JP6271900B2 - 固体撮像素子およびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

固体撮像素子およびそれを用いた撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、固体撮像素子に関する。特に、撮像装置において測距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などの撮像装置において、撮像素子の一部あるいは全部の画素に測距機能を有する距離測定用画素（以下、測距画素）を配置した固体撮像素子が提案されている。このような固体撮像素子では、位相差方式で距離を測定することができる。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距離を検出する方法である。位相差方式は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。
特許文献１では、撮影レンズの瞳の異なる領域を通過した光を、瞳分割用マイクロレンズによって異なる複数の光電変換部に集光させている。そして、測距画素の異なる光電変換部それぞれで検出された信号を基に距離を測定することができる。また、複数の光電変換部で検出された信号は、足し合わされることにより、撮影画像を生成するための測距画素の画素値として用いることもできる。
特許０４８３５１３６号公報
特許文献１の測距画素において、複数の光電変換部の間の領域に入った光のうち一部は、その領域の表面や内部に存在する結晶欠陥に捉えられて損失となり、測距画素の光電変換部で受光できる光量が低下する。また、その領域に入った光のうち他の一部は、電子に変換され、拡散して隣の測距画素あるいは撮像画素の光電変換部に入り、画素値が変化し、撮影画像の品質が低下する。特に、測距画素の信号を撮影画像の生成のために用いる場合、上記の損失やクロストークによって測距画素そのものの画素値も変わってしまうため、画像の品質が低下する。
本発明は、上記課題に鑑み、撮影画像の画質の低下を抑制することができる固体撮像素子の提供を目的とする。
本発明の一側面としての固体撮像素子は、マイクロレンズと前記マイクロレンズを通過した光を受光する複数の光電変換部とを有する画素、を有する固体撮像素子であって、前記マイクロレンズと前記複数の光電変換部の間に、前記複数の光電変換部の上に配置されている複数の高屈折率領域と、前記複数の高屈折率領域の間に配置されており前記高屈折率領域よりも屈折率の低い低屈折率領域と、を有する光分離層を有し、前記高屈折率領域と前記低屈折率領域との境界において、屈折率がステップ状に変化しており、
前記ステップ状の部分の屈折率差が０．１５以上であり、前記高屈折率領域の少なくとも一部の表面が、前記低屈折率領域と、前記マイクロレンズの入射面と前記光分離層との間に前記高屈折率領域及び前記低屈折率領域と隣接して配置されており前記高屈折率領域よりも屈折率の低い低屈折率媒質と、に覆われており、前記高屈折率領域が、前記画素の外側にまで配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、撮影画像の画質の低下を抑制することができる固体撮像素子が提供できる。
実施形態１に係る固体撮像素子の測距画素の一例を示す概略図 実施形態１に係る測距画素と従来の測距画素との感度の比較を示す図 実施形態１に係る測距画素の感度の屈折率差に対する依存性を示す図 実施形態１に係る測距画素の低屈折率領域の幅を説明する図 実施形態１に係る測距画素の光分離層中の高屈折率領域の形状を説明する図 実施形態１に係る光分離層の他の例を示す概略図 実施形態１に係る測距画素の他の例を示す概略図 実施形態１に係る測距画素の他の例を示す概略図 実施形態１に係る固体撮像素子に含まれる撮像画素撮像画素の一例を示す概略図 実施形態１に係る固体撮像素子を備える撮像装置の一例を示す概略図 実施形態２に係る固体撮像素子の測距画素の一例を示す概略図 実施形態２に係る測距画素の製造方法の一例を示す概略図 実施形態３に係る固体撮像素子の測距画素の例を示す概略図 従来の固体撮像素子の測距画素を示す概略図
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符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
（実施形態１）
図１（ａ）は、実施形態１における固体撮像素子の一部に配置された測距画素１００の概略図である。測距画素１００は、光の入射側より順に、瞳分割手段であるマイクロレンズ１０１と、光分離層１１０と、集光用のマイクロレンズ１０２と、導波路上膜１０３と、導波路１０４と、光電変換部１２１、１２２と、を有している。導波路１０４はコア１０４ａとクラッド１０４ｂとで構成されている。マイクロレンズ１０１は、後述する撮像装置の結像光学系の射出瞳を通過した光束を分割する。より具体的には、マイクロレンズ１０１は、結像光学系の射出瞳の約半分を通過した光束をマイクロレンズ１０２の一方へ、他の約半分を通過した光束をマイクロレンズ１０２の他方へ分割し、瞳分割光束を生成する。そして、瞳分割光束は、は、コア１０４ａ内を導波して光電変換部１２１、１２２で受光される。
