本发明涉及固态成像设备、成像系统和能移动的物体。
背景技术：
在由ccd图像传感器或cmos图像传感器表示的固态成像设备中，已经进行了各种考虑以提高生成信号载体的光电转换单元的灵敏度或电荷累积量。作为固态成像设备的光电转换单元，使用由在半导体基板的表面上设置的p型半导体区域和形成电荷累积区域的n型半导体区域的p-n结形成的掩埋光电二极管结构是主流。在这种情况下，在光电转换单元中生成的信号载体是电子。
日本专利申请特开第2014-165286号公开了在形成电荷累积区域的n型半导体区域下面布置与阱相比具有更高浓度的p型半导体区域，以增大p-n结电容并由此增大光电转换单元的电荷累积量。另外，日本专利申请特开第2014-165286号公开了在p型半导体区域中设置开口以便防止由于在作为电荷累积区域的n型半导体区域下面设置p型半导体区域而引起的灵敏度降低。
近年来，在cmos图像传感器中，已经提出了通过使用全局电子快门操作来捕获图像。全局电子快门操作是执行捕获以便在多个像素之间匹配曝光时段的驱动方法，其具有以下优点：即使在捕获快速移动的被摄体时，被摄体图像也不太可能失真。提高上述光电转换单元的灵敏度或电荷累积量的目的类似地适用于具有全局电子快门功能的固态成像设备。
具有全局电子快门功能的固态成像设备的像素均具有与光电转换单元分开的用于临时保持信号载体的保持部。由于这个保持部保持不同于由光电转换单元保持的信号载体的、在曝光时段期间生成的信号载体，因此抑制信号载体从光电转换单元泄漏到保持部中是非常重要的。
但是，在日本专利申请特开第2014-165286号中，没有考虑对具有全局电子快门功能的固态成像设备的应用。因此，在日本专利申请特开第2014-165286号中公开的配置不足以抑制信号载体从光电转换单元泄漏到保持部中。
技术实现要素：
本发明的目的是提供如下的固态成像设备和成像系统，其能够在减少由于信号载体从光电转换单元泄漏到分开的保持部中而引起的噪声的同时提高光电转换单元的灵敏度或电荷累积量。
根据本发明的一方面，提供一种固态成像设备，包括：多个像素，每个像素包括：通过光电转换生成电荷的光电转换单元；第一保持部，保持从光电转换单元传送的电荷；第二保持部，保持从第一保持部传送的电荷；以及放大器单元，输出基于由第二保持部保持的电荷的量的信号，其中光电转换单元包括设置在半导体基板的表面上的第一导电类型的第一半导体区域、设置在第一半导体区域下面并且适于累积所生成的电荷的第二导电类型的第二半导体区域、设置在第二半导体区域下面的第一导电类型的第三半导体区域以及设置在第三半导体区域下面的第二导电类型的第四半导体区域，其中第一保持部包括与第二半导体区域间隔开地设置的第二导电类型的第五半导体区域和在设置第三半导体区域的深度处被设置在第五半导体区域下面的第一导电类型的第六半导体区域，并且其中在第三半导体区域和第六半导体区域之间设置如下的半导体区域，该半导体区域与第三半导体区域和第六半导体区域中的每个相比具有更低的电位。
从下面参考附图对示例性实施例的描述中，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是图示出根据本发明第一实施例的固态成像设备的总体配置的框图。
图2是根据本发明第一实施例的固态成像设备的像素的等效电路图。
图3、图5a和图5b是根据本发明第一实施例的固态成像设备的像素的平面图。
图4是根据本发明第一实施例的固态成像设备的像素的截面图。
图6是根据本发明第二实施例的固态成像设备的像素的平面图。
图7是根据本发明第二实施例的固态成像设备的像素的截面图。
图8是根据本发明第二实施例的修改例的固态成像设备的像素的平面图。
图9是根据本发明第三实施例的固态成像设备的像素的平面图。
图10是根据本发明第三实施例的固态成像设备的像素的截面图。
图11是图示根据本发明第四实施例的成像系统的总体配置的框图。
图12a是图示根据本发明第五实施例的成像系统的配置示例的图。
图12b是图示根据本发明第五实施例的能移动的物体的配置示例的图。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
[第一实施例]
将参考图1至图5b描述根据本发明第一实施例的固态成像设备。图1是图示出根据本实施例的固态成像设备的总体配置的框图。图2是根据本实施例的固态成像设备的像素的等效电路图。图3、图5a和图5b是根据本实施例的固态成像设备的像素的平面图。图4是根据本实施例的固态成像设备的像素的截面图。
如图1中所示，根据本实施例的成像设备100包括像素区域10、垂直扫描电路20、列读出电路30、水平扫描电路40、控制电路50和输出电路60。
