JP2014029351A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小面積の固体撮像素子に適用した場合でも、被写体の状態によらずに、高速かつ高精度に位相差情報を取得し合焦位置を求めることができる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】固体撮像素子１００は、瞳分割用画素部１１，１２のペアを複数含む。瞳分割用画素部１１，１２は、それぞれ、ＰＤ２と、ＰＤ２上方に設けられＰＤ２に光を集光する集光レンズ（マイクロレンズ１３及び層内レンズ８）とを含み、集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置近傍に設けられ、瞳分割用画素部１１，１２のＰＤ２の受光面の一部を遮光する遮光部７ａ，７ｂを備え、遮光部７ａ，７ｂは、瞳分割用画素部１１，１２の各々に含まれるＰＤ２の光学開口の中心が、当該各々の瞳分割用画素部に含まれる集光レンズの中心に対し互いに逆方向に偏心するように設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、瞳分割用画素部のペアを複数含む固体撮像素子に関する。

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を設け、この一対の瞳分割用画素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。この位相差検出方式は、コントラストＡＦ方式の焦点検出技術に比べて高速に焦点調節を行うことができるため、一眼レフカメラで多く採用されている。

従来の一眼レフカメラで採用されている位相差検出方式は、例えば、被写体を撮像する固体撮像素子とは別に、２つの左右に配置される位相差検出用ラインセンサを設け、第１のラインセンサの検出情報と第２のラインセンサの検出情報との位相差に基づき、主要被写体までの距離を検出する構成になっている。

この位相差ＡＦ方式は、固体撮像素子とは別に位相差検出用のラインセンサが必要となり、部品コスト及び製造コストが嵩んでしまい、更に装置が大型化してしまうという問題がある。

これに対し、下記の特許文献１，２に記載されている様に、固体撮像素子受光面上に位相差検出用の画素を設けたものが提案されている。被写体画像を撮像する固体撮像素子として位相差検出用の画素が形成された固体撮像素子を採用することで、外部の位相差検出用センサが不要となり、低コスト化を図ることが可能となる。

特開２００８―１３４３８９号公報 特開２０００―１５６８２３号公報

特許文献１、２に記載の従来技術は、１対の隣接画素の夫々の遮光膜開口を小さくし、かつ１対の隣接画素の一方と他方で遮光膜開口位置を位相差検出方向（通常の場合は左右方向）にずらすことで位相差を検出する構成になっている。

一画素一画素の受光面積を大きくとれる大判（大面積）の固体撮像素子であれば、このように遮光膜開口を小さくしても位相差情報を高速かつ高精度にとることができる。しかし、一画素一画素の受光面積を大きくとれない、例えばコンパクトカメラ等に搭載する固体撮像素子では、受光時間を短時間にして位相差情報を高速に取得すると、被写体の状態によっては、位相差情報の精度つまり合焦位置検出精度が落ちてしまうという問題が生じる。また、位相差画素から出力される信号をゲインアップして位相差情報を取得する行う方法も考えられるが、この場合、ノイズもゲインアップされるため、十分な合焦位置検出精度を得ることができない。

本発明の目的は、小面積の固体撮像素子に適用した場合でも、被写体の状態によらずに、高速かつ高精度に位相差情報を取得し合焦位置を求めることができる固体撮像素子及びこれを備える撮像装置を提供することにある。

本発明の固体撮像素子は、瞳分割用画素部のペアを含む固体撮像素子であって、前記ペアを構成する２つの前記瞳分割用画素部は、それぞれ、光電変換素子と、前記光電変換素子上方に設けられ前記光電変換素子に光を集光する集光レンズとを含み、前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置近傍に設けられ、前記瞳分割用画素部の前記光電変換素子の受光面の一部を遮光する遮光部を備え、前記遮光部は、前記ペアを構成する２つの前記瞳分割用画素部の各々に含まれる前記光電変換素子の光学開口の中心が、当該各々の瞳分割用画素部に含まれる前記集光レンズの中心に対し互いに逆方向に偏心するように設けられているものである。

