JP7275125B2 - 撮像素子、電子機器 - Google Patents

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Description

本技術は撮像素子、電子機器に関し、例えば、フォトダイオードの電荷蓄積容量を増大するようにした撮像素子、電子機器に関する。
デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、スマートフォン、ウェアラブルデバイスなどにおける撮像装置として、光電変換素子であるフォトダイオード(PD)のpn接合容量に蓄積した光電荷を、MOSトランジスタを介して読み出すCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサがある。
近年、CMOSイメージセンサでは、デバイスの微細化に伴って、PD自体の微細化が要求されている。しかしながら、単純にPDの受光面積を小さくしてしまうと、受光感度が低下してしまい、高精細な画質を実現することが難しくなる。そのため、CMOSイメージセンサでは、PDの微細化を行いつつ、受光感度の向上が求められている。
シリコン基板を用いたCMOSイメージセンサの受光感度を向上させる技術として、特許文献1,2では、不純物を注入(イオンインプランテーション)することによって、PDの深さ方向に対して櫛状に複数のpn接合領域を形成する方法が提案されている。特許文献3では、PD内に、横方向に、複数のpn接合領域を、不純物の注入によって形成する方法が提案されている。
特開2008-16542号公報 特開2008-300826号公報 特開2016-111082号公報
特許文献1乃至3によると、いずれも不純物注入によるPD内でのpn接合領域の形成のため、所望とする濃度で均一なp型領域やn型領域を形成するのが困難であり、急峻なpn接合を形成することが難しく、十分な感度向上の実現が困難である。また、不純物注入によりPD内の深い位置にまでpn接合領域を作成するには、高エネルギーの注入が必要となる。このため、不純物注入によりPD内の深い位置にまでpn接合領域を形成するのは困難であった。
特許文献1乃至3のように、PD内に櫛状にpn接合領域を形成する場合、PDの深い部分までpn接合領域を形成するのは困難であり、また複数のpn接合領域のp型領域やn型領域を均一な濃度で形成するのは困難である。よって、特許文献1乃至3によると、感度を向上させることは困難である。
また、不純物を注入するときに、基板にダメージが与えられ、欠陥が形成されてしまう可能性がある。そのような欠陥が形成されると、PD内の白点ないしは白傷が悪化する可能性がある。
pn接合領域の形成過程において基板へのダメージを抑制しつつ、急峻なpn接合を形成し、PDの感度を向上させることが望まれている。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、PDの感度を向上させることができるようにするものである。
本技術の一側面の撮像素子は、基板と、前記基板に設けられた第1の光電変換領域を含む第1の画素と、前記第1の光電変換領域の隣であって、前記基板に設けられた第2の光電変換領域を含む第2の画素と、前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域との間であって、前記基板に設けられた第1の分離部と、前記第1の画素と前記第2の画素を少なくとも含む画素群と、隣の画素群を分離する第2の分離部とを備え、前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域の少なくとも一方の光電変換領域には、前記第1の分離部の凸部が少なくとも1つあり、前記凸部は、トレンチと、前記トレンチ内に充填された充填物と、前記充填物にp型不純物領域とn型不純物領域が積層されたpn接合領域とを含む構成とされている
本技術の一側面の電子機器は、基板と、前記基板に設けられた第1の光電変換領域を含む第1の画素と、前記第1の光電変換領域の隣であって、前記基板に設けられた第2の光電変換領域を含む第2の画素と、前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域との間であって、前記基板に設けられた第1の分離部と、前記第1の画素と前記第2の画素を少なくとも含む画素群と、隣の画素群を分離する第2の分離部とを備え、前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域の少なくとも一方の光電変換領域には、前記第1の分離部の凸部が少なくとも1つあり、前記凸部は、トレンチと、前記トレンチ内に充填された充填物と、前記充填物にp型不純物領域とn型不純物領域が積層されたpn接合領域とを含む構成とされている撮像素子を含む。
本技術の一側面の撮像素子においては、基板と、基板に設けられた第1の光電変換領域を含む第1の画素と、第1の光電変換領域の隣であって、基板に設けられた第2の光電変換領域を含む第2の画素と、第1の光電変換領域と第2の光電変換領域との間であって、基板に設けられた第1の分離部と、第1の画素と第2の画素を少なくとも含む画素群と、隣の画素群を分離する第2の分離部とが備えられている。また第1の光電変換領域と第2の光電変換領域の少なくとも一方の光電変換領域には、第1の分離部の凸部が少なくとも1つあり、凸部は、トレンチと、トレンチ内に充填された充填物と、充填物にp型不純物領域とn型不純物領域が積層されたpn接合領域とを含む構成とされている
本技術の一側面の電子機器においては、前記撮像素子が含まれる構成とされている。
本技術の一側面によれば、PDの感度を向上させることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
撮像装置の構成例を示す図である。 撮像素子の構成例を示す図である。 画素の回路図である。 本技術が適用された画素の第1の構成例を示す表面側の平面図である。 本技術が適用された画素の第1の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第1の実施の形態の垂直方向の断面図である。 凸部について説明するための図である。 電荷蓄積容量が増大することについて説明するための図である。 凸部の形成について説明するための図である。 凸部の形成について説明するための図である。 本技術が適用された画素の第2の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第3の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第4の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第5の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第6の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第7の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第8の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第9の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第10の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第11の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第12の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第13の構成例を示す垂直方向の断面図である。 本技術が適用された画素の第14の構成例を示す垂直方向の断面図である。 内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。 カメラヘッド及びCCUの機能構成の一例を示すブロック図である。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
以下に、本技術を実施するための形態(以下、実施の形態という)について説明する。
本技術は、撮像装置に適用できるため、ここでは、撮像装置に本技術を適用した場合を例に挙げて説明を行う。なおここでは、撮像装置を例に挙げて説明を続けるが、本技術は、撮像装置への適用に限られるものではなく、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置、携帯電話機などの撮像機能を有する携帯端末装置、画像読取部に撮像装置を用いる複写機など、画像取込部(光電変換部)に撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。なお、電子機器に搭載されるモジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
図1は、本開示の電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。図1に示すように、撮像装置10は、レンズ群11等を含む光学系、撮像素子12、カメラ信号処理部であるDSP回路13、フレームメモリ14、表示部15、記録部16、操作系17、及び、電源系18等を有している。
そして、DSP回路13、フレームメモリ14、表示部15、記録部16、操作系17、及び、電源系18がバスライン19を介して相互に接続された構成となっている。CPU20は、撮像装置10内の各部を制御する。
レンズ群11は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで撮像素子12の撮像面上に結像する。撮像素子12は、レンズ群11によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この撮像素子12として、以下に説明する画素を含む撮像素子(イメージセンサ)を用いることができる。
表示部15は、液晶表示部や有機EL(electro luminescence)表示部等のパネル型表示部からなり、撮像素子12で撮像された動画または静止画を表示する。記録部16は、撮像素子12で撮像された動画または静止画を、ビデオテープやDVD(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
操作系17は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系18は、DSP回路13、フレームメモリ14、表示部15、記録部16、及び、操作系17の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
<撮像素子の構成>
図2は、撮像素子12の構成例を示すブロック図である。撮像素子12は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサとすることができる。
撮像素子12は、画素アレイ部41、垂直駆動部42、カラム処理部43、水平駆動部44、およびシステム制御部45を含んで構成される。画素アレイ部41、垂直駆動部42、カラム処理部43、水平駆動部44、およびシステム制御部45は、図示しない半導体基板(チップ)上に形成されている。
画素アレイ部41には、入射光量に応じた電荷量の光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子を有する単位画素(例えば、図4の画素101)が行列状に2次元配置されている。なお、以下では、入射光量に応じた電荷量の光電荷を、単に「電荷」と記述し、単位画素を、単に「画素」と記述する場合もある。
画素アレイ部41にはさらに、行列状の画素配列に対して行ごとに画素駆動線46が図の左右方向(画素行の画素の配列方向)に沿って形成され、列ごとに垂直信号線47が図の上下方向(画素列の画素の配列方向)に沿って形成されている。画素駆動線46の一端は、垂直駆動部42の各行に対応した出力端に接続されている。
