(57)【要約】【課題】より感度を向上させた固体撮像素子及び撮像装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、複数の受光素子を備えた固体撮像素子が提供される。前記複数の受光素子は、被写体からの光の光電変換を行う受光部をそれぞれ有する。前記複数の受光部のそれぞれの大きさは、前記固体撮像素子の中心からそれぞれの前記受光素子までの距離と、前記複数の受光素子のそれぞれの中心における光の波長と、に基づいて設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光の光電変換を行う受光部をそれぞれ有する複数の受光素子を備えた固体撮像素子であって、
前記複数の受光部のそれぞれの大きさは、前記固体撮像素子の受光面の中心からそれぞれの前記受光素子までの距離と、前記複数の受光素子のそれぞれの中心における光の波長と、に基づいて設定されている固体撮像素子。
【請求項２】
前記複数の受光素子のそれぞれによって定まる画素の面積は、前記固体撮像素子の中心からそれぞれの前記受光素子までの距離と、前記複数の受光素子のそれぞれの中心における光の波長と、に基づいて設定されている請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記距離が大きくなるにつれて、前記画素面積が大きくなる請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記光の波長によって、前記画素面積が増加する割合が異なる請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記画素は、像面の中央から対角線端に向かう方向に沿って並列して配置される請求項２〜４のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項６】
主光線の進行方向に対して、緑色に対応する画素同士が隣接して配置される請求項２〜５のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
主光線の進行方向に対して、赤色に対応する画素と、青色に対応する画素と、が隣接して配置される請求項２〜６のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の固体撮像素子と、
前記被写体と、前記固体撮像素子と、の間に設けられたレンズと、
を備え、
前記レンズの直径をＤ、前記レンズの焦点距離をｆ、前記距離をｘ、前記光の波長をλとした場合に以下の式を満足する撮像装置。
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【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像素子及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に光電変換素子を設けた固体撮像素子がＣＣＤ（Charge-Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサ等に利用されている。例えば、このような固体撮像素子は、カメラモジュール等の撮像装置に設けられている。
【０００３】
撮像装置では、被写体と、固体撮像素子と、の間にレンズが設けられている。被写体に光が入射して、被写体で反射した光がレンズによって固体撮像素子の上に結像して像を形成する。像の光学特性は、固体撮像素子及びレンズの特性によって決定される。固体撮像素子において、画素数の増大化に伴う画素の微細化が進んでおり、固体撮像素子及びレンズの特性に基づいて感度を向上させることが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２２１５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、より感度を向上させた固体撮像素子及び撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、複数の受光素子を備えた固体撮像素子が提供される。前記複数の受光素子は、被写体からの光の光電変換を行う受光部をそれぞれ有する。前記複数の受光部のそれぞれの大きさは、前記固体撮像素子の中心からそれぞれの前記受光素子までの距離と、前記複数の受光素子のそれぞれの中心における光の波長と、に基づいて設定されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る撮像装置を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る撮像装置の一部を示す模式図である。
