JP2021086851A - 半導体装置および機器 - Google Patents
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Abstract
Description
前記複数の画素のうちの1つの画素は、前記半導体層の中に設けられた複数のフォトダイオードを含み、
前記半導体層の前記裏面における前記1つの画素の受光領域を、行方向および列方向のそれぞれにおいて3等分して得られる9つの区画は、第1区画と、第2区画、第3区画、第4区画、第5区画、第6区画、第7区画、第8区画および第9区画を含む8つの区画と、を含み、前記第1区画は、前記第2区画と前記第3区画の間かつ前記第4区画と前記第5区画との間に位置し、
前記裏面に垂直な方向において前記第1区画に重なる位置に、前記複数のフォトダイオードのうちの或るフォトダイオードに含まれる第1光電変換部が配され、
前記裏面に垂直な方向において前記第2区画に重なる位置に、前記或るフォトダイオードとは別のフォトダイオードに含まれる第2光電変換部が配され、
前記裏面に垂直な方向において前記第3区画に重なる位置に、前記或るフォトダイオードとは別のフォトダイオードに含まれる第3光電変換部が配され、
前記半導体層の表面の上には、各々が前記半導体層と共にMIS構造を成す複数の電極が設けられており、
前記複数の電極の少なくとも1つの電極は、前記裏面に垂直な方向において、前記8つの区画の少なくとも1つの区画に重なることを特徴とする。
図3、図4、図5用いて実施形態1を説明する。実施形態1においては、図2の破線で囲んだ部分Vに位置する構成要素と破線で囲んだ部分Wに位置する構成要素は半導体装置930に含まれなくてよい。図3は実施形態1における画素の平面図である。図3の上側の図には、表面FS側の構成要素が示されており、図3の下側の図には、平面HPの構成要素が示されている。表面FS側および平面HP側において、裏面BSの受光領域11の9つの区画B1〜B9を重ねて記載している。また、表面FS側および平面HP側において、表面FSのうちの、裏面BSの受光領域11(区画B1〜B9)に重ならない領域である、非重複領域B0を重ねて記載している。非重複領域B0は、裏面BSにいて遮光部22で遮光された遮光領域もしくは区画B1〜B9を有する画素とは別の画素の受光領域に重なる。
図6を用いて実施形態2を説明する。実施形態2において実施形態1と同様であってよい点については説明を省略する。
図7、図9を用いて実施形態3を説明する。図9(a)は図7のA−G線における断面図である。実施形態3において実施形態2と同様であってよい点については説明を省略する。実施形態3は、1つのフォトダイオードPD1に転送電極TX1を2つ設けている点で実施形態2と異なる。電荷保持部FDは区画B4に重なる。2つの転送電極TX1の一方の転送電極TX1は区画B4および/または区画B6に重なる。2つの転送電極TX1の他方の転送電極TX1は区画B4および/または区画B8に重なる。図9(a)に示す様に、フォトダイオードPD1の電荷収集部となる半導体領域CA1は区画B6と区画B8の各々に重なるように、2か所に設けられている。区画B6に重なる半導体領域CA1と、区画B8に重なる半導体領域CA1と、の間に半導体領域WLおよび電荷保持部FDが設けられている。区画B6に重なる半導体領域CA1には区画B5、B9、B2、B6、B4に重なる光電変換部で生じた電荷が主に収集される。区画B8に重なる半導体領域CA1には区画B5、B7、B9、B2、B8、B4に重なる光電変換部で生じた電荷が主に収集される。このように、電荷収集部となる半導体領域CA1を複数に分けて設けることにより、電荷収集効率を向上することができる。電荷保持部FDに接続されたコンタクトプラグPFDが、2つの転送電極TX1の一方の転送電極TX1と他方の転送電極TX1との間に位置する。このように、転送電極TX1を2つ設けることで、フォトダイオードPD1から電荷保持部FDへの電荷の転送効率が向上する。また、1つのフォトダイオードPD1に転送電極AB1および電荷排出部CD1の組を2つ設けている点でも実施形態2と異なる。このようにすることで、フォトダイオードPD1からの電荷のブルーミングを抑制できる。