撮像素子12はさらに、信号処理部48およびデータ格納部49を備えている。信号処理部48およびデータ格納部49については、撮像素子12とは別の基板に設けられる外部信号処理部、例えばDSP(Digital Signal Processor)やソフトウェアによる処理でも良いし、撮像素子12と同じ基板上に搭載しても良い。
垂直駆動部42は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部41の各画素を、全画素同時あるいは行単位等で駆動する画素駆動部である。この垂直駆動部42は、その具体的な構成については図示を省略するが、読み出し走査系と、掃き出し走査系あるいは、一括掃き出し、一括転送を有する構成となっている。
読み出し走査系は、単位画素から信号を読み出すために、画素アレイ部41の単位画素を行単位で順に選択走査する。行駆動(ローリングシャッタ動作)の場合、掃き出しについては、読み出し走査系によって読み出し走査が行われる読み出し行に対して、その読み出し走査よりもシャッタスピードの時間分だけ先行して掃き出し走査が行われる。また、グローバル露光(グローバルシャッタ動作)の場合は、一括転送よりもシャッタスピードの時間分先行して一括掃き出しが行われる。
この掃き出しにより、読み出し行の単位画素の光電変換素子から不要な電荷が掃き出される(リセットされる)。そして、不要電荷の掃き出し(リセット)により、いわゆる電子シャッタ動作が行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換素子の光電荷を捨てて、新たに露光を開始する(光電荷の蓄積を開始する)動作のことを言う。
読み出し走査系による読み出し動作によって読み出される信号は、その直前の読み出し動作または電子シャッタ動作以降に入射した光量に対応するものである。行駆動の場合は、直前の読み出し動作による読み出しタイミングまたは電子シャッタ動作による掃き出しタイミングから、今回の読み出し動作による読み出しタイミングまでの期間が、単位画素における光電荷の蓄積期間(露光期間)となる。グローバル露光の場合は、一括掃き出しから一括転送までの期間が蓄積期間(露光期間)となる。
垂直駆動部42によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される画素信号は、垂直信号線47の各々を通してカラム処理部43に供給される。カラム処理部43は、画素アレイ部41の画素列ごとに、選択行の各単位画素から垂直信号線47を通して出力される画素信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
具体的には、カラム処理部43は、信号処理として少なくとも、ノイズ除去処理、例えばCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)処理を行う。このカラム処理部43による相関二重サンプリングにより、リセットノイズや増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズが除去される。なお、カラム処理部43にノイズ除去処理以外に、例えば、AD(アナログ-デジタル)変換機能を持たせ、信号レベルをデジタル信号で出力することも可能である。
水平駆動部44は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部43の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部44による選択走査により、カラム処理部43で信号処理された画素信号が順番に信号処理部48に出力される。
システム制御部45は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ等によって構成され、タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に垂直駆動部42、カラム処理部43、および水平駆動部44などの駆動制御を行う。
信号処理部48は、少なくとも加算処理機能を有し、カラム処理部43から出力される画素信号に対して加算処理等の種々の信号処理を行う。データ格納部49は、信号処理部48での信号処理に当たって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
<撮像素子の回路>
図3は、撮像素子12の回路図である。撮像素子12には、複数のトランジスタが後述する配線層に形成されており、それらのトランジスタの接続関係を説明する。
撮像素子12には、転送トランジスタ72、FD(フローティングディフュージョン)73、リセットトランジスタ74、増幅トランジスタ75、および選択トランジスタ76が形成されている。
PD(フォトダイオード)71は、受光した光量に応じた電荷(信号電荷)を生成し、かつ、蓄積する。PD71は、アノード端子が接地されているとともに、カソード端子が転送トランジスタ72を介して、FD73に接続されている。
転送トランジスタ72は、転送信号TRによりオンされたとき、PD71で生成された電荷を読み出し、FD73に転送する。
FD73は、PD71から読み出された電荷を保持する。リセットトランジスタ74は、リセット信号RSTによりオンされたとき、FD73に蓄積されている電荷がドレイン(定電圧源Vdd)に排出されることで、FD73の電位をリセットする。
増幅トランジスタ75は、FD73の電位に応じた画素信号を出力する。すなわち、増幅トランジスタ75は、垂直信号線47を介して接続されている定電流源としての負荷MOS(不図示)とソースフォロワ回路を構成し、FD73に蓄積されている電荷に応じたレベルを示す画素信号が、増幅トランジスタ75から選択トランジスタ76と垂直信号線47を介してカラム処理部43(図2)に出力される。
選択トランジスタ76は、選択信号SELにより画素31が選択されたときオンされ、画素31の画素信号を、垂直信号線47を介してカラム処理部43に出力する。転送信号TR、選択信号SEL、及びリセット信号RSTが伝送される各信号線は、図2の画素駆動線46に対応する。
画素は、以上のように構成することができるが、この構成に限定されるものではなく、その他の構成を採用することもできる。
<第1の実施の形態における画素の構成>
図4は、画素アレイ部41に行列状に配置されている単位画素101の配置例を示す図である。第1の実施の形態における画素101を、画素101aとして説明を続ける。
画素アレイ部41には、行列状に、単位画素101aが複数配置されている。図4では、画素アレイ部41に配置されている2×2の4個の画素101aを例示している。
以下の説明においては、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色光を出力する4個の画素が配列されているイメージセンサに、本技術を適用した場合を例に挙げて説明を続けるが、他の色配置であっても本技術を適用することはできる。例えば、白色を出力するW(白)画素が配置されている場合にも適用できる。W画素を含む色配置とした場合、W画素は、全整色性である分光感度の画素として機能し、R画素、G画素、B画素は、それぞれの色に特性のある分光感度の画素として機能する。
また、本技術は、Y(イエロー)、C(シアン)、M(マゼンタ)等の補色系の色配置である場合にも適用できる。すなわち、分光感度がどうであるかは本技術を適用するうえでの制約とはならないが、ここでは一例として、R(赤)、G(緑)、B(青)の色配置である場合を例に挙げて説明を行う。
R(赤)、G(緑)、B(青)の各色光を出力する4個の画素は、例えば、図4に示すように、表示領域にマトリクス状に配置される。図4において、各矩形は画素101aを模式的に表す。また、各矩形の内部には、カラーフィルタの種類(各画素が出力する色光)を示す記号を示す。例えば、G画素には「G」を付し、R画素には「R」を付し、B画素には「B」を付す。以下の説明においても、同様に記載する。
図4に示した2×2の4画素101aを、1画素群と記述する。1画素群は、2×2の4画素101aを含み、図4で示した例では、左上に、G画素である画素101a-1が配置され、右上に、R画素である画素101a-2が配置され、左下に、B画素である画素101a-3が配置され、右下に、G画素である画素101a-4が配置されている。
なおここでは図示はしないが、1画素群に含まれる4画素で、リセットトランジスタ74、増幅トランジスタ75、選択トランジスタ76を共有し、FD73(いずれも図3)を共有した構成とした場合にも、本技術を適用できる。
なお、画素101a-1乃至101a-4を個々に区別する必要が無い場合、単に、画素101aと記述する。他の部分も同様に記述する。
図4中、1つの四角形は、1画素101aを表す。画素101aは、フォトダイオード(PD)71を含む構成とされている。1画素群を取り囲むように、画素群分離領域105が配置されている。画素群分離領域105は、隣接する画素群間に、Si基板102(図5)を深さ方向に貫通または非貫通の形状で形成されている。
画素群分離領域105は、画素間を電気的に分離するために設けられた領域であり、不純物が注入されることで形成された領域であっても良いし、物理的な構造で形成されていても良い。物理的な構造としては、トレンチを設けたり、そのトレンチ内に、所定の材料、例えば、SiO2やポリシリコンを充填したりすることで構成されている構造とすることができる。また、所定の材料としては、他の実施の形態として後述するように、タングステンなどの金属とすることができる。画素群分離領域105を金属で構成することで、隣接する画素からの光を遮光する遮光膜としても機能させることが可能となり、混色を低減できる構成とすることができる。
隣接する画素群は、画素群分離領域105で分離されている。画素群内の隣接する画素間は、画素分離領域103により分離されている。画素分離領域103は、例えば、トレンチにポリシリコンが充填されることで形成されている。画素分離領域103は、画素101a-1と画素101a-2の間、画素101a-1と画素101a-3の間、画素101a-2と画素101a-4の間、画素101a-3と画素101a-4の間にそれぞれ形成されている。
各画素101aには、転送トランジスタ72(図3)の転送ゲート111aが形成されている。画素101a-1には、転送ゲート111a-1が形成され、画素101a-2には、転送ゲート111a-2が形成され、画素101a-3には、転送ゲート111a-3が形成され、画素101a-4には、転送ゲート111a-4が形成されている。
図5は、本技術が適用された画素101の第1の実施の形態における画素101aの垂直方向の断面図であり、図4中の線分A-Bの位置に対応するものである。
以下に説明する画素101は、裏面照射型である場合を例に挙げて説明を行うが、表面照射型に対しても本技術を適用することはできる。
図では、隣接する2画素として、G画素である画素101a-1とR画素である画素101a-2を図示している。画素101a-1と画素101a-2は、基本的な構成は同様のため、同様の部分に関しては、画素101a-1を例に挙げて説明を行う。
画素101a-1は、Si基板102の内部に形成された各画素の光電変換素子であるPD71-1を有する。Si基板102のPD71は、n型不純物領域とされ、そのn型不純物領域内に、pn接合領域104が櫛形に形成されている。さらに、pn接合領域104は、櫛形に形成されている画素分離領域103の側面に形成されている。
画素分離領域103は、画素101a-1と画素101a-2の間に図中縦方向に形成されているとともに、横方向にも形成されている。画素分離領域103のうち縦方向に形成されている部分は、画素を分離する機能として機能する。画素分離領域103の横方向に形成されている部分は、側面にpn接合領域104が形成され、電荷蓄積容量を増大させることができる構造とされている。画素分離領域103は、例えば、ポリシリコンを材料として形成されている。また、画素分離領域103は、p型領域とされている。
pn接合領域104は、画素分離領域103側から、PD71に向かって順にp型の固相拡散層とn型の固相拡散層が形成されている。固相拡散層とは、不純物ドーピングによるp型層とn型層の形成を、後述する製法によって形成した層を指す。
