(57)【要約】  固体撮像素子（１００）は、上面に光が入射する半導体基板（１０）と、半導体基板（１０）内に配置された第一半導体（１１）と、半導体基板（１０）内の第一半導体（１１）よりも下方に配置された第二半導体（１２）とを備える。第一半導体（１１）、及び、半導体基板（１０）のうち第一半導体（１１）に接合する接合領域（１０ａ）は、ＰＤを構成する。第二半導体（１２）、及び、半導体基板（１０）のうち第二半導体（１２）に接合する光電変換領域（１０ｂ）は、ＡＰＤを構成する。ＡＰＤは、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される増倍領域（１５）を含む。
2019180898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に光が入射する半導体基板と、
前記半導体基板内に配置された第一半導体と、
前記半導体基板内の前記第一半導体よりも下方に配置された第二半導体とを備え、
前記第一半導体、及び、前記半導体基板のうち前記第一半導体に接合する第一部分は、第一光電変換部を構成し、
前記第二半導体、及び、前記半導体基板のうち前記第二半導体に接合する第二部分は、第二光電変換部を構成し、
前記第二光電変換部は、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される増倍領域を含む
固体撮像素子。
【請求項２】
平面視において、前記第二半導体は、前記第一半導体よりも大きい
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記固体撮像素子は、
前記半導体基板内にアレイ状に配置された複数の前記第一半導体と
前記半導体基板内の複数の前記第一半導体よりも下方にアレイ状に配置された複数の前記第二半導体とを備える
請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
複数の前記第一半導体の総数は、複数の前記第二半導体の総数よりも多い
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
平面視において、１つの前記第二半導体は、複数の前記第一半導体と重なる
請求項３または４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
さらに、前記半導体基板内の複数の前記第二半導体の間に位置し、複数の前記第二半導体を分離する第三半導体を備え、
平面視において、前記第三半導体は、複数の前記第一半導体の少なくとも一つと重なる
請求項３〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記固体撮像素子は、１つの前記第二半導体に対して４つの前記第一半導体を有し、４つの前記第二半導体は、２×２の配列をなす
請求項３〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
さらに、
前記第二光電変換部において発生した電荷が蓄積される第四半導体であって、一方の端部が前記第二半導体に接続され、他方の端部が前記半導体基板の上面から外部に露出した第四半導体と、
前記第四半導体の前記他方の端部に配置されたトランジスタとを備える
請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記半導体基板は、第一導電型の半導体によって形成され、
前記第一半導体、前記第二半導体、及び、前記第四半導体は、前記第一導電型と異なる第二導電型の半導体によって形成され、
前記第二半導体の不純物濃度、及び、前記第四半導体の不純物濃度は、前記第一半導体の不純物濃度よりも高い
請求項８に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記半導体基板は、前記第一半導体の周囲に位置するウェル領域を含み、
前記半導体基板の前記第一部分の不純物濃度は、前記ウェル領域の不純物濃度よりも低い
請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像素子に関し、特に微弱な光を検出することが可能な固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療、通信、バイオ、化学、監視、車載、及び、放射線検出など多岐に渡る分野において、高感度な光検出器が利用されている。高感度な光検出器の一つとして、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）が知られている。ＡＰＤは、光電変換によって発生した信号電荷を、アバランシェ降伏（ブレークダウン）を用いて増倍することで光の検出感度が高められたフォトダイオードである。ＡＰＤが用いられたデバイスとして、特許文献１には、被検出光に対する開口率の高いフォトダイオードアレイが開示されている。また、特許文献２には、ランダム光を含む微弱光を検出できる半導体光検出器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００８／００４５４７号
【特許文献２】国際公開第２０１４／０９７５１９号
【特許文献３】特開２０１５−５７５２号公報
