JP5506517B2

JP5506517B2 - 固体撮像素子

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Publication number: JP5506517B2
Application number: JP2010091514A
Authority: JP
Inventors: 章成高木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-04-12
Also published as: EP2375449A3; JP2011222827A; US8817162B2; CN102215349B; CN102215349A; EP2375449A2; EP2375449B1; US20110249161A1

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、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に用いられる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、ＡＦ用距離検出技術が知られている。
このようなＡＦ用距離検出技術に関し、特許文献１では撮像素子の一部の画素に測距機能を持たせ、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。
この位相差方式とは、カメラレンズの瞳上の異なる領域を通過した光像を比較し、ステレオ画像による三角測量を用いて距離を検出する方法である。
これによると、従来のコントラスト方式とは異なり、距離を測定するためにレンズを動かす必要が無いため、高速高精度なＡＦが可能となる。また、動画撮影時にリアルタイムＡＦが可能になる。
上記特許文献１では、測距用画素の構造として、マイクロレンズと光電変換部との間にマイクロレンズの光学中心に対して偏心した開口部を設けるように構成されている。
これにより、カメラレンズの瞳上における特定の領域を通過した光を、選択的に光電変換部に導き、距離を測定することができる。

特許第３５９２１４７号公報

しかしながら、特許文献１の偏心した開口部を設けた構造のものでは、配線部での光散乱などにより、十分な光束分離ができず、測距精度が低くなる可能性がある。
さらに、特許文献１の構造を、画素サイズの小さい固体撮像素子に適用した場合、つぎのような課題が生じる可能性がある。
すなわち、画素サイズが小さくなると、光電変換部に光を導くためのマイクロレンズのＦ値が大きくなり、画素サイズと回折像の大きさがほぼ同じとなる。
そのため、画素内で光が広がってしまい、偏心した開口部では十分な光束分離ができず、さらに測距精度が低くなる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑み、高精度の測距を行うことができ、特に画素サイズの小さい場合においても、高精度の測距が可能となる固体撮像素子の提供を目的とする。

本発明の固体撮像素子は、光を電気信号に変換する光電変換部と、該光電変換部の光入射側に光導波路とを備えた画素を有する固体撮像素子であって、
前記光導波路は、第１の方向から入射した光が第１の導波モードに変換されて導波し、かつ、前記第１の方向とは異なる方向から入射した第２の方向から入射した光が第２の導波モードに変換されて導波するように構成され、
前記光電変換部に導かれる前記第１の導波モードの光よりも、該光電変換部に導かれる前記第２の導波モードの光を低減する遮光部材が前記光導波路中に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、高精度の測距を行うことができ、特に画素サイズの小さい場合においても、高精度の測距が可能となる固体撮像素子を実現することができる。

実施例１における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。実施例１における遮光部材が無い場合の光導波路中の導波モードを示す図である。実施例１における遮光部材を光導波路中に配置した場合の光導波路中の導波モードを示す図である。実施例１における画素による検出光量の入射角度依存性を示す図である。実施例１における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である。実施例１における光導波路の光入射側にマイクロレンズを用いて構成した例を示す図である。実施例１における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である。実施例２における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。実施例２における遮光部材が無い場合の光導波路中の導波モードを示す図である。実施例２における遮光部材を光導波路中に配置した場合の光導波路中の導波モードを示す図である。実施例２における画素による検出光量の入射角度依存性を示す図である。（ａ）は実施例２におけるクラッド部に配線部を形成した例を示す図、（ｂ）は実施例２における光導波路の入射側にマイクロレンズを設けた例を示す図である。実施例１における撮像素子中の距離測定用画素の配置例を示す図である。

本発明は、導波路に入射する光束の入射角に応じて、導波路内の光伝播状態（導波モード）が異なるという特性を用いて構成されたものである。
具体的には、導波路内に遮光部材を配置し、これによって入射光のうち、特定の角度で入射した光を検出することを可能とし、高精度な距離測定が行える固体撮像素子を実現したものである。
以下、図を用いて、本発明の実施例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。

