(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素に区画され、各画素のそれぞれに光電変換領域が配置された半導体基板と、
上記光電変換領域の光入射面側に設けられ、入射光を上記光電変換領域のそれぞれに集光させる複数のマイクロレンズが配列してなるマイクロレンズ群と、
上記半導体基板と上記マイクロレンズ群との間に配置され、各画素に対応させて赤色光を透過するＲフィルタと、青色光を透過するＢフィルタと、緑色光を透過するＧフィルタとをベイヤー配列で配置したカラーフィルタと、
を備え、
上記マイクロレンズ群は、隣り合うマイクロレンズ間であるレンズ境界部の断面が、上記カラーフィルタ側に凹の凹形状であり、かつ、各マイクロレンズは、レンズ中央部の断面が上記カラーフィルタから離れる方向に凸の凸形状であり、
上記マイクロレンズの全波長の屈折率は１．４以上１．７以下であり、
上記Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタの波長４５０ｎｍの各屈折率をそれぞれＮｒ，Ｎｇ，Ｎｂとし、
上記マイクロレンズの高さをＨ、上記レンズ境界部における画素境界部上方での曲率半径をｒ、画素ピッチをＰとしたとき、下記（１）式を満たすと共に、
上記マイクロレンズ群において、互いに直交する２つの画素配列方向に切断したときの上記レンズ境界部の曲率半径ｒをそれぞれｒ１及びｒ２としたとき、ｒ１とｒ２が異なる値であり、
上記Ｒフィルタと上記Ｇフィルタの境界部の鉛直上における上記レンズ境界部の曲率半径をｒｇｒ、上記Ｂフィルタと上記Ｇフィルタの境界部の鉛直上における上記レンズ境界部の曲率半径をｒｇｂと定義した場合、
上記マイクロレンズ群は、
｜Ｎｇ−Ｎｒ｜＞｜Ｎｇ−Ｎｂ｜である場合、ｒｇｒ＜ｒｇｂを満たし、
｜Ｎｇ−Ｎｒ｜＜｜Ｎｇ−Ｎｂ｜である場合、ｒｇｒ＞ｒｇｂを満たす
ことを特徴とする固体撮像素子。
０．０５＜ｒ／Ｐ＜０．２４  かつ、０．３６＜Ｈ／Ｐ＜０．５  ・・・（１）
【請求項２】
上記半導体基板と上記マイクロレンズ群との間の長さは１３００ｎｍ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。
【請求項３】
上記半導体基板と上記カラーフィルタとの間に配置された第１の平坦化層と、
上記カラーフィルタと上記マイクロレンズ群との間に配置された第２の平坦化層と、
を備え、
上記カラーフィルタの厚みは７００ｎｍ、上記第１の平坦化層の厚みは５００ｎｍ、上記第２の平坦化層の厚みは１００ｎｍである
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
上記Ｒフィルタの波長４５０ｎｍの屈折率Ｎｒは１．７５、上記Ｇフィルタの波長４５０ｎｍの屈折率Ｎｇは１．７４、上記Ｂフィルタの波長４５０ｎｍの屈折率Ｎｂは１．４５である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
上記マイクロレンズの全波長の屈折率は１．６である
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
上記レンズ中央部の形状が楕円体形状の一部からなる
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
上記レンズ中央部の形状が放物面形状の一部からなる
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の固体撮像素子を備えた
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、ビデオカメラ、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話に搭載される撮像装置の高画素化、つまり画素微細化が進められている。しかし、撮像装置に組み込まれるＣＣＤやＣＭＯＳセンサー等の固体撮像素子の画素微細化に伴い、１画素あたりに入射する光量減少による感度低下が問題となっている。
