JPWO2019180898A1 - Solid-state image sensor - Google Patents
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Abstract
固体撮像素子(100)は、上面に光が入射する半導体基板(10)と、半導体基板(10)内に配置された第一半導体(11)と、半導体基板(10)内の第一半導体(11)よりも下方に配置された第二半導体(12)とを備える。第一半導体(11)、及び、半導体基板(10)のうち第一半導体(11)に接合する接合領域(10a)は、PDを構成する。第二半導体(12)、及び、半導体基板(10)のうち第二半導体(12)に接合する光電変換領域(10b)は、APDを構成する。APDは、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される増倍領域(15)を含む。The solid-state image sensor (100) includes a semiconductor substrate (10) in which light is incident on the upper surface, a first semiconductor (11) arranged in the semiconductor substrate (10), and a first semiconductor (10) in the semiconductor substrate (10). It includes a second semiconductor (12) arranged below 11). The bonding region (10a) bonded to the first semiconductor (11) of the first semiconductor (11) and the semiconductor substrate (10) constitutes a PD. The photoelectric conversion region (10b) bonded to the second semiconductor (12) of the second semiconductor (12) and the semiconductor substrate (10) constitutes the APD. The APD includes a multiplication region (15) in which the charge is multiplied by the avalanche multiplication.
Description
本開示は、固体撮像素子に関し、特に微弱な光を検出することが可能な固体撮像素子に関する。 The present disclosure relates to a solid-state image sensor, and particularly to a solid-state image sensor capable of detecting weak 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:Avalanche Photodiode)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。APDが用いられたデバイスとして、特許文献1には、被検出光に対する開口率の高いフォトダイオードアレイが開示されている。また、特許文献2には、ランダム光を含む微弱光を検出できる半導体光検出器が開示されている。
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. APD is a photodiode whose light detection sensitivity is enhanced by multiplying the signal charge generated by photoelectric conversion by using avalanche breakdown. As a device in which APD is used,
本開示は、短波長の光(例えば、可視光)を高い解像度で検出し、かつ、長波長の光(例えば、近赤外光)を高い感度で検出することができる固体撮像素子を提供する。 The present disclosure provides a solid-state image sensor capable of detecting short-wavelength light (for example, visible light) with high resolution and long-wavelength light (for example, near-infrared light) with high sensitivity. ..
本開示の一態様に係る固体撮像素子は、上面に光が入射する半導体基板と、前記半導体基板内に配置された第一半導体と、前記半導体基板内の前記第一半導体よりも下方に配置された第二半導体とを備え、前記第一半導体、及び、前記半導体基板のうち前記第一半導体に接合する第一部分は、第一光電変換部を構成し、前記第二半導体、及び、前記半導体基板のうち前記第二半導体に接合する第二部分は、第二光電変換部を構成し、前記第二光電変換部は、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される増倍領域を含む。 The solid-state imaging device according to one aspect of the present disclosure is arranged below the semiconductor substrate in which light is incident on the upper surface, the first semiconductor arranged in the semiconductor substrate, and the first semiconductor in the semiconductor substrate. The first semiconductor and the first portion of the semiconductor substrate bonded to the first semiconductor constitute a first photoelectric conversion unit, and the second semiconductor and the semiconductor substrate are provided. The second portion bonded to the second semiconductor constitutes a second photoelectric conversion unit, and the second photoelectric conversion unit includes a multiplication region in which the charge is multiplied by the avalanche multiplication.
本開示によれば、短波長の光を高い解像度で検出し、かつ、長波長の光を高い感度で検出することができる固体撮像素子が実現される。 According to the present disclosure, a solid-state image sensor capable of detecting short-wavelength light with high resolution and long-wavelength light with high sensitivity is realized.
(本開示の基礎となった知見)
APDアレイを有し、アバランシェ増倍を用いて信号増幅を行うことで、微弱光を検出することができる固体撮像素子が提案されている。暗視撮像、及び、ToF(Time of Flight)センサなどに用いられる固体撮像素子には、近赤外光に対して高い感度を有することが求められる。APDアレイを有する固体撮像素子において、近赤外光に対する感度を高めるためにAPDのセルサイズを大きくすると解像度が劣化してしまうことが課題である。(Knowledge on which this disclosure was based)
A solid-state image sensor having an APD array and capable of detecting weak light by performing signal amplification using avalanche multiplication has been proposed. The solid-state image sensor used for night-vision imaging and ToF (Time of Flight) sensors is required to have high sensitivity to near-infrared light. In a solid-state image sensor having an APD array, there is a problem that the resolution deteriorates when the cell size of the APD is increased in order to increase the sensitivity to near-infrared light.
