JP2009105358A - 固体撮像素子及びこれを用いた電子カメラ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の固体撮像素子は、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する複数の撮像用画素と、光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を出力する複数の焦点検出用画素とを有し、前記焦点検出用画素には入射光が光電変換部に入射される領域を規定する第1の遮光膜が当該画素に光の入射する側に配置され、前記第1の遮光膜は前記複数の階層による前記金属層のうちの最下層の金属層により形成され、複数の駆動用配線のいずれかと電気的に接続される。本発明の電子カメラはこの固体撮像素子が搭載される。
【選択図】図9
Description
特許文献3には上記のように、二つの光電変換部を有しマイクロレンズが画素に対して1対1に設けられるAF用画素が開示されている。一方、特許文献4には、一つの画素に一つの光電変換部を有しマイクロレンズが画素に対して1対1に設けられるAF用画素が開示されている。これによれば、射出瞳の中心から所定方向へ偏心するAF用画素と、射出瞳の中心からそれとは反対方向へ偏心するAF用画素とを設け、二つのAF用画素のAF信号により焦点が検出される。
このような構成とすれば、一つのAF画素から二つの光電変換部に対応する二つのAF信号を読む必要が無いので、AF信号の読み出しが高速化され、駆動回路も簡略化できる。さらに、二つの光電変換部を有するAF用画素よりも画素に配置するトランジスタ数が低減されるため、微細化においても、特許文献4のような構成が好ましい。
特に、微細化が進むと更に焦点検出能力が低下する恐れがあった。つまり、微細化が進めば、開口率が低減され出力される信号成分(S)も低下する。しかし、それに対しノイズ成分(N)は、ほぼ同等のままであり、このためS/N比が悪化する。
また、光電変換された電荷が蓄積される光電変換部や、浮遊拡散部には周知のように寄生容量が発生する。ここで、微細化が進むと上記のように信号成分(S)は低下し、寄生容量値のばらつきが相対的に大きくなってしまう。
なお、このような問題は画像信号生成用画素においても生ずるが、AF用画素は、画像信号生成用画素よりも開口率が小さいため、より大きな問題となる。したがって、このような固体撮像素子を搭載した電子カメラは、焦点検出機能に限界を生ずる可能性があった。
本発明の第8の態様による固体撮像素子は、前記第7の態様において、前記第2の遮光膜は、複数の階層による前記金属層のうち前記最下層の金属層に次いで形成される金属層により設けられ、前記第2の遮光膜は、これと同じ階層による金属層で設けられる駆動用配線と接続されることを特徴とする。
本発明の第14の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第13の態様において、前記第1の遮光膜の底面と、前記光電変換部との間隔は、1μm以下であることを特徴とする。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電子カメラ1を示す概略ブロック図である。電子カメラ1には、被写体像を結像する光学系としての撮影レンズ2が装着される。この撮影レンズ2は、レンズ制御部2aによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ2の像空間には、撮影レンズ2により結像された被写体像を光電変換する固体撮像素子3の撮像面が配置される。
t1の時点に至る前において、φRESはハイレベルとされてリセットトランジスタ55はオン状態とされている。これにより、浮遊拡散部52は、基準レベルにリセットされる。t1の時点において、φRESはローレベルとされる。これにより、リセットトランジスタ55はオフ状態とされるが、浮遊拡散部52のリセットレベルはオフ状態が維持される。また、t1の時点において、選択行(図6では1行目)のφSELはハイレベルとされて選択トランジスタ54はオン状態とされる。これにより、選択行の各画素は、対応する垂直出力線25と接続され、浮遊拡散部52の基準レベルに応じたレベル(ダークレベル)が、画素アンプトランジスタ53から垂直信号線25を介してCDS回路27に蓄積される。
図7は撮像用画素20Aの主要部を模式的に示す概略図であり、(a)は平面図、(b)は図7(a)中のX1−X2線に沿った断面図である。撮像用画素20Aは、光電変換部42と、光電変換部42上にオンチップで形成されたマイクロレンズ41とを備えている。実際には、マイクロレンズと41と光電変換部42の間にはカラーフィルタが配置されるが、ここでは省略している。
