(57)【要約】【課題】距離検出画素の開口率を高めることができ、高いＳＮ比により距離検出精度を向上させることが可能となる固体撮像素子等を提供する。【解決手段】半導体中に、第１の光電変換部と第２の光電変換部とによる少なくとも２つの光電変換部を有する画素を備えた固体撮像素子であって、  前記第１の光電変換部は、前記第２の光電変換部よりも高い不純物濃度を有し、前記第２の光電変換部で発生した電荷を前記第１の光電変換部に転送可能に構成され、  前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の電荷量を、共通して検出する１つの信号検出手段を有する。【選択図】            図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体中に、第１の光電変換部と第２の光電変換部とによる少なくとも２つの光電変換部を有する画素を備えた固体撮像素子であって、
前記第１の光電変換部は、前記第２の光電変換部よりも高い不純物濃度を有し、前記第２の光電変換部で発生した電荷を前記第１の光電変換部に転送可能に構成され、
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の電荷量を、共通して検出する１つの信号検出手段を有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記信号検出手段は、前記第１の光電変換部に蓄積された電荷量を検出した後、前記第２の光電変換部に蓄積された電荷量を検出する構成を備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１の光電変換部の露光時間と、前記第２の光電変換部の露光時間とが同じ露光時間となるように設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に、前記第２の光電変換部で発生した電荷を前記第１の光電変換部に転送するゲート電極が配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
複数の画素を有する固体撮像素子を備え、撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束によるそれぞれの像を前記複数の画素を用いて検出し、前記それぞれの像のズレ量に基づいて距離を検出する距離検出装置であって、
前記複数の画素を有する固体撮像素子が、請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子によって構成されていることを特徴とする距離検出装置。
【請求項６】
前記距離を検出する際の動作として、第１の測定モードと第２の測定モードとによる少なくとも２つの測定モードを有し、
前記第１の測定モードは、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部を順次検出するモードであり、
前記第２の測定モードは、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部を同時に検出するモードであることを特徴とする請求項５に記載の距離検出装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の距離検出装置を備えたことを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子、該固体撮像素子を備えた距離検出装置、該距離検出装置を備えたカメラに関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの距離検出に用いられる距離検出用の固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやビデオカメラにおいて、固体撮像素子の一部あるいは全部の画素に距離検出（焦点検出）機能を有する距離検出画素を配置し、位相差方式で検出するようにした固体撮像素子が提案されている（特許文献１）。
ここでの距離検出画素は、複数の光電変換部を備え、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した光束が、異なる光電変換部に導かれるように構成される。
そして、このように構成された複数の距離検出画素を用いて、射出瞳の異なる領域を通過した光束による像を検出し（それぞれＡ像、Ｂ像）、Ａ像とＢ像のズレ量を測定する。
