JP2001250931A - 固体撮像装置およびこれを用いた撮像システム - Google Patents

固体撮像装置およびこれを用いた撮像システム

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JP2001250931A JP2000062331A JP2000062331A JP2001250931A JP 2001250931 A JP2001250931 A JP 2001250931A JP 2000062331 A JP2000062331 A JP 2000062331A JP 2000062331 A JP2000062331 A JP 2000062331A JP 2001250931 A JP2001250931 A JP 2001250931A
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Yuichiro Yamashita
雄一郎 山下
Masato Shinohara
真人 篠原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 測距、撮像兼用の固体撮像装置において、画
素の感度の不均一性を低減させることのできる固体撮像
装置およびこれを用いた画像形成装置を提供する。 【解決手段】 光電変換機能を有する画素を複数個、行
上もしくは行・列上に配置した固体撮像装置において、
Ｎ個の隣接する画素を一つの集合とし、同一集合にある
画素の間の分離領域が遮光されず、異なる集合に属する
画素の間が遮光されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主に、測距を行う
用途と撮像を行う用途とを兼ねている固体撮像装置、お
よび、これを用いた撮像システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のデジタルスチルカメラにおいて
は、撮像に用いる固体撮像装置を焦点検出用に兼用して
おり、その際には、コントラスト検出方式のアルゴリズ
ムを用いている。コントラスト検出方式は、光学系の光
軸上の位置を、わずかに移動させながら、焦点検出を行
うために、合焦までかなりの時間を要する。
【０００３】そのため、２つの、対を成す受光部に対し
てマイクロレンズを設けるように配列し、このマイクロ
レンズによって、受光部を撮像光学系の瞳に投影するこ
とで、瞳を分割する、所謂、位相差検出方式の焦点検出
装置を組み込んだ撮像装置（ＵＳＰ第４４１０８０４号
明細書）も提案されている。
【０００４】図１を用いて、その例を以下に説明する。
符号１０１、１０２は視点Ａと呼ぶ領域を通過する光束
の代表、１０３、１０４は視点Ｂと呼ぶ領域を通過する
光束の代表である。１０５はマイクロレンズであり、そ
の一つが、視点Ｂを通過した光束を捕らえる受光部１０
６、および、視点Ａを通過した光束を捕らえる受光部１
０７の、二つの受光部に対して、設けられている。それ
ぞれの受光部の対において、視点Ａの光束を捕らえた像
データＡ（１）…Ａ（Ｎ）、視点Ｂの光束を捕らえた像
データＢ（１）…Ｂ（Ｎ）が得られるので、それらの相
関演算を行うことで、デフォーカス量を検出し、光学系
を所望の状態に変化させ、高速に焦点検出を行うことが
できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
撮像装置にあっては、従来の撮像素子を用いる限り、撮
像面での感度の、著しい不均一性が生ずる。なお、図
２、図３は従来の撮像素子の上面を模式的に示してい
る。
【０００６】ここで、符号２０１は、ＣＣＤもしくはＣ
ＭＯＳセンサ、ＢＡＳＩＳ、その他のあらゆる型式の固
体撮像装置における撮像素子であり、部分２０２は、中
心画素から左上の画素に亘って抜き出した、その撮像素
子の一部である。また、２０３は、２０２を拡大したも
のであり、代表的な画素が２０４から２０８に亘ってさ
らに拡大されている。２０４〜２０８の画素の拡大図
は、それぞれ、マイクロレンズを示す円２０９と、Ａ像
の受光領域２１０と、Ｂ像の受光領域２１１とから構成
されており、その中での円２１２は、ある光源を「撮
像」したとき、瞳全体からやってくる光束の集合する領
域を示している。
【０００７】さて、ここで、円２１２は、画素の位置に
依存して、その収束する位置が異なる。中央の画素２０
４においては、受光部ＡとＢとの中央に集光し、例え
ば、左端の画素２０８においては、ほぼ全ての光束が受
光部Ｂに集光している。この集光の位置の違いは光学系
によって異なる。しかし、ある位置の、ある光源を捕ら
えたとき、ほぼ全てのケースにおいて、ある画素では受
光部ＡとＢの間に集光し、ある画素では受光部Ｂもしく
は受光部Ａにのみに集光するということが起こり得る。
【０００８】図３は、従来のＣＣＤ撮像素子の上面を示
している。ここでは、一対の受光部に着目して説明する
