WO2020202880A1 - アバランシェフォトダイオードセンサおよびセンサ装置 - Google Patents
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Definitions
- This disclosure relates to an avalanche photodiode sensor and sensor device. More specifically, the present invention relates to a sensor configured on an avalanche photodiode and a sensor device including the avalanche photodiode.
- an optical sensor using an avalanche photodiode has been used.
- This avalanche photodiode is a photodiode that is used in the vicinity of the breakdown voltage or when a reverse bias voltage exceeding the breakdown voltage is applied.
- the avalanche breakdown due to the high electric field can be used to multiply the charge generated by the photoelectric effect and improve the sensitivity.
- an avalanche photodiode used by applying a bias voltage exceeding the breakdown voltage is called a SPAD (Single Photon Avalanche diode). This SPAD makes it possible to count a single photon using the avalanche multiplication effect.
- STI Shallow Trench Isolation
- the semiconductor element using this STI has a problem that a dark current is generated due to the influence of the interface state formed on the surface of the semiconductor substrate facing the groove.
- This dark current is a current generated by the inflow of the electric charge captured at the interface state into the photodiode region, and is a current that causes noise because it is generated regardless of the incident light.
- the avalanche photodiode has a problem that the charge caused by the interface state is multiplied to generate a large dark current.
- a photodetector that separates the SPAD using the separation region by STI and arranges the hole storage layer adjacent to the separation region is used (see, for example, Patent Document 1).
- an n-type semiconductor region is arranged adjacent to the surface of the well layer of the semiconductor substrate separated by the separation region, and a p-type semiconductor region is arranged under the n-type semiconductor region to form a pn junction. It is formed. Further, the n-type semiconductor region functions as a cathode and is connected to the circuit via a contact.
- the n-type semiconductor region and the separation region on the surface of the semiconductor substrate are arranged apart from each other, and the anode is arranged between the n-type semiconductor region and the separation region.
- the anode is arranged cyclically inside the separation region, and a well layer is arranged between the anode and the n-type semiconductor region.
- a reverse voltage to the anode and cathode, a strong electric field is formed at the pn junction, and the avalanche multiplication of the charge generated in the well layer can be performed.
- the hole accumulation layer is arranged at a position adjacent to the separation region in the lower layer of the anode. That is, the hole accumulation layer is arranged between the separation region and the well layer. Holes are accumulated in this hole accumulation layer. The accumulated holes can trap the electrons generated at the interface, and the dark current can be reduced.
- the above-mentioned conventional technique has a problem that the characteristics of the avalanche photodiode sensor fluctuate.
- the n-type semiconductor region constituting the pn junction in the above-mentioned conventional technique is configured to have a high impurity concentration because the contacts are arranged.
- the impurity concentration is high, the variation in the impurity concentration becomes large. This is because the impurity concentration in the semiconductor region varies according to the ratio of the impurity concentration to the target value in production, and the amount of variation in the impurity concentration in the semiconductor region is proportional to its own impurity concentration.
- the variation in the impurity concentration becomes large, the variation in the characteristics of the avalanche photodiode sensor such as the yield voltage becomes large.
- the impurity concentration in the n-type semiconductor region constituting the pn junction is high, the characteristics of the avalanche photodiode sensor fluctuate greatly.
- the present disclosure has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present disclosure is to reduce fluctuations in the characteristics of an avalanche photodiode sensor.
- the present disclosure has been made in order to solve the above-mentioned problems, and the first aspect thereof is in a first semiconductor region arranged on the surface of a semiconductor substrate and a lower layer of the first semiconductor region.
- a second semiconductor region that is arranged and configured in a conductive type different from the first semiconductor region, a low impurity concentration region that is arranged adjacent to the second semiconductor region, and a surface of the semiconductor substrate.
- a first contact region that is arranged adjacent to the first semiconductor region and to which electrodes are connected, and a second contact that is arranged adjacent to the low impurity concentration region and to which electrodes are connected. It is an avalanche photodiode sensor having a region.
- the second contact region may be arranged on the surface of the semiconductor substrate.
- an isolation region arranged between the first contact region and the second contact region may be further provided.
- the bottom of the first contact region may be arranged at a position deeper than the bottom of the second semiconductor region.
- the semiconductor substrate may further include a separation region for separating its own avalanche photodiode sensor.
- a charge storage layer which is arranged adjacent to the separation region and stores the same conductive type charge as the second contact region may be further provided.
- the charge storage layer may be arranged adjacent to the second contact region.
- the charge storage layer may be further arranged on the back surface, which is a surface different from the front surface of the semiconductor substrate.
- the first contact region may be formed in a shape surrounding the first semiconductor region.
- an on-chip lens that collects incident light in the low impurity concentration region may be further provided.
- the on-chip lens may be arranged on the back surface, which is a surface different from the front surface of the semiconductor substrate.
- the first semiconductor region arranged on the surface of the semiconductor substrate and the conductive type arranged in the lower layer of the first semiconductor region are different from the first semiconductor region.
- An avalanche photodiode sensor comprising a first contact region to which the electrodes are connected and a second contact region arranged adjacent to the low impurity concentration region to which the electrodes are connected, depending on the incident light. It is a sensor device including a processing circuit for processing a signal generated based on a current flowing through the avalanche photodiode sensor.
- the processing circuit is based on the signal generated when the reflected light based on the light from the object irradiated with the light is incident on the avalanche photodiode sensor.
- a process of detecting the distance to an object may be performed.
- the first semiconductor region which is the semiconductor region forming the pn junction, and the first contact region for connecting the electrodes are juxtaposed on the surface of the semiconductor substrate. .. A first semiconductor region having an impurity concentration different from that of the first contact region is assumed.
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an avalanche photodiode sensor according to the first embodiment of the present disclosure.
- the figure is a plan view which shows the structural example of the avalanche photodiode sensor 101.
- the avalanche photodiode sensor 101 is arranged in a well region 120 formed on the surface of the semiconductor substrate 110.
- the rectangle in the figure represents the region of the avalanche photodiode sensor 101 including the well region 120.
- the figure shows an example in which a plurality of avalanche photodiode sensors 101 are arranged, and shows the configuration of the sensor array unit 10 described later.
- the avalanche photodiode sensor 101 is a photodiode that has a pn junction region and a low impurity concentration region inside, and performs photoelectric conversion in a state where a high reverse voltage is applied to the pn junction portion.
- the applied reverse voltage By setting the applied reverse voltage to a voltage higher than the yield voltage, the charge generated by the photoelectric conversion in the low impurity concentration region is amplified by avalanche multiplication due to the strong electric field at the pn junction. High-sensitivity and high-speed light detection is possible.
- a first semiconductor region 121 is arranged at the center thereof, and a first contact region 123 having a shape surrounding the first semiconductor region 121 is further arranged.
- a second semiconductor region 122 is arranged in the lower layer of the first semiconductor region 121.
- the alternate long and short dash line in the figure represents the second semiconductor region 122.
- a second contact region 124 is arranged on the peripheral edge of the well region 120.
- the electrode 141 is arranged adjacent to the first contact region 123, and the electrode 142 is arranged adjacent to the second contact region 124.
- the dashed lines in the figure represent electrodes 141 and 142.
- the above-mentioned pn junction is formed at the interface between the first semiconductor region 121 and the second semiconductor region 122.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of an avalanche photodiode sensor according to the first embodiment of the present disclosure.
- the figure is a cross-sectional view showing a configuration example of an avalanche photodiode sensor 101.
- the avalanche photodiode sensor 101 in the figure has a well region 120, a first semiconductor region 121, a second semiconductor region 122, a first contact region 123, a second contact region 124, an electrode 141, and the like. It includes 142, an insulating layer 151, wiring layers 152 and 153, and via plugs 154 and 155.
- the well region 120 is a region having a low impurity concentration formed on the semiconductor substrate 110, and is a region on which a diffusion layer portion of the semiconductor element is formed.
- the well region 120 is arranged in an island shape on the semiconductor substrate 110, and its cross section is formed in the shape of a well adjacent to the surface of the semiconductor substrate 110. Further, the well region 120 in the figure is composed of a p-type semiconductor and is called a so-called p-well.
- the well region 120 can be configured, for example, with an impurity concentration of 10 14 / cm 3 .
- the well region 120 can be formed by performing thermal diffusion or ion implantation on the semiconductor substrate 110.
- a first semiconductor region 121 and a second semiconductor region 122, which will be described later, are formed in the well region 120.
- Well regions 120 of adjacent avalanche photodiode sensors 101 are separated by a semiconductor substrate 110.
- the well region 120 is an example of the low impurity concentration region described in the claims.
- the first semiconductor region 121 is a semiconductor region arranged on the surface of the semiconductor substrate 110.
- the first semiconductor region 121 in the figure can be configured as an n-type semiconductor, and can be configured with an impurity concentration higher than the well region 120, for example, an impurity concentration of 10 17 / cm 3 .
- the first semiconductor region 121 can be formed by implanting ions into the surface of the well region 120. As shown in the figure, the first semiconductor region 121 can be formed in a shape in which a part (peripheral portion) is adjacent to the well region 120.
- the second semiconductor region 122 is a semiconductor region arranged under the first semiconductor region 121, and is a region formed in a conductive type different from the first semiconductor region 121.
- the second semiconductor region 122 in the figure can be configured as a p-type semiconductor. Further, similarly to the first semiconductor region 121, the impurity concentration can be configured to be 10 17 / cm 3 .
- a pn junction is formed by the first semiconductor region 121 and the second semiconductor region 122.
- the second semiconductor region 122 can be formed by implanting ions into the surface of the well region 120. As shown in the figure, the second semiconductor region 122 is arranged adjacent to the well region 120.
- the first contact region 123 is a semiconductor region arranged on the surface of the semiconductor substrate 110 and adjacent to the first semiconductor region 121, and is a semiconductor region in which electrodes are arranged.
- the first contact region 123 in the figure is arranged on the surface of the well region 120.
- the first contact region 123 is formed of an n-type semiconductor which is the same conductive type as the first semiconductor region 121, and an electrode 141 described later is arranged.
- the first contact region 123 and the first semiconductor region 121 correspond to the cathode region.
- the first contact region 123 is configured to have a higher impurity concentration than the first semiconductor region 121.
- the first contact region 123 can be configured with an impurity concentration of 10 19 / cm 3 .
- the second contact region 124 is a semiconductor region arranged adjacent to the well region 120, and is a region in which electrodes are arranged.
- the second contact region 124 in the figure is arranged on the surface side of the semiconductor substrate 110, and is arranged on the same side as the first contact region 123 and the first semiconductor region 121.
- the second contact region 124 is formed of a p-type semiconductor which is the same conductive type as the second semiconductor region 122, and an electrode 142 described later is arranged. Similar to the first contact region 123, the second contact region 124 can be configured with a high impurity concentration.
- the second contact region 124 corresponds to the anode region.
- Electrodes 141 and 142 are electrodes connected to the semiconductor region of the avalanche photodiode sensor 101. A bias voltage is applied through the electrodes 141 and 142, and an electric signal is transmitted.
