(57)【要約】  【課題】  マイクロレンズを備えることで射出瞳距離の短い光学系に対応可能であって、感度低下およびシューティングなどの感度ムラの発生を抑えながら、優れたスミア特性を有する固体撮像装置およびこれを備えるカメラを提供する。      【解決手段】  固体撮像装置１では、撮像領域の中心部１Ｃにおける受光部１３の中心軸ＣＣを基準とし、読み出しおよび非読み出しの両方向における外縁部１Ｌ、１Ｒの画素の受光部１３の中心軸ＣＬ、ＣＲまでの距離をｒとし、読み出し方向外縁部１Ｌの画素におけるトップレンズ２５Ｌの光軸Ｘ２Ｌまでの距離をａとし、非読み出し方向外縁部１Ｒの画素におけるトップレンズ２５Ｒの光軸Ｘ２Ｒまでの距離をｂとするとき、（ｒ−ａ）＜（ｒ−ｂ）の関係が成り立つように、瞳補正がなされている。  【選択図】  図２
2007012916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一の半導体基板を共通のベースとし、複数の撮像画素が線状または２次元状に配置されてなる撮像領域を備え、
各撮像画素が、前記半導体基板内に形成された受光部と、当該受光部に対して間隔をあけた状態で形成され、前記受光部で生じた信号電荷を読み出して一方向に転送する転送部と、前記半導体基板上の前記受光部に対応する部分に受光開口部が設けられた遮光膜と、前記半導体基板の上方に形成されたマイクロレンズとを備える固体撮像装置であって、
前記撮像領域において、前記信号電荷の転送方向は、前記複数の撮像画素で同一であって、当該方向を読み出し方向とし、その逆を非読み出し方向とするとき、
前記撮像領域の中心から前記受光開口部の中心までの距離が同一の関係にある前記読み出し方向の外縁部と前記非読み出し方向の外縁部との各撮像画素において、
前記受光開口部の中心と前記マイクロレンズの光軸とのオフセット距離が、前記読み出し方向の外縁部における撮像画素の方が前記非読み出し方向の外縁部における撮像画素よりも小さく設定されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記各撮像画素におけるマイクロレンズは、前記受光開口部から光の入射方向に向けて順に配された第１マイクロレンズ要素と第２マイクロレンズ要素とで構成されており、
前記各撮像画素における前記受光開口部の中心と第１マイクロレンズ要素および第２マイクロレンズ要素の各光軸とのオフセット距離は、ともに前記読み出し方向の外縁部における撮像画素の方が前記非読み出し方向の外縁部における撮像画素よりも小さく設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記各撮像画素における転送部は、前記受光部に対して前記読み出し方向に間隔をあけて形成された読み出し側転送要素と、前記受光部に対して前記非読み出し方向に間隔をあけて形成された非読み出し側転送要素とで構成されており、
前記各撮像画素において、前記受光部と前記読み出し側転送要素との間の間隔は、前記受光部と前記非読み出し側転送要素との間の間隔よりも大きく設定されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れかの固体撮像装置を撮像デバイスとして備え、主光線角度の最大絶対値が１０度以上である
ことを特徴とするカメラ。
【請求項５】
その使用用途が監視用、車載用および携帯用の何れかである
ことを特徴とする請求項４に記載のカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置およびこれを用いたカメラに関し、特に固体撮像装置における受光部開口に対するマイクロレンズの位置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、携帯機器やカメラなどの画像入力装置として広く普及している。固体撮像装置は、カムコーダの小型化や内視鏡への応用などに伴い、射出瞳距離の短い光学系への対応が要求されている。
上記射出瞳距離の短い光学系に対応すべく提案されている固体撮像装置の構造について、図４を用いて説明する。図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、固体撮像装置５００は、半導体基板５１１の一方の主面に、層間絶縁膜５１４が形成され、その上に互いに間隔をあけて対をなす転送電極５１５が形成されている。転送電極５１５の上には、遮光膜５１６およびパッシベーション膜５１７が被覆形成され、さらにその上に、平坦化膜５１９、カラーフィルタ５２０およびレンズ形成膜５２１が順に積層されている。
