JP4998227B2 - 固体撮像素子とその製造方法およびこの固体撮像素子を用いた撮像装置 - 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）を所定の周期で配設した固体撮像素子とその製造方法、および、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１８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１９参照）。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、２種類の異なるピッチのマイクロレンズを用いて、ピッチの小さいマイクロレンズを所定の画素毎に一定数だけ配設することにより、マイクロレンズの配列ピッチを受光部の配列ピッチと変えて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）。さらに、受光部に対するマイクロレンズのシフト量（ズレ量）を有効撮像領域の中心から周辺に向って非線形に変化させて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３）。ここでは、受光部が一定ピッチで配列されるのに対し、マイクロレンズのピッチを変化させることが提案されているが、ピッチ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１０−２２９１８１号公報 特開２００３−２３４９６５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、マイクロレンズのピッチを２種設定し、一方のピッチのマイクロレンズを所定の画素毎に一定数だけ配設することにより、一定ピッチで配置される受光部に対するマイクロレンズのズレ量が一定の割合で変化するようなマイクロレンズの配列が可能である。しかし、図２０に示すような特性のカメラレンズを撮像装置に用いた場合、その特性変化が線形でないため、上記の手段では、有効撮像領域周辺部での主光線入射角度の非線形変化に対応できないという問題がある。
このような非線形変化を有するレンズ特性におけるシェーディング補正において、受光部とマイクロレンズのピッチ差を用いる場合、例えば、図２１に実線で示すように、有効撮像領域中心部から周辺部に向って、徐々に且つ非線形にマイクロレンズピッチを大きくするように変化させることが理想である。

しかし、マイクロレンズピッチを連続的に変化させる場合、画素毎にマイクロレンズのピッチを僅かに変えて設計することが考えられるが、数百万から一千万以上の全画素にわたって夫々の設計を行うのは膨大な工程となる。また、マイクロレンズピッチの変化量は全有効撮像領域にわたって、せいぜいｎｍ単位またはそれ以下となり、隣接するマイクロレンズ間のピッチを僅かづつ変化させるには変化量が小さ過ぎる。例えば、上記の図２１に示されるピッチ変化幅は１２９６画素以上に亘って０．０００８１μｍ（０．８１ｎｍ）であり、個々の画素にそのピッチ差を分配すると１画素当たり０．００１ｎｍ以下となる。この寸法差を５倍体マスク上で表現しようとすると、０．００５ｎｍ以下の寸法差を表現することが必要となる。しかし、マイクロレンズをフォトリソグラフィー方式で製造する際に用いるマスク製造を考慮すると、上記の微小な寸法差はマスクの電子線描画におけるグリッド（最小１ｎｍ）に適合せず、したがって丸め誤差が生じ、設計されたピッチ差がマスク上に反映され難いという問題がある。すなわち、マスク上のパターン描画グリッドが１ｎｍの場合、描画される全ての図形データの座標は１ｎｍ単位のグリッド上でのみ表現され、１ｎｍ未満の端数をもつことができない。したがって、マスク上の寸法で表現された設計データが１ｎｍ未満の端数をもつ座標を有している場合、設計データから描画用データにデータ変換される際に、変換プログラムにより端数は１ｎｍ単位に切り捨てられ、あるいは、切り上げられる。これをデータを丸めると称する。このようなデータの丸めによって、例えば、以下のような現象が生じる。