- the electrodes 141 and 142 correspond to the cathode electrode and the anode electrode, respectively. By applying a voltage lower than that of the electrode 141 to the electrode 142, a reverse voltage can be applied to the first semiconductor region 121 and the second semiconductor region 122 constituting the pn junction.
- the wiring layers 152 and 153 are wirings that transmit signals to the electrodes 141 and 142, respectively.
- the wiring layers 152 and 153 can be made of, for example, a metal such as copper (Cu).
- the via plugs 154 and 155 are columnar conductors that connect wiring layers and the like arranged in different layers.
- the via plugs 154 and 155 can be made of, for example, a metal such as Cu or tungsten (W).
- the via plug 154 and the wiring layer 152 are connected to the electrode 141, and the via plug 155 and the wiring layer 153 are connected to the electrode 142.
- the insulating layer 151 insulates the wiring layers 152 and 153 and the like.
- the insulating layer 151 can be made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
- the wiring layers 152 and 153 and the insulating layer 151 form a wiring region.
- a voltage is applied to the first semiconductor region 121 and the second semiconductor region 122 that form a pn junction via the well region 120. Further, in the well region 120, an electric charge is generated by photoelectric conversion based on the incident light. Since the well region 120 is a semiconductor region configured with a low impurity concentration, a part of the reverse bias voltage applied to the electrodes 141 and 142 is applied to the well region 120 portion, and electrons of the generated charges are generated. The drift reaches the second semiconductor region 122.
- the pn junction formed by the first semiconductor region 121 and the second semiconductor region 122 is a region responsible for multiplying the charge generated by the photoelectric conversion.
- concentration of impurities in the first semiconductor region 121 and the like varies, the characteristics of the avalanche photodiode sensor 101 such as the yield voltage also vary.
- the PDE Photon Detection Efficiency
- PDE is the ratio of detected photons to incident photons.
- the amount of variation in the impurity concentration is a value corresponding to the ratio of the amount of impurities to the target value when introducing impurities into the semiconductor region, and is proportional to the concentration of impurities in the semiconductor region. Therefore, the first semiconductor region 121 having a low impurity concentration is arranged adjacent to the first contact region 123 to form a cathode region. As a result, it is possible to reduce fluctuations in the characteristics of the avalanche photodiode sensor 101 while reducing the connection resistance with the contact.
- the well region 120 is a region that contributes to photoelectric conversion. By increasing (thickening) the well region 120, the probability of capturing incident photons increases, and PDE can be improved. Further, when detecting light having a relatively long wavelength such as infrared light, it is necessary to form the well region 120 thickly. This is because the long wavelength light reaches the deep part of the semiconductor substrate 110. Therefore, the pn junction region that does not contribute to the capture of incident photons is thinned, and the well region 120 is thickened accordingly. As a result, the PDE can be improved while preventing the avalanche photodiode sensor 101 from becoming taller. For this purpose, it is necessary to reduce the thickness of the second semiconductor region 122 and the thickness of the cathode region.
- the first semiconductor region 121 and the first contact region 123 constituting the cathode region are arranged adjacent to the surface of the semiconductor substrate 110.
- the cathode region can be made thinner as compared with the case where the first semiconductor region 121 and the first contact region 123 are laminated.
- the first semiconductor region 121 is formed thinner than the first contact region 123 to make the pn junction region thinner.
- the pn junction region including the cathode region can be reduced and the well region 120 can be thickened.
- the PDE can be improved without increasing the bonding resistance with the electrode 141.
- the electric field in the pn junction region can be increased. It is possible to reduce the yield voltage of the avalanche photodiode sensor 101.
- the first contact region 123 can be configured to surround the first semiconductor region 121. In this case, it is possible to capture the charge thermally released from the trap level generated near the end of the well region 120, which is the end of the avalanche photodiode sensor 101, and prevent diffusion to the pn junction. it can. A relatively large number of crystal defects are formed at the ends of the well region 120. By arranging the first contact region 123 around the first semiconductor region 121, the influence of dark current based on the trap level due to crystal defects can be reduced. Further, the bottom of the first contact region 123 in the figure is arranged at a position deeper than the bottom of the second semiconductor region 122.
- D in the figure represents the difference between the positions of the bottoms of the first contact region 123 and the second semiconductor region 122.
- the first contact region 123 can be arranged apart from the second semiconductor region 122. That is, the well region 120 can be arranged between the first contact region 123 and the second semiconductor region 122. This makes it possible to prevent the occurrence of a charge multiplying action in the pn junction formed between the second semiconductor region 122 and the first contact region 123.
- the avalanche multiplication region can be formed in a wide range at the bottom of the first semiconductor region 121 and the second semiconductor region 122, and the concentration of the avalanche multiplication region on the peripheral portion of the second semiconductor region 122 can be prevented. It will be possible.
- the avalanche photodiode sensor 101 in the figure can detect incident light from the surface of the semiconductor substrate 110, that is, the surface on which the wiring layers 152 and 153 and the like are arranged. Further, it is also possible to detect the light incident from the back surface of the semiconductor substrate 110 by thinly grinding the portion other than the well region 120 of the semiconductor substrate 110.
- the configuration of the avalanche photodiode sensor 101 is not limited to this example.
- the well region 120 can be formed of an n-type semiconductor having a low impurity concentration. It is also possible to adopt a configuration in which the intrinsic semiconductor region is used instead of the well region 120. Further, a conductive semiconductor region different from the well region 120 may be arranged as a separation region between adjacent well regions 120.
- FIG. 3 is a diagram showing another configuration example of the avalanche photodiode sensor according to the first embodiment of the present disclosure. Similar to FIG. 1, FIG. 1 is a plan view showing a configuration example of an avalanche photodiode sensor 101. The shape of the first semiconductor region 121 and the like is different from that of the avalanche photodiode sensor 101 of FIG. In the figure, the description of the electrodes is omitted.
- a in the figure represents an example in which the first contact region 123 is separately arranged near the four corners of the well region 120.
- the electrodes 141 are arranged in each of the four first contact regions 123.
- C in the figure is an example in which the first contact region 123 is arranged in the central portion and the first semiconductor region 121 is arranged around the first contact region 123.
- D in the figure is an example in which the first contact region 123 is arranged in the regions of the four sides of the rectangular first semiconductor region 121.
- the first semiconductor region 121 having a relatively low impurity concentration constituting the pn junction is adjacent to the first contact region 123. Is placed. As a result, fluctuations in characteristics can be reduced. Further, in the avalanche photodiode sensor 101 of the first embodiment of the present disclosure, the first contact region 123 and the first semiconductor region 121 are arranged adjacent to the surface of the semiconductor substrate 110. As a result, the pn junction region can be made thinner and the volume of the well region 120 that contributes to photoelectric conversion can be expanded, and the photon detection efficiency can be improved.
- the first contact region 123 is arranged around the first semiconductor region 121.
- the avalanche photodiode sensor 101 of the second embodiment of the present disclosure differs from the first embodiment described above in that an isolation region is further arranged around the first contact region 123. ..
- FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of an avalanche photodiode sensor according to the second embodiment of the present disclosure. Similar to FIG. 1, FIG. 1 is a plan view showing a configuration example of an avalanche photodiode sensor 101. It differs from the avalanche photodiode sensor 101 described in FIG. 1 in that an isolation region 125 is further arranged around the first contact region 123.
- the isolation region 125 is a groove-shaped insulator arranged in a shape surrounding the first contact region 123. As shown in the figure, the isolation region 125 is arranged adjacent to the surface of the well region 120 between the first contact region 123 and the second contact region 124. As described above, a relatively high voltage is applied to the avalanche photodiode sensor 101. When the electric field based on this applied voltage is concentrated on the end of the first contact region 123, so-called edge breakdown may occur in which the end of the first contact region 123 is in a yield state. By arranging the isolation region 125, it is possible to prevent the occurrence of etch breakdown.
- FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example of an avalanche photodiode sensor according to the second embodiment of the present disclosure.
- the avalanche photodiode sensor 101 of the figure is different from the avalanche photodiode sensor 101 described in FIG. 2 in that the isolation region 125 is arranged adjacent to the first contact region 123.
- the isolation region 125 can be configured to have a bottom portion having substantially the same depth as the bottom portion of the first contact region 123. As a result, the isolation region 125 becomes a so-called guard ring, and the first contact region 123 is electrically separated from the second contact region 124. Edge breakdown at the end of the first contact region 123 can be prevented.
- the isolation region 125 in the figure can be formed by etching the semiconductor substrate 110 to form a groove and embedding an insulating material such as SiO 2 in the groove. When the isolation region 125 is formed in the shape of a bottom portion deeper than the bottom portion of the first contact region 123, the guard ring effect of the isolation region 125 can be further improved.
- the configuration of the avalanche photodiode sensor 101 other than this is the same as the configuration of the avalanche photodiode sensor 101 described in the first embodiment of the present disclosure, the description thereof will be omitted.
- the avalanche photodiode sensor 101 of the second embodiment of the present disclosure prevents the occurrence of edge breakdown at the end of the first contact region 123 by arranging the isolation region 125. Can be done. This makes it possible to prevent malfunctions caused by edge breakdown.
- the avalanche photodiode sensor 101 of the first embodiment described above uses the semiconductor substrate 110 as a separation region.
- the avalanche photodiode sensor 101 of the third embodiment of the present disclosure is different from the above-described first embodiment in that it forms a groove-shaped separation region.
- FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration example of an avalanche photodiode sensor according to a third embodiment of the present disclosure.
- a groove-shaped separation region 130 is arranged, and a fixed charge film 127 and a charge storage layer 126 adjacent to the separation region 130 are further arranged. It is different from the photodiode sensor 101.
- the avalanche photodiode sensor 101 in the figure shows an example of a back-illuminated type sensor in which incident light is irradiated to the back surface side of the semiconductor substrate 110, and is arranged on the back surface side of the semiconductor substrate 110. It further includes a chip lens 180.
- the separation region 130 is arranged around the avalanche photodiode sensor 101 and separates from the semiconductor region of the other avalanche photodiode sensor 101 or the element.
- the separation region 130 in the figure is formed by sequentially laminating the insulating film 132 and the light-shielding film 133 in the groove 131 penetrating the semiconductor substrate 110.
- the separation region 130 electrically and optically separates adjacent avalanche photodiode sensors 101 from each other.
- the insulating film 132 is a film that insulates a semiconductor region or the like adjacent to the separation region 130.
- the insulating film 132 electrically separates adjacent avalanche photodiode sensors 101 from each other.
- an oxide such as SiO 2 can be used.
- the light-shielding film 133 is a film that blocks light from an adjacent avalanche photodiode sensor 101.
- the avalanche photodiode sensor 101 emits light in the process of charge multiplication. When the light at this time is incident on another adjacent avalanche photodiode sensor 101, this light is measured and an error occurs. Therefore, by arranging the light-shielding film 133 in the separation region 130 to block light, the adjacent avalanche photodiode sensors 101 are optically separated from each other.