【０００３】
一般的なＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサーには、画素ごとに特定の波長の光を透過するためのカラーフィルタが形成される。最も一般的な構成では、赤色の光を通すＲフィルタ、青色の光を通すＢフィルタ、及び緑色の光を通すＧフィルタの三種類のフィルタが、市松模様状に配置される。固体撮像装置に入射した光は、カラーフィルタによって画素ごとに特定の色に選別されて、受光素子で光を検出する。
【０００４】
カラーフィルタに一対一で対向するように配置される各マイクロレンズは、入射した光を画素の中央部に導き、受光感度の向上に寄与する。マイクロレンズ群は、略球面状の複数のマイクロレンズを画素毎に隙間無く配列することで、センサーの感度を効率的に高めることが出来る（特許文献１参照）。ここで、画素にマイクロレンズの形成されない平坦面が存在する場合、平坦面から入射した光が、カラーフィルタの隣接画素との境界面付近を通過することで、カラーフィルタの屈折率差による回折光が発生し、感度の低下、あるいは混色が発生する場合がある。そのため、マイクロレンズを配置する場合は、画素に隙間無く配置するのが望ましい。
【０００５】
センサーの感度を高めるために、例えばマイクロレンズの曲率半径を小さくすることで集光性を高める方法がある。曲率半径を小さくする場合には、レンズの底面の面積を小さくするか、レンズの底面の面積を変えずにレンズ高さを上げる方法が一般に採用される。しかし、レンズの底面の面積を小さくすると、画素に平坦面が形成されるため、感度の低下や混色が発生しやすい。一方、レンズの高さを上げる場合、焦点位置のずれにより、フォトダイオードへの集光性が悪化し、感度の低下と混色が発生する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３３２２２６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、１画素あたりの感度を向上させることが可能な固体撮像素子および電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための、本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素に区画され、各画素のそれぞれに光電変換領域が配置された半導体基板と、上記光電変換領域の光入射面側に設けられ、入射光を上記光電変換領域のそれぞれに集光させる複数のマイクロレンズが配列してなるマイクロレンズ群と、上記半導体基板と上記マイクロレンズ群との間に配置され、各画素に対応させて赤色光を透過するＲフィルタと、青色光を透過するＢフィルタと、緑色光を透過するＧフィルタとをベイヤー配列で配置したカラーフィルタと、を備え、上記マイクロレンズ群は、隣り合うマイクロレンズ間であるレンズ境界部の断面が、上記カラーフィルタ側に凹の凹形状であり、かつ、各マイクロレンズは、レンズ中央部の断面が上記カラーフィルタから離れる方向に凸の凸形状であり、上記マイクロレンズの全波長の屈折率は１．４以上１．７以下であり、上記Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタの波長４５０ｎｍの各屈折率をそれぞれＮｒ，Ｎｇ，Ｎｂとし、上記マイクロレンズの高さをＨ、上記レンズ境界部における画素境界部上方での曲率半径をｒ、画素ピッチをＰとしたとき、下記（１）式を満たすと共に、上記マイクロレンズ群において、互いに直交する２つの画素配列方向に切断したときの上記レンズ境界部の曲率半径ｒをそれぞれｒ１及びｒ２としたとき、ｒ１とｒ２が異なる値であり、上記Ｒフィルタと上記Ｇフィルタの境界部の鉛直上における上記レンズ境界部の曲率半径をｒｇｒ、上記Ｂフィルタと上記Ｇフィルタの境界部の鉛直上における上記レンズ境界部の曲率半径をｒｇｂと定義した場合、上記マイクロレンズ群は、｜Ｎｇ−Ｎｒ｜＞｜Ｎｇ−Ｎｂ｜である場合、ｒｇｒ＜ｒｇｂを満たし、｜Ｎｇ−Ｎｒ｜＜｜Ｎｇ−Ｎｂ｜である場合、ｒｇｒ＞ｒｇｂを満たすことを特徴とする。
