JP2012084816A - 裏面照射型撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い瞳分割性能と高感度とを両立させることが可能な裏面照射型撮像素子を提供する。
【解決手段】シリコン基板Ｓの裏面側から当該基板Ｓ内の光電変換領域（ＰＤ）２１に入射した光によって当該ＰＤ２１で発生した電荷に応じた信号を、当該基板Ｓの表面側から読み出す裏面照射型撮像素子１００は、瞳分割方向（行方向Ｘ）に隣接して配置された２つの瞳分割用画素部１１，１２からなる瞳分割ペアを備え、瞳分割用画素部１１，１２の各々は、基板Ｓ内に形成されたＰＤ２１を含み、瞳分割用画素部１１，１２の各々に含まれるＰＤ２１の断面形状は、瞳分割用画素部１１，１２の境界に対して線対称になっており、瞳分割用画素部１１，１２の各々に含まれるＰＤ２１の瞳分割方向の幅は、基板Ｓの裏面側では狭く、基板Ｓの表面側では広くなっているものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、裏面照射型撮像素子及び撮像装置に関する。

焦点検出技術の１つとして位相差検出方式が知られている。この方式は、撮影レンズの異なる瞳領域を通過する光束を受光する一対の瞳分割用画素部を設け、この一対の瞳分割用画素部からの信号を用いることで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。このような位相差検出方式の原理を適用した撮像装置として、特許文献１，２に記載のものが知られている。

特許文献１、２には、光電変換素子上方に設ける遮光膜開口を偏心させることで瞳分割用画素部を形成した固体撮像素子が記載されている。しかし、この構成は、光電変換素子の上方に遮光膜がある構成が前提となっており、光電変換素子の上方に遮光膜が不要となる裏面照射型撮像素子に簡単には適用できない。

裏面照射型撮像素子は、開口率１００％を実現できる構成であり、一般的には遮光膜は必要ない。光電変換領域上方に遮光膜を敢えて形成してしまうと、光電変換領域とその上方のマイクロレンズとの距離が大きくなり、全ての画素の感度低下、混色の発生が懸念される。また、遮光膜を形成する工程を追加する必要があり、製造コストの増大も懸念される。したがって、遮光膜を用いずに瞳分割用画素部を実現できる方法が求められている。

特許文献３には、１つのマイクロレンズ下方にある光電変換領域を２分割することで、一対の瞳分割用画素部を形成する構成が開示されており、この構成であれば、遮光膜を設けない裏面照射型撮像素子にも適用することは可能である。

しかし、この構成は、微細化するほど製造が難しくなるだけでなく、混色も発生しやすくなり、位相差検出精度に欠ける。また、様々な入射角に対するタフネス性に欠ける。

特許文献４には、光電変換領域の形成位置を偏心させて一対の瞳分割用画素部を形成する構成が開示されており、この構成であれば、遮光膜を設けない裏面照射型撮像素子にも適用することは可能である。

また、この構成は、微細化しても、瞳分割用画素部の光電変換領域同士を遠ざけることが容易であるため、瞳分割性能を容易に向上させることが可能である。

特開２００８−３１２０７３号公報 特開２００９−２３２１１８号公報 特開２００７−２８１２９６号公報 特開２００９−０５５５１４号公報

しかし、特許文献４に記載の瞳分割用画素部の構成では、瞳分割性能を高くすればするほど、光電変換領域を小さくしなければならないため、高い瞳分割性能と高感度とを両立させることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い瞳分割性能と高感度とを両立させることが可能な裏面照射型撮像素子と、これを備える撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の裏面照射型撮像素子は、半導体基板の裏面側から当該半導体基板内の光電変換領域に入射した光によって当該光電変換領域で発生した電荷に応じた信号を、当該半導体基板の表面側から読み出す裏面照射型撮像素子であって、瞳分割方向に隣接して配置された２つの瞳分割用画素部からなる瞳分割ペアを備え、前記２つの瞳分割用画素部の各々は、前記半導体基板内に形成された前記光電変換領域を含み、前記２つの瞳分割用画素部の各々に含まれる前記光電変換領域の断面形状は、前記２つの瞳分割用画素部の境界に対して線対称になっており、前記２つの瞳分割用画素部の各々に含まれる前記光電変換領域の前記瞳分割方向の幅は、前記半導体基板の裏面側では狭く、前記半導体基板の表面側では広くなっているものである。

