JP2014225536A - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイナミックレンジを維持しつつ電荷転送効率を向上させるのに有利な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】光が入射する側の第１面と前記第１面とは反対側の第２面とを有する半導体部分と、前記半導体部分の前記第１面の側に配された光学系と、を有する固体撮像装置であって、前記半導体部分における前記第２面の側に設けられた第１導電型の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域を取り囲むように前記半導体部分に設けられ、前記第１導電型の第２の半導体領域を有する光電変換部と、前記半導体部分の前記第２面において前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間に配され、前記光電変換部で生じた電荷を前記第１の半導体領域に転送するためのゲート電極と、を備え、前記光学系は、前記第２の半導体領域における光強度が、前記第１の半導体領域における光強度よりも大きくなるように構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像装置及びカメラに関する。

固体撮像装置は、光電変換部と、フローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）と、光電変換部で発生し蓄積された電荷をＦＤに転送する転送トランジスタとを有しうる。ＦＤの電位に応じた信号が固体撮像装置から画素信号として得られる。

特許文献１には、ＦＤが画素領域の中央に設けられ、光電変換部が当該ＦＤを取り囲むように画素領域の周辺に設けられ、転送トランジスタのゲート電極が環状に形成された裏面照射型の固体撮像装置が開示されている。

特開２０１１−０４９４４６号公報

特許文献１の構造によると、ＦＤにおいても光電変換が為されるため、光電変換部からＦＤへの電荷転送が為される前にＦＤの電位が変化してしまう。これによってダイナミックレンジが狭くなってしまい、例えば輝度が高い場合には、画素ないし該画素からの信号を読み出す読出部の出力が、その飽和レベルを越えてしまう。

本発明の目的は、ダイナミックレンジを維持しつつ電荷転送効率を向上させるのに有利な固体撮像装置を提供することにある。

本発明の一つの側面は固体撮像装置にかかり、前記固体撮像装置は、光が入射する側の第１面と前記第１面とは反対側の第２面とを有する半導体部分と、前記半導体部分の前記第１面の側に配された光学系と、を有する固体撮像装置であって、前記半導体部分における前記第２面の側に設けられた第１導電型の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域を取り囲むように前記半導体部分に設けられ、前記第１導電型の第２の半導体領域を有する光電変換部と、前記半導体部分の前記第２面において前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間に配され、前記光電変換部で生じた電荷を前記第１の半導体領域に転送するためのゲート電極と、を備え、前記光学系は、前記第２の半導体領域における光強度が、前記第１の半導体領域における光強度よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ダイナミックレンジを維持しつつ電荷転送効率を向上させることができる。

画素の回路構成例を説明する図。 固体撮像装置の構成例を説明する図。 第１実施形態にかかる固体撮像装置の構成例を説明する図。 第１実施形態にかかる固体撮像装置の他の構成例を説明する図。 固体撮像装置の動作シーケンスの例を説明する図。 第２実施形態にかかる固体撮像装置の構成例を説明する図。 第３実施形態にかかる固体撮像装置の構成例を説明する図。 第４実施形態にかかる固体撮像装置の構成例を説明する図。 第５実施形態にかかる固体撮像装置の構成例を説明する図。 第６実施形態にかかる固体撮像装置の構成例を説明する図。

（画素及び固体撮像装置の回路構成例）
図１は、画素Ｐの回路構成例を示している。画素Ｐは、光電変換部ＰＤ（例えば、フォトダイオード）、転送トランジスタ１１、フローティングディフュージョン１２（以下、「ＦＤ１２」）、ソースフォロワトランジスタ１３、リセットトランジスタ１４、選択トランジスタ１５を含みうる。転送トランジスタ１１のゲート端子には、制御信号線２０を介して制御信号ＴＸが与えられる。制御信号ＴＸが活性化されると、光電変換部ＰＤにおいて受光によって発生した電荷が、転送トランジスタ１１によって、ＦＤ１２（転送トランジスタ１１のドレイン領域）に転送される。ＦＤ１２はソースフォロワトランジスタ１３のゲート端子に接続されており、ソースフォロワトランジスタ１３のソース電位は、ＦＤ１２に転送された電荷量の変動に応じて変化する。選択トランジスタ１５のゲート端子には、制御信号線２２を介して制御信号ＳＥＬが与えられる。制御信号ＳＥＬが活性化されると、選択トランジスタ１５は、ソースフォロワトランジスタ１３のゲート電位に応じた画素信号を列信号線２３に出力しうる。また、リセットトランジスタ１４のゲート端子には、制御信号線２１を介して制御信号ＲＥＳが与えられる。制御信号ＲＥＳが活性化されると、リセットトランジスタ１４はＦＤ１２の電位をリセットしうる。