そこで、以下の実施の形態では、近赤外光の高感度化を実現しながらも、高い解像度で可視光検出が可能な固体撮像素子について説明する。 Therefore, in the following embodiments, a solid-state image sensor capable of detecting visible light with high resolution while achieving high sensitivity of near-infrared light 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。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 shown. 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)と表現され、Z軸−側は、下側(下方)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。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, the vertical direction, the Z-axis + side is expressed as the upper side (upper side), and the Z-axis-side is expressed as the lower side (lower side). In other words, the Z-axis direction is a direction perpendicular to the upper surface or the lower surface of the semiconductor substrate. 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. 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1)
[構造]
以下、実施の形態1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1に係る固体撮像素子の平面図である。図2は、実施の形態1に係る固体撮像素子の断面図である。図2は、図1のII−II線で固体撮像素子100を切断した場合の断面図である。なお、図1において、第一半導体11は、実際には半導体基板10内に位置するが、配置を明確化するために実線で図示されている。(Embodiment 1)
[Construction]
Hereinafter, the structure of the solid-state image sensor according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a plan view of the solid-state image sensor according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the solid-state image sensor according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the solid-
図1及び図2に示されるように、実施の形態1に係る固体撮像素子100は、半導体基板10と、第一半導体11と、第二半導体12と、分離領域13と、転送領域14とを備える。分離領域13は、第三半導体の一例であり、転送領域14は、第四半導体の一例である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the solid-
固体撮像素子100は、アバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photodiode)、及び、フォトダイオード(PD:Photodiode)の両方を備えるイメージセンサである。固体撮像素子100には、上面側(Z軸プラス側)から光が入射する。図1及び図2では、APD及びPDがそれぞれ1つのみ図示されているが、固体撮像素子100は、平面視においてアレイ状に配置された複数のAPDと、平面視においてアレイ状に配置された複数のPDとを備える。アレイ状は、言い換えれば、マトリクス状である。固体撮像素子100においては、1つの画素は、1つのAPD及び1つのPDを含む。
The solid-
半導体基板10は、P型の半導体によって形成される基板であり、上面に光が入射する。P型は、第一導電型の一例である。半導体基板10は、接合領域10aと、光電変換領域10bと、ウェル領域10cとを含む。接合領域10aは、第二半導体12よりも半導体基板10の上面側に位置し、第一半導体11の下面に接合する。光電変換領域10bは、第二半導体12よりも半導体基板10の下面側に位置し、第二半導体12の下面に接合する。ウェル領域10cは、第二半導体12よりも半導体基板10の上面側に位置し、第一半導体11の周囲に位置する。接合領域10aは、半導体基板10の第一部分の一例であり、光電変換領域10bは、半導体基板10の第二部分の一例である。
The
第一半導体11は、N型の半導体によって形成される。N型は、第二導電型の一例である。第一半導体11、及び、半導体基板10の接合領域10aは、PDを構成する。PDは、第一光電変換部の一例である。また、第一半導体11の不純物濃度は、例えば、1018cm−3以下である。The
固体撮像素子100において、PDは、埋め込み型である。このようにPDの上面にP型で比較的不純物濃度が高い半導体層が形成されていれば、ノイズ及びリーク電流が抑制される。なお、PDは埋め込み型でなくてもよく、PDは半導体基板10の上面から外部に露出していてもよい。
In the solid-
第二半導体12は、N型の半導体によって形成される。第二半導体12、及び、半導体基板10の光電変換領域10bは、APDを構成する。APDは、第二光電変換部の一例である。
The
半導体基板10の上面に入射した光は、ウェル領域10cとは電気的に分離された光電変換領域10bにおいて光電変換される。この結果、信号電荷である電子正孔対が発生する。一般に、発生した信号電荷のうちの電子は電位勾配に沿って上面側に流れ、第二半導体12を経由して転送領域14に移動する。
The light incident on the upper surface of the
転送領域14は、第二半導体12と同様のN型の半導体によって形成され、APDにおいて発生した信号電荷が蓄積される。転送領域14は、上下方向に延びる柱状であり、一方の端部が第二半導体12に接続され、他方の端部が半導体基板10の上面から外部に露出している。なお、転送領域14は、必ずしも半導体基板10の上面から露出している必要はなく、転送領域14は、半導体基板10内に埋め込まれていてもよい。この場合、ウェル領域10c及び転送領域14の間の不純物濃度勾配は、トンネル電流が発生しない程度に設計される。転送領域14の他方の端部には、転送トランジスタTRN2が配置される。
The
APDは、増倍領域15を含む。増倍領域15は、光電変換領域10bと第二半導体12との境界近傍に形成される。半導体基板10にブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧が印加されると、増倍領域15にてアバランシェ増倍現象が起こる。APDでは、光電変換領域10bにおいて発生した信号電荷は、増倍領域15にてアバランシェ増倍される。これにより、電子が転送領域14に到達する前に多数の信号電荷を発生させることができる。したがって、固体撮像素子100は、通常はノイズに埋もれて検出できないような微弱な光を検出することが可能となる。
The APD includes a multiplying
なお、光電変換領域10bが厚く形成されれば、上面側から入射した光を光電変換できる確率が増加する。光電変換領域10bが2μm以上の厚さであれば、比較的長い波長帯域の光に対する感度を確保することができる。
