CN102315236A - 固态成像装置和成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态成像装置和成像系统。提供一种包含多个像素以及遮光层的固态成像装置，所述多个像素中的每一个包含光电转换元件，所述遮光层覆盖光电转换元件。所述遮光层包含：覆盖彼此相邻的光电转换元件之间的区域的至少一部分的第一遮光部分；和用于部分地遮挡入射到所述多个像素中的每一个的光电转换元件上的光的第二遮光部分。对于所述遮光层设置开口，入射光的剩余分量通过所述开口。所述开口的形状包含十字形部分，所述十字形部分包含沿第一方向延伸的部分和沿与所述第一方向相交的第二方向延伸的部分。

Description

固态成像装置和成像系统
技术领域
本发明涉及固态成像装置和成像系统。
背景技术
光电转换元件被遮光层部分地覆盖的布置被称为放射线成像装置。日本专利公开No.2002-51262描述了对于光电转换单元遮光并且被设置为使得光电转换单元的重心等距地对准(align)的遮光部分。
发明内容
在日本专利公开No.2002-51262中描述的成像装置中，不在相邻的光电转换元件之间形成遮光部分，因此，由入射到相邻的光电转换元件之间的间隙的光产生的电荷产生噪声。本发明在一个方面中提供覆盖光电转换元件的遮光层的新颖的布局，并且，又提供具有较少噪声的固态成像装置。
本发明的第一方面提供一种固态成像装置，所述固态成像装置包含多个像素以及遮光层，所述多个像素中的每一个包含光电转换元件，所述遮光层覆盖所述光电转换元件，其中，所述遮光层包含：第一遮光部分，所述第一遮光部分覆盖彼此相邻的光电转换元件之间的区域的至少一部分；和第二遮光部分，所述第二遮光部分用于部分地遮挡入射到所述多个像素中的每一个的光电转换元件上的光，对于所述遮光层设置开口，入射光的剩余分量通过所述开口，并且，所述开口的形状包括十字形(cruciform)部分，所述十字形部分包含沿第一方向延伸的部分和沿与所述第一方向相交的第二方向延伸的部分。
本发明的第二方面提供一种固态成像装置，所述固态成像装置包含多个像素以及遮光层，所述多个像素中的每一个包含光电转换元件，所述遮光层覆盖所述光电转换元件，其中，所述遮光层覆盖彼此相邻的光电转换元件之间的区域的至少一部分，所述遮光层包含遮光部分和开口，所述遮光部分用于部分地遮挡入射到所述多个像素中的每一个的光电转换元件上的光，入射光的剩余分量通过所述开口，并且，每个开口包含多个周期性地(cyclically)布置的开口。
参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
包含于说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1A和图1B解释根据本发明的实施例的固态成像装置的示意性布置的例子；
图2解释根据本发明的实施例的成像块的布置的例子；
图3解释根据本发明的实施例的像素的布置的例子；
图4A和图4B解释根据本发明的实施例的移位寄存器的布置的例子；
图5解释根据本发明的实施例的时序图的例子；
图6解释根据本发明的实施例的光电转换元件202的布置的例子；
图7A和图7B解释根据本发明的实施例的光电转换元件202的平面图；
图8A和图8B解释根据本发明的另一实施例的光电转换元件800的平面图；
图9A～9C解释由与内部区域的形状相关的因素导致的电荷收集速度的差异；
图10解释根据本发明的又一实施例的光电转换元件1000的平面图；以及
图11示出根据本发明的实施例的放射线成像系统。
具体实施方式
将参照图1A和图1B来描述根据本发明的实施例的固态成像装置100的示意性布置。可通过例如排列多个成像块101来形成固态成像装置100。在这种情况下，多个成像块101的阵列可形成具有一个成像区域的传感器面板SP。多个成像块101可被布置在支撑基板102上。当固态成像装置100使用单个成像块101时，该单个成像块101形成传感器面板SP。可通过例如在半导体基板上形成电路元件、或者在例如玻璃基板上形成半导体层并且在该半导体层上形成电路元件来设置多个成像块101中的每一个。多个成像块101中的每一个具有其中多个像素被排列为形成多个行和列的像素阵列。
固态成像装置100可用作捕获诸如X射线的放射线的图像的装置或捕获可见光的图像的装置。当固态成像装置100用作捕获放射线的图像的装置时，一般可在传感器面板SP上设置将放射线转换成可见光的闪烁体(scintillator)103。闪烁体103将放射线转换成可见光，该可见光照到(strike)传感器面板SP上并且被传感器面板SP(成像块101)上的各光电转换元件进行光电转换。
