JP6952256B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
半導体基板と、
前記半導体基板内の第1の光電変換部、および一端が前記第1の光電変換部に電気的に接続された第1の容量素子を含む第1の撮像セルと、
前記半導体基板内の第2の光電変換部を含む第2の撮像セルと、
を備え、
平面視において、前記第2の光電変換部の面積は、前記第1の光電変換部の面積よりも大きい、撮像装置。
前記第1の撮像セルは、前記第1の光電変換部に電気的に接続された第1の電荷検出回路をさらに含み、
前記第2の撮像セルは、前記第2の光電変換部に電気的に接続された第2の電荷検出回路をさらに含む、項目1に記載の撮像装置。
前記第1の電荷検出回路は、ソース及びドレインの一方が前記第1の光電変換部に電気的に接続された第1のリセットトランジスタを含み、
前記第1の電荷検出回路は、ソース及びドレインの一方が前記第2の光電変換部に電気的に接続された第2のリセットトランジスタを含む、項目2に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セルは、ソース及びドレインの一方が前記第1の光電変換部に電気的に接続された第1の転送トランジスタを有し、
前記第1の電荷検出回路は、
前記第1の転送トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方に電気的に接続された第1のフローティングディフュージョンと、
ソース及びドレインの一方が前記第1のフローティングディフュージョンに電気的に接続された第1のリセットトランジスタと、
を含む、項目2に記載の撮像装置。
前記第2の撮像セルは、ソース及びドレインの一方が前記第2の光電変換部に電気的に接続された第2の転送トランジスタを有し、
前記第2の電荷検出回路は、
前記第2の転送トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方に電気的に接続された第2のフローティングディフュージョンと、
ソース及びドレインの一方が前記第2のフローティングディフュージョンに電気的に接続された第2のリセットトランジスタと、
を含む、項目4に記載の撮像装置。
前記第2の撮像セルは、
ソース及びドレインの一方が前記第2の光電変換部に電気的に接続された転送トランジスタと、
前記転送トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方に電気的に接続されたフローティングディフュージョンと、
を含む、項目1に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セルは、ソース及びドレインの一方が前記第1の光電変換部に電気的に接続された第1の転送トランジスタをさらに含み、
前記第2の撮像セルは、ソース及びドレインの一方が前記第2の光電変換部に電気的に接続された第2の転送トランジスタをさらに含み、
前記第1の撮像セル及び第2の撮像セルは、
前記第1の転送トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方および前記第2の転送トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方の両方に電気的に接続されたフローティングディフュージョンを含む、項目1に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セル及び第2の撮像セルは、ソースおよびドレインの一方が前記フローティングディフュージョンに電気的に接続されたリセットトランジスタをさらに含む、項目7に記載の撮像装置。
前記第2の撮像セルは容量素子を有さない、項目1〜8のいずれか1項に記載の撮像装置。
平面視において、前記第2の光電変換部の形状は、前記第1の光電変換部の形状と異なる、項目1〜9のいずれか1項に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セルは、前記第1の光電変換部の光入射側に位置する第1のマイクロレンズをさらに備え、
前記第2の撮像セルは、前記第2の光電変換部の光入射側に位置する第2のマイクロレンズをさらに有し、
前記第2のマイクロレンズの集光面積は、前記第1のマイクロレンズの集光面積よりも大きい、項目1〜10のいずれか1項に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セルと前記第2の撮像セルとは互いに隣接して配置され、
前記第1の撮像セル及び第2の撮像セルは、前記第1の光電変換部及び第2の光電変換部の光入射側に位置する共通のマイクロレンズをさらに含み、
前記第2の光電変換部は、前記マイクロレンズの光軸上に位置する、項目1〜11のいずれか1項に記載の撮像装置。
前記第1の容量素子は、下部電極、上部電極、および前記下部電極と前記上部電極とに挟まれた絶縁体を含み、
前記下部電極および前記上部電極のいずれか一方は前記第1の光電変換部に電気的に接続されている、項目1〜12のいずれか1項に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セルと前記第2の撮像セルとは互いに隣接して配置され、
平面視において、前記第1の容量素子は、前記第1の光電変換部および第2の光電変換部の間に位置する、項目1〜13のいずれか1項請求項1に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セルと前記第2の撮像セルとは互いに隣接して配置され、
