(57)【要約】【課題】固体撮像装置の画質劣化を抑制する。【解決手段】入射光を電気信号に変換する光電変換素子ＰＤを有する画素Ｐと、画素Ｐに対応して形成されたカラーフィルタ１３と、カラーフィルタ１３を介して入射光を光電変換素子ＰＤに集光するマイクロレンズ１５と、カラーフィルタ１３とマイクロレンズ１５との間に形成され、マイクロレンズ１５より屈折率が小さい層内レンズ１４と、を備える固体撮像装置を提供する。【選択図】図２
2012204354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する画素と、
前記画素に対応して形成されたカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを介して前記入射光を前記光電変換部に集光するマイクロレンズと、
前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に形成され、前記マイクロレンズより屈折率が小さい層内レンズと、
を備える固体撮像装置。
【請求項２】
前記マイクロレンズ及び前記層内レンズはいずれも凸レンズである請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記層内レンズは、複数層のレンズで構成され、前記カラーフィルタに近い層のレンズほど屈折率が小さい請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する画素と、
前記画素に対応して形成されたカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを介して前記入射光を前記光電変換部に集光するマイクロレンズと、
前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に形成され、前記マイクロレンズより屈折率が大きい層内レンズと、
を備える固体撮像装置。
【請求項５】
前記マイクロレンズは凸レンズであり、前記層内レンズは凹レンズである請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記層内レンズは、複数層のレンズで構成され、前記カラーフィルタに近い層のレンズほど屈折率が大きい請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記層内レンズは、前記マイクロレンズよりレンズ径が小さい請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する画素と、
前記画素に対応して形成されたカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを介して前記入射光を集光するマイクロレンズと、
前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に形成され、前記マイクロレンズが集光した前記入射光を発散して前記光電変換部に入射するｎ層（ｎ≧１）の層内レンズと、
を備える固体撮像装置。
【請求項９】
前記画素部、前記マイクロレンズ及び前記層内レンズは基板上に形成され、
前記基板の周辺部に設けられる前記マイクロレンズ及び前記層内レンズの中心は、対応する前記画素の中心に対し、前記基板の中心方向にずらして配置される請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記画素中心対して前記層内レンズの中心をすらす量は、前記マイクロレンズの中心をずらす量より小さい請求項９に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する画素と、
前記画素に対応して形成されたカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを介して前記入射光を前記光電変換部に集光するマイクロレンズと、
前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に形成され、前記マイクロレンズが集光した前記入射光を発散させる層内レンズと、
を備える固体撮像装置。
【請求項１２】
入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する画素を形成する工程と、
前記画素に対応して形成されたカラーフィルタを形成する工程と、
前記カラーフィルタを介して前記入射光を前記光電変換部に集光するマイクロレンズを形成する工程と、
前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に形成され、前記マイクロレンズより屈折率が小さいｎ層（ｎ≧１）の層内レンズを形成する工程と、
を備える固体撮像装置の製造方法。
【請求項１３】
入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する画素と、
