JP2020161739A

JP2020161739A - Photodetector

Info

Publication number: JP2020161739A
Application number: JP2019061989A
Authority: JP
Inventors: 祐輔坂田; Yusuke Sakata; 三佳森; Mitsuyoshi Mori
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP7199013B2

Abstract

To provide a photodetector capable of reducing generation of dark count.SOLUTION: A solid-state imaging device 100 is an embodiment of a photodetector. The solid-state imaging device 100 includes: a semiconductor substrate 10 that includes: an N type first semiconductor layer 11 and a P type second semiconductor layer 12 in contact with a lower side of the first semiconductor layer 11; an N type third semiconductor layer 13 positioned above the first semiconductor layer 11 and having an impurity concentration higher than the first semiconductor layer 11; and a separate region SP positioned sideways of the third semiconductor layer 13 and including a P type semiconductor layer 15. A boundary between the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12 includes a multiplying region AM multiplying charges generated by photoelectric conversion by avalanche multiplication.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、光検出器に関し、特に微弱な光を検出することが可能な光検出器に関する。 The present disclosure relates to a photodetector, particularly a photodetector capable of detecting faint light.

近年、医療、通信、バイオ、化学、監視、車載、及び、放射線検出など多岐に渡る分野において、高感度な光検出器が利用されている。高感度な光検出器の一つとして、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）が知られている。ＡＰＤは、光電変換によって発生した信号電荷を、アバランシェ降伏（ブレークダウン）を用いて増倍することで光の検出感度が高められたフォトダイオードである。 In recent years, high-sensitivity photodetectors have been used in a wide range of fields such as medical care, telecommunications, biotechnology, chemistry, surveillance, in-vehicle use, and radiation detection. An avalanche photodiode (APD) is known as one of the highly sensitive photodetectors. The APD is a photodiode whose light detection sensitivity is enhanced by multiplying the signal charge generated by photoelectric conversion by using avalanche breakdown.

特開２００４−３１９５７６号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-319576 特開２０１７−５２７６号公報JP-A-2017-5276

本開示は、ダークカウントの発生を低減することができる光検出器を提供する。 The present disclosure provides a photodetector capable of reducing the occurrence of dark counts.

本開示の一態様に係る光検出器は、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層の下側に接する第２半導体層であって前記第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層を含む半導体基板と、前記第１半導体層の上方に位置する前記第１導電型の第３半導体層であって、前記第１半導体層よりも不純物濃度が高い第３半導体層と、前記第３半導体層の側方に位置する分離領域であって、前記第２導電型の半導体層を含む分離領域とを備え、前記第１半導体層、及び、前記第２半導体層の境界部には、光電変換により発生した電荷をアバランシェ増倍によって増倍する増倍領域が含まれ、平面視において、前記第３半導体層は、前記増倍領域の半分以上の領域と重なる。 The optical detector according to one aspect of the present disclosure is a second semiconductor layer that is in contact with the first semiconductor layer of the first conductive type and the lower side of the first semiconductor layer and is different from the first conductive type. A semiconductor substrate including a second semiconductor layer of the type, and a third semiconductor layer of the first conductive type located above the first semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer. A separation region located on the side of the third semiconductor layer, the separation region including the second conductive type semiconductor layer, and the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The boundary portion includes a multiplication region in which the charge generated by the photoelectric conversion is multiplied by the avalanche multiplication, and the third semiconductor layer overlaps with a region of half or more of the multiplication region in a plan view.

本開示によれば、ダークカウントの発生を低減することができる光検出器が実現される。 According to the present disclosure, a photodetector capable of reducing the occurrence of dark count is realized.

図１は、実施の形態に係る固体撮像素子の平面図である。FIG. 1 is a plan view of the solid-state image sensor according to the embodiment. 図２は、実施の形態に係る固体撮像素子を図１のＩＩ−ＩＩ線において切断した場合の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the solid-state image sensor according to the embodiment when the solid-state image sensor is cut along the line II-II of FIG. 図３は、ＡＰＤの中央部分における不純物濃度のプロファイルを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a profile of impurity concentration in the central portion of APD. 図４は、実施の形態に係る固体撮像素子を図１のＩＶ−ＩＶ線において切断した場合の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the solid-state image sensor according to the embodiment when the solid-state image sensor is cut along the line IV-IV of FIG. 図５は、画素回路の構成の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of the pixel circuit. 図６は、実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法のフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart of a method for manufacturing a solid-state image sensor according to an embodiment.

（本開示の基礎となった知見）
ＡＰＤが画素アレイ状に並べられた構造により極めて高い感度を有する固体撮像素子が提案されている。ＡＰＤを動作させるには高い電圧を印加する必要がある。このため、ＡＰＤが画素アレイ状に並べられた構造を有する固体撮像素子は、回路部との分離領域を形成するための面積が一般的な固体撮像素子よりも広くなる。そのため、ＡＰＤが画素アレイ状に並べられた構造を有する固体撮像素子は、微細化した場合に、光電変換に寄与する面積が小さくなってしまう。つまり、ＡＰＤが画素アレイ状に並べられた構造を有する固体撮像素子は、開口率が確保しにくいという課題がある。 (Knowledge on which this disclosure is based)
A solid-state image sensor having extremely high sensitivity has been proposed due to the structure in which APDs are arranged in a pixel array. It is necessary to apply a high voltage to operate the APD. Therefore, the solid-state image sensor having a structure in which APDs are arranged in a pixel array has a larger area for forming a separation region from the circuit portion than a general solid-state image sensor. Therefore, a solid-state image sensor having a structure in which APDs are arranged in a pixel array has a small area that contributes to photoelectric conversion when miniaturized. That is, a solid-state image sensor having a structure in which APDs are arranged in a pixel array has a problem that it is difficult to secure an aperture ratio.

これに対し、特許文献１には、基板内にＡＰＤとＡＰＤから信号を読み出すための画素回路を配列するための構造が開示されている。しかしながら、このような構造では、アバランシェ増倍を起こすために高電圧を印加するためのコンタクト部、及び、フォトダイオードで発生した信号電荷を画素回路に転送するためのコンタクト部の２つコンタクト部をフォトダイオード上に配置せざるを得ない。特許文献１の技術を用いた固体撮像素子を微細化する場合には、配線層を光電変換部の直上にまで配置せざるを得ない。このような配線層は、固体撮像素子の開口率を低下させる要因となる。さらに、高電圧が印加される配線層は、信頼性を確保する必要があることから低背化が難しいことが課題である。 On the other hand, Patent Document 1 discloses an APD and a structure for arranging a pixel circuit for reading a signal from the APD in the substrate. However, in such a structure, there are two contact parts, a contact part for applying a high voltage to cause avalanche multiplication and a contact part for transferring the signal charge generated by the photodiode to the pixel circuit. It has to be placed on the photodiode. When miniaturizing a solid-state image sensor using the technique of Patent Document 1, the wiring layer must be arranged directly above the photoelectric conversion unit. Such a wiring layer becomes a factor that lowers the aperture ratio of the solid-state image sensor. Further, it is difficult to reduce the height of the wiring layer to which a high voltage is applied because it is necessary to ensure reliability.

また、ＡＰＤで光を検出するにあたり、光が照射されていないにもかかわらず、熱励起されたキャリアが増倍されることで信号の誤検出（ダークカウント）が発生することでノイズが悪化する課題が知られている。 In addition, when light is detected by APD, noise is exacerbated by false detection (dark count) of a signal due to multiplication of thermally excited carriers even though the light is not irradiated. The challenges are known.

特許文献２の図４には、ダークカウントの発生を低減するため、シリコン／酸化物界面で励起したキャリアが増倍領域に達しないように、Ｐ型の半導体層がＮ型の半導体層の表面側に形成された構造が示されている。しかしながら、このような構造では、Ｐ型の半導体層は、増倍領域が形成される空乏層につながって高電圧が印加されている領域とショートしてしまわないようにＮ型の半導体層に対して十分に内側に形成される必要があり、増倍領域の全面に対して熱励起されたキャリアの発生を抑制することが困難である。逆に、Ｐ型の半導体層を増倍領域よりも広く形成しようとすると、半導体基板内の増倍領域の面積比が小さくなることで、感度が低下するため微細化が困難となる。さらに、Ｐ型の半導体層にコンタクトを形成する場合には、光を入射する領域に配線が重なることで開口率が低下し、感度が低下する。 In FIG. 4 of Patent Document 2, in order to reduce the occurrence of dark count, the P-type semiconductor layer is the surface of the N-type semiconductor layer so that the carriers excited at the silicon / oxide interface do not reach the multiplication region. The structure formed on the side is shown. However, in such a structure, the P-type semiconductor layer has a structure with respect to the N-type semiconductor layer so as not to be connected to the depletion layer in which the multiplication region is formed and short-circuited with the region to which a high voltage is applied. It is necessary to form sufficiently inward, and it is difficult to suppress the generation of thermally excited carriers over the entire surface of the multiplication region. On the contrary, if the P-type semiconductor layer is formed wider than the magnification region, the area ratio of the multiplication region in the semiconductor substrate becomes small, and the sensitivity is lowered, so that miniaturization becomes difficult. Further, when a contact is formed on the P-type semiconductor layer, the aperture ratio is lowered and the sensitivity is lowered because the wiring overlaps the region where the light is incident.

以上のように、特許文献１、特許文献２に記載の固体撮像素子及び光検出器には、微細化とＳ／Ｎ比の向上との両立が困難という課題がある。 As described above, the solid-state image sensor and the photodetector described in Patent Document 1 and Patent Document 2 have a problem that it is difficult to achieve both miniaturization and improvement of the S / N ratio.

以下の実施の形態では、上記のような微細化と高Ｓ／Ｎ比を実現するための固体撮像素子について説明する。 In the following embodiments, a solid-state image sensor for achieving the above miniaturization and high S / N ratio will be described.

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. It should be noted that all of the embodiments described below show comprehensive or specific examples. The numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of the components, etc. shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present disclosure. Further, among the components in the following embodiments, the components not described in the independent claims indicating the highest level concept are described as arbitrary components.

なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。例えば、図中において矩形に描かれた領域については、イオン注入または熱処理により、角部が円形に変形する場合がある。また、矩形の領域同士が広がることで重なって不純物濃度が足し合わされ、以下の実施の形態で説明されない不純物濃度の領域が形成される場合もありうる。特に、不純物濃度が低い領域は周囲の影響を受けて縮小しやすく、高濃度化したり、導電型が部分的に反転したりすることがありうる。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。 It should be noted that each figure is a schematic view and is not necessarily exactly illustrated. For example, in the rectangular region in the drawing, the corners may be deformed into a circular shape by ion implantation or heat treatment. In addition, the rectangular regions may be expanded to overlap and the impurity concentrations are added to form a region having an impurity concentration not described in the following embodiment. In particular, the region where the impurity concentration is low is easily reduced due to the influence of the surroundings, and the concentration may be increased or the conductive type may be partially inverted. Further, in each figure, substantially the same configuration is designated by the same reference numerals, and duplicate description may be omitted or simplified.

また、以下の実施の形態で説明に用いられる図面においては座標軸が示される場合がある。座標軸におけるＺ軸方向は、例えば、鉛直方向であり、Ｚ軸＋側は、上側（上方）または表側と表現され、Ｚ軸−側は、下側（下方）または裏側と表現される。Ｚ軸方向は、言い換えれば、半導体基板の上面または下面に垂直な方向であり、半導体基板の厚み方向である。Ｚ軸方向は、深さ方向と表現される場合もあり、この場合、Ｚ軸＋側は、深さ方向における浅い側であり、Ｚ軸−側は、深さ方向における深い側である。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、Ｚ軸方向に垂直な平面（水平面）上において、互いに直交する方向である。Ｘ軸方向は、横方向、または、水平方向と表現され、Ｙ軸方向は、縦方向、または垂直方向と表現される。以下の実施の形態において、「平面視」とは、Ｚ軸方向から見ることを意味する。また、本開示は、以下の実施の形態において、Ｐ型とＮ型とを逆転させた構造を排除するものではない。 In addition, coordinate axes may be shown in the drawings used for explanation in the following embodiments. The Z-axis direction in the coordinate axes is, for example, a vertical direction, and the Z-axis + side is expressed as the upper side (upper side) or the front side, and the Z-axis-side is expressed as the lower side (lower side) or the back side. In other words, the Z-axis direction is a direction perpendicular to the upper surface or the lower surface of the semiconductor substrate, and is a thickness direction of the semiconductor substrate. The Z-axis direction may be expressed as the depth direction. In this case, the Z-axis + side is the shallow side in the depth direction, and the Z-axis-side is the deep side in the depth direction. Further, the X-axis direction and the Y-axis direction are directions orthogonal to each other on a plane (horizontal plane) perpendicular to the Z-axis direction. The X-axis direction is expressed as a horizontal direction or a horizontal direction, and the Y-axis direction is expressed as a vertical direction or a vertical direction. In the following embodiments, "planar view" means viewing from the Z-axis direction. Further, the present disclosure does not exclude the structure in which the P-type and the N-type are reversed in the following embodiments.

（実施の形態）
［固体撮像素子の構造］
以下、実施の形態に係る固体撮像素子の構造について説明する。図１は、実施の形態に係る固体撮像素子の平面図である。図２は、実施の形態に係る固体撮像素子を図１のＩＩ−ＩＩ線において切断した場合の断面図である。図２においては、空乏層端が破線で図示されている。 (Embodiment)
[Structure of solid-state image sensor]
Hereinafter, the structure of the solid-state image sensor according to the embodiment will be described. FIG. 1 is a plan view of the solid-state image sensor according to the embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the solid-state image sensor according to the embodiment when the solid-state image sensor is cut along the line II-II of FIG. In FIG. 2, the end of the depletion layer is shown by a broken line.

図１及び図２に示されるように、実施の形態に係る固体撮像素子１００は、半導体基板１０と、第１半導体層１１と、第３半導体層１３と、第４半導体層１４と、分離領域ＳＰと、ウェル部１６とを備える。 As shown in FIGS. 1 and 2, the solid-state image sensor 100 according to the embodiment includes a semiconductor substrate 10, a first semiconductor layer 11, a third semiconductor layer 13, a fourth semiconductor layer 14, and a separation region. The SP and the well portion 16 are provided.

固体撮像素子１００は、Ｐ型の半導体基板１０内に形成された、複数のＡＰＤを備える。ＡＰＤは、１つの画素に対応する。ＡＰＤは、光電変換部の一例であり、Ｎ型の第１半導体層１１、及び、第１半導体層１１の下に位置するＰ型の第２半導体層１２、第３半導体層１３、及び、第４半導体層１４によって形成される。 The solid-state image sensor 100 includes a plurality of APDs formed in the P-type semiconductor substrate 10. APD corresponds to one pixel. The APD is an example of a photoelectric conversion unit, and is an N-type first semiconductor layer 11, a P-type second semiconductor layer 12, a third semiconductor layer 13, and a second semiconductor layer 11 located below the first semiconductor layer 11. 4 Formed by the semiconductor layer 14.

なお、図１及び図２においては、各構成要素の不純物濃度がかっこ書きで記載されている。不純物の導電型（ＰまたはＮ）と、濃度を示す記号（＋または−）が記載されている。例えば、＋＋は、非常に高濃度（１０^１９ｃｍ^−３以上）を意味し、＋は高濃度（１０^１８ｃｍ^−３以上）を意味し、記号なしは中程度の濃度を意味し、−は低濃度（１０^１６ｃｍ^−３以下）を意味する。 In addition, in FIG. 1 and FIG. 2, the impurity concentration of each component is described in parentheses. The conductive type (P or N) of the impurity and the symbol (+ or-) indicating the concentration are described. For example, ++ means very high concentration (10 ¹⁹ cm ^-3 or higher), + means high concentration (10 ¹⁸ cm ^-3 or higher), no symbol means medium concentration, and-is It means low concentration (10 ¹⁶ cm ^-3 or less).

半導体基板１０は、上面に光が入射する基板であり、Ｐ型の半導体によって形成される。半導体基板１０は、具体的には、半導体基板１０の下面を構成するベース部１０ａと、ベース部１０ａ上に形成された第２半導体層１２とを含む。ベース部１０ａの不純物濃度は、第２半導体層１２の不純物濃度よりも高い。 The semiconductor substrate 10 is a substrate on which light is incident on the upper surface, and is formed of a P-type semiconductor. Specifically, the semiconductor substrate 10 includes a base portion 10a forming the lower surface of the semiconductor substrate 10 and a second semiconductor layer 12 formed on the base portion 10a. The impurity concentration of the base portion 10a is higher than the impurity concentration of the second semiconductor layer 12.

第１半導体層１１は、第２半導体層１２の上側に接するＮ型の半導体層である。第１半導体層１１の不純物濃度は、第３半導体層１３及び第４半導体層１４よりも低い。 The first semiconductor layer 11 is an N-type semiconductor layer in contact with the upper side of the second semiconductor layer 12. The impurity concentration of the first semiconductor layer 11 is lower than that of the third semiconductor layer 13 and the fourth semiconductor layer 14.

第３半導体層１３は、第１半導体層１１の上方に位置するＮ型の半導体層である。第３半導体層１３の不純物濃度は、第１半導体層１１及び第４半導体層１４よりも高い。 The third semiconductor layer 13 is an N-type semiconductor layer located above the first semiconductor layer 11. The impurity concentration of the third semiconductor layer 13 is higher than that of the first semiconductor layer 11 and the fourth semiconductor layer 14.

第４半導体層１４は、第１半導体層１１及び第３半導体層１３の間に位置し、第３半導体層１３の下面及び側面を覆う。第４半導体層１４の不純物濃度は、例えば、第３半導体層１３よりも低く、第１半導体層１１よりも高い。なお、第４半導体層１４は、必須ではない。 The fourth semiconductor layer 14 is located between the first semiconductor layer 11 and the third semiconductor layer 13 and covers the lower surface and the side surface of the third semiconductor layer 13. The impurity concentration of the fourth semiconductor layer 14 is, for example, lower than that of the third semiconductor layer 13 and higher than that of the first semiconductor layer 11. The fourth semiconductor layer 14 is not essential.

半導体基板１０に逆バイアスの電圧Ｖ_ＲＥＶが印加されると、第１半導体層１１及び第２半導体層１２の境界部（言い換えれば、接合部）には、増倍領域ＡＭが形成される。増倍領域ＡＭは、光電変換により発生した電荷がアバランシェ増倍によって増倍される領域である。増倍領域ＡＭによれば、第１半導体層１１に到達する前に多数の信号電子を発生させることができる。ＡＰＤは、フォトン１個程度の微弱な光を検出可能なＳＰＡＤ（ＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＡｖａｌａｎｃｈｅＤｉｏｄｅ）として利用することもできる。半導体基板１０に印加される電圧Ｖ_ＲＥＶは、例えば、第１半導体層１１と第２半導体層１２に対して逆バイアスとなる極性を有し、大きさは、１０Ｖ〜１００Ｖ程度である。 When a reverse bias voltage V _REV is applied to the semiconductor substrate 10, a multiplication region AM is formed at the boundary portion (in other words, the junction portion) of the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12. The multiplying region AM is a region in which the charge generated by the photoelectric conversion is multiplied by the avalanche multiplication. According to the multiplication region AM, a large number of signal electrons can be generated before reaching the first semiconductor layer 11. The APD can also be used as a SPAD (Single Photon Avalanche Diode) capable of detecting a weak light of about one photon. The voltage V _REV applied to the semiconductor substrate 10 has, for example, a polarity that causes a reverse bias with respect to the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12, and has a magnitude of about 10V to 100V.

増倍領域ＡＭが半導体基板１０の表面（言い換えれば上面）からある程度深い位置に形成されれば、半導体基板１０の表面付近に発生しやすい結晶欠陥が増倍領域ＡＭ内に形成されることが回避され、ダークカウントが発生しにくくなる。増倍領域ＡＭは、例えば、半導体基板１０の表面から数百ｎｍ〜３μｍ程度離れた位置に形成される。 If the magnification region AM is formed at a position deeper than the surface (in other words, the upper surface) of the semiconductor substrate 10, it is possible to prevent crystal defects that are likely to occur near the surface of the semiconductor substrate 10 from being formed in the magnification region AM. And the dark count is less likely to occur. The multiplying region AM is formed, for example, at a position separated from the surface of the semiconductor substrate 10 by about several hundred nm to 3 μm.

