專利名稱：圖像拾取設備以及圖像拾取系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
各實施例的一個公開的方面涉及圖像拾取設備，更具體而言，涉及光電轉換元件之間的隔離結構。
背景技術：
當前，在光電轉換設備中，有在多個光電轉換元件中所生成的信號被作為單一像素的信號來處理的情況。例如，公開了通過使用單一微透鏡將光聚焦到多個光電轉換元件上來執(zhí)行使用相位差方法的焦點檢測的技術。例如，如日本專利待審公開N0.2001-250931所描述的，通過分開地讀取對應于單一微透鏡的光電轉換元件的信號來執(zhí)行焦點檢測。此后，通過將對應于單個微透鏡的光電轉換元件的信號相加，這些信號可以被視為單一像素的信號。當多個光電轉換元件的信號被視為單一像素的信號時，如果在多個光電轉換元件之間靈敏度或入射光量有差異，則可能不會獲得適當?shù)男盘?。特別是，由于光電轉換元件位于各種元件附近，取決于相鄰元件之間的隔離結構，可能不會獲得適當?shù)男盘?。這是不僅在諸如相位差檢測之類的應用中而且還在各種應用中可以執(zhí)行的過程，隨著圖像拾取設備的應用領域的發(fā)展，可能會出現(xiàn)更大的問題。通過使光電轉換元件和與光電轉換元件相鄰的元件之間的隔離結構適當，當使用多個光電轉換元件的信號獲得單一信號時，此處各實施例提供理想信號。

發(fā)明內容
各實施例中的一個是包括多個光電轉換單元的圖像拾取設備，每一光電轉換單元都包括多個光電轉換元件。多個光電轉換單元中所包括的多個光電轉換元件的信號被相力口。多個光電轉換元件中的每一個包括收集信號載流子的第一導電類型的第一半導體區(qū)域。光電轉換單元中的每一個中所包括的并且彼此相鄰的光電轉換元件中所包括的第一半導體區(qū)域夾有第二導電類型的第二半導體區(qū)域。在第二半導體區(qū)域的某一區(qū)域中所生成的信號載流子的勢壘的高度小于在每個第一半導體區(qū)域和第一導電類型的溢漏區(qū)域之間的區(qū)域中所生成的信號載流子的勢壘的高度。通過下列參考附圖對示例性實施例的描述，本公開的其他特征將變得顯而易見。


圖1是示意地示出了根據(jù)每一個實施例的圖像拾取設備的總體配置的圖。圖2是示出了根據(jù)第一實施例的圖像拾取設備中的像素的示意配置的圖。圖3A到3D是示意地示出了根據(jù)第一實施例的圖像拾取設備中的像素的截面結構和最小電勢的圖。圖4是示意地示出了根據(jù)第一實施例的圖像拾取設備的輸出的圖。圖5A到是示意地示出了根據(jù)第一實施例的圖像拾取設備的最小電勢的圖。
圖6A到6B是示意地示出了根據(jù)第二實施例的圖像拾取設備中的像素的截面結構和最小電勢的圖。圖7是示出了根據(jù)第三實施例的圖像拾取設備的俯視圖。圖8是示意地示出了根據(jù)第四實施例的圖像拾取設備中的像素的截面結構的圖。圖9是示意地示出了對象的成像關系的圖。圖1OA和IOB是示意地示出了使用相位差方法的焦點檢測的圖。圖11是示出圖像拾取設備的概況的圖示。圖12A和12B是示意地示出了圖像拾取設備中的像素的截面結構和最小電勢的圖。圖13是示意地示出了圖像拾取設備的輸出的圖。圖14A和14B是示出了光電轉換單元的等效電路的示例的圖。
具體實施例方式各實施例的一個所公開的特征可以被描述為通常被描繪成時序圖的過程。時序圖可以示出了諸如信號、事件等等之類的多個實體的時序關系。雖然時序圖可以將操作描述為順序過程，但是，某些操作可以并行地或同時執(zhí)行。另外，除非特別聲明，操作或時序的時刻的順序可以被重新排列。此外，時序或時間距離可以不是成比例的，或以準確的比例描繪時序關系。首先，圖12A和12B示出了促進對各實施例的理解的示例。圖12A是示出了圖像拾取設備中的像素的截面 結構的圖，而下部的圖12B是示意地示出了半導體層的電勢的圖。示出了微透鏡1201和濾色鏡1202。線路1203驅動像素內的驅動晶體管，并提供電源電壓和地電勢。在n型半導體襯底1204上提供了 p型半導體區(qū)域1205。提供n型半導體區(qū)域1206、1207和1211以與p型半導體區(qū)域1205 —起配置p_n結。這些區(qū)域配置充當光電轉換元件的光電二極管(在下面的描述中稱H))。在不共享相同微透鏡1201和濾色鏡1202的相鄰像素的n型半導體區(qū)域1207和1211之間提供p型半導體區(qū)域1208。每一 p型半導體區(qū)域1208可以充當n型半導體區(qū)域1207和1211之間的電子(信號載流子)的勢壘。在共享同一個微透鏡1201的n型半導體區(qū)域1206和1207之間提供p型半導體區(qū)域1209。每一 p型半導體區(qū)域1209可以充當n型半導體區(qū)域1206和1207之間的電子(信號載流子)的勢壘。P型半導體區(qū)域1208的勢壘的高度通過圖12B中所示出的勢壘的聞度1210來表不。在這樣的結構的情況下，當相鄰的ro中的一個由于ro之間的靈敏度或亮度的差異而已經(jīng)飽和時，此后所生成的電荷會泄漏。此外，在飽和的ro中所生成的電荷還可能漏入n型半導體襯底1204中。此外，PD中的電荷可能漏入通過充當電荷向其中轉移的讀取區(qū)域的n型半導體區(qū)域配置的浮動擴散區(qū)域。