JP2017079243A - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】様々な入射光に対して、画素上にマイクロレンズが配された固体撮像装置の光学特性のばらつきを抑制する技術を提供する。
【解決手段】第１の方向及び第１の方向と直交する第２の方向で規定される平面の上に複数の画素が配された画素領域を含む固体撮像装置であって、複数の画素のそれぞれは、光電変換部と、マイクロレンズと、光電変換部とマイクロレンズとの間に配された光透過部と、を含み、光透過部及び光電変換部のうち少なくとも一方は、光電変換部の中心を通り前記第１の方向に垂直である分割面に対して、第１の方向の側と第１の方向とは反対側とで非対称性を持つ構造を有し、マイクロレンズの中心が、分割面に対して第１の方向とは反対側にずれることによって、複数の画素のうち、画素領域の中心を通り第１の方向に垂直である面に対して互いに対称の位置に配された画素同士の非対称性によって生じる感度差を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置及びカメラに関する。

フォトダイオードなどの光電変換部を含む画素がアレイ状に配された固体撮像装置において、感度向上やノイズ低減を目的として、各画素の上に集光効率を高めるマイクロレンズを配することが知られている。カメラの撮影レンズを通り固体撮像装置に入射する光は、固体撮像装置の端に近い画素ほど斜めに入射することになる。特許文献１には、固体撮像装置の中心との距離に応じて入射面の傾きが互いに異なるプリズムや反射鏡を用いることによって、マイクロレンズの集光位置を補正することが示されている。斜入射光に対して周辺部の画素での集光効率の低下を抑制することによって、固体撮像装置の中央部から周辺部までの各画素の光学特性のばらつきが抑制される。

特表２００６−５２８４２４号公報

撮影レンズを交換できるカメラの場合、撮影レンズによって射出瞳距離が変化し、固体撮像装置に入射する光の角度が変化する。特許文献１の構造では、周辺部の画素において斜入射光に適したマイクロレンズを配した場合、周辺部の画素に垂直光に近い光が入射すると集光位置を補正し過ぎてしまい、固体撮像装置の周辺部で光学特性のばらつきが発生する可能性がある。

本発明は、様々な入射光に対して、画素上にマイクロレンズが配された固体撮像装置の光学特性のばらつきを抑制する技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の一部の実施形態に係る固体撮像装置は、第１の方向及び第１の方向と直交する第２の方向で規定される平面の上に複数の画素が配された画素領域を含む固体撮像装置であって、複数の画素のそれぞれは、光電変換部と、マイクロレンズと、光電変換部とマイクロレンズとの間に配された光透過部と、を含み、光透過部及び光電変換部のうち少なくとも一方は、光電変換部の中心を通り前記第１の方向に垂直である分割面に対して、第１の方向の側と第１の方向とは反対側とで非対称性を持つ構造を有し、マイクロレンズの中心が、分割面に対して第１の方向とは反対側にずれることによって、複数の画素のうち、画素領域の中心を通り第１の方向に垂直である面に対して互いに対称の位置に配された画素同士の非対称性によって生じる感度差を低減することを特徴とする。

上記手段により、様々な入射光に対して、画素上にマイクロレンズが配された固体撮像装置の光学特性のばらつきを抑制する技術が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の平面図及び画素の断面図。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の平面図及び画素の断面図。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の平面図及び画素の断面図。 本発明の固体撮像装置に用いるマイクロレンズの形状例を示す図。 本発明の比較構造に係る固体撮像装置の平面図及び画素の断面図。 本発明の比較構造に係る固体撮像装置の平面図及び画素の断面図。

以下、本発明に係る固体撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。

第１の実施形態
図１を参照して、本発明の一部の実施形態による固体撮像装置について説明する。図１（ａ）に、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置１０１の平面図を示す。固体撮像装置１０１は、第１の方向１２１及び第１の方向１２１に直交する第２の方向１２２で規定される平面上に複数の画素が配された画素領域１００を含む。複数の画素は、この平面上に２次元アレイ状に配されている。複数の画素のうち、図１（ａ）に示す第１の方向１２１に沿って配された画素１０２、１０３、１０４のそれぞれ断面図を、図１（ｂ）〜（ｇ）に示す。図１（ｂ）、（ｅ）は画素１０２、図１（ｃ）、（ｆ）は画素１０３、図１（ｄ）、（ｇ）は画素１０４のそれぞれ断面図を示している。ここで断面とは、各画素の第１の方向１２１と平行な方向であり、画素領域１００の表面に対して垂直な面を指す。言い換えると、断面とは、第２の方向１２２に垂直な面を指す。それぞれの画素は、基板に配された光電変換部１０５、マイクロレンズ１０８、１０９又は１１０及び光電変換部１０５とマイクロレンズ１０８、１０９又は１１０との間に配された光透過部１１１を含む。