【特許文献４】米国特許第５９６５８７５明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、短波長の光（例えば、可視光）を高い解像度で検出し、かつ、長波長の光（例えば、近赤外光）を高い感度で検出することができる固体撮像素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る固体撮像素子は、上面に光が入射する半導体基板と、前記半導体基板内に配置された第一半導体と、前記半導体基板内の前記第一半導体よりも下方に配置された第二半導体とを備え、前記第一半導体、及び、前記半導体基板のうち前記第一半導体に接合する第一部分は、第一光電変換部を構成し、前記第二半導体、及び、前記半導体基板のうち前記第二半導体に接合する第二部分は、第二光電変換部を構成し、前記第二光電変換部は、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される増倍領域を含む。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、短波長の光を高い解像度で検出し、かつ、長波長の光を高い感度で検出することができる固体撮像素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施の形態１に係る固体撮像素子の平面図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る固体撮像素子の断面図である。
【図３】図３は、画素回路の構成の一例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る固体撮像素子の製造方法のフローチャートである。
【図５】図５は、実施の形態２に係る固体撮像素子の平面図である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る固体撮像素子の断面図である。
【図７】図７は、実施の形態３に係る固体撮像素子の平面図である。
【図８】図８は、実施の形態２に係る固体撮像素子の第一の断面図である。
【図９】図９は、実施の形態２に係る固体撮像素子の第一の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本開示の基礎となった知見）
ＡＰＤアレイを有し、アバランシェ増倍を用いて信号増幅を行うことで、微弱光を検出することができる固体撮像素子が提案されている。暗視撮像、及び、ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）センサなどに用いられる固体撮像素子には、近赤外光に対して高い感度を有することが求められる。ＡＰＤアレイを有する固体撮像素子において、近赤外光に対する感度を高めるためにＡＰＤのセルサイズを大きくすると解像度が劣化してしまうことが課題である。
【０００９】
そこで、以下の実施の形態では、近赤外光の高感度化を実現しながらも、高い解像度で可視光検出が可能な固体撮像素子について説明する。
【００１０】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１１】
なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。
【００１２】
また、以下の実施の形態で説明に用いられる図面においては座標軸が示される場合がある。座標軸におけるＺ軸方向は、例えば、鉛直方向であり、Ｚ軸＋側は、上側（上方）と表現され、Ｚ軸−側は、下側（下方）と表現される。Ｚ軸方向は、言い換えれば、半導体基板の上面または下面に垂直な方向である。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、Ｚ軸方向に垂直な平面（水平面）上において、互いに直交する方向である。以下の実施の形態において、「平面視」とは、Ｚ軸方向から見ることを意味する。また、本開示は、以下の実施の形態において、Ｐ型とＮ型とを逆転させた構造を排除するものではない。
【００１３】
（実施の形態１）
［構造］
以下、実施の形態１に係る固体撮像素子の構造について説明する。図１は、実施の形態１に係る固体撮像素子の平面図である。図２は、実施の形態１に係る固体撮像素子の断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線で固体撮像素子１００を切断した場合の断面図である。なお、図１において、第一半導体１１は、実際には半導体基板１０内に位置するが、配置を明確化するために実線で図示されている。
【００１４】
図１及び図２に示されるように、実施の形態１に係る固体撮像素子１００は、半導体基板１０と、第一半導体１１と、第二半導体１２と、分離領域１３と、転送領域１４とを備える。分離領域１３は、第三半導体の一例であり、転送領域１４は、第四半導体の一例である。
【００１５】
固体撮像素子１００は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、及び、フォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）の両方を備えるイメージセンサである。固体撮像素子１００には、上面側（Ｚ軸プラス側）から光が入射する。図１及び図２では、ＡＰＤ及びＰＤがそれぞれ１つのみ図示されているが、固体撮像素子１００は、平面視においてアレイ状に配置された複数のＡＰＤと、平面視においてアレイ状に配置された複数のＰＤとを備える。アレイ状は、言い換えれば、マトリクス状である。固体撮像素子１００においては、１つの画素は、１つのＡＰＤ及び１つのＰＤを含む。
