JP2011243735A - 撮像素子とその製造方法、及び撮像装置 - Google Patents

撮像素子とその製造方法、及び撮像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】位相差検出方式によって光学系の焦点検出を行なう撮像素子において、位相差検出に必要な光の受光量を増加させ、かつ位相差検出に不要な光の受光量を減少させる。
【解決手段】第1及び第2の位相差検出用画素20PL、20PRを構成する第1及び第2の位相差検出用開口26PL、26PRは、転送電極37a,38aを覆う遮光膜40の側壁である反射用側壁43、43により少なくとも1辺が構成されるように近接配置されている。反射用側壁43、43にそれぞれ対面する側壁45、45には、反射防止膜46、46が設けられている。これにより、位相差検出に必要な被写体光束S1は、反射用側壁43、43に反射されて第1及び第2の位相差検出用画素20PL、20PRにそれぞれ入射し、位相差検出に不要な被写体光束S2は、反射防止膜46、46により入射が防がれる。
【選択図】図4

Description

本発明は、光学系により結像された被写体像を撮影する複数の撮影用画素と、位相差検出方式による光学系の焦点検出に用いられる位相差検出用画素とを備えた撮像素子と、この撮像素子の製造方法と、この撮像素子を用いた撮像装置とに関する。
デジタルカメラに用いられるCCDやCMOS等の撮像素子には、光学系により結像された被写体像を撮影する複数の撮影用画素と、位相差検出方式によって光学系の焦点状態を検出する位相差検出用画素とを有する位相差検出機能付き撮像素子がある。位相差検出用画素は、光学系の射出瞳における一対の部分領域(例えば左側・右側の瞳部分)を通過した被写体光束を受光して各画素信号を生成する一対の光電変換部からなり、この一対の光電変換部の画素信号の位相差から焦点検出が行なわれる。例えば、特許文献1記載の位相差検出機能付き撮像素子では、遮光膜に設けられた開口で被写体光束を制限することにより、光学系の射出瞳における一対の部分領域を通過した被写体光束を一対の光電変換部で受光させている。
図9に示すように、特許文献1記載の位相差検出機能付きの撮像素子80は、入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する複数の光電変換部81と、光電変換部81から読み出した信号電荷を転送する転送電極82と、光電変換部81に対応する開口83を有し、転送電極82の上面及び側面を覆う遮光膜84とを備えている。光電変換部81及び開口83からなる画素85のうち、通常の撮影に用いられる撮影用画素85aは、光電変換部81と開口83aとの中心が略一致されている。これに対し、焦点検出に用いられる一対の位相差検出用画素85b、85cは、遮光膜84に設けられた開口83b、83cが、光学系の左側瞳部分と右側瞳部分とを通過した被写体光束をそれぞれ受光できるように、光電変換部81の光学中心に対してそれぞれ左右方向に偏って配置されている。
位相差検出用画素85bと85cとの間に配された転送電極82aを覆う遮光膜84には、光電変換部81上に張り出した張出部84b、84cが存在する。この張出部84b、84cは、光電変換部81と転送電極82aとの上に成膜された遮光膜84をエッチングマスクを介してエッチングして開口83b、83cを形成する際に、エッチングマスクのパターニングにおけるミスアライメントにより、転送電極82aの側面を覆っている遮光膜84の膜厚が減少して遮光性能が低下するのを防止するため、エッチングマスクのミスアライメントを吸収するためのマージンを提供する手段として設けられている。
特開2000−156823号公報 特開平05−218371号公報
図9に示すように、従来の位相差検出機能付き撮像素子80には、光学系の射出瞳における一対の部分領域を通過した位相差検出に必要な被写体光束S1が、張出部84b、84cに遮られて受光量が減少する現象と、射出瞳の部分領域を通過していない位相差検出に不要な光束S2が、遮光膜84に反射されて位相差検出用画素85b、85cに入射し、受光量が増加するという現象が確認されている。これらの現象が発生すると、一対の位相差検出用画素85b、85cの受光量差が小さくなるため、暗いシーンでは焦点検出に必要な位相差が検出しにくくなるという問題があった。
