JP6724212B2 - 固体撮像素子および電子機器 - Google Patents

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Description

本開示は、固体撮像素子および電子機器に関し、特に、撮像画像の高画質化を図ることができるようにする固体撮像素子および電子機器に関する。
光電変換素子として有機光電変換膜を用いた撮像素子がある（例えば、特許文献１参照）。有機光電変換膜は薄膜で色分離と受光を同時に行うことができるため、開口率が高く、オンチップマイクロレンズは基本的に不要である。
有機光電変換膜の下のシリコン層にもフォトダイオードを設け、有機光電変換膜で画像を取得しながら、シリコン層のフォトダイオードで位相差検出を行うようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。
特許第５２４４２８７号公報 特開２０１１−１０３３３５号公報
しかしながら、特許文献２に開示の構造では、オンチップレンズの焦光点をシリコン層のフォトダイオードに設定すると、オンチップレンズの曲率半径が小さくなり、斜入射特性が悪化してしまう。そのため、像高（光学中心からの距離）が大きくなるほど、受光量が少なくなり、シェーディングと呼ばれる感度ムラが発生する。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、撮像画像の高画質化を図ることができるようにするものである。
本開示の第１の側面の固体撮像素子は、光電変換部と電荷検出部を含む光電変換層が２層以上積層されており、第１の光電変換層の第１画素に入射された光が、第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含み、前記第１の光電変換層の画素は、前記光を前記第２の光電変換層へ透過させる画素と、前記第２の光電変換層へ透過させない画素を含み、前記第２の光電変換層の複数画素のうち少なくとも一つは、前記第１の光電変換層の第１画素に隣接する第２画素と、平面視において重なるように構成されている。
本開示の第２の側面の電子機器は、光電変換部と電荷検出部を含む光電変換層が２層以上積層されており、第１の光電変換層の第１画素に入射された光が、第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含み、前記第１の光電変換層の画素は、前記光を前記第２の光電変換層へ透過させる画素と、前記第２の光電変換層へ透過させない画素を含み、前記第２の光電変換層の複数画素のうち少なくとも一つは、前記第１の光電変換層の第１画素に隣接する第２画素と、平面視において重なるように構成されている固体撮像素子を備える。
本開示の第１及び第２の側面においては、光電変換部と電荷検出部を含む光電変換層が２層以上積層されており、第１の光電変換層の第１画素に入射された光が、第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含み、前記第１の光電変換層の画素が、前記光を前記第２の光電変換層へ透過させる画素と、前記第２の光電変換層へ透過させない画素を含み、前記第２の光電変換層の複数画素のうち少なくとも一つが、前記第１の光電変換層の第１画素に隣接する第２画素と、平面視において重なるように構成されている。
固体撮像素子及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
本開示の第１及び第２の側面によれば、撮像画像の高画質化を図ることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本開示に係る固体撮像素子を含む撮像機構を示す図である。 上側基板と下側基板の概略構成を示す図である。 上側基板と下側基板の概略構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る固体撮像素子の断面構成図である。 第１の実施の形態の変形例を示す断面構成図である。 第２の実施の形態に係る固体撮像素子の断面構成図である。 第３の実施の形態に係る固体撮像素子の断面構成図である。 ２枚積層構造の固体撮像素子の回路配置構成例を示す図である。 ３枚積層構造の固体撮像素子の回路配置構成例を示す図である。 ３枚積層構造の固体撮像素子の断面構成図である。 ３枚積層構造の固体撮像素子のその他の断面構成図である。 コントラスト法のフォーカス制御を説明する図である。 第４の実施の形態に係る固体撮像素子の断面構成図である。 第４の実施の形態の変形例を示す断面構成図である。 本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
以下、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（上側基板が表面照射型の構成例）
２．第２の実施の形態（上側基板が裏面照射型の構成例）
３．第３の実施の形態（光電変換膜が２層の場合の構成例）
４．第４の実施の形態（３枚の基板の積層構造で構成される構成例）
５．第５の実施の形態（コントラストAFを採用した構成例）
６．電子機器への適用例
＜１．固体撮像素子の第１の実施の形態＞
＜撮像機構の構成＞
図１は、本開示に係る固体撮像素子を含む撮像機構を示す図である。
本開示に係る固体撮像素子１は、図１に示されるように、光学レンズ２によって集光された被写体３の光を受光する。
固体撮像素子１は、例えば、２枚の半導体基板１１Aと１１Bとが積層された複合型の固体撮像素子である。半導体基板１１Aと１１Bのそれぞれには、光電変換部と、そこで光電変換された電荷を検出する電荷検出部を有する光電変換層が形成されている。半導体基板１１Aと１１Bの半導体は、例えば、シリコン（Si）である。２枚の半導体基板１１Aと１１Bの間には、アパーチャ１２が形成されている。
なお、以下では、２枚の半導体基板１１Aと１１Bのうち、光学レンズ２に近い方の半導体基板１１Aを上側基板１１Aと称し、光学レンズ２から遠い方の半導体基板１１Bを下側基板１１Bと称する。また、２枚の半導体基板１１Aと１１Bを特に区別しない場合には、単に、基板１１とも称する。