マイクロレンズのＸ軸方向の配置ピッチを、１．９９８９２μｍから１．９９９７３μｍまで１２９６画素に渡って均等に変化させる場合を考える。１．９９８９２μｍと１．９９９７３μｍの差０．０００８１μｍ（＝０．８１ｎｍ）を１２９６画素に渡って変化させるのであるから、隣接する画素間のピッチ差は０．０００８１／１２９５＝０．００００００６２５４８２６２５４…μｍであり、第１番目のマイクロレンズの配置ピッチを１．９９８９２μｍとすると、第２番目のマイクロレンズの配置ピッチは１．９９８９２０６２５…μｍとなり、以降、１．９９８９２１２５…μｍ、１．９９８９２１８７６…μｍ、１．９９８９２２５…μｍ、・・・、第１２９５番目のマイクロレンズの配置ピッチは１．９９９７２９３７４…μｍ、第１２９６番目のマイクロレンズの配置ピッチは１．９９９７３μｍとなる。ところが、１ｎｍグリッドにて描画データを作成した際、データ変換後のマイクロレンズの配置ピッチは、第１番目のマイクロレンズから第１００番目程度まで、１．９９８８μｍまたは１．９９９０μｍ（５倍体マスク上で９．９９４μｍまたは９．９９５μｍ）のいずれかの値をとり、以降、順次値は大きくなり、第１２００番目から第１２９６番目のマイクロレンズの配置ピッチは、１．９９９６μｍまたは１．９９９８μｍ（５倍体マスク上で９．９９８μｍまたは９．９９９μｍ）のいずれかの値をとり、０．００００００６２５４８２６２５４…μｍという細かい値は一切無視される。

一方、マイクロレンズピッチを段階的に変化させる場合は、図２２に実線で示すように、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ピッチを変化させることになる。尚、図２２の鎖線は、図２１に実線で示したマイクロレンズのピッチ変化を示す。しかし、部分領域間には、異なるピッチのマイクロレンズが存在する境界線（マイクロレンズと受光部とのズレ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その製造方法、および、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、一定のピッチで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、該マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズの配置ピッチが有効撮像領域の中心から周辺に向って変化している固体撮像素子において、マイクロレンズの配置ピッチが２種以上で設定され、かつ、最小ピッチ差は０．２ｎｍ以上であり、各配置ピッチのマイクロレンズが有効撮像領域の中心から周辺に向って複数配列され混在し、特定の画素を含む近傍の連続した画素の配置ピッチの平均値を特定の画素の平均ピッチとしたときに、マイクロレンズの平均ピッチが有効撮像領域の中心から周辺に向って小さくなる傾向あるいは大きくなる傾向であって、個々のマイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離が、有効撮像領域の中心から周辺に向って非線形に変化しているような構成とした。

本発明の他の態様として、有効撮像領域に対応するマイクロレンズアレイの外形形状は方形であるような構成とした。
本発明の他の態様として、有効撮像領域に対応するマイクロレンズアレイの外形形状は撮像領域の中心に向って湾曲あるいは屈曲した形状であるような構成とした。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、一定のピッチで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、該マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズの配置ピッチが有効撮像領域の中心から周辺に向って変化している固体撮像素子の製造方法であって、有効撮像領域の中心までの距離が、有効撮像領域の中心から周辺に向って所望の非線形変化をなすようにマイクロレンズの配置ピッチを予め設定し、最小ピッチ差が０．２ｎｍ以上となり、かつ、設定した前記非線形変化の配置ピッチが間に入るように、マイクロレンズの配置ピッチを２種以上設定し、２種以上の前記配置ピッチの中から任意の１組の配置ピッチを選択し、有効撮像領域の中心から周辺に向って該１組の配置ピッチの一方が存在する確率を前記非線形変化の配置ピッチから設定し、その後、各画素におけるマイクロレンズの配置ピッチを、前記確率に基づき、乱数により決定するような構成とした。

本発明の他の態様として、０以上、１００未満の範囲の乱数を発生させ、任意の画素にて発生した乱数が当該画素での前記一方のピッチが存在する確率（％）以下であるときは、当該画素には前記一方のピッチのマイクロレンズを配置し、発生した乱数が当該画素での前記一方のピッチが存在する確率（％）を超えるときは、１組をなす他方のピッチのマイクロレンズを配置するような構成とした。
本発明の他の態様として、乱数によって決定した配置ピッチによって定まる配置座標と、予め設定した前記配置ピッチによって定まる配置座標との差分が２０ｎｍ以下であれば、決定した配置ピッチを採用し、２０ｎｍを超える場合には、再度、乱数による配置ピッチの決定を行うような構成とした。
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装置は、個々のマイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離が、有効撮像領域の中心から周辺に向って非線形に変化しているので、例えば、カメラレンズの主光線入射角と像高の関係が非線形に変化する等のレンズ特性に適合した最適な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、配置ピッチの異なる２種以上のマイクロレンズの最小ピッチ差が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。
また、本発明の製造方法では、受光部の配置ピッチに対して非線形に変化するマイクロレンズの理想的な配置ピッチに近似したマイクロレンズの配置が可能であり、上述の本発明の固体撮像素子を簡便に製造することができる。
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。
［固体撮像素子およびその製造方法］
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と金属電極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。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。例えば、金属電極４は、上面側（マイクロレンズアレイ１０側）に遮光膜を備えるものであってもよい。

