JP2015152738A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像素子にある周辺領域においても、高精度な測距を行うことができる固体撮像素子の提供を目的とする。
【解決手段】 固体撮像素子１００の周辺領域１００ａに配置された測距画素１１０ａにおいて、マイクロレンズ１０１は、その中心軸１が測距画素１１０ａの中心軸２に対して偏心して配置され、複数の導波路は、第１の導波路１０３と第２の導波路１０２を有し、第１の導波路１０３は、測距画素１１０ａの中心軸２に対して、マイクロレンズ１０１の偏心方向を第１の導波路１０３の中心と第２の導波路１０２の中心とを結ぶ直線上に射影した方向（射影偏心方向）とは反対方向に配置され、第２の導波路１０２は、測距画素１１０ａの中心軸２に対して、マイクロレンズ１０１の射影偏心方向と同じ方向に配置され、第１の導波路１０３は、第２の導波路１０２よりも、コアとクラッドの屈折率差及びコアの断面積のうち少なくとも一方が大きくなっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像素子及びそれを用いた撮像装置に関する。

近年、デジタルカメラの小型化の観点から、バックフォーカスの短いカメラレンズに対応するような固体撮像素子が求められている。また、デジタルカメラのダイナミックレンジ拡大化の観点から、小型のデジタルカメラにおいても、サイズの大きい固体撮像素子を用いることが求められている。このような要求を満たすデジタルカメラでは、固体撮像素子の周辺領域の画素に対して光束が大きく傾いた角度で入射するため、光束が画素の光電変換部からずれた位置に入射するため、光束の利用効率が下がり、周辺領域の画素の感度が低下する。

この課題に対し、特許文献１では、画素表面に設けたマイクロレンズを固体撮像素子の中央方向に偏心させ、画素に対して傾いた角度で入射する光束を効率良く検出することができる固体撮像素子が開示されている。

一方、デジタルカメラにおいて、焦点検出技術が知られている。この技術に関し、特許文献２では、固体撮像素子の一部の画素に位相差方式によって焦点検出するための構成を持たせた固体撮像素子が開示されている。位相差方式とは、結像光学系の瞳上の異なる領域を通過した光の像を比較し、ステレオ画像による三角測量を用いて焦点から被写体までの距離を検出する方法である。特許文献２では、結像光学系の瞳上の異なる領域を通過した光束を、マイクロレンズを用いて層間膜上に結合させた後、層間膜中に設けられた間隙によって分割して異なる光電変換部に導き、光電変換部からの電気信号を基に距離を測定している。

特開２０１０−１８２７６５号公報 特開２００９−１５８８００号公報

特許文献２のような固体撮像素子に対しても、バックフォーカスを短くしたりダイナミックレンジを拡大したりするためには、周辺領域の画素感度の低下と言う課題が発生する。この課題に対応するために、特許文献１に開示されているような、マイクロレンズを固体撮像素子の中心方向に偏心する手法を適用することが考えられる。

しかし、単に特許文献２に特許文献１を適用した場合、以下のような課題が発生する。すなわち、マイクロレンズが偏心している場合、異なる導波路に入射する主光線の角度の大きさが異なるため、画素に入射した光束の、複数の導波路に対する結合効率が異なる。そのため、画素中の異なる導波路に対応する光電変換部の感度に差異が生じ、位相差方式による測距精度が悪化してしまう。

本発明は、上記課題に鑑み、固体撮像素子にある周辺領域においても、高精度な測距を行うことができる固体撮像素子の提供を目的とする。

本発明は、複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に対応して配置されたコアとクラッドを有する複数の導波路と、前記複数の導波路に対応して配置されたマイクロレンズと、を有する測距画素を備えた固体撮像素子であって、前記固体撮像素子にある周辺領域に配置された少なくとも１つの測距画素において、前記マイクロレンズは、その中心軸が前記測距画素の中心軸に対して偏心して配置され、前記複数の導波路は、第１の導波路と第２の導波路とを有し、前記第１の導波路は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記第１の導波路の中心と前記第２の導波路の中心とを結ぶ直線上に射影した方向とは反対方向に配置され、前記第２の導波路は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記直線上に射影した方向と同じ方向に配置され、前記第１の導波路は、前記第２の導波路よりも、コアとクラッドの屈折率差及びコアの断面積のうち少なくとも一方が大きいことを特徴とする。

本発明によれば、固体撮像素子にある周辺領域においても、高精度な測距を行うことができる。

実施形態１に係る固体撮像素子の一例を示す模式図 実施形態１に係る測距画素の一例を示す模式図 実施形態１に係る測距画素の画素感度を示す模式図 実施形態１に係る測距画素の他の例を示す模式図 実施形態１に係る測距画素の他の例を示す模式図 実施形態２に係る測距画素の一例を示す模式図、及び実施形態２に係る測距画素中の光束の伝搬を示す模式図 実施形態３に係る測距画素の一例を示す模式図 実施形態３に係る測距画素の画素感度を示す模式図 実施形態３に係る測距画素の一例の製造方法を示す模式図 実施形態３に係る測距画素の他の例の製造方法を示す模式図 実施形態４に係る固体撮像素子の一例を示す模式図 実施形態４に係る測距画素の一例を示す模式図 実施形態５に係る撮像装置の一例を示す模式図 比較例に係る測距画素を示す模式図、及び比較例に係る測距画素の画素感度を示す模式図

