JP2014123714A - 固体撮像素子及びそれを用いた距離検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度で高精度に距離検出を行うことができる固体撮像素子、及びそれを用いた距離検出装置などを提供する。
【解決手段】固体撮像素子１０２は、複数の画素を有し、前記複数の画素の少なくとも一つの画素が、複数の光電変換部２０４、２０５と、射出瞳１０４を通過した光のうちそれ自身で規定された領域内に入射した光を複数の光電変換部に入射させる瞳分割部材２１１と、を有する。複数の光電変換部は、基板の垂線方向で電荷に対するポテンシャル・プロファイルが変化し、複数の光電変換部の垂線に垂直な断面におけるポテンシャル重心間の距離が、光入射側よりその反対側の裏面側の方で長い。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像素子、その固体撮像素子を用いた距離検出装置、その距離検出装置を用いたデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置等に関する。

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用い、位相差方式で被写体距離を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１参照）。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。光電変換部は光を電荷に変換し、撮影（露光）時間の間、電荷を蓄積する機能をもつ。

ここで、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像と言う）、Ａ像とＢ像のズレ量を測定する。このズレ量と基線長（異なる射出瞳領域間の間隔）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。よって、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や受光感度が決まる。すなわち、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

ところが、複数の光電変換部を持つ距離検出画素の光電変換部を大きく形成すると、距離検出画素に占める光電変換部の割合が大きくなり、光電変換部同士の距離が近くなる。光電変換部間の距離が近くなると、光電変換部で発生した電荷は他の光電変換部へと移動（電子クロストーク）しやすくなる。これにより、距離検出画素内の光電変換部同士で電荷信号が相互干渉し、光電変換部の電荷信号と、通過した射出瞳領域との対応がとれ難くなる。結果として、Ａ像とＢ像のズレ量や基線長に誤差が生じ、測距精度の悪化をもたらすこととなり易い。

上記課題に鑑み、本発明の固体撮像素子は、複数の画素を有し、前記複数の画素の少なくとも一つの画素が、複数の光電変換部と、射出瞳を通過した光のうちそれ自身で規定された領域内に入射した光を前記複数の光電変換部に入射させる瞳分割部材と、を有する。前記複数の光電変換部は、基板の垂線方向で電荷に対するポテンシャル・プロファイル（以下、形状とも言う）が変化し、前記複数の光電変換部の前記垂線に垂直な断面におけるポテンシャル重心間の距離が、光入射側よりその反対側の裏面側の方で長い。

本発明によれば、距離検出画素の複数の光電変換部のポテンシャル・プロファイルが上記の如く形成されているので、高感度で高精度に距離検出を行うことができる固体撮像素子、及び、それを用いた距離検出装置などの実現が可能となる。

本発明の固体撮像素子を用いた距離検出装置ないし撮像装置を示す図。 固体撮像素子中の距離検出画素群の１つの距離検出画素を示す断面図。 固体撮像素子の半導体基板表面と撮影レンズの射出瞳面の関係を示す図。 画素に入射した光の入射角に対する２つの光電変換部の感度を説明するグラフ。 ２つの光電変換部の形状が基板の垂線方向で変化している模様を示す図。 光が障壁部に到達しないように形成した散乱部を示す断面図。 ２つの光電変換部の深さ方向の形状の傾斜を示す断面図。 画素を含む固体撮像素子の製造プロセスを示す図。 基板の垂線方向で変化する光電変換部の形状の他の例を示す断面図。

