JP2017059589A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画素レイアウトの非対称性により生じる光学特性の不均一性を改善するのに有利な技術を提供する。【解決手段】行列状に配置された光電変換素子を含む複数の画素と、前記複数の画素にそれぞれ対応する複数のマイクロレンズが配置されたマイクロレンズアレイと、を含む撮像素子であって、前記マイクロレンズアレイには、第１の形状のマイクロレンズからなる第１グループと、前記第１の形状と異なる第２の形状のマイクロレンズからなる第２グループとが配置されており、前記第１グループを構成するマイクロレンズが配置された領域の中心は前記撮像素子の有効画素領域の中心からずれていて、かつ、前記第２グループを構成するマイクロレンズが配置された領域は、前記第１グループの全体を挟むように配置された２つの部分を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子及び撮像装置に関する。

イメージセンサに配置されている画素とイメージセンサの中心との間の距離によって画素に対する入射光の入射角が異なるために、画素の光電変換素子へ入射される光量に差がみられる。光量の差を補うために光路変換素子をそなえたイメージセンサがある。特許文献１には、イメージセンサの中心と画素との間の距離によって光の入射面の傾きが異なるマイクロレンズを配列することが開示されている。

特表2006-528424

イメージセンサ内部の構造が画素の中心に対して非対称の構造の場合には、イメージセンサ内での光学特性が非対称になってしまう。このことを図８により説明する。センサチップ８０１には行列状に画素が配列されている。センサチップ８０１の行に沿う方向に並んで配置されている画素８０２から８０４を例に説明する。画素８０３はセンサチップの破線で示す対角線の交点に設けられている。対角線の交点はセンサチップの中心Ｃに相当する。画素８０２及び画素８０４は画素８０３を挟んでいる。画素８０２から画素８０３までの距離ｄ１と、画素８０３から画素８０４までの距離ｄ２とが等しいように画素８０２と画素８０４を選択する。図８（c）に示すように、画素８０３には、対称な形状のマイクロレンズ１０９が配置されている。ここで対称な形状とは、マイクロレンズの底面に垂直でかつその底面からマイクロレンズの最も高い位置を通る直線を中心軸としたときに、中心軸に対して対称な形状をいう。また、図８(ｂ)と(ｄ)に示す様に、画素８０２と８０４には同じ形状のマイクロレンズが左右反転して配置されている。画素８０２と８０４に配置されているマイクロレンズを非対称な形状のマイクロレンズという。ここで非対称な形状とは、マイクロレンズの底面に垂直でかつその底面からマイクロレンズの最も高い位置を通る直線を中心軸としたときに、中心軸に対して非対称な形状をいう。画素８０２と画素８０４はセンサチップの中心Ｃからの距離が等しいため、それぞれの画素には同じ角度だけ傾いた光線が入射する。

このとき、画素の断面構造が、光電変換素子１０５に対して配置されるトランジスタのゲート電極１０６によって、光電変換素子１０５の中心に対して非対称な形状になっている場合がある。このため、図示のように画素８０２では、ゲート電極１０６により入射光が妨げられて、光電変換素子１０５に入射する光に損失が生じるが、画素８０４では、光に損失が生じない。これにより、画素８０２と画素８０４との感度が均一とならず、センサチップ８０１の左右で非対称な輝度シェーディングとなってしまう。換言すると画素内のレイアウトの非対称性により、センサチップの光学特性も非対称となってしまう。また、センサチップの周辺部において感度に差が生じる。また、ゲート電極１０６には通常、ポリシリコンなどの高屈折率材料が用いられることが多い。そのため、ゲート電極１０６に直接光が照射される場合、光は隣接画素へ向けて大きく屈折され、混色成分となってしまい、画質が悪化してしまう場合がある。本発明は、画素内のレイアウトの非対称性により生じる光学特性の不均一性を改善するのに有利な技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の固体撮像素子は、行列状に配置された光電変換素子を含む複数の画素と、前記複数の画素にそれぞれ対応する複数のマイクロレンズが配置されたマイクロレンズアレイと、を含む撮像素子であって、前記マイクロレンズアレイには、第１の形状のマイクロレンズからなる第１グループと、前記第１の形状と異なる第２の形状のマイクロレンズからなる第２グループとが配置されており、前記第１グループを構成するマイクロレンズが配置された領域の中心は前記撮像素子の有効画素領域の中心からずれていて、かつ、前記第２グループを構成するマイクロレンズが配置された領域は、前記第１グループの全体を挟むように配置された２つの部分を含むことを特徴とする。

