JP2020065026A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩＲ光を透過するフィルタと、可視光を透過するフィルタと、を備える光電変換装置において、特性を向上させることを目的とする。【解決手段】 半導体基板と、第１及び第２のマイクロレンズと、可視光よりも赤外光の透過率が高い第１のフィルタと、赤外光よりも可視光の透過率が高い第２のフィルタと、を有し、第１のフィルタに平面視において重なって配される少なくとも一つの光電変換部及び第２のフィルタに平面視において重なって配される複数の光電変換部のそれぞれは、信号電荷を蓄積する第１半導体領域と、第２半導体領域と、を有し、前記少なくとも一つの光電変換部の第２半導体領域の少なくとも一部分の不純物濃度は、前記複数の光電変換部のうち、前記少なくとも一部分と同じ深さに配されている部分の第２半導体領域の不純物濃度よりも低い。【選択図】 図８

Description

本発明は、光電変換装置に関する。

従来、赤外光（以下「ＩＲ光」ともいう。）を透過するフィルタと、可視光を透過するフィルタと、を備える光電変換装置が知られている。例えば、特許文献１には、ＩＲ光を透過するフィルタと、可視光を透過するフィルタと、を備える光電変換装置が開示されている。

一方で、複数の光電変換部が１つのマイクロレンズを共有する光電変換装置が知られている。例えば、特許文献２には、複数の光電変換部が１つのマイクロレンズを共有しており、複数の光電変換部に対応して可視光を透過するフィルタが配されている構成が開示されている。特許文献２には、各光電変換部が信号電荷を収集する複数のＮ型半導体領域を含み、Ｎ型半導体領域の間に、分離のためのＰ型半導体領域が配されることが開示されている。

米国特許出願公開第２０１８／２１９０４０号明細書 特開２０１４−２０４０４３号公報

特許文献１及び特許文献２は、ＩＲ光を透過するフィルタと、可視光を透過するフィルタと、を備える光電変換装置において特性を向上させる余地がある。

本発明は、ＩＲ光を透過するフィルタと、可視光を透過するフィルタと、を備える光電変換装置において特性を向上することを目的とする。

本発明の一形態に係る光電変換装置は、複数の光電変換部を含む半導体基板と、第１及び第２のマイクロレンズと、可視光よりも赤外光の透過率が高い第１のフィルタと、赤外光よりも可視光の透過率が高い第２のフィルタと、を有し、前記複数の光電変換部は、前記第１のマイクロレンズ及び前記第１のフィルタに、平面視において重なって配される少なくとも一つの光電変換部と、前記第２のマイクロレンズ及び前記第２のフィルタに、平面視において重なって配される複数の光電変換部と、を含み、前記第１のフィルタに平面視において重なって配される少なくとも一つの光電変換部及び前記第２のフィルタに平面視において重なって配される複数の光電変換部のそれぞれは、信号電荷を蓄積する第１導電型の第１半導体領域と、前記第１導電型と反対導電型である第２導電型であり、前記第１半導体領域の前記第１のフィルタ側とは反対側に配され且つ前記第１半導体領域と平面視において重なって配され、前記第１半導体領域とＰＮ接合を構成する第２半導体領域と、を有し、前記少なくとも一つの光電変換部の第２半導体領域の少なくとも一部分の不純物濃度は、前記複数の光電変換部の第２半導体領域のうち、前記少なくとも一部分と同じ深さに配されている部分の不純物濃度よりも低い。

本発明の一形態に係る光電変換装置は、複数の光電変換部を含む半導体基板と、可視光よりも赤外光の透過率が高い第１及び第３のフィルタと、赤外光よりも可視光の透過率が高い第２及び第４のフィルタと、を有し、前記第１のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部、前記第３のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部、前記第２のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部、及び前記第４のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部が、一方向に隣り合って配されており、前記第１のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部は、信号電荷を蓄積する第１導電型の第１半導体領域を有し、前記第２のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部は、前記第１導電型の第２半導体領域を有し、前記第３のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部は、前記第１導電型の第３半導体領域を有し、前記第４のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部は、前記第１導電型の第４半導体領域を有し、前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との間には、前記第１導電型と反対導電型である第２導電型の第５半導体領域が配され、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間には、前記第２導電型の第６半導体領域が配され、前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との間には、前記第２導電型の第７半導体領域が配され、前記第５半導体領域、前記第６半導体領域、及び前記第７半導体領域はそれぞれ少なくとも１つの不純物濃度のピークを有し、前記第６半導体領域が有するピークのうちの前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から最も離れたピークの位置は、前記第７半導体領域が有するピークのうちの前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から最も離れたピークの位置よりも前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から離れており、前記第５半導体領域が有するピークのうちの前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から最も離れたピークの位置は、前記第６半導体領域が有するピークのうちの前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から最も離れたピークの位置よりも前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から離れている。

