JP3658399B2 - Ａｅａｆ用固体撮像装置及び同撮像装置を用いたカメラ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＡＥＡＦ用固体撮像装置に係わり、特にレンズシャッタコンパクトカメラに用いられるパッシブ型のＡＥＡＦ用固体撮像装置に好適に用いられるものである。
【０００２】
更に、本発明は前記ＡＥＡＦ用固体撮像装置を用いたカメラに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、レンズシャッタコンパクトカメラ用の測光（ＡＥ）機能を搭載したオートフォーカス（ＡＦ）センサとして、特許文献１に示されている測光測距用固体撮像装置がある。この固体撮像装置の概略的平面レイアウト図を図７に示す。同図において、３０は測光用センサアレイ、３２は測光用センターセグメント、３４Ａ〜３４Ｄは測光（ＡＥ）用インナーセグメント、３６Ａ〜３６Ｄは測光用アウターセグメント、４０と４２は測距（ＡＦ）用センサアレイ、４４ｌ−ｎと４６ｌ−ｎは画素、５０はＳｉ半導体基板、ＨとＷは測光領域のサイズ、Ｄは基線長である。
【０００４】
本センサは位相差検出による測距を行うため、ＡＦ用センサアレイ４０とＡＦ用センサアレイ４２のリニアセンサが２つ必要となる。画素ピッチをＰ、ＡＦ用の結像レンズの焦点距離をｆとすると、測距精度を示すＡＦ敏感度は、
ＡＦ敏感度＝Ｄ×ｆ／Ｐ
と表すことができる。現在、このＡＦ敏感度が５０００程度の固体撮像装置が実現されている。画素ピッチが１０μｍ程度でレンズ焦点距離が数ｍｍであれば、基線長Ｄは５ｍｍ〜８ｍｍとなる。そのため、ＡＦ用センサアレイ（リニアセンサ）４０とＡＦ用センサアレイ（リニアセンサ）４２の間に無効領域が存在することにはなるが、ＡＥセンサ３０を設けることにより、半導体基板を有効に使うことが可能となっている。またＡＥセンサとＡＦセンサをワンチップすることにより、カメラの小型化と低価格化の実現にも寄与している。
【０００５】
図８に図７のＢ−Ｂ’領域の断面構造図を示す。但し、説明のために、ＡＦセンサとＡＥセンサのフォトダイオード数を減らして図示している。同図において、７１はＮ型Ｓｉ基板、７２はＮ型エピタキシャル層、７３はＰ型ウェル（ＰＷＬ）、７４はＮ+型不純物拡散領域、７５は薄い酸化膜、７６は素子分離領域である厚い酸化膜（ＬＯＣＯＳ）、７７はＡＬ配線、７８は層間絶縁膜である。ＰＷＬ７３とＮ+型不純物拡散領域７４でＰＮ接合フォトダイオードを形成する。ＡＥセンサ領域とＡＦセンサ領域のフォトダイオードに光が入射すると、半導体中で光電変換が行われ、電子正孔対が発生する。このうち正孔（図中黒丸●で示す）はＰＷＬ７３を介してＧＮＤに排出され、電子（図中白丸○で示す）はフローティングのＡＥセンサ領域のＮ+型不純物拡散領域７４とＡＦセンサ領域のＮ+型不純物拡散領域７４に蓄積される。このＮ+型不純物拡散領域７４に集められた電子を不図示の増幅素子で電圧変換することによりＡＥ信号とＡＦ信号が生成される。
【０００６】
一般にカメラで用いられるＡＦ方式は、大きく分けてアクティブ型とパッシブ型に分類される。アクティブ型はカメラに備えられた赤外光投光装置から赤外光を被写体に投射して、被写体からの赤外反射光を利用するものであり、完全な暗闇でもＡＦが可能である特徴を持つ。その反面、赤外光が到達しない遠距離の被写体に対してはＡＦができなくなる弱点を有する。他方のパッシブ型はアクティブ型と異なり、被写体の輝度信号そのものを利用するため、距離による制限はないが、被写体の輝度が低いとＡＦができなくなる弱点を有する。このパッシブ型の弱点を克服するために、現在では、低輝度時に補助光を投光するＡＦ補助光システムが実現されている。但し、この補助光が可視光であると人間の目に眩しく感じるため、近赤外光にすることが望ましいとされている。そのためにはＡＦセンサとしての分光感度特性は近赤外にピーク感度を持つことが望ましい。但し、実際の製品は近赤外光による補助光ではなく、６００〜７００ｎｍにピークを持つ近赤外成分を含む赤色光を補助光としているものが多い。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５３０２９９７号（ＵＳＰ５３０２９９７）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来例では、ＡＦセンサ領域のフォトダイオードとＡＥセンサ領域のフォトダイオードが同一のウェル中に形成されているため、それぞれに最適な分光感度特性に設定できないという課題を有していた。特にＡＥセンサは赤外光に感度を有すると色温度の違いによる測光誤差が大きくなるため、光学システムに視感度補正フィルタが要求される。これはカメラの高価格化と大型化を引き起こすため、コンパクトカメラには採用するのが難しい。そのため、従来のコンパクトカメラ用の測光測距用固体撮像装置においては、ＡＦセンサの分光感度をＡＥセンサに合わせなければならなかった。
【０００９】
