JP5422889B2 - Solid-state imaging device and imaging apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、 The present invention
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラ等の撮像装置が広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型や増幅型などの固体撮像素子が使用されている。これらの固体撮像素子では、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部を有する画素が、マトリクス状に複数配置されている。増幅型の固体撮像素子では、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷を画素に設けられた増幅部に導き、増幅部で増幅した信号を画素から出力する。 In recent years, imaging devices such as video cameras and electronic still cameras have been widely used. These cameras use a solid-state imaging device such as a CCD type or an amplification type. In these solid-state imaging devices, a plurality of pixels having photoelectric conversion units that generate signal charges according to the amount of incident light are arranged in a matrix. In an amplification type solid-state imaging device, signal charges generated and accumulated in a photoelectric conversion unit of a pixel are guided to an amplification unit provided in the pixel, and a signal amplified by the amplification unit is output from the pixel.
カメラなどの撮像装置では、自動焦点調節を実現するため、撮影レンズの焦点調節状態を検出する必要がある。従来は、固体撮像素子とは別個に焦点検出素子が設けられていた。しかし、その場合には、焦点検出素子やこれに光を導く焦点検出用光学系の分だけ、コストが増大したり装置が大型となったりする。 In an imaging device such as a camera, it is necessary to detect the focus adjustment state of the photographing lens in order to realize automatic focus adjustment. Conventionally, a focus detection element has been provided separately from the solid-state imaging element. However, in that case, the cost increases or the size of the apparatus increases by the amount of the focus detection element and the focus detection optical system that guides light to the focus detection element.
そこで、近年、焦点検出方式としていわゆる瞳分割位相差方式(瞳分割方式又は位相差方式などと呼ばれる場合もある。)を採用しつつ、焦点検出素子としても用いることができるように構成した固体撮像素子が提案されている(例えば、下記特許文献1)。瞳分割位相差方式は、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成し、そのパターンズレ(位相シフト量)を検出することで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。
Therefore, in recent years, a so-called pupil division phase difference method (sometimes called a pupil division method or a phase difference method) is adopted as a focus detection method, and solid-state imaging configured to be used as a focus detection element. An element has been proposed (for example,
特許文献1に開示された固体撮像素子では、2分割された光電変換部を有する複数の画素が、設けられている。2分割された光電変換部の一方部分と他方部分との間にはフローティングディフュージョンが配置され、このフローティングディフュージョンによって光電変換部が2分割されている。このような光電変換部上に、マイクロレンズが画素に対して1対1に設けられている。2分割された光電変換部は、マイクロレンズによって撮影レンズの射出瞳と略結像関係(すなわち、略共役)となる位置に配置されている。以上述べた関係から、各画素において、2分割された光電変換部の一方部分は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。また、各画素において、2分割された光電変換部の他方部分は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から反対方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
In the solid-state imaging device disclosed in
特許文献1に開示された固体撮像素子では、焦点検出時には、2分割された光電変換部を持つ各画素の2分割光電変換部の一方部分の信号及び他方部分の信号が、異なるタイミングで前記フローティングディフュージョンに転送されて、それぞれ個別に読み出される。そして、瞳分割位相差方式の原理に従って、それらの信号に基づいて、撮影レンズの焦点調節状態が検出される。
In the solid-state imaging device disclosed in
ところで、下記特許文献2には、各画素の光電変換部が2分割されおらず焦点検出機能を有していない通常の固体撮像素子において、光電変換部への集光効率を高めるために、基板上に形成された層間膜に、間隙が、前記基板の法線方向から見た平面視で前記光電変換部を囲むように形成された固体撮像素子が開示されている。
By the way, in the following
また、下記特許文献3には、各画素の光電変換部が2分割されおらず焦点検出機能を有していない固体撮像素子であって、各画素の露光時間が一定となる全画素同時の電子シャッタ動作を実現するために、各画素において、光電変換部と増幅部との間に当該光電変換部からの電荷を一時的に蓄積する電荷格納部を設けた固体撮像素子が開示されている。そして、特許文献3に開示された固体撮像素子では、前記電荷格納部への光入射を低減してその光入射による偽信号の発生を抑えるために、基板上に形成された層間膜に、間隙が、前記基板の法線方向から見た平面視で前記電荷格納部を囲むように形成されている。
しかしながら、本発明者の研究の結果、前記特許文献1に開示されたような固体撮像素子では、2分割された光電変換部の各部分間で、光信号の分離及び電気信号の分離が必ずしも十分ではなく、これに起因して、焦点検出精度が低下してしまうことが判明した。
However, as a result of the inventor's research, in the solid-state imaging device as disclosed in
すなわち、前記特許文献1に開示されたような光電変換部では、2分割された光電変換部の一方部分は、撮影レンズの射出瞳の一方側からの光のみを受光すべきであるのに、当該射出瞳の他方側からの光も漏れ光や迷光などとして受光してしまい、同様に、2分割された光電変換部の他方部分は、撮影レンズの射出瞳の他方側からの光のみを受光すべきであるのに、当該射出瞳の一方側からの光も漏れ光や迷光などとして受光してしまうため、2分割された光電変換部の各部分間で光信号の分離が必ずしも十分ではなく、その結果、焦点検出精度が低下してしまうのである。
That is, in the photoelectric conversion unit as disclosed in
また、前記特許文献1に開示されたような光電変換部では、2分割された光電変換部の一方部分が光電変換して生成した電子は、当該一方部分の電荷蓄積層に蓄積されるのみならず、クロストーク成分として2分割された光電変換部の他方部分の電荷蓄積層にも蓄積されてしまい、同様に、2分割された光電変換部の他方部分が光電変換して生成した電子は、当該他方部分の電荷蓄積層に蓄積されるのみならず、クロストーク成分として2分割された光電変換部の一方部分の電荷蓄積層にも蓄積されてしまうため、2分割された光電変換部の各部分間で電気信号の分離が必ずしも十分ではなく、その結果、焦点検出精度が低下してしまうのである。
In the photoelectric conversion unit as disclosed in
なお、前記特許文献1,2に開示された固体撮像素子では、層間膜に形成した間隙により光を反射させて、集光効率を高めたり偽信号の発生を抑えているが、焦点検出機能を有していない固体撮像素子(各画素の光電変換部が2分割されていない固体撮像素子)を前提とするものであり、引用文献1,2は、そのような間隙の形成位置を工夫することで焦点検出精度の向上に寄与し得る点については、何ら開示も示唆もしていない。
In the solid-state imaging devices disclosed in
本発明は、前述した本発明者の研究の結果として新たに見出された、前記特許文献1に開示されたような固体撮像素子の問題点を解決すること、すなわち、2分割された光電変換部を持つ画素を備えることで焦点検出可能であり、しかも、焦点検出精度をより高めることができる固体撮像素子を提供すること、を目的する。また、本発明は、このような固体撮像素子を用いた撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the problems of the solid-state imaging device newly disclosed as a result of the above-described research of the present inventor, that is, the photoelectric conversion divided into two. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can detect a focus by including a pixel having a portion and can further improve focus detection accuracy. It is another object of the present invention to provide an imaging apparatus using such a solid-state imaging device.
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様による固体撮像素子は、2次元状に配置された複数の画素を基板上に備え、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記基板の法線方向から見た平面視において分割線により分割される一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し各々が入射光を光電変換する第1の光電変換部及び第2の光電変換部を有し、前記基板上に形成された層間膜に、間隙が、前記平面視において前記分割線に沿って形成されたものである。 In order to solve the above-described problem, the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention includes a plurality of pixels arranged in a two-dimensional shape on a substrate, and at least some of the plurality of pixels include: A first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit that respectively exist in one region and the other region divided by a dividing line in a plan view viewed from the normal direction of the substrate, and each photoelectrically converts incident light. A gap is formed along the dividing line in the plan view in the interlayer film having the conversion portion and formed on the substrate.
