JP7534902B2 - 光電変換装置、撮像装置、半導体装置及び光電変換システム - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置、撮像装置、半導体装置及び光電変換システムに関する。

特許文献１には、ｎ型の電荷蓄積領域の下方にｐ型のバリア領域を設けることにより、基板の深部で発生した光電荷の一部が電荷蓄積領域へ流入するのをブロックできることが記載されている。

特開２０１１－２４９４０６

入射光により電荷を発生する第一導電型の光電変換部と、電荷が転送されて蓄積される第一導電型の電荷蓄積領域とを備えた光電変換装置では、電荷蓄積領域に電荷が保持されている期間に発生した電荷信号が電荷蓄積領域へ混入して偽信号となりうる。そこで、電荷蓄積領域の下に第二導電型のバリア領域を設けることが考えられるが、その場合第二導電型のバリア領域の下に、中間の半導体領域を挟んで第二導電型の領域が配置される場合がありうる。中間の半導体領域が中性領域を形成した場合、中性領域で発生した信号電荷に対するバリア領域のポテンシャルバリアは低くなりうる。このために信号電荷の一部が第一導電型の電荷蓄積領域へ混入し、偽信号になることがありうる。本発明の目的は、電荷蓄積領域への偽信号の混入を抑制するのに有利な構造の光電変換装置を提供することである。

本発明の光電変換装置は、第一面及び第二面を有する半導体層を含み、前記半導体層に配置されて入射光によって発生した信号電荷を蓄積する第一導電型の第一半導体領域と、前記半導体層に配置され、前記信号電荷を保持する第一導電型の第二半導体領域と、前記第一面の上に配置され、前記第一半導体領域に蓄積された前記信号電荷を前記第二半導体領域へ転送するためのチャネルを前記半導体層に形成する第一転送電極と、前記第二半導体領域と前記第二面との間に配置された第二導電型の第三半導体領域と、前記第三半導体領域と前記第二面との間に配置された第二導電型の第四半導体領域と、前記第一面と前記第二面との間に配置された第一導電型のフローティングデフュージョン領域と、前記第一面の上に配置され、前記第二半導体領域から前記信号電荷を前記フローティングデフュージョン領域へ転送するためのチャネルを前記半導体層に形成する第二転送電極と、を備え、前記第三半導体領域は、前記第二半導体領域と、前記第一面に対する正射影において少なくとも一部が重なり、前記第三半導体領域は、前記第四半導体領域と前記第一面に対する正射影において少なくとも一部が重なり、前記第三半導体領域と前記第四半導体領域との間の前記第二導電型である中間半導体領域の不純物濃度の実効値が２×１０^１３ｃｍ^－３以上、１×１０^１５ｃｍ^－３以下であり、前記中間半導体領域の、前記第一面に対する法線方向における幅は０．１３μｍ以上、０．８μｍ以下であり、前記中間半導体領域の不純物濃度に対する前記第三半導体領域の不純物濃度の比が５０以上である、ことを特徴とする。

電荷蓄積領域への疑信号の混入を抑制するのに有利な構造の光電変換装置を提供することができる。

実施形態の光電変換装置の平面図。 実施形態の光電変換装置の断面図。 実施形態の光電変換装置の断面図。 不純物濃度のプロファイルを示す図。 光電変換装置の変形例の平面図。 光電変換装置の変形例の断面図。 撮像装置の概略を示す平面図。 光電変換システムの例を示す図。 光電変換システム及び光電変換システムを適用した移動体を示す図。 機器への適用例を示す図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴は任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

また、以下の実施形態において、信号キャリアは電子、したがって信号蓄積層の導電型はＮ型、回路を形成するトランジスタも特に断らない限りＮ型ＭＯＳトランジスタとして説明する。しかし、信号キャリアをホールとして、Ｎ型の導電型とＰ型の導電型を入れ替えてもよい。

［第一実施形態］
本実施形態の光電変換装置について説明する。光電変換装置は、ＰＤ部、メモリ、ＰＤ部に蓄積された信号電荷をメモリに転送するためのＰＤ信号転送部を備えうる。さらに、光電変換装置は、メモリからの信号電荷をフローティングデフュージョン領域（以下「ＦＤ部」と称する。）へ転送するメモリ信号転送部、信号電荷を増幅して出力する増幅用ＭＯＳトランジスタを備えうる。

図１は、第一面及び第二面を有する半導体層を含む、光電変換装置１が形成された半導体基板を、平面視した平面図であり、光電変換装置１のレイアウトを簡易的に示している。光電変換装置１はフォトダイオード（ＰＤ）部２、信号電荷を保持するメモリ部３、ＰＤ部２からメモリ部３へ信号電荷を転送するための転送電極４、ＦＤ部５、メモリ部３に保持された信号電荷をＦＤ部５へ転送するための転送電極６を有しうる。さらに、ＰＤ部２をリセットするために信号電荷を排出するための信号電荷排出部（以下「ＯＦＤ」と称する。）７、ＰＤ部２に蓄積した信号電荷をＯＦＤ７へ転送するための転送電極８も有しうる。光電変換装置１は、ＦＤ部５に転送された信号電荷を増幅して読み出すためのＭＯＳトランジスタなどを含むＭＯＳトランジスタ部９も有しうる。

