KR20150087322A - 촬상 소자 및 촬상 유닛 - Google Patents

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히로노부 무라타
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Abstract

촬상 소자는, 광이 입사되는 제 1 면과 상기 제 1 면과는 반대측의 제 2 면을 갖고, 상기 제 1 면측의 불순물 농도보다 상기 제 2 면측의 불순물 농도가 높은 동일 도전형 반도체를 포함하는 광전 변환부를 구비한다.

Description

촬상 소자 및 촬상 유닛{IMAGE PICKUP ELEMENT AND IMAGE PICKUP UNIT}
본 발명은 촬상 소자 및 촬상 유닛에 관한 것이다.
CMOS (상보성 금속 산화막 반도체) 이미지 센서로 글로벌 셔터를 실현하기 위해, 화소에 축적부를 형성한 촬상 장치가 알려져 있다 (예를 들어 비특허문헌 1 참조).
야스토미 케이타, 이토 신야, 카와히토 쇼지「듀얼 셔터 기능을 구비한 2 단 전하 전송형 저잡음 전자 셔터」사단법인 영상 정보 미디어 학회 기술 보고, Vol.34, No.16, P.25 ∼ 28
종래 기술에서는 광전 변환부에서 전하의 전송 잔류가 발생할 수 있는 점에서 개선의 여지가 있었다.
본 발명의 일례로서의 촬상 소자는, 광이 입사되는 제 1 면과 상기 제 1 면과는 반대측의 제 2 면을 갖고, 상기 제 1 면측의 불순물 농도보다 상기 제 2 면측의 불순물 농도가 높은 동일 도전형 반도체를 포함하는 광전 변환부를 구비한다.
도 1 은 디지털 카메라의 구성예를 나타내는 도면
도 2 는 제 1 구성예의 촬상 소자에 있어서의 화소 배치를 나타내는 도면
도 3 은 동공 분할형 위상차 방식에 의한 초점 검출 방법의 설명도
도 4(a) ∼ 4(e) : 화상 신호 생성 처리의 설명도
도 5 는 화소 (PX) 의 일례의 회로도
도 6 은 제 1 구성예에서의 화소 배열의 확대 평면도
도 7 은 화소 (PX) 의 일례의 확대 평면도
도 8 은 제 1 구성예에서의 화소 (PX) 의 단면도
도 9 는 제 2 구성예에서의 화소 (PX) 의 단면도
도 10 은 제 2 구성예에 있어서의 수광면측에서의 화소 배열의 예를 나타내는 도면
도 11 은 제 2 구성예에 있어서의 수광면의 이면측에서의 화소 배열의 예를 나타내는 도면
도 12 는 RGB 의 각 파장에 대하여, 실리콘 기판에 의한 광흡수율과 실리콘 기판의 두께의 관계예를 나타내는 그래프
도 13 은 제 3 구성예에 있어서의 수광면의 이면측에서의 화소 (PX) 를 나타내는 도면
도 14(a) ∼ 14(b) : 촬상 소자의 적층 구조의 예를 나타내는 도면
도 15 는 제 2 구성예의 변형예로서의 화소 배치의 다른 예를 나타내는 도면
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명한다. 또한, 특별히 언급하지 않는 한, 이하의 설명 및 도면에서는, X 방향을 수평 방향, Y 방향을 수직 방향, Z 방향을 전후 방향이라고 정의한다.
＜촬상 유닛의 구성예＞
도 1 은, 촬상 유닛의 일례로서의 디지털 카메라의 구성예를 나타내는 도면이다. 디지털 카메라 (1) 는, 교환 렌즈 (2) 와 카메라 보디 (3) 를 가지고 있다. 교환 렌즈 (2) 는, 마운트부 (4) 를 개재하여 카메라 보디 (3) 에 장착된다.
교환 렌즈 (2) 는, 렌즈 제어부 (5), 주렌즈 (9), 줌렌즈 (8), 포커싱 렌즈 (7), 및 조리개 (6) 를 포함한다. 렌즈 제어부 (5) 는, 마이크로 컴퓨터와 메모리 등을 가지고 있다. 렌즈 제어부 (5) 는, 포커싱 렌즈 (7) 와 조리개 (6) 의 구동 제어, 조리개 (6) 의 개구 상태의 검출, 줌렌즈 (8) 및 포커싱 렌즈 (7) 의 위치 검출, 후술하는 카메라 보디 (3) 측의 보디 제어부 (14) 에 대한 렌즈 정보의 송신, 보디 제어부 (14) 로부터의 카메라 정보의 수신 등을 실시한다.
카메라 보디 (3) 는, 촬상 소자 (12), 촬상 소자 구동부 (19), 보디 제어부 (14), 액정 표시 소자 구동 회로 (15), 액정 표시 소자 (16), 접안 렌즈 (17), 및 조작 부재 (18) 등을 포함한다. 또, 카메라 보디 (3) 에는 불휘발성 기억 매체인 메모리 카드 (20) 가 착탈 가능하게 장착된다.
촬상 소자 (12) 는, 교환 렌즈 (2) 의 예정 결상면에 배치되어, 교환 렌즈 (2) 에 의해 결상되는 피사체의 이미지를 촬상한다. 또한, 본 실시형태에서의 촬상 소자 (12) 는, 한 쌍의 화소로 교환 렌즈 (2) 의 동공이 상이한 부분 영역을 통과하는 광속을 각각 수광하고, 오토 포커스 (AF) 시에 피사체 이미지의 위상차 정보를 취득할 수 있다. 또한, 촬상 소자 (12) 의 구성예에 대해서는 후술한다.
보디 제어부 (14) 는, 마이크로 컴퓨터와 메모리 등을 가지고 있다. 보디 제어부 (14) 는, 디지털 카메라 전체의 동작 제어를 실시한다. 또, 보디 제어부 (14) 와 렌즈 제어부 (5) 는, 마운트부 (4) 의 전기 접점부 (13) 를 통하여 통신을 실시한다.
촬상 소자 구동부 (19) 는, 보디 제어부 (14) 로부터의 지시에 따라 촬상 소자 (12) 에 대한 지시 신호를 생성한다. 액정 표시 소자 구동 회로 (15) 는, 보디 제어부 (14) 로부터의 지시에 따라 액정 표시 소자 (16) 를 구동시킨다. 또한, 액정 표시 소자 (16) 는, 전자 뷰파인더로서 기능하여, 촬영자는 접안 렌즈 (17) 를 통하여 액정 표시 소자 (16) 에 표시된 이미지를 관찰할 수 있다.
교환 렌즈 (2) 에 의해 촬상 소자 (12) 상에 결상된 피사체의 이미지는, 촬상 소자 (12) 에 의해 광전 변환된다. 촬상 소자 (12) 는, 촬상 소자 구동부 (19) 로부터의 제어 신호에 의해 광전 변환 신호의 축적 및 신호 판독 출력의 타이밍 (프레임 레이트) 이 제어된다. 촬상 소자 (12) 로부터의 출력 신호는, 도시하지 않는 A/D 변환부에서 디지털 데이터로 변환되어, 보디 제어부 (14) 로 보내진다.
보디 제어부 (14) 는, 초점 조절부의 일례로서, 촬상 소자 (12) 로부터의 소정의 초점 검출 에어리어에 대응하는 출력 신호에 기초하여 디포커스량을 산출한다. 그리고, 보디 제어부 (14) 는, 상기 디포커스량을 렌즈 제어부 (5) 로 보낸다. 렌즈 제어부 (5) 는, 보디 제어부 (14) 로부터 수신한 디포커스량에 기초하여 포커싱 렌즈 구동량을 산출하고, 이 렌즈 구동량에 기초하여 포커싱 렌즈 (7) 를 도시하지 않는 모터 등으로 구동하여 합초 위치로 이동시킨다.
또, 보디 제어부 (14) 는, 촬영 지시 후에 촬상 소자 (12) 로부터 출력된 신호에 기초하여 기록용 화상 데이터를 생성한다. 보디 제어부 (14) 는, 생성된 화상 데이터를 메모리 카드 (20) 에 격납한다. 또, 보디 제어부 (14) 는, 생성된 화상 데이터를 액정 표시 소자 구동 회로 (15) 로 보내, 액정 표시 소자 (16) 에 화상을 재생 표시시킨다.
