JP2024089269A - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
各カラーフィルタを含む画素ユニットが正方配列されて1つの画素群が形成され、複数の画素群が2次元状に配列されて画素部の画素アレイが形成される。
このカラーフィルタ配列としては、ベイヤ配列が広く知られている。また、たとえば各画素に対してマイクロレンズが形成されている。
また、高感度化や高ダイナミックレンジ化を図るために、ベイヤ配列の各画素ユニットを複数の同色画素により形成したCMOSイメージセンサも提案されている(たとえば特許文献1、2参照)。
多画素化、微細化による高解像度化を維持し、かつ、画素ピッチ縮小による感度やダイナミックレンジの低下を抑制するため、隣接した複数の同色画素をたとえば4画素ずつ配置し、解像度を追求する際には個別の画素信号を読み出し、高感度やダイナミックレンジ性能を必要とする局面では同色の画素の信号を加算して読み出す手法が一般的に採用されている。
そして、このCMOSイメージセンサは、たとえば画素ユニットの隣接する複数(2、4または9)の同色画素で一つのマイクロレンズを共有する。
なお、このCMOSイメージセンサにおいては、画素アレイに、PDAF(位相検出オートフォーカス)画素が同色で形成されていることから、通常の撮影モードでは、これらのPDAF画素の感度・シェーディング等を補正する必要がある。
画素ユニットPU1は、隣接する複数、たとえば2×2の同色(Gr)の4画素PXGrA,PXGrB,PXGrC,PXGrDが配置されている。画素ユニットPU1において、4画素PXGrA,PXGrB,PXGrC,PXGrDに対して1つのマイクロレンズMCL1が配置されている。
画素ユニットPU2は、隣接する複数、たとえば2×2の同色(R)の4画素PXRA,PXRB,PXRC,PXRDが配置されている。画素ユニットPU2において、4画素PXRA,PXRB,PXRC,PXRDに対して1つのマイクロレンズMCL2が配置されている。
画素ユニットPU3は、隣接する複数、たとえば2×2の同色(B)の4画素PXBA,PXBB,PXBC,PXBDが配置されている。画素ユニットPU3において、4画素PXBA,PXBB,PXBC,PXBDに対して1つのマイクロレンズMCL3が配置されている。
画素ユニットPU4は、隣接する複数、たとえば2×2の同色(Gb)の4画素PXGbA,PXGbB,PXGbC,PXGbDが配置されている。画素ユニットPU4において、4画素PXGbA,PXGbB,PXGbC,PXGbDに対して1つのマイクロレンズMCL4が配置されている。
画素ユニットPU1は、隣接する複数、たとえば2×2の同色(Gr)の4画素PXGrA,PXGrB,PXGrC,PXGrDが配置されている。画素ユニットPU1において、4画素PXGrA,PXGrB,PXGrC,PXGrDに対してそれぞれマイクロレンズMCL01,MCL02,MCL03,MCL04が配置されている。
画素ユニットPU2は、隣接する複数、たとえば2×2の同色(R)の4画素PXRA,PXRB,PXRC,PXRDが配置されている。画素ユニットPU2において、4画素PXRA,PXRB,PXRC,PXRDに対してそれぞれマイクロレンズMCL11,MCL12,MCL13,MCL14が配置されている。
画素ユニットPU4は、隣接する複数、2×2の同色(Gb)の4画素PXGbA、PXGbB,PXGbC,PXGbDが配置されている。画素ユニットPU4において、3画素PXGbB,PXGbC,PXGbDに対してそれぞれ1つのマイクロレンズMCL32,MCL33,MCL34が配置されている。
この構成は2種類の異なるレンズ形状が必要なため、感度のばらつきが大きくなる。
また、PDAF画素部分が青(B)から緑(G)に置き換わるため、色補正が必要になり、青(B)の解像度が低下してしまう。
前述したように、近年、スマートフォンなどのカメラセットの小型化に伴い、画素サイズの小型化が進んでいる。感度劣化を改善するためには、同一色の複数の画素が隣接する画素配列が主流となっている。
一方、カメラセットのオートフォーカスの手法は、合焦速度の速いPDAF方式が主流となっている。スマートフォン用の微細画素では、隣接する2つ、または4つのピクセル上に共通のマイクロレンズを形成することで位相差検出機能を付与する方式が主流である。
たとえば、上述したような第3の固体撮像装置においては、画素配列中の特定の画素ユニット、たとえばB画素4つに代えてG画素4つを有する画素ユニットが、通常画素領域の通常画素ユニットと同等の位相差検出画素として形成され、G画素4つを有する画素ユニットにおいて4画素に対して1つのマイクロレンズが配置され、PDAF機能を持つように構成される。
また、たとえば図2の固体撮像装置においては、位相差検出画素を含む領域では、同一のフローティングディフュージョンFDに2色以上の信号を読み出す必要がある。
特に、位相差検出画素と通常画素の境界部、位相差検出画素群内の画素境界部のうちの少なくともいずれかで遮光膜または素子分離部においては、遮光能力が十分とは言い難く、画素間のクロストークを十分に抑制することが困難で、混色の発生を抑制することが困難である。
また、本発明によれば、位相差検出画素群において同一の読み出しノードに同色の画素信号を、高画質でフレームレートを落とすことなく読み出すことが可能となる。
図4は、本発明の第1の実施形態に係る画素部における画素アレイの形成例を示す図である。
本実施形態において、固体撮像装置10は、たとえばCMOSイメージセンサにより構成される。
また、これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し駆動制御部70が構成される。
