JP2020021775A - 固体撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】隣接する画素から流入する電荷に起因する誤信号を効果的に抑制し、高品質の画像を取得しうる固体撮像装置を提供する。【解決手段】光電変換部と電荷保持部とを有する複数の画素と、画素分離部と、を有し、光電変換部は、電荷を蓄積する第１導電型の第１半導体領域、第１半導体領域下に設けられた第２導電型の第２半導体領域、第２半導体領域下に設けられた第１導電型の第３半導体領域、を有し、第１半導体領域と第３半導体領域とが第２半導体領域と同じ深さに設けられた第４半導体領域を介して接続されており、電荷保持部は第１導電型の第５半導体領域を有し、画素分離部は隣接する画素の第３半導体領域間に設けられた第２導電型の第６半導体領域を有し、第４半導体領域のポテンシャルＶ４、第１半導体領域と第５半導体領域との間のポテンシャルＶ５、第６半導体領域のポテンシャルＶ６が、Ｖ６＞Ｖ５＞Ｖ４の関係を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、固体撮像装置及び撮像システムに関する。

ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサに代表される固体撮像装置において、光電変換部の感度及び飽和電荷量は、固体撮像装置の性能を左右する重要な特性である。

特許文献１には、光電変換部の電荷蓄積領域をなすｎ型半導体領域の直下にｐ型半導体領域を設けることにより光電変換部の電荷蓄積容量を増加した固体撮像素子が開示されている。特許文献１では、電荷蓄積領域直下のｐ型半導体領域の一部に開口部を設け、この開口部を介して半導体基板のより深い部分で生じた電荷を電荷蓄積領域に収集できるようにすることで、感度を損なうことなく飽和信号量を増加することを可能にしている。

特開２０１４−１６５２８６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の固体撮像装置は、高い感度と大きな飽和電荷量とを実現することは可能であるが、ｐ型半導体領域よりも深い部分で生じた電荷が電荷蓄積領域に収集されず、隣接する画素に流入することがあった。隣接する画素に流入した電荷は誤信号の原因となり、画像を劣化することがあった。

本発明の目的は、隣接する画素から流入する電荷に起因する誤信号を効果的に抑制し、高品質の画像を取得しうる固体撮像装置及び撮像システムを提供することにある。

本発明の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する電荷保持部と、を各々が有する複数の画素と、前記複数の画素の各々の間に設けられた画素分離部と、を有し、前記光電変換部は、半導体基板に設けられ、生成した電荷を蓄積する第１導電型の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域の下部に設けられた第２導電型の第２の半導体領域と、前記第２の半導体領域の下部に設けられ、前記第１の半導体領域よりも不純物濃度の低い前記第１導電型の第３の半導体領域と、を有し、前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域とが、前記第２の半導体領域と同じ深さに設けられた第４の半導体領域を介して電気的に接続されており、前記電荷保持部は、前記第１導電型の第５の半導体領域を有し、前記画素分離部は、隣接する前記画素の前記第３の半導体領域の間に設けられた前記第２導電型の第６の半導体領域を有し、前記電荷に対する前記第４の半導体領域のポテンシャルをＶ４、前記電荷に対する前記第１の半導体領域と前記第５の半導体領域との間のポテンシャルをＶ５、前記電荷に対する前記第６の半導体領域のポテンシャルをＶ６として、Ｖ６＞Ｖ５＞Ｖ４の関係を有する固体撮像装置が提供される。

本発明によれば、隣接する画素から流入する電荷に起因する誤信号を効果的に抑制し、高品質の画像を取得することができる。

本発明の第１実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例による固体撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素のポテンシャル図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。 本発明の第４実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による固体撮像装置について、図１乃至図５を用いて説明する。図１は、本実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。図４は、本実施形態の変形例による固体撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。図５は、本実施形態による固体撮像装置の画素のポテンシャル図である。

