JP2006073621A - 測距用固体撮像装置とこれを用いたオートフォーカスカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】感度均一性が向上した測距用固体撮像装置を実現することである。又、ＰＲＮＵの歩留まり向上によるチップの低コスト化を図ること。
【解決手段】第１導電型である半導体基板と、前記半導体基板中に設けられた第１導電型とは反対の導電型である第１の不純物拡散層により形成されたＰＮフォトダイオードと、前記ＰＮフォトダイオードが複数配列された有効画素列と、有効画素とピッチを異ならせたダミー画素を有する測距用固体撮像装置において、前記ダミー画素は前記有効画素列に隣接配置され、有効画素とダミー画素の第１不純物拡散層の配列ピッチが同じになるように配置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、測距用固体撮像装置の高精度化に関し、特にＴＴＬ−ＳＩＲ (Through The Lens Secondary Imaged Registration: ２次結像位相差検出）型の測距用固体撮像装置とこれを用いたオートフォーカスカメラに関する。

近年、ＴＴＬ−ＳＩＲ型オートフォーカスセンサの多点測距化が行われており、様々なレイアウトをした固体撮像装置が開発されてきている。図９に従来の測距用固体撮像装置の概略的レイアウトを示す。

図９において、１はＳｉ半導体基板、２はフォトダイオードアレイ、３はＡＦセンサ読み出し回路、４はＡＦセンサブロックからの信号を増幅するための信号増幅回路、５はアナログ回路を動作させるための電源回路、６はＡＦセンサの蓄積時間と信号出力回路のゲインを決めるためのＡＧＣ回路、７はセンサを駆動するためのロジック回路、８は各種のアナログ信号を選択して読み出すためのマルチプレクサ回路である。この測距用固体撮像装置において、９点測距を実現させるために、リニアセンサが１０ペア配置されている。

又、中央の測距点に対しては水平配置と垂直配置した２つのリニアセンサ対を設けたことで、縦線検知と横線検知の両方を行うクロス測距を可能としている。これらの装置において、撮影レンズを通ってきた光束を２次結像光学系によってＡＦセンサ上の基準部用リニアセンサと参照部用リニアセンサの２つ位置に被写体像を再結像させ、その２つの被写体像の位相差検出を行ってデフォーカス量を求めるものである。

対角位置の測距を可能にするため、リニアセンサ５とリニアセンサ６が縦方向に並べて配置されている。又、通常は図１０に示したように、有効画素列に隣接させてダミー画素が設けられている。これは有効画素端の特性とその他の有効画素の特性を揃えるのに必要なことである。

次に、図１１を用いてこのダミー画素の必要性について説明する。

ダミー画素が無い場合、隣接する素子分離領域からの暗電流成分や光電荷のクロストーク成分が端画素では異なるため、有効画素列の端の感度とノイズが他の有効画素とは異なってしまうことになる。ここでダミー画素があれば、端の有効画素へのクロストーク量が同じになるため、感度やノイズ特性を揃えることが可能となる。そのため、従来は有効画素に隣接させて、最低でも１つのダミー画素を設けていた。

特開２０００−１８０７０６号公報

小型化と低コスト化のためにはチップサイズ縮小が必須であるが、多点化の要求と相成って各リニアセンサの間隔が狭まっており、フォトダイオード列間が２画素ピッチ以下になってしまうことがある。そして、場合によっては有効画素の隣にダミー画素を設けることが困難になることがある。例えば、上記従来例においても有効画素列の間に最低２画素分のレイアウト領域が有れば良いが、２画素分以下になった場合には有効画素と同じ画素ピッチのダミー画素を設けることができなくなる。このような場合、画素ピッチを異ならせた（ここでは狭くした場合）ダミー画素を設けることで対応していた。

しかしながら、このような方法では、図１２に示したように、ダミー画素から有効画素へのクロストーク量が少なくなるため、有効画素列の端画素での感度が低下してしまうという問題があった。