在像素区域10中，设置以多行多列的矩阵布置的多个像素12。在像素区域10中的像素阵列的每一行上，控制信号线14布置成在行方向(图1中的水平方向)上延伸。控制信号线14连接到在行方向上对齐的相应像素12，它是这些像素12共用的信号线。另外，在像素区域10中的像素阵列的每一列上，垂直输出线16布置成在列方向(图1中的垂直方向)上延伸。垂直输出线16连接到在列方向上对齐的相应像素12，它是这些像素12共用的信号线。
每行上的控制信号线14连接到垂直扫描电路20。垂直扫描电路20是当从像素12读出像素信号时经由控制信号线14向像素12供应用于驱动像素12中的读出电路的控制信号的电路单元。每列上的垂直输出线16的一端连接到列读出电路30。从像素12读出的像素信号经由垂直输出线被输入到列读出电路30。列读出电路30是对从像素12读出的像素信号执行预定的信号处理(例如，诸如放大处理或模数(ad)转换处理的信号处理)的电路单元。列读出电路30可以包括差分放大器电路、采样和保持电路、ad转换电路等。
水平扫描电路40是向列读出电路30供应用于将在列读出电路30中处理的像素信号以列为基础顺序地传送到输出电路60的控制信号的电路单元。控制电路50是供应用于控制垂直扫描电路20、列读出电路30和水平扫描电路40的操作和操作定时的控制信号的电路单元。输出电路60是由缓冲放大器、差分放大器等形成的电路单元，并且将从列读出电路30读出的像素信号输出到固态成像设备100外部的信号处理单元。
图2是图示出形成像素区域10的像素电路的示例的电路图。虽然图2图示出形成像素区域10的像素12中的布置成两行两列的四个像素12，但是形成像素区域10的像素12的数量没有特别限制。
多个像素12中的每一个像素包括光电转换单元d、传送晶体管m1和m2、复位晶体管m3、放大晶体管m4、选择晶体管m5和溢出晶体管m6。光电转换单元d例如是光电二极管。光电转换单元d的光电二极管的阳极连接到地电压线，并且其阴极连接到传送晶体管m1的源极和溢出晶体管m6的源极。传送晶体管m1的漏极连接到传送晶体管m2的源极。寄生耦合到传送晶体管m1的漏极和传送晶体管m2的源极的连接节点的电容组件具有作为电荷保持部的功能。图2将这个电容组件描绘为电容器(c1)。在下面的描述中这个电容器可以被表示为保持部c1。
传送晶体管m2的漏极连接到复位晶体管m3的源极和放大晶体管m4的栅极。传送晶体管m2的漏极、复位晶体管m3的源极和放大晶体管m4的栅极的连接节点是所谓的浮动扩散(fd)区域。寄生耦合到fd区域的电容组件(浮动扩散电容器)具有作为电荷保持部的功能。图2将这个电容组件描绘为连接到fd区域的电容器(c2)。在下面的描述中，fd区域可以被表示为保持部c2。复位晶体管m3的漏极和放大晶体管m4的漏极连接到电源电压线(vdd)。要注意的是，供应给复位晶体管m3的漏极的电压和供应给放大晶体管m4的漏极的电压可以彼此相同或者可以彼此不同。放大晶体管m4的源极连接到选择晶体管m5的漏极。选择晶体管m5的源极连接到垂直输出线16。
对于像素区域10的像素阵列的每一行，控制信号线14布置成在行方向(图2中的水平方向)上延伸。每一行上的控制信号线14包括控制线gs、控制线tx、控制线res、控制线sel和控制线ofg。控制线gs分别连接到在行方向上对齐的像素12的传送晶体管m1的栅极，它是这些像素12共用的信号线。控制线tx分别连接到在行方向上对齐的像素12的传送晶体管m2的栅极，它是这些像素12共用的信号线。控制线res分别连接到在行方向上对齐的像素12的复位晶体管m3的栅极，它是这些像素12共同的信号线。控制线sel分别连接到在行方向上对齐的像素12的选择晶体管m5的栅极，它是这些像素12共用的信号线。控制线ofg分别连接到在行方向上对齐的像素12的溢出晶体管m6的栅极，它是这些像素12共同的信号线。要注意的是，在图2中，每条控制线的名称附带有对应的行号(例如，gs(n)、gs(n+1))。
控制线gs、控制线tx、控制线res、控制线sel和控制线ofg连接到垂直扫描电路20。用于控制传送晶体管m1的驱动脉冲从垂直扫描电路20输出到控制线gs。用于控制传送晶体管m2的驱动脉冲从垂直扫描电路20输出到控制线tx。用于控制复位晶体管m3的驱动脉冲从垂直扫描电路20输出到控制线res。用于控制选择晶体管m5的驱动脉冲从垂直扫描电路20输出到控制线sel。用于控制溢出晶体管m6的驱动脉冲从垂直扫描电路20输出到控制线ofg。这些控制信号是根据来自控制电路50的预定定时信号从垂直扫描电路20供应的。逻辑电路(诸如移位电阻器、地址解码器等)被用于垂直扫描电路20。