【０００３】
半導体基板５１１の主面から内方に向けては、対をなす転送チャネル５１２とこれらに挟まれるようにフォトダイオード５１３が形成されている。また、フォトダイオード５１３の上方においては、遮光膜５１６が開口されて、受光開口部５１８が形成されている。
また、レンズ形成膜５２１の表面における受光開口部５１８の上方に当たる部分は、凸状に成形されてマイクロレンズ５２２が形成されている。
【０００４】
図４（ａ）に示すように、射出瞳距離の短い光学系に対応の場合には、固体撮像装置５００の中心部５００ｃと外縁部５００ａとで入射光Ｌの入射角度に差異を生じる。図４（ｂ）に示すように、中心部５００ｃでは、略垂直方向に入射光Ｌが入射するために、入射光Ｌの全体が受光開口部５１８を通過してフォトダイオード５１３に入射されるのに対して、図４（ｃ）に示すように、外縁部５００ａでは、入射光Ｌの一部が受光開口部５１８を囲む遮光膜５１６やパッシベーション膜５１７で遮られてしまう、所謂、ケラレという現象が発生する。このため、図４に示す構成の固体撮像装置５００では、感度低下やシューティングなどの感度ムラなどの問題が発生する。
【０００５】
上記射出瞳距離の短い光学系に対応する場合におけるケラレの問題に対しては、例えば、外縁部においてマイクロレンズの光軸を受光開口部の中心軸に対してオフセットする、所謂、瞳補正を行うという提案がなされている（例えば、特許文献１）。図５に示すように、特許文献１では、固体撮像装置の外縁部において、受光開口部６１８の中心軸Ｃに対してマクロレンズ６２２の光軸Ｘを距離ｔだけオフセットすることで瞳補正をかけるという技術が開示されている。上記距離ｔは、固体撮像装置の中心部から外縁部に向かうに従って大きくなるように設定される。当該文献では、このようにマイクロレンズ６２２に瞳補正をかけることで、感度低下やシューティングなどの感度ムラの発生を抑制しようとしている。  
【特許文献１】特開平１０−２２９１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１で提案の固体撮像装置では、外縁部の一部において、マイクロレンズ６２２により屈折しフォトダイオード６１３に到達しない光が転送チャネル６１２へと入射してしまい、特にスミア特性が大きく劣化してしまうという問題を生じる。即ち、固体撮像装置では、各画素における転送チャネル６１２には読み出し側と非読み出し側とが設定され、非読み出し側の転送チャネル６１２とフォトダイオード６１３との間隔は、読み出し側の転送チャネル６１２とフォトダイオード６１３との間隔よりも小さく設定されている。そして、固体撮像装置では、配されている全画素において、同一の方向性を以って、上記フォトダイオード６１３に対する各転送チャネル６１２の間隔が設定されている。
【０００７】
このような読み出し側と非読み出し側とにおける各画素での上記間隔の差異を考慮するとき、固体撮像装置の撮像領域の中心からの距離のみに応じてマイクロレンズ６２２のオフセット距離ｔが設定されている上記特許文献１の技術では、装置の非読み出し側における外縁部の画素において、マイクロレンズ６２２で屈折しフォトダイオード６１３に到達しない光が転送チャネル６１２に入射してしまうため、上記スミア特性の大きな劣化を生じるものである。これによって、固体撮像装置における非読み出し側の外縁部では、上述のように、スミア特性が大きく劣化するに至るものである。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決しようとなされたものであって、マイクロレンズを備えることで射出瞳距離の短い光学系に対応可能であって、感度低下およびシューティングなどの感度ムラの発生を抑えながら、優れたスミア特性を有する固体撮像装置およびこれを備えるカメラ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】
【０００９】
