TWI637497B - 攝像元件及攝像單元 - Google Patents

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Abstract

攝像元件係具備：光電轉換部，其係具有讓光入射的第1面和與前記第1面相反側的第2面，且含有前記第2面側之雜質濃度是高於前記第1面側之雜質濃度的同一導電型半導體。

Description

攝像元件及攝像單元
本發明係有關於攝像元件及攝像單元。
為了以CMOS(互補性金屬氧化膜半導體)影像感測器來實現全域快門，在像素中設有累積部的攝像裝置，已為人知(例如參照非專利文獻1)。
[先前技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1]安富 啟太 伊藤 真也 川人 祥二「具備雙快門機能之2斷電荷傳輸型低雜訊電子快門」社團法人映像資訊媒體學會技術報告，Vol.34,No.16,P.25~28
在先前技術中，在光電轉換部裡有可能發生電荷傳輸殘留，這點仍有改善的餘地。
作為本發明之一例的攝像元件，係具備：光電轉換部，其係具有讓光入射的第1面和與前記第1面相反側的第2面，且含有前記第2面側之雜質濃度是高於前記第1面側之雜質濃度的同一導電型半導體。
1‧‧‧數位相機
2‧‧‧替換鏡頭
3‧‧‧相機本體
4‧‧‧掛載部
5‧‧‧透鏡控制部
6‧‧‧光圈
7‧‧‧對焦透鏡
8‧‧‧變焦透鏡
9‧‧‧主透鏡
12,12a,12b,12c‧‧‧攝像元件
13‧‧‧電子接點部
14‧‧‧本體控制部
15‧‧‧液晶顯示元件驅動電路
16‧‧‧液晶顯示元件
17‧‧‧接目透鏡
18‧‧‧操作構件
19‧‧‧攝像元件驅動部
20‧‧‧記憶卡
31‧‧‧像素部
32‧‧‧垂直掃描部
33‧‧‧水平掃描部
PX‧‧‧像素
PD‧‧‧光二極體
RST1,RST2‧‧‧重置電晶體
GS1,GS2‧‧‧全域開關電晶體
SD‧‧‧累積二極體
TX‧‧‧傳輸電晶體
FD‧‧‧浮置擴散部
MLN‧‧‧微透鏡
OFL‧‧‧光學濾波器
MS‧‧‧遮光部
IS‧‧‧分離部
SUB‧‧‧半導體基板
200‧‧‧出射光瞳
201‧‧‧第1領域
202‧‧‧第2領域
VL‧‧‧垂直訊號線
GLY‧‧‧閘極層
MB‧‧‧連接部
[圖1]數位相機之構成例的圖示。
[圖2]第1構成例之攝像元件中的像素配置的圖示。
[圖3]光瞳分離型相位差方式所致之焦點偵測方法的說明圖。
[圖4](a)~(e)：影像訊號生成處理的說明圖。
[圖5]像素PX之一例的電路圖。
[圖6]第1構成例中的像素排列的放大平面圖。
[圖7]像素PX之一例的放大平面圖。
[圖8]第1構成例中的像素PX之剖面圖。
[圖9]第2構成例中的像素PX之剖面圖。
[圖10]第2構成例中的受光面側的像素排列之例子的圖示。
[圖11]第2構成例中的受光面之背面側的像素排列之例子的圖示。
[圖12]針對RGB之各波長，表示矽基板所致之光吸 收率與矽基板之厚度之關係例的圖形。
[圖13]第3構成例中的從受光面之背面側觀看像素PX的圖示。
[圖14](a)~(b)：攝像元件之層積構造之例子的圖示。
[圖15]第2構成例之變形例的像素配置之另一例的圖示。
以下一面參照圖式一面說明本發明的實施形態。此外，在沒有特別聲明的情況下，以下說明及圖式中，定義成X方向係為水平方向、Y方向係為垂直方向、Z方向係為前後方向。
<攝像單元之構成例>
圖1係作為攝像單元之一例的數位相機之構成例的圖示。數位相機1係具有替換鏡頭2和相機本體3。替換鏡頭2係隔著掛載部4而被裝著於相機本體3。
替換鏡頭2係含有：透鏡控制部5、主透鏡9、變焦透鏡8、對焦透鏡7、及光圈6。透鏡控制部5係具有微電腦和記憶體等。透鏡控制部5係進行：對焦透鏡7與光圈6之驅動控制、光圈6的開口狀態之偵測、變焦透鏡8及對焦透鏡7之位置偵測、對後述的相機本體3側之本體控制部14的透鏡資訊之送訊、來自本體控制部14 的相機資訊之收訊等。
相機本體3係含有：攝像元件12、攝像元件驅動部19、本體控制部14、液晶顯示元件驅動電路15、液晶顯示元件16、接目透鏡17、及操作構件18等。又，相機本體3中係有非揮發性之記憶媒體的記憶卡20，是以可裝卸的方式而裝著。
攝像元件12，係被配置在替換鏡頭2的預定成像面，將被替換鏡頭2所成像之被攝體的像，進行攝影。此外，在本實施形態中的攝像元件12，係以一對像素將通過替換鏡頭2之光瞳之不同部分領域的光束，分別予以受光，在自動對焦(AF)時可取得被攝體像的相位差資訊。此外，關於攝像元件12的構成例，將於後述。
本體控制部14係具有微電腦和記憶體等。本體控制部14，係進行數位相機全體的動作控制。又，本體控制部14與透鏡控制部5，係透過掛載部4的電子接點部13而進行通訊。
攝像元件驅動部19，係隨應於來自本體控制部14的指示而生成對攝像元件12的指示訊號。液晶顯示元件驅動電路15，係隨應於來自本體控制部14的指示，來驅動液晶顯示元件16。此外，液晶顯示元件16係成為電子取景器而發揮機能，攝影者可透過接目透鏡17來觀察被顯示在液晶顯示元件16的像。
