JP2010062438A - 固体撮像装置およびその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、画素のレイアウトが等方的でない場合にも、周辺部の画素に対する入射光の受光感度を向上できるようにする。
【解決手段】たとえば、半導体基板１１の表面部のイメージエリア１１ａ内には、複数のフォトダイオード１３が二次元状に配置されている。複数のフォトダイオード１３は、それぞれ、同一の配列ピッチＰを有して配置されるとともに、右サイドにのみ突出するようにして配線１７が配設されている。また、各フォトダイオード１３上には、透光膜１５を介して、集光性のマイクロレンズ１９が設けられている。マイクロレンズ１９の配列ピッチＬはイメージエリア１１ａ内で一様ではなく、イメージエリア１１ａの右方向の周辺部でのマイクロレンズ１９の配列ピッチＬが、左方向の周辺部でのマイクロレンズ１９の配列ピッチＬよりも小さくなるように配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置およびその設計方法に関するもので、たとえば、カメラ付き携帯電話などに搭載される、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型またはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型のイメージセンサに関する。

従来、たとえばカメラ付き携帯電話においては、固体撮像装置として、ＣＣＤ型またはＣＭＯＳ型のイメージセンサが広く使用されている。これらイメージセンサには、一般的に、イメージエリアでの光検出効率を高めるために、画素ごとに、フォトダイオードの光入射面側に集光性のマイクロレンズが設けられている。

通常、カメラレンズ（撮像光学系）から射出されて各画素のフォトダイオードに入射する光の角度は、イメージエリアの中央部と周辺部とで異なったものとなる。このため、像高が大きくなるにつれて、つまり、イメージエリアの中央部から周辺部に遠ざかるにしたがって、マイクロレンズの位置をフォトダイオードの中心位置からイメージエリアの中央部方向に徐々にずらすことが行われている。

たとえば、近軸光線近似にしたがったレンズ特性を有するカメラレンズに対しては、マイクロレンズの配列ピッチをフォトダイオードの配列ピッチよりも一様に小さくし、像高が大きくなるにつれて、マイクロレンズのフォトダイオードとの位置のずれ量が徐々に大きくなるように、マイクロレンズをレイアウトする。すなわち、イメージエリアの周辺部のフォトダイオードには斜めに光が入射するため、イメージエリアの中央部から周辺部にかけて、フォトダイオードに対するマイクロレンズの位置を、イメージエリアの中央部方向に少しずつオフセットさせていくことによって、周辺部のフォトダイオードでの集光効率（光感度）を改善させることが可能になる。これにより、イメージエリアの周辺部でのシェーディングを補正できるようになる結果、イメージエリアのほぼ全域において、同程度の受光感度（光検出効率）を確保することが可能となる。

また、類似した技術として、マイクロレンズの配列ピッチをフォトダイオードの配列ピッチよりも小さくし、イメージエリアの周辺部でのマイクロレンズの位置を、フォトダイオードに対し、イメージエリアの中央部方向にずらすことによって、シェーディングを低減させるといった試みもなされている（たとえば、特許文献１参照）。

また、光学系の最終面からの主光線の射出角が、光軸からの像高の増加にともなって一律に単調増加しないカメラレンズ（レンズ特性が近軸光線近似にしたがわないカメラレンズ）に対しては、マイクロレンズの配列ピッチを、イメージエリアの中央部から周辺部の所定の位置までの少なくとも一部の領域では減少させ、所定の位置を越える周辺部の少なくとも一部の領域では、上記の配列ピッチよりも増加させることによって、シェーディングの補正を可能にした提案が既になされている（たとえば、特許文献２参照）。

さらには、光学系の最終面からの主光線の射出角が、光軸からある像高までは増加し、この像高を過ぎると減少するように変化するカメラレンズ（レンズ特性が近軸光線近似にしたがわないカメラレンズ）に対しては、カメラレンズの射出瞳位置の絶対値が大きい領域ではマイクロレンズの配列ピッチを小さくし、射出瞳位置の絶対値が小さい領域ではマイクロレンズの配列ピッチを大きくすることによって、結果として、イメージエリアの全域において、同程度の受光感度を確保することを可能にした提案もなされている（たとえば、特許文献３参照）。

しかしながら、近年のイメージセンサにおいては、画素の微細化にともなって、ゲート電極を含む配線のレイアウトが困難になってきており、配線によって入射光の一部が遮られて、フォトダイオードに対する入射光をロスすることが避けられなくなってきている。たとえば、画素ピッチ（マイクロレンズの配列ピッチ）が１．４μｍのイメージセンサの場合、０．２μｍの配線幅を有する１本の配線がフォトダイオードとフォトダイオードとの間に配設されるとすると、（１．４μｍ−０．２μｍ）÷２＝０．６μｍより、配線とフォトダイオードとの距離が０．６μｍになってしまう。赤色の被写体からの反射光の波長は、概ね６００ｎｍから７００ｎｍである。このため、波動光学的な効果を考えると、画素ピッチが小さなイメージセンサは、入射光が配線に当たってロスすることを前提に設計する必要がある。