本発明の固体撮像素子は、有効撮像領域の中心からＸ軸方向のマイクロレンズの配置ピッチとＹ軸方向のマイクロレンズの配置ピッチとをそれぞれ２種以上で設定し、かつ、最小ピッチ差を０．２ｎｍ以上とし、さらに、個々のマイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離が、有効撮像領域の中心から周辺に向って非線形に変化するものである。図２の実線は、このようなマイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離の非線形変化を例示するものである。本発明におけるマイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離の非線形変化は、例えば、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マイクロレンズ配置によるものである。これに対して、図２に１点鎖線で示す線形変化では、最適なマイクロレンズ配置が行えず、緻密なシェーディング補正が困難である。
尚、本発明におけるマイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離とは、マイクロレンズの中心から有効撮像領域の中心までの距離のことであり、この距離は、配置ピッチの累積により決まる。また、配置ピッチとは、マイクロレンズの中心間距離である。

上記の本発明の固体撮像素子を、例えば、図３に示すようなレンズ特性を有するカメラレンズに対応した例として説明する。ここでは、受光部が一定ピッチ（２．０μｍ）で配置された画素数２５９２個×１９４４個のＣＭＯＳセンサーに使用する固体撮像素子とする。このような本発明の固体撮像素子は、図３に示すような非線形変化を有するレンズ特性におけるシェーディング補正をなすものであり、個々のマイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離が、有効撮像領域の中心から周辺に向って非線形に変化するものである。ここで、受光部は一定ピッチ（２．０μｍ）で配置されており、各受光部から有効撮像領域の中心までの距離は、有効撮像領域の中心から周辺に向って線形に変化する。したがって、対応する受光部とマイクロレンズとのズレ量の変化は、個々のマイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離の変化を反映したものとなる。図４は、このような受光部とマイクロレンズとのＸ軸方向でのズレ量を示している。図４に示されるように、対応する受光部とマイクロレンズとのズレ量は、有効撮像領域の中心から周辺に向って非線形に変化しており、この非線形変化は、図３に示すような非線形変化を有するレンズ特性におけるシェーディング補正を可能とするものである。

次に、図４に示すような受光部とマイクロレンズとのズレ量の非線形変化（マイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離の非線形変化）を有する本発明の固体撮像素子の製造方法を説明する。
まず、図３に示すようなレンズ特性を有するカメラレンズに対応して、マイクロレンズの配置ピッチ（理論値）を設定すると、図５に実線で示したものとなる。図５に実線で示される配置ピッチは、有効撮像領域の中心付近では、ピッチ＝１．９９８９２μｍであるが、周辺部に向って非線形に変化し、最外周ではピッチ＝１．９９９７８μｍとなっている。したがって、この配置ピッチで配置されたマイクロレンズアレイでは、各マイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離は、周辺部に向って非線形に変化することになる。尚、図５の鎖線は、受光部の一定配置ピッチ＝２μｍを示している。

図５では、有効撮像領域の中心と最外周でのマイクロレンズの配置ピッチの差は僅か１ｎｍ（０．００１μｍ）であるが、１０００画素以上に亘ってその差が累積すると、最外周のマイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離の差は１μｍ以上となり、受光部の配置ピッチ（２μｍ）の半分にまで達する大きさとなる。
次に、最小ピッチ差が０．２ｎｍ（０．０００２μｍ）以上となり、かつ、図５の実線で示すように設定した非線形変化の配置ピッチ（理論値）が間に入るように、マイクロレンズの配置ピッチを２種以上設定する。ここでは、１．９９８μｍと２．０μｍの２種の配置ピッチを設定する。

