JP6650909B2 - 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 - Google Patents

Description

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

Claims (15)

1. 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、
   ことを特徴とする撮像装置の製造方法。
2. 第２の開口を有する第２のマスクを用いて前記半導体基板に不純物を注入することによって、前記電荷保持部を形成する工程をさらに含み、
   前記第１の開口のある位置と前記第２の開口のある位置とが離間している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置の製造方法。
3. 前記第２の不純物を前記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と前記半導体基板の表面との間に第１導電型の転送補助層が形成され、
   前記電荷保持部から前記転送補助層まで第１導電型の半導体領域が連続する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置の製造方法。
4. 前記パンチスルー防止層を形成する工程および前記第２の不純物を前記半導体基板に注入する工程の後に、前記電荷保持部から前記フローティングディフュージョン部へ電荷を転送するための転送トランジスタの転送ゲート電極を形成する工程を含み、
   前記パンチスルー防止層は、前記転送ゲート電極の下に形成される、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の撮像装置の製造方法。
5. 前記光電変換部と前記電荷保持部との間に、前記電荷保持部と接するように配置された第２導電型の第２のパンチスルー防止層を形成する工程を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の撮像装置の製造方法。
6. 前記第１のマスクは第３の開口を有し、
   前記第３の開口を介して前記半導体基板に不純物を注入することにより、前記第２のパンチスルー防止層を形成する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の撮像装置の製造方法。
7. 前記電荷保持部の下に第２導電型の空乏化抑制部を形成する工程を含み、
   前記パンチスルー防止層は、前記空乏化抑制部よりも、前記半導体基板の表面の近くに形成される、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の撮像装置の製造方法。
8. 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、を備える撮像装置。
9. 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２導電型の転送補助層と、を備え、
   前記転送補助層の不純物濃度は、前記パンチスルー防止層の不純物濃度より低い、
   ことを特徴とする撮像装置。
10. 前記パンチスルー防止層と前記転送補助層とは同じマスクを用いた不純物の注入により形成される、
    ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の撮像装置。
11. 前記電荷保持部の下に配された第２導電型の空乏化抑制部を含み、
    前記パンチスルー防止層は、前記空乏化抑制部よりも、前記半導体基板の表面の近くに配される、
    ことを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載の撮像装置。
12. 前記電荷保持部から前記転送補助層まで第１導電型の半導体領域が連続する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
13. 前記パンチスルー防止層と前記転送補助層との形成するｐｎ接合が、前記半導体基板の表面から離間している、
    ことを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
14. 請求項８乃至請求項１３のいずれか一項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置から出力された信号を処理して画像信号を取得する処理装置と、を備えた撮像システム。
15. 移動体であって、
    請求項８乃至請求項１３のいずれか一項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置から出力された信号に対して処理を行う処理装置と、
    前記処理の結果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。

Images