このズレ量と基線長（異なる射出瞳領域の間隔）からデフォーカス量を算出し、距離（焦点位置）を検出するように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０２７１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来例の固体撮像素子においては、距離検出画素には複数の光電変換部をもつため、各光電変換部の信号を読み取るための複数の信号検出回路が必要となる。
このように複数の信号検出回路を配置すると、光電変換部の開口率（画素に占める全光電変換部の割合）が低下し、被写体からの光を必ずしも効率良く受光できなくなる。結果として、測距信号のＳＮ比が悪化して距離検出誤差が大きくなる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、距離検出画素の開口率を高めることができ、高いＳＮ比により距離検出精度を向上させることが可能となる固体撮像素子、該固体撮像素子を備えた距離検出装置、該距離検出装置を備えたカメラの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の固体撮像素子は、半導体中に、第１の光電変換部と第２の光電変換部とによる少なくとも２つの光電変換部を有する画素を備えた固体撮像素子であって、
前記第１の光電変換部は、前記第２の光電変換部よりも高い不純物濃度を有し、前記第２の光電変換部で発生した電荷を前記第１の光電変換部に転送可能に構成され、
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の電荷量を、共通して検出する１つの信号検出手段を有することを特徴とする。
また、本発明の距離検出装置は、複数の画素を有する固体撮像素子を備え、撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束によるそれぞれの像を前記複数の画素を用いて検出し、前記それぞれの像のズレ量に基づいて距離を検出する距離検出装置であって、
前記複数の画素を有する固体撮像素子が、上記した固体撮像素子によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明のカメラは、上記した距離検出装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、距離検出画素の開口率を高めることができ、高いＳＮ比により距離検出精度を向上させることが可能となる固体撮像素子、該固体撮像素子を備えた距離検出装置、該距離検出装置を備えたカメラを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態における固体撮像素子を用いた距離検出装置。
【図２】本発明の実施形態における固体撮像素子の距離検出画素の概略断面図。
【図３】本発明の実施形態における固体撮像素子の距離検出画素の概略上面図。
【図４】本発明の実施形態における固体撮像素子の距離検出時のタイムチャートを説明する図。
【図５】本発明の実施形態における固体撮像素子の距離検出時の電子エネルギーを説明する図。
【図６】本発明の実施形態における固体撮像素子の撮像時のタイムチャートを説明する図。
【図７】本発明の実施形態における固体撮像素子の撮像時の電子エネルギーを説明する図。
【図８】本発明の実施形態における固体撮像素子のその他の構成を説明する図。
【図９】本発明の実施形態における固体撮像素子のその他の構成を説明する図。
【図１０】本発明の実施形態における距離測定用の画素を含む固体撮像素子の製造プロセスについて説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明の実施形態における固体撮像素子を備える距離検出装置について説明する。
その際、上記固体撮像素子を備える距離検出装置を撮像装置に適用した一例として、デジタルスチルカメラを用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、以下に図を用いて説明するが、その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１０】
まず、本発明の実施形態における距離検出装置の構成について、図１を用いて説明する。
図１において、１００は本実施形態における距離検出装置である。距離検出装置１００は、撮影レンズ１０１、固体撮像素子１０２、演算部１０３で構成する。被写体１０４の距離情報を取得するため、撮影レンズ１０１により、被写体１０４の像を固体撮像素子１０２へ結像する。
固体撮像素子１０２に配置された距離検出画素で異なる射出瞳の領域（第１の領域１０６、第２の領域１０７）を通過した光束をそれぞれ受光する。
ただし、１０５は距離検出装置１００の射出瞳である。
