CN114846606A - 测距图像传感器 - Google Patents

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平光纯
岛田明洋
石井博明
伊藤聪典
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Abstract

在测距图像传感器中，各像素具有雪崩倍增区域、电荷分配区域、一对第一电荷传送区域、一对第二电荷传送区域、阱区域、光电栅电极、一对第一传送栅电极和一对第二传送栅电极。雪崩倍增区域的第一倍增区域形成为在Z方向上与电荷分配区域重叠且与阱区域不重叠。雪崩倍增区域的第二倍增区域形成为在Z方向上与电荷分配区域及阱区域重叠。

Description

测距图像传感器
技术领域
本发明涉及一种测距图像传感器。
背景技术
作为利用间接TOF(Time of Flight:飞行时间)方式获取对象物的距离图像的测距图像传感器，已知包括设置有光感应区域的半导体层以及在半导体层上按照每个像素设置的光电栅电极(photogate electrode)和传送栅电极的测距图像传感器(例如参照专利文献1、2)。根据这样的测距图像传感器，能够通过光的入射来高速传送在光感应区域产生的电荷。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-133464号公报
专利文献2：日本特开2013-206903号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在如上所述的测距图像传感器中，例如为了使可测量距离较长，有时要求提高受光灵敏度。
本发明的目的在于提供一种能够在维持信号的读出精度的同时实现受光灵敏度的提高的测距图像传感器。
用于解决技术问题的技术方案
本发明的一个方面提供一种测距图像传感器，其包括：半导体层，其具有第一侧的第一表面和第一侧的相反侧即第二侧的第二表面，用于构成沿第一表面配置的多个像素；和设置于第一表面的、用于构成多个像素的电极层，多个像素中的各个像素具有：雪崩倍增区域，其包括形成于半导体层的第一导电型的第一倍增区域、和在半导体层中形成于第一倍增区域的第一侧的第二导电型的第二倍增区域；在半导体层中形成于第二倍增区域的第一侧的、与第二倍增区域连接的第二导电型的电荷分配区域；在半导体层中形成于第二倍增区域的第一侧的、与电荷分配区域连接的第二导电型的第一电荷传送区域；在半导体层中形成于第二倍增区域的第一侧的、与电荷分配区域连接的第二导电型的第二电荷传送区域；在半导体层中形成于第二倍增区域的第一侧的第一导电型的阱区域；在电极层中形成于电荷分配区域的第一侧的光电栅电极；以相比于光电栅电极位于第一电荷传送区域侧的方式，在电极层中形成于电荷分配区域的第一侧的第一传送栅电极；和以相比于光电栅电极位于第二电荷传送区域侧的方式，在电极层中形成于电荷分配区域的第一侧的第二传送栅电极，第一倍增区域形成为在半导体层的厚度方向上与电荷分配区域重叠且与阱区域不重叠，第二倍增区域形成为在半导体层的厚度方向上与电荷分配区域及阱区域重叠。
在该测距图像传感器中，在半导体层形成有雪崩倍增区域。由此，能够在多个像素的各个像素中实现高灵敏度。而且，在第一导电型的阱区域的第二侧，第二导电型的第二倍增区域形成为在半导体层的厚度方向上与阱区域重叠，在第二导电型的第二倍增区域的第二侧，第一导电型的第一倍增区域形成为在半导体层的厚度方向上与阱区域不重叠。由此，当向半导体层施加反向偏压时，形成于第二倍增区域中的在半导体层的厚度方向上与第一倍增区域不重叠的部分的耗尽层，不容易朝向阱区域扩展，能够防止耗尽层到达阱区域。即，能够防止因耗尽层到达阱区域而使得在雪崩倍增区域与阱区域之间有电流流动。因此，能够在维持信号的读出精度的同时实现受光灵敏度的提高。
在本发明的一个方面的测距图像传感器中，也可以是，多个像素中的各个像素还具有：在半导体层中形成于第二倍增区域与阱区域之间的第二导电型的势垒区域。由此，即使因向半导体层施加反向偏压而使得形成于第二倍增区域的耗尽层朝向阱区域扩展了，也能够通过势垒区域防止耗尽层到达阱区域。即，能够防止因耗尽层到达阱区域而使得电流在雪崩倍增区域与阱区域之间流动。
在本发明的一个方面的测距图像传感器中，也可以构成为，在从半导体层的厚度方向观察时，势垒区域包含阱区域。由此，能够抑制因耗尽层到达阱区域而使得电流在雪崩倍增区域与阱区域之间流动。
在本发明的一个方面的测距图像传感器中，也可以是，多个像素中的各个像素还具有：在半导体层中形成于势垒区域的第一侧的、与势垒区域连接的第二导电型的宿区域。由此，因为能够将聚集到第二导电型的势垒区域的周边的电荷引入至第二导电型的宿区域，所以能够抑制聚集到势垒区域的周边的电荷作为寄生电荷成为噪声。
在本发明的一个方面的测距图像传感器中，也可以构成为，宿区域与第二电荷传送区域连接。由此，在将第二电荷传送区域用作无用电荷排出区域的情况下，能够将引入到宿区域的电荷排出到第二电荷传送区域。
在本发明的一方面的测距图像传感器中，也可以是，第二倍增区域包括：在半导体层的厚度方向上与电荷分配区域重叠的第一区域、和在半导体层的厚度方向上与阱区域重叠的第二区域，第二区域的杂质的浓度比第一区域的杂质的浓度高。由此，即使因对半导体层施加反向偏压而使得形成于第二倍增区域中的在半导体层的厚度方向上与第一倍增区域不重叠的部分的耗尽层朝向阱区域扩展了，也能够利用第二区域防止耗尽层到达阱区域。即，能够抑制因耗尽层到达阱区域而使得电流在雪崩倍增区域与阱区域之间流动。
在本发明的一个方面的测距图像传感器中，也可以是，在从半导体层的厚度方向观察时，第二区域包含阱区域。由此，能够抑制地防止因耗尽层到达阱区域而使得电流在雪崩倍增区域与阱区域之间流动。
在本发明的一个方面的测距图像传感器中，也可以是，多个像素中的各个像素还具有：在半导体层中形成于第二区域的第一侧的、与第二区域连接的第二导电型的宿区域。由此，因为聚集到第二导电型的第一区域的周边的电荷被引入到第二导电型的宿区域，所以能够抑制聚集到第一区域的周边的电荷作为寄生电荷成为噪声。
