特許 7574051 光電変換装置、光電変換システム、および移動体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-18

(45)【発行日】2024-10-28

(54)【発明の名称】光電変換装置、光電変換システム、および移動体

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20241021BHJP

   H04N 25/621 20230101ALI20241021BHJP

   H04N 25/703 20230101ALI20241021BHJP

   H04N 25/77 20230101ALI20241021BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 A

H01L27/146 D

H04N25/621

H04N25/703

H04N25/77

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2020180629

(22)【出願日】2020-10-28

(65)【公開番号】P2022071585

(43)【公開日】2022-05-16

【審査請求日】2023-10-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126240

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 琢磨

(74)【代理人】

【識別番号】100223941

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 佳子

(74)【代理人】

【識別番号】100159695

【弁理士】

【氏名又は名称】中辻 七朗

(74)【代理人】

【識別番号】100172476

【弁理士】

【氏名又は名称】冨田 一史

(74)【代理人】

【識別番号】100126974

【弁理士】

【氏名又は名称】大朋 靖尚

(72)【発明者】

【氏名】瀬戸 大地

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０２８１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５１７１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６５１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０１５２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７２６６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０４Ｎ ２５／６２１

Ｈ０４Ｎ ２５／７０３

Ｈ０４Ｎ ２５／７７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板において、前記第１面から第１の深さに配置され、信号電荷と同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さに配置され、前記第１半導体領域と分離された前記第１導電型の第２半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さよりも前記第１面からの深さが浅い第２の深さに配置された、前記第１導電型の第３半導体領域と、
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第１転送ゲートと、
前記第２半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第２転送ゲートと、
前記第３半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第３転送ゲートと、
通過した光が前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、および前記第３半導体領域に入射するように配置されたマイクロレンズと、
浮遊拡散領域を備え、
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷は前記第３半導体領域を介して読み出され、
前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の不純物濃度は、前記第３半導体領域の不純物濃度よりも低く、
前記第２半導体領域で生成された信号電荷は前記第３半導体領域を介して前記浮遊拡散領域に転送されることを特徴とする光電変換装置。

【請求項2】

第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板において、前記第１面から第１の深さに配置され、信号電荷と同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さに配置され、前記第１半導体領域と分離された前記第１導電型の第２半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さよりも前記第１面からの深さが浅い第２の深さに配置された、前記第１導電型の第３半導体領域と、
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第１転送ゲートと、
前記第２半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第２転送ゲートと、
前記第３半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第３転送ゲートと、
通過した光が前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、および前記第３半導体領域に入射するように配置されたマイクロレンズと、を備え、
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷は前記第３半導体領域を介して読み出され、
前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の不純物濃度は、前記第３半導体領域の不純物濃度よりも低く、
前記第１転送ゲートおよび前記第２転送ゲートは縦型転送ゲートであることを特徴とする光電変換装置。

【請求項3】

第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板において、前記第１面から第１の深さに配置され、信号電荷と同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さに配置され、前記第１半導体領域と分離された前記第１導電型の第２半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さよりも前記第１面からの深さが浅い第２の深さに配置された、前記第１導電型の第３半導体領域と、
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第１転送ゲートと、
前記第２半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第２転送ゲートと、
前記第３半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第３転送ゲートと、
通過した光が前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、および前記第３半導体領域に入射するように配置されたマイクロレンズと、を備え、
平面視で、前記第３半導体領域は、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域に重なるように配置されており、
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷は前記第３半導体領域を介して読み出され、
前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の不純物濃度は、前記第３半導体領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする光電変換装置。

【請求項4】

前記第３半導体領域は、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域で共有されることを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。

【請求項5】

第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板において、前記第１面から第１の深さに配置され、信号電荷と同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さに配置され、前記第１半導体領域と分離された前記第１導電型の第２半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さよりも前記第１面からの深さが浅い第２の深さに配置された、前記第１導電型の第３半導体領域と、
前記第２の深さに配置され、前記第３半導体領域と分離された前記第１導電型の第４半導体領域と、
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第１転送ゲートと、
前記第２半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第２転送ゲートと、
前記第３半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第３転送ゲートと、
通過した光が前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、および前記第３半導体領域に入射するように配置されたマイクロレンズと、を備え、
平面視で、前記第３半導体領域は、前記第１半導体領域に重なるように配置され、
平面視で、前記第４半導体領域は、前記第２半導体領域に重なるように配置され
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷は前記第３半導体領域を介して読み出され、
前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の不純物濃度は、前記第３半導体領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする光電変換装置。

【請求項6】

第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板において、前記第１面から第１の深さに配置され、信号電荷と同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さに配置され、前記第１半導体領域と分離された前記第１導電型の第２半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さよりも前記第１面からの深さが浅い第２の深さに配置された、前記第１導電型の第３半導体領域と、
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第１転送ゲートと、
前記第２半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第２転送ゲートと、
前記第３半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第３転送ゲートと、
通過した光が前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、および前記第３半導体領域に入射するように配置されたマイクロレンズと、を備え、
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷は前記第３半導体領域を介して読み出され、
前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の不純物濃度は、前記第３半導体領域の不純物濃度よりも低く、
前記第１半導体領域で生成された信号電荷に基づく信号および前記第２半導体領域で生成された信号電荷に基づく信号を用いて像面位相差式の焦点検出が行われることを特徴とする光電変換装置。

【請求項7】

浮遊拡散領域を含み、
前記第２半導体領域で生成された信号電荷は前記第３半導体領域を介して前記浮遊拡散領域に転送されることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項8】

前記第１半導体領域と前記第３半導体領域とは平面視で重なって配置されており、
前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の間に第２導電型の半導体領域が配され、前記第１半導体領域と前記第３半導体領域との間に前記第１導電型の半導体領域が配されることを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。

【請求項9】

前記第１半導体領域と前記第３半導体領域とは平面視で重なって配置されており、
前記第１導電型のキャリアに対する前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の間のポテンシャルバリアの高さは、前記第１半導体領域と前記第３半導体領域との間のポテンシャルバリアよりも高いことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項10】

前記第３転送ゲートは、平面型転送ゲートであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項11】

前記第１半導体領域と前記第３半導体領域との間には、前記第１半導体領域および前記第３半導体領域よりも不純物濃度の低い、前記第１導電型の第５半導体領域が配置されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項12】

前記第２面が光入射面であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項13】

前記第１転送ゲートを制御することにより、前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷を前記第３半導体領域に転送することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項14】

第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板において、前記第１面から第１の深さに配置され、信号電荷と同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さに配置された、前記第１導電型の第２半導体領域と、
前記半導体基板において、前記第１の深さよりも前記第１面からの深さが浅い第２の深さに配置された、前記第１導電型の第３半導体領域と、
浮遊拡散領域と、
前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第１転送ゲートと、
前記第２半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第２転送ゲートと、
前記第３半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第３転送ゲートと、
通過した光が前記第１半導体領域および前記第２半導体領域に入射するように配置されたマイクロレンズと、を備える光電変換装置の駆動方法であって、
前記第１半導体領域で生成された信号電荷は前記第３半導体領域を介して前記浮遊拡散領域に転送され、
前記第１半導体領域に蓄積された信号電荷および前記第２半導体領域に蓄積された信号電荷が所定の値以下の場合に、第３転送ゲートをオンして前記第３半導体領域から前記浮遊拡散領域に信号電荷を転送した後に、前記第１半導体領域の信号電荷と前記第２半導体領域の信号電荷とをそれぞれ転送することを特徴とする駆動方法。