本第1の実施形態の画素部20においては、隣接する複数(本例では4つ)の同色画素PXを含む複数(本例では4)の画素ユニットPUにより形成される画素群PXG11,PXG112,PXG13,PXG14が2×2のマトリクス状に配置されている。
より具体的には、本第1の実施形態の画素部20においては、隣接する複数(本例では4つ)の同色画素PXを含む複数(本例では4)の画素ユニットPUにより形成される通常画素群NPXGと、焦点機能を制御するための位相差情報を検出するための位相差検出画素群PDXGと、が混載されて構成されている。
これに対して、位相差検出画素群PDXG10は、位相差検出画素群を形成する配置方向の中央領域ACTRにおける4つの位相差検出画素PDPXの光電変換部に光を入射する平面視して略円形をなすように形成された1つの共有型マイクロレンズCMCL10と、配置方向の端部領域AEDGにおける4つの画素PDPXの光電変換部に光を入射する平面視して略円形をなすように形成された4つの個別型マイクロレンズPMCL20が配置されている。
そして、位相差検出画素群PDXG10においては、位相差検出信号を取得するための中央領域ACTRにおける少なくとも一つの位相差検出画素PDPXと、信号を取得するための端部領域AEDGにおける検出画素DPX間の境界部に、不要な光の入射を防止する遮光膜SLDF20が端部領域AEDGにおける検出画素DPXの略全部の領域に亘って空間的に重なるように形成されている。
換言すると、端部領域AEDGにおける検出画素DPX上であって、中央領域ACTRにおける境界部BDRから端部に向かって、端部領域AEDGの略全部の領域に亘って、不要な光の入射を防止する遮光膜SLDF20が個別型マイクロレンズPMCL20等と空間的に重なるように形成されている。
ここでは、遮光膜または素子分離部の遮光能力を強化する4つの形成例について図5から図8に関連付けて説明する。
なお、ここでは、位相差検出画素群PDXG10については、図面等の簡単化のため、基本的な構成として通常画素群NPXG11,NPXG12,NPXG14の画素ユニットPUを形成する画素NPXの数(4)と同数(4)の同色(本例では緑色(G))の位相差検出画素PDPXを含んで形成され、4つの画素PDPXの光電変換部に光を入射する平面視して略円形をなすように形成された1つの共有型マイクロレンズCMCL20が配置されているものとする。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る画素部20-2における遮光膜あるいは遮光能力を有する素子分離部の遮光能力を強化する第2の形成例について説明するための図である。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る画素部20-3における遮光膜あるいは遮光能力を有する素子分離部の遮光能力を強化する第3の形成例について説明するための図である。
図8は、本発明の第4の実施形態に係る画素部20-4における遮光膜あるいは遮光能力を有する素子分離部の遮光能力を強化する第4の形成例について説明するための図である。
画素部20において、位相差検出画素PDPXと通常画素NPXの境界部BRD1、位相差検出画素群PDXG10内の画素境界部BRD2のうちの少なくともいずれかで遮光膜SLDFまたは素子分離部ESPLは、遮光能力を強化するようにして形成されている。
そして、第1の同色画素ユニットPU111、第2の同色画素ユニットPU112、第3の同色画素ユニットPU113、および第4の同色画素ユニットPU114のそれぞれは、画素ユニットPUを形成する複数の同色の通常画素NPXが、q×q(qは2以上の正の整数)のマトリクス状に配列され、通常画素NPXごとに、通常画素NPXの光電変換部に光を入射する個別型マイクロレンPMCL1がそれぞれ形成されている。
あるいは、第1の同色画素ユニットPU111、第2の同色画素ユニットPU112、第3の同色画素ユニットPU113、および第4の同色画素ユニットPU114のそれぞれは、画素ユニットPUを形成する複数の同色の通常画素NPXが、q×q(qは2以上の正の整数)のマトリクス状に配列され、各画素ユニットの4通常画素NPXに対して1つの共有型のマイクロレンズCMCL20が配置されていてもよい。
また、垂直走査回路30は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
図4は、本発明の第1の実施形態に係る画素部における画素アレイの形成例を示す図である。
図9は、本発明の第1の実施形態に係る画素アレイを形成する画素群の一例を抽出して示す図である。
図10は、本発明の第1の実施形態に係る画素アレイを形成する位相差検出画素群の一例を示す図である。
図11は、本発明の第1の実施形態に係る位相差検出画素群の画素配列の一例を示す図である。
図12は、本発明の第1の実施形態に係る画素アレイを形成する位相差検出画素群およびその隣接領域の一例を示す簡略断面図である。
図13は、本発明の第1の実施形態に係る画素アレイを形成する位相差検出画素群における素子分離部の一例を示す図である。
図14は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の画素群の4つの画素で1つのフローティングディフュージョンを共有する画素ユニットの一例を示す回路図である。
以下の説明では、一例として、第1方向は列方向(水平方向、X方向)とする。これに伴い第2方向は行方向(垂直方向、Y方向)とする。
