(57)【要約】      （修正有）【課題】シェーディングを抑制でき、画素領域全域で高感度な固体撮像素子を提供する。【解決手段】複数の受光部１と、上記複数の受光部上に形成された機能層と、上記機能層上に形成され、上記複数の受光部に対応する複数のマイクロレンズ６と、を有する固体撮像素子であって、平面視上、マイクロレンズ６の中心位置と受光部の中心位置とが一致している状態を基準状態とした場合に、上記マイクロレンズ６の中心位置を、上記基準状態でのマイクロレンズ６の中心位置と比べて、画素領域の中心方向にずらしており、上記マイクロレンズ６の中心位置を上記画素領域の中心方向にずらしたずらし距離は、カメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズ６の中心位置に入射した主光線が機能層を通過して受光部の中心位置に到達する理論的な位置から規定されるずらし距離を理論主光線ずらし距離とした場合に、上記理論主光線ずらし距離よりも短い範囲内にある。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光部と、前記複数の受光部上に形成された機能層と、前記機能層上に形成され、前記複数の受光部に対応する複数のマイクロレンズと、を有する固体撮像素子であって、
平面視上、マイクロレンズの中心位置と受光部の中心位置とが一致している状態を基準状態とした場合に、前記マイクロレンズの中心位置を、前記基準状態でのマイクロレンズの中心位置と比べて、画素領域の中心方向にずらしており、
前記マイクロレンズの中心位置を前記画素領域の中心方向にずらしたずらし距離は、カメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線が機能層を通過して受光部の中心位置に到達する理論的な位置から規定されるずらし距離を理論主光線ずらし距離とした場合に、前記理論主光線ずらし距離よりも短い範囲内にあることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記マイクロレンズのずらし距離は、前記理論的な位置の入射光強度レベルより高い入射光強度レベルの領域が、前記受光部の中心となるようなずらし距離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】
前記マイクロレンズのずらし距離は、前記理論主光線ずらし距離で前記マイクロレンズをずらした場合よりも高いヒット率が得られる範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記マイクロレンズは、前記画素領域の中心方向にコマ収差が生じる特性であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記理論主光線ずらし距離は、前記マイクロレンズおよび前記機能層をまとめてｍ層積層部材とし、前記マイクロレンズを前記ｍ層積層部材の１層目とした場合に、下記関係式（１）により規定されるものであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかの請求項に記載の固体撮像素子。
Ｓｍ＝Σｊ＝１ｍｄｊｔａｎθｊ  …関係式（１）
（式中、Ｓｍは理論主光線ずらし距離、ｄｊはｊ層の厚さ、θｊ＝ｓｉｎ−１（（ｎｊ−１／ｎｊ）ｓｉｎθｊ−１）、ｎｊはｊ層の屈折率、ｎ０は大気の屈折率（ｎ０＝１）、θ０はカメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線入射角度である）
【請求項６】
前記理論主光線ずらし距離は、前記マイクロレンズおよび前記機能層をまとめてｍ層積層部材とし、前記マイクロレンズを前記ｍ層積層部材の１層目とした場合に、下記関係式（２）により規定されるものであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかの請求項に記載の固体撮像素子。
Ｓｍ＝ｔａｎθ１Σｊ＝１ｍｄｊ  …関係式（２）
（式中、Ｓｍは理論主光線ずらし距離、ｄｊはｊ層の厚さ、θ１＝ｓｉｎ−１（（ｎ０／ｎ１）ｓｉｎθ０）、ｎ１はマイクロレンズの屈折率、ｎ０は大気の屈折率（ｎ０＝１）、θ０はカメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線入射角度である）
【請求項７】
前記機能層を構成する機能層構成用層の少なくとも一層を、前記画素領域の中心方向にずらしていることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記画素領域の中心方向にずらした機能層構成用層が、カラーフィルタ層であることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記機能層が、前記受光部側から順に、無機デバイス層、第一平坦化層、カラーフィルタ層、第二平坦化層であることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれかの請求項に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記マイクロレンズのみをずらした固体撮像素子であり、
前記マイクロレンズのずらし距離は、前記理論主光線ずらし距離の３８％より大きく、前記理論主光線ずらし距離の１００％より小さい範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記機能層を構成する機能層構成用層としてカラーフィルタ層を有し、前記カラーフィルタ層を前記画素領域の中心方向にずらした固体撮像素子であり、
前記マイクロレンズのずらし距離は、前記理論主光線ずらし距離の６５％より大きく、前記理論主光線ずらし距離の１００％より小さい範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記機能層を構成する機能層構成用層としてカラーフィルタ層および無機デバイス層を有し、前記無機デバイス層は配線層または遮光層を有し、前記カラーフィルタ層と、前記無機デバイス層の中で最も前記マイクロレンズに近い位置にある配線層または遮光層の遮光部とを、前記画素領域の中心方向にずらした固体撮像素子であり、
前記マイクロレンズのずらし距離は、前記理論主光線ずらし距離の８２％より大きく、前記理論主光線ずらし距離の１００％より小さい範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記機能層を構成する機能層構成用層の全てを、前記画素領域の中心方向にずらした固体撮像素子であり、
前記マイクロレンズのずらし距離は、前記理論主光線ずらし距離の８５％より大きく、前記理論主光線ずらし距離の１００％より小さい範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にシェーディングの影響が大きい画素領域の外周部において、効果的にシェーディング状態を改善することができる固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年急速に普及しているデジタルカメラの本体には、被写体光を光信号に変換して画像を記録するＣＣＤ（Charge Coupled Device）、あるいはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサー等の固体撮像素子が組み込まれている。このような固体撮像素子は、一般的に、被写体光を受光して光電信号に変換する受光部と、この受光部上に形成されたカラーフィルタ層と、受光部への集光率を向上させるためのマイクロレンズと、を有している。
【０００３】
このような固体撮像素子においては、画素領域の中心部に比べて外周部の信号出力が減衰するシェーディングという現象が発生する。このシェーディングは、画素領域の外周部へ入射光が斜めに入射して光電変換効率が悪化することに加え、斜めに入射する入射光が遮光層や配線層等により蹴られることに起因する。それらを改善するため、例えば図３４のように、受光部１、無機デバイス層２（パッシベーション層、遮光層、配線層、層間絶縁層等）、第一平坦化層３、カラーフィルタ層４、第二平坦化層５およびマイクロレンズ６が、この順に積層された固体撮像素子において、マイクロレンズ６を受光部１より中心部側にずらすことがなされてきた。
【０００４】
このずらし距離の設定に関しては特許文献１、２に見られるように、マイクロレンズのずらし距離を、スネルの法則を用いて決定する方法が開示されている（例えば特許文献１の図１）。カメラレンズの射出瞳中心から、マイクロレンズ中心に入射される光線をスネルの法則に基づいた光線追跡を行い、その光線が受光部中心に入射するようにマイクロレンズのずらし距離を設定するという内容である。また、カメラレンズからの光線が撮像領域へ入射する主光線入射角は、例えば図３５に示すように像高（即ち画素領域中心から当該受光部までの距離に相当）により決定され、この関係より、例えば図３６に示すように、Ｘ軸またはＹ軸上にて画素領域中心からＮ画素目の受光部のずらし距離（Ｘ方向およびＹ方向）が求められる。しかし、マイクロレンズへの入射する光線の入射角度が大きくなるに従い（即ち画素領域の外周部で）発生する収差の影響が考慮されておらず、単純な光線追跡では、適正なずらし距離の設定が行えない、特に効果的なシェーディング改善が必要な画素領域の外周部にて、適切なずらし距離の設定が出来ないという問題があった。また、特許文献２には、上述の光線追跡を省略した計算でずらし距離を求める方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１８４７６公報