If the
光電変換領域10b及び第二半導体12の不純物濃度は、例えば、5×1016cm−3以上1018cm−3以下である。これにより、アバランシェ増倍を発生させることができる。光電変換領域10bの不純物濃度のピーク位置と第二半導体12の不純物濃度のピーク位置との間の距離が0.5μm以上離れていれば、不純物の拡散による不純物濃度の相殺が抑制される。したがって、アバランシェ増倍を発生させるのに十分な不純物濃度を確保することが可能である。The impurity concentrations of the
分離領域13は、隣り合う第二半導体12を電気的に分離するための領域である。分離領域13は、アレイ状に配置された複数の第二半導体12の間に位置し、アレイ状に配置された複数の第二半導体12を分離する。分離領域13は、画素の境界に位置し、平面視において格子状である。分離領域によれば、隣り合う画素の混色、及び、一つの画素における信号電荷が他の画素に漏れ出すことを抑制することができる。
The
分離領域13は、例えば、第二半導体12よりも不純物濃度が低いN型の半導体によって形成される。これにより、半導体基板10に電圧が印加されると、分離領域13にポテンシャル障壁が形成され、隣り合う第二半導体12が電気的に分離される。また、第二半導体12と分離領域13との間の電界強度が、第二半導体12と増倍領域15における電界強度よりも低くなるため、画素境界での光電変換で生じる混色成分の信号増倍を抑制することができる。
The
なお、分離領域13が第二半導体12よりも不純物濃度が低いN型の半導体によって形成される場合、複数の第二半導体12を電気的に分離することに加えて、光電変換領域10bとウェル領域10cとを電気的に分離する必要がある。分離領域13の幅を広くするほど、光電変換領域10bとウェル領域10cの電気的分離が困難となり、設計マージンが狭いという課題が生じることが想定される。
When the
例えば、分離領域13の幅が0.5μm以上1μm以下である場合、分離領域13の不純物濃度が1016cm−3以上5×1017cm−3以下であれば、光電変換領域10bとウェル領域10cとを電気的に分離することができる。このように、分離領域13の不純物濃度は、分離領域13の幅に応じて、適宜調整されるとよい。なお、ウェル領域10cの不純物濃度は、例えば、1016cm−3以上1018cm−3以下である。For example, when the width of the
[第一半導体及び第二半導体の配置]
第一半導体11は、半導体基板10内で第二半導体12よりも上面側に配置される。言い換えれば、第二半導体12は、半導体基板10内の第一半導体11よりも下方に配置されている。つまり、半導体基板10の光の入射面(つまり、上面)から第二半導体12までの距離は、半導体基板10の光の入射面から第一半導体11までの距離よりも長い。[Arrangement of first semiconductor and second semiconductor]
The
一般に、シリコンなどの半導体材料が有する波長依存性により、光の長波長成分は、半導体基板10内の下方(言い換えれば、深部)まで到達しやすく、光の短波長成分は、半導体基板10内の下方まで到達しにくい。
In general, due to the wavelength dependence of a semiconductor material such as silicon, the long wavelength component of light easily reaches the lower part (in other words, the deep part) in the
そうすると、固体撮像素子100に入射する光のうち比較的波長が短い可視光は、第一半導体11及び接合領域10aによって構成されるPDには到達するが、第二半導体12及び光電変換領域10bによって構成されるAPDには到達しにくくなる。一方で、固体撮像素子100に入射する光のうち比較的波長が長い近赤外光は、APDに到達しやすい。つまり、半導体基板10内でAPDがPDよりも下方に位置する構成によれば、固体撮像素子100は、近赤外光などの比較的長波長の光を選択的にアバランシェ増倍させることができる。
Then, the visible light having a relatively short wavelength among the light incident on the solid-
例えば、固体撮像素子100は、PDに到達した可視光に基づいて出力される信号によって輝度画像を生成することができる。また、固体撮像素子100は、輝度画像を生成するだけでなく、ToF(Time of Flight)センサとしても使用できる。固体撮像素子100は、光源から出射されるパルス状の近赤外光の反射光がAPDに到達することで得られる信号によって距離画像を生成することができる。
For example, the solid-
また、固体撮像素子100によれば、距離分解能が高められたToFセンサを実現することも可能である。例えば、固体撮像素子100は、近距離に位置する対象物までの距離については可視光光源からの可視光の反射光をPDにより検出し、遠距離に位置する対象物までの距離については近赤外光源からの近赤外光の反射光をAPDによって検出する。これにより、距離分解能が高められた距離画像を得ることができる。
Further, according to the solid-
なお、PDとAPDとは電気的に分離される必要がある。PD及びAPDが共にリセット状態であるときの分離障壁は、例えば、少なくとも1V以上である。また、PDと転送領域14とは電気的に分離される必要がある。PDと転送領域14との間にはP型の半導体またはSTI(Shallow Trench Isolation)等が形成されてもよい。
It should be noted that PD and APD need to be electrically separated. The separation barrier when both PD and APD are in the reset state is, for example, at least 1 V or more. Further, the PD and the
[画素回路]
図1に示されるように、半導体基板10の上面には、画素回路を構成する複数のトランジスタが配置される。以下、画素回路について説明する。図3は、画素回路の構成の一例を示す図である。なお、図3は、PDの画素回路を示しているが、APDの画素回路についても同様の構成となる。[Pixel circuit]
As shown in FIG. 1, a plurality of transistors constituting a pixel circuit are arranged on the upper surface of the
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。
The solid-
画素101は、PD、転送トランジスタTRN1、リセットトランジスタRST1、浮遊拡散領域FD1、増幅トランジスタSF1、及び、選択トランジスタSEL1を含む画素回路を有する。なお、図3では図示されないが、画素101は、APD、転送トランジスタTRN2、リセットトランジスタRST2、浮遊拡散領域FD2、増幅トランジスタSF2、及び、選択トランジスタSEL2を含む画素回路を有する。
The
なお、実施の形態1〜3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、又は、これらの混在であってもよい。 In the first to third embodiments, the term "transistor" simply means a MOS 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.
