CN108257991B - 固态成像器件、成像系统和可移动物体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态成像器件、成像系统和可移动物体。一种固态成像器件包括：多个像素，所述多个像素中的每一个包含光电转换器。光电转换器包含第一导电类型的第一半导体区域、被设置在第一半导体区域下面的第二导电类型的第二半导体区域和被设置在第二半导体区域下面的第一导电类型的第三半导体区域。第二半导体区域具有第一端部和与第一端部相反的第二端部。第三半导体区域具有在平面图中与第二半导体区域重叠的第一区域和第二区域，并且，第一区域和第二区域从第一端部的一部分到第二端部的一部分相互分开。

Description

固态成像器件、成像系统和可移动物体
技术领域
本发明涉及固态成像器件和成像系统。
背景技术
在由CCD图像传感器或CMOS图像传感器代表的固态成像器件中，光电转换器的灵敏度和饱和电荷量是决定固态成像器件的性能的重要特性。作为CCD图像传感器或CMOS图像传感器的光电转换器，使用包括pn结的嵌入式光电二极管的光电转换器成为主流，所述pn结具有设置在半导体基板的表面部分中的p型半导体区域和形成电荷蓄积区域的n型半导体区域。在这种情况下，在光电转换器中产生的信号载流子是电子。
其中布置光电转换器的基板的结构可以是n型基板结构和p阱结构。n型基板结构是p型半导体区域被设置在具有低杂质浓度的n型半导体基板的深部中并且光电转换器被布置在与位于更深部分中的半导体基板电气隔离的基板表面部分的n型半导体区域内的结构。P阱结构是光电转换器被布置于设置在半导体基板的表面部分中的p阱内的结构。
低浓度n型基板结构的特征在于其高灵敏度，这是由于在n型半导体区域内产生的信号电荷通过漂移力(drift force)被收集。例如，在日本专利申请公开No.2008-078302中公开了具有n型基板结构的光电转换器的固态成像器件。另一方面，p阱结构的特征在于，由于在形成电荷蓄积区域的n型半导体区域与p阱之间形成p-n结电容器，因此饱和电荷量大。例如，在日本专利申请公开No.2014-165286中公开了具有p阱结构的光电转换器的固态成像器件。在日本专利申请公开No.2008-078302和日本专利申请公开No.2014-165286所公开的固态成像器件中，通过在形成电荷蓄积区域的n型半导体区域下面布置较高浓度p型半导体区域，光电转换器的饱和电荷量增大。
但是，在日本专利申请公开No.2008-078302和日本专利申请公开No.2014-165286中公开的固态成像器件的配置未必适于实现高灵敏度和大饱和电荷量两者。
发明内容
本发明的目的是，提供能够以稳定的方式实现光电转换器的高灵敏度和大饱和电荷量的固态成像器件。
根据本发明的一个方面，提供一种固态成像器件，该固态成像器件包括：多个像素，所述多个像素中的每一个包含光电转换器，其中，光电转换器包含第一导电类型的第一半导体区域、被设置在第一半导体区域下面的第二导电类型的第二半导体区域和被设置在第二半导体区域下面的第一导电类型的第三半导体区域，其中，第二半导体区域具有第一端部和与第一端部相反的第二端部，以及其中，第三半导体区域具有第一区域和第二区域，第一区域和第二区域中的每一个在平面图中与第二半导体区域重叠，并且，第一区域和第二区域从第一端部的一部分到第二端部的一部分相互分开。
此外，根据本发明的另一方面，提供一种固态成像器件，该固态成像器件包括：多个像素，所述多个像素中的每一个包含光电转换器，其中，光电转换器包含第一导电类型的第一半导体区域、被设置在第一半导体区域下面的第二导电类型的第二半导体区域和被设置在第二半导体区域下面的第一导电类型的第三半导体区域，其中，第三半导体区域具有第一区域和第二区域，第一区域和第二区域中的每一个在平面图中与第二半导体区域重叠，其中，第一区域和第二区域通过第二导电类型的第四半导体区域相互隔离，以及其中，光电转换器还包含在第四半导体区域、第一区域和第二区域下面延伸的第二导电类型的第五半导体区域。
从参照附图对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
图1是示出根据本发明的第一实施例的固态成像器件的总体结构的框图。
图2是根据本发明的第一实施例的固态成像器件的像素的等价电路图。
图3是示出根据本发明的第一实施例的固态成像器件的像素的平面布局的示图。
图4是根据本发明的第一实施例的固态成像器件的像素的示意性截面图。
图5是根据第一实施例的比较例的固态成像器件的像素的平面图。
图6是示出根据本发明的第二实施例的固态成像器件的像素的平面布局的示图。
图7是根据本发明的第二实施例的固态成像器件的像素的示意性截面图。
图8是根据第二实施例的比较例的固态成像器件的像素的平面图。
图9是根据本发明的第三实施例的固态成像器件的像素的示意性截面图。
图10是根据本发明的第四实施例的固态成像器件的像素的示意性截面图。