【特許文献２】特開２００１−１６０９７３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、特にシェーディングの影響が大きい画素領域の外周部において、効果的にシェーディング状態を改善することができる固体撮像素子を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明においては、複数の受光部と、上記複数の受光部上に形成された機能層と、上記機能層上に形成され、上記複数の受光部に対応する複数のマイクロレンズと、を有する固体撮像素子であって、平面視上、マイクロレンズの中心位置と受光部の中心位置とが一致している状態を基準状態とした場合に、上記マイクロレンズの中心位置を、上記基準状態でのマイクロレンズの中心位置と比べて、画素領域の中心方向にずらしており、上記マイクロレンズの中心位置を上記画素領域の中心方向にずらしたずらし距離は、カメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線が機能層を通過して受光部の中心位置に到達する理論的な位置から規定されるずらし距離を理論主光線ずらし距離とした場合に、上記理論主光線ずらし距離よりも短い範囲内にあることを特徴とする固体撮像素子を提供する。
【０００８】
本発明によれば、マイクロレンズの中心位置を画素領域の中心方向にずらしたずらし距離を、理論主光線ずらし距離よりも短い範囲内とすることにより、受光部における光強度の観点で、マイクロレンズが有する収差の影響を考慮してマイクロレンズのずらし距離が設定されることになるため、シェーディング状態の改善を図ることができる。また、光の入射角度に応じて、マイクロレンズのずらし距離が設定されるため、特にシェーディングの影響が大きい画素領域の外周部で効果的にシェーディング状態を改善することができる。
【０００９】
上記発明において、上記マイクロレンズのずらし距離は、上記理論的な位置の入射光強度レベルより高い入射光強度レベルの領域が、上記受光部の中心となるようなずらし距離であることが好ましい。これにより受光部の中心位置における光の相対的強度レベルが強くなり、より効果的にシェーディング状態を改善することができる。
【００１０】
上記発明において、上記マイクロレンズのずらし距離は、上記理論主光線ずらし距離で上記マイクロレンズをずらした場合よりも高いヒット率が得られる範囲内であることが好ましい。より効果的にシェーディング状態を改善することができるからである。
【００１１】
上記発明において、上記マイクロレンズは、上記画素領域の中心方向にコマ収差が生じる特性であることが好ましい。より効果的にシェーディング状態を改善することができるからである。
【００１２】
上記発明において、上記理論主光線ずらし距離は、上記マイクロレンズおよび上記機能層をまとめてｍ層積層部材とし、上記マイクロレンズを上記ｍ層積層部材の１層目とした場合に、下記関係式（１）により規定されるものであることが好ましい。
Ｓｍ＝Σｊ＝１ｍｄｊｔａｎθｊ  …関係式（１）
（式中、Ｓｍは理論主光線ずらし距離、ｄｊはｊ層の厚さ、θｊ＝ｓｉｎ−１（（ｎｊ−１／ｎｊ）ｓｉｎθｊ−１）、ｎｊはｊ層の屈折率、ｎ０は大気の屈折率（ｎ０＝１）、θ０はカメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線入射角度である）
この算出方法は、ｍ層構成部材を構成する各部材の屈折率および厚さを用いて理論主光線ずらし距離を算出することから、精度良く理論主光線ずらし距離を規定することができる。
【００１３】
上記発明においては、上記理論主光線ずらし距離は、上記マイクロレンズおよび上記機能層をまとめてｍ層積層部材とし、上記マイクロレンズを上記ｍ層積層部材の１層目とした場合に、下記関係式（２）により規定されるものであることが好ましい。
Ｓｍ＝ｔａｎθ１Σｊ＝１ｍｄｊ  …関係式（２）
（式中、Ｓｍは理論主光線ずらし距離、ｄｊはｊ層の厚さ、θ１＝ｓｉｎ−１（（ｎ０／ｎ１）ｓｉｎθ０）、ｎ１はマイクロレンズの屈折率、ｎ０は大気の屈折率（ｎ０＝１）、θ０はカメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線入射角度である）
この算出方法は、理論主光線ずらし距離が簡便に求めることができ、例えば機能層による主光線の屈折が小さい場合には、精度良く理論主光線ずらし距離を規定することができる。
【００１４】
上記発明においては、上記機能層を構成する機能層構成用層の少なくとも一層を、上記画素領域の中心方向にずらしていることが好ましい。シェーディング状態をさらに改善することができるからである。
【００１５】
上記発明においては、上記画素領域の中心方向にずらした機能層構成用層が、カラーフィルタ層であることが好ましい。カラーフィルタ層の製造工程は、無機デバイス層の製造工程よりもシンプルであるため、設計が容易であり、さらにシェーディング状態を改善する効果も大きいからである。
【００１６】
上記発明においては、上記機能層が、上記受光部側から順に、無機デバイス層、第一平坦化層、カラーフィルタ層、第二平坦化層であることが好ましい。汎用的な固体撮像素子とすることができるからである。
【００１７】
上記発明においては、上記マイクロレンズのみをずらした固体撮像素子であり、上記マイクロレンズのずらし距離は、上記理論主光線ずらし距離の３８％より大きく、上記理論主光線ずらし距離の１００％より小さい範囲内であることが好ましい。上記範囲内であれば、さらに効果的にシェーディング状態を改善することができるからである。
【００１８】
上記発明においては、上記機能層を構成する機能層構成用層としてカラーフィルタ層を有し、上記カラーフィルタ層を上記画素領域の中心方向にずらした固体撮像素子であり、上記マイクロレンズのずらし距離は、上記理論主光線ずらし距離の６５％より大きく、上記理論主光線ずらし距離の１００％より小さい範囲内であることが好ましい。上記範囲内であれば、さらに効果的にシェーディング状態を改善することができるからである。
【００１９】
上記発明においては、上記機能層を構成する機能層構成用層としてカラーフィルタ層および無機デバイス層を有し、上記無機デバイス層は配線層または遮光層を有し、上記カラーフィルタ層と、上記無機デバイス層の中で最も上記マイクロレンズに近い位置にある配線層または遮光層の遮光部とを、上記画素領域の中心方向にずらした固体撮像素子であり、上記マイクロレンズのずらし距離は、上記理論主光線ずらし距離の８２％より大きく、上記理論主光線ずらし距離の１００％より小さい範囲内であることが好ましい。上記範囲内であれば、さらに効果的にシェーディング状態を改善することができるからである。
【００２０】
上記発明においては、上記機能層を構成する機能層構成用層の全てを、上記画素領域の中心方向にずらした固体撮像素子であり、上記マイクロレンズのずらし距離は、上記理論主光線ずらし距離の８５％より大きく、上記理論主光線ずらし距離の１００％より小さい範囲内であることが好ましい。上記範囲内であれば、さらに効果的にシェーディング状態を改善することができるからである。なお、後述するように、機能層構成用層が、パッシベーション層、層間絶縁層、平坦化層等の透明な連続層を有する場合、これらは隣接画素間の境界を有しないため、適正にずれたものとみなすことができる。ここで、本発明における層間絶縁層とは、ＳｉＯ２層等の透明な連続層（積層方向と直交する方向（水平方向）に広がりを有する層）をいう。そのため、ＳｉＯ２内に金属配線を設けた配線層、またはＳｉＯ２内に金属遮光部を設けた遮光層等は、層間絶縁層には該当しない。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、マイクロレンズの中心位置を上記画素領域の中心方向にずらしたずらし距離を、理論主光線ずらし距離よりも短い範囲内とするものであり、特にシェーディングの影響が大きい画素領域の外周部で効果的にシェーディング状態を改善することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】固体撮像素子のマイクロレンズに対して平行光が垂直（入射角度＝０°）で入射した場合の光線追跡図である。
【図２】図１と同様の条件における、受光部に入射する光の相対的強度レベルを示すグラフである（Ｆ値＝２．８）。
【図３】固体撮像素子のマイクロレンズに対して平行光が入射角度２０°で入射した場合の光線追跡図である。
【図４】図３と同様の条件における、受光部に入射する光の相対的強度レベルを示すグラフである（Ｆ値＝２．８）。
【図５】図３と同様の条件における、受光部に入射する光の相対的強度レベルを示すグラフである（Ｆ値＝２．８、入射角度３０°）。
【図６】本発明におけるマイクロレンズのずらし距離を説明する概略断面図である。
【図７】本発明におけるマイクロレンズのずらし距離を説明する概略平面図である。
【図８】画素領域の中心を説明する概略断面図である。
【図９】光学シミュレーションによる理論主光線ずらし距離の算出方法を説明する概略断面図である。