平面視において、前記第1の容量素子は、前記第1の光電変換部および第2の光電変換部の一方または両方と少なくとも部分的に重なる、項目1〜14のいずれか1項に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セルは、前記第1の光電変換部が生成する第1の電荷を第1の蓄積時間の間蓄積し、
前記第2の撮像セルは、前記第2の光電変換部が生成する第2の電荷を第2の蓄積時間の間蓄積し、
前記第2の蓄積時間は、前記第1の蓄積時間よりも長い、項目1〜15のいずれか1項に記載の撮像装置。
前記第1の電荷検出回路は、1フレーム期間において、前記第1の光電変換部が生成する第1の電荷をリセットすることなく、前記第1の電荷を少なくとも2回読み出す、項目2〜16のいずれか1項記載の撮像装置。
入射光を第1の電荷に変換する第1の光電変換部と、
前記第1の光電変換部に電気的に接続され、前記第1の電荷を蓄積する第1の蓄積容量と、
前記第1の蓄積容量に接続され、前記第1の蓄積容量に蓄積された前記第1の電荷を読み出す第1の電荷検出回路と、
を含む第1の撮像セルと、
入射光を第2の電荷に変換する第2の光電変換部と、
前記第2の光電変換部に接続され、前記第2の電荷を蓄積する第2の蓄積容量と、
前記第2の蓄積容量に接続され、前記第2の蓄積容量に蓄積された前記第2の電荷を読み出す第2の電荷検出回路と、
を含む第2の撮像セルと、
を備え、
前記第2の光電変換部は、前記第1の光電変換部よりも多くの光を受光するように構成され、
前記第1の蓄積容量の容量値は、第2の蓄積容量の容量値よりも大きい、撮像装置。
前記第1の蓄積容量は容量素子を含み、前記第2の蓄積容量は容量素子を含まない、項目18に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セルと前記第2の撮像セルとは、互いに隣接して配置され、
前記第1および第2の撮像セルは、前記第1および第2の光電変換部の光入射側に位置する共通のマイクロレンズをさらに備え、
前記第2の光電変換部は、前記マイクロレンズの光軸上に位置する、項目18又は19に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セルと前記第2の撮像セルとは、互いに隣接して配置され、
前記第1及び第2の撮像セルは、前記第1の光電変換部及び第2の光電変換部の光入射側に位置する共通のマイクロレンズをさらに含み、
前記第2の光電変換部は、前記マイクロレンズにより光が集光される領域に配置される、項目1〜11のいずれか1項に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セル及び第2の撮像セルを複数備え、
複数の第1および第2の撮像セルは、平面視において1次元または2次元に配列されている、項目1〜21のいずれか1項に記載の撮像装置。
平面視において、前記第2の電荷検出回路の面積は、前記第1の電荷検出回路の面積よりも大きい、項目2に記載の撮像装置。
前記第1の撮像セルは、第1のフィードバックループをさらに備え、
前記第1のフィードバックループは、第1の反転増幅回路と、前記第1のリセットトランジスタと、前記第1の電荷検出回路とを含み、
前記第2の撮像セルは、第2のフィードバックループをさらに備え、
前記第2のフィードバックループは、第2の反転増幅回路と、前記第2のリセットトランジスタと、前記第2の電荷検出回路とを含む、項目3に記載の撮像装置。
図3は、撮像装置100の構造の一例を模式的に示している。撮像装置100は、2次元に配列された複数の単位画素30を備えている。なお、実際には、数百万個の単位画素30が2次元に配列され得るが、図3は、そのうちの2行2列の行列状に配置された単位画素30を示している。なお、撮像装置100は、ラインセンサであっても構わない。その場合、複数の単位画素30は、1次元(行方向または列方向)に配列される。
次に、図4を参照しながら、第1の撮像セル31および第2の撮像セル31’の回路構成の一例を説明する。
図5は、本実施形態による撮像装置100中の単位画素30のデバイス構造の断面を模式的に示している。
図11に、単位画素30の回路構成の第1のバリエーションを示している。第1の撮像セル31は、図4に示される第1の撮像セル31の構成とは異なり、電荷蓄積容量として、電荷蓄積ノード44に接続される容量素子Csatを備えていない。第1の撮像セル31は、リセットトランジスタRSS、増幅トランジスタSFS、アドレストランジスタSELS、および、第1の光電変換部PDSから構成される3トランジスタ型のセルである。第2の撮像セル31’の構成は、図4に示される構成と同一である。
図12に、単位画素30の回路構成の第2のバリエーションを示している。第1の撮像セル31は、図4に示される第1の撮像セル31の構成とは異なり、フィードバックループ(列フィードバック回路)をさらに備える。列フィードバック回路は、増幅トランジスタSFS、アドレストランジスタSELS、反転増幅回路FBAMP1およびリセットトランジスタRSSを含む。列フィードバック回路により、第1の撮像セル31はフィードバックリセットされる。第2の撮像セル31’の構成は、図4に示される構成と同一である。