［第１半導体層の具体的構造］
第１半導体層１１が縦方向に不純物濃度を保ちつつ厚く形成されれば、増倍領域ＡＭにおいて均一の電界が形成されやすくなる。具体的には、第１半導体層１１が濃度の低い領域が形成されないよう縦方向に厚くなることで、第１半導体層１１の側面、及び、角部から空乏層が第１半導体層１１内に伸長しにくくなり、増倍領域ＡＭにおいて電界を均一にできる面積が広がる。 [Specific structure of the first semiconductor layer]
If the first semiconductor layer 11 is formed thick while maintaining the impurity concentration in the vertical direction, a uniform electric field is likely to be formed in the multiplication region AM. Specifically, the first semiconductor layer 11 is thickened in the vertical direction so that a low-concentration region is not formed, so that the depletion layer is formed in the first semiconductor layer 11 from the side surface and the corner portion of the first semiconductor layer 11. It becomes difficult to extend, and the area where the electric field can be made uniform in the multiplication region AM increases.

第１半導体層１１を厚く形成する手法としては、例えば、イオン注入工程にて、複数のエネルギーに分けてイオン注入を行う手法が挙げられる。 Examples of the method for forming the first semiconductor layer 11 thickly include a method in which ions are implanted by dividing the first semiconductor layer 11 into a plurality of energies in the ion implantation step.

［第２半導体層の具体的構造］
第２半導体層１２は、半導体基板１０の深部から基板表面に向かって緩やかに濃度が低下するように、半導体基板１０の形成時にエピタキシャル成長によって形成される。つまり、第２半導体層１２の不純物濃度は、第１半導体層１１に近い部分ほど低くなる。図３は、ＡＰＤの中央部分における不純物濃度のプロファイルを示す図である。図３に示されるように第２半導体層１２が不純物濃度の勾配を有する構成によれば、ビルトインポテンシャルにより半導体基板１０の深部で光電変換が行われた場合に発生したキャリアのうちの電子が半導体基板１０の表面に向かって流れるようポテンシャル勾配が形成される。この結果、ＡＰＤの赤色光または近赤外光などの長波長の光に対する感度が向上する。 [Specific structure of the second semiconductor layer]
The second semiconductor layer 12 is formed by epitaxial growth during the formation of the semiconductor substrate 10 so that the concentration gradually decreases from the deep part of the semiconductor substrate 10 toward the surface of the substrate. That is, the impurity concentration of the second semiconductor layer 12 becomes lower as it is closer to the first semiconductor layer 11. FIG. 3 is a diagram showing a profile of impurity concentration in the central portion of APD. According to the configuration in which the second semiconductor layer 12 has a gradient of impurity concentration as shown in FIG. 3, the electrons in the carriers generated when the photoelectric conversion is performed in the deep part of the semiconductor substrate 10 by the built-in potential are semiconductors. A potential gradient is formed so that it flows toward the surface of the substrate 10. As a result, the sensitivity of APD to long wavelength light such as red light or near infrared light is improved.

また、第２半導体層１２が不純物濃度の勾配を有していれば、空乏層を半導体基板１０の深部まで延ばす必要がなくなることで、固体撮像素子１００が備えるＡＰＤのブレークダウン電圧を、一般的に知られているリーチスルー型のＡＰＤよりも低減することが可能となる。また、図３の例では、第２半導体層１２の不純物濃度の勾配は増倍領域ＡＭが形成される深さにおいて比較的平坦になる。これにより、エピタキシャル成長の厚さがばらついたとしても増倍領域のＡＭのＰＮ接合の濃度勾配が一定となり、ブレークダウン電圧のばらつきを抑制することができる。 Further, if the second semiconductor layer 12 has a gradient of impurity concentration, it is not necessary to extend the depletion layer to the deep part of the semiconductor substrate 10, so that the breakdown voltage of the APD included in the solid-state image sensor 100 is generally set. It is possible to reduce the amount of APD as compared with the reach-through type APD known to. Further, in the example of FIG. 3, the gradient of the impurity concentration of the second semiconductor layer 12 becomes relatively flat at the depth at which the multiplication region AM is formed. As a result, even if the thickness of the epitaxial growth varies, the concentration gradient of the AM PN junction in the multiplication region becomes constant, and the variation in the breakdown voltage can be suppressed.

なお、固体撮像素子１００では、第２半導体層１２は複数のＡＰＤによって共有されるが、第２半導体層１２は、イオン注入法などを用いてＡＰＤごと（画素ごと）に個別に形成されてもよい。また、ＡＰＤは、第２半導体層１２が空乏化し、空乏層がベース部１０ａに到達するようなリーチスルー型のＡＰＤとして作製されてもよい。第２半導体層１２を部分的であってもイオン注入工程で形成する場合、周辺回路を同一基板に形成する際に、周辺回路部に第２半導体層１２を形成しないようにすることで、周辺回路を形成するためのウェル部１６を形成する際に、ウェル部１６の周りのＰ型の不純物濃度を低くすることができ、ウェル部１６の高耐圧化が容易に実現できる。 In the solid-state image sensor 100, the second semiconductor layer 12 is shared by a plurality of APDs, but the second semiconductor layer 12 may be individually formed for each APD (for each pixel) by using an ion implantation method or the like. Good. Further, the APD may be produced as a reach-through type APD in which the second semiconductor layer 12 is depleted and the depletion layer reaches the base portion 10a. When the second semiconductor layer 12 is formed in the ion implantation step even if it is partially formed, when the peripheral circuit is formed on the same substrate, the second semiconductor layer 12 is not formed in the peripheral circuit portion, so that the peripheral circuit is not formed. When forming the well portion 16 for forming the circuit, the concentration of P-type impurities around the well portion 16 can be lowered, and the pressure resistance of the well portion 16 can be easily increased.

［第３半導体層の具体的構造］
第１半導体層１１の表面側には第３半導体層１３が形成される。図１に示されるように、平面視における第３半導体層１３の面積は、増倍領域ＡＭの面積よりも大きく、第３半導体層１３は、増倍領域ＡＭの全領域と重なっている（全領域を包含している）。第３半導体層１３は、平面視において、少なくとも増倍領域ＡＭの半分以上の領域と重なるように形成されればよい。第３半導体層１３は、例えば、基板表面から十ｎｍ〜数百ｎｍ程度の深さの位置に形成される。 [Specific structure of the third semiconductor layer]
A third semiconductor layer 13 is formed on the surface side of the first semiconductor layer 11. As shown in FIG. 1, the area of the third semiconductor layer 13 in the plan view is larger than the area of the multiplication region AM, and the third semiconductor layer 13 overlaps the entire region of the multiplication region AM (total area). Includes the area). The third semiconductor layer 13 may be formed so as to overlap at least half or more of the magnification region AM in a plan view. The third semiconductor layer 13 is formed at a depth of, for example, about 10 nm to several hundred nm from the surface of the substrate.

結晶欠陥が比較的多数存在する半導体基板１０の界面において、光が照射されないにも関わらずキャリアが励起されやすくなることがある。しかしながら、第３半導体層１３のようにＮ型半導体の高濃度領域が形成されることで、高密度の電子の存在により増倍領域ＡＭに到達しうるホールは増倍領域ＡＭに到達する前に再結合により消滅する確率が高くなる。それにより第３半導体層１３は、ダークカウントの発生を抑制する効果がある。 At the interface of the semiconductor substrate 10 in which a relatively large number of crystal defects are present, carriers may be easily excited even though light is not irradiated. However, due to the formation of a high-concentration region of the N-type semiconductor such as the third semiconductor layer 13, holes that can reach the multiplication region AM due to the presence of high-density electrons are before reaching the multiplication region AM. The probability of disappearing due to recombination increases. As a result, the third semiconductor layer 13 has an effect of suppressing the occurrence of dark count.

また、第３半導体層１３は不純物濃度が高いことからオーミックコンタクトを取るためのイオン注入の際に合わせて形成することができる。このため、第３半導体層１３を形成するためにマスク数を増やす必要はなく、第３半導体層１３を形成することの製造コストへの影響は小さい。 Further, since the third semiconductor layer 13 has a high impurity concentration, it can be formed at the time of ion implantation for making ohmic contact. Therefore, it is not necessary to increase the number of masks in order to form the third semiconductor layer 13, and the influence of forming the third semiconductor layer 13 on the manufacturing cost is small.

第３半導体層１３は、第１半導体層１１と同じマスクを用いて形成されてもよい。この場合、第３半導体層１３と第１半導体層１１との合わせずれが発生しなくなることでＡＰＤの製造ばらつきが抑制される。具体的には、ＡＰＤの容量、つまり飽和特性のばらつきが抑制される。この場合も、第１半導体層１１を形成するためのマスクを第３半導体層１３の形成にも使用することができるため、マスクの総数は変わらない。第３半導体層１３を形成するためのイオン注入工程のみが追加されればよいため、第３半導体層１３を形成することの製造コストへの影響は極めて小さい。 The third semiconductor layer 13 may be formed by using the same mask as the first semiconductor layer 11. In this case, the misalignment between the third semiconductor layer 13 and the first semiconductor layer 11 does not occur, so that the manufacturing variation of the APD is suppressed. Specifically, the capacitance of APD, that is, the variation in saturation characteristics is suppressed. Also in this case, since the mask for forming the first semiconductor layer 11 can also be used for forming the third semiconductor layer 13, the total number of masks does not change. Since only the ion implantation step for forming the third semiconductor layer 13 needs to be added, the influence of forming the third semiconductor layer 13 on the manufacturing cost is extremely small.

