JP4941221B2 - 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１３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１４参照）。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、マイクロレンズの下に屈折部を設け、この屈折部の傾斜角度の大きさを、有効撮像領域の中心から周辺部へ向って徐々に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）。
特開平６−１４０６０９号公報 特開２００４−１４４８４１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、上述のマイクロレンズの傾斜角度を変化させる方法によるシェーディング補正を考える。露光装置の解像限界以下の大きさのドットパターンをマスク上に配置してなる階調表現を有するフォトマスクを用いてフォトリソグラフィ方式で屈折部を有するマイクロレンズを製造する場合において、１画素分の領域上に表現されるドット数が２０個×２０個とすると、使用するフォトマスクは、マイクロレンズを形成するための２０個×２０個のドット（図１５）と、屈折部に所望の傾斜をもたせるための２０個×２０個のドット（図１６）とを加味したものとなる。そして、屈折部の最も高い部分に対応する部分は、図１６の２０個×２０個のドットの中で、右端のドット列（図に矢印で示した列）となる。しかし、この右端の２０個のドットにて傾斜角度の階調表現を行う場合、フォトマスクの光透過率は０／２０〜２０／２０の範囲であり、２０階調程度しか表現できない。したがって、例えば、有効撮像領域の中心から周辺へ向って３２０画素が配列され、屈折部に必要な最大傾斜角度が４０°であるとき、平均的に４０°を３２０段階で表現する必要があるが、上記の例では２０階調程度しか表現できない。

また、図１６の右端のドット列にて３２０階調を表現しようとすると、１画素中に３２０個×３２０個のドットを配置する必要がある。しかし、例えば、画素サイズを２μｍ×２μｍとしたとき、５倍体フォトマスク上では１画素サイズが１０μｍ×１０μｍとなり、この１辺を３２０ドットに分割すると、１ドットの寸法は３０ｎｍ程度となってしまい、現状のフォトマスク作製技術では製造が困難である。
一方、マイクロレンズの傾斜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。例えば、図１７に示されるようなカメラレンズ特性に起因して生じる図１８で示すシェーディングを補正する場合を想定する。この場合、図１の主光線入射角度に対応して、図１９に示すように、有効撮像領域を複数に分割して部分領域（図示では６個）を設定し、これらの部分領域間で段階的にマイクロレンズの傾斜角度を変化させることになる。しかし、部分領域間には、傾斜角度の異なる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、受光部面に平行な面に対するマイクロレンズ底面の傾斜角度が異なる２種以上のマイクロレンズからなり、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傾斜角度が同じマイクロレンズが配置され、マイクロレンズ底面の傾斜角度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傾斜角度のマイクロレンズが混在している中間帯状部が存在し、隣接するマイクロレンズの傾斜角度の差が１０°以下であり、マイクロレンズの平均的傾斜角度が、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傾斜角度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、受光部面に平行な面に対するマイクロレンズ底面の傾斜角度が異なる２種以上のマイクロレンズからなり、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、傾斜角度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、隣接するマイクロレンズの傾斜角度の差が１０°以下であり、マイクロレンズの平均的傾斜角度が、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、傾斜角度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傾斜角度の異なるマイクロレンズの配置は、傾斜角度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、傾斜角度の小さいマイクロレンズが傾斜角度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、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の傾斜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、隣接するマイクロレンズの傾斜角度の差が１０°以下であるので、感度バラツキが小さく、また、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、受光部３がなす面に平行な面に対するマイクロレンズ底面の傾斜角度が異なる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。

