JP2018033008A - 光電変換素子及び固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
広い受光領域と高速転送を両立できる光電変換素子及びこの光電変換素子を用いた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】
受光領域PDの中心位置に関して対称位置に設けられた第1電荷蓄積領域SD1,第2電荷蓄積領域SD2,第3電荷蓄積領域SD3,……,第8電荷蓄積領域SD8と、受光領域PDの中心位置から第1電荷蓄積領域SD1,第2電荷蓄積領域SD2,第3電荷蓄積領域SD3,……,第8電荷蓄積領域SD8のそれぞれに至る電荷輸送路の両側に配置され、電荷輸送路及び8本の電荷転送チャネルの空乏化電位を変化させる第1電界制御電極G1,第2電界制御電極G2,第3電界制御電極G3,……,第8電界制御電極G8とを備える。
【選択図】図1
Description
(光電変換素子の構造)
図1の平面図及び図2の断面図等に示すように、本発明の第1実施形態に係る光電変換素子は、第1導電型(p型)の素子形成層2、素子形成層2の上部の一部に埋め込まれた第2導電型(n型)の表面埋込領域3、表面埋込領域3の中央に設けられたp型高不純物密度の電位丘設定部7、及び表面埋込領域3の表面に接して設けられた、p型のピニング層5を含む撮像領域(2,3,5,7)と、撮像領域(2,3,5,7)上に設けられた絶縁膜9と、撮像領域(2,3,5,7)の中央部に定義される受光領域PDを囲むように、受光領域PDの中心位置に関して対称となる8つの位置のそれぞれに互いに離間して設けられた、素子形成層2よりも高不純物密度でn型の第1電荷蓄積領域SD1,第2電荷蓄積領域SD2,第3電荷蓄積領域SD3,……,第8電荷蓄積領域SD8と、受光領域PDを囲む位置において、絶縁膜9上に受光領域PDの中心位置から第1電荷蓄積領域SD1,第2電荷蓄積領域SD2,第3電荷蓄積領域SD3,……,第8電荷蓄積領域SD8のそれぞれに至る8本の電荷転送チャネルのそれぞれの両側に対をなして配置された第1電界制御電極G1,第2電界制御電極G2,第3電界制御電極G3,……,第8電界制御電極G8と、を備える。
第1電界制御電極G1,第2電界制御電極G2,第3電界制御電極G3,……,第8電界制御電極G8は、所望の電荷輸送路の中心軸に対して対称に位置する電界制御電極どうしが対となって、同じ大きさのゲート信号が印加される。例えば受光領域PDで生成された信号電荷を、第7電荷転送チャネルR7に沿って、図5に示す第7電荷蓄積領域SD7を経由して第7電荷読出領域FD7へと電荷を移動させたい場合、第7電荷転送チャネルR7の中心軸をなすB−B線を対称軸として、第1制御電極対(G2、G3)、第2制御電極対(G1、G4)、第3制御電極対(G8、G5)及び第4制御電極対(G7、G6)が定義され、第1制御電極対(G2、G3)、第2制御電極対(G1、G4)、第3制御電極対(G8、G5)及び第4制御電極対(G7、G6)に順次異なるレベルの電圧が印加される。尚、受光領域PDの正八角形の最大幅は4.5μm程度である。
実際には、図24に示すように、第1電界制御電極G1,第2電界制御電極G2,第3電界制御電極G3,……,第8電界制御電極G8等は絶縁膜9の内部に埋め込まれ、第1電界制御電極G1,第2電界制御電極G2,第3電界制御電極G3,……,第8電界制御電極G8の直下は他の部分より薄くなっている。
第1実施形態に係る光電変換素子は、固体撮像素子(光飛行時間距離画像センサ)の画素Xijに適用可能であり、固体撮像素子の画素Xijに適用することにより、各画素Xijの内部において、高速の信号電荷の転送が可能になる。図8は、第1実施形態に係る光電変換素子を画素Xijとし、この画素Xijをマトリクス状に複数個配列した固体撮像素子の構成例である。
