JP5277565B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、行列状に複数の画素が配置された固体撮像素子、例えばＣＭＯＳイメージセンサに係り、さらに詳しくは画素データ読み出し用トランジスタの一部などを複数の画素で共用するシェアード型画素を用いた固体撮像素子に関する。

ビデオカメラやデジタルカメラには、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子が使用されている。このような固体撮像素子においては、受光部として、例えばフォトダイオードを持つ画素が多数行列状に配置され、各画素に入射した光はフォトダイオードによって光電変換され、信号電荷が生成され、生成された信号電荷は信号線を介して外部に出力される。

図２１は、そのように行列状に配置された画素と、その画素のデータを読み出すための読み出し回路の従来例である。同図はＣＭＯＳイメージセンサの例であり、画素に対応する１個のフォトダイオードと、画素データ読み出し用の４個のトランジスタを備えるアクティブ・フォト・センサ（ＡＰＳ）の例である。

図２１において、フォトダイオード（ＰＤ）１０１によって受光された光は光電変換され、転送（トランスファー）ゲート・トランジスタ（ＴＧ−Ｔｒ）１０２によって、浮遊拡散層（フローティング・ディフュージョン、ＦＤ）に転送される。ＦＤはＰＤ１０１から転送される信号電荷を電圧に変換する。その電圧はソース・フォロア・トランジスタ（ＳＦ−Ｔｒ）１０３に入力されて駆動能力が増幅され、行を選択する選択トランジスタ（ＳＬ−Ｔｒ）１０４を介して外部に出力される。ＦＤの電圧は、リセット・トランジスタ（ＲＳ−Ｔｒ）１０５によってリセット可能となっている。

図２１のように、１個のフォトダイオードに対してデータ読み出し用の４個のトランジスタを備えるべきＡＰＳにおいても、素子の小型化、微細化、および低コスト化のために、複数の画素によってデータ読み出し用トランジスタなどの少なくとも一部を共用するシェアード型画素が用いられるようになっている。図２２は、そのようなシェアード型画素におけるトランジスタ共用方式の従来例である。同図においては、４個のフォトダイオード（ＰＤ１からＰＤ４まで）のそれぞれに対して、転送ゲート・トランジスタＴＧ−Ｔｒはそれぞれ個々に備えられているが、他の３個のトランジスタ、すなわちリセット・トランジスタ、ソース・フォロア・トランジスタ、およびセレクト・トランジスタが共用されている。

図２２のようなシェアード型画素は、当然、例えばシリコン基板上にフォトダイオード層やトランジスタを配置して形成されることになるが、このようなシェアード型画素では、各画素がデータ読み出し用のトランジスタを全て備える場合に比べて、画素、特に受光部としてのフォトダイオードの間隔（中心ピッチ）を完全に等しくして基板上に配置することは困難である。図２２の回路は、固体撮像装置に関する従来技術としての特許文献１における図４に相当する回路と考えられるが、この図４を見ても受光領域の間隔は完全に同一ではなく、少なくとも一部の受光領域の間の間隔が短くなってしまっていることが明らかである。

一方、イメージセンサでは各画素に対応する受光素子の受光効率を向上させるために、フォトダイオードの表面にオン・チップ・マイクロレンズ（以下マイクロレンズと略称する）を備えることが一般的である。そのようなマイクロレンズの間隔（中心ピッチ）は、
例えば各画素がデータ読み出し用のトランジスタをそれぞれ全て備えている場合に対応して、全てのマイクロレンズの間で等しくなっているのが一般的であった。

そこでマイクロレンズの間隔が全て等しく、これに対して画素に対応する受光素子、例えばフォトダイオードの間隔が一定でない場合には、例えばフォトダイオードの受光領域の中心の位置とマイクロレンズの中心の位置との間にずれが生じ、画素によって光の受光感度が異なってしまうという問題点があった。

例えば図２２の回路に対応して、ＰＤ２の配置領域とＰＤ３の配置領域との間に３つのトランジスタを配置するような場合には、この３つの配置領域が横方向、すなわち水平方向につながっているために、画素の感度の違いによって画面上に周期的な縞が発生してしまうという問題点があった。

このような固体撮像素子などに関する従来技術としての特許文献２では、マイクロレンズと受光部との間にカラーフィルタを備える固体撮像素子において、画面周辺部において入射光の方向が斜めとなることによって生ずる色シェーディング、すなわち中央部と周辺部のＲＧＢのカラーバランスのずれを防止するために、マイクロレンズとカラーフィルタの中心位置を画面周辺部では受光部の中心位置とずらすことによって、シェーディング量を低減させる技術が開示されている。

また同様の特許文献３では、設計上の制約や、作成の困難さがより少なく、かつ周辺部における受光素子が受ける光量の低下防止の効果が大きいマイクロレンズの形成方法が開示されている。

しかしながらこれらの従来技術を用いても、受光部としてのフォトダイオードの間隔が完全には均一でないシェアード型画素を用いるイメージセンサにおいて、間隔がほぼ完全に均一なマイクロレンズとの間で中心位置のずれが生じ、イメードセンサの出力としての画質が劣化するという問題点を解決することはできなかった。
特開２００１−２９８１７７号公報「固体撮像装置および撮像システム」 特開２００１−１６０９７３号公報「固体撮像素子及び電子カメラ」 特開２００４−２９６５９０号公報「撮像装置と撮像装置におけるマイクロレンズの形成方法」

