JP6552479B2 - 固体撮像装置及び撮像システム - Google Patents

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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、光電変換部の感度や飽和電荷量は、固体撮像装置の性能を左右する重要な特性である。ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサの光電変換部としては、半導体基板の表面部に設けられたｐ型半導体領域と電荷蓄積領域をなすｎ型半導体領域とのｐｎ接合からなる埋め込みフォトダイオードを用いるのが主流になっている。この場合、光電変換部で生成される信号キャリアは電子である。
光電変換部が配置される基板の構造としては、ｎ型基板構造とｐ型ウェル構造とが挙げられる。ｎ型基板構造は、不純物濃度の低いｎ型半導体基板の深部にｐ型半導体領域を設け、より深い部分の半導体基板から電気的に分離された基板表面部のｎ型半導体領域内に光電変換部を配置した構造である。ｐ型ウェル構造は、半導体基板の表面部に設けたｐ型ウェル内に光電変換部を配置した構造である。
ｎ型基板構造は、ｎ型半導体領域内で生じた信号電荷をドリフトによって集めやすいため、感度が高いという特徴がある。ｎ型基板構造の光電変換部を有する固体撮像装置は、例えば、特許文献１に記載されている。一方、ｐ型ウェル構造は、電荷蓄積領域をなすｎ型半導体領域とｐ型ウェルとの間にｐｎ接合容量が形成されるため、飽和電荷量が大きいという特徴がある。ｐ型ウェル構造の光電変換部を有する固体撮像装置は、例えば、特許文献２に記載されている。特許文献１及び特許文献２に記載の固体撮像装置では、電荷蓄積領域をなすｎ型半導体領域の下部にｐ型半導体領域を配置してｐｎ接合容量を増加することにより、光電変換部の飽和電荷量を増加している。
特開２００８−０７８３０２号公報 特開２０１４−１６５２８６号公報
しかしながら、特許文献１及び特許文献２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両立するうえで、必ずしも適切な構成とは言えなかった。
本発明の目的は、光電変換部の高い感度と大きな飽和電荷量とを安定して実現しうる固体撮像装置を提供することにある。
本発明の一観点によれば、光電変換部をそれぞれが含む複数の画素を有する固体撮像装置であって、前記光電変換部は、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た前記第１導電型の第３の半導体領域と、前記第３の半導体領域の下部に設けられ、前記第２の半導体領域よりも不純物濃度の低い前記第２導電型の第４の半導体領域と、を有し、前記第２の半導体領域は、第１の端部と、平面視において前記第１の端部に対向する第２の端部とを備え、前記第３の半導体領域は、平面視において前記第２の半導体領域と重なる第１の領域及び第２の領域を有し、前記第１の領域と前記第２の領域が前記第１の端部の一部から前記第２の端部の一部に渡って離間しており、前記第１の領域と前記第２の領域との間の間隙は、前記第１の端部の前記一部及び前記第２の端部の前記一部のそれぞれを越えて延在している固体撮像装置が提供される。
また、本発明の別の一観点によれば、光電変換部をそれぞれが含む複数の画素を有する固体撮像装置であって、前記光電変換部は、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た前記第１導電型の第３の半導体領域と、前記第３の半導体領域の下部に設けられ、前記第３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４の半導体領域と、を有し、前記第２の半導体領域は、第１の端部と、平面視において前記第１の端部に対向する第２の端部とを備え、前記第３の半導体領域は、平面視において前記第２の半導体領域と重なる第１の領域及び第２の領域を有し、前記第１の領域と前記第２の領域が前記第１の端部の一部から前記第２の端部の一部に渡って離間しており、前記第１の領域と前記第２の領域との間の間隙は、前記第１の端部の前記一部及び前記第２の端部の前記一部のそれぞれを越えて延在している固体撮像装置が提供される。
本発明によれば、光電変換部の感度を安定的に維持しつつ飽和電荷量を増加できるため、安定的に高感度で飽和信号量が大きい固体撮像装置を実現することができる。
本発明の第１実施形態による固体撮像装置の概略構造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等価回路図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の平面レイアウトを示す図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の概略断面図である。 第１実施形態の比較例による固体撮像装置の画素の平面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の画素の平面レイアウトを示す図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の画素の概略断面図である。 第２実施形態の比較例による固体撮像装置の画素の平面図である。 本発明の第３実施形態による固体撮像装置の画素の概略断面図である。 本発明の第４実施形態による固体撮像装置の画素の概略断面図である。 信号電荷の転送時における半導体基板内のポテンシャル図である。 信号電荷の転送時における半導体基板内のポテンシャル図である。 本発明の第５実施形態による固体撮像装置の画素の概略断面図である。 本発明の第６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７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等価回路図である。図３は、本実施形態による固体撮像装置の画素の平面レイアウトを示す図である。図４は、本実施形態による固体撮像装置の画素の概略断面図である。図５は、本実施形態の比較例による固体撮像装置の画素の平面図である。