図10及び図11に示した本発明の第1実施形態の第1変形例に係る光電変換素子のように、受光領域PDの内側にp+領域からなる電位丘設定部7を設けなくても、本発明に係る光電変換素子を実現できる。第1実施形態の第1変形例に係る光電変換素子においても、図9に示した光電変換素子の場合と同様に、所望の電荷転送チャネルの中心軸に沿って4対の制御電極対を形成し、それぞれの制御電極対に4段階の出力レベルのゲート信号を周期的に与えて動作できる。第1実施形態の第1変形例に係る光電変換素子によっても、図1〜図9に示した光電変換素子と同様に、広い受光領域PDと高速転送を両立できる。
図1で示した光電変換素子の場合、8個の電界制御電極により4対の制御電極対を形成して、8本の電荷転送チャネルへの電子の移動を制御した。しかし図13に示した本発明の第1実施形態の第2変形例に係る光電変換素子のように、電荷転送チャネルの本数より多い個数の電界制御電極を設けて、電子の移動を制御してもよい。
図14に示した本発明の第1実施形態の第3変形例のように、表面埋込領域3の上部で、第1電荷蓄積領域SD1,第2電荷蓄積領域SD2,第3電荷蓄積領域SD3,……,第8電荷蓄積領域SD8から離間した位置に電荷排出領域(ドレイン領域)D0を設ければ、第1電荷蓄積領域SD1,第2電荷蓄積領域SD2,第3電荷蓄積領域SD3,……,第8電荷蓄積領域SD8をすべて用いた8出力光電変換素子を実現できる。
図20に示した本発明の第1実施形態の第4変形例のように、表面埋込領域3の上部で、隣り合う電荷転送チャネルの間においてそれぞれの電界制御電極の外側に8個のゲート下電荷排出領域GD1,GD2,GD3,……,GD8を設けても、8出力光電変換素子を実現できる。ゲート下電荷排出領域GD1,GD2,GD3,……,GD8は、電荷が電荷転送チャネルを転送される際にゲート下に漏れた電荷を排出するための電荷排出領域である。図21は、図20に示した8出力光電変換素子のレイアウト構造を用いて行ったシミュレーション結果を示す。
(光電変換素子の構造)
図22の平面図並びに図23及び図24の断面図等に示すように、本発明の第2実施形態に係る光電変換素子は、p型の素子形成層2、素子形成層2の上部に埋め込まれた、n型の表面埋込領域3、表面埋込領域3の周囲に設けられた、平面パターンでドーナツ型の表面埋込領域3よりも高不純物密度でn型のガイド領域13、及び表面埋込領域3の表面に接して設けられた、p型のピニング層5を含む撮像領域(2,3,5,7)と、撮像領域(2,3,5,7)上に設けられた絶縁膜9と、撮像領域(2,3,5,7)の中央部に定義される受光領域PDを囲むように互いに離間して設けられた、素子形成層2よりも高不純物密度でn型の第1電荷蓄積領域SD1,第2電荷蓄積領域SD2,第3電荷蓄積領域SD3,……,第8電荷蓄積領域SD8を備える。第1電荷蓄積領域SD1,第2電荷蓄積領域SD2,第3電荷蓄積領域SD3,……,第8電荷蓄積領域SD8は、受光領域PDの中心位置に関して対称となる8つ位置に配置されている。そして、受光領域PDを囲む位置において、絶縁膜9上に受光領域PDの中心位置から第1電荷蓄積領域SD1,第2電荷蓄積領域SD2,第3電荷蓄積領域SD3,……,第8電荷蓄積領域SD8のそれぞれに至る8本の電荷転送チャネルのそれぞれの両側に対をなして、第1電界制御電極G1,第2電界制御電極G2,第3電界制御電極G3,……,第8電界制御電極G8を配置している。
第2実施形態の第1変形例に係る光電変換素子は、図26に示すように、受光領域PDが内側の表面埋込領域3と表面埋込領域3の外側のドーナツ型のガイド領域13を備え、第1電界制御電極G1,第2電界制御電極G2,第3電界制御電極G3,……,第8電界制御電極G8の径方向の外側にゲート下電荷排出領域GD1,GD2,GD3,……,GD8を備える構成である。すなわち、第2実施形態の第1変形例に係る光電変換素子は、図22で示したn型高不純物密度のガイド領域13を有する光電変換素子の構造に、図20で示した第1電界制御電極G1,第2電界制御電極G2,第3電界制御電極G3,……,第8電界制御電極G8の外側に8個のゲート下電荷排出領域GD1,GD2,GD3,……,GD8を有する構造を組み合わせた構成に対応する。