が、受光部３０１、３０２に対しては、垂直電荷転送部
３０３が用意され、一対の受光部に対して、マイクロレ
ンズ３０４が設けられている。垂直電荷転送部、およ
び、受光部の分離領域は金属からなる遮光膜によって遮
光されており、点線３０５、３０６の枠内に入った光の
みが光電変換の対象となる。
【０００９】先に、図２を用いて説明した通り、ある位
置のある光源を捕らえたとき、ほぼ全てのケースにおい
て、ある画素では受光部ＡとＢの間に集光し、ある画素
では受光部Ｂにのみ、もしくは、受光部Ａにのみに集光
するということが起こり得る。その際に、受光部Ａの役
割を果たす受光部３０１と、受光部Ｂの役割を果たす受
光部３０２との間は、遮光膜によって遮光されている。
よって、そこに入った光は光電変換されないので信号が
生まれない。
【００１０】例えば、前面が均一強度の白色面である光
源を撮影したとき、全ての画素はほぼ同様の出力を持つ
ように設計しなければならない。しかし、図２の場合に
は、光電変換素子面内でその中央部に分布する画素の出
力のみが著しく低下してしまい、撮影画像の質の低下、
ひいては、情報の欠落へとつながる。
【００１１】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
ので、その目的とするところは、画素の感度の不均一性
を低減させることのできる固体撮像装置およびこれを用
いた画像形成装置を提供するにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、光電変換機能を有する画素を複数個、
行上もしくは行・列上に配置した固体撮像装置におい
て、Ｎ個の隣接する画素を一つの集合とし、同一集合に
ある画素間の分離領域を遮光することなく、異なる集合
の間を遮光する遮光手段を有することを特徴とする。
【００１３】この場合、本発明の実施の形態として、前
記同一集合にある画素の上に設けられるマイクロレンズ
がただ一つであること、前記Ｎは２以上であること、前
記同一集合にある画素間の分離領域には、素子が配置さ
れていないことは、それぞれ、有効である。この場合、
前記同一集合にある画素の光電変換結果を、それぞれ、
独立に読み出す手段、および、前記同一集合にある画素
の光電変換結果を、すべて加算して読み出す手段を有す
ることは、好ましい実施の形態である。
【００１４】また、本発明の実施の形態として、前記画
素が、第一の導電型の半導体基板内に独立に形成された
第二の導電型の受光部と、前記受光部に接する、半導体
基板上に絶縁膜を介してゲート電極を形成することで構
成される転送部と、前記転送部に接する、第二の導電型
の拡散領域および前記拡散領域に電気的に接続される読
み出し回路とからなることは有効である。この場合、前
記同一集合にある画素の読み出し回路の出力をそれぞれ
独立に読み出す手段、および、前記同一集合にある画素
の読み出し回路の出力をすべて加算して読み出す手段を
有することは、本発明の好ましい実施の形態である。
【００１５】また、本発明の実施の形態として、前記画
素が、第一の導電型の半導体基板内に独立に形成された
第二の導電型の受光部と、前記受光部に接する、半導体
基板上に絶縁膜を介してゲート電極を形成することで構
成される転送部と、前記転送部に接する、第二の導電型
の拡散領域および前記拡散領域に電気的に接続される読
み出し回路とからなり、前記拡散領域と前記読み出し回
路が、同一集合に属する画素内で共通であることは有効
である。この場合、前記拡散領域は位置的に独立に分布
し、それらを、配線を用いて接続することで、一つの共
通の拡散領域とすることのがよい。
【００１６】また、この実施の形態では、前記同一集合
に属する画素において、前記転送部を独立に制御し、前
記同一集合に属する画素の前記受光部の光電変換信号を
独立に前記拡散領域に転送する手段、および、前記転送
部を共通とみなし、前記同一集合に属する画素の前記受
光部の光電変換信号を同時に前記拡散領域に転送する手
段を備えたことが有効である。
【００１７】なお、前述の読み出し回路は、電圧増幅、
電流増幅、もしくは電力増幅回路を含むこと、前記読み
出し回路は、画素のリセット手段、画素の選択手段を含
むこと、更には、前記画素をリセットしたときの読み出
し回路の第一の出力を保持し、受光部の光電変換信号を
読み出しているときの読み出し回路の第二の出力と前記
第一の出力の差分を求める手段を有することは、それぞ
れ、本発明の実施の形態として好ましい。
【００１８】更に、本発明の実施の形態として、前記画
素が、第一の導電型の半導体基板内に独立に形成された
第二の導電型の受光部と、前記受光部に接する、半導体
基板上に絶縁膜を介してゲート電極を形成することで構
成される転送部と、前記転送部に接する、電荷転送レジ
スタとから成ることは、有効である。そして、ここで
は、前記同一集合にある画素において、前記受光部の光
電変換結果をそれぞれ独立に読み出す手段、および、前
