JP2011210748A

JP2011210748A - Ｃｃｄ型固体撮像素子及びその製造方法並びに撮像装置

Info

Publication number: JP2011210748A
Application number: JP2010073862A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Tanaka; 俊介田中
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】位相差画素のスミアを低減する。
【解決手段】半導体基板の表面部に二次元アレイ状に複数の画素２を配列形成し、画素２で構成される複数の画素列に対し１本置きの画素列に沿って電荷転送路３を形成すると共に、両脇の２本の画素列で該電荷転送路３を共用させ、共用する電荷転送路３を挟んで隣接する２つの画素２ａ，２ｂを位相差画素とすべく、該位相差画素の２つの画素の夫々に遮光膜開口４ａ，４ｂを設けると共に、２つの遮光膜開口４ａ，４ｂを、当該画素の中央部に対して電荷転送路３に沿う方向で逆方向、及び電荷転送路３に沿う方向に対して直角の方向で逆方向、かつ、該共用する電荷転送路３から離れる方向に偏心して設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、位相差画素を持つＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法並びにこのＣＣＤ型固体撮像素子を搭載した撮像装置に関する。

デジタルカメラ（撮像装置）等に搭載されるＣＣＤ型固体撮像素子には、例えば下記の特許文献１に記載されている様に、位相差画素が設けられ、測距のために使用される。

位相差画素とは、隣接する同色カラーフィルタを搭載した１組の画素で構成され、各々に設けられる遮光膜開口を、各画素のマイクロレンズによる光学中心に対し異なる方向に偏心させることで構成される。

図７は、従来のＣＣＤ型固体撮像素子に設けられる位相差画素の説明図である。この固体撮像素子は、フォトダイオード（画素）２が正方格子状に配列形成されており、各画素列に沿って垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）３ａ，３ｂ，３ｃが設けられている。

各画素２上には同一寸法の遮光膜開口４が設けられるが、位相差画素を構成する１組の画素２ａ，２ｂに設けられる遮光膜開口４ａ，４ｂは、他の遮光膜開口４より小さく且つ互いに離間するように、更に異なる方向に偏心するように設けられる。

位相差画素は、遮光膜開口４ａ，４ｂが離れている方が位相差を検出し易くなるため、遮光膜開口４ａは垂直電荷転送路３ａ側に寄り、遮光膜開口４ｂは垂直電荷転送路３ｃ側に寄っている。また、位相差画素は、感度を小さくしないと位相差の検出が困難となるため、遮光膜開口の面積も小さくなっている。

従って、従来の位相差画素の検出信号は、撮像画像信号として使用するには感度不足で不十分なため、位相差画素位置の画像信号は、欠陥画素と同様に周りの正常画素の撮像画像信号を補間演算することで求めている。

特許第３５９２１４７号公報

被写体光像の一部が位相差画素によって光電変換され、位相差画素２ａ，２ｂ間の位相差が検出されることで、被写体までの測距が可能となる。しかし、上述したように、位相差画素の遮光膜開口４ａ，４ｂが垂直電荷転送路３ａ，３ｃに近づくことで、スミアが増えてしまうという問題がある。

更に、従来の位相差画素は、全画素のうちの一部（例えば中央部）にしか設けられていないため、主要被写体の光像が位相差画素から外れると、測距ができないという問題もある。

仮に、全画素のうち、例えば緑色フィルタを搭載した画素を全て位相差画素にできれば、固体撮像素子の有効画素領域内であれば何処でも測距が可能になり、ＡＦ性能を向上させることができる。

しかし、緑色フィルタを搭載した画素全てが位相差画素となっていると、位相差画素の検出信号を撮像画像信号として被写体画像を再生する必要が生じる。そのためには、位相差画素の遮光膜開口を広くして撮像画像信号として使用できる感度にする必要がある。

しかしながら、位相差画素の遮光膜開口を広げると、ただでさえ垂直電荷転送路に接近しているためスミアが多いのに、更にスミアが増大してしまう。また、上述したように、遮光膜開口を広げて位相差画素の感度を高めることと、位相差性能（測距性能）とはトレードオフの関係があり、両方を同時に実現するのは困難である。

