JP6518071B2 - 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。

ビデオカメラや電子スチルカメラなどのカメラにおいて、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置が使用されている。固体撮像装置の中には、焦点検出用画素を備えるものがある。特許文献１には、光電変換部の上に該光電変換部の約半分の領域を覆う遮光部を備える固体撮像装置が記載されている。このような固体撮像装置では、撮像光学系の瞳の第１の領域を通過した光が第１のグループの焦点検出用画素に入射し、該瞳の第２の領域を通過した光が第２のグループの焦点検出用画素に入射する。第１のグループの焦点検出用画素によって検出された像と第２のグループの焦点検出用画素によって検出された像とに基づいて焦点検出（デフォーカス量）が検出される。

特開2013-157883号公報

光電変換部の約半分の領域を覆うように遮光部を設けた場合、像高が高い領域において、各グループの焦点検出用画素で検出される像の裾が平坦になり、焦点検出性能が低下したり、焦点検出ができなかったりしうる。

本発明は、像高が高い領域における焦点検出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、焦点検出のための複数の画素を有する固体撮像装置に係り、前記画素は、半導体基板に配置された光電変換部と、マイクロレンズと、前記半導体基板と前記マイクロレンズとの間に前記光電変換部の一部を覆うように配置された遮光部とを備え、前記画素における前記半導体基板の表面に平行で前記遮光部が配置された面は、前記遮光部の他に、第１開口部と、第２開口部とを含み、前記遮光部は、第１部分と第２部分とを含み、第１方向において前記第１開口部と前記第２開口部との間に前記第１部分が配置され、前記第１方向に直交する第２方向において前記第１開口部と前記第２部分とが隣り合って配置され、前記第２開口部は、前記第１開口部の面積より大きい面積を有する。

本発明によれば、像高が高い領域における焦点検出に有利な技術が提供される。

本発明の実施形態の固体撮像装置の構成を示す図。 本発明の実施形態の固体撮像装置の焦点検出画素の構成を示す図。 本発明の実施形態の固体撮像装置の焦点検出画素の構成を示す図。 本発明の実施形態の固体撮像装置の焦点検出画素の構成を示す図。 固体撮像装置と撮像光学系の射出瞳との関係を示す図。 本発明の実施形態の固体撮像装置を説明する図。 本発明の実施形態の固体撮像装置における入射角分布を説明する図。 本発明の実施形態の固体撮像装置を説明する図。 従来例の固体撮像装置を説明する図。 本発明の実施形態の固体撮像装置と従来例の固体撮像装置とにおける入射角分布を説明する図。 図１０の一部の拡大図。 従来例の固体撮像装置を説明する図。 本発明の実施形態の固体撮像装置と従来例の固体撮像装置とにおける入射角分布を説明する図。 図１３の一部の拡大図。 本発明の実施形態の固体撮像装置を説明する図。 本発明の実施形態の固体撮像装置を説明する図。 本発明の実施形態の固体撮像装置を説明する図。 本発明の実施形態の固体撮像装置における焦点検出画素の配置を説明する図。 本発明の実施形態の固体撮像装置の焦点検出画素の構成を示す図。 固体撮像装置と撮像光学系の射出瞳との関係を示す図。 本発明の実施形態のカメラの構成を示す図。

以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

図１には、本発明の第１実施形態の固体撮像装置１０の構成が示されている。固体撮像装置１０は、焦点検出のための画素である焦点検出画素を有する固体撮像装置である。固体撮像装置１０は、例えば、画素領域２１と、垂直走査回路（垂直選択回路）２２と、２つの読み出し回路２３と、２つの水平走査回路（水平選択回路）２４と、２つの出力アンプ２５とを備えうる。画素領域２１以外の領域は、周辺回路領域と呼ばれうる。画素領域２１には、複数の画素が２次元状に配列されている。複数の画素は、複数の撮像画素と、複数の焦点検出画素とを含む。読み出し回路２３は、例えば、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路等を含みうる。読み出し回路２３は、垂直走査回路２２によって選択された行の画素から垂直信号線を介して読み出された信号に対して増幅、加算等の処理を行う。水平走査回路２４は、読み出し回路２３から画素信号に基づく信号を順番に読み出すための列選択信号を生成する。出力アンプ２５は、水平走査回路２４によって選択された列の信号を増幅して出力する。

図２、３には、それぞれ、第１実施形態の固体撮像装置１０の第１焦点検出画素１００および第２焦点検出画素１０１の構成が示されている。図２（ｂ）、図３（ｂ）は、焦点検出画素１００、１０１の上面図であり、図２(ａ)、図３(ａ)は、それぞれ、図２（ｂ）、図３（ｂ）の（ｉ）〜（ｉ）線における断面図である。

