光传感器的制作方法

1.本公开的一个方面涉及光传感器。

背景技术：

2.在专利文献1中，记载有利用了雪崩倍增的光传感器。在这样的光传感器中，向基板的表面与背面之间施加电压，使得在雪崩倍增区域产生雪崩倍增。由此，在基板内产生的电子倍增，光的检测灵敏度得到提高。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：国际公开第2017/043068号

技术实现要素：

6.发明想要解决的技术问题
7.在上述那样的光传感器中，有时不仅设置有收集倍增后的电荷的电荷收集区域，而且还设置具有与电荷收集区域不同的导电型的区域(以下，称为异导电型区域)。在这种情况下，在雪崩倍增区域中与异导电型区域重叠的部分，相比于与电荷收集区域重叠的部分，耗尽层更容易扩展，因此存在在电压施加时在雪崩倍增区域产生的电场变得不均匀的担忧。当电场不均匀时，存在例如在使施加电压增加至产生雪崩倍增的程度时，在位于电荷收集区域之下的部分产生结击穿的担忧。
8.本公开的一个方面的目的在于，提供一种能够使雪崩倍增区域的电场均匀化的光传感器。
9.用于解决技术问题的手段
10.本公开的一个方面所涉及的光传感器具备：具有分别呈层状形成的第1导电型的第1倍增区域和第2导电型的第2倍增区域的雪崩倍增区域；当将在第1倍增区域和第2倍增区域的厚度方向上第2倍增区域相对于第1倍增区域所在的一侧作为第1侧时，相对于第2倍增区域配置在第1侧的第2导电型的电荷收集区域；和相对于第2倍增区域配置在第1侧的第1导电型的第1导电型区域，第2倍增区域具有在厚度方向上与电荷收集区域重叠的第1部分和在厚度方向上与第1导电型区域重叠的第2部分，第1部分的杂质的浓度高于第2部分的杂质的浓度。
11.在该光传感器中，第2倍增区域具有在厚度方向上与电荷收集区域重叠的第1部分和在厚度方向上与第1导电型区域重叠的第2部分，第1部分的杂质的浓度高于第2部分的杂质的浓度。由此能够在第1部分使耗尽层容易地扩展，能够使在电压施加时在雪崩倍增区域产生的电场均匀化。
12.第1倍增区域也可以在厚度方向上与电荷收集区域和第1导电型区域重叠。在这种情况下，能够确保第1倍增区域的面积，并能够实现高灵敏度化。
13.本公开的一个方面所涉及的光传感器具备：具有分别呈层状形成的第1导电型的
第1倍增区域和第2导电型的第2倍增区域的雪崩倍增区域；当将在第1倍增区域和第2倍增区域的厚度方向上第2倍增区域相对于第1倍增区域所在的一侧作为第1侧时，相对于第2倍增区域配置在第1侧的第2导电型的电荷收集区域；和相对于第2倍增区域配置在第1侧的第1导电型的第1导电型区域，第1倍增区域具有在第1倍增区域和第2倍增区域的厚度方向上与电荷收集区域重叠的第1部分和在厚度方向上与第1导电型区域重叠的第2部分，第2部分的杂质的浓度高于第1部分的杂质的浓度。
14.在该光传感器中，第1倍增区域具有在厚度方向上与电荷收集区域重叠的第1部分和在厚度方向上与第1导电型区域重叠的第2部分，第2部分的杂质的浓度高于第1部分的杂质的浓度。由此能够抑制第2部分中的耗尽层的扩展，并能够使在电压施加时在雪崩倍增区域产生的电场均匀化。
15.第2倍增区域也可以在厚度方向上与电荷收集区域和第1导电型区域重叠。在这种情况下，能够确保第2倍增区域的面积，并能够实现高灵敏度化。
16.本公开的一个方面所涉及的光传感器也可以具备分别包含雪崩倍增区域、电荷收集区域和第1导电型区域的多个像素，第1倍增区域遍及多个像素相连或到达以将多个像素相互分离的方式形成的沟槽(trench)。在这种情况下，能以抑制了多个像素间的受光灵敏度的不均和1个像素内的由场所引起的受光灵敏度的不均的状态，在各像素实现高灵敏度化。其结果，能够在各像素均匀地实现受光灵敏度的提高。
17.本公开的一个方面所涉及的光传感器也可以具备分别包含雪崩倍增区域、电荷收集区域和第1导电型区域的多个像素，第2倍增区域遍及多个像素相连或到达以将多个像素相互分离的方式形成的沟槽。在这种情况下，以抑制了多个像素间的受光灵敏度的不均和1个像素内的由场所引起的受光灵敏度的不均的状态，在各像素实现高灵敏度化。其结果是，能够在各像素均匀地实现受光灵敏度的提高。
18.第1部分也可以在厚度方向上与第1导电型区域不重叠。在这种情况下，能够在电压施加时不易因耗尽层到达第1导电型区域而产生在雪崩倍增区域与第1导电型区域之间流过电流的情形(击穿现象)。