前記画素に対応して形成されたカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを介して前記入射光を前記光電変換部に集光するマイクロレンズと、
前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に形成され、前記マイクロレンズより屈折率が小さいｎ層（ｎ≧１）の層内レンズと、
を備える固体撮像装置と、
前記光電変換部に前記入射光を導く光学レンズと、
前記電気信号を処理する信号処理回路と、
を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、デジタルカメラやビデオカメラに用いられる固体撮像装置として、ＣＣＤ型の固体撮像装置やＣＭＯＳ型の固体撮像装置が知られている。固体撮像装置は、マイクロレンズで集光した光を、カラーフィルタを通して受光部で受光することで撮像対象の撮像を行う。
【０００３】
近年では例えばデジタルカメラや携帯電話など搭載される機器の小型化等に伴い、固体撮像装置の小型化、高画素化が求められている。しかしながら、固体撮像装置を小型化、高画素化すると、受光部とマイクロレンズとの間の距離が短くなり、受光部への入射光が減少するため、固体撮像装置の感度が低下してしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、複数のレンズを設け入射光の焦点位置を変化させることで、受光部への入射光を増加させ、固体撮像装置の感度を向上させる方法が知られている（例えば特許文献１，２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０４−２３３７５９号公報
【特許文献２】特開２００９−２２４３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２に開示される方法は、いずれも受光部に入射する光について考慮されているが、カラーフィルタに入射する光については考慮されていない。
【０００７】
固体撮像装置が小型化し、受光部とマイクロレンズとの間の距離が短くなると、マイクロレンズの焦点距離が短くなり、さらにカラーフィルタと受光部との間の距離も短くなる。このため、入射光の焦点位置がカラーフィルタ側に移動する。
【０００８】
カラーフィルタには、特定の分光特性を有するように複数の染料や顔料が添加されている。このため、上述のとおりカラーフィルタ側に入射光の焦点位置が移動することで、集光された光がカラーフィルタに入射すると、カラーフィルタが含有する染料や顔料の粒子の影響で、画像のざらつきなどの画質劣化が生じてしまう。
【０００９】
本発明は、上述の点を鑑みてなされたものであり、画質劣化を抑制することができる固体撮像装置、その製造方法を提供するものである。
【００１０】
また、本発明は、かかる固体撮像装置を備えた電子機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る固体撮像装置は、入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する画素と、前記画素に対応して形成されたカラーフィルタと、前記カラーフィルタを介して前記入射光を前記光電変換部に集光するマイクロレンズと、前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に形成され、前記マイクロレンズより屈折率が小さい層内レンズと、を備える。
【００１２】
本発明に係る固体撮像装置では、カラーフィルタとマイクロレンズとの間に、マイクロレンズより屈折率が小さい層内レンズを備える。このため、マイクロレンズで集光された光が層内レンズによって発散されてカラーフィルタに入射される。
【００１３】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、入射光を電気信号に変換する光電変換部を有する画素を形成する工程と、前記画素に対応して形成されたカラーフィルタを形成する工程と、前記カラーフィルタを介して前記入射光を前記光電変換部に集光するマイクロレンズを形成する工程と、前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に形成され、前記マイクロレンズより屈折率が小さいｎ層（ｎ≧１）の層内レンズを形成する工程と、を備える。
【００１４】
本発明に係る電子機器は、上述した固体撮像装置と、光学レンズと、信号処理回路とを有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、固体撮像装置及び該固体撮像装置を備えた電子機器の画質劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置を示す図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の断面図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の断面図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例に係る固体撮像装置の断面図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の断面図。
