WO2023002662A1 - 光検出装置及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
本開示は、性能を向上させることができるようにする光検出装置及び電子機器に関する。 それぞれが光電変換部を有する複数の画素を備え、光電変換部が形成される第１の層と、光電変換部による光電変換で得られる電荷に基づく信号電荷を出力する読み出し部、及び信号電荷を保持する電荷保持部が形成される第２の層とからなる構造を有する光検出装置が提供される。本開示は、例えば、固体撮像装置に適用することができる。
Description
本開示は、光検出装置及び電子機器に関し、特に、性能を向上させることができるようにした光検出装置及び電子機器に関する。
近年、固体撮像装置等の光検出装置のさらなる小型化及び画素の高密度化を実現するために、３次元構造の光検出装置が開発されている。例えば、３次元構造の固体撮像装置では、複数の画素を有する半導体基板と、各画素で得られた信号を処理する信号処理回路を有する半導体基板とが積層される(例えば特許文献１参照)。
３次元構造の光検出装置では、性能を向上させるための新規な構造が求められていた。本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、３次元構造の光検出装置において、性能を向上させるための新規な構造を提供することができるようにするものである。
本開示の一側面の光検出装置は、それぞれが光電変換部を有する複数の画素を備え、前記光電変換部が形成される第１の層と、前記光電変換部による光電変換で得られる電荷に基づく信号電荷を出力する読み出し部、及び前記信号電荷を保持する電荷保持部が形成される第２の層とからなる構造を有する光検出装置である。
本開示の一側面の電子機器は、それぞれが光電変換部を有する複数の画素を備え、前記光電変換部が形成される第１の層と、前記光電変換部による光電変換で得られる電荷に基づく信号電荷を出力する読み出し部、及び前記信号電荷を保持する電荷保持部が形成される第２の層とからなる構造を有する光検出装置を搭載した電子機器である。
本開示の一側面の光検出装置、及び電子機器においては、それぞれが光電変換部を有する複数の画素が設けられ、前記光電変換部が形成される第１の層と、前記光電変換部による光電変換で得られる電荷に基づく信号電荷を出力する読み出し部、及び前記信号電荷を保持する電荷保持部が形成される第２の層とからなる構造が形成される。
なお、本開示の一側面の光検出装置は、独立した装置であってもよいし、１つの装置を構成している内部ブロックであってもよい。
（固体撮像装置の構成）
図１は、本開示を適用した固体撮像装置の一実施の形態の構成例を示す図である。固体撮像装置は、光を検出して信号を出力する光検出装置の一例である。
図１は、本開示を適用した固体撮像装置の一実施の形態の構成例を示す図である。固体撮像装置は、光を検出して信号を出力する光検出装置の一例である。
固体撮像装置１は、第１素子層１０、第２素子層２０、及び第３素子層３０の３つの素子層を有する。第１素子層１０と、第２素子層２０と、第３素子層３０とは、この順に積層され、３つの素子層を貼り合わせて構成された３次元構造となっている。
第１素子層１０は、半導体基板１１１を有し、それぞれが光電変換部を有する複数の画素１２１が形成される。複数の画素１２１は、画素アレイ部に行列状に配列されている。
第２素子層２０は、半導体基板２１１を有し、画素１２１から出力された電荷に基づく電荷信号を出力する読み出し部と、信号電荷を保持する電荷保持部が形成される。第２素子層２０にはまた、行方向に延在する複数の画素駆動線と、列方向に延在する複数の垂直信号線が形成される。
第３素子層３０は、半導体基板３１１を有し、信号を処理するロジック回路が形成される。このロジック回路は、例えば、垂直駆動部、カラム信号処理部、水平駆動部、及びシステム制御部から構成される。ロジック回路は、画素１２１ごとの出力電圧を外部に出力する。
＜１．第１の実施の形態＞
（第１の例）
図２は、固体撮像装置１の構造の第１の例を示す断面図である。図３は、図２の断面図に対応した平面図を示している。図３の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＡ－Ａ'断面が、図２の断面図における双方向の線矢印ＡＡ'で示した部分に対応している。
図２は、固体撮像装置１の構造の第１の例を示す断面図である。図３は、図２の断面図に対応した平面図を示している。図３の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＡ－Ａ'断面が、図２の断面図における双方向の線矢印ＡＡ'で示した部分に対応している。
固体撮像装置１では、第１素子層１０と第２素子層２０とが積層して構成されるが、第１素子層１０の光入射面側(裏面側)に、カラーフィルタ４０及びオンチップマイクロレンズ５０が形成される。カラーフィルタ４０及びオンチップマイクロレンズ５０は、画素１２１ごとに設けられる。このように、固体撮像装置１は、裏面照射型の固体撮像装置とすることができる。
第１素子層１０は、半導体基板１１１と配線層１３１を有している。配線層１３１は、半導体基板１１１と半導体基板２１１との間に形成される。配線層１３１には、ゲート電極１６１等に接続される配線などが形成される。
半導体基板１１１は、例えばシリコン基板により構成される。半導体基板１１１は、例えば、表面の一部及びその近傍などの領域にＰウェル層１５１を有し、それ以外の領域に、Ｐウェル層１５１とは異なる導電型のＮ型領域１５２を有する。これにより、フォトダイオード(PD)としての光電変換部が形成される。光電変換部は、画素１２１ごとに形成される。すなわち、図２は、隣接する２つの画素１２１に対応した断面図を示しており、各画素１２１は、第１素子層１０と第２素子層２０からなる２階構造になっている。