画素レイアウトの非対称性により生じる光学特性の不均一性を改善するのに有利な技術を提供することができる。

本発明に係る実施形態１を説明する模式図。 本発明に係る実施形態で用いた画素の配置を示す模式図。 本発明に係る実施形態で用いたマイクロレンズの例を示す模式図。 本発明に係る実施形態で用いたマイクロレンズの他の例を示す模式図。 本発明に係る実施形態２を説明する模式図。 本発明に係る実施形態３を説明する模式図。 本発明に係る実施形態４を説明する模式図。 従来の固体撮像素子の課題を説明するための図。 固体撮像素子を用いた撮像装置のブロック図。

本実施形態による固体撮像素子用のマイクロレンズは、例えば固体撮像素子であるＣＭＯＳイメージセンサに用いられる。ＣＭＯＳイメージセンサは、センサチップの平面状の受光領域に画素が多数配置され、各画素の受光部（光電変換素子）の上部にカラーフィルタが形成されている。このカラーフィルタ上部には光学素子（マイクロレンズ）が配置されるのがＣＭＯＳイメージセンサの一般的な構造である。各カラーフィルタにより、赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）の各色に対応した輝度信号を取得することでカラー画像を生成することができる。本発明の固体撮像素子は、センサチップの受光面に対して、大きく斜めに傾いて入射する光に適した非対称な形状を有するマイクロレンズを用いている。以下、本発明に係るマイクロレンズの実施形態について図面を参照して説明する。

（実施形態１）
本発明の実施形態１について図１を用いて説明する。図１は本実施形態の画素の配置および、画素の断面構造を示す。センサチップ１０１には行列状に多数の画素が配置されている。図１（ａ）はその中に含まれている画素１０２、画素１０３及び画素１０４を示している。センサチップにおいて行に沿って配列されている画素が、図１（ａ）では図の左右方向に配列されている。画素１０２、画素１０３及び画素１０４はセンサチップ１０１の中央を通り、行に沿った直線上に配置されている。破線で示されたセンサチップ１０１の対角線の交点は、センサチップ１０１の有効画素領域の中心Ｃである。以下、センサチップ１０１の中心Ｃとは、センサチップ１０１の有効画素領域の中心のことを指す。本実施形態では対称な形状のマイクロレンズに対応する画素１０３はセンサチップの中心Ｃとは異なる位置に設けられる。画素１０２から画素１０３までの距離ｄ１と、画素１０３から画素１０４までの距離ｄ２は等しい。画素１０２と画素１０４とに対応させて、非対称な形状のマイクロレンズ１０８、１１０を配置する。

画素１０２、画素１０３及び画素１０４の断面構造を図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）により示す断面図はそれぞれ画素１０２、１０３、１０４の断面に対応する。ここでいう断面とは、画素１０２の中心から画素１０４の中心を通り、センサチップ１０１に対して垂直な面により画素１０２、画素１０３及び画素１０４のそれぞれを切断したと仮定したときの断面のことである。ここで画素の中心は、平面視における画素の対角線の交点とすればよい。あるいは後述する光電変換素子が配されている領域の中心としてもよい。あるいは画素を平面視したときの平面形状の重心でもよい。各断面図には、マイクロレンズ１０８からマイクロレンズ１１０、配線層１０７、トランジスタのゲート電極１０６および、光電変換素子１０５が示されている。各画素の断面構造は、トランジスタのゲート電極１０６があるため、図１（ａ）に示すセンサチップの左右の方向で見たときに、画素の左右で非対称な構造となっている。

