本発明は撮像装置、撮像システム、移動体、および、撮像装置の製造方法に関する。

特許文献1、および、特許文献2には、光電変換部と、光電変換部から電荷が転送される電荷保持部と、電荷保持部から電荷が転送されるフローティングディフュージョン部を含む複数の画素を備えた撮像装置が開示されている。これらの撮像装置は電荷の蓄積を全ての画素に対して同時に行うシャッタ動作、いわゆる、グローバル電子シャッタ動作を実現することができる。

WO2011/043432号公報

特表2008−511176号公報

特許文献1は、光電変換部から電荷保持部への転送構造について検討している。しかし、電荷保持部からフローティングディフュージョン部への転送構造、ならびに、そこで生じる暗電流などのノイズは、検討されていない。例えば、特許文献1の図2が示すように、電荷保持部とフローティングディフージョン部とが、キャパシタ形成領域25によって接続されている。したがって、電荷保持部からフローティングディフュージョン部との間でパンチスルーが生じやすい。結果として、画素の飽和電荷量を増やすことが困難である。キャパシタ形成領域25の下にブロック層27が配されているが、両者の距離が離れているため、特許文献1のブロック層27ではパンチスルーを防止することが難しい。

特許文献2は、電荷保持部とフローティングディフュージョン部の間に配され、電荷に対するバリアを形成するP型ドープ領域152を開示している。特許文献2の図2Bが示すように、p型ドープ領域152が半導体基板の界面の近くに形成されている。そのため、電荷保持部からフローティングディフュージョン部への電荷を転送する際に、電荷の転送効率が低下する可能性がある。例えば、転送チャネルのポテンシャルが十分に下がらないため電荷の転送にかかる時間が長くなりうる。そうすると、転送中に電荷が再結合する可能性が高くなる。あるいは、転送トランジスタがオフした時に、転送チャネルに残っている電荷が電荷保持部に戻る可能性がある。結果として、特許文献2に記載の撮像装置においては、画質が低下しうるという課題がある。

これらの課題に鑑みて、本発明にかかるいくつかの実施形態は、画質を向上させることを目的とする。

1つの実施形態に係る撮像装置の製造方法は、第1導電型の光電変換部と、前記光電変換部から転送された電荷を保持する第1導電型の電荷保持部と、前記電荷保持部から転送された電荷を受ける第1導電型のフローティングディフュージョン部と、前記電荷保持部と前記フローティングディフュージョン部との間に、前記フローティングディフュージョン部と接するように配置された第2導電型のパンチスルー防止層と、を備える撮像装置の製造方法であって、第1の開口を有する第1のマスクを用いて、第1の注入エネルギーで、第1の不純物を半導体基板に注入することによって、前記パンチスルー防止層を形成する工程と、前記第1のマスクを用いて、前記第1の注入エネルギーより低い第2の注入エネルギーで、前記第1の不純物とは異なる導電型に対応する第2の不純物を前記半導体基板に注入する工程と、を含む。

別の実施形態に係る撮像装置は、第1導電型の光電変換部と、前記光電変換部から転送された電荷を保持する第1導電型の電荷保持部と、前記電荷保持部から転送された電荷を受ける第1導電型のフローティングディフュージョン部と、前記電荷保持部と前記フローティングディフュージョン部との間に、前記フローティングディフュージョン部と接するように配置された第2導電型のパンチスルー防止層と、前記パンチスルー防止層と半導体基板の表面との間に配置された第1導電型の転送補助層と、を備える。 ことを特徴とする。

いくつかの実施形態によれば、画質を向上させることができる。

撮像装置における画素の等価回路を示す図である。

撮像装置における画素の平面構造を模式的に示す図である。

撮像装置における画素の断面構造を模式的に示す図である。

撮像装置の形成方法を示すプロセスフロー図である。

撮像装置の形成方法を示すプロセスフロー図である。

撮像装置における画素の断面構造を模式的に示す図である。

撮像装置における画素の断面構造を模式的に示す図である。

撮像装置における画素の断面構造を模式的に示す図である。

撮像装置における画素の平面構造を模式的に示す図である。

撮像装置の形成方法を示すプロセスフロー図である。

撮像システムのブロック図である。

移動体のブロック図である。

以下、本発明に係る撮像装置の実施形態を詳細に説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一態様を例示的に示すものであって、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

[第1の実施形態] 本発明の第1の実施形態について、図1から図4を用いて説明する。同一の部材については各図で同様の符号を付している。なお、以下の実施例では電子を信号電荷とする場合について説明を行うが、正孔を信号電荷としても良く、その場合は各部の導電型がそれぞれ反対の導電型となる。

図1は、第1の実施形態に係る画素P1の回路構成を示す図である。画素P1は入射された光を電気信号に変換する素子である。複数の画素P1を行列状に配置することにより画素アレイが構成される。図1は3行3列分の画素P1の等価回路を示している。画素はシリコン(Si)等の半導体基板上に形成される。

