WO2021100675A1 - 固体撮像装置および電子機器 - Google Patents
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Definitions
- the floating diffusion FD is a floating diffusion region that temporarily holds the electric charge output from the photodiode PD via the transfer transistor TRX.
- a reset transistor RST is connected to the floating diffusion FD, and a vertical signal line VSL is connected via an amplification transistor AMP and a selection transistor SEL.
- the second crystal plane is inclined with respect to the X-axis and the Y-axis in the horizontal plane (XY plane), and forms an angle of about 30 ° with respect to the Y-axis, for example.
- the third surface is a surface along the third crystal plane of the semiconductor substrate 31.
- the third crystal plane of the semiconductor substrate 31 is inclined by about 19.5 ° with respect to the Z-axis direction, like the second crystal plane. That is, the inclination angle of the third crystal plane with respect to the horizontal plane (XY plane) is about 70.5 °.
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Abstract
Description
1.実施の形態(固体撮像装置)…図1~図4
2.変形例(固体撮像装置)…5~図31
3.適用例(撮像システム)…32
4.移動体への応用例…33、図34
[構成]
本開示の一実施の形態に係る固体撮像装置1について説明する。固体撮像装置1は、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等からなるグローバルシャッタ方式の裏面照射型のイメージセンサである。固体撮像装置1は、被写体からの光を受光して光電変換し、画像信号を生成することで画像を撮像する。固体撮像装置1は、入射光に応じた画素信号を出力する。
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置1の効果について説明する。
以下に、上記実施の形態に係る固体撮像装置1の変形例について説明する。
上記実施の形態において、各センサ画素11が、複数の転送トランジスタTRGを有していてもよい。例えば、図6、図7に示したように、各センサ画素11が、2つの転送トランジスタTRGを有していてもよい。図6は、画素アレイ部10のロジック回路20側の平面構成の一変形例を表したものである。図7は、画素アレイ部10の受光面31A側の平面構成の一変形例を表したものである。なお、図6では、半導体基板31のロジック回路20側の平面構成に、読み出し回路12に含まれる各種トランジスタ(リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL)のレイアウトが重ね合わされている。また、図7では、半導体基板31の受光面31A側の平面構成に、垂直ゲート電極VGのレイアウトが重ね合わされている。
上記実施の形態において、転送トランジスタTRGが、例えば、図8、図9に示したように、接続部CNに接続されていない垂直ゲート電極VGを、センサ画素11ごとに1つずつ更に有していてもよい。図8は、画素アレイ部10のロジック回路20側の平面構成の一変形例を表したものである。図9は、画素アレイ部10の受光面31A側の平面構成の一変形例を表したものである。なお、図8では、半導体基板31のロジック回路20側の平面構成に、読み出し回路12に含まれる各種トランジスタ(リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL)のレイアウトが重ね合わされている。また、図9では、半導体基板31の受光面31A側の平面構成に、垂直ゲート電極VGのレイアウトが重ね合わされている。
