JP2012038768A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】感度低下、混色の発生を防ぎながら瞳分割を行うことのできる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】マイクロレンズ１０ａ，１１ａ，１２ａと、各マイクロレンズで集光される光を受光するＰＤ２１と、各ＰＤ２１の各々で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し回路２２とを有する固体撮像素子１００であって、複数のＰＤ２１が存在する層に対して、一方の側にマイクロレンズ１０ａ，１１ａ，１２ａが設けられ、他方の側に信号読出し回路２２が設けられ、マイクロレンズ１１ａ（１２ａ）は、上凸レンズ形状部１１ｂ（１２ｂ）を備え、上凸レンズ形状部１１ｂ（１２ｂ）は、その中心がマイクロレンズ１１ａ（１２ａ）の中心に対して偏心し、かつ、その透過率がマイクロレンズ１１ａ（１２ａ）の最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも高くなっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像素子及び撮像装置に関する。

焦点検出技術の１つとして位相差検出方式が知られている。この方式は、撮影レンズの異なる瞳領域を通過する光束を受光する一対の瞳分割用画素を設け、この一対の瞳分割用画素からの信号を用いることで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。このような位相差検出方式の原理を適用した撮像装置として、特許文献１，２に記載のものが知られている。

特許文献１に記載の固体撮像素子は、１つのマイクロレンズ下方にある光電変換領域を２分割することで、一対の瞳分割用画素を形成するものである。しかし、この構成では、微細化するほど製造が難しくなるだけでなく、混色も発生しやすくなり、位相差検出精度に欠ける。また、様々な入射角に対するタフネス性に欠ける。

特許文献２には、光電変換素子上方に設ける遮光膜開口を偏心させることで瞳分割用画素を形成した固体撮像素子が記載されている。しかし、この構成は、光電変換素子の上方に遮光膜がある構成が前提となっており、光電変換素子の上方に遮光膜が不要となる裏面照射型の撮像素子や光電変換層積層型の撮像素子に簡単には適用できない。

裏面照射型撮像素子は、開口率１００％を実現できる構成であり、遮光膜は必要ない。光電変換領域上方に遮光膜を敢えて形成してしまうと、光電変換領域とその上方のマイクロレンズとの距離が大きくなり、全ての画素の感度低下、混色の発生が懸念される。また、遮光膜を形成する工程を追加する必要があり、製造コストの増大も懸念される。

光電変換層積層型の撮像素子は、信号読出し回路を形成した半導体基板上方に、光を電荷に変換する光電変換層を積層し、この光電変換層で発生した電荷に応じた信号を、半導体基板に形成された信号読出し回路で読み出す構成である。光電変換層積層型の撮像素子も、裏面照射型撮像素子と同様に開口率１００％を達成できる構成である。このため、遮光膜は不要であるが、敢えて遮光膜を設けると、感度低下、混色の発生、製造コストの増大が懸念される。

近年では、一般的な単板式の固体撮像素子の感度向上が限界に達してきており、感度を飛躍的に向上させることのできる裏面照射型撮像素子や光電変換層積層型撮像素子が注目されてきている。しかし、裏面照射型撮像素子や光電変換層積層型撮像素子において、感度低下、混色の発生、製造コストの増大を防ぎながら瞳分割を行うための画素構造は今まで提案されていない。

特開２００７−２８１２９６号公報 特開２００８−３１２０７３号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、感度低下、混色の発生を防ぎながら瞳分割を行うことのできる固体撮像素子及びこれを備える撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズの各々で集光される光を受光する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部の各々で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し回路とを有する固体撮像素子であって、前記複数の光電変換部が存在する層に対して、一方の側に前記複数のマイクロレンズが設けられ、他方の側に前記信号読出し回路が設けられ、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部は、第一の上凸レンズ形状部を備え、前記第一の上凸レンズ形状部は、その中心が前記マイクロレンズの中心に対して偏心し、かつ、その透過率が前記マイクロレンズの最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも高くなっているものである。
この構成によれば、遮光膜を用いることなく、瞳分割を行うことができる。この構成は、特許文献１の構成と比較して微細化が進んでも容易に製造することができると共に、混色も発生しにくくなり、位相差検出精度を向上させることができる。