在本发明的一个方面的测距图像传感器中，也可以构成为，宿区域与第二电荷传送区域连接。由此，在将第二电荷传送区域用作无用电荷排出区域的情况下，能够将引入到宿区域的电荷排出到第二电荷传送区域。
在本发明的一个方面的测距图像传感器中，也可以是，在半导体层的第一表面形成有将多个像素中的各个像素彼此分开的沟槽。由此，能够可靠地抑制相邻的像素之间的串扰的产生。
在本发明的一个方面的测距图像传感器中，也可以是，第一倍增区域按照多个像素中的每一个被分开。由此，能够抑制相邻的像素之间的串扰的产生。
在本发明的一个方面的测距图像传感器中，也可以是，还包括以覆盖电极层的方式设置于第一表面的、与多个像素中的各个像素电连接的配线层。由此，能够经由配线层对多个像素中的每一个进行电信号的输入输出。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够在维持信号的读出精度的同时实现受光灵敏度的提高的测距图像传感器。
附图说明
图1是包括第一实施方式的测距图像传感器的光检测装置的结构图。
图2是第一实施方式的测距图像传感器的像素部的俯视图(平面图)。
图3是沿着图2所示的III－III线的截面图。
图4是沿着图2所示的IV－IV线的截面图。
图5是用于对第一实施方式的测距图像传感器的制造方法进行说的截面图。
图6是用于对第一实施方式的测距图像传感器的制造方法进行说明的截面图。
图7是第二实施方式的测距图像传感器的一部分的俯视图。
图8是沿着图7所示的VIII－VIII线的截面图。
图9是第三实施方式的测距图像传感器的一部分的俯视图。
图10是沿着图9所示的X－X线的截面图。
图11是沿着图9所示的XI－XI线的截面图。
图12是变形例的测距图像传感器的截面图。
图13是变形例的测距图像传感器的截面图。
图14是变形例的测距图像传感器的截面图。
图15是变形例的测距图像传感器的截面图。
图16是变形例的测距图像传感器的截面图。
图17是变形例的测距图像传感器的截面图。
图18是变形例的测距图像传感器的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。此外，在各图中，对相同或相当的部分标注相同的附图标记，省略重复的说明。
[第一实施方式]
[光检测装置的结构]
如图1所示，光检测装置1包括光源2、测距图像传感器10A、信号处理部3、控制部4和显示部5。光检测装置1是利用间接TOF方式获取对象物OJ的距离图像(包含关于至对象物OJ的距离d的信息的图像)的装置。
光源2射出(出射)脉冲光L。光源2由例如红外线LED等构成。脉冲光L例如是近红外光。脉冲光L的频率例如为10kHz以上。测距图像传感器10A检测从光源2射出并由对象物OJ反射了的脉冲光L。测距图像传感器10A通过将像素部11和CMOS读出电路部12单片(monolithic)地形成于半导体基片(例如硅基片)而构成。测距图像传感器10A安装于信号处理部3。
信号处理部3控制测距图像传感器10A的像素部11和CMOS读出电路部12。信号处理部3对从测距图像传感器10A输出的信号实施规定的处理，生成检测信号。控制部4控制光源2和信号处理部3。控制部4基于从信号处理部3输出的检测信号生成对象物OJ的距离图像。显示部5显示由控制部4生成的对象物OJ的距离图像。
[测距图像传感器的结构]
如图2、图3和图4所示，测距图像传感器10A在像素部11包括半导体层20和电极层40。半导体层20具有第一表面20a和第二表面20b。第一表面20a是半导体层20的厚度方向上的一侧的表面。第二表面20b是半导体层20的厚度方向上的另一侧的表面。电极层40设置于半导体层20的第一表面20a。半导体层20和电极层40构成沿第一表面20a配置的多个像素11a。在测距图像传感器10A中，多个像素11a沿着第一表面20a二维地排列。以下，将半导体层20的厚度方向称为Z方向，将与Z方向垂直的一个方向称为X方向，将与Z方向及X方向这两个方向垂直的方向称为Y方向。另外，将Z方向上的一侧称为第一侧，将Z方向上的另一侧(第一侧的相反侧)称为第二侧。此外，在图2中，省略了后述的配线层60的图示。
各像素11a在半导体层20中具有半导体区域21、雪崩倍增区域22、电荷分配区域23、一对第一电荷传送区域24、25、一对第二电荷传送区域26、27、多个电荷阻止区域28、阱区域31、LOCOS(Local Oxidation of Silicon：硅的局部氧化)区域33、势垒(barrier)区域34和一对宿(sink)区域35。各区域21～28、31～35通过对半导体基片(例如硅基片)实施各种处理(例如，蚀刻、成膜、杂质注入等)而形成。
半导体区域21是p型(第一导电型)的区域，在半导体层20中沿第二表面20b设置。半导体区域21作为光吸收区域(光电转换区域)发挥作用。作为一例，半导体区域21是具有1×1015cm－3以下的载流子浓度的p型的区域，半导体区域21的厚度为10μm左右。此外，雪崩倍增区域22等也作为光吸收区域(光电转换区域)发挥作用。
雪崩倍增区域22包括第一倍增区域22a和第二倍增区域22b。第一倍增区域22a是p型的区域，在半导体层20中形成于半导体区域21的第一侧。作为一例，第一倍增区域22a是具有1×1016cm－3以上的载流子浓度的p型的区域，第一倍增区域22a的厚度为1μm左右。第二倍增区域22b是n型(第二导电型)的区域，在半导体层20中形成于第一倍增区域22a的第一侧。作为一例，第二倍增区域22b是具有1×1016cm－3以上的载流子浓度的n型的区域，第二倍增区域22b的厚度为1μm左右。第一倍增区域22a和第二倍增区域22b形成pn结。
电荷分配区域23是n型的区域，在半导体层20中形成于第二倍增区域22b的第一侧。作为一例，电荷分配区域23是具有5×1015～1×1016cm－3的载流子浓度的n型的区域，电荷分配区域23的厚度为1μm左右。