ここで、マイクロレンズ底面の傾斜角度について説明する。図２は、上平坦化層９上に形成されたマイクロレンズ１１を示す図である。図２において、上平坦化層９の上面は受光部３がなす面に平行な面であり、有効撮像領域の中心領域では、マイクロレンズ１１の底面１１ａは傾斜しておらず、上平坦化層９の上面９ａとなす傾斜角度は０°である。また、周辺方向に位置するマイクロレンズ１１は、上平坦化層９の上面９ａに対して角度θで傾斜して有効撮像領域の周辺部方向を向く傾斜面１２ａを有する楔形基部１２上に配設されている。したがって、マイクロレンズ１１の底面１１ａは、上平坦化層９の上面９ａと傾斜角度θをなしている。この傾斜角度θは有効撮像領域の中心から周辺方向に向って大きくなる傾向で変化する。

このような所望の傾斜角度をもつマイクロレンズの形成は、例えば、以下のように行うことができる。まず、上平坦化層９上に、露光量に応じて残膜厚が変化する感光性樹脂層を形成する。この感光性樹脂層を、露光波長では解像しない微細なドットパターンの分布によって露光する際の透過光量（露光量）分布を制御するフォトマスクであって、形成する楔形基部の形状に合わせて作製されたフォトマスクを用いて露光し、現像することにより、所望の傾斜角度をもつ楔形基部１２を形成する。次に、マイクロレンズ用の感光性樹脂材料を用いて、楔形基部１２上にマイクロレンズ１１を形成する。

また、マイクロレンズ１１と楔形基部１２を同時に形成することもできる。例えば、例えば、図２に示す楔形基部と、その上のマイクロレンズを一体化した傾斜マイクロレンズを作製するために、その高さ分布と、使用するマイクロレンズ用レジストの露光量と残膜厚との関係から、１つの傾斜マイクロレンズを表現するマスクの透過率分布を求め、その透過率分布を１画素あたり数十個×数十個のドットパターンの配置にて表現してなる傾斜マイクロレンズ形成用マスクを用いて露光することにより形成することができる。マスクパターンとしては、例えば、図１５に示すようなマイクロレンズ形成用のマスクパターンと、図１６に示すような楔形基部形成用のマスクパターンとを加味したようなものとなる。

本発明の固体撮像素子１は、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傾斜角度が同じマイクロレンズを配置し、マイクロレンズ底面の傾斜角度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傾斜角度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。また、隣接するマイクロレンズの傾斜角度の差を１０°以下とするものである。この傾斜角度の差が１０°を超えると、画素間の感度差が約５％を超えることとなり、感度バラツキが大きくなって好ましくない。
上記の本発明の固体撮像素子を、図１７に示されるようなカメラレンズ特性に起因して生じる図１８で示すシェーディングを補正する場合を例として説明する。この場合、図３に示すように、有効撮像領域の中心からＸ軸方向を（１）〜（６）の６個の部分領域に分割し、図３に実線で示されるように、各部分領域内では傾斜角度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傾斜角度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。

上記の中間帯状部での傾斜角度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３に実線で示されるように、隣接する部分領域の中間的な傾斜角度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、６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傾斜角度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３に鎖線で示されるように、マイクロレンズの傾斜角度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、本発明の固体撮像素子１は、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、これらの複数の部分領域には、傾斜角度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させたものとし、隣接するマイクロレンズの傾斜角度の差を１０°以下としたものである。この傾斜角度の差が１０°を超えると、画素間の感度差が約５％を超えることとなり、感度バラツキが大きくなって好ましくない。

