WO2017122436A1 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
固体撮像装置は、半導体基板（７１）上に二次元配列された複数の画素を備え、各画素は、半導体基板（７１）の表面近傍に形成された少なくとも一つの浅層受光部（１１ａ、１１ｂ）と、浅層受光部（１１）の下方に形成された少なくとも一つの深層受光部（１２）とを備える。浅層受光部の一部（１１ｂ）と、深層受光部（１２）とが接続されて第２の受光部（１３）を構成すると共に、他の浅層受光部（１１ａ）は第１の受光部を構成する。第１の受光部における過剰電荷は、深層受光部（１２）に排出される。
Description
本発明は、二次元イメージセンサ等として用いられる固体撮像装置に関する。
近年、可視領域の画像と赤外領域の画像の両方を取得可能なイメージセンサが多く提案されている。特に、シリコン基板を用いたイメージセンサに関して、赤外光は可視光に比べてシリコンによる吸収係数が小さいことから、赤外感度を向上するための工夫が提案されている。例えば、特許文献１によれば、赤外光の光電変換を行うフォトダイオードを、可視光を光電変換するフォトダイオードの下部へ延伸して、赤外感度を向上することが示されている。
固体撮像装置において、受光部に過剰電荷が発生すると、隣接する画素に電荷が溢れて混色等の画質低下が発生する。これを抑制するためには、過剰の電荷を排出するためのドレイン部を設けることが行われる。
しかしながら、特許文献１の開示のように、赤外光受光部を可視光受光部の下に延伸する構造では、可視光受光部にて発生した過剰電荷を排出するためのドレイン部を、基板表面側に形成することが必要になる。この結果、受光部が狭くなり、飽和出力及び感度が低下する。
この点に鑑み、本発明の目的は、赤外光受光部を可視光受光部の下に延伸した場合にも、混色、飽和出力及び感度低下が抑制された良好な画質を得ることが可能な撮像装置を提供することである。
上記の目的を実現するために、本開示の固体撮像装置は、半導体基板上に二次元配列された複数の画素を有する。複数の画素は、それぞれ、半導体基板の表面近傍に形成された少なくとも一つの浅層受光部と、浅層受光部の下方に形成された少なくとも一つの深層受光部とを備える。浅層受光部の一部と、深層受光部とが接続されて第２の受光部を構成すると共に、他の浅層受光部は第１の受光部を構成する。第１の受光部における過剰電荷は、前記深層受光部に排出される。
本開示の固体撮像装置によると、第１の受光部における過剰電荷を、深層受光部に排出することにより、当該過剰電荷を排出するためのドレイン部を基板表面側に設けることが不要となっている。この結果、受光部を狭くすること無く、且つ、過剰電荷を適切に排出して混色等を抑制し、良好な画像が得られる。
以下、本開示の例示的固体撮像装置について、図面を参照して説明する。
図１及び図２は、例示的固体撮像装置５０の構成を示す模式図である。図１は、固体撮像装置５０の画素及び受光部の配列について示す平面図であり、図２は、図１のII-II'線による断面の構成を示す断面図である。
図１に示す通り、シリコン等の半導体基板上に二次元的に複数の画素が配列され、各画素は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の可視光と、赤外光（ＩＲ）との四色に対応するカラーフィルタを備える受光部を２×２の配列で有する。ここで、Ｒ、Ｇ及びＢに対応するカラーフィルタは各色の可視光及び赤外光を透過し、ＩＲフィルターは赤外光のみを透過する。
次に、図２に示す通り、固体撮像装置５０は、半導体基板７１の表面近傍に形成された浅層受光部１１（１１ａ及び１１ｂ）と、その下方に形成された深層受光部１２とを有する。一例としての固体撮像装置５０の場合、深層受光部１２は、１つの画素に含まれる２×２の４つの浅層受光部１１の下方に亘って伸びており、且つ、接続部２１により浅層受光部の一部（１１ｂ）と接続されて、第２の受光部１３を構成する。第２の受光部１３を構成する浅層受光部１１ｂ上方にはＩＲフィルターが備えられている。また、第２の受光部１３を構成しない他の浅層受光部１１ａは、それぞれ可視光フィルターのうち一色を備え、該当する色の光を受光する第１の受光部を構成する。但し、第１の受光部でも、赤外光が入射すればその一部は吸収され得る。また、第２の受光部でも、可視光が入射すればその一部（特に、長波長側である赤色光）は吸収され得る。