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備えるものである。

本発明によれば、感度低下、混色の発生を防ぎながら瞳分割を行うことのできる固体撮像素子及びこれを備える撮像装置を提供することができる。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図 図１に示した固体撮像素子におけるＡ−Ａ線断面模式図 図１に示した固体撮像素子におけるＢ−Ｂ線断面模式図 図１に示した固体撮像素子における瞳分割用画素部による瞳分割原理を説明するための図 図１に示した固体撮像素子において遮光層を使用せずに瞳分割を行う方法の一例を示す図 図１に示した固体撮像素子の効果を説明するための図 図１に示した固体撮像素子の第一の変形例を示す図 図１に示した固体撮像素子の第一の変形例を示す図 図１に示した固体撮像素子の第二の変形例を示す図 図１に示した固体撮像素子の第二の変形例を示す図 図１に示した固体撮像素子の第三の変形例を示す図 図１に示した固体撮像素子の第四の変形例を示す図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。固体撮像素子１００は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話機の撮像モジュール等の撮像装置に搭載して用いられる。図１に示した固体撮像素子１００は、行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに二次元状（図１の例では正方格子状）に配列された複数の画素部を備えている。この複数の画素部は、通常画素部１０と瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２とを含む。

瞳分割用画素部１１は、これに近接して配置（図１の例では斜め右下に隣接して配置）された瞳分割用画素部１２と共にペアを構成し、このペアを構成する瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２が、固体撮像素子１００が搭載される撮像装置の撮影レンズの異なる瞳領域を通過する光束を受光するものとなる。

通常画素部１０は、瞳分割機能を有していない画素部である。

図２は、図１に示した固体撮像素子１００におけるＡ−Ａ線断面模式図である。図３は、図１に示した固体撮像素子１００におけるＢ−Ｂ線断面模式図である。

固体撮像素子１００は、支持基板２６上に絶縁層２５が形成され、絶縁層２５上に半導体基板としてのシリコン基板Ｓが形成され、シリコン基板Ｓ上方にカラーフィルタ層が形成され、カラーフィルタ層上にマイクロレンズ層が形成された構成である。

シリコン基板Ｓ内には、素子分離層２３によって画素部毎に分離された光電変換部としてのフォトダイオード（ＰＤ）２１が形成されている。

シリコン基板Ｓ内と絶縁層２５内には、画素部毎に、その画素部のＰＤ２１で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読出し回路２２が形成されている。信号読出し回路２２はＣＭＯＳ回路で構成される。

信号読出し回路２２として、シリコン基板Ｓ内には、ＰＤ２１で発生した電荷を蓄積するフローティングディフュージョン、フローティングディフュージョンの電位に応じた信号を読み出したり当該電位をリセットしたりするためのトランジスタの半導体素子層等が形成され、絶縁層２５内には、当該トランジスタのゲート電極、当該トランジスタに接続される配線等の導電性材料層が形成される。

各ＰＤ２１の上方には、図示しない絶縁層を介してカラーフィルタ２０が形成されており、複数のカラーフィルタ２０同士の間には、混色防止のために隔壁２４が形成されている。この複数のカラーフィルタ２０によって前述したカラーフィルタ層が構成される。複数のカラーフィルタ２０の配列は、例えばベイヤー配列となっており、瞳分割用画素部１１，１２に含まれるカラーフィルタ２０は例えば緑色光を透過するものとなっている。

通常画素部１０のカラーフィルタ２０上にはマイクロレンズ１０ａが形成されている。マイクロレンズ１０ａは、その下方のＰＤ２１に光を集光する。

瞳分割用画素部１１のカラーフィルタ２０上には、外形がマイクロレンズ１０ａと同じマイクロレンズ１１ａが形成されている。マイクロレンズ１１ａは上凸レンズ形状部１１ｂを備えており、上凸レンズ形状部１１ｂとそれを除く部分と共に、その下方のＰＤ２１に光を集光する。

上凸レンズ形状部１１ｂは、マイクロレンズ１１ａの最も外側のレンズ部分（上凸レンズ形状部１１ｂを除く部分）よりも屈折率が高く、かつ、当該レンズ部分よりも光の透過率が高く、かつ、その平面視における中心がマイクロレンズ１１ａの平面視における中心に対して行方向Ｘの左側に偏心している。

上凸レンズ形状部１１ｂは、より具体的には、その端部がマイクロレンズ１１ａの外周端部と接触する位置まで偏心して設けられている。

瞳分割用画素部１２のカラーフィルタ２０上には、外形がマイクロレンズ１０ａと同じマイクロレンズ１２ａが形成されている。マイクロレンズ１２ａは、外形が上凸レンズ形状部１１ｂと同じ上凸レンズ形状部１２ｂを備えており、上凸レンズ形状部１２ｂとそれを除く部分と共に、その下方のＰＤ２１に光を集光する。