本発明の目的は、ＡＥセンサとＡＦセンサのそれぞれの分光感度特性が、それぞれの目的とする機能に応じて最適な分光感度特性を有するＡＥＡＦ用固体撮像装置を実現することにある。更なる本発明の目的は、光学系の視感度補正フィルタの削減を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、オートフォーカスを行うためのＡＦ用光電変換素子、撮影領域を測光するためのＡＥ用光電変換素子が同一半導体基板上に集積された固体撮像装置において、前記ＡＦ用光電変換素子自体の分光感度特性のピーク波長が前記ＡＥ用光電変換素子自体のピーク波長よりも長波長側にシフトしており、前記ＡＦ用光電変換素子自体の分光感度特性が近赤外領域に延在し、前記ＡＦ用光電変換素子がエピタキシャル層に設けられ、前記ＡＥ用光電変換素子が前記エピタキシャル層内に設けられたウェル中に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
更には、ＡＥ用光電変換素子（ＡＥセンサ）における分光感度特性のピーク波長が５００ｎｍ付近であり、ＡＦ用光電変換素子（ＡＦセンサ）における分光感度特性のピーク波長は６５０〜７００ｎｍにあり、近赤外領域にも十分な感度を有していることが望ましい。この場合、ＡＥセンサの分光感度特性が人間の視感度特性と近くなり、かつ赤外感度を低くすることができるため、色温度による測光誤差を低減することが可能となり、視感度補正フィルタが不要となる。また、ＡＦセンサの分光感度特性のピーク波長を近赤外領域に拡大することにより、ＡＦセンサの高感度化と補助光によるＡＦ動作可能範囲を拡大することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
（実施形態１）
図１は本発明の特徴を最もよく表す図面であり、本発明による固体撮像装置の概略的断面構造図である。また図２に本発明による固体撮像装置の概略的平面レイアウト図を示す。図１は図２のＡ−Ａ’部分の断面図である。本実施形態はＮ-型エピタキシャルウエハを用いたＰ型ウェル（ＰＷＬ）とＮ型ウェル（ＮＷＬ）のツインウェル構成のＣＭＯＳプロセスで製造した固体撮像装置である。
【００１４】
図１において、１０１はＮ型Ｓｉ基板、１０２はＮ-型エピタキシャル層、１０３はＰ型ウェル（ＰＷＬ）、１０４はＮ型ウェル（ＮＷＬ）、１０５はＮ+型不純物拡散領域（ＮＳＤ）、１０６はＰ+型不純物拡散領域（ＰＳＤ）、１０７はゲート酸化膜、１０８は素子分離領域である厚い選択酸化膜、１０９はＭＯＳトランジスタのゲートを兼ねるＰＯＬ（ポリシリコン）配線、１１０は層間絶縁膜、１１１はＡＬ（アルミニウム）配線、１１２は遮光膜であるＡＬ膜、１１３は表面保護膜であるＳｉＯＮ膜である。ＰＷＬ１０３とＮＳＤ１０５でＡＥフォトダイオード領域２０５のＰＮ接合フォトダイオードを形成し、Ｎ-型エピタキシャル層１０２とＰＳＤ１０６でＡＦフォトダイオード領域２０３，２０４のＰＮ接合フォトダイオードを形成する。またアナログ回路領域２０６，２０７内では、ＰＷＬ及びＮＷＬとＮ+型不純物拡散領域及びＰ+型不純物拡散領域、及びＰＯＬ（ポリシリコン）配線１０９によりＭＯＳ型トランジスタが形成される。
【００１５】
図２において、２００はＳｉ半導体基板（図１のＮ型Ｓｉ基板１０１に対応する）、２０１と２０２はＡＦセンサ領域、２０３と２０４はＡＦセンサ用フォトダイオード領域、２０５はＡＥフォトダイオード領域、２０６と２０７はアナログ回路領域、２０８はディジタル回路領域である。ＡＦセンサ領域２０１、２０２は７点測距を行うために、それぞれ７つのＡＦセンサブロックからなり、ＡＦセンサ領域２０１、２０２の各ＡＦセンサブロックはＡＦセンサ用フォトダイオード領域２０３、２０４を含むＣＭＯＳリニア型ＡＦセンサ回路である。ＣＭＯＳリニア型ＡＦセンサ回路は、例えば日本国特許公開公報番号２０００−１８０７０６号に開示されている。
【００１６】
本実施形態において、ＡＦセンサのフォトダイオードはＮ-型エピタキシャル層１０２中に形成されており、ＡＥセンサのフォトダイオードはＰ型ウェル１０３中に形成されている。本実施形態において、エピタキシャル層の膜厚は５〜１０μｍ、ＰＷＬの接合深さは１μｍ以下として設計しているため、ＡＦセンサのフォトダイオードはＡＥセンサのフォトダイオードより深い半導体領域からの光電荷（より長波長光で発生する電荷）の収集が可能となる。
【００１７】
また、Ｎ-型エピタキシャル層１０２は、Ｐ型ウェル１０３よりも不純物濃度が薄い方が好ましい。具体的にはＮ-型エピタキシャル層１０２の不純物濃度が５×１０15ｃｍ-3 程度であり、Ｐ型ウェル１０３の不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3程度である。それによって、ＡＥ用フォトダイオードに比べＡＦ用フォトダイオードの空乏層をより下側に拡げることができ、ＡＦセンサにおいて更なる長波長側での分光感度特性の改善が可能となった。
【００１８】
図３に本実施形態におけるＡＥセンサとＡＦセンサの分光感度特性を示す。ＡＦセンサのピーク波長を６５０〜７００ｎｍにすることで近赤外領域まで十分な感度を持たせることによって、近赤外光を利用した補助光システムの実現が可能となった。また、ＡＥセンサのピーク波長を５００ｎｍにすることで赤外感度を低くすることが可能となり、視感度補正フィルタ（赤外カットフィルタ）の削減が可能となった。
【００１９】