図２は、固体撮像素子１の上側基板１１Aと下側基板１１Bの概略構成を示す図である。
上側基板１１Aには、画素２１Aが２次元アレイ状に複数配列されている。各画素２１Aには、オンチップレンズ２２が形成されている。上側基板１１Aに配列された複数の画素２１Aで得られる画素信号は、画像生成用の信号として利用される。したがって、上側基板１１Aは、画像センサとして機能する。
下側基板１１Bにも、画素２１Bが２次元アレイ状に複数配列されている。下側基板１１Bに配列された複数の画素２１Bで得られる画素信号は、位相差検出用の信号として利用される。したがって、下側基板１１Bは、位相差検出センサとして機能する。
アパーチャ１２には、図２に示されるように、上側基板１１Aの画素２１Aと同サイズの１画素サイズの開口部３１が、所定の間隔で形成されている。これにより、上側基板１１Aの画素２１Aには、入射光を下側基板１１Bへ透過させる画素と、下側基板１１Bへ透過させない画素とがある。
例えば、図２に示されるように、アパーチャ１２の開口部３１に対応する上側基板１１Aの１画素（以下、透過画素という。）を通過した入射光は、下側基板１１Bの２×２の４画素に入射される構成とされている。
下側基板１１Bの画素２１Bは位相差検出用の画素であるので、上側基板１１Aの透過画素を通過した入射光は、複数画素で受光される構成であればよく、例えば、図３に示されるように、４×４の１６画素に入射されるような構成とすることもできる。
位相差検出においては、例えば、１つの透過画素を通過した光が、下側基板１１Bの２×２の４画素に入射される場合、２×２の４画素のうち、左上と右下の画素どうしの信号、及び、右上と左下の画素どうしの信号を比較することにより、焦点位置を検出することができる。
なお、図２及び図３は、上側基板１１Aの透過画素と、そこからの入射光を受光する下側基板１１Bの受光画素との関係を説明するための図であり、上側基板１１Aと下側基板１１Bの画素サイズの縮尺が異なっている。
積層構造ではない単層構造のイメージセンサの一部に位相差画素を配置した像面位相差センサにおいて、オンチップレンズの集光点は、理想的には、シリコン層のフォトダイオード表面であるが、実際には、シリコン層の深い位置となる。そのため、撮像用の集光点と、位相差検出用の集光点が異なり、マイクロレンズの最適化が両立できにくいという問題があった。
また、シリコン層のフォトダイオード表面にオンチップレンズの焦光点を設定すると、オンチップレンズの曲率半径が小さくなり、斜入射特性が悪化してしまう。そのため、像高（光学中心からの距離）が大きくなるほど、受光量が少なくなり、シェーディングが発生する。
そこで、第１の実施の形態に係る固体撮像素子１では、２枚の基板１１を積層し、位相差検出用の画素を下側基板１１Bに配置することで、オンチップレンズの曲率半径を大きくすることができ、シェーディングの発生を抑制することができる。
また、上側基板１１Aの１画素を通過した入射光を、２×２より大きい複数画素で受光するので、多視点分離を行えるようになり、位相差画素の分離性能を向上させ、位相差オートフォーカスの高性能化が可能になる。
図４は、図３のａ−ａ’線における固体撮像素子１の断面構成図である。
図４に示されるように、固体撮像素子１は、表面照射型の上側基板１１Aと、裏面照射型の下側基板１１Bとが積層されて構成されている。
上側基板１１Aはシリコン層５１により構成され、そのシリコン層５１の上側から、光が入射される。
シリコン層５１の上側には、画素２１Aごとに形成されたオンチップレンズ２２と、B（青色）の波長の光を光電変換する青色光電変換膜５２B、G（緑色）の波長の光を光電変換する緑色光電変換膜５２G、及び、R（赤色）の波長の光を光電変換する赤色光電変換膜５２Rが積層されている。
青色光電変換膜５２B、緑色光電変換膜５２G、及び赤色光電変換膜５２Rの下面には、それぞれ、透明電極５３B、５３G、及び５３Rが、画素２１Aごとに形成されている。また、透明電極５３B、５３G、及び５３Rは、シリコン層５１に形成されたトランジスタ回路５５B、５５G、及び５５Rと、それぞれ、接続電極５４B、５４G、及び５４Rを介して接続されている。シリコン層５１上面は、絶縁膜５６により保護されている。
なお、図４においては、図が煩雑になるのを防ぐため、透明電極５３B、５３G、及び５３R、接続電極５４B、５４G、及び５４R、並びに、トランジスタ回路５５B、５５G、及び５５Rのうち、Bに関する透明電極５３B、接続電極５４B、及びトランジスタ回路５５Bそれぞれ一つについてのみ符号が付されている。
青色光電変換膜５２B、緑色光電変換膜５２G、及び赤色光電変換膜５２Rそれぞれの上面には、電源電圧、GNDなどの所定の電圧が供給される透明電極が形成される場合もある。
光電変換膜５２（５２B,５２G,５２R）は、光電変換部として機能し、トランジスタ回路５５（５５B,５５G,５５R）は、光電変換部で光電変換された電荷を検出する電荷検出部として機能する。光電変換膜５２は、受光領域全面にわたって形成されているが、透明電極５３が、画素ごとに分離形成されていることで、画素単位で、R,G,Bの画素信号を取得することができる。
光電変換膜５２は、例えば、有機光電変換膜で構成することができる。
Bの波長光で光電変換する青色光電変換膜５２Bとしては、クマリン系色素、トリス−８−ヒドリキシキノリンＡｌ（Ａｌｑ３）、メラシアニン系色素等を含む有機光電変換材料を用いることができる。Gの波長光で光電変換する緑色光電変換膜５２Gとしては、例えばローダーミン系色素、メラシアニン系色素、キナクリドン等を含む有機光電変換材料を用いることができる。Rの波長光で光電変換する赤色光電変換膜５２Rとしては、フタロシアニン系色素を含む有機光電変換材料を用いることができる。
また、光電変換膜５２は、無機光電変換膜で構成してもよい。無機光電変換膜としては、例えば、カルコパイライト構造の半導体薄膜であるＣｕＩｎＳｅ２（CIS系薄膜）、あるいは、これにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（CIGS系薄膜）などで形成することができる。
