JP5566457B2 - 固体撮像素子及びデジタルカメラ - Google Patents

Description

本発明は、位相差を検出する焦点検出用画素を有する固体撮像素子、及びこの固体撮像素子を備えるデジタルカメラに関するものである。

ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子を備え、デジタル画像を取得するデジタルカメラが普及している（特許文献１参照）。デジタルカメラの殆どは、撮影レンズの焦点を自動的に調節するオートフォーカス（以下、ＡＦという）機能を備えている。このようなデジタルカメラでは、機能の充実化、及び低価格が進められている。例えば、コストアップを招くことなく、より高速にＡＦ処理を行えるような改良が行われている。

特許文献２には、位相差方式のＡＦを行うデジタルカメラが記載されている。このデジタルカメラの固体撮像素子は、通常画素と、第１焦点検出用画素と、第２焦点検出用画素とを有する。通常画素は、フォトダイオード（以下、ＰＤという）の受光面の中心位置と中心が一致する通常開口部を通して入射した光を受光する。第１焦点検出用画素は、ＰＤの受光面の中心位置に対し第１の方向に偏心した第１偏心開口部を通して入射した光を受光する。第２焦点検出用画素は、ＰＤの受光面の中心位置に対し第１の方向とは反対側の第２の方向に偏心した第２偏心開口部を通して入射した光を受光する。通常開口部及び第１及び第２偏心開口部は、ＰＤが形成された半導体基板上を覆う遮光膜に形成されている。さらに、第１及び第２偏心開口部のサイズは、通常開口部のサイズよりも小さい。フレーミング時には、第１及び第２焦点検出用画素からの信号に基づいて、位相差方式のＡＦ制御が行われる。撮像時には通常画素、及び第１及び第２焦点検出用画素で被写体が撮像される。

特許文献２の固体撮像素子では、第１焦点検出用画素と第２焦点検出用画素は、第１及び第２偏心開口部のずれ方向からの入射光に対して感度が高くなる。例えば、第１焦点検出用画素は右斜め上からの入射光に対して感度が高くなり、第２焦点検出用画素は左斜め上からの入射光に対して感度が高くなる。

特許文献３及び４には、ＰＤの形成位置及び面積を制御することにより、右斜め上からの入射光に対して感度が高くなる第１焦点検出用画素と、左斜め上からの入射光に対して感度が高くなる第２焦点検出用画素とを有し、位相差ＡＦ機能を備えた固体撮像素子が記載されている。

特許文献２〜４に記載された固体撮像素子を備えるデジタルカメラでは、各第１焦点検出用画素によって構成される画像と各第２焦点検出用画素によって構成される画像とは、撮影レンズの合焦状態に応じて左右方向にシフトする。この２つの画像の間のずれ量は撮影レンズの焦点のずれ量に対応している。２つの画像は、撮影レンズが合焦しているときは一致しているため、ずれ量は零となり、そして焦点がすれるほどそのずれ量も大きくなる。従って、各焦点検出用画素によってそれぞれ構成される各画像のずれの方向及び２つの画像間のずれ量を検知することで、撮影レンズのフォーカス調整量を求めることができる。

このように位相差ＡＦ機能を有する固体撮像素子を用いた場合には、フォーカスレンズを走査する必要がないので、固体撮像素子の出力信号を利用する周知のコントラスト検出方式のＡＦよりも高速なＡＦを行うことができる。

特開２００７−８１０１５号公報 特開２００５−３０３４０９号公報 特開２００９−１６２８４５号公報 特開２００９−１０５６８２号公報

ところで、上記特許文献２に記載の固体撮像素子では、第１及び第２偏心開口部が遮光膜に形成されるので、例えば転送電極などの遮光膜の下地の凹凸の影響を受けて、第１及び第２偏心開口部のサイズが異なることがある。この場合には、右斜め上からの入射光に対する第１焦点検出用画素の感度と、左斜め上からの入射光に対する第２焦点検出用画素の感度とが異なってしまうという問題が発生する。

また、各特許文献２〜４に記載された固体撮像素子では、各焦点検出用画素の偏心開口部の開口面積が通常画素の通常開口部の面積よりも小さいか、あるいは各焦点検出用画素のＰＤの面積が通常画素のＰＤの面積よりも小さいので、各焦点検出用画素と通常画素とで感度が異なってしまう。このため、各焦点検出用画素から出力される信号を補正することが必要となる。

本発明の目的は、２種類の焦点検出用画素の感度の差をなくすことができる固体撮像素子、及びこの固体撮像素子を備えるデジタルカメラを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された不純物層と、前記不純物層の表層に所定パターンで形成された複数の画素と、領域制御層とを備えることを特徴とする。複数の画素は、光電変換による信号電荷の生成及び蓄積を行うフォトダイオードを有し、光学系によって結像された被写体像の撮像信号を生成する。また、複数の画素は、位相差検出方式による前記光学系の焦点検出に用いられる撮像信号を生成する２種類の焦点検出用画素の組みを少なくとも１つ以上含む。領域制御層は、前記半導体基板と前記２種類の焦点検出用画素との間に形成されている。この領域制御層は、２種類の焦点検出用画素のフォトダイオードの互いに対向する側の第１光電変換領域の厚みと、前記第１光電変換領域とは反対側の第２光電変換領域の厚みとのいずれか一方を他方よりも薄くする。