記受光部の光電変換結果をすべて加算して読み出す手段
を有することが、好ましい。
【００１９】なお、これらの実施の形態において、前記
受光部を内包し、前記受光部の接合深さよりも薄い接合
深さを有し、前記受光部の不純物濃度よりも濃い不純物
濃度を有する第一の導電型の表面拡散部を持つこと、更
には、前記同一集合にある画素において、前記表面拡散
部が、互いに接続されていることは、有効である。
【００２０】また、本発明では、上述の固体撮像装置
と、前記固体撮像装置に光を導入する装置と、前記固体
撮像装置から出力される信号を処理する手段とを有する
ことを特徴とする撮像システムを実現する。
【００２１】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、本発
明に係わる第１の実施の形態を、図４、図５、図６を参
照して、具体的に説明する。
【００２２】図４には、マイクロレンズ４０１に対し
て、受光領域４０２、４０３が設けられており、遮光膜
４０４Ａは、点線で囲んだ領域４０４以外の領域を覆っ
ている。この実施の形態では、ＣＭＯＳ固体撮像装置を
想定しており、領域４０５が、転送スイッチ、リセット
手段、読み出し手段、選択手段、拡散領域などを含んで
いる。また、直線Ａ〜Ｂの断面図が、図４の上部の平面
に対応して、下部に描かれており、同じ部位には同じ番
号が付されている。
【００２３】なお、ここでは、対になる画素の間には遮
光膜を意図的に設けないようにしたために、たとえ、Ａ
像とＢ像との間に光が入射しても、従来例と異なり、そ
れは、確実に基板の半導体領域表面まで到着することが
できるようになった。
【００２４】図５は、図４において、１つの集合４０
６、即ち、一対の画素がある領域を拡大したものであ
る。ここでは、基板材料としてシリコンを仮定してお
り、例えば、基板がｎ型半導体ならば、受光部はその反
対導電型のｐ型半導体となり、また、基板がｐ型半導体
ならば、受光部はｎ型となる。また、受光部は、ｎウェ
ル中、もしくは、ｐウェル中に作られていてもよい。な
お、基板材料は、シリコンには限定されず、他の半導体
材料でもよいことは言うまでもない。
【００２５】ここでは、対とならない受光部同士、つま
り、互いに異なる集合同士の間は、ＬＯＣＯＳなどの製
造方法を用いて形成された、厚い酸化膜５０１で、素子
分離され、その素子分離領域の下には、反転防止のため
の不純物層５０２が設けられている。受光部４０２、４
０３の間の素子間領域５０３には、そのような分離を設
けず、単に、反対の導電型の不純物が、ホトダイオード
のＰＮ接合によって、分離されるのみとなっている。こ
のような構造において、その素子間領域５０３に入った
光５０４は、その領域５０３において、電荷５０５を励
起するが、その電荷５０５のほとんどは、基板内の拡散
によって、受光部４０２、もしくは４０３に捉えられ
る。このようにして、二つの受光部の間の素子間領域５
０３においても光電変換を行うことができるようになっ
た。
【００２６】一旦、どちらかの受光部に入った電荷は、
素子間領域５０３で形成されるポテンシャル障壁に阻ま
れ、他方の受光部に入ることができない。このようにし
て、電気的な分離が実現されている。
【００２７】本発明に用いられる、異なる集合に属する
隣接受光部同士の遮光方法（分離方法）としては、ＬＯ
ＣＯＳによって形成された素子分離以外に、例えば、ト
レンチ構造を用いた分離、およびＣＣＤに用いられてい
るＭＯＳ構造（チャネル下が高濃度にドープされ、常
に、オフし続ける構造）などを用いることができる。
【００２８】また、図６にしめすように、基板表面の結
晶欠陥からの暗電流を防止するために、例えば、Ｐ型の
受光部の接合深さよりも浅いところに、例えば、高濃度
のＮ型の不純物領域６０１を設けたものである。このよ
うにすることで、暗電流を抑制しながら、受光部間に十
分な感度を持たせることができるようになった。
【００２９】なお、この実施の形態においては、対とな
る受光部間の素子間領域の分離構造としては、接合によ
る分離を用いており、ＬＯＣＯＳなどの方法を用いてい
ないが、勿論、対となる受光部間の分離に、図７のよう
にＬＯＣＯＳなど、厚い酸化膜を形成する手段を用いて
もよい。ここでは、図６と同様の部位については、同じ
番号を付している。特に、符号５０１Ａは酸化膜５０１
と同様に形成された厚い酸化膜、５０２Ａはその下部に
設けられた、不純物層５０２と同様に形成された、反転
防止のための不純物層である。
【００３０】ＬＯＣＯＳ法を用いる場合の欠点は、厚い
酸化膜下の反転防止層の接合が深くなることで、中央部
の感度を、ある程度、減少させてしまうということ、並
びに、基板−酸化膜界面における結晶欠陥が、暗電流を
増加させるということである。しかしながら、上方に遮
光膜を設けなければ、従来、全く感度がなかった素子間
領域に所要の感度を持たせられる。また、暗電流に関し