［実施例１］
実施例１として、本発明の構成を適用した固体撮像素子の構成例について図１を用いて説明する。
図１において、１００は本実施例における固体撮像素子中の一部に配置された測距機能を備えた画素である。
画素１００は、光の入射側（＋ｚ側）より、光入射部１０１、内部に遮光部材１０６を有する光導波路（コア部１０２、クラッド部１０３）、内部に光電変換部１０４を有する基板１０５を有している。
遮光部材１０６は、光導波路の中心軸１０７を含むｙｚ平面に対して、非対称に配置されている。ここで、光導波路の中心軸１０７はコア部１０２の中心軸とする。
光入射部１０１、コア部１０２およびクラッド部１０３は、撮像する波長帯域で透明な材料で形成される。例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、有機材料などで形成される。
なお、光入射部１０１およびコア部１０２は、クラッド部１０３より高い屈折率を有する材料で形成される。
これにより光入射部１０１およびコア部１０２内に光を閉じ込めて伝播させることができる。
光入射部１０１は、光入射側に向かって、徐々に径が太くなる形状、つまりテーパ形状に形成してあり、これにより、画素１００に入射した光束を、効率よくコア部１０２に導いている。
基板１０５は、撮像する波長帯域で吸収を有する材料、例えばＳｉであり、イオン打ち込みなどで光電変換部１０４を内部に形成する。
遮光部材１０６は、撮像する波長帯域の光に対して不透明な材料で形成され、例えば、ＡｌやＣｕの金属などで形成される。

画素１００に外部から入射した光束１０８は、光入射部１０１を介して光導波路に入射し、導波モードに変換されて光導波路中を伝播して光電変換部１０４に導かれる。
光電変換部１０４に入射した光束は、電子に変換され、入射光量に応じた電気信号を、図示しない信号処理回路に出力する。
導波モードとは、光導波路の持つ複数の固有モードの和で表され、光導波路中の伝播状態を示すものである。固有モードは、光導波路のコア、クラッドの形状、屈折率によって一意に決まるものである。
図２に、遮光部材１０６が無い場合の光導波路１０２中の導波モードを示す。
図２（ａ）は角度−θ（第１の方向）から入射した光束１１０の第１の導波モード１１１の電場強度分布、図２（ｂ）は角度＋θ（第２の方向）から入射した光束１２０の第２の導波モード１２１の電場強度分布を示す図である。
このように、光導波路中の導波モードは入射角に応じて異なる。

図３に、遮光部材１０６を光導波路１０２中に配置した場合の導波モードを示す。
図３（ａ）は角度−θ（第１の方向）から入射した光束１１０の第１の導波モード１１２の電場強度分布、図３（ｂ）は角度＋θ（第２の方向）から入射した光束１２０の第２の導波モード１２２の電場強度分布を示す図である。
図３（ａ）に示すように、第１の方向から入射した光束１１０は第１の導波モード１１２に変換され光導波路中を導波し、遮光部材１０６の影響を受けることなく、光電変換部１０４に導かれる。
一方、図３（ｂ）に示すように、第２の方向から入射した光束１２０は第２の導波モード１２２に変換され光導波路中を導波し、遮光部材１０６により遮光され、光電変換部１０４には達しない。
図４に、画素１００による検出光量の入射角度依存性を示す。これにより、角度＋θ（第２の方向）から入射した光よりも、角度−θ（第１の方向）から入射した光の方が、より多くの光を検出することが可能となっていることが分かる。
以上のように、遮光部材１０６を光導波路中に配置することにより、光電変換部に導かれる、第１の方向の入射光による光よりも該第１の方向とは異なる第２の方向の入射光による光が低減される。これにより、特定の入射角で入射した光を検出することが可能となる。
なお、上記では角度−θを第１の方向とし、角度＋θを第２の方向とする例を説明したが、第１の方向と第２の方向は異なる方向であればよく、例えば角度−θを第２の方向とし、角度＋θを第１の方向としてもよい。また、第１の方向の角度と第２の方向の角度は対称でなくてもよく、正負も問わない。