pn接合領域104は、p型の固相拡散層とn型の固相拡散層から構成され、pn接合領域104は、強電界領域を成し、PD71にて発生された電荷を保持するようにされている。なお、pn接合領域104は、p型の固相拡散層とn型の固相拡散層が積層されている領域であるとして説明を続けるが、p型の固相拡散層とn型の固相拡散層の間に空乏層が形成されていても良く、空乏層がある場合も含めて、以下の説明では、pn接合領域104との記載を行う。
画素101a-1と隣接する画素群の画素(不図示)との間には、画素群分離領域105が形成されている。同じく、画素101a-2と隣接する画素群の画素(不図示)との間には、画素群分離領域105が形成されている。
画素群分離領域105は、上記したように、例えば、トレンチ内にSiO2を側壁膜として形成し、その側壁膜の中に充填材としてポリシリコンが充填されているような構成とすることができる。また、側壁膜としてSiO2の代わりSiNを採用してもよい。また、充填材としてポリシリコンの代わりにドーピングポリシリコンを用いてもよい。ドーピングポリシリコンを充填した場合、または、ポリシリコンを充填した後にn型不純物またはp型不純物をドーピングした場合には、そこに負バイアス、例えば、-2v程度を印加する構成とすることで、Dark特性をさらに改善することができる。
Si基板102の下層(図中、下側)には、絶縁層106が形成されている。絶縁層106には、遮光膜107が形成されている。遮光膜107は、隣接する画素への光の漏れ込みを防止するために設けられ、隣接するPD71の間に形成されている。また、遮光膜107は、絶縁層106内の画素分離領域103の下側の部分に形成されている。遮光膜107は、例えば、W(タングステン)等の金属材から成る。
絶縁層106上であり、Si基板102の裏面側には、カラーフィルタ(CF108)が形成され、そのCF108上に、入射光をPD71に集光させるOCL(オンチップレンズ)109が形成されている。OCL109は、無機材料で形成することができ、例えば、SiN、SiO、SiOxNy(ただし、0<x≦1、0<y≦1である)を用いることができる。
図4では図示していないが、OCL76上にカバーガラスや、樹脂などの透明板が接着されている構成とすることもできる。また、CF108は、複数のカラーフィルタが画素毎に設けられており、各カラーフィルタの色は、例えば、ベイヤ配列に従って並べられているように構成することができる。図5に示した例では、G画素である画素101a-1には、G(緑)色のカラーフィルタが形成され、R画素である画素101a-2には、R(赤)色のカラーフィルタが形成されている。
PD71の光入射側の逆側(図中、上側であり、表面側となる)であり、Si基板102の表面側には、絶縁膜110が形成され、絶縁膜110上には、配線層(不図示)が形成されている。配線層には、複数のトランジスタが形成されている。図5では、転送トランジスタ72の転送ゲート111が形成されている例を示した。転送ゲート111は、縦型トランジスタで形成されている。すなわち、転送ゲート111は、縦型トランジスタトレンチ112が開口され、そこにPD71から電荷を読み出すための転送ゲート111が形成されている。
さらに、図示していないが、Si基板102の表面側にはリセットトランジスタ74、増幅トランジスタ75、選択トランジスタ76等の画素トランジスタが形成されている。
画素101の大きさとしては、例えば、横幅1um、深さ3umとすることができる。横幅は、例えば、図5において、画素分離領域103の中央と画素群分離領域105の中央の間の距離とすることができ、この距離を、一例として1umとすることができる。深さは、例えば、図5において、Si基板102の厚さとすることができ、この厚さを、一例として3umとすることができる。
また、PD71内に物理的に加工形成された櫛形構造の1櫛の厚さは、200nm(0.2um)とすることができる。1櫛の厚さは、pn接合領域104の下辺から上辺までの厚さ、換言すれば、画素分離領域103の横方向の突起部分の物理的に加工された厚さ、さらに換言すれば、その加工された部分に充填されているポリシリコンの厚さであり、この厚さを、一例として、200nmにすることができる。
また、図5では、櫛形構造の部分は、3櫛である、換言すれば、3個の突起がある場合を示したが、この突起の数は、3個に限らず、他の個数であってももちろん良い。後述するように、画素101の大きさ、換言すれば、Si基板102の厚さに応じた個数とすることができる。すなわち、Si基板102が薄い場合、櫛形構造の部分の突起の数は少なく、Si基板102が厚い場合、櫛形構造の部分の突起の数は多く形成するようにすることができる。
図5に示したように、画素分離領域103は、縦方向の中心(画素間の中心)から、図中左右方向に、それぞれ突起を有する形状とされている。換言すれば、画素分離領域103は、画素101-1と画素101-2に、それぞれ突起を有する形状とされている。また、突起は、横方向において、直線形状となるように形成されている。
画素分離領域103の櫛形構造の部分の突起の表面には、pn接合領域104が形成されている。このpn接合領域104は、不純物濃度が1017乃至1018/cm程度の領域とされている。またpn接合領域104は、固相拡散やプラズマドーピングで形成される。
なお不純物注入法(イオンインプラテーション)によってpn接合領域104を形成することもできるが、不純物注入法で形成した場合、画素101の深さ方向に対して、濃度勾配を有する。例えば、図5に示した画素101aにおいて、3個の突起を、図中上から順に第1の突起、第2の突起、第3の突起とした場合、第1の突起のpn接合領域104の濃度、第2の突起のpn接合領域104の濃度、第3の突起のpn接合領域104の濃度が、それぞれ異なる可能性がある。
また、不純物注入法によりpn接合領域104を形成した場合、第1の突起と第3の突起は、画素内での深さが異なるため、第1の突起のpn接合領域104の濃度と第3の突起のpn接合領域104の濃度との濃度差が大きくなる可能性がある。
また、深い側にある突起にあるpn接合領域104を形成するときは、高エネルギーでの注入を行う必要があり、深い側にある突起にあるpn接合領域104の形成は、浅い型にある突起のpn接合領域104を形成するときに比べると形成が困難である。
これらのことから不純物注入法によりpn接合領域104を形成した場合、所望とする濃度で均一なp型領域やn型領域を形成するのが困難であり、急峻なpn接合を形成することが難しく、十分な感度向上の実現が困難である。
固相拡散やプラズマドーピングによりpn接合領域104を形成した場合、画素の深さ方向に対して、濃度勾配をほぼ均一にすることができる。この場合、第1の突起のpn接合領域104の濃度、第2の突起のpn接合領域104の濃度、第3の突起のpn接合領域104の濃度を、ほぼ均一に形成することができる。
よって、固相拡散やプラズマドーピングによりpn接合領域104を形成することで、所望とする濃度で均一なp型領域やn型領域を形成することができ、急峻なpn接合領域とすることができるため、十分な感度向上を実現することができる。
図5に示した画素101aは、画素分離領域103がp型、そのp型の画素分離領域103の周りにpn接合領域104が形成され、そのpn接合領域104の周りは、n型のSi基板102とされている。画素分離領域103に負バイアス(例えば、-2V)を印加し、Si基板102側をゼロバイアスに設定することで、pからnへの急峻な電界勾配をつけることができ、電荷蓄積容量を向上させることができる。
PD71で発生した電荷は、p型領域からn型領域に運ばれ、縦型トランジスタ112、転送ゲート111を介して、フローティングディフュージョン(図5では不図示)領域に転送される。図5では、電子を“e”で表し、その動きを矢印で示してある。
ここでは、電子が読み出される場合の構成を示したが、正孔(ホール)が読み出される構成であっても良い。図6に、正孔を読み出すときの画素101aの構成を示す。正孔を読み出す画素101aと、図5に示した電子を読み出す画素101aの構成は同じであるが、画素分離領域103が、n型の不純物領域で形成され、Si基板102が、p型の不純物領域で形成されている点が異なる。
また、正孔を読み出す画素101aの場合、画素分離領域103には、正バイアス(例えば、+2V)が印加される点が異なる。Si基板102は、ゼロバイアスに印加されている。このような構成とすることで、PD71で発生した正孔は、n型領域からp型領域に運ばれ、縦型トランジスタ112、転送ゲート111を介して、フローティングディフュージョン(図6では不図示)領域に転送される。図6では、正孔(ホール)を“h”で表し、その動きを矢印で示してある。
以下の説明では、図5に示した画素101aのように、電子を読み出す構成を例に挙げて説明を続けるが、図6に示した画素101aのように、正孔を読み出す構成に対しても、本技術を適用できる。
ここで、図7を参照して、画素分離領域103の突起の部分について説明を加える。以下の説明においては、画素分離領域103の突起部を、凸部131と記述する。
凸部131は、基準とする面、以下、基準面と記述する面を、どこにするかにより凸部になる場合と凹部になる場合がある。また凸部131には、pn接合領域104が形成されているため、pn接合領域104は、凹凸構造を有する領域であると換言できる。この凹凸構造は、Si基板102内に形成されている。よって、基準面としては、Si基板102の所定の面とすることができ、ここでは、Si基板102の一部を基準面とした場合を例に挙げて説明を続ける。
図7は、凸部131の付近を拡大した図である。凸部131のうち、凸部131のpn接合領域104と境界部分であり、画素分離領域103側に近い面を、右側面131-1とする。また、凸部131のうち、凸部131のpn接合領域104と境界部分であり、Si基板102に近い面を左側面131-2とする。
基準面Aを、右側面131-1が形成されている位置の面であるとし、基準面Cを、左側面131-2が形成されている位置の面であるとする。また基準面Bを、基準面Aと基準面Cの間の位置にある面であるとし、換言すれば右側面131-1と左側面131-2の間の位置にある面であるとする。
基準面Aを基準とした場合、凸部131の形状は、基準面Aに対して凸部がある形状となる。すなわち、基準面Aを基準とした場合、その基準面A(=右側面131-1)に対して、左側に張り出した位置に左側面131-2が位置し、凸部131は、凸部が形成されている領域となる。
基準面Cを基準とした場合、凸部131の形状は、基準面Cに対して凹部がある形状となる。すなわち、基準面Cを基準とした場合、その基準面C(=左側面131-2)に対して、右側に窪んだ位置に右側面131-1が位置し、凸部131は、凹部が形成されている領域となる。
基準面Bを基準とした場合、凸部131の形状は、基準面Bに対して凹部と凸部がある形状となる。すなわち、基準面Bを基準とした場合、その基準面B(=右側面131-1と左側面131-2の中間の位置にある面)に対して、左側に張り出した位置に左側面131-2が位置し、凸部131は、凸部が形成されている領域と言える。
一方で、基準面Bを基準とした場合、その基準面Bに対して、右側に窪んだ位置に右側面131-1が位置し、凸部131は、凹部が形成されている領域とも言える。
このように、凸部131は、画素101の断面視において、基準面をどこに設定するかにより、凹部で形成されている領域、凸部で形成されている領域、または凹部と凸部で形成されている領域と表すことができる領域である。
以下の説明においては、凸部131は、基準面A、すなわち、右側面131-1を基準面としたときを例に挙げて説明を行い、凸部が形成されている領域であるとして説明を続ける。
図7に示したように、画素分離領域103の凸部131の側面には、換言すれば、凸部131と接するSi基板102には、pn接合領域104が形成されている。PD71内には、複数の凸部131が形成されているため、PD71内には、凸形状のpn接合領域104が複数形成されていることになる。このように、PD71内に、複数の凸形状のpn接合領域104が形成されていることで、PD71の電荷蓄積容量を増大させることができる。
PD71の電荷蓄積容量が増大することについて、図8を参照して説明する。図8のAは、仮に凸部131’(以下、本実施の形態を適用した凸部131と区別を付けるためにダッシュを付して記述する)全体がpn接合領域104’であった場合のpn接合領域104’の面積を表し、図8のBは、本技術を適用し、凸部131の周りにpn接合領域104を形成した場合のpn接合領域104の面積を表す図である。