以下将参照图2来描述各成像块101的布置的例子。当固态成像装置100使用单个成像块101时，该单个成像块101可被视为固态成像装置。成像块101具有像素阵列GA，在像素阵列GA中，多个像素201被排列为形成多个行和列，并且，布置多个列信号线208a。多个像素201中的每一个包含光电转换元件(例如，光电二极管)202和像素内读出电路203，所述像素内读出电路203将与由光电转换元件202产生的电荷对应的信号(光信号)输出到列信号线208a。在像素阵列GA中，可进一步布置多个列信号线208b，并且，在这种情况下，像素内读出电路203可被配置为将由自身产生的噪声输出到列信号线208b。在行方向上对准的两个相邻的像素201的像素内读出电路203可被轴对称地布置为将例如两个像素201之间的边界线作为它们的对称轴。
成像块101包含垂直扫描电路204和水平扫描电路205。虽然垂直扫描电路204可被放置在例如两个相邻列上的光电转换元件202之间，但是它可被放置在像素阵列GA中最外面的列上的光电转换元件202外侧。垂直扫描电路204包含例如根据第一时钟CLK1执行移位(shift)操作的垂直移位寄存器，并且垂直扫描电路204根据垂直移位寄存器的移位操作来扫描像素阵列GA中的多个行。通过串联地连接多个寄存器来形成垂直移位寄存器，并且由第一级(stage)中的寄存器所接收的脉冲根据第一时钟CLK1被依次传送到后续级中的寄存器。与保持脉冲的寄存器对应的行要被选择。
虽然水平扫描电路205可被放置在例如两个相邻行上的光电转换元件202之间，但是它可被放置在像素阵列GA中最外面的行上的光电转换元件202外侧。水平扫描电路205包含例如根据第二时钟CLK2执行移位操作的水平移位寄存器，并且水平扫描电路205根据水平移位寄存器的移位操作来扫描像素阵列GA中的多个列。通过串联地连接多个寄存器来形成水平移位寄存器，并且由第一级中的寄存器所接收的脉冲根据第二时钟CLK2被依次传送到后续级中的寄存器。与保持脉冲的寄存器对应的列要被选择。
可通过垂直地排列多个单位垂直扫描电路VSR来形成垂直扫描电路204，所述多个单位垂直扫描电路VSR中的每一个包含构成垂直移位寄存器的一个寄存器。每个单位垂直扫描电路VSR可被放置在被属于给定列(图2中最左边的列(即，第一列))的像素的光电转换元件202和属于与所述给定列相邻的列(图2中从左边起第二列(即，第二列))的像素的光电转换元件202夹着的区域中。当经由垂直移位寄存器传送脉冲时，各单位垂直扫描电路VSR将行选择信号VST驱动到活动电平，使得该单位垂直扫描电路VSR所属于的行上的像素201被选择。来自所选择的行上的像素201的光信号和噪声分别被输出到列信号线208a和208b。参照图2，列信号线208a和208b用单个线表示。脉冲信号(开始脉冲)PULSE1和PULSE2分别被供给到垂直扫描电路204和水平扫描电路205的输入端子(未示出)。
可通过水平地排列多个单位水平扫描电路HSR来形成水平扫描电路205，所述多个单位水平扫描电路HSR中的每一个包含构成水平移位寄存器的一个寄存器。各单位水平扫描电路HSR被放置在被属于一个行(图2中从上面起第四行(即，第四行))的每对两相邻像素(第一和第二列上的一对像素、第三和第四列上的一对像素...)中的两个光电转换元件202夹着的区域中。但是，各单位水平扫描电路HSR不被放置在被沿列方向对准的两个相邻像素中的两个光电转换元件202夹着的区域中。该布置对于减小沿列方向的光电转换元件202之间的间隙是有利的。当经由水平移位寄存器传送脉冲时，各单位水平扫描电路HSR控制开关207，使得该单位水平扫描电路HSR所属于的列被选择，即，该列上的列信号线208a和208b分别与水平信号线209a和209b连接。即，来自所选择的行上的像素201的光信号和噪声分别被输出到列信号线208a和208b，并且，来自所选择的列(即，所选择的列信号线208a和208b)的信号被输出到水平信号线209a和209b。这实现X-Y寻址。水平信号线209a和209b分别与输出放大器210a和210b的输入连接，并且，输出到水平信号线209a和209b的信号分别被输出放大器210a和210b放大，并且分别经由焊盘(pad)211a和211b被输出。