- the light-shielding film 133 can be made of a metal such as tungsten (W).
- a composite film of titanium (Ti) and titanium nitride (TiN) can be arranged as a barrier layer between the insulating film 132 and the insulating film 132.
- the white area in the center of the light-shielding film 133 in the figure represents the void 134.
- the fixed charge film 127 is a film composed of a dielectric having a fixed charge, and is a film arranged adjacent to the end portion of the semiconductor substrate 110.
- the fixed charge film 127 in the figure has a negative fixed charge. Due to this negative fixed charge, an electric field is generated between the electric field and the interface of the semiconductor substrate 110, and a positive charge (hole) storage region is formed at the interface of the semiconductor substrate 110.
- the interface state of the semiconductor substrate 110 is pinned by the accumulated holes.
- pinning is the termination of electric lines of force based on the interface state. By pinning the interface state, it is possible to prevent the capture of electric charges at the interface state and reduce the dark current.
- the fixed charge film 127 can be made of, for example, an oxide film of aluminum (Al) or tantalum (Ta). Further, the charge fixing film 127 can also be composed of oxides such as hafnium (Hf), zirconium (Gr), Ti, magnesium (Mg), yttrium (Y) and a lanthanoid element.
- FIG. 6 shows an example in which the fixed charge film 127 is arranged on the back surface of the semiconductor substrate 110 and the front surface of the groove 131 of the separation region 130.
- the charge storage layer 126 is a semiconductor region that stores the same conductive type charge as the second contact region 124.
- the charge storage layer 126 is configured to have a relatively high impurity concentration and stores charges (holes).
- the semiconductor region in which holes are accumulated in this way is referred to as a hole storage region.
- the accumulated holes can prevent the electrons from diffusing into the pn junction region due to the interface state between the separation region 130 and the semiconductor substrate 110. This is because the electrons caused by the interface state that has flowed into the charge storage layer 126 undergo recombination with the stored holes and disappear.
- the impurity concentration of the charge storage layer 126 can be configured to be higher than that of the second semiconductor region 122 and lower than that of the second contact region 124.
- the charge storage layer 126 By arranging the charge storage layer 126, the influence of the dark current caused by the interface state at the end of the semiconductor substrate 110 can be reduced as in the case of the fixed charge film 127 described above. By using the fixed charge film 127 and the charge storage layer 126 together, the dark current can be further reduced.
- the charge storage layer 126 in the figure shows an example of being arranged adjacent to the separation region 130, it can be further arranged on the back surface of the semiconductor substrate 110.
- the charge storage layer 126 in the figure is arranged adjacent to the second contact region 124 and is electrically connected to the second contact region 124. Holes are supplied from the second contact region 124 to the charge storage layer 126 because they are connected to a second contact region 124 of the same conductive type having a higher impurity concentration. Therefore, the effect of accumulating holes in the charge accumulating layer 126 can be improved. Further, by arranging the charge storage layer 126 in the peripheral portion including the bottom portion of the well region 120, the electric field can be made uniform over a wide region of the well region 120. The drift rate of the charge generated near the back surface of the well region 120 can be improved.
- the avalanche photodiode sensor 101 in the figure shows an example in which the fixed charge film 127 and the charge storage layer 126 are arranged, but any one of the fixed charge film 127 and the charge storage layer 126 is arranged. It is also possible to adopt a configuration that does.
- the on-chip lens 180 is a lens that is arranged for each avalanche photodiode sensor 101 and collects incident light.
- the on-chip lens 180 in the figure is arranged on the back surface side of the semiconductor substrate 110.
- a protective film 170 that protects the semiconductor substrate 110 is arranged between the semiconductor substrate 110 and the on-chip lens 180.
- FIG. 7 is a cross-sectional view showing another configuration example of the avalanche photodiode sensor according to the third embodiment of the present disclosure.
- the avalanche photodiode sensor 101 of the figure is different from the avalanche photodiode sensor 101 described in FIG. 6 in that the conductive type in the semiconductor region is different.
- the first semiconductor region 121 in the figure is composed of a p-type semiconductor
- the second semiconductor region 122 is composed of an n-type semiconductor
- the first contact region 123 is composed of a p-type semiconductor
- the second contact region 124 is composed of an n-type semiconductor
- the well region 120 is composed of an n-type semiconductor.
- the first contact region 123 and the first semiconductor region 121 serve as an anode region
- the second contact region 124 serves as a cathode region.
- the electrodes 141 and 142 serve as an anode electrode and a cathode electrode, respectively.
- the well region 120 in the figure can be configured as a p-type semiconductor, or an intrinsic semiconductor region can be applied.
- the charge storage layer 126 in the figure is formed of an n-type semiconductor and stores electrons.
- the semiconductor region for accumulating electrons is called an electron storage region.
- holes caused by the interface states of the separation region 130 and the semiconductor substrate 110 disappear in the charge storage layer 126 by recombination. As a result, the influence of dark current can be reduced.
- the avalanche photodiode sensor 101 shown in FIGS. 2 and 5 can also have a configuration in which the conductive type in the semiconductor region is inverted.
- the configuration of the avalanche photodiode sensor 101 other than this is the same as the configuration of the avalanche photodiode sensor 101 described in the first embodiment of the present disclosure, the description thereof will be omitted.
- the avalanche photodiode sensor 101 of the third embodiment of the present disclosure can electrically and optically separate the avalanche photodiode sensor 101 by arranging the separation region 114. Further, by arranging the charge storage layer 126, the influence of the dark current from the separation region 114 can be reduced.
- the avalanche photodiode sensor 101 described above can be applied to an optical sensor device, for example, a sensor device that measures a distance to an object.
- FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of the sensor device according to the fourth embodiment of the present disclosure.
- the figure is a block diagram showing a configuration example of the sensor device 1.
- the sensor device 1 in the figure includes a sensor array unit 10, a bias power supply unit 20, and a light receiving signal processing unit 30.
- the sensor array unit 10 is configured by arranging a plurality of pixels 100 having an avalanche photodiode sensor 101 in a two-dimensional grid pattern. Pixel 100 detects incident light and outputs a received signal as a detection result. Signal lines 11 and 12 are connected to each pixel 100.
- the signal line 11 is a signal line that supplies the bias voltage of the pixel 100.
- the signal line 12 is a signal line that transmits a received signal from the pixel 100.
- the bias power supply unit 20 is a power supply that supplies a bias voltage to the pixel 100.
- the bias power supply unit 20 supplies a bias voltage via the signal line 11.
- the light receiving signal processing unit 30 processes the light receiving signals output from the plurality of pixels 100 arranged in the sensor array unit 10.
- the process of the light receiving signal processing unit 30 corresponds to, for example, a process of detecting the distance to the object based on the incident light detected by the pixel 100.
- the light receiving signal processing unit 30 can perform a ToF (Time of Flight) type distance detection process used when measuring a distance to a distant object in an imaging device such as an in-vehicle camera. ..
- This distance detection process the object is irradiated with light by a light source arranged in the image pickup apparatus, the light reflected by the object is detected, and the time for the light from the light source to reciprocate with the object is measured. This is a process of detecting the distance.
- An avalanche photodiode sensor capable of high-speed photodetection is used as a device that performs such distance detection processing.
- the light receiving signal processing unit 30 is an example of the processing circuit described in the claims.
- FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of pixels according to the fourth embodiment of the present disclosure.
- the figure is a circuit diagram showing a configuration example of the pixel 100.
- Pixel 100 in the figure includes an avalanche photodiode sensor 101, a resistor 102, and an inverting buffer 103.
- the signal line 11 in the figure is composed of a signal line Vbd that applies the breakdown voltage of the avalanche photodiode sensor 101 and a signal line Vd that supplies power for detecting the breakdown state of the avalanche photodiode sensor 101.
- the anode of the avalanche photodiode sensor 101 is connected to the signal line Vbd.
- the avalanche photodiode sensor 101 cathode is connected to one end of the resistor 102 and the input of the inverting buffer 103 via a node 104.
- the other end of the resistor 102 is connected to the signal line Vd.
- the output of the inverting buffer 103 is connected to the signal line 12.
- a reverse bias voltage is applied by the signal line Vbd and the signal line Vd.
- the resistor 102 is a resistor for performing quenching. This quenching is a process of returning the yielded avalanche photodiode sensor 101 to a steady state.
- This quenching is a process of returning the yielded avalanche photodiode sensor 101 to a steady state.
- the terminal voltage of the resistor 102 increases due to this reverse current. Since the resistor 102 is connected in series with the avalanche photodiode sensor 101, a voltage drop occurs in the avalanche photodiode sensor 101, and the terminal voltage of the avalanche photodiode sensor 101 terminal voltage becomes lower than the voltage capable of maintaining the breakdown state. As a result, the avalanche photodiode sensor 101 can be returned from the yield state to the steady state.
- a constant current circuit using a MOS transistor can also be used instead of the resistor 102.
- the inverting buffer 103 is a buffer that shapes a pulse signal based on the transition and return of the avalanche photodiode sensor 101 to the yield state.
- the inverting buffer 103 generates a light receiving signal based on the current flowing through the avalanche photodiode sensor 101 according to the irradiated light and outputs it to the signal line 12.
- FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration example of the sensor device according to the fourth embodiment of the present disclosure.
- the figure is a cross-sectional view showing a configuration example of the sensor device 1.
- the sensor device 1 in the figure is configured by laminating a sensor chip 2 and a logic circuit chip 3.
- the sensor chip 2 is a semiconductor chip including an avalanche photodiode sensor 101.
- a back-illuminated avalanche photodiode sensor 101 described with reference to FIG. 7 is arranged on the sensor chip 2, and an on-chip lens 180 is arranged on the back surface.
- via plugs 156 and 157 and pads 158 and 159 are further arranged.
- the via plug 156 is a via plug that connects the wiring layer 152 and the pad 158.
- the via plug 157 is a via plug that connects the wiring layer 153 and the pad 159.
- the pads 158 and 159 are electrodes arranged on the surface of the wiring region of the sensor chip 2.
- the pads 158 and 159 are connected to pads 258 and 259 of the logic circuit chip 3 described later.
- the logic circuit chip 3 is a semiconductor chip in which elements other than the avalanche photodiode sensor 101 of the sensor device 1 are arranged. Specifically, the bias power supply unit 20 and the light receiving signal processing unit 30 described in FIG. 8 and the resistor 102 and the inverting buffer 103 described in FIG. 9 are arranged on the logic circuit chip 3. The description of the resistor 102 is omitted in the figure.
- the logic circuit chip 3 is configured by arranging a wiring region on the surface of a semiconductor substrate 220 on which a semiconductor region of an element such as an inverting buffer 103 or a light receiving signal processing unit 30 is formed.
- the wiring area of the logic circuit chip 3 in the figure is composed of wirings 252 and 253, via plugs 254 and 255, pads 258 and 259, and an insulating layer 251.
- the wiring areas of the sensor chip 2 and the logic circuit chip 3 are bonded to each other.
