(57)【要約】【課題】  撮像装置において、マイクロレンズと複数の光電変換素子を用いて測距処理を行う際、撮像面に平行な一つの方向における測距精度を多少犠牲にしても他の方向での測距可能な被写体輝度を高くする。【解決手段】  一様態として、マイクロレンズと、第１の光電変換素子に第１の方向で隣り合う第２の光電変換素子と、前記第１の光電変換素子に前記第１の光電変換素子と交差する第２の方向で隣り合う第３の光電変換素子と、を有し、前記第１と第３の光電変換素子の間の領域で生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さが、前記第１と第２の光電変換素子の間の領域で生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さより低い撮像装置に関する。【選択図】  図１
2017162985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのマイクロレンズと、
第１の半導体領域を有する第１の光電変換素子と、
第１の方向において、前記第１の半導体領域と隣り合う第２の半導体領域を有する第２の光電変換素子と、
前記第１の方向と交差する第２の方向において、前記第１の半導体領域と隣り合う第３の半導体領域を有する第３の光電変換素子と、
前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域の間に位置する第４の半導体領域と、
前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域の間に位置する第５の半導体領域と、
を有する第１の光電変換ユニットを複数有し、
前記第１の光電変換素子、第２の光電変換素子、及び第３の光電変換素子は、前記１つのマイクロレンズで集光された光が入射する位置に配置され、
前記第１の半導体領域、第２の半導体領域、及び第３の半導体領域は第１導電型を有し、
前記第４の半導体領域及び第５の半導体領域は、前記第１の導電型と異なる第２導電型を有し、
前記第５の半導体領域の少なくとも一部の領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さが、第４の半導体領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さより低く、
前記信号電荷は第１の導電型を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第５の半導体領域は、前記第２の方向における長さが、前記第２の方向における前記第４の半導体領域の長さより小さい領域を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第５の半導体領域は、前記第２の方向における長さが、前記第２の方向における前記第５の半導体領域の他の領域の長さより小さい領域を有することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第５の半導体領域の不純物濃度は、前記第４の半導体領域の少なくとも一部の領域の不純物濃度より低いことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第５の半導体領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さが、第４の半導体領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さより低いことを特徴とする請求項１、２、及び４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第２の方向における前記第５の半導体領域の長さは、前記第１の方向における前記第４の半導体領域の長さより小さいことを特徴とする請求項１、２、及び５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第５の半導体領域の不純物濃度は、前記第４の半導体領域の不純物濃度より低いことを特徴とする請求項１または４に記載の撮像装置。
【請求項８】
１つのマイクロレンズと、
第６の半導体領域を有する第４の光電変換素子と、
第１の方向において、前記第４の光電変換素子に隣接し、第７の半導体領域を有する第５の光電変換素子と、
前記第２の方向において、前記第４の光電変換素子に隣接し、第８の半導体領域を有する第６の光電変換素子と、
前記第６の半導体領域と前記第７の半導体領域の間に位置する第９の半導体領域と、
前記第６の半導体領域と前記第８の半導体領域の間に位置する第１０の半導体領域と、
を有する第２の光電変換ユニットを複数有し、
前記第４の光電変換素子、第５の光電変換素子、及び第６の光電変換素子は、前記１つのマイクロレンズで集光された光が入射する位置に配置され、
前記第６の半導体領域、第７の半導体領域、及び第８の半導体領域は前記第１導電型を有し、
前記第９の半導体領域及び第１０の半導体領域は、前記第２導電型を有し、
前記第９の半導体領域の少なくとも一部の領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さが、第１０の半導体領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さより低く、
