JP2013110548A - 固体撮像素子、該固体撮像素子を備えた距離検出装置、該距離検出装置を備えたカメラ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体中に、第1の光電変換部と第2の光電変換部とによる少なくとも2つの光電変換部を有する画素を備えた固体撮像素子であって、
前記第1の光電変換部は、前記第2の光電変換部よりも高い不純物濃度を有し、前記第2の光電変換部で発生した電荷を前記第1の光電変換部に転送可能に構成され、
前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部の電荷量を、共通して検出する1つの信号検出手段を有する。
【選択図】 図2
Description
ここでの距離検出画素は、複数の光電変換部を備え、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した光束が、異なる光電変換部に導かれるように構成される。
そして、このように構成された複数の距離検出画素を用いて、射出瞳の異なる領域を通過した光束による像を検出し(それぞれA像、B像)、A像とB像のズレ量を測定する。
このズレ量と基線長(異なる射出瞳領域の間隔)からデフォーカス量を算出し、距離(焦点位置)を検出するように構成される。
このように複数の信号検出回路を配置すると、光電変換部の開口率(画素に占める全光電変換部の割合)が低下し、被写体からの光を必ずしも効率良く受光できなくなる。結果として、測距信号のSN比が悪化して距離検出誤差が大きくなる。
前記第1の光電変換部は、前記第2の光電変換部よりも高い不純物濃度を有し、前記第2の光電変換部で発生した電荷を前記第1の光電変換部に転送可能に構成され、
前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部の電荷量を、共通して検出する1つの信号検出手段を有することを特徴とする。
また、本発明の距離検出装置は、複数の画素を有する固体撮像素子を備え、撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束によるそれぞれの像を前記複数の画素を用いて検出し、前記それぞれの像のズレ量に基づいて距離を検出する距離検出装置であって、
前記複数の画素を有する固体撮像素子が、上記した固体撮像素子によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明のカメラは、上記した距離検出装置を備えたことを特徴とする。
その際、上記固体撮像素子を備える距離検出装置を撮像装置に適用した一例として、デジタルスチルカメラを用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、以下に図を用いて説明するが、その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図1において、100は本実施形態における距離検出装置である。距離検出装置100は、撮影レンズ101、固体撮像素子102、演算部103で構成する。被写体104の距離情報を取得するため、撮影レンズ101により、被写体104の像を固体撮像素子102へ結像する。
固体撮像素子102に配置された距離検出画素で異なる射出瞳の領域(第1の領域106、第2の領域107)を通過した光束をそれぞれ受光する。
ただし、105は距離検出装置100の射出瞳である。
この異なる射出瞳領域を通過して得られたA像とB像の情報を演算部103へ転送し、A像とB像のズレ量と基線長108を用いて、公知の方法によって被写体の距離情報を算出する。
図2において、200は固体撮像素子中の一部の画素に配置された距離検出画素群の1つの画素である。
画素200は、半導体201中にP型から成るP型ウエル202、表面P+層203と、N型の第1の光電変換部204、第2の光電変換部205、フローティングディフュージョン部(以下、FD部)206を備える。
また、半導体201の表面P+層203側に、ゲート絶縁膜207、ゲート電極208、209が配置されている。
画素200に入射した光は、マイクロレンズなどの集光手段210、カラーフィルタ211、平坦化層212を介し、第1の光電変換部204と第2の光電変換部205に導かれる。
光電変換部204、205に入射した光は電荷(電子)に変換され、光電変換部内に蓄積される。
その後、それぞれの電荷を同じFD部(信号検出回路)206へと転送し、第1の光電変換部204の電荷量と第2の光電変換部205の電荷量をそれぞれ電気信号として検出するように構成されている。
その際、第1の光電変換部204の不純物濃度を第2の光電変換部205の不純物濃度より高い不純物濃度となるようにして、第2の光電変換部の電荷を効率良く第1の光電変換部に転送可能に構成されている。
そして、例えば、集光手段210としてマイクロレンズを用いて、マイクロレンズで射出瞳105と光電変換部204、205の表面とが略共役の関係になるようにする。
これにより、第1の領域106を通過した光束を第1の光電変換部204で受光し、第2の領域107を通過した光束を第2の光電変換部205で受光して、それぞれA像とB像の信号取得として用いる。
図3は画素200の上面から見た要部概略図である。ただし、図2は図3のA−A’線に沿った断面図である。
また、画素内の構成でリセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタは、画素間で共用して配置することが可能であり説明を簡略化するため省略した。
このとき、画素内に光電変換部が2つあるのに対し、光電変換部の電荷量を読み取る信号検出回路(FD部206など)を1つとしたことで、画素に占める光電変換部204、205の割合の低下を抑制して、画素内の光電変換部の開口率を高くすることができる。