- the pads 158 and 159 are aligned and bonded so that the pads 258 and 259 are in contact with each other.
- the bonding can be performed by heat-pressing each semiconductor chip.
- the pads 158 and 258 and the pads 159 and 259 are mechanically and electrically connected, and the avalanche photodiode sensor 101 of the sensor chip 2 and the circuit of the logic circuit chip 3 are electrically connected.
- the node 104 in the figure is composed of a path of a via plug 154, a wiring layer 152, a via plug 156, pads 158 and 258, a via plug 254, and a wiring layer 252.
- the electrode 141 which is the cathode electrode of the avalanche photodiode sensor 101, is connected to the input of the inverting buffer 103 via the node 104.
- the signal line 11 in the figure is composed of a path of a via plug 155, a wiring layer 153, a via plug 157, pads 159 and 259, a via plug 255, and a wiring layer 253.
- the electrode 142 which is the anode electrode of the avalanche photodiode sensor 101, is connected to the bias power supply unit 20 via the signal line 11.
- the connection of the inverting buffer 103 to the input by the wiring 252 and the connection to the bias power supply unit 20 by the wiring 253 are omitted.
- the sensor device 1 can be miniaturized by forming the sensor device 1 by laminating the sensor chip 2 on which the avalanche photodiode sensor 101 is arranged and the logic circuit chip 3. Further, each of the sensor chip 2 and the logic circuit chip 3 can be manufactured by an optimum process.
- drawings in the above-described embodiment are schematic, and the ratio of the dimensions of each part does not always match the actual one.
- the drawings include parts having different dimensional relationships and ratios from each other.
- the present technology can have the following configurations. (1) A first semiconductor region arranged on the surface of a semiconductor substrate and A second semiconductor region arranged under the first semiconductor region and having a conductive type different from that of the first semiconductor region, A low impurity concentration region arranged adjacent to the second semiconductor region and A first contact region arranged on the surface of the semiconductor substrate and adjacent to the first semiconductor region to which electrodes are connected, An avalanche photodiode sensor comprising a second contact region arranged adjacent to the low impurity concentration region and to which an electrode is connected. (2) The avalanche photodiode sensor according to (1), wherein the second contact region is arranged on the surface of the semiconductor substrate.
- the avalanche photodiode sensor according to (2) further comprising an isolation region arranged between the first contact region and the second contact region.
- the avalanche photodiode sensor according to any one of (1) to (3) wherein the bottom of the first contact region is located deeper than the bottom of the second semiconductor region.
- the avalanche photodiode sensor according to any one of (1) to (4) above further comprising a separation region for separating the avalanche photodiode sensor on the semiconductor substrate.
- the avalanche photodiode sensor according to (5) above which is arranged adjacent to the separation region and further includes a charge storage layer that stores the same conductive type charge as the second contact region.
- a sensor device including a processing circuit that processes a signal generated based on a current flowing through the avalanche photodiode sensor according to incident light. (13) The processing circuit detects the distance to the object based on the signal generated when the reflected light based on the light from the object irradiated with the light enters the avalanche photodiode sensor.
- the sensor device according to (12) above.
- Sensor device 2 Sensor chip 3
- Logic circuit chip 10 Sensor array unit 20
- Bias power supply unit 30 Received signal processing unit 100 pixels 101 Avalanche photodiode sensor 102 Resistance 103 Inversion buffer 110, 220 Semiconductor substrate 120 Well area 121 First semiconductor area 122 Second semiconductor region 123 First contact region 124 Second contact region 125 Isolation area 126 Charge storage layer 127 Fixed charge film 130 Separation area 132 Insulation film 133 Light-shielding film 141, 142 Electrode 158, 159, 258, 259 Pad 170 Protective film 180 On-chip lens
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Abstract
アバランシェフォトダイオードセンサの特性の変動を低減する。 アバランシェフォトダイオードセンサは、第1の半導体領域、第2の半導体領域、低不純物濃度領域、第1のコンタクト領域および第2のコンタクト領域を具備する。第1の半導体領域は、半導体基板の表面に配置される。第2の半導体領域は、第1の半導体領域の下層に配置されて第1の半導体領域とは異なる導電型に構成される。低不純物濃度領域は、第2の半導体領域に隣接して配置される。第1のコンタクト領域は、半導体基板の表面に配置されるともに第1の半導体領域に隣接して配置されて電極が接続される。第2のコンタクト領域は、低不純物濃度領域に隣接して配置されて電極が接続される。
Description
本開示は、アバランシェフォトダイオードセンサおよびセンサ装置に関する。詳しくは、アバランシェフォトダイオードに構成されたセンサおよびアバランシェフォトダイオードを備えるセンサ装置に関する。
従来、アバランシェフォトダイオードを使用した光センサが使用されている。このアバランシェフォトダイオードは、降伏電圧の近傍または降伏電圧を超える逆バイアス電圧が印加された状態において使用されるフォトダイオードである。高い電界による雪崩降伏を利用して光電効果により生成された電荷を増倍させ、感度を向上させることができる。このうち降伏電圧を超えるバイアス電圧が印加されて使用されるアバランシェフォトダイオードは、SPAD(Single Photon Avalanche diode)と称される。このSPADでは、雪崩増倍作用を利用した単一の光子の計数が可能となる。
アバランシェフォトダイオードセンサは、高電界を形成するため、比較的高い電圧が印加される。このため、アバランシェフォトダイオードを複数配置するセンサにおいては、それぞれのアバランシェフォトダイオードを分離するための分離領域が必要となる。分離領域には、STI(Shallow Trench Isolation)を使用することができる。このSTIは、アバランシェフォトダイオードの周囲の半導体基板に溝を形成して絶縁物を埋め込んで形成された分離領域であり、半導体素子の分離方法として広く使用される方式である。
このSTIを使用した半導体素子には、溝に面した半導体基板の表面に形成される界面準位の影響により、暗電流を生じるという問題がある。この暗電流は、界面準位に補足された電荷のフォトダイオード領域への流入により生じる電流であり、入射光に関わらずに生成されるためノイズの原因となる電流である。アバランシェフォトダイオードにおいては、界面準位に起因する電荷が増倍され、大きな暗電流を生じるという問題がある。
そこで、STIによる分離領域を使用してSPADを分離するとともに分離領域に隣接してホール蓄積層を配置する光検出器が使用されている(例えば、特許文献1参照。)。この従来技術においては、分離領域により分離された半導体基板のウェル層の表面に隣接してn型半導体領域が配置され、このn型半導体領域の下層にp型半導体領域が配置されてpn接合が形成される。また、n型半導体領域は、カソードとして機能し、コンタクトを介して回路に接続される。この半導体基板の表面のn型半導体領域および分離領域は離隔して配置され、n型半導体領域および分離領域の間にアノードが配置される。このアノードは、分離領域の内側に環状に配置され、n型半導体領域との間には、ウェル層が配置される。アノードおよびカソードに逆方向電圧を印加することによりpn接合部分に強電界が形成され、ウェル層において生成された電荷の雪崩増倍を行うことができる。
ホール蓄積層は、アノードの下層において分離領域に隣接する位置に配置される。すなわち、ホール蓄積層は、分離領域およびウェル層の間に配置される。このホール蓄積層には、ホールが蓄積される。この蓄積されたホールにより界面で発生した電子をトラップさせることができ、暗電流を低減することができる。
上述の従来技術では、アバランシェフォトダイオードセンサの特性が変動するという問題がある。上述の従来技術におけるpn接合を構成するn型半導体領域は、コンタクトが配置されるため高い不純物濃度に構成される。しかし、不純物濃度が高いと不純物濃度のばらつきも大きくなる。半導体領域の不純物濃度は製造の際の不純物濃度の目標値に対する比率に応じたばらつきを伴い、半導体領域の不純物濃度のばらつき量は自身の不純物濃度に比例するためである。この不純物濃度のばらつきが大きくなると、降伏電圧等のアバランシェフォトダイオードセンサの特性の変動が大きくなる。上述のアバランシェフォトダイオードセンサでは、pn接合を構成するn型半導体領域の不純物濃度が高いため、アバランシェフォトダイオードセンサの特性の変動が大きくなる。
本開示は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、アバランシェフォトダイオードセンサの特性の変動を低減することを目的としている。