図8のAに示したように、pn接合領域104’の横の長さが長さa(単位はnm、以下同様)、縦の長さが長さbであった場合、pn接合領域104’の大きさ(面積)は、abとなる。
一方、図8のBに示したように、凸部131の周りにpn接合領域104が形成される場合、pn接合領域104は、長さaの2辺と長さbの1辺から構成されるため、pn接合領域104の面積は、2a+bとなる。
例えば、a=2、b=1である場合、pn接合領域104’の面積=ab=2となり、pn接合領域104の面積=2a+b=5となる。また例えば、a=4、b=2である場合、pn接合領域104’の面積=ab=8となり、pn接合領域104の面積=2a+b=10となる。
いずれの場合も、図8のBに示した本技術を適用した場合のpn接合領域104の面積の方が、図8のAに示した本技術を適用していない場合のpn接合領域104’の面積よりも大きくなる。pn接合領域104は、急峻な濃度変化のあるpn接合であり、そのようなpn接合領域104の面積を大きくすることができることで、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
<画素の製造について>
次に、画素101aの製造、特に凸部131とpn接合領域104の製造について、図9、図10を参照して説明する。
工程S11において、Si基板102に、所定の大きさの縦方向の溝が形成される。Si基板102としては、例えば、Si(111)基板が用いられる。Si基板102上に、形成したい溝の幅で開口されたレジスト(PR)マスク201が塗布され、CF系の混合ガスが用いられ、低ダメージでドライエッチングが行われる。溝の幅として、PRマスク201に開口される幅は、例えば、200nmとすることができる。
工程S12において、縦方向の溝が形成された後、PRマスク201が除去される。PRマスク201が除去された後、Si基板102上に、SiO2膜が、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)で成膜される。さらに、エッチバックされ、Si面が露出される。この状態は、縦方向の溝内には、SiO2膜が残っている状態である。
溝内のSiO2膜を所定の厚さにするために、PRマスクを用いて、またSiO2のみをエッチングできるCF系の混合ガスを用いて、SiO2膜が所定の膜厚になるまでエッチングされる。例えば、図9の工程S12のところに示したように、所定の膜厚のSiO2膜202が溝内の底部に成膜される。このSiO2膜202の膜厚は、例えば500nmとすることができる。
工程S13において、Si基板102上にPRマスクまたは有機膜が成膜される。成膜後、エッチバックされ、Si基板102が露出される。この状態は、溝内には、PRマスクまたは有機膜が残っている状態である。ここでは、有機膜が成膜されるとして説明を続ける。
溝内の有機膜を所定の厚さにするために、PRマスクを用いて、また有機膜のみをエッチングできるガスを用いて、有機膜が所定の膜厚になるまでドライエッチングされる。例えば、図9の工程S13のところに示したように、所定の膜厚の有機膜203が溝内のSiO2膜202上に成膜される。この有機膜203の膜厚は、例えば200nmとすることができる。
工程S14において、SiO2膜202と有機膜203が繰り返し形成されることで、溝内が埋められる。すなわち、工程S12と工程S13の工程が繰り返されることで、SiO2膜202と有機膜203が繰り返し形成され、溝内に、SiO2膜202と有機膜203が交互に積層される。
工程S15において、SiO2膜202と有機膜203が交互に積層された多層膜に、縦方向の溝が形成される。PRマスクが用いられ、工程S11において形成した縦方向の溝よりも細い幅、例えば、150nmの幅の溝がドライエッチングで形成される。
工程S16(図10)において、アッシングを行うことで、有機膜203が除去される。図10の工程S16のところに示したように、有機膜203が除去されることで、溝の側壁には、SiO2膜202のみが残っている状態となる。
工程S17において、縦方向の溝の側壁に残っているSiO2膜202をマスクとしたエッチングが行われる。工程S17においては、KOH(水酸化カリウム)などのアルカリ水溶液を用いたウェットエッチングが行われる。このエッチングにより、Si基板102が横方向に選択的にエッチングされる。
このようなエッチングが行われることで、凸部131となる横方向の溝が形成される。この横方向の溝は、例えば600nm程度の大きさで形成することができる。
工程S18において、縦方向の溝内の側壁にあるSiO2膜202が、例えば、フッ酸などの溶液が用いられて除去される。
工程S19において、ボロンやリンを固相拡散することで、Si基板102にpn接合領域104が形成される。または、プラズマドーピングで、Si基板102中にボロンやリンを拡散させることで、pn接合領域104が形成される。
固相拡散によりpn接合領域104を形成する場合、開口された溝の内側にn型の不純物であるP(リン)を含むSiO2膜が成膜される。この成膜により、縦方向の溝と横方向の溝のそれぞれの側壁に、SiO2膜が成膜される。SiO2膜が成膜されてから熱処理、例えば、1000℃のアニールを行い、SiO2膜からSi基板102側にP(リン)をドーピングさせる。
ドーピング後、成膜されていたPを含むSiO2膜を除去してから、再び熱処理を行い、P(リン)をSi基板70の内部にまで拡散させることによって、現状の溝の形状、この場合、縦方向と横方向に形成されている溝にセルフアラインされたn型の固相拡散層が形成される。
次に、溝の内側にp型の不純物であるB(ボロン)を含むSiO2膜が成膜されてから熱処理が行われ、SiO2膜からSi基板70側にB(ボロン)が固相拡散されることにより、溝の形状にセルフアラインされたp型の固相拡散層が形成される。
この後、溝の内壁に成膜されているB(ボロン)を含むSiO2膜が除去される。
以上の工程を経ることにより、n型の固相拡散層とp型の固相拡散層とから成るpn接合領域104を、溝の形状に沿って、この場合、画素分離領域103の形に沿って形成することができる。
工程S20において、空洞となっている縦方向の溝と横方向の溝に、ポリシリコンなどの所定の充填剤が充填される。
以上のようにして、低ダメージで、1画素内に、複数のpn接合領域104が形成される。
<第2の実施の形態における画素の構造>
図11は、第2の実施の形態における画素101bの構成例を示す図である。図11に示した画素101bの基本的な構成は、図5に示した画素101aと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図11に示した画素101bのPD71bの大きさが、図5に示した画素101aのPD71a(以下、画素101aのPD71は、PD71aと記述する)よりも大きく構成されている点が異なる。
再度図5に示した画素101aを参照するに、画素101aのPD71aの深さ(図中、縦方向の長さ)は、例えば、3um程度であり、画素分離領域103の櫛形構造の櫛の数、すなわち凸部131の数が3個である場合を例示した。これに対して、図11に示した画素101bは、PD71bの深さ(図中、縦方向の長さ)は、例えば、10um程度に構成されている。
PD71bが深く構成されることで、画素分離領域103の櫛形構造の櫛の数、すなわち凸部131の数も増やすことができ、図11に示したように、例えば5個形成することができる。凸部131が増えることで、凸部131の側面に形成されているpn接合領域104も増えるため、電荷蓄積容量をより増大させることができる。
また、PD71bが深く構成されることで、縦型トランジスタ112bも、より深く形成される。例えば、PD71bが10um程度に構成される場合、縦型トランジスタ112bは、9.5um程度に構成される。なお、入射光側の表層に発生した電子を漏れなく抜き取れる構成であれば、縦型トランジスタ12bの深さは、ここに例示した値で無くても良い。
このように、深いPD71bは、例えば、赤外線などの波長が長い光を受光する撮像素子に適用して好適である。図11では、CF108は、G(緑)とR(赤)である場合を例示にしたが、受光したい色に適したカラーフィルタとされる。
第2の実施の形態における画素101bにおいても、第1の実施の形態における画素101aと同じく、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104の面積を大きくすることができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
<第3の実施の形態における画素の構造>
図12は、第3の実施の形態における画素101cの構成例を示す図である。図12に示した画素101cの基本的な構成は、図5に示した画素101aと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図12に示した画素101cのPD71cの大きさが、図5に示した画素101aのPD71aよりも小さく構成されている点が異なる。
図12に示した画素101cは、PD71cの深さ(図中、縦方向の長さ)が浅く形成されているため、画素分離領域103の櫛形構造の櫛の数、すなわち凸部131の数が少なく形成されている。図12では1個の凸部131が形成されている例を示した。また、PD71cが浅く構成されることで、縦型トランジスタ112を形成しなくても良い構造とすることができる。図12に示した画素101cは、転送トランジスタは、転送ゲート111cから構成され、縦型トランジスタ111がない構成とされている。
このように、PD71cを浅く形成することで、画素101cを低背化することができる。PD71cを浅く形成すると、画素分離領域103の櫛形構造の櫛の数(凸部131の数)が少なくなる可能性があるが、図8を参照して説明したように、pn接合領域104の面積は、本技術を適用していないPD71の場合より大きくすることができる。
よって、第3の実施の形態における画素101cにおいても、第1の実施の形態における画素101aと同じく、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104の面積を大きくすることができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
<第4の実施の形態における画素の構造>
図13は、第4の実施の形態における画素101dの構成例を示す図である。図13に示した画素101dの基本的な構成は、図5に示した画素101aと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図13に示した画素101dの画素分離領域103は、隣接する画素から漏れる光をより確実に遮光するための遮光壁301が追加された構成とされている点が、図5に示した画素101aと異なる。
画素101dの画素分離領域103の縦方向の溝には、ポリシリコンと、遮光性を有する、例えばタングステン(W)といった金属またはSiO2などの酸化膜が充填されている。この遮光性を有する材料が充填されている部分は、隣接する画素からの迷光を遮光する遮光壁301として機能する。
遮光壁301は、Si基板102と同程度または少し短い長さとされ、例えば、Si基板102が3um程度の深さで形成されている場合、遮光壁301は、3um以下の長さ、例えば、2.7um程度の長さで形成されているようにすることができる。なお、混色を効果的に防ぐことができれば、遮光壁301の長さは、ここで一例として挙げた数値以外であってももちろん良い。
このように、遮光壁301を設けることで、画素間の混色をより抑制することができる。また、第4の実施の形態における画素101dにおいても、第1の実施の形態における画素101aと同じく、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104の面積を大きくすることができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