图11和图12是传送信号电荷时的半导体基板内的电势的示图。
图13是根据本发明的第五实施例的固态成像器件的像素的示意性截面图。
图14是示出根据本发明的第六实施例的成像系统的总体构造的框图。
图15A是示出根据本发明的第七实施例的成像系统的示例性构造的示图。
图15B是示出根据本发明的第七实施例的可移动物体的示例性构造的示图。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
[第一实施例]
将参照图1～5描述根据本发明第一实施例的固态成像器件。
图1是示出根据本实施例的固态成像器件的总体构造的框图。图2是根据本实施例的固态成像器件的像素的等效电路图。图3是示出根据本实施例的固态成像器件的像素的平面布局的示图。图4是根据本实施例的固态成像器件的像素的示意性截面图。图5是根据本实施例的比较例的固态成像器件的像素的平面图。
如图1所示，根据本实施例的固态成像器件100包括像素区域10、垂直扫描电路20、列读出电路30、水平扫描电路40、控制电路50和输出电路60。
在多个行和多个列上以矩阵的方式布置的多个像素12被设置在像素区域10中。在像素区域10中的像素阵列的每一行上，控制信号线14被布置为在行方向(图1中的水平方向)上延伸。控制信号线14连接到在行方向上对准的各个像素12，该控制信号线14是这些像素12共用的信号线。并且，在像素区域10中的像素阵列的每一列上，垂直输出线16被布置为在列方向(图1中的纵向方向)上延伸。垂直输出线16连接到在列方向上对准的各个像素12，垂直输出线16是这些像素12共用的信号线。
各行上的控制信号线14连接到垂直扫描电路20。垂直扫描电路20是经由控制信号线14向像素12供给用于在从像素12读出像素信号时驱动像素12中的读出电路的控制信号的电路单元。各列上的垂直输出线16的一端连接到列读出电路30。从像素12读出的像素信号经垂直输出线16被输入到列读出电路30。列读出电路30是执行预定像素信号处理(例如，信号放大或模数(AD)转换)的电路单元。列读出电路30可以包括差分放大器电路、采样保持电路、AD转换电路等。
水平扫描电路40是向列读出电路30供给用于在列的基础上依次向输出电路60传送在列读出电路30中处理过的像素信号的控制信号的电路单元。控制电路50是供给用于控制垂直扫描电路20、列读出电路30和水平扫描电路40的操作和操作的定时的控制信号的电路单元。输出电路60是由缓冲放大器或差分放大器等构成的电路单元，并且将从列读出电路30读出的像素信号输出到固态成像器件100的外部的信号处理单元。
如图2所示，像素12中的每一个包括光电转换器PD、传送晶体管M1、复位晶体管M2，放大器晶体管M3和选择晶体管M4。例如，光电转换器PD是其阳极连接到接地电压线并且阴极连接到传送晶体管M1的源极的光电二极管。传送晶体管M1的漏极连接到复位晶体管M2的源极和放大器晶体管M3的栅极。传送晶体管M1的漏极、复位晶体管M2的源极和放大器晶体管M3的栅极的连接节点形成所谓的浮置扩散(FD)，并且形成由包含于该节点中的电容器部件形成的电荷-电压转换器。复位晶体管M2的漏极和放大器晶体管M3的漏极连接到电源电压线(Vdd)。放大器晶体管M3的源极连接到选择晶体管M4的漏极。选择晶体管M4的源极连接到垂直输出线16。垂直输出线16的另一端连接到电流源18。
在图2所示的电路构造的情况下，控制信号线14的每一个包括传送栅极信号线TX、复位信号线RES和选择信号线SEL。传送栅极信号线TX连接到传送晶体管M1的栅极。复位信号线RES连接到复位晶体管M2的栅极。选择信号线SEL连接到选择晶体管M4的栅极。
光电转换器PD将入射光转换(光电转换)成根据光量的量的信号电荷，并且蓄积产生的电荷。当导通时，传送晶体管M1将光电转换器PD的电荷传送到浮置扩散FD。浮置扩散FD的电压变为对应于从光电转换器PD传送的电荷的量的电压。放大器晶体管M3被配置为使得电源电压被供给到漏极，并且，偏置电流从电流源18经由选择晶体管M4被供给到源极以形成栅极是输入节点的放大器单元(源极跟随器电路)。由此，放大器晶体管M3经由选择晶体管M4将基于浮置扩散FD的电压的信号输出到垂直输出线16。当导通时，复位晶体管M2将浮置扩散FD复位到对应于电源电压Vdd的电压。
图3是示出根据本实施例的固态成像器件的像素12的平面布局的示图。图4是沿图3的线A-A′截取的示意性截面图。图3和图4仅示出像素12的组件中的光电转换器PD和传送晶体管M1。注意，虽然图3仅示出一个像素12的平面布局，但在实际的实现中，图3的平面布局在水平方向和垂直方向上以预定的单位像素节距(pitch)周期性地重复。图3所示的虚线是相邻像素12之间的边界线的例子。
限定有源(active)区域112的元件隔离绝缘区域114被设置在具有低杂质浓度的n型半导体基板110的表面部分中。在有源区域112中，布置形成光电转换器PD的光电二极管、传送晶体管M1和作为保持从光电转换器PD传送的电荷的电荷保持部分的浮置扩散FD。
