JP5974136B2 - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents
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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。
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。一方、クロストークを低減するために2つのフォトダイオードの間の距離を大きくすると、入射した光を光電変換した領域が大きくなり、光検出感度が低下する。
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、光検出感度の低下を抑えながらクロストークを低減するため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、前記固体撮像装置において、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、マイクロレンズと、前記マイクロレンズと前記半導体領域との間に配置されたレンズ面とを含み、前記レンズ面は、前記マイクロレンズを通過して前記半導体領域に向かう光に対して負のパワーを作用させる。
本発明によれば、光検出感度の低下を抑えながらクロストークを低減するために有利な技術を提供することができる。
図1を参照しながら本発明の実施形態の固体撮像装置100の概略構成を説明する。固体撮像装置100は、入射光に応じて発生した電荷を蓄積して信号を出力する複数の画素108が複数の行および複数の列を構成するように二次元状に配列された画素アレイPAを含む。複数の画素108の全部または少なくとも一部は、位相差検出方式による焦点検出のための画素(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。画素アレイPAの各列に対して列信号線109が設けられている。列信号線109は、画素アレイPAの一部として考えることもできる。固体撮像装置100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。CCDイメージセンサにおいては、画素アレイPAを構成する複数の画素108の全部を同一構成にすること、即ち、該複数の画素108の全部を焦点検出画素とすることが、構成の簡単化の観点で、好ましい。一方、MOS型イメージセンサにおいては、画素アレイPAを構成する複数の画素108の全部を焦点検出画素とすることも容易であるし、一部を焦点検出画素とすることも容易である。
固体撮像装置100はまた、垂直走査回路102と、信号保持部103と、水平信号線104と、水平走査回路105とを含む。垂直走査回路102は、画素アレイPAにおける行を選択する。信号保持部103は、素アレイPAの複数の行のうち垂直走査回路102によって選択された行の画素から複数の列信号線109を通して読み出される複数の信号を保持する。水平走査回路105は、信号保持部103に保持された画素アレイPAの複数の信号を順に選択し水平信号線104に出力させる。これは、画素アレイPAにおける列を順に選択する動作に相当する。
次に、図2を参照しながら焦点検出画素として構成された画素108の構成を説明する。図2(a)は、画素アレイPAの一部の平面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−Bにおける断面図である。符号406で示される領域が1つの画素108が占める領域である。焦点検出画素として構成された各画素108は、1つのマイクロレンズ401と、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)402、403を含む半導体領域SRとを含む。複数の光電変換部402、403には、固体撮像装置100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。この明細書では、典型的な例として1つの焦点検出画素が2つの光電変換部402、403を含む例を説明するが、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。なお、焦点検出画素以外の画素は、1つのマイクロレンズ401に対して1つの光電変換部を有しうる。
マイクロレンズ401の形状は、任意であり、図2に例示されるように平面図において円形であってもよいし、これとは異なり、例えば、楕円や、角が丸められた長方形でもよいし、他の形状であってもよい。マイクロレンズ401と半導体領域SRとの間には開口部404を有する遮光膜410が配置されている。固体撮像装置100がMOS型イメージセンサとして構成される場合、画素アレイPAを構成する各画素108は、画素内読出回路領域405を含む。画素内読出回路領域405には、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタ、の全部または一部が形成されうる。画素内読出回路領域405の配置は、任意であり、図2に例示されるように行方向に延びるように配置されてもよいし、これとは異なり、列方向に延びるように配置されてもよい。
焦点検出画素として構成された画素108は、マイクロレンズ401と半導体領域SRとの間に配置されたレンズ面LSを含み、レンズ面LSは、マイクロレンズ401を通過して半導体領域SRに向かう光に対して負のパワーを作用させる。焦点検出画素以外の画素も同様のレンズ面LSを含んでもよいが、典型的には、レンズ面LSを有しない構成とされ、そのような構成においてマイクロレンズ401の形状が最適化されうる。レンズ面LSの具体的な実施形態については後述する。