この異なる射出瞳領域を通過して得られたＡ像とＢ像の情報を演算部１０３へ転送し、Ａ像とＢ像のズレ量と基線長１０８を用いて、公知の方法によって被写体の距離情報を算出する。
【００１１】
つぎに、固体撮像素子の構成について、図２を用いて説明する。
図２において、２００は固体撮像素子中の一部の画素に配置された距離検出画素群の１つの画素である。
画素２００は、半導体２０１中にＰ型から成るＰ型ウエル２０２、表面Ｐ＋層２０３と、Ｎ型の第１の光電変換部２０４、第２の光電変換部２０５、フローティングディフュージョン部（以下、ＦＤ部）２０６を備える。
また、半導体２０１の表面Ｐ＋層２０３側に、ゲート絶縁膜２０７、ゲート電極２０８、２０９が配置されている。
画素２００に入射した光は、マイクロレンズなどの集光手段２１０、カラーフィルタ２１１、平坦化層２１２を介し、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５に導かれる。
光電変換部２０４、２０５に入射した光は電荷（電子）に変換され、光電変換部内に蓄積される。
その後、それぞれの電荷を同じＦＤ部（信号検出回路）２０６へと転送し、第１の光電変換部２０４の電荷量と第２の光電変換部２０５の電荷量をそれぞれ電気信号として検出するように構成されている。
その際、第１の光電変換部２０４の不純物濃度を第２の光電変換部２０５の不純物濃度より高い不純物濃度となるようにして、第２の光電変換部の電荷を効率良く第１の光電変換部に転送可能に構成されている。
そして、例えば、集光手段２１０としてマイクロレンズを用いて、マイクロレンズで射出瞳１０５と光電変換部２０４、２０５の表面とが略共役の関係になるようにする。
これにより、第１の領域１０６を通過した光束を第１の光電変換部２０４で受光し、第２の領域１０７を通過した光束を第２の光電変換部２０５で受光して、それぞれＡ像とＢ像の信号取得として用いる。
【００１２】
続いて、本発明の固体撮像素子によって、信号検出回路を少なくし、測距信号のＳＮ比が向上するようにした構成について、図３を用いて説明する。
図３は画素２００の上面から見た要部概略図である。ただし、図２は図３のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
また、画素内の構成でリセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタは、画素間で共用して配置することが可能であり説明を簡略化するため省略した。
このとき、画素内に光電変換部が２つあるのに対し、光電変換部の電荷量を読み取る信号検出回路（ＦＤ部２０６など）を１つとしたことで、画素に占める光電変換部２０４、２０５の割合の低下を抑制して、画素内の光電変換部の開口率を高くすることができる。
これにより、画素２００に入射した光を効率よく光電変換部へと導波させ受光することが可能となる。
特に、画素サイズが４．０マイクロメートル以下になると、入射光は画素の内部で光が拡がり信号検出回路などへ到達し、散乱や吸収によるノイズが増加する。また、同時に光電変換部に到達する光量が少なくなり、測距信号のＳＮ比が悪化する。
これに対して、本実施形態の構成によれば、第１と第２の光電変換部２０４、２０５とによる２つの光電変換部の電荷量の検出を、１つの信号検出回路で共有して検出する構成とすることで、測距信号のＳＮ比を向上させ、距離検出精度を高めることができる。
【００１３】
つぎに、本実施形態における固体撮像素子の距離検出の動作として、第１の測定モードについて説明する。
この第１の測定モードでは、第１の光電変換部と第２の光電変換部を順次検出する。
ここでは、信号検出回路が画素内で１つである画素２００の信号を読み出す動作フローを例にとり説明する。
図４は第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５から信号を読み出す駆動信号を示すタイミングチャートである。
また、図５は第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５の電子エネルギーと電子密度を表わした図である。
ここで、２０４Ａ、２０５Ａ、２０６Ａはそれぞれ第１の光電変換部の電子エネルギー、第２の光電変換部の電子エネルギー、ＦＤ部の電子エネルギーである。まず、光電変換部の電荷をリセットするために、ＰＤリセットトランジスタ（φＰＤＲ１、φＰＤＲ２）を順次オンにする。
これにより、第１の光電変換部と第２の光電変換部の不要な電荷を電源に排出させる（図５（ａ））。
続いて、ＰＤリセットトランジスタ（φＰＤＲ１、φＰＤＲ２）がオフされ、光電変換部への露光が開始される（図５（ｂ））。
