TW202103312A - 感測器晶片及電子機器 - Google Patents

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TW202103312A
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八木慎一郎
大竹悠介
伊東恭佑
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日商索尼半導體解決方案公司
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Abstract

本發明提供一種使具有雪崩光電二極體元件之SPAD像素之特性提高之感測器晶片及電子機器。感測器晶片具備：像素陣列部，其具有矩陣狀地配置有複數個像素之像素區域；雪崩光電二極體元件，其藉由對每一像素而設置之高電場區域而使載子放大；像素間分離部，其於供形成雪崩光電二極體元件之半導體基板上將與相鄰之其他像素之間絕緣且分離；及配線，其設置於配線層，該配線層以至少覆蓋高電場區域之方式對半導體基板之受光面之相反側之面積層；且像素陣列部具有位於像素區域之外周附近之虛設像素區域，配置於虛設像素區域之雪崩光電二極體元件之陰極電位及陽極電位為相同電位，或者陰極電位及陽極電位之至少一者為浮動。

Description

感測器晶片及電子機器
本揭示係關於一種感測器晶片及電子機器，特別係關於一種可謀求SPAD像素之特性提高之感測器晶片及電子機器。
近年來，藉由ToF(Time-of-Flight，飛行時間)法進行距離計測之距離圖像感測器受到關注。例如，對於距離圖像感測器，可使用像素陣列，該像素陣列利用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體)半導體積體電路技術，將具有雪崩光電二極體元件之複數個SPAD(Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二極體)像素平面性地配置之方式形成。於SPAD像素中，在施加遠遠大於擊穿電壓之電壓之狀態下，若1個光子進入高電場之PN接合區域，則會發生雪崩放大。藉由檢測此時之電流瞬間流動之時間，而可高精度地計測距離。
例如，於專利文獻1中，記載一種SPAD像素陣列狀地配置於特定之像素區域之感測器晶片。於專利文獻1之感測器晶片中，於圖像區域之外側設置有周邊區域，於周邊區域之外側設置有墊區域。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2018/074530號
[發明所欲解決之問題]
然而，當於感測器晶片中陣列狀地配置SPAD像素之情形下，於像素區域之外周區域，SPAD像素之週期性易於被破壞。在SPAD像素之週期性被破壞之情形下，SPAD元件特性變異常，而有可能引起如會對感測器晶片整體之特性帶來影響之偏壓變動或電流增加。
本揭示係鑒於如此之問題而完成者，提供一種使具有雪崩光電二極體元件之SPAD像素之特性提高之感測器晶片及電子機器。 [解決課題之手段]
為了解決上述課題，本揭示之一態樣之感測器晶片具備：像素陣列部，其具有像素區域，該像素區域矩陣狀地配置有複數個像素；雪崩光電二極體元件，其藉由對每一像素而設置之高電場區域而使載子放大；像素間分離部，其在供形成雪崩光電二極體元件之半導體基板上將與相鄰之其他像素之間絕緣且分離；以及配線，其設置於配線層，該配線層以至少覆蓋高電場區域之方式，對半導體基板之受光面之相反側之面積層；且像素陣列部具有位於像素區域之外周附近之虛設像素區域，配置於虛設像素區域之雪崩光電二極體元件之陰極電位及陽極電位為相同電位，或者陰極電位及陽極電位之至少一者為浮動。
又，本揭示之又一態樣之電子機器具備感測器晶片，該感測器晶片具備：像素陣列部，其具有像素區域，該像素區域矩陣狀地配置有複數個像素；雪崩光電二極體元件，其藉由對每一像素而設置之高電場區域而使載子放大；像素間分離部，其在供形成雪崩光電二極體元件之半導體基板上將與相鄰之其他像素之間絕緣且分離；以及配線，其設置於配線層，該配線層以至少覆蓋高電場區域之方式，對半導體基板之受光面之相反側之面積層；且像素陣列部具有位於像素區域之外周附近之虛設像素區域，配置於虛設像素區域之雪崩光電二極體元件之陰極電位及陽極電位為相同電位，或者陰極電位及陽極電位之至少一者為浮動。
以下，藉由實施形態對本揭示進行說明，但以下之實施形態並不限定申請專利範圍之發明。又，於實施形態中所說明之特徵之組合之全部不一定必須為發明之解決手段。又，圖式示意性地顯示申請專利範圍之發明，各部分之寬度、厚度等之尺寸與現實之尺寸不同，該等之比率亦與現實之比率不同。 以下，參照圖式對本揭示之各實施形態之各態樣進行說明。
1.第1實施形態 對於第1實施形態之感測器晶片使用圖1至圖4進行說明。
＜感測器晶片之構成例＞ 圖1係顯示感測器晶片10之SPAD像素形成面之構成之示意圖。圖2(A)係顯示應用本技術之感測器晶片10之一構成例之方塊圖。又，圖2(B)及圖2(C)係各自顯示感測器晶片10所具備之SPAD像素21、22之構成之電路圖。
如圖1所示般，像素陣列部11具有：像素區域A1、設置於像素區域A1之外側之周邊區域A2、及形成於周邊區域A2之外側之墊區域A3。 像素區域A1係接收由未圖示之光學系統集光之光之受光面。於像素區域A1，矩陣狀地配置有複數個SPAD像素21、22。