PDによって検出された信号電荷は転送トランジスタTRN1を通じて浮遊拡散領域FD1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SF1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)やメモリ(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 PD is transferred to the floating diffusion region FD1 through the transfer transistor TRN1, and the signal corresponding to the amount of the signal charge detected in the pixels sequentially selected by the
なお、図3に示される画素回路では、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101を構成する画素回路は、4個のトランジスタ(転送トランジスタTRN1、リセットトランジスタRST1、増幅トランジスタSF1、選択トランジスタSEL1)と1個の浮遊拡散領域FD1とで構成されたが、画素回路は、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もっと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。トランジスタの構成及び配置(図1に図示)は、固体撮像素子100が動作する範囲内において変更されてもよい。
In the pixel circuit shown in FIG. 3, peripheral circuits (
また、画素回路は、ToF方式で距離画像を取得するための回路構成を有していてもよい。また、画素回路は、PD及びAPDによって共有されてもよい。 Further, the pixel circuit may have a circuit configuration for acquiring a distance image by the ToF method. Further, the pixel circuit may be shared by PD and APD.
[製造方法]
次に、固体撮像素子100の製造方法について説明する。図4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]
Next, a method of manufacturing the solid-
固体撮像素子100は、基本的に下層から上層に向けて製造される。まず、光電変換領域10b(P型の半導体)が形成された基板が準備される(S11)。そして、光電変換領域10bの上面の全面に、イオン注入法によってN型の半導体が形成される(S12)。ステップS12において形成されたN型の半導体に、フォトリソグラフィによるパターンニング、及び、P型不純物を用いたイオン注入等が行われることによって第二半導体12及び分離領域13が形成される(S13)。続いて、フォトリソグラフィによるパターンニング、及び、イオン注入等が行われることによって転送領域14及び第一半導体11が形成される(S14)。その後、ウェル領域10cが形成され(S15)、ウェル領域10cに、フォトリソグラフィによるパターンニング及びイオン注入等が行われることによって、画素回路に含まれるトランジスタのソース及びドレインが形成される(S16)。
The solid-
なお、配線層(図示せず)の形成方法は、以下の通りである。例えば、ステップS11〜ステップS16までの処理を終えた半導体基板10の上に絶縁層が形成され、当該絶縁層にフォトリソグラフィによるパターンニング、エッチング、及びスパッタリング等が行われることによって、絶縁層、ゲート電極、コンタクトプラグ、及び、配線が形成される。
The method of forming the wiring layer (not shown) is as follows. For example, an insulating layer is formed on the
また、光電変換領域10b、及び、第二半導体12の少なくとも一方は、半導体基板10をエピタキシャル成長で形成する途中で不純物濃度を変更することにより作製されてもよい。この方法であれば、増倍領域15における結晶欠陥が光電変換領域10b及び第二半導体12がイオン注入法で作成された場合の増倍領域15よりも少なくなり、ノイズを低減することが可能である。
Further, at least one of the
[効果等]
固体撮像素子100は、上面に光が入射する半導体基板10と、半導体基板10内に配置された第一半導体11と、半導体基板10内の第一半導体11よりも下方に配置された第二半導体12とを備える。第一半導体11、及び、半導体基板10のうち第一半導体11に接合する接合領域10aは、PDを構成する。接合領域10aは、第一部分の一例であり、PDは、第一光電変換部の一例である。第二半導体12、及び、半導体基板10のうち第二半導体12に接合する光電変換領域10bは、APDを構成する。光電変換領域10bは、第二部分の一例であり、APDは、第二光電変換部の一例である。APDは、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される増倍領域15を含む。[Effects, etc.]
