JP2013153050A - 固体撮像素子、該固体撮像素子を備えた距離検出装置、及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】被写体や撮影条件に応じて高精度に距離検出測定を行うことが可能となる固体撮像素子、該固体撮像素子を備えた距離検出装置を提供する。
【解決手段】半導体中に形成された複数の光電変換部２０４、２０５で構成された距離を検出する画素を、複数の画素の少なくとも一部に備え、前記半導体上に、絶縁膜２０８を介して制御電極２１１、２１２、２１３が配置され、前記制御電極は、前記複数の光電変換部の位置または形状を、印加電圧によって制御可能に構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像素子、該固体撮像素子を備えた距離検出装置、及びカメラに関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの距離検出に用いられる距離検出用の固体撮像素子に関するものである。

デジタルスチルカメラやビデオカメラにおいて、固体撮像素子の一部あるいは全部の画素に距離検出（焦点検出）機能を有する距離検出画素を配置し、位相差方式で検出するようにした固体撮像素子が提案されている（特許文献１）。
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。
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。

このとき、撮影レンズの射出瞳面と光電変換部の表面が略共役の関係にある。このため、表面における光電変換部の位置や大きさに応じて、通過する射出瞳領域が決まる。例えば、距離検出画素の中心軸から光電変換部の重心位置を外側へ配置すれば、通過する射出瞳は瞳の外側へ推移し基線長は長くなる。
また、光電変換部を大きくすれば、通過する射出瞳領域が大きくなり光電変換部で受光する光量が多くなり、感度が高くなる。

特許第４０２７１１３号公報

ところが、実際の距離検出・撮像では、被写体の輝度や撮影条件（デフォーカス量など）に応じて、最適な基線長や感度（光電変換部の位置・大きさ）が異なってくる。
例えば、高精度に距離を検出する場合、基線長を長くする必要がある。また、低輝度の被写体の場合、ノイズが大きくなり距離精度が悪化するため、光電変換部の面積を大きくして感度を高くする必要がある。
しかしながら、従来までの手法では、距離検出画素を設計すると、一意に基線長が決まるため、被写体や撮影条件に応じて、最適な距離検出測定ができなかった。

本発明は、上記課題に鑑み、被写体や撮影条件に応じて高精度に距離検出測定を行うことが可能となる固体撮像素子、該固体撮像素子を備えた距離検出装置、及びカメラの提供を目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体中に形成された複数の光電変換部で構成された距離を検出する画素を、複数の画素の少なくとも一部に備えた固体撮像素子であって、
前記半導体上に、絶縁膜を介して制御電極が配置され、
前記制御電極は、前記複数の光電変換部の位置または形状を、印加電圧によって制御可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の距離検出装置は、複数の画素の少なくとも一部に距離を検出する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ていることを特徴とする。

本発明によれば、被写体や撮影条件に応じて高精度に距離検出測定を行うことが可能となる固体撮像素子、該固体撮像素子を備えた距離検出装置、及びカメラを実現することができる。

本発明の実施形態１における固体撮像素子を用いた距離検出装置を説明する図。 本発明の実施形態１における固体撮像素子の距離検出画素の概略断面図。 本発明の実施形態１における固体撮像素子を用いて被写体の距離を測定する方法について説明する図。 本発明の実施形態１における固体撮像素子の制御方法を説明する図。 本発明の実施形態１における固体撮像素子の制御方法を説明する図。 本発明の実施形態１における固体撮像素子の制御方法を説明する図。 本発明の実施形態１における距離測定用の画素を含む固体撮像素子の製造プロセスについて説明する図。 本発明の実施形態２における固体撮像素子の距離検出画素の概略断面図。 本発明の実施形態２における固体撮像素子の入射角感度特性を説明する図。 本発明の実施形態２における固体撮像素子の制御方法を説明する図。 本発明の実施形態２における固体撮像素子の制御方法を説明する図。 本発明における実施形態１、２以外の形態による固体撮像素子の距離検出画素について説明する概略上面図。