本発明の第2の態様による固体撮像素子は、前記少なくとも一部の画素にはマイクロレンズが設けられ、前記マイクロレンズは、被写体像を当該固体撮像素子に結像させる光学系の射出瞳を、前記間隙における光入射側の端部付近の高さ位置において結像させるものである。 In the solid-state imaging device according to the second aspect of the present invention, the at least some of the pixels are provided with a microlens, and the microlens has an exit pupil of an optical system that forms a subject image on the solid-state imaging device. The image is formed at a height position near the end of the light incident side in the gap.
本発明の第3の態様による固体撮像素子は、前記第1又は第2の態様において、前記基板上に形成された層間膜に、間隙が、前記平面視において、前記少なくとも一部の画素の前記第1及び第2の光電変換部の有効受光領域をそれぞれ囲むように、前記分割線に沿った箇所以外にも形成されたものである。 The solid-state imaging device according to a third aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the first or second aspect, wherein a gap is formed in the interlayer film formed on the substrate in the planar view. In addition to the portions along the dividing line, they are formed so as to surround the effective light receiving regions of the first and second photoelectric conversion units, respectively.
本発明の第4の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記少なくとも一部の画素において、前記第1の光電変換部を構成する半導体領域と前記第2の光電変換部を構成する半導体領域との間に、間隙が形成されたものである。 A solid-state imaging device according to a fourth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to third aspects, wherein in at least some of the pixels, the semiconductor region constituting the first photoelectric conversion unit and the second A gap is formed between the semiconductor region constituting the photoelectric conversion portion.
本発明の第5の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記少なくとも一部の画素において、前記第1の光電変換部を構成する半導体領域と前記第2の光電変換部を構成する半導体領域との間に、絶縁材料からなる分離部が形成されたものである。 The solid-state imaging device according to a fifth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to third aspects, wherein the at least some pixels include the semiconductor region constituting the first photoelectric conversion unit and the second. A separation portion made of an insulating material is formed between the semiconductor region constituting the photoelectric conversion portion.
本発明の第6の態様による固体撮像素子は、2次元状に配置された複数の画素を基板上に備え、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記基板の法線方向から見た平面視において分割線により分割される一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し各々が入射光を光電変換する第1の光電変換部及び第2の光電変換部を有し、前記少なくとも一部の画素において、前記第1の光電変換部を構成する半導体領域と前記第2の光電変換部を構成する半導体領域との間に、間隙が形成されたものである。 The solid-state imaging device according to the sixth aspect of the present invention includes a plurality of pixels arranged two-dimensionally on a substrate, and at least some of the plurality of pixels are arranged in a normal direction of the substrate. Each having a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit that photoelectrically convert incident light respectively in one region and the other region divided by a dividing line in a plan view as viewed, In at least some of the pixels, a gap is formed between the semiconductor region forming the first photoelectric conversion unit and the semiconductor region forming the second photoelectric conversion unit.
本発明の第7の態様による固体撮像素子は、2次元状に配置された複数の画素を基板上に備え、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記基板の法線方向から見た平面視において分割線により分割される一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し各々が入射光を光電変換する第1の光電変換部及び第2の光電変換部を有し、前記少なくとも一部の画素において、前記第1の光電変換部を構成する半導体領域と前記第2の光電変換部を構成する半導体領域との間に、絶縁材料からなる分離部が形成されたものである。 A solid-state imaging device according to a seventh aspect of the present invention includes a plurality of pixels arranged two-dimensionally on a substrate, and at least some of the plurality of pixels are located in a normal direction of the substrate. Each having a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit that photoelectrically convert incident light respectively in one region and the other region divided by a dividing line in a plan view as viewed, In at least some of the pixels, a separation portion made of an insulating material is formed between a semiconductor region constituting the first photoelectric conversion portion and a semiconductor region constituting the second photoelectric conversion portion. .
本発明の第8の態様による固体撮像素子は、前記第6又は第7の態様において、前記少なくとも一部の画素にはマイクロレンズが設けられ、前記マイクロレンズは、被写体像を当該固体撮像素子に結像させる光学系の射出瞳を、前記第1及び第2の光電変換部の付近の高さ位置において結像させるものである。 The solid-state imaging device according to an eighth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the sixth or seventh aspect, wherein at least some of the pixels are provided with a microlens, and the microlens has a subject image on the solid-state imaging device. The exit pupil of the optical system to be imaged is imaged at a height position near the first and second photoelectric conversion units.
本発明の第9の態様による固体撮像素子は、前記第6乃至第8のいずれかの態様において、前記基板上に形成された層間膜に、間隙が、前記平面視において、前記少なくとも一部の画素の前記分割線に沿った箇所を除いて前記少なくとも一部の画素の前記第1及び第2の光電変換部の有効受光領域をそれぞれ囲むように、形成されたものである。 A solid-state imaging device according to a ninth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the sixth to eighth aspects, wherein a gap is formed in the interlayer film formed on the substrate in the plan view. The pixel is formed so as to surround the effective light receiving regions of the first and second photoelectric conversion units of the at least some of the pixels, except for the location along the dividing line of the pixels.
本発明の第10の態様による撮像装置は、前記第1乃至第9のいずれかの態様による固体撮像素子と、被写体像を前記固体撮像素子に結像させる光学系と、前記少なくとも一部の画素の前記第1の光電変換部からの信号及び前記第2の光電変換部からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、前記検出処理部からの前記検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部と、を備えたものである。 An imaging apparatus according to a tenth aspect of the present invention includes a solid-state imaging element according to any one of the first to ninth aspects, an optical system that forms a subject image on the solid-state imaging element, and the at least some pixels. A detection processing unit that outputs a detection signal indicating a focus adjustment state of the optical system based on a signal from the first photoelectric conversion unit and a signal from the second photoelectric conversion unit; and from the detection processing unit And an adjusting unit that adjusts the focus of the optical system based on the detection signal.
本発明によれば、2分割された光電変換部を持つ画素を備えることで焦点検出可能でありしかも焦点検出精度をより高めることができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state image pickup device that can detect a focus by providing a pixel having a photoelectric conversion unit divided into two and can further improve the focus detection accuracy, and an image pickup apparatus using the same. be able to.
