JP7262078B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、
第1導電型の不純物を含む第1半導体層を含む半導体基板と、
前記第1半導体層内の第2導電型の不純物領域であって前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、
前記第1半導体層内の第2導電型の第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタと、
前記電荷蓄積領域と前記第1トランジスタとの間に位置する遮断構造と
を備え、
前記遮断構造は、
前記第1半導体層内の第1導電型の第2不純物領域と、
前記第1半導体層内の第2導電型の第3不純物領域と、
前記第1半導体層内の第1導電型の第4不純物領域と
を含み、
前記第1半導体層の表面において、前記第1不純物領域から前記電荷蓄積領域に向かう第1方向に沿って、前記第2不純物領域、前記第3不純物領域、および前記第4不純物領域がこの順に配置されている、撮像装置。
前記半導体基板は、
第1導電型の不純物を含む支持基板と、
前記支持基板と前記第1半導体層との間に位置し、第2導電型の不純物を含む第2半導体層と
を含む、項目1に記載の撮像装置。
前記半導体基板は、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に位置し、第1導電型の不純物を含む第3半導体層をさらに含み、
前記第3半導体層は、平面視において前記第3不純物領域と重なる開口を有し、
前記開口内に位置する部分の第1導電型の不純物濃度は、前記第3半導体層の第1導電型の不純物濃度よりも低い、項目2に記載の撮像装置。
電圧供給回路をさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記信号電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積される期間において、前記第1半導体層に関して逆バイアスとなる第1電圧、または前記第1半導体層と等電位となる第2電圧を、前記第3不純物領域に印加する、項目1から3のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記期間において、前記第1電圧とは異なる第3電圧、または0Vである前記第2電圧が、前記第1半導体層を介して前記第2不純物領域および前記第4不純物領域に印加される、項目4に記載の撮像装置。
前記第3電圧は前記第1電圧よりも低い、項目5に記載の撮像装置。
前記期間において、前記第3不純物領域と前記第2半導体層とに同じ電圧が印加される、項目4から6のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記電荷蓄積領域をソースおよびドレインの一方として含む第2トランジスタを備え、
前記第3不純物領域と、前記第2トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方とに同じ電圧が印加される、項目1から7のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記第2不純物領域と前記第4不純物領域とは、前記第3不純物領域を取り囲む連続した単一の不純物領域である、項目1から8のいずれか一項に記載の撮像装置。
光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、
第1導電型の不純物を含む第1半導体層を含む半導体基板と、
前記第1半導体層内の第2導電型の不純物領域であって前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、
前記第1半導体層内の第2導電型の第1不純物領域をソースまたはドレインとして含む第1トランジスタと、
前記電荷蓄積領域と前記第1トランジスタと間に位置する遮断構造と
を備え、
前記遮断構造は、
前記第1半導体層内の第1導電型の第2不純物領域と、
前記第2不純物領域内に位置し、一部が前記第1半導体層の表面に位置し、前記第2不純物領域よりも第1導電型の不純物濃度の高い第1導電型の第3不純物領域と
を含む、撮像装置。
前記半導体基板は、
第1導電型の不純物を含む支持基板と、
前記支持基板と前記第1半導体層との間に位置し、第2導電型の不純物を含む第2半導体層と
を含む、項目10に記載の撮像装置。
前記半導体基板は、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に位置し、第1導電型の不純物を含む第4不純物領域をさらに含み、
前記第4不純物領域の第1導電型の不純物濃度は、前記第1半導体層の第1導電型の不純物濃度よりも高い、項目11に記載の撮像装置。
前記第4不純物領域は、平面視において前記第1不純物領域と重ならない、項目12に記載の撮像装置。