［第４半導体層の具体的構造］
第３半導体層１３の下には第４半導体層１４が形成される。平面視において、第４半導体層１４の面積は、第３半導体層１３と同一または第３半導体層１３よりも広い面積となる。第４半導体層１４が、第３半導体層１３の下面及び側面を覆えば、第３半導体層１３の下面及び側面のＮ型の不純物の濃度勾配が緩やかになり、急峻な電界が形成されにくくなる。この結果、暗電流の低減が見込まれる。 [Specific structure of the 4th semiconductor layer]
A fourth semiconductor layer 14 is formed under the third semiconductor layer 13. In a plan view, the area of the fourth semiconductor layer 14 is the same as that of the third semiconductor layer 13 or wider than that of the third semiconductor layer 13. If the fourth semiconductor layer 14 covers the lower surface and the side surface of the third semiconductor layer 13, the concentration gradient of N-type impurities on the lower surface and the side surface of the third semiconductor layer 13 becomes gentle, and a steep electric field is less likely to be formed. .. As a result, the dark current is expected to be reduced.

第４半導体層１４は、例えば、第３半導体層１３を構成する元素よりも拡散係数の高い元素によって構成される。例えば、第３半導体層１３は、ヒ素（Ａｓ）によって構成され、第４半導体層１４は、リン（Ｐ）によって構成される。このような元素の拡散係数の違いを利用すれば、第３半導体層１３と同一のマスクを用いて第４半導体層１４が形成されたとしても第３半導体層１３よりも第４半導体層１４の面積を大きくすることができる。つまり、第４半導体層１４を形成するためのマスクを新たに準備する必要がないため、第４半導体層１４を形成することの製造コストへの影響は極めて小さい。 The fourth semiconductor layer 14 is composed of, for example, an element having a higher diffusion coefficient than the elements constituting the third semiconductor layer 13. For example, the third semiconductor layer 13 is composed of arsenic (As), and the fourth semiconductor layer 14 is composed of phosphorus (P). By utilizing such a difference in the diffusion coefficient of the elements, even if the fourth semiconductor layer 14 is formed by using the same mask as the third semiconductor layer 13, the fourth semiconductor layer 14 is more than the third semiconductor layer 13. The area can be increased. That is, since it is not necessary to newly prepare a mask for forming the fourth semiconductor layer 14, the influence of forming the fourth semiconductor layer 14 on the manufacturing cost is extremely small.

［分離領域の具体的構造と効果］
２つのＡＰＤの間には第３半導体層１３同士がショートしないように、分離領域ＳＰが設けられる。分離領域ＳＰは、第３半導体層１３の側方に位置し、Ｐ型の半導体層１５を含む。 [Specific structure and effect of separation area]
A separation region SP is provided between the two APDs so that the third semiconductor layers 13 do not short-circuit each other. The separation region SP is located on the side of the third semiconductor layer 13 and includes the P-type semiconductor layer 15.

半導体層１５は、２つの第３半導体層１３の間に位置し、半導体基板１０の表面に接する。半導体層１５は、第３半導体層１３と接していてもよいが、第３半導体層１３と離して形成されることで、半導体層１５と第３半導体層１３との間にＰ型の半導体基板１０が位置するため、ＰＮ接合の不純物濃度の勾配が緩やかになる。そうすると、結晶欠陥が比較的多数存在する半導体基板１０の界面において強電界が形成されにくくなり、暗電流の低減効果、及び、第３半導体層１３の側面のブレークダウン耐圧が向上される効果が見込まれる。半導体基板１０のうち第３半導体層１３の近傍に位置する部分は、第３半導体層１３からの不純物拡散により不純物がある程度高濃度化することも考えられるが、電界が十分に緩和されている限り問題はない。 The semiconductor layer 15 is located between the two third semiconductor layers 13 and is in contact with the surface of the semiconductor substrate 10. The semiconductor layer 15 may be in contact with the third semiconductor layer 13, but by being formed separately from the third semiconductor layer 13, a P-type semiconductor substrate is formed between the semiconductor layer 15 and the third semiconductor layer 13. Since 10 is located, the gradient of the impurity concentration of the PN junction becomes gentle. Then, a strong electric field is less likely to be formed at the interface of the semiconductor substrate 10 in which a relatively large number of crystal defects are present, and the effect of reducing dark current and the effect of improving the breakdown voltage of the side surface of the third semiconductor layer 13 are expected. Is done. It is conceivable that the portion of the semiconductor substrate 10 located near the third semiconductor layer 13 has a high concentration of impurities due to the diffusion of impurities from the third semiconductor layer 13, but as long as the electric field is sufficiently relaxed. No problem.

また、半導体層１５は空乏化した状態でＡＰＤ（画素）間を分離する。このような構成によれば、半導体層１５の電位を半導体基板１０に印加される電圧Ｖ_ＲＥＶと同電位にする必要がなくなる。半導体層１５の電位は、ＡＰＤ（画素）間を絶縁するために必要最小限のポテンシャル障壁を形成するように設定されればよく、これにより分離領域ＳＰの幅が狭い状態でも高い電位差が形成されないため、第３半導体層１３の側面のブレークダウンを抑制することがきる。 Further, the semiconductor layer 15 separates APDs (pixels) in a depleted state. According to such a configuration, it is not necessary to make the potential of the semiconductor layer 15 the same potential as the voltage V _REV applied to the semiconductor substrate 10. The potential of the semiconductor layer 15 may be set so as to form a minimum potential barrier necessary for insulating between APDs (pixels), whereby a high potential difference is not formed even when the width of the separation region SP is narrow. Therefore, it is possible to suppress the breakdown of the side surface of the third semiconductor layer 13.

さらに、半導体層１５の電位は半導体層１５を挟む２つの第３半導体層１３の影響に基づいて決定されるため、半導体層１５にコンタクトを配置する必要がなくなる。この結果、分離領域ＳＰの幅（半導体層１５の幅）を狭くすることができる。分離領域ＳＰの幅は、例えば、１μｍ以下まで狭くすることができる。分離領域ＳＰの幅が狭まることで、第１半導体層１１と第２半導体層１２の間に形成される増倍領域の面積を半導体基板１０の面積に対して広くできるため、ＡＰＤの感度を向上することができる。 Further, since the potential of the semiconductor layer 15 is determined based on the influence of the two third semiconductor layers 13 sandwiching the semiconductor layer 15, it is not necessary to arrange contacts on the semiconductor layer 15. As a result, the width of the separation region SP (width of the semiconductor layer 15) can be narrowed. The width of the separation region SP can be narrowed to, for example, 1 μm or less. By narrowing the width of the separation region SP, the area of the multiplication region formed between the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12 can be made wider than the area of the semiconductor substrate 10, so that the sensitivity of APD is improved. can do.

半導体層１５の電位は、半導体層１５の不純物濃度で調整することが可能である。半導体層１５の電位は、半導体層１５の不純物濃度を高くすることでＶ_ＲＥＶに近づき、半導体層１５の不純物濃度を低くすることで第３半導体層１３の電位に近づく。さらに、半導体層１５の電位は、隣り合う第１半導体層１１の間隔、隣り合う第３半導体層１３の間隔、隣り合う第４半導体層１４の間隔により調整することも可能である。半導体層１５の電位は、これらの間隔が広がることでＶ_ＲＥＶに近づき、これらの間隔が狭まることで第１半導体層１１の電位、第３半導体層１３の電位、及び、第４半導体層１４の電位に近づく。 The potential of the semiconductor layer 15 can be adjusted by adjusting the impurity concentration of the semiconductor layer 15. The potential of the semiconductor layer 15 approaches _VREV by increasing the impurity concentration of the semiconductor layer 15, and approaches the potential of the third semiconductor layer 13 by decreasing the impurity concentration of the semiconductor layer 15. Further, the potential of the semiconductor layer 15 can be adjusted by the spacing between the adjacent first semiconductor layers 11, the spacing between the adjacent third semiconductor layers 13, and the spacing between the adjacent fourth semiconductor layers 14. The potential of the semiconductor layer 15 approaches V _REV by widening these intervals, and the potential of the first semiconductor layer 11, the potential of the third semiconductor layer 13, and the potential of the fourth semiconductor layer 14 by narrowing these intervals. Approaching the potential.

半導体層１５の電位は、例えば、ＡＰＤの電圧が非光検出時に３Ｖ、光検出時に最小で０Ｖとなる場合には、半導体層１５が０Ｖ以下となる領域を含むように調整される。これにより、光を検出したとしても画素間に信号電荷が漏れ出すことを防止できる。 The potential of the semiconductor layer 15 is adjusted to include, for example, a region where the semiconductor layer 15 is 0 V or less when the voltage of the APD is 3 V at the time of non-light detection and at least 0 V at the time of light detection. As a result, even if light is detected, it is possible to prevent the signal charge from leaking between the pixels.

以上説明したように、固体撮像素子１００では、第３半導体層１３が形成されることによりダークカウントの発生を低減しつつ、分離領域ＳＰが狭小化されるによりＡＰＤの感度が向上される。つまり、第３半導体層１３及び分離領域ＳＰによれば、高いＳ／Ｎ比を有する固体撮像素子１００が実現される。 As described above, in the solid-state image sensor 100, the formation of the third semiconductor layer 13 reduces the occurrence of dark count, while the separation region SP is narrowed to improve the sensitivity of APD. That is, according to the third semiconductor layer 13 and the separation region SP, the solid-state image sensor 100 having a high S / N ratio is realized.

［ウェルの具体的構造］
固体撮像素子１００は、さらに半導体基板１０上に画素回路を集積化して配置するためのウェル部１６を備える。図４は、固体撮像素子１００を図１のＩＶ−ＩＶ線において切断した場合の断面図である。図４においては、空乏層端が破線で図示されている。 [Concrete structure of well]
The solid-state image sensor 100 further includes a well portion 16 for integrating and arranging pixel circuits on the semiconductor substrate 10. FIG. 4 is a cross-sectional view of the solid-state image sensor 100 cut along the line IV-IV of FIG. In FIG. 4, the end of the depletion layer is shown by a broken line.