【図３】センサ部上に形成される像の光学特性を説明する図である。
【図４】センサ部上に形成される像を示す図である。
【図５】センサ部上に形成される像の光学特性を示すグラフ図である。
【図６】センサ部上に形成される像の光学特性を説明する図である。
【図７】センサ部上に形成される像を示す図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、センサ部の一部を示す模式図である。
【図９】センサ部上に形成される像を示す図である。
【図１０】センサ部の一部を示す模式図である。
【図１１】点広がり関数と主光線角との関係を示すグラフ図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｇ）は、点広がり関数と波長との関係を示す図である。
【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｇ）は、点広がり関数と波長との関係を示す図である。
【図１４】光の吸収率と波長との関係を示すグラフ図である。
【図１５】感度とレンズとの関係を示す図である。
【図１６】量子効率と波長との関係を示す図である。
【図１７】受光量と画素面積との関係を示す図である。
【図１８】第２実施形態に係るセンサ部上に形成される像を示す図である。
【図１９】第２実施形態に係るセンサ部の一部を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
（第１実施形態）  
図１は、第１実施形態に係る撮像装置を示す模式図である。  
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る撮像装置の一部を示す模式図である。
図１は、撮像装置１２０が被写体１３０からの光を取り込み結像する様子を示している。図２（ａ）は、センサ部１００の上面斜視図を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ１−Ａ２線の断面図を示している。
【００１０】
図１に表すように、撮像装置１２０には、レンズ１１０と、センサ部１００と、が設けられている。撮像装置１２０は、例えば、デジタルカメラ、カメラ付携帯電話、スマートフォン等の電子機器に搭載される。撮像装置１２０は、例えば、カメラモジュールである。
【００１１】
撮像装置１２０は、撮像装置１２０から被写体１３０上の位置までの距離に応じて、被写体１３０上の異なる位置にある部位の画像を複数の単位画像として取得する。例えば、被写体１３０上に位置する位置点１３０ａにおいて、位置点１３０ａの画像を単位画像として取得する。単位画像は、点広がり関数（Point Spread Function:PSF）を用いて、光強度、振幅、及び位相の少なくともいずれかで足し合わせて取得することができる。点広がり関数とは、レンズ１１０からの回折光を集光した光線の形を表す関数である。また、単位画像は、レンズ１１０からの回折光を集光して平面波を足し合わせて取得しても良い。単位画像は、被写体１３０に基づいて取得しても良い。
【００１２】
レンズ１１０は、センサ部１００と、被写体１３０と、の間に設けられている。レンズ１１０は、被写体１３０からの光Ｌ１を取り込み、被写体１３０からの回折光Ｌ２を結像する。図１に表すように、レンズ１１０の結像面が、センサ部１００（マイクロレンズ４０）上に位置するように、レンズ１１０の位置が設定されている。レンズ１１０の結像面が、レンズ１１０と、センサ部１００と、の間に位置するように、レンズ１１０の位置が設定されても良い。
【００１３】
センサ部１００は、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子である。センサ部１００は、マイクロレンズ４０によって受光面に結像された光を電気信号に変換して出力する。つまり、センサ部１００において、それぞれ画素に対応する受光素子が受光面上にマトリクス状に並べて配置されている。受光素子の各々の光電変換によって、光が各画素の電気信号に変換されて出力される。
【００１４】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に表すように、センサ部１００には、複数の受光素子１０１が設けられている。複数の受光素子１０１には、半導体層１０と、中間膜２０と、カラーフィルタ３０と、マイクロレンズ４０と、配線層５０と、が設けられている。半導体層１０は、第１面１０ａ及び第２面１０ｂを有する。第１面１０ａは、第２面１０ｂの反対側の面である。
【００１５】
