JP6566734B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

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Description

本発明は焦点検出画素を有する固体撮像素子に関する。
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラなどの撮像装置が広く一般に普及している。これらのカメラには、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサなどが使用されている。また、撮影時のフォーカス調整を自動的に行うオートフォーカス（ＡＦ）機能を備える焦点検出画素が広く普及している。例えば、２つ以上の光電変換部が設けられている焦点検出用の画素を用いて、位相差方式により、焦点検出を行うものがある。また、特許文献１において開示されているように、遮光部を光電変換部の上に設けて、光電変換部上で選択的に光を受光し、焦点検出を行うものがある。
特開２００９−１０５３５８号公報
特許文献１では、焦点検出画素同士、あるいは、焦点検出画素と撮像画素との間の素子構成について十分な検討がなされていない。そこで、本発明では、特許文献１に比較して更に素子性能を改善させた固体撮像素子を提供することを目的とする。
本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素が二次元状に配された画素領域を有する固体撮像素子であって、第１の方向に沿って配された複数の光電変換部を備えた焦点検出用の第１の画素と、前記第１の方向に沿って、前記第１の画素と隣り合って配された第２の画素と、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、前記第１の画素と隣り合って配された第３の画素と、前記第１の画素と前記第３の画素との間に設けられ、前記第１の方向に延在する第１の光反射部材と、を有し、前記第１の画素と前記第２の画素との間に、前記第２の方向に延在する第２の光反射部材が設けられている場合には、前記第１の光反射部材の前記第２の方向の幅は、前記第２の光反射部材の前記第１の方向の幅よりも大きく、または、前記第２の光反射部材が設けられていないことを特徴とする。
本発明によれば、特許文献１に比較して更に素子性能を改善させた固体撮像素子を提供することができる。
本発明における固体撮像素子について説明する図である。 実施形態１に係る焦点検出画素について説明する図である。 固体撮像素子に入射する光の射出瞳について説明する図である。 比較例に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態２に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態２に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態２に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態２に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態３に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態３に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態３に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態３に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態４に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態４に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態５に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態６に係る焦点検出画素について説明する図である。 実施形態６に係る焦点検出画素について説明する図である。 本発明に係る撮像システムについて説明する図である。
隣り合って配された２つの焦点検出用画素間において、第１の焦点検出画素のマイクロレンズに入射した光が、迷光として第２の焦点検出画素で検出されることがある。そこで、画素間の混色低減のため、第１の焦点検出画素が有するカラーフィルタと、第２の焦点検出画素が有するカラーフィルタとの間にマイクロレンズへの入射光を反射する光反射部材を設けることが考えられる。しかしながら、本発明者は、混色低減のためにこのような光反射部材を設けた場合に、焦点検出性能が悪化する可能性があることを見出した。本発明は、１つの光電変換部の上部に遮光部材を設け、選択的に受光された光を利用して焦点検出を行う固体撮像素子のみならず、２つの光電変換部で受光される光の強度差を利用して焦点検出を行う固体撮像素子にも適用することが可能である。以下、上記課題を解決するための手段について具体的に説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の焦点検出画素を含んだ、固体撮像装置１０のブロック図である。画素領域２１と、垂直走査回路２２と、２つの読み出し回路２３と、２つの水平走査回路２４と、２つの出力アンプ２５を備えている。画素領域２１以外の領域は周辺回路領域である。画素領域２１には、多数の撮像画素が２次元状に配列されている。また、撮像画素が配列された撮像領域２１の中には、複数の画素が二次元状に配されている。