第２素子層２０は、半導体基板２１１と配線層２３１を有している。半導体基板２１１は、例えばシリコン基板により構成され、第２素子層２０における第１素子層１０側に形成される。配線層２３１には、ゲート電極２６１やコンタクト２６２等に接続される配線２６３などが形成される。また、第２素子層２０には、電荷保持部２８１が形成される。電荷保持部２８１は、例えば、絶縁層を金属で挟み込んだ構造であるMIM(Metal-Insulator-Metal)の拡散層として構成される。
半導体基板２１１は、Ｐウェル層２５１とＮ型不純物層２５２からなる。Ｎ型不純物層２５２は、半導体基板２１１に、Ｎ型不純物を注入することで形成される。Ｎ型不純物層２５２を形成するＮ型不純物は、半導体基板２１１の全面(第１素子層１０側の下面の全面)に注入される。
第２素子層２０において、画素トランジスタ等が形成される領域、すなわち、読み出し部と電荷保持部などが形成される領域は、バルクとも呼ばれる。このとき、Ｎ型不純物層２５２は、第２素子層２０のバルク深部(第２素子層２０における第１素子層１０側)に形成されているとも言える。また、Ｎ型不純物層２５２を形成するＮ型不純物は、第２素子層２０のバルク全面に注入されているとも言える。
Ｎ型不純物層２５２は、電源コンタクト２７１により電源と接続される。電源コンタクト２７１は、Ｎ型不純物層２５２用に配置したコンタクトであって、第２素子層２０における配線層２３１の電源電圧線と接続される。これにより、Ｎ型不純物層２５２は、電源電圧に固定される。Ｎ型不純物層２５２が電源電圧に固定されることで、光電変換された電子が電源電圧の側に集まるため、電源電圧の側に向かって流れていくことになる。なお、電源コンタクト２７１は、図３の第２素子層２０におけるVDDSUBに対応している。
このように、Ｎ型不純物層２５２は、不要な電荷を排出する電荷排出部として機能し、第２素子層２０で光電変換された電荷が電荷保持部２８１に流入することを抑制することができる。すなわち、第２素子層２０のバルクで発生した電荷のオーバーフロー先となる電荷排出部として、Ｎ型不純物層２５２が設けられている。よって、固体撮像装置１では、第２素子層２０に電荷保持部２８１を設けた構造で、シールド層などを追加することなく、ノイズ成分を低減することが可能となる。
図４は、図３の平面図に対応した回路図を示している。図４においては、第１素子層１０における素子と、第２素子層２０における素子とが、図中の一点鎖線を境界とした上向きの矢印と下向きの矢印とで分けられている。
第１素子層１０は、フォトダイオード(PD)の他に、転送トランジスタTRGやリセットトランジスタRSTなどの素子を有する。第２素子層２０は、電荷保持部２８１を構成するキャパシタC1,C2や、読み出し部２８０を構成する選択トランジスタSELなどの素子を有する。このように、画素１２１は、第１素子層１０と第２素子層２０からなる２階構造を有し、第２素子層２０には、電荷保持部２８１を有する読み出し部２８０が設けられている。
なお、図４において、読み出し部２８０は、図中の二点鎖線を境界にして分けられるが、右方向の矢印ａ側の素子は、２×２画素(隣接する４画素)で共有される素子である。また、読み出し部２８０を構成する素子のうち、一部の素子が第１素子層１０側に設けられてもよい。
（第２の例）
図５は、固体撮像装置１の構造の第２の例を示す断面図である。図６は、図５の断面図に対応した平面図を示している。図６の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＢ－Ｂ'断面が、図５の断面図における双方向の線矢印ＢＢ'で示した部分に対応している。
図５は、固体撮像装置１の構造の第２の例を示す断面図である。図６は、図５の断面図に対応した平面図を示している。図６の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＢ－Ｂ'断面が、図５の断面図における双方向の線矢印ＢＢ'で示した部分に対応している。
図５の断面構造において、図２の断面構造に対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。図５の断面構造においては、図２の断面構造と比べて、電荷排出部として機能するＮ型不純物層２５２が形成される領域が異なっている。
すなわち、図２の断面構造では、Ｎ型不純物層２５２を形成するＮ型不純物は、半導体基板２１１の全面に注入されていたが、図５の断面構造では、半導体基板２１１における電荷保持部２８１の周辺(第２素子層２０のバルクにおける電荷保持部２８１の周辺)にのみ注入されている。
具体的には、図５の断面構造では、電荷保持部２８１が４箇所に図示されているが、半導体基板２１１では、それらの電荷保持部２８１に対応した領域にのみ、Ｎ型不純物が注入されている。図５の断面構造では、第２素子層２０の半導体基板２１１における中央の領域にはＮ型不純物が注入されず、Ｐウェル層２５１となっている。
このように、固体撮像装置１の第２素子層２０のバルク深部に電荷排出部を有する構造では、電荷排出部によって電荷保持部２８１に流入する電荷を抑制したいため、電荷保持部２８１に対応した領域にのみＮ型不純物層２５２を形成すればよく、第２素子層２０のバルクの全面にＮ型不純物層２５２を形成しなくてもよい。
（第３の例）