本実施形態による固体撮像装置１００は、図１に示すように、画素領域１０と、垂直走査回路２０と、列読み出し回路３０と、水平走査回路４０と、制御回路５０と、出力回路６０と、を有している。

画素領域１０には、複数の行及び複数の列に渡ってマトリクス状に配された複数の画素１２が設けられている。各々の画素１２は、フォトダイオード等の光電変換素子からなる光電変換部を含み、入射光の光量に応じた画素信号を出力する。画素領域１０に配される画素アレイの行数及び列数は、特に限定されるものではない。また、画素領域１０には、入射光の光量に応じた画素信号を出力する有効画素のほか、光電変換部が遮光されたオプティカルブラック画素や、信号を出力しないダミー画素などが配置されていてもよい。

画素領域１０の画素アレイの各行には、第１の方向（図１において横方向）に延在して、制御線１４が配されている。制御線１４の各々は、第１の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線１４の延在する第１の方向は、行方向或いは水平方向と呼ぶことがある。制御線１４は、垂直走査回路２０に接続されている。

画素領域１０の画素アレイの各列には、第１の方向と交差する第２の方向（図１において縦方向）に延在して、出力線１６が配されている。出力線１６の各々は、第２の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。出力線１６の延在する第２の方向は、列方向或いは垂直方向と呼ぶことがある。出力線１６は、列読み出し回路３０に接続されている。

垂直走査回路２０は、画素１２から信号を読み出す際に画素１２内の読み出し回路を駆動するための制御信号を、画素アレイの各行に設けられた制御線１４を介して画素１２に供給する制御回路部である。垂直走査回路２０は、シフトレジスタやアドレスデコーダを用いて構成することができる。行単位で画素１２から読み出された信号は、画素アレイの各列に設けられた出力線１６を介して列読み出し回路３０に入力される。

列読み出し回路３０は、各列の画素１２から出力線１６を介して読み出された信号に対して所定の信号処理、例えば、増幅処理やＡ／Ｄ変換処理等の信号処理を実施する回路部である。列読み出し回路３０は、信号保持部、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路、Ａ／Ｄ変換回路、列メモリ等を含み得る。

水平走査回路４０は、列読み出し回路３０において処理された信号を列毎に順次、出力回路６０に転送するための制御信号を、列読み出し回路３０に供給する回路部である。水平走査回路４０は、シフトレジスタやアドレスデコーダを用いて構成することができる。出力回路６０は、バッファアンプや差動増幅器などから構成され、水平走査回路４０によって選択された列の信号を増幅して出力するための回路部である。

制御回路５０は、垂直走査回路２０、列読み出し回路３０及び水平走査回路４０に、それらの動作やタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。垂直走査回路２０、列読み出し回路３０及び水平走査回路４０に供給する制御信号の一部又は総ては、固体撮像装置１００の外部から供給してもよい。

画素１２の各々は、図２に示すように、光電変換部ＰＤと、転送トランジスタＭ１と、リセットトランジスタＭ２と、増幅トランジスタＭ３と、選択トランジスタＭ４とを有する。

光電変換部ＰＤは、例えばフォトダイオードであり、アノードが接地ノードに接続され、カソードが転送トランジスタＭ１のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１のドレインは、リセットトランジスタＭ２のソース及び増幅トランジスタＭ３のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ１のドレイン、リセットトランジスタＭ２のソース及び増幅トランジスタＭ３のゲートの接続ノードは、いわゆる浮遊拡散（フローティングディフュージョン）部ＦＤである。浮遊拡散部ＦＤは、容量成分（浮遊拡散容量）を含み、電荷保持部としての機能を備える。

リセットトランジスタＭ２のドレイン及び増幅トランジスタＭ３のドレインは、電圧Ｖｄｄが供給される電源ノードに接続されている。増幅トランジスタＭ３のソースは、選択トランジスタＭ４のドレインに接続されている。選択トランジスタＭ４のソースは、出力線１６に接続されている。出力線１６は、電流源１８に接続されている。