ウェル部１６は、Ｎ型の半導体層であるウェル１７を含み、ウェル１７上には、Ｐ型のチャネルを有するトランジスタが配置される。ウェル１７上のＰ型の半導体層１８は、画素回路に含まれるトランジスタのソースまたはドレインに相当する。また、図示していないが、Ｎ型のウェル１７内にＰ型の半導体によって形成されるＰ型ウェルがさらに形成され、Ｐ型ウェル内にＮ型のチャネルを有するトランジスタが配置されてもよい。この場合、第２半導体層１２とＰ型ウェルがショートすることを抑制するため、Ｎ型のウェル１７上の十分内側にＰ型ウェルが配置される。 The well portion 16 includes a well 17 which is an N-type semiconductor layer, and a transistor having a P-type channel is arranged on the well 17. The P-type semiconductor layer 18 on the well 17 corresponds to the source or drain of the transistor included in the pixel circuit. Further, although not shown, a P-type well formed by a P-type semiconductor may be further formed in the N-type well 17, and a transistor having an N-type channel may be arranged in the P-type well. In this case, the P-type well is arranged sufficiently inside the N-type well 17 in order to prevent the second semiconductor layer 12 and the P-type well from short-circuiting.

ＡＰＤと同様に、ウェル部１６は、ウェル１７上に第３半導体層１３及び第４半導体層１４を含む。ウェル部１６の側面は、ＡＰＤの側面と近い不純物プロファイルで形成される。例えば、図４に示されるように、ウェル部１６の側面の形状（第３半導体層１３及び第４半導体層１４の飛び出し具合など）が、ＡＰＤの側面の形状に近づけられれば、ウェル部１６の不純物プロファイルがＡＰＤに近づく。言い換えれば、ウェル部１６の側面の形状と第１半導体層１１の側面の形状とは対称性を有していれば、ウェル部１６の不純物プロファイルがＡＰＤに近づく。これにより、ＡＰＤ及びウェル部１６の間に位置する分離領域ＳＰ（半導体層１５）を、ＡＰＤ間に位置する分離領域ＳＰと同一寸法、及び、同一の不純物濃度にすることで、分離領域ＳＰの電圧を調整することが可能となる。また、ＡＰＤ及びウェル部１６の間に位置する分離領域ＳＰが、ＡＰＤ間に位置する分離領域ＳＰと同一寸法であれば、分離領域ＳＰを形成するためのマスクを作り分ける必要がなくなり、製造コストを削減することが可能となる。 Similar to the APD, the well portion 16 includes a third semiconductor layer 13 and a fourth semiconductor layer 14 on the well 17. The side surface of the well portion 16 is formed with an impurity profile close to the side surface of the APD. For example, as shown in FIG. 4, if the shape of the side surface of the well portion 16 (such as the degree of protrusion of the third semiconductor layer 13 and the fourth semiconductor layer 14) is close to the shape of the side surface of the APD, the well portion 16 Impurity profile approaches APD. In other words, if the shape of the side surface of the well portion 16 and the shape of the side surface of the first semiconductor layer 11 have symmetry, the impurity profile of the well portion 16 approaches APD. As a result, the separation region SP (semiconductor layer 15) located between the APD and the well portion 16 has the same dimensions and the same impurity concentration as the separation region SP located between the APDs. It becomes possible to adjust the voltage. Further, if the separation region SP located between the APD and the well portion 16 has the same dimensions as the separation region SP located between the APDs, it is not necessary to separately make masks for forming the separation region SP, and the manufacturing cost Can be reduced.

また、ウェル部１６の下部の空乏層幅は、増倍領域ＡＭに比べて広い。この構成により、ＡＰＤでは光電変換により検出した信号電荷の増倍が行われる一方で、ウェル部１６の下部ではＡＰＤに対して電界が弱くなるため信号電荷の増倍が発生しにくくなる。トランジスタを動作させるためにウェル部１６は電源により電圧が固定される。ウェル部１６において信号電荷の増倍が発生しにくくなれば、ウェル部１６につながる電源の消費電力を抑制し、ウェル部１６の電圧変動によるノイズも抑制することが可能である。 Further, the width of the depletion layer below the well portion 16 is wider than that of the multiplication region AM. With this configuration, the signal charge detected by photoelectric conversion is multiplied in the APD, while the electric field is weakened with respect to the APD in the lower part of the well portion 16, so that the signal charge is less likely to be multiplied. The voltage of the well portion 16 is fixed by the power supply in order to operate the transistor. If the signal charge is less likely to be multiplied in the well portion 16, the power consumption of the power source connected to the well portion 16 can be suppressed, and the noise due to the voltage fluctuation of the well portion 16 can also be suppressed.

ウェル部１６の下部の空乏層幅を広げるための手段としては、例えば、第１半導体層１１を複数の種類のエネルギーを用いたイオン注入工程により形成し、ウェル部１６については、第１半導体層１１の形成時に行われる高エネルギー側のイオン注入を行わずに形成する方法が考えられる。この方法によれば、ウェル部１６と第２半導体層１２との間の不純物濃度が低減されて濃度勾配が緩やかになるため、ウェル部１６の空乏層がＡＰＤよりも深い位置に形成されにくくなる。そうすると、光電変換によって検出された電荷がウェル部１６よりもＡＰＤ側に流れやすくなり、ＡＰＤの感度が向上する。ウェル部１６の下部の空乏層幅を広げるための別の手段としては、ウェル部１６の下方に存在する第２半導体層１２にＮ型の不純物のイオン注入を行い、第２半導体層１２を低濃度化する方法もある。 As a means for widening the width of the depletion layer below the well portion 16, for example, the first semiconductor layer 11 is formed by an ion implantation step using a plurality of types of energies, and the well portion 16 is the first semiconductor layer. A method of forming the eleven without performing the ion implantation on the high energy side, which is performed at the time of forming the eleven, can be considered. According to this method, the impurity concentration between the well portion 16 and the second semiconductor layer 12 is reduced and the concentration gradient becomes gentle, so that the depletion layer of the well portion 16 is less likely to be formed at a position deeper than the APD. .. Then, the electric charge detected by the photoelectric conversion is more likely to flow to the APD side than the well portion 16, and the sensitivity of the APD is improved. As another means for widening the width of the depletion layer below the well portion 16, ion implantation of an N-type impurity is performed into the second semiconductor layer 12 existing below the well portion 16 to lower the second semiconductor layer 12. There is also a method of densifying.

ウェル部１６に形成された半導体層１８は、例えば、転送トランジスタのソースに相当し、ＡＰＤで検出した信号電荷を検出するために、コンタクトプラグおよび配線Ｍを介してＡＰＤと電気的に接続される。半導体層１８は、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等の絶縁手段を用いて、第３半導体層１３との間にトンネル電流が流れるような高濃度なＰＮ接合が形成されないように第３半導体層１３から分離される。 The semiconductor layer 18 formed in the well portion 16 corresponds to, for example, the source of the transfer transistor, and is electrically connected to the APD via a contact plug and a wiring M in order to detect the signal charge detected by the APD. .. The semiconductor layer 18 is a third semiconductor layer using an insulating means such as STI (Shallow-Trench-Isolation) so that a high-concentration PN junction in which a tunnel current flows is not formed with the third semiconductor layer 13. Separated from 13.

図１に示されるように、配線ＭとＡＰＤとを接続するためのコンタクトプラグは、平面視において第３半導体層１３の最外周の角部に配置される。コンタクトプラグは、例えば、第１半導体層１１の外周から０．１μｍ程度内側に配置される。これにより、配線Ｍがほとんど増倍領域ＡＭに重ならないため、開口率が高まることによりＡＰＤの感度が向上する。 As shown in FIG. 1, the contact plug for connecting the wiring M and the APD is arranged at the outermost corner of the third semiconductor layer 13 in a plan view. The contact plug is arranged, for example, about 0.1 μm inside from the outer circumference of the first semiconductor layer 11. As a result, the wiring M hardly overlaps the magnification region AM, so that the aperture ratio is increased and the sensitivity of the APD is improved.

さらに、第３半導体層１３が第１半導体層１１からはみ出すように形成されれば、コンタクトプラグを第１半導体層１１の外側であってかつ第３半導体層１３の内側に形成することができる。つまり、増倍領域ＡＭの直上からさらに遠い位置に配線Ｍを形成することができる。このとき、隣り合う第３半導体層１３の間隔が狭まることで半導体層１５の電位が第３半導体層１３の電位に近づき、ＡＰＤ間（画素間）の分離が弱まる可能性があるが、その場合は半導体層１５の半導体基板１０の表面側の濃度を高濃度化することで、ＡＰＤ間の分離が強化されるよう調整することも可能である。 Further, if the third semiconductor layer 13 is formed so as to protrude from the first semiconductor layer 11, the contact plug can be formed outside the first semiconductor layer 11 and inside the third semiconductor layer 13. That is, the wiring M can be formed at a position further away from directly above the multiplication region AM. At this time, if the distance between the adjacent third semiconductor layers 13 is narrowed, the potential of the semiconductor layer 15 may approach the potential of the third semiconductor layer 13, and the separation between APDs (between pixels) may be weakened. Can be adjusted so that the separation between APDs is strengthened by increasing the concentration on the surface side of the semiconductor substrate 10 of the semiconductor layer 15.

なお、ウェル部１６は、画素回路を配置するために形成されるが、半導体基板１０に画素回路が配置されない（つまり、半導体基板１０にＡＰＤのアレイのみが形成される）ような場合には、半導体基板１０にウェル部１６が形成されなくてもよい。その場合、図２に示す構造を縦方向にも形成することで開口率の高いＡＰＤのアレイが作製可能である。例えば、ＡＰＤのアレイのみが形成された半導体基板１０と、画素回路が形成された別の基板とを接合する構成が知られている。この場合は、別の基板内において高耐圧のウェル部１６が形成される必要はなく、一般的な手法を用いて画素回路及び周辺回路が作製されればよい。半導体基板１０にウェル部１６が形成されない構成によれば、半導体基板１０内に占める増倍領域ＡＭの面積の割合が大きくなるため、ＡＰＤの感度が向上する。 The well portion 16 is formed for arranging the pixel circuits, but when the pixel circuits are not arranged on the semiconductor substrate 10 (that is, only the array of APDs is formed on the semiconductor substrate 10), the well portion 16 is formed. The well portion 16 does not have to be formed on the semiconductor substrate 10. In that case, an array of APDs having a high aperture ratio can be produced by forming the structure shown in FIG. 2 in the vertical direction as well. For example, there is known a configuration in which a semiconductor substrate 10 on which only an array of APDs is formed is joined to another substrate on which a pixel circuit is formed. In this case, it is not necessary to form the well portion 16 having a high withstand voltage in another substrate, and the pixel circuit and the peripheral circuit may be manufactured by using a general method. According to the configuration in which the well portion 16 is not formed on the semiconductor substrate 10, the ratio of the area of the multiplication region AM to the semiconductor substrate 10 is large, so that the sensitivity of the APD is improved.

