(57)【要約】【課題】撮像素子において、マイクロレンズの開口率を実質的に改善するとともに、混色の影響を抑制できるようにする。【解決手段】複数の画素を有する撮像素子５０において、複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部２と、撮像素子に入射する光を光電変換部に集光するためのマイクロレンズ９と、マイクロレンズと光電変換部との間に配置された集光機能を有する内部レンズ１０とを具備し、複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、マイクロレンズ９がそれぞれ配置されており、複数の画素のうち、マイクロレンズが配置されていない画素には、内部レンズ１０がそれぞれ配置されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を有する撮像素子において、
前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、
前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズと、
前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する内部レンズとを具備し、
前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記マイクロレンズがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記マイクロレンズが配置されていない画素には、前記内部レンズがそれぞれ配置されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
互いに隣り合う、前記マイクロレンズが配置された画素と、前記内部レンズが配置された画素において、前記マイクロレンズと前記内部レンズとが部分的に重なり合うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記複数の画素の内の１画素に１色が対応するように配置され、複数種類の色が周期的に配置されたカラーフィルタをさらに具備し、前記マイクロレンズが配置された画素と前記内部レンズが配置された画素とは、前記カラーフィルタのそれぞれ異なる色に対応して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項４】
複数の画素を有する撮像素子において、
前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、
前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズと、
前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する第１及び第２の内部レンズであって、それぞれ開口径が異なる第１及び第２の内部レンズとを具備し、
前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記マイクロレンズと前記第１の内部レンズよりも開口径が小さい第２の内部レンズとがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記マイクロレンズが配置されていない画素には、前記第１の内部レンズがそれぞれ配置されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項５】
互いに隣り合う、前記マイクロレンズと前記第２の内部レンズとが配置された画素と、前記第１の内部レンズが配置された画素において、前記マイクロレンズと前記第１の内部レンズとが部分的に重なり合うように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記複数の画素の内の１画素に１色が対応するように配置され、複数種類の色が周期的に配置されたカラーフィルタをさらに具備し、前記マイクロレンズと前記第２の内部レンズとが配置された画素と前記第１の内部レンズが配置された画素とは、前記カラーフィルタのそれぞれ異なる色に対応して配置されていることを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
【請求項７】
複数の画素を有する撮像素子において、
前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、
前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズであって、それぞれ開口径が異なる第１及び第２のマイクロレンズと、
前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する第１及び第２の内部レンズであって、それぞれ開口径が異なる第１及び第２の内部レンズとを具備し、
前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記第２のマイクロレンズよりも開口径の大きい第１のマイクロレンズと前記第１の内部レンズよりも開口径が小さい第２の内部レンズとがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記第１のマイクロレンズ及び第２の内部レンズが配置されていない画素には、前記第２のマイクロレンズと第１の内部レンズとがそれぞれ配置されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項８】
