JP2015128131A - 固体撮像素子および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高速にフォーカス制御することができるようにする。【解決手段】固体撮像素子では、画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が２層以上に積層されており、光学レンズに近い側の第１の光電変換層の１画素に入射された光が、光学レンズから遠い側の第２の光電変換層の複数画素の光電変換部で受光される状態を含むように構成されている。本開示の技術は、例えば、撮像を行う固体撮像素子等に適用できる。【選択図】図１

Description

本開示は、固体撮像素子および電子機器に関し、特に、高速にフォーカス制御する固体撮像素子および電子機器に関する。

撮像装置などにおけるオートフォーカスの一般的な方法としては、コントラスト法と位相差法の２種類がある。コントラスト法は、フォーカスレンズ位置をずらしながらコントラストの変化を捉えて、コントラストが最大になるよう合わせる方法である。位相差法は、画像センサとは別の位相差センサを用いて、三角測量法に基づいた測距結果からフォーカスレンズ位置を１回で設定する方法である。

コントラスト法は、画像そのもので検出するので、シャープなピントが得られるが、複数枚撮像しないとフォーカスの方向がわからないため、収束まで時間がかかる。一方、位相差法は、フォーカスレンズ位置を１回で設定するため高速であるが、レンズの途中からサブミラーで位相差センサに結像させるため、ズレが発生したりして合焦点率が100%に達しないことがある。

そのため、近年では、画像センサの一部に位相差画素を設けた像面位相差センサなども開発されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００１−２５０９３１号公報 特開２０００−２９２６８５号公報

しかしながら、像面位相差センサでは、空間サンプリング周波数が低いため、ピント位置付近では精度が出ない。したがって、結局、ピント位置付近ではコントラスト法を併用するハイブリッド型となり、フォーカス速度はさほど早くならなかった。

本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高速にフォーカス制御することができるようにするものである。

本開示の第１の側面の固体撮像素子は、画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が２層以上に積層されており、光学レンズに近い側の第１の光電変換層の１画素に入射された光が、前記光学レンズから遠い側の第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含むように構成されている。

本開示の第２の側面の電子機器は、画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が２層以上に積層されており、光学レンズに近い側の第１の光電変換層の１画素に入射された光が、前記光学レンズから遠い側の第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含むように構成されている固体撮像素子を備える。

本開示の第１及び第２の側面においては、画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が２層以上に積層されており、光学レンズに近い側の第１の光電変換層の１画素に入射された光が、前記光学レンズから遠い側の第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含むように構成されている。

本開示の第３の側面の固体撮像素子は、信号処理回路が形成されている半導体基板と、画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が積層されており、前記半導体基板は、前記光電変換層の１画素に相当する、前記光電変換層へ光を透過させる透過画素を有し、前記半導体基板の前記透過画素に入射された光が、前記光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光され、前記光電変換層の複数画素により得られる位相差を用いて、フォーカス制御を行うように構成されている。

本開示の第３の側面においては、信号処理回路が形成されている半導体基板と、画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が積層されており、前記半導体基板は、前記光電変換層の１画素に相当する、前記光電変換層へ光を透過させる透過画素を有し、前記半導体基板の前記透過画素に入射された光が、前記光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光され、前記光電変換層の複数画素により得られる位相差を用いて、フォーカス制御を行うように構成されている。

固体撮像素子及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。

本開示の第１乃至第３の側面によれば、高速にフォーカス制御することができる。

なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本開示に係る固体撮像素子を含む撮像機構を示す図である。 上側基板と下側基板の概略構成を示す図である。 上側基板と下側基板の概略構成を示す図である。 コントラスト法のフォーカス制御を説明する図である。 上側基板と下側基板に入射される光の分光特性について説明する図である。 入射される光の分光特性を示す図である。 上側基板の信号と下側基板の信号の分光特性を示す図である。 上側基板と下側基板の概略構成を示す図である。 固体撮像素子の断面構成図である。 固体撮像素子の断面構成図である。 上側基板の信号と下側基板の信号の分光特性を示す図である。 本開示に係る固体撮像素子の第２の実施の形態を示す図である。 上側基板、下側基板、及びアパーチャの概略構成を示す図である。 第２の実施の形態に係る固体撮像素子の断面構成図である。 第２の実施の形態に係る固体撮像素子のその他の断面構成図である。 第２の実施の形態に係る固体撮像素子のさらにその他の断面構成図である。 第２の実施の形態に係る固体撮像素子のさらにその他の断面構成図である。 露出制御用センサを追加した変形例を説明する図である。 露出制御用センサを追加した変形例を説明する図である。 露出制御用センサを追加した変形例を説明する図である。 位相差検出センサを追加した変形例を説明する図である。 位相差検出センサを追加した変形例を説明する図である。 位相差検出センサを追加した変形例を説明する図である。 本開示に係る固体撮像素子の第３の実施の形態を示す図である。 上側基板、下側基板、及びアパーチャの概略構成を示す図である。 上側基板の透過画素と下側基板の受光画素の関係を示す図である。 上側基板の透過画素と下側基板の受光画素の関係を示す図である。 第３の実施の形態に係る固体撮像素子の第１の断面構成図である。 固体撮像素子の断面構成図である。 上側基板と下側基板の概略構成を示す図である。 上側基板と下側基板の概略構成を示す図である。 光学ズームで焦点距離が変化したときの状態を説明する図である。 光学ズームで焦点距離が変化したときの状態を説明する図である。 露出制御用センサを追加した変形例を説明する図である。 露出制御用センサを追加した変形例を説明する図である。 露出制御用センサを追加した変形例を説明する図である。 第３の実施の形態に係る固体撮像素子の変形例を説明する図である。 第３の実施の形態に係る固体撮像素子の変形例を説明する図である。 第３の実施の形態に係る固体撮像素子の変形例を説明する図である。 第３の実施の形態に係る固体撮像素子の第２の断面構成図である。 第３の実施の形態に係る固体撮像素子の第３の断面構成図である。 第３の実施の形態に係る固体撮像素子の第４の断面構成図である。 Rを透過画素とする例を説明する図である。 Rを透過画素とする例を説明する図である。 Rを透過画素とする例を説明する図である。 第４の実施の形態に係る固体撮像素子の断面構成図である。 第３の実施の形態における固体撮像素子の受光感度を示す図である。 位相差専用センサとの信号量を比較説明する図である。 第４の実施の形態における固体撮像素子の受光感度を示す図である。 ２枚積層構造の固体撮像素子の回路配置構成例を示す図である。 ３枚積層構造の固体撮像素子の回路配置構成例を示す図である。 ３枚積層構造の固体撮像素子の断面構成図である。 本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。

以下、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（上下の基板でコントラスト差を検出する第１の構成例）
２．第２の実施の形態（上下の基板でコントラスト差を検出する第２の構成例）
３．第３の実施の形態（下基板で位相差検出する構成例）
４．第４の実施の形態（上基板を薄膜化した構成例）
５．電子機器への適用例

＜１．固体撮像素子の第１の実施の形態＞
＜撮像機構の構成＞
図１は、本開示に係る固体撮像素子を含む撮像機構を示す図である。

本開示に係る固体撮像素子１は、図１に示されるように、光学レンズ２によって集光された被写体３の光を受光する。

固体撮像素子１は、例えば、２枚の半導体基板１１Aと１１Bとが積層された複合型の固体撮像素子である。半導体基板１１Aと１１Bのそれぞれには、画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が形成されている。半導体基板１１Aと１１Bの半導体は、例えば、シリコン（Si）である。

なお、以下では、２枚の半導体基板１１Aと１１Bのうち、光学レンズ２に近い方の半導体基板１１Aを上側基板１１Aと称し、光学レンズ２から遠い方の半導体基板１１Bを下側基板１１Bと称する。また、２枚の半導体基板１１Aと１１Bを特に区別しない場合には、単に、基板１１とも称する。

図２は、固体撮像素子１の上側基板１１Aと下側基板１１Bの概略構成を示す図である。

上側基板１１Aには、R（赤）,G（緑），またはB（青）のカラーフィルタが形成された画素２１Aが２次元アレイ状に複数配列されている。

下側基板１１Bには、上側基板１１Aに形成された複数の画素行の一部の画素行のみに対応する形で、複数の画素２１Bが形成されている。下側基板１１Bの画素２１Bが形成されていない領域には、上側基板１１Aの画素２１Aと下側基板１１Bの画素２１Bで検出された信号を処理する信号処理回路を含むロジック回路２２Bが形成されている。

図３に示されるように、上側基板１１Aの各画素２１Aに形成されたカラーフィルタは、例えば、ベイヤ配列で配置されている。従って、上側基板１１Aは、R,G,Bの色信号を出力するカラー画像センサとしても機能する。

