JP6840555B2

JP6840555B2 - 固体撮像装置及び撮像システム

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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、飽和電荷量及び電荷の転送性能は、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しつつ十分な転送性能を確保するうえで、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両立しつつ電荷の転送性能を向上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、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する電荷保持部と、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、半導体基板の表面部に設けられた第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、生成した電荷を蓄積する第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１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間の一部に設けられた前記第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、平面視において前記第３の半導体領域と重ならない第１の領域を有し、前記第４の半導体領域は、平面視において、前記第１の領域の少なくとも一部と重なっており、且つ、平面視において前記第３の半導体領域と重なる部分を有する固体撮像装置が提供される。

また、本発明の他の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する電荷保持部と、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、半導体基板の表面部に設けられた第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、生成した電荷を蓄積する第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１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５の半導体領域と、を有し、前記第２の半導体領域は、平面視において前記第３の半導体領域と重ならない第１の領域と、平面視において前記第３の半導体領域と重なる第２の領域とに設けられており、前記第５の半導体領域は、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に設けられている固体撮像装置が提供される。

本発明によれば、光電変換部の高い感度と大きな飽和電荷量とを両立しつつ信号電荷の転送性能を向上することができるため、安定的に高感度で飽和信号量が大きい高性能の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成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。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。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３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。本発明の第５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６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６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及び図６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Ｖｄｄ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。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（第１の半導体領域）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（第２の半導体領域）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（第３の半導体領域）が設けられている。ここでは一例として、ｐ型半導体領域１２８を、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している。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。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。

ｎ型半導体領域１１８の少なくとも一部の領域は、平面視において、ｐ型半導体領域１２８が設けられていない領域、すなわち間隙１４０と重なっている。すなわち、ｎ型半導体領域１１８は、平面視においてｐ型半導体領域１２８と重ならない領域（第１の領域）と、平面視においてｐ型半導体領域１２８と重なる領域（第２の領域）とを有する。平面視においてｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる領域は、ｎ型半導体領域１１８の電位が最も高くなる部分、典型的には平面視におけるｎ型半導体領域１１８の中央部分に配されていることが好ましい。また、間隙１４０の平面的なレイアウトは、特に限定されるものではないが、例えば図３の例に示すように、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ことが好ましい。この場合、平面視においてｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８ａとが重なる領域（第３の領域）と、平面視においてｎ型半導体領域１１８とｐ型半導体領域１２８ｂとが重なる領域（第４の領域）とが、互いに離間していると言うこともできる。

平面視においてｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる領域の全体には、図３に示すように、ｐ型半導体領域１４４（第４の半導体領域）が設けられている。ｐ型半導体領域１４４は、断面視においては、図４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。

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（第７の半導体領域）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（第６の半導体領域）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、図３に示す平面レイアウトでは、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、ｎ型半導体領域１１８の角部から離間している。このようにすると、平面視において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１２８の位置が多少ずれても変化しない。つまり、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。また、平面視においてｎ型半導体領域１１８を横断するように間隙１４０を配置すれば、ｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる領域内に間隙１４０の角部が位置することを防止でき、形成時のばらつきによる感度の変動を更に抑制することができる。

図５及び図６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５はｐ型半導体領域１４４を設けていない場合であり、図６はｐ型半導体領域１４４を設けた場合である。

ｎ型半導体領域１１８の下部にｐ型半導体領域１２８を配置すると、図５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。

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、図６に示すように、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を低減することができる。これにより、ポテンシャルの窪みに信号電荷が留まるのを抑制し、転送性能を向上することができる。

また、本実施形態による固体撮像装置においては、ｐ型半導体領域１４４を、図３に示すように、平面視においてｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる領域の全体を覆うように配置している。したがって、ｎ型半導体領域１１８、ｐ型半導体領域１２８及びｐ型半導体領域１４４の位置が多少ずれても、平面視においてｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる部分の全域に、ｐ型半導体領域１４４を配置することができる。したがって、形成時のばらつきによらず、一定の転送性能を実現することができる。

このように、本実施形態によれば、光電変換部の高い感度と大きな飽和電荷量とを両立しつつ信号電荷の転送性能を向上することができる。これにより、安定的に高感度で飽和信号量が大きい高性能の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７乃至図９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７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８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９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７及び図８に示すように、平面視におけるｐ型半導体領域１４４の配置場所が異なるほかは、第１実施形態による固体撮像装置と同様である。すなわち、第１実施形態による固体撮像装置では、図３に示すように、ｐ型半導体領域１４４を、平面視においてｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる領域の全体を覆うように配置している。これに対し、本実施形態による固体撮像装置では、ｐ型半導体領域１４４を、平面視においてｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる領域から、ゲート電極１２４からの距離が長くなる方向へと延伸している。ｐ型半導体領域１４４が設けられている深さは、第１実施形態と本実施形態とで同じである。

なお、図７及び図８において、ｐ型半導体領域１４４は、平面視においてｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる領域の全体を覆うように配置していないが、ｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる領域の全体を覆うように配置してもよい。

図９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。本実施形態による固体撮像装置では、ｐ型半導体領域１４４を、転送トランジスタＭ１のゲート電極１２４からの距離が長くなる方向へと延伸している。これにより、光電変換部ＰＤのポテンシャルは、ゲート電極１２４から離れた位置からフローティングディフュージョンＦＤ側に向かって傾斜している。

