(57)【要約】【課題】  金属部に起因する信号の劣化を低減する。【解決手段】  第１面と、光が入射する第２面とを有し、光電変換素子を有する半導体基板と、フローティングディフュージョンと、第１ゲート電極を有する増幅トランジスタと、フローティングディフュージョンと接続する第１コンタクトプラグと、第１ゲート電極と接続する第２コンタクトプラグと、第１ゲート電極とフローティングディフュージョンとを電気的に接続する配線と、第１面と第１コンタクトプラグの配線と接続する面を含む第３面との間に設けられ、平面視において光電変換素子の少なくとも一部を覆い、平面視において配線の少なくとも一部と重畳する開口を有する金属部を有する。【選択図】  図４
2020068289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と、光が入射する第２面とを有し、光電変換素子を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記光電変換素子にて生じた電荷を保持するフローティングディフュージョンと、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、第１ゲート電極を有する増幅トランジスタと、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記フローティングディフュージョンと接続する第１コンタクトプラグと、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記第１ゲート電極と接続する第２コンタクトプラグと、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記第１コンタクトプラグと接続する第１部分と、前記第２コンタクトプラグと接続する第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを有し、前記第１ゲート電極と前記フローティングディフュージョンとを電気的に接続する配線と、
前記第１面と、前記第１コンタクトプラグの前記配線と接続する面を含む第３面との間に設けられ、平面視において前記光電変換素子の少なくとも一部を覆う金属部と、を有し、
前記金属部は、平面視において前記配線の前記第３部分の少なくとも一部と重畳する開口を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
平面視において、前記開口は前記配線を内包することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
平面視において、前記開口は前記フローティングディフュージョンを内包することを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
平面視において、前記開口は前記第１ゲート電極を内包することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記光電変換素子にて生じた電荷を転送する第２ゲート電極を有し、
平面視において、前記金属部は、前記光電変換素子から前記第２ゲート電極までを覆っていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記金属部は、前記第１面と、前記第１ゲート電極の前記第３面側の面を含む第４面との間に少なくとも一部が位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第１ゲート電極の前記第３面側に設けられた絶縁体パターンを有し、
前記金属部は、前記第１面と、前記絶縁体パターンの前記第３面側の面を含む第５面との間に少なくとも一部が位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記金属部は、少なくとも１層のタングステンを主成分とする膜を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記フローティングディフュージョンにスイッチを介して接続された容量を有し、
前記容量は、前記金属部からなる第１電極と、前記第１電極と前記第３面との間に設けられた第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた誘電体膜と、を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
平面視において、前記第２電極は前記金属部に内包されることを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記半導体基板は、前記光電変換素子とは別の光電変換素子と、前記光電変換素子と前記別の光電変換素子との間の分離領域と、を有し、
前記金属部は、平面視において前記分離領域の少なくとも一部と重畳する開口を有す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】
第１面と光が入射する第２面とを有し、第１光電変換素子と第２光電変換素子と前記第１光電変換素子と前記第２光電変換素子との間の分離領域とを有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記第１光電変換素子の電荷を転送するためのゲート電極と、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記ゲート電極と接続するコンタクトプラグと、
前記第１面と、前記コンタクトプラグの前記ゲート電極と接続する面とは反対側の面を含む第３面との間に設けられ、前記第１光電変換素子の少なくとも一部と前記第２光電変換素子の少なくとも一部とを覆う金属部と、を有し、
前記金属部は、平面視において前記分離領域の少なくとも一部と重畳する開口を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項１３】
平面視において、前記第１光電変換素子と前記第２光電変換素子と前記分離領域とは第１方向に沿って配され、
前記第１方向における前記開口の幅は、前記第１方向における前記分離領域の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載の光電変換装置。
【請求項１４】
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を処理する処理装置と、を有する撮像システム。
【請求項１５】
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く視差情報から、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、を有する移動体。
【請求項１６】
第１面と、光が入射する第２面とを有し、光電変換素子を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記光電変換素子にて生じた電荷を保持するフローティングディフュージョンと、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、第１ゲート電極を有する増幅トランジスタと、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記フローティングディフュージョンと接続する第１コンタクトプラグと、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記第１ゲート電極と接続する第２コンタクトプラグと、
前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記第１コンタクトプラグと接続する第１部分と、前記第２コンタクトプラグと接続する第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを有し、前記第１ゲート電極と前記フローティングディフュージョンとを電気的に接続する配線と、
前記第１面と、前記第１コンタクトプラグの前記配線と接続する面を含む第３面との間に設けられ、平面視において前記光電変換素子の少なくとも一部を覆い、平面視において前記配線の前記第３部分の少なくとも一部と重畳する開口を有する金属部と、
前記光電変換素子に基づく信号を別の半導体チップに出力するための接続部と、を有する積層用の半導体チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
