JP7341141B2 - 撮像装置および電子機器 - Google Patents
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Description
また、本開示の一実施形態としての電子機器は、上記撮像装置を備えたものである。
なお、本開示の効果はこれに限定されるものではなく、以下に記載のいずれの効果であってもよい。
1.第1の実施の形態
転送部における一の縦型トランジスタが互いに深さの異なる2つのトレンチゲートを有する固体撮像装置の例。
2.第1の実施の形態の変形例
3.第2の実施の形態
電荷の転送先としての電源と、排出トランジスタとをさらに有する固体撮像装置の例。
4.第3の実施の形態
電荷保持部をさらに有する固体撮像装置の例。
5.第4の実施の形態
転送部が互いに独立駆動可能な2つの縦型トランジスタを有する固体撮像装置の例。
6.第4の実施の形態の変形例
7.電子機器への適用例
8.移動体への応用例
9.内視鏡手術システムへの応用例
10.その他の変形例
[固体撮像装置101Aの構成]
図1Aは、本技術の第1の実施の形態に係る固体撮像装置101Aの機能の構成例を示すブロック図である。
(回路構成例)
次に、図2を参照して、図1Aの画素アレイ部111に設けられたセンサ画素110の回路構成例について説明する。図2は、画素アレイ部111を構成する複数のセンサ画素110のうちの1つのセンサ画素110の回路構成例を示している。
次に、図3および図4を参照して、図1Aの画素アレイ部111に設けられたセンサ画素110の平面構成例および断面構成例について説明する。図3は、画素アレイ部111を構成する複数のセンサ画素110のうちの1つのセンサ画素110の平面構成例を示している。また、図4の(A)は、1つのセンサ画素110の断面構成例を示しており、図3に示したIV-IV切断線に沿った矢視方向の断面に相当する。但し、図4の(A)において、位置P1から位置P2の間はX軸方向に沿ったXZ断面を示し、それ以外はY軸方向に沿ったYZ断面を示している。
次に、図2および図4の(A)に加えて、図4の(B)および図4の(C)を参照して、センサ画素110の動作について説明する。センサ画素110では、被写体からの光を受光したPD51において生成および蓄積された電荷を読み出す際、システム制御部115の駆動制御に基づき、TG52への駆動信号S52をオンにする。これにより、PD51に蓄積された電荷は、PD51からトレンチゲート521およびトレンチゲート522を介して、FD53へ転送されることとなる。なお、PD51における深さ方向(Z軸方向)のポテンシャルは、より深い位置、すなわち裏面11S2に近い位置から、より浅い位置、すなわち表面11S1に近い位置へと向かうに従い、徐々に高くなるような勾配を有している。
このように、本実施の形態の固体撮像装置101Aでは、PD51からの電荷の転送を行うTG52が、長さL521を有するトレンチゲート521と、長さL521よりも短い長さL522を有するトレンチゲート522とを有するようにした。このため、TG52がオフの状態において、PD51に意図しないポテンシャルディップが存在していたとしても、あるいは、飽和電荷量の増加を目的としてPD51に意図しないポテンシャルディップを発生させたとしても、TG52がオンの状態ではそのポテンシャルディップを解消することができる。このため、半導体層11の厚さを大きくした場合であっても、すなわち、Z軸方向に沿ったポテンシャルの勾配が緩やかになったとしても、PD51からFD53への電荷の転送を円滑に行うことができる。よって、固体撮像装置101Aの動作信頼性の向上が期待できる。
(第3の変形例)
[センサ画素110Aの構成]
図5は、第1の実施の形態の第3の変形例としてのセンサ画素110Aを表す平面図である。なお、図5は第1の実施の形態の図3に対応する。
このように、本変形例としてのセンサ画素110Aによれば、上記第1の実施の形態に係るセンサ画素110と比較して、トレンチゲート521とトレンチゲート522との間に転送先であるFD53を配置するようにしている。トレンチゲート521とトレンチゲート522との間の部分においてはバックバイアス効果が無くなり、TG52から受ける変調力が最も高くなる。そのため、転送される電荷は必然的にトレンチゲート521とトレンチゲート522との間を通って表面11S1まで転送されることとなる。その表面11Sの近傍に電荷の転送先であるFD53が存在することにより、PD51からFD53への電荷の転送効率が向上する。