本実施形態により、ＡＥセンサとＡＦセンサの分光感度特性が最適化されている測光測距用固体撮像装置の実現が可能となった。本実施形態においてＮ-型エピタキシャルウエハについて説明したが、Ｐ-型エピタキシャルウエハを用いても、フォトダイオードの極性を変えることで、同様の効果を得ることができる。また、本発明はＣＭＯＳセンサのみならず、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device），ＢＡＳＩＳ（Base-Stored Image Sensor）、ＳＩＴ（Static Induction Transistor）、ＣＭＤ（Charge Modulation Device）、ＡＭＩ（Amplified MOS Imager）等にも応用可能である。
【００２０】
（実施形態２）
図４は本発明に係わる第２の実施形態を施した固体撮像装置の断面構造図を示したものである。同図において、２１０はＮ+型不純物埋込層（ＮＢＬ）である。本実施形態では第１の実施形態と比べて、Ｎ型Ｓｉ基板１０１とＮ-エピタキシャル層１０２との間にＮＢＬ２１０を設けており、ＮＢＬによる電位障壁により、Ｓｉ基板１０１内部からの拡散電流がＡＦセンサフォトダイオードへ流入することを防止することが可能となった。特に、ＡＦセンサ用フォトダイオードはエピタキシャル層中に形成されているために、Ｓｉ基板１０１からの拡散電流の影響が大きいため、本実施形態が非常に有効となる。また、プロセス的に内部（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）ゲッタリング処理を行うことにより、更なる暗電流低減が可能となる。
【００２１】
本実施形態において、ＡＦセンサ用フォトダイオードで発生する暗電流が低減されたことにより、今まで以上に測距性能が向上したＡＥＡＦ用固体撮像装置が実現した。
【００２２】
（実施形態３）
図５は本発明に係わる第３の実施形態を施した固体撮像装置の断面構造図を示したものである。同図において、３００は低濃度Ｐ型ウェルである。第１実施形態１と第２実施形態においてＡＦセンサ用フォトダイオードはエピタキシャル層に設けられていたが、本実施形態では不純物濃度が薄く、かつ、接合深さの深いＰＷＬ３００中に設けられている。通常のＰＷＬ１０３は表面濃度が１×１０17ｃｍ-3程度で、接合の深さが１μｍ以下であるのに対し、深いＰＷＬ３００は高エネルギーイオン注入装置により、表面付近の不純物濃度が１×１０16ｃｍ-3程度で、ＰＷＬの接合の深さが２μｍ以上になるように形成している。従って、ＡＦセンサもＡＥセンサと同様にＰＷＬ中に形成されるので、基本的にはエピタキシャル層が不要となる。
【００２３】
本実施形態において、ＰＷＬの不純物濃度を薄くしてＡＦ用フォトダイオードの空乏層をＰＷＬ側に拡げることで、ＡＦセンサにおける長波長側での分光感度特性での改善が可能となった。また、ＰＷＬの接合深さも深くしたことにより、更なる長波長側の感度向上が可能となる。
【００２４】
本実施形態により、エピタキシャル層を用いずに、ＡＦセンサの分光感度特性が改善されたＡＥＡＦ用固体撮像装置が実現できた。エピタキシャル層が不要となるため、低コスト化が可能となった。
【００２５】
（実施形態４）
次に、以上の実施形態で説明したＡＥＡＦ用固体撮像装置を用いた撮像装置について説明する。図６は本発明のＡＥＡＦ用固体撮像装置をレンズシャッタディジタルコンパクトカメラに用いた場合の一実施形態を示すブロック図である。図６において、３０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、３０２は被写体の光学像を固体撮像素子３０４に結像するレンズ、３０３はレンズ３０２を通った光量を可変するための絞り、３０４はレンズ３０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子である。
【００２６】
また、３０５は以上の実施形態で説明したＡＥＡＦ用固体撮像装置である。例えば、図１、図２の実施形態のものを用いるものとする。３０６は固体撮像素子３０４やＡＥＡＦ用固体撮像装置３０５から出力される画像信号、ＡＥ信号、ＡＦ信号を信号処理する撮像信号処理回路、３０７は撮像信号処理回路３０６からの出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器、３０８はＡ／Ｄ変換器３０７より出力された画像データに対する各種の補正やデータを圧縮する信号処理部、３０９は固体撮像素子３０４、撮像信号処理回路３０６、Ａ／Ｄ変換器３０７、信号処理部３０８等に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、３１０は各種演算とカメラ全体を制御する全体制御・演算部、３１１は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部である。
【００２７】
更に、３１２は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、３１３は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、３１４は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【００２８】