本発明の課題は、上述の問題点に鑑み、受光素子、例えばフォトダイオードの間隔（中心ピッチ）の周期的変化に対応して、マイクロレンズの中心ピッチも周期的に変化させることによって、イメージセンサから出力される画像の画質を向上させることである。

本発明の固体撮像素子は、多数の画素が２次元平面上に行列状に配置され、複数の画素内の各受光素子からの画素データ読み出しのためのトランジスタなどを共用するものである。

そしてその固体撮像素子は、中心間隔が行方向、および／または列方向に周期的に変化する形式で配置される複数の受光素子と、その複数の各受光素子に対する入射光集光のためのマイクロレンズであって、中心間隔が前記受光素子の中心間隔の周期的変化に対応して、周期的に変化する複数のマイクロレンズとを備える。

発明の実施の形態においては、前記各受光素子の前記２次元平面上での中心位置と、その２次元平面と平行な平面上に配置される複数の各マイクロレンズの中心位置が２次元的に一致することもでき、あるいは撮像される画面の中心に対応する位置から画素の行方向に左右、列方向に上下に配置が開始されるマイクロレンズの中心間隔の周期的な値が、対応して配置される受光素子の中心間隔の周期的な値の定数倍であることもできる。

以上のように本発明によれば、受光素子の中心間隔の変化に対応して、例えば中心位置が受光素子の中心位置と２次元的に一致するマイクロレンズの中心間隔が、受光素子の中心間隔の周期的変化に対応して、周期的に変化することになる。

本発明によれば、画素内のトランジスタなどを複数の画素で共用するシェアード型画素を用いたイメージセンサにおいて、受光素子の中心間隔の周期的変化に対応して、マイクロレンズの中心間隔も周期的に変化させることによって、画素毎の感度の相違をなくすことができ、イメージセンサの画質向上が実現される。

図１は、本実施形態における固体撮像素子の内部のマイクロレンズの配置方式の原理的な説明図である。本実施形態の説明の前半においては、画素データの読み出しに必要となるトランジスタなどを複数の画素で共用したシェアード型画素を対象として、各画素内の受光素子、例えばフォトダイオードにそれぞれ１対１に対応して設けられるマイクロレンズの中心位置を、フォトダイオードの中心位置と一致させて配置することを基本とする。

図１は原理的な例であり、この例では行、および列状に複数の画素が配置された画素平面において、各列方向の連続する４個の画素を単位として、フォトダイオードの中心ピッチとマイクロレンズの中心ピッチとをそれぞれ周期的に変化させる形式でフォトダイオードとマイクロレンズの配置が行われる。

図１では、各列方向の４個のマイクロレンズ１_１１から１_１４までのマイクロレンズが、トランジスタを共用する４個の画素に対応するマイクロレンズであり、そしてこれら４個のマイクロレンズの中心（２_１１から２_１４）相互間の間隔が比較的小さいのに対して、例えば図示しない上側の３個のマイクロレンズに対応する画素とトランジスタを共用している形式のマイクロレンズ１_０４と、マイクロレンズ１_１１とのそれぞれの中心２_０４と２_１１との間の間隔は比較的大きくなっている。

すなわち図１においては、画素平面上のそれぞれの列において連続する４個の画素を単位として、マイクロレンズの中心ピッチが、連続するマイクロレンズの数（番号）に対して周期的に変化することになる。これによってトランジスタの共用化のためにフォトダイオードの中心ピッチが変化しても、その変化に対応してマイクロレンズの中心ピッチを変化させることによって、画素の間の感度の相違を防ぐことが可能となる。

以下、本実施形態におけるマイクロレンズの配置方式のいくつかの具体例を実施例として説明する。図２から図４は第１の実施例の説明図である。図２は、第１の実施例におけるマイクロレンズの配置方式を示す。同図においては、実線の長方形で示すように、図１の原理的な配置図と同様に、画素平面上で各列の連続する４個の画素を単位としてマイクロレンズの中心ピッチが変化するように、マイクロレンズの配置が行われている。

図３は、４つの画素を単位とするマイクロレンズ、フォトダイオード、および画素データ読み出しのためのトランジスタなどの配置の説明図であり、図４はその配置に対応するフォトダイオードとトランジスタの接続回路図である。両図を用いて図２のマイクロレン
ズの配置との関係を説明する。なお、図４においてＳＦ−Ｔｒ１４_１に対応する電源電圧ＶＲ１とリセット電圧ＶＲ２との値は異なるものとしているが、原理上はＶＲ１とＶＲ２を同じにしても構わない。

図３において、マイクロレンズ（ＭＬ）１０_１１に対応するフォトダイオード（ＰＤ）１１_１１と、ＭＬ１０_１２に対応するＰＤ１１_１２との間には、それぞれのＰＤからの信号電荷を転送する２つのトランスファー・ゲート・トランジスタ（ＴＧ−Ｔｒ）１２_１１、１２_１２が配置され、またこれらの電荷が転送される浮遊拡散層、すなわちフローティング・ディフュージョン（ＦＤ）１６_１１も配置されている。