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、複数行及び複数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。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１４が配されている。制御信号線１４は、行方向に並ぶ画素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。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１６が配されている。垂直出力線１６は、列方向に並ぶ画素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。
各行の制御信号線１４は、垂直走査回路２０に接続されている。垂直走査回路２０は、画素１２から画素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、制御信号線１４を介して画素１２に供給する回路部である。各列の垂直出力線１６の一端は、列読み出し回路３０に接続されている。画素１２から読み出された画素信号は、垂直出力線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、画素１２から読み出された画素信号に対して所定の信号処理、例えば増幅処理やＡＤ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、差動増幅回路、サンプル・ホールド回路、ＡＤ変換回路等を含み得る。
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画素信号を列毎に順次、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。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。出力回路６０は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、列読み出し回路３０から読み出された画素信号を固体撮像装置１００の外部の信号処理部に出力するための回路部である。
それぞれの画素１２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とを含む。光電変換部ＰＤは、例えばフォトダイオードであり、アノードが接地電圧線に接続され、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、いわゆるフローティングディフュージョン（ＦＤ）であり、このノードが含む容量成分からなる電荷電圧変換部を構成する。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、電源電圧線（Ｖｄｄ）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、垂直出力線１６に接続されている。垂直出力線１６の他端には、電流源１８が接続されている。
制御信号線１４は、図２に示す回路構成の場合、転送ゲート信号線ＴＸ、リセット信号線ＲＥＳ、選択信号線ＳＥＬを含む。転送ゲート信号線ＴＸは、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、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、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、オンすることにより光電変換部ＰＤの電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。フローティングディフュージョン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、ドレインに電源電圧が供給され、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、フローティングディフュージョンＦＤの電圧に基づく信号を、選択トランジスタＭ４を介して垂直出力線１６に出力する。リセットトランジスタＭ２は、オンすることによりフローティングディフュージョンＦＤを電源電圧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の画素１２の平面レイアウトを示す図である。図４は、図３のＡ−Ａ′線に沿った概略断面図である。図３及び図４には、画素１２の構成要素のうち、光電変換部ＰＤ及び転送トランジスタＭ１のみを示している。なお、図３には１つの画素１２の平面レイアウトのみを示しているが、実際には左右方向及び上下方向に所定の単位画素ピッチで図３の平面レイアウトが周期的に配されている。図３に示す点線は、隣接する画素１２との間の境界線の一例である。