光電変換装置、撮像システム、移動体、および積層用の半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、裏面照射型の撮像装置が提案されている。それは、電極や配線層が配された半導体基板の面とは反対側の面である、裏面側より光を受光して信号を生成する。このような裏面照射型の撮像装置では、長波長の光が半導体基板を透過してしまう場合がある。特許文献１は、配線層よりも半導体基板の近くに金属の反射膜を設ける構成を提案している。反射膜によって透過する光を低減し、感度を向上させ、混色を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６１３７２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に記載された構成では、金属の反射膜の配置については十分な検討がなされていない。特許文献１に記載の金属の反射膜が単位セルの全面を被覆するように設けられているが、単位セルの全面を覆うことによる信号の劣化が生じうる。そこで、本発明では、反射のために設けられた金属部に起因する信号の劣化を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る光電変換装置の１つの側面は、第１面と、光が入射する第２面とを有し、光電変換素子を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記光電変換素子にて生じた電荷を保持するフローティングディフュージョンと、前記半導体基板の前記第１面側に配され、第１ゲート電極を有する増幅トランジスタと、前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記フローティングディフュージョンと接続する第１コンタクトプラグと、前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記第１ゲート電極と接続する第２コンタクトプラグと、前記半導体基板の前記第１面側に配され、前記第１コンタクトプラグと接続する第１部分と、前記第２コンタクトプラグと接続する第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを有し、前記第１ゲート電極と前記フローティングディフュージョンとを電気的に接続する配線と、前記第１面と、前記第１コンタクトプラグの前記配線と接続する面を含む第３面との間に設けられ、平面視において前記光電変換素子の少なくとも一部を覆う金属部と、を有し、前記金属部は、平面視において前記配線の前記第３部分の少なくとも一部と重畳する開口を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、金属部に起因する信号劣化を低減した光電変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例１の光電変換装置を説明するためのブロック図。
【図２】実施例１の光電変換装置を説明するための回路図。
【図３】実施例１の光電変換装置を説明するための平面模式図。
【図４】（ａ）実施例１の光電変換装置を説明するための平面模式図、（ｂ）図４（ａ）の一部を拡大した平面模式図。
【図５】（ａ）実施例１の光電変換装置を説明するための断面模式図、（ｂ）実施例１の光電変換装置を説明するための断面模式図。
【図６】実施例１の光電変換装置を説明するための断面模式図。
【図７】（ａ）実施例２の光電変換装置を説明するための平面模式図、（ｂ）実施例２の光電変換装置を説明するための断面模式図。
【図８】実施例２の光電変換装置の製造方法を説明する断面模式図。
【図９】実施例２の光電変換装置の製造方法を説明する断面模式図。
【図１０】実施例３の光電変換装置を説明するための回路図。
【図１１】（ａ）実施例３の光電変換装置を説明するための平面模式図、（ｂ）実施例３の光電変換装置を説明するための平面模式図。
【図１２】実施例３の光電変換装置を説明するための断面模式図。
【図１３】（ａ）実施例４の光電変換装置を説明するための平面模式図、（ｂ）実施例４の光電変換装置を説明するための断面模式図。
【図１４】実施例５の光電変換装置を説明するための回路図。
【図１５】（ａ）実施例５の光電変換装置を説明するための平面模式図、（ｂ）実施例５の光電変換装置を説明するための断面模式図。
【図１６】実施例６の光電変換装置を説明するための模式図。
【図１７】撮像システムの構成を示す模式図。
【図１８】（ａ）移動体の構成を示す模式図、（ｂ）移動体の構成を示す模式図。
【図１９】移動体の動作フローを示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。以下に説明する実施例は、発明の一つの実施形態であって、これに限定されるものではない。また、各図面において、各図面において、同一の部材には、同一の符号を付して説明を省略する場合がある。更に、ある部材が複数存在する場合には代表的な部材に符号を付すことで、他の部材の符号を付すことを省略する場合がある。
【０００９】
また、以下に説明する実施例では、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反対の導電型となり得る。
【００１０】
（実施例１）
本実施例の光電変換装置について、図１から図４を用いて説明する。図１は、本実施例の光電変換装置を説明するためのブロック図である。光電変換装置１００は、光電変換領域ＰＡ、垂直走査回路１０１、信号処理回路１０２、水平走査回路１０３、出力回路１０４、制御回路１０５、を備える。光電変換領域ＰＡは、２次元の行列状に配置された複数の単位セル２０を備えている。列方向をＸ方向とし、行方向をＹ方向とする。また、行列方向に垂直な方向をＺ方向とする。ここで、光電変換装置が撮像を行う場合には、単位セルは画素、光電変換領域は画素領域とも言える。
【００１１】
垂直走査回路１０１は、制御線４０を介して信号を単位セル２０に供給する。この信号は、単位セル２０のトランジスタを制御するための制御信号や、単位セル２０のトランジスタを動作させるための電源電圧などを含む。同一行の単位セル２０に対して共通の信号が供給される。垂直走査回路１０１には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられ得る。各列の複数の単位セル２０に対して１つの垂直信号線１０が設けられており、複数の単位セル２０からの信号が垂直信号線１０に読み出される。信号処理回路１０２は垂直信号線１０から出力された信号に対して各種、処理を行う。信号処理回路１０２では、例えば、信号の増幅処理や、リセット時などの基準信号および光に基づく信号との相関二重サンプリング処理や、アナログデジタル変換処理（以下、ＡＤ変換処理）が行われる。水平走査回路１０３は、信号処理回路１０２を制御するための制御信号を供給する。また、水平走査回路１０３によって、信号処理回路１０２にて信号処理が終わった信号を出力回路１０４から出力するための制御信号を供給する。出力回路１０４は、信号処理回路１０２からの信号を光電変換装置１００の外部装置に出力する。出力回路１０４は、例えば、バッファアンプ、差動増幅器、マルチプレクス回路などを含みうる。
【００１２】
図２は、実施例１の光電変換装置を説明するための回路図である。図２は、光電変換領域ＰＡの回路を示している。図２では、行列に配された複数の単位セル２０のうちの一部である、ｎ−１行からｎ＋１行の３行と、ｍ−１列からｍ＋１列の３列に配された９個の単位セル２０を示している。ここで、９個の単位セル２０は、３行×３列に配列しているとも言える。ｎ−１行の単位セル２０は、ある方向に沿って配され、ｎ行の単位セル２０は、ある方向に平行な別の方向に沿って配されているとも言える。
【００１３】
本実施例の単位セル２０は、光電変換素子１、転送トランジスタ２、フローティングディフュージョン３（以下、ＦＤ）、リセットトランジスタ４、増幅トランジスタ５、選択トランジスタ６を有する。単位セル２０は、複数の光電変換素子や複数の選択トランジスタを有していてもよく、容量など他の素子を有していてもよい。また、別の単位セル２０と任意の素子、例えばリセットトランジスタ４は増幅トランジスタ５など、を共有してもよい。光電変換素子は、入射光を光電変換するとともに、光電変換された電荷を蓄積し得る。単位セル２０のそれぞれは、基本的に同一の構成を有している。以下の図面においては、説明のため、１つの単位セル２０を構成する部材の符号を複数のセルに振り分けている場合もある。
【００１４】
光電変換素子は、例えばフォトダイオードであるが、フォトゲートやＰＩＮフォトダイオードであってもよい。転送トランジスタ２は、ゲート電極を有し、光電変換素子１とＦＤ３との間の導通を制御しうる。転送トランジスタ２がオンすることにより光電変換素子１の電荷がＦＤ３に転送される。ＦＤ３は、光電変換素子１の電荷を保持する。増幅トランジスタ５は、ソースフォロワを構成し、ＦＤ３の電位に基づく信号を出力する。選択トランジスタ６は、増幅トランジスタ５と垂直信号線１０との間の導通を制御する。リセットトランジスタ４は、ＦＤ３と電源端子８との間の導通を制御し、ＦＤ３の電位を所定の電位にリセットし得る。リセットトランジスタ４と増幅トランジスタ５は共通の電源端子８と接続しているが、互いに異なる電源端子と接続していてもよい。
【００１５】