【請求項15】

前記第１転送ゲートをオンする期間と、前記第３転送ゲートをオンする期間とを一部重ねることを特徴とする請求項１４に記載の駆動方法。

【請求項16】

前記第１半導体領域に蓄積された信号電荷および前記第２半導体領域に蓄積された信号電荷の少なくとも一方が前記所定の値を超える場合に、前記第１転送ゲートをオンし、前記第２転送ゲートをオンしてリセットし、その後、前記第３転送ゲートをオンすることを特徴とする請求項１４に記載の駆動方法。

【請求項17】

前記第１転送ゲートおよび前記第２転送ゲートは、縦型転送ゲートであることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の駆動方法。

【請求項18】

請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置が出力する信号を処理する信号処理部と、を有することを特徴とする光電変換システム。

【請求項19】

請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置からの信号に基づき、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光電変換装置、光電変換システム、および移動体に関する。

【背景技術】

【0002】

デジタルカメラ等におけるＡＦ（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ）方式の一手法として、位相差方式によるＡＦを行う光電変換装置が知られている。特許文献１には、位相差方式によるＡＦを行う光電変換装置として、１つのマイクロレンズに対して複数の光電変換を配置する構成が開示されている。また、特許文献１には、半導体基板の浅部に１つの撮像用電荷蓄積層を配置し、半導体基板の深部に撮像用電荷蓄積層と重なるように複数の焦点検出用電荷蓄積層を配置することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－２８１０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、撮像用の電荷蓄積層と焦点検出用の電荷蓄積層とを完全に分離している。したがって、焦点検出用の電荷蓄積層において飽和電荷量を超える電荷が生成された場合に、画素間でクロストークが発生し、焦点検出精度が低下する可能性がある。また、焦点検出用電荷蓄積層で蓄積される信号電荷が飽和電荷量を超えると飽和電荷量を超えた分に関しては信号として検出できなくなる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一形態に係る光電変換装置は、第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、前記半導体基板において、前記第１面から第１の深さに配置され、信号電荷と同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記半導体基板において、前記第１の深さに配置され、前記第１半導体領域と分離された前記第１導電型の第２半導体領域と、前記半導体基板において、前記第１の深さよりも前記第１面からの深さが浅い第２の深さに配置された、前記第１導電型の第３半導体領域と、前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第１転送ゲートと、前記第２半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第２転送ゲートと、通過した光が前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、および前記第３半導体領域に入射するように配置されたマイクロレンズと、を備え、前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷は前記第３半導体領域を介して読み出され、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の不純物濃度は、前記第３半導体領域の不純物濃度よりも低い。

【0006】

一形態に係る光電変換装置の駆動方法は、第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、前記半導体基板において、前記第１面から第１の深さに配置され、信号電荷と同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記半導体基板において、前記第１の深さに配置された、前記第１導電型の第２半導体領域と、前記半導体基板において、前記第１の深さよりも前記第１面からの深さが浅い第２の深さに配置された、前記第１導電型の第３半導体領域と、浮遊拡散領域と、前記第１半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第１転送ゲートと、前記第２半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第２転送ゲートと、前記第３半導体領域で蓄積された信号電荷の転送を制御する第３転送ゲートと、通過した光が前記第１半導体領域および前記第２半導体領域に入射するように配置されたマイクロレンズと、を備える光電変換装置の駆動方法であって、前記第１半導体領域に蓄積された信号電荷および前記第２半導体領域に蓄積された信号電荷が所定の値以下の場合に、第３転送ゲートをオンして前記第３半導体領域から前記浮遊拡散領域に信号電荷を転送した後に、前記第１半導体領域の信号電荷と前記第２半導体領域の信号電荷とをそれぞれ転送する。

【発明の効果】

【0007】

本発明に係る光電変換装置によれば、画素間のクロストークを低減しながら、飽和電荷量を増やすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態１に関わる光電変換装置の概略構成を示すブロック図

【図2】実施形態１に関わる光電変換装置の単位セルの等価回路図

【図3】実施形態１に関わる光電変換装置の単位セルの平面図

【図4】実施形態１に関わる光電変換装置を示す断面図

【図5】実施形態１に関わる光電変換装置を示す断面図

【図6】実施形態１に関わる光電変換装置の読出し動作時のクロックタイミングチャート

【図7】実施形態１に関わる光電変換装置のポテンシャル図

【図8】実施形態１に関わる光電変換装置のポテンシャル図

【図9】実施形態１に関わる光電変換装置の読出し動作時のクロックタイミングチャート

【図10】実施形態１に関わる光電変換装置のポテンシャル図

【図11】実施形態１に関わる光電変換装置のポテンシャル図

【図12】実施形態１に関わる他の例における光電変換装置を示す断面図

【図13】実施形態２に関わる光電変換装置の単位セルの平面図

【図14】実施形態２に関わる光電変換装置を示す断面図

【図15】実施形態２に関わる光電変換装置の単位セルの等価回路図

【図16】実施形態３に関わる光電変換装置の単位セルの平面図

【図17】実施形態３に関わる光電変換装置を示す断面図

【図18】実施形態４に関わる光電変換装置を示す断面図

【図19】実施形態５に関わる光電変換システムのブロック図

【図20】実施形態６に関わる実施形態の光電変換システムのブロック図

【図21】実施形態６に関わる実施形態の光電変換システムのフローチャート

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。以下の説明において、同一の構成については同一の番号を付して説明を省略することがある。

【0010】

以下の説明において、信号電荷と同じ導電型のキャリアを多数キャリアとする第１導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域であり、第２導電型の半導体領域とはＰ型半導体領域である。なお、信号電荷がホールである場合でも本発明は成立する。この場合は、信号電荷と同じ導電型のキャリアを多数キャリアとする第１導電型の半導体領域はＰ型半導体領域であり、第２導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域である。

【0011】

本明細書において、単に「不純物濃度」という用語が使われた場合、逆導電型の不純物によって補償された正味の不純物濃度を意味している。つまり、「不純物濃度」とは、ＮＥＴ濃度を指す。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域はＰ型半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域はＮ型半導体領域である。

【0012】

本明細書において、「平面視」とは、後述する半導体基板の光入射面に対して垂直な方向から視ることを指す。また、断面とは、半導体基板の光入射面と垂直な方向における面を指す。なお、微視的に見て半導体基板の光入射面が粗面である場合は、巨視的に見たときの半導体基板の光入射面を基準として平面視を定義する。

【0013】

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１に係る光電変換装置について図１から図１１を用いて説明する。図１は、本実施形態の光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態の光電変換装置が有する画素の等価回路図である。図３は、本実施形態の光電変換装置が有する１つの画素を拡大して示す概略平面図である。図４は、図３のＡ－Ａ′線における概略断面図である。図５は、図３のＢ－Ｂ′線における概略断面図である。図６は、読み出し動作時のタイミングチャートである。図６は、生成される信号電荷が所定の値以下の場合の図である。所定の値とは、例えば、光電変換素子１３２ａ、１３２ｂの飽和電荷量である。図７および図８は、図６における光電変換装置の信号電荷の蓄積時及び信号電荷の転送時の各構成におけるポテンシャル図である。図９は、所定の値を超える場合での読み出し動作時のタイミングチャートである。図９は、例えば、高照度下での信号の読み出しである。図１０および図１１は、図９における光電変換装置の信号電荷の蓄積時及び信号電荷の転送時の各構成におけるポテンシャル図である。

【0014】

本実施形態に係る光電変換装置１００は、図１に示すように、画素領域１０と、垂直走査回路２０と、読み出し回路３０と、水平走査回路４０と、制御回路５０と、出力回路６０とを有している。