図8を用いて実施形態4を説明する。実施形態4においては、半導体装置930は図2の破線で囲んだ部分Wに位置する構成要素を含むが、図2の破線で囲んだ部分Vに位置する構成要素は半導体装置930に含まれなくてよい。図9(b)は図8のA−F線における断面図である。実施形態4において実施形態3と同様であってよい点については説明を省略する。実施形態4は、フォトダイオードPD2の両側にフォトダイオードPD1とフォトダイオードPD3を設けている。換言すると、フォトダイオードPD1とフォトダイオードPD3との間にフォトダイオードPD2が位置する。フォトダイオードPD1は区画B6、B2、B9、B5に重なる光電変換部を有し、フォトダイオードPD3は区画B8、B3、B7、B5に重なる光電変換部を有する。フォトダイードPD1とフォトダイオードPD2とを互いに分離するため、区画B5に重なる位置において、フォトダイードPD1の光電変換部とフォトダイオードPD1の光電変換部との間には分離領域ISOが設けられている。このように、フォトダイオードPD1とフォトダイオードPD3を設けることで、フォトダイオードPD1とフォトダイオードPD3とで瞳分割を精度良く行うことができる。そのため、フォトダイオードPD1とフォトダイオードPD3の出力の違いに基づく位相差検出、焦点検出、測距、奥行き情報の取得などを精度良く行うことができる。
図10、図11を用いて実施形態5を説明する。図11は図10のA−F線における断面図である。実施形態5において実施形態2と同様であってよい点については説明を省略する。
図12を用いて実施形態6を説明する。実施形態6においては、半導体装置930は図2の破線で囲んだ部分Wに位置する構成要素を含むが、図2の破線で囲んだ部分Vに位置する構成要素は半導体装置930に含まれなくてよい。実施形態6において実施形態2と同様であってよい点については説明を省略する。実施形態6では、フォトダイオードPD2の両側にフォトダイオードPD1が位置し、フォトダイオードPD2の両側にフォトダイオードPD3が位置する。フォトダイオードPD1とフォトダイオードPD2の間にフォトダイオードPD3が位置する。フォトダイードPD1とフォトダイオードPD2とを互いに分離するため、区画B5に重なる位置において、フォトダイードPD1の光電変換部とフォトダイオードPD1の光電変換部との間には分離領域ISOが設けられている。フォトダイオードPD1、PD3は区画B2〜B6、B2、B9、B5に重なる光電変換部を有する。フォトダイオードPD1の2つの電荷収集部は非重複領域B0に配され、フォトダイオードPD3の2つ電荷収集部は区画B6、B8にそれぞれ配される。転送電極AB1に接続された電荷排出部CD1と転送電極AB3に接続された電荷排出部CD3は共通になっている。電荷保持部FDおよびコンタクトプラグPFDは区画B4に重なる。2つの転送電極TX3は区画B4に重なる。転送電極TX1は非重複領域B0に重なる。2つの転送電極AB1の一方は区画B6および/または非重複領域B0に重なり、2つの転送電極AB1の他方は区画B8および/または非重複領域B0に重なる。
図13、15(b)を用いて実施形態7を説明する。実施形態7においては、半導体装置930は図2の破線で囲んだ部分Wに位置する構成要素を含むが、図2の破線で囲んだ部分Vに位置する構成要素は半導体装置930に含まれなくてよい。図15(b)は、図13のJ−J’線における断面図である。実施形態7において実施形態6と同様であってよい点については説明を省略する。実施形態7は、複数の画素PX1〜PX4で電荷保持部FDおよび/または電荷排出部CD1を共有している点で、他の実施形態と異なる。
図13、15(b)を用いて実施形態8を説明する。図15(b)は、図13のK−K’線における断面図である。実施形態8において実施形態7と同様であってよい点については説明を省略する。実施形態8は、電荷排出部CD2を設けている点で、他の実施形態と異なる。実施形態8においては、半導体装置930は図2の破線で囲んだ部分Wに位置する構成要素と、図2の破線で囲んだ部分Vに位置する構成要素とを含む。
実施形態9は実施形態1〜8のいずれにも適用可能である。図16(a)は本実施形態の半導体装置930を備えた機器9191を説明する模式図である。半導体装置930を備える機器9191について詳細に説明する。半導体装置930は、上述のように、半導体層10を有する半導体デバイス910のほかに、半導体デバイス910を収容するパッケージ920を含むことができる。パッケージ920は、半導体デバイス910が固定された基体と、半導体デバイス910に対向するガラスなどの蓋体と、を含むことができる。パッケージ920は、さらに、基体に設けられた端子と半導体デバイス910に設けられた端子とを接続するボンディングワイヤやバンプなどの接合部材を含むことができる。
