JP6001030B2 - 固体撮像素子及びカメラ - Google Patents

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、上記した特許文献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ないことから、測距精度の向上を図る上で必ずしも満足の得られるものではない。
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にも、つぎのような課題を有している。
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、画素内で光が広がり、偏心した開口部では十分な光束分離ができず、測距精度の向上を図る上で必ずしも満足の得られるものではない。

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、また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、それぞれが、光を電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部の光入射側に配置されたコア部とクラッド部とを含む光導波路と、を有する画素を備え、ＡＦ又は測距に用いるための信号を出力する固体撮像素子であって、前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素において、前記光導波路は、それぞれがコア部とクラッド部とを含む第１の光導波路と第２の光導波路とを有し、前記第２の光導波路は前記第１の光導波路よりも前記光電変換部側に設けられており、前記第２の光導波路のコア部は前記第１の光導波路のコア部と第２の光導波路のコア部を含み、前記前記第１の光導波路のコア部の屈折率は前記第２の光導波路のコア部の屈折率よりも小さく、前記第１の光導波路のコア部と前記第２の光導波路のコア部との間、又は、前記第１の光導波路の射出端、に遮光部材が設けられており、前記遮光部材が第１の方向の入射光を主に遮光して前記光電変換部が前記第１の方向と異なる第２の方向の入射光を主に受光するように、構成されていることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像素子は、それぞれが、光を電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部の光入射側に配置されたコア部とクラッド部とからなる光導波路と、を有する複数の画素を備え、ＡＦ又は測距に用いるための信号を出力する固体撮像素子であって、前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素において、前記光電変換部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを有し、前記光導波路は、それぞれがコア部とクラッド部とを含む第１の光導波路と第２の光導波路と第３の光導波路とを有し、前記第２の光導波路は前記第１の光導波路と前記第１の光電変換部との間に設けられており、前記第３の光導波路は前記第１の光導波路と前記第２の光電変換部との間に設けられており、前記光導波路のコア部は前記第１の光導波路のコア部と前記第２の光導波路のコア部と前記第３の光導波路のコア部とを含み、前記第１の光導波路のコア部の屈折率は、前記第２の光導波路のコア部の屈折率及び前記第３の光導波路のコア部の屈折率よりも小さく、前記第２の光導波路が第１の方向の入射光を主に導光して前記第１の光電変換部が前記第１の方向の入射光を主に受光し、前記前記第３の光導波路が前記第１の方向と異なる第２の方向の入射光を主に導光して前記第２の光電変換部が前記第２の方向の入射光を主に受光するように、構成さ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、また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。 実施例１における画素による受光感度の入射角度依存性を示す図。 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。 実施例１の数値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の概略断面図。 実施例１の数値実施例における画素による受光感度の入射角度依存性を示す図。 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。 実施例３における図１に示された距離測定用の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。

本発明によれば、上記したとおり高精度の測距を行うことができ、また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。これは画素内に設けた光導波路に入射する光の入射角に応じて、光伝播状態（導波モード）が異なるという特性に着眼して見出されたものである。
具体的には、光導波路を光の伝播方向に少なくとも２段以上で構成し、光入射側のコア部の屈折率を光電変換部側のコア部の屈折率に比べ低くする。
これによって、特定の角度から入射した光の受光感度を向上させ、瞳面上の特定の領域を通過した光を選択的に受光させることで、高精度な距離測定を行うことが可能な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。これらの説明では、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。

以下、本発明の実施例について説明する。
［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に入射した光１０１は、第１の光導波路１０２（第１のコア部１１２、第１のクラッド部１２２）、第２の光導波路１０３（第２のコア部１１３、第２のクラッド部１２３）を伝播する。
伝播した光は、光電変換部１０４で吸収され、電気信号へと変換される。但し、光電変換部１０４などの電気制御は金属配線１０６、ゲート電極１０７などにより行う。