図１における制御線４０は、図２において少なくとも３本の制御線を含む。図２において、制御線４０は、転送トランジスタ２の制御信号ｐＴＸ、リセットトランジスタ４の制御信号ｐＲＥＳと、選択トランジスタ６の制御信号ｐＳＥＬを含む。ここで、括弧は各行の位置を示している。例えば、第ｎ行に供給される制御信号は、制御信号ｐＴＸ（ｎ）、ｐＲＥＳ（ｎ）、ｐＳＥＬ（ｎ）となる。各トランジスタは、制御信号がハイレベルの時にオンし、ローレベルの時にオフする。また、図１における垂直信号線１０は、図２においても１本の垂直信号線Ｖｏｕｔである。垂直信号線Ｖｏｕｔは単位セル列ごとに配されており、ｍ列に配された垂直信号線は、垂直信号線Ｖｏｕｔ（ｍ）となる。
【００１６】
図３は、図２に示した光電変換領域ＰＡの平面模式図である。図３は、素子が配された基板の表面への各素子の正射影図である。図３では、理解のため金属部を除いた構成を示している。図３において、単位セル２０は、図２と同様に３×３で配されている。光電変換素子１とＦＤ３との間に、転送トランジスタのゲート電極２が配されている。転送トランジスタは光電変換素子１とＦＤ３との間の導通を制御する。リセットトランジスタは、ゲート電極４と、ＦＤ３と、電源と接続したソース・ドレイン領域７とを含む。リセットトランジスタは、ＦＤ３と電源のノードとの間の導通を制御信号する。増幅トランジスタのゲート電極５はＦＤ３と同一のノードである。増幅トランジスタは、ゲート電極５と、ソース・ドレイン領域７、８とを含む。選択トランジスタは、ゲート電極６と、ソース・ドレイン領域８、９とを含む。ソース・ドレイン領域８は、図２の電源端子８と接続し、増幅トランジスタと選択トランジスタで共有されている。ソース・ドレイン領域９から単位セル２０の信号が出力される。各素子は、素子分離部１２によって規定される活性領域に設けられている。本実施例において、活性領域内における素子分離は半導体領域などによって形成される分離領域１３によってなされる。１つの単位セル２０の光電変換素子１とＸ方向に隣接する別の単位セル２０の光電変換素子１との間の分離領域１３は、平面視において幅Ｗ３を有する。
【００１７】
コンタクト３０１〜３０７は、ゲート電極、ソース・ドレイン領域と接続し、ゲート電極、ソース・ドレイン領域と配線層との電気的な接続を行う。コンタクト３０１は、ゲート電極２の上に位置し、ゲート電極２に制御信号を供給するためのコンタクトである。コンタクト３０２は、ＦＤ３の上に位置し、ＦＤ３とゲート電極５とを電気的に接続するためのコンタクトである。コンタクト３０３は、ゲート電極４の上に位置し、ゲート電極４に制御信号を供給するためのコンタクトである。コンタクト３０４は、ソース・ドレイン領域７の上に位置し、ソース・ドレイン領域７と電源配線とを電気的に接続するためのコンタクトである。
【００１８】
コンタクト３０５は、ゲート電極５の上に位置し、ＦＤ３とゲート電極５とを電気的に接続するためのコンタクトである。コンタクト３０６は、ゲート電極６の上に位置し、ゲート電極６に制御信号を供給するためのコンタクトである。コンタクト３０７は、ソース・ドレイン領域９の上に位置し、単位セル２０の信号を出力する信号線と電気的に接続するためのコンタクトである。配線３０８は、ＦＤ３とゲート電極５とを電気的に接続するための経路は、配線３０８と、コンタクト３０２と、コンタクト３０５とを有する。配線３０８やコンタクト３０２やコンタクト３０５はＦＤ３と同一のノードを構成する。なお、コンタクトは、コンタクトプラグによって構成される。
【００１９】
図４（ａ）に本実施例の光電変換装置を説明する平面模式図を示す。本実施例では、図３に示した構成の単位セル２０に、金属部１８を設けている。図４（ａ）は、図３の単位セル２０に金属部１８を重ねた平面レイアウト図である。金属部１８は、各単位セル列に配されている。金属部１８は、列方向に複数の単位セルに渡って延在している。
【００２０】
図４（ａ）に示す平面視において、金属部１８は、配線３０８の少なくとも一部と重畳する開口４０２を有する。配線３０８の少なくとも一部とは、コンタクト３０２と重畳する部分から延在してコンタクト３０５と重畳する部分までを結ぶ部分でもある。本実施例では、配線３０８の全体が開口４０２と重畳しており、開口４０２は配線３０８を内包する。配線３０８は上述のようにＦＤ３と同一のノードを構成している。配線３０８と金属部１８とは平面に垂直な方向において比較的近くに位置しているため、配線３０８と金属部１８とが重畳する場合には、それらの間に寄生容量が構成されてしまう。よって、本実施例のような開口４０２が設けられていることで、配線３０８に付加される容量を低減することができる。従って、本実施例の構成によれば、ＦＤ３の容量の増大を抑制することができる。
【００２１】
更に、金属部１８には、開口４０１が設けられている。開口４０１は、ゲート電極２の上に位置し、ゲート電極２と接続するコンタクト３０１のための開口である。開口４０１の径は、コンタクト３０１の径に比べて大きく、開口４０１の面積はコンタクト３０１の面積に比べて大きい。また、金属部１８はＦＤ３の上に位置する開口４０２を有する。開口４０２は、ＦＤ３の少なくとも一部を露出させる。開口４０２の面積はコンタクト３０２の面積よりも大きい。更に、開口４０１と開口４０２について説明する。
【００２２】
図４（ｂ）は図４（ａ）のゲート電極２の部分を拡大した図面である。金属部１８はゲート電極２とＦＤ３の一部の上に位置する。また、金属部１８は、ゲート電極２の上に位置する開口４０１と、ＦＤ３の上に位置する開口４０２と、を有する。そして、金属部１８の側面Ｓ１が開口４０１を形成し、金属部１８の側面Ｓ２が開口４０２を形成する。ここで、側面Ｓ１とゲート電極２と接続するコンタクト３０１との距離を距離Ｄ１とし、側面Ｓ２とＦＤ３と接続するコンタクト３０２との距離を距離Ｄ２とする。この時、距離Ｄ１＜距離Ｄ２となる。これは、ＦＤ３と同一のノードであるコンタクト３０５においても、コンタクト３０２と同様に金属部１８との距離を大きくする。すなわち、金属部１８は、ＦＤ３の上、あるいはコンタクト３０２などの周りに設けられていない。このような構成によって、ＦＤ３あるいはＦＤ３と同一のノードを構成するコンタクト３０２などと金属部１８とが構成する容量（寄生容量）を低減させることができる。なお、距離とは最短距離のことである。
【００２３】
また、金属部１８のある単位セルに設けられた部分と別の単位セルに設けられた部分との間には、Ｙ方向に延在する開口４０２が設けられている。開口４０２は溝やスリットとも言える。開口４０２は幅Ｗ１である。この開口４０２は、Ｙ方向に沿って複数の単位セル２０に渡って配されており、１つの単位セル２０のＹ方向の長さよりも長い。このように複数の光電変換素子１の間に開口４０２を有することで他の単位セルへの反射光の混入を低減することが可能となる。なお、幅Ｗ１は、例えば単位セルのサイズが１ｕｍであるときに、おおよそ０．１ｕｍ〜０．２ｕｍ程度であることが好ましい。各単位セルではその半分である。すなわち、幅Ｗ１は単位セルのサイズの５〜１０％である。ここで、金属部１８は光電変換素子の８０〜９０％を覆っているとも言える。なお、幅Ｗ１は、図３に示した分離領域１３の幅Ｗ３よりも大きいことが好ましい。開口４０２を有する光電変換装置について、図５、６を用いて説明する。
【００２４】
図５（ａ）は、本実施例の光電変換装置の図４（ａ）のＡＢ線における断面模式図である。図５（ｂ）は、本実施例の光電変換装置の図４（ａ）のＣＤ線における断面模式図である。以降の説明において、説明を簡単にするため、Ｚ方向を上として説明する。
【００２５】
図５（ａ）、図５（ｂ）を用いて光電変換装置の断面構造について説明する。図５（ａ）および図５（ｂ）において、３つの単位セルが配されている。光電変換素子１は、半導体基板５０１に設けられている。半導体基板５０１は、例えば単結晶シリコンからなる。ここで、光電変換素子１は、ＰＮ接合を有するフォトダイオードのＮ型半導体領域を示すものとする。半導体基板５０１は表面である面Ｐ１と裏面である面Ｐ２を有する。半導体基板５０１には、分離領域１３と、素子分離部１２とが設けられている。分離領域１３は、光電変換素子１同士を分離するためのＰ型の半導体領域からなる。素子分離部１２は、ＳＴＩなどトレンチに絶縁体などを設けた構成でありうる。半導体基板５０１には、光電変換素子１の一部としても機能する半導体領域３１が配されている。半導体領域３１は、光電変換素子１のＮ型半導体領域よりも低い不純物濃度のＮ型半導体領域か、Ｐ型半導体領域でありうる。半導体基板５０１において、光電変換素子１の面Ｐ１側には、光電変換素子１の保護層となるＰ型の半導体領域１１が設けられている。半導体領域１１によって、光電変換素子は埋め込み型のフォトダイオードとなっている。
【００２６】
半導体基板５０１の面Ｐ２側には、電荷固定層などの膜が設けられ（不図示）、更にカラーフィルター層３０が設けられている。カラーフィルター層３０は、赤（Ｒ）、青（Ｇ）、緑（Ｇ）のカラーフィルターを有する。複数のカラーフィルターはベイヤー配列を有する。カラーフィルター層３０は、面Ｐ２とマイクロレンズなどの光学素子（不図示）との間に位置する。