像素阵列GA可被视为是通过排列分别包含像素201的多个单位单元200以形成多个行和列而获得的。单位单元200可包含几种类型。某个单位单元200包含单位垂直扫描电路VSR的至少一部分。虽然在图2所示的例子中，一个两单位单元200的组仅包含一个单位垂直扫描电路VSR，但是，一个单位单元200可包含一个单位垂直扫描电路VSR，或者一个三个或更多个单位单元200的组可包含一个单位垂直扫描电路VSR。另一单位单元200包含单位水平扫描电路HSR的至少一部分。虽然在图2所示的例子中，一个单位单元200包含一个单位水平扫描电路HSR，但是，一个多单位单元200的组可包含一个单位水平扫描电路HSR。又一单位单元200既包含单位垂直扫描电路VSR的至少一部分又包含单位水平扫描电路HSR的至少一部分。再一单位单元200例如包含：包括输出放大器210a的至少一部分的单位单元、包括输出放大器210b的至少一部分的单位单元、和包括开关207的单位单元。
将参照图3来描述各像素201的布置的例子。如上所述，像素201包含光电转换元件202和像素内读出电路203。光电转换元件202一般可以是光电二极管。像素内读出电路203可包含例如第一放大器电路310、箝位电路320、光信号采样和保持电路340、和噪声采样和保持电路360、以及第二放大器电路中的NMOS晶体管343和363与行选择开关344和364。
光电转换元件202包含电荷存储单元，所述电荷存储单元与第一放大器电路310的PMOS晶体管303的栅极连接。PMOS晶体管303的源极经由PMOS晶体管304与电流源305连接。使用PMOS晶体管303和电流源305来形成第一源跟随器电路。使用PMOS晶体管303形成源跟随器电路对于减少1/f噪声是有效的。PMOS晶体管304用作启用开关，所述启用开关在供给到该启用开关的栅极的启用信号EN变为活动电平时被接通时启用第一源跟随器电路。第一放大器电路310将与电荷/电压转换单元CVC的电势对应的信号输出到中间节点n1。
在图3所示的例子中，光电转换元件202的电荷存储单元和PMOS晶体管303的栅极形成共用节点，该共用节点用作将存储于电荷存储单元中的电荷变为电压的电荷/电压转换单元CVC。即，电荷/电压转换单元CVC具有由存储于电荷存储单元中的电荷Q和电荷/电压转换单元CVC的电容值C确定的电压V(＝Q/C)。电荷/电压转换单元CVC经由用作复位开关的PMOS晶体管302与复位电势Vres连接。当复位信号PRES变为活动电平时，PMOS晶体管302被接通，因此，电荷/电压转换单元CVC的电势被复位为复位电势Vres。
箝位电路320使用箝位电容321，以根据电荷/电压转换单元CVC的复位电势对于由第一放大器电路310输出到中间节点n1的噪声进行箝位。换句话说，箝位电路320是用于根据由光电转换元件202产生的电荷而将从第一源跟随器电路输出到中间节点n1的信号中的所述噪声消除的电路。输出到中间节点n1的噪声包含在复位时产生的kTC噪声。通过将箝位信号PCL变为活动电平以接通PMOS晶体管323并且随即将箝位信号PCL变为不活动电平以关断PMOS晶体管323，来完成箝位。箝位电容321的输出端子与PMOS晶体管322的栅极连接。PMOS晶体管322的源极经由PMOS晶体管324与电流源325连接。使用PMOS晶体管322和电流源325来形成第二源跟随器电路。PMOS晶体管324用作启用开关，所述启用开关在被供给到该启用开关的栅极的启用信号EN0变为活动电平时被接通时启用第二源跟随器电路。
当光信号采样信号TS变为活动电平时，根据通过由光电转换元件202执行的光电转换所产生的电荷的从第二源跟随器电路输出的信号经由开关341作为光信号被写入电容342中。紧接在将电荷/电压转换单元CVC的电势复位之后从接通PMOS晶体管323时的第二源跟随器电路输出的信号是噪声。当噪声采样信号TN变为活动电平时，该噪声经由开关361被写入电容362中。该噪声包含第二源跟随器电路的偏移分量。
当垂直扫描电路204的单位垂直扫描电路VSR将行选择信号VST驱动为活动电平时，保持在电容342中的信号(光信号)经由第二放大器电路中的NMOS晶体管343和行选择开关344被输出到列信号线208a。同时，保持在电容362中的信号(噪声)经由第二放大器电路中的NMOS晶体管363和行选择开关364被输出到列信号线208b。第二放大器电路中的NMOS晶体管343和设置在列信号线208a上的恒流源(未示出)形成源跟随器电路。类似地，第二放大器电路中的NMOS晶体管363和设置在列信号线208b上的恒流源(未示出)形成源跟随器电路。