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備えるものである。

本発明によれば、小面積の固体撮像素子に適用した場合でも、被写体の状態によらずに、高速かつ高精度に位相差情報を取得し合焦位置を求めることができる固体撮像素子及び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固体撮像素子１００の概略構成を示す平面模式図 図１に示した固体撮像素子１００におけるＡ−Ａ線断面模式図 図１に示した固体撮像素子１００におけるＢ−Ｂ線断面模式図 図２に示す断面図において、遮光部７ａを瞳分割用画素部１１のＰＤ２の直上（絶縁膜３の上）に設けた場合を示す図 図４に示す断面図において、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の直上に設けた遮光部７ａの長さを短くして、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の光学開口を右側に広げた構成を示す図 図２に示す瞳分割用画素部１０に対する波動光学シミュレーション（入射角０°）の結果を示す図 図２に示す瞳分割用画素部１０に対する波動光学シミュレーション（入射角５°）の結果を示す図 図２に示す瞳分割用画素部１０に対する波動光学シミュレーション（入射角１０°）の結果を示す図 図１に示した固体撮像素子１００がＭＯＳ型である場合のＡ−Ａ線断面模式図 図２に示した断面構成の変形例を示す図 図１０に示す瞳分割用画素部１０に対する波動光学シミュレーション（入射角０°）の結果を示す図 図１０に示す瞳分割用画素部１０に対する波動光学シミュレーション（入射角５°）の結果を示す図 図１０に示す瞳分割用画素部１０に対する波動光学シミュレーション（入射角１０°）の結果を示す図 図９に示した断面構成の変形例を示す図 図１に示す固体撮像素子１００が裏面照射型である場合のＡ−Ａ線断面模式図 図１に示す固体撮像素子１００が積層型である場合のＡ−Ａ線断面模式図

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固体撮像素子１００の概略構成を示す平面模式図である。固体撮像素子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に示した固体撮像素子１００は、水平方向Ｘとこれに直交する垂直方向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の例では斜め右下に隣接して配置）された瞳分割用画素部１２と共にペアを構成し、この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、固体撮像素子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。固体撮像素子１００は、このペアを少なくとも１つ有している。

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に示した固体撮像素子１００におけるＡ−Ａ線断面模式図である。図３は、図１に示した固体撮像素子１００におけるＢ−Ｂ線断面模式図である。

シリコン基板等の半導体基板１内には、光電変換素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）２が画素部毎に設けられている。

各ＰＤ２の右隣には、当該各ＰＤ２で発生し蓄積された電荷を転送する図示しない電荷転送チャネルが形成され、この電荷転送チャネル上には、半導体基板１上に形成される絶縁膜３を介して、この電荷転送チャネルに電圧を印加するための電荷転送電極４が形成されている。

電荷転送電極４及び絶縁膜３上には遮光膜５が形成され、この遮光膜５には、各ＰＤ２上方に同一形状の開口が形成されている。平面視において、この開口から見えるＰＤ２の領域がＰＤ２の受光面となる。平面視において、この受光面の中心位置は、後述する集光レンズの光軸の位置と一致している。

各ＰＤ２の上方には、上凸層内レンズ８、カラーフィルタ９、及びトップマイクロレンズ１３がこの順に積層されている。

電荷転送電極４及び遮光膜５は絶縁膜６内に形成されており、この絶縁膜６上に複数の上凸層内レンズ８が形成されている。複数の上凸層内レンズ８の上には平坦化膜Ｈが形成され、この平坦化膜Ｈ上に複数のカラーフィルタ９が形成されている。トップマイクロレンズ１３は、カラーフィルタ９上に形成されている。

トップマイクロレンズ１３は、固体撮像素子１００に含まれるレンズのうち、固体撮像素子１００の最も光入射側（外側）に設けられたレンズである。トップマイクロレンズ１３とその下方の上凸層内レンズ８が、これらの下方にあるＰＤ２に入射光を集光する集光レンズを構成している。

このように、固体撮像素子１００に含まれる各画素部は、集光レンズとこの集光レンズによって集光された光を受光するＰＤ２とを少なくとも含む構成である。

固体撮像素子１００に含まれる集光レンズにより入射光の光束が最も細く収斂される位置（以下、集光レンズの最細収斂位置という）は、ＰＤ２の表面（半導体基板１の表面）付近ではなく、半導体基板１よりも上側になるように集光レンズの曲率等が決められている。

図２，３の例では、上凸層内レンズ８と半導体基板１との間の絶縁膜６内の遮光膜５よりも光入射側の位置に、集光レンズの最細収斂位置（図中の点線矢印が交わっている位置）がある。

