JP2019029399A - Imaging apparatus - Google Patents
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Images
Abstract
Description
本発明は、撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus.
従来、例えば、特許文献1に記載されているように、画像を撮像する撮像装置が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as described in
画素出力の不均一性が低減された撮像装置が求められている。 There is a need for an imaging device with reduced pixel output non-uniformity.
本開示における撮像装置は、半導体基板と、m行n列(m、nは正の整数)状に画素が配置された画素アレイと、を備える撮像装置であって、前記画素のそれぞれは、前記半導体基板の上方に位置し、光を電荷に変換する光電変換部を備え、前記半導体基板は、第1導電型の不純物を含む第1領域と、前記第1領域の上方に配置され、前記第1領域よりも低い濃度で前記第1導電型の不純物を含む第2領域と、前記第2領域中に位置し、前記第1導電型とは異なる第2導電型の不純物を含み、前記電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、を備え、前記画素アレイは、k行(kは1以上m以下の整数)の一端に位置する第1画素と、k行の他端に位置する第2画素と、を備え、前記第1画素の前記電荷蓄積領域と、前記第2画素の前記電荷蓄積領域との間の合成抵抗値が、1kΩ以下である。 An imaging device according to the present disclosure is an imaging device including a semiconductor substrate and a pixel array in which pixels are arranged in m rows and n columns (m and n are positive integers), and each of the pixels includes A photoelectric conversion unit is provided above the semiconductor substrate and converts light into electric charges. The semiconductor substrate is disposed above the first region, the first region containing a first conductivity type impurity, and the first region. A second region containing impurities of the first conductivity type at a concentration lower than one region; and a second conductivity type impurity located in the second region and different from the first conductivity type; A charge accumulation region for accumulation, wherein the pixel array includes a first pixel located at one end of k rows (k is an integer of 1 to m), a second pixel located at the other end of the k rows, The charge storage region of the first pixel; and the charge storage region of the second pixel; The combined resistance value between the is 1kΩ or less.
本開示において、画素出力の不均一性が低減された撮像装置を提供する。 In the present disclosure, an imaging apparatus with reduced pixel output non-uniformity is provided.
(本発明の一態様を得るに至った経緯)
近年、一眼レフカメラ、高級コンパクトカメラ、放送用カメラなどの用途向けに、高精細な撮像装置が求められている。このような用途の撮像装置において、画素のサイズとしては2〜6μm、画素数としてはFHD(Full High Definition)〜8K4K程度が一般的である。
(Background to obtaining one embodiment of the present invention)
In recent years, high-definition imaging devices are required for applications such as single-lens reflex cameras, high-end compact cameras, and broadcast cameras. In such an imaging apparatus, the pixel size is generally 2 to 6 μm, and the number of pixels is generally about FHD (Full High Definition) to 8K4K.
発明者は、撮像装置の開発を進める中で、撮像装置のサイズが大きくなると、半導体基板の寄生抵抗や寄生容量に起因した画素出力の不均一性が生じやすいという課題を発見した。 The inventor has discovered a problem that pixel output non-uniformity is likely to occur due to parasitic resistance and parasitic capacitance of a semiconductor substrate as the size of the imaging device increases while developing the imaging device.
そして、発明者は、その課題を解決すべく試作検討した結果、半導体基板の寄生抵抗や寄生容量が低減された撮像装置に想到した。このような撮像装置では、例えば画素出力の不均一性が低減される。このことにより、例えばストリーキングやシェーディングを抑制できる。 Then, as a result of trial manufacture to solve the problem, the inventor has come up with an imaging device in which the parasitic resistance and parasitic capacitance of the semiconductor substrate are reduced. In such an imaging apparatus, for example, nonuniformity in pixel output is reduced. Thereby, for example, streaking and shading can be suppressed.
以下、この撮像装置を開示する。 Hereinafter, this imaging device will be disclosed.
(ストリーキングに関する考察)
まず、ストリーキングに対する考察と、開発を進める中で得られた知見と、について記載する。
(Study on streaking)
First, I will describe the considerations for streaking and the knowledge gained during development.