画素１０３は、画素領域１００の中心を通る第１の方向１２１に平行な直線と、画素領域１００の中心を通る第２の方向１２２に平行な面１３０との交点に配されている。画素１０３は、画素領域１００の中心に配された画素でありうる。また、画素領域１００の中心は、固体撮像装置１０１の有効画素領域の中心であってもよい。画素１０２と画素１０４とは、画素領域１００の中心を通り第１の方向１２１と垂直である面１３０に対して互いに対称の位置に配される。図１（ａ）の平面図では、面１３０が直線で示される。画素１０２は、面１３０から第１の方向１２１の側に距離ｄ１離れた場所に配される。「第１の方向１２１の側」は、各図面に示す平面図及び断面図では左側であるので、以下の説明では「左側」で表す。また、「第１の方向１２１とは反対側」は、各図面に示す平面図及び断面図では右側であるので、以下の説明では「右側」で表す。画素１０４は、面１３０から第１の方向１２１とは反対の方向に距離ｄ１離れた場所に配される。本実施形態において、画素１０２は、画素１０４に対して、左側に配されている。ここで各画素と面１３０との距離は、画素領域１００の表面に対する正射影において、例えば各画素の光電変換部１０５の中心から面１３０までの最短距離であってもよい。また例えば、各画素の光電変換部１０５の外縁と面１３０との間の最短距離であってもよい。また、光電変換部１０５の中心とは、例えば、光電変換部１０５がｐｎ接合フォトダイオードの場合、光電変換部１０５の電子蓄積型であればｎ型領域、正孔蓄積型であればｐ型領域となる蓄積領域の幾何学的な重心の位置であってもよい。また例えば、光電変換部１０５の中心とは、光電変換部１０５の蓄積領域の上面に外接し第１の方向１２１及び第２の方向１２２に平行な辺を有する四角形の中心であってもよい。また例えば、光電変換部１０５の蓄積領域の上面が矩形の場合、その対角線の交点を光電変換部１０５の中心としてもよい。

各画素は、光電変換部１０５、光透過部１１１、及び、マイクロレンズ１０８、１０９又は１１０を含む。光透過部１１１は、選択された光電変換部１０５に蓄積された電荷を読み出すためのトランジスタのゲート電極１０６、配線層１０７を含む。また、光電変換部１０５の上には、マイクロレンズが配される。本実施形態において、画素１０２にはマイクロレンズ１０８、画素１０３にはマイクロレンズ１０９、画素１０４にはマイクロレンズ１１０が、それぞれ含まれる。

マイクロレンズは、画素領域１００の配された場所によって異なる形状を有する。各マイクロレズは、各マイクロレンズと画素領域１００の中央との間の距離に応じて、マイクロレンズの頂点が、マイクロレンズの中心から画素領域１００の中央に偏った形状を有する。画素領域１００の中央に近いマイクロレンズの頂点よりも、画素領域１００の外縁に近いマイクロレンズの頂点の方が、画素領域１００の中心への偏りが大きい。例えば、画素領域１００の中心に近い画素のマイクロレンズの頂点と光電変換部１０５の中心との距離が、画素領域１００の外縁に近い画素のマイクロレンズの頂点と光電変換部１０５の中心との距離よりも短くてもよい。また、面１３０から等距離に配された画素１０２、１０４のマイクロレンズ１０８とマイクロレンズ１１０とは、マイクロレンズの頂点とマイクロレンズの中心との距離が同じであってもよい。またこの場合、面１３０から等距離に配された画素１０２、１０４のマイクロレンズ１０８とマイクロレンズ１１０とは、第１の方向１２１に垂直である面に対して互いに対称の形状であってもよい。ここで、各マイクロレンズの中心とは、画素領域１００の表面に対する正射影において、例えば、各画素の各マイクロレンズに外接し第１の方向１２１及び第２の方向１２２に平行な辺を有する四角形の対角線の交点であってもよい。また例えば、画素領域１００の表面に対する正射影において、マイクロレンズが対称性を有する、又は、対称に近い形状を有する場合、マイクロレンズの中心は、マイクロレンズの幾何学的な重心位置であってもよい。例えば、画素領域１００の表面に対する正射影において、マイクロレンズが円形であった場合、マイクロレンズの中心は、円の中心であってもよい。また、画素領域１００の中央とは、画素１０３の配された画素領域１００の中心のみを指してもよいし、例えば画素領域１００の中心から放射状に数画素、離れた範囲まで含んでいてもよい。また例えば、固体撮像装置１０１の配されたカメラの撮影レンズからの光が、撮影レンズの種類に関わらず画素領域１００に対してほぼ垂直に入射する範囲であってもよい。また、マイクロレンズの頂点とは、マイクロレンズの底面から、画素領域１００の表面に対して垂直の方向に、最も高い部分であってよい。