前記領域制御層は、前記第１光電変換領域の下方に位置する第１バリア層と、この第１バリア層以外の領域に形成された第２バリア層とを有するオーバーフローバリア層であることが好ましい。オーバーフローバリア層は、前記半導体基板と前記不純物層との間に形成され、前記フォトダイオードから前記半導体基板への信号電荷に対する電位障壁をなす。半導体基板は第１導電型である。この半導体基板には、電圧印加回路から第１の電圧が印加される。第２バリア層は、前記第１バリア層よりも前記第２導電型の不純物濃度が低く形成されている。半導体基板への前記第１の電圧印加時に、前記第２バリア層の電位障壁が低下して、前記第２光電変換領域の前記第２バリア層側の部分で発生した信号電荷が前記半導体基板へ排出される。また、第１バリア層の電位障壁が、前記第１光電変換領域から前記半導体基板への信号電荷の排出を阻止するレベルで維持される。

前記半導体基板への第２の電圧印加時に、前記第２バリア層の電位障壁が、前記第２光電変換領域から前記半導体基板への信号電荷の排出を阻止するレベルで維持されることが好ましい。前記半導体基板は、電圧印加回路から第１の電圧と、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧とが選択的に印加される。

前記領域制御層は、前記第１光電変換領域と前記半導体基板との間に位置し、かつ前記第１光電変換領域側の層上面が前記第２光電変換領域の底面よりも上方に位置する形状を有していることが好ましい。

互いに隣り合う前記フォトダイオードの間にはチャネルストップが形成されており、前記領域制御層は前記チャネルストップと一体に形成されていることが好ましい。

前記複数の画素は、前記２種類の焦点検出用画素と、撮像にのみ用いられる通常画素であることが好ましい。

前記複数の画素の全ては、前記２種類の焦点検出用画素であることが好ましい。

第１画素列と第２画素列とを交互に配列することが好ましい。第１画素列は、前記一対の焦点検出用画素の一方である第１画素を第１の方向に一列に配列してなる。第２画素列は、他方である第２画素を前記第１の方向に一列に配列してなる。第１画素列と第２画素列とは、前記第１の方向に直交する第２の方向に交互に配列されている。

また、本発明のデジタルカメラは、固体撮像素子と、画像処理部と、を備えることを特徴とする。固体撮像素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成された不純物層と、不純物層の表層に形成された第１焦点検出用画素及び第２焦点検出用画素と、領域制御層と、を備える。第１及び第２焦点検出用画素は、光学系により結像された被写体像を光電変換して信号電荷の生成及び蓄積を行うフォトダイオードを有する。これら第１及び第２焦点検出用画素は、ＡＦ制御用に位相差検出方式による前記光学系の焦点検出に用いられる撮像信号を生成する。また、第１及び第２焦点検出用画素は、第１画素列と第２画素列とを交互に配列したパターンで形成されている。第１画素列は、第１焦点検出用画素を第１の方向に一列に配列してなる。第２画素列は、第２焦点検出用画素を前記第１の方向に一列に配列してなる。第１画素列と第２画素列とは、前記第１の方向に直交する第２の方向に交互に配列されている。領域制御層は、前記半導体基板と前記第１及び第２焦点検出用画素との間に形成されている。この領域制御層は、２種類の焦点検出用画素のフォトダイオードの互いに対向する側の第１光電変換領域の厚みと、前記第１光電変換領域とは反対側の第２光電変換領域の厚みとのいずれか一方を他方よりも薄くする。画像処理部は、第１画像と第２画像とからなる視差画像を生成する。第１画像は、第１焦点検出用画素からの撮像信号によって構成される。第２画像は、第２焦点検出用画素からの撮像信号によって構成される。

本発明の固体撮像素子及びデジタルカメラは、領域制御層によって、２種類の焦点検出用画素の各フォトダイオードの第１光電変換領域の厚みと第２光電変換領域の厚みとのいずれか一方を他方よりも薄く形成することで、転送電極などの下地の凹凸の影響を受けることなく２種類の焦点検出用画素を形成することができる。その結果、例えば右斜め上からの入射光に対する一方の焦点検出用画素の感度と、左斜め上からの入射光に対する他方の焦点検出用画素の感度との差がなくなる。

また、領域制御層として不純物濃度が異なる領域が形成されたオーバーフローバリア層を用いることにより、半導体基板に印加する電圧の大きさを切り替えることで、各フォトダイオードの第１光電変換領域の厚みと第２光電変換領域の厚みとのいずれか一方を他方よりも薄く形成することができる。これにより、焦点検出時以外では、通常画素及び焦点検出用画素の光電変換領域の形状をほぼ同じにすることができるので、両画素の感度がほぼ等しくなる。その結果、従来のように焦点検出用画素の信号出力を補正する必要がなくなる。

デジタルカメラの電気的構成を示すブロック図である。 ＣＣＤ型イメージセンサの平面模式図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 半導体基板に電圧Ｖｌｏｗを印加したときの各ＰＤの光電変換領域を説明するための説明図である。 半導体基板に電圧Ｖｍｉｄを印加したときの各ＰＤの光電変換領域を説明するための説明図である。 第２実施形態のＣＣＤ型イメージセンサの断面図である。 全画素を、第１実施形態の第１及び第２焦点検出用画素で構成したＣＣＤ型イメージセンサの平面模式図である。 全画素を、第２実施形態の第１及び第２焦点検出用画素で構成したＣＣＤ型イメージセンサの平面模式図である。

