JP7524407B2 - Photodetector and electronic device - Google Patents

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Description

本開示は、光検出素子および電子機器に関し、特に、SPAD画素の特性向上を図ることができるようにした光検出素子および電子機器に関する。 This disclosure relates to a photodetector element and electronic device, and in particular to a photodetector element and electronic device that can improve the characteristics of SPAD pixels.

近年、ToF(Time-of-Flight)法により距離計測を行う距離画像センサが注目されている。例えば、距離画像センサには、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)半導体集積回路技術を用いて、複数のSPAD(Single Photon Avalanche Diode)画素が平面的に配置されるように形成された画素アレイを利用することができる。SPAD画素では、降伏電圧よりもはるかに大きい電圧を印加した状態で、高電界のPN接合領域へ1個のフォトンが入ると、アバランシェ増幅が発生する。その際の瞬間的に電流が流れた時間を検出することで、高精度に距離を計測することができる。 In recent years, distance image sensors that measure distance using the ToF (Time-of-Flight) method have been attracting attention. For example, distance image sensors can use pixel arrays formed by arranging multiple SPAD (Single Photon Avalanche Diode) pixels in a plane using CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) semiconductor integrated circuit technology. In a SPAD pixel, when a single photon enters a high-electric field PN junction region under the application of a voltage much larger than the breakdown voltage, avalanche amplification occurs. By detecting the time when the current flows at that time, it is possible to measure distance with high accuracy.

例えば、特許文献1には、アバランシェフォトダイオードが配列されたフォトダイオードアレイにおいて、画素間に分離を形成する構造によって、高電界領域での発光による隣接画素へのクロストークの低減を図る技術が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a technology that reduces crosstalk to adjacent pixels caused by light emission in high electric field regions by using a structure that creates separation between pixels in a photodiode array in which avalanche photodiodes are arranged.

また、特許文献2には、シングルフォトンアバランシェダイオードにおいて、高電界領域を形成する層を埋め込んでバイアスにより空乏化させることによって、SPAD画素の感度向上を図る技術が開示されている。 Patent Document 2 also discloses a technology for improving the sensitivity of SPAD pixels in single photon avalanche diodes by embedding a layer that forms a high electric field region and depleting it with a bias.

特開2013-48278号公報JP 2013-48278 A 特開2015-41746号公報JP 2015-41746 A

しかしながら、特許文献1で開示されている構造では、絶縁膜を用いて物理的に画素間を分離することにより光学的なクロストークを低減させているだけであって、感度の向上までは図られていない。 However, the structure disclosed in Patent Document 1 only reduces optical crosstalk by physically isolating pixels using an insulating film, and does not improve sensitivity.

また、特許文献2で開示されている構造では、画素内の高電界領域で発光することで隣接画素にフォトンが入射してしまい、隣接画素で意図せずフォトンが検出されるクロストークが発生してしまう。さらに、光入射面(裏面)に対して反対側となるゲートおよび配線が形成される面(表面)へ入射光が透過してしまうため、感度の低下が懸念される。 In addition, in the structure disclosed in Patent Document 2, light is emitted in the high electric field region within a pixel, causing photons to be incident on adjacent pixels, resulting in crosstalk in which photons are unintentionally detected in adjacent pixels. Furthermore, there are concerns that sensitivity may decrease because incident light is transmitted to the surface (front surface) on which the gates and wiring are formed, which is opposite the light incident surface (back surface).

そのため、このようなクロストークの発生を防止し、かつ、感度の向上を図ることによって、より良好な特性を備えたSPAD画素が求められている。 Therefore, there is a demand for SPAD pixels with better characteristics that prevent the occurrence of such crosstalk and improve sensitivity.

本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、SPAD画素の特性向上を図ることができるようにするものである。 This disclosure has been made in light of these circumstances, and aims to improve the characteristics of SPAD pixels.

本開示の一側面の光検出素子は、複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイ部と、半導体基板に設けられ、前記画素ごとに設けられる高電界領域によりキャリアを増倍させるアバランシェフォトダイオード素子と、前記アバランシェフォトダイオード素子が形成される前記半導体基板において隣接する他の前記画素との間を分離する画素間分離部と、
平面的に見て、前記高電界領域を少なくとも覆うように、前記半導体基板の受光面の反対側となる表面に対して積層される第1の配線層に設けられ、前記アバランシェフォトダイオード素子のカソードに第1の電極を介して接続される第1のメタル配線と、前記第1の配線層に設けられ、前記アバランシェフォトダイオード素子のアノードに第2の電極を介して接続される第2のメタル配線とを備え、断面視において、前記第1のメタル配線が、1つの画素領域内で前記第2のメタル配線の間に設けられており、前記高電界領域に負電圧を供給するためのコンタクト電極と、そのコンタクト電極の周辺とを含む一部分以外を少なくとも覆うように前記高電界領域よりも広い範囲に形成され、光を反射する反射膜であるポリシリコン膜が前記半導体基板の表面に対して形成される
A photodetector element according to one aspect of the present disclosure includes a pixel array section in which a plurality of pixels are arranged in an array, an avalanche photodiode element provided on a semiconductor substrate, the avalanche photodiode element multiplying carriers by a high electric field region provided for each of the pixels, and an inter-pixel isolation section is provided to isolate the avalanche photodiode element from adjacent pixels on the semiconductor substrate on which the avalanche photodiode element is formed.
The semiconductor substrate includes a first metal wiring provided in a first wiring layer laminated on a surface opposite to the light receiving surface of the semiconductor substrate so as to cover at least the high electric field region in a plan view, and connected to the cathode of the avalanche photodiode element via a first electrode, and a second metal wiring provided in the first wiring layer and connected to the anode of the avalanche photodiode element via a second electrode, and in a cross-sectional view, the first metal wiring is provided between the second metal wirings within one pixel region, and a polysilicon film which is a reflective film that reflects light is formed on the surface of the semiconductor substrate, the polysilicon film being formed over a range wider than the high electric field region so as to cover at least all but a portion including a contact electrode for supplying a negative voltage to the high electric field region and the periphery of the contact electrode .

本開示の一側面の電子機器は、複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイ部と、半導体基板に設けられ、前記画素ごとに設けられる高電界領域によりキャリアを増倍させるアバランシェフォトダイオード素子と、前記アバランシェフォトダイオード素子が形成される前記半導体基板において隣接する他の前記画素との間を分離する画素間分離部と、平面的に見て、前記高電界領域を少なくとも覆うように、前記半導体基板の受光面の反対側となる表面に対して積層される第1の配線層に設けられ、前記アバランシェフォトダイオード素子のカソードに第1の電極を介して接続される第1のメタル配線と、前記第1の配線層に設けられ、前記アバランシェフォトダイオード素子のアノードに第2の電極を介して接続される第2のメタル配線とを有し、断面視において、前記第1のメタル配線が、1つの画素領域内で前記第2のメタル配線の間に設けられており、前記高電界領域に負電圧を供給するためのコンタクト電極と、そのコンタクト電極の周辺とを含む一部分以外を少なくとも覆うように前記高電界領域よりも広い範囲に形成され、光を反射する反射膜であるポリシリコン膜が前記半導体基板の表面に対して形成される光検出素子を備える。 An electronic device according to one aspect of the present disclosure includes a pixel array section in which a plurality of pixels are arranged in an array, an avalanche photodiode element provided on a semiconductor substrate and multiplying carriers by a high electric field region provided for each of the pixels, an inter-pixel isolation section that isolates adjacent pixels on the semiconductor substrate on which the avalanche photodiode element is formed, and a first wiring layer that is laminated on a surface opposite to a light receiving surface of the semiconductor substrate so as to cover at least the high electric field region in a plan view and that is connected to a cathode of the avalanche photodiode element via a first electrode. the avalanche photodiode element has a first metal wiring connected to the anode of the avalanche photodiode element, and a second metal wiring provided in the first wiring layer and connected to the anode of the avalanche photodiode element via a second electrode, and in a cross-sectional view, the first metal wiring is provided between the second metal wiring within one pixel region , and the photodetector element is formed over a range wider than the high electric field region so as to cover at least all but a portion including a contact electrode for supplying a negative voltage to the high electric field region and a periphery of the contact electrode, and a polysilicon film which is a reflective film that reflects light is formed on the surface of the semiconductor substrate .

本開示の一側面においては、画素アレイ部には、複数の画素がアレイ状に配置され、画素ごとに設けられる高電界領域によりキャリアを増倍させるアバランシェフォトダイオード素子が半導体基板に設けられ、画素間分離部が、アバランシェフォトダイオード素子が形成される半導体基板において隣接する他の前記画素との間を分離する。第1のメタル配線は、平面的に見て、高電界領域を少なくとも覆うように、半導体基板の受光面の反対側となる表面に対して積層される第1の配線層に設けられ、アバランシェフォトダイオード素子のカソードに第1の電極を介して接続される。第2のメタル配線は、第1の配線層に設けられ、アバランシェフォトダイオード素子のアノードに第2の電極を介して接続される。そして、断面視において、第1のメタル配線が、1つの画素領域内で第2のメタル配線の間に設けられており、高電界領域に負電圧を供給するためのコンタクト電極と、そのコンタクト電極の周辺とを含む一部分以外を少なくとも覆うように高電界領域よりも広い範囲に形成され、光を反射する反射膜であるポリシリコン膜が半導体基板の表面に対して形成されている In one aspect of the present disclosure, a pixel array section includes a plurality of pixels arranged in an array, an avalanche photodiode element that multiplies carriers by a high electric field region provided for each pixel is provided on a semiconductor substrate, and an inter-pixel separation section separates the avalanche photodiode element from other adjacent pixels on the semiconductor substrate on which the avalanche photodiode element is formed. The first metal wiring is provided in a first wiring layer laminated on a surface opposite to the light receiving surface of the semiconductor substrate so as to cover at least the high electric field region in a plan view, and is connected to the cathode of the avalanche photodiode element via a first electrode. The second metal wiring is provided in the first wiring layer and connected to the anode of the avalanche photodiode element via a second electrode. In a cross-sectional view, the first metal wiring is provided between the second metal wirings in one pixel region, and a polysilicon film that is a reflective film that reflects light is formed on the surface of the semiconductor substrate, the polysilicon film being formed in a range wider than the high electric field region so as to cover at least the entire surface of the semiconductor substrate except for a contact electrode for supplying a negative voltage to the high electric field region and a portion including the periphery of the contact electrode .