以下、本発明による固体撮像素子及び撮像装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device and an imaging apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態] [First Embodiment]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る撮像装置としての電子カメラ1を示す概略ブロック図である。電子カメラ1には、撮影レンズ2が装着される。この撮影レンズ2は、レンズ制御部2aによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ2の像空間には、固体撮像素子3の撮像面が配置される。
FIG. 1 is a schematic block diagram showing an
固体撮像素子3は、撮像制御部4の指令によって駆動され、信号を出力する。固体撮像素子3から出力される信号は、画像用の信号、焦点検出用の信号のいずれかである。いずれにおいても信号は、信号処理部5、及びA/D変換部6を介して処理された後、メモリ7に一旦蓄積される。メモリ7は、バス8に接続される。バス8には、レンズ制御部2a、撮像制御部4、マイクロプロセッサ9、焦点演算部(検出処理部)10、記録部11、画像圧縮部12及び画像処理部13なども接続される。上記マイクロプロセッサ9には、レリーズ釦などの操作部9aが接続される。また、上記の記録部11には記録媒体11aが着脱自在に装着される。この電子カメラ1の動作については、後に、図13を参照して説明する。
The solid-
図2は、図1中の固体撮像素子3の概略構成を示す回路図である。固体撮像素子3は、マトリクス状に配置された複数の画素20と、画素20から信号を出力するための周辺回路とを有している。図において、画素数は、横に4行縦に4行の16個の画素を示している。しかし、これに限られるものではない。本実施の形態では、画素として後述する5種類の画素20R,20G,20B,20V,20Hを有しているが、図2ではそれらのいずれであるかを区別することなく、符号20で示している。これらの画素20は、周辺回路の駆動信号に従って撮像用信号、及び、焦点検出用信号のいずれかを出力する。又、すべての画素20は、同時に光電変換部がリセットされて露光の時間とタイミングが同一にされることが可能となっている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-
周辺回路は、垂直走査回路21、水平走査回路22、これらと接続されている駆動信号線23,24、画素からの信号を受け取る垂直信号線25、垂直信号線25と接続される定電流源26及び相関二重サンプリング回路(CDS)27、相関二重サンプリング回路27から出力される信号を受け取る水平信号線28、出力アンプ29等からなる。
The peripheral circuit includes a
垂直走査回路21及び水平走査回路22は、電子カメラ1の撮像制御部4からの指令に基づいて駆動信号を出力する。各画素20は、垂直走査回路21から出力される駆動信号を所定の駆動信号線23から受け取って駆動され、撮像用信号又は焦点検出用信号を垂直信号線25に出力する。垂直走査回路21から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動配線23も複数ある。これらについては後述する。
The
図3は、図1中の固体撮像素子3(特にその有効画素領域31)を模式的に示す概略平面図である。本実施の形態では、図3に示すように、固体撮像素子3の有効画素領域31には、中央に配置された十字状をなす2つの焦点検出領域32,33と、両側に配置された2つの焦点検出領域34,35と、上下に配置された2つの焦点検出領域36,37とが、設けられている。なお、図3に示すように、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸を定義する。また、X軸方向のうち矢印の向きを+X方向又は+X側、その反対の向きを−X方向又は−X側と呼び、Y軸方向についても同様とする。XY平面と平行な平面が固体撮像素子3の撮像面(受光面)と一致している。X軸方向の並びを行、Y軸方向の並びを列とする。なお、入射光は図3の紙面手前側から奥側に入射する。これらの点は、後述する図についても同様である。なお、本願明細書では、X軸方向を左右方向、+X側を右側、−X側を左側、Y軸方向を上下方向、+Y側を上側、−Y側を下側と呼ぶ場合がある。
FIG. 3 is a schematic plan view schematically showing the solid-state imaging device 3 (particularly, its effective pixel region 31) in FIG. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
図4は、図3における焦点検出領域35の付近を拡大した概略拡大図であり、画素配置を模式的に示している。図5は、図3における焦点検出領域36の付近を拡大した概略拡大図であり、画素配置を模式的に示している。前述したように、固体撮像素子3は、画素20として、5種類の画素20R,20G,20B,20V,20Hを有している。図4及び図5において、画素20R,20G,20B,20V,20Hには、それぞれ符号「R」、「G」、「B」、「V」、「H」を付している。
FIG. 4 is a schematic enlarged view in which the vicinity of the
画素20R,20G,20Bは、撮影レンズ2によって結像される被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する撮像用画素である。本実施の形態では、画素20R,20G,20Bにはそれぞれ対応する色のカラーフィルタ(図示せず)が設けられることで、画素20Rは赤色の撮像用信号、画素20Gは緑色の撮像用信号、画素20Bは青色の撮像用信号をそれぞれ出力するように構成されている。一方、画素20V,20Hは、撮影レンズ2の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を出力する焦点検出用画素(以下、「AF用画素」という。)であり、画素20V,20Hにはカラーフィルタは設けられていない。AF用画素20V,20Hに対する入射光量を増大させ焦点検出精度を高めるためには、画素20V,20Hにはカラーフィルタを設けないことが好ましいが、本発明では必ずしもこれに限定されるものではない。
The
本実施の形態では、図4及び図5に示すように、撮像用画素20R,20G,20Bは基本的にベイヤー配列に従って配列され、Y軸方向に延びた焦点検出領域35には1画素置きにAF用画素20Vが配置され、X軸方向に延びた焦点検出領域36には1画素置きにAF用画素20Hが配置されている。焦点検出領域33,34は焦点検出領域35と同様であり、焦点検出領域32,37は焦点検出領域36と同様である。もっとも、このような配置に限定されるものではなく、例えば、焦点検出領域33〜35の画素を全てAF用画素20Vとしたり、焦点検出領域32,36,37の画素を全てAF用画素20Hとしてもよい。また、本発明では、白黒用として構成してもよく、その場合には撮像用画素にカラーフィルタを設けなくてよい。また、カラー用として構成する場合であっても、前述したようなベイヤー配列に限定されるものではない。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the
図6は、図1中の固体撮像素子3の撮像用画素20R,20G,20Bを示す回路図である。これらの画素は同一の回路構成を有している。各撮像用画素20R,20G,20Bは、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオード41と、所定部位としてのフローティング拡散部44と、フォトダイオード41からフローティング拡散部44へ電荷を転送する転送トランジスタ45と、フローティング拡散部44の電荷量に応じた信号を出力する増幅部としての画素アンプ48と、フローティング拡散部44の電荷を排出するリセット部としてのリセットトランジスタ49と、画素アンプ48の信号を当該画素から出力する選択スイッチとしての選択トランジスタ50とを有している。なお、図6において、VDDは電源であり、235は電源VDDに接続するための電源配線である。
FIG. 6 is a circuit diagram showing the
図7は、図1中の固体撮像素子3のAF用画素20V,20Hを示す回路図である。これらの画素は同一の回路構成を有している。図7において、図6中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。AF用画素20V,20Hが撮像用画素20R,20G,20Bと回路構成上異なる所は、1つの光電変換部としての1つのフォトダイオード41に代えて、それを2つに分割したような2つの光電変換部としての2つのフォトダイオード42,43を有する点と、これに伴い、1つの転送トランジスタ45に代えて、互いに独立して作動し得る2つの転送トランジスタ46,47を有する点のみである。転送トランジスタ46はフォトダイオード42からフローティング拡散部44へ電荷を転送し、転送トランジスタ47はフォトダイオード43からフローティング拡散部44へ電荷を転送する。
FIG. 7 is a circuit diagram showing the
本実施の形態では、転送トランジスタ45〜47、画素アンプ48、リセットトランジスタ49、選択トランジスタ50は、いずれもNMOSトランジスタで構成されている。
In this embodiment, the