【0015】

画素領域１０には、複数行及び複数列に渡ってマトリクス状に配された複数の画素１２が設けられている。画素領域１０の画素アレイの各行には、行方向（図１において横方向）に延在して、制御信号線１４が配されている。制御信号線１４は、行方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。また、画素領域１０の画素アレイの各列には、列方向（図１において縦方向）に延在して、垂直出力線１６が配されている。垂直出力線１６は、列方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。

【0016】

各行の制御信号線１４は、垂直走査回路２０に接続されている。垂直走査回路２０は、画素１２から画素信号を読み出す際に画素１２内の読み出し回路を駆動するための制御信号を、制御信号線１４を介して画素１２に供給する回路部である。各列の垂直出力線１６の一端は、読み出し回路３０に接続されている。画素１２から読み出された画素信号は、垂直出力線１６を介して読み出し回路３０に入力される。読み出し回路３０は、画素１２から読み出された画素信号に対して所定の信号処理、例えば増幅処理やＡＤ変換処理等の信号処理を実施する回路部である。読み出し回路３０は、差動増幅回路、サンプル・ホールド回路、ＡＤ変換回路等を含み得る。

【0017】

水平走査回路４０は、読み出し回路３０において処理された画素信号を列毎に順次、出力回路６０に転送するための制御信号を、読み出し回路３０に供給する回路部である。制御回路５０は、垂直走査回路２０、読み出し回路３０及び水平走査回路４０の動作やそのタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。出力回路６０は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、読み出し回路３０から読み出された画素信号を光電変換装置１００の外部の信号処理部に出力するための回路部である。

【0018】

画素領域１０や周辺回路領域の各構成は、積層された複数の半導体基板に分けて配されてもよい。例えば、第１の半導体基板と第２半導体基板とが積層されており、第１半導体基板には画素領域１０が配され、第２の半導体基板には、垂直走査回路２０、制御回路５０、読み出し回路３０、水平走査回路４０、及び出力回路６０が配されていてもよい。

【0019】

図２に、本実施形態に係る光電変換装置の画素１２の等価回路図を示す。画素１２は、光電変換素子１２１と転送トランジスタＴｘと、光電変換素子１３２ａ、１３２ｂと、転送トランジスタＴｘ－Ａ、Ｔｘ－Ｂと、リセットトランジスタＲＥＳと、増幅トランジスタＳＦと、選択トランジスタＳＥＬとを含む。光電変換素子１２１、１３２ａ、１３２ｂは、例えばフォトダイオードであり、アノードが接地電圧線に接続され、カソードがそれぞれ転送トランジスタＴｘ、Ｔｘ－Ａ、Ｔｘ－Ｂのソースに接続されている。転送トランジスタＴｘのドレインは、リセットトランジスタＲＥＳのソース及び増幅トランジスタＳＦのゲートに接続されている。転送トランジスタＴｘのドレイン、リセットトランジスタＲＥＳのソース及び増幅トランジスタＳＦのゲートの接続ノードは、いわゆるフローティングディフュージョン（ＦＤ）であり、このノードが含む容量成分からなる電荷電圧変換部を構成する。転送トランジスタＴｘ－Ａ、Ｔｘ－Ｂのドレインは、光電変換素子１２１のカソードに接続されている。リセットトランジスタＲＥＳのドレイン及び増幅トランジスタＳＦのドレインは、電源電圧線（Ｖｄｄ）に接続されている。増幅トランジスタＳＦのソースは、選択トランジスタＳＥＬドレインに接続されている。選択トランジスタＳＥＬのソースは、垂直出力線１６に接続されている。垂直出力線１６の他端には、電流源１８が接続されている。なお、画素１２は、選択トランジスタＳＥＬを含まなくともよい。この場合は、増幅トランジスタＳＦから垂直出力線１６に直接信号が出力される。

【0020】

図３は、画素１２のアクトおよびポリの平面レイアウトを示す概略図である。なお、図３には１つの画素１２の平面レイアウトのみを示しているが、実際には左右方向及び上下方向に所定の単位画素ピッチで図２の平面レイアウトが周期的に配されている。また、図３では示していないが、画素１２は、前述の各トランジスタを含む。１つの画素１２に対応して、１つのマイクロレンズが配される。

【0021】

半導体基板１１０としては、例えば、シリコンなどの半導体基板が用いられうる。例えば、不純物濃度の低いＮ型の半導体基板を用いる。半導体基板１１０の表面部には、活性領域１１２を画定する素子分離１１４が設けられている。図３では、素子分離１１４として、絶縁領域であるＳＴＩが設けられているが、ＤＴＩやＰ型半導体領域を素子分離として用いてもよい。

【0022】

図３に示すように、活性領域１１２は、光電変換素子１２１、１３２ａ、１３２ｂおよびＦＤ（浮遊拡散領域）１２０を含む。例えば、光電変換素子１２１を撮像用の光電変換素子として用い、光電変換素子１３２ａ、１３２ｂを焦点検出用の光電変換素子として用いる。平面視で活性領域１１２内には、光電変換素子１２１とＦＤ１２０との間に配され、転送ゲート１２４（第３転送ゲート）を含む電荷転送部１２４が配される。また、活性領域１１２には、光電変換素子１２１と光電変換素子１３２ａとの間、および、光電変換素子１２１と光電変換素子１３２ｂとの間に、Ｎ型半導体領域１２７が配される。また、平面視で活性領域１１２内には、光電変換素子１３２ａで蓄積された信号電荷の転送を制御する転送ゲート１２５（第１転送ゲート）と、光電変換素子１３２ｂで蓄積された信号電荷の転送を制御する転送ゲート１２６（第２転送ゲート）とを含む。光電変換素子１２１は、光電変換素子１３２ａおよび光電変換素子１３２ｂで共有されている。

【0023】

転送トランジスタのゲートである転送ゲート１２４は、光電変換素子１２１で発生した信号電荷のＦＤ１２０への転送を制御する。転送ゲート１２５は、光電変換素子１３２ａで蓄積された信号電荷の光電変換素子１２１への転送を制御する。転送ゲート１２６は、光電変換素子１３２ｂで蓄積された信号電荷の光電変換素子１２１への転送を制御する。

【0024】

図３では説明のため１つの光電変換ユニットを図示したが、このような画素１２を更に多数行列状に配置することで画素領域１０を構成する。

【0025】

図４は図３のＡ－Ａ′線における概略断面図である。図５は、Ｂ－Ｂ′線における概略断面図である。図３において、Ｔｘ－Ａを通るＢ－Ｂ’の構成とＴｘ－Ｂを通るＢ－Ｂ’構成とは配置位置が異なるのみで実質的には同様である。したがって、図５では１つの図を用いて両者を説明する。図５では、Ｔｘ－Ａを通るＢ－Ｂ’の構成を主に示し、Ｔｘ－Ｂを通るＢ－Ｂ’の構成はかっこ書きで示している。両者に共通に配される構成については、かっこ書きをつけずに示している。

【0026】

図４では、さらに、平面視で半導体基板１１０に重なる位置に配される、カラーフィルタ１０１、マイクロレンズ１０２、配線層１０３を示す。図４では、異なる高さに配された３つの配線層を図示している。配線層１０３は、配線Ｍと絶縁材料とを含む。光電変換素子１３２ａ、１３２ｂに入射する光が同色のカラーフィルタを通過した光となるようにカラーフィルタ１０１を配置することが好ましい。なお、カラーフィルタを配さず、モノクロの光電変換装置として本実施形態の光電変換装置を用いてもよい。

