JP2015220279A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の第1の実施形態に係る撮像装置の構成例を示す図である。撮像装置は、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの複数の画素を備える。本実施形態では、信号電荷が電子である。そのため、第1導電型がN型であり、第2導電型がP型である。しかし、信号電荷はホールであってもよい。信号電荷がホールの場合には、第1導電型がP型であり、第2導電型がN型である。
図4は、本発明の第2の実施形態による単位画素11内に形成される光電変換部の断面図である。第1の実施形態と同じ構造の部分は、同じ番号で記載されている。分離用電極26がオン及びオフ動作時のポテンシャル分布図は、第1の実施形態と同じである。本実施形態が第1の実施形態と異なる部分は、第2領域28の下にP型(第2導電型)の混合防止層31が形成されている点である。混合防止層31は、第1領域27及び第2領域28の下方であって、光電変換部23及び24より深い位置に設けられる。
図6は、本発明の第3の実施形態による単位画素11内に形成される光電変換部の断面図である。第1の実施形態と同じ構造の部分は、同じ番号で記載されている。分離用電極26がオン及びオフ動作時のポテンシャル分布図は、第1の実施形態と同じである。本実施形態が第1の実施形態と異なる部分は、分離用電極26の下部において、表面側にP型の第2領域61があり、その下にN型の第1領域62が形成されている点である。第2領域61は、第2の半導体領域であり、N型シリコン半導体基板21の表面側に設けられる。第1領域62は、第1の半導体領域であり、第2領域61の下に設けられる。
図8は、本発明の第4の実施形態による単位画素11内に形成される光電変換部の断面図である。第3の実施形態と同じ構造の部分は、同じ番号で記載されている。分離用電極26がオン及びオフ動作時のポテンシャル分布図は、第1の実施形態と同じである。本実施形態が第3の実施形態と異なる部分は、N型の第1領域62の下にP型(第2導電型)の注入層81が形成されている点である。
図10は、本発明の第5の実施形態による単位画素11内に形成される光電変換部の断面図である。第2の実施形態と同じ構造の部分は、同じ番号で記載されている。分離用電極26がオン及びオフ動作時のポテンシャル分布図は、第1の実施形態と同じである。本実施形態が第2の実施形態と異なる部分は、P型ウエル層22の代わりに、N型エピ層101が形成され、単位画素11を囲うようにP型分離層102が形成されている点である。光電変換部23及び24は、N型(第1導電型)の領域のN型エピ層101上に設けられる。
図12は、本発明の第6の実施形態による単位画素11内に形成される光電変換部の断面図である。第1の実施形態と同じ構造の部分は、同じ番号で記載されている。分離用電極26がオン及びオフ動作時のポテンシャル分布図は、第1の実施形態と同じである。本実施形態が第1の実施形態と異なる部分は、光電変換部23及び24の表面にP型(第2導電型)の表面シールド層121が形成されている点である。表面シールド層121は、その端部が分離用電極26の端部から所定の距離Dを隔てて位置する。この距離Dは、例えば0.2μm程度であることが好ましい。第1の表面シールド層121は、第1の光電変換部23の表面に形成され、分離用電極26の下方には形成されない。第2の表面シールド層121は、第2の光電変換部24の表面に形成され、分離用電極26の下方には形成されない。
図14は、本発明の第7の実施形態による単位画素11内に形成される光電変換部の断面図である。第6の実施形態と同じ構造の部分は、同じ番号で記載されている。分離用電極26がオン及びオフ動作時のポテンシャル分布図は、第1の実施形態と同じである。本実施形態が第6の実施形態と異なる部分は、P型の第2領域28の下にP型(第2導電型)の混合防止層31が形成されている点である。
図16(a)及び(b)は、本発明の第8の実施形態による単位画素11の構成例を示す図であり、第1〜第7の実施形態の単位画素11の例を示す平面図である。ここで、第1の実施形態と同じ機能、構造のものは同じ番号で示している。単位画素11は、光電変換部23,24と、分離用電極26と、フローティングディフュージョン部(FD部)163,164と、転送電極161,162とを有する。なお、単位画素11に対して1つのマイクロレンズが配されていることが好ましい。第1〜第7の実施形態で示した断面図は、図16(a)の平面図の線分CCの箇所に対応する。単位画素11に入射した光は、マイクロレンズを介して、光電変換部23及び24に導かれる。光電変換部23及び24は、それぞれ、入射した光を電子に変換して蓄積する。
図17は、本発明の第9の実施形態による単位画素11の構成例を示す図であり、第1〜第7の実施形態の単位画素11の例を示す平面図である。本実施形態が第8の実施形態と異なる点は、1個の単位画素11に対して1個の光電変換部が設けられる点である。一の単位画素11は、光電変換部23と、転送電極161と、FD部163とを有する。他の単位画素11は、光電変換部24と、転送電極162と、FD部164とを有する。マイクロレンズの有無は問わない。本実施形態は、縦方向又は横方向に隣接する光電変換部23及び24に蓄積された電荷を加算することができる。例えば、光電変換部23及び24が縦方向に配列されている場合、1行ずつ読み出すプログレッシブ動作と2行を加算して読み出すインターレース動作を行うことができる。