マイクロレンズ１０８、１１０は、図１（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｇ）に示すように、頂点が、マイクロレンズの中心よりも画素領域１００の中央側に偏った非対称な形状を有する非対称マイクロレンズである。また、画素領域１００の中心に配される画素１０３のマイクロレンズ１０９は、マイクロレンズ１０９の頂点を通り光電変換部１０５の表面に対して垂直な方向の中心軸に対して対称な形状を有する対称マイクロレンズであってもよい。換言すると対称マイクロレンズは、マイクロレンズに入射する光束の光軸に対して対称の形状を有する。また、対称マイクロレンズを含む画素は、画素領域１００の中心に配された画素１０３、１画素だけでなくてもよい。例えば、画素領域１００は、対称マイクロレンズを含んだ画素を画素領域１００の中央に複数含んでいてもよい。例えば、画素領域１００の中心から放射状に数画素の範囲の画素に含まれるマイクロレンズが、対称マイクロレンズであってもよい。また、対称マイクロレンズの配される領域を、上記の画素領域１００の中央としてもよい。

本実施形態の複数のマイクロレンズはアレイ状に配置されているので、複数のマイクロレンズをまとめてマイクロレンズアレイと呼ぶ。マイクロレンズアレイは、マイクロレンズ１０９を中心に、放射方向に連続的に形状が変化するマイクロレンズアレイとなっている。これらの構成によって、画素領域１００の外縁に近い周辺部において、各画素に対して傾いて入射する光を光電変換部１０５の方向へ屈折させることが可能となる。

また、本実施形態において、各画素に含まれるマイクロレンズの中心（入射する光１５１を表す３本の矢印のうち、真ん中の矢印で示す。）は、図１（ｂ）〜（ｇ）に示されるように、各画素の光電変換部１０５の中心を通り第１の方向１２１に垂直である平面（一点鎖線で示す。）から右側にずれて配される。以下、光電変換部１０５の中心を通り第１の方向１２１に垂直である平面を画素の分割面ＤＩＶと呼ぶ。このため、面１３０を対称軸として、面１３０から等距離にある画素１０２と画素１０４とに配されたマイクロレンズ１０８とマイクロレンズ１１０とは、それぞれの画素の分割面ＤＩＶから右側にずれ、面１３０からの距離が異なることとなる。具体的には、マイクロレンズ１０８の頂点と面１３０との間の距離が、マイクロレンズ１１０の頂点と面１３０との間の距離よりも短くなる。また、画素１０２と画素１０４との対称面である面１３０に対して、マイクロレンズ１０８の中心とマイクロレンズ１１０の中心との中間点が、右側にずれる。本実施形態において、各画素の光電変換部１０５の中心に対する各マイクロレンズの中心の右側へのずれ量は、図１（ｂ）〜（ｇ）に示すように、各画素において一定となっている。また、画素領域１００に配される全ての画素において、各マイクロレンズの中心が、分割面ＤＩＶに対して右側にずれていてもよい。

本実施形態において、各画素に配されるトランジスタのゲート電極１０６は、各画素の分割面ＤＩＶよりも左側に配される。このため、各画素は、分割面ＤＩＶの左側と右側とで非対称性を持つ構造を有する。本実施形態において、分割面ＤＩＶに対して右側と左側とで、光透過部１１１の光の透過率が互いに異なってしまう。ゲート電極１０６によって、光透過部１１１の光の透過率が低くなる部分が、分割面ＤＩＶの左側で生じる。このため、光電変換部１０５のうちゲート電極１０６の下になる部分は、他の部分と比較して生成される電荷量が減少する可能性がある。この構造的な非対称性のため、各画素にマイクロレンズが配されない場合、面１３０に対して互いに対称の位置に配される画素１０２と画素１０４とは、カメラの撮像レンズを通して入射する光に対して感度差を生じることとなる。また、ゲート電極１０６には、例えばポリシリコンなど、光透過部１１１のうちゲート電極１０６や配線層１０７以外の光が通過する部分よりも屈折率の高い材料が用いられる。このため、ゲート電極１０６に光が照射された場合、光透過部１１１のうち光が通過する部分とゲート電極１０６との屈折率の変化によって、光が隣接する画素に大きく屈折され、混色などの画質劣化の原因となりうる。このように、画素が非対称な構造を有するため、画素領域１００内で光学的な非対称性が生じてしまい、撮像画像の画質が低下してしまう可能性がある。