【００１６】
半導体基板１０は、Ｐ型の半導体によって形成される基板であり、上面に光が入射する。Ｐ型は、第一導電型の一例である。半導体基板１０は、接合領域１０ａと、光電変換領域１０ｂと、ウェル領域１０ｃとを含む。接合領域１０ａは、第二半導体１２よりも半導体基板１０の上面側に位置し、第一半導体１１の下面に接合する。光電変換領域１０ｂは、第二半導体１２よりも半導体基板１０の下面側に位置し、第二半導体１２の下面に接合する。ウェル領域１０ｃは、第二半導体１２よりも半導体基板１０の上面側に位置し、第一半導体１１の周囲に位置する。接合領域１０ａは、半導体基板１０の第一部分の一例であり、光電変換領域１０ｂは、半導体基板１０の第二部分の一例である。
【００１７】
第一半導体１１は、Ｎ型の半導体によって形成される。Ｎ型は、第二導電型の一例である。第一半導体１１、及び、半導体基板１０の接合領域１０ａは、ＰＤを構成する。ＰＤは、第一光電変換部の一例である。また、第一半導体１１の不純物濃度は、例えば、１０１８ｃｍ−３以下である。
【００１８】
固体撮像素子１００において、ＰＤは、埋め込み型である。このようにＰＤの上面にＰ型で比較的不純物濃度が高い半導体層が形成されていれば、ノイズ及びリーク電流が抑制される。なお、ＰＤは埋め込み型でなくてもよく、ＰＤは半導体基板１０の上面から外部に露出していてもよい。
【００１９】
第二半導体１２は、Ｎ型の半導体によって形成される。第二半導体１２、及び、半導体基板１０の光電変換領域１０ｂは、ＡＰＤを構成する。ＡＰＤは、第二光電変換部の一例である。
【００２０】
半導体基板１０の上面に入射した光は、ウェル領域１０ｃとは電気的に分離された光電変換領域１０ｂにおいて光電変換される。この結果、信号電荷である電子正孔対が発生する。一般に、発生した信号電荷のうちの電子は電位勾配に沿って上面側に流れ、第二半導体１２を経由して転送領域１４に移動する。
【００２１】
転送領域１４は、第二半導体１２と同様のＮ型の半導体によって形成され、ＡＰＤにおいて発生した信号電荷が蓄積される。転送領域１４は、上下方向に延びる柱状であり、一方の端部が第二半導体１２に接続され、他方の端部が半導体基板１０の上面から外部に露出している。なお、転送領域１４は、必ずしも半導体基板１０の上面から露出している必要はなく、転送領域１４は、半導体基板１０内に埋め込まれていてもよい。この場合、ウェル領域１０ｃ及び転送領域１４の間の不純物濃度勾配は、トンネル電流が発生しない程度に設計される。転送領域１４の他方の端部には、転送トランジスタＴＲＮ２が配置される。
【００２２】
ＡＰＤは、増倍領域１５を含む。増倍領域１５は、光電変換領域１０ｂと第二半導体１２との境界近傍に形成される。半導体基板１０にブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧が印加されると、増倍領域１５にてアバランシェ増倍現象が起こる。ＡＰＤでは、光電変換領域１０ｂにおいて発生した信号電荷は、増倍領域１５にてアバランシェ増倍される。これにより、電子が転送領域１４に到達する前に多数の信号電荷を発生させることができる。したがって、固体撮像素子１００は、通常はノイズに埋もれて検出できないような微弱な光を検出することが可能となる。
【００２３】
なお、光電変換領域１０ｂが厚く形成されれば、上面側から入射した光を光電変換できる確率が増加する。光電変換領域１０ｂが２μｍ以上の厚さであれば、比較的長い波長帯域の光に対する感度を確保することができる。
【００２４】
光電変換領域１０ｂ及び第二半導体１２の不純物濃度は、例えば、５×１０１６ｃｍ−３以上１０１８ｃｍ−３以下である。これにより、アバランシェ増倍を発生させることができる。光電変換領域１０ｂの不純物濃度のピーク位置と第二半導体１２の不純物濃度のピーク位置との間の距離が０．５μｍ以上離れていれば、不純物の拡散による不純物濃度の相殺が抑制される。したがって、アバランシェ増倍を発生させるのに十分な不純物濃度を確保することが可能である。
【００２５】
分離領域１３は、隣り合う第二半導体１２を電気的に分離するための領域である。分離領域１３は、アレイ状に配置された複数の第二半導体１２の間に位置し、アレイ状に配置された複数の第二半導体１２を分離する。分離領域１３は、画素の境界に位置し、平面視において格子状である。分離領域によれば、隣り合う画素の混色、及び、一つの画素における信号電荷が他の画素に漏れ出すことを抑制することができる。
【００２６】
分離領域１３は、例えば、第二半導体１２よりも不純物濃度が低いＮ型の半導体によって形成される。これにより、半導体基板１０に電圧が印加されると、分離領域１３にポテンシャル障壁が形成され、隣り合う第二半導体１２が電気的に分離される。また、第二半導体１２と分離領域１３との間の電界強度が、第二半導体１２と増倍領域１５における電界強度よりも低くなるため、画素境界での光電変換で生じる混色成分の信号増倍を抑制することができる。
【００２７】