本開示は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第1の態様は、半導体基板の表面に配置される第1の半導体領域と、上記第1の半導体領域の下層に配置されて上記第1の半導体領域とは異なる導電型に構成される第2の半導体領域と、上記第2の半導体領域に隣接して配置される低不純物濃度領域と、上記半導体基板の表面に配置されるともに上記第1の半導体領域に隣接して配置されて電極が接続される第1のコンタクト領域と、上記低不純物濃度領域に隣接して配置されて電極が接続される第2のコンタクト領域とを具備するアバランシェフォトダイオードセンサである。
また、この第1の態様において、上記第2のコンタクト領域は、上記半導体基板の表面に配置されてもよい。
また、この第1の態様において、上記第1のコンタクト領域および上記第2のコンタクト領域の間に配置されるアイソレーション領域をさらに具備してもよい。
また、この第1の態様において、上記第1のコンタクト領域は、底部が上記第2の半導体領域の底部より深い位置に配置されてもよい。
また、この第1の態様において、上記半導体基板において自身のアバランシェフォトダイオードセンサを分離する分離領域をさらに具備してもよい。
また、この第1の態様において、上記分離領域に隣接して配置されるとともに上記第2のコンタクト領域と同じ導電型の電荷を蓄積する電荷蓄積層をさらに具備してもよい。
また、この第1の態様において、上記電荷蓄積層は、上記第2のコンタクト領域に隣接して配置されてもよい。
また、この第1の態様において、上記電荷蓄積層は、上記半導体基板の表面とは異なる面である裏面にさらに配置されてもよい。
また、この第1の態様において、上記第1のコンタクト領域は、上記第1の半導体領域を囲繞する形状に構成されてもよい。
また、この第1の態様において、上記低不純物濃度領域に入射光を集光するオンチップレンズをさらに具備してもよい。
また、この第1の態様において、上記オンチップレンズは、上記半導体基板の表面とは異なる面である裏面に配置されてもよい。
また、本開示の第2の態様は、半導体基板の表面に配置される第1の半導体領域と、上記第1の半導体領域の下層に配置されて上記第1の半導体領域とは異なる導電型に構成される第2の半導体領域と、上記第2の半導体領域に隣接して配置される低不純物濃度領域と、上記半導体基板の表面に配置されるともに上記第1の半導体領域に隣接して配置されて電極が接続される第1のコンタクト領域と、上記低不純物濃度領域に隣接して配置されて電極が接続される第2のコンタクト領域とを備えるアバランシェフォトダイオードセンサと、入射光に応じて上記アバランシェフォトダイオードセンサに流れる電流に基づいて生成される信号を処理する処理回路とを具備するセンサ装置である。
また、この第2の態様において、上記処理回路は、光を照射された対象物からの上記光に基づく反射光が上記アバランシェフォトダイオードセンサに入射した際に生成される上記信号に基づいて上記対象物までの距離を検出する処理を行ってもよい。
以上のような態様を採ることにより、pn接合を形成する半導体領域である第1の半導体領域と電極を接続するための第1のコンタクト領域とが半導体基板の表面において並置されるという作用をもたらす。第1のコンタクト領域とは異なる不純物濃度に構成される第1の半導体領域が想定される。
次に、図面を参照して、本開示を実施するための形態(以下、実施の形態と称する)を説明する。以下の図面において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。また、以下の順序で実施の形態の説明を行う。
1.第1の実施の形態
2.第2の実施の形態
3.第3の実施の形態
4.第4の実施の形態
1.第1の実施の形態
2.第2の実施の形態
3.第3の実施の形態
4.第4の実施の形態
<1.第1の実施の形態>
[アバランシェフォトダイオードセンサの構成]
図1は、本開示の第1の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの構成例を示す図である。同図は、アバランシェフォトダイオードセンサ101の構成例を表す平面図である。アバランシェフォトダイオードセンサ101は、半導体基板110の表面に形成されたウェル領域120に配置される。同図の矩形がウェル領域120を含むアバランシェフォトダイオードセンサ101の領域を表す。なお、同図は、複数のアバランシェフォトダイオードセンサ101が配置される例を表したものであり、後述するセンサアレイ部10の構成を表したものである。
[アバランシェフォトダイオードセンサの構成]
図1は、本開示の第1の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの構成例を示す図である。同図は、アバランシェフォトダイオードセンサ101の構成例を表す平面図である。アバランシェフォトダイオードセンサ101は、半導体基板110の表面に形成されたウェル領域120に配置される。同図の矩形がウェル領域120を含むアバランシェフォトダイオードセンサ101の領域を表す。なお、同図は、複数のアバランシェフォトダイオードセンサ101が配置される例を表したものであり、後述するセンサアレイ部10の構成を表したものである。
アバランシェフォトダイオードセンサ101は、内部にpn接合領域および低不純物濃度の領域を備え、pn接合部分に高い逆方向電圧が印加された状態において光電変換を行うフォトダイオードである。印加される逆方向電圧を降伏電圧より高い電圧にすることにより、低不純物濃度領域において光電変換により生成された電荷がpn接合部の強電界により雪崩増倍を生じて増幅される。高感度かつ高速な光検出が可能となる。
同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、中央部に第1の半導体領域121が配置され、この第1の半導体領域121を囲繞する形状の第1のコンタクト領域123がさらに配置される。第1の半導体領域121の下層には、第2の半導体領域122が配置される。同図の1点鎖線は、第2の半導体領域122を表す。また、ウェル領域120の周縁部には、第2のコンタクト領域124が配置される。第1のコンタクト領域123には電極141が隣接して配置され、第2のコンタクト領域124には電極142が隣接して配置される。同図の破線は、電極141および142を表す。第1の半導体領域121および第2の半導体領域122の界面に上述のpn接合が形成される。
[アバランシェフォトダイオードセンサの断面の構成]
図2は、本開示の第1の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの構成例を示す断面図である。同図は、アバランシェフォトダイオードセンサ101の構成例を表す断面図である。同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、ウェル領域120と、第1の半導体領域121と、第2の半導体領域122と、第1のコンタクト領域123と、第2のコンタクト領域124と、電極141および142と、絶縁層151と、配線層152および153と、ビアプラグ154および155とを備える。
図2は、本開示の第1の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの構成例を示す断面図である。同図は、アバランシェフォトダイオードセンサ101の構成例を表す断面図である。同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、ウェル領域120と、第1の半導体領域121と、第2の半導体領域122と、第1のコンタクト領域123と、第2のコンタクト領域124と、電極141および142と、絶縁層151と、配線層152および153と、ビアプラグ154および155とを備える。
ウェル領域120は、半導体基板110に形成される低不純物濃度の領域であり、半導体素子の拡散層部分が形成される領域である。ウェル領域120は、半導体基板110に島状に配置され、断面が半導体基板110の表面に隣接する井戸の形状に構成される。また、同図のウェル領域120は、p型半導体に構成され、いわゆるpウェルと称される。ウェル領域120は、例えば、1014/cm3の不純物濃度に構成することができる。このウェル領域120は、半導体基板110に対して熱拡散やイオン注入を行うことにより形成することができる。このウェル領域120に後述する第1の半導体領域121および第2の半導体領域122が形成される。隣接するアバランシェフォトダイオードセンサ101のウェル領域120同士は、半導体基板110により分離される。なお、ウェル領域120は、請求の範囲に記載の低不純物濃度領域の一例である。
第1の半導体領域121は、半導体基板110の表面に配置される半導体領域である。同図の第1の半導体領域121は、n型半導体に構成することができ、ウェル領域120より高い不純物濃度、例えば、1017/cm3の不純物濃度に構成することができる。第1の半導体領域121は、ウェル領域120の表面にイオン注入を行うことより形成することができる。同図に表したように、第1の半導体領域121は、一部(周縁部)がウェル領域120に隣接する形状に構成することができる。
第2の半導体領域122は、第1の半導体領域121の下層に配置される半導体領域であり、第1の半導体領域121とは異なる導電型に構成される領域である。同図の第2の半導体領域122は、p型半導体に構成することができる。また、第1の半導体領域121と同様に、1017/cm3の不純物濃度に構成することができる。第1の半導体領域121および第2の半導体領域122によりpn接合が形成される。第2の半導体領域122は、ウェル領域120の表面にイオン注入を行うことより形成することができる。同図に表したように、第2の半導体領域122は、ウェル領域120に隣接して配置される。
第1のコンタクト領域123は、半導体基板110の表面に配置されるとともに第1の半導体領域121に隣接して配置される半導体領域であり、電極が配置される半導体領域である。同図の第1のコンタクト領域123は、ウェル領域120の表面に配置される。この第1のコンタクト領域123は、第1の半導体領域121と同じ導電型であるn型半導体に構成され、後述する電極141が配置される。第1のコンタクト領域123および第1の半導体領域121は、カソード領域に該当する。電極141との接続をオーミック接続にするため、第1のコンタクト領域123は、第1の半導体領域121より高い不純物濃度に構成される。例えば、第1のコンタクト領域123は、1019/cm3の不純物濃度に構成することができる。
第2のコンタクト領域124は、ウェル領域120に隣接して配置される半導体領域であり、電極が配置される領域である。同図の第2のコンタクト領域124は、半導体基板110の表面側に配置され、第1のコンタクト領域123や第1の半導体領域121と同じ側に配置される。この第2のコンタクト領域124は、第2の半導体領域122と同じ導電型であるp型半導体に構成され、後述する電極142が配置される。第1のコンタクト領域123と同様に、第2のコンタクト領域124は、高い不純物濃度に構成することができる。なお、第2のコンタクト領域124は、アノード領域に該当する。
電極141および142は、アバランシェフォトダイオードセンサ101の半導体領域に接続される電極である。この電極141および142を介してバイアス電圧が印加され、電気信号が伝達される。電極141および142は、それぞれカソード電極およびアノード電極に該当する。電極142に対して電極141より低い電圧を印加することにより、pn接合を構成する第1の半導体領域121および第2の半導体領域122に逆方向電圧を印加することができる。
配線層152および153は、それぞれ電極141および142に信号を伝達する配線である。この配線層152および153は、例えば、銅(Cu)等の金属により構成することができる。ビアプラグ154および155は、異なる層に配置される配線層等を接続する柱状の導体である。ビアプラグ154および155は、例えば、Cuやタングステン(W)等の金属により構成することができる。電極141にはビアプラグ154および配線層152が接続され、電極142にはビアプラグ155および配線層153が接続される。絶縁層151は、配線層152および153等を絶縁するものである。この絶縁層151は、例えば、酸化シリコン(SiO2)により構成することができる。なお、配線層152および153ならびに絶縁層151は配線領域を構成する。
同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、ウェル領域120を介してpn接合を構成する第1の半導体領域121および第2の半導体領域122に電圧が印加される。また、ウェル領域120では、入射光に基づく光電変換により電荷が生成される。ウェル領域120は、低不純物濃度に構成された半導体領域であるため、電極141および142に印加された逆バイアス電圧の一部がウェル領域120部分に印加され、生成された電荷のうちの電子がドリフトにより第2の半導体領域122に到達する。電極141および142に印加された逆バイアス電圧は、その多くが第1の半導体領域121および第2の半導体領域122のpn接合に印加され、pn接合部には空乏層が形成される。第2の半導体領域122に到達した電子は、この空乏層において逆方向電圧による高電界により加速されて電子雪崩を生じる。これにより、光電変換により生成された電荷を増倍させることができる。
このように、第1の半導体領域121および第2の半導体領域122によるpn接合部は、光電変換により生成された電荷の増倍作用を担う領域である。この第1の半導体領域121等の不純物濃度がばらつくと、降伏電圧等のアバランシェフォトダイオードセンサ101の特性もばらつく。アバランシェフォトダイオードセンサ101における光子の検出効率であるPDE(Photon Detection Efficiency)等が変動することとなる。なお、PDEは、入射した光子に対する検出された光子の比率である。第1の半導体領域121等の不純物濃度を低くすることにより、不純物濃度の変化量を低減することができる。不純物濃度のばらつき量は、半導体領域に不純物を導入する際の不純物量の目標値に対する比率に応じた値であり、半導体領域の不純物濃度に比例するためである。そこで、低い不純物濃度に構成された第1の半導体領域121を第1のコンタクト領域123に隣接して配置してカソード領域を構成する。これにより、コンタクトとの接続抵抗を低減しながらアバランシェフォトダイオードセンサ101の特性の変動を低減することができる。
一方、ウェル領域120は、光電変換に寄与する領域である。ウェル領域120を大きく(厚く)することにより、入射した光子の捕捉確率が高くなり、PDEを向上させることができる。また、赤外光等の比較的長波長の光を検出する際にも、ウェル領域120を厚く形成する必要がある。長波長の光は半導体基板110の深部まで到達するためである。そこで、入射した光子の捕捉に寄与しないpn接合領域を薄くし、その分ウェル領域120を厚くする。これにより、アバランシェフォトダイオードセンサ101の高背化を防ぎながら、PDEを向上させることができる。このためには、第2の半導体領域122の厚さを薄くするとともにカソード領域の厚さを薄くする必要がある。