上記問題を解決するため、例えば、遮光膜上に反射防止膜を設けることが考えられる(例えば、特許文献2参照)。しかし、遮光膜の全域に反射防止膜を設けると、位相差検出に必要な光の受光量も減少してしまう。
本発明は、上記問題を解決するため、位相差検出に必要な光の受光量を増加させ、かつ位相差検出に不要な光の受光量を減少させることができる撮像素子と、その製造方法とを提供する。
上記課題を解決するために、本発明の撮像素子は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、光電変換部に並設され、光電変換部から読み出した信号電荷を転送するための複数の転送電極と、転送電極の上面及び側面を覆うとともに、光電変換部に対応する第1及び第2の開口が設けられた遮光膜と、光電変換部と第1の開口とからなり、光学系により結像された被写体像を撮影する複数の撮影用画素と、光電変換部と第2の開口とからなり、位相差検出方式によって光学系の焦点状態を検出するために用いられる複数の位相差検出用画素とを備えており、第2の開口は、転送電極の側面を覆った遮光膜からなる反射用側壁によって1辺以上が構成されるように反射用側壁に近接して配置されており、反射用側壁に対面する側壁の表面には、遮光膜よりも反射率が低い反射防止膜が設けている。
反射防止膜は、TiN、SiOとSiNとの積層膜、SiN、SiONまたはWSiのいずれかによって形成されていることが好ましい。
反射用側壁とこれに対面する側壁間における第2の開口の幅は、第1の開口の半分以下であることが好ましい。
位相差検出用画素は、第2の開口が光電変換部の光学中心に対して偏りをもつ第1の位相差検出用画素と、第2の開口が光電変換部の光学中心に対して第1の位相差検出用画素と逆方向に偏りを持つ第2の位相差検出用画素とから構成されている。
反射用側壁は、第1の位相差検出用画素と第2の位相差検出用画素との間に配された転送電極を覆う遮光膜の側壁である。
撮影用画素の一部の第1の開口を第2の開口と同形状にし、3次元画像を撮影する3次元撮影用画素にしてもよい。この場合、撮影用画素の全てを3次元撮影用画素にしてもよいし、撮影用画素の間に等間隔に配置してもよい。
本発明の撮像素子の製造方法は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、光電変換部に並設され、光電変換部から読み出した信号電荷を転送するための複数の転送電極と、転送電極の上面及び側面を覆うとともに、光電変換部に対応した第1及び第2の開口が形成された遮光膜と、光電変換部と第1の開口とからなり、光学系により結像された被写体像を撮影する複数の撮影用画素と、光電変換部と第2の開口とからなり、位相差検出方式によって前記光学系の焦点状態を検出するために用いられる複数の位相差検出用画素とを備えた撮像素子を製造する方法であって、複数の光電変換部と複数の転送電極との上に遮光膜を成膜する工程と、遮光膜の上に、前記遮光膜よりも反射率が低い反射防止膜を成膜する工程と、反射防止膜の上に、第1及び第2の開口に対応する第1及び第2の開口パターンを有し第2の開口パターンが転送電極の側面を覆った遮光膜からなる反射用側壁に近接して配置されているエッチングマスクを形成する工程と、エッチングマスクを介して反射防止膜及び遮光膜をエッチングすることにより、第1の開口を形成し、反射用側壁によって1辺以上が構成され、かつ反射用側壁に対面する側壁の表面に反射防止膜が設けられた第2の開口を形成する工程とを備えている。
本発明の撮像装置は、上述した撮像素子と、撮像素子に被写体像を結像する光学系と、撮像素子の位相差検出用画素の画素信号に基づいて光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段と、焦点検出手段の検出結果に基づいて光学系の焦点を調整する焦点調整手段とを備えている。