図13に、単位画素30の回路構成の第3のバリエーションを示している。第1の撮像セル31は、図4に示される第1の撮像セル31の構成とは異なり、転送トランジスタTXSを備える。第2の撮像セル31’の構成は、図4に示される構成と同一である。この構成においては、第1の撮像セル31および第2の撮像セル31’のいずれも転送トランジスタを備え、4トランジスタ型の構成となる。第1の撮像セル31のみが高飽和用の容量素子Csatを備える。
図14に、単位画素30の回路構成の第4のバリエーションを示している。図4に示される回路構成とは異なり、第1の撮像セル31および第2の撮像セル31’は共に、3トランジスタ型の構成を備え、反転増幅回路FBAMPSまたは反転増幅回路FBAMPLを含む列フィードバック回路を備える。
図15に、単位画素30の回路構成の第5のバリエーションを示している。図12に示される構成と比較して、第1の撮像セル31の構成が異なる。第1の撮像セル31は、容量素子Cc、容量素子Csおよびフィードバック制御トランジスタFBSをさらに備える。容量素子Ccの容量値は、容量素子Csの容量値よりも小さいことが望ましい。第1の撮像セル31は、図12における容量素子Csatを備えない。
図18に、単位画素30の回路構成の第7のバリエーションを示している。図15に示される構成と比較して、第1の撮像セル31は、画素内で負帰還を行う画素内フィードバック回路を備える。画素内フィードバック回路は、増幅トランジスタSFS、フィードバック制御トランジスタFBS、容量素子Cs、および容量素子Ccを含む。増幅トランジスタSFSのドレインVB10には複数の基準電圧が動作モードに応じて印加される。
図20に、単位画素30の回路構成の第9のバリエーションを示している。図4に示される構成と比較して、第2の撮像セル31’も、第1の撮像セル31と同様に、第2の光電変換部PDLに接続された容量素子CsatLを備える。容量素子CsatLに信号線VPUMPが接続される。
図22に、単位画素30の回路構成の第11のバリエーションを示している。第1の撮像セル31および第2の撮像セル31’は、増幅トランジスタSFLおよびアドレストランジスタSELLを有する電荷検出回路を共有している。リセット用トランジスタとして、両撮像セルの間でリセットトランジスタRSLが共有される。第1の撮像セル31および第2の撮像セル31’のうちどちらのセルをリセットまたは読み出すかは、転送トランジスタTXS、TXLを用いて選択される。
図23を参照しながら、撮像装置100の動作シーケンスの一例を説明する。
図24を参照しながら、本実施形態による撮像モジュール200を説明する。
31 第1の撮像セル
31’ 第2の撮像セル
45、45’ 垂直信号線
46、46’ 電源配線
47、47’ リセット信号線
48、48’ アドレス信号線
49、49’ フィードバック信号線
51 第1の電荷検出回路
51’ 第2の電荷検出回路
52 第1の垂直走査回路
52’ 第2の垂直走査回路
53 第1の水平走査回路
53’ 第2の水平走査回路
54 第1の列AD変換回路
54’ 第2の列AD変換回路
100 撮像装置
200 撮像モジュール
300 半導体基板
301 配線層
302A、302B マイクロレンズ
303 STI
304 コンタクト
305 カラーフィルタ
13、13’ MIM容量素子
310 下部電極
311 上部電極
312 絶縁体
400 DSP
RSS、RSSL、RSSS リセットトランジスタ
TX、TXL、TXS 転送トランジスタ
SFS、SFSS、SFSL 増幅トランジスタ
SEL、SELS、SELL アドレストランジスタ
PDS、PDL フォトダイオード
Csat、CsatS、CsatL、Cc、Cs 容量素子
FBAMPS、FMAMPL 反転増幅回路
Claims (20)
- 半導体基板と、
前記半導体基板内の第1の光電変換部、および一端が前記第1の光電変換部に電気的に接続された第1の容量素子を含む第1の撮像セルと、
前記半導体基板内の第2の光電変換部を含む第2の撮像セルと、
を備え、
前記第1の撮像セルと前記第2の撮像セルとは互いに隣接し、
前記半導体基板は、前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部との間にトレンチ分離構造を含み、
前記第1の容量素子は、平面視において、前記トレンチ分離構造と少なくとも部分的に重なり、
平面視において、前記第2の光電変換部の面積は、前記第1の光電変換部の面積よりも大きい、撮像装置。 - 前記第1の撮像セルは、前記第1の光電変換部に電気的に接続された第1の電荷検出回路をさらに含み、
前記第2の撮像セルは、前記第2の光電変換部に電気的に接続された第2の電荷検出回路をさらに含む、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1の電荷検出回路は、ソース及びドレインの一方が前記第1の光電変換部に電気的に接続された第1のリセットトランジスタを含み、
前記第1の電荷検出回路は、ソース及びドレインの一方が前記第2の光電変換部に電気的に接続された第2のリセットトランジスタを含む、請求項2に記載の撮像装置。 - 前記第1の撮像セルは、ソース及びドレインの一方が前記第1の光電変換部に電気的に接続された第1の転送トランジスタを有し、
前記第1の電荷検出回路は、
前記第1の転送トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方に電気的に接続された第1のフローティングディフュージョンと、
