JP2022006880A - 光電変換装置、撮像システムおよび移動体 - Google Patents

光電変換装置、撮像システムおよび移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】感度やダイナミックレンジ性能を向上させた光電変換装置を提供すること【解決手段】複数の画素を有する光電変換装置であって、前記画素は、光電変換部と、前記光電変換部で変換された電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部から転送された電荷を電圧に変換する浮遊拡散層とを基板の半導体層に有し、隣り合う画素それぞれの前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部が、前記基板の深さ方向において、前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部同士を分離する領域を間に存在させて重ねてあることを特徴とする光電変換部。【選択図】図３

Description

本発明は光電変換装置、この光電変換装置を備えた撮像システムおよび移動体に関する。
ＣＭＯＳイメージセンサに代表される光電変換装置において、特許文献１に記載されるようなグローバル電子シャッタ動作による撮像方法が提案されている。また、特許文献２にはグローバル電子シャッタ動作が可能な裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサについて記載されている。
特開２０１３－０６５６８８号公報 特開２００４－１１１５９０号公報
グローバル電子シャッタを実現する場合、電荷保持部や遮光部材等の構成要素が必要であるため、光電変換部の面積や開口率が損なわれ、感度やダイナミックレンジ性能を劣化させる要因となっていた。本発明では感度やダイナミックレンジ性能を向上させた光電変換装置を提供することを目的とする。
本発明の一つの側面の光電変換装置は、複数の画素を有する光電変換装置であって、前記画素は、光電変換部と、前記光電変換部で変換された電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部から転送された電荷を電圧に変換する浮遊拡散層とを基板の半導体層に有し、隣り合う画素それぞれの前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部が、前記基板の深さ方向において、前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部同士を分離する領域を間に存在させて重ねてあることを特徴とする。
本発明の別の側面の光電変換装置は、基板の半導体層に、光電変換部と、前記光電変換部で変換された電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部から転送された電荷を電圧に変換する浮遊拡散層とが形成された複数の副画素と、該複数の副画素間で共有されるマイクロレンズとを備える画素を複数有する光電変換装置であって、隣り合う前記副画素それぞれの前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部が、前記基板の深さ方向において、前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部同士を分離する領域を間に存在させて重ねてあることを特徴とする。
本発明のさらに別の側面の光電変換装置は、光電変換部と、前記光電変換部からの電荷を保持する第一の電荷保持部と、前記光電変換部からの電荷を保持する第二の電荷保持部とを含む複数の画素を基板の半導体層に有する光電変換装置であって、前記第一の電荷保持部と前記第二の電荷保持部の少なくとも一部同士が、前記基板の深さ方向において、前記電荷保持部の少なくとも一部同士を分離する領域を間に存在させて重ねてあることを特徴とする。
本発明によれば、光電変換部の面積を拡大できるため、光電変換装置の感度やダイナミックレンジ性能を向上させることができる。
第一の実施形態に係る光電変換装置の概略図である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の画素回路の構成例である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の断面構造を模式的に示す図面である。 第二の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の断面構造を模式的に示す図面である。 第二の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の平面構造を模式的に示す図面である。 第三の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の断面構造を模式的に示す図面である。 第三の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の平面構造を模式的に示す図面である。 第四の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の断面構造を模式的に示す図面である。 第四の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の平面構造を模式的に示す図面である。 第五の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の断面構造を模式的に示す図面である。 第五の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の平面構造を模式的に示す図面である。 第五の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の断面構造を模式的に示す図面である。 第五の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の平面構造を模式的に示す図面である。 第六の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の断面構造を模式的に示す図面である。 第六の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の平面構造を模式的に示す図面である。 第七の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の断面構造を模式的に示す図面である。 第七の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の平面構造を模式的に示す図面である。 第八の実施形態に係る実施例にかかる撮像システムの概略構成を示すブロック図である。 第九の実施形態に係る撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。