次にＭＬ１０_１２に対応するＰＤ１１_１２と、ＭＬ１０_１３に対応するＰＤ１１_１３との間には、駆動能力増幅用のソース・フォロア・トランジスタ（ＳＦ−Ｔｒ）１４_１と、行選択用のトランジスタ（ＳＬ−Ｔｒ）１５_１が配置されている。この領域は図４では（１）の配線に相当する。なお、図３において行選択用トランジスタは４個の画素に対してＳＬ−Ｔｒ１５_１のみであるが、ＴＧ−Ｔｒは各画素毎に配置されており、ＰＤをリセットする際にはＴＧ−ＴｒとＳＬ−Ｔｒとを同時にオンさせることによって、また、読み出し時にＰＤからの信号電荷をＦＤに転送する際には、ＴＧ−Ｔｒだけをオンすることで、４行の中の１行の選択が正しく行われる。

ＭＬ１０_１３に対応するＰＤ１１_１３と、ＭＬ１０_１４に対応するＰＤ１１_１４との間には、ＰＤ１１_１１とＰＤ１１_１２の間と同様に、２つのＴＧ−Ｔｒ１２_１３、１２_１４、およびＦＤ１６_１２が配置されている。

さらにＭＬ１０_１４に対応するＰＤ１１_１４と、次の単位の４つの画素のうちの一部である画素のＭＬ１０_２１に対応するＰＤ１１_２１との間には、リセット・トランジスタ（ＲＳ−Ｔｒ）１３_１が配置されている。この領域は図４では（２）の配線に相当する。このように第１の実施例では、１周期の単位となる４個の画素に対応するマイクロレンズのうちで、２番目と３番目のマイクロレンズの間の間隔が他のマイクロレンズ相互間の間隔よりも大きくなる形式で、マイクロレンズの配置が行われる。なお、この第１の実施例は、本発明の特許請求の範囲の請求項８におけるフォトダイオードとマイクロレンズとの配置に対応する。

図５、図６は、第２の実施例の説明図である。この第２の実施例においても、第１の実施例と同様に、４個のマイクロレンズを１つの単位として周期的にマイクロレンズの中心ピッチ、すなわち間隔が変化するが、４個の画素によって共用されるトランジスタの配置が一部異なっている。図５においては、図１と全く同様に各列内で連続する４個のマイクロレンズ相互間の中心ピッチ、すなわち間隔は比較的小さいのに対して、連続する単位としてのそれぞれ４個の画素内で両端の画素相互間に対応するマイクロレンズの間隔は比較的大きくなっている。

図６においては、トランスファー・ゲート・トランジスタＴＧ−Ｔｒと、浮遊拡散層（ＦＤ）との配置は図３におけると同様であるが、リセット・トランジスタ、例えば１３_１、ソース・フォロア・トランジスタ１４_１、およびセレクト・トランジスタ１５_１は、連続する４個の画素と次に連続する４個の画素との間の領域、例えばＭＬ１０_１４に対応するＰＤ１１_１４と、ＭＬ１０_２１に対応するＰＤ１１_２１との間の領域に配置されている。これによって、これらのＭＬの間の間隔だけが他のＭＬ間の間隔に比べて大きくなっている。

なお、第２の実施例は本明細書の付記９における配置に対応するが、付記９では、例えばフォトダイオード１１_１３から１１_２２までに対応する４個の画素が１周期を構成する
４個の画素となっている。

図７、図８は、第３の実施例の説明図である。この第３の実施例では、画素の各列において連続する８個の画素を単位としてトランジスタなどが共用され、その結果８個の連続する画素に対応するマイクロレンズと、次の８個の連続する画素に対応するマイクロレンズとの、それぞれの両端のマイクロレンズの間の間隔だけが他のマイクロレンズの間隔に比べて大きくなっている。

図８においては、第２の実施例に対する図６と同様に、連続する複数個の画素単位で両端となる画素に対応するＰＤ、例えばＰＤ１１_１８とＰＤ１１_２１との間に、３つのトランジスタ、すなわちＲＳ−Ｔｒ１３_１、ＳＦ−Ｔｒ１４_１、ＳＬ−Ｔｒ１５_１が配置されている。その他のＰＤの間の領域、例えばＰＤ１１_１１とＰＤ１１_１２との間には、図６におけると同様にそれぞれのＰＤに対応するＴＧ−Ｔｒ１２_１１、ＴＧ−Ｔｒ１２_１２、および浮遊拡散層１６_１１が配置されている。

図９、図１０は、第４の実施例の説明図である。この第４の実施例では、図９に示すように画素平面上の各列内の２個の画素の単位としてマイクロレンズの間隔が周期的に変化する形式でマイクロレンズの配置が行われる。

図１０においては、第２の実施例に対する図６、第３の実施例に対する図８と同様に３つのトランジスタ、例えばＲＳ−Ｔｒ１３_１、ＳＦ−Ｔｒ１４_１、およびＳＬ−Ｔｒ１５_１が２個単位で連続する画素の両端の画素の間に配置されている。連続する２個の画素に対応するフォトダイオード、例えばＰＤ１１_１１とＰＤ１１_１２との間には、図６、図８と同様に２つのＴＧ−Ｔｒ１２_１１、１２_１２と、ＦＤ１６_１が配置されている。

