JP2017117957A - 光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】2種類のフォトダイオードが配列された構造において、フォトダイオードの個々を適切に電気的に分離するための新規な構造を提供する。【解決手段】光電変換装置は、行列状に配列された複数のユニットを備え、各ユニットは、N型の半導体領域とそれを取り囲むP型の半導体領域とから成る第1フォトダイオードと、P型の半導体領域とそれを取り囲むN型の半導体領域とから成る第2フォトダイオードと、前記第1及び前記第2フォトダイオードの少なくとも一方からの信号を出力する回路部とを有し、前記複数のユニットは、前記第1フォトダイオードと前記第2フォトダイオードとがこの順番で配列方向に並んだ第1ユニットと、それと前記配列方向で隣り合い、前記第1フォトダイオードと前記第2フォトダイオードとがこれと反対の順番で前記配列方向に並んだ第2ユニットとを含む。【選択図】図6
Description
本発明は、光電変換装置に関する。
測距法の1つに、対象物に対して光を照射し、対象物からの反射光を検知して対象物までの距離を測定するTOF(Time Of Flight)法という方法がある。具体的には、対象物までの距離は、光の照射のタイミングから反射光の検知のタイミングまでの時間(即ち、照射光に対する反射光の遅延量)と、光の速度とに基づいて測定される。ここで、対象物からの反射光は、外部環境の光である環境光と共に検知されるため、該環境光を考慮した測距を行う技術が求められる。
図7は、特許文献1の実施形態2(段落0092以降)の光検出素子1の構成例を示している。光検出素子1は、第1の感光部11a、それに対応する正孔保持部13、第2の感光部11b、それに対応する電子保持部14、再結合部15及び出力部16を備える。正孔保持部13には、光源2の消灯時に感光部11aで生じた正孔(環境光に対応する正孔)が保持される。また、電子保持部14には、光源2の点灯時に感光部11bで生じた電子(対象物3からの反射光及び環境光の双方に対応する電子)が保持される。再結合部15は、正孔保持部13の正孔(環境光に対応する正孔)と、電子保持部14の電子(反射光及び環境光の双方に対応する電子)とを再結合させる。これにより、反射光及び環境光のうちの反射光に対応する電子が残存することになり、該電子は出力部16により読み出される。この方法によると、反射光及び環境光のうちの反射光に対応する信号を取得することができ、TOF法に基づく測距を高精度に行うのに有利である。
特許文献1(段落0045)を参照すると、上述の各ユニット(感光部11a及び11b等)を各々が含む複数の光検出素子1を配列した構造が考えられる。この構造によると、単一の光検出素子1が単位画素に対応し、TOF法に基づく測距を行うための信号が各光検出素子1から出力され、それによって距離画像が得られる。
この構造を実現する方法の一つとして、感光部11a及び11bに、2種類のフォトダイオードをそれぞれ用いることが考えられる。例えば、感光部11aには、P型半導体領域とそれを取り囲むN型半導体領域とから成るフォトダイオードを用いることが考えられる。また、例えば、感光部11bには、N型半導体領域とそれを取り囲むP型半導体領域とから成るフォトダイオードを用いることが考えられる。ここで、これら2種類のフォトダイオードを用いる場合、画素の構造を、該2種類のフォトダイオードの画素内での電気的分離だけでなく、隣接画素のフォトダイオードからの電気的分離についても考慮しながら設計する必要がある。なお、特許文献1には、どのような回路素子を用いてどのような回路を構成し、上述の各手段を半導体基板上にどのように実現するか等、具体的な構造が開示されていない。
本発明は、2種類のフォトダイオードが配列された構造において、フォトダイオードの個々を適切に電気的に分離するための新規な構造を提供することを目的とする。
本発明の一つの側面は光電変換装置にかかり、前記光電変換装置は、半導体基板上に配された複数の光検出ユニットを備え、前記複数の光検出ユニットのそれぞれが、電子及び正孔の一方を蓄積するための第1導電型の第1半導体領域を含む第1フォトダイオードと、前記電子及び正孔の他方を蓄積するための前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体領域を含む第2フォトダイオードとを有し、前記複数の光検出ユニットの各々の前記第1フォトダイオード及び前記第2フォトダイオードの少なくとも一方の電荷に基づく信号を出力する光電変換装置であって、前記複数の光検出ユニットは、互いに隣り合う第1ユニットと第2ユニットとを含み、前記半導体基板の上面に対する平面視において、前記第1ユニットの前記第2フォトダイオードと前記第2ユニットの前記第2フォトダイオードとは、前記第1ユニットの前記第1フォトダイオードと前記第2ユニットの前記第1フォトダイオードとの間に位置しており、前記第1ユニットの前記第2フォトダイオードと前記第2ユニットの前記第2フォトダイオードとは、前記第1導電型の第3半導体領域を共有していることを特徴とする。
本発明によれば、例えば、上記2種類のフォトダイオードの個々を適切に電気的に分離することができる。本発明の他の効果は、以下の詳細な説明および添付図面を参照しながら本発明の例示的態様と共に詳細に説明され、十分に理解されよう。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図は、構造ないし構成を説明する目的で記載されたものに過ぎず、図示された各部材の寸法は必ずしも現実のものを反映するものではない。また、各図において、同一の部材または同一の構成要素には同一の参照番号を付しており、以下、重複する内容については説明を省略する。
