JP4941214B2 - 固体撮像素子およびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子と撮像装置に係り、特に複数の受光部と微小な集光レンズ（マイクロレンズ）を配設した固体撮像素子と、この固体撮像素子を使用した撮像装置に関する。

近年、静止画像、動画像を撮像するデジタルカメラ、ビデオカメラが様々な分野で普及してきている。これらのカメラには、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子が用いられているが、半導体技術の進歩とともに、固体撮像素子の画素の微細化が一段と進み、カメラ自体の小型化も進んできている。このような固体撮像素子には、受光部に入射する光量を増し、感度を向上させるためのマイクロレンズが各画素の受光部に対応して設けられている。
ここで、固体撮像素子には有効撮像領域周辺で感度が低下するシェーディングという現象がある。このシェーディングは、図１９に示されるように、カメラレンズから入射する光が、有効撮像領域中心ではほぼ垂直に入射するのに対し、有効撮像領域周辺に向うにつれて入射角度が大きくなり、有効撮像領域周辺での受光部５１に対する入射光量の低下が起こることにより生じる現象である。

従来、シェーディングを防止するために、カメラレンズからの主光線入射角度を考慮して、有効撮像領域の中心ではマイクロレンズ５２を受光部５１の位置に配列し、有効撮像領域の周辺部では、受光部５１の位置とずらしてマイクロレンズ５２を配列することが行われている（図２０参照）。例えば、有効撮像領域の中心から周辺部へ向って微小スケーリングをかけてマイクロレンズを配列することにより、受光部の配列ピッチに対してマイクロレンズの配列ピッチをわずかに小さく設定することが行われている（特許文献１）。これにより、有効撮像領域中心では、受光部とマイクロレンズの位置にズレはないが、周辺に向うにつれて、対応する受光部位置に対しマイクロレンズの位置が徐々に有効撮像領域中心方向へずれたものとなる。また、マイクロレンズの大きさを、有効撮像領域の中心から周辺部へ向って大きくすることによりシェーディングを補正することが提案されている（特許文献２）。ここでは、マイクロレンズの大きさを変化させることは提案されているが、大きさを変化させるための具体的手段の記述はない。
特開平６−１４０６０９号公報 特開平１１−１５０２５４号公報

デジタルカメラ、ビデオカメラ等の小型化が進むに伴い、カメラレンズ光学系も小型化、薄型化が進み、カメラレンズが固体撮像素子に接近して配設されるため、固体撮像素子の有効撮像領域周辺部では、カメラレンズより入射する主光線の入射角度はますます大きくなり、シェーディング補正をよりいっそう緻密に行うことが求められている。
例えば、画素数２５９２個×１９４４個（約５００万画素）、画素寸法２μｍの撮像素子にて、その有効撮像領域の中心と最外周との間に図２１に示すような非線形の感度差（最大４０％）があるとき、上述のマイクロレンズの大きさを変化させる方法によるシェーディング補正を考える。この場合、マイクロレンズの底面積を連続的に変化させるために、個々の全レンズを設計するのであれば、１００万以上のマイクロレンズの設計が必要である。また、２μｍの画素サイズに対応して、例えば、４０％の感度差をマイクロレンズの平面的大きさ（面積）に置き換えて連続的にマイクロレンズの大きさを個々に変える場合、マイクロレンズ（正方形）の最大寸法（一辺）を２μｍとすると、最小寸法（一辺）は１．５５μｍとなる。このサイズの差０．４５μｍを１２９６画素に亘って分配すると、隣接する画素間のマイクロレンズの寸法差は平均０．３４７２ｎｍとなる。これは５倍体フォトマスク上で１．７３６ｎｍとなり、フォトマスク描画時のグリッドが５ｎｍの場合、グリッドに適合せず、設計寸法を忠実にフォトマスク上に再現することが困難である。また、最小グリッド１ｎｍでマスク描画データを作成した場合、データ量が膨大となり、マスク描画時間の長時間化、マスク製造コストの増大を来たし好ましくない。

一方、マイクロレンズの底面積を段階的に変化させてシェーディング補正を行うこともできる。この場合、例えば、シェーディング補正のために、図２２に示すようにマイクロレンズの底面積を変化させるには、図２３に示すように、有効撮像領域を複数に分割した部分領域を設定し、これらの部分領域間で段階的に底面積を変化させることになる。尚、図２３の鎖線は、図２２で示したマイクロレンズの底面積変化を示す。しかし、部分領域間には、異なる底面積のマイクロレンズが存在する境界線（集光効率が段階的に変化する部位）が必ず発生し、このような境界線上には微妙に感度の異なる受光部の隣接する部分が連続し、これが線状の感度ムラとなり製品品質を大きく損なうという問題がある。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、シェーディングを防止した固体撮像素子と、このような固体撮像素子を使用した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に、本発明の固体撮像素子は、所定のピッチで２次元配置された複数の受光部と、個々の前記受光部に対応させて複数のマイクロレンズが２次元配置されてなるマイクロレンズアレイとを少なくとも備えている固体撮像素子において、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズは、底面積が異なる底面矩形の２種以上のマイクロレンズからなり、底面積が異なるマイクロレンズ間の底面の一辺の寸法差は０．２ｎｍ以上であり、有効撮像領域は中心から周辺に向って複数の部分領域に分割され、個々の部分領域内には底面積が同じマイクロレンズが配置され、マイクロレンズの底面積が異なる部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の底面積のマイクロレンズが混在している中間帯状部が存在し、前記部分領域毎のマイクロレンズの底面積の平均的大きさが、有効撮像領域の中心から周辺に向って大きくなる傾向であり、前記中間帯状部での底面積が異なるマイクロレンズの配置は、混在比率が１：１で均一な配置、あるいは、混在比率が１：０〜０：１の範囲内で連続的に変化するような配置、あるいは、ランダムな配置であるような構成とした。