要するに、画素が微細化するにつれ、配線のレイアウトが困難になってくると、配線のレイアウトによっては、画素のレイアウトが、フォトダイオードの中心に対して、左右または上下で非対称となる（画素のレイアウトはイメージエリア内では一様）。たとえば、各画素において、ゲート電極がフォトダイオードの右サイドに配設されるとすると、ゲート電極は、フォトダイオードの右サイドを部分的に覆うようにして設けられることになる。そのため、イメージエリアの右方向の周辺部に比べ、左方向の周辺部の画素においては、ゲート電極によって、より多くの入射光が遮られる結果となる。つまり、イメージエリアの左方向の周辺部と右方向の周辺部とでは、入射光が入射する方向が異なるため、左方向の周辺部の画素のほうが、ゲート電極によって遮られる入射光のロスが多くなる。フォトダイオードの左サイドにもゲート電極（ダミー配線）を設け、フォトダイオードの左サイドを同じように覆うことで、ゲート電極による入射光の遮りを均等化することも考えられるが、微細化には適さない。したがって、画素の微細化により配線のマージンの確保が厳しくなりつつあるイメージセンサにおいては、配線のレイアウトを考慮して、フォトダイオードに対するマイクロレンズのずれ量を制御しないと、イメージエリアの全域において、受光感度を向上させることが難しいという問題があった。
特許第２６００２５０号公報 特開２００４−２２８６４５号公報 特開２００６−２３７１５０号公報

本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたもので、イメージエリアの全域にわたって受光感度を向上でき、シェーディング特性を改善することが可能な固体撮像装置およびその設計方法を提供することを目的としている。

本願発明の一態様によれば、撮像光学系からの射出光が入射される固体撮像装置であって、半導体基板上のイメージエリア内に、同一のピッチにより配置された複数の受光部と、前記複数の受光部の上部にそれぞれ配置された複数の集光用レンズと、前記複数の受光部に近接して設けられ、前記複数の受光部の一端にそれぞれの電極部が配設された複数の配線とを具備し、前記複数の集光用レンズは、前記イメージエリアの、第１方向の周辺部では第１のピッチで配置され、前記第１方向に対向する、第２方向の周辺部では前記第１のピッチよりも小さい第２のピッチで配置されることを特徴とする固体撮像装置が提供される。

また、本願発明の一態様によれば、請求項１に記載の固体撮像装置の設計方法であって、前記複数の集光用レンズを介して、前記撮像光学系からの射出光が入射される前記複数の受光部の光感度をそれぞれ算出し、その算出結果より、各像高において、前記複数の集光用レンズの、前記イメージエリアの中央部方向に対する、前記複数の受光部の中心からのずれ量の最適値を算出し、そのずれ量の最適値にしたがって、前記複数の集光用レンズのレイアウトを設計することにより、前記複数の集光用レンズが、前記イメージエリアの、第１方向の周辺部では第１のピッチで配置され、前記第１方向に対向する、第２方向の周辺部では前記第１のピッチよりも小さい第２のピッチで配置されることを特徴とする固体撮像装置の設計方法が提供される。

上記の構成により、イメージエリアの全域にわたって受光感度を向上でき、シェーディング特性を改善することが可能な固体撮像装置およびその設計方法を提供できる。

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。ただし、図面は模式的なものであり、各図面の寸法および比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係および／または比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。特に、以下に示すいくつかの実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。この発明の技術思想は、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることができる。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にしたがった固体撮像装置の基本構成を示すものである。ここでは、カメラ付き携帯電話などに搭載されるＣＭＯＳ型のエリアセンサ（ＣＭＯＳ型イメージセンサ）を例に、レンズ特性が近軸光線近似にしたがったカメラレンズ（撮像光学系）の使用に対して、イメージエリア内の画素の位置（像高）によってマイクロレンズ（集光用レンズ）のスケーリング量（以下、ずれ量）を変え、イメージエリア内のどの領域の画素でも、フォトダイオード（受光部）にカメラレンズの最終面から射出される光を効率的に入射できるようにすることによって、特に、イメージエリアの周辺部における受光感度の低下を防いで、シェーディング特性の改善（低減）を図るようにした場合について説明する。ただし、本実施形態は、マイクロレンズの配列ピッチを、イメージエリアの左／右方向（Ｘ方向）の周辺部で異ならせることにより、左右の周辺部のどちらかにおいて、マイクロレンズのずれ量を最適値に設定できないといった従来の問題を解決できるようにした場合の例（画素ピッチは一定）である。なお、同図（ａ）はイメージセンサ１０に設けられたイメージエリア１１ａの平面図であり、同図（ｂ）は図（ａ）のＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図である。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、半導体基板１１の表面部には、イメージエリア１１ａが形成されている。上記イメージエリア１１ａ内には、複数のフォトダイオード（ＰＤ）１３が二次元状に配置されている。本実施形態の場合、上記複数のフォトダイオード１３は、それぞれ、配列ピッチＰが同一（Ｐ１２＝Ｐ２３＝Ｐ３４＝Ｐ４５）とされている。