本発明によれば、反射用側壁によって1辺以上が構成されるように第2の開口を配置したので、位相差検出に必要な被写体光束の受光量を増加させることができる。また、反射用側壁に対面する側壁に反射防止膜を設けたので、位相差検出に不要な被写体光束の受光量を低下させることができる。これにより、暗いシーンであっても精度よく焦点検出を行なうことができる。
デジタルカメラの構成を示すブロック図である。 第1実施形態の撮像素子の構成を示す概略図である。 第1実施形態の撮像素子の画素の構成を示す平面図である。 第1実施形態の撮像素子の断面図である。 第1の実施形態の撮像素子の製造手順を示す断面図である。 第2実施形態の撮像素子の断面図である。 第3実施形態の撮像素子の断面図である。 第4実施形態の撮像素子の断面図である。 従来の撮像素子の断面図である。
図1に示すように、本発明のデジタルカメラ10は、撮像素子11、撮像レンズ12、レンズ駆動部13、コントローラ14、操作部15、表示部16及び記憶部17を備えている。本発明の撮像素子11は、例えばCCDイメージセンサからなり、位相差検出方式の焦点検出に用いられる位相差検出用画素を備えた、位相差検出機能付き撮像素子である。
撮像レンズ12は、図示しない被写体の像を撮像素子11の受光面上に集光するための光学系である。レンズ駆動部13は、コントローラ14の制御に従って撮像レンズ12を矢印Aで示す光軸方向に移動させる。レンズ駆動部13によって撮像レンズ12を移動させることにより、撮像レンズ12の焦点位置を変えることが可能である。
コントローラ14は、撮像素子11の位相差検出用画素の画素信号に基づいて、レンズ駆動部13の動作制御を行うための撮像レンズ12の焦点位置に係る位相差信号を生成する。また、コントローラ14は、撮像素子11の撮影用画素の画素信号に基づいてカラー画像信号を生成する。操作部15は、ユーザが本デジタルカメラ10の操作を行うための各種の操作部材である。表示部16は、コントローラ14で生成されたカラー画像信号に基づいて画像を表示する。記録部17は、コントローラ14で生成されたカラー画像信号が記録される。
[第1実施形態]
図2は、撮像素子11の構成を示す概略図である。撮像素子11は、垂直方向及び水平方向に所定のピッチで配列され、入射光に応じた電荷を蓄積する複数の画素20と、各画素20が蓄積した電荷を垂直方向に転送するための複数の垂直転送路(VCCD)21と、各VCCD21の末端が接続され、各VCCD21から転送された電荷を水平方向に転送するための水平転送路(HCCD)22と、HCCD22によって転送された電荷を電圧信号(撮像信号)に変換して出力するフローティングディフュージョンアンプ(FDA)23とを備えている。
VCCD21は、読み出しゲート24を介して各画素20と接続されている。各画素20に蓄積された電荷は、この読み出しゲート24を介してVCCD21に読み出される。そして、VCCD21は、図示を省略した4相の転送電極により制御され、各画素20から読み出した電荷をHCCD22に向けて垂直方向に転送する。
画素20は、スルー画表示時や撮影実行時の画像形成にのみ用いられる複数の撮影用画素20と、撮影用画素20Sの間に隣接するように配置された第1の位相差検出用画素20PL及び第2の位相差検出用画素20PRとからなる。撮影用画素20には、赤色フィルタ(R)、緑色フィルタ(G)、青色フィルタ(B)のいずれかが設けられており、R,G,Bにより対応する色成分の光を受光する。なお、位相差検出用画素20PL、20PRには、カラーフィルタは設けられていない。
図3は、撮像素子11の撮影用画素20及び一対の位相差検出用画素20PL、20PRを示す平面図である。撮影用画素20は、入射光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部であるフォトダイオード(PD)25と、このPD25上に配置された第1の開口である撮影用開口26と、撮影用開口26の上に配された上記カラーフィルタ27と、カラーフィルタ27の上に配置され、撮影用開口26を通してPD25に光を集光するマイクロレンズ28とを有している。撮影用開口26は、その光学中心がPD25の光学中心と一致するように配されている。
