CN100499141C - 固体摄像装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种固体摄像装置，降低测距用光电变换元件(AF传感器)和测光用光电变换元件(AE传感器)之间的串扰。其构成包括N型Epi层(202)、在半导体区域(202)内形成的P型第一阱区(203)、在半导体区域(202)内形成的和第一阱区电分离的P型第二阱区(203)、在第一阱区内形成的N型第一扩散区域(205)在第二阱区内形成的N型第二扩散区域(205)，用P型的第一阱区和N型的第一扩散区域中形成测光用光电变换元件(AE传感器)(103)，用P型的第二阱区和N型的第二扩散区域形成测距用光电变换元件(AF传感器)(101、102)。
Description
技术领域
本发明涉及固体摄像装置，适用于具有测光功能的自动对焦用固体摄像装置，特别适用于应用在小型相机的外测方式的相位差检出型自动对焦传感器。
背景技术
现在，作为具有透镜快门小型相机用的测光(AE)功能的测距(AF)传感器，有在美国专利第5,302,997号等中示出的固体摄像装置。此固体摄像装置的概略平面布局图示于图11。在同图中，30是测光传感器阵列，由测光用中心段32、测光用内部段34A～34D及测光用外部段36A～36D构成。另外，40和42是测距用传感器阵列(线性阵列)，441-n是测距用传感器阵列40的像素，而461-n是像素测距用传感器阵列42的像素。50是形成测光传感器阵列30和测距用传感器阵列40、42的Si半导体基板，H和W是测光区的大小(高与宽)，而D是基线长。
由于本传感器是利用相位差检出进行测距，设置两个测距用传感器阵列40和42的线性传感器。如以像素间距为P，以测距用的成像透镜的焦距为f，则表示测距精度的AF灵敏度为：
AF灵敏度＝D×f/P
现在，已经实现此AF灵敏度为大约5000的固体摄像装置。如果像素间距大约为10μm，透镜焦距为数mm，则基线长D为5mm～8mm。因此，在线性传感器40和线性传感器42之间存在无效区域，通过设置AE传感器30可以有效地使用半导体基板。另外，通过将AE传感器30和AF传感器40、42做成一个芯片，也可以对相机的小型化和低价化的实现有所贡献。
图12为示出图11的B-B′的区域的剖面图。但是，为了说明，图中示出时减少了AF传感器区域和AE传感器区域的发光二极管数。在图12中，51是N型Si基板，52是N型外延层，53是P型阱(PWL)。54是N+型杂质层，55是薄氧化膜，56是用作元件分离区的厚氧化膜(选择氧化膜)，57是Al(铝)配线，而58是层间绝缘膜。在PWL53和N+型杂质层54中形成PN结光电二极管。如在AE传感器区域及AF传感器区域的光电二极管上有光入射，在半导体中进行光电变换，生成电子空穴对。其中空穴(图中以黑圆点●表示)经PWL53排出到GND，电子(图中以白圆点○表示)由浮动的AE传感器区域及AF传感器区域的N+型杂质层54吸收。由AE传感器区域及AF传感器区域的N+型杂质层54收集的电子生成AE信号和AF信号。
但是，在上述现有的示例中，由于AE传感器区域及AF传感器区域邻接，在AE传感器区域的测光用光电二极管和AF传感器区域的测距用光电二极管之间，电串扰和光串扰变大的问题过去一直存在。
下面利用图12对现有示例的问题予以说明。在AE传感器区域的测光用光电二极管下发生的电子(图中以白圆点○表示)的一部分，由于扩散(Df1)而渗入到邻接的AF传感器区域的测距用光电二极管。另一方面，在AF传感器区域的测距用光电二极管阵列下发生的电子(图中以白圆点○表示)的一部分，由于扩散(Df2)而渗入到邻接的AE传感器区域的测光用光电二极管。另外，由于在光电二极管上部的杂散光(图中以箭头表示)也可以发生串扰。除了由这些光引起的串扰以外，还会发生由于配线间的寄生电容(Cp)引起的电串扰。