本発明では、固体撮像素子に形成された複数の画素のうちの少なくとも一つの画素を、基板に形成した複数の光電変換部を備えた距離検出画素とする。複数の光電変換部は、それぞれ、前記基板の垂線方向で電荷に対するポテンシャル・プロファイルが変化する。そして、複数の光電変換部の前記垂線に垂直な断面におけるポテンシャル重心間の距離が、光入射側よりその反対側の裏面側の方で長い。さらには、複数の光電変換部のポテンシャル・プロファイルの互いに対向する内側の輪郭間の前記垂線に垂直な方向の距離が、光入射側よりその反対側の裏面側の方で長いことが好ましい。光電変換部のポテンシャルは周囲のポテンシャルより低いので、その境界によりポテンシャル・プロファイルが規定される。また、前記垂線に垂直な断面におけるポテンシャル重心は、該重心を中心として重心からの距離とその位置でのポテンシャルの深さの積の和が前記垂直な断面内において左右でつり合う位置として定義される。本発明は、蓄積している電荷の光電変換部間での相互干渉を抑制することを目的とする。それには、前記裏面側の方において、蓄積電荷が比較的密な領域を、なるべく離すのがよい。その為に、本発明では、前記輪郭間の前記垂線に垂直な方向の距離と前記ポテンシャル重心間の距離のうちの少なくとも一方が光入射側よりその反対側の裏面側の方で長くなるようにする。後述の実施形態では、輪郭間と重心間の両方の距離が、光入射側から裏面側に行くにつれて次第に長くなっているが、この形態に限定されない。他の形態としては、例えば、前記輪郭間の前記垂線に垂直な方向の距離は、前記基板の垂線方向で、あまり変化しないが、前記ポテンシャル重心間の距離が前記裏面側に行くにつれて長くなるような形態がある。以上により、光電変換部ごとの信号の分離性能が向上して、測距精度が向上する。また、光入射側では、複数の光電変換部はあまり離さなくてもよいので、多くの入射光を受光できて感度の低減を防止できる。

以下、図を用いて、本発明の実施形態における固体撮像素子、それを用いた距離検出装置などについて説明する。その際、実施形態にて、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されるものではない。また、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ないし簡略化する。

（実施形態１）
本発明を適用した固体撮像素子、これを備えた距離検出装置、これを含むカメラ等の撮像装置などに係る実施形態１を説明する。
＜距離検出装置の構成＞
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に、被写体の像を固体撮像素子上に結像する光学系である撮影レンズ１０１により固体撮像素子１０２上へ結像させ、固体撮像素子１０２に配置した距離検出画素群で被写体の前記Ａ像及びＢ像を取得する。得られたＡ像とＢ像の情報は演算部１０３へ転送され、Ａ像とＢ像のズレ量と基線長の関係から被写体の距離情報が算出される。すなわち、距離検出画素の複数の光電変換部からの複数の出力信号を用いて被写体の距離情報を取得する。以上の構成要素に加え、ＡＦ機構、固体撮像素子で得られる画像を表示する表示装置、シャッター機構、システム制御部の動作用の定数、変数、各種プログラムなどを記憶するメモリ等を備えれば、図１の装置はカメラなどの撮像装置として捉えることもできる。こうしたカメラでは、距離検出装置の固体撮像素子１０２により、光学系で結像された被写体像を取得することもできる。

＜固体撮像素子の構成＞
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つの距離検出画素である。画素２００は、半導体基板２０１中のＰ型から成るＰ型ウエル２０２、表面Ｐ^＋層２０３、Ｎ型の第１の光電変換部２０４と第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で構成される。また、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を配置する。画素２００に入射した光は、マイクロレンズなどの集光部材２１１、カラーフィルタ２１２、平坦化層２１３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に入射した光は電子に変換され、光電変換部２０４、２０５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。

