JP6764571B2 - 固体撮像素子、撮像装置、並びに電子機器 - Google Patents

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Description

本技術は、固体撮像素子、撮像装置、並びに電子機器に関し、特に、高像高部における合焦点精度、および感度の向上、並びに混色抑制を実現できるようにした固体撮像素子、撮像装置、並びに電子機器に関する。
デジタルスチルカメラやビデオカメラにおいて、固体撮像素子の一部あるいは全部の画素に、距離検出（焦点検出）機能を有する距離検出画素を用い、位相差方式で被写体距離を検出するようにした固体撮像素子が提案されている（特許文献１参照）。
距離検出画素は、複数の光電変換部であるフォトダイオードを備え、撮像用のレンズの異なる射出瞳領域を通過した光束が、異なるフォトダイオードに導かれるように構成される。フォトダイオードは光電変換により入射光の光量に応じた電荷を発生し、撮像（露光）時間の間、電荷を蓄積する機能をもつ。
ここで、複数の距離検出画素を用いて、射出瞳の異なる領域を通過した光束による像を検出し（以降、それぞれＡ像、Ｂ像と称するものとする）、Ａ像とＢ像のズレ量を測定する。このズレ量と基線長（異なる射出瞳領域間の間隔）からデフォーカス量を算出し、距離（焦点位置）を検出する。このとき、撮像用のレンズの射出瞳面とフォトダイオードの表面が略共役の関係にある。よって、フォトダイオードの位置や大きさに応じて、通過する射出瞳領域や受光感度が決まる。すなわち、フォトダイオードを大きくすれば、通過する射出瞳領域が大きくなり、フォトダイオードで受光する光量が多くなり感度が高くなる。
複数のフォトダイオードを持つ距離検出画素のフォトダイオードを大きく形成すると、距離検出画素に占めるフォトダイオードの割合が大きくなり、フォトダイオード間の距離が近くなる。フォトダイオード間の距離が近くなると、フォトダイオードで発生した電荷は他のフォトダイオードへと移動（電子クロストーク）し易くなる。これにより、距離検出画素内のフォトダイオード間で電荷信号が相互干渉し、フォトダイオードの電荷信号と、通過した射出瞳領域との対応がとれ難くなる。結果として、Ａ像とＢ像のズレ量や基線長に誤差が生じ、測距精度の悪化をもたらすこととなり易い。
そこで、フォトダイオード間の距離をバルク深部に向かうほど広げることで、電子の滞在時間が長い場所で距離を稼ぎ、電子クロストークを抑制する技術が提案されている（特許文献２参照）。
特許第４０２７１１３号 特開２０１４−１２３７１４号公報
しかしながら、特許文献２においては、高像高での合焦点精度はフォトダイオード間の距離を深部に向かう毎に遠ざけると事で一方が悪化する。また、それは入射角度が大きくなるに従い、主光線から各々のフォトダイオードまでの距離の差が拡がるため、高像高化が進むに従い感度が低下すると共に、合焦精度も合わせて低下する。
また、特許文献２の技術では、電子クロストークは低減されるが、光クロストークは高像光化するほど、意図しない他のフォトダイオードに吸収されることにより混色が増加する恐れがある。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、特に、高像高部における合焦点精度、および感度向上、並びに混色抑制を実現できるようにするものである。
本技術の一側面の固体撮像素子は、入射した光を集光する主レンズと、前記主レンズにより集光された光を集光する複数のオンチップレンズと、前記オンチップレンズを共有し、前記オンチップレンズにより集光された光を受光し、光量に応じた電荷を発生し蓄積する複数のフォトダイオードと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送部とを含み、前記オンチップレンズを共有する前記複数の前記フォトダイオードの形状は、前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードのそれぞれが設けられる範囲として分割するための、前記オンチップレンズの像高に応じた関数で求められる値に、前記主レンズの光軸方向となる前記転送部における転送位置からの深さ方向の距離により特定される係数を乗じた値により設定される分割境界を除く領域であって、前記フォトダイオードのそれぞれが受光すべき光の透過範囲により特定される、受光特性が略均一となる形状であり、前記フォトダイオードを形成する、前記深さ方向に対する多段のインプラントの段毎の、前記深さ方向の厚さ、および前記深さ方向に対して垂直な方向の幅が調整されることで、前記フォトダイオードの形状が形成される。
前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードの個数は、瞳分割数とすることができる。
前記分割境界に、遮光壁を設けるようにすることができる。
前記分割境界のうち、前記フォトダイオードが形成される層であって、前記入射した光の光源から所定の深さだけ離れた分割境界に遮光壁を設けるようにさせることができる。
前記主レンズの光軸方向に対する深さが異なる位置であって、前記オンチップレンズにより波長毎に集光される深さの位置に複数のフォトダイオードが配置されるようにすることができる。
前記オンチップレンズを共有する前記フォトダイオードの大きさの合計は、前記オンチップレンズ単位で同一とすることができる。
前記フォトダイオードの大きさは、前記深さ毎に同一とすることができる。
前記オンチップレンズを共有する所定の深さよりも深い位置のフォトダイオードの前記分割境界に遮光壁が設けるようにすることができる。
同一の像高位置には、複数の種別の主レンズに対応する形状、および位置で前記フォトダイオードが配置されるようにすることができる。
本技術の一側面の撮像装置は、入射した光を集光する主レンズと、前記主レンズにより集光された光を集光する複数のオンチップレンズと、前記オンチップレンズを共有し、前記オンチップレンズにより集光された光を受光し、光量に応じた電荷を発生し蓄積する複数のフォトダイオードと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送部とを含み、前記オンチップレンズを共有する前記複数の前記フォトダイオードの形状は、前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードのそれぞれが設けられる範囲として分割するための、前記オンチップレンズの像高に応じた関数で求められる値に、前記主レンズの光軸方向となる前記転送部における転送位置からの深さ方向の距離により特定される係数を乗じた値により設定される分割境界を除く領域であって、前記フォトダイオードのそれぞれが受光すべき光の透過範囲により特定される、受光特性が略均一となる形状であり、前記フォトダイオードを形成する、前記深さ方向に対する多段のインプラントの段毎の、前記深さ方向の厚さ、および前記深さ方向に対して垂直な方向の幅が調整されることで、前記フォトダイオードの形状が形成される。
本技術の一側面の電子機器は、入射した光を集光する主レンズと、前記主レンズにより集光された光を集光する複数のオンチップレンズと、前記オンチップレンズを共有し、前記オンチップレンズにより集光された光を受光し、光量に応じた電荷を発生し蓄積する複数のフォトダイオードと、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送部とを含み、前記オンチップレンズを共有する前記複数の前記フォトダイオードの形状は、前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードのそれぞれが設けられる範囲として分割するための、前記オンチップレンズの像高に応じた関数で求められる値に、前記主レンズの光軸方向となる前記転送部における転送位置からの深さ方向の距離により特定される係数を乗じた値により設定される分割境界を除く領域であって、前記フォトダイオードのそれぞれが受光すべき光の透過範囲により特定される、受光特性が略均一となる形状であり、前記フォトダイオードを形成する、前記深さ方向に対する多段のインプラントの段毎の、前記深さ方向の厚さ、および前記深さ方向に対して垂直な方向の幅が調整されることで、前記フォトダイオードの形状が形成される。