０．０５＜ｒ／Ｐ＜０．２４  かつ、０．３６＜Ｈ／Ｐ＜０．５  ・・・（１）
【発明の効果】
【０００９】
本発明の態様によれば、マイクロレンズ群のレンズ形状を工夫することで、１画素あたりの感度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るカラーフィルタを備えた固体撮像素子の一例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、（ａ）をＶ１若しくはＶ２で切断した模式的断面を例示する図である。
【図２】マイクロレンズの３次元的な図の一例である。
【図３】マイクロレンズの光学的作用を説明する図である。
【図４】マイクロレンズの光学的作用を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
＜構成＞
本実施形態の固体撮像素子１０は、図１に示すように、半導体基板１の上に、第１の平坦化層３ａ、カラーフィルタ４、第２の平坦化層３ｂ、マイクロレンズ群５がこの順番で積層されて構成される。図１では、各画素の境界部位置には、遮光膜２が立設されている。
半導体基板１の光入射側の面は、複数の画素に区画され、各画素のそれぞれに光電変換領域１ａが配置されている。光電変換領域１ａには例えば光電素子が配置される。本実施形態では、図１（ａ）のように、各画素が矩形の場合であって、直交する２方向に沿って画素が配列する場合を例示している。画素の２次元の配列方向は、互いに直交していなくても良い。
【００１３】
マイクロレンズ群５は、光電変換領域１ａの光入射面側に設けられ、入射光を光電変換領域１ａのそれぞれに集光させる複数のマイクロレンズ５Ａが配列することで構成される。即ち、画素単位に、各マイクロレンズ５Ａは、画素の直上に配置される。
カラーフィルタ４は、半導体基板１とマイクロレンズ群５との間に配置され、複数の上記光電変換領域１ａの各々に対応させて複数色を予め設定した規則パターンで配置される。本実施形態のカラーフィルタ４は、赤色光を透過するＲフィルタと、青色光を透過するＢフィルタと、緑色光を透過するＧフィルタとが予め設定した規則パターンで配置されて構成される。
【００１４】
すなわち、本実施形態の固体撮像素子１０のカラーフィルタ４は、図１に示すように、光電変換領域１ａの光入射面側（図１（ｂ）、（ｃ）では、上面）に設けられ、赤色光を透過するＲフィルタ（図１（ａ）で「Ｒ」と記載）、青色光を透過するＢフィルタ（図１（ａ）で「Ｂ」と記載）、緑色光を透過するＧフィルタ（図１（ａ）で「Ｇ」と記載）とをそれぞれ有するカラーフィルタ４と、カラーフィルタ４の光入射面側に設けられ、カラーフィルタの表面を平坦化する第２の平坦化層３ｂと、第２の平坦化層３ｂを介してカラーフィルタ４の光入射面側に設けられ、Ｒフィルタ、Ｂフィルタ及びＧフィルタと一対一で向かい合う複数のマイクロレンズ５Ａを有するマイクロレンズ群５と、を備える。
【００１５】
また、マイクロレンズ群５は、隣り合うマイクロレンズ５Ａ間であるレンズ境界部５ａの断面が、カラーフィルタ４側に凹に湾曲した谷状の凹形状であり、かつ、各マイクロレンズ５Ａは、レンズ中央部の断面がカラーフィルタ４から離れる方向に凸の凸形状である。マイクロレンズ５Ａの高さをＨ、レンズ境界部５ａにおける画素境界部上方での曲率半径をｒ、画素ピッチをＰとしたとき、マイクロレンズ群５は、０．０５＜ｒ／Ｐ＜０．２４  かつ、０．３６＜Ｈ／Ｐ＜０．５を満たすように形成される。
【００１６】