図２は、固体撮像装置ＩＳの回路構成例を示している。固体撮像装置ＩＳは、画素アレイＰＡと、駆動部２４と、読出部２５と、制御部２７と、出力部２９とを備えうる。画素アレイＰＡは、複数の行および複数の列を構成するように配列された複数の画素Ｐを含む。ここでは、理解の容易化のため、３行×４列で配列された構成が図示されている。

駆動部２４は、例えばシフトレジスタを有しており、クロック信号に応じて前述の制御信号を画素アレイＰＡに出力し、行ごとに各画素Ｐを駆動する。読出部２５は、各列に対応して設けられ、前述の制御信号に応答して出力された各画素Ｐからの画素信号を列ごとに読み出す。読出部２５により読み出された各画素信号は、制御部２７からの制御信号にしたがって信号線２８ａ及び２８ｂを介して水平転送され、列ごとに順に出力部２９から出力されうる。

画素信号の読み出しは、例えば相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）法にしたがう回路構成によって為されうる。例えば、読出部２５は、例えば信号保持部を有しており、各画素Ｐからの画素信号を読み出す際に、ＦＤ１２の電位がリセットされたときの出力をノイズレベルとして予めクランプしうる。その後、画素Ｐから読み出された信号と当該ノイズレベルとの差分を読み出すことによりノイズが除去されうる。当該差分は、出力部２９において増幅され、画素信号として出力されうる。

（第１実施形態）
図３〜５を参照しながら、第１実施形態の固体撮像装置ＩＳ_１を説明する。図３は、固体撮像装置ＩＳ_１における単位画素Ｐの構成例を模式的に示している。図３（ａ）は、画素Ｐの上面図を示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるカットラインＡ−Ａ’の断面構造図を示しており、図３（ｃ）は、カットラインＢ−Ｂ’の断面構造図を示している。また、図３（ｄ）は、画素Ｐに対応して設けられた光学系の構成例を示している。

固体撮像装置ＩＳ_１は、互いに対向するＸ面（第１面）及びＹ面（第２面）を有する半導体部分Ｒ１と、半導体部分Ｒ１のＸ面側に配された光学系Ｒ２と、を備えうる。Ｘ面側は、固体撮像装置ＩＳ_１への光が入射する側の面であり、即ち、固体撮像装置ＩＳ_１は裏面照射型である。

半導体部分Ｒ１におけるＹ面側（光が入射するＸ面の反対側）には、画素Ｐの中央領域において、Ｐ型ウエル３８と、Ｎ型の半導体領域３３（以下、「Ｎ型半導体領域３３」）とが設けられており、前述のＦＤ１２が構成されている。また、Ｐ型ウエル３８及びＮ型半導体領域３３を取り囲むように、Ｎ型半導体領域３５、Ｎ型半導体領域３６及びＰ型半導体領域３７が設けられている。前述の光電変換部ＰＤは、Ｎ型半導体領域３５、Ｎ型半導体領域３６の一部及びＰ型半導体領域３７を含んで構成されている。また、Ｐ型ウエル３８の下には、Ｐ型ウエル３８よりも幅が細いＰ型半導体領域３９が形成されうる。

また、光電変換部ＰＤで生じた電荷をＮ型半導体領域３６からＮ型拡散領域３３に転送するためのゲート電極３２が、半導体部分Ｒ１のＹ面に絶縁膜を介して配されている。ゲート電極３２は、Ｎ型半導体領域３３の外側に配されており、平面視（図３（ａ）参照）において、環状のパターン（幅Ｌ、即ちゲート長Ｌ）で形成されている。このようにして前述の転送トランジスタ１１が構成されており、電荷の転送効率を向上させるため、転送トランジスタ１１は画素Ｐの中央領域に設けられうる。なお、図３（ａ）では、真円状のパターンで示しているが、この形状に限られるものではなく、例えば矩形形状でもよいし、また、一部が除去された構造でもよい。一部が除去された構造においては、当該除去された部分に高濃度のＰ型半導体領域又は絶縁体を設け、Ｎ型半導体領域３３とＮ型半導体領域３５と、又はＮ型半導体領域３３とＮ型半導体領域３６とを電気的に分離するとよい。