浅層受光部１１同士の間には浅層水平分離部３１が設けられている。言い換えると、浅層受光部１１は、浅層水平分離部３１を介して二次元的に配置されている。同様に、深層受光部１２同士の間には深層水平分離部３２が設けられている。言い換えると、深層受光部１２は、深層水平分離部３２を介して二次元的に配置されている。また、浅層受光部１１と、深層受光部１２との間には、垂直分離部３３が設けられている。これらの各分離部により、受光部同士の間が分離されている。更に、深層受光部１２の下方には、深層受光部１２とその下方の部分の半導体基板７１とを分離する垂直オーバーフローバリア３４が設けられている。
以上の浅層受光部１１（１１ａ及び１１ｂ）、深層受光部１２、接続部２１、浅層水平分離部３１、深層水平分離部３２、垂直分離部３３、垂直オーバーフローバリア３４は、いずれも、例えば半導体基板７１に対して不純物を導入することにより形成されている。
固体撮像装置５０において、垂直分離部３３のポテンシャル障壁は、浅層水平分離部３１のポテンシャル障壁よりも小さくなるように設定する。これは、例えば電荷のキャリアが電子であれば、垂直分離部３３におけるポテンシャル（電位）を、浅層水平分離部３１におけるポテンシャルよりも高くすることにより実現される。
この結果、第１の受光部を構成する浅層受光部１１ａにおいて発生した過剰電荷について、浅層水平分離部３１よりもポテンシャル障壁を越えやすい垂直分離部３３を介して溢れさせ、深層受光部１２に排出させることができる。このようにすると、可視光画像を取得するとき、浅層受光部１１ａにて発生した過剰電荷が水平方向に漏れ出して混色が発生することを抑制し、良好な可視光画像を取得することができる。
また、過剰電荷を排出するためのドレイン部を、浅層受光部１１の半導体基板７１表面付近に設ける必要が無いので、受光部の面積が狭くなって飽和出力及び感度が低下するのを避けることができる。
これに関して、図１１及び図１２に示す。図１２は、第１の受光部の下方に第２の受光部を設ける従来の固体撮像装置について、１つの受光部６１と、当該受光部６１から信号を読み出すための読み出し回路部６２と、受光部６１において発生した過剰電荷を排出するためのドレイン部６３との関係を模式的に示す平面図である。従来の固体撮像装置では、ドレイン部６３を半導体基板７１の表面側に設ける必要があり、当該ドレイン部６３が占める面積のぶん受光部６１を設けることのできる面積が小さくなる。この結果、飽和出力が低下すると共に、光の経路が狭くなり、受光可能な光が少なくなって感度が低下する。
これに対し、図１１は、本願の例示的固体撮像装置５０について、１つの受光部６１と、当該受光部６１から信号を読み出すための読み出し回路部６２とを有し、ドレイン部６３は備えていないことを示す平面図である。これは、図２の浅層受光部１１ａにおける過剰電荷を深層受光部１２に排出する構成により、ドレイン部６３を半導体基板７１の表面側に設けることが不要となって実現している。この結果、図１２の構成では図１１の構成に比べて受光部６１の面積を大きくすることができ、感度を向上することができる。
また、固体撮像装置５０の垂直分離部３３及び垂直オーバーフローバリア３４のポテンシャル障壁を、いずれも、深層水平分離部３２のポテンシャル障壁よりも小さく（電荷のキャリアが電子であれば、電位を高く）しても良い。これにより、赤外画像を取得する際に、深層受光部１２において発生した過剰電荷は、浅層受光部１１ａ側又は垂直オーバーフローバリア３４の下方の半導体基板７１側に排出される。つまり、過剰電荷が水平方向に（隣接する深層受光部１２に）漏れ出して混色を発生させることが抑制され、良好な赤外画像を取得することができる。また、この場合にも、図１１及び図１２に示した通り、過剰電荷を排出するためのドレイン部を半導体基板７１表面側に設けることが不要であって、飽和出力及び感度を向上できる効果が得られる。