第１焦点検出画素１００は、撮像光学系（不図示）の瞳の第１領域を通過した光を検出するように構成され、第２焦点検出画素１０１は、撮像光学系の瞳の第２領域を通過した光を検出するように構成される。第１焦点検出画素１００は、半導体基板１０３に配置された光電変換部１０２と、マイクロレンズ１０８と、半導体基板１０３とマイクロレンズ１０８との間に光電変換部１０２の一部を覆うように配置された遮光部１０９とを備えている。光電変換部１０２は、例えば、半導体基板１０３に不純物を注入することによって形成される。第２焦点検出画素１０１は、半導体基板１０３に配置された光電変換部１０２と、マイクロレンズ１０８と、半導体基板１０３とマイクロレンズ１０８との間に光電変換部１０２の一部を覆うように配置された遮光部１０９とを備えている。光電変換部１０２は、例えば、半導体基板１０３に不純物を注入することによって形成される。

第１実施形態の固体撮像装置１０、あるいは、焦点検出画素１００、１０１は、マイクロレンズ１０８と半導体基板１０３との間に配置された絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４とマイクロレンズ１０８との間に配置されたカラーフィルタ１０７とを更に備えうる。遮光膜１０９、１１３は、絶縁膜の１０４の中に配置されうる。カラーフィルタ１０７は、平坦化層を含んでいてもよい。

第１焦点検出画素１００において、半導体基板１０３の表面に平行で遮光部１０９が配置された面ＰＬは、遮光部１０９の他に、第１開口部１１２と、第２開口部１１１とを含む。第２開口部１１１は、第１開口部１１２の面積より大きい面積を有することが好ましい。遮光部１０９は、第１開口部１１２と第２開口部１１１との間に配置された遮光性の分離部ＳＰを含む。第２焦点検出画素１０１において、半導体基板１０３の表面に平行で遮光部１０９が配置された面ＰＬは、遮光部１１３の他に、第１開口部１１６と、第１開口部１１６の面積より大きい面積を有する第２開口部１１５とを含む。遮光部１１３は、第１開口部１１６と第２開口部１１５との間に配置された遮光性の分離部ＳＰを含む。

第１実施形態の固体撮像装置１０、あるいは、焦点検出画素１００、１０１は、絶縁膜１０４の中であって面ＰＬとマイクロレンズ１０８との間に配線層１０６を更に備えうる。焦点検出画素１００、１０１の各々は、光電変換部１０２で発生した電荷を転送するチャネルを半導体基板１０３に形成する転送ゲート(転送トランジスタ）１０５を更に備えうる。分離部ＳＰは、転送ゲート１０５の一部を覆うように配置されうる。第２開口部１１１、１１６と遮光部１０９、１１３との境界線１１０と、転送ゲート１０５によって形成されるチャネルの長さ方向（転送ゲートが電荷を転送する方向）とは直交しうる。第１開口部１１２、１１６の中には、コンタクトプラグが配置されてもよい。

絶縁膜１０４は、典型的には、透明である。絶縁膜１０４は、一種類の材料からなる単層膜であってもよいが、絶縁膜１０４は、典型的には、互いに異なる材料からなる複数の層が積層された多層膜でありうる。絶縁膜１０４のある層は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で構成されうる。また、絶縁膜１０４を構成する多層膜のうち他の層は、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）または炭化シリコン（ＳｉＣ）で構成されうる。

配線層１０６は、典型的には、多層配線でありうる。配線層１０６には、銅、アルミニウム、タングステン、タンタル、チタン、ポリシリコンなどの導電材料を用いることができる。典型的な配線層１０６は、不透明であり、金属光沢を有している。遮光部１０９、１１３と同一層を配線としてもよい。転送ゲート１０５は、例えば、ポリシリコンで構成されうる。転送ゲート１０５は、コンタクトプラグを介して配線層１０６に接続されうる。カラーフィルタ１０７とマイクロレンズ１０８が配置されている。カラーフィルタ１０７は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）またはＢ（青色）の光を透過する吸収フィルタである。また、カラーフィルタ１０７は、Ｒ、ＧおよびＢの波長の光を透過するＷ（白色）のフィルタであってもよいし、ＩＲ（赤外光）を透過するフィルタであってもよい。また、フィルタの安定性を向上させるため、平坦化層を含んでも構わない。