於墊區域A3，形成有複數個配線用電極墊(以下稱為電極墊)23。電極墊23為了將例如感測器晶片10與未圖示之外部裝置連接而使用。 周邊區域A2係像素區域A1與墊區域A3之間之區域。周邊區域A2藉由例如n型半導體區域與p型半導體區域而構成，p型半導體區域與大地(GND)連接。
如圖2(A)所示般，感測器晶片10除了像素陣列部11以外亦具備偏壓電壓施加部12。 偏壓電壓施加部12對配置於像素陣列部11之複數個SPAD像素21各者施加偏壓電壓。
像素陣列部11之像素區域A1具有：參考像素區域RA，其位於像素區域A1之中央；及虛設像素區域DA，其位於像素區域A1之外周附近，且包圍參考像素區域RA。
SPAD像素21係配置於參考像素區域RA之像素。SPAD像素21係輸出以1光子之到來時刻為起點產生脈衝波形之受光信號(APD OUT)的有效SPAD像素(以下，稱為參考像素)。再者，於圖2(A)中，顯示48個SPAD像素21排列配置為縱6個×橫8個之樣態，但該配置為一例，並不限定於此。
另一方面，SPAD像素22係配置於虛設像素區域DA之像素。虛設像素區域DA位於像素陣列部11之外周附近，係SPAD像素22形成時之製程易於不穩定之區域。形成於虛設像素區域DA之SPAD像素22易於產生形狀之破壞或配置之週期性之破壞。因此，將SPAD像素22設為不作為一般性之SPAD像素發揮功能、亦即不輸出上述之受光信號(APD OUT)之無效之SPAD像素(以下，稱為虛設像素)。再者，於圖2(A)中，顯示72個SPAD像素22排列配置於虛設像素區域DA之樣態，但該配置為一例，並不限定於此。於實際之感測器晶片10中，以配置於虛設像素區域DA之SPAD像素22較配置於參考像素區域RA之SPAD像素21充分少之方式配置。
SPAD像素22之形狀之破壞或配置之週期性之破壞起因於在矩陣狀地配置有SPAD像素21、22之像素區域A1之周邊配置周邊區域A2及墊區域A3而產生。由於在形成SPAD像素21、22時，為了對SPAD像素形成區域注入雜質離子，而於像素區域A1形成具有開口之抗蝕劑。由於形成於周邊區域A2及墊區域A3之抗蝕劑未設置與SPAD像素21、22之形成位置對應之開口，故抗蝕劑量與形成於像素區域A1之抗蝕劑相比變多。因此，形成於周邊區域A2及墊區域A3之抗蝕劑易於因自體重量而產生變形。因雜質離子注入時之作為遮罩之抗蝕劑變形，故易於產生製程不良。亦即，於形成於周邊區域A2及墊區域A3之內側(像素區域A1之外周附近)之開口部分，易於產生製程不良。因此，形成於虛設像素區域DA之SPAD像素22易於產生形狀之破壞或配置之週期性之破壞。
因此，以形成於像素區域A1之周邊區域之SPAD像素22為虛設像素，僅使用形成於像素區域A1之中心區域之SPAD像素21之輸出的感測器晶片10可獲得良好之特性。 以下，對參考像素即SPAD像素21及虛設像素即SPAD像素22詳細地進行說明。
(參考像素之電路構成) 如圖2(B)所示般，參考像素即SPAD像素21具備：SPAD元件31、p型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半導體場效電晶體)32、及反相器33。
SPAD元件31之陽極與偏壓電壓施加部12連接，陰極與後述之淬滅電阻32之源極端子連接。偏壓電壓VB自偏壓電壓施加部12對SPAD元件31之陽極施加。SPAD元件31係藉由在陰極被施加有大的負電壓而形成雪崩倍增區域，而可使藉由1光子之入射而產生之電子雪崩倍增之雪崩光電二極體元件。
淬滅電阻32與SPAD元件31串聯連接，源極端子與SPAD元件31之陰極連接，汲極端子與未圖示之電源連接。淬滅電阻32可包含電晶體或電阻，可使用例如p型MOSFET。自電源對淬滅電阻32之汲極端子施加有激發電壓VE。當於SPAD元件31中經雪崩倍增之電子之電壓達到負電壓VBD時，淬滅電阻32進行使該電壓返回初始電壓之淬滅(quenching)。當SPAD元件31之陰極電壓達到負電壓VBD時，淬滅電阻32藉由使於SPAD元件31中經倍增之電子放出而進行淬滅。
反相器33之輸入端子與SPAD元件31之陰極及淬滅電阻32之源極端子連接，輸出端子與未圖示之後段之運算處理部連接。反相器33為例如CMOS反相器。反相器33基於於SPAD元件31中經倍增之電子而輸出受光信號。更具體而言，反相器33將藉由在SPAD元件31中經倍增之電子所產生之電壓予以整形。然後，反相器33將以1光子之到來時刻為起點產生例如圖2(B)所示之脈衝波形之受光信號(APD OUT)輸出至運算處理部。
(虛設像素之電路構成) 如圖2(C)所示般，虛設像素即SPAD像素22與SPAD像素21同樣地，具備：SPAD元件31、p型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半導體場效電晶體)32、及反相器33。SPAD像素22在配線不同之點上與SPAD像素21相異。
SPAD元件31之陽極與偏壓電壓施加部12連接。另一方面，SPAD元件31之陰極未與淬滅電阻32之源極端子連接而成浮動狀態。亦即，使形成於像素區域A1中之位於像素區域A1之外周附近之虛設像素區域DA的SPAD像素22之SPAD元件31之陰極電位浮動。因此，不對SPAD元件31之陰極施加大的負電壓，而設為實質上不發揮功能之狀態。