上記問題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、一の半導体基板を共通のベースとし、複数の撮像画素が線状または２次元状に配置されてなる撮像領域を備え、各撮像画素が、半導体基板内に形成された受光部と、当該受光部に対して間隔をあけた状態で形成され、受光部で生じた信号電荷を読み出して一方向に転送する転送部と、半導体基板上の受光部に対応する部分に受光開口部が設けられた遮光膜と、半導体基板の上方に形成されたマイクロレンズとを備える構成を有するものであって、撮像領域において、信号電荷の転送方向が複数の撮像画素で同一であって、当該方向を読み出し方向とし、その逆を非読み出し方向とするとき、撮像領域の中心から受光開口部の中心までの距離が同一の関係にある読み出し方向の外縁部と非読み出し方向の外縁部との各撮像画素において、受光開口部の中心とマイクロレンズの光軸とのオフセット距離が、読み出し方向の外縁部における撮像画素の方が非読み出し方向の外縁部における撮像画素よりも小さく設定されていることを特徴とする。
【００１０】
即ち、本発明に係る固体撮像装置において、撮像領域の中心を基準とし、読み出しおよび非読み出しの両方向における外縁部の撮像画素の受光開口部の中心までの距離をｒとし、読み出し方向外縁部の上記撮像画素におけるマイクロレンズの光軸までの距離をａとし、非読み出し方向外縁部の上記撮像画素におけるマイクロレンズの光軸までの距離をｂとするとき、次の関係が成立することを特徴とする。
【００１１】
［数１］
（ｒ−ａ）＜（ｒ−ｂ）
なお、上記数式１の関係については、固体撮像装置における全撮像画素に対して適用してもよいし、経験的に必要と考えられる撮像領域の一部にあたる外縁部にだけ適用することもできる。
【００１２】
また、本発明に係るカメラは、上記本発明に係る固体撮像装置を撮像デバイスとして備え、主光線角度の最大絶対値が１０°以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置では、（数１）に示す関係を以って、マイクロレンズの瞳補正をかけているので、上記特許文献１の固体撮像装置のように非読み出し方向外縁部の撮像画素において、マイクロレンズにより屈折し受光部に到達しない光が転送部に入射することが抑制される。即ち、本発明に係る固体撮像装置では、受光部中心までの距離が撮像領域中心から同一距離にある読み出し方向外縁部の撮像画素と非読み出し方向外縁部の撮像画素の各々において、読み出し方向外縁部の撮像画素における受光開口部の中心とマイクロレンズの光軸との間のオフセット距離を、非読み出し方向外縁部の撮像画素よりも小さく設定していることから、上記受光部に到達しない光が転送部に入射するのを抑制することができる。よって、本発明に係る固体撮像装置では、想定よりも大きな角度を以って光が入射した際や、射出瞳距離の短いレンズで大きな角度を以って光が入射した際にも、スミア特性の劣化を抑制することができる。
【００１４】
従って、本発明に係る固体撮像装置では、マイクロレンズを備えることで射出瞳距離の短い光学系に対応可能であって、感度低下およびシューティングなどの感度ムラの発生を抑えながら、優れたスミア特性を有する。
本発明に係る固体撮像装置では、各撮像画素におけるマイクロレンズが、受光開口部から光の入射方向に向けて順に配された第１マイクロレンズ要素と第２マイクロレンズ要素とで構成されている場合においても、各撮像画素における受光開口部の中心と第１マイクロレンズ要素の光軸および第２マイクロレンズ要素の光軸との各オフセット距離が、ともに読み出し方向の外縁部における撮像画素の方が非読み出し方向の外縁部における撮像画素よりも小さく設定されている特徴を有することで上記優位性を有する。
【００１５】
また、本発明に係る固体撮像装置では、各撮像画素における転送部が、受光部に対して読み出し方向に間隔をあけて形成された読み出し側転送要素と、受光部に対して非読み出し方向に間隔をあけて形成された非読み出し側転送要素とで構成されている場合、各撮像画素において、受光部と読み出し側転送要素との間の間隔は、受光部と非読み出し側転送要素との間の間隔よりも大きく設定されているという構成とすることもできる。
【００１６】
本発明に係るカメラは、上記本発明に係る固体撮像装置を撮像デバイスとして備えているので、上記優位性をそのまま有することになり、さらにカメラの小型化を実現する上で優位である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下では、本発明を実施するための最良の形態について、一例を以って説明する。なお、以下で説明する実施の形態はあくまでも一例であって、本発明は、以下の形態だけに限定されるものではない。
１．固体撮像装置１の構成