特別是因為n型半導體襯底1204和浮動擴散區(qū)域可能充當溢漏區(qū)域(0FD區(qū)域)，OFD區(qū)域最初旨在釋放飽和的電荷，電荷高度可能漏入OFD區(qū)域。作為由發(fā)明人進行的檢驗的結果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果在ro飽和之后所生成的大量電荷漏入OFD區(qū)域，當ro的信號被相加并用于捕捉到的圖像時，可能會發(fā)生圖13中所示出的現(xiàn)象。圖13示出了當對應于兩個η型半導體區(qū)域1206和1207的TO(下文簡稱為TO1206和TO1207)的輸入/輸出特性和HH206和1207的輸出被組合時組合的輸入/輸出特性。當光被入射到ro上時，執(zhí)行光電轉換，并生成電子空穴對。為了說明，圖13示意地示出了PD1206具有比TO1207更高的靈敏度或入射到HH206上的光的量大于入射到HH207的光量的情況。當入射到F1D上的光的量在圖13中所示出的范圍1301內時,所生成的電荷的量在HH206比在ro 1207中更大，但是，由于HH206未飽和，通過組合ro 1206和TO1207的信號而獲得的輸出是適當?shù)?。然而，在圖13中所示出的范圍1302的情況下，PD1206已經(jīng)飽和，但是，PD1207未飽和。在此情況下，由于HH206的輸出已經(jīng)飽和，因此，PD1206的輸出不再變得更大，而HH207根據(jù)入射光具有適當?shù)妮敵?，因為TO1207未飽和。因此，PD1206飽和之后的組合的輸出1307由通過組合HH206和TO1207的輸出而獲得的值來確定，結果，組合的輸出可以具有HH206飽和之后的拐點特征。當HH206飽和之后所生成的電荷漏入除TO1207以外的區(qū)域時，特別是漏入在配置ro的η型半導體區(qū)域周圍所提供的OFD區(qū)域時，這種現(xiàn)象是顯著的。另一方面，所呈現(xiàn)的各實施例中的一個具有這樣的特征:在同一個光電轉換單元中所包括的多個光電轉換元件之間所提供的勢壘的高度低于在η型半導體區(qū)域和光電轉換元件的OFD區(qū)域之間所提供的勢壘的高度。接下來，將描述根據(jù)所呈現(xiàn)的各實施例中的每一個的光電轉換設備的框圖。這里，圖像拾取設備被示為光電轉換設備的示例。各實施例可以應用于除圖像拾取設備以外的設備，只要該設備利用光電轉換。圖1是示出了可以向其應用各實施例的圖像拾取設備的概況的圖。在圖1中，圖像拾取設備100包括像素陣列101以及選擇像素陣列101中的行的垂直選擇電路102。在像素陣列101中，提供了多個光電轉換單元。該多個光電轉換單元可以被二維地排列。垂直選擇電路102選擇特定行，信號從該特定行中所包括的光電轉換單元輸出到垂直輸出線?？梢詾槊恳粋€列或為多個列提供垂直輸出線，或可以為每一個像素列提供多個垂直輸出線。當為每一個像素列提供多個垂直輸出線時，可以增大讀取信號的速度。列電路103接收被讀取到彼此平行的多個垂直輸出線的信號。列電路103可以執(zhí)行下列過程中的至少一個:信號的放大；模擬到數(shù)字轉換；以及噪聲消減。水平選擇電路104按順序、隨機地，或同時選擇由列電路103保存的信號，并將信號輸出到未不出的水平輸出線。串行接口 105與外部進行通信，以便，例如，從外部確定操作模式。應當注意，圖像拾取設備100可以包括，除所示出的組件之外，例如，為垂直選擇電路102、水平選擇電路104,以及列電路103提供定時脈沖的定時發(fā)生器、控制電路，等等。圖1的框圖可以應用于所有下列各實施例。另外，為方便起見使用術語“垂直”和“水平”，因此，這兩個術語可以交換使用。接下來，圖14Α和14Β示出了光電轉換單元的等效電路的示例。圖14Α示出了其中為每一光電轉換元件提供了具有不同的功能的晶體管的示例。圖14Β示出了其中共同地為多個光電轉換元件提供了具有不同的功能的晶體管的示例。在光電轉換元件1 401a和1401b中所生成的電荷分別被轉移晶體管1402a和1402b轉移到放大晶體管1403a和1403b的輸入節(jié)點。放大晶體管1403a和1403b的輸入節(jié)點可以通過放大晶體管1403a和1403b的柵極以及電連接到放大晶體管1403a和1403b的柵極的浮動擴散區(qū)域來配置。當向選擇晶體管1404a和1404b的柵極提供用于接通選擇晶體管1404a和1404b的脈沖時，根據(jù)放大晶體管1403a和1403b的輸入節(jié)點的信號被輸出到垂直輸出線1406。此后，復位晶體管1405a和1405b將放大晶體管1403a和1403b的輸入節(jié)點的電壓設置為特定電壓。在這樣的電路配置中，通過排他地接通選擇晶體管1404a和1404b，光電轉換元件1401a和1401b的信號被讀取到列電路，并執(zhí)行諸如加法之類的處理，以便實現(xiàn)圖像的捕捉和焦點檢測。接下來，將描述圖14B。基本操作與圖14A相同。在光電轉換元件1501a和1501b中所生成的電荷分別被轉移晶體管1502a和1502b轉移到放大晶體管1503的輸入節(jié)點。放大晶體管1503的輸入節(jié)點可以通過放大晶體管1503的柵極以及電連接到放大晶體管1503的柵極的浮動擴散區(qū)域來配置。