図７は、固体撮像装置１の構造の第３の例を示す断面図である。図８は、図７の断面図に対応した平面図を示している。図８の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＣ－Ｃ'断面が、図７の断面図における双方向の線矢印ＣＣ'で示した部分に対応している。
図７は、固体撮像装置１の構造の第３の例を示す断面図である。図８は、図７の断面図に対応した平面図を示している。図８の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＣ－Ｃ'断面が、図７の断面図における双方向の線矢印ＣＣ'で示した部分に対応している。
図７の断面構造において、図２の断面構造に対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。図７の断面構造においては、図２の断面構造と比べて、Ｎ型不純物層２５２と電源とを接続する電源コンタクトが配置される位置が異なっている。
すなわち、図７の断面構造では、電源コンタクト２７１(図２)の代わりに、電源コンタクト２７２が配置されている。電源コンタクト２７１は、Ｎ型不純物層２５２用に配置したコンタクトであったが、電源コンタクト２７２は、読み出し部２８０と共有されるコンタクトである。電源コンタクト２７２は、図８の第２素子層２０におけるVDDに対応している。
Ｎ型不純物層２５２は、電源コンタクト２７２により電源と接続される。電源コンタクト２７２は、第２素子層２０における配線層２３１の電源電圧線と接続される。すなわち、読み出し部２８０用の電源コンタクト(既存の電源コンタクト)を、Ｎ型不純物層２５２にも接続して共有している。これにより、Ｎ型不純物層２５２は、電源電圧に固定され、電荷排出部として機能する。
このように、固体撮像装置１の第２素子層２０のバルク深部に電荷排出部を有する構造において、電荷排出部と電源を接続する電源コンタクトとして既存の電源コンタクトを用いる構造とすることで、第２素子層２０の画素領域内に、電荷排出部用に新たに電源コンタクトの拡散層を形成する必要がない。そのため、第２素子層２０の表面を読み出し部２８０のために有効に使用することができる。
（第４の例）
図９は、固体撮像装置１の構造の第４の例を示す断面図である。図１０は、図９の断面図に対応した平面図を示している。図１０の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＡ－Ａ'断面が、図９の断面図における双方向の線矢印ＡＡ'で示した部分に対応している。
図９は、固体撮像装置１の構造の第４の例を示す断面図である。図１０は、図９の断面図に対応した平面図を示している。図１０の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＡ－Ａ'断面が、図９の断面図における双方向の線矢印ＡＡ'で示した部分に対応している。
図９の断面構造において、図２の断面構造に対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。図９の断面構造においては、図２の断面構造と比べて、Ｎ型不純物層２５２と電源とを接続する電源コンタクトが配置される位置が異なっている。すなわち、図９の断面構造では、電源コンタクト２７１(図２)の代わりに、電源コンタクト１７１が配置される。
Ｎ型不純物層２５２は、電源コンタクト１７１により電源と接続される。電源コンタクト１７１は、Ｎ型不純物層２５２用に配置したコンタクトであって、第１素子層１０における配線層１３１の電源電圧線と接続される。これにより、Ｎ型不純物層２５２は、電源電圧に固定され、電荷排出部として機能する。
このように、固体撮像装置１の第２素子層２０のバルク深部に電荷排出部を有する構造において、第１素子層１０の電源電圧線から、第２素子層２０のバルクにビアを通してコンタクトを落とす構造とすることで、第２素子層２０の画素領域内に、電荷排出部用に新たに電源コンタクトの拡散層を形成する必要がない。そのため、第２素子層２０の表面を読み出し部２８０のために有効に使用することができる。
（第５の例）
図１１は、固体撮像装置１の構造の第５の例を示す断面図である。図１２は、図１１の断面図に対応した平面図を示している。図１２の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＡ－Ａ'断面が、図１１の断面図における双方向の線矢印ＡＡ'で示した部分に対応している。
図１１は、固体撮像装置１の構造の第５の例を示す断面図である。図１２は、図１１の断面図に対応した平面図を示している。図１２の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＡ－Ａ'断面が、図１１の断面図における双方向の線矢印ＡＡ'で示した部分に対応している。
図１１の断面構造において、図２の断面構造に対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。図１１の断面構造においては、図２の断面構造と比べて、Ｎ型不純物層２５２と電源とを接続する電源コンタクトが配置される位置が異なっている。
すなわち、図１１の断面構造では、電源コンタクト２７１(図２)の代わりに、電源コンタクト２７３が配置される。電源コンタクト２７１は、第２素子層２０の画素領域内に配置されていたが、電源コンタクト２７３は、第２素子層２０の画素領域外に配置されている。
Ｎ型不純物層２５２は、電源コンタクト２７３により電源と接続される。電源コンタクト２７３は、Ｎ型不純物層２５２用に配置したコンタクトであって、第２素子層２０の画素領域外に配置されて電源電圧線と接続される。図１１の断面構造において、Ｎ型不純物層２５２は、第２素子層２０の画素領域外の領域まで形成され、電源コンタクト２７３に接続される。