周辺回路領域には、読み出し回路２３、例えば、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路等が設けられ、垂直走査回路２２によって選択された行の画素から垂直信号線を介して読み出された信号に対して増幅、加算等を行う。水平走査回路２４は、読み出し回路２３から画素信号に基づく信号を順番に読み出すための信号を生成する。出力アンプ２５は、水平走査回路２４によって選択された列の信号を増幅して出力する。
図２（ａ）は、本実施形態に係る画素領域の一部を拡大した平面図であり、焦点検出画素１００の配置例が表されている。図２（ｂ）は図２（ａ）の線分（Ｉ）−（ＩＩ）の箇所の断面図である。
焦点検出画素１００は、基板１０２と、基板１０２の内部に２つの光電変換部１０１ａ、１０１ｂを備えている。ここで、焦点検出に用いる２つの光電変換部１０１ａ、１０１ｂが並ぶ方向をｘ方向（第１の方向）とし、基板１０２と平行な面において、ｘ方向と直交する方向をｙ方向（第２の方向）とする。また、基板１０２の表面に対し垂直であり、基板１０２側から光が入射する側の方向をｚ方向（第３の方向）とする。
図２（ａ）において、複数の焦点検出画素１００のうち、右下に配されている画素を第１の画素１１００とすると、第２の画素１２００はｘ方向に沿って第１の画素１１００と隣り合って配されている。ここで、「ｘ方向に沿って隣り合って配されている」とは、ｘ軸の座標の値が大きくなる方向に隣り合って配されていても、値が小さくなる方向に隣り合って配されていてもよい。また、第３の画素１３００がｙ方向に沿って第１の画素１１００と隣り合って配されている。さらに、第４の画素１４００が、ｘ方向に沿って第３の画素１３００と隣り合い、かつ、ｙ方向に沿って第２の画素１２００と隣り合って配されている。
図２で示した固体撮像素子１０の画素領域２１は、焦点検出画素１００を複数配列して構成される。焦点検出画素１００は、焦点検出の機能に加えて、撮像の機能も兼ねる画素として利用することができる。
光電変換部１０１は基板１０２の表面より深部に、不純物を導入することによって形成される。基板１０２の上には、絶縁膜１０３が設けられている。絶縁層１０３は、一種類の材料から成る単層膜や、互いに異なる材料を複数層積み重ねた多層膜であってもよい。絶縁膜１０３を構成する層の組成は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、ＢＰＳＧ（硼燐珪酸塩ガラス）、ＰＳＧ（燐珪酸塩ガラス）、ＢＳＧ（硼珪酸塩ガラス）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化シリコン（ＳｉＣ）を用いてよい。絶縁膜１０３の内部には配線１０４を設けてもよく、配線１０４は多層配線であってもよい。図２（ｂ）には、配線１０４を２層とした例を示したが、３層以上の多層配線としてもよい。配線１０４には銅やアルミニウム、タングステン、タンタル、チタン、ポリシリコンなどの導電材料を用いることができる。半導体基板１０２の表面上にＭＯＳトランジスタ構造を有する転送トランジスタ１０５が設けられている。転送トランジスタ１０５はポリシリコンからなり、不図示のプラグを介して配線層１０４に接続されている。
絶縁膜１０３の上には、カラーフィルタ１０６とマイクロレンズ１０７が配置されている。カラーフィルタ１０６はＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）、あるいはＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）の光を透過するフィルタである。カラーフィルタ１０６はＲＧＢあるいはＣＭＹの波長の光を透過するＷ（白色）のフィルタであっても、ＩＲ（赤外光）透過するフィルタであってもよい。Ｗ（白色）のフィルタとすることで、更に感度を向上させることができる。マイクロレンズ１０７は、複数の光電変換部１０１ａ、１０１ｂに対して、各１つずつ配されている。マイクロレンズは樹脂などの材料を用いて形成される。また、カラーフィルタ１０６の膜厚は、ばらつく可能性があるため、カラーフィルタ１０６の上に平坦化層を設けてもよい。
（光反射部材）
図２（ｂ）に示すように、第１の画素１１００のカラーフィルタ１０６と、第２の画素１２００のカラーフィルタ１０６との間には光反射部材１０８が設けられている。すなわち、第１の画素１１００と第２の画素１２００との間に光反射部材１０８が設けられている。
平面視を示す図２（ａ）を参照すると、光反射部材１０８は格子状に設けられている。ここで、第１の画素１１００と第３の画素１３００との間、および、第２の画素１２００と第４の画素１４００との間であって、第１の方向に延在するように設けられている光反射部材１０８の部分を第１の光反射部材という。また同様に、第１の画素１１００と第２の画素１２００との間、および、第３の画素１３００と第４の画素１４００との間であって、第２の方向に延在するよう設けられている光反射部材１０８の部分を第２の光反射部材という。光反射部材１０８は、第１の光反射部材と第２の反射部材とが交差している領域を有する。この交差領域は第１の光反射部材であり、また第２の光反射部材ともなる。