なお、分離領域１３が第二半導体１２よりも不純物濃度が低いＮ型の半導体によって形成される場合、複数の第二半導体１２を電気的に分離することに加えて、光電変換領域１０ｂとウェル領域１０ｃとを電気的に分離する必要がある。分離領域１３の幅を広くするほど、光電変換領域１０ｂとウェル領域１０ｃの電気的分離が困難となり、設計マージンが狭いという課題が生じることが想定される。
【００２８】
例えば、分離領域１３の幅が０．５μｍ以上１μｍ以下である場合、分離領域１３の不純物濃度が１０１６ｃｍ−３以上５×１０１７ｃｍ−３以下であれば、光電変換領域１０ｂとウェル領域１０ｃとを電気的に分離することができる。このように、分離領域１３の不純物濃度は、分離領域１３の幅に応じて、適宜調整されるとよい。なお、ウェル領域１０ｃの不純物濃度は、例えば、１０１６ｃｍ−３以上１０１８ｃｍ−３以下である。
【００２９】
［第一半導体及び第二半導体の配置］
第一半導体１１は、半導体基板１０内で第二半導体１２よりも上面側に配置される。言い換えれば、第二半導体１２は、半導体基板１０内の第一半導体１１よりも下方に配置されている。つまり、半導体基板１０の光の入射面（つまり、上面）から第二半導体１２までの距離は、半導体基板１０の光の入射面から第一半導体１１までの距離よりも長い。
【００３０】
一般に、シリコンなどの半導体材料が有する波長依存性により、光の長波長成分は、半導体基板１０内の下方（言い換えれば、深部）まで到達しやすく、光の短波長成分は、半導体基板１０内の下方まで到達しにくい。
【００３１】
そうすると、固体撮像素子１００に入射する光のうち比較的波長が短い可視光は、第一半導体１１及び接合領域１０ａによって構成されるＰＤには到達するが、第二半導体１２及び光電変換領域１０ｂによって構成されるＡＰＤには到達しにくくなる。一方で、固体撮像素子１００に入射する光のうち比較的波長が長い近赤外光は、ＡＰＤに到達しやすい。つまり、半導体基板１０内でＡＰＤがＰＤよりも下方に位置する構成によれば、固体撮像素子１００は、近赤外光などの比較的長波長の光を選択的にアバランシェ増倍させることができる。
【００３２】
例えば、固体撮像素子１００は、ＰＤに到達した可視光に基づいて出力される信号によって輝度画像を生成することができる。また、固体撮像素子１００は、輝度画像を生成するだけでなく、ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）センサとしても使用できる。固体撮像素子１００は、光源から出射されるパルス状の近赤外光の反射光がＡＰＤに到達することで得られる信号によって距離画像を生成することができる。
【００３３】
また、固体撮像素子１００によれば、距離分解能が高められたＴｏＦセンサを実現することも可能である。例えば、固体撮像素子１００は、近距離に位置する対象物までの距離については可視光光源からの可視光の反射光をＰＤにより検出し、遠距離に位置する対象物までの距離については近赤外光源からの近赤外光の反射光をＡＰＤによって検出する。これにより、距離分解能が高められた距離画像を得ることができる。
【００３４】
なお、ＰＤとＡＰＤとは電気的に分離される必要がある。ＰＤ及びＡＰＤが共にリセット状態であるときの分離障壁は、例えば、少なくとも１Ｖ以上である。また、ＰＤと転送領域１４とは電気的に分離される必要がある。ＰＤと転送領域１４との間にはＰ型の半導体またはＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等が形成されてもよい。
【００３５】
［画素回路］
図１に示されるように、半導体基板１０の上面には、画素回路を構成する複数のトランジスタが配置される。以下、画素回路について説明する。図３は、画素回路の構成の一例を示す図である。なお、図３は、ＰＤの画素回路を示しているが、ＡＰＤの画素回路についても同様の構成となる。
【００３６】
固体撮像素子１００は、複数の画素１０１を含む画素アレイ１０２、垂直走査回路１０３、水平走査回路１０４、読み出し回路１０５、及び、バッファアンプ（増幅回路）１１１を備える。
【００３７】
画素１０１は、ＰＤ、転送トランジスタＴＲＮ１、リセットトランジスタＲＳＴ１、浮遊拡散領域ＦＤ１、増幅トランジスタＳＦ１、及び、選択トランジスタＳＥＬ１を含む画素回路を有する。なお、図３では図示されないが、画素１０１は、ＡＰＤ、転送トランジスタＴＲＮ２、リセットトランジスタＲＳＴ２、浮遊拡散領域ＦＤ２、増幅トランジスタＳＦ２、及び、選択トランジスタＳＥＬ２を含む画素回路を有する。
【００３８】
なお、実施の形態１〜３において、単に「トランジスタ」と記載した場合は、ＭＯＳ型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を意味する。ただし、固体撮像素子の画素回路を構成するトランジスタは、ＭＯＳ型トランジスタに限られず、ジャンクション型トランジスタ（ＪＦＥＴ）、バイポーラトランジスタ、又は、これらの混在であってもよい。
【００３９】
ＰＤによって検出された信号電荷は転送トランジスタＴＲＮ１を通じて浮遊拡散領域ＦＤ１に転送され、垂直走査回路１０３および水平走査回路１０４で順次選択された画素で検出された信号電荷の量に対応する信号が増幅トランジスタＳＦ１を介して読み出し回路１０５に伝送される。画素１０１で得られた信号は読み出し回路１０５からバッファアンプ１１１を経て信号処理回路（図示せず）に出力され、信号処理回路（図示せず）でホワイトバランス等の信号処理が施された後にディスプレイ（図示せず）やメモリ（図示せず）に転送され、画像化することが可能となる。