以下に本発明の固体撮像素子を備える距離検出装置について説明する。
その際、実施の形態にて上記距離検出装置を備えた撮像装置の一例として、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するものではない。また以下、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。

［実施形態１］
本発明の構成を適用した固体撮像素子を備えた距離検出装置の説明をする。
図１において、１００は実施形態１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で構成される。
このとき、被写体の距離情報を取得するため、撮影レンズ１０１を固体撮像素子１０２へ結像させ、固体撮像素子１０２に配置された距離検出画素群で被写体のＡ像及びＢ像を取得する。
得られたＡ像とＢ像の情報を演算部１０３へ転送し、ズレ量と基線長の関係から被写体の距離情報を算出する。

図２を用いて、本実施形態における半導体中に光電変換部による距離を検出する画素を備えた固体撮像素子の構成について説明する。
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、２０７で構成する。
また、前記半導体上に、絶縁膜を介して制御電極が配置される。具体的には、半導体２０１の表面Ｐ＋層２０３側にゲート絶縁膜２０８、ゲート電極２０９、２１０、制御電極２１１、２１２、２１３が配置される。
画素２００に入射した光は、マイクロレンズなどの集光手段２１４、カラーフィルタ２１５、平坦化層２１６を介し、第１の光電変換部２０４、第２の光電変換部２０５に導かれる。
光電変換部２０４、２０５に入射した光は電子に変換され、光電変換部内に蓄積される。その後、ゲート電極２０９、２１０に信号を加え、電子をＦＤ部２０６、２０７へと転送し、それぞれの電荷量を電気信号として検出する。

ここで、距離情報の取得はつぎのように行われる。
半導体２０１表面と撮影レンズ１０１の射出瞳１０４面が略共役の関係にある。このため、距離検出画素の第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５は異なる射出瞳の領域（第１の領域１０５、第２の領域１０６）を通過した光束を受光する（図３）。
このとき、複数の第１の光電変換部２０４から生成されるＡ像と、複数の第２の光電変換部２０５から生成されるＢ像のズレ量、及び、基線長１０７を用いて、公知の方法によって、被写体距離を検出することができる。
また、撮像情報の取得はつぎのように行われる。
距離検出画素を用いて撮像画像を取得するためには、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）の信号を加算すれば、射出瞳全域を通過した撮像信号となる。
よって、距離検出画素を用いて、通常の固体撮像素子と同様、全ての画素で被写体像を取得することができる。

つぎに、本実施形態の動作原理について説明する。
本実施形態では、制御電極２１１、２１２、２１３に電圧を印加することで、第１の光電変換部２０４、第２の光電変換部２０５の位置または形状を動的に制御することができる。
制御電極に正の電圧を印加することにより、ゲート絶縁膜２０８を介した制御電極近傍の半導体２０１の電子エネルギーは低くなる。
よって、電子密度が増加し、Ｎ型半導体に変化する。
一方、制御電極に負の電圧を印加することにより、制御電極近傍の半導体２０１の電子エネルギーは高くなり電子密度が低下しＰ型半導体へと変化する。
光電変換部は、光を電子に変換し、さらに、周囲より電子エネルギーが低く発生した電子を蓄積する機能をもつ。
このため、光電変換部、またはその周囲の電子エネルギー状態を相対的に変化させることで、光電変換部の位置または形状を制御することができる。

また、複数の制御電極を用いることで、より自由度が高く光電変換部の電子エネルギー分布を制御することができる。
続いて、第１の光電変換部の上に制御電極２１１、第１の光電変換部と第２の光電変換部の上に制御電極２１２、第２の光電変換部の上に制御電極２１３を配置した場合の距離検出装置の検出精度に関して説明する。
ただし、制御電極を光電変換部の上に配置すると、直下の光電変換部の電子エネルギーを効率よく制御できるため好ましい。
また、光電変換部間に制御電極を配置すると、光電変換部の周囲の電子エネルギーを効率よく制御できるため好ましい。