光反射部材１０８は、光を反射することによって、隣り合う画素への光の侵入を抑制し、混色を低減する機能を有する。例えば、光反射部材１０８は、カラーフィルタ１０６の屈折率よりも低い屈折率の材料で構成される。これにより、光反射部材１０８とカラーフィルタ１０６との界面で入射光を反射することができる。低屈折材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ）、空気等の気体、真空などから選択される。
また、光反射部材１０８は金属で構成してもよい。金属としては、例えば、銅、アルミニウム、タングステンなどから選択される。また、光反射部材１０８は、低屈折率材料と金属の組み合わせで構成されてもよい。例えば、ｘ方向に並ぶ光反射部材１０８を低屈折率材料で形成し、ｙ方向に並ぶ光反射部材１０８を金属で形成しても良い。
図２（ａ）では、光電変換部１０１ａ、１０１ｂ、転送トランジスタ１０５、及び光反射部材１０８のｘｙ面上の配置が図示されており、マイクロレンズ１０７と配線１０４は不図示である。光反射部材１０８はカラーフィルタ１０６の両側を挟む位置に配されて、隣り合う画素への混色を抑制し、撮像性能を向上する機能を担う。ここで、ｙ方向に延在している複数の光反射部材１０８のうち、隣り合う光反射部材１０８同士のｘ方向の間隔をＷ１とする。また、ｘ方向に延在している複数の光反射部材１０８のうち、隣り合う光反射部材１０８同士のｙ方向の間隔をＷ２とすると、本実施形態は以下の関係を満たすように構成されている。
Ｗ２＜Ｗ１ ・・・式（１）
（焦点検出方法）
次に２つの光電変換部１０１を有する焦点検出画素１００における、焦点検出の方法（瞳分割）を説明する。
図３は、焦点検出画素とその光学系の模式図である。図３に示す符号３１は焦点検出画素における光学系の射出瞳である。ｘ方向を瞳分割方向とし、分割された射出瞳のそれぞれの領域を瞳領域３２ａ、３３ｂとする。瞳領域３２ａ、３３ｂを通過した光１０９を、２つの光電変換部１０１ａ、１０１ｂそれぞれに割り当てて入射することで、画素領域２１内において、焦点検出を可能としている。
図２（ｂ）には、光１０９が、焦点検出画素１００に入射している様子が示されている。図２（ｃ）は、焦点検出画素１００のｘ方向に対する入射角特性１１０を示す。図２（ｃ）の横軸は図２（ｂ）での光１０９の入射角度θ、縦軸は感度［ａ．ｕ］である。１１１ａ、１１１ｂはそれぞれ、光電変換部１０１ａ、１０１ｂの入射角と感度との関係（入射角特性）を表している。図３の射出瞳３２ａからの光は、光電変換部１０１ａの入射角特性１１１ａに対応し、射出瞳３２ｂからの光は、光電変換部１０１ｂの入射角特性１１１ｂに対応する。
（比較例）
図４は比較例となる光反射部材１１３を有した焦点検出画素１１２を示したものである。図４（ａ）の隣り合う光反射部材１１３同士のｘ方向の間隔Ｗ１と、隣り合う光反射部材１１３同士のｙ方向の間隔Ｗ２は、以下の関係を満たす。
Ｗ２＝Ｗ１ ・・・式（２）
図４（ｃ）は、比較例の焦点検出画素１１２でのｘ方向に対する入射角特性１１５を示したものである。横軸は図４（ｂ）での光１０９の入射角度θ、縦軸は感度［ａ．ｕ］である。１１６ａ、１１６ｂはそれぞれ、光電変換部１０１ａ、１０１ｂの入射角特性を表している。
図４（ｂ）に示すように、θ＞０側からの光１０９が入射した場合、マイクロレンズ１０７で曲げられた光の一部は、光反射部材１１３によって光１１４のように反射する。このとき、θ＞０側からの光１０９は、光電変換部１０１ａに入射されるべきであるが、光反射部材１１３で反射されることで、一部光電変換部１０１ｂへ入射してしまう。この結果、図４（ｃ）の入射角特性１１６ｂにおいて、符号１１７ｂで示した領域の感度が上昇することとなる。
同様に、θ＜０側からの光１０９は、光電変換部１０１ｂに入射されるべきであるが、光反射部材１１３で反射されることで、一部光電変換部１０１ａへ入射してしまう。この結果、図４（ｃ）の入射角特性１１６ａにおいて、符号１１７ａで示した領域の感度が上昇することとなる。
これらの感度上昇は、焦点検出性能にとっては偽信号となるため、比較例では焦点検出画素１１２における焦点検出性能が悪化することとなる。
他方、本実施形態では、上記式（１）に示すように、Ｗ１をＷ２よりも大きくしたことから、光反射部材１０８による入射光の反射が抑制され、焦点検出性能を保持することを可能としている。また、光反射部材１０８を設けていることから、光反射部材１０８がない構造に比べ、隣り合う画素への混色を抑制することも可能としている。
また、画素のｘ方向およびｙ方向の周期をＰとする場合、以下の式（３）および式（４）を満たすように構成することが好ましい。
Figure 0006566734
Figure 0006566734
すなわち、上記式（３）を満たすことにより、ｘ方向における隣り合う画素間の光反射部材１０８の幅を狭くでき、マイクロレンズで集光された光はカラーフィルタ付近で光反射部材１０８に反射することが少なくなる。この結果、焦点検出性能の悪化を抑制できる。
また、上記式（４）を満たすことにより、ｙ方向における隣り合う画素間の光反射部材１０８の幅を広くすることができるため、隣り合う画素への混色も抑制することができる。
ｙ方向に延在する光反射部材１０８のｘ方向の幅をＤ１、ｘ方向に延在する光反射部材１０８のｙ方向の幅をＤ２としたとき、Ｄ１とＤ２は式（５）の関係を満たすように構成しても良い。
Ｄ１＜Ｄ２ ・・・式（５）
本実施形態では、画素間の周期Ｐがｘ方向とｙ方向で等しいため、式（５）を満たせば、式（１）も満たすことになる。また、図２（ａ）に示すように、転送トランジスタのゲート電極１０５をｙ方向に対し対称な構造とすることで、図２（ｃ）に示した入射角度特性１１１ａと１１１ｂをほぼ対称な形状とすることができ、焦点検出性能を向上することができる。