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について説明する。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）
図１は、本実施形態に示す固体撮像素子１００内の測距画素の配置を示した図である。測距画素１１０ａは、固体撮像素子１００内の−Ｘ方向の周辺領域１００ａに配置された測距画素である。一方、測距画素１１０ｂは、固体撮像素子１００の＋Ｘ方向の周辺領域１００ｂに配置された測距画素である。なお、１１０ａ、１１０ｂの符号が付けられていない画素は、測距画素であってもよいし、通常の撮像画素であってもよい。測距画素、撮像画素については後述する。また、図１において、Ｘ方向は固体撮像素子１００の長手方向であり、Ｙ方向は固体撮像素子１００の短手方向である。そして、Ｚ方向は、Ｘ方向とＹ方向に垂直な方向である。

図２は、一点破線で囲んだ、図１の固体撮像素子の周辺領域１００ａに配置された３つの測距画素１１０ａの構成を示した図である。図２（ａ）は、３つ分の測距画素１１０ａのＸＺ断面模式図である。測距画素１１０ａは、光の入射側より、マイクロレンズ１０１と、複数の導波路１０２、１０３と、基板１２１内に形成された複数の光電変換部１２２、１２３と、を有している。図２（ｂ）は、図１のＸＹ面内における測距画素１１０ａ３つ分の平面模式図である。導波路１０３、１０２は、＋Ｘ方向にこの順で配列されて配置されている。また、光電変換部１２３、１２２も同様に、＋Ｘ方向にこの順で配列されて配置されている。

マイクロレンズ１０１は、不図示の結像光学系の射出瞳の異なる領域を通る光束をそれぞれ導波路１０２、１０３に選択的に導いている。各導波路１０２、１０３に入射した光束は、各導波路１０２、１０３それぞれに対応した光電変換部１２２、１２３に導かれ、電気信号に変換される。電気信号は、測距画素を囲むように配置された配線１０８によって信号処理部（不図示）に送られる。そして、光電変換部１２２で変換された電気信号から取得した像と光電変換部１２３で変換された電気信号から取得した像の位置ずれ量を求めることで、三角測量の原理から被写体までの距離を算出することができる。

図２（ａ）、（ｂ）で示すように、測距画素１１０ａのマイクロレンズ１０１は、その中心軸１が測距画素１１０ａの中心軸２に対して偏心して配置されている。具体的には、マイクロレンズ１０１の中心軸１が、測距画素１１０ａの中心軸２に対して＋Ｘ方向にずれている。ここで、マイクロレンズの中心軸とは、マイクロレンズの光軸のことである。また、測距画素の中心軸とは、測距画素の中心を通る、Ｚ軸に平行な線のことをいう。測距画素の中心とは、光電変換部で変換した電気信号を信号処理部に送る配線を基板の表面のＸＹ断面に射影し、その射影した部分で囲まれてかつ、光電変換部のＸＹ断面を含む領域の重心をいう。また、以下では、マイクロレンズの中心軸が測距画素の中心軸に対して偏心した方向をマイクロレンズの偏心方向という。なお、固体撮像素子１００の周辺領域１００ａの測距画素１１０ａにおいて、マイクロレンズ１０１が偏心しているのは、特許文献１と同じ理由である。

導波路１０３は、測距画素１１０ａの中心軸２に対して、マイクロレンズ１０１の偏心方向を導波路１０３の中心と導波路１０２の中心とを結ぶ直線上に射影した方向とは反対方向に配置されている。一方、導波路１０２は、測距画素１１０ａの中心軸２に対して、マイクロレンズ１０１の偏心方向を導波路１０３の中心と導波路１０２の中心とを結ぶ直線上に射影した方向と同じ方向に配置されている。ここで、導波路の中心とは、導波路の光電変換部側に位置する端面のＸＹ断面におけるクラッドに囲まれたコアの領域の重心をいう。また、以下では、マイクロレンズの偏心方向を２つの導波路の中心同士を結ぶ直線上に射影した方向をマイクロレンズの射影偏心方向という。なお、図２（ａ）の軸３、４はそれぞれ、Ｚ軸に平行な、導波路１０３の中心を通る軸、導波路１０２の中心を通る軸である。

導波路１０２は、コア１０４とクラッド１０６で構成されており、マイクロレンズ１０１から入射した光の一部を、主にコア１０４内を伝搬させて、光電変換部１２２まで導いている。一方、各導波路１０３は、コア１０５とクラッド１０７で構成されており、マイクロレンズ１０１から入射した光の一部を、主にコア１０５内を伝搬させて、光電変換部１２３まで導波いている。

本実施形態においては、導波路１０２のコア１０４の断面積よりも、導波路１０３のコア１０５の断面積の方が大きい構成になっている。より具体的には、マイクロレンズ１０１の偏心した偏心方向（＋Ｘ方向）におけるコアの幅において、導波路１０２のコア１０４の幅よりも導波路１０３のコア１０５の幅の方が大きい構成となっている。また、マイクロレンズ１０１の偏心方向と垂直な方向（Ｙ方向）のコアの幅においては、導波路１０２のコア１０４の幅と導波路１０３のコア１０５の幅とは同じである。

ここで、コアの断面積とは、マイクロレンズ側に位置する端面のＸＹ断面におけるクラッドに囲まれたコアの面積と光電変換部側に位置する端面のＸＹ断面におけるクラッドに囲まれたコアの面積との平均値のことをいう。また、コアの幅とは、マイクロレンズ側に位置する端面のＸＹ断面におけるクラッドに囲まれたコアの幅と光電変換部側に位置する端面のＸＹ断面におけるコアの幅との平均値のことをいう。