【００２７】
半導体基板５０１の面Ｐ１側には、ゲート絶縁膜でもある絶縁膜１４が設けられている。絶縁膜１４の上には、絶縁膜１６Ａと、金属部１８と、絶縁膜１６Ｂと、絶縁膜１６Ｃとが設けられている。図５（ｂ）の断面においては、図４（ａ）におけるゲート電極６に対応するゲート電極１５が絶縁膜１４と絶縁膜１６Ａとの間に設けられている。本実施例では、ゲート電極１５の上には、平面視において、ゲート電極１５と同一の形状を有する絶縁体パターンが設けられているが、絶縁体パターンは設けなくてもよい。図４（ａ）におけるゲート電極６だけでなく他のゲート電極もゲート電極１５に示す構造を有しているものとする。
【００２８】
絶縁膜１６Ｃには、配線層１７が設けられている。配線層１７は、面Ｐ１から同一の距離に配された複数の配線パターンを有し、図２の制御線４０や垂直信号線１０を構成する。面Ｐ３は、配線層１７の下面を含む。配線層１７は、銅やアルミニウムを主成分としたパターンからなる。ここで、絶縁膜１４、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンなどで形成することができ、単層膜でも積層膜でもよい。特に、絶縁膜１４と絶縁膜１６Ａは、電気的な特性などの他に、後に説明する金属部１８と半導体基板５０１との間で光学的な特性を満たすような材料や膜構成を有することが望ましい。また、ゲート電極１５の上には、コンタクト３０６を構成するコンタクトプラグ５０２が設けられている。面Ｐ３はコンタクトプラグ５０２を含むコンタクトプラグの上面を含む。コンタクトプラグは、ゲート電極や面Ｐ１側の面と、下面と反対の面を有する。ゲート電極や面Ｐ１側の面を下面とも、下面と反対の面を上面とも言う。
【００２９】
金属部１８の少なくとも一部は、面Ｐ１と面Ｐ３との間に位置する。また、金属部１８の少なくとも一部は、面Ｐ１とゲート電極１５の上面を含む面との間に位置する。金属部１８は、開口４０２を有する。開口はある方向、ここではＸ方向に沿って幅Ｗ１を有する。金属部１８は、例えば、アルミニウム、チタン、窒化チタン、タングステン、コバルト、各種シリサイドなど金属や金属化合物を含む、所定の反射率を有する材料で形成することができる。金属部１８は、単層あるいは多層の膜である。多層の膜は、材料が異なる２層の膜であってもよく、同一材料を主成分とし、かつ製造方法が異なる２層の膜であってもよい。本実施例では、金属部１８は少なくとも１層のタングステンを主成分とする膜からなるものとする。
【００３０】
本実施例の光電変換装置において、光は面Ｐ２から入射する。図５（ａ）および図５（ｂ）において、入射光は光線ＬＧ、ＬＲ、ＬＢで示される。光線ＬＧは緑のカラーフィルターを通過する光であり、光線ＬＲは赤のカラーフィルターを通過する光であり、光線ＬＢは青のカラーフィルターを通過する光である。これらの光の中で、シリコンでの吸収が少ない光線ＬＲは面Ｐ１に達する。光線ＬＲのうち、面Ｐ２に対して垂直に入射した光線ＬＲ１は金属部１８にて反射し、光電変換素子１にて検出されうる。光線ＬＲのうち、面Ｐ２に対して斜めに入射した光線ＬＲ２は金属部１８の開口４０２を通過していく。ここで、図６は、比較例の光電変換装置の断面模式図である。
【００３１】
図６は図５（ａ）と対応した図面であり、金属部１８に開口４０２がない点が異なる。開口４０２が存在しないため、図６に示すように光線ＬＲ２は金属部１８にて反射し、他の色に対応した光電変換素子１に入射してしまう。よって、図５（ａ）、（ｂ）に示す構成によって、斜めに入射した光線ＬＲ２が他の光電変換素子へ入射することを低減することができる。本実施例の光電変換装置は、カラーフィルター層３０を有するため、他の光電変換素子への迷光の入射は、混色や解像度の低下や偽信号となりうる。また、カラーフィルター層３０を有さないモノクロの光電変換装置の場合にも、迷光の入射は解像度の低下や偽信号となりうる。なお、図５（ａ）、（ｂ）において、開口４０２を通過した光線ＬＲ２は、金属部１８があるため面Ｐ１に再入射することがより低減される。
【００３２】
金属部１８は、光電変換素子１の重心から一定の距離で配置されているとよい。ここで、光電変換素子１の重心は例えば、光電変換素子１の中心や、光電変換装置の光学設計によって決定される点である。図４（ａ）において、仮に点４００を重心とする。金属部１８は、点４００を基準に、点対称の形状が好ましく、例えば、円、正方形でありうる。各単位セルの金属部１８は分離、すなわち各単位セルに１つの金属部１８が設けられていてもよい。本実施例のように金属部１８は、１つの単位セルの上に位置する部分と、他の単位セルの上に位置する部分とが少なくとも一部で接続した形を有していてもよい。本実施例の金属部１８場合、金属部１８に電圧を供給する際に、単位セル領域の外部など任意の位置で金属部１８に電圧を供給することができるため、電圧供給のための配線を設けずにすむ。この金属部１８のある単位セルに位置する部分が他の単位セルに位置する部分と接続する部分は、各単位セルのトランジスタが設けられていない部分や、電源電圧が供給されている部分が好ましい。電源電圧が供給されている部分は、光電変換によって生じた電荷を排出してしまうため光軸から離れた位置に設けられていることが多い。よって、金属部１８が設けられていても、迷光への影響が少ない。また、電源電圧が供給されている部分は、一定の電圧が供給されているため、金属部１８の電位を変動させることが少ない。仮に、金属部１８の電位が変動すると、金属部１８と寄生容量を形成しうる他の配線へ変動が伝達されるため信号に変動が伝達されてしまう。よって、金属部１８の接続する部分は、トランジスタが設けられていない部分や電源電圧が供給されている部分に設けられていることが好ましい。
【００３３】
以上のように、本実施例に記載の光電変換装置によって、ＦＤの容量の増大を抑制することが可能となる。また、本実施例に記載の光電変換装置によって、迷光の混入を低減することが可能となる。
【００３４】
（実施例２）
本実施例の光電変換装置とその製造方法について、図７〜図９を用いて説明する。図７（ａ）は本実施例の光電変換装置を説明するための平面模式図であり、図７（ａ）は図３、図４（ａ）と同様の平面模式図であり同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。図７（ａ）における実施例１の図４（ａ）との違いは、金属部１８が各単位セルに独立して設けられている点である。金属部１８は、Ｙ方向に沿った開口４０２に加え、Ｘ方向に沿った開口７０１を有する。ここで、開口４０２と開口７０１は一体となっている。つまり、金属部１８は、格子状の開口７００を有する。また、金属部１８は転送トランジスタのゲート電極２の上の光電変換素子１側に設けられているが、ＦＤ側には設けられていない。金属部１８の側面Ｓ１は開口７０１を構成するが、その側面Ｓ１がゲート電極２の上に位置する。本実施例においても、開口７００が配線３０８の少なくとも一部と重畳する。更に、開口７００は配線３０８の全部と重畳し、開口７００は配線３０８を内包しているとも言える。また、開口７０１はＦＤ３の少なくとも一部と重畳するとよい。本実施例においては、開口７０１はＦＤ３の全部と重畳する。開口７０１はＦＤ３を内包しているとも言える。また、本実施例の開口４０２は図４（ａ）の開口よりも広い幅を有し、開口４０２はゲート電極５の全部と重畳する。つまり、開口４０２はゲート電極５を内包している。このような開口７００によって、ＦＤ３に係る容量の増加を抑制することができる。
【００３５】
図７（ｂ）は図７（ａ）のＥＦ線における断面を示す断面模式図である。図７（ａ）において説明したように、金属部１８の側面Ｓ１がゲート電極２の上に位置している。図７（ｂ）では、配線３０８と、ＦＤ３に接続するコンタクト３０２となるコンタクトプラグ７０２と、ゲート電極５に接続するコンタクト３０５となるコンタクトプラグ７０３とが占め示されている。配線３０８は、コンタクトプラグ７０２と接続する第１部分と、コンタクトプラグ７０３と接続する第２部分と、第１部分から第２部分まで延在して、第１部分と第２部分とを接続する第３部分とを有する。平面視において、第１部分はコンタクトプラグ７０２と重畳する部分である。同様に、第２部分はコンタクトプラグ７０３と重畳する部分である。ここで、金属部１８は、配線３０８の少なくとも一部、特に第３部分の少なくとも一部の下には設けられていない。すなわち、金属部１８は、配線３０８の少なくとも一部、または第３部分の少なくとも一部と重畳する開口を有する。よって、ＦＤ３に係る容量の増大を低減することができる。また、図７（ｂ）に示す構成において、ＦＤ３の上に金属部１８が設けられていない。すなわち、金属部１８はＦＤ３と重畳する開口を有する。よって、ＦＤ３に係る容量の増大を低減することができる。また、ＦＤ３に接続するコンタクトプラグ７０２からも金属部１８が離れているため、ＦＤ３に係る容量をより低減することができる。
【００３６】