The solid-
このような固体撮像素子100においては、短波長の光が到達しにくく、かつ、長波長の光が到達しやすい半導体基板10内の下面側にAPDが配置される。このため、APDが長波長の光の検出に用いられれば、固体撮像素子100は、長波長の光を比較的高い感度で検出することができる。
In such a solid-
また、固体撮像素子100において、PD及びAPDは上下方向の位置が異なる。したがって、固体撮像素子100においてはPDの数を増やすことができ、PDの数が増えることで短波長の光を高い解像度で検出できる。
Further, in the solid-
このように、固体撮像素子100は、短波長の光を高い解像度で検出し、かつ、長波長の光を高い感度で検出することができる。
As described above, the solid-
また、固体撮像素子100は、半導体基板10内にアレイ状に配置された複数の第一半導体11と、半導体基板10内の複数の第一半導体11よりも下方にアレイ状に配置された複数の第二半導体12とを備える。
Further, the solid-
このように、固体撮像素子100は、複数のPDによって輝度画像または距離画像を出力することができ、かつ、複数のAPDによって輝度画像または距離画像を出力することができる。
In this way, the solid-
また、固体撮像素子100は、さらに、APDにおいて発生した電荷が蓄積される転送領域14であって、一方の端部が第二半導体12に接続され、他方の端部が半導体基板10の上面から外部に露出した転送領域14と、転送領域14の他方の端部に配置された転送トランジスタTRN2とを備える。転送領域は、第四半導体の一例である。
Further, the solid-
このように、固体撮像素子100は、APDにおいて発生した電荷を転送することができる。
In this way, the solid-
(実施の形態2)
[構造]
以下、実施の形態2に係る固体撮像素子の構造について説明する。図5は、実施の形態2に係る固体撮像素子の平面図である。図6は、実施の形態2に係る固体撮像素子の断面図である。図6は、図5のVI−VI線で固体撮像素子200を切断した場合の断面図である。なお、図5において、第一半導体21は、実際には半導体基板20内に位置するが、配置を明確化するために実線で図示されている。(Embodiment 2)
[Construction]
Hereinafter, the structure of the solid-state image sensor according to the second embodiment will be described. FIG. 5 is a plan view of the solid-state image sensor according to the second embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view of the solid-state image sensor according to the second embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view of the solid-
図5及び図6に示されるように、実施の形態2に係る固体撮像素子200は、半導体基板20と、第一半導体21と、第二半導体22と、分離領域23と、転送領域24とを備える。分離領域23は、第三半導体の一例であり、転送領域24は、第四半導体の一例である。半導体基板20は、複数の接合領域20aと、光電変換領域20bと、ウェル領域20cとを含む。以下、実施の形態2では、固体撮像素子200の、固体撮像素子100との相違点を中心に説明が行われ、既出事項の説明は省略または簡略化される。
As shown in FIGS. 5 and 6, the solid-
固体撮像素子200においては、1つの画素は、1つのAPD及び2つのPDを含む。つまり、固体撮像素子200は、1つのAPDに対して複数のPDを備える。したがって、固体撮像素子200において、複数のAPD(つまり、複数の第一半導体21)の総数は、複数のPD(つまり、複数の第二半導体22)の総数よりも多い。また、平面視において、1つの第二半導体22は、複数の第一半導体21と重なる。なお、1つの画素に含まれるPDの数、1つの画素におけるPDの配置、及び、PDの形状などは特に限定されない。
In the solid-
複数のPDは、半導体基板20のウェル領域20c内に配置され、電気的に分離されている。固体撮像素子200においても、第二半導体22は、半導体基板20内の第一半導体21よりも下方に配置されている。
The plurality of PDs are arranged in the
例えば、光電変換領域20bがシリコンによって形成され、PDが可視光の検出に用いられ、かつ、APDが近赤外光の検出に用いられる場合、PDによって得られる輝度画像を高解像度化することができる。また、シリコンは近赤外光の吸収率が低い。このため、近赤外光がAPDの増倍領域25においてアバランシェ増倍される構成が有用である。
For example, when the
また、固体撮像素子200では、平面視において、第二半導体22は、第一半導体21よりも大きい。固体撮像素子200では、平面視において、各第一半導体21の全部が第二半導体に重なり、APDの受光面積は、PDの受光面積よりも相対的に大きくなる。したがって、近赤外光に対する感度の向上が期待される。
Further, in the solid-
また、光電変換領域20bは、半導体基板20の上面(光の入射面)と反対側に位置しているため比較的自由に厚膜化できる。これにより、APDは、量子効率を高めて近赤外光を検出することができる。
Further, since the
ところで、図5に示されるように、半導体基板20の上面には、画素回路を構成する複数のトランジスタが配置される。PD用の画素回路には、転送トランジスタTRN1、リセットトランジスタRST1、浮遊拡散領域FD1、増幅トランジスタSF1、及び、選択トランジスタSEL1が含まれる。APD用の画素回路には、転送トランジスタTRN2、リセットトランジスタRST2、浮遊拡散領域FD2、増幅トランジスタSF2、及び、選択トランジスタSEL2が含まれる。
By the way, as shown in FIG. 5, a plurality of transistors constituting a pixel circuit are arranged on the upper surface of the
固体撮像素子200においては、PD用の画素回路、及び、APD用の画素回路が独立している。一方、2つのPDの画素回路は、共通化されており、これにより、PD用の画素回路の実装面積の縮小が図られている。なお、PDが3つ以上の場合も画素回路の共通化は可能である。なお、PD用の画素回路及びAPD用の画素回路が共通化されてもよい。
In the solid-
[効果等]
固体撮像素子200においては、平面視において、第二半導体22は、第一半導体21よりも大きい。[Effects, etc.]