（第一の実施形態）
本発明を実施するための形態の一例について図面を用いて説明する。図１は本実施形態にかかる光電変換装置の構成を示す概略図である。
図１に示す光電変換装置１は、画素領域１０と、垂直走査部２０と、読出し回路３０と、水平走査部４０と、制御部５０と、出力部６０とを含み構成される。画素領域１０には入射光量に応じて電荷を生成する光電変換部（ＰＤ）１０１を有する単位画素１００がマトリクス状に配置されている。画素領域１０の画素アレイの各行には、行方向（図１において横方向）に延在して、制御信号線１１が配されている。制御信号線１１は、行方向に並ぶ単位画素１００にそれぞれ接続され、これら単位画素１００に共通の信号線をなしている。また、画素領域１０の画素アレイの各列には、列方向（図１において縦方向）に延在して、垂直出力線１２が配されている。垂直出力線１２は、列方向に並ぶ単位画素１００にそれぞれ接続され、これら単位画素１００に共通の信号線をなしている。
画素領域１０を構成する単位画素１００の数は、特に限定されるものではない。例えば、一般的なデジタルカメラのように数千行×数千列の単位画素１００で画素領域１０を構成してもよく、１行又は１列に並べた複数の単位画素１００で画素領域１０を構成してもよい。或いは、１つの単位画素１００で画素領域１０を構成してもよい。
各行の制御信号線１１は、垂直走査部２０に接続されている。垂直走査部２０は、画素領域１０から画素信号を読み出す際に単位画素１００内の読み出し回路を駆動するための制御信号を、制御信号線１１を介して単位画素１００に供給する回路部である。
各列の垂直出力線１２の一端は、読み出し回路３０に接続されている。単位画素１００から読み出された画素信号は、垂直出力線１２を介して読み出し回路３０に入力される。読み出し回路３０は、単位画素１００から読み出された画素信号を保持するメモリ等を含み得る。
水平走査部４０は、読み出し回路３０において保持された画素信号を列毎に順次、出力部６０に転送するための制御信号を、読み出し回路３０に供給する回路部である。制御回路５０は、垂直走査部２０、読み出し回路３０及び水平走査部４０の動作やその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。
本実施形態による単位画素１００の構成と接続関係について説明する。
図２は単位画素１００の画素回路の構成例である。単位画素１００は、光電変換部（ＰＤ）１０１、電荷保持部（ＭＥＭ）１０２、浮遊拡散層（ＦＤ）１０３、増幅部１０４、第一の転送トランジスタ１０５、第二の転送トランジスタ１０６、リセットトランジスタ１０７、選択トランジスタ１０８を含む。
光電変換部（ＰＤ）１０１のアノードと、電荷保持部（ＭＥＭ）１０２の一端と浮遊拡散層（ＦＤ）１０３の一端は接地電位に接続されている。ＰＤ１０１のカソードは第一の転送トランジスタ１０５のソースに接続され、第一の転送トランジスタ１０５のドレインはＭＥＭ１０２に接続される。ＭＥＭ１０２は第二の転送トランジスタ１０６のソースに接続され、第二の転送トランジスタ１０６のドレインはＦＤ１０３に接続される。ＦＤ１０３とリセットトランジスタ１０７のソース、増幅部１０４のゲートは同一のノードを有する。増幅部１０４のドレインは選択トランジスタ１０８のソースに接続される。
画素の各要素の機能について説明する。
ＰＤ１０１は入射した光を光電変換し、電荷を生成する。生成された電荷は、第一の転送トランジスタ１０５によりＭＥＭ１０２に転送され、保持される。ＭＥＭ１０２は保持した電荷を第二の転送トランジスタ１０６によりＦＤ１０３に転送する。ＦＤ１０３はＭＥＭ１０２から転送された電荷を保持するとともに、保持した電荷を電圧信号に変換する機能を有する。増幅部１０４はソースフォロワＭＯＳトランジスタであり、ＦＤ１０３で変換された電圧信号を増幅して画素信号として読み出す。リセットトランジスタ１０７はＦＤ１０３の電圧レベルを基準電圧にリセットする。選択トランジスタ１０８は増幅部１０４の出力端と読出し回路３０の入力端である垂直読み出し回路１２０とを接続し、画素信号を出力する。
第一の転送トランジスタ１０５、第二の転送トランジスタ１０６、リセットトランジスタ１０７、選択トランジスタ１０８はそれぞれ、垂直走査部２０から接続される制御信号線１１５、１１６、１１７、１１８を介した制御信号により制御される。
図３及び図５を用いて第一の実施形態にかかる画素領域１０の構造について説明する。本実施形態の単位画素１００はいわゆる裏面照射型ＣＭＯＳセンサである。
図３は隣接する２つの単位画素１００を含む画素領域１０の一部の断面構造の模式図である。断面の構造及び該断面以奥の構造を模式的に表している。第一の実施形態における光電変換装置は、撮像装置であり、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサである。その断面構造は図３が示す通り、光入射側から受光部２１０、半導体層２１１、配線層２１２に大別できる。
図５は複数の単位画素１００を含む画素領域１０の一部を光入射側から見た平面構造の模式図である。図５（ａ）～（ｃ）は図３の（ａ）～（ｃ）の切断線に対応し、各断面の構造及び該断面以奥の構造を模式的に表している。
受光部２１０の構成を説明する。
半導体層２１１の光入射側に、マイクロレンズ２０１、カラーフィルター２０２、誘電体層２０３、遮光層２０４は形成される。
カラーフィルター２０２は、一般的には単位画素１００ごとにＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の波長域に対応して形成し、図５（ａ）に示すようにベイヤー配列で配置される。