ゲート下電荷排出領域GD1,GD2,GD3,……,GD8は、図20で示した平面レイアウトと同様に、放射状の8本の電荷転送チャネルを有し、この隣り合う電荷転送チャネルの長手方向に挟まれる位置に設けられている。この8出力光電変換素子のレイアウト構造を用いて、第7電荷蓄積領域SD7へ電子を転送するシミュレーションを行った場合の、X−Y面内全体の等電位線を図27に示す。
第2実施形態に係る光電変換素子を用いた固体撮像装置としては、図30に示すように、遮蔽板11の上側に、対象物からの光を収束して受光領域PDに入射させるマイクロレンズ17を設けてもよい。マイクロレンズ17を介して光を入射させることにより、開口率を向上させることができるので、固体撮像装置の高感度化を図ることができる。
図1〜図30では、8タップ横方向電界制御型の光電変換素子を例示したが、これに限定されず、本発明は5つ以上の位置に受光領域PDから離間した電荷転送チャネルを設けることができる。図31中には、平面パターンで、内側にほぼ正五角形の表面埋込領域3aと、表面埋込領域3aの外側に設けられた外縁がほぼ正五角形のドーナツ型のガイド領域13aとが設けられた、第2実施形態の第3変形例に係る5タップ横方向電界制御型の光電変換素子が例示されている。
図32中に示す第2実施形態の第4変形例に係る光電変換素子においては、図20の場合と同様に、受光領域PDの外側に16本の電界制御電極G1a,G2a,G3a,……,G8a;G1b,G2b,G3b,……,G8bを備える。電界制御電極G8aと電界制御電極G1bの間に第1電荷転送チャネルR1が定義される。更に電界制御電極G1aと電界制御電極G2bの間に第2電荷転送チャネルR2が定義され、電界制御電極G2aと電界制御電極G3bの間に第3電荷転送チャネルR3が定義され、電界制御電極G3aと電界制御電極G4bの間に第4電荷転送チャネルR4が定義される。そして、電界制御電極G4aと電界制御電極G5bの間に第5電荷転送チャネルR5が、電界制御電極G5aと電界制御電極G6bの間に第6電荷転送チャネルR6が、電界制御電極G6aと電界制御電極G7bの間に第7電荷転送チャネルR4が、電界制御電極G7aと電界制御電極G8bの間に第8電荷転送チャネルR8が、定義される。第2実施形態の第4変形例に係る光電変換素子においては、図32中に示すように、隣り合う電界制御電極G1bと電界制御電極G1aの間に、互いに隙間を空けて第1電荷排出電極TD1が配置されている。更に隣り合う電界制御電極G2bと電界制御電極G2aの間に、互いに隙間を空けて第2電荷排出電極TD2が配置され、隣り合う電界制御電極G3bと電界制御電極G3aの間に第3電荷排出電極TD3が配置され、隣り合う電界制御電極G4bと電界制御電極G4aの間に第4電荷排出電極TD4が配置されている。そして、隣り合う電界制御電極G5bと電界制御電極G5aの間に第5電荷排出電極TD5が、隣り合う電界制御電極G6bと電界制御電極G6aの間に第6電荷排出電極TD6が、隣り合う電界制御電極G7bと電界制御電極G7aの間に第7電荷排出電極TD7が、隣り合う電界制御電極G8bと電界制御電極G8aの間に第8電荷排出電極TD8が配置されている。
上記のように、本発明は本発明の第1及び第2実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
2 素子形成層
3,3a 表面埋込領域
5 ピニング層
7 電位丘設定部
9 絶縁膜
13,13a n+領域
11 遮蔽板
15 選択回路
17 マイクロレンズ
21 水平シフトレジスタ
22 カラム並列折り返し積分/巡回型A/D変換器
23 垂直シフトレジスタ
24 電荷変調ドライバ
CA11,CA21,CA31,……,CA81 補助電極
CA12,CA22,CA32,……,CA82 補助電極