19.第1部分也可以在厚度方向上与第1导电型区域重叠。在这种情况下，能够使雪崩倍增区域中的电场进一步均匀化。
20.第1导电型区域也可以是构成电路的阱区域。根据该光传感器，在设置有这样的阱区域的情况下，也能够使雪崩倍增区域的电场均匀化。
21.本公开的一个方面所涉及的光传感器可以是具备分别包含雪崩倍增区域、电荷收集区域和第1导电型区域的多个像素，且第1导电型区域是设置在多个像素之间的边界部的分离区域。根据该光传感器，在设置有这样的分离区域的情况下，也能够使雪崩倍增区域中的电场均匀化。
22.第1导电型区域也可以在从厚度方向看的情况下包围电荷收集区域。根据该光传感器，在设置有这样的第1导电型区域的情况下，也能够使雪崩倍增区域的电场均匀化。
23.本公开的一个方面所涉及的光传感器也可以进一步具备：相对于电荷收集区域配置在第1侧的电极、和配置在电荷收集区域与电极之间的第1导电型的夹持区域。在这种情况下，能够抑制电极的附近的暗电流的产生。
24.本公开的一个方面所涉及的光传感器也可以进一步具备：相对于第2倍增区域配
置在第1侧并与电荷收集区域连接的第2导电型的电荷传送区域、和配置在与电荷传送区域相邻的区域上的传送栅电极。在这种情况下，能够将在电荷收集区域收集的电荷高速地传送至电荷传送区域。
25.发明的效果
26.本根据发明，能够提供可以使雪崩倍增区域的电场均匀化的光传感器。
附图说明
27.图1是具备实施方式所涉及的测距图像传感器的光检测装置的结构图。
28.图2是测距图像传感器的像素部的俯视图。
29.图3是沿着图2的iii-iii线的截面图。
30.图4是沿着图2的iv-iv线的截面图。
31.图5(a)和(b)是表示电压施加时在雪崩倍增区域产生的电场的图。
32.图6(a)和(b)是表示电压施加时在雪崩倍增区域产生的电场的图。
33.图7是第1变形例所涉及的测距图像传感器的俯视图。
34.图8是沿着图7所示的viii-viii线的截面图。
35.图9是第2变形例所涉及的测距图像传感器的俯视图。
36.图10是沿着图9所示的x-x线的截面图。
37.图11是沿着图9所示的xi-xi线的截面图。
38.图12是第3变形例所涉及的测距图像传感器的截面图。
39.图13是第4变形例所涉及的测距图像传感器的截面图。
40.图14是第5变形例所涉及的图像传感器的半导体层的截面图。
41.图15是沿着图14所示的xv-xv线的截面图。
42.图16是第6变形例所涉及的测距图像传感器的截面图。
43.符号说明
44.10a～10e、10g
……
测距图像传感器(光传感器)；10f
……
图像传感器(光传感器)；11a
……
像素；22
……
雪崩倍增区域；23
……
电荷收集区域；29
……
沟槽；31
……
阱区域(第1导电型区域)；71
……
第1倍增区域；71a
……
第1部分；71b
……
第2部分；72
……
第2倍增区域；72a
……
第1部分；72b
……
第2部分；81
……
夹持区域。
具体实施方式
45.以下，参照附图详细地说明本公开的一个实施方式。在以下的说明中，对相同或相当的要素使用相同的附图标记，并省略重复的说明。
46.[光检测装置的构成]
[0047]
如图1所示，光检测装置1具备：光源2、测距图像传感器(光传感器)10a、信号处理部3、控制部4和显示部5。光检测装置1是利用间接tof(time of flight：飞行时间)方式获取对象物oj的距离图像(包含与至对象物oj为止的距离d相关的信息的图像)的装置。
[0048]
光源2出射脉冲光l。光源2例如包括红外led等而构成。脉冲光l例如是近红外光，脉冲光l的频率例如为10khz以上。测距图像传感器10a检测从光源2出射而在对象物oj反射的脉冲光l。测距图像传感器10a通过像素部11和cmos读出电路部12单片(monolithic)地形
成于半导体基板(例如硅基板)而构成。测距图像传感器10a安装于信号处理部3。
[0049]
信号处理部3控制测距图像传感器10a的像素部11和cmos读出电路部12。信号处理部3对从测距图像传感器10a输出的信号实施规定的处理而生成检测信号。控制部4控制光源2和信号处理部3。控制部4基于从信号处理部3输出的检测信号生成对象物oj的距离图像。显示部5显示由控制部4生成的对象物oj的距离图像。
[0050]
[测距图像传感器的构成]
[0051]