撮像用画素20R,20G,20Bの転送トランジスタ45及びAF用画素20V,20Hの一方の転送トランジスタ46のゲート電極は、画素行ごとに共通に接続されて、垂直走査回路21から駆動配線23のうちの配線231を介して駆動信号φTGAが供給される。AF用画素20V,20Hの他方の転送トランジスタ47のゲート電極は、画素行毎に共通に接続されて、垂直走査回路21から駆動配線23のうちの配線232を介して駆動信号φTGBが供給される。
The gate electrodes of the
画素20R,20G,20B,20V,20Hの選択トランジスタ50のゲート電極は、画素行毎に共通に接続されて、垂直走査回路21から駆動配線23のうちの配線233を介して駆動信号φSが供給される。画素20R,20G,20B,20V,20Hのリセットトランジスタ49のゲート電極は、画素行毎に共通に接続されて、垂直走査回路21から駆動配線23のうちの配線234を介して駆動信号φRが供給される。
The gate electrodes of the
なお、図6及び図7において、フォトダイオード41,42,43の一方の端子、及び、フローティング拡散部44の一方の端子は、便宜的に接地として記載されている。しかし、本実施の形態では、実際は、後述する図9及び図11から理解されるとおりP型ウエル層52の電位となる。
6 and 7, one terminal of the
図8は、図1中の固体撮像素子3のAF用画素20Hの主要部を模式的に示す概略平面図である。理解を容易にするため、図8において、マイクロレンズ66は一点鎖線で示し、間隙71〜77にはハッチングを付している。図9は、図8中のA−A’線に沿った概略断面図である。図9には、典型的な光線の様子も示している。
FIG. 8 is a schematic plan view schematically showing the main part of the
図9に示すように、N型のシリコン基板51上にP型ウエル52が形成されている。P型ウエル52に電荷蓄積層であるN型層(N+)53が形成されることで、フォトダイオード42,43が構成されている。これらのフォトダイオード42,43は、高濃度のP型層(P++)54を基板表面側に付加した構造を有し、フォトダイオードとなっている。この点は、撮像用画素20R,20G,20Bのフォトダイオード41についても同様である。図面には示していないが、P型ウエル52には、前述したトランジスタのソース/ドレインやフローティング拡散部44等が形成されている。
As shown in FIG. 9, a P-
図8に示すように、2つのフォトダイオード42,43は、基板51の法線方向(Z軸方向)から見た平面視においてY軸方向の分割線B−B’により分割される−X側の領域及び+X側の領域に、それぞれ配置されている。そして、図8及び図9に示すように、入射光をフォトダイオード42,43に導く一つのマイクロレンズ66が、配置されている。本実施の形態では、図9に示すように、マイクロレンズ66は、図1中の撮影レンズ2の射出瞳を、フォトダイオード42,43の付近の高さ位置(Z軸方向位置)において結像させるように設計されている。図8に示すように、マイクロレンズ66は、その光軸が分割線B−B’とフォトダイオード42,43のY軸方向の中心線との交点を通るように、配置されている。このため、マイクロレンズ66から導かれる入射光は、瞳分割されて各フォトダイオード42,43に入射される。すなわち、画素20Hでは、フォトダイオード42は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から+X側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、フォトダイオード43は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から−X側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光する。なお、例えば、有効画素領域の中心部の画素では、マイクロレンズ66をその光軸が前記交点を通るように配置する一方、有効画素領域の周辺部の画素では、マイクロレンズ66をその光軸が前記交点からずれた位置を通るように配置してもよい。
As shown in FIG. 8, the two
そして、本実施の形態では、図8及び図9に示すように、AF用画素20Hにおいて、フォトダイオード42を構成する半導体領域とフォトダイオード43を構成する半導体領域との間に、間隙71が形成されている。図8に示すように、間隙71は、Z軸方向から見た平面視において分割線B−B’に沿って形成されている。シリコン表面からの間隙71の深さ(Z軸方向の深さ)は、例えば、1μm程度、5μm程度、10μm程度などにすることができる。間隙71の幅は、例えば、0.1μm以上であってもよい。本実施の形態では、間隙71内は、空気が存在するか又は真空に近い状態になっている。もっとも、本発明では、間隙71内に酸化シリコンなどの絶縁材料を埋め込んでもよい(後述する第2及び第3の実施の形態も同様。)。この場合、当該絶縁材料は、フォトダイオード42を構成する半導体領域とフォトダイオード43を構成する半導体領域との間を電気的に分離する分離部となる。
In this embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, a
図9に示すように、基板51上には、ゲート絶縁膜等となるシリコン酸化膜55、及び、例えばシリコン酸化膜からなる層間膜56〜58が、下側(基板51側)から順に形成されている。図面には示していないが、シリコン酸化膜55と層間膜56との間には、前述したトランジスタのゲート電極等が形成されている。また、図9に示すように、1層目のアルミニウム配線層59、2層目のアルミニウム配線層60及び3層目のアルミニウム配線層61が形成され、これらによって、図2に示す回路の配線がなされている。3層目のアルミニウム配線層61は、各画素の有効受光領域以外を覆う遮光膜となっている。
As shown in FIG. 9, on the
そして、本実施の形態では、図8及び図9に示すように、層間膜56〜58には、間隙72〜76が形成されている。図8に示すように、間隙72はZ軸方向から見た平面視でフォトダイオード42の左辺に沿って形成され、間隙73は前記平面視でフォトダイオード42の上辺に沿って形成され、間隙74はZ軸方向から見た平面視でフォトダイオード42の下辺に沿って形成され、間隙75はZ軸方向から見た平面視でフォトダイオード43の右辺に沿って形成され、間隙76は前記平面視でフォトダイオード43の上辺に沿って形成され、間隙77はZ軸方向から見た平面視でフォトダイオード43の下辺に沿って形成されている。このように、間隙72〜77が、分割線B−B’線に沿った箇所を除いて、フォトダイオード42,43の有効受光領域をそれぞれ囲んでいる。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9,
また、本実施の形態では、図9に示すように、3層目のアルミニウム配線層61より上側の位置において、窒化シリコン膜等の絶縁膜62、平坦化層63,65及びマイクロレンズ66が設けられている。AF用画素20Hでは、平坦化層63,65間にカラーフィルタは設けられていない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, an insulating
以上、図1中の固体撮像素子3の画素20H(図5参照)の構造について説明した。図1中の固体撮像素子3の画素20V(図4参照)の構造は、基本的に、画素20HをZ軸方向回りに90゜回転させたものとなっているので、その詳細な説明は省略する。
The structure of the
次に、図1中の固体撮像素子3の撮像用画素20R,20G,20B(図4及び図5参照)の構造について説明する。図10は、撮像用画素20R,20G,20Bの主要部を模式的に示す概略平面図であり、図8に対応している。図11は、図10中のC−C’線に沿った概略断面図であり、図9に対応している。図10及び図11において、図8及び図9中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
Next, the structure of the
撮像用画素20R,20G,20Bが、AF用画素20Hと主に異なる所は、以下に説明する点のみである。撮像用画素20R,20G,20Bでは、2分割されていた2つのフォトダイオード42,43が1つのフォトダイオード41にまとめられている。これに伴い、撮像用画素20R,20G,20Bでは、AF用画素20Hにおいて分割線B−B’線に沿って半導体領域に形成されていた間隙71は、形成されていない。また、撮像用画素20R,20G,20Bでは、AF用画素20Hの間隙72〜77に相当する間隙81〜84が、層間膜56〜58に形成されている。図10に示すように、間隙81はZ軸方向から見た平面視でフォトダイオード41の左辺に沿って形成され、間隙82は前記平面視でフォトダイオード41の右辺に沿って形成され、間隙83は前記平面視でフォトダイオード41の上辺に沿って形成され、間隙84は前記平面視でフォトダイオード41の下辺に沿って形成されている。さらに、撮像用画素20R,20G,20Bでは、平坦化層63,65間に、対応する色のカラーフィルタ64が設けられている。
The
本実施の形態による固体撮像素子3は、基本的に、従来の固体撮像素子と同様に半導体製造プロセスを利用して製造することができる。間隙71に関しては、例えば、P型ウエル層52内にフォトダイオード41〜43のN型層53などを形成した後、全面にレジストを形成し、フォトリソエッチング法によりこのレジストにおける間隙71に相当する部分のみを除去し、このレジストをマスクとしてドライエッチングにより間隙71を形成した後にこのレジストを除去し、その後、通常の手法でシリコン酸化膜55を形成すればよい。このとき、間隙71の幅を適当に狭めたりその後に成膜する材料の成膜条件を適宜設定しておくことで、間隙71が当該材料で埋め込まれないようにすることができる。もっとも、絶縁材料であれば、間隙71内に入ったとしても、電子の移動を阻止する機能には影響がないので、支障はない。なお、前述したように、本実施の形態を変形して間隙71内に酸化シリコンなどの絶縁材料を埋め込む場合には、間隙71の幅を比較的広くし、当該絶縁材料の成膜条件を適宜設定しておくことによって、間隙71内に絶縁材料を埋め込むことができる。
