JP2015005619A - 固体撮像装置、その製造方法、およびカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】撮像画素と焦点検出画素とを含む固体撮像装置の撮像性能を向上させつつ焦点検出精度を向上させるのに有利な技術を提供する。【解決手段】半導体基板に形成された光電変換部を含む撮像画素および前記半導体基板に形成された光電変換部を含む焦点検出画素がそれぞれ配列された画素アレイを有する固体撮像装置であって、前記撮像画素および前記焦点検出画素は、前記光電変換部の上に形成された絶縁層と遮光部とを含む絶縁部材と、当該構造の上に設けられたマイクロレンズとを含み、前記撮像画素および前記焦点検出画素の少なくとも一方の前記絶縁部材は、前記絶縁層と異なる屈折率を有する平板状の部材を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像装置、その製造方法、およびカメラに関する。

デジタルカメラ等の撮像システムには、当該撮像システムの小型化のため、撮像画素と焦点検出画素とが配列された画素アレイを備える固体撮像装置が用いられうる。焦点検出画素は、例えば、位相差検出法に基づく焦点検出を行うように、撮像レンズからの入射光束を部分的に読み出す構成を有する。

特許文献１には、撮像レンズからの入射光束の一部を遮光する遮光部を有する構成において、撮像画素のマイクロレンズの曲率（高さ）と、焦点検出画素のマイクロレンズの曲率とが異なる構造が開示されている。当該構造によると、各画素における集光位置が、撮像画素においては光電変換部の近傍になって撮像性能が向上し、焦点検出画素においては遮光部の位置になって焦点検出精度が向上する。

特許文献２には、２つの受光部を有する焦点検出画素にインナーレンズを設けパワーを高めた構成が開示されている。

特開２００９−１０９９６５号公報 特開２００７−２８１２９６号公報

特許文献１及び２の構造によると、焦点検出画素における瞳像の倍率が撮像画素の瞳像の倍率よりも小さくなりうる。これにより、焦点検出性能の低下や、撮像性能の低下を可能性がある。また、特許文献１の構造によると、曲率（高さ）が異なる複数のマイクロレンズをそれぞれ個別に形成する必要があり、製造が容易ではない。また、特許文献２の構造によると、製造ばらつきによる誤差（例えばアライメント誤差や形状誤差）による影響を受けやすく、焦点検出精度の低下をもたらしうる。

本発明の目的は、撮像画素と焦点検出画素とを含む固体撮像装置の撮像性能を向上させつつ焦点検出精度を向上させるのに有利な技術を提供することにある。

本発明の一つの側面は固体撮像装置にかかり、前記固体撮像装置は、半導体基板に形成された光電変換部を含む撮像画素および前記半導体基板に形成された光電変換部を含む焦点検出画素がそれぞれ配列された画素アレイを有する固体撮像装置であって、前記撮像画素および前記焦点検出画素は、前記光電変換部の上に形成された絶縁層と遮光部とを含む絶縁部材と、当該構造の上に設けられたマイクロレンズとを含み、前記撮像画素および前記焦点検出画素の少なくとも一方の前記絶縁部材は、前記絶縁層と異なる屈折率を有する平板状の部材を有することを特徴とする。

本発明によれば、撮像画素と焦点検出画素とを含む固体撮像装置の撮像性能を向上させつつ焦点検出精度を向上させるのに有利である。

固体撮像装置の構成例を説明する図。 画素の回路構成例を説明する図。 第１実施形態の画素の構造の例を説明する図。 撮像画素および焦点検出画素の構造の参考例を説明する図。 焦点検出画素の遮光部の面上における瞳の像の例を説明する図。 焦点検出画素の構造の他の参考例を説明する図。 第１実施形態の他の例を説明する図。 第２実施形態の画素の構造の例を説明する図。 第３実施形態の画素の構造の例を説明する図。 第４実施形態の画素の構造の例を説明する図。

（固体撮像装置の構成）
図１および図２を参照しながら、固体撮像装置Ｉの構成の例を述べる。固体撮像装置Ｉは、画素アレイ８０１、複数の列信号処理回路８０５乃至８１２、行選択制御回路８１９、水平走査回路８２０および８２１、並びに、タイミング制御回路８１８を備える。画素アレイ８０１は、同一基板上に配列された複数の画素Ｐ（撮像画素Ｐ_ＩＭおよび焦点検出画素Ｐ_ＡＦ）を有する。図１では、説明の容易化のため、画素アレイ８０１を４行×４列で示している。撮像画素Ｐ_ＩＭは、例えばベイヤ配列にしたがって配置され、図１では、赤画素Ｒ、青画素Ｂ、緑画素Ｇ１またはＧ２を例示している。