【図１０】マイクロレンズの中心に所定の角度から入射した光が機能層を通過して受光部に到達する際に、受光部上にその光線がヒットする確率（相対値）を光学シミュレーションにより求めたものの一例である。
【図１１】本発明に用いられるマイクロレンズの一例を説明する説明図である。
【図１２】図１１に示されるマイクロレンズのＳＥＭ写真である。
【図１３】実施例１における固体撮像素子のマイクロレンズに対して、所定の入射角度で平行光が入射した場合の光線追跡図である。
【図１４】本発明におけるシミュレーションを説明する説明図である。
【図１５】実施例１における、主光線入射角度２０°の場合のヒット率を示すグラフである。
【図１６】実施例１における、主光線入射角度３０°の場合のヒット率を示すグラフである。
【図１７】実施例１における、ａの値によるシェーディング状態の変化を評価したグラフである。
【図１８】実施例２における固体撮像素子のマイクロレンズに対して、所定の入射角度で平行光が入射した場合の光線追跡図である。
【図１９】実施例２における、主光線入射角度２０°の場合のヒット率を示すグラフである。
【図２０】実施例２における、主光線入射角度３０°の場合のヒット率を示すグラフである。
【図２１】実施例２における、ａの値によるシェーディング状態の変化を評価したグラフである。
【図２２】実施例３における固体撮像素子のマイクロレンズに対して、所定の入射角度で平行光が入射した場合の光線追跡図である。
【図２３】実施例３における、主光線入射角度２０°の場合のヒット率を示すグラフである。
【図２４】実施例３における、主光線入射角度３０°の場合のヒット率を示すグラフである。
【図２５】実施例３における、ａの値によるシェーディング状態の変化を評価したグラフである。
【図２６】実施例４における固体撮像素子のマイクロレンズに対して、所定の入射角度で平行光が入射した場合の光線追跡図である。
【図２７】実施例４における、主光線入射角度２０°の場合のヒット率を示すグラフである。
【図２８】実施例４における、主光線入射角度３０°の場合のヒット率を示すグラフである。
【図２９】実施例４における、ａの値によるシェーディング状態の変化を評価したグラフである。
【図３０】実施例５における固体撮像素子のマイクロレンズに対して、所定の入射角度で平行光が入射した場合の光線追跡図である。
【図３１】実施例５における、主光線入射角度２０°の場合のヒット率を示すグラフである。
【図３２】実施例５における、主光線入射角度３０°の場合のヒット率を示すグラフである。
【図３３】実施例５における、ａの値によるシェーディング状態の変化を評価したグラフである。
【図３４】マイクロレンズのずらしを説明する説明図である。
【図３５】マイクロレンズのずらしを説明する説明図である。
【図３６】マイクロレンズのずらしを説明する説明図である。
【図３７】本発明によるマイクロレンズのずらし距離の基本的概念を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の固体撮像素子について詳細に説明する。
【００２４】
本発明の固体撮像素子は、複数の受光部と、上記複数の受光部上に形成された機能層と、上記機能層上に形成され、上記複数の受光部に対応する複数のマイクロレンズと、を有する固体撮像素子であって、平面視上、マイクロレンズの中心位置と受光部の中心位置とが一致している状態を基準状態とした場合に、上記マイクロレンズの中心位置を、上記基準状態でのマイクロレンズの中心位置と比べて、画素領域の中心方向にずらしており、上記マイクロレンズの中心位置を上記画素領域の中心方向にずらしたずらし距離は、カメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線が機能層を通過して受光部の中心位置に到達する理論的な位置から規定されるずらし距離を理論主光線ずらし距離とした場合に、上記理論主光線ずらし距離よりも短い範囲内にあることを特徴とするものである。
【００２５】
本発明によれば、マイクロレンズの中心位置を画素領域の中心方向にずらしたずらし距離を、理論主光線ずらし距離よりも短い範囲内とすることにより、受光部における光強度の観点で、マイクロレンズが有する収差の影響を考慮してマイクロレンズのずらし距離が設定されることになるため、シェーディング状態の改善を図ることができる。また、光の入射角度に応じて、マイクロレンズのずらし距離が設定されるため、特にシェーディングの影響が大きい画素領域の外周部で効果的にシェーディング状態を改善することができる。なお、特許文献２には、光学シミュレーションで求めたずらし距離の最適値に対して、±３０％の範囲を許容する旨記載されている（例えば特許文献２の００４７段落）。しかしながら、これは、計算上の省略および近似、実際の製造上の精度を考慮して±３０％の誤差を認めたに過ぎないものである。これに対して、本発明は、収差の影響を考慮してマイクロレンズのずらし距離の範囲を設定したものであり、そのずらし距離は、上記の特許文献２の表現を用いると、ずらし距離の最適値に対して短い範囲としたものである。そのような概念は、特許文献２に記載も示唆もされていない。すなわち、従来、収差の影響を考慮したマイクロレンズのずらしが知られていなかったため、当然その収差の影響が、ずらし距離の最適値に対して長くなるのか、短くなるのか、判断することは困難であった。これに対して、本発明においては、収差の影響が、ずらし距離の最適値に対して短い側にでるという知見に基づいて、マイクロレンズのずらし距離を設定したものである。すなわち、本発明では、収差の影響によって、ずらし距離の最適値に対して短い側の入射光強度レベルが高くなる、という新たな知見に基づいて各マイクロレンズのずらし距離を設定することが大きな特徴である。
【００２６】
次に、本発明の固体撮像素子の概念について、図面を用いて順を追って説明する。まず、図１は、固体撮像素子のマイクロレンズに対して平行光が垂直（入射角度＝０°）で入射した場合の光線追跡図である。より具体的には、ピッチ２μｍの受光部上に、無機デバイス層（７層のＳｉＯ２層（その中の３層は配線層または遮光層、残りの４層は層間絶縁層）およびパッシベーション層）、第一平坦化層、カラーフィルタ層、第二平坦化層およびマイクロレンズ（ギャップレス連続型）が積層された固体撮像素子を用いた場合の光線追跡図である。なお、図１で示す配線層または遮光層は、配線部または遮光部（図面における斜線部）と、透過部（図面における透明部）とで膜厚が一致している。そのため、隣接するＳｉＯ２層（層間絶縁層）との間の界面は、配線部または遮光部と透過部とで段差がなく、直線状に形成されている。実際の製造において、配線部または遮光部の膜厚が、透過部の膜厚よりも小さく、配線部または遮光部の表面上に、透過部の一部が残留することがある。これは、配線層または遮光層を形成する際に、まず配線部または遮光部を形成し、次に配線部または遮光部を覆うように透過部をＣＶＤ法等により形成し、最後に凹凸を緩和する平坦化処理を行うという作業を行うが、その平坦化処理の際に、配線部または遮光部の膜厚と、透過部の膜厚とが完全に一致するまで平坦化を行わずに、配線部または遮光部の表面上に、透過部の一部が残留する程度で平坦化を終える場合があるからである。このような膜厚の不一致がある場合であっても、その不一致による誤差は僅かであるので、光学シミュレーション上では無視することができる。
【００２７】
図１に示されるように、入射された平行光は、マイクロレンズや他の層を通過し、受光部の表面上で焦点を結ぶ。ここで、図２は、図１と同様の条件における、受光部に入射する光の相対的強度レベルを示す図であり、図中の数値は入射光の相対的強度を表す。但し、マイクロレンズに入射する光線は平行光ではなく、Ｆ値＝２．８のカメラレンズより入射する光束とした。図２に示される光の相対強度レベルは、平行光ではないため一点に集光することはなく、ある広がりを持つが、マイクロレンズの中心を通過する光線が到達する点（図２における十字の中央部分）を中心に上下左右対称な円形の広がりを有する。
【００２８】
一方、図３は、固体撮像素子のマイクロレンズに対して平行光が入射角度２０°で入射した場合の光線追跡図である。ここでは、後述するように、受光部に対して、マイクロレンズ、第二平坦化層、カラーフィルタ層、第一平坦化層、および無機デバイス層を構成する各層を所定のずらし距離でずらしているものとする。図３に示すように平行光の入射角度が大きくなると、上述した図１のように平行光が受光部上で一点に集光せず、カメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線が機能層を通過して受光部の中心位置に到達する点（図３における符号Ａで示す点；以下、「理論的な位置」とも表現する）より図面下側、すなわち画素領域の中心方向へ到達する光線が観察されることが分かる。これは、マイクロレンズが有すると考えられる収差のうち、いわゆる「コマ収差」による影響が強く現れた現象であると推測できる。
以下、このコマ収差が固体撮像素子の受光部における光強度分布に及ぼす影響を説明する。
【００２９】