The solid-
間隙72〜77に関しては、層間膜58まで作製した後に、層間膜58上に全面にレジストを形成し、フォトリソエッチング法によりこのレジストにおける間隙72〜77に相当する部分のみを除去し、このレジストをマスクとしてドライエッチングにより間隙72〜77を形成した後にこのレジストを除去し、その後、通常の手法で絶縁膜62を形成すればよい。このとき、絶縁膜62の材料が間隙72〜77内に入らないように、間隙72〜77の幅や絶縁膜62の成膜条件を設定する。
With respect to the
なお、間隙71〜77の形成方法が、前述したようなドライエッチングに限定されるものでないことは、言うまでもない。
Needless to say, the method of forming the
次に、固体撮像素子3の駆動手順の各例について、図12及び図13を参照して説明する。図12は、焦点検出モード(固体撮像素子3から焦点検出用信号を読み出す動作モード)時の固体撮像素子3の駆動手順を示すタイミングチャートである。図13は、撮像モード(固体撮像素子3から撮像用信号を読み出す動作モード)時の固体撮像素子3の駆動手順を示すタイミングチャートである。なお、各画素に含まれるトランジスタはNMOSトランジスタであり、ハイレベル(ハイ)の駆動信号を受けてオン状態とされる。
Next, each example of the driving procedure of the solid-
最初に、図12を参照して焦点検出モード時の駆動手順を説明する。まず、期間T1において、全行のφTGA,φTGBがハイにされ、全画素20R,20G,20B,20V,20Hの転送トランジスタ45〜47がオンにされる。このとき、全行のφRがハイにされて全画素20R,20G,20B,20V,20Hのリセットトランジスタ49がオンにされているので、期間T1において、全画素20R,20G,20B,20V,20Hのフォトダイオード41〜43及びフローティング拡散部44がリセットされる。全行のφTGA,φTGBは、期間T1後にローにされ、全画素20R,20G,20B,20V,20Hの転送トランジスタ45〜47がオフにされる。
First, a driving procedure in the focus detection mode will be described with reference to FIG. First, in the period T1, φTGA and φTGB of all rows are set to high, and the
期間T1の後の期間T2において、メカニカルシャッタ(図示せず)が開かれる。この期間T2が露光期間となる。 In a period T2 after the period T1, a mechanical shutter (not shown) is opened. This period T2 is an exposure period.
次いで、期間T3において、1行目のφSがハイにされる。これにより、1行目の選択トランジスタ50がオンにされ、1行目の行選択が開始され、1行目の画素アンプ48によるソースフォロワ読み出しが開始される。
Next, in a period T3, φS in the first row is set high. As a result, the
期間T3の開始時点から所定期間経過した後に期間T11が開始される。期間T11では、1行目のφRがローにされて1行目のリセットトランジスタ49がオフにされ、1行目のフローティング拡散部44のリセットが終了される。期間T11の開始時点から期間T14の開始時点までの間に、1行目のダークレベル(フローティング拡散部44のリセット状態に対応して1行目の画素アンプ48から出力される信号)が、画素アンプ48から垂直信号線25を介してCDS回路27にクランプ(保存)される。このダークレベルは、次回に読み出しされる信号が1行目のφTGAに応答してフォトダイオード41,42(図12では、PDAと表記)から転送されて来る信号電荷によるものであるため、フォトダイオード41,42(PDA)に関するダークレベルとして用いられる。
The period T11 is started after a predetermined period has elapsed since the start of the period T3. In the period T11, φR in the first row is set low, the
期間T14において、1行目のφTGAがハイにされて1行目の転送トランジスタ45,46がオンにされる。これにより、1行目の撮像用画素20R,20G,20Bのフォトダイオード41に蓄積されていた信号電荷及び1行目のAF用画素20V,20Hの一方のフォトダイオード42に蓄積されていた信号電荷が、当該画素のフローティング拡散部44に転送される。そして、期間T14の終了時に、1行目のφTGAがローにされて1行目の転送トランジスタ45,46がオフにされる。期間T14の終了時点から期間T11の終了時点(期間T12の開始時点)までの間に、1行目のフローティング拡散部44に転送された電荷による電位変動が画素アンプ48から垂直信号線25を介してCDS回路27にクランプされる。すなわち、フォトダイオード41,42(PDA)の信号読出しが行われる。そして、CDS回路27によって、フォトダイオード41,42(PDA)に関するこの信号と、フォトダイオード41,42(PDA)に関する先のダークレベルとの差分信号が取得される。この差分信号のうちAF用画素20V,20Hの一方のフォトダイオード42に関するもののみが、焦点検出用信号として用いられる。
In period T14, φTGA in the first row is set high, and the
期間T12において、1行目のφRがハイにされて1行目のリセットトランジスタ49がオンにされ、1行目のフローティング拡散部44がリセットされる。
In period T12, φR in the first row is set high, the
期間T12の終了時点から期間T13が開始される。期間T13では、1行目のφRがローにされて1行目のリセットトランジスタ49がオフにされ、フローティング拡散部44のリセットが終了される。期間T13の開始時点(期間T12の終了時点)から期間T15の開始時点までの間に、1行目のダークレベル(フローティング拡散部44のリセット状態に対応して1行目の画素アンプ48から出力される信号)が、画素アンプ48から垂直信号線25を介してCDS回路27にクランプ(保存)される。このダークレベルは、次回に読み出しされる信号が1行目のφTGBに応答してフォトダイオード43(図12では、PDBと表記)から転送されて来る信号電荷によるものであるため、フォトダイオード43(PDB)に関するダークレベルとして用いられる。
Period T13 starts from the end of period T12. In period T13, φR in the first row is set low, the
期間T15において、1行目のφTGBがハイにされて1行目の転送トランジスタ47がオンにされる。これにより、1行目のAF用画素20V,20Hの他方のフォトダイオード43に蓄積されていた信号電荷が、当該画素のフローティング拡散部44に転送される。そして、期間T15の終了時に、1行目のφTGBがローにされて1行目の転送トランジスタ47がオフにされる。期間T15の終了時点から期間T13の終了時点(期間T3の終了時点)までの間に、1行目のフローティング拡散部44に転送された電荷による電位変動が画素アンプ48から垂直信号線25を介してCDS回路27にクランプされる。すなわち、フォトダイオード43(PDB)の信号読出しが行われる。そして、CDS回路27によって、フォトダイオード43(PDB)に関するこの信号と、フォトダイオード43(PDB)に関する先のダークレベルとの差分信号が取得される。この差分信号が、焦点検出用信号として用いられる。
In period T15, φTGB in the first row is set high, and the
その後、期間T3の終了時点(期間T13の終了時点)において、1行目のφRがハイにされて1行目のリセットトランジスタ49がオンにされ、1行目のフローティング拡散部44のリセットが開始されるとともに、1行目のφSがローにされて1行目の選択トランジスタ50がオフにされ、1行目の行選択が終了される。
Thereafter, at the end of the period T3 (end of the period T13), φR in the first row is set high, the
次に、水平帰線期間を経て次の2行目の選択動作の期間T4へと移行する。2行目以降も1行目と同様な動作が繰り返されるので、ここではその説明は省略する。このようにして、すべての行から信号が読み出されると、焦点検出モードを終了する。 Next, the process proceeds to the selection operation period T4 of the next second row through the horizontal blanking period. Since the same operation as the first line is repeated in the second and subsequent lines, the description thereof is omitted here. In this way, when signals are read from all rows, the focus detection mode is terminated.
