JP2020028037A

JP2020028037A - 固体撮像装置

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Publication number: JP2020028037A
Application number: JP2018152297A
Authority: JP
Inventors: 正幸大木; Masayuki Oki
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2038-08-13
Also published as: JP7086783B2; US10892288B2; US20200052015A1

Abstract

【課題】撮像画像の品質が良好な固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、第１方向において隣り合い、構造が相互に鏡像対称である第１画素及び第２画素を備える。前記第１画素及び前記第２画素は、それぞれ、光が入射する開口領域を有する。前記第１画素の開口領域は、前記第１画素の前記第１方向における幅全体にわたって配置されており、前記第２画素の開口領域は、前記第２画素の前記第１方向における幅全体にわたって配置されている。【選択図】図１

Description

実施形態は、固体撮像装置に関する。

ＣＭＯＳセンサー等の固体撮像装置においては、複数の画素がマトリクス状に配列されている。そして、高解像度撮像モードのときは１つの画素を１つの撮像素子として駆動し、高感度撮像モードのときは隣り合う２つの画素を１つの撮像素子として駆動する。

特開２００６−３０２９７０号公報

実施形態の目的は、撮像画像の品質が良好な固体撮像装置を提供することである。

実施形態に係る固体撮像装置は、第１方向において隣り合い、構造が相互に鏡像対称である第１画素及び第２画素を備える。前記第１画素及び前記第２画素は、それぞれ、光が入射する開口領域を有する。前記第１画素の開口領域は、前記第１画素の前記第１方向における幅全体にわたって配置されており、前記第２画素の開口領域は、前記第２画素の前記第１方向における幅全体にわたって配置されている。

第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。第２の実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。第３の実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。第４の実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。参考例に係る固体撮像装置を示す平面図である。（ａ）は参考例に係る固体撮像装置の一対の画素を示す平面図であり、図６（ｂ）は横軸に図６（ａ）に示すＡ−Ａ’線に沿った位置をとり縦軸に電位をとって電荷分布の変化を示す電位図であり、図６（ｃ）は縦軸に図６（ａ）に示すＢ−Ｂ’線に沿った位置をとり横軸に電位をとって電荷分布の変化を示す電位図であり、図６（ｄ）は横軸に時間をとり縦軸に電位をとって各部の電位変化を示すタイミングチャートである。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１においては、複数の画素１０が、Ｘ方向及びＹ方向に沿ってマトリクス状に配列されている。Ｘ方向とＹ方向は相互に直交する。また、Ｘ方向及びＹ方向に対して直交する方向をＺ方向とする。各画素１０の平面形状、すなわち、Ｚ方向から見た形状は、Ｘ方向に延びる２辺及びＹ方向に延びる２辺からなる矩形である。Ｘ方向における画素１０の配列周期をＰ１とし、Ｙ方向における画素１０の配列周期をＰ２とする。

複数の画素１０は、赤色領域Ｒ、緑色領域Ｇ、青色領域Ｂに区別されている。赤色領域Ｒ、緑色領域Ｇ、青色領域Ｂ（以下、総称して「単色領域」という）のそれぞれにおいて、画素１０はＹ方向に沿って２列に配列されている。

各画素１０の構造について説明する。
各画素１０においては、開口領域１２が設けられている。開口領域１２にはフォトダイオードが形成されている。外部から開口領域１２を介して光が入射すると、フォトダイオードにおいて信号電荷が発生する。開口領域１２は、画素１０のＸ方向における幅全体にわたって配置されている。「幅全体にわたって配置されている」とは、開口領域１２のＸ方向の端縁と画素１０との端縁との間に他の素子が配置されていないことを意味する。なお、開口領域１２のＸ方向の端縁と画素１０との端縁との間に、隣の画素１０との境界を形成する構造体、並びに、設計ルール及びプロセス条件等の製造技術上の要請に基づくマージン領域等は配置されていてもよい。また、画素１０間の境界の上方、すなわち、Ｚ方向側には、配線等が設けられていてもよい。