被替換鏡頭2成像在攝像元件12上的被攝體的像，係被攝像元件12進行光電轉換。攝像元件12，係 被來自攝像元件驅動部19的控制訊號，控制光電轉換訊號之累積及訊號讀出之時序(畫格速率)。來自攝像元件12的輸出訊號，係被未圖示之A/D轉換部轉換成數位資料，送往本體控制部14。
本體控制部14，係為焦點調節部之一例，根據來自攝像元件12的所定之焦點偵測區域所對應之輸出訊號，來算出散焦量。然後，本體控制部14係將上記散焦量，送往透鏡控制部5。透鏡控制部5係根據從本體控制部14所接收到的散焦量來算出對焦透鏡驅動量，根據該透鏡驅動量而將對焦透鏡7以未圖示之馬達等加以驅動而使其移動至合焦位置。
又，本體控制部14係在攝影指示後，根據從攝像元件12所輸出之訊號而生成記錄用的影像資料。本體控制部14，係將所生成之影像資料，儲存在記憶卡20中。又，本體控制部14係將所生成之影像資料，送往液晶顯示元件驅動電路15，令液晶顯示元件16再生顯示出影像。
此外，相機本體3中係還設有快門鈕、焦點偵測區域之設定構件18。本體控制部14，係偵測出來自上記操作構件18的操作訊號，進行相應於偵測結果之動作(攝影處理、焦點偵測區域之設定等)的控制。
<攝像元件的第1構成例>
接著說明攝像元件12的構成例。本實施形態中的攝 像元件係為，例如，在矽基板上使用CMOS(互補性金屬氧化膜半導體)製程所形成之XY位址型之固體攝像元件。
圖2係第1構成例之攝像元件中的像素配置的圖示。圖2所示的攝像元件12a係具有：將入射光轉換成電氣訊號的複數像素(PX)所排列而成的像素部31、和垂直掃描部32、水平掃描部33。此外，雖然圖式中係將像素PX之排列予以簡略化，但實際的攝像元件的受光面上當然還會排列有多數之像素。
垂直掃描部32係為控制部之一例，例如接受來自攝像元件驅動部19的指示訊號，對像素部31、水平掃描部33供給各種控制訊號。垂直掃描部32上係被連接有，朝行方向(X方向)延展的複數水平訊號線。垂直掃描部32係透過水平訊號線而向各像素供給控制訊號。此外，在圖2中，水平訊號線的圖示係省略。此外，被供給至像素PX的控制訊號，係亦可藉由數位相機1的攝像元件驅動部19所生成。
水平掃描部33上係被連接有，朝列方向(Y方向)延展的複數垂直訊號線。垂直掃描部32係透過垂直訊號線而將各像素之輸出訊號予以讀出。此外，在圖2中，垂直訊號線的圖示係省略。
又，如圖2所示，像素部31的像素PX係為正方形形狀，各邊是對行方向及列方向呈45度旋轉之狀態而配置。而且，各像素係為，各邊是與旁邊的像素接觸 般地而被稠密地排列。因此，於像素部31中，奇數行及偶數行之像素、奇數列及偶數列之像素係彼此半間距地錯開配置。
像素PX，係例如被遮光膜覆蓋一半的領域，將通過光學系之光瞳之部分領域的光束，予以遮光。又，像素PX的未被遮光膜所覆蓋的開口部中，係配置有光電轉換部。在圖式中，被遮光膜所覆蓋之領域(光瞳分割用之遮光部MS)是以斜線表示。
又，在像素PX的前面係配置有微透鏡MLN及光學濾波器(彩色濾光片)。又，在攝像元件的受光面，係在比微透鏡MLN及光學濾波器還要前方(光之入射側)，配置有阻礙紅外光通過的紅外線截斷濾光片(未圖示)。像素PX的彩色濾光片，係隨著像素位置而具有不同之分光感度。因此，像素PX係藉由彩色濾光片的色分解而會輸出對應於各色的電氣訊號。此外，在圖式中，對應於像素PX的彩色濾光片之顏色是以記號來表示。
若注意像素部31的行方向(X方向)，則在像素部31的奇數行上，將綠色(G)成分的光予以受光的G像素，是沿著X方向而被配置。在像素部31的偶數行上，將藍色(B)成分的光予以受光的B像素，將紅色(R)成分的光予以受光的R像素，是沿著X方向而被交互配置。
又，若注意像素部31的列方向(Y方向)，則在像素部31的奇數列上G像素是沿著Y方向而被配 置，但在像素部31的偶數列上則是B像素沿著Y方向而被配置的列、和R像素沿著Y方向而被配置的列，是交互排列。
G像素係在行方向(X方向)及列方向(Y方向)上，左半部開口之像素、和右半部開口之像素，是分別被交互配置。又，B像素及R像素係在列方向(Y方向)上，上半部開口之像素、和下半部開口之像素是被交互配置。此外，若看到行方向(X方向)，則於相同偶數行中，B像素之開口與R像素之開口係彼此顛倒地配置。
藉由上記之配置，在行方向(X方向)上，左半部開口之G像素(第1像素之一例)、和右半部開口之G像素(第2像素之一例)，是左右對稱地每次1組地被配置。亦即，在G像素所被配置的行上，從X方向之左側來看，第1像素的光電轉換部、第1像素的遮光部MS、第2像素的遮光部MS、第2像素的光電轉換部是被依序配置。又，於X方向上，在第2像素的光電轉換部的隔壁，係被配置有與第1像素不同的左半部開口之G像素(第5像素之一例)的光電轉換部。此外，第1像素及第5像素之構成係為相同。
因此，藉由在水平方向被對向配置的一對G像素(上記例子中係為第2像素、第5像素)，就可取得出射光瞳的左半部的像和右半部的像。亦即，相位差AF中所使用的被攝體像的水平方向之相位差資訊，可從一對G像素獲得之。
又，在列方向(Y方向)上，上半部開口之B像素(第3像素之一例)、和下半部開口之B像素(第4像素之一例)，是上下對稱地每次1組地被配置。亦即，在B像素所被配置的列上，從Y方向之上側來看，第3像素的光電轉換部、第3像素的遮光部MS、第4像素的遮光部MS、第4像素的光電轉換部是被依序配置。又，於Y方向上，在第4像素的光電轉換部的隔壁，係被配置有與第3像素不同的上半部開口之B像素(第6像素之一例)的光電轉換部。