前記電荷蓄積領域をソースおよびドレインの一方として含む第2トランジスタを備え、
前記第4不純物領域は、平面視において前記第2トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と重ならない、項目12または13に記載の撮像装置。
電圧供給回路をさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記信号電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積される期間において、第1電圧を前記第3不純物領域に印加する、項目10から14のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記期間において、前記第1電圧と同じ電圧が前記支持基板を介して前記第2不純物領域に印加される、請求項15に記載の撮像装置。
1以上の画素を備える撮像装置であって、
1以上の画素の各々は、
光電変換部と、
第2導電型の第1不純物領域、および、光電変換部に電気的に接続された第2導電型の電荷蓄積領域を有する半導体基板と、
光電変換部に電気的に接続されたゲートを有し、第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタと、
電荷蓄積領域をソースおよびドレインの一方として有する第2トランジスタと
を含み、
半導体基板は、
第1不純物領域と電荷蓄積領域との間において互いに分離して半導体基板中に配置された第1導電型の第2不純物領域および第4不純物領域と、
第2不純物領域と第4不純物領域との間に位置する第2導電型の第3不純物領域と
をさらに有し、
第3不純物領域の少なくとも一部は、半導体基板の表面に位置する、
撮像装置。
半導体基板は、
第1導電型の不純物を含む支持基板と、
支持基板の上方に位置し、第1導電型の不純物を含む第1半導体層と、
支持基板と第1半導体層との間に位置し、第2導電型の不純物を含む第2半導体層と
を有し、
電荷蓄積領域、第1不純物領域、第2不純物領域、第4不純物領域および第3不純物領域は、第1半導体層中に位置する、
項目17に記載の撮像装置。
半導体基板は、第1半導体層と第2半導体層との間に位置し、第1導電型の不純物を含む第3半導体層をさらに有し、
第3半導体層は、第3不純物領域の直下の領域以外の領域に形成されており、
第1半導体層のうち第3不純物領域の直下に位置する部分の不純物濃度は、第3半導体層よりも低い、
項目18に記載の撮像装置。
少なくとも、光電変換部によって生成された電荷を電荷蓄積領域に蓄積する電荷蓄積期間に、第1半導体層に関して逆バイアスとなる第1電圧または第1半導体層と等電位となる0Vの第2電圧を第3不純物領域に印加する電圧供給回路をさらに備える、
項目18または19に記載の撮像装置。
第2不純物領域および第4不純物領域は、電荷蓄積期間に、第1半導体層を介して第1電圧とは異なる第3電圧または0Vの第2電圧の供給を受ける、
項目20に記載の撮像装置。
第3電圧は、第1電圧よりも低い、
項目21に記載の撮像装置。
第2半導体層は、電荷蓄積期間に、第1電圧または第2電圧と共通の電圧の供給を受ける、項目20から22のいずれか一項に記載の撮像装置。
第3不純物領域と、第2トランジスタのソースおよびドレインの他方とに共通の電圧が印加される、
項目17から23のいずれか一項に記載の撮像装置。
1以上の画素を備える撮像装置であって、
1以上の画素の各々は、
光電変換部と、
第2導電型の第1不純物領域、および、光電変換部に電気的に接続された第2導電型の電荷蓄積領域を有する半導体基板と、
光電変換部に電気的に接続されたゲートを有し、第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタと、
電荷蓄積領域をソースおよびドレインの一方として有する第2トランジスタと
を含み、
半導体基板は、
第1不純物領域と電荷蓄積領域との間に位置する第1導電型の第2不純物領域と、
第2不純物領域中に位置し、第2不純物領域よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の第3不純物領域と
をさらに有し、
第3不純物領域の少なくとも一部は、半導体基板の表面に位置する、
撮像装置。
半導体基板は、
第1導電型の不純物を含む支持基板と、
支持基板の上方に位置し、第1導電型の不純物を含む第1半導体層と、
支持基板と第1半導体層との間に位置し、第2導電型の不純物を含む第2半導体層と
を有し、
電荷蓄積領域、第1不純物領域および第2不純物領域は、第1半導体層中に位置する、項目25に記載の撮像装置。
半導体基板は、第2半導体層上に位置し、かつ、第1導電型の不純物を含む第4不純物領域をさらに有し、
第4不純物領域の不純物濃度は、第1半導体層よりも高い、