當向選擇晶體管1504的柵極提供用于接通選擇晶體管1504的脈沖時，根據(jù)放大晶體管1503的輸入節(jié)點的信號被輸出到垂直輸出線1506。此后，復位晶體管1505將放大晶體管1503的輸入節(jié)點的電壓設置為特定電壓。在圖14B中，由于放大晶體管1503被多個光電轉換元件1501a和1501b共享，因此，放大晶體管1503的輸入節(jié)點可以執(zhí)行加法。因此，相加的信號可以被從光電轉換單元輸出到垂直輸出線1506。下面將描述特定實施例。這里，在權利要求書中，以及在附圖中所使用的術語“雜質濃度”是指通過相反的導電類型的雜質補償?shù)膬綦s質濃度。即，它是指所謂的“凈濃度”。其中添加的P型雜質的濃度高于添加的n型雜質的濃度的區(qū)域是P型半導體區(qū)域。另一方面，其中添加的n型雜質的濃度高于添加的P型雜質的濃度的區(qū)域是n型半導體區(qū)域。第一實施例圖2是示出了根據(jù)本實施例的圖像拾取設備100的光電轉換單元201的上表面的示意圖。為每一光電轉換單元201提供了微透鏡202。另外，每一光電轉換單元201包括多個光電轉換元件。在圖2中，每一光電轉換單元201都包括兩個H)，g卩，左TO203和右TO204，但是的數(shù)量可以是兩個或更多。例如，可以包括四個I3D或九個H)。轉移柵205和206分別將在PD203和TO204中所生成的電荷轉移到浮動擴散區(qū)域207。雖然浮動擴散區(qū)域207由圖2中的兩個TO203和204共享，但是作為替代，可以為每一個提供浮動擴散區(qū)域。雖然在圖2中示出了兩個光電轉換單元201，但是作為替代，可以提供更大數(shù)量的光電轉換單元。圖3A是示出根據(jù)本實施例的光電轉換單元的截面結構的圖示，而圖3B是示意地示出了沿著圖3A中所示出的虛線IIIB-1IIB截取的半導體區(qū)域的相對于信號載流子的電勢的圖。圖3A和3B是示出了 OFD區(qū)域是n型半導體襯底的情況的圖，將參考圖3A和3B來描述所謂的“垂直方向的OFD區(qū)域”(垂直O(jiān)FD (VOFD)區(qū)域)。
圖3C是示出根據(jù)本實施例的光電轉換單元的截面結構的圖示，而圖3D是示意地示出了沿著圖3C中所示出的虛線IIID-1IID截取的半導體區(qū)域的相對于信號載流子的電勢的圖。圖3C和3D是示出了 OFD區(qū)域是n型浮動擴散區(qū)域、n型像素晶體管的源極區(qū)或漏極區(qū)等的情況的圖。將參考圖3C和3D來描述所謂的“橫向方向的OFD區(qū)域”(橫向OFD(LOFD)區(qū)域)。根據(jù)本實施例的圖像拾取設備100可以具有圖3A和3C中所示出的截面結構，或者也可以具有這些截面結構中的一個。
首先，將描述VOFD區(qū)域的情況。包括了濾色鏡301。線路302驅動像素中的晶體管，并提供電源電壓等等。在η型半導體襯底303上提供了 P型半導體區(qū)域304。以與ρ型半導體區(qū)域304 —起配置ρ-η結的方式提供η型半導體區(qū)域203和204。η型半導體區(qū)域203和204是其中電勢相對于電子(信號載流子)低，并可以收集信號載流子的區(qū)域。ρ型半導體區(qū)域304和η型半導體區(qū)域203之間的組合和P型半導體區(qū)域304和η型半導體區(qū)域204之間的組合各自形成H)。左H)是TO203，而右H)是TO204。ρ型半導體區(qū)域305被包括在相鄰的光電轉換單元中，并在相鄰的兩個H)之間提供。在Η)203和TO204之間提供P型半導體區(qū)域306。ρ型半導體區(qū)域305和306可以充當信號載流子的勢壘。在本實施例中，ρ型半導體區(qū)域304和ρ型半導體區(qū)域306的勢壘的高度之間的關系是規(guī)定的。更具體而言，使P型半導體區(qū)域306的P型雜質濃度低于P型半導體區(qū)域304的ρ型雜質濃度。即，使由ρ型半導體區(qū)域306所生成的勢壘的高度307小于由ρ型半導體區(qū)域304所生成的勢壘的高度309。在這樣做時，當H)中的一個飽和時，在電荷漏入VOFD區(qū)域之前，電荷漏入同一個光電轉換單元中的相鄰的H)中。更優(yōu)選地，使由ρ型半導體區(qū)域305所生成的勢壘的高度308大于由ρ型半導體區(qū)域306所生成的勢壘的高度307。更加優(yōu)選地，使由ρ型半導體區(qū)域305所生成的勢壘的高度308大于由ρ型半導體區(qū)域304所生成的勢壘的高度309。通過使用這樣的 結構，即使H)中的一個由于Η)203和TO204之間的靈敏度差異或者分別入射到PD203和TO204的入射光之間的亮度差異而飽和，組合的靈敏度的差異也可以降低。作為優(yōu)選的雜質濃度的示例，P型半導體區(qū)域304的雜質濃度至少是P型半導體區(qū)域306的雜質濃度三倍。更優(yōu)選地，ρ型半導體區(qū)域304的雜質濃度至少是ρ型半導體區(qū)域306的雜質濃度的十倍。應當注意，使用至少三倍高的差異的原因是，根據(jù)電荷的電勢(在27° C的室溫下，大約26mV)，假設形成達到相同的程度的勢壘之間的差異。此外，除上面的雜質濃度的條件之外，ρ型半導體區(qū)域305的雜質濃度可以高于P型半導體區(qū)域304的雜質濃度。