上記実施の形態およびその変形例において、転送トランジスタTRGが、ゲート電極として、4つの垂直ゲート電極VGと、接続部CNとを有していてもよい。この場合、転送トランジスタTRGにおいて、4つの垂直ゲート電極VGは、図10、図11、図12に示したように、互いに隣接する4つのセンサ画素11の各々に1つずつ設けられている。
上記実施の形態およびその変形例において、各センサ画素11が、例えば、図13、図14に示したように、各センサ画素11が、転送トランジスタTRGと、排出トランジスタOFGとを有していてもよい。図13は、画素アレイ部10のロジック回路20側の平面構成の一変形例を表したものである。図14は、画素アレイ部10の受光面31A側の平面構成の一変形例を表したものである。なお、図13では、半導体基板31のロジック回路20側の平面構成に、読み出し回路12に含まれる各種トランジスタ(リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL)のレイアウトが重ね合わされている。また、図14では、半導体基板31の受光面31A側の平面構成に、垂直ゲート電極VGのレイアウトが重ね合わされている。
上記実施の形態およびその変形例において、各センサ画素11は、例えば、図15、図16、図17、図18に示したように、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTRGと、転送トランジスタTRMと、電荷保持部MEMと、転送トランジスタTRXと、フローティングディフュージョンFDと、排出トランジスタOFGと、排出フローティングディフュージョンOFDとを有していてもよい。
上記変形例Eにおいて、排出トランジスタOFGが、例えば、図19、図20に示したように、ゲート電極として、2つの垂直ゲート電極VGと、接続部CNとを有していてもよい。排出トランジスタOFGにおいて、一方の垂直ゲート電極VGは、互いに隣接する2つのセンサ画素11のうちの一方のセンサ画素11内の設けられており、他方の垂直ゲート電極VGは、互いに隣接する2つのセンサ画素11のうちの他方のセンサ画素11内に設けられている。排出トランジスタOFGにおいて、接続部CNは、2つの垂直ゲート電極VGに接している。つまり、互いに隣接する2つのセンサ画素11において、2つの垂直ゲート電極VGが接続部CNを介して互いに電気的に接続されており、互いに隣接する2つのセンサ画素11が接続部CN(ゲート電極の一部)を共有している。ここで、「共有」とは、互いに隣接する2つのセンサ画素11の出力が共通の接続部CNによって制御されることを指している。
上記変形例Eにおいて、転送トランジスタTRGが、例えば、図21、図22に示したように、接続部CNに接続されていない垂直ゲート電極VGを、センサ画素11ごとに1つずつ更に有していてもよい。図21は、画素アレイ部10のロジック回路20側の平面構成の一変形例を表したものである。図22は、画素アレイ部10の受光面31A側の平面構成の一変形例を表したものである。なお、図21では、半導体基板31のロジック回路20側の平面構成に、読み出し回路12に含まれる各種トランジスタ(リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL)のレイアウトが重ね合わされている。また、図22では、半導体基板31の受光面31A側の平面構成に、垂直ゲート電極VGのレイアウトが重ね合わされている。
上記実施の形態およびその変形例において、分離部51,54のうち、少なくとも複数の垂直ゲート電極VGに隣接する箇所が酸化膜で形成されていてもよい。例えば、図23、図24に示したように、分離部51,54のうち、複数の垂直ゲート電極VGに隣接する箇所が酸化膜54Aで形成されていてもよい。また、例えば、図25、図26に示したように、分離部54全体が酸化膜54Aで形成されていてもよい。また、例えば、図27、図28に示したように、分離部54内に、受光面31Aから、複数の垂直ゲート電極VGに隣接する箇所まで延在する酸化膜54Aが形成されていてもよい。
上記実施の形態およびその変形例において、垂直ゲート電極VGが、例えば、図29に示したように、互いに隣接する2つのセンサ画素11をまたいで形成されていてもよい。このようにした場合であっても、上記実施の形態およびその変形例と同様の効果が得られる。
上記変形例E,F,G,H,Iにおいて、半導体基板31のうち、フォトダイオードPDを囲む分離部51,54によって形成される領域の積層面内における形状(以下、「第1の形状」と称する。)と、半導体基板31のうち、フローティングディフュージョンFDもしくは電荷保持部MEMを囲む分離部52,54によって形成される領域の積層面内における形状(以下、「第2の形状」と称する。)とが、互いに異なっていてもよい。例えば、第1の形状が長方形状となっており、第2の形状が第1の形状よりも正方形に近い形状となっていてもよい。