各第一电荷传送区域24、25是n型的区域，在半导体层20中形成于第二倍增区域22b的第一侧。各第一电荷传送区域24、25与电荷分配区域23连接。一对第一电荷传送区域24、25夹着电荷分配区域23中的第一侧的部分在X方向上相对。作为一例，各第一电荷传送区域24、25是具有1×1018cm－3以上的载流子浓度的n型的区域，各第一电荷传送区域24、25的厚度为0.2μm左右。此外，电荷分配区域23中的第二侧的部分进入各第一电荷传送区域24、25与第二倍增区域22b之间。在本实施方式中，各第一电荷传送区域24、25作为电荷蓄积区域发挥作用。
各第二电荷传送区域26、27是n型的区域，在半导体层20中形成于第二倍增区域22b的第一侧。各第二电荷传送区域26、27与电荷分配区域23连接。一对第二电荷传送区域26、27夹着电荷分配区域23中的第一侧的部分在Y方向上相对。作为一例，各第二电荷传送区域26、27是具有1×1018cm－3以上的载流子浓度的n型的区域，各第二电荷传送区域26、27的厚度为0.2μm左右。此外，电荷分配区域23中的第二侧的部分进入各第二电荷传送区域26、27与第二倍增区域22b之间。在本实施方式中，各第二电荷传送区域26、27作为电荷排出区域发挥作用。
各电荷阻止区域28是p型的区域，在半导体层20中形成于各第一电荷传送区域24、25与电荷分配区域23(电荷分配区域23中的第二侧的部分)之间。作为一例，各电荷阻止区域28是具有1×1017～1×1018cm－3的载流子浓度的p型的区域，各电荷阻止区域28的厚度为0.2μm左右。
阱区域31是p型的区域，在半导体层20中形成于第二倍增区域22b的第一侧。在从Z方向观察时，阱区域31包围电荷分配区域23。LOCOS区域33在半导体层20中形成于阱区域31的第一侧。LOCOS区域33与阱区域31连接。阱区域31与LOCOS区域33一起构成多个读出电路(例如，源极跟随放大器、复位晶体管等)。各读出电路与各第一电荷传送区域24、25电连接。作为一例，阱区域31是具有1×1016～5×1017cm－3的载流子浓度的p型的区域，阱区域31的厚度为1μm左右。此外，作为用于将像素部和读出电路部电分离的结构，也可以取代LOCOS区域33而使用STI(Shallow Trench Isolation:浅槽隔离)，或者，也可以仅使用阱区域31。
势垒区域34是n型的区域，在半导体层20中形成于第二倍增区域22b和阱区域31之间。在从Z方向观察时，势垒区域34包含阱区域31。即，在从Z方向观察时，阱区域31位于势垒区域34内。势垒区域34包围电荷分配区域23。势垒区域34的n型杂质的浓度比第二倍增区域22b的n型杂质的浓度高。作为一例，势垒区域34是具有从第二倍增区域22b的载流子浓度至第二倍增区域22b的载流子浓度的大约两倍的载流子浓度的n型的区域，势垒区域34的厚度为1μm左右。
各宿区域35是n型的区域，在半导体层20中形成于势垒区域34的第一侧。各宿区域35的第二侧的端部与势垒区域34连接。各宿区域35的第一侧的端部与各第二电荷传送区域26、27连接。各第二电荷传送区域26、27的n型杂质的浓度比各宿区域35的n型杂质的浓度高，各宿区域35的n型杂质的浓度比势垒区域34的n型杂质的浓度和阱区域31的p型杂质的浓度高。作为一例，各宿区域35是具有阱区域31的载流子浓度以上的载流子浓度的n型的区域，各宿区域35的厚度取决于各第二电荷传送区域26、27与势垒区域34之间的距离。
各像素11a在电极层40中具有光电栅电极(光电栅极电极)41、一对第一传送栅电极(传送栅极电极)42、43和一对第二传送栅电极44、45。各栅电极41～45隔着绝缘膜46形成于半导体层20的第一表面20a。绝缘膜46例如是氮化硅膜、氧化硅膜等。
光电栅电极41在电极层40中形成于电荷分配区域23的第一侧。光电栅电极41由具有导电性和透光性的材料(例如多晶硅)形成。作为一例，在从Z方向观察时，光电栅电极41呈具有在X方向上相对的两个边和在Y方向上相对的两个边的矩形状。
第一传送栅电极42以相比于光电栅电极41位于第一电荷传送区域24侧的方式在电极层40中形成于电荷分配区域23的第一侧。第一传送栅电极43以相比于光电栅电极41位于第一电荷传送区域25侧的方式在电极层40中形成于电荷分配区域23的第一侧。各第一传送栅电极42、43由具有导电性和透光性的材料(例如多晶硅)形成。作为一例，在从Z方向观察时，各第一传送栅电极42、43呈具有在X方向上相对的两个边和在Y方向上相对的两个边的矩形状。
第二传送栅电极44以相比于光电栅电极41位于第二电荷传送区域26侧的方式在电极层40中形成于电荷分配区域23的第一侧。第二传送栅电极45以相比于光电栅电极41位于第二电荷传送区域27侧的方式在电极层40中形成于电荷分配区域23的第一侧。各第二传送栅电极44、45由具有导电性和透光性的材料(例如多晶硅)形成。作为一例，在从Z方向观察时，各第二传送栅电极44、45呈具有在X方向上相对的两个边和在Y方向上相对的两个边的矩形状。
测距图像传感器10A在像素部11还包括相对电极50和配线层60。相对电极50设置于半导体层20的第二表面20b。在从Z方向观察时，相对电极50包含多个像素11a。相对电极50在Z方向上与电极层40相对。相对电极50例如由金属材料形成。配线层60以覆盖电极层40的方式设置于半导体层20的第一表面20a。配线层60与各像素11a及CMOS读出电路部12(参照图1)电连接。在配线层60中与各像素11a的光电栅电极41相对的部分形成有光入射开口60a。
在半导体层20中以将各像素11a相互分开的方式形成有沟槽29。沟槽29形成于半导体层20的第一表面20a。沟槽29的底面29a相比于雪崩倍增区域22位于第二侧。即，沟槽29将雪崩倍增区域22完全分开。在沟槽29内配置有氧化硅物等绝缘材料47。此外，也可以代替绝缘材料47，将钨等金属材料、多晶硅等配置于沟槽29内。