固体撮像素子に搭載される全画素を位相差画素として、位相差画素の検出信号を撮像画像信号として使用できれば、位相差画素の２つの画素の一方で右眼で見た画像が撮像でき他方で左眼で見た画像が撮像でき、１つの固体撮像素子で被写体の立体像を撮像できる様になる。しかし、位相差を確実に検出でき、スミアを低減でき、撮像画像信号として使用できる感度を得る、という複数の問題を同時に解決する必要がある。

本発明の目的は、位相差画素のスミアを低減し、位相差の検出性能を高めることができ、位相差画素の検出信号を撮像画像信号として使用できる感度にすることが可能なＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法並びに撮像装置を提供することにある。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素と、
該画素で構成される複数の画素列に対し１本置きの画素列に沿って形成され、両脇の２本の画素列に共用される電荷転送路と、
共用する前記電荷転送路を挟んで隣接する２つの前記画素を位相差画素とすべく、該位相差画素の２つの画素の夫々に設けられる遮光膜開口であって、当該画素の中央部に対して前記電荷転送路に沿う方向で逆方向、及び該電荷転送路に沿う方向に対して直角の方向で逆方向、且つ、該共用する電荷転送路から離れる方向に偏心された遮光膜開口と
を備えることを特徴とする。

また、本発明の撮像装置は、上記記載のＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。

また、本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に複数の画素を配列形成し、
該画素で構成される複数の画素列に対し１本置きの画素列に沿って電荷転送路を形成すると共に、両脇の２本の画素列で該電荷転送路を共用し、
共用する前記電荷転送路を挟んで隣接する２つの前記画素を位相差画素とすべく、該位相差画素の２つの画素の夫々に遮光膜開口を設けると共に、２つの該遮光膜開口の夫々を、当該画素の中央部に対して前記電荷転送路に沿う方向で逆方向、及び該電荷転送路に沿う方向に対して直角の方向で逆方向、且つ、該共用する電荷転送路から離れる方向に偏心して設ける
ことを特徴とする。

本発明によれば、位相差画素の遮光膜開口を電荷転送路から離すことができるため、位相差画素のスミアを低減し、位相差の検出性能を高めることができ、位相差画素の検出信号を撮像画像信号として使用できる感度にすることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。図１に示す固体撮像素子の一部表面模式図である。本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の一部表面模式図である。本発明の第３実施形態に係る固体撮像素子の一部表面模式図である。本発明の第４実施形態に係る固体撮像素子の一部表面模式図である。本発明の第５実施形態に係る固体撮像素子の一部表面模式図である。従来の位相差画素の説明図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置（デジタルカメラ）の機能ブロック図である。この撮像装置２０は、被写体光像を電気信号の撮像画像データに変換するＣＣＤ型の固体撮像素子２１と、固体撮像素子２１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２２と、アナログ信号処理部２２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）２３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）２９からの指示によってＡ／Ｄ２３，アナログ信号処理部２２，固体撮像素子２１の駆動制御を行う駆動制御部（タイミングジェネレータを含む）２４と、ＣＰＵ２９からの指示によって発光するフラッシュ２５とを備える。

本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ２３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部２７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部２８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）２９と、フレームメモリ等の内部メモリ３０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア３２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３１と、これらを相互に接続するバス４０とを備え、また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を行う操作部３３が接続されている。

図２は、図１に示す固体撮像素子２１の一部表面模式図であり、図７と比較して特徴が分かるように３×３画素分を示している。本実施形態の固体撮像素子２１は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素２と、各画素列のうち１本置きの画素列に沿って形成された垂直電荷転送路３と、各垂直電荷転送路３の転送方向端部に沿って形成された図示しない水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）と、水平電荷転送路の転送方向端部に形成され転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力する図示しないアンプとを備える。

本実施形態の固体撮像素子２１は、垂直電荷転送路を１本置きに間引きした構成とし、１本の垂直電荷転送路３が両脇の画素列を共用する構成となっている。即ち、図７における垂直電荷転送路３ａ，３ｃを削除し、垂直電荷転送路３ｂの両脇の画素列が垂直電荷転送路３ｂを共用する。