前記信号電荷は前記第１導電型を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
１つのマイクロレンズと、
第１の半導体領域を有する第１の光電変換素子と、
第１の方向において、前記第１の半導体領域と隣り合う第２の半導体領域を有する第２の光電変換素子と、
前記第１の方向と交差する第２の方向において、前記第１の半導体領域と隣り合う第３の半導体領域を有する第３の光電変換素子と、
前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域の間に位置する第４の半導体領域と、
前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域の間に位置する第５の半導体領域と、
を有する第１の光電変換ユニットを複数有し、
前記第１の光電変換素子、第２の光電変換素子、及び第３の光電変換素子は、前記１つのマイクロレンズで集光された光が入射する位置に配置され、
前記第１の半導体領域、第２の半導体領域、及び第３の半導体領域は第１導電型を有し、
前記第４の半導体領域及び第５の半導体領域は、前記第１の導電型と異なる第２導電型を有し、
前記第５の半導体領域は、前記第２の導電型を有する不純物濃度が、前記第４の半導体領域の前記第２の導電型を有する不純物の濃度より低い領域を有し、
前記信号電荷は第１の導電型を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
前記第５の半導体領域の不純物濃度は、前記第４の半導体領域の不純物濃度より低いことを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
１つのマイクロレンズと、
第６の半導体領域を有する第４の光電変換素子と、
第１の方向において、前記第４の光電変換素子に隣接し、第７の半導体領域を有する第５の光電変換素子と、
前記第２の方向において、前記第４の光電変換素子に隣接し、第８の半導体領域を有する第６の光電変換素子と、
前記第６の半導体領域と前記第７の半導体領域の間に位置する第９の半導体領域と、
前記第６の半導体領域と前記第８の半導体領域の間に位置する第１０の半導体領域と、
を有する第２の光電変換ユニットを複数有し、
前記第４の光電変換素子、第５の光電変換素子、及び第６の光電変換素子は、前記１つのマイクロレンズで集光された光が入射する位置に配置され、
前記第６の半導体領域、第７の半導体領域、及び第８の半導体領域は前記第１導電型を有し、
前記第９の半導体領域及び第１０の半導体領域は、前記第２導電型を有し、
前記第９の半導体領域は、前記第２の導電型を有する不純物濃度が、前記第１０の半導体領域の前記第２の導電型を有する不純物の濃度より低い領域を有し、
前記信号電荷は前記第１導電型を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記複数の第１の光電変換ユニット及び前記複数の第２の光電変換ユニットが、市松模様状に配置されることを特徴とする請求項８または１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記第１の光電変換ユニットが第１の方向及び第２の方向でそれぞれ２つずつ隣り合うように配置された第１の組を複数と、
前記第２の光電変換ユニットが第１の方向及び第２の方向でそれぞれ２つずつ隣り合うように配置された第２の組を複数有し、
前記複数の第１の組と前記複数の第２の組が市松模様状に配置されることを特徴とする請求項８または１１に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記第１の方向において、前記第１の光電変換ユニットが連続して並んでいることを特徴とする請求項８または１１に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置において、複数の光電変換素子により生成された信号を一つの画素信号として処理する場合がある。特許文献１には、その際に用いられる技術として、複数の光電変換素子間のポテンシャルバリアを下げることによって、複数の光電変換素子間に感度や入射光量の差がある場合にも適切な信号を得られるようにすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１４９７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
撮像装置において、上記技術を用いて測距処理を行う際、撮像面に平行な一つの方向における測距精度を多少犠牲にしても、他の方向において測距可能な被写体輝度を高くしたい場合がある。
【０００５】
本発明の一様態では、複数の光電変換素子間で発生する、信号電荷に対するポテンシャルバリアを異ならせることで、撮像面に平行な少なくとも１つの方向において、測距可能な被写体輝度を高く確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一様態は、
１つのマイクロレンズと、
第１の半導体領域を有する第１の光電変換素子と、