不純物濃度の低いｎ型の半導体基板１１０の表面部には、活性領域１１２を画定する素子分離絶縁領域１１４が設けられている。活性領域１１２には、光電変換部ＰＤを構成するフォトダイオードと、転送トランジスタＭ１と、光電変換部ＰＤから転送される電荷を保持する電荷保持部としてのフローティングディフュージョンＦＤとが配される。
光電変換部ＰＤは、半導体基板１１０の活性領域１１２の表面部に設けられたｐ型半導体領域１１６と、ｐ型半導体領域１１６の下部に接して設けられたｎ型半導体領域１１８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１１８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である。
フローティングディフュージョンＦＤは、半導体基板１１０の活性領域１１２の表面部にｎ型半導体領域１１８から離間して設けられたｎ型半導体領域１２０により構成されている。
転送トランジスタＭ１は、ｎ型半導体領域１１８とｎ型半導体領域１２０との間の半導体基板１１０上にゲート絶縁膜１２２を介して設けられたゲート電極１２４を含む。ｎ型半導体領域１１８とｎ型半導体領域１２０との間の半導体基板１１０内には、これらを電気的に分離するためのｐ型半導体領域１２６が設けられている。
ｎ型半導体領域１１８の下部には、ｎ型半導体領域１１８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ｐ型半導体領域１２８が設けられている。ｐ型半導体領域１２８は、平面視において、行方向（図において横方向）に延在するストライプ状のパターンにより構成されている。図３には、隣接する２つのストライプ状のパターンのｐ型半導体領域１２８ａ，１２８ｂと、これらの間の間隙１４０とを示している。ｐ型半導体領域１２８ａとｐ型半導体領域１２８ｂとの間の間隙１４０は、平面視において、ｎ型半導体領域１１８を横断するように配されている。或いは、ｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８ａとが重なる領域を第１の領域、ｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８ｂとが重なる領域を第２の領域と定義すると、第１の領域と第２の領域とが互いに離間していると言うこともできる。さらに言えば、第２半導体領域である、ｎ型半導体領域１１８は、平面視において、第１の端部と、第１の端部に対向する第２の端部とを備える。第１の端部の一部と、第２の端部の一部とに渡って、第１の領域と第２の領域とが離間されていると言える。なお、本明細書において平面視とは、固体撮像装置の各構成部分を半導体基板１１０の表面に平行な面に投影することにより得られる２次元平面図であり、例えば図３の平面レイアウト図に対応する。
半導体基板１１０の深部には、ｐ型半導体領域１３０，１３２，１３４が設けられている。ｐ型半導体領域１３０は、半導体基板１１０の内部において画素１２間の分離の役目を果たすものである。ｐ型半導体領域１３２は、ｐ型半導体領域１３０よりも深い半導体基板１１０の内部において画素１２間の分離の役目を果たすものである。ｐ型半導体領域１３４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ためのものである。なお、本明細書では、ｐ型半導体領域１２６によって電気的に分離された半導体基板１１０の表面部を、半導体領域と呼ぶこともある。
ｎ型半導体領域１１８の下部にｐ型半導体領域１２８を設けることで、ｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８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が大きいほどに蓄積電荷量Ｑは大きくなる。ｎ型半導体領域１１８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１１８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１１８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１２８を設けることで、電荷蓄積層としてのｎ型半導体領域１１８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１２８ａとｐ型半導体領域１２８ｂとの間の間隙１４０は、ｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１３４との間の半導体基板１１０内で発生した信号電荷をｎ型半導体領域１１８に集める際の信号電荷の移動経路となる。したがって、間隙１４０の大きさや形状、ｐ型半導体領域１２８の不純物濃度を適切に設定することにより、ｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１３４との間の半導体基板１１０内で発生した信号電荷をすみやかにｎ型半導体領域１１８に集めることができる。すなわち、ｐ型半導体領域１２８を設けない構造において得られる感度と同等の感度を得ることができる。
なお、間隙１４０は、平面視におけるｎ型半導体領域１１８の中央部の近傍に配置することが望ましい。ｎ型半導体領域１１８は、電位の分布を持ち、中央部の電位が高く、端部の電位は低くなっている。このため、ｐ型半導体領域１２８よりも深い場所で発生した信号電荷をドリフトによってｎ型半導体領域１１８に効果的に収集するうえで、電位の高いｎ型半導体領域１１８の中央部の近傍に間隙１４０を設けることが有効である。また、間隙１４０をｎ型半導体領域１１８の中央部の近傍に配置することには、信号電荷の移動経路を短くできるメリットもある。