遮光層２０４は、断面的には図３に示すようにマイクロレンズ２０１およびカラーフィルター２０２と半導体層２１１との間に配置される。平面的には図５（ｂ）に示すようにＰＤ１０１の光入射面に対応する開口部を持ち、ＭＥＭ１０２やＦＤ１０３を覆うように形成される。遮光層２０４には例えばタングステンやアルミニウムなどの遮光性導電体を用い、ＰＤ以外の感光素子であるＭＥＭ１０２やＦＤ１０３への光の入射を遮る。
誘電体層２０３は、遮光層２０４の開口部と、遮光層２０４と半導体層２１１との間および遮光層２０４とカラーフィルター２０２との間に形成される。誘電体層２０３は半導体層２１１を絶縁し、カラーフィルター２０２やマイクロレンズ２０１の形成面を平坦化する。
半導体層２１１の構成を説明する。
半導体層２１１はＰＤ１０１と、ＭＥＭ１０２と、ＦＤ１０３とを含んで形成される。半導体層２１１はシリコンなどの半導体基板を用い、基板の導電型として例えばｐ型が用いられる。
ＰＤ１０１は、例えば、リンやヒ素をｐ型の基板に注入して形成されたｎ型の不純物領域がｐ型の基板とのｐｎ接合を構成することで形成される。ＰＤ１０１は半導体層２１１の光入射面側から配線層側にかけて配置される。
ＭＥＭ１０２およびＦＤ１０３はｎ型（第１の導電型）の不純物領域によって形成される。
ＭＥＭ１０２およびＦＤ１０３の配置構成に関して説明する。
隣接する単位画素１００の一方に含まれるＰＤ１０１ａに対応するＭＥＭ１０２ａは、図３において、半導体層２１１の配線層２１２側に形成される。隣接する単位画素１００の他方に含まれるＰＤ１０１ｂに対応するＭＥＭ１０２ｂは、その一部を半導体層２１１の配線層２１２側に形成し、一部をＭＥＭ１０２ａよりも半導体層２１１の受光部２１０に近い位置に形成する。図５（ｃ）に示すとおり、間にＭＥＭ同士を分離するｐ型の半導体領域を有してＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂとが深さ方向に重なる領域を持つように形成される。このようにＭＥＭを配置することで、ＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂとが深さ方向に重ならないように配置したときと比べ狭い面積でＭＥＭ１０２を配置することができる。このとき、ＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂが深さ方向に重なる部分のＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂとの間は、ｐ型（第２の導電型）の領域が確保されるように不純物を注入する。
またＰＤ１０１ａに対応するＦＤ１０３ａ、ＰＤ１０１ｂに対応するＦＤ１０３ｂは半導体層２１１の配線層２１２側に配置される。本実施形態において、ＦＤ１０３はｎ型の不純物領域により形成されるが、配線層２１２の配線１２１からなる配線容量で構成しても構わない。
本実施形態では、ＭＥＭ１０２およびＦＤ１０３の導電型（第１の導電型）をｎ型、ＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂとの基板の深さ方向に関して重なる部分の間の領域の導電型（第２の導電型）をｐ型とした。しかし第１の導電型をｐ型、第２の導電型をｎ型とした光電変換装置や撮像装置も構成し得る。後述する第二の実施形態～第七の実施形態の場合も同様である。
配線層２１２の構成を説明する。
配線層２１２は、配線１２１と、層間絶縁膜１２２と、ゲート絶縁膜１０９と、ゲート電極１１０とからなり、半導体層２１１の光入射側と反対側の面に形成される。半導体層に配置されるトランジスタのゲート電圧の制御や光電変換された信号電荷の読み出しのための複数の配線１２１が層間絶縁膜１２２に埋め込まれて構成される。
配線１２１は、例えばアルミニウムや銅などの導電体で形成され、層間絶縁膜１２２は、例えばシリコン酸化物で形成されている。図３には配線１２１が三層の構成例を示しており、図示しないが各層間の配線１２１間や配線１２１とゲート電極１１０とはタングステンなどで形成されるビアにより接続される。
配線層２１２と半導体層２１１のＰＤ１０１との間、及び配線層２１２とＭＥＭ１０２との間に、ゲート絶縁膜１０９を介してゲート電極１１０が配置され、第一の転送トランジスタ１０５が形成される。第一の転送トランジスタ１０５のゲート電極１１０に所定の電圧が印加されると、ＰＤ１０１で生成された電荷がＭＥＭ１０２に転送される。ゲート絶縁膜１０９はシリコン酸化物、ゲート電極はポリシリコンなどで形成される。
図３には図示されないが、第二の転送トランジスタ１０６、リセットトランジスタ１０７、選択トランジスタ１０８、増幅部１０４も、第一の転送トランジスタ１０５と同様に半導体層２１１に形成されるゲート電極１１０によって構成することができる。
このように、隣接する単位画素１００同士のＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂそれぞれの一部の領域が半導体層２１１の深さ方向（基板の深さ方向）に重なって配置されることにより、ＭＥＭやＦＤ等の要素の配置効率を上げることができる。これにより単位画素１００が同一ピッチで配置される従来の単位画素１００に対し、ＰＤ１０１が占有する領域、つまり光電変換領域を広げることが可能となり、光電変換の感度および光電変換部に蓄積可能な電荷量を向上することができる。また、遮光層２０４による遮光が必要な領域抑制され、ＰＤの光入射面の開口率を上げることが可能となり、より光電変換効率を向上することができる。
なお、画素領域１０を構成する単位画素１００のすべてが本実施例の構造をとる必要はなく、画素領域１０の一部の画素を本実施例で示す単位画素とすることも考えられる。
本実施形態の例である図３及び図５では、単位画素１００同士のＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂとの一部の領域が、その間にＭＥＭ１０２とは導電型が異なり、ＭＥＭ同士を分離する領域が存在するように半導体層２１１の深さ方向に重なって配置されている。しかし、深さ方向に重なって配置されるのは単位画素１００同士のＦＤ１０３ａとＦＤ１０３ｂとの一部の領域でもよく、この場合ＦＤ１０３ａとＦＤ１０３ｂとの一部の領域の間にＦＤ１０３とは導電型が異なる領域が存在するように構成される。このときＭＥＭ同士やＭＥＭとＦＤとの間に深さ方向に重なって配置されている領域が存在する必要はない。また、ＭＥＭやＦＤを分離する領域はＭＥＭやＦＤと導電型の異なる半導体領域に限られず、例えば絶縁体や、ＭＥＭやＦＤと導電型が同じだがＭＥＭやＦＤとは不純物濃度の異なる半導体領域でもよい。つまり、各素子間の電荷の動きが制限されるようにポテンシャルバリアが設けられていればよい。後述する第二の実施形態～第七の実施形態の場合も同様である。
