JP5326390B2 - 固体撮像素子およびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子と撮像装置に係り、特に複数の受光素子と微小な集光レンズ（マイクロレンズ）を配設した固体撮像素子と、この固体撮像素子を使用した撮像装置に関する。

近年、静止画像、動画像を撮像するデジタルカメラ、ビデオカメラが様々な分野で普及してきている。これらのカメラには、被写体光を光電信号に変換して画像を記録するＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の固体撮像素子が組み込まれている。固体撮像素子の構造は、例えば、被写体光を受けて光電信号に変換する受光素子と、この受光素子上に形成されたカラーフィルタ層と、受光素子への集光率を向上させるためのマイクロレンズとを備えたものである。
このような固体撮像素子においては、有効撮像領域の中央部に比べて周辺部での信号出力が減衰（感度低下）するシェーディングという現象が生じる。このシェーディングは、有効撮像領域の周辺部へ入射光が斜めに入射して光利用効率が低下することに起因している。従来、シェーディングを防止するために、カメラレンズからの主光線入射角度を考慮して、有効撮像領域の中心ではマイクロレンズを受光素子の位置に配列し、有効撮像領域の周辺部では、マイクロレンズを受光素子より有効撮像領域の中央部側にシフトさせて配列することが行われている。このシフト量の設定に関しては、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について、スネルの法則に基づいた光線追跡を行い、その光線が受光素子の中心に入射するようにマイクロレンズのシフト量を決定する方法が開示されている（特許文献１、２）。

一方、近年の多画素化に伴う画素寸法の微細化により、受光素子の寸法縮小、感度低下という別の問題が生じている。これらに対応して、マイクロレンズで集光した光線を有効に受光素子に導く手段として、層内レンズあるいはインナーレンズと呼ばれる第二のマイクロレンズを、カラーフィルタよりも受光素子側に形成する技術が提案されている。この第二のマイクロレンズを備えた固体撮像素子においても、上述のシェーディング現象は生じており、その対策として、マイクロレンズやカラーフィルタ、第二のマイクロレンズ、遮光部の開口部を受光素子よりも有効撮像領域の中央部側にシフトさせて配列させることが提案されている（特許文献３、４）。
特開２００３−１８４７６号公報 特開２００１−１６０９７３号公報 特開２００５−５７０２４号公報 特開２００６−１９６５０３９号公報

しかし、特許文献１、２に開示されている従来のシェーディング防止技術では、マイクロレンズへ入射する光線の入射角度が大きい場合（すなわち、有効撮像領域の周辺部）に発生するコマ収差の影響が考慮されておらず、単純な光線追跡のみでシフト量が設定されているので、シェーディングの抑制が不十分であるという問題があった。また、特許文献２には、単純な光線追跡を省略した計算でシフト量を求め、これに対して±３０％の範囲を許容することが開示されている。しかし、この±３０％の誤差は、計算上の省略および近似と、実際の製造上の精度とを考慮して認められたものであり、積極的に−３０％側にするという技術事項ではない。

一方、特許文献３、４では、第二のマイクロレンズのシフト量をどのように設定するかは示されておらず、特許文献１、２と同様にしてシフト量が設定されるとした場合、第二のマイクロレンズがシェーディング防止にどのように影響しているかは考慮されていない。
また、従来の固体撮像素子では、マイクロレンズへ入射する光線の入射角度が大きくなるに従って（すなわち、有効撮像領域の外周部において）発生するレンズ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シフト量の設定が困難である。特に、効果的なシェーディング改善が必要とされる有効撮像領域の外周部にて、最適なシフト設定ができないという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、層内レンズを有しシェーディングが抑制された固体撮像素子とこれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明は、２次元配置された複数の受光素子と、個々の前記受光素子に対応させて２次元配置された複数の遮光層と、個々の前記受光素子に対応させて２次元配置された複数の層内レンズと、個々の前記受光素子に対応させて赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタが配列されてなるカラーフィルタと、個々の前記受光素子に対応させて２次元配置された複数のマイクロレンズとを少なくとも備え、これらが光入射側からマイクロレンズ、カラーフィルタ、層内レンズ、遮光層、受光素子の順に配設され、前記マイクロレンズはレンズの光軸側にコマ収差を生じる特性を有している固体撮像素子において、各マイクロレンズの中心位置は、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトしたものであり、該シフト量は、カメラレンズの射出瞳中心から各マイクロレンズの中心位置に入射した主光線が、マイクロレンズへ入射する境界、および、マイクロレンズから受光素子に到達するまでの光路上の各材料層の各境界において、境界両側の材質の屈折率の違いに対応して屈折し受光素子の中心に至る光路をとるものと想定して求められる前記光線の光路上の位置と、受光素子の中心に対応する位置との差から得られる想定シフト量よりも小さく設定されており、固体撮像素子における受光素子から光入射側に位置する積層構造がＭ層構造であり、最も光入射側に位置するマイクロレンズを１層目としたときに、１層目からＮ層目（１≦Ｎ≦Ｍ）までをシフトするときのｉ層目（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）の想定シフト量Ｓiを下記の式（１）で設定し、
Ｓi＝Σ _j=i ^M ｄ _j ｔａｎθ _j … 式（１）
ただし、ｄ _j ＝ｉ層目からＭ層目までの間に位置するｊ層目の厚み、
θ _j ＝ｉ層目からＭ層目までの間に位置するｊ層目の光線角度であり、
θ _j ＝ｓｉｎ ^-1 （（ｎ _j-1 ／ｎ _j ）ｓｉｎθ _j-1 ）で示され、
ｎ ₀ ＝１．０（０層目は大気）であり、ｎ _j はｊ層目の屈折率であり、
θ ₀ 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り、
ｉ層目（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）のシフト量Ｓi actualを下記の式（２）で設定し、
Ｓi actual＝ａ×Ｓi … 式（２）
ただし、ａは収差補正係数であり、０＜ａ＜１、
前記シフト量は、前記式（１）および式（２）から算出されるシフト量Ｓi actualであり、各マイクロレンズの中心位置のみを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせ、各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置と各遮光層の開口中心位置のシフトは行わないときの前記収差補正係数ａは０．６８≦ａ＜１の範囲であり、各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置とを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせ、各層内レンズの中心位置と各遮光層の開口中心位置のシフトは行わないときの前記収差補正係数ａは０．７３≦ａ＜１の範囲であり、各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置とを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせ、各遮光層の開口中心位置のシフトは行わないときの前記収差補正係数ａは０．６６≦ａ＜１の範囲であり、各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置と各遮光層の開口中心位置とを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせるときの前記収差補正係数ａは０．９４≦ａ＜１の範囲であるような構成とした。