また、本実施形態では、図２（ａ）のようにｘ方向に光電変換部１０１ａ、１０１ｂが並び、焦点検出をｘ方向に行う構成としていた。しかし、ｙ方向に光電変換部１０１ａ、１０１ｂが並び、焦点検出をｙ方向に行う構成としてもよい。この場合、第１の方向はｙ方向であり、第２の方向はｘ方向となる。また、ｘ方向に焦点検出する焦点検出画素１００と、ｙ方向に焦点検出する焦点検出画素１００を混在させた構成としてもよい。
（実施形態２）
実施形態１では、画素領域２１の全てに焦点検出画素１００が配置されている。これに対して、本実施形態では、焦点検出機能のない撮像用の撮像画素と焦点検出画素の両方が配置されている。焦点検出画素は、焦点検出のみを行う画素として利用することも、焦点検出と撮像の両方を行う画素として利用することも可能である。
図５（ａ）は、本実施形態に係る画素領域の一部を拡大した平面図である。１つの光電変換部２０１を有する撮像画素２００と、２つの光電変換部１０１ａ、１０１ｂを有する焦点検出画素３００が設けられている。下の２画素には、第１の画素および第２の画素としてｘ方向に沿って焦点検出画素が配されている。また、上の２画素には、第３の画素および第４の画素として、ｘ方向に沿って撮像画素が配されている。
図５（ｂ）は、図５（ａ）の線分（Ｉ）−（ＩＩ）に対する断面図であり、図５（ｃ）は線分（ＩＩＩ）−（ＩＶ）に対する断面図である。
ここで、焦点検出画素３００において、ｙ方向に延在する光反射部材１０８のうち、隣り合って配されている光反射部材１０８の間の間隔をＷ１とする。また、焦点検出画素３００において、ｘ方向に延在する光反射部材１０８のうち、隣りあって配されている光反射部材１０８の間の間隔をＷ２とする。さらに、撮像画素２００において、ｙ方向に延在する光反射部材１０８のうち、隣り合って配置されている光反射部材１０８間の間隔をＷ３とする。本実施形態は、Ｗ１、Ｗ２及びＷ３に関して、上記式（１）および上記式（５）の関係を満たす上に、以下の関係を満たすように構成されている。
Ｗ３＜Ｗ１ ・・・式（６）
すなわち、Ｗ１をＷ３より大きくすることで、撮像画素間よりも焦点検出画素間の方が、ｙ方向に延在する光反射部材１０８の幅が小さくなっている。焦点検出画素間については、光反射部材１０８による入射光の反射が抑制され、焦点検出性能の保持が可能となる。また、撮像画素間については、隣り合う画素への混色を抑制することができる。
本実施形態においては、図６に示した平面図のように、撮像画素２００と焦点検出画素３００を配してもよい。すなわち、図６（ａ）に示すように、撮像画素２００が全体的に配された領域の中で、一行分を焦点検出画素３００で置換した構成としてもよい。また、図６（ｂ）に示すように、撮像画素２００が全体的に配された領域の中に複数の焦点検出画素３００を散在するように配した構成としてもよい。
図５および図６において、撮像画素２００の間に配され、ｙ方向に延在している光反射部材１０８のｘ方向の幅をＤ３とする。また、焦点検出画素３００の間に配され、ｙ方向に延在している光反射部材１０８のｘ方向の幅をＤ１とする。本実施形態において、Ｄ１およびＤ３は、以下の式を満たすように構成されている。
Ｄ１＜Ｄ３ ・・・式（７）
図５および図６においては、焦点検出画素と撮像画素が配置されている周期がｘ方向で等しいため、光反射部材１０８のｘ方向の幅について、式（７）を満たせば、式（６）も満たすことになる。
また、図７（ａ）に示すように、撮像画素２００、焦点検出画素３００、光反射部材１０８を配してもよい。図６に示した配置では、ｙ方向に延在している撮像画素２００の光反射部材１０８の両端部と、ｙ方向に延在している焦点検出画素３００の光反射部材１０８の両端部とは、互いにずれるように配置されている。他方、図７（ａ）では、ｙ方向に延在している撮像画素２００の光反射部材１０８の片方の端部と、ｙ方向に延在している焦点検出画素３００の片方の端部は一致しており、直線を構成している。ところで、図６（ｂ）に示した構成では、焦点検出画素３００にｘ方向で隣り合っている撮像画素２１０と、焦点検出画素３００に隣り合っていない撮像画素２２０のｘ方向の幅が異なる。このため、画素間のばらつきを低減するためには、レイアウトや信号処理の工夫等が必要となる可能性がある。これに対して、図７（ａ）に示した構成によれば、全ての撮像画素２００のｘ方向の幅を一定にすることができる。
また、図７（ｂ）のように、平面視においてｙ方向に延在する光反射部材１０８のｘ方向の幅を一定にするという構成も可能である。焦点検出画素３００に関して、ｙ方向に延在し、隣り合っている光反射部材１０８同士のｘ方向の間隔をＷ１とする。また、ｘ方向に延在し、隣り合っている光反射部材１０８同士のｙ方向の間隔をＷ２とする。さらに、撮像画素２００に関して、ｙ方向に延在し、隣り合っている光反射部材１０８同士のｘ方向の間隔をＷ３とする。この場合、上記式（１）を満たした上で、以下の式を満たすように構成されている。
Ｗ１＝Ｗ３ ・・・式（８）
他方、図８に示すように、Ｗ１がＷ３よりも大きくなるようにする構成も可能である。すなわち、上記式（６）を満たす構成である。この構成によれば、焦点検出画素３００の光反射部材１０８と光反射部材１０８の間隔を更に大きくすることができ、広角度で入射する光に対しても焦点検出性能を向上することができる。
光反射部材１０８は、実施形態１で説明した材料を適宜選択できる。また、焦点検出画素１００の周囲に配されている光反射部材１０８と、撮像画素２００の周囲に配されている光反射部材１０８の材料を変えても良い。例えば、焦点検出画素１００のｘ方向に隣接する光反射部材１０８を低屈折率材料で形成し、撮像画素２００のｘ方向に隣接する光反射部材１０８を金属で形成することができる。