なお、カラーフィルタの色配列はベイヤ配列に限定されず、その他の配列方法を採用することができる。以下では、上側基板１１AにおいてRのカラーフィルタが形成された画素２１AをR画素、Gのカラーフィルタが形成された画素２１AをG画素、Bのカラーフィルタが形成された画素２１AをB画素ともいう。

下側基板１１Bの画素２１Bが形成されている領域では、例えば、上側基板１１Aの画素２１Aの位置に対応する位置に、上側基板１１Aの画素２１Aと同一の画素サイズで、画素２１Bが形成されている。下側基板１１Bの各画素２１Bには、上側基板１１Aを通過したR,G,Bの光が散乱（混色）された光が入射される。したがって、下側基板１１Bは、R,G,Bが混合されたモノクロ信号を出力するモノクロ画像センサとしても機能する。

以上のように構成される固体撮像素子１は、上側基板１１Aの各画素２１Aで得られた画像（信号）と、下側基板１１Bの画素２１Bで得られた画像（信号）のコントラスト差を計算し、その計算結果に基づいてフォーカス制御を行う。

＜コントラスト法のフォーカス制御＞
図４は、固体撮像素子１が行うコントラスト法のフォーカス制御を説明する図である。

図４左側に示されるFar Objectの状態、すなわち、焦点位置４よりも被写体３が遠い状態では、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストが、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストよりも強くなる。

反対に、図４右側に示されるNeaｒ Objectの状態、すなわち、焦点位置４よりも被写体３が近い状態では、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストが、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストよりも強くなる。

そして、図４中央に示されるJust Focusの状態、すなわち、焦点位置４と被写体３の位置が一致している状態では、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストが一致する。なお、図４中央のJust Focusの状態に示されている破線の状態については後述する。

以上のように、焦点位置によって、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストに差が出るので、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストを比較することで、フォーカス制御を行うことができる。

また、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストのどちらが強いかを検出することで、オートフォーカスの調整方向がわかるので、オートフォーカスを高速に行うことができる。

さらに、上側基板１１Aで得られた画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られた画像のコントラストの差から、被写体３までの距離を推定することも可能であり、１回の撮像でフォーカス位置を合わせることも可能である。

＜半導体基板１１Aと１１Bの分光特性＞
図５と図６を参照して、上側基板１１Aと下側基板１１Bに入射される光の分光特性について説明する。

図５において、IRCFで示される曲線は、赤外線カットフィルタの分光特性を示している。このような分光特性を有する赤外線カットフィルタを、例えば、光学レンズ２と上側基板１１Aの間に設けたり、光学レンズ２を、このような分光特性を有するレンズとすることで、赤外線がカットされた光を固体撮像素子１に入射させることができる。

また、図５において、Upper Siで示される曲線は、カラーフィルタがない状態の上側基板１１Aのシリコン層に入射される光の分光特性を示し、Lower Siで示される曲線は、カラーフィルタがない状態の下側基板１１Bのシリコン層に入射される光の分光特性を示している。

下側基板１１Bには、上側基板１１Aを透過した光が入射されるため、上側基板１１Aに入射される光と、下側基板１１Bに入射される光の分光特性には違いが生じる。図５に示されるように、上側基板１１Aには、短波長から長波長までの光がほぼ一様に入射されるのに対して、下側基板１１Bには、主に長波長の光が入射される。

図６は、上側基板１１AにR,G，またはBのカラーフィルタが形成されている状態での、上側基板１１Aのシリコン層に入射される光の分光特性と、下側基板１１Bのシリコン層に入射される光の分光特性を示している。

図６において、Upper-Gで示される曲線は、Gのカラーフィルタが形成されている上側基板１１Aの画素２１Aのシリコン層に入射される光の分光特性を示し、Lower-gで示される曲線は、上側基板１１AのG画素に対応する下側基板１１Bの画素２１Bのシリコン層に入射される光の分光特性を示している。

また、図６において、Upper-Rで示される曲線は、Rのカラーフィルタが形成されている上側基板１１Aの画素２１Aのシリコン層に入射される光の分光特性を示し、Lower-rで示される曲線は、上側基板１１AのR画素に対応する下側基板１１Bの画素２１Bのシリコン層に入射される光の分光特性を示している。

また、図６において、Upper-Bで示される曲線は、Bのカラーフィルタが形成されている上側基板１１Aの画素２１Aのシリコン層に入射される光の分光特性を示し、Lower-bで示される曲線は、上側基板１１AのB画素に対応する下側基板１１Bの画素２１Bのシリコン層に入射される光の分光特性を示している。

図６から分かるように、上側基板１１Aには、R,G,Bの光が、ほぼ同程度の強度で入射されるが、下側基板１１Bには、図５を参照して説明したように長波長の光しか入射されないため、RとGの光は入射されるが、Bの光はほとんど入射されない。また、上側基板１１Aに入射される光の強度と下側基板１１Bに入射される光の強度は極端に異なる。

したがって、上側基板１１Aで得られる画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られる画像のコントラストの差を計算してフォーカス制御するための前提として、上側基板１１Aで得られる信号と、下側基板１１Bで得られる信号の分光特性を合わせる必要がある。

本明細書では、上側基板１１Aで得られる信号と、下側基板１１Bで得られる信号の分光特性を合わせる方法として、以下の２通りを説明する。
(1)基板１１で得られる信号を加重加算することにより分光特性を合わせる方法
(2)上側基板１１Aと下側基板１１Bの間に、透過率を制御する遮光層を設けることにより分光特性を合わせる方法

以下、分光特性を合わせる２通りの方法について、詳細に説明する。

＜加重加算により分光特性を合わせる方法＞
初めに、分光特性を合わせる第１の方法である、基板１１で得られる信号を加重加算することにより分光特性を合わせる方法について説明する。

例えば、上側基板１１Aで得られる信号に対しては、
wU1=0.21G+0.5R ・・・・・・・（１）
の加重加算を行い、下側基板１１Bで得られる信号に対しては、
wL1=2g+r+b ・・・・・・・（２）
の加重加算を行うこととし、式（１）と式（２）それぞれの加重加算の結果が、コントラスト法によるフォーカス制御に用いられる。

ここで、式（１）は、上側基板１１AのG画素で得られたG信号を0.21倍した値と、上側基板１１AのR画素で得られたR信号を0.5倍した値とを加算した信号を、フォーカス制御のための上側基板１１Aの信号wU1とすることを表す。

式（２）は、上側基板１１AのG画素に対応する下側基板１１Bの画素２１Bで得られたg信号を２倍した値（２画素分の値）と、上側基板１１AのR画素に対応する下側基板１１Bの画素２１Bで得られたr信号、及び、上側基板１１AのB画素に対応する下側基板１１Bの画素２１Bで得られたb信号とを加算した信号を、フォーカス制御のための下側基板１１Bの信号wL1とすることを表す。

図７は、加重加算により得られた上側基板１１Aの信号wU1と、下側基板１１Bの信号wL1の分光特性を示す図である。

上述した式（１）と式（２）のように、各基板１１で得られた信号を加重加算することにより、図７に示されるように、上側基板１１Aで得られる信号と、下側基板１１Bで得られる信号の分光特性を合わせることができる。これにより、上側基板１１Aで得られる画像のコントラストと、下側基板１１Bで得られる画像のコントラストの差を用いたフォーカス制御が可能となる。

ここで、式（２）で表される下側基板１１Bで得られる信号wL1は、２つのG画素と、１つのR画素及びB画素という、カラーフィルタをベイヤ配列で配列するときの繰り返し単位となる色配列の色の組み合わせに等しい。

従って、下側基板１１Bには、図８に示すように、ベイヤ配列の色配列の繰り返し単位に等しい、上側基板１１Aの２×２からなる４画素に対応して、１つの画素２１Cが形成されるようにしてもよい。

換言すれば、下側基板１１Bには、図３に示したように、上側基板１１Aの画素２１Aに対応する画素ピッチで、画素２１Bが形成されてもよいし、図８に示すように、上側基板１１Aのカラーフィルタの色配列の繰り返しピッチで、画素２１Cが形成されてもよい。

図８のａ−ａ’線における固体撮像素子１の断面構成図を図９に示す。

図９に示されるように、固体撮像素子１は、裏面照射型の上側基板１１A（半導体基板１１A）と、表面照射型の下側基板１１B（半導体基板１１B）とが積層されて構成されている。

より具体的には、上側基板１１Aは、例えば、ｎ型（第１導電型）の半導体領域であるシリコン層５１により構成され、そのシリコン層５１内に、光電変換部としてのフォトダイオード（PD）５２が、ｐｎ接合により画素ごとに形成されている。

上側基板１１Aの裏面側である、光が入射される側の上側基板１１Aの上側には、遮光膜５３を覆うように平坦化膜５４が形成されている。さらに、平坦化膜５４の上側には、R,G、またはBのカラーフィルタ５５と、オンチップレンズ５６が形成されている。

