JP5737971B2

JP5737971B2 - 固体撮像装置およびカメラ

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Publication number: JP5737971B2
Application number: JP2011017112A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎山下
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: CN102623464B; US20120194714A1; US9065992B2; JP2012160783A; CN102623464A

Description

本発明は、固体撮像装置およびカメラに関する。

特許文献１には、焦点検出機能を有する固体撮像装置が開示されている。このような固体撮像装置では、焦点検出のための各画素中のフォトダイオードを２つに分割することで、視差を有する２つの像を形成する。この２つの像の間の位相差を検出することによって焦点ずれ量を得ることができる。

特開２００１−２５０９３１号公報

焦点検出機能を有する固体撮像装置をレンズ交換式カメラに適用する場合、撮影レンズとして様々な開口数（ＮＡ）、即ちＦナンバーを有するものが使用される可能性がある。カメラシステムとして実用化するためには、あらゆる交換レンズに対して、一定基準以上の特性を満たすことが要求される。

固体撮像装置に設けられるマイクロレンズは、その焦点位置がフォトダイオードの表面付近に一致するように設計される。Ｆナンバーの大きい撮影レンズを通った光は、フォトダイオード上に小さい光スポットを形成する。一方、Ｆナンバーの小さいレンズを通った光は、フォトダイオード上に大きな光スポットを形成する。したがって、種々のＦナンバーを有する撮影レンズで一定の光感度を得るためには、Ｆナンバーが小さい撮影レンズを使用するときにおいても光スポットがフォトダイオード部分からできるだけはみ出さないように、マイクロレンズを設計するべきである。

一方、焦点検出用の位相差信号を得るために各画素に設けられた分割された２つのフォトダイオードは、互いに近接して配置される。２つのフォトダイオードの境界付近に入射した光が生成する電荷は、２つのフォトダイオードのいずれにも蓄積される可能性がある。一方のフォトダイオードに入射した光によって生成された電荷が他方のフォトダイオードに蓄積される現象は、クロストークとして考えることができ、これは、位相差検出の精度や速度を低下させうる。

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、種々のＦナンバーの撮影レンズとの組み合わせにおいて感度の向上とクロストークの低減とに有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、位相差検出方式による焦点検出のための複数の画素を含む固体撮像装置に係り、前記画素は、互いに独立して信号の読み出しが可能な複数の光電変換部を含む半導体領域と、第１マイクロレンズと、前記第１マイクロレンズと前記半導体領域との間に配置された第２マイクロレンズと、前記第２マイクロレンズと前記半導体領域との間に配置され、平らな上面を有する絶縁膜とを含み、前記第２マイクロレンズは、中央部と、前記中央部を取り囲む周辺部とを含み、前記中央部は、平らな上面と、前記絶縁膜の前記平らな上面に接触する平らな下面とを有し、前記周辺部は、上面と、前記絶縁膜の前記平らな上面に接触する平らな下面とを有し、前記周辺部の前記上面は、前記周辺部が正のパワーを有するように構成されている。

本発明によれば、種々のＦナンバーの撮影レンズとの組み合わせにおいて感度の向上とクロストークの低減とに有利な技術が提供される。

本発明の第１実施形態の固体撮像装置の構成を模式的に示す断面図。本発明の第２実施形態の固体撮像装置の構成を模式的に示す断面図。本発明の第３実施形態の固体撮像装置の構成を模式的に示す断面図。

本発明の固体撮像装置は、位相差検出方式による焦点検出のための複数の画素（以下、このような画素を焦点検出画素とも呼ぶ）を含む。焦点検出画素は、撮影のための画素（即ち、画像を取得するための画素）としても利用されうる。本発明の固体撮像装置は、第１の個数の画素を含み、本発明の固体撮像装置は、ＭＯＳ型イメージセンサとして実施されてもよいし、ＣＣＤイメージセンサとして実施されてもよいし、他のイメージセンサとして実施されてもよい。なお、ＭＯＳイメージセンサには、裏面入射型ＭＯＳイメージセンサも含まれうる。