垂直输出线16布置成对于像素区域10的像素阵列的各个行在列方向(图2中的垂直方向)上延伸。每条垂直输出线16连接到在列方向上对齐的像素12的选择晶体管m5的源极，它是这些像素12共用的信号线。垂直输出线16与电流源18连接。
光电转换单元d将入射光转换(光电转换)成与光量对应的量的电荷并且累积生成的电荷。溢出晶体管m6将在光电转换单元d中累积的电荷排出到其漏极。在这种情况下，溢出晶体管m6的漏极ofd可以连接到电源电压线(vdd)。
传送晶体管m1将保持在光电转换单元d中的电荷传送到保持部c1。传送晶体管m1作为全局电子快门操作。保持部c1将由光电转换单元d生成的电荷保持在与光电转换单元d不同的位置中。传送晶体管m2将保持部c1中保持的电荷传送到保持部c2。保持部c2保持从保持部c1传送的电荷，并且将放大器部(放大晶体管m4的栅极)的输入节点的电压设置为与其电容和所传送的电荷的量对应的电压。
复位晶体管m3将保持部c2复位到与电压vdd对应的预定电压。在这种情况下，也能够通过接通传送晶体管m2来复位保持部c1。此外，还能够通过进一步接通传送晶体管m1来复位光电转换单元d。
选择晶体管m5选择从其将信号输出到输出线16的像素12。放大晶体管m4被配置为使得电压vdd被供应给漏极并且偏置电流经由选择晶体管m5从电流源18被供应给源极，放大晶体管m4形成其中栅极是输入节点的放大器部(源极跟随器电路)。由此，放大晶体管m4将基于由入射光生成的电荷的信号vout输出到垂直输出线16。要注意的是，在图2中，信号vout附带有对应的列号(vout(m)、vout(m+1))。
这种配置允许在保持部c1保持电荷的同时在光电转换单元d中累积由光电转换单元d生成的电荷。这使能其中在多个像素12之间曝光时段匹配的图像捕获操作(即，所谓的全局电子快门操作)。要注意的是，电子快门意味着对于由入射光生成的电荷的累积的电控制。
图3图示出根据本实施例的固态成像设备中的像素12的平面布局的示例。虽然其中设置像素12的每个元件的每个区域为了简化说明而在图3中以矩形框绘出，但是每个方框不旨在说明每个元件的形状，而是旨在说明元件的至少一部分布置在每个区域内。例如，与传送晶体管m1和m2以及溢出晶体管m6对应的区域大致与其中布置相应晶体管的栅极的区域对应。另外，设置复位晶体管m3、放大晶体管m4和选择晶体管m5的区域被表示为一个区域。
光电转换单元d、传送晶体管m1、保持部c1、传送晶体管m2和保持部c2被布置成在像素12的单位区域内按这个次序彼此相邻。溢出晶体管m6被布置成与光电转换单元d相邻。图3中绘出的箭头图示出当传送晶体管m1和m2以及溢出晶体管m6被驱动时电荷的传送方向。即，当传送晶体管m1被驱动时，光电转换单元d的电荷被传送到保持部c1。当传送晶体管m2被驱动时，保持部c1的电荷被传送到保持部c2。当溢出晶体管m6被驱动时，光电转换单元d的电荷被传送(排出)到溢出晶体管m6的漏极ofd。
图4是沿着图3的线a-a'截取的示意性截面图。形成阱的p型半导体区域112(第七半导体区域)设置在n型半导体基板110的表面上。要注意的是，在一示例中，p型是第一导电类型，并且n型是第二导电类型。光电转换单元d、保持部c1、n型半导体区域122和n型半导体区域124在p型半导体区域112的表面上彼此间隔开地布置。要注意的是，在图4的截面中没有出现的复位晶体管m3、放大晶体管m4和选择晶体管m5的描述在这里省略了。
光电转换单元d是掩埋光电二极管，其包括与半导体基板110的表面接触的p型半导体区域114(第一半导体区域)和设置在p型半导体区域114下面的n型半导体区域116(第二半导体区域)。n型半导体区域116是用于累积由光电转换单元d生成的信号电荷(电子)的电荷累积层。保持部c1具有掩埋光电二极管结构，其包括与半导体基板110的表面接触的p型半导体区域118(第八半导体区域)和设置在p型半导体区域118下面的n型半导体区域120(第五半导体区域)。n型半导体区域122形成保持部c2。n型半导体区域124形成溢出晶体管m6的漏极ofd。
在n型半导体区域116和n型半导体区域120之间的半导体基板110的上方，设置有栅极电极128，在半导体基板110和栅极电极128之间插入有栅极绝缘膜126。由此，形成传送晶体管m1，其中n型半导体区域116是源极、n型半导体区域120是漏极并且栅极电极128是栅极。另外，在n型半导体区域120与n型半导体区域122之间的半导体基板110的上方，设置栅极电极132，在半导体基板110和栅极电极132之间插入有栅极绝缘膜130。由此，形成传送晶体管m2，其中n型半导体区域120是源极、n型半导体区域122是漏极并且栅极电极132是栅极。另外，在n型半导体区域116与n型半导体区域124之间的半导体基板110的上方，设置栅极电极136，在半导体基板110和栅极电极136之间插入有栅极绝缘膜134。由此，形成溢出晶体管m6，其中n型半导体区域116是源极、n型半导体区域124是漏极并且栅极电极136是栅极。