複数の列信号処理回路８０５乃至８１２は、画素アレイ８０１の各列に対応して配される。ここでは、列信号処理回路８０５乃至８０８は、画素アレイ８０１の各列における偶数行目の画素Ｐに対応するように配され、列信号処理回路８０９乃至８１２は、各列における奇数行目の画素Ｐに対応するように配されている。

タイミング制御回路８１８は、クロック信号ＣＬＫに応答して、制御信号を行選択制御回路８１９ないし水平走査回路８２０および８２１に出力する。行選択制御回路８１９は、タイミング制御回路８１８からの信号に基づいて画素アレイ８０１に制御信号を出力し、少なくとも１行単位で画素Ｐを駆動して、画素アレイ８０１から画素信号を読み出す。画素アレイ８０１からの画素信号のそれぞれは、各列信号処理回路８０５乃至８１２における所定の信号処理を経て、水平走査回路８２０または８２１からの信号に応答して、水平転送されて外部に出力される。

画素アレイ８０１からの画素信号のうち、撮像画素Ｐ_ＩＭの各々からの信号は、例えば外部の信号処理部によって信号処理が為され、画像データが得られる。また、画素アレイ８０１からの画素信号のうち、焦点検出画素Ｐ_ＡＦの各々からの信号は、位相差検出法に基づく焦点検出処理に用いられる。当該焦点検出処理によって得られたデフォーカス量に基づいて、例えば撮像レンズ用モータを駆動し、撮影レンズの位置が調整され、所望の被写体にピントを合わせることができる。

図２は、固体撮像装置Ｉの画素Ｐ（撮像画素Ｐ_ＩＭないし焦点検出画素Ｐ_ＡＦ）の回路構成の例を示している。画素Ｐは、光電変換部９０１（例えば、フォトダイオード）、転送トランジスタ９０２、フローティングディフュージョン領域９０３、リセットトランジスタ９０４、ソースフォロワトランジスタ９０５、選択トランジスタ９０６を含む。光電変換部９０１においては、受光光量に応じた量の電荷（電子または正孔）が発生し蓄積される。蓄積された電荷は、転送トランジスタ９０２のゲート端子に与えられる制御信号が活性化されたことに応答して、転送トランジスタ９０２によってフローティングディフュージョン領域９０３に転送される。ソースフォロワトランジスタ９０５に流れる電流量は、フローティングディフュージョン領域９０３に転送された電荷量の変動に応じて変化する。選択トランジスタ９０６は、選択トランジスタ９０６のゲート端子に与えられる制御信号が活性化されたことに応答して、ソースフォロワトランジスタ９０５の電流量に応じた画素信号を列信号線９０８に出力する。画素信号は、前述の行選択回路８１９によって行ごとに選択的に読み出され、各列に対応して設けられた列信号処理回路８０５乃至８１２を経て、水平走査回路８２０又は８２１による水平転送によって、順に外部のユニット（例えば信号処理部）に出力される。なお、リセットトランジスタ９０４は、リセットトランジスタ９０４のゲート端子に与えられる制御信号が活性化されたことに応答して、フローティングディフュージョン領域９０３の電位をリセットする。

（第１実施形態）
図３（ａ１）は、撮像画素Ｐ_ＩＭの断面構造を模式的に示している。撮像画素Ｐ_ＩＭは、半導体基板１０（以下、「基板１０」）に設けられた光電変換部１０５_ＩＭと、基板１０の上に設けられた構造ＳＴ_ＩＭと、当該構造ＳＴ_ＩＭの上に設けられたマイクロレンズ１０３_ＩＭとを含む。また、図３（ｂ１）は、焦点検出画素Ｐ_ＡＦの断面構造を模式的に示している。焦点検出画素Ｐ_ＡＦは、基板１０に設けられた光電変換部１０５_ＡＦと、基板１０の上に設けられた構造ＳＴ_ＡＦと、当該構造ＳＴ_ＡＦの上に設けられたマイクロレンズ１０３_ＡＦとを含む。

構造ＳＴ（ＳＴ_ＩＭおよびＳＴ_ＡＦ）は、絶縁部材２０と、当該絶縁部材２０の中に設けられた少なくとも１つの配線層Ｍｘとを含む。例えば、構造ＳＴは、絶縁性の部材（酸化シリコン等）で各々が構成された複数の層間絶縁膜と、層間絶縁膜間に配され、金属（銅やアルミニウム等）で構成される少なくとも１以上の配線層と、を含む。例えば、絶縁部材２０は、配線層Ｍｘの下に形成された第１絶縁層と、配線層Ｍｘの上に形成された第２絶縁層とを含む。