如图2、图3和图4所示，测距图像传感器10a在像素部11具备半导体层20和电极层40。半导体层20具有第1表面20a和第2表面20b。第1表面20a是厚度方向上的半导体层20的一侧的表面。第2表面20b是厚度方向上的半导体层20的另一侧的表面。电极层40设置在半导体层20的第1表面20a上。半导体层20和电极层40构成沿第1表面20a配置的多个像素11a。在测距图像传感器10a，多个像素11a沿第1表面20a而二维地排列。以下，将半导体层20的厚度方向称为z方向，将与z方向垂直的一个方向称为x方向，将与z方向和x方向两者垂直的方向称为y方向。此外，将z方向上的一侧称为第1侧，将z方向上的另一侧(与第1侧相反侧)称为第2侧。另外，在图2中，省略后述的配线层60的图示。
[0052]
在半导体层20，各像素11a具有半导体区域21、雪崩倍增区域22、电荷收集区域23、一对第1电荷传送区域24、25、一对第2电荷传送区域26、27、多个电荷阻止区域28、阱区域(第1导电型区域)31、locos(local oxidation of silicon：硅的局部氧化)区域33、势垒区域34和一对宿(sink)区域35。各区域21～28、31～35通过对半导体基板(例如硅基板)实施各种处理(例如蚀刻、成膜、杂质注入等)而形成。
[0053]
半导体区域21是p型(第1导电型)的区域，在半导体层20沿第2表面20b设置。半导体区域21作为与入射光而相应地产生电荷的光吸收区域(光电转换区域)发挥作用。作为一个例子，半导体区域21是具有1
×
10
15
cm-3
以下的载流子浓度的p型的区域，其厚度为10μm左右。另外，雪崩倍增区域22等也作为光吸收区域(光电转换区域)发挥作用。
[0054]
雪崩倍增区域22包含第1倍增区域71和第2倍增区域72。第1倍增区域71和第2倍增区域72各自呈沿着与z方向垂直的平面的层状而形成。第1倍增区域71和第2倍增区域72沿着z方向(厚度方向)排列。第1倍增区域71为p型的区域，在半导体层20相对于半导体区域21形成于第1侧。作为一个例子，第1倍增区域71的厚度为1μm左右。第2倍增区域72为n型(第2导电型)的区域，在半导体层20相对于第1倍增区域71形成在第1侧。作为一个例子，第2倍增区域72的厚度为1μm左右。第1倍增区域71和第2倍增区域72形成pn结。雪崩倍增区域22的详细情况后述。
[0055]
电荷收集区域23为n型的区域，在半导体层20相对于第2倍增区域72形成于第1侧。作为一个例子，电荷收集区域23是具有5
×
10
15
～1
×
10
16
cm-3
的载流子浓度的n型的区域，其厚度为1μm左右。在该例子中，电荷收集区域23作为电荷分配区域发挥作用。
[0056]
各第1电荷传送区域24、25为n型的区域，在半导体层20相对于第2倍增区域72形成于第1侧。各第1电荷传送区域24、25与电荷收集区域23连接。一对第1电荷传送区域24、25夹着电荷收集区域23中的第1侧的部分而在x方向上相对。作为一个例子，各第1电荷传送区域24、25是具有1
×
10
18
cm-3
以上的载流子浓度的n型的区域，其厚度为0.2μm左右。电荷收集区域23中的第2侧的部分进入各第1电荷传送区域24、25与第2倍增区域72之间。在该例子中，各第1电荷传送区域24、25作为电荷蓄积区域发挥作用。
[0057]
各第2电荷传送区域26、27是n型的区域，在半导体层20相对于第2倍增区域72形成于第1侧。各第2电荷传送区域26、27与电荷收集区域23连接。一对第2电荷传送区域26、27夹着电荷收集区域23中的第1侧的部分在y方向上相对。作为一个例子，各第2电荷传送区域26、27是具有1
×
10
18
cm-3
以上的载流子浓度的n型的区域，其厚度为0.2μm左右。电荷收集区域23中的第2侧的部分进入各第2电荷传送区域26、27与第2倍增区域72之间。在该例子中，各第2电荷传送区域26、27作为电荷排出区域发挥作用。
[0058]
各电荷阻止区域28是p型的区域，在半导体层20形成于各第1电荷传送区域24、25与电荷收集区域23(电荷收集区域23的第2侧的部分)之间。作为一个例子，各电荷阻止区域28是具有1
×
10
17
～1
×
10
18
cm-3
的载流子浓度的p型的区域，其厚度为0.2μm左右。
[0059]