画素部20においては、隣接する複数(本例では4つ)の同色画素PXを含む複数(本例では4)の画素ユニットPUにより形成される画素群PXG11,PXG12,PXG13,PXG14が2×2のマトリクス状に配置されている。
より具体的には、画素部20は、隣接する複数(本例では4つ)の同色画素PXを含む複数(本例では4)の画素ユニットPUにより形成される通常画素群NPXGと、焦点機能を制御するための位相差情報を検出するための位相差検出画素群PDXG10と、が混載されて構成されている。
ただし、本第1の実施形態では、一例として、図9および図14に示すように、画素ユニットPUの4つの同色画素PXで1つのフローティングディフュージョンFD(Floating Diffusion;浮遊拡散層)を共有する4画素共有構成が採用されている。
具体的には、後で詳述するように、4つの色画素PX11,PX12,PX13,PX14で、フローティングディフュージョンFD11、リセットトランジスタRST11-Tr、ソースフォロワトランジスタSF11-Tr、および選択トランジスタSEL11-Trが共有されている。
また、共有されるフローティングディフュージョンFD11は、たとえば任意の画素の感度値の補正の際に、補正で参照する同じ画素ユニットPUの複数の画素から読み出す画素信号の加算部として機能する。
図4において、画素群PXG11は、G(Gb)画素の画素ユニットPU111、B画素の画素ユニットPU112、R画素の画素ユニットPU113、およびG(Gr)画素の画素ユニットPU114がベイヤ配列されている。画素群PXG11は通常画素群NPXG11として形成されている。
画素群PXG13は、通常画素群NPXG13として形成する場合にはB画素が適用される画素ユニットPU132の画素が画素ユニットPU131(または画素ユニットPU134)と同色のG画素により形成されている。
そして、画素群PXG13の一部が位相差検出画素群PDXG10として援用されている。
具体的には、G画素の画素ユニットPU131を位相差検出用の画素ユニットPU211として、画素ユニットPU131に対してX方向に隣接して延設するように接続されたG画素の画素ユニットPU132を位相差検出用の画素ユニットPU212として援用して、位相差検出画素群PDXG10が形成されている。
これにより、固体撮像装置10は、微細化画素においても位相差画素の感度低下を抑制することができ、入射光量の低い撮影シーンにおいても高速かつ良好な合焦性能を持つ高い位相差性能を実現することが可能となることを実現している。
ここで、本第1の実施形態に係る位相差検出画素群PDXG10の具体的な構成例について説明する。
本第1の実施形態の通常画素群NPXG11,NPXG12,NPXG14においては、各画素ユニットPUを形成する各画素NPXに対して平面視して略円形をなすように形成された1つの個別型マイクロレンズPMCL1が配置されている。
また、位相差検出画素群PDXG10においては、配置方向の端部領域AEDGにおける4つの画素PDPXの光電変換部に光を入射する平面視して略円形をなすように形成された4つの個別型マイクロレンズPMCL20が配置されている。
また、光電変換領域PDにおいて、バックサイドメタルBSM等により形成される第1の素子分離部ESPL1と光電変換領域PDの深さ方向に空間的に重なるように、トレンチ型バックサイド分離としての第2の素子分離部ESPL2が形成されている。第2の素子分離部RSPL2は、たとえばバックサイドディープトレンチアイソレーション(BDTI)により形成される。
これにより、同色画素PX-Aは第1の光電変換領域PD1を含み、同色画素PX-Bは第2の光電変換領域PD2を含んでいる。
また、色が異なる画素ユニット間も、第1の素子分離部ESPL1(たとえばBSM)、あるいは第1の素子分離部ESPL1(たとえばBSM)と第2の素子分離部ESPL2(たとえばBDTI)により分離されていてもよい。
なお、図12の例において、色が異なる画素ユニット間における遮光能力を強化するために、第1の素子分離部ESPL1(たとえばBSM)と第2の素子分離部ESPL2(たとえばBDTI)の膜厚を厚くして素子分離を行うように形成することも可能である。
そして、位相差検出画素群PDXG10においては、位相差検出信号を取得するための中央領域ACTRにおける少なくとも一つの位相差検出画素PDPXと、信号を取得するための端部領域AEDGにおける検出画素DPX間の境界部に、不要な光の入射を防止する遮光膜SLDF20が端部領域AEDGにおける検出画素DPXの略全部の領域に亘って空間的に重なるように形成されている。
換言すると、端部領域AEDGにおける検出画素DPX上であって、中央領域ACTRにおける境界部BDRから両側の端部に向かって、端部領域AEDGの略全部の領域に亘って、不要な光の入射を防止する第1の遮光膜SLDF21および第2の遮光膜SLDF22が個別型マイクロレンズPMCL20等と空間的に重なるように形成されている。
同様に、第2の端部領域AEDG2は、2つの画素を含む第2の端部領域AEDG2の全体に第2の遮光膜ESPL2を形成し、形成した第2の遮光膜ESPL2上に、各画素に対応するようにダミーの個別型マイクロレンズPMCL3、PMCL4を形成する。
位相差検出画素群PDXG10は、第2の画素ユニットPU212における第5の同色画素DPX5、第6の同色画素DPX6、第7の同色画素DPX7、および第8の同色画素DPX8の4つが、第2の読み出しノードとしての第2のフローティングディフュージョンFD12を共有する第2の共有構造CMN2を有する。
第2の個別型マイクロレンズPMCL22が、第1の画素ユニットPU211の第3の同色画素DPX3の光電変換部PD3に光を入射するように配置されている。