一方、上側基板１１Aの下側（表面側）には、複数の配線層６１と層間絶縁膜６２を含む多層配線層６３が形成されている。多層配線層６３には、シリコン層５１近傍に、フォトダイオード５２に蓄積された信号電荷を読み出す読み出し回路を構成する複数のトランジスタ回路６４も形成されている。

下側基板１１Bは、例えば、ｎ型（第１導電型）の半導体領域であるシリコン層７０により構成され、そのシリコン層７０内に、光電変換部としてのフォトダイオード（PD）７１が、ｐｎ接合により画素ごとに形成されている。ただし、下側基板１１Bの画素サイズは、上側基板１１Aの２画素に対応するサイズとなっている。

下側基板１１Bの上側には、フォトダイオード７１に蓄積された信号電荷を読み出す読み出し回路を構成する複数のトランジスタ回路７２、複数の配線層７３、層間絶縁膜７４などを含む多層配線層７５が形成されている。多層配線層７５の上には、保護膜７６が形成されており、保護膜７６を介して、上側基板１１Aと下側基板１１Bが接合（接着）されている。

下側基板１１Bのフォトダイオード７１では、上述したように、上側基板１１Aの複数画素に対応する領域の信号をコントラスト差の検出に用いるため、下側基板１１Bの受光領域を上側基板１１Aの画素２１Aに対応させる必要がない。そのため、図９において矢印で示されるように、下側基板１１Bのフォトダイオード７１では、上側基板１１Aの１画素に入射された光が、下側基板１１Bに進むにつれて散乱され、複数画素の領域に入射される構成とすることができる。

したがって、上側基板１１Aのフォトダイオード５２と、下側基板１１Bのフォトダイオード７１との間に、上側基板１１Aのフォトダイオード５２を通過した光をフォトダイオード７１に集光させる層内レンズを設ける必要もない。

また、下側基板１１Bでは、上側基板１１Aのカラーフィルタの色配列の繰り返しピッチで画素２１Cが形成されていればよく、下側基板１１Bの画素２１Cの平面方向の位置は、上側基板１１Aの画素領域と必ずしも一致している必要はない。

そのため、例えば、図１０に示されるように、下側基板１１Bの画素２１Cの平面方向の位置は、上側基板１１Aの画素領域とずれていても構わない。図９では、図中、一点鎖線で示されるように、上側基板１１Aのトランジスタ回路６４の位置と、下側基板１１Bのトランジスタ回路７２の位置が一致しているが、図１０では、それらが一致していない。

固体撮像素子１は、図９や図１０に示した断面構造を有することで、上側基板１１Aで得られる信号と、下側基板１１Bで得られる信号の分光特性を合わせ、上下の基板１１で得られる画像のコントラスト差を計算して、フォーカスを制御することができる。

上下の基板１１で得られる画像のコントラスト差を用いてフォーカス制御する方法では、上下の画素位置が正確に合っている必要がないので、合わせずれに対するロバスト性が高い。

＜遮光層を設けることにより分光特性を合わせる方法＞
次に、分光特性を合わせる第２の方法である、遮光層を設けることにより分光特性を合わせる方法について説明する。

図１１は、第２の方法による上側基板１１Aで得られる信号と下側基板１１Bで得られる信号の分光特性を示す図である。

図１１において、Upper-Rで示される曲線は、上側基板１１AのR画素に入射される光の分光特性を示している。

図１１において、3*(r+b)で示される曲線は、下側基板１１Bには、上側基板１１AのG画素を通過した光を遮光して、上側基板１１AのR画素とB画素を通過した光を入射させるようにし、上側基板１１AのR画素に対応する下側基板１１Bの画素２１Bで得られたr信号と、上側基板１１AのB画素に対応する下側基板１１Bの画素２１Bで得られたb信号の加算結果を３倍した信号の分光特性を示している。

図１１に示されるように、上側基板１１AのR信号を、フォーカス制御のための上側基板１１Aの信号wU2とし、下側基板１１Bのr信号とb信号を加算して３倍した信号を、フォーカス制御のための下側基板１１Bの信号wL2とすることで、上下の分光特性を合わせることができる。

すなわち、次の式（３）と式（４）の信号が、コントラスト法によるフォーカス制御に用いられる。
wU2=R ・・・・・・・（３）
wL2=3(r+b) ・・・・・・・（４）

なお、第２の方法では、以上のように、R信号とB信号を用いて、コントラスト差が計算される。一般に、色収差があると、R信号が被写体３から最も遠い側に焦点位置があり、次いで、G信号、B信号の順で、焦点位置が並ぶ特性がある。図４中央に示されるJust Focusの状態において、実線で示されるように、R信号を中心にコントラストを合わせると、上述した色収差の関係から、G信号は、破線で示されるように、上側基板１１Aで焦点位置となる。G信号は、人間の目には解像度が高く、信号処理としても輝度信号はG信号が使われるので、上側基板１１AでちょうどG信号がシャープとなることは好ましい。したがって、R信号を中心にコントラスト差を計算することは、色収差の関係からも好ましい。ただし、G信号が遮光されているため、感度は低下するので、S/N比の点では不利となる。

第２の方法を実現する固体撮像素子１の構成について説明する。

＜２．固体撮像素子の第２の実施の形態＞
図１２は、本開示に係る固体撮像素子１の第２の実施の形態を示す図である。

なお、図１２以降の図では、上述した各図と対応する部分については同一の符号を付すこととし、その部分については適宜省略して説明する。

第２の実施の形態に係る固体撮像素子１では、上側基板１１Aと下側基板１１Bとの間に、入射光の一部を遮光する遮光層としてのアパーチャ１１Cがさらに設けられている。

図１３は、図１２の上側基板１１A、下側基板１１B、及びアパーチャ１１Cの概略構成を示す図である。

アパーチャ１１Cには遮光パターン８１Pが形成されており、遮光パターン８１Pは、図１３に示されるように、上側基板１１Aの各画素２１Aの領域に対応して区分され、上側基板１１AのG画素に対応する領域が遮光されるパターンとなっている。

図１３のｂ−ｂ’線における固体撮像素子１の断面構成図を図１４に示す。

第２の実施の形態に係る固体撮像素子１は、図１４に示されるように、アパーチャ１１Cが、上側基板１１Aと下側基板１１Bの保護膜７６に挟まれるように挿入されている。

アパーチャ１１Cは、例えば、ガラス層８１の上側基板１１A側の面のG画素に対応する領域に、遮光パターン８１Pが蒸着されて構成されている。

図１４の固体撮像素子１のその他の構成は、図９等に示した第１の実施の形態と同様である。ただし、図９の断面構成図は、下側基板１１Bの１画素が、上側基板１１Aの２画素に対応するサイズであったのに対して、図１４では、下側基板１１Bの１画素が、上側基板１１Aの１画素に対応するサイズで形成されている。

図１５は、第２の実施の形態に係る固体撮像素子１のその他の断面構成図を示している。

図１５の断面構成では、アパーチャ１１Cが、多層配線層６３の一部として、配線層６１と同様の遮光性の導電材料により形成されている。アパーチャ１１Cとしての配線層９１は、上側基板１１AのG画素に対応する領域に形成されている。

図１６は、第２の実施の形態に係る固体撮像素子１のさらにその他の断面構成図を示している。

図１６の断面構成では、図１５の断面構成と比較すると、アパーチャ１１Cとしての配線層９２の領域が、図１５の配線層９１の領域よりも小さく形成されている。この場合、上側基板１１AのG画素を通過した入射光の一部も、下側基板１１Bに入射されるようになる。このように、上側基板１１Aから下側基板１１Bに入射される色信号（R信号、G信号、B信号）の透過率をアパーチャ１１Cにより制御することも可能である。

アパーチャ１１Cは、上述したように、ガラス層８１で形成することもできるし、配線層９１（９２）で形成することもできるが、配線層９１（９２）で形成した方が、半導体プロセスの合わせ精度が利用できるため好ましい。

図１７は、第２の実施の形態に係る固体撮像素子１のさらにその他の断面構成図を示している。

図１７の断面構成では、図１５の断面構成と比較すると、中間層９３としてのガラス層が、上側基板１１Aと下側基板１１Bの保護膜７６に挟まれるように挿入されている。上側基板１１Aと下側基板１１Bの画像のコントラスト差が少ない場合には、このように中間層９３を挿入することにより、上側基板１１Aと下側基板１１Bの間隔をあける構成を採用することができる。なお、中間層９３は、ガラスに限定されず、透明性の材料で形成されたものであればよい。

＜第１及び第２の実施の形態の変形例＞
固体撮像素子の第１及び第２の実施の形態の変形例について説明する。

＜露出制御用センサの追加＞
撮像装置では、いわゆる３Aと呼ばれる、オートフォーカス（Auto Focus）、オート露出（Auto Exposure）、オートホワイトバランス（Auto White Balance）の３要素が制御に重要なものと言われている。