具體而言，可防止如於SPAD像素22之SPAD元件31中不斷產生崩潰，而對感測器晶片10、或與感測器晶片10連接之外部裝置亦帶來影響的偏壓變動或電流增加。於感測器晶片10中，可抑制因在SPAD像素22之SPAD元件31中流動有大電流所致之感測器晶片10之電力消耗之提高。又，於感測器晶片10中，可抑制因於SPAD元件31中流動有大電流而SPAD像素21之陽極電位下降，從而感測精度降低。
淬滅電阻32之源極端子未與SPAD元件31之陰極連接而成浮動狀態。因此，淬滅電阻32構成為不進行淬滅(quenching)。 反相器33之輸入端子未與SPAD元件31之陰極及淬滅電阻32之源極端子連接而成浮動狀態。因此，反相器33構成為不進行受光信號(APD OUT)之輸出。
於感測器晶片10中，如圖2(A)中顯示一例所示般，利用共通之配線分別將矩陣狀地配置之SPAD像素21及SPAD像素22中之配置於列方向之複數個SPAD像素21之陽極及SPAD像素22之陽極加以連接。
自如此般構成之感測器晶片10對每個SPAD像素21輸出受光信號，且供給至後段之運算處理部。例如，運算處理部對來自SPAD像素21之受光信號各者，進行基於表示1光子之到來時刻之產生脈衝之時序而求得距離之運算處理，對每個SPAD像素21求得至被攝體之距離。然後，基於所運算的距離，產生將由複數個SPAD像素21檢測出之至被攝體之距離予以平面排列之距離圖像。 此時，由於自SPAD像素22未輸出受光信號，故SPAD像素22對上述之距離圖像之產生不起作用。
(參考像素之構造) 使用圖2(B)及圖3，對形成於感測器晶片10之參考像素即SPAD像素21之一構成例進行說明。圖3係顯示SPAD像素21之一構成例之剖視圖。
如圖3所示般，感測器晶片10之參考像素區域RA為由感測器基板41、感測器側配線層42及邏輯側配線層43積層而成之積層構造，對於邏輯側配線層43積層有未圖示之邏輯電路基板。 於邏輯電路基板，例如形成有圖2(A)所示之偏壓電壓施加部12、淬滅電阻32、及反相器33等。感測器基板41及邏輯電路基板藉由配線層即感測器側配線層42及邏輯側配線層43而電性連接。例如，感測器晶片10可藉由下述製造方法而製造，即：與感測器基板41對向設置感測器側配線層42，且與邏輯電路基板對向設置邏輯側配線層43後，將感測器側配線層42及邏輯側配線層43在接合面(圖3之由虛線所示之面)接合。
感測器基板41為例如將單晶矽進行薄切片而成之半導體基板。控制感測器基板41之p型或n型之雜質濃度，對每個SPAD像素21形成SPAD元件31。又，於圖3中將感測器基板41之朝向下側之面作為接收光之受光面，對於該受光面之相反側之面(圖2中朝向上側之面)積層有感測器側配線層42。
於感測器側配線層42及邏輯側配線層43，形成有用於供給自偏壓電壓施加部12施加於SPAD元件31之電壓之配線、及用於自感測器基板41取出在SPAD元件31中產生之電子之配線等。
SPAD元件31包含形成於感測器基板41之N井51、P型擴散層52、N型擴散層53、電洞蓄積層54、釘紮層55、及高濃度P型擴散層56。而且，於SPAD元件31中，藉由形成於P型擴散層52與N型擴散層53所連接之區域之空乏層，而形成雪崩倍增區域57。
N井51藉由感測器基板41之雜質濃度被控制為n型而形成，形成將藉由在SPAD元件31中之光電轉換而產生之電子朝雪崩倍增區域57傳送之電場。再者，亦可將感測器基板41之雜質濃度控制為p型而形成P井來取代N井51。
P型擴散層52係形成於感測器基板41之表面附近且相對於N型擴散層53為背面側(圖3之下側)之較濃之P型擴散層(P+)，以遍及SPAD元件31之大致全面之方式形成。
N型擴散層53係形成於感測器基板41之表面附近且相對於P型擴散層52為表面側(圖3之上側)之較濃之N型擴散層(N+)，以遍及SPAD元件31之大致全面之方式形成。又，N型擴散層53為了與用於供給負電壓之接觸電極71連接，該負電壓用於形成雪崩倍增區域57，成為如其一部分形成至感測器基板41之表面之凸形狀。
電洞蓄積層54係以包圍N井51之側面及底面之方式形成之P型之擴散層(P)，供蓄積電洞。又，電洞蓄積層54與SPAD元件31之陽極電性連接，而可進行偏壓調整。藉此，藉由電洞蓄積層54之電洞濃度被強化，包含釘紮層55之釘紮變得牢固，而例如可抑制暗電流之產生。
釘紮層55係形成於較電洞蓄積層54更靠外側之表面(與感測器基板41之背面及絕緣膜62相接之側面)之較濃之P型之擴散層(P+)，與電洞蓄積層54同樣地，例如，抑制暗電流之產生。
高濃度P型擴散層56係在感測器基板41之表面附近以包圍N井51之外周之方式形成之較濃之P型之擴散層(P++)，用於與接觸電極72之連接，該接觸電極72用於將電洞蓄積層54與SPAD元件31之陽極電性連接。
雪崩倍增區域57係藉由施加於N型擴散層53之較大之負電壓而形成於P型擴散層52及N型擴散層53之邊界面之高電場區域，將由入射至SPAD元件31之1光子產生之電子(e-)倍增。
於感測器晶片10中，設置有形成於相鄰之SPAD元件31彼此之間之像素間分離部63。像素間分離部63藉由金屬膜61及絕緣膜62而形成雙重構造。像素間分離部63例如以自感測器基板41之背面貫通至正面之方式形成。SPAD元件31與相鄰之SPAD元件31藉由像素間分離部63而電性及光學性地分離。
金屬膜61係藉由反射光之金屬(例如，鎢等)而形成之膜。 絕緣膜62係SiO2等具備絕緣性之膜。 像素間分離部63藉由例如以利用絕緣膜62覆蓋金屬膜61之表面之方式埋入感測器基板41而形成。
於感測器側配線層42，形成有接觸電極71～73、金屬配線74～76、接觸電極77～79、以及金屬墊80～82。