本実施の形態に係る固体撮像装置１は、その使用用途が携帯電話機用カメラに用いられるものである。固体撮像装置１の構造について、図１を用いて説明する。図１は、（ａ）がその撮像領域を側面から示した模式図であり、（ｂ）が撮像領域の中心部１Ｃを示す部分断面図であり、（ｃ）が撮像領域の読み出し側外縁部１Ｌを示す部分断面図であり、（ｄ）が撮像領域の非読み出し側外縁部１Ｒを示す部分断面図である。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、本実施の形態においては、射出瞳距離を表す数値として主光線角度αを採用する。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置１における主光線角度αの絶対値は、０〜２５°である。
図１（ａ）では、固体撮像装置１を、一の半導体基板１１を共通のベースとして複数の撮像画素が形成されており、便宜的に、撮像領域の中心部１Ｃと読み出し側外縁部（図１（ａ）の左側）１Ｌと非読み出し側外縁部（図１（ａ）の右側）１Ｒとに区分している。
【００１９】
図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように、固体撮像装置１の撮像領域は、中央部１Ｃ、読み出し方向側外縁部１Ｌ、非読み出し方向側外縁部１Ｒで共通の積層構造を有している。具体的には、固体撮像装置１は、半導体基板１１における一方の主表面から内方に向けて受光部であるフォトダイオード１３が各画素ごとに設けられている。
また、半導体基板１１における同表面から内方にかけての領域には、フォトダイオード１３を間に挟み、且つ、それぞれが間隔をあけて転送チャネル１２ａ、１２ｂが形成されている。図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように、図の左側に位置する転送チャネル１２ａが読み出し転送チャネルであって、固体撮像装置１の一方向に向けて信号電荷の転送を実行する。図１（ｂ）〜（ｄ）の各々において、フォトダイオード１３の右側に位置する転送チャネル１２ｂは、非読み出し転送チャネルである。
【００２０】
ここで、受光部であるフォトダイオード１３は、光電変換により信号電荷の発生と蓄積を担い、転送部ある転送チャネル１２ａ、１２ｂは、フォトダイオード１３で発生の信号電荷を読み出し、この信号電荷を一方向（読み出し方向）に転送する。
固体撮像装置１においては、撮像領域の全画素において、フォトダイオード１３と読み出し転送チャネル１２ａとが間隔ＬＰ１をあけ、フォトダイオード１３と非読み出し転送チャネル１２ｂとが間隔ＬＰ２をあけて設定されている。間隔ＬＰ１と間隔ＬＰ２との間には、次の関係がある。
【００２１】
［数２］
ＬＰ１＞ＬＰ２
フォトダイオード１３に対する読み出し転送チャネル１２ａと非読み出し転送チャネル１２ｂとの配置方向は、固体撮像装置１の撮像領域に存在する全画素で同一となっている。
【００２２】
半導体基板１１の主表面上には、その全面を覆う状態に層間絶縁膜１４が形成され、さらにその上であって、転送チャネル１２ａ、１２ｂの上方に転送電極１５が各々形成されている。転送チャネル１５の周りを囲むように遮光膜１６およびパッシベーション膜１７が積層形成されており、その上に平坦化膜１９が形成されている。
遮光膜１６は、各画素におけるフォトダイオード１３の上方で開口されている（この開口された部分を、以下では「受光開口部１８」と記載する）。
【００２３】
平坦化膜１９の上には、層内レンズ形成膜２０、平坦化膜２２、カラーフィルタ２３、トップレンズ形成膜２４が順に積層されている。層内レンズ形成膜２０およびトップレンズ形成膜２４の各々は、各画素においてＺ軸方向（図１（ａ）における光Ｌの入射側）にレンズ状に突設された部分を有し、これによって層内レンズ２１Ｃ、２１Ｌ、２１Ｒおよびトップレンズ２５Ｃ、２５Ｌ、２５Ｒを構成している。
【００２４】
以上のような半導体基板１１上における積層構造については、固体撮像装置１の撮像領域における全画素で共通であるが、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、受光開口部１８に対する層内レンズ２１Ｃ、２１Ｌ、２１Ｒおよびトップレンズ２５Ｃ、２５Ｌ、２５Ｒの瞳補正のかけ方に特徴を有する。
図１（ｂ）に示すように、撮像領域の中心部１Ｃにおける画素では、受光開口部１８の中心軸ＣＣに対して、層内レンズ２１Ｃおよびトップレンズ２５Ｃの各光軸が合致されている。それに対して、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、撮像領域の外縁部１Ｌ、１Ｒでは、受光開口部１８の中心軸ＣＬ、ＣＲに対して、層内レンズ２１Ｌ、２１Ｒおよびトップレンズ２５Ｌ、２５Ｒのそれぞれの光軸Ｘ１Ｌ、Ｘ２Ｌ、Ｘ１Ｒ、Ｘ２Ｒが各々ずれた状態で設けられている。