[センサ画素110Bの構成]
図6は、第1の実施の形態の第4の変形例としてのセンサ画素110Bを表す平面図である。なお、図6は第1の実施の形態の図3に対応する。
このように、本変形例としてのセンサ画素110Bによれば、トレンチゲート523をさらに設けるようにしたので、センサ画素110に比べ、トレンチゲートの数が多い。このため、PD51のうち水平面内(XY面内)においてTG52からより離れた位置にある領域のポテンシャルに対しても変調力を及ぼすことができる。その結果、PD51からFD53への電荷の転送をより円滑に実施できる。
[センサ画素110Cの構成]
図7は、第1の実施の形態の第5の変形例としてのセンサ画素110Cを表す平面図である。なお、図7は第1の実施の形態の図3に対応する。
このように、本変形例としてのセンサ画素110Cによれば、トレンチゲート523をさらに設けるようにしたので、センサ画素110に比べてトレンチゲートの数が多い。このため、PD51のうち水平面内(XY面内)においてTG52からより離れた位置にある領域のポテンシャルに対しても変調力を及ぼすことができる。その結果、PD51からFD53への電荷の転送をより円滑に実施できる。また、本変形例としてのセンサ画素110Cでは、3本のトレンチゲートのうちの2本を、電荷の転送先であるFD53の近傍に配置するようにした。このため、図6に示した第1の実施の形態の第4の変形例としてのセンサ画素110Bと比較して、PD51の電荷をより効率的にFD53へ転送することができる。より効率的にPD51の電荷を転送できる良好な転送経路、すなわちトレンチゲート522とトレンチゲート523との間に挟まれた領域部分がFD53の近傍に配置されることとなるからである。
[センサ画素110Dの構成]
図8は、第1の実施の形態の第6の変形例としてのセンサ画素110Dを表す平面図である。なお、図8は第1の実施の形態の図3に対応する。
このように、本変形例としてのセンサ画素110Dによれば、上記第1の実施の形態に係るセンサ画素110と比較して、水平面内(XY面内)におけるTG52の占有面積を縮小することができる。よって、水平面内(XY面内)におけるPD51の受光可能面積を拡大することができる。
図9Aは、本技術の第2の実施の形態に係るセンサ画素210の平面構成例を示している。また、図9Bは、センサ画素210の回路構成例を示している。
、FD保持型のグローバルシャッタを実現できる。
図10Aは、本技術の第3の実施の形態に係るセンサ画素310の平面構成例を示している。また、図10Bは、センサ画素310の回路構成例を示している。
図11Aは、本技術の第4の実施の形態に係るセンサ画素410の平面構成例を示している。また、図11Bは、センサ画素410の回路構成例を示している。さらに、図11Cは、センサ画素410の断面構成例を示している。
本実施の形態のセンサ画素410では、TG52AとTG52Bとを独立して駆動できるので、TG52Aにおけるオン・オフの駆動タイミングと、TG52Bにおけるオン・オフの駆動タイミングとを自由に選択できる。したがって、図12Aに示したように、例えばTG52AとTG52Bとを同時に立ち上げたのち、すなわち同時にオフ状態からオン状態としたのち、TG52AをTG52Bよりも先に立ち下げる(オン状態からオフ状態とする)ことができる。このように、TG52AをTG52Bよりも先に立ち下げることにより、PD51のポテンシャルがTG52から受ける変調力が、Z軸方向に沿って裏面11S2側から表面11S1へ至る途中で増加することとなる。その結果、上記第1の実施の形態に係るセンサ画素110のように一のTG52に2つのトレンチゲートTG521およびトレンチゲートTG522を設けた場合と比較して、PD51におけるポテンシャルディップをより効果的に解消することができる。
(第1の変形例)
[センサ画素410Aの構成]
図13Aは、第4の実施の形態の第1の変形例としてのセンサ画素410Aを表す平面図である。なお、図13Aは第4の実施の形態の図11Aに対応する。