コア１０４ａ、クラッド１０４ｂ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１０４ａの屈折率がクラッド１０４ｂの屈折率よりも大きくなるように、コア１０４ａとクラッド１０４ｂの材料の組み合わせは選択される。
光電変換部１２１、１２２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構成された基板１２０内に、対応する領域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で構成される。光電変換部１２１、１２２の間にはポテンシャルバリアが形成され、バリア領域１２３となっている。なお、光電変換部１２１、１２２に対応する領域ではなく、このバリア領域１２３に対応する領域にイオンを打ち込んで、導電性を下げるようにしてテンシャルバリアを形成してもよい。また、両方を行ってもよい。バリア領域１２３の上のクラッド１０４ｂ内には、光電変換部１２１、１２２で発生した電荷を後述する信号処理回路に転送するための配線１０５が設けられている。また、導波路１０４と基板１２０の間には入射光の反射防止と光電変換部１２１、１２２の汚染防止のためのゲッタリング層１０６が形成されている。
マイクロレンズ１０１は、複数の光電変換部１２１、１２２にまたがって配置されている。そして、後述する結像光学系の光軸から＋ｘ方向に偏心した瞳領域から入射した光束を光電変換部１２１上部のマイクロレンズ１０２（左側）に選択的に導いている。また、結像光学系の光軸から−ｘ方向に偏心した瞳領域から入射した光束を光電変換部１２２上部のマイクロレンズ１０２（右側）に選択的に導いている。このように、異なる瞳領域を通過した光を、異なる複数の光電変換部１２１、１２２に導いている。マイクロレンズ１０２および導波路１０４は複数の光電変換部１２１、１２２の各々に対応して配置され、光分離層１１０を通過した光を複数の光電変換部１２１、１２２に効率良く導いている。
導波路上膜１０３は、導波路１０４とマイクロレンズ１０２との間に配置されている。また、導波路上膜１０３は、導波路１０４を製造する際、導波路１０４のコア１０４ａを、導波路１０４のクラッド１０４ｂよりも高い屈折率の材料で埋め込んだ後、平坦化する工程で形成される。配線１０５はポリシリコンまたは銅やアルミなどの金属で形成されている。
光分離層１１０は、マイクロレンズ１０１と複数の光電変換部１２１、１２２との間に配置されている。また、光分離層１１０は、複数の光電変換部１２１、１２２の上にそれぞれ配置された複数の高屈折率領域１１１、１１２を有する。また、光分離層１１０は、高屈折率領域１１１、１１２の間で、かつ、光電変換部１２１、１２２の間のバリア領域１２３の上に、高屈折率領域１１１、１１２よりも屈折率の低い低屈折率領域１１３を有する。
例えば、低屈折率領域１１３を形成する媒質は酸化シリコンで、高屈折率領域１１１、１１２を形成する媒質は窒化シリコンとすればよい。この他、高屈折率領域１１１、１１２を形成する媒質、低屈折率領域１１３を形成する媒質として、上述したコア１０４ａ、クラッド１０４ｂに用いられる材料を使用することができる。また、高屈折率領域１１１、１１２を形成する媒質はコア１０４ａと同じ材料で構成されてもよい。また、低屈折率領域１１３を形成する媒質はクラッド１０４ｂと材料で構成されてもよい。
図１（ｂ）は、この光分離層１１０の膜厚方向における中央付近の屈折率変化を示している。このように、光分離層１１０において、高屈折率領域１１１、１１２と低屈折率領域１１３との境界において、屈折率がステップ状に変化している。また、高屈折率領域１１１、１１２は、低屈折率領域１１３と、高屈折率領域１１１、１１２よりも瞳分割手段側に配置された低屈折率媒質（マイクロレンズ１０１）と、に囲まれている。光は低屈折率媒質よりも高屈折率媒質側に曲げられる性質がある。よって、光分離層１１０の構成により、図１（ｃ）に示すように、低屈折率領域１１３に入射する光束を、バリア領域１２３に入射させないように、高屈折率領域１１１、１１２に曲げることが可能となる。この結果、バリア領域１２３に入射する光が減少し、光電変換部１２１、１２２で検出される光量を増加させることができる。そのため、測距画素１００で検出された信号を撮影画像の生成で用いた際の画質の低下を抑制することができる。
＜感度の入射角依存性＞
図２は、本実施形態に係る固体撮像素子の測距画素１００及び、従来の固体撮像素子の測距画素１０００の感度の入射角依存性を比較して示したものである。従来の測距画素１０００の構成は、図１４（ａ）で図示されており、図１（ａ）の測距画素１００とは、光分離層１１０が配置されていない点で異なる。図２から、従来の測距画素１０００に対し、本実施形態の測距画素１００はどの入射角度であっても、感度が向上していることがわかる。なお、入射角度は、図１（ａ）のｚ軸を基準としたものである。例えば、入射角度＋１０（ｄｅｇ）の光とは、ｚ軸から＋ｘ方向に１０（ｄｅｇ）傾いた角度から入射する光のことである。