なお、転送トランジスタ１１を非導通状態にしている間（即ち光電変換部ＰＤで生じた電荷を蓄積する間）は、ゲート電極３２には負バイアスが印加されうる。このとき、ゲート電極３２下の半導体部分Ｒ１の表面付近においては正孔（ホール）が蓄積され、いわゆるホールピニング状態になる。これによって半導体部分Ｒ１と絶縁膜との界面トラップによる暗電流が抑制され、また、撮影時の白点の発生が防止されうる。

なお、ここでは図示していないが、画素Ｐの周辺領域には、その他のトランジスタ（ソースフォロワトランジスタ１３、リセットトランジスタ１４、選択トランジスタ１５）が配されうる。

半導体部分Ｒ１におけるＸ面側には、Ｐ型半導体領域４４（第２の半導体領域）が設けられており、基準電圧（例えばグランド電位）が供給されうる。また、画素Ｐは、Ｐ型の素子分離領域４０によって区画されうる。素子分離領域４０は、Ｐ型半導体領域４４に電気的に接続されており、隣接画素間を電気的に分離する。また、このような構成によって、半導体基板、ないし半導体部分Ｒ１と絶縁膜との界面で生じうる暗電流が抑制されうる。

半導体部分Ｒ１のＸ面側には光学系Ｒ２が設けられており、例えば、Ｘ面側から順に、反射防止膜４５と、絶縁層４６と、遮光部４７と、平坦化層３０と、カラーフィルタ４８ａないし４８ｂと、マイクロレンズ３４とが配されうる。反射防止膜４５は、例えば絶縁膜等の無機材料で構成され、マイクロレンズ３４を通過した光の反射を防止する。遮光部４７は、隣接画素間の混色を防ぐように設けられうる。カラーフィルタ４８ａ及び４８ｂは、各画素Ｐに対応して設けられ、例えばベイヤ配列にしたがって設けられうる。

また、半導体部分Ｒ１のＹ面側には、ゲート電極３２の他、ゲート電極３２を覆うように設けられた絶縁部材４２と、絶縁部材４２の内部に設けられた配線パターン４１とが配されうる。これらは、層間絶縁膜と配線層とが交互に設けられた多層配線構造で構成されうる。また、絶縁部材４２の上には、絶縁部材４２、半導体部分Ｒ１及び光学系Ｒ２を支持する支持部４３が配されうる。

ここで、マイクロレンズ３４は、図３（ａ）に示されるように、Ｘ面に対する平面視において、その中心がＮ型半導体領域３３の外縁よりも外側に位置するように形成されうる。これにより、半導体部分Ｒ１において、光強度がＮ型半導体領域３３の内側よりもＮ型半導体領域３３の外側の方が大きくなるように、光強度分布が形成されうる。マイクロレンズ３４は、図３（ａ）及び（ｄ）に例示されるように、対辺方向ないし対角方向において、いわゆるギャップレスで形成されてもよい。

マイクロレンズ３４は、公知の製造方法で形成されうる。例えばマイクロレンズ３４の材料となるレンズ部材の上にレジストパターンを形成し、当該レジストパターンを熱によってリフローさせて凸形状のレジストパターンを得る。その後、この凸形状のレジストパターンとレンズ材料とをエッチングすることによって、レジストパターンの凸形状をレンズ材料に転写し、マイクロレンズ３４が形成されうる。マイクロレンズ３４の他の製造方法として、諧調性を有するグレースケールマスクを用いて露光処理および現像処理を行うことによってもマイクロレンズ３４が形成されうる。

なお、本実施形態では単位画素Ｐに４つのマイクロレンズ３４が配された構造を例示したが、Ｎ型半導体領域３３の内側よりも外側において光強度が大きくなるように構成されればよく、この構造に限られるものではない。例えば、図４に示されるように、単位画素Ｐあたり２つのマイクロレンズ３４が配された構造でもよく、この構造においても、各マイクロレンズ３４の中心はＮ型半導体領域３３の外縁よりも外側に位置している。