画素P1は、光電変換部1、電荷保持部3、フローティングディフュージョン(以下、FD)部6、及び、オーバーフロードレイン(OFD)部を備える。画素はこれらの各部の接続/非接続の切替え又は信号増幅のための、第1の転送トランジスタ14、第2の転送トランジスタ15、選択トランジスタ18、リセットトランジスタ16、増幅トランジスタ17及びOFDトランジスタ19をさらに備える。各トランジスタはMOSFET等により構成される。例えば、各トランジスタは、ドレイン端子およびソース端子と、ドレイン端子−ソース端子間の導通を制御するゲート電極(ゲート端子)を有する。各画素の選択トランジスタ18は、出力線22に接続される。典型的には、1つの出力線22に1つの列に含まれる複数の画素が接続される。画素には、接地ノード21から接地電圧が供給される。また、電源ノード20から電源電圧が供給される。OFD部は電源ノード20に接続される。

光電変換部1は入射された光量に応じた信号電荷を発生する。電荷保持部3は、第1の転送トランジスタ14を介して光電変換部1に接続される。第1の転送トランジスタ14は、光電変換部1の電荷を電荷保持部3に転送する。電荷保持部3は、等価回路図において、接地容量またはダイオードとして表される。電荷保持部3は光電変換部1から転送された電荷を一時的に保持する。

FD部6は電荷保持部3から転送された電荷を電圧信号に変換する。FD部6は第2の転送トランジスタ15を介して電荷保持部3と接続される。第2の転送トランジスタ15は、電荷保持部3の電荷をFD部6に転送する。また、FD部6はリセットトランジスタ16のソース端子及び増幅トランジスタ17のゲート端子とも接続される。リセットトランジスタ16のドレイン端子には電源電圧が供給される。リセットトランジスタ16をオンにすることでFD部6の電圧は電源電圧にリセットされる。

増幅トランジスタは、ゲート端子の電圧に応じた信号を、出力線22に出力する。例えば、FD部6の電圧は電源電圧にリセットされた状態において、増幅トランジスタ17はリセット信号を出力する。また、第2の転送トランジスタ15がオンになり電荷保持部3からFD部6に電荷が転送された後には、転送された電荷量に対応した画素信号が増幅トランジスタ17のソース端子に出力される。

増幅トランジスタ17のソース端子は選択トランジスタ18のドレイン端子に接続される。選択トランジスタ18のソース端子は出力線22に接続される。選択トランジスタ18がオンになると、リセット信号又は画素信号が出力線22に出力される。このようにして、画素からの信号の読み出しが行われる。

光電変換部1には、OFDトランジスタ19を介してOFD部が接続される。OFDトランジスタ19がオンになると、光電変換部1に蓄積されている電荷はOFD部に排出される。

ここで、本実施形態の撮像装置が行うグローバル電子シャッタ動作を簡単に説明する。光電変換部1で光電変換された信号電荷は光電変換部1に蓄積される。その後、第1の転送トランジスタ14がオンすることで、信号電荷が電荷保持部3へ転送される。電荷保持部3を持たない撮像装置においては、複数行の信号電荷を読み出すために転送トランジスタの駆動を行順次で行う。これに対して、本実施形態の撮像装置は電荷保持部3を有するため、全行の光電変換部1の信号電荷を同時に電荷保持部3へと転送することができる。この時、光電変換部1は空の状態、すなわち初期状態となるため、次の露光が開始される。従って全画素で同時に露光開始と露光終了を制御するグローバル電子シャッタ動作を行うことができる。電荷保持部3からFD部6への信号電荷の読み出しは、第2の転送トランジスタ15を行順次で駆動させることで行われる。FD部6以降の信号の読み出しは公知の方法と同様であり、詳細な説明は割愛する。

以上の動作により、各画素から順次電荷を読み出すために生じる露光タイミングのずれが抑制され、画像の歪みが低減される。なお、全画素に対し同時にOFD部へ電荷を排出し、その後、蓄積された電荷を電荷保持部3に転送することにより、グローバル電子シャッタ動作を実現してもよい。また、グローバル電子シャッタ動作は、本実施形態の撮像装置に適用可能な駆動方法の一つの例である。本実施形態の撮像装置は、ローリングシャッタ動作だけを行ってもよい。

図2は、本発明の第1の実施形態に係る画素の平面構造を模式的に示す図である。図2は光電変換部1などが配される半導体基板(単に基板とも呼ぶ)の表面についての平面視である。半導体基板の表面は、例えば、シリコンなどの半導体材料と絶縁体材料との接する面である。図3は、図2の点Aから点Bに沿った断面構造を模式的に示す図である。図1の回路と対応する部分には同一の符号が付されており、既に説明した構成及び機能については説明を省略することもある。図面を簡略化するため、トランジスタに関しては、各トランジスタのゲート電極(ゲート端子)にのみ符号を付している。