ても、従来知られているように、ＬＯＣＯＳによって形
成される酸化膜から、ある程度、水平方向に距離をもた
せて、受光部を配置することで、それを軽減することが
可能である。なお、分離手法は、ＬＯＣＯＳ法によるも
のに限定されず、例えば、トレンチ構造の分離法などを
用いてもよい。
【００３１】また、分離領域上に、ゲート酸化膜を介し
た電極を設け、Ａ像とＢ像を分離するときは、分離領域
の下が、強い蓄積状態になるような電圧を、そのゲート
電極に加える。また、Ａ像とＢ像を分離しない、つま
り、撮像時には、分離領域の下が反転領域になるような
電圧をゲート電極に加える。本発明においては、このよ
うな電圧可変型分離方法を用いてもよい。その際、ゲー
ト電極自身が光を透過する必要があるため、ゲート電極
にはポリシリコンなど、光をある程度、透過する材料を
用いることが好ましい。
【００３２】また、対となる受光部間の距離は、受光部
４０２と受光部４０３とが電気的に独立となり得る距離
であれば、如何なる距離でもよい。その距離は、一般的
に製造プロセスに強く依存するが、受光部同士が作る空
乏層が接しないような距離が望ましい。
【００３３】ただし、実際に光学系を含めた設計を行う
際、二つの瞳から入射する光が一部前記二つの受光部の
間で混合することがあり得る。そこで、測距性能を優先
する際は、その混合を考慮に入れて、受光部間で、光信
号がより独立となるよう、ある程度、受光部同士を離
す。
【００３４】また、撮像性能を優先する際、その距離
は、受光部間の電気的な独立を保てる限り、できる限り
近づけることが望ましい。そうすることで、分離部５０
３で発生した電荷が、より高い確率で、受光部４０２も
しくは４０３に到着することができ、分離部の感度を向
上させることができる。その際には、分離部５０３に如
何なる素子も配置せずに、受光部同士の電気的独立を保
ちながら、できる限り近接させるのがよい。ここで述べ
ている素子とは、トランジスタ、容量、抵抗、インダク
タ、ダイオードなど、寄生素子を除く、全ての素子を指
している。
【００３５】図８は、図４で示した画素の、等価回路を
示した一例（この実施の形態は、請求項６、１１、１２
に対応する）である。なお、図４と同様の部位には、同
じ番号を付している。
【００３６】ここで、符号Ｂ０１、Ｂ０２は、それぞれ
受光部４０２、４０３に接続される転送用のトランジス
タであり、また、ノードＢ０３、Ｂ０４は、それぞれ、
受光部からの電荷を転送する拡散領域であって、そこで
の、符号Ｂ０５、Ｂ０６は、それぞれ、読み出し回路で
あり、それらは、それぞれ、ソースフォロアトランジス
タＢ０７、Ｂ０８、リセットトランジスタＢ０９、Ｂ１
０、選択用トランジスタＢ１１、Ｂ１２から構成されて
いる。
【００３７】また、Ｂ１３からＢ１７までの５本の配線
は、それぞれ、行に共通に接続され、上から、電源線、
受光部４０２の転送を制御する線、受光部４０３の転送
を制御する線、画素の選択ＭＯＳのオン・オフを制御す
る線、画素の拡散領域のリセットを制御する線となって
いる。また、Ｂ１８、Ｂ１９は、それぞれ、読み出し回
路Ｂ０５、Ｂ０６の出力を接続する垂直出力線であり、
同じ列に属する画素によって、それぞれ、共有されてい
る。勿論、本発明の態様は、この回路図に限定されるも
のではなく、同じ機能を有すれば、類似の回路構成を用
いてもよいこと、勿論である。
【００３８】この等価回路による実施の形態において
は、読み出し用の増幅器が画素ごとに分けられており、
垂直出力線Ｂ１８、Ｂ１９には、それぞれ、受光部４０
２、受光部４０３の光電変換結果が出力される。受光部
４０２および４０３の、光電変換結果の出力の和を得る
際には、垂直出力線Ｂ１８、Ｂ１９よりも後段の出力経
路において、何らかの加算を行えばよい。
【００３９】図９は、図４で示した画素の、等価回路を
示すもう一つの例である。図４と同様の部位には、同じ
番号を付している。ここで、符号Ｃ０１、Ｃ０２は、そ
れぞれ、受光部４０２、４０３に接続される転送用のト
ランジスタであり、また、ノードＣ０３は、二つの受光
部に共通の拡散領域ある。ここで、Ｃ０４はソースフォ
ロアを構成するトランジスタ、Ｃ０５はリセットトラン
ジスタ、Ｃ０６は選択用トランジスタである。また、Ｃ
０７からＣ１１までは、行あたりに共通に設けられてお
り、それぞれ電源線、受光部４０２の転送を制御する
線、受光部４０３の転送を制御する線、画素の選択ＭＯ
Ｓのオンオフを制御する線、画素の拡散領域のリセット
を制御する線となっている。また、Ｃ１２は画素の光源
変換結果を出力する垂直出力線である。なお、この実施
の形態は、この回路図の構成に限定されるものではな
く、同じ機能を有すれば、類似の回路構成を用いてもよ
いことは言うまでもない。
【００４０】この等価回路による実施の形態において
は、受光部二つ当たりに、読み出し回路４０５が共通化
されており、拡散領域Ｃ０３に受光部４０２、４０３の
どちらの光電変換結果を転送するかで、どちらの受光部