このとき、第１の光導波路１０２は、入射する光の入射角に応じて結合する導波モードが異なる。
このため、同時に複数の入射角の光を第１の光導波路に入射させると、入射角ごとに異なる導波モードに結合し、それぞれの導波モードが第１の光導波路１０２内を伝播する。
また、異なる導波モードの光が光導波路内を伝播すると、光導波路内で電磁場モードが空間的に分離する。
この空間的に分離した電磁場モードを選択的に光電変換部１０４にて検出するため、遮光部材１０５と第２の光導波路１０３を第１の光導波路１０２の射出端に設ける。
これにより、遮光部材１０５は入射光の入射角−θ（第１の方向）を選択的に遮光し、光電変換部１０４への入射を遮蔽する機能をもつ。
一方、第２の光導波路１０３は入射角＋θ（第２の方向）を選択的に光電変換部１０４へ効率良く導波させる機能をもつ。

以上の構成により、光電変換部１０４は、入射光の入射角−θ（第１の方向）と入射角＋θ（第２の方向）とで異なる受光感度を持たせることができる（図２）。
この画素１００を撮像素子の複数の画素に配置することで、撮像素子に入射した光の光線方向（第１の方向と第２の方向）を検出し、後述する方法にて被写体と像面との距離を測定することができる。
このとき、測距性能をより高精度にするためには、入射光の入射角−θ（第１の方向）と入射角＋θ（第２の方向）を明確に分離させる必要がある。
つまり、画素１００の受光感度は、第１の方向からの入射光に比べ、第２の方向からの入射光を十分大きくする必要がある。

そこで、本発明の画素１００は、光導波路を光伝播方向に第１の光導波路と第２の光導波路を直列に配置し、第２のコア部１１３の屈折率を第１のコア部１１２の屈折率より大きな材料で、つぎの式１の関係を満たすように形成する。

ｎ３ ＞ ｎ１ （式１）

但し、第１の光導波路１０２構成する第１のコア部１１２、第１のクラッド部１２２の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、第２の光導波路１０３を構成する第２のコア部１１３、第２のクラッド部１２３の屈折率をそれぞれｎ３、ｎ４とする。
また、通常、クラッド部ｎ２、ｎ４はシリカ系の材料で形成するため、ｎ２とｎ４の屈折率は同程度となる。
このとき、画素１００は入射角に応じて受光感度が大きく変化し、第１の方向と第２の方向からの光を明確に分離することができる理由を詳細に説明する。
通常、式１の関係を満たせば、第１の光導波路１０２のコア部とクラッド部の屈折率比（ｎ１／ｎ２）は第２の光導波路の屈折率比（ｎ３／ｎ４）に比べ小さくなる。

一般的に、コア部とクラッド部の屈折率比が小さいほど、光導波路内に存在できる導波モード数は少なくなる。
導波モード数が少なくなると、異なる導波モード間の空間的な電磁場モードの分離が大きくなる。よって、入射角に応じて異なる導波モードに結合した光は光導波路内で空間的に大きく分離する。
これにより、第１の光導波路１０２の射出端に遮光部材１０５を設けることで、第１の方向からの入射光のみを効率良く遮光することができる。
また、第２のコア部１１３の屈折率ｎ３を第１のコア部１１２の屈折率ｎ１より大きくすることで、第２の光導波路１０３を伝播する光は、クラッド部への侵入長が短く、コア部内に閉じ込められる。
このため、第２の光導波路を伝播する第２の方向からの入射光は、金属配線１０６、ゲート電極１０７などの散乱体・吸収体への影響が少なく、効率良く光電変換部１０４へと導波させることができる。また、同時に散乱による画素１００の周辺の画素へのクロストーク・ノイズを低減することができる。
以上により、式１の関係を満たすように、第１の光導波路１０２と第２の光導波路１０３を設けることで、画素１００は第１の方向の光と第２の方向の光を明確に分離して受光することができる。
よって、画素１００を測距用画素として用いることで高精度な距離測定ができる。

さらに、導波モード数を少なくして測距精度を向上させるためには、画素サイズを小さくすればよい。
一般的に、画素サイズが小さくなれば、それに対応して光導波路のコア部の幅も小さくなる。
コア部の幅が小さくなれば、光導波路の導波モード数が少なくなり、前述した理由により、第１の方向の光と第２の方向の光を明確に分離して受光することができる。
よって、画素サイズが小さくなるほど、画素１００は入射角に応じて受光感度が大きく変化し、結果として、測距精度を向上させることができる。
このとき、入射光の波長を可視領域とすれば、１画素の単位長さが２．５μｍ以下であることが望ましい。
さらに、望ましくは２．０μｍ以下である。また、さらに望ましくは、１．５μｍ以下である。

