JP5744545B2 - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置およびカメラに関する。

特許文献１には、焦点検出機能を有する固体撮像装置が開示されている。このような固体撮像装置では、焦点検出のための各画素中のフォトダイオードを２つに分割することで、視差を有する２つの像を形成する。この２つの像の間の位相差を検出することによって焦点ずれ量を得ることができる。

特開２００１−２５０９３１号公報

焦点検出用の位相差信号を得るために各画素に設けられた分割された２つのフォトダイオードは、互いに近接して配置される。２つのフォトダイオードの境界付近に入射した光が生成する電荷は、２つのフォトダイオードのいずれにも蓄積される可能がある。一方のフォトダイオードに入射した光によって生成された電荷が他方のフォトダイオードに蓄積される現象は、クロストークとして考えることができ、これは、位相差検出の精度や速度を低下させうる。一方、クロストークを低減するために２つのフォトダイオードの間の距離を大きくすると、入射した光を光電変換した領域が大きくなり、光検出感度が低下する。

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、光検出感度の低下を抑えながらクロストークを低減するために有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、位相差検出方式による焦点検出のための複数の画素を含む固体撮像装置に係り、前記固体撮像装置において、前記画素は、互いに独立して信号の読み出しが可能な複数の光電変換部を含む半導体領域と、マイクロレンズと、前記マイクロレンズと前記半導体領域とを接続する部分と、を含み、前記部分は、レンズ面を含み、前記レンズ面を含む前記部分は、前記マイクロレンズを通過して前記半導体領域に向かう光に対して負のパワーを有する。

本発明によれば、光検出感度の低下を抑えながらクロストークを低減するために有利な技術を提供することができる。

本発明の実施形態の固体撮像装置概略構成を示す図。 焦点検出画素として構成された画素の構成を示す図。 焦点検出画素として構成される画素の半導体領域を拡大した模式的断面図。 焦点検出画素として構成される画素の構成例を示す図。 焦点検出画素として構成された画素の第１実施形態を示す図。 比較例を示す図。 焦点検出画素として構成された画素の第２実施形態を示す図。 焦点検出画素として構成された画素の第３実施形態を示す図。

図１を参照しながら本発明の実施形態の固体撮像装置１００の概略構成を説明する。固体撮像装置１００は、入射光に応じて発生した電荷を蓄積して信号を出力する複数の画素１０８が複数の行および複数の列を構成するように二次元状に配列された画素アレイＰＡを含む。複数の画素１０８の全部または少なくとも一部は、位相差検出方式による焦点検出のための画素（以下、このような画素を焦点検出画素とも呼ぶ）を含む。焦点検出画素は、撮影のための画素（即ち、画像を取得するための画素）としても利用されうる。画素アレイＰＡの各列に対して列信号線１０９が設けられている。列信号線１０９は、画素アレイＰＡの一部として考えることもできる。固体撮像装置１００は、ＭＯＳ型イメージセンサとして実施されてもよいし、ＣＣＤイメージセンサとして実施されてもよいし、他のイメージセンサとして実施されてもよい。ＣＣＤイメージセンサにおいては、画素アレイＰＡを構成する複数の画素１０８の全部を同一構成にすること、即ち、該複数の画素１０８の全部を焦点検出画素とすることが、構成の簡単化の観点で、好ましい。一方、ＭＯＳ型イメージセンサにおいては、画素アレイＰＡを構成する複数の画素１０８の全部を焦点検出画素とすることも容易であるし、一部を焦点検出画素とすることも容易である。

固体撮像装置１００はまた、垂直走査回路１０２と、信号保持部１０３と、水平信号線１０４と、水平走査回路１０５とを含む。垂直走査回路１０２は、画素アレイＰＡにおける行を選択する。信号保持部１０３は、素アレイＰＡの複数の行のうち垂直走査回路１０２によって選択された行の画素から複数の列信号線１０９を通して読み出される複数の信号を保持する。水平走査回路１０５は、信号保持部１０３に保持された画素アレイＰＡの複数の信号を順に選択し水平信号線１０４に出力させる。これは、画素アレイＰＡにおける列を順に選択する動作に相当する。