図3は、焦点検出画素として構成される画素108の半導体領域SRを拡大した模式的断面図である。画素108と画素108とは、LOCOSまたはSTIなどの素子分離501によって分離されうる。素子分離501の下には、反転防止のための不純物層502が設けられうる。半導体領域SRの表面には、光電変換部402、403を埋め込み型として暗電流を抑制するための表面高濃度領域600が設けられうる。光電変換部402と光電変換部403とは、それらの導電型とは反対の導電型の半導体領域によって分離されうる。光電変換部402と光電変換部403との間の領域503に入射した光は、領域503において電荷(電子・正孔対)を発生させる。この電荷のうち光電変換部402、403の多数キャリアと同じ極性の電荷の殆どは、拡散およびドリフトによって、光電変換部402、403のいずれかによって捕捉され蓄積されうる。このようにして、光電変換部402と光電変換部403との間の領域503も光電変換に寄与する。どちらかの光電変換部によって一旦捕捉された電荷は、光電変換部402、403間の領域503によって形成されるポテンシャル障壁によって阻まれて、他方の光電変換部に移動することはできない。このようにして、光電変換部402と光電変換部403との電気的な分離が実現されている。しかしながら、領域503に入射した光は、位相差検出の精度や速度を低下させるクロストークを引き起こす。
図4を参照しながら焦点検出画素として構成される画素108の構成例を説明する。図4に示す例では、画素108は、2つの光電変換部402、403と、転送トランジスタC01、C02と、リセットトランジスタC05と、選択トランジスタC06と、増幅トランジスタC04とを含む。リセットトランジスタC05は、リセット信号RESがアクティブレベルになったときにフローティングディフュージョンC03の電位をリセットレベルにリセットする。転送トランジスタC01、C02は、それぞれ転送信号TX1、TX2がアクティブレベルになったときに、光電変換部402、403に蓄積されている電荷をフローティングディフュージョンC03に転送する。これにより、フローティングディフュージョンC03の電位がリセットレベルから変化する。
選択トランジスタC06は、選択信号SELがアクティブレベルになったときにオンして増幅トランジスタC04を動作させる。図4において、VDDは電源電位を示す。転送信号TX1、TX2、選択信号SEL、リセット信号RESは、垂直走査回路102によって駆動される。増幅トランジスタC04は、電流源120とともにソースフォロア増幅回路を構成している。電流源120は、所定の電位VBIASがゲートに与えられるMOSトランジスタによって構成されうる。選択信号SELがアクティブレベルになって選択トランジスタC06がオンすると、増幅トランジスタC04は、フローティングディフュージョンC03の電位に応じた電位を列信号線109に出力する。この動作は、画素108から列信号線109に信号が読み出される動作として理解することができる。
ここで、光電変換部402と光電変換部403とから独立して信号を読み出す動作を例示的に説明する。蓄積期間の終了後に、選択トランジスタC06をオン状態にして当該選択トランジスタC06が属する行の画素108を選択する。次いで、リセットトランジスタC05を所定時間だけオン状態にしてフローティングディフュージョンC03の電位をリセットする。次いで、転送トランジスタC01を通して光電変換部402に蓄積されている電荷をフローティングディフュージョンC03に転送する。これにより、増幅トランジスタC04によりフローティングディフュージョンC03の電位に応じた信号が列信号線109に出力される。列信号線109に出力された信号は、信号保持部103および水平信号線104を介して固体撮像装置100から出力される。次いで、リセットトランジスタC05を所定時間だけオン状態にしてフローティングディフュージョンC03の電位をリセットする。次いで、転送トランジスタC02を通して光電変換部403に蓄積されている電荷をフローティングディフュージョンC03に転送する。これにより、増幅トランジスタC04によりフローティングディフュージョンC03の電位に応じた信号が列信号線109に出力される。列信号線109に出力された信号は、信号保持部103および水平信号線104を介して固体撮像装置100から出力される。
画素108を撮影のための画素(即ち、画像を取得するための画素)として使用する場合には、転送トランジスタC01、C02を同時にオンさせればよい。これにより、光電変換部402、403に蓄積されていた電荷がともにフローティングディフュージョンC03に転送される。焦点検出画素の他に撮影のための専用画素(以下、撮影専用画素)が配置される場合、1つの撮影専用画素には1つの光電変換部とそれに対応する1つの転送トランジスタが配置され、転送信号TX1、TX2のいずれかによって当該転送トランジスタが制御されうる。
図4に示す例では、増幅回路がソースフォロア回路として構成されているが、これには限定されず、例えば、ソース接地を施した反転増幅器、オペアンプを用いた正転・反転増幅器、ゲイン可変の増幅器などを用いてもよい。また、例えば、フローティングディフュージョンC03の電圧を電流に変換して列信号線109に伝達させる方式を採用してもよい。