【図７】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の断面図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図。
【図９】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の断面図。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の断面図。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置を示す図。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の断面図。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の断面図。
【図１４】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の断面図。
【図１５】本発明の第５実施形態に係る電子機器を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の一例を示す概略構成図である。図１に示す固体撮像装置１は、例えばインターライン方式のＣＣＤ型イメージセンサであって、撮像領域ＰＡで被写体像の撮像が行われる。この撮像領域ＰＡに、画素Ｐと、電荷読出し部ＲＯと、垂直転送レジスタ部ＶＴとが形成されている。
【００１８】
画素Ｐは、撮像領域ＰＡに複数設けられており、複数の画素Ｐは、水平方向ｘと垂直方向ｙとにマトリクス状に並ぶように配置されている。画素Ｐは、例えばフォトダイオード等の光電変換素子を含み、受光面ＪＳで光を受光して信号電荷を生成する。複数の画素Ｐの周囲に、隣り合う画素Ｐの間を分離するように、素子分離部ＳＳが設けられている。画素Ｐは、受光面ＪＳで被写体像による光を受光して光電変換を行うことで、信号電荷を生成する。
【００１９】
電荷読出し部ＲＯは、撮像領域ＰＡにおいて、複数の画素Ｐに対応するように複数設けられている。電荷読出し部ＲＯは、画素Ｐが生成した信号電荷を、垂直転送レジスタ部ＶＴへ読み出す。
【００２０】
垂直転送レジスタ部ＶＴは、撮像領域ＰＡにおいて、垂直方向ｙに並ぶ複数の画素Ｐに対応するように垂直方向ｙに延在している。垂直転送レジスタ部ＶＴは、垂直方向ｙに並ぶ画素Ｐの列の間に配置されている。垂直転送レジスタ部ＶＴは、複数撮像領域ＰＡに設けられており、水平方向ｘに並ぶ複数の画素Ｐのそれぞれに対応するように、水平方向ｘに並んでいる。
【００２１】
この垂直転送レジスタ部ＶＴは、いわゆる垂直転送ＣＣＤであって、電荷読出し部ＲＯを介して、画素Ｐから信号電荷を読み出し、その信号電荷を垂直方向ｙへ順次転送する。垂直転送レジスタ部ＶＴは、垂直方向ｙに並んで配置される複数の転送電極（図示せず）を有する。垂直転送レジスタ部ＶＴは、例えば転送電極に４相の駆動パルス信号を順に供給することで、信号電荷を順次転送する。つまり、垂直転送レジスタ部ＶＴは、複数の画素Ｐのうち垂直方向ｙに並ぶ画素Ｐの列ごとに設けられており、各画素Ｐにて生成された信号電荷を垂直方向ｙへ転送する転送チャネル領域を撮像面に有している。
【００２２】
撮像領域ＰＡの下端部には、水平転送レジスタ部ＨＴが配置されている。水平転送レジスタ部ＨＴは、水平方向ｘに延在しており、複数の垂直転送レジスタ部ＶＴから受け取った信号電荷を、水平方向ｘへ順次転送する。水平転送レジスタ部ＨＴは、いわゆる水平転送ＣＣＤであり、例えば２相の駆動パルス信号によって駆動されて、１水平ライン（１行の画素）ごとに垂直転送レジスタ部ＶＴから受け取った信号電荷を出力部ＯＵＴに転送する。
【００２３】
出力部ＯＵＴは、水平転送レジスタ部ＨＴの左端部に形成されている。出力部ＯＵＴは、水平転送レジスタ部ＨＴから受け取った信号電荷を電圧に変換し、アナログ画像信号として出力する。
【００２４】
次に、図２を用いて、固体撮像装置１の詳細を説明する。図２は、固体撮像装置１の画素Ｐの断面図である。
【００２５】
本実施形態の固体撮像装置１は、基板１１と、基板１１の表面側に形成された配線層１０と、基板１１の裏面側に形成された絶縁膜１２と、カラーフィルタ１３と、マイクロレンズ１５と、層内レンズ１４とを備える。
【００２６】
基板１１は、シリコンで構成される半導体基板である。基板１１には光電変換素子ＰＤを有する画素Ｐと、各画素Ｐを分離する素子分離部ＳＳが形成される。
【００２７】
光電変換素子ＰＤは、例えばフォトダイオードであり、入射光の受光量に応じた信号電荷が生成され、蓄積される。配線層１０は、基板１１の表面側に形成されており、層間絶縁膜（図示せず）を介して複数層に積層された配線（図示せず）を有する。
【００２８】