項目26に記載の撮像装置。
第4不純物領域は、第1不純物領域の直下には位置しない、
項目27に記載の撮像装置。
第4不純物領域は、第2トランジスタのソースおよびドレインの他方の直下には位置しない、
項目27または28に記載の撮像装置。
少なくとも、光電変換部によって生成された電荷を電荷蓄積領域に蓄積する電荷蓄積期間に、第3不純物領域に所定の電圧を印加する電圧供給回路をさらに備える、
項目25から29のいずれか一項に記載の撮像装置。
電荷蓄積期間に、第3不純物領域への印加電圧と共通の電圧が第2不純物領域に印加される、
項目30に記載の撮像装置。
図1は、本開示の第1の実施形態による撮像装置の例示的な構成を示す。図1に示す撮像装置100Aは、半導体基板60に形成された複数の画素10および周辺回路を有する。
図3Aは、画素10Aのデバイス構造の一例を模式的に示す。画素10Aは、概略的には、半導体基板60Aと、半導体基板60Aの上方に配置された光電変換構造12Aと、導電構造89とを含む。図示するように、光電変換構造12Aは、半導体基板60Aを覆う層間絶縁層90に支持され、導電構造89は、層間絶縁層90の内部に配置されている。図示する例において、層間絶縁層90は、複数層の絶縁層を含み、導電構造89は、層間絶縁層90の内部に配置された複数層の配線層の各々の一部を含む。層間絶縁層90中に配置された複数層の配線層は、アドレス信号線34およびリセット信号線36などをその一部に有する配線層、垂直信号線35、電源配線32およびフィードバック線53などをその一部に有する配線層などを含み得る。言うまでもないが、層間絶縁層90中の絶縁層の数および配線層の数は、この例に限定されず、任意に設定可能である。
図3Bは、第1の実施形態の第1の変形例による撮像装置の例示的な構成を模式的に示す。図3Bに示す画素10Asと、図3Aを参照して説明した画素10Aとの間の主な相違点は、画素10Asでは、p型半導体層63pに代えてp型半導体層63psが半導体基板60A中に設けられている点である。
図4は、第1の実施形態の第2の変形例による撮像装置の例示的な構成を模式的に示す。図1に示す撮像装置100Aと比較して、図4に示す撮像装置100Bは、周辺領域R2に配置された電圧供給回路48をさらに有する。
図8は、本開示の第1の実施形態による撮像装置の第3の変形例を示す。図8は、撮像装置の第3の変形例が有する画素10Cのうちの1つを代表して取り出し、画素10Cの例示的な回路構成を示す。図2に示す信号検出回路14Aと比較して、図8に示す画素10Cの信号検出回路14Cは、信号検出トランジスタ22、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ26に加えて、帯域制御トランジスタ56、第1容量素子51および第2容量素子52をさらに有する。
図9は、図8に示す画素10Cのデバイス構造の一例を模式的に示す。図9に例示する構成において、画素10Cは、光電変換構造12Aを支持する半導体基板76を含む。半導体基板76は、図3B、図5に示す半導体基板60Aと同様に、支持基板61と、p型半導体層63psを含む支持基板61上の複数の半導体層とを有する。半導体基板76は、p型半導体層63ps上にp型半導体層75pを有する。p型半導体層75pにおける不純物濃度は、上述のp型半導体層65pと同程度であり得る。p型半導体層75pは、p型不純物領域66pおよびp型不純物領域76pを有する。p型不純物領域76pにおける不純物濃度は、p型不純物領域66pと同程度であり得る。p型不純物領域76pには、n型不純物領域77nが形成されている。n型不純物領域77nは、リセットトランジスタ26のドレイン領域およびソース領域の一方として機能する。
図13は、本開示の第1の実施形態による撮像装置の第4の変形例を示す。図13に示す画素10Xは、光電変換構造12Aaおよび光電変換構造12Abを有する。
図16Aは、本開示の第2の実施形態による撮像装置が有する画素10Eの例示的なデバイス構造を模式的に示す。図3Aを参照して説明した画素10Aと、図16Aに示す画素10Eとの間の主な相違点は、画素10Eが、遮断構造28Aに代えて遮断構造28Eを有する点である。なお、画素10Aと比較して、この例では、画素10Eは、半導体基板60Aに代えて半導体基板60Bを有する。
図16Bは、第2の実施形態の第1の変形例による撮像装置が有する画素のデバイス構造を模式的に示す。図16Bに例示する画素10Esにおいて、半導体基板60Bは、n型半導体層62n上にp型不純物領域63prを有する。p型不純物領域63prの不純物濃度は、p型半導体層65pよりも高く、例えば3*1018cm-3程度以上であり得る。この例では、p型不純物領域63prは、半導体基板60B内の、平面視において遮断構造28Eおよび電荷蓄積領域としてのn型不純物領域67nに重なる領域に選択的に形成されている。