另外，在伴随化学机械研磨(CMP)平坦化工序的CMOS制造工艺过程中，在制造固体摄像装置的场合，如果在布局上配线密度疏密差异大，就会存在平坦化精度下降的问题。在配线密度均匀的场合，平坦化均匀，而在配线密度疏密差异大的场合，平坦化不均匀。这是因为由于层间膜下的配线的有无而研磨速度不同的缘故。特别是如果存在在数百μm上没有配线层的区域，不均匀性增大。一般，由于在测光测距用固体摄像装置中，AE传感器和AF传感器的位置是由光学***决定的，存在由于取决于芯片位置的配线密度的疏密差异变大和平坦化精度变差的倾向。
发明内容
本发明的目的在于实现一种降低光学串扰和电串扰的测光测距用固体摄像装置。
本发明的另一个目的在于提高微细化的测光测距用固体摄像装置的制造的平坦化加工过程的精度。
为了达到上述目的，本发明的固体摄像装置的特征在于具有：第一导电型的第一半导体区域，在该第一半导体区域内形成的与上述第一导电型相反的导电型的第二半导体区域，在上述第一半导体区域内形成的与该第二半导体区域电分离的第二导电型的第三半导体区域，在上述第三半导体区域内形成的第一导电型的第四半导体区域，以及在上述第三半导体区域内形成的第一导电型的第五半导体区域，用上述第二半导体区域和上述第四半导体区域形成测光用光电变换元件，用上述第三半导体区域和上述第五半导体区域形成测距用光电变换元件的固体摄像装置。
在本发明中，由于通过将形成测光用光电变换元件(AE传感器)的阱等的第二半导体区域和形成测距用光电变换元件(AF传感器)的阱等的第三半导体区域进行分离，降低在测光用光电变换元件(AE传感器)和测距用光电变换元件(AF传感器)之间的电荷扩散导致的串扰，可以提高测光精度和测距精度。另外，通过在该分离区域上设置遮光层可以抑制杂散光的入射，并且，由于减小降低杂散光引起的串扰，可以提高测光精度和测距精度。另外，通过在分离区域设置各种周边9***)电路，可以缩小芯片尺寸。
另外，在本发明中，通过在配线层密度低的区域中设置仿真配线，可以降低CMP平坦化加工工序中的层间绝缘膜膜厚的离散。于是，由于膜厚均匀，可以降低AF传感器的灵敏度的不均匀性和提高低亮度测距能力和测距精度。
此外，通过使测光用光电变换元件(AE传感器)和测距用光电变换元件(AF传感器)的光学中心一致可以进一步改进层间膜平坦化的均匀性。
附图说明
图1为本发明的实施方案1的平面布局图。
图2为本发明的实施方案1的剖面图。
图3为本发明的实施方案1的AF电路图。
图4为本发明的实施方案1的AE电路图。
图5为本发明的实施方案1的整体电路框图。
图6为本发明的实施方案2的平面布局图。
图7为本发明的实施方案2的剖面图。
图8为本发明的实施方案3的剖面图。
图9为本发明的实施方案3的变形例的剖面图。
图10为示出采用本发明的测光测距用固体摄像装置的场合的摄像装置的实施方案4的框图。
图11为现有示例的平面布局图。
图12为现有示例的剖面图。
具体实施方式
下面利用附图对本发明的实施方案予以详细说明。
(实施方案1)
图1为本发明的实施方案1的固体摄像装置的概略平面布局图。另外，图2为沿着图1的A-A′线的剖面构造图。但是，为了说明，图示中减少了AF传感器及AE传感器的光电二极管的数目。本实施方案，是以采用N型Si基板的PWL和NWL双阱构成的CMOS加工过程制造的示例。
在图1及图2中，100是Si半导体基板(与图2的N型Si基板201相对应)，101和102是AF传感器区域，103是AE传感器区域，104和105是模拟电路区域，106是数字电路区域，而107是仿真配线区域。另外，在图2中，201是N型Si基板，202是成为第一半导体区域的N型外延(N型Epi)层，203是PWL(P型阱区域)，204是与N型Epi层202等电位的NWL(N型阱区域)，205是N型杂质层，以PWL203和N型杂质层205在AE传感器区域103和AF传感器区域101、102形成PN结光电二极管。另外，206是栅氧化膜，207是作为元件分离区域的厚氧化膜(选择氧化膜)，208是兼作MOS晶体管栅极的POL(多晶硅)配线，209是层间绝缘膜209，210是Al配线，211是层间绝缘膜211，212是作为遮光层的Al(铝)膜，213是作为表面保护膜的SiON膜。遮光层212为了屏蔽电位最好固定。另外，PWL和NWL也可以直接在N型Si基板上设置，在此场合，第一半导体区域变为N型Si基板。