本発明によれば、ＩＲ光を透過するフィルタと、可視光を透過するフィルタと、を備える光電変換装置において特性を向上させることができる。

第１実施形態に係る光電変換装置のブロック図である。 第１実施形態の画素領域の一部のカラーフィルタの配置を示す図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ’に対応する断面図である。 図３の基板を平面視した図である。 第１実施形態の変形例に係る画素領域の一部の断面図である。 第１実施形態の変形例に係る画素領域の一部の断面図である。 カラーフィルタの配置のバリエーションを示す図である。 第２実施形態に係る画素領域の一部の断面図である。 第２実施形態の変形例に係る画素領域の一部の断面図である。 第２実施形態の変形例に係る画素領域の一部の断面図である。 第３実施形態に係る画素領域の一部の断面図である。 第４実施形態に係る画素領域の一部の断面図である。 第５実施形態に係る画素領域の一部の断面図である。 第６実施形態に係る画素領域の一部の断面図である。 第７実施形態に係る光電変換装置の概略斜視図である。 図１５のＡ−Ａ‘の断面図である。 第８実施形態に係る光電変換システム概略図である。 第９実施形態に係る移動体の概略図である。 カラーフィルタの透過率を示すグラフである。 ＩＲカットフィルタを配さない場合の各色の透過率を示すグラフである。 光電変換装置の分光図である。

本発明を実施するための形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。

以下では、第１極性を負の極性、第２極性を正の極性として説明するが、第１極性を正の極性、第２極性を負の極性とする場合でも同様の効果を得ることができる。説明の便宜上、半導体基板１００（以下、「基板１００」ともいう。）の受光面側を上側とし、基板１００の受光面と対向する面側を下側とする。

以下の実施形態においては、信号電荷として電子を用いるものを例として説明している。以下の実施形態においては、第１の極性のキャリアを多数キャリアとする第１導電型の半導体領域はＰ型半導体領域であり、第２の極性のキャリアを多数キャリアとする第２導電型の半導体領域はＮ型半導体領域である。しかしながら、本発明は信号電荷として正孔を用いるものであっても成り立つ。この場合、Ｎ型とＰ型とは逆になる。

＜第１実施形態＞
図１〜図４を参照しながら、本実施形態に係る光電変換装置１０について説明する。図１は、光電変換装置１０のブロック図である。図２は、光電変換装置１０に含まれる画素領域の一部のカラーフィルタの配置を示す図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ’断面図である。図４は、基板１００の平面図である。

図１に示すように、光電変換装置１０は、行方向及び列方向に複数の画素２０が連続して配された画素領域２１を含む。本明細書では、複数の画素２０が連続的に配された領域を画素領域２１といい、それ以外の領域を周辺回路領域という。

まず、図１の画素領域２１について説明する。図２に画素領域２１に含まれるカラーフィルタの配置の一例を示す。カラーフィルタ１０３、１０４は、例えば、染料や顔料で形成される。

図１９Ａにカラーフィルタの透過率を示す。図１９において、ＩＲ線がカラーフィルタ１０３の透過率を示しており、ＢＬ線、ＧＲ線、ＲＥ線がカラーフィルタ１０４の透過率を示す。図１９Ａにおいて、カラーフィルタ１０４はＩＲカットフィルタを含み、カラーフィルタ１０３はＩＲカットフィルタを含まない。図１９Ｂに、ＩＲカットフィルタが配される前の状態のフィルタの透過率を示す。図１９Ｂの状態では、赤外領域（波長λ≧６５０ｎｍ）においてもＢＬ線、ＧＲ線、ＲＥ線の透過率が高くなっている。これに対し、ＩＲカットフィルタを配することにより、図１９Ａに示すようにカラーフィルタ１０４へのＩＲ光の入射を低減することができ、カラーフィルタ１０３のみからＩＲ光を透過することができる。ＩＲカットフィルタとは、例えば、波長λ≧６７０ｎｍの光を反射又は吸収するフィルタである。図２０に光電変換装置の分光図を示す。

カラーフィルタ１０３は、可視光よりも赤外光の透過率が高いフィルタである。カラーフィルタ１０３を通過して光電変換部に入射する光は赤外領域（波長λ≧６５０ｎｍ）にピーク波長を有する。

また、カラーフィルタ１０４は、赤外光よりも可視光の透過率が高いフィルタである。カラーフィルタ１０４を透過して光電変換部に入射する光は可視領域（波長λ＜６５０ｎｍ）にピーク波長を有する。カラーフィルタ１０４は、例えば、青色光、赤色光、又は緑色光を透過するカラーフィルタである。また、カラーフィルタ１０４は、シアン光、マゼンダ光、及びイエロー光の少なくともいずれかを透過するカラーフィルタであってもよい。

図３に図２のＩＩＩ−ＩＩＩ’における画素領域２１の断面図を示す。図２では平面視において３つのカラーフィルタ１０３、１０４に重なる領域に配された光電変換部のみを破線で示しているが、他のカラーフィルタに重なる領域にも同様に光電変換部が配されている。

基板１００は、例えばシリコン基板である。図２に示すように、基板１００は、平面視においてカラーフィルタ１０３に重なる領域に、ＩＲ光を光電変換する複数の光電変換部１０６ａ、１０６ｂを含む。また、基板１００は、平面視においてカラーフィルタ１０４に重なる領域に、可視光を光電変換する複数の光電変換部１０６ｃ、１０６ｄを含む。光電変換部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄは一方向に隣り合って配される。本明細書では、２つの光電変換部１０６ｃ、１０６ｄが並ぶ方向に沿った軸をＸ軸とし、基板１００のフィルタが配された側の面と平行な面において、Ｘ軸と垂直な軸をＹ軸とする。また、Ｘ軸及びＹ軸に垂直な軸をＺ軸とする。光はマイクロレンズ１０７のフィルタが配された側とは反対側の面から入射する。以下において、説明が共通する場合は、ａ，ｂ，ｃ，ｄ等の添字を省略して説明する。