図４は、図３と同様の条件における、受光部に入射する光の相対的強度レベルを示す図であり、図中の数値は入射光の相対的強度を表す。但し、マイクロレンズに入射する光線は平行光ではなく、Ｆ値＝２．８のカメラレンズより入射する光束とした。また、図５は、入射角度を３０°に変更した場合の図である。これらの図で示された光の相対的強度レベルから理解されるとおり、いずれも、カメラレンズより入射する光束の広がりが上下方向でいびつになり、入射光強度レベルの高い部分（図４、図５で０．８〜１．０の領域）は、マイクロレンズの中心を通過する主光線が受光部に到達する点（図４、図５における十字の中央部分）より図面下側、すなわち画素領域の中心方向へずれており、主光線入射角度が大きくなると入射光強度レベルの高い領域のずれ量も大きくなる。このように固体撮像素子で使用されるマイクロレンズは、画素領域の中心方向にコマ収差が生じる特性、すなわち、受光部に入射する光の入射光強度レベルの高い領域が、画素領域の中心方向にずれる特性を有するのである。
【００３０】
以上、図３〜図５を用いて本発明における新たな知見を具体的に説明した。すなわち、先に述べたとおり、本発明では、マイクロレンズの収差の影響によって、従来考えられていたずらし距離の最適値に対して短い側（画素領域の中心方向寄り）の入射光強度レベルが高くなることが新たな知見である。そして、本発明は、この新たな知見に基づいて、マイクロレンズのずらし距離（あるマイクロレンズとそれに対応する受光部との位置関係）を設定することが大きな特徴である。
【００３１】
従って、本発明におけるマイクロレンズのずらし距離は、カメラレンズの射出瞳中心から、マイクロレンズの中心に入射される光線をスネルの法則に基づいた光線追跡を行い、その光線が受光部中心に入射するように設定するのではなく、従来考慮されていなかった収差に配慮して設定するのである。すなわち、本発明におけるマイクロレンズのずらし距離は、マイクロレンズの収差の影響により生じる入射光強度レベルの高い領域を考慮して設定されることが大きな特徴なのである。
【００３２】
より具体的には、マイクロレンズのずらし距離は、上述の理論的な位置（図４、５における十字の中央部分で表される点）の入射光強度レベルより高い入射光強度レベルの領域が、受光部の中心となるように設定されるのである。
【００３３】
図３７は、本発明におけるマイクロレンズのずらし距離の基本的概念を説明するための図である。図３７において、実線は図４に対応する入射光強度レベルを表し、符号×は受光部の中心位置、符号＋は上述の理論的な位置（図４、５における十字の中心部分）をそれぞれ示している。図３７に示すように、受光部の中心位置（符号×）を、上述の理論的な位置（符号＋）から画素領域の中心方向にずらし、入射光強度レベルがより高い領域内の位置とするのである。これにより、受光部の中心位置が、入射光強度レベルが０．６〜０．８の領域ではなく、入射光強度レベルが０．８〜１．０の領域内に設定される。なお、ここで、「領域」とは、厳密な意味での領域ではなく、上述の理論的な位置の入射光強度レベルより相対的に高い入射光強度レベルである場所（部分）を意味するものである。このように各マイクロレンズのずらし距離を設定することにより、受光部の中心位置における光の相対的強度レベルが強くなるため、シェーディング状態が改善されるのである。特にシェーディングの影響が大きい画素領域の外周部で効果的にシェーディング状態を改善することができる。このマイクロレンズのずらし距離の決め方の一例は、理論主光線ずらし距離でマイクロレンズをずらした場合よりも高いヒット率が得られる範囲とするものである。このヒット率を用いたマイクロレンズのずらし距離の決め方については後述する。
以下、本発明の固体撮像素子について、さらに詳細に説明する。
【００３４】
１．マイクロレンズおよび受光部の位置関係について
まず、本発明における、マイクロレンズおよび受光部の位置関係について、図６および図７を用いて説明する。図６は、本発明におけるマイクロレンズおよび受光部の位置関係を説明する概略断面図であり、図７はその概略平面図である。本発明の固体撮像素子においては、平面視上、マイクロレンズの中心位置と受光部の中心位置とが一致している状態を基準状態とした場合に、マイクロレンズの中心位置を、基準状態でのマイクロレンズの中心位置と比べて、画素領域の中心方向にずらしている。ここで、「マイクロレンズの中心位置」とは、マイクロレンズの接地面における重心の位置をいう。「受光部の中心位置」とは、受光部の感光面における重心の位置をいう。「基準状態」とは、平面視上、マイクロレンズの中心位置と受光部の中心位置とが一致している状態をいい、具体的には図６（ａ）および図７（ａ）に示すように、マイクロレンズ６の中心位置と、受光部１の中心位置とが平面視上一致している状態をいう。
【００３５】
上述したように、本発明においては、マイクロレンズの中心位置を、基準状態でのマイクロレンズの中心位置と比べて、画素領域の中心方向にずらしている。ここで、「画素領域の中心」とは、カメラレンズの光軸と画素領域とが交わる位置をいい、具体的には図８に示すように、カメラレンズの光軸と、固体撮像素子１０の画素領域とが交わる位置をいう。なお、「画素領域の中心方向」とは、平面視上、受光部の中心と画素領域の中心とを結ぶ直線上に限定されるものではなく、上述した収差の影響が及ぶ方向をも包含するものである。
【００３６】
一方、本発明において、「理論主光線ずらし距離」とは、カメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線が機能層を通過して受光部の中心位置に到達する理論的な位置から規定されるものをいう。通常は、マイクロレンズおよび機能層の厚さおよび屈折率等により決定される。このように、主光線が受光部に到達する位置に基づいてマイクロレンズをずらす技術は、従来から行われてきたものである（図６（ｂ）および図７（ｂ）参照）。
【００３７】
これに対して、本発明におけるマイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離よりも短い範囲内にあることを特徴とするものである。具体的には、図６（ｃ）および図７（ｃ）に示すように、マイクロレンズ６のずらし距離は、通常、理論主光線ずらし距離と、基準状態でのマイクロレンズのずらし距離（ずらし量＝０）との間になるように設定される。なお、本発明におけるマイクロレンズのずらし距離でマイクロレンズをずらすと、図６（ｃ）に示すように、主光線は受光部１の中心位置から外れた位置に到達するが、このような状態であっても、上述した図３〜図５および図３７で説明したように、受光部の中心位置が相対的に入射光強度レベルの高い領域に設定されているため、受光部の中心位置における光の相対的強度レベルは強くなる。
【００３８】
本実施形態におけるマイクロレンズは、既に述べたように、画素領域の中心方向にコマ収差が生じる特性（すなわち、受光部に入射する光の入射光強度レベルの高い領域が、画素領域の中心方向にずれる特性）を有するものが好適に用いられる。このようなマイクロレンズの形状の一例は、回転楕円体の一部を切り取った形状である。ここで、「コマ収差」とは、ザイデルの五収差の一つに分類され、光軸外の１点から出た光線が像面において１点に集束しない収差をいうもので、収差の形状としては主光線に対して非対称なコメット状のものである。なお、コマ収差については、例えば「実用光キーワード辞典」（２００５年１０月発行、日本光学測定機工業会編、朝倉書店）および「光学」（１９７９年１０月発行、村田和美著、サイエンス社）等に詳細に記載されている。ただし、本実施形態におけるマイクロレンズは、画素領域の中心方向にコマ収差が生じる特性（すなわち、受光部に入射する光の入射光強度レベルの高い領域が、画素領域の中心方向にずれる特性）を有すれば良く、上記辞典等に定義されている意味での「コマ収差」を有するもののみに限定されるわけではない。
【００３９】
本発明における理論主光線ずらし距離は、固体撮像素子の構成等によって異なるものであり、光学シミュレーションにより算出することが好ましい。中でも、本発明においては、下記の２種類の算出方法のいずれかにより、理論主光線ずらし距離を規定することが好ましい。
【００４０】
まず、本発明における理論主光線ずらし距離の第一の算出方法について説明する。この算出方法において、理論主光線ずらし距離は、マイクロレンズおよび機能層をまとめてｍ層積層部材とし、マイクロレンズをｍ層積層部材の１層目とした場合に、下記関係式（１）により規定されるものである。
Ｓｍ＝Σｊ＝１ｍｄｊｔａｎθｊ  …関係式（１）
（式中、Ｓｍは理論主光線ずらし距離、ｄｊはｊ層の厚さ、θｊ＝ｓｉｎ−１（（ｎｊ−１／ｎｊ）ｓｉｎθｊ−１）、ｎｊはｊ層の屈折率、ｎ０は大気の屈折率（ｎ０＝１）、θ０はカメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線入射角度である）
【００４１】
この算出方法は、予め決めた特定の光学系の状態で、カメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心に主光線入射角度にて入射した主光線が、マイクロレンズへ入射する境界において、境界両側の材質の屈折率の違いに対応して屈折し、その後も異なる材質の境界を通過する毎に、境界両側の屈折率の違いに対応して屈折し、受光部の中心に至る光路を取るものと想定して、理論主光線ずらし距離を求める方法である。具体的には、図９に示すように、マイクロレンズおよび機能層（第二平坦化層、カラーフィルタ層、第一平坦化層および無機デバイス層）という特定の光学系の状態で、カメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心に主光線入射角度θ０にて入射した主光線が、マイクロレンズへ入射する境界において、境界両側の材質（大気およびマイクロレンズ）の屈折率の違いに対応して屈折し、その後も異なる材質の境界を通過する毎に、境界両側の屈折率の違いに対応して屈折し、受光部の中心に至る光路を取るものと想定して、理論主光線ずらし距離Ｓｍを求める方法である。この算出方法は、ｍ層構成部材を構成する各部材の屈折率および厚さを用いて理論主光線ずらし距離を算出することから、精度良く理論主光線ずらし距離を規定することができる。