オートフォーカス用の画像信号としては、撮像画像を生成する上側基板１１Aと同じ全エリアで検出する必要はないので、図２を参照して説明したように、下側基板１１Bでは、上側基板１１Aの一部のみに対応して、複数の画素２１Bが形成されていた。

そこで、図１８に示されるように、下側基板１１Bのオートフォーカス用の複数の画素２１Bが形成されていない領域に、露出制御用の検出センサとして、複数の画素３１Bを形成することができる。

積層構造ではない単層構造のイメージセンサでは、撮像画像の出力レベルで露出制御を行うため、例えば、瞬時に明るさが変わるような場合には、画像の読み出し速度が遅いために、徐々に露光時間を短くする制御が行われる。そのため、一旦画像が飽和してから、徐々に適正露光になるため、見苦しい画像になることがあった。

これに対して、固体撮像素子１では、上側基板１１Aの画像センサとは別の下側基板１１Bに設けられた複数の画素３１Bで、露出制御用の信号が検出される。また、画素２１B及び画素３１Bの駆動は行単位で行われるので、露光・読み出しタイミングを、露出制御用の複数の画素３１Bに対して、オートフォーカス用の複数の画素２１Bとは別に設定して駆動させることができるので、高速に露出制御を行うことができ、上側基板１１Aの画像センサの適正露光を瞬時に実現することができる。

図１９は、下側基板１１Bの画素サイズが、上側基板１１Aの画素サイズと同一で、下側基板１１Bに、オートフォーカス用の複数の画素２１Bと、露出制御用の複数の画素３１Bを行単位に配置した例を示している。

図２０は、下側基板１１Bの画素サイズを、上側基板１１Aのカラーフィルタの色配列の繰り返しピッチとして、オートフォーカス用の複数の画素２１Cと、露出制御用の複数の画素３１Cを行単位に配置した例を示している。

＜位相差検出センサの追加＞
フォーカス制御の方法として、コントラスト法は、フォーカス位置付近で有効な手段と言われており、像面位相差法は、フォーカスが大きくずれたところで有効な手段と言われている。

そこで、上側基板１１Aの一部に、位相差画素を追加的に設けることもできる。

図２１乃至図２３は、上側基板１１Aの一部に位相差画素１０１を追加的に設けた例を示している。

図２１は、下側基板１１Bの画素サイズを上側基板１１Aの画素サイズと同一に形成した固体撮像素子１において、上側基板１１Aの撮像用の画素２１Aの一部を、位相差検出用の画素１０１とした例を示している。位相差検出用の画素１０１としては、例えば、右側の遮光領域と左側の遮光領域のように、遮光領域が対称となる２つの画素１０１Aと１０１Bが、対で配置される。

図２２は、下側基板１１Bの画素サイズを上側基板１１Aのカラーフィルタの色配列の繰り返しピッチとした固体撮像素子１において、上側基板１１Aの撮像用の画素２１Aの一部を、位相差検出用の画素１０１とした例を示している。

位相差検出用の画素１０１では、画素領域の一部が遮光されているので、下側基板１１Bに入射される光の強度が弱まるため、コントラスト法のための信号としては不適である。そのため、図２１及び図２２に示されるように、位相差検出用の画素１０１が配置されている画素行についてはアパーチャ１１Cにより遮光するようにして、像面位相差法によるフォーカス制御を行う領域と、コントラスト法によるフォーカス制御を行う領域を、行単位で分けるようにすることができる。

像面位相差法によるフォーカス制御を行う領域と、コントラスト法によるフォーカス制御を行う領域を分ける方法は、図２１及び図２２に示したように、行単位で分ける方法のほか、図２３に示されるように、色単位で分けるようにすることもできる。

G信号は、人間の目には解像度が高く、信号処理としても輝度信号はG信号を使うので、位相差検出用の画素１０１は、R画素、G画素、B画素のうち、G画素に配置するのが望ましい。その場合、図２３に示したように、G画素をアパーチャ１１Cにより遮光する必要があるが、分光特性を合わせる第２の方法では、G画素を遮光するので、図２３の構成は、分光特性を合わせる第２の方法に好適である。

すなわち、図２３に示した固体撮像素子１の構成は、第２の方法により分光特性を合わせてコントラスト法のフォーカス制御を行うとともに、位相差検出によりフォーカス制御も行うハイブリッド型オートフォーカスの最も適した構成であると言える。

一方、図２１及び図２２に示した固体撮像素子１の構成は、コントラスト法のフォーカス制御にG信号も利用することができるので、暗いシーンでもフォーカス精度が高いという利点がある。また、行単位に露光・読み出しタイミングを制御するので、下側基板１１Bに、露出制御用の複数の画素３１Bも配置することもできる。

＜３．固体撮像素子の第３の実施の形態＞
図２４は、本開示に係る固体撮像素子１の第３の実施の形態を示す図である。

第３の実施の形態に係る固体撮像素子１は、例えば、２枚の半導体基板（シリコン基板）１１Dと１１Eが、アパーチャ１１Fを介して積層された複合型の固体撮像素子である。

第３の実施の形態においても、上述した各実施の形態と同様に、２枚の半導体基板１１Dと１１Eのうち、光学レンズ２に近い方の半導体基板１１Dを上側基板１１Dと称し、光学レンズ２から遠い方の半導体基板１１Eを下側基板１１Eと称する。また、２枚の半導体基板１１Dと１１Eを特に区別しない場合には、単に、基板１１とも称する。

図２５は、固体撮像素子１の上側基板１１Dと下側基板１１Eの概略構成を示す図である。

上側基板１１Dには、R（赤）,G（緑），またはB（青）のカラーフィルタが形成された画素２１Aが２次元アレイ状に複数配列されている。上側基板１１Dの各画素２１Aに形成されたカラーフィルタは、第１及び第２の実施の形態と同様に、例えば、ベイヤ配列で配置されている。従って、上側基板１１Dは、R,G,Bの色信号を出力するカラー画像センサとして機能する。

下側基板１１Eには、上側基板１１Dに形成された複数の画素行の一部の画素行のみに対応する形で、複数の画素２１Bが形成されている。下側基板１１Eに形成された複数の画素２１Bは、第１及び第２の実施の形態と異なり、位相差検出用に利用される。下側基板１１Eの画素２１Bが形成されていない領域には、下側基板１１Eの画素２１Bで検出された信号を処理する信号処理回路を含むロジック回路２２Bが形成されている。

アパーチャ１１Fには、上述した第１及び第２の実施の形態と異なり、図２５に示されるように、上側基板１１Aの画素２１Aと同サイズの１画素サイズの開口部１１１が、所定の間隔で形成されている。

図２６に示されるように、アパーチャ１１Fの開口部１１１に対応する上側基板１１Dの１画素（以下、透過画素という。）を通過した入射光は、下側基板１１Eの２×２の４画素に入射される。

下側基板１１Eの画素２１Bは位相差検出用の画素であるので、上側基板１１Dの透過画素を通過した入射光は、複数画素で受光される構成であればよく、例えば、図２７に示されるように、４×４の１６画素に入射されるような構成でもよい。

なお、図２６及び図２７は、上側基板１１Dの透過画素と、そこからの入射光を受光する下側基板１１Eの受光画素との関係を説明するための図であり、上側基板１１Dと下側基板１１Eの画素サイズの縮尺が異なっている。

積層構造ではない単層構造のイメージセンサの一部に位相差画素を配置した像面位相差センサにおいて、マイクロレンズの集光点は、理想的には、シリコン層のフォトダイオード表面であるが、実際には、シリコン層の深い位置となる。そのため、撮像用の集光点と、位相差検出用の集光点が異なり、マイクロレンズの最適化が両立できにくいという問題があった。

そこで、第３の実施の形態に係る固体撮像素子１では、位相差検出用の画素を下側基板１１Eに配置することで、撮像用の上側基板１１Dの画素２１Aにマイクロレンズの曲率が最適化された状態でも位相差画素の分離性能を最大限にすることができる。

また、上側基板１１Dの１画素を通過した入射光を、２×２より大きい複数画素で受光するようにした場合には、多視点分離を行えるようになり、オートフォーカスの高性能化が可能になる。

図２８は、第３の実施の形態に係る固体撮像素子１の断面構成図を示している。

図２８の上側基板１１D、下側基板１１E、および、アパーチャ１１Fは、図１５の上側基板１１A、下側基板１１B、および、アパーチャ１１Cに対応し、対応する部分については同一の符号を付してあり、以下では、図１５と異なる構成についてのみ説明する。

上側基板１１Dの透過画素のシリコン層５１には、フォトダイオード５２ではなく、光吸収をしない透明層１３１が形成されている。被写体３からの光は、オンチップレンズ５６、カラーフィルタ５５、透明層１３１、及び、アパーチャ１１Fの開口部１１１を通って、下側基板１１Eのフォトダイオード７１に入射される。透明層１３１は、例えば、シリコン（Si）を酸化させたSiO2などで形成することができる。