図３では、１つのマイクロレンズ１０７を、光電変換部１０６ａ及び１０６ｂが共有している。また、１つのマイクロレンズ１０７を、光電変換部１０６ｃ及び１０６ｄが共有している。以下では、１つのマイクロレンズ１０７を共有した複数の光電変換部をまとめて「光電変換ユニット」という場合がある。

各光電変換部１０６は、基板１００の上面側より基板１００に不純物を注入することによって形成される。各光電変換部１０６は、少なくとも信号電荷を蓄積する第１導電型の半導体領域であるＮ型半導体領域２０２（第１半導体領域）を有する。図３では、各光電変換部１０６はさらに、第１導電型と反対導電型である第２導電型のＰ型半導体領域２０３（第２半導体領域）を有する。Ｐ型半導体領域２０３は、Ｎ型半導体領域２０２のカラーフィルタ側とは反対側に配され、Ｎ型半導体領域２０２とＰＮ接合を構成する。

図３に示すように、Ｎ型半導体領域２０２のカラーフィルタ側の面には、Ｐ型半導体領域２０１が配されることが好ましい。これにより、基板１００の上面付近で発生する暗電流成分を抑制することができる。

光電変換部１０６ｂのＮ型半導体領域２０２と光電変換部１０６ｃのＮ型半導体領域２０２との間には、Ｐ型半導体領域１１０が配されている。光電変換部１０６ａのＮ型半導体領域２０２と光電変換部１０６ｂのＮ型半導体領域２０２との間には、Ｐ型半導体領域１１２が配されている。光電変換部１０６ｃのＮ型半導体領域２０２と光電変換部１０６ｄのＮ型半導体領域２０２との間には、Ｐ型半導体領域１１１が配されている。Ｐ型半導体領域１１０、１１１、１１２の不純物濃度は、それぞれ、Ｐ型半導体領域２０３、２０５の不純物濃度よりも高い。Ｐ型半導体領域１１０、１１１、１１２は、それぞれ、Ｎ型半導体領域で蓄積された信号を分離するための分離部として機能する。

各Ｐ型半導体領域１１０、１１１、１１２は、少なくとも１つの不純物濃度のピークを有する。そして、Ｐ型半導体領域１１２の有するピークのうちの基板１００の上面から最も離れた位置にある不純物濃度のピークの位置は、Ｐ型半導体領域１１１の有するピークのうちの基板１００の上面から最も離れた位置にある不純物濃度のピークの位置よりも低い。また、Ｐ型半導体領域１１０の有するピークのうちの基板１００の上面から最も離れた位置にある不純物濃度のピークの位置は、Ｐ型半導体領域１１２の有するピークのうちの基板１００の上面から最も離れた位置にある不純物濃度のピークの位置よりも低い。これにより、画素性能の低下を低減することができる。以下で詳細を述べる。

可視光に比べて、ＩＲ光により発生する電荷は、基板１００の深い位置で発生する比重が高い。Ｐ型半導体領域１１１、１１２の深さを設定する場合に、Ｐ型半導体領域１１１、１１２の深さを同じにするとする。例えばＩＲ光を光電変換する複数の光電変換部の間に配されたＰ型半導体領域の深さを、可視光を光電変換する複数の光電変換部の間に配されたＰ型半導体領域の深さと同じにするとする。この場合は、ＩＲ光を光電変換する複数の光電変換部間で電荷が分離されずに混合する。一方で、可視光を光電変換する複数の光電変換部の間に配されたＰ型半導体領域の深さをＩＲ光を光電変換する複数の光電変換部の間に配されたＰ型半導体領域の深さと同じにするとする。この場合は、可視光を光電変換する複数の光電変換部で、ニー特性が悪化し、画素性能が低下する可能性がある。

ここで、ニー特性が悪化するとは、横軸：画素への入射光量、縦軸：画素の飽和電子数のグラフを描くと、グラフの線が途中で折れ曲がってしまうことをいう。ニー特性が悪化すると入出力特性が悪化する。ニー特性の悪化は、例えば、光電変換部１０６ａで飽和した電荷は、光電変換部１０６ｂだけでなく、光電変換部１０６ｃへ漏れてしまうことにより生じる。ニー特性の悪化は、光電変換部１０６ａ、１０６ｂで飽和した電荷が同一画素内の光電変換部１０６ａ、１０６ｂに流れるようにすることにより防ぐことができる。

本実施形態によれば、光電変換部の特性に合わせてＰ型半導体領域の深さを変えているため、各画素において、ニー特性の悪化を防ぎながら、高精度な焦点検出を行うことができる。

図４に示すように、基板１００の上面には光電変換部１０６ａの電荷を転送するための転送トランジスタのゲート電極１３０ａと、光電変換部１０６ｂの電荷を転送するための転送トランジスタのゲート電極１３０ｂが配されている。各転送トランジスタにより、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３１ａ、１３１ｂに電荷を転送する。