（実施形態３）
図９に本実施形態の焦点検出画素を示す。実施形態１で説明した図２（ａ）と比較すると、本実施形態ではｙ方向に延在して配されていた光反射部材１０８が設けられていない。すなわち、本実施形態は、上記式（１）を満たした上で、以下の関係を満たすように構成されている。
Ｄ１＝０ ・・・式（９）
したがって、Ｗ１は、ｘ方向における焦点検出画素４００の幅に相当することになる。焦点検出画素４００は２つの光電変換部１０１ａ、１０１ｂを有しており、焦点検出の機能に加えて、撮像の機能も兼ねる画素として利用することができる。この構成によれば、ｙ方向に延在する光反射部材１０８が設けられていないことから、画素領域２１の周辺部分において広角度で入射する光に対しても、光反射部材１０８による反射を抑制でき、焦点検出性能の保持が可能となる。また、ｘ方向に延在する光反射部材１０８が設けられているため、光反射部材１０８がない場合に比べて、隣り合う画素への混色を低減することができる。
図１０の（ａ）は、撮像画素２００と焦点検出画素４００を両方含む領域の平面図である。また、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の線分（Ｉ）―（ＩＩ）の断面図であり、撮像画素２００が配列された領域を表している。さらに、図１０（ｃ）は、図１０（ａ）の線分（ＩＩＩ）―（ＩＶ）の断面図であり、焦点検出画素４００が配置された領域を表している。これらの図に示されているように、２つの光電変換部１０１ａ、１０１ｂを有する焦点検出画素４００と、焦点検出を行わない撮像画素２００が、画素領域２１内で混在して配列した構成しても良い。図１０（ａ）には、撮像画素２００の例として１つの光電変換部２０１を有する場合を示したが、複数の光電変換部を有していてもよい。
焦点検出画素４００は、焦点検出の機能に加えて、撮像の機能も兼ねる画素として利用しても良い。
本実施形態は、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３に関して、上記式（１）、上記式（６）、上記式（９）の関係を満たすように構成されている。
特に、上記式（９）の関係を満たすことで、画素領域２１の周辺部分において広角度で入射する光に対しても、光反射部材１０８による反射を抑制でき、焦点検出性能の保持が可能となる。
図１１および１２に示した平面図のように、撮像画素２００と焦点検出画素４００を配置してもよい。すなわち、図１１（ａ）に示すように、撮像画素２００が全体的に配された領域の中で、一行分を焦点検出画素４００で置換した構成としてもよい。また、図１１（ｂ）に示すように、撮像画素２００が全体的に配された領域の中に、複数の焦点検出画素４００を散在するように配した構成としてもよい。さらに、図１２のように焦点検出画素４００の周囲に光反射部材１０８を設けないようにした構成としてもよい。焦点検出画素４００の周りに光反射部材１０８を配置しない領域を設けることで、広角度で入射する光に対しても、光反射部材１０８による反射を抑制でき、焦点検出性能の保持が可能となる。また、撮像画素２００の周囲には光反射部材１０８を設けることで、隣り合う画素への混色を抑制することができる。
ここで、図１１および図１２において、ｘ方向に隣接する２つの撮像画素２００の間に配され、ｙ方向に延在する光反射部材１０８のｘ方向の幅をＤ３とする。また、ｘ方向に隣接する２つの焦点検出画素４００の間に配され、ｙ方向に延在する光反射部材１０８のｘ方向の幅をＤ１とする。ｙ方向に隣接する２つの撮像画素２００の間に配され、ｘ方向に延在する光反射部材１０８のｙ方向の幅をＤ２とする。
図１１および図１２において、Ｄ１とＤ２は上記式（５）を満たし、Ｄ１とＤ３は上記式（７）の関係を満たすように構成されている。すなわち、Ｄ２がＤ１よりも大きく、Ｄ３がＤ１よりも大きい構成となっている。
また、図１１および図１２に記載の構成では、ｘ方向の画素の周期とｙ方向の画素の周期が等しいため、上記式（５）を満たすことで、上記式（１）が満たされる。すなわち、Ｗ２をＷ１よりも小さくするという関係が満たされる。また、上記式（７）を満たすことで、上記式（６）が満たされる。すなわち、Ｗ３をＷ１よりも小さくするという関係が満たされる。
（実施形態４）
図１３および図１４を用いて、本実施形態を説明する。図１３は、実施形態１で説明したように、焦点検出画素１００が全体的に配置された構成を示したものである。図１４は、実施形態２で説明したように、焦点検出画素３００と撮像画素２００を混在して配置された構成を示したものである。
図１３および図１４に示した構成の共通点として、ｙ方向に延在する光反射部材１０８のうち、隣り合う光反射部材のｘ方向の間隔Ｗ１が、画素領域２１の中央部分と周辺部分とで異なっている。すなわち、周辺部分におけるＷ１は、中央部分におけるＷ１よりも広くなっている。また、ｙ方向に延在する光反射部材１０８のｘ方向の幅Ｄ１に着目すると、周辺部分における幅Ｄ１は、中央部分におけるＤ１よりも狭くなっている。これにより、画素領域の周辺部分において顕著に生じる広角度で入射する光に対して、焦点検出性能を維持することができる一方で、中央部分については、隣り合う画素への混色をより抑制することが可能となる。
（実施形態５）