したがって、本実施形態の上記構成によれば、光電変換部ＰＤにおける受光感度を低下することなく、光電変換部ＰＤの飽和電荷量を増加することができる。
前述のように、本実施形態による固体撮像装置では、ｐ型半導体領域１２８ａとｐ型半導体領域１２８ｂとの間の間隙１４０を、平面視においてｎ型半導体領域１１８を横断するように配置している。これは、製造ばらつきに起因する特性変動を抑制するためである。
平面視におけるｎ型半導体領域１１８の角部は、実際の形成時には例えば図３に示すように丸まるが、その丸まり方は形成時の条件等によって必ずしも一定にはならない。そのため、例えば図５に示すように間隙１４０をｎ型半導体領域１１８の端部と重なるように配置した場合、ｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる部分の形状は、ｎ型半導体領域１１８の形成条件等によって変動する。
もし、形成時のばらつきによってｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる部分の形状が変わるならば、そのばらつきがあっても十分な感度が得られるように、ｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる部分の面積を広めに設定する必要が生じる。しかしその場合には、ｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８ａ，１２８ｂとが重なる部分の面積が小さくなるので、光電変換部ＰＤの飽和電荷量を十分に大きくすることが難しくなる。
この点、本実施形態による固体撮像装置においては、図３に示すように、ｐ型半導体領域１２８ａとｐ型半導体領域１２８ｂとの間の間隙１４０を、ｎ型半導体領域１１８の角部から離間している。したがって、ｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる部分の形状は、ｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８ａ，１２８ｂとの位置が多少ずれても変化しない。つまり、本実施形態による固体撮像装置では、形成時のばらつきによらず一定の感度が得られるため、高い感度と大きな飽和電荷量とを両立することができる。
なお、間隙１４０がゲート電極１２４と重なると、互いの位置関係のずれによって信号電荷の転送性能にばらつきが生じる虞があるので、間隙１４０は、ゲート電極１２４がない方向にｎ型半導体領域１１８を横断するように配置することが望ましい。
このように、本実施形態によれば、光電変換部の感度を安定的に維持しつつ飽和電荷量を増加することができる。これにより、安定的に高感度で飽和信号量が大きい固体撮像装置を実現することができる。
［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乃至図８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平面レイアウトを示す図である。図７は、本実施形態による固体撮像装置の画素の概略断面図である。図７は、図６のＢ−Ｂ′線断面図である。図８は、本実施形態の比較例による固体撮像装置の画素の平面図である。
本実施形態による固体撮像装置は、ｎ型半導体領域１１８から下方に空乏層が広がるのを抑制するためのｐ型半導体領域１２８に設けられた間隙１４０の配置が、第１実施形態による固体撮像装置とは異なっている。
すなわち、本実施形態による固体撮像装置では、図６に示すように、ｐ型半導体領域１２８に設けられた間隙１４０を画素１２毎に孤立したパターンとして、隣接する画素１２の間隙１４０が繋がらないように、ｐ型半導体領域１２８をレイアウトしている。間隙１４０は、平面視において、周囲をｐ型半導体領域１２８により囲まれることになる。また、ｐ型半導体領域１２８の間隙１４０の角部が平面視においてｎ型半導体領域１１８内に位置しないように、ｐ型半導体領域１２８をレイアウトしている。
つまり、本実施形態による固体撮像装置においても、ｐ型半導体領域１２８に設けられた間隙１４０は、平面視において、ｎ型半導体領域１１８を横断するように配されている。換言すると、平面視においてｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８とが重なる領域は、第１の領域と、間隙１４０によって第１の領域から離間した第２の領域とを含む。
第１実施形態では、ｐ型半導体領域１２８（ｐ型半導体領域１２８ａ，１２８ｂ）を行方向に延在するストライプ状のパターンとし、これらパターンの間隙（間隙１４０）がｎ型半導体領域１１８を横断するように、ｐ型半導体領域１２８を配置した。しかしながら、間隙１４０をこのように配置することによって行方向に隣接する画素１２の間隙１４０が繋がった場合、画素１２のレイアウトによっては、信号電荷がこの間隙１４０を介して隣接する画素１２に漏れ込み、画素間クロストークを生じる虞がある。
しかしながら、本実施形態による固体撮像装置のように間隙１４０を画素１２毎に孤立したパターンとすることで、隣接する画素１２の間隙１４０の間にはｐ型半導体領域１２８が配置されるため、画素間クロストークを低減することができる。
また、第１実施形態において説明したｎ型半導体領域１１８の場合と同様、ｐ型半導体領域１２８（間隙１４０）の角部も、形成時に予測が難しい丸まりを生じる。そのため、例えば図８に示すように間隙１４０をｎ型半導体領域１１８の内側に配置すると、間隙１４０の形状の変動に応じて受光感度が変動することになる。