ここで、本実施形態の固体撮像装置１０１の比較構造として図５、６に固体撮像装置５０１、６０１を示す。図５（ａ）は、固体撮像装置５０１の平面図、図５（ｂ）〜（ｇ）は、固体撮像装置５０１に含まれる第１の方向１２１に沿って配された画素５０２、５０３、５０４のそれぞれ断面図を示す。画素５０３は、画素領域１００の中心に配された画素を示す。また、画素５０２と画素５０４とは、画素領域１００の中心を通り第１の方向１２１に垂直である面１３０に対して互いに対称の位置に配された画素を示す。固体撮像装置５０１に含まれる各画素は、固体撮像装置１０１と同様に、光電変換部１０５、光透過部１１１、マイクロレンズ５０８を含む。固体撮像装置５０１では、固体撮像装置１０１とは異なり、すべての画素に含まれるマイクロレンズが、同じ形状をしたマイクロレンズ５０８である。マイクロレンズ５０８は、対称マイクロレンズでありうる。また、本実施形態と異なり、マイクロレンズの中心は、各画素の光電変換部１０５の中心の上にそれぞれ配される。

図５（ｂ）〜（ｄ）は、固体撮像装置５０１が配されたカメラの撮影レンズの射出瞳距離が長い場合、各画素に入射する光を模式的に示している。撮影レンズの射出瞳距離が長いため、それぞれの画素に入射する光５５１は垂直に近い角度で入射し、マイクロレンズ５０８によって光電変換部１０５の中央部に集光される。このため、画素領域１００の第１の方向１２１の感度差が抑制され、良好な光学特性を得ることができる。一方、図５（ｅ）〜（ｇ）は、固体撮像装置５０１が配されたカメラの撮影レンズの射出瞳距離が短い場合、各画素に入射する光５５２ａ〜ｃを模式的に示している。撮像レンズの射出瞳距離が短いため、画素領域１００の中央から離れた周辺部の画素５０２、５０４に、光５５２ａ、ｃは、それぞれ傾いて入射する。この場合、画素５０２において、マイクロレンズ５０８による屈折量が不足する。このため、画素５０２のゲート電極１０６に光が照射され、面１３０に対して互いに対称の位置に配された画素５０２と画素５０４とで感度差が生じてしまう。固体撮像装置５０１は、非対称な光学特性となってしまう可能性がある。

画素領域１００の中央から離れた周辺部に斜入射する光に対して、図６に示す固体撮像装置６０１は、固体撮像装置１０１と同様に、対称性のあるマイクロレンズ１０９を中心に、形状が連続的に変化する非対称な形状のマイクロレンズアレイを備える。しかし、本実施形態の固体撮像装置１０１と異なり、各画素の分割面ＤＩＶ上に各マイクロレンズの中心が配されている。ここで、画素６０３は、画素領域１００の中心に配された画素を示し、また、画素６０２と画素６０４とは、画素領域１００の中心を通り第１の方向１２１に垂直である面１３０に対して対称の位置に配された画素を示す。

図６（ｅ）〜（ｇ）は、固体撮像装置６０１が配されたカメラの撮影レンズの射出瞳距離が短い場合、各画素に入射する光６５２ａ〜ｃを模式的に示している。撮像レンズの射出瞳距離が短いため、画素領域１００の中央から離れた周辺部の画素６０２、６０４に、光６５２ａ、ｃは、それぞれ傾いて入射する。しかしながら、マイクロレンズ１０８、１１０の頂点の位置が、それぞれ画素領域１００の中央に偏って配されることによって、光は光電変換部１０５の中央部に集光される。このため、良好な光学特性を得ることができる。一方、図６（ｂ）〜（ｄ）は、固体撮像装置６０１が配されたカメラの撮影レンズの射出瞳距離が長い場合、各画素に入射する光６５１を模式的に示している。撮像レンズの射出瞳距離が長く、それぞれの画素に光６５１は垂直に近い角度で入射するため、画素６０４では屈折量が多く、ゲート電極１０６に光が照射される。このため、面１３０に対して互いに対称の位置に配された画素６０２と画素６０４とで感度差が生じてしまい、固体撮像装置６０１は、非対称な光学特性となってしまう可能性がある。

このように、固体撮像装置５０１、６０１の構成では、撮影レンズの射出瞳距離が大きく変化するような状況において、面１３０を対称軸として互いに線対称の位置に配された画素同士で感度差が生じてしまう。このため、固体撮像装置５０１、６０１の画素領域１００全体で、面１３０を対称軸として、対称な光学特性を得ることが難しい。

ここで本実施形態の固体撮像装置１０１の効果について説明する。図１（ｂ）〜（ｄ）は、固体撮像装置１０１が配されたカメラの撮影レンズの射出瞳距離が長い場合、各画素に入射する光１５１を模式的に示している。図６（ｄ）に示した固体撮像装置６０１の画素６０４において、垂直に近い角度で入射する光６５１は、マイクロレンズ１１０によって大きく屈折し、光がゲート電極１０６に照射されてしまう。一方、本実施形態において、各マイクロレンズは、分割面ＤＩＶに対して右側にずれて配される。このため、画素１０４に垂直に近い角度で入射した光１５１は、マイクロレンズ１１０によって屈折されるが、ゲート電極１０６に照射され難くなる。マイクロレンズ１１０を右側にずらすことによって、照射瞳距離の長い撮影レンズを用いた場合でも、面１３０に対して互いに対称の位置に配された画素同士の感度差を低減することが可能となる。結果として、固体撮像装置１０１の光学特性を改善することが可能となる。