このような構成をとると、各画素の構造差からＰＤ１０１からＭＥＭ１０２への転送やＭＥＭ１０２からＦＤ１０３への転送などに特性差が生じ、出力される画素信号に影響することが想定される。そこで、例えばカラーフィルター２０２とＭＥＭ位置との関係を合わせることで特性差の影響を軽減することができる。
具体例としては、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルターをベイヤー配列させる場合において、ＲとＢのカラーフィルターが配置される単位画素１００のＭＥＭ１０２は半導体層２１１の配線層２１２側に面する位置に統一して形成する。一方Ｇのカラーフィルターが配置される単位画素１００のＭＥＭ１０２は半導体層２１１の受光部２１０に近い位置に統一して配置する。このような構成では色ごとの信号特性差は生じず、出力信号を処理する段階で通常行われるホワイトバランス調整などにより色信号間の特性差を補正することができる。
もう一つの例として、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれに対応する単位画素１００について、ＭＥＭ１０２の配置が異なる単位画素１００をおおよそ同数配置する構成が挙げられる。色毎に、特性の異なる２種類の信号を出力できるため、その差分を抽出することができ、信号処理の段階で補正データとして使用することができる。このとき、同数に分けて配置する色はＲＧＢの全種類である必要はなく、一種類だけ（例えばＧのみ）であってもよい。
（第二の実施形態）
本発明の別の実施形態を説明する。本実施形態では、前述の実施形態とはＰＤからＭＥＭへの電荷転送経路が異なる。
図４に隣接する２つの単位画素１００を含む画素領域１０の一部の断面構造の模式図を示す。断面の構造及び該断面以奥の構造を模式的に表している。基本構成は第一の実施形態と同様であるため説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分に関して説明する。
隣接する単位画素１００のうち一方に含まれるＰＤであるＰＤ１０１ａに対応するＭＥＭ１０２ａは図４に示す断面において半導体層２１１の配線層２１２側に形成される。他方のＰＤ１０１ｂに対応するＭＥＭ１０２ｂはＭＥＭ１０２ａより半導体層２１１の光入射面側に近い位置に配置され、図５（ｃ）においてＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂとが間にＭＥＭ同士を分離する領域を有して深さ方向に重なる領域を持つよう形成される。
以下第一の実施形態との差異について説明する。第二の実施形態のＰＤ１０１ｂに対応する第一の転送トランジスタ１０５ｂは、半導体層２１１に設けられたトレンチにゲート絶縁膜１０９を形成した後、ポリシリコンなどの電極材料を埋め込むことによって形成された縦型転送構造を有する。同様に第二の転送トランジスタ１０６ｂ、リセットトランジスタ１０７、選択トランジスタ１０８、増幅部１０４も縦型転送構造により形成することができる。
（第三の実施形態）
本発明の別の実施形態を説明する。本実施形態では、いわゆる表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサ（撮像装置）の場合を説明する。
図６に隣接する２つの単位画素１００を含む画素領域１０の一部の断面構造の模式図を示し、図７に複数の単位画素１００を含む画素領域１０の一部を光入射側から見た平面構造を模式的に示す。図７（ａ）～（ｃ）は図６の（ａ）～（ｃ）の切断線に対応し、図６、図７はいずれも各断面の構造及び該断面以奥の構造を模式的に表している。基本構成は第一の実施形態と同様であるため説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分に関して説明する。
第三の実施形態における光電変換装置は、いわゆる表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサである。
マイクロレンズ２０１、カラーフィルター２０２は配線層２１２の光入射側に形成される。また、カラーフィルター２０２と配線１２１との間は層間絶縁膜により平坦化される。
配線層２１２は、半導体層２１１の光入射側に形成され、半導体層に配置されるトランジスタのゲート電圧の制御や光電変換された信号電荷の読み出しのための複数の配線１２１が層間絶縁膜１２２に埋め込まれて構成される。
配線層２１２と半導体層２１１のＰＤ１０１との間、及び配線層２１２とＭＥＭ１０２との間に、ゲート絶縁膜１０９を介してゲート電極１１０が配置され、第一の転送トランジスタ１０５が形成される。第一の転送トランジスタ１０５のゲート電極１１０に所定の電圧が印加されることで、ＰＤ１０１で生成された電荷がＭＥＭ１０２に転送される。ゲート絶縁膜１０４はシリコン酸化物、ゲート電極はポリシリコンなどで形成される。
遮光層２０４は、光入射側から見て、ＭＥＭ１０２および第一の転送トランジスタ１０５の転送ゲート１１０を全て覆うように配線層２１２に形成される。遮光層２０４は断面的には半導体層２１１及び転送ゲート１１０と配線１２１との間にシリコン酸化物などの層間絶縁膜１１２を介して形成され、例えばタングステンやアルミニウムなどの遮光性導電体を用いる。
半導体層２１１はそれぞれｎ型の半導体領域であるＰＤ１０１と、ＭＥＭ１０２と、ＦＤ１０３とを含んで形成される。
隣接する単位画素１００のうち一方の画素のＰＤ１０１ａに対応するＭＥＭ１０２ａは半導体層２１１の光入射側の配線層２１２側に形成される。他方の画素のＰＤ１０１ｂに対応するＭＥＭ１０２ｂはＭＥＭ１０２ａより半導体層２１１の光入射面と反対側の面に近い位置に配置される。図７（ａ）においてＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂとは少なくとも一部同士が、その間にＭＥＭ同士を分離する領域を有して基板の深さ方向に重なる領域を持つように形成される。この重複部分のＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂとの間、および半導体層２１１の光入射面と反対側の面とＭＥＭ１０２ｂとの間はＭＥＭ同士を分離するｐ型の領域が確保されるように不純物を注入する。