つぎに、本実施例の撮像素子を用いて、被写体の距離を測定する方法について図５を用いて説明する。
図５（ａ）に示すように、結像レンズ３００は外界の像を撮像素子４００の面上に結像する。
撮像素子４００は、図１および図５（ｂ）に示す第１の方向から入射した光を検出する画素（第１の画素）１００を複数備えた第１の画素領域を有する。また、この撮像画素４００は、図５（ｃ）に示す第２の方向から入射した光を検出する画素（第２の画素）２００を複数備えた第２の画素領域も有する。画素２００は、図５（ｂ）に示す画素１００の遮光部材１０６に対して、光導波路１０２の中心軸１０７を含むｙｚ平面に対して面対称な位置に、遮光部材２０６が配置されている。
画素の大きさに対して、結像レンズ３００と撮像素子４００の間の距離が長い。このため、結像レンズ３００の射出瞳面上の異なる領域を通過した光束は、異なる入射角の光束として撮像素子４００の面上に入射する。
第１の画素領域に含まれる画素１００では、結像レンズ３００の射出瞳（被写体像を形成する光学系の射出瞳）のうち、主に第１の方向に対応する領域３０１（第１の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。
同様に、第２の画素領域に含まれる画素２００では、結像レンズ３００の射出瞳のうち、主に第２の方向に対応する領域３０２（第２の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。
そのため、結像レンズの射出瞳面上の異なる領域を通過した光像を検出することができ、第１の画素領域からの画素信号と第２の画素領域からの画素信号を比較する。これにより、被写体測距用信号を出力するようにして被写体距離を検出することができる。
図１３に、撮像素子における、第１の画素１００と第２の画素２００の配置例を示す。図１３（ａ）に示すように、通常のベイヤ配列の撮像素子に、第１の画素１００を有するライン（第１の画素領域）と、第２の画素２００を有するライン（第２の画素領域）とを並べて配列することができる。
撮像素子に像を結ぶカメラレンズが撮像素子上でピントがあっているのであれば、第１の画素領域からの像信号と、第２の画素領域からの像信号は一致する。もし、ピントを結ぶ点が撮像素子のイメージ面よりも前方か後方にあるならば、第１の画素領域からの像信号と、第２の画素領域からの像信号の位相差が生じる。そして、結像点が前の場合と後の場合では位相のずれ方向が逆になる。この位相差および位相のずれ方向から、被写体距離を検出することができる。
また、図１３（ｂ）に示すように、同一のライン内または近接したライン内に、第１の画素領域１００と第２の画素領域２００が形成されるように配置されていてもよい。

なお、被写体の距離や位置によらず距離を精度良く検出するために、第１の射出瞳領域３０１と第２の射出瞳領域３０２は、射出瞳中心３０３に対して、対称な位置に設定することが望ましい。
よって、第１の方向および第２の方向は、射出瞳中心３０３を通り撮像素子に入射する光線である主光線を基準として定義される。
つまり、主光線が撮像素子面に傾いて入射する場合は、第１の方向および第２の方向は、傾いた主光線の入射角を基準として反対方向に等角度となるようにそれぞれ定義される。
入射角に応じた導波モードの空間分布をもとに、遮光部材の形状および位置を決定することにより、必要な検出光量の入射角度依存性を実現することができる。結像レンズの射出瞳位置が撮像素子面から有限の距離にあり、主光線の入射角が画角によって変化する場合は、入射角の変化量に応じて撮像素子面内で画素内の遮光部材の形状および位置を変えても良い。

また、画素１００に入射する光の波長帯域を限定するカラーフィルタを光入射側に設けても良い。
これにより、導波モードの波長により変化の影響を小さくすることができ、検出光量の角度選択性をより高くすることができ、距離検出精度を高くすることができる。
カラーフィルタは、特定の波長帯域の光を透過し、それ以外の波長帯域の光は吸収または反射、散乱させる材料で形成され、例えば有機材料や無機材料を用いる。
また、図６に示すように光導波路の光入射側に、マイクロレンズ１０９を用いて構成しても良い。
また、図３（ｂ）に示すように、光導波路中の伝播光はコア部１０２のみでなく、一部クラッド部１０３も通過する。このため、遮光部材１０６をコア部１０２内のみでなく、クラッド部１０３の一部に配置しても良い。
以上、示したように、遮光部材１０６を、光導波路の中心軸１０７を含むｙｚ平面に対して、非対称な位置に配置することにより、特定の角度で入射した光を検出することを可能とし、高精度な距離測定が行える固体撮像素子が実現できる。