次に、このようなレンズシャッタディジタルコンパクトカメラの撮影時の動作について説明する。バリア３０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器３０７等の撮像系回路の電源がオンされる。次いで、露光量を制御するために全体制御・演算部３１０は絞り３０３を開放にし、ＡＥＡＦ用固体撮像素子３０５のＡＥセンサから出力された信号がＡ／Ｄ変換器３０７で変換された後、信号処理部３０８に入力され、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部３１０で行う。
【００２９】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部３１０は絞り３０３を調節する。また、測光測距用固体撮像装置３０５のＡＦセンサから出力された信号をもとに前述のような位相差検出により被写体までの距離の演算を全体制御・演算部３１０で行う。その後、レンズ３０２を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は再びレンズ３０２を駆動して測距を行い、オートフォーカス制御を行う。
【００３０】
次いで、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子３０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器３０７でＡ−Ｄ変換され、信号処理部３０８を通り全体制御・演算３１０によりメモリ部３１１に書き込まれる。その後、メモリ部３１１に蓄積されたデータは全体制御・演算部３１０の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部３１２を通り着脱可能な記録媒体３１３に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部３１４を通り直接コンピュータ等に入力してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高性能な測光（ＡＥ）性能と測距（ＡＦ）性能を有する固体撮像装置が１チップで実現可能となり、システム的にもＡＥ光学系の視感度補正フィルタが不要となるため、本固体撮像装置を用いたレンズシャッタコンパクトカメラにおいて、カメラの小型化、高性能化、低価格化が実現した。
【００３２】
本発明はコンパクトアナログ（銀塩）カメラのみならず、コンパクトディジタルカメラでも同様の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における断面構造図である。
【図２】本発明の第１実施形態における平面レイアウト図である。
【図３】本発明の第１実施形態におけるＡＥ及びＡＦセンサの分光感度特性である。
【図４】本発明の第２実施形態における断面構造図である。
【図５】本発明の第３実施形態における断面構造図である。
【図６】本発明のＡＥＡＦ用固体撮像装置を用いた場合の撮像装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図７】従来の固体撮像装置の平面レイアウト図である。
【図８】従来の固体撮像装置の断面構造図である。
【符号の説明】
３０ 測光（ＡＥ）セグメントアレイ
３２ ＡＥセンターセグメント
３４Ａ〜３４Ｄ ＡＥインナーセグメント
３６Ａ〜３６Ｄ ＡＥアウターセグメント
４０、４２ 測距（ＡＦ）センサアレイ
４４、４６ 画素
５０、７１、１０１、２００ 半導体基板
７２、１０２ Ｎ-エピタキシャル層
７３、１０３ ＰＷＬ
７４、１０５ Ｎ+不純物領域
７５、１０７ ゲート酸化膜
７６、１０８ 選択酸化膜
７７、１１１ ＡＬ配線
７８、１１０ 層間絶縁膜
１０１ Ｎ型Ｓｉ基板
１０４ ＮＷＬ
１０６ Ｐ+不純物領域
１０９ ＰＯＬ配線
１１２ 遮光膜
１１３ 表面保護膜
２０１、２０２ ＡＦセンサ領域
２０３、２０４ ＡＦフォトダイオード領域
２０５ ＡＥフォトダイオード領域
２０６、２０７ アナログ回路領域
２０８ ディジタル回路領域
２１０ Ｎ+型埋込拡散層
３００ 低濃度ＰＷＬ
３０１ バリア
３０２ レンズ
３０３ 絞り
３０４ 固体撮像素子
３０５ ＡＥＡＦ用固体撮像装置
３０６ 撮像信号処理回路
３０７ Ａ／Ｄ変換器
３０８ 信号処理部
３０９ タイミング発生部
３１０ 全体制御・演算部
３１１ メモリ部
３１２ 記録媒体制御Ｉ／Ｆ部（インターフェース部）
３１３ 記録媒体
３１４ 外部Ｉ／Ｆ部（インターフェース部）
【発明の属する技術分野】
本発明はＡＥＡＦ用固体撮像装置に係わり、特にレンズシャッタコンパクトカメラに用いられるパッシブ型のＡＥＡＦ用固体撮像装置に好適に用いられるものである。
【０００２】
更に、本発明は前記ＡＥＡＦ用固体撮像装置を用いたカメラに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、レンズシャッタコンパクトカメラ用の測光（ＡＥ）機能を搭載したオートフォーカス（ＡＦ）センサとして、特許文献１に示されている測光測距用固体撮像装置がある。この固体撮像装置の概略的平面レイアウト図を図７に示す。同図において、３０は測光用センサアレイ、３２は測光用センターセグメント、３４Ａ〜３４Ｄは測光（ＡＥ）用インナーセグメント、３６Ａ〜３６Ｄは測光用アウターセグメント、４０と４２は測距（ＡＦ）用センサアレイ、４４ｌ−ｎと４６ｌ−ｎは画素、５０はＳｉ半導体基板、ＨとＷは測光領域のサイズ、Ｄは基線長である。