図１に示すように、デジタルカメラ１０のＣＰＵ１１は、シャッタボタンや各種操作ボタンからなる操作部１２からの制御信号に基づき、図示しないメモリから読み出した各種プログラムやデータを逐次実行して、デジタルカメラ１０の各部を統括的に制御する。

レンズユニット１４には、撮影レンズ１５の他に、図示しないフォーカス機構、絞り機構などが組み込まれている。フォーカス機構は、撮影レンズ１５に組み込まれたフォーカスレンズを移動してピント合せを行うＡＦ処理を行う。絞り機構は、絞りの開口径を調節することで、ＣＣＤ１６に入射する被写体光の強度を調節する。フォーカス機構及び絞り機構は、レンズドライバ１７を介してＣＰＵ１１によって動作制御される。

撮影レンズ１５の背後にはＣＣＤ１６が配置されており、撮影レンズ１５からの被写体光を電気的な撮像信号に変換して出力する。ＣＣＤ１６には、ＣＣＤドライバ１８が接続している。ＣＣＤドライバ１８は、ＴＧ（Timing Generator）１９からの同期パルスによって駆動され、ＣＣＤ１６の電荷蓄積時間と電荷読み出し転送タイミングを制御する。

ＣＣＤ１６から出力された撮像信号はＡＦＥ２０に入力される。ＡＦＥ２０は、ＴＧ１９から入力される同期パルスに基づき、ＣＣＤ１６の電荷読み出し転送動作と同期して作動する。このＡＦＥ２０は、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路、ＡＧＣ（自動ゲイン調整アンプ）、Ａ／Ｄ変換器から構成されている。ＣＤＳ回路は、相関二重サンプリングを行って撮像信号からノイズを除去する。ＡＧＣ回路は、ＣＰＵ１１によって設定された撮影感度に応じたゲインで撮像信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換器は、ＡＧＣ回路からのアナログの撮像信号をデジタルな画像信号に変換して出力する。

画像処理部２１は、ＡＦＥ２０から入力された画像信号に対して階調変換、ホワイトバランス補正、γ補正処理、ＹＣ変換処理などの各種処理を施して画像データを生成する。ＡＦ検出部２２は、ＡＦＥ２０から入力された画像信号を基に、被写体に撮影レンズ１５のピントを合致させるためのフォーカス調整量を求める。ＣＰＵ１１は、ＡＦ検出部２２が求めたフォーカス調整量に基づき、レンズドライバ１７を制御してＡＦ処理を実行する。

圧縮伸長処理回路２３は、画像処理部２１で処理された画像データに対して圧縮処理を施す。また、圧縮伸長処理回路２３は、メディアＩ／Ｆ２４を介してメモリカード２５から得られた圧縮画像データに対して伸長処理を施す。メディアＩ／Ｆ２４は、メモリカード２５に対する画像データの記録及び読み出しなどを行う。表示部２６は、液晶ディスプレイなどからなり、スルー画像や再生画像などを表示する。

ＣＣＤドライバ１８には、基板電圧印加回路２７が設けられている。基板電圧印加回路２７は、ＣＣＤ１６を構成する半導体基板２９（図３参照）に対して電圧の印加を行う。この電圧の印加は、撮影開始前の電子シャッタ期間やＡＦ処理時などに行われる。

図２に示すようにＣＣＤ１６は、複数の画素３０と、複数の垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）３１と、水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）３２と、出力部３３とを有している。各画素３０は、半導体基板２９上に２次元配列されており、被写体光を光電変換して信号電荷を発生する。各ＶＣＣＤ３１は、各画素３０で発生した信号電荷を図中垂直方向に転送する。ＨＣＣＤ３２は、各ＶＣＣＤ３１の端部に接続されており、ＶＣＣＤ３１の各々を転送されてきた信号電荷を、図中水平方向に転送する。出力部３３は、ＨＣＣＤ３２から転送されてきた信号電荷を電圧信号に変換して出力する。

各画素３０は、ハニカム配列に並べられている。また、各画素３０の１列ごとに１つのＶＣＣＤ３１が設けられている。各画素３０の各列とそれに対応するＶＣＣＤ３１との間には、図中に矢印で模式的に示した読み出しチャネルが形成されている。露光期間中に各画素３０で発生して蓄積された信号電荷は、読み出しチャネルを介して、ＶＣＣＤ３１に読み出される。

ＶＣＣＤ３１は、半導体基板２９の表層に、各画素３０の間を通るように蛇行して形成されている。また、半導体基板２９の表面上には垂直転送電極３５が設けられている。垂直転送電極３５は、ＶＣＣＤ３１を図中水平方向に横切り、かつ各画素３０を避けるように蛇行した第１〜第４垂直転送電極３５ａ〜３５ｄが図中垂直方向に交互に配列されてなる。ＶＣＣＤ３１は、第１〜第４垂直転送電極３５ａ〜３５ｄにそれぞれ印加される４相の垂直転送パルスによって転送駆動される。