図１５に本実施形態の焦点検出画素を示す。焦点検出画素５００ａは光電変換部２０１の左半分を覆う遮光部５０１ａを有しており、焦点検出画素５００ｂは光電変換部２０１の右半分を覆う遮光部５０１ｂを有している。すなわち、第１の画素１１００について、遮光部５０１ａは、光電変換部２０１ａの略中央から第２の画素１２００まで、光電変換部２０１ａを覆うように延在して設けられている。また、第２の画素１２００について、遮光部５０１ｂは、光電変換部２０１ｂの略中央から第１の画素１１００まで、光電変換部２０２ａを覆うように延在して設けられている。
図１５では、遮光部２０１の位置は配線層１０４の下に配されているが、遮光部２０１は配線層１０４を兼ねていてもよく、配線層１０４の中に設けてもよい。また、基板１０２に接するように遮光部５０１を配置してもよい。ここで、ｙ方向に延在する光反射部材１０８のうち、隣り合う光反射部材１０８のｘ方向の間隔をＷ１とし、ｙ方向の間隔をＷ２とする。本実施形態においても、上記式（１）を満たすように構成されている。すなわち、Ｗ２はＷ１よりも大きくなるように構成されている。
図３で示した瞳領域３２ａ、３３ｂを通過した光１０９を、焦点検出画素５０１ａ、５０１ｂそれぞれに割り当てて入射することで、焦点検出を可能としている。焦点検出画素５００ａ及び５００ｂでの入射光角度に対する入射光強度は、それぞれ図２（ｃ）における入射角特性１１１ａ及び１１１ｂの分布として表わされる。このとき、上記式（１）を満たすことにより、上記実施形態と同様に、焦点検出性能を保持することができる。
本実施形態の構成は、上記で説明した焦点検出画素と撮像画素を混在した場合にも適用することができる。
（実施形態６）
図１６および図１７を用いて本実施形態を説明する。本実施形態は、いわゆる裏面照射型の構成であることを特徴としている。図１６は、実施形態１の構成を裏面照射型の構成に置き換えた例である。また、図１７は、実施形態５の構成を裏面照射型の構成に置き換えた例である。裏面照射型の構成とすることで、更に感度を向上することができる。また、光反射部材１０８は、上記実施形態で説明した構成を適宜採用することができる。
（その他の実施形態）
本実施形態は、上記実施形態で説明した焦点検出画素を含む固体撮像素子を用いた、カメラシステムの実施形態である。
図１８は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像システム１の構成を示している。撮像システム１には、被写体像を結像する撮像光学系１１としての撮像レンズが装着される。この撮像レンズを含む撮像光学系１１は、レンズ制御部１２によって焦点位置を制御する。絞り１３は、絞り制御部１４と接続され、その開口径を変化させて（絞り値を可変として）光量調節を行う機能を備えている。撮像光学系１１の像空間には、撮像光学系１１により結像された被写体像を光電変換する固体撮像素子１０の撮像面が配置される。固体撮像素子１０はＣＭＯＳセンサとその周辺回路で構成される。１５はコントローラとしてのカメラＣＰＵであり、カメラの種々の動作の制御を司る。カメラＣＰＵは、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータおよび通信インターフェイス回路等を有する。カメラＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、撮影光学系の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理および記録等の一連の撮影動作を実行させる。カメラＣＰＵは、演算手段に相当する。
１６は撮像素子制御部であり、固体撮像素子１０の動作を制御するとともに、固体撮像素子１０から出力された画素信号（撮像信号）をＡ／Ｄ変換してカメラＣＰＵに送信する。１７は画像処理部であり、Ａ／Ｄ変換された撮像信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成する。１８は液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示部であり、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像および焦点検出時の合焦状態等を表示する。１９は操作スイッチ、２０は着脱可能な記録媒体で、撮影済み画像を記録する。装着したレンズ、更には撮影条件に応じ、カメラＣＰＵが複数種の遮光形状のうち最適な形状の焦点検出画素の出力値を選択して、焦点検出を行う。この結果、多様なレンズに応じ、より焦点検出精度の高いカメラシステムを提供することができる。
１００ 焦点検出画素
１０１ 光電変換部
１０２ 基板
１０３ 絶縁膜
１０４ 配線層
１０５ 転送トランジスタ
１０６ 導波路
１０７、１０７Ａ 入射光
１０８ 光の電場強度分布
１０９ 導波路
１１０ マイクロレンズ
２００ 焦点検出画素
２０１ 導波路
３００ 焦点検出画素
３０１ 導波路
４００ 焦点検出画素
４０１ 導波路
４０２ 第１部分
４０３ 第２部分

Claims (23)

  1. 複数の画素が二次元状に配された画素領域を有する撮像素子であって、
    第１の方向に沿って配された複数の光電変換部を備えた焦点検出用の第１の画素と、
    前記第１の方向に沿って、前記第１の画素と隣り合って配された第２の画素と、
    前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、前記第１の画素と隣り合って配された第３の画素と、
    前記第１の画素と前記第３の画素との間に設けられ、前記第１の方向に延在する第１の光反射部材と、を有し、