転送電極４の下には、メモリ部３のＮ型半導体領域に接し、半導体界面部付近に形成されるＮ型半導体領域１０が配置されている。光電変換装置１は、素子分離のための、例えばＳｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ（ＳＴＩ）などの酸化膜、または拡散層半導体で形成された素子分離部１１も有しうる。

転送電極４、転送電極６及び転送電極８は、ＰＤ２やメモリ部３が形成された半導体基板の第一面の上に配置されうる。平面視においてＮ型半導体領域１０は少なくとも一部が転送電極４に重なるように配置される。

ＭＯＳトランジスタ部９は、信号増幅用のＭＯＳトランジスタ、ＦＤ部をリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタ等の複数のＭＯＳトランジスタを含みうる。またメモリ部３上にはメモリ部に入射する光を低減もしくは防ぐために、遮光部材が配置されうる。遮光部材としては例えばタングステンを用いることができる。

図２は図１における一点鎖線で示したＡ、Ｂ間の断面図である。低不純物濃度のＮ型の半導体基板１２はチャネルを形成する転送電極４及び６が配置された第一面と、その反対面の第二面とを有する半導体層を含んでいる。Ｎ型半導体領域１５は入射光によって発生した信号電荷を蓄積しうる。Ｐ型半導体領域１３は、第一面に対する正射影としての平面視においてＮ型半導体領域１５と重なっている。高不純物濃度のＰ型半導体領域１４、１４’はＰＤ部２およびメモリ部３の半導体界面部に形成されている。ＰＤ部２は、Ｐ型半導体領域１４’とＮ型半導体領域１５および半導体領域１５の直下にあってＰ型半導体領域１３の深さまでのＮ型半導体領域を含み、Ｐ型半導体領域１３はＰＤ２の感度を決めうる。

Ｎ型半導体領域１６はＮ型半導体領域１５から転送される信号電荷を保持しうる。メモリ部３は、Ｐ型半導体領域１４とＮ型半導体領域１６とを含む。ＰＤ２及びメモリ部３はともに埋め込み構造となっている。

またＰ型半導体領域１７は、Ｎ型半導体領域１５とＮ型半導体領域１０とを電気的に分離しうる。Ｐ型半導体領域１７は、転送電極４の下に位置し、平面視において転送電極４と少なくとも一部が重なる。Ｐ型半導体領域１８は、Ｎ型半導体領域１６とＮ型半導体領域であるＦＤ部５とを電気的に分離しうる。Ｐ型半導体領域１９は、Ｎ型半導体領域１０の下にあり、平面視においてＮ型半導体領域１０と少なくとも一部が重なり、Ｎ型半導体領域１６とほぼ重ならないように配置されている。

Ｐ型半導体領域２０は、Ｎ型半導体領域１６の下に、平面視においてＮ型半導体領域１６と少なくとも一部が重なるように配置されている。Ｐ型半導体領域１９及びＰ型半導体領域２０は、ＰＤ部２への入射光によりＰＤ部に発生した信号電荷が拡散してＮ型半導体領域１０やＮ型半導体領域１６に流入するのを防ぎうる。Ｐ型半導体領域２１、２２は、ともに隣接する光電変換装置のＰＤ同士を分離するための領域である。Ｐ型半導体領域２０とＰ型半導体領域２２とは部分的に重なっている。つまり光電変換装置の分離境界部は平面的に見た場合メモリ部３、ＦＤ部５と少なくとも一部が重なりうる。

薄い誘電体膜２３が半導体界面部上に形成されている。転送電極４、６、８及びＭＯＳトランジスタのゲート電極は誘電体膜２３上に形成されている。遮光部材３０が、メモリ部３に入射する光を低減もしくは防ぐために、メモリ部３の上（図２において誘電体膜２３に対して転送電極４、６のある方向）に配置されうる。遮光部材３０はＰＤ部２を除く他の領域を覆うように配置されていてもよい。

Ｐ型半導体領域１９は、Ｐ型半導体領域２０とは別の半導体領域として形成しうる。しかし、Ｐ型半導体領域２０をＰ型半導体領域１９の領域まで含めて形成してもよい。Ｐ型半導体領域２２は平面視において、画素と画素の境界上のうちメモリ部３の箇所以外の箇所に配置される。最も深い位置に配置されたＰ型半導体領域１３は、半導体界面部にあるＰ型半導体領域１４などとＰ型半導体領域２０、２１、２２、１８等を介して電気的に導通し、固定された電位となりうる。