ＨＣＣＤ３２は、その上に設けられた複数の水平転送電極（図示せず）に印加される２相の水平転送パルスによって転送駆動される。出力部３３は、ＨＣＣＤ３２の端部に接続されている。この出力部３３は、電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、ソースフォロア回路とからなるＦＤアンプにより構成される。

各画素３０は、通常画素３０Ｎと、第１焦点検出用画素３０Ｒと、第２焦点検出用画素３０Ｌとで構成されている。各画素３０Ｎ，３０Ｒ，３０Ｌは、それぞれ所定パターンで配列されており、それぞれ入射した光を信号電荷に変換して蓄積するＰＤなどから構成されている。

通常画素３０Ｎは、スルー画表示時や撮影実行時などに画像形成を行うための画素である。第１及び第２焦点検出用画素３０Ｒ，３０Ｌは、位相差方式のＡＦ（以下、単にＡＦという）を行うための画素である。また、第１及び第２焦点検出用画素３０Ｒ，３０Ｌは画像形成にも用いられる。第１及び第２焦点検出用画素３０Ｒ，３０Ｌは、ＡＦ処理時にそれぞれ異なる所定の方向からの入射光に対して感度が高くなる。

図３において、ｎ型（第１導電型）シリコンからなる半導体基板２９（Ｎｓｕｂ）の表層にはｐ型（第２導電型）のオーバーフローバリア層（以下、単にＯＦＢ層という）３８が形成されている。

ＯＦＢ層３８上には、本発明の不純物層に相当するｐ⁻型の低不純物濃度層（以下、単に低濃度層という）３９が形成されている。

低濃度層３９の表層には、ｎ型層からなり、通常画素３０Ｎ、第１焦点検出用画素３０Ｒ、及び第２焦点検出用画素３０Ｌをそれぞれ構成するＰＤ４０Ｎ、ＰＤ４０Ｒ、ＰＤ４０Ｌが形成されている。各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌの一方の側方には、低濃度層３９の表層部からなる読み出しチャネル４１を介して、ｎ型層からなるＶＣＣＤ３１が形成されている。各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌの他方の側方には、ｐ^＋型層からなるチャネルストップ４２を介して隣接画素に属するＶＣＣＤ３１が形成されている。

低濃度層３９上には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる光透過性のゲート絶縁膜４４が形成されている。ゲート絶縁膜４４上には、各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌの上方に位置する部分に、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）を含む光透過性の反射防止膜４６が形成されている。

また、ゲート絶縁膜４４上には、ＶＣＣＤ３１、読み出しチャネル４１、及びチャネルストップ４２の略直上を覆うように、ポリシリコンなどからなる第１〜第４垂直転送電極３５ａ〜３５ｄが形成されている。第１〜第４垂直転送電極３５ａ〜３５ｄは、ＶＣＣＤ３１を駆動して電荷転送を行わせる駆動電極として機能する。また、第１及び第３垂直転送電極３５ａ，３５ｃは、読み出しチャネル４１を駆動して電荷読み出しを行わせる読出し電極としても機能する。

ゲート絶縁膜４４及び反射防止膜４６上には、第１〜第４垂直転送電極３５ａ〜３５ｄを覆うように、例えばタングステンなどからなる遮光膜４７が形成されている。遮光膜４７には、各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌの直上位置に開口部が形成され、それ以外の領域を遮光している。

遮光膜４７上には、表面が平坦な光透過性の平坦化層４８が形成されている。この平坦化層４８上には、カラーフィルタ４９が形成されている。さらにカラーフィルタ４９上には、各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌの直上位置にマイクロレンズ５０が形成されている。

ＣＣＤ１６は、各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌへの信号電荷蓄積を行う前の電子シャッタ期間に各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌに残留した信号電荷を、半導体基板２９へ排出する縦型オーバーフロードレイン構造を有している。ＯＦＢ層３８は、各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌに蓄積された信号電荷に対する電位障壁となる。半導体基板２９は、ＯＦＢ層３８の電位障壁を超えて流入した信号電荷を吸収する。

ＯＦＢ層３８は、ｐ型不純物層であり、不純物の濃度が異なる高濃度バリア層（第１バリア層）３８ａと低濃度バリア層（第２バリア層）３８ｂとで構成されている。高濃度バリア層３８ａは、低濃度バリア層３８ｂよりも不純物濃度が高いので、信号電荷に対する電位障壁のレベルが高くなる。この高濃度バリア層３８ａは、１組のＰＤ４０Ｒ，４０Ｌの光電変換領域の互いに対向する側の第１光電変換領域５２Ｒａ，５２Ｌａの下方に形成されている。低濃度バリア層３８ｂは、高濃度バリア層３８ａ以外の領域に形成されている。低濃度バリア層３８ｂは、高濃度バリア層３８ａよりも不純物濃度が低いので、信号電荷に対する電位障壁のレベルが低くなる。なお、ここでいう光電変換領域とは、光を電荷に変換して蓄積する領域である。

ＯＦＢ層３８は、例えば不純物の注入量や注入速度等を制御するなどの各種方法を用いて形成される。これにより、ＰＤ４０Ｒ，４０Ｌの第１光電変換領域５２Ｒａ，５２Ｌａの下方に位置するＯＦＢ層３８の不純物濃度が高くなる。また逆に、第１光電変換領域５２Ｒａ，５２Ｌａとはそれぞれ反対側の第２光電変換領域５２Ｒｂ，５２Ｌｂの下方に位置するＯＦＢ層３８の不純物濃度が低くなる。