そこで、同図に表したように、カソード領域を構成する第1の半導体領域121および第1のコンタクト領域123を半導体基板110の表面に隣接して配置する。第1の半導体領域121および第1のコンタクト領域123を積層する場合と比較してカソード領域を薄くすることができる。また、第1の半導体領域121を第1のコンタクト領域123より薄く形成してpn接合領域を薄くする。これらにより、カソード領域を含むpn接合領域を縮小することができ、ウェル領域120を厚くすることができる。電極141との接合抵抗を増加させることなくPDEを向上させることができる。
また、pn接合を構成する第1の半導体領域121および第2の半導体領域122が薄くなるため、pn接合領域の電界を高くすることができる。アバランシェフォトダイオードセンサ101の降伏電圧を低くすることが可能となる。
また、第1のコンタクト領域123は、第1の半導体領域121を囲繞する形状に構成することができる。この場合には、アバランシェフォトダイオードセンサ101の端部であるウェル領域120の端部近傍に生成されたトラップ準位から熱的に放出された電荷を捕捉し、pn接合への拡散を防ぐことができる。ウェル領域120の端部には、比較的多くの結晶欠陥が形成される。第1のコンタクト領域123を第1の半導体領域121の周囲に配置することにより、結晶欠陥によるトラップ準位に基づく暗電流の影響を低減することができる。また、同図の第1のコンタクト領域123は、底部が第2の半導体領域122の底部より深い位置に配置される。同図の「d」は、第1のコンタクト領域123および第2の半導体領域122の底部の位置の差分を表す。この「d」を大きくすることにより、トラップ準位等に基づく電荷の捕捉能力を向上させることができ、暗電流の影響をさらに低減することができる。
また、第1のコンタクト領域123は、第2の半導体領域122と離隔して配置することができる。すなわち、第1のコンタクト領域123および第2の半導体領域122の間には、ウェル領域120を配置することができる。これにより、第2の半導体領域122および第1のコンタクト領域123の間に形成されるpn接合における電荷の増倍作用の発生を防ぐことができる。第1の半導体領域121および第2の半導体領域122の底部の広い範囲において雪崩増倍領域を形成することができ、第2の半導体領域122周辺部への雪崩増倍領域の集中を防ぐことが可能となる。
同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、半導体基板110の表面、すなわち、配線層152および153等が配置される側の面から入射した光を検出することができる。また、半導体基板110のウェル領域120以外の部分を薄く研削することにより、半導体基板110の裏面から入射した光の検出を行うこともできる。
なお、アバランシェフォトダイオードセンサ101の構成は、この例に限定されない。例えば、ウェル領域120を低不純物濃度のn型半導体に構成することもできる。また、ウェル領域120の代わりに真性半導体領域を使用する構成を採ることもできる。また、隣接するウェル領域120同士の間に、ウェル領域120とは異なる導電型の半導体領域を分離領域として配置する構成にすることもできる。
[アバランシェフォトダイオードセンサの他の構成]
図3は、本開示の第1の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの他の構成例を示す図である。同図は、図1と同様に、アバランシェフォトダイオードセンサ101の構成例を表す平面図である。第1の半導体領域121等の形状が図1のアバランシェフォトダイオードセンサ101と異なる。なお、同図においては、電極の記載を省略した。
図3は、本開示の第1の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの他の構成例を示す図である。同図は、図1と同様に、アバランシェフォトダイオードセンサ101の構成例を表す平面図である。第1の半導体領域121等の形状が図1のアバランシェフォトダイオードセンサ101と異なる。なお、同図においては、電極の記載を省略した。
同図におけるAは、第1のコンタクト領域123がウェル領域120の4隅の近傍に分離して配置される場合の例を表したものである。この場合、電極141は、4つの第1のコンタクト領域123のそれぞれに配置される。
同図におけるBは、同図におけるAの第1の半導体領域121の範囲を広げるとともに4隅の第1のコンタクト領域123の範囲を狭くしたものである。pn接合領域を広くすることができ、電荷の増倍作用を向上させることができる。
同図におけるCは、第1のコンタクト領域123を中央部に配置し、この第1のコンタクト領域123の周囲に第1の半導体領域121を配置した場合の例である。また、同図におけるDは、矩形形状の第1の半導体領域121の4つの辺の領域に第1のコンタクト領域123を配置した場合の例である。
以上説明したように、本開示の第1の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、pn接合を構成する比較的低い不純物濃度の第1の半導体領域121が第1のコンタクト領域123に隣接して配置される。これにより、特性の変動を低減することができる。また、本開示の第1の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、これら第1のコンタクト領域123および第1の半導体領域121が半導体基板110の表面に隣接して配置される。これにより、pn接合領域を薄型化して光電変換に寄与するウェル領域120の容積を拡大することができ、光子の検出効率を向上させることができる。
<2.第2の実施の形態>
上述の第1の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、第1の半導体領域121の周囲に第1のコンタクト領域123を配置していた。これに対し、本開示の第2の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、第1のコンタクト領域123の周囲にアイソレーション領域をさらに配置する点で、上述の第1の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、第1の半導体領域121の周囲に第1のコンタクト領域123を配置していた。これに対し、本開示の第2の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、第1のコンタクト領域123の周囲にアイソレーション領域をさらに配置する点で、上述の第1の実施の形態と異なる。
[アバランシェフォトダイオードセンサの構成]
図4は、本開示の第2の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの構成例を示す図である。同図は、図1と同様に、アバランシェフォトダイオードセンサ101の構成例を表す平面図である。第1のコンタクト領域123の周囲にアイソレーション領域125がさらに配置される点で、図1において説明したアバランシェフォトダイオードセンサ101と異なる。
図4は、本開示の第2の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの構成例を示す図である。同図は、図1と同様に、アバランシェフォトダイオードセンサ101の構成例を表す平面図である。第1のコンタクト領域123の周囲にアイソレーション領域125がさらに配置される点で、図1において説明したアバランシェフォトダイオードセンサ101と異なる。
アイソレーション領域125は、第1のコンタクト領域123を囲繞する形状に配置された溝形状の絶縁物である。同図に表したように、アイソレーション領域125は、第1のコンタクト領域123および第2のコンタクト領域124の間のウェル領域120の表面に隣接して配置される。前述のように、アバランシェフォトダイオードセンサ101には、比較的高い電圧が印加される。この印加電圧に基づく電界が第1のコンタクト領域123の端部に集中すると、第1のコンタクト領域123端部が降伏状態となる、いわゆるエッジブレークダウンを生じる場合がある。アイソレーション領域125を配置することにより、エッチブレークダウンの発生を防ぐことができる。
[アバランシェフォトダイオードセンサの断面の構成]
図5は、本開示の第2の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの構成例を示す断面図である。同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、第1のコンタクト領域123に隣接してアイソレーション領域125が配置される点で、図2において説明したアバランシェフォトダイオードセンサ101と異なる。
図5は、本開示の第2の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの構成例を示す断面図である。同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、第1のコンタクト領域123に隣接してアイソレーション領域125が配置される点で、図2において説明したアバランシェフォトダイオードセンサ101と異なる。
同図に表したように、アイソレーション領域125は、第1のコンタクト領域123の底部と略同じ深さの底部を有する形状に構成することができる。これにより、アイソレーション領域125が、いわゆる、ガードリングとなって第1のコンタクト領域123が第2のコンタクト領域124と電気的に離隔される。第1のコンタクト領域123の端部のエッジブレークダウンを防ぐことができる。同図のアイソレーション領域125は、半導体基板110をエッチングして溝を形成し、SiO2等の絶縁物を溝に埋め込むことにより形成することができる。なお、アイソレーション領域125を第1のコンタクト領域123の底部より深い底部の形状に構成した場合には、アイソレーション領域125のガードリング効果をさらに向上させることができる。
これ以外のアバランシェフォトダイオードセンサ101の構成は本開示の第1の実施の形態において説明したアバランシェフォトダイオードセンサ101の構成と同様であるため、説明を省略する。
以上説明したように、本開示の第2の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、アイソレーション領域125を配置することにより第1のコンタクト領域123の端部のエッジブレークダウンの発生を防ぐことができる。これにより、エッジブレークダウンに起因する誤動作を防ぐことができる。
<3.第3の実施の形態>
上述の第1の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、半導体基板110を分離領域として使用していた。これに対し、本開示の第3の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、溝形状の分離領域を形成する点で、上述の第1の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、半導体基板110を分離領域として使用していた。これに対し、本開示の第3の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、溝形状の分離領域を形成する点で、上述の第1の実施の形態と異なる。
[アバランシェフォトダイオードセンサの断面の構成]
図6は、本開示の第3の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの構成例を示す断面図である。同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、溝形状の分離領域130が配置され、この分離領域130に隣接する固定電荷膜127および電荷蓄積層126がさらに配置される点で、図2において説明したアバランシェフォトダイオードセンサ101と異なる。また、同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、半導体基板110の裏面側に入射光が照射される裏面照射型のセンサの例を表したものであり、半導体基板110の裏面側に配置されるオンチップレンズ180をさらに備える。
図6は、本開示の第3の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの構成例を示す断面図である。同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、溝形状の分離領域130が配置され、この分離領域130に隣接する固定電荷膜127および電荷蓄積層126がさらに配置される点で、図2において説明したアバランシェフォトダイオードセンサ101と異なる。また、同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、半導体基板110の裏面側に入射光が照射される裏面照射型のセンサの例を表したものであり、半導体基板110の裏面側に配置されるオンチップレンズ180をさらに備える。
分離領域130は、アバランシェフォトダイオードセンサ101の周囲に配置されて他のアバランシェフォトダイオードセンサ101や素子の半導体領域から分離するものである。同図の分離領域130は、半導体基板110を貫通する溝131に絶縁膜132および遮光膜133が順に積層されて構成されたものである。この分離領域130により、隣接するアバランシェフォトダイオードセンサ101同士が電気的および光学的に分離される。
絶縁膜132は、分離領域130に隣接する半導体領域等を絶縁する膜である。この絶縁膜132により、隣接するアバランシェフォトダイオードセンサ101同士が電気的に分離される。この絶縁膜132には、例えば、SiO2等の酸化物を使用することができる。
遮光膜133は、隣接するアバランシェフォトダイオードセンサ101からの光を遮光する膜である。アバランシェフォトダイオードセンサ101は、電荷の増倍作用の過程において発光する。この際の光が隣接する他のアバランシェフォトダイオードセンサ101に入射すると、この光が計測されて誤差を生じる。そこで、遮光膜133を分離領域130に配置して遮光することにより、隣接するアバランシェフォトダイオードセンサ101同士を光学的に分離する。この遮光膜133は、タングステン(W)等の金属により構成することができる。また、絶縁膜132との間にチタン(Ti)および窒化チタン(TiN)の複合膜をバリア層として配置することもできる。なお、同図の遮光膜133の中央部の白抜きの領域は、ボイド134を表す。