更に、垂直オーバーフローバリア３４のポテンシャル障壁を、垂直分離部３３のポテンシャル障壁よりも小さく（電荷のキャリアが電子であれば、電位を高く）しても良い。この場合、深層受光部１２にて発生した過剰電荷は、垂直オーバーフローバリア３４の下方の半導体基板７１に排出される。
このようにすると、可視光画像を取得する際に、浅層受光部１１ａから深層受光部１２に排出された過剰電荷が深層受光部１２において蓄積されたとしても、当該電荷を更に垂直オーバーフローバリア３４を介して半導体基板７１側に排出させ、浅層受光部１１ａ側に逆流するのを抑制できる。これにより、画質劣化の無い良好な可視光画像を取得することができる。また、赤外画像を取得する際に、深層受光部１２から浅層受光部１１ａに過剰電荷を排出した場合、浅層受光部１１ａにて電荷が過剰になると、深層受光部１２に逆流する可能性がある。これに対し、垂直オーバーフローバリア３４のポテンシャル障壁を垂直分離部３３のポテンシャル障壁よりも小さくすると、深層受光部１２にて発生した過剰電荷を、半導体基板７１側に効率よく排出できる。従って、画質劣化の無い良好な赤外画像を取得することができる。
このように、第１の受光部（浅層受光部１１ａ）及び第２の受光部１３において発生した過剰電荷に限らず、他の箇所から排出された過剰電荷についても、本実施形態の構成により適切に排出できる。
次に、図３は、例示的固体撮像装置５０の等価回路図である。図３において、浅層受光部１１ａ（第１の受光部）及び第２の受光部１３とこれらの間を分離する垂直分離部３３と、第２の受光部１３とその下方の半導体基板とを分離する垂直オーバーフローバリア３４とが示されている。また、浅層受光部１１ａ及び第２の受光部１３から信号を読み出す転送ゲートＴＧ１及びＴＧ２と、これらの接続された読み出し回路とが示されている。
浅層受光部１１ａ又は第２の受光部１３に光が入射すると光電変換が行われ、信号電子が発生し、蓄積される。信号電子は、転送ゲートＴＧ１及びＴＧ２に印加される電圧を制御することにより、フローティングディフュージョン（ＦＤ）を含む電子電圧変換回路に読み出され、電圧信号ＳＩＧ１又はＳＩＧ２として出力される。また、読み出した電子をリセットするリセットゲートＲＳＴ１及びＲＳＴ２が搭載されている。これらのリセットゲートを制御することにより、信号電子が電圧信号として読み出された後、リセットゲートに隣接したドレインを通じて、信号電子が排出される。信号を読み出す画素の選択は、セレクトトランジスタＳＥＬ１又はＳＥＬ２の制御により行われる。尚、ＶＤＤは電源電圧である。
図４に、図３の等価回路を有する固体撮像装置５０に関し、画像取得時のＴＧ１及びＴＧ２と、ＲＳＴ１及びＲＳＴ２との動作タイミングの一例を示す。
図４の動作では、露光時間中は、リセットゲートＲＳＴ１及びＲＳＴ２と、転送ゲートＴＧ１及びＴＧ２との全てについて閉じた状態とする。第１の受光部読み出しの際には、リセットゲートＲＳＴ１を一時的に開放してＦＤをリセットした後、転送ゲートＴＧ１を一時的に開放することにより信号電子を読み出す。このように単純に第１の受光部の信号を読み出す動作により、第１の受光部（浅層受光部１１ａ）において過剰電荷が生じた場合、これを深層受光部１２に排出して良好な可視光画像を得ることができる。この効果は、前記のように、浅層水平分離部３１及び垂直分離部３３のポテンシャル障壁を設定することにより実現する。第２の受光部読み出しの際には、リセットゲートＲＳＴ２を一時的に開放してＦＤをリセットした後、転送ゲートＴＧ２を一時的に開放して信号電子を読み出す。
図５は、可視光画像を取得する際について、より良好な画像を得るための駆動方法を示す。この駆動方法では、露光時間及び第１の受光部読み出しの期間において、第２の受光部側の転送ゲートＴＧ２及びリセットゲートＲＳＴ２を読み出し（開放）状態に設定する。これにより、第１の受光部（浅層受光部１１ａ）から第２の受光部（深層受光部１２）に排出された過剰電荷を、転送ゲートＴＧ２を通じて排出することができる。この結果、第２の受光部から第１の受光部への過剰電荷の逆流が発生しなくなり、より確実に画質の劣化を抑制して良好な可視画像を得ることができる。