通常モードとして、制御電極に電圧を印加しない場合（図４（ａ））、半導体２０１の電子エネルギー分布は、製造時のドープ濃度によって決まる。
光電変換部は電子を蓄積するため、電子エネルギーが低くなるようにＮ型で形成する（図４（ｂ））。
このとき、電圧を印加しないため消費電力が小さく、長時間の距離検出や撮像測定が可能となる。
さらに、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５を画素の中心軸に対して左右対称となるように形成すれば、ＳＮ比の高いＡ像、Ｂ像の信号が得られる。

さらに、高精度モードとして高精度に距離測定を行う場合、基線長１０７を長く形成する必要がある。
この場合、Ａ像を取得するための距離検出画素（図５（ａ））では、制御電極２１１に負、２１２正に、２１３にゼロ、の電位をそれぞれ与える。
すると、電子エネルギー分布は図５（ｂ）に示すようになり、特に、第１の光電変換部２０４の重心位置は画素の中心軸から外側へ変位する。
また、Ａ像取得画素の近傍に配置したＢ像を取得するための画素（図５（ｃ））では、制御電極２１１にゼロ、２１２正に、２１３に負、の電位をそれぞれ与える。
これにより、第２の光電変換部２０５の重心を画素の中心軸から外側へ離れるようにする（図５（ｄ））。
以上のＡ像とＢ像を用いることで、画素の中心軸から外側へ変位した第１の光電変換部と第２の光電変換部が得られる。
このため、基線長１０７が長くなり、距離検出精度が向上する。
また、撮像画像を取得する際も、画素内の光電変換部を加算した信号は十分と大きく、ＳＮの高い撮像画像を得ることができる。

高感度モードにおいて低輝度の被写体の場合、ノイズが大きく距離検出誤差が大きくなる。
この場合、Ａ像を取得するための画素では、制御電極２１１にゼロ、２１２に正、２１３に負、の電位をそれぞれ与える。
一方、Ｂ像を取得するための画素では、制御電極２１１に負、２１２に正、２１３にゼロ、の電位をそれぞれ与える。
よって、高感度モードでは、高精度モード（図５）でＡ像を取得した画素をＢ像取得に切り替え、Ｂ像を取得した画素をＡ像取得に切り替えることで実現できる。
このとき、Ａ像、Ｂ像取得の光電変換部の面積が大きくなり、距離検出に必要なＳＮ比を確保できる。
以上のように、距離検出画素の光電変換部の面積比を変更し、特定の光電変換部の面積を大きくした。
これにより、面積の大きな光電変換部の信号を用いて距離検出することでＳＮ比が高くなり、結果として、低輝度の被写体においても距離検出誤差が小さい測定をすることができる。

距離情報の取得が不要な場合、制御電極２１１にゼロ、２１２に正、２１３に負、の電位をそれぞれ与えればよい。すると、第１の光電変換部と第２の光電変換部が加算される。これと逆にする場合には制御電極２１１負、２１２に正、２１３にゼロ、の電位をそれぞれ与えればよい。
こうすることで、光電変換部の信号を別々に取得することなく同時に取得でき、読み取りや処理時間の短縮になる。結果として、高速撮像を行うことができる（図６（ａ）（ｂ）、図６（ｃ）（ｄ））。

以上のように、制御電極を光電変換部の近傍に配置し電圧を印加することで、光電変換部とその周囲の電子エネルギー分布を変動させ、光電変換部の位置または形状を動的に制御することができる。
これにより、被写体や撮影条件に応じて、最適な測定モードで距離検出や被写体像を取得することができる。
また、動的に変化させるため、全ての距離検出画素を距離情報や撮像情報に用いることができ、距離精度が向上し、また、撮像画像のＳＮが向上する。
尚、本実施形態では裏面照射型の固体撮像素子とした。
このとき、制御電極が光の入射方向と逆側に配置されるため、制御電極による光の散乱・吸収がなくなる。
このため、裏面照射型の固体撮像素子を用いた方が、固体撮像素子の感度が高くなるため望ましい。

