(57)【要約】      （修正有）【課題】微細画素においても高感度で位相差検出する固体撮像素子および電子機器を提供する。【解決手段】固体撮像素子に２次元アレイ状に配列された画素は、１画素単位でオンチップレンズが形成されている通常画素と、複数の画素からなる画素単位が１つのオンチップレンズを共有している位相差画素からなり、その１つのオンチップレンズを共有している位相差画素は、オンチップレンズの下に層内レンズを有する。【選択図】図３
2016015430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素で１つのオンチップレンズを共有し、
前記画素は、前記オンチップレンズの下に層内レンズを有する
固体撮像素子。
【請求項２】
前記層内レンズは、前記画素の中心位置に対してずれた平面位置に配置されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記層内レンズは、前記オンチップレンズの中心位置から離れた方向にずれている
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記層内レンズは、その周囲の層の屈折率よりも高い屈折率の材料により形成されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記層内レンズの重心位置は、前記画素の中心位置に対してずれた平面位置に配置されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記層内レンズの重心位置は、その周囲の層の屈折率よりも高い屈折率の材料の割合を前記画素の中心位置から離れた方向に多くすることで、前記画素の中心位置に対してずれた平面位置に配置されている
請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記層内レンズは、前記高い屈折率のリング形状の材料を円柱形状の外側に複数設けたリングパターン形状を有する
請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記層内レンズは、カラーフィルタの下または上に配置されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記層内レンズは、連続膜として形成された保護膜と接続されており、前記保護膜と同一材料で形成されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記画素は、前記層内レンズの下に、導波路を有する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記画素は、前記導波路の下に、フォトダイオードを有する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記画素は、半導体基板外に光電変換部を有する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記画素は、複数の光電変換部を有し、
前記複数の光電変換部は、異なる波長の入射光を光電変換する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記オンチップレンズと前記層内レンズは、射出瞳補正を行う位置に配置されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記１つのオンチップレンズは、２画素または４画素で共有される
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記画素は、R、G、または、Bのカラーフィルタを有する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１７】
前記画素は、R、G、B、または、Wのカラーフィルタを有する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１８】
同色の前記カラーフィルタを有する第１の画素と第２の画素を有し、
前記第１の画素の前記オンチップレンズの斜面の傾きは、前記第２の画素の前記オンチップレンズの斜面の傾きと逆である
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１９】
２次元アレイ状に配列された全ての画素が、複数の画素で１つのオンチップレンズを共有する画素である
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項２０】
複数の画素で１つのオンチップレンズを共有し、
前記画素は、前記オンチップレンズの下に層内レンズを有する
固体撮像素子
を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像素子および電子機器に関し、特に、微細画素においても高感度で位相差検出ができるようにする固体撮像素子および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子において、行列状に２次元配置された複数の画素の一部に位相差画素を設け、焦点検出を行う像面位相差法が知られている。
【０００３】
位相差画素では、例えば、画素内の右半分または左半分が遮光膜で覆われており、像面位相差法は、右半分で受光する位相差画素と左半分で受光する位相差画素で像面上の位相差を検出する方法である(例えば、特許文献１参照)。
【０００４】
この場合、位相差画素は、開口率低下による感度劣化が大きいため、画像を生成するための画素としては欠陥画素となってしまい、画像としての信号に寄与することができない。その結果、抜けた画素の影響で、画像の解像度劣化と偽色の発生を引き起こす。とりわけ1.5μm以下の微細画素における位相差画素では、開口幅が波長λの1/2まで小さくなり、導波管のカットオフ周波数の原理から、入射光の長波長側がカットされて、感度が著しく劣化することになる(Cut-off条件λ≧2a, a:開口幅)。このことは、感度の著しい低下により、とりわけ暗所での焦点合わせ精度の劣化を同時に引き起こすことを意味する。
【０００５】
これに対して、PD（フォトダイオード）を画素内で2分割して、遮光膜無しで位相差を検出する方法がある(例えば、特許文献２参照)。この場合、分割PDの信号を足し算することで画像信号として利用することができるので、位相差画素は欠陥画素とならず、感度低下は免れる。
【０００６】
しかしながら、分割されたPDに応じて読出しトランジスタ数が増えてしまうため、微細画素、とりわけ1.5μm以下の微細画素では、構造上、製造が困難となる。またPDの容量も減るためにPDが飽和しやすいといった悪影響も同時に発生する。
【０００７】
以上のような理由により、遮光膜を形成する遮光膜方式やPDを分割して設けるPD分割方式は、微細画素に向かない技術と言える。
【０００８】
一方、複数画素に対して一つの大きいOCL（オンチップレンズ）を形成し、OCLを共有する画素どうしの信号を用いて位相差を検出する方法がある(例えば、特許文献３参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１０９９６５号公報
【特許文献２】特開２０１３−４１８９０号公報
【特許文献３】特開２０１３−２１０５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献３の方法によれば、微細画素には応用可能である。しかし、入射光が、OCLによって、光電変換部が設けられていない画素と画素の間に集光される。例えば、４画素に一つのOCLを配置した場合、入射光は、４画素の画素間の境界線の交差した点付近に集光する。また、２画素に一つのOCLを配置した場合、入射光は、２画素の画素間の境界線の中心付近に集光する。したがって、特許文献３の方法では、感度低下を招くことになる。
【００１１】
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、微細画素においても高感度で位相差検出ができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本開示の第１の側面の固体撮像素子は、複数の画素で１つのオンチップレンズを共有し、前記画素は、前記オンチップレンズの下に層内レンズを有する。
【００１３】
本開示の第２の側面の電子機器は、複数の画素で１つのオンチップレンズを共有し、前記画素は、前記オンチップレンズの下に層内レンズを有する固体撮像素子を備える。
【００１４】
本開示の第１及び第２の側面においては、複数の画素で１つのオンチップレンズが共有され、画素ではオンチップレンズの下に層内レンズが配置される。
【００１５】