また、図６は、赤外画像を取得する際について、より良好な画像を得る駆動方法を示す。この駆動方法では、露光時間及び第２の受光部読み出しの期間において、第１の受光部の転送ゲートＴＧ１及びリセットゲートＲＳＴ１を読み出し（開放）状態に設定する。このようにすると、第１の受光部（浅層受光部１１ａ）において過剰電荷が発生したとしても、該電荷は転送ゲートＴＧ１及びリセットゲートＲＳＴ１を通じて排出され、第２の受光部（深層受光部１２）に排出されることは無い。従って、画質劣化の抑制された良好な赤外画像を得ることができる。
（変形例）
以上に説明した事項はいずれも例示であり、これらに限定されるものではない。以下に更に変形例を示すが、やはりこれらに限定されることは無い。
以上に説明した事項はいずれも例示であり、これらに限定されるものではない。以下に更に変形例を示すが、やはりこれらに限定されることは無い。
まず、実施例としては図１のカラーフィルタ配列で説明したが、他の配列とすることも可能である。例えば、第２の受光部と白色受光部とが交互に配列された千鳥パターン等も可能である。また、画素毎に２×２の受光部（浅層受光部１１ａ及び１１ｂ）の配列を有する例を説明したが、この他に、３×３、２×３等のあらゆる配列に関しても適用可能である。
また、図７及び図８に示すように、カラーフィルタに関しても様々な例が挙げられる。図７の場合、第２の受光部１３を構成する浅層受光部１１ｂ上には透明フィルターを設置し、赤外光だけではなく可視光領域にも感度があるようにすることで、更に感度を高めている。また，図８の場合、ＲＧＢの各色のフィルター４１を設置した第１の受光部（浅層受光部１１ａ）上に、赤外光を遮断するＩＲカットフィルタ４２を設置し、第１の受光部には赤外光が入らないようにしている。これにより、可視光画像について色再現性を高めることができる。
また、実施例の固体撮像装置５０では、図１に示す通り、深層受光部１２を水平方向に分離する深層水平分離部３２について、ＲＧＢ及びＩＲの２×２の受光部を含む単位画素の境界に設けている。当該境界は、平面図である図１では太線の位置にあり、この位置では、浅層水平分離部３１及び深層水平分離部３２が重なっている。しかし、これには限られず、例えば図９に示すようにしても良い。図９では、深層水平分離部３２は、第２の受光部１３を構成する浅層受光部１１ｂの位置を中心とする正方格子状に形成されている。従って、浅層におけるＲＧＢ及びＩＲの受光部を含む単位画素の境界（太線により示す）と、深層における深層受光部１２の境界（破線により示す）とは、平面図において、異なる位置に存在する。
また、深層水平分離部３２を省略することも可能である。これにより赤外画像について画質が劣化することがあるが、固体撮像装置の製造工程を簡略化し、コストを低くすることができる。低コストであることが優先されるような場合、このような構成も考えられる。
更に、以上に説明した固体撮像装置では、受光部から、信号電子読み出しのための転送ゲート及びリセットゲートを通じて電荷を排出するようにしている。しかし、これには限られない。例えば、転送ゲートの後段にメモリー部が配置されたグローバルシャッター型の撮像装置にも適用可能である。この場合、受光部からメモリー部への転送ゲート、メモリー部から電子電圧変換回路部への電荷転送、及び、リセットゲートを全て開放状態に設定し、受光部からリセットゲートに効率的に過剰電圧を排出するように設定する。これにより、混色の発生しない良好な画像を取得できる。
以上説明してきたように、本開示に係る固体撮像装置は、赤外光画素を可視光画素の下に延伸しても、過剰電荷による混色の発生を抑制して良好な画像を得ることが可能であり、且つ、感度低下のない固体撮像装置として有用である。
１１、１１ａ、１１ｂ 浅層受光部
１２ 深層受光部
１３ 第２の受光部
２１ 接続部
３１ 浅層水平分離部
３２ 深層水平分離部
３３ 垂直分離部
３４ 垂直オーバーフローバリア
４１、３１ａ カラーフィルタ
４２ ＩＲカットフィルタ
５０、５１、５２、５３ 固体撮像装置
６１ 受光部
６２ 読み出し回路部