또한, 카메라 보디 (3) 에는, 셔터 버튼, 초점 검출 에어리어의 설정 부재 (18) 가 형성되어 있다. 보디 제어부 (14) 는, 상기 조작 부재 (18) 로부터의 조작 신호를 검출하고, 검출 결과에 따른 동작 (촬영 처리, 초점 검출 에어리어의 설정 등) 의 제어를 실시한다.
＜촬상 소자의 제 1 구성예＞
다음으로, 촬상 소자 (12) 의 구성예를 설명한다. 본 실시형태에서의 촬상 소자는, 예를 들어, 실리콘 기판 상에 CMOS (상보성 금속 산화막 반도체) 프로세스를 사용하여 형성된 XY 어드레스형 고체 촬상 소자이다.
도 2 는, 제 1 구성예의 촬상 소자에 있어서의 화소 배치를 나타내는 도면이다. 도 2 에 나타내는 촬상 소자 (12a) 는, 입사광을 전기 신호로 변환하는 복수의 화소 (PX) 가 배열된 화소부 (31) 와, 수직 주사부 (32) 와, 수평 주사부 (33) 를 가지고 있다. 또한, 도면에서는 화소 (PX) 의 배열을 간략화하여 나타내지만, 실제 촬상 소자의 수광면에는 더욱 다수의 화소가 배열되는 것은 말할 필요도 없다.
수직 주사부 (32) 는, 제어부의 일례로서, 예를 들어 촬상 소자 구동부 (19) 로부터의 지시 신호를 받아, 화소부 (31), 수평 주사부 (33) 에 대해 각종 제어 신호를 공급한다. 수직 주사부 (32) 에는, 행방향 (X 방향) 으로 연장되는 복수의 수평 신호선이 접속되어 있다. 수직 주사부 (32) 는, 수평 신호선을 통하여 각 화소에 제어 신호를 공급한다. 또한, 도 2 에서는, 수평 신호선의 도시는 생략한다. 또한, 화소 (PX) 에 공급되는 제어 신호는, 디지털 카메라 (1) 의 촬상 소자 구동부 (19) 에 의해 생성되어도 된다.
수평 주사부 (33) 에는, 열방향 (Y 방향) 으로 연장되는 복수의 수직 신호선이 접속되어 있다. 수직 주사부 (32) 는, 수직 신호선을 통하여 각 화소의 출력 신호를 판독 출력한다. 또한, 도 2 에서는, 수직 신호선의 도시는 생략한다.
또, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 화소부 (31) 의 화소 (PX) 는 정방형 형상으로서, 각 변이 행방향 및 열방향에 대해 45 도 회전한 상태로 배치되어 있다. 그리고, 각 화소는, 각 변이 근방의 화소와 접촉하도록 조밀하게 배열되어 있다. 따라서, 화소부 (31) 에 있어서, 홀수행 및 짝수행의 화소, 홀수열 및 짝수열의 화소는 서로 반피치 어긋난 배치가 된다.
화소 (PX) 는, 예를 들어 차광막으로 절반의 영역이 덮여 있어, 광학계의 동공 부분 영역을 통과하는 광속을 차광한다. 또, 화소 (PX) 의 차광막에 덮여 있지 않은 개구부에는, 광전 변환부가 배치된다. 도면에서는, 차광막으로 덮인 영역 (동공 분할용 차광부 (MS)) 을 해칭으로 나타낸다.
또, 화소 (PX) 의 전면 (前面) 에는, 마이크로 렌즈 (MLN) 및 광학 필터 (컬러 필터)가 배치되어 있다. 또, 촬상 소자의 수광면에는, 마이크로 렌즈 (MLN) 및 광학 필터보다 전방 (광의 입사측) 에, 적외광의 통과를 저해하는 적외 컷 필터 (도시 생략) 가 배치되어 있다. 화소 (PX) 의 컬러 필터는, 화소 위치에 따라 상이한 분광 감도를 가지고 있다. 그 때문에, 화소 (PX) 는, 컬러 필터에서의 색 분해에 의해 각 색에 대응하는 전기 신호를 출력한다. 또한, 도면에서는, 화소 (PX) 에 대응하는 컬러 필터의 색을 기호로 나타낸다.
화소부 (31) 의 행방향 (X 방향) 에 주목하면, 화소부 (31) 의 홀수행에는, 녹색 (G) 성분의 광을 수광하는 G 화소가 X 방향을 따라 배치된다. 화소부 (31) 의 짝수행에는, 청색 (B) 성분의 광을 수광하는 B 화소와, 적색 (R) 성분의 광을 수광하는 R 화소가 X 방향을 따라 번갈아 배치된다.
또, 화소부 (31) 의 열방향 (Y 방향) 에 주목하면, 화소부 (31) 의 홀수열에는 G 화소가 Y 방향을 따라 배치되지만, 화소부 (31) 의 짝수열에서는 B 화소가 Y 방향을 따라 배치되는 열과, R 화소가 Y 방향을 따라 배치되는 열이 번갈아 나열된다.
G 화소는, 행방향 (X 방향) 및 열방향 (Y 방향) 에 있어서, 좌반분이 개구된 화소와, 우반분이 개구된 화소가 각각 번갈아 배치된다. 또, B 화소 및 R 화소는, 열방향 (Y 방향) 에 있어서, 상반분이 개구된 화소와, 하반분이 개구된 화소가 번갈아 배치된다. 또한, 행방향 (X 방향) 으로 보면, 동일한 짝수행에 있어서, B 화소의 개구와 R 화소의 개구는 서로 반대가 되도록 배치되어 있다.
상기 배치에 의해, 행방향 (X 방향) 에서는, 좌반분이 개구된 G 화소 (제 1 화소의 일례) 와, 우반분이 개구된 G 화소 (제 2 화소의 일례) 가 좌우 대칭으로 1 세트씩 배치된다. 즉, G 화소가 배치되는 행에서는, X 방향의 좌측에서 보았을 때, 제 1 화소의 광전 변환부, 제 1 화소의 차광부 (MS), 제 2 화소의 차광부 (MS), 제 2 화소의 광전 변환부가 차례로 배치된다. 또, X 방향에 있어서, 제 2 화소의 광전 변환부 옆에는, 제 1 화소와는 상이한 좌반분이 개구된 G 화소 (제 5 화소의 일례) 의 광전 변환부가 배치된다. 또한, 제 1 화소 및 제 5 화소의 구성은 동일하다.
따라서, 수평 방향으로 대향 배치된 한 쌍의 G 화소 (상기 예에서는 제 2 화소, 제 5 화소) 에 의해, 사출 동공의 좌반분의 이미지와 우반분의 이미지를 취득할 수 있다. 요컨대, 위상차 (AF) 에서 사용하는 피사체 이미지의 수평 방향의 위상차 정보를 한 쌍의 G 화소로부터 얻을 수 있다.
또, 열방향 (Y 방향) 에서는, 상반분이 개구된 B 화소 (제 3 화소의 일례) 와, 하반분이 개구된 B 화소 (제 4 화소의 일례) 가 상하 대칭으로 1 세트씩 배치된다. 즉, B 화소가 배치되는 열에서는, Y 방향의 상측에서 보았을 때, 제 3 화소의 광전 변환부, 제 3 화소의 차광부 (MS), 제 4 화소의 차광부 (MS), 제 4 화소의 광전 변환부가 차례로 배치된다. 또, Y 방향에 있어서, 제 4 화소의 광전 변환부 옆에는, 제 3 화소와는 상이한 상반분이 개구된 B 화소 (제 6 화소의 일례) 의 광전 변환부가 배치된다.
마찬가지로, 열방향 (Y 방향) 에서는, 상반분이 개구된 R 화소 (제 3 화소의 일례) 와, 하반분이 개구된 R 화소 (제 4 화소의 일례) 가 상하 대칭으로 1 세트씩 배치된다. 즉, R 화소가 배치되는 열에서는, Y 방향의 상측에서 보았을 때, 제 3 화소의 광전 변환부, 제 3 화소의 차광부 (MS), 제 4 화소의 차광부 (MS), 제 4 화소의 광전 변환부가 차례로 배치된다. 또, Y 방향에 있어서, 제 4 화소의 광전 변환부 옆에는, 제 3 화소와는 상이한 상반분이 개구된 R 화소 (제 6 화소의 일례) 의 광전 변환부가 배치된다. 또한, B 화소, R 화소의 예의 각각에 있어서, 제 3 화소 및 제 6 화소의 구성은 동일하다.