次に、図２を参照しながら焦点検出画素として構成された画素１０８の構成を説明する。図２（ａ）は、画素アレイＰＡの一部の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。符号４０６で示される領域が１つの画素１０８が占める領域である。焦点検出画素として構成された各画素１０８は、１つのマイクロレンズ４０１と、互いに独立して信号の読み出しが可能な複数の光電変換部（例えば、フォトダイオード）４０２、４０３を含む半導体領域ＳＲとを含む。複数の光電変換部４０２、４０３には、固体撮像装置１００の撮像面に被写体の像を形成するための撮影レンズの瞳における互いに異なる領域を通過した光がそれぞれ入射する。

複数の焦点検出画素は、例えば、ライン状またはクロス状に配置され、複数の焦点検出画素から読み出された信号を処理することによって撮影レンズの瞳における互いに異なる領域を通過した光の相互の位相差が検出されうる。この明細書では、典型的な例として１つの焦点検出画素が２つの光電変換部４０２、４０３を含む例を説明するが、１つの焦点検出画素が３個、４個または５個以上の光電変換部を含んでもよい。１つの焦点検出画素が４個の光電変換部を含む場合は、第１方向（例えば、水平方向）に沿って２個の光電変換部が配置され、第１方向に直交する第２方向（例えば、垂直方向）に沿って他の２個の光電変換部が配置されうる。なお、焦点検出画素以外の画素は、１つのマイクロレンズ４０１に対して１つの光電変換部を有しうる。

マイクロレンズ４０１の形状は、任意であり、図２に例示されるように平面図において円形であってもよいし、これとは異なり、例えば、楕円や、角が丸められた長方形でもよいし、他の形状であってもよい。マイクロレンズ４０１と半導体領域ＳＲとの間には開口部４０４を有する遮光膜４１０が配置されている。固体撮像装置１００がＭＯＳ型イメージセンサとして構成される場合、画素アレイＰＡを構成する各画素１０８は、画素内読出回路領域４０５を含む。画素内読出回路領域４０５には、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタ、の全部または一部が形成されうる。画素内読出回路領域４０５の配置は、任意であり、図２に例示されるように行方向に延びるように配置されてもよいし、これとは異なり、列方向に延びるように配置されてもよい。

焦点検出画素として構成された画素１０８は、マイクロレンズ４０１と半導体領域ＳＲとの間に配置されたレンズ面ＬＳを含み、レンズ面ＬＳは、マイクロレンズ４０１を通過して半導体領域ＳＲに向かう光に対して負のパワーを作用させる。焦点検出画素以外の画素も同様のレンズ面ＬＳを含んでもよいが、典型的には、レンズ面ＬＳを有しない構成とされ、そのような構成においてマイクロレンズ４０１の形状が最適化されうる。レンズ面ＬＳの具体的な実施形態については後述する。

図３は、焦点検出画素として構成される画素１０８の半導体領域ＳＲを拡大した模式的断面図である。画素１０８と画素１０８とは、ＬＯＣＯＳまたはＳＴＩなどの素子分離５０１によって分離されうる。素子分離５０１の下には、反転防止のための不純物層５０２が設けられうる。半導体領域ＳＲの表面には、光電変換部４０２、４０３を埋め込み型として暗電流を抑制するための表面高濃度領域６００が設けられうる。光電変換部４０２と光電変換部４０３とは、それらの導電型とは反対の導電型の半導体領域によって分離されうる。光電変換部４０２と光電変換部４０３との間の領域５０３に入射した光は、領域５０３において電荷（電子・正孔対）を発生させる。この電荷のうち光電変換部４０２、４０３の多数キャリアと同じ極性の電荷の殆どは、拡散およびドリフトによって、光電変換部４０２、４０３のいずれかによって捕捉され蓄積されうる。このようにして、光電変換部４０２と光電変換部４０３との間の領域５０３も光電変換に寄与する。どちらかの光電変換部によって一旦捕捉された電荷は、光電変換部４０２、４０３間の領域５０３によって形成されるポテンシャル障壁によって阻まれて、他方の光電変換部に移動することはできない。このようにして、光電変換部４０２と光電変換部４０３との電気的な分離が実現されている。しかしながら、領域５０３に入射した光は、位相差検出の精度や速度を低下させるクロストークを引き起こす。