光电转换单元d还包括设置在n型半导体区域116下面的p型半导体区域138(第三半导体区域)。另外，保持部c1还包括设置在n型半导体区域120下面的p型半导体区域138(第六半导体区域)。p型半导体区域138具有作为用于抑制耗尽层从n型半导体区域116和120向下扩展的耗尽抑制层的功能，并且与p型半导体区域112相比具有更高的杂质浓度。在p型半导体区域138(第三半导体区域)中，在平面图中的与n型半导体区域116重叠的区域的一部分中设置开口140。要注意的是，在本说明书中，平面图是指通过将固态成像设备的每个组成部分投影在平行于半导体基板110的表面的平面上而获得的二维平面图，其与例如图3的平面布局对应。
p型半导体区域138被配置为能够固定其电位是优选的。从这样的观点出发，在本实施例中，p型半导体区域138在与半导体基板110的表面平行的方向上延伸并连接到p型半导体区域112。这种配置允许p型半导体区域138的电位固定到作为阱的p型半导体区域112的电位，例如固定到地电位。要注意的是，将p型半导体区域138连接到p型半导体区域112的形式不限于本实施例的示例。例如，p型半导体区域138的底部的一部分可以在深度方向上延伸以穿透n型半导体区域142并连接到p型半导体区域112。
图5a图示出与p型半导体区域138重叠的图3的平面图。p型半导体区域138大致布置在光电转换单元d、保持部c1以及传送晶体管m1和m2及溢出晶体管m6的栅极下面。期望开口140布置在光电转换单元d的中心部分144的保持部c1侧。要注意的是，在这种情况下，光电转换单元d的中心部分144可以是平面图中的n型半导体区域116的质心、可以是未被互连等覆盖的开口区域的中心、或者可以是当光波导布置在光电转换单元d上方时的光波导的中心。通常，当应用任何上述定义时，中心部分144位于光电转换单元d的基本相同的位置。进入像素12的光通过在光电转换单元d上方设置的微透镜(未示出)会聚到光电转换单元d的中心部分144。
光电转换单元d还包括在p型半导体区域138下面设置的n型半导体区域142(第四半导体区域)。n型半导体区域142被设置在平面图中的至少与n型半导体区域116重叠的区域中。在图4中所示的示例中，n型半导体区域142被设置成从平面图中的与n型半导体区域116重叠的区域延伸到平面图中的与保持部c1的n型半导体区域120重叠的区域。n型半导体区域116和n型半导体区域142经由开口140彼此连接以形成连续的n型半导体区域。另一方面，n型半导体区域120和n型半导体区域142通过p型半导体区域138彼此分离。相邻像素12的n型半导体区域142通过p型半导体区域112彼此分离。另外，设置在n型半导体区域116下面的p型半导体区域138和设置在n型半导体区域120下面的p型半导体区域138被设置在相同的深度处。另外，可以说，在设置在n型半导体区域116下面的p型半导体区域138与设置在n型半导体区域120下面的p型半导体区域138之间，存在与这两个p型半导体区域138中的每个相比具有更低电位的区域。
优选的是，从尽可能靠近光电转换单元d的位置起，除光电转换单元d以外的部分通过遮光膜146被遮光。图4图示出在半导体基板110上方设置的遮光膜146。例如，遮光膜146布置成用在中心区域具有开口148的金属膜覆盖至少整个保持部c1，该中心区域包括至少光电转换单元d的中心部分144。要注意的是，由于栅极电极128、132和136附近的部分或者连接到n型半导体区域122和124的接触部分不能被遮光膜146覆盖并且可能造成光的泄漏，因此优选的是尽可能多地将遮光膜146的这些间隙与保持部c1分开。
图5b图示出与设置遮光膜146的区域重叠的图3的平面图。要注意的是，在图5b中，省略了栅极电极128、132和136或连接到n型半导体区域122和124的接触部分的图示。在根据本实施例的固态成像设备中，优选的是，例如如图5b中所示，设置在p型半导体区域138中的开口140被遮光膜146覆盖。