ＰＤ１０１ｂに対応する第一の転送トランジスタ１０５ｂは、半導体層２１１に設けられたトレンチにゲート絶縁膜１０９を形成した後、ポリシリコンなどの電極材料を埋め込むことによって形成された縦型転送構造を有する。同様に第二の転送トランジスタ１０６ｂも縦型転送構造により配置される。また、ＦＤ１０３は半導体層２１１の配線層２１２側に配置される。本実施形態において、ＦＤ１０３はｎ型の不純物領域により形成される例を示すが、配線層２１２の配線１２１からなる配線容量で構成しても構わない。
（第四の実施形態）
本発明の別の実施形態を説明する。本実施形態では、隣接する単位画素のＭＥＭ同士のみならずＭＥＭとＦＤも、その間にＭＥＭとＦＤとを分離する領域を有して半導体基板（半導体層）の深さ方向に重なる部分を持つ。
図８に隣接する２つの単位画素１００を含む画素領域１０の一部の断面構造の模式図を示し、図９に複数の単位画素１００を含む画素領域１０の一部を光入射側から見た平面構造を模式的に示す。図９（ａ）～（ｅ）は図８の（ａ）～（ｅ）の切断線に対応し、図８、図９はいずれも各断面の構造及び該断面以奥の構造を模式的に表している。基本構成は第一の実施形態と同様であるため説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分に関して説明する。なお、第四の実施形態は裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサ（撮像装置）の一例である。
隣接する単位画素１００のＦＤ１０４ａ及びＦＤ１０４ｂは、半導体層２１１の配線層２１２側に形成される。ＰＤ１０１ａ及びＦＤ１０４ａに対応するＭＥＭ１０２ａは、図８に示す通りＦＤ１０４ａ及びＦＤ１０４ｂより半導体層２１１の光入射側に近い位置に配置され、図９に示す通りＦＤ１０４ｂ及びＭＥＭ１０２ｂと基板の深さ方向に重なる領域を持って形成される。また、ＰＤ１０１ｂ及びＦＤ１０４ｂに対応するＭＥＭ１０２ｂは、図８に示す通りＭＥＭ１０２ａより半導体層２１１の光入射側に近い位置に配置され、図９に示す通りＦＤ１０４ａ及びＭＥＭ１０２ａと基板の深さ方向に重なる領域を持つように形成される。基板の深さ方向に関しての重複部分のＦＤ１０３とＭＥＭ１０２ａとの間と、ＭＥＭ１０２ａとＭＥＭ１０２ｂとの間とに、これらのＭＥＭやＦＤの導電型とは異なり、ＭＥＭ同士やＭＥＭとＦＤとを分離するｐ型の領域が確保されるように不純物を注入する。なお、ＦＤ１０４は隣接画素で１つのＦＤを共有する構成であっても構わない。さらに、隣り合う４つの画素のうち２画素ずつが１つのＦＤを共有し、共有されたＦＤ同士がＦＤとＦＤを分離する領域を間に有して基板深さ方向に重なる構成でもよい。
また、第一の転送トランジスタ１０５ａ、１０５ｂ、第二の転送トランジスタ１０６ａ、１０６ｂは、半導体層２１１に設けられたトレンチにゲート絶縁膜１０９を形成した後、ポリシリコン等の電極材料を埋め込むことによって形成された縦型転送構造を有する。
このように、隣接する単位画素１００同士のＭＥＭ１０２ａ、ＭＥＭ１０２ｂ、およびＦＤ１０４の一部の領域が半導体層２１１の深さ方向（基板の深さ方向）に重なって配置されることにより、素子の配置効率をさらに上げることができる。単位画素１００が同一ピッチで配置される従来の単位画素１００に対し、ＰＤ１０１が占有する領域、つまり光電変換領域を広げることができる。さらにＭＥＭ１０２が占有する領域、つまり電荷保持容量を向上することが可能となる。したがって光電変換感度及び蓄積可能な電荷量を向上することができる。また、遮光層２０４による遮光が必要な領域が抑制され、ＰＤ１０１の光入射面の開口率を上げることが可能となり、より光電変換効率を向上することができる。
（第五の実施形態）
本発明の別の実施形態を説明する。本実施形態では、各画素が複数の光電変換部を有する光電変換装置において、各画素内の複数のＭＥＭが、間にＭＥＭ同士を分離する領域を有して半導体基板の深さ方向に重なる部分を持つ。この光電変換装置も撮像装置である。
図１０に隣接する２つの単位画素１００を含む画素領域１０の一部の断面構造の模式図を示し、図１１に複数の単位画素１００を含む画素領域１０の一部を光入射面側から見た平面構造を模式的に示す。図１１（ａ）～（ｃ）は図１０の（ａ）～（ｃ）の切断線に対応し、図１０、図１１はいずれも各断面の構造及び該断面以奥の構造を模式的に表している。基本構成は第一の実施形態と同様であるため説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分に関して説明する。
本実施形態では、１つのマイクロレンズ２０１につき、図２で示される単位画素１００二個が副画素として配置される。カラーフィルター２０２は１つのマイクロレンズ２０１につき１つ配置され、第一の実施形態と同様にベイヤー配列でもよいし、単色や、より多くの種類でも構わない。
遮光層２０４も同様に、はマイクロレンズ２０１およびカラーフィルター２０２と半導体層２１１との間に配置される。遮光層２０４は図１１（ｂ）に示すようにＰＤ１０１の光入射面に対応する開口部を有し、ＭＥＭ１０２やＦＤ１０３を覆うように形成される。
隣接する単位画素１００のＰＤ１０１ｃとＰＤ１０１ｄはマイクロレンズ２１を共有し配置される。ＰＤ１０１ｃとＰＤ１０１ｄのそれぞれから読み出される信号は二画像の位相差検出に用いられ、またＰＤ１０１ｃとＰＤ１０１ｄから読み出される信号を合算した信号は一画素の撮像信号として用いられる。
このとき一方の画素のＰＤ１０１ｃに対応するＭＥＭ１０２ｃは図１０において半導体層２１１の配線層２１２側に形成される。他方の画素のＰＤ１０１ｄに対応するＭＥＭ１０２ｄはＭＥＭ１０２ｃより半導体層２１１の光入射面側に近い位置に配置され、図１１（ｃ）に示すようにＭＥＭ１０２ｃとＭＥＭ１０２ｄとは基板の深さ方向に重なる領域を持つように形成される。
本実施形態においてもＭＥＭ１０２ｃとＭＥＭ１０２ｄとの基板の深さ方向に関して重なる部分の間には、これらのＭＥＭとは導電型が異なりＭＥＭ同士を分離するｐ型の半導体領域が存在する