따라서, 수직 방향으로 대향 배치된 한 쌍의 B 화소 또는 한 쌍의 R 화소 (상기 예에서는 제 4 화소, 제 6 화소) 에 의해, 사출 동공의 하반분의 이미지와 상반분의 이미지를 취득할 수 있다. 요컨대, 위상차 (AF) 에서 사용하는 피사체 이미지의 수직 방향의 위상차 정보를 한 쌍의 B 화소 또는 한 쌍의 R 화소로부터 얻을 수 있다. 이상과 같이, 제 1 구성예의 촬상 소자 (12a) 는, 수광면의 전체면에 초점 검출 화소를 배치한 촬상 소자라고 생각할 수도 있다.
또한, 화소부 (31) 에서는, 홀수행의 한 쌍의 G 화소와, 짝수열의 한 쌍의 B 화소 또는 한 쌍의 R 화소는, 4 개의 개구부 (광전 변환부) 가 정방형을 이루도록 배치되어 있다. 마찬가지로, 화소부 (31) 에서는, 홀수행의 한 쌍의 G 화소와, 짝수열의 한 쌍의 B 화소 또는 한 쌍의 R 화소는, 4 개의 차광부가 정방형을 이루도록 배치되어 있다. 또한, 화소부 (31) 전체로 보면, 4 화소분의 정방형의 개구부와, 4 화소분의 정방형의 차광부가 바둑판 무늬를 이루도록 배열되어 있다. 또, 화소부 (31) 에 있어서, 4 화소분의 차광부는 일체로 형성되어 있어도 된다.
여기서, 촬상 소자 (12a) 로부터의 위상차 정보에 의한 초점 검출 처리에 대하여 설명한다. 이하의 설명에서는, 좌반분이 개구된 G 화소와 우반분이 개구된 G 화소를 예를 들어 설명하지만, R 화소 및 B 화소에 의한 초점 검출도 동일한 원리로 행해진다.
도 3 에 나타내는 바와 같이 교환 렌즈 (2) 의 사출 동공 (200) 의 제 1 영역 (201) 을 통과하는 광속 (A) 은, 우반분이 개구된 G 화소 (21) 에 입사되고, 사출 동공 (200) 의 제 2 영역 (202) 을 통과하는 광속 (B) 은, 좌반분이 개구된 G 화소 (22) 에 입사된다.
합초시에는 촬상 소자 (12a) 에 선예 (鮮銳) 이미지가 맺히는 상태이기 때문에, 상술한 바와 같이, 동공 분할된 광속에 의한 한 쌍의 이미지는 촬상 소자 (12A) 상에서 일치한다.
한편, 비합초시에는 촬상 소자 (12a) 바로 앞에서 선예 이미지를 맺는 상태, 혹은 촬상 소자 (12a) 의 후측에 선예 이미지를 맺는 상태이기 때문에, 동공 분할된 광속에 의한 한 쌍의 이미지는 촬상 소자 (12a) 상에서는 일치하지 않는다. 이 경우, G 화소 (21) 및 G 화소 (22) 로부터 얻어지는 신호 파형은, 합초 상태로부터의 어긋남 (디포커스량) 에 따라 서로의 위치 관계 (이미지 어긋남 방향 및 이미지 어긋남량) 가 상이하다.
그 때문에, 디지털 카메라 (1) 의 보디 제어부 (14) 는, G 화소 (21) 및 G 화소 (22) 로부터 얻어지는 신호 파형과의 위치 관계에 기초하여 디포커스량을 산출하면 된다. 산출된 디포커스량은, 카메라 정보로서 렌즈 제어부 (5) 로 송신된다. 그리고, 렌즈 제어부 (5) 가 카메라 정보에 기초하여 포커싱 렌즈 (7) 를 광축 방향으로 진퇴 이동시키면, 촬상 소자 (12a) 상에 선예 이미지를 맺도록 교환 렌즈 (2) 의 초점 위치가 조절된다.
다음으로, 도 4 를 참조하면서, 촬상 소자 (12a) 로부터의 출력 신호에 기초하여 컬러 화상 신호를 생성하는 화상 신호 생성 처리에 대하여 설명한다.
화상 신호 생성 처리에서는, 촬상 소자 (12a) 의 수직 주사부 (32) 는, 광전 변환부가 X 방향으로 이웃하는 한 쌍의 G 화소 (상기 예에서는 제 2 화소, 제 5 화소) 를 수평 가산하여 판독 출력하여, G 화상 신호를 생성한다. 도 4 의 (a) 는, G 화소의 수평 가산의 상태를 나타내고, 도 4 의 (b) 는, 수평 가산에 의해 생성된 G 화상 신호의 샘플링 위치를 나타내고 있다.
또, 수직 주사부 (32) 는, 광전 변환부가 Y 방향으로 이웃하는 한 쌍의 B 화소 (상기 예에서는 제 4 화소, 제 6 화소) 를 수직 가산하여 판독 출력하여, B 화상 신호를 생성한다. 마찬가지로, 수직 주사부 (32) 는, 광전 변환부가 Y 방향으로 이웃하는 한 쌍의 R 화소 (상기 예에서는 제 4 화소, 제 6 화소) 를 수직 가산하여 판독 출력하여, R 화상 신호를 생성한다. 도 4 의 (c) 는, B 화소 및 R 화소의 수직 가산 상태를 나타내고, 도 4 의 (d) 는, 수직 가산에 의해 생성된 B 화상 신호 및 R 화상 신호의 샘플링 위치를 나타내고 있다.
도 4 의 (e) 는, 수평 가산에 의해 생성된 G 화상 신호와, 수직 가산에 의해 생성된 B 화상 신호 및 R 화상 신호를 합성한 화상을 나타내고 있다. 디지털 카메라 (1) 의 보디 제어부 (14) 는, G 화상 신호, B 화상 신호 및 R 화상 신호를 합성함으로써, 바이어 배열의 화상을 얻을 수 있다. 또한, 도 4 의 (e) 의 화상은, 가산 전의 화소 피치에 대해 약 1.4 배 (√ 2 배) 의 화소 피치가 되고, 가산 전의 화소수에 대해 2 분의 1 의 화소수가 된다.
그리고, 보디 제어부 (14) 는, 상기 바이어 배열의 화상 (도 4 의 (e)) 에 대해 색보간 처리를 실시하여, 부족한 색성분의 화상 신호를 생성한다. 바이어 배열에 있어서의 색보간 처리는 공지이므로, 상세한 설명은 생략한다. 이러한 색보간 처리 결과, 컬러 화상 신호 (RGB) 가 얻어진다. 보디 제어부 (14) 는, 컬러 화상 신호를 이용하여, 예를 들어 기록용 화상의 파일을 생성하여 메모리 카드 (20) 에 기록한다.
계속해서, 제 1 구성예에서의 각각의 화소 (PX) 의 구성을 상세히 서술한다. 도 5 는, 화소 (PX) 의 일례의 회로도이다.
화소 (PX) 는, 포토 다이오드 (PD) 와, 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1) 와, 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1) 와, 축적 다이오드 (SD) 와, 전송 트랜지스터 (TX) 와, 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 와, 제 2 리셋 트랜지스터 (RST2) 와, 증폭 트랜지스터 (AMP) 와, 선택 트랜지스터 (SEL) 와, 플로팅 디퓨전부 (FD) 를 가지고 있다.
포토 다이오드 (PD) 는, 광전 변환부의 일례로서, 입사광의 광량에 따라 광전 변환에 의해 신호 전하를 생성한다.
제 1 리셋 트랜지스터 (RST1) 는, 소스가 포토 다이오드 (PD) 에 접속되고, 드레인이 전원 전압 (VDD) 에 접속되어 있다. 예를 들어, 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1) 는, 게이트에 인가되는 신호 (φRST1) 가 고레벨 기간에 온되어, 포토 다이오드 (PD) 의 전하를 리셋한다.
제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1) 는, 소스가 포토 다이오드 (PD) 에 접속되고, 드레인이 축적 다이오드 (SD) 에 접속되어 있다. 예를 들어, 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1) 는, 게이트에 인가되는 신호 (φGS1) 가 고레벨 기간에 온되어, 포토 다이오드 (PD) 에 축적된 신호 전하를 축적 다이오드 (SD) 에 전송한다.