【0027】

図４に示すように、半導体基板１１０は、第１面と第１面に対向する第２面とを有する。以下では、第１面を表面ともいい、第２面を裏面ともいう。本実施形態では、第１面から光が入射する表面入射型の光電変換装置について説明するが、後述する実施形態のように第２面から光が入射する裏面照射型の光電変換装置であってもよい。

【0028】

図４に示すように、表面側に１つの画素１２ごとに１つのマイクロレンズ１０２が対応して設けられている。また、１つの画素１２は複数の光電変換素子を有する。図３においては、３つの光電変換素子１２１、１３２ａ、１３２ｂを有している。もしくは１つの光電変換ユニット内に４つの光電変換素子、９つの光電変換素子を有していてもよい。

【0029】

また、以下では１つの画素１２が複数の光電変換素子を含み、１つの画素１２に対して１つのマイクロレンズが配される形態を説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、各画素が１つの光電変換素子を含み、２以上の画素に対して１つのマイクロレンズが配される場合も本発明に含まれるものとする。つまり、画素を基準とするのではなく、複数の光電変換素子に対して１つのマイクロレンズが配されていれば、本発明に含まれるものとする。また、画素領域内のすべての画素が本発明を実施している必要はなく、画素領域内に間引きされて本発明を実施している構成が含まれていればよい。

【0030】

光電変換素子１２１はＮ型半導体領域１１８（第３半導体領域）及びＰ型半導体領域１１６を含んで構成される。具体的には、Ｎ型半導体領域１１８とＰ型半導体領域１１６とで埋め込み型のフォトダイオードとして光電変換素子１２１が構成される。Ｎ型半導体領域１１８は電子に対してポテンシャルが低くなっており、信号電荷を収集する領域である。

【0031】

光電変換素子１３２ａは、Ｎ型半導体領域１２２ａおよびＰ型半導体領域１１７ａを含んで構成される。同様に、光電変換素子１３２ｂは、Ｎ型半導体領域１２２ｂおよびＰ型半導体領域１１７ｂを含んで構成される。

【0032】

光電変換素子１２１、１３２ａ、１３２ｂにはマイクロレンズ１０２により集光された光が入射する。転送トランジスタに含まれるゲート電極１２４は、平面視で、Ｎ型半導体領域１１８とＦＤ１２０を構成するＮ型半導体領域との間に配される。ゲート電極１２４は、半導体基板１１０上にゲート絶縁膜１２３を介して設けられる。ゲート電極１２４は、平面型転送ゲートである。つまり、半導体基板１１０に埋め込まれておらず。半導体基板１１０の表面に配されている。

【0033】

半導体基板１１０内のＮ型半導体領域１１８およびＦＤ１２０よりも深い位置に、Ｐ型半導体領域１３０、１３６、１３４が配される。

【0034】

本明細書において、深さ方向は、第１面から第２面に向かう方向である。

【0035】

Ｐ型半導体領域１３０は、半導体基板１１０の内部において、互いに隣接する画素１２を電気的に分離する。Ｐ型半導体領域１３６は、Ｐ型半導体領域１３０よりもさらに半導体基板１１０の深い位置において、互いに隣接する画素１２を電気的に分離する。Ｐ型半導体領域１３４は、光の入射によって半導体基板１１０中で発生した信号電荷を有効に集める深さを規定するために機能する。半導体基板１１０の表面に対する正射影において、Ｐ型半導体領域１３４は、Ｎ型半導体領域１１８、Ｐ型半導体領域１１６、ＦＤ１２０および転送ゲート１２４、１２５のすべてを含む領域と重なるように配される。図３に示されるように、半導体基板１１０の表面に対する正射影において、Ｐ型半導体領域１３４は、それぞれの画素１２の全体に配されていてもよい。Ｐ型半導体領域１３０、１３６、１３４の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域１１６の不純物濃度よりも低くてもよい。図３では、Ｐ型半導体領域１３０とＰ型半導体領域１３６とは分離されているが、Ｐ型半導体領域１３０とＰ型半導体領域１３６とは接していてもよい。

【0036】

Ｎ型半導体領域１２２ａとＮ型半導体領域１２２ｂとは、半導体基板１１０の第１面から第１の深さに配置される。また、Ｎ型半導体領域１１８は、第１の深さよりも半導体基板１１０の第１面からの深さが浅い第２の深さに配置される。つまり、Ｎ型半導体領域１１８は、Ｎ型半導体領域１２２ａと半導体基板１１０の第１面との間に配置される。第２の深さには、ＦＤ１２０が配される。Ｐ型半導体領域１３４は、第１の深さよりも深い第３の深さに配される。半導体基板１１０の表面に対する正射影において、Ｎ型半導体領域１１８およびＦＤ１２０は、Ｐ型半導体領域１３０、１３６と重ならない位置に配される。

【0037】

Ｎ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂは、平面視において、Ｎ型半導体領域１１８と重なる部分を含む。このときＮ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂの不純物濃度は、Ｎ型半導体領域１１８の不純物濃度よりも低い。そして、Ｎ型半導体領域１２２ａとＮ型半導体領域１１８との間、および、Ｎ型半導体領域１２２ｂとＮ型半導体領域１１８との間に配されるＮ型半導体領域１２７は、Ｎ型半導体領域１２２ａおよびＮ型半導体領域１２２ｂよりも不純物濃度が低い。このように構成することにより、Ｎ型半導体領域１２２ａ、Ｎ型半導体領域１２２ｂで生成された信号電荷をＮ型半導体領域１１８に転送しやすくできる。

【0038】

本実施形態では、Ｎ型半導体領域１２２ａおよびＮ型半導体領域１２２ｂの一部が、第１の深さから第２の深さまで連続して配されている。つまり、Ｎ型半導体領域１２２ａおよびＮ型半導体領域１２２ｂは、半導体基板１１０の第１面と平行な方向に延びており、第１の深さに配される領域と、第１面と垂直な方向に延びており、第１の深さから第２の深さまで連続して配される領域と、を有する。

【0039】

本実施形態では、転送トランジスタの転送ゲート１２５、１２６は、光電変換素子１２１と光電変換素子１３２ａ、１３２ｂの間の半導体基板１１０上にゲート絶縁膜１２３を介して設けられる。上述の通り、転送ゲート１２５は、光電変換素子１３２ａに蓄積された信号電荷の転送を制御し、転送ゲート１２６は、光電変換素子１３２ｂに蓄積された信号電荷の転送を制御する。

【0040】

本実施形態によれば、光電変換素子１２１よりも深い領域にＮ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂが配置されることによって、光電変換素子１２１よりも深い領域で光電変換により生じた電子をＮ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂで蓄積することが可能となる。したがって、隣接した他画素のＮ型半導体領域に移動して蓄積されることを防ぐことが可能となる。また、Ｎ型半導体領域１１８の不純物濃度がＮ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂの不純物濃度よりも濃く、Ｎ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂの不純物濃度が領域１２７の不純物濃度よりも濃い。このとき、Ｎ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂはＰ型半導体領域１３０、１３６、１３４に囲まれているため、Ｎ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂが飽和したときに蓄積電荷はＮ型半導体領域１２７を介してＮ型半導体領域１１８にオーバーフローする。

【0041】

このように、本実施形態によれば、画素内において隣り合う光電変換素子１２１よりも深い領域で光電変換により生じた電子が、２つの光電変換素子１２２ａ、１２２ｂ同士の間で移動することを防ぐことが可能となる。これにより、像面位相差式の焦点検出方法により、自動合焦を行うために必要な情報をより精度を高めた光電変換装置を実現することができる。さらに、光電変換素子１２２ａ、１２２ｂの飽和電荷量を超える信号電荷を光電変換素子１２１へとオーバーフローさせることができるため、読み出せる信号電荷量を増やすことが可能となる。