【００４０】
なお、図３に示される画素回路では、画素アレイ１０２に、周辺回路（垂直走査回路１０３、水平走査回路１０４、読み出し回路１０５、バッファアンプ１１１）が付加されていたが、固体撮像素子１００には、必ずしも周辺回路が含まれなくてもよい。また、画素１０１を構成する画素回路は、４個のトランジスタ（転送トランジスタＴＲＮ１、リセットトランジスタＲＳＴ１、増幅トランジスタＳＦ１、選択トランジスタＳＥＬ１）と１個の浮遊拡散領域ＦＤ１とで構成されたが、画素回路は、このような構成に限られず、固体撮像素子１００が動作可能な範囲でもっと多い個数または少ない個数のトランジスタで構成されてもよい。トランジスタの構成及び配置（図１に図示）は、固体撮像素子１００が動作する範囲内において変更されてもよい。
【００４１】
また、画素回路は、ＴｏＦ方式で距離画像を取得するための回路構成を有していてもよい。また、画素回路は、ＰＤ及びＡＰＤによって共有されてもよい。
【００４２】
［製造方法］
次に、固体撮像素子１００の製造方法について説明する。図４は、固体撮像素子１００の製造方法のフローチャートである。
【００４３】
固体撮像素子１００は、基本的に下層から上層に向けて製造される。まず、光電変換領域１０ｂ（Ｐ型の半導体）が形成された基板が準備される（Ｓ１１）。そして、光電変換領域１０ｂの上面の全面に、イオン注入法によってＮ型の半導体が形成される（Ｓ１２）。ステップＳ１２において形成されたＮ型の半導体に、フォトリソグラフィによるパターンニング、及び、Ｐ型不純物を用いたイオン注入等が行われることによって第二半導体１２及び分離領域１３が形成される（Ｓ１３）。続いて、フォトリソグラフィによるパターンニング、及び、イオン注入等が行われることによって転送領域１４及び第一半導体１１が形成される（Ｓ１４）。その後、ウェル領域１０ｃが形成され（Ｓ１５）、ウェル領域１０ｃに、フォトリソグラフィによるパターンニング及びイオン注入等が行われることによって、画素回路に含まれるトランジスタのソース及びドレインが形成される（Ｓ１６）。
【００４４】
なお、配線層（図示せず）の形成方法は、以下の通りである。例えば、ステップＳ１１〜ステップＳ１６までの処理を終えた半導体基板１０の上に絶縁層が形成され、当該絶縁層にフォトリソグラフィによるパターンニング、エッチング、及びスパッタリング等が行われることによって、絶縁層、ゲート電極、コンタクトプラグ、及び、配線が形成される。
【００４５】
また、光電変換領域１０ｂ、及び、第二半導体１２の少なくとも一方は、半導体基板１０をエピタキシャル成長で形成する途中で不純物濃度を変更することにより作製されてもよい。この方法であれば、増倍領域１５における結晶欠陥が光電変換領域１０ｂ及び第二半導体１２がイオン注入法で作成された場合の増倍領域１５よりも少なくなり、ノイズを低減することが可能である。
【００４６】
［効果等］
固体撮像素子１００は、上面に光が入射する半導体基板１０と、半導体基板１０内に配置された第一半導体１１と、半導体基板１０内の第一半導体１１よりも下方に配置された第二半導体１２とを備える。第一半導体１１、及び、半導体基板１０のうち第一半導体１１に接合する接合領域１０ａは、ＰＤを構成する。接合領域１０ａは、第一部分の一例であり、ＰＤは、第一光電変換部の一例である。第二半導体１２、及び、半導体基板１０のうち第二半導体１２に接合する光電変換領域１０ｂは、ＡＰＤを構成する。光電変換領域１０ｂは、第二部分の一例であり、ＡＰＤは、第二光電変換部の一例である。ＡＰＤは、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される増倍領域１５を含む。
【００４７】
このような固体撮像素子１００においては、短波長の光が到達しにくく、かつ、長波長の光が到達しやすい半導体基板１０内の下面側にＡＰＤが配置される。このため、ＡＰＤが長波長の光の検出に用いられれば、固体撮像素子１００は、長波長の光を比較的高い感度で検出することができる。
【００４８】
また、固体撮像素子１００において、ＰＤ及びＡＰＤは上下方向の位置が異なる。したがって、固体撮像素子１００においてはＰＤの数を増やすことができ、ＰＤの数が増えることで短波長の光を高い解像度で検出できる。
【００４９】
このように、固体撮像素子１００は、短波長の光を高い解像度で検出し、かつ、長波長の光を高い感度で検出することができる。
【００５０】
また、固体撮像素子１００は、半導体基板１０内にアレイ状に配置された複数の第一半導体１１と、半導体基板１０内の複数の第一半導体１１よりも下方にアレイ状に配置された複数の第二半導体１２とを備える。
【００５１】
このように、固体撮像素子１００は、複数のＰＤによって輝度画像または距離画像を出力することができ、かつ、複数のＡＰＤによって輝度画像または距離画像を出力することができる。
【００５２】
また、固体撮像素子１００は、さらに、ＡＰＤにおいて発生した電荷が蓄積される転送領域１４であって、一方の端部が第二半導体１２に接続され、他方の端部が半導体基板１０の上面から外部に露出した転送領域１４と、転送領域１４の他方の端部に配置された転送トランジスタＴＲＮ２とを備える。転送領域は、第四半導体の一例である。