축적 다이오드 (SD) 는, 축적부의 일례로서, 포토 다이오드 (PD) 로부터 전송되는 전하를 축적하는 포텐셜 우물을 가지고 있다. 축적 다이오드 (SD) 는, 예를 들어 MOS 구조로 형성되고, 축적 다이오드 (SD) 는, 포토 다이오드 (PD) 에 축적되는 전하의 양보다 많은 양의 전하를 축적할 수 있도록 설계된다.
전송 트랜지스터 (TX) 는, 소스가 축적 다이오드 (SD) 에 접속되고, 드레인이 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 접속되어 있다. 예를 들어, 전송 트랜지스터 (TX) 는, 게이트에 인가되는 신호 (φTX) 가 고레벨 기간에 온되어, 축적 다이오드 (SD) 에 축적된 신호 전하를 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 전송한다.
제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 는, 소스가 포토 다이오드 (PD) 에 접속되고, 드레인이 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 접속되어 있다. 예를 들어, 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 는, 게이트에 인가되는 신호 (φGS2) 가 고레벨 기간에 온되어, 포토 다이오드 (PD) 에 축적된 신호 전하를 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 전송한다.
플로팅 디퓨전부 (FD) 는, 포토 다이오드 (PD) 나 축적 다이오드 (SD) 로부터 전송되는 전하를 축적하는 기생 용량이 형성되는 영역이다. 플로팅 디퓨전부 (FD) 는, 예를 들어, 반도체 기판에 불순물을 도입하여 형성된 확산 영역이다.
제 2 리셋 트랜지스터 (RST2) 는, 소스가 증폭 트랜지스터 (AMP) 의 게이트에 접속되고, 드레인이 전원 전압 (VDD) 에 접속되어 있다. 예를 들어, 제 2 리셋 트랜지스터 (RST2) 는, 게이트에 인가되는 신호 (φRST2) 가 고레벨 기간에 온되어, 플로팅 디퓨전부 (FD) 의 전하를 리셋한다.
증폭 트랜지스터 (AMP) 는, 드레인이 전원 전압 (VDD) 에 접속되고, 게이트가 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 각각 접속되고, 소스가 선택 트랜지스터 (SEL) 의 드레인에 접속되어 있고, 수직 신호선 (VL) 에 접속된 정전류원 (IS) 을 부하로 하는 소스 폴로어 회로를 구성한다. 증폭 트랜지스터 (AMP) 는, 플로팅 디퓨전부 (FD) 의 전압값에 따라 선택 트랜지스터 (SEL) 를 통하여 판독 출력 전류를 출력한다.
또, 선택 트랜지스터 (SEL) 는, 게이트에 인가되는 신호 (φSEL) 가 고레벨 기간에 온되어, 증폭 트랜지스터 (AMP) 의 소스를 수직 신호선 (VL) 에 접속한다.
여기서, 상기 제 1 화소 내지 제 6 화소의 구성 요소는 모두 동일하다.
따라서, 제 1 화소 내지 제 6 화소는, 기본적으로, 포토 다이오드 (PD), 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1), 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1), 축적 다이오드 (SD), 전송 트랜지스터 (TX), 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2), 제 2 리셋 트랜지스터 (RST2), 증폭 트랜지스터 (AMP), 선택 트랜지스터 (SEL), 플로팅 디퓨전부 (FD) 를 각각 가지고 있다. 또, 도 5 에서는 1 화소분의 회로 구성만을 나타내지만, 예를 들어, 제 2 리셋 트랜지스터 (RST2), 증폭 트랜지스터 (AMP), 선택 트랜지스터 (SEL) 는, 복수의 화소에 의해 공유되어 있어도 된다.
또, 도 6 은, 도 2 에 나타내는 화소부 (31) 의 화소 배열의 확대 평면도이다. 도 7 은, 화소 (PX) 의 일례의 확대 평면도이다.
촬상 소자 (12a) 의 수광면측에 있어서, 화소 (PX) 의 개구부에는, 대략 사다리꼴상으로 형성된 포토 다이오드 (PD) 와, 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1) 가 배치된다. 화소 (PX) 의 차광부에는, 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1), 축적 다이오드 (SD), 전송 트랜지스터 (TX) 및 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2)가 배치된다. 또한, 도 6 의 부호 23 은, 4 화소에 의해 공유되는 증폭 트랜지스터 (AMP) 및 선택 트랜지스터 (SEL) 를 집적한 회로를 나타내고 있다. 또한, 도 6 의 부호 24 는, 2 화소에 의해 공유되는 제 2 리셋 트랜지스터 (RST2) 를 나타낸다. 또, 도 6, 도 7 에서는, 수광면에서의 포토 다이오드 (PD) 의 면적은, 축적 다이오드 (SD) 의 면적보다 크게 설정되어 있다.
도 6 에 나타내는 바와 같이, R 화소, G 화소, B 화소는 모두 동일한 회로 구성이다. 행방향 (X 방향) 에 이웃하는 G 화소의 회로는, 수광면 상에서 좌우 대칭이 되도록 배치되어 있다. 또, 열방향 (Y 방향) 으로 이웃하는 B 화소 및 R 화소의 회로는, 수광면 상에서 상하 대칭이 되도록 배치되어 있다.
또, 도 8 은, 제 1 구성예에서의 화소 (PX) 의 단면도이다. 또한, 도 8에서는, 배선 등의 기재를 생략하고 있다. 예를 들어, 포토 다이오드 (PD) 는, p 형 반도체 기판 (SUB) 의 수광면측 (도 8 에서는 상측) 에 형성된 n 형 반도체 영역 (n1) 을 가지고 있다. 또, 축적 다이오드 (SD) 는, p 형 반도체 기판 (SUB) 의 수광면측에 형성된 n 형 반도체 영역 (n2) 을 가지고 있다.
또, 축적 다이오드 (SD) 의 반도체 영역 (n2) 의 하층에는, p 형 실드층 (p2) 이 적층되어 형성된다. 이 실드층은, 반도체 영역 (n2) 의 전역을 덮도록 형성되어 있고, 필요에 따라 후술하는 분리부 (IS) 와 접촉하도록 형성된다. 또, 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1) 는, 포토 다이오드 (PD) 와 축적 다이오드 (SD) 사이에 형성되어 있다.
또, 포토 다이오드 (PD) 의 반도체 영역 (n1), 축적 다이오드 (SD) 의 반도체 영역 (n2) 의 불순물 농도는 서로 상이하다. 예를 들어, 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1) 가 저레벨일 때, 축적 다이오드 (SD) 의 포텐셜이 포토 다이오드 (PD) 의 포텐셜과 플로팅 디퓨전부 (FD) 의 포텐셜 사이에 위치하도록, 영역 (n1, n2) 의 불순물 농도는 각각 설정된다.
또, 반도체 기판 (SUB) 에 형성된 분리부 (IS) 는, 예를 들어, 서로 이웃하는 화소 사이를 절연하여 분리하기 위한 p 형 웰이다. 또한, 축적 다이오드 (SD), 분리부 (IS) 및 실드층 (p2) 사이에는 p 형 영역 (36) 이 형성되어 있다. 또, 반도체 기판 (SUB) 상에 형성된 게이트층 (GLY) 에는, 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1), 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1), 전송 트랜지스터 (TX), 도 8 에서는 도시하지 않는 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 의 게이트 전극 등이 형성된다. 또한, 제 1 구성예에서 설명한 반도체의 도전형은 어디까지나 일례에 지나지 않는다.
그리고, 반도체 기판 (SUB) 의 게이트층 (GLY) 상에는, 차광부 (MS) 를 포함하는 배선층 (MLY) 이 형성된다. 예를 들어, 차광부 (MS) 는, 금속막 등으로 형성된다. 차광부 (MS) 는, 예를 들어, 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1), 축적 다이오드 (SD), 전송 트랜지스터 (TX), 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2)가 배치된 영역을 덮도록 배치된다. 즉, 포토 다이오드 (PD) 상에는, 차광부 (MS) 가 없는 개구부가 형성된다.
여기서, 화소 (PX) 에 있어서, 차광부 (MS) 는 단일 부재로 형성되고, 동공 분할용 차광부로서의 기능과, 축적 다이오드 (SD) 로의 입사광을 차단하는 축적부용 차광부로서의 기능을 가지고 있다. 또한, 차광부 (MS) 는, 배선층 (MLY) 의 최하층 이외에 형성되어도 되고, 배선과 겸용되어도 된다. 예를 들어, 배선은, 차광부 (MS) 가 형성되는 층과 다른 층에 형성되어도 되고, 차광부 (MS) 가 형성되는 층과 동일한 층에 형성되어도 된다.