画素１０３には図１（ｃ）に示すように、中心軸に対して対称な形状のマイクロレンズ１０９が配置されている。ここで中心軸とはマイクロレンズの最も高い部分（頂点）からマイクロレンズの底面へ向かう垂直な直線とする。また、画素１０２と画素１０４にはマイクロレンズの頂点が画素１０３の方向にそれぞれ偏った、中心軸に対して非対称な形状のマイクロレンズ１０８、１１０が配置されている。マイクロレンズの形状を非対称な形状とすることにより、センサチップの周辺部において、受光面に対して大きく傾いて入射する光を光電変換素子１０５の方向へ屈折させることができるため、集光効率を向上することができる。

本実施形態では、画素１０２と画素１０４のそれぞれの上には同じ形状のマイクロレンズ１０８と１１０が画素１０３の中心を通る画素の列に沿った方向の直線に対して左右反転した形で配置されている。マイクロレンズ１０９の頂点から左右に水平方向に離れたマイクロレンズ１０８、１１０のそれぞれの頂点までの距離は同じである。センサチップ１０１の中心Ｃと画素１０２までの距離は、センサチップ１０１の中心Ｃと画素１０４までの距離よりも短い。画素１０３に対して左右対称の位置に有る画素１０２及び画素１０４に対して、非対称な同じ形状のマイクロレンズ１０８、１１０を配置している。非対称な形状のマイクロレンズを比べると、画素１０３から左右に等距離だけ離れた画素では、左側の画素のマイクロレンズの方が右側の画素のマイクロレンズよりも光をより屈折することができる。つまり、画素１０２に配置されたマイクロレンズは、センサチップ１０１の中央に対して画素１０２の対称位置の画素に配置されるマイクロレンズよりも、光をより屈折させることができる。

複数の画素に対応して配置されているマイクロレンズ全体をマイクロレンズアレイという。ここまでマイクロレンズアレイに１個の対称な形状のマイクロレンズ１０３が配置されているような説明をした。しかし、本発明は特定の１画素のみに対称な形状のマイクロレンズ１０９を配置することに限定されるものではない。センサチップ１０１の中央部では光軸の傾きが少ないので、対称な形状のマイクロレンズを複数個でまとめてグループとして配置してもよい。画素１０３の周囲の複数の画素について対称な形状のマイクロレンズが配置されていても同様の効果を得ることができる。対称な形状のマイクロレンズのグループの周りに非対称な形状のマイクロレンズのグループが配置されているといえる。

本実施形態では、対称な形状のマイクロレンズのグループの中心とセンサチップ１０１の中心Ｃとが一致せずに、両者の中心はずれている。つまりセンサチップ１０１の中心Ｃからずれた位置にある画素を中心に一定の範囲にある画素に対して対称な形状のマイクロレンズを配置できる。そして、その範囲の外側にある画素に対応して非対称な形状のマイクロレンズを配置する。非対称なマイクロレンズの領域が対称なマイクロレンズの領域全体を挟むように配置される。

非対称な形状のマイクロレンズ１０９が配置されている画素１０３からの距離に応じて集光効率が向上するようにマイクロレンズの形状を変えてもよい。非対称な形状のマイクロレンズは周辺に配置されるのに従って斜めに入射する光をより屈折させるような形状とするとよい。つまり、図１（ａ）においてセンサチップ１０１の中央から左右等しい距離にあるマイクロレンズを比べると左側の方が右側よりも光を大きく屈折させる形状になっている。この様子を図２（ａ）に示す。マイクロレンズの形状は中央から周辺部に向かうにつれて傾いて入射する光をより垂直方向に屈折させるために、マイクロレンズの上面が大きく傾いている。非対称な形状のマイクロレンズ１０８、１１０の底面からの最も高い位置は、各マイクロレンズの中心に対して、マイクロレンズ１０９から離れるに従って、ずれている。非対称な形状のマイクロレンズがセンサチップ上での位置により形状が異なる場合、センサチップアレイの中心Ｃから左右に等しい距離にある非対称な形状のマイクロレンズの形状は相互に異なってもよい。非対称な形状のマイクロレンズが配置された画素を比べると、センサチップ１０１の中心Ｃから等距離にある二つの画素には異なる形状のレンズが配置されることになる。非対称な形状のマイクロレンズは、対称な形状のマイクロレンズのグループの中心からの距離に応じて、マイクロレンズの高さが最も高い部分の位置をずらすように形状を変化させているともいえる。

