JP6984687B2 - 固体撮像素子、および電子装置 - Google Patents
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Description
本技術の第3の側面である固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板内に形成され、入射光に応じて電荷を発生させて保持する第1の電荷保持部と、前記半導体基板内に形成され、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに前記第1の電荷保持部に隣接して設けられた第2の電荷保持部と、前記半導体基板内に形成され、導電型および不純物濃度が前記第1の電荷保持部と等しく、前記第1の電荷保持部で飽和した電荷が排出される第1の半導体領域と、前記半導体基板内に形成され、前記第1の電荷保持部から前記第1の半導体領域に流れる電荷の障壁となる第2の半導体領域と、前記半導体基板内における光が入射する側の面とは反対側の面に形成された第3の半導体領域と、一部が前記半導体基板に埋め込まれ、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに前記第1の半導体領域と重なるとともに、一方の端が前記第1の半導体領域に接し、かつ前記第2の半導体領域に接しない位置に形成され、他方の端が前記半導体基板における光が入射する側の面とは反対側の面に設けられているゲートとを備え、前記第2の半導体領域は、前記第1の半導体領域と前記第1の電荷保持部との間に形成され、前記第3の半導体領域は、前記ゲートと隣接して設けられており、前記ゲートは、前記第1の電荷保持部に電荷が蓄積したときの前記第1の電荷保持部に生じる電位よりも高い電圧に固定され、前記第2の半導体領域のポテンシャルは、前記第1の半導体領域および前記第1の電荷保持部のポテンシャルよりも高い。
図2は、本技術の実施の形態である固体撮像素子の第1の構成例を示すブロック断面図である。なお、図2は、1画素分を図示しており、図1に示された従来のCISと共通する構成要素については同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
次に、固体撮像素子30の第1の構成例の製造方法を説明する。図4は、固体撮像素子30の第1の構成例の製造過程を示している。
図5は、本技術の実施の形態である固体撮像素子の第2の構成例を示すブロック断面図である。なお、図5は、1画素分を図示しており、図2に示された第1の構成例と共通する構成要素については同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
次に、固体撮像素子30の第2の構成例の製造方法を説明する。図7は、固体撮像素子30の第2の構成例の製造過程を示している。
図8は、本技術の実施の形態である固体撮像素子の第3の構成例を示すブロック断面図である。なお、図8は、1画素分を図示しており、図2に示された第1の構成例または第図5に示された第2の構成例と共通する構成要素については同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
上述したように、PD31から飽和した電荷の排出先である高濃度OFD34は、PD31に電荷が蓄積しているときのPD31に生じる電位よりも高い電圧に固定する必要がある。そこで、高濃度OFD34の電極がSi基板11の裏面側に存在する場合、Si基板11に貫通電極を設けて表面側の電源と高濃度OFD34とを電気的に接続すればよい。
次に、図12は、電位障壁部32のポテンシャルを制御するための構成例を示している。同図Aは、Si基板11の裏面側にゲート電極81を設けて電位障壁部32と接続した構成例である。この場合、ゲート電極81から所定の電圧を印可することにより、電位障壁部32のポテンシャルを制御することができる。同図Bは、Si基板11の表面側から縦型トランジスタ82を設けた電位障壁部32と接続した構成例である。この場合、縦型トランジスタ82から所定の電圧を印可することにより、電位障壁部32のポテンシャルを制御することができる。
次に、図13および図14は、図2に示された固体撮像素子の第1の構成例の変形例(第1の変形例)として、高濃度OFD34を複数の画素で共有する場合の構成例であり、図13は断面図を、図14は上面図を示している。なお、図14のAおよび図14のBは、高濃度OFD34を2画素で共有する場合の例を示し、図14のCは、高濃度OFD34を4画素で共有する場合の例を示している。
次に、図17は、図5に示された固体撮像素子の第2の構成例の変形例(第4の変形例)を示している。
次に、図18は、図5に示された固体撮像素子の第2の構成例の他の変形例(第5の変形例)である。
次に、図23は、図5に示された固体撮像素子の第2の構成例のさらに他の変形例(第6の変形例)である。具体的には、図17に示された第4の変形例と、図18に示された第5の変形例を組み合わせたものである。図24は、図23に示された第6の変形例の上面図である。
図26は、本技術の実施の形態である固体撮像素子30の使用例を示している。
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
(1)
入射光に応じて電荷を発生、保持する電荷保持部と、
前記電荷保持部で飽和した前記電荷が排出されるOFD部と、
前記電荷保持部から前記OFD部に流れ出る前記電荷の障壁となる電位障壁部と
を半導体基板内の受光面側に備え、
前記OFD部は、同じ型の不純物の濃度が異なる低濃度OFD部および高濃度OFD部から成り、
前記高濃度OFD部と前記電位障壁部は、間隔を開けて形成されている
固体撮像素子。
(2)
前記電荷保持部と前記低濃度OFD部とは、同じ型の不純物の濃度が等しい
前記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)