上凸レンズ形状部１２ｂは、マイクロレンズ１２ａの最も外側のレンズ部分（上凸レンズ形状部１２ｂを除く部分）よりも屈折率が高く、かつ、当該レンズ部分よりも光の透過率が高く、かつ、その平面視における中心がマイクロレンズ１２ａの平面視における中心に対して行方向Ｘの右側に偏心している。

上凸レンズ形状部１２ｂは、より具体的には、その端部がマイクロレンズ１２ａの外周端部と接触する位置まで偏心して設けられている。

このように、固体撮像素子１００は、シリコン基板Ｓの光入射側の面（表面）上方に、マイクロレンズ１０ａ，１１ａ，１２ａを含むマイクロレンズ層が形成され、シリコン基板Ｓの光入射側とは反対側の面（裏面）に信号読出し回路２２が形成された、所謂、裏面照射型の撮像素子となっている。

このような構成の固体撮像素子１００では、マイクロレンズ１０に入射した光が、マイクロレンズ１０下のカラーフィルタ２０に入射する。また、マイクロレンズ１１ａに入射した光は、その一部が上凸レンズ形状部１１ｂを通過してカラーフィルタ２０に入射し、その残りが上凸レンズ形状部１１ｂに入射することなくカラーフィルタ２０に入射する。また、マイクロレンズ１２ａに入射した光は、その一部が上凸レンズ形状部１２ｂを通過してカラーフィルタ２０に入射し、その残りが上凸レンズ形状部１２ｂに入射することなくカラーフィルタ２０に入射する。各カラーフィルタ２０を通過した光はその下方のＰＤ２１に入射して、ここで電荷に変換され、変換後の電荷が信号読出し回路２２によって信号に変換されて読み出される。

図４は、図１に示した固体撮像素子１００における瞳分割用画素部１１，１２の瞳分割原理を説明するための図である。

ＦＩＧ４Ａに示すように、瞳分割用画素部１１では、マイクロレンズ１１ａに対して行方向Ｘの右側から入射してきた光線Ｒ１と、マイクロレンズ１１ａに対して行方向Ｘの左側から入射してきた光線Ｌ１は、それぞれ、マイクロレンズ１１ａの最も外側のレンズ部分で屈折した後、上凸レンズ形状部１１ｂに入射し、ここで屈折した後、カラーフィルタ２０へと入射する。また、ＦＩＧ４Ｂに示すように、瞳分割用画素部１２では、マイクロレンズ１２ａに対して行方向Ｘの右側から入射してきた光線Ｒ１と、マイクロレンズ１２ａに対して行方向Ｘの左側から入射してきた光線Ｌ１は、それぞれ、マイクロレンズ１２ａの最も外側のレンズ部分で屈折した後、上凸レンズ形状部１２ｂに入射し、ここで屈折した後、カラーフィルタ２０へと入射する。

ＦＩＧ４Ａを見て分かるように、光線Ｒ１は、透過率の低いマイクロレンズ１１ａの最も外側のレンズ部分内を、光線Ｌ１よりも長い距離進んで上凸レンズ形状部１１ｂに到達する。このため、瞳分割用画素部１１のＰＤ２１に到達する光の量は、光線Ｒ１の方が光線Ｌ１よりも少なくなる。また、マイクロレンズ１１ａに行方向Ｘの右側から入射してくる光線には、上凸レンズ形状部１１ｂに入射せずにカラーフィルタ２０に到達する光線もあるが、このような光線は、透過率の低いマイクロレンズ１１ａのレンズ部分によって光量が減衰されてＰＤ２１に到達する。また、マイクロレンズ１１ａに行方向Ｘの左側から入射してくる光線にも、上凸レンズ形状部１１ｂに入射せずにカラーフィルタ２０に到達する光線があるが、このような光線は右側からの光線に比べて少ない。この結果、瞳分割用画素部１１は、撮影レンズの瞳の中心から行方向Ｘの左側に偏心した瞳領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。

ＦＩＧ４Ｂを見て分かるように、光線Ｒ１は、透過率の低いマイクロレンズ１２ａの最も外側のレンズ部分内を、光線Ｌ１よりも短い距離進んで上凸レンズ形状部１２ｂに到達する。このため、瞳分割用画素部１２のＰＤ２１に到達する光の量は、光線Ｒ１の方が光線Ｌ１よりも多くなる。また、マイクロレンズ１２ａに行方向Ｘの左側から入射してくる光線には、上凸レンズ形状部１２ｂに入射せずにカラーフィルタ２０に到達する光線もあるが、このような光線は、透過率の低いマイクロレンズ１２ａのレンズ部分によって光量が減衰されてＰＤ２１に到達する。また、マイクロレンズ１２ａに行方向Ｘの右側から入射してくる光線にも、上凸レンズ形状部１２ｂに入射せずにカラーフィルタ２０に到達する光線があるが、このような光線は左側からの光線に比べて少ない。この結果、瞳分割用画素部１２は、撮影レンズの瞳の中心から行方向Ｘの右側に偏心した瞳領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。