これにより、画素200に入射した光を効率よく光電変換部へと導波させ受光することが可能となる。
特に、画素サイズが4.0マイクロメートル以下になると、入射光は画素の内部で光が拡がり信号検出回路などへ到達し、散乱や吸収によるノイズが増加する。また、同時に光電変換部に到達する光量が少なくなり、測距信号のSN比が悪化する。
これに対して、本実施形態の構成によれば、第1と第2の光電変換部204、205とによる2つの光電変換部の電荷量の検出を、1つの信号検出回路で共有して検出する構成とすることで、測距信号のSN比を向上させ、距離検出精度を高めることができる。
この第1の測定モードでは、第1の光電変換部と第2の光電変換部を順次検出する。
ここでは、信号検出回路が画素内で1つである画素200の信号を読み出す動作フローを例にとり説明する。
図4は第1の光電変換部204と第2の光電変換部205から信号を読み出す駆動信号を示すタイミングチャートである。
また、図5は第1の光電変換部204と第2の光電変換部205の電子エネルギーと電子密度を表わした図である。
ここで、204A、205A、206Aはそれぞれ第1の光電変換部の電子エネルギー、第2の光電変換部の電子エネルギー、FD部の電子エネルギーである。まず、光電変換部の電荷をリセットするために、PDリセットトランジスタ(φPDR1、φPDR2)を順次オンにする。
これにより、第1の光電変換部と第2の光電変換部の不要な電荷を電源に排出させる(図5(a))。
続いて、PDリセットトランジスタ(φPDR1、φPDR2)がオフされ、光電変換部への露光が開始される(図5(b))。
このとき、第1の光電変換部の露光時間t1と第2の光電変換部の露光時間t2とが同じになるように、φPDR1とφPDR2のオンのタイミングを調整するように設定されている。
これによりFD部の不要な電荷が電源に排出される(図5(c))。
続いて、φFDRをオフにして、リセット状態での出力値を検出する。
次に、第1の光電変換部204の電荷をFD部206へ転送するため、ゲート電極208に信号を加え転送トランジスタ(φT1)をオンにする。
その後、FD部206の出力値を読み取り(図5(d))、FD部206のリセット状態での出力値と差動検出することで、第1の光電変換部204の電荷量を検出する。
次に、第2の光電変換部205の電荷を第1の光電変換部204へと転送するため、ゲート電極209に信号を加え転送トランジスタ(φT2)をオンにする。その際、同じタイミングで、FD部の電荷をリセットするため、FDリセットトランジスタ(φFDR)をオンにする(図5(e))。
このとき、上記したように第1の光電変換部204の不純物濃度を第2の光電変換部205の不純物濃度より高い構成とされていることから、第1の光電変換部の電子エネルギーが第2の光電変換部の電子エネルギーより低くなる。
これにより、第2の光電変換部の電荷を効率良く第1の光電変換部に転送することができる。
よって、FD部206のリセット状態での出力値と差動検出することで、第2の光電変換部205の電荷量を検出する。
以上により、第1の光電変換部204と第2の光電変換部205の電荷量をそれぞれ同一のFD部206を用いて読み取ることができる。
また、距離情報と共に被写体の像情報を取得する場合は、第1の光電変換部204と第2の光電変換部205の電荷量をそれぞれ検出した後、演算部103にて加算する。
この加算した信号は、射出瞳全域を通過した撮像信号であるため、距離検出画素を用いて被写体像を取得することができる。
また、本実施形態では、第1の光電変換部204の蓄積時間t1と第2の光電変換部205の蓄積時間t2を同じとしたが、蓄積時間は異なっていてもよい。この場合は、蓄積時間の差を利用して、ダイナミックレンジ向上や被写体の動きベクトル検出機能として利用できる。
この第2の測定モードでは、被写体像を高速に取得するため、画素内にある全ての光電変換部(第1の光電変換部204と第2の光電変換部205)を同時に読み出す。
ここで、本実施形態における固体撮像素子の像検出の動作として、画素200の像情報のみを取得する際の信号を読み出す動作フローを例にとり説明する。
図6は、第1の光電変換部204と第2の光電変換部205の加算信号を読み出す駆動信号を示すタイミングチャートである。
また、図7は第1の光電変換部204と第2の光電変換部205の電子エネルギーと電子密度を表わした図である。
まず、光電変換部の電荷をリセットするために、PDリセットトランジスタ(φPDR1、φPDR2)を同時にオンにする。
これにより、第1の光電変換部と第2の光電変換部の不要な電荷を電源に排出させる(図7(a))。
続いて、PDリセットトランジスタ(φPDR1、φPDR2)がオフされ、光電変換部への露光が開始される(図7(b))。
次に、FD部206の電荷をリセットするため、FDリセットトランジスタ(φFDR)をオンにする。
これにより、FD部の不要な電荷が電源に排出される(図7(c))。続いて、φFDRをオフにして、リセット状態での出力値を検出する。
次に、第1の光電変換部204と第2の光電変換部205の加算した電荷をFD部206へ転送するため、転送トランジスタ(φT1、φT2)をオンにする。その後、FD部206の出力値を読み取り(図7(d))、FD部206のリセット状態での出力値と差動検出することで、第1の光電変換部204と第2の光電変換部205の加算した電荷量を検出することができる。
以上により、距離検出画素を用いて被写体の像情報のみを取得することが可能となる。この動作方法を用いることで、距離情報取得時の場合に比べ、複数の光電変換部の電荷量をそれぞれ別々に読み取る必要がない。
このため、光電変換部の電荷を加算した後に読み出すことで、高速に電荷量を読み出すことが可能となる。また、第1の光電変換部204と第2の光電変換部205の露光時間ずれも生じない。