固体撮像素子及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本開示の第１及び第２の側面によれば、微細画素においても高感度で位相差検出ができるようにする。
【００１７】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本開示に係る固体撮像素子の概略構成を示す図である。
【図２】カラーフィルタとOCLの配置例を示す上面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る位相差画素の断面構成図である。
【図４】像面位相差による焦点検出の原理について説明する図である。
【図５】像面位相差による焦点検出の原理について説明する図である。
【図６】層内レンズの配置も示すカラーフィルタとOCLの上面図である。
【図７】図６の一部を抽出した上面図である。
【図８】層内レンズの形状例を示す図である。
【図９】層内レンズの重心位置を説明する図である。
【図１０】層内レンズの効果を説明する図である。
【図１１】第１の実施の形態に係る位相差画素の変形例を示す断面構成図である。
【図１２】特許文献１等に開示されている位相差画素の画素構造を示す図である。
【図１３】特許文献３等に開示されている位相差画素の画素構造を示す図である。
【図１４】第１の実施の形態に係る位相差画素の効果を説明する図である。
【図１５】第１の実施の形態に係る位相差画素の効果を説明する図である。
【図１６】第１の実施の形態に係る位相差画素の効果を説明する図である。
【図１７】第２の実施の形態に係る位相差画素の断面構成図である。
【図１８】第３の実施の形態に係る位相差画素の断面構成図である。
【図１９】第４の実施の形態に係る位相差画素の断面構成図である。
【図２０】第５の実施の形態に係る位相差画素の断面構成図である。
【図２１】第６の実施の形態に係る位相差画素の断面構成図である。
【図２２】第７の実施の形態に係る位相差画素の断面構成図である。
【図２３】射出瞳補正について説明する図である。
【図２４】OCLのその他の第１例を示す図である。
【図２５】図２４の一部を抽出した上面図である。
【図２６】OCLのその他の第２例を示す図である。
【図２７】OCLのその他の第３例を示す図である。
【図２８】カラーフィルタのその他の第１配色例を示す図である。
【図２９】カラーフィルタのその他の第２配色例を示す図である。
【図３０】カラーフィルタのその他の第３配色例を示す図である。
【図３１】OCLのその他の形状例を示す斜視図である。
【図３２】裏面照射型の位相差画素の断面構成図である。
【図３３】固体撮像素子の基板構成例を示す図である。
【図３４】本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（カラーフィルタ下に層内レンズを有する構成例）
２．第２の実施の形態（カラーフィルタ上に層内レンズを有する構成例）
３．第３の実施の形態（保護膜をさらに有する構成例）
４．第４の実施の形態（導波路をさらに有する構成例）
５．第５の実施の形態（半導体基板外に光電変換部を有する構成例）
６．第６の実施の形態（半導体基板外に光電変換部と保護膜を有する構成例）
７．第７の実施の形態（１画素でR,G,Bを受光する構成例）
８．射出瞳補正の適用
９．カラーフィルタとOCLのその他の例
１０．裏面照射型の構成例
１１．固体撮像素子の基板構成例
１２．電子機器への適用例
【００２０】
＜１．第１の実施の形態＞
＜固体撮像素子の概略構成例＞
図１は、本開示に係る固体撮像素子の概略構成を示している。
【００２１】
図１の固体撮像素子１は、半導体として例えばシリコン（Si）を用いた半導体基板１２に、画素２が２次元アレイ状に配列された画素アレイ部３と、その周辺の周辺回路部とを有して構成される。周辺回路部には、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６、出力回路７、制御回路８などが含まれる。
【００２２】
画素２は、例えばフォトダイオードなどによる光電変換部と、複数の画素トランジスタを有して成る。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、増幅トランジスタの４つのMOSトランジスタで構成される。なお、光電変換部が、例えば、半導体基板１２の外に光電変換膜として設けられている場合など、転送トランジスタが省略される場合もある。
【００２３】
また、画素２は、共有画素構造とすることもできる。この画素共有構造は、複数の光電変換部と、複数の転送トランジスタと、共有される１つのフローティングディフージョン（浮遊拡散領域）と、共有される１つずつの他の画素トランジスタとから構成される。すなわち、共有画素では、複数の単位画素を構成する光電変換部及び転送トランジスタが、他の１つずつの画素トランジスタを共有して構成される。
【００２４】
制御回路８は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像素子１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路８は、生成したクロック信号や制御信号を、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に出力する。
【００２５】
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、所定の画素駆動配線１０を選択し、選択された画素駆動配線１０に画素２を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素２を駆動する。すなわち、垂直駆動回路４は、画素アレイ部３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、各画素２の光電変換部において受光量に応じて生成された信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線９を通してカラム信号処理回路５に供給させる。
【００２６】
カラム信号処理回路５は、画素２の列ごとに配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。例えば、カラム信号処理回路５は、画素固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング)およびAD変換等の信号処理を行う。
【００２７】
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１１に出力させる。
【００２８】
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１１を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。出力回路７は、例えば、バファリングだけする場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などが行われる場合もある。入出力端子１３は、外部と信号のやりとりをする。
【００２９】
以上のように構成される固体撮像素子１は、CDS処理とAD変換処理を行うカラム信号処理回路５が画素列ごとに配置されたカラムAD方式と呼ばれるCMOSイメージセンサである。
【００３０】
＜カラーフィルタとOCLの配置例＞
図２は、固体撮像素子１の各画素２に形成されたカラーフィルタとOCL（オンチップレンズ）の配置例を示している。
【００３１】
固体撮像素子１では、R（赤）、G（緑）、またはB（青）の各カラーフィルタ２１が、所定の配置方法、例えば図２に示されるようにベイヤ配列により配置されている。なお、R、G、またはBの各カラーフィルタ２１の配列方法は、ベイヤ配列以外の配列方法でもよい。また、後述するように、カラーフィルタ２１の色は、R、G、またはB以外の色を追加したり、置き換えたりしてもよい。即ち、本開示の固体撮像素子１において、カラーフィルタ２１の色とその配置は任意に決定することができる。
【００３２】
また、固体撮像素子１では、図２に示されるように、垂直方向×水平方向が２×２画素の４画素に対して１つのOCL２２Aが画素アレイ部３内の所定の位置に形成されており、それ以外の画素２では、画素単位のOCL２２Bが形成されている。
【００３３】
なお、以下では、複数画素で１つのOCL２２Aを共有する画素２を、位相差画素２Aとも称し、１画素単位のOCL２２Bが形成されている画素２を、通常画素２Bとも称する。
【００３４】
＜第１の実施の形態に係る画素の断面構成図＞
図３は、第１の実施の形態に係る位相差画素２Aの断面構成図である。
【００３５】