この明細書および添付図面において、方向は、ｘｙｚ座標系で表現される。半導体基板１０３の表面と垂直な方向（半導体基板１０３からマイクロレンズ１０８に向かう方向）をｚ方向とする。また、ｚ方向と垂直で、半導体基板１０３の表面と平行な面をｘｙ面とする。ｘ方向とｙ方向とは互いに直交している。

焦点検出画素１００および焦点検出画素１０１は、対を構成する。焦点検出画素１００は、焦点検出画素１００の領域の左側（−ｘ方向側）に遮光部１０９を有し、焦点検出画素１０１は、焦点検出画素１０１の領域の右側（＋ｘ方向側）に遮光部１１３を有している。

遮光部１０９は、第１開口部１１２および第２開口部１１１を規定する部材として理解することもできる。図２、図３に示された例では、第１開口部１１２、分離部ＳＰおよび第２開口部１１１はｘ方向に並び、第１開口部１１５および第２開口部１１４もｘ方向に並んでいる。つまり、図２、図３に示された例は、ｘ方向に濃淡を有する撮像パターンに対して焦点検出を行う画素の例である。遮光部１０９、１１３を９０°回転させて配置した焦点検出画素を用いれば、ｙ方向に濃淡を有する撮像パターンに対して焦点検出を行うことができる。

図４には、画素領域２１の周辺領域に配置された焦点検出画素１００、１０１と、画素領域２１の中央領域に配置された焦点検出画素１００、１０１とが示されている。図４（ｂ）は、画素領域２１の周辺領域に配置された焦点検出画素１００、１０１の断面である。図４（ｃ）は、画素領域２１の中央領域に配置された焦点検出画素１００、１０１の断面である。マイクロレンズ１０８は、周辺側に配置される焦点検出画素ほど、中央側にずらして配置されうる。これにより、焦点検出画素の光電変換部１０２に入射する光線を多くし、焦点検出性能を向上させることができる。

図５には、撮像光学系の瞳（射出瞳）３１と焦点検出画素１００、１０１との幾何学的関係が模式的に示されている。この例では、ｘ方向が瞳の分割方向である。瞳３１は、分割された第１領域３３および第２領域３２を含む。焦点検出画素１００に入射する光線は、第１領域３３から射出される光線が支配的であり、焦点検出画素１００に入射する光線は、第２領域３２から射出される光線が支配的であることが望まれる。

図５は、画素領域２１内の周辺領域（図４（ｂ））の焦点検出画素１００、１０１に光が入射する様子を表している。撮像光学系の瞳３１の位置から焦点検出画素１００、１０１までの距離（以下、瞳距離）によって、焦点検出画素１００、１０１に入射する光の角度は変わる。図５（ａ）は、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射光１１７の入射角度が合っている場合を表している。図５（ｂ）は、図５（ａ）に対し瞳距離が短く、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射角度が大きい場合を表している。

図６には、図５における焦点検出画素１００、１０１が拡大して示されている。ここで、＋ｘ方向から−ｚ方向へ入射する角度θをθ＞０とし、−ｘ方向から−ｚ方向へ入射する角度をθ＜０とする。入射光１１７は、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射角度が合っているため、入射光１１７の集光中心は、第２開口部１１１と遮光部１０９との境界、および、第２開口部１１５と遮光部１１３との境界にある。一方、入射光１１８は、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射角度がずれているため、集光中心が上記の各境界からずれている。第１実施形態は、マイクロレンズのずらしと入射角度との関係が不適切な領域においても、焦点検出精度を向上させるものである。

ここで、焦点検出画素１００、１０１の入射角分布と撮像光学系の瞳（射出瞳）の開口（絞り）との関係について説明する。図５の射出瞳３１内の領域３２、３３における像は、焦点検出画素１００、１０１の入射角分布に対応する。ここで、焦点検出画素１００、１０１の入射角分布をそれぞれＡ像、Ｂ像とする。

図７（ａ）、図７（ｃ）のＡ像１１９は、焦点検出画素１００によって決まる入射角分布の等高線図であり、図７（ａ）、図７（ｃ）のＢ像１２０は、焦点検出画素１０１によって決まる入射角分布の等高線図である。ここで、ｘ方向、ｙ方向の入射角をそれぞれθｘ、θｙとしている。図７（ｂ）、図７（ｄ）は、図７（ａ）、図７（ｃ）のθｘに対する射影データであり、横軸を入射角度θｘ、縦軸を感度[ａ.ｕ.]としている。マイクロレンズ１０８をｘ方向（ｙ方向）にずらすと、入射角分布はθｘ（θｙ）方向に平行移動する。