上記半導体基板１１の表面部上には、均一の厚さを有する透光膜１５が設けられている。この透光膜１５内には、上記各フォトダイオード１３を駆動するためのゲート電極を含む、複数の配線１７が設けられている。複数の配線１７は、遮光膜としても機能する。複数の配線１７は、たとえば、上記フォトダイオード１３に近接して設けられ、それぞれ、ゲート電極が上記フォトダイオード１３の右サイドのみに部分的にオーバーラップするようにして配設されている。すなわち、複数の配線１７は、フォトダイオード１３の左サイドと右サイドとで、フォトダイオード１３に対するレイアウトが異なったものとなっている。

一方、上記透光膜１５の表面部上には、それぞれのフォトダイオード１３に対応して、集光性のマイクロレンズ（ＭＬ）１９が設けられている。本実施形態の場合、上記マイクロレンズ１９の配列ピッチＬはイメージエリア１１ａ内で一様ではなく、たとえば、イメージエリア１１ａの右方向の周辺部では配列ピッチＬが小さく、左方向の周辺部では配列ピッチＬが大きくなっている（Ｌ１２＝Ｌ２３＞Ｌ３４＝Ｌ４５）。また、マイクロレンズ１９の配列ピッチＬは、フォトダイオード１３の配列ピッチＰよりも小さい（Ｌ１２＝Ｌ２３＞Ｌ３４＝Ｌ４５＜Ｐ１２＝Ｐ２３＝Ｐ３４＝Ｐ４５）。

なお、実際のイメージセンサにおいては、より多くの画素がイメージエリア内にレイアウトされている。

図２は、各像高における、フォトダイオードとマイクロレンズとの配列ピッチの関係を示すものである。

本実施形態の場合、どの像高においても、フォトダイオード１３の配列ピッチＰは常に一定（たとえば、３．３０μｍ）である。これに対し、マイクロレンズ１９の配列ピッチＬは、イメージエリア１１ａの左方向の周辺部と右方向の周辺部とで異なる値に設定されており、たとえば、左方向の周辺部では配列ピッチＬ（ＬＬ）が３．２８μｍとされ、右方向の周辺部では配列ピッチＬ（ＬＲ）が３．２６μｍとされている。

このように、マイクロレンズ１９の右方向の周辺部での配列ピッチＬＲが左方向の周辺部での配列ピッチＬＬよりも小さくなるようにした場合（ＬＲ＜ＬＬ）、各像高において、イメージエリア１１ａの右方向の周辺部のほうが、左方向の周辺部よりも、イメージエリア１１ａの中央部方向への、上記フォトダイオード１３の中心位置に対する上記マイクロレンズ１９のずれ量Δが大きくなる。

たとえば図１（ｂ）に示したように、複数のフォトダイオード１３のうち、イメージエリア１１ａの中央部に位置するフォトダイオードＰＤ３をカメラレンズ（図示していない）の中心位置に対応するフォトダイオードとすると、イメージエリア１１ａの左方向の周辺部における、フォトダイオードＰＤ１の中心位置に対するマイクロレンズＭＬ１のずれ量ΔはΔａであり、これに対応する、イメージエリア１１ａの右方向の周辺部における、フォトダイオードＰＤ５の中心位置に対するマイクロレンズＭＬ５のずれ量Δは、Δａよりも大きなΔｅとなる（Δｅ＞Δａ＞０）。また、イメージエリア１１ａの左方向の周辺部における、フォトダイオードＰＤ２の中心位置に対するマイクロレンズＭＬ２のずれ量ΔはΔｂであり、これに対応する、イメージエリア１１ａの右方向の周辺部における、フォトダイオードＰＤ４の中心位置に対するマイクロレンズＭＬ４のずれ量Δは、Δｂよりも大きなΔｄとなる（Δｄ＞Δｂ＞０）。なお、フォトダイオードＰＤ３の中心位置に対するマイクロレンズＭＬ３のずれ量ΔはΔｃであり、Δｃ＝０である。