光电转换器PD是嵌入式光电二极管，所述光电二极管包括设置在半导体基板110的有源区域112的表面部分中的p型半导体区域116和被设置为与p型半导体区域116的下部邻近的n型半导体区域118。n型半导体区域118是用于蓄积由光电转换器PD产生的信号电荷(电子)的电荷蓄积层。
浮置扩散FD由在半导体基板110的有源区域112的表面部分中与n型半导体区域118隔开设置的n型半导体区域120形成。
传送晶体管M1包括在n型半导体区域118和n型半导体区域120之间被设置在半导体基板110之上的栅极电极124，其中栅极绝缘膜122夹在半导体基板110和栅极电极124之间。在n型半导体区域118和n型半导体区域120之间的半导体基板110的内部，设置用于n型半导体区域118和n型半导体区域120的电绝缘的p型半导体区域126。
作为用于抑制耗尽层从n型半导体区域118向下扩展的耗尽抑制层的p型半导体区域128被设置在n型半导体区域118的下方。p型半导体区域128由在平面图中沿行方向(图3中的水平方向)延伸的条带图案形成。图3示出两个相邻的条带图案化的p型半导体区域128a和128b以及其间的间隙140。在平面图中，p型半导体区域128a和p型半导体区域128b之间的间隙140被布置为横穿n型半导体区域118。或者，当n型半导体区域118和p型半导体区域128a相互重叠的区域被定义为第一区域且n型半导体区域118和p型半导体区域128b相互重叠的区域被定义为第二区域时，可以说第一区域和第二区域相互隔开。第一区域和第二区域通过作为半导体基板110的一部分的n型半导体区域(第四半导体区域)相互隔开。作为半导体基板110的另一部分的n型半导体区域(第五半导体区域)在第一区域、第二区域以及作为半导体基板110的一部分的n型半导体区域的下方延伸。并且，作为第二半导体区域的n型半导体区域118在平面图中具有第一端部和与第一端部相反的第二端部。可以说，第一区域和第二区域跨第一端部的一部分和第二端部的一部分相互隔开。注意，本说明书中的平面图是通过将固态成像器件的各个组件投影到平行于半导体基板110的表面的平面上而获得的二维平面图，并且例如对应于图3的平面布局图。
在半导体基板110的深部中，设置p型半导体区域130、132和134。p型半导体区域130负责半导体基板110内的像素12之间的隔离。p型半导体区域132负责比p型半导体区域130更深的半导体基板110内的像素12之间的隔离。设置p型半导体区域134是为了限定有效地收集在半导体基板110中产生的信号电荷的深度。注意，在本说明书中，通过p型半导体区域126电隔离的半导体基板110的表面部分可以被称为半导体区域。
通过在n型半导体区域118下方设置p型半导体区域128，在n型半导体区域118和p型半导体区域128之间形成pn结电容器。从由Q＝CV表示的关系表达式可以清楚地看出，当预定义的反向偏置电压V被施加到光电转换器PD的pn结时，较大的pn结电容C导致较大的蓄积电荷量Q。当在n型半导体区域118中蓄积的信号电荷被传送到信号输出单元时，在n型半导体区域118的电势达到由电源电压等限定的预定电势之后，n型半导体区域118的信号电荷不再被传送。即，由于由信号电荷的传送引起的电压V的变化量被预定义，因此饱和电荷量与光电转换器PD的p-n结电容成比例地增大。因此，通过设置p型半导体区域128，能够增大作为电荷蓄积层的n型半导体区域118的饱和电荷量。
并且，p型半导体区域128a与p型半导体区域128b之间的间隙140形成当在n型半导体区域118与p型半导体区域134之间的半导体基板110内产生的信号电荷被收集到n型半导体区域118中时的信号电荷的流动路径。因此，适当地设定间隙140的尺寸或形状或者p型半导体区域128的杂质浓度允许在n型半导体区域118和p型半导体区域134之间的半导体基板110内产生的信号电荷被有效地收集到n型半导体区域118中。即，能够获得与在没有p型半导体区域128的结构中所获得的灵敏度相同的灵敏度。
注意，希望间隙140在平面图中被布置于n型半导体区域118的中心部分附近。n型半导体区域118具有中心部分的电势较高且端部的电势较低的电势分布。因此，在通过漂移力将在比p型半导体区域128更深的位置中产生的信号电荷有效地收集到n型半导体区域118中时，在具有较高电势的n型半导体区域118的中心部分附近设置间隙140是有效的。并且，存在在n型半导体区域118的中心部分附近的间隙140的布置中信号电荷的流动路径较短的优点。
因此，根据本实施例的上述构造，可以在不降低光电转换器PD中的光接收灵敏度的情况下增大光电转换器PD的饱和电荷量。
如上所述，在根据本实施例的固态成像器件中，p型半导体区域128a和p型半导体区域128b之间的间隙140被布置为在平面图中横穿n型半导体区域118。这是为了抑制由于制造偏差而导致的特性变化。