このように、固体撮像装置１の第２素子層２０のバルク深部に電荷排出部を有する構造において、第２素子層２０の画素領域内で電源コンタクトを落とさずに、画素領域外(画素アレイ部外)で電源コンタクトを落とす構造とすることで、第２素子層２０の画素領域内に、電荷排出部用に新たに電源コンタクトの拡散層を形成する必要がない。そのため、第２素子層２０の表面を読み出し部２８０のために有効に使用することができる。
（本開示の要点）
次に、図１３を参照しながら、第１の実施の形態の要点を説明する。第１の実施の形態は、固体撮像装置１の構造の第１の例乃至第５の例に対応している。
次に、図１３を参照しながら、第１の実施の形態の要点を説明する。第１の実施の形態は、固体撮像装置１の構造の第１の例乃至第５の例に対応している。
図１３に示すように、固体撮像装置１においては、光電変換部１８１を有する画素１２１が第１素子層１０と第２素子層２０からなる２階構造からなり、第２素子層２０が読み出し部２８０と電荷保持部２８１を有する。このように、３次元構造の固体撮像装置１においては、第２素子層２０に、画素１２１から出力された電荷に基づく電荷信号を出力する読み出し部２８０とともに、信号電荷を保持する電荷保持部２８１を設けることで、性能を向上させるための新規な構造を提供している。
また、固体撮像装置１においては、第２素子層２０に、Ｎ型不純物層２５２からなる電荷排出部２９１を形成することで、第２素子層２０で光電変換された電荷が、電荷保持部２８１に流入することを抑制することができる。その結果として、素子特性の悪化を抑制することができる。
上記の特許文献１には、３次元構造の固体撮像装置において、第１素子層と第２素子層を貫通電極で電気的に接続することで、パッド電極同士の接続や基板を貫通させた配線による接続に比べて、チップサイズの小型化や画素の微細化、読み出し回路の面積の拡大などを実現することが開示されている。この種の固体撮像装置において、第２素子層にMIM拡散層等の電荷保持部を有する画素構造を適用する場合、第２素子層に入射した長波長光によって第２素子層のバルクで光電変換された電荷が、MIM拡散層等の電荷保持部に流入してノイズ成分が悪化する恐れがある。
すなわち、第２素子層に電荷保持部を有する画素で、第２素子層に長波長光が入射した場合、第２素子層の半導体基板のバルク領域で光電変換された電荷が電荷保持部に流入してしまい、信号に寄生光によるノイズが重畳して特性の悪化を引き起こす恐れがある。
それに対して、本開示を適用した固体撮像装置１では、第２素子層２０のバルク深部にＮ型不純物層２５２を形成して電源電圧に固定することで、電荷排出部２９１を実現している。これにより、第２素子層２０で光電変換された電荷が、電荷保持部２８１に流入することが抑制されて、素子特性の悪化が抑制される。
また、電荷排出部２９１は、Ｎ型不純物を注入することで実現されるため、シールド層などを追加することなく、ノイズ成分を低減することができる。さらに、電荷排出部２９１を有する構造は、Ｎ型不純物の注入の工程、及び電源電圧に固定するための拡散層の形成の工程により実現されるため、製造時において大幅な工程数の増加を要しない。また、電荷排出部２９１を有する構造は、ノイズ成分を抑制するために第１素子層と第２素子層の間に遮光層を追加する構造と比べて、FD(Floating Diffusion)配線の寄生容量の増加がないため、変換効率の変動がないという利点もある。
＜２．第２の実施の形態＞
（第６の例）
図１４は、固体撮像装置１の構造の第６の例を示す断面図である。図１５は、図１４の断面図に対応した平面図を示している。図１５の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＡ－Ａ'断面が、図１４の断面図における双方向の線矢印ＡＡ'で示した部分に対応している。
図１４は、固体撮像装置１の構造の第６の例を示す断面図である。図１５は、図１４の断面図に対応した平面図を示している。図１５の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＡ－Ａ'断面が、図１４の断面図における双方向の線矢印ＡＡ'で示した部分に対応している。
図１４の断面構造において、図２の断面構造に対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。図１４の断面構造においては、図２の断面構造と比べて、電荷排出部として機能するＮ型不純物層２５２の代わりに、直方体の形状からなる酸化膜２５３が形成されている。
すなわち、図１４の断面構造では、半導体基板２１１における電荷保持部２８１の周辺に、非光電変換部として機能する酸化膜２５３を形成している。換言すれば、図１４の断面構造において、第２素子層２０のバルクにおける電荷保持部２８１の周辺は、最小限の半導体層(シリコン膜)とその下層に形成された酸化膜２５３で構成されている。
このように、酸化膜２５３は、光電変換が行われない非光電変換部として機能することで、第２素子層２０のバルクに光が入射して光電変換されることを抑制することができる。その結果として第２素子層２０で光電変換された電荷が電荷保持部２８１に流入することを抑制することができる。
次に、図１６を参照しながら、図１４の断面構造を形成する工程を含む製造方法について説明する。
図１６のＡに示す工程では、半導体基板２１１を有する第２素子層２０が準備される。図１６のＢに示す工程では、第２素子層２０の半導体基板２１１に、酸化膜２５３を埋め込むためのトレンチ４１１が形成される。図１６のＣに示す工程では、トレンチ４１１に酸化膜２５３が埋め込まれる。図１６のＤに示す工程では、第２素子層２０における酸化膜２５３が埋め込まれた側の面の表面が酸化され、酸化膜２５６が形成される。