図３は図１における一点鎖線で示したＣ、Ｄ間の断面図である。図３は、図１では不図示の隣接する画素に含まれるＰＤ２’が記載されている。ＰＤ２とＰＤ２’との間にメモリ部３が配置されている。隣接する画素のそれぞれのＰＤ２とＰＤ２’は、メモリ部３を挟んで配置されている。メモリ部３上には遮光部材３０が配置されうる。Ｐ型半導体領域２０とＰ型半導体領域２１との間には中間半導体領域がある。

以下、メモリ部３への偽信号の混入を抑制するための条件について説明する。Ｐ型半導体領域２０及びＰ型半導体領域２１は、その実効値としての実効不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３以上である領域とする。すなわちドナーとアクセプタとが混在する場合はそのドナー濃度とアクセプタ濃度との差分濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３以上である領域とする。これにより中間半導体領域が決まる。例えば、Ｐ型半導体領域２０とＰ型半導体領域２１との間の中間半導体領域は、次の３つの状態となりうると考えられる。第１の状態は、実効不純物濃度１×１０^１５ｃｍ^－３未満のＰ型とＮ型が混在する状態である。第２の状態は、Ｐ型半導体領域２０及びＰ型半導体領域２１の不純物分布の裾の広がりによってすべてＰ型という状態である。また、第３の状態は、Ｐ型半導体領域２０からＰ型半導体領域２１に渡って実効不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３以上のＰ型半導体領域が存在する状態である。

半導体基板１２の第一面に対して法線方向での断面Ｅ－Ｆにおける実行不純物濃度を示す図４により、メモリ部３への偽信号の混入の抑制の条件について説明する。図４に示すように、半導体領域２０と半導体領域２１との間の中間半導体領域にはＰ型不純物とＮ型不純物との両方が存在する。Ｐ型半導体領域２０及びＰ型半導体領域２１の各領域の不純物濃度はその領域における平均の実効不純物濃度とする。

Ｎ型半導体領域１６への偽信号電荷の混入を防ぐためには、Ｐ型半導体領域２０の深さは浅いほうが良く、大きいポテンシャルバリア形成のためにその不純物濃度は高濃度が良い。しかるにＰ型半導体領域２０が浅く不純物濃度が高濃度であるとその不純物プロファイルの広がりのゆえに、Ｎ型半導体領域１６の不純物濃度も高濃度にしないとメモリ部３が受け入れられる信号電荷量が減少してしまう。しかるにＮ型半導体領域１６の不純物濃度も高濃度にすると転送電極４の下部にＮ型半導体領域１６の信号溜まりが形成されうる。このため、転送電極６によるＦＤ部５への信号電荷の転送において、Ｎ型半導体領域１６に保持された信号電荷のほぼすべてを転送することは困難になる。よってＰ型半導体領域２０の不純物濃度はあまり高濃度にはできない。

一方Ｐ型半導体領域２０は、Ｎ型半導体領域１６に信号電荷が保持されている間はポテンシャルバリアとして機能しなければならないので空乏化してはならない。Ｐ型半導体領域２０とＮ型半導体領域１６との間には通常１．５～２Ｖ程度の逆バイアス電圧がかかるので、２つの領域間の距離を０．２μｍとすると、Ｐ型半導体領域２０は２×１０^１６ｃｍ^－３程度以上の不純物濃度を持つ必要がある。これらの事情を考慮することにより、Ｐ型半導体領域２０の不純物濃度は通常２×１０^１６ｃｍ^－３程度に設定される。またこの時の半導体領域２０の不純物濃度のピークは通常５×１０^１６ｃｍ^－３程度となる。

ここで統計力学理論によれば、一般に熱平衡状態においてポテンシャルエネルギー差ｋＴがある場合の自由粒子の密度はｅ倍異なる。ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｅはネイピア数である。これよりホール濃度がｅ倍異なる半導体領域のポテンシャル差はｋＴ／ｑである。ここでｑは素電荷量である。ｋＴはホールの熱運動エネルギー程度である。

Ｐ型半導体領域２０が偽信号に対するポテンシャルバリアとなるためにはｋＴ／ｑの４倍程度以上のポテンシャルがあるとよい。Ｐ型半導体領域２０の不純物濃度をＮｂとしその周りのＰ型の中性領域の濃度をＮａとしたときに、ポテンシャル差＝（ｋｔ／ｑ）ｌｎ（Ｎｂ／Ｎａ）の関係にある。この差が４倍以上であるためには、Ｎｂ／Ｎａが約５０以上あればよい。

よって、Ｐ型半導体２０の不純物濃度のピークのホール濃度が５×１０^１６ｃｍ^－３程度の場合、Ｐ型半導体領域２０からＰ型半導体領域２１に至る間に１×１０^１５ｃｍ^－３以下のホール濃度となる領域が存在すれば、不純物濃度の差が約５０倍になる。よって、このような不純物濃度の差を与えることによりＰ型半導体領域２０は信号電荷に対する十分なポテンシャルバリアになりうる 。