此外，ρ型半導體區(qū)域305的雜質濃度還優(yōu)選地至少是ρ型半導體區(qū)域306的雜質濃度的三倍。更優(yōu)選地，P型半導體區(qū)域305的雜質濃度至少是ρ型半導體區(qū)域306的雜質濃度的十倍。應當注意，使用至少三倍高的差異的原因是，根據(jù)電荷的電勢(在27° C的室溫下，大約26mV)，假設形成達到相同的程度的勢壘之間的差異。將參考圖4和5A到來描述H)以及組合的輸出。圖4示出了當兩個TO203和204的輸入/輸出特性和PD203和204的輸出被組合時組合的輸入/輸出特性。圖5A到是示意地示出了圖3B中所示出的電勢結構和所生成的電荷的圖。當光入射到F1D上時，PD執(zhí)行光電轉換，并生成電子空穴對。為了說明，圖4示出了 TO203具有比PD204更高的靈敏度或入射到PD203上的光的量大于入射到Η)204的光量的情況。當入射到PD203和204上的光的量在圖4中所示出的范圍401內時，所生成的電荷的量在Η)203比在TO204中更大。此情況在圖5A中示出。PD203和TO204的組合的輸出指出適當?shù)闹?。接下來，在范?02中發(fā)生Η)203飽和而TO204未飽和的情況。此時，如圖5B所示，在TO203中所生成的電荷會超出勢壘307并移到PD204。因此，在范圍402中，PD204的輸出是通過組合在Η)204中所生成的電荷和在TO203中所生成的電荷而獲得的電荷的量。如此，通過使勢壘307低于勢壘309，在TO203中所生成的電荷中的大部分會漏入同一個光電轉換單元中的TO204中。更優(yōu)選地，如圖5B所示，使勢壘308的高度大于電源單元307的高度。通過使勢壘307低于勢壘309，在范圍402中，PD203和TO204的組合的輸出也可以接近于適當?shù)妮敵?，如在范?01中那樣。在范圍403中，如圖5C所示，PD203和204兩者都超出由勢壘307所規(guī)義的飽和度，而PD203和204的輸出增大直到由勢壘308或勢壘309 (其中較低的一個)所定義的飽和度。在圖3A到3D或圖5A到中，由于勢壘309低于勢壘308，因此，飽和度由勢壘309規(guī)定。在范圍404中，如圖所示，由于TO203和204的輸出增大直到由勢壘309所定義的飽和度，組合的輸出也飽和。在上面的范圍中，通過使勢壘307的高度低于勢壘309的高度，在TO203中所生成的電荷會漏入同一個光電轉換單元中的TO204中。雖然在上面的描述中使勢壘308的高度大于勢壘309的高度，但是，勢壘308和309之間的關系可以相反。當使勢壘308的高度大于勢壘309的高度時，由勢壘308確定PD203和204的飽和度，溢出電荷被排出到半導體襯底303中。如此，可以抑制溢出電荷漏入另一個并變?yōu)閭涡盘?alias)的現(xiàn)象。另外，當使勢壘309的高度大于勢壘308的高度時，PD203和204的飽和度可能會更高。另外，勢壘308和309的高度可以相同，或者勢壘308的高度可以稍微小于勢壘309的高度。接下來，將參考圖3C和3D來描述OFD區(qū)域是LOFD區(qū)域的情況。將描述浮動擴散區(qū)域被用作LOFD區(qū)域的示例。在浮動擴散區(qū)域311和TO203之間提供p型半導體區(qū)域312。p型半導體區(qū)域312可以充當信號載流子的勢壘。轉移柵310將在TO203中所生成的電子空穴對的電子轉移到浮動擴散區(qū)域311。使由p型半導體區(qū)域306所生成的勢壘307的高度低于由p型半導體區(qū)域312所生成的勢壘313的高度。如圖3D所示，勢壘307的高度小于勢壘313的高度。通過使用這樣的結構，即使PD203或TO204由于P D203和204之間的靈敏度差異或者分別入射到PD203和204的光線之間的亮度差異而飽和，組合的靈敏度也可以接近于恒定。此外，勢壘307的高度還可以小于勢壘308的高度。作為優(yōu)選的雜質濃度的示例，配置勢壘313的p型半導體區(qū)域312的雜質濃度至少是配置勢壘307的p型半導體區(qū)域306的雜質濃度的三倍。更優(yōu)選地，p型半導體區(qū)域312的雜質濃度至少是p型半導體區(qū)域306的雜質濃度的十倍。應當注意，使用至少三倍高的差異的原因是，根據(jù)電荷的電勢(在27° C的室溫下，大約26mV)，假設形成達到相同的程度的勢壘之間的差異。此外，除的雜質濃度的上述情況之外，p型半導體區(qū)域305的雜質濃度可以高于p型半導體區(qū)域312的雜質濃度。此外，p型半導體區(qū)域305的雜質濃度優(yōu)選地至少是p型半導體區(qū)域306的雜質濃度的三倍。更優(yōu)選地，p型半導體區(qū)域305的雜質濃度至少是p型半導體區(qū)域306的雜質濃度的十倍。應當注意，使用至少三倍高的差異的原因是，根據(jù)電荷的電勢(在27° C的室溫下，大約26mV)，假設形成達到相同的程度的勢壘之間的差異。在LOFD區(qū)域的情況下，也可以獲取圖4和5A到中所示出的效果。另外，在配置ro的n型半導體區(qū)域的橫向方向提供LOFD區(qū)域就足夠了并且該LOFD區(qū)域可以是光電轉換單元中的晶體管的源極區(qū)或漏極區(qū)，或者可以提供專用的LOFD區(qū)域。LOFD區(qū)域通過n型半導體來配置，并且可以向LOFD區(qū)域提供電源電壓。