配線層Ｍｘにおいて、撮像画素Ｐ_ＩＭにおける構造ＳＴ_ＩＭは、例えば遮光部２０４を含み、焦点検出画素Ｐ_ＡＦにおける構造ＳＴ_ＡＦは、例えば遮光部１０４を含む。遮光部１０４および遮光部２０４が配される配線層Ｍｘは、基板１０の側に最も近い第１配線層でもよいし、当該第１配線層よりも上に配される第２配線層でもよい。

また、撮像画素Ｐ_ＩＭのマイクロレンズ１０３_ＩＭと、焦点検出画素Ｐ_ＡＦのマイクロレンズ１０３_ＡＦとは、互いに等しいレンズパワーを有する。具体的には、例えば、各マイクロレンズ１０３（１０３_ＩＭおよび１０３_ＡＦ）は、共に同一の部材で構成され、かつ、互いに等しい形状を有する。つまり、各マイクロレンズ１０３（１０３_ＩＭおよび１０３_ＡＦ）は、形状及び屈折率が互いに等しくなるように形成される。

光束１０１は、例えば、被写体の像を画素アレイ８０１に形成する外部の撮影レンズの瞳を半分ずつに分割した領域のうちの一方（例えば左半分）からの光束を示している（以下、「左側光束１０１」）。同様に、光束１０２は、外部の撮影レンズの瞳を半分ずつに分割した領域のうちの他方（例えば右半分）からの光束を示している（以下、「右側光束１０２」）。なお、ここでは、左側光束１０１ないし右側光束１０２を示したが、上側光束ないし下側光束としても同様である。

ここで、焦点検出画素Ｐ_ＡＦでは、構造ＳＴ_ＡＦおよびマイクロレンズ１０３_ＡＦは、外部の撮像レンズの瞳像の結像位置Ｃ_ＡＦが、配線層Ｍｘまたはその近傍となるように設けられる。また、撮像画素Ｐ_ＩＭでは、構造ＳＴ_ＩＭおよびマイクロレンズ１０３_ＩＭは、外部の撮像レンズの瞳像の結像位置Ｃ_ＩＭが、結像位置Ｃ_ＡＦよりも光電変換部１０５_ＩＭの側（基板１０の側）になるように設けられる。本実施形態では、撮像画素Ｐ_ＩＭの構造ＳＴ_ＩＭにおける絶縁部材２０は、配線層Ｍｘよりも上に平板状の部材を有する。ここで、平板状の部材として平行平板部材７０２を有するものとする。平行平板部材７０２は、その周囲の層間絶縁膜よりも屈折率が大きい部材（窒化シリコン等）で構成される。この構成により、各画素間での結像位置Ｃ（Ｃ_ＩＭおよびＣ_ＡＦ）が所望の位置になるように調整される。

焦点検出画素Ｐ_ＡＦにおける結像位置Ｃ_ＡＦは、図３（ｂ１）に例示されるように配線層Ｍｘ上に位置しており、左側光束１０１および右側光束１０２はマイクロレンズ１０３_ＡＦによって遮光部１０４（の近傍）に集光される。ここで、遮光部１０４は、焦点検出画素Ｐ_ＡＦの中心に対して一方（左側）に偏心した開口を有しており、左側光束１０１および右側光束１０２のうちの左側光束１０１が遮光部１０４で遮蔽され、右側光束１０２が光電変換部１０５_ＡＦに入射する。なお、他の焦点検出画素（例えば、焦点検出画素Ｐ_ＡＦ２）においては、遮光部１０４は、当該焦点検出画素Ｐ_ＡＦ２の中心に対して他方（右側）に偏心した開口を有しており、左側光束１０１が光電変換部１０５_ＡＦに入射する。このようにして、焦点検出画素Ｐ_ＡＦにより右側光束１０２から得られた信号と、焦点検出画素Ｐ_ＡＦ２により左側光束１０１から得られた信号とを用いて、位相差検出法に基づく焦点検出が適切に為される。

一方、撮像画素Ｐ_ＩＭにおける結像位置Ｃ_ＩＭは、図３（ａ１）に例示されるように、基板１０の表面に位置しており、左側光束１０１および右側光束１０２はマイクロレンズ１０３によって光電変換部１０５_ＩＭ（の近傍）に集光される。これにより、固体撮像装置の撮像性能を向上させることができる。