阱区域31是p型的区域，在半导体层20相对于第2倍增区域72形成于第1侧。阱区域31在与z方向垂直的方向上以与电荷收集区域23并列的方式配置。在该例子中，阱区域31在从z方向观察时包围电荷收集区域23。locos区域33是在半导体层20相对于阱区域31形成于第1侧的绝缘区域。locos区域33与阱区域31连接。阱区域31与locos区域33一起构成多个读出电路(例如源极跟随放大器、复位晶体管等)。各读出电路与各第1电荷传送区域24、25电连接。
[0060]
作为一个例子，阱区域31是具有1
×
10
16
～5
×
10
17
cm-3
的载流子浓度的p型的区域，其厚度为1μm左右。阱区域31还是以将多个像素11a相互分离的方式设置在多个像素11a之间的边界部的分离区域。另外，作为用于将像素部与读出电路部电分离的结构，也可以取代locos区域33而使用sti(shallow trench isolation：浅槽隔离)，或者仅使用阱区域31。
[0061]
势垒区域34是n型的区域，在半导体层20形成于第2倍增区域72与阱区域31之间。势垒区域34在从z方向观察时包含阱区域31。即，阱区域31在从z方向看时位于势垒区域34内。势垒区域34包围电荷收集区域23。势垒区域34的n型杂质的浓度高于第2倍增区域72的n型杂质的浓度。作为一个例子，势垒区域34是具有第2倍增区域72的载流子浓度至第2倍增区域72的载流子浓度的倍数程度的载流子浓度的n型的区域，其厚度为1μm左右。
[0062]
各宿区域35是n型的区域，在半导体层20相对于势垒区域34形成于第1侧。各宿区域35的第2侧的端部与势垒区域34连接。各宿区域35的第1侧的端部与各第2电荷传送区域26、27连接。各第2电荷传送区域26、27的n型杂质的浓度高于各宿区域35的n型杂质的浓度，各宿区域35的n型杂质的浓度高于势垒区域34的n型杂质的浓度和阱区域31的p型杂质的浓度。作为一个例子，各宿区域35是具有阱区域31的载流子浓度以上的载流子浓度的n型的区域，其厚度取决于各第2电荷传送区域26、27与势垒区域34之间的距离。
[0063]
各像素11a在电极层40具有光电栅电极41、一对第1传送栅电极42、43和一对第2传送栅电极44、45。各栅极电极41～45隔着绝缘膜46形成于半导体层20的第1表面20a上。绝缘膜46例如为氮化硅膜、氧化硅膜等。
[0064]
光电栅电极41在电极层40相对于电荷收集区域23形成于第1侧。光电栅电极41由具有导电性和透光性的材料(例如多晶硅)形成。作为一个例子，光电栅电极41从z方向观察时，呈具有在x方向上相对的2个边和在y方向上相对的2个边的矩形。
[0065]
第1传送栅电极42以相对于光电栅电极41位于第1电荷传送区域24侧的方式，在电极层40相对于电荷收集区域23形成于第1侧。第1传送栅电极42配置在电荷收集区域23的与第1电荷传送区域24相邻的区域上。第1传送栅电极43以相对于光电栅电极41位于第1电荷
传送区域25侧的方式，在电极层40相对于电荷收集区域23形成于第1侧。第1传送栅电极43配置在电荷收集区域23中的与第1电荷传送区域25相邻的区域上。各第1传送栅电极42、43由具有导电性和透光性的材料(例如多晶硅)而形成。作为一个例子，各第1传送栅电极42、43从z方向观察时，呈具有在x方向上相对的2个边和在y方向上相对的2个边的矩形。
[0066]
第2传送栅电极44以相对于光电栅电极41位于第2电荷传送区域26侧的方式，在电极层40相对于电荷收集区域23形成于第1侧。第2传送栅电极44配置在电荷收集区域23中的与第2电荷传送区域26相邻的区域上。第2传送栅电极45以相对于光电栅电极41位于第2电荷传送区域27侧的方式，在电极层40相对于电荷收集区域23形成于第1侧。第2传送栅电极45配置在电荷收集区域23中的与第2电荷传送区域27相邻的区域上。各第2传送栅电极44、45由具有导电性和透光性的材料(例如多晶硅)形成。作为一个例子，各第2传送栅电极44、45从z方向观察时，呈具有在x方向上相对的2个边和在y方向上相对的2个边的矩形。
[0067]
测距图像传感器10a在像素部11进一步设有相对电极50和配线层60。相对电极50设置在半导体层20的第2表面20b上。相对电极50从z方向观察时包含多个像素11a。相对电极50在z方向上与电极层40相对。相对电极50例如由金属材料形成。配线层60以覆盖电极层40的方式设置在半导体层20的第1表面20a上。配线层60与各像素11a和cmos读出电路部12(参照图1)电连接。在配线层60中与各像素11a的光电栅电极41相对的部分，形成有光入射开口60a。