次いで、有効撮像領域の中心からＸ軸方向（画素数２５９２／２＝１２９６個）の周辺に向って１．９９８μｍと２．０μｍの２種の配置ピッチのうち、ピッチ＝２．０μｍが存在する確率を、図５に示す非線形変化の配置ピッチから設定する。図６は、このように設定したピッチ＝２．０μｍが存在する確率（％）を示す図である。そして、Ｘ軸方向の任意の位置の画素における配置ピッチは、図６に示した確率に基づいて、乱数によって１．９９８μｍと２．０μｍのいずれかの配置ピッチに決定される。また、有効撮像領域の中心からＹ軸方向については、図６の９７２画素（＝１９４４／２画素）以下の領域におけるピッチ＝２．０μｍが存在する確率となり、上記と同様に、Ｙ軸方向の任意の位置の画素における配置ピッチが決定される。

ここで、図６に示した確率に基づく、乱数による配置ピッチの決定について説明する。本発明では、０以上、１００未満の範囲の乱数を発生させ、任意の画素にて発生した乱数が、その画素でのピッチ＝２．０μｍが存在する確率（％）以下であるときは、当該画素にはピッチ＝２．０μｍのマイクロレンズを配置する。例えば、ピッチ＝２．０μｍが存在する確率が６０％であるＸ軸上の７１４番目の画素での配置ピッチは、発生した乱数が６０以下の場合にはピッチ＝２．０μｍとなり、６０を超える場合はピッチ＝１．９９８μｍとなる。

また、本発明では、上記のように、図６に示した確率に基づいて、乱数によって決定した配置ピッチによって定まる配置座標と、図５に実線で示されているマイクロレンズの配置ピッチ（理論値）によって定まる配置座標との差分が許容誤差（例えば、２０ｎｍ（０．０２μｍ）以下、好ましくは１０ｎｍ（０．０１μｍ）以下）であれば決定した配置座標を採用し、許容誤差を超える場合には、再度、乱数により配置ピッチを決定して配置座標を定めることが好ましい。これにより、更に緻密なシェーディング補正が可能となる。尚、配置座標は、有効撮像領域の中心までの距離と、Ｘ軸、Ｙ軸までの距離から決まり、有効撮像領域の中心までの距離は、上述のように、配置ピッチの累積により決まる。また、隣接する画素の配置座標が決まっていれば、配置ピッチから次の画素の配置座標を決定することができる。

図７は、マイクロレンズの配置座標と受光部（配置ピッチ＝２．０μｍで一定）の配置座標との間のズレ量を示す図であり、実線は、ピッチ＝２．０μｍが存在する確率に基づき、乱数により決定した配置ピッチから定めたマイクロレンズの配置座標と受光部の配置座標とのズレ量（Ｘ軸方向でのズレ量）を示し、鎖線は図５に実線で示されているマイクロレンズの配置ピッチ（理論値）から定めた配置座標と受光部の配置座標とのズレ量（Ｘ軸方向でのズレ量）を示している。そして、この図７の実線と鎖線で示したズレ量の違いを、鎖線（理論値）に対する実線（ピッチ＝２．０μｍが存在する確率に基づき、乱数により決定）の差分として示すと、図８のようになる。この図８に示される差分は、誤差が１５ｎｍ（０．０１５μｍ）程度であり、この場合、決定した配置ピッチを採用することができる。

上述の例では、マイクロレンズの配置ピッチを１．９９８μｍと２．０μｍの２種として設定しているが、２種以上、例えば、１．９９８μｍと１．９９９μｍと２．０μｍの３種としてもよい。
この場合、図５に実線で示されているマイクロレンズの配置ピッチ（理論値）を、縦軸が１．９９９μｍとなる３５５番目の画素で横軸を２分割する。そして、有効撮像領域の中心から３５５番目の画素までは、図５の実線で示すように設定した非線形変化の配置ピッチ（理論値）が間に入るように、１．９９８μｍと１．９９９μｍの２種の配置ピッチを設定し、３５６番目の画素から最外周１２９６画素までは、図５の実線で示すように設定した非線形変化の配置ピッチ（理論値）が間に入るように、１．９９９μｍと２．０μｍの２種の配置ピッチを設定する。