像素201可包括将来自多个相邻像素201的光信号相加的加法开关346。在加法模式中，加法模式信号ADD变为活动电平，因此，加法开关346被接通。因此，加法开关346使相邻的像素201的电容342相互连接，由此将光信号平均化。类似地，像素201可包含将来自多个相邻的像素201的噪声信号相加的加法开关366。当加法开关366被接通时，加法开关366将相邻的像素201的电容362相互连接，由此将噪声信号平均化。
像素201可具有用于改变灵敏度的功能。像素201可包含例如第一灵敏度改变开关380、第二灵敏度改变开关382和与它们相关的电路元件。当第一改变信号WIDE1变为活动电平时，第一灵敏度改变开关380被接通，因此，第一附加电容381的电容值被加到电荷/电压转换单元CVC的电容值上。这降低像素201的灵敏度。当第二改变信号WIDE2变为活动电平时，第二灵敏度改变开关382被接通，因此，第二附加电容383的电容值被加到电荷/电压转换单元CVC的电容值上。这进一步降低像素201的灵敏度。
以这种方式，加入降低像素201的灵敏度的功能使得能够接收更多的光，由此加宽动态范围。当第一改变信号WIDE1变为活动电平时，除了将PMOS晶体管303启用以执行源跟随器操作以外，还可使启用信号ENw变为活动电平以将PMOS晶体管385启用来执行源跟随器操作。
虽然垂直扫描电路204可具有各种布置，但是，它可具有例如图4A所示的布置。在图4A所示的垂直扫描电路204中，各单位垂直扫描电路VSR包含一个D型触发器401，并且，第一时钟CLK1被供给到D型触发器401的时钟输入。第一脉冲信号PULSE1被供给到第一级中的单位垂直扫描电路VSR的D型触发器401的D输入，并且响应于第一时钟CLK1被接收。第一级中的D型触发器401从其Q输出将具有与第一时钟CLK1的一个周期对应的持续时间的脉冲信号输出。各单位垂直扫描电路VSR的D型触发器401的Q输出被使用以选择该单位垂直扫描电路VSR所属于的行，并且经由例如缓冲器402作为行选择信号VST被输出。各单位垂直扫描电路VSR的D型触发器401的Q输出与下一级中的单位垂直扫描电路VSR的D型触发器401的D输入连接。
虽然水平扫描电路205可具有各种布置，但是它可具有例如图4B所示的布置。在图4B所示的水平扫描电路205中，各单位水平扫描电路HSR包含一个D型触发器411，并且，第二时钟CLK2被供给到D型触发器411的时钟输入。第二脉冲信号PULSE2被供给到第一级中的单位水平扫描电路HSR的D型触发器411的D输入，并且，响应于第二时钟CLK2被接收。第一级中的单位水平扫描电路HSR从其Q输出将具有与第二时钟CLK2的一个周期对应的持续时间的脉冲信号输出。各单位水平扫描电路HSR的Q输出被使用以选择该单位水平扫描电路HSR所属于的列，并且经由例如缓冲器412作为列选择信号HST被输出。各单位水平扫描电路HSR的Q输出与下一级中的单位水平扫描电路HSR的D型触发器411的D输入连接。注意，通过将水平扫描电路205的水平扫描时段乘以像素阵列GA中的行的数量，获得作为垂直扫描电路204的扫描时段的垂直扫描时段。水平扫描时段是扫描像素阵列GA中的所有列所需的时间段。由此，供给到产生用于选择列的列选择信号HST的水平扫描电路205的第二时钟CLK2的频率大大高于供给到产生用于选择行的行选择信号VST的垂直扫描电路204的第一时钟CLK1的频率。
将参照图5来描述供给到各像素201的主要信号。复位信号PRES、启用信号EN、箝位信号PCL、光信号采样信号TS、以及噪声采样信号TN是低活动信号。虽然图5没有示出，但是，启用信号EN0可以是与启用信号EN类似的信号。此外，虽然图5没有示出，但是，在第一改变信号WIDE1变为活动时，启用信号ENw可以以与启用信号EN相同的方式进行转变(transition)。
首先，启用信号EN在像素阵列GA中的所有行上变得活动，并且，光信号采样信号TS以脉冲状(in a pulsed pattern)变为活动电平，因此，光信号被写入电容342中。然后，复位信号PRES以脉冲状变为活动电平，因此，电荷/电压转换单元CVC的电势被复位。箝位信号PCL以脉冲状变为活动电平。当箝位信号PCL处于活动电平时，噪声采样信号TN以脉冲状变为活动电平，因此，噪声被写入电容362中。