なお、金属部１８は、断面視した時に、少なくともゲート電極２の上に設けられた絶縁体の上面を含む面と面Ｐ１の間に位置し、平面視した時に、ゲート電極２の一部から光電変換素子１へと延在している。また、金属部１８は、断面視した時に、ゲート電極２の上面を含む面と面Ｐ１の間に位置していてもよい。なお、コンタクトプラグ７０４はコンタクト３０９を構成する。このような構成によっても、迷光の混入を低減することができる。また、ＦＤ３に係る容量を低減することができる。
【００３７】
ここで、ＦＤ３に係る容量とは、ＦＤ３が有する容量と、ＦＤ３の寄生容量の和によって決まる。ＦＤ３の寄生容量は、例えばＦＤ３の半導体領域と転送トランジスタのゲート電極２との間のフリンジ容量や、ＦＤ３と電気的に接続される配線と別電位の配線との間の配線間容量が含まれる。また、ＦＤ３および増幅トランジスタのゲート電極５の上に金属部１８を配置した場合には、ＦＤ３の半導体領域と金属部１８との間、および増幅トランジスタのゲート電極５と金属部１８との間に寄生容量が発生する。ＦＤ３の寄生容量が大きい場合には、低ゲインとなり、ＦＤ３のノードにおける電荷電圧変換効率が低くなるため、信号レベルが小さくなる。特に、入射光量が少ない場合には、ノイズの影響が大きくなり画質を劣化させてしまう。一方で、ＦＤ３の寄生容量が小さい場合はＦＤ３に係る容量が小さいため、高ゲインとなる。よって、入射光量が少ない場合であっても信号レベルが大きくなるため、ノイズの影響を小さくすることができる。本実施例の光電変換装置では、ＦＤ３および増幅トランジスタのゲート電極５の上には、金属部１８を配置していない。つまり、実施例１に比べて、よりＦＤ３の寄生容量を小さくすることができる。従って、本実施例の光電変換装置によれば、実施例１から更なる画質の向上が可能となる。
【００３８】
図８、図９を用いて、本実施例の光電変換装置の製造方法を説明する。図８、図９は、図７（ａ）のＧＨ線での断面を示す断面模式図である。図８、図９において、加工前の部材にも加工後の部材と同一の符号を付して説明する場合がある。図８（ａ）において、半導体基板５０１を用意する。半導体基板５０１は、素子分離部１２と、光電変換素子１と、半導体領域３と、半導体領域１１と、半導体領域３１と、分離領域１３と、絶縁膜１４と、ゲート電極２を有する。素子分離部１２や半導体領域や絶縁膜は半導体プロセスによって形成される。ここで、面Ｐ１の上にゲート電極２を覆うように絶縁膜１６Ａが設けられている。絶縁膜１６Ａは、プラズマＣＶＤ法などによって形成され、例えば、酸素や窒素の少なくとも１つとシリコンを含む材料からなる。
【００３９】
図８（ｂ）において、半導体基板５０１の面Ｐ１の上に、反射材料膜８０１を形成する。反射材料膜８０１は、後に金属部１８となる膜である。反射材料膜８０１は、スパッタリング法やＣＶＤ法などを用いて形成され、上述のタングステンなどの所定の反射率を有する材料からなる。図８（ｃ）において、反射材料膜８０１の上にフォトレジストパターン８０３を形成する。フォトレジストパターン８０３は、開口８０２を有する。フォトレジストパターン８０３をマスクに、エッチングを行い、反射材料膜８０１の一部を除去する。エッチングは、ＲＩＥ法などの任意の方法のエッチングを行うことができる。反射材料膜８０１の一部を除去し、フォトレジストパターン８０３を除去することで、図９（ａ）に示す構造ができる。ここで、金属部１８は、光電変換素子１の上からゲート電極２の上に延在し、その側面Ｓ１がゲート電極２の上に位置している。ここで、金属部１８の別の側面を側面Ｓ２とすると、金属部１８の側面Ｓ１と、別の単位セルの金属部１８の側面Ｓ２によって開口７０１が形成されると言える。
【００４０】
次に、図９（ｂ）に示すように、金属部１８の上を覆う絶縁膜１６Ｂを形成し、絶縁膜１６Ｂにコンタクトプラグ７０２を形成する。絶縁膜１６ＢはプラズマＣＶＤ法などにより形成され、必要に応じてＣＭＰ法などの平坦化処理がなされる。コンタクトプラグ７０２は、絶縁膜１６Ｂに設けられたコンタクトホールに設けられており、コンタクトホールに窒化チタンとタングステンなどの金属を埋めることで形成される。コンタクトプラグ７０２の上面と絶縁膜１６Ｂの上面は、同一の面Ｐ３となる。そして、図９（ｃ）に示すように、面Ｐ３の上に、絶縁膜１６Ｃと配線層１７とが形成される。その後、絶縁膜とビアプラグと配線層を形成する。そして、半導体基板５０１を薄化する処理を行い、面Ｐ２を形成する。面Ｐ２側に、絶縁膜やカラーフィルター層などを形成することで、光電変換装置が完成する。
【００４１】
以上のように、本実施例の光電変換装置によっても、迷光の混入の低減およびＦＤ容量の低減の少なくとも１つを実現することができる。
【００４２】
（実施例３）
本実施例の光電変換装置について、図１０〜図１２を用いて説明する。図１０は、実施例３の光電変換装置を説明するための回路図である。図１０は、実施例１、２の図２と対応した図面である。図１０では、図２の単位セル２０が単位セル２０Ａに置き換わった点で異なり、その他の構成は図２と同一である。図１０の単位セル２０Ａは、図２の単位セル２０に比べて光電変換素子と転送トランジスタの個数が異なる。複数の単位セル２０Ａの各々は、２つの光電変換素子１Ａ、１Ｂ、２つの転送トランジスタ２Ａ、２Ｂを備える。更に複数の単位セル２０Ａの各々は、ＦＤ３、リセットトランジスタ４、増幅トランジスタ５、選択トランジスタ６を備える。本実施例の光電変換装置では、例えば、１つのマイクロレンズが単位セル２０Ａの１つに設けられており、２つの光電変換素子を用いた位相差信号を検出し、焦点検出を行うことができる。
【００４３】
図１１（ａ）は、図１０の２行３列（２×３）分の単位セル２０Ａの平面模式図を示している。図１１（ａ）は、図３と対応した図面であり、理解のため金属部を除いた構成を示している。光電変換素子１Ａと光電変換素子１Ｂは、Ｘ方向に沿って隣接して配されている。転送トランジスタ２Ａと転送トランジスタ２ＢもＸ方向に沿って隣接して配されている。光電変換素子１ＡとＦＤ３との間に転送トランジスタ２Ａが位置し、光電変換素子１ＢとＦＤ３との間に転送トランジスタ２Ｂが位置する。光電変換素子１Ａと光電変換素子１Ｂとの間と、転送トランジスタのゲート電極２Ａと２Ｂとの間には、Ｙ方向に沿って分離領域１３が延在している。図１１（ａ）の他の構成や平面レイアウトは、図３と同様であるため、符号や説明を省略する。Ｘ方向において、光電変換素子１Ａと光電変換素子１Ｂとの間の分離領域１３は幅Ｗ４を有する。
【００４４】
図１１（ｂ）は、本実施例の光電変換装置を説明する平面模式図である。図１１（ａ）の構成に、金属部１８を重ねた平面レイアウト図である。１つの金属部１８は、１つの単位セル２０Ａに対して設けられている。すなわち、金属部１８は、ある単位セル２０ＡとＸ方向に隣接する単位セル２０Ａとの間に開口４０２を有し、ある単位セル２０ＡとＹ方向に隣接する単位セル２０Ａとの間に開口７０１を有している。このような構成によって、本実施例の光電変換装置においても、混色、迷光の混入が低減される。また、金属部１８の開口７０１を構成する側面Ｓ１がゲート電極２Ａ、２Ｂの上に位置している。このような構成によって、ＦＤ３の上に金属部１８が存在しないため、ＦＤ３の容量の増大を抑制することができる。
【００４５】
図１２は、図１１（ｂ）のＧＨ線における断面模式図である。図１２は実施例１の図５（ａ）と対応する図面である。図１２において、Ｎ型半導体領域を示す光電変換素子１Ａと光電変換素子１Ｂとの間に、Ｐ型半導体領域である分離領域１３が位置している。分離領域１３は、面Ｐ１から光電変換素子１Ａ、１Ｂの底面よりも面Ｐ２側まで延在しているが、面Ｐ２との間に分離領域１３を有する。このような構成によって、分離領域１３と面Ｐ２との間に入射した光に対しても信号として検出することができる。図１２に示すように、金属部１８は光電変換素子１Ａの上から分離領域１３の上を通り、光電変換素子１Ｂの上へと延在している。このような構成において、図５（ａ）と同様に入射光の挙動について説明する。光線ＬＲのうち、面Ｐ２に対して垂直に入射した光線ＬＲ１は金属部１８にて反射し、光電変換素子１にて検出されうる。光線ＬＲのうち、斜めに入射した光線ＬＲ３は金属部１８にて反射され、それぞれ対応した光電変換素子１Ａ、１Ｂに入射する。光線ＬＲのうち、面Ｐ２に対する入射角度がＬＲとＬＲ３よりも大きい、斜めに入射した光線ＬＲ２は金属部１８の開口４０２を通過していく。このような構成によって、迷光の混入を低減することができる。
【００４６】
なお、位相差信号を検出する際には、２つの光電変換素子１Ａ、１Ｂの配置は互いに線対称あるいは点対称な形状や配置でなされていることが望ましい。金属部１８は２つの光電変換素子１Ａ、２Ｂの中心に対して線対称あるいは点対称な形状や配置でなされていることが望ましく、金属部１８の端部を構成する側面は中心から等距離に位置することが望ましい。４つの光電変換素子を用いる場合にはそれらの形状や配置は互いに点対称に配置されていることが望ましい。同様に、金属部１８も光電変換素子の中心から点対称な形状や配置でなされていることが望ましい。
【００４７】
（実施例４）