通常画素部１０については、光線Ｒ１，Ｌ１とも、同じ量だけＰＤ２１に到達するため、撮影レンズの瞳の中心から実質的に偏心しない瞳領域からの光束を受光して光電変換することになる。

固体撮像素子１００では、このような原理により、瞳分割用画素部１１，１２で瞳分割を行うことを可能にしている。固体撮像素子１００は、裏面照射型であるため、図２，３に示すように、ＰＤ２１よりも上に遮光層が存在していない。このため、遮光層をわざわざ設け、この遮光層の開口を偏心させることで瞳分割を行う場合と比較して、固体撮像素子１００の薄型化による感度向上及び混色の防止を防ぐことができる。また、マイクロレンズの形成方法を工夫して瞳分割を行うため、特許文献１に記載の構造と比較して、微細化にも対応しやすく、製造が容易となる。

固体撮像素子１００において、遮光層を使用せずに瞳分割を行う方法としては、例えば、図５に示すように、瞳分割用画素部１１のマイクロレンズを上凸レンズ形状部１１ｂのみにする方法（瞳分割用画素部１２についても同様）も考えられる。しかし、このようにした場合は、図５に示すように、上凸レンズ形状部１１ｂを通過した光が、素子分離層２３に入射し、ここを貫通して隣のＰＤ２１に到達してしまう可能性が高くなる。

これに対し、マイクロレンズ１１ａに上凸レンズ形状部１１ｂを内蔵した二重構造によれば、図６に示すように、マイクロレンズ１１ａで光線をＰＤ２１側に一旦屈折させることができる。このため、図５に示した構成よりも、素子分離層２３に到達する光を減らすことができ、混色を防止することができる。

また、図５に示した構成の場合、マイクロレンズ１０ａと上凸レンズ形状部１２ｂとの間に大きな隙間が生じるため、マイクロレンズ１０ａが横に広がってしまう可能性があるが、図２，図３に示した構成によれば、そのようなこともない。

なお、通常画素部１０は感度が高い方が好ましいため、マイクロレンズ１０ａの透過率は高くしておくことが好ましく、上凸レンズ形状部１１ｂ，１２ｂも、瞳分割用画素部１１，１２の感度低下を避けるために、透過率を高くしておくことが好ましい。したがって、マイクロレンズ１０ａと上凸レンズ形状部１１ｂ，１２ｂの透過率を同じとし、マイクロレンズ１１ａ，１２ａの最も外側のレンズ部分の透過率を、マイクロレンズ１０ａ及び上凸レンズ形状部１１ｂ，１２ｂよりも低くしておくことが好ましい。また、マイクロレンズ１１ａの上凸レンズ形状部１１ｂを除くレンズ部分の屈折率と、上凸レンズ形状部１１ｂの屈折率は、同じであってもよいし、上凸レンズ形状部１１ｂの屈折率の方が低くてもよい。上凸レンズ形状部１１ｂの屈折率を相対的に高くすることで、左に偏心した瞳領域からの光を効率的にＰＤ２１に導くことができ、瞳分割性能を向上させることができる。同様に、マイクロレンズ１２ａの上凸レンズ形状部１２ｂを除くレンズ部分の屈折率と、上凸レンズ形状部１２ｂの屈折率は、同じであってもよいし、上凸レンズ形状部１２ｂの屈折率の方が低くてもよい。上凸レンズ形状部１２ｂの屈折率を相対的に高くすることで、右に偏心した瞳領域からの光を効率的にＰＤ２１に導くことができ、瞳分割性能を向上させることができる。

以上の説明では、瞳分割用画素部１１，１２のカラーフィルタ２０は、緑色光を透過するものとしたが、これに限らず、カラーフィルタを設けない構成、グレーフィルタを設ける構成、白色フィルタを設ける構成、ＮＤフィルタを設ける構成等であってもよい。

また、固体撮像素子１００は、カラー撮像が目的でなければ、カラーフィルタ２０を省略してもよい。また、固体撮像素子１００を測距専用の素子としてもよく、この場合には、固体撮像素子１００に含まれる全ての画素部を瞳分割用画素部１１，１２にすればよい。測距専用の素子としたときも、カラーフィルタ２０は省略してよい。