In the solid-
このように、固体撮像素子200においては第二半導体22によって構成されるAPDの受光面積が大きいため、近赤外光の感度を高めることができる。
As described above, in the solid-
また、固体撮像素子200においては、複数の第一半導体21の総数は、複数の第二半導体22の総数よりも多い。
Further, in the solid-
このように、固体撮像素子200においては第一半導体21によって構成されるPDの数が多いため、PDによって検出される光に基づく画像(輝度画像または距離画像)が高解像度化される。
As described above, in the solid-
また、固体撮像素子200においては、平面視において、1つの第二半導体22は、複数の第一半導体21と重なる。
Further, in the solid-
これにより、複数の第一半導体21を密集させて固体撮像素子200の小型化を実現することができる。
Thereby, a plurality of
(実施の形態3)
[構造]
以下、実施の形態3に係る固体撮像素子の構造について説明する。図7は、実施の形態3に係る固体撮像素子の平面図である。図8及び図9は、実施の形態2に係る固体撮像素子の断面図である。図8は、図7のVIII−VIII線で固体撮像素子300を切断した場合の断面図である。図9は、図7のIX−IX線で固体撮像素子300を切断した場合の断面図である。なお、図7において、第一半導体31は、実際には半導体基板30内に位置するが、配置を明確化するために実線で図示されている。(Embodiment 3)
[Construction]
Hereinafter, the structure of the solid-state image sensor according to the third embodiment will be described. FIG. 7 is a plan view of the solid-state image sensor according to the third embodiment. 8 and 9 are cross-sectional views of the solid-state image sensor according to the second embodiment. FIG. 8 is a cross-sectional view of the solid-
図7〜図9に示されるように、実施の形態3に係る固体撮像素子300は、半導体基板30と、複数の第一半導体31と、複数の第二半導体32と、分離領域33と、転送領域34とを備える。分離領域33は、第三半導体の一例であり、転送領域34は、第四半導体の一例である。半導体基板30は、複数の接合領域30aと、光電変換領域30bと、ウェル領域30cとを含む。以下、実施の形態3では、固体撮像素子300の、固体撮像素子100及び固体撮像素子200との相違点を中心に説明が行われ、既出事項の説明は省略または簡略化される。
As shown in FIGS. 7 to 9, the solid-
固体撮像素子300においては、1つの画素は、1つのAPD及び4つのPDを含む。つまり、固体撮像素子200は、1つのAPDに対して4つのPDを備える。なお、1つの画素に含まれるPDの数、1つの画素におけるPDの配置、及び、PDの形状などは特に限定されない。
In the solid-
4つのPDには、ベイヤー配列のカラーフィルタが適用される。固体撮像素子300では、このような既存のベイヤー配列のカラーフィルタに対応しつつ、近赤外光を高感度に検出するためのAPDが追加されている。
A Bayer array color filter is applied to the four PDs. In the solid-
また、PD(つまり、第一半導体31)は、分離領域33の上方にも配置されている。APDの増倍領域35においてアバランシェ増倍された信号電荷によって画像を出力する場合、光電変換領域30bの下面側に負バイアスの電圧(ブレークダウン電圧とも呼ばれる)が印加される。このとき、画素毎の出力が混ざらないようにするために、複数のAPD(つまり、複数の第二半導体32)を電気的に分離する必要がある。また、画素回路を構成するトランジスタが配置されるウェル領域30cの電位を安定させるために、ウェル領域30cと光電変換領域30bとを電気的に分離する必要もある。
The PD (that is, the first semiconductor 31) is also arranged above the
複数のAPDの電気的な分離、及び、ウェル領域30cと光電変換領域30bとの電気的な分離を両立させるためには、分離領域33は、画素間に一定のポテンシャル障壁を形成するためにリセット状態のAPDよりも低い電位でありつつ、かつ、ウェル領域30cよりも高い電位となる、空乏化した状態に保たれる必要がある。しかしながら、この条件を満たす分離領域33の不純物濃度の範囲は限定的なものとなり、この条件を満たす分離領域33を備える固体撮像素子300の製造は困難である。
In order to achieve both the electrical separation of a plurality of APDs and the electrical separation of the
PDが分離領域33上に配置されれば、光電変換領域30bの下面側に負バイアスの電圧が印加されても、分離領域33の上方にリセット状態で正バイアスの電圧が印加されるPDが配置される。このため、ウェル領域30cと光電変換領域30bとの間の電気的な分離能力(つまり、絶縁能力)が向上する。特に、分離領域33のうち平面視においてAPDの角部に隣接する領域P(図7に図示)は、幅が比較的広く形成されてウェル領域30cと光電変換領域30bとの間の電気的な分離能力が低下する懸念が高い。したがって、領域Pの上方にPDが配置されることは有用である。
If the PD is arranged on the
また、図9に示されるように、固体撮像素子300においては、P型半導体である、ウェル領域30c、及び、接合領域30aの不純物濃度に差が付けられている。具体的には、接合領域30aの不純物濃度は、ウェル領域30cの不純物濃度よりも低い。これにより、PDの下面側に空乏層が伸びるためPDの感度を向上することができる。
Further, as shown in FIG. 9, in the solid-