図３に示すように、基板１００の上面には、絶縁膜１０９及び配線１１３を含む配線層１５０を介してカラーフィルタ１０３、１０４及びマイクロレンズ１０７が配されている。

配線層１５０に含まれる絶縁膜１０９は、透光性を有する。絶縁膜１０９は、単層であってもよいし、異なる材料からなる複数の層が積層された多層膜であってよい。単層の場合は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。また、多層膜の場合は、例えば、樹脂、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、及び炭化シリコン（ＳｉＣ）のいずれかからなる層を含む。マイクロレンズ１０７の材料は、例えば、樹脂である。

図１を参照しながら、周辺回路領域について説明する。図１に示すように、周辺回路領域は、垂直走査回路２２、読み出し回路２３、水平走査回路２４、出力アンプ２５を備える。

垂直走査回路２２は、画素領域２１に配された複数の画素２０に接続されている。複数の画素２０とは、例えば、列方向に配された複数の画素２０である。垂直走査回路２２は、画素２０から得られる信号を出力する行を選択して走査する。

画素領域２１に配された複数の画素２０は、垂直信号線を介して読み出し回路２３に接続されている。読み出し回路２３は、例えば、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路を含む。読み出し回路２３は、垂直走査回路２２によって選択された複数の画素２０から信号を読み出す。複数の画素２０とは、例えば、行方向に配された複数の画素２０である。

水平走査回路２４は、読み出し回路２３に接続されている。水平走査回路２４は、読み出し回路２３から画素信号に基づく信号を順番に読み出すための信号を生成する。

出力アンプ２５は、読み出し回路２３に接続されており、水平走査回路２４によって選択された複数の信号を増幅して出力する。水平走査回路２４によって選択された複数の信号とは、例えば、列方向に配された複数の画素２０の信号である。

本実施形態に係る光電変換装置１０の構成は上記の構成に限られない。例えば、以下に本実施形態に係る光電変換装置１０の変形例を示す。

図３では、１つの光電変換ユニット１０１、１０２が２つの光電変換部１０６ａ、１０６ｂを有するが、１つの光電変換ユニットが３つ以上の光電変換部を含んでいてもよい。この場合は、平面視において１つのマイクロレンズに重なる領域に３つ以上の光電変換部が配されている。また、光電変換装置は、光電変換部を１つだけ備える光電変換ユニットを含んでいてもよい。この場合は、平面視において１つのマイクロレンズに重なる領域に１つの光電変換部が配される。

図３では、複数の光電変換部が１つのマイクロレンズを共有しているが、図５に示すように、平面視で１つのマイクロレンズに重なる領域に１つの光電変換部が配されていてもよい。この場合であっても、生成された電荷が光電変換部間で混合されにくくなるとともに、異なる色の光に基づき生成された電荷が混合することを防ぐことができる。

図６に示すように、Ｎ型半導体領域は、Ｎ型半導体領域２０２Ａと、Ｎ型半導体領域２０２Ａよりも添加不純物濃度の低いＮ型半導体領域２０２Ｂとを含んでもよい。Ｎ型半導体領域２０２Ｂは、Ｎ型半導体領域２０２ＡとＰ型半導体領域２０３との間に配されている。この場合に、Ｐ型半導体領域１１０、１１２の深さをＰＮ接合面よりも深くしてもよい。これにより、Ｐ型半導体領域２０３で生成される電荷が、異なる色の光を光電変換する光電変換部へと漏れる割合を少なくすることができる。

ここで本明細書において「添加不純物濃度」と記載されている場合には、実際に添加されている不純物の濃度を意味する。上述した添加不純物濃度の測定は、例えば、ＳＩＭＳ法やＳＣＭ法で行うことができる。これらの方法によれば、単位体積あたり、その不純物がどの程度存在しているかを検証することが出来る。

これに対して、本明細書において、単に「不純物濃度」と記載されている場合には、添加不純物濃度が逆導電型の不純物によって補償された正味の不純物濃度を意味する。例えば、所定の領域において、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度よりも高ければその領域はＮ型半導体領域となる。また所定の領域において、Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度よりも高ければその領域はＰ型の半導体領域となる。

なお、図６において、平面視においてカラーフィルタ１０３に重なって配される光電変換部のＰＮ接合面の深さを、平面視においてカラーフィルタ１０４に重なって配される光電変換部のＰＮ接合面の深さよりも低くしてもよい。

カラーフィルタの配置のバリエーションを、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示す。図３及び図６に示すように、光電変換ユニット１０１の両端には同じ構成の光電変換ユニットが配されることが好ましい。言い換えると、２つの光電変換ユニット１０１の間に光電変換ユニット１０１が配される、又は２つの光電変換ユニット１０２の間に光電変換ユニット１０１が配される、ことが好ましい。これにより、移動する電荷量が非対称になることを低減することができ、焦点検出性能が悪化しにくくなる。