一方、以上より中間半導体領域の不純物濃度が所定の条件を満たさなければ、Ｐ型半導体領域２０は偽信号に対する有効なポテンシャルバリアとならない場合がありうる。中間半導体領域の実効アクセプタ濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３以下であれば、Ｐ型半導体領域２０は十分なポテンシャルバリアになる必要条件を満たす。ここで必要条件と述べたのは実効不純物濃度、ここでは実効アクセプタ濃度とホール濃度とが異なることがありうるからである。

一般に実効不純物濃度が位置によって変化している場合、そのキャリア濃度変化は実効不純物濃度変化よりもゆるやかになる。つまり、実効アクセプタ濃度が急激に変化している場合にホール濃度はその急激な変化に十分には追随しない。なぜならホールの熱運動によってデバイ長よりも短い場所間での変化が均されてしまうからである。したがって不純物濃度の変化をキャリア濃度の変化に反映させるためにはデバイ長以上の長さがあるとよい。デバイ長はキャリア濃度によって決まりキャリア濃度が低いほど長くなる。

ホール濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３の時のデバイ長は０．１３μｍ程度である。この場合Ｐ型半導体領域２０の実効アクセプタ濃度のピークが５×１０^１６ｃｍ^－３程度であり、そこから徐々に深くなるにつれて実効アクセプタ濃度が減少する。中間半導体領域の境界では実効アクセプタ濃度は１×１０^１５ｃｍ^－３となるが、ホール濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３となるのは、もっと深い場所ということになりうる。ホール濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３となる場所が中間半導体領域に存在するためには、中間半導体領域の幅がデバイ長以上、すなわち０．１３μｍ程度以上あればよい。

一方、中間半導体領域の幅が広くかつＮ型半導体領域が多くを占めており、中間半導体領域がＰＤ部に接している状況を考える。この場合は、中間半導体領域のポテンシャルがＰ型半導体領域２０よりも大幅に低くなって、別の問題を引き起こす可能性が生ずる。つまり中間半導体領域のポテンシャルが低いとＮ型半導体領域１５に蓄積できる信号電荷量が減少し、ＰＤ２の飽和信号量は減少することになる。しかも画素の飽和した信号電荷が中間半導体領域を通って隣接画素に流れ出し、ブルーミングを引き起こしやすくなる。

ＯＦＤを備えている光電変換装置はＯＦＤを備えていない通常の光電変換装置よりはブルーミングが抑えられるが、中間半導体領域のポテンシャルの低さによってはブルーミングを抑えることが難しくなる。よって中間半導体領域のポテンシャルはある程度以上必要であり、実際的にはＰ型半導体領域２０に対して考えると、Ｐ型半導体領域２０に対する中間半導体領域のポテンシャル差はｋＴ／ｑの８倍程度以内に抑える必要がある。

今までの議論に基づいて検討すると、ｅの８乗は約２９８０なのでＰ型半導体２０のピーク付近のホール濃度が５×１０^１６ｃｍ^－３程度であれば、中間半導体領域のホール濃度は２×１０^１３ｃｍ^－３程度以上ある必要がある。キャリア濃度２×１０^１３ｃｍ^－３のデバイ長は０．８μｍである。中間半導体領域の深さ方向の幅が０．８μｍ以下、かつその平均の実効アクセプタ濃度が２×１０^１３ｃｍ^－３以上であれば、Ｐ型半導体領域２０に対する中間半導体領域のポテンシャル差はｋＴ／ｑの８倍程度以内となる。

以上まとめると、Ｐ型半導体領域２０とＰ型半導体領域２１との間に実効アクセプタ濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３以下になるような中間半導体領域が存在し、その深さ方向の幅は０．１３μｍ以上、０．８μｍ以下であること。かつその中間半導体領域の平均の実効アクセプタ濃度が２×１０^１３ｃｍ^－３以上であれば、Ｐ型半導体領域２０に対する中間半導体領域のポテンシャル差はｋＴ／ｑの４倍程度以上８倍程度以下となる。ｋＴ／ｑの４倍程度以上８倍程度以下とは、ポテンシャルに換算して常温で約１００ｍＶ程度以上、約２００ｍＶ程度以下である。

本実施形態の中間半導体領域は以上のような条件を満たすことにより信号電荷に対するポテンシャルバリアを形成することができる。よって本実施形態によれば、メモリ部への偽信号電荷の混入を抑制し、かつ飽和信号量も従来程度を維持する優れた特性を実現することができる。

なお、上記条件を満足できるならば、半導体基板１２はアクセプタ濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３未満のＰ型の半導体基板であってもよい。また、Ｎ型の半導体基板１２中に形成された深さが図２のＰ型半導体領域１３程度まであり、中間半導体領域に相当する部分の実効アクセプタ濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３未満であるようなＰ型ウエルが配置されたものでもよい。