第１の方向において、前記第１の半導体領域と隣り合う第２の半導体領域を有する第２の光電変換素子と、
前記第１の方向と交差する第２の方向において、前記第１の半導体領域と隣り合う第３の半導体領域を有する第３の光電変換素子と、
前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域の間に位置する第４の半導体領域と、
前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域の間に位置する第５の半導体領域と、
を有する第１の光電変換ユニットを複数有し、
前記第１の光電変換素子、第２の光電変換素子、及び第３の光電変換素子は、前記１つのマイクロレンズで集光された光が入射する位置に配置され、
前記第１の半導体領域、第２の半導体領域、及び第３の半導体領域は第１導電型を有し、
前記第４の半導体領域及び第５の半導体領域は、前記第１の導電型と異なる第２導電型を有し、
前記第５の半導体領域の少なくとも一部の領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さが、
第４の半導体領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さより低く、
前記信号電荷は第１の導電型を有する撮像装置に関する。
【０００７】
また、本発明の一様態は、
１つのマイクロレンズと、
第１の半導体領域を有する第１の光電変換素子と、
第１の方向において、前記第１の半導体領域と隣り合う第２の半導体領域を有する第２の光電変換素子と、
前記第１の方向と交差する第２の方向において、前記第１の半導体領域と隣り合う第３の半導体領域を有する第３の光電変換素子と、
前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域の間に位置する第４の半導体領域と、
前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域の間に位置する第５の半導体領域と、
を有する第１の光電変換ユニットを複数有し、
前記第１の光電変換素子、第２の光電変換素子、及び第３の光電変換素子は、前記１つのマイクロレンズで集光された光が入射する位置に配置され、
前記第１の半導体領域、第２の半導体領域、及び第３の半導体領域は第１導電型を有し、
前記第４の半導体領域及び第５の半導体領域は、前記第１の導電型と異なる第２導電型を有し、
前記第５の半導体領域は、前記第２の導電型を有する不純物濃度が、前記第４の半導体領域の前記第２の導電型を有する不純物の濃度より低い領域を有し、
前記信号電荷は第１の導電型を有する撮像装置に関する。
【発明の効果】
【０００８】
複数の光電変換素子により生成された信号を一つの画素信号として処理する固体撮像装置において、複数の光電変換素子間に感度や入射光量の差がある場合に、ある方向（例えば横または横方向）における測距精度の低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る光電変換ユニットの一例の上面図
【図２】実施の形態１に係る光電変換ユニットの一例の断面図
【図３】実施の形態１に係る光電変換ユニットの一例の上面図
【図４】実施の形態１に係る光電変換ユニットの一例のポテンシャル模式図
【図５】実施の形態１に係る撮像装置の一例のブロック図
【図６】図６（ａ）は実施の形態２に係る光電変換素子の一例の上面の概略図、図６（ｂ）は、撮像装置を上面から見たときの概念図
【図７】実施の形態１に係る第２の光電変換ユニットの一例の断面図
【図８】本実施の形態２に係る撮像装置の一例を上面から見たときの概念図
【図９】実施の形態３に係る撮像システムの一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書、請求の範囲及び図面において単に「不純物濃度」という用語が使われた場合、反対導電型の不純物によって補償された正味の不純物濃度を意味している。いわゆるＮＥＴ濃度である。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域はＰ型半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域はＮ型半導体領域である。
【００１１】
第１導電型を有する半導体領域と第２導電型を有する半導体領域が隣り合っている場合、２つの領域は、導電型を付与する不純物添加の際のマスクパターンによって規定することができる。
【００１２】
撮像装置において、１つの光学系に対し複数の光電変換素子がある方向で隣接して配置されている光電変換ユニットを用いて測距を行うことで、該方向において測距を行うことができる。さらに、複数の光電変換素子を、ある光電変換素子が少なくとも２つの光電変換素子と異なる方向において隣接するよう配置し、少なくとも該２つの異なる方向において測距を行う。こうすることで、より多くの（この場合は少なくとも２つの）方向において、被写体の延在している方向で測距が可能となり、より多くの被写体パターンに対する測距精度を高めることができる。
【００１３】