本発明の撮像装置は、前記裏面照射型撮像素子を備えるものである。

本発明によれば、高い瞳分割性能と高感度とを両立させることが可能な裏面照射型撮像素子と、これを備える撮像装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を説明するための裏面照射型撮像素子の概略構成を示す平面模式図 図１に示した裏面照射型撮像素子１００におけるＡ−Ａ線断面模式図 図２に示す断面構成の変形例を示す図 図２に示す断面構成の変形例を示す図 図１に示す裏面照射型撮像素子１００のＡ−Ａ線断面の第一の変形例を示す図 図１に示す裏面照射型撮像素子１００のＡ−Ａ線断面の第二の変形例を示す図 図６に示す断面構成の変形例を示す図 図１に示す裏面照射型撮像素子１００のＡ−Ａ線断面の第三の変形例を示す図 図８に示す断面構成の変形例を示す図 図１に示す裏面照射型撮像素子１００のＡ−Ａ線断面の第四の変形例を示す図 図１０に示す断面構成の変形例を示す図 図１に示す裏面照射型撮像素子１００のＡ−Ａ線断面の第五の変形例を示す図 図１２に示す裏面照射型撮像素子１００の素子分離層に電圧を印加したときの状態を示す図 図１２に示す断面構成の変形例を示す図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態を説明するための裏面照射型撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。裏面照射型撮像素子１００は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話機の撮像モジュール等の撮像装置に搭載して用いられる。

図１に示した裏面照射型撮像素子１００は、行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに二次元状（図１の例では正方格子状）に配列された複数の画素部を備えている。この複数の画素部は、通常画素部１０と瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２とを含む。

瞳分割用画素部１１は、これに近接して配置（図１の例では瞳分割方向となる行方向Ｘに隣接して配置）された瞳分割用画素部１２と共に瞳分割ペアを構成し、この瞳分割ペアが裏面照射型撮像素子１００の画素部が配置される領域に離散的に配置されている。

この瞳分割ペアを構成する瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２が、裏面照射型撮像素子１００が搭載される撮像装置の撮影レンズの異なる瞳領域を通過する光束を受光するものとなる。

通常画素部１０は、瞳分割機能を有していない画素部である。

図２は、図１に示した裏面照射型撮像素子１００におけるＡ−Ａ線断面模式図である。

裏面照射型撮像素子１００は、支持基板２６上に絶縁層２５が形成され、絶縁層２５上に半導体基板としてのシリコン基板Ｓが形成され、シリコン基板Ｓ上方に複数のカラーフィルタ２０によって構成されるカラーフィルタ層が形成され、カラーフィルタ層上に複数のマイクロレンズ２７によって構成されるマイクロレンズ層が形成された構成である。以下では、シリコン基板Ｓのカラーフィルタ層が形成される側（光入射側）の面を裏面といい、この裏面とは反対側の面を表面という。

シリコン基板Ｓ内には、イオン注入によって形成された素子分離層２３によって画素部毎に分離された光電変換領域としてのフォトダイオード（ＰＤ）２１が形成されている。

全ての通常画素部１０に含まれるＰＤ２１の形状は同じであるが、瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２に含まれるＰＤ２１の形状は、通常画素部１０とは異なっている。

図２に示すように、シリコン基板Ｓ内の瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２の境界付近には、この境界を跨いでシリコン基板Ｓの表面側に素子分離層２４が形成されている。この素子分離層２４は、ＰＤ２１とは反対導電型の不純物層で形成されており、光入射側の表面はシリコン基板Ｓの裏面と一致している。素子分離層２４の不純物濃度は、素子分離層２３と同じであってもよいし、素子分離層２３より高濃度としてもよい。素子分離層２４は、ＰＤ２１のポテンシャルに対して障壁を形成する障壁形成層として機能する。

この素子分離層２４があることで、瞳分割用画素部１１に含まれるＰＤ２１と瞳分割用画素部１２に含まれるＰＤ２１は、シリコン基板Ｓの裏面から表面に向かう深さ方向で、行方向Ｘの幅が異なっており、シリコン基板Ｓの裏面側の行方向Ｘの幅が、シリコン基板Ｓの表面側の行方向Ｘの幅よりも小さくなっている。

この結果、瞳分割用画素部１１に含まれるＰＤ２１の形状はＬ字型となり、瞳分割用画素部１２に含まれるＰＤ２１の断面形状は、瞳分割用画素部１１に含まれるＰＤ２１の形状を左右反転させた逆Ｌ字型となっている。