すなわち、マイクロレンズ群５は、画素境界部の直上に位置するレンズ境界部５ａの断面が、谷を形成するように滑らかに湾曲した形状をなす。ここで、図１（ａ）に示すＶ１、Ｖ２は互いに直交する画素配列方向を表す。マイクロレンズ群５を断面Ｖ１、Ｖ２で切断したとき、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、画素境界部の直上におけるレンズ境界部５ａの谷を円でフィッティングした場合、その円をＣ１、Ｃ２とする。それぞれの円Ｃ１、Ｃ２の曲率半径ｒを、ｒ１、ｒ２とする。ｒ１とｒ２は等しくても良いし、異なっていても良い。
ここで、円Ｃ１、Ｃ２と接触するマイクロレンズ群５の位置がレンズ境界部５ａである。
【００１７】
また、ｒ１とｒ２が異なっている場合には、断面Ｖ１方向と断面Ｖ２方向でマイクロレンズ５Ａのレンズ中央部の曲率半径の違いにより、Ｖ１方向とＶ２方向でマイクロレンズ５Ａの集光特性が異なる。そのため、例えばフォトダイオードがＶ１方向とＶ２方向で寸法が異なる非対称形状の場合に、フォトダイオードの形状に合わせて光を集光させることが出来、感度を効率的に高められるという効果を奏する。
各マイクロレンズ５Ａの立体的な形状の例を図２に示す。図２（ａ）は本発明に基づくマイクロレンズ５Ａの形状を、（ｂ）は、レンズ境界部５ａの谷を形成する部分を丸めない従来のマイクロレンズ５Ａの形状の一例を表す。
画素ピッチをＰ、マイクロレンズ５Ａの高さをＨと定義する。このとき、マイクロレンズ群５の各マイクロレンズ５Ａの集光性を高めるには、０．０５＜ｒｉ／Ｐ＜０．２４  （ｉ＝１，２）かつ、０．３６＜Ｈ／Ｐ＜０．５を満たす範囲に設定するのが望ましい。
【００１８】
次に、図３を参照して、０．０５＜ｒｉ／Ｐ＜０．２４  （ｉ＝１，２）の範囲に曲率半径ｒｉを設定する理由を述べる。
図３（ａ）は、ｒｉ／Ｐが０．２４よりも大きい場合、図３（ｂ）は、ｒｉ／Ｐが０．０５よりも小さい場合、図３（ｃ）は、０．０５＜ｒｉ／Ｐ＜０．２４を満たす場合の、各入射光の振る舞いを模式的に示したものである。
図３（ａ）では、レンズ境界部５ａ付近のマイクロレンズ５Ａが平坦に近いため、平坦面を直進した光がカラーフィルタの境界部付近へ侵入する。カラーフィルタは、各色で異なる屈折率材料で形成されるため、カラーフィルタ境界部での屈折率差により光が回折して、一部の光は隣接画素へ散乱される。そのため、センサーの混色や感度低下を引き起こす。また、図３（ｂ）では、レンズ境界部５ａ付近のマイクロレンズ５Ａは傾斜しているため、マイクロレンズ５Ａで光が屈折され、画素中央部に光が集められる。この場合、カラーフィルタの境界部付近へ侵入する光が少ないため、回折光による混色や感度低下は発生しにくい。しかしこの場合、マイクロレンズ５Ａの頂部（中央部）の曲率半径が、図３（ａ）と比べて大きいため、光電変換領域１ａ内部に光を集める能力が劣る。一方、図３（ｃ）では、レンズ境界部５ａ付近のマイクロレンズ５Ａは傾斜しているため、マイクロレンズ５Ａで光が屈折され、画素中央部に光が集められる。また、カラーフィルタの境界部付近へ侵入する光が少ないため、回折光による混色や感度低下は発生しにくい。さらに、図３（ｃ）は、図３（ｂ）と比べるとマイクロレンズ５Ａの頂部（中央部）の曲率半径が小さいため、光電変換領域１ａの内部に光を集める能力が図３（ｃ）と比べて改善される。このように、レンズ境界部５ａの曲率半径ｒｉを０．０５＜ｒｉ／Ｐ＜０．２４を満たす範囲に設定することで、マイクロレンズ５Ａの集光性を犠牲にせず、混色や感度低下を抑えることが出来る。なお、詳細は実施例に記述する。
【００１９】
次に、０．３６＜Ｈ／Ｐ＜０．５を満たす範囲にレンズ高さＨを設定することが望ましい理由を、図４を用いて述べる。
図４（ａ）はＨ／Ｐが０．５よりも大きい場合、図４（ｂ）はＨ／Ｐが０．３６よりも小さい場合、図４（ｃ）は０．３６＜Ｈ／Ｐ＜０．５を満たす場合の、各入射光の振る舞いを模式的に示したものである。