図５を参照して説明したように、上側基板１１Dのシリコン層５１にフォトダイオード５２を形成すると、入射光は、長波長の半分程度しか透過しなくなるので、フォトダイオード５２に代えて、光吸収をしない透明層１３１とすることで、下側基板１１Eに全ての波長の光を到達させることができる。

透明層１３１を形成した上側基板１１Dの画素２１Aの画素信号は、隣接画素の画素信号から補間して求めることができる。なお、フォトダイオード５２を形成した場合であっても、強度は弱くなるものの受光可能なレベルであるので、フォトダイオード５２のままとしてもよい。

第３の実施の形態においても、第２の実施の形態の図１４のように、アパーチャ１１Fを、遮光パターン８１Pが蒸着されたガラス層８１で形成してもよい。

また、図２９に示されるように、中間層９３としてのガラス層を挿入して、上側基板１１Dと下側基板１１Eの距離を適切な距離に離すことができる。これにより、例えば、上側基板１１Dの透過画素を通過した入射光が、下側基板１１Eにおいて、２×２の４画素から、４×４の１６画素に入射されるように多視点化することができる。多視点化することにより、距離方向の分解能を高め、測距性能を向上させることができる。

ただし、上側基板１１Dの透過画素に対応する下側基板１１Eの受光画素の画素数を多くした場合には、混色をしないように、上側基板１１Dの透過画素の間隔を広くとる必要があるため、間引きが大きくなる。

間引き方としては、上側基板１１Dの色配列がベイヤ配列である場合、上側基板１１Dにおいて、透過画素を偶数倍の画素ピッチで配置すると、同じ色画素が透過画素となり、下側基板１１Eでは、モノクロ情報が得られる。

一方、上側基板１１Dにおいて、透過画素を奇数倍の画素ピッチで配置すると、透過画素の色配列がベイヤ配列となり、下側基板１１Eでは、カラー情報が得られる。

図３０は、透過画素を奇数倍である３画素ピッチで配置し、上側基板１１Dの１つの透過画素を通過した入射光が、下側基板１１Eにおいて、６×６の３６画素で受光されるようにした例を示している。

この例の場合、下側基板１１Eでは、６×６の３６画素を色単位とするベイヤ配列の画像情報が得られるので、下側基板１１Eで得られた信号を再合成することで、撮像画像を生成することもできる。

図３１は、透過画素を偶数倍である６画素ピッチで配置し、上側基板１１Dの１つの透過画素を通過した入射光が、下側基板１１Eにおいて、６×６の３６画素で受光されるようにした例を示している。

この例の場合、上側基板１１Dの透過画素がG画素であるので、下側基板１１Eも全てG信号が受光される。透過画素の色画素は、R画素、G画素、またはB画素のいずれにしてもよいが、上述したように人間の感度特性等から、G画素に透過画素を配置して、G信号でフォーカスを制御することが好ましい。

以上のように、上側基板１１Dの透過画素をどのような位置（ピッチ）にするか、透過画素を通過した光を下側基板１１Eにおいて何画素で受光するかによって、位相差検出の視点数や、下側基板１１Eで得られる画像情報の種類（カラー、モノクロ）を使い分けることができる。

なお、間引きにより、下側基板１１Eで位相差検出の画素２１Bが形成されない余剰領域については、ロジック回路２２Bを配置することができる。

また、固体撮像素子１を備える撮像装置が光学ズームを備えている場合、光学ズームで焦点距離が変化したときには、光の入射角が増高で変わるため、上側基板１１Dの透過画素を通過した光を受光する下側基板１１Eの画素領域が変化することになる。

例えば、図３２は、図３０に示した状態から、焦点距離が短くなった状態を示しており、図３３は、図３１に示した状態から、焦点距離が短くなった状態を示している。

図３２及び図３３のいずれにおいても、上側基板１１Dの透過画素を通過した光を受光する下側基板１１Eの画素領域が、図３０及び図３１と比較して変化している。

このように、固体撮像素子１を備える撮像装置が光学ズームを備えている場合には、光学ズームにより下側基板１１Eの画素領域が変化する。したがって、大きな間引きにより余剰領域が発生したとしても、余剰領域があることで、光学ズームによる下側基板１１Eの画素領域の変化に対応することができ、信号処理がやりやすくなるという利点もある。

＜第３の実施の形態の変形例＞
固体撮像素子の第３の実施の形態の変形例について説明する。

＜露出制御用センサの追加＞
第３の実施の形態に係る固体撮像素子１においても、上述した第１及び第２の実施の形態と同様に、図３４に示されるように、下側基板１１Eの位相差検出用の複数の画素２１Bが形成されていない領域に、露出制御用の検出センサとしての複数の画素３１Bを形成することができる。

図３５は、図２６に示した上側基板１１Dの１つの透過画素を通過した入射光が、下側基板１１Eの２×２の４画素に入射される構成に、露出制御用の複数の画素３１Bを配置した例を示している。

図３６は、図２７に示した上側基板１１Dの１つの透過画素を通過した入射光が、下側基板１１Eの４×４の１６画素に入射される構成に、露出制御用の複数の画素３１Bを配置した例を示している。

第３の実施の形態に係る固体撮像素子１では、上側基板１１Dの画像センサとは別の下側基板１１Eに設けられた複数の画素３１Bで、露出制御用の信号が検出される。また、画素２１B及び画素３１Bの駆動は行単位で行われるので、露出制御用の複数の画素３１Bの露光・読み出しタイミングを、位相差検出用の複数の画素２１Bとは別に設定して駆動させることができるので、高速に露出制御を行うことができ、上側基板１１Dの画像センサの適正露光を瞬時に実現することができる。

＜コントラスト検出センサの追加＞
第３の実施の形態に係る固体撮像素子１の下側基板１１Eの位相差検出用の複数の画素２１Bが形成されていない領域に、コントラストフォーカス用の検出センサとして、複数の画素を形成してもよい。この場合、上側基板１１Dの画像センサで得られた信号と、下側基板１１Eのコントラストフォーカス用の検出センサで得られた信号とを用いて、コントラスト法によるフォーカス制御を行うとともに、下側基板１１Eの位相差検出用の複数の画素２１Bで得られた信号を用いた位相差法によるフォーカス制御も行うハイブリッド型オートフォーカスを実現することができる。

また、第３の実施の形態に係る固体撮像素子１の下側基板１１Eの位相差検出用の複数の画素２１Bが形成されていない領域に、コントラストフォーカス用の検出センサと、露出制御用の検出センサの両方を配置することも可能である。

＜上側基板がロジック回路の例＞
上述した第３の実施の形態では、上側基板１１Dには、画像生成用の検出センサ（画像センサ）となる複数の画素２１Aを配置したが、２次元画像が不要である場合も考えられる。その場合、図３７に示されるように、上側基板１１Dには、複数の画素２１Aを形成せず、ロジック回路やメモリ回路など、下側基板１１Eの複数の画素２１Bで得られた位相差検出用の信号を処理する信号処理回路１５１を形成することができる。

一般的な多視点ライトフィールドカメラ（Light Field Camera）では、図３８に示されるように、メインレンズ１６２とイメージセンサ１６４との間にマイクロレンズアレイ１６３が設けられ、被写体１６１からの光がメインレンズ１６２によって一旦マイクロレンズアレイ１６３で結像される。

マイクロレンズアレイ１６３では、図３９に示されるように、レンズ径の大きなマイクロレンズ１７１が、隣りどうしのギャップが少ない状態で配置されている。この場合、マイクロレンズアレイ１６３とイメージセンサ１６４の間隔は数mm規模となり、レンズ径の大きなマイクロレンズ１７１は、半導体プロセスでは作ることができなかった。また、レンズ径の大きなマイクロレンズ１７１は貼り合わせレンズで形成されるため、合わせ管理が難しかった。

これに対して、図３７に示した固体撮像素子１の構造では、上側基板１１Dの透過画素に形成されるオンチップレンズは、半導体プロセスで作製可能なイメージセンサの画素サイズレベルである。この場合、上側基板１１Dと下側基板１１Eの間隔を、半導体基板の貼り合わせで形成できるレベルの距離とすることができ、半導体プロセスの高精度なアライメントを利用することができる。

上述した各実施の形態では、光電変換層としてのシリコン層５１を有する半導体基板１１A（１１D）と、光電変換層としてのシリコン層７０を有する半導体基板１１B（１１E）が積層された固体撮像素子１の構造について説明した。