また、光電変換部42、FD64をソース又はドレインとし、ポリシリコンによる電極層を転送ゲート電極69として転送トランジスタ51が設けられる。転送ゲート電極69は、二層目の金属層で設けられる駆動用配線23のうち、φTXの信号が印加される配線と接続されている。なお、転送ゲート電極69は、リセットゲート電極68と同様な理由により画素の内部配線72を介してφTXの信号が印加される駆動用配線23と接続されている。
図15は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像素子83のAF用画素80Bの概略平面図であり、図9に対応する。なお、撮像用画素80A、固体撮像素子83の回路構成、これを用いた電子カメラの構成等は、第1の実施形態と同様でありその説明は重複するので省略する。また、実際には三層目の金属層88が配置されるが、本図においては省略している(図16参照)。
図17は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像素子85のAF用画素86Bの概略平面図であり、図9に対応する。なお、撮像用画素86A、固体撮像素子85の回路構成、それを用いた電子カメラの構成等は第1の実施形態と同様であり、その説明は重複するので省略する。また、実際には三層目の金属層89が配置されるが、本図においては省略している(図18参照)。図18は、理解を容易にするため図17の各階層の金属層及びゲート電極層を階層ごとに示す平面図であり、図10に対応する。
また、第1の遮光膜43は、X方向、Y方向と平行になる方向に各辺を有する四角形状をなしている。そして、第1の遮光膜43と接続されるφRESの駆動用配線は、X方向に直線状に伸びている。φRESの駆動用配線は、第1の遮光膜43の−Y方向の一端の辺と平行に直線状に配置されている。そして、第1の遮光膜43と電気的に接続されるφRESの駆動用配線は、これが配置される第1の遮光膜43の一辺(即ち、第1の遮光膜43の−Y側の辺)に平行に配置される駆動用配線の中で、最も第1の遮光膜43に近接して配置されている。このように第1の遮光膜43とφRESの駆動用配線を配置させると、φTXの配線と第1の遮光膜43とのインターラクション(容量結合)が防止され好ましい。以下、これについて説明する。
なお、本変形例においても、三層目の金属層が設けられることは言うまでもない。
図21は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像素子95のAF用画素96Bの概略平面図であり、図9に対応する。なお、撮像用画素96A、固体撮像素子95の回路構成、それを用いた電子カメラの構成等は第1の実施形態と同様であり、説明は省略する。また、実際には三層目の金属層が配置されるが、本図においては省略している。
2 撮影レンズ
3 固体撮像素子
20 画素
23、24、74
25 垂直出力線
28 水平出力線
31 有効画素領域
40 p型シリコン基板
41 マイクロレンズ
42、111、114 光電変換部
43 第1の遮光膜
44、47、49、57、77、79 開口部
51 転送トランジスタ
52 FD
53 画素アンプトランジスタ
54 選択トランジスタ
55 リセットトランジスタ
61、62、63、64、65 n型不純物拡散領域
66、67、68、69、112 ゲート電極
71、72、73 内部配線
74a、87 コンタクト部
81、82、84、91 第2の遮光膜
Claims (15)
- 二次元状に配置され各々が入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部と、前記電荷に対応する電気信号を生成し出力するための複数のトランジスタと、を有する複数の画素と、
前記トランジスタのゲート電極と接続される配線、及び、前記画素に一定電圧を供給する配線、とを含み、複数の階層による金属層で設けられる複数の駆動用配線を有し、
前記複数の画素は、光学系により結像される被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する複数の撮像用画素と、前記光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を出力する複数の焦点検出用画素とを有し、
前記焦点検出用画素には前記入射光が前記光電変換部に入射される領域を規定する第1の遮光膜が当該画素に光の入射する側に配置され、
前記第1の遮光膜は、前記複数の階層による前記金属層のうちの最下層の金属層により形成され、前記複数の駆動用配線のいずれかと電気的に接続されることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記画素は、前記光電変換部から前記電荷を受け取る浮遊拡散部と、前記光電変換部と前記浮遊拡散部との間に配置される転送ゲート電極とを更に有し、前記光電変換部と前記浮遊拡散部とをソース又はドレインとし前記転送ゲート電極をゲート電極として転送トランジスタが設けられ、