複数の光電変換素子において感度等の特性にばらつきがあると、複数の光電変換素子のうちの１つが他の光電変換素子より早く飽和することがある。上記形態を有する光電変換ユニットにおいて、１つの光電変換素子が飽和すると、隣接する複数（ここでは少なくつも２つ）の光電変換素子に電荷が漏れこむことになる。これにより、隣接する複数の光電変換素子からの出力が本来の値と異なるものとなり、測距性能が低下する。
【００１４】
そこで、光電変換ユニット内で、ある方向において隣接する光電変換素子の間の領域の、信号電荷に対するポテンシャルバリアを、別の方向において隣接する光電変換素子の間の領域の、信号電荷に対するポテンシャルバリアより低くする。
【００１５】
このような構成とすることで、１つの光電変換素子が飽和した際、該方向において隣接する光電変換素子に優先的に電荷が漏れることで、別の方向において隣接する光電変換素子に電荷が漏れるのを抑制することができる。これにより、ある光電変換素子が飽和した際、別の方向における測距精度は低下するが、該方向における測距精度の低下は抑制することができるため、該方向では、より高い被写体輝度でも測距を行うことができる。
【００１６】
以下に、具体的な実施形態を挙げて本発明の光電変換装置の構成を説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１（ａ）は本実施形態の撮像装置の光電変換ユニット１００の一例の上面を示す概略図であり、平面視における概略図を示す。１つの光電変換ユニット１００毎に１つのマイクロレンズ１０１が対応して設けられている。また、１つの光電変換ユニットは、光電変換素子としてのフォトダイオードを複数有する。すなわち、複数の光電変換素子が、１つのマイクロレンズで集光された光が入射する位置に配置されている。図１（ａ）においては、図中のＣ及びＤを通る直線に平行な方向である第１の方向を縦方向、Ａ及びＢを通る直線に平行な方向である第２の方向を横方向としている。
【００１８】
転送ゲート１０６乃至１０９は各々フォトダイオード（ＰＤ）１０２乃至１０５で発生した電荷をフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域１１０乃至１１３に転送する。図１（ａ）では、例としてフォトダイオード１０２と１０３の間で発生する、信号電荷に対するポテンシャルバリアが、フォトダイオード１０２と１０４の間で発生する、信号電荷に対するポテンシャルバリアより低くなる構成を示す。
【００１９】
ここではＦＤ領域がＰＤに対して各々独立に設けられているが、複数のフォトダイオードで共有してもよい。図１（ｂ）は第１の方向（縦方向つまりＣ−Ｄの方向）において隣り合うフォトダイオードを共有した例である。
【００２０】
また、図１（ｃ）は４つのＦＤを共有した例である。図１（ｃ）においては撮像ユニットの中央に不感帯を生じる構成となっているが、例えば裏面照射型撮像素子の場合には、光電変換素子への受光に何ら影響がなく、本構成を好適に用いることができる。本図では４つの光電変換ユニットを示したが、更に多数の光電変換ユニットを配してもよい。
【００２１】
ここでは、各光電変換ユニット１００が、光学系であるマイクロレンズ１０１と、フォトダイオード１０２乃至１０５の４つのフォトダイオードを有している例を示すが、本発明はこれに限定されない。あるフォトダイオードに対して、少なくとも２つのフォトダイオードが異なる方向で隣接していればよく、すなわち、２次元状に配置されたフォトダイオードが３つ以上であればよい。
【００２２】
本実施形態は、第１の方向（縦方向）と、第１の方向と交差する第２の方向（横方向）での瞳分割を用いて信号電荷を得ることができるので、縦横の位相差情報に基づく焦点検出、所謂クロス測距が可能である。
【００２３】
図２（ａ）は図１（ａ）の破線Ａ−Ｂにおける光電変換ユニットの断面構造であり、図２（ｂ）は図１（ａ）の破線Ｃ−Ｄにおける光電変換ユニットの断面構造である。図２はオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）領域がＮ型の半導体基板である場合であり、いわゆる垂直方向のＯＦＤ領域の説明を行うための図面であるが、水平方向のＯＦＤ領域に対しても同様に適応可能である。
【００２４】
まず図２（ａ）に関して説明を行う。マイクロレンズ１０１と半導体基板の間には、カラーフィルタ２０１、画素内のトランジスタを駆動する配線や電源などの配線２０２が設けられている。
【００２５】
半導体基板内には、図１（ａ）で示した光電変換ユニットの平面視と垂直な方向において、Ｎ型の半導体領域２０３上にＰ型半導体領域２０４が形成されている。Ｐ型半導体領域２０４とＰＮ接合を構成するように、第１の導電型を有する半導体領域、ここでは、Ｎ型半導体領域１２２（第１の半導体領域）及び１２３（第２の半導体領域）が設けられている。Ｎ型半導体領域１２２、１２３は信号電荷である電子に対してポテンシャルが低い領域となっており、信号電荷を収集する領域である。
【００２６】
Ｐ型半導体領域２０４とＮ型半導体領域１２２およびＰ型半導体領域２０４とＮ型半導体領域１２３とで、それぞれフォトダイオード１０２（第１の光電変換素子）、及びフォトダイオード１０３（第２の光電変換素子）を形成する。
【００２７】