虽然平面图中的n型半导体区域118的角部如图3所示的那样被修圆，但是，例如，在实际形成时，角部被修圆的方式根据形成时的条件等未必是不变的。因此，例如，当间隙140如图5所示的那样被布置为与n型半导体区域118的端部重叠时，n型半导体区域118和间隙140的重叠部分的形状根据n型半导体区域118的形成条件等而变化。
如果n型半导体区域118和间隙140的重叠部分的形状由于形成时的变化而变化，则需要设定n型半导体区域118与间隙140的重叠部分的较大面积，以即使有变化也能够获得足够的灵敏度。但是，在这种情况下，由于n型半导体区域118与p型半导体区域128a和128b的重叠部分的面积减小了，因此难以具有光电转换器PD的足够大的饱和电荷量。
就此而言，在根据本实施例的固态成像器件中，p型半导体区域128a与p型半导体区域128b之间的间隙140与n型半导体区域118的角部隔开。因此，即使当n型半导体区域118与p型半导体区域128a和128b的位置在某程度上偏移时，n型半导体区域118和间隙140的重叠部分的形状也不改变。即，在根据本实施例的固态成像器件中，由于无论形成时的偏差如何都可以获得恒定的灵敏度，因此能够实现高灵敏度和大饱和电荷量两者。
注意，由于当间隙140与栅电极124重叠时可能因为相互位置关系的偏移而出现信号电荷的传送性能的变化，因此希望间隙140被布置为在栅极电极124不位于的方向上横穿n型半导体区域118。
如上所述，根据本实施例，能够在稳定地维持光电转换器的灵敏度的同时增大饱和电荷量。这能够以稳定的方式实现具有高灵敏度和大饱和信号量的固态成像器件。
[第二实施例]
将参照图6～8描述根据本发明的第二实施例的固态成像器件。与根据第一实施例的固态成像器件中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。
图6是示出根据本实施例的固态成像器件的像素的平面布局的示图。图7是根据本实施例的固态成像器件的像素的示意性截面图。图7是沿着图6的线B-B'截取的截面图。图8是根据本实施例的比较例的固态成像器件的像素的平面图。
根据本实施例的固态成像器件与根据第一实施例的固态成像器件的不同之处在于设置在用于抑制耗尽层从n型半导体区域118向下方扩展的p型半导体区域128中的间隙140的布置。
即，在根据本实施例的固态成像器件中，如图6所示，p型半导体区域128被布局，使得设置在p型半导体区域128中的间隙140形成为用于各像素12的单独图案，并且，由此相邻像素12的间隙140不相互连接。在平面图中，间隙140的周围被p型半导体区域128包围。并且，p型半导体区域128被布局，使得p型半导体区域128中的间隙140的角部在平面图中不位于n型半导体区域118内。
即，同样在根据本实施例的固态成像器件中，设置在p型半导体区域128中的间隙140被布置为在平面图中横穿n型半导体区域118。换句话说，平面图中的n型半导体区域118和p型半导体区域128的重叠部分包括第一区域和通过间隙140与第一区域隔开的第二区域。
在第一实施例中，p型半导体区域128被布置为使得p型半导体区域128(p型半导体区域128a和128b)形成为在行方向上延伸的条带图案并且图案之间的间隙(间隙140)横穿n型半导体区域118。但是，当在行方向上相邻的像素12的间隙140由于间隙140以这种方式的布置相互连接时，像素12的一些布局可能导致信号电荷经由这样的间隙140泄漏到相邻的像素12中，从而导致像素之间的串扰。
但是，通过如在根据本实施例的固态成像器件中看到的那样间隙140对于像素12中的每一个是单独的图案，p型半导体区域128被布置在相邻像素12的间隙140之间，这可以减少像素之间的串扰。
并且，以与在第一实施例中描述的n型半导体区域118的情况类似的方式，在p型半导体区域128(间隙140)的角部中也在形成时出现不可预测的圆形形状。因此，如果间隙140例如如图8所示的那样被布置在n型半导体区域118的内部，则光接收灵敏度会根据间隙140的形状的变化而变化。
但是，通过间隙140如在本实施例的固态成像器件中看到的那样被布置为横穿n型半导体区域118，n型半导体区域118与间隙140的重叠部分的形状不管形成时的变化如何都是恒定的。由此，不管形成时的变化如何都可以获得恒定的灵敏度，并且能够实现高灵敏度和大饱和电荷量两者。
因此，根据本实施例的固态成像器件，能够在稳定地维持光电转换器的灵敏度的同时增大饱和电荷量并且减少像素之间的串扰。这能够以稳定的方式实现具有高灵敏度和大饱和信号量的固态成像器件。
[第三实施例]
将参照图9描述根据本发明第三实施例的固态成像器件。与根据第一和第二实施例的固态成像器件中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。
图9是根据本实施例的固态成像器件的像素的示意性截面图。在第一和第二实施例中，已经示出了光电转换器PD和传送晶体管M1被布置在第一导电类型的半导体基板110内的例子。在本实施例中，将描述光电转换器PD和传送晶体管M1被布置在与半导体基板110的导电类型相反的导电类型的阱内的例子。