本実施例の光電変換装置について、図１３を用いて説明する。本実施例は、実施例３とは金属部１８の構成が異なり、単位セル２０Ａの中に２つの金属部１８Ａ、１８Ｂが設けられている。図１３（ａ）は図１１（ｂ）と対応した図面であり、図１１（ａ）に本実施例の金属部１８Ａ、１８Ｂを設けた図面である。図１３（ａ）の他の構成や平面レイアウトは、図３と同様であるため、符号や説明を省略する。
【００４８】
金属部１８Ａは光電変換素子１Ａの上に設けられ、金属部１８Ｂは光電変換素子１Ｂの上に設けられている。そして、金属部１８Ａの側面Ｓ１Ａはゲート電極２Ａの上に位置し、金属部１８Ａの側面Ｓ１Ａはゲート電極２Ａの上に位置している。金属部１８Ａ、１８Ｂは、開口４０２と開口７０１の他に開口１３０１を有するとも言える。開口１３０１は、２つの光電変換素子１Ａ、１Ｂの間の上、すなわち分離領域１３の上に位置し、幅Ｗ２を有する。平面視において、開口１３０１は分離領域１３の少なくとも一部を露出させる。開口１３０１は、幅Ｗ２を保ちつつ２つのゲート電極２Ａ、２Ｂの間にまで延在する。ここで、幅Ｗ１と幅Ｗ２はＷ１＞Ｗ２の関係を満たす。単位セル２０Ａにおける幅Ｗ１は、０．１ｕｍ〜０．２ｕｍ程度であり、幅Ｗ２は、おおよそ０．０３ｕｍ〜０．１５ｕｍ程度である。幅Ｗ１は、幅Ｗ２の１．５倍〜３倍程度である。また、開口の幅と分離領域１３の幅との関係が幅Ｗ１＞幅Ｗ３と幅Ｗ２＞幅Ｗ４であれば、迷光が混入することを更に低減することができる。
【００４９】
図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＩＪ線における断面模式図である。図１３（ｂ）は図１２と対応した図面である。図１３（ｂ）に示すように、金属部１８Ａ、１８Ｂの間に開口１３０１が設けられていることで、光線ＬＲのうち、面Ｐ２に垂直に入射した光線ＬＲ１が開口１３０１を通過している。
【００５０】
ここで、一般的な焦点検出の動作について説明する。位相差信号を検出し、焦点検出を行う場合には、光電変換素子１Ａで生成された信号電子に基づく信号と、光電変換素子１Ｂで生成された信号電荷に基づく信号に基づき、デフォーカス量を算出する。さらに詳しく記述すると、光電変換素子１Ａからの信号と光電変換素子１Ｂからの信号との位置関係を相対的にシフトさせて信号の一致度を表す相関量を計算し、そのシフト量から像ずれ量を検出する。この像ずれ量を生成するにあたって、光電変換素子１Ａの信号と光電変換素子１Ｂの信号は正確に分離されている必要がある。つまり、光電変換素子１Ａの信号と光電変換素子１Ｂの信号が正確に分離されていることで、焦点検出の精度を向上させることができる。
【００５１】
ここで、実施例３の図１２において、光線ＬＲ１は、金属部１８で反射され、面Ｐ２へ向かって戻される。反射した光線ＬＲ１は分離領域１３Ａで光電変換され、光電変換された電子は光電変換素子１Ａか光電変換素子１Ｂに蓄積される。分離領域１３Ａ付近で光電変換された電子が、いずれの光電変換素子１Ａ、１Ｂに蓄積されるのかは、２つの光電変換素子１Ａ、１Ｂの電圧状態や、金属部１８の製造に起因する反射面のばらつき、粗さなどで左右されやすい。つまり、反射した光線ＬＲ１によって光電変換された電子は、単位セル２０Ａの感度には寄与するが、光電変換素子１Ａ、１Ｂの信号を分離する点に対しては分離性能を低下させる成分、いわゆる偽信号となりやすい。一方、本実施例の図１３（ｂ）によれば、金属部１８Ａ、１８Ｂの間の開口１３０１が分離領域１３の上に配置されているため、光線ＬＲ１を透過させることができる。よって、焦点検出の精度を向上させることができる。
【００５２】
なお、焦点検出の精度と感度のどちらの特性をより向上させるのかに応じて、実施例３の構成と実施例４の構成を適宜選択することができる。また、実施例４の開口１３０１の幅Ｗ２を小さくするあるいは開口１３０１の長さ（幅に対して垂直方向）を小さくするなどして、感度の向上を望むことも可能である。
【００５３】
このような金属部の構成により、ＦＤ３の容量の増大を抑制しつつ、迷光の混入を低減することが可能となる。なお、開口１３０１は金属部１８Ａと金属部１８Ｂを分離するように設けられているが、金属部１８Ａ一部と金属部１８Ｂの一部とが接続するように設けられていてもよい。その場合には、金属部１８Ａ、１８Ｂの電圧の供給が容易になる。
【００５４】
（実施例５）
本実施例の光電変換装置について、図１４、図１５を用いて説明する。本実施例は、実施例１に対して、図１４は、本実施例の光電変換装置を説明するための回路図である。図１４は、実施例１、２の図２と対応した図面である。図１４では、図２の単位セル２０が単位セル２０Ｂに置き換わった点で異なり、その他の構成は図２と同一である。図１５の単位セル２０Ｂは、図２の単位セル２０に１つの容量３３と容量付加トランジスタ３２が追加されている。複数の単位セル２０Ｂの各々は、光電変換素子１、転送トランジスタ２と、ＦＤ３、リセットトランジスタ４、増幅トランジスタ５、選択トランジスタ６、容量３３、容量付加トランジスタ３２を備える。容量付加トランジスタ３２は、スイッチであり、リセットトランジスタ４とＦＤ３との間に設けられ、それらの導通を制御する。容量３３は容量付加トランジスタ３２とリセットトランジスタ４との間に設けられている。容量付加トランジスタ３２がオンすることで容量３３はＦＤ３と同一のノードになりＦＤ３の容量を増大する。すなわち、ＦＤ３の容量を容量付加トランジスタ３２の動作により切り替えることができ、ＦＤ３における電荷電圧変換率を切り替えることができる。図１５（ａ）においても、金属部１８は開口４０２と開口７０１を有する。また、金属部１８の側面がゲート電極２の上に位置する。このような構成によって、迷光の混入の低減や、ＦＤ３の容量の増大の抑制が可能である。ここで、ＦＤ３の容量の増大が抑制できることで、容量付加トランジスタ３２をオフした時のＦＤ３の容量の増大が抑制できるため、容量付加トランジスタ３２をオンした時のＦＤ３の容量とオフした時のＦＤ３の容量との差を大きくすることができる。
【００５５】
図１５（ａ）は、本実施例の光電変換装置の平面模式図である。図１５（ａ）は、図１４の２行３列（２×３）分の単位セル２０Ａの平面模式図を示している。図１５（ａ）は図７（ａ）に対応した図面である。図１５（ａ）の他の構成や平面レイアウトにおいて、図３と同様である構成には、符号や説明を省略する。図１５（ａ）において、ＦＤ３とリセットトランジスタのゲート電極４との間に、容量付加トランジスタのゲート電極３２と、容量付加トランジスタのソース・ドレイン領域３６が設けられている。容量３３は、１つの電極３５と、もう１つの電極として金属部１８とを有する。電極３５は金属部１８の上に設けられている。図１５（ａ）に示すような平面視において、電極３５の面積は、金属部１８の面積よりも小さい。つまり、電極３５の外縁は金属部１８の上に位置し、金属部１８は電極３５を内包する。容量付加トランジスタのソース・ドレイン領域３６には、コンタクト１５０４が設けられており、容量３３の電極３５のコンタクト１５０２と電気的に接続している。金属部１８にはコンタクト１５０１が設けられており、所定の電位に接続されている。本実施例では、所定の電位としてグランド電位が供給されている。コンタクト１５０３はゲート電極３２の上に設けられたコンタクトである。なお、図１５（ａ）において、図７（ａ）に示したＦＤ３と増幅トランジスタのゲート電極５とを接続する配線３０８は不図示である。
【００５６】
図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＫＬ線とＭＮ線での断面模式図である。図１５（ｂ）において、単位セル２０Ｂの金属部１８の位置は、図７（ｂ）のそれと同様であるため説明を省略する。本実施例においては、ソース・ドレイン領域３６の上にコンタクト１５０４のコンタクトプラグ１５１４が設けられている。そして、コンタクトプラグ１５１４は、コンタクト１５０２のコンタクトプラグ１５１２を介して電極３５に電気的に接続されている。コンタクトプラグ１５１４とコンタクトプラグ１５１２は配線などの経路１５０５によって電気的に接続される。容量３３は、電極３５と、金属部１８と、それらの間に設けられた誘電体膜３４とを有する。電極３５は、例えば、アルミニウム、チタン、窒化チタン、タングステン、コバルト、各種シリサイドなど金属や金属化合物を含む導電体からなる。誘電体膜３４は、少なくとも酸素か窒素を含むシリコン化合物などからなる。誘電体膜は、酸素や窒素を含むシリコンやハフニウムからなる。金属膜と電極は５０ｎｍから２０００ｎｍ程度の厚さを有し、誘電体膜は３０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さを有する。容量３３は、例えば、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｍｅｔａｌ）容量である。金属部１８の少なくとも一部は、コンタクトのコンタクトプラグ１５１３、１５１４の上面を含む面Ｐ３と面Ｐ１との間に位置する。また、金属部１８の少なくとも一部は、ゲート電極２の上面を含む面と、面Ｐ１との間に位置する。容量３３の誘電体膜３４と電極３５は、金属部１８の平らな部分の上に位置する。また、容量３３の誘電体膜３４と電極３５の少なくとも一部は、ゲート電極２の上面を含む面と、面Ｐ１との間に位置する。このような構成によって、ＦＤ３の容量を切り替え可能な構成において、その容量３３を金属部１８の上に設けることができる。半導体基板５０１に容量を形成する場合には光電変換素子の面積が小さくなることや、容量への電荷の混入などの問題が生じうる。しかし、金属部１８の上に容量３３を設けることで、光電変換素子などへの影響を抑制することができる。