従来の測距画素よりも本実施形態に係る測距画素の方が感度が向上する理由について、以下に説明する。図１４（ｂ）は、従来の測距画素の光束の伝搬を、特許文献１と同様に、局所的な屈折率差を考慮した、光線追跡を用いて説明した図である。光線追跡で考えれば、マイクロレンズ１０１によって、入射角に応じて異なる位置に集められた光束は、マイクロレンズ１０２によって、対応する光電変換部１２１、１２２に集光される。しかし、実際には回折の影響によって光束は拡がりを持っているため、局所的な屈折率差で単純に曲げられるわけではなく、回折による光束の拡がり程度の範囲内での平均的な屈折率差によって、光束の伝搬が決まる。特に、図１４（ｃ）で示すように、マイクロレンズ１０２同士の境界近傍を通過した光は、図１４（ｄ）で示す２つのマイクロレンズ１０２の連続的な屈折率変化による影響を受ける。このため、その光束は拡がったままバリア領域１２３にも入射する。
一方、本実施形態の測距画素１００では、図１（ｃ）のように光分離層１１０におけるステップ状の屈折率差を感じて、光束が高屈折率領域１１１側もしくは高屈折率領域１１２側に曲げられた後にマイクロレンズ１０２に入射する。そのため、バリア領域１２３に入射する光を減少させ、光電変換部１２１、１２２に入射する光量を増加させることができる。
更に、図２で示すように、従来の測距画素１０００においては、基板１２０に対して垂直に入射する光に対する感度が、斜めに入射する光に対する感度よりも低い。これは、垂直に近い角度で入射する光ほど、バリア領域１２３に入射する割合が大きいためである。このように、感度の角度特性に凹みがあると、測距画素の信号を撮影画像で用いた場合に、不自然な画像となってしまう。具体的には、感度のピーク値に対して、垂直光に対する感度が８割以下であると、画像のドーナツ状のボケを感じてしまうためである。
一方、本実施形態の測距画素１００では、従来の測距画素１０００ではバリア領域１２３に入射してしまう光を、光分離層１１０内で高屈折率領域１１１、１１２に曲げるため、垂直入射光の感度をピーク値またはピーク値の８割以上にすることができる。その結果、本実施形態の測距画素１００は従来の測距画素１０００よりも感度が高いことに加え、より自然な画像を取得することができる。
＜光分離層の屈折率差＞
光分離層１１０において、低屈折率領域１１３を形成する媒質の屈折率と、高屈折率領域１１１、１１２を形成する媒質の屈折率と、の屈折率差が大きいほうが好ましい。それは、低屈折率領域１１３に入射する光束を、高屈折率領域１１１側もしくは高屈折率領域１１２側に曲げる効果を大きくするためである。図３は、低屈折率領域１１３を形成する媒質と高屈折率領域１１１、１１２を形成する媒質との屈折率差の変化に伴う測距画素１００の感度の入射依存性を示したものである。図３より、屈折率差が大きくなるほど測距画素１００の感度が高くなっている。特に、屈折率差が０．１５以上の場合には、垂直入射光（角度０（ｄｅｇ））に対する感度が、ピーク値の８割以上となる。従って、光分離層１１０において、屈折率のステップ状の部分の屈折率差は０．１５以上であることが好ましい。さらに、屈折率のステップ状の部分の屈折率差が０．３０以上であれば、垂直入射光（角度０（ｄｅｇ））に対する感度が、ピーク値とほぼ等しくなるため、更に好ましい。また、ステップ状の部分の屈折率差は、光分離層１１０として使用できる材料の観点から０．５０以下であることが好ましい。
また、ステップ状の部分は１つのステップを有していてもよいし、複数のステップを有していてもよい。ただし、屈折率のステップ状の部分の屈折率差とは、１つのステップにおいて屈折率差のことである。つまり、ステップ状の部分の屈折率差は０．１５以上とは、１つのステップにおいて屈折率差が０．１５以上のことをいう。
＜光分離層の光学的な厚さ＞
また、光分離層１１０の効果を大きくするためには、光分離層１１０の物理的な厚さは、入射光が屈折率のステップ状の変化を感じることができる程度厚いほうが好ましい。具体的には、光分離層１１０の物理的な厚さに、ステップ状の部分の屈折率差を乗じた値が、入射光の波長の０．１０倍以上であることが好ましい。例えば、入射光の波長が６００ｎｍ、屈折率差が０．３０の場合は、光分離層１１０の物理的な厚さは２００ｎｍ以上であることが好ましい。
一方、光分離層１１０の厚さが厚すぎると、光分離層１１０は導波路として機能し、伝搬できる導波モードが限定されてしまうため、導波路の導波モードに結合出来なかった光が損失となって測距画素１００の感度が低下する。具体的には、光分離層１１０の物理的な厚さに、高屈折率領域１１１、１１２の屈折率を乗じた値が、入射光の波長の２．０倍以下であることが好ましい。
＜低屈折率領域の幅＞
図４（ａ）は、低屈折率領域１１３の幅が広い場合の低屈折率領域１１３の中央付近に入射した光の様子を示している。この場合、低屈折率領域１１３の中央付近に入射した光が、光分離層１１０内のステップ状に変化する屈折率差による影響を十分に受けない。そのため、バリア領域１２３にそのまま入射してしまう。一方、図４（ｂ）は、低屈折率領域１１３の幅が狭い場合の低屈折率領域１１３の中央付近に入射した光の様子を示している。この場合、低屈折率領域１１３の中央付近に入射した光が十分に曲げられずに、バリア領域１２３にそのまま入射してしまう。なお、バリア領域１２３の幅とは光電変換部１２１、１２２の間の距離である。