の結果を読み出すかを選択することができる。また、受
光部４０２および４０３の、光電変換結果の和を出力す
るときは、両者の転送用トランジスタを活性化し、二つ
の受光部に蓄積された電荷を拡散領域において足しあわ
せればよい。
【００４１】図１０は、図９における、受光部と転送ス
イッチの一対、および、拡散領域、読み出し回路らを、
断面図と機能ブロックで示したものである。なお、図９
と同等の部位には、同じ番号を付している。ここでは、
受光部４０２は、転送部Ｃ０１を介して、拡散領域Ｃ０
３に接続される。また、転送部Ｃ０１は、酸化膜Ｄ０１
を介して、転送を制御する電極Ｄ０２が基板上に積層さ
れている。
【００４２】また、受光部上の不純物層Ｄ０３は、基板
−層間絶縁膜界面の暗電流発生源を抑制するためのもの
である。拡散領域Ｃ０３は、ソースフォロア、その他で
形成される増幅器Ｄ０４へ接続され、また、リセットス
イッチＤ０５を介して、リセット電圧Ｄ０６へ接続され
る。また、増幅器の出力は、選択スイッチＤ０７を介し
て、垂直出力線へとつながる端子Ｄ０８に接続されてい
る。なお、ここでの構造は、あくまで一例であり、その
具体的構成は、この事例に限定されるものではない。ま
た、ここに図示するものは、必要な部位のみを抜き出し
ているのであって、例えば、ＬＤＤ構造、その他、上部
層間膜などは、勿論、省略されているのである。
【００４３】そして、仮に、図８あるいは図９での受光
部４０２にのみ、強い光が入射し、受光部４０２が飽和
したとする。その際、電荷があふれるが、例えば、電荷
を電子と仮定すると、ポテンシャルの低い、かつ、受光
部４０２と近接しているところへ、その電子は逃げよう
とする。よって、電子は、受光部４０３もしくは隣の画
素の受光部などへと、通常は逃げようとするが、電極Ｄ
０２に印加する電圧を中間電位に保つことで、不純物層
Ｄ０３をオーバーフロードレインとすることができるの
で、この原理を利用することにより、別な受光部への電
荷の漏れ込みを防ぐことができる。
【００４４】また、拡散領域Ｃ０３は、実際の画素の設
計時において、分離して、配置される可能性がある。つ
まり、拡散領域は、それぞれの転送部に別々に設けら
れ、増幅器に接続される際に、上部の配線によって、共
通化されることがあり得る。ただし、このような場合
も、拡散領域が共通化されている場合と、電気的には全
く変わりなく、同等の効果を得ることができる。
【００４５】また、図１０のような、拡散領域を、一
旦、リセット電圧Ｄ０６にて、リセットする形式の画素
においては、受光部４０２から電荷を転送する前の、拡
散層の初期ノイズを、転送後の拡散層の信号値から減算
することで、ランダムノイズ、および固定パターンノイ
ズの少ない光電変換結果を得られることが、既に知られ
ている。そこで、この実施の形態でも、同様の操作によ
って、本発明の効果と共に、その利益を得ることができ
る。なお、図８、図９に示される回路形式のセンサ、ま
た、それに類似するセンサにおいても、同様の利益を得
ることができる。
【００４６】また、この実施の形態においては、受光部
に近接して増幅回路を有するＣＭＯＳセンサを事例とし
て挙げているが、本発明では、それには限定されるもの
ではなく、例えば、ＣＣＤ、その他の、如何なる固体撮
像装置の構造を用いてもよい。また、ＣＭＯＳセンサの
画素レイアウトも、この実施の形態のように、画素から
見て、行方向に周辺回路４０５が配置されているが、こ
れは、この実施の形態に限定されるものではなく、例え
ば、画素から見て、列方向に周辺回路４０５が配置され
ていてもよい。
【００４７】また、図８、図９および図１０において
は、増幅器として、ソースフォロアを事例として挙げて
いるが、これには限定されず、例えば、ソース接地を施
した反転増幅器、オペアンプを用いた正転・反転増幅
器、ゲイン可変の増幅器などを用いてもよい。また、拡
散領域に生じた電圧を電流に変換して、垂直信号線を伝
播させる方式を採用してもよい。
【００４８】また、上述の実施の形態おいては、受光部
の対と、読み出し回路とを合わせた画素一つのアスペク
ト比が１：１となるように設計されているが、アスペク
ト比は、これに限定されず、如何なる値でもよい。その
際、マイクロレンズは真円とは成らず、楕円、もしく
は、角が丸められた長方形となるが、その形状、厚みな
どは、通常の設計事項であり、光学系全体を考慮して設
計を行えば、如何なる形状、厚みでもよい。
【００４９】また、この固体撮像装置は、測距時（位相
差検知時）において、対となる受光部同士の信号を、撮
像時には独立して加算し、読み出す必要があるが、その
実現形態は、その機能を発揮するものなら、如何なるも
のでもよく、例えば、その加算は、上述したように、画
素の周辺回路４０５にて行ってもよく、また、出力経路
の任意の位置で行ってもよく、更に、独立に、外部のフ
レームバッファ上で読み出してもよい。
【００５０】また、このような固体撮像装置を中心に、