【０００４】
本センサは位相差検出による測距を行うため、ＡＦ用センサアレイ４０とＡＦ用センサアレイ４２のリニアセンサが２つ必要となる。画素ピッチをＰ、ＡＦ用の結像レンズの焦点距離をｆとすると、測距精度を示すＡＦ敏感度は、
ＡＦ敏感度＝Ｄ×ｆ／Ｐ
と表すことができる。現在、このＡＦ敏感度が５０００程度の固体撮像装置が実現されている。画素ピッチが１０μｍ程度でレンズ焦点距離が数ｍｍであれば、基線長Ｄは５ｍｍ〜８ｍｍとなる。そのため、ＡＦ用センサアレイ（リニアセンサ）４０とＡＦ用センサアレイ（リニアセンサ）４２の間に無効領域が存在することにはなるが、ＡＥセンサ３０を設けることにより、半導体基板を有効に使うことが可能となっている。またＡＥセンサとＡＦセンサをワンチップすることにより、カメラの小型化と低価格化の実現にも寄与している。
【０００５】
図８に図７のＢ−Ｂ’領域の断面構造図を示す。但し、説明のために、ＡＦセンサとＡＥセンサのフォトダイオード数を減らして図示している。同図において、７１はＮ型Ｓｉ基板、７２はＮ型エピタキシャル層、７３はＰ型ウェル（ＰＷＬ）、７４はＮ+型不純物拡散領域、７５は薄い酸化膜、７６は素子分離領域である厚い酸化膜（ＬＯＣＯＳ）、７７はＡＬ配線、７８は層間絶縁膜である。ＰＷＬ７３とＮ+型不純物拡散領域７４でＰＮ接合フォトダイオードを形成する。ＡＥセンサ領域とＡＦセンサ領域のフォトダイオードに光が入射すると、半導体中で光電変換が行われ、電子正孔対が発生する。このうち正孔（図中黒丸●で示す）はＰＷＬ７３を介してＧＮＤに排出され、電子（図中白丸○で示す）はフローティングのＡＥセンサ領域のＮ+型不純物拡散領域７４とＡＦセンサ領域のＮ+型不純物拡散領域７４に蓄積される。このＮ+型不純物拡散領域７４に集められた電子を不図示の増幅素子で電圧変換することによりＡＥ信号とＡＦ信号が生成される。
【０００６】
一般にカメラで用いられるＡＦ方式は、大きく分けてアクティブ型とパッシブ型に分類される。アクティブ型はカメラに備えられた赤外光投光装置から赤外光を被写体に投射して、被写体からの赤外反射光を利用するものであり、完全な暗闇でもＡＦが可能である特徴を持つ。その反面、赤外光が到達しない遠距離の被写体に対してはＡＦができなくなる弱点を有する。他方のパッシブ型はアクティブ型と異なり、被写体の輝度信号そのものを利用するため、距離による制限はないが、被写体の輝度が低いとＡＦができなくなる弱点を有する。このパッシブ型の弱点を克服するために、現在では、低輝度時に補助光を投光するＡＦ補助光システムが実現されている。但し、この補助光が可視光であると人間の目に眩しく感じるため、近赤外光にすることが望ましいとされている。そのためにはＡＦセンサとしての分光感度特性は近赤外にピーク感度を持つことが望ましい。但し、実際の製品は近赤外光による補助光ではなく、６００〜７００ｎｍにピークを持つ近赤外成分を含む赤色光を補助光としているものが多い。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５３０２９９７号（ＵＳＰ５３０２９９７）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来例では、ＡＦセンサ領域のフォトダイオードとＡＥセンサ領域のフォトダイオードが同一のウェル中に形成されているため、それぞれに最適な分光感度特性に設定できないという課題を有していた。特にＡＥセンサは赤外光に感度を有すると色温度の違いによる測光誤差が大きくなるため、光学システムに視感度補正フィルタが要求される。これはカメラの高価格化と大型化を引き起こすため、コンパクトカメラには採用するのが難しい。そのため、従来のコンパクトカメラ用の測光測距用固体撮像装置においては、ＡＦセンサの分光感度をＡＥセンサに合わせなければならなかった。
【０００９】
本発明の目的は、ＡＥセンサとＡＦセンサのそれぞれの分光感度特性が、それぞれの目的とする機能に応じて最適な分光感度特性を有するＡＥＡＦ用固体撮像装置を実現することにある。更なる本発明の目的は、光学系の視感度補正フィルタの削減を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、オートフォーカスを行うためのＡＦ用光電変換素子、撮影領域を測光するためのＡＥ用光電変換素子が同一半導体基板上に集積された固体撮像装置において、前記ＡＦ用光電変換素子自体の分光感度特性のピーク波長が前記ＡＥ用光電変換素子自体のピーク波長よりも長波長側にシフトしており、前記ＡＦ用光電変換素子自体の分光感度特性が近赤外領域に延在し、前記ＡＦ用光電変換素子がエピタキシャル層に設けられ、前記ＡＥ用光電変換素子が前記エピタキシャル層内に設けられたウェル中に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
更には、ＡＥ用光電変換素子（ＡＥセンサ）における分光感度特性のピーク波長が５００ｎｍ付近であり、ＡＦ用光電変換素子（ＡＦセンサ）における分光感度特性のピーク波長は６５０〜７００ｎｍにあり、近赤外領域にも十分な感度を有していることが望ましい。この場合、ＡＥセンサの分光感度特性が人間の視感度特性と近くなり、かつ赤外感度を低くすることができるため、色温度による測光誤差を低減することが可能となり、視感度補正フィルタが不要となる。また、ＡＦセンサの分光感度特性のピーク波長を近赤外領域に拡大することにより、ＡＦセンサの高感度化と補助光によるＡＦ動作可能範囲を拡大することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