(1)ストリーキングの発生メカニズム
図1は、行列状に画素が配置された画素アレイの等価回路を示す模式図である。同図には、画素間の寄生成分として、水平方向の抵抗と容量とが記載されている。以下、同図を参照しながら、ストリーキングの発生過程を説明する。図1において、画素1と画素2とは同じ行に位置しており、水平共通線200によって接続されている。画素1は光が照射される画素であり、画素2は光が照射されない画素である。
(1) Streaking Occurrence Mechanism FIG. 1 is a schematic diagram showing an equivalent circuit of a pixel array in which pixels are arranged in a matrix. In the figure, horizontal resistance and capacitance are described as parasitic components between pixels. Hereinafter, the generation process of streaking will be described with reference to FIG. In FIG. 1,
画素1および画素2は、それぞれ光を電荷に変換する光電変換部(図示されず)と、電荷を蓄積するFD(Floating Diffusion、画素1においてはFD61、画素2においてはFD62)を備えている。増幅トランジスタ63、増幅トランジスタ64は、それぞれ、FD61、FD62に蓄積された電荷に対応する信号を、垂直信号線65、垂直信号線66に出力する。画素1の画素信号を読み出す過程で、FD61の電圧が変動する。この電圧の変動は、水平共通線200を介して画素2に伝播する。言い換えると、水平共通線200と画素1のFD61とのカップリング容量と、画素2のFD62の容量とに応じて画素2のFD62の電圧が変動する。したがって、本来は画素2の信号出力がゼロである場合であっても、画素1における電圧の変動により、画素2から偽信号が出力される場合がある。この偽信号は、上記説明の通り、光が照射されている画素1の水平方向に伝播する。したがって、横帯状のノイズとなる。本開示ではこの横帯状のノイズをストリーキングと呼ぶ。
Each of the
(2)ストリーキングの定式化
画素1のFDにおける電位変化(V)をΔVsig、画素2の信号出力をVo(V)とすると、VoとΔVsigとの関係は以下のように定式化できる。
(2) Streaking Formulation When the potential change (V) in the FD of the
ここで、CFD−Lineは画素1のFD−水平共通線間容量[fF/μm]、CLineは水平共通線の容量[fF/μm]、RLineは水平共通線の抵抗[Ω/μm]、CFDは画素1のFD容量[fF/μm]、Tは画素内のソースフォロワの読み出し期間[sec]、Lは撮像装置の水平方向サイズ[mm]である。
Here, C FD-Line is the FD- horizontal common line capacitance [fF / μm] of the
また、Voは以下のようにも表すことができる。 V o can also be expressed as:
qは電気素量(1.602×10−19C)であり、Nsigはストリーキング電子数である。 q is the elementary charge (1.602 × 10 −19 C), and N sig is the number of streaking electrons.
式(1)に式(2)、式(3)を代入し、水平共通線抵抗(RLine)について変形すると以下となる。 Substituting Equations (2) and (3) into Equation (1) and transforming the horizontal common line resistance (R Line ) results in the following.
ここで、画素1および画素2のFDが、半導体基板のウェルの中に位置しているとする。その場合、ウェルを水平共通線とみなすことができる。画素1のFDから一つ隣の画素までの合成抵抗をRsub(Ω/μm)、1画素当たりの、基板と基板に接続している構成間の容量の総和をCsub(fF/μm)、基板と画素1のFD間の容量をCFD−sub(fF/μm)とし、式(4)のCLineにCsub、CFD−LineにCFD−subを代入すると、式(5)となる。
Here, it is assumed that the FDs of the
ここまでの式から、合成抵抗Rsubが小さければ、ストリーキング電子数が小さくなることがわかる。これは、FDの電位変化が隣接する画素に伝播したとしても、合成抵抗が小さければ、すぐに変化が収束するためである。次に、この式を利用して、ストリーキングを低減するために必要なPウェルの合成抵抗を求める。前提条件として、目標とするストリーキング電子数は、ストリーキング電子が視認されない、またはストリーキング補正ができるという観点から、1電子以下とする。また、撮像装置が大型化されるほど、水平方向の抵抗値が大きくなることから、撮像装置の撮像フォーマットは、カメラ規格で最大となるフルサイズであると仮定とする。なお、フルサイズの撮像装置において、水平方向サイズはL=36mmである。撮像条件としては画素1に飽和信号となる光が照射されるワーストケースを想定する。具体的には、画素2に飽和信号となる光が照射され、画素1のFD61の電圧が3Vまで上昇した後、信号電荷を排出するためにFD61の電圧を0.5Vにリセットする場合を想定する。その場合、画素1のFD61の電圧の差分はΔVsig=2.5Vとなる。
From the equations so far, it can be seen that if the combined resistance Rsub is small, the number of streaking electrons is small. This is because even if the potential change of the FD propagates to adjacent pixels, the change converges immediately if the combined resistance is small. Next, using this equation, the combined resistance of the P well necessary for reducing streaking is obtained. As a precondition, the target number of streaking electrons is set to one electron or less from the viewpoint that streaking electrons are not visually recognized or streaking correction can be performed. Further, since the resistance value in the horizontal direction increases as the size of the imaging device increases, it is assumed that the imaging format of the imaging device is a full size that is the maximum in the camera standard. Note that in the full-size imaging device, the horizontal size is L = 36 mm. As an imaging condition, a worst case is assumed in which the
Pウェルの総容量であるCsubは、拡散層容量で決まっており、画素ピッチに依らず2fF/um程度となる。 C sub , which is the total capacity of the P well, is determined by the diffusion layer capacity and is about 2 fF / um regardless of the pixel pitch.
CFD−subはFDの拡散層面積に依存する。FDの面積は0.07μm2程、容量は0.3fF程度となる。 C FD-sub depends on the diffusion layer area of the FD. The area of the FD is about 0.07 μm 2 and the capacity is about 0.3 fF.