近年の固体撮像素子の微細化により、集光レンズの最細収斂位置が半導体基板内にあると、遮光膜５によって入射光がケラレてしまい、十分な感度を得ることができない。そこで、固体撮像素子１００では、半導体基板よりも上側に最細収斂位置を設けることで、入射光のケラレを減らして、十分な感度を得られるようにしている。

図２に示すように、瞳分割用画素部１１のＰＤ２と上凸層内レンズ８との間には、当該ＰＤ２の受光面の一部を遮光する遮光部７ａが形成されている。

遮光部７ａは、集光レンズの最細収斂位置近傍に設けられており、平面視においてＰＤ２の受光面の例えば右側１／３を遮光するように配置されている。このため、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の受光面のうち、遮光部７ａによって遮光されていない部分が、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の光学開口となる。

図３に示すように、瞳分割用画素部１２のＰＤ２と上凸層内レンズ８との間には、当該ＰＤ２の受光面の一部を遮光する遮光部７ｂが形成されている。

遮光部７ｂは、集光レンズの最細収斂位置近傍に設けられており、平面視においてＰＤ２の受光面の例えば左側１／３を遮光するように配置されている。このため、瞳分割用画素部１２のＰＤ２の受光面のうち、遮光部７ｂによって遮光されていない部分が、瞳分割用画素部１２のＰＤ２の光学開口となる。

遮光部７ａ，７ｂは、２つの瞳分割用画素部１１，１２の各々に含まれるＰＤ２の光学開口の中心が、瞳分割用画素部１１，１２の各々の集光レンズの中心に対し互いに逆方向に偏心するように設けられている。この結果、瞳分割用画素部１１のＰＤ２と、瞳分割用画素部１２のＰＤ２とにより、水平方向に瞳分割を行うことができ、水平方向における位相差情報の取得が可能となる。

以下では、遮光部７ａ，７ｂを集光レンズの最細収斂位置近傍に設けることの技術的意義について説明する。

図４は、図２に示す断面図において、遮光部７ａを瞳分割用画素部１１のＰＤ２の直上（絶縁膜３の上）に設けた場合を示す図である。

図４に示すように遮光部７ａを設けると、瞳分割用画素部１１のＰＤ２に入射する光のうち、入射角が０°の光（瞳分割用画素部１１の集光レンズの光軸に対して平行に入射してくる光）は、その半分が遮光部７ａによって遮られるため、入射角０°の光の感度が半分になる。

瞳分割用画素部１１のＰＤ２と瞳分割用画素部１２のＰＤ２のいずれにおいても、感度向上のために、入射角０°の光はできるだけ多く受光できることが好ましい。

そこで、図５に示すように、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の直上に設けた遮光部７ａの長さを短くして、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の光学開口を右側に広げ、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の感度を向上させる方法が考えられる。

しかし、図５に示す構成では、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の光学開口と、瞳分割用画素部１２のＰＤ２の光学開口とが互いに近づくことになるため、図４に示した構成よりも瞳分割性能が低下する。

このように、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の直上に遮光部７ａを設ける構成では、高感度と高い瞳分割性能とを両立させることができない。

図５に示した構成において、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の光学開口はそのままに、遮光部７ｂを集光レンズの最細収斂位置近傍に設けた構成が図２に示す構成である。

図２に示す構成によれば、集光レンズの最細収斂位置近傍では光束がＰＤ２の表面近傍よりも細くなっているため、その分、入射角０°の光の遮光される量は減少する。この結果、瞳分割性能を図５に示した構成と同じにしながら、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の感度を向上させることができる。

また、図２に示す構成によれば、遮光部７ａを水平方向左側まで多少伸ばしても、ある程度の伸ばし量までは、図５に示した感度よりも高い感度を得ることができる。したがって、図２に示す構成によれば、高い感度と高い瞳分割性能とを両立させることができる。

また、図２に示す構成によれば、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の光学開口と瞳分割用画素部１２のＰＤ２の光学開口とを制限するための遮光部７ａ，７ｂが電荷転送電極４よりも上に形成されているため、遮光膜５に形成するＰＤ２上の開口は全ての画素で同一形状で形成することができ、プロセスマージンの悪化を抑えることができる。

また、遮光部７ａ，７ｂの位置を容易に変更することができるため、シェーディング対策も容易となる。なお、集光レンズの最細収斂位置近傍は、理想的には集光レンズの最細収斂位置そのものであるが、瞳分割用画素部１１，１２の感度と瞳分割性能のバランスを考えて感度と瞳分割性能が著しく低下しないような位置であれば、集光レンズの最細収斂位置から多少ずれた位置であってもよい。