一般に、チャネル部に近い箇所で発生した信号電荷は、フローティングディフュージョンＦＤ部の電界の影響を強く受け、電界ドリフトによって高い効率で転送することができる。一方、転送部から遠い箇所では、例えば図６に示すようにポテンシャルは平坦であり、発生した電荷は主に拡散によって移動する。

この点、本実施形態による固体撮像装置では、ｐ型半導体領域１４４を転送トランジスタＭ１のゲート電極１２４からの距離が長くなる方向へと延伸しているため、ポテンシャル差による電界ドリフトによって転送性能を更に向上することができる。

［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１０及び図１１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１０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１１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１０及び図１１に示すように、平面視におけるｐ型半導体領域１４４の配置場所が異なるほかは、第１実施形態による固体撮像装置と同様である。すなわち、第１実施形態による固体撮像装置では、図３に示すように、ｐ型半導体領域１４４を、平面視においてｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる領域の全体を覆うように配置している。これに対し、本実施形態による固体撮像装置では、ｐ型半導体領域１４４を、平面視においてｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる領域の内側に配置している。すなわち、本実施形態のｐ型半導体領域１４４は、平面視においてｎ型半導体領域１１８と間隙１４０とが重なる部分の形状よりも一回り小さい形状となっている。ｐ型半導体領域１４４が設けられている深さは、第１実施形態と本実施形態とで同じである。

ｎ型半導体領域１１８の中央部分は、ｐ型半導体領域１２８が設けられていない場合でも最も電位が高く、ポテンシャルの窪みができやすい箇所である。本実施形態では、ｎ型半導体領域１１８、ｐ型半導体領域１２８及び間隙１４０の配置場所等に応じて変化するポテンシャルの窪みに応じて、ｐ型半導体領域１４４の不純物濃度や深さを最適化する。このようにすることで、平面視におけるｐ型半導体領域１４４の形状を間隙１４０よりも小さくすることが可能である。

また、ｎ型半導体領域１１８内にｐ型半導体領域１４４を設けること自体が、電荷蓄積層としてのｎ型半導体領域１１８の領域を狭めることであり、光電変換部ＰＤの飽和電荷量が減ることに繋がる。平面視におけるｐ型半導体領域１４４の形状を小さくすることは、必要以上に光電変換部ＰＤの飽和電荷量を減らすことなく、高い感度と良好な転送性能を実現するうえで有効である。

［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１２を用いて説明する。第１乃至第３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１２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１２に示すように、ｐ型半導体領域１４４の代わりにｎ型半導体領域１４６（第５の半導体領域）を設けているほかは、第１乃至第３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１乃至第３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。すなわち、製造コストを低廉化することができる。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。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システムについて、図１３を用いて説明する。第１乃至第４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４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１３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１３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４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４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６実施形態］
本発明の第６実施形態による撮像システム及び移動体について、図１４を用いて説明する。図１４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１４（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４実施形態のいずれかに記載の撮像装置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１４（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、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。

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、上記実施形態では、光電変換部が配置される基板の構造としてｎ型基板構造を適用した場合の例を示したが、ｐ型ウェル構造を適用した場合においても同様である。例えば、ｎ型半導体基板に設けられたｐ型ウェル（第８の半導体領域）内に、上記実施形態と同じ構成の光電変換部ＰＤ、転送トランジスタＭ１、フローティングディフュージョンＦＤを配置することができる。

また、第５及び第６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１３及び図１４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

光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する電荷保持部と、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、半導体基板の表面部に設けられた第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、生成した電荷を蓄積する第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１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間の一部に設けられた前記第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、平面視において前記第３の半導体領域と重ならない第１の領域を有し、
前記第４の半導体領域は、平面視において前記第１の領域の少なくとも一部と重なっており、且つ、平面視において前記第３の半導体領域と重なる部分を有する
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記第４の半導体領域は、平面視において、前記第１の領域の全体と重なっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
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、
前記第４の半導体領域は、前記第１の領域よりも前記転送トランジスタのゲート電極から離間した領域であって、平面視において前記第２の半導体領域と前記第３の半導体領域とが重なる第２の領域に延在している
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記第４の半導体領域は、前記第１の領域の内側に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
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３の領域及び第４の領域を有し、前記第３の領域と前記第４の領域とが離間している
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。
前記第４の半導体領域は、平面視において前記第３の領域と重なる部分と、平面視において前記第４の領域と重なる部分と、を有する
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する電荷保持部と、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、半導体基板の表面部に設けられた第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、生成した電荷を蓄積する第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１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５の半導体領域と、を有し、
前記第２の半導体領域は、平面視において前記第３の半導体領域と重ならない第１の領域と、平面視において前記第３の半導体領域と重なる第２の領域とに設けられており、
前記第５の半導体領域は、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に設けられている
ことを特徴とする固体撮像装置。
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３の領域及び第４の領域を有し、前記第３の領域と前記第４の領域とが離間している
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
前記第３の領域と前記第４の領域との間の間隙は、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５又は８記載の固体撮像装置。
前記第１の領域は、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９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記光電変換部は、前記第２導電型の第６の半導体領域に設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記半導体基板は、前記第２導電型を有し、
前記第６の半導体領域は、前記第１導電型の第７の半導体領域によって前記半導体基板の他の部分から電気的に分離されている
ことを特徴とする請求項１１記載の固体撮像装置。
前記光電変換部は、前記第２導電型の前記半導体基板に設けられた前記第１導電型の第８の半導体領域に設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
請求項１乃至１３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。
移動体であって、
請求項１乃至１３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。