次に、図13を参照して撮像モード時の駆動手順を説明する。撮像モード時では、AF用画素20V,20Hのフォトダイオード43からの信号は使用せず意味を持たないため、φTGBは任意でよい。したがって、図13には、φTGBを記載していない。
Next, a driving procedure in the imaging mode will be described with reference to FIG. In the imaging mode, the signal from the
撮像モード時には、まず、期間T21において、全行のφTGAがハイにされ、全画素20R,20G,20B,20V,20Hの転送トランジスタ45,46がオンにされる。このとき、全行のφRがハイにされて全画素20R,20G,20B,20V,20Hのリセットトランジスタ49がオンにされているので、期間T21において、少なくとも画素20R,20G,20Bのフォトダイオード41及びフローティング拡散部44がリセットされる。全行のφTGAは、期間T21後にローにされ、画素20R,20G,20B,20V,20Hの転送トランジスタ45,46がオフにされる。
In the imaging mode, first, in a period T21, φTGA of all the rows is set high, and the
期間T21の後の期間T22において、メカニカルシャッタ(図示せず)が開かれる。この期間T22が露光期間となる。 In a period T22 after the period T21, a mechanical shutter (not shown) is opened. This period T22 is an exposure period.
次いで、期間T23において、1行目のφSがハイにされる。これにより、1行目の選択トランジスタ50がオンにされ、1行目の行選択が開始され、1行目の画素アンプ48によるソースフォロワ読み出しが開始される。
Next, in a period T23, φS in the first row is set high. As a result, the
期間T23の開始時点から所定期間経過した後に期間T31が開始される。期間T31では、1行目のφRがローにされて1行目のリセットトランジスタ49がオフにされ、1行目のフローティング拡散部44のリセットが終了される。期間T31の開始時点から期間T32の開始時点までの間に、1行目のダークレベル(フローティング拡散部44のリセット状態に対応して1行目の画素アンプ48から出力される信号)が、画素アンプ48から垂直信号線25を介してCDS回路27にクランプ(保存)される。このダークレベルは、次回に読み出しされる信号が1行目のφTGAに応答してフォトダイオード41,42(図12では、PDAと表記)から転送されて来る信号電荷によるものであるため、フォトダイオード41,42(PDA)に関するダークレベルとして用いられる。
The period T31 is started after a predetermined period has elapsed since the start of the period T23. In period T31, φR in the first row is set low, the
期間T32において、1行目のφTGAがハイにされて1行目の転送トランジスタ45,46がオンにされる。これにより、1行目の撮像用画素20R,20G,20Bのフォトダイオード41に蓄積されていた信号電荷及び1行目のAF用画素20V,20Hの一方のフォトダイオード42に蓄積されていた信号電荷が、当該画素のフローティング拡散部44に転送される。そして、期間T32の終了時に、1行目のφTGAがローにされて1行目の転送トランジスタ45,46がオフにされる。期間T32の終了時点から期間T31の終了時点(期間T23の終了時点)までの間に、1行目のフローティング拡散部44に転送された電荷による電位変動が画素アンプ48から垂直信号線25を介してCDS回路27にクランプされる。すなわち、フォトダイオード41,42(PDA)の信号読出しが行われる。そして、CDS回路27によって、フォトダイオード41,42(PDA)に関するこの信号と、フォトダイオード41,42(PDA)に関する先のダークレベルとの差分信号が取得される。この差分信号のうち撮像用画素20R,20G,20Bのフォトダイオード41に関するもののみが、撮像用信号として用いられる。
In the period T32, φTGA in the first row is set high, and the
その後、期間T23の終了時点(期間T31の終了時点)において、1行目のφRがハイにされて1行目のリセットトランジスタ49がオンにされ、1行目のフローティング拡散部44のリセットが開始されるとともに、1行目のφSがローにされて1行目の選択トランジスタ50がオフにされ、1行目の行選択が終了される。
Thereafter, at the end of the period T23 (end of the period T31), φR in the first row is set high, the
次に、水平帰線期間を経て次の2行目の選択動作の期間T24へと移行する。2行目以降も1行目と同様な動作が繰り返されるので、ここではその説明は省略する。このようにして、すべての行から信号が読み出されると、撮像モードを終了する。 Next, the process proceeds to the selection operation period T24 of the second row through the horizontal blanking period. Since the same operation as the first line is repeated in the second and subsequent lines, the description thereof is omitted here. In this way, when signals are read from all rows, the imaging mode is terminated.
ここで、本実施の形態による電子カメラ1の動作の一例について、図14及び図1を参照して説明する。図14は、本実施の形態による電子カメラ1の動作を示す概略フローチャートである。
Here, an example of the operation of the
操作部9aのレリーズ釦の半押し操作が行われる(ステップS1)と、電子カメラ1内のマイクロプロセッサ9は、その半押し操作に同期して撮像制御部4を駆動する。撮像制御部4は、被写体の確認を行うために予め定めた公知の手法により、撮像用画素20R,20G,20Bのうちの全画素又は所定画素から被写体確認用の撮像信号を読み出し、メモリ7に蓄積する。このとき、全画素を読み出す場合は、例えば、前記図13に示す動作と同様の動作を行う。そして、画像処理部13は、その信号から、画像認識技術を利用して被写体を認識する(ステップS2)。例えば、顔認識モードの場合、被写体として顔を認識する。このとき、画像処理部13は、被写体の位置及び形状を得る。
When the half-press operation of the release button of the
その後、マイクロプロセッサ9は、ステップ2で得られた被写体の位置及び形状に従って、焦点検出領域32〜37のうちから、被写体に対する焦点調節状態を精度良く検出するのに最適な、焦点検出に用いるべき、オートフォーカス用ラインセンサに相当する焦点検出領域を設定する(ステップS3)。また、マイクロプロセッサ9は、ステップS2の認識結果等に基づいて、焦点検出用の撮影条件(絞り、焦点調節状態、シャッタ時間等)を設定する(ステップS4)。
Thereafter, the microprocessor 9 should be used for focus detection, which is optimal for accurately detecting the focus adjustment state for the subject from the
引き続いて、マイクロプロセッサ9は、ステップS4で設定した絞り等の条件となるようにレンズ制御部2aを作動させ、ステップS4で設定したシャッタ時間等の条件でかつステップS3で設定した焦点検出領域のAF用画素20V又は20Hの画素列の座標に従って、撮像制御部4を駆動することで、焦点検出用信号を読み出し、メモリ7に蓄積する(ステップS5)。このとき、前述した図12に示す動作と同様の動作によって、焦点検出用信号を読み出す。
Subsequently, the microprocessor 9 operates the
次に、マイクロプロセッサ9は、ステップS5で取得されメモリ7に格納された全画素の信号のうちから、ステップS3で設定した焦点検出領域のAF用画素20V又は20Hからの焦点検出用信号をピックアップし、それらの信号に基づいて瞳分割位相差方式に従った演算(焦点調節状態の検出処理)を焦点検出演算部10に行わせることで、焦点検出演算部10にデフォーカス量を算出させる(ステップS6)。
Next, the microprocessor 9 picks up a focus detection signal from the
次いで、マイクロプロセッサ9は、ステップS6で算出されたデフォーカス量に応じて合焦状態となるように、レンズ制御部2aに撮影レンズ2を調節させる。引き続いて、マイクロプロセッサ9は、本撮影のための撮影条件(絞り、シャッタ時間等)を設定する(ステップS8)。
Next, the microprocessor 9 causes the
次に、マイクロプロセッサ9は、ステップS8で設定した絞り等の条件となるようにレンズ制御部2aを作動させ、操作部9aのレリーズ釦の全押し操作に同期して、ステップS9で設定したシャッタ時間等の条件で撮像制御部4を駆動することで、画像信号を読み出して本撮影を行う(ステップS9)。このとき、前述した図13に示す動作と同様の動作によって、撮像用信号を読み出す。撮像制御部4によって、この撮像用信号は、メモリ7に蓄積される。
Next, the microprocessor 9 operates the
その後、マイクロプロセッサ9は、操作部9aの指令に基づき、必要に応じて画像処理部13や画像圧縮部12にて所望の処理を行い、記録部に処理後の信号を出力させ記録媒体11aに記録する。
Thereafter, the microprocessor 9 performs a desired process in the
本実施の形態では、前述したように、AF用画素20Hにおいて、フォトダイオード42を構成する半導体領域とフォトダイオード43を構成する半導体領域との間に、間隙71が形成されている。したがって、フォトダイオード42が光電変換して生成した電子(フォトダイオード42の電荷蓄積層53の下側のP型ウエル52の領域で発生した電子)が、フォトダイオード43の電荷蓄積層53の方へ移動しようとしても、その移動が間隙71によって阻止されて、当該電子はフォトダイオード43の電荷蓄積層53に補足されない。同様に、フォトダイオード43が光電変換して生成した電子(フォトダイオード43の電荷蓄積層53の下側のP型ウエル52の領域で発生した電子)が、フォトダイオード42の電荷蓄積層53の方へ移動しようとしても、その移動が間隙71によって阻止されて、当該電子はフォトダイオード43の電荷蓄積層53に補足されない。このため、本実施の形態によれば、フォトダイオード42,43の間での電子の移動によるクロストーク成分が低減され、フォトダイオード42,43の間の電気信号の分離が高まる。以上の点は、AF用画素20Vについても同様である。したがって、本実施の形態によれば、焦点検出精度が高まる。なお、間隙71内に絶縁材料を埋め込んだ場合も、同様の利点が得られる。