[0068]
在半导体层20，以将相邻的像素11a相互分离的方式形成有沟槽29。沟槽29在半导体层20的第1表面20a形成。沟槽29的底面29a相对于雪崩倍增区域22位于第2侧。即，沟槽29将雪崩倍增区域22完全分离。在沟槽29内配置有硅氧化物等绝缘材料47。也可以取代绝缘材料47，在沟槽29内配置钨等金属材料、多晶硅等。
[0069]
在各像素11a，雪崩倍增区域22到达沟槽29。雪崩倍增区域22是引起雪崩倍增的区域。即，在各像素11a，被施加规定值的反向偏压时能够产生3
×
105～4
×
105v/cm的电场强度的雪崩倍增区域22扩展至被沟槽29包围的整个区域。
[0070]
[雪崩倍增区域的详细情况]
[0071]
第1倍增区域71和第2倍增区域72的各自以到达沟槽29的方式延伸，在z方向上与电荷收集区域23和阱区域31重叠。第1倍增区域71的p型杂质的浓度在整个第1倍增区域71是均匀的。第1倍增区域71的p型杂质的浓度例如为1
×
10
16
cm-3
以上。
[0072]
第2倍增区域72具有n型杂质的浓度相互不同的第1部分72a和第2部分72b。第1部分72a在z方向上与电荷收集区域23重叠，第2部分72b在z方向上与阱区域31重叠。第1部分72a从z方向观察时位于阱区域31和势垒区域34的内侧，在z方向上与阱区域31和势垒区域34不重叠。
[0073]
第2部分72b与第1部分72a连续，从z方向看时包围第1部分72a。第2部分72b中的第1部分72a侧的部分(内侧部分)在z方向上与电荷收集区域23重叠。第2部分72b整体在z方向上与势垒区域34重叠。在从z方向观察时，第1部分72a与第2部分72b之间的边界和电荷收集区域23与势垒区域34之间的边界(势垒区域34的内缘)一致。
[0074]
第1部分72a的n型杂质的浓度高于第2部分72b的n型杂质的浓度。作为一个例子，第1部分72a的n型杂质的浓度为1
×
10
16
以上，第2部分72b的n型杂质的浓度为1
×
10
16
以上。第2部分72b的n型杂质的浓度而较高地设定为不产生在电压施加时因耗尽层到达阱区域31
而在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流过电流的情形(击穿现象)的程度。雪崩倍增区域22例如通过在均匀地形成具有与第2部分72b的n型杂质的浓度相等的n型杂质的浓度的区域后仅在第1部分72a追加注入n型杂质而形成。
[0075]
[光检测装置的工作例]
[0076]
在测距图像传感器10a的各像素11a，对相对电极50施加以光电栅电极41的电位为基准的负的电压(例如-50v)(即，对在雪崩倍增区域22形成的pn结施加反向偏压)，在雪崩倍增区域22产生3
×
105～4
×
105v/cm的电场强度。当在该状态下，经光入射开口60a和光电栅电极41而向半导体层20入射脉冲光l时，通过脉冲光l的吸收而产生的电子在雪崩倍增区域22倍增而高速地向电荷收集区域23移动(被收集在电荷收集区域23)。
[0077]
在生成对象物oj(参照图1)的距离图像时，在各像素11a，首先，对一对第2传送栅电极44、45施加复位电压(reset voltage)。复位电压是以光电栅电极41的电位为基准的正的电压。由此，移动至电荷收集区域23的电子从一对第2电荷传送区域26、27被排出。
[0078]
接着，对一对第1传送栅电极42、43施加脉冲电压信号。作为一个例子，施加于第1传送栅电极42的脉冲电压信号是以光电栅电极41的电位为基准的正的电压和负的电压交替重复的电压信号，是周期、脉冲宽度和相位与从光源2(参照图1)出射的脉冲光l的强度信号相同的电压信号。另一方面，施加于第1传送栅电极43的脉冲电压信号是除相位偏移180
°
以外，其它与施加于第1传送栅电极42的脉冲电压信号相同的电压信号。
[0079]
由此，被收集于电荷收集区域23的电子高速地交替传送至一对第1电荷传送区域24、25(被分配给一对第1电荷传送区域24、25)。通过规定期间的传送而蓄积于各第1电荷传送区域24、25的电子经由阱区域31等构成的读出电路和配线层60，从而作为信号传送至cmos读出电路部12(参照图1)。
[0080]
如图1所示，当脉冲光l从光源2出射，在测距图像传感器10a检测到被对象物oj反射后的脉冲光l时，相对于从光源2出射的脉冲光l的强度信号的相位，在测距图像传感器10a检测到的脉冲光l的强度信号的相位会相应于距对象物oj的距离d而偏离。因此，能够通过对各像素11a取得基于蓄积在各第1电荷传送区域24、25的电子的信号，从而生成对象物oj的距离图像。