図5を参照しながら焦点検出画素として構成された画素108の第1実施形態を説明する。焦点検出画素として構成された各画素108は、1つのマイクロレンズ401と、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402、403を含む半導体領域SRと、マイクロレンズ401と半導体領域SRとの間に配置されたレンズ面LSを含む。レンズ面LSは、マイクロレンズ401を通過して半導体領域SRに向かう光に対して負のパワー(一般的な凹レンズのパワー)を作用させる。レンズ面LSは、マイクロレンズ401と遮光膜410との間に配置されてもよいが、この場合、レンズ面LSを通過した光が遮光膜410によって反射されうる。そこで、レンズ面LSは、遮光膜410と半導体領域SRとの間に配置されることが好ましい。
レンズ面LSは、マイクロレンズ401と半導体領域SRとの間に配置された第1絶縁体601と、マイクロレンズ401と第1絶縁体601との間に配置された第2絶縁体602との境界面によって構成されうる。レンズ面LSは、半導体領域SRから離れる方向に向かって凸形状を有しうる。この構成では、第1絶縁体601の屈折率は、第2絶縁体602の屈折率よりも小さい。第1絶縁体601は、例えば、屈折率が1.2〜1.4のSiCF膜、SiC膜およびSiF膜のいずれかでありうる。あるいは、第1絶縁膜601は、SiCF、SiCおよびSiFの少なくとも1つとSiO2との混合物で構成される膜でありうる。第2絶縁膜602は、例えば、屈折率が1.5のシリコン酸化膜でありうる。レンズ面LSは、第2絶縁体602の下面の一部として理解することもでき、この場合、第2絶縁体602の下面は、凹レンズ面を含むものとして考えることができる。
光線603、604は、それぞれ光電変換部402、403に入射する光線の代表例である。レンズ面LSが光線603、604に対して負のパワーを作用させる結果として、マイクロレンズ401の焦点距離を大きくする効果と同様の効果が得られる。
図6には、比較例として、レンズLSがない場合における代表的な光線703、704が示されている。図6に示す比較例では、光電変換部402に入射する光線703と光電変換部403に入射する光線704とが、半導体領域SRにおいて、図5に示す第1実施形態よりも、相互に近づいていることが分かる。光線703と光線704とが相互に更に近づくとクロストークを生じうる。
一方、図5に示す第1実施形態では、レンズ面LSが光線603、604に負のパワーを作用させることにより、光線603、604は、図6に示す比較例における光線703、704よりも半導体領域SRの表面に対して垂直に近い入射角で入射する。よって、図5に示す第1実施形態では、光電変換部402に入射する光線603と、光電変換部403に入射する光線604とが、半導体領域SRにおいて、図6に示す比較例よりも相互に遠ざかる。また、光線603、604が半導体領域SRの表面に対して垂直に近い入射角で入射する構成は、クロストークを抑制しつつ光電変換部402、403間の距離を小さくするために有利である、これは光検出感度の低下を抑制するために寄与する。以上より、第1実施形態は、光検出感度の低下を抑えながらクロストークを低減するために有利であることが分かる。
レンズ面LSは、第1絶縁体601の表面形状の制御を通して形成することができる。第1絶縁体601の表面形状の制御は、第1絶縁体601を形成するための絶縁膜の形成、その上へのレジスト膜の形成、レジスト膜の露光、レジスト膜の現像、現像されたレジスト膜(レジストパターン)をエッチングマスクとする絶縁膜のエッチングを含みうる。ここで、レジスト膜の露光には、第1絶縁体601の目標とする表面形状に応じた露光量分布(ドーズ量分布)をレジスト膜に形成することができる方法が使用されうる。この方法としては、例えば、最小解像寸法(CD)よりも小さいドットの密度によってフォトマスクに透過率分布を形成する方法が好適である。レジストとしては、現像後に露光量に応じた厚さの膜になるレジストが使用される。第1絶縁体601の目標とする表面形状に応じた膜厚を有するレジスト膜(レジストパターン)が絶縁膜の上に形成される。このレジスト膜およびその下の絶縁膜に対して異方性エッチングを行うことにより、レジスト膜の膜厚分布に応じて絶縁膜がエッチングされて、目標とする表面形状を有する第1絶縁体601を得ることができる。
図7を参照しながら焦点検出画素として構成された画素108の第2実施形態を説明する。なお、ここで言及しない事項は、第1実施形態に従いうる。第2実施形態では、マイクロレンズ401と半導体領域SRとの間に配置されたレンズ面LSは、半導体領域SRから離れる方向に向かって凹形状を有する。レンズ面LSは、マイクロレンズ401を通過して半導体領域SRに向かう光に対して負のパワーを作用させる。レンズ面LSは、マイクロレンズ401と半導体領域SRとの間に配置された第1絶縁体801と、マイクロレンズ401と第1絶縁体801との間に配置された第2絶縁体802との境界面によって構成される。第2実施形態では、第1絶縁体801の屈折率は、第2絶縁体802の屈折率よりも大きい。第1絶縁体801は、例えば、屈折率が1.8〜2.5のシリコン窒化酸化膜で構成され、第2絶縁体802は、例えば、屈折率が1.5のシリコン酸化膜で構成されうる。レンズ面LSは、第1絶縁体801の上面の一部として理解することもでき、この場合、第1絶縁体801の上面は、凸レンズ面を含むものとして考えることができる。
光線803、804は、それぞれ光電変換部402、403に入射する光線の代表例である。レンズ面LSが光線803、804に対して負のパワーを作用させる結果として、マイクロレンズ401の焦点距離を大きくする効果と同様の効果が得られる。したがって、第2実施形態もまた、第1実施形態と同様に、光検出感度の低下を抑えながらクロストークを低減するために有利であることが分かる。第2実施形態におけるレンズ面LSは、第1実施形態におけるレンズ面LSと同様の方法によって形成されうる。