前記半導体基板の前記受光面とは反対の面から形成され、前記高濃度OFD部に接する第1の縦型トランジスタをさらに備える
前記(1)または(2)に記載の固体撮像素子。
(4)
前記第1の縦型トランジスタと前記電位障壁部は、間隔を開けて形成されている
前記(3)に記載の固体撮像素子。
(5)
前記半導体基板に形成される画素トランジスタと前記電荷保持部との間に、前記第1の縦型トランジスタから横方向に延伸されているドレイン層をさらに備える
前記(3)に記載の固体撮像素子。
(6)
前記ドレイン層は、前記電荷保持部と同じ型の不純物の拡散層から形成されている
前記(5)に記載の固体撮像素子。
(7)
前記半導体基板のウェル領域のうち、所定の画素トランジスタの下部領域と、その他の領域とを電気的に分離する、前記第1の縦型トランジスタから横方向に延伸されているウェル分離層をさらに備える
前記(3)から(6)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(8)
前記ウェル分離層によって電気的に分離された、前記所定の画素トランジスタの前記下部領域の電位は、前記その他の領域の電位よりも低い
前記(7)に記載の固体撮像素子。
(9)
前記所定の画素トランジスタは、AMPトランジスタおよびSELトランジスタである
前記(7)または(8)に記載の固体撮像素子。
(10)
前記所定の画素トランジスタとしての前記AMPトランジスタの入力電圧となるRST電位は、前記AMPトランジスタのドレイン電圧よりも低い
前記(9)に記載の固体撮像素子。
(11)
前記所定の画素トランジスタは、RSTトランジスタである
前記(7)に記載の固体撮像素子。
(12)
前記半導体基板の前記受光面とは反対の面から形成され、前記電荷保持部から前記電荷を読み出す第2の縦型トランジスタをさらに備える
前記(1)から(11)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(13)
前記高濃度OFD部には、前記電荷保持部に電荷が蓄積したときに前記電荷保持部に生じる電圧よりも高い電圧が印可されている
前記(1)から(12)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(14)
前記高濃度OFD部には、前記半導体基板の前記受光面とは反対の面から前記半導体基板を貫く貫通電極を介して供給される、前記電荷保持部に電荷が蓄積したときに前記電荷保持部に生じる電圧よりも高い電圧が印可されている
前記(1)から(13)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(15)
前記貫通電極は、複数の画素毎に設けられ、前記複数の画素により共有される
前記(14)に記載の固体撮像素子。
(16)
前記電位障壁部のポテンシャルを制御する制御部をさらに備える
前記(1)から(15)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(17)
前記高濃度OFD部は、前記複数の画素により共有される
前記(1)から(16)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(18)
前記電荷保持部は、前記半導体基板内に複数層積層されている
前記(1)から(17)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(19)
前記半導体基板の前記受光面の外側に形成された光電変換膜を
さらに備える前記(1)から(18)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(20)
固体撮像素子が搭載された電子装置において、
前記固体撮像素子は、
入射光に応じて電荷を発生、保持する電荷保持部と、
前記電荷保持部で飽和した前記電荷が排出されるOFD部と、
前記電荷保持部から前記OFD部に流れ出る前記電荷の障壁となる電位障壁部と
を半導体基板内の受光面側に備え、
前記OFD部は、同じ型の不純物の濃度が異なる低濃度OFD部および高濃度OFD部から成り、
前記高濃度OFD部と前記電位障壁部は、間隔を開けて形成されている
電子装置。
Claims (13)
- 半導体基板と、
前記半導体基板内に形成され、入射光に応じて電荷を発生させて保持する電荷保持部と、
前記半導体基板内に形成され、導電型および不純物濃度が前記電荷保持部と等しく、前記電荷保持部で飽和した電荷が排出される第1の半導体領域と、
前記半導体基板内における前記電荷保持部と前記第1の半導体領域との間に形成され、前記電荷保持部から前記第1の半導体領域に流れる電荷の障壁となる第2の半導体領域と、
一部が前記半導体基板に埋め込まれ、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに前記第1の半導体領域と重なるとともに、一方の端が前記第1の半導体領域に接し、かつ前記第2の半導体領域に接しない位置に形成され、他方の端が前記半導体基板における光が入射する側の面とは反対側の面に設けられているゲートと
を備え、
前記ゲートは、前記電荷保持部に電荷が蓄積したときの前記電荷保持部に生じる電位よりも高い電圧に固定され、
前記第2の半導体領域のポテンシャルは、前記第1の半導体領域および前記電荷保持部のポテンシャルよりも高い
固体撮像素子。 - 前記電荷保持部、前記第1の半導体領域、および前記第2の半導体領域はN型半導体領域であり、前記電荷保持部または前記第1の半導体領域におけるN型の不純物濃度は1E16乃至1E18/cm3である
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記ゲートの前記一方の端は前記第1の半導体領域に囲まれている