図７のＤ１、Ｄ２、Ｄ１’、Ｄ２’は、光が入射する角度領域を表していて、この角度領域は、撮像光学系１１（図２１参照）の射出瞳の開口（絞り）によって決まる。Ｄ１、Ｄ１’は、撮像光学系１１の絞りを開放したとき（例えばＦ１．４）の入射角度領域であり、Ｄ２、Ｄ２’は絞りを絞ったとき（例えばＦ８）の入射角度領域である。撮像光学系１１の瞳距離によって入射角度は変わる。図７（ａ）、図７（ｂ）のＤ１、Ｄ２は、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射光１１７の入射角度（θｘ）が合っている場合を表している。図７（ｃ）、図７（ｄ）のＤ１’、Ｄ２’は、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射角度（θｘ）が大きい場合を表している。焦点検出性能を得るためには、絞り（Ｆ値）によって決まる入射光の角度領域Ｄ１、Ｄ２において、Ａ像、Ｂ像のそれぞれの重心位置が互いに離れていることが必要である。

区間［ａ、ｂ］における関数F（Θ）の重心位置は、式１で定義されるものである。

・・・（式１）
図７（ｂ）の１２３、１２４は、それぞれ、Ｄ１の角度領域における、Ａ像、Ｂ像の重心位置（横軸：θｘ）を表している。１２５、１２６は、それぞれ、Ｄ２の角度領域における、Ａ像、Ｂ像の重心位置（横軸：θｘ）を表している。また、図７（ｄ）の１２７、１２８は、それぞれ、Ｄ１’の角度領域における、Ａ像、Ｂ像の重心位置（横軸：θｘ）を表している。１２９、１３０は、それぞれ、Ｄ２’の角度領域における、Ａ像、Ｂ像の重心位置（横軸：θｘ）を表している。

Ａ像、Ｂ像の重心間距離が大きいとき、焦点検出性能を向上させることができる。基本的に、絞りが開放（Ｆ値が小さい）であると、積分区間が広がり、重心間距離が大きくなり、焦点検出性能が良い。一方、絞りを絞った（Ｆ値が大きい）角度領域Ｄ２、Ｄ２’では、積分区間が狭いため、Ａ像、Ｂ像の重心間距離が小さい傾向にある。また、撮像光学系１１の瞳距離によって、光の入射角が変わるため、それに伴い、重心間距離も変わる。

特に、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射角度（θｘ）が大きい場合、角度区間Ｄ２’では、角度区間Ｄ２に比べ、区間内のＡ像、Ｂ像の感度変化が少なくなっており、定性的には、重心間距離が小さくなり、焦点検出精度が悪化する。第１実施形態は、この領域での焦点検出精度を改善するものである。

図８（ａ）、図８（ｂ）は、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射角度（θｘ）が大きい場合に遮光部１０９、１１３の上に集光される光の集光スポット１３１を表している。マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射角度が大きい場合、焦点検出画素１００、１０１の遮光部１０９、１１３の上に集光される光の集光スポットは、図８（ｃ）、図８（ｄ）の１３２ようになる。波動光学的に、集光スポットは回折により、ある程度の幅をもつ。

図９は、従来例の遮光部を示したものである。図９の遮光部２０２、２０３は、光電変換部１０２のほぼ半分の領域を覆っている。一方、第１実施形態では、遮光部１０９、１１３は、開口部１１２、１１６が形成されるように構成されている。図９（ａ）、図９（ｂ）には、マイクロレンズ１０８のずらし量と入射角度θとが合っている場合に焦点検出画素２００、２０１の遮光部２０２、２０３の上に形成される集光スポット１３１が示されている。図９（ｃ）、図９（ｄ）には、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射角度θが大きい場合に遮光部２０２、２０３上の集光スポット１３２が示されている。

以下に、遮光部の形状と、Ａ像とＢ像との重心間距離との関係について説明する。ここで、遮光部１０９、１１３をそれぞれ有する第１実施形態の焦点検出画素１００、１０１（図８）と、遮光部２０２、２０３を有する従来例の焦点検出画素２００、２０１（図９）とを比較する。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）には、第１実施形態の焦点検出画素１００、１０１の入射角分布Ａ１２１、Ｂ１２２（実線）と、従来例の焦点検出画素２００、２０１の入射角分布Ａ２０４、Ｂ２０５（破線）とが重ねて示されている。Ｄ２は、絞りを絞った場合（例えばＦ８）の角度領域Ｄ２を示している。図１０（ａ）のＤ２は、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して光の入射角度が合っている場合であり、図１０（ｂ）のＤ２´は、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して光の入射角度が大きい場合である。