本発明の目的は、感度均一性が向上した測距用固体撮像装置を実現することである。又、ＰＲＮＵの歩留まり向上によるチップの低コスト化も目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、第１導電型である半導体基板と、前記半導体基板中に設けられた第１導電型とは反対の導電型である第１の不純物拡散層により形成されたＰＮフォトダイオードと、前記ＰＮフォトダイオードが複数配列された有効画素列と、有効画素とピッチを異ならせたダミー画素を有する測距用固体撮像装置において、前記ダミー画素は前記有効画素列に隣接配置され、有効画素とダミー画素の第１不純物拡散層の配列ピッチが同じになるように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、感度不均一性が低減した測距用固体撮像装置が実現できる。又、ＰＲＮＵ低減によりチップの歩留まりが向上し、固体撮像装置のコストダウンが可能となる。更に、本測距用固体撮像装置をディジタル一眼レフカメラへ搭載した場合、従来必要であったカメラシステムによる感度補正が不要になるため、高精度小型低価一眼レフカメラが実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の特徴を最も良く表す図面であり、本発明を施した固体撮像装置の概略的平面レイアウト図である。同図において、１はＳｉ半導体基板、２はフォトダイオードアレイ、３はＡＦセンサ読み出し回路、４はＡＦセンサブロックからの信号を増幅するための信号増幅回路、５はアナログ回路を動作させるための電源回路、６はＡＦセンサの蓄積時間と信号出力回路のゲインを決めるためのＡＧＣ回路、７はセンサを駆動するためのロジック回路、８は各種のアナログ信号を選択して読み出すためのマルチプレクサ回路である。

図２は画素の平面図と断面図を示したものである。（ａ）図は画素平面図であり、（ｂ）図は（ａ）図のＹ−Ｙ’部分の断面構造図である。同図において、１はＳｉ半導体基板、３０はｎ- エピタキシャル層、３１は光キャリアを蓄積するＰ層、３２はＳｉ表面からの暗電流を抑制するための表面Ｎ⁺ 層、３３は素子分離領域であるＬＯＣＯＳ領域、３４はＰ⁺ 層の電位を取るためのコンタクト領域である。

図３に示したように、リニアセンサ５とリニアセンサ６の間には画素ピッチ狭いダミー画素が設けられているが、光キャリア吸収層である３１のＰ＋
層の位置は等ピッチになっていることが特徴である。

次に、ＡＦリニアセンサ回路の具体的な回路図を図４に示す。ここに示したＣＭＯＳリニア型ＡＦセンサは、先に本出願人が提案した回路である（特開２０００−１８０７０６号公報等参照）。

図４において、１０は光電変換を行うｐｎ接合フォトダイオード、１１はフォトダイオードの電位をＶＲＥＳにリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタ、１２は差動増幅器であり、１０〜１２によって増幅型光電変換素子を構成する。１３はクランプ容量、１４はクランプ電位を入力するためのＭＯＳスイッチであり、１３と１４でクランプ回路を構成している。１５〜１８はスイッチ用ＭＯＳトランジスタ、１９は最大値検出用差動増幅器、２０は最小値検出用差動増幅器であり、それぞれの差動増幅器は電圧フォロワ回路を構成している。２１は最大値出力用ＭＯＳスイッチ、２２は最大値出力用ＭＯＳスイッチ、２３はＯＲ回路、２４は走査回路、２５，２６は定電流用MOS トランジスタである。

最小値検出回路用には最終段がＰＭＯＳのソースフォロワ回路、最大値検出回路用には最終段がＮＭＯＳのソースフォロワ回路となっている。２７は画素からの信号が出力される共通出力線である。本回路構成において、最大値検出回路と最小値検出回路の前段にフィードバック型のノイズクランプ回路を設けることにより、フォトダイオードで発生するリセットノイズと、センサアンプ、最大値検出回路、最小値検出回路で発生するＦＰＮの除去が可能となっている。