次いで、３種の配置ピッチの中から任意の１組の配置ピッチを選択する。すなわち、有効撮像領域の中心からＸ軸方向の３５５番目の画素までは、１．９９８μｍと１．９９９μｍの２種の配置ピッチを選択し、３５６番目の画素から最外周１２９６画素までは、１．９９９μｍと２．０μｍの２種の配置ピッチを選択する。そして、有効撮像領域の中心からＸ軸方向の３５５番目の画素までにおける１．９９８μｍと１．９９９μｍの２種の配置ピッチのうち、ピッチ＝１．９９９μｍが存在する確率と、３５６番目の画素から最外周１２９６画素までの１．９９９μｍと２．０μｍの２種の配置ピッチのうち、ピッチ＝２．０μｍが存在する確率を、図５に示す非線形変化の配置ピッチから設定する。図９は、このように設定したピッチ＝１．９９９μｍ（有効撮像領域の中心から３５５番目の画素まで）が存在する確率と、ピッチ＝２．０μｍ（３５６番目の画素から最外周１２９６画素まで）が存在する確率とを示す図である。そして、有効撮像領域の中心からＸ軸方向３５５番目の画素までの任意の位置の画素における配置ピッチは、図９に示した確率に基づき、乱数によって１．９９８μｍと１．９９９μｍのいずれかの配置ピッチに決定され、３５６番目の画素から最外周１２９６画素までの任意の位置の画素における配置ピッチは、図９に示した確率に基づき、乱数によって１．９９９μｍと２．０μｍのいずれかの配置ピッチに決定される。

また、Ｙ軸方向については、図９の９７２画素（＝１９４４／２画素）以下の領域におけるピッチ＝１．９９９μｍ（有効撮像領域の中心から３５５番目の画素まで）が存在する確立と、ピッチ＝２．０μｍ（３５６番目の画素から最外周９７２画素まで）が存在する確率を使用することとなり、上記と同様に、Ｙ軸方向の任意の位置の画素における配置ピッチが決定される。
このように、マイクロレンズの配置ピッチを３種とした場合も、上記のように決定した配置ピッチによって定まる配置座標と、図５に実線で示されているマイクロレンズの配置ピッチ（理論値）によって定まる配置座標との差分を検証し、差分が許容誤差（例えば、２０ｎｍ（０．０２μｍ）以下、好ましくは１０ｎｍ（０．０１μｍ）以下）であれば決定した配置座標を採用し、許容誤差を超える場合には、再度、乱数により配置ピッチを決定して配置座標を定めることが好ましい。

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１０のようになる。図１０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。

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。例えば、特定の画素を含む近傍の連続した画素の配置ピッチの平均値を特定の画素の平均ピッチとしたときに、上述の実施形態では、マイクロレンズの平均ピッチ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るが、使用するカメラレンズのレンズ特性によっては、マイクロレンズの平均ピッチが有効撮像領域の中心から周辺に向って小さくなる傾向であってもよい。また、画素数２５９２個×１９４４個の本発明の固体撮像素子では、通常、有効撮像領域に対応するマイクロレンズアレイの外形形状は長方形であるが、これに限定されるものではない。すなわち、対角線方向にて外形の頂点が４辺よりも外側へ若干突出し、マイクロレンズアレイの外形の４辺は撮像領域の中心に向って湾曲あるいは屈曲した形状となってもよい。

［撮像装置］
図１１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１１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１２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１２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。
ここで、上記のカラーフィルタの形成では、後述のマイクロレンズと同じく、本発明の技術思想を用い、各層の膜厚等を勘案して、カラーフィルタの配置ピッチを補正したフォトマスクを使用した。すなわち、図３に示されるようなレンズ特性におけるシェーディング補正として、カラーフィルタの配置ピッチ（理論値）を図１３に実線で示したように設定した。尚、図１３の鎖線は、受光部の一定配置ピッチ＝２μｍを示している。
そして、本実施例でのカラーフィルタの配置ピッチとして、１．９９８μｍと２．０μｍの２種の配置ピッチを設定した。