各焦点検出画素は、互いに独立して信号の読み出しが可能な複数の光電変換部（例えば、フォトダイオード）を含む半導体領域を含む。該複数の光電変換部には、固体撮像装置の撮像面に被写体の像を形成するための撮影レンズの瞳における互いに異なる領域を通過した光がそれぞれ入射する。複数の焦点検出画素は、例えば、ライン状またはクロス状に配置され、複数の焦点検出画素から読み出された信号を処理することによって撮影レンズの瞳における互いに異なる領域を通過した光の相互の位相差が検出されうる。

以下、本発明の固体撮像装置のいくつかの実施形態を説明する。なお、以下では、焦点検出画素の構成を説明するが、これは、固体撮像装置の全ての画素が焦点検出画素でなければならないことを意図するものではなく、固体撮像装置は、撮影のみに使用される画素を含んでもよい。

図１を参照しながら本発明の第１実施形態の固体撮像装置の構成を説明する。図１には、固体撮像装置の１つの焦点検出画素および光線が示されている。焦点検出画素は、半導体領域ＳＲと、第１マイクロレンズ（表面マイクロレンズ）１０１と、第１マイクロレンズ１０１と半導体領域ＳＲとの間に配置された第２マイクロレンズ（インナーマイクロレンズ）１０２とを含みうる。半導体領域ＳＲは、互いに独立して信号の読み出しが可能な複数の光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２を含む。図１に示す例では、１つの焦点検出画素が２つの光電変換部ＰＤを含むが、１つの焦点検出画素が３個、４個または５個以上の光電変換部を含んでもよい。１つの焦点検出画素が４個の光電変換部を含む場合は、第１方向（例えば、水平方向）に沿って２個の光電変換部が配置され、第１方向に直交する第２方向（例えば、垂直方向）に沿って他の２個の光電変換部が配置されうる。

半導体領域ＳＲの表面１０３と第２マイクロレンズ１０２との間、および、第２マイクロレンズ１０２と第１マイクロレンズ１０１との間には、絶縁膜１１２が配置される。絶縁膜１１２の屈折率は、典型的には、第１マイクロレンズ１０１の屈折率および第２マイクロレンズ１０２の屈折率よりも小さい。なお、図１において、素子分離、配線パターン、トランジスタなどの要素は、簡単化のために省略されている。

第２マイクロレンズ１０２は、中央部ＣＰと、中央部ＣＰを取り囲む周辺部（典型的には環状部）ＰＰとを含み、周辺部ＰＰのパワーは、中央部ＣＰのパワーよりも大きく、かつ、正の値を有する。例えば、周辺部ＰＰの曲率半径は、中央部ＣＰの曲率半径より小さい。中央部ＣＰは、例えば、平行平板でありうる。

実線で示された光線は、撮影レンズのＦナンバー値が１．４であるときに焦点検出画素に入射する光線のうち最大の入射角を有する光線である。１０７が主光線、１０８、１０９がそれぞれ撮影レンズの端部を通過する光線（周辺構成）である。点線で示された光線は、撮影レンズのＦナンバーが５．６（これは、一般的にカメラが焦点検出のために用いる最大のＦナンバーである）であるときに焦点検出画素に入射する光線のうち最大の入射角を有する光線である。１０４が主光線、１０５、１０６がそれぞれ撮影レンズの端部を通過する光線（周辺光線）である。一点鎖線１１０、１１１は、第２マイクロレンズ１０２が存在しない場合に光線１０８、１０９が通過する軌跡を示している。

なお、撮影レンズのＦナンバーは絞り値とも呼ばれ、同一の撮影レンズを使用していても、絞り値を大きくすることで、より小さいＦナンバー相当の光を固体撮像装置に入射させることができる。反対に、絞り値を小さくすることで、より大きなＦナンバー相当の光を固体撮像装置に入射させることができる。この明細書でＦナンバーと記述するときには、撮影レンズの最小Ｆナンバーのほか、撮影レンズの絞りを制御することによって定まる開口数も含むものとする。

焦点検出精度（位相差検出精度）を向上させるためには、１つの焦点検出画素における２つの光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２から読み出される信号に占めるクロストーク成分の割合を低減することが好ましい。そこで、２つの光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２の間の分離部１５０に入射する光（光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２のいずれによって検出されるかが不明な光）を低減することができる構成が採用される。分離部１５０に入射する光の割合は、第１マイクロレンズ１０１と第２マイクロレンズ１０２の曲率半径（パワー）、即ち半導体領域ＳＲに入射する光によってその表面１０３に形成される光スポットの径に依存する。典型的には、Ｆナンバーが５．６（Ｆ５．６と標記）であるときに、光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２の全域をカバーする光スポットが半導体領域ＳＲの表面に形成されるように第１マイクロレンズ１０１が構成される。これは、分離部１５０に入射する光線の割合を低減しクロストークを低減するために有利であるほか、感度の向上に有利である。