図１（ｂ）から（ｄ）に、各画素に入射する入射光１１１〜１１３を模式的に示す。画素１０２と画素１０４はセンサチップの中心Ｃからの距離が異なるため、それぞれの画素には異なる角度の光が入射する。具体的には、画素１０２には、画素１０４よりも傾きの小さい光が入射することになる。しかし画素１０２と画素１０４には非対称な同じ形状のマイクロレンズ１０８とマイクロレンズ１１０とが配置されている。このために、センサチップ１０１の中心Ｃからの距離が、画素１０４より近い画素１０２では、マイクロレンズが光をより屈折して、ゲート電極１０６を避けるように光電変換素子１０５へ入射させることができる。

本実施形態では、画素の断面構造に非対称性があっても、画素１０２において光が屈折されてゲート電極１０６に直接照射されることがない。また、画素１０２よりもさらにセンサチップ周辺側の画素には、画素１０２に配置されたマイクロレンズ１０８よりも、レンズ面の傾きの大きいマイクロレンズが配置される。すなわち、周辺側のマイクロレンズは、より大きく傾いた入射光を光電変換素子１０５の方向に屈折させることができる形状を有している。これにより、センサチップ１０１の周辺部においても、ゲート電極１０６へ光が照射されるのを回避することができる。

このようにマイクロレンズアレイを配置することにより、センサチップ１０１の全面において感度の分布のむらを低減することができる。上記説明では、センサチップの中心Ｃを有効画素領域の中心としたが、本実施形態の効果はこの構成に限定されない。具体的には、センサ面に照射される光は、一般的にはカメラの撮影レンズの光軸を中心に放射方向に角度が変化する。このため、撮影レンズの光軸と対称な形状のマイクロレンズが配置されるセンサチップの中心の画素の位置とが一致していることが望ましい。しかし、光軸近傍での光線角度の変化は僅かであるため、光軸とセンサチップの中心Ｃはおおむね一致していればよい。センサチップの周辺回路の配置や、ＯＢ（オプティカルブラック）画素などの配置の都合によって、対称又は非対称形状のマイクロレンズの配置を適宜に調整することができる。

センサチップの具体的な例として、総画素数が水平６５８２個、垂直４０８８個のセンサチップについて図２（ｂ）により説明する。斜線のハッチングで示される部分はオプティカルブラック（ＯＢ）画素や、ＮＵＬＬ画素の領域である。この例では、センサチップの有効画素数は水平６０２４個、垂直４０２１個である。有効画素領域２０１の中心の画素は、有効画素領域２０１の左下端の画素から、右方向に３０１２画素移動し、かつ、上方向に２０１１画素移動した画素を、センサチップ中央に配置された画素と定義する。垂直方向の画素数は奇数個であったため、画素数の中央を規定することができた。この例のように、水平方向の画素数が偶数個の場合に、中央の画素として、センサチップの端部から等距離にある２つの候補のうちどちらの画素を採用するかは定義次第で適宜変更可能である。

本実施形態では、センサチップ周辺部の画素には、非対称な形状のマイクロレンズとして図３（ａ）や図３（ｂ）に示すようなティアドロップ形状のマイクロレンズ３０１を用いることができる。図３において、Ｌは画素の辺の長さを表し、センサチップの中央から周辺へ向かう方向を第１方向、マイクロレンズ３０１の底面内において、第１方向に垂直に交わる方向を第２方向、第１、第２方向それぞれに垂直に交わる方向を第３方向として以下説明する。図３（ａ）にはマイクロレンズ３０１の底面形状の模式図を示す。図３（ｂ）には第１方向と第３方向がなす平面での、マイクロレンズ３０１の断面形状の模式図を示す。