このように、本変形例としてのセンサ画素410Aによれば、上記第4の実施の形態に係るセンサ画素410と比較して、トレンチゲート521とトレンチゲート522との間に転送先であるFD53を配置するようにしている。トレンチゲート521とトレンチゲート522との間の部分においてはバックバイアス効果が無くなり、TG52AおよびTG52Bから受ける変調力が最も高くなる。そのため、転送される電荷は必然的にトレンチゲート521とトレンチゲート522との間を通って表面11S1まで転送されることとなる。その表面11Sの近傍に電荷の転送先であるFD53が存在することにより、PD51からFD53への電荷の転送効率が向上する。
[センサ画素410Bの構成]
図13Bは、第4の実施の形態の第2の変形例としてのセンサ画素410Bを表す平面図である。なお、図13Bは第4の実施の形態の図11Aに対応する。
このように、本変形例としてのセンサ画素410Bによれば、トレンチゲートを有しないTG52Bを、2つのトレンチゲート521,522を有するTG52AとFD53との間に設けるようにした。このため、PD51のポテンシャルがTG52Aのトレンチゲート521,522から受ける変調力を適度の大きさに抑えつつ、PD51におけるポテンシャルディップを解消することができる。図11Aなどに示したセンサ画素410のように、電荷の転送先であるFD53と近接したTG52Bがトレンチゲートを有する場合、そのトレンチゲートがPD51のポテンシャルに及ぼす変調力が過度に高くなることがある。そうした場合、TG52Bをオン状態からオフ状態とした際に、FD53から電子がそのトレンチゲートへ向けて移動してしまうことがある。本変形例としてのセンサ画素410Bによれば、そのような電子の逆流を効果的に防ぐことができる。
[センサ画素410Cの構成]
図13Cは、第4の実施の形態の第3の変形例としてのセンサ画素410Cを表す平面図である。なお、図13Cは第4の実施の形態の図11Aに対応する。
このように、本変形例としてのセンサ画素410Cによれば、TG52Cをさらに設けるようにしたので、センサ画素410に比べ、水平面内(XY面内)におけるPD51からの電荷の転送をより円滑に行うことができる。したがって、例えばPD51の飽和信号量を増加させやすくなる。
[センサ画素410Dの構成]
図13Dは、第4の実施の形態の第4の変形例としてのセンサ画素410Dを表す平面図である。なお、図13Dは第4の実施の形態の図11Aに対応する。
このように、本変形例としてのセンサ画素410Dによれば、トレンチゲートを有しないTG52Cを、トレンチゲート521,522をそれぞれ有するTG52A,TG52BとFD53との間に設けるようにした。このため、PD51のポテンシャルがTG52Aのトレンチゲート521およびTG52Bのトレンチゲート522からそれぞれ受ける変調力を適度の大きさに抑えつつ、PD51におけるポテンシャルディップを解消することができる。
図14は、本技術を適用した電子機器としてのカメラ2000の構成例を示すブロック図である。
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。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。
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態等では、グローバルシャッタ方式の裏面照射型イメージセンサを例示して説明したが、本開示の撮像装置はこれに限定されるものではなく他の方式のイメージセンサであってもよい。すなわち、本開示はグローバルシャッタ方式のイメージセンサに限定されるものではなく、ローリングシャッター方式のイメージセンサにも適用可能である。さらに、本開示は、裏面照射型イメージセンサに限定されるものではなく、表面照射型イメージセンサにも適用可能である。また、本開示の技術はCMOSイメージセンサへの適用に限定されず、単位画素がマトリックス状に2次元配列されているX-Yアドレス方式の固体撮像装置全般に適用可能である。
(1)
表面と、前記表面と反対側の裏面とを含む半導体層と、