図１１（ａ）は、図１０（ａ）の角度領域Ｄ２におけるＡ像、Ｂ像を切り出したものを示している。１２５、１２６は、第１実施形態の焦点検出画素１００、１０１の角度領域Ｄ２におけるＡ像、Ｂ像の重心位置である。２０５、２０６は、従来例の焦点検出画素２００、２０１におけるＡ像、Ｂ像の重心位置である。図１１（ｂ）は、図１０（ｂ）の角度領域Ｄ２’におけるＡ像、Ｂ像を切り出したものを示している。１２７、１２８は、第１実施形態の焦点検出画素１００、１０１の角度領域Ｄ２におけるＡ像、Ｂ像の重心位置である。２０８、２０９は、従来例の焦点検出画素２００、２０１におけるＡ像、Ｂ像の重心位置である。

Ａ像、Ｂ像の形状は、遮光部の形状に依存する。従来例の遮光部２０２、２０３の場合、図９（ｃ）のように、集光スポット１３２の位置が境界線１１０からずれたとき、光の殆どが遮光部２０２によって遮光される。ここで、境界線１１０から図１０のＡ像２０４とＢ像２０５とのクロス点Ｃ１３３が外れると、急に感度が低下する。これに対して、第１実施形態の遮光部１０９、１１３の場合、図８（ｃ）のように、集光スポット１３２の位置が境界線１１０からずれたとき、光は開口部Ｑ１１２を通して光電変換部１０２に入射する。

この結果、角度区間Ｄ２’において、従来例によるＡ像２０４、Ｂ像２０５では、感度の変化がほとんどないため、重心位置は角度区間の中心値によるため、重心間距離は小さくなる。一方、第１実施形態においては、Ａ像１２１、Ｂ像１２２のうち、特にＡ像において、感度が変化する領域であるため、重心位置が角度区間の中心値から離れ、その結果、Ａ像、Ｂ像の重心間距離を大きくすることができる。

図１２には、特許文献１の図８に記載された焦点検出画素を検討するための模式図である。遮光部３０２を有する焦点検出画素３００と、遮光部３０３を有する焦点検出画素３０１とが示されている。図１２の遮光部３０２、３０３は、開口部３０４は開口部１１１と結合し、開口部３０５が開口部１１５と結合するように構成されている。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）には、マイクロレンズ１０８のずらし量と入射角度θとが合っている場合に焦点検出画素３００、３０１の遮光部３０２、３０３の上に形成される集光スポット１３１が示されている。図１２（ｃ）、図（ｄ）には、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射角度が大きい場合に遮光部３０２、３０３の上に形成される集光スポット１３２が示されている。図１３（ａ）、図１３（ｂ）には、第１実施形態の焦点検出画素１００、１０１の入射角分布Ａ１２０、Ｂ１２１（実線）と、従来例の焦点検出画素３００、３０１の入射角分布Ａ３０４、Ｂ３０５（破線）とが重ねて示されている。Ｄ２は、絞りを絞った場合（例えばＦ８）の角度領域Ｄ２を示している。

図１３（ａ）のＤ２は、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して光の入射角度（θｘ）が合っている場合であり、図１３（ｂ）のＤ２’は、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して光の入射角度（θｘ）が大きい場合を表している。図１４（ａ）は、図１３（ａ）の角度領域Ｄ２におけるＡ像１２１、Ｂ像１２２を切り出したものを示している。１２５、１２６は、第１実施形態の焦点検出画素１００、１０１の角度領域Ｄ２におけるＡ像１２１、Ｂ像１２２の重心位置である。３０６、３０７は、従来例の焦点検出画素３００、３０１におけるＡ像３０４、Ｂ像３０５の重心位置である。図１４（ｂ）は、図１３（ｂ）の角度領域Ｄ２’におけるＡ像、Ｂ像を切り出したものを示している。１２７、１２８は、第１実施形態の焦点検出画素１００、１０１の角度領域Ｄ２におけるＡ像１２１、Ｂ像１２２の重心位置である。３０８、３０９は、従来例の焦点検出画素３００、３０１におけるＡ像３０４、Ｂ像３０５の重心位置である。