在本实施方案中，特征在于形成AF传感器用光电二极管的AF传感器区域和形成AE传感器用光电二极管的AE传感器区域是电分离的，如图1及图2所示，在形成AF传感器用光电二极管的AF传感器区域101、102和形成AE传感器用光电二极管的AE传感器区域103之间，通过配置模拟电路区域104、105进行电分离。
另外，模拟电路区域104、105，具有与AF传感器区域101、102及AE传感器区域103的阱区(PWL)导电型不同的阱区(NWL)，利用PN结实现AF传感器区域101、102和AE传感器区域103的电分离。
下面对各区域予以详细说明。
AF传感器区域101、102，是排列7个图3所示的CMOS线型AF传感器电路(AF传感器区单元)而成的。这是因为在本实施方案中进行7点测距。此处所示的CMOS线型AF传感器，是由本申请人在特开2000-180706中提出申请的电路。在同图中，1是进行光电变换的PN结光电二极管，2是利用控制信号φRES将光电二极管1的电位复位为VRES的复位用MOS晶体管，3是将光电二极管1连接到非倒相输入端子(+)并将其输出端子连接到倒相输入端子(-)的差动放大器，由光电二极管1、复位用MOS晶体管2、差动放大器3构成放大型光电变换元件。4是钳位电容，5是用来向钳位电容4输入钳位电位的MOS开关，由钳位电容4和MOS开关5构成钳位电路。6～9是开关用MOS晶体管，10是最小值检出用差动放大器，11是最大值检出用差动放大器，12是最小值输出用MOS晶体管开关，13是最大值输出用MOS开关，14是OR电路，15是扫描电路，16、17是恒流用MOS晶体管16、17。为最小值检出电路用最后级为NMOS的源极跟随器电路，为最大值检出电路用最后级为PMOS的源极跟随器电路。18是输出来自像素的信号的共用输出线。
在本电路构成中，通过在最大值检出电路和最小值检出电路的前级设置反馈型的噪声钳位电路，可除去在光电二极管1中发生的复位噪声和在传感器放电器、最大值检出电路、最小值检出电路中发生的FPN(固定图形噪声)。就是说，如光电二极管1复位为VRES，接着由于控制信号φN1和φN2使MOS晶体管7、8导通，经MOS晶体管7、最小值检出用差动放大器10、MOS晶体管8，差动放大器3的噪声输出输入到钳位电容4的输入侧。此时，钳位电容4的输出侧使MOS开关5接通而固定于钳位电位。之后，MOS晶体管7、8截止，使MOS开关5断开并使钳位电容4的输出侧成为浮动状态。这样，在钳位电容4中，保持像素的噪声分量和最小值检出用差动放大器10的偏置分量。如利用控制信号φS1及φS2使MOS晶体管6、9导通，则对最小值检出用差动放大器10输入像素的噪声分量和最小值检出用差动放大器10的偏置分量等除去FPN的传感器信号。在最大值检出电路中也通过同样的动作将除去FPN的传感器信号输入到最大值检出用差动放大器11。
最后输出级对每个像素构成作为源跟随器形式的电压跟随器电路，在最小值输出时使各电压跟随器的输出级的恒流源断开(恒流用MOS晶体管16断开)，利用控制信号φBTM使最小值输出用MOS开关12同时接通，通过将与恒流源相连接的输出线共同连接可得到影像信号的最小值。
另一方面，在最大值输出时，各电压跟随器的输出级的恒流源断开(恒流用MOS晶体管17断开)，利用控制信号φPEAK使最大值输出用MOS开关13同时接通，通过将与恒流源相连接的输出线18共同连接可得到影像信号的最大值。另外，通过在影像信号输出时，使各电压跟随器的输出级的恒流源接通(恒流用MOS晶体管17导通)，利用扫描电路15，顺序使最大值输出用MOS开关13动作，通过顺序使各电压跟随器电路同输出线相连接，可得到系列影像信号。利用此动作，由于最大值检出电路和信号输出电路变为兼用，可以做到芯片小型化。