上記実施の形態およびその変形例において、半導体基板31は、例えばSi{111}基板からなっていてもよい。Si{111}基板とは、ミラー指数の表記において{111}で表される結晶面を有する単結晶シリコン基板または単結晶シリコンウェハである。{111}で表される結晶面(面指数{111}で表される結晶面)は、単結晶シリコン基板または単結晶シリコンウェハにおいて、厚さ方向と直交する面(水平面)に沿って広がっている。本変形例において、Si{111}基板は、結晶方位が数度ずれた、例えば{111}面から最近接の[110]方向へ数度ずれた基板またはウェハも含む。本変形例において、Si{111}基板は、さらに、これらの基板またはウェハ上の一部または全面にエピタキシャル法等によりシリコン単結晶を成長させたものをも含む。
図32は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置1を備えた撮像システム2の概略構成の一例を表したものである。撮像システム2は、本開示の「電子機器」の一具体例に相当する。撮像システム2は、例えば、光学系210と、固体撮像装置1と、信号処理回路220と、表示部230とを備えている。
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
(1)
受光面と、
前記受光面を介して入射した光を光電変換する光電変換部を含む複数の画素と、
各前記光電変換部を電気的かつ光学的に分離する分離部と
を備え、
各前記画素は、
前記光電変換部から転送された電荷を保持する電荷保持部と、
前記光電変換部に達する垂直ゲート電極を有し、前記光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部と前記電荷保持部との間の層内に配置された遮光部と
を有し、
前記複数の画素のうち、互いに隣接する複数の第1の画素において、複数の前記垂直ゲート電極が互いに電気的に接続されている
固体撮像装置。
(2)
各前記第1の画素は、複数の前記垂直ゲート電極に接するとともに複数の前記垂直ゲート電極を互いに電気的に接続する接続部を共有している
(1)に記載の固体撮像装置。
(3)
複数の前記第1の画素において、複数の前記垂直ゲート電極が前記分離部を介して互いに対向配置されるとともに、前記分離部に接しており、
前記接続部は、前記分離部上と、互いに対向配置された複数の前記垂直ゲート電極上とに接している
(2)に記載の固体撮像装置。
(4)
前記遮光部は、前記分離部に接する箇所であって、かつ、前記垂直ゲート電極が貫通する箇所に開口部を有する
(3)に記載の固体撮像装置。
(5)
前記遮光部が内部に設けられた半導体基板を更に備え、
前記半導体基板は、厚さ方向と直交する面に沿って広がる面指数{111}で表される第1の結晶面を有するSi{111}基板であり、
前記遮光部は、
前記第1の結晶面に沿った第1の面と、
前記厚さ方向に対して傾斜すると共に前記Si{111}基板の第2の結晶面に沿った第2の面と
を含む
(1)ないし(4)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(6)
受光面と、
前記受光面を介して入射した光を光電変換する光電変換部を含む複数の画素と、
各前記光電変換部を電気的かつ光学的に分離する分離部と
を備え、
各前記画素は、
前記光電変換部から転送された電荷を保持する電荷保持部と、
前記光電変換部に達する第1の垂直ゲート電極を有し、前記光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部に達する第2の垂直ゲート電極を有し、前記転送トランジスタと隣接して配置され、前記光電変換部から電荷を排出する排出トランジスタと、
前記受光面と前記電荷保持部との間の層内に配置された遮光部と
を有し、
前記複数の画素のうち、互いに隣接する複数の第1の画素において、複数の前記第1の垂直ゲート電極が互いに電気的に接続されるとともに、複数の前記第2の垂直ゲート電極が互いに電気的に接続されている
固体撮像装置。
(7)
前記複数の第1の画素において、
複数の前記第1の垂直ゲート電極が前記分離部を介して互いに対向配置されるとともに、前記分離部に接しており、
複数の前記第2の垂直ゲート電極が前記分離部を介して互いに対向配置されるとともに、前記分離部に接しており、
各前記第1の画素は、
複数の前記第1の垂直ゲート電極に接するとともに複数の前記第1の垂直ゲート電極を互いに電気的に接続する第1の接続部と、
複数の前記第2の垂直ゲート電極に接するとともに複数の前記第1の垂直ゲート電極を互いに電気的に接続する第2の接続部と
を共有している
(6)に記載の固体撮像装置。
(8)
複数の前記第1の画素において、複数の前記第1の垂直ゲート電極が前記分離部を介して互いに対向配置されるとともに、前記分離部に接しており、
前記第1の接続部は、前記分離部上と、互いに対向配置された複数の前記第1の垂直ゲート電極上とに接しており、