固定電荷膜127は、固定電荷を有する誘電体により構成される膜であり、半導体基板110の端部に隣接して配置される膜である。同図の固定電荷膜127は、負極性の固定電荷を有する。この負極性の固定電荷により、半導体基板110の界面との間に電界を生じ、正電荷(ホール)蓄積領域が半導体基板110の界面に形成される。この蓄積されたホールにより半導体基板110の界面準位がピニングされる。ここで、ピニングとは、界面準位に基づく電気力線を終端することである。界面準位がピニングされることにより、界面準位への電荷の捕獲を防ぐことができ、暗電流を低減することができる。固定電荷膜127は、例えば、アルミニウム(Al)やタンタル(Ta)の酸化物の膜により構成することができる。また、電荷固定膜127は、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Gr)、Ti、マグネシウム(Mg)、イットリウム(Y)およびランタノイド元素等の酸化物により構成することもできる。同図は、半導体基板110の裏面および分離領域130の溝131の表面に固定電荷膜127が配置される例を表したものである。
電荷蓄積層126は、第2のコンタクト領域124と同じ導電型の電荷を蓄積する半導体領域である。この電荷蓄積層126は、比較的高い不純物濃度に構成されて電荷(ホール)を蓄積する。このようにホールを蓄積する半導体領域は、ホール蓄積領域と称される。この蓄積されたホールにより分離領域130および半導体基板110の間の界面準位に起因する電子のpn接合領域への拡散を防止することができる。電荷蓄積層126に流入した界面準位に起因する電子は、蓄積されたホールと再結合を生じて消滅するためである。電荷蓄積層126の不純物濃度は、第2の半導体領域122より高く、第2のコンタクト領域124より低い濃度に構成することができる。この電荷蓄積層126を配置することにより、上述の固定電荷膜127と同様に、半導体基板110の端部の界面準位に起因する暗電流の影響を軽減することができる。固定電荷膜127および電荷蓄積層126を併用することにより、暗電流をさらに削減することができる。なお、同図の電荷蓄積層126は、分離領域130に隣接して配置される例を表したものであるが、半導体基板110の裏面にさらに配置することもできる。
なお、同図の電荷蓄積層126は、第2のコンタクト領域124に隣接して配置され、第2のコンタクト領域124と電気的に接続される。同じ導電型のより高い不純物濃度に構成される第2のコンタクト領域124と接続されるため、第2のコンタクト領域124から電荷蓄積層126にホールが供給される。このため、電荷蓄積層126のホールの蓄積効果を向上させることができる。また、電荷蓄積層126をウェル領域120の底部を含む周辺部に配置することにより、ウェル領域120の広い領域に亘って電界を均一にすることができる。ウェル領域120の裏面近傍において生成された電荷のドリフト速度を向上させることができる。
なお、同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、固定電荷膜127および電荷蓄積層126が配置される例を表したものであるが、固定電荷膜127および電荷蓄積層126の何れか1つを配置する構成も採ることができる。
オンチップレンズ180は、アバランシェフォトダイオードセンサ101毎に配置されて入射光を集光するレンズである。同図のオンチップレンズ180は、半導体基板110の裏面側に配置される。なお、半導体基板110およびオンチップレンズ180の間には、半導体基板110を保護する保護膜170が配置される。
[アバランシェフォトダイオードセンサの断面の他の構成]
図7は、本開示の第3の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの他の構成例を示す断面図である。同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、半導体領域の導電型が異なる点で、図6において説明したアバランシェフォトダイオードセンサ101と異なる。
図7は、本開示の第3の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードセンサの他の構成例を示す断面図である。同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、半導体領域の導電型が異なる点で、図6において説明したアバランシェフォトダイオードセンサ101と異なる。
同図の第1の半導体領域121はp型半導体に構成され、第2の半導体領域122はn型半導体に構成される。第1のコンタクト領域123はp型半導体に構成され、第2のコンタクト領域124はn型半導体に構成される。また、ウェル領域120は、n型半導体に構成される。同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101では、第1のコンタクト領域123および第1の半導体領域121がアノード領域となり、第2のコンタクト領域124がカソード領域となる。電極141および142は、それぞれアノード電極およびカソード電極となる。なお、同図のウェル領域120はp型半導体に構成することもでき、真性半導体領域を適用することもできる。
また、同図の電荷蓄積層126は、n型半導体に構成され、電子を蓄積する。この電子を蓄積する半導体領域は、電子蓄積領域と称される。同図の電荷蓄積層126においては、分離領域130および半導体基板110の界面準位に起因するホールが電荷蓄積層126において再結合により消滅する。これにより暗電流の影響を軽減することができる。
なお、図2および5のアバランシェフォトダイオードセンサ101においても半導体領域の導電型を反転させた構成にすることができる。
これ以外のアバランシェフォトダイオードセンサ101の構成は本開示の第1の実施の形態において説明したアバランシェフォトダイオードセンサ101の構成と同様であるため、説明を省略する。
以上説明したように、本開示の第3の実施の形態のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、分離領域114を配置することにより、アバランシェフォトダイオードセンサ101を電気的および光学的に分離することができる。また、電荷蓄積層126を配置することにより、分離領域114からの暗電流の影響を軽減することができる。
<4.第4の実施の形態>
上述のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、光センサ装置、例えば、対象物との距離を測定するセンサ装置に適用することができる。
上述のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、光センサ装置、例えば、対象物との距離を測定するセンサ装置に適用することができる。
[センサ装置の構成]
図8は、本開示の第4の実施の形態に係るセンサ装置の構成例を示す図である。同図は、センサ装置1の構成例を表すブロック図である。同図のセンサ装置1は、センサアレイ部10と、バイアス電源部20と、受光信号処理部30とを備える。
図8は、本開示の第4の実施の形態に係るセンサ装置の構成例を示す図である。同図は、センサ装置1の構成例を表すブロック図である。同図のセンサ装置1は、センサアレイ部10と、バイアス電源部20と、受光信号処理部30とを備える。
センサアレイ部10は、アバランシェフォトダイオードセンサ101を有する複数の画素100が2次元格子状に配置されて構成されたものである。画素100は、入射光を検出し、受光信号を検出結果として出力する。それぞれの画素100には、信号線11および12が接続される。信号線11は、画素100のバイアス電圧を供給する信号線である。信号線12は、画素100からの受光信号を伝達する信号線である。
バイアス電源部20は、画素100にバイアス電圧を供給する電源である。このバイアス電源部20は、信号線11を介してバイアス電圧を供給する。
受光信号処理部30は、センサアレイ部10に配置された複数の画素100から出力された受光信号を処理するものである。この受光信号処理部30の処理には、例えば、画素100により検出した入射光に基づいて対象物との距離を検出する処理が該当する。具体的には、受光信号処理部30は、車載カメラ等の撮像装置において遠方の対象物との距離を計測する際に使用されるToF(Time of Flight)方式の距離検出処理を行うことができる。この距離検出処理は、撮像装置に配置された光源により対象物に光を照射して対象物により反射された光を検出し、光源からの光が対象物との間を往復する時間を計測することにより、距離を検出する処理である。このような距離検出処理を行う装置には、高速な光検出が可能なアバランシェフォトダイオードセンサが使用される。なお、受光信号処理部30は、請求の範囲に記載の処理回路の一例である。
[画素の構成]
図9は、本開示の第4の実施の形態に係る画素の構成例を示す図である。同図は、画素100の構成例を表す回路図である。同図の画素100は、アバランシェフォトダイオードセンサ101と、抵抗102と、反転バッファ103とを備える。また、同図の信号線11は、アバランシェフォトダイオードセンサ101の降伏電圧を印加する信号線Vbdおよびアバランシェフォトダイオードセンサ101の降伏状態を検出するための電源を供給する信号線Vdにより構成される。
図9は、本開示の第4の実施の形態に係る画素の構成例を示す図である。同図は、画素100の構成例を表す回路図である。同図の画素100は、アバランシェフォトダイオードセンサ101と、抵抗102と、反転バッファ103とを備える。また、同図の信号線11は、アバランシェフォトダイオードセンサ101の降伏電圧を印加する信号線Vbdおよびアバランシェフォトダイオードセンサ101の降伏状態を検出するための電源を供給する信号線Vdにより構成される。
アバランシェフォトダイオードセンサ101のアノードは信号線Vbdに接続される。アバランシェフォトダイオードセンサ101カソードは、ノード104を介して抵抗102の一端および反転バッファ103の入力に接続される。抵抗102の他の一端は、信号線Vdに接続される。反転バッファ103の出力は、信号線12に接続される。
同図のアバランシェフォトダイオードセンサ101は、信号線Vbdおよび信号線Vdにより逆バイアス電圧が印加される。
抵抗102は、クエンチング(quenching)を行うための抵抗である。このクエンチングは、降伏状態となったアバランシェフォトダイオードセンサ101を定常状態に復帰させる処理である。光の入射に起因する増倍作用によりアバランシェフォトダイオードセンサ101が降伏状態になると、アバランシェフォトダイオードセンサ101に急激な逆方向電流が流れる。この逆方向電流により抵抗102の端子電圧が増加する。抵抗102はアバランシェフォトダイオードセンサ101と直列に接続されているため、アバランシェフォトダイオードセンサ101において電圧降下を生じ、アバランシェフォトダイオードセンサ101端子電圧が降伏状態を維持可能な電圧よりも低くなる。これにより、アバランシェフォトダイオードセンサ101を降伏状態から定常状態に復帰させることができる。なお、抵抗102の代わりに、MOSトランジスタによる定電流回路を使用することもできる。
反転バッファ103は、アバランシェフォトダイオードセンサ101の降伏状態への遷移および復帰に基づくパルス信号を整形するバッファである。この反転バッファ103により、照射された光に応じてアバランシェフォトダイオードセンサ101に流れる電流に基づく受光信号が生成されて信号線12に出力される。
[センサ装置の断面の構成]
図10は、本開示の第4の実施の形態に係るセンサ装置の構成例を示す断面図である。同図は、センサ装置1の構成例を表す断面図である。同図のセンサ装置1は、センサチップ2およびロジック回路チップ3が貼り合わされて構成される。
図10は、本開示の第4の実施の形態に係るセンサ装置の構成例を示す断面図である。同図は、センサ装置1の構成例を表す断面図である。同図のセンサ装置1は、センサチップ2およびロジック回路チップ3が貼り合わされて構成される。
センサチップ2は、アバランシェフォトダイオードセンサ101を備える半導体チップである。このセンサチップ2には、図7において説明した裏面照射型のアバランシェフォトダイオードセンサ101が配置され、裏面にオンチップレンズ180が配置される。また、ビアプラグ156および157ならびにパッド158および159がさらに配置される。ビアプラグ156は、配線層152およびパッド158を接続するビアプラグである。ビアプラグ157は、配線層153およびパッド159を接続するビアプラグである。
パッド158および159は、センサチップ2の配線領域の表面に配置される電極である。このパッド158および159は、後述するロジック回路チップ3のパッド258および259と接続される。
ロジック回路チップ3は、センサ装置1のうちアバランシェフォトダイオードセンサ101以外の素子等が配置される半導体チップである。具体的には、ロジック回路チップ3には、図8において説明したバイアス電源部20および受光信号処理部30と、図9において説明した抵抗102および反転バッファ103とが配置される。なお、同図において抵抗102の記載は省略した。
ロジック回路チップ3は、反転バッファ103や受光信号処理部30等の素子の半導体領域が形成された半導体基板220の表面に配線領域が配置されて構成される。同図のロジック回路チップ3の配線領域は、配線252および253、ビアプラグ254および255、パッド258および259ならびに絶縁層251により構成される。
センサチップ2およびロジック回路チップ3は、配線領域同士が貼り合わされる。この際、パッド158および159とパッド258および259とが接するように位置合わせされて貼り合わされる。貼り合わせは、それぞれの半導体チップを加熱圧接することにより行うことができる。これにより、パッド158およびパッド258ならびにパッド159およびパッド259が機械的電気的に接続され、センサチップ2のアバランシェフォトダイオードセンサ101とロジック回路チップ3の回路とが電気的に接続される。
具体的には、同図のノード104は、ビアプラグ154、配線層152、ビアプラグ156、パッド158および258、ビアプラグ254ならびに配線層252の経路により構成される。アバランシェフォトダイオードセンサ101のカソード電極である電極141は、このノード104を介して反転バッファ103の入力に接続される。また、同図の信号線11は、ビアプラグ155、配線層153、ビアプラグ157、パッド159および259、ビアプラグ255ならびに配線層253の経路により構成される。アバランシェフォトダイオードセンサ101のアノード電極である電極142は、この信号線11を介してバイアス電源部20に接続される。なお、配線252による反転バッファ103の入力への接続および配線253によるバイアス電源部20への接続は、略記した。
このように、アバランシェフォトダイオードセンサ101が配置されたセンサチップ2とロジック回路チップ3とを貼り合わせてセンサ装置1を構成することにより、センサ装置1を小型化することができる。また、センサチップ2およびロジック回路チップ3のそれぞれについて最適なプロセスにより製造することができる。
最後に、上述した各実施の形態の説明は本開示の一例であり、本開示は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本開示に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