中間膜２０は、例えば、平坦化膜である。平坦化膜は、カラーフィルタ３０が形成される面を平坦化する膜である。また、中間膜２０は、酸化膜、又は、反射防止膜でも良い。
酸化膜は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等のシリコン酸化物を含む膜である。反射防止膜は、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）等のシリコン窒化物を含む膜である。反射防止膜を設けると、半導体層１０に入射する光量が増加する。半導体層１０に入射する光量が増加すると、画素の感度を高めることができる。中間膜２０は、酸化膜、反射防止膜、及び平坦化膜のすくなくともいずれかを含む積層膜でも良い。
【００１６】
カラーフィルタ３０は、それぞれ異なる波長域の光を透過する。カラーフィルタ３０は、中間膜２０の上に設けられる。カラーフィルタ３０は、例えば、赤色の波長域の光を透過するＲカラーフィルタと、緑色の波長域の光を透過するＧカラーフィルタと、青色の波長域の光を透過するＢカラーフィルタと、を含む。図２（ａ）に表すように、カラーフィルタ３０は、マトリクス状に並べて配置されている。
【００１７】
マイクロレンズ４０は、光源から出射し、センサ部１００に入射した光を集光し、半導体層１０の第２面１０ｂ側に光を導く。マイクロレンズ４０は、カラーフィルタ３０の上に設けられる。
【００１８】
配線層５０は、半導体層１０の第１面１０ａ上に設けられる。配線層５０は、多層配線５１と、層間絶縁層５２と、を有する。多層配線５１は、層間絶縁層５２内に形成される。配線層５０の半導体層１０の形成面とは反対側の面に支持基板が設けられても良い。
【００１９】
半導体層１０は、例えば、シリコン基板等の半導体基板上に形成されたエピタキシャル層である。半導体層１０は、ｎ形拡散層１０ｎと、ｐ形領域１０ｐと、を有する。
また、転送トランジスタ１１と、トランジスタ群１２と、が半導体層１０及び配線層７０の境界付近に設けられている。トランジスタ群１２は、例えば、増幅トランジスタと、リセットトランジスタと、アドレストランジスタと、を有する。
【００２０】
ｎ形拡散層１０ｎ及びｐ形領域１０ｐによってｐｎ接合が形成される。ｐｎ接合に所定の逆方向バイアスが印加されると空乏層が形成される。光が半導体層１０により吸収されて自由電子と自由正孔のペアが生成される。このような光の吸収が、ｐｎ接合の空乏層で生じるか、あるいは空乏層からキャリアの拡散距離の範囲内で生じたとき、光の吸収により生成されたキャリアが電界により移動し、光電流が生ずる。したがって、ｎ形拡散層１０ｎとｐ形拡散層１０ｐによって形成されるｐｎ接合において形成される空乏層およびそこから拡散距離の範囲内の領域は、受光部１０ｒに対応する。つまり、受光部１０ｒは、光を吸収して光電流が生成される部分、あるいは、光電変換が行われる部分である。つまり、マイクロレンズ４０から半導体層１０に向かう方向に照射された光が受光部１０ｒで信号変換されて電荷が蓄積される。ｎ形拡散層１０ｎは、光電変換により発生した信号電子を蓄積する。転送トランジスタ１１は、ｎ形拡散層１０ｎに蓄積された信号電子を拡散層等に移動させる。拡散層等に接続された増幅トランジスタが信号電子を増幅して多層配線５１に出力する。アドレストランジスタは、増幅トランジスタが信号電子を出力するタイミングを制御する。リセットトランジスタは、増幅トランジスタを初期状態に制御する。
【００２１】
受光部１０ｒの各々の光電変換によって出力された各画素の電気信号は、電子機器に内蔵した信号処理回路で信号処理された後、画像データに変換される。画像データは、電子機器のモニタ等に表示される。
【００２２】
図３は、センサ部上に形成される像の光学特性を説明する図である。
図４は、センサ部上に形成される像を示す図である。
図５は、センサ部上に形成される像の光学特性を示すグラフ図である。
図６は、センサ部上に形成される像の光学特性を説明する図である。
【００２３】
図３に表すように、位置点１３０ｂは、被写体１３０上に位置する点又は部位であって、光軸Ａ１から距離ｌ離れている点又は部位である。このような被写体１３０上の位置点１３０ｂは、レンズ１１０によってセンサ部１００上の像面１００ａに像点１００ｂを形成する。像点１００ｂは、光軸Ａ１を中心として位置点１３０ｂとは反対方向に光軸Ａ１から高さＸの位置の点である。
【００２４】
高さＸは、像面１００ａにおける光軸Ａ１との交点である像点１００ｃと、像点１００ｂと、の距離（以下において、像高と呼ぶ場合がある）である。ここで、像高（Image Height:IH）とは、像面の中央画素から対角線端の画素までの距離を１００％としたときの像面の中央画素から２次元アレイ平面上の各画素までの距離をパーセントで表した数値である。
【００２５】
