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
【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。
Priority Applications (5)
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