ここで、各画素において、フォトダイオード１３に対する配線１７のレイアウトが左右対称（等方的）でない場合、たとえば上記したように、ゲート電極がフォトダイオード１３の右サイドのみに部分的にオーバーラップするような場合、イメージエリア１１ａの左右の周辺部でのマイクロレンズ１９のずれ量（ずらし量）Δの最適値が異なる。つまり、フォトダイオード１３の中心から左右の配線１７までの距離の違いにより、イメージエリア１１ａの左方向の周辺部と右方向の周辺部とでは、入射光の入射方向に対する角度が異なる。そのため、イメージエリア１１ａの左右の周辺部において、それぞれ、マイクロレンズ１９の配列ピッチＬを独立に設定することにより、各画素での、入射光の一部が配線１７によって遮られる現象の発生を抑えて、全フォトダイオード１３における入射光の受光感度を向上させることが可能となる。すなわち、入射光の入射方向に対する、フォトダイオード１９の光感度が最大となるように、各像高に応じて、左右の周辺部でのマイクロレンズ１９のずれ量Δの最適値をそれぞれ設定することにより、イメージエリア１１ａのほぼ全域において、同程度の受光感度の確保が可能となる。

因みに、上記イメージエリア１１ａの左右の周辺部において、それぞれ、マイクロレンズ１９のずれ量Δの最適値は、左右の周辺部でのずれ量Δは異なるものの、像高が大きくなるにつれて、端部の画素ほど大きくなる（Δａ＞Δｂ，Δｅ＞Δｄであり、しかも、Δｅ＞Δａ）。

図３は、上記した構成のＣＭＯＳ型のイメージセンサ１０とカメラレンズ２１との関係を示すものである。すなわち、カメラレンズ２１の最終面から射出される光は、画素の位置に応じた主光線入射角にしたがって、イメージセンサ１０上のフォトダイオード１３にそれぞれ入射され、そこに、主光線入射角に対応する像高を有して結像（受光）される。

ここで、“主光線”とは、ある点（画素）に結像する光束の中心の光線のことをいい、“像高”とは、結像面上での光軸からある点までの距離のことを指す。なお、ある点に結像する、光束の中心の光線（主光線）以外の光線を“上下光線”という。

図４は、上記したＣＭＯＳ型のイメージセンサ１０における、画素３１の構成例を示すものである。なお、同図（ａ）は１つの画素３１を取り出して示す平面図であり、同図（ｂ）は図（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う断面図であり、同図（ｃ）は図（ａ）のＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ線に沿う断面図である。

画素３１は、フォトダイオード１３、配線１７、および、マイクロレンズ１９などを含んでいる。すなわち、第２導電型の第１半導体領域３１ａは、半導体基板（たとえば、第１導電型）１１の表面から離れて、基板１１の内部に設けられる。絶縁膜３１ｂは、基板１１の表面上に設けられる。導電体３１ｃは、絶縁膜３１ｂの上に設けられる。導電体３１ｃは、凸部３１ｄが第１半導体領域３１ａの一部を覆うように、上記第１半導体領域３１ａの右サイドの上方に設けられる。第１導電型の第３半導体領域（表面シールド層）３１ｅは、基板１１の表面部に設けられる。この場合、第３半導体領域３１ｅは、基板１１を介して、第１半導体領域３１ａの上方に設けられる。また、第３半導体領域３１ｅは、第１半導体領域３１ａの側面に接する。さらに、第３半導体領域３１ｅは、導電体３１ｃの下方にまで設けられる。

第２導電型の第４半導体領域３１ｆは、基板１１の表面部に設けられる。第４半導体領域３１ｆと導電体３１ｃとの距離は、絶縁膜３１ｂの膜厚に等しい。第６半導体領域３１ｇは、第４半導体領域３１ｆの下に設けられる。第６半導体領域３１ｇは、パンチスルーを防止する。

第２導電型の第２半導体領域３１ｈは、基板１１の表面部に設けられる。第２半導体領域３１ｈは、導電体３１ｃの下方に設けられ、特に、凸部３１ｄの下方に設けられる。第２半導体領域３１ｈは、上記第３半導体領域３１ｅの側面と接し、上記第４半導体領域３１ｆの側面とも接する。

絶縁体３２は、基板１１の表面部より、その下方に設けられる。絶縁体３２の側面と下面とが、上記第３半導体領域３１ｅに接する。この絶縁体３２によって、各画素３１におけるフォトダイオード１３を形成するための領域が画定されている。