カラーフィルタ１３は、基板１１の裏面側に形成されており、例えば、第１色目、第２色目、及び第３色目フィルタ成分を画素Ｐ毎に有する。以下の説明では、第１色目フィルタ成分、第２色目フィルタ成分及び３色目フィルタ成分を、それぞれグリーンフィルタ成分、レッドフィルタ成分及びブルーフィルタ成分としているが、これに限らず、任意の色フィルタ成分とすることが可能である。また、色フィルタ成分以外でも、例えば可視光を透過する透明樹脂や、例えば透明樹脂中にカーボンブラック色素を添加して形成されるＮＤフィルタのように可視光を減衰するフィルタ成分を用いることも可能である。
【００２９】
カラーフィルタ１３では、所望の波長の光が透過され、透過した光が基板１１内の光電変換素子ＰＤに入射する。
【００３０】
カラーフィルタ１３の各色フィルタ成分の間には、遮光膜１６が設けられている。遮光膜１６は、隣接する光電変換素子ＰＤに入射光が漏れることにより生じる混色を防止するために設けられている。
【００３１】
マイクロレンズ１５は、カラーフィルタ１３の基板１１側とは反対側の面に形成される凸レンズである。マイクロレンズ１５は、カラーフィルタ１３の各色フィルタ成分の１つを介して入射光を光電変換素子ＰＤに集光する。
【００３２】
層内レンズ１４は、マイクロレンズ１５とカラーフィルタ１３との間に形成される凸レンズである。層内レンズ１４の屈折率ｎ２は、マイクロレンズ１５の屈折率ｎ１より小さい（ｎ１＞ｎ２）。層内レンズ１４は、後述するようにマイクロレンズ１５が集光した光を発散させる。
【００３３】
マイクロレンズ１５、層内レンズ１４を構成する材料としては、例えば、ＳｉＮやＳｉＯＮなどの無機材料が挙げられる。ＳｉＮの屈折率は１．９〜２．０程度であり、ＳｉＯＮの屈折率は１．４５〜１．９程度である。
【００３４】
また、マイクロレンズ１５、層内レンズ１４を構成する材料としては、スチレン系樹脂やアクリル系樹脂、スチレン−アクリル共重合系樹脂、シロキサン系樹脂などの有機材料が挙げられる。スチレン系樹脂の屈折率は１．６程度、アクリル系樹脂の屈折率は１．５程度である。スチレン−アクリル共重合系樹脂の屈折率は１．５〜１．６程度、シロキサン系樹脂の屈折率は１．４５程度である。アクリル系樹脂、シロキサン系樹脂は、低ｎ化のためにフッ素や中空シリカを添加してもよい。ｎの屈折率は１．２〜１．４５程度である。
【００３５】
また、マイクロレンズ１５、層内レンズ１４を構成する材料としては、例えば、有機系材料として上述した樹脂やポリイミド樹脂中にＴｉＯ微粒子を分散させた、有機無機ハイブリットのものを利用してもよい。
【００３６】
ＴｉＯ微粒子は光触媒反応を起こしやすい材料であるため、樹脂中にＴｉＯ微粒子を分散させる場合、通常、光触媒反応を抑制するために被膜でＴｉＯ微粒子の周囲を覆う。層内レンズ１４としてＴｉＯ微粒子を分散させた有機無機ハイブリットの材料を用いると、製造過程のエッチングによりＴｉＯ微粒子の周りを覆う被膜がとれＴｉＯ微粒子が露出してしまう。ＴｉＯ微粒子が露出してしまうと、ＴｉＯ微粒子の光触媒反応により、固体撮像装置１の分光特性が劣化してしまう。そこで、層内レンズ１４としてＴｉＯ微粒子を分散させた有機無機ハイブリットの材料を用いる場合は、露出したＴｉＯ微粒子の光触媒反応を抑制するために、マイクロレンズ１５の材料としてＳｉＮやナイトライドなどを用いることが望ましい。 
【００３７】
例えば、マイクロレンズ１５の材料にＳｉＯＮ、層内レンズ１４の材料にＳｉＮを用いるなど、各レンズに使用する材料を変えることで層内レンズ１４の屈折率をマイクロレンズ１５より小さくしてもよい。または、マイクロレンズ１５、層内レンズ１４の屈曲率を変えることで屈折率を変えてもよい。あるいは、層内レンズ１４のレンズ径を、マイクロレンズ１５のレンズ径より小さくすることで屈折率を変えてもよい。
【００３８】
なお、ここでは図示しないが、遮光膜と絶縁膜１２との間にバリアメタルを設けてもよい。また、絶縁膜１２は省略し、基板１１上にカラーフィルタ１３を形成してもよい。
【００３９】
図３を用いて本実施形態に係る固体撮像装置１に入射される光について説明する。
入射光Ｌ１は、まずマイクロレンズ１５に入射する。入射光Ｌ１は、屈折率ｎ１のマイクロレンズ１５によって、内側、即ちマイクロレンズ１５の中央寄りに屈折した光Ｌ２となる。つまり、入射光Ｌ１は、マイクロレンズ１５によって集光される。
【００４０】
マイクロレンズ１５によって集光された光Ｌ２は、層内レンズ１４に入射する。光Ｌ２は、屈折率ｎ２の層内レンズ１４によって、外側、即ち層内レンズ１４の外周に屈折した光Ｌ３となる。つまり、光Ｌ２は、層内レンズ１４によって発散される。
【００４１】
カラーフィルタ１３に入射した光Ｌ３は、層内レンズ１４によって発散されている。従って、カラーフィルタ１３に入射した光Ｌ３がカラーフィルタ１３の広い面積を透過し光電変換素子ＰＤに到達することができる。
【００４２】