図18は、本発明の第10の実施形態による単位画素11の構成例を示す図であり、第1〜第7の実施形態の単位画素11の例を示す平面図である。本実施形態が第8の実施形態と異なる点は、少なくとも光電変換部23の上部が遮光層181で覆われている点である。遮光層181は、光電変換部23の他、転送電極161及びFD部163を覆うようにしてもよい。マイクロレンズの有無は問わない。本実施形態は、電子シャッタへの用途に好ましい。電子シャッタは、撮像部12に配される単位画素11の全ての光電変換部において、同時刻に電荷蓄積を開始し、同時刻に隣接する蓄積部(光電変換部)に転送することで蓄積を終了する。具体的には、光電変換部24のみに入射する光は電子に変換され、光電変換部24で電子の蓄積を開始する。光電変換部24で蓄積された信号は、分離用電極26をオン動作させ、遮光されている光電変換部23に転送されて蓄積を終了する。その後、転送電極161のみに正電圧を印加して、分離用電極26をオフ動作させ、光電変換部23の信号をFD部163に転送する。この分離用電極26のオン動作及びオフ動作は、第1〜第7の実施形態のオン動作及びオフ動作に対応する。
図19(a)及び(b)は、本発明の第11の実施形態による単位画素11の構成例を示す図であり、第1〜第7の実施形態の単位画素11の例を示す平面図である。本実施形態が第8の実施形態と異なる点は、転送電極162とFD部164が削除されている点である。この様な構成であっても、本実施形態は、分離用電極26、転送電極161及びFD部163を用いることにより、第8〜第10の実施形態と同様の駆動を実現できる。本実施形態は、転送電極162とFD164が省かれているため、光電変換部23及び24の面積をより大きく確保することができる。
図20(a)は、本発明の第12の実施形態による単位画素11内に形成される光電変換部の断面図である。第1の実施形態と同じ構造の部分は、同じ番号で記載されている。本実施形態が第1の実施形態と異なる部分は、光電変換部24の不純物濃度が光電変換部23の不純物濃度よりも小さい点である。
Claims (16)
- 半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、電荷を蓄積する第1導電型の第1の光電変換部と、
前記半導体基板に形成され、電荷を蓄積する第1導電型の第2の光電変換部と、
前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部の間の領域の上に設けられ、前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部の電気的な導通を制御する分離用電極と、
前記分離用電極の下方であって、前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部の間に設けられ、前記第1の光電変換部から第2の光電変換部へ連続するように設けられる第1導電型の第1の半導体領域と、
前記分離用電極の下方であって、前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部の間に設けられ、前記第1の半導体領域とは異なる深さに設けられる第2導電型の第2の半導体領域とを有し、
前記第1の半導体領域及び前記第2の半導体領域の境界は、前記半導体基板の表面から、前記第1の光電変換部の不純物濃度が最大となる深さまでの間に位置することを特徴とする撮像装置。 - さらに、前記第1の半導体領域及び前記第2の半導体領域の下方であって、前記第1の光電変換部及び第2の光電変換部より深い位置に設けられる第2導電型の混合防止層を有することを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
- 前記第1の半導体領域は、前記半導体基板の表面側に設けられ、
前記第2の半導体領域は、前記第1の半導体領域の下に設けられることを特徴とする請求項1又は2記載の撮像装置。 - 前記第2の半導体領域は、前記半導体基板の表面側に設けられ、
前記第1の半導体領域は、前記第2の半導体領域の下に設けられることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - さらに、前記第1の半導体領域の下に設けられる第2導電型の注入層を有することを特徴とする請求項4記載の撮像装置。
- 前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部は、第1導電型の領域の上に設けられることを特徴とする請求項2記載の撮像装置。
- 前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部は、第2導電型の領域の上に設けられることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
- さらに、前記第1の光電変換部の表面に形成され、前記分離用電極の下方には形成されない第2導電型の第1の表面シールド層と、