図1は、本発明に係る光電変換装置が適用された情報処理装置100(以下、装置100)の構成例を説明するための図である。装置100は、例えば、LED等の光源101、レンズ等の光学系102及び103、検出部104、並びに、処理部105を具備する。
光源101の発光光L1は、光学系102を介して測距対象である対象物110に照射される。光L2は、対象物110からの反射光を含み、光学系103を介して検出部104に入射する。検出部104は、光L2に基づく信号を処理部105に供給する。検出部104は、本発明に係る光電変換装置に対応し、光検出装置と称されてもよいし、或いは単に半導体装置と称されてもよい(なお、装置は、デバイス、モジュール等と称されてもよい。)。処理部105は、光源101及び検出部104を駆動し、検出部104からの信号に基づいて、対象物110との距離に基づく情報を算出する(該算出の具体的な方法は後述とする。)。
なお、装置100の構成は本例に限られるものではなく、目的等に応じて、本構成の一部は変更されてもよいし、付随的に他の要素が追加されてもよい。例えば、装置100は撮像装置(カメラ)であり得、検出部104は撮像部としても機能しうる。他の例では、装置100は測距装置でありうる。
図2は、検出部104の構成例を説明するための図である。検出部104は、例えば、画素アレイ210、駆動部220、読出部230、出力部240および制御部250を備える。画素アレイ210は、半導体基板上に行列状に(複数の行および複数の列を形成するように)配列された複数の画素PXを含みうる。
本明細書では、装置100が撮像装置である場合を考えて「画素」と表現するが、「画素」に代替して「光検出ユニット」、「受光ユニット」、「センサユニット」等と表現されてもよいし、これらを総括して「ユニット」と表現されてもよい。同様に、「画素アレイ」は「ユニットアレイ」と表現されてもよい。
駆動部220は、例えば、各行に配された制御線L_CNTを用いて画素アレイ210の各画素PXを行単位で駆動する。該駆動された画素PXは、光L2に応じた信号を画素信号として列信号線L_COLを介して出力する。読出部230は、列信号線L_COLを介して出力された画素信号を水平転送し、出力部240は、該水平転送された画素信号を前述の処理部105に出力する。制御部250は、クロック信号等の基準信号に基づいて上記各ユニットを制御する。検出部104は、上記各ユニットに電力を供給する電力供給部(不図示)等をさらに備えていてもよい。
図3は、単位画素PXの構成例を説明するための図である。画素PXは、例えば、フォトダイオードPD_N及びPD_P、トランジスタMN1〜MN6及びMP1〜MP2、並びに、容量C1_N、C2_N、C1_P及びC2_Pを有する。
フォトダイオードPD_N及びPD_Pの各々は、互いに独立した光電変換部として機能する。NMOSトランジスタMN1(第1トランジスタ)は、フォトダイオードPD_N(第1フォトダイオード)のカソードと、ノードn1とに電流経路を形成するように配される。フォトダイオードPD_Nのアノードは、電圧V1に固定される(即ち、電圧V1を供給する電源ラインに接続される。)。PMOSトランジスタMP1(第2トランジスタ)は、フォトダイオードPD_P(第2フォトダイオード)のアノードと、ノードn1とに電流経路を形成するように配される。フォトダイオードPD_Pのカソードは、電圧V2に固定される。本例では、電圧V1は−2[V]程度に設定され、電圧V2は+2[V]程度に設定されうる。
NMOSトランジスタMN2は、フォトダイオードPD_Nのカソードと、ノードn2とに電流経路を形成するように配される。PMOSトランジスタMP2は、フォトダイオードPD_Pのアノードと、ノードn2とに電流経路を形成するように配される。
容量C1_N及びC2_Nは、N型(第1導電型の)半導体領域とそれを取り囲むP型(第2導電型の)半導体領域とで構成されうる(詳細は後述とする。)。容量C1_Nの一方の端子はノードn1に接続され、容量C1_Nの他方の端子は電圧V1に固定される。容量C2_Nの一方の端子はノードn2に接続され、容量C2_Nの他方の端子は電圧V1に固定される。また、容量C1_P及びC2_Pは、P型半導体領域とそれを取り囲むN型半導体領域とで構成されうる(詳細は後述とする。)。容量C1_Pの一方の端子はノードn1に接続され、容量C1_Pの他方の端子は電圧V2に固定される。容量C2_Pの一方の端子はノードn2に接続され、容量C2_Pの他方の端子は電圧V2に固定される。
なお、容量C1_N及び容量C1_Pは、ここでは区別して示されるが、これらをまとめて、第1電荷保持部に対応する「容量C1」と示してもよい。即ち、容量C1_Nと容量C1_Pとは、構造上これらを区別することが可能であるため、ここでは個別に図示されたが、いずれもノードn1側の反対側において定電圧で固定されるため、これらを合成して等価的に単一の容量成分として見なしてもよい。容量C1には、容量C1に保持された電荷量と、容量C1の静電容量とに応じた電圧が生じ、よって、容量C1は、第1電荷電圧変換部と称されてもよい。同様に、容量C2_N及び容量C2_Pをまとめて、第2電荷保持部に対応する「容量C2」と示してもよく、また、容量C2は、第2電荷電圧変換部と称されてもよい。