【００２５】
図１（ｃ）に示すように、読み出し側外縁部１Ｌでは、受光開口部１８の中心軸ＣＬに対して層内レンズ２１Ｌの光軸Ｘ１Ｌが距離ｔ１Ｌだけオフセットされており、トップレンズ２５Ｌの光軸Ｘ２Ｌが距離ｔ２Ｌだけオフセットされている。読み出し方向および非読み出し方向の両方向においても、各オフセット距離ｔ１Ｌ、ｔ２Ｌ、ｔ１Ｒ、ｔ２Ｒは、撮像領域の中心部１Ｃから遠ざかれば遠ざかるほど大きくなるように設定されている。
【００２６】
図１（ｄ）に示すように、非読み出し側外縁部１Ｒでも、受光開口部１８の中心軸ＣＲに対して層内レンズ２１Ｒの光軸Ｘ１Ｒが距離ｔ１Ｒだけオフセットされており、トップレンズ２５Ｒの光軸Ｘ２Ｒが距離ｔ２Ｒだけオフセットされている。
撮像領域の中心部１Ｃにおける受光開口部１８の中心軸ＣＣと、両外縁部１Ｌ、１Ｒにおける受光開口部１８の中心軸ＣＬ、ＣＲとの各間隔がともに同一であるとするとき、上記各オフセット距離ｔ１Ｌ、ｔ２Ｌ、ｔ１Ｒ、ｔ２Ｒの関係は、次のように設定されている。
【００２７】
［数３］
ｔ２Ｌ＞ｔ１Ｌ
【００２８】
［数４］
ｔ２Ｒ＞ｔ１Ｒ
【００２９】
［数５］
ｔ１Ｒ＞ｔ１Ｌ
【００３０】
［数６］
ｔ２Ｒ＞ｔ２Ｌ
上記数式の関係をシュリンク率という観点からみると、次のようになる。
【００３１】
本実施の形態に係る固体撮像装置１では、中心部１Ｃから読み出し側外縁部１Ｌへの方向のシュリンク率が、中心部１Ｃから非読み出し側外縁部１Ｒへの方向のシュリンク率に比べて小さく設定されている。例えば、中心部１Ｃから読み出し側外縁部１Ｌへの方向のシュリンク率と、中心部１Ｃから非読み出し側外縁部１Ｒへの方向のシュリンク率との比率を、（０．９９９７０：０．９９９６５）に設定することができる。
【００３２】
２．層内レンズ２１Ｌ、２１Ｒおよびトップレンズ２５Ｌ、２５Ｒのオフセット
次に、固体撮像装置１における層内レンズ２１Ｌ、２１Ｒおよびトップレンズ２５Ｌ、２５Ｒのオフセット距離の設定について、図２を用いて説明する。図２は、（ａ）がトップレンズ２５Ｃ、２５Ｌ、２５Ｒと受光部であるフォトダイオード１３とのＸ−Ｙ面における位置関係を示す模式図であり、（ｂ）は、その一部断面を模式的に表す模式断面図である。なお、図２においては、受光開口部１８とフォトダイオード１３との位置関係が全画素で同一であるので、フォトダイオード１３とトップレンズ２５Ｃ、２５Ｌ、２５Ｒとの位置関係を、受光開口部１８とトップレンズ２５Ｃ、２５Ｌ、２５Ｒとの位置関係と擬制することができる。
【００３３】
図２（ａ）に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、中心部１Ｃのフォトダイオード１３の中心とトップレンズ２５Ｃの光軸とは合致している。それに対して、両外縁部１Ｌ、１Ｒでは、フォトダイオード１３の中心に対してトップレンズ２５Ｌ、２５Ｒがそれぞれオフセットしている。しかも、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、中心部１Ｃの中心からそれぞれのフォトダイオード１３の光軸が等距離にある読み出し側外縁部１Ｌと非読み出し側外縁部１Ｒにおいて、読み出し側外縁部１Ｌにおけるフォトダイオード１３の中心に対するトップレンズ２５Ｒの光軸とのオフセット距離が、非読み出し側外縁部１Ｒにおけるオフセット距離よりも小さく設定されている。
【００３４】
図２（ｂ）に示すように、中心部１Ｃに対して等距離ｒにある読み出し側および非読み出し側の両外縁部１Ｌ、１Ｃにおいて、中心部１Ｃの中心軸ＣＣから読み出し側外縁部１Ｌのトップレンズ２５Ｌの光軸Ｘ２Ｌまでの距離がａであり、中心部１Ｃの中心軸ＣＣから非読み出し側外縁部１Ｒのトップレンズ２５Ｒの光軸Ｘ２Ｒまでの距離がｂであって、距離ａと距離ｂとの間には、上記数式１の関係が成立する。
【００３５】
また、シュリンクという観点からみると、距離ａと距離ｂとの間には、次の関係が成立する。
【００３６】
［数７］
ａ＞ｂ
なお、図２（ａ）、（ｂ）では、トップレンズ２５Ｌ、２５Ｒのオフセット距離について示しているが、層内レンズ２１Ｌ、２１Ｒについても、上記数式７の関係を有する。
【００３７】
また、図２（ａ）に示す固体撮像装置１の読み出し方向と非読み出し方向におけるオフセット距離（瞳補正）の関係は、上述の通りであるが、図２（ａ）のＹ軸方向におけるオフセット距離については、これに限定されるものはない。即ち、読み出し方向および非読み出し方向と関係を有しないＹ軸方向においては、一定の割合を以ってフォトダイオード１３とトップレンズおよび層内レンズの位置をずらしてもよいし、ずらさなくてもよい。