与垂直扫描电路204的第一行对应的单位垂直扫描电路VSR将其行选择信号VST(VST0)变为活动电平。这意味着垂直扫描电路204选择像素阵列GA的第一行。在这种状态下，与水平扫描电路205的第一列到最后一列对应的单位水平扫描电路HSR将它们的列选择信号HST(HST0～HSTn)变为活动电平。这意味着水平扫描电路205依次选择像素阵列GA的第一列到最后一列。因此，分别从输出放大器210a和210b输出像素阵列GA的第一行上的第一列到最后一列上的像素的光信号和噪声信号。然后，与垂直扫描电路204的第二行对应的单位垂直扫描电路VSR将其行选择信号VST(VST1)变为活动电平。与水平扫描电路205的第一列到最后一列对应的单位水平扫描电路HSR将它们的列选择信号HST(HST0～HSTn)变为活动电平。通过对于第一行到最后一行执行这种操作，从像素阵列GA输出一个图像。
将参照图6来描述光电转换元件202的布置的例子。可在基板上形成成像块101，在所述基板上，例如，在第二导电类型的半导体部件(未示出)上外延生长第二导电类型的半导体层620。各元件通过元件隔离部分630而相互隔离。各像素201的光电转换元件202包含例如在半导体层620中形成的第一导电类型的杂质区域(阱)601(第一半导体区域)以及在杂质区域601上形成的杂质区域616和内部区域602。杂质区域616(第二半导体区域)和内部区域602(第三半导体区域)均是第二导电类型的杂质区域。内部区域602的第二导电类型的杂质浓度比杂质区域616的高，并且内部区域602被杂质区域616包围。即，在杂质区域616内侧形成内部区域602。在内部区域602内侧形成作为第二导电类型的杂质区域的电极区域603(第四半导体区域)。电极区域603的第二导电类型的杂质浓度比内部区域602的高。在杂质区域616和内部区域602上形成第一导电类型的杂质区域604(第五半导体区域)。第二导电类型的杂质区域602、616和603以及第一导电类型的杂质区域601和604形成埋入型的光电二极管。在这种情况下，光电转换元件202可以是完全耗尽型的。当光电转换元件202为完全耗尽型时，第二导电类型的杂质区域602和616全部被耗尽。在本实施例中，光电转换元件202的电荷存储单元用作电荷/电压转换单元CVC。光电转换元件202可在将电荷/电压转换单元CVC复位时被完全耗尽。此外，当光电转换元件202不是完全耗尽型的时，第二导电类型的杂质区域602和616中的大部分可被耗尽。
第一导电类型的杂质区域606包围第一导电类型的杂质区域601的上侧部分。杂质区域606具有第一导电类型的接触区域609。第二导电类型的杂质区域611包围杂质区域606。在本实施例中，光电转换元件202使用光电二极管，并且，经由杂质区域606向用作光电二极管的一个端子的杂质区域601施加预定的电压。当光照到光电转换元件202上并且经受光电转换时产生的电荷在内部区域602和杂质区域616中被收集并且进一步在电极区域603中被收集。用作光电转换元件202的另一电极的电极区域603经由插头612、第一金属层613、插头614和在第二金属层中形成的布线图案615与像素内读出电路203连接。在上述的例子中，第一导电类型可以为P型，并且，第二导电类型可以为N型，或者反之亦然。虽然杂质区域616和内部区域602在图6所示的例子中具有相同的结深(junction depth)，但是，结深可在杂质区域616中比在内部区域602中大，或者在内部区域602中比在杂质区域616中大。如果结深在杂质区域616中比在内部区域602中大，那么可在内部区域602下面形成杂质区域616。
在单位单元200之上作为第三金属层形成遮光层640。遮光层640可在它覆盖光电转换元件202的位置处包含遮光部分641和开口642。遮光部分641部分地遮挡入射到光电转换元件202上的光。另一方面，开口642在它在平面图上与光电转换元件202重叠的位置处形成，并且通过入射光的剩余分量。即，通过开口642的入射光可照到光电转换元件202上。可在相邻的光电转换元件之间的区域的至少一部分中形成遮光层640。遮光层640可被形成为覆盖相邻的光电转换元件之间的整个区域，或者，仅覆盖例如单位垂直扫描电路VSR或像素内读出电路203。可以在同一层中或在不同的层中形成覆盖光电转换元件202的遮光层、覆盖单位垂直扫描电路VSR的遮光层、以及覆盖像素内读出电路203的遮光层。以这种方式，通过在相邻的光电转换元件之间的区域的至少一部分中形成遮光层，能够减少在光电转换元件以外的区域中产生的电荷的量。