また、信号読出し回路２２はＣＣＤ回路であってもよい。ＣＣＤ回路の場合、シリコン基板Ｓ内には、ＰＤ２１で発生した電荷を転送する電荷転送チャネル等の半導体素子層が形成され、絶縁層２５内には、電荷転送チャネルに電圧を印加するための電極、当該電極に接続される配線等の導電性材料層が形成される。この場合、信号読出し回路２２は、画素部毎ではなく、全ての画素部全体に対して設けられる。

以下では、固体撮像素子１００の変形例を説明する。

（第一の変形例）
図７及び図８は、図１に示した固体撮像素子１００の第一の変形例を示す図であり、図３に対応する図である。

図７，図８に示した固体撮像素子１００は、瞳分割用画素部１２のカラーフィルタ２０を行方向Ｘに縮めて上凸レンズ形状部１２ｂの下方にのみ形成し、カラーフィルタ２０を縮めたことで生じた残りのスペースに遮光層２４ａを追加した構成となっている。遮光層２４ａは、光を吸収又は反射できる材料で構成されていればよく、例えば黒色のカラーフィルタで構成されている。なお、図７，図８では、瞳分割用画素部１２についてしか図示していないが、瞳分割用画素部１１についても同様に遮光層２４ａが設けられる。なお、瞳分割用画素部１１，１２のカラーフィルタ２０は省略し、省略した部分には透明な絶縁材料を埋めておいてもよい。

図７，図８に示した構成によれば、上凸レンズ形状部１２ｂに入射せずに、マイクロレンズ１２ａの上凸レンズ形状部１２ｂを除く部分のみを通過してＰＤ２１に向かう光を遮光層２４ａで吸収又は反射することができる。このため、瞳分割用画素部１１，１２の瞳分割性能を図２，図３に示した場合と比較して向上させることができる。また、遮光層２４ａは、ＰＤ２１の開口を偏心させる役割も果たすため、これだけでもある程度の瞳分割を実現することができる。したがって、遮光層２４ａを設けない場合と比較すると、上凸レンズ形状部１２ｂの大きさと、マイクロレンズ１２ａの上凸レンズ形状部１２ｂを除く部分の透過率の設計自由度を上げることができる。また、遮光層２４ａは、カラーフィルタ２０と同一層に形成されているため、固体撮像素子１００の厚みが大きくなることはなく、感度低下、混色の増大を防ぐことができる。

（第二の変形例）
図９，図１０は、図１に示した固体撮像素子１００の第二の変形例を示す図であり、図２，図３に対応する図である。

図９に示した固体撮像素子１００は、瞳分割用画素部１１の上凸レンズ形状部１１ｂのサイズが小さくなっており、マイクロレンズ１１ａが、上凸レンズ形状部１１ｂを内蔵する上凸レンズ形状部１１ｃを有する点を除いては、図２に示した構成と同じである。

上凸レンズ形状部１１ｃは、マイクロレンズ１１ａの上凸レンズ形状部１１ｃより外側のレンズ部分よりも透過率が低く、かつ、その平面視における中心が、マイクロレンズ１１ａの平面視における中心よりも行方向Ｘの左側に偏心している。また、マイクロレンズ１１ａの全てのレンズ部分の屈折率は、内側にあるものほど高くなっている。つまり、マイクロレンズ１１ａの最も外側のレンズ部分の屈折率（上凸レンズ形状部１１ｃより外側の部分）＜上凸レンズ形状部１１ｃの屈折率＜上凸レンズ形状部１１ｂの屈折率となっている。

図１０に示した固体撮像素子１００は、瞳分割用画素部１２の上凸レンズ形状部１２ｂのサイズが小さくなっており、マイクロレンズ１２ａが、上凸レンズ形状部１２ｂを内蔵する上凸レンズ形状部１２ｃを有する点を除いては、図３に示した構成と同じである。

上凸レンズ形状部１２ｃは、マイクロレンズ１２ａの上凸レンズ形状部１２ｃより外側のレンズ部分よりも透過率が低く、かつ、その平面視における中心が、マイクロレンズ１２ａの平面視における中心よりも行方向Ｘの右側に偏心している。また、マイクロレンズ１２ａの全てのレンズ部分の屈折率は、内側にあるものほど高くなっている。つまり、マイクロレンズ１２ａの最も外側のレンズ部分の屈折率（上凸レンズ形状部１２ｃより外側の部分）＜上凸レンズ形状部１２ｃの屈折率＜上凸レンズ形状部１２ｂの屈折率となっている。