つぎに、図７を用いて、本実施形態における画素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２０８を形成する。続いて、半導体２０１中に光電変換部２０４、２０５、ＦＤ部２０６、２０７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７（ａ））。
さらに、光電変換部２０４、２０５にて発生した電子を転送するためのゲート電極と光電変換部の位置または形状を変化させる制御電極を形成するために、ポリシリコン膜を形成する。
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２０９、２１０、制御電極２１１、２１２、２１３を形成する（図７（ｂ））。

その後、半導体２０１、およびゲート電極、制御電極上に例えばＢＰＳＧなどの層間絶縁膜２１７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２１８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２１９を形成し層間絶縁膜２１７で覆う（図７（ｃ））。
続いて、半導体２０１のゲート絶縁膜２０８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２１６、カラーフィルタ２１５、マイクロレンズ２１４を必要に応じて形成する（図７（ｄ））。

［実施形態２］
実施形態２として、実施形態１とは異なる形態の固体撮像素子を備えた距離検出装置の説明をする。尚、実施形態１と同一のものはその説明を省略する。

図８に、本実施形態における固体撮像素子の距離検出画素の断面図を示す。
図８において、３００は距離検出画素であり、本実施形態において制御電極は２つで構成されており、それぞれ制御電極３０１、３０２で第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５の上部で距離検出画素３００の中心軸側に配置される。
また、入射光はゲート電極・制御電極と同一の方向から入射し、光電変換部へと到達させる。
このとき、ゲート電極・制御電極などで光が散乱・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３０３を設ける。
これにより、ゲート電極・制御電極などの電極が配置されていても、効率良く入射光を光電変換部へと導くことができる。
またこのとき、距離検出画素の第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５は入射光の入射角に対し、図９に示すように、非対称な入射角感度特性をもつ。

ここで 距離情報の取得は、つぎのように行われる。
図９に示した非対称な入射角感度特性を持つ場合、第１の光電変換部２０４は撮影レンズ１０１の射出瞳１０４の第１の領域１０５を通過した光を受光する。また、第２の光電変換部２０５は撮影レンズ１０１の射出瞳１０４の第２の領域１０６を通過した光を受光する。
よって、固体撮像素子は、レンズなどの集光手段の他に導波構造３０３などの導向手段を用いても、非対称な入射角感度特性を持てば同様に異なる射出瞳からの光束を検出できる。
これにより、複数の距離検出画素を用いてＡ像とＢ像を取得し、ズレ量と基線長から実施形態１と同様の手法で距離検出することができる。

つぎに、本実施形態の動作原理について説明する。
図８のように構成すると、制御電極３０１、３０２に電圧を印加することで、光電変換部近傍の電子エネルギー分布を制御し、第１の光電変換部２０４、第２の光電変換部２０５の位置または形状を動的に変化させることができる。
制御電極が２つ挿入された状態での、光電変換部の変化と、距離検出装置の距離検出精度に関して説明する。
通常モードとして、図１０に示すように、制御電極に電圧を印加しない場合（図１０（ａ））、半導体２０１の電子エネルギー分布は、製造時のドープ濃度によって決まる。
光電変換部は電子を蓄積するため、電子エネルギーが低くなるようにＮ型で形成する（図１０（ｂ））。
このとき、電圧を印加しないため、消費電力が小さく、長時間の距離測定や撮像が可能となる。
さらに、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５を画素の中心から左右対称となるように形成してやれば、Ａ像、Ｂ像ともにＳＮが高くできる。