前記第2の光電変換部の表面に形成され、前記分離用電極の下方には形成されない第2導電型の第2の表面シールド層とを有することを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - さらに、前記第1の半導体領域及び前記第2の半導体領域の下方であって、前記第1の光電変換部及び第2の光電変換部より深い位置に設けられる第2導電型の混合防止層を有し、
前記第1の半導体領域は、前記半導体基板の表面側に設けられ、
前記第2の半導体領域は、前記第1の半導体領域の下に設けられ、
前記混合防止層は、前記第2の半導体領域の下に設けられ、
前記第2の半導体領域のピーク不純物濃度は、前記第1の表面シールド層のピーク不純物濃度より小さく、前記混合防止層のピーク不純物濃度より大きいことを特徴とする請求項8記載の撮像装置。 - さらに、電荷を蓄積する第1のフローティングディフュージョン部と、
前記第1の光電変換部の電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送するための第1の転送電極とを有し、
前記分離用電極が前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部を電気的に非導通の状態にし、前記第1の転送電極が前記第1の光電変換部の電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送し、
その後、前記分離用電極が前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部を電気的に導通の状態にし、前記第1の転送電極が前記第2の光電変換部の電荷を、前記第1の光電変換部を介して前記第1のフローティングディフュージョン部に転送することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の撮像装置。 - さらに、電荷を蓄積する第1のフローティングディフュージョン部と、
前記第1の光電変換部の電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送するための第1の転送電極と、
電荷を蓄積する第2のフローティングディフュージョン部と、
前記第2の光電変換部の電荷を前記第2のフローティングディフュージョン部に転送するための第2の転送電極とを有し、
第1のモードでは、前記分離用電極が前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部を電気的に非導通の状態にし、前記第1の転送電極が前記第1の光電変換部の電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送し、前記第2の転送電極が前記第2の光電変換部の電荷を前記第2のフローティングディフュージョン部に転送し、
第2のモードでは、前記分離用電極が前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部を電気的に導通の状態にし、前記第1の転送電極が前記第1の光電変換部の電荷及び前記第2の光電変換部の電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の撮像装置。 - さらに、前記第1の光電変換部を遮光する遮光層と、
電荷を蓄積する第1のフローティングディフュージョン部と、
前記第1の光電変換部の電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送するための第1の転送電極とを有し、
前記分離用電極が前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部を電気的に導通の状態にし、前記第2の光電変換部の電荷を前記第1の光電変換部に転送し、
その後、前記分離用電極が前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部を電気的に非導通の状態にし、前記第1の転送電極が前記第1の光電変換部の電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の撮像装置。 - さらに、電荷を蓄積する第1のフローティングディフュージョン部と、
前記第1の光電変換部の電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送するための第1の転送電極とを有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1のフローティングディフュージョン部は、第1導電型の領域であり、
前記第1の半導体領域のピーク不純物濃度は、前記第1のフローティングディフュージョン部の不純物濃度より低いことを特徴とする請求項13記載の撮像装置。 - 前記第2の光電変換部の不純物濃度は、前記第1の光電変換部の不純物濃度より小さいことを特徴とする請求項10記載の撮像装置。
- 前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部に光を集光するレンズを有し、
前記第1の光電変換部の電荷に基づく信号及び前記第2の光電変換部の電荷に基づく信号に基づいて焦点検出を行うことを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の撮像装置。
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