また、本実施形態では遮光部材１０５を画素１００の中心軸に対して遮光部材の中心位置がシフトするように配置した。
このような構成にすることで、第１の方向からの光を効率よく選択的に遮光することができる。
但し、必ずしも遮光部材１０５の中心を画素１００の中心軸に対してシフトして配置する必要はなく、遮光部材１０５を中心部に配置しても導波モードを非対称とすれば同様の機能を得ることができる。
この場合、導波モードを非対称とするため、第１の光導波路は画素１００の中心軸に対して非対称な形状とする。または、非対称な屈折率分布を有するように構成すればよい。
また、第１の光導波路１０２と第２の光導波路１０３は必ずしも接する必要はなく、第１の光導波路と第２の光導波路との間に、絶縁膜などの膜が配置されていてもよい。

さらに、第２の方向からの入射光の受光感度を向上させるため、第１のコア部１１２と第２のコア部１１３との間に、第１の光導波路のコア部の屈折率より大きく、第２の光導波路のコア部の屈折率より小さい屈折率をもつ材料による部材を配置してもよい。
このとき、第１のコア部と第２のコア部間の屈折率変化が緩やかになるため、第１の光導波路の伝播光と第２の光導波路との結合効率が高くなる。
結果として測距画素の受光感度を向上させることができる。但し、上記材料による部材はコア部に埋め込む構成としてもよいし、コア部とクラッド部を覆うように成膜してもよい。

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３を用いて説明する。
図３に示すように、結像レンズ２０１は外界の像を撮像素子２００の面上に結像する。
撮像素子２００は、図１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）１００を複数備えた第２の画素領域と、第１の方向から入射した光を検出する画素（第１の画素）を複数備えた第１の画素領域を有する。
但し、第１の方向を検出する画素は、図１に示す画素１００に対して、画素中心軸（光軸）に対して１８０度回転させて構成させる。
このとき、画素の大きさに対して、結像レンズ２０１と撮像素子２００の間の距離が長いため、結像レンズ２０１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２００の面上に入射する。

第２の画素領域に含まれる画素１００では、結像レンズ２０１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２の方向に対応する領域２０４（第２の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。
同様に、第１の画素領域に含まれる画素では、結像レンズ２０１の射出瞳のうち、主に第１の方向に対応する領域２０２（第１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。
これにより公知の方法によって、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。
以上により、特定の角度で入射した光の受光感度を向上させることで、瞳面上の特定の領域を通過した光を選択的に受光させ、高精度な距離測定を行うことが可能となる。

続いて、以下に数値実施例について説明する。
図４に、本数値実施例を説明するための画素１００の構成を示す。
本数値実施例では、第１のコア部、第２のコア部は、それぞれ有機材料、ＴｉＯ2で形成し、屈折率が１．６０、２．００とした。
また、第１のクラッド部、第２のクラッド部は共にシリカ系の材料で形成し、屈折率を１．４５とした。
このとき、入射角に対する光電変換部の受光感度特性を、図５（線１）に示す。また、比較として、第１のコア部と第２のコア部の屈折率が共に１．６０の場合（線２）と、２．００の場合（線３）の構成における入射角に対する受光感度特性を示した。

図５より、第１のコア部が２．００の場合（図５の線３）は、入射角が負側（第１の方向）での受光感度が大きい。
このため、入射角の正側（第２の方向）と負側（第１の方向）から入射した光線を十分に分離できない。
一方で、第１のコア部を１．６０とした構成（図５の線１）では、入射角の負側（第１の方向）からの光の受光感度が小さい。
よって、入射角の正側（第２の方向）と負側（第１の方向）からの光を選択的に受光することができる。
また、図５より、第２のコア部が１．６０の場合（図５の線２）は、入射角が正側（第２の方向）からの光の受光感度が第２のコア部を２．００とした構成（図５の線１）に比べ小さい。
これは、第２のコア部の屈折率を高くしたことで、第２の光導波路を伝播する光が、第２のコア部の屈折率が高いほど配線による散乱・吸収の影響を受けず、高効率に光電変換部へ導波されたためである。
よって、第２のコア部の屈折率が高いほど、入射角の正側（第２の方向）と負側（第１の方向）からの光を光電変換部で十分に分離して検出することができる。以上より、本発明の構成（図５の線１）によれば、第１の方向と第２の方向を明確に分離することができ、結果として、高精度な距離測定が可能となる。