第３半導体領域３１ｅは、入射光から信号電荷を得るための光電変換部である。第１半導体領域３１ａは、光電変換により得られた信号電荷を蓄積する信号蓄積部である。第１，第３半導体領域３１ａ，３１ｅによって、フォトダイオード１３が構成されている。導電体３１ｃは、第１半導体領域３１ａから信号電荷を排出させるための電界効果トランジスタＦＥＴ１のゲート電極である。なお、第２半導体領域３１ｈは、トランジスタＦＥＴ１のチャネル領域（チャネルインプラ層）である。

ゲート電極である導電体３１ｃにおいては、凸部３１ｄでのゲート長が最大となる。凸部３１ｄは突起であり、ゲート幅を規定する区間のほぼ中央に設けられる。凸部３１ｄの下方に、第３半導体領域３１ｅが設けられる。なお、凸部３１ｄの側面の下方に、第３半導体領域３１ｅの側面が配置されていてもよい。

活性領域３３は、第４半導体領域３１ｆに接続されている。活性領域３３上には、それぞれ絶縁膜（図示していない）を介して、導電体３４が設けられている。導電体３４は、電界効果トランジスタＦＥＴ２，ＦＥＴ３，ＦＥＴ４のゲート電極となる。導電体３１ｃおよび導電体３４によって、上記配線１７が形成されている。

通常、配線１７のレイアウトの違いによって、画素３１のレイアウトは左右が非対称となっている。そのため、像高が同じ場合でも、イメージエリア１１ａの左右の周辺部において、最適となる、入射する光の角度に差が生じる。つまり、右方向の周辺部の画素３１には、左上方から光をそのまま入射させればよいが、左方向の周辺部の画素３１には、右上方から光を、配線１７を避けて入射させる必要がある。

図５は、画素ピッチ（フォトダイオードの配列ピッチＰ）を１．４μｍとした場合の、イメージエリアの左右の周辺部における画素の光感度をシミュレーションした結果（マイクロレンズのずれ量−光感度依存性）を示すものである。

このイメージセンサの場合も、配線は、フォトダイオードの右サイドにのみ、ゲート電極が突出した状態で配設される。そのため、たとえば図１（ｂ）に示したように、フォトダイオードの中心から左右の配線までの距離が異なる。しかも、イメージエリアの左方向の周辺部と右方向の周辺部とでは、入射光の入射する方向が異なる。したがって、入射光の入射方向に対する最適な角度が、イメージエリアの左右で非対称となる。

そこで、マイクロレンズの位置を変えて、イメージエリアの左右の端部にそれぞれ位置する画素の光感度を実際に計測したところ、たとえば図５に示すように、右方向の端部の画素と左方向の端部の画素とで、ずれ量の最適値が異なることが判った。この図からも明らかなように、右方向の端部の画素と左方向の端部の画素とで、それぞれ、ずれ量を最適値に設定するためには、イメージエリアの右方向の周辺部でのマイクロレンズのずれ量を、左方向の周辺部よりも大きくする必要がある。

このように、イメージエリアの左右の周辺部において、マイクロレンズのずれ量を独立に設定できるようにすることによって、画素を微細化した場合（特に、微細化により配線のレイアウトのマージンが減少した場合）にも、イメージエリアの左右のどちらかで、マイクロレンズのずれ量を最適値に設定できないという、従来技術の問題点を解決できる。

図６は、図１に示したＣＭＯＳ型のイメージセンサ１０を設計する際に、マイクロレンズのずれ量を最適値に設定できるようにするための方法について示すものである。

たとえば、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ１０を設計する場合、
（１） まず、画素３１のレイアウトを決定する。

（２） 次いで、カメラレンズ２１のレンズ特性（像高−主光線／上下光線）を入手する。

（３） 次いで、各像高について、「マイクロレンズのずれ量−光感度依存性」を算出する。この場合、イメージエリア１１ａをＸ方向／Ｙ方向とも複数の領域に仮想的に分割し、各領域の特定の画素３１に対する光感度をシミュレーションする。たとえば、像高の変化に応じて、イメージエリア１１ａをＸ方向／Ｙ方向とも１１分割した場合には、合計１２１個の画素３１についてのシミュレーションが必要となる。

（４） 次いで、上記（３）で求めた算出結果にもとづいて、各像高についての、マイクロレンズ１９のずれ量Δの最適値を算出する。

（５） 次いで、上記（４）で求めたマイクロレンズ１９のずれ量Δの最適値にしたがって、グラフ（等高線図）を作成する。

（６） 最後に、上記（５）で求めた等高線図をもとに、マイクロレンズ１９のレイアウトを設計（配列ピッチＬ（ＬＬ，ＬＲ）を決定）する。

なお、カメラレンズ２１の特性および／または画素３１のレイアウトにも依存するが、求めた等高線図を見て、ずれ量Δが大きく変化する領域については、さらに像高に対する分割数を増やしてシミュレーションするとよい。