本開示の一側面によれば、SPAD画素の特性向上を図ることができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to improve the characteristics of SPAD pixels.

本技術を適用したセンサチップの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration example of an embodiment of a sensor chip to which the present technology is applied; SPAD画素の断面的な第1の構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a first example of a cross-sectional configuration of a SPAD pixel. SPAD画素の配線層における平面的な第1の構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a first example of a planar configuration in a wiring layer of a SPAD pixel. SPAD画素の断面的な第2の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a second example of a cross-sectional configuration of a SPAD pixel. SPAD画素の配線層における平面的な第2の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a second example of a planar configuration in a wiring layer of a SPAD pixel. SPAD画素の断面的な第3の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a third example of a cross-sectional configuration of a SPAD pixel. SPAD画素の配線層における平面的な第3の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a third example of a planar configuration in a wiring layer of a SPAD pixel. SPAD画素の断面的な第4の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a fourth example of a cross-sectional configuration of a SPAD pixel. SPAD画素の断面的な第5の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a fifth example of a cross-sectional configuration of a SPAD pixel. SPAD画素の配線層における平面的な第5の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a fifth example of a planar configuration in a wiring layer of a SPAD pixel. SPAD画素の断面的な第6の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a sixth example cross-sectional configuration of a SPAD pixel. SPAD画素の断面的な第7の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a seventh example of a cross-sectional configuration of a SPAD pixel. SPAD画素の断面的な第8の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an eighth example of a cross-sectional configuration of a SPAD pixel. 距離画像センサの構成例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of a range image sensor. イメージセンサを使用する使用例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of use of an image sensor.

以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Below, specific embodiments of the present technology will be described in detail with reference to the drawings.

<センサチップの構成例> <Sensor chip configuration example>

図1は、本技術を適用したセンサチップの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 Figure 1 is a block diagram showing an example of the configuration of one embodiment of a sensor chip to which this technology is applied.

図1において、センサチップ11は、画素アレイ部12、およびバイアス電圧印加部13を備えて構成される。 In FIG. 1, the sensor chip 11 is configured with a pixel array section 12 and a bias voltage application section 13.

画素アレイ部12は、図示しない光学系により集光される光を受光する受光面であり、複数のSPAD画素21が行列状に配置されている。図1の右側に示すように、SPAD画素21は、SPAD素子31、p型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)32、およびCMOSインバータ33を備えて構成される。 The pixel array section 12 is a light receiving surface that receives light collected by an optical system (not shown), and has a plurality of SPAD pixels 21 arranged in a matrix. As shown on the right side of FIG. 1, the SPAD pixel 21 is configured with a SPAD element 31, a p-type MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 32, and a CMOS inverter 33.

SPAD素子31は、カソードに大きな負電圧VBDを印加することによってアバランシェ増倍領域を形成し、1フォトンの入射で発生する電子をアバランシェ増倍させることができる。p型MOSFET32は、SPAD素子31でアバランシェ増倍された電子による電圧が負電圧VBDに達すると、SPAD素子31で増倍された電子を放出して、初期電圧に戻すクエンチング(quenting)を行う。CMOSインバータ33は、SPAD素子31で増倍された電子により発生する電圧を整形することで、1フォトンの到来時刻を始点としてパルス波形が発生する受光信号(APD OUT)を出力する。 The SPAD element 31 forms an avalanche multiplication region by applying a large negative voltage VBD to the cathode, and can avalanche multiply electrons generated by the incidence of one photon. When the voltage caused by the electrons avalanche multiplied by the SPAD element 31 reaches the negative voltage VBD, the p-type MOSFET 32 releases the electrons multiplied by the SPAD element 31 and performs quenching to return the voltage to the initial voltage. The CMOS inverter 33 shapes the voltage generated by the electrons multiplied by the SPAD element 31, and outputs a light receiving signal (APD OUT) in which a pulse waveform is generated starting from the arrival time of one photon.

バイアス電圧印加部13は、画素アレイ部12に配置される複数のSPAD画素21それぞれに対してバイアス電圧を印加する。 The bias voltage application unit 13 applies a bias voltage to each of the multiple SPAD pixels 21 arranged in the pixel array unit 12.

このように構成されているセンサチップ11からは、SPAD画素21ごとに受光信号が出力され、図示しない後段の演算処理部に供給される。例えば、演算処理部は、それぞれの受光信号において1フォトンの到来時刻を示すパルスが発生したタイミングに基づいて、被写体までの距離を求める演算処理を行って、SPAD画素21ごとに距離を求める。そして、それらの距離に基づいて、複数のSPAD画素21により検出された被写体までの距離を平面的に並べた距離画像が生成される。 The sensor chip 11 configured in this manner outputs a light reception signal for each SPAD pixel 21 and supplies it to a downstream calculation processing unit (not shown). For example, the calculation processing unit performs calculation processing to find the distance to the subject based on the timing at which a pulse indicating the arrival time of one photon is generated in each light reception signal, and finds the distance for each SPAD pixel 21. Then, based on these distances, a distance image is generated in which the distances to the subject detected by the multiple SPAD pixels 21 are arranged in a plane.

<SPAD画素の第1の構成例> <First example of SPAD pixel configuration>

図2および図3を参照して、センサチップ11に形成されるSPAD画素21の第1の構成例について説明する。図2には、SPAD画素21の断面的な構成例が示されており、図3には、SPAD画素21の配線層における平面的な構成例が示されている。 A first configuration example of a SPAD pixel 21 formed on the sensor chip 11 will be described with reference to Figures 2 and 3. Figure 2 shows a cross-sectional configuration example of a SPAD pixel 21, and Figure 3 shows a planar configuration example of the wiring layer of the SPAD pixel 21.

図2に示すように、センサチップ11は、センサ基板41、センサ側配線層42、およびロジック側配線層43が積層された積層構造となっており、ロジック側配線層43に対して、図示しないロジック回路基板が積層されて構成される。ロジック回路基板には、例えば、図1のバイアス電圧印加部13や、p型MOSFET32、CMOSインバータ33などが形成されている。例えば、センサチップ11は、センサ基板41に対してセンサ側配線層42を形成するともに、ロジック回路基板に対してロジック側配線層43を形成した後、センサ側配線層42およびロジック側配線層43を接合面(図2の破線で示す面)で接合する製造方法により製造することができる。 2, the sensor chip 11 has a laminated structure in which a sensor substrate 41, a sensor side wiring layer 42, and a logic side wiring layer 43 are laminated, and a logic circuit substrate (not shown) is laminated on the logic side wiring layer 43. The logic circuit substrate is formed with, for example, the bias voltage application unit 13 in FIG. 1, a p-type MOSFET 32, a CMOS inverter 33, and the like. For example, the sensor chip 11 can be manufactured by a manufacturing method in which the sensor side wiring layer 42 is formed on the sensor substrate 41, and the logic side wiring layer 43 is formed on the logic circuit substrate, and then the sensor side wiring layer 42 and the logic side wiring layer 43 are bonded at their bonding surfaces (surfaces indicated by dashed lines in FIG. 2).

センサ基板41は、例えば、単結晶のシリコンを薄くスライスした半導体基板であって、p型またはn型の不純物濃度が制御されており、SPAD画素21ごとにSPAD素子31が形成される。また、図2においてセンサ基板41の下側を向く面が、光を受光する受光面とされ、その受光面の反対側となる表面に対してセンサ側配線層42が積層される。 The sensor substrate 41 is, for example, a semiconductor substrate formed by thinly slicing single crystal silicon, and the p-type or n-type impurity concentration is controlled, with a SPAD element 31 formed for each SPAD pixel 21. In addition, the surface facing downward of the sensor substrate 41 in FIG. 2 is the light receiving surface that receives light, and a sensor side wiring layer 42 is laminated on the surface opposite the light receiving surface.

センサ側配線層42およびロジック側配線層43には、SPAD素子31に印加する電圧を供給するための配線や、SPAD素子31で発生した電子をセンサ基板41から取り出ための配線などが形成される。 The sensor side wiring layer 42 and the logic side wiring layer 43 are provided with wiring for supplying voltage to be applied to the SPAD element 31, wiring for extracting electrons generated by the SPAD element 31 from the sensor substrate 41, and the like.

SPAD素子31は、センサ基板41に形成されるNウェル51、P型拡散層52、N型拡散層53、ホール蓄積層54、ピニング層55、および高濃度P型拡散層56により構成される。そして、SPAD素子31では、P型拡散層52とN型拡散層53とが接続する領域に形成される空乏層によって、アバランシェ増倍領域57が形成される。 The SPAD element 31 is composed of an N-well 51, a P-type diffusion layer 52, an N-type diffusion layer 53, a hole accumulation layer 54, a pinning layer 55, and a high-concentration P-type diffusion layer 56 formed on the sensor substrate 41. In the SPAD element 31, an avalanche multiplication region 57 is formed by a depletion layer formed in the region where the P-type diffusion layer 52 and the N-type diffusion layer 53 are connected.

Nウェル51は、センサ基板41の不純物濃度がn型に制御されることにより形成され、SPAD素子31における光電変換により発生する電子をアバランシェ増倍領域57へ転送する電界を形成する。なお、Nウェル51に替えて、センサ基板41の不純物濃度をp型に制御してPウェルを形成してもよい。 The N-well 51 is formed by controlling the impurity concentration of the sensor substrate 41 to be of n-type, and forms an electric field that transfers electrons generated by photoelectric conversion in the SPAD element 31 to the avalanche multiplication region 57. Note that instead of the N-well 51, a P-well may be formed by controlling the impurity concentration of the sensor substrate 41 to be of p-type.

P型拡散層52は、センサ基板41の表面近傍であってN型拡散層53に対して裏面側(図2の下側)に形成される濃いP型の拡散層(P+)であり、SPAD素子31のほぼ全面に亘るように形成される。 The P-type diffusion layer 52 is a dense P-type diffusion layer (P+) formed near the surface of the sensor substrate 41 on the back side (the lower side in FIG. 2) of the N-type diffusion layer 53, and is formed so as to cover almost the entire surface of the SPAD element 31.