各画素２の上方には図示省略のマイクロレンズが積層され、各マイクロレンズの光軸と当該画素の中央部とが一致するように設計される。位相差画素２ａ，２ｂにおいては、２つの遮光膜開口４ａ，４ｂが当該画素の中央部から垂直方向（縦方向），水平方向（横方向）で共に反対方向に偏心するように、更に間引きされた垂直電荷転送路側に寄って配置される。

これにより、本実施形態の位相差画素２ａ，２ｂでは、遮光膜開口４ａ，４ｂが垂直電荷転送路に接近しなくなり、スミアが低減する。

また、遮光膜開口４ａ，４ｂの面積を垂直電荷転送路を間引いた側に拡大しても、スミア増大は起こらないため、可能な限り（位相差性能を低下させることなく）遮光膜開口４ａ，４ｂの面積を拡大して、感度を向上させることも可能となる。

図３は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の一部表面模式図である。本実施形態でも、垂直電荷転送路を１本置きに間引きし、２列の画素列が中央の垂直電荷転送路を共用する構成としている点は第１実施形態と同様であり、以下に述べる他の実施形態でも同様である。

垂直電荷転送路を設けない（間引いた）領域では、両脇の画素列の各画素２の受光面積を拡大することができる。この結果、位相差画素２ａ，２ｂに設ける遮光膜開口４ａ，４ｂを更に、間引いた垂直電荷転送路側（垂直電荷転送路が存在しない側）に偏心させると図２の状態より離間し、位相差性能が向上する。

このため、遮光膜開口４ａ，４ｂをそれぞれ図２の状態より広くすることができ、隣接する垂直電荷転送路がないため遮光膜開口面積を広げてもスミアは増大せず、感度も向上する。従って、位相差画素２ａ，２ｂの検出信号を撮像画像信号として利用することも可能となる。

この第２実施形態の場合、画素列５と画素列６との間は垂直電荷転送路がないため、垂直電荷転送路３を間に挟む画素列６と画素列７との間の距離より狭くなる。つまり、各画素列間の間隔は等間隔でなくなるため、第２実施形態の固体撮像素子を用いて撮像した被写体の撮像画像データからＪＰＥＧ画像等を生成する場合には、各画素の検出信号を補間演算して画像を構成する絵素を正方格子状に補正する必要が生じる。

図４は、本発明の第３実施形態に係る固体撮像素子の一部表面模式図である。第１，第２の実施形態は、位相差画素を全画素のうちの一部に設けたが、本実施形態では、全画素を位相差画素としている。図３の実施形態では、各画素の面積を垂直電荷転送路を設けない側に広げ、各画素が正しい正方格子配列でないため、撮像画像信号を補間演算するとして説明した。

しかし、近年の固体撮像素子は画素面積をなるべく広くするために垂直電荷転送路の幅を狭くし、マルチフィールド読み出しする関係で、間引いた垂直電荷転送路側に画素面積の拡大を図ってもあまり広い面積拡大にはならないため、各画素配列は正方格子配列のままとしている。

全画素を位相差画素としている関係で、各画素の検出信号を撮像画像信号として画像処理する必要があり、位相差性能を劣化させずに、感度を充分確保可能な遮光膜開口としている。

本実施形態を実現する場合、位相差画素の１組毎の画素は同色カラーフィルタを搭載している必要があり、固体撮像素子に積層するカラーフィルタ配列は、隣接する２つの画素が同色となる様にする。例えば、１組２画素を１単位として、カラーフィルタ配列をベイヤ配列とすれば良い。

画素配列が奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチづつずらして形成された所謂ハニカム画素配列の場合には、斜め方向に隣接する２画素が同色となるようにすればよい。例えば、奇数行の画素配列に対してカラーフィルタ配列をベイヤ配列し、偶数行の画素配列に対してカラーフィルタ配列をベイヤ配列とすれば、斜め２画素のカラーフィルタは同色となる。