［実施例２］
実施例２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６を用いて説明する。
図６において、３００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。

実施例２の画素３００が実施例１の画素１００と異なる点は、画素３００には独立した第１の光電変換部３０１と第２の光電変換部３０２をもつ。
また、第１の光導波路１０２の射出端に遮光部材１０５を設ける代わりに、第２の光導波路１０３は２本の光導波路（第２光導波路部３０３、第２光導波路部３０４）で構成した点である。
このとき、第２光導波路部３０３は第１の光電変換部３０１直上に配置し、第２光導波路部３０４は第２の光電変換部３０２の直上に配置する。
但し、第１の光電変換部３０１と第２の光電変換部３０２の信号を制御するための配線１０６、図１に示すゲート電極１０７等は、第１の光導波路１０２、第２の光導波路１０３、第２の光導波路１０３のクラッド部、等に適宜配置している。

このとき、第１の光導波路１０２によって空間的に分離した電磁場モードを第２光導波路部３０３と第２光導波路部３０４を用いて、選択的に第１の光電変換部３０１と第２の光電変換部３０２で検出する。
ここで、第２光導波路部３０３は入射角＋θ（第２の方向）を選択的に第１の光電変換部３０１へ効率良く導波させる機能をもつ。
また、第２光導波路部３０４は入射光の入射角−θ（第１の方向）を選択的に、第２の光電変換部３０２へ効率良く導波させる機能をもつ。
また、第１のコア部の屈折率は第２光導波路部３０３、第２光導波路部３０４のコア部に比べて小さくする。

これにより、実施例１と同様、第１の光導波路にて入射角に応じて導波モードを空間的に分離し、第２光導波路部３０３、第２光導波路部３０４を介して効率良くそれぞれ第１の光電変換部３０１、第２の光電変換部３０２へ導くことができる。
よって、第２の方向からの光を選択的に受光する第１の光電変換部３０１と第１の方向からの光を選択的に受光する第２の光電変換部３０２を、撮像素子の複数の画素に配置することで、高精度な距離測定を行うことができる。
但し、本実施例では、第２の光導波路１０２を第２光導波路部３０３と第２光導波路部３０４の２本で構成した。しかし、必ずしも、第２の光導波路は２本に限るものではなく、４本であってもまたその他のいずれの数であっても、同様の機能を満たすことができる。

［実施例３］
実施例３として、図１に示す画素１００を含む固体撮像素子の製造プロセスについて、図７を用いて説明する。
まず、熱酸化によりシリコン基板１０８の表面にシリコン酸化膜（不図示）を形成する。
続いて、シリコン基板１０８中に光電変換部１０４を形成するために、フォトレジストにより所定位置にレジストマスクを形成し、不純物のイオン打ち込みを行う。
その後、レジストマスクをアッシング等により除去する。続いて、同様のイオン打ち込みの方法で、拡散層（不図示）を形成する（図７（ａ））。
さらに、光電変換部１０４にて発生した電荷を転送するためのゲート電極１０７を形成するために、ポリシリコン膜を形成する。
その後、フォトリソ工程を用いてポリシリコンを所定パターンにエッチングしてゲート電極１０７を形成する。
その後、シリコン基板１０８、およびゲート電極１０７上に例えばＢＰＳＧなどの層間絶縁膜を形成し、ＣＭＰ法により平坦化を行う（図７（ｂ））。

次に、電気的な接続のため、コンタクトホールなどの接続孔を層間絶縁膜に形成して、他の金属配線に電気的に接続させる。同様に、第一配線１０６ａを形成し層間絶縁膜で覆う（図７（ｃ））。
続いて、第２のコア部を形成するため、フォトレジストにより所定位置にレジストマスクを形成し、ドライエッチングなどにより層間絶縁膜をエッチングする（図７（ｄ））。
さらに、エッチングした領域に屈折率の高い、例えば、ＳｉＮやＴｉＯ2をＣＶＤなどにより埋め込み、ＣＭＰ法により平坦化を行う（図７（ｅ））。
このとき、第２のコア部の材料は、後プロセスへの影響が少ない無機材料で形成することが望ましい。
また次に、遮光部材１０５と第二配線１０６ｂを第一配線１０６ａと同様に形成し、層間絶縁膜で覆う（図７（ｆ））。