図９，図１０に示した構成によれば、瞳分割用画素部１１，１２のマイクロレンズを３重構造にしているため、上凸レンズ形状部１１ｂ，１２ｂを通過した光が、シリコン基板Ｓに対してより垂直方向に向かいやすくなり、混色防止効果を高めることができる。また、この構成では、上凸レンズ形状部１１ｃ，１２ｃの透過率が、マイクロレンズ１１ａ，１２ａの最も外側のレンズ部分よりも低くなっている。このため、瞳分割用画素部１１であれば、行方向Ｘの右側から入射する光線をマイクロレンズ１１ａの最も外側のレンズ部分と上凸レンズ形状部１１ｃの２つで強く減衰させることができ、瞳分割用画素部１２であれば、行方向Ｘの左側から入射する光線をマイクロレンズ１２ａの最も外側のレンズ部分と上凸レンズ形状部１２ｃの２つで強く減衰させることができ、瞳分割性能を向上させることができる。

なお、図９，図１０では、上凸レンズ形状部１１ｃ，１２ｃの透過率がマイクロレンズ１１ａ，１２ａの最も外側のレンズ部分より高くてもよいし、同じでもよい。このようにした場合でも、マイクロレンズを三重構造にしたことによる混色防止効果を得ることができる。また、マイクロレンズ１１ａ，１２ａのレンズ部分の屈折率は、全て同じであってもよいし、外側にあるものほど高くなっていてもよい。屈折率を内側にあるものほど高くすることで、右又は左に偏心した瞳領域からの光を効率的にＰＤ２１に導くことができ、瞳分割性能を向上させることができる。

また、マイクロレンズ１１ａ（１２ａ）内には、上凸レンズ形状部１１ｂ（１２ｂ）を内蔵する上凸レンズ形状部を複数設けてもよい。この場合、複数設ける上凸レンズ形状部は、大きさ以外は全て上凸レンズ形状部１１ｃ（１２ｃ）と同じ構成（例えば、マイクロレンズ１１ａ（１２ａ）に対して中心が左側（右側）に偏心し、マイクロレンズ１１ａ（１２ａ）の最も外側のレンズ部分よりも透過率が低い構成）とすればよい。

（第三の変形例）
図１１は、図１に示した固体撮像素子１００の第三の変形例を示す図である。図１１に示した固体撮像素子２００は、行方向Ｘと列方向Ｙに二次元状に配列された複数の画素部を備える。この複数の画素部は、図１に示した瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２の２種類の瞳分割用画素部のみで構成されている。

図１１では、瞳分割用画素部１１については、そこに含まれるマイクロレンズ１１ａ、上凸レンズ形状部１１ｂのみを図示し、瞳分割用画素部１２については、そこに含まれるマイクロレンズ１２ａ、上凸レンズ形状部１２ｂのみを図示している。

瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２は、それぞれ、同一数存在し、かつ、同一ピッチで正方格子状に配列されている。瞳分割用画素部１１のカラーフィルタ２０の配列は全体としてベイヤー配列になっており、瞳分割用画素部１２のカラーフィルタ２０の配列も全体としてベイヤー配列になっている。そして、正方格子状に配列された瞳分割用画素部１１を斜め４５°右下にずらした位置に、この瞳分割用画素部１１と同色のカラーフィルタを持つ瞳分割用画素部１２が配置されており、瞳分割用画素部１１と、この瞳分割用画素部１１に対して斜め右下方向に隣接する瞳分割用画素部１２とでペアを構成している。

この固体撮像素子２００では、全ての瞳分割用画素部１１から得られる撮像画像信号と、全ての瞳分割用画素部１２から得られる撮像画像信号とが、同一被写体を異なる方向から見たときのものとなる。したがって、全ての瞳分割用画素部１１から得られる撮像画像信号に基づく画像と、全ての瞳分割用画素部１２から得られる撮像画像信号に基づく画像とには視差が存在することになり、この２つの画像によって立体画像を再生することができる。

瞳分割用画素部１１，１２として図９，１０に示した構成を採用した場合は、視差を特に大きくすることができる。

なお、固体撮像素子２００では、瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２の２種類の画素部により、視差のある画像を１組生成可能であるが、例えば、上凸レンズ形状部１１ｂや上凸レンズ形状部１２ｂの中心が列方向Ｙに偏心している別の瞳分割用画素部を設けて３種類以上の瞳分割用画素部を持つ固体撮像素子を実現することもできる。この場合、３種類以上の瞳分割用画素部の各々で得られる画像を組み合わせることで、同一被写体に対し、視点を変えた２つ以上の立体画像を再生することもできるようになる。