図７を用いて、本実施例における画素１００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、シリコン基板１０５の所定の位置にイオンを打ち込み、光電変換部１０４を作製し、図示しない配線等を形成した後、裏面側からＣＭＰやエッチバックなどにより、基板を薄膜化する（図７（ａ））。
次に、ＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィ、リフトオフなどによりコア部１０２を形成し、ＳＯＧ成膜およびＣＭＰやエッチバックにより平坦化し、クラッド部１０３を形成する（図７（ｂ））。
次に、フォトリソグラフィ、エッチングによりコア部の所定位置に凹部を形成し、Ａｌを埋め込み、遮光部１０６を形成する（図７（ｃ））。
さらに、ＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィ、リフトオフなどによりコア部１０２を形成する（図７（ｄ））。
続いて、ＳＯＧ成膜、平坦化によりクラッド部１０３を形成後、フォトリソグラフィ、エッチングにより凹部を形成し、ＳｉＮを埋め込むことにより、光入射部１０１を形成し、画素１００を作製することができる（図７（ｅ））。

［実施例２］
実施例２として、本発明における固体撮像素子の構成例について図８を用いて説明する。
図８において、１３０は本実施例における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素である。
画素１３０は、光の入射側（＋ｚ側）より、光入射部１３１、内部に遮光部材１３６を有する光導波路（コア部１３２、クラッド部１３３）、内部に光電変換部１３４を有する基板１３５を有している。
光導波路の中心軸１３７は、画素１３０の中心軸１３８に対して、ｘｚ平面内でシフトしている。遮光部材１３６は、光導波路の中心軸１３７を含むｙｚ平面に対して、対称に配置されている。
光入射部１３１は、光入射側に向かって、徐々に径が太くなる形状、つまりテーパ形状になるように形成している。
さらに、光入射部１３１の入射側の中心軸は、画素１３０の中心軸１３８と一致し、射出側の中心軸は光導波路の中心軸１３７と一致するように形成している。このように、光入射部１３１は、光導波路の中心軸１３７を含むｙｚ平面に対し、非対称な形状のテーパ形状になっている。これにより画素１３０に入射した光束を、効率よくコア部１３２に導いている。
画素１３０に外部から入射した光束１３９は、光入射部１３１を介して光導波路に入射し、導波モードに変換されて光導波路中を伝播して光電変換部１３４に導かれる。
光電変換部１３４に入射した光束は、電子に変換され、入射光量に応じた電気信号を、図示しない信号処理回路に出力する。

図９に、遮光部材１３６が無い場合の光導波路中の導波モードを示す。
図９（ａ）は角度−θ（第１の方向）から入射した光束１１０の第１の導波モード１１３の電場強度分布、図９（ｂ）は角度＋θ（第２の方向）から入射した光束１２０の第２の導波モード１２３の電場強度分布を示す図である。
このように、光導波路中の導波モードは入射角に応じて異なる。
遮光部材１３６を光導波路中に配置した場合の導波モードを図１０に示す。
図１０に、所定の方向から入射した光束における導波モードの電場強度分布を示す。
図１０（ａ）は、角度−θ（第１の方向）から入射した光束１１０の第１の導波モード１１４の電場強度分布、図１０（ｂ）は角度＋θ（第２の方向）から入射した光束１２０の第２の導波モード１２４の電場強度分布を示す図である。
図１０（ａ）に示すように、第１の方向から入射した光束１１０は第１の導波モード１１４に変換され光導波路中を導波し、遮光部材１３６の影響を受けることなく、光電変換部１３４に導かれる。
一方、図１０（ｂ）に示すように、第２の方向から入射した光束１２０は第２の導波モード１２４に変換され光導波路中を導波し、遮光部材１３６により遮光され、光電変換部１３４には達しない。
図１１に画素１３０による検出光量の入射角度依存性を示す。これにより、角度＋θ（第２の方向）から入射した光よりも、角度−θ（第１の方向）から入射した光の方が、より多くの光を検出することが可能となっていることが分かる。
以上示したように、遮光する入射角に対応する導波モードが通過し、導光する入射角に対応する導波モードが通過しない領域に遮光部材を配置することにより、特定の入射角で入射した光を検出することが可能となる。