シリコン層５１の下側には、アパーチャ１２としての金属膜６１が形成されており、金属膜６１の透過画素の部分には、開口部３１が形成されている。金属膜６１は保護膜６２で覆われている。
また、シリコン層５１の開口部３１に対応する領域には、入射された光を全透過させる透明層５７が形成されている。透明層５７は、例えば、シリコン（Si）を酸化させたSiO2などで形成することができる。透過画素のシリコン層５１を、光を吸収しない透明層５７とすることで、３層の光電変換膜５２を通過した全波長の光を下側基板１１Bに到達させることができる。
なお、本実施の形態では、光電変換部としての光電変換膜５２がシリコン層５１の上側に形成されており、シリコン層５１にはフォトダイオードが形成されないため、シリコン層５１の厚みを極めて薄く形成することができる。そのため、透明層５７を形成せずに、シリコン層５１のままでも十分に光を透過させることができるため、シリコン層５１のままでもよい。
下側基板１１Bはシリコン層７０により構成され、そのシリコン層７０内に、光電変換部としてのフォトダイオード（PD）７１が、ｐｎ接合により画素ごとに形成されている。
図４において実線の矢印で示されるように、上側基板１１Aの透過画素に入射された光が、下側基板１１Bの４画素のフォトダイオード７１に入射されるように、オンチップレンズ２２の焦点距離に応じて、保護膜７２と中間層７３が形成されている。保護膜７２は、例えば、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜で形成することができ、中間層７３は、例えば、ガラス層で形成することができる。また、中間層７３は、保護膜７２と同一材料としてもよい。
下側基板１１Bは裏面照射型であるので、シリコン層７０上に形成された多層配線層８４側の反対側が上側基板１１A側となるようにして、下側基板１１Bと上側基板１１Aが接合されている。
多層配線層８４には、フォトダイオード７１に蓄積された信号電荷を読み出す読み出し回路を構成する複数のトランジスタ回路８１、１層以上の配線層８２、層間絶縁膜８３などが含まれる。
以上の構成を有する固体撮像素子１において、上側基板１１Aでは、画素２１Aごとに、R,G,Bの画素信号が出力され、カラー画像センサとしての機能を有する。また、下側基板１１Bでは、上側基板１１Aを通過した光を複数の画素２１B(多視点)で受光して得られる位相差信号が出力され、位相差センサとしての機能を有する。
上側基板１１Aにおいて、光電変換部として光電変換膜５２を用いた場合には、薄膜で色分離と受光を同時に行うことができるため、開口率が高く、オンチップレンズ２２は基本的に不要である。したがって、オンチップレンズ２２は、下側基板１１Bの複数のフォトダイオード７１への入射に合わせて、長い焦点距離となるように形成することができる。したがって、斜入射特性を悪化させずに、画像信号と位相差信号の取得を実現することができる。
即ち、固体撮像素子１の第１の実施の形態によれば、斜入射特性の悪化を抑制し、シェーディングの発生を低減させることができるので、撮像画像の高画質化を図ることができる。
固体撮像素子１では、上側基板１１Aの透過画素の間隔（間引き）を大きくしたり、中間層７３の厚みを調整するなどして、例えば、上側基板１１Aの透過画素を通過した入射光が、下側基板１１Bの何画素の領域に入射されるようにするかを任意に調整することができる。例えば、１つの透過画素からの光が、２×２の４画素ではなく、４×４の１６画素に入射されるように多視点化することにより、距離方向の分解能（位相差分解能）を高め、測距性能を向上させることもできる。
上側基板１１Aでは、シリコン層５１の外部に形成された光電変換膜５２により光電変換するため、シリコン層５１にはフォトダイオードを形成する必要がなく、トランジスタ回路５５のみが形成できればよいため、シリコン層５１の厚みは極めて薄くすることができる。これにより、シリコン層５１のG（緑色）以上の波長の光の透過率を大幅に上げることができるので、下側基板１１Bのフォトダイオード７１への入射光量を大きくすることができる。
また、上側基板１１Aのシリコン層５１の透過画素領域を、光を全透過させる透明層５７とした場合には、下側基板１１Bのフォトダイオード７１への入射光量をさらに大きくすることができる。
なお、光電変換膜５２の吸収率が高く、R,G,Bの光の下側基板１１Bへの入射光量が少ない場合には、可視光以外の近赤外光などを位相差検出に利用すればよい。
＜第１の実施の形態の変形例＞
図５は、第１の実施の形態に係る固体撮像素子１の変形例を示す断面構成図である。
なお、図５以降の各図面では、それまでに説明した実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
上述したように、上側基板１１Aの光電変換部として光電変換膜５２を用いた場合、光電変換膜５２に対してはオンチップレンズ２２は不要である。したがって、固体撮像素子１は、入射光を下側基板１１Bへ集光させるための何らかの構造を有していれば、積層された光電変換膜５２の上側のオンチップレンズ２２は省略することができる。
例えば、図５に示されるように、オンチップレンズ２２に代えて、アパーチャ１２の下側に層内レンズ９１を設け、層内レンズ９１によって入射光を下側基板１１Bへ集光させる構造とすることもできる。
層内レンズ９１は、アパーチャ１２の下側ではなく、例えば、アパーチャ１２の上側でもよいし、それ以外の任意の層に配置することができる。また、層内レンズ９１は、透過画素のみに形成してもよいし、開口部３１が形成されていない画素の領域については平坦に形成してもよい。同様に、アパーチャ１２の位置も、シリコン層５１の下側に限らず、シリコン層５１の上側でもよい。
＜２．固体撮像素子の第２の実施の形態＞
図６は、本開示に係る固体撮像素子１の第２の実施の形態を示す断面構成図である。