（第四の変形例）
図１２は、図１に示した固体撮像素子１００の第四の変形例を示す図であり、図３に対応する図である。図１〜図１１の説明では、固体撮像素子を裏面照射型としたが、本発明は光電変換層積層型の固体撮像素子にも適用可能であり、この場合の構成例を示したものが図１２である。図１２において、カラーフィルタ２０より上の構成については、図３と同じであるため、以下では、カラーフィルタ２０よりも下の構成について説明する。なお、瞳分割用画素部１１の構成については、カラーフィルタ２０から上の構成が図２に示したものになる以外は、図１２と同じであるため、説明を省略する。

図１２に示した固体撮像素子は、シリコン基板３５上方に光電変換層３３が形成され、光電変換層３３上方にカラーフィルタ層が形成された構成である。

シリコン基板３５上の絶縁層３９上には、画素部毎に分割された画素電極３４が形成されている。絶縁層３９内には、画素部毎に、画素電極３４と電気的に接続されるコンタクト部３７が形成されている。

シリコン基板３５内と絶縁層３９内には、画素部毎に信号読出し回路３２が形成されており、この信号読出し回路３２がコンタクト部３７を介して画素電極３４と接続されている。

信号読出し回路３２は、画素電極３４で捕集された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、この電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すＣＭＯＳ回路で構成される。

信号読出し回路３２として、シリコン基板３５内には、電荷蓄積部と、電荷蓄積部の電荷に応じた信号を読み出したり当該電荷をリセットしたりするためのトランジスタの半導体素子層が形成され、絶縁層３９内には、当該トランジスタのゲート電極、当該トランジスタに接続される配線等の導電性材料層が形成される。

信号読出し回路３２がＣＣＤ回路の場合、シリコン基板３５内には、電荷蓄積部と、電荷蓄積部で発生した電荷を転送する電荷転送チャネル等の半導体素子層が形成され、絶縁層３９内には、電荷転送チャネルに電圧を印加するための電極、当該電極に接続される配線等の導電性材料層が形成される。なお、ＣＣＤ回路の場合は、信号読出し回路３２は、画素部毎ではなく、全ての画素部全体に対して設けられる。

画素部毎に設けられた画素電極３４の上には、これを覆うように全画素部で共通の光電変換層３３が形成されている。光電変換層３３は、光を受光して、この光に応じた電荷を発生する光電変換材料で構成された層である。

光電変換層３３上には、全画素部で共通の透明な対向電極３１が形成されている。対向電極３１上には透明な絶縁層３８が形成され、この上に、カラーフィルタ層が形成されている。

このように、光電変換層積層型の固体撮像素子であっても、遮光層を用いることなく、瞳分割を行うことができる。

これまで説明してきた内容は、矛盾の生じない範囲で適宜組み合わせることができる。例えば、第一の変形例と第二の変形例を組み合わせたり、第一及び第二の変形例と第三の変形例を組み合わせたり、第四の変形例と第一〜第三の変形例を組み合わせたりすることができる。

以上説明してきたように、本明細書には次の事項が開示されている。

開示された固体撮像素子は、複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズの各々で集光される光を受光する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部の各々で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し回路とを有する固体撮像素子であって、前記複数の光電変換部が存在する層に対して、一方の側に前記複数のマイクロレンズが設けられ、他方の側に前記信号読出し回路が設けられ、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部は、第一の上凸レンズ形状部を備え、前記第一の上凸レンズ形状部は、その中心が前記マイクロレンズの中心に対して偏心し、かつ、その透過率が前記マイクロレンズの最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも高くなっているものである。

開示された固体撮像素子は、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部が、前記第一の上凸レンズ形状部を備える少なくとも１つの第二の上凸レンズ形状部を内蔵し、前記第二の上凸レンズ形状部は、その中心が前記マイクロレンズの中心に対して、前記第一の上凸レンズ形状部の前記マイクロレンズに対する中心の偏心方向と同じ方向に偏心しているものである。

開示された固体撮像素子は、前記マイクロレンズが備える前記第二の上凸レンズ形状部の透過率が、前記マイクロレンズの最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも低くなっているものである。

開示された固体撮像素子は、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の屈折率が、全てのレンズ部分で異なっているものである。

開示された固体撮像素子は、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の屈折率が、内側にあるレンズ部分ほど大きくなっているものである。