図１６のＥに示す工程では、図１６のＡ乃至Ｄに示した工程を経た第２素子層２０が、第１素子層１０と貼り合わされる。なお、ここでは、第１素子層１０に関する工程は省略している。このような工程を経ることで、図１４に示した構造を形成することができる。
（第７の例）
図１７は、固体撮像装置１の構造の第７の例を示す断面図である。図１８は、図１７の断面図に対応した平面図を示している。図１８の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＡ－Ａ'断面が、図１７の断面図における双方向の線矢印ＡＡ'で示した部分に対応している。
図１７は、固体撮像装置１の構造の第７の例を示す断面図である。図１８は、図１７の断面図に対応した平面図を示している。図１８の平面図において、第１素子層１０と第２素子層２０におけるＡ－Ａ'断面が、図１７の断面図における双方向の線矢印ＡＡ'で示した部分に対応している。
図１７の断面構造において、図１４の断面構造に対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。図１７の断面構造においては、図１４の断面構造と比べて、直方体の形状からなる酸化膜２５３の代わりに、レンズ状の形状からなるシリコン窒化膜２５４が形成されている。このレンズ状の形状は、第２素子層２０の表面側が凸になっている。
すなわち、図１７の断面構造では、半導体基板２１１における電荷保持部２８１の周辺に、非光電変換部として機能するシリコン窒化膜２５４を形成している。換言すれば、図１７の断面構造において、第２素子層２０のバルクにおける電荷保持部２８１の周辺は、最小限の半導体層(シリコン膜)とその下層に形成されたシリコン窒化膜２５４で構成されている。
このように、シリコン窒化膜２５４は、光電変換が行われない非光電変換部として機能することで、第２素子層２０のバルクに光が入射して光電変換されることを抑制することができる。その結果として第２素子層２０で光電変換された電荷が電荷保持部２８１に流入することを抑制することができる。特に、シリコン窒化膜２５４の形状をレンズ状にすることで、非光電変換部に入射した光が拡散するため、電荷保持部２８１に直接光が入ることを抑制することができる。
次に、図１９を参照しながら、図１７の断面構造を形成する工程を含む製造方法について説明する。
図１９のＡに示す工程では、半導体基板２１１を有する第２素子層２０が準備される。図１９のＢに示す工程では、第２素子層２０の半導体基板２１１に、シリコン窒化膜２５４を埋め込むためのトレンチ４１２が形成される。トレンチ４１２は、レンズ状に対応した形状となる。図１９のＣに示す工程では、トレンチ４１２にシリコン窒化膜２５４が埋め込まれる。図１９のＤに示す工程では、第２素子層２０におけるシリコン窒化膜２５４が埋め込まれた側の面の表面が酸化され、酸化膜２５７が形成される。
図１９のＥに示す工程では、図１９のＡ乃至Ｄに示した工程を経た第２素子層２０が、第１素子層１０と貼り合わされる。なお、ここでも、第１素子層１０に関する工程は省略している。このような工程を経ることで、図１７に示した構造を形成することができる。
（本開示の要点）
次に、図２０を参照しながら、第２の実施の形態の要点を説明する。第２の実施の形態は、固体撮像装置１の構造の第６の例と第７の例に対応している。
次に、図２０を参照しながら、第２の実施の形態の要点を説明する。第２の実施の形態は、固体撮像装置１の構造の第６の例と第７の例に対応している。
図２０に示すように、固体撮像装置１においては、光電変換部１８１を有する画素１２１が第１素子層１０と第２素子層２０からなる２階構造からなり、第２素子層２０が読み出し部２８０と電荷保持部２８１を有する。また、固体撮像装置１においては、第２素子層２０に、直方体の形状を有する酸化膜２５３又はレンズ状の形状を有するシリコン窒化膜２５４などからなる非光電変換部２９２を形成することで、第２素子層２０のバルクに光が入射して光電変換されることを抑制することができる。その結果として第２素子層２０で光電変換された電荷が電荷保持部２８１に流入することが抑制され、素子特性の悪化を抑制することができる。
また、非光電変換部２９２は、酸化膜２５３又はシリコン窒化膜２５４を構造に追加することで実現されるため、シールド層などを追加することなく、ノイズ成分を低減することができる。さらに、非光電変換部２９２を有する構造は、第２素子層２０のバルク深部に酸化膜２５３又はシリコン窒化膜２５４を形成する工程により実現されるため、製造時において大幅な工程数の増加を要しない。また、非光電変換部２９２を有する構造は、ノイズ成分を抑制するために第１素子層と第２素子層の間に遮光層を追加する構造と比べて、FD配線の寄生容量の増加がないため、変換効率の変動がないという利点もある。
なお、非光電変換部２９２は、酸化膜又はシリコン窒化膜(SiN膜)に限らず、非導電材料であれば、他の材料からなる膜で形成しても構わない。また、非光電変換部２９２の形状は、直方体又はレンズ状に限らず、他の形状であっても構わない。
＜３．変形例＞
（構造の他の例）
上述した固体撮像装置１の構造は一例であって、構造の第１の例乃至第７の例のいずれかの構造を、他のいずれかの構造と組み合わせても構わない。例えば、固体撮像装置１の構造の第２の例(図５)において、Ｎ型不純物層２５２を電源に接続する電源コンタクトは、構造の第１の例(図１)と同様に、Ｎ型不純物層２５２用に配置した電源コンタクトであって、第２素子層２０における配線層２３１の電源電圧線と接続されるものを用いることができる。