図４に示した第１の実施の形態の断面構成では、上側基板１１Aを表面照射型とし、下側基板１１Bを裏面照射型として積層する構成例について説明した。
しかし、上側基板１１Aは裏面照射型としてもよいし、下側基板１１Bは表面照射型としてもよい。即ち、上側基板１１A及び下側基板１１Bそれぞれは、表面照射型と裏面照射型のどちらの構成を採用してもよい。
図６に示される第２の実施の形態では、上側基板１１Aと下側基板１１Bの両方を裏面照射型として積層した構成例とされている。換言すれば、図６の第２の実施の形態は、図４の第１の実施の形態と比較すると、上側基板１１Aが裏面照射型に変更されている。
上側基板１１Aは裏面照射型であるので、上側基板１１Aの光が入射される側とは反対側（図６において上側基板１１Aの下側）に多層配線層１０３が形成されている。多層配線層１０３は、１層以上の配線層１０１と層間絶縁膜１０２とで構成されている。
また、上側基板１１Aを裏面照射型とした場合、図６に示されるように、多層配線層１０３のなかの１つの配線層１０１で、アパーチャ１２を形成することができる。
＜３．固体撮像素子の第３の実施の形態＞
図４に示した第１の実施の形態の断面構成では、R、G、Bそれぞれについて１層ずつ光電変換膜５２が設けられ、光電変換部が、３層の光電変換膜５２を積層した構成とされていた。
しかし、光電変換部は、３層に限定されず、２層若しくは１層、または、４層以上の光電変換膜５２とすることもできる。
図７は、本開示に係る固体撮像素子１の第３の実施の形態を示す断面構成図であり、光電変換部を２層の光電変換膜５２とした構成例を示している。
なお、図７においても、紙面の制約上、符号の一部が省略されている。
第３の実施の形態では、２層の光電変換膜５２が、光入射面側である半導体基板１１Aの上側に形成されている。２層のうちの上側の光電変換膜５２としては、G（緑色）の波長の光を光電変換する緑色光電変換膜５２Gが全面にわたって形成されている。
一方、２層のうちの下側の光電変換膜５２としては、R（赤色）の波長の光を光電変換する赤色光電変換膜５２Rと、B（青色）の波長の光を光電変換する青色光電変換膜５２Bのいずれか一方が、画素毎に分離されて形成されている。赤色光電変換膜５２Rと青色光電変換膜５２Bそれぞれは、光電変換する光の色（波長）が、例えば、垂直及び水平方向に隣接する画素では異なる色となるように、市松状に形成されている。
緑色光電変換膜５２Gにより光電変換された電荷は、画素単位に形成された透明電極５３G及び接続電極５４Gを介して、シリコン層５１に形成されたトランジスタ回路５５Gによって取り出される。
同様に、青色光電変換膜５２Bにより光電変換された電荷は、画素単位に形成された透明電極５３B及び接続電極５４Bを介して、シリコン層５１に形成されたトランジスタ回路５５Bによって取り出される。赤色光電変換膜５２Rについても同様である。
第３の実施の形態では、透過画素、即ち、アパーチャ１２において開口部３１が形成されている画素２１Aは、２層の光電変換膜５２のうち、下側の光電変換膜５２が、Bの波長の光を光電変換する青色光電変換膜５２Bとなっている。この場合、透過画素では、上層の緑色光電変換膜５２Gと下層の青色光電変換膜５２Bとで吸収されなかった光である、Rの波長の光が、下側基板１１Bに入射される。
従って、第３の実施の形態では、Rの波長の光の受光量に基づいて、位相差検出を行うことができる。
上述したように、下層の光電変換膜５２において、赤色光電変換膜５２Rと青色光電変換膜５２Bそれぞれを市松状に配置した場合、Rの波長の光が吸収されない画素２１A（以下、R非吸収画素という。）は、１画素おきに配置されることになり、全てのR非吸収画素を透過画素とすることができる。
例えば、受光領域内に配置された複数のR非吸収画素のうち、開口部３１が配置されることにより透過画素とされた画素２１Aと、開口部３１が配置されずアパーチャ１２で遮光された画素２１Aがあるとする。
この場合、アパーチャ１２で遮光された画素２１Aでは、２層の光電変換膜５２を通過した光が、アパーチャ１２によって、再び光電変換膜５２側へ反射されるが、開口部３１が配置された画素２１Aでは、２層の光電変換膜５２を通過した光は、そのまま下側基板１１Bへ通り抜ける。その結果、同じR非吸収画素やその周辺画素において、透過画素のところと、そうでないところとで、感度特性が異なることがあり得る。
そのため、第３の実施の形態では、開口部３１の有無による特性差の発生を防止するため、全てのR非吸収画素が透過画素となっている。具体的には、２層の光電変換膜５２が、緑色光電変換膜５２Gと青色光電変換膜５２Bの組み合わせとなっている全ての画素が透過画素となっている。下層の光電変換膜５２では、青色光電変換膜５２Bが１画素おきに配置されているので、全てのR非吸収画素を透過画素とすることができる。これにより、第３の実施の形態では、光電変換する入射光の色（波長）が同じ画素で感度特性が異なるという問題は発生しない。
しかしながら、逆に言うと、第３の実施の形態では、透過画素の配置が、緑色光電変換膜５２Gと青色光電変換膜５２Bの組み合わせの画素２１Aに限定されることになる。
これに対して、第１及び第２の実施の形態のように、R、G、Bに対応する３層の光電変換膜５２を積層した構成とした場合には、光電変換する光の波長が全画素で共通であるので、どの画素を透過画素としてもよく、受光領域内の透過画素の配置（ピッチ）を任意に設定することができる。
なお、上述した例では、市松状に配置された下層の赤色光電変換膜５２Rと青色光電変換膜５２Bのうち、青色光電変換膜５２Bが形成された画素２１Aを透過画素としたが、赤色光電変換膜５２Rが形成された画素２１Aを透過画素としてもよい。この場合、Bの波長の光が下側基板１１Bに入射されることになり、Bの受光量に基づいて位相差検出が行われる。
また、２層の光電変換膜５２のうち、上側の光電変換膜５２を、Bの波長の光を光電変換する青色光電変換膜５２B、または、Rの波長の光を光電変換する赤色光電変換膜５２Rとしてもよい。下側の光電変換膜５２で光電変換する光の波長も、上側の光電変換膜５２で光電変換する波長に合わせて適宜変更することができる。すなわち、２層の光電変換膜５２において、どの波長の光をどの層で光電変換させるかは、適宜決定することができる。