本実施形態によれば、１つ固体撮像素子で被写体の立体画像を撮像することが可能となる。

なお、第３実施形態では、全画素を位相差画素としたが、全画素（全域）のうち離散的，等方的な位置にある画素だけを位相差画素としてＡＦ性能を向上させる構成でもよい。例えば、緑色フィルタを搭載した画素だけ、あるいはその内の離散的，等方的な位置にある画素だけを位相差画素として、あるいは、赤色フィルタを搭載した画素だけ、青色フィルタを搭載した画素だけを、夫々位相差画素とすることでも良い。

また、例えば緑色フィルタを搭載した全画素を位相差画素にすると共にその検出信号を撮像画像信号として用いれば、撮像素子の有効画素領域のどこにおいても測距が可能となり、ＡＦ性能の向上を図ることが可能になると共に、高精細な被写体画像の生成も可能となる。

図５は、本発明の第４実施形態に係る固体撮像素子の一部表面模式図である。図２の実施形態に対して図３の実施形態では、画素列の間隔を等間隔とせずに、画素面積の増大を図って不等間隔とし、各画素の遮光膜開口面積の増大を図っている。本実施形態も図４の実施形態に対して各画素の面積を間引いた垂直電荷転送路側に広げ、遮光膜開口面積の増大つまり各画素の検出感度増大を図っている。本実施形態によれば、低スミアで且つ感度の高い立体画像を得ることが可能となる。

図６は、本発明の第５実施形態に係る固体撮像素子の一部表面模式図である。本実施形態では、遮光膜開口の開け方が他の実施形態と異なるだけであり、他の構成は同じである。本実施形態では、間引かれた垂直電荷転送路を挟んで隣接する異なる位相差画素に属する２つの画素２ａ，２ｂの遮光膜開口位置を同一垂直位置にすると共に１つの長手の遮光膜開口４ｃで開けている。

この実施形態では、他の実施形態と同様の効果が得られると共に、遮光膜開口下の画素端部まで被写体からの光を受光でき、感度向上を図ることができる。

以上述べた実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に複数の画素を配列形成し、
該画素で構成される複数の画素列に対し１本置きの画素列に沿って電荷転送路を形成すると共に、両脇の２本の画素列で該電荷転送路を共用し、
共用する前記電荷転送路を挟んで隣接する２つの前記画素を位相差画素とすべく、該位相差画素の２つの画素の夫々に遮光膜開口を設けると共に、２つの該遮光膜開口の夫々を、当該画素の中央部に対して前記電荷転送路に沿う方向で逆方向、及び該電荷転送路に沿う方向に対して直角の方向で逆方向、且つ、該共用する電荷転送路から離れる方向に偏心して設けることを特徴とする。

また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法は、前記垂直電荷転送路を介さずに隣接する２つの前記画素列の各画素の受光面積が前記隣接する方向に拡大して形成されることを特徴とする。

また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法は、前記複数の画素の各々にはカラーフィルタが積層されると共に前記位相差画素を構成する２つの画素には同色カラーフィルタが積層されることを特徴とする。

また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法は、隣接する２つの前記位相差画素のうち前記電荷転送路を介さずに隣接する２つの画素の前記遮光膜開口を１つの開口で開けたことを特徴とする。

また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法は、前記半導体基板に形成された複数の画素の全画素を前記位相差画素とすることを特徴とする。

また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法は、前記半導体基板に形成された複数の画素が設けられた全域のうち離散的等方的位置の画素を前記位相差画素とすることを特徴とする。

また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法は、特定色フィルタが積層された画素を前記位相差画素とすることを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、上記のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、前記位相差画素の検出信号を被写体の撮像画像信号として該被写体の画像生成を行う信号処理手段を備えることを特徴とする。

以上述べた実施形態によれば、位相差画素のスミア低減を図ることができ、位相差画素の検出信号を撮像画像信号として用いることが可能となり、ＡＦ性能が向上すると共に立体画像の撮像も可能となる。

本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子は、ＡＦ性能が高く、また、スミアが少なく、立体画像の撮影も可能となるため、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話機、ＰＤＡやノートパソコン等のカメラ付電子装置、内視鏡等の撮像装置一般に適用すると有用である。