なお、図示しないが、測距画素１１０ａと同様に、測距画素１１０ｂにおいては、マイクロレンズは、その中心軸が測距画素１１０ｂの中心軸に対して偏心して配置されている。具体的には、測距画素１１０ｂのマイクロレンズは、測距画素１１０ａのマイクロレンズ１０１とは反対に、その中心軸が測距画素１１０ｂの中心軸に対して−Ｘ方向にずれている。また、測距画素１１０ｂにおいても、測距画素１１０ｂの中心軸に対してマイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置された導波路のコアの断面積の方が、射影偏心方向と同じ方向に配置された導波路のコアの断面積よりも大きい構成になっている。

このような測距画素１１０ａ、１１０ｂの構成とすることで、固体撮像素子１００の周辺領域１００ａ、１００ｂにおいても、高精度な測距を行うことができる。以下でその理由について、複数の導波路のコアの断面積が同じである場合と比較して説明を行う。

図１４（ａ）は、比較例の測距画素１０１０の模式図を示している。測距画素１０１０は、光入射側より、マイクロレンズ１００１と、複数の導波路１００２、１００３と、複数の光電変換部１０２２、１０２３と、を有している。具体的には、マイクロレンズ１００１の中心軸が、測距画素１０１０の中心軸に対して＋Ｘ方向にずれている。導波路１００３は、測距画素１１０ａの中心軸に対してマイクロレンズ１００１の射影偏心方向とは反対方向に配置されている。一方、導波路１００２は、測距画素１１０ａの中心軸に対してマイクロレンズ１００１の射影偏心方向と同じ方向に配置されている。ただし、上述した測距画素１１０ａとは異なり、導波路１００２のコアの断面積と導波路１００３のコアの断面積が同じである。なお、図１４（ａ）の矢印は、光束の伝搬の様子を示している。これについては後述する。

図１４（ｂ）に、測距画素１０１０の感度特性を示した。図１４（ｂ）からわかるように、光電変換部１０２３の感度の最大値が、光電変換部１０２２の感度の最大値よりも小さい。その結果、光電変換部１０２２で取得した電気信号と、光電変換部１０２３で取得した電気信号の強度に差が生じてしまう。電気信号間に強度差がある場合、測距像の位置ずれ量の読み取り誤差が大きくなり、測距精度が低下してしまう。

次に、光電変換部１０２３の感度が、光電変換部１０２２の感度よりも低い原因について説明を行う。図１４（ａ）に、測距画素１０１０に対してマイクロレンズ１００１が偏心している場合の、光束（矢印）の伝搬の様子を示した。図１４（ａ）で示すように、マイクロレンズ１００１に入射する光束の一部がマイクロレンズ１００１の偏心方向（＋Ｘ方向）と反対方向（−Ｘ方向）に位置する導波路１００３に入射する光束１０３３となる。また、マイクロレンズ１００１に入射する光の別の一部がマイクロレンズ１００１の偏心方向と同じ方向（＋Ｘ方向）に位置する導波路１００２に入射する光束１０３２となる。そして、導波路１００３に入射する際の光束１０３３の入射角が、導波路１００２に入射する際の光束１０３２の入射角よりも大きくなっている。

一般に、導波路に入射する光束の入射角が大きいほど、導波路の低次の導波モードよりも導波路の高次の導波モードと結合しやすくなる。しかし、導波路は有限の次数の導波モードしか持たないため、導波路に入射する入射角が大きいほど、光束と導波路との結合効率が小さくなる。従って、導波路１００３に対応する光電変換部１０２３の感度の方が、導波路１００２に対応する光電変換部１０２２に対応する光電変換部の感度よりも低くなる。

このような感度の差は、固体撮像素子の周辺領域１００ａ、１００ｂの測距画素１０１０では、マイクロレンズ１００１を偏心したことにより、入射角の差が大きくなるため、より大きな課題となる。その結果、光電変換部１０２３の感度が光電変換部１０２２の感度よりも大きく低下し、周辺領域において測距精度の低下を招いてしまう。

これに対して、本実施形態の固体撮像素子１００の周辺領域１００ａ（１００ｂ）に配置されている測距画素１１０ａ（１００ｂ）は、上述したように図２で示す構成を採っている。具体的には、入射する光束の入射角が相対的に大きい導波路１０３のコア１０５の断面積を、入射する光束の入射角が相対的に小さい導波路１０２のコア１０４の断面積よりも大きくしている。

一般に、コアの断面積と、コアとクラッドの屈折率差の平方根と、の積が大きいと、導波路がより高次の導波モードも有するようになる。従って、上記の構成により、導波路１０３の方が導波路１０２よりもより次数の高い導波モードも有する構成になっている。このため、導波路１０３に入射する光束の入射角が、相対的に大きくなっても、導波路１０３が高次の導波モードも有する構成であるため、光束と導波路１０３の結合効率の低下を抑制することができる。

図３（ａ）は、本実施形態に示す測距画素１１０ａの感度特性を示している。なお、図３（ａ）には比較のために、図１４（ｂ）の測距画素１０１０の感度特性も示している。実線は、測距画素１１０ａの光電変換部１２２の感度特性を表している。破線は、測距画素１１０ａの光電変換部１２３の感度特性を表している。一点破線は、測距画素１０１０の光電変換部１０２２の感度特性を表している。二点破線は、測距画素１０１０の光電変換部１０２３の感度特性を表している。

図３（ａ）で示すように、測距画素１０１０の光電変換部１０２２、１０２３の最大感度の差に対し、測距画素１１０の光電変換部１２２、１２３の最大感度の差が低減している。その結果、光電変換部１２２で取得した電気信号と光電変換部１２３で取得した電気信号の強度差が低減され、像の位置ずれ量の読み取り精度が上昇するため、測距精度を向上させることができる。