図６〜８は、図２に示す瞳分割用画素部１０に対する波動光学シミュレーションの結果を示す図である。

図６は、トップマイクロレンズ１３に入射角０°の光を入射したときの結果を示す。図７は、トップマイクロレンズ１３に入射角５°の光（斜め右上から入射する光）を入射したときの結果を示す。図８は、トップマイクロレンズ１３に入射角１０°の光（斜め右上から入射する光）を入射したときの結果を示す。図６〜８において、図２に示した構成要素と同じものには同一符号を付してある。

図６〜８に示すように、入射角が大きくなると、光束の中心は集光レンズの光軸から左側にずれていく。

例えば、図３に示した瞳分割用画素部１２においては、瞳分割性能を考えると、右斜め上から入射してくる光（入射角が５°又は入射角が１０°）をできるだけ遮光することが好ましい。

したがって、図７，８に示す結果から、入射角が５°又は入射角が１０°の光に対する集光レンズの最細収斂位置に遮光部７ａ，７ｂを設けることで、瞳分割性能を最も高くできることが分かる。

また、図６〜８では、矢印に示した範囲で、集光レンズにより光束が最も細く収斂されており、この矢印で示す範囲が、入射角が大きくなるにしたがって光入射側に移動していくことが分かる。

つまり、入射角が５°又は入射角が１０°の光に対する集光レンズの最細収斂位置は電荷転送電極４よりも高い位置に存在することになるため、入射角が５°又は入射角が１０°の光に対する集光レンズの最細収斂位置に遮光部７ａ，７ｂを設けることは、上述したプロセスマージンの悪化を抑えるという観点からも好ましい。

以上の説明では、固体撮像素子１００がＣＣＤ型となっているが、固体撮像素子１００はＭＯＳ型であってもよい。

図９は、図１に示した固体撮像素子１００がＭＯＳ型である場合のＡ−Ａ線断面模式図である。図９において、図２と同じ構成には同一符号を付してある。

図９に示す固体撮像素子１００は、絶縁膜３と上凸層内レンズ８との間の層を、メタル配線２１，２２，２３を含む配線層２４に変更した点を除いては、図３に示した構成と同じである。

配線層２４は、半導体基板１に形成された、ＰＤ２の蓄積電荷に応じた信号を読み出すＭＯＳ回路（不図示）の駆動配線及び出力信号線等を含むものであり、図９の例では、メタル配線２１とメタル配線２２とメタル配線２３の３層の配線を含む。

図９に示す固体撮像素子１００は、集光レンズの最細収斂位置が配線層２４の略中間の深さに設けられている。

メタル配線２１〜２３は、通常画素部１０のＰＤ２の上方では、このＰＤ２を避けるように配置されている。一方、瞳分割用画素部１１のＰＤ２上方では、第二層目のメタル配線２２が左側に向かってＰＤ２上方まで張り出しており、このメタル配線２２の張り出し部によって、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の受光面の一部が遮光されている。

この張り出し部が、図２に示した遮光部７ａと同様の機能を果たし、この張り出し部によって、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の光学開口の中心が、瞳分割用画素部１１の集光レンズの中心よりも水平方向左側にずれた構成となっている。

また、図示していないが、瞳分割用画素部１２のＰＤ２上方では、第二層目のメタル配線２２が右側に向かってＰＤ２上方にまで張り出しており、このメタル配線２２の張り出し部によって、瞳分割用画素部１２のＰＤ２の光学開口の中心が、瞳分割用画素部１２の集光レンズの中心よりも水平方向右側にずれた構成となっている。

このように、固体撮像素子１００がＭＯＳ型である場合には、ＰＤ２から上凸層内レンズ８までの高さがＣＣＤ型に比べて高くなる。

このため、集光レンズの最細収斂位置を配線層２４の内部（好ましくは略中間）に設けることで、入射光のケラレ等を低減して感度低下を防ぎ、その上で、集光レンズの最細収斂位置に、遮光部７ａ、７ｂと同じ機能を持つメタル配線２２の張り出し部を設けることで、高い感度と高い瞳分割性能の両立を図ることができる。また、このメタル配線２２の張り出し部の形成は、マスクの形状を変更するだけで対応することができるため、製造コストの増大を防ぐことができる。