図３（ｂ）に示すように、マイクロレンズ３０１は、１画素内において、センサチップの中心から周辺に向かう第１方向について徐々に高さが低くなる。図に示す高さｈ１と高さｈ２の関係は、ｘ１の位置でのマイクロレンズの高さをｈ１、ｘ２の位置でのマイクロレンズの高さｈ２として、ｈ１＞ｈ２である。また、図３（ａ）に示すように、第２方向について徐々に幅が狭くなる形状を有する。幅Ｂ１と幅Ｂ２の関係は、ｘ１の位置でのマイクロレンズの幅をＢ１、ｘ２の位置でのマイクロレンズの幅Ｂ２として、Ｂ１＞Ｂ２である。このレンズを使う場合も図２（ａ）に示すようにセンサチップの周辺に向かうにつれてレンズの傾きを、より入射光を屈折するように変えてもよい。

このような形状を用いることにより、センサチップの周辺部の画素において大きく傾いて入射する光を光電変換素子１０５方向に屈折させることができるため、高感度を得ることができる。これにより、センサチップ全体において、光学的な非対称性を改善しつつ、高感度を得ることができる。

また、非対称なマイクロレンズの形状の他の例として、図４の（ａ）から（ｃ）に示すようなマイクロレンズ４０１を用いてもよい。このマイクロレンズ４０１は、図４（ａ）に示すように、１画素内において占める面積がマイクロレンズ３０１より広い。またマイクロレンズ３０１と同様に、センサチップの中央から周辺に向かう第１方向について徐々に高さが低くなる。このマイクロレンズは、図４（ａ）に示すように、第２方向について徐々に幅が変化する形状である。このマイクロレンズの幅は、センサチップの中央に近い側の端部が幅Ｂ１で周辺側の方の端部の幅Ｂ４よりも広い。つまり、対称なマイクロレンズ１０９が配置されている方に近い側の端部の幅Ｂ１が遠い側の端部の幅Ｂ４より広い。一方の端部の幅Ｂ１から第２方向に向かう幅が徐々に広がり、最も広い幅Ｂ２となる。その後、一定の幅Ｂ２を保ち、徐々に狭くなり幅Ｂ３を経て他方の端部で幅Ｂ４となる。ここでマイクロレンズの端部とは、マイクロレンズが隣接して配置されている場合には、隣り合うマイクロレンズの境界部分にあたり、高さが最も高い部分から徐々に下がって最も低くなった箇所である。あるいは図４（ａ）でＬ×Ｌで示す画素の第１方向における左右の辺にあたる部分である。図４（ｃ）は、第２方向に沿ったマイクロレンズ４０１の断面を示す図である。マイクロレンズ４０１は、１画素内において、最も高さが高い場所ｘ１からセンサチップ周辺に向かうにつれて、マイクロレンズの上面の曲率半径が徐々に大きくなることを特徴としている。言い換えると、対称なマイクロレンズのグループが配置された領域の中心と反対方向の端部へ向かうほどマイクロレンズの上面の曲率半径が徐々に大きくなる。すなわち、図４（ｃ）において、ｘ２の位置におけるマイクロレンズの上面の曲率半径は、ｘ１の位置におけるマイクロレンズの上面の曲率半径よりも大きい。このような形状を用いることにより、センサチップ周辺部において、非対称性を改善しつつ、さらに高感度を得ることができる。このレンズを使う場合も図２（ａ）に示すようにセンサチップの周辺に向かうにつれてレンズの傾きを、より入射光を屈折するように変えてもよい。