導波路１０２、１０３を構成する、コア１０４、１０５およびクラッド１０６、１０７は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン、ＢＰＳＧなどの無機物、ポリマーや樹脂等の有機物を使用することができる。ただし、コア１０４の屈折率がクラッド１０６の屈折率よりも大きく、コア１０５の屈折率がクラッド１０７よりも大きくなるように、材料の組み合わせは選択される。本実施形態においては、コア１０４とコア１０５は同じ材料が使用され、クラッド１０６とクラッド１０７は同じ材料が使用されている。ここで、屈折率の比較は、測距画素に入射する光の波長（例えば、デジタルカメラ用の固体撮像素子の緑画素では５３０ｎｍ）における屈折率で比較を行う。また、クラッド１０６、１０７内には、光電変換部１２２、１２３で発生した電荷を信号処理回路に転送するための配線１０８が設けられている。

光電変換部１２２、１２３は、検出する波長帯域で吸収を有するシリコンなどの材料で形成された基板１２１に、イオン打ち込みなどでポテンシャル勾配を形成することによって形成される。そして、光電変換部１２２、１２３は光を電荷に変換する機能を有する。また、導波路１０２、１０３と光電変換部１２２、１２３の間には入射光の反射防止と光電変換部の汚染防止のためのゲッタリング層１０９が形成されている。

マイクロレンズ１０１は、検出する波長帯域で透明な酸化シリコンや有機物などの材料で形成されており、光電変換部１２２、１２３にまたがって配置されている。測距画素１１０とマイクロレンズ１０１とは１対１で対応している。つまり、マイクロレンズ１０１の焦点位置が測距画素１１０の導波路１０２、１０３内に位置するように構成されている。この条件を満たせば、マイクロレンズ１０１の一部は隣の画素の上にも配置されていてもよい。マイクロレンズ１０１と導波路１０２、１０３の間には、下地層１３０が形成されている。下地層１３０はカラーフィルタを有していてもよい。

＜変形例＞
図２では、導波路１０２のコア１０４の断面積と導波路１０３のコア１０５の断面積とを変えるために、各コアのＸ方向の幅を変えていた。この他に、図４（ａ）のように各コアのＹ方向の幅を変えてもよいし、図４（ｂ）のように各コアのＸ方向の幅とＹ方向の幅の両方を変えてもよい。ただし、配線レイアウトの対称性の観点から、導波路の並置方向（図２の場合は、Ｘ方向）の幅のみ変えることが好ましい。コア１０４、１０５の平面視形状は、図２（ａ）、図４（ａ）、（ｂ）に示すような矩形等の多角形でもよいし、円や楕円等でもよい。

固体撮像素子１００の中心（重心位置）から離れる画素ほど、画素に入射する主光線の入射角が大きい。特に、固体撮像素子１００の中心から、固体撮像素子１００の対角線の長さの０．２倍以上離れた領域では入射角が大きい。それに伴い、この領域では、同一の測距画素内の異なる導波路に入射する入射角の差も大きくなるため、光束と導波路との結合効率の差が大きくなり、上述した課題が大きくなる。そのため、本実施形態では、固体撮像素子１００の中心から、固体撮像素子１００の対角線の長さの０．２倍以上離れた領域を周辺領域１００ａ、１００ｂとし、この領域にある測距画素を上記構成の測距画素とする。さらに、固体撮像素子１００の中心から、固体撮像素子１００の対角線の長さの０．３倍以上離れた領域にある測距画素が上記構成の測距画素とすることが好ましい。

上述したように、固体撮像素子の中心から離れる画素ほど、画素に入射する主光線の入射角が大きいため、固体撮像素子の中心から離れる測距画素ほど、マイクロレンズの偏心方向における偏心量を大きくすることが好ましい。つまり、２つの測距画素のうち固体撮像素子の中心から遠い測距画素のマイクロレンズの偏心量が、固体撮像素子の中心に近い測距画素のマイクロレンズの偏心量に比べて大きいことが好ましい。この構成により、固体撮像素子内の画素ごとの感度のばらつきを抑制する効果を有する。なお、２つの測距画素のうち、固体撮像素子の中心から遠い測距画素は、固体撮像素子の中心に近い測距画素よりも、測距画素の重心と固体撮像素子の中心との間の距離が大きい。

複数の導波路１０２、１０３が並置された方向（Ｘ方向）に沿ったマイクロレンズ１０１の射影偏心方向における偏心量が大きいほど、測距画素内の異なる導波路の光束に対する結合効率の差が大きくなる。そのため、導波路が並置された方向に沿ったマイクロレンズ１０１の射影偏心方向における偏心量が大きいほど、導波路１０２のコア１０４の断面積と導波路１０３のコア１０５の断面積の差を大きくした方が好ましい。

その構成について、図５（ａ）に一例を示した。図５（ａ）は図１の一点破線の領域にある３つの測距画素１１０ａについて表している。なお、図５（ａ）では測距画素１１０ａの間を離して図示している。また、３つの測距画素１１０ａの配置の順番は図１の一点破線の領域にある３つの測距画素１１０ａの配置の順番と同じである。最も左側にある測距画素１１０ａは、３つの測距画素１１０ａの中で最も固体撮像素子の中心から遠い測距画素１１０ａであり、最も右側にある測距画素１１０ａは、３つの測距画素１１０ａの中で最も固体撮像素子の中心に近い測距画素１１０ａである。これに対応して、測距画素１１０ａの位置が左側ほど、マイクロレンズ１０１の偏心量が大きく、コア１０４の断面積とコア１０５の断面積の差が大きくなっている。このように、マイクロレンズの偏心量に応じて導波路のコアの断面積を変えることで、マイクロレンズ１０１の偏心量によらず、光電変換部１２２、１２３の間の感度差が低減するため、測距精度を向上させることができる。