なお、図２では、OCL２２Aが２個隣接して形成されているものとして、４つの位相差画素２Aの断面構成が示されている。
【００３６】
固体撮像素子１は、半導体基板１２の、例えば、P型（第１導電型）の半導体領域４１に、N型（第２導電型）の半導体領域４２を画素２ごとに形成することにより、フォトダイオードPDが、画素単位に形成されている。半導体基板１２の表裏両面に臨むP型の半導体領域４１は、暗電流抑制のための正孔電荷蓄積領域を兼ねている。
【００３７】
半導体基板１２の上面には、絶縁層４６が所定の厚みで形成されており、絶縁層４６内のフォトダイオードPDの受光を妨げない画素境界に、複数の配線層４７が積層されて形成されている。複数の配線層４７は、隣接画素への入射光の漏れ込みを防止する遮光膜としての機能も備える。
【００３８】
なお、図示は省略されているが、半導体基板１２の上面界面には、フォトダイオードPDに蓄積された電荷の読み出し等を行う複数の画素トランジスタ（不図示）なども形成されている。
【００３９】
絶縁層４６は、例えば、ハフニウム酸化（HfO2）膜、酸化膜（SiO2）や、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル共重合系樹脂、またはシロキサン系樹脂等の樹脂系材料で形成される。なお、絶縁膜４６は、複数種類の絶縁膜を積層することで形成することができる。
【００４０】
複数の配線層４７は、例えば、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)などの金属膜で形成することができる。複数の配線層４７は、層ごとに異なる金属材料を用いて形成されていてもよい。
【００４１】
絶縁層４６の層内の複数の配線層４７よりも上側の一部には、層内レンズ（第２のレンズ）４８が画素単位に形成されている。層内レンズ４８は、その周囲の絶縁層４６の屈折率ｎ０よりも高い屈折率ｎ１の材料により形成されている（ｎ１＞ｎ０）。層内レンズ４８は、例えば、窒化膜（SiN）、酸窒化膜（SiON）、炭化珪素（SiC）等の無機膜で形成される。
【００４２】
また、各画素２の層内レンズ４８は、画素中心からずれた平面位置に形成されており、画素内で非対称な配置となっている。より具体的には、各画素２の層内レンズ４８は、１つのOCL２２Aが配置されている４画素において、OCL２２Aの中心位置から離れた方向にずれた配置となっている。層内レンズ４８の配置とその効果については後述する。
【００４３】
そして、絶縁層４６の上面には、R、G、またはBの各カラーフィルタ２１が画素毎に形成される。カラーフィルタ２１は、例えば顔料や染料などの色素を含んだ感光性樹脂を回転塗布することによって形成される。
【００４４】
カラーフィルタ２１の上に、４画素に対して１つのOCL２２Aが形成されている。OCL２２Aは、例えば、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル共重合系樹脂、またはシロキサン系樹脂等の樹脂系材料で形成される。
【００４５】
固体撮像素子１のOCL２２Aが形成されている位相差画素２Aは、以上のように構成されている。
【００４６】
なお、OCL２２Bが形成されている通常画素２Bについては、図示を省略するが、OCL２２Bが画素単位に形成されている点、層内レンズ４８が画素内で対称に配置されている点のみが、図３に示した位相差画素２Aと異なる。
【００４７】
以上のように、固体撮像素子１は、画素トランジスタや配線層４７が形成されている半導体基板１２の表面側から光が入射される表面照射型のMOS型固体撮像素子である。
【００４８】
＜像面位相差による焦点検出の原理＞
図４及び図５を参照して、像面位相差による焦点検出の原理について説明する。
【００４９】
図４は、合焦している場合の被写体からの光の光度分布を示す図である。
【００５０】
なお、図４及び図５においては、説明の便宜上、位相差画素２Aのみが配列している固体撮像素子１が図示されている。
【００５１】
被写体６１に対して焦点が合っている場合、図４に示されるように、被写体６１の一点から射出された光線群が結像レンズ６２及び絞り６３を介して、固体撮像素子１上で集光されることになる。このとき、被写体６１の表面の一点から射出される光の光度分布は、中心に対して対称分布になることが多く、特に完全拡散板の場合、光の光度分布は、図４において拡大して示されるように、球面状の分布になる。これは、固体撮像素子１においては、集光のときの左方向から入射する光量(照度)と右方向から入射する光量(照度)が等しくなることを意味する。したがって、焦点が合っている場合、１つのOCL２２Aを共有する複数の位相差画素２Aのうち、左右方向に隣接して配置された２つの位相差画素２Aには、等しい光量が入射される。
【００５２】
図５は、焦点が合っていない場合の被写体からの光の光度分布を示す図である。
【００５３】
被写体６１に対して焦点が合っていない場合、例えば、図５に示されるように、被写体６１が固体撮像素子１から遠ざかった場合を考えてみると、別の被写体（被写体６４Aや被写体６４B）からの光線が入ってくるために、左右方向から入射するそれぞれの光の光量が異なる。
【００５４】
以上より、１つのOCL２２Aを共有する複数の位相差画素２Aのうち、左右方向に並ぶ位相差画素２Aに入射される光の光量が一致するように結像レンズ６２側を動作させることで、被写体６１に合焦させることが可能となる。
【００５５】
なお、ここでは左右方向の入射光量で説明したが、１つのOCL２２Aを共有する複数の位相差画素２Aのうち上下方向に隣接して配置された２つの位相差画素２Aでも同じことが言える。また、斜め方向の２つの位相差画素２Aでも同じことが言える。即ち、像面上で２分割したときの対称方向で同じことが言える。
【００５６】
＜層内レンズの配置例＞
図６は、図２に示したカラーフィルタとOCLの配置例を示す上面図に、層内レンズの配置をさらに示した図である。
【００５７】
図７は、図６に示した配置例のうち、OCL２２Aが配置されている２×２の４つの位相差画素２Aと、OCL２２Bが配置されている２×２の４つの通常画素２Bを抽出した図である。
【００５８】
カラーフィルタ２１の配置をベイヤ配列とした場合、OCL２２Aが配置される４画素のカラーフィルタ２１の色配置の組み合わせとしては、図７A乃至図７Dの４種類がある。
【００５９】
図７A及び図７Cの４画素では、左上と右下に配置されたGのカラーフィルタ２１を有する２つの位相差画素２Aで、１つの焦点距離情報が得られる。また、左下と右上に配置されたRとBのカラーフィルタ２１を有する２つの位相差画素２Aで、１つの焦点距離情報が得られる。
【００６０】
図７B及び図７Dの４画素では、左下と右上に配置されたGのカラーフィルタ２１を有する２つの位相差画素２Aで、１つの焦点距離情報が得られる。また、左上と右下に配置されたRとBのカラーフィルタ２１を有する２つの位相差画素２Aで、１つの焦点距離情報が得られる。
【００６１】
このように、カラーフィルタ２１の色配置の組み合わせとして考えられる全ての組み合わせが存在するように、固体撮像素子１においてOCL２２Aを配置することにより、より精度の高い焦点距離情報が得られる。しかしながら、必ずしも図７A乃至図７Dの４種類の色配置の組み合わせが画素アレイ部３内に存在する必要はなく、いずれか１つが少なくとも画素アレイ部３内に配置されていればよい。
【００６２】
また、層内レンズ４８の平面配置に注目すると、位相差画素２Aでは、図７A乃至図７Dに示されるように、OCL２２Aの下に配置されている層内レンズ４８は、OCL２２Aの中心位置から離れた方向にずれた配置となっている。
【００６３】
一方、通常画素２Bは、図７Eに示されるように、第１のレンズとしてのOCL２２Bと、第２のレンズとしての層内レンズ４８が、画素中心に配置されている。なお、通常画素２Bでは、層内レンズ４８を必ずしも設ける必要はなく、省略してもよい。
【００６４】
＜層内レンズの形状例＞
図８は、層内レンズ４８の形状例を示す図である。
【００６５】
画素２の絶縁層４６内に配置される層内レンズ４８は、例えば、図８に示される層内レンズ４８ａ乃至４８ｄの４種類のいずれかの形状を採用することができる。
【００６６】
図８A乃至図８Dは、層内レンズ４８ａ乃至４８ｄそれぞれの上面図を示しており、図８E乃至図８Hは、層内レンズ４８ａ乃至４８ｄそれぞれの断面図を示している。
【００６７】
図８A及び図８Eに示される層内レンズ４８ａの形状は、半球面形状である。
【００６８】
図８B及び図８Fに示される層内レンズ４８ｂの形状は、円柱形状である。
【００６９】
図８C及び図８Gに示される層内レンズ４８ｃの形状は、四角柱形状である。
【００７０】
図８D及び図８Hに示される層内レンズ４８ｄの形状は、上面から見て、最も内側が円柱形状となっており、その円柱形状の外側に、外側になるほど細いリング形状が複数設けられたリングパターン形状である。