また、本発明の固体撮像素子は、所定のピッチで２次元配置された複数の受光部と、個々の前記受光部に対応させて複数のマイクロレンズが２次元配置されてなるマイクロレンズアレイとを少なくとも備えている固体撮像素子において、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズは、底面積が異なる底面矩形の２種以上のマイクロレンズからなり、底面積が異なるマイクロレンズ間の底面の一辺の寸法差は０．２ｎｍ以上であり、有効撮像領域は中心から周辺に向って複数の部分領域に分割され、該複数の部分領域には、底面積の異なるマイクロレンズが混在しているような部分領域が存在し、前記部分領域毎のマイクロレンズの底面積の平均的大きさが、有効撮像領域の中心から周辺に向って大きくなる傾向であり、底面積の異なるマイクロレンズが混在している前記部分領域内での底面積の異なるマイクロレンズの配置は、底面積の異なるマイクロレンズの混在比率が該部分領域内において有効撮像領域の中心から周辺に向う方向に沿って変化し、かつ、底面積の小さいマイクロレンズが底面積の大きいマイクロレンズよりも有効撮像領域の周辺寄りに少なくとも１個存在する配置、あるいは、混在比率が該部分領域内において均一である配置、あるいは、ランダムな配置であるような構成とした。

本発明の他の態様として、同一の部分領域において隣接して配置されるマイクロレンズの底面積の差が１０％以下であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記部分領域はモザイク状であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記部分領域は有効撮像領域中心を中心とする同心の環状領域であるような構成とした。
本発明の撮像装置は、上述の固体撮像素子を備えるような構成とした。

このような本発明の固体撮像素子は、カメラレンズの主光線入射角と像高の関係等のレンズ特性に適合した最適なマイクロレンズ配置、例えば、底面積を非線形に変化させたマイクロレンズ配置を行うことができ、緻密なシェーディング補正が可能であり、かつ、底面積の異なる二種以上のマイクロレンズの底面の一辺の寸法差が０．２ｎｍ以上であるので、電子線描画による５倍体マスクの作製が可能であり、マイクロレンズのマスク設計段階で全領域のマイクロレンズを個別に設計するという煩雑な操作が不要であり、緻密なシェーディング補正を容易に行えるという効果が奏される。
本発明の撮像装置は、シェーディングが防止され、有効撮像領域内で、斜め入射に起因するケラレ等のロスが少なく、入射光量に対しての効率分布の少ない高品位のものであり、小型化、薄型化が可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［固体撮像素子］
図１は本発明の固体撮像素子の一例を示す概略構成図である。図１において、固体撮像素子１は、一定の配置ピッチで設けられた複数の受光部３と遮光膜４を備える基板２と、遮光層６を備えたパッシベーション層５を介して基板２と対向するように積層された下平坦化層７、カラーフィルタ８、上平坦化層９、および、マイクロレンズアレイ１０を有している。マイクロレンズアレイ１０は、個々の受光部３に対応させて複数のマイクロレンズ１１が２次元配置されたものである。そして、一定の配置ピッチで設けられた複数の受光部３に対して、マイクロレンズアレイ１０を構成するマイクロレンズ１１は、矩形の底面積が異なる２種以上のマイクロレンズからなるものである。尚、本発明の固体撮像素子は、図１に示す構成に限定されるものではない。

本発明の固体撮像素子１は、上記の底面積が異なるマイクロレンズ間の底面の一辺の寸法差を０．２ｎｍ以上とし、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、個々の部分領域内には底面積が同じマイクロレンズを配置し、マイクロレンズの底面積が異なる部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の底面積のマイクロレンズが混在している中間帯状部を設けたものである。
上記の本発明の固体撮像素子を、シェーディング補正のために図２２に示すようにマイクロレンズの底面積を変化させる場合を例として説明する。この場合、図２に示すように、有効撮像領域のＸ軸方向を（１）〜（９）の９個の部分領域に分割し、図２に実線で示されるように、各部分領域内では底面積が同じマイクロレンズが配置されている。そして、部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の底面積のマイクロレンズが混在する中間帯状部を設ける。

尚、部分領域の大きさは適宜設定することができ、例えば、幅を１００〜１０，０００μｍの範囲、あるいは、幅方向の画素数を５０〜２，０００個の範囲となるように設定することができる。以下、部分領域の大きさについて更に説明する。上述の図２では、有効撮像領域のＸ軸方向を（１）〜（９）の９個の部分領域に分割しており、それぞれの部分領域の幅は約２００画素〜４００画素に渡っている（有効撮像領域中心を含む部分領域では約７００画素）。このような例を含めて、部分領域の幅が約１００〜９００画素の幅を有するとした場合、画素ピッチを２μｍとすれば部分領域の幅は２００〜１８００μｍ、画素ピッチを１μｍとすれば部分領域の幅は１００〜９００μｍ、画素ピッチを６μｍとすれば部分領域の幅は６００〜５４００μｍとなる。これらの幅は、使用するカメラレンズにも依存しており、像高変化に対する主光線入射角度変化の値が小さいカメラレンズを用いる場合は、部分領域の幅はより大きくなる。したがって、部分領域の大きさとして、上記の範囲（幅１００〜１０，０００μｍ、あるいは、幅方向の画素数５０〜２，０００個）を挙げることができる。