図１０は、図２に示した断面構成の変形例を示す図である。

図１０に示した固体撮像素子１００は、図２に示した構成における全ての画素部のＰＤ２の上方に、集光レンズで集光された光を当該ＰＤ２に導く導波路を設け、瞳分割用画素部１１の導波路の入り口近傍に遮光部３３を設けた構成である。

遮光部３３は、図２に示した構成における遮光部７ａと同じ機能を有し、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の受光面の一部を遮光して、瞳分割用画素部１１の光学開口の中心を、瞳分割用画素部１１の集光レンズの中心に対して左側に偏心させている。

図１０に示すように、導波路は、絶縁層６と光学機能層３１とを含んで構成される。光学機能層３１は、集光レンズで集光された光を、絶縁層６との界面で全反射させることができる材料で構成されていればよく、絶縁層６よりも低屈折率の絶縁材料、又は、金属材料等で構成されている。

光学機能層３１は、電荷転送電極４を覆う遮光膜５の周囲に形成されており、各ＰＤ２の上方には開口が形成されている。平面視において、この光学機能層３１の開口から見えるＰＤ２の領域が、ＰＤ２の受光面となる。

図１１〜図１３は、図１０に示した通常画素部１０に対する波動光学シミュレーションの結果を示す図である。図１１は、トップマイクロレンズ１３に入射角０°の光を入射したときの結果を示す。図１２は、トップマイクロレンズ１３に入射角５°の光（斜め右上から入射する光）を入射したときの結果を示す。図１３は、トップマイクロレンズ１３に入射角１０°の光（斜め右上から入射する光）を入射したときの結果を示す。

図１１〜図１３に示すように、導波路を持つ固体撮像素子１００の通常画素部１０では、どの入射角の光であっても、ＰＤ２の受光面上ではほぼ同じ領域に光が入射する。

このため、従来のように、ＰＤ２の直上（絶縁膜３上）に遮光部を設けてＰＤ２の光学開口を偏心させても、満足な瞳分割性能を得ることはできない。

図１２，１３に示すように、入射角５°と入射角１０°の光は、導波路に侵入してからは、マイクロレンズ１３に対して入射した方向とは逆方向に曲がってＰＤ２の受光面まで到達する。

この結果から、導波路を持つ瞳分割用画素部１１，１２においては、図１０に示すように、導波路の入り口近傍において遮光部３３を設けることで、瞳分割性能を満足したものにすることができる。

また、遮光部３３を設ける位置は、感度を向上させる観点から、導波路外において入射光が最も細く収斂される位置（集光レンズによって入射光が最も細く収斂される位置）近傍にすることが好ましい。

ただし、集光レンズによって入射光が最も細く収斂される位置が、導波路の入り口から上側に大きく離れた位置にあると、導波路に入射しない光が出てくる可能性もある。

このため、図１０に示した構成においては、集光レンズによって入射光が最も細く収斂される位置を、導波路の入り口近傍か又は導波路の内部に設ける必要がある。

したがって、図１０に示した構成においては、導波路の入り口近傍（入り口又は入り口よりも僅かに上）が、集光レンズによって入射光が最も細く収斂される位置になる。つまり、図１０に示すように、導波路の入り口近傍に遮光部３３を設けることで、高い感度と高い瞳分割性能を両立させることができる。

なお、瞳分割用画素部１２の構成は、図１０に示した瞳分割用画素部１１を左右反転させたものであるため、ここでは説明を省略する。

図１４は、図９に示した断面構成の変形例を示す図である。

図１４に示した固体撮像素子１００は、図９に示した構成における各ＰＤ２の上方に、集光レンズで集光された光をＰＤ２に導く導波路を設け、瞳分割用画素部１１の導波路の入り口近傍に遮光部４３を設けた構成である。

図１４に示すように、導波路は、絶縁層４４と光学機能層４１とを含んで構成される。

光学機能層４１は、集光レンズで集光された光を、絶縁層４４との界面で全反射させることができる材料で構成されていればよく、絶縁層４４よりも低屈折率の絶縁材料、又は、金属材料等で構成されている。