半導体基板２９には、基板電圧印加回路２７から電圧が印加される。基板電圧印加回路２７は、半導体基板２９への印加電圧の大きさを切り替えることで、ＯＦＢ層３８の電位障壁のレベルを変化させる。ＯＦＢ層３８は、高濃度バリア層３８ａと低濃度バリア層３８ｂとからなるため、各層で電位障壁のレベル変化の特性が異なる。低濃度バリア層３８ｂは高濃度バリア層３８ａに比べて電位障壁のレベル変化が生じやすい。従って、信号電荷に対する電位障壁の電位極大点Ｋ（図４、図５参照）は、半導体基板２９への印加電圧に応じて、低濃度バリア層３８ｂでは容易に移動するが、高濃度バリア層３８ａでは移動し難くなる。

基板電圧印加回路２７から半導体基板２９への印加電圧は、電子シャッタ期間には「Ｖｈｉｇｈ」に設定され、ＡＦ処理時にはＶｈｉｇｈよりも低い「Ｖｍｉｄ」（第１の電圧）に設定され、信号電荷蓄積期間であるスルー画表示時や撮影実行時などの画像形成時にはＶｍｉｄよりも低い「Ｖｌｏｗ」（第２の電圧）に設定される。

Ｖｈｉｇｈは、各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌに蓄積される信号電荷がすべて半導体基板２９へ排出されるように、電位極大点ＫをＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌの表面側まで移動させる電圧値である。Ｖｍｉｄは、ＰＤ４０Ｒ，４０Ｌの一部の領域で生成された信号電荷が半導体基板２９へ排出されるように、電位極大点Ｋを移動させる電圧値である。Ｖｌｏｗは、各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌからの電荷の排出が行われないように、電位極大点ＫをＯＦＢ層３８から移動させない電圧値である。

次に、上記構成のＣＣＤ１６の作用について説明を行う。図４に示すように画像形成時には、基板電圧印加回路２７から半導体基板２９に印加する電圧がＶｌｏｗに設定される。この場合に各濃度バリア層３８ａ，３８ｂの電位障壁は、各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌから半導体基板２９への信号電荷の排出を阻止するレベルで維持される。また、各濃度バリア層３８ａ，３８ｂの電位極大点Ｋ（点線で表示）の位置もほぼ等しくなる。このため、ＰＤ４０Ｎの光電変換領域と、ＰＤ４０Ｒ，４０Ｌの各光電変換領域との形状には差が生じない。これにより、通常画素３０Ｎと、第１及び第２焦点検出用画素３０Ｒ，３０Ｌとの感度が等しくなる。その結果、画像形成時に、従来のように第１及び第２焦点検出用画素３０Ｒ，３０Ｌの信号出力を補正する必要がなく、通常画素３０Ｎ、第１及び第２焦点検出用画素３０Ｒ，３０Ｌの撮像信号から１フレーム分の画像データが作成される。

図５に示すようにＡＦ処理時には、基板電圧印加回路２７から半導体基板２９に印加する電圧がＶｍｉｄに設定される。これにより、不純物濃度が低い低濃度バリア層３８ｂでは電位障壁が低下するとともに、電位極大点ＫがＣＣＤ１６の表面側に移動する。このため、第２光電変換領域５２Ｒｂ，５２Ｌｂのそれぞれ低濃度バリア層３８ｂ側の部分、より具体的には電位極大点Ｋよりも低濃度バリア層３８ｂ側の部分（網掛け線で表示）で発生した信号電荷が半導体基板２９へ排出される。このため、第２光電変換領域５２Ｒｂ，５２Ｌｂでは、ＣＣＤ１６の表面側の部分で発生した信号電荷が蓄積される。

一方、不純物濃度が高い高濃度バリア層３８ａの電位障壁のレベルはほぼ変わらず、電位極大点ＫもＣＣＤ１６の表面側へ移動しないか、あるいは僅かに表面側に移動する。この場合には、第１光電変換領域５２Ｒａ，５２Ｌａから半導体基板２９への信号電荷の排出は阻止される。このため、第１光電変換領域５２Ｒａ，５２Ｌａでは、その全領域で発生した信号電荷が蓄積される。

ＡＦ処理時には、ＰＤ４０Ｒ，４０Ｌの第１光電変換領域５２Ｒａ，５２Ｌａの半導体基板垂直方向の厚み（以下、単に厚みという）に対して、第２光電変換領域５２Ｒｂ，５２Ｌｂの厚みが薄くなる。このため、ＰＤ４０Ｒ，４０Ｌの光電変換領域がそれぞれ非対称形状になる。これにより、第１焦点検出用画素３０Ｒは、図中右斜め上からの入射光Ｉ_Ｒに対して感度が高くなる。逆に第２焦点検出用画素３０Ｌは、図中左斜め上からの入射光Ｉ_Ｌに対して感度が高くなる。

また、ＣＣＤ１６の製造工程では、各垂直転送電極３５ａ〜３５ｄの形成前にＯＦＢ層３８の形成を行うので、各濃度バリア層３８ａ，３８ｂの領域などが凹凸のある下地の影響を受けて変わることはない。その結果、入射光Ｉ_Ｒに対する第１焦点検出用画素３０Ｒの感度と、入射光Ｉ_Ｌに対する第２焦点検出用画素３０Ｌの感度との差がなくなる。