【００３８】
３．レンズ２１Ｌ、２１Ｒ、２５Ｌ、２５Ｒのオフセット距離ｔ１Ｌ、ｔ１Ｒ、ｔ２Ｌ、ｔ２Ｒの設定理由
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置１において、読み出し側外縁部１Ｌと非読み出し側外縁部１Ｒとで受光開口部１８に対するレンズ２１Ｌ、２１Ｒ、２５Ｌ、２５Ｒのオフセット距離ｔ１Ｌ、ｔ１Ｒ、ｔ２Ｌ、ｔ２Ｒを変えた理由について、以下で説明する。
【００３９】
固体撮像装置では、感度特性を向上させるために受光部（フォトダイオード１３）領域を大きくする必要がある。また、読み出し転送チャネル１２ａとフォトダイオード１３との間隙ＬＰ１は、読み出し特性を得るために一定の距離が必要である。このため、一般的に、読み出し転送チャネル１２ａとフォトダイオード１３との間隙ＬＰ１は、非読み出し転送チャネル１２ｂとフォトダイオード１３との間隙ＬＰ２よりも大きくなるように設定されている（上記数式２）。
【００４０】
このようなフォトダイオード１３に対する読み出し転送チャネル１２ａおよび非読み出し転送チャネル１２ｂの位置関係を有するので、固体撮像装置１における両外縁部１Ｌ、１Ｒでは、マイクロレンズ２５Ｌ、２５Ｒに入射する光Ｌは、斜め成分が大きくなり、転送チャネル１２ａ、１２ｂには、入射光Ｌの内、受光部であるフォトダイオード１３に到達しない成分が漏れやすくなる。そして、レンズ２１Ｌ、２１Ｒ、２５Ｌ、２５Ｒをオフセットすることでフォトダイオード１３に到達する光は多くなるが、外縁部１Ｌ、１Ｒでは、入射光Ｌの斜め成分が大きくなり、フォトダイオード１３に到達しない光成分が転送電極１５に到達する割合も多くなる。
【００４１】
さらに、非読み出し側外縁部１Ｒでは、光Ｌの入射方向に非読み出し転送チャネル１２ｂが存在し、上述のように、フォトダイオード１３と非読み出し転送チャネル１２ｂとの間隔ＬＰ２がフォトダイオード１３と読み出し転送チャネル１２ａとの間隔ＬＰ１よりも小さいので、仮に、読み出し側外縁部１Ｌにおけるオフセット距離Ｘ１Ｌ、Ｘ２Ｌと同一のオフセット距離を適用した場合には、スミア特性が悪化してしまう。即ち、上記特許文献１のように、信号電荷の読み出し方向を考慮することなく、中心部からの距離によってのみ瞳補正を実施した場合には、撮像領域における非読み出し側外縁部で大きなスミアが生じ、色付きによる画像特性が劣化する。
【００４２】
このような事項より、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、上記数式１〜７の関係を満足するように、瞳補正を実施するものである。その結果、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、非読み出し転送チャネル１２ｂへの光の入射を防止し、確実にスミアを抑制することができる。
また、本実施の形態に係る固体撮像素子１では、層内レンズ２１Ｃ、２１Ｌ、２１Ｒとトップレンズ２５Ｃ、２５Ｌ、２５Ｒとの２枚のレンズを以って１画素における受光開口部１８に対するマイクロレンズが構成されている。そして、固体撮像装置１では、レンズ２１Ｃ、２１Ｌ、２１Ｒ、２５Ｃ、２５Ｌ、２５Ｒのそれぞれが、射出瞳距離が短い入射光Ｌであっても、トップレンズ２５Ｃ、２５Ｌ、２５Ｒから入射して層内レンズ２１Ｃ、２１Ｌ、２１Ｒを通して受光開口部１８に入射するように、撮像領域の外縁部１Ｌ、１Ｒに向かうに従って各オフセット距離ｔ１Ｌ、ｔ１Ｒ、ｔ２Ｌ、ｔ２Ｒが大きくなるようになっている。
【００４３】
このため、外縁部１Ｌ、１Ｒにおける受光開口部１８に入射される斜め入射光Ｌは、その受光開口部１８の周辺の遮光膜１６やパッシベーション膜１７に入射されることなく、所定の受光開口部１８の中心軸ＣＬ、ＣＲに入射する。これによって、本実施の形態に係る固体撮像素子１では、外縁部１Ｌ、１Ｒで感度が落ちる現象（シェーディング）や画素毎に感度が若干変わることにより画面がざらつく現象（感度ムラ）が抑えられる。このため、本実施の形態に係る固体撮像装置１は、より一層の微細化に対しても有効である。
【００４４】
微細化に対する有効性は、次のような理由によるものである。