同樣地，在列方向(Y方向)上，上半部開口之R像素(第3像素之一例)、和下半部開口之R像素(第4像素之一例)，是上下對稱地每次1組地被配置。亦即，在R像素所被配置的列上，從Y方向之上側來看，第3像素的光電轉換部、第3像素的遮光部MS、第4像素的遮光部MS、第4像素的光電轉換部是被依序配置。又，於Y方向上，在第4像素的光電轉換部的隔壁，係被配置有與第3像素不同的上半部開口之R像素(第6像素之一例)的光電轉換部。此外，於B像素、R像素之各例子中，第3像素及第6像素之構成係為相同。
因此，藉由在垂直方向被對向配置的一對B像素或一對R像素(上記例子中係為第4像素、第6像素)，就可取得出射光瞳的下半邊的像和上半部的像。亦即，相位差AF中所使用的被攝體像的垂直方向之相位差資訊，可從一對B像素或一對R像素獲得之。如以上， 第1構成例的攝像元件12a，係可想成是在受光面的全面都配置有焦點偵測像素的攝像元件。
此外，在像素部31中，奇數行的一對G像素，和偶數列的一對B像素或一對R像素，係被配置成4個開口部(光電轉換部)是呈正方形。同樣地，在像素部31中，奇數行的一對G像素，和偶數列的一對B像素或一對R像素，係被配置成4個遮光部是呈正方形。此外，若以像素部31全體來看，4像素份的正方形之開口部、和4像素份的正方形之遮光部，是被排列成棋盤格狀。又，於像素部31中，4像素份之遮光部係被一體形成。
此處，說明藉由來自攝像元件12a的相位差資訊所做的焦點偵測處理。以下的說明中，雖然舉出左半部開口之G像素和右半部開口之G像素為例來說明，但R像素及B像素所致之焦點偵測也是以同樣的原理而進行。
通過如圖3所示的替換鏡頭2的出射光瞳200的第1領域201的光束A，係入射至右半部開口之G像素21，通過出射光瞳200的第2領域202的光束B，係入射至左半部開口的G像素22。
合焦時係為鮮明影像被成像在攝像元件12a的狀態，因此如上述，已被光瞳分割之光束所致之一對的像係在攝像元件12a上呈一致。
另一方面，非合焦時係為鮮明影像被成像在攝像元件12a之前方的狀態，或是鮮明影像被成像在攝像 元件12a後側的狀態，因此已被光瞳分割之光束所致之一對的像係在攝像元件12a上並不一致。此時，從G像素21及G像素22所獲得之訊號波形，係隨應於來自合焦狀態之偏差(散焦量)，彼此的位置關係(像偏差方向及像偏差量)會有所不同。
因此，數位相機1的本體控制部14，係基於從G像素21及G像素22所獲得之訊號波形與位置關係來算出散焦量即可。已被算出之散焦量，係被當成相機資訊而發送至透鏡控制部5。然後，一旦透鏡控制部5基於相機資訊而使對焦透鏡7朝光軸方向做進退移動，則替換鏡頭2的焦點位置會被調節成使得鮮明影像被成像在攝像元件12a上。
接著，一面參照圖4，一面說明基於來自攝像元件12a之輸出訊號而生成彩色影像訊號的影像訊號生成處理。
在影像訊號生成處理中，攝像元件12a的垂直掃描部32係將光電轉換部為X方向彼此相鄰之一對G像素(上記例子中係為第2像素、第5像素)予以水平加算而讀出，生成G影像訊號。圖4的(a)係表示G像素的水平加算之狀態，圖4的(b)係表示已被水平加算而生成之G影像訊號的取樣位置。
又，垂直掃描部32係將光電轉換部為Y方向彼此相鄰之一對B像素(上記例子中係為第4像素、第6像素)予以垂直加算而讀出，生成B影像訊號。同樣地， 垂直掃描部32係將光電轉換部為Y方向彼此相鄰之一對R像素(上記例子中係為第4像素、第6像素)予以垂直加算而讀出，生成R影像訊號。圖4的(c)係表示B像素及R像素的垂直加算之狀態，圖4的(d)係表示已被垂直加算而生成之B影像訊號及R影像訊號的取樣位置。
圖4的(e)係表示，已被水平加算而生成之G影像訊號、和已被垂直加算而生成之B影像訊號及R影像訊號所合成之影像。數位相機1的本體控制部14，係藉由將G影像訊號、B影像訊號及R影像訊號予以合成，就可獲得拜爾排列之影像。此外，圖4的(e)的影像係為，相對於加算前之像素間距而為約1.4倍(√2倍)的像素間距，相對於加算前之像素數而為2分之1之像素數。
然後，本體控制部14係對上記的拜爾排列之影像(圖4的(e))進行色內插處理，生成不足之色成分的影像訊號。拜爾排列的色內插處理係為公知，因此省略詳細說明。所述之色內插處理的結果，獲得彩色影像訊號(RGB)。本體控制部14，係使用彩色影像訊號，生成例如記錄用影像之檔案然後記錄至記憶卡20。
接著，詳述第1構成例中的各個像素PX之構成。圖5係像素PX之一例的電路圖。
像素PX係具有：光二極體PD、第1重置電晶體RST1、第1全域開關電晶體GS1、累積二極體SD、 傳輸電晶體TX、第2全域開關電晶體GS2、第2重置電晶體RST2、增幅電晶體AMP、選擇電晶體SEL、浮置擴散部FD。
光二極體PD係為光電轉換部之一例，隨應於入射光之光量而藉由光電轉換來生成訊號電荷。
第1重置電晶體RST1係源極是被連接至光二極體PD，汲極是被連接至電源電壓VDD。例如，第1重置電晶體RST1係在閘極被施加之訊號 RST1為高位準之期間為ON，將光二極體PD的電荷予以重置。