第3の個別型マイクロレンズPMCL23が、第2の画素ユニットPU212の第6の同色画素DPX6の光電変換部PD6に光を入射するように配置されている。
第4の個別型マイクロレンズPMCL24が、第2の画素ユニットPU212の第8の同色画素DPX8の光電変換部PD8に光を入射するように配置されている。
ここで、画素ユニットの4つの同色画素で1つのフローティングディフュージョンFDを共有する4画素共有の一構成例について説明する。
図14は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の画素群の4つの画素で1つのフローティングディフュージョンを共有する画素ユニットの回路系の一例を示している。
たとえば、第1色画素PX11のフォトダイオードPD11が第1の緑色(G)光電変換部として機能し、第2色画素PX12のフォトダイオードPD12が第2の緑色(G)光電変換部として機能し、第3色画素PX13のフォトダイオードPD13が第3の緑色(G)光電変換部として機能し、第4色画素PX14のフォトダイオードPD14が第4の緑色(G)光電変換部として機能する。
フォトダイオードPD11,PD12,PD13,PD14を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷(暗電流)が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込みフォトダイオード(PPD)では、フォトダイオードPDの電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
転送トランジスタTG11-Trは、読み出し制御系の制御の下、制御信号TG11が所定レベルのハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD11で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD11に転送する。
転送トランジスタTG12-Trは、読み出し制御系の制御の下、制御信号TG12が所定レベルのハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD12で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD11に転送する。
転送トランジスタTG13-Trは、読み出し制御系の制御の下、制御信号TG13が所定レベルのハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD13で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD11に転送する。
転送トランジスタTG14-Trは、読み出し制御系の制御の下、制御信号TG14が所定レベルのハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD14で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD11に転送する。
リセットトランジスタRST11-Trは、読み出し制御系の制御の下、たとえば読み出しスキャン時に、制御信号RST11がHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFD11を電源線VDD(またはVRst)の電位にリセットする。
ソースフォロワトランジスタSF11-TrのゲートにはフローティングディフュージョンFD11が接続され、選択トランジスタSEL11-Trは制御信号)SEL11により導通状態が制御される。
選択トランジスタSEL11-Trは、制御信号SEL11がHレベルの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF11-TrはフローティングディフュージョンFD11の電荷を電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換した列出力の読み出し電圧(信号)VSL(PIXOUT)を垂直信号線LSGNに出力する。
この場合、画素ユニットPU内の複数、すなわち、2,3、または4画素の画素信号を加算した加算信号が垂直信号線LSGNに送出され、カラム読み出し回路40に入力される。
画素部20においては、隣接する複数(本例では4つ)の同色画素PXを含む複数(本例では4)の画素ユニットPUにより形成される画素群PXG11,PXG112,PXG13,PXG14が2×2のマトリクス状に配置されている。本第1の実施形態の画素部20においては、隣接する複数(本例では4つ)の同色画素PXを含む複数(本例では4)の画素ユニットPUにより形成される通常画素群NPXGと、焦点機能を制御するための位相差情報を検出するための位相差検出画素群PDXGと、が混載され、画素群PXG11,PXG12,PXG14が通常画素群NPXG11,NPXG12,NPXG14として適用され、画素群PXG13の一部が位相差検出画素群PDXG10として援用されている。
位相差検出画素群PDXG10は、通常画素群NPXG11,NPXG12,NPXG14の画素ユニットPUを形成する画素NPXの数(4)より多い数(5以上、本例では2×4=8)の同色(本例では緑色(G))の位相差検出画素PDPXを含んで形成されている。
これに対して、位相差検出画素群PDXG10は、位相差検出画素群を形成する配置方向の中央領域ACTRにおける4つの位相差検出画素PDPXの光電変換部に光を入射する平面視して略円形をなすように形成された1つの共有型マイクロレンズCMCL10と、配置方向の端部領域AEDGにおける4つの画素PDPXの光電変換部に光を入射する平面視して略円形をなすように形成された4つの個別型マイクロレンズPMCL20が配置されている。