半導体基板１１A（１１D）と半導体基板１１B（１１E）は、ウエハの状態で貼り合わせてもよいし、ウエハをダイシングした後の半導体チップの状態で貼り合わせてもよい。

また、積層される光電変換層は、例えば、カルコパイライト構造の化合物半導体や有機光電変換膜で形成してもよい。また、光電変換層は、３層以上に積層されていてもよい。

＜第３の実施の形態の上下組み合わせ例＞
上述した実施の形態では、半導体基板１１A（１１D）が裏面照射型で形成され、半導体基板１１B（１１E）が表面照射型で形成されていたが、半導体基板１１A（１１D）と半導体基板１１B（１１E）のいずれも、裏面照射型及び表面照射型のどちらでもよい。

第３の実施の形態の説明において図２８として示した固体撮像素子１の断面構成では、上側基板１１Dを裏面照射型とし、下側基板１１Eを表面照射型として積層する構成例について説明したが、その他の組み合わせ例について、図４０乃至図４２を参照して説明する。

図４０乃至図４２では、図２８と対応する部分について同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。

図４０は、上側基板１１Dと下側基板１１Eの両方を表面照射型として積層した、第３の実施の形態に係る固体撮像素子１の断面構成図である。

上側基板１１Dは表面照射型であるので、フォトダイオード５２が形成されたシリコン層５１の上側に形成された多層配線層６３の上に、カラーフィルタ５５及びオンチップレンズ５６が形成されている。アパーチャ１１Fとしての配線層９１は、シリコン層５１の裏面側、すなわち下側基板１１E側に形成されている。配線層９１は保護膜３０１で覆われている。

また、下側基板１１Eも表面照射型であるので、フォトダイオード７１が形成されたシリコン層７０上側に形成された多層配線層６３が上側基板１１D側に向くように、下側基板１１Eと上側基板１１Dが保護膜７６を介して接合されている。

図４１は、上側基板１１Dを表面照射型とし、下側基板１１Eを裏面照射型として積層した、第３の実施の形態に係る固体撮像素子１の断面構成図である。

上側基板１１Dは表面照射型であるので、フォトダイオード５２が形成されたシリコン層５１の上側に形成された多層配線層６３の上に、カラーフィルタ５５及びオンチップレンズ５６が形成されている。アパーチャ１１Fとしての配線層９１は、シリコン層５１の裏面側、すなわち下側基板１１E側に形成されている。配線層９１は保護膜３０１で覆われている。

一方、下側基板１１Eは裏面照射型であるので、シリコン層７０上に形成された多層配線層７５側の反対側が上側基板１１D側となるようにして、下側基板１１Eと上側基板１１Dが、保護膜３０２及び７６を介して接合されている。

図４２は、上側基板１１Dと下側基板１１Eの両方を裏面照射型として積層した、第３の実施の形態に係る固体撮像素子１の断面構成図である。

上側基板１１Dは裏面照射型であるので、シリコン層５１上に形成された多層配線層６３側の反対側（裏面側）に、遮光膜５３、平坦化膜５４、カラーフィルタ５５、及びオンチップレンズ５６が形成されている。

下側基板１１Eも裏面照射型であるので、シリコン層７０上に形成された多層配線層７５側の反対側が上側基板１１D側となるようにして、下側基板１１Eと上側基板１１Dが、保護膜３０２及び７６を介して接合されている。

図２８と、図４０乃至図４２とにより、上側基板１１Dと下側基板１１Eを接合する場合における表面照射型または裏面照射型の全ての組み合わせが示された。

図２８と図４０は、図２６に示したような、透過画素を通過した入射光が、下側基板１１Eの２×２の４画素に入射される例に対応している。

図４１と図４２は、図２７に示したような、透過画素を通過した入射光が、下側基板１１Eの４×４の１６画素に入射される例に対応している。

図４０及び図４１のように、上側基板１１Dを表面照射型とした場合には、配線層６１が遮光膜を兼用するため、裏面照射型の場合に設けられている遮光膜５３が不要である。そのため、オンチップレンズ５６からアパーチャ１１Fまでの高さ（厚み）を抑えることができるので、破線の矢印で示される斜入射光についても、下側基板１１Eのフォトダイオード７１に多く取り込むことができる。すなわち、上側基板１１Dを表面照射型とした場合には、斜入射特性を向上させることができる。

図４１及び図４２のように、下側基板１１Eを裏面照射型とした場合には、多層配線層７５側が、図中、下側となるため、アパーチャ１１Fの開口部１１１を通過して下側基板１１Eのフォトダイオード７１に入射される光を遮るものがない。これにより、下側基板１１Eのフォトダイオード７１の受光感度をさらに向上させることができる。

なお、図２８と図４０乃至図４２では、透過画素に対応するシリコン層５１の領域に、フォトダイオード５２ではなく、入射光を全透過させる透明層１３１を形成しているが、他の画素２１Aと同様に、フォトダイオード５２のままとしてもよいことは上述した通りである。

＜Rを透過画素とする例＞
ところで、上述した第３の実施の形態では、図２６及び図２７に示したように、G画素を透過画素とする例について説明した。しかし、上述したように、透過画素の色画素は、R画素、G画素、またはB画素のいずれでもよい。例えば、人間の感度特性等の観点を重視する場合には、G画素を透過画素とするのがよいことについては上述した通りである。

一方で、G画素を透過画素とした場合、ベイヤ配列においてG画素は市松状に配置されている。図２６及び図２７に示したように、上側基板１１Dの１つの透過画素を通過した光は下側基板１１Eの複数画素で受光されるため、上側基板１１Dの透過画素の間隔を、下側基板１１Eの受光画素に対応して広くとる必要がある。

そのため、R画素と同一行に配置されるG画素（以下、Gr画素ともいう。）と、B画素と同一行に配置されるG画素（以下、Gb画素ともいう。）の全てのG画素を透過画素とすることはできず、例えば、図４３に示されるように、Gr画素のみが透過画素とされる。

この場合、Gr画素の下にはアパーチャ１１Fの開口部１１１が設けられており、Gr画素に入射された光は下側基板１１Eに通り抜けるが、Gb画素の下には開口部１１１が設けられていないため、Gb画素に入射された光はアパーチャ１１Fで反射される。したがって、アパーチャ１１Fの有無により、Gr画素とGb画素で、受光特性に差が生じるおそれがある。

これに対して、R画素を透過画素とした場合には、G画素を透過画素としたような受光特性差を生じさせる懸念がない。

図４４及び図４５は、上述した第３の実施の形態において、R画素を透過画素とした例を示している。

図４４は、R画素を透過画素として、透過画素を通過した入射光が下側基板１１Eの２×２の４画素に入射される例を示している。

図４５は、R画素を透過画素として、透過画素を通過した入射光が下側基板１１Eの４×４の１６画素に入射される例を示している。

R画素を透過画素とした場合には、ベイヤ配列においては、R画素の配置間隔はG画素よりも広いため、全てのR画素を透過画素とすることができるので、G画素で懸念されるような、同じ色画素どうしでの受光特性の違いを防止することができる。

＜４．固体撮像素子の第４の実施の形態＞
図４６は、本開示に係る固体撮像素子１の第４の実施の形態の断面構成図を示している。

第４の実施の形態に係る固体撮像素子１では、図４４及び図４５に示したように、R画素の下にアパーチャ１１Fの開口部１１１を設けることによりR画素が、透過画素とされている。

また、第４の実施の形態に係る固体撮像素子１では、上側基板１１Dの透過画素のシリコン層５１には、透明層１３１ではなく、フォトダイオード５２が形成されている。ただし、第４の実施の形態におけるシリコン層５１の厚みは、上述した第３の実施の形態における厚みよりも薄く形成されている。

即ち、第４の実施の形態に係る固体撮像素子１は、上側基板１１Dの透過画素であるR画素においてもフォトダイオード５２が形成されることにより、上側基板１１Dの全画素で画素信号の取得を可能とした構成である。

また、第４の実施の形態に係る固体撮像素子１は、上側基板１１Dのシリコン層５１を薄く形成することにより、フォトダイオード５２を透過する光の光量を調整した構成である。

図４６の固体撮像素子１のその他の構成は、第３の実施の形態における構成と同様であるので、その説明は省略する。

なお、図４６における固体撮像素子１は、第３の実施の形態における図４２の構成例と同様の、上側基板１１Dと下側基板１１Eの両方を裏面照射型とした構成例を示している。

＜第３及び第４の実施の形態の効果＞
図４７は、上述した第３の実施の形態におけるシリコン層５１の厚みを標準厚として、標準厚のときの固体撮像素子１の受光感度を示している。

図４７Aは、標準厚のときの上側基板１１Dと下側基板１１Eに入射される光の分光特性を示しており、図５及び図６と同じものである。

図４７Bは、標準厚のときの上側基板１１Dと下側基板１１EのR画素、G画素、及びB画素の積分感度（relative sensitivity）を示している。積分感度は、例えば、上側基板１１DのR画素の場合、図４７AのUpper-Rで示される曲線を積分した面積に相当する。