図２に示す画素構成の場合、画素領域１０に配された各行の制御線１４は、転送ゲート信号線ＴＸと、リセット信号線ＲＥＳと、選択信号線ＳＥＬと、を含む。転送ゲート信号線ＴＸは、対応する行に属する画素１２の転送トランジスタＭ１のゲートに接続される。リセット信号線ＲＥＳは、対応する行に属する画素１２のリセットトランジスタＭ２のゲートに接続される。選択信号線ＳＥＬは、対応する行に属する画素１２の選択トランジスタＭ４のゲートに接続される。

光電変換部ＰＤは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換（光電変換）するとともに、生じた電荷を蓄積する。転送トランジスタＭ１は、オンになることにより光電変換部ＰＤが保持する電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送する。浮遊拡散部ＦＤは、その容量による電荷電圧変換によって、光電変換部ＰＤから転送された電荷の量に応じた電圧となる。増幅トランジスタＭ３は、ドレインに電圧Ｖｄｄが供給され、ソースに選択トランジスタＭ４を介して電流源１８からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＭ３は、浮遊拡散部ＦＤの電圧に基づく信号を、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力する。リセットトランジスタＭ２は、オンになることにより浮遊拡散部ＦＤを電圧Ｖｄｄに応じた電圧にリセットする。

図３は、本実施形態による固体撮像装置における画素１２の部分断面図である。図３には、光電変換部ＰＤから浮遊拡散部ＦＤに至る信号電荷の転送経路に対応する部分の断面図を示している。当該断面に現れないリセットトランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３及び選択トランジスタＭ４については、ここでは説明を省略する。

図３に示すように、ｎ型の半導体基板１１０の表面部には、光電変換部ＰＤと、転送トランジスタＭ１と、浮遊拡散部ＦＤと、が設けられている。

光電変換部ＰＤは、半導体基板１１０の表面部に設けられたｐ型半導体領域１１２（第１０の半導体領域）と、ｐ型半導体領域１１２の下部に設けられたｎ型半導体領域１１４（第１の半導体領域）と、を含む埋め込みフォトダイオードである。ｎ型半導体領域１１４は、ｐ型半導体領域１１２との間にｐｎ接合を形成している。ｎ型半導体領域１１４は、光電変換部ＰＤで生じた信号電荷（電子）を蓄積するための電荷蓄積層としての役割を有する。浮遊拡散部ＦＤは、半導体基板１１０の表面部にｎ型半導体領域１１４から離間して設けられたｎ型半導体領域１１６（第５の半導体領域）により構成されている。

ｎ型半導体領域１１４とｎ型半導体領域１１６との間の半導体基板１１０上には、ゲート絶縁膜１１８を介してゲート電極１２０が設けられている。これにより、ｎ型半導体領域１１４をソース、ｎ型半導体領域１１６をドレイン、ゲート電極１２０をゲートとする転送トランジスタＭ１が構成されている。

ｎ型半導体領域１１４の下部には、ｐ型半導体領域１２２（第２の半導体領域）が設けられている。ｐ型半導体領域１２２は、ｎ型半導体領域１１４から下方に空乏層が広がるのを抑制するための空乏化抑制層としての役割を有する。ｎ型半導体領域１１４の少なくとも一部の領域は、平面視において、ｐ型半導体領域１２２が設けられていない領域（図３中、間隙１２４として表す）と重なっている。すなわち、ｎ型半導体領域１１４は、平面視においてｐ型半導体領域１２２と重ならない領域と、平面視においてｐ型半導体領域１２２と重なる領域と、を有する。平面視においてｎ型半導体領域１１４と間隙１２４とが重なる領域は、ｎ型半導体領域１１４の電位が最も高くなる部分、典型的には平面視におけるｎ型半導体領域１１４の中央部分に配されていることが好ましい。