以下、図５を参照しながら、固体撮像装置ＩＳ_１の動作シーケンス、及び当該動作シーケンスにおけるＦＤ１２の電位Ｖ_ＦＤについて述べる。図５は、各制御信号（ＳＥＬ、ＲＥＳ及びＴＸ）と、ケース（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれについてのＦＤ１２の電位Ｖ_ＦＤと、を、横軸を時間軸として、それぞれ示している。

ケース（Ａ）は、第１の比較例として示されており、転送トランジスタ１１が、画素Ｐの中央領域ではなく、その他のトランジスタ（ソースフォロワトランジスタ１３等）と共に画素Ｐの周辺領域に設けられた構成の場合を示している。即ち、ケース（Ａ）によると、転送トランジスタ１１が画素Ｐの端部に設けられており、光電変換部ＰＤの全体からの電荷の転送効率が本実施形態よりも低くなりうる。

ケース（Ｂ）は、第２の比較例として示されており、転送トランジスタ１１が画素Ｐの中央領域に設けられた構造において、光強度がＮ型半導体領域３３の外側よりも内側の方が大きい光強度分布になるように構成された場合を示している。即ち、ケース（Ｂ）によると、転送トランジスタ１１が画素Ｐの中央付近に設けられているため、電荷の転送効率はケース（Ａ）よりも高い。しかし、マイクロレンズ３４を通過した光は、主にＦＤ１２の付近（ここではＮ型半導体領域３３）に集光されうる。

ケース（Ｃ）及び（Ｄ）は、本実施形態の電位Ｖ_ＦＤを示しており、転送トランジスタ１１が画素Ｐの中央領域に設けられた構造において、光強度がＮ型半導体領域３３の内側よりも外側の方が大きい光強度分布になるように構成された場合を示している。即ち、ケース（Ｃ）及び（Ｄ）によると、転送トランジスタ１１が画素Ｐの中央付近に設けられているため、電荷の転送効率はケース（Ａ）よりも高い。また、ケース（Ｃ）及び（Ｄ）によると、マイクロレンズ３４を通過した光は、主に光電変換部ＰＤの付近（ここではＮ型半導体領域３６又はＮ型半導体領域３５）に集光されうる。

期間Ｔ１において、制御信号線２２を介して制御信号ＳＥＬが活性化され、画素信号を読み出すべき行の画素Ｐの選択トランジスタ１５が導通状態になる。時刻ｔ_１１で、制御信号線２１を介して制御信号ＲＥＳが活性化されてリセットトランジスタ１４が導通状態になり、電位Ｖ_ＦＤがリセット電位になる。リセット後の時刻ｔ_１２で、画素Ｐからの出力がノイズレベルとして得られる。なお、リセット電位は、電源電圧を例えば３．３Ｖとしたとき、リセットトランジスタを介することで３．０Ｖ程度になる。その後、時刻ｔ_１３で、制御信号線２０を介して制御信号ＴＸが活性化されて転送トランジスタ１１が導通状態になり、光電変換部ＰＤの電荷がＦＤ１２に転送され、電位Ｖ_ＦＤが、例えば２．０Ｖ程度まで下がる。その後、例えば時刻ｔ_１４で、電荷を転送した後の画素Ｐからの出力が信号レベルとして読み出され、当該信号レベルと前述のノイズレベルとの差分に応じた信号が画素信号として得られる。また、さらに画素信号を取得する場合には、期間Ｔ２において同様の動作が為されうる。

以上の動作シーケンスにおいて、第１の比較例であるケース（Ａ）によると、リセット後に電荷の転送を行うことによって電位Ｖ_ＦＤが下がる。なお、時刻ｔ_１３以降において電位Ｖ_ＦＤが下がっている期間を期間Ｔａと示し、その変化量をΔＶａと示す。