【００７１】
層内レンズ４８ａ乃至４８ｃは、その中心位置（重心位置）が画素中心に対してずれた位置、より詳しくは、OCL２２Aの中心から離れた方向側にずらした位置となるように、位相差画素２A内に配置される。
【００７２】
層内レンズ４８ｄは、リングパターン形状の重心位置が、画素中心に対してずれた位置、より詳しくは、OCL２２Aの中心から離れた方向側にずらした位置となるように、位相差画素２A内に配置される。
【００７３】
ここで、リングパターン形状の層内レンズ４８ｄの重心位置は、以下の式（１）が成り立つ場合の位置（ｘ１,ｙ１）として表すことができる。
【数１】
2016015430.tif 000003
式（１）において、Dは、重心を計算する画素内の平面領域または一定領域を表し、f(x,y)は所定の屈折率の分布関数を表す。
【００７４】
式（１）は、周囲の屈折率の一次モーメントの積分が０となる位置が重心位置（ｘ１,ｙ１）となることを表わしている。
【００７５】
図９は、高い屈折率ｎ１の層と低い屈折率ｎ０の層で構成される１次元領域における重心位置ｘ１の概念図を示している。実際には、リングパターン形状の層内レンズ４８ｄの重心位置は２次元領域となるので、ｘとｙの積分が０になる条件を満たす位置（ｘ１,ｙ１）となる。
【００７６】
以上のように、位相差画素２Aにおいて、層内レンズ４８の重心位置が、絶縁層４６の屈折率ｎ０よりも高い屈折率ｎ１の材料の割合をOCL２２Aの中心位置から離れた方向に多くすることで、画素中心に対してずれた平面位置に配置される。これにより、図１０に示されるように、OCL２２Aの中心付近に、撮像面に対してほぼ垂直な方向から入射された光のうち、右側から入射された光は右側に導かれ、左から入射された光は左側に導かれる。
【００７７】
従って、４つの位相差画素２Aに対して一つのOCL２２Aを配置した場合であっても、入射光が４画素の画素間の境界線の交差した点付近に集光することはないため、各位相差画素２AのフォトダイオードPDに入射される光量を増大させることができる。
【００７８】
また、各位相差画素２Aの画素内に入射された光が、隣りの画素内に入射されることが抑制されるので、混色による色再現性の低下が抑制される。
【００７９】
さらには、各位相差画素２Aに入射される光が分離されるため、焦点距離情報としての位相差信号の信頼性が向上し、焦点検出精度が向上する。
【００８０】
本開示の位相差画素２Aは、通常画素２Bと同一の画素サイズで形成することができるから、例えば、1.5μm以下の微細画素であっても容易に製造可能である。
【００８１】
即ち、本開示の位相差画素２Aによれば、微細画素においても高感度で位相差検出が可能となる。
【００８２】
なお、詳細は図１４乃至図１６を参照して説明するが、図１１に示されるように、画素中心に層内レンズ４８を配置した場合であっても、特許文献１乃至３に開示された構造よりも、被写体からの光を集光することができ、感度を向上させることができる。
【００８３】
＜特許文献１及び３の位相差画素構造＞
図１２は、特許文献１等に開示されている位相差画素の画素構造を示している。
【００８４】
図１３は、特許文献３等に開示されている位相差画素の画素構造を示している。
【００８５】
図１２及び図１３において、図３と対応する部分については同一の符号を付してある。
【００８６】
図１２の位相差画素１００では、OCL１０１が画素単位に形成されている。また、位相差画素１００では、層内レンズ４８が設けられておらず、遮光膜１０２が、フォトダイオードPDの受光領域の右側半分または左側半分を遮光するように形成されている。
【００８７】
このような遮光膜方式の位相差画素１００では、遮光膜１０２が設けられていることにより、感度が著しく低下し、位相差画素１００の画素信号は画像生成用には使用できなくなる。そのため、位相差画素１００は欠陥画素となる。
【００８８】
そこで、図１３に示される位相差画素１１０のように、遮光膜１０２を無くし、複数画素に対して１つのOCL１１１を設けることで、位相差画素１１０が欠陥画素となることを防止し、かつ、隣り合う位相差画素１１０どうしの画素信号を用いて焦点距離情報を得ることができる。
【００８９】
しかし、図１３の位相差画素１１０の画素構造では、位相差画素１１０と位相差画素１１０の間に集光スポットが形成されることになる。これにより、フォトダイオードPDに入射されない光が増大し、感度の低下を招くことになる。また、本来の画素とは異なる隣の画素のフォトダイオードPDに入射される光も増大し、混色による色再現性の劣化や焦点検出精度の低下を招く。
【００９０】
これに対して、図３に示した本開示の位相差画素２Aでは、第２のレンズとしての層内レンズ４８を設けることにより、入射光が画素境界に集光しないようになる。例えば、図１０に示したように、右から入射した光は右側の位相差画素２Aに導かれ、左から入射した光は左側の位相差画素２Aに導かれるようになる。
【００９１】
＜波動シミュレーション結果＞
図１４乃至図１６を参照して、第１の実施の形態に係る位相差画素２Aの効果についてさらに説明する。
【００９２】
図１４は、１画素に１つのOCLを配置した通常画素と、４画素（２×２画素）に１つのOCLを配置した２画素レンズ画素の画素構造を、FDTD（Finite-difference time-domain）法により波動シミュレーションしたシミュレーション結果を示している。
【００９３】
図１４Aは、波動シミュレーションを行った際の通常画素の画素構造を示し、図１４Bは、そのシミュレーション結果を示している。
【００９４】
図１４Cは、波動シミュレーションを行った際の２画素レンズ画素の画素構造を示し、図１４Dは、そのシミュレーション結果を示している。
【００９５】
なお、図１４A及び図１４Cでは、画素構造の理解を容易にするため、固体撮像素子１の画素２の対応する部分の符号を付してある。図１４A及び図１４Cの画素構造では、第２のレンズである層内レンズ４８は設けられていない。
【００９６】
図１５は、図１１に示した層内レンズ４８を画素中心に配置した位相差画素２Aの画素構造と、図３に示した層内レンズ４８を画素中心からずらして配置した位相差画素２Aを、FDTD法により波動シミュレーションしたシミュレーション結果を示している。
【００９７】
図１５Aは、波動シミュレーションを行った際の図１１の位相差画素２Aの画素構造を示し、図１５Bは、そのシミュレーション結果を示している。
【００９８】
図１５Bのシミュレーション結果を、図１４Dのシミュレーション結果と比較することにより、層内レンズ４８を入れた効果を確認することができる。
【００９９】
図１５Cは、波動シミュレーションを行った際の図３の位相差画素２Aの画素構造を示し、図１５Dは、そのシミュレーション結果を示している。
【０１００】
図１５Dのシミュレーション結果を、図１５Bのシミュレーション結果と比較することにより、層内レンズ４８を画素中心からずらして配置した効果を確認することができる。
【０１０１】
シミュレーション結果は、いずれも、波長540nmの光が各画素構造に入射した場合のTE波(transverse electric wave)の光電場を示している。
【０１０２】
図１４Bのシミュレーション結果を見ると、通常画素に入射された光は、それぞれの画素のフォトダイオードPDに集光されている。
【０１０３】
これに対して、図１４Cの２画素レンズ画素の画素構造では、図１４Dに示されるように、集光スポットが画素と画素の境界付近に集まっているのが判る。
【０１０４】
そして、図１５Bと図１４Dのシミュレーション結果を比較して判るように、図１１の位相差画素２Aの画素構造では、層内レンズ４８を画素内にさらに設けることによって、集光スポットが完全ではないが分離されて、より多くの光が、それぞれの位相差画素２AのフォトダイオードPDに入射されるようになっている。
【０１０５】
さらに、層内レンズ４８を画素中心からずらして配置した場合には、図１５Dに示されるように、さらに集光スポットが分離されて、それぞれの位相差画素２Aに入射された光は、それぞれのフォトダイオードPDに入射されている。
【０１０６】
図１６は、図１４及び図１６に示した４つのシミュレーション画素構造のフォトダイオードPDの感度の見積もり結果を示している。
【０１０７】
図１４Aの通常画素を基準の感度とすると、図１４Cに示した２画素レンズ画素では、２０％程度、感度が低下する。
【０１０８】
そして、図１５Aの画素構造、即ち、層内レンズ４８を画素内に対称配置した図１１の位相差画素２Aの画素構造とすることにより、図１４Aの通常画素と比較して、感度の低下を、１０％程度に抑えることができる。
【０１０９】
さらに、図１５Cの画素構造、即ち、層内レンズ４８を画素内に非対称に配置した図３の位相差画素２Aの画素構造とすることにより、感度を、図１４Aの通常画素と同等レベルとすることができる。