【0042】

本実施形態の電荷の読み出し動作の一例を説明する。図６は、電荷の読み出し動作時のクロックタイミングチャートである。このタイミングチャートは、図２に示す選択トランジスタＳＥＬ、リセットトランジスタＲＥＳ、転送トランジスタＴｘ、Ｔｘ－Ａ、Ｔｘ－Ｂのそれぞれの駆動電圧Ｖｓｅｌ、Ｖｒｅｓ、Ｖｔｘ、Ｖｔｘａ、Ｖｔｘｂを示す。図６では、電圧がローレベルのときにトランジスタがオフとなり、電圧がハイレベルのときにトランジスタがオンとなる。つまり、ローレベル（Ｌｏｗ）電圧がゲートに印加されているときはトランジスタが電気的に非導通となり、ハイレベル（Ｈｉｇｈ）電圧がゲートに印加されているときはトランジスタが電気的に導通される。図７は図４のＣ－Ｃ′線、図８は図５のＤ－Ｄ′線における光電変換装置の信号電荷の蓄積時及び信号電荷の転送時の半導体基板内のポテンシャル図である。ポテンシャル図では、信号電荷である電子に対するポテンシャルを示す。図７（ａ）、図８（ａ）は、図６の時刻（ａ）のポテンシャル図であり、図７（ｂ）、図８（ｂ）は、図６の時刻（ｂ）のポテンシャル図である。同様に、図７（ｃ）、図８（ｃ）は、図６の時（ｃ）のポテンシャル図であり、図７（ｄ）、図８（ｄ）は、図６の時刻（ｄ）のポテンシャル図である。

【0043】

時刻（ａ）では、信号電荷を蓄積している。図７（ａ）、図８（ａ）においては、各光電変換素子１２１、１３２ａ、１３２ｂにそれぞれ電荷が蓄積されている。時刻（ａ）では、各トランジスタのゲートにはＬｏｗ電圧が印加される。このとき、図８（ａ）に示す、光電変換素子１３２ａと光電変換素子１２１との間のポテンシャルバリアの高さは、図７（ａ）に示す光電変換素子１３２ａと光電変換素子１３２ｂとの間のポテンシャルバリアよりも低い。これにより、光電変換素子１３２ａおよび光電変換素子１３２ｂで溢れた電荷を光電変換素子１２１へと逃がすことができる。また、図８（ａ）に示すように、光電変換素子１２１とＦＤ１２０との間のポテンシャルバリアの高さは、光電変換素子１３２ａと光電変換素子１２１との間のポテンシャルバリアの高さよりも低い。これにより、光電変換素子１２１で溢れた電荷が他の画素へと移動しにくくすることができる。

【0044】

時刻（ｂ）では、光電変換素子１２１で蓄積された信号電荷の読み出しを行う。図７（ｂ）、図８（ｂ）で示す光電変換素子１２１の電荷読み出し時においては、転送トランジスタＴｘのゲート１２４にＨｉｇｈ電圧を印加し、光電変換素子１２１に蓄積された電荷をＦＤ１２０に転送する。

【0045】

時刻（ｃ）では、光電変換素子１３２ａの電荷を読み出す。図７（ｃ）、図８（ｃ）で示す光電変換素子１３２ａの電荷読み出し時においては、転送トランジスタＴｘ－Ａの転送ゲート１２５にＨｉｇｈ電圧を印加し、光電変換素子１３２ａに蓄積された電荷を光電変換素子１２１に転送する。このとき、転送トランジスタＴｘの転送ゲート１２４にはＬｏｗ電圧が印加されている。これにより、時刻（ｃ）においてＦＤ１２０へと転送された信号電荷を画素から読み出すことが可能となる。なお、転送トランジスタＴｘ－の転送ゲート１２５にはＨｉｇｈ電圧を印加し続けていてもよい。

【0046】

時刻（ｄ）では、光電変換素子１３２ａから光電変換素子１２１に転送された電荷を、光電変換素子１２１からＦＤ１２０へと転送する。図７（ｄ）、図８（ｄ）で示す光電変換素子１２１の読み出し時においては、転送トランジスタＴｘのゲート１２４にＨｉｇｈ電圧を印加し、光電変換素子１２１に転送された電荷をＦＤ１２０に転送する。転送トランジスタＴｘ－Ａのゲート１２５にＨｉｇｈ電圧を印加する期間と、転送トランジスタＴｘのゲート１２４にＨｉｇｈ電圧を印加する期間とは少なくとも一部が重なることが好ましい。これにより、期間を重ねない場合に比べて、転送トランジスタＴｘ－Ａをオンしてから信号電荷をＦＤ１２０に転送するまでの期間を短くすることができる。

【0047】

以降の時刻で、時刻（ｃ）、（ｄ）と同様に、光電変換素子１３２ｂで蓄積された電荷を光電変換素子１２１へと転送し、光電変換素子１２１からＦＤ１２０へと信号電荷を転送する。具体的には、時刻（ｅ）では、光電変換素子１３２ｂの電荷を読み出す。図７（ｅ）、図８（ｅ）で示す光電変換素子１３２ｂの電荷読み出し時においては、転送トランジスタＴｘ－Ｂの転送ゲート１２６にＨｉｇｈ電圧を印加し、光電変換素子１３２ｂに蓄積された電荷を光電変換素子１２１に転送する。このとき、転送トランジスタＴｘの転送ゲート１２４にはＬｏｗ電圧が印加されている。これにより、時刻（ｅ）においてＦＤ１２０へと転送された信号電荷を画素から読み出すことが可能となる。なお、転送トランジスタＴｘ－の転送ゲート１２６にはＨｉｇｈ電圧を印加し続けていてもよい。

【0048】

時刻（ｆ）では、光電変換素子１３２ｂから光電変換素子１２１に転送された電荷を、光電変換素子１２１からＦＤ１２０へと転送する。図７（ｆ）、図８（ｆ）で示す光電変換素子１２１の読み出し時においては、転送トランジスタＴｘのゲート１２４にＨｉｇｈ電圧を印加し、光電変換素子１２１に転送された電荷をＦＤ１２０に転送する。転送トランジスタＴｘ－Ｂのゲート１２６にＨｉｇｈ電圧を印加する期間と、転送トランジスタＴｘのゲート１２４にＨｉｇｈ電圧を印加する期間とは少なくとも一部が重なることが好ましい。これにより、期間を重ねない場合に比べて、転送トランジスタＴｘ－Ｂをオンしてから信号電荷をＦＤ１２０に転送するまでの期間を短くすることができる。

【0049】

この駆動によって、飽和電荷量を増やしながら、撮像用の信号の品質を損なうことなく焦点検知用の信号を取得可能となる。

【0050】

なお、高照度下においては、図６～図８における電荷の読み出し動作とは異なる読み出し動作をすることが好ましい。図９～図１１を参照しながら、高照度下における電荷の読み出し動作の一例を説明する。