前記半導体層に埋設され、受光量に応じた電荷を光電変換により生成する光電変換部と、
前記半導体層の前記表面から前記裏面へ向けて前記光電変換部へ至るまでそれぞれ延在する第1のトレンチゲートおよび第2のトレンチゲートを含み、前記電荷を前記光電変換部から前記第1のトレンチゲートおよび前記第2のトレンチゲートをそれぞれ介して同一の転送先へ転送する転送部と
を備え、
前記第1のトレンチゲートは、前記表面から前記光電変換部へ至るまで第1の長さを有し、
前記第2のトレンチゲートは、前記表面から前記光電変換部へ至るまで前記第1の長さよりも短い第2の長さを有する
撮像装置。
(2)
前記転送先は、電荷電圧変換部である
上記(1)に記載の撮像装置。
(3)
前記転送先は、電荷保持部である
上記(1)に記載の撮像装置。
(4)
前記転送先は、電源である
上記(1)に記載の撮像装置。
(5)
前記転送先は、前記第1のトレンチゲートと前記第2のトレンチゲートとの間に位置する
上記(1)に記載の撮像装置。
(6)
前記表面と平行な面内において、
前記第2のトレンチゲートと前記転送先との距離は、前記第1のトレンチゲートと前記転送先との距離よりも短い
上記(1)から(5)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(7)
前記転送部は、互いに独立駆動可能に構成された第1のトランジスタおよび第2のトランジスタを有する
上記(1)から(6)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(8)
前記第1のトランジスタが前記第1のトレンチゲートを含み、
前記第2のトランジスタが前記第2のトレンチゲートを含む
上記(7)記載の撮像装置。
(9)
前記第1のトランジスタが前記第1のトレンチゲートおよび前記第2のトレンチゲートを含み、
前記第2のトランジスタが、前記第1のトランジスタと前記転送先との間に位置する
上記(7)記載の撮像装置。
(10)
オン状態の前記第1のトランジスタをオフ状態としたのち、オン状態の前記第2のトランジスタをオフ状態とする制御部をさらに有する
上記(7)記載の撮像装置。
(11)
前記転送部は、一のトランジスタを有し、
前記一のトランジスタは、前記第1のトレンチゲートと、前記第2のトレンチゲートと、第3のトレンチゲートとを含み、
前記表面と平行な面内において、前記第2のトレンチゲートと前記転送先との第2の距離は、前記第1のトレンチゲートと前記転送先との第1の距離よりも短く、前記第3のトレンチゲートと前記転送先との第3の距離は、前記第1の距離よりも短い
上記(1)記載の撮像装置。
(12)
前記転送部は、一のトランジスタを有し、
前記一のトランジスタは、前記第1のトレンチゲートと、前記第2のトレンチゲートと、第3のトレンチゲートとを含み、
前記表面と平行な面内において、前記第2のトレンチゲートと前記転送先との第2の距離は、前記第1のトレンチゲートと前記転送先との第1の距離よりも短く、前記第3のトレンチゲートと前記転送先との第3の距離は、前記第2の距離よりも長い
上記(1)記載の撮像装置。
(13)
前記第1のトレンチゲートの最大径は、前記第2のトレンチゲートの最大径よりも大きい
上記(1)から(12)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(14)
前記第1のトレンチゲートの径および前記第2のトレンチゲートの径は、それぞれ、前記表面から前記裏面へ向かうほど細くなっている部分を有する
上記(1)から(12)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(15)
撮像装置を備えた電子機器であって、
前記撮像装置は、
表面と、前記表面と反対側の裏面とを含む半導体層と、
前記半導体層に埋設され、受光量に応じた電荷を光電変換により生成する光電変換部と、
前記半導体層の前記表面から前記裏面へ向けて前記光電変換部へ至るまでそれぞれ延在する第1のトレンチゲートおよび第2のトレンチゲートを含み、前記電荷を前記光電変換部から前記第1のトレンチゲートおよび前記第2のトレンチゲートをそれぞれ介して同一の転送先へ転送する転送部と
を備え、
前記第1のトレンチゲートは、前記表面から前記光電変換部へ至るまで第1の長さを有し、