（実施形態１）
図１は本発明の特徴を最もよく表す図面であり、本発明による固体撮像装置の概略的断面構造図である。また図２に本発明による固体撮像装置の概略的平面レイアウト図を示す。図１は図２のＡ−Ａ’部分の断面図である。本実施形態はＮ-型エピタキシャルウエハを用いたＰ型ウェル（ＰＷＬ）とＮ型ウェル（ＮＷＬ）のツインウェル構成のＣＭＯＳプロセスで製造した固体撮像装置である。
【００１４】
図１において、１０１はＮ型Ｓｉ基板、１０２はＮ-型エピタキシャル層、１０３はＰ型ウェル（ＰＷＬ）、１０４はＮ型ウェル（ＮＷＬ）、１０５はＮ+型不純物拡散領域（ＮＳＤ）、１０６はＰ+型不純物拡散領域（ＰＳＤ）、１０７はゲート酸化膜、１０８は素子分離領域である厚い選択酸化膜、１０９はＭＯＳトランジスタのゲートを兼ねるＰＯＬ（ポリシリコン）配線、１１０は層間絶縁膜、１１１はＡＬ（アルミニウム）配線、１１２は遮光膜であるＡＬ膜、１１３は表面保護膜であるＳｉＯＮ膜である。ＰＷＬ１０３とＮＳＤ１０５でＡＥフォトダイオード領域２０５のＰＮ接合フォトダイオードを形成し、Ｎ-型エピタキシャル層１０２とＰＳＤ１０６でＡＦフォトダイオード領域２０３，２０４のＰＮ接合フォトダイオードを形成する。またアナログ回路領域２０６，２０７内では、ＰＷＬ及びＮＷＬとＮ+型不純物拡散領域及びＰ+型不純物拡散領域、及びＰＯＬ（ポリシリコン）配線１０９によりＭＯＳ型トランジスタが形成される。
【００１５】
図２において、２００はＳｉ半導体基板（図１のＮ型Ｓｉ基板１０１に対応する）、２０１と２０２はＡＦセンサ領域、２０３と２０４はＡＦセンサ用フォトダイオード領域、２０５はＡＥフォトダイオード領域、２０６と２０７はアナログ回路領域、２０８はディジタル回路領域である。ＡＦセンサ領域２０１、２０２は７点測距を行うために、それぞれ７つのＡＦセンサブロックからなり、ＡＦセンサ領域２０１、２０２の各ＡＦセンサブロックはＡＦセンサ用フォトダイオード領域２０３、２０４を含むＣＭＯＳリニア型ＡＦセンサ回路である。ＣＭＯＳリニア型ＡＦセンサ回路は、例えば日本国特許公開公報番号２０００−１８０７０６号に開示されている。
【００１６】
本実施形態において、ＡＦセンサのフォトダイオードはＮ-型エピタキシャル層１０２中に形成されており、ＡＥセンサのフォトダイオードはＰ型ウェル１０３中に形成されている。本実施形態において、エピタキシャル層の膜厚は５〜１０μｍ、ＰＷＬの接合深さは１μｍ以下として設計しているため、ＡＦセンサのフォトダイオードはＡＥセンサのフォトダイオードより深い半導体領域からの光電荷（より長波長光で発生する電荷）の収集が可能となる。
【００１７】
また、Ｎ-型エピタキシャル層１０２は、Ｐ型ウェル１０３よりも不純物濃度が薄い方が好ましい。具体的にはＮ-型エピタキシャル層１０２の不純物濃度が５×１０15ｃｍ-3 程度であり、Ｐ型ウェル１０３の不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3程度である。それによって、ＡＥ用フォトダイオードに比べＡＦ用フォトダイオードの空乏層をより下側に拡げることができ、ＡＦセンサにおいて更なる長波長側での分光感度特性の改善が可能となった。
【００１８】
図３に本実施形態におけるＡＥセンサとＡＦセンサの分光感度特性を示す。ＡＦセンサのピーク波長を６５０〜７００ｎｍにすることで近赤外領域まで十分な感度を持たせることによって、近赤外光を利用した補助光システムの実現が可能となった。また、ＡＥセンサのピーク波長を５００ｎｍにすることで赤外感度を低くすることが可能となり、視感度補正フィルタ（赤外カットフィルタ）の削減が可能となった。
【００１９】
本実施形態により、ＡＥセンサとＡＦセンサの分光感度特性が最適化されている測光測距用固体撮像装置の実現が可能となった。本実施形態においてＮ-型エピタキシャルウエハについて説明したが、Ｐ-型エピタキシャルウエハを用いても、フォトダイオードの極性を変えることで、同様の効果を得ることができる。また、本発明はＣＭＯＳセンサのみならず、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device），ＢＡＳＩＳ（Base-Stored Image Sensor）、ＳＩＴ（Static Induction Transistor）、ＣＭＤ（Charge Modulation Device）、ＡＭＩ（Amplified MOS Imager）等にも応用可能である。
【００２０】
（実施形態２）
図４は本発明に係わる第２の実施形態を施した固体撮像装置の断面構造図を示したものである。同図において、２１０はＮ+型不純物埋込層（ＮＢＬ）である。本実施形態では第１の実施形態と比べて、Ｎ型Ｓｉ基板１０１とＮ-エピタキシャル層１０２との間にＮＢＬ２１０を設けており、ＮＢＬによる電位障壁により、Ｓｉ基板１０１内部からの拡散電流がＡＦセンサフォトダイオードへ流入することを防止することが可能となった。特に、ＡＦセンサ用フォトダイオードはエピタキシャル層中に形成されているために、Ｓｉ基板１０１からの拡散電流の影響が大きいため、本実施形態が非常に有効となる。また、プロセス的に内部（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）ゲッタリング処理を行うことにより、更なる暗電流低減が可能となる。