図１１、図１２は、第５の実施例の説明図である。この第５の実施例においては、図１１内の細い実線に囲まれるように、縦方向、すなわち列方向の２個の画素、横方向、すなわち行方向の２個の画素に対応する４個の画素を単位として、縦方向、および横方向のマイクロレンズの間隔が周期的に変化する形式でマイクロレンズの配置が行われる。

図１２は、第５の実施例におけるマイクロレンズ、フォトダイオード、および画素データ読み出し用のトランジスタの配置の説明図である。同図において４個の画素に対応するマイクロレンズの配置を、例えばＭＬ１０_１１からＭＬ１０_１４までの配置について説明する。これらの４つのＭＬにそれぞれ対応するＰＤ１１_１１からＰＤ１１_１４の間で共通的に使用される浮遊拡散層ＦＤ１６_１は、これらの４個の画素に対応する領域の中央に配置され、４個のＴＧ−Ｔｒ１２_１１から１２_１４は各ＰＤとＦＤ１６_１との間に配置される。

また３つのトランジスタＲＳ−Ｔｒ１３_１、ＳＦ−Ｔｒ１４_１、およびＳＬ−Ｔｒ１５_１は、図１２ではＰＤ１１_１２とＰＤ１１_１４との間に配置されている。これによって図１１で示したように、４個の画素に対応するマイクロレンズのうちで横方向の２つのマイクロレンズの間の間隔は大きく、縦方向の２つのマイクロレンズの間の間隔は比較的小さくなる。そして縦方向、または横方向で隣接する４個単位の画素に対応するマイクロレンズのうち、それぞれ両端の画素に対応するマイクロレンズの間の間隔は最も小さくなる。

なお以上の実施例の説明において、マイクロレンズの間隔、すなわち中心ピッチが最も短い場合として、２つのマイクロレンズが縦方向、または横方向に接している状態を示したが、２つのマイクロレンズの間にある程度の最小間隔が必要な場合には、その最小間隔をあける形式でマイクロレンズの配置が行われることは当然である。

以上において、マイクロレンズの具体的な配置例として第１の実施例から第５の実施例を説明したが、これらの実施例の説明においては、各画素に対応するフォトダイオードの中心とマイクロレンズの中心との位置が基本的に一致するものとして実施例を説明したが、本実施形態の後半の説明においては、各画素に対応するフォトダイオードの中心位置とマイクロレンズの中心位置とをずらして配置する場合について以下に説明する。

このようにフォトダイオードの中心位置とマイクロレンズの中心位置とをずらす理由は、画素平面上で画素平面の中心から離れた位置にある画素に対しては、一般的に光が斜め方向に入射するために、マイクロレンズの中心位置とフォトダイオードの中心位置とを同一位置とする場合には、マイクロレンズによる集光効率が画素平面の周辺の画素に対しては低下するためである。

図１３は画素平面全体に対するフォトダイオードの配置の説明図であり、図１４は同様にマイクロレンズの配置の説明図である。本実施形態においては、画素平面の周辺領域におけるマイクロレンズの中心位置とフォトダイオードの中心位置とのずれを実現するために、すべての画素に対応するフォトダイオードの配置面積（寸法）よりマイクロレンズの配置面積（寸法）をわずかに小さくする。これにより、画素平面の中心付近ではフォトダイオードの中心位置とマイクロレンズの中心位置とはほとんどずれていないにもかかわらず、中心から離れるに従ってわずかな寸法の差が積算され、画素平面の外周付近では、マイクロレンズの中心位置とフォトダイオードの中心位置とのずれが最も大きくなるように、フォトダイオードとマイクロレンズの配置が行われる。

図１３のフォトダイオードの配置図において、各フォトダイオードの配置に必要な辺の長さを例えば４個の画素単位で間隔の広い部分も含めて平均化し、縦方向、横方向ともに３．０μｍで表わされるものとする。画素平面の行の数を１０２４、列の数を１２８０とすると、画素平面全体としてのフォトダイオードの配置に必要な長さは横方向３８４０μｍ、縦方向３０７２μｍとなる。なお、図１３においては、フォトダイオードの配置を画素平面の中心、右上隅、左下隅のみで示しているが、画素平面全体にフォトダイオードが配置されることは当然である。

図１４においては、各マイクロレンズの配置領域の辺の長さを横方向、縦方向ともにフォトダイオードに対応する長さの９９．９５％とすると、全てのマイクロレンズの配置に必要な長さは横方向３８３８．０８μｍ、縦方向３０７０．４６４μｍとなり、μｍの単位ではあるが図１３のフォトダイオード配置領域の面積よりわずかに小さくなる。これによって、画素平面の中心においてフォトダイオード、およびマイクロレンズの中心位置を合わせることによって、画素平面の周辺におけるマイクロレンズ中心位置とフォトダイオードの中心位置とのずれを実現することが可能となる。