【００５３】
このように、固体撮像素子１００は、ＡＰＤにおいて発生した電荷を転送することができる。
【００５４】
（実施の形態２）
［構造］
以下、実施の形態２に係る固体撮像素子の構造について説明する。図５は、実施の形態２に係る固体撮像素子の平面図である。図６は、実施の形態２に係る固体撮像素子の断面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線で固体撮像素子２００を切断した場合の断面図である。なお、図５において、第一半導体２１は、実際には半導体基板２０内に位置するが、配置を明確化するために実線で図示されている。
【００５５】
図５及び図６に示されるように、実施の形態２に係る固体撮像素子２００は、半導体基板２０と、第一半導体２１と、第二半導体２２と、分離領域２３と、転送領域２４とを備える。分離領域２３は、第三半導体の一例であり、転送領域２４は、第四半導体の一例である。半導体基板２０は、複数の接合領域２０ａと、光電変換領域２０ｂと、ウェル領域２０ｃとを含む。以下、実施の形態２では、固体撮像素子２００の、固体撮像素子１００との相違点を中心に説明が行われ、既出事項の説明は省略または簡略化される。
【００５６】
固体撮像素子２００においては、１つの画素は、１つのＡＰＤ及び２つのＰＤを含む。つまり、固体撮像素子２００は、１つのＡＰＤに対して複数のＰＤを備える。したがって、固体撮像素子２００において、複数のＡＰＤ（つまり、複数の第一半導体２１）の総数は、複数のＰＤ（つまり、複数の第二半導体２２）の総数よりも多い。また、平面視において、１つの第二半導体２２は、複数の第一半導体２１と重なる。なお、１つの画素に含まれるＰＤの数、１つの画素におけるＰＤの配置、及び、ＰＤの形状などは特に限定されない。
【００５７】
複数のＰＤは、半導体基板２０のウェル領域２０ｃ内に配置され、電気的に分離されている。固体撮像素子２００においても、第二半導体２２は、半導体基板２０内の第一半導体２１よりも下方に配置されている。
【００５８】
例えば、光電変換領域２０ｂがシリコンによって形成され、ＰＤが可視光の検出に用いられ、かつ、ＡＰＤが近赤外光の検出に用いられる場合、ＰＤによって得られる輝度画像を高解像度化することができる。また、シリコンは近赤外光の吸収率が低い。このため、近赤外光がＡＰＤの増倍領域２５においてアバランシェ増倍される構成が有用である。
【００５９】
また、固体撮像素子２００では、平面視において、第二半導体２２は、第一半導体２１よりも大きい。固体撮像素子２００では、平面視において、各第一半導体２１の全部が第二半導体に重なり、ＡＰＤの受光面積は、ＰＤの受光面積よりも相対的に大きくなる。したがって、近赤外光に対する感度の向上が期待される。
【００６０】
また、光電変換領域２０ｂは、半導体基板２０の上面（光の入射面）と反対側に位置しているため比較的自由に厚膜化できる。これにより、ＡＰＤは、量子効率を高めて近赤外光を検出することができる。
【００６１】
ところで、図５に示されるように、半導体基板２０の上面には、画素回路を構成する複数のトランジスタが配置される。ＰＤ用の画素回路には、転送トランジスタＴＲＮ１、リセットトランジスタＲＳＴ１、浮遊拡散領域ＦＤ１、増幅トランジスタＳＦ１、及び、選択トランジスタＳＥＬ１が含まれる。ＡＰＤ用の画素回路には、転送トランジスタＴＲＮ２、リセットトランジスタＲＳＴ２、浮遊拡散領域ＦＤ２、増幅トランジスタＳＦ２、及び、選択トランジスタＳＥＬ２が含まれる。
【００６２】
固体撮像素子２００においては、ＰＤ用の画素回路、及び、ＡＰＤ用の画素回路が独立している。一方、２つのＰＤの画素回路は、共通化されており、これにより、ＰＤ用の画素回路の実装面積の縮小が図られている。なお、ＰＤが３つ以上の場合も画素回路の共通化は可能である。なお、ＰＤ用の画素回路及びＡＰＤ用の画素回路が共通化されてもよい。
【００６３】
［効果等］
固体撮像素子２００においては、平面視において、第二半導体２２は、第一半導体２１よりも大きい。
【００６４】
このように、固体撮像素子２００においては第二半導体２２によって構成されるＡＰＤの受光面積が大きいため、近赤外光の感度を高めることができる。
【００６５】
また、固体撮像素子２００においては、複数の第一半導体２１の総数は、複数の第二半導体２２の総数よりも多い。
【００６６】
このように、固体撮像素子２００においては第一半導体２１によって構成されるＰＤの数が多いため、ＰＤによって検出される光に基づく画像（輝度画像または距離画像）が高解像度化される。
【００６７】
また、固体撮像素子２００においては、平面視において、１つの第二半導体２２は、複数の第一半導体２１と重なる。
【００６８】
これにより、複数の第一半導体２１を密集させて固体撮像素子２００の小型化を実現することができる。
【００６９】
（実施の形態３）
［構造］
以下、実施の形態３に係る固体撮像素子の構造について説明する。図７は、実施の形態３に係る固体撮像素子の平面図である。図８及び図９は、実施の形態２に係る固体撮像素子の断面図である。図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線で固体撮像素子３００を切断した場合の断面図である。図９は、図７のＩＸ−ＩＸ線で固体撮像素子３００を切断した場合の断面図である。なお、図７において、第一半導体３１は、実際には半導体基板３０内に位置するが、配置を明確化するために実線で図示されている。