Ａ像、Ｂ像の形状は、遮光部の形状に依存する。従来例の遮光部３０２、３０３の場合、入射角度とマイクロレンズ１０８のずれ量が合っている図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、集光スポット１３１の一部は、開口部３０４、開口部３０５から漏れて光電変換部１０２に入射する。そのため、図１４（ａ）に示す従来例のＡ像３０４、Ｂ像３０５は、第１実施形態のＡ像１２１、Ｂ像１２２に比べて、入射角θｘに対する感度の変化が緩やかになり、傾きが小さくなる。その結果、従来例のＡ像、Ｂ像の重心位置３０６、３０７は、第１実施形態のＡ像、Ｂ像の重心位置１２５、１２６に比べて、互いに近づき、重心間距離は短くなる。また、図１４（ｂ）の場合、図１１（ｂ）と同様の理由により、従来例に対し、第１実施形態の方が重心間距離は大きくなる。したがって、第１実施形態の方が従来例に対して焦点検出性能が良い。その結果、従来例に対して第１実施形態の方が、重心間距離が大きくなり、Ａ像、Ｂ像を明確に分離でき、焦点検出性能が向上する。

焦点検出画素１００、１０１のサイズが１０μｍ以下である場合、第２開口部１１１は、第１開口部１１２の面積より大きい面積を有し、第２開口部１１５は、第１開口部１１６の面積より大きい面積を有することが好ましい。更には、遮光部１０９の面積は、第１開口部１１２の面積より大きく、第２開口部１１１の面積より小さく、遮光部１１３の面積は、第１開口部１１６の面積より大きく、第２開口部１１５の面積より小さいこと好ましい。

上記の構成によれば、図８に示されるように、第１実施形態の焦点検出画素１００、１０１では、集光スポット１３１が境界線１１０付近にある場合、遮光部１０９、１１３により集光スポット１３１のほぼ半分を遮光する。また、境界性１１０からずれた集光スポット１３１の場合、光の一部を開口部１１２、１１６を通して光電変換部１０２に入射させることができる。その結果、Ａ像、Ｂ像を明確に分離でき、焦点検出性能を向上させることができるからである。

上記の説明では、マイクロレンズ１０８のずらし量に対して入射光の角度が大きい場合の例が説明されているが、入射光の角度が小さい場合でも同様の理由により、焦点検出性能を向上させることができる。

図１５に示されるように、第１開口部１１２（１１６）と第２開口部１１１（１１５）（または境界線１１０）との最短距離をｄ、集光スポット１３１の幅（径）をｗとする。このとき、ｗ≦ｄ≦３ｗが成り立つことが好ましい。ここで、入射光の波長をλ、絶縁膜１０４の屈折率をｎ、マイクロレンズ１０８の頂点から遮光部１０９までの距離をＬ、焦点検出画素１００のサイズをＤとする。カラーフィルタ１０７を配置している場合、入射光の波長λは、カラーフィルタ１０７の透過率の最大波長である。カラーフィルタ１０７を配置していない場合、入射光の波長λは、入射光の中心波長である。このとき、波動光学に従って、集光スポットの幅ｗは、ｗ＝１．２２×λ×Ｌ／Ｄ／ｎで表せる。例えば、Ｄ＝４μｍ、λ＝０．４５μｍ、Ｌ＝３μｍ、ｎ＝１．４６のとき、ｗ＝０．３４μｍとなり、ｄは、０．３４μｍ≦ｄ≦１．０３μｍの範囲にあることが好ましい。

ｗ≦ｄであることで、境界線１１０の上に集光スポット１３１がある場合、入射光を遮光部１０９、１１３で遮光することができ、図１１（ａ）、図１４（ａ）のＡ像１２１、Ｂ像１２２のように、横軸θｘに対する傾きを急にすることができる。その結果、Ａ像、Ｂ像の間の重心間距離を大きくすることができ、焦点検出性能を向上することができる。また、ｄ≦３ｗとすることで、図８（ｃ）、図８（ｄ）のように境界線１１０から集光スポット１３１がずれたとき、開口部１１２、１１６を通して入射光を光電変換部１０２に入射させることができる。図１５（ｂ）に示すように、集光スポット１３１は、電場強度の最大のピーク値から零点までの距離がｗであり、零点から次の零点までの距離もｗであり、その間で小さなピーク値をもつ。ｄ≦３ｗとすることで、集光スポット１３１の小さなピーク値のある領域は、開口部１１１、１１５か開口部Ｑ１１２、１１６のいずれかを通して光電変換部１０２に入射する。その結果、図１１（ｂ）、図１４（ｂ）のＡ像１２１のように、横軸θｘに対する傾きをつけることができ、Ａ像、Ｂ像の重心間距離が大きくなり、焦点検出性能を向上させることができる。