【００４２】
関係式（１）は、以下のようにして求められる（図９参照）。
まず、マイクロレンズおよび機能層をまとめてｍ層積層部材とし、マイクロレンズをｍ層積層部材の１層目とする。なお、ｍの値は、例えば１〜１０の範囲内である。さらに、ｎ０を大気の屈折率（ｎ０＝１）とし、ｎ１をマイクロレンズの屈折率とし、θ０をカメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線入射角度とし、θ１をマイクロレンズから出射する主光線の出射角度とする。スネルの法則により、ｎ０、ｎ１、θ０、θ１は以下の関係を有する。
ｎ０ｓｉｎθ０＝ｎ１ｓｉｎθ１
よって、θ１＝ｓｉｎ−１（（ｎ０／ｎ１）ｓｉｎθ０）となる。
同様に、ｊ−１層およびｊ層の界面におけるθｊ（ｊ層から出射する主光線の出射角度）は、θｊ＝ｓｉｎ−１（（ｎｊ−１／ｎｊ）ｓｉｎθｊ−１）となる。
また、マイクロレンズのずらし量ｄＳ１（２層目である第二平坦化層に対するマイクロレンズのずらし量）について、ｄＳ１／ｄ１＝ｔａｎθ１であるから、ｄＳ１＝ｄ１ｔａｎθ１となる。
同様にｊ層のｊ−１層に対するずらし量ｄＳｊは、ｄＳｊ＝ｄｊｔａｎθｊとなる。
ここで、理論主光線ずらし距離をＳｍとした場合、Ｓｍは、１層からｍ層までのｄＳｊの累積であることから、
Ｓｍ＝Σｊ＝１ｍｄＳｊ＝Σｊ＝１ｍｄｊｔａｎθｊとなる。
【００４３】
次に、本発明における理論主光線ずらし距離の第二の算出方法について説明する。この算出方法において、理論主光線ずらし距離は、マイクロレンズおよび機能層をまとめてｍ層積層部材とし、マイクロレンズをｍ層積層部材の１層目とした場合に、下記関係式（２）により規定されるものである。
Ｓｍ＝ｔａｎθ１Σｊ＝１ｍｄｊ  …関係式（２）
（式中、Ｓｍは理論主光線ずらし距離、ｄｊはｊ層の厚さ、θ１＝ｓｉｎ−１（（ｎ０／ｎ１）ｓｉｎθ０）、ｎ１はマイクロレンズの屈折率、ｎ０は大気の屈折率（ｎ０＝１）、θ０はカメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線入射角度である）
【００４４】
この算出方法は、予め決めた特定の光学系の状態で、カメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心に、主光線入射角度にて入射した主光線が、マイクロレンズへ入射する境界において、境界両側の材質の屈折率の違いに対応して屈折し、その後直進し、受光部の中心に至る光路を取るものと想定して理論主光線ずらし距離を求める方法である。この算出方法は、大気の屈折率と、ｍ層構成部材の１層目に位置するマイクロレンズの屈折率とを用いて、マイクロレンズから出射する主光線の出射角度を求め、その後、その出射角度で主光線が直進して機能層を通過するという仮定の下、ｍ層構成部材を構成する各部材の厚さから理論主光線ずらし距離を算出する方法である。この算出方法は、理論主光線ずらし距離が簡便に求めることができ、例えば機能層による主光線の屈折が小さい場合には、精度良く理論主光線ずらし距離を規定することができる。
【００４５】
関係式（２）は、以下のようにして求められる。
まず、マイクロレンズおよび機能層をまとめてｍ層積層部材とし、マイクロレンズをｍ層積層部材の１層目とする。なお、ｍの値は、例えば１〜１０の範囲内である。さらに、ｎ０を大気の屈折率（ｎ０＝１）とし、ｎ１をマイクロレンズの屈折率とし、θ０をカメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線入射角度とし、θ１をマイクロレンズから出射する主光線の出射角度とする。ここで、スネルの法則により、ｎ０、ｎ１、θ０、θ１は以下の関係を有する。
ｎ０ｓｉｎθ０＝ｎ１ｓｉｎθ１
よって、θ１＝ｓｉｎ−１（（ｎ０／ｎ１）ｓｉｎθ０）となる。
ここで、マイクロレンズから出射する主光線は直進して機能層を通過することを仮定しているため、
Ｓｍ＝ｔａｎθ１×（ｍ層構成部材の厚さの総和）＝ｔａｎθ１Σｊ＝１ｍｄｊとなる。
【００４６】
本発明においては、マイクロレンズのずらし距離が、理論主光線ずらし距離よりも短い。さらに、本発明においては、マイクロレンズのずらし距離が、理論主光線ずらし距離でマイクロレンズをずらした場合よりも高いヒット率が得られる範囲内であることが好ましい。図１０は、マイクロレンズの中心に所定の角度から入射した光が機能層を通過して受光部に到達する際に、その光線のヒット率を光学シミュレーションにより求めたものの一例である。なお、後述するように、ａの値が１００％である場合のずらし距離が理論主光線ずらし距離に該当する。本発明においては、マイクロレンズのずらし距離が、理論主光線ずらし距離よりも短い範囲内にある。さらに、マイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離でマイクロレンズをずらした場合よりも高いヒット率が得られる範囲内であることが好ましい。図１０においては、マイクロレンズのずらし距離が、理論主光線ずらし距離の８５％より大きく、理論主光線ずらし距離の１００％より小さい範囲内にあれば、理論主光線ずらし距離でマイクロレンズをずらした場合よりも高いヒット率を得ることができる。本発明の固体撮像素子は、このような範囲で、マイクロレンズをずらすことが好ましい。
【００４７】
中でも、マイクロレンズのずらし距離の範囲は、理論主光線ずらし距離でマイクロレンズをずらした場合のヒット率と比較して、例えば１％以上、中でも５％以上、特に１０％以上高いヒット率となる範囲が好ましい。より効果的にシェーディング状態を改善することができるからである。
【００４８】
本発明において、マイクロレンズのずらし距離は、固体撮像素子の構成等により大きく異なるものである。なお、マイクロレンズのずらし距離の詳細については、後述する「３．機能層を構成する各層のずらしについて」で詳細に説明する。
【００４９】
本発明においては、複数のマイクロレンズが配列することにより、マイクロレンズアレイが形成されている。本発明においては、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズの中で、上述した所定のずらし距離の範囲に属するマイクロレンズが、５０％以上存在することが好ましく、７５％以上存在することがより好ましく、９０％以上存在することがさらに好ましい。特に、本発明においては、マイクロレンズアレイを構成する全てのマイクロレンズが、上述した所定のずらし距離の範囲に属することが好ましい。一方、本発明においては、シェーディングの影響が大きい画素領域の外周部に位置するマイクロレンズが、上述した所定のずらし距離の範囲にあることが好ましい。画素領域の全領域を、画素領域の中心を含む矩形状の中心領域と、その中心領域の周囲に位置する外周領域とに分けると、本発明においては、シェーディングの影響が大きい画素領域の外周領域に位置するマイクロレンズが、上述した所定のずらし距離の範囲にあることが好ましい。この場合、中心領域の一辺の長さは、対応する画素領域の一辺の長さに対して、例えば７０％以下、中でも５０％以下、特に３０％以下であることが好ましい。
【００５０】
なお、本発明においては、上述した所定のずらし距離の範囲内であれば、マイクロレンズをずらしても良く、受光部をずらしても良く、マイクロレンズおよび受光部の両方をずらしても良い。
【００５１】
２．固体撮像素子に用いられる部材
次に、本発明に用いられる固体撮像素子に用いられる部材について説明する。本発明の固体撮像素子は、通常、複数の受光部と、上記複数の受光部上に形成された機能層と、上記機能層上に形成され、上記複数の受光部に対応する複数のマイクロレンズとを有する。
【００５２】
本発明に用いられるマイクロレンズは、入射光を集光する機能を有し、斜光に対して収差を生じさせるものであれば特に限定されるものではない。本発明に用いられるマイクロレンズの一例としては、例えば図１１および図１２に示すように、その上面は回転楕円体の一部を切り取った形状であり、その底面は平坦であり、かつ、隣接するマイクロレンズとの境界に隙間の無い形状であるもの等を挙げることができる。なお、図１２は、図１１に示されるマイクロレンズのＳＥＭ写真である。このような形状は集光効率の観点から理想に近い形状であり、このような形状のマイクロレンズの設計、製造方法は、例えば特開２００４−７００８７および特開２００４−２９６５９０に開示されている。このように、本発明においては、図１１および図１２に示したマイクロレンズを、図１等に示した固体撮像素子に用いることが好ましいのである。その理由は、マイクロレンズが回転楕円体の一部を切り取った形状であると、球面収差が取れるからである。なお、図１、図９等に示されるマイクロレンズは、図１１の断面図に示すように、Ａ−Ａ´方向断面およびＣ−Ｃ´方向断面を重ね合わせて表示したものである。
【００５３】