また、瞳分割用画素部１１に含まれるＰＤ２１と瞳分割用画素部１２に含まれるＰＤ２１の断面形状は、瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２の境界に対して線対称となっている。

シリコン基板Ｓ内と絶縁層２５内には、画素部毎に、その画素部のＰＤ２１で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読出し回路２２が形成されている。信号読出し回路２２は例えばＣＭＯＳ回路で構成される。

信号読出し回路２２として、シリコン基板Ｓ内には、ＰＤ２１で発生した電荷を蓄積するフローティングディフュージョン、フローティングディフュージョンの電位に応じた信号を読み出したり当該電位をリセットしたりするためのトランジスタの半導体素子層等が形成され、絶縁層２５内には、当該トランジスタのゲート電極、当該トランジスタに接続される配線等の導電性材料層が形成される。

各ＰＤ２１の上方には、図示しない絶縁層を介してカラーフィルタ２０が形成されている。この複数のカラーフィルタ２０によって前述したカラーフィルタ層が構成される。

各カラーフィルタ２０上にはマイクロレンズ２７が形成されている。マイクロレンズ２７は、その下方のＰＤ２１に光を集光する。

通常画素部１０では、マイクロレンズ２７に入射した光がカラーフィルタ２７を透過した後にＰＤ２１に入射し、ここで当該光が電荷に変換され、この電荷に応じた信号が、読み出し回路２２によって読み出される。

瞳分割用画素部１１では、マイクロレンズ２７に入射してくる光のうち、図２において左斜め上から入射してくる光については、この光の大部分がカラーフィルタ２７を透過した後にＰＤ２１に入射し、ここで当該光が電荷に変換され、この電荷に応じた信号が、読み出し回路２２によって読み出される。

一方、右斜め上から入射してくる光については、その多くがカラーフィルタ２７を透過した後に素子分離層２４で吸収されるため、ＰＤ２１に入射する光量は左斜め上から入射してくる光に対して減少する。このため、瞳分割用画素部１１は、被写体の左側から来た光を主に検出するものとなる。

瞳分割用画素部１２では、マイクロレンズ２７に入射してくる光のうち、図２において右斜め上から入射してくる光については、この光の大部分がカラーフィルタ２７を透過した後にＰＤ２１に入射し、ここで当該光が電荷に変換され、この電荷に応じた信号が、読み出し回路２２によって読み出される。

一方、左斜め上から入射してくる光については、その多くがカラーフィルタ２７を透過した後に素子分離層２４で吸収されるため、ＰＤ２１に入射する光量は右斜め上から入射してくる光に対して減少する。このため、瞳分割用画素部１２は、被写体の右側から来た光を主に検出するものとなる。

したがって、瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２で瞳分割を行うことができる。瞳分割性能は、素子分離層２４の行方向Ｘの幅を広げることで高くすることができる。

以上のように、裏面照射型撮像素子１００は、瞳分割ペアを構成する瞳分割用画素部１１のＰＤ２１と瞳分割用画素部１２のＰＤ２１が、シリコン基板Ｓの裏面側では行方向Ｘの幅が狭く、シリコン基板Ｓの表面側では行方向Ｘの幅が広くなっている。

このため、素子分離層２４の行方向Ｘの幅を大きくして瞳分割性能を向上させても、シリコン基板Ｓの表面側にある部分で多くの光を受光することができ、瞳分割用画素部の感度低下を防ぐことができる。

また、裏面照射型撮像素子１００によれば、シリコン基板Ｓ内に素子分離層２４を設けるだけの構成のため、シリコン基板Ｓ上方に遮光膜を設けて瞳分割を行う場合と比較して、遮光膜を設けないことによる薄型化、薄型化に伴う高感度化、遮光膜を設けないことによる低コスト化を図ることができる。また、微細化が進んだ場合でも容易に製造することができる。

なお、素子分離層２４は、瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２の境界に跨って設けなくてもよい。例えば、図３に示したように、瞳分割用画素部１１のＰＤ２１の表面側でかつ左の素子分離層２３側に素子分離層２４を設け、瞳分割用画素部１２のＰＤ２１の表面側でかつ右の素子分離層２３側に素子分離層２４を設けても、瞳分割用画素部１１のＰＤ２１と瞳分割用画素部１２のＰＤ２１が、シリコン基板Ｓの裏面側では行方向の幅が狭く、シリコン基板Ｓの表面側では行方向の幅が広くなる構成を実現することができる。