また、高精度モードとして高精度に距離測定を行う場合、基線長１０７を長く形成させる必要がある。
この場合、Ａ像・Ｂ像を取得するための距離検出画素（図１１（ａ））では、制御電極３０１、３０２に負、負の電位を与える。
すると、電子エネルギー分布は図１１（ｂ）に示すようになり、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５の重心は画素の中心軸から外側へ離れるようになる。
以上のＡ像とＢ像を用いることで、画素の中心軸から外側に変位した第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５が得られる。このため、基線長１０７を長くとることができ、距離精度が向上する。

以上のように、制御電極を光電変換部の近傍に配置し電圧を印加することで、光電変換部とその周囲の電子エネルギー分布を変動させ、光電変換部の位置または形状を動的に制御することができる。
これにより、被写体や撮影条件に応じて、最適な距離検出や被写体像を取得することができる。
また、動的に変化させるため、全ての距離検出画素を距離情報、や撮像情報に用いることができ、距離精度が向上し、また、撮像画像のＳＮが向上する。

尚、実施形態１、実施形態２では、距離検出画素内に２つの光電変換部を持つ場合について説明した。
この場合、画素内で光電変換部を２分割するだけでよいため、開口率（画素に占める全光電変換部の割合）、光電変換部の容量を低下しすぎることなく距離検出画素を構成できる。
ただし、距離検出画素内の光電変換部は２つに限るものではなく、例えば、図１２に示すように、４つにしてもよい。
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１２は、光電変換部４０１、ゲート電極４０２、ＦＤ部４０３をそれぞれ４つずつ配置し、光電変換部ごとに入射光の信号を検出する。
このとき、制御電極４０４を複数配置することで、実施形態１、実施形態２と同様に、被写体や撮影条件に応じて、最適な距離検出や被写体像を取得することができる。

１００：距離検出装置
１０１：撮影レンズ
１０２：固体撮像素子
１０３：演算部
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、２０７：ＦＤ部
２０８：ゲート絶縁膜
２０９、２１０：ゲート電極
２１１、２１２、２１３：制御電極
２１４：集光手段
２１５：カラーフィルタ
２１６：平坦化層

Claims (12)

1. 半導体中に形成された複数の光電変換部で構成された距離を検出する画素を、複数の画素の少なくとも一部に備えた固体撮像素子であって、
   前記半導体上に、絶縁膜を介して制御電極が配置され、
   前記制御電極は、前記複数の光電変換部の位置または形状を、印加電圧によって制御可能に構成されていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記制御電極は、前記印加電圧によって、前記複数の光電変換部と前記複数の光電変換部近傍の電子エネルギー分布を変化させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記制御電極は、前記距離を検出する画素内に複数配置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。
4. 前記制御電極は、前記複数の光電変換部におけるそれぞれ光電変換部の上に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。
5. 前記制御電極は、前記複数の光電変換部の間に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記複数の光電変換部は、非対称な入射角感度特性をもつことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 前記複数の光電変換部は、それぞれの光電変換部に入射する光が前記制御電極と反対の方向から入射する裏面照射型に構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 複数の画素の少なくとも一部に距離を検出する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、
   前記固体撮像素子が、請求項１から７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。
9. 前記印加電圧に応じて、入射角感度特性の異なる測定モードに切り替え可能に構成されていることを特徴とする請求項８に記載の距離検出装置。
10. 前記複数の光電変換部の前記距離検出画素の中心軸側の近傍に前記制御電極が配置され、
    前記印加電圧によって、前記複数の光電変換部のそれぞれの重心位置を該中心軸より外側に変位させ、基線長を長くするように構成されていることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の距離検出装置。
11. 前記光電変換部の前記距離検出画素の中心軸側の近傍に前記制御電極が配置され、印加電圧によって、前記距離検出画素内の前記複数の光電変換部における面積比を変化させることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の距離検出装置。
12. 請求項８から１１のいずれか１項に記載の距離検出装置を備えていることを特徴とするカメラ。

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