本技術の一側面においては、主レンズにより入射した光が集光され、複数のオンチップレンズにより、前記主レンズにより集光された光が集光され、複数のフォトダイオードにより、前記オンチップレンズが共有されて、前記オンチップレンズにより集光された光が受光され、光量に応じた電荷が発生され蓄積され、転送部により前記フォトダイオードに蓄積された電荷が転送され、前記オンチップレンズを共有する前記複数の前記フォトダイオードの形状は、前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードのそれぞれが設けられる範囲として分割するための、前記オンチップレンズの像高に応じた関数で求められる値に、前記主レンズの光軸方向となる前記転送部における転送位置からの深さ方向の距離により特定される係数を乗じた値により設定される分割境界を除く領域であって、前記フォトダイオードのそれぞれが受光すべき光の透過範囲により特定される、受光特性が略均一となる形状であり、前記フォトダイオードを形成する、前記深さ方向に対する多段のインプラントの段毎の、前記深さ方向の厚さ、および前記深さ方向に対して垂直な方向の幅が調整されることで、前記フォトダイオードの形状が形成される。
本技術の一側面によれば、高像高部における合焦点精度、および感度向上、並びに混色抑制を実現することが可能となる。
一般的な固体撮像素子における像高中心および高像高位置の光分布を説明する図である。 本技術の概要を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第１の実施の形態の構成例である裏面照射型固体撮像素子の構成を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第１の実施の形態の構成例である表面照射型固体撮像素子の構成を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第２の実施の形態の概要を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第２の実施の形態の構成例である裏面照射型固体撮像素子の構成を説明する図である。 図６の分割境界の設定方法を説明する図である。 図７の分割境界の設定方法の根拠を説明する図である。 図７の分割境界の設定方法の根拠を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第３の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第４の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第５の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第２の実施の形態の構成例である表面照射型固体撮像素子の構成を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第６の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第７の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第８の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第９の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第１０の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第１１の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した半導体撮像素子からなる固体撮像素子を利用した撮像装置および電子機器の構成を説明する図である。 固体撮像素子の使用例を示す図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
＜従来の固体撮像素子の高像高部について＞
図１は、上述した特許文献２に係る、従来の固体撮像素子の構成を説明する図である。
図１で示されるように、従来の固体撮像装置１１においては、図中の上方からの入射光の入射方向から、順に、オンチップレンズ３１、カラーフィルタ３２、および基板３３が設けられており、基板３３には、フォトダイオードＰＤが設けられている。
オンチップレンズ３１は、入射光を所定の位置で合焦させる。カラーフィルタ３２は、所定の波長の光を抽出して透過させる。フォトダイオードＰＤは、入射光の光量に応じた電荷を発生し、蓄積する。また、図中の左右に２のフォトダイオードＰＤは、オンチップレンズ３１を共有するように設けられており、バルク深部において、距離が離れる形状で形成されており、それぞれで撮像される画像により距離検出画素として機能することができ、合焦位置を特定することができる。
図１で示されるように、オンチップレンズ３１の光軸に沿った正面からの入射光が、点線の矢印で示されるように入射する。ここで、点線の矢印で示される主光線に近い範囲の入射光は、光強度の強い光である。一方、点線の矢印で示される主光線から遠い範囲の入射光については光強度が弱い光である。また、主光線の図中の左側が左瞳光として、同様に、右側が右瞳光として、主光線から離れるに従って光強度の弱い光が入射される。そして、図１の左部においては、合焦点を境界として、左右の瞳光が反転し、フォトダイオードＰＤに入射される。
図１の左部においては、オンチップレンズ３１の光軸に対して略平行な入射光、すなわち、像高中心の光が入射するオンチップレンズ３１における入射光の例が示されている。図１の左部の場合、左右の瞳光がそれぞれ適切な分布で分割され、左右のＰＤに入射される。
これに対して、図１の右部で示されるように、オンチップレンズ３１の光軸に対して、図中の右上方より入射する、光軸から離れた、高像高位置のオンチップレンズ３１における入射光の例が示されている。ここで、高像高となる光軸から離れたオンチップレンズ３１においては、特許文献２には触れられていないが、主光線が右上から入射することに伴って、オンチップレンズ３１の光軸に対して基板３３が左方向にシフトされており、これによりフォトダイオードＰＤにおいて受光される光量が増えるように補正されている。
しかしながら、図１の右部においては、このように基板３３がオンチップレンズ３１に対して左方向にシフトされて補正されることにより、図中左側のフォトダイオードＰＤにおいては、光強度の強い右瞳光を受光することができる。しかしながら、図中右側のフォトダイオードＰＤにおいては、基板３３がオンチップレンズ３１に対して左方向にシフトされて補正されても、左瞳光の主光線から離れた光強度の弱い光だけを受光することしかできず、受光感度の低下が懸念される。従って、基板３３をオンチップレンズ３１に対してシフトする補正がなされていない構成であれば、特に、図中右側のフォトダイオードＰＤにおける受光感度が低下する上、意図しないフォトダイオードＰＤへの入射も考えられるため、光クロストークに伴った混色が発生する可能性もある。
＜本技術の概要＞
次に、図２を参照して、本技術の概要について説明する。尚、図２の左部は、図１の右部と同一であり、図２の右部が、本技術の概要を説明する図とされる。
本技術においては、図２の右部で示されるように、オンチップレンズ３１を共有するフォトダイオードＰＤの形状を、対象となる画素毎に、オンチップレンズ３１の光軸に対する像高に応じて変化させる。
すなわち、図２の左部で示されるように、図中右上からの入射光となるような像高位置のオンチップレンズ３１を共有する画素においては、図中右側のフォトダイオードＰＤを、左瞳光の光強度の強い部分で受光できるように、図２の右部で示されるフォトダイオードＰＤ’のような形状や配置にする。
図２の右部で示されるように、図中右側のフォトダイオードＰＤ’のような形状とすることで、受光感度の低下を抑制することが可能になると共に、混色の発生を抑制することが可能となる。
＜第１の実施の形態＞
次に、図３を参照して、本技術を適用した裏面照射型の固体撮像素子の構成例について説明する。ここで、図３の左部は、固体撮像素子を利用した撮像装置の全体概念の側面断面図であり、図３の中央部が本技術を適用した固体撮像素子における像高中心のオンチップレンズの側面断面の構成を示しており、図３の右部が本技術を適用した固体撮像素子の高像高のオンチップレンズの側面断面の構成を示している。
すなわち、図３の左部で示されるように、本技術を適用した撮像装置は、主レンズ５１、および固体撮像素子５２より構成される。
主レンズ５１は、被写体からの光を固体撮像素子５２に上に合焦させる。固体撮像素子５２は、主レンズ５１により合焦された光により被写体となる画像を撮像し、画像信号として出力する。