図2には、光電変換部1、電荷保持部3、FD部6、電源ノード20を構成する半導体領域、および、出力線22に接続される半導体領域が示されている。また、第1の転送トランジスタ14を構成する第1の転送ゲート電極TX1、および、第2の転送トランジスタ15(選択トランジスタを構成する第2の転送ゲート電極TX2が示されている。さらに、図2には、リセットトランジスタ16を構成するゲート電極RES、増幅トランジスタ17を構成するゲート電極SFG、選択トランジスタ18を構成するゲート電極SEL、並びに、OFDトランジスタ19を構成するゲート電極OFDが示されている。各ゲートの両端にある半導体領域は、それぞれ、対応するトランジスタのソース領域およびドレイン領域である。図2の黒丸は、半導体領域またはゲート電極へのコンタクトを表す。図2は、遮光層11の平面構造を示している。

続いて、図3の断面構造を説明する。光電変換部1はn型の半導体領域で形成される。光電変換部1に入射した光は、電子に光電変換される。ここで光電変換部1の基板表面側には、反対導電型であるp型の表面保護層2が形成されている。光電変換部1と表面保護層2がpn接合を形成している。すなわち、光電変換部1と表面保護層2とにより、埋め込みダイオードが構成される。このような構成により、半導体基板の表面で生じるノイズを抑制することができる。

光電変換部1の深部1Aは、光電変換部1よりも低い不純物濃度のn型の半導体領域である。深部1Aにより、半導体基板の深い位置で生じた電子を光電変換部1へ収集することができる。なお、光電変換部1の深部1Aはp型の半導体領域に変更されうる。

光電変換部1の深部1Aの下には、埋め込み層9と半導体基板の基部7が配される。埋め込み層9はp型の半導体領域である。基部7はn型の半導体領域である。埋め込み層9は基部7の電荷に対するポテンシャルバリアを形成する。このような構成によれば、基部7の電荷が、光電変換部1や電荷保持部3に混入することを防止あるいは抑制することができる。

電荷保持部3について説明する。電荷保持部3はn型の半導体領域により形成されている。電荷保持部3の基板表面側には反対導電型であるp型の表面保護層4が形成されている。電荷保持部3と表面保護層4とがpn接合を形成している。先に説明した光電変換部1と同様に、電荷保持部3と表面保護層4とにより埋め込みダイオードが構成される。電荷保持部3に埋め込みダイオードの構成を適用することにより、半導体基板の表面で生じるノイズを抑制することができる。

電荷保持部3の下にはp型の半導体領域である空乏化抑制部5が形成されている。空乏化抑制部5は、空乏化抑制部5よりも深くにある電荷が電荷保持部3に混入することを防止あるいは抑制する効果を有する。また、電荷保持部3と空乏化抑制部5とでpn接合を形成し、pn接合部Xjの一部を構成する。空乏化抑制部5は、電荷保持部3を完全空乏状態にすることにより電荷を転送するために、印加すべき電圧を低下させる効果がある。

半導体基板にはウェル8が形成される。ウェル8はp型の半導体領域である。電荷保持部3、表面保護層4ならびに空乏化抑制部5は、ウェル8の内部に形成されていてもよい。ウェル8は互いに異なる注入エネルギーの複数の不純物注入により形成される。ウェル8の空乏化抑制部5よりも下の部分の不純物濃度を、空乏化抑制部5の不純物濃度よりも低くすることで、電荷保持部3への不要電荷の混入を防止する効果を高めることができる。

半導体基板の上には、少なくとも電荷保持部3を覆う遮光層11が形成されている。遮光層11は、電荷保持部3へ向かう光を遮り、電荷保持部3での不要電荷の発生を防止する。遮光層11は、一般に、タングステン、アルミニウムなど可視光に対して遮光効果のある金属を使用する。なお、遮光層11に用いられる材料は、上記の材料に限定されない。遮光層11は、半導体基板の上に配された第1の転送ゲート電極TX1および第2の転送ゲート電極TX2を覆っていてもよい。さらに、図2および図3が示すように、遮光層11は、光電変換部1の一部、および、FD部6の一部を覆ってもよい。

素子分離領域10は、STIやLOCOSなどの絶縁体を用いた分離構造である。素子分離領域10により、画素の素子が互いに電気的に分離される。また、素子分離領域10は、光電変換部1や電荷保持部3が配される活性領域を規定している。

本実施形態の撮像装置は、FD部6、パンチスルー防止層31、転送補助層32を備えている。FD部6はn型の半導体領域である。FD部6には、光電変換部1で生じた信号電荷が転送される。FD部6は増幅トランジスタ17のゲート電極SFGに接続される。信号電荷はFD部6において電荷電圧変換される。