N型拡散層53は、センサ基板41の表面近傍であってP型拡散層52に対して表面側(図2の上側)に形成される濃いN型の拡散層(N+)であり、SPAD素子31のほぼ全面に亘るように形成される。また、N型拡散層53は、アバランシェ増倍領域57を形成するための負電圧を供給するためのコンタクト電極71と接続するために、その一部がセンサ基板41の表面まで形成されるような凸形状となっている。 The N-type diffusion layer 53 is a dense N-type diffusion layer (N+) formed near the surface of the sensor substrate 41 on the surface side (upper side in FIG. 2) of the P-type diffusion layer 52, and is formed so as to cover almost the entire surface of the SPAD element 31. In addition, the N-type diffusion layer 53 has a convex shape with a part of it extending to the surface of the sensor substrate 41 in order to connect to the contact electrode 71 for supplying a negative voltage to form the avalanche multiplication region 57.

ホール蓄積層54は、Nウェル51の側面および底面を囲うように形成されるP型の拡散層(P)であり、ホールを蓄積している。また、ホール蓄積層54は、SPAD素子31のアノードと電気的に接続されており、バイアス調整を可能とする。これにより、ホール蓄積層54のホール濃度が強化され、ピニング層55を含むピニングが強固になることによって、例えば、暗電流の発生を抑制することができる。 The hole accumulation layer 54 is a P-type diffusion layer (P) formed to surround the side and bottom surfaces of the N-well 51, and accumulates holes. The hole accumulation layer 54 is also electrically connected to the anode of the SPAD element 31, allowing bias adjustment. This strengthens the hole concentration in the hole accumulation layer 54 and strengthens the pinning including the pinning layer 55, making it possible to suppress, for example, the generation of dark current.

ピニング層55は、ホール蓄積層54よりも外側の表面(センサ基板41の裏面や絶縁膜62と接する側面)に形成される濃いP型の拡散層(P+)であり、ホール蓄積層54と同様に、例えば、暗電流の発生を抑制する。 The pinning layer 55 is a dense P-type diffusion layer (P+) formed on the surface outside the hole accumulation layer 54 (the back surface of the sensor substrate 41 or the side surface in contact with the insulating film 62), and like the hole accumulation layer 54, it suppresses, for example, the generation of dark current.

高濃度P型拡散層56は、センサ基板41の表面近傍においてNウェル51の外周を囲うように形成される濃いP型の拡散層(P++)であり、ホール蓄積層54をSPAD素子31のアノードと電気的に接続するためのコンタクト電極72との接続に用いられる。 The high-concentration P-type diffusion layer 56 is a high-concentration P-type diffusion layer (P++) formed in the vicinity of the surface of the sensor substrate 41 so as to surround the outer periphery of the N-well 51, and is used to connect to the contact electrode 72 for electrically connecting the hole accumulation layer 54 to the anode of the SPAD element 31.

アバランシェ増倍領域57は、N型拡散層53に印加される大きな負電圧によってP型拡散層52およびN型拡散層53の境界面に形成される高電界領域であって、SPAD素子31に入射する1フォトンで発生する電子(e-)を増倍する。 The avalanche multiplication region 57 is a high electric field region formed at the interface between the P-type diffusion layer 52 and the N-type diffusion layer 53 by a large negative voltage applied to the N-type diffusion layer 53, and multiplies the electrons (e-) generated by one photon incident on the SPAD element 31.

また、センサチップ11には、隣接するSPAD素子31どうしの間に形成されるメタル膜61および絶縁膜62による二重構造の画素間分離部63によって、それぞれのSPAD素子31が絶縁されて分離される。例えば、画素間分離部63は、センサ基板41の裏面から表面まで貫通するように形成される。 In addition, in the sensor chip 11, each SPAD element 31 is insulated and separated by a pixel separation section 63 having a double structure of a metal film 61 and an insulating film 62 formed between adjacent SPAD elements 31. For example, the pixel separation section 63 is formed so as to penetrate from the back surface to the front surface of the sensor substrate 41.

メタル膜61は、光を反射する金属(例えば、タングステンなど)により形成される膜であり、絶縁膜62は、SiO2などの絶縁性を備えた膜である。例えば、メタル膜61の表面が絶縁膜62で覆われるようにセンサ基板41に埋め込まれることで画素間分離部63は形成され、画素間分離部63によって、隣接するSPAD素子31との間で電気的および光学的に分離される。 The metal film 61 is a film formed of a metal (e.g., tungsten) that reflects light, and the insulating film 62 is a film with insulating properties such as SiO2. For example, the inter-pixel separation section 63 is formed by embedding the metal film 61 in the sensor substrate 41 so that the surface of the metal film 61 is covered with the insulating film 62, and the inter-pixel separation section 63 electrically and optically separates the adjacent SPAD elements 31.

センサ側配線層42には、コンタクト電極71乃至73、メタル配線74乃至76、コンタクト電極77乃至79、および、メタルパッド80乃至82が形成される。 Contact electrodes 71 to 73, metal wiring 74 to 76, contact electrodes 77 to 79, and metal pads 80 to 82 are formed on the sensor side wiring layer 42.

コンタクト電極71は、N型拡散層53とメタル配線74とを接続し、コンタクト電極72は、高濃度P型拡散層56とメタル配線75とを接続し、コンタクト電極73は、メタル膜61とメタル配線76とを接続する。 The contact electrode 71 connects the N-type diffusion layer 53 to the metal wiring 74, the contact electrode 72 connects the high-concentration P-type diffusion layer 56 to the metal wiring 75, and the contact electrode 73 connects the metal film 61 to the metal wiring 76.

メタル配線74は、例えば、図3に示すように、少なくともアバランシェ増倍領域57を覆うように、アバランシェ増倍領域57よりも広く形成される。そして、メタル配線74は、図2において白抜きの矢印で示すように、SPAD素子31を透過した光を、SPAD素子31に反射する。 For example, as shown in FIG. 3, the metal wiring 74 is formed wider than the avalanche multiplication region 57 so as to cover at least the avalanche multiplication region 57. The metal wiring 74 reflects the light that has passed through the SPAD element 31 back to the SPAD element 31, as shown by the hollow arrow in FIG. 2.

メタル配線75は、例えば、図3に示すように、メタル配線74の外周を囲うように、高濃度P型拡散層56と重なるように形成される。メタル配線76は、例えば、図3に示すように、SPAD画素21の四隅でメタル膜61に接続するように形成される。 Metal wiring 75 is formed so as to overlap with high concentration P-type diffusion layer 56 so as to surround the outer periphery of metal wiring 74, for example, as shown in FIG. 3. Metal wiring 76 is formed so as to connect to metal film 61 at the four corners of SPAD pixel 21, for example, as shown in FIG. 3.

コンタクト電極77は、メタル配線74とメタルパッド80とを接続し、コンタクト電極78は、メタル配線75とメタルパッド81とを接続し、コンタクト電極79は、メタル配線76とメタルパッド82とを接続する。 Contact electrode 77 connects metal wiring 74 to metal pad 80, contact electrode 78 connects metal wiring 75 to metal pad 81, and contact electrode 79 connects metal wiring 76 to metal pad 82.

メタルパッド80乃至82は、ロジック側配線層43に形成されているメタルパッド101乃至103と、それぞれを形成する金属(Cu)どうしにより電気的および機械的に接合するのに用いられる。 Metal pads 80 to 82 are used to electrically and mechanically connect to metal pads 101 to 103 formed on the logic side wiring layer 43 by the metal (Cu) that forms each of them.

ロジック側配線層43には、電極パッド91乃至93、絶縁層94、コンタクト電極95乃至100、およびメタルパッド101乃至103が形成される。 Electrode pads 91 to 93, an insulating layer 94, contact electrodes 95 to 100, and metal pads 101 to 103 are formed on the logic side wiring layer 43.

電極パッド91乃至93は、それぞれロジック回路基板(図示せず)との接続に用いられ、絶縁層94は、電極パッド91乃至93どうしを絶縁する。 The electrode pads 91 to 93 are each used to connect to a logic circuit board (not shown), and the insulating layer 94 insulates the electrode pads 91 to 93 from each other.

コンタクト電極95および96は、電極パッド91とメタルパッド101とを接続し、コンタクト電極97および98は、電極パッド92とメタルパッド102とを接続し、コンタクト電極99および100は、電極パッド93とメタルパッド103とを接続する。 Contact electrodes 95 and 96 connect electrode pad 91 to metal pad 101, contact electrodes 97 and 98 connect electrode pad 92 to metal pad 102, and contact electrodes 99 and 100 connect electrode pad 93 to metal pad 103.

メタルパッド101は、メタルパッド80と接合され、メタルパッド102は、メタルパッド81と接合され、メタルパッド103は、メタルパッド82と接合される。 Metal pad 101 is bonded to metal pad 80, metal pad 102 is bonded to metal pad 81, and metal pad 103 is bonded to metal pad 82.

このような配線構造により、例えば、電極パッド91は、コンタクト電極95および96、メタルパッド101、メタルパッド80、コンタクト電極77、メタル配線74、並びに、コンタクト電極71を介して、N型拡散層53に接続されている。従って、SPAD画素21では、N型拡散層53に印加される大きな負電圧を、ロジック回路基板から電極パッド91に対して供給することができる。 With this wiring structure, for example, the electrode pad 91 is connected to the N-type diffusion layer 53 via the contact electrodes 95 and 96, the metal pad 101, the metal pad 80, the contact electrode 77, the metal wiring 74, and the contact electrode 71. Therefore, in the SPAD pixel 21, the large negative voltage applied to the N-type diffusion layer 53 can be supplied from the logic circuit board to the electrode pad 91.