図４（ｃ）は、バリア領域１２３の幅に対する低屈折率領域１１３の幅の比の値変化に伴う測距画素１００の感度の入射角度依存性を示している。グラフの凡例は、低屈折率領域１１３の幅がバリア領域１２３の幅の何倍であるかを示している。図４（ｃ）より、高屈折率領域１１１、１１２の間隔、つまり、低屈折率領域１１３の幅が、バリア領域１２３の幅と同じ場合に、感度が大きいことがわかる。なお、低屈折率領域１１３の幅が、バリア領域１２３の幅の０．４０倍以上１．４倍以下であると、垂直入射光に対する感度が、ピーク感度の８割以上となるため好ましい。
＜屈折率のステップ部分の幅＞
光分離層１１０の製造方法は以下の二通りのどちらかを用いればよい。一つ目の方法は、低屈折率領域１１３を形成する媒質を成膜した後、フォトリソグラフィとエッチングによって光電変換部１２１、１２２の上部を除去し、そこに高屈折率領域１１１、１１２を形成する媒質を充填する方法である。この場合、図５（ａ）で示すように、一般的には高屈折率領域１１１、１１２の形状は、光の入射側から光電変換部１２１、１２２側に向かって徐々に小さくなる逆テーパー形状となる。
もう一つは、高屈折率領域１１１、１１２を形成する媒質を成膜した後、バリア領域１２３の上部を除去し、低屈折率領域１１３を形成する媒質を充填する方法である。こ場合、図５（ｂ）で示すように、一般的には高屈折率領域１１１、１１２の形状は、光の入射側から光電変換部１２１、１２２側に向かって徐々に大きくなる順テーパー形状となる。
いずれの場合でも、高屈折率領域１１１、１１２のテーパー角度が９０度に近いほうが、ステップ状の部分の幅１１４が小さいため好ましい。入射光の広がりに対して、ステップ状の部分の幅１１４が十分小さければ、入射光は、ステップ状の不連続な屈折率変化の影響を受けることができる。その結果、低屈折率領域１１３に入射する光を高屈折率領域１１１または高屈折率領域１１２に効率よく分離できる。一方、ステップ状の部分の幅１１４が大きすぎる場合、入射光は屈折率変化をステップ状の不連続な屈折率変化の影響を十分に受けない。その結果、光分離層１１０の分離性能が不十分になってしまう。
図５（ｃ）は、高屈折率領域１１１、１１２の側面部分の、ステップ状の部分の幅１１４の変化に伴う測距画素の感度の入射依存性を示している。グラフの凡例は、ステップ状の部分の幅１１４が入射光の波長の何倍であるかを示している。図５（ｃ）より、屈折率がステップ状に変化する部分の幅１１４が小さいほど、垂直入射光に対する感度の凹みが小さくなっていることがわかる。特に、屈折率がステップ状に変化する部分の幅１１４が入射光の波長以下であるときに、垂直入射光に対する感度がピーク感度の８割以上となる。従って、ステップ状の部分の幅１１４が入射光の波長以下であることが好ましい。更に、ステップ状の部分の幅１１４が入射光の波長の０．２０倍以下であれば、ステップ状の部分の幅１１４がゼロ（即ち、テーパー角が９０度）の場合とほぼ同じ感度が得られることがわかる。従って、ステップ状の部分の幅が入射光の波長の０．２０倍以下であれば、更に好ましい。
＜変形例＞
上記の例では、光分離層１１０において、高屈折率領域１１１、１１２を構成する材料と低屈折率領域１１３を構成する材料の種類を変えることで、屈折率をステップ状に変化させる例を示した。しかし、入射する光が感じる実効的な屈折率がステップ状に変化していればよい。
他の構成例としては、高屈折率領域１１１、１１２や低屈折率領域１１３が、ホスト媒質中にゲスト媒質が分散されたコンポジット材料で形成されていてもよい。ホスト媒質領域、ゲスト媒質領域の大きさが入射する光の波長（光の回折拡がり）よりも十分小さければ、光はホスト媒質とゲスト媒質の影響を同時にうける。従って、入射する光は、ホスト媒質やゲスト媒質そのものの屈折率ではなく、ゲスト媒質の体積充填率で決定される実効的な屈折率を感じる。このように、コンポジット材料のゲスト媒質の体積充填率を制御することで、実効的な屈折率を変化させることができる。
図６（ａ）、（ｂ）は、光分離層１１０を取り出した模式図である。この光分離層１１０は、高屈折率領域１１１、１１２や低屈折率領域１１３としてコンポジット材料で構成されている。高屈折率領域１１１、１１２、低屈折率領域１１３は、ＳｉＯ２からなるホスト媒質１５１中に、ＳｉＯ２よりも屈折率が高いＴｉＯ２からなるゲスト媒質１５２が分散されたコンポジット材料から構成されている。そして、低屈折率領域１１３から高屈折率領域１１１、１１２に向かって、ゲスト媒質１５２の体積密度がステップ状に増加している。具体的には、図６（ａ）は高屈折率領域１１１、１１２中のゲスト媒質１５２の大きさが低屈折率領域１１３のそれよりも大きい構成である。一方、図６（ｂ）は高屈折率領域１１１、１１２中のゲスト媒質１５２の数密度が低屈折率領域１１３のそれよりも大きい構成である。このような構成とすれば、高屈折率領域１１１、１１２の実効的な屈折率を、低屈折率領域１１３の実効的な屈折率よりも高くすることが可能となる。その結果、光分離層１１０の中でステップ状の屈折率を形成することが可能となる。