本実施形態において、開口領域１２の平面形状は２回対称の六角形である。すなわち、Ｚ方向から見て、開口領域１２の外縁は、Ｘ方向に延びる２つの辺１２ｘ１及び辺１２ｘ２、Ｙ方向に延びる２つの辺１２ｙ１及び辺１２ｙ２、Ｚ方向に対して直交しＸ方向及びＹ方向に対して交差するＷ方向に延びる２つの辺１２ｗ１及び辺１２ｗ２からなる六角形である。辺１２ｘ１の長さは辺１２ｘ２の長さに等しく、辺１２ｙ１の長さは辺１２ｙ２の長さに等しく、辺１２ｗ１の長さは辺１２ｗ２の長さに等しい。開口領域１２の対称軸は、画素１０のＸ方向中央に位置する。

辺１２ｘ１は画素１０のＸ方向に延びる端縁の近傍に配置されており、辺１２ｘ２は画素１０の内部に配置されている。辺１２ｙ１及び辺１２ｙ２は画素１０のＹ方向に延びる両端縁の近傍に配置されている。辺１２ｗ１及び辺１２ｗ２は画素１０の内部に配置されている。辺１２ｗ１は辺１２ｘ１と辺１２ｙ１に接している。辺１２ｗ２は辺１２ｘ２と辺１２ｙ２に接している。

画素１０には、開口領域１２の他に、転送ゲート１３、電荷蓄積部１４、転送ゲート１５、フローティングジャンクション１６、駆動トランジスタ１７及びアドレストランジスタ１８が設けられている。なお、画素１０には、上記以外の構成要素が設けられていてもよい。

本実施形態においては、転送ゲート１３、電荷蓄積部１４、転送ゲート１５は、画素１０内であって辺１２ｗ２に対向する領域に配置されている。フローティングジャンクション１６は、画素１０内であって辺１２ｗ２に対向する領域と辺１２ｘ２に対向する領域との間の領域に配置されている。駆動トランジスタ１７は、画素１０内であって辺１２ｘ２に対向する領域に配置されている。アドレストランジスタ１８は、Ｙ方向における隣の画素１０内であって、この隣の画素１０の開口領域１２の辺１２ｗ１に対向する領域に配置されている。

そして、各単色領域に属する画素１０のうち、Ｘ方向において隣り合う２つの画素１０の構造は、この２つの画素１０間の境界を含むＹＺ平面に関して相互に鏡像となっている。図１においては、このような２つの画素の１０の例として、画素１０ａ及び画素１０ｂを示す。この２つの画素１０間において、転送ゲート１３同士、電荷蓄積部１４同士、転送ゲート１５同士、フローティングジャンクション１６同士は、この２つの画素１０間の境界を介して隣り合って配置されている。また、この２つの画素１０の転送ゲート１３間には、共通転送ゲート１９が設けられている。

次に、本実施形態の動作について説明する。
本実施形態に係る固体撮像装置１は、高解像度撮像モードと高感度撮像モードとを選択することができる。高解像度撮像モードのときは、１つの画素１０を１つの撮像素子として駆動する。高感度撮像モードのときは、各単色領域に属しＸ方向において隣り合う２つの画素１０、例えば、図１に示す画素１０ａ及び画素１０ｂを、１つの撮像素子として駆動する。高感度撮像モードのときは、画素１０ａの開口領域１２に蓄積された信号電荷と画素１０ｂの開口領域１２に蓄積された信号電荷の合計量を検出する。高解像度撮像モードは高感度撮像モードよりも解像度が高くなる一方、感度は低くなる。逆に、高感度撮像モードは高解像度撮像モードよりも感度が高くなる一方、解像度は低くなる。各画素１０の動作は、後述する参考例において説明する。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、開口領域１２が画素１０のＸ方向における幅全体にわたって配置されているため、Ｘ方向において、開口領域１２の中心１２ｃが画素１０の中心と略一致する。このため、Ｘ方向に沿って配列された複数の画素１０において、開口領域１２のＸ方向の中心１２ｃ間の距離は、画素１０の配列周期Ｐ１と等しい。すなわち、開口領域１２のＸ方向における配列周期をＰ３とするとき、Ｐ３＝Ｐ１である。このように、隣り合う撮像素子間における開口領域１２の中心間の距離が一定（Ｐ３）となるため、高解像度撮像モードで撮像する場合において、画像の解像度が向上する。また、固体撮像装置１の撮像面に結像する像に周期がＰ３程度のパターンが含まれている場合でも、モアレが発生しにくい。この結果、高解像度撮像モードにおいても、品質が良好な撮像画像を得ることができる。