カラーフィルタは４色や５色に限らず６色以上のマルチバンドとしてもよい。マルチバンドとすることにより、被写体の分校情報を詳細に取得することができる。

＜第２実施形態＞
図８に本実施形態に係る光電変換装置の画素領域２１の一部の断面図を示す。本実施形態に係る光電変換装置は、カラーフィルタ１０４に平面視において重なって配されるＰ型半導体領域が、カラーフィルタ１０３に平面視において重なって配されるＰ型半導体領域よりも不純物濃度の低い部分を含む点で第１実施形態に係る光電変換装置と異なる。以下では、第１実施形態に係る光電変換装置と同様の構成の説明は省略する。

本実施形態は、第１実施形態と同様に、Ｎ型半導体領域２０２のカラーフィルタ１０３側とは反対側に配され且つＮ型半導体領域２０２と平面視において重なって配され、Ｎ型半導体領域２０２とＰＮ接合を構成する第２半導体領域（Ｐ型半導体領域）を備える。そして、本実施形態では、少なくとも一つの光電変換部のＰ型半導体領域の少なくとも一部分の不純物濃度は、複数の光電変換部のＰ型半導体領域のうち、少なくとも一部分と同じ深さに配されている部分の不純物濃度よりも低くなっている。具体的には、図８において、Ｐ型半導体領域２０３ｃの添加不純物濃度は、Ｎ型半導体領域２０２とＰＮ接合を構成するＰ型半導体領域２０３の添加不純物濃度よりも高い。Ｐ型半導体領域２０３ｃは、カラーフィルタ１０４に対応する光電変換部のＰ型半導体領域に含まれる。本実施形態では、図８に示すように、基板１００のカラーフィルタ１０３、１０４側の面から所定の深さにおいて、光電変換部１０６ａのＰ型半導体領域２０３の添加不純物濃度が、光電変換部１０６ｃ、１０６ｄのＰ型半導体領域２０３ｃの添加不純物濃度よりも低い。つまり、Ｐ型半導体領域２０３ｃと同じ深さにおいて、カラーフィルタ１０３に対応する光電変換部にはＰ型半導体領域２０３ｃが配されていない。したがって、Ｐ型半導体領域２０３ｃと同じ深さにおいて、カラーフィルタ１０４に重なって配されるＰ型半導体領域２０３ｃの不純物濃度は、カラーフィルタ１０４に重なって配されるＰ型半導体領域２０３の不純物濃度よりも低い。所定の深さは、例えば基板１００のカラーフィルタ側の面から２．０μｍ以上離れた位置にある。２．０μｍ以上離れた位置にＰ型半導体領域２０３ｃを配することで、赤色光により発生した電荷を光電変換部１０６ｃ、１０６ｄに含まれるＮ型半導体領域２０２で収集することができる。

Ｐ型半導体領域２０３ｃはＩＲ光により光電変換された電荷に対するバリア層として機能する。Ｐ型半導体領域２０３ｃが配されることにより、カラーフィルタ１０３を透過した光によりＰ型半導体領域２０３ｃの下で光電変換されても、可視光を光電変換する光電変換部１０６ｃ、１０６ｄに電荷が混ざることを防ぐことができる。また、ＩＲ光により、Ｐ型半導体領域２０３ｃの下で生成された電荷を光電変換部１０６ａのＮ型半導体領域２０２に移動させることができるため、ＩＲ光の感度を向上させることができる。また、カラーフィルタ１０３に平面視で重なる領域に配される光電変換部を１つすることにより、第１実施形態に比べてＦＤの数を少なくすることができるため、ノイズを低下することができる。

本実施形態に係る光電変換装置の構成は上記の構成に限られない。例えば、以下に本実施形態に係る光電変換装置の変形例を示す。

Ｐ型半導体領域１１０、１１１、１１２は、それぞれ絶縁体の周りに配されていてもよい。

Ｐ型半導体領域２０３ｃは、用途に応じて、２．０μｍよりも浅い位置に配しても良い。例えば、カラーフィルタ１０３が、青色光を透過するカラーフィルタ又は緑色光を透過するカラーフィルタとである場合は、Ｐ型半導体領域２０３ｃは２．０μｍより浅い位置に配しても良い。

図８では、各Ｐ型半導体領域１１０の深さを同じ深さとしている。これに限らず、図９に示すように、ＩＲ光を光電変換する光電変換部の周囲に配されたＰ型半導体領域１１０ａの深さを、ＩＲ光を光電変換する光電変換部と可視光を光電変換する光電変換部との間に配されたＰ型半導体領域１１０ｂの深さよりも浅くしてもよい。そして、Ｐ型半導体領域１１０ｂの下端がＰ型半導体領域２０３ｃの下面よりも基板１００の上面から離れた位置に配されてもよい。Ｐ型半導体領域２０３ｃの下で発生した電荷は拡散する。このときに、Ｐ型半導体領域１１０ｂがあることにより、電荷がＩＲ光を光電変換する光電変換部のＮ型半導体領域に移動しやすくなり、ＩＲ光の感度を向上させることができる。

図１０に示すように、Ｐ型半導体領域２０３ｃの下にＺ軸に平行なＰ型半導体領域２０４が配されていてもよい。Ｐ型半導体領域２０４の添加不純物濃度は、Ｐ型半導体領域２０３の添加不純物濃度よりも高い。この場合であっても、ＩＲ光の感度を向上させることができる。