上記の中間帯状部での底面積が異なるマイクロレンズの混在比率は、例えば、１：１とした場合には、図２に実線で示されるように、隣接する部分領域の中間的な底面積をもつマイクロレンズが配設された状態が中間帯状部に出現する。これにより、９個の部分領域における階段状変化は細分化され、部分領域間の境界線上に微妙に感度の異なる受光部が形成されることが防止され、線状の感度ムラ等の欠陥を防止することができる。
また、中間帯状部における底面積が異なるマイクロレンズの混在比率を連続的に、すなわち、１：０〜０：１に変化させた場合には、図２に鎖線で示されるように、マイクロレンズの底面積変化を更にスムースなものとすることができる。
尚、中間帯状部の幅は適宜設定することができ、例えば、部分領域の幅の１〜５０％の範囲で、あるいは、２０〜５，０００μｍの範囲で設定することができる。
また、本発明では、固体撮像素子１において、上記の底面積が異なるマイクロレンズ間の底面の一辺の寸法差を０．２ｎｍ以上とし、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、これらの複数の部分領域には底面積の異なるマイクロレンズが混在している部分領域を存在させたものとすることができる。

このような本発明の固体撮像素子について、シェーディング補正のために図２２に示すようにマイクロレンズの底面積を変化させる場合を例として説明する。この場合、図３に示すように、有効撮像領域のＸ軸方向を（１）〜（１０）の１０個の部分領域に分割する。そして、この図３から、部分領域（１）では、部分領域（１）を示す左側鎖線と底面積の補正曲線の交点ａでの底面積を９７％、右側鎖線と底面積の補正曲線の交点ｂでの底面積を８９％とし、以下、部分領域（２）では、部分領域（２）を示す右側鎖線と底面積の補正曲線の交点ｃでの底面積を８１％とし、部分領域（３）では、部分領域（３）を示す右側鎖線と底面積の補正曲線の交点ｄでの底面積を７４％とし、部分領域（４）では、部分領域（４）を示す右側鎖線と底面積の補正曲線の交点ｅでの底面積を６８％とし、部分領域（５）では一律６８％とする。さらに、部分領域（６）では、部分領域（６）を示す左側鎖線と底面積の補正曲線の交点ｆでの底面積を６８％とし、部分領域（７）では、部分領域（７）を示す左側鎖線と底面積の補正曲線の交点ｇでの底面積を７３％とし、部分領域（８）では、部分領域（８）を示す左側鎖線と底面積の補正曲線の交点ｈでの底面積を７９％とし、部分領域（９）では、部分領域（９）を示す左側鎖線と底面積の補正曲線の交点ｉでの底面積を８５％とし、部分領域（１０）を示す左側鎖線と底面積の補正曲線の交点ｊでの底面積を９３％、右側鎖線と底面積の補正曲線の交点ｋでの底面積を１０１％とする。尚、この例では、有効撮像領域の中心からＸ軸両方向への部分領域の数が等しくなっていないが、これは、図２１の非線形の感度差、図２２の底面積補正に対応して部分領域を設定したからである。本発明では、有効撮像領域の中心からＸ軸両方向、あるいはＹ軸両方向への部分領域の数は、等しくてもよく、また、異なるものであってもよい。

そして、最大底面積１０１％を１．８μｍ×１．８μｍの矩形とすると、部分領域（１）では１．７６４μｍ×１．７６４μｍと１．６９０μｍ×１．６９０μｍの２種の底面積のマイクロレンズを混在させて配置することになる。そして、部分領域（１）の左側鎖線では１．７６４μｍ×１．７６４μｍのマイクロレンズの混在比率を１００％とし、右側（有効撮像領域の中心方向）へ向って１．６９０μｍ×１．６９０μｍのマイクロレンズの混在比率を徐々に高め、部分領域（１）の右側鎖線では１．６９０μｍ×１．６９０μｍのマイクロレンズの混在比率を１００％とする。以下、部分領域（２）では１．６９０μｍ×１．６９０μｍと１．６１２μｍ×１．６１２μｍの２種の底面積のマイクロレンズ、部分領域（３）では１．６１２μｍ×１．６１２μｍと１．５４１μｍ×１．５４１μｍの２種の底面積のマイクロレンズ、部分領域（４）では１．５４１μｍ×１．５４１μｍと１．４７７μｍ×１．４７７μｍの２種の底面積のマイクロレンズ、部分領域（５）では１．４７７μｍ×１．４７７μｍの１種の底面積のマイクロレンズ、部分領域（６）では１．４７７μｍ×１．４７７μｍと１．５３０μｍ×１．５３０μｍの２種の底面積のマイクロレンズ、部分領域（７）では１．５３０μｍ×１．５３０μｍと１．５９２μｍ×１．５９２μｍの２種の底面積のマイクロレンズ、部分領域（８）では１．５９２μｍ×１．５９２μｍと１．６５１μｍ×１．６５１μｍの２種の底面積のマイクロレンズ、部分領域（９）では１．６５１μｍ×１．６５１μｍと１．７２７μｍ×１．７２７μｍの２種の底面積のマイクロレンズ、部分領域（１０）では１．７２７μｍ×１．７２７μｍと１．８００μｍ×１．８００μｍの２種の底面積のマイクロレンズを、部分領域（１）と同様に混在させて配置する。