また、本実施形態においては、開口領域１２の外縁は、画素１０のＸ方向中央に位置する軸に関して２回対称の六角形である。これにより、同じ単色領域に属しＸ方向において隣り合う２つの画素１０間において、開口領域１２間に広いスペースが形成される。このため、転送ゲート１３同士を近接して配置することができる。この結果、後述するように、隣り合う２つの画素１０を１つの撮像素子として駆動することができ、高感度撮像モードが可能となる。また、開口領域１２の重心を画素１０のＸ方向中央に配置することができ、開口領域１２の重心をＸ方向に沿って周期的に配列することができる。この結果、高解像度撮像モードにおける撮像画像の品質がより向上する。なお、図１に示す例では、開口領域１２の重心は、Ｘ方向の中心１２ｃと一致し、開口領域１２の対称軸とも一致する。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。

図２に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置２においても、前述の第１の実施形態（図１参照）と同様に、同じ単色領域に属しＸ方向において隣り合う２つの画素１０の構造は、相互に鏡像対称である。例えば、図２に示す例では、画素１０ａと画素１０ｂは相互に鏡像対称である。また、開口領域１２は、画素１０のＸ方向における幅全体にわたって配置されている。

本実施形態は、第１の実施形態と比較して、各画素１０内のレイアウトが異なっている。各画素１０において、開口領域１２の外縁は、直角五角形である。すなわち、開口領域１２の外縁は、Ｘ方向に延びる２つの辺１２ｘ３及び辺１２ｘ４、Ｙ方向に延びる２つの辺１２ｙ３及び辺１２ｙ４、Ｗ方向に延びる１つの辺１２ｗ３からなる。辺１２ｘ３は画素１０のＸ方向に延びる端縁の近傍に配置されており、辺１２ｘ４は画素１０の内部に配置されている。辺１２ｙ３及び辺１２ｙ４は画素１０のＹ方向に延びる両端縁の近傍に配置されている。辺１２ｗ３は画素１０の内部に配置されている。辺１２ｘ４は辺１２ｘ３よりも短く、辺１２ｙ４は辺１２ｙ３よりも短い。辺１２ｘ３と辺１２ｙ３は相互に接している。辺１２ｗ３は辺１２ｘ４と辺１２ｙ４に接している。また、本実施形態においては、アドレストランジスタ１８も他の構成要素と同じ画素１０内に配置されている。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においても、前述の第１の実施形態と同様に、開口領域１２が画素１０のＸ方向における幅全体にわたって配置されている。このため、Ｘ方向において、開口領域１２の中心１２ｃが画素１０の中心と略一致し、開口領域１２の配列周期Ｐ３を画素１０の配列周期Ｐ１と一致させることができる。この結果、高解像度撮像モードにおいても、品質が良好な撮像画像を得ることができる。但し、本実施形態においては、開口領域１２の重心は中心１２ｃとは異なる。

また、本実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、画素１０内において開口領域１２のＹ方向の一方側に広いスペースを確保することができる。このため、アドレストランジスタ１８も他の構成要素と同じ画素１０内に配置することができ、レイアウトを簡略化できる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。

図３に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置３においては、開口領域１２の外縁は凹多角形であり、例えば、凹１０角形である。開口領域１２は、画素１０のＸ方向における幅全体にわたって配置されている。また、駆動トランジスタ１７及びアドレストランジスタ１８は、Ｙ方向における隣の画素１０内に配置されている。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、開口領域１２の形状を凹多角形とすることにより、凹角に対向する領域に、転送ゲート１３等の構成要素を配置することができる。すなわち、転送ゲート１３等の開口領域１２以外の構成要素の配置に合わせて、開口領域１２の形状を決定することができる。これにより、画素１０内のスペースを有効活用し、画素１０に対する開口領域１２の面積比を向上させることができる。開口領域１２の面積比が向上することにより、光の検出効率が向上する。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。
図４は、本実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。

図４に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置４においては、各画素１０内に２つの開口領域１２ａ及び１２ｂが設けられている。開口領域１２ａと開口領域１２ｂは、Ｙ方向において離隔している。開口領域１２ａ及び１２ｂの形状はそれぞれ矩形であり、開口領域１２ａのＸ方向の長さは、開口領域１２ｂのＸ方向の長さよりも長い。開口領域１２ａは画素１０のＸ方向における幅全体にわたって配置されている。