また、他の例としては、高屈折率領域１１１、１１２や低屈折率領域１１３が、波長以下の大きさの共鳴構造を有していてもよい。金属微粒子や、スプリットリング共振器などのような構造中では、光は構造の形状によって決まる共鳴を感じ、その共鳴状態によって実効的な屈折率が決定される。このように、高屈折率領域や低屈折率領域が、共鳴構造によって形成されている場合、構造の形状を制御することで、実効的な屈折率を変化させることができる。具体的には、構造の共鳴波長と入射する光の波長が近いほど、実効的な屈折率を大きくすることができる。
図６（ｃ）は、高屈折率領域１１１、１１２及び低屈折率領域１１３が、Ａｌ微粒子で構成された光分離層１１０の構成例を示している。この構成では、低屈折率領域１１３に含まれるＡｌ微粒子の大きさが高屈折率領域１１１、１１２のそれよりも大きい。そして、高屈折率領域１１１、１１２中のＡｌ微粒子１５３の共鳴波長の方が、低屈折率領域１１３中のＡｌ微粒子１５４の共鳴波長よりも、入射する光の波長に近くなっている。このような構成とすれば、高屈折率領域１１１、１１２の実効的な屈折率を、低屈折率領域１１３の実効的な屈折率よりも高くすることができる。
バリア領域１２３上の低屈折率領域１１３から高屈折率領域１１１、１１２に向かって屈折率がステップ状に増加していれば、図１（ａ）のように、測距画素１００の外側に、低屈折率領域が配置されていてもよい。つまり、測距画素１００の外側から光電変換部１２１、１２２上に向かっても屈折率がステップ状に増加していてもよい。
また、図７（ａ）のように、測距画素１００の外側にまで高屈折率領域１１１、１１２を設け、測距画素１００の外側から光電変換部１２１、１２２の上に向かっては屈折率が一定であってもよい。この構成では、光分離層１１０中の高屈折率領域１１１、１１２を形成するためのパターンが疎になり、製造が容易になるため好ましい。また、この場合、ｘ方向に隣り合う測距画素があれば、その２つの測距画素に渡って連続的に高屈折率領域１１１、１１２が配置されていてもよい。ただし、図１（ａ）のように高屈折率領域１１１、１１２が光電変換部１２１、１２２上にのみ設けられていた方が、より効率的に光束を光電変換部１２１、１２２に導くことができるため、この観点においては図１（ａ）の方が好ましい。
図１（ａ）に示す測距画素１００では、光分離層１１０の下部にマイクロレンズ１０２を設けたが、マイクロレンズ１０２は、本実施形態では必須の構成ではない。ただし、マイクロレンズ１０２を設けたほうが、光電変換部１２１、１２２に効率的に光を導くことができる。
また、図１に示す測距画素１００では、マイクロレンズ１０２の下部に複数の導波路１０４を設けたが、導波路１０４を設けなくてもよいし、１つの導波路のみで構成してもよい。ただし、複数の導波路１０４を設けたほうが、光電変換部１２１、１２２に効率的に光を導くことができるため好ましい。
また、図７（ｂ）のように、測距画素１００にカラーフィルタ１０７を設けて、色情報の取得を同時に行ってもよい。具体的には、マイクロレンズ１０１と光分離層１１０の間に、光電変換部１２１、１２２をまたぐようにカラーフィルタ１０７を配置すればよい。
また、瞳分割手段としてマイクロレンズ１０１を用いず、図７（ｃ）のように、複数の光電変換部１２１、１２２にまたがって配置された単一の導波路１０８を使用してもよい。この導波路１０８は、入射方向によって、光束が導波路１０８に結合するモードが異なる機能を有する。そのため、入射方向に依存して、光束を異なる複数の光電変換部１２１、１２２に導くことができる。ただし、図１（ａ）のように瞳分割手段として、マイクロレンズ１０１を用いたほうが、製造が容易なため好ましい。しかし、測距画素の大きさが小さい場合には、図７（ｃ）のように導波路１０８を用いた方が、瞳分割の効果が高くなるため好ましい。
図１（ａ）では、基板１２０の光入射側に配線１０５を配置した表面照射型の固体撮像素子の例を示したが、図７（ｄ）のように基板１２０の光入射側とは反対側に配線１０５を配置した裏面照射型の固体撮像素子であってもよい。
図１（ａ）に示す測距画素１００においては、バリア領域１２３上に配線１０５が配置されている場合を示した。この場合、バリア領域１２３の幅が、単に複数の光電変換部１２１、１２２間のクロストークを防止する場合に比べて、配線を設置する幅を確保するために広くなる。そのため、光分離層１１０を設けなかった場合、バリア領域１２３に入射する光量が多くなってしまう。従って、バリア領域１２３上に配線１０５が配置されている測距画素１００に、光分離層１１０を適用した方が、光分離層１１０の効果が大きくなる。言い換えれば、光分離層１１０を配置することにより、バリア領域１２３上に配線１０５が配置されている場合など、バリア領域１２３の幅が広い場合でも、測距画素１００の感度を向上させることができる。
なお、バリア領域１２３上に配線１０５を配置できれば、回路設計の自由度が上がるため、ノイズ低減などの機能付加や、製造コスト低減が実現できる。