また、本実施形態では、トランジスタのゲート電極１０６を画素の光学的な非対称性が生じる要因として説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、画素の配線層や、光電変換素子中の不純物分布、隣接画素間の光電変換素子を分離する不純物層、光電変換素子の形状、その他の要因によっても同様の光学的な非対称性が生じることがある。これらについても光電変換素子に対する光の入射角をマイクロレンズで調整することにより同様の効果を得ることができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２とその効果について図５を用いて説明する。本実施形態では、実施形態１と異なり、対称な形状のマイクロレンズと非対称な形状のマイクロレンズの中心が、それぞれのマイクロレンズに対応して設けられた各画素の光電変換素子の中心からずれた位置に設けられていることを特徴とする。ここでいう光電変換素子の中心とは、ＰＮ接合型フォトダイオードにおいて、電子蓄積型の場合はｎ型領域を平面視したときの中心又は重心である。または光電変換素子を平面視したときの平面形状の重心でもよい。また、ホール蓄積型の場合はｐ型領域の中心または重心のことである。

図５は本実施形態の画素の配置および、画素の断面構造を示す。センサチップ５０１には行列状に多数の画素が配置されている。その中には、画素５０２から５０４が含まれている。図５（ａ）では、破線で示された対角線の交点をセンサチップの有効画素領域の中心Ｃとして示している。ここでは画素５０３は中心Ｃとは異なる位置に設けられている。画素５０２から画素５０３までの距離ｄ１と、画素５０３から画素５０４までの距離ｄ２は等しいように、画素５０２と画素５０４は選択されている。

図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ画素５０２、５０３及び５０４の断面図に対応する。図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示したように、各画素に対応して配置されているマイクロレンズ１０８、１０９及び１１０の中心が、光電変換素子の中心から右側の方向へ向けてずれて配置されている。このように、画素の非対称性をマイクロレンズの形状の変化だけでなく、マイクロレンズアレイを配置する位置をずらすようにして調整する。このことによって、光電変換素子１０５への入射光が集光する位置を調整することができるため、画素の構造の非対称性による画質の劣化が改善する。本実施形態でもマイクロレンズとして図３や図４の形状のものを使うことができる。マイクロレンズの底面の中心は、対称な形状のマイクロレンズ１０９の場合は中心軸とすればよい。また非対称なマイクロレンズの底面の中心の位置は、図５（ｂ）のマイクロレンズ１０８の断面の端部間の中心、図５（ｄ）のマイクロレンズ１１０の断面の端部間の中心とすればよい。あるいは図３及び図４で示した第２の方向で測ったマイクロレンズの幅の中心を通る第１方向の直線でマイクロレンズを切断したと仮定した場合の、マイクロレンズの底面での端から端までの距離の中心の位置としてもよい。または、マイクロレンズの第２方向での最大幅の中心に垂直な第１方向で測った、マイクロレンズの底面の端から端までの中心の位置でもよい。他にマイクロレンズの底面の平面形状の重心の位置を中心としてもよい。本実施形態でも、特定の１画素のみに対称な形状のマイクロレンズ５０３を配置することに限定されるものではない。センサチップ５０１の中央部では光軸の傾きが少ないので、対称な形状のマイクロレンズを複数個でまとめてグループとして配置してもよい。

（実施形態３）
本発明の実施形態３とその効果について図６を用いて説明する。他の実施形態と重複する説明は省略する。本実施形態では、マイクロレンズに対応して設けられた画素の光電変換素子の中心に対するマイクロレンズのずれ量がマイクロレンズの位置により異なることを特徴とする。

図６は本実施形態の画素の配置および、画素の断面構造を示す。センサチップ６０１には行列状に多数の画素が配置されている。その中には、画素６０２、６０３及び６０４が含まれている。図６（ａ）では、破線で示された対角線の交点を有効画素領域の中心Ｃとして示している。画素６０３はセンサチップの中心Ｃとは異なる位置に設けられている。画素６０２から画素６０３までの距離ｄ１と、画素６０３から画素６０４までの距離ｄ２が等しいように、画素６０２と画素６０４が選択される。図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ画素６０２、６０３、６０４の断面図に対応する。図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示したように、各画素のマイクロレンズ１０８、１０９及び１１０が、光電変換素子の中心からセンサチップの中心の方向へずれて配置されている。また、そのずれ量がセンサチップの周辺部に向かうにつれて大きくなっている。