接觸電極71連接N型擴散層53與金屬配線74。接觸電極72連接高濃度P型擴散層56與金屬配線75。接觸電極73連接金屬膜61與金屬配線76。
金屬配線74例如，如圖3所示般以至少覆蓋雪崩倍增區域57之方式較雪崩倍增區域57更廣地形成。而且，金屬配線74如於圖3中以中空之箭頭所示般，將透過SPAD元件31之光反射至SPAD元件31。
金屬配線75例如，如圖3所示般，以包圍金屬配線74之外周之方式，且以與高濃度P型擴散層56重合之方式形成。金屬配線76例如以在SPAD像素21之四個角隅連接於金屬膜61之方式形成。
接觸電極77連接金屬配線74與金屬墊80。接觸電極78連接金屬配線75與金屬墊81。接觸電極79連接金屬配線76與金屬墊82。
金屬墊80～82為了與形成於邏輯側配線層43之金屬墊101～103藉由形成各者之金屬(Cu)彼此電性及機械性地接合而使用。
於邏輯側配線層43，形成電極墊91～93、絕緣層94、接觸電極95～100、及金屬墊101～103。
電極墊91～93各自與未圖示之邏輯電路基板連接，絕緣層94將電極墊91～93相互絕緣。
接觸電極95及96連接電極墊91與金屬墊101，接觸電極97及98連接電極墊92與金屬墊102，接觸電極99及100連接電極墊93與金屬墊103。
將金屬墊101與金屬墊80接合，將金屬墊102與金屬墊81接合，將金屬墊103與金屬墊82接合。
藉由如此之配線構造，例如，電極墊91經由接觸電極95及96、金屬墊101、金屬墊80、接觸電極77、金屬配線74、以及接觸電極71與N型擴散層53連接。因此，於SPAD像素21中，可自邏輯電路基板對於電極墊91供給施加於N型擴散層53之較大之負電壓。
又，電極墊92經由接觸電極97及98、金屬墊102、金屬墊81、接觸電極78、金屬配線75、以及接觸電極72與高濃度P型擴散層56連接。因此，於SPAD像素21中，與電洞蓄積層54電性連接之SPAD元件31之陽極與電極墊92連接，藉此可進行經由電極墊92對電洞蓄積層54之偏壓調整。
進而，電極墊93形成經由接觸電極99及100、金屬墊103、金屬墊82、接觸電極79、金屬配線76、以及接觸電極73與金屬膜61連接的連接構成。因此，於SPAD像素21中，可對金屬膜61施加自邏輯電路基板供給至電極墊93之偏壓電壓。
而且，SPAD像素21如上述般，金屬配線74以至少覆蓋雪崩倍增區域57之方式較雪崩倍增區域57更廣地形成，且金屬膜61以貫通感測器基板41之方式形成。亦即，SPAD像素21形成為藉由金屬配線74及金屬膜61將SPAD元件31之光入射面以外全部包圍之反射構造。藉此，SPAD像素21可藉由利用金屬配線74及金屬膜61反射光之效果而防止產生光學性之串擾，且可提高SPAD元件31之感度。
又，SPAD像素21藉由將N井51之側面及底面利用電洞蓄積層54包圍，且將電洞蓄積層54與SPAD元件31之陽極電性連接之連接構成，而可進行偏壓調整。進而，SPAD像素21藉由對像素間分離部63之金屬膜61施加偏壓電壓，而可形成將載子輔助於雪崩倍增區域57之電場。
(虛設像素之構成) 使用圖2(C)及圖4，對形成於感測器晶片10之虛設像素即SPAD像素22之一構成例進行說明。圖4係顯示SPAD像素22之一構成例之剖視圖。
如圖4所示般，感測器晶片10之虛設像素區域DA與參考像素區域RA同樣地為由感測器基板41、感測器側配線層42及邏輯側配線層43積層而成之積層構造。
SPAD像素22與SPAD像素21同樣地具備SPAD元件31、淬滅電阻32、及反相器33。 又，於感測器側配線層42，形成接觸電極72及73、金屬配線74～76、接觸電極77～79、以及金屬墊80～82。 進而，於邏輯側配線層43，形成電極墊91～93、絕緣層94、接觸電極95～100、及金屬墊101～103。
如圖2(C)所示般，SPAD像素22在SPAD元件31之陰極未與淬滅電阻32之源極端子連接而成浮動狀態之點上與SPAD像素21不同。 如圖4所示般，SPAD像素22在為了將SPAD元件31之陰極電位浮動，而不設置接觸電極71從而SPAD元件31未與金屬配線74電性連接之點上與SPAD像素21不同。關於其他構成與SPAD像素21相同。
雪崩光電二極體即SPAD元件近年來不斷被用作影像感測器，而不斷被要求先前以上之特性。雪崩光電二極體之尺寸與一般之光電二極體相比更大。因此，在SPAD像素之雪崩光電二極體形成時，由於抗蝕劑使用量較多而使用抗蝕劑形成之遮罩之形狀易於變形。因此，藉由採用本揭示之感測器晶片之構成，因將形成於產生形成異常之可能性較高之像素陣列部之外周部的SPAD像素設為無效之像素而實現之感測器晶片10之特性提高效果更高。
＜第1實施形態之效果＞ 於如以上般構成之第1實施形態之感測器晶片10中，發揮以下之效果。 (1)於感測器晶片10中，使易於產生形狀之破壞或配置之週期性之破壞之SPAD像素22不輸出受光信號(APD OUT)。因此，於感測器晶片10中，可僅輸出來自穩定性高之SPAD像素21之受光信號。藉此，僅基於來自穩定性高之SPAD像素21之受光信號運算至被攝體之距離，而可產生高精度之距離圖像。 (2)於感測器晶片10中，可抑制SPAD像素22中之大電流之產生。因此，可抑制在SPAD像素22中流動有大電流，而感測器晶片10整體之電力消耗提高。