図４を参照しながら焦点検出画素として構成される画素１０８の構成例を説明する。図４に示す例では、画素１０８は、２つの光電変換部４０２、４０３と、転送トランジスタＣ０１、Ｃ０２と、リセットトランジスタＣ０５と、選択トランジスタＣ０６と、増幅トランジスタＣ０４とを含む。リセットトランジスタＣ０５は、リセット信号ＲＥＳがアクティブレベルになったときにフローティングディフュージョンＣ０３の電位をリセットレベルにリセットする。転送トランジスタＣ０１、Ｃ０２は、それぞれ転送信号ＴＸ１、ＴＸ２がアクティブレベルになったときに、光電変換部４０２、４０３に蓄積されている電荷をフローティングディフュージョンＣ０３に転送する。これにより、フローティングディフュージョンＣ０３の電位がリセットレベルから変化する。

選択トランジスタＣ０６は、選択信号ＳＥＬがアクティブレベルになったときにオンして増幅トランジスタＣ０４を動作させる。図４において、ＶＤＤは電源電位を示す。転送信号ＴＸ１、ＴＸ２、選択信号ＳＥＬ、リセット信号ＲＥＳは、垂直走査回路１０２によって駆動される。増幅トランジスタＣ０４は、電流源１２０とともにソースフォロア増幅回路を構成している。電流源１２０は、所定の電位ＶＢＩＡＳがゲートに与えられるＭＯＳトランジスタによって構成されうる。選択信号ＳＥＬがアクティブレベルになって選択トランジスタＣ０６がオンすると、増幅トランジスタＣ０４は、フローティングディフュージョンＣ０３の電位に応じた電位を列信号線１０９に出力する。この動作は、画素１０８から列信号線１０９に信号が読み出される動作として理解することができる。

ここで、光電変換部４０２と光電変換部４０３とから独立して信号を読み出す動作を例示的に説明する。蓄積期間の終了後に、選択トランジスタＣ０６をオン状態にして当該選択トランジスタＣ０６が属する行の画素１０８を選択する。次いで、リセットトランジスタＣ０５を所定時間だけオン状態にしてフローティングディフュージョンＣ０３の電位をリセットする。次いで、転送トランジスタＣ０１を通して光電変換部４０２に蓄積されている電荷をフローティングディフュージョンＣ０３に転送する。これにより、増幅トランジスタＣ０４によりフローティングディフュージョンＣ０３の電位に応じた信号が列信号線１０９に出力される。列信号線１０９に出力された信号は、信号保持部１０３および水平信号線１０４を介して固体撮像装置１００から出力される。次いで、リセットトランジスタＣ０５を所定時間だけオン状態にしてフローティングディフュージョンＣ０３の電位をリセットする。次いで、転送トランジスタＣ０２を通して光電変換部４０３に蓄積されている電荷をフローティングディフュージョンＣ０３に転送する。これにより、増幅トランジスタＣ０４によりフローティングディフュージョンＣ０３の電位に応じた信号が列信号線１０９に出力される。列信号線１０９に出力された信号は、信号保持部１０３および水平信号線１０４を介して固体撮像装置１００から出力される。

画素１０８を撮影のための画素（即ち、画像を取得するための画素）として使用する場合には、転送トランジスタＣ０１、Ｃ０２を同時にオンさせればよい。これにより、光電変換部４０２、４０３に蓄積されていた電荷がともにフローティングディフュージョンＣ０３に転送される。焦点検出画素の他に撮影のための専用画素（以下、撮影専用画素）が配置される場合、１つの撮影専用画素には１つの光電変換部とそれに対応する１つの転送トランジスタが配置され、転送信号ＴＸ１、ＴＸ２のいずれかによって当該転送トランジスタが制御されうる。