ｐ型半導体領域１２２の下部には、ｎ型半導体領域１１４よりも不純物濃度の低いｎ型半導体領域１２６（第３の半導体領域）が設けられている。ｎ型半導体領域１２６は、間隙１２４を介してｎ型半導体領域１１４に電気的に接続されている。

なお、間隙１２４の部分は、典型的にはｎ型半導体領域１１４及び／又はｎ型半導体領域１２６の一部であるが、本明細書では便宜的に、ｐ型半導体領域１２２と同じ深さに設けられたｎ型半導体領域（第４の半導体領域）と呼ぶことがある。

また、この半導体領域（第４の半導体領域）は、必ずしもｎ型半導体領域である必要はなく、例えば図４に示すように、ｐ型の半導体領域（ｐ型半導体領域１３６）としてもよい。この場合には、ｐ型半導体領域１２２の一部（ｐ型半導体領域１３６）が空乏化することによって、ｎ型半導体領域１１４とｎ型半導体領域１２６とを電気的に導通するようにすることができる。この場合には、ｐ型半導体領域１２２と、ｐ型半導体領域１２８とを同一のマスクを使ったイオン注入によって形成することができる。つまり、ｐ型半導体領域１２８を形成するためのイオン注入条件に対し、ｐ型半導体領域１２２を形成するためのイオン注入条件を弱くする（典型的には加速電圧を小さくする）。これにより、ｐ型半導体領域１２８の形成に用いたマスクとは別のマスクでｐ型半導体領域１２２を形成する場合に比べて、マスクの枚数を減らすことができる。

ｎ型半導体領域１２６の下部には、ｐ型半導体領域１２８（第８の半導体領域）が設けられている。ｐ型半導体領域１２８は、半導体基板１１０中で発生した信号電荷を有効に集める深さを規定する。また、ｐ型半導体領域１２８は、ｎ型半導体領域１２６で生じた電荷が半導体基板１１０の深部を介して図示しない隣接画素に漏洩するのを防止する役割を有する。

ｐ型半導体領域１１２及びｎ型半導体領域１１４と図示しない隣接画素との間には、ｐ型半導体領域１３０（第７の半導体領域）が設けられている。また、ｎ型半導体領域１２６と図示しない隣接画素との間には、ｐ型半導体領域１３２（第６の半導体領域）が設けられている。ｐ型半導体領域１３０，１３２は、半導体基板１１０の内部において画素１２間を分離するための画素分離部としての役目を果たすものである。

ｎ型半導体領域１１４の下部にｐ型半導体領域１２２を設けることで、ｎ型半導体領域１１４とｐ型半導体領域１２２との間にはｐｎ接合容量が形成される。Ｑ＝ＣＶで表される関係式から明らかなように、光電変換部ＰＤのｐｎ接合にある決まった逆バイアス電圧Ｖを印加した場合、ｐｎ接合容量Ｃが大きいほど蓄積電荷量Ｑは大きくなる。ｎ型半導体領域１１４に蓄積された信号電荷は信号出力部に転送されるが、ｎ型半導体領域１１４の電位が電源電圧等によって決まるある所定の電位に達すると、ｎ型半導体領域１１４の信号電荷は転送されなくなる。つまり、信号電荷の転送に伴う電圧Ｖの変動量は決まっているので、光電変換部ＰＤのｐｎ接合容量に比例して飽和電荷量は大きくなる。したがって、ｐ型半導体領域１２２を設けることで、電荷蓄積層としてのｎ型半導体領域１１４の飽和電荷量を増加することができる。