在各像素11a中，第二倍增区域22b形成为在Z方向上与电荷分配区域23、一对第一电荷传送区域24、25、一对第二电荷传送区域26、27及阱区域31重叠。即，在从Z方向观察时，第二倍增区域22b与电荷分配区域23、一对第一电荷传送区域24、25、一对第二电荷传送区域26、27及阱区域31重叠。此外，在本实施方式中，在从Z方向观察时，第二倍增区域22b和一对第二电荷传送区域26、27在一部分重叠。在本实施方式中，在各像素11a中，第二倍增区域22b到达沟槽29。具体而言，在从Z方向观察时，第二倍增区域22b完全覆盖被沟槽29围绕的各像素11a。另一方面，在各像素11a中，第一倍增区域22a形成为在Z方向上与电荷分配区域23、一对第一电荷传送区域24、25、一对第二电荷传送区域26、27重叠且不与阱区域31重叠。即，在从Z方向观察时，第一倍增区域22a与电荷分配区域23、一对第一电荷传送区域24、25、一对第二电荷传送区域26、27重叠且与阱区域31不重叠。此外，在本实施方式中，在从Z方向观察时，第一倍增区域22a与一对第二电荷传送区域26、27在一部分重叠。在本实施方式中，第一倍增区域22a未到达沟槽29。具体而言，第一倍增区域22a在第二倍增区域22b的第二侧按照每个像素11a分开。在从Z方向观察时，在沟槽29与第一倍增区域22a之间配置有在半导体层20中沿着第二表面20b设置的半导体区域21的一部分。即，在阱区域31的第二侧，在Z方向上形成为第二倍增区域22b和半导体区域21重叠。
雪崩倍增区域22是引起雪崩倍增的区域。更详细而言，在各像素11a中，雪崩倍增区域22中的、从Z方向观察时第一倍增区域22a和第二倍增区域22b重叠的区域，在被施加规定值的反向偏压的情况下可产生3×105～4×105V/cm的电场强度，由此，引起雪崩倍增。
如上所述地构成的测距图像传感器10A的动作的一例如下所述。在测距图像传感器10A的各像素11a中，以光电栅电极41的电位为基准，将负电压(例如-50V)施加于相对电极50(即，向形成于雪崩倍增区域22的pn结施加反向偏压)，在雪崩倍增区域22产生3×105～4×105V/cm的电场强度。在此状态下，如果脉冲光L经光入射开口60a和光电栅电极41入射至半导体层20，则因脉冲光L的吸收而产生的电子在雪崩倍增区域22倍增，高速移动至电荷分配区域23。
在生成对象物OJ(参照图1)的距离图像时，在各像素11a中，首先，对一对第二传送栅电极44、45施加复位电压(Reset voltage)。复位电压是以光电栅电极41的电位为基准的正电压。由此，移动到电荷分配区域23的电子从一对第二电荷传送区域26、27被排出。
接着，向一对第一传送栅电极42、43施加脉冲电压信号。作为一例，向第一传送栅电极42施加的脉冲电压信号，是以光电栅电极41的电位为基准、正电压和负电压交替重复的电压信号，且是周期、脉宽及相位与从光源2(参照图1)射出的脉冲光L的强度信号相同的电压信号。另一方面，向第一传送栅电极43施加的脉冲电压信号，除了相位错开180°这点之外，是与向第一传送栅电极42施加的脉冲电压信号相同的电压信号。
由此，移动到电荷分配区域23的电子被交替且高速地传送至一对第一电荷传送区域24、25。通过规定期间的传送而蓄积在各第一电荷传送区域24、25的电子，作为信号经由阱区域31等构成的读出电路及配线层60被传送至CMOS读出电路部12(参照图1)。
如图1所示，当从光源2射出脉冲光L且由对象物OJ反射的脉冲光L由测距图像传感器10A检测到时，由测距图像传感器10A检测到的脉冲光L的强度信号的相位，相比于从光源2射出的脉冲光L的强度信号的相位，与至对象物OJ的距离d相应地错开(偏离)。因此，通过按照每个像素11a获取基于蓄积在各第一电荷传送区域24、25的电子的信号，能够生成对象物OJ的距离图像。
[测距图像传感器的制造方法]
如图5的(a)所示，准备p型的半导体基片20s，第一倍增区域22a、第二倍增区域22b和电荷分配区域23形成于半导体基片20s。此时，第二倍增区域22b以遍及多个像素11a(参照图5的(b))相连的方式形成于半导体基片20s。第一倍增区域22a形成于半导体基片20s中的、在从Z方向观察时与电荷分配区域23(参照图5的(b))、第一电荷传送区域24、25(参照图5的(b))及第二电荷传送区域26、27(参照图5的(b))重叠的部分。接着，如图5的(b)所示，在半导体层20的第一表面20a形成有沟槽29。接着，如图6的(a)所示，以使得各像素11a具有一对第一电荷传送区域24、25、一对第二电荷传送区域26、27、多个电荷阻止区域28、阱区域31、LOCOS区域33、势垒区域34和一对宿区域35的方式,，在半导体基片20s上形成各区域24～28、31～35。由此，形成有沟槽29的半导体层20被形成(第一工序)。其中，半导体区域21是半导体基片20s具有的区域。
接着，如图6的(b)所示，以使得各像素11a具有光电栅电极41、一对第一传送栅电极42、43和一对第二传送栅电极44、45的方式，在半导体层20的第一表面20a形成各栅电极41～45。由此，形成电极层40(第二工序)。接着，如图3所示，以覆盖电极层40的方式在半导体层20的第一表面20a形成配线层60，将配线层60与各像素11a电连接(第三工序)。接着，在半导体层20的第二表面20b形成相对电极50。一边如上所述地在半导体基片20s形成像素部11，一边在半导体基片20s形成CMOS读出电路部12。通过如上所述的方式，能够制造测距图像传感器10A。其中，沟槽29的形成，也可以在各区域24～28、31～35形成于半导体基片20s之后、各栅电极41～45形成于半导体层20的第一表面20a之前实施。
[作用及效果]