複数の測距画素のうち、一部の測距画素を、図１（ａ）に示す測距画素１００の構造をｚ軸周りに９０度回転し、射出瞳をｙ軸方向に分割して測距画素にしてもよい。射出瞳をｘ軸方向に分割した画素では、ｘ軸方向にコントラストを有する被写体の測距が、射出瞳をｙ軸方向に分割した画素では、ｙ軸方向にコントラストを有する被写体の測距が可能となる。
図１（ａ）では、測距画素１００中に設けられる光電変換部１２１、１２２を二つとしたが、三つ以上の光電変換部が設けられていてもよい。図１（ａ）におけるｘ方向に光電変換部を３つ以上設けた場合、結像光学系の瞳をより詳細に分割でき、高精度な測距離が行える。
また、図１（ａ）のｙ方向にも複数の光電変換部を設けてもよい。図８は、ｘ方向に加えてｙ方向にも複数の光電変換部を設けた場合の測距画素１５０の概略図である。図８（ａ）は測距画素１５０のｘｚ断面図（図１（ａ）と同じ断面図）である。図８（ｂ）は測距画素１５０のｙｚ断面図である。図８（ｃ）は測距画素１５０の光分離層１６０で切断したｘｙ断面図である。図８（ｄ）は測距画素１５０の光電変換部で切断したｘｙ断面図である。図８（ｃ）、（ｄ）において、Ａ−Ａ´で切断した断面図が図８（ａ）に対応し、Ｂ−Ｂ´で切断した断面図が図８（ｂ）に対応する。また、図８（ａ）、（ｂ）においてＣ−Ｃ´で切断した断面図が図８（ｃ）に対応し、Ｄ−Ｄ´で切断した断面図が図８（ｄ）に対応する。測距画素１５０は、４つの光電変換部１７１〜１７４が設けられており、各光電変換部の間はバリア領域１７５となっている。マイクロレンズ１０１は、結像光学系の光軸から＋ｘ方向かつ＋ｙ方向に偏心した瞳領域からの光を光電変換部１７１に導くように配置されている。同様に、結像光学系の光軸から＋ｘ方向かつ−ｙ方向に偏心した瞳領域は光電変換部１７２に導かれる。さらに、結像光学系の光軸から−ｘ方向かつ＋ｙ方向に偏心した瞳領域は光電変換部１７３に、結像光学系の光軸から−ｘ方向かつ−ｙ方向に偏心した瞳領域は光電変換部１７４に導かれる。測距画素１５０のように、ｙ方向にも複数の光電変換部を設けることで、ｘ方向にコントラストを有する被写体だけでなく、ｙ方向や斜め方向にコントラストを有する被写体についても測距を行うことができる。
光分離層１６０は、高屈折率領域１６１〜１６４が、光電変換部１７１〜１７４の上部に配置されている。すなわち、測距画素１００と同様に、光分離層１６０は、マイクロレンズ１０１と複数の光電変換部１７１、１７２、１７３、１７４の間に位置している。そして、光分離層１６０内において、高屈折率領域１６１〜１６４の間には低屈折率領域１６５が配置されている。さらに、測距画素１００と同様に、高屈折率領域１６１〜１６４と低屈折率領域１６５との境界において、屈折率がステップ状に変化している。このような構成とすることで、測距画素１００と同様、バリア領域１７５に入射する光束を、光電変換部１７１〜１７４に適切に分離させることが可能となる。その結果、測距画素１５０の信号を撮影画像として用いる際の画質の低下を抑制することができる。
高屈折率領域１６１〜１６４の形状は、図８（ｃ）に示すように円形であってもよいし、四角形などの多角形であってもよい。但し、通常、光電変換部１７１〜１７４の平面視形状は、図８（ｄ）に示すような四角形であるため、高屈折率領域１６１〜１６４の平面視形状も四角形である方が好ましい。高屈折率領域１６１〜１６４の平面視形状が四角形であると、屈折率がステップ状に変化する部分の形状が、バリア領域１７５と光電変換部１７１〜１７４の境界の形状と一致させることができる。その結果、低屈折率領域１６５に入射する光を高屈折率領域１６１〜１６４に効率良く分離できるため、好ましい。
＜測距画素と撮像画素との関係＞
固体撮像素子は、上述した測距画素１００（あるいは測距画素１５０）のみを有する構成でもよいが、図９（ａ）で示すような測距画素の他に通常の撮像画素１３０を有していてもよい。撮像画素１３０は、測距画素とは異なり、画素中に単一の光電変換部１２４を有し、光束の入射方向によらずに同一の光電変換部１２４で光を検出する構成になっている。
固体撮像素子が、図９（ｂ）のように、測距画素１００と撮像画素１３０とを両方有する構成の場合には、バリア領域１２３上に配線１０５を配置することが好ましい。図９（ａ）で示すように、一般に、撮像画素１３０では、光電変換部１２４の外側に配線１０５が配置されている。仮に、測距画素１００のバリア領域１２３上に配線１０５を設けずに、光電変換部１２１、１２２の外側に設けた場合、測距画素１００と通常の撮像画素１３０の間で、配線パターンにズレが生じ、回路設計が複雑化し、製造が困難になる。そのため、測距画素１００のバリア領域１２３上に配線１０５を設けることが好ましく、この構成において、光分離層１１０の効果が高くなる。
なお、図９（ｂ）には、撮像画素１３０二つ分の大きさで測距画素１００を構成している例を示しているが、撮像画素１３０と測距画素１００の大きさが同じでもよい。ただし、配線パターンを同一にするためには、測距画素１００の大きさが撮像画素１３０の整数倍であることが好ましい。
＜撮像装置＞