図４７Bに示されるように、下側基板１１EのR画素及びG画素の積分感度は、３[%]程度あり、上側基板１１DのR画素の積分感度との比では、約１５％（＝（３／１９）×１００）の積分感度となる。

下側基板１１EのR画素及びG画素の積分感度が低いようにも感じられるが、以下説明するように、第３の実施の形態では、下側基板１１Eの受光面積は、上側基板１１Dの受光面積と同じであるので、下側基板１１E全体として得られる受光感度としては十分に大きいと言える。

サブミラーで入射光を分離させ、画像センサとは別に設けた位相差専用センサで位相差信号を生成する方式と比較して、第３の実施の形態における下側基板１１Eの位相差センサの受光感度について説明する。

図４８は、１チップサイズの下側基板１１Eの受光領域３１１と回路領域３１２を示している。例えば、固体撮像素子１がAPS-Cサイズである場合、受光領域３１１は、15.75mm×23.6mm程度となる。

また、図４８には、画像センサとは別に設けた位相差専用センサで位相差信号を生成する方式の場合の、APS-Cサイズの位相差専用センサ領域３１３も、比較のため示されている。

図４８を参照して分かるように、位相差検出を行う下側基板１１Eの受光領域３１１の面積は、位相差専用センサ領域３１３の約９倍の面積を有する。

従って、下側基板１１Eに入射される光量が、上側基板１１Dの約１５％程度であっても、下側基板１１Eの受光領域３１１全体では、約１５％×９倍＝１３５％相当の感度を得ることができる。

以上のように、上側基板１１Dのシリコン層５１の厚みを標準厚とし、かつ、上側基板１１Dの透過画素にもフォトダイオード５２を設け、フォトダイオード５２を透過した光を下側基板１１Eに入射させた場合であっても、位相差検出を高精度に行うことができる。

次に、第４の実施の形態における上側基板１１Dのシリコン層５１の薄膜化の効果について説明する。

図４９は、上側基板１１Dのシリコン層５１を薄く形成した第４の実施の形態における固体撮像素子１の受光感度を示している。

なお、図４９は、上側基板１１Dのシリコン層５１を、第３の実施の形態の標準厚に対して２５％薄膜化した場合の例を示している。

図４９Aは、上側基板１１Dのシリコン層５１を２５％薄膜化したときの上側基板１１Dと下側基板１１Eに入射される光の分光特性を示している。

図４９Bは、上側基板１１Dのシリコン層５１を２５％薄膜化したときの上側基板１１Dと下側基板１１EのR画素、G画素、及びB画素の積分感度（relative sensitivity）を示している。

シリコン層５１を２５％薄膜化したことにより、上側基板１１DのR画素、G画素、及びB画素の積分感度は、標準厚のシリコン層５１のときよりも低下する。例えば、G画素で比較すると、（１７．１／１９．１）×１００＝８９．５２・・となり、シリコン層５１を２５％薄膜化したときの積分感度は、標準厚のときよりも約１０％低下する。

一方、シリコン層５１を２５％薄膜化したことにより、下側基板１１EのR画素、G画素、及びB画素の積分感度は、標準厚のときよりも増加する。例えば、R画素で比較すると、（４．２６／２．９６）×１００＝１４３．９１・・となり、シリコン層５１を２５％薄膜化したときの積分感度は、標準厚のときよりも約４４％増加する。下側基板１１EのR画素の積分感度は、上側基板１１DのG画素との比でいうと、（４．２６／１７．１）×１００＝２４．９１・・となり、２５％に達する。

以上のように、シリコン層５１を２５％薄膜化したことにより、上側基板１１Dの各画素２１Aの受光感度の低下に比して、下側基板１１Eの各画素２１Bの受光感度が大幅に向上する。上側基板１１Dのシリコン層５１の厚みを調整することで、下側基板１１Eの各画素２１Bへの入射光量を制御することができる。

即ち、第４の実施の形態の固体撮像素子１によれば、上側基板１１Dの各画素の感度ロスを最小限に抑えつつ、全画素を撮像センサとして利用することができ、さらに、下側基板１１Eにおいて位相差検出を高精度に行うことができる。

＜積層構造の構成例＞
図５０は、固体撮像素子１が上側基板１１Dと下側基板１１Eの２枚の積層構造で構成される場合の各基板１１の回路配置構成例を示している。

図５０Aは、上側基板１１Dの受光領域３２１と下側基板１１Eの受光領域３１１を同一サイズとして、上側基板１１Dの受光領域３２１に対する下側基板１１Eの位相差センサ領域のカバー率を１００％とした回路配置構成例を示している。

この場合、上側基板１１Dの回路領域３２２と下側基板１１Eの回路領域３１２のサイズも同一のサイズとなる。

図５０Bは、画像センサの受光感度を低下させずに、１チップサイズをできるだけ縮小させ、２枚の積層構造とした場合の固体撮像素子１の各基板１１の回路配置構成例を示している。

上側基板１１Dには、受光領域３２１のみが形成される。

一方、下側基板１１Eには、位相差センサ領域としての受光領域３３１と、回路領域３３２が形成される。回路領域３３２には、図５０Aにおける上側基板１１Dの回路領域３２２と下側基板１１Eの回路領域３１２のそれぞれの回路が集約されて配置される。そのため、回路領域３３２のサイズは、図５０Aにおける下側基板１１Eの回路領域３１２のサイズよりも大きくなる。しかしながら、上側基板１１Dの受光領域３２１に対する下側基板１１Eの位相差センサ領域のカバー率としては、少なくとも８０％を確保することができる。

図５１は、固体撮像素子１が３枚の基板１１の積層構造で構成される場合の各基板１１の回路配置構成例を示している。

３層構造の最上層となる上側基板１１Gには、受光領域３２１のみが形成され、中間層となる中間基板１１Hには、受光領域３２１と同一サイズで、上側基板１１Gの受光領域３２１に対して中間基板１１Hの位相差センサ領域のカバー率を１００％とする受光領域３１１が形成されている。

３層構造の最下層となる下側基板１１Jには、回路領域３４１が形成されている。

このように、固体撮像素子１を３層構造とすることにより、例えば、同一のAPS-Cサイズでありながらも、図５０Aの２枚積層構造による固体撮像素子１よりもチップサイズを縮小することができる。また、位相差センサ領域のカバー率を、図５０Bの２枚積層構造による固体撮像素子１よりも大きく確保することができる。

さらに、最下層となる下側基板１１Jの全領域を回路領域３４１として利用することができるので、上側基板１１Gの受光領域３２１と中間基板１１Hの受光領域３１１の各画素を駆動する駆動回路の他、ADC(Analog-Digital Converter)、ロジック回路、メモリ等も、下側基板１１Jの回路領域３４１に配置することができる。

また、最下層の下側基板１１Jに、最上層の画像センサの信号処理と、中間層の位相差センサの信号処理を、並列的に処理させるように回路を配置した場合には、位相差オートフォーカスの検波速度を向上させることができる。

図５２は、固体撮像素子１が３枚の基板１１の積層構造で構成される場合の固体撮像素子１の断面構成図を示している。

上側基板１１Gと中間基板１１Hは、図４６の２枚積層構造の固体撮像素子１の上側基板１１Dと下側基板１１Eに対応するので、その説明は省略する。上側基板１１Gと中間基板１１Hは、いずれも裏面照射型となるように接合されている。

そして、中間基板１１Hの多層配線層７５と、下側基板１１Jの多層配線層３７４とが、例えば、Cu-Cuの金属結合により接合されている。多層配線層３７４は、１以上の配線層３７２と層間絶縁膜３７３とで構成される。

下側基板１１Jのシリコン層３６１には、複数のトランジスタ３７１などを含む信号処理回路が形成されている。

＜５．電子機器への適用例＞
上述した固体撮像素子１は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えたオーディオプレーヤといった各種の電子機器に適用することができる。

図５３は、本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。

図５３に示される撮像装置２０１は、光学系２０２、シャッタ装置２０３、固体撮像素子２０４、制御回路２０５、信号処理回路２０６、モニタ２０７、およびメモリ２０８を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。

光学系２０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの光（入射光）を固体撮像素子２０４に導き、固体撮像素子２０４の受光面に結像させる。

シャッタ装置２０３は、光学系２０２と固体撮像素子２０４の間に配置され、制御回路２０５の制御に従って、固体撮像素子２０４への光照射期間および遮光期間を制御する。

固体撮像素子２０４は、上述した固体撮像素子１により構成される。固体撮像素子２０４は、光学系２０２およびシャッタ装置２０３を介して受光面に結像される光に応じて、一定期間、信号電荷を蓄積する。固体撮像素子２０４に蓄積された信号電荷は、制御回路２０５から供給される駆動信号（タイミング信号）に従って転送される。固体撮像素子２０４は、それ単体でワンチップとして構成されてもよいし、光学系２０２ないし信号処理回路２０６などと一緒にパッケージングされたカメラモジュールの一部として構成されてもよい。