【００２１】
本実施形態において、ＡＦセンサ用フォトダイオードで発生する暗電流が低減されたことにより、今まで以上に測距性能が向上したＡＥＡＦ用固体撮像装置が実現した。
【００２２】
（実施形態３）
図５は本発明に係わる第３の実施形態を施した固体撮像装置の断面構造図を示したものである。同図において、３００は低濃度Ｐ型ウェルである。第１実施形態１と第２実施形態においてＡＦセンサ用フォトダイオードはエピタキシャル層に設けられていたが、本実施形態では不純物濃度が薄く、かつ、接合深さの深いＰＷＬ３００中に設けられている。通常のＰＷＬ１０３は表面濃度が１×１０17ｃｍ-3程度で、接合の深さが１μｍ以下であるのに対し、深いＰＷＬ３００は高エネルギーイオン注入装置により、表面付近の不純物濃度が１×１０16ｃｍ-3程度で、ＰＷＬの接合の深さが２μｍ以上になるように形成している。従って、ＡＦセンサもＡＥセンサと同様にＰＷＬ中に形成されるので、基本的にはエピタキシャル層が不要となる。
【００２３】
本実施形態において、ＰＷＬの不純物濃度を薄くしてＡＦ用フォトダイオードの空乏層をＰＷＬ側に拡げることで、ＡＦセンサにおける長波長側での分光感度特性での改善が可能となった。また、ＰＷＬの接合深さも深くしたことにより、更なる長波長側の感度向上が可能となる。
【００２４】
本実施形態により、エピタキシャル層を用いずに、ＡＦセンサの分光感度特性が改善されたＡＥＡＦ用固体撮像装置が実現できた。エピタキシャル層が不要となるため、低コスト化が可能となった。
【００２５】
（実施形態４）
次に、以上の実施形態で説明したＡＥＡＦ用固体撮像装置を用いた撮像装置について説明する。図６は本発明のＡＥＡＦ用固体撮像装置をレンズシャッタディジタルコンパクトカメラに用いた場合の一実施形態を示すブロック図である。図６において、３０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、３０２は被写体の光学像を固体撮像素子３０４に結像するレンズ、３０３はレンズ３０２を通った光量を可変するための絞り、３０４はレンズ３０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子である。
【００２６】
また、３０５は以上の実施形態で説明したＡＥＡＦ用固体撮像装置である。例えば、図１、図２の実施形態のものを用いるものとする。３０６は固体撮像素子３０４やＡＥＡＦ用固体撮像装置３０５から出力される画像信号、ＡＥ信号、ＡＦ信号を信号処理する撮像信号処理回路、３０７は撮像信号処理回路３０６からの出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器、３０８はＡ／Ｄ変換器３０７より出力された画像データに対する各種の補正やデータを圧縮する信号処理部、３０９は固体撮像素子３０４、撮像信号処理回路３０６、Ａ／Ｄ変換器３０７、信号処理部３０８等に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、３１０は各種演算とカメラ全体を制御する全体制御・演算部、３１１は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部である。
【００２７】
更に、３１２は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、３１３は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、３１４は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【００２８】
次に、このようなレンズシャッタディジタルコンパクトカメラの撮影時の動作について説明する。バリア３０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器３０７等の撮像系回路の電源がオンされる。次いで、露光量を制御するために全体制御・演算部３１０は絞り３０３を開放にし、ＡＥＡＦ用固体撮像素子３０５のＡＥセンサから出力された信号がＡ／Ｄ変換器３０７で変換された後、信号処理部３０８に入力され、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部３１０で行う。
【００２９】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部３１０は絞り３０３を調節する。また、測光測距用固体撮像装置３０５のＡＦセンサから出力された信号をもとに前述のような位相差検出により被写体までの距離の演算を全体制御・演算部３１０で行う。その後、レンズ３０２を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は再びレンズ３０２を駆動して測距を行い、オートフォーカス制御を行う。
【００３０】