図１５、および図１６は、フォトダイオードとマイクロレンズの配置領域の面積の相違の説明図である。図１５はフォトダイオードの配置の説明図であり、例えば第２の実施例に対する図５と同様に、各列方向の連続する４個の画素を単位としてフォトダイオードの間隔、すなわち中心ピッチが周期的に変化する場合のフォトダイオードの配置領域の寸法の説明図である。図１５において寸法の示されている範囲は、例えば図６においてＭＬ１０_２１からＭＬ１０_２４までに対応する４個のＰＤの配置領域と、これらの４個の画素に隣接する４個単位の画素のうちの１つに対応するＭＬ１０_１４とＭＬ１０_２１との間の長方形に相当する領域を示している。

すなわち図６でＭＬ１０_２１からＭＬ１０_２４に相当する楕円の短軸の長さが２．８μｍであり、前述のＭＬ１０_１４とＭＬ１０_２１との間の長方形の領域の高さが０．８μｍであることを示している。そして各ＰＤは、それぞれが配置される横３．０μｍ、縦２．
８μｍの長方形の領域の中心にその中心が一致するように配置される。なお、このＰＤの中心が通る線分としてのＡ−Ａ‘の部分の断面については図１７で説明する。

図１６は、マイクロレンズの配置領域の説明図である。同図は図１５に対応して各列方向の連続する４個のマイクロレンズの配置領域の寸法を示している。同図で、例えば１μｍの長さは図１５より短いが、これには特別の意味はない。１個のマイクロレンズの配置領域の寸法は、縦横共に図１５で説明したフォトダイオードの配置領域の横と縦の寸法の９９．９５％としたものであり、横方向２．９９８５μｍ、縦方向２．７９８６μｍである。また次の連続する４個のマイクロレンズ配置領域との間の長方形の高さも、図１５で対応する高さ０．８μｍの９９．９５％としての０．７９９６μｍとされる。なお、マイクロレンズの底面としての楕円の長径、短径の寸法も、実際にこれらの値以下となることは当然である。

図１７は、図１５、および図１６のフォトダイオードの中心とマイクロレンズの中心が通る線分Ａ−Ａ’に対応する固体撮像素子の断面図であり、ここではこの断面が画素平面の中心に近く、マイクロレンズとフォトダイオードの中心位置がほとんどずれていない場合の断面を示している。

図１７において、各マイクロレンズ１０の下にはカラーフィルタ２０、２１が備えられ、さらにその下にその中心がマイクロレンズの中心とほぼ一致するようにフォトダイオード、すなわちｎ型フォトダイオード層２５が設けられている。

カラーフィルタはＲ、Ｇ、またはＢのいずれか１色に対応するものである。これは本実施形態とは直接関係はないが、例えばある位置の画素に対応するカラーフィルタがＲである場合には、その位置に対するＲデータはその画素のデータそのものが用いられる。例えばＧデータとしては、その位置の周辺でカラーフィルタＧを持つ画素、一般に複数の画素のＧデータを用いて平均、あるいは補間などの方法によってカラーフィルタＲを持つ画素に対するＧデータが求められる。なお、図１７における各配線層やＶＩＡなどの部分は、本実施形態とは直接の関係はないためその説明を省略する。また、図１７では１層目、２層目の配線層は、２次元的にｎ型フォトダイオード層２５の表面をカバーしておらず、例えば図１で説明したフォトダイオードの中心はｎ型フォトダイオード層２５の表面の中心に一致するが、このような配線層などがその表面の一部をカバーする場合にはそのカバー範囲を除いた開口面の中心となる。

図１８は、画素平面の中心を基準として、図１５、および図１６で説明したようにフォトダイオードとマイクロレンズを配置した場合に、画素平面の最も外周付近で生ずるマイクロレンズ中心位置とフォトダイオード中心位置とのずれの説明図である。このずれは当然画素平面の４つの隅において最大となるが、図１８では画面の左下の隅のずれを説明する。

図１８におけるフォトダイオードとマイクロレンズの中心位置のずれについて、図１９をさらに用いて説明する。図１９は、画素平面（画面）の隅ではなく、中心付近のフォトダイオードとマイクロレンズの中心位置の説明図である。同図においては、画面中心から左下方向１個目の画素に対するフォトダイオードとマイクロレンズの中心位置を示している。

左側のフォトダイオードの中心位置は、横（水平）方向では、図１５で説明したように１個の画素に対する配置領域の横方向の寸法が３．０μｍであることから、その半分の１．５μｍだけ画面中央から離れている。縦（垂直）方向では、画素の縦方向の寸法２．８μｍの半分と、例えば図３においてＳＦ−Ｔｒ１４_１、およびＳＬ−Ｔｒ１５_１が配置さ
れる領域としての長方形の高さ０．８μｍの半分を加算した値としての１．８μｍだけ、画面中央から離れている。

右側のマイクロレンズに対する配置図において、画面中心から左下方向１番目の画素に対するマイクロレンズの中心位置は、フォトダイオードの中心位置の画面中央からの距離の９９．９５％であり、水平方向に１．４９９２５μｍ、垂直方向に１．７９９１μｍ画面中央から離れた位置となる。