トランジスタMN1及びMP1のゲートには、制御線L_CNTを介して制御信号TX1が供給される。例えば、信号TX1がハイレベルのとき、トランジスタMN1は導通状態となり、一方で、トランジスタMP1は非導通状態となる。また、例えば、信号TX1がローレベルのとき、トランジスタMN1は非導通状態となり、一方で、トランジスタMP1は導通状態となる。同様に、トランジスタMN2及びMP2のゲートには、制御線L_CNTを介して制御信号TX2が供給される。
トランジスタMN3は、ノードn1と電圧V0の電源ラインとの間に電流経路を形成するように配される。トランジスタMN3のゲートには、制御線L_CNTを介して制御信号RES1が供給され、トランジスタMN3は、信号RES1に応答して容量C1_N及びC1_Pを初期化する。同様に、トランジスタMN4は、ノードn2と電圧V0の電源ラインとの間に電流経路を形成するように配され、制御信号RES2に応答して容量C2_N及びC2_Pを初期化する。本例では、電圧V0は0[V]に設定されうる。
なお、本例では、トランジスタMN3及びMN4には互いに異なる制御信号RES1及びRES2がそれぞれ供給される態様を例示したが、他の例では、これらには共通の制御信号が供給されてもよい。また、本例では、トランジスタMN3及びMN4のいずれもが電圧V0に固定される態様を例示したが、他の例では、これらは互いに異なる電圧に固定されてもよい。
トランジスタMN5は、ノードn1の電圧に応じてソースフォロワ動作を行う。トランジスタMN6は、制御線L_CNTを介して供給される制御信号SELに応答して、トランジスタMN5のソースの電圧に応じた信号を画素信号として列信号線L_COLに出力する。トランジスタMN5及びMN6は、画素信号を読み出す(又は出力する)ための読出回路部に対応し、本例では、これらのいずれにもNMOSトランジスタが用いられるが、PMOSトランジスタが用いられてもよい。
画素PXの構成が上述の例に限られないことは言うまでもなく、該構成の一部は必要に応じて適切に変更されればよい。例えば、本例では、フォトダイオード(PD_N等)の電荷を転送トランジスタ(MN1等)により容量(C1等)に転送し、該転送された電荷に応じた信号を、トランジスタ(MN5等)を介して画素信号として出力する構成を例示した。この構成例によると、電荷の読み出しを行うフォトダイオードを高速に切り替え、信号を読み出すことが可能となる。よって、この構成例は、TOF法に基づく測距を行う上で好適である。しかし、他の例では、フォトダイオード(PD_N等)と容量(C1等)とは転送トランジスタ(MN1等)を介さずに直接的に接続されてもよい。また、他の例では、転送トランジスタ(MN1等)と容量(C1等)との間に他のトランジスタが更に配されてもよい。即ち、容量(C1等)は、フォトダイオード(PD_N等)で発生し蓄積された電荷又はそれに応じた電圧を保持し、それを後段の読出回路部に提供するように構成されればよい。
また、複数の画素PXで1つの読出回路部を共有した構成を採用してもよく、その場合にも、各画素PXが読出回路部を有するとみなすことができる。また、読出回路部の少なくとも一部は半導体基板上であって画素アレイ210の外に配置することもできる。例えばソースフォロワ動作のための電流源を画素アレイ210の外に配置することができる。また、例えばCCDなどの電荷転送素子を用いて画素アレイ210の外に電荷を転送し、画素アレイ210の外に配置した読出回路部で信号を生成することもできる。
図4(a)〜(d)は、TOF法に基づく測距を行う際の単位画素PXの駆動方法の例を説明するためのタイミングチャートである(横軸は時間軸を示す。)。図4(a)及び(b)は、制御信号TX1及びTX2の波形をそれぞれ示している(縦軸は信号レベルを示す。)。信号TX1がハイレベル(正電圧)のときに、トランジスタMN1は導通状態になり、トランジスタMP1は非導通状態になる。また、信号TX1がローレベル(負電圧)のときに、トランジスタMP1は導通状態になり、トランジスタMN1は非導通状態になる。なお、信号TX1が0[V]のとき、トランジスタMN1及びMP1のいずれも非導通状態になるものとする。信号TX2についても同様である。
図4(c)は、光L1及びL2の光量の波形を示している(縦軸は光量を示す。)。前述のとおり、光L1は光源101の発生光であり、図示されるように、光源101の点灯(オン)と消灯(オフ)とを所定の周期で繰り返す。また、光L2は、検出部104が受ける受光光であり、対象物110からの反射光だけでなく、外部環境の光である環境光を含みうる。そのため、図中では、受光光L2について、0でないローレベルであって光源101の消灯に対応するローレベルと、それより高いレベルのハイレベルであって光源101の点灯に対応するハイレベルとを示している。また、受光光L2には、光L1に対して、対象物110との距離に相当する遅延(位相差)が発生する。
図4(a)〜(c)から分かるように、信号TX1及びTX2のハイレベル/ローレベルの周期は、光源101の点灯/消灯の周期に同期される。本例では、信号TX1又はTX2を受けるトランジスタMN1〜MN2及びMP1〜MP2の個々の導通状態/非導通状態の切り替えは、光源101の点灯/消灯の切り替えのタイミングと略同時に為される。
図4(d)は、ノードn1の電圧VFD1(具体的には、容量C1_N及びC1_Pの電圧)と、ノードn2の電圧VFD2(具体的には、容量C2_N及びC2_Pの電圧)とを示している(縦軸は電圧値を示す。)。即ち、電圧VFD1は、容量C1に保持された電荷量に対応し、電圧VFD2は、容量C2に保持された電荷量に対応する。