一方、第２の比較例であるケース（Ｂ）によると、マイクロレンズ３４を通過した光は、主にＦＤ１２の付近（ここではＮ型半導体領域３３）に集光されて光電変換される。そのため、電荷の転送を開始する前（時刻ｔ_１１〜ｔ_１３）に、ＦＤ１２への電荷の移動により、又はＦＤ１２での電荷の発生により、電位Ｖ_ＦＤが下がってしまう。この期間における電位Ｖ_ＦＤの変化量をΔＶｂ１と示す。その後、時刻ｔ_１２において電荷の転送が為され、さらに電位Ｖ_ＦＤが下がる。この期間における電位Ｖ_ＦＤの変化量をΔＶｂ２と示す。しかしながら、ケース（Ｂ）によると、電荷の転送を開始する前から電位Ｖ_ＦＤがΔＶｂ１だけ下がる。これにより、画素Ｐないし読出部２５の出力のダイナミックレンジが狭くなってしまい、例えば、輝度が高い場合には、画素Ｐないし読出部２５の出力が飽和レベルを越えてしまう。また、ＣＤＳ処理を行う場合には、ＦＤ１２の電位Ｖ_ＦＤが変化することで、画素Ｐのノイズレベルが変化してしまう。この変化したノイズレベルを用いてＣＤＳ処理を行うと、得られる画像が黒く沈んだような状態になってしまう。

本実施形態であるケース（Ｃ）及び（Ｄ）によると、マイクロレンズ３４を通過した光が、主に光電変換部ＰＤの付近（ここではＮ型半導体領域３６又はＮ型半導体領域３５）に集光される。そのため、ケース（Ａ）と同様の波形が得られ、電荷の転送を開始する前（時刻ｔ_１１〜ｔ_１３）において電位Ｖ_ＦＤが変化していない又は電位Ｖ_ＦＤの変化量が小さい。ケース（Ｃ）では、時刻ｔ_１３以降において電位Ｖ_ＦＤが下がっている期間を期間Ｔｃと示し、その変化量をΔＶｃと示す。また、ケース（Ｄ）では、時刻ｔ_１３以降において電位Ｖ_ＦＤが下がっている期間を期間Ｔｄと示し、その変化量をΔＶｄと示す。ケース（Ｃ）及び（Ｄ）によると電荷の転送効率がケース（Ａ）よりも向上する。例えば、ケース（Ｃ）では、ΔＶｃとΔＶａとが略等しい場合で比較すると期間Ｔｃは期間Ｔａよりも小さい。よって、ケース（Ｃ）によると、画素信号の読出速度が向上するためフレームレートを高くすることが可能になり、また、電荷の蓄積時間を大きくして光感度を向上させることも可能である。また、例えば、ケース（Ｄ）では、期間Ｔｄと期間Ｔａとが略等しい場合で比較するとΔＶｄはΔＶａよりも大きい。よって、ケース（Ｄ）によると、光電変換部ＰＤでの発生電荷量が画素信号に効果的に反映されたといえる。

以上、本実施形態によると、光学系Ｒ２は、マイクロレンズ３４のそれぞれが、Ｘ面に対する平面視において、その中心がＮ型半導体領域３３の外縁よりも外側に位置するように形成されている。これにより、半導体部分Ｒ１では、Ｎ型半導体領域３３の内側よりも外側において光強度が大きくなるように光強度分布が形成されうる。よって、本実施形態によると、ダイナミックレンジを維持しつつ電荷転送効率を向上させることができる。

（第２実施形態）
図６を参照しながら、第２実施形態の固体撮像装置ＩＳ_２を説明する。図６は、固体撮像装置ＩＳ_２における単位画素Ｐの断面構造図を図３（ｂ）と同様にして示している。第１実施形態では、転送トランジスタ１１を非導通状態にしている間はゲート電極３２には負バイアスが印加され、ゲート電極３２下の半導体部分Ｒ１の表面付近においてホールピニング状態になる構成を例示した。しかしながら、本実施形態のように、Ｐ型ウエル３８が、半導体部分Ｒ１におけるＸ面側に設けられたＰ型半導体領域４４と電気的に接続された構成を採ってもよい。