画像処理部２１は、第１焦点検出用画素３０Ｒの撮像信号によって構成される画像（以下、第１焦点検出用画像という）と、第２焦点検出用画素３０Ｌの撮像信号によって構成される画像（第２焦点検出用画像という）とを生成する。第１焦点検出用画像と第２焦点検出用画像とは、撮影レンズ１５の合焦状態に応じて左右方向にシフトする。ＡＦ検出部２２は、第１焦点検出用画像と第２焦点検出用画像とのずれ方向及び両画像間のずれ量を検知することで撮影レンズ１５のフォーカス調整量を求める。そして、このフォーカス調整量に基づき、ＣＰＵ１１はレンズドライバ１７を制御してＡＦ処理を実行する。なお、位相差方式のＡＦについては、特許第２９５９１４２号などに詳細に説明されている。

電子シャッタ期間には、基板電圧印加回路２７から半導体基板２９に印加する電圧がＶｈｉｇｈに設定されて、各ＰＤ４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌに蓄積される信号電荷が全て半導体基板２９へ排出される。なお、上述のＶｌｏｗ、Ｖｍｉｄ、及びＶｈｉｇｈの大きさは、例えば、ＣＣＤ１６の構造やその各部の材料、形状、厚みなどに応じて、実験やシミュレーション等で決定される。

次に、図６を用いて本発明の第２実施形態のＣＣＤ５９について説明を行う。上記第１実施形態のＣＣＤ１６では、不純物の濃度が異なるＯＦＢ層３８を形成することによって、各焦点検出用画素３０Ｒ，３０Ｌがそれぞれ入射光Ｉ_Ｒ，Ｉ_Ｌに対して感度が高くなる。これに対してＣＣＤ５９では、第１焦点検出用画素６０Ｒと第２焦点検出用画素６０Ｌとの間のチャネルストップ（以下、単にＣＳという）の形状を変えることにより、各焦点検出用画素６０Ｒ，６０Ｌがそれぞれ入射光Ｉ_Ｒ，Ｉ_Ｌに対して感度が高くなるようする。

ＣＣＤ５９は、一対の焦点検出用画素６０Ｒ，６０Ｌの形成位置と、各焦点検出用画素３０Ｒ，３０Ｌの間に位置するＣＳ６１（ドットで表示）の形状と、各焦点検出用画素６０Ｒ，６０ＬのＰＤ６２Ｒ，６２Ｌの形状と、が第１実施形態のＣＣＤ１６と異なる点を除けば、ＣＣＤ１６と基本的には同じ構成である。このため、ＣＣＤ１６と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

本発明の領域制御層に相当するＣＳ６１は、ｐ^＋型不純物層である。ＣＳ６１は、ＰＤ６２Ｒの第１光電変換領域６３ＲａとＯＦＢ層６４との間に位置する第１領域制御部６１Ｒと、ＰＤ６２Ｌの第１光電変換領域６３ＬａとＯＦＢ層６４との間に位置する第２領域制御部６１Ｌと、ＶＣＣＤ３１とＰＤ６２Ｌとの間に位置するＣＳ本体部６１Ｃとからなる。

第１領域制御部６１Ｒは、その上面Ｕ_Ｒが第２光電変換領域６３Ｒｂの底面Ｂ_Ｒよりも上方に位置するように形成されている。これにより、ＰＤ６２Ｒは、その第１光電変換領域６３Ｒａの厚みが第２光電変換領域６３Ｒｂの厚みよりも薄くなるような非対称形状になる。このため、ＰＤ６２Ｒは右斜め上からの入射光Ｉ_Ｒに対して感度が高くなる。

第２領域制御部６１Ｌは、その上面Ｕ_Ｌが第２光電変換領域６３Ｌｂの底面Ｂ_Ｌよりも上方に位置するように形成されている。これにより、ＰＤ６２Ｌは、その第１光電変換領域６３Ｌａの厚みが第２光電変換領域６３Ｌｂの厚みよりも薄くなるような非対称形状になる。このため、ＰＤ６２Ｌは左斜め上からの入射光Ｉ_Ｌに対して感度が高くなる。

ＣＣＤ５９では、各焦点検出用画素６０Ｒ，６０Ｌがそれぞれ入射光Ｉ_Ｒ，Ｉ_Ｌに対して感度が高くなる。このため、第１実施形態と同様に、第１及び第２焦点検出用画素６０Ｒ，６０Ｌの撮像信号によってそれぞれ構成される第１及び第２焦点検出用画像に基づきＡＦ処理を実行することができる。ＣＳ６１及びＰＤ６２Ｒ，６２Ｌの形成は、各垂直転送電極３５ａ〜３５ｄの形成前に行われるため、第１実施形態と同様に下地の凹凸の影響を受けない。その結果、入射光Ｉ_Ｒに対する第１焦点検出用画素６０Ｒの感度と、入射光Ｉ_Ｌに対する第２焦点検出用画素６０Ｌの感度との差を無くすことができる。