ここで、参考例として、図４乃至６を参照しながら、撮像画素Ｐ_ＩＭ’および焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’について述べる。図４（ａ１）は、撮像画素Ｐ_ＩＭ’の断面構造を模式的に示している。また、図４（ｂ１）は、焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’の断面構造を模式的に示している。本参考例では、撮像画素Ｐ_ＩＭ’の構造ＳＴ_ＩＭ’には平行平板部材７０２を設けずに、焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’にマイクロレンズ１０３_ＡＦ’を設けている。このマイクロレンズ１０３_ＡＦ’は、マイクロレンズ１０３_ＩＭよりも曲率（高さ）が大きい。本参考例では、焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’に設けられたマイクロレンズ１０３_ＡＦ’を用いて、結像位置Ｃ_ＡＦが所望の位置になるように調整している。

図４（ａ２）は、撮像画素Ｐ_ＩＭ’の配線層Ｍｘ面における断面構造を模式的に示しており、遮光部２０４と、外部の撮像レンズの瞳により配線層Ｍｘ面に形成される瞳像（瞳の像）と、を模式的に示している。遮光部２０４は、例えば隣接画素間の混色を防ぎつつ撮像画素Ｐ_ＩＭ’への入射光を光電変換部１０５_ＩＭに導くように、撮像画素Ｐ_ＩＭ’における周辺領域ないし隣接画素との境界領域に配され、中央領域には開口を有する。図４（ａ２）では、説明の容易化のため、撮像画素Ｐ_ＩＭ’の外縁に沿って一体に形成された遮光部２０４を図示したが、遮光部２０４は、撮像画素Ｐ_ＩＭ’における周辺領域に配されればよく、その一部に配されてもよい。図４（ｂ２）は、焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’の配線層Ｍｘ面における断面構造を模式的に示しており、遮光部１０４と、マイクロレンズ１０３によって配線層Ｍｘ面に形成される瞳像と、を模式的に示している。

撮像画素Ｐ_ＩＭ’および焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’が配された参考例においては、撮像画素Ｐ_ＩＭ’と焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’とで像の倍率が異なる。例えば、配線部２０４面上に形成された瞳像４１１と、遮光部１０４面上に形成された瞳像４０９とは、共に、例えばＦ値１．２相当の瞳像であり、互いに異なる倍率で形成された像を示している。また、配線部２０４面上に形成された瞳像４１２と、遮光部１０４面上に形成された瞳像４１０とは、共に、例えばＦ値５．６相当の瞳像であり、互いに異なる倍率で形成された像を示している。

図５（ａ１）〜（ａ３）は、遮光部１０４面上に形成される瞳像５０１乃至５０３（Ｆ値５．６相当）を模式的に示している。瞳像５０１（図５（ａ１））は、遮光部１０４によって遮光されず、遮光部１０４が有する開口内に、瞳像５０１の大部分が位置している。瞳像５０２（図５（ａ２））は、遮光部１０４と遮光部１０４が有する開口との間に、瞳像５０２の中心が位置しており、瞳像５０２は、位相差検出法による焦点検出を行うのに適した位置に形成されている。瞳像５０３（図５（ａ３））は、遮光部１０４上に形成されており、その全体が遮光されている。図５（ｂ１）〜（ｂ３）は、遮光部１０４面上に形成される瞳像５０４乃至５０６（Ｆ値１．２相当）を、図５（ａ１）〜（ａ３）と同様にして、模式的に示している。

瞳像が小さい場合は、図５（ａ１）〜（ａ３）に例示されるように、瞳像の位置がずれることによる焦点検出精度への影響が、瞳像が大きい場合に比べて大きい。特に、図５（ａ１）および（ａ３）に示されるような瞳像５０１および５０３では、焦点検出を行うことが困難である。一方、瞳像が大きい場合は、図５（ｂ１）〜（ｂ３）に例示されるように、瞳像の位置がずれることによる焦点検出精度への影響は、瞳像が小さい場合に比べて小さい。従って、焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’においては焦点検出精度が維持されるものの、撮像画素Ｐ_ＩＭ’においては、図４（ａ２）に示される瞳像４１１のように、遮光部２０４によるケラレが生じ、撮像性能の低下をもたらしうる。

すなわち、撮像に適したマイクロレンズを選択した結果、焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’においては瞳像が必要以上に小さくなってしまい、焦点検出精度が低下してしまう。一方、焦点検出に適したマイクロレンズを選択した結果、撮像画素Ｐ_ＩＭ’においては瞳像が必要以上に大きくなってしまい、ケラレが生じて撮影性能が低下してしまう。また、レンズ交換式カメラの場合にはレンズ交換によって瞳像の位置が変わるため、特に瞳像が小さい場合には、その影響が大きい。