光学機能層４１が金属材料で構成された層である場合は、光学機能層４１と配線２１〜２３との間には別の絶縁層が形成される。

光学機能層４１は、配線２１，２２，２３を覆って形成され、ＰＤ２上方には開口が形成されている。

遮光部４３は、図２に示した構成における遮光部７ａと同じ機能を有し、瞳分割用画素部１１のＰＤ２の受光面（光学機能層４１の開口から見えるＰＤ２の領域）の一部を遮光して、瞳分割用画素部１１の光学開口の中心を、瞳分割用画素部１１の集光レンズの中心に対して左側に偏心させている。

図１４に示した固体撮像素子１００においても、図１０に示した固体撮像素子１００と同様に、集光レンズによって入射光が最も細く収斂される位置が導波路の入り口近傍にある。

このため、導波路の入り口近傍に遮光部４３を設けることで、導波路を持つＭＯＳ型の固体撮像素子であっても、高い感度と高い瞳分割性能の両立を図ることができる。

なお、瞳分割用画素部１２の構成は、図１４に示した瞳分割用画素部１１を左右反転させたものであるため、ここでは説明を省略する。

以上説明してきた、図２、図３、図９、図１０、及び図１４に示した構成において、集光レンズは、少なくともトップマイクロレンズを含んでいればよく、上凸層内レンズは省略してもよい。

ここまでは、固体撮像素子１００が、半導体基板の表面（光入射側の面）に入射してＰＤ２で発生し蓄積された電荷に応じた信号を、当該半導体基板の表面側に形成されたＣＣＤ型又はＭＯＳ型の読み出し回路で読み出す、表面照射型であることを前提として説明してきた。しかし、固体撮像素子１００は、表面照射型に限らず、裏面照射型や積層型であってもよい。

以下では、固体撮像素子１００が裏面照射型である場合の構成例と積層型である場合の構成例について説明する。

なお、裏面照射型とは、半導体基板の一方の面側から入射した光を当該半導体基板内のフォトダイオードで受光し、このフォトダイオードで発生し蓄積された電荷に応じた信号を、当該半導体基板の他方の面に形成された読み出し回路で読み出す構成のものを言う。

また、積層型とは、半導体基板上方に積層された光電変換素子（一対の電極とこれらの間に設けられる光電変換層を含む構成）で発生した電荷に応じた信号を、当該半導体基板に形成された読み出し回路にて読み出す構成のものを言う。

図１５は、図１に示す固体撮像素子１００が裏面照射型である場合のＡ−Ａ線断面模式図である。

図１５に示すように、各画素部において、半導体基板内には光電変換素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）５１が形成され、各ＰＤ５１上には絶縁層５３を介してカラーフィルタ５４及びトップマイクロレンズ５５がこの順に積層されている。

半導体基板の光入射側とは反対側の面には、図示しないＣＣＤ型又はＭＯＳ型の読み出し回路が形成され、ＰＤ５１で発生し蓄積された電荷に応じた信号が、この読み出し回路によって読み出される。

トップマイクロレンズ５５は、固体撮像素子１００の最も外側に設けられるレンズであり、その下方のＰＤ５１に光を集光する機能を持つ。

トップマイクロレンズ５５によって入射光が最も細く収斂される位置は、ＰＤ５１とカラーフィルタ５４との間にある。

瞳分割用画素部１１のＰＤ５１の上方におけるトップマイクロレンズ５５によって入射光が最も細く収斂される位置には、瞳分割用画素部１１のＰＤ５１の受光面の一部を遮光する遮光部５２が形成されている。

この遮光部５２により、瞳分割用画素部１１のＰＤ５１の光学開口の中心が、瞳分割用画素部１１のトップマイクロレンズ５５の中心に対して左側に偏心した構成になっている。

なお、瞳分割用画素部１２の構成は、図１５に示した瞳分割用画素部１１を左右反転させたものであるため、ここでは説明を省略する。

このように、裏面照射型であっても、集光レンズとしてのトップマイクロレンズ５５によって入射光が最も細く収斂される位置をＰＤ５１よりも光入射側に設け、かつ、この位置に瞳分割用画素部１１の光学開口を決めるための遮光部５２を設けることで、高い感度と高い瞳分割性能とを両立させた固体撮像素子を実現することができる。

なお、裏面照射型の場合は、トップマイクロレンズ５５の曲率を調整することで、入射光が最も細く収斂される位置を調整することができる。しかし、トップマイクロレンズ５５の曲率の調整だけでは、入射光が最も細く収斂される位置の調整が難しい場合もある。