このように、画素の非対称性をマイクロレンズの形状の変化だけでなく、マイクロレンズアレイを配置する位置を調整することによっても、光電変換素子１０５への集光位置を調整することができるため、高感度が得られる。このとき、各マイクロレンズの光電変換素子の中心からのずれ量は、撮影レンズの射出瞳距離や、Ｆ値に応じて適宜調整してもよい。

具体的には、射出瞳距離が長いレンズにおいては、センサチップの中央部の画素と同様に、センサチップの周辺部の画素においても、傾きの小さい光線が入射する。そのため、光電変換素子の中心に対するマイクロレンズのずらし量は小さく設定してよい、一方で、撮影レンズの射出瞳距離が短い場合においては、センサチップの周辺部の画素には、傾きの大きい光線が入射する。そのため、光電変換素子の中心に対するマイクロレンズのずらし量は大きく設定することが望ましい。これにより、斜め入射光の多い瞳距離の短いレンズにおいて、感度ムラを抑制することができる。また、本実施形態でもマイクロレンズとして図３や図４の形状のものを使うことができる。

（実施形態４）
本発明の実施形態４とその効果について図７を用いて説明する。他の実施形態と重複する説明は省略する。図７は本実施形態の画素の配置および、画素の断面構造を示す。センサチップ７０１には行列状に多数の画素が配置されている。その中には、画素７０２から７０４が含まれている。図７（ａ）では、破線で示された対角線の交点を有効画素領域の中心Ｃとして示している。画素７０３はセンサチップの中心Ｃとは異なる位置に設けられている。画素７０２から画素７０３までの距離ｄ１と、画素７０３から画素７０４までの距離ｄ２は等しいように、画素７０２と画素７０４は選択されている。図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ画素７０２、７０３、７０４の断面図に対応する。図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示したように、各画素のマイクロレンズ１０８、１０９及び１１０が、光電変換素子の中央からセンサチップの中央方向へずれて配置されている。また、そのずれ量がセンサチップの周辺部に向かうにつれて大きくなっている。

本実施形態では、実施形態１から３と異なり、画素を構成するその他の部品も光電変換素子の中心からずれて配置されることを特徴とする。その他の部品とは、カラーフィルタ７０８、層内レンズ７０９、導波路７１０、画素分離構造７１１などのことである。

カラーフィルタ７０８は各画素のＲＧＢなどの色に対応する波長の光を透過させ、その他の波長の光を吸収するため、色分離の役割を有する。層内レンズ７０９は画素の境界部に入射した光を画素の中央に集め、光電変換素子１０５で受ける光の量を増やす役割や、隣接画素への混色を減らす役割も併せて有する。導波路７１０は、一般的には高屈折率材料の窒化シリコンなどが用いられる。これにより、光を導波路内に閉じ込める効果があるため、光電変換素子１０５以外に漏れてしまう光を減少させ、高感度とする役割や、大きく傾いて入射する光を導波路７１０の側面で反射させ、光電変換素子１０５方向へ導く役割を有する。

画素分離構造７１１は、光電変換素子１０５が配されたシリコン基板内に構成される構造である。画素分離構造はシリコン基板に形成されたトレンチ内にポリシリコンを埋め込んだ構造であったり、その周囲をシリコン酸化膜で覆われた構造がある。また、画素分離構造はトレンチ内に埋め込まれた金属などであることが多く、シリコン内での光や電荷の混色を低減させたり、画素の飽和電子数を増やす役割を有する。例として、上記部品について述べたが同様の役割をもつものであれば、名称などが異なってもよい。

各部品のずらし方は、光電変換素子１０５へ光が導かれる効率が高くなるように設定される。本実施形態では、マイクロレンズ１０８、１０９、１１０と、カラーフィルタ７０８と層内レンズ７０９を実施形態３でマイクロレンズをシフトさせた方向と同じ方向にシフトさせている。また、導波路７１０と素子分離構造７１１はマイクロレンズ等とは逆の方向、図７ではセンサチップの周辺部に向けてシフトする配置とした。このような配置とすることにより、隣接画素への混色を防ぎながら、高感度を得ることができる。