このような本発明の固体撮像素子について、図１７に示されるようなカメラレンズ特性に起因して生じる図１８で示すシェーディングを補正する場合を例として説明する。この場合、図４に示すように、有効撮像領域の中心からＸ軸方向を（１）〜（６）の６個の部分領域に分割する。そして、部分領域（１）では、傾斜角度が０°と５°の２種のマイクロレンズを混在させて配置する。すなわち、部分領域（１）の左側（有効撮像領域の中心側）では傾斜角度０°のマイクロレンズの比率を１００％とし、右側（周辺方向）に向うにつれて傾斜角度５°のマイクロレンズの混在比率を徐々に増やしながら２種のマイクロレンズをランダムに配置し、部分領域（１）では傾斜角度５°のマイクロレンズの比率を１００％とする。以下、部分領域（２）では、傾斜角度が５°と９．７°の２種のマイクロレンズ、部分領域（３）では、傾斜角度が９．７°と１４．５°の２種のマイクロレンズ、部分領域（４）では、傾斜角度が１４．５°と１８．４°の２種のマイクロレンズ、部分領域（５）では、傾斜角度が１８．４°と２０°の２種のマイクロレンズ、部分領域（６）では、傾斜角度が２０°と１９．６°の２種のマイクロレンズを、上述の部分領域（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１７のカメラレンズ特性に対応した傾斜角度変化、すなわち、マイクロレンズの平均的傾斜角度が非線形に変化することが可能となる。尚、本発明における平均的傾斜角度とは、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底面の傾斜角度の平均値である。

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、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傾斜角度が同じマイクロレンズを配置し、マイクロレンズ底面の傾斜角度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傾斜角度のマイクロレンズが混在している中間帯状部を設け、さらに、隣接するマイクロレンズの傾斜角度の差を１０°以下としたものである。

図５に示される例では、画素サイズ２μｍ×２μｍ、画素数１９２０個×１０８０個の横長（横：縦＝１６：９）画面の固体撮像素子を想定しており、Ｘ軸方向にて徐々にマイクロレンズ底面の傾斜角度を変化させて、Ｘ軸方向のシェーディング補正を行ったものである。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、有効撮像領域は、中心（０，０）からＸ軸方向に（１）〜（５）、（２′）〜（５′）の９種の部分領域に分割されている。部分領域（１）は有効撮像領域の中心（０，０）を含むものであり、マイクロレンズ底面の傾斜角度が０°であり、その外側に位置する部分領域（２）はマイクロレンズ底面の傾斜角度が５°、領域（２′）はマイクロレンズ底面の傾斜角度が５°であり、その外側に位置する部分領域（３）はマイクロレンズ底面の傾斜角度が１０°、領域（３′）はマイクロレンズ底面の傾斜角度が１０°であり、その外側に位置する部分領域（４）はマイクロレンズ底面の傾斜角度が１５°、領域（４′）はマイクロレンズ底面の傾斜角度が１５°であり、その外側に位置する部分領域（５）はマイクロレンズ底面の傾斜角度が２０°、領域（５′）はマイクロレンズ底面の傾斜角度が２０°である。

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おり、これらの中間帯状部には隣接する部分領域における各々の傾斜角度のマイクロレンズが混在している。例えば、部分領域（２）と部分領域（３）の中間領域では、傾斜角度が５°のマイクロレンズと傾斜角度が１０°のマイクロレンズとが混在する。この混在比率は、例えば、１：１とすることができ、また、２種の傾斜角度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（２）側では傾斜角度が５°のマイクロレンズが２／３、傾斜角度が１０°のマイクロレンズが１／３の比率で混在し、部分領域（３）側では傾斜角度が５°のマイクロレンズが１／３、傾斜角度が１０°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（２）と部分領域（３）の境界部付近でのスムースな傾斜角度変化が可能となる。さらに、部分領域（２）側では傾斜角度が５°のマイクロレンズの比率をほぼ１００％とし、部分領域（３）に向うにつれて傾斜角度が１０°のマイクロレンズの比率を高め、部分領域（３）側では傾斜角度が１０°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（２）と部分領域（３）の境界部付近でのマイクロレンズの傾斜角度の変化が更にスムースなものとなる。他の部分領域間の中間帯状部も、上記と同様に２種の傾斜角度のマイクロレンズの混在させることができる。