FS 表面
BS 裏面
11 受光領域
B1〜B9 区画
PG 画素
PD1 フォトダイオード
PD2 フォトダイオード
25 電極
Claims (24)
- 行列状に配された複数の画素を有し、表面および裏面を有する半導体層を備える半導体装置であって、
前記複数の画素のうちの1つの画素は、前記半導体層の中に設けられた複数のフォトダイオードを含み、
前記半導体層の前記裏面における前記1つの画素の受光領域を、行方向および列方向のそれぞれにおいて3等分して得られる9つの区画は、第1区画と、第2区画、第3区画、第4区画、第5区画、第6区画、第7区画、第8区画および第9区画を含む8つの区画と、を含み、前記第1区画は、前記第2区画と前記第3区画の間かつ前記第4区画と前記第5区画との間に位置し、
前記裏面に垂直な方向において前記第1区画に重なる位置に、前記複数のフォトダイオードのうちの或るフォトダイオードに含まれる第1光電変換部が配され、
前記裏面に垂直な方向において前記第2区画に重なる位置に、前記或るフォトダイオードとは別のフォトダイオードに含まれる第2光電変換部が配され、
前記裏面に垂直な方向において前記第3区画に重なる位置に、前記或るフォトダイオードとは別のフォトダイオードに含まれる第3光電変換部が配され、
前記半導体層の表面の上には、各々が前記半導体層と共にMIS構造を成す複数の電極が設けられており、
前記複数の電極の少なくとも1つの電極は、前記裏面に垂直な方向において、前記8つの区画の少なくとも1つの区画に重なることを特徴とする半導体装置。 - 前記複数の電極の少なくとも1つの電極は、前記裏面に垂直な方向において、前記第1区画に重なる、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記複数の電極のうち、前記1つの画素に対応づけられた電極の少なくとも1つの電極は、前記表面に垂直な方向において、前記半導体層の前記表面のうち前記受光領域に重ならない領域に設けられる、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記半導体層の前記表面の側にはSTI構造を有する素子分離部が設けられており、
前記複数の電極の少なくとも1つの電極は、前記裏面に垂直な方向において、前記8つの区画の少なくとも1つの区画に重なり、かつ、前記表面に垂直な方向において前記素子分離部に重なる、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記複数の電極は、前記第1光電変換部で生じた電荷を前記半導体層の中に設けられた電荷保持部へ転送するための第1転送電極と、前記第2光電変換部で生じた電荷を前記電荷保持部へ転送するための第2転送電極と、を含む、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1転送電極は、前記裏面に垂直な方向において、前記第1区画に重なる、請求項5に記載の半導体装置。
- 前記第1転送電極は、前記裏面に垂直な方向において、前記8つの区画の少なくとも1つの区画に重なる、請求項5または6に記載の半導体装置。
- 前記電荷保持部に接続されたコンタクトプラグが、前記裏面に垂直な方向において、前記第1区画に重なる、請求項5乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記複数の電極は、前記電荷保持部へ接続された、MIS型のキャパシタを構成するキャパシタ電極を含み、前記キャパシタ電極は、前記裏面に垂直な方向において、前記8つの区画の少なくとも2つの区画に重なる、請求項5乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記複数の電極は、前記第2光電変換部で生じた電荷を前記半導体層の中に設けられた電荷排出部へ転送するための第3転送電極を含み、前記第3転送電極が、前記裏面に垂直な方向において、前記8つの区画の少なくとも1つの区画に重なる、請求項5乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第2転送電極および前記第3転送電極が、前記裏面に垂直な方向において、前記第4区画に重なる、請求項10に記載の半導体装置。