本発明に用いられる受光部は、特に限定されるものではなく、一般的な固体撮像素子に用いられる受光部と同様のものを用いることができる。通常は、受光部としてフォトダイオードが用いられる。また、受光部を支持する基板についても、一般的な固体撮像素子に用いられる基板と同様のものを用いることができる。
【００５４】
本発明に用いられる機能層は、複数の受光部と複数のマイクロレンズアレイとの間に配置される層の総称であり、固体撮像素子の構成に応じて、その構成は大きく異なる。本発明における機能層は、通常複層構造を有する。機能層を構成する各層を機能層構成用層とした場合、機能層構成用層としては、具体的には、有機層および無機デバイス層等を挙げることができる。有機層を構成する層としては、具体的には、平坦化層、カラーフィルタ層および層内レンズ層等を挙げることができる。無機デバイス層を構成する層としては、具体的には、パッシベーション層、層間絶縁層（例えばＳｉＯ２層）、配線層および遮光層等を挙げることができる。これらの部材については、一般的な固体撮像素子に用いられる部材と同様のものを用いることができる。
【００５５】
本発明において、機能層がどのような構成であっても、機能層を構成する各層の厚さおよび屈折率等に基づいて、光学シミュレーションにより理論主光線ずらし距離を規定することができる。そのため、機能層の層構成は特に限定されるものではない。本発明における機能層の構成（受光部側から順に）としては、例えば、無機デバイス層、第一平坦化層、カラーフィルタ層および第二平坦化層である構成、第一平坦化層、カラーフィルタ層および第二平坦化層である構成、無機デバイス層、第一平坦化層、層内レンズ層、第二平坦化層、カラーフィルタ層および第三平坦化層である構成等を挙げることができる。
【００５６】
３．機能層を構成する各層のずらしについて
本発明の固体撮像素子は、上述したように、マイクロレンズの中心位置を、上述した基準状態でのマイクロレンズの中心位置と比べて、画素領域の中心方向にずらしたものであり、そのずらし距離が理論主光線ずらし距離よりも短い範囲内にあるものである。そのため、マイクロレンズおよび受光部の間に位置する機能層（機能層構成用層）を、所定のずらし距離でずらしても良く、一切ずらさなくても良い。中でも、本発明においては、機能層を構成する機能層構成用層の少なくとも一層を、画素領域の中心方向にずらしていることが好ましい。シェーディング状態をさらに改善することができるからである。
【００５７】
シェーディング状態を改善する観点から見ると、機能層構成用層の多くを、画素領域の中心方向にずらしていることが好ましく、機能層構成用層の全てを、画素領域の中心方向にずらしていることがより好ましい。なお、機能層構成用層が、パッシベーション層、層間絶縁層、平坦化層等の透明な連続層を有する場合、これらは隣接画素間の境界を有しないため、適正にずれたものとみなすことができる。
【００５８】
一方、固体撮像素子の設計が容易になるという観点からは、無機デバイス層以外の機能層構成用層を、画素領域の中心方向にずらしていることが好ましい。なお、固体撮像素子の設計が容易になる理由は、以下の通りである。すなわち、無機デバイス層は、通常、配線層および遮光層を有する。この配線層および遮光層は不用意に配置すると入射光を遮るため、マイクロレンズで集光された入射光の光路をなるべく避けて配置する必要がある。言い換えると、配線層および遮光層により遮光されない領域を、光線の入射角度を考慮して配置する必要があり、マイクロレンズと同じく主光線入射角度を考慮して、遮光されない領域の中心をずらすことが必要になる。その結果、無機デバイス層の設計や製造工程が複雑化してしまう。本発明においては、上述したように、無機デバイス層以外の機能層構成用層を、画素領域の中心方向にずらしていることが好ましく、特に、カラーフィルタ層を、画素領域の中心方向にずらしていることがより好ましい。カラーフィルタ層の製造工程は、無機デバイス層の製造工程よりもシンプルであるため、設計が容易であり、さらにシェーディング状態を改善する効果も大きいからである。
【００５９】
機能層構成用層のずらし距離は、例えば、上述した関係式（１）または関係式（２）に基づいて算出することができる。例えば関係式（１）においては、機能層およびマイクロレンズをまとめてｍ層積層部材として、理論主光線ずらし距離を求めている。その関係式を用いれば、ｍ層積層部材のｉ層目の機能層構成用層の理論主光線ずらし距離Ｓｉは、Ｓｉ＝Σｊ＝ｉｍｄｊｔａｎθｊにより求めることができる。同様に、関係式（２）において、ｍ層積層部材のｉ層目の機能層構成用層の理論主光線ずらし距離Ｓｉは、Ｓｉ＝ｔａｎθ１Σｊ＝ｉｍｄｊにより求めることができる。なお、機能層構成用層のずらし距離は、後述する関係式（Ｉ）のように、収差係数ａを用いて、Ｓｉａｃ＝ａＳｉのようにして算出しても良い。また、例えばａの範囲が８５％＜ａ＜１００％である場合、ｍ層積層部材のｉ層目の機能層構成用層のずらし距離は、理論主光線ずらし距離Ｓｉの８５％より大きく、理論主光線ずらし距離Ｓｉの１００％の小さい範囲内であることを意味する。なお、後述の実施例１〜５にて、マイクロレンズおよび各機能層のずらし距離は、表２、４、５、６、７にてａ＝１００％の時のＹ−Ｓｈｉｆｔの値に、同じａの値を掛け算して算出した値を用いている。しかしながら、本発明における各機能層のずらし距離は、必ずしもマイクロレンズのずらし距離の算出に用いるａの値と同じａの値を掛け算する必要はなく、異なる値であっても良い。
【００６０】
ここで、本発明の固体撮像素子が、マイクロレンズのみをずらした固体撮像素子である場合を考える。これは、マイクロレンズをずらし、機能層はずらさない場合である。この場合、マイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離に対して、例えば３８％より大きく、中でも４５％以上、特に５０％以上であることが好ましい。同様に、マイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離に対して、通常１００％より小さい範囲、中でも９５％以下、特に９０％以下であることが好ましい。
【００６１】
次に、本発明の固体撮像素子が、機能層を構成する機能層構成用層としてカラーフィルタ層を有し、カラーフィルタ層を画素領域の中心方向にずらした固体撮像素子である場合を考える。これは、マイクロレンズおよびカラーフィルタ層をずらし、カラーフィルタ層以外の機能層をずらさない場合である。この場合、マイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離に対して、例えば６５％より大きく、中でも７０％以上、特に８０％以上であることが好ましい。同様に、マイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離に対して、通常１００％より小さい範囲、中でも９５％以下、特に９０％以下であることが好ましい。
【００６２】
次に、本発明の固体撮像素子が、機能層を構成する機能層構成用層としてカラーフィルタ層および無機デバイス層を有し、無機デバイス層は配線層または遮光層を有し、カラーフィルタ層と、無機デバイス層の中で最もマイクロレンズに近い位置にある配線層または遮光層の遮光部とを、画素領域の中心方向にずらした固体撮像素子である場合を考える。これは、マイクロレンズ、カラーフィルタ層、および無機デバイス層の中で最もマイクロレンズに近い位置にある配線層または遮光層の遮光部をずらし、これら以外の機能層はずらさない場合である。なお、「遮光部をずらすこと」は、言い換えると、配線層および遮光層により遮光されない領域を、マイクロレンズで集光された入射光の光路を遮らないようにずらすことである。この場合、マイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離に対して、例えば８２％より大きく、中でも８５％以上、特に９０％以上であることが好ましい。同様に、マイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離に対して、通常１００％より小さい範囲、中でも９８％以下、中でも９５％以下であることが好ましい。
【００６３】
次に、本発明の固体撮像素子が、機能層を構成する機能層構成用層の全てを、画素領域の中心方向にずらした固体撮像素子である場合を考える。これは、マイクロレンズ、および機能層を構成する機能層構成用層の全てをずらした場合である。なお、上述したように、機能層構成用層が、パッシベーション層、層間絶縁層、平坦化層等の透明な連続層を有する場合、これらは隣接画素間の境界を有しないため、適正にずれたものとみなすことができる。この場合、マイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離に対して、例えば８５％より大きく、中でも８８％以上であることが好ましい。同様に、マイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離に対して、通常１００％より小さい範囲、中でも９５％以下、特に９０％以下であることが好ましい。
【００６４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と、実質的に同一の構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる場合であっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００６５】