図４に示す例では、増幅回路がソースフォロア回路として構成されているが、これには限定されず、例えば、ソース接地を施した反転増幅器、オペアンプを用いた正転・反転増幅器、ゲイン可変の増幅器などを用いてもよい。また、例えば、フローティングディフュージョンＣ０３の電圧を電流に変換して列信号線１０９に伝達させる方式を採用してもよい。

図５を参照しながら焦点検出画素として構成された画素１０８の第１実施形態を説明する。焦点検出画素として構成された各画素１０８は、１つのマイクロレンズ４０１と、互いに独立して信号の読み出しが可能な複数の光電変換部４０２、４０３を含む半導体領域ＳＲと、マイクロレンズ４０１と半導体領域ＳＲとの間に配置されたレンズ面ＬＳを含む。レンズ面ＬＳは、マイクロレンズ４０１を通過して半導体領域ＳＲに向かう光に対して負のパワー（一般的な凹レンズのパワー）を作用させる。レンズ面ＬＳは、マイクロレンズ４０１と遮光膜４１０との間に配置されてもよいが、この場合、レンズ面ＬＳを通過した光が遮光膜４１０によって反射されうる。そこで、レンズ面ＬＳは、遮光膜４１０と半導体領域ＳＲとの間に配置されることが好ましい。

レンズ面ＬＳは、マイクロレンズ４０１と半導体領域ＳＲとの間に配置された第１絶縁体６０１と、マイクロレンズ４０１と第１絶縁体６０１との間に配置された第２絶縁体６０２との境界面によって構成されうる。レンズ面ＬＳは、半導体領域ＳＲから離れる方向に向かって凸形状を有しうる。この構成では、第１絶縁体６０１の屈折率は、第２絶縁体６０２の屈折率よりも小さい。第１絶縁体６０１は、例えば、屈折率が１．２〜１．４のＳｉＣＦ膜、ＳｉＣ膜およびＳｉＦ膜のいずれかでありうる。あるいは、第１絶縁膜６０１は、ＳｉＣＦ、ＳｉＣおよびＳｉＦの少なくとも１つとＳｉＯ_２との混合物で構成される膜でありうる。第２絶縁膜６０２は、例えば、屈折率が１．５のシリコン酸化膜でありうる。レンズ面ＬＳは、第２絶縁体６０２の下面の一部として理解することもでき、この場合、第２絶縁体６０２の下面は、凹レンズ面を含むものとして考えることができる。

光線６０３、６０４は、それぞれ光電変換部４０２、４０３に入射する光線の代表例である。レンズ面ＬＳが光線６０３、６０４に対して負のパワーを作用させる結果として、マイクロレンズ４０１の焦点距離を大きくする効果と同様の効果が得られる。

図６には、比較例として、レンズＬＳがない場合における代表的な光線７０３、７０４が示されている。図６に示す比較例では、光電変換部４０２に入射する光線７０３と光電変換部４０３に入射する光線７０４とが、半導体領域ＳＲにおいて、図５に示す第１実施形態よりも、相互に近づいていることが分かる。光線７０３と光線７０４とが相互に更に近づくとクロストークを生じうる。

一方、図５に示す第１実施形態では、レンズ面ＬＳが光線６０３、６０４に負のパワーを作用させることにより、光線６０３、６０４は、図６に示す比較例における光線７０３、７０４よりも半導体領域ＳＲの表面に対して垂直に近い入射角で入射する。よって、図５に示す第１実施形態では、光電変換部４０２に入射する光線６０３と、光電変換部４０３に入射する光線６０４とが、半導体領域ＳＲにおいて、図６に示す比較例よりも相互に遠ざかる。また、光線６０３、６０４が半導体領域ＳＲの表面に対して垂直に近い入射角で入射する構成は、クロストークを抑制しつつ光電変換部４０２、４０３間の距離を小さくするために有利である、これは光検出感度の低下を抑制するために寄与する。以上より、第１実施形態は、光検出感度の低下を抑えながらクロストークを低減するために有利であることが分かる。