互いに隣り合う、前記第１のマイクロレンズと前記第２の内部レンズとが配置された画素と、前記第２のマイクロレンズと前記第１の内部レンズが配置された画素において、前記第１のマイクロレンズと前記第１の内部レンズとが部分的に重なり合うように配置されていることを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記複数の画素の内の１画素に１色が対応するように配置され、複数種類の色が周期的に配置されたカラーフィルタをさらに具備し、前記第１のマイクロレンズと前記第２の内部レンズとが配置された画素と、前記第２のマイクロレンズと前記第１の内部レンズが配置された画素とは、前記カラーフィルタのそれぞれ異なる色に対応して配置されていることを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体像を撮像する撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像素子は、大別すると、ＣＣＤ(Charge-Coupled Device)とＣＭＯＳ(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)撮像素子とに分類される（特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
まず、ＣＣＤ１０００の構造について、その主要部を示す図１０を参照して簡単に説明する。
【０００４】
図１０は、ＣＣＤ１０００の断面図である。
【０００５】
図１０において、１００１はシリコンなどからなる半導体基板、１００２はフォトダイオードからなる光電変換素子、１００３は半導体基板１００１上に形成された酸化膜、１００４は光電変換素子１００２で変換された電荷などを転送するためのクロック信号が伝送されるポリシリコンなどからなる３層の配線、１００６は主として配線１００４の下に設けられている電荷転送用の垂直ＣＣＤレジスタ１００５を遮光する、タングステンなどからなる遮光層、１００７は光電変換素子１００２などを外気（Ｏ2、Ｈ2Ｏ）、不純物イオン（Ｋ+、Ｎａ+）などから保護するＳｉＯ2などからなる第１保護膜、１００８はＳｉＯＮ系などの第２保護膜である。１００９は第２保護膜１００８の凹凸を少なくするための有機材料からなる平坦化層であり、１０１０は光電変換素子１００２に被写体からの光を集めるマイクロレンズである。
【０００６】
平坦化層１００９はＣＣＤ１０００の主面１０１１の凹凸をなくすと共に、マイクロレンズ１０１０を通った光が光電変換素子１００２上に結像するように、マイクロレンズ１０１０の焦点距離を調整する役目も兼ねている。よって、平坦化層１００９の厚さは、レンズの曲率、レンズ材料の屈折率によって決定される。
【０００７】
一方、ＣＭＯＳ撮像素子１０５０の構造について、その主要部を示す図１１を参照して簡単に説明する。
【０００８】
図１１は、ＣＭＯＳ撮像素子１０５０の１画素分の断面図である。
【０００９】
図１１において、１０５１はシリコン基板（Ｓｉ基板）で、フォトダイオード等の光電変換素子となる受光部１０５２が設けられている。１０５３は、ＳｉＯ2等で形成された層間絶縁膜１０５４の間に形成されており、受光部１０５２にて発生した光電荷を不図示のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）に転送するための転送電極である。また、１０５５は受光部１０５２以外に光が入射しないように形成された遮光作用を有する配線電極、１０５６は電極や不図示の配線により形成される凹凸表面上に形成されて平坦な表面を提供するための平坦化膜、１０５７は例えば赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）などのカラーフィルタで、さらに平坦化層１０５８を介してマイクロレンズ１０５９が形成されている。マイクロレンズ１０５９は、不図示の撮影レンズから入射する光束を受光部１０５２に集光するようにレンズ形状が決められている。
【００１０】
また、最近ではマイクロレンズと受光部の層間にレンズ機能を挿入する層内レンズ構造が主に採用されている（特許文献３参照）。
【００１１】
これは、一般に前述したＣＣＤ１０００における遮光膜１００６やＣＭＯＳ撮像素子１０５０における配線電極１０５５によるマイクロレンズからの光の導光をより確実に行うために用いられ、実質的な開口率を上げる効果がある。
【特許文献１】特開２００２−１４１４８８号公報
【特許文献２】特開２００２−０８３９４８号公報
【特許文献３】特開平１１−２７４４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般に、光電変換素子１００２（受光部１０５２）で光を感知する光量、いわゆる撮像素子固有の感度特性は、マイクロレンズ（１０１０、１０５９）の開口率に大きく影響される。
【００１３】
図１２は、ＣＭＯＳ撮像素子１０５０の４画素分を上面から見た図であり、一画素の正方形表面に対するマイクロレンズの開口の比率（開口率）は約７０％となっている。この場合、マイクロレンズ以外の約３０％の領域は受光部１０５２に効率よく導光することができず、配線電極１０５５により遮られたり、また対応する画素のカラーフィルタを通った光が隣の画素に入り込む、いわゆる混色を引き起こす原因となる。
【００１４】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮像素子において、マイクロレンズの開口率を実質的に改善するとともに、混色の影響を抑制できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる撮像素子は、複数の画素を有する撮像素子において、前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズと、前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する内部レンズとを具備し、前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記マイクロレンズがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記マイクロレンズが