［画素回路］
以下、画素回路の具体的な構成について補足する。図５は、画素回路の構成の一例を示す図である。固体撮像素子１００は、複数の画素１０１を含む画素アレイ１０２、垂直走査回路１０３、水平走査回路１０４、読み出し回路１０５、及び、バッファアンプ（増幅回路）１１１を備える。 [Pixel circuit]
Hereinafter, the specific configuration of the pixel circuit will be supplemented. FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of the pixel circuit. The solid-state image sensor 100 includes a pixel array 102 including a plurality of pixels 101, a vertical scanning circuit 103, a horizontal scanning circuit 104, a reading circuit 105, and a buffer amplifier (amplifier circuit) 111.

画素１０１は、ＡＰＤ、転送トランジスタＴＲＮ、リセットトランジスタＲＳＴ、浮遊拡散領域ＦＤ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＥＬ、及び、オーバーフロートランジスタＯＶＦを含む画素回路ＰＣを有する。 Pixel 101 includes a pixel circuit PC including an APD, a transfer transistor TRN, a reset transistor RST, a floating diffusion region FD, an amplification transistor SF, a selection transistor SEL, and an overflow transistor OVF.

なお、実施の形態において、単に「トランジスタ」と記載した場合は、ＭＯＳ型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を意味する。ただし、固体撮像素子の画素回路を構成するトランジスタは、ＭＯＳ型トランジスタに限られず、ジャンクション型トランジスタ（ＪＦＥＴ）、バイポーラトランジスタ、または、これらの混在であってもよい。 In the embodiment, when simply described as "transistor", it means a MOS type transistor (MOSFET). However, the transistor constituting the pixel circuit of the solid-state image sensor is not limited to the MOS type transistor, and may be a junction type transistor (JFET), a bipolar transistor, or a mixture thereof.

ＡＰＤによって検出された信号電荷は転送トランジスタＴＲＮを通じて浮遊拡散領域ＦＤに転送され、垂直走査回路１０３および水平走査回路１０４で順次選択された画素で検出された信号電荷の量に対応する信号が増幅トランジスタＳＦを介して読み出し回路１０５に伝送される。画素１０１で得られた信号は読み出し回路１０５からバッファアンプ１１１を経て信号処理回路（図示せず）に出力され、信号処理回路（図示せず）でホワイトバランス等の信号処理が施された後にディスプレイ（図示せず）またはメモリ（図示せず）に転送され、画像化することが可能となる。 The signal charge detected by the APD is transferred to the floating diffusion region FD through the transfer transistor TRN, and the signal corresponding to the amount of the signal charge detected in the pixels sequentially selected by the vertical scanning circuit 103 and the horizontal scanning circuit 104 is the amplification transistor. It is transmitted to the read circuit 105 via SF. The signal obtained by the pixel 101 is output from the read circuit 105 to the signal processing circuit (not shown) via the buffer amplifier 111, and is displayed after being subjected to signal processing such as white balance by the signal processing circuit (not shown). It can be transferred to a memory (not shown) or a memory (not shown) and imaged.

また、オーバーフロートランジスタＯＶＦは、ＡＰＤの電位が一定値となったときに電流が流れ始める保護素子である。つまり、オーバーフロートランジスタＯＶＦは、ＡＰＤに印加される電圧を制限する。オーバーフロートランジスタＯＶＦによれば、ＡＰＤが高い増倍率で光を検出した場合に、ＡＰＤの電圧が転送トランジスタＴＲＮの破壊耐圧を超える前にオーバーフロートランジスタＯＶＦに電流が流れ始める。また、ＡＰＤが強い光を検出することによりリセット時の電圧から負の電圧に振れたときにもＡＰＤの電圧が転送トランジスタＴＲＮの破壊耐圧を超える前にオーバーフロートランジスタＯＶＦに電流が流れ始める。つまり、オーバーフロートランジスタＯＶＦによれば、固体撮像素子１００は、ＡＰＤの電圧がトランジスタの破壊耐圧に到達しないように設計できる。ＡＰＤに印加される電圧の上限は、オーバーフロートランジスタＯＶＦの閾値電圧、オーバーフロートランジスタＯＶＦのゲートに印加される電圧、またはオーバーフロートランジスタＯＶＦのドレイン電圧（ＶＯＶＦ）で調整が可能である。 Further, the overflow transistor OVF is a protective element in which a current starts to flow when the potential of the APD reaches a constant value. That is, the overflow transistor OVF limits the voltage applied to the APD. According to the overflow transistor OVF, when the APD detects light at a high magnification, a current starts to flow in the overflow transistor OVF before the voltage of the APD exceeds the breakdown breakdown voltage of the transfer transistor TRN. Further, when the APD detects strong light and swings from the voltage at the time of reset to a negative voltage, a current starts to flow in the overflow transistor OVF before the voltage of the APD exceeds the breakdown voltage of the transfer transistor TRN. That is, according to the overflow transistor OVF, the solid-state image sensor 100 can be designed so that the voltage of the APD does not reach the breaking voltage of the transistor. The upper limit of the voltage applied to the APD can be adjusted by the threshold voltage of the overflow transistor OVF, the voltage applied to the gate of the overflow transistor OVF, or the drain voltage (VOVF) of the overflow transistor OVF.

画素回路ＰＣを構成する５つのトランジスタは全てＰチャネル型のＭＯＳトランジスタである。つまり、画素回路ＰＣには、Ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタのみが含まれる。これにより、Ｐ型のウェルが必要となるＮチャネル型のＭＯＳトランジスタが画素回路ＰＣ内に存在しないため、ウェル部１６の構成が単純化され、画素回路ＰＣに必要な面積が縮小される。画素回路ＰＣに必要な面積が縮小されれば、複数のＡＰＤに割り当てられる面積を広くすることができるため、開口率が拡大される。 The five transistors that make up the pixel circuit PC are all P-channel type MOS transistors. That is, the pixel circuit PC includes only P-channel type MOS transistors. As a result, since the N-channel type MOS transistor that requires the P-type well does not exist in the pixel circuit PC, the configuration of the well portion 16 is simplified and the area required for the pixel circuit PC is reduced. If the area required for the pixel circuit PC is reduced, the area allocated to the plurality of APDs can be increased, so that the aperture ratio is increased.

なお、垂直走査回路１０３及び水平走査回路１０４など、画素アレイ１０２外の素子については、半導体基板１０に逆バイアスの電圧Ｖ_ＲＥＶが印加された状態においても駆動可能なように高耐圧のウェル上に配置される。例えば、垂直走査回路１０３及び水平走査回路１０４等の下部の第２半導体層１２の濃度を打ち消すようにＮ型の不純物の注入を実施することで不純物濃度を低濃度化することで電界を弱め、ウェルを高耐圧化してもよい。あるいは、垂直走査回路１０３及び水平走査回路１０４などは、ドライエッチなどにより逆バイアスの電圧Ｖ_ＲＥＶが印加される画素領域から分断された領域に配置される。 The elements outside the pixel array 102, such as the vertical scanning circuit 103 and the horizontal scanning circuit 104, are placed on the well with high withstand voltage so that they can be driven even when the reverse bias voltage V _REV is applied to the semiconductor substrate 10. Be placed. For example, the electric field is weakened by lowering the impurity concentration by injecting N-type impurities so as to cancel the concentration of the lower second semiconductor layer 12 of the vertical scanning circuit 103 and the horizontal scanning circuit 104. The pressure resistance of the well may be increased. Alternatively, the vertical scanning circuit 103, the horizontal scanning circuit 104, and the like are arranged in a region separated from the pixel region to which the reverse bias voltage V _REV is applied by dry etching or the like.

また、図５に示される画素回路ＰＣでは、画素アレイ１０２に、周辺回路（垂直走査回路１０３、水平走査回路１０４、読み出し回路１０５、バッファアンプ１１１）が付加されていたが、固体撮像素子１００には、必ずしも周辺回路が含まれなくてもよい。また、画素回路ＰＣは、５個のトランジスタ（転送トランジスタＴＲＮ、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＥＬ、及び、オーバーフロートランジスタＯＶＦ）と浮遊拡散領域ＦＤとで構成されたが、画素回路ＰＣは、このような構成に限られず、固体撮像素子１００が動作可能な範囲でより多い個数または少ない個数のトランジスタで構成されてもよい。 Further, in the pixel circuit PC shown in FIG. 5, peripheral circuits (vertical scanning circuit 103, horizontal scanning circuit 104, readout circuit 105, buffer amplifier 111) are added to the pixel array 102, but the solid-state image sensor 100 has Does not necessarily include peripheral circuits. Further, the pixel circuit PC is composed of five transistors (transfer transistor TRN, reset transistor RST, amplification transistor SF, selection transistor SEL, and overflow transistor OVF) and a stray diffusion region FD. The configuration is not limited to this, and the solid-state imaging device 100 may be composed of a larger number or a smaller number of transistors within the operable range.

また、画素回路ＰＣの回路構成は一例である。画素回路ＰＣは、ＡＰＤに蓄積している信号電荷の読み出しが可能なその他の回路構成を有してもよい。 Further, the circuit configuration of the pixel circuit PC is an example. The pixel circuit PC may have another circuit configuration capable of reading out the signal charge stored in the APD.

［製造方法］
以下、固体撮像素子１００の製造方法について説明する。図６は、固体撮像素子１００の製造方法のフローチャートである。 [Production method]
Hereinafter, a method for manufacturing the solid-state image sensor 100 will be described. FIG. 6 is a flowchart of a method for manufacturing the solid-state image sensor 100.