転送ゲート１３は、開口領域１２ａ及び開口領域１２ｂの双方に接続されている。転送ゲート１３、電荷蓄積部１４、転送ゲート１５、フローティングジャンクション１６は、画素１０内において、Ｘ方向に沿ってこの順に配列されている。フローティングジャンクション１６、駆動トランジスタ１７及びアドレストランジスタ１８は、画素１０内において、Ｙ方向に沿ってこの順に配列されている。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、１つの画素１０内に２つの開口領域１２ａ及び１２ｂを設けることにより、各開口領域の形状を単純な矩形としつつ、画素１０に対する開口領域１２の面積比を向上させることができる。

また、開口領域１２ａが画素１０のＸ方向における幅全体にわたって配置されているため、Ｘ方向において、開口領域１２ａ及び１２ｂの中心１２ｃが画素１０の中心と略一致し、開口領域１２ａ及び１２ｂの配列周期Ｐ３を画素１０の配列周期Ｐ１と一致させることができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

なお、上述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することもできる。例えば、第１〜第３の実施形態において、第４の実施形態と同様に、各画素１０内に開口領域を複数設けてもよい。また、第１の実施形態と第３の実施形態を組み合わせて、開口領域１２の形状を、画素１０のＸ方向中央に位置する軸に関して２回対称の凹多角形としてもよい。

（参考例）
次に、参考例について説明する。
図５は、本参考例に係る固体撮像装置を示す平面図である。
図６（ａ）は本参考例に係る固体撮像装置の一対の画素を示す平面図であり、図６（ｂ）は横軸に図６（ａ）に示すＡ−Ａ’線に沿った位置をとり縦軸に電位をとって電荷分布の変化を示す電位図であり、図６（ｃ）は縦軸に図６（ａ）に示すＢ−Ｂ’線に沿った位置をとり横軸に電位をとって電荷分布の変化を示す電位図であり、図６（ｄ）は横軸に時間をとり縦軸に電位をとって各部の電位変化を示すタイミングチャートである。

図５に示すように、本参考例に係る固体撮像装置１００においては、各画素１０において、開口領域１２がＸ方向片側且つＹ方向片側の領域に配置されている。また、Ｘ方向において隣り合う２つの画素１０は、相互に鏡像対称である。このため、Ｘ方向において、開口領域１２の中心１２ｃ間の距離は、距離Ｐ４と距離Ｐ５の二水準の値をとる。距離Ｐ４は画素１０の配列周期Ｐ１よりも長く、距離Ｐ５は配列周期Ｐ１よりも短い。すなわち、Ｐ４＞Ｐ１＞Ｐ５である。

このように、本参考例に係る固体撮像装置１００においては、開口領域１２の配列が周期的でないため、高解像度撮像モードで撮像したときに、画像の品質が低下する。例えば、距離Ｐ４に相当する部分では、局所的に解像度が低下する。また、固体撮像装置１００において結像した像に配列周期がＰ１程度のパターンが含まれていると、開口領域１２の配列と干渉して、モアレが発生する可能性がある。

次に、高感度撮像モードにおける画素１０の動作について説明する。
以下に説明する画素１０の動作は、前述の各実施形態においても同様である。
先ず、画素１０ａ及び画素１０ｂの開口領域１２に光が入射すると、開口領域１２に設けられたフォトダイオードにおいて、信号電荷が発生する。

次に、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、時刻Ｔ１において、電位ＰＳ１〜ＰＳ４を全てオン電位として、画素１０ａ及び画素１０ｂの双方において、開口領域１２の信号電荷を転送ゲート１３に移動させる。

時刻Ｔ２において、電位ＰＳ１をオフ電位として、開口領域１２と転送ゲート１３とを遮断する。その後、電位ＰＳ３、電位ＰＳ４、電位ＰＳ２を順次オフ電位に切り替えることにより、画素１０ｂの転送ゲート１３に蓄積された信号電荷を画素１０ａの転送ゲート１３に移動させる。これにより、時刻Ｔ３において、信号電荷が画素１０ａの転送ゲート１３に閉じ込められる。このようにして、画素１０ａ及び１０ｂの信号電荷が合成される。

時刻Ｔ４において、電荷蓄積部１４をオン電位とすることにより、信号電荷を画素１０ａの転送ゲート１３から電荷蓄積部１４に移動させる。

時刻Ｔ５において、電荷蓄積部１４をオフ電位とし、転送ゲート１５をオン電位とすることにより、信号電荷を画素１０ａの電荷蓄積部１４から転送ゲート１５に移動させる。なお、図６（ｄ）においては、電荷蓄積部１４の電位を符号「１４」で示し、転送ゲート１５の電位を符号「１５」で示している。