図１８に戻り、まず画面左下１番隅の画素に対するフォトダイオードの中心位置とマイクロレンズの中心位置とのずれ、すなわち図のＬ_１について説明する。図１３、図１４で説明したように、画素平面上の横方向の画素の数は１２８０である。現在対象となっている画素は画素平面の中央から見て左方向６４０番目の画素である。従ってフォトダイオードの中心位置は、画素の横方向の寸法が３．０μｍであることから、６４０個の画素の数から１／２個分を減算した画素数と３．０μｍとの積をとることによって計算され、このフォトダイオードの中心位置とマイクロレンズの中心位置との横方向の距離は次式によって計算される。
３．０×｛（１２８０÷２）−０．５｝×（１−０．９９９５）＝０．９５９２５（μｍ）

縦、すなわち垂直方向については、画素平面上の縦方向の画素の数が１０２４個であることから、対象となる画素は画面中央から５１２番目の画素となる。この画素に対するフォトダイオードの中心位置（縦方向）を求めるために、対象画素を含む４個の画素を単位とする周期において１周期前まで、すなわち画面中央から見て５０８番目の画素までの４個の画素を１つの単位とする領域までの画面中央からの距離、すなわち５０９番目の画素に対する配置領域の直前までの距離を考えると、その距離は周期の単位としての４でその直前までの画素数５０８を割り、その結果に、例えば図３のＳＦ−Ｔｒ１４_１、ＳＬ−Ｔｒ１５_１の配置領域としての長方形を含む４個の画素に対する配置領域の縦方向の寸法１２μｍを乗算した結果に、図１９で説明したように画面中央に横方向に走るこの長方形の高さの半分を加算したものとなる。その結果、対象となる画素に対応するフォトダイオードの画面中央からの距離はこの結果に３．５個分の画素の縦寸法２．８μｍを乗算した結果を加算したものとなり、フォトダイオードとマイクロレンズとの中心位置の横方向のずれは次式で与えられる。
｛（５０８÷４×１２）＋（０．８÷２）＋（３．５×２．８）｝×（１−０．９９９５）＝０．７６７１（μｍ）

次に図１８において画面の左下の隅から右方向に２番目、上方向に５番目、すなわち画素番号で横方向６３９番目、縦方向５０８番目の画素に対応するフォトダイオードの中心位置とマイクロレンズの中心位置とのずれ、すなわち図のＬ_２に対応して、その水平方向成分は次式で与えられる。
３．０×｛（１２８０÷２）−１．５｝×（１−０．９９９５）＝０．９５７７５（μｍ）

また垂直方向成分は次式で与えられる。
｛（５０４÷４×１２）＋（０．８÷２）＋（３．５×２．８）｝×（１−０．９９９５）＝０．７６１１（μｍ）

なお、ここで水平方向については画面の左端から２個目であることが、式の中の“１．５”によって考慮されており、また垂直方向については画面中央から見て５０４番目の画素の格納領域（ＳＦ−Ｔｒ、およびＳＬ−Ｔｒの配置領域を含む）までの距離を基礎として計算が行われている。

なお、図１８において実際のずれとしてのＬ_１とＬ_２との長さは、それぞれ３平方の定理によって計算されるが、Ｌ_１よりＬ_２の値がわずかに小さいことは当然である。従って画素が画素平面の中心から離れるほど、その画素に対応するマイクロレンズの中心位置とフォトダイオードの中心位置とのずれは大きくなり、マイクロレンズの位置は画素平面の中心により近い位置となる。これによって画素平面の中心付近では光が画素平面に対してほぼ垂直方向に入射するのに対して、画素平面の周辺においては斜め方向に入射するという一般的傾向に対応して、マイクロレンズによる入射光の集光効率を向上させることが可能となる。

図２０は、図１８における画素平面の左下隅に近い線分Ｂ−Ｂ’に対応する固体撮像素子の断面図である。同図において画面の左下隅から右側に２番目、上側に５番目の画素に対応するマイクロレンズとフォトダイオードの中心位置のずれが垂直方向に０．７６１１μｍであることが示されている。前述のようにこのずれの量は、画素が画面の中央から離れるにしたがって増大する。なお、以上の計算において用いた画素に関連する寸法は実用的なイメージセンサ、例えばＣＭＯＳイメージセンサにおいて適用可能な程度の寸法である。

以上において本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の実施形態は以上の記述に限定されることなく、特許請求の範囲に記載の範囲においてさらに異なる様々な実施形態が可能である。

例えばフォトダイオード、およびマイクロレンズの中心ピッチの周期的変化の単位となる画素の数が以上の記述に限定されることなく、縦方向の画素数、および横方向の画素数を任意の数として、中心ピッチの周期的変化の単位を決定することが可能である。

また以上の説明ではマイクロレンズの底面の形状を楕円としたが、これはフォトダイオードの中心間隔が均一で底面形状が円であったものを、図１で説明したように不均一となったフォトダイオードの中心間隔に対応して縦（垂直）の方向に押しつぶした場合に相当する。固体撮像素子の製造工程においてマイクロレンズの底面形状を円のままとすることも当然可能である。

また以上の説明では撮像素子として、ＣＭＯＳイメージセンサを例に扱ったが、そのほかにも、フォトダイオード等の受光素子と、トランジスタなどの素子が複数画素にわたる周期的な配置をした撮像素子であれば、ＭＯＳ型撮像素子、接合ＦＥＴ型撮像素子、バイポーラトランジスタを用いた撮像素子、及びＣＣＤを含めて、適用可能である。