制御回路２０５は、固体撮像素子２０４の転送動作、および、シャッタ装置２０３のシャッタ動作を制御する駆動信号を出力して、固体撮像素子２０４およびシャッタ装置２０３を駆動する。

信号処理回路２０６は、固体撮像素子２０４から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路２０６が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ２０７に供給されて表示されたり、メモリ２０８に供給されて記憶（記録）されたりする。

固体撮像素子２０４として、上述した各実施の形態に係る固体撮像素子１を用いることで、高速で高精度なオートフォーカス、オート露出を実現することができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置２０１においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。

本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

上述した例では、第１導電型をP型、第２導電型をN型として、電子を信号電荷とした固体撮像素子について説明したが、本開示の技術は正孔を信号電荷とする固体撮像素子にも適用することができる。すなわち、第１導電型をN型とし、第２導電型をP型として、前述の各半導体領域を逆の導電型の半導体領域で構成することができる。

また、本開示の技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像素子への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像素子や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像素子（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。

本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

例えば、上述した複数の実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。

なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。

なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が２層以上に積層されており、
光学レンズに近い側の第１の光電変換層の１画素に入射された光が、前記光学レンズから遠い側の第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含むように構成されている
固体撮像素子。
（２）
前記第１の光電変換層により得られる信号と、前記第２の光電変換層により得られる信号のコントラスト差を用いて、フォーカス制御を行うように構成されている
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記第１の光電変換層により得られる信号はカラー画像信号であり、前記第２の光電変換層により得られる信号はモノクロ画像信号である
前記（１）または（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記第２の光電変換層の１画素の画素サイズは、前記第１の光電変換層のカラーフィルタ配列のくり返しピッチに等しい
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（５）
前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層の間に、前記第１の光電変換層の画素のカラーフィルタの色に応じて透過率が異なる中間層をさらに有する
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）
前記中間層は、赤と青のカラーフィルタの画素のみ、前記第２の光電変換層へ光を透過させる
前記（５）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記第１の光電変換層により得られた信号、または、前記第２の光電変換層により得られた信号の少なくとも一方については、複数画素の信号を加重加算した信号を用いてコントラスト差を計算する
前記（２）乃至（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）
前記画素には、位相差を検出する画素が含まれる
前記（２）乃至（７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）
前記位相差を検出する画素は、前記第１の光電変換層の画素である
前記（８）に記載の固体撮像素子。
（１０）
前記第２の光電変換層の複数画素には、位相差を検出する画素が少なくとも含まれ、
前記位相差を用いて、フォーカス制御を行うように構成されている
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（１１）
前記第１の光電変換層の複数画素は、前記第２の光電変換層へ前記光を透過させる画素と、前記第２の光電変換層へ前記光を透過させない画素を含む
前記（１０）に記載の固体撮像素子。
（１２）
前記第２の光電変換層へ前記光を透過させる前記第１の光電変換層の画素には、前記光電変換部に代えて、光を吸収しない層が形成されている
前記（１０）または（１１）に記載の固体撮像素子。
（１３）
前記第１の光電変換層により得られた信号を読み出すトランジスタ回路と、前記第２の光電変換層により得られた信号を読み出すトランジスタ回路の平面方向の位置が異なる
前記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１４）
前記第２の光電変換層の複数画素には、露出を制御する画素がさらに含まれる
前記（１）乃至（１３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１５）
前記第２の光電変換層の画素行は、前記第１の光電変換層の画素行の一部の画素行のみに対応して配置されている
前記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１６）
前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層の間に、透明性の中間層を備える
前記（１）乃至（１５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１７）
前記第２の光電変換層が形成された基板には、ロジック回路も形成されている
前記（１）乃至（１６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１８）
前記第２の光電変換層が形成された基板は、裏面照射型である
前記（１）乃至（１７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１９）
画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が２層以上に積層されており、
光学レンズに近い側の第１の光電変換層の１画素に入射された光が、前記光学レンズから遠い側の第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含むように構成されている固体撮像素子
を備える電子機器。
（２０）
信号処理回路が形成されている半導体基板と、画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が積層されており、
前記半導体基板は、前記光電変換層の１画素に相当する、前記光電変換層へ光を透過させる透過画素を有し、
前記半導体基板の前記透過画素に入射された光が、前記光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光され、前記光電変換層の複数画素により得られる位相差を用いて、フォーカス制御を行うように構成されている
固体撮像素子。

１ 固体撮像素子， １１A,１１B 半導体基板， １１C アパーチャ， １１D,１１E 半導体基板， １１F アパーチャ， ２１A，２１B,２１C 画素， ２２B ロジック回路， ３１B,３１C 画素， ５１ シリコン層， ５２ フォトダイオード， ５５ カラーフィルタ， ５６ オンチップレンズ， ６４ トランジスタ回路， ７０ シリコン層， ７１ フォトダイオード， ８１ ガラス層， ９２ 配線層， ９３ 中間層， １０１A,１０１B 画素， １１１ 開口部， １３１ 透明層， １５１ 信号処理回路， ２０１ 撮像装置， ２０４ 固体撮像素子

Claims (20)

1. 画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が２層以上に積層されており、
   光学レンズに近い側の第１の光電変換層の１画素に入射された光が、前記光学レンズから遠い側の第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含むように構成されている
   固体撮像素子。
2. 前記第１の光電変換層により得られる信号と、前記第２の光電変換層により得られる信号のコントラスト差を用いて、フォーカス制御を行うように構成されている
   請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第１の光電変換層により得られる信号はカラー画像信号であり、前記第２の光電変換層により得られる信号はモノクロ画像信号である
   請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記第２の光電変換層の１画素の画素サイズは、前記第１の光電変換層のカラーフィルタ配列のくり返しピッチに等しい
   請求項２に記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層の間に、前記第１の光電変換層の画素のカラーフィルタの色に応じて透過率が異なる中間層をさらに有する
   請求項２に記載の固体撮像素子。
6. 前記中間層は、赤と青のカラーフィルタの画素のみ、前記第２の光電変換層へ光を透過させる
   請求項５に記載の固体撮像素子。
7. 前記第１の光電変換層により得られた信号、または、前記第２の光電変換層により得られた信号の少なくとも一方については、複数画素の信号を加重加算した信号を用いてコントラスト差を計算する
   請求項２に記載の固体撮像素子。
8. 前記画素には、位相差を検出する画素が含まれる
   請求項２に記載の固体撮像素子。
9. 前記位相差を検出する画素は、前記第１の光電変換層の画素である
   請求項８に記載の固体撮像素子。
10. 前記第２の光電変換層の複数画素には、位相差を検出する画素が少なくとも含まれ、
    前記位相差を用いて、フォーカス制御を行うように構成されている
    請求項１に記載の固体撮像素子。
11. 前記第１の光電変換層の複数画素は、前記第２の光電変換層へ前記光を透過させる画素と、前記第２の光電変換層へ前記光を透過させない画素を含む
    請求項１０に記載の固体撮像素子。
12. 前記第２の光電変換層へ前記光を透過させる前記第１の光電変換層の画素には、前記光電変換部に代えて、光を吸収しない層が形成されている
    請求項１１に記載の固体撮像素子。
13. 前記第１の光電変換層により得られた信号を読み出すトランジスタ回路と、前記第２の光電変換層により得られた信号を読み出すトランジスタ回路の平面方向の位置が異なる
    請求項１に記載の固体撮像素子。
14. 前記第２の光電変換層の複数画素には、露出を制御する画素がさらに含まれる
    請求項１に記載の固体撮像素子。
15. 前記第２の光電変換層の画素行は、前記第１の光電変換層の画素行の一部の画素行のみに対応して配置されている
    請求項１に記載の固体撮像素子。
16. 前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層の間に、透明性の中間層を備える
    請求項１に記載の固体撮像素子。
17. 前記第２の光電変換層が形成された基板には、ロジック回路も形成されている
    請求項１に記載の固体撮像素子。
18. 前記第２の光電変換層が形成された基板は、裏面照射型である
    請求項１に記載の固体撮像素子。
19. 画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が２層以上に積層されており、
    光学レンズに近い側の第１の光電変換層の１画素に入射された光が、前記光学レンズから遠い側の第２の光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光される状態を含むように構成されている固体撮像素子
    を備える電子機器。
20. 信号処理回路が形成されている半導体基板と、画素単位に分割された光電変換部を有する光電変換層が積層されており、
    前記半導体基板は、前記光電変換層の１画素に相当する、前記光電変換層へ光を透過させる透過画素を有し、
    前記半導体基板の前記透過画素に入射された光が、前記光電変換層の複数画素の前記光電変換部で受光され、前記光電変換層の複数画素により得られる位相差を用いて、フォーカス制御を行うように構成されている
    固体撮像素子。

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