また、全ての画素３１についてのシミュレーションを行って、上記「マイクロレンズのずれ量−光感度依存性」を算出することも可能である。

図７は、上記の方法により求められた等高線図の一例を示すものである。ここでは、イメージエリア１１ａの右方向の周辺部において、マイクロレンズ１９のずれ量Δの最適値が、左方向の周辺部よりも大きい場合を例示している。

すなわち、この等高線図は、マイクロレンズ１９のずれ量Δの最適値の分布を示すもので、この図から明らかなように、端部に近づくにつれ、つまり、像高Ｘ（Ｘ方向の像高）および像高Ｙ（Ｙ方向の像高）が大きくなるにつれて、マイクロレンズ１９のずれ量Δの最適値が大きくなり、特に、イメージエリア１１ａの右方向および上／下方向（Ｙ方向）の周辺部において、左方向の周辺部よりも大きくなっている。

この等高線図にしたがって、実際にマイクロレンズ１９をレイアウトすることにより、イメージエリア１１ａの左右の周辺部において、いずれも、マイクロレンズ１９のずれ量Δを最適値に設定できる。それ故、イメージエリア１１ａの左右の周辺部において、それぞれ、各画素に対する入射光の入射する角度を最適化でき、入射光を効率的に受光できるようになる。つまり、各画素での、入射光が配線１７によって遮られる現象の発生を抑えて、全フォトダイオード１３における受光感度の向上が可能となる。

なお、図８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図中の式にもとづいて、マイクロレンズ１９のずれ量（ｌｅｎｓ＿ｓｈｉｆｔ）の最適値の分布を求めた場合の例（等高線図）である。

図９および図１０は、本実施形態との対比のために示す、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサの構成例であって、イメージエリアの左右の周辺部において、マイクロレンズの配列ピッチＬを同じ値に設定した場合の例である。なお、図９（ａ）は、イメージエリアの平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢ線に沿う断面図、図１０は、各像高における、フォトダイオードとマイクロレンズとの配列ピッチの関係を示すものである。

図９（ａ）および（ｂ）に示すように、このイメージセンサ１００の場合、イメージエリア１１１ａの周辺部の画素に対し、カメラレンズ（図示していない）からの入射光がフォトダイオード１１３に斜めに入射してくる。また、フォトダイオード１１３の左サイドと右サイドとで、配線１１７までの距離が異なっている。そのため、周辺部の各画素では、それぞれ、マイクロレンズ１１９の位置をイメージエリア１１１ａの中央部方向にずらして配置することにより、イメージエリア１１１ａの全域において、入射光を効率的に受光できるようにしていた。

この従来例の場合、マイクロレンズ１１９の配列ピッチＬはイメージエリア１１１ａ内で一様（Ｌ１２＝Ｌ２３＝Ｌ３４＝Ｌ４５）であり、フォトダイオード１１３の配列ピッチＰも同様に一様（Ｐ１２＝Ｐ２３＝Ｐ３４＝Ｐ４５）であった。また、マイクロレンズ１１９の配列ピッチＬは、フォトダイオード１１３の配列ピッチＰよりも小さい（Ｌ１２＝Ｌ２３＝Ｌ３４＝Ｌ４５＜Ｐ１２＝Ｐ２３＝Ｐ３４＝Ｐ４５）。すなわち、像高が大きくなるにしたがって、つまり、イメージエリア１１１ａの端部の画素ほど、マイクロレンズ１１９とフォトダイオード１１３との位置のずれ量Δが大きくなっている（Δａ＝Δｅ＞Δｂ＝Δｄ＞Δｃであって、Δｃ＝０である）。

なお、同図中に示す、参照符号１１１は半導体基板であり、参照符号１１５は透光膜である。

たとえば図１０に示すように、この従来例の場合、どの像高においても、フォトダイオード１１３の配列ピッチＰは常に３．３０μｍであり、マイクロレンズ１１９の配列ピッチＬは常に３．２６μｍである。