光学系、信号処理系を設計し、撮像システムを構成する
ことで、測距と撮像との両者を、一つの固体撮像装置で
行うことができ、また、撮像時の信号の均一性に優れた
撮像システムを構成することができた。
【００５１】（第２の実施の形態）第２の実施の形態
を、図１１を参照して、具体的に説明する。なお、図６
と同等の部位には、同じ番号を付している。ここでの効
果は、以下の通りである。即ち、先述の図６に係わる実
施の形態においては、行方向の一対の受光部を一つの集
合とみなしていたが、この実施の形態においては、列方
向の一対の受光部を一つの集合対とみなすような配置を
行っている。
【００５２】よって、点線で囲まれた領域４０４を除く
部分は、遮光膜（図示せず）によって覆われている。
【００５３】図６の受光部配置は、固体撮像装置の撮影
する像の、縦方向の周波数成分の位相差検知しか行え
ず、横方向の周波数成分のみで形成される像に対して
は、位相差検知を行うことができない。これに対比し
て、この実施の形態では、第１の実施例と同等の効果
を、横方向の位相差検知を行う固体撮像装置に対して
も、得ることができる。
【００５４】（第３の実施の形態） （請求項３に対応）第３の実施の形態を、図１２を参照
して、具体的に説明する。なお、図６と同等の部位には
同じ番号を付している。ここで、第１および第２の実施
の形態と異なる点は、一つのマイクロレンズに、四つの
受光部８０１〜８０４が設けられていることである。そ
して、点線で囲まれた領域４０４を除く部分が遮光膜
（図示せず）によって遮光されている。なお、符号４０
５は、図４の読み出し回路４０５と同じような周辺回路
である。それらの分離構造は、第１の実施の形態と同様
に構成されている。そして、その効果は以下の通りであ
る。即ち、第１、第２の実施の形態での受光部の配置
は、それぞれ、縦方向、横方向の周波数成分検知しか行
うことができず、縦方向、横方向の両者に対応できな
い。
【００５５】これに対しして、この実施の形態では、受
光部８０１と８０２、受光部８０３と８０４の各信号
を、それぞれ、加算することで、第１の実施の形態と等
価に、また、受光素部８０１と８０３、受光部８０２と
８０４の各信号を、それぞれ、加算することで、第２の
実施の形態と等価になる。しかも、その分離領域は、第
１、第２の実施の形態と同様な感度を有し、同様の効果
を得ることができた。
【００５６】なお、受光部の配置は、この実施の形態に
限定されるものではなく、例えば、四つの受光部を行、
もしくは、列方向に対して、４５度、回転させた配置に
しても良い。また、受光部は、四つには限定されず、例
えば、分離部の交点に、もう一つの受光部を設けて、五
つの受光部を一つの対にしてもよい。即ち、本発明で
は、如何なる配置、受光部の個数においても、分離部が
所要の感度を持つという効果を得ることができる。
【００５７】（第４の実施の形態）この実施の形態を、
図１３を参照して、具体的に説明する。なお、図３と同
様の部位には、同じ番号を付している。ここで、符号９
０１は、その中のみが開口されている領域であり、９０
２、９０３は、アルミもしくはその合金などの金属で構
成され、光をほとんど通さない材料の層を用いて形成さ
れた遮光膜、９０４、９０５は、垂直シフトレジスタを
駆動するための配線であり、通常、ポリシリコンで形成
されている。また、９０６は、異なる対の画素同士を分
離するための高濃度不純物領域、９０７は、第１〜第３
の実施の形態と同様に、所要の感度を保ちながら、受光
部間の電気的独立を保つような、分離を行うように構成
された分離領域、９０８は、第１の実施の形態で説明し
たのと同じ、基板表面の暗電流を抑制するために設けら
れた高濃度表面不純物層である。
【００５８】この実施の形態で、図３と異なる点は、図
３の例では、受光部３０１、３０２がそれぞれ独立して
開口されていたのに対し、ここでは、領域９０１のよう
に、再受光部上に１つの共通開口が形成されている点で
ある。Ｃ−Ｄ線に沿った断面図で説明すると、符号９０
２、９０３が遮光膜であり、その下の分離用の高濃度不
純物層９０６に入る光を完全に遮っている。これに対し
て、対になる画素３０１、３０２間の分離領域９０７の
上には、遮光膜が存在しない。そして、分離領域９０７
の上には配線９０４、９０５が存在するが、ポリシリコ
ンは、遮光の機能をほとんど有しないから、十分な光線
が、基板に到達し、光電変換を行うことができる。
【００５９】このような構成で、ＣＣＤにおいても、対
となる画素間の遮光を取り除くことで、所要の感度につ
いての、面内不均一性を解消することが可能となった。
【００６０】また、対となる画素の独立読み出し、およ
び、加算読み出しは、例えば、垂直シフトレジスタの駆
動法を制御するなど、従来のＣＣＤに用いられている技
術を援用すればよい。また、第１の実施の形態と同様
に、出力経路の任意の位置、および、外部のフレームバ
ッファ上など、如何なるところで加算してもよい。