角度θ１は、光束の中心を通る主光線Ａ２の角度（以下において、主光線角と呼ぶ場合がある）である。ここで、主光線Ａ２は、位置点１３０ｂから絞りの像の中心であるレンズの中心１１０ｃを通り、像点に関する像高及び位置を決める基準となる線である。また、主光線角（Chief Ray Angle:CRA）は、画面範囲を規定する角度でもある。つまり、像点１００ｃでは主光線角は０度である。
【００２６】
図４は、複数の異なる位置点を結像した場合において、センサ部１００の像面１００ａ上に表される像点が示されている。像点１００ｃの像高は０％であって、像点１００ｃの主光線角は０度である。像点１００ｄの像高は５０％であって、像点１００ｄの主光線角は２５度である。像点１００ｅの像高は１００％であって、像点１００ｅの主光線角は５０度である。なお、像点１００ｃは、センサ部１００の受光面の中心に位置する。例えば、像面１００ａを四角形状とした場合、センサ部１００の受光面の中心は、２つの対角線の交点である。
【００２７】
図５に表すように、主光線角が増加するにつれて像高は増加している。縦軸は、像高ＩＨ（％）を示している。横軸は、主光線角ＣＲＡ（度）を示している。像高と主光線角は、非線形のグラフによって表される。
【００２８】
また、図６に表すように、レンズの直径（レンズ瞳径）をＤ、レンズの中心と、像面における光軸との交点と、の距離（レンズの焦点距離）をｆ、像高に相当する距離をｘ、主光線角をθとすると、以下の関係式（１）及び（２）が成り立つ。
【００２９】
Ｆ＝ｆ／Ｄ・・・（１）
ｔａｎθ＝ｘ／ｆ・・・（２）
【００３０】
Ｆは、レンズの明るさに関する特性値であって、点広がり関数の大きさに関係する値である。また、例えば、直径Ｄ、距離ｆ、及び主光線角θは、図３における、直径Ｄ１、距離ｆ１、及び主光線角θ１である。距離ｘは、図３における、像高Ｘに相当する距離である。例えば、レンズの直径Ｄは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【００３１】
また、λを光の波長とすると、点広がり関数ＰＳＦと、像高Ｘに相当する距離ｘと、は、以下の関係式（３）が成り立つ。なお、λは、受光素子１０１、例えば、カラーフィルタ３０の中心における光の波長である。
【００３２】
2016066655.tif 000003
【００３３】
したがって、図５から、レンズ１１０及びセンサ部１００の特性によって主光線角及び像高の関係が決定される。また、図６及び上記関係式（３）から、像高の値（像高に相当する距離）が大きくなるにつれて、点広がり関数の値は、大きくなることが分かる。
【００３４】
例えば、画面の中央では、２次元アレイ平面に垂直な軸を基準とした入射光の入射角は、ほぼ０度であって、入射光は垂直に入射する。このような場合、レンズ１１０の中心と、カラーフィルタ３０及びマイクロレンズ４０等の受光素子１０１の中心と、は一致する。一方で、図３に表すような、画面の端部等の画面の中央以外では、レンズ１１０を経て受光素子１０１に入射する入射光は、所定の入射角によって入射される。これにより、点広がり関数ＰＳＦのは、像高ＩＨの値が大きくなるにつれて大きくなる。
【００３５】
図７は、センサ部上に形成される像を示す図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、センサ部の一部を示す模式図である。
図９は、センサ部上に形成される像を示す図である。
図１０は、センサ部の一部を示す模式図である。
【００３６】
図７及び図９には、複数の異なる位置点を結像した場合において、センサ部１００の像面１００ａ上に表される像点が示されている。図８（ａ）、図８（ｂ）及び図１０において、センサ部１００の上面図が示されている。センサ部１００において、それぞれ画素に対応する受光素子１０１が受光面上にマトリクス状に並べて配置されている。例えば、図８（ａ）、図８（ｂ）及び図１０は、複数の画素を示す図２（ａ）の一部に相当する。
【００３７】
図７に表すように、領域１００Ｒ１及び領域１００Ｒ２は、センサ部１００の像面１００ａ上の領域である。像点１００ｆ〜像点１００ｉは、領域１００Ｒ１内の点又は部位である。像点１００ｊ〜像点１００ｍは、領域１００Ｒ２内の点又は部位である。像点１００ｃが像面１００ａにおける光軸Ａ１との交点であるので、方向ｄ１及び方向ｄ２は、画素の配列方向であって、像高が増加する方向を示している。
【００３８】
図８（ａ）は、図７の領域１００Ｒ１において、像高が増加するにつれて画素面積（受光部１０ｒの大きさ）が大きくなることを示している。領域１００Ｒ１の像点１００ｆ〜像点１００ｉが複数の画素内の４つの点又は部位に対応する。例えば、領域１００Ｒ１において、像点１００ｆ及び像点１００ｉの像高が２５％であって、像点１００ｇ及び像点１００ｈの像高が６０％である場合、像点１００ｇ及び像点１００ｈに対応する画素面積は、像点１００ｆ及び像点１００ｉに対応する画素面積より大きい。