Tは、画素内のソースフォロワの読み出し期間である。Tは一般的に1〜3μsec程度であるが、計算には2μsecを用いる。上述した数値のそれぞれを式(5)に代入することで、フルサイズの撮像装置に求められるウェル抵抗を算出することができる。計算の結果、ウェル抵抗の値は1kΩとなった。 T is the readout period of the source follower in the pixel. T is generally about 1 to 3 μsec, but 2 μsec is used for the calculation. By substituting each of the numerical values described above into Equation (5), the well resistance required for the full-size imaging device can be calculated. As a result of the calculation, the value of the well resistance was 1 kΩ.
したがって、画素アレイの水平方向左右端の画素のFD間の合成抵抗を1kΩ以下に設定すれば、一般的な撮像フォーマットにおいてストリーキングを1電子以下に抑制することができると考えられる。 Therefore, it is considered that streaking can be suppressed to 1 electron or less in a general imaging format if the combined resistance between the FDs of the pixels at the left and right ends of the pixel array in the horizontal direction is set to 1 kΩ or less.
(実施の形態1)
[1−1.構成]
実施の形態1に係る撮像装置71Aの全体構成を図2に示す。
(Embodiment 1)
[1-1. Constitution]
FIG. 2 shows the overall configuration of the
同図に示されるように、撮像装置71Aは、m行n列(m、nは正の整数)状に画素が配置された画素アレイ72と、読み出し回路からなる周辺回路73と、垂直走査回路74とから構成される。
As shown in the figure, the
図3Aは、画素アレイ72Aの外縁部、およびその周辺の断面図であり、図3Bは、画素アレイ72A、およびその周辺の平面図である。
3A is a cross-sectional view of the outer edge portion of the
図3Bに示されるように、画素アレイ72Aの周辺は、周辺領域76Aで囲まれている。ここで、周辺領域76Aは、支持基板31Bと外部回路とを接続するコンタクトが支持基板31Bに電気的に接続する領域である。
As shown in FIG. 3B, the periphery of the
また、図3Aに示されるように、画素アレイ72A、およびその周辺部において、支持基板31B上にP型領域31Aが配置されている。また、画素アレイ72A、およびその周辺において、支持基板31BとP型領域31Aとの間に、N型領域31Cが配置されている。そして、画素アレイ72Aには、P型領域31A中にFDが形成されている。
As shown in FIG. 3A, a P-
画素アレイ72Aの周辺に周辺領域76Aが配置されており、周辺領域76Aと画素アレイ72AとはSTI(Shallow Trench Isolation)で分離されている。画素アレイ72Aの一部、および周辺領域76Aの一部に、P型領域31AよりもP型不純物濃度が高いP型領域32が形成されている。P型領域32の不純物濃度は、例えば5×1016/cm3以上である。P型領域32により、P型領域31Aの表層部と支持基板31Bとが低い抵抗で接続されている。
A
図4Aは、画素アレイ72Aを構成する各画素14Aの断面図、図4Bは、画素14Aの平面図である。図4Aは、図4B中のC−C´を結ぶ線上の断面図となっている。
4A is a sectional view of each
図4Aに示されるように、画素14Aは、支持基板31Bと、P型領域31Aと、Pウェル35と、層間絶縁膜43A、43B、および43Cと、光電変換部10とを含む。
As shown in FIG. 4A, the
光電変換部10は、層間絶縁膜43Cの上部に配置された画素電極50、画素電極50上に配置された光電変換膜51、および光電変換膜51上に配置された透明電極52とを含む。光電変換部10は、光電変換膜51に照射される光を電荷に変換する。光電変換によって生じた電子−正孔対のうち、一方の電荷が画素電極50に集められる。
The
P型領域31Aは、支持基板31Bの上方に配置され、支持基板31Bよりも低い濃度でP導電型の不純物を含む。
The P-
P型領域31Aには、N導電型の不純物を含む電荷蓄積領域であるFD44が配置される。FD44は、コンタクトプラグ45、配線46A、プラグ47A、配線46B、プラグ47B、配線46C、プラグ47Cを介して、画素電極50に接続し、画素電極50で集められた電荷を蓄積する。
In the P-
Pウェル35は、P型領域31A内に配置され、支持基板31Bよりも低く、P型領域31Aよりも高い濃度でP導電型の不純物を含む。
The P well 35 is disposed in the
画素14Aは、ソースフォロワトランジスタ11、リセットトランジスタ12、および選択トランジスタ13を含む、ソースフォロワトランジスタ11は、ゲート電極39Bを備える。また、ソースフォロワトランジスタ11は、ソースおよびドレインとして、N型領域41BおよびN型領域41Cを備える。リセットトランジスタ12は、ゲート電極39Aを備える。また、リセットトランジスタ12は、ソースおよびドレインとして、N型領域41AおよびFD44を備える。選択トランジスタ13は、ゲート電極39Cを備える。また、選択トランジスタ13は、ソースおよびドレインとして、N型領域41CおよびN型領域41Dを備える。ゲート電極39A、ゲート電極39B、およびゲート電極39Cは、Pウェル35の上に配置される。N型領域41A、N型領域41B、N型領域41Cは、Pウェル35中に配置される。
The
そして、Pウェル35とゲート電極39A、39B、39Cの間に、ゲート酸化膜38A、38B、38Cが配置される。
また、画素14Aは、画素14Aと、画素14Aに隣接する隣接画素と、を電気的に分離する第5領域42B、42Cを備える。第5領域42Bおよび42Cは、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)によって形成される。