レンズ面ＬＳは、第１絶縁体６０１の表面形状の制御を通して形成することができる。第１絶縁体６０１の表面形状の制御は、第１絶縁体６０１を形成するための絶縁膜の形成、その上へのレジスト膜の形成、レジスト膜の露光、レジスト膜の現像、現像されたレジスト膜（レジストパターン）をエッチングマスクとする絶縁膜のエッチングを含みうる。ここで、レジスト膜の露光には、第１絶縁体６０１の目標とする表面形状に応じた露光量分布（ドーズ量分布）をレジスト膜に形成することができる方法が使用されうる。この方法としては、例えば、最小解像寸法（ＣＤ）よりも小さいドットの密度によってフォトマスクに透過率分布を形成する方法が好適である。レジストとしては、現像後に露光量に応じた厚さの膜になるレジストが使用される。第１絶縁体６０１の目標とする表面形状に応じた膜厚を有するレジスト膜（レジストパターン）が絶縁膜の上に形成される。このレジスト膜およびその下の絶縁膜に対して異方性エッチングを行うことにより、レジスト膜の膜厚分布に応じて絶縁膜がエッチングされて、目標とする表面形状を有する第１絶縁体６０１を得ることができる。

図７を参照しながら焦点検出画素として構成された画素１０８の第２実施形態を説明する。なお、ここで言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態では、マイクロレンズ４０１と半導体領域ＳＲとの間に配置されたレンズ面ＬＳは、半導体領域ＳＲから離れる方向に向かって凹形状を有する。レンズ面ＬＳは、マイクロレンズ４０１を通過して半導体領域ＳＲに向かう光に対して負のパワーを作用させる。レンズ面ＬＳは、マイクロレンズ４０１と半導体領域ＳＲとの間に配置された第１絶縁体８０１と、マイクロレンズ４０１と第１絶縁体８０１との間に配置された第２絶縁体８０２との境界面によって構成される。第２実施形態では、第１絶縁体８０１の屈折率は、第２絶縁体８０２の屈折率よりも大きい。第１絶縁体８０１は、例えば、屈折率が１．８〜２．５のシリコン窒化酸化膜で構成され、第２絶縁体８０２は、例えば、屈折率が１．５のシリコン酸化膜で構成されうる。レンズ面ＬＳは、第１絶縁体８０１の上面の一部として理解することもでき、この場合、第１絶縁体８０１の上面は、凸レンズ面を含むものとして考えることができる。

光線８０３、８０４は、それぞれ光電変換部４０２、４０３に入射する光線の代表例である。レンズ面ＬＳが光線８０３、８０４に対して負のパワーを作用させる結果として、マイクロレンズ４０１の焦点距離を大きくする効果と同様の効果が得られる。したがって、第２実施形態もまた、第１実施形態と同様に、光検出感度の低下を抑えながらクロストークを低減するために有利であることが分かる。第２実施形態におけるレンズ面ＬＳは、第１実施形態におけるレンズ面ＬＳと同様の方法によって形成されうる。

図８を参照しながら焦点検出画素として構成された画素１０８の第３実施形態を説明する。なお、ここで言及しない事項は、第１実施形態または第２実施形態に従いうる。第３実施形態では、マイクロレンズ４０１と半導体領域ＳＲとの間に配置されたレンズ面ＬＳは、第２実施形態と同様に、半導体領域ＳＲから離れる方向に向かって凹形状を有する。レンズ面ＬＳは、マイクロレンズ４０１を通過して半導体領域ＳＲに向かう光に対して負のパワーを作用させる。レンズ面ＬＳは、マイクロレンズ４０１と半導体領域ＳＲとの間に配置された第１絶縁体９０１と、マイクロレンズ４０１と第１絶縁体９０１との間に配置された第２絶縁体９０２との境界面によって構成される。第３実施形態では、第１絶縁体９０１の屈折率は、第２絶縁体９０２の屈折率よりも大きい。第１絶縁体９０１は、例えば、屈折率が１．８〜２．５のシリコン窒化酸化膜で構成され、第２絶縁体９０２は、例えば、屈折率が１．５のシリコン酸化膜で構成されうる。レンズ面ＬＳは、第１絶縁体９０１の上面ＵＳの一部として理解することもでき、この場合、第１絶縁体９０１の上面ＵＳは、凸レンズ面を含むものとして考えることができる。