Ｐ型半導体領域２０５は、隣接する光電変換ユニットのフォトダイオード間に設けられている。図２（ａ）では、左側に位置する光電変換ユニット１００が有するフォトダイオード１０３と、右側に位置する光電変換ユニットが有するフォトダイオード１０２との間に設けられている。また、光電変換ユニット１００において、フォトダイオード１０２とフォトダイオード１０３の間に、前記第１の導電型とは異なる導電型を有する半導体領域である、Ｐ型半導体領域２０６（第４の半導体領域）が配される。Ｐ型半導体領域２０５、２０６は、それぞれ信号電荷に対するポテンシャルバリアとして機能する。
【００２８】
ここで、第１の半導体領域と第４の半導体領域のように、異なる導電型を有する半導体領域の境界は、ＰＮ接合界面となっている。
【００２９】
次に図２（ｂ）に関して説明を行う。図２（ａ）と同様の機能を有する部分の説明は省略する。
【００３０】
Ｐ型半導体領域２０４とＰＮ接合を構成するように、第１の導電型を有する半導体領域、Ｎ型半導体領域１２２及びＮ型半導体領域１２４（第３の半導体領域）が形成されている。Ｎ型半導体領域１２２及び１２４は、信号電荷である電子に対してポテンシャルバリアが低い領域となっており、信号電荷を収集する領域である。
【００３１】
Ｐ型半導体領域２０４とＮ型半導体領域１２４とで、フォトダイオード１０４（第３の光電変換素子）を形成する。
【００３２】
フォトダイオード１０２とフォトダイオード１０４の間に、Ｎ型半導体領域とは異なる第２の導電型を有する半導体領域、Ｐ型半導体領域２０７（第５の半導体領域）が設けられる。Ｐ型半導体領域２０７は、信号電荷に対するポテンシャルバリアとして機能する。
【００３３】
このような構成において、隣接するフォトダイオード間の感度差や輝度差により、一方のフォトダイオードが飽和すると、それ以降に発生した、飽和電荷を超えた分の電荷は、ポテンシャルバリアを乗り越える場合がある。この時、発生電荷の一部が、同じ光電変換ユニット内に配されたフォトダイオードに漏れる場合がある。
【００３４】
例えば、フォトダイオード１０２で発生、蓄積された電荷が飽和電荷を超えると、それ以降に発生した余剰の電荷は、Ｐ型半導体領域２０６のポテンシャルバリアを越えてフォトダイオード１０３に漏れる場合がある。また、余剰の電荷は、Ｐ型半導体領域２０７のポテンシャルバリアを越えてフォトダイオード１０４に漏れる場合がある。
【００３５】
そこで、例えば、信号電荷に対するＰ型半導体領域２０７のポテンシャルバリアの高さをＰ型半導体領域２０６のポテンシャルバリアの高さより低くすることで、余剰の電荷を優先的にフォトダイオード１０４に漏れる構成とすることができる。これにより、余剰電荷がフォトダイオード１０３に漏れることを抑制できるため、フォトダイオード１０３の本来の信号電荷を適切に読みだすことが可能となり、測距精度の低下を抑制することができる。
【００３６】
飽和電荷を超えた蓄積電荷が優先的に漏れる方向を規定できればよいため、Ｐ型半導体領域２０６において、ポテンシャルバリアの高さがＰ型半導体領域２０７のポテンシャルバリアの高さより低くなる領域は、一部であってもよい。
【００３７】
本実施形態では、Ｐ型半導体領域２０６とＰ型半導体領域２０７のポテンシャルバリアの高さの関係を規定する。具体的には、Ｐ型半導体領域２０７のＰ型不純物濃度を、Ｐ型半導体領域２０６のＰ型不純物濃度よりも低くする。不純物注入濃度を変えてもよく、また、図１のようにＡ及びＢを通る方向におけるＰ型半導体領域２０６の幅とＣ及びＤを通る方向におけるＰ型半導体領域２０７の幅を変えてもよい。
【００３８】
図２（ｃ）に、図１（ａ）のＤ−Ｏ−Ｂに沿った、光電変換ユニットの断面図を示す。第１の方向（図１（ａ）においてＣ及びＤを通る方向）において、Ｐ型半導体領域２０７の長さを、Ｐ型半導体領域２０６の長さより小さくする。これにより、信号電荷に対するＰ型半導体領域２０７のポテンシャルバリアの高さをＰ型半導体２０６のポテンシャルバリアの高さより低くすることができる。よって、光電変換ユニット１００を、フォトダイオード１０２で飽和電荷を超えて発生した余剰電荷がフォトダイオード１０４に優先的に漏れる構成とすることができる。
【００３９】
また、第１の方向に信号電荷が優先的に漏れる構成であればよいため、第５の半導体領域（Ｐ型半導体領域２０７）が、不純物濃度が、第４の半導体領域（Ｐ型半導体領域２０６）の不純物濃度より低い領域を有するよう構成されていればよい。
【００４０】
ここで、第４の半導体領域や第５の半導体領域において、蓄積電荷の漏れる方向における各領域の長さや不純物濃度は、例えば、基板表面から深さが同じ位置で比較することができる。
【００４１】
第１の方向における第４の半導体領域（Ｐ型半導体領域２０６）の長さとは、第４の半導体領域の第１の半導体領域側の端部から、第４の半導体領域の第２半導体領域側の端部までの長さである。第５の半導体領域（Ｐ型半導体領域２０７）の長さについても、同様である。例えば第１導電型を有する半導体領域（Ｎ型半導体領域１２２）と隣り合う位置から、第１導電型を有する別の半導体領域（Ｎ型半導体領域１２４）と隣り合う位置までの長さとしてもよい。
【００４２】