本実施形態では、マイクロレンズ、層内レンズ、カラーフィルタの中心と導波路の中心とがずれて配置される。ここで層内レンズ、カラーフィルタ、導波路の中心は、これらをセンサチップの表面あるいはマイクロレンズアレイの底面へ正射影したときの正射影図の重心を中心とするとよい。層内レンズの正射影が円であれば円の真ん中を中心にすることができる。カラーフィルタが矩形であれば対角線の交点を中心としてもよい。

また、上記以外の部品として、例えば、トランジスタのゲート電極１０６や、カラーフィルタ間の分離構造や、隣接する画素の間に設けられた遮光層などがシフトされて配置された場合でも同様の効果を得ることができる。

また、上記部品のうち、全てが用いられた画素や、その一部が用いられた画素についても同様の効果を得ることができるため、本実施形態の構成に限定されるものではない。また、本実施形態でもマイクロレンズとして図３や図４の形状のものを使うことができる。

（実施形態５）
本発明による固体撮像素子を撮像装置に応用する場合の例について図９により説明する。光学系は、撮影レンズ９０２、シャッター９０１、絞り９０３を含み、被写体の像を固体撮像素子９０４に結像させる。固体撮像素子９０４からの出力信号は信号処理回路９０５で処理され、Ａ／Ｄ変換器９０６によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されたディジタル信号はさらに信号処理部９０７で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ部９１０に蓄えられたり、外部Ｉ／Ｆ部９１３を通してコンピュータ等の外部の機器に送られる。固体撮像素子９０４、信号処理回路９０５、Ａ／Ｄ変換器９０６、信号処理部９０７はタイミング発生部９０８により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部９０９で制御される。記録媒体９１２に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１１を通して、記録される。

なお、上記実施形態では表面照射型の固体撮像素子について説明したが、本発明は裏面照射型の固体撮像素子にも適用することが可能である。同様に、本発明は光電変換膜型の固体撮像素子にも適用することが可能である。

１０１ センサチップ、１０２〜１０４ 画素、１０５ 光電変換素子、１０６ ゲート電極、１０７ 配線層、１０８〜１１０ マイクロレンズ、１１１〜１１３ 入射光

Claims (9)

1. 行列状に配置された光電変換素子を含む複数の画素と、前記複数の画素にそれぞれ対応する複数のマイクロレンズが配置されたマイクロレンズアレイと、を含む撮像素子であって、
   前記マイクロレンズアレイには、第１の形状のマイクロレンズからなる第１グループと、前記第１の形状と異なる第２の形状のマイクロレンズからなる第２グループとが配置されており、
   前記第１グループを構成するマイクロレンズが配置された領域の中心は前記撮像素子の有効画素領域の中心からずれていて、かつ、前記第２グループを構成するマイクロレンズが配置された領域は、前記第１グループの全体を挟むように配置された２つの部分を含む
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. マイクロレンズの底面に垂直でかつ前記底面からの高さが最も高い位置を通る直線を中心軸としたときに、前記第１の形状のマイクロレンズは、中心軸に対して対称な形状であり、前記第２の形状のマイクロレンズは中心軸に対して非対称な形状であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第２の形状のマイクロレンズの底面からの高さが、前記第２の形状のマイクロレンズの底面の中心に対して前記第１グループを構成するマイクロレンズが配置された領域の中心に近い側において最も高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
4. 前記第２の形状のマイクロレンズの上面の曲率半径は、前記底面からの高さが最も高い場所から、前記第１グループを構成するマイクロレンズが配置された領域の中心から離れる方向へ向かうほど大きいことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
5. 前記第２の形状のマイクロレンズはティアドロップ形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記画素はさらに層内レンズ、カラーフィルタ及び導波路、を有し、
   前記層内レンズ及び前記カラーフィルタの中心と前記導波路の中心とがずれて配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 前記第１及び第２の形状のマイクロレンズの底面の中心は対応する前記画素の光電変換素子の中心に対してずれて配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 前記ずれの量は、前記撮像素子の周辺部ほど大きいことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子から出力される信号を処理する処理部と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。

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