上記第２実施形態では、ＣＳ６１により各ＰＤ６２Ｒ，６２Ｌの光電変換領域の形状を制御しているが、各領域制御部６１Ｒ，６１ＬがＣＳと別体に形成されていてもよい。また、ＣＳ６１の形状を変える代わりにＣＳ４２の形状を変えてもよい。

上記各実施形態のＣＣＤ１６，５９において、ゲート絶縁膜４４上に形成する電極や各種層などの各部の構成及び形状は、上記実施形態で挙げたものに限定されず、適宜変えてよい。また、ＣＣＤ１６，５９の各半導体層の導電型を反転させ（ｐ型をｎ型、ｎ型をｐ型とする）、信号電荷を電子ではなく正孔としても良い。

上記第１実施形態では、第１光電変換領域５２Ｒａ，５２Ｌａの下方に高濃度バリア層３８ａを形成するとともに、第２光電変換領域５２Ｒｂ，５２Ｌｂの下方に低濃度バリア層３８ｂを形成しているが、両バリア層３８ａ，３８ｂの形成位置が逆であってもよい。

上記各実施形態では、各画素がハニカム配列されたＣＣＤについて説明を行ったが、各画素が正方格子状などに配列されたＣＣＤにも本発明を適用することができる。例えば各画素を正方格子状に配列した場合に、全ての画素を第１及び第２焦点検出用画素３０Ｒ，３０Ｌで構成することにより、デジタルカメラ１０は立体画像表示用のＬ，Ｒ視点画像を生成する単眼３Ｄカメラとして機能する。この場合に表示部２６は、例えばレンチキュラレンズ（図示せず）を用いるレンチキュラ方式などの周知の立体表示方式で立体画像の再生表示を行う。

図７に示すようにＣＣＤ７０の全画素は、第１焦点検出用画素３０Ｒを図中垂直方向（第１の方向）に配列した第１画素列７１ａと、第２焦点検出用画素３０Ｌを図中垂直方向に配列した第２画素列７１ｂとを、図中水平方向（第２の方向）に交互に配列してなる。

第１実施形態と同様に、画像処理部２１は、各第１焦点検出用画素３０Ｒの撮像信号によって構成される第１焦点検出用画像と、各第２焦点検出用画素３０Ｌの撮像信号によって構成される第２焦点検出用画像とを生成する。

図５に示したＯＦＢ層３８により、第１焦点検出用画素３０Ｒは入射光Ｉ_Ｒに対して感度が高くなり、第２焦点検出用画素３０Ｌは入射光Ｉ_Ｌに対して感度が高くなる。このため、第１焦点検出用画像と第２焦点検出用画像との間には視差が生じる。具体的には、第１焦点検出用画像がＲ視点画像となり、第２焦点検出用画像がＬ視点画像となる。

ＣＰＵ１１は、ＣＣＤ７０から得られた第１及び第２焦点検出用画像をそれぞれ線状に分割した線状画像を交互に配置したストライプ画像データを生成し、このストライプ画像データを表示部２６に出力する。表示部２６のレンチキュラレンズの個々のレンズの下に、隣接する２つの線状画像が表示される。左眼と右眼とが、レンチキュラレンズを介して、視差のある第１焦点検出用画像と第２焦点検出用画像とをそれぞれ観察することで、立体画像を観察することができる。ここで、立体画像の表示方式はレンチキュラ方式に限られず、例えば視差バリア方式、パララックスバリア方式、アナグリフ方式、フレームシーケンシャル方式、ライトディレクション方式等の周知の各種立体表示方式を用いてよい。

なお、図７では第１実施形態の第１及び第２焦点検出用画素３０Ｒ，３０Ｌで全画素を構成したＣＣＤ７０を例に挙げて説明を行ったが、ＣＣＤの全画素を上記第２実施形態の第１及び第２焦点検出用画素６０Ｒ，６０Ｌで構成してもよい。

図８に示すように、ＣＣＤ７３の全画素は、第１焦点検出用画素６０Ｒを図中垂直方向に配列した第１画素列７４ａと、第２焦点検出用画素６０Ｌを図中垂直方向に配列した第２画素列７４ｂとを、図中水平方向に交互に配列してなる。

図６に示したＣＳ６１により、第１焦点検出用画素６０Ｒは入射光Ｉ_Ｒに対して感度が高くなり、第２焦点検出用画素６０Ｌは入射光Ｉ_Ｌに対して感度が高くなる。このため、ＣＣＤ７０と同様に第１焦点検出用画像と第２焦点検出用画像との間には視差が生じる。これにより、表示部２６で立体画像を観察することができる。

なお、ＣＣＤ７０，７３では、全画素が正方格子状に配列されているが、画素配列は特に限定されず、例えばハニカム配列などの任意の配列であってもよい。

上記各実施形態では、第１焦点検出用画素３０Ｒ，６０Ｒと第２焦点検出用画素３０Ｌ，６０Ｌとを隣接して配置しているが、これらの間に通常画素３０Ｎなどを配置しても良い。また、上記各実施形態ではＣＣＤイメージセンサについて説明しているが、ＣＭＯＳイメージセンサ等のその他の固体撮像素子においても本発明を適用することができる。