In addition, the
図4Aで示されるように、画素14Aは、P型の不純物を含む第1領域(支持基板31B)と、第1領域の上方に配置され、第1領域よりも低い濃度でP型の不純物を含む第2領域(P型領域31A)と、第2領域の上方に位置し、光を電荷に変換する光電変換部10と、第2領域中に位置し、N型の不純物を含み、電荷を蓄積する電荷蓄積領域(FD44)とを備える。また、画素14Aは、第1領域(支持基板31B)と第2領域(P型領域31A)との間に配置され、第2導電型(N導電型)の不純物を含む第4領域(N型領域31C)を備える。また、図4Aに示されるように、撮像装置71Aを平面視したとき、第5領域(STI42C)と重なる位置に、P型領域32が配置されている。P型領域32は、支持基板31BとP型領域31Aとの間に配置され、支持基板31BとP型領域31Aとを電気的に接続する。
As shown in FIG. 4A, the
また、画素アレイ72Aは、k行(kは1以上m以下の整数)の一端に位置する第1画素と、k行の他端に位置する第2画素とを備える。そして、第1画素の電荷蓄積領域(FD44)と、第2画素の電荷蓄積領域(FD44)との間の合成抵抗値が、1kΩ以下となっている。
The
また、図3Aで示されるように、周辺領域76は、第1導電型(P導電型)の不純物を含む第1周辺領域(支持基板31B)と、第1領域の上方に配置され、第1領域よりも低い濃度で第1導電型の不純物を含む第2周辺領域(P型領域31A)とを備える。
Also, as shown in FIG. 3A, the
図5A、図5Bは周辺領域76から外部パッド5A〜5Dまでの接続をあらわした模式図である。
5A and 5B are schematic views showing connections from the
図5Aに示されるように、外部パッド5A〜5Dは、周辺領域76の外部に、画素アレイ72の行方向に沿って配置される。
As shown in FIG. 5A, the
ストリーキングの抑制にはウェルに低抵抗で電圧供給することが重要である。ウェルへの電圧供給は外部パッド5A〜5Dから金属配線を介して行われ、この経路の抵抗も低く抑えることが求められる。図5Bに示されるように、撮像装置71Aには、金属からなる、積層された複数の配線層が含まれている。ウェルへの電圧供給に、最上位の(最も上に位置する)金属配線層(第1配線層)100を用いることが低抵抗化には効果的である。最上位の金属配線層では配線を厚くすることができるので、他の金属配線層(第2配線層)101A〜101Cと比較して抵抗値を低くできるためである。
In order to suppress streaking, it is important to supply a voltage to the well with a low resistance. The voltage supply to the well is performed from the
発明者らは、本構成において、ストリーキングを抑制するために必要な半導体基板の抵抗率、およびP型領域32の抵抗値を検討した。その際、図6の等価回路を用いて検討を行った。
The inventors examined the resistivity of the semiconductor substrate and the resistance value of the P-
図7Aは、支持基板31Bの抵抗率を0.01Ωcmに固定した場合におけるP型領域32の抵抗(横軸)と、画素アレイ72Aの水平方向左右端の画素14AのFD44間の合成抵抗(縦軸)との関係を示すグラフである。このときのP型領域32の抵抗Rzと合成抵抗Rとの関係を表1に示す。
FIG. 7A shows a combined resistance (vertical) between the resistance of the P-type region 32 (horizontal axis) and the
また、図7Bは、P型領域32の抵抗を2.3kΩに固定した場合における支持基板31Bの抵抗率(横軸)と画素アレイ72Aの水平方向左右端の画素14AのFD44間の合成抵抗(縦軸)との関係を示すグラフである。このときの支持基板31Bの抵抗率Rsubと合成抵抗Rとの関係を下記表に示す。
7B shows the combined resistance between the resistivity (horizontal axis) of the
検討の結果、例えばP型領域32の抵抗が2.3kΩであるときは、支持基板31Bの抵抗率が10Ωcm以下、例えば支持基板31Bの抵抗率が0.01Ωcmであるときは、P型領域32の抵抗値が5kΩ以下、を満たせば画素アレイ72Aの水平方向左右端の画素14AのFD44間の合成抵抗が1kΩ以下となることがわかった。支持基板31Bの抵抗率を0.01Ωcm以下とするためには、半導体基板の不純物濃度を1×1018/cm3以上とすればよい。P型領域32の抵抗値を5kΩ以下とするためには、P型領域32の不純物濃度を5×1016/cm3以上とすればよい。P型領域31Aが深くまで形成され、半導体基板表面から支持基板31B表面までの距離が離れている場合には、1回の不純物注入ではP型領域32の抵抗を5kΩ以下にするのが難しい場合がある。その場合は、P型領域32を形成するための不純物注入を複数回実施してもよい。注入回数を変えたときのP型領域32の不純物濃度の変化を図8に示す。1回の不純物注入を行った場合には、不純物濃度のピークが1つ存在するが、そのピークから基板深さが大きい部分での不純物濃度が1桁以上小さくなっている。2回の不純物注入を行った場合には、不純物濃度のピークが2つ存在し、3回の不純物注入を行った場合には、不純物濃度のピークが3つ存在する。また、不純物注入の回数を増やすにつれて、不純物濃度のピーク間でも不純物濃度が減少せずに維持されるようになることがわかる。
As a result of the examination, for example, when the resistance of the P-
[1−2.効果]
従来の撮像装置では、N型トランジスタが一般的に用いられている。シリコン基板中の移動度は、電子の方が正孔よりも高いため、キャリアとして電子を用いるN型トランジスタの方が、キャリアとして正孔を用いるP型トランジスタよりも駆動力が高いためである。N型トランジスタを用いるには、基板中にP型ウェルを形成することが必要である。
[1-2. effect]