位相差検出画素群PDXG10は、たとえば、通常画素群NPXG11,NPXG12,NPXG14に隣接して配置されている2つの同色(G)の画素ユニットPU211,PU212を第1方向(X方向)に延設するようにして形成されている。
図15は、本発明の第2の実施形態に係る画素部の画素アレイにおける位相差検出画素群の形成例を示す図である。
図16は、本発明の第2の実施形態に係る画素アレイを形成する位相差検出画素群およびその隣接領域の一例を示す簡略断面図である。
図17は、本発明の第2の実施形態に係る画素アレイを形成する位相差検出画素群における素子分離部の形成例を示す図である。
同様に、中央領域ACTRの画素ユニットPU213において、第2の共有型マイクロレンズCMCL12が、第1の画素ユニットPU211の第4の同色画素DPX4の光電変換部PD4と第2の画素ユニットPU212の第7の同色画素DPX7の光電変換部PD7に光を入射するように配置されている。
すなわち、本第2の実施形態によれば、微細化画素においても位相差検出画素の感度低下を抑制することができ、入射光量の低い撮影シーンにおいても高速かつ良好な合焦性能を持つ高い位相差性能を実現することが可能となり、また、位相差検出画素群において同一の読み出しノードに同色の画素信号を、高画質でフレームレートを落とすことなく読み出すことが可能となる。
また、本第3の実施形態によれば、より優れた低照度PDAF(位相検出オートフォーカス)性能とより優れた遮光性能を同時に実現することが可能で、ひいてはより精度の高い画質を実現することが可能となる。
図18は、本発明の第3の実施形態に係る画素部の画素アレイにおける位相差検出画素群の形成例を示す図である。
同様に、第2の画素ユニットPU212において、第2の共有型マイクロレンズCMCL12Bが、第2の画素ユニットPU212の第5の同色画素DPX5の光電変換部PD5、第6の同色画素DPX6の光電変換部PD6、第7の同色画素DPX7の光電変換部PD7、および第8の同色画素DPX8の光電変換部PD8に光を入射するように配置されている。
すなわち、本第3の実施形態によれば、微細化画素においても位相差検出画素の感度低下を抑制することができ、入射光量の低い撮影シーンにおいても高速かつ良好な合焦性能を持つ高い位相差性能を実現することが可能となり、また、位相差検出画素群において同一の読み出しノードに同色の画素信号を、高画質でフレームレートを落とすことなく読み出すことが可能となる。
また、本第3の実施形態によれば、より優れた低照度PDAF(位相検出オートフォーカス)性能とより優れた遮光性能を同時に実現することが可能で、ひいてはより精度の高い画質を実現することが可能となる。
図19は、本発明の第4の実施形態に係る画素アレイを形成する位相差検出画素群における素子分離部の形成例を示す図である。
図20は、本発明の第5の実施形態に係る画素アレイを形成する位相差検出画素群における素子分離部の形成例を示す図である。
図21は、本発明の第6の実施形態に係る画素アレイを形成する位相差検出画素群における素子分離部の形成例を示す図である。
図22は、本発明の第7の実施形態に係る画素部の画素アレイにおける位相差検出画素群の形成例を示す図である。
そして、位相差検出画素群PDXG10には、位相差検出画素群を形成するすべての位相差検出画素PDPX(1~8)の光電変換部PDに光を入射する一つの共有型マイクロレンズCMCL20Fを含む。
すなわち、本第7の実施形態によれば、微細化画素においても位相差検出画素の感度低下を抑制することができ、入射光量の低い撮影シーンにおいても高速かつ良好な合焦性能を持つ高い位相差性能を実現することが可能となり、また、位相差検出画素群において同一の読み出しノードに同色の画素信号を、高画質でフレームレートを落とすことなく読み出すことが可能となる。
また、本第7の実施形態によれば、より優れた低照度PDAF(位相検出オートフォーカス)性能とより優れた遮光性能を同時に実現することが可能で、ひいてはより精度の高い画質を実現することが可能となる。
さらに、電子機器800は、このCMOSイメージセンサ810の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)820を有する。
電子機器800は、CMOSイメージセンサ810の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)830を有する。
信号処理回路830で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
Claims (31)
- 光電変換部を含む複数の画素がアレイ状に配置された画素部を有し、
前記画素部においては、
隣接する複数の同色画素を含む複数の画素ユニットにより形成される通常画素群と、
焦点機能を制御するための位相差情報を検出するための位相差検出画素群と、が混載され、
前記位相差検出画素群は、
少なくとも2つの位相差検出画素の光電変換部に光を入射する少なくとも一つの共有型マイクロレンズを含み、
前記画素部において、
前記画素間の境界部には不要な光の入射を防止する遮光膜が形成され、
少なくとも一部の前記画素の前記光電変換部には、当該光電変換部を複数に分離しつつ遮光する素子分離部が形成され、
前記位相差検出画素と前記通常画素の境界部、前記位相差検出画素群内の画素境界部のうちの少なくともいずれかで前記遮光膜または前記素子分離部は、遮光能力を強化するようにして形成されている
固体撮像装置。 - 前記画素部において、