本発明の他の態様として、各マイクロレンズの中心位置のみを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせ、各カラーフィルタの中心位置と各遮光層の開口中心位置のシフトは行わないときの前記収差補正係数ａは０．７２≦ａ≦０．９６の範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置とを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせ、各遮光層の開口中心位置のシフトは行わないときの前記収差補正係数ａは０．７９≦ａ≦０．９４の範囲であるような構成とした。

本発明の他の態様として、各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置とを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせるときの前記収差補正係数ａは０．７１≦ａ≦０．９４の範囲であるような構成とした。
本発明の撮像装置は、上述の本発明の固体撮像素子を備えるような構成とした。

このような本発明の固体撮像素子は、マイクロレンズの中心に入射した光線が受光素子の中心に至る光路を想定してマイクロレンズ、カラーフィルタ、層内レンズ、遮光層をシフトさせた従来の固体撮像素子では考慮されていないマイクロレンズのコマ収差に配慮して、シフト量を小さく設定しているので、有効撮像領域の周辺部でのシェーディングが効果的に抑制されたものである。
本発明の撮像装置は、斜め入射に起因するケラレ等のロスが少なく、入射光量に対しての効率分布の少ない高品位のものであり、小型化、薄型化が可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［固体撮像素子］
図１は本発明の固体撮像素子の一実施形態を示す概略構成図である。図１において、固体撮像素子１は、基板２に一定の配置ピッチで２次元配置された複数の受光素子３と、配線層４、５と遮光層６を有する絶縁層７と、この絶縁層７上に順次設けられたパッシベーション層８、層内レンズ９、下平坦化層１０、カラーフィルタ１１、上平坦化層１２、および、マイクロレンズ１３を有している。

基板２はシリコン基板であり、受光素子３はｐｎ接合が形成された公知のフォトダイオードであってよく、通常、正方格子状に配置される。配線層４、５はフォトダイオードである受光素子３で発生した信号電荷を転送するものである。遮光層６は、個々の受光素子３に対応して配置された複数の開口部を有するものであり、遮光性の金属層（例えば、Ａｌ、Ａｌ／Ｓｉ／Ｃｕ合金等）で形成することができる。尚、本発明にて、遮光層６は、固体撮像素子のカラーフィルタ１１と受光素子３の間に設けられた金属等の遮光性物質によるパターン層の内、最もカラーフィルタ１１側に設けられたパターンを言う。通常、遮光層６は、平面視上で受光素子３に対応する開口を有する格子状である場合が多いが、閉じた開口形状を有さないストライプ状である場合も含める。また、遮光層６は配線層を兼ねるものであってもよい。

絶縁層７は、例えば、ＣＶＤ法で成膜した酸化珪素等の透明膜からなり、受光素子３を被覆するように形成されている。この絶縁層７は、配線層４、５と遮光層６が内部に配設された多層構造となっており、図示例では、絶縁層７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇからなり、絶縁層７ｂに配線層４が、絶縁層７ｄに配線層５が、絶縁層７ｆに遮光層６が配設されている。また、図示していないが、配線層４と配線層５、さらに、必要におうじて遮光層６（この場合は配線層を兼ねている）との導通がとられている。また、パッシベーション層８は窒化珪素、二酸化珪素等で形成することができる。
層内レンズ９は、マイクロレンズ１３で集光した光線を有効に受光素子３に導くためのレンズであり、各受光素子３に対応して形成されている。この層内レンズ９は、パッシベーション層８上に形成されているため、光入射側に凸となっており、光軸側にコマ収差を生じる特性を有している。層内レンズ９の形状は、例えば、回転楕円体の一部を切り取った形状とし、隣接するマイクロレンズとの境界に隙間のない形状であってよいが、これに限定されるものではない。尚、層内レンズ９は、遮光層６に起因するパッシベーション層８の表面凹凸を利用して形成される場合もあり、この場合は受光素子３側に凸となり、コマ収差としては、上述のマイクロレンズと逆の特性（軸外方向に収差を生じる）となったり、あるいはコマ収差を生じないものとなる。

下平坦化層１０は層内レンズ９を被覆して、カラーフィルタ１１を配設するための平坦面を得るための層であり、樹脂材料で形成することができる。
カラーフィルタ１１は、赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂが配列されたものであり、これらの各色のフィルタは各受光素子３に対応している。
上平坦化層１２は、カラーフィルタ１１を被覆して平坦面を形成し、同等の集光性を有する均質なマイクロレンズ１３の形成を可能にするものである。このような上平坦化層１２は、樹脂材料で形成することができる。
マイクロレンズ１３は、各受光素子３、カラーフィルタ１１の各色フィルタに対応して形成されており、上平坦化層１２上に形成されているため、光入射側に凸となっており、光軸側にコマ収差を生じる特性を有している。マイクロレンズ１３の形状は、例えば、回転楕円体の一部を切り取った形状とし、隣接するマイクロレンズとの境界に隙間のない形状であってよいが、これに限定されるものではない。

マイクロレンズ１３の形成方法としては特に制限はなく、例えば、マイクロレンズ材料としてポジ型フォトレジストを用い、塗布、露光、現像のフォトリソグラフィー工程の後、フォトレジストをポストベークして溶融し凸レンズ状に成形する方法を挙げることができる。このように溶融して凸レンズ状に成形するマイクロレンズ形成方法は、マイクロレンズ間に必ず隙間を必要とする形成方法である。また、露光波長では解像しないような微細なドットパターンで、マイクロレンズの三次元形状を階調表現した階調フォトマスクを介して露光、現像することにより、微細ドットで階調表現された形状をフォトレジスト層に形成してレンズとすることができる。この方法では、レンズ間に隙間の無い効率的なマイクロレンズ１３の形成が可能である。

また、層内レンズ９形成方法としては、例えば、パッシベーション層８上にＣＶＤ法で成膜した窒化珪素膜を材料とし、窒化珪素膜上にポジ型フォトレジストを塗布し、露光、現像のフォトリソグラフィー工程の後、フォトレジストをポストベークして溶融し凸レンズ状に成形し、その後、フッ素系ガスを用いるドライエッチングを行ってフォトレジストの凸レンズ形状を窒化珪素膜に転写する方法を挙げることができる。この場合、フォトレジストのパターニングの際に、上述の階調フォトマスクを用いれば、マイクロレンズ１３と同様に、レンズ間に隙間の無い効率的な層内レンズ９の形成が可能である。

この固体撮像素子１は、光入射側からマイクロレンズ１３、カラーフィルタ１１、層内レンズ９、遮光層６、受光素子３の順に配設されている。そして、層内レンズ９およびマイクロレンズ１３は、その光軸側にコマ収差を生じる特性を有している。このような本発明の固体撮像素子１では、各マイクロレンズ１３の中心位置、あるいは、各マイクロレンズ１３の中心位置と各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置、あるいは、各マイクロレンズ１３の中心位置と各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置と各層内レンズ９の中心位置、あるいは、各マイクロレンズ１３の中心位置と各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置と各層内レンズ９の中心位置と各遮光層６の開口中心位置が、対応する受光素子３の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトしたものである。このシフト量の設定について、以下に説明する。