これにより、ほぼ連続的に図２２の底面積の補正曲線に準じた底面積の変化、すなわち、部分領域毎のマイクロレンズの底面積の平均的大きさが、有効撮像領域の中心から周辺に向って大きくなるような変化が、図４の実線で示すように実現可能となる（図４の鎖線は図２２の底面積の補正曲線と同じ）。このとき、５倍体マスクの製造時の電子線描画グリッドは１ｎｍであるので、電子線描画が可能であり、かつ、本来マスク描画に乗らない１ｎｍ未満の底面積の変化を表現できる。
尚、本発明では、同一の部分領域において隣接して配置されるマイクロレンズの底面積の差が１０％以下、好ましくは５％以下とすることがノイズ防止の点から望ましい。
ここで、本発明における平均的大きさとは、ある画素に着目した際の、その画素を含む近傍の連続した画素の集合でのマイクロレンズの底面積の平均値であり、高さ成分は含まない。

次に、本発明の固体撮像素子について実施形態を挙げて説明する。
（第１の実施形態）
図５は、本発明の固体撮像素子の一実施形態におけるマイクロレンズの配置を説明するための図である。本実施形態の固体撮像素子は、マイクロレンズの底面積を２種以上で設定し、マイクロレンズの矩形の底面の一辺の寸法差を０．２ｎｍ以上とし、さらに、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、個々の部分領域内には底面積が同じマイクロレンズを配置し、マイクロレンズの底面積が異なる部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の底面積のマイクロレンズが混在している中間帯状部を設けたものである。すなわち、図５に示されるように、複数のマイクロレンズから構成されるマイクロレンズアレイにおいて、有効撮像領域が中心（０，０）から周辺に向ってＸ軸方向に３分割、Ｙ軸方向に３分割され、モザイク状に（１）〜（９）までの９種の部分領域に分割されている。そして、隣接する部分領域には鎖線で示すような中間帯状部が設定されている。

上記の（１）〜（９）までの各部分領域におけるマイクロレンズの底面積は、例えば、最外周に位置する部分領域（９）を１．７９μｍ×１．７９μｍとし、底面の一辺の寸法差を０．０３５μｍ（３５ｎｍ）として、下記の表１のように各部分領域に所望の底面積のマイクロレンズを配置する。

これにより、底面積を約８５％から１００％までほぼ連続的に変化させてマイクロレンズを配置することができる。
図６は図５において円で囲んだ部分領域（１）、（２）、（４）、（５）の拡大図であり、隣接する部分領域に設定される中間帯状部は鎖線で囲まれた領域であり、斜線を付して示している。この図６のＹ軸方向では、部分領域（１）と部分領域（４）の境界の中間帯状部に、１．６５μｍ×１．６５μｍと１．６８５μｍ×１．６８５μｍの底面積のマイクロレンズが混在して配置される。このような２種のマイクロレンズの混在比率は、例えば、１．６５μｍ×１．６５μｍと１．６８５μｍ×１．６８５μｍとが交互となるような１：１とすることができる。また、２種のマイクロレンズの混在比率を１：０〜０：１の範囲内で連続的に変化させてもよい。例えば、部分領域（１）側では１．６５μｍ×１．６５μｍのマイクロレンズが２／３、１．６８５μｍ×１．６８５μｍのマイクロレンズが１／３の比率で混在し、部分領域（４）側では１．６５μｍ×１．６５μｍのマイクロレンズが１／３、１．６８５μｍ×１．６８５μｍのマイクロレンズが２／３の比率で混在するように連続的に変化させることにより、部分領域（１）と部分領域（４）の境界部付近でのスムースな底面積の変化が可能となる。さらに、部分領域（１）側では１．６５μｍ×１．６５μｍのマイクロレンズの比率をほぼ１００％とし、部分領域（４）に向うにつれて１．６８５μｍ×１．６８５μｍのマイクロレンズの比率を高め、部分領域（４）側では１．６８５μｍ×１．６８５μｍのマイクロレンズがほぼ１００％となるように混在させることにより、部分領域（１）と部分領域（４）の境界部付近でのマイクロレンズの底面積の変化が更にスムースなものとなる。

また、同様に、Ｙ軸方向の部分領域（２）と部分領域（５）の境界の中間帯状部には、１．６８５μｍ×１．６８５μｍと１．７２μｍ×１．７２μｍの底面積のマイクロレンズが混在して配置される。
一方、図６のＸ軸方向についても同様に、部分領域（１）と部分領域（２）の境界の中間帯状部には、１．６５μｍ×１．６５μｍと１．６８５μｍ×１．６８５μｍの底面積のマイクロレンズが混在して配置され、また、部分領域（４）と部分領域（５）の境界の中間帯状部には、１．６８５μｍ×１．６８５μｍと１．７２μｍ×１．７２μｍの底面積のマイクロレンズが混在して配置される。このような２種のマイクロレンズの混在比率は、上述のＹ軸方向の中間帯状部と同様とすることができる。

また、中間帯状部が交差する部分については、例えば、図７（Ａ）に示すように、隣接する中間帯状部の境界を交差中心の向けて斜め方向に設けることもでき、また、図７（Ｂ）に示すように、交差する部分（斜線を付した部分）に隣接する４つの部分領域（１）、（２）、（４）、（５）に配置されるマイクロレンズの全て種類を混在して配置してもよい。この場合、混在比率は、交差する部分の左下側から右上側に向って（図７（Ｂ）に矢印で示す方向）底面積が連続的に大きくなるように配置してもよく、また、４種の底面積のマイクロレンズをランダムに配置して、交差する部分での混在比率を均等にしてもよい。