位相差検出用画素20PL、20PRは、撮影用画素20と同様に、PD25及びマイクロレンズ28と、第2の開口である第1及び第2の位相差検出用開口26PL、26PRとをそれぞれ有している。第1の位相差検出用開口26PLは、撮影レンズ12の射出瞳における左側の瞳部分を通過した被写体光束をPD25に入射させるため、PD25の光学中心に対して偏って配置されている。同様に、第2の位相差検出用開口26PRは、撮影レンズ12の射出瞳における右側の瞳部分を通過した被写体光束をPD25に入射させるため、PD25の光学中心に対し、位相差検出用開口26PLと逆方向に偏って配置されている。
図4は、図3のB−B断面を表している。撮像素子11は、n型半導体基板31を有している。n型半導体基板31の表面には、pウェル層32が設けられている。このpウェル層32の表層には、PD25を構成するn型層33、VCCD21を構成するn型層34、PD25とVCCD21とを分離するp+層35が設けられている。
VCCD21は、n型層34と、このn型層34の上に設けられた転送電極37とで構成されている。PD25を構成するn型層33とVCCD21を構成するn型層34とは、pウェル層32で離間されている。読み出しゲート24は、n型層33とn型層34とを離間するpウェル層32と、このpウェル層32の上に設けられた転送電極38とで構成されている。各転送電極37、38には、例えば、ポリシリコンが用いられる。
n型層33に蓄積された電荷は、転送電極38に電圧を印加し、pウェル層32の電位を変化させることで、n型層34に転送される。n型層34に転送された電荷は、転送電極37へ所定のタイミングで印加される電圧に応じて、断面方向(紙面と直交する方向)に転送される。これにより、PD25で蓄積された電荷が、HCCD22に向けて転送される。
転送電極37、38が表面に形成されたpウェル層32の上には、さらに遮光膜40と、平坦化層41と、カラーフィルタ27及びマイクロレンズ28とが設けられている。なお、図4では、図面の煩雑化を避けるため、カラーフィルタ27及びマイクロレンズ28の図示を省略している。
遮光膜40は、例えばアルミニウム等の遮光性を有するメタル層からなり、pウェル層32の表面全体を覆っている。また、遮光膜40には、各n型層33のそれぞれを露呈させる複数の撮影用開口26と、位相差検出用開口26PL、26PRとが設けられている。これにより、遮光膜40は、PD25以外の部分に余計な光が入射することを防いでいる。
平坦化層41は、転送電極37、38などによって生じる基板上の凹凸を埋め、マイクロレンズ28を形成するための平面部を構成する。この平坦化層41には、BPSGなどの透光性のある材料が用いられる。
図4に示すように、位相差検出用画素20PLと20PRとの間に配された転送電極37a、38aを覆う遮光膜40の側壁は、光を反射して位相差検出用開口26PL、26PRに入射させるための反射用側壁43,43であり、位相差検出用画素20PL、20PRは、反射用側壁43、43によって1辺が構成され、遮光膜40からn型層33上に張り出した張出部44、44により他の辺が構成されている。
また、反射用側壁43、43に対面する遮光膜40の側壁45、45と、張出部44、44の上には、光を干渉して位相差検出用開口26PL、26PRに入射させないようにするための反射防止膜46,46が設けられている。反射防止膜46,46としては、反射防止の能力が高いTiNが好ましい。また、反射防止膜のカバレッジがよい、SiOとSiNとの積層膜、SiN、SiONまたはWSiのいずれかを用いてもよい。
これにより、撮影レンズ12の射出瞳における左右の瞳部分を通過した位相差検出に必要な被写体光束S1は、反射用側壁43、43に反射してPD25に入射するので受光量が増加する。これに対し、撮影レンズ12の射出瞳における左右の瞳部分を通過していない位相差検出に不要な被写体光束S2は、反射防止膜46,46により反射が防止されてPD25に入射しにくくなるので、受光量が低下する。したがって、暗いシーンであっても精度よく焦点検出を行なうことができる。
次に、上記撮像素子11の製造方法について説明する。図5(A)に示すように、pウェル層32の表面にn型層33、転送電極37、38等が形成されたn型半導体基板31の上に、遮光膜40が蒸着等によって成膜される。次いで、同図(B)に示すように、遮光膜40の上に、反射防止膜46が蒸着等によって成膜される。