(3)於感測器晶片10中，可抑制SPAD像素22中之大電流之產生。因此，可抑制因於SPAD像素22中產生大電流而SPAD像素21之陽極電位下降，從而於SPAD像素21中感測精度降低。 (4)於感測器晶片10中，可抑制SPAD像素22中之大電流之產生。因此，抑制起因於SPAD像素22之大電流而在參考像素區域RA之SPAD像素21間產生串擾，而提高SPAD像素21之SPAD元件31之感度。
2.第2實施形態 對於第2實施形態之感測器晶片參照圖2至圖4且使用圖5進行說明。第2實施形態之感測器晶片10A在取代SPAD像素22而具有SPAD像素22A作為虛設像素之點上，與第1實施形態之感測器晶片10不同。 SPAD像素22A之除此以外之各部分與第1實施形態之感測器晶片10之SPAD像素22同樣地形成。
(虛設像素之電路構成) 以下，對於SPAD像素22A說明與SPAD像素21之相異點。 虛設像素即SPAD像素22之SPAD元件31之陽極未與偏壓電壓施加部12連接而成浮動狀態。又，SPAD元件31之陰極未與淬滅電阻32之源極端子連接而成浮動狀態。亦即，使形成於像素區域A1中之位於像素區域A1之外周附近之虛設像素區域DA的SPAD像素22A之SPAD元件31之陰極電位及陽極電位浮動。因此，不對SPAD元件31之陰極施加大的負電壓，而設為實質上不發揮功能之狀態。
(虛設像素之構成) 使用圖5對感測器晶片10A之虛設像素即SPAD像素22A之一構成例進行說明。圖5係顯示SPAD像素22A之一構成例之剖視圖。
SPAD像素22A與SPAD像素21、22同樣地，具備SPAD元件31、淬滅電阻32、及反相器33。 又，於感測器側配線層42，形成接觸電極73、金屬配線74～76、接觸電極77～79、以及金屬墊80～82。 邏輯側配線層43之構成與SPAD像素22相同。
如圖5所示般，SPAD像素22A為了使SPAD元件31之陰極電位浮動，而未設置將SPAD元件31與金屬配線74電性連接之接觸電極。又，SPAD像素22A為了使SPAD元件31之陽極電位浮動，而未設置將SPAD元件31與金屬配線75電性連接之接觸電極。
＜第2實施形態之效果＞ 於如以上般構成之第2實施形態之感測器晶片10A中，發揮與第1實施形態之(1)～(4)同樣之效果。
(變化例) 為了將形成於虛設像素區域DA之SPAD像素設為虛設像素，只要感測器晶片之陰極電位及陽極電位之至少一者為浮動的即可。 於第1、第2實施形態中，分別對將形成於虛設像素區域DA之SPAD像素22之陰極電位作為浮動的之感測器晶片10、將陰極電位及陽極電位作為浮動的之感測器晶片10A進行了說明，但並不限於該構成。 亦即，感測器晶片之SPAD像素亦可為將SPAD元件31之陰極電位作為浮動的之構成。該情形下，SPAD像素為具有於圖3記載之SPAD像素21之接觸電極71、不具有接觸電極72之構成。
3.第3實施形態 對於第3實施形態之感測器晶片，參照圖2至圖4，且使用圖6及圖7進行說明。第3實施形態之感測器晶片10B在取代PAD像素22而具有SPAD像素22B作為虛設像素之點上，與第1實施形態之感測器晶片10不同。又，參考像素即SPAD像素21與第1實施形態之感測器晶片10之SPAD像素21同樣地形成。
(虛設像素之電路構成) 以下針對SPAD像素22B，說明與SPAD像素21之相異點。 如圖6所示般，虛設像素即SPAD像素22B之SPAD元件31之陽極與偏壓電壓施加部12連接，但SPAD元件31之陰極未與淬滅電阻32之源極端子連接。又，SPAD元件31之陰極與陽極被短路。亦即，形成於位於像素區域A1之外周附近之虛設像素區域DA之SPAD元件31之陰極電位及陽極電位被設為相同電位。因此，不對SPAD元件31之陰極施加大的負電壓，而設為實質上不發揮功能之狀態。 SPAD像素22B之除此以外之各部分與第1實施形態之感測器晶片10之SPAD像素22同樣地形成。
(虛設像素之構成) 使用圖7，對於感測器晶片10B之虛設像素即SPAD像素22B之一構成例進行說明。圖7係顯示SPAD像素22B之一構成例之剖視圖。
SPAD像素22B與SPAD像素21、22同樣地，具備SPAD元件31、淬滅電阻32、及反相器33。 又，於感測器側配線層42，形成接觸電極71～73、金屬配線74B、76、接觸電極78、79、以及金屬墊80～82。 邏輯側配線層43之構成與SPAD像素22相同。
如圖7所示般，於SPAD像素22B中，為了將SPAD元件31之陰極電位及陽極電位設為相同電位，而將接觸電極71及72與一條金屬配線74B連接。藉此，將SPAD元件31之陰極與陽極短路。又，於SPAD像素22B中，未設置連接金屬配線74B與金屬墊80之接觸電極，而SPAD元件31未與淬滅電阻32及反相器33電性連接。
＜第3實施形態之效果＞ 於如以上般構成之第3實施形態之感測器晶片10B中，發揮與第1實施形態之(1)～(4)同樣之效果。
4.第4實施形態 對於第4實施形態之感測器晶片，參照圖2至圖4且使用圖8(A)～圖8(C)進行說明。 第4實施形態之感測器晶片10C在取代SPAD像素21而具有SPAD像素21C作為參考像素，且取代SPAD像素22而具有SPAD像素22C作為虛設像素之點上，與第1實施形態之感測器晶片10不同。
(虛設像素之電路構成) 以下，對於SPAD像素21C及SPAD像素22C說明與SPAD像素21及SPAD像素22之相異點。 SPAD像素21C及SPAD像素22C之構成與SPAD像素21及SPAD像素22B同樣。又，如圖8(B)所示般，關於SPAD像素22C之SPAD元件31、淬滅電阻32、及反相器33之配線亦與SPAD像素22B同樣。