また、電極パッド92は、コンタクト電極97および98、メタルパッド102、メタルパッド81、コンタクト電極78、メタル配線75、並びに、コンタクト電極72を介して高濃度P型拡散層56に接続される接続構成となっている。従って、SPAD画素21では、ホール蓄積層54と電気的に接続されるSPAD素子31のアノードが電極パッド92に接続されることで、電極パッド92を介してホール蓄積層54に対するバイアス調整を可能とすることができる。 The electrode pad 92 is connected to the high-concentration P-type diffusion layer 56 via the contact electrodes 97 and 98, the metal pad 102, the metal pad 81, the contact electrode 78, the metal wiring 75, and the contact electrode 72. Therefore, in the SPAD pixel 21, the anode of the SPAD element 31 electrically connected to the hole accumulation layer 54 is connected to the electrode pad 92, making it possible to adjust the bias for the hole accumulation layer 54 via the electrode pad 92.

さらに、電極パッド93は、コンタクト電極99および100、メタルパッド103、メタルパッド82、コンタクト電極79、メタル配線76、並びに、コンタクト電極73を介して、メタル膜61に接続される接続構成となっている。従って、SPAD画素21では、ロジック回路基板から電極パッド93に供給されるバイアス電圧をメタル膜61に印加することができる。 Furthermore, the electrode pad 93 is connected to the metal film 61 via the contact electrodes 99 and 100, the metal pad 103, the metal pad 82, the contact electrode 79, the metal wiring 76, and the contact electrode 73. Therefore, in the SPAD pixel 21, the bias voltage supplied to the electrode pad 93 from the logic circuit board can be applied to the metal film 61.

そして、SPAD画素21は、上述したように、メタル配線74が、少なくともアバランシェ増倍領域57を覆うように、アバランシェ増倍領域57よりも広く形成されるとともに、メタル膜61がセンサ基板41を貫通するように形成されている。即ち、SPAD画素21は、メタル配線74およびメタル膜61によりSPAD素子31の光入射面以外を全て取り囲んだ反射構造となるように形成されている。これにより、SPAD画素21は、メタル配線74およびメタル膜61により光を反射する効果によって、光学的なクロストークの発生を防止することができるとともに、SPAD素子31の感度を向上させることができる。 As described above, the SPAD pixel 21 has metal wiring 74 formed wider than the avalanche multiplication region 57 so as to cover at least the avalanche multiplication region 57, and the metal film 61 formed to penetrate the sensor substrate 41. That is, the SPAD pixel 21 is formed to have a reflective structure in which the metal wiring 74 and metal film 61 surround all of the SPAD element 31 except for the light incidence surface. As a result, the SPAD pixel 21 can prevent the occurrence of optical crosstalk and improve the sensitivity of the SPAD element 31 by the effect of reflecting light by the metal wiring 74 and metal film 61.

また、SPAD画素21は、Nウェル51の側面および底面をホール蓄積層54で囲み、ホール蓄積層54をSPAD素子31のアノードと電気的に接続する接続構成によって、バイアス調整を可能とすることができる。さらに、SPAD画素21は、画素間分離部63のメタル膜61にバイアス電圧を印加することによって、キャリアをアバランシェ増倍領域57にアシストする電界を形成することができる。 The SPAD pixel 21 also has a hole accumulation layer 54 surrounding the sides and bottom of the N-well 51, and the hole accumulation layer 54 is electrically connected to the anode of the SPAD element 31, allowing bias adjustment. Furthermore, the SPAD pixel 21 can form an electric field that assists carriers into the avalanche multiplication region 57 by applying a bias voltage to the metal film 61 of the inter-pixel separator 63.

以上のように構成されるSPAD画素21は、クロストークの発生が防止されるとともに、SPAD素子31の感度が向上される結果、特性の向上を図ることができる。 The SPAD pixel 21 configured as described above prevents crosstalk from occurring and improves the sensitivity of the SPAD element 31, thereby improving its characteristics.

<SPAD画素の第2の構成例> <Second example of SPAD pixel configuration>

図4および図5を参照して、第2の構成例のSPAD画素21Aが形成されたセンサチップ11Aについて説明する。図4には、SPAD画素21Aの断面的な構成例が示されており、図5には、SPAD画素21Aの配線層における平面的な構成例が示されている。なお、図4および図5に示すセンサチップ11AおよびSPAD画素21Aにおいて、図2および図3のセンサチップ11およびSPAD画素21と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 A sensor chip 11A in which a SPAD pixel 21A of a second configuration example is formed will be described with reference to Figures 4 and 5. Figure 4 shows a cross-sectional configuration example of the SPAD pixel 21A, and Figure 5 shows a planar configuration example of the wiring layer of the SPAD pixel 21A. Note that in the sensor chip 11A and SPAD pixel 21A shown in Figures 4 and 5, components common to the sensor chip 11 and SPAD pixel 21 of Figures 2 and 3 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.

図4に示すように、センサチップ11AのSPAD画素21Aは、センサ側配線層42Aにインナーレンズ111が配置されている点で、図2のセンサチップ11のSPAD画素21と異なる構成となっている。 As shown in FIG. 4, the SPAD pixel 21A of the sensor chip 11A has a different configuration from the SPAD pixel 21 of the sensor chip 11 in FIG. 2 in that an inner lens 111 is arranged in the sensor side wiring layer 42A.

インナーレンズ111は、センサ基板41Aとメタル配線74との間に配置され、センサ基板41A側に向かって凸となる凸形状の集光レンズである。例えば、インナーレンズ111は、メタル配線74で反射する反射光をSPAD素子31Aの中央に向かって集光するように形成される。 The inner lens 111 is disposed between the sensor substrate 41A and the metal wiring 74, and is a convex-shaped focusing lens that is convex toward the sensor substrate 41A. For example, the inner lens 111 is formed so as to focus the reflected light reflected by the metal wiring 74 toward the center of the SPAD element 31A.

また、SPAD画素21Aでは、インナーレンズ111を回避してN型拡散層53Aとメタル配線74とを接続するために、図5に示すように、4本のコンタクト電極71Aがインナーレンズ111よりも外側の四隅に配置されている。また、コンタクト電極71Aの位置に対応するように、センサ基板41AのSPAD素子31Aに形成されるN型拡散層53Aは、その一部がセンサ基板41の表面まで形成されるような凸形状となっている。 In addition, in the SPAD pixel 21A, in order to connect the N-type diffusion layer 53A and the metal wiring 74 while avoiding the inner lens 111, four contact electrodes 71A are arranged at the four corners outside the inner lens 111, as shown in FIG. 5. In addition, the N-type diffusion layer 53A formed in the SPAD element 31A of the sensor substrate 41A has a convex shape such that a part of it is formed on the surface of the sensor substrate 41 so as to correspond to the position of the contact electrodes 71A.

このようにSPAD画素21Aは構成されており、例えば、ある程度の斜め方向からSPAD素子31Aに入射して透過した光は、メタル配線74で反射した際に、インナーレンズ111によってSPAD素子31Aの中央に向かうように集光される。従って、SPAD画素21Aは、インナーレンズ111により集光効率を向上することができるので、クロストークの発生が防止されるとともにSPAD素子31Aの感度が向上される結果、特性の向上を図ることができる。 The SPAD pixel 21A is configured in this manner, and for example, light that is incident on the SPAD element 31A from a certain degree of oblique direction and passes through is focused by the inner lens 111 toward the center of the SPAD element 31A when reflected by the metal wiring 74. Therefore, the SPAD pixel 21A can improve the light-focusing efficiency by the inner lens 111, preventing the occurrence of crosstalk and improving the sensitivity of the SPAD element 31A, thereby improving the characteristics.

<SPAD画素の第3の構成例> <Third example of SPAD pixel configuration>

図6および図7を参照して、第3の構成例のSPAD画素21Bが形成されたセンサチップ11Bについて説明する。図6には、SPAD画素21Bの断面的な構成例が示されており、図7には、SPAD画素21Bの配線層における平面的な構成例が示されている。なお、図6および図7に示すセンサチップ11BおよびSPAD画素21Bにおいて、図2および図3のセンサチップ11およびSPAD画素21と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 With reference to Figures 6 and 7, a sensor chip 11B in which a SPAD pixel 21B of a third configuration example is formed will be described. Figure 6 shows a cross-sectional configuration example of the SPAD pixel 21B, and Figure 7 shows a planar configuration example of the wiring layer of the SPAD pixel 21B. Note that in the sensor chip 11B and SPAD pixel 21B shown in Figures 6 and 7, components common to the sensor chip 11 and SPAD pixel 21 in Figures 2 and 3 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.

図6に示すように、センサチップ11BのSPAD画素21Bは、センサ側配線層42Bに遮光膜121が配置されている点で、図2のセンサチップ11のSPAD画素21と異なる構成となっている。 As shown in FIG. 6, the SPAD pixel 21B of the sensor chip 11B has a different configuration from the SPAD pixel 21 of the sensor chip 11 in FIG. 2 in that a light-shielding film 121 is disposed on the sensor side wiring layer 42B.

遮光膜121は、メタル配線74および75とメタルパッド80乃至82との間に配置され、メタル配線74および75の間の隙間を通過した光を遮光する。遮光膜121は、図7に示すように、コンタクト電極77および78を貫通させる箇所に開口部が設けられ、その開口部以外のほぼ全面に亘って形成される。 The light-shielding film 121 is disposed between the metal wiring 74 and 75 and the metal pads 80 to 82, and blocks light that passes through the gaps between the metal wiring 74 and 75. As shown in FIG. 7, the light-shielding film 121 has openings at the locations where the contact electrodes 77 and 78 penetrate, and is formed over almost the entire surface except for the openings.

また、遮光膜121は、例えば、メタル膜61と同様に、光を反射する金属(例えば、タングステンなど)により形成することができ、図6の白抜きの矢印で示すように、SPAD素子31を透過して、メタル配線74および75の間の隙間を通過した光を反射する。 The light-shielding film 121 can be formed of a light-reflecting metal (e.g., tungsten) like the metal film 61, and reflects light that has passed through the SPAD element 31 and the gap between the metal wirings 74 and 75, as shown by the white arrow in Figure 6.

さらに、SPAD画素21Bの画素間分離部63Bは、メタル膜61Bおよび絶縁膜62Bが、センサ基板41を貫通してセンサ側配線層42Bに向かって突出し、遮光膜121まで届くように形成される。また、メタル膜61Bは、遮光膜121に電気的に接続される。そして、コンタクト電極79Bは、メタルパッド82と遮光膜121との間を接続するように形成され、遮光膜121を介してメタル膜61Bにバイアス電圧が印加される。 The inter-pixel separation portion 63B of the SPAD pixel 21B is formed so that the metal film 61B and the insulating film 62B protrude through the sensor substrate 41 toward the sensor-side wiring layer 42B and reach the light-shielding film 121. The metal film 61B is electrically connected to the light-shielding film 121. The contact electrode 79B is formed to connect between the metal pad 82 and the light-shielding film 121, and a bias voltage is applied to the metal film 61B via the light-shielding film 121.