＜距離情報取得＞
ここで、半導体基板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、図３に示すように、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、それぞれ、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。このとき、第１の領域１０５と第２の領域１０６を通過した光は、それぞれ、異なる角度で画素２００に入射する。このため、図４に示すように、画素２００に入射した光の入射角に対する第１の光電変換部２０４、第２の光電変換部２０５の感度は、それぞれプラス側（Ａ）またはマイナス側（Ｂ）にピークをもつ。これらの感度をもつ複数の第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像とのズレ量、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。なお、本発明における画素とは、単一の瞳分割部材を有している。つまり、異なる画素では、それぞれに対応する異なる瞳分割部材を有している。瞳分割部材は、射出瞳１０４を通過した光のうち、瞳分割部材自身で規定された領域内に入射した光を、光電変換部２０４または２０５に入射させる機能を有している。例えば、瞳分割部材は、上述したような集光部材２１１であってもよいし、コア部材とクラッド部材とで構成された光導波路であってもよい。

＜撮像情報取得＞
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よい。これにより、射出瞳１０４全域を通過した撮像信号となる（図４のＡ＋Ｂ）。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、全ての光電変換部で被写体像を取得することができる。

＜光電変換部の形状＞
図５を用いて実施形態１の光電変換部の説明をする。光電変換部２０４、２０５は半導体基板２０１の垂線方向で形状（ポテンシャル・プロファイル）が変化している。また、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５のポテンシャル重心間の基板の垂線に垂直な断面内の距離は、光入射側である表面側ほど短く、反対側の裏面側ほど長い。前述した様に光電変換部のポテンシャルは周囲のポテンシャルより低いので、光電変換部のポテンシャル・プロファイルが規定できる。こうした構成にすることで、画素２００は感度が高く、さらに、画素２００を用いた距離検出において測距精度が高くなる。以下に、その理由を述べる。

距離検出画素に入射した光は、光入射側の光電変換部表面で電子２１５に変換される（図５（ａ））。例えば、入射光の波長が５００ｎｍで光電変換部がシリコンで形成された場合、光電変換部の光入射側表面５００ｎｍまでにおいて大部分の光が電子に変換される。光が電子に変換され光の強度が１／ｅに低下するまでの距離は、光の波長や光電変換部の材料により求まる。次に、光電変換部で発生した電子２１５は、光電変換部内で裏面側へ移動する。移動した電子２１５は撮影（露光）が終わるまで裏面側に蓄積し続ける（図５（ｂ））。ただし、光電変換部の表面側のポテンシャルより裏面側のポテンシャルは低い。このとき、電子が裏面側で蓄積する時間は、光が光電変換部の光入射側表面で電子に変換されて滞在する緩和寿命に比べ十分長い。このため、電子が蓄積する光電変換部の裏面側の構造によって、電子クロストークの大きさが決まる。以上をまとめると、電子の発生は光電変換部の光入射側表面で起こり、電子クロストークの程度は光電変換部の裏面側の形状（ポテンシャル・プロファイル）で決まる。

一方、第１の光電変換部と第２の光電変換部の間は、Ｐ型半導体から成り光電変換部よりポテンシャルが高い障壁部２１４を形成する。ただし、この障壁部２１４は電子を蓄積させる機能がないため、光が障壁部２１４に到達しても感度をもたないか、または、電子クロストーク・ノイズの要因となる。よって、入射した光は障壁部２１４に到達させずに、光電変換部２０４、２０５へと集光させるほど感度が高く、ノイズが低下する。本構成の固体撮像素子では、入射した光を光電変換部へと到達させるため、光入射側では第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部の前記ポテンシャル重心間の前記垂線に垂直な方向の距離を短くして障壁部を薄く形成した。障壁部２１４を薄く形成することで、画素に占める光電変換部２０４、２０５の光入射側から見た面積割合を大きく形成することが可能となり、感度の向上がもたらされる。

これと共に、上述したように、裏面側の第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部の前記ポテンシャル重心間の距離を長くして障壁部が厚くなるように光電変換部を形成する。これにより、光電変換部で蓄積している電子の光電変換部間での相互干渉（電子クロストーク）が小さくなり、光電変換部ごとの信号の分離性能が向上する。結果として、光分離特性が高くなり、測距精度が向上する。