在根据本实施例的固态成像设备中，对于n型半导体区域142，浓度被设计为使得即使当电子在n型半导体区域116中累积时n型半导体区域142的大部分也被耗尽。另一方面，对于p型半导体区域138，浓度被设计为使得整个p型半导体区域138不被耗尽。例如，可以设置每个部分的以下杂质浓度。对于p型半导体区域112，杂质浓度(硼浓度)为1.0×1015cm-3。对于n型半导体区域116，杂质浓度(砷浓度)为2.5×1017cm-3，并且杂质浓度的峰位置在0.2μm的深度处。对于n型半导体区域120，杂质浓度(砷浓度)为2.5×1017cm-3，杂质浓度的峰位置在0.2μm的深度处。对于p型半导体区域138，杂质浓度(硼浓度)为1.0×1016cm-3，杂质浓度的峰位置在0.7μm的深度处，并且厚度为0.8μm。对于n型半导体区域142，杂质浓度(磷浓度)为4.0×1014cm-3，并且底部(与p型半导体区域112的界面)的深度在3.0μm处。通过以这种方式设置每个部分的杂质浓度，能够实现n型半导体区域142的大部分被耗尽并且p型半导体区域138的整体不被耗尽的状态。
如上面所讨论的，在根据本实施例的固态成像设备中，p型半导体区域138设置在形成光电转换单元d的电荷累积层的n型半导体区域116下面。设置p型半导体区域138的目的之一是增大作为电荷累积层的n型半导体区域116的饱和电荷量。
通过在n型半导体区域116下面设置p型半导体区域138，在n型半导体区域116与p型半导体区域138之间形成p-n结电容器。如从由q＝cv表述的关系函数清楚的，当预定的反向偏置电压v被施加到光电转换单元d的p-n结时，较大的p-n结电容c导致较大的累积电荷量q。累积在n型半导体区域116中的信号电荷被传送到信号输出部。但是，当n型半导体区域116的电位达到由电源电压等确定的预定电位时，n型半导体区域116的信号电荷不再被传送。即，由于信号电荷的传送引起的电压v的变化是固定的，因此饱和电荷量与光电转换单元d的p-n结电容成比例地增大。因此，通过设置p型半导体区域138，能够增大作为电荷累积层的n型半导体区域116的饱和电荷量。
但是，在包括保持部c1的固态成像设备中，由于设置了p型半导体区域138，存在泄漏到保持部c1中的噪声分量可能增大的担忧。例如，保持部c1可能在光电转换单元d的曝光时段期间正在累积前一帧的信号电荷。因此，当基于进入光电转换单元d的光的信号电荷泄漏到n型半导体区域120中时，其可能作为噪声叠加在前一帧的信号上。
会聚到光电转换单元d的中心部分144中的光具有与波长相同程度的扩展。虽然透射到设备内部的光的大部分在光电转换单元d的n型半导体区域116和p型半导体区域114中被吸收，但不可忽视的量的光进入p型半导体区域138。因此，通过光电转换也在p型半导体区域138中出现电子和空穴对。虽然p型半导体区域138的内部是中性区域并且不存在电场，但是在p型半导体区域138中生成的电子的一小部分扩散并泄漏到保持部c1中。当在p型半导体区域138中生成的电子泄漏到保持部c1中时，这会造成噪声。因此，在具有保持部c1的固态成像设备中，如何减少从p型半导体区域138泄漏到保持部c1中的信号电荷是重要的。
从这样的观点出发，在本实施例的固态成像设备中，在p型半导体区域138下面设置n型半导体区域142。如前所述，在根据本实施例的固态成像设备中，浓度被设计为使得n型半导体区域142的大部分被耗尽。另外，浓度被设计为使得整个p型半导体区域138不被耗尽。因此，在与半导体基板110的表面垂直的方向上在p型半导体区域138和n型半导体区域142之间发生电场，在p型半导体区域138中生成的电子被拉到n型半导体区域116或n型半导体区域142，并且到达保持部c1的电子的比率下降。由此，可以减少泄漏到保持部c1中的噪声分量。
要注意的是，日本专利申请特开第2014-165286号公开了在形成光电转换单元的电荷累积层的n型半导体区域下面设置p型半导体区域。但是，在日本专利申请特开第2014-165286号中，p型半导体区域(p型阱)位于p型半导体区域下面，因此这些p型半导体区域不被耗尽。因此，如果将日本专利申请特开第2014-165286号中公开的结构简单地应用于具有保持部c1的固态成像设备，那么这种配置不能防止在电荷累积层下面的p型半导体区域中生成的电子散射并泄漏到保持部c1中。
当在比n型半导体区域116深的区域(例如，n型半导体区域142)内生成的信号电荷被收集到n型半导体区域116时，开口140用作信号电荷的移动路径。因此，通过在p型半导体区域138中设置开口140，与不设置开口140的情况相比，可以提高光接收灵敏度。
优选的是，开口140不包括光电转换单元d的中心部分144并且被布置在靠近保持部c1的位置。由于最强的光进入光电转换单元d的中心部分144，因此在p型半导体区域138中生成的电荷的数量较大。通过在与靠近光电转换单元d的中心部分144相比更靠近保持部c1的位置处设置开口140，在光电转换单元d的中心部分144附近的p型半导体区域138中生成的电子在到达保持部c1之前被拉入开口140的电位。被拉入开口140的电位的电子被n型半导体区域116或n型半导体区域142捕获。因此，这种布置可以进一步减少泄漏到保持部c1中的噪声分量。