VOFD區(qū)域或者LOFD區(qū)域可以被用作飽和之后的電荷被釋放到其中的區(qū)域，但是當使用LOFD區(qū)域時，可以準確地控制雜質濃度，因為LOFD區(qū)域一般被置于接近于表面的區(qū)域，因此可以在淺的層級通過離子注入法來形成。另外，如果在OFD區(qū)域和配置的n型半導體區(qū)域之間的半導體區(qū)域上方提供電勢控制柵，則導電類型不必特別受限。這是因為，OFD區(qū)域和配置ro的n型半導體區(qū)域之間的半導體區(qū)域的勢壘的高度可以通過向電勢控制柵提供的電壓來控制。第二實施例下面將參考附圖來描述本實施例。與第一實施例具有相同功能的組件被給予相同附圖標記，并省略對其的詳細描述。圖6A和6B是示出了根據(jù)本實施例的光電轉換單元的截面結構的圖。圖6A示意地示出了沿著圖2中所示出的點劃線V1-VI截取的部分的截面結構，而圖6B示意地示出了沿著圖6A中所示出的虛線VIB-VIB截取的部分的最小電勢。與第一實施例的差異是，在單一光電轉換單元中所包括的光電轉換元件之間提供的P型半導體區(qū)域通過其濃度低的第一部分和其濃度高于第一部分的濃度的第二部分來配置。更具體而言，在由單一微透鏡收集的光入射到其上面的ro之 間提供的p型半導體區(qū)域通過其濃度低的第一部分601和其濃度高于第一部分601的濃度的第二部分602來配置。圖6B示出了由第一部分601所生成的勢壘603。勢壘603的高度低于由p型半導體區(qū)域304所生成的勢壘605的高度。另外，勢壘603的高度可以低于由p型半導體區(qū)域305所生成的勢壘604的高度。作為優(yōu)選的雜質濃度的示例，p型半導體區(qū)域304的雜質濃度至少是第一部分601的雜質濃度的三倍。更優(yōu)選地，P型半導體區(qū)域304的雜質濃度至少是第一部分601的雜質濃度的十倍。應當注意，雖然在本實施例中只提供了一個第一部分601，但是，可以提供多個第一部分601。另外，關于深度，雖然使用了雜質濃度高的第二部分602設置在第一部分601上面以及下面的配置，但是，第一部分601不必夾在第二部分602之間，并可以在第二部分602上面或下面提供。這里，與第二部分602相比，第一部分601可能電連接到PD203和204。當PD203和204彼此完全電連接時，圖6B中所示出的勢壘603的高度變小，并且在讀取過程中變得難以區(qū)別TO203的信號和TO204的信號。即，焦點檢測的準確性可能會降低。在這樣的情況下，可以在其距襯底表面的深度分別與PD203和204的n型半導體區(qū)域的n型雜質濃度最高的部分203’和204’(下文稱為雜質濃度峰值位置)的深度不同的位置提供第一部分601。通過使第一部分601的深度和雜質濃度峰值位置203’和204’的深度彼此不同，可以確定地確保PD203和204的信號的獨立性，而PD203和TO204的勢壘的高度可以變小。因此，可以抑制拐點特征，并可以增大維持獨立性的輸出范圍。雖然在本實施例中描述了 VOFD區(qū)域的情況，但是，對于LOFD區(qū)域的情況這也成立。第三實施例下面將參考附圖來描述第三實施例。圖7是示出了從光入射側查看的根據(jù)本實施例的像素的平面結構的圖。與第一和第二實施例具有相同功能的組件被給予相同附圖標記，并省略對其的詳細描述。本實施例與第二實施例的差異是，當在平面圖中看時在配置同一個光電轉換單元中的相鄰的ro的η型半導體區(qū)域之間的不同的位置提供第一部分701和第二部分702。關于其他配置，可以使用與第一和第二實施例相同的配置。在圖7中，通過包括第一部分701和其ρ型雜質濃度高于第一部分701的雜質濃度的第二部分702，來配置在單一光電轉換單元中所包括的光電轉換元件PDl和PD2之間提供的P型半導體區(qū)域。另外，當OFD區(qū)域是VOFD區(qū)域時，第一部分701的ρ型雜質濃度低于P型半導體區(qū)域304的ρ型雜質濃度。當OFD區(qū)域是LOFD區(qū)域時，第一部分701的ρ型雜質濃度低于P型半導體區(qū)域312的ρ型雜質濃度。如圖7所示，ρ型雜質濃度可以在平面中的不同的位置不同。沿著圖7中所示出的虛線ΙΠΑ-ΠΙΑ截取的部分的截面結構與圖3Α中所示出的截面結構相同。在圖7中，與圖6Α中所示出的結構不同，H)之間的隔離區(qū)域的雜質濃度不是在半導體襯底方向而是在平面中不同。這里，取決于Η)203和204中存在的電子的數(shù)量，第一部分701的電勢的狀態(tài)可能會改變。因此，在第一部分701中所生成的電荷是否移到TO203或TO204的概率在TO203和TO204中的累積剛剛開始之后的狀態(tài)和有更大量的電荷存在于PD203和204中的一個(即，例如，PD203)中的狀態(tài)之間有所不同。例如，當累積剛剛開始之后更大量的電荷存在于PD203中時，第一部分701的電勢由于存在于TO203中的電荷的庫侖相互作用而變化。此后，在第一部分701中所生成的電荷移到TO204的概率增大。S卩，電荷移到PD203和TO204的概率變化。在這樣的結構中，例如，可能會產(chǎn)生取消用于檢測相位差的PD203和204之間的信號的差異的反饋，從而降低焦點檢測的準確性。這樣的準確性的降低可以通過采用第一部分701的下列布局來抑制。