すなわち、フォトダイオード１１３に対するマイクロレンズ１１９のずれ量Δは像高の単純な関数であり、イメージエリア１１１ａの左右の周辺部において、それぞれ、対応するずれ量Δが等しい（Δａ＝Δｅ，Δｂ＝Δｄ）。そのため、イメージエリア１１１ａの左方向の周辺部の、イメージエリア１１１ａの中央部方向に対する、フォトダイオード１１３の中心位置からのマイクロレンズ１１９のずれ量Δａ，Δｂを最適値に設定すると、右方向の周辺部において、ずれ量Δｅ，Δｄが最適値から外れて光感度の低下を招く。逆に、イメージエリア１１１ａの右方向の周辺部の、イメージエリア１１１ａの中央部方向に対する、フォトダイオード１１３の中心位置からのマイクロレンズ１１９のずれ量Δｅ，Δｄを最適値に設定すると、左方向の周辺部において、ずれ量Δａ，Δｂが最適値から外れて光感度の低下を招く。このように、本例のイメージセンサ１００の場合、画素のレイアウトが等方的でない（少なくとも、Ｘ方向に対して非対称である）ことに起因する光感度の低下が生じると、イメージエリア１１１ａの全域において、フォトダイオード１１３での受光感度を上げることが困難である、という問題点があった。

これに対し、本実施形態の場合は、マイクロレンズ１９の配列ピッチＬが、イメージエリア１１ａ内で一様ではなく、図４に示したような構成を有する画素３１がレイアウトされたイメージエリア１１ａに対しては、左方向の周辺部の配列ピッチＬＬに比べ、右方向の周辺部のほうがより配列ピッチＬＲが小さい（ずれ量Δが大きい）ので、イメージエリア１１ａの全域において、フォトダイオード１３での斜め方向からの入射光に対する受光感度を上げることが可能であるという利点がある。

すなわち、各画素３１の光感度が最大となるように、各像高での、フォトダイオード１３の中心位置に対するマイクロレンズ１９のずれ量Δが最適値に設定される。これにより、画素３１を微細化した場合でも、イメージエリア１１ａの左右の周辺部において、カメラレンズ２１から射出されてフォトダイオード１３に入射する光が配線１７によって遮られる現象は発生せず、全フォトダイオード１３での入射光の受光感度を同程度に確保することが可能となる。

上記したように、本実施形態によれば、マイクロレンズの配列ピッチを、イメージエリアの左方向の周辺部と右方向の周辺部とで独立して設定できるようにしている。すなわち、各像高において、フォトダイオードに対するマイクロレンズのずれ量を最適値に設定できるようにしている。これにより、画素のレイアウトの非対称性（等方的でないこと）に起因して、イメージエリアの左右の周辺部での、マイクロレンズのずれ量の最適値が異なる場合にも、各画素において、入射光の一部が配線によって遮られる現象の発生を抑制できるようになる。したがって、イメージエリアの全域において、フォトダイオードでの入射光の受光感度を同程度に確保できるようになるものである。

特に、イメージエリア内の全てのフォトダイオードにおいて、カメラレンズからの入射光を効率的に受光できるので、イメージエリアの周辺部における受光感度の低下を改善でき、適切なシェーディング補正（シェーディングの低減）を行うことが可能となるものである。

なお、上述した第１の実施形態においては、イメージエリアの左右の周辺部において、マイクロレンズのずれ量の最適値が異なる場合を例に説明したが、これに限らず、たとえば画素のレイアウトがイメージエリアの上下方向（Ｙ方向）に等方的でない場合にも適用できる。この場合、マイクロレンズの配列ピッチをイメージエリアの上下の周辺部で異ならせる（イメージエリアの上下の周辺部において、それぞれ、ずれ量Δを最適値に設定する）ことによって、上下の周辺部のフォトダイオードでの斜め方向からの入射光の受光感度を同程度に確保することが可能となる。

または、マイクロレンズの配列ピッチを、イメージエリアの×字（斜め４５度）方向と＋字（左右および上下）方向とで異ならせることによって、イメージエリア内の全てのフォトダイオードでの斜め方向からの入射光の受光感度を同程度に確保することが可能である。

一般に、画素における配線のレイアウトは、長方形（正方形を含む）に類した形状をしていることが多い。これは、画素を駆動する配線が水平方向に配置され、画素の信号電荷を出力する配線が垂直方向に配置されることが多いからである。

このように、配線のレイアウトが長方形に類した形状をしている場合、イメージエリアの×字方向の画素では、カメラレンズからの入射光にしてみれば、配線の開口幅（配線間に露出する、フォトダイオードの活性領域の一方の対角線）が長く見える。したがって、×字方向と＋字方向とで、マイクロレンズのずれ量と光感度との関係が必然的に異なってくるため、マイクロレンズの配列ピッチをイメージエリアの×字方向と＋字方向とで異ならせることにより、全フォトダイオードでの受光感度の向上が可能となる。

また、上記実施形態はエリアセンサに限らず、リニアセンサに適用した場合にもシェーディング特性を改善し得る。

また、カメラレンズからの光を集光するマイクロレンズに限って説明したが、いわゆる層内レンズの場合でも同様な効果が期待できる。さらには、マイクロレンズと層内レンズの両者を用いた場合にも有効であることは勿論である。