根据本实施例的固态成像器件包括设置在n型半导体基板110中的p型半导体区域142。该p型半导体区域142形成p阱。n型半导体区域118和p型半导体区域116、128、130和132被布置在p型半导体区域142的内部。在本示例性构造中，由于p型半导体区域142形成于n型半导体区域118和n型半导体区域120之间，因此在第一实施例中描述的p型半导体区域126是不必要的。形成p型半导体区域128、130和132的p型杂质的杂质浓度高于p型半导体区域142的p型杂质的杂质浓度。其他构造与根据第一或第二实施例的固态成像器件的构造相同。
在本实施例的固态成像器件中，设置在p型半导体区域128中的间隙140以与第一和第二实施例的情况类似的方式被布置为在平面图中横穿n型半导体区域118。因此，通过适当地设定间隙140的尺寸或形状或p型半导体区域128的杂质浓度，由于在p型半导体区域128下面产生的信号电荷被更有效地收集到n型半导体区域118，因此能够获得比通过其中不设置间隙140的结构获得的灵敏度更高的灵敏度。
并且，不管形成时的变化如何，都可以稳定地形成n型半导体区域118和间隙140的重叠部分的形状。因此，不必进一步扩展间隙140，这可以确保n型半导体区域118和p型半导体区域128的重叠区域，并且允许光电转换器PD的足够大的饱和电荷量。
光电转换器PD和传送晶体管M1被布置在p阱内部的本实施例的固态成像器件具有较弱的信号电荷收集性能，并因此与根据第一和第二实施例的固态成像器件相比具有较低的灵敏度。但是，由于在布置间隙140的部分中也在n型半导体区域118和p型半导体区域142之间形成pn结电容器，因此光电转换器PD的饱和电荷量可以比根据第一和第二实施例的固态成像器件中的饱和电荷量大。能够根据更重要的特性或目的等适当地选择使用各构造中的哪一种。
如上所述，根据本实施例，能够在稳定地保持光电转换器的灵敏度的同时增大饱和电荷量。这能够以稳定的方式实现具有高灵敏度和大饱和信号量的固态成像器件。
[第四实施例]
将参照图10～12描述根据本发明第四实施例的固态成像器件。与根据第一至第三实施例的固态成像器件中的部件相同的部件由相同的附图表示，并且将省略或简化其描述。
图10是根据本实施例的固态成像器件的像素的示意性截面图。图11和图12是传送信号电荷时的半导体基板内的电势的示图。
如图10所示，根据本实施例的固态成像器件除了还具有p型半导体区域144以外与根据第一和第二实施例的固态成像器件相同。p型半导体区域144被设置为使得其至少一部分在平面图中与间隙140重叠。如图10所示，p型半导体区域144在截面图中被设置在p型半导体区域116与n型半导体区域118之间。p型半导体区域144的上部与p型半导体区域116的下部接触，并且p型半导体区域144在半导体基板110内被设置为比n型半导体区域118的下部浅。
如上所述，在n型半导体区域118和p型半导体区域128之间形成pn结电容器。因此，当n型半导体区域118耗尽的电势(耗尽电势)与不设置p型半导体区域128的情况相同时，可以增大光电转换器PD的饱和电荷量。
但是，鉴于从n型半导体区域118向n型半导体区域120传送信号电荷时的传送性能，对于相同的耗尽电势，传送性能在设置p型半导体区域128的情况下与在不设置p型半导体区域128的情况下相比较低。
图11和图12是示出当传送晶体管M1处于导通状态时经由沟道部分从光电转换器PD(n型半导体区域118)到浮置扩散FD(n型半导体区域120)的部分的电势分布的示图。图11对应于没有设置p型半导体区域128的情况，并且将这种情况下的耗尽电势表示为Vdep1。图12对应于设置了p型半导体区域128的情况并且将这种情况下的耗尽电势表示为Vdep2。
当耗尽电势Vdep1等于耗尽电势Vdep2时，光电转换器PD的饱和电荷量在设置p型半导体区域128的情况下比在不设置p型半导体128的情况大。
但是，当设置p型半导体区域128时，如图12所示，在光电转换器PD中出现电势的相对较大的凹陷，并且传送性能下降。该电势凹陷对应于设置p型半导体区域128的间隙140的位置而出现。这是由于，与平面图中的n型半导体区域118和p型半导体128的重叠部分相比，间隙140上的n型半导体区域118不太可能被耗尽。信号电荷可能在传送操作中保留于这种电势凹陷中。
固态成像器件中的光电转换器PD的饱和电荷量是可以保持在光电转换器PD中的电荷量的最大值，该饱和电荷量可以说是可以传送到浮置扩散FD的电荷量。p型半导体区域128的存在增大了与n型半导体区域118的p-n结电容，并且如果耗尽电势相同，则n型半导体区域118可以保持更多的电荷。另一方面，间隙140的存在可能产生潜在的凹陷并且可能导致传送性能的降低。因此，与没有设置p型半导体区域128的情况相比，光电转换器PD的饱和电荷量增大，并且其增大量小于对应于p-n结电容的增大量的增大量。并且，在一些情况下，饱和电荷量可能没有增大多少。