第３の実施の形態において市松状とした下層の２色の光電変換膜５２の配置についても、適宜決定することができる。
＜２層構造における回路配置構成例＞
図８は、上側基板１１Aと下側基板１１Bの各基板１１の回路配置構成例を示している。
図８のAは、上側基板１１Aの受光領域１５１と下側基板１１Bの受光領域１６１を同一サイズとして、上側基板１１Aの受光領域１５１に対する下側基板１１Bの位相差センサ領域のカバー率を１００％とした回路配置構成例を示している。この場合、上側基板１１Aの回路領域１５２と下側基板１１Bの回路領域１６２のサイズも同一のサイズとなる。例えば、固体撮像素子１がAPS-Cサイズである場合、受光領域１５１は、15.75mm×23.6mm程度となる。
図８のBは、画像センサの受光感度を低下させずに、１チップサイズをできるだけ縮小させた場合の上側基板１１Aと下側基板１１Bの各基板１１の回路配置構成例を示している。
上側基板１１Aには、受光領域１５１のみが形成される。
一方、下側基板１１Bには、位相差センサ領域としての受光領域１７１と、回路領域１７２が形成される。回路領域１７２には、図８のAにおける上側基板１１Aの回路領域１５２と下側基板１１Bの回路領域１６２のそれぞれの回路が集約されて配置される。そのため、回路領域１７２のサイズは、図８のAにおける下側基板１１Bの回路領域１６２のサイズよりも大きくなる。しかしながら、上側基板１１Aの受光領域１５１に対する下側基板１１Bの位相差センサ領域のカバー率としては、少なくとも８０％を確保することができる。
＜３層構造における回路配置構成例＞
また、固体撮像素子１は、上述した２枚の基板１１による積層構造の他、３枚以上の基板１１による積層構造で構成することもできる。
図９は、固体撮像素子１が３枚の基板１１の積層構造で構成される場合の各基板１１の回路配置構成例を示している。
３層構造の最上層となる上側基板１１Cには、受光領域１５１のみが形成され、中間層となる中間基板１１Dには、受光領域１５１と同一サイズで、上側基板１１Cの受光領域１５１に対して位相差センサ領域のカバー率を１００％とする受光領域１６１が形成されている。
３層構造の最下層となる下側基板１１Eには、回路領域１８１が形成されている。
このように、固体撮像素子１を３層構造とすることにより、例えば、同一のAPS-Cサイズでありながらも、図８のAの２枚積層構造による固体撮像素子１よりもチップサイズを縮小することができる。また、位相差センサ領域のカバー率を、図８のBの２枚積層構造による固体撮像素子１よりも大きく確保することができる。
さらに、最下層となる下側基板１１Eの全領域を回路領域１８１として利用することができるので、上側基板１１Cの受光領域１５１と中間基板１１Eの受光領域１６１の各画素を駆動する駆動回路の他、ADC(Analog-Digital Converter)、ロジック回路、メモリ等も、下側基板１１Eの回路領域１８１に配置することができる。
また、最下層の下側基板１１Eに、最上層の画像センサの信号処理と、中間層の位相差センサの信号処理を、並列的に処理させるように回路を配置した場合には、位相差オートフォーカスの検波速度を向上させることができる。
＜４．固体撮像素子の第４の実施の形態＞
＜３層構造の構成例１＞
図１０は、固体撮像素子１の第４の実施の形態である、固体撮像素子１が３枚の基板１１の積層構造で構成される場合の断面構成図を示している。
上側基板１１Cと中間基板１１Dは、図６に示した３層の光電変換膜５２を有する固体撮像素子１の上側基板１１Aと下側基板１１Bに対応するので、その説明は省略する。上側基板１１Cと中間基板１１Dは、いずれも裏面照射型となるように接合されている。
そして、中間基板１１Dの多層配線層８４と、下側基板１１Eの多層配線層２１４とが、例えば、Cu-Cuの金属結合により接合されている。多層配線層２１４は、１以上の配線層２１２と層間絶縁膜２１３とで構成される。図１０において、配線層８２と配線層２１２との間の破線は、中間基板１１Dと下側基板１１Eの接合面を表している。
下側基板１１Eのシリコン層２０１には、複数のトランジスタ回路２１１などを含む信号処理回路が形成されている。
＜３層構造の構成例２＞
図１１は、固体撮像素子１が３枚の基板１１の積層構造で構成される場合のその他の断面構成図を示している。
上側基板１１Cと中間基板１１Dは、図７に示した２層の光電変換膜５２を有する固体撮像素子１の上側基板１１Aと下側基板１１Bに対応するので、その説明は省略する。上側基板１１Cと中間基板１１Dは、いずれも裏面照射型となるように接合されている。
そして、中間基板１１Dの多層配線層８４と、下側基板１１Eの多層配線層２１４とが、例えば、Cu-Cuの金属結合により接合されている。多層配線層２１４は、１以上の配線層２１２と層間絶縁膜２１３とで構成される。図１１において、配線層８２と配線層２１２との間の破線は、中間基板１１Dと下側基板１１Eの接合面を表している。
下側基板１１Eのシリコン層２０１には、複数のトランジスタ回路２１１などを含む信号処理回路が形成されている。
＜５．固体撮像素子の第５の実施の形態＞
上述した第１乃至第３の実施の形態は、上側基板１１Aで得られる画素信号については撮像画像を求める信号として利用し、下側基板１１Bで得られる画素信号については位相差検出を行う信号として利用する構成であった。
以下では、フォーカス制御として、位相差検出ではなく、２枚の基板１１で検出された画素信号のコントラスト差に基づいてフォーカス制御を行うコントラスト法を採用した構成について説明する。
＜コントラスト法のフォーカス制御＞
図１２は、固体撮像素子１が行うコントラスト法のフォーカス制御を説明する図である。
図１２左側に示されるFar Objectの状態、すなわち、焦点位置４よりも被写体３が遠い状態では、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストが、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストよりも強くなる。