また、図２の例では、素子分離層２４を瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２とで共有しているが、図４に示すように、瞳分割用画素部１１のＰＤ２１と瞳分割用画素部１２のＰＤ２１との間の素子分離層２３を挟んで、瞳分割用画素部１１，１２それぞれに素子分離層２４を設けてもよい。図３，４のいずれの構成でも、瞳分割用画素部１１の素子分離層２４と瞳分割用画素部１２の素子分離層２４の断面形状は、瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２の境界に対して線対称となっている。

以下では、裏面照射型撮像素子１００の変形例を説明する。

（第一の変形例）
図５は、図１に示す裏面照射型撮像素子１００のＡ−Ａ線断面の第一の変形例を示す図である。図５に示す構成は、ゲッタリング層２４ａを素子分離層２４の表面に追加した点を除いては図２に示した構成と同じである。

ゲッタリング層２４ａは、例えばカーボンで構成された層であり、シリコン基板Ｓ表面で発生する微量の電荷をトラップするためのものである。

この構成により、素子分離層２４表面で発生する電荷がＰＤ２１に移動するのを防いで、瞳分割性能を向上させることができる。

なお、ゲッタリング層２４ａは、図３，４に示した素子分離層２４の表面に設けても勿論よい。

（第二の変形例）
図６は、図１に示す裏面照射型撮像素子１００のＡ−Ａ線断面の第二の変形例を示す図である。図６に示す構成は、素子分離層２４を素子分離層２８に変更した点を除いては図２に示した構成と同じである。

素子分離層２８は、埋め込み層２８ａと絶縁層２８ｂを備える。

埋め込み層２８ａは、シリコン基板Ｓ内の瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２の境界付近において、この境界を跨いでシリコン基板Ｓの表面側に設けられた層である。埋め込み層２８ａの光入射側の表面はシリコン基板Ｓの裏面と一致している。

埋め込み層２８ａは、絶縁材料、導電性材料等で形成されるが、入射光に対して不透明な材料で構成されていることが好ましい。図５では、埋め込み層２８ａを導電性材料で形成した場合を例にしている。

絶縁層２８ｂは、埋め込み層２８ａの光入射側の表面以外の面を覆って形成された絶縁材料で構成された層であり、例えば酸化シリコンで構成されている。なお、埋め込み層２８ａを絶縁材料で構成する場合には絶縁層２８ｂは不要である。

このような素子分離層２８は、次のようにして形成される。シリコン基板Ｓ内に素子分離層２３、ＰＤ２１、読み出し回路２２の半導体素子層を形成した後、シリコン基板Ｓの裏面にエッチングによって孔部を形成する。その後、熱酸化を行って当該孔部の側面及び底面に酸化膜を形成して絶縁層２８ｂを形成する。続いて、孔部を導電性材料で埋めて平坦化することで埋め込み層２８ａを形成する。

以上のような構成の素子分離層２８を用いても、瞳分割用画素部１１のＰＤ２１と瞳分割用画素部１２のＰＤ２１の形状を、Ｌ字型と逆Ｌ字型にすることができ、また、素子分離層２８が、ＰＤ２１のポテンシャルに対して障壁を形成する障壁形成層として機能するため、高い瞳分割性能と高感度とを両立させることができる。

なお、埋め込み層２８ａを、導電性材料で構成した場合には、埋め込み層２８ａの表面で電荷が発生し、この電荷がＰＤ２１に漏れ出す可能性があるため、図７に示すように、埋め込み層２８ａの表面に当該電荷を捕獲するためのカーボン等で構成したゲッタリング層２８ｃを設けておくことが好ましい。

図６，７に示した構成は、図３，４に示した構成においても適用できることは言うまでもない。

（第三の変形例）
図８は、図１に示す裏面照射型撮像素子１００のＡ−Ａ線断面の第三の変形例を示す図である。図８に示す構成は、素子分離層２４下の素子分離層２３の代わりに縦配線２４ｃ及び絶縁層２４ｄを設け、更に、縦配線２４ｃに接続される横配線２４ｂを追加した点を除いては図２に示した構成と同じである。

縦配線２４ｃは、シリコン基板Ｓの表面から素子分離層２４まで達するトレンチに埋め込まれた導電性材料で構成されている。縦配線２４ｃの素子分離層２４と接続されていない側の端部には横配線２４ｂが接続されている。

絶縁層２４ｄは、縦配線２４ｃとシリコン基板Ｓとの絶縁を行うものであり、縦配線２４ｃの周囲に形成されている。

横配線２４ｂは、図示しない電源端子に接続されている。この電源端子は、裏面照射型撮像素子１００内部の電源又は裏面照射型撮像素子１００外部の電源に接続される端子である。この電源は、可変電圧を供給する電源又はグランドである。