更に、図３（ａ）及び（ｂ）に、Ｎ型半導体領域１２２、１２４及びＰ型半導体領域２０７の形状を変えた光電変換ユニットの一例の上面図を示す。図３（ａ）には、第１の半導体領域であるＮ型半導体領域１２２及び第３の半導体領域であるＮ型半導体領域１２４の一部が、平面視において互いに向かって凸の形状となっている例を示す。つまり、第２の方向（Ｃ及びＤを通る方向）における、第５の半導体領域（Ｐ型半導体領域２０７）の少なくとも一部の領域の長さは、該第２の方向における該第５の半導体領域の他の領域の長さより小さい。
【００４３】
このとき、第２の方向における、第５の半導体領域であるＰ型半導体領域２０７の一部（該凸部に対応する凹部）の長さは、第１の方向（Ａ及びＢを通る方向）における、第４の半導体領域であるＰ型半導体領域２０６の長さより小さい。
【００４４】
このようにＰ型半導体領域の幅が、隣接するフォトダイオード間で均一でなく、互いに対抗するフォトダイオードに対して凸の部分を有する構成としてもよい。また、図３（ｂ）のようにフォトダイオードが一部接触していてもよい。また、深さ方向においても濃度が均一でなくてもよい。
【００４５】
図４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に、本実施の形態の光電変換ユニットの一例のポテンシャル模式図を示す。図４（ａ）は図２（ａ）の破線Ｅ−Ｆにおける半導体領域の信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示す図であり、図４（ｂ）は図２（ｂ）の破線Ｇ−Ｈにおける半導体領域の信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示す図である。図４（ｃ）は、図２（ｃ）の破線Ｉ−Ｋにおける半導体領域の信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示す図である。Ｐ型半導体領域２０４、２０５、２０６、及び２０７で生じるポテンシャルバリアの高さを、それぞれ、ポテンシャルバリアの高さ４０４、４０５、４０６、及び４０７とする。
【００４６】
Ｐ型半導体領域２０７により生じるポテンシャルバリアの高さ４０７をＰ型半導体領域２０６により生じるポテンシャルバリアの高さ４０６よりも低くする。すなわち、第１の方向において隣接するフォトダイオード１０２と１０４の間の領域の、信号電荷に対するポテンシャルバリアは、第２の方向において隣接するフォトダイオード１０２と１０３の間の領域の、信号電荷に対するポテンシャルバリアより低い構成としてもよい。
【００４７】
また、第２の方向においてフォトダイオード１０２とフォトダイオード１０４の間に位置する領域の少なくとも一部で生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さが、第１の方向においてフォトダイオード１０２とフォトダイオード１０３の間に位置する領域で生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さより低い構成としてもよい。
【００４８】
これらの構成とすることにより、いずれかのフォトダイオードが飽和した場合、第１の方向に電荷が漏れ出すより前に第２の方向に電荷が漏れ出す構成とすることができる。
【００４９】
ここで、第１の方向においてフォトダイオード１０２と１０３の間に位置する半導体領域と、第２の方向においてフォトダイオード１０２と１０４の間に位置する半導体領域において、生じる信号電荷に対するポテンシャルバリアが同じ場合を考える。すなわち、Ｐ型半導体領域２０６とＰ型半導体領域２０７において、生じる信号電荷に対するポテンシャルバリアが同じ場合を考える。このとき、第１の方向と第２の方向に同時に信号電荷が漏れだす。このような場合には、一度、信号電荷が漏れだすと、第１の方向における測距性能と第２の方向における測距性能が共に低下する。
【００５０】
一方、本実施形態で説明したように、第１の方向と第２の方向で信号電荷に対するポテンシャルバリアを異ならせることで、一方向（例えば第２の方向）において、優先的に飽和電荷を超えて発生した余剰の電荷を流すことができる。これにより、もう一方（第１の方向）においては、余剰の電荷が漏れだすのを抑制することができ、信号電荷が飽和した光電変換素子に第１の方向において隣り合う光電変換素子の信号電荷が本来の値からずれてしまうのを抑制することができる。
【００５１】
よって、ある方向においては測距精度が低下するのを抑制することができる。ここでは、第２の方向に延在する被写体に対する測距性能の低下を抑制することができる。よって第２の方向に延在する被写体に対しては、より高い輝度まで測距が可能となる。図１のように、第１の方向が横、第２の方向が縦の場合、縦線検出が可能となる。
【００５２】
自然界や人工物等、一般に縦線の方が多いとされているので本実施の形態では縦線検出を優先させたが、撮像対象や使用目的によっては横線検出を優先させてもよい。すなわち、第１の方向を縦方向、第２の方向を横方向としてもよく、第１と第２の方向は、交差する方向であれば、どのような方向としてもよい。横線検出を優先する画素の一例を図１（ｄ）に示す。また瞳分割も縦横に限らず、斜め方向等に分割させてもよい。
【００５３】