このような場合には、トップマイクロレンズ５５と絶縁層５３との間（例えば、カラーフィルタ５４と絶縁層５３の間）に、トップマイクロレンズ５５とＰＤ５１との間の高さを調整するための高さ調整層を設けることが好ましい。

高さ調整層は、屈折率が低い材料で構成すると、エアリーディスクが広がってしまい、クロストークに弱くなる。このため、高さ調整層は、屈折率の高い材料（例えば、窒化珪素等）で構成することが好ましい。

図１６は、図１に示す固体撮像素子１００が積層型である場合のＡ−Ａ線断面模式図である。

図１６に示すように、半導体基板６１上方には、絶縁膜６３を介して光電変換層６６が積層されている。光電変換層６６は、全ての画素部で共通の一枚構成となっている。

光電変換層６６の下には、画素部毎に分割された画素電極６５が形成され、各画素電極６５下方の半導体基板６１には画素部毎に読み出し回路６２が形成され、画素電極６５とこれに対応する読み出し回路６２とが導電性プラグ６４によって電気的に接続されている。

光電変換層６６の上には、全ての画素部で共通の対向電極６７が形成されている。画素電極６５と、この上方の対向電極６７と、画素電極６５と対向電極６７の間に設けられた光電変換層６６とにより、光電変換素子が構成されている。

なお、この光電変換素子は、光電変換層６６と画素電極６５及び対向電極６７の少なくとも一方との間に、電荷ブロッキング層等の他の機能層が設けられた構成であってもよい。

対向電極６７の上には絶縁層６９を介して、画素部毎にカラーフィルタ７０及びトップマイクロレンズ７１がこの順に積層されている。

トップマイクロレン７１によって入射光が最も細く収斂される位置は、このトップマイクロレンズ７１に対応する光電変換素子よりも光入射側にある。

瞳分割用画素部１１の光電変換素子上方には、瞳分割用画素部１１のトップマイクロレン７１によって入射光が最も細く収斂される位置に遮光部６８が設けられている。

遮光部６８は、瞳分割用画素部１１の光電変換素子の受光面（平面視において画素電極６５と重なる領域）の一部を遮光するものであり、この遮光部６８により、瞳分割用画素部１１の光電変換素子の光学開口の中心が、瞳分割用画素部１１のトップマイクロレンズ７１の中心に対して水平方向左側に偏心した構成になっている。

なお、瞳分割用画素部１２の構成は、図１６に示した瞳分割用画素部１１を左右反転させたものであるため、ここでは説明を省略する。

このように、積層型であっても、集光レンズとしてのトップマイクロレンズ７１によって入射光が最も細く収斂される位置を光電変換素子よりも光入射側に設け、かつ、この位置に瞳分割用画素部１１の光学開口を決めるための遮光部６８を設けることで、感度と瞳分割性能とを両立させた固体撮像素子を実現することができる。

なお、積層型の場合は、トップマイクロレンズ７１の曲率を調整することで、入射光が最も細く収斂される位置を調整することができる。しかし、トップマイクロレンズ７１の曲率の調整だけでは、入射光が最も細く収斂される位置の調整が難しい場合もある。

このような場合には、トップマイクロレンズ７１と絶縁層６９との間（例えば、カラーフィルタ７０と絶縁層６９の間）に、トップマイクロレンズ７１と光電変換素子との間の高さを調整するための高さ調整層を設けることが好ましい。

高さ調整層は、屈折率が低い材料で構成すると、エアリーディスクが広がってしまい、クロストークに弱くなる。このため、高さ調整層は、屈折率の高い材料（例えば、窒化珪素等）で構成することが好ましい。

本明細書には、次の事項が開示されている。

開示された固体撮像素子は、瞳分割用画素部のペアを含む固体撮像素子であって、前記ペアを構成する２つの前記瞳分割用画素部は、それぞれ、光電変換素子と、前記光電変換素子上方に設けられ前記光電変換素子に光を集光する集光レンズとを含み、前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置近傍に設けられ、前記瞳分割用画素部の前記光電変換素子の受光面の一部を遮光する遮光部を備え、前記遮光部は、前記ペアを構成する２つの前記瞳分割用画素部の各々に含まれる前記光電変換素子の光学開口の中心が、当該各々の瞳分割用画素部に含まれる前記集光レンズの中心に対し互いに逆方向に偏心するように設けられているものである。

開示された固体撮像素子は、前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置は、前記光電変換素子よりも光入射側にあるものである。