在这样的观点下，在根据本实施例的固态成像器件中，p型半导体区域144在平面图中的基本上与间隙140重叠的位置中被设置在n型半导体区域118的内部。
通过设置p型半导体区域144，设置间隙140的部分中的n型半导体区域118中的电势凹陷被去除，并且可以传送到浮置扩散区域FD的电荷量可以增大。与不设置p型半导体区域128的情况相比，这种情况下的饱和电荷量的增大量大于在n型半导体区域118与p型半导体区域128之间形成的pn结电容的增大量。
即使当不设置p型半导体区域128时，n型半导体区域118的中心部分也具有最高的电势，并因此原本是可能出现电势凹陷的部分。当为p型半导体区域128引入n型半导体区域118的中心部分附近的间隙140时，电势凹陷变得更深。通过在出现电势凹陷的部分中设置p型半导体区域144，能够减少电势凹陷或障碍并且增大可以传送到浮置扩散FD的电荷量。
注意，由于p型半导体区域144的上部与p型半导体区域116接触并且n型半导体区域118存在于p型半导体区域144的下部，因此，p型半导体区域144不封闭间隙140并因此不导致灵敏度降低。因此，与第一实施例相比，在保持与不设置p型半导体区域128的情况相同的灵敏度的同时，能够增大可传送信号电荷的量。
如上所述，根据本实施例，能够在稳定地保持光电转换器的灵敏度的同时增大饱和电荷量。这能够以稳定的方式实现具有高灵敏度和大饱和信号量的固态成像器件。
[第五实施例]
将参照图13描述根据本发明的第五实施例的固态成像器件。与根据第一实施例的固态成像器件中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。图13是根据本实施例的固态成像器件的像素的示意性截面图。
根据本实施例的固态成像器件除了如图13所示的那样还包括n型半导体区域146之外，根据本实施例的固态成像器件与根据第一或第二实施例的固态成像器件相同。在与设置p型半导体区域128的区域基本上相同的平面图中的区域中，n型半导体区域146被设置在p型半导体区域116和p型半导体区域128之间的深度中。n型半导体区域146位于与n型半导体区域118基本上相同的深度中。注意，基本上相同的区域意味着通过使用相同的掩模图案的离子注入形成n型半导体区域146和p型半导体区域128。
例如，n型半导体区域118的杂质浓度被设定，使得可以获得与不设置n型半导体区域146的情况相同的饱和电荷量。因此，本实施例的固态成像器件中的n型半导体区域118的杂质浓度比第一实施例的固态成像器件中的n型半导体区域118的杂质浓度低。由于在平面图中的与间隙140重叠的部分中没有设置n型半导体区域146，因此在设置间隙140的部分的n型半导体区域118中不太可能形成电势凹陷，这可以增大可传送信号电荷的量。
并且，在本实施例中，可以在相同的掩模工艺中形成p型半导体区域128和n型半导体区域146，并且，与第四实施例的情况相比，光刻工艺的数量可以减少一个。并且，在p型半导体区域128和n型半导体区域146之间不发生定位偏移，这使得可以获得稳定的饱和电荷量、稳定的传送特性和稳定的灵敏度特性。
如上所述，根据本实施例，能够在稳定地维持光电转换器的灵敏度的同时增大饱和电荷量。这能够以稳定的方式实现具有高灵敏度和大饱和信号量的固态成像器件。
[第六实施例]
将参照图14描述根据本发明的第六实施例的成像系统。与根据第一至第五实施例的固态成像器件中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。图14是示出根据本实施例的成像系统的总体构造的框图。
在以上的第一至第五实施例中描述的固态成像器件100可以应用于各种成像系统。可应用的成像系统的例子可以包括数字静态照相机，数字摄录像机、监视摄像机、复印机、传真机、移动电话、车载摄像机和观察卫星等。并且，在成像系统中可以包括具有诸如透镜的光学系统的照相机模块和成像器件。图14示出作为以上的示例的数字静态照相机的框图。
在图14中作为例子示出的成像系统200包含成像器件201、将被照体的光学图像捕获到成像器件201上的透镜202、用于改变穿过透镜202的光量的光圈204和用于保护透镜202的屏障206。透镜202和光圈204形成将光会聚到成像器件201上的光学系统。成像器件201是在第一到第五实施例中描述的固态成像器件100，并将由透镜202捕获的光学图像转换成图像数据。
成像系统200还包括处理从成像器件201输出的输出信号的信号处理单元208。信号处理单元208执行将从成像器件201输出的模拟信号转换为数字信号的模数(AD)转换。并且，信号处理单元208执行根据需要执行各种校正或压缩并且输出图像数据的其他操作。作为信号处理单元208的一部分的AD转换单元可以形成于其中设置成像器件201的半导体基板上，或者可以形成于与成像器件201不同的半导体基板上。此外，成像器件201和信号处理单元208可以形成于同一半导体基板上。