AE传感器区域103的光电二极管区域，为了进行相应于摄像透镜的变焦区域(望远、标准、广角)最佳测光，分割为16个区域构成。另外，为了可以逆光检知等，备有7个(S1～S7)点测光用的光电二极管。
图4示出本实施方案的光电流对数压缩型的AE电路图。在同图中，108是CMOS差动放大器，109是PN结光电二极管109，110是PN结二极管。由于PN结光电二极管109的两端的电位为基准电位Vc，两端间的电位为零偏置状态。所以，由于耗尽层的扩大受到抑制，从耗尽层发出的暗电流受到抑制。另外，基准电位Vc由在后述的带隙电路中发生的电位(大约1.2V)设定。所以，测光用光电二极管的阱电位必须设置得比测距用光电二极管的阱电位(GND)高，在现有的阱一样的构造中是不可能的。在这一点上本发明也是非常有效的。
在光电二极管109中发生的光电流，由于流过PN结二极管110，实现电流电压变换。此时，由于PN结二极管110的的特性，进行按着下式的对数变换输出：
Vout＝Vc+(kT/q)·ln(Ip/Is)，
其中k是波耳兹曼常数，T是绝对温度，q是元电荷量，Ip是光电流，Is是光电管的反向饱和电流Is。由此式可知，二极管的反向饱和电流Is会发生离散，而AE特性也会发生离散。所以，为了抑制离散，要求Is校正电路。
下面图5为理解而示出本实施方案的固体摄像装置的整体框图。AF传感器区域101、102、AE传感器区域103同前述。AF传感器区域101，由水平线性传感器1A～7A组成，而AF传感器区域102由水平线性传感器1B～7B组成。另外，AE传感器区域103由AE电路W1～W4、M1～M4、T1、S1～S7组成。
模拟电路区域104，是用来对来自AE传感器区域103的信号进行处理的电路，由Is校正电路和和信号放大电路构成。并且，模拟电路区域105的构成包括：用来抑制AF传感器区域101、102的蓄积时间的自动增益控制(AGC)电路、用来发生基准电位的带隙电路(基准电位发生电路)、用来发生传感器电路需要的VRES及VGR等的中间电位的电源电路(中间电位发生电路)、用来放大信号并输出到外部的信号放大电路以及用来监视基板温度的温度计电路。
数字电路区域106的构成包括：用来驱动传感器的定时发生电路(TG)、用来与外部微机进行通信的I/O电路以及用来选择各信号输出到外部的(多路)复用电路。
图中未示出的仿真配线区域107是将在数字电路区域106中使用的倒相器元件组、NAND元件组、OR元件组配置为非激活状态(门为固定电压)的装置。
下面利用图2对本实施方案降低串扰的效果予以说明。由于在AF传感器区域101、102及AE传感器区域103的光电二极管的阱(PWL)内发生的光电荷是由电场封闭于阱内，不会发生对其他传感器区域的光电二极管的串扰。就是说，由于光入射而发生的电子(图中以白圆点○表示)由浮动的AE传感器区域及AF传感器区域的N+型杂质层204吸收(图2的Df11)。另外，在基板内部发生的电子空穴对中，由于电子(图中以白圆点○表示)经基板或与光电二极管邻接的NWL为电源吸收(图2的Df12)、空穴(图中以黑圆点●表示)经PWL由GND吸收(图2的Df13)，所以基本上不会发生对AF用光电二极管或AE用光电二极管的串扰。
关于杂散光(图中以箭头示出)，由于可以利用遮光层212防止入射到邻接的光电二极管，基板上不会发生由于杂散光引起的串扰。但是，由于有时会发生由遮光层212上的乱反射所引起的漏光，所以遮光层最好是由反射率低的TiN/Ti/Al制作的复合膜。电串扰，由于AE传感器区域及AF传感器区域的信号配线利用模拟电路的配线进行电屏蔽而难以发生。这样，通过使AE传感器区域及AF传感器区域离开配置，可以大幅度降低由于杂散光引起的串扰、在基板内发生的光电载流子的串扰以及由于配线间的寄生电容引起的串扰。另外，由于分离区域兼用作其他电路区域，也可以同时缩小芯片的尺寸。
下面，关于作为本实施方案的第二特征的平坦化精度提高，可以通过使光电二极管区域以外不存在配线层的区域成为200μm见方以下(配线层间隔在200μm以下)而设置配线区域，提高各段的CMP平坦化的精度。其结果，可降低灵敏度的不均匀性。另外，如能像本实施方案这样使AE传感器光学中心及AF传感器区域的光学中心一致就更好。