この場合においても、本発明の信号検出回路を少なくする構成を適用すれば、光電変換部の開口率が高くなり測距信号のSN比が高くなる。
さらに、電極や配線の数も減少するので、画素内で入射光が散乱しにくくなり、クロストークノイズが低下する。
また、画素の中央に配置されるゲート電極209や配線213で入射光が散乱し、吸収されないように、光電変換部の直上に周囲より屈折率の高い導波構造214を設ける構成にすればよい。
このとき、ゲート電極209や配線213による散乱が低下し、クロストークノイズが減少する。
この場合、射出瞳を縦・横に分割できるため、縦線・横線のいずれの被写体に対しても高精度に距離検出することができる。
ただし、距離検出画素の上面図を示した図9は、光電変換部301、光電変換部間のゲート電極302をそれぞれ4つずつ配置し、FD部303とFD部への転送を制御するゲート電極304をそれぞれ2つの構成にした。
このように、光電変換部の数に比べ、FD部の数を少なく共通のFD部から電荷量を読み取る構成とすることで、光電変換部の開口率を高くすることが可能となる。よって、光電変換部を4つに構成しても、高いSN比を維持でき、高精度な距離検出が可能となる。
また、図9に示した構成では、光電変換部の間に配置したゲート電極302の信号に応じて、射出瞳の分割領域を縦・横を任意に制御できる。
ここでは、図10を用いて、本実施例における画素200を含む固体撮像素子の製造プロセスについて説明する。
まず、熱酸化によりシリコン半導体201の表面にゲート絶縁膜207を形成する。
続いて、201の半導体中に光電変換部204、205、FD部206を形成するために、フォトレジストにより所定位置にレジストマスクを形成し、不純物のイオン打ち込みを行う。
その後、レジストマスクをアッシング等により除去する。続いて、同様のイオン打ち込みの方法で、拡散層(不図示)を形成する(図10(a))。
その後、フォトリソ工程を用いてポリシリコンを所定パターンにエッチングしてゲート電極208、209を形成する(図10(b))。
その後、半導体201、およびゲート電極上に例えばBPSGなどの層間絶縁膜215を形成し、CMP法により平坦化を行う。
次に、電気的な接続のため、コンタクトホールなどの接続孔を層間絶縁膜に形成して、他の金属配線に電気的に接続させる。同様に、配線213を形成し層間絶縁膜215で覆う(図10(c))。
続いて、半導体201のゲート絶縁膜207と反対側を光電変換部が露出するまで研磨し薄膜化する。その後、平坦化膜212、カラーフィルタ211、マイクロレンズ210を必要に応じて形成する(図10(d))。
101:撮影レンズ
102:固体撮像素子
103:演算部
104:被写体
105:距離検出装置の射出瞳
106:射出瞳の第1の領域
107:射出瞳の第2の領域
108:基線長
200:距離検出画素群の1つの画素
201:半導体
202:P型ウエル
203:表面P+層
204:第1の光電変換部
205:第2の光電変換部
206:フローティングディフュージョン部
207:ゲート絶縁膜
208、209:ゲート電極
210:集光手段
211:カラーフィルタ
212:平坦化層
Claims (7)
- 半導体中に、第1の光電変換部と第2の光電変換部とによる少なくとも2つの光電変換部を有する画素を備えた固体撮像素子であって、
前記第1の光電変換部は、前記第2の光電変換部よりも高い不純物濃度を有し、前記第2の光電変換部で発生した電荷を前記第1の光電変換部に転送可能に構成され、
前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部の電荷量を、共通して検出する1つの信号検出手段を有することを特徴とする固体撮像素子。 - 前記信号検出手段は、前記第1の光電変換部に蓄積された電荷量を検出した後、前記第2の光電変換部に蓄積された電荷量を検出する構成を備えていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記第1の光電変換部の露光時間と、前記第2の光電変換部の露光時間とが同じ露光時間となるように設定されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の固体撮像素子。
- 前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部との間に、前記第2の光電変換部で発生した電荷を前記第1の光電変換部に転送するゲート電極が配置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 複数の画素を有する固体撮像素子を備え、撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束によるそれぞれの像を前記複数の画素を用いて検出し、前記それぞれの像のズレ量に基づいて距離を検出する距離検出装置であって、
前記複数の画素を有する固体撮像素子が、請求項1から4のいずれか1項に記載の固体撮像素子によって構成されていることを特徴とする距離検出装置。 - 前記距離を検出する際の動作として、第1の測定モードと第2の測定モードとによる少なくとも2つの測定モードを有し、
前記第1の測定モードは、前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部を順次検出するモードであり、
前記第2の測定モードは、前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部を同時に検出するモードであることを特徴とする請求項5に記載の距離検出装置。 - 請求項5または請求項6に記載の距離検出装置を備えたことを特徴とするカメラ。
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