成像系统200还包括用于在其中暂时存储图像数据的缓冲存储器单元210和用于与外部计算机等通信的外部接口单元(外部I/F单元)212。成像系统200还包括用于执行图像拾取数据的存储或读出的诸如半导体存储器的存储介质214和用于在存储介质上执行存储或读出的存储介质控制接口单元(存储介质控制I/F单元)216。注意，存储介质214可以被嵌入成像系统200中或者可以是可移除的。
成像系统200还包括执行各种计算并控制整个数字静态照相机的总体控制/操作单元218和将各种定时信号输出到成像器件201和信号处理单元208的定时产生单元220。这里，定时信号等可以从外部被输入，并且成像系统200可以至少具有成像器件201和处理从成像器件201输出的输出信号的信号处理单元208。
成像器件201将成像信号输出到信号处理单元208。信号处理单元208对从成像器件201输出的成像信号执行预定的信号处理，并输出图像数据。此外，信号处理单元208使用成像信号以产生图像。
采样第一至第五实施例中的任何一个的固态成像器件100可以实现能够按稳定的方式以高灵敏度和大饱和信号量获取良好质量图像的成像系统。
[第七实施例]
将参照图15A和图15B描述根据本发明第七实施例的成像系统和可移动物体。图15A是示出根据本实施例的成像系统的构造的示图。图15B是示出根据本实施例的可移动物体的构造的示图。
图15A示出关于车载照相机的成像系统的例子。成像系统300包括成像器件310。成像器件310是在上述第一到第五实施例中描述的固态成像器件100中的任何一个。成像系统300包括对由成像器件310获取的多个图像数据执行图像处理的图像处理单元312和从通过成像系统300获取的多个图像计算视差(视差图像的相位差)的视差计算单元314。此外，成像系统300包括：基于计算的视差计算到物体的距离的距离测量单元316；以及基于计算的距离确定是否存在碰撞可能性的碰撞确定单元318。这里，视差计算单元314和距离测量单元316是获取关于到物体的距离的距离信息的距离信息获取单元的例子。即，距离信息是关于视差、离焦量和到物体的距离等的信息。碰撞确定单元318可以使用任何距离信息以确定碰撞可能性。距离信息获取单元可以通过专门设计的硬件来实现，或者可以通过软件模块来实现。此外，距离信息获取单元可以由现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)等实现，或者可以通过其组合来实现。
成像系统300连接到车辆信息获取器件320，并且可以获取车辆信息，诸如车辆速度、横摆角速度(yaw rate)或转向角度等。此外，成像系统300与控制ECU 330连接，该控制ECU 330是基于碰撞确定单元318的确定结果输出用于使得车辆产生制动力的控制信号的控制器件。此外，成像系统300与基于碰撞确定单元318的确定结果向驾驶者发出警报的警报器件340连接。例如，当碰撞可能性作为碰撞确定单元318的确定结果高时，控制ECU 330执行车辆控制以通过施加制动、推回加速器或抑制发动机功率等避免碰撞或减少损坏。警报器件340通过发出诸如声音的警报、在汽车导航系统等的显示器上显示警报信息、向座椅安全带或方向盘提供振动等，提醒用户。
在本实施例中，通过使用成像系统300捕获车辆周围的区域，例如前方区域或后方区域。图15B示出捕获车辆的前方区域(捕获区域350)的情况下的成像系统。车辆信息获取器件320向成像系统300或成像器件310传送指令以执行预定的操作。这样的构造可以进一步提高测距精度。
尽管在上面的描述中示出用于避免与另一车辆碰撞的控制的示例子，但是实施例适用于跟随另一车辆的自动驾驶控制或不从车道出去的自动驾驶控制等。并且，成像系统不限于诸如本车辆的车辆，并且可以应用于例如船舶、飞机或工业机器人的可移动物体(移动装置)。另外，成像系统可以广泛应用于诸如智能交通系统(ITS)的利用物体识别的器件，而不限于可移动物体。
[变更实施例]
本发明不限于上述实施例，而是可以进行各种修改。
例如，本发明的实施例包括实施例中的任一个的构造的一部分被添加到另一实施例的例子以及实施例中的任一个的构造的一部分被替换为另一实施例的构造的一部分的例子。例如，第四实施例的p型半导体区域144可以应用于第三或第五实施例的固态成像器件。
此外，虽然在上述实施例中已经描述了使用产生电子作为信号电荷的光电转换器PD的固态成像器件的例子，但是本发明能够以类似的方式应用于使用产生作为信号电荷的空穴的光电转换器PD的固态成像器件。在这种情况下，形成像素12的各个部分的半导体区域的导电类型是相反的导电类型。注意，在上述实施例中描述的晶体管的源极和漏极的名称可以根据晶体管的导电类型或关注的功能等而不同，并且以上描述的源极和漏极中的全部或一些可以用相反的名字来描述。