異色画素間にだけ前記遮光膜が形成され、
前記位相差検出画素と通常画素の間だけ前記遮光膜または前記素子分離部は、遮光能力を強化するようにして形成されている
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記画素部において、
すべての画素間に前記遮光膜が形成され、
前記位相差検出画素と通常画素の間だけ前記遮光膜または前記素子分離部は、遮光能力を強化するようにして形成されている
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記画素部において、
すべての画素間に前記遮光膜が形成され、
前記位相差検出画素内には前記遮光膜は形成されておらず、
前記位相差検出画素と通常画素の間だけ前記遮光膜または前記素子分離部は、遮光能力を強化するようにして形成されている
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記画素部において、
すべての画素間に前記遮光膜が形成され、
前記位相差検出画素内には、画素配列の第1方向および前記第1方向に直交する第2方向のいずれか一方の方向における位相差検出画素間に遮光膜が形成され、
前記位相差検出画素と通常画素の間だけ前記遮光膜または前記素子分離部は、遮光能力を強化するようにして形成されている
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素と前記通常画素の境界部、前記位相差検出画素群内の画素境界部のうちの少なくともいずれかで前記遮光膜または前記素子分離部の膜幅が他の画素間領域の遮光膜または素子分離部より厚く形成されて遮光能力が強化されている
請求項1から5のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群は、
前記通常画素群の前記画素ユニットを形成する画素の数より多い数の同色の位相差検出画素を含んで形成されている
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群は、
前記通常画素群に隣接して配置されている少なくとも2つの画素ユニットを、第1方向および前記第1方向に直交する第2方向の少なくともいずれか一方の方向に延設するようにして形成されている
請求項7記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群は、
配置方向の中央領域における複数の位相差検出画素のうち少なくとも2つの位相差検出画素の光電変換部に光を入射する少なくとも一つの共有型マイクロレンズを含み、
前記中央領域における少なくとも一つの位相差検出画素により取得した位相差検出信号と他の同色の画素により取得した信号を同じ読み出しノードに読み出し可能である
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群は、
前記共有型マイクロレンズによる光が入射される一対の第1組の位相差検出画素と第2組の位相差検出画素を含み、
前記第1組の位相差検出画素から読み出された位相差検出信号と前記第2組の位相差検出画素から読み出された位相差検出信号とは異なる読み出しノードに読み込まれる
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する前記光電変換部としての光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される前記読み出しノードとしてのフローティングディフュージョンと、を含み、
前記位相差検出画素群においては、
前記位相差検出信号を取得するための前記中央領域における少なくとも一つの位相差検出画素と、前記信号を取得するための前記端部領域における画素は、前記フローティングディフュージョンを共有する共有構造を有する
請求項9または10記載の固体撮像装置。 - 前記画素部において、
前記画素間の境界部には不要な光の入射を防止する遮光膜が形成され、
前記位相差検出画素群においては、
前記位相差検出信号を取得するための前記中央領域における少なくとも一つの位相差検出画素と、前記信号を取得するための前記端部領域における画素間の境界部に、不要な光の入射を防止する遮光膜が前記端部領域における画素に空間的に重なるように形成されている
請求項11記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群において、
前記遮光膜は、画素配列の第1方向の縁部の膜厚が第2方向の縁部の膜厚より厚く形成されている
請求項12記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群は、
前記通常画素群に隣接して配置されている2つの第1の画素ユニットおよび第2の画素ユニットを第1方向および前記第1方向に直交する第2方向の少なくともいずれか一方の方向に延設するようにして形成され、
前記位相差検出画素群において、
前記第1の画素ユニットは、
第1の同色画素、第2の同色画素、第3の同色画素、および第4の同色画素の4つが、
第1方向または第2方向に、前記第1の同色画素と前記第2の同色画素が隣接するとともに、前記第3の同色画素と前記第4の同色画素が隣接し、
前記第1方向に直交する第2方向に、前記第1の同色画素と前記第3の同色画素が隣接するとともに、前記第2の同色画素と前記第4の同色画素が隣接するように正方配列され、
前記第2の画素ユニットは、
第5の同色画素、第6の同色画素、第7の同色画素、および第8の同色画素の4つが、
第1方向または第2方向に、前記第5の同色画素と前記第6の同色画素が隣接するとともに、前記第7の同色画素と前記第8の同色画素が隣接し、