在测距图像传感器10A中，在半导体层20形成有雪崩倍增区域22。由此，能够在各像素11a中实现高灵敏度。而且，在p型的阱区域31的第二侧，n型的第二倍增区域22b形成为在半导体层20的厚度方向上与阱区域31重叠，在n型的第二倍增区域22b的第二侧，p型的第一倍增区域22a形成为在半导体层20的厚度方向上与阱区域31不重叠。由此，当向半导体层20施加反向偏压时，形成于第二倍增区域22b中的、在半导体层20的厚度方向上不与第一倍增区域22a重叠的部分的耗尽层不容易朝向阱区域31扩展，能够抑制耗尽层到达阱区域31。即，能够防止因耗尽层到达阱区域31而使得电流在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流动。由此，根据测距图像传感器10A，能够在维持信号的读出精度的同时实现受光灵敏度的提高。
对测距图像传感器10A的效果进一步进行叙述。在p型的阱区域31的第二侧，形成为在Z方向上n型的第二倍增区域22b与p型的半导体区域21重叠，其中，p型的半导体区域21的p型杂质的浓度比阱区域31的p型杂质的浓度低。当以光电栅电极41的电位为基准将负电压施加于相对电极50时，在n型的第二倍增区域22b与p型的半导体区域21之间形成耗尽层，但是该耗尽层容易朝向p型杂质的浓度低的半导体区域21扩展，不容易朝向半导体区域21的相反侧的阱区域31扩展。因此，根据测距图像传感器10A，能够抑制因耗尽层到达阱区域31而使得电流在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流动。
在测距图像传感器10A中，沟槽29的底面29a相比于雪崩倍增区域22位于第二侧。由此，能够抑制相邻的像素11a之间的串扰的产生。
在测距图像传感器10A中，在第二倍增区域22b与构成读出电路的阱区域31之间形成有n型的势垒区域34。由此，通过向半导体层20施加反向偏压，即使形成于第二倍增区域的耗尽层朝向阱区域31扩展了，也能够利用势垒区域34防止耗尽层到达阱区域31。即，能够抑制因耗尽层到达阱区域31而使得电流在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流动。
在测距图像传感器10A中，在从Z方向观察时，势垒区域34包含阱区域31。由此，能够抑制因耗尽层到达阱区域31而使得电流在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流动。
在测距图像传感器10A中，在势垒区域34的第一侧形成有与势垒区域34连接的n型的宿区域35。由此，因为聚集到n型的势垒区域34的周边的电子被引入到n型的宿区域35，所以能够抑制聚集到势垒区域34的周边的电子作为寄生电子成为噪声。此外，通过在第一电荷传送区域24与各宿区域35之间的区域、及第一电荷传送区域25与各宿区域35之间的区域调节杂质浓度，能够形成相比于将寄生电子引入至各第一电荷传送区域24、25更容易将寄生电子引入至宿区域35的电位(potential)状态。
在测距图像传感器10A中，宿区域35与各第二电荷传送区域26、27连接。由此，能够将引入到宿区域35的寄生电子排出到作为无用电荷排出区域发挥作用的各第二电荷传送区域26、27。
在测距图像传感器10A中，以覆盖电极层40的方式在半导体层20的第一表面20a设置有配线层60，且配线层60与各像素11a电连接。由此，能够经由配线层60对各像素11a进行电信号的输入输出。
在测距图像传感器10A的制造方法中，在各栅电极41～45的形成之后，以覆盖电极层40的方式在半导体层20的第一表面20a形成配线层60，且配线层60与各像素11a电连接。由此，在制造出的测距图像传感器10A中，能够经由配线层60对各像素11a进行电信号的输入输出。
[第二实施方式]
如图7和图8所示，测距图像传感器10B主要是在X方向上的电荷分配区域23的两侧配置有第二电荷传送区域26a、26b、27a、27b的点、及在X方向上的光电栅电极41的两侧配置有多个第二传送栅电极44a、44b、45a、45b的点与上述的测距图像传感器10A不同。
在测距图像传感器10B的各像素11a中，一对第二电荷传送区域26a、26b配置于X方向上的电荷分配区域23的一侧且Y方向上的第一电荷传送区域24的两侧。一对第二电荷传送区域27a、27b配置于X方向上的电荷分配区域23的另一侧且Y方向上的第一电荷传送区域25的两侧。在从Z方向观察时，第二传送栅电极44a配置于光电栅电极41与第二电荷传送区域26a之间。在从Z方向观察时，第二传送栅电极44b配置于光电栅电极41与第二电荷传送区域26b之间。在从Z方向观察时，第二传送栅电极45a配置于光电栅电极41与第二电荷传送区域27a之间。在从Z方向观察时，第二传送栅电极45b配置于光电栅电极41与第二电荷传送区域27b之间。
在测距图像传感器10B的各像素11a中，阱区域31形成为在各像素11a之间在从Z方向观察时包围X方向上的电荷分配区域23。阱区域31沿着沟槽29中沿着X方向和Y方向延伸的部分形成。
在测距图像传感器10B的各像素11a中，在从Z方向观察时，第二倍增区域22b完全覆盖被沟槽29围绕的像素11a。在测距图像传感器10B的各像素11a中，在从Z方向观察时，第一倍增区域22a覆盖被沟槽29围绕的像素11a中除去阱区域31的第二侧的部位之外的部分。
在测距图像传感器10B中，也与上述的测距图像传感器10A同样地在半导体层20形成有雪崩倍增区域22。由此，能够在各像素11a中实现高灵敏度。而且，在构成读出电路的p型的阱区域31的第二侧，n型的第二倍增区域22b形成为在半导体层20的厚度方向上与阱区域31重叠，在n型的第二倍增区域22b的第二侧，p型的第一倍增区域22a形成为在半导体层20的厚度方向上与阱区域31不重叠。由此，因对半导体层20施加反向偏压而形成于第二倍增区域22b中的、在半导体层20的厚度方向上与第一倍增区域22a不重叠的部分的耗尽层，不容易向阱区域31扩展，能够防止耗尽层到达阱区域31。即，能够防止因耗尽层到达阱区域31而使得电流在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流动。因此，根据测距图像传感器10B，能够在维持信号的读出精度的同时实现受光灵敏度的提高。