（第２の実施形態）
本実施形態の固体撮像素子は、マイクロレンズの底面積を２種以上で設定し、マイクロレンズの矩形の底面の一辺の寸法差を０．２ｎｍ以上とし、さらに、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、これらの複数の部分領域には底面積の異なるマイクロレンズが混在している部分領域を存在させたものである。
図８は本実施形態の固体撮像素子のマイクロレンズ配置図である。図８において、（０，０）点は有効撮像領域の中心点を示し、図面が煩雑になるのを避けるために、中心点から右上の１／４の領域の３０個×３０個の画素のみを示している。図８に示される固体撮像素子では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とも５画素毎に部分領域に分割され、Ｘ軸方向では（Ｘ１）〜（Ｘ６）の６分割、Ｙ軸方向では（Ｙ１）〜（Ｙ６）の６分割とされ、中心点から右上の１／４の領域はモザイク状に３６個の部分領域に分割されている。また、マイクロレンズは、正方形の底面の一辺がＥのものと、一辺がＥよりＤだけ小さいＦのもの、２種類で構成されている。そして、これらが図８に示すように、１個の部分領域当たり２５個の割合で、３６個の部分領域に配置されている。尚、図８では、一辺がＥである底面形状のマイクロレンズを斜線で表示し、一辺がＦである底面形状のマイクロレンズを白で表示している。また、図９は、図８において円で囲んだ箇所の２個のマイクロレンズを示す図である。

まず、Ｘ軸方向について説明する。部分領域（Ｘ１）内では、５個のマイクロレンズがすべて一辺Ｆである底面形状のマイクロレンズとされ、部分領域（Ｘ２）内では、一辺がＥである底面形状のマイクロレンズ１個と、一辺がＦである底面形状のマイクロレンズ４個が配置され、部分領域（Ｘ３）内では、一辺がＥである底面形状のマイクロレンズ２個と、一辺がＦである底面形状のマイクロレンズ３個が配置され、部分領域（Ｘ４）内では、一辺がＥである底面形状のマイクロレンズ３個と、一辺がＦである底面形状のマイクロレンズ２個が配置され、部分領域（Ｘ５）内では、一辺がＥである底面形状のマイクロレンズ４個と、一辺がＦである底面形状のマイクロレンズ１個が配置され、部分領域（Ｘ６）内では、５個のマイクロレンズがすべて一辺Ｅである底面形状のマイクロレンズとされている。また、Ｙ軸方向においても、部分領域（Ｙ１）から部分領域（Ｙ６）方向に、上述の部分領域（Ｘ１）から部分領域（Ｘ６）方向への２種のマイクロレンズの配置と同様の配置がなされる。

これにより、Ｘ軸方向に（Ｘ１）〜（Ｘ６）の６分割、Ｙ軸方向に（Ｙ１）〜（Ｙ６）の６分割して画定された各部分領域での、一辺がＥである底面形状のマイクロレンズの数は図１０に示すようになる。したがって、一辺がＥである底面形状のマイクロレンズと、一辺がＦである底面形状のマイクロレンズとで構成された５画素×５画素の各部分領域内のマイクロレンズの底面積の平均的大きさは、３０画素×３０画素の領域内でほぼ連続的に変化しており、この３０画素×３０画素の領域を１つの部分領域と見なすこともできる。
上記の例で、Ｅ＝１．９μｍ、Ｆ＝１．８μｍであれば、Ｅを基準としたとき、マイクロレンズの底面積を９０％から１００％まで２％以下の刻みでほぼ連続的に表現できる。そして、実際に使用されるマイクロレンズは２種類であり、マスク作製時のマスクデータも比較的小さくすることができ、５倍体マスクとして作製するのであれば、電子線描画のグリッドも５ｎｍとすることができる。

ここで、マイクロレンズの形成方法としては特に制限はないが、例えば、マイクロレンズ材料としてポジ型フォトレジストを用い、塗布、露光、現像のフォトリソグラフィー工程の後、フォトレジストをポストベークして溶融し凸レンズ状に成形する方法を挙げることができる。この成形方法で使用するマイクロレンズ用フォトマスクの一画素分を例示すると、図１１のようになる。図１１において、一画素２１は、遮光部２２と、その周囲の光透過部２３からなっており、寸法Ａはマイクロレンズの配置ピッチを示している。図示例での寸法Ｂ、Ｃは同じ値としてもよいが、マスク描画時のグリッド等の制約を受ける場合は異なる値としてもよい。

図８に示した例では、底面積が異なる２種のマイクロレンズ、すなわち、一辺がＥである底面形状のマイクロレンズと一辺がＦである底面形状のマイクロレンズが、各部分領域にほぼ均一で規則的に配置されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、一辺の長さがＥ＞Ｅ′＞Ｆ′＞Ｆの関係となるような、一辺がＥ′である底面形状のマイクロレンズと一辺がＦ′である底面形状のマイクロレンズとを加えて、底面積が異なる４種のマイクロレンズを使用することにより、３０画素×３０画素の領域内でのマイクロレンズの底面積の平均的大きさの変化を更にスムースなものとすることができる。また、各部分領域でのマイクロレンズの配置は、ほぼ均一に規則的なものでなく、ランダムな配置としてもよい。