また、固体撮像素子300においては、N型半導体である、第二半導体32、転送領域34、及び、第一半導体31の不純物濃度に差がつけられている。具体的には、第二半導体32の不純物濃度、及び、転送領域34の不純物濃度は、第一半導体31の不純物濃度よりも高い。これにより、APDを駆動させてアバランシェ増倍を行う場合に、光電変換領域30bに印加される負バイアスの電圧を小さくできる。光電変換領域30bに印加される負バイアスの電圧が小さくされれば、光電変換領域30bとウェル領域30cとの間が導通する(言い換えれば、パンチスルーする)リスクを低減することができる。
Further, in the solid-
ところで、図7に示されるように、半導体基板30の上面には、画素回路を構成する複数のトランジスタが配置される。PD用の画素回路には、転送トランジスタTRN1、リセットトランジスタRST1、浮遊拡散領域FD1、増幅トランジスタSF1、及び、選択トランジスタSEL1が含まれる。APD用の画素回路には、転送トランジスタTRN2、リセットトランジスタRST2、浮遊拡散領域FD2、増幅トランジスタSF2、及び、選択トランジスタSEL2が含まれる。
By the way, as shown in FIG. 7, a plurality of transistors constituting a pixel circuit are arranged on the upper surface of the
固体撮像素子300においては、PD用の画素回路、及び、APD用の画素回路が独立している。2つのPDの画素回路は、共通化されており、1つの画素は、4つのPDに対応して2組の画素回路を有する。これにより、PD用の画素回路の実装面積の縮小が図られている。なお、PDが3つ以上の場合も画素回路の共通化は可能である。また、PD用の画素回路及びAPD用の画素回路が共通化されてもよい。
In the solid-
[効果等]
固体撮像素子300は、半導体基板30内の複数の第二半導体32の間に位置し、複数の第二半導体32を分離する分離領域33を備える。分離領域33は、第三半導体の一例である。平面視において、分離領域33は、複数の第一半導体31の少なくとも一つと重なる。[Effects, etc.]
The solid-
これにより、光電変換領域30bとウェル領域30cとの間が導通することが抑制される。
As a result, conduction between the
また、固体撮像素子300は、1つの第二半導体32に対して4つの第一半導体31を有し、4つの第二半導体32は、2×2の配列をなす。
Further, the solid-
このように、固体撮像素子300においては、PDのベイヤー配列を維持しつつ、APDが追加されている。つまり、可視光の検出に対応する第二半導体32のカラーフィルタにベイヤー配列を適用することができる。
As described above, in the solid-
また、固体撮像素子300においては、半導体基板30は、第一導電型(例えば、P型)の半導体によって形成され、第一半導体31、第二半導体32、及び、転送領域34は、第一導電型と異なる第二導電型(例えば、N型)の半導体によって形成される。第二半導体32の不純物濃度、及び、転送領域34の不純物濃度は、第一半導体31の不純物濃度よりも高い。
Further, in the solid-
これにより、APDを駆動させてアバランシェ増倍を行う場合に、光電変換領域30bに印加される負バイアスの電圧を小さくできる。光電変換領域30bに印加される負バイアスの電圧が小さくされれば、光電変換領域30bとウェル領域30cとの間が導通することを抑制することができる。
As a result, the negative bias voltage applied to the
また、固体撮像素子300においては、半導体基板30は、第一半導体31の周囲に位置するウェル領域30cを含み、半導体基板30の接合領域30aの不純物濃度は、ウェル領域30cの不純物濃度よりも低い。
Further, in the solid-
これにより、PDの下面側に空乏層が伸びるためPDの感度を向上することができる。 As a result, the depletion layer extends on the lower surface side of the PD, so that the sensitivity of the PD can be improved.
(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、第一光電変換部は、増倍領域を含まないが、増倍領域を含んでもよい。つまり、第一光電変換部は、PDではなくAPDであってもよい。 For example, in the above embodiment, the first photoelectric conversion unit does not include a multiplication region, but may include a multiplication region. That is, the first photoelectric conversion unit may be an APD instead of a PD.
また、上記実施の形態において説明に用いられ数字は、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, all the numbers used in the description in the above-described embodiment are exemplified for the purpose of specifically 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 is the same as the laminated structure 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 spirit 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、カメラ及びToFセンサ等に利用できる。 The solid-state image sensor of the present disclosure can be used for cameras, ToF sensors, and the like.