図５（ａ）では、マイクロレンズ１０１の偏心量に応じて、コア１０４とコア１０５の断面積の双方を変化させた例を示したが、コア１０４の断面積のみを変化させたり、コア１０５の断面積のみを変化させたりしてもよい。ただし、測距画素に入射した光の利用効率を向上させるために、コア１０４の断面積とコア１０５の断面積の和が、異なる測距画素どうしで一定になるように、各測距画素のコアの断面積の差を変化させることが好ましい。

また、マイクロレンズの偏心方向は、必ずしもＸ方向でなくてもよく、斜めに偏心していてもよい。固体撮像素子１００の周辺領域１００ａ、１００ｂに位置する画素に入射する光束は、固体撮像素子１００の中心に向かって傾いているため、固体撮像素子１００の中心に向かって斜め方向に偏心している方が、効率良く光束を取り込むことができるため好ましい。図５（ｂ）にその構成の一例を示した。図５（ｂ）は、図１の二点破線の領域にある３つの測距画素１１０ａについて表している。なお、図５（ｂ）では測距画素１１０ａの間を離して図示している。このように、測距画素１１０ａのマイクロレンズ１０１の偏心方向を測距画素の配置位置によって変えてもよい。

マイクロレンズ１０１の偏心方向が斜め方向である場合も、導波路１０３に入射する光束の入射角は、導波路１０２に入射する光束の入射角よりも大きい。そのため、導波路１０３のコア１０５の断面積を、導波路１０２のコア１０４の断面積よりも大きくすることで、複数の光電変換部間の感度差を抑えることができ、測距精度が向上する。

固体撮像素子１００の中央領域では、画素に入射する主光線の入射角が小さい。具体的には、固体撮像素子１００の中心から、固体撮像素子１００の対角線の長さの０．２倍未満の位置よりも固体撮像素子１００の中心に近い中央領域では主光線の入射角が小さい。そのため、この中央領域に測距画素が配置されている場合、その測距画素では、マイクロレンズの中心軸が測距画素の中心軸に対して偏心していなくてもよい。

また、固体撮像素子１００のＹ方向の周辺領域に位置する測距画素においては、測距画素に入射する主光線がＹ方向に傾いているため、マイクロレンズをＹ方向に偏心させることが好ましい。

このように、マイクロレンズの中心軸が測距画素の中心軸に対して、導波路１０２、１０３が配列された配列方向であるＸ方向にずれていない場合は、導波路１０２と導波路１０３に結合する主光線の入射角は等しくなる。そのため、導波路１０２と導波路１０３のモード数は等しい方が好ましい。即ち、マイクロレンズが偏心していないか、または、偏心方向が複数の導波路が並置された配列方向と直交する場合には、複数の導波路の、コアの断面積およびコアとクラッドの屈折率差がいずれも等しい方が好ましい。

固体撮像素子１００の全ての画素が測距画素１１０であってもよいし、一部だけが測距画素１１０であり、その他が通常の撮像画素であってもよい。全ての画素が測距画素１１０の場合、複数の光電変換部で取得した電気信号の和を取ることで、撮影画像を取得することができる。なお、撮像画素とは、単一の光電変換部と、単一の光電変換部の上に配置されたコアとクラッドを有する単一の導波路と、単一の導波路の上に配置されたマイクロレンズと、を有した画素をいう。

図３（ｂ）は、本実施形態の測距画素１１０ａの光電変換部１２２と１２３の感度の和を、図１４の比較例の測距画素１０１０における光電変換部１０２２と１０２３の感度の和と比較して示したものである。図３（ｂ）で示すように、本実施形態の光電変換部１２２、１２３の感度の和の方が、比較例の光電変換部１０２２、１０２３の感度の和よりも、平坦に近い角度特性を示している。従って、測距画素から撮像画像を取得する場合、画素間の角度依存性を低減することができるので、撮影画像の品質を向上させることができる。

固体撮像素子１００の一部の画素が測距画素１１０ａの場合、測距画素１１０ａにおける撮影画像を、上述した手法で取得してもよいし、測距画素１１０ａの周辺に設けられた通常の撮像画素で取得した撮影画像により補完して取得してもよい。周辺領域１００ａ、１００ｂに位置する撮像画素についても、マイクロレンズが固体撮像素子の中心に向かって偏心している方が、撮影画像の画質が向上するため好ましい。

（実施形態２）
図６（ａ）は、図１の固体撮像素子１００内の周辺領域１００ａに配置された本実施形態の測距画素２１０を示した模式図である。図６（ａ）に示す測距画素２１０は、実施形態１の測距画素１１０ａとは、光電変換部２２２、２２３の形状が異なっている。具体的には、測距画素２１０の中心軸に対して、マイクロレンズ１０１の射影偏心方向とは反対方向に位置する光電変換部２２３の断面積が、マイクロレンズ１０１の射影偏心方向と同じ方向に位置する光電変換部２２２の断面積よりも大きくなっている。ここで、光電変換部の断面積は、ＸＹ断面における導波路側に位置する端面における断面積をいう。

このような構成とすることで、測距画素内の複数の光電変換部間のクロストークを抑制することができる。その結果、測距画素における入射光束の分割特性が向上し、測距性能が向上する。以下で理由を説明する。