In conventional imaging devices, N-type transistors are generally used. This is because the mobility in the silicon substrate is higher for electrons than for holes, so that an N-type transistor using electrons as carriers has a higher driving force than a P-type transistor using holes as carriers. In order to use an N-type transistor, it is necessary to form a P-type well in the substrate.
また、光電変換素子としてフォトダイオードを用いる撮像装置が一般的に用いられている。フォトダイオードを用いる撮像装置では、一般的に画素間の混色が起こりやすい。画素の面積に対するフォトダイオードの面積比が大きいため、隣接する画素のFDに電荷が移動しやすいためである。また、一般的にフォトダイオードは基板中の比較的深い位置まで形成される。フォトダイオードの深い位置では、自身の画素のFDまでの距離と、隣接する画素のFDまでの距離とが同程度になる場合がある。そのため、フォトダイオードの深い位置で光電変換によって生じた電荷は、隣接する画素のFDに移動する可能性がある。吸収波長と光電変換が起きる基板の深さは比例関係にあるため、波長の長い赤色光の光電変換によって生じた電荷は、特に隣接画素に移動しやすい。したがって、赤色の混色が起こりやすい。 An imaging device using a photodiode as a photoelectric conversion element is generally used. In an imaging device using a photodiode, color mixing between pixels is generally likely to occur. This is because the area ratio of the photodiode with respect to the area of the pixel is large, so that the charge easily moves to the FD of the adjacent pixel. In general, the photodiode is formed up to a relatively deep position in the substrate. In a deep position of the photodiode, the distance to the FD of its own pixel and the distance to the FD of an adjacent pixel may be approximately the same. For this reason, electric charges generated by photoelectric conversion at a deep position of the photodiode may move to the FD of an adjacent pixel. Since the absorption wavelength and the depth of the substrate where photoelectric conversion occurs are in a proportional relationship, charges generated by photoelectric conversion of red light having a long wavelength are particularly likely to move to adjacent pixels. Therefore, red color mixture tends to occur.
しかし、N型基板にP型ウェルを形成し、N型拡散層を形成する構成においては、N型基板に電圧を印加することによって、フォトダイオード中の、ウェル付近に存在する電荷を排出することができる。この構成では、フォトダイオードを用いる撮像装置において、画素間の混色を抑制することができる。つまり、撮像装置においてフォトダイオードとN型トランジスタの両方を用いるには、N型基板にP型ウェルを形成し、ウェル内にN型の拡散層を形成して、フォトダイオードおよびN型トランジスタの拡散層とする必要がある。 However, in the configuration in which the P-type well is formed on the N-type substrate and the N-type diffusion layer is formed, the charge existing near the well in the photodiode is discharged by applying a voltage to the N-type substrate. Can do. With this configuration, color mixing between pixels can be suppressed in an imaging device using a photodiode. That is, in order to use both the photodiode and the N-type transistor in the imaging device, a P-type well is formed in the N-type substrate, an N-type diffusion layer is formed in the well, and the photodiode and the N-type transistor are diffused. Need to be layered.
N型基板にP型ウェルを形成するには、P型イオンの注入によって行うのが一般的である。しかし、N型基板に対して逆極性であるP型イオンを注入することは、N型基板中の結晶欠陥を増加させる要因となる。 In order to form a P-type well in an N-type substrate, it is generally performed by implanting P-type ions. However, implanting P-type ions having a reverse polarity with respect to the N-type substrate increases the number of crystal defects in the N-type substrate.