横配線２４ｂ、縦配線２４ｃ、絶縁層２４ｄは、次のようにして形成する。

絶縁膜を表面に形成したシリコン基板Ｓの当該絶縁膜上にマスクパターンを形成し、このマスクパターンを介して当該絶縁膜及びシリコン基板を所定深さまでエッチングしてトレンチを形成する。次に、熱酸化、ＣＶＤ等によってこのトレンチの底面及び側面に絶縁膜を形成する。

次に、この絶縁膜をエッチングして絶縁膜内にトレンチを形成する。この時点で絶縁層２４ｄが形成される。次に、このトレンチに導電性材料を埋めて、縦配線２４ｃを形成する。次に、シリコン基板Ｓ表面の絶縁膜から露出している縦配線２４ｃの部分の上に横配線２４ｂを形成する。その際、コンタクト抵抗を低減させるため、図示しないが、縦配線２４ｃ端部が素子分離層２４の内部に埋め込まれていることが望ましい。

図８に示した構成によれば、素子分離層２４を所定の電源に接続することができる。例えば、所定の電源をグランドとすることで、素子分離層２４内で発生した電荷をグランドに流すことができると共に、素子分離層２４に接するＰＤ２１の領域から素子分離層２４に電荷が移動してしまうのを防ぐことができる。この結果、瞳分割性能の向上、感度の向上を図ることができる。

また、上記所定の電源を、可変電圧を供給する電源とすることで、瞳分割性能を調整することができる。例えば、ＰＤ２１がＮ型である場合には、素子分離層２４に負電圧を印加すると、素子分離層２４のＰＤ２１に対するポテンシャル障壁がＰＤ２１側に伸びるため、素子分離層２４を行方向Ｘに広げたのと同じ効果を得ることができる。したがって、瞳分割性能を撮影条件等によって変更したいような場合でも、素子分離層２４に印加する電圧を制御することで、これに対応することができる。

なお、図８に示した構成においても、図９に示したように、素子分離層２４の表面に図５で説明したのと同じゲッタリング層２４ａを設けておくことが好ましい。ゲッタリング層２４ａを設けておくことで、素子分離層２４表面で発生する電荷がＰＤ２１に移動するのを防ぐことができ、位相差検出を精度良く行うことができる。

図８、９に示した構成は、電源端子に接続される電源をグランドとした場合には、図３，４に示した構成においても適用でき、電源端子に接続される電源を可変電圧を供給する電源とした場合には、図４に示した構成においても適用できる。

（第四の変形例）
図１０は、図１に示す裏面照射型撮像素子１００のＡ−Ａ線断面の第四の変形例を示す図である。図１０に示す構成は、素子分離層２４を素子分離層２９に変更した点を除いては図８に示した構成と同じである。

素子分離層２９は、埋め込み層２９ａと絶縁層２９ｂを備える。

埋め込み層２９ａは、シリコン基板Ｓ内の瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２の境界付近において、この境界を跨いでシリコン基板Ｓの表面側に設けられた導電性材料で形成された層である。埋め込み層２９ａの光入射側の表面はシリコン基板Ｓの裏面と一致している。埋め込み層２９ａは、その下面に、瞳分割用画素部１１，１２の境界において凸部Ｔを有している。

絶縁層２９ｂは、埋め込み層２９ａの光入射側の表面と凸部Ｔの光入射側の反対面以外の面を覆って形成された絶縁材料で構成された層であり、例えば酸化シリコンで構成されている。

このような素子分離層２９は、次のようにして形成される。素子分離層２９以外の構成要素が形成されたシリコン基板Ｓに、裏面からエッチングを行って孔部を形成する。その後、熱酸化を行って当該孔部の側面及び底面に酸化膜を形成して絶縁層２９ｂを形成する。次に、絶縁層２９ｂのうち縦配線２４ｃと平面視で重なる領域にエッチングで開口を形成する。次に、この開口と上記孔部とに導電性材料を埋めてこれを平坦化して埋め込み層２９ａを形成する。

以上のように、図１０に示した構成は、図６に示した構成において、埋め込み層２８ａに電圧を供給する構造を追加したものに相当する。図１０に示した構成によれば、横配線２４ｂに電源端子（グランドに接続される端子）を接続しておくことで、ＰＤ２１から絶縁層２９ｂを超えて埋め込み層２９ａにて電荷がチャージアップされてしまうのを防ぐことができ、瞳分割用画素部１１，１２のＰＤ２１の感度低下等を防ぐことができる。