また、図３の左部で示されるように、主レンズ５１の中心点ｆｃを透過し、図中の垂直に固体撮像素子５２に入射する光が、像高中心となる光軸上の光路Ｆ１である。このとき、光が入射する固体撮像素子５２上の画素が、図３の中央部における像高中心のオンチップレンズ７１における側面断面図となる。さらに、主レンズ５１の中心点ｆｃを透過し、入射する画素が、光軸から離れるに従って光路は、光路Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４・・・へと変化し、像高が高くなっていく。尚、図３においては、入射光の入射位置が図中の右方向に徐々に変化する場合についてのみ図示されているが、左方向に変化しても同様である。
図３の中央部で示されるように、図中上から、オンチップレンズ層７１、カラーフィルタ層７２、フォトダイオード層７３、および配線層７４が構成されている。また、フォトダイオード層７３には、左右のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が均等に割り付けて形成されている。また、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２には、それぞれ蓄積した電荷を転送する転送トランジスタＴＲ１，ＴＲ２が設けられており、蓄積した電荷を配線層７４に設けられた回路等に転送する。
図３の中央部においては、光軸上の像高中心のオンチップレンズにおける側面断面であるので、図中の中心の矢印で示される主光線に対して左側の入射光が左瞳光、および右側の入射光が右瞳光となる。この場合においては、左右の２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に、それぞれ右瞳光、および左瞳光が均等の光強度分布で入射される。
これに対して、光軸から離れた位置から入射光が入射する高像高のオンチップレンズにおける側面断面の構成は、図３の右部で示されるように、高像高のオンチップレンズ３個分の側面断面の構成が示されている。図３の右部では、オンチップレンズ層７１、カラーフィルタ層７２、フォトダイオード層７３、および配線層７４の各層は、同一であるが、入射光の分布に応じて、カラーフィルタ層７２、フォトダイオード層７３、および配線層７４の各層が、全体としてオンチップレンズ層７１に対して左方向にシフトしている。
また、入射光の分布に応じて、フォトダイオード層７３においては、光軸からの距離に応じて、フォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１，ＰＤ２２，ＰＤ３１，ＰＤ３２が、シフトされている。すなわち、図中の左側の画素に対応するフォトダイオードＰＤ３１，ＰＤ３２のシフト量Ｓ３は、図中の中央の画素よりも像高が高いため、フォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２のシフト量Ｓ２よりも大きい。また、同様に、図中の中央の画素に対応するフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２のシフト量Ｓ２は、図中の右側の画素よりも像高が高いため、フォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２のシフト量Ｓ１よりも大きい。
さらに、図中のオンチップレンズ３個分のそれぞれの入射光の分布に応じて、フォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２が、非対称に分割されている。より詳細には、３個のオンチップレンズの図中の中央において、その中央付近を通るように描かれた矢印で示される主光線に対して、左側の左瞳光および右側の右瞳光の、それぞれを受光する、図中の面積（実態は体積）がフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２のそれぞれで最大となるように、かつ、光クロストークが最小となるように非対称に分割されている。同様に、フォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２、およびＰＤ３１，ＰＤ３２も、非対称に分割されている。
このような構成により、同一のオンチップレンズを共有する２のフォトダイオードでの受光感度の不均等や光クロストークを補正することが可能となるので、総合的な受光感度、および合焦点精度を向上させる事が可能となり、さらに、混色を低減させることが可能となる。
＜表面照射型の固体撮像素子への応用＞
以上においては、裏面照射型の固体撮像素子について説明してきたが、同様の原理により、表面照射型の固体撮像素子に適用しても、同様の効果を奏することができる。
図４は、図３における裏面照射型の原理を適用した表面照射型の固体撮像素子の構成例を示している。尚、図４の固体撮像素子において、図３の構成と同一の機能を備えた構成については、同一の名称、および同一の符号を付しており、その説明は適宜省略する。
すなわち、図４においては、図３におけるフォトダイオード層７３と配線層７４とが反転し、対応する位置に転送トランジスタＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ１１，ＴＲ１２，ＴＲ２１，ＴＲ２２，ＴＲ３１，ＴＲ３２を設けた点が異なるのみであるので、その説明は省略するものとする。
＜第２の実施の形態＞
以上においては、フォトダイオード層７３におけるオンチップレンズを共有するフォトダイオードを単一のインプラントで構成する例について説明してきたが、光軸からの距離に応じて、必要とされる光の分布に近い形状となるように多段のインプラントにより形成するようにしても良い。
図５は、光軸からの距離に応じて、必要とされる光の分布に近い形状となるように多段のインプラントによりフォトダイオードを形成するようにした裏面照射型の固体撮像素子の構成例を示している。尚、図３における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の名称、および、同一の符号を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
尚、以降においては、中央のオンチップレンズを共有する画素におけるフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２の構成について代表して説明する。すなわち、図５においては、中央のオンチップレンズを共有するフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２については、中央の矢印で示される主光線に対して、右瞳光が入射される領域Ｚ１および左瞳光が入射される領域Ｚ２に対応する形状に近い形状となるようにフォトダイオード層７３において、２段のインプラント７３−１，７３−２が形成されることが望ましい。
より詳細には、従来のように、右瞳光、および左瞳光のそれぞれ対して同一のフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２が設けられる場合、図６の右上部で示されるように、像高中心のオンチップレンズを共有するとき、右瞳光、および左瞳光が、フォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２に対して以下のように入射する。
すなわち、オンチップレンズ７１を介して入射される中心部の矢印で示される主光線に対してフォトダイオード層７３におけるフォトダイオードＰＤ２１における領域Ｚ１１に右瞳光が入射される。一方、オンチップレンズ７１を介して入射される中心部の矢印で示される主光線に対してフォトダイオード層７３におけるフォトダイオードＰＤ２２における領域１２に左瞳光が入射される。すなわち、この場合、左瞳光および右瞳光は、等しい感度で、等しい光量が得られることになる。
一方、高像高位置のオンチップレンズを共有する場合、像高位置に応じて、フォトダイオード層７３におけるフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２の位置をシフトさせたとき、図６の左下部で示されるように、右瞳光、および左瞳光が、フォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２に対して以下のように入射する。
すなわち、中心のオンチップレンズ７１の中心を透過することを示す矢印からなる主光線に対して、図中左側となるフォトダイオードＰＤ２１の領域Ｚ１５に、右瞳光が入射される。また、中心のオンチップレンズ７１の中心を透過することを示す矢印からなる主光線に対して、図中右側となるフォトダイオードＰＤ２１の領域Ｚ１６、およびフォトダイオードＰＤ２２の領域Ｚ１７に、左瞳光が入射される。
さらに、上述した図５における固体撮像素子の場合、高像高の画素の場合、図６の右下部で示されるように、右瞳光、および左瞳光が、フォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２に対して以下のように入射する。