配置されていない画素には、前記内部レンズがそれぞれ配置されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係わる撮像素子は、複数の画素を有する撮像素子において、前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズと、前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する第１及び第２の内部レンズであって、それぞれ開口径が異なる第１及び第２の内部レンズとを具備し、前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記マイクロレンズと前記第１の内部レンズよりも開口径が小さい第２の内部レンズとがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記マイクロレンズが配置されていない画素には、前記第１の内部レンズがそれぞれ配置されていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係わる撮像素子は、複数の画素を有する撮像素子において、前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズであって、それぞれ開口径が異なる第１及び第２のマイクロレンズと、前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する第１及び第２の内部レンズであって、それぞれ開口径が異なる第１及び第２の内部レンズとを具備し、前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記第２のマイクロレンズよりも開口径の大きい第１のマイクロレンズと前記第１の内部レンズよりも開口径が小さい第２の内部レンズとがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記第１のマイクロレンズ及び第２の内部レンズが配置されていない画素には、前記第２のマイクロレンズと第１の内部レンズとがそれぞれ配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、撮像素子において、マイクロレンズの開口率を実質的に改善するとともに、混色の影響を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
本実施形態は、ＣＭＯＳ撮像素子に本発明を適用した第１の実施形態である。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態のＣＭＯＳ撮像素子５０の構成を示す側断面図である。
【００２２】
図１において、１はシリコン基板（Ｓｉ基板）で、フォトダイオード等の光電変換素子となる受光部２が設けられている。また、５は受光部２以外に光が入射しないように形成された遮光作用を有する配線電極、６は電極や不図示の配線などにより形成される凹凸表面上に形成されて平坦な表面を提供するための平坦化膜、７は例えば赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）などのカラーフィルタで、さらに平坦化層８を介して層内レンズ１０が形成されている。層内レンズ１０は、比較的屈折率の低い層間材１１との屈折率の総和によるレンズ効果を有しており、層間材１１の上に平坦化膜１２を介してマイクロレンズ９が配置されている。マイクロレンズ９又は層内レンズ１０によって不図示の撮影レンズから入射する光束を受光部２に集光できるように、それぞれのレンズ形状が決められている。
【００２３】
ここで、受光部２で光を感知する光量、いわゆる撮像素子固有の感度特性は、マイクロレンズ９及び層内レンズ１０の開口率に大きく影響される。
【００２４】
図２は、図１に示すＣＭＯＳ撮像素子５０を上から見た図で、マイクロレンズ９及び層内レンズ１０の大きさ及び平面配列を示す図である。
【００２５】
図２を見ればわかるように、マイクロレンズ９は隣接画素には配置されておらず、対角画素領域にのみ配置されている。また、一方層内レンズ１０はマイクロレンズ９が配置されていない対角画素領域にのみ配置されている。
【００２６】
図３は、ベイヤ配列のカラーフィルタに対応した図２での一画素の正方形表面に対するマイクロレンズ、層内レンズトータルでの開口率を示す図である。
【００２７】
図３を見ればわかるように、マイクロレンズ９はブルー（Ｂ）、レッド（Ｒ）のカラーフィルタに対応して配置され、レンズトータルの開口率は１００％を少しだけ超える。一方、層内レンズ１０はグリーン（Ｇ）のカラーフィルタに対応して配置され、レンズトータルの開口率は８５％程度になり、図１２で示すような従来の構成と比べると、大幅に開口率が上がっていることがわかる。また、Ｒ、Ｇ、Ｂトータルでの有効開口率は非常に高く、混色の影響なども受けにくい構造となっている。
【００２８】
図３の例では、Ｂ、ＲのカラーフィルタとＧのカラーフィルタとで開口率が異なっているが、元々のＲ、Ｇ、Ｂでのカラーフィルタの分光特性が異なっており、本実施形態での実質分光特性は各カラーフィルタの分光特性と開口率との積になる。最終的に単板の撮像素子での画像処理は、ホワイトバランス調整を行うため、Ｒ、Ｇ、Ｂ毎で分光特性が異なることは問題にならない。逆に、本実施形態のようにわざとカラーフィルタ毎の開口率を変え、補正の少ないカラー（例えばＧと仮定する）に対し、開口率の小さいレンズを組み合わせることによって、画像処理を含めたバランス調整を行う補正係数を小さくするすることが可能となる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態を示す図であり、図１と同様の構成部には同一の符号を付している。
【００３０】
図５は、図４に示すＣＭＯＳ撮像素子６０を上から見た図で、マイクロレンズ９及び層内レンズ１０の大きさ及び平面配列を示す図である。