上述の影響は、特に図６に例示されるように、各マイクロレンズ１０３が互いに等しい屈折率及び形状を有し、焦点検出画素Ｐ_ＡＦにインナーレンズ３０４が設けられる場合には、瞳像が小さくなるため、焦点検出精度が低下しやすくなる。また、焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’に撮像画素Ｐ_ＩＭ’とは異なるマイクロレンズを設ける場合には、焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’のみ瞳像の大きさが異なってしまう。

一方、本実施形態では、レンズパワーの大きいマイクロレンズ１０３_ＡＦ’を焦点検出画素Ｐ_ＡＦ’のみに設ける方法や、マイクロレンズに加えてレンズパワーを有するインナーレンズ３０４を設ける方法ではなく、平行平板部材７０２を用いる。よって、撮像画素Ｐ_ＩＭと焦点検出画素Ｐ_ＡＦとの間で瞳像の倍率の差が生じにくい。

図３（ａ２）は、撮像画素Ｐ_ＩＭの配線層Ｍｘ面における断面構造を模式的に示しており、遮光部２０４と、外部の撮像レンズの瞳により配線層Ｍｘ面に形成される瞳像と、を模式的に示している。図３（ｂ２）は、焦点検出画素Ｐ_ＡＦの配線層Ｍｘ面における断面構造を模式的に示しており、遮光部１０４と、マイクロレンズ１０３により配線層Ｍｘ面に形成される瞳像を模式的に示している。本実施形態では、平行平板部材７０２が用いられるため、撮像画素Ｐ_ＩＭと焦点検出画素Ｐ_ＡＦとの間で像の倍率が等しく、例えば、瞳像６１７と瞳像６１５と（共に、例えばＦ値１．２相当）は、互いに等しい倍率で形成された像になる。また、例えば、瞳像６１６と瞳像６１４と（共に、例えばＦ値５．６相当）は、互いに等しい倍率で形成された像になる。よって、本実施形態の構成によると、参考例で述べた撮像精度ないし焦点検出精度の低下が抑制され、撮像性能を維持しつつ焦点検出精度を向上させるのにも有利である。

前述のとおり、構造ＳＴ（ＳＴ_ＩＭおよびＳＴ_ＡＦ）は、例えば、複数の層間絶縁膜（第１絶縁層および第２絶縁層を含む）と、層間絶縁膜間に配された少なくとも１以上の配線層と、を含む。平行平板部材７０２は、例えば、第１絶縁層および第２絶縁層のうち少なくとも第２絶縁層に形成される。

撮像画素Ｐ_ＩＭおよび焦点検出画素Ｐ_ＡＦを有する固体撮像装置Ｉは、公知の半導体製造プロセスを用いて製造される。例えば、まず、基板１０の上に複数の光電変換部１０５を形成し、前述の構造ＳＴを当該基板１０上に形成する（第１工程）。この工程では、瞳像の結像位置Ｃが所望の位置になるように、撮像画素Ｐ_ＩＭの構造ＳＴ_ＩＭにおける絶縁部材２０に、配線層Ｍｘより上に平行平板部材を形成する。これは、例えば、前述の第２絶縁層（例えば、配線層Ｍｘに対応する第１配線層の上の絶縁層）を堆積した後に、撮像画素Ｐ_ＩＭの領域についてエッチングを行って開口を設け、当該開口を高屈折部材で埋設すればよい。その後、平坦化処理等を行い、前述の平行平板部材７０２が設けられる。その後、第２配線層や第３絶縁層等を形成して構造ＳＴを完成させ、当該構造ＳＴの上に各光電変換部１０５に対応するようにマイクロレンズアレイを形成する（第２工程）。

平行平板部材７０２、すなわち平板状の部材は、瞳像の結像位置Ｃが所望の位置になるように調整できればよく、平行平板部材７０２が配される位置や厚さは本実施形態の構成に限定されない。また、層間絶縁膜と平行平板部材７０２との界面において生じる光の反射や干渉を抑制するように、当該界面に反射防止構造が設けられてもよい。

本実施形態では、平板状の部材として、その上面及び下面が半導体基板の表面に対して平行である平行平板部材を用いて説明した。しかし、平板状の部材は、基板１０の表面に対して垂直な方向において、屈折率の変化を有すればよい。例えば、絶縁部材２０において、絶縁層が酸化シリコンからなり、平板状の部材が窒化シリコンからなる場合において、絶縁層と平板状の部材との境界から、徐々に酸化シリコンから窒化シリコンへ組成が変化する構成であってもよい。また、絶縁層としても兼用が可能な、撮像画素の部分だけ開口を有する平板状の部材を用いてもよい。また、平板状の部材の上面及び下面が半導体基板の表面に平行でなくてもよく、平板状の部材の上面及び下面の少なくとも一方が、半導体基板の表面に対して傾きを有する構成であってもよい。