第１絶縁体９０１の上面ＵＳは、レンズ面ＬＳを構成する中央面ＣＳと、中央面ＣＳの外側に配置された外側面ＯＳとを含み、外側面ＯＳと半導体領域ＳＲの上面との間に導電体パターン９０５が配置されている。導電体パターン９０５は、例えば、ゲート電極でありうる。このゲート電極は、例えば、典型的には、転送トランジスタのゲート電極でありうるが、他のトランジスタ（例えば、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、増幅トランジスタ）のゲート電極であってもよいし、ダミーのゲート電極であってもよい。なお、ダミーのゲート電極とは、ゲート電極としては機能しないが、ゲート電極と同時に形成される導電体パターンを意味する。

第３実施形態では、レンズ面ＬＳは、導電体パターン９０５が存在することによって第１絶縁体９０１の下面に存在する凹凸を利用して構成されうる。即ち、導電体パターン９０５の形成後に、導電体パターン９０５およびその間に露出した半導体領域ＳＲの露出面の上に直接または他の層を介して第１絶縁体９０１を形成することによって第１絶縁体９０１の上面に凹面形状が形成される。この凹面形状をレンズ面ＬＳとして利用いることができる。

第３実施形態によれば、第１実施形態または第２実施形態における効果に加えて、レンズ面ＬＳの形状の形成が容易であるという利点を有する。ただし、第１絶縁体９０１を形成するための絶縁膜（表面に凹面形状を有する絶縁膜）を形成した後に更に第１実施形態および第２実施形態の方法によって該凹面形状を変形させてもよい。この場合には、レンズ面ＬＳの形状の制御の自由度が高いという利点がある。

以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含む。該処理部は、焦点検出画素から読み出した信号に基づいて撮影レンズの瞳における互いに異なる領域を通過した光線間の位相差を検出し、該位相差に基づいて撮像レンズ（典型的には、その中のフォーカスレンズ）の駆動部を制御してオートフォーカスを実行する。

Claims (6)

1. 位相差検出方式による焦点検出のための複数の画素を含む固体撮像装置であって、
   前記画素は、
   互いに独立して信号の読み出しが可能な複数の光電変換部を含む半導体領域と、
   マイクロレンズと、
   前記マイクロレンズと前記半導体領域とを接続する部分と、を含み、
   前記部分は、レンズ面を含み、
   前記レンズ面を含む前記部分は、前記マイクロレンズを通過して前記半導体領域に向かう光に対して負のパワーを有する、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記レンズ面は、前記マイクロレンズと前記半導体領域との間に配置された第１絶縁体と、前記マイクロレンズと前記第１絶縁体との間に配置された第２絶縁体との境界面によって構成され、前記半導体領域から離れる方向に向かって凸形状を有し、
   前記第１絶縁体の屈折率は、前記第２絶縁体の屈折率よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記レンズ面は、前記マイクロレンズと前記半導体領域との間に配置された第１絶縁体と、前記マイクロレンズと前記第１絶縁体との間に配置された第２絶縁体との境界面によって構成され、前記半導体領域から離れる方向に向かって凹形状を有し、
   前記第１絶縁体の屈折率は、前記第２絶縁体の屈折率よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記第１絶縁体の上面は、前記レンズ面を構成する中央面と、前記中央面の外側に配置された外側面とを含み、
   前記外側面と前記半導体領域の上面との間に導電体パターンが配置されている、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
5. 前記導電体パターンは、ゲート電極を含む、
   ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
   を備えることを特徴とするカメラ。