複数の前記第1の画素において、複数の前記第2の垂直ゲート電極が前記分離部を介して互いに対向配置されるとともに、前記分離部に接しており、
前記第2の接続部は、前記分離部上と、互いに対向配置された複数の前記第2の垂直ゲート電極上とに接している
(7)に記載の固体撮像装置。
(9)
前記遮光部は、前記分離部に接する箇所であって、かつ、前記第1の垂直ゲート電極および前記第2の垂直ゲート電極が貫通する箇所に開口部を有する
(8)に記載の固体撮像装置。
(10)
前記電荷保持部は、前記第1の垂直ゲート電極と、前記第2の垂直ゲート電極との間隙に隣接して配置されている
(6)ないし(9)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(11)
前記遮光部が内部に設けられた半導体基板を更に備え、
前記半導体基板は、厚さ方向と直交する面に沿って広がる面指数{111}で表される第1の結晶面を有するSi{111}基板であり、
前記遮光部は、
前記第1の結晶面に沿った第1の面と、
前記厚さ方向に対して傾斜すると共に前記Si{111}基板の第2の結晶面に沿った第2の面と
を含む
(6)ないし(10)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(12)
入射光に応じた画素信号を出力する固体撮像装置と、
前記画素信号を処理する信号処理回路と
を備え、
前記固体撮像装置は、
受光面と、
前記受光面を介して入射した光を光電変換する光電変換部を含む複数の画素と、
各前記光電変換部を電気的かつ光学的に分離する分離部と
を有し、
各前記画素は、
前記光電変換部から転送された電荷を保持する電荷保持部と、
前記光電変換部に達する垂直ゲート電極を有し、前記光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部と前記電荷保持部との間の層内に配置された遮光部と
を有し、
前記複数の画素のうち、互いに隣接する複数の第1の画素において、複数の前記垂直ゲート電極が互いに電気的に接続されている
電子機器。
(13)
入射光に応じた画素信号を出力する固体撮像装置と、
前記画素信号を処理する信号処理回路と
を備え、
前記固体撮像装置は、
受光面と、
前記受光面を介して入射した光を光電変換する光電変換部を含む複数の画素と、
各前記光電変換部を電気的かつ光学的に分離する分離部と
を有し、
各前記画素は、
前記光電変換部から転送された電荷を保持する電荷保持部と、
前記光電変換部に達する第1の垂直ゲート電極を有し、前記光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部に達する第2の垂直ゲート電極を有し、前記転送トランジスタと隣接して配置され、前記光電変換部から電荷を排出する排出トランジスタと、
前記受光面と前記電荷保持部との間の層内に配置された遮光部と
を有し、
前記複数の画素のうち、互いに隣接する複数の第1の画素において、複数の前記垂直ゲート電極が互いに電気的に接続されている
電子機器。
Claims (13)
- 受光面と、
前記受光面を介して入射した光を光電変換する光電変換部を含む複数の画素と、
各前記光電変換部を電気的かつ光学的に分離する分離部と
を備え、
各前記画素は、
前記光電変換部から転送された電荷を保持する電荷保持部と、
前記光電変換部に達する垂直ゲート電極を有し、前記光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部と前記電荷保持部との間の層内に配置された遮光部と
を有し、
前記複数の画素のうち、互いに隣接する複数の第1の画素において、複数の前記垂直ゲート電極が互いに電気的に接続されている
固体撮像装置。 - 各前記第1の画素は、複数の前記垂直ゲート電極に接するとともに複数の前記垂直ゲート電極を互いに電気的に接続する接続部を共有している
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 複数の前記第1の画素において、複数の前記垂直ゲート電極が前記分離部を介して互いに対向配置されるとともに、前記分離部に接しており、
前記接続部は、前記分離部上と、互いに対向配置された複数の前記垂直ゲート電極上とに接している
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記遮光部は、前記分離部に接する箇所であって、かつ、前記垂直ゲート電極が貫通する箇所に開口部を有する
請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記遮光部が内部に設けられた半導体基板を更に備え、
前記半導体基板は、厚さ方向と直交する面に沿って広がる面指数{111}で表される第1の結晶面を有するSi{111}基板であり、
前記遮光部は、
前記第1の結晶面に沿った第1の面と、
前記厚さ方向に対して傾斜すると共に前記Si{111}基板の第2の結晶面に沿った第2の面と