[0081]
[作用和效果]
[0082]
在测距图像传感器10a中，第2倍增区域72具有在z方向(第1倍增区域71和第2倍增区域72的厚度方向)上与电荷收集区域23重叠的第1部分72a和在z方向上与阱区域31(第1导电型区域)重叠的第2部分72b，第1部分72a的n型杂质的浓度高于第2部分72b的n型杂质的浓度。由此，能够在第1部分72a使耗尽层容易地扩展，能够使电压施加时在雪崩倍增区域22产生的电场均匀化。
[0083]
参照图5和图6对此进行进一步说明。在图5和图6中，表示与测距图像传感器10a不同，第2倍增区域72的第1部分72a和第2部分72b的n型杂质的浓度彼此相等的情况下的模拟结果。在图5(a)、图5(b)、图6(a)、图6(b)中，表示施加于相对电极50的施加电压分别为30v、40v、50v、60v的情况下在雪崩倍增区域22产生的电场。在各图中，以虚线表示耗尽层的边界(等电位线)b。以下，将雪崩倍增区域22中在z方向上与电荷收集区域23重叠的部分作为第1部分22a，将在z方向上与阱区域31重叠的部分作为第2部分22b来进行说明。
[0084]
如图5(a)所示，在施加电压为30v的情况下，耗尽层的边界b大致平坦。如图5(b)所
示，当施加电压增加至40v时，在第1部分22a与第2部分22b之间耗尽层的形状开始出现差异。与第1部分22a相比，在第2部分22b耗尽层扩展得更大，第2部分22b中的电场变得比第1部分22a中的电场高。
[0085]
如图6(a)所示，当施加电压增加至50v时，在第2部分22b产生的耗尽层进入第1部分22a内。此外，第2部分22b的电场进一步上升。第1部分22a不耗尽，而维持低电场的状态。如图6(b)所示，当施加电压增加至60v时，在第1部分22a耗尽之前在第2部分22b产生结击穿，在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流过电流c。另外，结击穿是指由于对pn结施加高反向偏置电压而产生的雪崩击穿(avalanche breakdown)。
[0086]
这样，在第2倍增区域72的第1部分72a与第2部分72b的n型杂质的浓度相等的情况下，在电压施加时在雪崩倍增区域22产生的电场变得不均匀，存在在使施加电压增加至产生雪崩倍增的程度时产生结击穿的担忧。与此相对，在测距图像传感器10a中，由于第1部分72a的n型杂质的浓度高于第2部分72b的n型杂质的浓度，所以能够在第1部分72a使得耗尽层容易扩展，能够使在电压施加时在雪崩倍增区域22产生的电场均匀化(平坦化)。其结果是，即使在使施加电压增加至产生雪崩倍增的程度的情况下，也能够防止在第2部分72b产生结击穿。
[0087]
第1倍增区域71在z方向上与电荷收集区域23和阱区域31重叠。由此，能够确保第1倍增区域71的面积，能够实现高灵敏度化。
[0088]
第1倍增区域71和第2倍增区域72到达以将多个像素11a相互分离的方式形成的沟槽29。由此，能够以抑制了多个像素11a间的受光灵敏度的不均和1个像素11a内的由场所引起的受光灵敏度的不均的状态，在各像素11a中实现高灵敏度化。其结果是，能够在各像素11a中均匀实现受光灵敏度的提高。
[0089]
第1部分72a在z方向上与阱区域31不重叠。由此，能够不易产生因在电压施加时耗尽层到达阱区域31而产生的在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流过电流的情形(击穿现象)。
[0090]
阱区域31构成电路(像素电路)。阱区域31还是设置在多个像素11a之间的边界部的分离区域。根据测距图像传感器10a，即使在设置有这样的阱区域31的情况下，也能够使雪崩倍增区域22的电场均匀。
[0091]
阱区域31从z方向观察时包围电荷收集区域23。根据测距图像传感器10a，即使在设置有这样的阱区域31的情况下，也能够使雪崩倍增区域22的电场均匀化。
[0092]
测距图像传感器10a相对于第2倍增区域72配置于第1侧，包括与电荷收集区域23连接的第1电荷传送区域24、25和第2电荷传送区域26、27，以及在电荷收集区域23的与第1电荷传送区域24、25和第2电荷传送区域26、27相邻的区域上分别配置的第1传送栅电极42、43和第2传送栅电极44、45。由此，能够将收集于电荷收集区域23的电荷高速地传送至第1电荷传送区域24、25和第2电荷传送区域26、27。