【００３９】
図８（ｂ）は、図７の領域１００Ｒ２において、像高が増加するにつれて画素面積（受光部１０ｒの大きさ）が大きくなることを示している。領域１００Ｒ２の像点１００ｊ〜像点１００ｍが複数の画素内の４つの点又は部位に対応する。例えば、領域１００Ｒ２において、像点１００ｊ及び像点１００ｍの像高が２５％であって、像点１００ｋ及び像点１００ｌの像高が６０％である場合、像点１００ｋ及び像点１００ｌに対応する画素面積は、像点１００ｊ及び像点１００ｍに対応する画素面積より大きい。
【００４０】
図８（ａ）及び図８（ｂ）の画素面積（受光部１０ｒの大きさ）の変化例は、それぞれ一例である。像高が増加するにつれて画素面積を大きくさせるように複数の画素をセンサ部１００に設けることができる。例えば、図９及び図１０に表すように、領域１００Ｒ３内であって像面１００ａの外周部は像高が大きい部分であるので、外周部を内周部より画素面積が大きくなるように複数の画素をセンサ部１００に設けることができる。内周部の単位画素の一辺の長さをｙとすると、外周部の単位画素の一辺の長さは１．５×ｙで表される。外周部の単位画素の対角線の長さは２．１×ｙで表される。つまり、外周部が内周部の１．５倍の大きさの画素を有するように、複数の画素をセンサ部１００に設けることができる。
【００４１】
また、点広がり関数と像高との上記関係式（３）に基づいて、像高Ｘに相当する距離ｘと、波長λと、に対して画素面積が以下の数値（１）に比例して変化するように複数の画素をセンサ部１００に設けても良い。
【００４２】
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【００４３】
上述したように、像高が増加するにつれて画素面積を大きくさせるように複数の画素をセンサ部１００に設けることができる。また、像高と光の波長に対して画素面積を変化させるように複数の画素をセンサ部１００に設けることができる。
これにより、受光部１０ｒの大きさは、像高が増加するにつれて大きくすることができる。また、像高と光の波長に基づいて受光部１０ｒの大きさを変えることができる。このようにセンサ部１００に受光部１０ｒを設けると、センサ部１００及びレンズ１１０の特性に基づいて分光量子効率が向上し、感度が向上する。
【００４４】
本実施形態のセンサ部１００において、像高と光の波長に対して画素面積（受光部１０ｒの大きさ）を変化させるように複数の画素を設けている。このようにセンサ部１００に複数の画素を設けると、センサ部１００及びレンズ１１０の特性に基づいて分光量子効率を向上させることができる。これにより、より感度を向上させた固体撮像素子及び撮像装置を提供することができる。
【００４５】
以下、上記のような条件を見出す基となった検討結果について説明する。  
【００４６】
図１１は、点広がり関数と主光線角との関係を示すグラフ図である。
図１２（ａ）〜図１２（ｇ）は、点広がり関数と波長との関係を示す図である。
図１３（ａ）〜図１３（ｇ）は、点広がり関数と波長との関係を示す図である。
【００４７】
図１１において、各波長領域の点広がり関数の直径と主光線角との関係が曲線（１）〜曲線（３）によって示されている。縦軸は、点広がり関数ＰＳＦの直径（マイクロメートル）を示している。横軸は、主光線角（度）を示している。点広がり関数の直径とは、点広がり関数で表される光線の形状における直径である。なお、Ｆ値が２．０であるレンズを用いている。
【００４８】
曲線（１）は、波長λが４８０ナノメートルである場合、点広がり関数の直径と主光線角との関係を示している。曲線（２）は、波長λが５２０ナノメートルである場合、点広がり関数の直径と主光線角との関係を示している。曲線（３）は、波長λが６２０ナノメートルである場合、点広がり関数の直径と主光線角との関係を示している。曲線（１）は、青色の波長領域であり、曲線（２）は、緑色の波長領域であり、そして、曲線（３）は、赤色の波長領域である。
【００４９】
曲線（１）の主光線角が０度である場合、点広がり関数の直径は、１．１７マイクロメートルである。曲線（１）の主光線角が５０度である場合、点広がり関数の直径は、１．８２マイクロメートルである。
【００５０】
曲線（２）の主光線角が０度である場合、点広がり関数の直径は、１．２７マイクロメートルである。曲線（２）の主光線角が５０度である場合、点広がり関数の直径は、１．９７マイクロメートルである。
【００５１】