以上示したように、光導波路の中心軸１３７を、画素中心軸１３８に対してシフトし、かつ遮光部材１３６を、光導波路の中心軸１３７を含むｙｚ平面に対し対称に配置することにより、特定の入射角で入射した光を検出することができる。
撮像素子中に、第１の方向から入射した光を検出する画素１３０が複数個形成された第１の画素領域と、第２の方向から入射した光を検出する画素２３０が複数個形成された第２の画素領域を設ける。
これにより、実施例１と同様に、被写体の距離検出を精度良く行うことができる。なお、画素２３０は、図８に示す画素１３０に対して、画素中心軸１３８を含むｙｚ平面に対称な構造となっている。
具体的には、光導波路の中心軸１３７を画素中心軸１３８の反対側にシフトするように配置する。遮光部材の光導波路中心軸に対する位置は、画素１３０と同じである。

本実施例においては、最も検出光量が高くなる入射角を、画素中心軸に対する光導波路中心軸のシフト量で決定することができる。
また、遮光部材の形状および位置により、入射角度に対する検出光量の変化量を決定することができる。
このように、実施例１に対して、設計の自由度を増やすことができ、より高精度な距離検出が可能となる。
さらに、実施例１と同様に、主光線入射角に応じて、光導波路中心軸のシフト量を撮像素子面内で変化させるようにしても良い。
また、図１２（ａ）に示すように、クラッド部１３３に配線部１４０を形成してもよい。
このとき、遮光部材１３６を配線部１４０と同じ材料を用いると、使用する材料の種類が軽減でき、作製が容易となる。遮光部材１３６と配線部１４０を同じ高さに設けると、同時に形成ができることから、さらに作製が容易になるため望ましい。
また、図１２（ｂ）に示すように、光導波路の入射側にマイクロレンズ１４１を設けても良い。
このとき、マイクロレンズ１４１の中心を画素中心軸１３８に対してシフトして配置すると、画素１３０に入射した光束を、効率よく光導波路に導くことができる。

１００：画素
１０１：光入射部
１０２：コア部
１０３：クラッド部
１０４：光電変換部
１０５：基板
１０６：遮光部材
１０７：光導波路の中心軸
１０８：光束

Claims

光を電気信号に変換する光電変換部と、該光電変換部の光入射側に光導波路とを備えた画素を有する固体撮像素子であって、
前記光導波路は、第１の方向から入射した光が第１の導波モードに変換されて導波し、かつ、前記第１の方向とは異なる方向から入射した第２の方向から入射した光が第２の導波モードに変換されて導波するように構成され、
前記光電変換部に導かれる前記第１の導波モードの光よりも、該光電変換部に導かれる前記第２の導波モードの光を低減する遮光部材が前記光導波路中に設けられていることを特徴とする固体撮像素子。
前記光導波路または遮光部材は、前記画素の中心軸に対して非対称な形状に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記遮光部材は、前記光導波路の中心軸を含む面に対し、非対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
前記光導波路は、該光導波路の中心軸が前記画素の中心軸に対してシフトしており、
前記遮光部材は、前記光導波路の中心軸を含む面に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
前記光導波路は、前記光入射側に向かって径が太くなるテーパ形状の光入射部を有し、
前記光入射部は、前記光導波路の中心軸を含む面に対して非対称な形状に構成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。
前記光電変換部より光入射側に配線部を有し、
前記遮光部材は、該配線部と同じ材料で形成されている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。
前記遮光部材は、前記配線部と同じ高さに配置されていることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
前記第１の方向から入射する光は、撮像素子に被写体像を形成する光学系の射出瞳面上の第１の射出瞳領域を通過して前記光導波路に入射する光であり、
前記第２の方向から入射する光は、前記光学系の射出瞳面上で該射出瞳の中心に対して第１の射出瞳領域と対称な位置にある第２の射出瞳領域を通過して前記光導波路に入射する光であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記画素は、
前記遮光部材が前記光導波路中に設けられている第１の画素を複数備えた第１の画素領域と、
前記第１の画素領域の遮光部材とは異なるモードの光を低減する他の遮光部材が前記光導波路中に設けられている第２の画素を複数備えた第２の画素領域と、
を有し、
前記第１の画素領域と第２の画素領域からの画素信号を用い、被写体の測距用信号を出力することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。