を含む
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 受光面と、
前記受光面を介して入射した光を光電変換する光電変換部を含む複数の画素と、
各前記光電変換部を電気的かつ光学的に分離する分離部と
を備え、
各前記画素は、
前記光電変換部から転送された電荷を保持する電荷保持部と、
前記光電変換部に達する第1の垂直ゲート電極を有し、前記光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部に達する第2の垂直ゲート電極を有し、前記転送トランジスタと隣接して配置され、前記光電変換部から電荷を排出する排出トランジスタと、
前記受光面と前記電荷保持部との間の層内に配置された遮光部と
を有し、
前記複数の画素のうち、互いに隣接する複数の第1の画素において、複数の前記第1の垂直ゲート電極が互いに電気的に接続されるとともに、複数の前記第2の垂直ゲート電極が互いに電気的に接続されている
固体撮像装置。 - 前記複数の第1の画素において、
複数の前記第1の垂直ゲート電極が前記分離部を介して互いに対向配置されるとともに、前記分離部に接しており、
複数の前記第2の垂直ゲート電極が前記分離部を介して互いに対向配置されるとともに、前記分離部に接しており、
各前記第1の画素は、
複数の前記第1の垂直ゲート電極に接するとともに複数の前記第1の垂直ゲート電極を互いに電気的に接続する第1の接続部と、
複数の前記第2の垂直ゲート電極に接するとともに複数の前記第1の垂直ゲート電極を互いに電気的に接続する第2の接続部と
を共有している
請求項6に記載の固体撮像装置。 - 複数の前記第1の画素において、複数の前記第1の垂直ゲート電極が前記分離部を介して互いに対向配置されるとともに、前記分離部に接しており、
前記第1の接続部は、前記分離部上と、互いに対向配置された複数の前記第1の垂直ゲート電極上とに接しており、
複数の前記第1の画素において、複数の前記第2の垂直ゲート電極が前記分離部を介して互いに対向配置されるとともに、前記分離部に接しており、
前記第2の接続部は、前記分離部上と、互いに対向配置された複数の前記第2の垂直ゲート電極上とに接している
請求項7に記載の固体撮像装置。 - 前記遮光部は、前記分離部に接する箇所であって、かつ、前記第1の垂直ゲート電極および前記第2の垂直ゲート電極が貫通する箇所に開口部を有する
請求項8に記載の固体撮像装置。 - 前記電荷保持部は、前記第1の垂直ゲート電極と、前記第2の垂直ゲート電極との間隙に隣接して配置されている
請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記遮光部が内部に設けられた半導体基板を更に備え、
前記半導体基板は、厚さ方向と直交する面に沿って広がる面指数{111}で表される第1の結晶面を有するSi{111}基板であり、
前記遮光部は、
前記第1の結晶面に沿った第1の面と、
前記厚さ方向に対して傾斜すると共に前記Si{111}基板の第2の結晶面に沿った第2の面と
を含む
請求項6に記載の固体撮像装置。 - 入射光に応じた画素信号を出力する固体撮像装置と、
前記画素信号を処理する信号処理回路と
を備え、
前記固体撮像装置は、
受光面と、
前記受光面を介して入射した光を光電変換する光電変換部を含む複数の画素と、
各前記光電変換部を電気的かつ光学的に分離する分離部と
を有し、
各前記画素は、
前記光電変換部から転送された電荷を保持する電荷保持部と、
前記光電変換部に達する垂直ゲート電極を有し、前記光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部と前記電荷保持部との間の層内に配置された遮光部と
を有し、
前記複数の画素のうち、互いに隣接する複数の第1の画素において、複数の前記垂直ゲート電極が互いに電気的に接続されている
電子機器。 - 入射光に応じた画素信号を出力する固体撮像装置と、
前記画素信号を処理する信号処理回路と
を備え、
前記固体撮像装置は、
受光面と、
前記受光面を介して入射した光を光電変換する光電変換部を含む複数の画素と、
各前記光電変換部を電気的かつ光学的に分離する分離部と
を有し、
各前記画素は、
前記光電変換部から転送された電荷を保持する電荷保持部と、
前記光電変換部に達する第1の垂直ゲート電極を有し、前記光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部に達する第2の垂直ゲート電極を有し、前記転送トランジスタと隣接して配置され、前記光電変換部から電荷を排出する排出トランジスタと、
前記受光面と前記電荷保持部との間の層内に配置された遮光部と
を有し、
前記複数の画素のうち、互いに隣接する複数の第1の画素において、複数の前記垂直ゲート電極が互いに電気的に接続されている
電子機器。
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