パンチスルー防止層31はp型の半導体領域である。パンチスルー防止層31は、電荷保持部3とFD部6の間に、FD部6と接するように配置される。このような配置により、パンチスルー防止層31は電荷保持部3からFD部6へ電荷が漏れ出すことを防止、あるいは、抑制することができる。結果として、パンチスルー防止層31により、飽和電荷量が低下するのを低減することができる。飽和電荷量を増大させるために、電荷保持部3の不純物濃度を高くした場合は、パンチスルー防止層31を設けることによる電荷の漏れ出しの抑制の効果がより顕著となる。

パンチスルー防止層31は、ウェル8よりも高い不純物濃度であることが好ましい。それにより、電荷の漏れ出しをより効果的に低減することができる。また、パンチスルー防止層31は、空乏化抑制部5よりも浅い位置の配されることが望ましい。これにより、電荷の漏れ出しをより効果的に低減することができる。本実施形態では、パンチスルー防止層31は、空乏化抑制部5から離間している。これにより、電荷転送特性の低下を抑制することができる。なお、後述する通り、パンチスルー防止層31は、空乏化抑制部5と接していてもよい。

転送補助層32はパンチスルー防止層31の上に形成される。換言すると、パンチスルー防止層31と半導体領域の表面との間に、転送補助層32が形成される。転送補助層32はn型の半導体領域である。転送補助層32は、パンチスルー防止層31を形成することで生じるポテンシャル障壁を低下させるために形成される。結果として、電荷保持部3からFD部6への電荷転送を容易にすることが可能となる。また、転送補助層32を設けることで、第2の転送トランジスタ15が埋め込みチャネルを形成することができる。埋め込みチャネルを形成することにより、第2の転送ゲート電極TX2の下のゲート酸化膜界面等で生じる欠陥の影響を低減することができ、結果として、ノイズの発生を抑制することができる。

グローバル電子シャッタ動作を行うとき、電荷保持部3からFD部6への信号電荷の読み出しは行順次で行われるため、電荷保持部3に信号電荷が保持されている時間が行ごとに異なる。保持時間が長い画素では、電荷保持部3の基板表面、電荷の転送チャネルなどで生じる暗電流ノイズの影響により、ノイズの影響をより大きく受ける可能性がある。すなわち行によって暗電流によりノイズの量が異なる可能性がある。転送補助層32は基板の表面の近くに形成されるため、暗電流の発生要因となりうる。したがって、転送補助層32で生じる暗電流によるノイズを低減するため、転送補助層32が第2の転送ゲート電極TX2の下の領域の中でFD部6側に偏在してもよい。換言すると、電荷保持部3と転送補助層32とが離間して形成される。このような構成により、生じた暗電流が電荷保持部3に入る確率を低減することができる。なお、光電変換部1においては、全画素同時の制御となるため、画面内でのノイズの影響が異なることとはならない。

さらに、図3を用いて本実施形態による追加の効果について説明する。上述の通り、電荷保持部3に信号電荷が保持されているときに、別のフレームの信号電荷が電荷保持部3に混入することは望ましくない。別フレームの露光期間に光が電荷保持部3に進入することを防止するために、上述の遮光層11が設けられている。しかしながら、遮光層11は半導体基板やゲート電極とのコンタクトの形成される位置に開口を有する。その開口部から入射した寄生光PLが、ゲート電極などを伝搬し、そして、電荷保持部3の近傍に到達しうる。そこで、本実施形態の構成のように、転送補助層32は、第2の転送ゲート電極TX2の下の領域の中でFD部6側に偏在させることが好ましい。伝搬してきた寄生光PLにより第2の転送ゲート電極TX2の下で生じた電荷が電荷保持部3へ到達するのを抑制することができる。結果として、ノイズを低減することができる。

パンチスルー防止層31と転送補助層32とはpn接合を形成しており、pn接合部Xjの一部を構成する。さらにはFD部6とウェル8ならびにパンチスルー防止層31とがそれぞれpn接合を形成しており、pn接合部Xjの一部を構成する。先述した電荷保持部3のpn接合を含め、pn接合部Xjが図3の点線で示された位置に形成されている。第2の転送ゲート電極TX2の下において、pn接合部Xjはゲート酸化膜との界面(半導体領域の表面)から離れて形成される。このような構成により、ポテンシャル障壁が形成されて電荷転送が困難になることを抑制し、電荷転送にかかる時間を短縮することができる。

次に、本実施形態における撮像装置の形成方法を図4および図5のプロセスフロー図を用いて説明する。図4(a)に示す通り、はじめに基部7を含む半導体基板を準備する。半導体基板に不純物がドープされることで、上述の各種の半導体領域が形成される。最終的に他の不純物がドープされなかった領域が、基部7として残る。そのため、不純物がドープされる前の図4(a)のステップでは、半導体基板の全体を便宜的に基部7としている。図4(a)の工程では、フォトマスクなどを用いて、素子分離領域10を所望の位置に形成する。