前記第2のトレンチゲートは、前記表面から前記光電変換部へ至るまで前記第1の長さよりも短い第2の長さを有する
電子機器。
Claims (15)
- 表面と、前記表面と反対側の裏面とを含む半導体層と、
前記半導体層に埋設され、受光量に応じた電荷を光電変換により生成する光電変換部と、
前記半導体層の前記表面から前記裏面へ向けて前記光電変換部へ至るまでそれぞれ延在する第1のトレンチゲートおよび第2のトレンチゲートを含み、前記電荷を前記光電変換部から前記第1のトレンチゲートおよび前記第2のトレンチゲートをそれぞれ介して同一の転送先へ転送する転送部と
を備え、
前記第1のトレンチゲートは、前記表面から前記光電変換部へ至るまで第1の長さを有し、
前記第2のトレンチゲートは、前記表面から前記光電変換部へ至るまで前記第1の長さよりも短い第2の長さを有する
撮像装置。 - 前記転送先は、電荷電圧変換部である
請求項1記載の撮像装置。 - 前記転送先は、電荷保持部である
請求項1記載の撮像装置。 - 前記転送先は、電源である
請求項1記載の撮像装置。 - 前記転送先は、前記第1のトレンチゲートと前記第2のトレンチゲートとの間に位置する
請求項1記載の撮像装置。 - 前記表面と平行な面内において、
前記第2のトレンチゲートと前記転送先との距離は、前記第1のトレンチゲートと前記転送先との距離よりも短い
請求項1記載の撮像装置。 - 前記転送部は、互いに独立駆動可能に構成された第1のトランジスタおよび第2のトランジスタを有する
請求項1記載の撮像装置。 - 前記第1のトランジスタが前記第1のトレンチゲートを含み、
前記第2のトランジスタが前記第2のトレンチゲートを含む
請求項7記載の撮像装置。 - 前記第1のトランジスタが前記第1のトレンチゲートおよび前記第2のトレンチゲートを含み、
前記第2のトランジスタが、前記第1のトランジスタと前記転送先との間に位置する
請求項7記載の撮像装置。 - オン状態の前記第1のトランジスタをオフ状態としたのち、オン状態の前記第2のトランジスタをオフ状態とする制御部をさらに有する
請求項7記載の撮像装置。 - 前記転送部は、一のトランジスタを有し、
前記一のトランジスタは、前記第1のトレンチゲートと、前記第2のトレンチゲートと、第3のトレンチゲートとを含み、
前記表面と平行な面内において、前記第2のトレンチゲートと前記転送先との第2の距離は、前記第1のトレンチゲートと前記転送先との第1の距離よりも短く、前記第3のトレンチゲートと前記転送先との第3の距離は、前記第1の距離よりも短い
請求項1記載の撮像装置。 - 前記転送部は、一のトランジスタを有し、
前記一のトランジスタは、前記第1のトレンチゲートと、前記第2のトレンチゲートと、第3のトレンチゲートとを含み、
前記表面と平行な面内において、前記第2のトレンチゲートと前記転送先との第2の距離は、前記第1のトレンチゲートと前記転送先との第1の距離よりも短く、前記第3のトレンチゲートと前記転送先との第3の距離は、前記第2の距離よりも長い
請求項1記載の撮像装置。 - 前記第1のトレンチゲートの最大径は、前記第2のトレンチゲートの最大径よりも大きい
請求項1記載の撮像装置。 - 前記第1のトレンチゲートの径および前記第2のトレンチゲートの径は、それぞれ、前記表面から前記裏面へ向かうほど細くなっている部分を有する
請求項1記載の撮像装置。 - 撮像装置を備えた電子機器であって、
前記撮像装置は、
表面と、前記表面と反対側の裏面とを含む半導体層と、
前記半導体層に埋設され、受光量に応じた電荷を光電変換により生成する光電変換部と、
前記半導体層の前記表面から前記裏面へ向けて前記光電変換部へ至るまでそれぞれ延在する第1のトレンチゲートおよび第2のトレンチゲートを含み、前記電荷を前記光電変換部から前記第1のトレンチゲートおよび前記第2のトレンチゲートをそれぞれ介して同一の転送先へ転送する転送部と
を備え、
前記第1のトレンチゲートは、前記表面から前記光電変換部へ至るまで第1の長さを有し、
前記第2のトレンチゲートは、前記表面から前記光電変換部へ至るまで前記第1の長さよりも短い第2の長さを有する
電子機器。
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