しかしながら、本実施形態の固体撮像装置のように、ｎ型半導体領域１１８を横断するように間隙１４０を配置することで、ｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる部分の形状は、形成時のばらつきによらず一定となる。これにより、形成時のばらつきによらず一定の感度を得ることができ、高い感度と大きな飽和電荷量とを両立することができる。
したがって、本実施形態の固体撮像装置によれば、光電変換部の感度を安定的に維持しつつ飽和電荷量を増加するとともに、画素間クロストークを低減することができる。これにより、安定的に高感度で飽和信号量が大きい固体撮像装置を実現することができる。
［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について、図９を用いて説明する。第１及び第２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９は、本実施形態による固体撮像装置の画素の概略断面図である。
第１及び第２実施形態では、光電変換部ＰＤ及び転送トランジスタＭ１を第１導電型の半導体基板１１０内に配置した例を示した。本実施形態では、光電変換部ＰＤ及び転送トランジスタＭ１を、半導体基板１１０とは逆導電型のウェル内に配置した例を示す。
本実施形態による固体撮像装置は、図９に示すように、ｎ型の半導体基板１１０に設けられたｐ型半導体領域１４２を有する。このｐ型半導体領域１４２が、ｐ型ウェルを構成する。ｎ型半導体領域１１８及びｐ型半導体領域１１６，１２８，１３０，１３２は、ｐ型半導体領域１４２内に配される。本構成例では、ｎ型半導体領域１１８とｎ型半導体領域１２０との間はｐ型半導体領域１４２で構成されるため、第１実施形態で説明したｐ型半導体領域１２６は不要である。ｐ型半導体領域１２８，１３０，１３２を構成するｐ型不純物の不純物濃度は、ｐ型半導体領域１４２を構成するｐ型不純物の不純物濃度よりも高くなっている。その他の構成は、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。
本実施形態の固体撮像装置においても、ｐ型半導体領域１２８に設けられた間隙１４０は、第１及び第２実施形態の場合と同様に、平面視において、ｎ型半導体領域１１８を横断するように配されている。したがって、間隙１４０の大きさや形状、ｐ型半導体領域１２８の不純物濃度を適切に設定することにより、ｐ型半導体領域１２８を設けない構造によって得られる感度と同等の感度を得ることができる。
また、ｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる部分の形状は、形成時のばらつきによらず安定的に形成される。したがって、間隙１４０を余分に拡げる必要はなく、その分、ｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８とが重なる面積を確保することができ、光電変換部ＰＤの飽和電荷量を十分に大きくすることができる。
光電変換部ＰＤと転送トランジスタＭ１とをｐ型ウェル内に配置する本実施形態の固体撮像装置は、第１及び第２実施形態による固体撮像装置と比較して信号電荷の収集力が弱く感度が低い。しかし、間隙１４０が配置された部分においてもｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１４２との間にｐｎ接合容量が形成されるので、第１及び第２実施形態による固体撮像装置よりも光電変換部ＰＤの飽和電荷量は大きくすることができる。何れの構成を用いるかは、より重要視する特性や目的等に応じて適宜選択することができる。
このように、本実施形態によれば、光電変換部の感度を安定的に維持しつつ飽和電荷量を増加することができる。これにより、安定的に高感度で飽和信号量が大きい固体撮像装置を実現することができる。
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による固体撮像装置について、図１０乃至図１２を用いて説明する。第１実施形態乃至第３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１０は、本実施形態による固体撮像装置の画素の概略断面図である。図１１及び図１２は、信号電荷の転送時における半導体基板内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は、図１０に示すように、ｐ型半導体領域１４４を更に有しているほかは、第１及び第２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１４４は、平面視において少なくとも一部が間隙１４０と重なるように設けられている。ｐ型半導体領域１４４は、断面視においては、図１０に示すように、ｐ型半導体領域１１６とｎ型半導体領域１１８との間に設けられている。ｐ型半導体領域１４４は、上部においてｐ型半導体領域１１６の下部に接し、ｎ型半導体領域１１８の下部よりも浅い半導体基板１１０内に設けられている。
前述のように、ｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８との間には、ｐｎ接合容量が形成される。したがって、ｎ型半導体領域１１８が空乏化する電位（空乏化電位）がｐ型半導体領域１２８を設けない場合と変わらなければ、光電変換部ＰＤの飽和電荷量を増すことができる。
しかし、ｎ型半導体領域１１８からｎ型半導体領域１２０に信号電荷を転送する際の転送性能の観点からみると、空乏化電位が同じであれば、ｐ型半導体領域１２８を設けた場合の方が、ｐ型半導体領域１２８を設けない場合よりも転送性能は低下する。