層内レンズ１４にはマイクロレンズ１５によって集光された光Ｌ２が入射する。上述したように、層内レンズ１４とマイクロレンズ１５の屈折率を異ならせる方法として、層内レンズ１４のレンズ径をマイクロレンズ１５のレンズ径より小さくする方法がある。この場合、マイクロレンズ１５のレンズ径を層内レンズ１４のレンズ径より相対的に大きくできるため、マイクロレンズ１５は、より多くの入射光を集光することができる。
【００４３】
図４を用いて、本実施形態に係る固体撮像装置１の製造方法について説明する。なお、画素Ｐを形成する工程及びカラーフィルタ１３を形成する工程は従来と同じであるため説明を省略する。
まず、カラーフィルタ１３上に層内レンズ材１７を成膜する（図４（ａ））。層内レンズ材１７には、上述した有機材料、無機材料、または有機無機ハイブリット材料等が用いられる。
【００４４】
層内レンズ材１７の上にポジ型フォトレジスト１８を塗布する。ポジ型フォトレジスト１８には、例えば主成分としてノボラック樹脂を用いる。次に、ポジ型フォトレジスト１８を、フォトリソグラフィー法を用いて各画素に対応してパターニングする。パターン形成したポジ型フォトレジスト１８を熱軟化点より高い温度で熱処理を行い、レンズ形状のポジ型フォトレジスト１８を形成する（図４（ｂ））。
【００４５】
レンズ形状のポジ型フォトレジスト１８をマスクとして、ドライエッチング法を用いて該レンズ形状を下地の層内レンズ材１７にパターン転写し、層内レンズ１４を形成する（図４（ｃ））。
【００４６】
次に、層内レンズ１４上にマイクロレンズ材１９を成膜し、ポジ型フォトレジスト１８と同様の工程でレンズ型のポジ型フォトレジスト２０を形成する（図４（ｄ））。
【００４７】
ポジ型フォトレジスト２０をマスクとしてドライエッチング法を用いてレンズ形状を下地のマイクロレンズ材１９にパターン転写し、マイクロレンズ１５を形成する。このとき、本実施形態に係る固体撮像装置１では、隣接するレンズの間隔をなくすため、エッチングを継続して行う（図４（ｅ））。
【００４８】
層内レンズ１４とマイクロレンズ１５の屈折率を異ならせる方法として、層内レンズ１４のレンズ径は、マイクロレンズ１５のレンズ径より小さくする場合、例えば、層内レンズ１４はエッチングを継続せず隣接するレンズの間隔を残し、マイクロレンズ１５はエッチングを継続して隣接するレンズの間隔をなくすことで、マイクロレンズ１５のレンズ径を層内レンズ１４より大きくするようにしてもよい。
【００４９】
なお、上述したレンズ（層内レンズ１４及びマイクロレンズ１５）の製造方法以外にも、感光性樹脂からなるレンズ材の成膜と、プリベーク、露光、現像、ブリーチング露光処理を順次行った後に感光性樹脂の熱軟化点以上の温度で熱処理を行う方法を用いてもよい。
【００５０】
以上のように、第１実施形態に係る固体撮像装置１によると、カラーフィルタ１３とマイクロレンズ１５との間に、マイクロレンズ１５より屈折率が小さい層内レンズ１４を設けることで、カラーフィルタ１３に入射する光Ｌ３を発散させることができる。これにより、カラーフィルタ１３が含有する顔料や染料粒子の影響による画質劣化を抑制することができる。
【００５１】
特に、カラーフィルタ１３にレンズの焦点がある場合、カラーフィルタ１３の顔料粒子に入射光の焦点が合うことで、画像がざらつくなどの画質劣化が生じてしまう。しかしながら、本実施形態に係る固体撮像装置１ではカラーフィルタ１３に入射する光Ｌ３を発散させることができるため、画像のざらつきなどの画質劣化を抑制することができる。
【００５２】
また、層内レンズ１４の屈折率をマイクロレンズ１５より大きくし、マイクロレンズ１４で光をさらに集光させる場合に比べ、層内レンズ１４の屈折率をマイクロレンズ１５より小さくすることで、カラーフィルタ１３を通過する光Ｌ３の体積を増加させることができるため、カラーフィルタ１３を薄膜化できる。これにより、固体撮像装置１の薄型化や斜め光感度の向上、シェーディング特性の改善を実現することができる。
【００５３】
（変形例１）
次に、図５を用いて第１実施形態の変形例１に係る固体撮像装置２を説明する。
固体撮像装置２は、絶縁膜１２とカラーフィルタ１３との間に平坦化膜２１を有する点で図２に示す固体撮像装置１と異なる。
【００５４】
平坦化膜２１としては、例えば窒化膜や酸化膜などが用いられる。平坦化膜２１は、遮光膜１６の形成後に遮光膜１６と同一平面上に形成される。
このように、絶縁膜１２上にカラーフィルタ１３を直接形成するのではなく、平坦化膜２１で平坦化してからカラーフィルタ１３を形成するようにしてもよい。
【００５５】
（第２実施形態）
次に、図６〜図８を用いて本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置３について説明する。本実施形態に係る固体撮像装置３は層内レンズ３４が凹レンズである点を除き、図２に示す固体撮像装置１と同じ構成を有するため、同一符号を付し重ねての説明を省略する。
【００５６】
図６は、固体撮像装置３の断面図である。固体撮像装置３は、カラーフィルタ１３とマイクロレンズ１５との間に形成された層内レンズ３４を有する。
【００５７】