すなわち、中心のオンチップレンズ７１の中心を透過することを示す矢印からなる主光線に対して、図中左側となるフォトダイオードＰＤ２１の領域Ｚ１８に、右瞳光が入射される。また、中心のオンチップレンズ７１の中心を透過することを示す矢印からなる主光線に対して、図中右側となるフォトダイオードＰＤ２２の領域Ｚ１９に、左瞳光が入射される。
上述したフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２における左瞳光および右瞳光の透過する領域のみを示したものが、図６の左上部で示されている。すなわち、図６の左上部における左部で示されるように、像高中心においては、従来の構造の単独のインプラントより形成されるフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２であっても、左瞳光および右瞳光が、それぞれ均等に領域Ｚ１１，Ｚ１２とされている。
これに対して、従来の構造の固体撮像素子の場合、フォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２が高像高位置のオンチップレンズを共有するとき、図６の左上部における中央部で示されるように、右瞳光は、領域Ｚ１５で示されるように、フォトダイオードＰＤ２１の一部にしか入射していないため、受光感度が低下していることが示されている。また、本来右瞳光を受光すべきフォトダイオードＰＤ２１の領域Ｚ１６には、左瞳光が入射しているため、フォトダイオードＰＤ２１においては、光クロストークが生じてしまうことが示されている。さらに、左瞳光を受光すべきフォトダイオードＰＤ２２においては、左瞳光が、フォトダイオードＰＤ２２のごく僅かな範囲である領域Ｚ１７でしか受光できておらず、受光感度が低下していることが示されている。
これに対して、本技術を適用した固体撮像素子の場合、図６の左上部における右部で示されるように、右瞳光は、右瞳光を受光すべきフォトダイオードＰＤ２１の領域Ｚ１８で受光されている。同様に、左瞳光は、左瞳光を受光すべきフォトダイオードＰＤ２２の領域Ｚ１９で受光されている。
また、領域Ｚ１８，Ｚ１９の面積は、図６の左上部における左部で示される、像高中心における場合の面積に近く、左右のバランスも略等しくされていることから、受光感度の低下を低減し、左右のアンバランスも改善されていることが示されている。さらに、左瞳光および右瞳光のそれぞれが、本来受光されるべきフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２のそれぞれで受光されているので、クロストークの発生も低減され、さらに、左右の受光感度のアンバランスも低減されている。
このように多段でフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２が形成されることにより、フォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２は、入射光の光分布に応じた適切な形状とすることが可能となり、合焦点精度、および感度を向上させ、さらに、混色を低減させることが可能となる。
＜補正量について＞
上述したオンチップレンズを共有する２画素分のフォトダイオードを構成する領域は、画素間の分割境界を求め、それ以外の領域をフォトダイオードとすることで設計することができる。
すなわち、特定の深さにおける、オンチップレンズを共有するフォトダイオード間の分割位置の補正量Ｙは、図７の左上部で示される像高Ｘに対する以下の式（１）で定義される関数Ｆ（Ｘ）で規定する事ができる。
Ｙ＝Ｆ（Ｘ）
・・・（１）
関数Ｆ（Ｘ）で示される補正量は、像高Ｘが大きくなるに応じて基本的には増加するが、その最適な関数の選択は、像高Ｘに対するオンチップレンズ７１への主光線の入射角に応じて選択する必要がある。尚、図７の左上部においては、様々な入射角に対応する様々な関数Ｆ（Ｘ）が存在することを複数の曲線を表したものである。また、像高Ｘは、図７の右部で示される主レンズ５１の光軸から主光線がフォトダイオード層７３の最下層に到達する水平方向の位置である。
また、関数Ｙ＝Ｆ（Ｘ）は、図７の左下部で示されるように、転送トランジスタＴＲ１２，ＴＲ２２が形成された深さから補正対象のインプラント（マスク）の深さまでの距離ｄに応じた係数ａ（ｄ）を決定する事ができ、その係数をＹ＝Ｆ（Ｘ）に掛けることで、以下の式（２）で示されるように、所定の深さでの補正量Ｙ’を算出する事ができる。
Ｙ’＝Ｆ（Ｘ）×ａ（ｄ）
・・・（２）
ここで、補正量Ｙ’についてより詳細に説明する。
例えば、図８で示されるように、レンズ５１の像高中心位置から焦点位置までの直線上であって、主レンズ５１の光軸中心から分割境界を設定する深さ方向の距離をＨとし、分割境界を設定する位置から転送トランジスタＴＲ２１，ＴＲ２２が設けられている深さ方向の距離をｄとし、像高をＸとし、補正量をＹ１とするとき、オンチップレンズ７１における主光線の屈折を無視すると以下の式（３）が成立することになる。
Ｈ：Ｘ＝ｄ：Ｙ１
・・・（３）
従って、式（３）に基づいて、補正量Ｙ１は、図８の右図で示される関係から、以下の式（４）として表現することができる。
Ｙ１＝ｄＸ／Ｈ
・・・（４）
したがって、図８の左部で示されるように、補正量Ｙ１は、像高Ｘおよび距離ｄに応じて線型的に変化する。
一方、図９の右部で示されるように、オンチップレンズ７１における入射角θと屈折角θ’との関係と、分割境界を設定する位置から転送トランジスタＴＲ２１，ＴＲ２２が設けられている深さ方向の距離をｄとし、補正量をＹ２とするとき、以下の式（５）の方程式を満たすＹ２が補正量となる。
ｎsinθ＝ｎ’sinθ’
Ｙ２／ｄ＝sinθ/cosθ
・・・（５）
従って、図９の右図の関係から、補正量は、式（５）のように補正量Ｙ２として表現することもできる。式（５）を満たす補正量Ｙ２は、θに応じて、図９の左部で示されるように、距離ｄの大きさに応じて非線形に変化する。
したがって、上述した式（１）における補正量Ｙ’は、式（４）で定義される補正量Ｙ１の線型的な特性と、式（５）の方程式を満たす補正量Ｙ２の非線形な特性とを兼ね備えた補正量Ｙ’として求められることになる。
このように求められる補正量に基づいて、図７の右下部で示されるように、フォトダイオード層７３上に分割境界Ｄ１，Ｄ２を設定し、それ以外の範囲でフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２が形成されるようにフォトダイオード層７３におけるインプラント７３−１，７３−２のそれぞれの形状を決定する。より詳細には、主光線がインプラント７３−２を跨いでいる水平方向の範囲に対応する領域が、分割境界Ｄ１として設定される。また、主光線が、インプラント７３−１と転送トランジスタＴＲ２１とを足し合わせた範囲を跨ぐときの水平方向の範囲に対応する領域が、分割境界Ｄ２として設定される。
このようにして設定された分割境界Ｄ１，Ｄ２を除外する範囲であって、主光線に対応する右瞳光が投光される範囲をカバーする、インプラント７３−２，７３−１の領域がフォトダイオードＰＤ２１として設定される。また、分割境界Ｄ１，Ｄ２を除外する範囲であって、主光線に対応する左瞳光が投光される範囲をカバーする、インプラント７３−２，７３−１の領域がフォトダイオードＰＤ２２として設定される。
＜第３の実施の形態＞
以上においては、多段のインプラントによるフォトダイオードＰＤを形成するにあたって、２段のインプラントにより形成する例について説明してきたが、より多段のインプラントにより形成するようにしてもよい。
図１０は、インプラントをｎ段にしてフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２を形成するようにした固体撮像素子の構成例を示している。すなわち、フォトダイオード層７３は、インプラント７３−１乃至７３−ｎからなるｎ段のインプラントから形成されていることが示されている。
このように、さらに多段のインプラントによりフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２を形成することにより、光分布に近い形状とすることができるので、より高い精度で、合焦点精度、および感度を向上させ、混色を低減させることが可能となる。
ただし、フォトダイオードを形成するためのインプラントの段数が増えることで、製造コストが上昇することになるため、精度とコストとのバランスを検討した上で段数を決定することが望ましい。
＜第４の実施の形態＞