図19および図20は、本開示の第3の実施形態による撮像装置を示す。図19は、第3の実施形態による撮像装置が有する画素10G中の各素子のレイアウトの一例を示し、図20は、図19に示す画素10Gの例示的な回路構成を示す。
図22および図23は、図5に示す画素10Bと基本的に同じ構造を想定した実施例1に関するシミュレーション結果を示す。図22は、各部の電位に関する計算結果を示し、図23は、各部の電流密度に関する計算結果を示す。以降の図面中、太い実線は、pn接合の位置を示し、矩形Ctは、基板コンタクトの位置を示している。
次に、図3Aを参照して説明した例のように、p型半導体層63pがn型半導体層62nのほぼ全面を覆う構成、換言すれば、不純物領域69nの直下の位置に開口を有するp型半導体層63psに代えてp型半導体層63pを配置した構成を実施例2のサンプルとして想定し、解析を行った。図24は、実施例2のサンプルの各部の電位に関する計算結果を示し、図25は、実施例2のサンプルの各部の電流密度に関する計算結果を示す。
次に、実施例2のサンプルから遮断構造28Bを取り除いた構成を比較例1のサンプルとして想定し、解析を行った。図26は、比較例1のサンプルの各部の電位に関する計算結果を示し、図27は、比較例1のサンプルの各部の電流密度に関する計算結果を示す。
10B、10C、10Ca、10Cb 画素
10E~10G、10Es 画素
10X、10Xa~10Xc 画素
12 光電変換部
12A、12Aa、12Ab 光電変換構造
12B フォトダイオード
14A、14C、14G、14Xa、14Xb 信号検出回路
16A、16C、16Xa、16Xb フィードバック回路
22、22b 信号検出トランジスタ
24、24b アドレストランジスタ
26、26b リセットトランジスタ
28A、28B、28Bb、28E、28F 遮断構造
29 転送トランジスタ
31 蓄積制御線
32 電源配線
34、34b アドレス信号線
35、35a、35b 垂直信号線
36、36b リセット信号線
38 電圧線
42 垂直走査回路
46 制御回路
48、48b 電圧供給回路
50 反転増幅器
51、51a、52、52b、53 容量素子
53、53a、53b フィードバック線
55、55b 保護トランジスタ
56 帯域制御トランジスタ
57 電源線
60、60A、60B、76 半導体基板
61 支持基板
61p、63p、63ps、65p、75p p型半導体層
62n n型半導体層
63pr、66p、66pa、76p p型不純物領域
64 p型領域
67n、77n n型不純物領域
68an~68dn n型不純物領域
69 素子分離領域
69n 不純物領域
69p、69pa、69pb、69b 不純物領域
89 導電構造
100、100A、100B 撮像装置
Cp8 コンタクトプラグ
FD、FDa、FDb 電荷蓄積ノード
Claims (16)
- 光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、
第1導電型の不純物を含む第1半導体層を含む半導体基板と、
前記第1半導体層内の第2導電型の不純物領域であって前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、
前記第1半導体層内の第2導電型の第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタと、
前記電荷蓄積領域と前記第1トランジスタとの間に位置する遮断構造と
を備え、
前記遮断構造は、
前記第1半導体層内の第1導電型の第2不純物領域と、
前記第1半導体層内の第2導電型の第3不純物領域と、
前記第1半導体層内の第1導電型の第4不純物領域と
を含み、
前記第1半導体層の表面において、前記第1不純物領域から前記電荷蓄積領域に向かう第1方向に沿って、前記第2不純物領域、前記第3不純物領域、および前記第4不純物領域がこの順に配置されている、撮像装置。 - 前記半導体基板は、
第1導電型の不純物を含む支持基板と、
前記支持基板と前記第1半導体層との間に位置し、第2導電型の不純物を含む第2半導体層と
を含む、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記半導体基板は、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に位置し、第1導電型の不純物を含む第3半導体層をさらに含み、
前記第3半導体層は、平面視において前記第3不純物領域と重なる開口を有し、