以下、実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。
［実施例１］
図１３に示す構成の固体撮像素子について、光学シミュレーションを行った。この固体撮像素子は、受光部側から、７層のＳｉＯ２層、パッシベーション層、第一平坦化層、カラーフィルタ層、第二平坦化層およびマイクロレンズを有している。さらに、この固体撮像素子は、マイクロレンズのみ画素領域の中心方向にずれている。
【００６６】
関係式（１）に基づき、ｉ層目のずらし量Ｓｉacは、下記関係式（Ｉ）で規定することができる。
Ｓｉａｃ＝ａΣｊ＝ｉｍｄｊｔａｎθｊ  …関係式（Ｉ）
（式中、ａは収差係数、ｉは１〜ｍの自然数、ｄｊはｊ層の厚さ、θｊ＝ｓｉｎ−１（（ｎｊ−１／ｎｊ）ｓｉｎθｊ−１）、ｎｊはｊ層の屈折率、ｎ０は大気の屈折率（ｎ０＝１）、θ０はカメラレンズの射出瞳中心からマイクロレンズの中心位置に入射した主光線入射角度である）
なお、ａ＝１（１００％）の時が、ｉ層の理論主光線ずらし距離Ｓｉになる。また、例えばａの範囲が８５％＜ａ＜１００％である場合、マイクロレンズのずらし距離は、理論主光線ずらし距離の８５％より大きく、理論主光線ずらし距離の１００％の小さい範囲内であることを意味する。
【００６７】
シミュレーション条件を表１に示す。
【００６８】
【表１】
2009295967.tif 000003
【００６９】
なお、表１の曲率半径における「Infinity」とは、曲率半径が無限大であること、すなわち、平坦面であることを意味する。また、図１３に見られるように、表１の１）、２）で規定した領域外に到達した光線は蹴られたものとみなす。
【００７０】
シミュレーションを行うソフトウェアとして、ZEMAX Development Corporation社製ZEMAX-EE(Version April 2, 2004 rev.b)を使用した。ソフトウェア(ZEMAX)上の計算結果(efficiency)は、単純に入力光線の本数と、受光部に到達した光線の本数の比ではなく、受光部への入射角度を加味してエネルギーとして処理している。即ち、受光部に到達した光線の一本一本に、入射角のCOSを掛け算して、エネルギーとして扱える形とし、入射光のエネルギーと比較してefficincyとして表している。ヒット率は、主光線入射角度０°のときにマイクロレンズ表面に達するエネルギー(efficiency)Ｅ１と、所定の条件で受光部に達するエネルギー(efficiency)Ｅ２の比Ｅ２／Ｅ１で表される。また、入射光については、図１４に示すように、ZEMAX上のOBJECT面がマイクロレンズ表面（ZEMAX上の第１層）に接して設定される。これを均一な明るさを持つ光源（サイズはマイクロレンズが２×２μｍ□のとき、これに外接する半径√２の円）と見立て、OBJECT面からの光線の角度は、０°からカメラレンズのＦ値から求められる見込み角度までの範囲でランダムであり、OBJECT面の全面からランダムに光線を発生させる（但し、OBJECT面周辺の光線の処理は、図１４に示すように系外へ出る光線は考慮されない）。
【００７１】
上記の関係式（Ｉ）を用いて、図１３に示す構成の固体撮像素子の理論主光線ずらし距離を算出した。その結果を表２に示す。なお、表中でのY-Shiftの値は、図１３の上下方向のずらし量を意味し、マイクロレンズ等の中心の受光部中心に対してのずらし量である。また、表２においては、第二平坦化層にもY-Shiftの値を設定しているが、第二平坦化層は、通常、透明な連続層であるので、適正にずれたものとみなすことができる。
【００７２】
【表２】
2009295967.tif 000004
【００７３】
なお、表２における「ＣＲＡ」とは、主光線入射角度(Chief Ray Angle)を意味する。以下、表４〜表７においても同様である。そして、関係式（Ｉ）および上記シミュレーション条件を用いて、ヒット率を算出した。
【００７４】
図１５は、主光線入射角度２０°の場合の光線のヒット率（相対値）を示すグラフである。図１５に示されるように、主光線入射角度２０°では、ａの値が７５％の時にヒット率が最大となり、ａの値が1００％の時よりヒット率が２５．８％向上した。また、ａの値が４８％よりも大きく、１００％よりも小さい範囲内で、ａの値が１００％の時よりヒット率は大きくなった。ａの値が５１％〜９７％の範囲内であれば、ａの値が１００％の時よりヒット率が５％以上向上した。ａの値が５４％〜９５％の範囲内であれば、ａの値が１００％の時よりヒット率が１０％以上向上した。
【００７５】
図１６は、主光線入射角度３０°の場合の光線のヒット率（相対値）を示すグラフである。図１６に示されるように、主光線入射角度３０°では、ａの値が７０％の時にヒット率が最大となり、ａの値が1００％の時よりヒット率が２２０％向上した。また、ａの値が４３％よりも大きく、１００％よりも小さい範囲内で、ａの値が１００％の時よりヒット率は大きくなった。ａの値が４３％〜９９％の範囲内であれば、ａの値が１００％の時よりヒット率が１０％以上向上した。
【００７６】
また、同様にして得られた結果から、ａの値によるシェーディング状態の変化を評価した。その結果を図１７に示す。このようにして、カメラレンズの射出瞳中心から入射される主光線入射角度に応じて、好ましいａの範囲を設定することができる。
【００７７】
［実施例２］
図１８に示す構成の固体撮像素子について、光学シミュレーションを行った。この固体撮像素子は、受光部側から、２層のＳｉＯ２層、パッシベーション層、第一平坦化層、カラーフィルタ層、第二平坦化層およびマイクロレンズを有している。さらに、この固体撮像素子は、マイクロレンズのみ画素領域の中心方向にずれており、画素サイズが上述した図１３よりも大きいものである。
【００７８】
シミュレーション条件を表３に示す。
【００７９】
【表３】
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【００８０】
なお、表３の曲率半径における「Infinity」とは、曲率半径が無限大であること、すなわち、平坦面であることを意味する。また、図１３に見られるように、表１の１）、２）で規定した領域外に到達した光線は蹴られたものとみなす。
【００８１】
実施例１で用いた関係式（Ｉ）を用いて、図１８に示す構成の固体撮像素子の理論主光線ずらし距離を算出した。その結果を表４に示す。なお、表中でのY-Shiftの値は、図１８の上下方向のずらし量を意味し、マイクロレンズ等の中心の受光部中心に対してのずらし量である。また、表４においては、第二平坦化層にもY-Shiftの値を設定しているが、第二平坦化層は、通常、透明な連続層であるので、適正にずれたものとみなすことができる。
【００８２】
【表４】
2009295967.tif 000006
【００８３】
関係式（Ｉ）および上記シミュレーション条件を用いて、ヒット率を算出した。
【００８４】
図１９は、主光線入射角度２０°の場合の光線のヒット率（相対値）を示すグラフである。図１９に示されるように、主光線入射角度２０°では、ａの値が６７％の時にヒット率が最大となり、ａの値が1００％の時よりヒット率が６．８％向上した。また、ａの値が３８％よりも大きく、１００％よりも小さい範囲内で、ａの値が１００％の時よりヒット率は大きくなった。ａの値が５１％〜８４％の範囲内であれば、ａの値が１００％の時よりヒット率が５％以上向上した。
【００８５】
図２０は、主光線入射角度３０°の場合の光線のヒット率（相対値）を示すグラフである。図２０に示されるように、主光線入射角度３０°では、ａの値が７４％の時にヒット率が最大となり、ａの値が1００％の時よりヒット率が２２％向上した。また、ａの値が４５％よりも大きく、１００％よりも小さい範囲内で、ａの値が１００％の時よりヒット率は大きくなった。ａの値が４８％〜９６％の範囲内であれば、ａの値が１００％の時よりヒット率が５％以上向上した。ａの値が５３％〜９２％の範囲内であれば、ａの値が１００％の時よりヒット率が１０％以上向上した。
【００８６】
また、同様にして得られた結果から、ａの値によるシェーディング状態の変化を評価した。その結果を図２１に示す。このようにして、カメラレンズの射出瞳中心から入射される主光線入射角度に応じて、好ましいａの範囲を設定することができる。
【００８７】
［実施例３］
図２２に示す構成の固体撮像素子について、光学シミュレーションを行った。この固体撮像素子は、受光部側から、７層のＳｉＯ２層、パッシベーション層、第一平坦化層、カラーフィルタ層、第二平坦化層およびマイクロレンズを有している。さらに、この固体撮像素子は、マイクロレンズおよびカラーフィルタ層が画素領域の中心方向にずれている。
【００８８】
実施例１で用いた、関係式（Ｉ）およびシミュレーション条件を用いて、図２２に示す構成の固体撮像素子の理論主光線ずらし距離を算出した。その結果を表５に示す。なお、表中でのY-Shiftの値は、図２２の上下方向のずらし量を意味し、マイクロレンズ等の中心の受光部中心に対してのずらし量である。また、表５においては、第一平坦化層、第二平坦化層およびパッシベーション層にもY-Shiftの値を設定しているが、これらの層は、通常、透明な連続層であるので、適正にずれたものとみなすことができる。
【００８９】
【表５】