つづいて、図4(b)に示す工程で、埋め込み層9およびウェル8を形成する。埋め込み層9およびウェル8は、フォトマスクなどを用いた不純物注入により形成される。これらのp型の半導体領域の形成には、ボロンなどのアクセプタとなる不純物が用いられる。

次に、図4(c)に示す工程で、光電変換部1、光電変換部1の深部1A、電荷保持部3、および、空乏化抑制部5を形成する。これらの半導体領域は、フォトマスクなどを用いた不純物注入により形成される。n型の半導体領域の形成には、砒素やリンなどのドナーとなる不純物が用いられる。一方、p型の半導体領域の形成には、ボロンなどのアクセプタとなる不純物が用いられる。ここで、本実施形態では、電荷保持部3と空乏化抑制部5とを同一のフォトマスクで形成する。この方法により、電荷保持部3と空乏化抑制部5との位置がずれることでポテンシャル障壁が形成される可能性を小さくすることができる。結果として、転送効率を向上させることができる。

次に、図5(a)に示す工程では、パンチスルー防止層31、および、転送補助層32を形成する。これらの領域は、フォトマスクなどを用いた不純物注入により形成される。パンチスルー防止層31の形成には、ボロンなどのアクセプタとなる不純物が用いられる。転送補助層32の形成には、砒素やリンなどのドナーとなる不純物が用いられる。

ここで、本実施形態では、パンチスルー防止層31と転送補助層32とを同一のフォトマスクで形成している。具体的には、第1の注入エネルギーで不純物注入を行うことにより、パンチスルー防止層31を形成し、第1の注入エネルギーより低いエネルギーで不純物注入を行うことにより、転送補助層32を形成する。この方法により、パンチスルー防止層31を形成したことによる電荷転送特性の低下を抑制することができる。

電荷転送特性の向上の効果について説明する。パンチスルー防止層31を形成するときに、p型の半導体領域を形成するための不純物が転送チャネルの形成される領域にドープされうる。この不純物により、転送チャネルにポテンシャルバリアが生じる、あるいは、転送チャネルのポテンシャルが下がりにくくなるといった課題が生じることを、本発明者らは見出した。このような課題に対して、反対導電型の半導体領域を形成するための不純物をカウンタードーピングすることで、転送特性を維持することができるのである。パンチスルー防止層31と転送補助層32とを同一のマスクで形成することで、意図せず注入された不純物を含む領域に正確にカウンタードーピングを行うことができる。したがって、パンチスルー防止の機能の低下を抑制しつつ、転送特性を向上させることができる。

図3に示されるように、本実施形態では、転送補助層32がn型の半導体領域で形成されている。したがって、本実施形態の製造方法の図5(a)の工程においては、n型の半導体領域を形成するのに十分なドーズの不純物がドープされる。しかし、n型の半導体領域が形成されなくても、上述のカウンタードーピングを行うだけで転送特性向上の効果を得ることができる。つまり、カウンタードーピングが行われれば、転送補助層32は、p型の半導体領域で形成されていてもよい。

図10を用いて、電荷保持部3を形成する工程で用いられるマスクと、パンチスルー防止層31および転送補助層32を形成する工程で用いられるマスクとの位置の関係を説明する。図10は、図4(c)および図5(a)に示された断面構造を上下に並べて示している。

図10は、電荷保持部3を形成する工程で用いられるマスク50と、パンチスルー防止層31および転送補助層32を形成する工程で用いられるマスク51を示している。それぞれのマスクに開口が設けられている。開口を通じて、半導体基板に不純物が注入される。ここで、マスク50の開口と、マスク51の開口とは距離dだけ離間している。図10に示された位置関係を持つマスク50およびマスク51を用いることで、ノイズを低減することができる。

先述の通り、転送補助層32は基板の表面の近くに形成されるため、暗電流の発生要因となりうる。そのため、転送補助層32が第2の転送ゲート電極TX2の下の領域の中でFD部6側に偏在することが好ましい。図10に示された2つのマスク50、51を用いることで、偏在した転送補助層32を形成することができる。

なお、マスク50の開口とマスク51の開口とが離間している場合であっても、電荷保持部3から転送補助層32までn型の半導体領域が連続することもある。これは、不純物が注入される領域がマスクの開口と厳密に一致するわけではないことと、アニール工程で不純物が拡散することとによる。しかし、2つのマスク50、51の開口が離間していることで、電荷保持部3と転送補助層32との導通の程度が緩和されるため、ノイズ低減の効果を十分に得ることができる。

次の工程を説明する。図5(b)に示す工程では、第1の転送ゲート電極TX1、第2の転送ゲート電極TX2、光電変換部1の表面保護層2、電荷保持部3の表面保護層4、および、FD部6を形成する。そして、図5(c)に示す工程では、遮光層11、および、コンタクト12を形成する。その後は配線構造、カラーフィルタ、マイクロレンズ、導波路などを適宜形成する。