【0051】

図９は、電荷の読み出し動作時のクロックタイミングチャートである。図６と同様の構成は、同じ符号を付して説明を省略する。図１０はれ図４のＣ－Ｃ’線、図１１は図５のＤ－Ｄ’線における光電変換装置の信号電荷の蓄積時及び信号電荷の転送時の半導体基板内のポテンシャル図である。ポテンシャル図では、信号電荷である電子に対するポテンシャルを示す。図１０（ａ）、図１１（ａ）は、図９の時刻（ａ）のポテンシャル図であり、図１０（ｂ）、図１０（ｂ）は、図９の時刻（ｂ）のポテンシャル図であり、図１０（ｃ）、図１１（ｃ）は、図９の時刻（ｃ）のポテンシャル図である。同様に、図１０（ｄ）、図１１（ｄ）は、図９の時刻（ｄ）のポテンシャル図であり、図１０（ｅ）、図１１（ｅ）は、図９の時刻（ｅ）のポテンシャル図であり、図１０（ｆ）、図１１（ｆ）は、図９の時刻（ｆ）のポテンシャル図である。同様に、図１０（ｇ）、図１１（ｇ）は、図９の時刻（ｇ）のポテンシャル図であり、図１０（ｈ）、図１１（ｈ）は、図９の時刻（ｈ）のポテンシャル図である。

【0052】

時刻（ａ）、時刻（ｂ）では、それぞれ各光電変換素子で信号電荷を蓄積している。時刻（ａ）は図６の時刻（ａ）と同様であるが、時刻（ｂ）では、光電変換素子１３２ａ、１３２ｂから信号電荷が飽和している。時刻（ｂ）においては、光電変換素子１３２ａ、１３２ｂで光電変換した電荷が光電変換素子１２１にオーバーフローする。これは、前述の説明の通り、光電変換素子１３２ａ、１３２ｂ間よりも光電変換素子１２１に信号が溢れやすいポテンシャルとしているためである。

【0053】

高照度下では、時刻（ｃ）において、転送トランジスタＴｘ－Ａの転送ゲート、転送トランジスタＴｘ－Ｂの転送ゲートにＨｉｇｈ電圧を印加し、光電変換素子１３２ａ、光電変換素子１３２ｂに蓄積された電荷を光電変換素子１２１に転送する。これにより、焦点検出用の光電変換素子１３２ａ、１３２ｂとの蓄積された信号電荷をリセットすることができる。

【0054】

時刻（ｄ）において、転送トランジスタＴｘ－Ａの転送ゲート、転送トランジスタＴｘ－Ｂの転送ゲートにＬｏｗ電圧を印加する。これにより、焦点検知用の光電変換素子１３２ａ、１３２ｂの電荷のリセットを終了する。これにより、光電変換素子１３２ａ、１３２ｂ内の電位はリセットされた状態となる。

【0055】

時刻（ｅ）において、各光電変換素子１２１、１３２ａ、１３２ｂが信号電荷を蓄積する。このとき、各トランジスタのゲートにＬｏｗ電圧を印加する。

【0056】

時刻（ｆ）において、転送トランジスタＴｘの転送ゲートにＨｉｇｈ電圧を印加する。図１０（ｆ）、図１１（ｆ）で示す光電変換素子１２１の電荷読み出し時においては、転送トランジスタＴｘの転送ゲートにＨｉｇｈ電圧を印加し、光電変換素子１２１に蓄積された電荷をＦＤに転送する。

【0057】

時刻（ｇ）以降は、図６の時刻（ｃ）以降と同様であるため説明を省略する。

【0058】

このような駆動を行うことで、焦点検知用の光電変換素子１３２ａ、１３２ｂの蓄積時間を撮像用の光電変換素子１３１よりも短く設定し、焦点検知用の画素の信号量を制御することが可能となる。そのため、撮像用の光電変換素子１２１が飽和するような高照度下においても焦点検知が可能となる。このような高照度下における像面位相差式の焦点検出方法により、高照度下での自動合焦を行うために必要な情報をより精度を高めた光電変換装置を実現することができる。

【0059】

なお、図４では、Ｎ型半導体領域１２２ａとＮ型半導体領域１２２ｂとの間のポテンシャルバリアの高さを、Ｎ型半導体領域１１８とＮ型半導体領域１２２ａ間のポテンシャルバリアの高さよりも高くしているがこれは必須ではない。隣接する画素間及びＮ型半導体領域１１８とＦＤ間の各ポテンシャルバリアの高さが、画素内における各Ｎ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂ、１１８間のポテンシャルバリアの高さよりも高ければどのようなポテンシャルの高さの関係であってもよい。例えば、Ｎ型半導体領域１２２ａとＮ型半導体領域１２２ｂ間のポテンシャルバリアの高さがＮ型半導体領域１２２ａとＮ型半導体領域１１８との間のポテンシャルバリアの高さよりも低くてもよい。また、図１２に示すように、Ｎ型半導体領域１２２ａとＮ型半導体領域１２２ｂ間のポテンシャルバリアの高さと、Ｎ型半導体領域１２２ａとＮ型半導体領域１１８間のポテンシャルバリアの高さとが同じでもよい。このような場合でも、画素間のクロストークを抑えつつ、飽和電荷量を増やすことが可能となる。

【0060】

（実施形態２）
図１３から図１５を参照しながら、実施形態２に係る光電変換装置について説明する。図１３は、本実施形態に係る光電変換装置の画素１２の平面レイアウトを示す図である。図１４は、図１３のＥ－Ｅ′線に沿った概略断面図である。図１５は、本実施形態の画素の等価回路図である。本実施形態に係る光電変換装置は、撮像用の光電変換素子が２つに分かれており、各光電変換素子に対応して転送ゲートが配されている。この点および以下で説明する点以外は、実施形態１と実質的に同じであるため、説明を省略する。

【0061】

実施形態１に係る光電変換装置では、平面視において光電変換素子１２１はＮ型半導体領域１１８及びＰ型半導体領域１１６を含んで構成されていたが、本実施形態では、光電変換素子１２１ａ、１２１ｂで構成される。そして、光電変換素子１２１ａ、１２１ｂ間は分離されている。具体的には、本実施形態による光電変換装置では、光電変換素子１２１ａ及び１２１ｂを撮像用の光電変換素子として用いている。光電変換素子１２１ａは、Ｎ型半導体領域１１８ａおよびＰ型半導体領域１１６を含んで構成される。また、光電変換素子１２１ｂは、Ｎ型半導体領域１１８ｂおよびＰ型半導体領域１１６を含んで構成される。具体的には、Ｎ型半導体領域１１８ａ、１１８ｂとＰ型半導体領域１１６とで埋め込み型のフォトダイオードとして光電変換素子１２１ａ、１２１ｂがそれぞれ構成される。平面視で、光電変換素子１２１ａとＦＤ１２０との間には、転送トランジスタＴｘ－１の転送ゲート１２４ａが配される。また、光電変換素子１２１ｂとＦＤ１２０との間には、転送トランジスタＴｘ－２の転送ゲート１２４ｂが配される。光電変換素子１３２ａは平面視において、光電変換素子１２１ａと重なっている部分を含む。また、光電変換素子１３２ｂは平面視において光電変換素子１２１ｂと重なっている部分を含む。

【0062】

転送トランジスタのゲートである転送ゲート１２４ａ、１２４ｂはそれぞれ光電変換素子１２１ａ、１２１ｂで発生した電荷をＦＤ１２０に転送する。また、転送ゲート１２５、１２６はそれぞれ光電変換素子１３２ａ、１３２ｂで発生した電荷を光電変換素子１２１ａ、１２１ｂに転送する。

【0063】

それぞれの画素１２は、図１４に示すように、光電変換素子１２１ａ、１２１ｂと、転送トランジスタＴｘ１、Ｔｘ２と、光電変換素子１３２ａ、１３２ｂと、転送トランジスタＴｘ－Ａ、Ｔｘ－Ｂを含む。ＦＤ以降は図２と同様であるため、説明を省略する。光電変換素子１２１ａ、１２１ｂ、１３２ａ、１３２ｂは、例えばフォトダイオードであり、アノードが接地電圧線に接続され、カソードがそれぞれ転送トランジスタＴｘ１、Ｔｘ２、Ｔｘ－Ａ、Ｔｘ－Ｂのソースに接続されている。転送トランジスタＴｘ１、Ｔｘ２のドレインは、リセットトランジスタＲＥＳのソース及び増幅トランジスタＳＦのゲートに接続されている。