まず、半導体基板１０が形成される（Ｓ１１）。具体的には、ベース部１０ａ上にエピタキシャル成長により第２半導体層１２が形成される。第２半導体層１２は、上記図３に示されるようなプロファイルとなるよう、半導体基板１０の深部から半導体基板１０の表面にかけて不純物濃度が徐々に低下するように形成され、この結果、半導体基板１０の表面付近には、比較的濃度の低い半導体層（Ｐ−）が形成される。このように、エピタキシャル成長によって増倍領域ＡＭのＰ型側（第２半導体層１２）が形成されれば、イオン注入法による製造方法よりも増倍領域ＡＭの結晶欠陥が形成されにくいため、ダークカウントの発生が低減される。 First, the semiconductor substrate 10 is formed (S11). Specifically, the second semiconductor layer 12 is formed on the base portion 10a by epitaxial growth. The second semiconductor layer 12 is formed so that the impurity concentration gradually decreases from the deep part of the semiconductor substrate 10 to the surface of the semiconductor substrate 10 so as to have a profile as shown in FIG. 3, and as a result, the semiconductor substrate 10 is formed. A semiconductor layer (P−) having a relatively low concentration is formed in the vicinity of the surface of the above. In this way, if the P-type side (second semiconductor layer 12) of the multiplication region AM is formed by epitaxial growth, crystal defects in the multiplication region AM are less likely to be formed than in the manufacturing method by the ion implantation method, so that the dark count Is reduced.

次に、第１半導体層１１が形成される（Ｓ１２）。具体的には、半導体基板１０に対して、リソグラフィ法を用いて第１半導体層１１の形状が開口されるようにパターニングが行われ、リンやヒ素などのイオン注入によって第１半導体層１１の下部が形成される。その後、第１半導体層１１とウェル部１６とに相当する部分が開口するようにパターニングが行われ、イオン注入工程によって第１半導体層１１の上部とウェル部１６とが形成される。 Next, the first semiconductor layer 11 is formed (S12). Specifically, the semiconductor substrate 10 is patterned by using a lithography method so that the shape of the first semiconductor layer 11 is opened, and the lower portion of the first semiconductor layer 11 is implanted by ion implantation of phosphorus, arsenic, or the like. Is formed. After that, patterning is performed so that the portions corresponding to the first semiconductor layer 11 and the well portion 16 are opened, and the upper portion of the first semiconductor layer 11 and the well portion 16 are formed by the ion implantation step.

このような製造方法によれば、第１半導体層１１の側面とウェル部１６の側面とが同一の不純物プロファイルとなるため、分離領域ＳＰの構成を簡素化することが可能となる。 According to such a manufacturing method, the side surface of the first semiconductor layer 11 and the side surface of the well portion 16 have the same impurity profile, so that the configuration of the separation region SP can be simplified.

続いて、熱処理により注入された不純物を活性化し、結晶欠陥を回復させる。これにより増倍領域ＡＭの結晶欠陥が低減されるため、ダークカウントの発生が低減される。このように、増倍領域ＡＭを構成する半導体層がその他の半導体領域よりも先に形成されれば、より高温・長時間の熱処理を実施できるため結晶欠陥を低減することが可能である。 Subsequently, the impurities injected by the heat treatment are activated to recover the crystal defects. As a result, crystal defects in the magnification region AM are reduced, so that the occurrence of dark count is reduced. As described above, if the semiconductor layer constituting the magnification region AM is formed before the other semiconductor regions, heat treatment at a higher temperature and for a longer time can be performed, so that crystal defects can be reduced.

その後、第３半導体層１３、第４半導体層１４、ＳＴＩ、半導体層１５、半導体層１８、ゲート絶縁膜、ゲート電極、層間絶縁膜、コンタクトプラグ、及び、配線Ｍ等が一般的な手法を用いて形成される（Ｓ１３）。ステップＳ１３では、例えば、リソグラフィ法、イオン注入法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、熱酸化法、及び、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが用いられる。 After that, the third semiconductor layer 13, the fourth semiconductor layer 14, STI, the semiconductor layer 15, the semiconductor layer 18, the gate insulating film, the gate electrode, the interlayer insulating film, the contact plug, the wiring M, and the like use general methods. Is formed (S13). In step S13, for example, a lithography method, an ion implantation method, a dry etching method, a wet etching method, a thermal oxidation method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and the like are used.

なお、ステップＳ１２において、第１半導体層１１の上部、及び、ウェル部１６を形成する際に、第３半導体層１３、及び、第４半導体層１４も合わせて形成されてもよい。これにより、ＡＰＤの製造ばらつきを低減することが可能である。図１に示されるように第３半導体層１３を第１半導体層１１よりも幅広に形成される場合は、イオン注入工程における注入角度をつける。これにより、第３半導体層１３を第１半導体層１１よりもわずかに幅広に形成しつつ、第３半導体層１３の製造ばらつきを抑制することができる。 In step S12, when the upper portion of the first semiconductor layer 11 and the well portion 16 are formed, the third semiconductor layer 13 and the fourth semiconductor layer 14 may also be formed together. This makes it possible to reduce manufacturing variations in APD. When the third semiconductor layer 13 is formed wider than the first semiconductor layer 11 as shown in FIG. 1, the implantation angle in the ion implantation step is set. As a result, it is possible to suppress manufacturing variations in the third semiconductor layer 13 while forming the third semiconductor layer 13 slightly wider than the first semiconductor layer 11.

［効果等］
以上説明したように、固体撮像素子１００は、第１導電型の第１半導体層１１と、第１半導体層１１の下側に接する第２半導体層１２であって第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層１２を含む半導体基板１０と、第１半導体層１１の上方に位置する第１導電型の第３半導体層１３であって、第１半導体層１１よりも不純物濃度が高い第３半導体層１３と、第３半導体層１３の側方に位置する分離領域ＳＰであって、第２導電型の半導体層１５を含む分離領域ＳＰとを備える。第１半導体層１１、及び、第２半導体層１２の境界部には、光電変換により発生した電荷をアバランシェ増倍によって増倍する増倍領域ＡＭが含まれる。平面視において、第３半導体層１３は、増倍領域ＡＭの半分以上の領域と重なる。固体撮像素子１００は、光検出器の一例である。第１導電型は、例えば、Ｎ型であり、第２導電型は、例えば、Ｐ型である。 [Effects, etc.]
As described above, the solid-state imaging device 100 is a second semiconductor layer 11 which is a first conductive type and a second semiconductor layer 12 which is in contact with the lower side of the first semiconductor layer 11 and is different from the first conductive type. The semiconductor substrate 10 including the conductive second semiconductor layer 12 and the first conductive type third semiconductor layer 13 located above the first semiconductor layer 11 have a higher impurity concentration than the first semiconductor layer 11. It includes a third semiconductor layer 13 and a separation region SP which is a separation region SP located on the side of the third semiconductor layer 13 and includes a second conductive type semiconductor layer 15. The boundary between the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12 includes a multiplication region AM in which the electric charge generated by the photoelectric conversion is multiplied by the avalanche multiplication. In a plan view, the third semiconductor layer 13 overlaps with a region of more than half of the magnification region AM. The solid-state image sensor 100 is an example of a photodetector. The first conductive type is, for example, N type, and the second conductive type is, for example, P type.

このような固体撮像素子１００が備える分離領域ＳＰは、空乏化によってＡＰＤを分離できるため、幅狭に形成可能である。分離領域ＳＰが幅狭に形成されることにより、ＡＰＤを密集して配置することができる。また、増倍領域ＡＭの面積を広げることができるため高感度な固体撮像素子１００が実現される。 The separation region SP included in the solid-state image sensor 100 can be formed narrow because the APD can be separated by depletion. By forming the separation region SP narrowly, the APDs can be arranged densely. Further, since the area of the magnification region AM can be expanded, a highly sensitive solid-state image sensor 100 is realized.

また、固体撮像素子１００では、平面視において、第３半導体層１３が増倍領域ＡＭの半分以上の領域と重なることで、半導体基板１０の界面で励起されるキャリアが増倍領域ＡＭに到達することに起因してダークカウントが発生することを抑制することができる。つまり、固体撮像素子１００は、ノイズを低減することが可能である。 Further, in the solid-state image sensor 100, in a plan view, the third semiconductor layer 13 overlaps with a region of half or more of the magnification region AM, so that the carriers excited at the interface of the semiconductor substrate 10 reach the magnification region AM. It is possible to suppress the occurrence of dark count due to this. That is, the solid-state image sensor 100 can reduce noise.

さらに、第３半導体層１３が第１半導体層１１と同一の導電型であることから、平面視において、第３半導体層１３を増倍領域ＡＭよりも広い面積にすることができ、これにより、ノイズ低減効果を高められる。 Further, since the third semiconductor layer 13 is the same conductive type as the first semiconductor layer 11, the third semiconductor layer 13 can have a larger area than the magnification region AM in a plan view, thereby. The noise reduction effect can be enhanced.

以上のように、固体撮像素子１００は、高感度かつ高Ｓ／Ｎ比の画素構造を実現することが可能である。 As described above, the solid-state image sensor 100 can realize a pixel structure having high sensitivity and a high S / N ratio.

また、例えば、固体撮像素子１００は、さらに、第１半導体層１１及び第３半導体層１３の間に位置し、第３半導体層１３の下面及び側面を覆う第１導電型の第４半導体層１４を備える。 Further, for example, the solid-state image sensor 100 is further located between the first semiconductor layer 11 and the third semiconductor layer 13, and is a first conductive type fourth semiconductor layer 14 that covers the lower surface and the side surface of the third semiconductor layer 13. To be equipped.

このような固体撮像素子１００では、第３半導体層１３の下面及び側面の第１導電型の不純物の濃度勾配が緩やかになり、急峻な電界が形成されにくくなる。この結果、暗電流の低減が見込まれる。 In such a solid-state image sensor 100, the concentration gradient of the first conductive type impurities on the lower surface and the side surface of the third semiconductor layer 13 becomes gentle, and it becomes difficult to form a steep electric field. As a result, the dark current is expected to be reduced.

また、例えば、第４半導体層１４は、第３半導体層１３を構成する不純物元素よりも拡散係数が高い不純物元素によって構成される。 Further, for example, the fourth semiconductor layer 14 is composed of an impurity element having a diffusion coefficient higher than that of the impurity element constituting the third semiconductor layer 13.