図１１及び図１２は、転送トランジスタＭ１がオンのときの、光電変換部ＰＤ（ｎ型半導体領域１１８）からチャネル部を介してフローティングディフュージョンＦＤ（ｎ型半導体領域１２０）に至る部分の電位分布を示す図である。図１１は、ｐ型半導体領域１２８を設けていない場合であり、そのときの空乏化電位をＶｄｅｐ１で表している。図１２は、ｐ型半導体領域１２８を設けた場合であり、そのときの空乏化電位をＶｄｅｐ２で表している。
空乏化電位Ｖｄｅｐ１と空乏化電位Ｖｄｅｐ２とが等しい場合、ｐ型半導体領域１２８を設けたときの方がｐ型半導体領域１２８を設けないときよりも光電変換部ＰＤの飽和電荷量は大きくなる。
しかしながら、ｐ型半導体領域１２８を設けたときには、図１２に示すように、光電変換部ＰＤには比較的大きなポテンシャルの窪みが生じ、転送性能が低下する。このポテンシャルの窪みは、ｐ型半導体領域１２８の間隙１４０が設けられた部位に対応して生じる。これは、平面視においてｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８とが重なる部分に比べて、ｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる部分のほうが同じ電位に対して空乏化しにくいからである。このようなポテンシャルの窪みには信号電荷が留まりやすく、転送動作時には転送性能の低下として表れる。
固体撮像装置において光電変換部ＰＤの飽和電荷量とは、光電変換部ＰＤにおいて保持できる電荷量の最大値であり、フローティングディフュージョンＦＤへと転送可能な電荷量ということもできる。ｐ型半導体領域１２８の存在は、ｎ型半導体領域１１８との間のｐｎ接合容量を増し、同じ空乏化電位であればｎ型半導体領域１１８は、より多くの電荷を保持することができる。一方で、間隙１４０の存在は、ポテンシャルの窪みを生じやすく、転送性能の低下の原因となる。この２つの効果が打ち消しあうことで、光電変換部ＰＤの飽和電荷量はｐ型半導体領域１２８を設けない場合よりは増加するものの、その増加量はｐｎ接合容量の増加量に応じたほどではなくなる。また、場合によっては、飽和電荷量の増加がほとんどない場合も起こりうる。
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、平面視において間隙１４０とほぼ重なる場所のｎ型半導体領域１１８内に、ｐ型半導体領域１４４を設けている。
ｐ型半導体領域１４４を設けることで、間隙１４０が設けられた部分のｎ型半導体領域１１８におけるポテンシャルの窪みが解消され、フローティングディフュージョンＦＤへと転送可能な電荷量を増加することができる。このときの、ｐ型半導体領域１２８を設けない場合と比較した飽和電荷量の増加量は、ｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８との間に形成されるｐｎ接合容量の増加量に応じた量以上となる。
ｐ型半導体領域１２８を設けない場合でも、ｎ型半導体領域１１８の中央部分は、最も電位が高く、もともとポテンシャルの窪みが生じやすい箇所である。そのため、間隙１４０がｎ型半導体領域１１８の中央部分の近くに存在すると、ｐ型半導体領域１２８の導入によってポテンシャルの窪みが更に深くなる。ポテンシャルの窪みが生じる箇所にｐ型半導体領域１４４を設けることで、ポテンシャルの窪みやバリアを小さくし、フローティングディフュージョンＦＤへと転送可能な電荷量を増加することができる。
なお、ｐ型半導体領域１４４は、上部においてｐ型半導体領域１１６に接し、下部にはｎ型半導体領域１１８が存在するため、ｐ型半導体領域１４４が間隙１４０を塞いで感度の低下を招くようなことはない。したがって、ｐ型半導体領域１２８を設けない場合と同じ感度を維持しつつ、転送可能な信号電荷量を第１実施形態の場合よりも増加することができる。
このように、本実施形態によれば、光電変換部の感度を安定的に維持しつつ飽和電荷量を増加することができる。これにより、安定的に高感度で飽和信号量が大きい固体撮像装置を実現することができる。
[第５実施形態]
本発明の第５実施形態による固体撮像装置について、図１３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１３は、本実施形態による固体撮像装置の画素の概略断面図である。
本実施形態による固体撮像装置は、図１３に示すように、ｎ型半導体領域１４６を更に有しているほかは、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。ｎ型半導体領域１４６は、ｐ型半導体領域１２８が設けられた領域と平面視において実質的に等しい領域の、ｐ型半導体領域１１６とｐ型半導体領域１２８との間の深さに設けられている。ｎ型半導体領域１４６は、ｎ型半導体領域１１８とほぼ同じ深さに位置している。なお、実質的に等しい領域とは、ｎ型半導体領域１４６とｐ型半導体領域１２８とが同じマスクパターンを用いてイオン注入により形成されたものであることを意図している。
ｎ型半導体領域１１８の不純物濃度は、例えば、ｎ型半導体領域１４６を設けない場合と同等の飽和電荷量が得られるように設定される。このため、本実施形態の固体撮像装置におけるｎ型半導体領域１１８の不純物濃度は、第１実施形態の固体撮像装置におけるｎ型半導体領域１１８の不純物濃度よりも低濃度となる。平面視において間隙１４０と重なる部分にはｎ型半導体領域１４６は設けられていないため、間隙１４０が設けられた部分のｎ型半導体領域１１８にポテンシャルの窪みは形成されにくく、転送可能な信号電荷量を増加することができる。
しかも本実施形態においては、ｐ型半導体領域１２８とｎ型半導体領域１４６とを同じマスク工程で形成することが可能であり、第４実施形態の場合と比較してフォトリソグラフィ工程を１工程少なくすることができる。また、ｐ型半導体領域１２８とｎ型半導体領域１４６との間に位置合わせずれが生じることはなく、安定した飽和電荷量、転送特性、感度特性を得ることができる。