【0064】

本実施形態によれば、実施形態１と同様に、画素内において隣り合う光電変換素子１２１ａ、１２１ｂよりも深い領域で光電変換により生じた電子が、２つの光電変換素子１２２ａ、１２２ｂ同士の間で移動することを防ぐことが可能となる。これにより、像面位相差式の焦点検出方法により、自動合焦を行うために必要な情報をより精度を高めた光電変換装置を実現することができる。さらに、光電変換素子１２２ａ、１２２ｂの飽和電荷量を超える信号電荷を光電変換素子１２１へとオーバーフローさせることができるため、読み出せる信号電荷量を増やすことが可能となる。

【0065】

（実施形態３）
図１６および図１７を用いて、実施形態３に係る光電変換装置について説明する。図１６は、本実施形態に係る光電変換装置の画素１２の平面レイアウトを示す図である。図１７は、図１６のＦ－Ｆ′線の概略断面図である。本実施形態は、光電変換素子１２２ａ、１２２ｂから光電変換素子１２１への電荷の転送を制御する転送ゲートとして、縦型転送ゲート（ＶＴＧ）を用いている。この点および以下で説明する点以外は、実施形態１と実質的に同じであるため、説明を省略する。

【0066】

本実施形態に係る光電変換装置は、図１６及び図１７に示すように平面視における光電変換素子１３２ａ、１３２ｂ及び転送トランジスタＴｘ－Ａ、Ｔｘ－Ｂの構造が異なる。本実施形態による光電変換装置では、光電変換素子１４２ａ、１４２ｂはそれぞれＮ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂで構成される。また、縦型転送トランジスタＶＴＧ－Ａ、ＶＴＧ－Ｂは、光電変換素子１２１と焦点検知用の光電変換素子１４２ａ、１４２ｂの間の半導体基板１１０上にゲート絶縁膜１２３を介して設けられた縦型転送ゲート電極１３５、１３６を含む。縦型トランジスタＶＴＧ－Ａ、ＶＴＧ－Ｂはその縦型転送ゲート電極１３５、１３６が深さ方向に光電変換素子１４２ａ、１４２ｂに達する位置まで形成されている。つまり、縦型転送ゲート電極１３５、１３６は半導体基板１１０の深さ方向において半導体基板１１０埋め込まれて形成されている。そして、埋め込みの深さは、光電変換素子１４２ａ、１４２ｂのＮ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂに接する位置である。縦型転送ゲート電極１３５、１３６は所望の電圧を印加することでそれぞれ光電変換素子１４２ａ、１４２ｂで発生した電荷を光電変換素子１２１に転送する。

【0067】

本実施形態では、縦型転送ゲートにより電荷の転送を制御することが可能であるため、Ｎ型半導体領域１２２ａ、１２２ｂを第２の深さまで形成する必要はない。

【0068】

本実施形態では、実施形態１と同様に、画素内において隣り合う光電変換素子１２１ａ、１２１ｂよりも深い領域で光電変換により生じた電子が、２つの光電変換素子１２２ａ、１２２ｂ同士の間で移動することを防ぐことが可能となる。これにより、像面位相差式の焦点検出方法により、自動合焦を行うために必要な情報をより精度を高めた光電変換装置を実現することができる。さらに、光電変換素子１２２ａ、１２２ｂの飽和電荷量を超える信号電荷を光電変換素子１２１へとオーバーフローさせることができるため、読み出せる信号電荷量を増やすことが可能となる。また、縦型転送トランジスタを配置することで撮像用の光電変換素子１２１の面積を大きくすることが可能となる。これにより、精度の高い焦点検知用の信号を取得と同時に撮像用の飽和電荷量を高めることが可能となる。

【0069】

（実施形態４）
図１８を参照しながら実施形態４の光電変換装置について説明する。図１７は、本実施形態による光電変換装置の概略断面図である。本実施形態は、裏面から光が入射する裏面照射型の光電得変換装置である。この点および以下で説明する点以外は、実施形態１と実質的に同じであるため、説明を省略する。なお、実施形態１乃至３において本実施形態の構成を採用してもよい。

【0070】

本実施形態では、半導体基板の裏面側にカラーフィルタ２０１及びマイクロレンズ２０２が設けられている。また、第１面の側にトランジスタや配線層が設けられている。カラーフィルタ２０１及びマイクロレンズ２０２は、前述のカラーフィルタ１０１及びマイクロレンズ１０２と同様であるため説明を省略する。

【0071】

本実施形態では、裏面照射型の光電変換装置であるため、入射光は焦点検知用の光電変換素子１３２ａまたは１３２ｂを先に通過し撮像用の光電変換素子１２１に到達する。したがって、光電変換により発生する電荷が光電変換素子１３２ａ、１３２ｂで発生する確率が高まる。入射側に焦点検知用の光電変換素子１３２ａ、１３２ｂが配置されることで、自動合焦を行うために必要な情報をより精度を高めた光電変換装置を実現することができる。

【0072】

（実施形態５）
図１９は、本実施形態に係る光電変換システム１２００の構成を示すブロック図である。本実施形態の光電変換システム１２００は、光電変換装置１２０４を含む。ここで、光電変換装置１２０４は、上述の実施形態で述べた光電変換装置のいずれかを適用することができる。光電変換システム１２００は例えば、撮像システムとして用いることができる。撮像システムの具体例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラ等が挙げられる。図１９では、光電変換システム１２００としてデジタルスチルカメラの例を示している。

【0073】

図１９に示す光電変換システム１２００は、光電変換装置１２０４、被写体の光学像を光電変換装置１２０４に結像させるレンズ１２０２、レンズ１２０２を通過する光量を可変にするための絞り１２０３、レンズ１２０２の保護のためのバリア１２０１を有する。レンズ１２０２および絞り１２０３は、光電変換装置１２０４に光を集光する光学系である。

【0074】

光電変換システム１２００は、光電変換装置１２０４から出力される出力信号の処理を行う信号処理部１２０５を有する。信号処理部１２０５は、必要に応じて入力信号に対して各種の補正、圧縮を行って出力する信号処理の動作を行う。光電変換システム１２００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部１２０６、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）１２０９を有する。更に光電変換システム１２００は、撮像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体１２１１、記録媒体１２１１に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）１２１０を有する。記録媒体１２１１は、光電変換システム１２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１２１０から記録媒体１２１１との通信や外部Ｉ／Ｆ部１２０９からの通信は無線によってなされてもよい。

【0075】

更に光電変換システム１２００は、各種演算を行うとともにデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部１２０８、光電変換装置１２０４と信号処理部１２０５に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部１２０７を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、光電変換システム１２００は、少なくとも光電変換装置１２０４と、光電変換装置１２０４から出力された出力信号を処理する信号処理部１２０５とを有すればよい。第４の実施形態にて説明したようにタイミング発生部１２０７は光電変換装置に搭載されていてもよい。全体制御・演算部１２０８およびタイミング発生部１２０７は、光電変換装置１２０４の制御機能の一部または全部を実施するように構成してもよい。