層内レンズ３４は、屈折率がマイクロレンズ１５より大きい凹レンズである。層内レンズ３４は、後述するようにマイクロレンズ１５が集光した光を発散させる。層内レンズ３４の材料は、図２の層内レンズ１４と同様の材料を用いればよい。
【００５８】
図７を用いて固体撮像装置３に入射される光について説明する。
入射光Ｌ１は、マイクロレンズ１５によって、内側、即ちマイクロレンズ１５の中央寄りに屈折した光Ｌ２となる。マイクロレンズ１５によって集光された光Ｌ２は、層内レンズ３４に入射する。マイクロレンズ１５によって集光された光Ｌ２は、層内レンズ３４によって外側、即ち層内レンズ３４の外周側に屈折した光Ｌ３３となる。つまり、マイクロレンズ１５により集光された光Ｌ２は、層内レンズ３４によって発散される。
【００５９】
層内レンズ３４にはマイクロレンズ１５によって集光された光Ｌ２が入射する。層内レンズ１４とマイクロレンズ１５の屈折率を異ならせる方法として、第１実施形態と同様にレンズの材料を変えたり、屈曲率を変えたりする方法がある。また、層内レンズ３４のレンズ径をマイクロレンズ１５のレンズ径より小さくする方法がある。この場合、マイクロレンズ１５のレンズ径を相対的に層内レンズ３４より大きくできるため、マイクロレンズ１５は、より多くの入射光を集光することができる。
【００６０】
図８を用いて固体撮像装置３の製造方法を説明する。なお、画素Ｐを形成する工程及びカラーフィルタ１３を形成する工程は従来と同じであるため説明を省略する。
まず、カラーフィルタ１３上に層内レンズ材１７を成膜する（図８（ａ））。
層内レンズ材１７の上にポジ型フォトレジスト３８を塗布し、画素Ｐを囲むように格子状にパターニングする（図８（ｂ））。
【００６１】
続いて、ポジ型フォトレジスト３８をマスクとして等方性エッチングを行い、層内レンズ材１７に凹型の窪みを形成し、層内レンズ３４を形成する（図８（ｃ））。
次に、層内レンズ３４上にマイクロレンズ材１９を成膜し、ポジ型フォトレジスト１８と同様の工程でレンズ型のポジ型フォトレジスト２０を形成する（図８（ｄ））。
【００６２】
ポジ型フォトレジスト２０をマスクとしてドライエッチング法を用いてレンズ形状を下地のマイクロレンズ材１９にパターン転写し、マイクロレンズ１５を形成する。このとき、固体撮像装置２では、隣接するレンズの間隔をなくすため、エッチングを継続して行う（図８（ｅ））。
【００６３】
層内レンズ３４は、等方性エッチングを行うためレンズの間隔を小さくしにくい。一方、マイクロレンズ１５はエッチングを継続することで隣接するレンズの間隔を小さくできる。上述した方法でレンズを製造することで、マイクロレンズ１５のレンズ径を層内レンズ３４より大きくしてもよい。
【００６４】
以上のように、第２実施形態に係る固体撮像装置３によると、層内レンズ３４を凹レンズとしても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
（第３実施形態）
次に、図９、図１０を用いて本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置４を説明する。本実施形態に係る固体撮像装置４は、層内レンズ４４がｎ（ｎ≧２）層のレンズで構成される点が図２に示す固体撮像装置１と異なる。それ以外の構成要素は固体撮像装置１と同じであるため同一符号を付し重ねての説明を省略する。
【００６６】
図９は、固体撮像装置４の断面図である。固体撮像装置４は、カラーフィルタ１３とマイクロレンズ１５との間に形成された層内レンズ４４を有する。層内レンズ４４は、複数層（ｎ層（ｎは２以上の整数））で構成される。ｎ層の層内レンズは、カラーフィルタ１３に近いほど屈折率が小さい。
以下では、ｎ＝２の場合について説明する。ｎ層の層内レンズをカラーフィルタ１３に近い層に形成される順に第１層内レンズ４１、第２層内レンズ４２と称する。
【００６７】
第１層内レンズ４１は、屈折率がマイクロレンズ１５及び第２層内レンズ４２より小さい凸レンズである。第１層内レンズ４１は、後述するようにマイクロレンズ１５が集光し、第２層内レンズ４２が発散した光をさらに発散させる
【００６８】
第２層内レンズ４２は、屈折率がマイクロレンズ１５より小さく、第１層内レンズ４１より大きい凸レンズである。第２層内レンズ４２は、マイクロレンズが集光した光を発散させ第１層内レンズ４１へ入射する。
【００６９】
第１，２層内レンズ４１，４２の材料は、図２の層内レンズ材１７と同様の材料を用いればよい。第１層内レンズ４１と第２層内レンズ４２との屈折率を異ならせる方法としては、レンズの材料や屈曲率を変える方法や、第１層内レンズ４１のレンズ径を、マイクロレンズ１５及び第２層内レンズ４２より小さくする方法などがある。
【００７０】
図１０を用いて固体撮像装置４に入射される光について説明する。
入射光Ｌ１は、マイクロレンズ１５によって、内側、即ちマイクロレンズ１５の中央よりに屈折した光Ｌ２となる。光Ｌ２は、第２層内レンズ４２に入射される。光Ｌ２は第２層内レンズ４２によって、外側、即ち第２層内レンズ４２の外周側に屈折した光Ｌ３となる。つまり、光Ｌ２は、第２層内レンズ４２によって発散される。
【００７１】