また、飽和したフォトダイオードで発生した電荷は、Ｎ型の半導体領域２０３に漏れる場合もあり得る。また、フォトダイオードの電荷が転送される読み出し領域となるＮ型のフローティングディフュージョン領域との間に存在する図示しない転送ゲート電極下のポテンシャルバリアを乗り越えて漏れる場合がある。特に、Ｎ型の半導体領域２０３やフローティングディフュージョン領域はオーバーフロードレイン領域（ＯＦＤ領域）として機能し得るものであり、ＯＦＤ領域はそもそもの目的が飽和した電荷を排出するための領域であるためＯＦＤ領域には特に漏れやすい。
【００５４】
そこで、Ｐ型半導体２０７により生じるポテンシャルバリアの高さ４０７は、Ｐ型半導体領域２０４により生じるポテンシャルバリアの高さ４０４よりも低いことが好ましい。これにより、ＰＤが飽和した場合にＯＦＤ領域に電荷が漏れ出すより前に同一光電変換ユニット内の隣接するＰＤに電荷が漏れ出す構成とすることができる。
【００５５】
更に、Ｐ型半導体領域２０５により生じるポテンシャルバリアの高さ４０５は、Ｐ型半導体領域２０７により生じるポテンシャルバリアの高さ４０７よりも高いことが好ましい。更に、Ｐ型半導体領域２０５により生じるポテンシャルバリアの高さ４０５は、Ｐ型半導体領域２０４によって生じるポテンシャルバリアの高さ４０４よりも高いことが好ましい。
【００５６】
このような構造にすることで、撮像面に平行な少なくとも２つの方向において測距精度を良好なものとしながら、より被写体の輝度が高い場合には、少なくとも一方向で測距可能な状態を維持することができる。
【００５７】
上記光電変換ユニットを有する撮像装置の例を図５を参照して以下に示す。図５は、本実施の形態の撮像装置の一例のブロック図である。
【００５８】
図５において撮像装置１０は、画素アレイ１１と、画素アレイ１１における行を選択する垂直選択回路１２を含む。画素アレイには複数の光電変換ユニットが配される。複数の光電変換ユニットは好ましくは２次元状に配される。
【００５９】
垂直選択回路１２により所定の行が選択され、所定行に含まれる光電変換ユニットから信号が垂直出力線に出力される。垂直出力線は列ごともしくは複数の列ごと、もしくは各画素列に複数設けることができる。各画素列に複数の垂直出力線を設けることで信号の読み出しを高速化することができるため好ましい。
【００６０】
列回路１３は複数の垂直出力線に並列に読み出された信号が入力される。列回路１３では信号の増幅、アナログデジタル変換、ノイズ除去等の処理を行うことができる。
【００６１】
水平選択回路１４は列回路１３に保持された信号を順次、ランダム、もしくは同時に選択し、不図示の水平出力線へ出力する。
【００６２】
シリアルインターフェイス１５は例えば動作モードを外部から決定するために外部との通信を行なう。なお、撮像装置１０は、図示された構成要素以外にも、例えば、垂直選択回路１２、水平選択回路１４、列回路１３にタイミングを提供するタイミングジェネレータ或いは制御回路等を備えてもよい。
【００６３】
図５のブロック図は以下の実施形態全てに適用可能である。また垂直、水平は便宜的につけた名称であり入れ替えることも可能である。
【００６４】
（実施の形態２）
実施の形態１においては１種類の光電変換ユニットを用いたが、２種類以上の光電変換ユニットを用いてもよい。本実施の形態では、実施の形態１と差分について説明し、実施の形態１と同様の構成、材料、機能等を有する部分については、説明を省略する。
【００６５】
本実施の形態においては、第１方向成分（縦線）検出優先画素である第１の光電変換ユニット１００（第１の光電変換ユニット）と第２方向成分（横線）検出優先画素である光電変換ユニット１２０（第２の光電変換ユニット）の２種類を用いる。
【００６６】
図６（ａ）は本実施形態の撮像装置の光電変換ユニットの上面の概略図である。第１の光電変換ユニット１００と第２の光電変換ユニット１２０が市松模様状に配置されている。このように光電変換ユニットが配置された撮像素子全体を上面からみた概念図を図６（ｂ）に示す。
【００６７】
このように配置することによって、いずれかのフォトダイオードが飽和した場合においても、第１方向成分の検出（縦線検出）と第２方向成分の検出（横線検出）の両方が可能になり、所謂クロス測距が実現できる。
【００６８】
図７（ａ）は図６（ａ）の破線Ａ−Ｂにおける第２の光電変換ユニット１２０の断面構造であり、図７（ｂ）は図６（ａ）の破線Ｃ−Ｄにおける第２の光電変換ユニット１２０の断面構造である。ここでは、第１の光電変換ユニット１００と異なる部分について説明を行い、同様の構成、材料、機能を有する部分については、説明を省略する。
【００６９】
第２の光電変換ユニット１２０は、図７（ａ）に示すように、マイクロレンズ、第６の半導体領域であるＮ型半導体領域１３２、第７の半導体領域であるＮ型半導体領域１３３、第７及び第７の半導体領域と異なる導電型を有する第９の半導体領域を有する。第９の半導体領域は、Ｐ型半導体領域２３６であり、第１の方向（Ａ’及びＢ’を通る方向）において、第６の半導体領域及び第７の半導体領域の間に設けられている。
【００７０】
また、図７（ｂ）に示すように、第２の光電変換ユニット１２０は、第８の半導体領域であるＮ型半導体領域１３４及び第１０の半導体領域であるＰ型半導体領域２３７を有する。Ｐ型半導体領域２３７は、第２の方向（Ｃ’及びＤ’を通る方向）において第６の半導体領域と第８の半導体領域の間に設けられている。
【００７１】