Ｆナンバーが１．４（Ｆ１．４と標記）であるときは、Ｆ５．６である場合によりも、光スポットが大きくなりうる。この場合、光線１０８、１０９のように主光線１０７に対する角度差が大きい光線（周辺光線）は、第２マイクロレンズ１０２によって中心軸（第１マイクロレンズ１０１、第２マイクロレンズ１０２の中心軸）方向に向けて光路が変更される。特に、光線１０８は、第２マイクロレンズ１０２が存在しない場合には、光電変換部ＰＤ２には入射しないが、第２マイクロレンズ１０２が存在する場合には光電変換部ＰＤ２には入射する。これは、感度の向上に有利であるほか、クロストークの低減に有利である。第２マイクロレンズ１０２は、例えば、Ｆ５．６である場合には、全光線が中央部ＣＰを通過し、Ｆ１．４である場合には、主光線に対する角度差が大きい周辺光線が周辺部ＰＰを通過し、それ以外が中央部ＣＰを通過するように構成されうる。

第１実施形態によれば、例えばＦ１．４、Ｆ５．６のような種々のＦナンバーにおいて感度の向上とクロストークの低減とを実現することができる。なお、ここで挙げたＦナンバーは、１．４と５．６であるが、これらは互いに異なるＦナンバーの例に過ぎず、本発明を制限するものではない。

第２マイクロレンズ１０２は、それに隣接する絶縁膜１１２よりも屈折率が高い材料で凸面を有するレンズとして構成されてもよいし、それに隣接する絶縁膜１１２よりも屈折率が低い材料で凹面を有するレンズとして構成されてもよい。第２マイクロレンズ１０２は、例えば、フォトニック結晶または回折格子によって構成されてもよい。

上記の設計手法は、Ｆ１．４における周辺光線の焦点距離を短くする手法として理解することができるが、Ｆ５．６における中央光線（主光線に対する角度差が小さい光線）の焦点距離を長くするという設計手法を採用してもよい。その場合、Ｆ１．４において半導体領域ＳＲの表面１０３に形成される光スポットの径が先に形成されうる。

第２マイクロレンズ１０２7と絶縁膜１１２との界面には、反射防止構造が設けられうる。第２マイクロレンズ１０２は、例えば、面積階調露光もしくはグレースケール露光を用いて、またはエッチバック技術を用いて形成されうる。

以下、図２を参照しながら本発明の第２実施形態の固体撮像装置の構成を説明する。なお、第２実施形態として言及されない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態の固体撮像装置は、焦点検出画素が、第２マイクロレンズ１０２と半導体領域ＳＲとの間に導波路ＧＷが設けられている点で第１実施形態の固体撮像装置と異なる。導波路ＧＷは、第１部分２０２と、第１部分２０２の側面を取り囲む第２部分２０３とを含み、第１部分２０２の屈折率が第２部分２０３の屈折率よりも高い。

第２実施形態によれば、第２マイクロレンズ１０２に設けることによっても光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２に導くことができないような光線２０１を導波路ＧＷによって光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２に導く。これにより、第２実施形態では、第１実施形態よりも感度を向上させることができる。

ここで、導波路ＧＷは、第１部分２０２および第２部分２０３の双方を固体で構成することによって実現されてもよい。あるいは、導波路ＧＷは、第１部分２０２を固体で構成し、第２部分２０３、もしくは第２部分２０３と第１部分２０２との間を空気等の気体または空間で構成することによって実現されてもよい。あるいは、導波路ＧＷは、金属膜等の反射膜によって中心軸方向（第１マイクロレンズ１０１、第２マイクロレンズ１０２の中心軸）方向に向けて光線の光路を変更するように構成されてもよい。