更具體而言，當在平面圖中看第一部分701時，第一部分701被置于從每一微透鏡的中心位置到光電轉換元件的受光面上的投影位置偏離的位置。在圖7中，投影位置位于基本上橫跨微透鏡的中心的線上，而第一部分701被如此安置，以便當在平面圖中看時在圖的上方的方向偏移。此布局的實質是將第一部分701與由每一微透鏡收集的光強度是最高的位置周圍的區(qū)域隔離。例如，在圖7中，第一部分701在上方的方向偏移，但是，偏移的方向不僅限于此，方向可以是下方的方向，或取決于情況，向左或向右的方向。作為優(yōu)選的偏移的量，第一部分701被置于與微透鏡的中心相距0.1微米的位置。更優(yōu)選地，第一部分701被置于與微透鏡的中心相距0.2微米的位置。對于H)所使用的波長范圍是所謂的可見光范圍的情況，這也成立。這是可見光的波長大約是0.4到0.8微米并且微透鏡的焦點存在于光電轉換元件上的情況。另外，由于光電轉換元件的光聚焦狀態(tài)還取決于物鏡的F值，當根據(jù)本實施例的光電轉換設備應用于其F值很小的光學系統(tǒng)時，可以將更大的值用作偏移量。例如，在可以將物鏡的F值設置為2.0的系統(tǒng)的情況下，相對于垂直線具有14°的最大傾斜的光入射到微透鏡。當微透鏡和ro之間的距離是2 μ m時，以14°的傾斜入射的光焦點位置，至少在一個方向從微透鏡的中心位置被投射到其上的受光面的位置偏移0.5 μ m。在此情況下，如此安置第一部分701以便從微透鏡的中心位置偏離0.5 μ m或更多特別有效。另外，偏移量的上限是相鄰的光電轉換元件的間距的一半。
除由第一和第二實施例所產(chǎn)生的效果之外，由本實施例所產(chǎn)生的效果是，可以使用布局模式來調整勢壘。因此，與只通過調整P型半導體區(qū)域中的雜質離子的注入深度以及雜質濃度來設計勢壘的情況相比，設計時的自由度增大。另外，當將根據(jù)第一和第二實施例來設置勢壘時，需要在雜質離子被注入P型半導體區(qū)域之前提供多個級別，即，雜質離子的注入深度、濃度，以及熱處理。然而，根據(jù)本實施例，可以在用于限定其中將注入雜質離子的區(qū)域的過程中所使用的光掩模的布局模式中提供一級別。因此，通過評估單一試驗晶片，可以從多個布局模式中選擇可以構成適當?shù)膭輭镜牟季帜Ｊ?。第四實施例下面將參考附圖來描述第四實施例。與第一到第三實施例具有相同功能的組件被給予相同附圖標記，并省略對其的詳細描述。本實施例與第一到第三實施例的差異是，在n型半導體區(qū)域203和204之間所提供的p型半導體區(qū)域包括第一部分801和第二部分802，第一部分801的寬度小于第二部分802的寬度。圖8是示出了根據(jù)本實施例的像素的截面結構的圖示。雖然在圖8中在不同的深度提供第一部分801和第二部分802，但是，當在平面圖中看時，如第三實施例所描述的，可以在相同深度和不同的位置提供第一部分801和 第二部分802。另外，第一部分801可以通過彼此隔離的多個部分來配置。在上面的各實施例中，描述了通過使用可以累積信號載流子的n型半導體區(qū)域和相反的導電類型的P型半導體區(qū)域來配置勢壘的情況。然而，可以與此相結合地使用絕緣體分離?？闪磉x地，可以使用其中OFD區(qū)域和ro區(qū)域之間的勢壘的高度通過使用控制柵來控制的配置。在此情況下在ro累積信號載流子的同時，勢壘的高度之間的上文所描述的關系需要被滿足。應用于焦點檢測設備可以將在上面的各實施例中所描述的光電轉換設備用作圖像拾取設備和在圖像拾取表面中執(zhí)行焦點檢測的設備。將具體地描述在圖像的捕捉過程中使用相位差檢測來執(zhí)行圖像拾取表面中的焦點檢測的示例。在下面的描述中，將參考圖9、10A，以及10B。圖9是示出了從成像透鏡的出射光瞳發(fā)射的光束入射到圖像拾取設備901上的情況的示意圖。示出了微透鏡202、濾色鏡301、以及由微透鏡202中的一個收集的光入射到其上的多個光電轉換元件PDl和TO2。還示出了成像透鏡的出射光瞳902。這里，從出射光瞳902發(fā)射到包括微透鏡202的光電轉換單元的光束的中心將稱為光軸903。從出射光瞳902發(fā)出的光沿著作為圖像拾取設備901中心的光軸903入射到圖像拾取設備901。光束906和907是沿著穿過出射光瞳902的特定區(qū)域904的光的邊沿的光束，而光束908和909是沿著穿過出射光瞳902的特定區(qū)域905的光的邊沿的光束。從圖9可以看出，在從出射光瞳902發(fā)射的光束之中，光軸903上方的光束入射到上方的PD，而光軸903下方的光束入射到下方的H)。S卩，這些TO正在從成像透鏡的出射光瞳902的不同的區(qū)域接收光束。通過利用此特征，執(zhí)行對相位差的檢測。當在平面圖中看像素內的一區(qū)域中的圖像拾取區(qū)域時，在由單一微透鏡收集的光入射到其上的多個光電轉換元件中，從一個ro中獲取的數(shù)據(jù)將稱為第一行，而從另一個ro中獲取的數(shù)據(jù)將稱為第二行。此后，通過獲取行之間的相關數(shù)據(jù)，可以檢測相位。例如，在圖9中，在由微透鏡202中的一個收集的光入射到其上的光電轉換元件中，從下方的TO203中獲取的數(shù)據(jù)將稱為第一行，而從上方的H)204中獲取的數(shù)據(jù)將稱為第二行。