以类似的观点，进一步优选的是将开口140布置在不与光入射区域重叠的位置。例如，如在根据本实施例的固态成像设备中所示，优选的是通过遮光膜146、布线等将开口140的上部遮光。
如前所述，n型半导体区域142可以布置成向上延伸到保持部c1下面。进入像素12的光的一小部分由于散射等而进一步进入保持部c1的下部。n型半导体区域142向上延伸到保持部c1下面，由此更深部分的光电转换区域扩展，这允许在保持部c1下面生成的电子也被收集在n型半导体区域116中。由此，可以进一步提高光接收灵敏度。
在n型半导体区域120下面延伸的p型半导体区域138提供如下优点：与n型半导体区域116的情况类似地，增大保持部c1中的作为电荷累积层的n型半导体区域120的饱和电荷量。但是，在n型半导体区域120和n型半导体区域142之间的p型半导体区域138中不设置开口，并且n型半导体区域120与n型半导体区域142分离。这种配置可以防止在n型半导体区域142及其更深区域中生成的电荷流入n型半导体区域120中。
p型半导体区域138可以通过用在预定区域中开口的光刻胶作为掩模来注入杂质离子而形成。在这种情况下，可以通过预先用光刻胶覆盖在平面图中的与n型半导体区域116重叠的区域的一部分来形成开口140。p型半导体区域138的杂质浓度或深度在n型半导体区域116下面的区域与n型半导体区域120下面的区域之间可以不同。通过这样做，能够根据光电转换单元d和保持部c1所需的特性来设计p型半导体区域138以改进设计的灵活性。但是，在这种情况下，考虑到制造成本的降低，由于需要两次光刻步骤，因此优选的是在形成n型半导体区域116下面的区域和n型半导体区域120下面的区域的同时形成p型半导体区域138。在这种情况下，n型半导体区域116下面的p型半导体区域138和n型半导体区域120下面的p型半导体区域138将在半导体基板的相同深度处并且以相同的杂质浓度形成。
如上面所讨论的，根据本实施例，可以在光电转换单元d的n型半导体区域116中收集在p型半导体区域138中生成的电荷。这可以提高光电转换单元d的灵敏度并且防止非预期的电荷泄漏到保持部c1中。
[第二实施例]
将参考图6至图8描述根据本发明第二实施例的固态成像设备。图6是根据本实施例的固态成像设备的像素的平面图。图7是根据本实施例的固态成像设备的像素的截面图。图8是根据本实施例的修改例的固态成像设备的像素的平面图。与根据第一实施例的固态成像设备相似的部件标以相同的标号标记，并且将省略或简化其描述。
虽然在第一实施例中已经考虑了信号电荷从一个像素12内的p型半导体区域138泄漏到保持部c1中，但是信号电荷从p型半导体区域138泄漏到保持部c1中可能发生在相邻像素12之间。在本实施例中，图示出可以抑制信号电荷从一个像素(像素12a)的p型半导体区域138泄漏到与这一个像素相邻的另一个像素(像素12b)的保持部c1中的固态成像设备。
在根据本实施例的固态成像设备中，如图6中所示，具有图3中所示的平面布局的像素12在图中在垂直方向彼此相邻地布置。当在图6中上部像素12被表示为像素12a并且下部像素12被表示为像素12b时，像素12a的光电转换单元d被布置成与像素12b的保持部c1相邻。在这种布局的情况下，可能发生信号电荷从像素12a的光电转换单元d的p型半导体区域138泄漏到像素12b的保持部c1中。
从这样的观点出发，在根据本实施例的固态成像设备中，在一个像素(像素12a)的光电转换单元d的中心部分144和与这一个像素相邻的另一个像素(像素12b)的保持部c1之间进一步设置另一个开口140。图7是沿着图6的线b-b'截取的示意性截面图。如图7中所示，n型半导体区域116经由在光电转换单元d的中心部分144外侧的两个开口140连接到n型半导体区域142。利用这种配置，可以以更可靠的方式减少电荷从光电转换单元d下面的p型半导体区域138泄漏到保持部c1中。
应注意的是，虽然在本实施例中将两个开口140布置在平面图中的与n型半导体区域116重叠的区域内，但是开口140可以布置成例如包围在平面图中的包括光电转换单元d的中心部分144的区域，如图8中所示。在这种情况下，如第一实施例中所述，到p型半导体区域138的固定电压供应可以通过形成p型半导体区域138的底部的一部分以在深度方向上延伸并连接到p型半导体区域112来实现。
如上面所讨论的，根据本实施例，可以在光电转换单元d的n型半导体区域116中收集在p型半导体区域138中生成的电荷。这可以提高光电转换单元d的灵敏度，并且防止非预期的电荷泄漏到保持部c1中。
[第三实施例]