【０１１０】
以上のシミュレーション結果より、層内レンズ４８を入れることで、欠陥画素を作らずに焦点合わせが可能で、かつ位相差画素２Aの画素信号も、そのまま画像生成に寄与することができる。
【０１１１】
また焦点合わせのための画素感度が高いために、暗いところでもピント合わせが可能となり、かつ、左右方向、上下方向、または、斜め方向の分離性能が優れるために、高い焦点合わせ精度を有する。位相差画素２Aの画素構造は、感度のとれにくい微細画素で特に有効となる。
【０１１２】
即ち、本開示の位相差画素２Aによれば、微細画素においても高感度で位相差検出が可能となる。
【０１１３】
＜２．第２の実施の形態＞
図１７は、第２の実施の形態に係る位相差画素２Aの断面構成図である。
【０１１４】
図１７において、図３に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１１５】
第２の実施の形態に係る位相差画素２Aは、第１の実施の形態と比較すると、層内レンズ４８が、カラーフィルタ２１の下側ではなく、カラーフィルタ２１の上側に形成されている点が異なる。層内レンズ４８の重心位置は、OCL２２Aの中心から離れた方向に、画素中心に対してずれた位置に配置される。第２の実施の形態のその他の構成は、図３に示した第１の実施の形態と同様である。
【０１１６】
このように、層内レンズ４８をカラーフィルタ２１の上側に配置した場合にも、図１７において矢印で示されるように、OCL２２Aの中心付近に入射された光は、層内レンズ４８側に引き寄せられる。
【０１１７】
従って、各位相差画素２AのフォトダイオードPDに入射される光量を増大させることができるとともに、混色による色再現性の低下が抑制される。即ち、受光感度が向上するとともに、焦点検出精度が向上する。
【０１１８】
＜３．第３の実施の形態＞
図１８は、第３の実施の形態に係る位相差画素２Aの断面構成図である。
【０１１９】
図１８において、図３に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１２０】
第３の実施の形態では、第１の実施の形態と比較すると、半導体基板１２とカラーフィルタ２１との間に、保護膜（パッシベーション膜）１５１が、画素アレイ部３の全面に渡る連続膜として形成されている。
【０１２１】
このように連続膜として保護膜１５１が形成される場合、図１８に示されるように、保護膜１５１と層内レンズ４８を同一材料で一体的に形成することができる。保護膜１５１と層内レンズ４８の材料としては、例えば、窒化膜（SiN）や、酸窒化膜（SiON）を用いることができる。
【０１２２】
なお、図１８の例では、保護膜１５１の上面に、層内レンズ４８が形成される例を示しているが、保護膜１５１の下面に、層内レンズ４８が形成されるように構成することもできる。
【０１２３】
第３の実施の形態においても、各位相差画素２AのフォトダイオードPDに入射される光量を増大させることができるとともに、混色による色再現性の低下が抑制される。即ち、受光感度が向上するとともに、焦点検出精度が向上する。
【０１２４】
＜４．第４の実施の形態＞
図１９は、第４の実施の形態に係る位相差画素２Aの断面構成図である。
【０１２５】
図１９において、図３に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１２６】
第４の実施の形態では、第１の実施の形態と比較すると、半導体基板１２内のフォトダイオードPDと層内レンズ４８との間に、導波路１６１が新たに設けられている点が異なる。
【０１２７】
導波路１６１は、その周囲の絶縁層４６よりも屈折率が高い材料で形成することで、光を導波させることができるが、これに限られず、光を導波させる構造であれば何でもよい。導波路１６１の材料には、層内レンズ４８と同一の材料を用いることができる。この導波路１６１により、フォトダイオードPDに入射される光量をさらに増大させることができる。
【０１２８】
導波路１６１を設けた第４の実施の形態においても、各位相差画素２AのフォトダイオードPDに入射される光量を増大させることができるとともに、混色による色再現性の低下が抑制される。即ち、受光感度が向上するとともに、焦点検出精度が向上する。
【０１２９】
＜５．第５の実施の形態＞
図２０は、第５の実施の形態に係る位相差画素２Aの断面構成図である。
【０１３０】
図２０において、図３に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１３１】
第５の実施の形態では、第１の実施の形態と比較すると、半導体基板１２内のフォトダイオードPDに代えて、半導体基板１２と層内レンズ４８との間に、光電変換部１８１が設けられている。
【０１３２】
このような画素構造においては、第１のレンズであるOCL２２Aから、第２のレンズである層内レンズ４８までの距離が短いために、層内レンズ４８のNAは高い方がよい。また、層内レンズ４８の形状としては、図８Aの半球面形状よりは、図８B乃至図８Dの円柱形状、四角柱形状、または、リングパターン形状がよい。
【０１３３】
光電変換膜１８１は、入射光の全波長（白色光）を光電変換する機能を有する。しかし、光電変換部１８１には、カラーフィルタ２１によって、R、G、またはBのいずれかの光のみが入射されるため、光電変換部１８１は、カラーフィルタ２１を通過してきたR、G、またはBのいずれかの光を光電変換する。
【０１３４】
光電変換部１８１は、光電変換層１９１及びバッファ層１９２を、上部電極層１９３Aと下部電極層１９３Bで挟み込む構造により構成されている。光電変換層１９１、バッファ層１９２及び上部電極層１９３Aは、連続膜として形成されており、下部電極層１９３Bは、画素ごとに分離されて形成されている。下部電極層１９３Bは、コンタクト電極１９４により半導体基板１２と接続されており、光電変換部１８１で生成された電荷が、コンタクト電極１９４を介して、半導体基板１２内の不純物領域（不図示）に転送される。
【０１３５】
光電変換層１９１は、無機光電変換膜、例えば、カルコパイライト構造の半導体薄膜であるＣｕＩｎＳｅ２（CIS系薄膜）、あるいは、これにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（CIGS系薄膜）などで形成することができる。バッファ層１９２は、例えば、ＣｄＳ（硫化カドミウム）とＺｎＯ（酸化亜鉛）の積層により形成することができる。上部電極層１９３Aは、デバイスで使用する波長領域を透過する材料、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）やＺｎＯなどの透明電極で形成される。下部電極層１９３Bは、例えば、Ｍｏ（モリブデン）などで形成することができる。
【０１３６】
なお、光電変換層１９１は、無機光電変換膜に代えて、有機光電変換膜を用いてもよい。有機光電変換膜は、有機ｐ型半導体及び有機ｎ型半導体の少なくとも一方を含んでいることが好ましい。有機ｐ型半導体及び有機ｎ型半導体としては、それぞれキナクリドン誘導体、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、及びフルオランテン誘導体などを用いることができる。
【０１３７】
第５の実施の形態においても、層内レンズ４８が設けられていることによって、図２０において矢印で示されるように、OCL２２Aの中心付近に入射された光は、層内レンズ４８側に引き寄せられる。
【０１３８】
したがって、各位相差画素２Aの光電変換部１８１の上部電極層１９３Aと下部電極層１９３Bで挟まれた領域に入射される光量を増大させることができるとともに、混色による色再現性の低下が抑制される。即ち、受光感度が向上するとともに、焦点検出精度が向上する。
【０１３９】
＜６．第６の実施の形態＞
図２１は、第６の実施の形態に係る位相差画素２Aの断面構成図である。
【０１４０】
図２１において、上述した第１乃至第５の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１４１】
第６の実施の形態に係る位相差画素２Aの画素構造は、図２０に示した第５の実施の形態に係る位相差画素２Aの画素構造に、図１８に示した第３の実施の形態で採用した保護膜１５１をさらに追加した構造とされている。
【０１４２】
この保護膜１５１は、半導体基板１２の外側に設けられた光電変換部１８１の光電変換層１９１として、例えば、有機光電変換膜など、水分浸透で劣化しやすい膜が用いられている場合に特に有効に機能する。
【０１４３】
第６の実施の形態においても、各位相差画素２Aの光電変換部１８１に入射される光量を増大させることができるとともに、混色による色再現性の低下が抑制される。即ち、受光感度が向上するとともに、焦点検出精度が向上する。
