズアレイ。
（３）
前記位相差検出画素の画素サイズは、３μｍ以上とされ、
前記レンズ面の曲率半径ｒが、前記レンズ面の頂点を通る断面での底面の幅ｄと、前記底面を基準とした前記レンズ面の頂点の高さｔとを用いて、ｒ＝（ｄ２＋４ｔ２）／８ｔで表される場合、
前記第１の曲率半径ｒ１と前記第２の曲率半径ｒ２との比である曲率半径比ｒ１／ｒ２は、0.98乃至1.20の範囲に含まれる値とされる
（２）に記載のレンズアレイ。
（４）
前記レンズ面表面に、反射防止膜として、少なくとも１層の無機膜が形成される
（２）または（３）に記載のレンズアレイ。
（５）
前記無機膜は、前記第１の曲率半径ｒ１と前記第２の曲率半径ｒ２との差を小さくする
（４）に記載のレンズアレイ。
（６）
撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズを備えるレンズアレイの製造方法であって、
前記マイクロレンズを、
そのレンズ面を実質的に球面とし、
平面視において矩形形状に形成するとともに四隅の角を略角取りされることなく形成し、
断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面を、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成する
ステップを含むレンズアレイの製造方法。
（７）
撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズ
を備え、
前記マイクロレンズが、
そのレンズ面が実質的に球面をなし、
平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、
断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成されるレンズアレイ
を備える固体撮像装置。
（８）
撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズ
を備え、
前記マイクロレンズが、
そのレンズ面が実質的に球面をなし、
平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、
断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成されるレンズアレイを備える固体撮像装置
を備える電子機器。
１０ CMOSイメージセンサ， １２ 画素アレイ部， ２０ 撮像画素， ４０ 位相差検出画素， ４１ 遮光膜， ４７ マイクロレンズ， ２００ 撮像装置， ２０２ 撮像素子

Claims (8)

  1. 撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズ
    を備え、
    前記マイクロレンズは、
    そのレンズ面が実質的に球面をなし、
    平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、
    断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成される
    レンズアレイ。
  2. 前記マイクロレンズは、
    平面視において正方形形状に形成され、
    前記対辺中央部の断面における前記レンズ面の曲率半径である第１の曲率半径と、前記対角境界部の断面における前記レンズ面の曲率半径である第２の曲率半径とは略等しくなるように形成される
    請求項１に記載のレンズアレイ。
  3. 前記位相差検出画素の画素サイズは、３μｍ以上とされ、
    前記レンズ面の曲率半径ｒが、前記レンズ面の頂点を通る断面での底面の幅ｄと、前記底面を基準とした前記レンズ面の頂点の高さｔとを用いて、ｒ＝（ｄ２＋４ｔ２）／８ｔで表される場合、
    前記第１の曲率半径ｒ１と前記第２の曲率半径ｒ２との比である曲率半径比ｒ１／ｒ２は、0.98乃至1.20の範囲に含まれる値とされる
    請求項２に記載のレンズアレイ。
  4. 前記レンズ面表面に、反射防止膜として、少なくとも１層の無機膜が形成される
    請求項３に記載のレンズアレイ。
  5. 前記無機膜は、前記第１の曲率半径ｒ１と前記第２の曲率半径ｒ２との差を小さくする
    請求項４に記載のレンズアレイ。
  6. 撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズを備えるレンズアレイの製造方法であって、
    前記マイクロレンズを、
    そのレンズ面を実質的に球面とし、
    平面視において矩形形状に形成するとともに四隅の角を略角取りされることなく形成し、
    断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面を、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成する
    ステップを含むレンズアレイの製造方法。
  7. 撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズ
    を備え、
    前記マイクロレンズが、
    そのレンズ面が実質的に球面をなし、
    平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、
    断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成されるレンズアレイ
    を備える固体撮像装置。
  8. 撮像画素に混在して設けられる位相差検出画素に対応して形成されるマイクロレンズ
    を備え、
    前記マイクロレンズが、
    そのレンズ面が実質的に球面をなし、
    平面視において矩形形状に形成されるとともに四隅の角が略角取りされることなく形成され、
    断面視において画素境界部の対辺中央部を含む対辺境界部近傍の底面が、対角境界部を含む対角境界部近傍の底面よりも高くなるように形成されるレンズアレイを備える固体撮像装置
    を備える電子機器。
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