下面将参照图7A和图7B来解释光电转换元件202的平面图。图7A表示光电转换元件202的平面图，图7B仅关注该平面图中的内部区域602。上面参照图6描述的光电转换元件202与沿图7A中的线A-A′切取的断面图对应。为了便于理解平面图上的杂质区域616、内部区域602和电极区域603的形状，在图7A中没有示出杂质区域604。在图7B中作为虚线加入等电势线(equipotential line)。在以下的描述中，除非另外规定，否则，用简化的表述“杂质区域的形状”表示“平面图上的杂质区域的形状”。如图7A所示，在平面图上，在杂质区域616内侧形成内部区域602。如上所述，在根据本实施例的光电转换元件202中，杂质浓度以杂质区域616、内部区域602和电极区域603的次序增大，由此形成向着电极区域603增大的电势梯度。杂质区域616具有例如1.0×1015cm-3～1.0×1017cm-3的杂质浓度。内部区域602具有例如1.0×1016cm-3～1.2×1018cm-3的杂质浓度。电极区域603具有例如1.0×1019cm-3～5.0×1019cm-3的杂质浓度。遮光层640的遮光部分641在它覆盖光电转换元件202的四个角的位置处被形成，并且，作为结果，开口642的形状包含十字形部分。即，开口642的形状可包含沿第一方向703延伸的部分和沿第二方向704延伸的部分。第一方向703与第二方向704彼此相交。例如，第一方向703与第二方向704可彼此正交。以这种方式，光电转换元件202的动态范围可通过被遮光部分641部分地覆盖而被加宽。当放射线的光量被减少以加宽动态范围时，射入到各像素上的光子的平均数量可减少到一个或更少。因此，入射的光子的时间或空间波动会产生噪声(散粒噪声)，并且不利地影响输出图像。为了减少散粒噪声，通过具有部分地覆盖光电转换元件的遮光层的布置，可以在维持给定的放射线光量的同时减少入射到光电转换元件上的光的量。此外，由于开口642的形状包含十字形部分，因此，不管入射光在光电转换元件202的内侧是不均匀地分布还是照到光电转换元件202的整个表面上，光电转换元件202都可接收入射光。例如，如果固态成像装置100不包含用于聚焦入射光的微透镜，并且由闪烁体103转换的可见光在不使用微透镜的情况下被引向光电转换元件202，那么入射光可照到光电转换元件202的整个表面上。此外，如果固态成像装置100包含微透镜，并且由闪烁体103转换的可见光经由微透镜被聚焦并且被引向光电转换元件202，那么入射光可在光电转换元件202的内侧不均匀分布。
如图7B所示，内部区域602可包含被粗点线包围的第一部分701和从第一部分701延伸的多个第二部分702。在平面图上，可在第一部分701中包含电极区域603。为了便于描述内部区域602的形状而限定了第一部分701和第二部分702，所以，内部区域602可被形成为其中这些部分实际上是一体化的区域。在本实施例中，四个第二部分702从第一部分701沿十字线的走向延伸。例如，相邻的第二部分702可沿正交方向延伸。此外，第二部分702的宽度保持恒定。可通过在杂质离子注入中所用的光刻胶掩模的图案来限定内部区域602的形状。在本实施例中，通过以十字形形状形成内部区域602，可以在沿第二部分702延伸的方向提高电荷收集速度的同时抑制内部区域602的面积的增加。由于杂质浓度在内部区域602中比在杂质区域616中高，因此，随着内部区域602的面积增加，光电转换元件202的耗尽电压上升。通过以十字形形状形成内部区域602，光电转换元件202的耗尽电压可保持为低。此外，如后面将描述的那样，与以凸多边形形成内部区域602时相比，当以十字形形状形成内部区域602时，对于来自第二部分702延伸的方向的电荷的收集速度可更高。此外，可以在杂质区域616的中心处形成电极区域603。因此，电极区域603可均匀地收集来自各方向的电荷。
在本实施例中，开口642和内部区域602均包含十字形形状，所述十字形形状可相互重叠。即，开口642中的十字形部分的相交部分710和第一部分701在平面图上相互重叠，并且第二部分702延伸以与开口642重叠。虽然遮光部分641在图7A所示的例子中与内部区域602根本不重叠，但是，遮光部分641的一部分和内部区域602的一部分可相互重叠。以这种方式，通过将开口642和内部区域602形成为在平面图上相互重叠，可以在提高其中入射光照到光电转换元件202上的区域中的电荷收集速度的同时抑制内部区域602的面积的增加。此外，如图7A所示，布线图案615可以在它在平面图上与开口642重叠的位置处被形成。因此，遮光层640和布线图案615之间的寄生电容可被减小。由于遮光层640的表面有时没有成为完全均匀的，因此，会在各单个像素之间出现遮光层640和布线图案615之间的寄生电容的变化。可通过减小遮光层640和布线图案615之间的寄生电容来减小各单个像素之间的这种变化。