【０１４４】
＜７．第７の実施の形態＞
図２２は、第７の実施の形態に係る位相差画素２Aの断面構成図である。
【０１４５】
図２２において、上述した第１乃至第６の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１４６】
上述した第１乃至第６の実施の形態では、各画素２が、カラーフィルタ２１を透過したR、G、またはBのいずれかの光のみを光電変換する構造であったのに対して、第７の実施の形態では、図２２に示されるようにカラーフィルタ２１が設けられておらず、各画素２は、R、G、及びBの全波長領域の光を光電変換する。
【０１４７】
図２２に示される位相差画素２Aは、半導体基板１２の上側に、光電変換部１８１を有する。第７の実施の形態においては、光電変換部１８１の光電変換層１９１には、例えば、キナクドリンなどのG（緑）の光を光電変換する光電変換膜が用いられる。
【０１４８】
また、位相差画素２Aは、半導体基板１２のP型の半導体領域４１に、２つのN型の半導体領域２０１及び２０２が深さ方向に積層されて形成されており、２つのPN接合によるフォトダイオードPD１及びPD２が構成されている。光吸収係数の違いにより、フォトダイオードPD１は、B(青)の光を光電変換し、フォトダイオードPD２は、R(赤)の光を光電変換する。
【０１４９】
以上のように構成される第７の実施の形態に係る位相差画素２Aでは、それぞれの画素でR,G,及びBの光を受光することができるので、色配列による差がない。そのため、１つのOCL２２Aを共有する４つの位相差画素２Aにおいて、例えば、左上画素と右下画素の焦点距離情報と、左下画素と右上画素の距離情報の２方向の同色の信号による焦点距離情報（位相差）を検出することができる。これにより、より精度の高い焦点検出が可能となる。
【０１５０】
また、第７の実施の形態においても、各位相差画素２Aの光電変換部１８１に入射される光量を増大させることができるとともに、混色による色再現性の低下が抑制される。即ち、受光感度が向上するとともに、焦点検出精度が向上する。
【０１５１】
＜８．射出瞳補正の適用＞
上述した各実施の形態の画素２は、射出瞳補正を行う構成とすることができる。
【０１５２】
図２３を参照して、第１の実施の形態に係る位相差画素２Aに対して射出瞳補正を適用した場合について説明する。
【０１５３】
図２３では、画素アレイ部３内の中心部に配置された位相差画素２Aの断面図と、画素アレイ部３内の周辺部に配置された位相差画素２Aの断面図が示されている。
【０１５４】
画素アレイ部３の中心部では、結像レンズ６２（図４）からの入射光の主光線の入射角が０度（垂直）となるので、射出瞳補正が行われていない。換言すれば、図２３右側に示されるように、オンチップレンズOCL２２Aを共有する４画素において、４つのフォトダイオードPDの中心と、オンチップレンズOCL２２Aの中心及び４つの層内レンズ４８の中心（重心）とが一致するように、オンチップレンズOCL２２A及び層内レンズ４８が配置されている。
【０１５５】
一方、画素アレイ部３の周辺部では、結像レンズ６２の設計に応じて、結像レンズ６２からの入射光の主光線の入射角が所定の角度（斜め）となるので、画素アレイ部３の中心部と同様にオンチップレンズOCL２２A及び層内レンズ４８を配置すると、シェーディングによる感度低下や、隣接画素の入射光の漏れ込み等が発生する。そのため、画素アレイ部３の周辺部では、射出瞳補正が行われている。
【０１５６】
具体的には、図２３左側に示されるように、オンチップレンズOCL２２Aを共有する４画素において、４つのフォトダイオードPDの中心に対して、オンチップレンズOCL２２Aの中心及び４つの層内レンズ４８の中心（重心）が画素アレイ部３の中心部側にずれて、オンチップレンズOCL２２A及び層内レンズ４８が配置されている。この場合のずれ量は、画素位置が画素アレイ部３の外周に近くなるほど（中心部から遠くなるほど）大きくなる。
【０１５７】
なお、射出瞳補正では、カラーフィルタ２１も、オンチップレンズOCL２２A及び層内レンズ４８のずれに応じて、ずらして配置される。
【０１５８】
図２３は、位相差画素２Aに射出瞳補正を適用した例であるが、通常画素２Bについても同様に適用できる。通常画素２Bに対して射出瞳補正を適用した場合、画素アレイ部３の外周に近くなるほど、フォトダイオードPDの中心に対して、カラーフィルタ２１、オンチップレンズOCL２２B、及び層内レンズ４８の中心が、画素アレイ部３の中心部側にずれて配置される。
【０１５９】
図２３は、第１の実施の形態に係る位相差画素２Aに対して射出瞳補正を適用した例であるが、その他の各実施の形態に係る画素２についても同様に適用できることは言うまでもない。
【０１６０】
＜９．カラーフィルタとOCLのその他の例＞
＜OCLのその他の第１例＞
図２４は、OCLのその他の第１例を示している。
【０１６１】
上述した各実施の形態では、２×２画素の４画素に対して、１つのOCL２２Aが形成されていた。
【０１６２】
これに対して、図２４の例では、２画素に対して１つのOCL２２１が形成されており、画素アレイ部３内の所定の２×２の４画素に対して、垂直方向または水平方向に並ぶ形で、２つのOCL２２１が配置されている。
【０１６３】
図２５は、図２４においてOCL２２１が配置されている位相差画素２Aのみを抽出した図である。
【０１６４】
図２５に示されるように、１つのOCL２２１が形成される位相差画素２Aのカラーフィルタ２１の色配置の組み合わせは、全部で８種類ある。
【０１６５】
この場合、位相差の検出は、同色のカラーフィルタ２１を有する２つの位相差画素２Aであって、OCL２２１の斜面の傾きが逆（対称）である位相差画素２Aどうしを用いて行われる。
【０１６６】
具体的には、図２５AのGのカラーフィルタ２１を有する２つの位相差画素２Aどうしで、Gの画素信号を用いた焦点距離情報が得られ、図２５AのBのカラーフィルタ２１を有する２つの位相差画素２Aどうしで、Bの画素信号を用いた焦点距離情報が得られる。
【０１６７】
また、図２５BのGのカラーフィルタ２１を有する位相差画素２Aどうしで、Gの画素信号を用いた焦点距離情報が得られ、図２５BのBのカラーフィルタ２１を有する位相差画素２Aどうしで、Bの画素信号を用いた焦点距離情報が得られる。
【０１６８】
さらに、図２５CのGのカラーフィルタ２１を有する位相差画素２Aどうしで、Gの画素信号を用いた焦点距離情報が得られ、図２５CのRのカラーフィルタ２１を有する位相差画素２Aどうしで、Rの画素信号を用いた焦点距離情報が得られる。
【０１６９】
さらに、図２５DのGのカラーフィルタ２１を有する位相差画素２Aどうしで、Gの画素信号を用いた焦点距離情報が得られ、図２５DのRのカラーフィルタ２１を有する位相差画素２Aどうしで、Rの画素信号を用いた焦点距離情報が得られる。
【０１７０】
このように、２画素に対して１つのOCL２２１を配置した場合においても、OCL２２１の形成方向とカラーフィルタ２１の色配置の組み合わせとして考えられる全ての組み合わせが存在するように、OCL２２１を画素アレイ部３内に配置することで、より精度の高い焦点距離情報を得ることができる。
【０１７１】
しかしながら、必ずしも図２５A乃至図２５Dの８種類の組み合わせが画素アレイ部３内に存在する必要はなく、図２５A乃至図２５Dのいずれか１つが少なくとも画素アレイ部３内に配置されていればよい。
【０１７２】
なお、層内レンズ４８は、上述した各実施の形態と同様に、１つのOCL２２１が配置されている２画素において、OCL２２１の中心位置から離れた方向にずれた配置となる。層内レンズ４８の形状として、図８に示した各種の形状を採用することができる点についても同様である。
＜OCLのその他の第２例＞
図２６は、OCLのその他の第２例を示している。
【０１７３】
上述した例では、図６に示したように、焦点距離情報を取得できる位相差画素２Aが、画素アレイ部３内の所定の位置に限定されていた。
【０１７４】
しかしながら、図２６に示されるように、画素アレイ部３内の全ての画素２に対して、４画素で共有されるOCL２２Aを配置するようにしてもよい。すなわち、画素アレイ部３の全ての画素２が、４画素でOCL２２Aを共有する位相差画素２Aとしてもよい。
【０１７５】
図２６の例は、図７A乃至図７Dの４種類のカラーフィルタ２１の色配置の組み合わせのうち、図７Aと図７Dのカラーフィルタ２１の色配置の組み合わせとなるように、OCL２２Aが配置されている。しかし、図７Bと図７Cの組み合わせ、または、図７Cと図７Dの組み合わせとなるように、OCL２２Aを配置してもよい。
【０１７６】
＜OCLのその他の第３例＞
また、図２７に示されるように、画素アレイ部３の全ての画素２が、２画素でOCL２２１を共有する位相差画素２Aとしてもよい。
【０１７７】