最初に(時刻t0の前)、トランジスタMN3〜MN4により容量C1_N及びC1_P並びにC2_N及びC2_Pを初期化し、即ち、電圧VFD1及びVFD2を初期化する。本例(V0=0[V]、V1=−2[V]、V2=+2[V])では、電圧VFD1及びVFD2の初期値は、実質的に0[V]である。これと共に、トランジスタMN1〜MN2及びMP1〜MP2を導通状態にすることにより、フォトダイオードPD_N及びPD_Pは初期化される。例えば、初期化後のフォトダイオードPD_Nのカソード電圧は−1[V]程度となり、初期化後のフォトダイオードPD_Pのアノード電圧は+1[V]程度となる。
時刻t0で、光源101を点灯する。また、時刻t0では、信号TX1をハイレベルにすると共に信号TX2をローレベルにし、トランジスタMN1及びMP2が導通状態になり且つトランジスタMN2及びMP1が非導通状態になる。即ち、フォトダイオードPD_Nは、トランジスタMN1により容量C1_Nに接続され、また、フォトダイオードPD_Pは、トランジスタMP2より容量C2_Pに接続される。その後の時刻t1において、受光光L2がハイレベルになる。
ここで、時刻t0〜t1の期間では、受光光L2がローレベル(0ではない)であるから、容量C1_Nには、フォトダイオードPD_Nで発生し蓄積された電子であって光L2のローレベルの光量に応じた電子が転送される。同様に、容量C1_Pには、フォトダイオードPD_Pで発生し蓄積された正孔であって光L2のローレベルの光量に応じた正孔が転送される。よって、図4(d)に図示されるように、時刻t1では、電圧VFD1は、該転送された電子に応じた電圧になり、同様に、電圧VFD2は、該転送された正孔に応じた電圧になる。
時刻t1で受光光L2がハイレベルになるため、時刻t1以降(後述の時刻t2まで)のフォトダイオードPD_Nでの電子の発生量、及び、フォトダイオードPD_Pでの正孔の発生量は、それぞれ、時刻t0〜t1の期間に比べて大きくなる。即ち、時刻t1〜t2の電圧VFD1及びVFD2の電圧の変化量は、それぞれ、時刻t0〜t1の期間に比べて大きくなる。
時刻t2では、光源101を消灯する。また、時刻t2では、信号TX1をローレベルにすると共に信号TX2をハイレベルにし、トランジスタMN1及びMP2が非導通状態になり且つトランジスタMN2及びMP1が導通状態になる。即ち、フォトダイオードPD_Nは、トランジスタMN2により容量C2_Nに接続され、また、フォトダイオードPD_Pは、トランジスタMP1により容量C1_Pに接続される。
これにより、時刻t2以降(後述の時刻t3まで)、容量C1_Pには、フォトダイオードPD_Pで発生し蓄積された正孔であって光L2のハイレベルの光量に応じた正孔が転送される。ここで、該容量C1_Pに転送された正孔と、時刻t0〜t2の期間に容量C1_Nに転送された電子とは、これらが再結合することにより消滅する。そのため、電圧VFD1は上がる(前述のとおり、容量C1_Nと容量C1_Pとは単一の容量C1に対応するため、電圧VFD1は、単に容量C1への正孔の転送によって上がるとも言える。)。同様に、時刻t2〜t3では、容量C2_Nには、フォトダイオードPD_Nで発生し蓄積された電子であって光L2のハイレベルの光量に応じた電子が転送され、電圧VFD2は下がる。
その後、時刻t3で受光光L2がローレベルになるため、時刻t3以降(後述の時刻t4まで)のフォトダイオードPD_Nでの電子の発生量、及び、フォトダイオードPD_Pでの正孔の発生量は、それぞれ、時刻t2〜t3の期間に比べて小さくなる。即ち、時刻t3〜t4の電圧VFD1及びVFD2の電圧の変化量は、それぞれ、時刻t2〜t3の期間に比べて小さくなる。
時刻t4では、再び、光源101を点灯し、また、信号TX1をハイレベルにすると共に信号TX2をローレベルにする。即ち、時刻t0〜t4を1周期として、時刻t4以降では、上述の一連の動作が周期的に繰り返される。なお、1周期分の期間は、10[nsec]〜100[nsec]程度である。
上述の一連の動作を繰り返すことにより、電圧VFD1(VFD2)は、徐々に初期値(本例では0[V])からシフトしていく。例えば、図4(c)の例のように、受光光L2の光L1に対する遅延量が小さい場合(上述の一連の動作の周期を周期Tとして、該遅延量がT/4よりも小さい場合)には、電圧VFD1は下がっていく(電圧VFD2は上がっていく)。これに対して、受光光L2の光L1に対する遅延量が大きい場合(該遅延量がT/4よりも大きい場合)には、電圧VFD1は上がっていく(電圧VFD2は下がっていく)。なお、受光光L2の光L1に対する遅延量がT/4と略等しい場合には、電圧VFD1(VFD2)は実質的に初期値(本例では0[V])のままである。よって、上述の一連の動作を繰り返した後の電圧VFD1(VFD2)に基づいて対象物110との距離を算出し、即ち、TOF法に基づく測距を行うことができる。
本例では、電圧VFD1に応じた信号をトランジスタMN5及びMN6により画素信号として読み出す態様を例示したが、他の例では、電圧VFD2に応じた信号を読み出してもよい。電圧VFD1及びVFD2の一方のみに応じた信号を読み出す場合には、トランジスタMN1〜MN4及びMP1〜MP2のうち該読み出しに用いられないトランジスタは配置されなくてもよい。また、他の例では、電圧VFD1に応じた信号および電圧VFD2に応じた信号の双方を読み出し、これら双方を用いてSN比を向上させることも可能である。