また、ｐ型半導体領域１２２に設けられた間隙１２４は、ｎ型半導体領域１２６とｎ型半導体領域１１４との間の信号電荷の移動経路として利用することができる。したがって、ｎ型半導体領域１１４から間隙１２４に向けて、また、間隙１２４からｎ型半導体領域１１４に向けてポテンシャル勾配を形成することで、ｎ型半導体領域１２６で発生した信号電荷をｎ型半導体領域１１４に効果的に集めることができる。このようなポテンシャル勾配は、間隙１２４のサイズと形状、ｎ型半導体領域１１４の不純物濃度、ｐ型半導体領域１２２，１２８の不純物濃度と深さを適切に設定することにより形成することができる。このとき、ｐ型半導体領域１３０，１３２のポテンシャルとｐ型半導体領域１２８のポテンシャルは、間隙１２４のポテンシャルよりも高くなるようにする。

また、ｎ型半導体領域１１４，１１６間の距離を適宜調整することで、転送トランジスタＭ１のチャネル部におけるポテンシャルを、ｐ型半導体領域１２８，１３０，１３２のポテンシャルよりも低く、間隙１２４のポテンシャルよりも高くすることができる。したがって、ｎ型半導体領域１２６で発生した信号電荷を、隣接画素に漏洩するのを抑えつつ、間隙１２４及びｎ型半導体領域１１４を介して自画素のｎ型半導体領域１１６に集めることが可能となる。

図５は、転送トランジスタＭ１がオフのときのポテンシャル図である。図５では、信号電荷が電子である場合を考慮して、正電位方向を下向きに表し、負電位方向を上向きに表している。

図５に示すように、ｎ型半導体領域１１４から間隙１２４及びｎ型半導体領域１２６を介してｐ型半導体領域１２８又はｐ型半導体領域１３２に至る経路におけるポテンシャルは、徐々に高くなっている。つまり、間隙１２４のポテンシャルはｐ型半導体領域１２８，１３２のポテンシャルよりも低くなっており、ｎ型半導体領域１２６で発生した信号電荷はポテンシャル勾配に沿って間隙１２４側に移動する。

また、ｎ型半導体領域１１４とｎ型半導体領域１１６との間のポテンシャル、すなわち転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルは、間隙１２４のポテンシャルよりも高いが、ｐ型半導体領域１２８，１３２のポテンシャルよりも低くなっている。これにより、ｎ型半導体領域１１４で発生した信号電荷は、ｐ型半導体領域１３２を超えて隣接する画素に漏洩するよりも先に、自画素のｎ型半導体領域１１６に漏洩する。

信号電荷に対する間隙１２４の部分のポテンシャルをＶ４、転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルをＶ５、ｐ型半導体領域１３２の部分のポテンシャルをＶ６とすると、これらはＶ６＞Ｖ５＞Ｖ４の関係を有する。また、信号電荷に対するｐ型半導体領域１２８の部分のポテンシャルをＶ８とすると、ポテンシャルＶ５，Ｖ８は、Ｖ８＞Ｖ５の関係を有する。

転送トランジスタＭ１がオフのときのチャネル部のポテンシャルは、ｎ型半導体領域１１４，１１６のポテンシャルとの関係だけでなく、ｎ型半導体領域１１４と隣接する他の画素のｎ型半導体領域１１４との間のポテンシャルとの関係も重要である。すなわち、転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルが、ｎ型半導体領域１１４と隣接する画素のｎ型半導体領域１１４との間のポテンシャルよりも高いと、信号電荷が隣接する画素のｎ型半導体領域１１４に混入する問題が生じる。したがって、画素１２のポテンシャル設計においては、図５に示した関係に加え、オフ状態の転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルが、ｎ型半導体領域１１４と隣接する画素のｎ型半導体領域１１４との間のポテンシャルよりも低くなるようにする。

ｎ型半導体領域１１４と隣接する画素のｎ型半導体領域１１４との間のポテンシャルは、一例では、ｐ型半導体領域１３０の部分のポテンシャルである。この場合、信号電荷に対するｐ型半導体領域１３０の部分のポテンシャルをＶ７とすると、ポテンシャルＶ５，Ｖ７は、Ｖ７＞Ｖ５の関係を有する。