このように、画素アレイ部３の全画素に対し、OCL２２AまたはOCL２２１を配置することで、画素アレイ部３内の任意の場所で精度よく焦点を合わせることが可能となる。
【０１７８】
＜カラーフィルタのその他の第１配色例＞
図２８乃至図３０は、カラーフィルタのその他の配色例を示している。
【０１７９】
上述した各実施の形態では、画素２が、OCL２２A（またはOCL２２１）が形成された位相差画素２Aであるか、または、通常画素２Bであるかに関わらず、カラーフィルタ２１はベイヤ配列で配置されていた。したがって、例えば、図６に示したように、１つのOCL２２Aを共有する４画素は、異なる色のカラーフィルタ２１が含まれる配置となっていた。
【０１８０】
しかし、例えば、図２８に示されるように、１つのOCL２２Aを共有する４画素については単色のカラーフィルタ２１が形成されるような色配置としてもよい。このような色配置とすることで、１つのOCL２２Aを共有する４画素の画素内での混色が抑制される。
【０１８１】
図２８の例では、１つのOCL２２Aを共有する４画素のカラーフィルタ２１の色が、R、G、Bの３種類が存在するが、いずれか一色のみとしてもよい。
【０１８２】
また、図示は省略するが、２画素で１つのOCL２２１を共有する位相差画素２Aのカラーフィルタ２１においても、OCL２２１を共有する２画素のカラーフィルタ２１の色を同一（単色）とすることができる。
【０１８３】
＜カラーフィルタのその他の第２配色例＞
さらに、図２６や図２７のように、画素アレイ部３の全画素に対し、OCL２２AまたはOCL２２１を配置する構成とする場合には、図２９に示されるように、２×２の４画素単位でベイヤ配列となるように、R、G、またはBのカラーフィルタ２１を配置してもよい。
【０１８４】
＜カラーフィルタのその他の第３配色例＞
上述した例では、カラーフィルタ２１の色として、R、G、及びBの３色を所定の配列（例えば、ベイヤ配列）で配置した例について説明したが、カラーフィルタ２１の色は、R、G、及びBの３色以外の組み合わせとすることもできる。
【０１８５】
図３０は、カラーフィルタ２１の色として、R、G、及びBにW(白)を加え、R、G、B、及び、Wを所定の配列で配置した例を示している。Wのカラーフィルタ２１を有する画素２は、全波長領域の光を透過させるフィルタであり、Gのカラーフィルタ２１を有する画素２よりもさらに高感度で受光することができる。
【０１８６】
図３０では、Wのカラーフィルタ２１が市松状に配置され、それ以外の領域に、R、G、またはBのカラーフィルタ２１が配置されているが、R、G、B、及び、Wの配置は、これに限られない。例えば、R、G、B、及び、Wのカラーフィルタ２１をそれぞれ１つずつ割り当てた２×２の４画素を、垂直方向及び水平方向に繰り返し配置した構成などでもよい。
【０１８７】
＜OCLのその他の形状例＞
図３１は、OCL２２Aのその他の形状例を示す斜視図である。
【０１８８】
OCL２２Aの形状は、図２に示した上面図から分かるように、OCL２２Aが配置された４画素の四隅にはレンズが形成されず、底面が円形状の半球面形状であるとして説明した。
【０１８９】
しかし、図３１に示されるように、OCL２２Aが配置された４画素の四隅にまでレンズの斜面が形成され、底面が四角形となるスクエア凸形状とすることができる。このようにすることで、より多くの入射光を取り込むことができるので、感度を向上させることができる。
【０１９０】
＜１０．裏面照射型の構成例＞
上述した各実施の形態は、固体撮像素子１が、表面照射型のMOS型固体撮像素子であるとして説明したが、本開示は、裏面照射型のMOS型固体撮像素子にも適用することができる。
【０１９１】
図３２は、第１の実施の形態に係る位相差画素２Aを裏面照射型とした場合の断面構成図を示している。
【０１９２】
図３２において、図３と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１９３】
裏面照射型では、図中、半導体基板１２の下側が表面となり、半導体基板１２の下側に、複数の配線層４７と層間絶縁膜４４とからなる多層配線層４５が形成されている。
【０１９４】
そして、図中、半導体基板１２の上側である裏面上に、層内レンズ４８を一部分に配置した絶縁層４６が形成されている。絶縁層４６の膜厚は、複数の配線層４７が形成されない分、図３の表面照射型よりも薄く形成されている。
【０１９５】
その他の構造は、上述した表面照射型と同様である。
【０１９６】
以上のように構成される裏面照射型においても、第２のレンズとしての層内レンズ４８が、OCL２２Aの中心から離れた方向に、画素中心に対してずれて配置されている。これにより、各位相差画素２AのフォトダイオードPDに入射される光量を増大させることができるとともに、混色による色再現性の低下が抑制される。即ち、受光感度が向上するとともに、焦点検出精度が向上する。
【０１９７】
なお、第１の実施の形態以外の各実施の形態についても、裏面照射型の構造を採用することが可能である。
【０１９８】
＜１１．固体撮像素子の基板構成例＞
図１の固体撮像素子１は、図３３Aに示されるように、１枚の半導体基板１２に、複数の画素２が配列されている画素領域３１１と、画素２を制御する制御回路３１２と、画素信号の信号処理回路を含むロジック回路３１３とが形成された構成とされている。
【０１９９】
しかしながら、固体撮像素子１は、図３３Bに示されるように、画素領域３１１と制御回路３１２が形成された第１の半導体基板３３１と、ロジック回路３１３が形成された第２の半導体基板３３２とを積層した構成とすることも可能である。第１の半導体基板３３１と第２の半導体基板３３２は、例えば、貫通ビアやCu-Cuの金属結合により電気的に接続される。
【０２００】
あるいはまた、固体撮像素子１は、図３３Cに示されるように、画素領域３１１のみが形成された第１の半導体基板３４１と、制御回路３１２とロジック回路３１３が形成された第２の半導体基板３４２とを積層した構成とすることも可能である。第１の半導体基板３４１と第２の半導体基板３４２は、例えば、貫通ビアやCu-Cuの金属結合により電気的に接続される。
【０２０１】
＜１２．電子機器への適用例＞
上述した固体撮像素子１は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えたオーディオプレーヤといった各種の電子機器に適用することができる。
【０２０２】
図３４は、本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【０２０３】
図３４に示される撮像装置４０１は、光学系４０２、シャッタ装置４０３、固体撮像素子４０４、制御回路４０５、信号処理回路４０６、モニタ４０７、およびメモリ４０８を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
【０２０４】
光学系４０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの光（入射光）を固体撮像素子４０４に導き、固体撮像素子４０４の受光面に結像させる。
【０２０５】
シャッタ装置４０３は、光学系４０２および固体撮像素子４０４の間に配置され、制御回路４０５の制御に従って、固体撮像素子４０４への光照射期間および遮光期間を制御する。
【０２０６】
固体撮像素子４０４は、上述した固体撮像素子１により構成される。固体撮像素子４０４は、光学系４０２およびシャッタ装置４０３を介して受光面に結像される光に応じて、一定期間、信号電荷を蓄積する。固体撮像素子４０４に蓄積された信号電荷は、制御回路４０５から供給される駆動信号（タイミング信号）に従って転送される。固体撮像素子４０４は、それ単体でワンチップとして構成されてもよいし、光学系４０２ないし信号処理回路４０６などと一緒にパッケージングされたカメラモジュールの一部として構成されてもよい。
【０２０７】
制御回路４０５は、固体撮像素子４０４の転送動作、および、シャッタ装置４０３のシャッタ動作を制御する駆動信号を出力して、固体撮像素子４０４およびシャッタ装置４０３を駆動する。
【０２０８】
信号処理回路４０６は、固体撮像素子４０４から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路４０６が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ４０７に供給されて表示されたり、メモリ４０８に供給されて記憶（記録）されたりする。
【０２０９】
上述したように、固体撮像素子４０４として、上述した各実施の形態に係る画素構造を有する固体撮像素子１を用いることで、受光感度を向上させるとともに、焦点検出精度を向上させることができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置４０１においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。