【００６１】
【発明の効果】本発明において、その第１の効果は、画
素の受光部内で瞳が投影される位置によらず、一定の感
度を保つことができ、面内均一性の高い、測距・撮像兼
用センサを構成することができることである。
【００６２】その第２の効果は、画素上にマイクロレン
ズを設けることで、異なる瞳を通過する光束をより、そ
れぞれの独立した受光部に収束させることが可能とな
り、測距の精度を向上させることができる。さらに、撮
像時の実効的な開口率が上がるために、より感度の高い
固体撮像装置を実現することである。
【００６３】その第３の効果は、同一の集合に属する画
素の個数を増やすことで、より多くの成分の空間周波数
を検出することができ、さまざまな被写体の測距の実現
が可能となることである。
【００６４】その第４の効果は、明示的に素子を配置し
ないことにより、同一集合に属する画素の間の距離を最
小にすることができ、分離領域で生じた電荷を、より多
く捕捉でき、感度の向上が実現できることである。
【００６５】更に、その第５の効果は、面内均一性、感
度、測距性能の高い測距・撮像兼用センサにおいて、セ
ンサ上で、測距用信号、および、撮像用信号を選択して
読み出すことが可能となり、センサ外での処理を軽減で
きることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の例を説明するための模式図である。
【図２】同じく、従来の例を説明する図である。
【図３】同じく、従来の例を説明する図である。
【図４】本発明に係わる第１の実施の形態を示すセンサ
の平面および断面図である。
【図５】同じく、センサ受光部の断面図である。
【図６】同じく、センサ受光部の断面図である。
【図７】同じく、センサ受光部の断面図である。
【図８】同じく、上述の実施の形態での、一画素の等価
回路である。
【図９】同じく、一画素の等価回路である。
【図１０】同じく、一受光部、一転送部、一拡散領域の
断面図および機能ブロックで示した読み出し回路であ
る。
【図１１】本発明に係わる第２の実施の形態を示すセン
サの平面図である。
【図１２】本発明に係わる第３の実施の形態を示すセン
サの平面図である。
【図１３】本発明に係わる第４の実施の形態を示すセン
サの平面図である。
【符号の説明】
１０１〜１０４ 光束 １０５ マイクロレンズ １０６、１０７ 受光部 ２０１、２０２ 撮像素子 ２０４〜２０８ 画素 ２０９ 円 ２１０ 受光領域 ２１１ 受光領域 ２１２ 円 ３０１、３０２ 受光部 ３０３ 垂直電荷転送部 ３０４ マイクロレンズ ４０１ マイクロレンズ ４０２、４０３ 受光部 ４０４ 領域 ４０５ 周辺回路 ５０１ 酸化膜 ５０２ 不純物層 ５０３ 素子間領域 ５０４ 光 ５０５ 電荷 ６０１ 不純物領域 ８０１〜８０４ 受光部 ８０５、８０６ 周辺回路 ８０７ 分離領域 ９０２、９０３ 遮光膜 ９０４、９０５ 配線 ９０６ 高濃度不純物層 ９０７ 分離領域 ９０８ 高濃度表面不純物層 Ａ０１ 酸化膜 Ａ０２ 不純物層 Ｃ０１、Ｃ０２ 転送用トランジスタ Ｃ０３ ノード Ｃ０４ トランジスタ Ｃ０５ リセットトランジスタ Ｃ０６ 選択用トランジスタ Ｄ１ 酸化膜 Ｄ２ 電極 Ｄ３ 不純物層 Ｄ４ 増幅器 Ｄ５、Ｄ６ リセットスイッチ Ｄ７ 選択スイッチ Ｄ８ 端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｇ０２Ｂ 7/11 Ｚ Ｈ０１Ｌ 27/14 Ａ Ｆターム(参考） 2H051 AA00 BA06 CB22 CD06 4M118 AA06 AB01 AB03 BA10 BA14 CA03 CA04 FA06 FA13 FA26 FA27 FA28 FA33 FA42 GB07 GD07 GD20 5C022 AA13 AB28 AC42 5C024 AX01 CX00 CY17 EX12 EX43 GX21 GY01 GY31 GZ36

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光電変換機能を有する画素を複数個、行
    上もしくは行・列上に配置した固体撮像装置において、
    Ｎ個の隣接する画素を一つの集合とし、同一集合にある
    画素の間の分離領域を遮光することなく、異なる集合の
    間を遮光する遮光手段を有することを特徴とする固体撮
    像装置。
  2. 【請求項２】 前記同一集合にある画素の上に設けられ
    るマイクロレンズが、ただ一つであることを特徴とする
    前記請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 前記Ｎは、２以上であることを特徴とす
    る請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 【請求項４】 前記同一集合にある画素間の分離領域に