本発明では、カメラレンズの射出瞳中心から各マイクロレンズ１３の中心位置に入射した主光線が、マイクロレンズ１３へ入射する境界、および、マイクロレンズ１３から受光素子３に到達するまでの光路上の各材料層の各境界において、境界両側の材質の屈折率の違いに対応して屈折し受光素子３の中心に至る光路をとるものと想定する。そして、シフト量は、この想定から求められる光線の光路上の位置と、受光素子３の中心に対応する位置との差から得られる想定シフト量よりも小さく設定される。

まず、想定シフト量について説明する。図２は、マイクロレンズに入射した光線が受光素子に至るまでの光路を説明するための図である。図２に示されるように、光入射側からマイクロレンズ１３、上平坦化層１２、カラーフィルタ１１、下平坦化層１０、層内レンズ９、パッシベーション層８、絶縁層７、受光素子３の順に配設されている。また、絶縁層７は、受光素子３側から絶縁層７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇが積層されてなり、絶縁層７ｂに配線層４が、絶縁層７ｄに配線層５が、絶縁層７ｆに遮光層６が配設されている。尚、配線層４、５および遮光層６は主光線の光路外側に配設されており、主光線の光路説明に不要なため省略している。

そして、マイクロレンズ１３および機能層（受光素子３とマイクロレンズ１３との間に位置している各層）をまとめてＭ層積層部材とし、最も光入射側に位置するマイクロレンズ１３を１層目とする。さらに、ｎ₀を大気の屈折率（ｎ₀＝１．０）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。また、上記のように、マイクロレンズ１３から受光素子３に到達するまでの光路上の各材料層の各境界において、境界両側の材質の屈折率の違いに対応して屈折し受光素子３の中心に至る光路をとるものと想定すると、スネルの法則により、ｎ₀、ｎ₁、θ₀、θ₁は以下の関係を有する。この図２では、カメラレンズの光軸（撮像領域の中心）は、受光素子３の中心に対して、図中で左側（有効撮像領域の中心部方向）に位置している。
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θ_j（ｊ層から出射する主光線の出射角度）は、θ_j＝ｓｉｎ^-1（（ｎ_j-1／ｎ_j）ｓｉｎθ_j-1）となる。

また、マイクロレンズ１３のシフト量ｄＳ₁（２層目である上平坦化層１２に対するマイクロレンズ１３のシフト量）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層に対するシフト量ｄＳ_jは、ｄＳ_j＝ｄ_jｔａｎθ_jとなる。
そして、ｉ層目（ｉ＝１、２、・・・、Ｍ）からＭ層目までのシフト量ｄＳ_jの累積が、１層目からＮ層目（１≦Ｎ≦Ｍ）までをシフトするときのｉ層目（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）の想定シフト量Ｓｉとなり、下記の式（１）で表される。
Ｓi＝Σ_j=i ^Mｄ_jｔａｎθ_j … 式（１）
ただし、ｄ_j＝ｉ層目からＭ層目までの間に位置するｊ層目の厚み、
θ_j＝ｉ層目からＭ層目までの間に位置するｊ層目の光線角度であり、
θ_j＝ｓｉｎ^-1（（ｎ_j-1／ｎ_j）ｓｉｎθ_j-1）で示され、
ｎ₀＝１．０（０層目は大気）であり、ｎ_jはｊ層目の屈折率であり、
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り、
尚、屈折率の測定は分光エリプソメータを用いて行う。以下の本発明においても同様である。

図示例では、Ｍ＝１３、Ｎ＝１３であり、ｉ＝１のマイクロレンズ１３の想定シフト量Ｓ１は、Ｓ１＝Σ_j=1 ¹³ｄ_jｔａｎθ_jとなる。また、ｉ＝３のカラーフィルタ１１の想定シフト量Ｓ３は、Ｓ３＝Σ_j=3 ¹³ｄ_jｔａｎθ_jとなる。また、ｉ＝５の層内レンズ９の想定シフト量Ｓ５は、Ｓ５＝Σ_j=5 ¹³ｄ_jｔａｎθ_jとなる。さらに、ｉ＝８の絶縁層７ｆに配設されている遮光層６の開口中心の想定シフト量Ｓ８は、Ｓ８＝Σ_j=8 ¹³ｄ_jｔａｎθ_jとなる。
本発明では、シフト量が、このように求めた想定シフト量よりも小さく設定され、ｉ層目（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）のシフト量Ｓi actualは下記の式（２）で表される。ただし、ａは収差補正係数であり、０＜ａ＜１である。
Ｓi actual＝ａ×Ｓi … 式（２）

次に、上記の収差補正係数ａについて説明する。
図３は、入射角度２０°でマイクロレンズに入射した平行光が受光素子上に集光する状態を示す図である。図３に示されるように、光入射側からマイクロレンズ１３、上平坦化層１２、カラーフィルタ１１、下平坦化層１０、層内レンズ９、パッシベーション層８、遮光層６、配線層５、配線層４、受光素子３の順に配設されている。そして、各マイクロレンズ１３の中心位置と、各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置と、各層内レンズ９の中心位置と、絶縁層７ｆに配設されている各遮光層６の開口中心位置と、絶縁層７ｄに配設されている各配線層５の開口中心位置と、絶縁層７ｂに配設されている各配線層４の開口中心位置を、上記の式（１）から得られる想定シフト量に基づいてシフトさせている。また、隣接画素間で実質的に連続している上平坦化層１２、下平坦化層１０、パッシベーション層８、および、最も光入射側に位置する絶縁層７ｇ、および、絶縁層７ｅ、絶縁層７ｃも上記の式（１）から得られる想定シフト量に基づいてシフトさせたものとみなしている。勿論、これら各層の厚み、屈折率、マイクロレンズ１３や層内レンズ９の曲率は、マイクロレンズ１３に入射する主光線の入射角度が０°のときに、受光素子３の一点に集光するように設計されている。そして、図３に示すように、マイクロレンズ１３への主光線の入射角度が大きくなると、受光素子３の１点に集光せず、マイクロレンズ１３の中心に入射した光線の到達点よりも下側（図３において矢印で示す方向）、すなわち、有効撮像領域の中心方向へ光線がずれて到達し、コマ収差が生じる。