曲線（３）の主光線角が０度である場合、点広がり関数の直径は、１．５１マイクロメートルである。曲線（３）の主光線角が５０度である場合、点広がり関数の直径は、２．３５マイクロメートルである。
【００５２】
曲線（１）〜曲線（３）のいずれにおいても、主光線角が０度から５０度に増加すると、点広がり関数の直径は１．５倍程度に増加することが分かった。これにより、青色、緑色及び赤色の波長領域のいずれにおいても、主光線角が増加するとＰＳＦの直径が増加することが分かった。
【００５３】
図１２及び図１３において、波長を変えた場合、所定の像高の点広がり関数の形状変化が示されている。図１２及び図１３において、点広がり関数の形状変化をモノトーン色の濃淡で表している。この場合、濃い部分が点広がり関数の形状を示している。図１２は、像高が０％である場合、波長λを０．４０から０．７０マイクロメートルに変化させている。図１３は、像高が８０％である場合、波長λを０．４０から０．７０マイクロメートルに変化させている。点広がり関数の形状とは、点広がり関数で表される光線の形状である。なお、単位画素の一辺の長さが１．１２マイクロメートルであって、Ｆ値が２．０であるレンズを用いている。
【００５４】
図１２（ａ）及び図１３（ａ）は、波長λが０．４０マイクロメートルである場合の点広がり関数の形状を示している。図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）は、波長λが０．４５マイクロメートルである場合の点広がり関数の形状を示している。図１２（ｃ）及び図１３（ｃ）は、波長λが０．５０マイクロメートルである場合の点広がり関数の形状を示している。
【００５５】
図１２（ｄ）及び図１３（ｄ）は、波長λが０．５５マイクロメートルである場合の点広がり関数の形状を示している。図１２（ｅ）及び図１３（ｅ）は、波長λが０．６０マイクロメートルである場合の点広がり関数の形状を示している。図１２（ｆ）及び図１３（ｆ）は、波長λが０．６５マイクロメートルである場合の点広がり関数の形状を示している。図１２（ｇ）及び図１３（ｇ）は、波長λが０．７０マイクロメートルである場合の点広がり関数の形状を示している。
【００５６】
図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）から、青色の波長領域であって、像高が０％及び８０％のいずれにおいても、他の形状図と比較して点広がり関数の形状は細いことが分かった。図１２（ｄ）、図１２（ｅ）、図１３（ｄ）及び図１３（ｅ）から、緑色の波長領域であって、像高が０％及び８０％のいずれにおいても、他の形状図と比較して点広がり関数の形状は中間であることが分かった。
【００５７】
図１２（ｆ）、図１２（ｇ）、図１３（ｆ）及び図１３（ｇ）から、赤色の波長領域であって、像高が０％及び８０％のいずれにおいても、他の形状図と比較して点広がり関数の形状は太いことが分かった。つまり、波長が増加するにつれて、点広がり関数の形状は太くなることが分かった。また、図１２及び図１３を比較して、像高が増加すると、点広がり関数の形状は斜めに歪むことが分かった。
【００５８】
図１４は、光の吸収率と波長との関係を示すグラフ図である。
図１５は、感度とレンズとの関係を示す図である。
図１６は、量子効率と波長との関係を示す図である。
図１７は、受光量と画素面積（受光部１０ｒの大きさ）との関係を示す図である。
【００５９】
図１４において、レンズ特性を変えた場合、各波長領域のカラーフィルタの吸収率が曲線（１）〜曲線（３）によって示されている。縦軸は、カラーフィルタの吸収率を示している。カラーフィルタが全吸収すると吸収率は１．０である。横軸は、波長λ（マイクロメートル）を示している。
【００６０】
曲線（１）は、Ｆ値が任意の値であるレンズを用いた場合、各波長領域のカラーフィルタの吸収率を示している。曲線（２）及び曲線（３）は、Ｆ値が２．０５であるレンズを用いた場合、各波長領域のカラーフィルタの吸収率を示している。
【００６１】
また、曲線（２）は、レンズ１１０からの回折光を集光して平面波を足し合わせた場合のカラーフィルタの吸収率を示している。曲線（３）は、点広がり関数を用いて、光強度で足し合わせた場合のカラーフィルタの吸収率を示している。
【００６２】
実線で囲まれた領域（ａ）は、点広がり関数の形状が変動している領域である。例えば、領域（ａ）の点広がり関数の形状は、図１２（ａ）及び図１３（ａ）に示される点広がり関数の形状に相当する。実線で囲まれた領域（ｂ）は、点広がり関数の形状が細い領域である。例えば、領域（ｂ）の点広がり関数の形状は、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示される点広がり関数の形状に相当する。
【００６３】