以上の構成によれば、光電変換部ＰＤにおける電荷の蓄積期間中に飽和電荷量を超えて発生した信号電荷は、隣接画素のｎ型半導体領域１２６やｎ型半導体領域１１４には移動せず、自画素のｎ型半導体領域１１６に移動する。したがって、例えば、暗電流の多い欠陥画素（ホワイトスポット）のｎ型半導体領域１２６で多量の信号電荷が発生した場合に、この欠陥画素から隣接画素への信号電荷の混入を防ぐことが可能となる。

したがって、本実施形態によれば、隣接する画素から流入する信号電荷に起因する誤信号を効果的に抑制し、高品質の画像を取得することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による固体撮像装置について、図６を用いて説明する。第１実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図６は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。

本実施形態による固体撮像装置は、図６に示すように、画素１２が、ｎ型半導体領域１１４とｎ型半導体領域１１６との間にｐ型半導体領域１３４（第９の半導体領域）を更に有しているほかは、第１実施形態による固体撮像装置と同様である。ｐ型半導体領域１３４は、ｎ型半導体領域１１４とｎ型半導体領域１１６との間のポテンシャルを調整するためのものである。

第１実施形態において説明したように、転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルは、ｎ型半導体領域１１４とｎ型半導体領域１１６との間の距離によって調整することが可能である。しかし、画素１２の構成によっては、ｎ型半導体領域１１４，１１６間の距離を調整することが困難な場合も想定される。例えば、微細化された画素であってｎ型半導体領域１１４，１１６間の距離が短い場合に、ｎ型半導体領域１１４，１１６間の距離によって転送トランジスタＭ１のチャネル部を所望のポテンシャルに調整できないことがある。

この点、本実施形態による固体撮像装置では、ｎ型半導体領域１１４とｎ型半導体領域１１６との間に、ｐ型半導体領域１３４を配置している。したがって、ｎ型半導体領域１１４，１１６間の距離を調整することが困難な場合にも、ｐ型半導体領域１３４の不純物濃度を適宜設定することで、転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルを所望の値に設定することが可能となる。

以上の構成によれば、光電変換部ＰＤにおける電荷の蓄積期間中に飽和電荷量を超えて発生した信号電荷は、隣接画素のｎ型半導体領域１２６やｎ型半導体領域１１４には移動せず、自画素のｎ型半導体領域１１６に移動する。したがって、例えば、暗電流の多い欠陥画素（ホワイトスポット）のｎ型半導体領域１２６で多量の信号電荷が発生した場合に、この欠陥画素から隣接画素への信号電荷の混入を防ぐことが可能となる。

したがって、本実施形態によれば、隣接する画素から流入する信号電荷に起因する誤信号を効果的に抑制し、高品質の画像を取得することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１及び図２を参照して説明する。

本実施形態による固体撮像装置は、転送トランジスタＭ１のオフ電圧を変更可能に構成されているほかは、第１又は第２実施形態による固体撮像装置と同様である。転送トランジスタＭ１のオフ電圧は、垂直走査回路２０から転送ゲート信号線を介して転送トランジスタＭ１のゲートに供給する制御信号の信号レベルによって制御することができる。

ｎ型半導体領域１１４とｎ型半導体領域１１６との間の距離は、製造上のばらつき等の原因により、必ずしも一定ではない。このため、ｎ型半導体領域１１４とｎ型半導体領域１１６との間の距離の変動に伴い、転送トランジスタＭ１のチャネル部におけるポテンシャルが変動することも想定される。転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルが、ｎ型半導体領域１１４と隣接する画素のｎ型半導体領域１１４との間のポテンシャルを超える程に増加すると、信号電荷が隣接する画素のｎ型半導体領域１１４に混入する問題が生じる。特に、このようなポテンシャルの変動が暗電流の多い欠陥画素において生じると、この欠陥画素に隣接する画素のｎ型半導体領域１１４に多量の信号電荷が流入することとなり、画像を劣化する原因となる。