なお、ここでは、第1の実施の形態における画素101aに遮光壁301を設けた場合を例に挙げて説明したが、第2の実施の形態における画素101bに遮光壁301を設けた構成とすることもできるし、第3の実施の形態における画素101cに遮光壁301を設けた構成とすることもできる。
<第5の実施の形態における画素の構造>
図14は、第5の実施の形態における画素101eの構成例を示す図である。図14に示した画素101eの基本的な構成は、図13に示した画素101dと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図14に示した画素101eの画素分離領域103は、図13に示した実施の形態における画素101dの画素群分離領域105に、遮光壁311を追加した点が異なり、他の部分は同様である。
画素101eの画素群分離領域105eには、例えばタングステン(W)といった金属またはSiO2などの酸化膜が充填されている。この遮光性を有する材料が充填されている部分は、隣接する画素群の画素からの迷光を遮光する遮光壁311として機能する。
画素群分離領域105eが、例えば、不純物を注入することで形成された領域である場合、そのような不純物領域を残し、その不純物領域内に、遮光壁311を形成しても良い。または、第6の実施の形態として後述する画素101fのように、画素群分離領域105は遮光壁311(図15では遮光壁321)で形成されているようにしても良い。
遮光壁311は、Si基板102よりも少し短い長さ、例えば、Si基板102が3um程度の深さで形成されている場合、遮光壁311は、例えば、2.7um程度の長さで形成することができる。なお、混色を効果的に防ぐことができれば、遮光壁311の長さは、ここで一例として挙げた数値以外であってももちろん良い。
このように、遮光壁311を設けることで、画素間(画素群)の混色をより抑制することができる。また、第5の実施の形態における画素101eにおいても、第1の実施の形態における画素101aと同じく、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104の面積を大きくすることができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
なお、ここでは、第4の実施の形態における画素101dに遮光壁311を設けた場合を例に挙げて説明したが、第1乃至第3の実施の形態における画素101a乃至101cのいずれかに遮光壁311を設けた構成とすることもできる。すなわち、画素分離領域103には、遮光壁311を設けられてない画素101に対して、画素群分離領域105に遮光壁311を設けた構成とすることも可能である。
<第6の実施の形態における画素の構造>
図15は、第6の実施の形態における画素101fの構成例を示す図である。図15に示した画素101fの基本的な構成は、図14に示した画素101eと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図15に示した画素101fの画素群分離領域105は、遮光壁321のみで形成されている点が、図14に示した画素101dと異なる。画素101fにおいては、画素群分離領域105は、例えばタングステン(W)といった金属またはSiO2などの酸化膜で形成されている。この遮光性を有する材料が充填されているため、隣接する画素からの迷光を遮光する遮光壁321として機能する。
また、図15に示した画素101fの画素分離領域103の縦方向には、画素101e(図14)と同じく、遮光壁301が形成されている。さらに、画素101fの画素分離領域103の櫛形構造の光入射面側から一番深い側(光入射面側とは逆面であり配線層側)に形成されている櫛(凸部)の部分には、遮光層322が形成されている。この遮光層322も、遮光壁301と同じく、例えばタングステン(W)といった金属またはSiO2などの酸化膜で形成され、遮光する機能を有し、配線層側に漏れ出す光を遮光する。
画素101fのPD71は、図15に示したように、断面視において、光入射面側以外の3辺には、遮光壁301、遮光壁321、遮光層322がそれぞれ形成されている。よって、隣接する画素からの迷光を遮光することができ、混色による影響を低減させることができる。
また、図15に矢印で示したように、遮光壁により光が反射されることで、遮光壁が無い場合に隣接する画素や配線層側に漏れる光を、PD71内に入射させることができ、PD71に入射される入射光量を増大させることができる。
図15を参照するに、例えば、画素101f-2に斜め方向から入射してきた入射光は、画素101f-1に漏れることなく、遮光壁301により遮光されるとともに、遮光壁301により反射され、画素101f-2内に反射される。遮光壁301で反射された反射光は、さらに、遮光層322により、配線層側に漏れることなく、画素101f-2内に反射される。
このような遮光壁(遮光層)により、入射光が反射されることで、その反射光も、PD71内(pn接合領域104)に取り込むことが可能となる。よって、斜入射特性を向上させるとともに、入射光の光路長を稼ぐことができ、検出感度も向上させることができ、受光量を増大させることが可能となる。
また、第6の実施の形態における画素101fにおいても、第1の実施の形態における画素101aと同じく、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104の面積を大きくすることができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
<第7の実施の形態における画素の構造>
図16は、第7の実施の形態における画素101gの構成例を示す図である。図16に示した画素101gの基本的な構成は、図5に示した画素101aと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図16に示した画素101gの画素分離領域401には、透明な材料(光が透過する材料)が充填されている点で、図5に示した画素101aと異なる。画素分離領域401に充填されている透明な材料としては、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)等を用いることができる。
図5に示した画素101aを再度参照するに、画素101aの画素分離領域103は、材料として例えばポリシリコンが充填されている。OCL109側から入射してきた光の一部はポリシリコンで吸収され、凸部131に形成されたpn接合領域104に到達する光量が低減してしまう可能性がある。
図16に示した画素101gによれば、画素101aの画素分離領域401には、透明な材料が充填されているため、OCL109側から入射してきた光は、画素分離領域401を透過し、凸部131に形成されたpn接合領域104に到達することができる。よって、pn接合領域104に到達する光量を増やすことができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
第7の実施の形態の画素101gに、第2の実施の形態の画素101b(図11)を適用し、凸部131の数を増やしても良い。また、第7の実施の形態の画素101gに、第3の実施の形態の画素101c(図12)を適用し、凸部131の数を少なくし、縦型トランジスタ112を形成しない構成としても良い。
<第8の実施の形態における画素の構造>
図17は、第8の実施の形態における画素101hの構成例を示す図である。図17に示した画素101hの基本的な構成は、図16に示した画素101gと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図17に示した画素101hの画素分離領域401は、隣接する画素から漏れる光を確実に遮光するための遮光壁411が追加された構成とされている点が、図16に示した画素101gと異なる。
画素101hの画素分離領域401の縦方向の溝には、透明な材料(以下、ITOを例に挙げて説明を続ける)と、遮光性を有する、例えばタングステン(W)といった金属またはSiO2などの酸化膜が充填されている。この遮光性を有する材料が充填されている部分は、隣接する画素からの迷光を遮光する遮光壁411として機能する。
遮光壁411は、Si基板102と同程度または少し短い長さ、例えば、Si基板102が3um程度の深さで形成されている場合、遮光壁411も、3um以下の長さ、例えば、2.7um程度の長さで形成することができる。なお、混色を効果的に防ぐことができれば、遮光壁411の長さは、ここで一例として挙げた数値以外であってももちろん良い。
このように画素分離領域401を、透明な材料を用いて構成した場合、隣接する画素への光の漏れ込みが増す可能性があるが、遮光壁411を設けることで、画素間の混色を抑制することができ、画素内では、電荷蓄積容量を増やすことができる。
また、第8の実施の形態における画素101hにおいても、第1の実施の形態における画素101aと同じく、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104の面積を大きくすることができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
<第9の実施の形態における画素の構造>
図18は、第9の実施の形態における画素101iの構成例を示す図である。図18に示した画素101iの基本的な構成は、図17に示した画素101hと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図18に示した画素101iの画素分離領域103は、図17に示した実施の形態における画素101hの画素群分離領域105に、遮光壁421を追加した点が異なり、他の部分は同様である。
画素101iの画素群分離領域105iには、例えばタングステン(W)といった金属またはSiO2などの酸化膜が充填されている。この遮光性を有する材料が充填されている部分は、隣接する画素からの迷光を遮光する遮光壁421として機能する。
画素群分離領域105iが、例えば、不純物を注入することで形成された領域である場合、そのような不純物領域を残し、その不純物領域内に、遮光壁421を形成しても良い。
遮光壁421は、Si基板102よりも少し短い長さ、例えば、Si基板102が3um程度の深さで形成されている場合、遮光壁421は、例えば、2.7um程度の長さで形成することができる。なお、混色を効果的に防ぐことができれば、遮光壁421の長さは、ここで一例として挙げた数値以外であってももちろん良い。
このように、遮光壁411と遮光壁421を設けることで、画素間と画素群間の混色を抑制することができる。また、画素分離領域401をIOTなどの透明な材料で形成することで、入射光をより受光させることができる。
また、第9の実施の形態における画素101iにおいても、第1の実施の形態における画素101aと同じく、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104の面積を大きくすることができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
<第10の実施の形態における画素の構造>
図19は、第10の実施の形態における画素101jの構成例を示す図である。図19に示した画素101jの基本的な構成は、図18に示した画素101iと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図19に示した画素101jの画素群分離領域105は、遮光壁431のみで形成されている点が、図18に示した画素101hと異なる。画素101jにおいては、画素群分離領域105は、例えばタングステン(W)といった金属またはSiO2などの酸化膜で形成されている。この遮光性を有する材料が充填されているため、隣接する画素群の画素からの迷光を遮光する遮光壁431として機能する。
また、図19に示した画素101jの画素分離領域401の縦方向には、画素101i(図18)と同じく、遮光壁411が形成されている。さらに、画素101jの画素分離領域401の櫛形構造の光入射面側から一番深い側(光入射面側とは逆面であり配線層側)に形成されている櫛(凸部)の部分には、遮光層432が形成されている。この遮光層432も、遮光壁411と同じく、例えばタングステン(W)といった金属またはSiO2などの酸化膜で形成され、遮光する機能を有し、配線層側に漏れ出す光を遮光する。