図5(a1)は、平面視(半導体基板の上面又はそれに平行な面に対する平面視。以下、単に「平面視」という。)における画素PXの第1のレイアウトを説明するための模式図である。ここで、後述の第2のレイアウトのものと区別するため、第1のレイアウトの画素PXを「画素PX_A」とする。図5(b)は、カットラインB1−B2での断面構造を示す模式図である。図5(c)は、カットラインC1−C2での断面構造を示す模式図である。図5(d)は、カットラインD1−D2での断面構造を示す模式図である。図中では、本構造の理解を容易にするため、X方向(第1方向に対応)と、それと交差するY方向(第2方向に対応)と、X方向及びY方向で形成される平面と交差するZ方向とを用いて各図の対応関係を示している。なお、X方向及びY方向は、前述の画素アレイ210の行方向及び列方向にそれぞれ対応してもよい。
例えば、半導体基板の少なくとも一部であるN型半導体領域RN1の中に、P型半導体領域RP1が形成されている。ここで、「N型領域RN1の中に形成されている」とは「N型領域RN1に取り囲まれている」ことを示す。即ち、P型領域RP1はN型領域RN1に取り囲まれている。以下の他の領域の説明についても同様である。
P型領域RP1には、前述のフォトダイオードPD_N、トランジスタMN1及びMN2、並びに、容量C1_N及びC2_Nが形成される。例えば、フォトダイオードPD_Nは、P型領域RP1の中にN型半導体領域RN2が形成されて成る。容量C1_Nは、P型領域RP1の中にN型のフローティングディフュージョンFD1_N(第1フローティングディフュージョン)が形成されて成る。同様に、容量C2_Nは、P型領域RP1の中にN型のフローティングディフュージョンFD2_Nが形成されて成る。
なお、フォトダイオードPD_NのカソードであるN型領域RN2は、トランジスタMN1のソースに対応し(ソースと一体であり)、フローティングディフュージョンFD2_Nは、トランジスタMN1のドレインに対応する(ドレインと一体である。)。この観点から、電荷転送用のMOSトランジスタであるトランジスタMN1は、転送部と表現されてもよい。他のトランジスタMN2、MP1及びMP2についても同様である。
トランジスタMN1のゲートに対応する電極GTX1は、平面視におけるフローティングディフュージョンFD1_NとN型領域RN2との間かつ半導体基板上に絶縁膜Fを介して配されている。同様に、トランジスタMN2のゲートに対応する電極GTX2は、平面視におけるフローティングディフュージョンFD2_NとN型領域RN2との間かつ半導体基板上に絶縁膜Fを介して配されている。
N型領域RN1には、前述のフォトダイオードPD_P、トランジスタMP1及びMP2、並びに、容量C1_P及びC2_Pが形成される。例えば、フォトダイオードPD_Pは、N型領域RN1の中にP型半導体領域RP2が形成されて成る。容量C1_Pは、N型領域RN1の中にP型のフローティングディフュージョンFD1_P(第2フローティングディフュージョン)が形成されて成る。同様に、容量C2_Pは、N型領域RN1の中にP型のフローティングディフュージョンFD2_Pが形成されて成る。電極GTX1は、トランジスタMN1のゲートの他、トランジスタMP1のゲートにも対応しており、即ち、トランジスタMN1のゲートとトランジスタMP1のゲートとは電極GTX1により共通に形成されている。同様に、電極GTX2は、トランジスタMP2のゲートにも対応している。なお、ゲート電極GTX1(GTX2)は共通に形成されなくてもよく、トランジスタMN1及びMP1(MN2及びMP2)の個々に対応する電極が個別に形成されてもよい。
P型領域RP1に形成された素子群(フォトダイオードPD_N、トランジスタMN1及びMN2、並びに、容量C1_N及びC2_N)は、Y方向に沿って配される。例えば、フォトダイオードPD_Nは、容量C1_N及びC2_Nの間に配される。ここでは、読み出しの対象となる容量C1_Nが、後述のトランジスタMN3〜MN6が配された方の側に位置し、容量C2_Nが、それと反対側に位置するが、これらは逆でもよい。そして、容量C1_NとフォトダイオードPD_Nとの間にトランジスタMN1が配され、容量C2_NとフォトダイオードPD_Nとの間にトランジスタMN2が配される。これらの素子群は、図中において「第1素子群EG1」として示される。
N型領域RN1に形成された素子群(フォトダイオードPD_P、トランジスタMP1及びMP2、並びに、容量C1_P及びC2_P)についても同様である。これらの素子群は、図中において「第2素子群EG2」として示される。
素子群EG1と、素子群EG2とは、それぞれ対応するようにX方向で並んでおり、それらが構造面または電気特性面において互いに対称な関係になるように構成されるとよい。即ち、フォトダイオードPD_N、トランジスタMN1及びMN2、並びに、容量C1_N及びC2_Nは、フォトダイオードPD_P、トランジスタMP1及びMP2、並びに、容量C1_P及びC2_Pと、X方向で、それぞれ並ぶように配されうる。
上述の素子群EG1及びEG2が配された位置から更にY方向に離れた位置には、トランジスタMN3〜MN6に対応する要素ないし部分の個々が配されている。図中の電極GRES1、GRES2、GSF及びGSELは、それぞれ、トランジスタMN3、MN4、MN5及びMN6のゲートに対応する。これらの素子群は、図中において「第3素子群EG3」として示される。なお、図5(b)及び(c)に示されるP型領域RP3は、トランジスタMN3〜MN6のP型ウェルに対応し、本例ではP型領域RP1及びRP3は互いに独立した(N型領域RN1により分離された)態様を示すが、これらは一体に形成されてもよい。