以上においては、ｎ段のインプラントによるフォトダイオードＰＤを形成する例について説明してきたが、同一のオンチップレンズを共有するフォトダイオードの分割境界に遮光壁を設けるようにするようにしてもよい。
図１１は、各ダイオードの分割境界に遮光壁１０１を設けるようにした固体撮像素子の構成例を示している。
図１１の固体撮像素子においては、フォトダイオード層７３に設けられたフォトダイオードＰＤの間の分割境界に、各フォトダイオードＰＤを形成する各段のインプラントの形状に合わせて遮光壁１０１が形成されている。さらに、カラーフィルタ７２においても、共有するオンチップレンズ７１を透過するフォトダイオード毎に遮光壁１０１が設けられている。遮光壁１０１は、インプラントを形成する際に、併せて形成される。
このように、遮光壁を設けることにより、隣接する画素に入射すべき光が受光される事がなくなるので、光クロストークが低減され、より高い精度で、混色を低減させることが可能となる。
＜第５の実施の形態＞
以上においては、フォトダイオードＰＤを形成する多段のインプラントの各段の形状に沿って遮光壁を形成する例について説明してきたが、入射光、すなわち、光源に近い段のインプラントでは、電位勾配による引き込みにより、遮光壁が無い状態でも適切に発生する電荷が振り分けられることになるので、入射側に近い段のインプラントについては、左瞳光、および右瞳光用のフォトダイオードに分割しないようにしてもよい。
図１２は、光源から遠い段のインプラントのみを、左瞳光、および右瞳光用のフォトダイオードに分割するようにした固体撮像素子の構成例が示されている。
すなわち、図１２の固体撮像素子においては、フォトダイオード層７３における光源に近い段のインプラント７３−１では、分割境界が設けられておらず、左瞳光、および右瞳光について、分割することなくＰＤの一部が形成されている。
そして、フォトダイオード７３における、光源より少し離れたインプラント７３−２乃至７３−ｎにおいては、左瞳光、および右瞳光用にそれぞれ分割されており、さらに、分割境界に遮光壁１０１’が設けられている。
このような構成により、光源に近い段のインプラントでは、電位勾配による引き込みにより、適切に発生する電荷が振り分けられ、かつ、光源より遠い段のインプラントでは、主光線の方向により設定される分割境界により分割されてフォトダイオードが形成されるので、インプラントの分割境界を設け難い光源に近い段数での分割をすることなく、高い精度で、合焦点精度、および感度を向上させ、さらに、混色を低減させることが可能となる。また、このような構成により、距離合わせ耐性を高めるとともに、高入射角などで十分に傾斜による分割ができない場合でも対応することが可能となる。
＜表面照射型固体撮像素子における応用＞
以上においては、裏面照射型の固体撮像素子における例について説明してきたが、表面照射型の固体撮像素子においても適用することができる。
すなわち、図１３の右下部は、本技術を適用した表面照射型の固体撮像素子の構成例を示している。尚、図６における裏面照射型の固体撮像素子における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の名称、および同一の符号を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
すなわち、図１３の右下部の表面照射型固体撮像素子において、図６の右下部の裏面照射型の固体撮像素子と異なる点は、配線層７４が、カラーフィルタ層７２とフォトダイオード層７３の間に設けられており、フォトダイオード層７３におけるインプラントの段数が逆方向にされている点である。さらに、転送トランジスタＴＲ２１，ＴＲ２２がフォトダイオード層７３の上部の配線層７４との境界に設けられている点である。
基本的に、裏面照射型の固体撮像素子は、プロセスの過程で表面に配線層が構成された後に、その裏面を受光面とするが、表面照射型の固体撮像素子は、配線層が積層された面を受光面とするので、受光面から見て、フォトダイオード層７３において積層されるインプラントの段が逆方向となる。
ただし、光学的な配置方法等は、同一である。すなわち、表面照射型の固体撮像素子におけるフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２における左瞳光および右瞳光の透過する領域のみを示したものが、図１３の左上部で示されている。すなわち、図１３の左上部における左部で示されるように、像高中心のオンチップレンズを共有するとき、従来の構造のフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２であっても、左瞳光および右瞳光が、それぞれ均等に領域Ｚ１０１，Ｚ１０２とされている。
これに対して、従来の構造の表面照射型の固体撮像素子の場合、フォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２で高像高位置のオンチップレンズを共有するとき、図１３の左上部における中央部で示されるように、右瞳光は、領域Ｚ１０３で示されるように、フォトダイオードＰＤ２１の一部にしか入射していないため、受光感度が低下していることが示されている。また、本来右瞳光を受光すべきフォトダイオードＰＤ２１の領域Ｚ１０４には、左瞳光が入射しているため、フォトダイオードＰＤ２１においては、光クロストークが生じてしまうことが示されている。さらに、左瞳光を受光すべきフォトダイオードＰＤ２２においては、左瞳光が、ＰＤ２２のごく僅かな範囲である領域Ｚ１０５でしか受光できておらず、受光感度が低下していることが示されている。
これに対して、本技術を適用した固体撮像素子の場合、図１３の左上部における右部で示されるように、右瞳光は、右瞳光を受光すべきフォトダイオードＰＤ２１の領域Ｚ１０６で受光されている。同様に、左瞳光は、左瞳光を受光すべきフォトダイオードＰＤ２２の領域Ｚ１０７で受光されている。
また、領域Ｚ１０６，Ｚ１０７の面積は、図１３の左上部における左部で示される、像高中心における場合の面積に近いことから、受光感度の低下を低減していることが示されている。さらに、左瞳光および右瞳光のそれぞれが、本来受光されるべきフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２のそれぞれで受光されているので、クロストークの発生も低減され、さらに、左右の受光感度のアンバランスも低減されている。
このように多段でフォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２が形成されることにより、表面照射型の固体撮像素子においても、フォトダイオードＰＤ２１，ＰＤ２２は、入射光の光分布に応じた適切な形状とすることが可能となり、合焦点精度、および感度を向上させ、さらに、混色を低減させることが可能となる。
＜第６の実施の形態＞
以上においては、カラーフィルタを用いた分光により画像を撮像する固体撮像素子の例について説明してきたが、縦型分光により画像を撮像する固体撮像素子においても適用することができる。
図１４は、本技術を適用した縦型分光により画像を撮像する固体撮像素子の構成例である。尚、図１４の固体撮像素子において、図３における固体撮像素子における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の名称、および同一の符号を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
すなわち、図１４の固体撮像素子５２は、オンチップレンズ層７１、光電変換フィルタ層１５１、フォトダイオード層７３を備えている。オンチップレンズ層７１は、主レンズ５１より入射される光を波長帯毎に集光する。図１４においては、図中右側の像高中心におけるオンチップレンズ７１−１と、図中左側の高像高の位置におけるオンチップレンズ７１−２のみが表示されているが、それ以外の領域にも、別途オンチップレンズ７１が設けられている。
光電変換フィルタ層１５１には、画素単位で光電変換フィルタが設けられており、オンチップレンズ７１−１を共有する画素に対応する光電変換フィルタ１５１−１，１５１−２と、オンチップレンズ７１−２を共有する光電変換フィルタ１５１−３，１５１−４がそれぞれ描かれているが、その他の画素についても、実際には設けられている。光電変換フィルタ１５１−１乃至１５１−４は、緑色（Ｇ）の波長の光を受光し、光電変換により画素信号を出力する。
フォトダイオード層７３には、上から、青色（Ｂ）のフォトダイオード７３Ｂ、赤色（Ｒ）のフォトダイオード７３Ｒ、およびＩＲのフォトダイオード７３ＩＲが設けられており、入射する色の光りの強度に応じた電荷を発生する。また、フォトダイオード７３Ｂ，７３Ｒ，７３ＩＲは、フォトダイオード毎にインプラントを設定により構成されるようにしてもよく、それ以上の段数からなるものであってもよい。