また、焦点検出画素Ｐ_ＡＦについては、瞳像の結像位置Ｃ_ＡＦが、配線層Ｍｘまたはその近傍となるように調整され、撮像画素Ｐ_ＩＭにおいては、瞳像の結像位置Ｃ_ＩＭが、瞳像の結像位置Ｃ_ＡＦよりも光電変換部１０５_ＩＭの側になるように調整される。よって、絶縁部材２０は、撮像画素Ｐ_ＩＭの絶縁部材２０における屈折率の平均値が、焦点検出画素Ｐ_ＡＦの絶縁部材２０における屈折率の平均値よりも大きくなるように設けられる。本実施形態では、配線層Ｍｘより上の絶縁層の１つに平行平板部材７０２が設けられる構成を例示した。図７（ａ）は、当該構成において、基板１０の表面に対して垂直な方向における絶縁部材２０の屈折率の分布を示している。当該構成では、平行平板部材７０２を含む絶縁部材２０の屈折率の分布は、深さ方向に向かって、平行平板部材７０２の境界において不連続に屈折率が増加し、平行平板部材７０２の境界において不連続に屈折率が減少する。しかし、本発明は、この構成に限られるものではない。例えば、平行平板部材７０２を含む絶縁部材２０は、その屈折率の分布が、図７（ｂ）に例示されるように、その絶縁部材２０の屈折率の分布は、深さ方向に向かって、平行平板部材７０２の境界において連続的に屈折率が増加し、平行平板部材７０２の境界において連続的に屈折率が減少する。つまり、図７（ａ）乃至（ｄ）に例示されるように、１以上の不連続な増加あるいは不連続な減少を含むこと及び１以上の連続的な増加あるいは連続的な減少を含むことの少なくとも１つを満たすように設けられてもよい。

以上、本実施形態によると、製造ばらつきによる誤差（例えばアライメント誤差や形状誤差）を低減することができ、製造面において有利である。また、マイクロレンズアレイを均一に形成することもでき、製造面においてさらに有利であるし、特性面においても有利である。さらに、本実施形態によると、撮像画素Ｐ_ＩＭと焦点検出画素Ｐ_ＡＦとで倍率が互いに等しくなるように構成されており、撮像性能を維持しつつ焦点検出精度を向上させるのにも有利である。

（第２実施形態）
前述の第１実施形態では、瞳像の結像位置Ｃ（Ｃ_ＩＭおよびＣ_ＡＦ）が所望の位置になるように、高屈折率部材で構成された平行平板部材７０２を撮像画素Ｐ_ＩＭにおける構造ＳＴ_ＩＭの絶縁部材２０に設けた。本実施形態は、低屈折率部材で構成された平行平板部材１００１を焦点検出画素Ｐ_ＡＦにおける構造ＳＴ_ＡＦの絶縁部材２０に設ける点で、第１実施形態と構成が異なる。図８（ａ）および（ｂ）は、本実施形態にかかる撮像画素Ｐ_ＩＭの断面構造と焦点検出画素Ｐ_ＡＦの断面構造とをそれぞれ模式的に示している。

本実施形態の平行平板部材１００１は、その周囲の絶縁部材２０よりも屈折率の低い部材（例えば、フッ素含有樹脂）で構成される。平行平板部材１００１は、例えばポーラス構造を採ることによって実効的に屈折率が低くなるように形成されてもよい。この構成により、焦点検出画素Ｐ_ＡＦでは、瞳像の結像位置Ｃ_ＡＦが、配線層Ｍｘまたはその近傍となるように設けられ、撮像画素Ｐ_ＩＭでは、瞳像の結像位置Ｃ_ＩＭが、瞳像の結像位置Ｃ_ＡＦよりも光電変換部１０５_ＩＭの側（基板１０の側）になるように設けられる。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第１実施形態の構成と比較して、マイクロレンズ１０３_ＩＭおよび１０３_ＡＦの曲率（高さ）を、第１実施形態の構成よりも小さくすることができる、製造面においてより有利である。

（第３実施形態）
前述の第１実施形態および第２実施形態では、撮像画素Ｐ_ＩＭ又は焦点検出画素Ｐ_ＡＦの絶縁部材２０において、平行平板部材７０２ないし１００１が配線層Ｍｘより上に設けられた構成を例示した。しかしながら、平行平板部材は、少なくとも配線層Ｍｘより上に設けられていればよく、本実施形態に示すように、配線層Ｍｘの下にも設けられてもよい。図９（ａ）および（ｂ）は、本実施形態にかかる撮像画素Ｐ_ＩＭの断面構造と焦点検出画素Ｐ_ＡＦの断面構造とをそれぞれ模式的に示している。