    は、素子が配置されていないことを特徴とする請求項１
    に記載の固体撮像装置。
  5. 【請求項５】 前記同一集合にある画素の光電変換結果
    を、それぞれ、独立に読み出す手段、および、前記同一
    集合にある画素の光電変換結果を、すべて加算して読み
    出す手段を有することを特徴とする請求項１〜４の何れ
    か１項に記載の固体撮像装置。
  6. 【請求項６】 前記画素は、第一の導電型の半導体基板
    内に独立に形成された第二の導電型の受光部と、前記受
    光部に接する、半導体基板上に絶縁膜を介してゲート電
    極を形成することで構成される転送部と、前記転送部に
    接する、第二の導電型の拡散領域および前記拡散領域に
    電気的に接続される読み出し回路とからなることを特徴
    とする請求項１〜５の何れか１項に記載の固体撮像装
    置。
  7. 【請求項７】 前記同一集合にある画素の読み出し回路
    の出力をそれぞれ独立に読み出す手段、および、前記同
    一集合にある画素の読み出し回路の出力をすべて加算し
    て読み出す手段を有することを特徴とする請求項６に記
    載の固体撮像装置。
  8. 【請求項８】 前記画素は、第一の導電型の半導体基板
    内に独立に形成された第二の導電型の受光部と、前記受
    光部に接する、半導体基板上に絶縁膜を介してゲート電
    極を形成することで構成される転送部と、前記転送部に
    接する、第二の導電型の拡散領域および前記拡散領域に
    電気的に接続される読み出し回路とからなり、前記拡散
    領域と前記読み出し回路が、同一集合に属する画素内で
    共通であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項
    に記載の固体撮像装置。
  9. 【請求項９】 前記拡散領域は位置的に独立に分布し、
    それらを、配線を用いて接続することで、一つの共通の
    拡散領域とすることを特徴とする請求項８に記載の固体
    撮像装置。
  10. 【請求項１０】 前記同一集合に属する画素において、
    前記転送部を独立に制御し、前記同一集合に属する画素
    の前記受光部の光電変換信号を独立に前記拡散領域に転
    送する手段、および、前記転送部を共通とみなし、前記
    同一集合に属する画素の前記受光部の光電変換信号を同
    時に前記拡散領域に転送する手段を備えたことを特徴と
    する請求項８あるいは９に記載の固体撮像装置。
  11. 【請求項１１】 前記読み出し回路は、電圧増幅、電流
    増幅、もしくは電力増幅回路を含むことを特徴とする請
    求項６〜１０の何れか１項に記載の固体撮像装置。
  12. 【請求項１２】 前記読み出し回路は、画素のリセット
    手段、画素の選択手段を含むことを特徴とする請求項６
    〜１１の何れか１項に記載の固体撮像装置。
  13. 【請求項１３】 前記画素をリセットしたときの読み出
    し回路の第一の出力を保持し、受光部の光電変換信号を
    読み出しているときの読み出し回路の第二の出力と前記
    第一の出力の差分を求める手段を有することを特徴とす
    る請求項１２に記載の固体撮像装置。
  14. 【請求項１４】 前記画素は、第一の導電型の半導体基
    板内に独立に形成された第二の導電型の受光部と、前記
    受光部に接する、半導体基板上に絶縁膜を介してゲート
    電極を形成することで構成される転送部と、前記転送部
    に接する、電荷転送レジスタとから成ることを特徴とす
    る請求項１〜５の何れか１項に記載の固体撮像装置。
  15. 【請求項１５】 前記同一集合にある画素において、前
    記受光部の光電変換結果をそれぞれ独立に読み出す手
    段、および、前記受光部の光電変換結果をすべて加算し
    て読み出す手段を有することを特徴とする請求項１４に
    記載の固体撮像装置。
  16. 【請求項１６】 前記受光部を内包し、前記受光部の接
    合深さよりも薄い接合深さを有し、前記受光部の不純物
    濃度よりも濃い不純物濃度を有する第一の導電型の表面
    拡散部を持つことを特徴とする請求項６〜１５の何れか
    １項に記載の固体撮像装置。
  17. 【請求項１７】 前記同一集合にある画素において、前
    記表面拡散部が、互いに接続されていることを特徴とす
    る請求項１６に記載の固体撮像装置。
  18. 【請求項１８】 請求項１から請求項１５の何れか１項
    に記載される固体撮像装置と、前記固体撮像装置に光を
    導入する装置と、前記固体撮像装置から出力される信号
    を処理する手段とを有することを特徴とする撮像システ
    ム。
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