[0093]
[第1变形例]
[0094]
图7和图8所示的第1变形例所涉及的测距图像传感器10b，在x方向上的电荷收集区域23的两侧配置有第2电荷传送区域26a、26b、27a、27b，在x方向上的光电栅电极41的两侧配置有多个第2传送栅电极44a、44b、45a、45b，主要在这两方面与上述的测距图像传感器10a不同。
[0095]
在测距图像传感器10b的各像素11a，一对第2电荷传送区域26a、26b配置在x方向上的电荷收集区域23的一侧且y方向上的第1电荷传送区域24的两侧。一对第2电荷传送区域27a、27b配置在x方向上的电荷收集区域23的另一侧且y方向上的第1电荷传送区域25的两侧。第2传送栅电极44a在从z方向观察时配置在光电栅电极41与第2电荷传送区域26a之间。第2传送栅电极44b在从z方向观察时配置在光电栅电极41与第2电荷传送区域26b之间。第2传送栅电极45a在从z方向观察时配置在光电栅电极41与第2电荷传送区域27a之间。第2传送栅电极45b在从z方向观察时配置在光电栅电极41与第2电荷传送区域27b之间。
[0096]
在测距图像传感器10b的第2倍增区域72，也与上述的测距图像传感器10a同样，第1部分72a的n型杂质的浓度高于第2部分72b的n型杂质的浓度。由此，能够在第1部分72a使耗尽层容易扩展，能够使在电压施加时在雪崩倍增区域22产生的电场均匀化。
[0097]
[第2变形例]
[0098]
图9、图10和图11所示的第2变形例所涉及的测距图像传感器10c中，第1电荷传送区域24配置在电荷收集区域23的中央部，多个第2电荷传送区域26沿电荷收集区域23的外缘配置，光电栅电极41和第1传送栅电极42呈环形形成，多个第2传送栅电极44以包围光电栅电极41的方式配置，在半导体层20不形成沟槽29，雪崩倍增区域22遍及多个像素11a相连，主要在这些方面与上述的测距图像传感器10a不同。
[0099]
在测距图像传感器10c的各像素11a中，第1电荷传送区域24在从z方向观察时配置在电荷收集区域23的中央部。多个第2电荷传送区域26在从z方向观察时，沿电荷收集区域23的外缘配置。各第2电荷传送区域26由相邻的2个像素11a共有。光电栅电极41在从z方向观察时，例如呈矩形环状，配置在第1电荷传送区域24的外侧且多个第2电荷传送区域26的内侧。第1传送栅电极42在从z方向观察时，例如呈矩形环状，配置在第1电荷传送区域24的外侧且光电栅电极41的内侧。各第2传送栅电极44在从z方向看时，配置在光电栅电极41与各第2电荷传送区域26之间。
[0100]
在测距图像传感器10c的各像素11a中，阱区域31和势垒区域34在从z方向观察时，配置在以分割多个像素11a的方式呈栅格状配置的多个假想线的交点上。因此，在半导体层20不形成沟槽29，雪崩倍增区域22的第1倍增区域71和第2倍增区域72遍及多个像素11a相连。在该例子中，阱区域31和势垒区域34在从z方向观察时，呈具有在x方向上相对的2个边和在y方向上相对的2个边的矩形状。阱区域31在从z方向观察时不包围电荷收集区域23。第2倍增区域72的第2部分72b在从z方向看时不包围第1部分72a。
[0101]
在测距图像传感器10c的第2倍增区域72，也与上述的测距图像传感器10a同样，第1部分72a的n型杂质的浓度高于第2部分72b的n型杂质的浓度。由此，能够在第1部分72a使耗尽层容易扩展，能够使在电压施加时在雪崩倍增区域22产生的电场均匀化。
[0102]
在测距图像传感器10c中，第1倍增区域71和第2倍增区域72的各自遍及多个像素11a而相连。由此，能够以抑制了多个像素11a间的受光灵敏度的不均和1个像素11a内的由场所引起的受光灵敏度的不均的状态，在各像素11a实现高灵敏度化。其结果是，能够在多个像素11a中均匀地提高受光灵敏度。
[0103]
另外，在测距图像传感器10c中，在半导体层20不形成宿区域35(参照图3)。这是因为，在测距图像传感器10c，与上述的测距图像传感器10a相比，势垒区域34与第1电荷传送区域24相隔更远，其结果是，汇集于势垒区域34的周边的电子不易进入第1电荷传送区域
24。
[0104]
[第3变形例]
[0105]