素子群EG1と素子群EG2と素子群EG3とは、互いに、PN接合により電気的に分離されうる。該PN接合は、本例では、X方向及びY方向においてP型領域RP1とN型領域RN1とにより形成されており、また、Y方向においてN型領域RN1とP型領域RP3とにより形成されている。該PN接合による電気的分離は、導電型が互いに異なる2つの領域間に形成されるポテンシャル障壁によって達成され得、該2つの領域の間には真性領域(i型領域)が存在してもよい。
図5(a2)は、平面視における画素PXの第2のレイアウトを説明するための模式図である。ここで、前述の第1のレイアウトの画素PX_Aと区別するため、第2のレイアウトの画素PXを「画素PX_B」とする。画素PX_Bは、画素PX_Aとは、回路構成については実質的に同一であるが、上面レイアウトについて、素子群EG1の位置と素子群EG2の位置とが逆であるという点で異なる。即ち、フォトダイオードPD_NとフォトダイオードPD_Pとが、画素PX_Aではこの順番でX方向に配されているのに対して、画素PX_Bではこれと逆の順番でX方向に配されている。トランジスタMN1、MN2、MP1及びMP2、並びに、容量C1_N、C2_N、C1_P及びC2_Pについても同様である。
図6(a)は、画素アレイ210における画素配列の第1の例を説明するための図である。ここでは説明の容易化のため、3行×3列の画素PXを示している。第1の例によると、前述の画素PX_A及びPX_Bは、X方向(ここでは行方向)に沿って、交互に配置されている。具体的には、第1行について、第1列には画素PX_Aが配され、第2列には画素PX_Bが配され、第3列には画素PX_Aが配されている。第2行及び第3行についても同様である。即ち、図6(a)に示されたレイアウトにおいて、第1〜第3行のそれぞれの画素PXの群は、列方向において、互いに並進対称の関係になっている。
上記画素配列によると、行方向で互いに隣り合う2つの画素PX_A及びPX_Bは、P型領域RP1を共有する。また、行方向で互いに隣り合う他の2つの画素PX_A及びPX_Bは、N型領域RN1を共有する。ここで、例えば「P型領域RP1を共有する」とは「一体に(連続的に)形成された単一の(一塊の)P型領域RP1が2以上の要素に対応する」ことを示し、P型領域RP1は、該2以上の要素の間で、P型領域RP1とは異なる他の要素によって分離されない。即ち、P型領域RP1は、隣接画素PX_A及びPX_Bの境界部およびその近傍にわたって一体に形成されており、N型領域や素子分離部(STI(Shallow Trench Isolation)等)によっては分離されていない。
なお、共有されたP型領域RP1の中には、P型の不純物の濃度分布があってもよく、例えば、このP型の不純物の濃度分布によって形成されるポテンシャル勾配によって画素PX間の電荷を電気的に分離するように構成してもよい。N型領域RN1が共有される場合についても同様である。N型領域RN1は、隣接画素PX_A及びPX_B間で、P型領域RP1の下方の部分を介してN型領域RN1が連続している。
該共有されたP型領域RP1は、フォトダイオードPD_Nのアノードに対応し、また、容量C1_N及びC2_Nの電圧V1側の端子に対応する。また、該共有されたN型領域RN1は、フォトダイオードPD_Pのカソードに対応し、また、容量C1_P及びC2_Pの電圧V2側の端子に対応する。
ここで、第1の例によると、P型領域RP1又はN型領域RN1が隣接画素間で共有されるため、画素PX_A(又はPX_B)のみを配列した場合に比べて、PN接合による分離部の数を減らすことができる。よって、各画素内において素子群EG1と素子群EG2との距離(例えば、フォトダイオードPD_NとフォトダイオードPD_Pとの距離)を大きくし又は確保することができる。
2つのフォトダイオード間の距離は、フォトダイオードPD_NについてはカソードであるN型領域RN2の平面視における外縁、フォトダイオードPD_PについてはアノードであるP型領域RP2の平面視における外縁に基づいて計測されればよい。例えば、フォトダイオードPD_NとフォトダイオードPD_Pとの距離は、フォトダイオードPD_NのカソードであるN型領域RN2と、フォトダイオードPD_PのアノードであるP型領域RP2との平面視における距離である。
例えば、図6(a)に拡大図で示されるように、第3行かつ第2列の画素PX_BにおけるフォトダイオードPD_NとフォトダイオードPD_Pとの距離を、距離L1とする。また、第3行かつ第2列の画素PX_BのフォトダイオードPD_Nと、その隣接画素である第3行かつ第3列の画素PX_AのフォトダイオードPD_Nとの距離を、距離L2とする。この場合、L1>L2が成立する。以下、このことについて詳細に述べる。
各画素内において、素子群EG1と素子群EG2との間の距離(これらをPN接合によって適切に分離するための距離)が十分に確保されていないと、例えば、ラッチアップが発生する可能性がある。また、これらの素子分離のため(或いは、該ラッチアップの発生を防ぐため)、P型領域RP1のP型不純物濃度およびN型領域RN1のN型不純物濃度は、それぞれ比較的(近傍の他の領域に比べて)高く設定されうる。そして、P型領域RP1とN型領域RN1との間のPN接合には逆バイアスが印加されるため、ブレークダウンが発生する可能性もある。よって、第1の例によると、素子群EG1と素子群EG2との間の距離を大きくすることが可能となり、ラッチアップ耐性やブレークダウン耐圧を向上させるのに有利であると言える。