反対に、図１２右側に示されるNeaｒ Objectの状態、すなわち、焦点位置４よりも被写体３が近い状態では、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストが、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストよりも強くなる。
そして、図１２中央に示されるJust Focusの状態、すなわち、焦点位置４と被写体３の位置が一致している状態では、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストが一致する。
以上のように、焦点位置によって、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストに差が出るので、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストを比較することで、フォーカス制御を行うことができる。
また、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストのどちらが強いかを検出することで、オートフォーカスの調整方向がわかるので、オートフォーカスを高速に行うことができる。
さらに、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストの差から、被写体３までの距離を推定することも可能であり、１回の撮像でフォーカス位置を合わせることも可能である。
図１３は、本開示に係る固体撮像素子１の第５の実施の形態を示す断面構成図であって、コントラスト法によるフォーカス制御を行う場合の構成例を示している。
図１３においては、図４に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明する。
図１３に示される第５の実施の形態に係る構成を、図４に示した第１の実施の形態に係る構成と比較すると、第５の実施の形態では、オンチップレンズ２２と、アパーチャ１２（金属膜６１）が形成されていない点で、第１の実施の形態に係る構成と異なる。
上述したように、上側基板１１Aの光電変換部を光電変換膜５２で構成する場合には、オンチップレンズ２２は必要ない。また、第５の実施の形態では、光学レンズ２（図１）によって、入射光が下側基板１１Bのフォトダイオード７１上面で結像されるように構成されればよく、下側基板１１Bの受光においても、オンチップレンズ２２は不要である。
また、位相差検出を行う場合には、１つの透過画素に対して、下側基板１１Bの複数の画素が対応するため、透過画素以外の画素２１Aをアパーチャ１２によって遮光する必要があったが、コントラスト法によるフォーカス制御の場合は、遮光する必要がないため、アパーチャ１２も不要となる。
以上のような構成を採用することにより、固体撮像素子１は、上側基板１１Aの光電変換膜５２により得られた画素信号と、下側基板１１Bのフォトダイオード７１により得られた画素信号とのコントラスト差を比較することにより、フォーカス制御を行うことができる。
なお、図１３に示される構成では、上側基板１１Aの上面に３層の光電変換膜５２が形成されているため、下側基板１１Bのフォトダイオード７１に入射される光は、可視光以外の近赤外光などとなる。
これに対して、例えば、図１４に示されるように、上側基板１１Aの上面に形成する光電変換膜５２の層数を２層とした場合には、R,G,Bの光のうちいずれか１つを下側基板１１Bのフォトダイオード７１で受光することができる。そして、下側基板１１Bで受光できる光と同色の光を光電変換する上側基板１１Aの光電変換膜５２で得られた画素信号との比較によって、フォーカス制御を行うことができる。図１４の構成例では、上側基板１１Aの赤色光電変換膜５２Rで得られる画素信号と、下側基板１１Bのフォトダイオード７１で得られる画素信号とのコントラスト差を比較することにより、フォーカス制御を行うことができる。
また、第５の実施の形態においても、図９乃至図１１で説明したように、３枚の基板１１による積層構造とすることもできる。
＜６．電子機器への適用例＞
上述した固体撮像素子１は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えたオーディオプレーヤといった各種の電子機器に適用することができる。
図１５は、本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図１５に示される撮像装置３０１は、光学系３０２、シャッタ装置３０３、固体撮像素子３０４、制御回路３０５、信号処理回路３０６、モニタ３０７、およびメモリ３０８を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
光学系３０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの光（入射光）を固体撮像素子３０４に導き、固体撮像素子３０４の受光面に結像させる。
シャッタ装置３０３は、光学系３０２と固体撮像素子３０４の間に配置され、制御回路３０５の制御に従って、固体撮像素子３０４への光照射期間および遮光期間を制御する。
固体撮像素子３０４は、上述した固体撮像素子１により構成される。固体撮像素子３０４は、光学系３０２およびシャッタ装置３０３を介して受光面に結像される光に応じて、一定期間、信号電荷を蓄積する。固体撮像素子３０４に蓄積された信号電荷は、制御回路３０５から供給される駆動信号（タイミング信号）に従って転送される。固体撮像素子３０４は、それ単体でワンチップとして構成されてもよいし、光学系３０２ないし信号処理回路３０６などと一緒にパッケージングされたカメラモジュールの一部として構成されてもよい。
制御回路３０５は、固体撮像素子３０４の転送動作、および、シャッタ装置３０３のシャッタ動作を制御する駆動信号を出力して、固体撮像素子３０４およびシャッタ装置３０３を駆動する。