このように、本実施形態によれば、光電変換部の感度を安定的に維持しつつ飽和電荷量を増加することができる。これにより、安定的に高感度で飽和信号量が大きい固体撮像装置を実現することができる。
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による撮像システムについて、図１４を用いて説明する。第１乃至第５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１４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５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１４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１４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５実施形態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。
第１乃至第５実施形態による固体撮像装置１００を適用することにより、安定的に高感度で飽和信号量が大きい良質な画像を取得しうる撮像システムを実現することができる。
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による撮像システム及び移動体について、図１５を用いて説明する。図１５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１５（ａ）は、車戴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５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）の算出を行う視差算出部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。
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１５（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、所定の動作を行うように撮像システム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。例えば、第４実施形態のｐ型半導体領域１４４を、第３又は第５実施形態の固体撮像装置に適用してもよい。
また、上記実施形態では、信号電荷として電子を生成する光電変換部ＰＤを用いた固体撮像装置を例にして説明したが、信号電荷として正孔を生成する光電変換部ＰＤを用いた固体撮像装置についても同様に適用可能である。この場合、画素１２の各部を構成する半導体領域の導電型は、逆導電型になる。なお、上記実施形態に記載したトランジスタのソースとドレインの呼称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることもあり、上述のソース及びドレインの全部又は一部が逆の名称で呼ばれることもある。
また、図２に示した画素１２の回路構成は一例であり、適宜変更が可能である。画素１２は、少なくとも、光電変換部ＰＤと、光電変換部ＰＤから電荷保持部に電荷を転送する転送トランジスタＭ１とを有していればよい。本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサのみならず、ＣＣＤイメージセンサにも適用可能である。また、光電変換部ＰＤから電荷が転送される電荷保持部は、必ずしも増幅部の入力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤである必要はなく、光電変換部ＰＤ及びフローティングディフュージョンＦＤとは別の電荷保持部であってもよい。
また、上記第１実施形態では、ｐ型半導体領域１２８を、平面視において行方向に延在するストライプ状のパターンにより構成したが、平面視において列方向に延在するストライプ状のパターンにより構成してもよい。この場合も、ｐ型半導体領域１２８ａとｐ型半導体領域１２８ｂとの間の間隙１４０は、平面視においてｎ型半導体領域１１８を横断するように配置する。同様に、第２実施形態において、間隙１４０を列方向に延在するパターンとしてもよい。
また、上記第４及び第５実施形態では、第１及び第２実施形態による固体撮像装置の構成を前提として各実施形態の特徴部分を説明した。しかしながら、第４及び第５実施形態においては、ｐ型半導体領域１２８の平面レイアウトは、必ずしも図３や図６に示すものと同じである必要はない。例えば、第４及び第５実施形態の固体撮像装置において、図８に示すｐ型半導体領域１２８と同様の平面レイアウトを適用してもよい。
この場合、前述のように、間隙１４０の角部の形状がばらつき、それが特性のばらつきに影響する虞もある。しかしながら、例えばｎ型半導体領域１１８の平面形状が正方形に近い場合など、このばらつきを見込んでも飽和電荷量の増大効果の方が大きい場合には、図８の平面レイアウトの場合でも、感度を維持しつつ従来よりも大きな飽和電荷量を得ることが可能である。
また、第６及び第７実施形態に示した撮像システムは、本発明の撮像装置を適用しうる撮像システム例を示したものであり、本発明の撮像装置を適用可能な撮像システムは図１４及び図１５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。