TX11,TX21,TX31,……,TX81 転送電極
TX12,TX22,TX32,……,TX82 転送電極
FD1〜FD8 第1電荷読出領域〜第8電荷読出領域
G1〜G8 第1電界制御電極〜第8電界制御電極
SD1〜SD8 第1電荷蓄積領域〜第8電荷蓄積領域(電荷排出領域)
RT1〜RT8 第1リセットトランジスタ〜第8リセットトランジスタ
SEL1〜SEL8 第1スイッチングトランジスタ〜第8スイッチングトランジスタ
D0,RD1〜RD8 電荷排出領域
TD0,TD1〜TD8 電荷排出電極
Xij 画素
Claims (14)
- 第1導電型の素子形成層と前記素子形成層の上部に埋め込まれた第2導電型の表面埋込領域からなる埋め込みフォトダイオードを含む撮像領域と、
前記撮像領域の中央部に定義される受光領域を囲む5つ以上の位置に互いに離間して設けられた、前記素子形成層よりも高不純物密度で第2導電型の複数の電荷読出領域と、
前記受光領域から前記複数の電荷読出領域のそれぞれに独立した経路で至る、複数の第2導電型の電荷転送チャネルと、
前記受光領域を囲む位置において、前記複数の電荷転送チャネルのそれぞれの両側に対をなして配置された複数の電界制御電極と、
を備え、前記複数の電界制御電極に対し、それぞれ互いに位相の異なる電界制御パルスを周期的に順次印加し、前記表面埋込領域及び前記複数の電荷転送チャネルの空乏化電位を順次変化させることにより、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアの移動先を前記複数の電荷読出領域のいずれかに順次設定するように制御することを特徴とする光電変換素子。 - 前記複数の電荷転送チャネルと前記電荷読出領域との間に、前記素子形成層よりも高不純物密度で、且つ前記電荷読出領域よりも低不純物密度となる第2導電型の複数の電荷蓄積領域と、
前記複数の電荷蓄積領域から対応するそれぞれの前記電荷読出領域に至る、複数の第2導電型の電荷読出チャネルと、
前記複数の電荷読出チャネルのそれぞれに配置された複数の転送電極と
を更に備え、前記表面埋込領域中で発生した前記多数キャリアの移動先を前記複数の電荷蓄積領域のいずれかに順次設定し、前記複数の転送電極に対しては、前記複数の電荷蓄積領域から対応する前記電荷読出領域へ前記多数キャリアを転送する電荷転送パルスを一斉に印加することを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 - 前記複数の転送電極は、前記複数の電荷読出チャネルのそれぞれの両側に対をなして配置されて横方向電界制御を行うことを特徴とする請求項2に記載の光電変換素子。
- 前記5つ以上の電荷蓄積領域の個数をn個としたとき、前記複数の電荷蓄積領域の配置トポロジーは、前記受光領域の中心位置に関してn回転対称であることを特徴とする請求項2又は3に記載の光電変換素子。
- 前記複数の電荷蓄積領域のうち(n−1)個の前記電荷蓄積領域のそれぞれは、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアを信号電荷として蓄積し、
残る1個の前記電荷読出領域は、背景光により前記表面埋込領域中で発生した暗電流成分としての電荷を排出することを特徴とする請求項4に記載の光電変換素子。 - 前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれから離間し、前記受光領域を囲む位置に配置された、前記素子形成層よりも高不純物密度で第2導電型の電荷排出領域を更に備え、