又、最終出力段がソースフォロワ形式である電圧フォロワ回路を画素毎に構成し、最小値出力時には各電圧フォロワの出力段の定電流源をオフにして、定電流源に接続された出力線に共通接続することにより、映像信号の最小値を得ることができる。又、映像信号出力時には、各電圧フォロワの出力段の定電流源をオンにして、各電圧フォロワ回路を順次、出力線に接続させることにより、シリアルな映像信号を得ることができる。この動作により、最小値検出回路と信号出力回路を兼用できるため、チップの小型化が可能となる。

次に、本発明のダミー画素を配置した効果について説明する。

図５はリニアセンサ５とリニアセンサ６のダミー領域を中心にしたフォトダイオードの断面構造図である。光蓄積領域となるＰ＋
層を等間隔で配置することで、電荷収集領域となる空乏層領域が有効画素の端の画素でも等間隔になるため、素子分離領域下で発生した光電荷は５０％の割合で有効画素とダミー画素へ拡散して吸収される。その結果、クロストーク特性が全有効画素において同じになるため、ＰＲＮＵの悪化を防ぐことが可能となった。

本実施の形態において、ＰＲＮＵが低減した高性能の測距用固体撮像装置が実現できた。本発明は、ＣＭＯＳセンサのみならず、ＣＣＤ、ＶＭＩＳ、ＢＣＡＳＴ、ＬＢＣＡＳＴ等にも当然のことながら応用可能である。特に、ＢＣＡＳＴやＬＢＣＡＳＴに対しては増幅用ＭＯＳトランジスタをＪＦＥＴトランジスタに置き換えることで、本質的な変更を伴わずに実現できる。

＜実施の形態２＞
図６に本発明を施した実施の形態２における平面レイアウトを示す。

本実施の形態は、ダミー画素の光電荷吸収層（Ｐ＋ 層）の位置を変えるとともに、光電荷吸収層の面積（幅）も変えたことを特徴とする。実施の形態１では、光電荷吸収層の面積（幅）は有効画素とダミー画素で同じであったが、本実施の形態ではダミー画素の光電荷吸収層の幅を狭くしたことを特徴とする。本実施の形態によって、より微細化に対応できるダミー画素構造が実現し、更に微細化された測光測距用固体撮像装置が可能となった。

＜実施の形態３＞
図７は本発明を施した実施の形態３における平面レイアウト図と、ダミー画素領域の拡大図を示したものである。

本実施の形態においては、エリア型AFセンサに適用した例を示す。このエリア型ＡＦセンサは本出願人により特開平１１−１９１８６７号公報等で開示されたものである。実施の形態１と実施の形態２においてリニアセンサ対によって位相差検出型測距を行っていたが、本実施の形態は、エリアセンサ対によって位相差検出型測距を行うことを特徴とする。エリアセンサを使うことでより広い領域に対してのオートフォーカスが可能となる。本実施例の形態においても、位相差検出を行うために設けたエリアセンサの有効画素領域の外側にダミー画素を設けることにより、チップサイズの縮小に繋げている。本実施の形態によって、リニアセンサのみならず、エリアセンサにおいてもＰＲＮＵの低減が可能となった。

＜実施の形態４＞
図８は本発明を用いるＴＴＬ−ＳＩＲ型オートフォーカスシステムを搭載した一眼レフカメラの光学系概略図を示している。

図８において、４０は被写体像をフィルム上やイメージセンサ上に一時結像させるための撮影レンズ、４１はファインダースクリーン42へ光を反射させるためのクイックリターンミラーであり、光を数１０％透過するハーフミラーとなっている。４３はＡＦ系へ光を導くためのサブミラー、４４は本発明の測距用固体撮像装置、４５はＡＦセンサ上に被写体像を再結像させるための二次結像レンズ（メガネレンズ）、４６はＡＦセンサ４４へ光を導く反射ミラー、４７はフォーカルプレーンシャッター、４８はフィルム又はイメージセンサ、４９は光線の主軸を示している。