図１（ｅ）〜（ｇ）は、固体撮像装置１０１が配されたカメラの撮影レンズの射出瞳距離が短い場合、各画素に入射する光１５２ａ〜ｃを模式的に示している。図５（ｅ）に示した固体撮像装置５０１の画素５０２において、傾いて入射する光５５２ａは、マイクロレンズ５０８では屈折量が足りず、光がゲート電極１０６に照射されてしまう。一方、本実施形態において、画素１０２には非対称マイクロレンズであるマイクロレンズ１０８が右側にずれて配される。このため、画素１０２に傾いて入射した光１５２ａは、マイクロレンズ１０８によって屈折され、ゲート電極１０６に照射され難くなる。非対称な形状を有するマイクロレンズ１０８を右側にずらすことによって、照射瞳距離の短い撮影レンズを用いた場合でも、画素１０２と画素１０４との感度差を低減し、固体撮像装置１０１の光学特性を改善することが可能となる。

本実施形態において、各画素が非対称性を持つ構造を有した場合、マイクロレンズの頂点がマイクロレンズの中心から画素領域１００の中央側に偏ったマイクロレンズを、各画素の持つ光学的に非対称な部分と反対の側にずらして配する。これによって、撮影レンズの照射瞳距離が広い範囲で変化し、画素に広い角度範囲で光が入射した場合においても、画素領域１００の面内の光学特性を改善し、より均一な光学特性を得ることが可能となる。

本実施形態において、画素領域１００の中心は、固体撮像装置１０１の有効画素領域の中心であってもよいとしたが、本発明は、これに限定されるものではない。画素領域１００に照射される光は、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、撮影レンズの光軸が画素領域１００の中心を通っていてもよい。また、光軸近傍での光の角度の変化は僅かであるため、撮影レンズの光軸と画素領域１００の中央とが、概ね一致していてもよい。画素領域１００の中心は、撮像レンズの光軸や、画素領域１００の周辺回路やオプティカルブラック画素などの配置によって、適宜、調整すればよい。

本実施形態において、非対称な形状のマイクロレンズとして図４（ａ）に示すようなティアドロップ形状のマイクロレンズ４０１を用いることができる。図４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ｘ方向、マイクロレンズ４０１の底面内において、ｘ方向に垂直に交わる方向をｙ方向、ｘ、ｙ方向それぞれに垂直に交わる方向をｚ方向として以下説明する。

図４（ａ）にはマイクロレンズ４０１の底面形状の模式図と断面形状の模式図とを示す。マイクロレンズ４０１は、１画素内において、画素領域１００の中心から周辺に向かうｘ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、位置ｘ１でのマイクロレンズの高さをｈ１、位置ｘ２でのマイクロレンズの高さｈ２として、ｈ１＞ｈ２である。また、ｙ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、位置ｘ１でのマイクロレンズの幅をｂ１、位置ｘ２でのマイクロレンズの幅ｂ２として、ｂ１＞ｂ２である。この形状のマイクロレンズを使う場合においても、画素領域１００の中心から周辺に向かうにつれて、より入射光を屈折するように、それぞれのマイクロレンズの頂点がマイクロレンズの中心よりも画素領域１００中心の側に偏るように変化させてもよい。

このようなティアドロップ型の形状を用いることによって、画素領域１００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部１０５方向に屈折させることができるため、高い感度を得ることができる。これによって、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、非対称マイクロレンズの形状の他の例として、図４（ｂ）に示すようなマイクロレンズ４０２を用いてもよい。このマイクロレンズ４０２は、１画素内において占める面積がマイクロレンズ４０１よりも広い。また、マイクロレンズ４０１と同様に、画素領域１００の中央から周辺に向かうｘ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、ｙ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、画素領域１００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よりも広い。一方の端部の幅ｂ１からｙ方向に向かい徐々に幅が広がり、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と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（ｂ）でＬ×Ｌで示す画素のｘ方向における左右の辺にあたる部分である。また、マイクロレンズ４０１は、１画素内において、最も高さが高い頂点の位置ｘ１から、画素領域１００の中心を離れる方向に向かうにつれて、マイクロレンズの上面の曲率半径が徐々にｙ方向において大きくなることを特徴としている。すなわち、位置ｘ２におけるマイクロレンズの上面の曲率半径は、位置ｘ１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って、画素領域１００の周辺部において、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。この形状のマイクロレンズを使う場合においても、画素領域１００の中心から周辺に向かうにつれて、より入射光を屈折するように、それぞれのマイクロレンズの頂点がマイクロレンズの中心よりも画素領域１００中心の側に偏るように変化させてもよい。