図４は、図３に示されるようにコマ収差が生じる状態で、Ｆ値＝２．８のカメラレンズから入射する光束（主光線入射角度２０°）が受光素子３上に到達した場合の、受光素子３上での相対的な入射光強度レベルを示す図であり、図中で下側は、図３の下側に対応する。また、図５は、図３に示されるようにコマ収差が生じる状態で、Ｆ値＝２．８のカメラレンズから入射する光束（主光線入射角度３０°）が受光素子３上に到達した場合の、受光素子３上での相対的な入射光強度レベルを示す図であり、図中で下側は、図３の下側に対応する。このような図４および図５に示される入射光強度レベルは、上記の式（１）から得られる想定シフト量に基づいて各マイクロレンズ１３の中心位置と各カラーフィルタ１１の中心位置と各層内レンズ９の中心位置と各遮光層６の開口中心位置をシフトさせた場合の相対的な入射光強度レベルであり、受光素子３上に集光した光束は、受光素子３と有効撮像領域の中央部とを結ぶ線方向に沿っていびつになり、入射光強度レベルの高い領域（図４、図５において、０．８〜１．０の領域）は、マイクロレンズ１３の中心を通過する主光線が到達する点（図中に十字で示す）よりも有効撮像領域の中央部方向へシフトしている。

このように、図３の例では、マイクロレンズ１３、層内レンズ９とも底面は平坦で光入射側に凸となり、それぞれのコマ収差が光軸側に生じる例であるが、マイクロレンズ１３は底面が平坦で光入射側に凸であり、層内レンズ９が受光素子３側に凸である組み合わせであっても、マイクロレンズ１３と層内レンズ９の総合にて、コマ収差が光軸側に生じる場合には、図４、図５で示される入射光強度レベルの高い領域は、同様に有効撮像領域の中央部方向へシフトすることとなる。また、一般に、有効撮像領域の最外周部での主光線入射角度は２０°程度であるが、カメラの小型薄型化により、有効撮像領域の最外周部での主光線入射角度が更に大きくなり、例えば、３０°近くの主光線入射角度を有するカメラレンズを用いたカメラも本発明では考慮する必要がある。したがって、各マイクロレンズ１３の中心位置と各カラーフィルタ１１の中心位置と各遮光層６の開口中心位置のシフト量は、入射光強度レベルの高い領域が受光素子３の中心に来るように、上記の想定シフト量に１未満の正数である収差補正係数ａを乗じて求められるシフト量とすることが必要となる。

ここで、図３に示される積層構造に、上記の式（１）、（２）を当てはめて、各マイクロレンズ１３の中心位置と、各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置と、各層内レンズ９の中心位置と、絶縁層７ｆに配設されている各遮光層６の開口中心位置を、図６に示すようにシフトさせる場合のシフト量を算出する。この図６は、入射角度２０°でマイクロレンズに入射した主光線が受光素子上に至る光路を示す図である。図６に示されるように、光入射側からマイクロレンズ１３、上平坦化層１２、カラーフィルタ１１、下平坦化層１０、層内レンズ９、パッシベーション層８、遮光層６、配線層５、配線層４、受光素子３の順に配設されている。そして、各マイクロレンズ１３の中心位置と、各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置と、各層内レンズ９の中心位置と、絶縁層７ｆに配設されている各遮光層６の開口中心位置を、上記の式（１）（この場合、Ｍ＝１３、Ｎ＝９）から得られる想定シフト量に基づいてシフトさせている。また、隣接画素間で実質的に連続している上平坦化層１２、下平坦化層１０、パッシベーション層８、絶縁層７ｇ、および、光入射側からみて遮光層６の次に位置する絶縁層７ｅも上記の式（１）から得られる想定シフト量に基づいてシフトさせたものとみなしている。この場合、シフト量は、各々の層で求められた想定シフト量に共通して同じ値の収差補正係数ａを乗じて算出しており、収差補正係数ａの値を変化させることにより種々のシフト量を算出している。そして、算出したシフト量に基づいてシフトさせ、主光線入射角度３０°の条件でＦ値＝２．８のカメラレンズからマイクロレンズ１３に入射した光束が受光素子３上に到達したエネルギーを求め、入力エネルギーとの相対比を光学シミュレーションにより求めた値をエネルギーヒット率として図７に示した。尚、入力エネルギーは、主光線入射角度によらず、マイクロレンズ１３の表面に主光線入射角度０°で入射した際のエネルギーとした。

図７に示されるように、収差補正係数ａの値が９４％〜１００％未満の間で、収差補正係数ａの値が１００％のときよりもエネルギーヒット率が大きくなり、シェーディングが改善される。この結果から、各マイクロレンズ１３の中心位置のシフト量（Ｓ１ actual）と、各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置のシフト量（Ｓ３ actual）と、各層内レンズ９のシフト量（Ｓ５ actual）と、絶縁層７ｆに配設されている各遮光層６の開口中心位置のシフト量（Ｓ８ actual）を、上記の式（１）、（２）から求めるときの収差補正係数ａは、０．９４≦ａ＜１となる。尚、上記の各シフト量（Ｓ１ actual、Ｓ３ actual、Ｓ５ actual、Ｓ８ actual）の算出に使用するａの値は、上記の範囲にあればよく、シフトする層全てに共通の同じ値を使用する必要はない。

ここで、本発明では、光学シミュレーションを行うソフトウェアとして、ZEMAX Development Corpotation社製 ZEMAX-EE(Version April 2, 2004 rev.b)を使用する。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、受光素子に到達した光線の本数の比ではなく、受光素子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。すなわち、受光素子に到達した光線の一本一本に、ｃｏｓθ（θは入射角）を乗じて、エネルギーとして扱える形とし、入力光のエネルギーと比較してefficiencyとして表している。また、エネルギーヒット率は、主光線入射角度０°のときにマイクロレンズ表面に入力されるエネルギー（efficiency）Ｅ₁と、所定の条件で受光素子に達するエネルギー（efficiency）Ｅ₂の比Ｅ₂／Ｅ₁で表される。また、入力光については、図８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もつ光源（サイズはマイクロレンズが２μｍ×２μｍ□のとき、これに外接する半径√２μｍ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８のａに示すように系外へ出る光線は考慮されない）ものとする。尚、ZEMAX上の各層のパラメータを下記の表１に示す。