前記n個の電荷蓄積領域のそれぞれが、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアを信号電荷として蓄積することを特徴とする請求項4に記載の光電変換素子。 - 前記受光領域の中央に、前記表面埋込領域に囲まれた第1導電型の電位丘設定部を更に備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記受光領域が、前記表面埋込領域の周囲を囲むように設けられた、前記表面埋込領域より高不純物密度の第2導電型のガイド領域を更に備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 第1導電型の素子形成層と前記素子形成層の上部に埋め込まれた第2導電型の表面埋込領域からなる埋め込みフォトダイオードを含む撮像領域と、
前記撮像領域の中央部に定義される受光領域を囲む5つ以上の位置に互いに離間して設けられた、前記素子形成層よりも高不純物密度で第2導電型の複数の電荷読出領域と、
前記受光領域から前記複数の電荷読出領域のそれぞれに独立した経路で至る、複数の第2導電型の電荷転送チャネルと、
前記受光領域を囲む位置において、前記複数の電荷転送チャネルのそれぞれの両側に対をなして配置された複数の電界制御電極と、
を備える画素の複数個が同一半導体チップ上に配列され、
前記画素のそれぞれにおいて、前記複数の電界制御電極に対し、それぞれ互いに位相の異なる電界制御パルスを周期的に順次印加し、前記表面埋込領域及び前記複数の電荷転送チャネルの空乏化電位を順次変化させることにより、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアの移動先を前記複数の電荷読出領域のいずれかに順次設定するように制御することを特徴とする固体撮像素子。 - 前記画素のそれぞれにおいて、
前記複数の電荷転送チャネルと前記電荷読出領域との間に、前記素子形成層よりも高不純物密度で、且つ前記電荷読出領域よりも低不純物密度となる第2導電型の複数の電荷蓄積領域と、
前記複数の電荷蓄積領域から対応するそれぞれの前記電荷読出領域に至る、複数の第2導電型の電荷読出チャネルと、
前記複数の電荷読出チャネルのそれぞれに配置された複数の転送電極と
を更に備え、前記表面埋込領域中で発生した前記多数キャリアの移動先を前記複数の電荷蓄積領域のいずれかに順次設定し、前記複数の転送電極に対しては、前記複数の電荷蓄積領域から対応する前記電荷読出領域へ前記多数キャリアを転送する電荷転送パルスを一斉に印加することを特徴とする請求項8に記載の固体撮像素子。 - 前記画素のそれぞれにおいて、
前記複数の転送電極は、前記複数の電荷読出チャネルのそれぞれの両側に対をなして配置されて横方向電界制御を行うことを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子。 - 前記画素を構成する前記5つ以上の電荷蓄積領域の個数をn個としたとき、前記複数の電荷蓄積領域の配置トポロジーは、前記受光領域の中心位置に関してn回転対称であることを特徴とする請求項9又は10に記載の固体撮像素子。
- 前記画素のそれぞれにおいて、
前記複数の電荷蓄積領域のうち(n−1)個の前記電荷蓄積領域のそれぞれは、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアを信号電荷として蓄積し、
残る1個の前記電荷蓄積領域は、背景光により前記表面埋込領域中で発生した暗電流成分としての電荷を排出することを特徴とする請求項11に記載の固体撮像素子。 - 前記画素のそれぞれにおいて、
前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれから離間し、前記受光領域を囲む位置に配置された、前記素子形成層よりも高不純物密度で第2導電型の電荷排出領域を更に備え、
前記n個の電荷蓄積領域のそれぞれが、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアを信号電荷として蓄積することを特徴とする請求項11に記載の固体撮像素子。
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