- 前記電荷排出部に接続されたコンタクトプラグが、前記表面に垂直な方向において、前記半導体層の前記表面のうちの前記受光領域に重ならない領域に接触する、請求項10または11に記載の半導体装置。
- 前記複数の電極は、前記第3光電変換部で生じた電荷を前記電荷保持部へ転送するための第4転送電極を含み、前記電荷保持部に接続されたコンタクトプラグが、前記第3転送電極と前記第4転送電極との間に位置する、請求項10乃至12のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記電荷保持部および前記電荷排出部の少なくとも一方が、前記1つの画素とは別の画素に共有されている、請求項5乃至13のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記電荷保持部に接続されたコンタクトプラグが、前記第1転送電極と前記第2転送電極との間に位置する、請求項5乃至14のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記表面からの距離がD以上かつ3×D未満である範囲には、前記裏面に垂直な方向において前記8つの区画に重なるように第1導電型の第1半導体領域が配され、
前記表面からの距離がD未満である範囲には、前記表面に垂直な方向における前記第1半導体領域と前記表面との間に第2導電型の第2半導体領域が配され、
前記表面に垂直な方向における前記第1半導体領域と前記表面との間に前記第1導電型の第3半導体領域が配され、
前記表面と前記裏面との距離がTであり、D=T/4である、請求項1乃至15のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第1半導体領域は、前記裏面に垂直な方向において前記第4区画に重なる第1部分と、前記裏面に垂直な方向において前記第2区画に重なる第2部分と、前記裏面に垂直な方向において前記第5部分に重なる第3部分と、を含み、前記第1部分の不純物濃度が前記第2部分の不純物濃度よりも高く、前記第3部分の不純物濃度が前記第2部分の不純物濃度よりも低い、請求項1乃至16のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第2半導体領域が前記第1半導体領域を囲む、請求項16または17に記載の半導体装置。
- 前記裏面の上には複数のマイクロレンズが設けられており、前記複数のマイクロレンズの1つのマイクロレンズが、前記裏面に垂直な方向において、前記9つの区画のうちの少なくとも4つの区画に重なる、請求項1乃至18のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記複数のフォトダイオードは、入れ子構造を有する第1フォトダイオードおよび第2フォトダイオードを含み、前記第1フォトダイオードが前記第1光電変換部を含み、前記第2フォトダイオードが前記第2光電変換部および前記第3光電変換部を含む、請求項1乃至19のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記複数の電極の1つは、前記第1フォトダイオードの電荷に基づく信号および前記第2フォトダイオードの電荷に基づく信号を生成する増幅トランジスタのゲート電極である、請求項20に記載の半導体装置。
- 請求項1乃至21のいずれか1項に記載の半導体装置を備える機器であって、
前記半導体装置に対応した光学装置、
前記半導体装置を制御する制御装置、
前記半導体装置から出力された信号を処理する処理装置、
前記半導体装置で得られた情報を表示する表示装置、
前記半導体装置で得られた情報を記憶する記憶装置、および、
前記半導体装置で得られた情報に基づいて動作する機械装置、の少なくともいずれかを更に備えることを特徴とする機器。 - 請求項1乃至21のいずれか1項に記載の半導体装置と、
前記半導体装置を移動させるための機械装置と、を備える輸送機器。 - 前記半導体装置で得られた情報を用いて前記輸送機器の運転支援および/または自動運転を行う、請求項23に記載の輸送機器。
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