このとき、第１の光電変換部の露光時間ｔ１と第２の光電変換部の露光時間ｔ２とが同じになるように、φＰＤＲ１とφＰＤＲ２のオンのタイミングを調整するように設定されている。
【００１４】
次に、ＦＤ部２０６の電荷をリセットするため、ＦＤリセットトランジスタ（φＦＤＲ）をオンにする。
これによりＦＤ部の不要な電荷が電源に排出される（図５（ｃ））。
続いて、φＦＤＲをオフにして、リセット状態での出力値を検出する。
次に、第１の光電変換部２０４の電荷をＦＤ部２０６へ転送するため、ゲート電極２０８に信号を加え転送トランジスタ（φＴ１）をオンにする。
その後、ＦＤ部２０６の出力値を読み取り（図５（ｄ））、ＦＤ部２０６のリセット状態での出力値と差動検出することで、第１の光電変換部２０４の電荷量を検出する。
次に、第２の光電変換部２０５の電荷を第１の光電変換部２０４へと転送するため、ゲート電極２０９に信号を加え転送トランジスタ（φＴ２）をオンにする。その際、同じタイミングで、ＦＤ部の電荷をリセットするため、ＦＤリセットトランジスタ（φＦＤＲ）をオンにする（図５（ｅ））。
このとき、上記したように第１の光電変換部２０４の不純物濃度を第２の光電変換部２０５の不純物濃度より高い構成とされていることから、第１の光電変換部の電子エネルギーが第２の光電変換部の電子エネルギーより低くなる。
これにより、第２の光電変換部の電荷を効率良く第１の光電変換部に転送することができる。
【００１５】
続いて、第１の光電変換部２０４に転送した第２の光電変換部２０５の電荷をＦＤ部２０６に転送するため、転送トランジスタ（φＴ１）をオンにし、その後、ＦＤ部の出力値を読み取る（図５（ｆ））。
よって、ＦＤ部２０６のリセット状態での出力値と差動検出することで、第２の光電変換部２０５の電荷量を検出する。
以上により、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５の電荷量をそれぞれ同一のＦＤ部２０６を用いて読み取ることができる。
また、距離情報と共に被写体の像情報を取得する場合は、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５の電荷量をそれぞれ検出した後、演算部１０３にて加算する。
この加算した信号は、射出瞳全域を通過した撮像信号であるため、距離検出画素を用いて被写体像を取得することができる。
また、本実施形態では、第１の光電変換部２０４の蓄積時間ｔ１と第２の光電変換部２０５の蓄積時間ｔ２を同じとしたが、蓄積時間は異なっていてもよい。この場合は、蓄積時間の差を利用して、ダイナミックレンジ向上や被写体の動きベクトル検出機能として利用できる。
【００１６】
つぎに、本実施形態における固体撮像素子の距離検出の動作として、第２の測定モードについて説明する。
この第２の測定モードでは、被写体像を高速に取得するため、画素内にある全ての光電変換部（第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５）を同時に読み出す。
ここで、本実施形態における固体撮像素子の像検出の動作として、画素２００の像情報のみを取得する際の信号を読み出す動作フローを例にとり説明する。
図６は、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５の加算信号を読み出す駆動信号を示すタイミングチャートである。
また、図７は第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５の電子エネルギーと電子密度を表わした図である。
まず、光電変換部の電荷をリセットするために、ＰＤリセットトランジスタ（φＰＤＲ１、φＰＤＲ２）を同時にオンにする。
これにより、第１の光電変換部と第２の光電変換部の不要な電荷を電源に排出させる（図７（ａ））。
続いて、ＰＤリセットトランジスタ（φＰＤＲ１、φＰＤＲ２）がオフされ、光電変換部への露光が開始される（図７（ｂ））。
次に、ＦＤ部２０６の電荷をリセットするため、ＦＤリセットトランジスタ（φＦＤＲ）をオンにする。
これにより、ＦＤ部の不要な電荷が電源に排出される（図７（ｃ））。続いて、φＦＤＲをオフにして、リセット状態での出力値を検出する。
次に、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５の加算した電荷をＦＤ部２０６へ転送するため、転送トランジスタ（φＴ１、φＴ２）をオンにする。その後、ＦＤ部２０６の出力値を読み取り（図７（ｄ））、ＦＤ部２０６のリセット状態での出力値と差動検出することで、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５の加算した電荷量を検出することができる。