したがって、光電変換部としてフォトダイオードを用い、かつN型トランジスタを用いる場合には、P型基板を用いると混色の課題が解決できず、N型基板を用いると結晶欠陥の増加が発生する可能性がある。 Therefore, when a photodiode is used as the photoelectric conversion unit and an N-type transistor is used, the problem of color mixing cannot be solved if a P-type substrate is used, and if an N-type substrate is used, an increase in crystal defects may occur. There is.
一方、本開示のように光電変換部が半導体基板上に位置する撮像装置では、半導体基板にフォトダイオードを形成しない。したがって、半導体基板内で混色が発生する可能性が低い。そのため、ウェル(P型)と同一導電型の支持基板を用いることができる。そのため、基板に逆極性のイオンを注入することが不要になるため、イオン注入で発生していたウェルの結晶欠陥が低減される。 On the other hand, in the imaging device in which the photoelectric conversion unit is located on the semiconductor substrate as in the present disclosure, no photodiode is formed on the semiconductor substrate. Therefore, there is a low possibility of color mixing in the semiconductor substrate. Therefore, a support substrate having the same conductivity type as the well (P type) can be used. For this reason, it is not necessary to implant ions of opposite polarity into the substrate, so that the crystal defects of the wells that have occurred by ion implantation are reduced.
さらに、Pウェルには、抵抗値の低い支持基板31Bが接続される。支持基板31Bの抵抗率は10Ωcm程度と低い値である。Pウェル表面の抵抗は数kΩ程度であるが、Pウェルを上述した低抵抗な支持基板31Bに接続することで、画素アレイ72の水平方向左右端の画素14のFD44間の合成抵抗を1kΩ以下にすることができる。この結果、例えばストリーキングが抑制される。
Further, a
また、従来の撮像装置では、ウェルの抵抗を低減するため、以下のような構成を取ることが一般的である。各画素の基板表面に、金属配線およびウェルに接続された基板コンタクトを配置する。金属配線を介して電圧を印加することで、ウェルの電位を固定する。しかし、各画素に基板コンタクトを配置するためには、画素内のトランジスタのサイズを小さくする必要がある。トランジスタのサイズを小さくすると、その分駆動能力が低下し、撮像装置の性能に影響を与える可能性がある。一方本実施の形態では、画素部の周辺領域において、P型領域32に電気的に接続された基板コンタクトである外部パッドを配置する。この外部パッドから電圧を印加することにより、支持基板を介して、画素部のウェルの電位を固定することができる。
Further, in order to reduce the well resistance, the conventional imaging device generally takes the following configuration. A substrate contact connected to the metal wiring and the well is disposed on the substrate surface of each pixel. The potential of the well is fixed by applying a voltage through the metal wiring. However, in order to arrange the substrate contact in each pixel, it is necessary to reduce the size of the transistor in the pixel. If the size of the transistor is reduced, the driving capability is reduced correspondingly, which may affect the performance of the imaging device. On the other hand, in the present embodiment, an external pad, which is a substrate contact electrically connected to the P-
さらに、支持基板31Bは、周辺領域76において、外部パッド5A〜5Dに接続されるコンタクトプラグに、P型領域32を介して低抵抗で電気的に接続される。
Further, the
前述の通りストリーキングの原因は、光が照射される画素(Bright pixel)の電圧変化が水平共通線200を介して光が照射されない画素(Dark pixel)に伝播することである。本実施の形態においては、外部パッド5A〜5Dからのウェル電圧印加経路を、画素アレイ72の垂直方向としており、水平方向への伝播経路を無くしている。このことにより、例えばストリーキングが抑制される。
As described above, the cause of streaking is that a voltage change of a pixel to which light is irradiated (Bright pixel) propagates through the horizontal
また、本実施の形態において、各画素にはN型領域31Cが配置されている。N型領域31Cにバイアス電圧を印加することにより、余分な電荷をFDに到達する前にN型領域31Cで捕集し、電源に排出することができる。これにより、各画素セルにおける暗電流を効果的に低減することができる。
In the present embodiment, an N-
本実施の形態1に係る撮像装置71Aでは、第3領域(P型領域32)が、撮像装置71Aを平面視したときに、第5領域(STI42C)に重なる位置に配置される。言い換えると、P型領域32は、平面視したときに画素内のトランジスタに重なる位置には配置されない。画素内のトランジスタには、閾値を調整するためにチャネルに不純物注入を行うことがある。その場合、画素内のトランジスタの下方に別の不純物領域が存在すると、トランジスタの閾値に影響を与える可能性がある。本実施の形態では、P型領域32はSTI42Cに重なる位置に配置されるため、画素内のトランジスタの閾値に影響を与えにくい。そのため、画素内のトランジスタの閾値を容易に設定することができる。このため、画素14Aの特性が安定した状態で、撮像装置71Aを量産することが可能となる。
In the
(実施の形態2)
ここでは、実施の形態1に係る撮像装置71Aから、その一部が変更された実施の形態2に係る撮像装置71について、主に、実施の形態1に係る撮像装置71Aとの相違点を中心に説明する。
(Embodiment 2)
Here, with respect to the imaging apparatus 71 according to the second embodiment, a part of which is changed from the
[2−1.構成]
撮像装置71は、実施の形態1に係る撮像装置71Aから、画素アレイ72Aが画素アレイ72に変更されている。