〔第一実施形態の変形例〕
図５は第一実施形態の変形例の平面図であり、同図の一点鎖線で示すＧ－Ｈ間の断面が図６に示されている。図６からわかるように第一実施形態と比べて、転送電極４とその直下に形成されるＮ型半導体領域１０の面積が大きくなっている。また転送電極４と転送電極６とは接近しており、その間に界面部Ｐ型半導体領域１４が形成され、第一実施形態と比べてＮ型半導体領域１６の面積は小さくなっている。よってＮ型半導体領域１０自体がメモリ部となって信号電荷を保持する主体となりうる。Ｎ型半導体領域１６は一部の信号電荷を保持もするが主としてＮ型半導体領域１０から転送電極６への信号電荷通路の役目を果たしている。

以上のような構造においてＰ型半導体領域１９がＮ型半導体領域１０への信号電荷混入を防止するポテンシャルバリアの役目を果たす。Ｐ型半導体領域１９の直下では、平面視においてＰ型半導体領域２０はごく一部を除いて重なっていない。つまり、Ｐ型半導体領域１９とＰ型半導体領域２０とは部分的に重なっている。またＰ型半導体領域２０とＰ型半導体領域２２とも部分的に重なっている。第一実施形態で説明したようにＰ型半導体領域１９とＰ型半導体領域２２との間の中間半導体領域は、実効アクセプタ濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３以下になるようにする。中間半導体領域の深さ方向の幅は０．１３μｍ以上、０．８μｍ以下、かつその中間半導体領域の平均の実効アクセプタ濃度が２×１０^１３ｃｍ^－３以上とする。このとき、Ｐ型半導体領域１９に対する中間半導体領域のポテンシャル差はｋＴ／ｑの４倍程度以上８倍程度以下となってＰ型半導体領域１９は適度なポテンシャルバリアとして機能する。

一方Ｐ型半導体領域２０とＰ型半導体領域２１とは少なくとも一部が重なっている。Ｐ型半導体領域２０とＰ型半導体領域２１の間に第一実施形態と同様の条件の第二の中間半導体領域が配置される。このために、Ｐ型半導体領域２０は電荷がＮ型半導体領域１６に混入するのを抑制する有効なポテンシャルバリアとして機能しうる。またＰ型半導体領域１９はＰ型半導体領域２０よりも浅い位置に配置される。なぜなら信号電荷を保持するＮ型半導体領域１０はＮ型半導体領域１６よりも浅い位置に配置されるからである。Ｎ型半導体領域１０への偽信号の混入を防ぐためには、ポテンシャルバリアとなるＰ型半導体領域１９の形成される深さが浅い方が信号保持時に発生した電荷に対するバリア効果が高くなる。本実施形態では、第一実施形態よりもさらに偽信号のメモリへの混入を抑制する効果が高い。ただし半導体界面部のＰ型半導体領域１４と最深部に形成されるＰ型半導体領域１３とが電気的に導通する必要があるので、Ｐ型半導体領域２０とＰ型半導体領域１３とは電気的に導通する部分を持っている。

なお、本変形例において、第二の中間半導体領域は実効アクセプタ濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３以下であって、かつその平均の実効アクセプタ濃度が２×１０^１３ｃｍ^－３以上とする。また、第二の中間半導体領域の深さ方向の幅は０．１３μｍ以上、０．８μｍ以下とする。この条件が満足されるならば、半導体基板１２はアクセプタ濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３未満のＰ型半導体基板であってもよい。また、Ｎ型の半導体基板１２中に形成された、深さがＰ型半導体領域１３程度まであって、第二の中間半導体領域に相当する部分の実効アクセプタ濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３未満であるようなＰ型ウエルが使われていてもよい。さらに図６においてＰ型半導体領域２２の形成範囲がＰ型半導体２０の直下に及んでいるような構造であってもよい。

この時Ｐ型半導体２０とＰ型半導体２２との間に、Ｐ型半導体領域２０とＰ型半導体領域２１との間の中間半導体領域と同様の条件を満たす第三の中間半導体領域があれば偽信号抑制効果は維持できる。ただ、この条件が満たされていなくても、Ｎ型半導体１６の面積は小さいので、Ｐ型半導体領域１９がポテンシャルバリアとして効果的であれば、全体として偽信号の混入抑制効果が損なわれる度合いは小さい。

以上本変形例によれば、ＰＤの飽和信号量を減ずることなく、メモリへの信号混入抑制効果が第一実施形態よりもさらに高くでき、優れた特性を実現することができる。

[第二実施形態]
以上に述べた光電変換装置を撮像装置１００に適用した例を図７により説明する。撮像装置１００は、例えば、複数の画素が行列状に配列された画素部１０１と、画素部１０１の行の画素を制御する垂直走査回路１０２と、信号を読み出して処理する信号処理回路１０３と、列毎に設けた回路の制御を行う水平走査回路１０４と、を有する。それぞれの画素には第一実施形態及び変形例で説明した光電変換装置が含まれている。また撮像装置は、撮像装置を制御するための制御信号とタイミング信号を発生する制御回路を含んでもよい。