このような観点から、本実施形態による固体撮像装置では、転送トランジスタＭ１のオフ電圧を変更可能に構成している。転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルは、転送トランジスタＭ１のオフ電圧によっても調整することが可能である。すなわち、転送トランジスタＭ１のオフ電圧を浅く（ｎ型トランジスタにおいては高電圧側にシフト）することで、転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルを低くすることができる。また、転送トランジスタＭ１のオフ電圧を深く（ｎ型トランジスタにおいては低電圧側にシフト）することで、転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルを高くすることができる。

例えば、ｎ型半導体領域１１４とｎ型半導体領域１１６との間に距離が長くなることにより、転送トランジスタＭ１のチャネル部のポテンシャルがｐ型半導体領域１２８，１３０，１３２のポテンシャルよりも高くなることがある。このような場合には、転送トランジスタＭ１のオフ電圧を浅い方向に調整することで、転送トランジスタＭ１のチャネル部とｐ型半導体領域１２８，１３０，１３２とのポテンシャルの関係を逆転させることができる。

したがって、本実施形態によれば、隣接する画素から流入する信号電荷に起因する誤信号を効果的に抑制し、高品質の画像を取得することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像システムについて、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。

上記第１乃至第３実施形態で述べた固体撮像装置１００は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図７には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

図７に例示した撮像システム２００は、撮像装置２０１、被写体の光学像を撮像装置２０１に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０４、レンズ２０２の保護のためのバリア２０６を有する。レンズ２０２及び絞り２０４は、撮像装置２０１に光を集光する光学系である。撮像装置２０１は、第１乃至第３実施形態のいずれかで説明した固体撮像装置１００であって、レンズ２０２により結像された光学像を画像データに変換する。

撮像システム２００は、また、撮像装置２０１より出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０８を有する。信号処理部２０８は、撮像装置２０１が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換を行う。また、信号処理部２０８はその他、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部２０８の一部であるＡＤ変換部は、撮像装置２０１が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置２０１とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置２０１と信号処理部２０８とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

撮像システム２００は、さらに、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部２１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２１２を有する。さらに撮像システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１４、記録媒体２１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１６を有する。なお、記録媒体２１４は、撮像システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

さらに撮像システム２００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２１８、撮像装置２０１と信号処理部２０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム２００は少なくとも撮像装置２０１と、撮像装置２０１から出力された出力信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。

撮像装置２０１は、撮像信号を信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、撮像装置２０１から出力される撮像信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。信号処理部２０８は、撮像信号を用いて、画像を生成する。

このように、本実施形態によれば、第１乃至第３実施形態による固体撮像装置１００を適用した撮像システムを実現することができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。

図８（ａ）は、車載カメラに関する撮像システムの一例を示したものである。撮像システム３００は、撮像装置３１０を有する。撮像装置３１０は、上記第１乃至第３実施形態のいずれかに記載の固体撮像装置１００である。撮像システム３００は、撮像装置３１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部３１２と、撮像システム３００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部３１４を有する。また、撮像システム３００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部３１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部３１８と、を有する。ここで、視差取得部３１４や距離取得部３１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部３１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

撮像システム３００は車両情報取得装置３２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ３３０が接続されている。また、撮像システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置３４０とも接続されている。例えば、衝突判定部３１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ３３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置３４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム３００で撮像する。図８（ｂ）に、車両前方（撮像範囲３５０）を撮像する場合の撮像システムを示した。車両情報取得装置３２０が、撮像システム３００ないしは撮像装置３１０に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。

上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

また、上記実施形態では、信号電荷として電子を用いる場合を例にして説明したが、信号電荷は正孔であってもよい。この場合、上述した半導体領域の導電型を逆転し、トランジスタに供給する信号レベルを反転すればよい。