[2-1. Constitution]
In the imaging device 71, the
図9Aは、画素アレイ72の外縁部、およびその周辺の断面図であり、図9Bは、画素アレイ72、およびその周辺の平面図である。
9A is a cross-sectional view of the outer edge portion of the
図9A、図9Bに示されるように、撮像装置71は、P型領域32が周辺領域76にのみ配置されている点、および画素アレイ72、およびその周辺において、支持基板31BとP型領域31Aとの間に、N型領域31Cが配置されていない点において、実施の形態1に係る撮像装置71Aと相違している。
As shown in FIGS. 9A and 9B, the imaging device 71 includes a support substrate 31 </ b> B and a P-type region 31 </ b> A at the point where the P-
図10Aは、画素アレイ72を構成する各画素14の断面図、図10Bは、画素14の平面図である。図10Aは、図10B中のC−C´を結ぶ線上の断面図となっている。
FIG. 10A is a cross-sectional view of each
図10Aに示されるように、画素14は、支持基板31BとP型領域31Aとの間に、N型領域31Cが配置されていない点に加えて、画素14内にP型領域32が配置されていない点において、実施の形態1に係る画素14Aと相違している。
As shown in FIG. 10A, the
P型領域32は、支持基板31BとP型領域31Aとの間に配置され、支持基板31BとP型領域31Aとを電気的に接続する。
The P-
このように、画素14は、第1領域(支持基板31B)と、第2領域(P型領域31A)と、を備える。そして、画素14は、第1領域と第2領域と、に接し、第2領域よりも高い濃度で第1導電型(P導電型)の不純物を含む3領域(P型領域32)を備える。
Thus, the
[2−2.効果]
本実施の形態においても、実施の形態1と同様な効果が得られる。
[2-2. effect]
Also in the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
また、本実施の形態においては支持基板31BとP型領域31Aとの間に、N型領域31Cが配置されていない。したがって、実施の形態1に対して、不純物の注入回数を減らすことができるため、より低コストで製造することができる。
In the present embodiment, the N-
(補足)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1および実施の形態2について説明した。しかしながら、本開示による技術は、これらに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態にも適用可能である。また、実施の形態1および実施の形態2では、P型不純物を含む支持基板31B上にP型領域31Aが形成され、画素内のトランジスタのソースおよびドレインがN型領域である例を説明したが、これらの導電型を逆転させてもよい。
(Supplement)
As described above,
本開示に係る撮像装置は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話、電子内視鏡などの医療用カメラ、車載カメラ、ロボット用カメラ等に利用可能である。 The imaging device according to the present disclosure can be used for a digital camera, a digital video camera, a camera-equipped mobile phone, a medical camera such as an electronic endoscope, an in-vehicle camera, a robot camera, and the like.
5A、5B、5C、5D 外部パッド
10 光電変換部
14、14A 画素
31A P型領域(第2領域、第2周辺領域)
31B 支持基板(第1領域、第1周辺領域)
31C N型領域(第4領域)
32 P型領域(第3領域)
42C STI(第5領域)
44 電荷蓄積領域
71、71A 撮像装置
72、72A 画素アレイ
76 周辺領域
100 最上位の金属配線層(第1配線層)
101A、101B、101C 他の金属配線層(第2配線層)
5A, 5B, 5C,
31B Support substrate (first region, first peripheral region)
31C N-type region (fourth region)
32 P-type region (third region)
42C STI (5th area)
44
101A, 101B, 101C Other metal wiring layer (second wiring layer)
Claims (13)
前記画素のそれぞれは、
前記半導体基板の上方に位置し、光を電荷に変換する光電変換部を備え、
前記半導体基板は、
第1導電型の不純物を含む第1領域と、
前記第1領域の上方に配置され、前記第1領域よりも低い濃度で前記第1導電型の不純物を含む第2領域と、
前記第2領域中に位置し、前記第1導電型とは異なる第2導電型の不純物を含み、前記電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、
を備え、
前記画素アレイは、
k行(kは1以上m以下の整数)の一端に位置する第1画素と、
k行の他端に位置する第2画素と、を備え、
前記第1画素の前記電荷蓄積領域と、前記第2画素の前記電荷蓄積領域との間の合成抵抗値が、1kΩ以下である、
撮像装置。 An imaging apparatus comprising a semiconductor substrate and a pixel array in which pixels are arranged in m rows and n columns (m and n are positive integers),
Each of the pixels
A photoelectric conversion unit that is located above the semiconductor substrate and converts light into charges,
The semiconductor substrate is
A first region containing a first conductivity type impurity;
A second region disposed above the first region and including the first conductivity type impurity at a lower concentration than the first region;
A charge storage region that is located in the second region and includes an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type, and stores the charge;
With
The pixel array is
a first pixel located at one end of k rows (k is an integer from 1 to m);
a second pixel located at the other end of the k rows,
A combined resistance value between the charge accumulation region of the first pixel and the charge accumulation region of the second pixel is 1 kΩ or less;
Imaging device.