また、図３に示される積層構造に、上記の式（１）、（２）を当てはめて、各マイクロレンズ１３の中心位置と、各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置と、各層内レンズ９の中心位置を、図９に示すようにシフトさせる場合のシフト量を算出する。この図９は、図６と同様に、入射角度２０°でマイクロレンズに入射した主光線が受光素子上に至る光路を示す図であり、各マイクロレンズ１３の中心位置と、各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置と、各層内レンズ９の中心位置を、上記の式（１）（この場合、Ｍ＝１３、Ｎ＝７）から得られる想定シフト量に基づいてシフトさせている。また、隣接画素間で実質的に連続している上平坦化層１２、下平坦化層１０、パッシベーション層８および絶縁層７ｇも上記の式（１）から得られる想定シフト量に基づいてシフトさせたものとみなしている。この場合、収差補正係数ａの値を変化させて、種々のシフト量を得る。そして、算出したシフト量に基づいてシフトさせ、主光線入射角度３０°の条件でＦ値＝２．８のカメラレンズからマイクロレンズ１３に入射した光束が受光素子３上に到達したエネルギーを求め、入力エネルギーとの相対比を上記のように光学シミュレーションにより求めた値をエネルギーヒット率として図１０に示した。図１０に示されるように、収差補正係数ａの値が６６％〜１００％未満の間で、収差補正係数ａの値が１００％のときよりもエネルギーヒット率が大きくなり、収差補正係数ａの値が７１％〜９４％の間でエネルギーヒット率が１０％向上し、シェーディングが更に改善される。そして、収差補正係数ａの値が８２％でエネルギーヒット率が最大となる。この結果から、各マイクロレンズ１３の中心位置のシフト量（Ｓ１ actual）と、各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置のシフト量（Ｓ３ actual）と、各層内レンズ９のシフト量（Ｓ５ actual）を、上記の式（１）、（２）から求めるときの収差補正係数ａは、０．６６≦ａ＜１、好ましくは、０．７１≦ａ≦０．９４となる。尚、上記の各シフト量（Ｓ１ actual、Ｓ３ actual、Ｓ５ actual）の算出に使用するａの値は、上記の範囲にあればよく、シフトする層全てに共通の同じ値を使用する必要はない。

また、図３に示される積層構造に、上記の式（１）、（２）を当てはめて、各マイクロレンズ１３の中心位置と、各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置を、図１１に示すようにシフトさせる場合のシフト量を算出する。この図１１は、図６と同様に、入射角度２０°でマイクロレンズに入射した主光線が受光素子上に至る光路を示す図であり、各マイクロレンズ１３の中心位置と、各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置を、上記の式（１）（この場合、Ｍ＝１３、Ｎ＝４）から得られる想定シフト量に基づいてシフトさせている。また、隣接画素間で実質的に連続している上平坦化層１２、下平坦化層１０も上記の式（１）から得られる想定シフト量に基づいてシフトさせたものとみなしている。この場合、収差補正係数ａの値を変化させて、種々のシフト量を得る。そして、算出したシフト量に基づいてシフトさせ、主光線入射角度３０°の条件でＦ値＝２．８のカメラレンズからマイクロレンズ１３に入射した光束が受光素子３上に到達したエネルギーを求め、入力エネルギーとの相対比を上記のように光学シミュレーションにより求めた値をエネルギーヒット率として図１２に示した。図１２に示されるように、収差補正係数ａの値が７３％〜１００％未満の間で、収差補正係数ａの値が１００％のときよりもエネルギーヒット率が大きくなり、収差補正係数ａの値が７９％〜９４％の間でエネルギーヒット率が１０％向上し、シェーディングが更に改善される。そして、収差補正係数ａの値が８７％でエネルギーヒット率が最大となる。この結果から、各マイクロレンズ１３の中心位置のシフト量（Ｓ１ actual）と、各カラーフィルタ１１（赤色フィルタ１１Ｒ、緑色フィルタ１１Ｇ、青色フィルタ１１Ｂ）の中心位置のシフト量（Ｓ３ actual）を、上記の式（１）、（２）から求めるときの収差補正係数ａは、０．７３≦ａ＜１、好ましくは、０．７９≦ａ≦０．９４となる。尚、上記の各シフト量（Ｓ１ actual、Ｓ３ actual）の算出に使用するａの値は、上記の範囲にあればよく、シフトする層全てに共通の同じ値を使用する必要はない。

さらに、図３に示される積層構造に、上記の式（１）、（２）を当てはめて、各マイクロレンズ１３の中心位置を、図１３に示すようにシフトさせる場合のシフト量を算出する。この図１３は、図６と同様に、入射角度２０°でマイクロレンズに入射した主光線が受光素子上に至る光路を示す図であり、各マイクロレンズ１３の中心位置を、上記の式（１）（この場合、Ｍ＝１３、Ｎ＝２）から得られる想定シフト量に基づいてシフトさせている。また、隣接画素間で実質的に連続している上平坦化層１２も上記の式（１）から得られる想定シフト量に基づいてシフトさせたものとみなしている。この場合、収差補正係数ａの値を変化させて、種々のシフト量を得る。そして、算出したシフト量に基づいてシフトさせ、主光線入射角度３０°の条件でＦ値＝２．８のカメラレンズからマイクロレンズ１３に入射した光束が受光素子３上に到達したエネルギーを求め、入力エネルギーとの相対比を上記のように光学シミュレーションにより求めた値をエネルギーヒット率として図１４に示した。図１４に示されるように、収差補正係数ａの値が６８％〜１００％未満の間で、収差補正係数ａの値が１００％のときよりもエネルギーヒット率が大きくなり、収差補正係数ａの値が７２％〜９６％の間でエネルギーヒット率が１０％向上し、シェーディングが更に改善される。そして、収差補正係数ａの値が８３％でエネルギーヒット率が最大となる。この結果から、各マイクロレンズ１３の中心位置のシフト量（Ｓ１ actual）を、上記の式（１）、（２）から求めるときの収差補正係数ａは、０．６８≦ａ＜１、好ましくは、０．７２≦ａ≦０．９６となる。
上述の固体撮像素子の実施形態は例示であり、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

［撮像装置］
図１５は、本発明の撮像装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１５において、本発明の撮像装置２１は、本発明の固体撮像素子２２を備えた基板２３と、固体撮像素子２２の外側に配した封止用部材２４と、この封止用部材２４を介して固体撮像素子２２と所望の間隙を設けて対向するように配設された透明な保護材２５とを備えている。また、固体撮像素子２２は配線２６、表裏導通ビア２７を介して外部端子２８に接続されている。このようなセラミックパッケージ型の撮像装置２１は、種々のデジタルカメラ、ビデオカメラ等に使用することができ、カメラの高感度化、小型化、薄型化が可能である。

また、図１６は、本発明の撮像装置の他の実施形態を示す概略断面図である。図１６に示される本発明の撮像装置３１は、携帯電話用カメラモジュールの例であり、本発明の固体撮像素子３２を備えた基板３３と、固体撮像素子３２の外側に配した封止用部材３４と、固体撮像素子３２と所望の間隙を設けて対向するように配設された赤外カットフィルタ３５と、赤外カットフィルタ３５上に配設された鏡筒３６と、この鏡筒３６内に装着されたレンズユニット３７を備えている。このような撮像装置３１は、本発明の固体撮像素子３２がシェーディング補正されていて高感度のものであるため、小型化、薄型化が可能である。
本発明の撮像装置は上述の実施形態に限定されるものではなく、固体撮像素子として本発明の固体撮像素子を備えるものであればよく、従来の種々の撮像装置の構成をそのまま採用することができる。