第1全域開關電晶體GS1係源極是被連接至光二極體PD，汲極是被連接至累積二極體SD。例如，第1全域開關電晶體GS1係在閘極被施加之訊號 GS1為高位準之期間為ON，將光二極體PD中所累積之訊號電荷予以傳輸至累積二極體SD。
累積二極體SD，係為累積部之一例，具有將從光二極體PD所被傳輸過來的電荷予以累積的電勢阱。累積二極體SD，係以例如MOS構造而被形成，累積二極體SD，係被設計成可以累積比光二極體PD中所累積之電荷的量還要多量之電荷。
傳輸電晶體TX，係源極是被連接至累積二極體SD，汲極是被連接至浮置擴散部FD。例如，傳輸電晶體TX，係在閘極被施加之訊號 TX為高位準之期間為ON，將累積二極體SD中所累積之訊號電荷，傳輸至浮置擴散部FD。
第2全域開關電晶體GS2係源極是被連接至光二極體PD，汲極是被連接至浮置擴散部FD。例如，第2全域開關電晶體GS2係在閘極被施加之訊號 GS2為高位準之期間為ON，將光二極體PD中所累積之訊號電荷予以傳輸至浮置擴散部FD。
浮置擴散部FD，係為被形成有寄生電容之領域，用來累積從光二極體PD或累積二極體SD所傳輸過來之電荷。浮置擴散部FD，係例如，在半導體基板中導入雜質所形成之擴散領域。
第2重置電晶體RST2係源極是被連接至增幅電晶體AMP的閘極，汲極是被連接至電源電壓VDD。例如，第2重置電晶體RST2係在閘極被施加之訊號 RST2為高位準之期間為ON，將浮置擴散部FD的電荷予以重置。
增幅電晶體AMP係汲極是被連接至電源電壓VDD，閘極係分別被連接至浮置擴散部FD，源極係被連接至選擇電晶體SEL的汲極，構成以垂直訊號線VL上所被連接之定電流源IS為負荷的源極追隨器電路。增幅電晶體AMP，係隨應於浮置擴散部FD的電壓值，透過選擇電晶體SEL而將讀出電流予以輸出。
又，選擇電晶體SEL係在閘極被施加之訊號 SEL為高位準之期間為ON，將增幅電晶體AMP的源極連接至垂直訊號線VL。
此處，上記的第1像素至第6像素之構成要 素係均相同。因此第1像素至第6像素基本上係分別具有：光二極體PD、第1重置電晶體RST1、第1全域開關電晶體GS1、累積二極體SD、傳輸電晶體TX、第2全域開關電晶體GS2、第2重置電晶體RST2、增幅電晶體AMP、選擇電晶體SEL、浮置擴散部FD。又，在圖5中雖然僅圖示1像素份的電路構成，但例如，第2重置電晶體RST2、增幅電晶體AMP、選擇電晶體SEL係亦可被複數像素所共用。
又，圖6係為圖2所示之像素部31的像素排列的放大平面圖。圖7係像素PX之一例的放大平面圖。
於攝像元件12a的受光面側，在像素PX的開口部係被配置有：被形成為略台形狀之光二極體PD、和第1重置電晶體RST1。在像素PX的遮光部係被配置有：第1全域開關電晶體GS1、累積二極體SD、傳輸電晶體TX及第2全域開關電晶體GS2。此外，圖6的符號23係表示，被4像素所共用之增幅電晶體AMP及選擇電晶體SEL所集縮而成的電路。此外，圖6的符號24係表示，被2像素所共用之第2重置電晶體RST2。又，在圖6、圖7中，受光面上的光二極體PD的面積，係被設定成比累積二極體SD的面積還大。
如圖6所示，R像素、G像素、B像素均為相同之電路構成。行方向(X方向)上相鄰之G像素的電路，係在受光面上呈左右對稱地而被配置。又，列方向(Y方向)上相鄰之B像素及R像素的電路，係在受光面 上呈上下對稱地而被配置。
又，圖8係為第1構成例中的像素PX之剖面圖。此外，在圖8中，配線等之記載係省略。例如，光二極體PD係具有，被形成在p型的半導體基板SUB之受光面側(圖8中係為上側)的n型之半導體基板n1。又，累積二極體SD係具有，被形成在p型的半導體基板SUB之受光面側的n型之半導體基板n2。
又，在累積二極體SD的半導體裝置n2的下層，係層積有p型之屏蔽層(p2)而被形成。該屏蔽層係以覆蓋半導體領域n2全域的方式而被形成，因應需要而被形成為與後述之分離部IS接觸。又，第1全域開關電晶體GS1係被形成在光二極體PD與累積二極體SD之間。
又，光二極體PD的半導體領域n1、累積二極體SD的半導體領域n2之雜質濃度，係彼此不同。例如，當第1全域開關電晶體GS1是低位準時，以使得累積二極體SD之電勢是位於光二極體PD之電勢與浮置擴散部FD之電勢之間的方式，來設定領域n1、n2的雜質濃度。
又，被形成在半導體基板SUB的分離部IS，係例如，用來把彼此相鄰之像素間予以絕緣而分離所需的p型阱。此外，累積二極體SD、分離部IS及屏蔽層(p2)之間係被形成p型領域36。又，在半導體基板SUB上所被設置的閘極層GLY中，係形成有：第1重置 電晶體RST1、第1全域開關電晶體GS1、傳輸電晶體TX、圖8中未圖示之第2全域開關電晶體GS2的閘極電極等。此外，第1構成例中所說明之半導體的導電型，係僅只為一例。
然後，半導體基板SUB的閘極層GLY之上，係設有含遮光部MS的配線層MLY。例如。遮光部MS係以金屬膜等而被形成。遮光部MS係被配置成，例如，將第1全域開關電晶體GS1、累積二極體SD、傳輸電晶體TX、第2全域開關電晶體GS2所被配置之領域予以覆蓋。亦即，在光二極體PD上係形成有，不具遮光部MS的開口部。