ここで、図６に示すように、光２１７が感度のない障壁部２１４になるべく到達しないように、障壁部２１４の光入射側に、周囲の媒質よりも屈折率が低い媒質からなる散乱部２１６を形成する。このように構成することで、障壁部へ入射する光は散乱部２１６で光の伝播方向を曲げられ光電変換部側へ伝播する。このとき光電変換部に到達した光は、光電変換部内で画素端側に伝播する。よって、実施形態１の光電変換部を用いれば、光電変換部の深さ方向に伸びる前記ポテンシャル重心を結んだ線ないしポテンシャル・プロファイルの対向する内側の輪郭の方向と光の伝播方向とがほぼ同じ方向にあるため、光は効率良く電子に変換できる。これにより、固体撮像素子の感度が高くなる。

また、図４に示すように、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の入射角に対する感度のピーク位置は、それぞれ絶対値で５度から２０度に来るように設計する。このように感度のピーク位置を０度から離れたプラス側またはマイナス側に来るように構成することで、Ａ像とＢ像のズレ量を適切に計測できるため測距精度が向上する。こうした場合、前記垂線に対して入射角５度から２０度で入射した光は、光電変換部内ではスネルの法則により、１．０度から６．０度の角度で伝播する。ただし、光電変換部はシリコンで形成し、光の波長は可視域とした。このとき、シリコンの屈折率は３．５から５．０である。

入射光の伝播方向に対応して、図７に示す如く、第１及び第２の光電変換部２０４、２０５の垂線方向２３０のポテンシャル・プロファイルの対向する内側の輪郭ないし垂線方向２３０と垂直な方向のポテンシャル重心を結んだ線は、次の様にする。すなわち、半導体基板２０１の垂線方向２３０からの傾きθを１．０度から６．０度で傾斜させる。これにより、光電変換部の形状の深さ方向の傾きと光の伝播方向が略一致し、入射光を効率良く光電変換部で電子に変換させることができる。よって、固体撮像素子の感度が高くなる。

図７では、光電変換部の深さ方向に伸びるポテンシャル重心を結んだ線の傾きが一直線となるように図示したが、必ずしも直線である必要はなく、曲率をもつように形成されてもよい。さらに、被視感度の高い波長５００ｎｍから６００ｎｍではシリコンの屈折率が３．９から４．３であるため、光電変換部の形状は、半導体基板２０１の垂線方向２３０に対して１．３度から４．６度の間で傾いていることが望ましい。また、光電変換部は１０度から１５度の間に感度のピークを持つとき、感度が高く測距精度が高くなる。この場合、光電変換部の深さ方向に伸びる重心を結んだ線ないしポテンシャル・プロファイルの対向する内側の輪郭の傾きは、半導体基板２０１の垂線方向２３０に対して２．５度から３．５度の間であることが望ましい。

＜固体撮像素子の製造方法＞
図８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基板２０１の表面にゲート絶縁膜２０８を形成する。続いて、半導体基板２０１中に、傾いた形状の光電変換部２０４、２０５を形成するために、フォトレジストを所定位置にレジストマスクとして形成した後に、不純物のイオン打ち込みを、半導体基板２０１に対して斜め方向から行う。これにより、本実施形態における光電変換部を形成できる。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、ＦＤ部２０６、２０７や拡散層（不図示）を形成する（図８（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を形成する（図８（ｂ））。その後、半導体２０１及びゲート電極上に例えばＢＰＳＧ（Boron Phosphorus Silicon Glass）などの層間絶縁膜２２０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２２０で覆う（図８（ｃ））。その後、平坦化膜２１３、カラーフィルタ２１２、マイクロレンズ２１１を必要に応じて形成する（図８（ｄ））。