１６，５９ ＣＣＤ
２７ 基板電圧印加回路
２９ 半導体基板
３０Ｎ 通常画素
３０Ｒ，６０Ｒ 第１焦点検出用画素
３０Ｌ，６０Ｌ 第２焦点検出用画素
４０Ｎ，４０Ｒ，４０Ｌ フォトダイオード（ＰＤ）
３８ オーバーフローバリア層
３８ａ 高濃度バリア層
３８ｂ 低濃度バリア層
５２Ｒａ，５２Ｌａ 第１光電変換領域
５２Ｒｂ，５２Ｌｂ 第２光電変換領域
６１ チャネルストップ
６２Ｒ，６２Ｌ フォトダイオード
６３Ｒａ，６３Ｌａ 第１光電変換領域
６３Ｒｂ，６３Ｌｂ 第２光電変換領域

Claims (9)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された不純物層と、
   前記不純物層の表層に所定パターンで形成され、光電変換による信号電荷の生成及び蓄積を行うフォトダイオードを有する、光学系によって結像された被写体像の撮像信号を生成する複数の画素であって、位相差検出方式による前記光学系の焦点検出に用いられる撮像信号を生成する２種類の焦点検出用画素の組みを少なくとも１つ以上含む複数の画素と、
   前記半導体基板と前記２種類の焦点検出用画素との間に形成され、当該２種類の焦点検出用画素のそれぞれのフォトダイオードの互いに対向する側の第１光電変換領域の厚みと、前記第１光電変換領域とは反対側の第２光電変換領域の厚みとのいずれか一方を他方より薄くする領域制御層と、
   を備えることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記半導体基板は第１導電型であり、この半導体基板には電圧印加回路から第１の電圧が印加されるものであり、
   前記領域制御層は、前記半導体基板と前記不純物層との間に形成され、前記フォトダイオードから前記半導体基板への信号電荷に対する電位障壁をなす第２導電型のオーバーフローバリア層であって、前記第１光電変換領域の下方に位置する第１バリア層と、前記第１バリア層以外の領域で前記第１バリア層よりも前記第２導電型の不純物濃度が低く形成された第２バリア層とを有するオーバーフローバリア層であり、
   前記半導体基板への前記第１の電圧印加時に、前記第２バリア層の電位障壁が低下して、前記第２光電変換領域の前記第２バリア層側の部分で発生した信号電荷が前記半導体基板へ排出されるとともに、前記第１バリア層の電位障壁が、前記第１光電変換領域から前記半導体基板への信号電荷の排出を阻止するレベルで維持される、
   ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の固体撮像素子。
3. 前記半導体基板は、電圧印加回路から前記第１の電圧と、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧とが選択的に印加されるものであり、
   前記半導体基板への前記第２の電圧印加時に、前記第２バリア層の電位障壁が、前記第２光電変換領域から前記半導体基板への信号電荷の排出を阻止するレベルで維持されること、
   を特徴とする請求の範囲第２項記載の固体撮像素子。
4. 前記領域制御層は、前記第１光電変換領域と前記半導体基板との間に位置し、かつ前記第１光電変換領域側の層上面が前記第２光電変換領域の底面よりも上方に位置する形状であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の固体撮像素子。
5. 互いに隣り合う前記フォトダイオードの間にはチャネルストップが形成されており、
   前記領域制御層は前記チャネルストップと一体に形成されていることを特徴とする請求の範囲第４項記載の固体撮像素子。
6. 前記複数の画素は、前記２種類の焦点検出用画素と、撮像にのみ用いられる通常画素であることを特徴とする請求項の範囲第１項ないし第５項いずれか１項記載の固体撮像素子。
7. 前記複数の画素の全ては、前記２種類の焦点検出用画素であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項いずれか１項記載の固体撮像素子。
8. 前記２種類の焦点検出用画素の一方である第１画素を第１の方向に一列に配列した第１画素列と、他方である第２画素を前記第１の方向に一列に配列した第２画素列とを、前記第１の方向に直交する第２の方向に交互に配列してなることを特徴とする請求の範囲第７項記載の固体撮像素子。
9. Ａ．固体撮像素子は以下を備える、
   （Ａ１）半導体基板と、
   （Ａ２）前記半導体基板上に形成された不純物層と、
   （Ａ３）前記不純物層の表層に形成され、光学系により結像された被写体像を光電変換して信号電荷の生成及び蓄積を行うフォトダイオードを有し、ＡＦ制御用に位相差検出方式による前記光学系の焦点検出に用いられる撮像信号を生成する第１焦点検出用画素及び第２焦点検出用画素であり、前記第１焦点検出用画素を第１の方向に一列に配列した第１画素列と、前記第２焦点検出用画素を前記第１の方向に一列に配列した第２画素列とを、前記第１の方向に直交する第２の方向に交互に配列したパターンで形成された第１焦点検出用画素及び第２焦点検出用画素と、
   （Ａ４）前記半導体基板と前記第１焦点検出用画素及び第２焦点検出用画素との間に形成され、当該各焦点検出用画素のそれぞれのフォトダイオードの互いに対向する側の第１光電変換領域の厚みと、前記第１光電変換領域とは反対側の第２光電変換領域の厚みとのいずれか一方を他方より薄くする領域制御層と、
   Ｂ．前記第１焦点検出用画素からの撮像信号によって構成される第１画像と、前記第２焦点検出用画素からの撮像信号によって構成される第２画像とからなる視差画像を生成する画像処理部と、
   を備えることを特徴とするデジタルカメラ。

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