このような元素の拡散係数の違いを利用すれば、第３半導体層１３と同一のマスクを用いて第４半導体層１４が形成されたとしても第３半導体層１３よりも第４半導体層１４の面積を大きくすることができる。つまり、第４半導体層１４を形成するためのマスクを新たに準備する必要がないため、第４半導体層１４を低コストで形成することができる。 By utilizing such a difference in the diffusion coefficient of the elements, even if the fourth semiconductor layer 14 is formed by using the same mask as the third semiconductor layer 13, the fourth semiconductor layer 14 is more than the third semiconductor layer 13. The area can be increased. That is, since it is not necessary to newly prepare a mask for forming the fourth semiconductor layer 14, the fourth semiconductor layer 14 can be formed at low cost.

また、例えば、平面視において、第３半導体層１３は、増倍領域ＡＭの全領域と重なる。 Further, for example, in a plan view, the third semiconductor layer 13 overlaps the entire region of the magnification region AM.

このように、第３半導体層１３が広く形成されれば、ノイズ低減効果を高められる。 If the third semiconductor layer 13 is formed widely in this way, the noise reduction effect can be enhanced.

また、例えば、固体撮像素子１００は、さらに、第１導電型の半導体層であるウェル１７を含むウェル部１６を備える。分離領域ＳＰは、第１半導体層１１とウェル部１６との間に位置し、ウェル部１６の側面の形状と第１半導体層１１の側面の形状とは対称性を有する。 Further, for example, the solid-state imaging device 100 further includes a well portion 16 including a well 17 which is a first conductive type semiconductor layer. The separation region SP is located between the first semiconductor layer 11 and the well portion 16, and has symmetry between the shape of the side surface of the well portion 16 and the shape of the side surface of the first semiconductor layer 11.

これにより、ウェル部１６の不純物プロファイルがＡＰＤに近づくため、ＡＰＤ及びウェル部１６の間に位置する分離領域ＳＰ（半導体層１５）を、ＡＰＤ間に位置する分離領域ＳＰと同一寸法、及び、同一の不純物濃度にすることで、分離領域ＳＰの電圧を調整することが可能となる。 As a result, the impurity profile of the well portion 16 approaches the APD, so that the separation region SP (semiconductor layer 15) located between the APD and the well portion 16 has the same dimensions and the same as the separation region SP located between the APDs. It is possible to adjust the voltage of the separation region SP by setting the impurity concentration of.

また、例えば、アバランシェ増倍を生じさせるための逆バイアスが半導体基板１０に印加された状態において、分離領域ＳＰは空乏化する。 Further, for example, in a state where a reverse bias for causing avalanche multiplication is applied to the semiconductor substrate 10, the separation region SP is depleted.

また、例えば、第２半導体層１２の不純物濃度は、第１半導体層１１に近い部分ほど低い。 Further, for example, the impurity concentration of the second semiconductor layer 12 is lower as it is closer to the first semiconductor layer 11.

これにより、ビルトインポテンシャルにより半導体基板１０の深部で光電変換が行われた場合に発生したキャリアのうちの電子が半導体基板１０の表面に向かって流れるようポテンシャル勾配が形成される。この結果、ＡＰＤの赤色光または近赤外光などの長波長の光に対する感度が向上する。 As a result, a potential gradient is formed so that the electrons of the carriers generated when the photoelectric conversion is performed in the deep part of the semiconductor substrate 10 by the built-in potential flow toward the surface of the semiconductor substrate 10. As a result, the sensitivity of APD to long wavelength light such as red light or near infrared light is improved.

また、第２半導体層１２が不純物濃度の勾配を有していれば、空乏層を半導体基板１０の深部に延ばす必要がなくなることで、固体撮像素子１００が備えるＡＰＤのブレークダウン電圧を、一般的に知られているリーチスルー型のＡＰＤよりも低減することが可能となる。 Further, if the second semiconductor layer 12 has a gradient of impurity concentration, it is not necessary to extend the depletion layer to the deep part of the semiconductor substrate 10, so that the breakdown voltage of the APD included in the solid-state image sensor 100 is generally set. It is possible to reduce the amount of APD as compared with the reach-through type APD known to.

（その他の実施の形態）
以上、実施の形態に係る固体撮像素子について説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。 (Other embodiments)
Although the solid-state image sensor according to the embodiment has been described above, the present disclosure is not limited to the above embodiment.

例えば、上記実施の形態では、固体撮像素子について説明されたが、本開示は、画像を撮像しない固体撮像素子以外の光検出器（言い換えれば、光センサ）として実現されてもよい。 For example, in the above embodiment, the solid-state image sensor has been described, but the present disclosure may be realized as a photodetector (in other words, an optical sensor) other than the solid-state image sensor that does not capture an image.

また、上記実施の形態において説明に用いられた数字は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数字に制限されない。 In addition, the numbers used in the description in the above-described embodiment are all examples for concretely explaining the present disclosure, and the present disclosure is not limited to the illustrated numbers.

また、上記実施の形態で説明された回路構成は、一例であり、本開示は上記回路構成に限定されない。つまり、上記回路構成と同様に、本開示の特徴的な機能を実現できる回路も本開示に含まれる。例えば、上記回路構成と同様の機能を実現できる範囲で、ある素子に対して、直列又は並列に、スイッチング素子（トランジスタ）、抵抗素子、または容量素子等の素子が接続されたものも本開示に含まれる。 Further, the circuit configuration described in the above embodiment is an example, and the present disclosure is not limited to the above circuit configuration. That is, similarly to the above circuit configuration, a circuit capable of realizing the characteristic functions of the present disclosure is also included in the present disclosure. For example, the present disclosure also discloses an element in which elements such as a switching element (transistor), a resistance element, or a capacitive element are connected in series or in parallel to a certain element within a range in which the same function as the above circuit configuration can be realized. included.

また、上記実施の形態では、固体撮像素子が有する積層構造の各層を構成する主たる材料について例示しているが、固体撮像素子が有する積層構造の各層には、上記実施の形態の積層構造と同様の機能を実現できる範囲で他の材料が含まれてもよい。また、図面においては、各構成要素の角部及び辺は直線的に記載されているが、製造上の理由などにより、角部及び辺が丸みを帯びたものも本開示に含まれる。 Further, in the above-described embodiment, the main materials constituting each layer of the laminated structure of the solid-state image sensor are illustrated, but each layer of the laminated structure of the solid-state image sensor has the same structure as that of the above-described embodiment. Other materials may be included as long as the functions of the above can be realized. Further, in the drawings, the corners and sides of each component are shown linearly, but the present disclosure also includes those having rounded corners and sides due to manufacturing reasons and the like.

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。例えば、本開示は、固体撮像素子の製造方法として実現されてもよい。 In addition, it is realized by applying various modifications to each embodiment that can be conceived by those skilled in the art, or by arbitrarily combining the components and functions of each embodiment without departing from the gist of the present disclosure. Also included in this disclosure. For example, the present disclosure may be realized as a method for manufacturing a solid-state image sensor.

本開示の固体撮像素子は、ダークカウントの発生を低減することができる固体撮像素子として有用である。 The solid-state image sensor of the present disclosure is useful as a solid-state image sensor capable of reducing the occurrence of dark count.

１０半導体基板
１０ａベース部
１１第１半導体層
１２第２半導体層
１３第３半導体層
１４第４半導体層
１５、１８半導体層
１６ウェル部
１７ウェル
１００固体撮像素子
１０１画素
１０２画素アレイ
１０３垂直走査回路
１０４水平走査回路
１０５読み出し回路
１１１バッファアンプ
ＡＭ増倍領域
ＦＤ浮遊拡散領域
Ｍ配線
ＯＶＦオーバーフロートランジスタ
ＰＣ画素回路
ＲＳＴリセットトランジスタ
ＳＥＬ選択トランジスタ
ＳＦ増幅トランジスタ
ＳＰ分離領域
ＴＲＮ転送トランジスタ 10 Semiconductor substrate 10a Base part 11 1st semiconductor layer 12 2nd semiconductor layer 13 3rd semiconductor layer 14 4th semiconductor layer 15, 18 Semiconductor layer 16 well part 17 well 100 Solid-state imaging element 101 pixel 102 pixel array 103 Vertical scanning circuit 104 Horizontal scanning circuit 105 Read circuit 111 Buffer amplifier AM Multiplying area FD Floating diffusion area M Wiring OVF Overflow transistor PC pixel circuit RST Reset transistor SEL Select transistor SF Amplification transistor SP Separation area TRN Transfer transistor

Claims

The first conductive type first semiconductor layer and
A semiconductor substrate which is a second semiconductor layer in contact with the lower side of the first semiconductor layer and includes a second conductive type second semiconductor layer different from the first conductive type.
A third semiconductor layer of the first conductive type located above the first semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer.
It is a separation region located on the side of the third semiconductor layer, and includes a separation region including the second conductive type semiconductor layer.
The boundary between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer includes a multiplication region in which charges generated by photoelectric conversion are multiplied by avalanche multiplication.
In a plan view, the third semiconductor layer is a photodetector that overlaps with more than half of the magnification region.

The photodetection according to claim 1, further comprising the first conductive type fourth semiconductor layer located between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer and covering the lower surface and the side surface of the third semiconductor layer. vessel.

The photodetector according to claim 2, wherein the fourth semiconductor layer is composed of an impurity element having a diffusion coefficient higher than that of the impurity element constituting the third semiconductor layer.

The photodetector according to any one of claims 1 to 3, wherein the third semiconductor layer overlaps the entire region of the magnification region in a plan view.

Further, a well portion including the first conductive type semiconductor layer is provided.
The separation region is located between the first semiconductor layer and the well portion, and is located between the first semiconductor layer and the well portion.
The photodetector according to any one of claims 1 to 4, wherein the shape of the side surface of the well portion and the shape of the side surface of the first semiconductor layer have symmetry.

The photodetector according to any one of claims 1 to 5, wherein the separated region is depleted when a reverse bias for causing the avalanche multiplication is applied to the semiconductor substrate.

The photodetector according to any one of claims 1 to 6, wherein the impurity concentration of the second semiconductor layer is lower as the portion closer to the first semiconductor layer.