次いで、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子３０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器３０７でＡ−Ｄ変換され、信号処理部３０８を通り全体制御・演算３１０によりメモリ部３１１に書き込まれる。その後、メモリ部３１１に蓄積されたデータは全体制御・演算部３１０の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部３１２を通り着脱可能な記録媒体３１３に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部３１４を通り直接コンピュータ等に入力してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高性能な測光（ＡＥ）性能と測距（ＡＦ）性能を有する固体撮像装置が１チップで実現可能となり、システム的にもＡＥ光学系の視感度補正フィルタが不要となるため、本固体撮像装置を用いたレンズシャッタコンパクトカメラにおいて、カメラの小型化、高性能化、低価格化が実現した。
【００３２】
本発明はコンパクトアナログ（銀塩）カメラのみならず、コンパクトディジタルカメラでも同様の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における断面構造図である。
【図２】本発明の第１実施形態における平面レイアウト図である。
【図３】本発明の第１実施形態におけるＡＥ及びＡＦセンサの分光感度特性である。
【図４】本発明の第２実施形態における断面構造図である。
【図５】本発明の第３実施形態における断面構造図である。
【図６】本発明のＡＥＡＦ用固体撮像装置を用いた場合の撮像装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図７】従来の固体撮像装置の平面レイアウト図である。
【図８】従来の固体撮像装置の断面構造図である。
【符号の説明】
３０ 測光（ＡＥ）セグメントアレイ
３２ ＡＥセンターセグメント
３４Ａ〜３４Ｄ ＡＥインナーセグメント
３６Ａ〜３６Ｄ ＡＥアウターセグメント
４０、４２ 測距（ＡＦ）センサアレイ
４４、４６ 画素
５０、７１、１０１、２００ 半導体基板
７２、１０２ Ｎ-エピタキシャル層
７３、１０３ ＰＷＬ
７４、１０５ Ｎ+不純物領域
７５、１０７ ゲート酸化膜
７６、１０８ 選択酸化膜
７７、１１１ ＡＬ配線
７８、１１０ 層間絶縁膜
１０１ Ｎ型Ｓｉ基板
１０４ ＮＷＬ
１０６ Ｐ+不純物領域
１０９ ＰＯＬ配線
１１２ 遮光膜
１１３ 表面保護膜
２０１、２０２ ＡＦセンサ領域
２０３、２０４ ＡＦフォトダイオード領域
２０５ ＡＥフォトダイオード領域
２０６、２０７ アナログ回路領域
２０８ ディジタル回路領域
２１０ Ｎ+型埋込拡散層
３００ 低濃度ＰＷＬ
３０１ バリア
３０２ レンズ
３０３ 絞り
３０４ 固体撮像素子
３０５ ＡＥＡＦ用固体撮像装置
３０６ 撮像信号処理回路
３０７ Ａ／Ｄ変換器
３０８ 信号処理部
３０９ タイミング発生部
３１０ 全体制御・演算部
３１１ メモリ部
３１２ 記録媒体制御Ｉ／Ｆ部（インターフェース部）
３１３ 記録媒体
３１４ 外部Ｉ／Ｆ部（インターフェース部）
Claims (6)
- オートフォーカスを行うためのＡＦ用光電変換素子、撮影領域を測光するためのＡＥ用光電変換素子が同一半導体基板上に集積された固体撮像装置において、
前記ＡＦ用光電変換素子自体の分光感度特性のピーク波長が前記ＡＥ用光電変換素子自体のピーク波長よりも長波長側にシフトしており、前記ＡＦ用光電変換素子自体の分光感度特性が近赤外領域に延在し、
前記ＡＦ用光電変換素子がエピタキシャル層に設けられ、前記ＡＥ用光電変換素子が前記エピタキシャル層内に設けられたウェル中に設けられていることを特徴とするＡＥＡＦ用固体撮像装置。 - 請求項１に記載のＡＥＡＦ用固体撮像装置において、前記ＡＥ用光電変換素子の分光感度特性のピーク波長が５００ｎｍ付近にあり、前記ＡＦ用光電変換素子のピーク波長が６５０ｎｍ以上であることを特徴とするＡＥＡＦ用固体撮像装置。
- 請求項１に記載のＡＥＡＦ用固体撮像装置において、前記ＡＦ用光電変換素子であるフォトダイオードを形成する前記エピタキシャル層と前記ＡＥ用光電変換素子であるフォトダイオードを形成する前記ウエル領域は、光入射方向に対する深さがそれぞれ異なることを特徴とするＡＥＡＦ用固体撮像装置。
- 請求項３に記載のＡＥＡＦ用固体撮像装置において、前記ＡＦ用光電変換素子用フォトダイオードを形成する前記エピタキシャル層の深さは、前記ＡＥ用光電変換素子用フォトダイオードを形成する前記ウエル領域よりも深いことを特徴とするＡＥＡＦ用固体撮像装置。
- 請求項１に記載のＡＥＡＦ用固体撮像装置において、前記エピタキシャル層は、前記ウェルより不純物濃度が薄いことを特徴とするＡＥＡＦ用固体撮像装置。
- 請求項１から５のいずれかに記載のＡＥＡＦ用固体撮像装置と、被写体像を検出する検出領域と、前記検出領域へ光を結像するレンズと、前記ＡＥＡＦ用固体撮像装置からの信号に基づきＡＦ制御及びＡＥ制御を行う信号処理回路と、を有することを特徴とするカメラ。
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