上述した固体撮像装置１の構造は一例であって、構造の第１の例乃至第７の例のいずれかの構造を、他のいずれかの構造と組み合わせても構わない。例えば、固体撮像装置１の構造の第２の例(図５)において、Ｎ型不純物層２５２を電源に接続する電源コンタクトは、構造の第１の例(図１)と同様に、Ｎ型不純物層２５２用に配置した電源コンタクトであって、第２素子層２０における配線層２３１の電源電圧線と接続されるものを用いることができる。
また、固体撮像装置１の構造の第２の例(図５)においては、構造の第３の例(図７)と同様に、読み出し部２８０と共有される電源コンタクトであって、第２素子層２０における配線層２３１の電源電圧線と接続されるものを用いることができる。固体撮像装置１の構造の第２の例(図５)においては、構造の第４の例(図９)と同様に、第１素子層１０における配線層１３１の電源電圧線と接続される電源コンタクトを用いてもよい。また、固体撮像装置１の構造の第２の例(図５)においては、構造の第５の例(図１１)と同様に、第２素子層２０の画素領域外に配置されて電源電圧線と接続される電源コンタクトを用いてもよい。
（固体撮像装置の構成）
固体撮像装置１は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像装置とすることができる。このCMOS型の固体撮像装置は、上述したように、光電変換部が形成された半導体基板から見て下層に形成される配線層側(表面側)とは反対側の上層(裏面側)から光を入射させる裏面照射型構造とすることができる。
固体撮像装置１は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像装置とすることができる。このCMOS型の固体撮像装置は、上述したように、光電変換部が形成された半導体基板から見て下層に形成される配線層側(表面側)とは反対側の上層(裏面側)から光を入射させる裏面照射型構造とすることができる。
なお、本開示を適用した構造は、CMOS型の固体撮像装置に限らず、CCD(Charge Coupled Device)型の固体撮像装置に適用することも可能である。また、固体撮像装置１の第２素子層２０において、Ｎ型不純物層２５２は、Ｎ型不純物を注入することで形成されるが、Ｎ型不純物は、第１導電型と異なる第２導電型の不純物の一例である。例えば、第１導電型はＰ型であり、第２導電型はＮ型である。
（電子機器の構成）
本開示を適用した光検出装置は、スマートフォン、タブレット型端末、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどの電子機器に搭載することができる。図２１は、本開示を適用した光検出装置を搭載した電子機器の構成例を示すブロック図である。
本開示を適用した光検出装置は、スマートフォン、タブレット型端末、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどの電子機器に搭載することができる。図２１は、本開示を適用した光検出装置を搭載した電子機器の構成例を示すブロック図である。
図２１において、電子機器１０００は、レンズ群を含む光学系１０１１と、図１の固体撮像装置１に対応した構造を有する光検出素子１０１２と、カメラ信号処理部であるDSP(Digital Signal Processor)１０１３からなる撮像系を有する。電子機器１０００においては、撮像系のほかに、CPU(Central Processing Unit)１０１０、フレームメモリ１０１４、ディスプレイ１０１５、操作系１０１６、補助メモリ１０１７、通信I/F１０１８、及び電源系１０１９がバス１０２０を介して相互に接続された構成となる。
CPU１０１０は、電子機器１０００の各部の動作を制御する。
光学系１０１１は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで、光検出素子１０１２の光検出面に結像させる。光検出素子１０１２は、光学系１０１１によって光検出面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して信号として出力する。DSP１０１３は、光検出素子１０１２から出力される信号に対し、所定の信号処理を行う。
フレームメモリ１０１４は、撮像系で撮像された静止画又は動画の画像データを一時的に記録する。ディスプレイ１０１５は、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイであり、撮像系で撮像された静止画又は動画を表示する。操作系１０１６は、ユーザによる操作に応じて、電子機器１０００が有する様々な機能についての操作指令を発する。
補助メモリ１０１７は、フラッシュメモリ等の半導体メモリを含む記憶媒体であり、撮像系で撮像された静止画又は動画の画像データを記録する。通信I/F１０１８は、所定の通信方式に対応した通信モジュールを有し、撮像系で撮像された静止画又は動画の画像データを、ネットワークを介して他の機器に送信する。
電源系１０１９は、CPU１０１０、DSP１０１３、フレームメモリ１０１４、ディスプレイ１０１５、操作系１０１６、補助メモリ１０１７、及び通信I/F１０１８を供給対象として、動作電源となる各種の電源を適宜供給する。
なお、本開示の実施の形態は、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。本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
また、本開示は、以下のような構成をとることができる。
（１）
それぞれが光電変換部を有する複数の画素を備え、
前記光電変換部が形成される第１の層と、