実線で囲まれた領域（ｃ）は、点広がり関数の形状が中間である領域である。例えば、領域（ｃ）の点広がり関数の形状は、図１２（ｄ）、図１２（ｅ）、図１３（ｄ）及び図１３（ｅ）に示される点広がり関数の形状に相当する。実線で囲まれた領域（ｄ）は、点広がり関数の形状が太い領域である。例えば、領域（ｄ）の点広がり関数の形状は、図１２（ｆ）、図１２（ｇ）、図１３（ｆ）及び図１３（ｇ）に示される点広がり関数の形状に相当する。
【００６４】
領域（ｂ）から領域（ｄ）を比較して、領域（ｂ）では、カラーフィルタの吸収率が減少することが分かった。また、領域（ｃ）では、カラーフィルタの吸収率の変化が小さいことが分かった。領域（ｄ）では、カラーフィルタの吸収率が増加することが分かった。
これにより、カラーフィルタの吸収率が減少する領域（ｂ）は、点広がり関数の形状が細い領域であることが分かった。カラーフィルタの吸収率の変化が小さい領域（ｃ）は、点広がり関数の形状が中間領域であることが分かった。カラーフィルタの吸収率が増加する領域（ｄ）は、点広がり関数の形状が太い領域であることが分かった。
【００６５】
図１５において、面積が異なる画素について、レンズのＦ値を変化させた場合の感度が示されている。縦軸は、感度Ｓを示している。横軸は、レンズのＦ値を示している。また、直線（１）は、相対的に面積が大きい画素の感度ＳとレンズのＦ値との関係を示している。直線（２）は、相対的に面積が小さい画素の感度ＳとレンズのＦ値との関係を示している。直線（１）の画素では、直線（２）の画素と比較して開口率が高い。
【００６６】
直線（１）及び直線（２）のいずれにおいても、Ｆ値が増加すると、感度Ｓが減少することが分かった。また、直線（２）において、Ｆ値が増加した場合の感度Ｓの減少率が大きいことが分かった。これにより、単位画素の面積を小さくして画素を微細化すると、Ｆ値を増加させた場合に感度Ｓの減少率が大きくなることが分かった。
【００６７】
図１６において、レンズ特性を変えた場合、各波長領域の量子効率が曲線（１）から曲線（６）によって示されている。縦軸は、量子効率ＱＥを示している。横軸は、波長λ（マイクロメートル）を示している。
【００６８】
曲線（１）から曲線（３）は、Ｆ値が任意の値であるレンズを用いた場合、青色の波長領域、緑色の波長領域、及び、赤色の波長領域の量子効率ＱＥを示している。曲線（４）から曲線（６）は、Ｆ値が２．０５であるレンズを用いた場合、青色の波長領域、緑色の波長領域、及び、赤色の波長領域の量子効率ＱＥを示している。また、曲線（４）から曲線（６）は、点広がり関数を用いて、光強度で足し合わせた場合の量子効率ＱＥを示している。曲線（１）から曲線（６）のいずれにおいても、単位画素の一辺は、１．１２マイクロメートルである。
【００６９】
曲線（１）及び曲線（４）と、曲線（２）及び曲線（５）と、から、青色の波長領域、及び、緑色の波長領域では、量子効率ＱＥが増加していることが分かった。青色の波長領域、及び、緑色の波長領域は、赤色の波長領域と比較して、点広がり関数の形状が細い領域である。これにより、画素の大きさ（受光部１０ｒの大きさ）に対して、点広がり関数の形状が細いと感度が相対的に向上することが分かった。つまり、点広がり関数の形状に基づいて画素の形状を決定すると、感度が相対的に向上することが分かった。
【００７０】
図１７において、単位画素の面積を変えた場合、所定の主光線角の受光量がプロットによって示されている。縦軸は、入射光量を１としたときの受光量を示している。横軸は、画素面積（μｍ２）を示している。光の波長λは、５５０ナノメートルである。レンズのＦ値は、０．９である。また、図１７は、点広がり関数を用いて、光強度で足し合わせた場合の受光量を示しており、シミュレーション結果を例示している。
【００７１】
四角形のプロットは、主光線角が３０度である場合、画素面積（受光部１０ｒの大きさ）に対する受光量を表している。菱形のプロットは、主光線角が０度である場合、画素面積に対する受光量を表している。四角形のプロットと、菱形のプロットと、を比較すると、画素面積が１μｍ２の場合、主光線角が３０度の受光量は０．６４であり、主光線角が０度の受光量は０．８である。画素面積が１．７μｍ２の場合、主光線角が３０度の受光量は０．８である。これにより、主光線角が３０度では主光線角が０度と同等の受光量を得るためには、画素面積を７０％程度拡大させる必要があることが分かった。つまり、像高が０％と同等の受光量を得るためには画素面積を７０％程度拡大させる必要があることが分かった。
【００７２】
上述した説明のように、固体撮像素子において、レンズの特性に応じて分光量子効率が低下する場合がある。主な原因として、固体撮像素子の画素の大きさが像高によらず均一であるため、分光量子効率が高くなる点広がり関数の形状に画素面積が合っていないことが挙げられる。