図６（ｂ）は、導波路１０３から光電変換部１２３へ射出される光束を示している。導波路１０３は高次の導波モードを有しているため、導波路１０３から光電変換部１２３に向けて射出された光は光束の広がりが大きくなる。そのため、この光束の広がりを考慮して、本実施形態の測距画素２１０では、光電変換部２２３の断面積を光電変換部２２３の断面積より大きくしている。このため、導波路１０３から光電変換部２２３に向けて射出された光束のうち、光電変換部２２２、２２３の間のバリア領域２２４に入射する割合が減少するため、クロストークを抑制することができる。

光電変換部２２２、２２３の断面積は、対応する導波路１０２、１０３から射出された光が効率良く光電変換部に結合するように決めることが好ましい。具体的には、光電変換部２２３の断面積の光電変換部２２２の断面積に対する比の値が、導波路１０３のコア１０５の断面積の導波路１０２のコア１０４の断面積に対する比の値よりも大きくすることが好ましい。なぜならば、導波路１０３に結合した光の方が、導波路１０２に結合した光よりも高次の導波モードの割合が大きいため、導波路から射出された後の光束の広がりが大きいためである。光電変換部の断面積の比を、導波路のコアの断面積の比よりも大きくすることで、導波路１０３から射出された、広がりの大きな光束も効率良く検出することができる。そのため、複数の光電変換部間の感度差が低減し、測距精度を向上させることができる。

（実施形態３）
図７は、図１の固体撮像素子１００の周辺領域１００ａに配置された本実施形態の測距画素３１０を示した図である。図７に示す測距画素３１０は、実施形態１の測距画素１１０に対し、導波路３０２、３０３の構成が異なる。実施形態１の測距画素１１０では、コアの断面積を変えていた。一方、本実施形態の測距画素３１０では、導波路を構成するコアとクラッドの屈折率差を変えている。ここで、屈折率の比較は、測距画素に入射する光の波長における屈折率で比較を行う。

導波路３０３は、測距画素１１０ａの中心軸に対してマイクロレンズ１０１の射影偏心方向とは反対方向に配置された導波路である。一方、導波路３０２は、測距画素１１０ａの中心軸に対してマイクロレンズ１０１の射影偏心方向と同じ方向に配置された導波路である。本実施形態の測距画素３１０では、導波路３０３のコア３０５とクラッド３０７の屈折率差を、導波路３０２のコア３０４とクラッド３０６の屈折率差よりも大きくしている。より具体的には、クラッド３０６、３０７は同じ材料で形成し、コア３０５をコア３０４よりも屈折率が大きい材料で形成している。

このため、上述したように、導波路３０３の方が導波路３０２よりもより次数の高い導波モードも有する構成になり、光束と導波路１０３の結合効率の低下を抑制することができる。

図８は、本実施形態の測距画素３１０の感度特性を、図１４（ｂ）の比較例の測距画素１０１０の感度特性と比較して示したものである。図８からわかるように、測距画素３１０においては、測距画素１０１０に対し、２つの光電変換部３２２、３２３間の最大感度の差が低減していることが分かる。その結果、光電変換部３２２で取得した電気信号と、光電変換部３２３で取得した電気信号の強度差が低減し、像の位置ずれ量の読み取り精度が上昇するため、測距精度を向上させることができる。

＜製造方法＞
導波路３０２のコア３０４と導波路３０３のコア３０５の屈折率を変えるためには以下のような製造方法を用いればよい。まず、基板１２１の上にダマシンプロセスで配線１０８を作製した後、クラッド３０６、３０７を構成する材料を成膜する（図９（ａ））。次に、導波路３０３のコア３０５となる部分をリソグラフィとドライエッチングによって除去する（図９（ｂ））。次に、コア３０５を構成する材料を成膜して、導波路３０３を作製する（図９（ｃ））。続いて、導波路３０２のコア３０４となる部分を、フォトリソグラフィとドライエッチングによって除去する（図９（ｄ））。そして、コア３０４を構成する材料を成膜して導波路３０２を作製する（図９（ｅ））。

このように、導波路のエッチングと埋め込みのプロセスを２回行うことで、コアの屈折率の異なる導波路３０２、３０３を製造することができる。導波路３０２と導波路３０３を形成する順番はどちらでも良く、コアとなる材料の埋め込みやすさ等で決定すればよい。一般的には、屈折率の高い材料の方が埋め込みにくいので、導波路３０３を先に形成する方が好ましい。

なお、図７に示す測距画素３１０では、コアの屈折率を変えることで、コアとクラッドの屈折率差を変えていたが、クラッドの屈折率を変えてもよい。具体的には、コア３０４とコア３０５は同じ材料で形成し、クラッド３０７をクラッド３０６よりも屈折率が小さい材料で形成してもよい。また、コアとクラッドの屈折率差の両方を変えて上記の測距画素３１０の構成としてもよい。

クラッドの屈折率差を変える場合には、以下のように製造方法を用いればよい。まず、基板１２１の上に、クラッド３０７を構成する材料と配線１０８を作製する（図１０（ａ））。次に、リソグラフィとエッチングによって、導波路３０２となる部分を除去する（図１０（ｂ））。次に、導波路３０２のクラッド３０６を構成する材料と配線１０８を作製する（図１０（ｃ））。そして、全面エッチング等によって導波路３０３となる部分の上に成膜された余分なクラッド３０６を構成する材料を除去する（図１０（ｄ））。この際、図１０（ｂ）の工程に用いたエッチングマスクを残しておき、エッチストップ層として用いてもよい。続いて、リソグラフィとドライエッチによって導波路３０２、３０３のコアとなる部分を除去する（図１０（ｅ））。そして、導波路３０２、３０３のコア３０４を構成する材料、３０５を構成する材料を埋め込んで、導波路３０２、３０３を作製する（図１０（ｆ））。