図5(C)に示すように、反射防止膜46の上には、レジスト等からなるエッチングマスク48が形成される。このエッチングマスク48には、撮影用開口26、位相差検出用開口26PLPRに対応するとマスクパターン48、48,48が設けられている。マスクパターン48,48は、反射用側壁43、43によって位相差検出用開口26PL、26PRの1辺を構成するため、反射用側壁43、43を露呈させるような形状となっている。
図5(D)に示すように、次の工程では、エッチングマスク48を介して反射防止膜46及び遮光膜40がエッチングされ、その後にエッチングマスク48が除去される。これにより、遮光膜40には、撮影用開口26、位相差検出用開口26PL、26PR、反射用側壁43、43及び反射防止膜46、46が形成される。このように、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いて各部を製造することができるので、ローコストに適用可能である。
[第2実施形態]
上記第1実施形態では、遮光膜40の表面に反射防止膜46を設けたが、反射防止膜の種類によっては反射がある程度発生するため、不要な光が位相差検出用画素20PL、20PRに受光され、位相差信号が劣化することがある。このような場合には、図6に示す撮像素子50のように、位相差検出用開口26PL、26PRの幅W1を、例えば撮影用開口26の幅寸法W2の1/2以下にするのが好ましい。なお、撮像素子50の製造方法は、位相差検出用開口26PL、26PRの幅W1が小さくなるようにエッチングマスク48のマスクパターン48、48の形状を変更する以外は、第1実施形態と同じであるため、詳しい説明は省略する。
[第3実施形態]
上記各実施形態では、遮光膜40の表面に反射防止膜46を設けたが、図7に示す撮像素子60のように、反射防止膜46を省略してもよい。これによれば、側壁45、45で光が反射するので、第1実施形態及び第2実施形態に比べてデバイス特性は悪化するが、遮光膜40のみのエッチングで撮影用開口26、位相差検出用開口26PL、26PRを形成することができるので、単独のプロセス技術としては完成度が高く、製造が容易になるという効果を得ることができる。なお、撮像素子60の製造方法は、反射防止膜46の成膜工程が無くなる以外は第1実施形態と同じであるため、詳しい説明は省略する。
[第4実施形態]
図8に示す撮像素子70のように、撮影用画素20の撮影用開口26の形状を位相差検出用開口26PL、26PRと同形状の3次元撮影用開口72PL、72PRにした3次元撮影用画素71PL、71PRを形成し、1つの撮影レンズ12及び撮像素子70で3次元画像を撮影できるようにしてもよい。この実施形態では、全ての撮影用画素20を3次元撮影用画素71PL、71PRにしてもよいし、2次元撮影用の撮影用画素20内に、等間隔で3次元撮影用画素71PL、71PRを配置してもよい。なお、撮像素子70の製造方法は、エッチングマスク48のマスクパターン48の形状を変更する以外は第1実施形態と同じであるため、詳しい説明は省略する。
上記各実施形態では、撮影用画素と位相差検出用画素とが縦横に配列された撮像素子を例に説明したが、本発明は、各画素をハニカム状に配列した撮像素子にも適用可能である。また、撮像素子としてCCDを例に説明したが、本発明は、CMOSセンサにも適用可能である。更に、本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしたものも含まれる。
10 デジタルカメラ
11 撮像素子
12 撮影レンズ
13 レンズ駆動部
14 コントローラ
20 画素
20 撮影用画素
20PL、20PR 位相差検出用画素
21 VCCD
25 フォトダイオード
26 撮影用開口
26PL、26PR 位相差検出用開口
37、38 転送電極
40 遮光膜
43、43 反射用側壁
45、45 側壁
46 反射防止膜

Claims (10)

  1. 入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、
    前記光電変換部に並設され、前記光電変換部から読み出した信号電荷を転送するための複数の転送電極と、