本実施形態に示した撮像装置の構成、および、形成方法によれば、転送特性の向上、および、パンチスルーの抑制を両立させることが可能である。結果として、より高画質の撮像装置を形成することができる。

[第2の実施形態] 第2の実施形態について説明する。パンチスルー防止層31と転送補助層32が電荷保持部3に接するように配置されているという点で、本実施形態の撮像装置は第1の実施形態と異なる。以下では、第1の実施形態との相違点を主に説明する。第1の実施形態と同じ部分については、説明を省略する。

本実施形態の回路構成、パンチスルー防止層31と転送補助層32を除く素子の平面構造は、第1の実施形態と同じである。すなわち、図1および図2は、それぞれ、本実施形態に係る画素の回路構成、および、本実施形態に係る画素の平面構造を模式的に示す。

図6は、図2の点Aから点Bに沿った断面構造を模式的に示す図である。図1から図5に示された要素と同じ部分には、同一の符号が付されている。

図6が示す通り、パンチスルー防止層31と転送補助層32が電荷保持部3に接するように配置されている。このような構成によれば、電荷の転送を効率よく行うことができる。電荷保持部3からFD部6への電荷転送を行うため第2の転送ゲート電極TX2にオン電圧を印加した時に、第2の転送ゲート電極TX2の下の領域の大部分において、ポテンシャルを低下させることができる。結果として、転送を容易に行うことが可能となる。あるいは、転送を容易に行えることから、パンチスルー防止層31と転送補助層32が延在していない場合と比較して、第2の転送ゲート電極TX2へ印加するオン電圧を低下させることができる。結果として、消費電力を低減させることが可能である。

[第3の実施形態] 第3の実施形態について説明する。第1の転送ゲート電極TX1の下に第2のパンチスルー防止層33と第2の転送補助層34が配されているという点で、本実施形態の撮像装置は第1の実施形態および第2の実施形態と異なる。以下では、第1の実施形態および第2の実施形態との相違点を主に説明する。第1の実施形態または第2の実施形態と同じ部分については、説明を省略する。

本実施形態の回路構成、第2のパンチスルー防止層33と第2の転送補助層34を除く素子の平面構造は、第1の実施形態と同じである。すなわち、図1および図2は、それぞれ、本実施形態に係る画素の回路構成、および、本実施形態に係る画素の平面構造を模式的に示す。

図7は、図2の点Aから点Bに沿った断面構造を模式的に示す図である。図1から図5に示された要素と同じ部分には、同一の符号が付されている。

第1の転送ゲート電極TX1の下に、第2のパンチスルー防止層33と第2の転送補助層34とが形成されている。第2のパンチスルー防止層33は、p型の半導体領域である。第2のパンチスルー防止層33は、光電変換部1と電荷保持部3との間に、電荷保持部3と接するように配置される。このような配置により、第2のパンチスルー防止層33は光電変換部1から電荷保持部3へ電荷が漏れ出すことを防止、あるいは、抑制することができる。

第2の転送補助層34は第2のパンチスルー防止層33の上に形成される。換言すると、第2のパンチスルー防止層33と半導体領域の表面との間に、第2の転送補助層34が形成される。第2の転送補助層34はn型の半導体領域である。第2の転送補助層34は、第2のパンチスルー防止層33を形成することで生じるポテンシャル障壁を低下させるために形成される。結果として、光電変換部1から電荷保持部3への電荷の転送を容易に行うことができる。また、第2の転送補助層34が無い場合と比較して、第1の転送トランジスタ14をオンにするために第1の転送ゲート電極TX1へ印加するオン電圧を低下させることが可能である。結果、消費電力を低減させることができる。

本実施形態の撮像装置の製造方法について説明する。図5(a)の工程において、パンチスルー防止層31と第2のパンチスルー防止層33とを同時に形成してもよい。図10に示されたマスク51に、光電変換部1と電荷保持部3との間の領域に対応した開口が設けられる。2つの開口を持つマスク51を使って不純物注入を行うことにより、パンチスルー防止層31と第2のパンチスルー防止層33とを同時に形成することができる。

第2の転送補助層34は、第2のパンチスルー防止層33を形成するために用いられるマスクと同じマスクによる不純物注入で形成される。これにより、第2のパンチスルー防止層33と第2の転送補助層34との間にアライメントずれが生じることを防止することができる。また、転送補助層32と第2の転送補助層34とを同時に形成してもよい。

なお、形成方法に関しては上記に制限されるものではなく、本実施形態の適用の範囲で適宜変更が可能である。

第2のパンチスルー防止層33と第2の転送補助層34とはpn接合を形成している。両者の成すpn接合は、pn接合部Xjの一部を構成する。図7が示すように、第1の転送ゲート電極TX1の下の領域において、pn接合部Xjはゲート酸化膜との界面(半導体領域の表面)から離れて形成される。このような構成により、ポテンシャル障壁が形成されて電荷転送が困難になることを抑制し、電荷転送にかかる時間を短縮することができる。