如圖8(A)所示般，矩陣狀地配置之複數個SPAD像素21C之陽極各者由共通之配線連接，複數個SPAD像素22C之陽極各者由共通之配線連接。亦即，於感測器晶片10C中，在複數個SPAD像素21C之陽極與複數個SPAD像素22C之陽極被分離之點上與第1實施形態之感測器晶片10不同。
＜第4實施形態之效果＞ 於如以上般構成之第4實施形態之感測器晶片10C中，除了第1實施形態之(1)～(4)以外，亦發揮以下之效果。 (5)於感測器晶片10C中，SPAD像素21C之陽極與SPAD像素22C之陽極被分離。因此，即便在虛設像素區域DA之SPAD像素22C中流動有大電流之情形下，大電流之影響亦不會波及參考像素區域之SPAD像素21C。因此，可防止SPAD像素21C之陽極電位之下降，從而可防止感測器晶片10C之感測精度之降低。
5.第5實施形態 對於第5實施形態之感測器晶片，參照圖2至圖4，且使用圖9及圖10進行說明。第5實施形態之感測器晶片10D於具有在邏輯側配線層43中使SPAD元件31之陽極與陰極短路之SPAD像素22D作為虛設像素之點上，與第1實施形態之感測器晶片10不同。又，參考像素即SPAD像素21與第1實施形態之感測器晶片10之SPAD像素21同樣地形成。
(虛設像素之電路構成) 以下，對於SPAD像素22D說明與SPAD像素21之相異點。 如圖9所示般，虛設像素即SPAD像素22D之SPAD元件31之陽極與偏壓電壓施加部12連接。又，SPAD元件31之陰極雖然與淬滅電阻32之源極端子連接，但未與反相器33連接。進而，將SPAD元件31之陰極與陽極於邏輯側配線層43中短路。亦即，將形成於像素區域A1中之位於像素區域A1之外周附近之虛設像素區域DA的SPAD元件31之陰極電位及陽極電位設為相同電位。因此，不對SPAD元件31之陰極施加大的負電壓，而設為實質上不發揮功能之狀態。
(虛設像素之構成) 使用圖10，對於感測器晶片10D之虛設像素即SPAD像素22D之一構成例進行說明。圖10係顯示SPAD像素22D之一構成例之剖視圖。
SPAD像素22D與SPAD像素21、22同樣地，具備SPAD元件31、淬滅電阻32、及反相器33。 感測器側配線層42之構成與第一實施形態之SPAD像素22相同。 於邏輯側配線層43，形成電極墊91D、93、絕緣層94、接觸電極95～100、以及金屬墊101～103。
如圖10所示般，於SPAD像素22D中，為了將SPAD元件31之陰極電位及陽極電位設為相同電位，而接觸電極95～98與一個電極墊91D連接。藉此，將SPAD元件31之陰極與陽極於邏輯側配線層43中短路。又，於SPAD像素22D中，於邏輯側配線層43中形成未將SPAD元件31及淬滅電阻32與反相器33電性連接之配線。
＜第5實施形態之效果＞ 於如以上般構成之第5實施形態之感測器晶片10D中，發揮與第1實施形態之(1)～(4)同樣之效果。
6.第6實施形態 對於第6實施形態之感測器晶片，參照圖2至圖4，且使用圖11及圖12進行說明。第6實施形態之感測器晶片10E在取代SPAD像素22而具有SPAD像素22E作為虛設像素之點上，與第1實施形態之感測器晶片10不同。又，參考像素即SPAD像素21與第1實施形態之感測器晶片10之SPAD像素21同樣地形成。
(虛設像素之電路構成) 以下，對於SPAD像素22E說明與SPAD像素21之相異點。 如圖11所示般，虛設像素即SPAD像素22E在具備SPAD元件31但不具備淬滅電阻32及反相器33之點上與SPAD像素21不同。 又，於感測器側配線層42，形成接觸電極71～73、金屬配線74B、76、接觸電極78、79、以及金屬墊80～82。 邏輯側配線層43之構成與SPAD像素22相同。
SPAD元件31成為陽極與偏壓電壓施加部12連接，陰極不是與淬滅電阻32之源極端子連接而是與陽極連接之狀態。亦即，將形成於像素區域A1中之位於像素區域A1之外周附近之虛設像素區域DA的SPAD元件31之陰極電位及陽極電位設為相同電位。因此，不對SPAD元件31之陰極施加大的負電壓，而設為實質上不發揮功能之狀態。
又，於邏輯側配線層43中，雖然未設置反相器33，但使SPAD元件31之陽極與陰極短路而將陽極電位與陰極電位設為相同電位。藉此，於SPAD像素22E中電流不流動，而更確實地防止感測器晶片10E之特性降低。 再者，亦可將SPAD元件31之陽極及陰極設為浮動狀態。
(虛設像素之構成) 使用圖12，對於感測器晶片10E之虛設像素即SPAD像素22E之一構成例進行說明。圖12係顯示SPAD像素22E之一構成例之剖視圖。
SPAD像素22E如上述般於感測器基板41形成SPAD元件31。 又，於感測器側配線層42，形成接觸電極71～73、金屬配線74E、76、接觸電極78、79、以及金屬墊80～82。 於邏輯側配線層43，形成電極墊92、93、絕緣層94、接觸電極97～100、以及金屬墊102、103。
如圖7所示般，於SPAD像素22E中，為了將SPAD元件31之陰極電位及陽極電位設為相同電位，而將接觸電極71及72與一條金屬配線74B連接。又，於SPAD像素22E中，未設置與SPAD元件31之陰極電性連接之邏輯側配線層43之配線。
＜第6實施形態之效果＞ 於如以上般構成之第5實施形態之感測器晶片10E中，發揮與第1實施形態之(1)～(4)同樣之效果。
7.電子機器之構成例 圖13係顯示使用感測器晶片10之電子機器即距離圖像感測器之構成例之方塊圖。