此處，於像素PX中，遮光部MS係以單一之材料而被形成，具有光瞳分割用遮光部之機能、和遮蔽前往累積二極體SD之入射光的累積部用遮光部之機能。此外，遮光部MS係亦可被形成在配線層MLY的最下層以外，亦可和配線兼用。例如，配線係亦可被形成在與遮光部MS所被設置之層不同的層中，亦可被形成在與遮光部MS所被設置之層相同的層中。
又，配線層MLY之上係配置有，作為彩色濾光片之機能的光學濾波器OFL。光學濾波器OFL之上，形成有平坦層PLY。然後，在平坦層PLY之上配置有微透鏡MLN。
又，於包含上記的第1像素至第6像素的各像素中，微透鏡MLN的光軸中心，係為了進行光瞳分 割，而對合於遮光部MS與開口部(光電轉換部)之交界而被分別配置。
然後，於第1構成例中，說明從各個像素PX讀出訊號時的動作模式。上記的像素PX，係具有2個全域開關電晶體GS1、GS2，因此可以用單快門及雙快門這2種動作模式而被驅動。
單快門的動作中，全域開關電晶體GS2係總是為OFF。首先，作為畫格的最初之初段電荷傳輸，而在全部像素中一起透過全域開關電晶體GS1而從光二極體PD往累積二極體SD傳輸訊號電荷。藉此，全域電子快門機能就成為可能。接著，在全部像素中，將第1重置電晶體RST1設成ON，直到下個畫格之累積開始以前，都將光二極體PD設成重置狀態。藉由上記的重置時間之調節，攝像元件12a係可自由設定曝光時間(快門秒時)。
然後，每一被垂直掃描部32所選擇之行地進行從像素PX讀出訊號的動作。垂直掃描部32藉由把第i行之訊號 SEL(i)設成高位準，以選擇第i行之像素PX。又，垂直掃描部32藉由把第i行之訊號 RST1(i)設成高位準，以使得第i行之像素PX的浮置擴散部FD被重置。該含有重置雜訊之重置電壓，係從第i行之像素PX被當成基準電壓而讀出。其後，垂直掃描部32藉由把第i行之訊號 TX(i)設成高位準，以使得第i行之像素PX中藉由傳輸電晶體TX而把累積二極體SD之電荷傳輸至浮置擴散部FD。藉此，變化後的電壓就可被當成訊號電壓 而讀出。然後，上記基準電壓與訊號電壓之差分，係被設在被水平掃描部33之列縱欄的CDS電路(未圖示)當成像素PX之輸出訊號而讀出。藉此，就可從像素PX之輸出訊號中，消除重置雜訊及固定模式雜訊。
另一方面，在雙快門之動作中，係藉由1畫格之攝像期間內被累積在累積二極體SD中的訊號、和被累積在浮置擴散部FD中的訊號，而取得2個影像。
在雙快門之動作中，係在初段電荷傳輸後將光二極體PD予以重置之後，再次在光二極體PD中累積電荷。此重置後所被累積之第2訊號電荷，係透過全域開關電晶體GS2而被傳輸至浮置擴散部FD。上記的第2訊號電荷之累積也是全像素一起進行，成為全域電子快門。上記第2訊號電荷，係直到行選擇以前都會被浮置擴散部FD所保持，在行選擇時從像素PX被讀出。然後，將浮置擴散部FD一度重置之後，只要藉由傳輸電晶體TX將累積二極體SD之電荷傳輸至浮置擴散部FD而被讀出即可。在該雙快門之動作中，會是無相關的單獨2重取樣，固定模式雜訊係被消除，但重置雜訊並未被消除。
藉由使用上記雙快門之動作所取得的2個影像，就可實現例如廣動態範圍化、差分影像所致之運動偵測、2張連續高速攝像等。
作為一例，在廣動態範圍化的情況下，首先將長時間曝光之訊號累積在累積二極體SD中，接著將短時間曝光之訊號累積在浮置擴散部FD中。然後，在影像 的低照度領域中係分配長時間曝光之訊號，在影像的高照度領域中係分配短時間曝光之訊號，然後合成影像即可。長時間曝光之訊號係為低雜訊，此外，在高照度側主要是受短雜訊影響，因此短時間曝光之訊號中所含之重置雜訊係可忽視。因此，藉由將雙快門之動作所取得的影像加以合成，就可有效擴展動態範圍。
又，在雙快門的動作中，2張影像之間的累積時間的差，可以縮到非常短。例如，上記廣動態範圍化的情況下，可容易抑制合成時的影像失真或運動模糊。
以下說明第1構成例中的攝像元件12a之作用效果。
(1)第1構成例的攝像元件12a中，用來取得光瞳分割所致之一對影像的一對像素，係被配置在受光面全體。因此，可在攝像元件12a的受光面全面，進行相位差AF所致之焦點偵測。又，由於攝像元件12a的各像素係兼任攝像用像素與焦點偵測像素，因此相較於在受光面之一部分配置焦點偵測像素的情況，焦點偵測像素之數目變得非常多，提升相位差AF的焦點偵測精度。
(2)第1構成例的攝像元件12a，係可從水平方向對向配置之一對G像素，獲得被攝體像的水平方向的相位差資訊。又，攝像元件12a係可從垂直方向對向配置之一對B像素或一對R像素，獲得被攝體像的垂直方向的相位差資訊。因此，攝像元件12a係無論水平方向之相位差AF、垂直方向之相位差AF均可對應，提升相位差 AF的焦點偵測精度。
(3)第1構成例的攝像元件12a，係無論以R像素、G像素、B像素之哪一者，都可獲得被攝體像的相位差資訊。因此，於攝像元件12a中，不容易因為被攝體之顏色而導致相位差資訊之偵測精度降低。亦即，相位差AF較為困難的被攝體或場景會變少，因此提升相位差AF的焦點偵測像素。
(4)第1構成例的攝像元件12a，係藉由G像素的水平加算、和表示B像素及R像素的垂直加算，而可獲得拜爾排列結構之影像(參照圖4)。因此，攝像元件12a係不必像僅在受光面之一部分配置焦點偵測像素那樣進行特殊的像素內插，就可獲得記錄用的彩色影像。