図１０は、本実施形態に係る固体撮像素子を備えた撮像装置１９０の概略図である。撮像装置１９０は、測距画素１００を有する固体撮像素子１９３の他に、結像光学系１９１、ＣＰＵ１９２、転送回路１９４、信号処理部１９５を有する。ＣＰＵ１９２は、転送回路１９４、信号処理部１９５の動作を制御する。光電変換部１２１、１２２で取得した信号を転送回路１９４によって信号処理部１９５に転送し、信号処理部１９５で各像を形成し、各々の像を信号処理部１９５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１２１、１２２で取得した信号は、信号処理部１９５で処理され、撮影画像用の信号としても使用される。
（実施形態２）
図１１は、本実施形態に係る固体撮像素子の一部もしくは全部に配置された測距画素２００の概略図である。本実施形態に係る測距画素２００は、実施形態１に示す測距画素１００に対し、マイクロレンズ１０２がなく、導波路上膜１０３と光分離層２１０が接続している点で異なっている。導波路１０４の上部に導波路１０４のコア１０４ａと同一の材料からなる導波路上膜１０３が配置されている。このため、光分離層２１０と導波路上膜１０３と導波路１０４とが接続されている。このような構成とすることで、マイクロレンズ１０２を設ける工程が不要となり、光分離層２１０を導波路上膜１０３の一部分を除去することにより製造できるため、製造が容易となる。
導波路上膜１０３は、製造工程の面、測距画素２００の感度向上の観点から設けられている。なぜならば、光分離層２１０によって分離された光は、光分離層２１０のステップ状に変化する屈折率差による影響で低屈折率領域２１３から高屈折率領域２１１、２１２の方に曲げられる。このような光は導波路１０４のモードとの結合効率が悪いため、導波路上膜１０３を設けずに光分離層２１０と導波路１０４とを直接接続すると、光分離層２１０によって曲げられた光が導波路１０４に結合せず、損失となる。
一方、導波路上膜１０３がある場合、光分離層２１０によって曲げられた光を導波路上膜１０３中で伝播させた後、緩やかに導波路１０４に結合させることができる。その結果、光分離層２１０によって分離された光を効率よく導波路１０４に導くことができ、測距画素２００の感度を更に向上させることができる。特に、導波路上膜１０３の厚さは、２００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることが、製造工程の点、測距画素２００の感度の点から好ましい。
＜製造方法＞
測距画素２００の具体的な製造方法を、図１２を用いて説明する。なお、公知の構成についての製造方法の詳細な説明は省略する。まず、図１２（ａ）で示すように、基板１２０内に光電変換部１２１、１２２を形成し、次に、ゲッタリング層１０６、クラッド部材１０４ｃと配線１０５を形成する。次に、図１２（ｂ）で示すように、クラッド部材１０４ｃにおいて、導波路１０４のクラッド１０４ｂとなる部分を残し、コアとなる部分をフォトリソグラフィとエッチングによって除去する。
続いて、図１２（ｃ）で示すように、除去されたクラッド部材１０４ｃ（例えば酸化シリコン）よりも屈折率の高い材料（例えば窒化シリコン）をＣＶＤやスパッタ等で成膜し、ＣＭＰなどによって表面を平坦化する。この工程で、クラッド部材１０４ｃが除去された領域にコア１０４ａが形成されてコア１０４ａとクラッド１０４ｂからなる導波路１０４が光電変換部１２１、１２２上に形成される。さらに、導波路１０４のコア１０４ａと同一の材料からなる、導波路上膜１０３が形成される。
その後、図１２（ｄ）のように、導波路上膜１０３のうち、光分離層２１０の高屈折率領域２１１、２１２になる部分を残して、バリア領域１２３の上部の領域２１５をエッチングによって除去する。続いて、図１２（ｅ）のように、領域２１５を高屈折率領域２１１、２１２よりも屈折率の低い材料（例えば酸化シリコン）で埋めて低屈折率領域２１３とすることで、光分離層２１０を形成する。最後に、図１２（ｆ）のように、マイクロレンズ１０１を作製して、測距画素２００を製造する。
（実施形態３）
＜光電変換部直上に光分離層を配置した場合＞
図１３（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像素子の一部もしくは全部に配置された測距画素３００の概略図である。測距画素３００は、実施形態１に示す測距画素１００に対し、マイクロレンズ１０２、導波路上膜１０３、導波路１０４が設けられず、ゲッタリング層１０６を介して光電変換部１２１、１２２の直上に光分離層３１０が設けられている点が異なる。また、バリア領域１２３上には配線が設けられず、図１（ａ）のバリア領域１２３上の配線１０５に対応する配線は、光電変換部１２１、１２２の外側の配線３０５の一部で構成される。
光分離層３１０は、高屈折率領域３１１、３１２と、低屈折率領域３１３と、を有し、高屈折率領域３１１、３１２と低屈折率領域３１３との境界において、屈折率がステップ状に変化している。これにより、バリア領域１２３に入射する光を、高屈折率領域３１１、３１２に分離することができる。分離された光は、光電変換部１２１、１２２に入射するため、測距画素の感度を向上させることができる。