また、上述の実施の形態における図面は、模式的なものであり、各部の寸法の比率等は現実のものとは必ずしも一致しない。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれることは勿論である。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)半導体基板の表面に配置される第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の下層に配置されて前記第1の半導体領域とは異なる導電型に構成される第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域に隣接して配置される低不純物濃度領域と、
前記半導体基板の表面に配置されるともに前記第1の半導体領域に隣接して配置されて電極が接続される第1のコンタクト領域と、
前記低不純物濃度領域に隣接して配置されて電極が接続される第2のコンタクト領域とを具備するアバランシェフォトダイオードセンサ。
(2)前記第2のコンタクト領域は、前記半導体基板の表面に配置される前記(1)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(3)前記第1のコンタクト領域および前記第2のコンタクト領域の間に配置されるアイソレーション領域をさらに具備する前記(2)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(4)前記第1のコンタクト領域は、底部が前記第2の半導体領域の底部より深い位置に配置される前記(1)から(3)の何れかに記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(5)前記半導体基板において自身のアバランシェフォトダイオードセンサを分離する分離領域をさらに具備する前記(1)から(4)の何れかに記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(6)前記分離領域に隣接して配置されるとともに前記第2のコンタクト領域と同じ導電型の電荷を蓄積する電荷蓄積層をさらに具備する前記(5)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(7)前記電荷蓄積層は、前記第2のコンタクト領域に隣接して配置される前記(6)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(8)前記電荷蓄積層は、前記半導体基板の表面とは異なる面である裏面にさらに配置される前記(6)または(7)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(9)前記第1のコンタクト領域は、前記第1の半導体領域を囲繞する形状に構成される前記(1)から(8)の何れかに記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(10)前記低不純物濃度領域に入射光を集光するオンチップレンズをさらに具備する前記(1)から(9)の何れかに記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(11)前記オンチップレンズは、前記半導体基板の表面とは異なる面である裏面に配置される前記(10)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(12)半導体基板の表面に配置される第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の下層に配置されて前記第1の半導体領域とは異なる導電型に構成される第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域に隣接して配置される低不純物濃度領域と、
前記半導体基板の表面に配置されるともに前記第1の半導体領域に隣接して配置されて電極が接続される第1のコンタクト領域と、
前記低不純物濃度領域に隣接して配置されて電極が接続される第2のコンタクト領域とを備えるアバランシェフォトダイオードセンサと、
入射光に応じて前記アバランシェフォトダイオードセンサに流れる電流に基づいて生成される信号を処理する処理回路と
を具備するセンサ装置。
(13)前記処理回路は、光を照射された対象物からの前記光に基づく反射光が前記アバランシェフォトダイオードセンサに入射した際に生成される前記信号に基づいて前記対象物までの距離を検出する処理を行う前記(12)に記載のセンサ装置。
(1)半導体基板の表面に配置される第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の下層に配置されて前記第1の半導体領域とは異なる導電型に構成される第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域に隣接して配置される低不純物濃度領域と、
前記半導体基板の表面に配置されるともに前記第1の半導体領域に隣接して配置されて電極が接続される第1のコンタクト領域と、
前記低不純物濃度領域に隣接して配置されて電極が接続される第2のコンタクト領域とを具備するアバランシェフォトダイオードセンサ。
(2)前記第2のコンタクト領域は、前記半導体基板の表面に配置される前記(1)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(3)前記第1のコンタクト領域および前記第2のコンタクト領域の間に配置されるアイソレーション領域をさらに具備する前記(2)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(4)前記第1のコンタクト領域は、底部が前記第2の半導体領域の底部より深い位置に配置される前記(1)から(3)の何れかに記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(5)前記半導体基板において自身のアバランシェフォトダイオードセンサを分離する分離領域をさらに具備する前記(1)から(4)の何れかに記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(6)前記分離領域に隣接して配置されるとともに前記第2のコンタクト領域と同じ導電型の電荷を蓄積する電荷蓄積層をさらに具備する前記(5)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(7)前記電荷蓄積層は、前記第2のコンタクト領域に隣接して配置される前記(6)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(8)前記電荷蓄積層は、前記半導体基板の表面とは異なる面である裏面にさらに配置される前記(6)または(7)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(9)前記第1のコンタクト領域は、前記第1の半導体領域を囲繞する形状に構成される前記(1)から(8)の何れかに記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(10)前記低不純物濃度領域に入射光を集光するオンチップレンズをさらに具備する前記(1)から(9)の何れかに記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(11)前記オンチップレンズは、前記半導体基板の表面とは異なる面である裏面に配置される前記(10)に記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
(12)半導体基板の表面に配置される第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の下層に配置されて前記第1の半導体領域とは異なる導電型に構成される第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域に隣接して配置される低不純物濃度領域と、
前記半導体基板の表面に配置されるともに前記第1の半導体領域に隣接して配置されて電極が接続される第1のコンタクト領域と、
前記低不純物濃度領域に隣接して配置されて電極が接続される第2のコンタクト領域とを備えるアバランシェフォトダイオードセンサと、
入射光に応じて前記アバランシェフォトダイオードセンサに流れる電流に基づいて生成される信号を処理する処理回路と
を具備するセンサ装置。
(13)前記処理回路は、光を照射された対象物からの前記光に基づく反射光が前記アバランシェフォトダイオードセンサに入射した際に生成される前記信号に基づいて前記対象物までの距離を検出する処理を行う前記(12)に記載のセンサ装置。
1 センサ装置
2 センサチップ
3 ロジック回路チップ
10 センサアレイ部
20 バイアス電源部
30 受光信号処理部
100 画素
101 アバランシェフォトダイオードセンサ
102 抵抗
103 反転バッファ
110、220 半導体基板
120 ウェル領域
121 第1の半導体領域
122 第2の半導体領域
123 第1のコンタクト領域
124 第2のコンタクト領域
125 アイソレーション領域
126 電荷蓄積層
127 固定電荷膜
130 分離領域
132 絶縁膜
133 遮光膜
141、142 電極
158、159、258、259 パッド
170 保護膜
180 オンチップレンズ
2 センサチップ
3 ロジック回路チップ
10 センサアレイ部
20 バイアス電源部
30 受光信号処理部
100 画素
101 アバランシェフォトダイオードセンサ
102 抵抗
103 反転バッファ
110、220 半導体基板
120 ウェル領域
121 第1の半導体領域
122 第2の半導体領域
123 第1のコンタクト領域
124 第2のコンタクト領域
125 アイソレーション領域
126 電荷蓄積層
127 固定電荷膜
130 分離領域
132 絶縁膜
133 遮光膜
141、142 電極
158、159、258、259 パッド
170 保護膜
180 オンチップレンズ
Claims (13)
- 半導体基板の表面に配置される第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の下層に配置されて前記第1の半導体領域とは異なる導電型に構成される第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域に隣接して配置される低不純物濃度領域と、
前記半導体基板の表面に配置されるともに前記第1の半導体領域に隣接して配置されて電極が接続される第1のコンタクト領域と、
前記低不純物濃度領域に隣接して配置されて電極が接続される第2のコンタクト領域と
を具備するアバランシェフォトダイオードセンサ。 - 前記第2のコンタクト領域は、前記半導体基板の表面に配置される請求項1記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
- 前記第1のコンタクト領域および前記第2のコンタクト領域の間に配置されるアイソレーション領域をさらに具備する請求項2記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
- 前記第1のコンタクト領域は、底部が前記第2の半導体領域の底部より深い位置に配置される請求項1記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
- 前記半導体基板において自身のアバランシェフォトダイオードセンサを分離する分離領域をさらに具備する請求項1記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
- 前記分離領域に隣接して配置されるとともに前記第2のコンタクト領域と同じ導電型の電荷を蓄積する電荷蓄積層をさらに具備する請求項5記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
- 前記電荷蓄積層は、前記第2のコンタクト領域に隣接して配置される請求項6記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
- 前記電荷蓄積層は、前記半導体基板の表面とは異なる面である裏面にさらに配置される請求項6記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
- 前記第1のコンタクト領域は、前記第1の半導体領域を囲繞する形状に構成される請求項1記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
- 前記低不純物濃度領域に入射光を集光するオンチップレンズをさらに具備する請求項1記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
- 前記オンチップレンズは、前記半導体基板の表面とは異なる面である裏面に配置される請求項10記載のアバランシェフォトダイオードセンサ。
- 半導体基板の表面に配置される第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の下層に配置されて前記第1の半導体領域とは異なる導電型に構成される第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域に隣接して配置される低不純物濃度領域と、
前記半導体基板の表面に配置されるともに前記第1の半導体領域に隣接して配置されて電極が接続される第1のコンタクト領域と、
前記低不純物濃度領域に隣接して配置されて電極が接続される第2のコンタクト領域とを備えるアバランシェフォトダイオードセンサと、
入射光に応じて前記アバランシェフォトダイオードセンサに流れる電流に基づいて生成される信号を処理する処理回路と
を具備するセンサ装置。 - 前記処理回路は、光を照射された対象物からの前記光に基づく反射光が前記アバランシェフォトダイオードセンサに入射した際に生成される前記信号に基づいて前記対象物までの距離を検出する処理を行う請求項12記載のセンサ装置。
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- 2019-04-05 JP JP2019072412A patent/JP2020170812A/ja active Pending
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2020
- 2020-02-20 WO PCT/JP2020/006765 patent/WO2020202880A1/ja active Application Filing
- 2020-02-20 US US17/593,698 patent/US11830960B2/en active Active
- 2020-03-10 TW TW109107802A patent/TW202044572A/zh unknown
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