図8を参照しながら焦点検出画素として構成された画素108の第3実施形態を説明する。なお、ここで言及しない事項は、第1実施形態または第2実施形態に従いうる。第3実施形態では、マイクロレンズ401と半導体領域SRとの間に配置されたレンズ面LSは、第2実施形態と同様に、半導体領域SRから離れる方向に向かって凹形状を有する。レンズ面LSは、マイクロレンズ401を通過して半導体領域SRに向かう光に対して負のパワーを作用させる。レンズ面LSは、マイクロレンズ401と半導体領域SRとの間に配置された第1絶縁体901と、マイクロレンズ401と第1絶縁体901との間に配置された第2絶縁体902との境界面によって構成される。第3実施形態では、第1絶縁体901の屈折率は、第2絶縁体902の屈折率よりも大きい。第1絶縁体901は、例えば、屈折率が1.8〜2.5のシリコン窒化酸化膜で構成され、第2絶縁体902は、例えば、屈折率が1.5のシリコン酸化膜で構成されうる。レンズ面LSは、第1絶縁体901の上面USの一部として理解することもでき、この場合、第1絶縁体901の上面USは、凸レンズ面を含むものとして考えることができる。
第1絶縁体901の上面USは、レンズ面LSを構成する中央面CSと、中央面CSの外側に配置された外側面OSとを含み、外側面OSと半導体領域SRの上面との間に導電体パターン905が配置されている。導電体パターン905は、例えば、ゲート電極でありうる。このゲート電極は、例えば、典型的には、転送トランジスタのゲート電極でありうるが、他のトランジスタ(例えば、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、増幅トランジスタ)のゲート電極であってもよいし、ダミーのゲート電極であってもよい。なお、ダミーのゲート電極とは、ゲート電極としては機能しないが、ゲート電極と同時に形成される導電体パターンを意味する。
第3実施形態では、レンズ面LSは、導電体パターン905が存在することによって第1絶縁体901の下面に存在する凹凸を利用して構成されうる。即ち、導電体パターン905の形成後に、導電体パターン905およびその間に露出した半導体領域SRの露出面の上に直接または他の層を介して第1絶縁体901を形成することによって第1絶縁体901の上面に凹面形状が形成される。この凹面形状をレンズ面LSとして利用いることができる。
第3実施形態によれば、第1実施形態または第2実施形態における効果に加えて、レンズ面LSの形状の形成が容易であるという利点を有する。ただし、第1絶縁体901を形成するための絶縁膜(表面に凹面形状を有する絶縁膜)を形成した後に更に第1実施形態および第2実施形態の方法によって該凹面形状を変形させてもよい。この場合には、レンズ面LSの形状の制御の自由度が高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 (5)
- 複数の画素を含む固体撮像装置であって、
前記複数の画素の各々は、
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、
前記複数の光電変換部に対応して設けられた1つのマイクロレンズと、
前記マイクロレンズと前記半導体領域との間に配置されたレンズ面とを含み、
前記レンズ面は、前記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1絶縁体と、前記第1絶縁体と前記マイクロレンズとの間に配置されシリコン酸化膜で構成された第2絶縁体との境界面によって構成され、前記半導体領域から離れる方向に向かって凸形状を有し、
前記第1絶縁体は、前記シリコン酸化膜よりも小さい屈折率を有する膜で構成される、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 複数の画素を含む固体撮像装置であって、
前記複数の画素の各々は、
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、
前記複数の光電変換部に対応して設けられた1つのマイクロレンズと、
前記マイクロレンズと前記半導体領域との間に配置されたレンズ面とを含み、
前記レンズ面は、前記マイクロレンズと前記半導体領域との間に配置されシリコン窒化酸化膜で構成された第1絶縁体と、前記マイクロレンズと前記第1絶縁体との間に配置されシリコン酸化膜で構成された第2絶縁体との境界面によって構成され、前記半導体領域から離れる方向に向かって凹形状を有する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第1絶縁体の上面は、前記レンズ面を構成する中央面と、前記中央面の外側に配置された外側面とを含み、
前記外側面と前記半導体領域の上面との間に導電体パターンが配置されている、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。 - 前記導電体パターンは、ゲート電極を含む、
ことを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。 - 請求項1乃至4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。
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