なお、図１０に示した構成においても、図１１に示したように、埋め込み層２９ａの表面に図７で説明したのと同じゲッタリング層２９ｃを設けておくことが好ましい。ゲッタリング層２９ｃを設けておくことで、埋め込み層２９ａ表面で発生する電荷がＰＤ２１に移動するのを防ぐことができ、位相差検出を精度良く行うことができる。

図１０、１１に示した構成は、図３、４に示した構成においても適用できることは言うまでもない。

（第五の変形例）
図１２は、図１に示す裏面照射型撮像素子１００のＡ−Ａ線断面の第五の変形例を示す図である。図１２に示す構成は、素子分離層２４の行方向Ｘの幅を素子分離層２３の幅と同じにした点を除いては、図８に示した構成と同じである。

図１２に示す構成では、素子分離層２４の行方向Ｘの幅が素子分離層２３の幅と同じになっている。即ち、通常画素部１０、瞳分割用画素部１１、瞳分割用画素部１２の全ての画素部で、ＰＤ２１の形状が同じになっている。

図１２に示す変形例では、横配線２４ｂが可変電圧を供給する電源が接続される電源端子に接続されている。この電源は、裏面照射型撮像素子１００内部に設けられた可変電圧を供給する電源、又は、裏面照射型撮像素子１００外部の可変電圧を供給する電源である。

横配線２４ｂには、素子分離層２４のＰＤ２１に対するポテンシャル障壁を図１３に示すように領域３０まで広げる第一の電圧と、領域３０までポテンシャル障壁を広げない第二の電圧とのいずれかが選択的に印加される。

そして、裏面照射型撮像素子１００を搭載する撮像装置が、位相差検出方式によるＡＦ処理を行う際には、横配線２４ｂに供給する電圧を第一の電圧に制御する。これにより、裏面照射型撮像素子１００の構成は図１３に示したような状態になり、素子分離層２４が行方向Ｘに広がったのと同じ効果が得られる。つまり、瞳分割用画素部１１と瞳分割用画素部１２が瞳分割を行う画素部として機能し、瞳分割用画素部１１，１２から得られる信号を用いて位相差検出が可能になる。

また、この撮像装置は、通常の撮影時には、横配線２４ｂに供給する電圧を第二の電圧に制御する。これにより、裏面照射型撮像素子１００の構成は図１２に示したような状態になり、裏面照射型撮像素子１００に含まれる全ての画素部を通常画素部１０として機能させることができる。

このように、図１２に示した変形例によれば、瞳分割用画素部１１，１２を電気的な制御によって通常画素部１０としても機能させることができる。このため、ＡＦ処理時には、瞳分割用画素部１１，１２から得られる信号を用いて位相差検出方式のＡＦ処理を行うことができる。

また、ＡＦ処理を行った後に行う記録用の静止画撮影時には、瞳分割用画素部１１，１２を通常画素部１０として機能させて撮影を行うことで、瞳分割用画素部１１，１２から得られた信号もそのまま画像生成に使用することができ、瞳分割用画素部１１，１２から得られる信号を欠陥信号として扱って補正する必要がなくなる。このため、欠陥補正処理を行わなくてすむことによる撮影時間の短縮、消費電力の低減等の効果を得ることができる。

なお、図１２に示した構成においても、図１４に示したように、素子分離層２４の表面に図５で説明したのと同じゲッタリング層２４ａを設けておくことが好ましい。ゲッタリング層２４ａを設けておくことで、素子分離層２４表面で発生する電荷がＰＤ２１に移動するのを防ぐことができ、位相差検出を精度良く行うことができる。

また、図１２に示した瞳分割ペアの構成は、裏面照射型撮像素子１００が、瞳分割ペアしか有しない構成であるときに特に有効となる。

例えば、裏面照射型撮像素子１００を、瞳分割用画素部１１，１２からなる瞳分割ペアを二次元状に複数配置した構成とする。

この裏面照射型撮像素子１００を搭載する撮像装置は、横配線２４ｂに供給する電圧を第一の電圧に制御する第一のモードと、横配線２４ｂに供給する電圧を第二の電圧に制御する第二のモードとのいずれかを選択して裏面照射型撮像素子１００を駆動する。