此外，图2所示的像素12的电路构造是例子，并且可以适当地改变。像素12可以是任何像素，只要它至少具有光电转换器PD和将电荷从光电转换器PD传送到电荷保持部分的传送晶体管M1即可。本发明不仅可以应用于CMOS图像传感器，而且可以应用于CCD图像传感器。并且，电荷从光电转换器PD传送到的电荷保持部分不一定需要是作为放大器单元的输入节点的浮置扩散FD，而可以是与光电转换器PD和浮置扩散FD分开的电荷保持部分。
此外，虽然在上述第一实施例中p型半导体区域128由在平面图中在行方向上延伸的条带图案形成，但是它可以由在平面图中在列方向上延伸的条带图案形成。同样，在这种情况下，p型半导体区域128a和p型半导体区域128b之间的间隙140被布置为在平面图中横穿n型半导体区域118。类似地，间隙140在第二实施例中可以是在列方向上延伸的图案。
此外，在上述的第四和第五实施例中，已经基于根据第一和第二实施例的固态成像器件的构造描述了各实施例的特征。但是，在第四和第五实施例中，p型半导体区域128的平面布局不一定需要与图3或图6所示的相同。例如，与图8所示的p型半导体区域128相同的平面布局可应用于第四和第五实施例的固态成像器件中。
在这种情况下，如上所述，间隙140的角部的形状可能变化，这可能影响特性的变化。但是，当即使考虑这种变化的估计增大饱和电荷量的效果也较大时，诸如当n型半导体区域118的平面形状接近例如正方形时，即使在图8的平面布局的情况下，也能够在保持灵敏度的同时获得比现有技术更大的饱和电荷量。
此外，在第六和第七实施例中示出的成像系统被示为可以应用本发明的成像器件的示例性成像系统，并且可以应用本发明的成像器件的成像系统不限于图14～图15B所示的构造。
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样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (13)

1.一种固态成像器件，其特征在于包括：
多个像素，所述多个像素中的每一个包含光电转换器，
其中，光电转换器包含用于蓄积信号电荷的第一导电类型的第一半导体区域、被设置在第一半导体区域下面的第二导电类型的第二半导体区域和被设置在第二半导体区域下面的第三半导体区域，
其中，第一半导体区域具有第一端部和与第一端部相反的第二端部，
其中，光电转换器包含电路径，信号电荷在第一半导体区域和第三半导体区域之间沿着所述电路径传送，
其中，所述电路径设置在第二半导体区域所设置的深度处，从第一端部的一部分延伸到第二端部的一部分，并且延伸超过第一端部的所述一部分和第二端部的所述一部分中的每一者，以及
其中，在平面图中，第一半导体区域与所述电路径的一部分彼此重叠。
2.根据权利要求1所述的固态成像器件，其中，所述电路径被布置为在平面图中横穿第一半导体区域。
3.根据权利要求1或2所述的固态成像器件，其中，在平面图中，所述电路径被第二半导体区域包围。
4.根据权利要求1或2所述的固态成像器件，其中，光电转换器还包含被设置在关于第一半导体区域与第二半导体区域相反的侧的第二导电类型的第四半导体区域。
5.根据权利要求1或2所述的固态成像器件，其中，光电转换器还包含第二导电类型的第五半导体区域，在平面图中，第五半导体区域的至少一部分与所述电路径重叠。
6.根据权利要求1或2所述的固态成像器件，其中，光电转换器还包含第一导电类型的第六半导体区域，第六半导体区域被设置在平面图中与设置第二半导体区域的区域相同的区域中的、第一半导体区域与第二半导体区域之间的深度中。
7.根据权利要求1或2所述的固态成像器件，
其中，所述多个像素中的每一个还包含电荷保持部分，并且还包含将电荷从光电转换器传送到电荷保持部分的传送晶体管，并且
其中，在平面图中，所述电路径不与传送晶体管的栅电极重叠。
8.根据权利要求1或2所述的固态成像器件，其中，在平面图中，所述电路径延伸通过第一半导体区域的中心部分。
9.根据权利要求1或2所述的固态成像器件，还包含被设置在第三半导体区域下面的第二导电类型的第七半导体区域以及被设置在第七半导体区域下面的第一导电类型的第八半导体区域，
其中，光电转换器通过第七半导体区域与第八半导体区域电气隔离。
10.根据权利要求1或2所述的固态成像器件，其中，第二半导体区域包含在平面图中与第一半导体区域重叠的第一区域和第二区域，其中所述第一区域和所述第二区域与第一端部的所述一部分和第二端部的所述一部分隔开。
11.根据权利要求10所述的固态成像器件，其中，第三半导体区域从所述第一区域和所述第二区域下面延伸超过所述电路径。
12.一种成像系统，其特征在于包括：
根据权利要求1～11中的任一项所述的固态成像器件；和
信号处理单元，信号处理单元处理从固态成像器件的像素输出的信号。
13.一种可移动物体，其特征在于包括：
根据权利要求1～11中的任一项所述的固态成像器件；和
距离信息获取单元，距离信息获取单元被配置为从基于来自固态成像器件的信号的视差图像获取到物体的距离的距离信息；和
控制单元，控制单元被配置为基于所述距离信息控制可移动物体。
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