10、20、30 半導体基板
10a、20a、30a 接合領域
10b、20b、30b 光電変換領域
10c、20c、30c ウェル領域
11、21、31 第一半導体
12、22、32 第二半導体
13、23、33 分離領域(第三半導体)
14、24、34 転送領域(第四半導体)
15、25、35 増倍領域
100、200、300 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
FD1、FD2 浮遊拡散領域
RST1、RST2 リセットトランジスタ
SEL1、SEL2 選択トランジスタ
SF1、SF2 増幅トランジスタ
TRN1、TRN2 転送トランジスタ10, 20, 30
14, 24, 34 Transfer area (fourth semiconductor)
15, 25, 35 Multiplying
Claims (10)
前記半導体基板内に配置された第一半導体と、
前記半導体基板内の前記第一半導体よりも下方に配置された第二半導体とを備え、
前記第一半導体、及び、前記半導体基板のうち前記第一半導体に接合する第一部分は、第一光電変換部を構成し、
前記第二半導体、及び、前記半導体基板のうち前記第二半導体に接合する第二部分は、第二光電変換部を構成し、
前記第二光電変換部は、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される増倍領域を含む
固体撮像素子。A semiconductor substrate in which light is incident on the upper surface,
The first semiconductor arranged in the semiconductor substrate and
A second semiconductor arranged below the first semiconductor in the semiconductor substrate is provided.
The first semiconductor and the first portion of the semiconductor substrate bonded to the first semiconductor form a first photoelectric conversion unit.
The second semiconductor and the second portion of the semiconductor substrate bonded to the second semiconductor constitute a second photoelectric conversion unit.
The second photoelectric conversion unit is a solid-state image sensor including a multiplication region in which charges are multiplied by avalanche multiplication.
請求項1に記載の固体撮像素子。The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the second semiconductor is larger than the first semiconductor in a plan view.
前記半導体基板内にアレイ状に配置された複数の前記第一半導体と
前記半導体基板内の複数の前記第一半導体よりも下方にアレイ状に配置された複数の前記第二半導体とを備える
請求項1または2に記載の固体撮像素子。The solid-state image sensor
A claim comprising a plurality of the first semiconductors arranged in an array in the semiconductor substrate and a plurality of the second semiconductors arranged in an array below the plurality of the first semiconductors in the semiconductor substrate. The solid-state imaging device according to 1 or 2.
請求項3に記載の固体撮像素子。The solid-state image sensor according to claim 3, wherein the total number of the plurality of first semiconductors is larger than the total number of the plurality of second semiconductors.
請求項3または4に記載の固体撮像素子。The solid-state imaging device according to claim 3 or 4, wherein one second semiconductor overlaps with a plurality of the first semiconductors in a plan view.
平面視において、前記第三半導体は、複数の前記第一半導体の少なくとも一つと重なる
請求項3〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。Further, a third semiconductor located between the plurality of second semiconductors in the semiconductor substrate and separating the plurality of second semiconductors is provided.
The solid-state imaging device according to any one of claims 3 to 5, wherein the third semiconductor overlaps at least one of the plurality of first semiconductors in a plan view.
請求項3〜6のいずれか1項に記載の固体撮像素子。The solid-state image sensor has four first semiconductors with respect to one second semiconductor, and the four second semiconductors form a 2 × 2 array, any one of claims 3 to 6. The solid-state image sensor according to the above.
前記第二光電変換部において発生した電荷が蓄積される第四半導体であって、一方の端部が前記第二半導体に接続され、他方の端部が前記半導体基板の上面から外部に露出した第四半導体と、
前記第四半導体の前記他方の端部に配置されたトランジスタとを備える
請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体撮像素子。further,
A fourth semiconductor in which charges generated in the second photoelectric conversion unit are accumulated, one end of which is connected to the second semiconductor and the other end of which is exposed to the outside from the upper surface of the semiconductor substrate. Four semiconductors and
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 7, further comprising a transistor arranged at the other end of the fourth semiconductor.
前記第一半導体、前記第二半導体、及び、前記第四半導体は、前記第一導電型と異なる第二導電型の半導体によって形成され、
前記第二半導体の不純物濃度、及び、前記第四半導体の不純物濃度は、前記第一半導体の不純物濃度よりも高い
請求項8に記載の固体撮像素子。The semiconductor substrate is formed of a first conductive type semiconductor, and is formed of a first conductive type semiconductor.
The first semiconductor, the second semiconductor, and the fourth semiconductor are formed of a second conductive type semiconductor different from the first conductive type.
The solid-state image sensor according to claim 8, wherein the impurity concentration of the second semiconductor and the impurity concentration of the fourth semiconductor are higher than the impurity concentration of the first semiconductor.
前記半導体基板の前記第一部分の不純物濃度は、前記ウェル領域の不純物濃度よりも低い
請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体撮像素子。The semiconductor substrate includes a well region located around the first semiconductor.
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 9, wherein the impurity concentration of the first portion of the semiconductor substrate is lower than the impurity concentration of the well region.
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