또, 배선층 (MLY) 상에는, 컬러 필터로서 기능하는 광학 필터 (OFL) 가 배치된다. 광학 필터 (OFL) 상에는, 평탄층 (PLY) 이 형성되어 있다. 그리고, 평탄층 (PLY) 상에 마이크로 렌즈 (MLN) 가 배치되어 있다.
또, 상기 제 1 화소 내지 제 6 화소를 포함하는 각 화소에 있어서, 마이크로 렌즈 (MLN) 의 광축 중심은, 동공 분할을 실시하기 위해, 차광부 (MS) 와 개구부 (광전 변환부) 의 경계에 맞춰 각각 배치되어 있다.
또한, 제 1 구성예에 있어서, 각각의 화소 (PX) 로부터 신호를 판독 출력할 때의 동작 모드에 대하여 설명한다. 상기 화소 (PX) 는, 2 개의 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1, GS2) 를 가지고 있기 때문에, 싱글 셔터 및 듀얼 셔터의 2 개의 동작 모드로 구동시킬 수 있다.
싱글 셔터의 동작에서는, 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 는 항상 오프가 된다. 먼저, 프레임의 최초로 초단 전하 전송으로서, 모든 화소에서 일제히 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1) 를 통하여 포토 다이오드 (PD) 로부터 축적 다이오드 (SD) 에 신호 전하가 전송된다. 이로써, 글로벌 전자 셔터 기능이 가능해진다. 다음으로, 모든 화소에서 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1) 를 온하고, 다음 프레임의 축적 개시까지 포토 다이오드 (PD) 를 리셋 상태로 한다. 상기 리셋 시간의 조절에 의해, 촬상 소자 (12a) 는 노광 시간 (셔터 초시) 을 자유롭게 설정할 수 있다.
그리고, 수직 주사부 (32) 에 의해 선택된 행마다 화소 (PX) 로부터의 신호 판독 출력 동작이 실시된다. 수직 주사부 (32) 가 i 행째의 신호 (φSEL) (i) 를 고레벨로 함으로써, i 행째의 화소 (PX) 가 선택된다. 또, 수직 주사부 (32) 가 i 행째의 신호 (φRST1) (i) 를 고레벨로 함으로써, i 행째의 화소 (PX) 의 플로팅 디퓨전부 (FD) 가 리셋된다. 이 리셋 노이즈를 포함하는 리셋 전압이 i 행째의 화소 (PX) 로부터 기준 전압으로서 판독 출력된다. 그 후, 수직 주사부 (32) 가 i 행째의 신호 (φTX) (i) 를 고레벨로 함으로써, i 행째의 화소 (PX) 에 있어서 전송 트랜지스터 (TX) 에 의해 축적 다이오드 (SD) 의 전하가 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 전송된다. 이로써, 변화된 후의 전압을 신호 전압으로서 판독 출력할 수 있다. 그리고, 상기 기준 전압과 신호 전압의 차분이, 수평 주사부 (33) 의 열 칼럼에 형성되는 CDS 회로 (도시 생략) 에 의해 화소 (PX) 의 출력 신호로서 판독 출력된다. 이로써, 화소 (PX) 의 출력 신호로부터 리셋 노이즈 및 고정 패턴 노이즈를 캔슬할 수 있다.
한편, 듀얼 셔터의 동작에서는, 1 프레임의 촬상 기간 내에 축적 다이오드 (SD) 에 축적되는 신호와, 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 축적되는 신호로 2 개의 화상을 취득한다.
듀얼 셔터의 동작에서는, 초단 전하 전송 후에 포토 다이오드 (PD) 를 리셋한 후, 다시 포토 다이오드 (PD) 에 전하를 축적한다. 이 리셋 후에 축적되는 제 2 신호 전하는, 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 를 통하여 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 전송된다. 상기 제 2 신호 전하의 축적도 전체 화소에서 일제히 실시되어, 글로벌 전자 셔터가 된다. 상기 제 2 신호 전하는, 행 선택될 때까지 플로팅 디퓨전부 (FD) 에서 유지되고, 행 선택시에 화소 (PX) 로부터 판독 출력된다. 그리고, 플로팅 디퓨전부 (FD) 를 일단 리셋한 후, 전송 트랜지스터 (TX) 에 의해 축적 다이오드 (SD) 의 전하를 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 전송하여 판독 출력하면 된다. 이 듀얼 셔터의 동작에서는, 상관없는 단순한 2 중 샘플링이 되고, 고정 패턴 노이즈는 캔슬되지만, 리셋 노이즈는 캔슬되지 않는다.
상기 듀얼 셔터의 동작에 의해 취득한 2 개의 화상을 사용함으로써, 예를 들어, 광다이나믹 레인지화나, 차분 화상에 의한 움직임 검출, 2 장의 연속 고속 촬상 등을 실현할 수 있다.
일례로서, 광다이나믹 레인지화의 경우, 먼저 장시간 노광 신호를 축적 다이오드 (SD) 에 축적하고, 다음으로 단시간 노광 신호를 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 축적한다. 그리고, 화상의 저조도 영역에서는 장시간 노광 신호를 할당하고, 화상의 고조도 영역에서는 단시간 노광 신호를 할당하여 화상을 합성하면 된다. 장시간 노광 신호는 저노이즈인 것에 더하여, 고조도측에서는 쇼트 노이즈가 지배적이므로 단시간 노광 신호에 포함되는 리셋 노이즈는 무시할 수 있다. 그 때문에, 듀얼 셔터의 동작에 의해 취득한 화상을 합성함으로써, 다이나믹 레인지를 효과적으로 넓힐 수 있다.
또, 듀얼 셔터의 동작에서는, 2 장의 화상 사이에서 축적 시간의 차를 매우 짧게 할 수 있다. 예를 들어, 상기 광다이나믹 레인지화의 경우, 합성시의 화상 왜곡이나 동작 흐림을 억제하기 쉬워진다.
이하, 제 1 구성예에 있어서의 촬상 소자 (12a) 의 작용 효과를 서술한다.
(1) 제 1 구성예의 촬상 소자 (12a) 에는, 동공 분할에 의한 한 쌍의 이미지를 취득하는 한 쌍의 화소가 수광면 전체에 배치되어 있다. 따라서, 촬상 소자 (12a) 의 수광면 전체면에서 위상차 (AF) 에 의한 초점 검출을 실시하는 것이 가능해진다. 또, 촬상 소자 (12a) 의 각 화소는 촬상용 화소와 초점 검출 화소를 겸하기 때문에, 수광면의 일부에 초점 검출 화소를 배치하는 경우에 비해 초점 검출 화소의 수가 매우 많아져, 위상차 (AF) 의 초점 검출 정밀도가 향상된다.
(2) 제 1 구성예의 촬상 소자 (12a) 는, 수평 방향으로 대향 배치된 한 쌍의 G 화소로부터 피사체 이미지의 수평 방향의 위상차 정보를 얻을 수 있다. 또, 촬상 소자 (12a) 는, 수직 방향으로 대향 배치된 한 쌍의 B 화소 또는 한 쌍의 R 화소로부터 피사체 이미지의 수직 방향의 위상차 정보를 얻을 수 있다. 따라서, 촬상 소자 (12a) 는, 수평 방향의 위상차 (AF) 와, 수직 방향의 위상차 (AF) 어느 것에도 대응할 수 있어, 위상차 (AF) 의 초점 검출 정밀도가 향상된다.
(3) 제 1 구성예의 촬상 소자 (12a) 는, R 화소, G 화소, B 화소 중 어느 것이어도 피사체 이미지의 위상차 정보를 얻을 수 있다. 따라서, 촬상 소자 (12a) 에 있어서, 피사체의 색에서 기인하여 위상차 정보의 검출 정밀도가 잘 저하되지 않는다. 요컨대, 위상차 (AF) 일때 다루기 어려워지는 피사체나 신이 적게 되므로, 위상차 (AF) 의 초점 검출 정밀도가 향상된다.