另外，在测距图像传感器10B中也构成为，第一倍增区域22a按照各个像素11a被分开。由此，能够抑制相邻的像素11a之间的串扰的产生。特别是在相邻的各像素11a之间的边界中的沿X方向的部分，在从Z方向观察时，第一倍增区域22a与第二倍增区域22b重叠。通过在该部分形成沟槽29，能够抑制串扰的产生。
[第三实施方式]
如图9、图10及图11所示，测距图像传感器10C主要在如下所述的点与上述的测距图像传感器10A不同，即，在第一电荷传送区域24配置于电荷分配区域23的中央部的点、多个第二电荷传送区域26沿着电荷分配区域23的外缘配置的点、光电栅电极41和第一传送栅电极42形成为环状的点、多个第二传送栅电极44以包围光电栅电极41的方式配置的点、以及在半导体层20未形成沟槽29且雪崩倍增区域22遍及多个像素11a相连的点，与上述的测距图像传感器10A不同。
在测距图像传感器10C的各像素11a中，在从Z方向观察时，第一电荷传送区域24配置于电荷分配区域23的中央部。在从Z方向观察时，多个第二电荷传送区域26沿着电荷分配区域23的外缘配置。各第二电荷传送区域26被相邻的两个像素11a共有(共用)。在从Z方向观察时，光电栅电极41例如呈矩形环状，配置于第一电荷传送区域24的外侧且多个第二电荷传送区域26的内侧。在从Z方向观察时，第一传送栅电极42例如呈矩形环状，配置于第一电荷传送区域24的外侧且光电栅电极41的内侧。在从Z方向观察时，各第二传送栅电极44配置于光电栅电极41与各第二电荷传送区域26之间。
在测距图像传感器10C的各像素11a中，在从Z方向观察时，阱区域31和势垒区域34配置在以将多个像素11a分隔的方式配置成格子状的多个虚拟线的交点上。因此，在半导体层20未形成沟槽29。在本实施方式中，第二倍增区域22b遍及多个像素11a相连。另一方面，第一倍增区域22a除去阱区域31的第二侧的部位之外遍及多个像素11a相连。
在测距图像传感器10C中，也在半导体层20形成有雪崩倍增区域22。由此，能够在各像素11a中实现高灵敏度。而且，在构成读出电路的p型的阱区域31的第二侧，n型的第二倍增区域22b形成为在半导体层20的厚度方向上与阱区域31重叠，在n型的第二倍增区域22b的第二侧，p型的第一倍增区域22a形成为在半导体层20的厚度方向上与阱区域31不重叠。由此，因向半导体层20施加反向偏压而形成于第二倍增区域22b中的在半导体层20的厚度方向上与第一倍增区域22a不重叠的部分的耗尽层，不容易向阱区域31扩展，能够防止耗尽层到达阱区域31。即，能够防止因耗尽层到达阱区域31而使得电流在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流动。因此，根据测距图像传感器10C，能够在维持信号的读出精度的同时实现受光灵敏度的提高。
此外，在测距图像传感器10C中，宿区域35(参照图3)未形成于半导体层20。其原因在于，在测距图像传感器10C中，与上述的测距图像传感器10A相比，势垒区域34与第一电荷传送区域24隔开间隔，其结果是，聚集到势垒区域34的周边的电子难以进入到第一电荷传送区域24。
[变形例]
本发明不限于上述的第一实施方式～第三实施方式。在测距图像传感器10A中，第一倍增区域22a形成为在Z方向上不与阱区域31重叠即可，在从Z方向观察时，也可以覆盖被沟槽29包围的像素11a中除去阱区域31的第二侧的部位之外的部分。另外，在测距图像传感器10C中，第一倍增区域22a也可以形成为按照每个像素11a分开。
在测距图像传感器10A、10B、10C中，第一倍增区域22a形成为在Z方向上与电荷分配区域23的一部分重叠即可，第二倍增区域22b形成为在Z方向上与电荷分配区域23的一部分及阱区域31的一部分重叠即可。即，在测距图像传感器10A、10B、10C中，在从Z方向观察时，不需要第一倍增区域22a与各区域24、25、26、27重叠，不需要第二倍增区域22b与各区域24、25、26、27重叠。另外，在测距图像传感器10A、10B、10C中，如果是不会因形成于第一倍增区域22a的耗尽层到达阱区域31而使得电流在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流动的结构(或即使在雪崩倍增区域22与阱区域31之间有电流流动，在实用上也没有问题的结构)，则第一倍增区域22a也可以形成为在Z方向上与阱区域31在一部分重叠。
测距图像传感器10A、10B、10C也可以具有与相对电极50不同的电极。作为一例，测距图像传感器10A、10B、10C也可以在半导体基片具有由TSV(Through-Silicon Via：穿透硅通孔)结构形成的贯通电极。或者，测距图像传感器10A、10B、10C也可以具有形成于半导体基片的第一侧的表面部分的电极。
在测距图像传感器10A、10B、10C中，阱区域31也可以不用于构成多个读出电路。在此情况下，阱区域31也可以作为分开区域(分离区域)发挥作用，多个读出电路也可以在半导体基片中形成于与阱区域31不同的阱区域，且经由配线层60与各第一电荷传送区域24、25电连接。
在测距图像传感器10A、10B、10C中，也可以不在半导体层20形成势垒区域34。另外，在测距图像传感器10A、10B、10C中，也可以使第二倍增区域22b的一部分作为势垒区域发挥作用。作为一例，在图12及图13所示的测距图像传感器10A中，未形成势垒区域34。另外，在测距图像传感器10A中，第二倍增区域22b包括第一区域22c和第二区域22d。第一区域22c是第二倍增区域22b中在Z方向上与电荷分配区域23、一对第一电荷传送区域24、25、及一对第二电荷传送区域26、27重叠的区域。即，在从Z方向观察时，第二倍增区域22b中的第一区域22c与电荷分配区域23、一对第一电荷传送区域24、25及一对第二电荷传送区域26、27重叠。第二区域22d是第二倍增区域22b中在Z方向上与阱区域31重叠的区域。即，在从Z方向观察时，第二倍增区域22b中的第二区域22d与阱区域31重叠。第二区域22d的杂质的浓度比第一区域22c的杂质的浓度高。作为一例，第一区域22c具有1×1016cm－3以上的n型杂质的浓度，第二区域22d具有2～3×1016cm－3的n型杂质的浓度。在从Z方向观察时，第二区域22d包含阱区域31。宿区域35与第二区域22d连接。