    前記第１の画素と前記第２の画素との間に、前記第２の方向に延在する第２の光反射部材が設けられている場合には、前記第１の光反射部材の前記第２の方向の幅は、前記第２の光反射部材の前記第１の方向の幅よりも大きく、
    または、
    前記第２の光反射部材が設けられていないことを特徴とする撮像素子。
  2. 断面視において、前記第１の光反射部材は、前記第１の画素が有するカラーフィルタと、前記第３の画素が有するカラーフィルタとの間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記第３の画素は撮像用の画素であって、
    前記第１の方向に沿って前記第３の画素と隣り合う複数の画素と、前記第３の画素との間に配され、前記第２の方向に延在する複数の光反射部材の前記第１の方向の間隔は、
    前記第１の方向に沿って前記第１の画素と隣り合う複数の画素と、前記第１の画素との間に配され、前記第２の方向に延在する複数の光反射部材の前記第１の方向の間隔よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
  4. 前記第３の画素は撮像用の画素であって、
    前記第１の方向に沿って前記第３の画素と隣り合う複数の画素と、前記第３の画素との間に配され、前記第２の方向に延在する複数の光反射部材の前記第１の方向の間隔と、
    前記第１の方向に沿って前記第１の画素と隣り合う複数の画素と、前記第１の画素との間に配され、前記第２の方向に延在する複数の光反射部材の前記第１の方向の間隔は等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
  5. 前記第３の画素は撮像用の画素であって、
    前記第１の方向に沿って前記第３の画素と隣り合い、かつ、前記第２の方向に沿って前記第２の画素と隣り合って配された第４の画素と、
    前記第３の画素と前記第４の画素との間に前記第２の方向に延在する第３の光反射部材を有し、
    前記第３の光反射部材の前記第１の方向の幅は、前記第２の光反射部材の前記第１の方向の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
  6. 前記画素領域の中央部には、前記第１の画素と前記第２の画素とが設けられ、
    前記第１の画素と前記第２の画素との間に前記第２の光反射部材が設けられ、
    前記画素領域の周辺部には、前記第１の方向に沿って配された複数の光電変換部を備えた第５の画素と、前記第１の方向に沿って、前記第５の画素と隣り合って配された第６の画素と、が設けられ、
    前記第２の光反射部材は、前記第５の画素と前記第６の画素との間に配され、
    前記第５の画素と前記第６の画素との間に設けられた前記第２の光反射部材の前記第１の方向の幅は、前記第１の画素と前記第２の画素との間に設けられた前記第２の光反射部材の前記第１の方向の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像素子。
  7. 複数の画素が二次元状に配された撮像素子であって、
    第１の光電変換部の上に第１の遮光部を有する第１の画素と、
    第１の方向に沿って前記第１の画素と隣り合って配され、第２の光電変換部の上に第２の遮光部を有し、前記第１の画素と共に焦点検出を行う第２の画素と、
    前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、前記第１の画素と隣り合って配された第３の画素と、
    前記第１の画素と前記第３の画素との間に設けられ、前記第１の方向に延在する第１の光反射部材と、を有し、
    前記第１の画素と前記第２の画素との間に、前記第２の方向に延在する第２の光反射部材が設けられている場合には、前記第１の光反射部材の前記第２の方向の幅は、前記第２の光反射部材の前記第１の方向の幅よりも大きく、
    または、
    前記第２の光反射部材が設けられていないことを特徴とする撮像素子。
  8. 前記第１の遮光部は、前記第１の方向に関して、前記第１の光電変換部の略中央から前記第２の画素まで、前記第１の光電変換部を覆うように延在して設けられており、
    前記第２の遮光部は、前記第１の方向に関して、前記第２の光電変換部の略中央から前記第１の画素まで、前記第２の光電変換部を覆うように延在して設けられていることを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
  9. 複数の画素が二次元状に配された画素領域を有する撮像素子であって、
    第１の方向に沿って配された複数の光電変換部と、該複数の光電変換部に対して共通に設けられた１つのマイクロレンズを有する第１の画素と、
    前記第１の方向に沿って、前記第１の画素と隣り合って配された第２の画素と、
    前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、前記第１の画素と隣り合って配された第３の画素と、
    前記第１の画素と前記第３の画素との間に設けられ、前記第１の方向に延在する第１の光反射部材と、を有し、
    前記第１の画素と前記第２の画素との間に、前記第２の方向に延在する第２の光反射部材が設けられている場合には、前記第１の光反射部材の前記第２の方向の幅は、前記第２の光反射部材の前記第１の方向の幅よりも大きく、
    または、
    前記第２の光反射部材が設けられていないことを特徴とする撮像素子。