本実施形態において、トランジスタのゲート電極１０６によって画素が構造的な非対称性を有し、画素領域１００の中心を通る面１３０に対して互いに対称の位置の画素において感度差が生じてしまう。結果として、画素領域１００の面内で光学的な非対称性が生じ特性が劣化す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い。例えば、光透過部１１１に配された配線層１０７の配置が、分割面ＤＩＶに対して、左側と右側とで配置が互いに異なることによっても、非対称性が生じうる。また、非対称性が生じる要因は、光透過部１１１に配される各構成だけによって生じるものではない。例えばゲート電極近傍での不純物濃度など、光電変換部１０５の不純物濃度の分布が、分割面ＤＩＶに対して左側と右側とで異なることによって、非対称性が生じうる。また、互いに隣接する画素間の光電変換部１０５を分離する不純物層、光電変換部１０５の形状などの要因によっても非対称性が生じうる。これらについても各画素の光電変換部１０５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って感度差を低減し、画素領域１００の面内での光学的な特性を改善することができる。

第２の実施形態
図２を参照して、本発明の一部の実施形態による固体撮像装置について説明する。図２（ａ）に、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置２０１の平面図を示す。また、図２（ｂ）〜（ｉ）は、固体撮像装置２０１の画素領域１００に２次元アレイ状に配された複数の画素のうち、図２（ａ）に示す第１の方向１２１に沿って配された画素２０２、２０４、２０５、２０６のそれぞれ断面図を示す。図２（ｂ）、（ｆ）は画素２０２、図２（ｃ）、（ｇ）は画素２０５、図２（ｄ）、（ｈ）は画素２０６、図２（ｅ）、（ｉ）は画素２０４のそれぞれ断面図を示している。本実施形態において、上記の第１の実施形態と比較して、各画素の分割面ＤＩＶに対する各マイクロレンズの中心の右側へのずれ量が、画素の配された場所によって異なる。具体的には、各画素に配されたマイクロレンズが、第１の実施形態に対して画素領域１００の中央方向へずれて配される。また、中央方向へのずれ量が、画素領域１００の周辺部に向かうにつれて大きくなっている。これ以外の点は、上記の第１の実施形態と同じであってもよい。

画素２０３は、画素領域１００の中心に配された画素でありうる。画素２０３の構成は、上記の第１の実施形態の画素１０３と同じであってもよい。画素２０２と画素２０４とは、画素領域１００の中心を通り第１の方向１２１に垂直である面１３０に対して互いに対称の位置にあり、それぞれ面１３０からｄ１離れて配される。画素２０２は、画素２０４よりも左側に配される。また、画素２０５と画素２０６とは、面１３０に対して互いに対称の位置にあり、それぞれお面１３０からｄ２離れて配される。画素２０５は、画素２０６よりも左側に配される。

面１３０から同じ距離ｄ１にある画素２０２、２０４において、画素２０４の分割面ＤＩＶとマイクロレンズ１１０の中心との距離が、画素２０２の分割面ＤＩＶとマイクロレンズ１０８の中心との距離よりも短い。同様に、面１３０から同じ距離ｄ２にある画素２０５、２０６において、画素２０６の分割面ＤＩＶとマイクロレンズ２１０の中心との距離が、画素２０５の分割面ＤＩＶとマイクロレンズ２０８の中心との距離よりも短い。また、面１３０から左側に配された画素２０２、２０５において、面１３０から遠い画素２０２の方が、画素２０５よりも分割面ＤＩＶとマイクロレンズ中心との距離が長い。また、面１３０から右側に配された画素２０４、２０６において、面１３０から遠い画素２０４の方が、画素２０６よりも分割面ＤＩＶとマイクロレンズの中心との距離が短い。つまり、面１３０から左側に配された画素は、面１３０から遠ざかるにつれて、マイクロレンズの中心と、分割面ＤＩＶとの距離が大きくなる。一方、面１３０から右側に配された画素は、面１３０から遠ざかるにつれて、マイクロレンズの中心と、分割面ＤＩＶとの距離が小さくなる。また、何れの画素においても各画素に配された各マイクロレンズの中心が、各画素の分割面ＤＩＶよりも右側にずらして配されうる。