ここでは、マイクロレンズ２０１を共有し隣接する単位画素１００のＭＥＭ１０２同士が基板の深さ方向に重なる構成を示した。図１２、図１３に示すようにマイクロレンズ２０１を共有せず隣接する単位画素１００のＭＥＭ同士を基板の深さ方向に重ねて配置する構成をとってもよい。
（第六の実施形態）
本発明の別の実施形態を説明する。本実施形態では、各画素が大きさの異なる複数の光電変換部を有する光電変換装置において、隣接する画素のＭＥＭ同士が間にＭＥＭ同士を分離する領域を有して半導体基板（半導体層）の深さ方向に重なる部分を持つ。
図１４に隣接する２つの単位画素１００を含む画素領域１０の一部の断面構造の模式図を示し、図１５に複数の単位画素１００を含む画素領域１０の一部を光入射側から見た平面構造を模式的に示す。図１５（ａ）～（ｃ）は図１４の（ａ）～（ｃ）の切断線に対応し、図１４、図１５はいずれも各断面の構造及び該断面以奥の構造を模式的に表している。基本構成は第一の実施形態と同様であるため説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分に関して説明する。
遮光層２０４も、第一の実施形態と同様に、断面的にはマイクロレンズ２０１およびカラーフィルター２０２と半導体層２１１との間に配置される。平面的には図１５（ｂ）に示すようにＰＤ１０１の光入射面を開口し、ＭＥＭ１０２やＦＤ１０３を覆うように形成される。
ＰＤ１０１ｆとＰＤ１０１ｇはマイクロレンズ２０１を共有し配置される。このときＰＤ１０１ｆは図１５（ａ）、（ｂ）に示すようにマイクロレンズ２０１の光学中心（光軸）に近い領域に配置する。一方ＰＤ１０１ｇはマイクロレンズ２０１の周辺領域（光軸から遠い領域）に配置され、ＰＤ１０１ｆの面積よりＰＤ１０１ｇの面積を大きく形成することで、光学中心に近い低感度画素と光学中心から遠い高感度画素とを構成する。ＰＤ１０１ｆからは読み出される低感度信号と、ＰＤ１０１ｇから読み出される高感度信号とを合成することでダイナミックレンジを拡大した高画質を得ることができる。
本実施形態では高感度画素を構成するＰＤ１０１ｇと隣接するマイクロレンズ２０１に配置される低感度画素ＰＤ１０１ｈとにそれぞれ対応するＭＥＭ１０２同士が基板の深さ方向に重なる構成をとる。ＰＤ１０１ｇに対応するＭＥＭｇは図１４において半導体層２１１の配線層２１２側に形成される。ＰＤ１０１ｈに対応するＭＥＭ１０１ｈはＭＥＭ１０２ｈより半導体層２１１の光入射面側に近い位置に配置され、図１５（ｂ）に示すようにＭＥＭ１０２ｇとＭＥＭ１０２ｈとは深さ方向に重なる領域を持つように形成される。なお、ＦＤ１０３は半導体層２１１の配線層２１２側に配置される。
ここでは、隣接する単位画素１００のＭＥＭ１０２の少なくとも一部同士が基板の深さ方向に重なる構成を示した。１つの単位画素１００内でＰＤ１０１ｆ、ＰＤ１０１ｇのそれぞれに対応するＭＥＭ１０２ｈ、１０２ｇの少なくとも一部同士を基板の深さ方向に重ねて配置する構成をとってもよい。どちらの構成であっても、基板の深さ方向に重なるＭＥＭ１０２ｇとＭＥＭ１０２ｈとの少なくとも一部同士の間に、ＭＥＭ１０２ｇおよびとＭＥＭ１０２ｈとは導電型が異なり、ＭＥＭ同士を分離するｐ型の半導体領域が存在するように構成される。
（第七の実施形態）
本発明の別の実施形態を説明する。本実施形態では、各画素が複数のＭＥＭを有する光電変換装置において、ＭＥＭ同士が間にＭＥＭ同士を分離する領域を有して半導体基板（半導体層）の深さ方向に重なる部分を持つ。この光電変換装置も撮像装置である。
図１６に隣接する２つの単位画素１００を含む画素領域１０の一部の断面構造の模式図を示し、図１７に複数の単位画素１００を含む画素領域１０の一部を光入射側から見た平面構造を模式的に示す。図１７（ａ）～（ｃ）は図１６の（ａ）～（ｃ）の切断線に対応し、図１６、図１７はいずれも各断面の構造及び該断面以奥の構造を模式的に表している。基本構成は第一の実施形態と同様であるため説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分に関して説明する。
本実施形態では、１つの単位画素１００につき、１つのＰＤと２つのＭＥＭと１つのＦＤが配置される。導電型がｎ型のＭＥＭ１０２ｉおよびＭＥＭ１０２ｊは共にＰＤ１０１で形成された電荷を蓄積する。生成された電荷を２つのＭＥＭに分けて保持することで一度の露光に際し保持可能な容量を可変にすることができる。
ＰＤ１０１からＭＥＭ１０２ｉ（第１の電荷保持部）に転送トランジスタ１０５ｉを介して電荷を転送する。ＰＤ１０１からＭＥＭ１０２ｊ（第２の電荷保持部）に転送トランジスタ１０５ｊを介して電荷を転送する。
ＭＥＭ１０２ｉは転送トランジスタ１０６ｉを介してＦＤ１０４に電荷を転送し、ＭＥＭ１０２ｊは転送トランジスタ１０６ｊを介してＦＤ１０４に電荷を転送する。
本実施形態ではＭＥＭ１０２ｉとＭＥＭ１０２ｊの領域同士が、半導体基板の深さ方向に間にＭＥＭ同士を分離するｐ型の半導体領域を存在させて重なるように形成される。このような配置によりＭＥＭ１０２ｉ、ＭＥＭｊを深さ方向に重ねずに配置したときと比べ素子の配置効率を上げ、光電変換領域を広げることが可能となる。
（第八の実施形態）
撮像システムの実施形態について説明する。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などがあげられる。図１８に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。
図１８において、１００１はレンズの保護のためのバリアである。１００２は被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズである。１００３はレンズ１００２を通った光量を可変するための絞りである。撮像装置１００４には、上述の各実施形態で説明した撮像装置が用いられる。
１００７は撮像装置１００４より出力された画素信号に対して、補正やデータ圧縮などの処理を行い、画像信号を取得する信号処理部である。そして、図１８において、１００８は撮像装置１００４および信号処理部１００７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１００９はデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御部である。１０１０は画像データを一時的に記憶する為のフレームメモリ部である。１０１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部である。１０１２は撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。１０１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