(4) 제 1 구성예의 촬상 소자 (12a) 는, G 화소의 수평 가산과, B 화소 및 R 화소의 수직 가산에 의해, 바이어 배열 구조의 화상을 얻을 수 있다 (도 4 참조). 따라서, 촬상 소자 (12a) 는, 수광면의 일부에 초점 검출 화소를 배치하는 경우와 같이 특수한 화소 보간을 실시하지 않고, 기록용 컬러 화상을 얻을 수 있다.
(5) 제 1 구성예의 촬상 소자 (12a) 는, 포토 다이오드 (PD) 와, 축적 다이오드 (SD) 를 각 화소에 구비하고 있다. 모든 화소에서 일제히 포토 다이오드 (PD) 로부터 축적 다이오드 (SD) 에 신호 전하를 전송함으로써, 촬상 소자 (12a) 는 글로벌 전자 셔터에 의한 촬상이 가능해진다. 예를 들어, 글로벌 전자 셔터 에 의한 촬상에서는, 모든 화소에서 동시성이 얻어지므로, 동체 (動體) 왜곡이 적은 화상을 얻을 수 있다. 또, 글로벌 전자 셔터의 경우, 조명 장치를 사용한 플래시 촬영일 때, 짧은 셔터 초시여도 조명 장치와의 발광 동기 (고속 플래시 동기) 가 용이해진다.
＜촬상 소자의 제 2 구성예＞
제 2 구성예의 촬상 소자 (12b) 는, 제 1 구성예와 동일한 화소 배열로서, 수광면의 이면측에 게이트층 (GLY) 및 배선층 (MLY) 이 형성되는 이면 조사형 촬상 소자이다. 제 2 구성예의 촬상 소자 (12b) 는 제 1 구성예의 촬상 소자 (12a) 의 변형예이며, 제 2 구성예에서 제 1 구성예와 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하여 중복 설명을 생략한다.
도 9 는, 제 2 구성예에서의 화소 (PX) 의 단면도이다. 도 9 는, 제 1 구성예의 도 8 에 대응된다. 또, 도 10 은, 제 2 구성예에 있어서의 수광면 (제 1 면) 측에서의 화소 배열의 예를 나타내는 도면이다. 또, 도 11 은, 제 2 구성예에 있어서의 수광면의 이면 (제 2 면) 측에서의 화소 배열의 예를 나타내는 도면이다.
촬상 소자 (12b) 의 제 1 면에는, 마이크로 렌즈 (MLN), 컬러 필터 (광학 필터 (OFL)) 와, 차광막에 의한 차광부 (MS) 가 각 화소 (PX) 에 각각 배치된다. 그리고, 촬상 소자 (12b) 의 화소 (PX) 에는, 마이크로 렌즈 (MLN) 보다 전방에 배치된 적외 컷 필터 (도시 생략) 를 통과한 광 중, 컬러 필터의 분광 감도에 따른 가시광이 수광면에 입사된다. 또한, 제 2 구성예에 있어서, 수광면의 컬러 필터 및 차광부의 배치 패턴은, 제 1 구성예와 동일하다.
요컨대, 제 2 구성예에서의 차광부 (MS) 는, 광학계의 동공의 절반을 통과하는 광속을 차광하도록 배치되어 있고, 촬상 소자 (12b) 의 제 1 면에는 차광부 (MS) 가 없는 개구부가 형성된다. 차광부 (MS) 는, 예를 들어, 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1), 축적 다이오드 (SD), 전송 트랜지스터 (TX), 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 가 배치된 영역을 덮도록 배치된다. 또한, 차광부 (MS) 에 의해, 이웃하는 화소로의 광의 입사가 차단되기 때문에, 신호의 크로스 토크를 방지할 수 있다.
또, 차광부 (MS) 상에는, 컬러 필터로서 기능하는 광학 필터 (OFL) 가 배치된다. 광학 필터 (OFL) 상에는, 평탄층 (PLY) 이 형성되어 있다. 그리고, 평탄층 (PLY) 상에 마이크로 렌즈 (MLN) 가 배치되어 있다. 각 화소의 마이크로 렌즈 (MLN) 의 광축 중심은, 동공 분할을 실시하기 위해, 차광부 (MS) 와 개구부 (광전 변환부) 의 경계와 일치하도록 각각 배치된다.
한편, 촬상 소자 (12b) 의 제 2 면에는, 상기 서술한 바와 같이 게이트층 (GLY) 및 배선층 (MLY) 이 형성된다. 그리고, 촬상 소자 (12b) 의 제 2 면에는, 대략 사다리꼴상으로 형성된 포토 다이오드 (PD), 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1), 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1), 축적 다이오드 (SD), 전송 트랜지스터 (TX), 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 가 화소 (PX) 마다 배치된다. 또, 촬상 소자 (12b) 의 제 2 면에는, 화소 사이에 공유되는 회로 (23, 24) 도 배치되어 있다.
제 2 구성예에 있어서도, R 화소, G 화소, B 화소는 모두 동일한 회로 구성이다. 행방향 (X 방향) 에 이웃하는 G 화소의 회로는, 제 2 면 상에서 좌우 대칭이 되도록 배치되어 있다. 또, 열방향 (Y 방향) 으로 이웃하는 B 화소 및 R 화소의 회로는, 제 2 면 상에서 상하 대칭이 되도록 배치되어 있다. 또, 제 2 구성예에 있어서도, 제 2 면에서의 포토 다이오드 (PD) 의 면적은, 축적 다이오드 (SD) 의 면적보다 크게 설정되어 있다.
또, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 제 2 구성예의 촬상 소자 (12b) 에는, n 형 반도체 기판 (SUB) 이 사용되고 있다. 반도체 기판 (SUB) 의 제 1 면 상에는, p 형 반도체층 (34) (제 1 반도체부의 일례) 이 형성되어 있다. 예를 들어, p 형 반도체층 (34) 은, 분리부 (IS) 및 화소 (PX) 의 제 1 면측을 덮도록 형성되어 있다. 또, p 형 반도체층 (34) 상에, 차광부 (MS), 광학 필터 (OFL), 평탄층 (PLY), 마이크로 렌즈 (MLN) 가 각각 형성된다.
또, 포토 다이오드 (PD) 는, n 형 반도체 기판 (SUB) 의 제 2 면측 (도 9 에서는 하측) 에 형성된 n 형 반도체 영역 (n1) 을 가지고 있다. 도 9 에 나타내는 반도체 영역 (n1) 은, n 형 반도체 기판 (SUB) 과 접촉하고 있다.
또, 축적 다이오드 (SD) 는, n 형 반도체 기판 (SUB) 의 제 2 면측에 형성된 n 형 반도체 영역 (n2) 을 가지고 있다. 또, 축적 다이오드 (SD) 의 반도체 영역 (n2) 의 상층에는, p 형 실드층 (p2) 이 적층되어 형성된다. 이 실드층은, 차폐부의 일례로서, 반도체 영역 (n2) 의 전역을 덮도록 형성되어 있고, 필요에 따라 후술하는 분리부 (IS) 와 접촉하도록 형성된다. 또, 전송 게이트부의 일례로서의 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1) 는, 포토 다이오드 (PD) 와 축적 다이오드 (SD) 사이에 형성되어 있다.
또한, 반도체 기판 (SUB) 의 제 2 면 상에는, 반도체 영역 (n1, n2) 에 대응하는 p 형 반도체층 (p＋) (제 2 반도체부의 일례) 이 각각 형성되어 있다. 또, 반도체 기판 (SUB) 의 제 2 면 상에는, 게이트층 (GLY) 과의 사이에 p 형 영역 (35) 이 형성되어 있다.
제 2 구성예의 각 화소 (PX) 에 있어서, n 형 반도체 기판 (SUB) 은, 차광부 (MS) 에 의해 동공 분할된 일부의 광속을 제 1 면측으로부터 수광하고, 광전 변환에 의해 전하를 생성한다. 제 2 구성예의 촬상 소자 (12b) 에서는, 장파장의 광은 적외 컷 필터에 의해 컷되므로, 반도체 기판 (SUB) 에는 입사되지 않는다. 그리고, 반도체 기판 (SUB) 에 충분한 두께가 있으면, 반도체 기판 (SUB) 내에서 광전 변환이 발생한다. 예를 들어, 제 2 구성예에서의 반도체 기판 (SUB) 의 두께 (제 1 면과 직교하는 방향의 길이) 는 3 ㎛ 이상으로 설정된다.