開示された固体撮像素子は、ＭＯＳ型かつ表面照射型であり、前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置は、前記集光レンズと前記半導体基板との間にある配線層内にあるものである。

開示された固体撮像素子は、前記遮光部は、前記配線層に含まれる配線の一部で形成されているものである。

開示された固体撮像素子は、ＣＣＤ型かつ表面照射型であり、前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置は、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送するための電荷転送電極よりも上に形成されているものである。

開示された固体撮像素子は、表面照射型であり、前記集光レンズと前記光電変換素子との間に設けられ、前記集光レンズで集光された光を前記光電変換素子に導く導波路を備え、前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置は、前記導波路の入り口近傍にあるものである。

開示された固体撮像素子は、前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置は、前記集光レンズに入射する光の入射角が５°又は１０°のときのものであるものを含む。

開示された固体撮像素子は、前記集光レンズは、最も光入射側に設けられるトップマイクロレンズと、前記トップマイクロレンズと前記光電変換素子との間に設けられる層内レンズとを含むものである。

開示された固体撮像素子は、裏面照射型であるものである。

開示された固体撮像素子は、前記光電変換素子が内部に形成される半導体基板と前記集光レンズとの間に、当該間の高さを調整する調整層を備えるものである。

開示された固体撮像素子は、前記光電変換素子は、半導体基板上方に形成された一対の電極及び当該一対の電極の間に設けられる光電変換層を含むものである。

開示された固体撮像素子は、前記集光レンズと前記光電変換素子との間に、当該間の高さを調整する調整層を備えるものである。

開示された撮像装置は、前記固体撮像素子を備えるものである。

１００ 固体撮像素子
２ ＰＤ
７ａ，７ｂ 遮光部
８ 上凸層内レンズ
１０ 通常画素部
１１，１２ 瞳分割用画素部
１３ トップマイクロレンズ

Claims (13)

1. 瞳分割用画素部のペアを含む固体撮像素子であって、
   前記ペアを構成する２つの前記瞳分割用画素部は、それぞれ、光電変換素子と、前記光電変換素子上方に設けられ前記光電変換素子に光を集光する集光レンズとを含み、
   前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置近傍に設けられ、前記瞳分割用画素部の前記光電変換素子の受光面の一部を遮光する遮光部を備え、
   前記遮光部は、前記ペアを構成する２つの前記瞳分割用画素部の各々に含まれる前記光電変換素子の光学開口の中心が、当該各々の瞳分割用画素部に含まれる前記集光レンズの中心に対し互いに逆方向に偏心するように設けられている固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置は、前記光電変換素子よりも光入射側にある固体撮像素子。
3. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
   ＭＯＳ型かつ表面照射型であり、
   前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置は、前記集光レンズと前記半導体基板との間にある配線層内にある固体撮像素子。
4. 請求項３記載の固体撮像素子であって、
   前記遮光部は、前記配線層に含まれる配線の一部で形成されている固体撮像素子。
5. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
   ＣＣＤ型かつ表面照射型であり、
   前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置は、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送するための電荷転送電極よりも上に形成されている固体撮像素子。
6. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
   表面照射型であり、
   前記集光レンズと前記光電変換素子との間に設けられ、前記集光レンズで集光された光を前記光電変換素子に導く導波路を備え、
   前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置は、前記導波路の入り口近傍にある固体撮像素子。
7. 請求項３〜６のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記集光レンズにより光束が最も細く収斂される位置は、前記集光レンズに入射する光の入射角が５°又は１０°のときのものである固体撮像素子。
8. 請求項３〜７のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記集光レンズは、最も光入射側に設けられるトップマイクロレンズと、前記トップマイクロレンズと前記光電変換素子との間に設けられる層内レンズとを含む固体撮像素子。
9. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
   裏面照射型である固体撮像素子。
10. 請求項９記載の固体撮像素子であって、
    前記光電変換素子が内部に形成される半導体基板と前記集光レンズとの間に、当該間の高さを調整する調整層を備える固体撮像素子。
11. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
    前記光電変換素子は、半導体基板上方に形成された一対の電極及び当該一対の電極の間に設けられる光電変換層を含む固体撮像素子。
12. 請求項１１記載の固体撮像素子であって、
    前記集光レンズと前記光電変換素子との間に、当該間の高さを調整する調整層を備える固体撮像素子。
13. 請求項１〜１０のいずれか１項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。

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