画素101jのPD71は、図19に示したように、断面視において、光入射面側以外の3辺には、遮光壁411、遮光壁431、遮光層432がそれぞれ形成されている。よって、画素分離領域401を透明な材料で構成しても、隣接する画素からの迷光を遮光することができ、混色による影響を低減させることができる。
また、図15に示した画素101fと同じく、遮光壁や遮光層により光が反射されることで、遮光壁や遮光層が無い場合に隣接する画素や配線層側に漏れる光を、PD71内に入射させることができ、PD71に入射される入射光量を増大させることができる。
例えば、画素101j-2に斜め方向から入射してきた入射光は、画素101j-1に漏れることなく、遮光壁411により遮光されるとともに、遮光壁411により反射され、画素101j-2内に反射される。遮光壁411で反射された反射光は、さらに、遮光層432により、配線層側に漏れることなく、画素101j-2内に反射される。
このような遮光壁や遮光層により、入射光が反射されることで、その反射光も、PD71内(pn接合領域104)に取り込むことが可能となる。よって、斜入射特性を向上させるとともに、入射光の光路長を稼ぐことができ、検出感度も向上させることができ、受光量を増大させることが可能となる。
また、第10の実施の形態における画素101jにおいても、第1の実施の形態における画素101aと同じく、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104の面積を大きくすることができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
<第11の実施の形態における画素の構造>
図20は、第11の実施の形態における画素101kの構成例を示す図である。図20に示した画素101kの基本的な構成は、図19に示した画素101jと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図20に示した画素101kは、カラーフィルタ108とOCL109の代わりにプラズモンフィルタ501を備えた構成とされている点が、図19に示した画素101jと異なり、他の点は同様である。
プラズモンフィルタ501は、所定の狭い波長帯域(狭帯域)の狭帯域光を透過する光学フィルタである。またプラズモンフィルタ501は、例えば、アルミニウム等の金属製の薄膜を用いた金属薄膜フィルタの一種であり、表面プラズモンを利用した狭帯域フィルタである。
図20では、グレーティング構造のプラズモンフィルタ501の断面視を図示してある。グレーティング構造のプラズモンフィルタ501は、金属の薄膜であり、グレーティング構造(数10乃至100nm程度)のものを用いることができる。グレーティング構造のプラズモンフィルタ501は、グレーティング構造のサイズにより、選択される(透過される)波長が設定される。
グレーティング構造のプラズモンフィルタ501は、表面に入射光の定在波が発生し、発生した定在波が、貫通している孔から、フォトダイオード71側に通過するような構成とされている。プラズモンフィルタ501に形成されている孔は、例えば、径が100nm程度とすることができる。
例えば、図19に示した画素101jのように、カラーフィルタ108とOCL109を備える場合、カラーフィルタ108とOCL109の厚みは、1乃至2um程度の膜厚となるが、プラズモンフィルタ501は、1乃至2um以下の膜厚で形成することができるため、画素を低背化することができる。
また、低背化により、さらに混色を抑制することができる。また、孔の位置をpn接合領域104が形成されている領域に設けることで、効率的に、入射光をpn接合領域104に導くことができ、感度をより向上させることができる。
ここでは、グレーティング構造のプラズモンフィルタ501を例に挙げて説明したが、プラズモンフィルタ501として、ホールアレイ構造、ドットアレイ構造、ブルズアイ(Bull’s eye)と称される形状の構造を適用することもできる。
また、ここでは、第10の実施の形態の画素101jに対して、プラズモンフィルタ501を適用した場合を例に挙げて説明したが、第1乃至第9の実施の形態における画素101a乃至iに対して、プラズモンフィルタ501を適用した構成とすることもできる。
第11の実施の形態における画素101kにおいても、第1の実施の形態における画素101aと同じく、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104の面積を大きくすることができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
<第12の実施の形態における画素の構造>
図21は、第12の実施の形態における画素101mの構成例を示す図である。図21に示した画素101mの基本的な構成は、図5に示した画素101aと同様なため、同様の部分には同様の符号を付し、説明は省略する。
図21に示した画素101mは、受光領域601とメモリ領域602を有する点が、図5に示した画素101aと異なる。受光領域601は、OCL109側から入射された光を受光し、電荷を蓄積する領域である。メモリ領域602は、受光領域601に蓄積された電荷を一時的に保持する。このような受光領域601とメモリ領域602を設けることで、グローバルシャッタ機能を付加させることが可能となる。
グローバルシャッタ機能によれば、メモリ領域602に全画素同時読み出しを行った後、順次読み出しが可能となるため、露光タイミングを各画素共通にすることができ、画像のゆがみを抑制することができる。
画素101mは、受光領域601とメモリ領域602を1画素内に有する構成とされ、1画素を受光領域601とメモリ領域602を分離するために、受光領域601とメモリ領域602との間に遮光層603が設けられている。
遮光層603は、画素101mを上下方向で分離する位置に形成されている。図21に示した画素101mは、凸部131-1乃至131-3を有し、凸部131-2の位置に、遮光層603が形成されている。
遮光層603は、画素分離領域103の凸部131-2の部分に、タングステン(W)や酸化膜が充填されることで形成される。遮光層603は、光を遮光する機能を有するとともに、受光領域601からメモリ領域602に電荷が漏れることがないように防ぐ機能を有する。そのような機能を実現できる材料であれば、遮光層603の材料として用いることができる。
画素101mは、受光領域601に蓄積された電荷を、メモリ領域602に転送するための縦型トランジスタ111mを有する。また、縦型トランジスタ111mにより読み出された電荷は、書き込みゲート611によりメモリ領域602に書き込まれる。メモリ領域602に書き込まれた電荷(蓄積された電荷)は、読み出しゲート612により読み出され、増幅トランジスタ75(図3)に転送される。
画素101mのメモリ領域602には、pn接合領域621が書き込みゲート611と読み出しゲート612が形成されている領域付近に形成され、メモリ領域602の電荷保持能力を維持、向上させることができるように構成されている。
ここでは、第1の実施の形態の画素101aに対して、第12の実施の形態を組み合わせ、1画素に受光領域601とメモリ領域602を備える構成を例に挙げて説明したが、第12の実施の形態と第2乃至第11の実施の形態のいずれかと組み合わせ、画素101b乃至kを、受光領域601とメモリ領域602を備える構成とすることもできる。
第12の実施の形態における画素101mにおいても、第1の実施の形態における画素101aと同じく、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104の面積を大きくすることができ、受光領域601の電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。また、受光領域601とメモリ領域602を備えることで、グローバルシャッタ機能を実現でき、ゆがみが抑制された画像を撮影することが可能となる。
<第13の実施の形態における画素の構造>
図22は、第13の実施の形態における画素101nの構成例を示す図である。
第13の実施の形態における画素101nは、上記した櫛形構造のPD(以下、櫛形PDと記述)と櫛形構造を適用していないPD(以下、非櫛形PDと記述)があり、この異なる形状の2画素で1画素群が形成されている。
図22では、図中左側に示した画素101n-1が、非櫛形PD71n-1で形成され、図中右側に示した画素101n-2が、櫛形PD71n-2で形成されている。非櫛形PD71n-1と櫛形PD71n-2の間は、画素分離領域103n-1が形成されている。画素分離領域103n-1は、遮光膜107と連続した構造とされ、例えば、タングステンや酸化膜で形成されている。
画素分離領域103n-1は、非櫛形PD71n-1と櫛形PD71n-2との間で、電荷が漏れるようなことがないように、また、迷光を防ぐために設けられている。非櫛形PD71n-1と櫛形PD71n-2との間には、画素分離領域103n-2も形成されている。この画素分離領域103n-2は、第1の実施の形態における画素101aの画素分離領域103と同じく、凸部131を有し、ポリシリコンなどの材料が充填された領域として構成されている。
このように、1画素群を、非櫛形PD71nと櫛形PD71nで構成することで、1画素群を構成する画素(この場合、2画素)を、異なる電荷蓄積容量の画素とすることができる。櫛形PD71nは、非櫛形PD71nと比較して、電荷蓄積容量が大きい。
このような電荷蓄積容量の違いを用いて、例えば、飽和しやすい色を受光する画素には、電荷蓄積容量が大きい櫛形PD71nを用い、飽和しづらい色を受光する画素とし、非櫛形PD71nを用いるような構成とすることができる。例えば、R(Red)画素、G(Green)画素、B(Blue)画素をベイヤ配列で配置した場合、R画素は、G画素やB画素と比べて飽和しやすいため、櫛形PD71nで形成し、G画素とB画素は、非櫛形PD71nで構成するようにすることができる。
ここでは、第1の実施の形態の画素101aに対して、第13の実施の形態を組み合わせ、非櫛形PD71nと櫛形PD71nで1画素群が構成されている例を挙げて説明したが、第13の実施の形態と第2乃至第12の実施の形態のいずれかと組み合わせ、画素101b乃至nを、非櫛形PD71nと櫛形PD71nを備える構成とすることもできる。
<第14の実施の形態における画素の構造>
図23は、第14の実施の形態における画素101pの構成例を示す図である。
上記した第1乃至第12の実施の形態における画素101は、2画素で1画素群を構成し、その2画素が櫛型のpn接合領域104を有する構成である場合を例に挙げて説明した。図23に示すように、櫛型のpn接合領域104を1画素101pで有する構成とすることも可能である。
図23に示した画素101pのPD71pは、1画素内に、中心軸と、中心軸を中心として左右にそれぞれ凸部131pを有する櫛型形状のpn接合領域104pを有する。このように、1画素101p内に、櫛形形状のpn接合領域104pを有することで、急峻な濃度変化のあるpn接合領域104pの面積を大きくすることができ、電荷蓄積容量を増大させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
図24に示した画素101pは、第6の実施の形態における画素101f(図15)と同じく、配線層側(図中上側)に、遮光層322pが形成されている。また、上記した実施の形態では、画素群分離領域105に該当する部分には、画素間分離領域701が形成されている。この画素間分離領域701は、隣接する画素101pを分離するために形成され、タングステンや酸化膜などを材料として形成されている。このような構成により、斜入射特性を向上させることができ、入射光の光路長を稼ぐことができ、検出感度を向上させることができる。
第1乃至第13の実施の形態における画素101a乃至101nを、第14の実施の形態における画素101pのように、1画素として構成することも可能である。例えば、図23に示した画素101pの画素分離領域103pの材料として、透明な材料、例えばIOTが充填されるようにしても良い。