도 12 는, RGB 의 각 파장에 대하여, 실리콘 기판에 의한 광 흡수율과 실리콘 기판의 두께의 관계예를 나타내는 그래프이다. 도 12 의 세로축은 실리콘 기판에서의 광 흡수율을 나타내고, 도 12 의 가로축은 실리콘 기판의 두께 (Si 깊이) 를 나타낸다. 도 12 의 예에서는, B 의 파장은 500 ㎚, G 의 파장은 600 ㎚, R 의 파장은 750 ㎚ 이다. 50 ％ 의 광을 흡수하기 위해 필요한 실리콘 기판의 두께는 광의 파장이 길어질수록 커져, 도 12 의 R 의 경우에는 약 3.2 ㎛ 가 된다. 도 12 에서는 R 의 파장을 750 ㎚ 로 하고 있지만, R 의 감도 영역의 피크는 650 ㎚ 근방이다. R 의 감도 영역의 피크에서는, 50 ％ 의 광을 흡수하기 위해 필요해지는 실리콘 기판의 두께는 약 3.2 ㎛ 보다 얇아진다. 따라서, 실리콘 기판의 두께를 3 ㎛ 이상으로 설정하면, 실용상, RGB 의 어느 광에 대해서도 반도체 기판 (SUB) 내에서 광전 변환을 충분히 일으킬 수 있다.
또, 제 2 구성예의 n 형 반도체 기판 (SUB) 은, 제 1 면으로부터 제 2 면측의 반도체 영역 (n1) 을 향하여 농도가 높아지도록 불순물 농도에 구배를 가지고 있다. 요컨대, 반도체 기판 (SUB) 의 제 1 면측에 있어서의 제 1 불순물 농도는, 반도체 영역 (n1) 의 제 2 불순물 농도보다 낮아진다 (제 1 불순물 농도 ＜ 제 2 불순물 농도). 따라서, n 형 반도체 기판 (SUB) 에서는, 불순물 농도가 낮은 제 1 면측의 포텐셜에 대해, 불순물 농도가 높은 반도체 영역 (n1) 의 포텐셜 쪽이 낮아진다. 따라서, 제 2 구성예에서는, 반도체 기판 (SUB) 의 제 1 면측으로부터 반도체 영역 (n1) 까지의 포텐셜의 차이에 의해 전하가 반도체 영역 (n1) 을 향하여 흐르기 쉬워지므로, 포토 다이오드 (PD) 에서의 전송 잔류가 억제된다. 또한, 반도체 기판 (SUB) 의 불순물 농도는, 제 1 면측보다 제 2 면측이 높다는 조건을 만족하면, 기판의 두께 방향으로 불순물 농도가 계단상으로 급준하게 변화하는 것이어도 된다.
또한, 제 2 구성예에서는, 반도체 기판 (SUB) 의 제 1 면 상에 p 형 반도체층 (34) 을 형성하고, 반도체 기판 (SUB) 의 제 2 면 상에 p 형 반도체층 (p＋) 을 형성하고 있기 때문에, 포토 다이오드 (PD) 가 p＋np- 구조가 된다. 따라서, 제 2 구성예에서는, 포토 다이오드 (PD) 에서의 암전류를 억제할 수 있다.
또, 포토 다이오드 (PD) 의 반도체 영역 (n1), 축적 다이오드 (SD) 의 반도체 영역 (n2) 의 불순물 농도는 서로 상이하다. 예를 들어, 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1) 가 저레벨일 때, 축적 다이오드 (SD) 의 포텐셜이 포토 다이오드 (PD) 의 포텐셜과 플로팅 디퓨전부 (FD) 의 포텐셜 사이에 위치하도록, 반도체 영역 (n1, n2) 의 불순물 농도는 각각 설정된다.
따라서, 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1) 가 고레벨일 때에는, 반도체 기판 (SUB) 에서 생성된 전하는, 포텐셜의 차이로부터, 반도체 영역 (n1) 을 통하여 축적 다이오드 (SD) 의 반도체 영역 (n2) 으로 흘러들어간다. 또한, 축적 다이오드 (SD) 의 반도체 영역 (n2) 과 반도체 기판 (SUB) 사이에는 차폐부로서의 실드층 (p2) 이 존재한다. 그 때문에, 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1) 가 저레벨일 때, 반도체 기판 (SUB) 에서 생성된 전하는 실드층 (p2) 에 저해되므로, 축적 다이오드 (SD) 의 반도체 영역 (n2) 에 들어가는 경우는 없다.
또, 서로 이웃하는 화소 사이를 절연하기 위해, 화소 (PX) 의 경계에는 p 형 분리부 (IS) 가 형성된다. 제 2 구성예에서의 분리부 (IS) 는, 반도체 기판 (SUB) 의 제 2 면으로부터 제 1 면까지 도달하도록 형성되어 있다. 분리부 (IS) 는, 예를 들어 p 형 웰이다. 또한, 분리부 (IS) 는 트렌치를 포함하는 것이어도 된다. 또, 축적 다이오드 (SD), 분리부 (IS) 및 실드층 (p2) 사이에는 p 형 영역 (37) 이 형성되어 있다. 마찬가지로, 실드층 (p2) 과 반도체 기판 (SUB) 사이에는 p 형 영역 (38) 이 형성되고, 분리부 (IS), 반도체 기판 (SUB) 및 포토 다이오드 (PD) 사이에는 p 형 영역 (39) 이 형성되어 있다. 또한, 제 2 구성예에서 설명한 반도체의 도전형은, 어디까지나 일례에 지나지 않는다.
제 2 구성예에 있어서의 촬상 소자 (12b) 는, 제 1 구성예의 작용 효과 ((1) ∼ (5)) 에 더하여, 추가로 이하의 작용 효과를 얻을 수 있다.
차광부 (MS) 의 차광막과 반도체 기판 (SUB) 사이에 배선층 (MLY) 이 위치하는 경우, 강한 광이 입사되면, 차광막과 촬상면의 약간의 간극으로부터 잉여광이 축적 다이오드 (SD) 에 누광되어, 위신호 (스미어) 가 발생할 우려가 있다.
한편, 제 2 구성예의 촬상 소자 (12b) 에서는, 배선층 (MLY) 이 입사면의 이면측에 위치하여, 축적 다이오드 (SD) 에는 광이 직접 입사되지 않고, 또한 입사광은 반도체 기판 (SUB) 에서 광전 변환된다. 그 때문에, 촬상 소자 (12b) 에서는, 강한 광이 입사되었을 때에도 축적 다이오드 (SD) 에 대한 누광이 없기 때문에, 축적 다이오드 (SD) 에 대한 누광에 의한 스미어를 억제할 수 있어, 축적 다이오드 (SD) 에서 스미어가 발생할 우려가 현저하게 경감된다.
＜촬상 소자의 제 3 구성예＞
다음으로, 제 2 구성예의 변형예로서, 제 3 구성예의 촬상 소자 (12c) 를 설명한다. 도 13 은, 제 3 구성예의 촬상 소자 (12c) 에 있어서의 수광면의 이면 (제 2 면) 측에서의 화소 (PX) 의 예를 나타내는 도면이다.
이하, 제 3 구성예의 촬상 소자 (12c) 에 대하여, 제 2 구성예와의 차이점을 설명한다. 제 3 구성예의 촬상 소자 (12c) 에서는, 수광면의 이면 (제 2 면) 에 있어서, 포토 다이오드 (PD) 의 면적을 축적 다이오드 (SD) 의 면적보다 작게 하고 있다. 이로써, 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1), 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1), 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 의 배치 간격이 작아지므로, 화소 (PX) 의 사이즈를 작게 할 수 있다. 따라서, 제 3 구성예의 경우, 촬상 소자의 고화소화가 용이해진다. 또한, 이면 조사형 촬상 소자의 경우에는, 상기와 같이 입사광의 광전 변환은 반도체 기판 (SUB) 내에서 행해지므로, 제 2 면측의 포토 다이오드 (PD) 의 사이즈를 작게 해도 큰 영향은 발생하지 않는다.
＜실시형태의 보충 사항＞
(보충 1) : 제 1 구성예 내지 제 3 구성예의 촬상 소자는 적층 구조여도 된다. 예를 들어, 촬상 소자 (12) 는, 제 1 기판과 제 2 기판을 적층하고, 제 1 기판 및 제 2 기판을 예를 들어 마이크로 범프 등의 접속부 (MB) 에서 전기적으로 접속하여 구성해도 된다. 촬상 소자를 적층 구조로 함으로써, 작은 스페이스에 회로를 집적할 수 있으므로 촬상 소자의 고화소화가 용이해진다.