次に、実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
まず、画素受光部ピッチ２．０μｍ、画素数２５９２個（Ｘ軸方向）×１９４４個（Ｙ軸方向）のフォトダイオード（受光素子サイズ１．０μｍ×１．０μｍ）からなり、図１に示されるように、基板２に一定の配置ピッチで２次元配置された複数の受光素子３と、Ａｌからなる配線層４、５と遮光層６を有する絶縁層７（酸化珪素）と、パッシベーション層８（窒化珪素）とを備えたＣＭＯＳセンサーを形成したウェハを用意した。このＣＭＯＳセンサーでは、パッシベーション層の厚みが０．３μｍ、絶縁層は、図１に示されるように７層構造であり、各層の厚みは、７ａ＝０．５μｍ、７ｂ＝７ｃ＝７ｄ＝７ｅ＝０．３μｍ、７ｆ＝０．４μｍ、７ｇ＝０．３μｍである。絶縁層７ｆに配設されている遮光層の開口中心は、後述するシフト量（Ｓ８ actual）に基づいてシフトさせたものとした。また、パッシベーション層、絶縁層の屈折率を分光エリプソメータにより測定した結果、パッシベーション層の屈折率は２．０、絶縁層の屈折率は１．４６であった。尚、屈折率の値は、以降も含めて、特に波長に指定のない限り、波長５５０ｎｍでの値である。

（層内レンズの形成）
パッシベーション層に、層内レンズ材料としてＣＶＤ法で窒化珪素膜を成膜し、住友化学（株）製 ｉ線フォトレジストＰＦＩ５８をスピン塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像、後露光、ポストベークによるメルトフローを行ってレンズ形状とした。その後、フッ素系ガスを用いた反応性ドライエッチングを行って、レジストのレンズ形状を窒化珪素膜に転写して、層内レンズ（高さ０．２１４μｍ、底面の平面形状は直径１．８μｍの円形で、レンズ形状としては球体の一部となる）を形成した。形成した層内レンズの屈折率を上記と同様に測定した結果、２．０であった。尚、現像液として、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）の２．３８％液を使用した。
上記の露光において使用したフォトマスクは、後述するシフト量（Ｓ５ actual）に基づいてシフトさせたマイクロレンズパターンとした。

（下平坦化層の形成）
層内レンズを被覆するように、パッシベーション層上に、光硬化型アクリル系透明樹脂材料（富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＴ−２０２０Ｌ）をスピン塗布し、次いで、プリベーク、紫外線全面露光、ポストベークを行って下平坦化層（厚み０．３μｍ）を形成した。この下平坦化層について、上記と同様に屈折率を測定した結果、１．５６であった。

（カラーフィルタの形成）
ネガ型感光性の赤色材料（Ｒ用材料）、緑色材料（Ｇ用材料）、青色材料（Ｂ用材料）として以下の材料を用意した。
Ｒ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＲ−４０００Ｌ
Ｇ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＧ−４０００Ｌ
Ｂ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＢ−４０００Ｌ
Ｇ、Ｒ、Ｂの形成順序に、上記材料をスピン塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像、ポストベークを行って、カラーフィルタ（膜厚０．８μｍ）を形成した。すなわち、まず、下平坦化層上にＧ用材料を塗布し、露光、現像した後、ポストベーク（２２０℃、１０分間）を行って、市松状に緑色フィルタを形成した。次に、この緑色フィルタを被覆するようにＲ用材料を塗布し、フォトマスクを用いて露光、現像した後、ポストベーク（２２０℃、１０分間）を行って赤色フィルタを形成した。次いで、赤色フィルタ、緑色フィルタを被覆するようにＢ用材料を塗布し、フォトマスクを用いて露光、現像した後、ポストベーク（２２０℃、１０分間）を行って、青色フィルタを形成した。

上記の露光において使用したフォトマスクは、後述するシフト量（Ｓ３ actual）に基づいてシフトさせたカラーフィルタパターンとした。
尚、現像液として、富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＤ−２０００の５０％希釈液を使用した。
形成したカラーフィルタの各色フィルタについて、上記と同様に屈折率を測定した結果、赤色フィルタの屈折率は１．５９（波長６２０ｎｍ）、緑色フィルタの屈折率は１．６０（波長５５０ｎｍ）、青色フィルタの屈折率は１．６１（波長４５０ｎｍ）であった。

（上平坦化層の形成）
カラーフィルタ上に、光硬化型アクリル系透明樹脂材料（富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＴ−２０２０Ｌ）をスピン塗布し、次いで、プリベーク、紫外線全面露光、ポストベークを行って上平坦化層を形成した。形成した上平坦化層の厚みは０．３μｍであり、上記と同様に測定した屈折率は１．５６であった。

（マイクロレンズの形成）
上平坦化層に、マイクロレンズ材料としてＪＳＲ（株）製 ＭＦＲ４０１Ｌをスピン塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像、後露光、ポストベークによるメルトフローを行って、マイクロレンズ（高さ０．３８７μｍ）を形成した。形成したマイクロレンズの屈折率を上記と同様に測定した結果、１．６１であった。尚、現像液として、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）の１．１９％液を使用した。
上記の露光において使用したフォトマスクは、上述の階調フォトマスクであり、また、後述するシフト量（Ｓ１ actual）に基づいてシフトさせたマイクロレンズパターンとした。

次に、ボンディングパッド部の窓開けを行った。すなわち、ポジレジスト（住友化学（株）製 ｉ線用ポジレジスト ＰＦＩ−２７）をスピン塗布し、次いで、プリベーク後、ボンディングパッド部およびスクライブ部に対応するパターンを有するフォトマスク用いて露光、現像を行った。これにより、ボンディングパッド部およびスクライブ部に開口を有するレジストパターンが形成され、このレジストパターンをマスクとして酸素アッシングを行って、当該箇所上の平坦化層をエッチング除去した。次いで、レジスト剥離液を用いてポジレジストを除去した。
次いで、ウェハのダイシングを行い、パッケージ組立を行って、本発明の固体撮像素子を作製した。

このように作製した固体撮像素子にＦ２．８で図１７に示す特性のカメラレンズを組み合わせ（このカメラレンズと本実施例のＣＭＯＳセンサーの組み合わせにて、有効撮像領域の最外周付近（対角線方向の四隅）で主光線入射角度が３０°となる）、有効撮像領域の中心（主光線入射角度０°）での感度を１００％としたときの、主光線入射角度が５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°の各グリーン画素での相対感度を測定し、その結果を下記の表２に示した。表２に示される結果から、シェーディングが抑制されていることが確認された。