光Ｌ２は、第１層内レンズ４１に入射される。光Ｌ２は第１層内レンズ４１によって、さらに外側、即ち第１層内レンズ４１の外周側に屈折した光Ｌ４となる。つまり、光Ｌ３は、第１層内レンズ４１によって発散される。
【００７２】
第２層内レンズ４２にはマイクロレンズ１５によって集光された光Ｌ２が入射されるため、第２層内レンズ４２のレンズ径は、マイクロレンズ１５のレンズ径より小さくてよい。また、第１層内レンズ４１は、第２層内レンズ４２が発散した光をさらに発散するため、第１層内レンズ４１のレンズ径を第２層内レンズ４２より小さくしてもよい。
【００７３】
層内レンズ４４は、層内レンズ１４を複数回形成すればよく、即ち図４（ａ）〜（ｃ）の処理をｎ回繰り返し行えばよい。従って、固体撮像装置４の製造方法の説明は省略する。
【００７４】
以上のように、第３実施形態に係る固体撮像装置４によると、層内レンズ４４をｎ層の層内レンズで構成しても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、本実施形態では、第１層内レンズ４１及び第２層内レンズ４２をどちらも凸レンズとしたが、どちらか一方が凹レンズでも、どちらも凹レンズでもよい。第ｎ層内が凹レンズの場合は、第ｎ層内レンズの屈折率を第ｎ＋１層レンズの屈折率より大きくする（ｎ≧１）。
【００７５】
（第４実施形態）
続いて、図１１〜図１３を用いて本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置５を説明する。固体撮像装置５は、図２の固体撮像装置１に瞳補正をおこなったものである。それ以外の点は、固体撮像装置１と同じであるため同一符号を付し重ねての説明を省略する。
【００７６】
固体撮像装置５の基板１１の中央画素では垂直入射光が多く入射し、周辺画素では斜め入射光が多く入射する。従って基板周辺に設けられる画素Ｐ、カラーフィルタ１３、マイクロレンズ１５、及び層内レンズ１４を一直線上に配置すると斜め入射光に対して感度が低下する。
【００７７】
そこで、本実施形態では、図１１に示すように、カラーフィルタ１３を配置するピッチＰ１よりもマイクロレンズ１５及び層内レンズ１４を配置するピッチＰ２を小さくしている。図示しないが、画素Ｐを配置するピッチは、カラーフィルタ１３と同じであるものとする。
【００７８】
図１２に、基板１１の周辺画素（図１１のＡ）の断面図を示す。マイクロレンズ１５及び層内レンズ１４の中心は同一線上にある。画素Ｐ及びカラーフィルタ１３の各色目フィルタ成分の中心は同一線上にある。マイクロレンズ１５の中心は、対応するカラーフィルタ１３の色目フィルタ成分の中心に対し、基板１１の中心方向にずらして配置されている。
【００７９】
図１３を用いて、固体撮像装置５に入射される光について説明する。図１３（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像装置５を示す図である。図１３（ｂ）は、比較のため、層内レンズの屈折率をマイクロレンズより大きくした場合の例を示す図である。
【００８０】
図１３（ａ）に示すように、固体撮像装置５に入射した光Ｌ１は、マイクロレンズ１５によって集光された後、層内レンズ１４によって発散されてカラーフィルタ１３を透過し光電変換素子ＰＤに入射されている。
【００８１】
一方、図１３（ｂ）に示すように、層内レンズの屈折率がマイクロレンズより大きい場合、固体撮像装置５に入射した光Ｌ１は、マイクロレンズで集光された後、さらに層内レンズで集光される。層内レンズでさらに集光された光は、遮光膜に遮られてしまい、光電変換素子ＰＤまで到達しない。
【００８２】
このように、層内レンズの屈折率がマイクロレンズより大きい場合、マイクロレンズ及び層内レンズの中心を同一線上にして瞳補正を行うと、斜め入射光が遮光膜に遮られてしまう。これを避けるためには、マイクロレンズ及び層内レンズの中心をずらす必要があり設計や製造のコストが増加してしまう。
【００８３】
本実施形態に係る固体撮像装置５は、層内レンズ１４の屈折率がマイクロレンズ１５より小さいため、マイクロレンズ１５及び層内レンズ１４の中心を同一線上にして瞳補正を行っても、斜め入射光が遮光膜１６に遮られにくくなる。従って、マイクロレンズ１５及び層内レンズ１４の中心をずらす必要がなく、設計や製造コストの増加を抑制することができる。
【００８４】
以上のように、第４実施形態に係る固体撮像装置５によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、複数の層にレンズがある場合でも設計や製造コストを増加させずに固体撮像装置５に瞳補正を実施することができる。
【００８５】
なお、上述した例では、マイクロレンズ１５及び層内レンズ１４の中心を同一線上にして瞳補正を行っているが、マイクロレンズ１５及び層内レンズ１４の中心をずらしてもよい。また、カラーフィルタ１３を、中心を基板１１の中心方向にずらして配置するようにしてもよい。
【００８６】