典型的には、垂直走査回路１０２は画素の所定の行を選択して、その行にある画素から信号を読み出す制御を行う。垂直走査回路１０２の制御により、光電変換装置のＰＤ部２からの信号は不図示の垂直信号線へ出力される。水平走査回路１０４は行単位で読み出された信号を、信号処理回路１０３を制御して外部へ出力させる制御を行う。信号処理回路１０３は、画素からの信号を増幅する増幅回路、ノイズを低減する回路、Ａ／Ｄ変換器を含みうる。

次にグローバルシャッターを備えるセンサについて説明する。グローバルシャッターを備えるセンサは、複数のＰＤ部とそれらに夫々対応するメモリ部とを有する。複数のＰＤ部から対応する複数のメモリ部へ信号電荷が一斉に転送されることによりグローバルシャッター機能が実現される。

グローバルシャッターの動作は次のように行われる。垂直走査回路１０２の制御により所定のタイミングで、画素部１０１の画素に含まれるＰＤ部２は入射される光に応じた信号電荷の蓄積を開始する。次に垂直走査回路１０２の制御により光電変換装置の転送電極４の電位が一斉にＶＨにされ、複数のＰＤ部２に蓄積された信号電荷は同じタイミングで信号電荷を蓄積する半導体領域へ転送される。このようにＰＤ部２から同じタイミングでＰＤ部２に蓄積された信号電荷が読み出されうる。次に垂直走査回路１０２により、転送電極６が行毎に制御されて信号電荷はフローティングデフュージョン領域５へ転送される。フローティングデフュージョン領域５からの信号はＭＯＳトランジスタ部９の増幅回路で増幅されて垂直信号線へ読み出されて信号処理回路１０３へ入力される。信号処理回路１０３は信号を、例えば増幅し、Ａ／Ｄ変換して、水平走査回路１０４の制御により外部へ信号を出力する。本実施形態の撮像装置は以下に述べるシステムや機器の撮像部に適用することができる。

［第三実施形態］
本実施形態による光電変換システムについて、図８を用いて説明する。図８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。第一実施形態で述べた光電変換装置は、種々の光電変換システムに適用可能である。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撮像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８には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラ２００のブロック図を例示している。

図８に例示したデジタルスチルカメラ２００は、光電変換装置が配置された撮像装置２０４を有する。撮像装置２０４には複数の画素が配置されており、画素には第一実施形態に係る光電変換装置が含まれている。さらに、デジタルスチルカメラ２００は、被写体の光学像を撮像装置２０４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２０３、レンズ２０２の保護のためのバリア２０１を有する。レンズ２０２及び絞り２０３は、撮像装置２０４に光を集光する光学系である。撮像装置２０４は、上記の実施形態の光電変換装置を有し、レンズ２０２により結像された光学像を電気信号に変換する。

光電変換システムは、また、撮像装置２０４より出力される出力信号の処理を行うことで画像を生成する画像生成部である信号処理部２０７を有する。信号処理部２０７は、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２０７は、撮像装置２０４が搭載された半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置２０４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２０４と信号処理部２０７とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

光電変換システムは、更に、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）２１３を有する。更に光電変換システムは、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２１２、記録媒体２１２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）２１１を有する。なお、記録媒体２１２は、光電変換システムに内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

更に光電変換システムは、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２０９、撮像装置２０４と信号処理部２０７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２０８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、光電変換システムは少なくとも撮像装置２０４と、撮像装置２０４から出力された出力信号を処理する信号処理部２０７とを有すればよい。

撮像装置２０４は、撮像信号を信号処理部２０７に出力する。信号処理部２０７は、撮像装置２０４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２０７は、撮像信号を用いて、画像を生成する。このように、本実施形態によれば、第一実施形態に係る光電変換装置を適用した光電変換システムを実現することができる。

［第四実施形態］
本実施形態の光電変換システム及び移動体について、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態の光電変換システム及び移動体の構成を示す図である。図９（ａ）は、車載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、撮像装置３１０を有する。撮像装置３１０には、第一実施形態の光電変換装置を含む画素が配置されている。光電変換システム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、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）の算出を行う視差取得部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取得部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、視差取得部３１４や距離取得部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９（ｂ）に、車両前方を撮像する場合の光電変換システムを示した。点線３５０は撮像範囲の一例を示す。車両情報取得装置３２０が、光電変換システム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。更に、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。