ソース及びドレインの一方が前記第1のフローティングディフュージョンに電気的に
接続された第1のリセットトランジスタと、
を含む、請求項2に記載の撮像装置。 - 前記第2の撮像セルは、ソース及びドレインの一方が前記第2の光電変換部に電気的に接続された第2の転送トランジスタを有し、
前記第2の電荷検出回路は、
前記第2の転送トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方に電気的に接続された第2のフローティングディフュージョンと、
ソース及びドレインの一方が前記第2のフローティングディフュージョンに電気的に接続された第2のリセットトランジスタと、
を含む、請求項2に記載の撮像装置。 - 前記第2の撮像セルは、
ソース及びドレインの一方が前記第2の光電変換部に電気的に接続された転送トランジスタと、
前記転送トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方に電気的に接続されたフローティングディフュージョンと、
を含む、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1の撮像セルは、ソース及びドレインの一方が前記第1の光電変換部に電気的に接続された第1の転送トランジスタをさらに含み、
前記第2の撮像セルは、ソース及びドレインの一方が前記第2の光電変換部に電気的に接続された第2の転送トランジスタをさらに含み、
前記第1の撮像セル及び第2の撮像セルは、前記第1の転送トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方および前記第2の転送トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方の両方に電気的に接続されたフローティングディフュージョンを含む、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1の撮像セル及び第2の撮像セルは、ソースおよびドレインの一方が前記フローティングディフュージョンに電気的に接続されたリセットトランジスタをさらに含む、請求項7に記載の撮像装置。
- 前記第2の撮像セルは容量素子を有さない、請求項1に記載の撮像装置。
- 平面視において、前記第2の光電変換部の形状は、前記第1の光電変換部の形状と異なる、請求項1に記載の撮像装置。
- 前記第1の撮像セルは、前記第1の光電変換部の光入射側に位置する第1のマイクロレンズをさらに備え、
前記第2の撮像セルは、前記第2の光電変換部の光入射側に位置する第2のマイクロレンズをさらに有し、
前記第2のマイクロレンズの集光面積は、前記第1のマイクロレンズの集光面積よりも大きい、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1の撮像セルと前記第2の撮像セルとは互いに隣接して配置され、
前記第1の撮像セル及び第2の撮像セルは、前記第1の光電変換部及び第2の光電変換部の光入射側に位置する共通のマイクロレンズをさらに含み、
前記第2の光電変換部は、前記マイクロレンズの光軸上に位置する、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1の容量素子は、下部電極、上部電極、および前記下部電極と前記上部電極とに挟まれた絶縁体を含み、
前記下部電極および前記上部電極のいずれか一方は前記第1の光電変換部に電気的に接続されている、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1の容量素子は、平面視において、前記第2の光電変換部と少なくとも部分的に重なる、請求項1に記載の撮像装置。
- 前記第1の撮像セルは、前記第1の光電変換部が生成する第1の電荷を第1の蓄積時間の間蓄積し、
前記第2の撮像セルは、前記第2の光電変換部が生成する第2の電荷を第2の蓄積時間の間蓄積し、
前記第2の蓄積時間は、前記第1の蓄積時間よりも長い、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1の電荷検出回路は、1フレーム期間において、前記第1の光電変換部が生成する第1の電荷をリセットすることなく、前記第1の電荷を少なくとも2回読み出す、請求項2に記載の撮像装置。
- 第1の光電変換部、前記第1の光電変換部に隣接する第2の光電変換部、および、前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部との間のトレンチ分離構造を含む半導体基板と、
一端が前記第1の光電変換部に電気的に接続するように構成された第1の容量素子と、
を備え、
前記第1の容量素子は、平面視において、前記トレンチ分離構造と少なくとも部分的に重なる、撮像装置。 - 平面視において、前記第2の光電変換部の面積は、前記第1の光電変換部の面積よりも大きい、請求項17に記載の撮像装置。
- 前記第1の光電変換部および前記第2の光電変換部は、フォトダイオードである、請求項1から18のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第1の光電変換部は、前記第1の容量素子よりも光入射側に位置する、請求項1から19のいずれか1項に記載の撮像装置。
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