固体撮像装置において、非読み出し転送チャネル１２ｂとフォトダイオード１３との間隔ＬＰ２は、より一層の画素寸法の縮小を図っていくとき、感度および飽和等の特性から読み出し転送チャネル１２ａとフォトダイオード１３との間隔ＬＰ１ほど十分な距離をとることが困難である。即ち、通常の固体撮像装置においては、上記数式２の関係を以ってレイアウト設計がなされている。これより、従来の固体撮像装置においては、非読み出し側転送チャネル１２ｂが受光開口部１８の縁から近い位置となり、光の入射によりスミア特性が大きく劣化しやすい。
【００４５】
これに対して、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、上記数式１〜７の関係を満足するように各オフセット距離ｔ１Ｌ、ｔ２Ｌ、ｔ１Ｒ、ｔ２Ｒを規定した上で瞳補正を行っているので、より一層の装置の微細化に対しても上記優位性を有する。
また、本実施の形態に係る固体撮像装置１は、例えば、監視用、車載用および携帯用などのカメラに用いるのに有用である。これは、これら用途のカメラにおいては、３０ｍｍ程度の標準レンズでなく、広角レンズや魚眼レンズ等の射出瞳距離が１０ｍｍ以下のレンズが使用される様になったためである。即ち、射出瞳距離がより短いくなったことにより（想定入射角より大きな入射角で）、読み出し電圧低電圧化ＣＣＤの、図１（ｄ）に示すような非読み出し側外縁部１Ｒの画素では、上記関係（数式１〜７）を以って瞳補正を行わなかった場合には転送路へ光が入射しスミアにより画面に色が付き問題となる。これは、入射角が大きくなる非読み出し側外縁部１Ｒにおける画素、特に水平端附近の画素で大きく、スミアによる色付きによる画像特性が劣化するためである。
【００４６】
これに対して、固体撮像装置１では、上記関係（数式１〜７）を以って瞳補正を行っているので、監視用、車載用および携帯用などのように、射出瞳距離がより一層短いカメラに対しても有効である。
４．固体撮像装置１のスミア特性
固体撮像装置のスミア特性について、特許文献１で提案されているような従来の固体撮像装置を比較例とし、本実施の形態に係る固体撮像装置１を実施例として、図３を用いて説明する。図３は、主光線角度αに対するスミア出力の関係を示す特性図である。
【００４７】
なお、図３において、主光線角度αが”−”の場合には、固体撮像装置の撮像領域に対して光が読み出し方向より入射し、”＋”の場合には、撮像領域に対して光が非読み出し方向より入射する。
図３に示すように、主光線角度αが−２５〜５°の範囲内においては、実施例も比較例も１１〜１３ｄＢで安定して推移している。しかし、主光線角度αが５°を超えると、比較例では、急激にスミア出力が大きくなっている。
【００４８】
一方、実施例では、主光線角度αが５°を超えても、ほとんどスミア出力に変化はなく、１４ｄＢまでの範囲で推移している。特に、主光線角度αが１０°以上の範囲における実施例のスミア出力は、比較例における主光線角度αが１０°のときのスミア出力よりも低くなっている。これより、主光線角度αが１０°以上の範囲では、実施例のスミア特性が特に優れていることが分かる。
【００４９】
以上の事項より、読み出し方向の斜め上からの入射光Ｌに対しては、実施例および比較例はともにスミア特性に差異を有するものではなく、良好なスミア特性を有する。一方、非読み出し方向の斜め上からの入射光Ｌに対しては、比較例ではスミア特性が急激に悪化しているが、実施例ではスミア特性が安定しており、劣化しない。
なお、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、非読み出し側外縁部１Ｒのレンズ２１Ｒ、２５Ｒのオフセット距離ｔ１Ｒ、ｔ２Ｒが小さいため、従来の固体撮像装置と比較すると、斜めに対する感度特性の低下が生じる可能性も考えられる。しかし、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、上記理由により感度低下が見られる場合でも、スミア特性の劣化防止の効果の方が大きいため、トータルとして見たときの優位性を有する。このため、固体撮像装置１は、固体撮像デバイスに対してより一層の微細化が求められる監視用、車載用および携帯用などのカメラに対して適用した場合にあっても、十分優れた特性を得ることが出来る。
【００５０】
５．その他の事項
上記実施の形態に係る固体撮像装置１は、本発明の構成およびそれより得られる効果を分かり易く説明するために用いた一例であって、本発明は、その本質的な特徴以外の部分を除いて、これに限定を受けるものではない。