このように、クラッドを形成するプロセスを２回行うことで、クラッドの屈折率の異なる導波路３０２、３０３を製造することができる。図９と同様、導波路３０２と導波路３０３を形成する順番はどちらでもよく、図１０（ｄ）における全面エッチングの容易さ等で決定すればよい。本実施形態に示す固体撮像素子においても、実施形態１に示す固体撮像素子１００と同様に、マイクロレンズ１０１の偏心量が大きいほど、複数の導波路への結合効率の差が大きくなる。そのため、マイクロレンズ１０１の偏心量が大きいほど、導波路３０３のコア３０５とクラッド３０７の屈折率差と、導波路３０２のコア３０４とクラッド３０６の屈折率差の、差を大きくした方が好ましい。つまり、以下の関係を満たすことが好ましい。マイクロレンズの偏心量が大きい測距画素の方が偏心量が小さい測距画素よりも、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に位置する導波路の上記屈折率差に対するマイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に位置する導波路の上記屈折率差の比の値が大きい。

また、同様に、マイクロレンズが測距画素の中心に対して導波路が並置された配列方向（Ｘ方向）に偏心していない場合は、導波路３０２のコアとクラッドの屈折率差と、導波路３０３のコアとクラッドの屈折率差は等しい方が好ましい。

（実施形態４）
実施形態１から３に示す固体撮像素子中の測距画素では、複数の導波路が並置された方向がＸ方向であった。すなわち、測距画素に入射した光束をＸ方向に分割して取得することで測距を行う固体撮像素子を示してきた。しかし、入射方向をＸ方向以外の方向に分割する測距画素を有する固体撮像素子に本発明を適用してもよい。

図１１は、本実施形態の固体撮像素子４００の一部を示している。なお、本実施形態においても実施形態１と同様、Ｘ方向は固体撮像素子４００の長手方向に、Ｙ方向は固体撮像素子４００の短手方向に対応している。この固体撮像素子４００は、入射光束をＹ方向に分割して測距を行う測距画素４１０が配置されている。固体撮像素子４００の−Ｙ方向の周辺領域４００ａには測距画素４１０ａが配置されている。また、固体撮像素子４００の＋Ｙ方向の周辺領域４００ｂには測距画素４１０ｂが配置されている。

図１２は、図１１の一点破線で囲んだ３つ分の測距画素４１０ａの構成を示した図である。図１２（ａ）は、３つ分の測距画素４１０ａのＹＺ断面模式図である。測距画素４１０は、光の入射側より、マイクロレンズ４０１ａと、複数の導波路４０２、４０３と、複数の光電変換部４２２、４２３と、を有している。図１２（ｂ）は、３つ分の測距画素４１０のＸＹ方向の平面模式図である。

マイクロレンズ４０１の中心軸は、測距画素４１０の中心軸に対して固体撮像素子の中心に向かう方向（＋Ｙ方向）に偏心している。また、複数の導波路４０２、４０３、複数の光電変換部４２２、４２３はＹ方向に並置されている。測距画素４１０の中で、導波路４０３は、測距画素４１０の中心軸に対してマイクロレンズ４０１の射影偏心方向とは反対方向に配置されている。一方、導波路４０２は、測距画素４１０の中心軸に対してマイクロレンズ４０１の射影偏心方向と同じ方向に配置されている。そして、マイクロレンズ４０１の偏心方向とは反対の方向（−Ｙ方向）に配置された導波路４０３のコアのＹ方向の幅が、マイクロレンズ４０１の偏心方向と同じ方向（＋Ｙ方向）に配置された導波路４０２のコアのＹ方向の幅よりも大きい。つまり、導波路４０３のコアの断面積が導波路４０２のコアの断面積よりも大きくなっている。この構成により、実施形態１と同様、光電変換部４２２と光電変換部４２３の最大感度の差を抑制することができるため、測距精度が向上する。

なお、固体撮像素子は、入射光束をＸ方向に分割する測距画素１１０と、入射光束をＹ方向に分割する測距画素４１０の双方を有するように構成してもよい。このような構成とすることで、被写体のコントラストの方向に依存せず、測距を行うことができる。この場合でも、マイクロレンズの偏心方向と複数の導波路が並置される方向に応じて、導波路のコアの断面積またはコアとクラッドの屈折率差を決定すればよい。

（実施形態５）
図１３は、実施形態１に示す固体撮像素子１００を備え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１９０の概略図である。撮像装置１９０は、固体撮像素子１００の他に、固体撮像素子に光入射側に配置された結像光学系１９１、ＣＰＵ１９２、転送回路１９３、信号処理部１９４を有する。ＣＰＵ１９２は、転送回路１９３、信号処理部１９４の動作を制御する。光電変換部１２２、１２３で取得した信号を転送回路１９３によって信号処理部１９４に転送し、信号処理部１９４で測距像を形成し、各々の測距像を信号処理部１９４で比較することで測距を行っている。また、同様に光電変換部１２２、１２３で取得した信号は、信号処理部１９４で処理され、撮影画像用の信号としても使用される。