図８ではカラーフィルタ１０３に平面視において重なって配される光電変換部は１つであるが、図９に示すようにカラーフィルタ１０３に平面視において重なって配される光電変換部が複数であってもよい。

図８では、Ｐ型半導体領域が第３部分であるＰ型半導体領域２０３と第４部分であるＰ型半導体領域２０３ｃとを含み、第３部分とＮ型半導体領域２０２とによりＰＮ接合が構成される。これに限らず、光電変換部がＮ型半導体領域２０２ａ、２０２ｂを含み、Ｎ型半導体領域２０２ｂとＰ型半導体領域２０３ｃとによりＰＮ接合が構成されていてもよい。この場合は、Ｎ型半導体領域２０２ｂとＰ型半導体領域２０３とによりＰＮ接合が構成される。

＜第３実施形態＞
図１１に、本実施形態に係る光電変換装置の画素領域２１の断面図を示す。本実施形態に係る光電変換装置は、基板１００の上面からのＰ型半導体領域２０３ｃの深さがＩＲ光を光電変換する光電変換部に近づくにつれて浅くなる点で第２実施形態に係る光電変換装置と異なる。以下では、第２実施形態に係る光電変換装置と同様の構成の説明は省略する。

Ｐ型半導体領域２０３ｃをＸ軸に平行に配すると、Ｐ型半導体領域１１０とＰ型半導体領域２０３ｃとによるポテンシャル障壁ができる場合がある。ポテンシャル障壁ができると、Ｐ型半導体領域２０３ｃの下で光電変換された電荷がＩＲ光を光電変換する光電変換部に移動しにくくなる。これに対して、図１１に示すように、Ｐ型半導体領域２０３ｃを浅くすることにより、ポテンシャル障壁ができにくくなる。したがって、Ｐ型半導体領域２０３ｃの下で光電変換された電荷を効率よくＩＲ光を光電変換する光電変換部に移動させることができ、赤外光に対する感度を向上させることができる。

図１１は、１つのマイクロレンズ１０７及びカラーフィルタ１０３に平面視で重なる領域に１つの光電変換部が配されているが、１つのマイクロレンズ１０７及びカラーフィルタ１０３に平面視で重なる領域に複数の光電変換部が配されていてもよい。

＜第４実施形態＞
図１２に本実施形態に係る光電変換装置の画素領域２１の断面図を示す。本実施形態に係る光電変換装置は、基板１００の上面から下面に向かってＰ型半導体領域２０３の不純物濃度が濃くなる領域を含む点で第１実施形態に係る光電変換装置と異なる。図１２に、図１２の破線の不純物濃度のプロファイルを示す。以下では、第１実施形態に係る光電変換装置と同様の構成の説明は省略する。

本実施形態に係る基板１００は、例えば、以下の方法により形成することができる。まず、Ｐ型のシリコン基板の上面にエピタキシャル成長法によってＰ型半導体領域を形成する。図１１では、基板１００の下面を示す線と長鎖線との間がＰ型のシリコン基板であり、長鎖線と一点鎖線との間がエピタキシャル成長法によって形成されたＰ型半導体領域である。エピタキシャル成長法によって形成されたＰ型半導体領域は、第１部分と、第１部分よりも添加不純物濃度の高い第２部分と、を有する。第２部分は、第１部分よりも基板１００のフィルタ側の面から離れて配されている。エピタキシャル成長法によって形成されたＰ型半導体領域は、不純物濃度が徐々に低くなるように成長させる。次に、エピタキシャル成長法によって形成されたＮ型半導体領域にＰ型の不純物イオンを注入し、その後Ｎ型の不純物イオンを注入する。図１１では、一点鎖線と基板１００の上面とを示す線との間が、Ｐ型の不純物イオン、Ｎ型の不純物イオンが注入された領域である。Ｎ型半導体領域にＰ型の不純物イオンを注入するときは、エピタキシャル成長法によって形成されたＰ型半導体領域とエピタキシャル成長法によって形成されたＮ型半導体領域との接合面にポテンシャル障壁が生じないようにＰ型の不純物イオンを注入する。基板１００の上面に向かって不純物濃度が低くなるように不純物イオンを注入する。これにより、基板１００の上面から離れた位置で発生した電荷も収集することができるため、ＩＲ光の感度を向上させることができる。

なお、図１１では、Ｎ型の不純物イオンを注入した後に、さらにＰ型の不純物イオンを注入している。これにより、基板１００の上面の近傍で発生する暗電流を抑制することができる。

エピタキシャル成長法により形成されるＰ型半導体領域の厚さは、例えば１μｍ以上５０μｍ以下の範囲にあり、エピタキシャル成長法により形成されるＮ型半導体領域の厚さは、例えば、１μｍ以上５μｍ以下の範囲にある。

＜第５実施形態＞
図１３に本実施形態に係る光電変換装置の画素領域２１の断面図を示す。本実施形態に係る光電変換装置は、基板１００の上面から下面に向かってＰ型半導体領域２０３の不純物濃度が濃くなる領域を含む点で第２実施形態に係る光電変換装置と異なる。図１３に、図１３の破線の不純物濃度のプロファイルを示す。

本実施形態に係る基板１００の製造方法は、Ｐ型半導体領域２０３ｃに相当する領域にＰ型のイオンを注入している点以外は第４実施形態に係る基板１００の製造方法と同様であるため説明を省略する。