2009295967.tif 000007
【００９０】
関係式（Ｉ）および上記シミュレーション条件を用いて、ヒット率を算出した。
【００９１】
図２３は、主光線入射角度２０°の場合の光線のヒット率（相対値）を示すグラフである。図２３に示されるように、主光線入射角度２０°では、ａの値が９０％の時にヒット率が最大となり、ａの値が1００％の時よりヒット率が５．５％向上した。また、ａの値が７９％よりも大きく、１００％よりも小さい範囲内で、ａの値が１００％の時よりヒット率は大きくなった。
【００９２】
図２４は、主光線入射角度３０°の場合の光線のヒット率（相対値）を示すグラフである。図２４に示されるように、主光線入射角度３０°では、ａの値が８５％の時にヒット率が最大となり、ａの値が1００％の時よりヒット率が３５％向上した。また、ａの値が６５％よりも大きく、１００％よりも小さい範囲内で、ａの値が１００％の時よりヒット率は大きくなった。ａの値が６７％〜９８％の範囲内であれば、ａの値が１００％の時よりヒット率が５％以上向上した。ａの値が６９％〜９７％の範囲内であれば、ａの値が１００％の時よりヒット率が１０％以上向上した。
【００９３】
また、同様にして得られた結果から、ａの値によるシェーディング状態の変化を評価した。その結果を図２５に示す。このようにして、カメラレンズの射出瞳中心から入射される主光線入射角度に応じて、好ましいａの範囲を設定することができる。
【００９４】
［実施例４］
図２６に示す構成の固体撮像素子について、光学シミュレーションを行った。この固体撮像素子は、受光部側から、７層のＳｉＯ２層、パッシベーション層、第一平坦化層、カラーフィルタ層、第二平坦化層およびマイクロレンズを有している。さらに、この固体撮像素子は、マイクロレンズ、カラーフィルタ層および遮光層が画素領域の中心方向にずれている。なお、遮光層は、遮光されない領域を、マイクロレンズで集光された入射光の光路を遮らないようにずらしている。
【００９５】
実施例１で用いた、関係式（Ｉ）およびシミュレーション条件を用いて、図２６に示す構成の固体撮像素子の理論主光線ずらし距離を算出した。その結果を表６に示す。なお、表中でのY-Shiftの値は、図２６の上下方向のずらし量を意味し、マイクロレンズ等の中心の受光部中心に対してのずらし量である。また、表６においては、第一平坦化層、第二平坦化層、パッシベーション層およびＳｉＯ２層にもY-Shiftの値を設定しているが、これらの層は、通常、透明な連続層であるので、適正にずれたものとみなすことができる。
【００９６】
【表６】
2009295967.tif 000008
【００９７】
関係式（Ｉ）および上記シミュレーション条件を用いて、ヒット率を算出した。
【００９８】
図２７は、主光線入射角度２０°の場合の光線のヒット率（相対値）を示すグラフである。図２７に示されるように、主光線入射角度２０°では、ａの値が９４％の時にヒット率が最大となり、ａの値が1００％の時よりヒット率が２．３％向上した。また、ａの値が８８％よりも大きく、１００％よりも小さい範囲内で、ａの値が１００％の時よりヒット率は大きくなった。
【００９９】
図２８は、主光線入射角度３０°の場合の光線のヒット率（相対値）を示すグラフである。図２８に示されるように、主光線入射角度３０°では、ａの値が９２％の時にヒット率が最大となり、ａの値が1００％の時よりヒット率が７．７％向上した。また、ａの値が８２％よりも大きく、１００％よりも小さい範囲内で、ａの値が１００％の時よりヒット率は大きくなった。ａの値が８７％〜９６％の範囲内であれば、ａの値が１００％の時よりヒット率が５％以上向上した。
【０１００】
また、同様にして得られた結果から、ａの値によるシェーディング状態の変化を評価した。その結果を図２９に示す。このようにして、カメラレンズの射出瞳中心から入射される主光線入射角度に応じて、好ましいａの範囲を設定することができる。
【０１０１】
［実施例５］
図３０に示す構成の固体撮像素子について、光学シミュレーションを行った。この固体撮像素子は、受光部側から、７層のＳｉＯ２層、パッシベーション層、第一平坦化層、カラーフィルタ層、第二平坦化層およびマイクロレンズを有している。さらに、この固体撮像素子は、全ての機能層構成用層（７層のＳｉＯ２層、パッシベーション層、第一平坦化層、カラーフィルタ層および第二平坦化層）が画素領域の中心方向にずれている。
【０１０２】
実施例１で用いた、関係式（Ｉ）およびシミュレーション条件を用いて、図３０に示す構成の固体撮像素子の理論主光線ずらし距離を算出した。その結果を表７に示す。なお、表中でのY-Shiftの値は、図３０の上下方向のずらし量を意味し、マイクロレンズ等の中心の受光部中心に対してのずらし量である。また、表７においては、第一平坦化層、第二平坦化層、パッシベーション層およびＳｉＯ２層にもY-Shiftの値を設定しているが、これらの層は、通常、透明な連続層であるので、適正にずれたものとみなすことができる。
【０１０３】
【表７】
2009295967.tif 000009
【０１０４】
関係式（Ｉ）および上記シミュレーション条件を用いて、ヒット率を算出した。
【０１０５】
図３１は、主光線入射角度２０°の場合の光線のヒット率（相対値）を示すグラフである。図３１に示されるように、主光線入射角度２０°では、ａの値が９５％の時にヒット率は最大となった。また、ａの値が８８％よりも大きく、１００％よりも小さい範囲内で、ａの値が１００％の時よりヒット率は大きくなった。
【０１０６】
図３２は、主光線入射角度３０°の場合の光線のヒット率（相対値）を示すグラフである。図３２に示されるように、主光線入射角度３０°では、ａの値が９３％の時にヒット率は最大となった。また、ａの値が８５％よりも大きく、１００％よりも小さい範囲内で、ａの値が１００％の時よりヒット率は大きくなった。
【０１０７】
また、同様にして得られた結果から、ａの値によるシェーディング状態の変化を評価した。その結果を図３３に示す。このようにして、カメラレンズの射出瞳中心から入射される主光線入射角度に応じて、好ましいａの範囲を設定することができる。
【０１０８】
［考察］
実施例５にて全ての機能層をずらし、実施例４、実施例３、の順でずらす機能層の数を減らし、実施例１、２にてマイクロレンズのみをずらす構成としている。ヒット率の高いａの範囲は、実施例５にて最も１００％に近く、実施例４、３、１、２の順で小さくなり、ヒット率自体もこの順で小さくなる。即ち、ずらす機能層の数が少ない場合は、ずらしていない機能層との境界部で光線が蹴られる現象が生じているものと考えられる（例えば図１３において、カラーフィルタ層の隣接色に入射する光線は蹴られた光線として処理される）。蹴られは、ずらす層とずらさない層との段差（例えば図１３において、第二平坦化層のマイクロレンズ側表面と、カラーフィルタ層のマイクロレンズ側表面との図中上下方向の段差）が大きければ当然大きくなり、結果、ずらしすぎとなり、ａの値が小さい方が有利となることが考えられる。実施例４、５は蹴られの要素が少なくなるため、収差の効果が明白に現れやすく、ａ＝９０％程度で良好な結果が得られる。
【符号の説明】
【０１０９】
１  …  受光部
２  …  第一平坦化層
３  …  カラーフィルタ層
４  …  第二平坦化層
５  …  マイクロレンズ
【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】
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【図７】
2009295967.tif 000016
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009295967.tif 000019
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2009295967.tif 000022
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
2009295967.tif 000028
【図２２】
2009295967.tif 000029
【図２３】
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【図２４】
2009295967.tif 000031
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
2009295967.tif 000037
【図３１】
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【図３２】
2009295967.tif 000039
【図３３】
2009295967.tif 000040
【図３４】
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【図３５】
2009295967.tif 000042
【図３６】
2009295967.tif 000043
【図３７】
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【図１１】
2009295967.tif 000045
【図１２】
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