以下、図３を参照しながら本発明の第３実施形態の固体撮像装置の構成を説明する。なお、第３実施形態として言及されない事項は、第１または第２実施形態に従いうる。

焦点検出画素は、半導体領域ＳＲと、マイクロレンズ１０１と、マイクロレンズ１０１と半導体領域ＳＲとの間に配置された反射面３０３とを含みうる。半導体領域ＳＲは、互いに独立して信号の読み出しが可能な複数の光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２を含む。反射面３０３は、マイクロレンズ１０１と半導体領域ＳＲとの間であって隣接する画素との境界の近傍に、反射面３０３に入射した光が半導体領域ＳＲに向けて反射されるように配置されている。反射面３０３は、例えば、配線材料として普通に用いられるアルミニウムあるいはアルミニウムに重量割合０．５〜５％程度の他の金属原子を混入させた材料で構成されたミラー部材Ｍによって実現されうる。

Ｆ１．４における光線３０２は、反射面３０３でマイクロレンズ１０１の中心軸方向に向かって反射されて光電変換部ＰＤ２に入射する。Ｆ１．４における他の光線３０１は、導波路ＧＷを構成する反射面で反射されて光電変換部ＰＤ２に入射する。なお、導波路ＧＷを設けることが好ましいが、導波路ＧＷは必須ではない。

第３実施形態によれば、第１および第２実施形態のような第２マイクロレンズ１０２を設ける必要がないので、第２マイクロレンズ１０２の境界面における反射による感度低下が発生しないという利点がある。

以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラは、典型体には、レンズ交換式カメラであるが、撮影レンズがカメラ本体に固定されたものであってもよい。後者においても、設計仕様に応じて、固体撮像装置は、種々のＦナンバーの撮影レンズとの組み合わせにおいて使用されうる。カメラの概念には、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。カメラは、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、該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含む。該処理部は、焦点検出画素から読み出した信号に基づいて撮影レンズの瞳における互いに異なる領域を通過した光線間の位相差を検出し、該位相差に基づいて撮像レンズ（典型的には、その中のフォーカスレンズ）の駆動部を制御してオートフォーカスを実行する。

Claims

位相差検出方式による焦点検出のための複数の画素を含む固体撮像装置であって、
前記画素は、
互いに独立して信号の読み出しが可能な複数の光電変換部を含む半導体領域と、
第１マイクロレンズと、
前記第１マイクロレンズと前記半導体領域との間に配置された第２マイクロレンズと、
前記第２マイクロレンズと前記半導体領域との間に配置され、平らな上面を有する絶縁膜とを含み、
前記第２マイクロレンズは、中央部と、前記中央部を取り囲む周辺部とを含み、前記中央部は、平らな上面と、前記絶縁膜の前記平らな上面に接触する平らな下面とを有し、前記周辺部は、上面と、前記絶縁膜の前記平らな上面に接触する平らな下面とを有し、前記周辺部の前記上面は、前記周辺部が正のパワーを有するように構成されている、
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記画素は、前記第２マイクロレンズと前記半導体領域との間に、前記画素の前記複数の光電変換部に対して共通に設けられた導波路を更に含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記導波路は、第１部分と、前記第１部分の側面を取り囲む第２部分とを含み、前記第１部分の屈折率が前記第２部分の屈折率よりも高い、
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記第２マイクロレンズは、回折格子を含む、
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。
前記画素は、前記第１マイクロレンズと前記第２マイクロレンズとの間に配置された他の絶縁膜と、前記他の絶縁膜と前記第２マイクロレンズとの間に配置された反射防止構造とを含む、
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。
裏面入射型撮像装置として構成されてい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。
Ｆナンバー値が５．６の撮影レンズが用いられた場合に前記第１マイクロレンズを通過する光線は、前記第２マイクロレンズの前記周辺部に入射せず、
Ｆナンバー値が５．６より小さい撮影レンズが用いられた場合に前記第１マイクロレンズを通過する光線の一部は、前記第２マイクロレンズの前記周辺部に入射する、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
Ｆナンバー値が５．６の撮影レンズが用いられた場合に前記第１マイクロレンズを通過する光線は、前記第２マイクロレンズの前記周辺部に入射せず、
Ｆナンバー値が１．４の撮影レンズが用いられた場合に前記第１マイクロレンズを通過する光線の一部は、前記第２マイクロレンズの前記周辺部に入射する、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
請求項１乃至８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。