    前記転送電極の上面及び側面を覆うとともに、前記光電変換部に対応する第1及び第2の開口が設けられた遮光膜と、
    前記光電変換部と前記第1の開口とからなり、光学系により結像された被写体像を撮影する複数の撮影用画素と、
    前記光電変換部と前記第2の開口とからなり、位相差検出方式によって前記光学系の焦点状態を検出するために用いられる複数の位相差検出用画素とを備え、
    前記第2の開口は、前記転送電極の側面を覆った前記遮光膜からなる反射用側壁によって1辺以上が構成されるように前記反射用側壁に近接して配置されており、前記反射用側壁に対面する側壁の表面には、前記遮光膜よりも反射率が低い反射防止膜が設けられていることを特徴とする撮像素子。
  2. 前記反射防止膜は、TiN、SiOとSiNとの積層膜、SiN、SiONまたはWSiのいずれかによって形成されていることを特徴とする請求項1記載の撮像素子。
  3. 前記反射用側壁とこれに対面する側壁間における前記第2の開口の幅は、前記第1の開口の半分以下であることを特徴とする請求項1または2記載の撮像素子。
  4. 前記位相差検出用画素は、前記第2の開口が前記光電変換部の光学中心に対して偏りをもつ第1の位相差検出用画素と、前記第2の開口が前記光電変換部の光学中心に対して前記第1の位相差検出用画素と逆方向に偏りを持つ第2の位相差検出用画素とからなることを特徴とする請求項1〜3いずれか記載の撮像素子。
  5. 前記反射用側壁は、前記第1の位相差検出用画素と前記第2の位相差検出用画素との間に配された転送電極を覆う遮光膜の側壁であることを特徴とする請求項4記載の撮像素子。
  6. 前記撮影用画素の一部の第1の開口を前記第2の開口と同形状にし、3次元画像を撮影する3次元撮影用画素にしたことを特徴とする請求項4または5記載の撮像素子。
  7. 前記撮影用画素の全てを前記3次元撮影用画素にしたことを特徴とする請求項6記載の撮像素子。
  8. 前記3次元撮影用画素を、前記撮影用画素の間に等間隔に配置したことを特徴とする請求項6記載の撮像素子。
  9. 入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部に並設され、前記光電変換部から読み出した信号電荷を転送するための複数の転送電極と、前記転送電極の上面及び側面を覆うとともに、前記光電変換部に対応した第1及び第2の開口が形成された遮光膜と、前記光電変換部と前記第1の開口とからなり、光学系により結像された被写体像を撮影する複数の撮影用画素と、前記光電変換部と前記第2の開口とからなり、位相差検出方式によって前記光学系の焦点状態を検出するために用いられる複数の位相差検出用画素とを備えた撮像素子を製造する方法において、
    前記複数の光電変換部と前記複数の転送電極との上に、前記遮光膜を成膜する工程と、
    前記遮光膜の上に、前記遮光膜よりも反射率が低い反射防止膜を成膜する工程と、
    前記反射防止膜の上に、前記第1及び第2の開口に対応する第1及び第2の開口パターンを有し、前記第2の開口パターンが、前記転送電極の側面を覆った前記遮光膜からなる反射用側壁に近接して配置されているエッチングマスクを形成する工程と、
    前記エッチングマスクを介して前記反射防止膜及び遮光膜をエッチングすることにより、前記第1の開口と、前記反射用側壁によって1辺以上が構成されかつ前記反射用側壁に対面する側壁の表面に前記反射防止膜が設けられた前記第2の開口とを形成する工程とを備えたことを特徴とする撮像素子の製造方法。
  10. 請求項1〜8いずれか記載の撮像素子と、
    前記撮像素子に被写体像を結像する光学系と、
    前記撮像素子の位相差検出用画素の画素信号に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段と、
    前記焦点検出手段の検出結果に基づいて前記光学系の焦点を調整する焦点調整手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。
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