【０２１０】
上述した例では、第１導電型をP型、第２導電型をN型として、電子を信号電荷とした固体撮像素子について説明したが、本開示は正孔を信号電荷とする固体撮像素子にも適用することができる。すなわち、第１導電型をN型とし、第２導電型をP型として、前述の各半導体領域を逆の導電型の半導体領域で構成することができる。
【０２１１】
また、本開示は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像素子への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像素子や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像素子（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
【０２１２】
本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０２１３】
例えば、上述した複数の実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。
【０２１４】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
【０２１５】
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
複数の画素で１つのオンチップレンズを共有し、
前記画素は、前記オンチップレンズの下に層内レンズを有する
固体撮像素子。
（２）
前記層内レンズは、前記画素の中心位置に対してずれた平面位置に配置されている
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記層内レンズは、前記オンチップレンズの中心位置から離れた方向にずれている
前記（１）または（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記層内レンズは、その周囲の層の屈折率よりも高い屈折率の材料により形成されている
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（５）
前記層内レンズの重心位置は、前記画素の中心位置に対してずれた平面位置に配置されている
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）
前記層内レンズの重心位置は、その周囲の層の屈折率よりも高い屈折率の材料の割合を前記画素の中心位置から離れた方向に多くすることで、前記画素の中心位置に対してずれた平面位置に配置されている
前記（５）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記層内レンズは、前記高い屈折率のリング形状の材料を円柱形状の外側に複数設けたリングパターン形状を有する
前記（４）乃至（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）
前記層内レンズは、カラーフィルタの下または上に配置されている
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）
前記層内レンズは、連続膜として形成された保護膜と接続されており、前記保護膜と同一材料で形成されている
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）
前記画素は、前記層内レンズの下に、導波路を有する
前記（１）乃至（９）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１１）
前記画素は、前記導波路の下に、フォトダイオードを有する
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１２）
前記画素は、半導体基板外に光電変換部を有する
前記（１）乃至（１１）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１３）
前記画素は、複数の光電変換部を有し、
前記複数の光電変換部は、異なる波長の入射光を光電変換する
前記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１４）
前記オンチップレンズと前記層内レンズは、射出瞳補正を行う位置に配置されている
前記（１）乃至（１３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１５）
前記１つのオンチップレンズは、２画素または４画素で共有される
前記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１６）
前記画素は、R、G、または、Bのカラーフィルタを有する
前記（１）乃至（１５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１７）
前記画素は、R、G、B、または、Wのカラーフィルタを有する
前記（１）乃至（１５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１８）
同色の前記カラーフィルタを有する第１の画素と第２の画素を有し、
前記第１の画素の前記オンチップレンズの斜面の傾きは、前記第２の画素の前記オンチップレンズの斜面の傾きと逆である
前記（１）乃至（１７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１９）
２次元アレイ状に配列された全ての画素が、複数の画素で１つのオンチップレンズを共有する画素である
前記（１）乃至（１８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（２０）
複数の画素で１つのオンチップレンズを共有し、
前記画素は、前記オンチップレンズの下に層内レンズを有する
固体撮像素子
を備える電子機器。
【符号の説明】
【０２１６】
１  固体撮像素子，  ２  画素，  ２A  位相差画素，  ２B  通常画素，  ３  画素アレイ部，  ４８  層内レンズ，  １５１  保護膜，  １６１  導波路，  PD,PD１,PD２  フォトダイオード，  １８１  光電変換部,  ４０１  撮像装置，  ４０４  固体撮像素子
【図１】
2016015430.tif 000004
【図２】
2016015430.tif 000005
【図３】
2016015430.tif 000006
【図４】
2016015430.tif 000007
【図５】
2016015430.tif 000008
【図６】
2016015430.tif 000009
【図７】
2016015430.tif 000010
【図８】
2016015430.tif 000011
【図９】
2016015430.tif 000012
【図１０】
2016015430.tif 000013
【図１１】
2016015430.tif 000014
【図１２】
2016015430.tif 000015
【図１３】
2016015430.tif 000016
【図１４】
2016015430.tif 000017
【図１５】
2016015430.tif 000018
【図１６】
2016015430.tif 000019
【図１７】
2016015430.tif 000020
【図１８】
2016015430.tif 000021
【図１９】
2016015430.tif 000022
【図２０】
2016015430.tif 000023
【図２１】
2016015430.tif 000024
【図２２】
2016015430.tif 000025
【図２３】
2016015430.tif 000026
【図２４】
2016015430.tif 000027
【図２５】
2016015430.tif 000028
【図２６】
2016015430.tif 000029
【図２７】
2016015430.tif 000030
【図２８】
2016015430.tif 000031
【図２９】
2016015430.tif 000032
【図３０】
2016015430.tif 000033
【図３１】
2016015430.tif 000034
【図３２】
2016015430.tif 000035
【図３３】
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【図３４】
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