図１４に、マイクロレンズ１５、層内レンズ１４、及びカラーフィルタ１３の中心をそれぞれ基板１１の中心方向にずらして配置した固体撮像装置を示す。図１４では、画素Ｐ中心Ａに対してマイクロレンズ１５の中心Ｄをずらす距離（ずらし量）をｄＡＤ、画素Ｐ中心Ａに対して層内レンズ１４の中心Ｃをずらす距離（ずらし量）をｄＡＣとする。また、画素Ｐ中心Ａに対してカラーフィルタ１３の中心Ｂをずらす距離（ずらし量）をｄＡＢとする。  この場合、ｄＡＤ≧ｄＡＣ≧ｄＡＢとなるように、マイクロレンズ１５、層内レンズ１４、及びカラーフィルタ１３の中心をそれぞれ基板１１の中心方向にずらして配置する。
【００８７】
また、図４に示すようにカラーフィルタ１３と遮光膜１６とを異なる層に形成する場合は、遮光膜１６及び平坦化膜２１も基板中心方向にずらして配置してもよい。この場合、遮光膜１６及び平坦化膜２１のずらし量ｄは、ｄＡＢ≧ｄとなるようにすればよい。
【００８８】
なお、上述した例では、第１実施形態に係る固体撮像装置１に瞳補正を実施する場合について説明したが、変形例１及び第２、第３実施形態に係る固体撮像装置２〜４についても同様に瞳補正を実施してもよい。
【００８９】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態では、固体撮像装置１の応用例を説明する。図１５は、固体撮像装置１を電子機器４００に応用した例を示す。電子機器４００としては、例えばデジタルカメラや、携帯電話機等のカメラ、スキャナ、監視カメラ等が挙げられるが、ここでは電子機器４００がデジタルカメラである場合について説明する。
【００９０】
本実施形態に係る電子機器４００は、固体撮像装置１と、光学レンズ２１０と、シャッタ装置２１１と、駆動回路２１２と、信号処理回路２１３とを有する。
【００９１】
光学レンズ２１０は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置１内に一定期間信号電荷が蓄積される。
シャッタ装置２１１は、固体撮像装置１への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路２１２は、固体撮像装置１の転送動作およびシャッタ装置２１１のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。
【００９２】
固体撮像装置１は、駆動信号に基づき光電変換素子ＰＤに蓄積された信号電荷を電気信号として出力する。
信号処理回路２１３は、各種の信号処理を行う。信号処理回路２１３は、固体撮像装置１が出力する電気信号に対して信号処理を施して映像信号を生成し、逗子市内メモリなどの記憶媒体やモニタ等に出力する。
【００９３】
以上のように、本実施形態に係る電子機器４００は、第１実施形態に係る固体撮像装置１を搭載しているため、画質劣化を抑制することができ、映像信号の画質を向上させることができる。
【００９４】
ここでは、電子機器４００に第１実施形態に係る固体撮像装置１を搭載する例を示したが、電子機器４００に変形例１、第２〜第４実施形態に係る固体撮像装置２〜５を搭載してもよい。
【００９５】
なお、上述した各実施形態では、固体撮像装置としてＣＣＤ型の裏面照射型固体撮像装置を例に説明したが、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置であっても表面照射型固体撮像装置であっても本発明を適用できることは言うまでもない。一般的に裏面照射型固体撮像装置は、表面照射型に比べ光電変換素子ＰＤとカラーフィルタ１３との距離が短いため、レンズの焦点位置がカラーフィルタ１３内に存在しやすくなり、画質劣化がおこりやすい。従って、裏面照射型固体撮像装置に固体撮像装置１〜５を適用するとより大きな効果が得られる。
【００９６】
また、各実施形態では、カラーフィルタ１３は顔料又は染料の粒子を含むとしたが、顔料は染料に比べて粒子が大きい。そのため、カラーフィルタ１３が顔料の粒子を含んでいる方が画質の劣化がおこりやすくなる。従って、カラーフィルタ１３が顔料を含んでいる場合に固体撮像装置１〜５を適用するとより大きな効果が得られる。
【００９７】
最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００９８】
１〜５…固体撮像装置
１１…基板
１３…カラーフィルタ
１４，３４，４４・・・層内レンズ
１５…マイクロレンズ
１６…遮光膜
２１０…光学レンズ
２１１…シャッタ装置
２１２…駆動回路
２１３…信号処理回路
【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】
2012204354.tif 000008
【図７】
2012204354.tif 000009
【図８】
2012204354.tif 000010
【図９】
2012204354.tif 000011
【図１０】
2012204354.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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