在本实施方案中，各个AE传感器区域及AF传感器区域，由于只是由CMOS电路构成，各种CMOS电路(模拟、数字)的在片化及整合性良好，同时由于各种周边电路在片而可能实现智能化。
利用本实施方案可实现降低串扰和灵敏度不均匀性的小型测光测距用的固体摄像装置。另外，本发明，不仅可应用于CMOS传感器，也可应用于，比如，CCD(电荷耦合器件)、BASIS(Base-Stored ImageSensor，基存储图像传感器)、SIT(静态感应晶体管)、CMD(电荷调制器件)、AMI(Amplified MIS Imager，放大MIS图像仪)等。
(实施方案2)
图6示出本发明的实施方案2的固体摄像装置的概略平面布局图。图7示出其剖面图。在两图中，100a是Si半导体基板，214a、214b是N+扩散区域，212a、212b是遮光层。215是AF传感器区域101内的一个AF传感器电路。在本实施方案中，在AF传感器区域101、102和AE传感器区域103之间，通过设置和基板导电型相同的高杂质区域(N型元件分离区域)214a、214b可以更进一步地降低AE传感器区域及AF传感器区域间的串扰。本实施方案，与实施方案1相比较，降低串扰的效果更高，但由于必须将模拟电路设置于另外的区域中，在面积方面不利。所以，在与降低面积相比更希望降低串扰的场合，本实施方案有效。
(实施方案3)
图8示出实施本发明的实施方案3的固体摄像装置的剖面图。在同图中，215是n+型埋入层。在本实施方案中，特征是利用n+扩散分离层214和n+埋入层215使AE传感器区域103和AF传感器区域101、102的阱完全分离。虽然制造增加了埋入层工序，但毕竟对意欲减少串扰的场合是有效的。
另外，如图9所示，可以期待不仅可以将Si基板做成N型基板，做成P型基板216也可同样有效。
(实施方案4)
下面对在以上的实施方案中说明的采用测光测距固体摄像装置的摄像装置予以说明。图10为示出在透镜快门小型相机中采用本发明的测光测距用固体摄像装置的场合的一实施方案的框图。在图10中，301是兼作透镜的保护罩和主开关的阻挡器，302是将被照体的光学像成像于固体摄像元件304上的透镜，303是用来使通过302的光量可以改变的光圈，304是用来将利用302成像的被照体作为图像信号读入的固体摄像元件。
另外，305是在以上的实施方案中说明的测光测距用固体摄像装置。比如，假设是使用图1、图7、图8的实施方案的装置。307是将从固体摄像元件304及测光测距用固体摄像装置305输出的图像信号、测光信号、测距信号进行模拟数字变换的A/D变换器，308是对从A/D变换器307输出的图像数据进行各种校正的数据实施压缩的信号处理单元，309是向固体摄像元件304、摄像信号处理电路306、A/D变换器307、信号处理单元308等输出各种定时信号的定时发生单元、310是控制各种运算和相机整体的整体控制运算单元、而311是用来临时存储图像数据的存储器单元。
此外，312是用来对记录媒体进行记录或读出的接口单元、313是用来进行图像数据的记录或读出的半导体存储器等的可拆装的记录媒体、314是用来与外部计算机等通信的接口单元。
下面对这种透镜快门小型相机的摄影时的动作予以说明。如打开阻挡器301，则主电源接通，之后控制***的电源接通，并且A/D变换器307等的摄像***的电路接通。接着，为了控制曝光量整体控制运算单元310打开光圈303，在将从测光测距用固体摄像装置305的AE传感器输出的信号在A/D变换器307中进行变换之后输入到信号处理单元308，根据该数据由整体控制运算单元310进行曝光计算。
利用进行的这一测光结果，判断照度，相应于该结果整体控制运算单元310调节光圈303。另外，根据从测光测距用固体摄像装置305的AF传感器输出的信号，利用上述的相位检出由整体控制运算单元310进行距被照体的距离的运算。之后，驱动透镜302判断是否对焦，在判断为离焦时重复驱动透镜302进行测距并进行自动对焦控制。