【００５７】
（実施例６）
本実施例では、光電変換装置の一例を説明する。本実施例の光電変換装置は、少なくとも２つの積層用の半導体チップが電気的に接続された状態で積層して構成されている。このような光電変換装置は、積層型の光電変換装置とも称される。ここで、半導体チップは、部材ともＩＣとも称する場合がある。複数の半導体チップは、接続部を介して互いに電気的に接続されている。
【００５８】
図１６は、本実施例の光電変換装置３０００の模式図であり、光電変換装置３０００の分解斜視図である。１つの半導体チップ３０１０には光電変換領域３０１１が設けられている。光電変換領域３０１１は、光電変換素子を含む単位セルが配された光電変換部あり、図１における光電変換領域ＰＡである。別の半導体チップ３０２０には、制御部３０２１と信号処理部３０２２が設けられている。制御部３０２１は、例えば、図１における垂直走査回路１０１、水平走査回路１０３、制御回路１０５を含む。信号処理部３０２２は、例えば、図１における信号処理回路１０２や出力回路１０４を含む。制御部３０２１と信号処理部３０２２のそれぞれの半導体チップ３０１０への正射影は、少なくとも一部が光電変換領域３０１１と重畳している。なお、本実施例の光電変換装置３０００は、更に、別の処理回路、例えばフレームメモリなどを有する半導体チップを有していてもよく、３つ以上の積層用の半導体チップを有していてもよい。
【００５９】
制御部３０２１は、単位セルに駆動信号を供給する垂直走査回路や、電源回路を含み得る。また、制御部３０２１は光電変換部を駆動するためのタイミング発生回路や、変換回路へ参照信号を供給する参照信号供給回路、増幅回路あるいは変換回路から信号を順次読み出すための水平走査回路を含み得る。
【００６０】
信号処理部３０２２は、光電変換領域で発生した信号電荷に基づく電気信号を処理する。信号処理部３０２２は、ノイズ除去回路、増幅回路、変換回路、画像信号処理回路を含むことができる。ノイズ除去回路は、例えば相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路である。増幅回路は、例えば列アンプ回路である。変換回路は、例えばコンパレータとカウンタで構成されたアナログデジタル変換（ＡＤＣ）回路である。画像信号処理回路は、例えばメモリとプロセッサを含み、アナログデジタル変換されたデジタル信号から画像データを生成したり、画像データに画像処理を施したりする。
【００６１】
本実施例のような複数の半導体基板を積層する光電変換装置においても、本発明は適用可能である。
【００６２】
（実施例７）
図１７は、本実施例による撮像システム３１００の構成を示すブロック図である。本実施例の撮像システム３１００は、上記実施例において説明した光電変換装置３１０４を含む。ここで、光電変換装置３１０４は、上述の実施例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。撮像システム３１００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１７では、撮像システム３１００としてデジタルスチルカメラの例を示している。
【００６３】
図１７に例示した撮像システム３１００は、光電変換装置３１０４、被写体の光学像を光電変換装置３１０４に結像させるレンズ３１０２、レンズ３１０２を通過する光量を可変にするための絞り３１０３、レンズ３１０２の保護のためのバリア３１０１を有する。レンズ３１０２および絞り３１０３は、光電変換装置３１０４に光を集光する光学系である。
【００６４】
撮像システム３１００は、光電変換装置３１０４から出力される出力信号の処理を行う信号処理部３１０５を有する。信号処理部３１０５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。撮像システム３１００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３１０６、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）３１０９を有する。更に撮像システム３１００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体３１１１、記録媒体３１１１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）３１１０を有する。なお、記録媒体３１１１は、撮像システム３１００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３１１０から記録媒体３１１１との通信や外部Ｉ／Ｆ部３１０９からの通信は無線によってなされてもよい。
【００６５】
更に撮像システム３１００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３１０８、光電変換装置３１０４と信号処理部３１０５に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部３１０７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、撮像システム３１００は、少なくとも光電変換装置３１０４と、光電変換装置３１０４から出力された出力信号を処理する信号処理部３１０５とを有すればよい。なお、実施例６にて説明したようにタイミング発生部３１０７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３１０８およびタイミング発生部３１０７は、光電変換装置３１０４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。
【００６６】
光電変換装置３１０４は、画像用信号を信号処理部３１０５に出力する。信号処理部３１０５は、光電変換装置３１０４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３１０５は、画像用信号を用いて、画像を生成する。なお、信号処理部３１０５やタイミング発生部３１０７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３１０７は、単位セルが配された基板に設けられていてもよく、図１６に記載したような別の基板に設けられている構成であってもよい。上述した各実施例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。
【００６７】
（実施例８）
本実施例の移動体について、図１８および図１９を用いて説明する。図１８は、本実施例による移動体の構成例を示す概略図である。図１９は、本実施例による移動体に搭載された撮像システムの動作を示すフロー図である。本実施例では、撮像システムとして車載カメラの一例を示す。以下の説明において、撮像装置は、上述してきた光電変換装置のことであり、画素とは単位セルに相当する。
【００６８】
図１８は、車両システムとこれに搭載される撮像システムの一例を示したものである。撮像システム３２０１は、撮像装置３２０２、画像前処理部３２１５、集積回路３２０３、光学系３２１４を含む。光学系３２１４は、撮像装置３２０２に被写体の光学像を結像する。撮像装置３２０２は、光学系３２１４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。画像前処理部３２１５は、撮像装置３２０２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３２１５の機能は、撮像装置３２０２内に組み込まれていてもよい。撮像システム３２０１には、光学系３２１４、撮像装置３２０２及び画像前処理部３２１５が、少なくとも２組設けられており、各組の画像前処理部３２１５からの出力が集積回路３２０３に入力されるようになっている。
【００６９】
集積回路３２０３は、撮像システム用途向けの集積回路であり、メモリ３２０５を含む画像処理部３２０４、光学測距部３２０６、視差演算部３２０７、物体認知部３２０８、異常検出部３２０９を含む。画像処理部３２０４は、画像前処理部３２１５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３２０５は、撮像画像の一次記憶、画素の欠陥位置を格納する。光学測距部３２０６は、被写体の合焦や、測距を行う。視差演算部３２０７は、複数の撮像装置３２０２により取得された複数の画像データから視差情報（視差画像の位相差）の算出を行う。物体認知部３２０８は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部３２０９は、撮像装置３２０２の異常を検出すると、主制御部３２１３に異常を発報する。