以上により、距離検出画素を用いて被写体の像情報のみを取得することが可能となる。この動作方法を用いることで、距離情報取得時の場合に比べ、複数の光電変換部の電荷量をそれぞれ別々に読み取る必要がない。
このため、光電変換部の電荷を加算した後に読み出すことで、高速に電荷量を読み出すことが可能となる。また、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０５の露光時間ずれも生じない。
【００１７】
また、本実施形態では、固体撮像素子が電極や配線の逆側から入射する裏面型固体撮像素子を用いて説明したが、必ずしもこれに限る必要はなく、図８に示すように表面型固体撮像素子であっても良い。
この場合においても、本発明の信号検出回路を少なくする構成を適用すれば、光電変換部の開口率が高くなり測距信号のＳＮ比が高くなる。
さらに、電極や配線の数も減少するので、画素内で入射光が散乱しにくくなり、クロストークノイズが低下する。
また、画素の中央に配置されるゲート電極２０９や配線２１３で入射光が散乱し、吸収されないように、光電変換部の直上に周囲より屈折率の高い導波構造２１４を設ける構成にすればよい。
このとき、ゲート電極２０９や配線２１３による散乱が低下し、クロストークノイズが減少する。
【００１８】
また、距離検出画素内の光電変換部は２つに限るものではなく、例えば、図９に示すように、４つにしてもよい。
この場合、射出瞳を縦・横に分割できるため、縦線・横線のいずれの被写体に対しても高精度に距離検出することができる。
ただし、距離検出画素の上面図を示した図９は、光電変換部３０１、光電変換部間のゲート電極３０２をそれぞれ４つずつ配置し、ＦＤ部３０３とＦＤ部への転送を制御するゲート電極３０４をそれぞれ２つの構成にした。
このように、光電変換部の数に比べ、ＦＤ部の数を少なく共通のＦＤ部から電荷量を読み取る構成とすることで、光電変換部の開口率を高くすることが可能となる。よって、光電変換部を４つに構成しても、高いＳＮ比を維持でき、高精度な距離検出が可能となる。
また、図９に示した構成では、光電変換部の間に配置したゲート電極３０２の信号に応じて、射出瞳の分割領域を縦・横を任意に制御できる。
【００１９】
つぎに、本実施形態における固体撮像素子の製造方法について説明する。
ここでは、図１０を用いて、本実施例における画素２００を含む固体撮像素子の製造プロセスについて説明する。
まず、熱酸化によりシリコン半導体２０１の表面にゲート絶縁膜２０７を形成する。
続いて、２０１の半導体中に光電変換部２０４、２０５、ＦＤ部２０６を形成するために、フォトレジストにより所定位置にレジストマスクを形成し、不純物のイオン打ち込みを行う。
その後、レジストマスクをアッシング等により除去する。続いて、同様のイオン打ち込みの方法で、拡散層（不図示）を形成する（図１０（ａ））。
【００２０】
さらに、光電変換部２０４、２０５にて発生した電荷を転送するためのゲート電極を形成するために、ポリシリコン膜を形成する。
その後、フォトリソ工程を用いてポリシリコンを所定パターンにエッチングしてゲート電極２０８、２０９を形成する（図１０（ｂ））。
その後、半導体２０１、およびゲート電極上に例えばＢＰＳＧなどの層間絶縁膜２１５を形成し、ＣＭＰ法により平坦化を行う。
次に、電気的な接続のため、コンタクトホールなどの接続孔を層間絶縁膜に形成して、他の金属配線に電気的に接続させる。同様に、配線２１３を形成し層間絶縁膜２１５で覆う（図１０（ｃ））。
続いて、半導体２０１のゲート絶縁膜２０７と反対側を光電変換部が露出するまで研磨し薄膜化する。その後、平坦化膜２１２、カラーフィルタ２１１、マイクロレンズ２１０を必要に応じて形成する（図１０（ｄ））。
【符号の説明】
【００２１】
１００：距離検出装置
１０１：撮影レンズ
１０２：固体撮像素子
１０３：演算部
１０４：被写体
１０５：距離検出装置の射出瞳
１０６：射出瞳の第１の領域
１０７：射出瞳の第２の領域
１０８：基線長
２００：距離検出画素群の１つの画素
２０１：半導体
２０２：Ｐ型ウエル
２０３：表面Ｐ＋層
２０４：第１の光電変換部
２０５：第２の光電変換部
２０６：フローティングディフュージョン部
２０７：ゲート絶縁膜
２０８、２０９：ゲート電極
２１０：集光手段
２１１：カラーフィルタ
２１２：平坦化層
【図１】
2013110548.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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