請求項1または請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記半導体基板の光が入射する側の面とは反対側の面における、前記ゲートに隣接する位置に形成された第3の半導体領域をさらに備える
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の固体撮像素子。 - 前記ゲートは、前記電荷保持部を有する複数の画素により共有される
請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の固体撮像素子。 - 固体撮像素子が搭載された電子装置において、
前記固体撮像素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板内に形成され、入射光に応じて電荷を発生させて保持する電荷保持部と、
前記半導体基板内に形成され、導電型および不純物濃度が前記電荷保持部と等しく、前記電荷保持部で飽和した電荷が排出される第1の半導体領域と、
前記半導体基板内における前記電荷保持部と前記第1の半導体領域との間に形成され、前記電荷保持部から前記第1の半導体領域に流れる電荷の障壁となる第2の半導体領域と、
一部が前記半導体基板に埋め込まれ、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに前記第1の半導体領域と重なるとともに、一方の端が前記第1の半導体領域に接し、かつ前記第2の半導体領域に接しない位置に形成され、他方の端が前記半導体基板における光が入射する側の面とは反対側の面に設けられているゲートと
を備え、
前記ゲートは、前記電荷保持部に電荷が蓄積したときの前記電荷保持部に生じる電位よりも高い電圧に固定され、
前記第2の半導体領域のポテンシャルは、前記第1の半導体領域および前記電荷保持部のポテンシャルよりも高い
電子装置。 - 半導体基板と、
前記半導体基板内に形成され、入射光に応じて電荷を発生させて保持する第1の電荷保持部と、
前記半導体基板内に形成され、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに前記第1の電荷保持部に隣接して設けられた第2の電荷保持部と、
前記半導体基板内に形成され、導電型および不純物濃度が前記第1の電荷保持部と等しく、前記第1の電荷保持部で飽和した電荷が排出される第1の半導体領域と、
前記半導体基板内に形成され、前記第1の電荷保持部から前記第1の半導体領域に流れる電荷の障壁となる第2の半導体領域と、
前記半導体基板内における光が入射する側の面とは反対側の面に形成された第3の半導体領域と、
一部が前記半導体基板に埋め込まれ、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに前記第1の半導体領域と重なるとともに、一方の端が前記第1の半導体領域に接し、かつ前記第2の半導体領域に接しない位置に形成され、他方の端が前記半導体基板における光が入射する側の面とは反対側の面に設けられているゲートと
を備え、
前記第2の半導体領域は、前記第1の半導体領域と前記第1の電荷保持部との間に形成され、
前記第3の半導体領域は、前記ゲートと隣接して設けられており、
前記ゲートは、前記第1の電荷保持部に電荷が蓄積したときの前記第1の電荷保持部に生じる電位よりも高い電圧に固定され、
前記第2の半導体領域のポテンシャルは、前記第1の半導体領域および前記第1の電荷保持部のポテンシャルよりも高い
固体撮像素子。 - 前記第1の半導体領域、前記第2の半導体領域、および前記第1の電荷保持部はN型半導体領域である
請求項7に記載の固体撮像素子。 - 前記第2の半導体領域にはP型の不純物が含まれている
請求項7または請求項8に記載の固体撮像素子。 - 前記半導体基板内に形成され、導電型および不純物濃度が前記第2の電荷保持部と等しく、前記第2の電荷保持部で飽和した電荷が排出される第4の半導体領域と、
前記半導体基板内に形成され、前記第2の電荷保持部から前記第4の半導体領域に流れる電荷の障壁となる第5の半導体領域と
をさらに備え、
前記第5の半導体領域は、前記第4の半導体領域と前記第2の電荷保持部との間に設けられ、
前記半導体基板に埋め込まれた前記ゲートの前記一部は、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに前記第4の半導体領域と重なっている
請求項7乃至請求項9の何れか一項に記載の固体撮像素子。 - 前記第4の半導体領域は、前記第1の半導体領域と接続されている
請求項10に記載の固体撮像素子。 - 前記第5の半導体領域のポテンシャルは、前記第4の半導体領域および前記第2の電荷保持部のポテンシャルよりも高い
請求項10または請求項11に記載の固体撮像素子。 - 前記半導体基板内に形成された第3の電荷保持部と、
前記半導体基板内に形成された第4の電荷保持部と
をさらに備え、
前記第3の電荷保持部は、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに前記第1の電荷保持部に隣接して設けられており、
前記第4の電荷保持部は、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに前記第2の電荷保持部に隣接して設けられており、
前記第1の電荷保持部および前記第2の電荷保持部は、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに第1の行に配置されており、
前記第3の電荷保持部および前記第4の電荷保持部は、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに第2の行に配置されており、
前記ゲートは、前記半導体基板の面と垂直な方向から見たときに前記第1の行と前記第2の行の間に配置されている
請求項7乃至請求項12の何れか一項に記載の固体撮像素子。
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