なお、図１３（ｂ）、（ｃ）のように、測距画素３００を配線３０５が光入射側とは反対側に設けられた、裏面照射型の固体撮像素子に適用してもよい。図１３（ｂ）は、バリア領域１２３の下部に配線３０５が設けられている例であり、図１３（ｃ）は、バリア領域１２３の下部の配線を光電変換部１２１、１２２の外側に移動して、バリア領域１２３の幅を狭くした例である。
１００、１５０、２００、３００ 測距画素
１０１ マイクロレンズ
１０８ 導波路
１１０ 光分離層
１１１、１１２、１６１、１６２、１６３、１６４、３１１、３１２ 高屈折率領域
１１３、１６５、３１３ 低屈折率領域
１２１、１２２、１７１、１７２、１７３、１７４ 光電変換部
１９３ 固体撮像素子

Claims (16)

  1. マイクロレンズと前記マイクロレンズを通過した光を受光する複数の光電変換部とを有する画素、を有する固体撮像素子であって、
    前記マイクロレンズと前記複数の光電変換部の間に、前記複数の光電変換部の上に配置されている複数の高屈折率領域と、前記複数の高屈折率領域の間に配置されており前記高屈折率領域よりも屈折率の低い低屈折率領域と、を有する光分離層を有し、
    前記高屈折率領域と前記低屈折率領域との境界において、屈折率がステップ状に変化しており、
    前記ステップ状の部分の屈折率差が０．１５以上であり、
    前記高屈折率領域の少なくとも一部の表面が、前記低屈折率領域と、前記マイクロレンズの入射面と前記光分離層との間に前記高屈折率領域及び前記低屈折率領域と隣接して配置されており前記高屈折率領域よりも屈折率の低い低屈折率媒質と、に覆われており、
    前記高屈折率領域が、前記画素の外側にまで配置されていることを特徴とする、固体撮像素子。
  2. 前記ステップ状の部分の屈折率差が０．３０以上であることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記ステップ状の部分の屈折率差が０．５０以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記光分離層の物理的な厚さに、前記ステップ状の部分の屈折率差を乗じた値が、入射光の波長の０．１０倍以上であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  5. 前記光分離層の物理的な厚さに、前記高屈折率領域の屈折率を乗じた値が、入射光の波長の２．０倍以下であ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。
  6. 前記低屈折率領域の幅が、前記複数の光電変換部の間の距離の０．４０倍以上であ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。
  7. 前記低屈折率領域の幅が、前記複数の光電変換部の間の距離の１．４倍以下であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  8. 前記ステップ状の部分の幅が、入射光の波長以下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。
  9. 前記ステップ状の部分の幅が、入射光の波長の０．２０倍以下であ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。
  10. 前記光分離層において、前記高屈折率領域の平面視形状が、四角形であることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  11. 前記光分離層と前記複数の光電変換部の間に、前記複数の光電変換部の各々に対応した複数のレンズを有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  12. 前記光分離層と前記複数の光電変換部の間に、前記複数の光電変換部の各々に対応した複数の導波路を有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  13. 前記導波路と前記光分離層との間に、前記導波路のコアと同一の材料からなる導波路上膜を有し、前記高屈折率領域と前記導波路上膜と前記導波路とが接続されていることを特徴とする、請求項１２に記載の固体撮像素子。
  14. 前記導波路上膜の厚さが、２００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１３に記載の固体撮像素子。
  15. 前記複数の光電変換部の間に対応する領域に配線が設けられていることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  16. 結像光学系と、請求項１から１５のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、を備えた撮像装置。
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