第２の光電変換ユニット１２０において、第１の方向におけるＰ型半導体領域２３６の長さが、第２の方向におけるＰ型半導体領域２３７の長さより小さくなっている。したがって、前記第９の半導体領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さは、第１０の半導体領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さより低くなっている。
【００７２】
ここでは、ポテンシャルバリアの高さを第１の方向におけるＰ型半導体領域２３６と第２の方向におけるＰ型半導体領域２３７の長さ、すなわち、Ｎ型半導体領域１３２、１３３、１３４及びＰ型半導体領域２３６及び２３７の形状によって規定する例を示した。しかし、第２の光電変換ユニット１２０は、第９の半導体領域が、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さが、第１０の半導体領域に生じる、信号電荷に対するポテンシャルバリアの高さより低い領域を有する構成であればよい。したがって、光電変換ユニット１００と同様に、例えば、各半導体領域の大きさや形状、不純物濃度によって調整することができる。
【００７３】
図６（ａ）に示す。
【００７４】
また、色情報を用いる撮像素子において、カラーフィルタの配列にベイヤー配列が用いられることがある。図６（ｂ）の配置ではカラーフィルタの配列周期と光電変換ユニットの配列周期が一致して、例えば緑画素には横線検出画素しか割り当てられないといった偏りが生じる。これを鑑みて、図８（ａ）のように周期を変えてもよい。ここで、第１の光電変換ユニット１００が第１の方向及び第２の方向でそれぞれ２つずつ隣り合うように配置された構成を第１の組とする。また、第２の光電変換ユニット１２０が第１の方向及び第２の方向でそれぞれ２つずつ隣り合うように配置された構成を第２の組とする。このとき、図８（ａ）では、第１の組と第２の組が、市松模様状に配置されている。
【００７５】
一方、このような配置では同一の光電変換ユニットのピッチが長くなり、測距性能が低下することがある。そこで縦線検出を重視する場合には図８（ｂ）のように横線検出画素の比率を低くして部分的に縦方向に配置することが考えられる。すなわち、図８（ｂ）では、第１の光電変換ユニット１００が、いくつか第１の方向に連続して配置されている。逆に横線検出を重視する場合には図８（ｃ）のような配置が考えられる。すなわち、図８（ｃ）では、第２の光電変換ユニット１２０が、いくつか第２の方向に連続して配置されている。
【００７６】
（実施の形態３）
図９に、上述の各実施形態の撮像装置を適用可能な撮像システムの一例を示す。
【００７７】
図９において、レンズ部９０１は、被写体の光学像を撮像素子９０５に結像させ、レンズ駆動装置９０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などがおこなわれる。メカニカルシャッター９０３は、シャッター制御手段９０４によって制御される。撮像素子９０５は、レンズ部９０１で結像された被写体を画像信号として取り込み、撮像信号処理回路９０６は、撮像素子９０５から出力される画像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする。タイミング発生回路９０７は、撮像素子９０５、撮像信号処理回路９０６に、各種タイミング信号を出力する駆動手段である。制御回路９０９は、各種演算と撮像装置全体を制御し、メモリ９０８は、画像データを一時的に記憶する為にもうけられている。インターフェース９１０は、記録媒体に記録または読み出しを行う。記録媒体９１１は、画像データの記録または読み出しを行う、半導体メモリ等、着脱可能に構成される。表示部９１２は、各種情報や撮影画像を表示する。
【００７８】
次に、前述の構成における撮影時のデジタルカメラの動作について説明する。
【００７９】
メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路９０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【００８０】
それから、レリーズボタン（図示せず）が押されると、撮像素子９０５からのデータを元に測距演算を行い、測距結果に基づいて被写体までの距離の演算を制御回路９０９で行う。その後、レンズ駆動装置９０２によりレンズ部を駆動して合焦か否かを判断する。以上により、本発明による固体撮像装置を用いたデジタルカメラにおいては、精度が良く高速な合焦動作が可能となる。また、被写体輝度が高い場合でも、特定の方向に延在する成分について精度が良い合焦動作が可能となる。
【符号の説明】
【００８１】
１００  光電変換ユニット
１０１  マイクロレンズ
１０２、１０３、１０４、１０５  フォトダイオード（ＰＤ）
１２２、１２３、１２４  Ｎ型の半導体領域
２０５、２０６  Ｐ型半導体領域
【図１】
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【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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