一方、隣接画素間において、2つの素子群EG1の間(又は、2つの素子群EG2の間)にはPN接合による分離が不要である。そのため、素子群EG1同士の距離(又は、素子群EG2同士の距離)は、素子群EG1と素子群EG2との間の距離ほど大きくする必要はない。即ち、種類ないしタイプ(例えば極性、導電型等)が互いに同じ2つの素子は、種類ないしタイプが互いに異なる2つの素子の場合に比べて、互いに近くに配置されてもよい。
よって、図6(a)に示された第1の例の画素配列によると、ラッチアップ耐性やブレークダウン耐圧を向上させながら、素子群EG1及びEG2の各素子を各画素内および隣接画素間で適切に電気的に分離することができる。また、第1の例によると、P型領域RP1及び/又はN型領域RN1が隣接画素間で共有されるため、それらに所定の電圧ないし電力を供給するためのコンタクトプラグCT(給電部)を隣接画素間の境界部に配置することも可能であり、レイアウト設計面においても有利である。
図6(b)は、画素アレイ210における画素配列の第2の例を説明するための図である。前述の第1の例(図6(a)参照)では、行方向には画素PX_A及びPX_Bが交互に配列され、列方向には画素PX_A及びPX_Bの一方が配列された。これに対して、第2の例では、行方向および列方向のそれぞれに、画素PX_A及びPX_Bが交互に配列される。即ち、第2の例では、第2行について、第1列には画素PX_Bが配され、第2列には画素PX_Aが配され、第3列には画素PX_Bが配されている。第2の例によると、例えば、列方向での隣接画素間の相互作用(例えば、列方向における各要素の寄生容量)を均一化することができ、例えば、装置100を撮像装置として用いる場合には、画像に縦縞が発生することを防ぐことができる。
以上、いくつかの好適な態様を例示したが、本発明はこれらの例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、その一部が変更されてもよい。例えば、上述の例では、素子群EG1〜EG3がPN接合によって互いに電気的に分離された構造を例示したが、これらは、画素PX内において他の手段によって分離されてもよい。該他の手段は、例えばSTI構造を有する素子分離部や、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)で形成された素子分離部等を含みうる。
また、本明細書では、本発明の適用例である装置100を撮像装置として例示したが、本発明は他の用途にも用いられうることは言うまでもなく、ここで例示された態様に限られるものではない。例えば、本発明は、自動車等に搭載されうる人感センサや障害物センサ等に適用されてもよいし、仮想空間を実現するゲーム機等に適用されてもよい。また、例えば、本発明は、TOF法に基づいて測距を行うための構造に限られず、位相差検出法に基づいて焦点位置を調整するための構造に適用されてもよい。
その他、本明細書に記載された個々の用語は、本発明を説明する目的で用いられたものに過ぎず、本発明は、その用語の厳密な意味に限定されるものでないことは言うまでもなく、その均等物をも含みうる。
PX:画素、PD_N:第1フォトダイオード、PD_P:第2フォトダイオード、MN1〜MN6:NMOSトランジスタ、MP1〜MP2:PMOSトランジスタ。
Claims (15)
- 半導体基板上に配された複数の光検出ユニットを備え、前記複数の光検出ユニットのそれぞれが、電子及び正孔の一方を蓄積するための第1導電型の第1半導体領域を含む第1フォトダイオードと、前記電子及び正孔の他方を蓄積するための前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体領域を含む第2フォトダイオードとを有し、前記複数の光検出ユニットの各々の前記第1フォトダイオード及び前記第2フォトダイオードの少なくとも一方の電荷に基づく信号を出力する光電変換装置であって、
前記複数の光検出ユニットは、互いに隣り合う第1ユニットと第2ユニットとを含み、
前記半導体基板の上面に対する平面視において、前記第1ユニットの前記第2フォトダイオードと前記第2ユニットの前記第2フォトダイオードとは、前記第1ユニットの前記第1フォトダイオードと前記第2ユニットの前記第1フォトダイオードとの間に位置しており、
前記第1ユニットの前記第2フォトダイオードと前記第2ユニットの前記第2フォトダイオードとは、前記第1導電型の第3半導体領域を共有している
ことを特徴とする光電変換装置。 - 前記平面視において、前記第1ユニットの前記第2半導体領域と、前記第2ユニットの前記第2半導体領域との距離は、
前記第1ユニットの前記第1半導体領域と、前記第1ユニットの前記第2半導体領域との距離、及び、
前記第2ユニットの前記第1半導体領域と、前記第2ユニットの前記第2半導体領域との距離の少なくとも一方より小さい
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 - 前記平面視における前記第1ユニットと前記第2ユニットとの間に配され、前記第3半導体領域に電圧を供給するためのコンタクトプラグをさらに備える
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光電変換装置。 - 前記第1ユニットの前記第1フォトダイオードと前記第2ユニットの前記第1フォトダイオードとは、前記第2導電型の第4半導体領域を共有している