（第２の実施形態）
上述の第１の実施形態では、有効撮像領域をＸ軸方向に複数の部分領域に分割し、Ｘ方向に徐々にマイクロレンズ底面の傾斜角度を変化させてシェーディング補正を行っているが、有効撮像領域を３６０°全方位に亘って複数の部分領域に分割してシェーディング補正を行うこともできる。図６はこのような実施形態を示す図であり、部分領域Ａは有効撮像領域の中心を含む円形の領域であり、配置されているマイクロレンズは、底面の傾斜角度が０°のものである。その外側には環状の中間帯状部（斜線を付した領域）を介してＢ１〜Ｂ１２の１２個の部分領域が設けられており、有効撮像領域の中心から３０°毎（１５°、４５°、７５°、１０５°、１３５°、１６５°、１９５°、２２５°、２５５°、２８５°、３１５°、３４５°）に放射状に延びる線（一点鎖線で示す）と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が５°傾斜したマイクロレンズが各部分領域毎に配置されている。また、各部分領域Ｂ１〜Ｂ１２の間にも中間帯状部（斜線を付した領域）が設けられている。これらの部分領域Ｂ１〜Ｂ１２の外側には環状の中間帯状部（斜線を付した領域）を介してＣ１〜Ｃ１２の１２個の部分領域が設けられており、有効撮像領域の中心から３０°毎に放射状に延びる線（一点鎖線で示す）と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が１０°傾斜したマイクロレンズが各部分領域毎に配置されている。また、各部分領域Ｃ１〜Ｃ１２の間にも中間帯状部（斜線を付した領域）が設けられている。これらの部分領域Ｃ１〜Ｃ１２の外側には環状の中間帯状部（斜線を付した領域）を介してＤ１〜Ｄ１２の１２個の部分領域が設けられており、有効撮像領域の中心から３０°毎に放射状に延びる線（一点鎖線で示す）と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が１５°傾斜したマイクロレンズが各部分領域毎に配置されている。尚、横長（横：縦＝１６：９）画面の固体撮像素子を想定しているため、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ９、Ｄ１０の４個の部分領域は存在しない。また、各部分領域Ｄ１〜Ｄ１２の間にも中間帯状部（斜線を付した領域）が設けられている。さらに、これらの部分領域Ｄ１〜Ｄ１２の外側には環状の中間帯状部（斜線を付した領域）を介してＥ１〜Ｅ１２の１２個の部分領域が設けられており、有効撮像領域の中心から３０°毎に放射状に延びる線（一点鎖線で示す）と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が２０°傾斜したマイクロレンズが各部分領域毎に配置されている。ここでも、横長（横：縦＝１６：９）画面の固体撮像素子を想定しているため、Ｅ２〜Ｅ５、Ｅ８〜Ｅ１１の８個の部分領域は存在しない。また、各部分領域Ｅ１〜Ｅ１２の間にも中間帯状部（斜線を付した領域）が設けられている。

そして、隣接する部分領域間に設定された中間帯状部には、隣接する部分領域における各々の傾斜角度のマイクロレンズが混在して配置される。図７は図６において鎖線の円で囲んだ部分領域Ｂ６、Ｂ７、Ｃ６、Ｃ７の拡大図であり、隣接する部分領域間に設定される中間帯状部には斜線を付して示している。この図７の部分領域Ｂ６と部分領域Ｂ７の境界の中間帯状部には、１６５°に延びる線と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が５°傾斜したマイクロレンズ（Ｂ６）と、１９５°に延びる線と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が５°傾斜したマイクロレンズ（Ｂ７）と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、マイクロレンズ（Ｂ６）とマイクロレンズ（Ｃ６）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、中間帯状部の部分領域Ｂ６側ではマイクロレンズ（Ｂ６）が２／３、マイクロレンズ（Ｂ７）が１／３の比率で混在し、部分領域Ｂ７側ではマイクロレンズ（Ｂ６）が１／３、マイクロレンズ（Ｂ７）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Ｂ６と部分領域Ｂ７の境界部付近でのスムースな傾斜角度の変化が可能となる。さらに、中間帯状部の部分領域Ｂ６側ではマイクロレンズ（Ｂ６）の比率をほぼ１００％とし、部分領域Ｂ７に向うにつれてマイクロレンズ（Ｂ７）の比率を高め、部分領域Ｂ７側ではマイクロレンズ（Ｂ７）がほぼ１００％となるように混在させることにより、部分領域Ｂ６と部分領域Ｂ７の境界部付近でのマイクロレンズの傾斜角度の変化が更にスムースなものとなる。