ＦＤ…フローティングディフュージョン
Ｍ１…転送トランジスタ
ＰＤ…光電変換部
１００…固体撮像装置
１１０…半導体基板
１１６，１２６，１２８，１３０，１３２，１３４，１４４…ｐ型半導体領域
１１８，１２０，１４６…ｎ型半導体領域
１２４…ゲート電極
１４０…間隙

Claims (12)

  1. 光電変換部をそれぞれが含む複数の画素を有する固体撮像装置であって、
    前記光電変換部は、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た前記第１導電型の第３の半導体領域と、前記第３の半導体領域の下部に設けられ、前記第２の半導体領域よりも不純物濃度の低い前記第２導電型の第４の半導体領域と、を有し、
    前記第２の半導体領域は、第１の端部と、平面視において前記第１の端部に対向する第２の端部とを備え、
    前記第３の半導体領域は、平面視において前記第２の半導体領域と重なる第１の領域及び第２の領域を有し、前記第１の領域と前記第２の領域が前記第１の端部の一部から前記第２の端部の一部に渡って離間しており、
    前記第１の領域と前記第２の領域との間の間隙は、前記第１の端部の前記一部及び前記第２の端部の前記一部のそれぞれを越えて延在している
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 光電変換部をそれぞれが含む複数の画素を有する固体撮像装置であって、
    前記光電変換部は、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た前記第１導電型の第３の半導体領域と、前記第３の半導体領域の下部に設けられ、前記第３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４の半導体領域と、を有し、
    前記第２の半導体領域は、第１の端部と、平面視において前記第１の端部に対向する第２の端部とを備え、
    前記第３の半導体領域は、平面視において前記第２の半導体領域と重なる第１の領域及び第２の領域を有し、前記第１の領域と前記第２の領域が前記第１の端部の一部から前記第２の端部の一部に渡って離間しており、
    前記第１の領域と前記第２の領域との間の間隙は、前記第１の端部の前記一部及び前記第２の端部の前記一部のそれぞれを越えて延在している
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  3. 前記間隙は、平面視において前記第２の半導体領域を横断するように配置されている
    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. 前記間隙は、平面視において前記第３の半導体領域により囲まれている
    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. 前記光電変換部は、前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間に設けられ、平面視において少なくとも一部が前記間隙と重なる前記第１導電型の第５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４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記光電変換部は、平面視において前記第３の半導体領域が設けられた領域と同じ領域の、前記第２の半導体領域と前記第３の半導体領域との間の深さに設けられた前記第２導電型の第６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５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  7. 前記複数の画素の各々は、電荷保持部を更に含み、
    前記光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送する転送トランジスタを更に有し、
    前記間隙は、平面視において前記転送トランジスタのゲート電極と重ならない
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  8. 前記間隙は、平面視において、前記第２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の半導体領域の下部に設けられた前記第１導電型の第７の半導体領域と、前記第７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の半導体領域と、を更に有し、
    前記光電変換部は、前記第７の半導体領域によって前記第８の半導体領域から電気的に分離されている
    ことを特徴とする請求項１及び３乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記第４の半導体領域は、前記第１の領域及び前記第２の領域の下部から前記間隙に渡って延在している
    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. 請求項１乃至１０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。
  12. 移動体であって、
    請求項１乃至１０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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