前記光電変換部による光電変換で得られる電荷に基づく信号電荷を出力する読み出し部、及び前記信号電荷を保持する電荷保持部が形成される第２の層と
からなる構造を有する
光検出装置。
（２）
前記第２の層における前記第１の層の側には、不要な電荷を排出する電荷排出部が形成される
前記（１）に記載の光検出装置。
（３）
記電荷排出部は、前記第２の層における前記第１の層の側に形成された半導体基板に、第１導電型と異なる第２導電型の不純物を注入することで形成され、
前記第２導電型の不純物からなる不純物層は、電源電圧に固定される
前記（２）に記載の光検出装置。
（４）
前記第１導電型は、Ｐ型であり、
前記第２導電型は、Ｎ型である
前記（３）に記載の光検出装置。
（５）
前記第２導電型の不純物は、前記半導体基板の全面に注入される
前記（３）又は（４）に記載の光検出装置。
（６）
前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第２の層における配線層の電源電圧線と接続される
前記（５）に記載の光検出装置。
（７）
前記コンタクトは、前記電荷排出部のために配置されたコンタクトである
前記（６）に記載の光検出装置。
（８）
前記コンタクトは、前記読み出し部と共有されるコンタクトである
前記（６）に記載の光検出装置。
（９）
前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第１の層における配線層の電源電圧線と接続される
前記（５）に記載の光検出装置。
（１０）
前記第２導電型の不純物は、前記半導体基板における前記電荷保持部の周辺に注入される
前記（３）又は（４）に記載の光検出装置。
（１１）
前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第２の層における配線層の電源電圧線と接続される
前記（１０）に記載の光検出装置。
（１２）
前記コンタクトは、前記電荷排出部のために配置されたコンタクトである
前記（１１）に記載の光検出装置。
（１３）
前記コンタクトは、前記読み出し部と共有されるコンタクトである
前記（１１）に記載の光検出装置。
（１４）
前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第１の層における配線層の電源電圧線と接続される
前記（１０）に記載の光検出装置。
（１５）
前記第２の層における前記第１の層の側には、光電変換が行われない非光電変換部が形成される
前記（１）に記載の光検出装置。
（１６）
前記第２の層における前記第１の層の側に形成された半導体基板における前記電荷保持部の周辺は、半導体層と前記非光電変換部から構成される
前記（１５）に記載の光検出装置。
（１７）
前記非光電変換部は、非導電材料で形成される
前記（１５）又は（１６）に記載の光検出装置。
（１８）
前記非光電変換部の形状は、直方体である
前記（１７）に記載の光検出装置。
（１９）
前記非光電変換部の形状は、レンズ状である
前記（１７）に記載の光検出装置。
（２０）
それぞれが光電変換部を有する複数の画素を備え、
前記光電変換部が形成される第１の層と、
前記光電変換部による光電変換で得られる電荷に基づく信号電荷を出力する読み出し部、及び前記信号電荷を保持する電荷保持部が形成される第２の層と
からなる構造を有する
光検出装置を搭載した電子機器。
それぞれが光電変換部を有する複数の画素を備え、
前記光電変換部が形成される第１の層と、
前記光電変換部による光電変換で得られる電荷に基づく信号電荷を出力する読み出し部、及び前記信号電荷を保持する電荷保持部が形成される第２の層と
からなる構造を有する
光検出装置。
（２）
前記第２の層における前記第１の層の側には、不要な電荷を排出する電荷排出部が形成される
前記（１）に記載の光検出装置。
（３）
記電荷排出部は、前記第２の層における前記第１の層の側に形成された半導体基板に、第１導電型と異なる第２導電型の不純物を注入することで形成され、
前記第２導電型の不純物からなる不純物層は、電源電圧に固定される
前記（２）に記載の光検出装置。
（４）
前記第１導電型は、Ｐ型であり、
前記第２導電型は、Ｎ型である
前記（３）に記載の光検出装置。
（５）
前記第２導電型の不純物は、前記半導体基板の全面に注入される
前記（３）又は（４）に記載の光検出装置。
（６）
前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第２の層における配線層の電源電圧線と接続される
前記（５）に記載の光検出装置。
（７）
前記コンタクトは、前記電荷排出部のために配置されたコンタクトである
前記（６）に記載の光検出装置。
（８）
前記コンタクトは、前記読み出し部と共有されるコンタクトである
前記（６）に記載の光検出装置。
（９）
前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第１の層における配線層の電源電圧線と接続される
前記（５）に記載の光検出装置。
（１０）
前記第２導電型の不純物は、前記半導体基板における前記電荷保持部の周辺に注入される
前記（３）又は（４）に記載の光検出装置。
（１１）
前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第２の層における配線層の電源電圧線と接続される
前記（１０）に記載の光検出装置。
（１２）
前記コンタクトは、前記電荷排出部のために配置されたコンタクトである
前記（１１）に記載の光検出装置。
（１３）
前記コンタクトは、前記読み出し部と共有されるコンタクトである
前記（１１）に記載の光検出装置。
（１４）