このようにSPAD画素21Bは構成されており、メタル配線74および75が形成される層を覆うように、メタル膜61Bおよび遮光膜121が形成されることにより、SPAD素子31を透過した光が確実に反射される。従って、SPAD画素21Bは、メタル膜61Bおよび遮光膜121により、隣接する他のSPAD素子31への光の混入を防止することができるので、クロストークの発生が防止されるとともにSPAD素子31の感度が向上される結果、特性の向上を図ることができる。 SPAD pixel 21B is configured in this manner, and metal film 61B and light-shielding film 121 are formed to cover the layer in which metal wiring 74 and 75 are formed, thereby ensuring that light transmitted through SPAD element 31 is reflected. Therefore, SPAD pixel 21B can prevent light from entering other adjacent SPAD elements 31 by metal film 61B and light-shielding film 121, preventing crosstalk from occurring and improving the sensitivity of SPAD element 31, thereby improving characteristics.

<SPAD画素の第4の構成例> <Fourth example of SPAD pixel configuration>

図8を参照して、第4の構成例のSPAD画素21Cが形成されたセンサチップ11Cについて説明する。図8には、SPAD画素21Cの断面的な構成例が示されている。なお、図8に示すセンサチップ11CおよびSPAD画素21Cにおいて、図2のセンサチップ11およびSPAD画素21と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 With reference to FIG. 8, a sensor chip 11C in which a SPAD pixel 21C of a fourth configuration example is formed will be described. FIG. 8 shows a cross-sectional configuration example of a SPAD pixel 21C. Note that in the sensor chip 11C and SPAD pixel 21C shown in FIG. 8, components common to the sensor chip 11 and SPAD pixel 21 in FIG. 2 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.

図8に示すように、センサチップ11CのSPAD画素21Cは、センサ基板41CのSPAD素子31CにN型領域131が形成されている点で、図2のセンサチップ11のSPAD画素21と異なる構成となっている。 As shown in FIG. 8, the SPAD pixel 21C of the sensor chip 11C has a different configuration from the SPAD pixel 21 of the sensor chip 11 in FIG. 2 in that an N-type region 131 is formed in the SPAD element 31C of the sensor substrate 41C.

N型領域131は、SPAD素子31Cの中央においてP型拡散層52に接するように形成され、例えば、SPAD素子31Cにおいて発生したキャリア(電子)が周囲から中央に向かってドリフトし易くなるようなポテンシャルの勾配を形成する。つまり、SPAD素子31Cでは、Nウェル51に対してN型の不純物を注入してN型領域131を形成することによって、もともとN型であることより、キャリアを集めるような電界が形成される。 The N-type region 131 is formed so as to contact the P-type diffusion layer 52 at the center of the SPAD element 31C, and forms a potential gradient that makes it easier for carriers (electrons) generated in the SPAD element 31C to drift from the periphery toward the center. In other words, in the SPAD element 31C, by forming the N-type region 131 by injecting N-type impurities into the N-well 51, an electric field that collects carriers is formed because the element is originally N-type.

さらに、SPAD素子31Cでは、画素間分離部63のメタル膜61にバイアス電圧を印加することによって、ホール蓄積層54およびNウェル51がバイアス電圧による電位に引っ張られるため、より強固なポテンシャルの井戸を形成することができる。これにより、SPAD素子31Cは、そのような電位が与えられていないときよりも、N型領域131に向かってキャリアをドリフトする電界を強化することができる。従って、SPAD素子31Cは、N型領域131にキャリアが集まり易くなる結果、効率的に、アバランシェ増倍領域57に電子を到達させることができる。 Furthermore, in the SPAD element 31C, by applying a bias voltage to the metal film 61 of the pixel separation portion 63, the hole accumulation layer 54 and the N-well 51 are pulled to the potential of the bias voltage, so that a stronger potential well can be formed. This allows the SPAD element 31C to strengthen the electric field that drifts carriers toward the N-type region 131 more than when such a potential is not applied. Therefore, the SPAD element 31C makes it easier for carriers to gather in the N-type region 131, and as a result, it is possible for electrons to reach the avalanche multiplication region 57 efficiently.

また、画素間分離部63は、メタル膜61および絶縁膜62により形成されることで二重の反射構造を有することができる。なお、メタル膜61に印加されるバイアス電圧を調整することによって、ホールを蓄積するホール蓄積層54がSPAD素子31Cの外周に誘起されるようにしてもよい。 The pixel separation section 63 can have a double reflection structure by being formed from a metal film 61 and an insulating film 62. By adjusting the bias voltage applied to the metal film 61, a hole accumulation layer 54 that accumulates holes may be induced on the outer periphery of the SPAD element 31C.

このようにSPAD画素21Cは構成されており、例えば、メタル膜61で反射した光によって発生した微小なキャリアも、メタル膜61にバイアス電圧を印加することで、N型領域131におけるポテンシャルの勾配を強化することにより信号として取り込まれる。従って、SPAD画素21Cは、このような微小なキャリアを取り込むことによる感度の向上を図ることができるので、特性の向上を図ることができる。 SPAD pixel 21C is configured in this way, and for example, minute carriers generated by light reflected by metal film 61 are captured as a signal by strengthening the potential gradient in N-type region 131 by applying a bias voltage to metal film 61. Therefore, SPAD pixel 21C can improve its sensitivity by capturing such minute carriers, thereby improving its characteristics.

<SPAD画素の第5の構成例> <Fifth example of SPAD pixel configuration>

図9および図10を参照して、第5の構成例のSPAD画素21Dが形成されたセンサチップ11Dについて説明する。図9には、SPAD画素21Dの断面的な構成例が示されており、図10には、SPAD画素21Dの配線層における平面的な構成例が示されている。なお、図9および図10に示すセンサチップ11DおよびSPAD画素21Dにおいて、図2および図3のセンサチップ11およびSPAD画素21と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 A sensor chip 11D in which a SPAD pixel 21D of a fifth configuration example is formed will be described with reference to Figures 9 and 10. Figure 9 shows a cross-sectional configuration example of the SPAD pixel 21D, and Figure 10 shows a planar configuration example of the wiring layer of the SPAD pixel 21D. Note that in the sensor chip 11D and SPAD pixel 21D shown in Figures 9 and 10, components common to the sensor chip 11 and SPAD pixel 21 of Figures 2 and 3 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.

図9および図10に示すように、センサチップ11DのSPAD画素21Dは、センサ側配線層42Dに反射膜141および142が配置されている点で、図2および図3のセンサチップ11のSPAD画素21と異なる構成となっている。 As shown in Figures 9 and 10, the SPAD pixel 21D of the sensor chip 11D has a different configuration from the SPAD pixel 21 of the sensor chip 11 in Figures 2 and 3 in that reflective films 141 and 142 are arranged on the sensor side wiring layer 42D.

反射膜141および142は、例えば、センサ基板41の表面に成膜され、トランジスタのゲート電極として使用されるポリシリコン膜であり、光を反射する特性を備えている。また、図10に示すように平面的に見て、少なくともアバランシェ増倍領域57が反射膜141により覆い隠されるように、反射膜141は、アバランシェ増倍領域57よりも広い範囲に形成されることが好ましい。即ち、反射膜141は、平面的に見たときにメタル配線74と重なるように形成される。 The reflective films 141 and 142 are, for example, polysilicon films formed on the surface of the sensor substrate 41 and used as gate electrodes of transistors, and have the property of reflecting light. As shown in FIG. 10, it is preferable that the reflective film 141 is formed over an area wider than the avalanche multiplication region 57 so that at least the avalanche multiplication region 57 is covered by the reflective film 141 in a plan view. In other words, the reflective film 141 is formed so as to overlap the metal wiring 74 in a plan view.

このようにSPAD画素21Dは構成されており、SPAD素子31を透過した光は、メタル配線74よりもセンサ基板41の近くに配置される反射膜141および142により反射されることになり、センサ側配線層42Dまで透過する光が削減される。従って、SPAD画素21Dは、反射膜141および142により効果的に光を囲い込むことができるので、クロストークの発生が防止されるとともにSPAD素子31の感度が向上される結果、特性の向上を図ることができる。 The SPAD pixel 21D is configured in this manner, and light that passes through the SPAD element 31 is reflected by the reflective films 141 and 142, which are positioned closer to the sensor substrate 41 than the metal wiring 74, reducing the amount of light that passes through to the sensor side wiring layer 42D. Therefore, the SPAD pixel 21D can effectively contain light by the reflective films 141 and 142, preventing the occurrence of crosstalk and improving the sensitivity of the SPAD element 31, thereby improving the characteristics.

<SPAD画素の第6の構成例> <Sixth example of SPAD pixel configuration>

図11を参照して、第6の構成例のSPAD画素21Eが形成されたセンサチップ11Eについて説明する。図11には、SPAD画素21Eの断面的な構成例が示されている。なお、図11に示すセンサチップ11EおよびSPAD画素21Eにおいて、図2のセンサチップ11およびSPAD画素21と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 With reference to FIG. 11, a sensor chip 11E in which a SPAD pixel 21E of a sixth configuration example is formed will be described. FIG. 11 shows a cross-sectional configuration example of a SPAD pixel 21E. Note that in the sensor chip 11E and SPAD pixel 21E shown in FIG. 11, components common to the sensor chip 11 and SPAD pixel 21 in FIG. 2 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.

図11に示すように、センサチップ11EのSPAD画素21Eは、センサ基板41Eの表面にホール蓄積層151が形成されている点で、図2のセンサチップ11のSPAD画素21と異なる構成となっている。 As shown in FIG. 11, the SPAD pixel 21E of the sensor chip 11E has a different configuration from the SPAD pixel 21 of the sensor chip 11 in FIG. 2 in that a hole accumulation layer 151 is formed on the surface of the sensor substrate 41E.