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記第1ユニットおよび第2ユニットの少なくとも一方において、前記第1フォトダイオードと前記第2フォトダイオードとは、PN接合によって電気的に分離されている
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記複数の光検出ユニットは、さらに、前記第2ユニットに隣り合う第3ユニットを含み、前記第2ユニットが前記第1ユニットと前記第3ユニットとの間に配されており、
前記平面視において、前記第2ユニットの前記第1フォトダイオードと前記第3ユニットの前記第1フォトダイオードとは、前記第2ユニットの前記第2フォトダイオードと前記第3ユニットの前記第2フォトダイオードとの間に位置しており、
前記第1ユニットの前記第1フォトダイオードと前記第3ユニットの前記第1フォトダイオードとは、前記第2導電型の第4半導体領域を共有している
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記平面視において、前記第1ユニットの前記第1半導体領域と、前記第3ユニットの前記第1半導体領域との距離は、
前記第1ユニットの前記第1半導体領域と、前記第1ユニットの前記第2半導体領域との距離、及び、
前記第3ユニットの前記第1半導体領域と、前記第3ユニットの前記第2半導体領域との距離の少なくとも一方より小さい
ことを特徴とする請求項6に記載の光電変換装置。 - 前記平面視における前記第2ユニットと前記第3ユニットとの間に配され、前記共有された前記第2導電型の半導体領域に電圧を供給するためのコンタクトプラグをさらに備える
ことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の光電変換装置。 - 前記第1ユニットと前記第2ユニットとは第1方向で並んでおり、
前記複数の光検出ユニットのそれぞれは、
前記第1フォトダイオードが配された位置から、前記第1方向と交差する第2方向にずれた位置に配された第1フローティングディフュージョンと、
制御信号に応答して前記第1フォトダイオードと前記第1フローティングディフュージョンとを電気的に接続するMOSトランジスタである第1トランジスタと、
前記第1フローティングディフュージョンと前記第1方向で隣り合い、前記第2フォトダイオードが配された位置から、前記第2方向にずれた位置に配された第2フローティングディフュージョンと、
前記第1トランジスタと前記第1方向で隣り合い、制御信号に応答して前記第2フォトダイオードと前記第2フローティングディフュージョンとを電気的に接続するMOSトランジスタである第2トランジスタと、
をさらに有する
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記複数の光検出ユニットのそれぞれは、前記第1フォトダイオード及び前記第2フォトダイオードの少なくとも一方からの信号を出力するための回路部を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記第1ユニットと前記第2ユニットとは第1方向で並んでおり、
前記複数の光検出ユニットのそれぞれにおいて、前記回路部は複数のトランジスタを含み、該複数のトランジスタは、前記第1フォトダイオード及び前記第2フォトダイオードが配された領域から、前記第1方向と交差する第2方向にずれた位置において、前記第1方向に沿って配されている
ことを特徴とする請求項10に記載の光電変換装置。 - 前記第1ユニットと前記第2ユニットとは第1方向で並んでおり、
前記複数の光検出ユニットは、前記第1方向に沿って並べられた前記光検出ユニットの群が、前記第1方向と交差する第2方向に沿って、並進対称となるように配置されている
ことを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記第1ユニットと前記第2ユニットとは第1方向で並んでおり、
前記複数の光検出ユニットは、前記第1方向と交差する第2方向に沿って、
前記第1フォトダイオード及び前記第2フォトダイオードが前記第1フォトダイオード、前記第2フォトダイオードの順番で前記第1方向に並んだユニットと、
前記第1フォトダイオード及び前記第2フォトダイオードが前記第2フォトダイオード、前記第1フォトダイオードの順番で前記第1方向に並んだユニットと、
が交互に位置するように、配列されている
ことを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記第1ユニットと前記第2ユニットとは第1方向で並んでおり、
前記複数の光検出ユニットでは、前記第1方向と交差する第2方向に沿って、前記第1フォトダイオードと前記第2フォトダイオードが交互に配置されている
ことを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置からの信号を処理する処理部と、を具備する
ことを特徴とする情報処理装置。
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-
2015
- 2015-12-24 JP JP2015252403A patent/JP2017117957A/ja active Pending
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