６３ ドレイン部
７１ 半導体基板
１２ 深層受光部
１３ 第２の受光部
２１ 接続部
３１ 浅層水平分離部
３２ 深層水平分離部
３３ 垂直分離部
３４ 垂直オーバーフローバリア
４１、３１ａ カラーフィルタ
４２ ＩＲカットフィルタ
５０、５１、５２、５３ 固体撮像装置
６１ 受光部
６２ 読み出し回路部
６３ ドレイン部
７１ 半導体基板
Claims (8)
- 半導体基板上に二次元配列された複数の画素を備え、
前記複数の画素は、それぞれ、前記半導体基板の表面近傍に形成された少なくとも一つの浅層受光部と、前記浅層受光部の下方に形成された少なくとも一つの深層受光部とを備え、
前記浅層受光部の一部と、前記深層受光部とが接続されて第２の受光部を構成すると共に、他の前記浅層受光部は第１の受光部を構成し、
前記第１の受光部における過剰電荷は、前記深層受光部に排出されることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１の固体撮像装置において、
前記浅層受光部と前記深層受光部との間に設けられた垂直分離部におけるポテンシャル障壁は、前記複数の浅層受光部同士の間に設けられた浅層水平分離部におけるポテンシャル障壁よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１又は２の固体撮像装置において、
前記第２の受光部における過剰電荷は、前記第１の受光部又は前記半導体基板に排出されることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項３の固体撮像装置において、
前記浅層受光部と前記深層受光部との間に設けられた垂直分離部におけるポテンシャル障壁、及び、前記深層受光部の下方に設けられた垂直オーバーフローバリアにおけるポテンシャル障壁は、前記深層受光部同士の間に設けられた深層水平分離部におけるポテンシャル障壁よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１又は２の固体撮像装置において、
前記第２の受光部における過剰電荷は、前記半導体基板に排出されることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項５の固体撮像装置において、
前記深層受光部の下方に設けられた垂直オーバーフローバリアにおけるポテンシャル障壁は、前記浅層受光部と前記深層受光部との間に設けられた垂直分離部におけるポテンシャル障壁、及び、前記深層受光部同士の間に設けられた深層水平分離部におけるポテンシャル障壁よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１～６のいずれか１つにおいて、
前記複数の画素は、それぞれ、前記第１の受光部から信号を転送するための第１の転送ゲートを更に備え、
前記第２の受光部を用いて撮像する際に、前記第１の転送ゲートを開放し、前記第１の受光部から前記第１の転送ゲートを通じて電荷を排出することを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１～７のいずれか１つにおいて、
前記複数の画素は、それぞれ、前記第２の受光部から信号を転送するための第２の転送ゲートを更に備え、
前記第１の受光部を用いて撮像する際に、前記第２の転送ゲートを開放し、前記第２の受光部から前記第２の転送ゲートを通じて電荷を排出することを特徴とする固体撮像装置。
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- 2016-11-25 JP JP2017561532A patent/JP6814748B2/ja active Active
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- 2018-07-12 US US16/033,478 patent/US11289618B2/en active Active
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