［第五実施形態］
第一実施形態に係る光電変換装置を適用した機器の例について説明をする。図１０は第一実施形態の光電変換装置を有する半導体装置４３０を備えた機器４１５を説明する模式図である。半導体装置４３０は、半導体基板４０２に光電変換装置を含む画素４００が形成された撮像部４０１を含む。半導体装置４３０は、半導体層を有する半導体デバイス４１０のほかに、半導体デバイス４１０を収容するパッケージ４２０を含むことができる。パッケージ４２０は、半導体デバイス４１０が固定された基体と、半導体デバイス４１０に対向するガラスなどの蓋体と、を含むことができる。パッケージ４２０は、さらに、基体に設けられた端子と半導体デバイス４１０に設けられた端子とを接続するボンディングワイヤやバンプなどの接合部材を含むことができる。

機器４１５は、光学装置４４０、制御装置４５０、処理装置４６０、表示装置４７０、記憶装置４８０、機械装置４９０の少なくともいずれかを備えることができる。光学装置４４０は、半導体装置４３０に対応して設けられてもよい。光学装置４４０は、例えばレンズやシャッター、ミラーである。制御装置４５０は、半導体装置４３０を制御する。制御装置４５０は、例えばＡＳＩＣなどの半導体装置である。

処理装置４６０は、半導体装置４３０から出力された信号を処理する。処理装置４６０は、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）あるいはＤＦＥ（デジタルフロントエンド）を構成するための、ＣＰＵやＡＳＩＣなどの半導体装置でありうる。表示装置４７０は、半導体装置４３０で得られた情報（画像）を表示するＥＬ表示装置や液晶表示装置であってもよい。記憶装置４８０は、半導体装置４３０で得られた情報（画像）を記憶する、磁気デバイスや半導体デバイスであってもよい。記憶装置４８０は、ＳＲＡＭやＤＲＡＭなどの揮発性メモリ、あるいは、フラッシュメモリやハードディスクドライブなどの不揮発性メモリでありうる。

機械装置４９０は、モーターやエンジンなどの可動部あるいは推進部を有しうる。機器４１５では、半導体装置４３０から出力された信号を表示装置４７０に表示したり、機器４１５が備える通信装置（不図示）によって外部に送信したりする。そのために、機器４１５は、半導体装置４３０が有する記憶回路や演算回路とは別に、記憶装置４８０や処理装置４６０をさらに備えることが好ましい。機械装置４９０は、半導体装置４３０から出力され信号に基づいて制御されてもよい。

また、機器４１５は、撮影機能を有する情報端末（例えばスマートフォンやウエアラブル端末）やカメラ（例えばレンズ交換式カメラ、コンパクトカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ）などの電子機器に適する。カメラにおける機械装置４９０はズーミングや合焦、シャッター動作のために光学装置４４０の部品を駆動することができる。あるいは、カメラにおける機械装置４９０は防振動作のために半導体装置４３０を移動することができる。

また、機器４１５は、車両や船舶、飛行体などの輸送機器であり得る。輸送機器における機械装置４９０は移動装置として用いられうる。輸送機器としての機器４１５は、半導体装置４３０を輸送するものや、撮影機能により運転（操縦）の補助および／または自動化を行うものに好適である。運転（操縦）の補助および／または自動化のための処理装置４６０は、半導体装置４３０で得られた情報に基づいて移動装置としての機械装置４９０を操作するための処理を行うことができる。あるいは、機器４１５は内視鏡などの医療機器や、測距センサなどの計測機器、電子顕微鏡のような分析機器、複写機などの事務機器、ロボットなどの産業機器であってもよい。

上述した第一実施形態に係る光電変換装置によれば、良好な画素特性を得ることが可能となる。従って、半導体装置の価値を高めることができる。ここでいう価値を高めることには、機能の追加、性能の向上、特性の向上、信頼性の向上、製造歩留まりの向上、環境負荷の低減、コストダウン、小型化、軽量化の少なくともいずれかが該当する。

従って、本実施形態に係る半導体装置４３０を機器４１５に用いれば、機器の価値をも向上することができる。例えば、半導体装置４３０を輸送機器に搭載して、輸送機器の外部の撮影や外部環境の測定を行う際に優れた性能を得ることができる。よって、輸送機器の製造、販売を行う上で、本実施形態に係る半導体装置を輸送機器へ搭載することを決定することは、輸送機器自体の性能を高める上で有利である。特に、半導体装置で得られた情報を用いて輸送機器の運転支援および／または自動運転を行う輸送機器に半導体装置４３０は好適である。

［実施形態の変形例］
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、本発明の実施形態に含まれる。また、上記第三実施形態乃至第五実施形態に示した光電変換システムや機器は、光電変換装置を適用しうる光電変換システムの例を示したものである。本発明の光電変換装置を適用可能な光電変換システムは図８乃至図１０に示した構成に限定されるものではない。