（付記１）
多数の画素が２次元平面上に行列状に配置され、複数の各画素内の受光素子からの画素データ読み出しのためのトランジスタが共用される形式の固体撮像素子であって、
中心間隔が行方向、および／または列方向に周期的に変化する形式で配置される複数の受光素子と、
該複数の各受光素子に対する入射光集光のためのマイクロレンズであって、中心間隔が、前記受光素子の中心間隔の周期的変化に対応して、周期的に変化する複数のマイクロレンズとを備えることを特徴とする固体撮像素子。
（付記２）
前記各受光素子の前記２次元平面上での中心位置と、該２次元平面と平行な平面上に配置される複数の各マイクロレンズの中心位置が２次元的に一致することを特徴とする付記１に記載の固体撮像素子。
（付記３）
前記受光素子がフォトダイオードであり、
前記受光素子の前記中心が該フォトダイオードを形成する拡散層表面の中心に一致することを特徴とする付記２に記載の固体撮像素子。
（付記４）
前記受光素子がフォトダイオードであり、
前記受光素子の前記中心が、該フォトダイオードを形成する拡散層表面のうちで、配線層によって覆われる範囲を除く開口面の中心に一致することを特徴する付記２に記載の固体撮像素子。
（付記５）
前記固体撮像素子によって撮像される画面の中心に対応する位置から、前記画素平面の行方向に左右、列方向に上下に配置が開始されるマイクロレンズの前記中心間隔の周期的な値が、対応して配置される受光素子の前記中心間隔の周期的な値の定数倍であることを特徴とする付記１に記載の固体撮像素子。
（付記６）
前記定数倍の値が１より小さいことを特徴とする付記５に記載の固体撮像素子。
（付記７）
前記受光素子、およびマイクロレンズの中心間隔がそれぞれ列方向に連続する４個毎の周期で変化することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の固体撮像素子。
（付記８）
前記列方向に連続する４個の各画素が、前記受光素子と、前記受光素子から出力される信号電荷を転送する第１のトランジスタとをそれぞれ備え、
前記４個の画素のうちで、それぞれ連続する２個の画素が、前記受光素子から出力され、前記第１のトランジスタによって転送された信号電荷を電圧に変換する信号電圧変換部を共用し、
前記４個の画素が、前記信号電圧変換部の電圧をリセット可能とする第２のトランジスタと、前記信号電圧変換部の電圧を入力として電圧を出力する第３のトランジスタと、画素の属する行を選択する第４のトランジスタとを有する信号電圧読み出し部を共用し、
前記受光素子／前記信号電圧変換部、および２個の前記第１のトランジスタ／前記受光素子／前記第３のトランジスタ、および前記第４のトランジスタ／前記受光素子／前記信号電圧変換部、および２個の前記第１のトランジスタ／前記受光素子／前記第２のトランジスタの順番に配置され、前記第３のトランジスタ、および前記第４のトランジスタをはさむ２つの受光素子の間の中心間隔、および該２つの受光素子に対応するマイクロレンズの間の中心間隔が大きいことを特徴とする付記７に記載の固体撮像素子。
（付記９）
前記列方向に連続する４個の各画素が、前記受光素子と、前記受光素子から出力される信号電荷を転送する第１のトランジスタとをそれぞれ備え、
前記４個の画素のうちで、それぞれ連続する２個の画素が、前記受光素子から出力され、前記第１のトランジスタによって転送された信号電荷を電圧に変換する信号電圧変換部を共用し、
前記４個の画素が、前記信号電圧変換部の電圧をリセット可能とする第２のトランジスタと、前記信号電圧変換部の出力する電圧を増幅する第３のトランジスタと、画素の属する行を選択する第４のトランジスタとを有する信号電圧読み出し部を共用し、
前記受光素子／前記信号電圧変換部、および２個の前記第１のトランジスタ／前記受光素子／前記第２のトランジスタ、および前記第３のトランジスタ、および前記第４のトランジスタ／前記受光素子／前記信号電圧変換部、および２個の前記第１のトランジスタ／前記受光素子の順番に配置され、前記第２のトランジスタ、前記第３のトランジスタ、および前記第４のトランジスタをはさむ２つの受光素子の間の中心間隔、および該２つの受光素子に対応するマイクロレンズの間の中心間隔が大きいことを特徴とする付記７に記載の固体撮像素子。
（付記１０）
前記複数のマイクロレンズの底面の寸法が同一であることを特徴とする付記１〜９のい
ずれかに記載の団体撮像素子。
（付記１１）
前記マイクロレンズの底面の形状が楕円であることを特徴とする付記１０に記載の固体撮像素子。
（付記１２）
前記マイクロレンズと前記受光素子との間に光学フィルタを備えることを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の固体撮像素子。