図４（ａ）の場合、レンズ頂部の曲率半径が図４（ｂ）や図４（ｃ）と比べて小さいため、図４（ｂ）や図４（ｃ）と比べるとマイクロレンズ５Ａの集光性が高い。しかし、マイクロレンズ５Ａの高さが上昇するに従い、マイクロレンズ５Ａの焦点位置が光入射側にシフトするため、光電変換領域１ａに広がった光が入射し、隣接画素への光入射による混色や感度低下が発生する。また図４（ｂ）の場合、レンズ頂部（レンズ中央部）の曲率半径が図４（ａ）や図４（ｃ）と比べて大きいため、図４（ａ）や図４（ｃ）と比べるとマイクロレンズ５Ａの集光性が低くなる。そのため、光電変換領域１ａに集光できない光が発生し、感度低下を引き起こす。レンズ高さＨを図４（ｃ）のような範囲に設定することで、光電変換領域１ａに光を効果的に集めることができる。
【００２０】
固体撮像素子１０に入射した光は、マイクロレンズ群５の各マイクロレンズ５Ａで屈折し、さらに、カラーフィルタ４を透過して、画素ごとの色に応じた光が光電変換領域１ａに集光する。光電変換領域１ａは、画素ごとに分離されており、光電変換領域１ａに光が照射されることで発生した電荷が電子回路に流れ、信号として読み出される。
【００２１】
基板１および光電変換領域１ａは例えばシリコンで構成される。画素間の混色を防ぐため、必要に応じて遮光膜２をアルミニウム、銀、クロム、タングステンなどの金属で形成する。第１の平坦化層３ａは、基板１上に形成されており、光電変換領域１ａと遮光膜２とを覆っている。第１の平坦化層３ａの表面は、基板１の表面に平行な平坦面である。この第１の平坦化層３ａ及び第２の平坦化層３ｂは、酸化シリコンや窒化シリコン等で形成する。
【００２２】
カラーフィルタ４は、第１の平坦化層３ａ上に形成されている。カラーフィルタ４は、例えば、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｒ（赤）の色に対応する波長を選択的に透過する顔料や染料を含んだ有機材料により構成される。マイクロレンズ群５の各マイクロレンズ５Ａは、例えば屈折率が１．４以上１．７以下程度の透明樹脂により構成される。
【００２３】
カラーフィルタ４の代表的な配列方式は、図１（ａ）に示したような緑市松（べイヤー（Ｂａｙｅｒ）配列）である。色再現性が高く、デジタルカメラを中心に多く採用されている配列方式である。
【００２４】
Ｒ、Ｇ、Ｂの各フィルタの波長４５０ｎｍの屈折率をそれぞれ、Ｎｒ、Ｎｇ、Ｎｂとし、Ｒ画素とＧ画素の境界部におけるレンズ境界部５ａの曲率半径ｒをｒｇｒ、Ｂ画素とＧ画素の境界部におけるレンズ境界部５ａの曲率半径ｒをｒｇｂとすると、
｜Ｎｇ−Ｎｒ｜＞｜Ｎｇ−Ｎｂ｜である場合には、ｒｇｒ＜ｒｇｂを満たし、
｜Ｎｇ−Ｎｒ｜＜｜Ｎｇ−Ｎｂ｜である場合には、ｒｇｒ＞ｒｇｂを満たすように、マイクロレンズ群５の各マイクロレンズ５Ａを形成することが好ましい。
このように、カラーフィルタ４の屈折率差に応じて、マイクロレンズ群５のレンズ境界部５ａでの曲率半径ｒｉを境界面で異なる値としても良い。カラーフィルタ４の屈折率差が大きい境界面で回折光が発生しやすくなるため、マイクロレンズ群５の谷部を形成するレンズ境界部５ａでの曲率半径ｒｉは、カラーフィルタの屈折率差の大きな画素境界部で小さくするように設計するのが好ましい。
【００２５】
ここで、波長４５０ｎｍの屈折率で規定している理由は、ＢＬＵＥ画素からＧＲＥＥＮ画素方向への混色を抑制するためである。フォトダイオードの一般的な特性として、シリコンフォトダイオードの最表面における電子とホールの再結合等により短波長の光は感度が低下しやすい。そのため、混色によりＢＬＵＥ画素からＧＲＥＥＮ画素方向へ光が流れると、もともと低くなる傾向のあるＢＬＵＥ画素の感度をさらに低下させることになり好ましくないためである。
上記マイクロレンズ５Ａは、例えば、画素中央部の直上に位置するレンズ中央部の形状が球面や楕円体若しくはそれに近似する曲面の一部とする。このような形状とすることで、他の形状と比べてマイクロレンズ５Ａの焦点の収差を低減し、効率的に光電変換領域１ａに光を集光することが出来る。あるいは、放物面形状若しくはそれに近似する曲面の一部としても良い。放物面形状の一部とする場合、球面や楕円体の一部と比べてマイクロレンズ５Ａの頂部の曲率半径が小さくなるため、マイクロレンズ５Ａの高さが低い場合に効率的に光を光電変換領域１ａに光を集光することが出来る。