前記第1方向または第2方向に直交する第2方向または第1方向に、前記第5の同色画素と前記第7の同色画素が隣接するとともに、前記第6の同色画素と前記第8の同色画素が隣接するように正方配列され、
前記第1の画素ユニットと前記第2の画素ユニットは、
第1方向または第2方向に、前記第2の同色画素と前記第5の同色画素が隣接するとともに、前記第4の同色画素と前記第7の同色画素が隣接するように配列され、
前記中央領域の画素ユニットは、
前記第1の画素ユニットの第2の同色画素、第4の同色画素、並びに、前記第2の画素ユニットの第5の同色画素、および第7の同色画素の4つが正方配列されて形成されている
請求項12記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群は、
前記第1の画素ユニットおける第1の同色画素、第2の同色画素、第3の同色画素、および第4の同色画素の4つが、第1の読み出しノードとしての第1のフローティングディフュージョンを共有する第1の共有構造と、
前記第2の画素ユニットにおける第5の同色画素、第6の同色画素、第7の同色画素、および第8の同色画素の4つが、第2の読み出しノードとしての第2のフローティングディフュージョンを共有する第2の共有構造と、を有する
請求項14記載の固体撮像装置。 - 前記中央領域の画素ユニットにおいては、
一つの前記共有型マイクロレンズが、
前記第1の画素ユニットの前記第2の同色画素の光電変換部、前記第4の同色画素の光電変換部、並びに、前記第2の画素ユニットの前記第5の同色画素の光電変換部、および前記第7の同色画素の光電変換部に光を入射するように配置されている
請求項15記載の固体撮像装置。 - 前記中央領域の画素ユニットにおいて、
前記第2の同色画素の光電変換部と前記第4の同色画素の光電変換部間、前記第5の同色画素の光電変換部と前記第7の同色画素の光電変換部間、前記第2の同色画素の光電変換部と前記第5の同色画素の光電変換部間、前記第4の同色画素の光電変換部と前記第7の同色画素の光電変換部間に、素子分離部が形成されている
請求項16記載の固体撮像装置。 - 前記中央領域の画素ユニットにおいて、
前記第2の同色画素の光電変換部と前記第4の同色画素の光電変換部間、前記第5の同色画素の光電変換部と前記第7の同色画素の光電変換部間に素子分離部が形成されず、前記第2の同色画素の光電変換部と前記第5の同色画素の光電変換部間、前記第4の同色画素の光電変換部と前記第7の同色画素の光電変換部間に、素子分離部が形成されている
請求項16記載の固体撮像装置。 - 前記中央領域の画素ユニットにおいて、
前記第2の同色画素の光電変換部と前記第4の同色画素の光電変換部間、前記第5の同色画素の光電変換部と前記第7の同色画素の光電変換部間に素子分離部が形成されず、前記第2の同色画素の光電変換部と前記第5の同色画素の光電変換部間、前記第4の同色画素の光電変換部と前記第7の同色画素の光電変換部間に、素子分離部が形成されていない
請求項16記載の固体撮像装置。 - 前記中央領域の画素ユニットにおいては、
第1の共有型マイクロレンズが、
前記第1の画素ユニットの前記第2の同色画素の光電変換部と前記第2の画素ユニットの前記第5の同色画素の光電変換部に光を入射するように配置され、
第2の共有型マイクロレンズが、
前記第1の画素ユニットの前記第4の同色画素の光電変換部と前記第2の画素ユニットの前記第7の同色画素の光電変換部に光を入射するように配置されている
請求項15記載の固体撮像装置。 - 前記中央領域の画素ユニットにおいて、
前記第2の同色画素の光電変換部と前記第4の同色画素の光電変換部間、前記第5の同色画素の光電変換部と前記第7の同色画素の光電変換部間、前記第2の同色画素の光電変換部と前記第5の同色画素の光電変換部間、前記第4の同色画素の光電変換部と前記第7の同色画素の光電変換部間に、素子分離部が形成されている
請求項20記載の固体撮像装置。 - 前記中央領域の画素ユニットにおいて、
前記第2の同色画素の光電変換部と前記第4の同色画素の光電変換部間、前記第5の同色画素の光電変換部と前記第7の同色画素の光電変換部間に素子分離部が形成され、前記第2の同色画素の光電変換部と前記第5の同色画素の光電変換部間、前記第4の同色画素の光電変換部と前記第7の同色画素の光電変換部間に、素子分離部が形成されていない
請求項20記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群において、
第1の個別型マイクロレンズが、
前記第1の画素ユニットの前記第1の同色画素の光電変換部に光を入射するように配置され、
第2の個別型マイクロレンズが、
前記第1の画素ユニットの前記第3の同色画素の光電変換部に光を入射するように配置され、
第3の個別型マイクロレンズが、
前記第2の画素ユニットの前記第6の同色画素の光電変換部に光を入射するように配置され、
第4の個別型マイクロレンズが、
前記第2の画素ユニットの前記第8の同色画素の光電変換部に光を入射するように配置されている
請求項14から22のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群において、
前記第1の端部領域を形成する前記第1の画素ユニットの前記第1の同色画素および前記第3の同色画素と、前記中央領域の画素ユニットの前記第2の同色画素および前記第4の同色画素との第1の境界部から前記第1の端部領域に向かって前記第1の個別型マイクロレンズおよび前記第2の個別型マイクロレンズに空間的に重なるように、不要な光の入射を防止する第1の遮光膜が形成され、