(5)第1構成例的攝像元件12a，係在各像素中具備光二極體PD、和累積二極體SD。在全部像素中一起從光二極體PD往累積二極體SD傳輸訊號電荷，藉此，攝像元件12a係可進行全域電子快門所致之攝像。例如，在全域電子快門所致之攝像中，由於在全部像素中有獲得同時性，因此可獲得動體變形較少之影像。又，在全域電子快門的情況下，在使用照明裝置的閃光攝影時，即使是短快門秒時，與照明裝置之發光同步(高速閃光同步)仍變得容易。
<攝像元件的第2構成例>
第2構成例的攝像元件12b係為和第1構成例相同像 素排列，且為在受光面之背面側形成閘極層GLY及配線層MLY的背面照射型攝像元件。第2構成例的攝像元件12b是第1構成例的攝像元件12a之變形例，第2構成例中與第1構成例共通的部分係標示同一符號而省略重複說明。
圖9係為第2構成例中的像素PX之剖面圖。圖9係對應於第1構成例的圖8。又，圖10係為第2構成例中的受光面(第1面)側的像素排列之例子的圖示。又，圖11係為第2構成例中的受光面之背面(第2面)側的像素排列之例子的圖示。
在攝像元件12b的第1面，微透鏡MLN、彩色濾光片(光學濾波器OFL)、遮光膜所致之遮光部MS，係分別被配置在各像素PX。然後，在攝像元件12b的像素PX中，通過了被配置在比微透鏡MLN還前方的紅外線截斷濾光片(未圖示)的光當中，相應於彩色濾光片之分光感度的可見光，會入射至受光面。此外，於第2構成例中，受光面的彩色濾光片及遮光部的配置圖案，係和第1構成例相同。
亦即，第2構成例中的遮光部MS，係被配置成將通過光學系光瞳之一半的光束予以遮光，在攝像元件12b的第1面係形成有不具遮光部MS的開口部。遮光部MS係被配置成，例如，將第1全域開關電晶體GS1、累積二極體SD、傳輸電晶體TX、第2全域開關電晶體GS2所被配置之領域予以覆蓋。此外，藉由遮光部MS，往相 鄰像素之光的入射會被遮蔽，因此可防止訊號的串音。
又，遮光部MS之上係配置有，作為彩色濾光片之機能的光學濾波器OFL。光學濾波器OFL之上，形成有平坦層PLY。然後，在平坦層PLY之上配置有微透鏡MLN。各像素的微透鏡MLN的光軸中心，係為了進行光瞳分割，而分別被配置成與遮光部MS和開口部(光電轉換部)之交界一致。
另一方面，在攝像元件12b的第2面係如上述般地形成有閘極層GLY及配線層MLY。然後，在攝像元件12b的第2面，係有：被形成為略台形狀之光二極體PD、第1重置電晶體RST1、第1全域開關電晶體GS1、累積二極體SD、傳輸電晶體TX、第2全域開關電晶體GS2，對每一像素PX做配置。又，在攝像元件12b的第2面，係也配置有被像素間共用的電路23、24。
於第2構成例中，R像素、G像素、B像素均為相同之電路構成。行方向(X方向)上相鄰之G像素的電路，係在第2面上呈左右對稱地而被配置。又，列方向(Y方向)上相鄰之B像素及R像素的電路，係在第2面上呈上下對稱地而被配置。又，在第2構成例中也是，在第2面上的光二極體PD的面積，係被設定成比累積二極體SD的面積還大。
又，如圖9所示，第2構成例的攝像元件12b中，係使用n型之半導體基板SUB。半導體基板SUB的第1面上係被形成有p型之半導體層34(第1半導體部 之一例)。例如，p型之半導體層34，係以覆蓋分離部IS及像素PX之第1面側的方式，而被形成。又，在p型之半導體層34之上係有：遮光部MS、光學濾波器OFL、平坦層PLY、微透鏡MLN被分別形成。
又，光二極體PD係具有，被形成在n型之半導體基板SUB之第2面側(圖9中係為下側)的n型之半導體基板n1。圖9所示的半導體領域n1，係與n型之半導體基板SUB接觸。
又，累積二極體SD係具有，被形成在n型之半導體基板SUB之第2面側的n型之半導體基板n2。又，在累積二極體SD的半導體裝置n2的上層，係層積有p型之屏蔽層(p2)而被形成。該屏蔽層係為遮蔽部之一例，以覆蓋半導體領域n2全域的方式而被形成，因應需要而被形成為與後述之分離部IS接觸。又，作為傳輸閘極部之一例的第1全域開關電晶體GS1係被形成在光二極體PD與累積二極體SD之間。
然後，半導體基板SUB的第2面上係有：對應於半導體領域n1、n2的p型之半導體層p+(第2半導體部之一例)被分別形成。又，在半導體基板SUB的第2面上，係在與閘極層GLY之間，形成有p型之領域35。
於第2構成例的各像素PX中，n型之半導體基板SUB，係將被遮光部MS所光瞳分割之一部分之光束，從第1面側予以受光，藉由光電轉換而生成電荷。在第2構成例的攝像元件12b中，由於長波長之光係被紅外 線截斷濾光片所截斷，因此不會入射至半導體基板SUB。然後，若半導體基板SUB有足夠厚度，則在半導體基板SUB內會發生光電轉換。例如，在第2構成例中的半導體基板SUB之厚度(與第1面正交之方向的長度)係被設定成3μm以上。
圖12係針對RGB之各波長，表示矽基板所致之光吸收率與矽基板之厚度之關係例的圖形。圖12的縱軸係表示矽基板的光吸收率，圖12的橫軸係表示矽基板的厚度(Si深度)。在圖12的例子中，B的波長為500nm，G的波長為600nm，R的波長為750nm。吸收50%光所必須之矽基板的厚度，係隨著光的波長越長而越大，圖12之R的情況係為約3.2μm。在圖12中設R的波長為750nm，但R的感度領域的峰值是在650nm附近。在R的感度領域之峰值上，吸收50%光所必須之矽基板厚度是比約3.2μm還薄。因此，若將矽基板之厚度設定為3μm以上，則實用上，RGB之任一光均能在半導體基板SUB內充分引起光電轉換。