図１４においては、像高中心のオンチップフィルタ７１−１を共有するフォトダイオード７３Ｂ−１，７３Ｂ−２、フォトダイオード７３Ｒ−１，７３Ｒ−２、およびフォトダイオード７３ＩＲ−１，７３ＩＲ−２が設けられている。
また、高像高のオンチップフィルタ７１−２を共有するフォトダイオード７３Ｂ−３，７３Ｂ−４、フォトダイオード７３Ｒ−３，７３Ｒ−４、およびフォトダイオード７３ＩＲ−１，７３ＩＲ−２が設けられている。
さらに、フォトダイオード層７３においては、図中の上から順に、図１４の下部で示されているように、波長が短い色の光から順に、上からフォトダイオード７３Ｂ、７３Ｒ、および７３ＩＲが配置されている。
これは、オンチップレンズ７１が凸レンズであることから、波長の短い光から順に、図中の上から順に合焦位置が図中の上部の位置に特定されるため、フォトダイオード層７３においては、上から順にフォトダイオード７３Ｂ、７３Ｒ、および７３ＩＲと配置されている。
尚、緑色（Ｇ）の光については、上述した光電変換フィルタ１５１が受光する。
従って、図１４の固体撮像素子５２では、像高中心においては、図中の左瞳光を受光する素子として、上から、光電変換フィルタ１５１−１、フォトダイオード７３Ｂ−１、７３Ｒ−１、および７３ＩＲ−１が設けられている。また、像高中心においては、図中の右瞳光を受光する素子として、上から、光電変換フィルタ１５１−２、フォトダイオード７３Ｂ−２、７３Ｒ−２、および７３ＩＲ−２が設けられている。
さらに、図１４の固体撮像素子５２では、高像高位置においては、図中の左瞳光を受光する素子として、上から、光電変換フィルタ１５１−３、フォトダイオード７３Ｂ−３、７３Ｒ−３、および７３ＩＲ−３が設けられている。また、高像高位置においては、図中の右瞳光を受光する素子として、上から、光電変換フィルタ１５１−４、フォトダイオード７３Ｂ−４、７３Ｒ−４、および７３ＩＲ−４が設けられている。
また、図１４の固体撮像素子５２においても、図中のオンチップレンズ７１を透過する主光線を示す矢印を基準に、左右の瞳光用の光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３が分けられている。
従って、図１４の固体撮像素子５２の、像高中心においては、オンチップレンズ７１−１を透過する主光線は、オンチップレンズ７１−１の略中心位置を透過するので、光電変換フィルタ１５１−１，１５１−２は、均等に分割されており、フォトダイオード７３Ｂ−１，７３Ｂ−２も均等に分割されており、７３Ｒ−１，７３Ｒ−２、および７３ＩＲ−１，７３ＩＲ−２のいずれも均等に分割されている。
一方、高像高位置においては、矢印で示される主光線は、図中の左方向に斜め方向とされているため、図中左方向の右瞳光を受光する素子への入射角が大きくなり、左瞳光を受光する素子への入射角が小さくなる。そこで、光電変換フィルタ１５１−４、フォトダイオード７３Ｂ−４、７３Ｒ−４、および７３ＩＲ−４が、光電変換フィルタ１５１−３、フォトダイオード７３Ｂ−３、７３Ｒ−３、および７３ＩＲ−３よりも大きな面積となるように分割されている。さらに、バルク深さに応じて、光電変換フィルタ１５１−４、フォトダイオード７３Ｂ−４、７３Ｒ−４、および７３ＩＲ−４、並びに、光電変換フィルタ１５１−３、フォトダイオード７３Ｂ−３、７３Ｒ−３、および７３ＩＲ−３は、左方向にシフトして配置されている。
このような構成により、図１４の縦型分光の裏面照射型の固体撮像素子においても、入射光の光分布に応じて、主光線の位置を基準に分割境界を設定し、かつ、主光線の位置に応じて、光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３をシフトさせると共に、適切な形状とすることで、合焦点精度、および感度を向上させ、さらに、混色を低減させることが可能となる。尚、分割境界の設定方法は、第２の実施の形態において説明した手法と同様であるので、その説明は省略するものとする。また、以上においては、Ｇ（緑）の光については、光電変換フィルタを用いる例について説明してきたが、これについても、縦型分光方式で分光するようにしても良い。さらに、Ｇ（緑色）以外の光を光電変換フィルタで変換し、残りの色の光を縦型分光するようにしてもよい。
＜第７の実施の形態＞
以上においては、縦型分光による裏面照射型の固体撮像素子の例として、像高に合わせて、主光線の位置を分割境界とし、光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３をシフトさせると共に、適切な形状とする例について説明してきた。しかしながら、光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３を共有するオンチップフィルタ７１の直下にのみ配置するようにして、制作難度を容易にするようにしてもよい。
図１５は、光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３を共有するオンチップフィルタ７１の直下にのみ配置するようにした縦型分光の裏面照射型固体撮像素子の構成例を示している。尚、図１４の固体撮像素子における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の名称、および同一の符号を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
すなわち、図１５の固体撮像素子において、図１４の固体撮像素子と異なるのは、高像高位置におけるフォトダイオード７３Ｂ−３、７３Ｒ−３、および７３ＩＲ−３、および、フォトダイオード７３Ｂ−４、７３Ｒ−４、および７３ＩＲ−４に代えて、フォトダイオード７３Ｂ−１１、７３Ｒ−１１、および７３ＩＲ−１１、および、フォトダイオード７３Ｂ−１２、７３Ｒ−１２、および７３ＩＲ−１２とした点である。よし詳細には、フォトダイオード７３Ｂ−１１、７３Ｒ−１１、および７３ＩＲ−１１、および、フォトダイオード７３Ｂ−１２、７３Ｒ−１２、および７３ＩＲ−１２は、それぞれは、主光線の通る範囲を分割境界とすることで分割しているが、全体として、オンチップレンズ７１−２の直下における範囲にのみ配置されている。
このような構成にすることで、制作難易度を低下させることができるので、簡易な方法で、合焦点精度、および感度を向上させ、さらに、混色を低減させることが可能となる。
＜第８の実施の形態＞
以上においては、縦型分光の裏面照射型の固体撮像素子の例として、像高に合わせて、主光線の位置を分割境界としつつも、光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３層をオンチップレンズ７１の直下に納めるようにすることで、作成難易度を低下させるようにして、合焦点精度、および感度を向上させ、さらに、混色を低減させる例について説明してきた。
しかしながら、図１５の固体撮像素子においては、左右の瞳光を受光する光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３の面積によるバランス、すなわち、感度バランス（電荷蓄積量のバランス）が著しく悪くなる。そこで、光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３を小さくして深さ毎に均等のサイズとし、主光線の位置を分割境界としつつも、全画素について深さ毎に大きさを統一することで作成難易度を低減させるようにしてもよい。
すなわち、図１６は、光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３を小さくして、主光線の位置を分割境界としつつも、深さ毎にフォトダイオード７３の大きさを統一するようにした縦分光方式の裏面照射型固体撮像素子の構成例を示している。
このように、像高中心、および高像高位置のいずれにおいても、左右の瞳光については、主光線の位置を分割境界としつつも、光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３を小さくして、いずれも深さ毎に統一することで、作成難易度を低減させることが可能となり、簡易な作成方法で、合焦点精度、および感度を向上させ、さらに、混色を低減させることが可能となる。また、この場合、受光感度や、蓄積可能な電荷量についてのバランスも整えることが可能となる。
＜第９の実施の形態＞
以上においては、左右の瞳光に対応して、オンチップレンズ７１を共有する光電変換フィルタ１５１、およびフォトダイオード７３を、主光線の通る範囲を分割境界として分割する例について説明してきたが、分割境界に遮光膜を形成して、光学的に完全に分光するようにしてもよい。