同様に、部分領域Ｃ６と部分領域Ｃ７の境界の中間帯状部には、１６５°に延びる線と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が１０°傾斜したマイクロレンズ（Ｃ６）と、１９５°に延びる線と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が１０°傾斜したマイクロレンズ（Ｃ７）とが混在して配置される。一方、部分領域Ｂ６と部分領域Ｃ６の境界の中間帯状部には、１６５°に延びる線と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が５°傾斜したマイクロレンズ（Ｂ６）と、同じく１６５°に延びる線と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が１０°傾斜したマイクロレンズ（Ｃ６）とが混在して配置される。また、部分領域Ｂ７と部分領域Ｃ７の境界の中間帯状部には、１９５°に延びる線と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が５°傾斜したマイクロレンズ（Ｂ７）と、同じく１９５°に延びる線と平行に有効撮像領域の中心方向に底面が１０°傾斜したマイクロレンズ（Ｃ７）とが混在して配置される。これらの中間帯状部における２種のマイクロレンズの混在比率は、上述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８（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８（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Ｂ６、Ｂ７、Ｃ６、Ｃ７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、有効撮像領域の中心方向（図８（Ｂ）の矢印ａ方向）に向けて傾斜角度が徐々に大きくなるように配置してもよく、また、４種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３の実施形態）
本実施形態の固体撮像素子は、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、これらの複数の部分領域には、傾斜角度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させたものとし、隣接するマイクロレンズの傾斜角度の差を１０°以下としたものである。
図９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９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×２０個の画素のみを示している。図９に示される固体撮像素子では、Ｘ軸方向に（Ｘ１）〜（Ｘ６）の６分割とされ、１個の部分領域は５個×２０個の画素からなっている。また、マイクロレンズは、マイクロレンズ底面の傾斜角度が０°（図では白で表示している）のもの、マイクロレンズ底辺がＸ軸の０点方向に５°傾斜したもの（図では斜線を付して表示している）、２種類で構成されている。そして、傾斜角度５°のマイクロレンズの存在確率はＸ軸の周辺方向に向けて５画素毎に０％から１００％まで２０％づつ変化し、Ｙ軸方向の２０画素でのマイクロレンズの配置は均一となっている。すなわち、部分領域（Ｘ１）内では、Ｘ軸方向５個のマイクロレンズがすべて傾斜角度０°のもの（傾斜角度５°のマイクロレンズの存在確率０％）、部分領域（Ｘ２）内では、Ｘ軸方向５個のうち、傾斜角度５°のマイクロレンズが１個（存在確率２０％）、部分領域（Ｘ３）内では、Ｘ軸方向５個のうち、傾斜角度５°のマイクロレンズが２個（存在確率４０％）、部分領域（Ｘ４）内では、Ｘ軸方向５個のうち、傾斜角度５°のマイクロレンズが３個（存在確率６０％）、部分領域（Ｘ５）内では、Ｘ軸方向５個のうち、傾斜角度５°のマイクロレンズが４個（存在確率８０％）、部分領域（Ｘ６）内では、Ｘ軸方向５個全てが傾斜角度５°のマイクロレンズ（存在確率１００％）となっている。