なお、撮像システムは少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された画素信号を処理する信号処理部１００７とを有すればよい。その場合、他の構成は撮像システムの外部に配される。
以上に説明した通り、撮像システムの実施形態において、撮像装置１００４には、第１の実施形態、乃至、第７の実施形態のいずれかの撮像装置が用いられる。このような構成によれば、撮像装置から得られる画像のダイナミックレンジを拡大させることができる。
（第九の実施形態）
移動体の実施形態について説明する。本実施形態の移動体は、車載カメラを備えた自動車である。図１９（ａ）は、自動車２１００の外観と主な内部構造を模式的に示している。自動車２１００は、撮像装置２１０２、撮像システム用集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）２１０３、警報装置２１１２、主制御部２１１３を備える。
撮像装置２１０２には、上述の各実施形態で説明した撮像装置が用いられる。警報装置２１１２は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどから異常を示す信号を受けたときに、運転手へ向けて警告を行う。主制御部２１１３は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどの動作を統括的に制御する。なお、自動車２１００が主制御部２１１３を備えていなくてもよい。この場合、撮像システム、車両センサ、制御ユニットが個別に通信インターフェースを有して、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う（例えばＣＡＮ規格）。
図１９（ｂ）は、自動車２１００のシステム構成を示すブロック図である。自動車２１００は、第１の撮像装置２１０２と第２の撮像装置２１０２を含む。つまり、本実施形態の車載カメラはステレオカメラである。撮像装置２１０２には、光学部２１１４により被写体像が結像される。撮像装置２１０２から出力された画素信号は、画像前処理部２１１５によって処理され、そして、撮像システム用集積回路２１０３に伝達される。画像前処理部２１１５は、Ｓ－Ｎ演算や、同期信号付加などの処理を行う。
撮像システム用集積回路２１０３は、画像処理部２１０４、メモリ２１０５、光学測距部２１０６、視差演算部２１０７、物体認知部２１０８、異常検出部２１０９、および、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部２１１６を備える。画像処理部２１０４は、画素信号を処理して画像信号を生成する。また、画像処理部２１０４は、画像信号の補正や異常画素の補完を行う。メモリ２１０５は、画像信号を一時的に保持する。また、メモリ２１０５は、既知の撮像装置２１０２の異常画素の位置を記憶していてもよい。光学測距部２１０６は、画像信号を用いて被写体の合焦または測距を行う。視差演算部２１０７は、視差画像の被写体照合（ステレオマッチング）を行う。物体認知部２１０８は、画像信号を解析して、自動車、人物、標識、道路などの被写体の認知を行う。異常検出部２１０９は、撮像装置２１０２の故障、あるいは、誤動作を検知する。異常検出部２１０９は、故障や誤動作を検知した場合には、主制御部２１１３へ異常を検知したことを示す信号を送る。外部Ｉ／Ｆ部２１１６は、撮像システム用集積回路２１０３の各部と、主制御部２１１３あるいは種々の制御ユニット等との間での情報の授受を仲介する。
自動車２１００は、車両情報取得部２１１０および運転支援部２１１１を含む。車両情報取得部２１１０は、速度・加速度センサ、角速度センサ、舵角センサ、測距レーダ、圧力センサなどの車両センサを含む。
運転支援部２１１１は、衝突判定部を含む。衝突判定部は、光学測距部２１０６、視差演算部２１０７、物体認知部２１０８からの情報に基づいて、物体との衝突可能性があるか否かを判定する。光学測距部２１０６や視差演算部２１０７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。
運転支援部２１１１が他の物体と衝突しないように自動車２１００を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。
自動車２１００は、さらに、エアバッグ、アクセル、ブレーキ、ステアリング、トランスミッション等の走行に用いられる駆動部を具備する。また、自動車２１００は、それらの制御ユニットを含む。制御ユニットは、主制御部２１１３の制御信号に基づいて、対応する駆動部を制御する。
本実施形態に用いられた撮像システムは、自動車に限らず、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。
以上に説明した通り、自動車の実施形態において、撮像装置２１０２には、第１の実施形態、乃至、第７の実施形態のいずれかの撮像装置が用いられる。このような構成によれば、撮像装置から得られる画像のダイナミックレンジを拡大させることができる。
１ 光電変換装置
１００ 単位画素
１０１ 光電変換部（ＰＤ）
１０２ 電荷保持部（ＭＥＭ）
１０３ 浮遊拡散層（ＦＤ）

Claims (21)

  1. 複数の画素を有する光電変換装置であって、
    前記画素は、光電変換部と、前記光電変換部で変換された電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部から転送された電荷を電圧に変換する浮遊拡散層とを基板の半導体層に有し、
    隣り合う画素それぞれの前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部が、前記基板の深さ方向において、前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部同士を分離する領域を間に存在させて重ねてあることを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記基板の深さ方向において、前記隣り合う画素の前記電荷保持部同士の少なくとも一部の間に前記電荷保持部同士を分離する領域が存在することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