（第３の実施形態）
本実施形態の固体撮像素子は、マイクロレンズの底面積を２種以上で設定し、マイクロレンズの矩形の底面の一辺の寸法差を０．２ｎｍ以上とし、さらに、有効撮像領域を中心から周辺に向って複数の部分領域に分割し、これらの複数の部分領域には底面積の異なるマイクロレンズが混在している部分領域を存在させたものである。
図１２は本実施形態の固体撮像素子のマイクロレンズ配置図である。図１２において、（０，０）点は有効撮像領域の中心点を示し、有効撮像領域はこの中心点を中心とする同心の環状領域に分割されて４つの部分領域（１）〜（４）が画定されている。また、マイクロレンズは、底面積の小さいマイクロレンズＬ１と底面積の大きいマイクロレンズＬ２の２種類で構成されている。そして、部分領域（１）には、小さいマイクロレンズＬ１のみが配置され、部分領域（２）には、小さいマイクロレンズＬ１が２／３、大きいマイクロレンズＬ２が１／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（３）には、小さいマイクロレンズＬ１が１／３、大きいマイクロレンズＬ２が２／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（４）には、大きいマイクロレンズＬ２のみが配置されている。

この実施形態においても、底面積の小さいマイクロレンズＬ１と底面積の大きいマイクロレンズＬ２は、上述（図１１参照）の一辺がＦである底面形状のマイクロレンズと一辺がＥである底面形状のマイクロレンズと同様に適宜設定することができる。この場合も、図１１における寸法Ａはマイクロレンズの配置ピッチを示し、図示例での寸法Ｂ、Ｃは同じ値としてもよいが、マスク描画時のグリッド等の制約を受ける場合は異なる値としてもよい。
上述の実施形態では、底面積の小さいマイクロレンズＬ１と底面積の大きいマイクロレンズＬ２の２種類を用いているが、この中間となるような大きさのマイクロレンズを用いて種類を増やし、また、部分領域を細分化することにより、更に滑らかな補正を行うことができる。図１３は、このような実施形態を示す図である。

図１３において、（０，０）点は有効撮像領域の中心点を示し、有効撮像領域はこの中心点を中心とする同心の環状領域に分割されて７つの部分領域（１）〜（７）が画定されている。また、マイクロレンズは、底面積の小さいマイクロレンズＬ１と、底面積の大きいマイクロレンズＬ３と、その中間の底面積を有するマイクロレンズＬ２の３種類で構成されている。そして、部分領域（１）には、マイクロレンズＬ１のみが配置され、部分領域（２）には、マイクロレンズＬ１が２／３、マイクロレンズＬ２が１／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（３）には、マイクロレンズＬ１が１／３、マイクロレンズＬ２が２／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（４）には、マイクロレンズＬ２のみが配置されている。さらに、部分領域（５）には、マイクロレンズＬ２が２／３、マイクロレンズＬ３が１／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（６）には、マイクロレンズＬ２が１／３、マイクロレンズＬ３が２／３の混在比率となるようにランダムに配置され、部分領域（７）には、マイクロレンズＬ３のみが配置されている。

また、図１３に示される例において、２種のマイクロレンズが混在する部分領域（２）、（３）、（５）、（６）において、周辺方向に向けて底面積の大きなマイクロレンズの混在比率が高くなるように連続的に混在比率を変化させ、かつ、１種のマイクロレンズのみが配置されている部分領域（１）、（４）、（７）の幅を、２種のマイクロレンズが混在する部分領域（２）、（３）、（５）、（６）の幅よりも狭めることにより、更に滑らかな補正を行うことができる。

（第４の実施形態）
本実施形態の固体撮像素子は、マイクロレンズの配置ピッチの変化と、マイクロレンズの底面積の変化を組み合わせたものである。図１４に示されるように、（０，０）点は有効撮像領域の中心点を示し、有効撮像領域はこの中心点を中心とする同心の環状領域に分割されて３つの部分領域（１）〜（３）が画定されている。そして、部分領域（１）〜（３）では、例えば、図１５に示すようなカメラレンズ特性の線形変化部位に対応するように、有効撮像領域の中心では、マイクロレンズの中心と受光部の中心が一致し、部分領域（１）の周辺に向うにつれて、マイクロレンズの中心を受光部の中心よりも有効撮像領域の中心側にずれるようにマイクロレンズの配置ピッチが調整されている。しかし、このようなマイクロレンズの配置ピッチの変化には、図１５に示すカメラレンズ特性の非線形性は加味されていないため、依然として部分領域（２）、（３）では感度低下（例えば、１０％とする）が生じることになる。そこで、本発明では、例えば、部分領域（１）に、１．７μｍ×１．７μｍの底面積のマイクロレンズのみを配置し、部分領域（２）には、１．７μｍ×１．７μｍと１．７４２μｍ×１．７４２μｍの２種の底面積のマイクロレンズを混在させて配置し、部分領域（３）には、１．７４２μｍ×１．７４２μｍと１．７８３μｍ×１．７８３μｍの２種の底面積のマイクロレンズを混在させて配置する。そして、部分領域（２）では、部分領域（１）との境界近傍で１．７μｍ×１．７μｍのマイクロレンズの混在比率を高くし、部分領域（３）方向に向って１．７４２μｍ×１．７４２μｍのマイクロレンズの混在比率を高くする。また、部分領域（３）では、部分領域（２）との境界近傍で１．７４２μｍ×１．７４２μｍのマイクロレンズの混在比率を高くし、最外周部方向に向って１．７８３μｍ×１．７８３μｍのマイクロレンズの混在比率を高くする。