なお、本実施形態では、光電変換部２０４、２０５を斜めイオン打ち込み法によって形成したが、これに限るものではない。例えば、不純物濃度や基板深さ方向に応じてイオン打ち込み法を複数回行い、光電変換部を形成してもよい。また、本実施形態は表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子を例に用いて説明したが、表面照射型に限るものではない。金属の配線部と光電変換部の位置を反転させた裏面照射型に対して本発明を適用しても同様の効果が得られる。また、実施形態１では光電変換部をＮ型半導体で構成したが、Ｐ型半導体で構成してもよい。この場合、光によって正孔が電荷として生成される。

また、本発明の光電変換部の形状は図５に示した下に先細り凸形状のものに限るものではない。図９に示すように、基板の垂線方向で光電変換部の形状（ポテンシャル・プロファイル）が変化し、障壁部２１４が光入射側より裏面側に行くほど厚く形成されていれば、感度が高く測距精度が向上する。図９の構成では、光電変換部の基板の垂線方向に垂直な方向のポテンシャル・プロファイルの幅はほぼ一定で、深さ方向に伸びる重心を結んだ線ないしポテンシャル・プロファイルの対向する内側の輪郭の傾きが上述したようになっている。また、実施形態１では、画素に２つの光電変換部をもつ場合に関して説明したが、光電変換部は２つに限るものではなく、複数（例えば、２、４などの偶数個）あればよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。上述した本発明による撮像素子は、距離検出装置をはじめとして、距離検出装置を必要とするデジタルカメラなどの撮像装置に用いることができる。その際、撮像素子は、その構成に応じて、被写体の像を結像する光学系に対して適宜位置決めすればよい。

１００：距離検出装置、１０２：固体撮像素子、１０４：射出瞳、２００：画素（距離検出画素）、２０１：基板、２０４、２０５：光電変換部、２１１：集光部材（瞳分割部材）

Claims (9)

1. 複数の画素を有し、前記複数の画素の少なくとも一つの画素が、複数の光電変換部と、射出瞳を通過した光のうちそれ自身で規定された領域内に入射した光を前記複数の光電変換部に入射させる瞳分割部材と、を有する固体撮像素子であって、
   前記複数の光電変換部は、基板の垂線方向で電荷に対するポテンシャル・プロファイルが変化し、前記複数の光電変換部の前記垂線に垂直な断面におけるポテンシャル重心間の距離が、光入射側よりその反対側の裏面側の方で長いことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記複数の光電変換部のポテンシャル・プロファイルの互いに対向する内側の輪郭間の前記垂線に垂直な方向の距離が、光入射側よりその反対側の裏面側の方で長いことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記複数の光電変換部のポテンシャルは周囲のポテンシャルより低いことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記複数の光電変換部の前記垂線に垂直な方向のポテンシャル重心を結んだ線、又は前記複数の光電変換部のポテンシャル・プロファイルの対向する内側の輪郭は、前記垂線の方向から１．０度から６．０度の傾きをもつことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記複数の光電変換部の前記垂線に垂直な方向のポテンシャル重心を結んだ線、又は前記複数の光電変換部のポテンシャル・プロファイルの対向する内側の輪郭は、前記垂線の方向から１．３度から４．６度の傾きをもつことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
6. 前記複数の光電変換部の前記垂線に垂直な方向のポテンシャル重心を結んだ線、又は前記複数の光電変換部のポテンシャル・プロファイルの対向する内側の輪郭は、前記垂線の方向から２．５度から３．５度の傾きをもつことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
7. 前記複数の光電変換部の間の部分の前記光入射側に、周囲の媒質よりも屈折率が低い媒質からなる散乱部が形成されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の固体撮像素子。
8. 請求項１から７の何れか１項に記載の固体撮像素子と、
   前記複数の光電変換部を有する画素の複数の光電変換部からの複数の出力信号を用いて被写体の距離情報を取得する演算部と、を有することを特徴とする距離検出装置。
9. 請求項８に記載の距離検出装置と、
   被写体の像を前記固体撮像素子の上に結像する光学系と、
   を有することを特徴とする撮像装置。

Images