如圖13所示般，距離圖像感測器201構成為具備：光學系統202、感測器晶片10、圖像處理電路203、監視器204、及記憶體205。距離圖像感測器201藉由接收自光源裝置211向被攝體投光而由被攝體之表面反射之光(調變光或脈衝光)，而可取得與至被攝體之距離相應之距離圖像。
光學系統202構成為具有1片或複數片透鏡，將來自被攝體之像光(入射光)導引至感測器晶片10，且使其在感測器晶片10之受光面(感測器部)上成像。
作為感測器晶片10，應用上述各實施形態之感測器晶片10，將根據自感測器晶片10輸出之受光信號(APD OUT)而求得之表示距離之距離信號供給至圖像處理電路203。
圖像處理電路203進行基於自感測器晶片10供給之距離信號而構建距離圖像之圖像處理，藉由該圖像處理而獲得之距離圖像(圖像資料)被供給至監視器204而顯示，或被供給至記憶體205而記憶(記錄)。
於如此般構成之距離圖像感測器201中，藉由應用上述之感測器晶片10，而可僅基於來自穩定性高之SPAD像素21之受光信號運算至被攝體之距離，從而可產生高精度之距離圖像。亦即，距離圖像感測器201可取得更加準確之距離圖像。
8.影像感測器之使用例 上述圖像感測器可使用於例如下述之感測可視光、紅外光、紫外光、或X射線等光之各種情形。
·數位相機或附帶照相機機能之可攜式機器等拍攝供鑒賞用之圖像之裝置 ·用於自動停止等之安全駕駛、或駕駛者之狀態之識別等而拍攝汽車之前方或後方、周圍、車內等之車載用感測器，監視行走車輛或道路之監視照相機，進行車輛間等之測距之測距感測器等供交通用之裝置 •為了拍攝使用者之手勢且根據該手勢進行機器操作，而供TV或冰箱、空氣調節機等之家電用之裝置 •內視鏡或利用紅外光之受光進行血管拍攝之裝置等供醫療或健康照護用之裝置 •防止犯罪用之監視照相機或人物認證用之照相機等供安全用之裝置 •拍攝肌膚之肌膚測定器或拍攝頭皮之顯微鏡等供美容用之裝置 •面向體育運動用途等之動作照相機或可佩戴照相機等供體育運動用之裝置 •用於監視田地或作物之狀態之照相機等供農業用之裝置
此外，本技術亦可採用如以下之構成。 (1) 一種感測器晶片，其具備像素陣列部，該像素陣列部具有矩陣狀地配置有複數個像素之像素區域； 雪崩光電二極體元件，其藉由對每一前述像素而設置之高電場區域而使載子放大； 像素間分離部，其於供形成前述雪崩光電二極體元件之半導體基板上將與相鄰之其他前述像素之間絕緣且分離；及 配線，其設置於配線層，該配線層以至少覆蓋前述高電場區域之方式，對前述半導體基板之受光面之相反側之面積層；且 前述像素陣列部具有位於前述像素區域之外周附近之虛設像素區域； 配置於前述虛設像素區域之前述雪崩光電二極體元件之陰極電位及陽極電位為相同電位，或者陰極電位及陽極電位之至少一者為浮動。 (2) 如上述(1)之感測器晶片，其中配置於前述虛設像素區域之前述雪崩光電二極體元件之陰極與陽極被短路。 (3) 如上述(1)或(2)之感測器晶片，其具備： 感測器基板，其形成有前述雪崩光電二極體元件； 邏輯電路基板，其形成有前述淬滅電阻及前述反相器；及 配線層，其具有與前述感測器基板對向設置之感測器側配線層、及與前述邏輯電路基板對向設置之邏輯側配線層，且將前述感測器基板及前述邏輯電路基板電性連接；且 配置於虛設像素區域之前述雪崩光電二極體元件之前述陰極與前述陽極於前述邏輯側配線層中被短路。 (4) 如上述(1)至(3)中任一項之感測器晶片，其中前述像素陣列部具有位於前述像素區域之中央之參考像素區域， 配置於前述參考像素區域之複數個前述雪崩光電二極體元件之陽極各自由共通之配線連接， 配置於前述虛設像素區域之複數個前述雪崩光電二極體元件之陽極各自由共通之配線連接， 配置於前述參考像素區域之複數個前述雪崩光電二極體元件之陽極、與配置於前述虛設像素區域之複數個前述雪崩光電二極體元件之陽極被分離。 (5) 如上述(1)至(4)中任一項之感測器晶片，其中配置於前述參考像素區域之像素具有： 前述雪崩光電二極體元件； 淬滅電阻，其與前述雪崩光電二極體元件串聯連接；及 反相器，其基於由前述雪崩光電二極體元件予以倍增之電子而輸出受光信號；且 配置於前述參考像素區域之像素： 具有前述雪崩光電二極體元件；且 不具有與前述雪崩光電二極體元件串聯連接之淬滅電阻、及基於由前述雪崩光電二極體元件予以倍增之電子而輸出受光信號之反相器。 (6) 一種電子機器，其具備感測器晶片，該感測器晶片具備：像素陣列部，其具有矩陣狀地配置有複數個像素之像素區域； 雪崩光電二極體元件，其藉由對每一前述像素而設置之高電場區域而使載子放大； 像素間分離部，其於供形成前述雪崩光電二極體元件之半導體基板上將與相鄰之其他前述像素之間絕緣且分離；及 配線，其設置於配線層，該配線層以至少覆蓋前述高電場區域之方式，對前述半導體基板之受光面之相反側之面積層；且 前述像素陣列部具有位於前述像素區域之外周附近之虛設像素區域； 配置於前述虛設像素區域之前述雪崩光電二極體元件之陰極電位及陽極電位為相同電位，或者陰極電位及陽極電位之至少一者為浮動。
本揭示之範圍並不限定於被圖示且被記載之例示性之實施形態，亦包含帶來與本揭示設為目的之效果均等之效果之全部實施形態。進而，本揭示之範圍並不限定於由請求項區劃之發明之特徵之組合，可藉由全部被揭示之各個特徵中特定之特徵之所有被期望之組合而區劃。