以下将参照图8A和图8B来描述根据本发明的另一实施例的光电转换元件800的平面图。图8A表示光电转换元件800的平面图，图8B仅关注该平面图中的内部区域802。光电转换元件800的内部区域802与已参照图7和图7B描述的光电转换元件202的内部区域602对应，并且，仅在形状上与光电转换元件202的内部区域602不同。由此，以下将仅描述光电转换元件800中的内部区域802的形状，并且，将不给出与光电转换元件202共同的部分的描述。虽然为了便于理解内部区域802的形状而在图8A中以透明的方式表示遮光层640，但是，遮光层640实际上遮挡可见光。
如图8B所示，内部区域802可包含由粗点线包围的第一部分811和从第一部分811延伸的多个第二部分812。可在第一部分811中包含电极区域603。为了便于描述内部区域802的形状而限定了第一部分811和第二部分812，所以，内部区域802可被形成为其中这些部分实际上是一体化的区域。在本实施例中，同样地，四个第二部分812从第一部分811沿十字线的走向延伸。与图7A和图7B所示的实施例不同，第二部分812具有锥形形状。即，第二部分812的宽度沿离开第一部分811的方向减小。作为结果，第二部分812的末端可具有内锐角813。在本实施例中，同样地，开口642和内部区域802可在平面图上相互重叠。此外，如图8A所示，遮光部分641的一部分和内部区域802的一部分可相互重叠，或者，它们的各部分可以不相互重叠。
以下将参照图9A～9C来描述由与杂质区域的形状相关的因素导致的电荷收集速度的差异。图9A～9C是关注通过二维地分割各光电转换元件的平面图而获得的四个部分中的右上部分的平面图。图9A表示用作比较例的光电转换元件900的平面图。光电转换元件900包含杂质区域616、内部区域901和电极区域603，并且，杂质浓度以该次序增大。内部区域901的形状是凸多边形。图9B表示已参照图7A和图7B描述的光电转换元件202，并且，图9C表示已参照图8A和图8B描述的光电转换元件800。对于各光电转换元件执行与位于由箭头910指示的位置(从电极区域603的中心向右40.0μm的位置)处的电子在预定的时间内漂移的距离相关的仿真(simulation)。如图9A所示，当内部区域901的形状是凸多边形时，电子在预定的时间之后漂移到由箭头911指示的位置(从电极区域603的中心向右约23μm的位置)。如图9B所示，当内部区域602具有十字形形状时，电子在预定的时间之后漂移到由箭头912指示的位置(从电极区域603的中心向右约13μm的位置)。如图9C所示，当内部区域802具有锥形的十字形形状时，电子在预定的时间之后漂移到由箭头913指示的位置(从电极区域603的中心向右约1μm的位置)。以这种方式，以十字形形状形成内部区域602使得能够在内部区域的第二部分延伸的方向上提高电荷收集速度。此外，以锥形形状形成内部区域的第二部分使得能够进一步在第二部分逐渐变细的方向上提高电荷收集速度。
下面将参照图10来描述本实施例的又一实施例。根据本实施例的光电转换元件1000仅在遮光层1040的形状上与已参照图7A和图7B描述的光电转换元件202不同。由此，以下将仅描述遮光层1040的形状，并且，将不给出与上述的光电转换元件202共同的部分的描述。同样，在图10中，为了便于观察，以透明的方式示出遮光层1040。遮光层1040可在它覆盖光电转换元件1000的位置处包含遮光部分1041和开口1042。遮光部分1041部分地遮挡入射到光电转换元件1000上的光。另一方面，开口1042在它覆盖光电转换元件1000的位置处被形成，并且通过入射光的剩余分量。即，通过开口1042的入射光可照到光电转换元件1000上。可以在同一层中或在不同的层中形成覆盖光电转换元件1000的遮光层、覆盖单位垂直扫描电路VSR的遮光层、以及覆盖像素内读出电路203的遮光层。开口1042包含多个周期性地分布的开口。所述多个开口可具有相同的形状。在本实施例中，光电转换元件1000的动态范围可通过部分地被遮光部分1041覆盖而被加宽。