続いて、第１の光導波路を形成するため、ＳｉＯ2、ＢＰＳＧなどの絶縁膜を成膜する（図７（ｇ））。
その後、フォトレジストにより所定位置にレジストマスクを形成し、ドライエッチングなどにより、必要に応じて、テーパーなどの形状にエッチングする。さらに、エッチングした領域に屈折率の高い、有機材料などを埋め込む。
このとき、第２のコア部の材料は、テーパー形状、高アスペクトへの埋め込みが、空気のボイドが少なくなるように有機材料で形成することが望ましい。
その後、必要に応じて、カラーフィルタを形成する（不図示）。
なお、実施例１から実施例３では、すべて表面型のＣＭＯＳ固体撮像素子に関するものについて説明したが、同様の光導波路を形成すれば、裏面型ＣＭＯＳ固体撮像素子へも同様に適用することができる。
また、同じようにＣＣＤ固体撮像素子など、その他の固体撮像素子に関しても同様に適用することができる。

１００：画素
１０１：画素に入射する光
１０２：第１の光導波路
１０３：第２の光導波路
１０４：光電変換部
１０５：遮光部材
１０６：金属配線
１０７：ゲート電極

Claims (5)

1. それぞれが、光を電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部の光入射側に配置されたコア部とクラッド部とを含む光導波路と、を有する複数の画素を備え、ＡＦ又は測距に用いるための信号を出力する固体撮像素子であって、
   前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素において、
   前記光導波路は、それぞれがコア部とクラッド部とを含む第１の光導波路と第２の光導波路とを有し、前記第２の光導波路は前記第１の光導波路よりも前記光電変換部側に設けられており、前記光導波路のコア部は前記第１の光導波路のコア部と第２の光導波路のコア部を含み、
   前記第１の光導波路のコア部の屈折率は前記第２の光導波路のコア部の屈折率よりも小さく、
   前記第１の光導波路のコア部と前記第２の光導波路のコア部との間、又は、前記第１の光導波路の射出端、に遮光部材が設けられており、
   前記遮光部材が第１の方向の入射光を主に遮光して前記光電変換部が前記第１の方向と異なる第２の方向の入射光を主に受光するように、構成されている
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に、前記第１の光導波路のコア部の屈折率より大きく、前記第２の光導波路のコア部の屈折率より小さい屈折率をもつ材料を含む部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. それぞれが、光を電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部の光入射側に配置されたコア部とクラッド部とを含む光導波路と、を有する複数の画素を備え、ＡＦ又は測距に用いるための信号を出力する固体撮像素子であって、
   前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素において、
   前記光電変換部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを有し、
   前記光導波路は、それぞれがコア部とクラッド部とを含む第１の光導波路と第２の光導波路と第３の光導波路とを有し、前記第２の光導波路は前記第１の光導波路と前記第１の光電変換部との間に設けられており、前記第３の光導波路は前記第１の光導波路と前記第２の光電変換部との間に設けられており、前記光導波路のコア部は前記第１の光導波路のコア部と前記第２の光導波路のコア部と前記第３の光導波路のコア部とを含み、
   前記第１の光導波路のコア部の屈折率は、前記第２の光導波路のコア部の屈折率及び前記第３の光導波路のコア部の屈折率よりも小さく、
   前記第２の光導波路が第１の方向の入射光を主に導光して前記第１の光電変換部が前記第１の方向の入射光を主に受光し、前記前記第３の光導波路が前記第１の方向と異なる第２の方向の入射光を主に導光して前記第２の光電変換部が前記第２の方向の入射光を主に受光するように、構成されている
   ことを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、結像レンズと、を有するカメラ。
5. 前記第１の方向の入射光は、前記結像レンズの第１の射出瞳領域を通過した光であり、
   前記第２の方向の入射光は、前記結像レンズの前記第１の射出瞳領域と異なる第２の射出瞳領域を通過した光であることを特徴とする請求項４に記載のカメラ。

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