前記光電変換部、前記転送ゲート電極、及び、前記浮遊拡散部が前記焦点検出用画素に配置される領域は、前記入射光の入射される方向からの平面視において、各画素間で同一の領域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。 - 前記光電変換部、前記転送ゲート電極、及び、前記浮遊拡散部が前記撮像用画素及び前記焦点検出用画素に配置される領域は、前記入射光の入射される方向からの平面視において、各画素間で同一の領域であることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
- 前記画素は、直交する方向に2次元状に配置され、
前記第1の遮光膜は、入射光が光電変換部に入射される領域に開口部を有し、前記開口部は、前記直交する方向を基準として前記画素の斜め方向に配置されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の固体撮像素子。 - 前記第1の遮光膜と電気的に接続される前記駆動用配線は、前記複数の階層による前記金属層のうちの最下層により形成される駆動用配線であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の固体撮像素子。
- 前記第1の遮光膜と電気的に接続される前記駆動用配線は、グランド電圧を供給する配線であることを特徴とする請求項5に記載の固体撮像素子。
- 前記第1の遮光膜の周囲の少なくとも一部を覆う第2の遮光膜を有し、
前記第2の遮光膜は、前記最下層の金属層よりも上層の階層による金属層で設けられることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の固体撮像素子。 - 前記第2の遮光膜は、複数の階層による前記金属層のうち前記最下層の金属層に次いで形成される金属層により設けられ、
前記第2の遮光膜は、これと同じ階層による金属層で設けられる駆動用配線と接続されることを特徴とする請求項7に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の遮光膜と電気的に接続される前記駆動用配線は、前記複数の階層による前記金属層のうち前記最下層の金属層に次いで形成される金属層であることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の固体撮像素子。
- 前記画素から前記電気信号を受け取って出力する出力用配線が備えられ、
前記画素は、前記出力用配線と電気的に接続するための選択トランジスタ、及び、前記浮遊拡散部に蓄積される電荷を基準電位にリセットするリセットトランジスタとを更に有し、
前記第1の遮光膜と電気的に接続される前記駆動用配線は、前記選択トランジスタのゲート電極と接続される選択トランジスタ駆動用配線、又は、前記リセットトランジスタのゲート電極と接続されるリセットトランジスタ駆動用配線であることを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の遮光膜の周囲の少なくとも一部を覆う第2の遮光膜を有し、
前記第2の遮光膜は、前記最下層の金属層よりも上層の階層による金属層で設けられることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の固体撮像素子。 - 前記第2の遮光膜は、複数の階層による前記金属層のうち前記最下層の金属層に次いで形成される金属層により設けられ、
前記第2の遮光膜は、これと同じ階層による金属層で設けられる駆動用配線と接続されることを特徴とする請求項11に記載の固体撮像素子。 - 前記駆動用配線は、前記第1の遮光膜のいずれか一辺と平行に直線状に配置され、
前記第1の遮光膜と電気的に接続される前記駆動用配線は、当該駆動用配線が配置される前記第1の遮光膜の一辺と平行に配置され、前記最下層又はそれに次いで形成される金属階層による駆動用配線のなかで最も前記第1の遮光膜に近接して配置されることを特徴とする請求項5乃至請求項12のいずれかに記載の固体撮像素子。 - 前記第1の遮光膜の底面と、前記光電変換部との間隔は、1μm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項13のいずれかに記載の固体撮像素子。
- 請求項1乃至請求項14のいずれかに記載の固体撮像素子と、
前記複数の焦点検出用画素の少なくとも一部の画素からの前記焦点検出用信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、
前記検出処理部からの前記検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部と、を備えたことを特徴とする電子カメラ。
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