フォトダイオードとマイクロレンズの中心ピッチの周期的変化の原理的説明図である。 第１の実施例におけるマイクロレンズの配置方式の説明図である。 第１の実施例におけるフォトダイオードと各トランジスタの配置の説明図である。 図３の配置に対応するフォトダイオードとデータ読み出し回路の回路図である。 第２の実施例におけるマイクロレンズの配置方式の説明図である。 第２の実施例におけるフォトダイオードと各トランジスタの配置の説明図である。 第３の実施例におけるマイクロレンズの配置方式の説明図である。 第３の実施例におけるフォトダイオードと各トランジスタの配置の説明図である。 第４の実施例におけるマイクロレンズの配置方式の説明図である。 第４の実施例におけるフォトダイオードと各トランジスタの配置の説明図である。 第５の実施例におけるマイクロレンズの配置方式の説明図である。 第５の実施例におけるフォトダイオードと各トランジスタの配置の説明図である。 画素平面におけるフォトダイオードの全体配置図である。 画素平面におけるマイクロレンズの全体配置図である。 画素平面におけるフォトダイオードの配置領域の寸法の説明図である。 画素平面におけるマイクロレンズの配置領域の寸法の説明図である。 画素平面の中央付近における固体撮像素子の断面図である。 画素平面の左下隅におけるフォトダイオードとマイクロレンズの中心位置のずれの説明図である。 画素平面の中心付近におけるフォトダイオードとマイクロレンズの配置寸法の説明図である。 画素平面の周辺における固体撮像素子の断面図である。 ＣＭＯＳイメージセンサにおける画素のデータ読み出し回路の従来例である。 複数の画素における画素データ読み出し用トランジスタの一部を共用化したシェアード画素の従来例の回路図である。

符号の説明

１、１０ マイクロレンズ
２ マイクロレンズとフォトダイオードの中心位置
１１ フォトダイオード
１２ トランスファ・ゲート・トランジスタ（ＴＧ−Ｔｒ）
１３ リセット・トランジスタ（ＲＳ−Ｔｒ）
１４ ソース・フォロア・トランジスタ（ＳＦ−Ｔｒ）
１５ セレクト・トランジスタ（ＳＬ−Ｔｒ）
１６ 浮遊拡散層（フローティング・ディフュージョン、ＦＤ）
２０、２１ カラーフィルタ
２５ ｎ型フォトダイオード層

Claims (8)

1. 多数の画素が２次元平面上に行列状に配置され、複数の各画素内の受光素子からの画素データ読み出しのためのトランジスタが共用される形式の固体撮像素子であって、
   中心間隔が前記２次元平面上の一方向に周期的に変化する形式で配置される複数の受光素子と、
   該複数の各受光素子に対する入射光集光のためのマイクロレンズであって、中心間隔が、前記受光素子の中心間隔の周期的変化に対応して、周期的に変化する複数のマイクロレンズとを備え、
   前記受光素子および前記マイクロレンズの中心間隔がそれぞれ、前記一方向に連続する４個毎の周期で変化し、
   前記一方向に連続する４個の各画素が、前記受光素子と、前記受光素子から出力される信号電荷を転送する第１のトランジスタとをそれぞれ備え、
   前記４個の画素のうちで、それぞれ連続する２個の画素が、前記受光素子から出力され、前記第１のトランジスタによって転送された信号電荷を電圧に変換する信号電圧変換部を共用し、
   前記４個の画素が、前記信号電圧変換部の電圧をリセット可能とする第２のトランジスタと、前記信号電圧変換部の電圧を入力として電圧を出力する第３のトランジスタと、画素の属する行を選択する第４のトランジスタとを有する信号電圧読み出し部を共用し、
   前記受光素子／前記信号電圧変換部、および２個の前記第１のトランジスタ／前記受光素子／前記第３のトランジスタ、および前記第４のトランジスタ／前記受光素子／前記信号電圧変換部、および２個の前記第１のトランジスタ／前記受光素子／前記第２のトランジスタの順番に配置され、
   前記第３のトランジスタと前記第４のトランジスタをはさむ２つの受光素子の間の中心間隔と該２つの受光素子に対応するマイクロレンズの間の中心間隔とを示す第１の間隔が、前記第３のトランジスタと前記第４のトランジスタとをはさまない２つの受光素子の間の中心間隔と該２つの受光素子に対応するマイクロレンズの間の中心間隔とを示す第２の間隔より大きく、前記第１の間隔が前記２次元平面上の前記一方向において４画素毎に出現する
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記各受光素子の前記２次元平面上での中心位置と、該２次元平面と平行な平面上に配置される複数の各マイクロレンズの中心位置が２次元的に一致することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記受光素子がフォトダイオードであり、
   前記受光素子の前記中心が該フォトダイオードを形成する拡散層表面の中心に一致することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記受光素子がフォトダイオードであり、
   前記受光素子の前記中心が、該フォトダイオードを形成する拡散層表面のうちで、配線層によって覆われる範囲を除く開口面の中心に一致することを特徴する請求項２に記載の固体撮像素子。
5. 前記固体撮像素子によって撮像される画面の中心に対応する位置から、前記画素平面の行方向に左右、列方向に上下に配置が開始されるマイクロレンズの前記中心間隔の周期的な値が、対応して配置される受光素子の前記中心間隔の周期的な値の定数倍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。
6. 前記定数倍の値が１より小さいことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
7. 前記複数のマイクロレンズの底面の寸法が同一であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像素子。
8. 前記マイクロレンズと前記受光素子との間に光学フィルタを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像素子。