Ｐ型ウエル３８とＰ型半導体領域４４とは、同じ導電型のＰ型半導体領域３９が、Ｘ面側からＹ面側にわたって設けられることによって接続されうる。この構造によると、Ｐ型ウエル３８の電位がグランド電位に固定されて安定する。本実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
図７を参照しながら、第３実施形態の固体撮像装置ＩＳ_３を説明する。図７は、固体撮像装置ＩＳ_３における単位画素Ｐの断面構造図を図３（ｂ）と同様にして示している。本実施形態は、Ｎ型半導体領域３３の内側における光強度が小さくなるように、半導体部分Ｒ１と光学系Ｒ２との間に遮光部材６０が設けられている点で、第２実施形態と異なる。遮光部材６０は、その半導体部分に対する正射影の少なくとも一部が、Ｎ型半導体領域３３に重なるように配されうる。換言すると、遮光部材６０は、Ｎ型半導体領域３３を通るＹ面の法線上に配されうる。本実施形態によると、半導体部分Ｒ１において、光強度がＮ型半導体領域３３の内側よりもＮ型半導体領域３３の外側の方が、より大きくなるように光強度分布が形成されうる。よって、本実施形態によっても、第１〜第２実施形態と同様の効果がより効果的に得られる。

（第４実施形態）
図８を参照しながら、第４実施形態の固体撮像装置ＩＳ_４を説明する。図８は、固体撮像装置ＩＳ_３における単位画素Ｐの構成例を模式的に示している。図８（ａ）は画素Ｐの回路構成例を図１と同様にして示し、図８（ｂ）は画素Ｐの上面図を図３（ａ）と同様にして示し、図８（ｃ）は図８（ｂ）におけるカットラインＣ−Ｃ’の断面構造図を図３（ｂ）と同様にして示している。

本実施形態では、画素Ｐは、図８（ａ）に示されるように、２つの転送トランジスタ１１_１及び１１_２と電荷保持部７５とを含む。第１の転送トランジスタ１１_１のドレイン領域と、第２の転送トランジスタ１１_２のソース領域とは、図８（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、半導体部分Ｒ１に設けられたＮ型半導体領域３３_１によって一体に形成されうる。電荷保持部７５はＮ型半導体領域３３_１（第３の半導体領域）の拡散容量によって構成されうる。Ｎ型半導体領域３３_２は、前述のＦＤ１２に対応している。

転送トランジスタ１１_１及び１１_２のゲート電極３２_１及び３２_２は、画素Ｐの中央領域に設けられたＰ型ウエル３８の上に絶縁膜を介して配される。即ち、転送トランジスタ１１_１及び１１_２は、画素Ｐの中央領域に設けられる。図８（ｂ）に示されるように、転送トランジスタ１１_１及び１１_２のゲート電極３２_１及び３２_２は、例えば所定の幅の環状のパターンで形成されうる。本実施形態では、環状のゲート電極３２_１の内側に環状のゲート電極３２_２が配されている。

以下、固体撮像装置ＩＳ_４の動作シーケンスについて述べる。転送トランジスタ１１_１のゲート端子には、制御信号線２０_１を介して制御信号ＴＸ１が入力され、転送トランジスタ１１_２のゲート端子には、制御信号線２０_２を介して制御信号ＴＸ２が入力される。制御信号ＴＸ１及びＴＸ２を用いて、転送トランジスタ１１_１と転送トランジスタ１１_２とは個別に制御されうる。これにより、光電変換部ＰＤで電荷を蓄積する動作（電荷蓄積動作）と、光電変換部ＰＤから電荷保持部７５に電荷を転送する動作または電荷保持部７５からＦＤ１２に電荷を転送する動作（電荷転送動作）と、が為されうる。

まず、第１の電荷蓄積動作が為されうる。第１の電荷蓄積動作では、ゲート電極３２_１には負バイアスが印加され、光電変換部ＰＤにおいて入射光量に応じた量の電荷が生じ、蓄積される。その後、第１の電荷転送動作が為されうる。第１の電荷転送動作では、ゲート電極３２_１に正バイアスが印加され、周囲の光電変換部ＰＤで蓄積された電荷が電荷保持部７５に転送される。第１の電荷転送動作が為されている間は、ゲート電極３２_２には負バイアスが印加されうる。