例えば、上記固体撮像装置１では、各画素において、層内レンズ２１Ｃ、２１Ｌ、２１Ｒとトップレンズ２５Ｃ、２５Ｌ、２５Ｒとの組み合わせを以ってマイクロレンズを構成するものとしたが、各画素に対して１つのレンズを以ってマイクロレンズを構成してもよく、逆に各画素に対して３つ以上のレンズの組み合わせを以ってマイクロレンズを構成してもよい。これらの場合においても、上記関係を以って受光開口部に対するレンズのオフセットを設定すれば、上記同様の効果を得ることが可能である。
【００５１】
また、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、図１に示すように、平坦化膜１９の上に、層内レンズ形成膜２０、平坦化膜２２、カラーフィルタ２３、トップレンズ形成膜２４が順に積層された構成を採用しているが、本発明に係る固体撮像装置は、この構造に限定を受けるものではない。例えば、平坦化膜１９の上にカラーフィルタ２３を積層し、その上に層内レンズ形成膜２０、平坦化膜２２およびトップレンズ形成膜２４が順に形成された構成を採用することも可能であるし、レンズの構成数に応じて適宜その積層構成を変更することも可能である。
【００５２】
また、上記実施の形態では、受光開口部１８の中心ＣＬ、ＣＲとマイクロレンズ２１Ｌ、２１Ｒ、２５Ｌ、２５Ｒの各光軸Ｘ１Ｌ、Ｘ１Ｒ、Ｘ２Ｌ、Ｘ２Ｒとのオフセット距離ｔ１Ｌ、ｔ１Ｒ、ｔ２Ｌ、ｔ２Ｒが中心部１Ｃがら外縁方向へ行けば行くほど大きくなるように設定しているが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、スミアの程度によって必要となる外縁部の一部領域にだけ本発明を適用してもよい。
【００５３】
さらに、上記実施の形態では、画素を２次元配置することとしたが、線状に配置することも可能である。このような線状に画素を配置してなる固体撮像装置は、イメージスキャナなどの用途に用いることが可能である。
なお、上記実施の形態においては、主光線角度αの最大絶対値が２５°の固体撮像装置１を一例としたが、本発明に係る固体撮像装置は、これに限定されるものではない。特に、図３に示すように、本発明に係る構成を採用する場合には、主光線角度αの最大絶対値が１０°以上の場合、特にスミア特性が優れ、カメラレンズと固体撮像装置との間の距離が短く、小型化が望まれるカメラに対して特に優位である。
【００５４】
例えば、このようなカメラの具体例としては、車載用カメラ、携帯電話機用カメラおよび監視用カメラなどをあげることができる。本発明に係る構成を採用する場合には、上記小型化が重要な要素となるような用途のものに適用した場合にも、優れたスミア特性を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、射出瞳距離の短い光学系が必要とされる小型のカムコーダや内視鏡への適用や、監視用や車載用および携帯機器用カメラに用いることができる固体撮像装置を実現するのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１の構成を示す模式側面図および部分断面図である。
【図２】固体撮像装置１における撮像領域中心部１Ｃの中心軸ＣＣに対するフォトダイオード１３およびトップレンズ２５Ｌ、２５Ｃ、２５Ｒの各位置関係を表す模式平面図および模式断面図である。
【図３】実施例と比較例との各々に係る固体撮像装置における主光線角度αとスミア出力との関係を示す特性図である。
【図４】従来技術に係る固体撮像装置５００における撮像領域の構成を示す模式側面図および部分断面図である。
【図５】瞳補正を実施した場合における固体撮像装置の撮像領域外縁部の構成を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１．固体撮像装置
１Ｌ．読み出し側外縁部
１Ｃ．中心部
１Ｒ．非読み出し側外縁部
１１．半導体基板
１２ａ．読み出し転送チャネル
１２ｂ．非読み出し転送チャネル
１３．フォトダイオード  
１４．層間絶縁膜
１５．転送電極
１６．遮光膜
１７．パッシベーション膜
１８．受光開口部
１９、２２．平坦化膜
２０．層内レンズ形成膜
２１Ｌ、２１Ｃ、２１Ｒ．層内レンズ
２３．カラーフィルタ
２４．トップレンズ形成膜
２５Ｌ、２５Ｃ、２５Ｒ．トップレンズ
【図１】
2007012916.tif 000003
【図２】
2007012916.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007012916.tif 000006
【図５】
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