図１７は、分割境界に遮光膜を形成して、射出瞳毎に光学的に完全に分光するようにした縦分光型の固体撮像素子の構成例について説明する図である。尚、図１７の固体撮像素子の構成について、図１４の固体撮像素子の構成と同一の機能を備えた構成については、同一の名称、および、同一の符号を付しており、その説明は適宜省略するものとする。
すなわち、図１７の固体撮像素子において、図１４の固体撮像素子と異なるのは、フォトダイオード７３ＩＲ−１，７３ＩＲ−２間、および７３ＩＲ−３，７３ＩＲ−４間に遮光膜１７１−１，１７１−２が設けられている点である。
ＩＲについて、完全に分光することが可能となる。尚、その他のフォトダイオードについても、その分割境界に遮光膜を形成し、その他の色についても、瞳毎に完全に分光するようにしても良い。
このような構成により、合焦点精度、および感度を向上させ、さらに、混色を低減させる上、光学的な分割性能を向上させることができる。
＜第１０の実施の形態＞
以上においては、単一のレンズ５１を利用する例について説明してきたが、例えば、複数の種類のレンズ５１に対応するようにしてもよい。
図１８は、複数の種類のレンズ５１に対応するようにした固体撮像素子の構成例である。すなわち、同一の高像高となる位置に、複数のレンズに対応するように光電変換フィルタ１５１およびフォトダイオード７３を左右の瞳用に分割したものを配置し、レンズ５１に応じて切り替える。
より具体的には、レンズ５１−１，５１−２のように高像高位置のオンチップレンズ７１−２への入射角θＡのものとθＢのものとのそれぞれに対応するように、光電変換フィルタ１５１およびフォトダイオード７３を左右の瞳光に対応するように配置する。そして、利用されるレンズ５１に応じて、光電変換フィルタ１５１およびフォトダイオード７３を切り替えて使用する。
すなわち、図１８の上部における入射角θＡの場合、フォトダイオード７３Ｂ−３，７３Ｒ−３，７３ＩＲ−３，７３Ｂ−４，７３Ｒ−４，７３ＩＲ−４であり、図１８の下部における入射角θＢの場合、フォトダイオード７３Ｂ’−３，７３Ｒ’−３，７３ＩＲ’−３，７３Ｂ’−４，７３Ｒ’−４，７３ＩＲ’−４である。
このようにすることで、複数の種別のレンズに対応させつつ、合焦点精度、および感度を向上させ、さらに、混色を低減させることが可能となる。
＜第１１の実施の形態＞
以上においては、オンチップレンズ７１を共有する画素数Ｎ、すなわち、瞳分割数Ｎが２個である場合について説明してきたが、それ以上の複数の画素でオンチップレンズ７１を共有するようにしても良い。
すなわち、上述したオンチップレンズ７１を共有する画素数Ｎ（瞳分割数Ｎ）が２個である場合、像高中心においては、図１９の最上段の左部で示されるように、オンチップレンズ７１を通して、フォトダイオード層７３を見ると、分割境界１８１により水平方向に２分されている。このため、左瞳光と右瞳光とが均等に受光される事が示されている。
一方、高像高位置の場合、図１９の最上段の右部で示されるように、オンチップレンズ７１’の中心位置に対してフォトダイオード７３の中心位置への矢印が、主光線の透過方向となるので、この矢印方向に沿って２等分にする分割境界を設定する。
同様に、上述したオンチップレンズ７１を共有する画素数Ｎ（瞳分割数Ｎ）が３個である場合、像高中心においては、図１９の上から２段目の左部で示されるように、オンチップレンズ７１を通して、フォトダイオード層７３を見ると、分割境界１８１’により同心円状に３分割されている。このため、射出瞳が３均等に受光される事が示されている。
一方、高像高位置の場合、図１９の上から２段目の右部で示されるように、オンチップレンズ７１’の中心位置に対してフォトダイオード７３の中心位置への矢印が、主光線の透過方向となるので、この矢印方向に沿って３等分にする分割境界を設定する。
さらに、上述したオンチップレンズ７１を共有する画素数Ｎ（瞳分割数Ｎ）が４個である場合、像高中心においては、図１９の上から３段目の左部で示されるように、オンチップレンズ７１を通して、フォトダイオード層７３を見ると、分割境界１８１’’により同心円状に４分割されている。このため、射出瞳が４均等に受光される事が示されている。
一方、高像高位置の場合、図１９の上から３段目の右部で示されるように、オンチップレンズ７１’の中心位置に対してフォトダイオード７３の中心位置への矢印が、主光線の透過方向となるので、この矢印方向に沿って４等分にする分割境界を設定する。
＜電子機器への適用例＞
上述した固体撮像素子は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
図２０は、本技術を適用した電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図２０に示される撮像装置２０１は、光学系２０２、シャッタ装置２０３、固体撮像素子２０４、駆動回路２０５、信号処理回路２０６、モニタ２０７、およびメモリ２０８を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
光学系２０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの光（入射光）を固体撮像素子２０４に導き、固体撮像素子２０４の受光面に結像させる。
シャッタ装置２０３は、光学系２０２および固体撮像素子２０４の間に配置され、駆動回路１００５の制御に従って、固体撮像素子２０４への光照射期間および遮光期間を制御する。
固体撮像素子２０４は、上述した固体撮像素子を含むパッケージにより構成される。固体撮像素子２０４は、光学系２０２およびシャッタ装置２０３を介して受光面に結像される光に応じて、一定期間、信号電荷を蓄積する。固体撮像素子２０４に蓄積された信号電荷は、駆動回路２０５から供給される駆動信号（タイミング信号）に従って転送される。
駆動回路２０５は、固体撮像素子２０４の転送動作、および、シャッタ装置２０３のシャッタ動作を制御する駆動信号を出力して、固体撮像素子２０４およびシャッタ装置２０３を駆動する。
信号処理回路２０６は、固体撮像素子２０４から出力された信号電荷に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路２０６が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ２０７に供給されて表示されたり、メモリ２０８に供給されて記憶（記録）されたりする。
このように構成されている撮像装置２０１においても、上述した固体撮像素子２０４に代えて、上述した固体撮像素子１を適用することにより、全画素で低ノイズによる撮像を実現させることが可能となる。
＜固体撮像素子の使用例＞
図２１は、上述の固体撮像素子を使用する使用例を示す図である。
上述した固体撮像素子は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
尚、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
（１） 入射した光を集光する主レンズと、
前記主レンズにより集光された光を集光する複数のオンチップレンズと、
前記オンチップレンズを共有し、前記オンチップレンズにより集光された光を受光し、光量に応じた電荷を発生し蓄積する複数のフォトダイオードを含み、
前記オンチップレンズの像高に応じて、前記オンチップレンズを共有する前記複数の前記フォトダイオードを、受光特性が略均一となる形状とする
固体撮像素子。
（２） 前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードの個数は、瞳分割数である
（１）に記載の固体撮像素子。
（３） 前記複数の前記フォトダイオードの形状は、前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードのそれぞれが設けられる範囲として分割するための、前記像高に応じた分割境界を除く領域であって、前記フォトダイオードのそれぞれが受光すべき光の透過範囲により特定される形状である
（１）に記載の固体撮像素子。
（４） 前記複数の前記フォトダイオードの形状は、前記像高に応じた関数により設定される分割境界を除く領域であって、前記フォトダイオードのそれぞれが受光すべき光の透過範囲からなる形状である
（３）に記載の固体撮像素子。
（５） 前記フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送部をさらに含み、