次に、第２の電荷転送動作が為されうる。第２の電荷転送動作では、ゲート電極３２_２に正バイアスが印加され、電荷保持部７５の電荷がＦＤ１２に転送される。第２の電荷転送動作が為されている間、ゲート電極３２_１には負バイアスが印加されうる。このような動作シーケンスによってグローバル電子シャッタが実現されうる。また、第１の電荷転送動作が終了した後は、ゲート電極３２_１には負バイアスが印加され、光電変換部ＰＤにおいて第２の電荷蓄積動作が開始されうる。第２の電荷蓄積動作は、第２の電荷転送動作と同時に為されてもよい。

同様にして、光電変換部ＰＤで蓄積された電荷を電荷保持部７５に転送する第３の電荷転送動作が、第１の電荷転送動作と同様に為され、電荷保持部７５の電荷をＦＤ１２に転送する第４の電荷転送動作が、第２の電荷転送動作と同様に為されうる。以上のような動作シーケンスにより、複数回の電荷転送によって電荷の転送効率を補って画素Ｐないし読出部２５の出力のレンジ幅を拡大させることができる。

よって、本実施形態によると、第１〜第３実施形態と同様の効果が得られ、さらに画素Ｐないし読出部２５の出力のレンジ幅を拡大させることも可能である。

（第５実施形態）
図９を参照しながら、第５実施形態の固体撮像装置ＩＳ_５を説明する。図９は、固体撮像装置ＩＳ_５における画素Ｐの構成例を示している。図９（ａ）は画素Ｐの上面図を図３（ａ）と同様にして示し、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるカットラインＤ−Ｄ’の断面構造図を図３（ｂ）と同様にして示し、図９（ｃ）は光学系Ｒ２の構成例を図３（ｄ）と同様にして示している。

本実施形態は、光学系Ｒ２が、図９（ａ）及び（ｃ）に例示されるように、透光性部材８０を用いて凸形状８１が環状に連なった形状を形成するように設けられる点で、第３実施形態と異なる。環状の凸形状８１は、その頂がＮ型半導体領域３３の外縁よりも外側に位置し、当該外縁に沿って設けられている。本実施形態の他の側面によると、透光性部材８０は、凹形状の底部が、Ｎ型半導体領域３３の外縁の内側、および、光電変換部ＰＤの外周領域に位置するように設けられうる。透光性部材８０は、例えば諧調性を有するグレースケールマスクを用いて露光処理および現像処理を行うことによって形成されうる。また、遮光部材６０を覆う絶縁膜によって逆凸型の環状レンズを形成してもよい。

本実施形態によっても、半導体部分Ｒ１において、光強度がＮ型半導体領域３３の内側よりも外側の方が大きくなるように光強度分布が形成され、第１〜第３実施形態と同様の効果が得られる。

（第６実施形態）
図１０を参照しながら、第６実施形態の固体撮像装置ＩＳ_６を説明する。図１０は、固体撮像装置ＩＳ_６において画素ユニットＰ_Ｕの部分における構成例を示している。図１０（ａ）は画素ユニットＰ_Ｕの回路構成例を図１と同様にして示している。図１０（ｂ）は画素ユニットＰ_Ｕの上面図を図３（ａ）と同様にして示し、また、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）におけるカットラインＥ−Ｅ’の断面構造図を図３（ｂ）と同様にして示している。

図１０（ａ）に例示されるように、画素ユニットＰ_Ｕは、光電変換部ＰＤａ及び転送トランジスタ１１ａを含むユニットＵａと、光電変換部ＰＤｂ及び転送トランジスタ１１ｂを含むユニットＵｂと、ＦＤ１２と、各トランジスタ１３〜１５とを含みうる。

なお、図１０（ｂ）及び（ｃ）において、ユニットＵａ又はＵｂにおける各要素（ゲート電極３２、Ｎ型半導体領域３３、ウエル３８等）の符号は、ユニットＵａ又はＵｂに対応させて「ａ」または「ｂ」を付して示している。また、ここでは図示していないが、ソースフォロワトランジスタ１３、リセットトランジスタ１４及び選択トランジスタ１５は、画素ユニットＰ_Ｕの周辺領域に配されうる。

以上の構成により、例えば、光電変換部ＰＤａ及びＰＤｂのそれぞれからの信号を加算して１つの画素信号を取得してもよいし、また、光電変換部ＰＤａ及びＰＤｂのそれぞれの信号を用いて位相差検出法に基づく焦点検出を行ってもよい。