＜第６実施形態＞
図１４に本実施形態に係る光電変換装置の断面図を示す。本実施形態に係る光電変換装置は、カラーフィルタ１０３が透過する波長の光よりも長波側の波長の光を透過するカラーフィルタ４０２を含む点で第１実施形態に係る光電変換装置と異なる。以下では、第１実施形態に係る光電変換装置と同様の構成の説明は省略する。

本実施形態において、例えば、カラーフィルタ１０３は透過ピーク波長が６５０ｎｍ≦波長λ＜７００ｎｍにあるフィルタであり、カラーフィルタ４０２は透過ピーク波長がλ≧７００ｎｍにあるフィルタである。カラーフィルタ４０２に平面視において重なる領域において、複数の光電変換部の間に配されたＰ型半導体領域４０３の深さは、Ｐ型半導体領域１１２の深さよりも深く、Ｐ型半導体領域１１０よりも浅い。これにより、カラーフィルタ４０２を透過した光を光電変換する複数の光電変換部の間で電荷を分離しながら、隣接画素への電荷の漏れを防ぐことができる。

＜第７実施形態＞
図１５に本実施形態に係る光電変換装置の概略図を示し、図１６に図１５のＡ−Ａ‘断面図を示す。本実施形態に係る光電変換装置は、光電変換部を含む基部３６０と、周辺回路領域の少なくとも一部の回路を含む基部３７０と、を積層して構成されている点で第１実施形態に係る光電変換装置と異なる。図１５及び図１６に示す光電変換装置は、光電変換部を含む半導体基板１００Ａが配線層とマイクロレンズ１０７との間に配された、いわゆる裏面照射型の光電変換装置である。裏面照射型の光電変換装置とすることにより、感度を向上させることができる。

図１５に示すように、光電変換部を含む第１半導体基板１００Ａの下面に、転送トランジスタ、ソースフォロアトランジスタ、リセットトランジスタ等のトランジスタのゲート電極や金属の配線層が配されている。トランジスタのゲート電極は、プラグを介して配線層に接続されている。プラグはタングステンを主成分として一体的に形成することができる。また、プラグおよび配線１１３は銅を主成分とし、デュアルダマシン法によって一体的に形成することができる。

基部３６０は第１半導体基板１００Ａと第１配線層１５０ａとを含み、基部３７０は第２半導体基板１００Ｂと第２配線層１５０ｂとを含む。基部３６０と基部３７０とは、接合面において貼り合わされる。接合面は、銅などの金属と酸化膜などの絶縁体とによって構成される。接合面を成す金属は、光電変換部１０６ａ、１０６ｂなど第１半導体基板１００Ａに配される素子と、第２半導体基板１００Ｂに配される読み出し回路２３とを接続する配線を構成してもよい。

＜第８実施形態＞
本実施形態による光電変換システムについて、図１７を用いて説明する。上述した各実施形態の光電変換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１７は、本実施形態による光電変換システムの概略構成を示すブロック図である。

上記の各実施形態で述べた光電変換装置は、図１７の光電変換装置として種々の光電変換システムに適用可能である。適用可能な光電変換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光電変換装置とを備えるカメラモジュールも、光電変換システムに含まれる。図１７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１７に例示した光電変換システム１は、被写体像を結像する光学系１１としてのレンズが装着される。このレンズを含む光学系１１は、制御部１２によってフォーカス位置が制御される。光電変換システム１は、レンズを通過する光量を可変にするための絞り１３と、その開口径を変化させて（絞り値を可変として）光量調節を行う絞り機能を備えた制御部１４と、を有する。光学系１１の像空間には、光学系１１により結像された被写体像を光電変換する光電変換装置１０の撮像面が配置される。光電変換装置１０は、第１乃至第７実施形態で説明した光電変換装置であって、レンズにより結像された光学像を画像データに変換する。

ＣＰＵ１５は、カメラの種々の動作の制御を司るコントローラである。ＣＰＵ１５は、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータおよび通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１５は、ＲＯＭに記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、光学系の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理および記録等の一連の撮影動作を実行させる。ＣＰＵ１５は、演算手段に相当する。

制御部１６は、光電変換装置１０の動作を制御するとともに、光電変換装置１０から出力された画素信号（撮像信号）をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１５に送信する。なお、光電変換装置１０がＡ／Ｄ変換機能を有していてもかまわない。画像処理部１７は、Ａ／Ｄ変換された撮像信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成する。表示部１８は、液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示部であり、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像および焦点検出時の合焦状態等を表示する。そして、操作スイッチ１９、着脱可能な記録媒体２６で、撮影済み画像を記録する。

装着したレンズ、更には撮影条件に応じ、カメラＣＰＵが複数種の遮光形状のうち最適な形状の画素の出力値を選択して、焦点検出を行う。この結果、多様なレンズに応じ、より焦点検出精度の高いカメラシステムを提供することができる。例えば、赤外光の透過率の高いレンズを使用することにより、赤外光に対し焦点検出精度を高めることができる。