【００２６】
固体撮像素子１０に入射した光Ｌは、マイクロレンズ５Ａにより集光され、カラーフィルタ４に入射する。カラーフィルタ４では、画素に応じて必要な波長の光が透過し、不要な波長の光は吸収される。
カラーフィルタ４を透過した光は、第１の平坦化層３ａを透過し、光電変換領域１ａに集光される。光電変換領域１ａに光が照射されると、光強度に比例して電荷が発生し、発生した電荷は電子回路に転送されて信号が読み出される。
【００２７】
＜製造方法＞
マイクロレンズ群５の作製方法の一例は、以下の通りである。
上記説明してきたマイクロレンズ群５は、光リソグラフィを利用することで作製できる。光リソグラフィを利用する方法として、熱フローを利用する方法と、グレースケールマスクを利用する方法が知られている。前者の方法では、マイクロレンズ群５に対応するパターンが形成されたフォトマスクを用いて基材上に塗布された感光性レジストを露光し、現像することで立体形状の矩形パターンを作製する。その後、熱フローによりレジストを曲面形状に変形させることで、マイクロレンズ群５を形成する。さらに、必要に応じ、レジストを基材とともにエッチングすることで、基材にマイクロレンズ群５のパターンを転写する。
後者の方法では、光透過率が段階的に変化するマスクを使用してレジストを露光、現像し、立体的なレジストパターンを得る。さらに、必要に応じ、レジストパターンを基材に転写することで、基材のマイクロレンズパターンを作製する。本発明におけるマイクロレンズ群５の各マイクロレンズ５Ａは、形状が複雑であるため、後者の方法を用いるのが理想的である。
【００２８】
＜実施形態の効果＞
本発明の実施形態に係るマイクロレンズ群５は、レンズ間のレンズ境界部５ａの断面が凹形状であり、かつ、レンズ中央部の断面が凸形状である。また、各マイクロレンズ５Ａの高さをＨ、マイクロレンズ群５のレンズ境界部５ａの曲率半径をｒｉ、画素ピッチをＰとしたとき、０．０５＜ｒｉ／Ｐ＜０．２（ｉ＝１、２）  かつ、０．３６＜Ｈ／Ｐ＜０．５とする。
この構成によれば、マイクロレンズ５Ａの集光性を高めつつ、カラーフィルタ４の屈折率差による散乱を抑えることが出来る。この結果、センサーの感度を従来のマイクロレンズ５Ａを使用した場合と比べて高めることが出来る。
【００２９】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、固体撮像素子の１画素あたりの感度を向上させることが可能である。この固体撮像素子を例えばデジタルカメラやビデオカメラ、カメラ付き携帯電話等に代表される電子機器に適用することで、これらの電子機器の感度と画質の均一性を高めることができる。
【実施例１】
【００３０】
次に、本発明の実施例と比較例とについて説明する。
マイクロレンズ群５の各マイクロレンズ５Ａは、放物面形状をベースに、レンズ間のレンズ境界部５ａの谷部分に所定の曲率半径ｒで凹形状の丸みが形成されるように、マイクロレンズ群の各マイクロレンズ５Ａの形状を設計した。カラーフィルタ４はベイヤー配列とした。感度シミュレーションは、波長オーダーの構造の光学解析で一般的に用いられる時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を用いて実施した。
計算条件は次の通りである。
【００３１】
〔計算条件〕
・画素ピッチ：１２００ｎｍ（１．２μｍ）
・マイクロレンズ５Ａの高さ：３５０ｎｍ〜６００ｎｍ（５０ｎｍ刻み）
・マイクロレンズ５Ａの屈折率：１．６（全波長）
・カラーフィルタ４：７００ｎｍ厚、ＲＧＢ３色のベイヤー配列
・Ｒフィルタの屈折率：１．７５（波長４５０ｎｍ）
・Ｇフィルタの屈折率：１．７４（波長４５０ｎｍ）
・Ｂフィルタの屈折率：１．４５（波長４５０ｎｍ）
・遮光膜２：なし
・第１の平坦化層３ａの厚み：５００ｎｍ