これにより、部分領域（２）、（３）において、底面積が最大１０％増大するようにほぼ連続的に変化させてマイクロレンズが配置され、図１５に示すカメラレンズ特性の非線形変化に対応することができる。
上述の実施形態は例示であり、本発明の固体撮像素子はこれらに限定されるものではない。

［撮像装置］
図１６は、本発明の撮像装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１６において、本発明の撮像装置３１は、本発明の固体撮像素子３２を備えた基板３３と、固体撮像素子３２の外側に配した封止用部材３４と、この封止用部材３４を介して固体撮像素子３２と所望の間隙を設けて対向するように配設された保護材３５とを備えている。また、固体撮像素子３２は配線３６、表裏導通ビア３７を介して外部端子３８に接続されている。このようなセラミックパッケージ型の撮像装置３１は、種々のデジタルカメラ、ビデオカメラ等に使用することができ、カメラの高感度化、小型化、薄型化が可能である。

また、図１７は、本発明の撮像装置の他の実施形態を示す概略断面図である。図１７に示される本発明の撮像装置４１は、携帯電話用カメラモジュールの例であり、本発明の固体撮像素子４２を備えた基板４３と、固体撮像素子４２の外側に配した封止用部材４４と、固体撮像素子４２と所望の間隙を設けて対向するように配設された赤外カットフィルタ４５と、赤外カットフィルタ４５上に配設された鏡筒４６と、この鏡筒４６内に装着されたレンズユニット４７を備えている。このような撮像装置４１は、本発明の固体撮像素子４２がシェーディング補正されていて高感度のものであるため、小型化、薄型化が可能である。
本発明の撮像装置は上述の実施形態に限定されるものではなく、固体撮像素子として本発明の固体撮像素子を備えるものであればよく、従来の種々の撮像装置の構成をそのまま採用することができる。

次に、実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例］
まず、画素受光部ピッチ２．０μｍ、画素数２５９２個×１９４４個のＣＭＯＳイメージセンサーを形成したウェハを用意した。
次に、上記のウェハ上に、以下のようにして、下平坦化層、カラーフィルタ、上平坦化層、および、マイクロレンズを形成した。

（下平坦化層の形成）
ウェハ表面をスピンスクラパーで洗浄した後、光硬化型アクリル系透明樹脂材料（富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＴ−２０２０Ｌ）をスピン塗布し、次いで、プリベーク、紫外線全面露光、ポストベークを行って下平坦化層（厚み０．３μｍ）を形成した。

（カラーフィルタの形成）
ネガ型感光性の赤色材料（Ｒ用材料）、緑色材料（Ｇ用材料）、青色材料（Ｂ用材料）として以下の材料を用意した。
Ｒ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＲ−４０００Ｌ
Ｇ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＧ−４０００Ｌ
Ｂ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＢ−４０００Ｌ
Ｇ、Ｒ、Ｂの形成順序で、上記材料をスピン塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像、ポストベークを行って、ＲＧＢカラーフィルタ（厚み０．８μｍ）を形成した。尚、現像液として、富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＤ−２０００の５０％希釈液を使用した。また、カラーフィルタの配置ピッチは２μｍとした。

（上平坦化層の形成）
ＲＧＢカラーフィルタ上に、光硬化型アクリル系透明樹脂材料（富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＴ−２０２０Ｌ）をスピン塗布し、次いで、プリベーク、紫外線全面露光、ポストベークを行って上平坦化層（厚み０．３μｍ）を形成した。

（マイクロレンズの形成）
上平坦化層上に、マイクロレンズ材料としてＪＳＲ（株）製 ＭＦＲ４０１Ｌをスピン塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像、後露光、ポストベークによるメルトフローを行って、マイクロレンズを形成した。尚、現像液として、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）の１．１９％液を使用した。
上記の露光においては、図１１にてＡ＝２μｍ、Ｂ＝Ｃ＝０．１μｍ、Ｄ＝０．０８μｍとし、Ｅ＝１．８μｍ、Ｆ＝１．７２μｍの２種の開口部を有するマイクロレンズ用フォトマスクを使用し、図１２に示されるように、部分領域（１）〜（４）にマイクロレンズを配置した。この場合、部分領域（１）はＸ軸上の４００画素までとし、部分領域（２）はＸ軸上の４０１画素から７５０画素まで、部分領域（３）はＸ軸上の７５１画素から１１００画素まで、部分領域（４）はＸ軸上の１１０１画素から最外周の１２９６画素までとした。

次に、ボンディングパッド部の窓開けを行った。すなわち、ポジレジスト（住友化学（株）製 ｉ線用ポジレジスト ＰＦＩ−２７）をスピン塗布し、次いで、プリベーク後、ボンディングパッド部およびスクライブ部に対応するパターンを有するフォトマスク用いて露光、現像を行い、ボンディングパッド部およびスクライブ部のレジストを除去し、その後、酸素アッシングを行って、当該箇所上の上平坦化層、下平坦化層をエッチング除去した。次いで、レジスト剥離液を用いてポジレジストを除去した。
次いで、ウェハのダイシングを行い、パッケージ組立を行って、本発明の固体撮像素子を作製した。