開示された固体撮像素子は、前記第一の上凸レンズ形状部を備えるマイクロレンズが、前記複数のマイクロレンズの一部のマイクロレンズであり、前記複数のマイクロレンズのうちの前記一部を除くマイクロレンズと前記光電変換部との間にカラーフィルタを備え、前記一部のマイクロレンズと前記光電変換部との間の前記カラーフィルタと同一層に、当該マイクロレンズで集光された光の前記光電変換部への入射量を制限する遮光層を備え、前記遮光層は、前記一部のマイクロレンズが備える前記第一の上凸レンズ形状部の下方に開口が形成されているものである。

開示された固体撮像素子は、前記第一の上凸レンズ形状部を備えるマイクロレンズが、前記複数のマイクロレンズの全部のマイクロレンズであり、全ての前記第一の上凸レンズ形状部と前記光電変換部との間にカラーフィルタを備え、全ての前記マイクロレンズと前記光電変換部との間のうち、前記カラーフィルタを除く部分には遮光層が形成されているものである。

開示された固体撮像素子は、前記信号読み出し回路が半導体基板に形成され、前記光電変換部が、前記半導体基板上方に積層されたものである。

開示された固体撮像素子は、前記光電変換部が半導体基板内に形成され、前記信号読み出し回路が前記半導体基板の表面側に形成され、前記複数のマイクロレンズが前記半導体基板の裏面側に形成されているものである。

開示された撮像装置は、前記固体撮像素子を備えるものである。

１００ 固体撮像素子
１０ 通常画素部
１１，１２ 瞳分割用画素部
１０ａ，１１ａ，１２ａ マイクロレンズ
１１ｂ，１２ｂ 上凸レンズ形状部
２０ カラーフィルタ
２１ ＰＤ
２２ 信号読出し回路
Ｓ シリコン基板

Claims (10)

1. 複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズの各々で集光される光を受光する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部の各々で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し回路とを有する固体撮像素子であって、
   前記複数の光電変換部が存在する層に対して、一方の側に前記複数のマイクロレンズが設けられ、他方の側に前記信号読出し回路が設けられ、
   前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部は、第一の上凸レンズ形状部を備え、
   前記第一の上凸レンズ形状部は、その中心が前記マイクロレンズの中心に対して偏心し、かつ、その透過率が前記マイクロレンズの最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも高くなっている固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部が、前記第一の上凸レンズ形状部を備える少なくとも１つの第二の上凸レンズ形状部を内蔵し、
   前記第二の上凸レンズ形状部は、その中心が前記マイクロレンズの中心に対して、前記第一の上凸レンズ形状部の前記マイクロレンズに対する中心の偏心方向と同じ方向に偏心している固体撮像素子。
3. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
   前記マイクロレンズが備える前記第二の上凸レンズ形状部の透過率が、前記マイクロレンズの最も外側にあるレンズ部分の透過率よりも低くなっている固体撮像素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の屈折率が、全てのレンズ部分で異なっている固体撮像素子。
5. 請求項４記載の固体撮像素子であって、
   前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の屈折率が、内側にあるレンズ部分ほど大きくなっている固体撮像素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記第一の上凸レンズ形状部を備えるマイクロレンズが、前記複数のマイクロレンズの一部のマイクロレンズであり、
   前記複数のマイクロレンズのうちの前記一部を除くマイクロレンズと前記光電変換部との間にカラーフィルタを備え、
   前記一部のマイクロレンズと前記光電変換部との間の前記カラーフィルタと同一層に、当該マイクロレンズで集光された光の前記光電変換部への入射量を制限する遮光層を備え、
   前記遮光層は、前記一部のマイクロレンズが備える前記第一の上凸レンズ形状部の下方に開口が形成されている固体撮像素子。
7. 請求項１〜５のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記第一の上凸レンズ形状部を備えるマイクロレンズが、前記複数のマイクロレンズの全部のマイクロレンズであり、
   全ての前記第一の上凸レンズ形状部と前記光電変換部との間にカラーフィルタを備え、
   全ての前記マイクロレンズと前記光電変換部との間のうち、前記カラーフィルタを除く部分には遮光層が形成されている固体撮像素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記信号読み出し回路が半導体基板に形成され、
   前記光電変換部が、前記半導体基板上方に積層されたものである固体撮像素子。
9. 請求項１〜７のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記光電変換部が半導体基板内に形成され、
   前記信号読み出し回路が前記半導体基板の表面側に形成され、
   前記複数のマイクロレンズが前記半導体基板の裏面側に形成されている固体撮像素子。
10. 請求項１〜７のいずれか１項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。

Images