由此，通过第二区域22d也能够实现与在半导体层20形成势垒区域34同样的效果。其中，如果是不会因形成于第一区域22c的耗尽层到达阱区域31而使得电流在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流动的结构(或即使在雪崩倍增区域22与阱区域31之间有电流流动，在实用上也没有问题的结构)，则第一区域22c也可以形成为在从Z方向观察时与阱区域31在一部分重叠。另外，第一区域22c也可以不形成为与各区域24、25、26、27不重叠。第二区域22d也可以形成为在Z方向上与电荷分配区域23、第一电荷传送区域24、25及第二电荷传送区域26、27在一部分重叠。即，第二区域22d形成为在从Z方向观察时与阱区域31的一部分重叠即可。
在测距图像传感器10A、10B中，沟槽29的底面29a也可以在Z方向上位于雪崩倍增区域22内。在此情况下，也能够抑制相邻的像素11a之间的串扰的产生。
在测距图像传感器10A、10B中，也可以是，沟槽29的底面29a相比于雪崩倍增区域22位于第一侧，第二倍增区域22b遍及多个像素11a相连。或者，也可以是，在测距图像传感器10A、10B中，在半导体层20未形成沟槽29，第二倍增区域22b遍及多个像素11a相连。即使在这些情况下，也因为在测距图像传感器10A、10B中，在第二倍增区域22b的第二侧，第一倍增区域22a按照每个像素11a分开，所以能够防止电流在相邻的像素11a的雪崩倍增区域22之间流动，能够充分地抑制相邻的像素11a之间的串扰的产生。
在测距图像传感器10A、10B中，各宿区域35也可以不与各第二电荷传送区域26、27连接。在测距图像传感器10A、10B中，也可以在半导体层20不形成宿区域35。在测距图像传感器10A、10B中，也可以在半导体层20不形成电荷阻止区域28。
在测距图像传感器10C中，与势垒区域34连接的宿区域35也可以形成于半导体层20。在测距图像传感器10C中，与势垒区域34及第二电荷传送区域26分别连接的宿区域35也可以形成于半导体层20。在测距图像传感器10C中，也可以在半导体层20形成电荷阻止区域28。
如图14、图15、图16、图17及图18所示，在测距图像传感器10A～10C中，也可以在各像素11a的半导体层20形成埋入区域36。通过形成于各像素11a的半导体层20的埋入区域36，能够抑制各像素11a中的暗电流的产生。
图14及图15所示的测距图像传感器10A，主要是在各像素11a的半导体层20未形成多个电荷阻止区域28的点、和在各像素11a的半导体层20形成有埋入区域36的点，与上述的测距图像传感器10A不同。图14及图15所示的测距图像传感器10A中的各像素11a的半导体层20的结构如下所述。
如图14及图15所示，电荷分配区域23形成为在从Z方向观察时与光电栅电极41重叠，且在从Z方向观察时与多个传送栅电极42、43、44、45不重叠。埋入区域36是p型的区域，在半导体层20中形成于电荷分配区域23的第一侧。即，电荷分配区域23通过埋入区域36埋入在半导体层20中。阱区域31包围电荷分配区域23中的第一侧的部分及埋入区域36。阱区域31的一部分位于埋入区域36与各电荷传送区域24、25、26、27之间。势垒区域34包围电荷分配区域23中的第二侧的部分。在从Z方向观察时，包围电荷分配区域23的势垒区域34的内缘，位于比包围电荷分配区域23和埋入区域36的阱区域31的内缘靠内侧的位置。
图16所示的测距图像传感器10B主要是在各像素11a的半导体层20未形成多个电荷阻止区域28的点、和在各像素11a的半导体层20形成有埋入区域36的点，与上述的测距图像传感器10B不同。图16所示的测距图像传感器10B中的各像素11a的半导体层20的结构如下所述。
如图16所示，电荷分配区域23形成为在从Z方向观察时与光电栅电极41重叠，且在从Z方向观察时与多个传送栅电极42、43、44a、44b、45a、45b(参照图7)不重叠。埋入区域36是p型的区域，在半导体层20中形成于电荷分配区域23的第一侧。即，电荷分配区域23通过埋入区域36埋入在半导体层20中。阱区域31包围电荷分配区域23中的第一侧的部分及埋入区域36。阱区域31的一部分位于埋入区域36与各电荷传送区域24、25、26a、26b、27a、27b(参照图7)之间。势垒区域34包围电荷分配区域23中的第二侧的部分。在从Z方向观察时，包围电荷分配区域23的势垒区域34的内缘，位于比包围电荷分配区域23和埋入区域36的阱区域31的内缘靠内侧的位置。
图17及图18所示的测距图像传感器10C主要是在如下所述的点与上述的测距图像传感器10C不同，即，在各像素11a的半导体层20形成有埋入区域36的点、在各像素11a中以包含(包围)第一电荷传送区域24的方式在半导体层20形成有阱区域31(以下，称为“内侧的阱区域31”)的点、在各像素11a中以包含(包围)多个第二电荷传送区域26的方式在半导体层20形成有阱区域31(以下，称为“外侧的阱区域31”)的点、以及在内侧的阱区域31和外侧的阱区域31各自的第二侧形成有势垒区域34的点，与上述的测距图像传感器10C不同。图17及图18所示的测距图像传感器10C中的各像素11a的半导体层20的结构如下所述。