このようにすることで、第一のモードでは、裏面照射型撮像素子１００に含まれる全ての画素部から得た信号を用いて高解像度の画像データを生成することができる。

また、第二のモードでは、複数の瞳分割用画素部１１から得られた撮像画像信号と、複数の瞳分割用画素部１２から得られた撮像画像信号とを得ることができる。この２つの撮像画像信号は、視差のあるものとなっているため、これらの２つの撮像画像信号をそれぞれ独立に信号処理して２つの撮像画像データを生成し、これを対応付けて記録することで、立体視可能な撮像画像データの記録が可能となる。

このように、この撮像装置によれば、１つの画像を記録する２Ｄ撮影と、視差のある複数の画像を記録する３Ｄ撮影とを、電気的な制御だけで簡単に切り替えることができる。しかも、このような機能を、単一の撮影光学系と単一の撮像素子で実現することができる。このため、２Ｄ撮影と３Ｄ撮影を併用できる撮像装置をコンパクトかつ低コストで実現することができる。

なお、第一のモード時には、横配線２４ｂに供給できる第一の電圧の大きさを変更できるようにしておくことが好ましい。このようにしておくことで、視差の調整を簡単に行うことができ、撮像装置の使い勝手を向上させることができる。

以上説明したように、本明細書には以下の事項が開示されている。

開示された裏面照射型撮像素子は、半導体基板の裏面側から当該半導体基板内の光電変換領域に入射した光によって当該光電変換領域で発生した電荷に応じた信号を、当該半導体基板の表面側から読み出す裏面照射型撮像素子であって、瞳分割方向に隣接して配置された２つの瞳分割用画素部からなる瞳分割ペアを備え、前記２つの瞳分割用画素部の各々は、前記半導体基板内に形成された前記光電変換領域を含み、前記２つの瞳分割用画素部の各々に含まれる前記光電変換領域の断面形状は、前記２つの瞳分割用画素部の境界に対して線対称になっており、前記２つの瞳分割用画素部の各々に含まれる前記光電変換領域の前記瞳分割方向の幅は、前記半導体基板の裏面側では狭く、前記半導体基板の表面側では広くなっているものである。

開示された裏面照射型撮像素子は、前記２つの瞳分割用画素部の各々は、前記半導体基板内において前記半導体基板の裏面側に設けられ、かつ、前記半導体基板の裏面と一致する面を有し、かつ、前記光電変換領域のポテンシャルに対して障壁を形成する障壁形成層を含み、前記２つの瞳分割用画素部の各々に含まれる前記障壁形成層が、前記半導体基板内で、当該２つの瞳分割用画素部の境界に対して線対称に配置されているものである。

開示された裏面照射型撮像素子は、前記障壁形成層が、前記光電変換領域とは反対導電型の不純物層、又は、前記半導体基板とは絶縁された導電性層であり、前記障壁形成層と電気的に接続される配線と、前記配線に接続される電源端子とを備えるものである。

開示された裏面照射型撮像素子は、前記２つの瞳分割用画素部の各々に含まれる前記障壁形成層が、前記半導体基板内で、当該２つの瞳分割用画素部の境界側に配置されており、前記電源端子は、可変電圧を供給する電源が接続される端子であるものを含む。

開示された裏面照射型撮像素子は、前記電源端子は、グランドに接続される端子であるものを含む。

開示された裏面照射型撮像素子は、前記２つの瞳分割用画素部の各々の前記障壁形成層が当該２つの瞳分割用画素部で共有されており、前記共有された前記障壁形成層は、前記半導体基板内で、当該２つの瞳分割用画素部の境界を跨いで形成されているものである。

開示された裏面照射型撮像素子は、前記障壁形成層が、電荷を捕獲するためのゲッタリング層を表面に有するものである。

開示された裏面照射型撮像素子は、半導体基板の裏面側から当該半導体基板内の光電変換領域に入射した光によって当該光電変換領域で発生した電荷に応じた信号を、当該半導体基板の表面側から読み出す裏面照射型撮像素子であって、瞳分割方向に隣接して配置された２つの瞳分割用画素部からなる瞳分割ペアを備え、前記２つの瞳分割用画素部の各々は、前記半導体基板内に形成された前記光電変換領域を含み、前記２つの瞳分割用画素部に含まれる前記光電変換領域の間には互いを分離するための前記光電変換領域とは反対導電型の素子分離層が形成されており、前記素子分離層と電気的に接続される配線と、前記配線に接続され、可変電圧を供給する電源に接続される電源端子とを備えるものである。