信号処理回路３０６は、固体撮像素子３０４から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路３０６が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ３０７に供給されて表示されたり、メモリ３０８に供給されて記憶（記録）されたりする。
固体撮像素子３０４として、上述した各実施の形態に係る固体撮像素子１を用いることで、シェーディングの発生を抑制させ、かつ、高速で高精度なオートフォーカスを実現することができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置３０１においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。
本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
基板１１は、電子を信号電荷とする不純物領域構成、または、正孔を信号電荷とする不純物領域構成のいずれを採用してもよい。また、上述した各実施の形態では、電荷検出部としてのトランジスタ回路５５及び８１が基板１１（シリコン基板）に形成されるようにしたが、トランジスタ回路５５及び８１は、有機トランジスタとしてもよい。
本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
例えば、上述した複数の実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
光電変換部と電荷検出部を含む光電変換層が２層以上積層されており、
光学レンズに近い側の第１の光電変換層の１画素に入射された光が、前記光学レンズから遠い側の第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含むように構成されている
固体撮像素子。
（２）
前記第１の光電変換層の前記光電変換部は、光電変換膜で構成されている
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記光電変換膜は、有機光電変換膜である
前記（１）または（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記光電変換膜は、無機光電変換膜である
前記（１）または（２）に記載の固体撮像素子。
（５）
前記第１の光電変換層の前記光電変換部は、２層以上の光電変換膜で構成されている
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）
前記第１の光電変換層の前記光電変換部は、３層の光電変換膜で構成されている
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）
前記３層の光電変換膜は、青色の波長の光を光電変換する第１光電変換膜と、緑色の波長の光を光電変換する第２光電変換膜と、赤色の波長の光を光電変換する第３光電変換膜である
前記（６）に記載の固体撮像素子。
（８）
前記第１の光電変換層の前記光電変換部は、２層の光電変換膜で構成されている
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）
前記２層の光電変換膜の第１層は、赤色、緑色、及び青色のいずれか１色の光を光電変換する光電変換膜であり、
前記２層の光電変換膜の第２層は、前記赤色、緑色、及び青色の残りの２色の光を光電変換する光電変換膜である
前記（８）に記載の固体撮像素子。
（１０）
前記第１光電変換膜の第１層は、緑色の光を光電変換し、
前記第２光電変換膜の第２層は、赤色と青色の光を光電変換する
前記（９）に記載の固体撮像素子。
（１１）
前記電荷検出部は、シリコン層に形成されたトランジスタ回路で構成される
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１２）
前記第２の光電変換層の前記光電変換部は、フォトダイオードで構成される
前記（１）乃至（１１）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１３）
前記第２の光電変換層の複数画素で得られる画素信号は、位相差検出用の信号である
前記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１４）
前記第１の光電変換層で得られる画素信号と、前記第２の光電変換層で得られる画素信号とを比較して、フォーカス制御を行うように構成されている
前記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１５）
前記第１の光電変換層の画素は、前記光を前記第２の光電変換層へ透過させる画素と、前記第２の光電変換層へ透過させない画素を含む
前記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１６）
前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層は、２枚の半導体基板を用いて形成される
前記（１）乃至（１５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１７）
前記第１の光電変換層の前記電荷検出部が形成された前記半導体基板は、表面照射型である
前記（１）乃至（１６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１８）
前記第１の光電変換層の前記電荷検出部が形成された前記半導体基板は、裏面照射型である
前記（１）乃至（１６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１９）
前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層が形成された前記２枚の半導体基板に加えて、信号処理回路が形成された半導体基板が積層されている