【0076】

光電変換装置１２０４は、画像用信号を信号処理部１２０５に出力する。信号処理部１２０５は、光電変換装置１２０４から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部１２０５は、画像用信号を用いて、画像を生成する。また、信号処理部１２０５は、光電変換装置１２０４から出力される信号に対して測距演算を行ってもよい。なお、信号処理部１２０５やタイミング発生部１２０７は、光電変換装置に搭載されていてもよい。つまり、信号処理部１２０５やタイミング発生部１２０７は、画素が配された基板に設けられていてもよいし、別の基板に設けられている構成であってもよい。上述した各実施形態の光電変換装置を用いて撮像システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な撮像システムを実現することができる。

【0077】

（実施形態６）
本実施形態の光電変換システムおよび移動体について、図２０及び図２１用いて説明する。図２０は、本実施形態による光電変換システムおよび移動体の構成例を示す概略図である。図２１は、本実施形態による光電変換システムの動作を示すフロー図である。本実施形態では、光電変換システムとして、車載カメラの一例を示す。

【0078】

図２０は、車両システムとこれに搭載される撮像を行う光電変換システムの一例を示したものである。光電変換システム１３０１は、光電変換装置１３０２、画像前処理部１３１５、集積回路１３０３、光学系１３１４を含む。光学系１３１４は、光電変換装置１３０２に被写体の光学像を結像する。光電変換装置１３０２は、光学系１３１４により結像された被写体の光学像を電気信号に変換する。光電変換装置１３０２は、上述の各実施形態のいずれかの光電変換装置である。画像前処理部１３１５は、光電変換装置１３０２から出力された信号に対して所定の信号処理を行う。画像前処理部１３１５の機能は、光電変換装置１３０２内に組み込まれていてもよい。光電変換システム１３０１には、光学系１３１４、光電変換装置１３０２および画像前処理部１３１５が、少なくとも２組設けられており、各組の画像前処理部１３１５からの出力が集積回路１３０３に入力されるようになっている。

【0079】

集積回路１３０３は、撮像システム用途向けの集積回路であり、メモリ１３０５を含む画像処理部１３０４、光学測距部１３０６、測距演算部１３０７、物体認知部１３０８、異常検出部１３０９を含む。画像処理部１３０４は、画像前処理部１３１５の出力信号に対して、現像処理や欠陥補正等の画像処理を行う。メモリ１３０５は、撮像画像の一次記憶、撮像画素の欠陥位置を格納する。光学測距部１３０６は、被写体の合焦や、測距を行う。測距演算部１３０７は、複数の光電変換装置１３０２により取得された複数の画像データから測距情報の算出を行う。物体認知部１３０８は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部１３０９は、光電変換装置１３０２の異常を検出すると、主制御部１３１３に異常を発報する。

【0080】

集積回路１３０３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し、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

【0081】

主制御部１３１３は、光電変換システム１３０１、車両センサ１３１０、制御ユニット１３２０等の動作を統括・制御する。主制御部１３１３を持たず、光電変換システム１３０１、車両センサ１３１０、制御ユニット１３２０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）方法も取り得る。

【0082】

集積回路１３０３は、主制御部１３１３からの制御信号を受け或いは自身の制御部によって、光電変換装置１３０２へ制御信号や設定値を送信する機能を有する。

【0083】

光電変換システム１３０１は、車両センサ１３１０に接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの自車両走行状態および自車外環境や他車・障害物の状態を検出することができる。車両センサ１３１０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段でもある。また、光電変換システム１３０１は、自動操舵、自動巡行、衝突防止機能等の種々の運転支援を行う運転支援制御部１３１１に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、光電変換システム１３０１や車両センサ１３１０の検出結果を基に他車・障害物との衝突推定・衝突有無を判定する。これにより、衝突が推定される場合の回避制御、衝突時の安全装置起動を行う。

【0084】

また、光電変換システム１３０１は、衝突判定部での判定結果に基づいて、ドライバーに警報を発する警報装置１３１２にも接続されている。例えば、衝突判定部の判定結果として衝突可能性が高い場合、主制御部１３１３は、ブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして、衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置１３１２は、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムやメーターパネルなどの表示部画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

【0085】

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方または後方を光電変換システム１３０１で撮影する。図２０（ｂ）に、車両前方を光電変換システム１３０１で撮像する場合の光電変換システム１３０１の配置例を示す。

【0086】

２つの光電変換装置１３０２は、車両１３００の前方に配される。具体的には、車両１３００の進退方位または外形（例えば車幅）に対する中心線を対称軸に見立て、その対称軸に対して２つの光電変換装置１３０２が線対称に配されると、車両１３００と被写対象物との間の距離情報の取得や衝突可能性の判定を行う上で好ましい。また、光電変換装置１３０２は、運転者が運転席から車両１３００の外の状況を視認する際に運転者の視野を妨げない配置が好ましい。警報装置１３１２は、運転者の視野に入りやすい配置が好ましい。

【0087】

次に、光電変換システム１３０１における光電変換装置１３０２の故障検出動作について、図２１を用いて説明する。光電変換装置１３０２の故障検出動作は、図２１に示すステップＳ１４１０～Ｓ１４８０に従って実施される。

【0088】

ステップＳ１４１０は、光電変換装置１３０２のスタートアップ時の設定を行うステップである。すなわち、光電変換システム１３０１の外部（例えば主制御部１３１３）または光電変換システム１３０１の内部から、光電変換装置１３０２の動作のための設定を送信し、光電変換装置１３０２の撮像動作および故障検出動作を開始する。

【0089】

次いで、ステップＳ１４２０において、有効画素から画素信号を取得する。また、ステップＳ１４３０において、故障検出用に設けた故障検出画素からの出力値を取得する。この故障検出画素は、有効画素と同じく光電変換部を備える。この光電変換部には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出用画素は、この光電変換部に書き込まれた電圧に対応する信号を出力する。なお、ステップＳ１４２０とステップＳ１４３０とは逆でもよい。

【0090】

次いで、ステップＳ１４４０において、故障検出画素の出力期待値と、実際の故障検出画素からの出力値との該非判定を行う。ステップＳ１４４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致している場合は、ステップＳ１４５０に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、処理ステップがステップＳ１４６０へと移行する。ステップＳ１４６０では、走査行の画素信号をメモリ１３０５に送信して一次保存する。そののち、ステップＳ１４２０に戻り、故障検出動作を継続する。一方、ステップＳ１４４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致していない場合は、処理ステップはステップＳ１４７０に移行する。ステップＳ１４７０において、撮像動作に異常があると判定し、主制御部１３１３、または警報装置１３１２に警報を発報する。警報装置１３１２は、表示部に異常が検出されたことを表示させる。その後、ステップＳ１４８０において光電変換装置１３０２を停止し、光電変換システム１３０１の動作を終了する。

【0091】

なお、本実施形態では、１行毎にフローチャートをループさせる例を例示したが、複数行毎にフローチャートをループさせてもよいし、１フレーム毎に故障検出動作を行ってもよい。ステップＳ１４７０の警報の発報は、無線ネットワークを介して、車両の外部に通知するようにしてもよい。

【0092】

また、本実施形態では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、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。さらに、光電変換システム１３０１は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機或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。

【0093】

本発明の光電変換装置は、更に、距離情報など各種情報を取得可能な構成であってもよい。

【符号の説明】

【0094】

１００ 光電変換装置
１０２ マイクロレンズ
１１０ 半導体基板
１１２ 活性領域
１１４ 素子分離領域
１１６、１３０、１３６、１３４ Ｐ型半導体領域
１１８、１１９、１２２、１２７ Ｎ型半導体領域
１２０ フローティングディフュージョン
１２１、１３２ａ、１３２ｂ 光電変換素子
１２４、１２５、１２６ 転送ゲート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】