  3. 前記基板の深さ方向において、前記隣り合う画素のうち一方の前記電荷保持部と他方の前記浮遊拡散層との少なくとも一部の間に前記電荷保持部と前記浮遊拡散層とを分離する領域が存在することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
  4. 前記基板の深さ方向において、前記隣り合う画素の前記浮遊拡散層同士の少なくとも一部の間に前記浮遊拡散層同士を分離する領域が存在することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
  5. 前記浮遊拡散層は前記隣り合う画素で共有されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  6. 前記複数の画素のそれぞれはカラーフィルターを有し、
    前記カラーフィルターが同一の波長域に対応する複数の前記画素の前記電荷保持部は、前記基板の深さ方向に関して同一の位置に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  7. 前記複数の画素のそれぞれはカラーフィルターを有し、
    前記カラーフィルターが同一の波長域に対応する複数の前記画素を、前記基板の深さ方向の位置ごとに前記電荷保持部が配置されている数が等しくなるように配置することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  8. 前記光電変換部から前記電荷保持部へ電荷を転送する転送トランジスタを有する光電変換装置であって、
    前記転送トランジスタが縦型転送構造であることを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  9. 基板の半導体層に、光電変換部と、前記光電変換部で変換された電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部から転送された電荷を電圧に変換する浮遊拡散層とが形成された複数の副画素と、該複数の副画素間で共有されるマイクロレンズとを備える画素を複数有する光電変換装置であって、
    隣り合う前記副画素それぞれの前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部が、前記基板の深さ方向において、前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部同士を分離する領域を間に存在させて重ねてあることを特徴とする光電変換装置。
  10. 前記隣り合う副画素は、前記マイクロレンズを共有する副画素を含むことを特徴とする請求項９記載の光電変換装置。
  11. 前記隣り合う副画素は、隣り合う画素の一方の画素における前記副画素と他方の画素における前記副画素とを含み、前記マイクロレンズを共有しないことを特徴とする請求項９記載の光電変換装置。
  12. 前記副画素は画像間の位相差検出に用いられる画素ことを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  13. 前記マイクロレンズを共有する前記副画素の各々は互いに感度が異なることを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  14. 前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部を分離する領域は、前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層と異なる導電型の不純物領域であることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  15. 前記電荷保持部及び前記浮遊拡散層の少なくとも一部を分離する領域は絶縁体であることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  16. 光電変換部と、前記光電変換部からの電荷を保持する第一の電荷保持部と、前記光電変換部からの電荷を保持する第二の電荷保持部とを基板の半導体層に含む画素を有する光電変換装置であって、
    前記第一の電荷保持部と前記第二の電荷保持部の少なくとも一部同士が、前記基板の深さ方向において、前記電荷保持部の少なくとも一部同士を分離する領域を間に存在させて重ねてあることを特徴とする光電変換装置。
  17. 複数の画素を有する光電変換装置であって、
    前記画素は、光電変換部と、前記光電変換部で変換された電荷を保持する電荷保持部とを基板の半導体層に有し、
    隣り合う画素それぞれの前記電荷保持部の少なくとも一部が、前記基板の深さ方向において、前記電荷保持部の少なくとも一部同士を分離する領域を間に存在させて重ねてあることを特徴とする光電変換装置。
  18. 前記電荷保持部から転送された電荷を電圧に変換する浮遊拡散層を前記基板の配線層に有することを特徴とする請求項１７記載の光電変換装置。
  19. 請求項１乃至請求項１８のいずれか一項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力された信号に対して処理を行う処理装置と、
    を有することを特徴とする撮像システム。
  20. 請求項１９に記載の撮像システムと、該撮像システムの前記光電変換装置に被写体像を投影するレンズと、を有することを特徴とするデジタルカメラ。
  21. 移動体であって、
    請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力された信号に対して処理を行う処理装置と、
    前記処理の結果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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