【００７０】
図７〜図９に示されるように、実施の形態３に係る固体撮像素子３００は、半導体基板３０と、複数の第一半導体３１と、複数の第二半導体３２と、分離領域３３と、転送領域３４とを備える。分離領域３３は、第三半導体の一例であり、転送領域３４は、第四半導体の一例である。半導体基板３０は、複数の接合領域３０ａと、光電変換領域３０ｂと、ウェル領域３０ｃとを含む。以下、実施の形態３では、固体撮像素子３００の、固体撮像素子１００及び固体撮像素子２００との相違点を中心に説明が行われ、既出事項の説明は省略または簡略化される。
【００７１】
固体撮像素子３００においては、１つの画素は、１つのＡＰＤ及び４つのＰＤを含む。つまり、固体撮像素子２００は、１つのＡＰＤに対して４つのＰＤを備える。なお、１つの画素に含まれるＰＤの数、１つの画素におけるＰＤの配置、及び、ＰＤの形状などは特に限定されない。
【００７２】
４つのＰＤには、ベイヤー配列のカラーフィルタが適用される。固体撮像素子３００では、このような既存のベイヤー配列のカラーフィルタに対応しつつ、近赤外光を高感度に検出するためのＡＰＤが追加されている。
【００７３】
また、ＰＤ（つまり、第一半導体３１）は、分離領域３３の上方にも配置されている。ＡＰＤの増倍領域３５においてアバランシェ増倍された信号電荷によって画像を出力する場合、光電変換領域３０ｂの下面側に負バイアスの電圧（ブレークダウン電圧とも呼ばれる）が印加される。このとき、画素毎の出力が混ざらないようにするために、複数のＡＰＤ（つまり、複数の第二半導体３２）を電気的に分離する必要がある。また、画素回路を構成するトランジスタが配置されるウェル領域３０ｃの電位を安定させるために、ウェル領域３０ｃと光電変換領域３０ｂとを電気的に分離する必要もある。
【００７４】
複数のＡＰＤの電気的な分離、及び、ウェル領域３０ｃと光電変換領域３０ｂとの電気的な分離を両立させるためには、分離領域３３は、画素間に一定のポテンシャル障壁を形成するためにリセット状態のＡＰＤよりも低い電位でありつつ、かつ、ウェル領域３０ｃよりも高い電位となる、空乏化した状態に保たれる必要がある。しかしながら、この条件を満たす分離領域３３の不純物濃度の範囲は限定的なものとなり、この条件を満たす分離領域３３を備える固体撮像素子３００の製造は困難である。
【００７５】
ＰＤが分離領域３３上に配置されれば、光電変換領域３０ｂの下面側に負バイアスの電圧が印加されても、分離領域３３の上方にリセット状態で正バイアスの電圧が印加されるＰＤが配置される。このため、ウェル領域３０ｃと光電変換領域３０ｂとの間の電気的な分離能力（つまり、絶縁能力）が向上する。特に、分離領域３３のうち平面視においてＡＰＤの角部に隣接する領域Ｐ（図７に図示）は、幅が比較的広く形成されてウェル領域３０ｃと光電変換領域３０ｂとの間の電気的な分離能力が低下する懸念が高い。したがって、領域Ｐの上方にＰＤが配置されることは有用である。
【００７６】
また、図９に示されるように、固体撮像素子３００においては、Ｐ型半導体である、ウェル領域３０ｃ、及び、接合領域３０ａの不純物濃度に差が付けられている。具体的には、接合領域３０ａの不純物濃度は、ウェル領域３０ｃの不純物濃度よりも低い。これにより、ＰＤの下面側に空乏層が伸びるためＰＤの感度を向上することができる。
【００７７】
また、固体撮像素子３００においては、Ｎ型半導体である、第二半導体３２、転送領域３４、及び、第一半導体３１の不純物濃度に差がつけられている。具体的には、第二半導体３２の不純物濃度、及び、転送領域３４の不純物濃度は、第一半導体３１の不純物濃度よりも高い。これにより、ＡＰＤを駆動させてアバランシェ増倍を行う場合に、光電変換領域３０ｂに印加される負バイアスの電圧を小さくできる。光電変換領域３０ｂに印加される負バイアスの電圧が小さくされれば、光電変換領域３０ｂとウェル領域３０ｃとの間が導通する（言い換えれば、パンチスルーする）リスクを低減することができる。
【００７８】
ところで、図７に示されるように、半導体基板３０の上面には、画素回路を構成する複数のトランジスタが配置される。ＰＤ用の画素回路には、転送トランジスタＴＲＮ１、リセットトランジスタＲＳＴ１、浮遊拡散領域ＦＤ１、増幅トランジスタＳＦ１、及び、選択トランジスタＳＥＬ１が含まれる。ＡＰＤ用の画素回路には、転送トランジスタＴＲＮ２、リセットトランジスタＲＳＴ２、浮遊拡散領域ＦＤ２、増幅トランジスタＳＦ２、及び、選択トランジスタＳＥＬ２が含まれる。
【００７９】
固体撮像素子３００においては、ＰＤ用の画素回路、及び、ＡＰＤ用の画素回路が独立している。２つのＰＤの画素回路は、共通化されており、１つの画素は、４つのＰＤに対応して２組の画素回路を有する。これにより、ＰＤ用の画素回路の実装面積の縮小が図られている。なお、ＰＤが３つ以上の場合も画素回路の共通化は可能である。また、ＰＤ用の画素回路及びＡＰＤ用の画素回路が共通化されてもよい。
【００８０】
［効果等］