In the present embodiment, as described above, the
また、本実施の形態によれば、AF用画素20Hに関して、間隙72〜77が形成されている。間隙72〜77内は、空気が存在するか又は真空に近い状態になるが、いずれにせよ、間隙72〜77内の屈折率はほぼ1.0となる。一方、層間膜56〜58は、例えばシリコン酸化膜であるため、比較的屈折率が大きい。このため、間隙72〜77の壁部での臨界角は小さくなる。したがって、層間膜56〜58から間隙72〜77内へ入射しようとする大部分の光に対して、間隙72〜77の壁部が全反射面として作用することになる。よって、AF用画素20Hにおいて、マイクロレンズ66を通過した後に間隙72〜77の壁部に入射する光は、当該壁部により全反射され、迷光や漏れ光などになることなく、フォトダイオード42,43に入射する。このため、フォトダイオード42,43への集光効率が高まる。以上の点は、AF用画素20Vについても同様である。したがって、本実施の形態によれば、SN比の高い焦点検出用信号を得ることができ、この点からも、焦点検出精度を高めることができる。
Further, according to the present embodiment, the
さらに、本実施の形態によれば、撮像用画素20R,20G,20Bに関して、間隙81〜84が形成されているので、間隙81〜84の壁部は間隙72〜77の壁部と同様に全反射面として作用する。したがって、撮像用画素20R,20G,20Bに関して、フォトダイオード41への集光効率が高まり、これにより高品質の画像を得ることができる。
Further, according to the present embodiment, since the
なお、本実施の形態を次のように変形してもよい。すなわち、必ずしも、AF用画素20H,20Vにおいて間隙72〜77を形成しなくてもよいし、撮像用画素20R,20G,20Bにおいて間隙81〜84を形成しなくてもよい。この場合、AF用画素20H,20Vのフォトダイオード42,43への集光率の向上や、撮像用画素20R,20G,20Bのフォトダイオード41への集光率の向上を図ることはできないが、間隙71よって、フォトダイオード42,43の間の電気信号の分離を高めることはできる。
Note that the present embodiment may be modified as follows. That is, the
[第2の実施の形態] [Second Embodiment]
図15は、本発明の第2の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子のAF用画素20Hの主要部を模式的に示す概略断面図であり、図9に対応している。図15において、図9中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view schematically showing the main part of the
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、前記第1の実施の形態では、AF用画素20Hにおいて、1つの間隙71に代えて、並列した2つの間隙71a,71bが、Z軸方向から見た平面視で分割線B−B’線(図8参照。)に沿って形成されている点のみである。本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。
The difference between the present embodiment and the first embodiment is that in the first embodiment, in the
[第3の実施の形態] [Third Embodiment]
図16は、本発明の第3の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子のAF用画素20Hの主要部を模式的に示す概略平面図であり、図8に対応している。図17は、図16中のD−D’線に沿った概略断面図であり、図9に対応している。図18は、本発明の第3の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子の撮像用画素20R,20G,20Bの主要部を模式的に示す概略平面図であり、図10に対応している。図19は、図18中のE−E’線に沿った概略断面図であり、図11に対応している。
FIG. 16 is a schematic plan view schematically showing the main part of the
図16乃至図19において、図8乃至図11中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。 16 to 19, the same or corresponding elements as those in FIGS. 8 to 11 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted. This embodiment is different from the first embodiment only in the points described below.
本実施の形態では、図16及び図17に示すように、AF用画素20Hにおいて、層間膜56〜58には、間隙91も形成されている。間隙91は、Z軸方向から見た平面視において分割線B−B’に沿って形成されている。この点は、AF用画素20Vについても同様である。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 16 and 17, in the
また、前記第1の実施の形態では、図9に示すように、マイクロレンズ66は、図1中の撮影レンズ2の射出瞳を、フォトダイオード42,43の付近の高さ位置(Z軸方向位置)において結像させるように設計されているのに対し、本実施の形態では、図17に示すように、マイクロレンズ66は、撮影レンズ2の射出瞳を、間隙91の上端(+Z側端部)の付近の高さ位置(Z軸方向位置)(すなわち、層間膜58の上面付近)において結像させるように設計されている。この点は、AF用画素20Vについても同様である。
In the first embodiment, as shown in FIG. 9, the
さらに、本実施の形態では、図19に示すように、撮像用画素20R,20G,20Bのマイクロレンズ66も、AF用画素20H,20Vのマイクロレンズ66と同じ結像特性を持つように設計されている。
Furthermore, in the present embodiment, as shown in FIG. 19, the
本実施の形態では、間隙72〜77の場合と同様に、間隙91の両壁部が全反射面として作用することになる。したがって、本実施の形態によれば、AF用画素20Hにおいて、間隙91の両壁部の全反射作用によって、前記第1の実施の形態に比べて、撮影レンズ2の射出瞳の一方側からの光のみを受光すべきフォトダイオード42が、当該射出瞳の他方側からの光を受光してしまうことが低減され、同様に、撮影レンズ2の射出瞳の他方側からの光のみを受光すべきフォトダイオード43が、当該射出瞳の一方側からの光を受光してしまうことが低減される。このため、本実施の形態によれば、AF用画素20Hにおいて、フォトダイオード42,43間の光信号の分離が高まる。以上の点は、AF用画素20Vについても同様である。したがって、本実施の形態によれば、より一層、焦点検出精度が高まる。
In the present embodiment, as in the case of the
なお、本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様に、間隙71によってフォトダイオード42,43間の電気信号の分離が高まるという利点、及び、間隙72〜77によってフォトダイオード42,43への集光効率が高まるという利点が、得られる。
In the present embodiment, as in the first embodiment, the advantage that the separation of electric signals between the
なお、本実施の形態を次のように変形してもよい。すなわち、必ずしも、AF用画素20H,20Vにおいて間隙72〜77を形成しなくてもよいし、撮像用画素20R,20G,20Bにおいて間隙81〜84を形成しなくてもよい。この場合、AF用画素20H,20Vのフォトダイオード42,43への集光率の向上や、撮像用画素20R,20G,20Bのフォトダイオード41への集光率の向上を図ることはできないが、間隙71よってフォトダイオード42,43の間の電気信号の分離を高めることはできるとともに、間隙91によってフォトダイオード42,43の間の光信号の分離を高めることはできる。
Note that the present embodiment may be modified as follows. That is, the
[第4の実施の形態] [Fourth Embodiment]
図20は、本発明の第4の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子のAF用画素20Hの主要部を模式的に示す概略断面図であり、図17に対応している。図20において、図17中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view schematically showing the main part of the
本実施の形態が前記第3の実施の形態と異なる所は、AF用画素20Hにおいて、フォトダイオード42の半導体領域とフォトダイオード43の半導体領域との間に間隙71が形成されていない点のみである。本実施の形態によれば、間隙71が形成されていないので、フォトダイオード42,43の間の電気信号の分離を高めることはできないが、その他は、前記第3の実施の形態と同様の利点が得られる。
This embodiment differs from the third embodiment only in that no
なお、本実施の形態を次のように変形してもよい。すなわち、必ずしも、AF用画素20H,20Vにおいて間隙72〜77を形成しなくてもよいし、撮像用画素20R,20G,20Bにおいて間隙81〜84を形成しなくてもよい。この場合、AF用画素20H,20Vのフォトダイオード42,43への集光率の向上や、撮像用画素20R,20G,20Bのフォトダイオード41への集光率の向上を図ることはできないが、間隙91によってフォトダイオード42,43の間の光信号の分離を高めることはできる。
Note that the present embodiment may be modified as follows. That is, the
以上、本発明の各実施の形態及びそれらの変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。 As mentioned above, although each embodiment of this invention and those modifications were demonstrated, this invention is not limited to these.