焦点検出画素１００の遮光部１０９と焦点検出画素１０１の遮光部１１３は、上面図（ｘｙ面）において転送ゲート１０５の一部を覆うように構成されうる。転送ゲート１０５に光が当たると、感度が下がり、入射角分布の形状が変わり、焦点検出性能が低下しうる。転送ゲート１０５の一部を遮光することにより、焦点検出性能の低下を抑制することができる。

遮光部１０９、１１３の形状は、図２、図３に示されたような形状に限定されるものではなく、例えば、図１６、図１７に示されたような形状であってもよい。特に、図１７に示された形状の遮光部１０９、１１３は、図１８に示される画素領域２１内の領域Ｒ１〜Ｒ９の全てにおいて均等に効果が発揮されうる。

図１６、図１８を参照しながら本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態では、画素領域２１内における位置に応じて遮光部１０９、１１３の形状が調整されている。一例において、領域Ｒ１、Ｒ４、Ｒ７には、図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示される焦点検出画素１００、１０１が配置される。また、領域Ｒ２、Ｒ５、Ｒ８には、図１６（ｅ）、図１６（ｆ）に示される焦点検出画素１００、１０１が配置される。また、領域Ｒ３、Ｒ６、Ｒ９には、図１６（ｇ）、図１６（ｈ）に示される焦点検出画素１００、１０１が配置される。例えば、領域Ｒ１では、集光スポットが紙面において焦点検出画素の左斜め上にずれるので、領域Ｒ１には、第１開口部１１２、１１６が紙面において上方に配置されることが好ましい。他の領域についても、同様の思想に基づいて第１開口部１１２、１１６が調整される。

第２実施形態によれば、画素領域２１内の領域Ｒ１〜Ｒ９の全てにおいて焦点検出精度を向上させることができる。

図１９を参照しながら本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態では、境界線１１０が光電変換部１０２の中心上からずれている。マイクロレンズ１０８は、焦点検出画素１００、１０１に対して斜めに入射する光に対応して、焦点検出画素１００、１０１の中心から画素領域２１の中心側にずらして配置されうる。これとともに、遮光部１０９、１１３と第２開口部１１１、１１５との境界線１１０も、焦点検出画素１００、１０１の中心からずらして配置されうる。

更に、各領域に互いに異なる遮光部を有する２種類以上の焦点検出画素を混在して配置してもよい。例えば、領域Ｒ３に、図８に示す焦点検出画素と図１９に示す焦点検出画素とを混在して配置するという要領である。これにより、瞳距離に関してより多様な撮像光学系に対応することができる。

本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態では、領域Ｒ１〜Ｒ９のそれぞれの中において、第１開口部１１２、１１６の面積が像高位置に応じて調整される。これにより、瞳距離に関してより多様な撮像光学系に対応することができる。

図２０を参照しながら本発明の第５実施形態を説明する。第５実施形態では、遮光部１０９、１１３が光電変換部１０２に近接する位置に配置される。これにより、焦点検出画素１００、１０１の特性を、遮光部１０９、１１３を有しない撮像画素の特性に近づけることができる。更に、図１０に示されるような入射角分布特性に関する固体撮像装置１０間のばらつきを抑制することができる。これは、遮光部により発生する回折の影響による固体撮像装置１０間のばらつきは、遮光部と光電変換部との距離のばらつきに依存し、この距離が小さくなると、距離のばらつきも小さくなるからである。

図２１を参照しながら本発明の第６実施形態のカメラ１について説明する。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。図２１に示された例では、カメラ１は、デジタルスチルカメラおよび／またはビデオカメラとして構成されている。カメラ１は、被写体像を固体撮像装置１０の撮像面に形成する撮像光学系１１を有する。撮像光学系１１は、カメラ１の本体に着脱可能であっても良いし、カメラ１の本体に固定されていてもよい。撮像光学系１１は、レンズ制御部１２によってフォーカス位置が制御されうる。撮像光学系１１は、絞り制御部１４によって制御される絞り１３を有し、絞り１３の開口径を変化させることによって固体撮像装置１０に入射する光の強度を調整することができる。

撮像光学系１１の像空間には、撮像光学系１１により結像された被写体像を光電変換によって電気的な画像信号に変換する固体撮像装置１０の撮像面が配置される。固体撮像装置１０は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサまたはＣＣＤイメージセンサで構成されうる。

ＣＰＵ（制御部）１５は、カメラ１の種々の動作の制御を司る。ＣＰＵ１５は、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータおよび通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１５は、ＲＯＭ（不図示）に記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ１の各部の動作を制御し、撮像光学系１１の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理および記録等の一連の撮影動作の実行を制御する。