時刻Ｔ６において、転送ゲート１５をオフ電位とすることにより、信号電荷をフローティングジャンクション１６に移動させる。フローティングジャンクション１６においては、信号電荷が電位に変換されて、駆動トランジスタ１７がオン状態となる。そして、外部の制御回路（図示せず）により、アドレストランジスタ１８がオン状態とされると、信号電荷量に対応する信号電位が読み出される。

このように、高感度撮像モードを実行するためには、画素１０ｂの信号電荷を画素１０ａに移動させる必要がある。このためには、画素１０ａの転送ゲート１３と画素１０ｂの転送ゲート１３は、共通転送ゲート１９を挟む位置に配置される必要がある。

以上説明した実施形態によれば、撮像画像の品質が良好な固体撮像装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の実施形態は、相互に組み合わせて実施することもできる。

１、２、３、４：固体撮像装置
１０、１０ａ、１０ｂ：画素
１２、１２ａ、１２ｂ：開口領域
１２ｃ：中心
１２ｗ１、１２ｗ２、１２ｗ３、１２ｘ１、１２ｘ２、１２ｘ３、１２ｘ４、１２ｙ１、１２ｙ２、１２ｙ３、１２ｙ４：辺
１３：転送ゲート
１４：電荷蓄積部
１５：転送ゲート
１６：フローティングジャンクション
１７：駆動トランジスタ
１８：アドレストランジスタ
１９：共通転送ゲート
１００：固体撮像装置
Ｒ：赤色領域
Ｂ：青色領域
Ｇ：緑色領域
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３：配列周期
Ｐ４、Ｐ５：距離
ＰＳ１〜ＰＳ４：電位
Ｔ１〜Ｔ６：時刻

Claims

第１方向において隣り合い、構造が相互に鏡像対称である第１画素及び第２画素を備え、
前記第１画素及び前記第２画素は、それぞれ、光が入射する開口領域を有し、
前記第１画素の開口領域は、前記第１画素の前記第１方向における幅全体にわたって配置されており、前記第２画素の開口領域は、前記第２画素の前記第１方向における幅全体にわたって配置されている固体撮像装置。
第１方向において隣り合い、構造が相互に鏡像対称である第１画素及び第２画素を備え、
前記第１画素及び前記第２画素は、それぞれ、光が入射する開口領域を有し、
前記第１画素の開口領域の外縁は、前記第１画素における前記第１方向中央に位置する軸に関して２回対称であり、前記第２画素の開口領域の外縁は、前記第２画素における前記第１方向中央に位置する軸に関して２回対称である固体撮像装置。
前記第１画素の外縁及び前記第２画素の外縁は、それぞれ、前記第１方向に延びる２辺及び前記第１方向に対して直交する第２方向に延びる２辺からなる矩形であり、
前記開口領域の外縁は、前記第１方向に延びる２辺、前記第２方向に延びる２辺、並びに、前記第１方向及び前記第２方向に対して交差する第３方向に延びる２辺からなる六角形である請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記第１画素の外縁及び前記第２画素の外縁は、それぞれ、前記第１方向に延びる２辺及び前記第１方向に対して直交する第２方向に延びる２辺からなる矩形であり、
前記開口領域の外縁は、前記第１方向に延びる２辺、前記第２方向に延びる２辺、並びに、前記第１方向及び前記第２方向に対して交差する第３方向に延びる１辺からなる五角形である請求項１記載の固体撮像装置。
前記第１画素の外縁及び前記第２画素の外縁は、それぞれ、前記第１方向に延びる２辺及び前記第１方向に対して直交する第２方向に延びる２辺からなる矩形であり、
前記開口領域の外縁は凹多角形である請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記第１画素及び前記第２画素は、それぞれ、前記開口領域から離隔した他の開口領域を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
前記第１方向における前記第１画素の前記開口領域の中心と前記第２画素の前記開口領域の中心との距離は、前記第１方向における前記第１画素の幅に等しい請求項１〜６のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
第１方向に沿って周期的に配列された複数の画素を備え、
前記第１方向において隣り合う２つの画素の構造は相互に鏡像対称であり、
前記複数の画素は、それぞれ、光が入射する開口領域を有し、
前記複数の画素の前記開口領域は、前記第１方向に沿って周期的に配列されている固体撮像装置。