  10. 前記第１の光反射部材の屈折率は、前記第１の画素が有するカラーフィルタの屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像素子。
  11. 前記第１の光反射部材は、シリコン化合物、気体、真空のいずれか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項に記載の撮像素子。
  12. 前記第１の光反射部材は、金属を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の撮像素子。
  13. 前記第１の光反射部材は、銅、アルミニウム、タングステンのいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載の撮像素子。
  14. 複数の画素が二次元状に配された画素領域を有する撮像素子であって、
    第１の方向に沿って配された複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に対して共通に設けられた１つのマイクロレンズと、第１のカラーフィルタと、を備えた第１の画素と、
    前記第１の方向に沿って、前記第１の画素と隣り合い、少なくとも１つの光電変換部と、第２のカラーフィルタと、を有する第２の画素と、
    前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、前記第１の画素と隣り合って配され、少なくとも１つの光電変換部と、第３のカラーフィルタと、を有する第３の画素と、
    断面視において、前記第１のカラーフィルタと前記第３のカラーフィルタとの間に設けられた第１の部材と、
    断面視において、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとの間に設けられた第２の部材と、を有し
    前記第１の部材の前記第２の方向の幅は、前記第２の部材の前記第１の方向の幅よりも大きく、
    前記第１の部材および前記第２の部材は、気体、真空、金属のいずれかであることを特徴とする撮像素子。
  15. 前記画素領域の周辺部に設けられた前記第２の部材の前記第１の方向の幅は、前記画素領域の中央部に設けられた前記第２の部材の前記第１の方向の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１４に記載の撮像素子。
  16. 前記第２の画素は、複数の光電変換部を有し、前記複数の光電変換部に対して共通に１つのマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項１４または１５に記載の撮像素子。
  17. 複数の画素が二次元状に配された画素領域を有する撮像素子であって、
    第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部の上に設けられた第１の遮光部と、第１のカラーフィルタを有する第１の画素と、
    第１の方向に沿って前記第１の画素と隣り合って配され、第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部の上に設けられた第２の遮光部と、第２のカラーフィルタを有し、前記第１の画素と共に焦点検出を行う第２の画素と、
    前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、前記第１の画素と隣り合って配され、第３の光電変換部と、第３のカラーフィルタを有する第３の画素と、
    前記第１のカラーフィルタと前記第３のカラーフィルタとの間に設けられた第１の部材と、
    前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとの間に設けられた第２の部材と、を有し、
    前記第１の部材の前記第２の方向の幅は、前記第２の部材の前記第１の方向の幅よりも大きく、
    前記第１の部材および前記第２の部材は、気体、真空、金属のいずれかであることを特徴とする撮像素子。
  18. 前記第１の遮光部は、前記第１の方向に関して、前記第１の光電変換部の略中央から前記第２の画素まで、前記第１の光電変換部を覆うように延在して設けられており、
    前記第２の遮光部は、前記第１の方向に関して、前記第２の光電変換部の略中央から前記第１の画素まで、前記第２の光電変換部を覆うように延在して設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の撮像素子。
  19. 前記第１の部材および前記第２の部材は、金属であることを特徴とする請求項１４から１８のいずれか１項に記載の撮像素子。
  20. 前記第１の部材および前記第２の部材は、銅、アルミニウム、タングステンのいずれかであることを特徴とする請求項１９に記載の撮像素子。
  21. 前記第１のカラーフィルタと第２のカラーフィルタの色が異なることを特徴とする請求項１４から２０のいずれか１項に記載の撮像素子。
  22. 前記撮像素子は、裏面照射型の撮像素子であることを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の撮像素子。
  23. 前記撮像素子は、表面照射型の撮像素子であることを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の撮像素子。
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