また、SPAD画素21Eでは、図10に示したSPAD画素21Dと同様に反射膜141および142が配置されており、反射膜141にバイアス電圧を印加するための配線などがセンサ側配線層42Eおよびロジック側配線層43Eに形成されている。 In addition, in the SPAD pixel 21E, reflective films 141 and 142 are arranged in the same manner as in the SPAD pixel 21D shown in FIG. 10, and wiring for applying a bias voltage to the reflective film 141 and the like are formed in the sensor side wiring layer 42E and the logic side wiring layer 43E.

即ち、センサ側配線層42Eでは、コンタクト電極152、メタル配線153、コンタクト電極154、およびメタルパッド155が接続されて形成され、コンタクト電極152が反射膜141に接続されている。また、ロジック側配線層43Eでは、電極パッド156、コンタクト電極157および158、並びにメタルパッド159が接続されて形成され、メタルパッド159およびメタルパッド155が接合される。 That is, in the sensor side wiring layer 42E, the contact electrode 152, the metal wiring 153, the contact electrode 154, and the metal pad 155 are connected to each other, and the contact electrode 152 is connected to the reflective film 141. In addition, in the logic side wiring layer 43E, the electrode pad 156, the contact electrodes 157 and 158, and the metal pad 159 are connected to each other, and the metal pad 159 and the metal pad 155 are joined.

従って、SPAD画素21Eでは、電極パッド156に供給されるバイアス電圧が反射膜141に印加されることで、センサ基板41Eの表面における反射膜141とN型拡散層53との間に、ホールを蓄積するホール蓄積層151が形成される。 Therefore, in the SPAD pixel 21E, a bias voltage supplied to the electrode pad 156 is applied to the reflective film 141, and a hole accumulation layer 151 that accumulates holes is formed between the reflective film 141 and the N-type diffusion layer 53 on the surface of the sensor substrate 41E.

このようにSPAD画素21Eは構成されており、SPAD素子31Eを透過した光が反射膜141および142により反射されるとともに、ホール蓄積層151によりアバランシェ増倍領域57の表面への露出を避けた暗電流が抑制される。従って、SPAD画素21Eは、クロストークの発生が防止されるとともにSPAD素子31の感度が向上されるのに加えて、暗電流を抑制することができる結果、特性の向上を図ることができる。 SPAD pixel 21E is configured in this manner, and light transmitted through SPAD element 31E is reflected by reflective films 141 and 142, while hole accumulation layer 151 suppresses dark current by avoiding exposure to the surface of avalanche multiplication region 57. Therefore, SPAD pixel 21E prevents crosstalk from occurring, improves the sensitivity of SPAD element 31, and suppresses dark current, thereby improving characteristics.

<SPAD画素の第7の構成例> <Seventh example of SPAD pixel configuration>

図12を参照して、第7の構成例のSPAD画素21Fが形成されたセンサチップ11Fについて説明する。図12には、SPAD画素21Fの断面的な構成例が示されている。なお、図12に示すセンサチップ11FおよびSPAD画素21Fにおいて、図2のセンサチップ11およびSPAD画素21と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 With reference to FIG. 12, a sensor chip 11F in which a SPAD pixel 21F of a seventh configuration example is formed will be described. FIG. 12 shows a cross-sectional configuration example of a SPAD pixel 21F. Note that in the sensor chip 11F and SPAD pixel 21F shown in FIG. 12, components common to the sensor chip 11 and SPAD pixel 21 in FIG. 2 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.

図12に示すように、センサチップ11FのSPAD画素21Fは、センサ側配線層42Fが2層配線構造となっている点で、図2のセンサチップ11のSPAD画素21と異なる構成となっている。 As shown in FIG. 12, the SPAD pixel 21F of the sensor chip 11F has a different configuration from the SPAD pixel 21 of the sensor chip 11 in FIG. 2 in that the sensor side wiring layer 42F has a two-layer wiring structure.

即ち、図2のセンサチップ11のセンサ側配線層42は、メタル配線74乃至76が配置された1層配線構造であったのに対し、センサチップ11Fのセンサ側配線層42Fは、メタル配線74乃至76およびメタル配線163乃至165が積層されて配置された2層配線構造となっている。なお、2層以上の多層配線構造を採用してもよい。 That is, while the sensor side wiring layer 42 of the sensor chip 11 in FIG. 2 has a single-layer wiring structure in which the metal wires 74 to 76 are arranged, the sensor side wiring layer 42F of the sensor chip 11F has a two-layer wiring structure in which the metal wires 74 to 76 and the metal wires 163 to 165 are arranged in a stacked manner. Note that a multi-layer wiring structure of two or more layers may also be adopted.

また、メタル配線74乃至76およびメタル配線163乃至165は、平面的に見て、メタル配線74乃至76どうしの間に設けられる隙間と、メタル配線163乃至165どうしの間に設けられる隙間とが重なり合わないように形成される。即ち、メタル配線74乃至76およびメタル配線163乃至165は、それぞれ互い違いに多重となるように形成されている。 The metal wirings 74 to 76 and the metal wirings 163 to 165 are formed so that the gaps between the metal wirings 74 to 76 do not overlap the gaps between the metal wirings 163 to 165 in a plan view. That is, the metal wirings 74 to 76 and the metal wirings 163 to 165 are formed so as to be alternately multiplexed.

さらに、SPAD画素21Fでは、図9のSPAD画素21Dと同様に、センサ基板41の表面に反射膜141および142が積層されている。 Furthermore, in SPAD pixel 21F, similar to SPAD pixel 21D in FIG. 9, reflective films 141 and 142 are laminated on the surface of the sensor substrate 41.

また、センサチップ11Fのセンサ側配線層42Fには、メタル配線74とメタル配線163とを接続するコンタクト電極161および162、メタルパッド81とメタル配線164とを接続するコンタクト電極166、並びに、メタルパッド82とメタル配線165とを接続するコンタクト電極167が形成されている。 In addition, the sensor side wiring layer 42F of the sensor chip 11F is formed with contact electrodes 161 and 162 that connect the metal wiring 74 and the metal wiring 163, a contact electrode 166 that connects the metal pad 81 and the metal wiring 164, and a contact electrode 167 that connects the metal pad 82 and the metal wiring 165.

このようにSPAD画素21Fは構成されており、アバランシェ増倍領域57を覆うようにセンサ側配線層42Fにおいて幾重に形成される反射物(即ち、メタル配線74乃至76、メタル配線163乃至165、および反射膜141および142)によりSPAD素子31を透過した光が反射される。従って、SPAD画素21Fは、SPAD素子31を透過した光の回折や散乱反射などを抑制することができるので、クロストークの発生が防止されるとともにSPAD素子31の感度が向上される結果、特性の向上を図ることができる。 SPAD pixel 21F is configured in this manner, and light that passes through SPAD element 31 is reflected by reflective materials (i.e., metal wiring 74 to 76, metal wiring 163 to 165, and reflective films 141 and 142) that are formed in multiple layers in sensor-side wiring layer 42F so as to cover avalanche multiplication region 57. Therefore, SPAD pixel 21F can suppress diffraction and scattered reflection of light that passes through SPAD element 31, preventing the occurrence of crosstalk and improving the sensitivity of SPAD element 31, thereby improving characteristics.

<SPAD画素の第8の構成例> <8th example of SPAD pixel configuration>

図13を参照して、第8の構成例のSPAD画素21Gが形成されたセンサチップ11Gについて説明する。図13には、SPAD画素21Gの断面的な構成例が示されている。なお、図13に示すセンサチップ11GおよびSPAD画素21Gにおいて、図2のセンサチップ11およびSPAD画素21と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 With reference to FIG. 13, a sensor chip 11G in which a SPAD pixel 21G of an eighth configuration example is formed will be described. FIG. 13 shows a cross-sectional configuration example of a SPAD pixel 21G. Note that in the sensor chip 11G and SPAD pixel 21G shown in FIG. 13, components common to the sensor chip 11 and SPAD pixel 21 in FIG. 2 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.

図13に示すように、センサチップ11GのSPAD画素21Gは、画素間分離部63Gの高さがセンサ基板41の表面(バルク表面)と一致するように形成される点で、図2のセンサチップ11のSPAD画素21と異なる構成となっている。 As shown in FIG. 13, the SPAD pixel 21G of the sensor chip 11G has a different configuration from the SPAD pixel 21 of the sensor chip 11 in FIG. 2 in that the height of the inter-pixel separation portion 63G is formed to coincide with the surface (bulk surface) of the sensor substrate 41.

例えば、図2のSPAD画素21では、センサ基板41の表面からセンサ側配線層42に若干突出するように画素間分離部63が形成されている。これに対し、SPAD画素21Gでは、画素間分離部63Gを構成するメタル膜61Gおよび絶縁膜62Gが、センサ基板41の表面と一致するように形成するように形成される。 For example, in the SPAD pixel 21 of FIG. 2, the inter-pixel separation portion 63 is formed so as to protrude slightly from the surface of the sensor substrate 41 into the sensor-side wiring layer 42. In contrast, in the SPAD pixel 21G, the metal film 61G and insulating film 62G constituting the inter-pixel separation portion 63G are formed so as to coincide with the surface of the sensor substrate 41.

このように、画素間分離部63Gの高さを低く形成しても、クロストークの発生を十分に抑制することができるのであれば、センサ基板41の表面と一致するまで低く形成してもよい。即ち、画素間分離部63は、センサ基板41の表面からセンサ側配線層42に突出するように形成される必要はない。 In this way, if the occurrence of crosstalk can be sufficiently suppressed even if the height of the inter-pixel separation portion 63G is formed low, it may be formed low enough to be flush with the surface of the sensor substrate 41. In other words, the inter-pixel separation portion 63 does not need to be formed so as to protrude from the surface of the sensor substrate 41 into the sensor side wiring layer 42.

このように形成されるSPAD画素21Gにおいても、SPAD素子31を透過する光をメタル配線74により反射することにより、クロストークの発生が防止されるとともにSPAD素子31の感度が向上される結果、特性の向上を図ることができる。 Even in the SPAD pixel 21G formed in this manner, the light passing through the SPAD element 31 is reflected by the metal wiring 74, which prevents crosstalk from occurring and improves the sensitivity of the SPAD element 31, thereby improving the characteristics.