撮像装置制御部１６は、固体撮像装置１０の動作を制御するとともに、固体撮像装置１０から出力された画素信号（撮像信号）をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１５に送信する。固体撮像装置１０は、Ａ／Ｄ変換機能を有していてもよいし、有していなくてもよい。画像処理部（処理部）１７は、Ａ／Ｄ変換された撮像信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成する。表示部１８は、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）で構成され、カメラ１の撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像および焦点検出時の合焦状態等を表示する。操作スイッチ１９は、ユーザによって操作されるスイッチである。記憶媒体２０は、着脱可能な記録媒体であり、撮影済み画像を記録する。

１：カメラ、１０：固体撮像装置、１１：撮像光学系、１０９：遮光部、１１３：遮光部、１１２：第１開口部、１１６：第１開口部、１１１、第２開口部、１１５：第２開口部、１１０：境界線：１０２：光電変換部、１０５：転送ゲート、ＰＬ：面、ＳＰ：分離部

Claims (17)

1. 焦点検出のための複数の画素を有する固体撮像装置であって、
   前記画素は、半導体基板に配置された光電変換部と、マイクロレンズと、前記半導体基板と前記マイクロレンズとの間に前記光電変換部の一部を覆うように配置された遮光部とを備え、
   前記画素における前記半導体基板の表面に平行で前記遮光部が配置された面は、前記遮光部の他に、第１開口部と、第２開口部とを含み、
   前記遮光部は、第１部分と第２部分とを含み、第１方向において前記第１開口部と前記第２開口部との間に前記第１部分が配置され、前記第１方向に直交する第２方向において前記第１開口部と前記第２部分とが隣り合って配置され、
   前記第２開口部は、前記第１開口部の面積より大きい面積を有する、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記遮光部の面積は、前記第１開口部の面積より大きく、前記第２開口部の面積より小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１開口部と前記第２開口部との最短距離をｄ、前記マイクロレンズによって前記面に形成された集光スポットの幅をｗとすると、ｗ≦ｄ≦３ｗが成り立つ、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記マイクロレンズと前記半導体基板との間に配置された絶縁膜と、
   前記絶縁膜と前記マイクロレンズとの間に配置されたカラーフィルタと、を更に備え、
   前記遮光部は、前記絶縁膜の中に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記絶縁膜の中であって前記面と前記マイクロレンズとの間に配線層を更に備える、
   ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記画素は、前記光電変換部で発生した電荷を転送するチャネルを形成する転送ゲートを更に備え、前記第１部分は、前記転送ゲートの一部を覆うように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記第２開口部と前記遮光部との境界線と、前記チャネルの長さ方向とが直交する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記複数の画素は、前記画素が配置された位置に応じて互いに異なる形状を有する前記遮光部を備える画素を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記第１開口部の中にコンタクトプラグが配置されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 焦点検出のための複数の画素を有する固体撮像装置であって、
    前記画素は、半導体基板に配置された光電変換部と、マイクロレンズと、前記半導体基板と前記マイクロレンズとの間に配置された遮光部と、前記光電変換部の電荷を転送する転送トランジスタとを備え、
    前記光電変換部は、前記遮光部と重なる第１領域と、前記遮光部と重ならない第２領域と、前記遮光部と重ならない第３領域と、を有し、
    前記第１領域は、第１部分領域と第２部分領域とを含み、第１方向において前記第２領域と前記第３領域との間に前記第１部分領域が配置され、前記第１方向に直交する第２方向において前記第２領域と前記第２部分領域とが隣り合って配置され、
    前記第３領域の面積は、前記第２領域の面積よりも大きく、
    前記遮光部は、前記転送トランジスタのゲートと重なっている、
    ことを特徴とする固体撮像装置。
11. 前記第１領域の面積は、前記第２領域の面積と前記第３領域の面積の合計面積よりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
12. 前記第１領域の面積は、前記第３領域の面積よりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の固体撮像装置。
13. 前記マイクロレンズと前記半導体基板との間に配置された絶縁膜と、
    前記絶縁膜と前記マイクロレンズとの間に配置されたカラーフィルタと、を更に備え、
    前記遮光部は、前記絶縁膜の中に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
14. 前記絶縁膜の中であって前記遮光部と前記マイクロレンズとの間に配線層を更に備える、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
15. 前記第３領域と前記第１領域との境界線の延長線は、前記ゲートの長手軸方向と直交する、
    ことを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
16. 前記複数の画素は、前記画素が配置された位置に応じて互いに異なる形状を有する前記遮光部を備える画素を含む、
    ことを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
17. 請求項１乃至１６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。