又，第2構成例的n型之半導體基板SUB，係具有從第1面越往第2面側之半導體領域n1而濃度越高的雜質濃度之梯度。亦即，半導體基板SUB的第1面側的第1雜質濃度，係比半導體領域n1的第2雜質濃度還低(第1雜質濃度<第2雜質濃度)。因此，在n型之半導體基板SUB中，相對於雜質濃度低的第1面側的電勢，雜質濃度高的半導體領域n1的電勢是較低。因此， 在第2構成例中，由於從半導體基板SUB的第1面側往半導體領域n1的電勢的差而導致電荷容易流向半導體領域n1，因此光二極體PD中的傳輸殘留係被抑制。此外，半導體基板SUB的雜質濃度係只要滿足第2面側比第1面側還高的此一條件，則就算基板的厚度方向上雜質濃度是呈階梯狀急劇變化也無妨。
此外，在第2構成例中，在半導體基板SUB的第1面上形成p型之半導體層34，在半導體基板SUB的第2面上形成p型之半導體層p+，因此光二極體PD係為p+np-結構。因此，在第2構成例中，可抑制光二極體PD中的暗電流。
又，光二極體PD的半導體領域n1、累積二極體SD的半導體領域n2之雜質濃度，係彼此不同。例如，當第1全域開關電晶體GS1是低位準時，以使得累積二極體SD之電勢是位於光二極體PD之電勢與浮置擴散部FD之電勢之間的方式，來分別設定半導體領域n1、n2的雜質濃度。
因此，當第1全域開關電晶體GS1為高位準時，半導體基板SUB上所生成之電荷，係由於電勢的差，因而透過半導體領域n1而流入累積二極體SD的半導體領域n2。此外，累積二極體SD的半導體領域n2與半導體基板SUB之間係存在有作為遮蔽部的屏蔽層p2。因此，當第1全域開關電晶體GS1是低位準時，半導體基板SUB上所生成之電荷係被屏蔽層p2阻礙，因此不會 跑進累積二極體SD的半導體領域n2。
又，為了將彼此相鄰之像素間予以絕緣，在像素PX之交界係形成有p型之分離部IS。第2構成例中的分離部IS，係被形成為從半導體基板SUB之第2面到達第1面為止。分離部IS係為例如p型阱。此外，分離部IS係亦可含有溝渠。又，累積二極體SD、分離部IS及屏蔽層(p2)之間係被形成p型領域37。同樣地，屏蔽層(p2)與半導體基板SUB之間係形成p型領域38，分離部IS、半導體基板SUB及光二極體PD之間係形成有p型領域39，此外，第2構成例中所說明之半導體的導電型，係僅只為一例。
第2構成例中的攝像元件12b，係除了第1構成例的作用效果((1)~(5))以外，還可獲得以下之作用效果。
遮光部MS之遮光膜與半導體基板SUB之間有配線層MLY存在的情況下，若有強光入射，則剩餘光會從遮光膜與攝像面之間些微的縫隙漏光至累積二極體SD，可能造成假訊號(smear)。
另一方面，在第2構成例的攝像元件12b中，配線層MLY位於入射面的背面側，光不會直接入射至累積二極體SD，且入射光係在半導體基板SUB中被光電轉換。因此，在攝像元件12b中，即使強光入射時也不會漏光至累積二極體SD，因此可抑制對累積二極體SD之漏光所致之smear，可顯著減輕累積二極體SD中發生 smear的可能性。
<攝像元件的第3構成例>
接著，作為第2構成例的變形例，說明第3構成例的攝像元件12c。圖13係從第3構成例之攝像元件12c中的受光面之背面(第2面)側觀看像素PX之例子的圖示。
以下，針對第3構成例的攝像元件12c，說明與第2構成例的相異點。第3構成例的攝像元件12c中，係在受光面的背面(第2面)，將光二極體PD的面積設計成比累積二極體SD的面積還小。藉此就可縮小第1重置電晶體RST1、第1全域開關電晶體GS1、第2全域開關電晶體GS2的配置間隔，因此可縮小像素PX的尺寸。因此，第3構成例的情況下，攝像元件的高像素化變得容易。此外，背面照射型攝像元件的情況下，係如上述般地入射光之光電轉換是在半導體基板SUB內進行，因此第2面側的光二極體PD的大小就算縮小也不會產生太大影響。
<實施形態的補充事項>
(補充1)：第1構成例至第3構成例的攝像元件係亦可為層積構造。例如，攝像元件12係亦可為，將第1基板和第2基板予以層積，將第1基板及第2基板以例如微焊球等之連接部MB予以電性連接而構成。藉由將攝像元件設成層積構造，就可在小空間中集縮電路，因此攝像 元件的高像素化變得容易。
作為一例，如圖14(a)所示，在第1基板上亦可配置有：光二極體PD、第1重置電晶體RST1、第1全域開關電晶體GS1、累積二極體SD、傳輸電晶體TX、第2全域開關電晶體GS2、第2重置電晶體RST2、增幅電晶體AMP、選擇電晶體SEL。然後，在第2基板(訊號處理基板之一例)上亦可配置有水平掃描部33、A/D轉換電路或CDS電路等。藉此，於第2基板中，被傳輸至各像素的浮置擴散部FD之電荷所相應的訊號，就會被處理。
又，如圖14(b)所示，在第1基板上亦可配置有：光二極體PD、第1重置電晶體RST1、第1全域開關電晶體GS1、累積二極體SD、傳輸電晶體TX、第2全域開關電晶體GS2。然後，在第2基板上亦可配置有：第2重置電晶體RST2、增幅電晶體AMP、選擇電晶體SEL、垂直訊號線VL、水平掃描部33、A/D轉換電路或CDS電路等。