なお、SPAD画素21Gと同様に、画素間分離部63Gの高さがセンサ基板41の表面と一致するように形成される構成を、上述したSPAD画素21A乃至31Fの構成と組み合わせて用いてもよい。 As with SPAD pixel 21G, a configuration in which the height of inter-pixel separation portion 63G is formed to coincide with the surface of sensor substrate 41 may be used in combination with the configurations of SPAD pixels 21A to 31F described above.

<撮像装置の構成例> <Example of imaging device configuration>

図14は、センサチップ11を利用した電子機器である距離画像センサの構成例を示すブロック図である。 Figure 14 is a block diagram showing an example of the configuration of a range image sensor, which is an electronic device that uses a sensor chip 11.

図14に示すように、距離画像センサ201は、光学系202、センサチップ203、画像処理回路204、モニタ205、およびメモリ206を備えて構成される。そして、距離画像センサ201は、光源装置211から被写体に向かって投光され、被写体の表面で反射された光(変調光やパルス光)を受光することにより、被写体までの距離に応じた距離画像を取得することができる。 As shown in FIG. 14, the distance image sensor 201 is configured to include an optical system 202, a sensor chip 203, an image processing circuit 204, a monitor 205, and a memory 206. The distance image sensor 201 can obtain a distance image according to the distance to the subject by receiving light (modulated light or pulsed light) that is projected from a light source device 211 toward the subject and reflected by the surface of the subject.

光学系202は、1枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光(入射光)をセンサチップ203に導き、センサチップ203の受光面(センサ部)に結像させる。 The optical system 202 is composed of one or more lenses, and guides image light (incident light) from a subject to the sensor chip 203, forming an image on the light receiving surface (sensor portion) of the sensor chip 203.

センサチップ203としては、上述した各実施の形態のセンサチップ11が適用され、センサチップ203から出力される受光信号(APD OUT)から求められる距離を示す距離信号が画像処理回路204に供給される。 The sensor chip 11 of each of the above-mentioned embodiments is applied as the sensor chip 203, and a distance signal indicating the distance calculated from the light receiving signal (APD OUT) output from the sensor chip 203 is supplied to the image processing circuit 204.

画像処理回路204は、センサチップ203から供給された距離信号に基づいて距離画像を構築する画像処理を行い、その画像処理により得られた距離画像(画像データ)は、モニタ205に供給されて表示されたり、メモリ206に供給されて記憶(記録)されたりする。 The image processing circuit 204 performs image processing to construct a distance image based on the distance signal supplied from the sensor chip 203, and the distance image (image data) obtained by this image processing is supplied to the monitor 205 for display, or supplied to the memory 206 for storage (recording).

このように構成されている距離画像センサ201では、上述したセンサチップ11を適用することで、SPAD画素21の特性向上に伴って、例えば、より正確な距離画像を取得することができる。 In the distance image sensor 201 configured in this manner, by applying the sensor chip 11 described above, it is possible to obtain, for example, a more accurate distance image as the characteristics of the SPAD pixel 21 improve.

<イメージセンサの使用例> <Examples of using image sensors>

図15は、上述のイメージセンサ(距離画像センサ)を使用する使用例を示す図である。 Figure 15 shows an example of using the image sensor (distance image sensor) described above.

上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。 The image sensor described above can be used in a variety of cases, for example, to sense light such as visible light, infrared light, ultraviolet light, and X-rays, as follows:

・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・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
- Devices that take images for viewing, such as digital cameras and mobile devices with camera functions; - Devices for traffic purposes, such as in-vehicle sensors that take images of the front and rear of a car, the surroundings, and the interior of the car for safe driving such as automatic stopping and for recognizing the driver's state, surveillance cameras that monitor moving vehicles and roads, and distance measuring sensors that measure the distance between vehicles, etc.; - Devices for home appliances such as TVs, refrigerators, and air conditioners that take images of users' gestures and operate devices in accordance with those gestures; - Devices for medical and healthcare purposes, such as endoscopes and devices that take images of blood vessels by receiving infrared light; - Devices for security purposes, such as surveillance cameras for crime prevention and cameras for person authentication; - Devices for beauty purposes, such as skin measuring devices that take images of the skin and microscopes that take images of the scalp; - Devices for sports purposes, such as action cameras and wearable cameras for sports purposes, etc.; - Devices for agricultural purposes, such as cameras for monitoring the condition of fields and crops.

なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)
複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイ部と、
前記画素ごとに設けられる高電界領域によりキャリアを増倍させるアバランシェフォトダイオード素子と、
前記アバランシェフォトダイオード素子が形成される半導体基板において隣接する他の前記画素との間を絶縁して分離する画素間分離部と、
前記高電界領域を少なくとも覆うように、前記半導体基板の受光面の反対側となる表面に対して積層される配線層に設けられるメタル配線と
を備えるセンサチップ。
(2)
前記メタル配線と前記半導体基板との間に設けられ、前記アバランシェフォトダイオード素子を透過して前記メタル配線で反射した光を前記アバランシェフォトダイオード素子の中央に集光するインナーレンズ
をさらに備える上記(1)に記載のセンサチップ。
(3)
前記画素間分離部は、前記半導体基板の裏面から前記表面まで貫通するように形成される
上記(1)または(2)に記載のセンサチップ。
(4)
前記画素間分離部は、光を反射する金属膜と絶縁性を備えた絶縁膜とによる二重構造とされ、前記金属膜の表面が前記絶縁膜で覆われるように前記半導体基板に埋め込まれて形成される
上記(1)から(3)までのいずれかに記載のセンサチップ。
(5)
前記画素間分離部として前記半導体基板に埋め込まれた金属膜に電圧を印加することによって、ホールを蓄積するホール蓄積層が前記アバランシェフォトダイオード素子の外周に誘起される
上記(1)から(4)までのいずれかに記載のセンサチップ。
(6)
前記画素間分離部として前記半導体基板に埋め込まれた金属膜に電圧を印加することによって、キャリアをドリフトする電界が強化される
上記(1)から(5)までのいずれかに記載のセンサチップ。
(7)
前記高電界領域を少なくとも覆うように、光を反射する反射膜が前記半導体基板の表面に対して形成される
上記(1)から(6)までのいずれかに記載のセンサチップ。
(8)
前記反射膜に対して電圧を印加することによって、前記半導体基板の表面近傍に、ホールを蓄積するホール蓄積層を形成する
上記(7)に記載のセンサチップ。
(9)
前記反射膜は、平面的に見たときに前記第1乃至第3のメタル配線に重なるように形成される
上記(7)または(8)に記載のセンサチップ。
(10)
前記画素間分離部の高さが、前記半導体基板の表面と略一致するように形成される
上記(1)から(9)までのいずれかに記載のセンサチップ。
(11)
複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイ部と、
前記画素ごとに設けられる高電界領域によりキャリアを増倍させるアバランシェフォトダイオード素子と、
前記アバランシェフォトダイオード素子が形成される半導体基板において隣接する他の前記画素との間を絶縁して分離する画素間分離部と、
前記高電界領域を少なくとも覆うように、前記半導体基板の受光面の反対側となる表面に対して積層される配線層に設けられるメタル配線と
を有するセンサチップを備える電子機器。
The present technology can also be configured as follows.
(1)
a pixel array section in which a plurality of pixels are arranged in an array;
an avalanche photodiode element that multiplies carriers by a high electric field region provided for each pixel;
an inter-pixel isolation portion that insulates and isolates adjacent pixels on a semiconductor substrate on which the avalanche photodiode element is formed;
a metal wiring provided in a wiring layer laminated on a surface opposite to the light receiving surface of the semiconductor substrate so as to cover at least the high electric field region.
(2)
The sensor chip described in (1) above further comprises an inner lens provided between the metal wiring and the semiconductor substrate, which focuses light that passes through the avalanche photodiode element and is reflected by the metal wiring onto the center of the avalanche photodiode element.
(3)
The sensor chip according to (1) or (2) above, wherein the inter-pixel isolation portion is formed so as to penetrate from a rear surface of the semiconductor substrate to the front surface.
(4)
The inter-pixel isolation portion has a double structure made of a light-reflecting metal film and an insulating film having insulating properties, and is embedded in the semiconductor substrate so that the surface of the metal film is covered with the insulating film. The sensor chip described in any of (1) to (3) above.
(5)
The sensor chip described in any one of (1) to (4) above, wherein a hole accumulation layer that accumulates holes is induced on the outer periphery of the avalanche photodiode element by applying a voltage to a metal film embedded in the semiconductor substrate as the inter-pixel isolation portion.
(6)
The sensor chip according to any one of (1) to (5) above, wherein an electric field that causes carriers to drift is strengthened by applying a voltage to a metal film that is embedded in the semiconductor substrate as the pixel isolation portion.
(7)
The sensor chip according to any one of (1) to (6) above, further comprising a reflective film that reflects light and is formed on the surface of the semiconductor substrate so as to cover at least the high electric field region.
(8)
The sensor chip according to (7) above, wherein a hole accumulation layer that accumulates holes is formed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate by applying a voltage to the reflective film.
(9)
The sensor chip according to (7) or (8) above, wherein the reflective film is formed so as to overlap the first to third metal wirings when viewed in a plan view.
(10)
The sensor chip according to any one of (1) to (9) above, wherein the height of the inter-pixel separation portion is formed so as to be substantially equal to the surface of the semiconductor substrate.
(11)
a pixel array section in which a plurality of pixels are arranged in an array;
an avalanche photodiode element that multiplies carriers by a high electric field region provided for each pixel;
an inter-pixel isolation portion that insulates and isolates adjacent pixels on a semiconductor substrate on which the avalanche photodiode element is formed;
and metal wiring provided in a wiring layer laminated on a surface opposite to the light receiving surface of the semiconductor substrate so as to cover at least the high electric field region.

なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Note that this embodiment is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of this disclosure.