本実施の形態において、実施の形態１〜実施の形態３に記載の測距用固体撮像装置を用いることで、従来以上の測距性能を有する一眼レフカメラの実現が可能となった。又、ＰＲＮＵ補正のためのシステムが従来よりも簡単になるため、カメラの低価格化にも貢献できる。

本実施の形態は、アナログカメラ、デジタルカメラを問わず、ＴＴＬ−ＳＩＲ型ＡＦカメラであれば、本発明が適用できることは明らかである。

本発明の実施の形態１の平面レイアウト図である。 本発明の画素平面図と断面図である。 本発明の実施の形態１の特徴を説明する図である。 本発明の実施の形態１のＡＦ回路構成図である。 本発明の実施の形態１の効果を説明する図である。 本発明の実施の形態２の断面図である。 本発明の実施の形態３の平面レイアウト図である。 本発明の実施の形態４のカメラシステム図である。 従来のＡＦセンサのリニアセンサ配置図である。 従来のＡＦセンサのダミー画素領域のレイアウト図である。 従来のダミー画素効果を説明する図である。 従来のダミー画素の問題点を説明する図である。

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ フォトダイオードアレイ
３ ＡＦ読み出し回路
４ 信号処理回路
５ 電源回路
６ ＡＧＣ回路
７ ロジック回路
８ マルチプレクサ
９ ダミー画素
１０ フォトダイオード
１１ リセットＭＯＳトランジスタ
１２，１９，２０ 差動増幅回路
１３ クランプ容量
１４ クランプＭＯＳトランジスタ
１５〜１８ スイッチＭＯＳトランジスタ
２１ 最大値出力用ＭＯＳトランジスタ
２２ 最小値出力用ＭＯＳトランジスタ
２３ ＯＲ回路
２４ シフトレジスタ
２５，２６ 定電流源
２７ 信号出力線
３０ ｎ− エピタキシャル層
３１ Ｐ層
３２ 表面Ｎ＋ 層
３３ ＬＯＣＯＳ領域
３４ コンタクト領域
４０ 撮影レンズ
４１ クイックリターンミラー
４２ ファインダースクリーン
４３ サブミラー
４４ 本発明の測距用固体撮像装置
４５ 二次結像レンズ
４６ 反射ミラー
４７ フォーカルプレーンシャッター
４８ イメージセンサ
４９ 主光線軸

Claims (8)

1. 第１導電型である半導体基板と、前記半導体基板中に設けられた第１導電型とは反対の導電型である第１の不純物拡散層により形成されたＰＮフォトダイオードと、前記ＰＮフォトダイオードが複数配列された有効画素列と、有効画素とピッチを異ならせたダミー画素を有する測距用固体撮像装置において、
   前記ダミー画素は前記有効画素列に隣接配置され、有効画素とダミー画素の第１不純物拡散層の配列ピッチが同じになるように配置されていることを特徴とする測距用固体撮像装置。
2. 複数の有効画素列を有していることを特徴とする請求項１記載の測距用固体撮像装置。
3. 画素ピッチの異なるダミー画素が複数のリニアセンサの間に設けられていることを特徴とする請求項２記載の測距用固体撮像装置。
4. 有効画素列間の距離が有効画素の２画素未満であることを特徴とする請求項３記載の測距用固体撮像装置。
5. 前記第１不純物拡散層の面積が有効画素とダミー画素で異なっていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の測距用固体撮像装置。
6. 位相差検出型のオートフォーカスを行うための複数のリニアセンサであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の測距用固体撮像装置。
7. ＣＭＯＳプロセスで製造可能なＣＭＯＳ型固体撮像装置であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の測距用固体撮像装置。
8. 請求項１〜７の何れかに記載の測距用固体撮像装置を搭載して成ることを特徴とするオートフォーカスカメラ。

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