【００３１】
図４及び図５を見ればわかるように、マイクロレンズ９が配置されている画素においても層内レンズ１０よりも開口径の小さい層内レンズ１３が配置されている。層内レンズ１３を併用することによって、マイクロレンズ９だけでは抑えられない球面収差を補正することが可能となり、また配線電極５により光が遮断されないように作用させることも可能となる。
【００３２】
この場合も、図３とほぼ同様なトータル開口率となり、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３３】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態を示す図であり、図１と同様の構成部には同一の符号を付している。
【００３４】
図７は、図６に示すＣＭＯＳ撮像素子７０を上から見た図で、マイクロレンズ９及び層内レンズ１０の大きさ及び平面配列を示す図である。
【００３５】
図６及び図７を見ればわかるように、マイクロレンズ９が配置されている画素においても層内レンズ１０よりも開口径の小さい層内レンズ１３が配置されているとともに、層内レンズ１０が配置されている画素においてもマイクロレンズ９よりも開口径の小さいマイクロレンズ１４が配置されている。このようにマイクロレンズ９，１４と層内レンズ１０，１３とを併用することにより、第２の実施形態と同様に、球面収差を補正したり、配線電極５により光が遮断されないようにすることが可能となる。
【００３６】
（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態を示す図であり、図１と同様の構成部には同一の符号を付している。
【００３７】
本実施形態のＣＭＯＳ撮像素子８０では、電極の上面に保護膜１５として屈折率の高いＳｉＮを用いており、グリーンのカラーフィルタに対応する画素にのみＳｉＮによる層内レンズ１６が形成されている。平坦化膜６の上面にカラーフィルタ７が配列され、平坦化膜８の上面にマイクロレンズ９が形成されている。マイクロレンズ９又は層内レンズ１６によって不図示の撮影レンズから入射する光束を受光部２に集光できるように、それぞれのレンズ形状が決められている。
【００３８】
図９は、ベイヤ配列のカラーフィルタに対応した図８での一画素の正方形表面に対するマイクロレンズ、層内レンズトータルでの開口率を示す図である。
【００３９】
図９を見ればわかるように、マイクロレンズ９はブルー（Ｂ）、レッド（Ｒ）のカラーフィルタに対応して配置され、レンズトータルの開口率は１００％を超える。一方、層内レンズ１６はグリーン（Ｇ）のカラーフィルタに対応して配置され、レンズトータルの開口率は７５％程度になる。この場合は、Ｒ、Ｇ、Ｂトータルでの有効開口率は９５％程度になり、カラーフィルタの形状を層内レンズに合わせて作りこむことにより、混色の影響なども受けにくくすることができる。
【００４０】
以上、ＣＭＯＳ撮像素子を元に、本発明の実施形態について説明したが、ＣＣＤ撮像素子に適用しても同様の効果を得ることができる。また、上述の実施形態では上凸マイクロレンズ、上凸層内レンズの例を示しているが、例えば上凸マイクロレンズ、下凸層内レンズの構成としてもよい。また、マイクロレンズ、層内レンズの形状を円形形状で説明したが、例えばマイクロレンズや層内レンズに八角形形状を適用したり、円形形状の大きさを変えることにより、Ｒ、Ｇ、Ｂトータルでの有効開口率を下げることなく、カラーフィルタの各色毎の実質開口率のバランスを任意に設定することもできる。
【００４１】
以上説明したように、上記の実施形態によれば、マイクロレンズの開口率を実質的に改善するができ、併せて混色の影響を抑制することができる。
【００４２】
また、カラーフィルタの分光特性に合わせて、マイクロレンズと層内レンズトータルの開口率を下げることなく、カラーフィルタの各色毎の開口率を変更することができ、分光感度特性をカラーフィルタの特性とカラーフィルタの色毎の開口率の双方で調整することが可能となり、色再現性などを改善することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態のＣＭＯＳ撮像素子の構成を示す側断面図である。
【図２】図１に示すＣＭＯＳ撮像素子を上から見た図で、マイクロレンズ及び層内レンズの大きさ及び平面配列を示す図である。
【図３】第１の実施形態の開口率を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図５】図４に示すＣＭＯＳ撮像素子を上から見た図で、マイクロレンズ及び層内レンズの大きさ及び平面配列を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図７】図６に示すＣＭＯＳ撮像素子を上から見た図で、マイクロレンズ及び層内レンズの大きさ及び平面配列を示す図である。
【図８】本発明の第４の実施形態を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態の開口率を説明する図である。
【図１０】従来のＣＣＤの概略構造を示す側断面図である。
【図１１】従来のＣＭＯＳ撮像素子の概略構造を示す側断面図である。
【図１２】従来のマイクロレンズの開口率を説明する図である。
【符号の説明】
【００４４】
１，１０５１  Ｓｉ基板
２，１００２，１０５２  受光部
４，１０５４  層間絶縁膜
５，１０５５  配線電極
６，８，１２  平坦化膜
７，１０５７  カラーフィルタ
９，１４，１０５９  マイクロレンズ
１０，１３  層内レンズ
５０，６０，７０，８０，１０５０  ＣＭＯＳ撮像素子
１０００  ＣＣＤ
１０５３  転送電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006202907.tif 000011
【図１０】
2006202907.tif 000012
【図１１】
2006202907.tif 000013
【図１２】
2006202907.tif 000014