10, 10A, 10B, 10C, 10D, 10E:感測器晶片 11:像素陣列部 12:偏壓電壓施加部 21, 21C, 22, 22A, 22B, 22C, 22D, 22E:SPAD像素 23:配線用電極墊, 電極墊 31:SPAD元件 32:p型MOSFET, 淬滅電阻 33:反相器 41:感測器基板 42:感測器側配線層 43:邏輯側配線層 51:N井 52:P型擴散層 53:N型擴散層 54:電洞蓄積層 55:釘紮層 56:高濃度P型擴散層 57:雪崩倍增區域 61:金屬膜 62:絕緣膜 63:像素間分離部 71, 72, 73:接觸電極 74, 74B, 74E, 75, 76:金屬配線 77, 78, 79:接觸電極 80, 81, 82, 101, 102, 103:金屬墊 91, 91D, 92, 93:電極墊 94:絕緣層 95, 96, 97, 98, 99, 100:接觸電極 201:距離圖像感測器 203:圖像處理電路 204:監視器 205:記憶體 211:光源裝置 A1:像素區域 A2:周邊區域 A3:墊區域 APD OUT:受光信號 DA:虛設像素區域 RA:參考像素區域 VB:偏壓電壓 VE:激發電壓
圖1係顯示本揭示之第1實施形態之感測器晶片之SPAD像素形成面之構成之示意圖。 圖2係顯示本揭示之第1實施形態之感測器晶片之一構成例之方塊圖。 圖3係顯示本揭示之第1實施形態之感測器晶片之SPAD像素之一構成例之剖視圖。 圖4係顯示本揭示之第1實施形態之感測器晶片之SPAD像素之一構成例之剖視圖。 圖5係顯示本揭示之第2實施形態之感測器晶片之SPAD像素之一構成例之剖視圖。 圖6係顯示本揭示之第3實施形態之感測器晶片之一構成例之電路圖。 圖7係顯示本揭示之第3實施形態之感測器晶片之SPAD像素之一構成例之剖視圖。 圖8係顯示本揭示之第4實施形態之感測器晶片之一構成例之方塊圖。 圖9係顯示本揭示之第5實施形態之感測器晶片之一構成例之電路圖。 圖10係顯示本揭示之第5實施形態之感測器晶片之SPAD像素之一構成例之剖視圖。 圖11係顯示本揭示之第6實施形態之感測器晶片之一構成例之電路圖。 圖12係顯示本揭示之第6實施形態之感測器晶片之SPAD像素之一構成例之剖視圖。 圖13係顯示使用本揭示之感測器晶片之電子機器即距離圖像感測器之構成例之方塊圖。
10:感測器晶片
11:像素陣列部
12:偏壓電壓施加部
21,22:SPAD像素
31:SPAD元件
32:p型MOSFET，淬滅電阻
33:反相器
APD OUT:受光信號
DA:虛設像素區域
RA:參考像素區域
VB:偏壓電壓
VE:激發電壓

Claims (6)

  1. 一種感測器晶片，其具備像素陣列部，該像素陣列部具有矩陣狀地配置有複數個像素之像素區域； 雪崩光電二極體元件，其藉由對每一前述像素而設置之高電場區域而使載子放大； 像素間分離部，其於供形成前述雪崩光電二極體元件之半導體基板上將與相鄰之其他前述像素之間絕緣且分離；及 配線，其設置於配線層，該配線層以至少覆蓋前述高電場區域之方式，對前述半導體基板之受光面之相反側之面積層；且 前述像素陣列部具有位於前述像素區域之外周附近之虛設像素區域； 配置於前述虛設像素區域之前述雪崩光電二極體元件之陰極電位及陽極電位為相同電位，或者陰極電位及陽極電位之至少一者為浮動。
  2. 如請求項1之感測器晶片，其中配置於前述虛設像素區域之前述雪崩光電二極體元件之陰極與陽極被短路。
  3. 如請求項1之感測器晶片，其具備： 感測器基板，其形成有前述雪崩光電二極體元件； 邏輯電路基板，其形成有淬滅電阻及反相器；及 配線層，其具有與前述感測器基板對向設置之感測器側配線層、及與前述邏輯電路基板對向設置之邏輯側配線層，且將前述感測器基板及前述邏輯電路基板電性連接；且 配置於虛設像素區域之前述雪崩光電二極體元件之前述陰極與前述陽極於前述邏輯側配線層中被短路。
  4. 如請求項1之感測器晶片，其中前述像素陣列部具有位於前述像素區域之中央之參考像素區域， 配置於前述參考像素區域之複數個前述雪崩光電二極體元件之陽極各自由共通之配線連接， 配置於前述虛設像素區域之複數個前述雪崩光電二極體元件之陽極各自由共通之配線連接， 配置於前述參考像素區域之複數個前述雪崩光電二極體元件之陽極、與配置於前述虛設像素區域之複數個前述雪崩光電二極體元件之陽極被分離。
  5. 如請求項1之感測器晶片，其中配置於前述參考像素區域之像素具有： 前述雪崩光電二極體元件； 淬滅電阻，其與前述雪崩光電二極體元件串聯連接；及 反相器，其基於由前述雪崩光電二極體元件予以倍增之電子而輸出受光信號；且 配置於前述參考像素區域之像素： 具有前述雪崩光電二極體元件； 不具有與前述雪崩光電二極體元件串聯連接之淬滅電阻、及基於由前述雪崩光電二極體元件予以倍增之電子而輸出受光信號之反相器。
  6. 一種電子機器，其具備感測器晶片，該感測器晶片具備： 像素陣列部，其具有矩陣狀地配置有複數個像素之像素區域； 雪崩光電二極體元件，其藉由對每一前述像素而設置之高電場區域而使載子放大； 像素間分離部，其於供形成前述雪崩光電二極體元件之半導體基板上將與相鄰之其他前述像素之間絕緣且分離；及 配線，其設置於配線層，該配線層以至少覆蓋前述高電場區域之方式，對前述半導體基板之受光面之相反側之面積層；且 前述像素陣列部具有位於前述像素區域之外周附近之虛設像素區域； 配置於前述虛設像素區域之前述雪崩光電二極體元件之陰極電位及陽極電位為相同電位，或者陰極電位及陽極電位之至少一者為浮動。
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