固体撮像素子３００は、半導体基板３０内の複数の第二半導体３２の間に位置し、複数の第二半導体３２を分離する分離領域３３を備える。分離領域３３は、第三半導体の一例である。平面視において、分離領域３３は、複数の第一半導体３１の少なくとも一つと重なる。
【００８１】
これにより、光電変換領域３０ｂとウェル領域３０ｃとの間が導通することが抑制される。
【００８２】
また、固体撮像素子３００は、１つの第二半導体３２に対して４つの第一半導体３１を有し、４つの第二半導体３２は、２×２の配列をなす。
【００８３】
このように、固体撮像素子３００においては、ＰＤのベイヤー配列を維持しつつ、ＡＰＤが追加されている。つまり、可視光の検出に対応する第二半導体３２のカラーフィルタにベイヤー配列を適用することができる。
【００８４】
また、固体撮像素子３００においては、半導体基板３０は、第一導電型（例えば、Ｐ型）の半導体によって形成され、第一半導体３１、第二半導体３２、及び、転送領域３４は、第一導電型と異なる第二導電型（例えば、Ｎ型）の半導体によって形成される。第二半導体３２の不純物濃度、及び、転送領域３４の不純物濃度は、第一半導体３１の不純物濃度よりも高い。
【００８５】
これにより、ＡＰＤを駆動させてアバランシェ増倍を行う場合に、光電変換領域３０ｂに印加される負バイアスの電圧を小さくできる。光電変換領域３０ｂに印加される負バイアスの電圧が小さくされれば、光電変換領域３０ｂとウェル領域３０ｃとの間が導通することを抑制することができる。
【００８６】
また、固体撮像素子３００においては、半導体基板３０は、第一半導体３１の周囲に位置するウェル領域３０ｃを含み、半導体基板３０の接合領域３０ａの不純物濃度は、ウェル領域３０ｃの不純物濃度よりも低い。
【００８７】
これにより、ＰＤの下面側に空乏層が伸びるためＰＤの感度を向上することができる。
【００８８】
（その他の実施の形態）
以上、実施の形態に係る固体撮像素子について説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
【００８９】
例えば、上記実施の形態では、第一光電変換部は、増倍領域を含まないが、増倍領域を含んでもよい。つまり、第一光電変換部は、ＰＤではなくＡＰＤであってもよい。
【００９０】
また、上記実施の形態において説明に用いられ数字は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数字に制限されない。
【００９１】
また、上記実施の形態で説明された回路構成は、一例であり、本開示は上記回路構成に限定されない。つまり、上記回路構成と同様に、本開示の特徴的な機能を実現できる回路も本開示に含まれる。例えば、上記回路構成と同様の機能を実現できる範囲で、ある素子に対して、直列又は並列に、スイッチング素子（トランジスタ）、抵抗素子、または容量素子等の素子が接続されたものも本開示に含まれる。
【００９２】
また、上記実施の形態では、固体撮像素子が有する積層構造の各層を構成する主たる材料について例示しているが、固体撮像素子が有する積層構造の各層には、上記実施の形態の積層構造と同様の機能を実現できる範囲で他の材料が含まれてもよい。また、図面においては、各構成要素の角部及び辺は直線的に記載されているが、製造上の理由などにより、角部及び辺が丸みを帯びたものも本開示に含まれる。 
【００９３】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。例えば、本開示は、固体撮像素子の製造方法として実現されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本開示の固体撮像素子は、カメラ及びＴｏＦセンサ等に利用できる。
【符号の説明】
【００９５】
１０、２０、３０  半導体基板
１０ａ、２０ａ、３０ａ  接合領域
１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ  光電変換領域
１０ｃ、２０ｃ、３０ｃ  ウェル領域
１１、２１、３１  第一半導体
１２、２２、３２  第二半導体
１３、２３、３３  分離領域（第三半導体）
１４、２４、３４  転送領域（第四半導体）
１５、２５、３５  増倍領域
１００、２００、３００  固体撮像素子
１０１  画素
１０２  画素アレイ
１０３  垂直走査回路
１０４  水平走査回路
１０５  読み出し回路
１１１  バッファアンプ
ＦＤ１、ＦＤ２  浮遊拡散領域
ＲＳＴ１、ＲＳＴ２  リセットトランジスタ
ＳＥＬ１、ＳＥＬ２  選択トランジスタ
ＳＦ１、ＳＦ２  増幅トランジスタ
ＴＲＮ１、ＴＲＮ２  転送トランジスタ
【図１】
2019180898.tif 000003
【図２】
2019180898.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019180898.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019180898.tif 000011
【国際調査報告】
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2019180898.tif 000013
2019180898.tif 000014
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