前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第１の層における配線層の電源電圧線と接続される
前記（１０）に記載の光検出装置。
（１５）
前記第２の層における前記第１の層の側には、光電変換が行われない非光電変換部が形成される
前記（１）に記載の光検出装置。
（１６）
前記第２の層における前記第１の層の側に形成された半導体基板における前記電荷保持部の周辺は、半導体層と前記非光電変換部から構成される
前記（１５）に記載の光検出装置。
（１７）
前記非光電変換部は、非導電材料で形成される
前記（１５）又は（１６）に記載の光検出装置。
（１８）
前記非光電変換部の形状は、直方体である
前記（１７）に記載の光検出装置。
（１９）
前記非光電変換部の形状は、レンズ状である
前記（１７）に記載の光検出装置。
（２０）
それぞれが光電変換部を有する複数の画素を備え、
前記光電変換部が形成される第１の層と、
前記光電変換部による光電変換で得られる電荷に基づく信号電荷を出力する読み出し部、及び前記信号電荷を保持する電荷保持部が形成される第２の層と
からなる構造を有する
光検出装置を搭載した電子機器。
１ 固体撮像装置， １０ 第１素子層， ２０ 第２素子層， ３０ 第３素子層， １１１ 半導体基板， １２１ 画素， １３１ 配線層， １５１ Ｐウェル層， １５２ Ｎ型領域， １７１ 電源コンタクト， １８１ 光電変換部， ２１１ 半導体基板， ２５１ Ｐウェル層， ２５２ Ｎ型不純物層， ２５３ 酸化膜， ２５４ シリコン窒化膜， ２３１ 配線層， ２５１ 配線層， ２７１ 電源コンタクト， ２７２ 電源コンタクト， ２７３ 電源コンタクト， ２８０ 読み出し部， ２８１ 電荷保持部， ２９１ 電荷排出部， ２９２ 非光電変換部， ３１１ 半導体基板， １０００ 電子機器， １０１２ 光検出素子
Claims (20)
- それぞれが光電変換部を有する複数の画素を備え、
前記光電変換部が形成される第１の層と、
前記光電変換部による光電変換で得られる電荷に基づく信号電荷を出力する読み出し部、及び前記信号電荷を保持する電荷保持部が形成される第２の層と
からなる構造を有する
光検出装置。 - 前記第２の層における前記第１の層の側には、不要な電荷を排出する電荷排出部が形成される
請求項１に記載の光検出装置。 - 記電荷排出部は、前記第２の層における前記第１の層の側に形成された半導体基板に、第１導電型と異なる第２導電型の不純物を注入することで形成され、
前記第２導電型の不純物からなる不純物層は、電源電圧に固定される
請求項２に記載の光検出装置。 - 前記第１導電型は、Ｐ型であり、
前記第２導電型は、Ｎ型である
請求項３に記載の光検出装置。 - 前記第２導電型の不純物は、前記半導体基板の全面に注入される
請求項３に記載の光検出装置。 - 前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第２の層における配線層の電源電圧線と接続される
請求項５に記載の光検出装置。 - 前記コンタクトは、前記電荷排出部のために配置されたコンタクトである
請求項６に記載の光検出装置。 - 前記コンタクトは、前記読み出し部と共有されるコンタクトである
請求項６に記載の光検出装置。 - 前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第１の層における配線層の電源電圧線と接続される
請求項５に記載の光検出装置。 - 前記第２導電型の不純物は、前記半導体基板における前記電荷保持部の周辺に注入される
請求項３に記載の光検出装置。 - 前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第２の層における配線層の電源電圧線と接続される
請求項１０に記載の光検出装置。 - 前記コンタクトは、前記電荷排出部のために配置されたコンタクトである
請求項１１に記載の光検出装置。 - 前記コンタクトは、前記読み出し部と共有されるコンタクトである
請求項１１に記載の光検出装置。 - 前記電源電圧に接続するためのコンタクトは、前記第１の層における配線層の電源電圧線と接続される
請求項１０に記載の光検出装置。 - 前記第２の層における前記第１の層の側には、光電変換が行われない非光電変換部が形成される
請求項１に記載の光検出装置。 - 前記第２の層における前記第１の層の側に形成された半導体基板における前記電荷保持部の周辺は、半導体層と前記非光電変換部から構成される
請求項１５に記載の光検出装置。 - 前記非光電変換部は、非導電材料で形成される
請求項１６に記載の光検出装置。 - 前記非光電変換部の形状は、直方体である
請求項１７に記載の光検出装置。 - 前記非光電変換部の形状は、レンズ状である
請求項１７に記載の光検出装置。 - それぞれが光電変換部を有する複数の画素を備え、
前記光電変換部が形成される第１の層と、
前記光電変換部による光電変換で得られる電荷に基づく信号電荷を出力する読み出し部、及び前記信号電荷を保持する電荷保持部が形成される第２の層と
からなる構造を有する
光検出装置を搭載した電子機器。
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2022
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- 2022-06-20 TW TW111122913A patent/TW202306141A/zh unknown
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