本実施形態では、撮像画素Ｐ_ＩＭの構造Ｓ_ＩＭにおいて、高屈折部材で構成された平行平板部材１１０１が、基板１０の上面から配線層Ｍｘの上にわたって設けられている。平行平板部材１１０１は、その幅が、遮光部２０４により形成される開口よりも小さくなるように設けられる。ここで、平行平板部材１１０１は、光導波路の導光部としての機能をも有することができるため、マイクロレンズ１０３_ＩＭを通過した光束が平行平板部材１１０１に適切に入射しさえすればよい。

本実施形態によると、平行平板部材１１０１は導光部の機能も有しつつ、第１実施形態と同様の効果を得ることもできる。また、本実施形態によると、マイクロレンズ１０３_ＩＭを通過した光束が平行平板部材１１０１に適切に入射しさえすればよい。よって、マイクロレンズ１０３_ＩＭおよび１０３_ＡＦの設計値を、焦点検出画素Ｐ_ＡＦの仕様に合わせて決定することが可能になり、設計面においても有利である。

（第４実施形態）
前述の第１実施形態ないし第３実施形態では、位相差検出法に基づく焦点検出処理を行うように、焦点検出画素Ｐ_ＡＦにおいて、構造ＳＴ_ＡＦの配線層Ｍｘに、入射した光を制限する遮光部１０４を有する構成を例示した。しかしながら、撮像レンズの瞳の領域における複数の部分のそれぞれにそれぞれ対応するように、複数の光電変換部をそれぞれ設け、各光電変換部から得られた信号を用いて位相差検出法に基づく焦点検出を行う構成が採られてもよい。例えば、焦点検出画素Ｐ_ＡＦが２つの光電変換部を含み、当該２つの光電変換部から得られる信号のそれぞれを用いて焦点検出を行う構成が採られる。図１０（ａ）および（ｂ）は、本実施形態にかかる撮像画素Ｐ_ＩＭの断面構造と焦点検出画素Ｐ_ＡＦの断面構造とをそれぞれ模式的に示している。

本実施形態では、焦点検出画素Ｐ_ＡＦは、基板に形成された第１の光電変換部１３０１および第２の光電変換部１３０２を有する。一対の光電変換部１３０１および１３０２は、左側光速１０１および右側光束１０２の一方の光束が光電変換部１３０１および１３０２の一方に集光され、他方の光束が光電変換部１３０１および１３０２の他方に集光されるように、設けられる。図１０（ｂ）では、光電変換部１３０１で右側光束１０２を受光し、光電変換部１３０２で左側光束１０１を受光している。当該構成は、本実施形態に限られるものではなく、例えば、これら一対の光電変換部１３０１および１３０２は、同一の焦点検出画素Ｐ_ＡＦに設けられてもよいし、異なる２つの焦点検出画素Ｐ_ＡＦにそれぞれ設けられてもよい。また、例えば、３以上の光電変換部が同一の焦点検出画素Ｐ_ＡＦに設けられた構成が採られてもよい。

ここで、撮像画素Ｐ_ＩＭには、第１実施形態と同様にして平行平板部材１３０３が設けられている。各画素のマイクロレンズ１０３_ＡＦおよび１０３_ＩＭが均一に形成されている場合には、撮像画素Ｐ_ＩＭにおいては、左側光束１０１および右側光束１０２は、マイクロレンズ１０３_ＩＭを通過して光電変換部１０５_ＩＭの内部で集光される。この構成によると、撮像画素Ｐ_ＩＭにおける瞳像の結像位置Ｃ_ＩＭを調節して、例えばＦ値を変化させたときの感度変化を緩やかにするように設計変更することもできる。

以上、各実施形態において述べたように、撮像画素Ｐ_ＩＭおよび焦点検出画素Ｐ_ＡＦの少なくとも一方の絶縁部材２０は、少なくとも配線層Ｍｘより上に平行平板部材（７０２等）を有する。平行平板部材は、その周囲の絶縁部材とは屈折率が異なっており、撮像画素Ｐ_ＩＭおよび焦点検出画素Ｐ_ＡＦのそれぞれにおいて、瞳像の結像位置Ｃが所望の位置になるように設けられる。具体的には、焦点検出画素Ｐ_ＡＦにおいては、瞳像の結像位置Ｃ_ＡＦが配線層Ｍｘまたはその近傍（第１位置）となるように調整され、撮像画素Ｐ_ＩＭにおいては、瞳像の結像位置Ｃ_ＩＭが瞳像の結像位置Ｃ_ＡＦよりも光電変換部１０５_ＩＭの側（第２位置）になるように調整される。