将参考图9和图10来描述根据本发明第三实施例的固态成像设备。图9是根据本实施例的固态成像设备的像素的平面图。图10是根据本实施例的固态成像设备的像素的截面图。与根据第一实施例和第二实施例的固态成像设备相似的部件用相同的标号标记，并且将省略或简化其描述。
在根据本实施例的固态成像设备中，如图9中所示，具有图3中所示的平面布局的像素12在图中在水平方向镜像对称地并且彼此相邻地布置。当在图9中左侧像素12被表示为像素12a并且右侧像素12被表示为像素12b时，像素12a的光电转换单元d被布置成与像素12b的光电转换单元d相邻。
当开口140被布置成围绕在平面图中的包括光电转换单元d的中心部分144的区域时，需要一些改进，诸如形成p型半导体区域138的底部以在深度方向上延伸并连接到p型半导体区域112，如第二实施例的修改例中所描述的。
另一方面，当如图9中所示的布局中看到的，当相邻像素12的光电转换单元d被布置成彼此面对时，在这两个像素12的光电转换单元d中设置的p型半导体区域138可以作为单个连续图案形成。由于在像素12a和像素12b之间设置了用于隔离的p型半导体区域(未示出)，因此跨像素12形成的p型半导体区域138可以经由隔离p型半导体区域或直接地连接到p型半导体区域112。图10是沿着图9的线c-c'截取的示意性截面图。图10图示出p型半导体区域138和p型半导体区域112在像素12a和像素12b之间的边界处连接的状态。
要注意的是，本实施例的布局可以应用于用于焦点检测的像素。在这种情况下，将光会聚到像素12中的单个微透镜(未示出)被布置到像素12a的光电转换单元d和像素12b的光电转换单元d。由微透镜会聚的光的中心150布置在像素12a的光电转换单元d和像素12b的光电转换单元d之间。这使得能够检测基于已经通过光学系统的不同光瞳区域的光的信号，并且可以将这种信号用作焦点检测信号。
如上面所讨论的，根据本实施例，可以将在p型半导体区域138中生成的电荷收集到光电转换单元d的n型半导体区域116中。这可以提高光电转换单元d的灵敏度，并且防止非预期的电荷泄漏到保持部c1中。
[第四实施例]
将参考图11描述根据本发明第四实施例的成像系统。与根据第一实施例至第三实施例的成像设备类似的部件用相同的标号标记，并且将省略或简化其描述。图11是图示根据本实施例的成像系统的配置的框图。
上述第一实施例至第三实施例中描述的成像设备100可以应用于各种成像系统。可应用的成像系统的示例可以包括数码相机、数码摄像机、监控相机、复印机、传真机、移动电话、车载相机、观察卫星等。另外，在成像系统中可以包括具有光学系统(诸如透镜)的相机模块以及成像设备。图11图示出作为上述的示例的数码相机的框图。
图11中作为示例示出的成像系统200具有成像设备201、将被摄体的光学图像捕获到成像设备201上的透镜202、改变穿过透镜202的光量的光圈204以及保护透镜202的挡板206。透镜202和光圈204形成将光会聚到成像设备201上的光学系统。成像设备201是在第一实施例至第三实施例中描述的固态成像设备100中的任何一种，并且将由透镜202捕获的光学图像转换成图像数据。
成像系统200还具有处理从成像设备201输出的输出信号的信号处理单元208。信号处理单元208执行将从成像设备201输出的模拟信号转换成数字信号的ad转换。另外，信号处理单元208根据需要执行实施各种校正或压缩以及输出图像数据的其它操作。作为信号处理单元208的一部分的ad转换单元可以在其中设置成像设备201的半导体基板上形成，或者可以在与成像设备201不同的半导体基板上形成。另外，成像设备201和信号处理单元208可以在相同的半导体基板上形成。
成像系统200还具有用于在其中临时存储图像数据的存储器单元210以及用于与外部计算机等通信的外部接口单元(外部i/f单元)212。成像系统200还具有用于执行图像拾取数据的存储或读出的存储介质214(诸如半导体存储器)以及用于对存储介质执行存储或读出的存储介质控制接口单元(存储介质控制i/f单元)216。要注意的是，存储介质214可以嵌入成像系统200中或者可以是可移除的。
成像系统200还具有控制各种计算并控制整个数码相机的总体控制/操作单元218以及将各种定时信号输出到成像设备201和信号处理单元208的定时生成单元220。在这里，定时信号等可以从外部输入，并且成像系统200可以具有至少成像设备201和处理从成像设备201输出的输出信号的信号处理单元208。
成像设备201将成像信号输出到信号处理单元208。信号处理单元208对从成像设备201输出的成像信号执行预定的信号处理并且输出图像数据。信号处理单元208使用成像信号来生成图像。
根据第一实施例至第三实施例中的任一个实施例的固态成像设备100的应用可以实现能够以高灵敏度和大饱和电荷量获取良好质量图像的成像系统。