前記複数の前記フォトダイオードの形状は、前記像高に応じた関数で求められる値に、前記主レンズの光軸方向となる前記転送部における転送位置からの深さ方向の距離により特定される係数を乗じた値により設定される分割境界を除く領域であって、前記フォトダイオードのそれぞれが受光すべき光の透過範囲からなる形状である
（４）に記載の固体撮像素子。
（６） 前記フォトダイオードは、前記深さ方向に対して多段のインプラントより形成されており、
前記フォトダイオードの形状は、前記多段のインプラントにおける段毎の形状が特定される
（５）に記載の固体撮像素子。
（７） 前記分割境界に、遮光壁が設けられる
（３）に記載の固体撮像素子。
（８） 前記分割境界のうち、前記フォトダイオードが形成される層であって、前記入射光の光源から所定の深さだけ離れた分割境界に遮光壁が設けられる
（７）に記載の固体撮像素子。
（９） 前記主レンズの光軸方向に対する深さが異なる位置であって、前記オンチップレンズにより波長毎に集光される深さの位置に複数のフォトダイオードが配置される
（３）に記載の固体撮像素子。
（１０） 前記オンチップレンズを共有する前記フォトダイオードの大きさの合計は、前記オンチップレンズ単位で同一である
（９）に記載の固体撮像素子。
（１１） 前記フォトダイオードの大きさは、前記深さ毎に同一である
（９）に記載の固体撮像素子。
（１２） 前記オンチップレンズを共有する所定の深さよりも深い位置のフォトダイオードの前記分割境界に遮光壁が設けられる
（９）に記載の固体撮像素子。
（１３） 同一の像高位置には、複数の種別の主レンズに対応する形状、および位置で前記フォトダイオードが配置されている
（９）に記載の固体撮像素子。
（１４） 入射した光を集光する主レンズと、
前記主レンズにより集光された光を集光する複数のオンチップレンズと、
前記オンチップレンズを共有し、前記オンチップレンズにより集光された光を受光し、光量に応じた電荷を発生し蓄積する複数のフォトダイオードを含み、
前記オンチップレンズの像高に応じて、前記オンチップレンズを共有する前記複数の前記フォトダイオードを、受光特性が略均一となる形状とする
撮像装置。
（１５） 入射した光を集光する主レンズと、
前記主レンズにより集光された光を集光する複数のオンチップレンズと、
前記オンチップレンズを共有し、前記オンチップレンズにより集光された光を受光し、光量に応じた電荷を発生し蓄積する複数のフォトダイオードを含み、
前記オンチップレンズの像高に応じて、前記オンチップレンズを共有する前記複数の前記フォトダイオードを、受光特性が略均一となる形状とする
電子機器。
５１ 主レンズ， ５２ 固体撮像素子， ７１ オンチップレンズ層（オンチップレンズ）， ７２ カラーフィルタ， ７３，７３Ｂ，７３Ｂ−１乃至７３Ｂ−３，７３Ｒ−１乃至７３Ｒ−３，７３ＩＲ−１乃至７３ＩＲ−３ フォトダイオード層（フォトダイオード）， ７３−１乃至７３−ｎ インプラント， ７４ 配線層， １０１，１０１’ 遮光壁， １５１，１５１−１乃至１５１−４ 光電変換フィルタ， １７１ 遮光壁， １８１，１８１’，１８１’’ 分割境界

Claims (11)

  1. 入射した光を集光する主レンズと、
    前記主レンズにより集光された光を集光する複数のオンチップレンズと、
    前記オンチップレンズを共有し、前記オンチップレンズにより集光された光を受光し、光量に応じた電荷を発生し蓄積する複数のフォトダイオードと、
    前記フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送部とを含み、
    前記オンチップレンズを共有する前記複数の前記フォトダイオードの形状は、前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードのそれぞれが設けられる範囲として分割するための、前記オンチップレンズの像高に応じた関数で求められる値に、前記主レンズの光軸方向となる前記転送部における転送位置からの深さ方向の距離により特定される係数を乗じた値により設定される分割境界を除く領域であって、前記フォトダイオードのそれぞれが受光すべき光の透過範囲により特定される、受光特性が略均一となる形状であり、
    前記フォトダイオードを形成する、前記深さ方向に対する多段のインプラントの段毎の、前記深さ方向の厚さ、および前記深さ方向に対して垂直な方向の幅が調整されることで、前記フォトダイオードの形状が形成される
    固体撮像素子。
  2. 前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードの個数は、瞳分割数である
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記分割境界に、遮光壁が設けられる
    請求項１または２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記分割境界のうち、前記フォトダイオードが形成される層であって、前記入射した光の光源から所定の深さだけ離れた分割境界に遮光壁が設けられる
    請求項３に記載の固体撮像素子。
  5. 前記主レンズの光軸方向に対する深さが異なる位置であって、前記オンチップレンズにより波長毎に集光される深さの位置に複数のフォトダイオードが配置される
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  6. 前記オンチップレンズを共有する前記フォトダイオードの大きさの合計は、前記オンチップレンズ単位で同一である
    請求項５に記載の固体撮像素子。
  7. 前記フォトダイオードの大きさは、前記深さ毎に同一である
    請求項５に記載の固体撮像素子。
  8. 前記オンチップレンズを共有する所定の深さよりも深い位置のフォトダイオードの前記分割境界に遮光壁が設けられる
    請求項５に記載の固体撮像素子。
  9. 同一の像高位置には、複数の種別の主レンズに対応する形状、および位置で前記フォトダイオードが配置されている
    請求項５に記載の固体撮像素子。
  10. 入射した光を集光する主レンズと、
    前記主レンズにより集光された光を集光する複数のオンチップレンズと、
    前記オンチップレンズを共有し、前記オンチップレンズにより集光された光を受光し、光量に応じた電荷を発生し蓄積する複数のフォトダイオードと、
    前記フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送部とを含み、
    前記オンチップレンズを共有する前記複数の前記フォトダイオードの形状は、前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードのそれぞれが設けられる範囲として分割するための、前記オンチップレンズの像高に応じた関数で求められる値に、前記主レンズの光軸方向となる前記転送部における転送位置からの深さ方向の距離により特定される係数を乗じた値により設定される分割境界を除く領域であって、前記フォトダイオードのそれぞれが受光すべき光の透過範囲により特定される、受光特性が略均一となる形状であり、
    前記フォトダイオードを形成する、前記深さ方向に対する多段のインプラントの段毎の、前記深さ方向の厚さ、および前記深さ方向に対して垂直な方向の幅が調整されることで、前記フォトダイオードの形状が形成される
    撮像装置。
  11. 入射した光を集光する主レンズと、
    前記主レンズにより集光された光を集光する複数のオンチップレンズと、
    前記オンチップレンズを共有し、前記オンチップレンズにより集光された光を受光し、光量に応じた電荷を発生し蓄積する複数のフォトダイオードと、
    前記フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送部とを含み、
    前記オンチップレンズを共有する前記複数の前記フォトダイオードの形状は、前記オンチップレンズを共有する前記複数のフォトダイオードのそれぞれが設けられる範囲として分割するための、前記オンチップレンズの像高に応じた関数で求められる値に、前記主レンズの光軸方向となる前記転送部における転送位置からの深さ方向の距離により特定される係数を乗じた値により設定される分割境界を除く領域であって、前記フォトダイオードのそれぞれが受光すべき光の透過範囲により特定される、受光特性が略均一となる形状であり、
    前記フォトダイオードを形成する、前記深さ方向に対する多段のインプラントの段毎の、前記深さ方向の厚さ、および前記深さ方向に対して垂直な方向の幅が調整されることで、前記フォトダイオードの形状が形成される
    電子機器。
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