图11示出根据本发明的固态成像装置被应用于X射线诊断系统(放射线成像系统)的例子。放射线成像系统包含放射线成像装置6040和处理从放射线成像装置6040输出的信号的图像处理器6070。放射线成像装置6040用作其中上述的固态成像装置100如图1B所示的那样被应用以捕获放射线的装置。通过X射线管(放射线源)6050发射的X射线6060透射通过患者或被检查者6061的胸部6062，并且进入放射线成像装置6040。入射的X射线承载被检查者6061的体内的信息。图像处理器(处理器)6070处理从放射线成像装置6040输出的信号(图像)，并且可基于通过处理所获得的信号而在例如控制室内的显示器6080上显示图像。
此外，图像处理器6070可将通过处理所获得的信号经由传送路径6090传送到远程地点。这使得能够在位于例如另一地点的诊室的显示器6081上显示图像，或者在诸如光盘的记录介质上记录图像。记录介质可以是胶片6110，并且，在这种情况下，胶片处理器6100在胶片6110上记录图像。
根据本发明的固态成像装置也适用于捕获可见光的图像的成像系统。这种成像系统可包含例如固态成像装置100和处理从固态成像装置100输出的信号的处理器。处理器的处理可包含例如转换图像格式的处理、压缩图像的处理、改变图像尺寸的处理、以及改变图像对比度的处理中的至少一种。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这些变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (9)

1.一种固态成像装置，所述固态成像装置包含多个像素以及遮光层，所述多个像素中的每一个包含光电转换元件，所述遮光层覆盖光电转换元件，其中
所述遮光层包含：
第一遮光部分，覆盖彼此相邻的光电转换元件之间的区域的至少一部分；和
第二遮光部分，用于部分地遮挡入射到所述多个像素中的每一个的光电转换元件上的光，
对于所述遮光层设置开口，入射的光的剩余分量通过所述开口，并且，
所述开口的形状包含十字形部分，所述十字形部分包含沿第一方向延伸的部分和沿与所述第一方向相交的第二方向延伸的部分。
2.根据权利要求1的固态成像装置，其中
所述多个像素中的每一个还包含像素内读出电路，所述像素内读出电路被配置为将与由光电转换元件产生的电荷对应的信号输出到信号线，
光电转换元件包含：
第一导电类型的第一半导体区域；
第二半导体区域，位于所述第一半导体区域之上并且具有与第一导电类型不同的第二导电类型；
第二导电类型的第三半导体区域，位于所述第二半导体区域内侧并且具有比所述第二半导体区域的杂质浓度高的杂质浓度；
和
第二导电类型的第四半导体区域，位于所述第三半导体区域内侧、与所述像素内读出电路连接并且具有比所述第三半导体区域的杂质浓度高的杂质浓度，
所述第三半导体区域包含与所述十字形部分的相交部分重叠的第一部分以及沿第一方向和第二方向延伸以与所述开口重叠的多个第二部分，
所述第四半导体区域位于所述第三半导体区域的第一部分内侧，以及
所述第二遮光部分至少覆盖其中不设置光电转换元件的第三半导体区域的区域。
3.根据权利要求2的固态成像装置，其中，所述多个第二部分中的每一个的宽度沿离开所述第一部分的方向减小。
4.根据权利要求2的固态成像装置，其中，连接所述第四半导体区域和所述像素内读出电路的布线图案的一部分被布置为与所述开口重叠。
5.根据权利要求1的固态成像装置，其中
所述多个像素中的每一个还包含像素内读出电路，所述像素内读出电路被配置为将与由光电转换元件产生的电荷对应的信号输出到信号线，以及
使得连接光电转换元件和所述像素内读出电路的布线图案的一部分与开口重叠。
6.根据权利要求1的固态成像装置，还包括：
设置在光电转换元件之上的闪烁体，
其中，由所述闪烁体转换的光在不通过用于将光会聚到光电转换元件中的微透镜的情况下被照射到光电转换元件上。
7.一种固态成像装置，所述固态成像装置包含多个像素以及遮光层，所述多个像素中的每一个包含光电转换元件，所述遮光层覆盖光电转换元件，其中
所述遮光层覆盖彼此相邻的光电转换元件之间的区域的至少一部分，
所述遮光层包含遮光部分和开口，所述遮光部分用于部分地遮挡入射到所述多个像素中的每一个的光电转换元件上的光，入射的光的剩余分量通过所述开口，以及
每个开口包含多个周期性地布置的开口。
8.根据权利要求7的固态成像装置，还包括：
设置在光电转换元件之上的闪烁体，
其中，由所述闪烁体转换的光在不通过用于将光会聚到光电转换元件中的微透镜的情况下被照射到该光电转换元件上。
9.一种成像系统，包括：
根据权利要求1～8中的任一项的固态成像装置；和
被配置为处理从所述固态成像装置输出的信号的处理器。
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