本技術によれば、急峻なpn接合領域を、画素の深さ方向に複数形成できる。また、画素の深さ方向に、急峻なpn接合領域が複数形成されていることで、電荷蓄積容量を増大させることができる。これらのことから、微細画素においても、感度を大幅に向上させることができる。また、ダイナミックレンジを拡大させることができる。
また、画素の深さ方向に、急峻なpn接合領域が複数形成するとき、不純物注入で形成しないため、画素の深い位置でも、pn接合領域を容易に形成することができる。また、形成される複数のpn接合領域のp型不純物やn型不純物の濃度を、均一に形成することができる。また、不純物注入で形成しないことで、不純物の注入時に発生する可能性がある基板へのダメージを軽減できるため、白点や白傷などの発生を抑制することができ、画質が劣化するようなことを防ぐことができる。
<内視鏡手術システムへの応用例>
また、例えば、本開示に係る技術(本技術)は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
図24は、本開示に係る技術(本技術)が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
図24では、術者(医師)11131が、内視鏡手術システム11000を用いて、患者ベッド11133上の患者11132に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム11000は、内視鏡11100と、気腹チューブ11111やエネルギー処置具11112等の、その他の術具11110と、内視鏡11100を支持する支持アーム装置11120と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート11200と、から構成される。
内視鏡11100は、先端から所定の長さの領域が患者11132の体腔内に挿入される鏡筒11101と、鏡筒11101の基端に接続されるカメラヘッド11102と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒11101を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡11100を図示しているが、内視鏡11100は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
鏡筒11101の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡11100には光源装置11203が接続されており、当該光源装置11203によって生成された光が、鏡筒11101の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者11132の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡11100は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
カメラヘッド11102の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光(観察光)は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、RAWデータとしてカメラコントロールユニット(CCU: Camera Control Unit)11201に送信される。
CCU11201は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等によって構成され、内視鏡11100及び表示装置11202の動作を統括的に制御する。さらに、CCU11201は、カメラヘッド11102から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理(デモザイク処理)等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
表示装置11202は、CCU11201からの制御により、当該CCU11201によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
光源装置11203は、例えばLED(light emitting diode)等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡11100に供給する。
入力装置11204は、内視鏡手術システム11000に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置11204を介して、内視鏡手術システム11000に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡11100による撮像条件(照射光の種類、倍率及び焦点距離等)を変更する旨の指示等を入力する。
処置具制御装置11205は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具11112の駆動を制御する。気腹装置11206は、内視鏡11100による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者11132の体腔を膨らめるために、気腹チューブ11111を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ11207は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ11208は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
なお、内視鏡11100に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置11203は、例えばLED、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。RGBレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色(各波長)の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置11203において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、RGBレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド11102の撮像素子の駆動を制御することにより、RGBそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
また、光源装置11203は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド11102の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
また、光源装置11203は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光(すなわち、白色光)に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察(Narrow Band Imaging)が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること(自家蛍光観察)、又はインドシアニングリーン(ICG)等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置11203は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び/又は励起光を供給可能に構成され得る。
図25は、図24に示すカメラヘッド11102及びCCU11201の機能構成の一例を示すブロック図である。
カメラヘッド11102は、レンズユニット11401と、撮像部11402と、駆動部11403と、通信部11404と、カメラヘッド制御部11405と、を有する。CCU11201は、通信部11411と、画像処理部11412と、制御部11413と、を有する。カメラヘッド11102とCCU11201とは、伝送ケーブル11400によって互いに通信可能に接続されている。
レンズユニット11401は、鏡筒11101との接続部に設けられる光学系である。鏡筒11101の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド11102まで導光され、当該レンズユニット11401に入射する。レンズユニット11401は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
撮像部11402を構成する撮像素子は、1つ(いわゆる単板式)であってもよいし、複数(いわゆる多板式)であってもよい。撮像部11402が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってRGBそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部11402は、3D(dimensional)表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための1対の撮像素子を有するように構成されてもよい。3D表示が行われることにより、術者11131は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部11402が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット11401も複数系統設けられ得る。
また、撮像部11402は、必ずしもカメラヘッド11102に設けられなくてもよい。例えば、撮像部11402は、鏡筒11101の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
駆動部11403は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部11405からの制御により、レンズユニット11401のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部11402による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
通信部11404は、CCU11201との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部11404は、撮像部11402から得た画像信号をRAWデータとして伝送ケーブル11400を介してCCU11201に送信する。
また、通信部11404は、CCU11201から、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部11405に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに/又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてCCU11201の制御部11413によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるAE(Auto Exposure)機能、AF(Auto Focus)機能及びAWB(Auto White Balance)機能が内視鏡11100に搭載されていることになる。
カメラヘッド制御部11405は、通信部11404を介して受信したCCU11201からの制御信号に基づいて、カメラヘッド11102の駆動を制御する。
通信部11411は、カメラヘッド11102との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部11411は、カメラヘッド11102から、伝送ケーブル11400を介して送信される画像信号を受信する。