このように、各画素に配された各マイクロレンズを配する位置を、右側にずらす。また、そのずれ量を各画素の画素領域１００の配された位置に応じて画素領域１００の中央方向に調整することによって、光電変換部１０５への集光位置を調整する。これによって、上記の第１の実施形態と同様に、画素領域１００の中心を通る面１３０に対して互いに対称の位置の画素の感度差を低減することが可能となる。また、画素領域１００の面内の光学特性を改善し、より均一な光学特性を得ることが可能となる。このとき、各マイクロレンズの中心の分割面ＤＩＶ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すればよい。具体的には、射出瞳距離が長いレンズの場合、図２（ｂ）〜（ｅ）に示すように、画素領域１００の中央部の画素２０３と同様に、画素領域１００の周辺部の画素において、傾きの小さい光２５１が入射する。このため、分割面ＤＩＶに対するマイクロレンズの中心のずらし量は小さく設定されてもよい。一方、撮影レンズの射出瞳距離が短いレンズの場合、図２（ｆ）〜（ｉ）に示すように、画素領域１００の周辺部の画素には、傾きの大きい光２５２ａ〜ｄが入射する。このため、分割面ＤＩＶに対するマイクロレンズの中心のずらし量は大きく設定されてもよい。これによって、斜めの入射光の多い射出瞳距離が短い撮像レンズを用いた場合でも、画素領域１００の第１の方向１２１の感度差を抑制することができる。撮影レンズの射出瞳距離が広い範囲をとる場合、画素領域１００の周辺部の画素には、垂直光から大きく傾いた光まで広い角度範囲の光が入射する。そのため、どちらの条件においても、光学特性が改善されるよう、各マイクロレンズのずらし量は適宜調整されうる。

第３の実施形態
図３を参照して、本発明の一部の実施形態による固体撮像装置について説明する。図３（ａ）に、本発明の第３の実施形態における固体撮像装置３０１の平面図を示す。また、図３（ｂ）〜（ｄ）は、固体撮像装置３０１の画素領域１００に２次元アレイ状に配された複数の画素のうち、図３（ａ）に示す第１の方向１２１に沿って配された画素３０２、３０３、３０４のそれぞれ断面図を示す。図２（ｂ）は画素３０２、図２（ｃ）は画素３０３、図２（ｄ）は画素３０４のそれぞれ断面図を示している。本実施形態において、上記の第１、第２の実施形態と比較して、各画素に含まれるその他の構成の中心も分割面ＤＩＶからずれて配される。その他の構成とは、光透過部１１１に配されるカラーフィルタ３０５、層内レンズ３０６、導波路３０７、配線層１０７、画素分離領域３０８などを含む。これ以外の点は、上記の第１の実施形態と同じであってもよい。

カラーフィルタ３０５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３０６は画素の境界部に入射した光を画素の中央に集め、光電変換部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３０７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うる。これによって、光を導波路３０７内に閉じ込める効果があるため、光電変換部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３０７の側面で反射させ、光電変換部１０５方向へ導く役割を有する。配線層１０７は、各画素への駆動バイアスの供給や、光電変換部１０５で生成された信号を転送する役割を有する。

画素分離領域３０８は、光電変換部１０５が配されたシリコン基板内に構成される構造である。画素分離領域３０８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てもよいし、その周囲をシリコン酸化膜で覆われた構造であってもよい。また、画素分離領域３０８はトレンチ内に埋め込まれた金属などであってもよく、基板内での光や電荷の混色を低減させ、画素の飽和電子数を増やす役割を有しうる。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。

各構成のずらし方は、光電変換部１０５へ光が導かれる効率が高くなるように設定される。本実施形態において、カラーフィルタ３０５、層内レンズ３０６、導波路３０７、配線層１０７、画素分離領域３０８のぞれぞれは、マイクロレンズをずらした方向と同じ右側にずらしている。このように各構成を配置とすることによって、上記の第１の実施形態と同様に、通る面１３０を対称軸として互いに線対称の位置の画素の感度差を低減しつつ、更に隣接画素への混色を防ぎ、また高感度を得ることが可能となる。

本実施形態において、カラーフィルタ３０５、層内レンズ３０６、導波路３０７、配線層１０７、画素分離領域３０８のぞれぞれの中心が、分割面ＤＩＶからずれて配される。図３（ｂ）〜（ｄ）では、これらの構成のすべてが、分割面ＤＩＶからずれて配されているが、これに限られることはない。カラーフィルタ３０５、層内レンズ３０６、導波路３０７、配線層１０７、画素分離領域３０８のうち何れか１つ以上の中心が、分割面ＤＩＶからずれて配されていてもよい。ここで、カラーフィルタ３０５、層内レンズ３０６、導波路３０７、配線層１０７、画素分離領域３０８のぞれぞれの中心とは、例えば、各部品の画素領域１００の表面に対する正射影における幾何学的な重心位置としてもよい。例えば、層内レンズ３０６の画素領域１００の表面に対する正射影が円形であれば、円の真ん中を中心とすることができる。また例えば、カラーフィルタ３０５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３０５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ずらされて配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、その何れか１つ以上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。

以上、本発明に係る実施形態を３形態示したが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上記した各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。また、上記の各実施形態では表面照射型の固体撮像装置について説明したが、本発明は裏面照射型の固体撮像装置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装置にも適用することが可能である。