前記第2の端部領域を形成する前記第2の画素ユニットの前記第6の同色画素および前記第8の同色画素と、前記中央領域の画素ユニットの前記第5の同色画素および前記第7の同色画素との第2の境界部から第1の端部とは反対方向である第2の端部に向かって前記第3の個別型マイクロレンズおよび前記第4の個別型マイクロレンズに空間的に重なるように、不要な光の入射を防止する第2の遮光膜が形成されている
請求項23記載の固体撮像装置。 - 第1の共有型マイクロレンズが、
前記第1の画素ユニットの前記第1の同色画素の光電変換部、前記第2の同色画素の光電変換部、前記第3の同色画素の光電変換部、および前記第4の同色画素の光電変換部に光を入射するように配置され、
第2の共有型マイクロレンズが、
前記第2の画素ユニットの前記第5の同色画素の光電変換部、前記第6の同色画素の光電変換部、前記第7の同色画素の光電変換部、および前記第8の同色画素の光電変換部に光を入射するように配置され、
請求項15記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群の外縁部における通常画素との境界部には、前記他の画素間領域の遮光膜より膜幅が厚い遮光膜が形成され、
前記位相差検出画素群には、
前記位相差検出画素群を形成するすべての前記位相差検出画素の光電変換部に光を入射する一つの共有型マイクロレンズを含む
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群において、
前記遮光膜は、膜厚が外縁部全体にわたって一様である
請求項26記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群は、
前記通常画素群に隣接して配置されている2つの第1の画素ユニットおよび第2の画素ユニットを第1方向および前記第1方向に直交する第2方向の少なくともいずれか一方の方向に延設するようにして形成され、
前記位相差検出画素群において、
前記第1の画素ユニットは、
第1の同色画素、第2の同色画素、第3の同色画素、および第4の同色画素の4つが、
第1方向または第2方向に、前記第1の同色画素と前記第2の同色画素が隣接するとともに、前記第3の同色画素と前記第4の同色画素が隣接し、
前記第1方向に直交する第2方向に、前記第1の同色画素と前記第3の同色画素が隣接するとともに、前記第2の同色画素と前記第4の同色画素が隣接するように正方配列され、
前記第2の画素ユニットは、
第5の同色画素、第6の同色画素、第7の同色画素、および第8の同色画素の4つが、
第1方向または第2方向に、前記第5の同色画素と前記第6の同色画素が隣接するとともに、前記第7の同色画素と前記第8の同色画素が隣接し、
前記第1方向または第2方向に直交する第2方向または第1方向に、前記第5の同色画素と前記第7の同色画素が隣接するとともに、前記第6の同色画素と前記第8の同色画素が隣接するように正方配列され、
前記第1の画素ユニットと前記第2の画素ユニットは、
第1方向または第2方向に、前記第2の同色画素と前記第5の同色画素が隣接するとともに、前記第4の同色画素と前記第7の同色画素が隣接するように配列されている
請求項26記載の固体撮像装置。 - 前記位相差検出画素群において、
一つの前記共有型マイクロレンズが、
前記第1の画素ユニットの前記第1の同色画素の光電変換部、前記第2の同色画素の光電変換部、前記第3の同色画素の光電変換部、前記第4の同色画素の光電変換部、並びに、前記第2の画素ユニットの前記第5の同色画素の光電変換部、前記第6の同色画素の光電変換部、前記第7の同色画素の光電変換部、および前記第8の同色画素の光電変換部に光を入射するように配置されている
請求項28記載の固体撮像装置。 - 光電変換部を含む複数の画素がアレイ状に配置された画素部を有し、
前記画素部においては、
隣接する複数の同色画素を含む複数の画素ユニットにより形成される通常画素群と、
焦点機能を制御するための位相差情報を検出するための位相差検出画素群と、が混載されている固体撮像装置の製造方法であって、
前記位相差検出画素群の形成工程において、
少なくとも2つの位相差検出画素の光電変換部に光を入射する少なくとも一つの共有型マイクロレンズを形成し、
前記画素部において、
前記画素間の境界部には不要な光の入射を防止する遮光膜を形成し、
少なくとも一部の前記画素の前記光電変換部には、当該光電変換部を複数に分離しつつ遮光する素子分離部を形成し、
前記位相差検出画素と前記通常画素の境界部、前記位相差検出画素群内の画素境界部のうちの少なくともいずれかで前記遮光膜または前記素子分離部は、遮光能力を強化するように形成する
固体撮像装置の製造方法。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
光電変換部を含む複数の画素がアレイ状に配置された画素部を有し、
前記画素部においては、
隣接する複数の同色画素を含む複数の画素ユニットにより形成される通常画素群と、
焦点機能を制御するための位相差情報を検出するための位相差検出画素群と、が混載され、
前記位相差検出画素群は、
少なくとも2つの位相差検出画素の光電変換部に光を入射する少なくとも一つの共有型マイクロレンズを含み、
前記画素部において、
前記画素間の境界部には不要な光の入射を防止する遮光膜が形成され、
少なくとも一部の前記画素の前記光電変換部には、当該光電変換部を複数に分離しつつ遮光する素子分離部が形成され、
前記位相差検出画素と前記通常画素の境界部、前記位相差検出画素群内の画素境界部のうちの少なくともいずれかで前記遮光膜または前記素子分離部は、遮光能力を強化するようにして形成されている
電子機器。
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