また、通信部11411は、カメラヘッド11102に対して、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
画像処理部11412は、カメラヘッド11102から送信されたRAWデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
制御部11413は、内視鏡11100による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部11413は、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を生成する。
また、制御部11413は、画像処理部11412によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置11202に表示させる。この際、制御部11413は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部11413は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具11112の使用時のミスト等を認識することができる。制御部11413は、表示装置11202に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者11131に提示されることにより、術者11131の負担を軽減することや、術者11131が確実に手術を進めることが可能になる。
カメラヘッド11102及びCCU11201を接続する伝送ケーブル11400は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
ここで、図示する例では、伝送ケーブル11400を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド11102とCCU11201との間の通信は無線で行われてもよい。
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システムについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば、顕微鏡手術システム等に適用されてもよい。
<移動体への応用例>
また、例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図26は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図26に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(Interface)12053が図示されている。
駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12020に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図26の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図27は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。
図27では、撮像部12031として、撮像部12101、12102、12103、12104、12105を有する。
撮像部12101、12102、12103、12104、12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102、12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図27には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)
基板と、
前記基板に設けられた第1の光電変換領域を含む第1の画素と、
前記第1の光電変換領域の隣であって、前記基板に設けられた第2の光電変換領域を含む第2の画素と、
前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域との間であって、前記基板に設けられた第1の分離部と、
前記第1の画素と前記第2の画素を少なくとも含む画素群と、隣の画素群を分離する第2の分離部と
を備え、
前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域の少なくとも一方の光電変換領域には、前記第1の分離部の凸部が少なくとも1つあり、
前記凸部の側面には、p型不純物領域とn型不純物領域が積層されている
撮像素子。
(2)
前記第1の分離部は、前記第1の光電変換領域側と前記第2の光電変換領域側に、それぞれ前記凸部を備える
前記(1)に記載の撮像素子。
(3)
前記第1の光電変換領域側の前記凸部と前記第2の光電変換領域側の前記凸部は、直線形状に形成されている
前記(2)に記載の撮像素子。
(4)
前記第1の分離部は、タングステンの層または酸化膜を含む
前記(1)乃至(3)のいずれかに記載の撮像素子。
(5)
前記第1の分離部は、光を透過する材料で形成されている
前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の撮像素子。
(6)
前記第1の分離部を形成する第1の材料と前記第2の分離部を形成する第2の材料は、異なる材料とされている
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載の撮像素子。
(7)
前記第2の分離部は、タングステンの層または酸化膜を含む
前記(1)乃至(6)のいずれかに記載の撮像素子。
(8)
光入射面側と逆側に、金属層をさらに備える
前記(1)乃至(7)のいずれかに記載の撮像素子。
(9)
光入射面側に、プラズモンフィルタを備える
前記(1)乃至(8)のいずれかに記載の撮像素子。
(10)
前記第1の画素は、前記第1の光電変換領域と、前記第1の光電変換領域に蓄積された電荷を保持するメモリ領域とを備え、
前記第1の光電変換領域と前記メモリ領域は、前記凸部により分離されている
前記(1)乃至(9)のいずれかに記載の撮像素子。
(11)
前記第1の光電変換領域に蓄積された電荷を、前記メモリ領域に転送する転送部と、
前記メモリ領域に転送された電荷を読み出す読み出し部をさらに備える
前記(10)に記載の撮像素子。
(12)
基板と、
前記基板に設けられた第1の光電変換領域を含む第1の画素と、
前記第1の光電変換領域の隣であって、前記基板に設けられた第2の光電変換領域を含む第2の画素と、
前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域との間であって、前記基板に設けられた第1の分離部と、
前記第1の画素と前記第2の画素を少なくとも含む画素群と、隣の画素群を分離する第2の分離部と
を備え、
前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域の少なくとも一方の光電変換領域には、前記第1の分離部の凸部が少なくとも1つあり、
前記凸部の側面には、p型不純物領域とn型不純物領域が積層されている
撮像素子を含む
電子機器。
10 撮像装置, 11 レンズ群, 12 撮像素子, 12b 縦型トランジスタ, 13 DSP回路, 14 フレームメモリ, 15 表示部, 16 記録部, 17 操作系, 18 電源系, 19 バスライン, 20 CPU, 31 画素, 41 画素アレイ部, 42 垂直駆動部, 43 カラム処理部, 44 水平駆動部, 45 システム制御部, 46 画素駆動線, 47 垂直信号線, 48 信号処理部, 49 データ格納部, 70 Si基板, 71 フォトダイオード, 72 転送トランジスタ, 74 リセットトランジスタ, 75 増幅トランジスタ, 76 選択トランジスタ, 80 転送トランジスタ, 92 リセットトランジスタ, 93 増幅トランジスタ, 94 選択トランジスタ, 101 画素, 102 Si基板, 103 画素分離領域, 104 pn接合領域, 105 画素群分離領域, 106 絶縁層, 107 遮光膜, 108 カラーフィルタ, 110 絶縁膜, 131 凸部, 202 SiO2膜, 203 有機膜, 301 遮光壁, 311 遮光壁, 321 遮光壁, 322 遮光層, 401 画素分離領域, 411 遮光壁, 421 遮光壁, 431 遮光壁, 432 遮光層, 501 プラズモンフィルタ, 601 受光領域, 602 メモリ領域, 603 遮光層, 611 書き込みゲート, 612 読み出しゲート, 621 pn接合領域, 701 画素間分離領域

Claims (12)

  1. 基板と、
    前記基板に設けられた第1の光電変換領域を含む第1の画素と、
    前記第1の光電変換領域の隣であって、前記基板に設けられた第2の光電変換領域を含む第2の画素と、
    前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域との間であって、前記基板に設けられた第1の分離部と、
    前記第1の画素と前記第2の画素を少なくとも含む画素群と、隣の画素群を分離する第2の分離部と
    を備え、
    前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域の少なくとも一方の光電変換領域には、前記第1の分離部の凸部が少なくとも1つあり、
    前記凸部は、トレンチと、前記トレンチ内に充填された充填物と、前記充填物にp型不純物領域とn型不純物領域が積層されたpn接合領域とを含む構成とされている
    撮像素子。
  2. 前記第1の分離部は、前記第1の光電変換領域側と前記第2の光電変換領域側に、それぞれ前記凸部を備える
    請求項1に記載の撮像素子。
  3. 前記第1の光電変換領域側の前記凸部と前記第2の光電変換領域側の前記凸部は、直線形状に形成されている
    請求項2に記載の撮像素子。
  4. 前記第1の分離部は、タングステンの層または酸化膜を含む
    請求項1に記載の撮像素子。
  5. 前記第1の分離部は、光を透過する材料で形成されている
    請求項1に記載の撮像素子。
  6. 前記第1の分離部を形成する第1の材料と前記第2の分離部を形成する第2の材料は、異なる材料とされている
    請求項1に記載の撮像素子。
  7. 前記第2の分離部は、タングステンの層または酸化膜を含む
    請求項1に記載の撮像素子。
  8. 光入射面側と逆側に、金属層をさらに備える
    請求項1に記載の撮像素子。
  9. 光入射面側に、プラズモンフィルタを備える
    請求項1に記載の撮像素子。
  10. 前記第1の画素は、前記第1の光電変換領域と、前記第1の光電変換領域に蓄積された電荷を保持するメモリ領域とを備え、
    前記第1の光電変換領域と前記メモリ領域は、前記凸部により分離されている
    請求項1に記載の撮像素子。
  11. 前記第1の光電変換領域に蓄積された電荷を、前記メモリ領域に転送する転送部と、
    前記メモリ領域に転送された電荷を読み出す読み出し部をさらに備える
    請求項10に記載の撮像素子。
  12. 基板と、
    前記基板に設けられた第1の光電変換領域を含む第1の画素と、
    前記第1の光電変換領域の隣であって、前記基板に設けられた第2の光電変換領域を含む第2の画素と、
    前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域との間であって、前記基板に設けられた第1の分離部と、
    前記第1の画素と前記第2の画素を少なくとも含む画素群と、隣の画素群を分離する第2の分離部と
    を備え、
    前記第1の光電変換領域と前記第2の光電変換領域の少なくとも一方の光電変換領域には、前記第1の分離部の凸部が少なくとも1つあり、
    前記凸部は、トレンチと、前記トレンチ内に充填された充填物と、前記充填物にp型不純物領域とn型不純物領域が積層されたpn接合領域とを含む構成とされている
    撮像素子を含む
    電子機器。
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