この例では、２０％づつの段階的変化であるが、実際の固体撮像素子は少なくとも数百画素×数百画素の配列を有している。例えば、Ｘ軸方向に６００画素の配列がある場合、上記の同じように１個の部分領域を５個×２０個の１００画素で設定すると、Ｘ軸方向に５画素毎（部分領域毎）に傾斜角度５°のマイクロレンズを１個づつ増やせば、傾斜角度５°のマイクロレンズの存在確率が２％づつ変化し、ほぼ連続的に変化させることができる。
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１０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１０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１１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１１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１９２０個×１０８０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。
上記露光においては、上記の実施形態で説明した楔形基部とマイクロレンズを同時一括に形成する方法を用い、図１５に示すようなマイクロレンズ形成用のマスクパターンと、図１６に示すような楔形基部形成用のマスクパターンとを加味したマスクパターンを用いて露光を行った。

これにより、図５に示されるような部分領域（１）〜（５）、（２′）〜（５′）において、部分領域（１）には傾斜角度０°のマイクロレンズを配置した。また、（２）〜（５）方向へ順に、傾斜角度が５°、１０°、１５°、２０°の４種のマイクロレンズを配置した。同様に、（２′）〜（５′）方向へ順に、傾斜角度が５°、１０°、１５°、２０°の４種のマイクロレンズを配置した。尚、傾斜はいずれも有効撮像領域の周辺方向に向くものである。また、中間帯状部では、傾斜角度が異なるマイクロレンズの混在比率が１：１となるように配置した。この場合、部分領域（１）はＸ軸上、有効撮像領域中心から１０２画素までとし、部分領域（２）、（２′）はＸ軸上の１０３画素から３１１画素まで、部分領域（３）、（３′）はＸ軸上の３１２画素から５６３画素まで、部分領域（４）、（４′）はＸ軸上の５６４画素から８７８画素まで、部分領域（５）、（５′）はＸ軸上の８７９画素から最外周の９６０画素までとした。尚、部分領域間の中間帯状部は、（１）と（２）、（２）と（３）、（３）と（４）、（４）と（５）、および、（１′）と（２′）、（２′）と（３′）、（３′）と（４′）、（４′）と（５′）の部分領域の境界線より両側にそれぞれ２５画素、計５０画素の幅とした。

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］
マイクロレンズの形成を以下のように行った他は、実施例と同様にして固体撮像素子を作製した。
（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。
上記露光においては、図１５に示すようなマイクロレンズ形成用のマスクパターンを用いて露光を行った。

［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１２に示した。図１２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１２に実線で示す）は比較例の固体撮像素子の感度分布（図１２に鎖線で示す）に比べて約２０％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１７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。 マイクロレンズの傾斜角度を説明するための図である。 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傾斜角度を示す図である。 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傾斜角度を示す図である。 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。 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。 図６において円で囲んだ部分領域の拡大図である。 図７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。 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。 マイクロレンズ用フォトマスクを説明するための図である。 マイクロレンズ用フォトマスク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。 有効撮像領域内でのシェーディングによる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傾斜角度の補正を示す図である。

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
１１ａ マイクロレンズ底面
１２…楔形基部
３１，４１…撮像装置
３２，４２…固体撮像素子

Claims (5)

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、受光部面に平行な面に対するマイクロレンズ底面の傾斜角度が異なる２種以上のマイクロレンズからなり、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傾斜角度が同じマイクロレンズが配置され、マイクロレンズ底面の傾斜角度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傾斜角度のマイクロレンズが混在している中間帯状部が存在し、隣接するマイクロレンズの傾斜角度の差が１０°以下であり、
   マイクロレンズの平均的傾斜角度が、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傾斜角度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、受光部面に平行な面に対するマイクロレンズ底面の傾斜角度が異なる２種以上のマイクロレンズからなり、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、傾斜角度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、隣接するマイクロレンズの傾斜角度の差が１０°以下であり、
   マイクロレンズの平均的傾斜角度が、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、
   傾斜角度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傾斜角度の異なるマイクロレンズの配置は、傾斜角度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、傾斜角度の小さいマイクロレンズが傾斜角度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. 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または請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 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または請求項２に記載の固体撮像素子。
5. 請求項１乃至請求項４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。

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