［比較例］
Ｅ＝１．７２μｍの１種の開口部を有するマイクロレンズ用フォトマスクを使用した他は、実施例と同様にして固体撮像素子を作製した。

［評 価］
上述のように作製した固体撮像素子に関して、下記の条件で感度を測定し、結果を図１８に示した。図１８に示されるように、本発明の固体撮像素子は、シェーディング補正が有効になされ、その感度分布（図１８に実線で示す）は比較例の固体撮像素子の感度分布（図１８に鎖線で示す）に比べて約１０％改善されていることが確認された。
（感度の測定条件）
作製した固体撮像素子に、カメラレンズとして図１５に示す特性のものを用い、
白色光源に対するＸ軸方向の感度分布を測定した。

小型で高信頼性の固体撮像素子、撮像装置が要求される種々の分野において適用できる。

本発明の固体撮像素子の一例を示す概略構成図である。 本発明の固体撮像素子を説明するための部分領域毎のマイクロレンズの底面積を示す図である。 本発明の固体撮像素子を説明するためのマイクロレンズの底面積の補正曲線を示す図である。 本発明の固体撮像素子を説明するための部分領域毎のマイクロレンズの底面積を示す図である。 本発明の固体撮像素子の一実施形態におけるマイクロレンズの配置を説明するための図である。 図５において円で囲んだ部分領域の拡大図である。 図６に示される中間帯状部の交差部分におけるマイクロレンズの配置を説明するための図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態におけるマイクロレンズの配置を説明するための図である。 底面積の異なるマイクロレンズを示す図である。 図８に示されるマイクロレンズの配置における底面積が大きいマイクロレンズの各部分領域での数を示す図である。 マイクロレンズ用フォトマスクの一画素分を示す図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態におけるマイクロレンズの配置を説明するための図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態におけるマイクロレンズの配置を説明するための図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態におけるマイクロレンズの配置を説明するための図である。 撮像装置に用いられるレンズの主光線入射角度と像高の関係を示した図である。 本発明の撮像装置の一例を説明するための図である。 本発明の撮像装置の他の例を説明するための図である。 実施例における感度測定の結果を示す図である。 固体撮像素子におけるシェーディング現象を説明するための図である。 固体撮像素子におけるシェーディングの補正を説明するための図である。 有効撮像領域内での感度差を示す図である。 シェーディング補正のためのマイクロレンズの底面積の補正曲線を示す図である。 固体撮像素子におけるシェーディングの補正をする際のマイクロレンズの底面積の変化を説明するための図である。

符号の説明

１…固体撮像素子
２…基板
３…受光部
４…遮光膜
５…パッシベーション層
６…遮光層
７…下平坦化層
８…カラーフィルタ
９…上平坦化層
１０…マイクロレンズアレイ
１１…マイクロレンズ
３１，４１…撮像装置
３２，４２…固体撮像素子

Claims (6)

1. 所定のピッチで２次元配置された複数の受光部と、個々の前記受光部に対応させて複数のマイクロレンズが２次元配置されてなるマイクロレンズアレイとを少なくとも備えている固体撮像素子において、
   マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズは、底面積が異なる底面矩形の２種以上のマイクロレンズからなり、底面積が異なるマイクロレンズ間の底面の一辺の寸法差は０．２ｎｍ以上であり、有効撮像領域は中心から周辺に向って複数の部分領域に分割され、個々の部分領域内には底面積が同じマイクロレンズが配置され、マイクロレンズの底面積が異なる部分領域が隣接する境界部には、隣接する部分領域における各々の底面積のマイクロレンズが混在している中間帯状部が存在し、
   前記部分領域毎のマイクロレンズの底面積の平均的大きさが、有効撮像領域の中心から周辺に向って大きくなる傾向であり、
   前記中間帯状部での底面積が異なるマイクロレンズの配置は、混在比率が１：１で均一な配置、あるいは、混在比率が１：０〜０：１の範囲内で連続的に変化するような配置、あるいは、ランダムな配置であることを特徴とする固体撮像素子。
2. 所定のピッチで２次元配置された複数の受光部と、個々の前記受光部に対応させて複数のマイクロレンズが２次元配置されてなるマイクロレンズアレイとを少なくとも備えている固体撮像素子において、
   マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズは、底面積が異なる底面矩形の２種以上のマイクロレンズからなり、底面積が異なるマイクロレンズ間の底面の一辺の寸法差は０．２ｎｍ以上であり、有効撮像領域は中心から周辺に向って複数の部分領域に分割され、該複数の部分領域には、底面積の異なるマイクロレンズが混在しているような部分領域が存在し、
   前記部分領域毎のマイクロレンズの底面積の平均的大きさが、有効撮像領域の中心から周辺に向って大きくなる傾向であり、
   底面積の異なるマイクロレンズが混在している前記部分領域内での底面積の異なるマイクロレンズの配置は、底面積の異なるマイクロレンズの混在比率が該部分領域内において有効撮像領域の中心から周辺に向う方向に沿って変化し、かつ、底面積の小さいマイクロレンズが底面積の大きいマイクロレンズよりも有効撮像領域の周辺寄りに少なくとも１個存在する配置、あるいは、混在比率が該部分領域内において均一である配置、あるいは、ランダムな配置であることを特徴とする固体撮像素子。
3. 同一の部分領域において隣接して配置されるマイクロレンズの底面積の差が１０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記部分領域はモザイク状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. 前記部分領域は有効撮像領域中心を中心とする同心の環状領域であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。

Images