在此情況下，光電轉換元件PDl從第一行數(shù)據(jù)輸出涉及一個像素的數(shù)據(jù)，而光電轉換元件PD2從第二行數(shù)據(jù)輸出涉及一個像素的數(shù)據(jù)。圖1OA和IOB示出了當使用點光源光形成圖像時的行數(shù)據(jù)。圖1OA示出了當圖像焦點對準時第一行數(shù)據(jù)和第二行數(shù)據(jù)。水平軸表示像素的位置，而垂直軸表示輸出。當圖像焦點對準時，第一行和第二行重疊。圖1OB示出了當圖像焦點沒有對準時的行數(shù)據(jù)。此時，第一行和第二行具有相位差，而像素的位置是不同的。通過計算此偏差量1001，可以標識圖像焦點沒有對準的程度?？梢酝ㄟ^使用這樣的方法來檢測相位并通過驅動透鏡，使圖像焦點對準。接下來，將描述這些像素布局中的圖像數(shù)據(jù)的生成。如上文所描述的，可以通過從圖像拾取設備901中分別地讀取光電轉換元件PDl和PD2的信號并通過執(zhí)行用于檢測相位差的計算，來檢測焦點。另外，通過將由微透鏡202中的一個收集的光入射到其上的TO203和204的信號相加，可以生成捕捉到的圖像。然而，在其中PD203和204中的一個飽和的狀態(tài)下，即，在圖5B、5C或中所示出的狀態(tài)下，PD203和204的信號不同于由PD203和204分開獲取的輸出。因此，PD203和204的信號可以被判斷為具有低可靠性。在這樣的情況下，可以采用其中不執(zhí)行相位檢測或停止相位檢測的序列。即，圖像拾取設備901可以在根據(jù)PD203和204的信號或可以累積的電荷來判斷是否要對圖像拾取設備901的圖像平面執(zhí)行相位差檢測時被操作。雖然參考圖9描述了圖像拾取設備901的中心周圍的像素，但是，當用于焦點檢測的像素不在圖像拾取區(qū)域的中心處提供而是在圖像拾取區(qū)域的邊緣提供時，準確性可以進一步提高，因為在圖像拾取設備901的周 邊的像素中，ro之間的入射光量的差異更大。應用于圖像拾取系統(tǒng)圖11示出了可以向其應用根據(jù)上文的各實施例中的每一個的圖像拾取設備的圖像拾取系統(tǒng)的示例。在圖11中，透鏡單元1101在圖像拾取元件1105上形成被攝對象的光學圖像，而透鏡驅動設備1102執(zhí)行變焦控制、聚焦控制、光圈控制等等?？扉T1103由快門驅動設備1104進行控制。圖像拾取元件1105獲取由透鏡單元1101所形成的被攝對象的圖像作為圖像信號，而圖像拾取信號處理電路1106對從圖像拾取元件1105輸出的圖像信號執(zhí)行各種類型的校正，并壓縮數(shù)據(jù)。定時生成單元1107是向圖像拾取元件1105和圖像拾取信號處理電路1106輸出各種定時信號的驅動裝置。總體控制算術單元1109執(zhí)行各種類型的計算，并控制整個圖像拾取設備，存儲器單元1108臨時存儲圖像數(shù)據(jù)，并且記錄介質控制接口單元1110將圖像數(shù)據(jù)記錄到記錄介質上或從記錄介質讀取圖像數(shù)據(jù)。記錄介質1111是諸如半導體存儲器之類的在其上記錄圖像數(shù)據(jù)或從其中讀取圖像數(shù)據(jù)的可移動記錄介質，并且外部接口單元1112是外部接口。接下來，將描述當使用上面的配置捕捉圖像時數(shù)字相機的操作。當主電源被接通時，控制系統(tǒng)的電源接通，諸如圖像拾取信號處理電路1106之類的圖像拾取電路的電源也接通。當按下釋放按鈕(未示出)時，根據(jù)來自圖像拾取元件1105的數(shù)據(jù)執(zhí)行測距計算，并且總體控制算術單元1109根據(jù)測距計算的結果執(zhí)行到被攝對象的距離的計算。此后，透鏡驅動設備1102驅動透鏡單元1101，以判斷圖像是否對焦。如此，使用根據(jù)每一個實施例的圖像拾取設備的數(shù)字相機可以以高速執(zhí)行聚焦操作而同時抑制偽色的生成。各實施例可以應用于各種類型的光電轉換元件，在其中在光電轉換元件之間靈敏度或入射光量有差異的配置中尤其有效。例如，在上面的各實施例中，描述了像素用于對物鏡的焦點檢測的示例。然而，圖像拾取設備的特征是當執(zhí)行其中多個光電轉換元件的信號被相加的讀取時確保輸出的線性性，因此，除焦點檢測以外的應用是可能的。例如，作為替代，可以給多個光電轉換元件提供兩種類型的其通帶彼此不同的濾色鏡。更具體而言，分別為顏色R、G、B提供了其通帶彼此不同的R’、G’、B’濾色鏡。當這些濾色鏡被分開地讀取時，可以獲得六種顏色的信號，從而改善色彩可再現(xiàn)性。另一方面，當執(zhí)行H)的相加以及為了獲取三種顏色，即，R+R’，G+G’，以及B+B’的信號的操作時，靈敏度可以增大，從而改善信噪比(S/N)。各實施例可以應用于其中可以在同一個圖像拾取設備中的這兩種捕捉模式之間切換的配置。另外，作為替代地，雖然描述了其中電子被用作信號載流子的配置，但是，也可以使用空穴。在此情況下，相反的導電類型被用作每一半導體區(qū)域的導電類型。雖然是參考示例性實施例來描述本公開的，但是應該理解，本公開不僅限于所公開的示例性實施例。下列權利 要求的范圍應該有最廣泛的解釋，以便包含所有這樣的修改和等效結構和功能。
權利要求