前記第1領域と、前記第2領域と、に接し、前記第2領域よりも高い濃度で前記第1導電型の不純物を含む第3領域と、を備える、
請求項1に記載の撮像装置。 The semiconductor substrate is
A third region in contact with the first region and the second region and including the first conductivity type impurity at a higher concentration than the second region;
The imaging device according to claim 1.
前記第1領域と前記第2領域との間に配置され、前記第2導電型の不純物を含む第4領域と、を備える、
請求項2に記載の撮像装置。 The semiconductor substrate is
A fourth region that is disposed between the first region and the second region and includes the impurity of the second conductivity type.
The imaging device according to claim 2.
前記第3領域は、前記周辺領域内に位置する、
請求項2または請求項3に記載の撮像装置。 Comprising a peripheral region located around the pixel array;
The third region is located in the peripheral region;
The imaging device according to claim 2.
請求項2または請求項3に記載の撮像装置。 The third region is located in the pixel array;
The imaging device according to claim 2.
前記第3領域を複数有し、
前記第3領域の少なくとも一つは、前記周辺領域内に位置し、
前記第3領域の少なくとも一つは、前記画素アレイ内に位置する、
請求項2または請求項3に記載の撮像装置。 Comprising a peripheral region located around the pixel array;
A plurality of the third regions;
At least one of the third regions is located in the peripheral region;
At least one of the third regions is located in the pixel array;
The imaging device according to claim 2.
前記撮像装置を平面視したとき、前記画素アレイ内に位置する前記第3領域は前記第5領域に重なる、
請求項4または請求項6に記載の撮像装置。 The pixel includes a fifth region that is located in the second region and electrically separates the pixel and an adjacent pixel adjacent to the pixel,
When the imaging device is viewed in plan, the third region located in the pixel array overlaps the fifth region.
The imaging device according to claim 4 or 6.
前記第3領域の抵抗値は2.3kΩ以下である、
請求項2から請求項7のいずれか一項に記載の撮像装置。 The resistivity of the first region is 10 Ωcm or less,
The resistance value of the third region is 2.3 kΩ or less,
The imaging device according to any one of claims 2 to 7.
前記第3領域の抵抗値は5kΩ以下である、
請求項2から請求項7のいずれか一項に記載の撮像装置。 The resistivity of the first region is 0.01 Ω · cm or less,
The resistance value of the third region is 5 kΩ or less,
The imaging device according to any one of claims 2 to 7.
前記第3領域の抵抗値は5kΩ以下である、
請求項2から請求項7のいずれか一項に記載の撮像装置。 The concentration of the first conductivity type impurity in the first region is 1 × 10 18 / cm 3 or more,
The resistance value of the third region is 5 kΩ or less,
The imaging device according to any one of claims 2 to 7.
前記第3領域の前記第1導電型の不純物の濃度は5×1016/cm3以上である、
請求項2から請求項7のいずれか一項に記載の撮像装置。 The resistivity of the first region is 0.01 Ωcm or less,
The concentration of the first conductivity type impurity in the third region is 5 × 10 16 / cm 3 or more.
The imaging device according to any one of claims 2 to 7.
前記撮像装置を平面視したとき、前記周辺領域の外部、かつ前記画素アレイの行方向に沿って位置する外部パッドと、
前記撮像装置を平面視したとき、前記周辺領域と、前記外部パッドと、の間に位置し、複数の配線層を備える配線領域と、を備え、
前記周辺領域において、前記半導体基板は、
前記第1導電型の不純物を含む第1周辺領域と、
前記第1周辺領域の上方に配置され、前記第1周辺領域よりも低い濃度で前記第1導電型の不純物を含む、第2周辺領域と、を備え、
前記複数の配線層は、
金属からなる第1配線層と、
前記第1配線層の下方に位置する第2配線層と、を備え、
前記第2周辺領域と、前記外部パッドとは、前記第1配線層を介して接続される、
請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の撮像装置。 When the imaging device is viewed in plan, a peripheral region located around the pixel array;
When the imaging device is viewed in plan, an external pad located outside the peripheral region and along the row direction of the pixel array;
When the imaging device is viewed in plan, a wiring region that is located between the peripheral region and the external pad and includes a plurality of wiring layers,
In the peripheral region, the semiconductor substrate is
A first peripheral region containing an impurity of the first conductivity type;
A second peripheral region disposed above the first peripheral region and including the first conductivity type impurity at a concentration lower than that of the first peripheral region;
The plurality of wiring layers are:
A first wiring layer made of metal;
A second wiring layer located below the first wiring layer,
The second peripheral region and the external pad are connected via the first wiring layer.
The imaging device according to any one of claims 1 to 11.
請求項12に記載の撮像装置。 The first wiring layer is located on the top of the plurality of wiring layers;
The imaging device according to claim 12.
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