ここで、絶縁層７ｆに配設されている遮光層の開口中心のシフト量（Ｓ８ actual）、層内レンズのシフト量（Ｓ５ actual）、カラーフィルタのシフト量（Ｓ３ actual）、およびマイクロレンズのシフト量（Ｓ１ actual）の設定について説明する。図２において、ｄ₁＝０．３８７μｍ、ｄ₂＝０．３μｍ、ｄ₃＝０．８μｍ、ｄ₄＝０．３μｍ、ｄ₅＝０．２１４μｍ、ｄ₆＝０．３μｍ、ｄ₇＝０．４μｍ、ｄ₈〜ｄ₁₂＝０．３μｍ、ｄ₁₃＝０．４μｍとし、また、ｎ₀＝１、ｎ₁＝１．６１、ｎ₂＝１．５６、ｎ₃＝１．６０、ｎ₄＝１．５６、ｎ₅＝２．０、ｎ₆＝２．０、ｎ₇〜ｎ₁₃＝１．４６とした。また、有効撮像領域の中心からＸ軸方向に１２９６個目で、Ｙ軸方向に９７２個目の画素において主光線入射角度θ₀が３０°となり、有効撮像領域の中心では主光線入射角度θ₀が０°となるようにθ₀が変化するものとした。

そして、ｉ＝８の絶縁層７ｆに配設されている遮光層の開口中心の想定シフト量Ｓ８は、上記の式（１）を基に、Ｓ８＝Σ_j=8 ¹³ｄ_jｔａｎθ_jから算出し、上記の式（２）を基に、Ｓ８に収差補正係数ａとして０．９８を乗じて、遮光層の開口中心のシフト量（Ｓ８ actual）を設定した。
また、ｉ＝５の層内レンズの想定シフト量Ｓ５は、上記の式（１）を基に、Ｓ５＝Σ_j=5 ¹³ｄ_jｔａｎθ_jから算出し、上記の式（２）を基に、Ｓ５に収差補正係数ａとして０．９８を乗じて、層内レンズのシフト量（Ｓ５ actual）を設定した。
また、ｉ＝３のカラーフィルタの想定シフト量Ｓ３は、上記の式（１）を基に、Ｓ３＝Σ_j=3 ¹³ｄ_jｔａｎθ_jから算出し、上記の式（２）を基に、Ｓ３に収差補正係数ａとして０．９８を乗じて、カラーフィルタのシフト量（Ｓ３ actual）を設定した。
さらに、ｉ＝１のマイクロレンズの想定シフト量Ｓ１は、上記の式（１）を基に、Ｓ１＝Σ_j=1 ¹³ｄ_jｔａｎθ_jから算出し、上記の式（２）を基に、Ｓ１に収差補正係数ａとして０．９８を乗じて、マイクロレンズのシフト量（Ｓ１ actual）を設定した。

［実施例２］
層内レンズのシフト量（Ｓ５ actual）、カラーフィルタのシフト量（Ｓ３ actual）、およびマイクロレンズのシフト量（Ｓ１ actual）の設定に用いる収差補正係数ａを０．８２とし、遮光層の開口中心はシフトさせない他は、実施例１と同様にして、本発明の固体撮像素子を作製した。
このように作製した固体撮像素子にＦ２．８で図１７に示す特性のカメラレンズを組み合わせ（このカメラレンズと本実施例のＣＭＯＳセンサーの組み合わせにて、有効撮像領域の最外周付近（対角線方向の四隅）で主光線入射角度が３０°となる）、有効撮像領域の中心（主光線入射角度０°）での感度を１００％としたときの、主光線入射角度が５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°の各グリーン画素での相対感度を測定し、その結果を下記の表２に示した。表２に示される結果から、シェーディングが抑制されていることが確認された。

［実施例３］
マイクロレンズのシフト量（Ｓ１ actual）とカラーフィルタのシフト量（Ｓ３ actual）の設定に用いる収差補正係数ａを０．８２とし、層内レンズと遮光層の開口中心はシフトさせない他は、実施例１と同様にして、本発明の固体撮像素子を作製した。
このように作製した固体撮像素子にＦ２．８で図１７に示す特性のカメラレンズを組み合わせ（このカメラレンズと本実施例のＣＭＯＳセンサーの組み合わせにて、有効撮像領域の最外周付近（対角線方向の四隅）で主光線入射角度が３０°となる）、有効撮像領域の中心（主光線入射角度０°）での感度を１００％としたときの、主光線入射角度が５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°の各グリーン画素での相対感度を測定し、その結果を下記の表２に示した。表２に示される結果から、シェーディングが抑制されていることが確認された。

［実施例４］
マイクロレンズのシフト量（Ｓ１ actual）の設定に用いる収差補正係数ａを０．８２とし、カラーフィルタと層内レンズと遮光層の開口中心はシフトさせない他は、実施例１と同様にして、本発明の固体撮像素子を作製した。
このように作製した固体撮像素子にＦ２．８で図１３に示す特性のカメラレンズを組み合わせ（このカメラレンズと本実施例のＣＭＯＳセンサーの組み合わせにて、有効撮像領域の最外周付近（対角線方向の四隅）で主光線入射角度が３０°となる）、有効撮像領域の中心（主光線入射角度０°）での感度を１００％としたときの、主光線入射角度が５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°の各グリーン画素での相対感度を測定し、その結果を下記の表２に示した。表２に示される結果から、シェーディングが抑制されていることが確認された。

［比較例１］
マイクロレンズ、カラーフィルタ、層内レンズ、および遮光層の開口中心をシフトさせない他は、実施例１と同様にして、固体撮像素子を作製した。
このように作製した固体撮像素子にＦ２．８で図１７に示す特性のカメラレンズを組み合わせ（このカメラレンズと本実施例のＣＭＯＳセンサーの組み合わせにて、有効撮像領域の最外周付近（対角線方向の四隅）で主光線入射角度が３０°となる）、有効撮像領域の中心（主光線入射角度０°）での感度を１００％としたときの、主光線入射角度が５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°の各グリーン画素での相対感度を測定し、その結果を下記の表２に示した。表２に示される結果から、実施例１〜４に比べてシェーディング現象が顕著であった。

［比較例２］
層内レンズのシフト量を実施例２で説明した想定シフト量Ｓ５に設定し、カラーフィルタのシフト量を実施例２で説明した想定シフト量Ｓ３に設定し、マイクロレンズのシフト量を実施例２で説明した想定シフト量Ｓ１に設定した他は、実施例２と同様にして、固体撮像素子を作製した。
このように作製した固体撮像素子にＦ２．８で図１７に示す特性のカメラレンズを組み合わせ（このカメラレンズと本実施例のＣＭＯＳセンサーの組み合わせにて、有効撮像領域の最外周付近（対角線方向の四隅）で主光線入射角度が３０°となる）、有効撮像領域の中心（主光線入射角度０°）での感度を１００％としたときの、主光線入射角度が５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°の各グリーン画素での相対感度を測定し、その結果を下記の表２に示した。