＜第９実施形態＞
本実施形態による光電変換システム及び移動体について、図１８を用いて説明する。

図１８（ａ）は、車戴カメラに関する光電変換システムの一例を示したものである。光電変換システム３００は、光電変換装置１０を有する。光電変換装置１０は、上記第１乃至第７実施形態のいずれかに記載の光電変換装置である。光電変換システム３００は、光電変換装置１０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、光電変換システム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）の算出を行う視差算出部３１４を有する。また、光電変換システム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計測部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、視差算出部３１４や距離計測部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。

光電変換システム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、光電変換システム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、光電変換システム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光電変換システム３００で撮像する。図１８（ｂ）に、車両前方（撮像範囲３５０）を撮像する場合の光電変換システムを示した。車両情報取得装置３２０が、所定の動作を行うように光電変換システム３００ないしは光電変換装置１０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、光電変換システムは、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。

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。

Claims (11)

1. 複数の光電変換部を含む半導体基板と、
   第１及び第２のマイクロレンズと、
   可視光よりも赤外光の透過率が高い第１のフィルタと、
   赤外光よりも可視光の透過率が高い第２のフィルタと、を有し、
   前記複数の光電変換部は、
   前記第１のマイクロレンズ及び前記第１のフィルタに、平面視において重なって配される少なくとも一つの光電変換部と、
   前記第２のマイクロレンズ及び前記第２のフィルタに、平面視において重なって配される複数の光電変換部と、を含み、
   前記第１のフィルタに平面視において重なって配される少なくとも一つの光電変換部及び前記第２のフィルタに平面視において重なって配される複数の光電変換部のそれぞれは、
   信号電荷を蓄積する第１導電型の第１半導体領域と、
   前記第１導電型と反対導電型である第２導電型であり、前記第１半導体領域の前記第１のフィルタ側とは反対側に配され且つ前記第１半導体領域と平面視において重なって配され、前記第１半導体領域とＰＮ接合を構成する第２半導体領域と、を有し、
   前記少なくとも一つの光電変換部の第２半導体領域の少なくとも一部分の不純物濃度は、前記複数の光電変換部の第２半導体領域のうち、前記少なくとも一部分と同じ深さに配されている部分の不純物濃度よりも低いことを特徴とする光電変換装置。
2. 前記第１のマイクロレンズに平面視において重なって配される光電変換部は一つであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第１のマイクロレンズに平面視において重なって配される光電変換部は複数であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
4. 前記少なくとも一部分は、前記半導体基板の前記第１のフィルタ側の面から２．０μｍ以上離れた位置にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記少なくとも一部分よりも前記半導体領域の前記第１のフィルタ側の面から離れた位置において、前記第２半導体領域は、第１部分と、前記第１部分よりも前記半導体基板の前記第１のフィルタ側の面から離れた位置に配され、前記第１部分よりも添加不純物濃度の高い第２部分を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記第２のフィルタに平面視において重なって配される複数の光電変換部のそれぞれに含まれる第２半導体領域は、第３部分と、前記第３部分の前記第１半導体領域の側とは反対の側にあり、前記第３部分よりも添加不純物濃度の高い第４部分と、を有し、
   前記第４部分と同じ深さにおいて、前記少なくとも一部分の添加不純物濃度が前記第４部分の添加不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記第３部分は、前記半導体基板の前記第２のフィルタ側の面に近づくにつれて不純物濃度が低くなる部分を含むことを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
8. 前記第２半導体領域は、エピタキシャル成長法により形成された部分と、不純物イオンを注入することにより形成された部分とを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 複数の光電変換部を含む半導体基板と、
   可視光よりも赤外光の透過率が高い第１及び第３のフィルタと、
   赤外光よりも可視光の透過率が高い第２及び第４のフィルタと、を有し、
   前記第１のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部、前記第３のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部、前記第２のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部、及び前記第４のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部が、一方向に隣り合って配されており、
   前記第１のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部は、信号電荷を蓄積する第１導電型の第１半導体領域を有し、
   前記第２のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部は、前記第１導電型の第２半導体領域を有し、
   前記第３のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部は、前記第１導電型の第３半導体領域を有し、
   前記第４のフィルタに平面視において重なって配される光電変換部は、前記第１導電型の第４半導体領域を有し、
   前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との間には、前記第１導電型と反対導電型である第２導電型の第５半導体領域が配され、
   前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間には、前記第２導電型の第６半導体領域が配され、
   前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との間には、前記第２導電型の第７半導体領域が配され、
   前記第５半導体領域、前記第６半導体領域、及び前記第７半導体領域はそれぞれ少なくとも１つの不純物濃度のピークを有し、
   前記第６半導体領域が有するピークのうちの前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から最も離れたピークの位置は、前記第７半導体領域が有するピークのうちの前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から最も離れたピークの位置よりも前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から離れており、
   前記第５半導体領域が有するピークのうちの前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から最も離れたピークの位置は、前記第６半導体領域が有するピークのうちの前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から最も離れたピークの位置よりも前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から離れていることを特徴とする光電変換装置。
10. 前記半導体基板の前記第１のフィルタの側の面から最も離れた前記第６半導体領域の不純物濃度のピークの位置は、２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置。
11. 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のマイクロレンズを共有しており、
    前記第３の光電変換部及び前記第４の光電変換部は第２のマイクロレンズを共有していることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光電変換装置。

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