また、各実施形態はＣＣＤ型のイメージセンサにも適用できるが、ＣＭＯＳ型のイメージセンサに適用すると、特に効果が大きい。なぜならば、ＣＣＤ型のイメージセンサと比較して、ＣＭＯＳ型のイメージセンサは、フォトダイオードとマイクロレンズとの距離が比較的大きいためである。

さらには、近軸光線近似にしたがったレンズ特性を有するカメラレンズの使用に対する場合に限らず、レンズ特性が近軸光線近似にしたがわないカメラレンズの使用に対しても同様に適用できる。

その他、本願発明は、上記（各）実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記（各）実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。たとえば、（各）実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも１つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも１つ）が得られる場合には、その構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明の第１の実施形態にしたがった、固体撮像装置（ＣＭＯＳ型イメージセンサ）の構成例を示す図。 図１に示したイメージセンサにおいて、各像高における、フォトダイオードとマイクロレンズとの配列ピッチの関係を説明するために示す図。 図１に示したイメージセンサとカメラレンズとの関係を説明するために示す図。 図１に示したイメージセンサにおける、画素の構成例を示す図。 イメージエリアの左右の端部の画素について、マイクロレンズのずれ量と光感度依存性との関係を比較して示す図。 図１に示したイメージセンサを設計する際に、マイクロレンズのずれ量を最適値に設定する方法について説明するために示すフローチャート。 図６に示した、マイクロレンズのずれ量を最適値に設定する方法について説明するために示す図。 図６に示した、マイクロレンズのずれ量を最適値に設定する方法について説明するために示す図。 対比のために示す、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサの構成図。 対比のために示す、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサにおける、フォトダイオードとマイクロレンズとの配列ピッチの関係を示す図。

符号の説明

１０…ＣＭＯＳ型のイメージセンサ、１１…半導体基板、１１ａ…イメージエリア、１３，ＰＤ１〜ＰＤ５…フォトダイオード、１７…配線、１９，ＭＬ１〜ＭＬ５…マイクロレンズ、２１…カメラレンズ、３１…画素、Δ，Δａ〜Δｅ…マイクロレンズのずれ量（最適値）。

Claims (5)

1. 撮像光学系からの射出光が入射される固体撮像装置であって、
   半導体基板上のイメージエリア内に、同一のピッチにより配置された複数の受光部と、
   前記複数の受光部の上部にそれぞれ配置された複数の集光用レンズと、
   前記複数の受光部に近接して設けられ、前記複数の受光部の一端にそれぞれの電極部が配設された複数の配線と
   を具備し、
   前記複数の集光用レンズは、前記イメージエリアの、第１方向の周辺部では第１のピッチで配置され、前記第１方向に対向する、第２方向の周辺部では前記第１のピッチよりも小さい第２のピッチで配置されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数の集光用レンズは、それぞれ、前記イメージエリアの中央部方向に対する、前記複数の受光部の中心からのずれ量が、前記第１方向の周辺部と前記第２方向の周辺部とで異なることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の配線は、それぞれ、前記電極部が前記複数の受光部の一端に近接して配設され、
   前記複数の集光用レンズは、前記イメージエリアの、前記電極部が位置する前記複数の受光部の一端の方向から前記射出光が入射される領域では、前記イメージエリアの中央部方向に対する、前記複数の受光部の中心からのずれ量が小さく、前記イメージエリアの、前記電極部が位置しない前記複数の受光部の他端の方向から前記射出光が入射される領域では、前記イメージエリアの中央部方向に対する、前記複数の受光部の中心からのずれ量が大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の集光用レンズの、前記複数の受光部の中心からのずれ量は、前記射出光の入射方向に対する、前記複数の受光部の光感度がそれぞれ最大となる最適値に設定されることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 請求項１に記載の固体撮像装置の設計方法であって、
   前記複数の集光用レンズを介して、前記撮像光学系からの射出光が入射される前記複数の受光部の光感度をそれぞれ算出し、
   その算出結果より、各像高において、前記複数の集光用レンズの、前記イメージエリアの中央部方向に対する、前記複数の受光部の中心からのずれ量の最適値を算出し、
   そのずれ量の最適値にしたがって、前記複数の集光用レンズのレイアウトを設計することにより、前記複数の集光用レンズが、前記イメージエリアの、第１方向の周辺部では第１のピッチで配置され、前記第１方向に対向する、第２方向の周辺部では前記第１のピッチよりも小さい第２のピッチで配置される
   ことを特徴とする固体撮像装置の設計方法。

Images