接着，在确认对焦之后，开始实际曝光。如果曝光结束，从固体摄像元件304输出的图像信号由A/D变换器307进行A/D变换，通过信号处理单元308利用整体控制运算单元310写入到存储器单元。之后，将存放于存储器单元中的数据，藉助整体控制运算单元310的控制通过记录媒体控制I/F单元312，记录于可拆装的记录媒体313上。另外，也可通过外部接口单元314直接输入到计算机等之中。此外，本发明的测光测距用固体摄像装置不仅可应用于数字小型相机，也可应用于银盐相机等。
如上所述，根据本发明，由于可以在一个芯片上实现具有高性能的测光性能和测距性能的固体摄像装置，比如，在采用本固体摄像装置的透镜快门小型相机中，可以实现相机的小型化、高性能化和低价化。另外，不仅是小型模拟(银盐)相机，小型数字相机也可期待同样的效果。
Claims (13)
1.一种固体摄像装置，其特征在于具有：第一导电型的第一半导体区域，在该第一半导体区域内形成的、作为与上述第一导电型相反的导电型的第二导电型的第二半导体区域，在上述第一半导体区域内形成的、与该第二半导体区域电分离的第二导电型的第三半导体区域，在上述第二半导体区域内形成的第一导电型的第四半导体区域，以及在上述第三半导体区域内形成的第一导电型的第五半导体区域，且
用上述第二半导体区域和上述第四半导体区域形成测光用光电变换元件，用上述第三半导体区域和上述第五半导体区域形成测距用光电变换元件，
在上述第二半导体区域和上述第三半导体区域之间，设置用来使上述测光用光电变换元件和/或测距用光电变换元件动作的周边电路。
2.如权利要求1记载的固体摄像装置，其特征在于：在上述第二半导体区域和上述第三半导体区域之间，形成和上述第一半导体区域等电位的第一导电型的第六半导体区域。
3.如权利要求2记载的固体摄像装置，其特征在于：在上述第二半导体区域和上述第三半导体区域之间且在上述第六半导体区域上形成遮光层。
4.如权利要求1记载的固体摄像装置，其特征在于：在上述第二半导体区域和上述第三半导体区域之间，形成和上述第一半导体区域等电位的第一导电型的第六半导体区域、以及和上述第一半导体区域相反导电型的第二导电型的第七半导体区域。
5.如权利要求4记载的固体摄像装置，其特征在于：在上述第二半导体区域和上述第三半导体区域之间且在上述第六和第七半导体区域上形成遮光层。
6.如权利要求4记载的固体摄像装置，其特征在于：在上述第六半导体区域和上述第七半导体区域内，设置构成用来使上述测光用光电变换元件和/或测距用光电变换元件动作的周边电路的元件。
7.如权利要求3或5记载的固体摄像装置，其特征在于：上述遮光层是电位被固定的金属遮光层。
8.如权利要求1记载的固体摄像装置，其特征在于：对于设置上述测距用光电变换元件及测光用光电变换元件的区域以外的区域，设置仿真配线区域且使配线层的间隔小于200μm。
9.如权利要求1记载的固体摄像装置，其特征在于：分别设置多个上述测距用光电变换元件及测光用光电变换元件，该多个测距用光电变换元件的光学中心和该多个测光用光电变换元件的光学中心一致。
10.如权利要求1记载的固体摄像装置，其特征在于：将测距用光电变换元件的输出作为相位差检出型自动对焦信号，将测光用光电变换元件的输出进行光电流对数压缩作为测光信号。
11.如权利要求10记载的固体摄像装置，其特征在于：上述第二半导体区域的电位比上述第三半导体区域的电位高。
12.如权利要求1记载的固体摄像装置，其特征在于：是利用CMOS制造工艺形成的，该工艺包含利用CMP即化学机械研磨法的层间绝缘膜的平坦化工序。
13.如权利要求1记载的固体摄像装置，其特征在于具有：检出被照体的检出区域，在上述检出区域使光成像的透镜，以及根据来自上述固体摄像装置的信号进行测距控制及测光控制的信号处理电路。
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