如图17及图18所示，电荷分配区域23中的第一侧的部分形成为在从Z方向观察时与光电栅电极41重叠，且在从Z方向观察时与多个传送栅电极42、44不重叠。埋入区域36是p型的区域，在半导体层20中形成于电荷分配区域23的第一侧。即，电荷分配区域23通过埋入区域36埋入在半导体层20中。在从Z方向观察时，埋入区域36与光电栅电极41同样地例如呈矩形环状。在从Z方向观察时，埋入区域36包围内侧的阱区域31。在从Z方向观察时，外侧的阱区域31包围埋入区域36。
在测距图像传感器10A～10C中，能够从第一侧和第二侧中的任一侧向半导体层20入射光。例如，在从第二侧向半导体层20入射光的情况下，相对电极50由具有导电性和透光性的材料(例如多晶硅)形成即可。与半导体区域21连接的电极等与第一倍增区域22a侧连接的电极(第一导电型侧的电极)不限于相对电极50，也可以是从半导体层20的第一表面20a到达半导体区域21的贯通电极、或到达半导体层20的第一表面20a的形成于半导体区域21的表面的电极等。在测距图像传感器10A～10C的任一个中，对于一个像素11a设置至少一个第一电荷传送区域、至少一个第二电荷传送区域、至少一个第一传送栅电极和至少一个第二传送栅电极即可，向第一传送栅电极和第二传送栅电极施加电压的方式、以及从第一电荷传送区域和第二电荷传送区域取出电荷的取出方式/排出电荷的排出方式也不限于上述的方式。在测距图像传感器10A～10C的任一个中，p型和n型的各导电型也可以与上述的方式相反。在测距图像传感器10A～10C的任一个中，多个像素11a也可以沿着半导体层20的第一表面20a一维地排列。
附图标记的说明
10A、10B、10C 测距图像传感器；
11a 像素；
20 半导体层；
20a 第一表面；
20b 第二表面；
20s 半导体基片；
22 雪崩倍增区域；
22a 第一倍增区域；
22b 第二倍增区域；
22c 第一区域；
22d 第二区域；
23 电荷分配区域；
24、25 第一电荷传送区域；
26、26a、26b、27、27a、27b 第二电荷传送区域；
29 沟槽；
29a 底面；
31 阱区域；
34 势垒区域；
35 宿区域；
40 电极层；
41 光电栅电极；
42、43 第一传送栅电极；
44、44a、44b、45、45a、45b 第二传送栅电极；
60 配线层。

Claims (12)

1.一种测距图像传感器，其特征在于：包括：
半导体层，其具有第一侧的第一表面和所述第一侧的相反侧即第二侧的第二表面，用于构成沿所述第一表面配置的多个像素；和
设置于所述第一表面的、用于构成所述多个像素的电极层，
所述多个像素中的各个像素具有：
雪崩倍增区域，其包括形成于所述半导体层的第一导电型的第一倍增区域、和在所述半导体层中形成于所述第一倍增区域的所述第一侧的第二导电型的第二倍增区域；
在所述半导体层中形成于所述第二倍增区域的所述第一侧的、与所述第二倍增区域连接的第二导电型的电荷分配区域；
在所述半导体层中形成于所述第二倍增区域的所述第一侧的、与所述电荷分配区域连接的第二导电型的第一电荷传送区域；
在所述半导体层中形成于所述第二倍增区域的所述第一侧的、与所述电荷分配区域连接的第二导电型的第二电荷传送区域；
在所述半导体层中形成于所述第二倍增区域的所述第一侧的第一导电型的阱区域；
在所述电极层中形成于所述电荷分配区域的所述第一侧的光电栅电极；
以相比于所述光电栅电极位于所述第一电荷传送区域侧的方式，在所述电极层中形成于所述电荷分配区域的所述第一侧的第一传送栅电极；和
以相比于所述光电栅电极位于所述第二电荷传送区域侧的方式，在所述电极层中形成于所述电荷分配区域的所述第一侧的第二传送栅电极，
所述第一倍增区域形成为在所述半导体层的厚度方向上与所述电荷分配区域重叠且与所述阱区域不重叠，
所述第二倍增区域形成为在所述半导体层的厚度方向上与所述电荷分配区域及所述阱区域重叠。
2.根据权利要求1所述的测距图像传感器，其特征在于：
所述多个像素中的各个像素还具有：在所述半导体层中形成于所述第二倍增区域与所述阱区域之间的第二导电型的势垒区域。
3.根据权利要求2所述的测距图像传感器，其特征在于：
在所述半导体层的厚度方向观察时，所述势垒区域包含所述阱区域。
4.根据权利要求2或3所述的测距图像传感器，其特征在于：
所述多个像素中的各个像素还具有：在所述半导体层中形成于所述势垒区域的所述第一侧的、与所述势垒区域连接的第二导电型的宿区域。
5.根据权利要求4所述的测距图像传感器，其特征在于：
所述宿区域与所述第二电荷传送区域连接。
6.根据权利要求1所述的测距图像传感器，其特征在于：
所述第二倍增区域包括：在所述半导体层的厚度方向上与所述电荷分配区域重叠的第一区域、和在所述半导体层的厚度方向上与所述阱区域重叠的第二区域，
所述第二区域的杂质的浓度比所述第一区域的杂质的浓度高。
7.根据权利要求6所述的测距图像传感器，其特征在于：
在所述半导体层的厚度方向观察时，所述第二区域包含所述阱区域。
8.根据权利要求6或7所述的测距图像传感器，其特征在于：
所述多个像素中的各个像素还具有：在所述半导体层中形成于所述第二区域的所述第一侧的、与所述第二区域连接的第二导电型的宿区域。
9.根据权利要求8所述的测距图像传感器，其特征在于：
所述宿区域与所述第二电荷传送区域连接。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的测距图像传感器，其特征在于：
在所述半导体层的所述第一表面形成有将所述多个像素中的各个像素彼此分开的沟槽。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的测距图像传感器，其特征在于：
所述第一倍增区域按照所述多个像素中的每一个被分开。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的测距图像传感器，其特征在于，还包括：
以覆盖所述电极层的方式设置于所述第一表面的、与所述多个像素中的各个像素电连接的配线层。
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