本実施形態に示した構成、形成方法をとることにより、第1の転送トランジスタ14および第2の転送トランジスタ15の両方に対して、転送効率の向上と、パンチスルーの抑制とを両立させることができる。

[第4の実施形態] 第4の実施形態について説明する。電荷の転送方向において第2の転送ゲート電極TX2の長さ(ゲート長)が、第1の転送ゲート電極TX1の長さ(ゲート長)よりも短いという点で、本実施形態の撮像装置は第1乃至第3の実施形態と異なる。以下では、第1乃至第3の実施形態との相違点を主に説明する。第1乃至第3の実施形態のいずれかと同じ部分については、説明を省略する。

本実施形態の回路構成、第1の転送ゲート電極TX1、および、第2の転送ゲート電極TX2を除く素子の平面構造は、第1の実施形態と同じである。すなわち、図1および図2は、それぞれ、本実施形態に係る画素の回路構成、および、本実施形態に係る画素の平面構造を模式的に示す。

図8は、図2の点Aから点Bに沿った断面構造を模式的に示す図である。図1から図5に示された要素と同じ部分には、同一の符号が付されている。

図8が示すように、第2の転送ゲート電極TX2のゲート長が、第1の転送ゲート電極TX1よりも短い。ゲート長は、典型的には、電荷の転送方向に沿った断面における半導体基板の表面と平行な方向の長さである。図2に示されるように、転送ゲート電極の平面形状が、互いに並行である光電変換部1の側の第1の辺と電荷保持部3の側の第2の辺とを有する場合、当該2つの辺の間隔をゲート長としてもよい。

本実施形態の構成により、電荷保持部3からFD部6への電荷の転送にかかる時間を短縮することができる。第2の転送ゲート電極TX2のゲート長が短いため、電荷保持部3の電荷は低いポテンシャルを持つFD部6に速やかに転送される。第2の転送ゲート電極TX2を含む第2の転送トランジスタ15は行順次で駆動される。換言すると、電荷保持部3からFD部6への電荷の転送は、行ごとに順次行われる。そのため、第2の転送トランジスタ15による電荷転送にかかる時間を短縮することで、1フレームの信号を読み出す時間を大幅に短縮できる。結果として、フレームレートを向上させることが可能となる。

[第5の実施形態] 第5の実施形態を説明する。本実施形態の撮像装置は、第1乃至第4の実施形態の撮像装置とは異なる平面構造を有する。以下では、第1乃至第4の実施形態との相違点を主に説明する。第1乃至第4の実施形態のいずれかと同じ部分については、説明を省略する。

図9は、本実施形態に係る画素P1の平面構造を模式的に示す図である。図1から図8に示された要素と同じ部分には、同一の符号が付されている。

光電変換部1と電荷保持部3とは対向して配置されている。光電変換部1と電荷保持部3との間には第1の転送トランジスタ14の第1の転送ゲート電極TX1が形成されている。OFD部(電源ノード20)は光電変換部1に対向して配置される。光電変換部1とOFD部4との間にはOFDトランジスタ19のゲート電極OFGが形成されている。FD部6は電荷保持部3に対して光電変換部1と同じ側に配置される。電荷保持部3とFD部6との間には第2の転送トランジスタ15の第2の転送ゲート電極TX2が形成されている。なお、転送ゲート電極TX1、TX2において、転送方向に平行な方向の長さをゲート長、転送方向に垂直な方向の長さをゲート幅とする。画素トランジスタ領域90には、リセットトランジスタ16、増幅トランジスタ17、選択トランジスタ18等が配置される。

電荷保持部3の一方の側に、光電変換部1とFD部6とが配される。そのため、第1の転送ゲート電極TX1における転送方向と、第2の転送ゲート電極TX2における転送方向とは逆向きである。また、第1の転送ゲート電極TX1の下の転送チャネルと、第2の転送ゲート電極TX2の下の転送チャネルとは、互いに並行に形成される。このような平面構造により、電荷保持部3の面積を大きくすることができる。結果として、画素の飽和電荷量を向上させることができる。

本実施形態の画素の断面構造は、第1乃至第4の実施形態の構造を適用できる。すなわち、図9の点Aから点Bへの点線に沿った断面構造が、図3、図6、図7、および、図8に示される。

[第6の実施形態] 図11は、本発明の第6の実施形態に係る撮像システムの構成を示す図である。撮像システム800は、光学部810、撮像装置820、映像信号処理部830、記録・通信部840、タイミング制御部850、システム制御部860、及び再生・表示部870を備える。撮像装置820には、第1乃至第5の実施形態として前述した撮像装置が用いられる。