また、上記第４及び第５実施形態に示した撮像システムは、本発明の光電変換装置を適用しうる撮像システム例を示したものであり、本発明の光電変換装置を適用可能な撮像システムは図７及び図８に示した構成に限定されるものではない。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１０…画素領域
１２…画素
２０…垂直走査回路
３０…列読み出し回路
４０…水平走査回路
５０…制御回路
６０…出力回路
１１０…半導体基板
１１２，１２２，１２８，１３０，１３２，１３４…ｐ型半導体領域
１１４，１１６，１２６…ｎ型半導体領域
１２４…間隙

Claims (14)

1. 光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する電荷保持部と、を各々が有する複数の画素と、
   前記複数の画素の各々の間に設けられた画素分離部と、を有し、
   前記光電変換部は、半導体基板に設けられ、生成した電荷を蓄積する第１導電型の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域の下部に設けられた第２導電型の第２の半導体領域と、前記第２の半導体領域の下部に設けられ、前記第１の半導体領域よりも不純物濃度の低い前記第１導電型の第３の半導体領域と、を有し、前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域とが、前記第２の半導体領域と同じ深さに設けられた第４の半導体領域を介して電気的に接続されており、
   前記電荷保持部は、前記第１導電型の第５の半導体領域を有し、
   前記画素分離部は、隣接する前記画素の前記第３の半導体領域の間に設けられた前記第２導電型の第６の半導体領域を有し、
   前記電荷に対する前記第４の半導体領域のポテンシャルをＶ４、前記電荷に対する前記第１の半導体領域と前記第５の半導体領域との間のポテンシャルをＶ５、前記電荷に対する前記第６の半導体領域のポテンシャルをＶ６として、Ｖ６＞Ｖ５＞Ｖ４の関係を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記画素分離部は、隣接する前記画素の前記第１の半導体領域の間に設けられた前記第２導電型の第７の半導体領域を更に有し、
   前記電荷に対する前記第７の半導体領域のポテンシャルをＶ７として、Ｖ７＞Ｖ５の関係を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の画素の各々は、前記第３の半導体領域の下部に設けられた前記第２導電型の第８の半導体領域を更に有し、
   前記電荷に対する前記第８の半導体領域のポテンシャルをＶ８として、Ｖ８＞Ｖ５の関係を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記第１の半導体領域と前記第５の半導体領域との間のポテンシャルは、前記第１の半導体領域と前記第５の半導体領域との間の距離によって規定されている
   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. 前記第１の半導体領域と前記第５の半導体領域との間に設けられた前記第２導電型の第９の半導体領域を更に有し、
   前記第１の半導体領域と前記第５の半導体領域との間のポテンシャルは、前記第９の半導体領域の不純物濃度により規定されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記複数の画素の各々は、前記光電変換部と前記電荷保持部との間に設けられた転送トランジスタを更に有し、
   前記第１の半導体領域と前記第５の半導体領域との間のポテンシャルは、前記転送トランジスタがオフ状態のときの前記転送トランジスタのチャネル部のポテンシャルである
   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. 前記第１の半導体領域と前記第５の半導体領域との間のポテンシャルは、前記転送トランジスタのゲートに印加する電圧により制御される
   ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記第４の半導体領域は、平面視において、前記第１の半導体領域の少なくとも一部と重なっている
   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. 前記第４の半導体領域は、平面視において、前記第１の半導体領域の中央部分に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記光電変換部は、前記半導体基板の表面部に設けられ、前記第１の半導体領域との間にｐｎ接合を形成する前記第２導電型の第１０の半導体領域を更に有する
    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. 前記第４の半導体領域は、前記第１導電型の半導体領域である
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 前記第４の半導体領域は、前記第２導電型の半導体領域である
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の前記画素から出力される信号を処理する信号処理部と
    を有することを特徴とする撮像システム。
14. 移動体であって、
    請求項１乃至１２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の信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。

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