なお、例えば光電変換部ＰＤａ及びＰＤｂのそれぞれからの信号を加算して１つの画素信号を取得する構成においては、光電変換部ＰＤａと光電変換部ＰＤｂとを区画するように、ユニット分離用の分離領域９１（Ｐ型）がＮ型半導体領域３５に設けられうる。分離領域９１は、光電変換部ＰＤａと光電変換部ＰＤｂとを完全には分離しておらず、半導体部分Ｒ１のＹ面から深い位置において光電変換部ＰＤａと光電変換部ＰＤｂとはＮ型半導体領域３５で接続されている。これにより、光電変換部ＰＤａ又はＰＤｂの一方で大量の電荷が発生した場合は、当該電荷は、素子分離領域４０のポテンシャル障壁を越えて隣接画素に漏れ込む前に、光電変換部ＰＤａ又はＰＤｂの他方に拡散する。分離領域９１は、上記構造に限られるものではなく、素子分離領域４０よりも不純物濃度が低い等、ポテンシャル障壁が小さく形成されていればよい。

本実施形態の光学系Ｒ２では、図１０（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、マイクロレンズ９０が２つのユニットＵａ及びＵｂにまたがって形成されている。これにより、半導体部分Ｒ１において、光強度がＮ型半導体領域３３ａ及び３３ｂの外側において大きくなるように光強度分布が形成されうる。よって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

以上の６つの実施形態を述べたが、本発明はこれらに限られるものではなく、目的、状態、用途及び機能その他の仕様に応じて、適宜、変更が可能であり、他の実施形態によっても為されうる。

（撮像システム）
また、以上の実施形態は、カメラ等に代表される撮像システムに含まれる固体撮像装置について述べた。撮像システムの概念には、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。撮像システムは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、この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含みうる。この処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、このＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims (11)

1. 光が入射する側の第１面と前記第１面とは反対側の第２面とを有する半導体部分と、前記半導体部分の前記第１面の側に配された光学系と、を有する固体撮像装置であって、
   前記半導体部分における前記第２面の側に設けられた第１導電型の第１の半導体領域と、
   前記第１の半導体領域を取り囲むように前記半導体部分に設けられ、前記第１導電型の第２の半導体領域を有する光電変換部と、
   前記半導体部分の前記第２面において前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間に配され、前記光電変換部で生じた電荷を前記第１の半導体領域に転送するためのゲート電極と、を備え、
   前記光学系は、前記第２の半導体領域における光強度が、前記第１の半導体領域における光強度よりも大きくなるように構成されている、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記光学系は、複数のマイクロレンズを含み、
   前記複数のマイクロレンズのそれぞれは、前記第１面に対する平面視において、その中心が前記第１の半導体領域の外縁よりも外側に位置するように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記光学系は、前記第１面に対する平面視において、前記第１の半導体領域の外縁よりも外側に頂を有する凸形状が当該外縁に沿うように環状に連なって形成された透光性部材を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記第１の半導体領域における光強度が小さくなるように前記半導体部分と前記光学系との間に設けられた遮光部材をさらに備える、
   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. 前記遮光部材の前記半導体部分に対する正射影の一部は、前記第１の半導体領域と重なる、
   ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間に設けられた前記第１導電型の第３の半導体領域と、第２のゲート電極とをさらに備え、
   前記ゲート電極は、前記光電変換部の電荷を前記第３の半導体領域に転送し、
   前記第２のゲート電極は、前記第３の半導体領域の電荷を前記第１の半導体領域に転送する、
   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. 前記光電変換部と前記第１の半導体領域と前記ゲート電極とは１つのユニットを形成し、
   前記光学系は、２つのユニットにまたがって形成されたマイクロレンズを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
8. 前記光電変換部と前記第１の半導体領域との間において、前記第１の半導体領域を取り囲むように形成された第２導電型のウエルをさらに備える、
   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。
9. 前記半導体部分の前記第１面の側に設けられ、基準電圧が供給される前記第２導電型の第４の半導体領域をさらに備え、
   前記ウエルと前記第４の半導体領域とは、前記半導体部分の前記第１面の側から前記第２面の側にわたって設けられた前記第２導電型の半導体領域によって電気的に接続されている、
   ことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
10. 前記ゲート電極は、平面視において環状のパターンである、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 請求項１乃至１０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。