次いで、有効撮像領域の中心からＸ軸方向（画素数２５９２／２＝１２９６個）の周辺に向って１．９９８μｍと２．０μｍの２種の配置ピッチのうち、ピッチ＝２．０μｍが存在する確率を、図１３に示す非線形変化の配置ピッチから設定した。図１４は、このように設定したピッチ＝２．０μｍが存在する確率（％）を示す図である。そして、Ｘ軸方向の任意の位置の画素におけるカラーフィルタの配置ピッチを、図１４に示した確率に基づき、乱数によって１．９９８μｍと２．０μｍのいずれかの配置ピッチに決定した。同様に、有効撮像領域の中心からＹ軸方向についても、図１４の９７２画素（＝１９４４／２画素）以下の領域におけるピッチ＝２．０μｍが存在する確率に基づき、乱数によって１．９９８μｍと２．０μｍのいずれかの配置ピッチに決定した。このように決定した配置ピッチと受光部（ピッチ＝２．０μｍで一定）とのズレ量は、図１５に示すものとなった。図１５において、実線は、図１４のピッチ＝２．０μｍが存在する確率に基づき、乱数により決定した配置ピッチと受光部とのズレ量を示し、鎖線は図１３に実線で示されているカラーフィルタの配置ピッチ（理論値）と受光部とのズレ量を示している。そして、この図１５の実線と鎖線で示したズレ量の違いを、鎖線（理論値）に対する実線（確率に基づき、乱数により決定した配置ピッチ）の差分として示すと、図１６のようになった。この図１６に示される差分は、２０ｎｍ以下であり、上記のように決定した配置ピッチの採用を可とした。

（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１０にてＢ＝Ｃ＝０．１μｍを基準とし、上述の実施形態での、図６に示した確率に基づき、乱数により決定した配置ピッチ（１．９９８μｍと２．０μｍのいずれかであり、マイクロレンズと受光部とのズレ量は図７の実線を参照）で配列したマイクロレンズ用フォトマスクを使用した。このマイクロレンズ用フォトマスクの寸法Ｅは、基準ピッチＡ＝２．０μｍからＥ＝１．８μｍと決定され、配置ピッチ＝１．９９８μｍではＤ＝０．００２μｍ（２ｎｍ）となる。

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］
カラーフィルタ用のフォトマスクの配置ピッチを１．９９９１８μｍ（スケーリング率＝９９．９５９％）とし、マイクロレンズ用のフォトマスクの配置ピッチを１．９９８９２μｍ（スケーリング率＝９９．９４６％）とした他は、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１７に示した。図１７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１７に実線で示す）は比較例の固体撮像素子の感度分布（図１７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。
これは、比較例でのマイクロレンズ配置ピッチが１．９９８９２μｍ（一定）であり、図３のカメラレンズの像高、主光線入射角度の関係を示すプロットにおいて、像高（有効撮像領域中心からの距離の相当する）０．８ｍｍ未満の領域の、そのプロットの直線性が比較的良い領域に対応しているが、図３の像高０．８ｍｍ以上の領域では、像高の増加に対して主光線入射角度の増加割合が小さくなる非線形の特性であり、この領域で１．９９８９２μｍのマイクロレンズ配置ピッチを維持すると、周辺部に向うにつれて、主光線入射角度の増大に対して受光部（ピッチ２．０μｍ）とマイクロレンズのずれ量（受光部とマイクロレンズの配置ピッチを、有効撮像領域中心からその画素まで累積した値の差）が大きくなり過ぎる傾向となるため、周辺部で感度低下が生じていると考えられる。