以下、上記の実施形態に係る固体撮像装置１０１、２０１、３０１の応用例として、この固体撮像装置１０１、２０１、３０１が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に有する装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末等）も含まれる。また、カメラはたとえばカメラヘッドなどのモジュール部品であってもよい。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置１０１、２０１、３０１と、この固体撮像装置１０１、２０１、３０１から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。この信号処理部は、例えば、固体撮像装置１０１、２０１、３０１で得られた信号に基づくデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。このデジタルデータを生成するためのＡ／Ｄ変換器を、固体撮像装置１０１、２０１、３０１の半導体基板に設けてもよいし、別の半導体基板に設けてもよい。

１００：画素領域、１０１、２０１、３０１、５０１、６０１：固体撮像装置、１０５：光電変換部、１０８〜１１０、２０８、２１０、５０８：マイクロレンズ、１１１：光透過部、１０２〜１０４、２０２〜２０６、３０２〜３０４、５０２〜５０４、６０２〜６０４：画素、１２１：第１の方向、１２２：第２の方向

Claims (16)

1. 第１の方向及び前記第１の方向と直交する第２の方向で規定される平面の上に複数の画素が配された画素領域を含む固体撮像装置であって、
   前記複数の画素のそれぞれは、
   光電変換部と、マイクロレンズと、前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間に配された光透過部と、を含み、
   前記光透過部及び前記光電変換部のうち少なくとも一方は、前記光電変換部の中心を通り前記第１の方向に垂直である分割面に対して、前記第１の方向の側と前記第１の方向とは反対側とで非対称性を持つ構造を有し、
   前記マイクロレンズの中心が、前記分割面に対して前記第１の方向とは反対側にずれることによって、前記複数の画素のうち、前記画素領域の中心を通り前記第１の方向に垂直である面に対して互いに対称の位置に配された画素同士の前記非対称性によって生じる感度差を低減することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数の画素のうち、前記画素領域の中央に配された画素に含まれるマイクロレンズが、前記マイクロレンズに入射する光束の光軸に対して対称の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の画素は、前記対称の形状を有するマイクロレンズを含む画素を複数含むことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の画素のうち、前記画素領域の中心を通り前記第１の方向と垂直である面から前記第１の方向及び前記第１の方向と反対の方向に同じ距離に配された２つの画素の前記マイクロレンズのそれぞれの中心が、当該２つの画素のそれぞれの前記分割面に対して前記第１の方向とは反対側にずれていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記複数の画素は、第１の画素と、前記第１の画素よりも前記画素領域の中心から離れて配された第２の画素とを含み、
   前記第１の画素における前記マイクロレンズの頂点と前記分割面との距離が、前記第２の画素における前記マイクロレンズの頂点と前記分割面との距離よりも短いことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記複数の画素のそれぞれの、前記マイクロレンズの中心と、前記分割面とのずれ量が一定であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記画素領域の中心を通り前記第１の方向に垂直である面から前記第１の方向に遠ざかるにつれて、前記マイクロレンズの中心と、前記分割面との距離が大きくなり、
   前記画素領域の中心を通り前記第１の方向に垂直である面から前記第１の方向と反対の方向に遠ざかるにつれて、前記マイクロレンズの中心と、前記分割面との距離が小さくなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記複数の画素のそれぞれは、カラーフィルタ、層内レンズ、導波路、配線層及び画素分離領域を更に含み、
   前記画素領域の表面に対する正射影において、前記複数の画素のそれぞれの前記カラーフィルタ、前記層内レンズ、前記導波路、前記配線層及び前記画素分離領域のうち何れか１つ以上の中心が、前記複数の画素のそれぞれの前記分割面に対してずれて配されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記非対称性が、前記分割面に対して前記第１の方向の側と前記第１の方向とは反対側とで、前記光透過部の光の透過率が互いに異なることによって生じることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記光透過部は、前記光電変換部に蓄積された電荷を読み出すためのトランジスタのゲート電極を、前記光電変換部に重なる位置に更に含み、
    前記非対称性が、前記分割面よりも前記第１の方向の側に前記ゲート電極が配されることによって生じることを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
11. 前記非対称性が、前記分割面に対して前記第１の方向の側と前記第１の方向とは反対側とで、前記光電変換部の不純物濃度の分布が互いに異なることによって生じることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の固体撮像装置。
12. 前記複数の画素に含まれる前記マイクロレンズが、前記マイクロレンズの頂点から、前記画素領域の中心を離れる方向に向かうにつれて曲率半径が大きくなる形状を有することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の固体撮像装置。
13. 前記複数の画素に含まれるマイクロレンズが、ティアドロップ形状を有することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の固体撮像装置。
14. 前記複数の画素のうち、前記画素領域の中心を通り前記第１の方向と垂直である面から前記第１の方向及び前記第１の方向と反対の方向に同じ距離に配された２つの画素の前記マイクロレンズが、当該面に対して互いに対称の形状であることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
15. 前記複数の画素が、２次元アレイ状に配されることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の固体撮像装置。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。

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