【００７０】
集積回路３２０３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。
【００７１】
主制御部３２１３は、撮像システム３２０１、車両センサ３２１０、制御ユニット３２２０等の動作を統括・制御する。なお、主制御部３２１３を持たず、撮像システム３２０１、車両センサ３２１０、制御ユニット３２２０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。
【００７２】
集積回路３２０３は、主制御部３２１３からの制御信号を受け或いは自身の制御部によって、撮像装置３２０２へ制御信号や設定値を送信する機能を有する。
【００７３】
撮像システム３２０１は、車両センサ３２１０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及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３２１０は、視差画像から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、撮像システム３２０１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３２１１に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、撮像システム３２０１や車両センサ３２１０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。
【００７４】
また、撮像システム３２０１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３２１２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３２１３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３２１２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。
【００７５】
本実施例では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム３２０１で撮影する。図１８（ｂ）に、車両前方を撮像システム３２０１で撮像する場合の撮像システム３２０１の配置例を示す。
【００７６】
２つの撮像装置３２０２は、車両３２００の前方に配置される。具体的には、車両３２００の進退方位又は外形（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つの撮像装置３２０２が線対称に配置されると、車両３２００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、撮像装置３２０２は、運転者が運転席から車両３２００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３２１２は、運転者の視野に入りやすい配置が好ましい。
【００７７】
次に、撮像システム３２０１における撮像装置３２０２の故障検出動作について、図１９を用いて説明する。撮像装置３２０２の故障検出動作は、図１９に示すステップＳ３３１０〜Ｓ３３８０に従って実施される。
【００７８】
ステップＳ３３１０は、撮像装置３２０２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、撮像システム３２０１の外部（例えば主制御部３２１３）又は撮像システム３２０１の内部から、撮像装置３２０２の動作のための設定を送信し、撮像装置３２０２の撮像動作及び故障検出動作を開始する。
【００７９】
次いで、ステップＳ３３２０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Ｓ３３３０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Ｓ３３２０とステップＳ３３３０とは逆でもよい。
【００８０】
次いで、ステップＳ３３４０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Ｓ３３４０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Ｓ３３５０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Ｓ３３６０へと移行する。ステップＳ３３６０では、走査行の画素信号をメモリ３２０５に送信して一次保存する。そののち、ステップＳ３３２０に戻り、故障検出動作を継続する。一方、ステップＳ３３４０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Ｓ３３７０に移行する。ステップＳ３３７０において、撮像動作に異常があると判定し、主制御部３２１３、又は警報装置３２１２に警報を発報する。警報装置３２１２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Ｓ３３８０において撮像装置３２０２を停止し、撮像システム３２０１の動作を終了する。
【００８１】
なお、本実施例では、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。なお、ステップＳ３３７０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。
【００８２】
また、本実施例では、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、撮像システム３２０１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。
【００８３】
本発明の光電変換装置は、更に、カラーフィルターやマイクロレンズを有する構成であってもよく、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。例えば、１つの入力ノードに対して複数の光電変換素子を有していてもよく、複数の光電変換素子に共通の１つのマイクロレンズが設けられている構成であってもよい。また、増幅トランジスタはソースフォロワ回路の一部であるが、ＡＤ変換器の一部を構成していてもよい。また、単位セルは転送トランジスタを有しておらず、入力ノードに光電変換素子が直接接続している構成であってもよい。更には、オーバーフロードレインといった電荷排出部が設けられていてもよい。
【００８４】
本発明は、上記実施例に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施例の一部の構成を他の実施例に追加した例や、他の実施例の一部の構成と置換した例も、本発明の実施例である。また、上述の実施例は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらの例示によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な態様で実施することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１  光電変換素子
２  転送トランジスタのゲート電極
３  ＦＤ
４  リセットトランジスタのゲート電極
５  増幅トランジスタのゲート電極
３０１  コンタクト
３０２  コンタクト
１８  金属部
４０１  開口
４０２  開口
【図１】
2020068289.tif 000003
【図２】
2020068289.tif 000004
【図３】
2020068289.tif 000005
【図４】
2020068289.tif 000006
【図５】
2020068289.tif 000007
【図６】
2020068289.tif 000008
【図７】
2020068289.tif 000009
【図８】
2020068289.tif 000010
【図９】
2020068289.tif 000011
【図１０】
2020068289.tif 000012
【図１１】
2020068289.tif 000013
【図１２】
2020068289.tif 000014
【図１３】
2020068289.tif 000015
【図１４】
2020068289.tif 000016
【図１５】
2020068289.tif 000017
【図１６】
2020068289.tif 000018
【図１７】
2020068289.tif 000019
【図１８】
2020068289.tif 000020
【図１９】
2020068289.tif 000021