1.一種光電轉換設備，包括: 多個光電轉換單元，每一光電轉換單元包括多個光電轉換元件， 其中，在所述多個光電轉換單元中所包括的所述多個光電轉換元件中所生成的信號載流子或基于所述信號載流子的信號被相加， 其中，所述多個光電轉換元件中的每一個都包括收集所述信號載流子的第一導電類型的第一半導體區(qū)域， 其中，所述光電轉換單元中的每一個中所包括的并且彼此相鄰設置的光電轉換元件中所包括的所述第一半導體區(qū)域夾有第二導電類型的第二半導體區(qū)域，以及 其中，在第二半導體區(qū)域的某一區(qū)域中所生成的信號載流子的勢壘的高度小于在每個第一半導體區(qū)域和第一導電類型的溢漏區(qū)域之間的區(qū)域中所生成的信號載流子的勢壘的高度。
2.如權利要求1所述的光電轉換設備， 其中，所述每個第一半導體區(qū)域和所述第一導電類型的所述溢漏區(qū)域之間的所述區(qū)域是所述第二導電類型的第三半導體區(qū)域。
3.如權利要求1所述的光電轉換設備， 其中，所述光電轉換單元的每一個包括由單一微透鏡收集的光入射到其上的多個光電轉換元件。
4.如權利要求1所述的光電轉換設備， 其中，所述溢漏區(qū)域是被設置在所述第一半導體區(qū)域的垂直方向中的所述第一導電類型的半導體區(qū)域。
5.如權利要求4所述的光電轉換設備， 其中，所述第一導電類型的所述半導體區(qū)域是所述第一導電類型的半導體襯底。
6.如權利要求1所述的光電轉換設備， 其中，所述溢漏區(qū)域是被設置在所述第一半導體區(qū)域的橫向方向中的所述第一導電類型的半導體區(qū)域。
7.如權利要求6所述的光電轉換設備， 其中，所述第一導電類型的所述半導體區(qū)域是每個所述光電轉換單元所包括的所述第一導電類型的晶體管的源極區(qū)或漏極區(qū)。
8.如權利要求2所述的光電轉換設備， 其中，所述第三半導體區(qū)域的雜質濃度至少是所述某一區(qū)域的雜質濃度的三倍。
9.如權利要求8所述的光電轉換設備， 其中，所述第三半導體區(qū)域的所述雜質濃度至少是所述某一區(qū)域的所述雜質濃度的十倍。
10.如權利要求1所述的光電轉換設備， 其中，所述第二半導體區(qū)域包括第一部分和第二部分，所述第一部分的雜質濃度低于所述第二部分的雜質濃度，或者當在平面圖中看時所述第一部分的寬度小于當在平面圖中看時所述第二部分的寬度。
11.如權利要求10所述的光電轉換設備， 其中，所述第一部分設置在不同于設置所述第二部分的深度的深度。
12.如權利要求10所述的光電轉換設備， 其中，當在平面圖中看所述第二半導體區(qū)域時，所述第一部分被設置在不同于設置所述第二部分的位置的位置。
13.如權利要求10所述的光電轉換設備， 其中，所述第一部分的雜質濃度峰的深度不同于所述第一半導體區(qū)域的雜質濃度峰的深度。
14.如權利要求10所述的光電轉換設備， 其中，所述光電轉換單元的每一個包括由單一微透鏡收集的光入射到其上的多個光電轉換元件，以及 其中，所述第一部分設置為至少相對于所述微透鏡的中心位置到受光面的投影位置在一個方向偏移。
15.如權利要求1 4所述的光電轉換設備， 其中，偏移量是0.1ym或更多。
16.如權利要求1所述的光電轉換設備， 其中，當在平面圖中看時，所述多個光電轉換元件設置在不同的位置。
17.根據(jù)權利要求1到16中任一權利要求所述的光電轉換設備， 其中，在彼此相鄰設置的不同的光電轉換單元中所包括的相鄰的光電轉換元件中所包括的所述第一半導體區(qū)域之間提供了所述第二導電類型的第四半導體區(qū)域，并且至少在所述第二半導體區(qū)域的某一區(qū)域中所生成的勢壘的高度小于在所述第四半導體區(qū)域中所生成的勢壘的高度。
18.如權利要求17所述的光電轉換設備， 其中，所述第四半導體區(qū)域中所生成的所述勢壘的所述高度大于在所述第三半導體區(qū)域中所生成的勢壘的高度。
19.一種圖像拾取系統(tǒng),包括: 如權利要求1所述的光電轉換設備， 其中，圖像的捕捉是使用通過將所述多個光電轉換單元中所包括的所述多個光電轉換元件的信號相加所獲得的信號來執(zhí)行的，以及 其中，所述圖像的所述捕捉過程中的焦點檢測是使用所述多個光電轉換單元中所包括的所述多個光電轉換元件的所述信號中的至少一個來執(zhí)行的。
20.如權利要求19所述的圖像拾取系統(tǒng)， 其中，當所述多個光電轉換單元中的一個或多個光電轉換元件累積的電荷量超出時，停止所述焦點檢測。
全文摘要
公開了圖像拾取設備以及圖像拾取系統(tǒng)。在將光電轉換單元中所包括的多個光電轉換元件的信號相加的光電轉換設備中，多個光電轉換元件中的每一個包括第一導電類型的收集信號載流子的第一半導體區(qū)域。光電轉換單元中的每一個中所包括的并且彼此相鄰設置的光電轉換元件中所包括的所述第一半導體區(qū)域夾有第二導電類型的第二半導體區(qū)域。在第二半導體區(qū)域的某一區(qū)域中所生成的信號載流子的勢壘的高度小于在每個第一半導體區(qū)域和第一導電類型的溢漏區(qū)域之間的第三半導體區(qū)域中所生成的信號載流子的勢壘的高度。
文檔編號H01L27/146GK103219347SQ201310018719
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權日2012年1月18日
發(fā)明者小林昌弘, 岸隆史, 山下雄一郎 申請人:佳能株式會社