例えば、前述した各実施の形態では、撮像モードにおいて、AF用画素20H,20Vからの信号は、撮像用信号として用いていなかったが、AF用画素20H,20Vにもカラーフィルタを設け、撮像モードにおいて、転送トランジスタ46,47(図7参照)を同時にオンすることで、フォトダイオード42,43の電荷を両方とも同時にフローティング拡散部44へ転送し、これにより両信号を加算して読み出せば、その加算信号は撮像用信号として用いることができる。
For example, in each of the embodiments described above, in the imaging mode, the signals from the
また、前述した各実施の形態では、AF用画素20H,20Vでは、2つのフォトダイオード42,43の分割方向が縦又は横となっていたが、その分割方向は斜め45度などにしてもよい。
Further, in each of the above-described embodiments, in the
1 電子カメラ
3
20 画素
20V,20H 焦点検出用画素(AF用画素)
20R,20G,20B 撮像用画素
42,43 フォトダイオード
51 基板
56〜58 層間膜
71〜77,81〜84,91 間隙
1
20
20R, 20G,
Claims (12)
前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記基板の法線方向から見た平面視において分割線により分割される一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し各々が入射光を光電変換する第1の光電変換部及び第2の光電変換部を有し、
前記基板上に形成された層間膜に、壁部が全反射面として作用する中空の間隙が、前記平面視において前記分割線に沿って形成されたことを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of pixels arranged two-dimensionally on a substrate;
At least some of the plurality of pixels are respectively present in one region and the other region divided by a dividing line in a plan view as viewed from the normal direction of the substrate, and each of which receives incident light. Having a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit for photoelectric conversion;
A solid-state imaging device, wherein a hollow gap whose wall acts as a total reflection surface is formed in the interlayer film formed on the substrate along the dividing line in the plan view.
前記マイクロレンズは、被写体像を当該固体撮像素子に結像させる光学系の射出瞳を、前記間隙における光入射側の端部付近の高さ位置において結像させることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 The at least some pixels are provided with microlenses,
2. The microlens forms an image of an exit pupil of an optical system that forms a subject image on the solid-state image sensor at a height position near an end of the light incident side in the gap. Solid-state image sensor.
前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記基板の法線方向から見た平面視において分割線により分割される一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し各々が入射光を光電変換する第1の光電変換部及び第2の光電変換部を有し、
前記少なくとも一部の画素において、前記第1の光電変換部を構成する半導体領域と前記第2の光電変換部を構成する半導体領域との間に、その間を電気的に分離する中空の間隙が形成され、
前記基板上に形成された層間膜に、壁部が全反射面として作用する中空の間隙が、前記平面視において、前記少なくとも一部の画素の前記第1及び第2の光電変換部の有効受光領域をそれぞれ囲む箇所のうち、前記少なくとも一部の画素の前記分割線に沿った箇所以外の箇所に、形成されたことを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of pixels arranged two-dimensionally on a substrate;
At least some of the plurality of pixels are respectively present in one region and the other region divided by a dividing line in a plan view as viewed from the normal direction of the substrate, and each of which receives incident light. Having a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit for photoelectric conversion;
In the at least some of the pixels, a hollow gap is formed between the semiconductor region forming the first photoelectric conversion unit and the semiconductor region forming the second photoelectric conversion unit to electrically isolate the first and second photoelectric conversion units. It is,
In the interlayer film formed on the substrate, a hollow gap whose wall acts as a total reflection surface has an effective light reception of the first and second photoelectric conversion units of the at least some pixels in the plan view. A solid-state imaging device, wherein the solid-state imaging device is formed at a location other than a location along the dividing line of the at least some pixels among locations surrounding each region .
前記マイクロレンズは、被写体像を当該固体撮像素子に結像させる光学系の射出瞳を、前記第1及び第2の光電変換部の付近の高さ位置において結像させることを特徴とする請求項8又は9記載の固体撮像素子。 The at least some pixels are provided with microlenses,
The microlens forms an image of an exit pupil of an optical system that forms a subject image on the solid-state imaging device at a height position near the first and second photoelectric conversion units. The solid-state imaging device according to 8 or 9.
被写体像を前記固体撮像素子に結像させる光学系と、
前記少なくとも一部の画素の前記第1の光電変換部からの信号及び前記第2の光電変換部からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、
前記検出処理部からの前記検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。 A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 10 ,
An optical system for forming a subject image on the solid-state imaging device;
A detection processing unit that outputs a detection signal indicating a focus adjustment state of the optical system based on a signal from the first photoelectric conversion unit and a signal from the second photoelectric conversion unit of at least some of the pixels; ,
An adjusting unit that adjusts the focus of the optical system based on the detection signal from the detection processing unit;
An imaging apparatus comprising:
前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、各々が入射光を光電変換する第1の光電変換部及び第2の光電変換部と、前記第1の光電変換部に対応して前記基板上に形成された層間膜と、前記第2の光電変換部に対応して前記基板上に形成された層間膜とを有し、
前記両層間膜の間に、壁部が全反射面として作用する中空の間隙が形成されたことを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of pixels arranged two-dimensionally on a substrate;
At least some of the plurality of pixels each include a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit that photoelectrically convert incident light, and the substrate corresponding to the first photoelectric conversion unit. An interlayer film formed thereon, and an interlayer film formed on the substrate corresponding to the second photoelectric conversion unit;
A solid-state imaging device, wherein a hollow gap whose wall portion acts as a total reflection surface is formed between the two interlayer films.
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