開示された裏面照射型撮像素子は、前記素子分離層が前記２つの瞳分割用画素部で共有されており、前記共有された前記素子分離層は、前記半導体基板内で、当該２つの瞳分割用画素部の境界を跨いで形成されているものである。

開示された裏面照射型撮像素子は、前記素子分離層が、電荷を捕獲するためのゲッタリング層を表面に有するものである。

開示された撮像装置は、前記裏面照射型撮像素子を備えるものである。

１００ 裏面照射型撮像素子
１１，１２ 瞳分割用画素部
１０ 通常画素部
２１ ＰＤ（光電変換領域）
２３，２４ 素子分離層

Claims (11)

1. 半導体基板の裏面側から当該半導体基板内の光電変換領域に入射した光によって当該光電変換領域で発生した電荷に応じた信号を、当該半導体基板の表面側から読み出す裏面照射型撮像素子であって、
   瞳分割方向に隣接して配置された２つの瞳分割用画素部からなる瞳分割ペアを備え、
   前記２つの瞳分割用画素部の各々は、前記半導体基板内に形成された前記光電変換領域を含み、
   前記２つの瞳分割用画素部の各々に含まれる前記光電変換領域の断面形状は、前記２つの瞳分割用画素部の境界に対して線対称になっており、
   前記２つの瞳分割用画素部の各々に含まれる前記光電変換領域の前記瞳分割方向の幅は、前記半導体基板の裏面側では狭く、前記半導体基板の表面側では広くなっている裏面照射型撮像素子。
2. 請求項１記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記２つの瞳分割用画素部の各々は、前記半導体基板内において前記半導体基板の裏面側に設けられ、かつ、前記半導体基板の裏面と一致する面を有し、かつ、前記光電変換領域のポテンシャルに対して障壁を形成する障壁形成層を含み、
   前記２つの瞳分割用画素部の各々に含まれる前記障壁形成層の断面形状が、前記半導体基板内で、当該２つの瞳分割用画素部の境界に対して線対称になっている裏面照射型撮像素子。
3. 請求項２記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記障壁形成層が、前記光電変換領域とは反対導電型の不純物層、又は、前記半導体基板とは絶縁された導電性層であり、
   前記障壁形成層と電気的に接続される配線と、
   前記配線に接続される電源端子とを備える裏面照射型撮像素子。
4. 請求項３記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記２つの瞳分割用画素部の各々に含まれる前記障壁形成層が、前記半導体基板内で、当該２つの瞳分割用画素部の境界側に配置されており、
   前記電源端子は、可変電圧を供給する電源が接続される端子である裏面照射型撮像素子。
5. 請求項３記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記電源端子は、グランドに接続される端子である裏面照射型撮像素子。
6. 請求項２〜５のいずれか１項記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記２つの瞳分割用画素部の各々の前記障壁形成層が当該２つの瞳分割用画素部で共有されており、
   前記共有された前記障壁形成層は、前記半導体基板内で、当該２つの瞳分割用画素部の境界を跨いで形成されている裏面照射型撮像素子。
7. 請求項２〜６のいずれか１項記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記障壁形成層が、電荷を捕獲するためのゲッタリング層を表面に有する裏面照射型撮像素子。
8. 半導体基板の裏面側から当該半導体基板内の光電変換領域に入射した光によって当該光電変換領域で発生した電荷に応じた信号を、当該半導体基板の表面側から読み出す裏面照射型撮像素子であって、
   瞳分割方向に隣接して配置された２つの瞳分割用画素部からなる瞳分割ペアを備え、
   前記２つの瞳分割用画素部の各々は、前記半導体基板内に形成された前記光電変換領域を含み、
   前記２つの瞳分割用画素部に含まれる前記光電変換領域の間には互いを分離するための前記光電変換領域とは反対導電型の素子分離層が形成されており、
   前記素子分離層と電気的に接続される配線と、
   前記配線に接続され、可変電圧を供給する電源に接続される電源端子とを備える裏面照射型撮像素子。
9. 請求項８記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記素子分離層が前記２つの瞳分割用画素部で共有されており、
   前記共有された前記素子分離層は、前記半導体基板内で、当該２つの瞳分割用画素部の境界を跨いで形成されている裏面照射型撮像素子。
10. 請求項８又は９記載の裏面照射型撮像素子であって、
    前記素子分離層が、電荷を捕獲するためのゲッタリング層を表面に有する裏面照射型撮像素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項記載の裏面照射型撮像素子を備える撮像装置。

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