前記（１）乃至（１８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（２０）
光電変換部と電荷検出部を含む光電変換層が２層以上積層されており、
光学レンズに近い側の第１の光電変換層の１画素に入射された光が、前記光学レンズから遠い側の第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含むように構成されている固体撮像素子
を備える電子機器。
１ 固体撮像素子， ２ 光学レンズ， １１A,１１B 半導体基板， １２ アパーチャ， １１D,１１E 半導体基板， ２１A，２１B 画素， ２２ オンチップレンズ， ３１ 開口部， ５１ シリコン層， ５２ 光電変換膜， ５３ 透明電極， ５４ 接続電極， ５５ トランジスタ回路， ７０ シリコン層， ７１ フォトダイオード， ２０１ シリコン層， ２１１ トランジスタ回路， ３０１ 撮像装置， ３０４ 固体撮像素子

Claims (19)

  1. 光電変換部と電荷検出部を含む光電変換層が２層以上積層されており、
    第１の光電変換層の第１画素に入射された光が、第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含み、
    前記第１の光電変換層の画素は、前記光を前記第２の光電変換層へ透過させる画素と、前記第２の光電変換層へ透過させない画素を含み、
    前記第２の光電変換層の複数画素のうち少なくとも一つは、前記第１の光電変換層の第１画素に隣接する第２画素と、平面視において重なるように構成されている
    固体撮像素子。
  2. 前記第１の光電変換層の前記光電変換部は、光電変換膜で構成されている
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記光電変換膜は、有機光電変換膜である
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記光電変換膜は、無機光電変換膜である
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  5. 前記第１の光電変換層の前記光電変換部は、２層以上の光電変換膜で構成されている
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  6. 前記第１の光電変換層の前記光電変換部は、３層の光電変換膜で構成されている
    請求項５に記載の固体撮像素子。
  7. 前記３層の光電変換膜は、青色の波長の光を光電変換する第１光電変換膜と、緑色の波長の光を光電変換する第２光電変換膜と、赤色の波長の光を光電変換する第３光電変換膜である
    請求項６に記載の固体撮像素子。
  8. 前記第１の光電変換層の前記光電変換部は、２層の光電変換膜で構成されている
    請求項５に記載の固体撮像素子。
  9. 前記２層の光電変換膜の第１層は、赤色、緑色、及び青色のいずれか１色の光を光電変換する光電変換膜であり、
    前記２層の光電変換膜の第２層は、前記赤色、緑色、及び青色の残りの２色の光を光電変換する光電変換膜である
    請求項８に記載の固体撮像素子。
  10. 前記２層の光電変換膜の第１層は、緑色の光を光電変換し、
    前記２層の光電変換膜の第２層は、赤色と青色の光を光電変換する
    請求項９に記載の固体撮像素子。
  11. 前記電荷検出部は、シリコン層に形成されたトランジスタ回路で構成される
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  12. 前記第２の光電変換層の前記光電変換部は、フォトダイオードで構成される
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  13. 前記第２の光電変換層の複数画素で得られる画素信号は、位相差検出用の信号である
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  14. 前記第１の光電変換層で得られる画素信号と、前記第２の光電変換層で得られる画素信号とを比較して、フォーカス制御を行うように構成されている
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  15. 前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層は、２枚の半導体基板を用いて形成される
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  16. 前記第１の光電変換層の前記電荷検出部が形成された前記半導体基板は、表面照射型である
    請求項１５に記載の固体撮像素子。
  17. 前記第１の光電変換層の前記電荷検出部が形成された前記半導体基板は、裏面照射型である
    請求項１５に記載の固体撮像素子。
  18. 前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層が形成された前記２枚の半導体基板に加えて、信号処理回路が形成された半導体基板が積層されている
    請求項１５に記載の固体撮像素子。
  19. 光電変換部と電荷検出部を含む光電変換層が２層以上積層されており、
    第１の光電変換層の第１画素に入射された光が、第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含み、
    前記第１の光電変換層の画素は、前記光を前記第２の光電変換層へ透過させる画素と、前記第２の光電変換層へ透過させない画素を含み、
    前記第２の光電変換層の複数画素のうち少なくとも一つは、前記第１の光電変換層の第１画素に隣接する第２画素と、平面視において重なるように構成されている固体撮像素子
    を備える電子機器。
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