前記開口内に位置する部分の第1導電型の不純物濃度は、前記第3半導体層の第1導電型の不純物濃度よりも低い、請求項2に記載の撮像装置。 - 電圧供給回路をさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記信号電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積される期間において、前記第1半導体層に関して逆バイアスとなる第1電圧、または前記第1半導体層と等電位となる第2電圧を、前記第3不純物領域に印加する、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 前記期間において、前記第1電圧とは異なる第3電圧、または0Vである前記第2電圧が、前記第1半導体層を介して前記第2不純物領域および前記第4不純物領域に印加される、請求項4に記載の撮像装置。
- 前記第3電圧は前記第1電圧よりも低い、請求項5に記載の撮像装置。
- 電圧供給回路をさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記信号電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積される期間において、前記第1半導体層に関して逆バイアスとなる第1電圧、または前記第1半導体層と等電位となる第2電圧を、前記第3不純物領域に印加し、
前記期間において、前記第3不純物領域と前記第2半導体層とに同じ電圧が印加される、請求項2に記載の撮像装置。 - 前記電荷蓄積領域をソースおよびドレインの一方として含む第2トランジスタを備え、
前記第3不純物領域と、前記第2トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方とに同じ電圧が印加される、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 前記第2不純物領域と前記第4不純物領域とは、前記第3不純物領域を取り囲む連続した単一の不純物領域である、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の撮像装置。
- 光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、
第1導電型の不純物を含む第1半導体層を含む半導体基板と、
前記第1半導体層内の第2導電型の不純物領域であって前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、
前記第1半導体層内の第2導電型の第1不純物領域をソースまたはドレインとして含む第1トランジスタと、
前記電荷蓄積領域と前記第1トランジスタと間に位置する遮断構造と
を備え、
前記遮断構造は、
前記第1半導体層内の第1導電型の第2不純物領域と、
前記第2不純物領域内に位置し、一部が前記第1半導体層の表面に位置し、前記第2不純物領域よりも第1導電型の不純物濃度の高い第1導電型の第3不純物領域と
を含む、撮像装置。 - 前記半導体基板は、
第1導電型の不純物を含む支持基板と、
前記支持基板と前記第1半導体層との間に位置し、第2導電型の不純物を含む第2半導体層と
を含む、請求項10に記載の撮像装置。 - 前記半導体基板は、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に位置し、第1導電型の不純物を含む第4不純物領域をさらに含み、
前記第4不純物領域の第1導電型の不純物濃度は、前記第1半導体層の第1導電型の不純物濃度よりも高い、請求項11に記載の撮像装置。 - 前記第4不純物領域は、平面視において前記第1不純物領域と重ならない、請求項12に記載の撮像装置。
- 前記電荷蓄積領域をソースおよびドレインの一方として含む第2トランジスタを備え、
前記第4不純物領域は、平面視において前記第2トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と重ならない、請求項12または請求項13に記載の撮像装置。 - 電圧供給回路をさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記信号電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積される期間において、第1電圧を前記第3不純物領域に印加する、請求項10から請求項14のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 電圧供給回路をさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記信号電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積される期間において、第1電圧を前記第3不純物領域に印加し、
前記期間において、前記第1電圧と同じ電圧が前記支持基板を介して前記第2不純物領域に印加される、請求項11に記載の撮像装置。
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