一方、実施例でのマイクロレンズ配置ピッチは、有効撮像領域中心部の近傍では、比較例と同じく１．９９８９２μｍであるが、周辺部へ向うにつれて、その平均ピッチを１．９９９７８μｍまで徐々に非線形変化により増大（図５の実線、図７の実線を参照）することにより、像高増加に対して主光線入射角度変化が緩和する領域にて、受光部（ピッチ２．０μｍ）とマイクロレンズのズレ量が増加するのを緩和しており、これにより、周辺部においても主光線入射角度に対して受光部とマイクロレンズのズレ量が適切に維持されると考えられる。
（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３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。 マイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離の非線形変化を例示する図面である。 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。 受光部とマイクロレンズとのズレ量を示す図である。 図３に示すレンズ特性を有するカメラレンズに対応して設定したマイクロレンズの配置ピッチを示す図である。 ピッチ＝２．０μｍのマイクロレンズが存在する確率（％）を示す図である。 マイクロレンズの配置座標と受光部（配置ピッチ＝２．０μｍで一定）の配置座標との間のズレ量（Ｘ軸方向のズレ量）を示す図である。 図７の実線と鎖線で示したズレ量の違いを、鎖線に対する実線の差分として示す図である。 ピッチ＝１．９９９μｍのマイクロレンズが存在する確率と、ピッチ＝２．０μｍのマイクロレンズが存在する確率（％）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。 図３に示すレンズ特性を有するカメラレンズに対応して設定したカラーフィルタの配置ピッチを示す図である。 ピッチ＝２．０μｍのカラーフィルタが存在する確率（％）を示す図である。 カラーフィルタの配置ピッチと受光部（ピッチ＝２．０μｍで一定）とのズレ量を示す図である。 図１５の実線と鎖線で示したズレ量の違いを、鎖線に対する実線の差分として示す図である。 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。 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。 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配置を説明するための図である。 従来の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。

符号の説明

１…固体撮像装置
２…基板
３…受光部
４…金属電極
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 (7)

1. 一定のピッチで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、該マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズの配置ピッチが有効撮像領域の中心から周辺に向って変化している固体撮像素子において、
   マイクロレンズの配置ピッチが２種以上で設定され、かつ、最小ピッチ差は０．２ｎｍ以上であり、各配置ピッチのマイクロレンズが有効撮像領域の中心から周辺に向って複数配列され混在し、特定の画素を含む近傍の連続した画素の配置ピッチの平均値を特定の画素の平均ピッチとしたときに、マイクロレンズの平均ピッチが有効撮像領域の中心から周辺に向って小さくなる傾向あるいは大きくなる傾向であって、個々のマイクロレンズから有効撮像領域の中心までの距離が、有効撮像領域の中心から周辺に向って非線形に変化していることを特徴とする固体撮像素子。
2. 有効撮像領域に対応するマイクロレンズアレイの外形形状は方形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. 有効撮像領域に対応するマイクロレンズアレイの外形形状は撮像領域の中心に向って湾曲あるいは屈曲した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。
4. 一定のピッチで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、該マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズの配置ピッチが有効撮像領域の中心から周辺に向って変化している固体撮像素子の製造方法において、
   有効撮像領域の中心までの距離が、有効撮像領域の中心から周辺に向って所望の非線形変化をなすようにマイクロレンズの配置ピッチを予め設定し、
   最小ピッチ差が０．２ｎｍ以上となり、かつ、設定した前記非線形変化の配置ピッチが間に入るように、マイクロレンズの配置ピッチを２種以上設定し、
   ２種以上の前記配置ピッチの中から任意の１組の配置ピッチを選択し、有効撮像領域の中心から周辺に向って該１組の配置ピッチの一方が存在する確率を前記非線形変化の配置ピッチから設定し、その後、各画素におけるマイクロレンズの配置ピッチを、前記確率に基づき、乱数により決定することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
5. ０以上、１００未満の範囲の乱数を発生させ、任意の画素にて発生した乱数が当該画素での前記一方のピッチが存在する確率（％）以下であるときは、当該画素には前記一方のピッチのマイクロレンズを配置し、発生した乱数が当該画素での前記一方のピッチが存在する確率（％）を超えるときは、１組をなす他方のピッチのマイクロレンズを配置することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子の製造方法。
6. 乱数によって決定した配置ピッチによって定まる配置座標と、予め設定した前記配置ピッチによって定まる配置座標との差分が２０ｎｍ以下であれば、決定した配置ピッチを採用し、２０ｎｍを超える場合には、再度、乱数による配置ピッチの決定を行うことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の固体撮像素子の製造方法。
7. 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を備えることを特徴とする撮像装置。

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