レンズ等の光学系である光学部810は、被写体からの光を撮像装置820の、複数の画素が2次元状に配列された画素アレイに結像させ、被写体の像を形成する。撮像装置820は、タイミング制御部850からの信号に基づくタイミングで、画素に結像された光に応じた信号を出力する。撮像装置820から出力された信号は、映像信号処理部830に入力される。映像信号処理部830は、プログラム等によって定められた方法に従って、入力された信号の処理を行う。映像信号処理部830での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部840に送られる。記録・通信部840は、画像を形成するための信号を再生・表示部870に送り、再生・表示部870に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部840は、また、映像信号処理部830からの信号を受けて、システム制御部860と通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。

システム制御部860は、撮像システム800の動作を統括的に制御するものであり、光学部810、タイミング制御部850、記録・通信部840、及び再生・表示部870の駆動を制御する。また、システム制御部860は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システム800の動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、システム制御部860は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム800内に供給する。具体的には、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等の切り替えを行うための信号が供給される。タイミング制御部850は、システム制御部860による制御に基づいて撮像装置820及び映像信号処理部830の駆動タイミングを制御する。

第1乃至第6の実施形態に係る撮像装置820を搭載することにより、第1乃至第5の実施形態と同様の効果を撮像システム800において得ることができる。

[第7の実施形態] 移動体の実施形態について説明する。本実施形態の移動体は、車載カメラを備えた自動車である。図12(a)は、自動車2100の外観と主な内部構造を模式的に示している。自動車2100は、撮像装置2102、撮像システム用集積回路(ASIC:Application Specific Integrated Circuit)2103、警報装置2112、主制御部2113を備える。

撮像装置2102には、上述の各実施例で説明した撮像装置が用いられる。警報装置2112は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどから異常を示す信号を受けたときに、運転手へ向けて警告を行う。主制御部2113は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどの動作を統括的に制御する。なお、自動車2100が主制御部2113を備えていなくてもよい。この場合、撮像システム、車両センサ、制御ユニットが個別に通信インターフェースを有して、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う(例えばCAN規格)。

図12(b)は、自動車2100のシステム構成を示すブロック図である。自動車2100は、第1の撮像装置2102と第2の撮像装置2102を含む。つまり、本実施例の車載カメラはステレオカメラである。撮像装置2102には、光学部2114により被写体像が結像される。撮像装置2102から出力された画素信号は、画像前処理部2115によって処理され、そして、撮像システム用集積回路2103に伝達される。画像前処理部2115は、S−N演算や、同期信号付加などの処理を行う。

撮像システム用集積回路2103は、画像処理部2104、メモリ2105、光学測距部2106、視差演算部2107、物体認知部2108、異常検出部2109、および、外部インターフェース(I/F)部2116を備える。画像処理部2104は、画素信号を処理して画像信号を生成する。また、画像処理部2104は、画像信号の補正や異常画素の補完を行う。メモリ2105は、画像信号を一時的に保持する。また、メモリ2105は、既知の撮像装置2102の異常画素の位置を記憶していてもよい。光学測距部2106は、画像信号を用いて被写体の合焦または測距を行う。視差演算部2107は、視差画像の被写体照合(ステレオマッチング)を行う。物体認知部2108は、画像信号を解析して、自動車、人物、標識、道路などの被写体の認知を行う。異常検出部2109は、撮像装置2102の故障、あるいは、誤動作を検知する。異常検出部2109は、故障や誤動作を検知した場合には、主制御部2113へ異常を検知したことを示す信号を送る。外部I/F部2116は、撮像システム用集積回路2103の各部と、主制御部2113あるいは種々の制御ユニット等との間での情報の授受を仲介する。

自動車2100は、車両情報取得部2110および運転支援部2111を含む。車両情報取得部2110は、速度・加速度センサ、角速度センサ、舵角センサ、測距レーダ、圧力センサなどの車両センサを含む。

運転支援部2111は、衝突判定部を含む。衝突判定部は、光学測距部2106、視差演算部2107、物体認知部2108からの情報に基づいて、物体との衝突可能性があるか否かを判定する。光学測距部2106や視差演算部2107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。

運転支援部2111が他の物体と衝突しないように自動車2100を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。

自動車2100は、さらに、エアバッグ、アクセル、ブレーキ、ステアリング、トランスミッション等の走行に用いられる駆動部を具備する。また、自動車2100は、それらの制御ユニットを含む。制御ユニットは、主制御部2113の制御信号に基づいて、対応する駆動部を制御する。

本実施例に用いられた撮像システムは、自動車に限らず、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。

以上に説明した通り、自動車の実施例において、撮像装置2102には、第1乃至第5の実施形態のいずれかの撮像装置が用いられる。このような構成によれば、第1乃至第5の実施形態と同様の効果を得ることができる。

1 光電変換部 3 電荷保持部 6 フローティングディフュージョン部 14 第1の転送トランジスタ 15 第2の転送トランジスタ 31 パンチスルー防止層 32 転送補助層