[第五实施例]
将通过使用图12a和图12b来描述根据本发明第五实施例的成像系统和能移动的物体。图12a是图示根据本实施例的成像系统的配置的图。图12b是图示根据本实施例的能移动的物体的配置的图。
图12a图示出与车载相机相关的成像系统的示例。成像系统300具有成像设备310。成像设备310是上述第一实施例至第三实施例中描述的固态成像设备100中的任何一个。成像系统300具有对由成像设备310获取的多个图像数据执行图像处理的图像处理单元312以及从由成像系统300获取的多个图像数据计算视差(视差图像的相位差)的视差计算单元314。另外，成像系统300具有基于计算出的视差来计算到物体的距离的距离测量单元316以及基于计算出的距离来确定是否存在碰撞可能性的碰撞确定单元318。在这里，视差计算单元314和距离测量单元316是获取关于到物体的距离的距离信息的距离信息获取单元的示例。即，距离信息是关于视差、离焦量、到物体的距离等的信息。碰撞确定单元318可以使用任何距离信息来确定碰撞可能性。距离信息获取单元可以通过专门设计的硬件来实现或者可以通过软件模块来实现。另外，距离信息获取单元可以通过现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)等来实现，或者可以通过其组合来实现。
成像系统300连接到车辆信息获取设备320并且可以获取车辆信息(诸如车辆速度、偏航率、转向角度等)。另外，成像系统300与控制ecu330连接，该控制ecu330是基于碰撞确定单元318的确定结果输出用于使车辆生成制动力的控制信号的控制设备。另外，成像系统300与警报设备340连接，该警报设备340基于碰撞确定单元318的确定结果向驾驶员发出警报。例如，当作为碰撞确定单元318的确定结果碰撞概率高时，控制ecu330执行车辆控制以通过施加制动、加速器后退、抑制发动机功率等来避免碰撞或减少损坏。警报设备340通过发出有声警报(诸如声音)，在汽车导航系统等的显示器上显示警报信息、向座椅安全带或方向盘提供振动等来提醒用户。
在本实施例中，通过使用成像系统300来捕获车辆周围的区域，例如前方区域或后方区域。图12b图示出在捕获车辆的前方区域(捕获区域350)的情况下的成像系统300。车辆信息获取设备320向成像系统300或成像设备310发送指令。这种配置可以进一步提高测距精度。
虽然在上面的描述中已经示出用于避免与另一个车辆碰撞的控制的示例，但是该实施例适用于跟随另一个车辆的自动驾驶控制、不从车道出来的自动驾驶控制等。此外，成像系统不限于车辆(诸如本主题车辆)，并且可以例如应用于能移动的物体(移动的装置)，诸如船舶、飞机或工业机器人。此外，成像系统可以广泛地应用于利用对象识别的设备，诸如智能交通系统(its)，而不限于能移动的物体。
[修改实施例]
本发明不限于上述实施例，并且各种修改是可能的。
例如，其中任何实施例的配置的一部分被添加到另一个实施例的示例或者其中任何实施例的配置的一部分被另一个实施例的配置的一部分取代的示例是本发明的实施例之一。
另外，虽然在上述实施例中已经作为示例描述了使用生成电子作为信号电荷的光电转换单元d的固态成像设备，但是这同样适用于使用生成空穴作为信号电荷的光电转换单元d的固态成像设备。在这种情况下，形成像素12的每个部分的半导体区域的导电类型是相反的导电类型。要注意的是，在上述实施例中描述的每个晶体管的源极和漏极的名称根据晶体管的导电性、感兴趣的功能等而不同，并且上述源极和漏极的全部或一部分可以用相反的名字指代。
另外，虽然在上述实施例中保持部c1具有包括p型半导体区域118和n型半导体区域120的掩埋二极管结构，但是保持部c1的配置不限于此。例如，电极可以经由绝缘膜布置在半导体基板110上方，而不在半导体基板110的表面上布置p型半导体区域118，并且可以在电极和n型半导体区域120之间形成mos电容器。这个电极可以连接到传送晶体管m1的栅极电极128。
另外，虽然在上述实施例中已经作为示例描述了具有全局电子快门功能的固态成像设备，但是本发明可以广泛地应用于具有与光电转换单元分开地用于临时保持信号载体的保持部的固态成像设备。
另外，上述实施例中所示的成像系统是可以对其应用本发明的固态成像设备的成像系统的示例，可以对其应用本发明的固态成像设备的成像系统不限于图11至图12b中所示的配置。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应当被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有此类修改以及等同的结构和功能。