以上、本発明によると、撮像画素Ｐ_ＩＭと焦点検出画素Ｐ_ＡＦとで瞳像の倍率が互いに等しくなるように構成されており、撮像性能ないし焦点検出性能の低下が抑制され、画質を維持しつつ焦点検出精度を向上させるのに有利である。また、本発明によれば、例えば、１つの画素に複数のレンズ（マイクロレンズおよびインナーレンズ）を個別に形成する場合に比べて、製造ばらつきによる誤差（例えばアライメント誤差や形状誤差）を低減することができ、製造面において有利である。また、本発明によると、例えばマイクロレンズアレイを均一に形成することもでき、製造面においてさらに有利である。

なお、以上では４つの実施形態を述べたが、本発明はこれらに限られるものではなく、目的、状態、用途及び機能その他の仕様に応じて、適宜、変更が可能であり、他の実施形態によっても為される。

（撮像システム）
以上では、カメラ等に代表される撮像システムに含まれる固体撮像装置について述べた。撮像システムの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。撮像システムは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、この固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部（信号処理部）とを含む。この処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、このＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含む。焦点検出処理はこの処理部によってなされてもよいし、焦点検出処理を実行する焦点検出処理部が個別に設けられていてもよく、適宜変更が可能である。

Claims (11)

1. 半導体基板に形成された光電変換部を含む撮像画素および前記半導体基板に形成された光電変換部を含む焦点検出画素がそれぞれ配列された画素アレイを有する固体撮像装置であって、
   前記撮像画素および前記焦点検出画素は、前記光電変換部の上に形成された絶縁層と遮光部とを含む絶縁部材と、当該構造の上に設けられたマイクロレンズとを含み、
   前記撮像画素および前記焦点検出画素の少なくとも一方の前記絶縁部材は、前記絶縁層と異なる屈折率を有する平板状の部材を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記平板状の部材は、前記配線層より下の側から前記配線層より上の側にわたって前記配線層をまたぐように設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記撮像画素の前記絶縁部材における屈折率の積分値は、前記焦点検出画素の前記絶縁部材における屈折率の積分値よりも大きいこと、及び
   前記撮像画素の前記絶縁部材における光路長は、前記焦点検出画素の前記絶縁部材における光路長よりも大きいこと、の少なくとも１方を満たす
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記絶縁部材は、前記平板状の部材において、前記基板の表面に対して垂直な方向の屈折率が変化する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 半導体基板に形成された光電変換部を含む撮像画素および前記半導体基板に形成された少なくとも２つの光電変換部を含む焦点検出画素がそれぞれ配列された画素アレイを有する固体撮像装置であって、
   前記撮像画素および前記焦点検出画素は、前記光電変換部の上に形成された絶縁層を含む絶縁部材と、前記絶縁部材の上に設けられたマイクロレンズとを含み、
   前記撮像画素および前記焦点検出画素の少なくとも一方の前記絶縁部材は、前記絶縁層と異なる屈折率を有する平板状の部材を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
6. 前記撮像画素の前記マイクロレンズと前記焦点検出画素の前記マイクロレンズとは互いに等しい屈折率の材料からなり、等しい形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
   を備えることを特徴とするカメラ。
8. 撮像画素および焦点検出画素を有する固体撮像装置の製造方法であって、
   複数の光電変換部が設けられた半導体基板の上に、絶縁部材を形成する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記複数の光電変換部に対応するように複数のマイクロレンズを設けて前記撮像画素および前記焦点検出画素を形成する第２工程と、を有し、
   前記第１工程では、前記絶縁部材の形成において、前記撮像画素および前記焦点検出画素の少なくとも一方に平板状の部材を形成する工程を含む
   ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
9. 前記第１工程は、前記焦点検出画素となる部分に、遮光部を形成する工程を含み、
   前記遮光部は、前記焦点検出画素の光電変換部に瞳像の一部のみが入射するように位置する
   ことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記撮像画素には、前記複数の光電変換部のうちの１つの光電変換部が配され、前記複数のマイクロレンズのうち１つのマイクロレンズが設けられ、
    前記焦点検出画素には、前記複数の光電変換部のうちの２つの光電変換部が配され、前記複数のマイクロレンズのうち１つのマイクロレンズが設けられる
    ことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記第１工程は、前記基板の上に第１絶縁層を形成する工程と、前記第１絶縁層の上に遮光部を形成する工程と、前記遮光部の上に第２絶縁層を形成する工程と、含み、
    前記平板状の部材は、前記第１絶縁層および前記第２絶縁層のうち少なくとも前記第２絶縁層に形成される
    ことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。

Images