（その他の実施形態）
以上の実施形態１から５において、いずれも導波路および光電変換部が２つである場合を示したが、導波路および光電変換部が３つ以上あってもよい。導波路および光電変換部が３つ以上ある場合でも、そのうちの少なくとも２つの導波路において、以下の構成を満たしていればよい。すなわち、測距画素の中心軸に対して、マイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置されている導波路の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置されている導波路よりも、コアの断面積を大きくなっていればよい。または、測距画素の中心軸に対してマイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置されている導波路の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置されている導波路よりも、コアとクラッドの屈折率差を大きくなっていればよい。このような構成とすることで、複数の光電変換部の最大感度の差を低減することができるため、測距精度が向上する。

また、１つの測距画素内で、入射光束をＸ方向に分割する複数の光電変換部と入射光束をＹ方向に分割する複数の光電変換部とを有する構成であってもよい。この場合も、測距画素の中心軸に対してマイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置された導波路の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置された導波路よりも、コアの断面積を大きくなっていればよい。または、測距画素の中心軸に対してマイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置されている導波路の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置されている導波路よりも、コアとクラッドの屈折率差を大きくすればよい。

また、上述した各実施形態は、可能であれば適宜組み合わせてもよい。

１００、４００ 固体撮像素子
１０１、４０１ マイクロレンズ
１０２、１０３、３０２、３０３、４０２、４０３ 導波路
１０４、１０５、３０５、３０６ コア
１０６、１０７、３０６、３０７ クラッド
１１０、２１０、３１０、４１０ 測距画素
１２２、１２３、２２２、２２３、４２２、４２３ 光電変換部

Claims (19)

1. 複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に対応して配置されたコアとクラッドを有する複数の導波路と、前記複数の導波路に対応して配置されたマイクロレンズと、を有する測距画素を備えた固体撮像素子であって、
   前記固体撮像素子にある周辺領域に配置された少なくとも１つの測距画素において、
   前記マイクロレンズは、その中心軸が前記測距画素の中心軸に対して偏心して配置され、
   前記複数の導波路は、第１の導波路と第２の導波路とを有し、
   前記第１の導波路は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記第１の導波路の中心と前記第２の導波路の中心とを結ぶ直線上に射影した方向とは反対方向に配置され、
   前記第２の導波路は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記直線上に射影した方向と同じ方向に配置され、
   前記第１の導波路は、前記第２の導波路よりも、コアとクラッドの屈折率差及びコアの断面積のうち少なくとも一方が大きいことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第１の導波路のコアの断面積が、前記第２の導波路のコアの断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第１の導波路と前記第２の導波路とが配列された配列方向における前記第１の導波路のコアの幅が、前記配列方向における前記第１の導波路のコアの幅よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記複数の光電変換部が、前記第１の導波路に対応する第１の光電変換部と、前記第２の導波路に対応する第２の光電変換部と、を有し、
   前記第１の光電変換部の断面積が、前記第２の光電変換部の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の光電変換部の断面積の前記第２の光電変換部の断面積に対する比の値が、前記第１の導波路のコアの断面積の前記第２の導波路のコアの断面積の比の値よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
6. 前記周辺領域に、マイクロレンズの偏心量が異なる少なくとも２つの測距画素が配置され、
   前記マイクロレンズの偏心量が大きい測距画素の方が、前記マイクロレンズの偏心量が小さい測距画素よりも、前記第２の導波路のコアの断面積に対する前記第１の導波路のコアの断面積の比の値が大きいことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 複数の測距画素を有し、
   前記複数の測距画素において、各測距画素内の前記複数の導波路のコアの断面積の和が等しいことを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 前記第１の導波路のコアとクラッドの屈折率差が、前記第２の導波路のコアとクラッドの屈折率差よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
9. 前記第１の導波路のコアの屈折率が、前記第２の導波路のコアの屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像素子。
10. 前記第１の導波路のクラッドの屈折率が、前記第２の導波路のクラッドの屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項８又は９に記載の固体撮像素子。
11. 前記周辺領域に、マイクロレンズの偏心量が異なる少なくとも２つの測距画素が配置され、
    前記マイクロレンズの偏心量が大きい測距画素の方が、前記マイクロレンズの偏心量が小さい測距画素よりも、前記第２の導波路のコアとクラッドの屈折率差に対する前記第１の導波路のコアとクラッドの屈折率差の比の値が大きい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素子。
12. 前記マイクロレンズが、前記固体撮像素子の中心に向かって偏心していることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
13. 前記周辺領域が、前記固体撮像素子の中心から前記固体撮像素子の対角線の長さの０．２倍以上離れた領域であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
14. 前記周辺領域に、少なくとも２つの測距画素が配置され、
    前記２つの測距画素のうち前記固体撮像素子の中心から遠い測距画素のマイクロレンズが、前記固体撮像素子の中心に近い測距画素のマイクロレンズに比べて偏心量が大きいことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
15. さらにマイクロレンズが偏心していない測距画素を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
16. さらにマイクロレンズが偏心する偏心方向と複数の導波路が配列された配列方向とが直交する測距画素を有し、
    前記偏心方向と前記配列方向とが直交する測距画素において、複数の導波路のコアとクラッドの屈折率差及びコアの断面積のいずれも等しいことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
17. 前記固体撮像素子の中央領域に、さらに測距画素を有することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
18. さらに、単一の光電変換部と、前記単一の光電変換部の上に配置されたコアとクラッドを有する単一の導波路と、前記単一の導波路の上に配置されたマイクロレンズと、を有する撮像画素を有することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
19. 請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、前記固体撮像素子に光入射側に配置された結像光学系と、を有することを特徴とする撮像装置。

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