表２に示される結果から、主光線入射角度が０°、１０°、１５°での相対感度は実施例２に比べて若干（１％以下の範囲で）高いものの、有効撮像領域の周辺では実施例２に比べて大きく感度低下がみられ、シェーディングの抑制が不十分であった。本発明では、シェーディング対策という観点で、あくまで有効撮像領域の周辺での感度低下抑制に着目しており、有効撮像領域の中心寄りの領域の若干の感度低下よりも、有効撮像領域の周辺での感度低下抑制を優先している。そして、この比較例２と実施例２との対比から、本発明の効果が明らかである。

小型で高信頼性の固体撮像素子、撮像装置が要求される種々の分野において適用できる。

本発明の固体撮像素子の一実施形態を示す概略構成図である。 マイクロレンズに入射した光線が受光素子に至るまでの光路を説明するための図である。 入射角度２０°でマイクロレンズに入射した平行光が受光素子上に集光する状態を示す図である。 図３に示されるコマ収差が生じる状態で、Ｆ値＝２．８のカメラレンズから入射する光束（主光線入射角度２０°）が受光素子上に集光した場合の相対的強度レベルを示す図である。 図３に示されるコマ収差が生じる状態で、Ｆ値＝２．８のカメラレンズから入射する光束（主光線入射角度３０°）が受光素子上に集光した場合の相対的強度レベルを示す図である。 各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置と各遮光層の開口中心位置をシフトさせた場合の層構造の概略を示す図である。 図６に示されるシフトを行った場合に、主光線入射角度３０°の条件でＦ値＝２．８のカメラレンズからマイクロレンズに入射し光束が受光素子上に到達するエネルギーヒット率（相対値）を示す図である。 シミュレーションにおける入射光の設定を説明する図である。 各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置をシフトさせた場合の層構造の概略を示す図である。 図９に示されるシフトを行った場合に、主光線入射角度３０°の条件でＦ値＝２．８のカメラレンズからマイクロレンズに入射し光束が受光素子上に到達するエネルギーヒット率（相対値）を示す図である。 各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置をシフトさせた場合の層構造の概略を示す図である。 図１１に示されるシフトを行った場合に、主光線入射角度３０°の条件でＦ値＝２．８のカメラレンズからマイクロレンズに入射し光束が受光素子上に到達するエネルギーヒット率（相対値）を示す図である。 各マイクロレンズの中心位置をシフトさせた場合の層構造の概略を示す図である。 図１３に示されるシフトを行った場合に、主光線入射角度３０°の条件でＦ値＝２．８のカメラレンズからマイクロレンズに入射し光束が受光素子上に到達するエネルギーヒット率（相対値）を示す図である。 本発明の撮像装置の一例を説明するための図である。 本発明の撮像装置の他の例を説明するための図である。 像高と主光線入射角度の関係が非線形となるカメラレンズ特性を示す図である。

符号の説明

１…固体撮像素子
２…基板
３…受光素子
４，５…配線層
６…遮光層
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ…絶縁層
８…パッシベーション層
９…層内レンズ
１０…下平坦化層
１１…カラーフィルタ
１２…上平坦化層
１３…マイクロレンズ
２１，３１…撮像装置

Claims (5)

1. ２次元配置された複数の受光素子と、個々の前記受光素子に対応させて２次元配置された複数の遮光層と、個々の前記受光素子に対応させて２次元配置された複数の層内レンズと、個々の前記受光素子に対応させて赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタが配列されてなるカラーフィルタと、個々の前記受光素子に対応させて２次元配置された複数のマイクロレンズとを少なくとも備え、これらが光入射側からマイクロレンズ、カラーフィルタ、層内レンズ、遮光層、受光素子の順に配設され、前記マイクロレンズはレンズの光軸側にコマ収差を生じる特性を有している固体撮像素子において、
   各マイクロレンズの中心位置、あるいは、各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置、あるいは、各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置、あるいは、各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置と各遮光層の開口中心位置は、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトしたものであり、該シフト量は、カメラレンズの射出瞳中心から各マイクロレンズの中心位置に入射した主光線が、マイクロレンズへ入射する境界、および、マイクロレンズから受光素子に到達するまでの光路上の各材料層の各境界において、境界両側の材質の屈折率の違いに対応して屈折し受光素子の中心に至る光路をとるものと想定して求められる前記光線の光路上の位置と、受光素子の中心に対応する位置との差から得られる想定シフト量よりも小さく設定されており、 固体撮像素子における受光素子から光入射側に位置する積層構造がＭ層構造であり、最も光入射側に位置するマイクロレンズを１層目としたときに、１層目からＮ層目（１≦Ｎ≦Ｍ）までをシフトするときのｉ層目（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）の想定シフト量Ｓiを下記の式（１）で設定し、
   Ｓi＝Σ _j=i ^M ｄ _j ｔａｎθ _j … 式（１）
   ただし、ｄ _j ＝ｉ層目からＭ層目までの間に位置するｊ層目の厚み、
   θ _j ＝ｉ層目からＭ層目までの間に位置するｊ層目の光線角度であり、
   θ _j ＝ｓｉｎ ^-1 （（ｎ _j-1 ／ｎ _j ）ｓｉｎθ _j-1 ）で示され、
   ｎ ₀ ＝１．０（０層目は大気）であり、ｎ _j はｊ層目の屈折率であり、
   θ ₀ 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り、
   ｉ層目（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）のシフト量Ｓi actualを下記の式（２）で設定し、
   Ｓi actual＝ａ×Ｓi … 式（２）
   ただし、ａは収差補正係数であり、０＜ａ＜１、
   前記シフト量は、前記式（１）および式（２）から算出されるシフト量Ｓi actualであり、
   各マイクロレンズの中心位置のみを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせ、各カラーフィルタの中心位置と各遮光層の開口中心位置のシフトは行わないときの前記収差補正係数ａは０．６８≦ａ＜１の範囲であり、
   各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置とを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせ、各遮光層の開口中心位置のシフトは行わないときの前記収差補正係数ａは０．７３≦ａ＜１の範囲であり、
   各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置とを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせるときの前記収差補正係数ａは０．６６≦ａ＜１の範囲であり、
   各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置と各遮光層の開口中心位置とを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせるときの前記収差補正係数ａは０．９４≦ａ＜１の範囲であることを特徴とする固体撮像素子。
2. 各マイクロレンズの中心位置のみを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせ、各カラーフィルタの中心位置と各遮光層の開口中心位置のシフトは行わないときの前記収差補正係数ａは０．７２≦ａ≦０．９６の範囲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。
3. 各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置とを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせ、各遮光層の開口中心位置のシフトは行わないときの前記収差補正係数ａは０．７９≦ａ≦０．９４の範囲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。
4. 各マイクロレンズの中心位置と各カラーフィルタの中心位置と各層内レンズの中心位置とを、対応する受光素子の中心よりも有効撮像領域の中央部方向にシフトさせ、各遮光層の開口中心位置のシフトは行わないときの前記収差補正係数ａは０．７１≦ａ≦０．９４の範囲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。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。

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