(補充2)：上記第2構成例所說明之具備累積部之背面照射型攝像元件的構成，係亦可適用於與上記實施形態不同之像素配置的情況。例如，如圖15所示之正方格子狀地排列攝像像素與焦點偵測像素的攝像元件中，亦可將焦點偵測像素或攝像像素之構成設計成如第2構成例(例如圖9)。
(補充3)：在上記的構成例中，說明了各像 素的微透鏡MLN的光軸中心是與遮光部MS和開口部(光電轉換部)之交界一致的情形。可是，在本發明中，相對於遮光部MS與開口部(光電轉換部)之交界，只要含第1像素至第6像素之各像素的微透鏡MLN的光軸中心是位於光電轉換部側即可。例如，亦可使微透鏡MLN的光軸中心位於將開口部的重心。
(補充4)：於上記的第2構成例中，位於半導體基板SUB之第1面的p型之半導體層34亦可省略。
(補充5)：上記攝像元件的構成例係僅為本發明之一例。例如，於本發明之攝像元件中，亦可將第1重置電晶體RST1、第2全域開關電晶體GS2從像素PX中省略。
(補充6)：在上記的實施形態中，作為攝像單元之一例，說明了在相機本體3裝著替換鏡頭2的數位相機1，但例如，對於鏡頭一體型之數位相機，也能適用本發明。又，本發明的攝像單元，係例如，亦可被實裝在具有相機模組的電子機器(例如，智慧型手機、行動電話、平板型電腦等)。
(補充7)：在上記的實施形態中，雖然說明了在攝像元件12中使用原色系(RGB)之彩色濾光片的情形，但亦可使用補色系(CMY)的彩色濾光片。
由以上詳細說明，應該可以理解實施形態的特徵點及優點。其意圖在於，申請專利範圍，係在不脫離其精神及權利範圍的範圍內，涵蓋前述之實施形態的特徵 點及優點。又，只要是該當技術領域中具有通常知識者，就可容易想要各種改良及變更，因此並沒有意圖把具有發明性之實施形態之範圍限定成前述者，亦可涵蓋被實施形態所揭露之範圍所包含的適當之改良物及均等物。

Claims (12)

  1. 一種攝像元件，其特徵為，具備：光電轉換部，係為具有讓光入射的第1面和與前記第1面相反側的第2面的同一導電型之半導體基板，於前記半導體基板中，具有：被配置在前記第1面側的第1半導體領域、和被形成在比前記第1半導體領域還靠近前記第2面側，雜質濃度高於前記第1半導體領域的第2半導體領域；和傳輸閘極部，係相對於前記第1面而被配置在前記第2面側，將已被前記光電轉換部所轉換之電荷，予以傳輸；和光學元件，係將來自光學系的光予以聚光；和構件，其係具有：讓來自前記光學系的光通過的開口部、和將來自前記光學系的光予以遮光的遮光部；和累積部，係將從前記傳輸閘極所被傳輸的前記光電轉換部之電荷，予以累積；前記第1半導體領域係具有，雜質濃度是從前記第1面往前記第2半導體領域而變高的雜質濃度之梯度；前記遮光部、前記光電轉換部及前記累積部，係於前記光學元件的光軸方向上，按照前記遮光部、前記光電轉換部及前記累積部之順序而被配置。
  2. 如請求項1所記載之攝像元件，其中，前記遮光部、前記第1半導體領域及前記累積部，係於前記光學元件的光軸方向上，按照前記遮光部、前記第1半導體領域及前記累積部之順序而被配置。
  3. 如請求項2所記載之攝像元件，其中，前記開口部、前記第1半導體領域及前記第2半導體領域，係於前記光軸方向上，按照前記開口部、前記第1半導體領域及前記第2半導體領域之順序而被配置。
  4. 如請求項1至請求項3之任一項所記載之攝像元件，其中，前記累積部，係以和前記光電轉換部相同之導電型之半導體所形成，且雜質濃度高於前記第2半導體領域的雜質濃度。
  5. 如請求項4所記載之攝像元件，其中，還具備：遮蔽部，係以和前記光電轉換部之導電型不同導電型之半導體所形成，用來遮蔽前記光電轉換部之電荷往前記累積部之進入。
  6. 如請求項1至請求項3之任一項所記載之攝像元件，其中，還具備：第1半導體部，係以和前記光電轉換部之導電型不同導電型之半導體所形成，且被形成在前記第1面上。
  7. 如請求項1至請求項3之任一項所記載之攝像元件，其中，還具備：第2半導體部，係以和前記光電轉換部之導電型不同導電型之半導體所形成，且被形成在前記第2面上。
  8. 如請求項1至請求項3之任一項所記載之攝像元件，其中，具有第1像素、和與前記第1像素相鄰之第2像素；前記第1像素及前記第2像素係分別含有：前記光電轉換部和前記累積部；還具備：分離部，係將前記第1像素之前記光電轉換部與前記第2像素之前記光電轉換部予以分離。
  9. 如請求項8所記載之攝像元件，其中，前記分離部，係具有：以和前記光電轉換部之導電型不同導電型而被形成之半導體。
  10. 如請求項8所記載之攝像元件，其中，前記分離部係具有溝渠。
  11. 一種攝像單元，其特徵為，具備：紅外線截斷濾光片；和如請求項1至請求項10之任一項所記載之攝像元件；通過前記紅外線截斷濾光片的光係入射至前記攝像元件。
  12. 如請求項11所記載之攝像單元，其中，前記光軸方向上的前記光電轉換部之厚度係為3μm以上。
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