【００７３】
本実施形態では、像高と光の波長に対して画素面積を変化させるようにセンサ部１００に複数の画素を設けている。このようにセンサ部１００に複数の画素を設けると、センサ部１００及びレンズ１１０の特性に基づいて分光量子効率を向上させることができる。
【００７４】
本実施形態によれば、より感度を向上させた固体撮像素子及び撮像装置を提供することができる。
【００７５】
（第２実施形態）
図１８は、第２実施形態に係るセンサ部上に形成される像を示す図である。
図１９は、第２実施形態に係るセンサ部の一部を示す模式図である。
【００７６】
図１８において、異なる位置に点を結像した場合、センサ部１００の像面１００ａ上に表される像点が示されている。図１９において、センサ部１００の上面図が示されている。センサ部１００において、それぞれ画素に対応する受光素子１０１が受光面上にマトリクス状に並べて配置されている。例えば、図１９は、複数の画素を示す図２（ａ）の一部に相当する。
【００７７】
図１８に表すように、領域１００Ｒ４は、センサ部１００の像面１００ａ上の領域である。図１９は、領域１００Ｒ４であって像面１００ａの外周部において、画素面積（受光部１０ｒの大きさ）が大きくなることを示している。例えば、像面１００ａの外周部は像高が大きい部分であるので、外周部を内周部より画素面積が大きくなるように複数の画素をセンサ部１００に設けることができる。内周部の単位画素の一辺の長さをｙとすると、内周部の単位画素の対角線の長さは１．４×ｙで表される。外周部の単位画素の長辺の長さは２．０×ｙで表される。
【００７８】
また、像面１００ａの中央から対角線端に向かう方向をｄ３とすると、複数の画素は、方向ｄ３に沿って並列して配置するようにセンサ部１００に設けられている。つまり、本実施形態の画素は、図８及び図１０の画素の配列方向ｄ１及びｄ２に対して略４５度回転するように並列して配置されている。図１９の画素の配置例は一例であって、例えば、図８及び図１０の画素の配列方向ｄ１及びｄ２に対して所定の角度回転するように並列して配置しても良い。また、像高が増加するにつれて画素面積を大きくさせるように複数の画素をセンサ部１００に設けることができる。
【００７９】
また、画素を並列して配置する場合、緑色の画素同士が隣接して配置され、赤色の画素と青色の画素とが隣接して配置されることが望ましい。例えば、画素の配列は、主光線の進む方向に対して、緑色の画素同士が隣接して配置され、赤色の画素と青色の画素とが隣接して配置される。赤色の波長と、青色の波長と、は互いに離れた波長帯であるので、隣接画素による混色を低減することができる。
【００８０】
本実施形態では、像高と光の波長に対して画素面積を変化させるようにセンサ部１００に複数の画素を設けている。このようにセンサ部１００に複数の画素を設けると、センサ部１００及びレンズ１１０の特性に基づいて分光量子効率を向上させることができる。
【００８１】
また、像面１００ａの中央から対角線端に向かう方向ｄ３に沿って並列して配置するようにセンサ部１００に複数の画素を設けている。このようにセンサ部１００に複数の画素を設けると、点広がり関数の形状に基づいた画素の形状によって、隣接画素間の境界が減少して感度を向上させることができる。
【００８２】
本実施形態によれば、より感度を向上させた固体撮像素子及び撮像装置を提供することができる。
【００８３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８４】
１０…半導体層、  １０ａ…第１面、  １０ｂ…第２面、  １０ｎ…ｎ形拡散層、  １０ｐ…ｐ形領域、  １０ｒ…受光部、  １１…転送トランジスタ、  １２…トランジスタ群、  ２０…中間膜、  ３０…カラーフィルタ、  ４０…マイクロレンズ、  ５０…配線層、  ５１…多層配線、  ５２…層間絶縁層、  １００…センサ部、１００ａ…像面、  １００ｂ〜１００ｍ…像点、  １００Ｒ１〜１００Ｒ４…領域、  １０１…受光素子、  １１０…レンズ、  １２０…撮像装置、  １３０…被写体、  １３０ａ、１３０ｂ…位置点、  Ａ１…光軸、  Ａ２…主光線、  Ｄ、Ｄ１…直径、  ｄ１〜ｄ３…方向、  Ｆ１…焦点、  ｆ、ｆ１…焦点距離、  Ｌ１、Ｌ２…光、  ｌ、ｘ…距離、  Ｘ…像高、  θ、θ１…主光線角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１８】
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【図１９】
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