２画素（フォトダイオード）
２ａ，２ｂ位相差画素
３，３ａ，３ｂ，３ｃ垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
４遮光膜開口
４ａ，４ｂ，４ｃ位相差画素の遮光膜開口
２１ＣＣＤ型固体撮像素子
２９システム制御部（ＣＰＵ）

Claims

半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素と、
該画素で構成される複数の画素列に対し１本置きの画素列に沿って形成され、両脇の２本の画素列に共用される電荷転送路と、
共用する前記電荷転送路を挟んで隣接する２つの前記画素を位相差画素とすべく、該位相差画素の２つの画素の夫々に設けられる遮光膜開口であって、当該画素の中央部に対して前記電荷転送路に沿う方向で逆方向、及び該電荷転送路に沿う方向に対して直角の方向で逆方向、且つ、該共用する電荷転送路から離れる方向に偏心された遮光膜開口と
を備えるＣＣＤ型固体撮像素子。
請求項１に記載のＣＣＤ固体撮像素子であって、前記垂直電荷転送路を介さずに隣接する２つの前記画素列の各画素の受光面積が前記隣接する方向に拡大して形成されるＣＣＤ型固体撮像素子。
請求項１又は請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子であって、前記複数の画素の各々にはカラーフィルタが積層されると共に前記位相差画素を構成する２つの画素には同色カラーフィルタが積層されるＣＣＤ型固体撮像素子。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のＣＣＤ型固体撮像素子であって、隣接する２つの前記位相差画素のうち前記電荷転送路を介さずに隣接する２つの画素の前記遮光膜開口を１つの開口で開けたＣＣＤ型固体撮像素子。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のＣＣＤ型固体撮像素子であって、前記半導体基板に形成された複数の画素の全画素を前記位相差画素とするＣＣＤ型固体撮像素子。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のＣＣＤ型固体撮像素子であって、前記半導体基板に形成された複数の画素が設けられた全域のうち離散的等方的位置の画素を前記位相差画素とするＣＣＤ型固体撮像素子。
請求項６に記載のＣＣＤ型固体撮像素子であって、特定色フィルタが積層された画素を前記位相差画素とするＣＣＤ型固体撮像素子。
請求項１乃至請求項７のいずれかに１項に記載のＣＣＤ型固体撮像素子を搭載した撮像装置。
請求項６に記載の撮像装置であって、前記位相差画素の検出信号を被写体の撮像画像信号として該被写体の画像生成を行う信号処理手段を備える撮像装置。
半導体基板の表面部に二次元アレイ状に複数の画素を配列形成し、
該画素で構成される複数の画素列に対し１本置きの画素列に沿って電荷転送路を形成すると共に、両脇の２本の画素列で該電荷転送路を共用し、
共用する前記電荷転送路を挟んで隣接する２つの前記画素を位相差画素とすべく、該位相差画素の２つの画素の夫々に遮光膜開口を設けると共に、２つの該遮光膜開口の夫々を、当該画素の中央部に対して前記電荷転送路に沿う方向で逆方向、及び該電荷転送路に沿う方向に対して直角の方向で逆方向、且つ、該共用する電荷転送路から離れる方向に偏心して設ける
ＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法。
請求項１０に記載のＣＣＤ固体撮像素子の製造方法であって、前記垂直電荷転送路を介さずに隣接する２つの前記画素列の各画素の受光面積が前記隣接する方向に拡大して形成されるＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法。
請求項１０又は請求項１１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法であって、前記複数の画素の各々にはカラーフィルタが積層されると共に前記位相差画素を構成する２つの画素には同色カラーフィルタが積層されるＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法。
請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法であって、隣接する２つの前記位相差画素のうち前記電荷転送路を介さずに隣接する２つの画素の前記遮光膜開口を１つの開口で開けたＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法。
請求項１０乃至請求項１３のいずれか１項に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法であって、前記半導体基板に形成された複数の画素の全画素を前記位相差画素とするＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法。
請求項１０乃至請求項１３のいずれか１項に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法であって、前記半導体基板に形成された複数の画素が設けられた全域のうち離散的等方的位置の画素を前記位相差画素とするＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法。
請求項１５に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法であって、特定色フィルタが積層された画素を前記位相差画素とするＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法。