11 センサチップ, 12 画素アレイ部, 13 バイアス電圧印加部, 21 SPAD画素, 31 SPAD素子, 32 p型MOSFET32, 33 CMOSインバータ, 41 センサ基板, 42 センサ側配線層, 43 ロジック側配線層, 51 Nウェル, 52 P型拡散層, 53 N型拡散層, 54 ホール蓄積層, 55 ピニング層, 56 高濃度P型拡散層, 57 アバランシェ増倍領域, 61 メタル膜, 62 絶縁膜, 63 画素間分離部, 71乃至73 コンタクト電極, 74乃至76 メタル配線, 77乃至79 コンタクト電極, 80乃至82 メタルパッド, 91乃至93 電極パッド, 94 絶縁層, 95乃至100 コンタクト電極, 101乃至103 メタルパッド 11 sensor chip, 12 pixel array section, 13 bias voltage application section, 21 SPAD pixel, 31 SPAD element, 32 p-type MOSFET 32, 33 CMOS inverter, 41 sensor substrate, 42 sensor side wiring layer, 43 logic side wiring layer, 51 N well, 52 P-type diffusion layer, 53 N-type diffusion layer, 54 hole accumulation layer, 55 pinning layer, 56 high concentration P-type diffusion layer, 57 avalanche multiplication region, 61 metal film, 62 insulating film, 63 pixel separation section, 71 to 73 contact electrodes, 74 to 76 metal wiring, 77 to 79 contact electrodes, 80 to 82 metal pads, 91 to 93 electrode pads, 94 insulating layer, 95 to 100 contact electrodes, 101 to 103 metal pads

Claims (14)

複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイ部と、
半導体基板に設けられ、前記画素ごとに設けられる高電界領域によりキャリアを増倍させるアバランシェフォトダイオード素子と、
前記アバランシェフォトダイオード素子が形成される前記半導体基板において隣接する他の前記画素との間を分離する画素間分離部と、
平面的に見て、前記高電界領域を少なくとも覆うように、前記半導体基板の受光面の反対側となる表面に対して積層される第1の配線層に設けられ、前記アバランシェフォトダイオード素子のカソードに第1の電極を介して接続される第1のメタル配線と、
前記第1の配線層に設けられ、前記アバランシェフォトダイオード素子のアノードに第2の電極を介して接続される第2のメタル配線と
を備え、
断面視において、前記第1のメタル配線が、1つの画素領域内で前記第2のメタル配線の間に設けられており、
前記高電界領域に負電圧を供給するためのコンタクト電極と、そのコンタクト電極の周辺とを含む一部分以外を少なくとも覆うように前記高電界領域よりも広い範囲に形成され、光を反射する反射膜であるポリシリコン膜が前記半導体基板の表面に対して形成される
光検出素子。
a pixel array section in which a plurality of pixels are arranged in an array;
an avalanche photodiode element provided on a semiconductor substrate, the avalanche photodiode element multiplying carriers by a high electric field region provided for each pixel;
an inter-pixel isolation portion that isolates adjacent pixels from each other on the semiconductor substrate on which the avalanche photodiode element is formed;
a first metal wiring provided in a first wiring layer laminated on a surface of the semiconductor substrate opposite to the light receiving surface so as to cover at least the high electric field region in a plan view, the first metal wiring being connected to a cathode of the avalanche photodiode element via a first electrode;
a second metal wiring provided in the first wiring layer and connected to the anode of the avalanche photodiode element via a second electrode;
When viewed in cross section, the first metal wiring is provided between the second metal wirings within one pixel region ,
A polysilicon film is formed on the surface of the semiconductor substrate, the polysilicon film being a reflective film that reflects light and is formed in a range wider than the high electric field region so as to cover at least the area except for a contact electrode for supplying a negative voltage to the high electric field region and a portion including the periphery of the contact electrode.
Light detection element.
平面的に見て、前記第1のメタル配線と前記第2のメタル配線との間の隙間を埋めるように、それぞれ互い違いに多重となるように第2の配線層に設けられた第3のメタル配線
をさらに備える請求項1に記載の光検出素子。
The photodetector element according to claim 1, further comprising a third metal wiring provided in a second wiring layer so as to be staggered and multiplexed to fill a gap between the first metal wiring and the second metal wiring in a plan view.
前記第2の配線層は、複数の前記第3のメタル配線を有している
請求項2に記載の光検出素子。
The photodetector element according to claim 2 , wherein the second wiring layer includes a plurality of the third metal wirings.
前記第1のメタル配線および前記第2のメタル配線と複数の前記第3のメタル配線とは、平面的に見て、前記第1のメタル配線および前記第2のメタル配線どうしの間に設けられる隙間と、複数の前記第3のメタル配線どうしの間に設けられる隙間とが重なり合わないように配置される
請求項3に記載の光検出素子。
4. The photodetector element according to claim 3, wherein the first metal wiring, the second metal wiring and the plurality of third metal wirings are arranged such that, in a planar view, gaps provided between the first metal wiring and the second metal wiring and gaps provided between the plurality of third metal wirings do not overlap.
前記第1の配線層は、前記半導体基板と前記第2の配線層との間に配置される
請求項2に記載の光検出素子。
The photodetector element according to claim 2 , wherein the first wiring layer is disposed between the semiconductor substrate and the second wiring layer.
前記ポリシリコン膜に対して電圧を印加することによって、前記半導体基板の表面近傍に、ホールを蓄積するホール蓄積層を形成する
請求項1に記載の光検出素子。
A hole accumulation layer that accumulates holes is formed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate by applying a voltage to the polysilicon film.
The photodetector element according to claim 1 .
前記反射膜は、平面的に見たときに前記第1乃至第3のメタル配線に重なるように形成される
請求項6に記載の光検出素子。
The reflective film is formed so as to overlap the first to third metal wirings when viewed in a plan view.
The photodetector element according to claim 6 .
前記第1のメタル配線と前記半導体基板との間に設けられ、前記アバランシェフォトダイオード素子を透過して前記第1のメタル配線で反射した光を前記アバランシェフォトダイオード素子の中央に集光するインナーレンズ
をさらに備える請求項1に記載の光検出素子。
2. The photodetector element according to claim 1, further comprising: an inner lens provided between the first metal wiring and the semiconductor substrate, the inner lens focusing light that passes through the avalanche photodiode element and is reflected by the first metal wiring at a center of the avalanche photodiode element.
前記画素間分離部は、前記半導体基板の裏面から前記表面まで貫通するように形成される
請求項1に記載の光検出素子。
The photodetector element according to claim 1 , wherein the inter-pixel isolation portion is formed so as to penetrate the semiconductor substrate from a rear surface to the front surface.
前記画素間分離部は、光を反射する金属膜と絶縁性を備えた絶縁膜とによる二重構造とされ、前記金属膜の表面が前記絶縁膜で覆われるように前記半導体基板に埋め込まれて形成される
請求項1に記載の光検出素子。
2. The photodetector element according to claim 1, wherein the inter-pixel isolation portion has a double structure made of a light-reflecting metal film and an insulating film having insulating properties, and is formed by being embedded in the semiconductor substrate so that a surface of the metal film is covered with the insulating film.
前記画素間分離部として前記半導体基板に埋め込まれた金属膜に電圧を印加することによって、ホールを蓄積するホール蓄積層が前記アバランシェフォトダイオード素子の外周に誘起される
請求項1に記載の光検出素子。
2. The photodetector element according to claim 1, wherein a hole accumulation layer for accumulating holes is induced on an outer periphery of the avalanche photodiode element by applying a voltage to a metal film embedded in the semiconductor substrate as the inter-pixel isolation portion.
前記画素間分離部として前記半導体基板に埋め込まれた金属膜に電圧を印加することによって、キャリアをドリフトする電界が強化される
請求項1に記載の光検出素子。
The photodetector element according to claim 1 , wherein an electric field that causes carriers to drift is strengthened by applying a voltage to a metal film that is embedded in the semiconductor substrate as the inter-pixel isolation portion.
前記画素間分離部の高さが、前記半導体基板の表面と略一致するように形成される
請求項1に記載の光検出素子。
The photodetector element according to claim 1 , wherein the inter-pixel isolation portion is formed so as to have a height substantially equal to a surface of the semiconductor substrate.
複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイ部と、
半導体基板に設けられ、前記画素ごとに設けられる高電界領域によりキャリアを増倍させるアバランシェフォトダイオード素子と、
前記アバランシェフォトダイオード素子が形成される前記半導体基板において隣接する他の前記画素との間を分離する画素間分離部と、
平面的に見て、前記高電界領域を少なくとも覆うように、前記半導体基板の受光面の反対側となる表面に対して積層される第1の配線層に設けられ、前記アバランシェフォトダイオード素子のカソードに第1の電極を介して接続される第1のメタル配線と、
前記第1の配線層に設けられ、前記アバランシェフォトダイオード素子のアノードに第2の電極を介して接続される第2のメタル配線と
を有し、
断面視において、前記第1のメタル配線が、1つの画素領域内で前記第2のメタル配線の間に設けられており、
前記高電界領域に負電圧を供給するためのコンタクト電極と、そのコンタクト電極の周辺とを含む一部分以外を少なくとも覆うように前記高電界領域よりも広い範囲に形成され、光を反射する反射膜であるポリシリコン膜が前記半導体基板の表面に対して形成される
光検出素子を備える電子機器。
a pixel array section in which a plurality of pixels are arranged in an array;
an avalanche photodiode element provided on a semiconductor substrate, the avalanche photodiode element multiplying carriers by a high electric field region provided for each pixel;
an inter-pixel isolation portion that isolates adjacent pixels from each other on the semiconductor substrate on which the avalanche photodiode element is formed;
a first metal wiring provided in a first wiring layer laminated on a surface of the semiconductor substrate opposite to the light receiving surface so as to cover at least the high electric field region in a plan view, the first metal wiring being connected to a cathode of the avalanche photodiode element via a first electrode;
a second metal wiring provided in the first wiring layer and connected to the anode of the avalanche photodiode element via a second electrode;
When viewed in cross section, the first metal wiring is provided between the second metal wirings within one pixel region ,
A polysilicon film is formed on the surface of the semiconductor substrate, the polysilicon film being a reflective film that reflects light and is formed in a range wider than the high electric field region so as to cover at least the area except for a contact electrode for supplying a negative voltage to the high electric field region and a portion including the periphery of the contact electrode.
An electronic device equipped with a light detection element.
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