일례로서, 도 14(a) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 기판에는, 포토 다이오드 (PD), 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1), 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1), 축적 다이오드 (SD), 전송 트랜지스터 (TX), 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2), 제 2 리셋 트랜지스터 (RST2), 증폭 트랜지스터 (AMP), 선택 트랜지스터 (SEL) 를 배치해도 된다. 그리고, 제 2 기판 (신호 처리 기판의 일례) 에는, 수평 주사부 (33), A/D 변환 회로나 CDS 회로 등을 배치해도 된다. 이로써, 제 2 기판에 있어서, 각 화소의 플로팅 디퓨전부 (FD) 에 전송된 전하에 따른 신호가 처리된다.
또, 도 14(b) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 기판에는, 포토 다이오드 (PD), 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1), 제 1 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS1), 축적 다이오드 (SD), 전송 트랜지스터 (TX), 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 를 배치해도 된다. 그리고, 제 2 기판에는, 제 2 리셋 트랜지스터 (RST2), 증폭 트랜지스터 (AMP), 선택 트랜지스터 (SEL), 수직 신호선 (VL), 수평 주사부 (33), A/D 변환 회로나 CDS 회로 등을 배치해도 된다.
(보충 2) : 상기 제 2 구성예에서 설명한 축적부를 구비한 이면 조사형 촬상 소자의 구성은, 상기 실시형태와는 상이한 화소 배치의 경우에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 도 15 에 나타내는 정방 격자상으로 촬상 화소와 초점 검출 화소를 배열한 촬상 소자에 있어서, 초점 검출 화소 또는 촬상 화소의 구성을 제 2 구성예 (예를 들어, 도 9) 와 같이 해도 된다.
(보충 3) : 상기 구성예에서는, 각 화소의 마이크로 렌즈 (MLN) 의 광축 중심이 차광부 (MS) 와 개구부 (광전 변환부) 의 경계와 일치하는 경우를 설명하였다. 그러나, 본 발명에서는, 차광부 (MS) 와 개구부 (광전 변환부) 의 경계에 대해, 제 1 화소 내지 제 6 화소를 포함하는 각 화소의 마이크로 렌즈 (MLN) 의 광 축 중심이 광전 변환부측에 위치하도록 해도 된다. 예를 들어, 개구부의 무게 중심에 마이크로 렌즈 (MLN) 의 광축 중심이 위치하도록 해도 된다.
(보충 4) : 상기 제 2 구성예에 있어서, 반도체 기판 (SUB) 의 제 1 면에 있는 p 형 반도체층 (34) 을 생략해도 된다.
(보충 5) : 상기 촬상 소자의 구성예는 어디까지나 본 발명의 일례에 지나지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 촬상 소자에 있어서, 제 1 리셋 트랜지스터 (RST1) 나, 제 2 글로벌 스위치 트랜지스터 (GS2) 를 화소 (PX) 로부터 생략해도 된다.
(보충 6) : 상기 실시형태에서는, 촬상 유닛의 일례로서, 카메라 보디 (3) 에 교환 렌즈 (2) 가 장착되는 디지털 카메라 (1) 를 설명했지만, 예를 들어, 렌즈 일체형 디지털 카메라에도 본 발명을 적용할 수 있다. 또, 본 발명의 촬상 유닛은, 예를 들어, 카메라 모듈을 갖는 전자 기기 (예를 들어, 스마트폰, 휴대 전화, 태블릿형 컴퓨터 등) 에 실장되는 것이어도 된다.
(보충 7) : 상기 실시형태에서는, 촬상 소자 (12) 에, 원색계 (RGB) 컬러 필터를 사용하는 경우를 설명했지만, 보색계 (CMY) 컬러 필터를 사용해도 된다.
이상의 상세한 설명에 의해, 실시형태의 특징점 및 이점은 명백해질 것이다. 이것은 특허청구범위가, 그 정신 및 권리 범위를 일탈하지 않는 범위에서 전술한 바와 같은 실시형태의 특징점 및 이점에까지 미치는 것을 의도하는 것이다. 또, 당해 기술 분야에 있어서 통상적인 지식을 갖는 자라면, 모든 개량 및 변경에 용이하게 상도할 수 있을 것이며, 발명성을 갖는 실시형태의 범위를 전술한 것에 한정할 의도는 없고, 실시형태에 개시된 범위에 포함되는 적당한 개량물 및 균등물에 의한 것도 가능하다.
1 : 디지털 카메라
2 : 교환 렌즈
5 : 렌즈 제어부
7 : 포커싱 렌즈
12, 12a, 12b, 12c : 촬상 소자
14 : 보디 제어부
19 : 촬상 소자 구동부
31 : 화소부
32 : 수직 주사부
33 : 수평 주사부
PX : 화소
PD : 포토 다이오드
RST1, RST2 : 리셋 트랜지스터
GS1, GS2 : 글로벌 스위치 트랜지스터
SD : 축적 다이오드
TX : 전송 트랜지스터
FD : 플로팅 디퓨전부
MLN : 마이크로 렌즈
OFL : 광학 필터
MS : 차광부
IS : 분리부
SUB : 반도체 기판

Claims (15)

  1. 광이 입사되는 제 1 면과 상기 제 1 면과는 반대측의 제 2 면을 갖고, 상기 제 1 면측의 불순물 농도보다 상기 제 2 면측의 불순물 농도가 높은 동일 도전형 반도체를 포함하는 광전 변환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동일 도전형 반도체는, 상기 제 1 면으로부터 상기 제 2 면을 향하여 불순물 농도의 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 면에 대해 상기 제 2 면측에 배치되고, 상기 광전 변환부에서 광전 변환된 전하를 전송하는 전송 게이트부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광전 변환부에 의해 변환된 전하를 축적하는 축적부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 축적부는, 상기 광전 변환부와 동일한 도전형 반도체로 형성되고 또한 상기 제 2 불순물 농도보다 높은 불순물 농도인 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광전 변환부의 도전형과는 상이한 도전형의 반도체로 형성되고, 상기 광전 변환부의 전하가 상기 축적부에 들어가는 것을 차폐하는 차폐부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전 변환부의 도전형과는 상이한 도전형의 반도체로 형성되고, 상기 제 1 면 상에 형성된 제 1 반도체부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전 변환부의 도전형과는 상이한 도전형의 반도체로 형성되고, 상기 제 2 면 상에 형성된 제 2 반도체부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  9. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 화소와, 상기 제 1 화소와 이웃하는 제 2 화소를 갖고,
    상기 제 1 화소 및 상기 제 2 화소는 각각 상기 광전 변환부, 상기 축적부 및 상기 전송 게이트를 포함하고,
    상기 제 1 화소의 상기 광전 변환부와 상기 제 2 화소의 상기 광전 변환부를 분리하는 분리부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 분리부는, 상기 광전 변환부의 도전형과는 상이한 도전형으로 형성된 반도체를 갖는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 분리부는, 트렌치를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 화소의 상기 광전 변환부 및 상기 제 2 화소의 상기 광전 변환부가 동공 분할된 광속을 전하로 변환하여 위상차 정보로서 출력하기 위해, 상기 제 1 화소는 제 1 동공 분할용 차광부를 추가로 포함함과 함께 상기 제 2 화소는 제 2 동공 분할용 차광부를 추가로 포함하고,
    소정 방향에 있어서, 상기 제 1 화소의 상기 광전 변환부와, 상기 제 1 동공 분할용 차광부와, 상기 제 2 동공 분할용 차광부와, 상기 제 2 화소의 상기 광전 변환부의 순서로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 화소는, 상기 제 1 화소의 상기 축적부를 차광하는 제 1 차광부를 추가로 포함하고,
    상기 제 2 화소는, 상기 제 2 화소의 상기 축적부를 차광하는 제 2 차광부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  14. 적외 컷 필터와,
    제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 촬상 소자를 구비하고,
    상기 적외 컷 필터를 통한 광이 상기 촬상 소자에 입사되는 것을 특징으로 하는 촬상 유닛.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 면에 직교하는 방향에 있어서의 상기 광전 변환부의 두께는, 3 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 촬상 유닛.
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