・第２の平坦化層３ｂの厚み：１００ｎｍ
・入射波長：４００ｎｍ〜７００ｎｍ（１０ｎｍ刻み）
・入射角：０°、１５°
・偏光：ＴＥ波、ＴＭ波
・受光面：平坦化層３と光電変換領域１ａとの界面に設定（受光面は画素面積の８０％に設定）
【００３２】
マイクロレンズ群５のレンズ境界部５ａの曲率半径ｒｉ（ｉ＝１，２）を以下のように設定した（ｒｉの値はマイクロレンズ５Ａの高さに関わらず、ｒ１＝ｒ２とした）。
（実施例１）８８ｎｍ（ｒｉ／Ｐ＝０．０７）
（実施例２）１３５ｎｍ（ｒｉ／Ｐ＝０．１１）
（実施例３）１８５ｎｍ（ｒｉ／Ｐ＝０．１５）
（比較例１）６０ｎｍ（ｒｉ／Ｐ＝０．０５）
（比較例２）２４０ｎｍ（ｒｉ／Ｐ＝０．２０）
（比較例３）２９３ｎｍ（ｒｉ／Ｐ＝０．２４）
（比較例４）３７７ｎｍ（ｒｉ／Ｐ＝０．３１）
【００３３】
以上の実施例・比較例の条件において、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の感度シミュレーションを実施した。
ここで、Ｒ画素の感度は波長６００ｎｍ〜７００ｎｍの平均値、Ｇ画素の感度は波長５１０ｎｍ〜５７０ｎｍの平均値、Ｂ画素の感度は波長４２０ｎｍ〜４７０ｎｍの平均値で計算を行った。シミュレーションでは、入射光量に対する光電変換領域１ａへ入射した光量のＴＥ波とＴＭ波の平均を計算し、図２（ｂ）に示すリファレンス（放物面形状・高さ４５０ｎｍ）の光量との比を計算した。
結果を表１、表２に示す。
表１は、（ａ）ＧＲＥＥＮ画素、（ｂ）ＢＬＵＥ画素、（ｃ）ＲＥＤ画素の、垂直入射における感度の値である。表２は、（ａ）ＧＲＥＥＮ画素、（ｂ）ＢＬＵＥ画素、（ｃ）ＲＥＤ画素の、斜め１５°入射における感度の値である。
【００３４】
【表１】
0006801230.tif 000002
【００３５】
【表２】
0006801230.tif 000003
【００３６】
表１、表２における、灰色で塗り撫したセルは、感度がリファレンスに対して１％以上低下した条件を表す。マイクロレンズ５Ａの高さが４００ｎｍ以下の場合、或いはｒｉ／Ｐが０．２４以上の場合、ＢＬＵＥ画素の感度がリファレンスと比べて大きく低下する結果となった。一方、マイクロレンズ５Ａの高さが５５０ｎｍ以上の場合、斜め１５°の条件においてＲＥＤ画素の感度が大きく低下する結果となった。ｒｉ／Ｐが０．０５以下の場合、マイクロレンズ５Ａの高さを変えてもリファレンスとの感度差が±１％未満と微小であり、シミュレーションの誤差以上の有意な感度上昇が得られなかった。リファレンスとの有意な感度差１％以上を得るためには、ｒｉ／Ｐは０．０５よりも大きく、０．２４未満であることが望ましい。さらに、Ｈ／Ｐは０．３６よりも大きく、０．５未満であることが望ましい。
【００３７】
ｒｉ／Ｐが０．２４以上でＢＬＵＥ画素の感度低下が大きくなるのは、ＢＬＵＥフィルタの屈折率が、ＧＲＥＥＮフィルタの屈折率と比べて大きな差があるため、ＢＬＵＥ画素方向からＧＲＥＥＮ画素方向へ回折光が発生し、ＢＬＵＥ画素の光電変換領域１ａに入射する光量が減少するためである。一方、ＲＥＤフィルタとＧＲＥＥＮフィルタの屈折率は差が小さいため、回折光が発生せず、ＢＬＵＥ画素に見られるような感度低下は発生しない。従って、ＧＲＥＥＮ画素とＲＥＤ画素の境界部におけるレンズ境界部５ａの谷部曲率半径ｒｇｒは、ＧＲＥＥＮ画素とＢＬＵＥ画素の境界部における谷部曲率半径ｒｇｂと比べて小さくなるように設定しても、問題はない。
【符号の説明】
【００３８】
１  基板
１ａ  光電変換領域
２  遮光膜
３ａ  第１の平坦化層
３ｂ  第２の平坦化層
４  カラーフィルタ
５  マイクロレンズ群
５Ａ  マイクロレンズ
５ａ  レンズ境界部
１０  固体撮像素子
【図１】
0006801230.tif 000004
【図２】
0006801230.tif 000005
【図３】
0006801230.tif 000006
【図４】
0006801230.tif 000007