本明細書の開示内容は、本明細書に記載したことのみならず、本明細書および本明細書に添付した図面から把握可能な全ての事項を含む。また本明細書の開示内容は、本明細書に記載した概念の補集合を含んでいる。すなわち、本明細書に例えば「ＡはＢよりも大きい」旨の記載があれば、「ＡはＢよりも大きくない」旨の記載を省略しても、本明細書は「ＡはＢよりも大きくない」旨を開示していると云える。なぜなら、「ＡはＢよりも大きい」旨を記載している場合には、「ＡはＢよりも大きくない」場合を考慮していることが前提だからである。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

２：フォトダイオード ３：メモリ部 ４：転送電極 ５：フローティングデフュージョン領域 ６：転送電極 １１：素子分離部 １２：半導体基板 １３：第二導電型の半導体領域 １４、１４’：第二導電型の半導体領域 １５、１６：第一導電型の半導体領域 １７～２２：第二導電型の半導体領域

Claims (13)

1. 第一面及び第二面を有する半導体層を含む光電変換装置であって、
   前記半導体層に配置されて入射光によって発生した信号電荷を蓄積する第一導電型の第一半導体領域と、
   前記半導体層に配置され、前記信号電荷を保持する第一導電型の第二半導体領域と、
   前記第一面の上に配置され、前記第一半導体領域に蓄積された前記信号電荷を前記第二半導体領域へ転送するためのチャネルを前記半導体層に形成する第一転送電極と、
   前記第二半導体領域と前記第二面との間に配置された第二導電型の第三半導体領域と、
   前記第三半導体領域と前記第二面との間に配置された第二導電型の第四半導体領域と、
   前記第一面と前記第二面との間に配置された第一導電型のフローティングデフュージョン領域と、
   前記第一面の上に配置され、前記第二半導体領域から前記信号電荷を前記フローティングデフュージョン領域へ転送するためのチャネルを前記半導体層に形成する第二転送電極と、を備え、
   前記第三半導体領域は、前記第二半導体領域と、前記第一面に対する正射影において少なくとも一部が重なり、
   前記第三半導体領域は、前記第四半導体領域と前記第一面に対する正射影において少なくとも一部が重なり、
   前記第三半導体領域と前記第四半導体領域との間の前記第二導電型である中間半導体領域の不純物濃度の実効値が２×１０^１３ｃｍ^－３以上、１×１０^１５ｃｍ^－３以下であり、前記中間半導体領域の、前記第一面に対する法線方向における幅は０．１３μｍ以上、０．８μｍ以下であり、
   前記中間半導体領域の不純物濃度に対する前記第三半導体領域の不純物濃度の比が５０以上である、ことを特徴とする光電変換装置。
2. さらに、前記第二導電型の第五半導体領域が、前記第二半導体領域と前記第四半導体領域との間であって、前記第三半導体領域より前記第一面に対する法線方向において深い位置に配置されており、前記第五半導体領域は前記第二半導体領域と前記第一面に対する正射影において少なくとも一部が重なることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第四半導体領域と前記第五半導体領域とは前記第一面に対する正射影において部分的に重なることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記第三半導体領域と前記第五半導体領域とは前記第一面に対する正射影において部分的に重なることを特徴とする請求項２又は３に記載の光電変換装置。
5. さらに、前記第四半導体領域と前記第二面との間に第二導電型の第六半導体領域が配置され、前記第五半導体領域と前記第六半導体領域との間の第二の中間半導体領域の不純物濃度の実効値が２×１０^１３ｃｍ^－３以上、１×１０^１５ｃｍ^－３以下であり、前記第二の中間半導体領域の第一面に対する法線方向における幅は０．１３μｍ以上、０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記第四半導体領域と前記第五半導体領域との間の前記第二導電型の第三の中間半導体領域は不純物濃度の実効値が２×１０^１３ｃｍ^－３以上、１×１０^１５ｃｍ^－３以下であり、前記第三の中間半導体領域の前記第一面に対する法線方向における幅は０．１３μｍ以上、０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記第二半導体領域の一部が、前記第二転送電極の一部と前記第一面に対する正射影において重なるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. さらに、前記フローティングデフュージョン領域からの信号を増幅するトランジスタを備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記第四半導体領域は、前記フローティングデフュージョン領域及び前記第二転送電極と、前記第一面に対する正射影において部分的に重なることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
10. 前記第三半導体領域の不純物濃度の実効値は、前記第一面に対する法線方向において前記中間半導体領域へ向けて、ピーク濃度から減少するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置を含む画素が配置された画素部と、
    前記画素部を制御して、前記画素から信号を読み出すための垂直走査回路と、
    前記画素から読み出された信号を処理する処理回路と、を備えることを特徴とする撮像装置。
12. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置を含む画素が配置された画素部を有する半導体デバイスと
    前記半導体デバイスを収容するパッケージと、を有する半導体装置。
13. レンズを有する光学系と、
    前記光学系を通過した光を電気信号に変換する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置を含む画素が配置された画素部と、
    前記画素部から出力される信号を処理する信号処理部と、を有する光電変換システム。

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