图12所示的第3变形例所涉及的测距图像传感器10d中，第1倍增区域71并不遍及多个像素11a相连，且未到达沟槽29，主要在这方面与上述的测距图像传感器10a不同。即，第1倍增区域71按每个像素11a分离地设置。第1倍增区域71在z方向上与电荷收集区域23重叠，而与阱区域31不重叠。
[0106]
在测距图像传感器10d的第2倍增区域72，也与上述的测距图像传感器10a同样，第1部分72a的n型杂质的浓度高于第2部分72b的n型杂质的浓度。由此，能够在第1部分72a使耗尽层容易扩展，能够使在电压施加时在雪崩倍增区域22产生的电场均匀化。
[0107]
在测距图像传感器10d中，第1倍增区域71在z方向与阱区域31不重叠。由此，在电压施加时在第2倍增区域72的第1部分72a形成的耗尽层不易向阱区域31扩展，防止耗尽层到达阱区域31。即，能够防止因耗尽层到达阱区域31而在雪崩倍增区域22与阱区域31之间流过电流。
[0108]
[第4变形例]
[0109]
图13所示的第4变形例所涉及的测距图像传感器10e主要在下述方面与上述的测距图像传感器10a不同。即，在测距图像传感器10e中，第1电荷传送区域24、25埋入阱区域31。第1电荷传送区域24、25在阱区域31内形成，通过阱区域31与电荷收集区域23分离。第1传送栅电极42、43配置在阱区域31的与第1电荷传送区域24、25相邻的区域上。
[0110]
第2倍增区域72的第1部分72a在z方向上与电荷收集区域23重叠，与阱区域31不重叠。第2部分72b在z方向上与阱区域31和势垒区域34重叠。第2部分72b在从z方向观察时包围电荷收集区域23，在z方向上与电荷收集区域23不重叠。不设置电荷阻止区域28。
[0111]
测距图像传感器10e在半导体层20具备配置在电荷收集区域23与光电栅电极41之间的夹持区域81。夹持区域81例如是具有5
×
10
15
cm-3
以上的载流子浓度的p型的区域。夹持区域81的载流子浓度高于电荷收集区域23的载流子浓度。夹持区域81呈沿着与z方向垂直的方向的层状而形成，遍及阱区域31之间地延伸。
[0112]
在测距图像传感器10e的第2倍增区域72中，也与上述的测距图像传感器10a同样，第1部分72a的n型杂质的浓度高于第2部分72b的n型杂质的浓度。由此，能够在第1部分72a使耗尽层容易扩展，能够使在电压施加时在雪崩倍增区域22产生的电场均匀化。此外，在电荷收集区域23与光电栅电极41之间配置有夹持区域81。由此，能够抑制光电栅电极41的附近的暗电流的产生。
[0113]
[第5变形例]
[0114]
在图14和图15所示的第5变形例所涉及的图像传感器10f中，各像素11a不具有第1电荷传送区域24、25、第2电荷传送区域26、27、电荷阻止区域28、locos区域33、势垒区域34和宿区域35，而具有半导体区域36和读出区域37。
[0115]
半导体区域36是p型的区域，在半导体层20相对于雪崩倍增区域22的第2倍增区域72形成于第1侧。作为一个例子，半导体区域36是具有1
×
10
15
cm-3
以下的载流子浓度的p型的区域。电荷收集区域23除第1表面20a侧以外被半导体区域36覆盖。
[0116]
读出区域37是n型的区域，在从z方向观察时的电荷收集区域23的中央部，沿第1表面20a形成。作为一个例子，读出区域37的杂质浓度为1
×
10
16
cm-3
以上，且其厚度为0.5μm左
右。
[0117]
阱区域31在电荷收集区域23内以到达第1表面20a的方式形成，除第1表面20a侧以外被电荷收集区域23覆盖。阱区域31构成像素电路90的一部分。像素电路90是具有在阱区域31内形成的一对沟道区域(源极区域和漏极区域)91和栅极电极92的n型的mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor：金属半导体场效应晶体管)。像素电路90除用于将流入电荷收集区域23的信号电荷经读出区域37读出的晶体管以外，构成放大用的晶体管、复位用的晶体管等。像素电路90也可以是jfet(junction field-effect transistor：结型场效应晶体管)、双极型晶体管等。
[0118]
图像传感器10f不具备电极层40。图像传感器10f的配线层60具有绝缘层61、多个配线62和多个接触插头(contact plug)63。多个配线62和多个接触插头63在绝缘层61内形成。读出区域37通过接触插头63与对应的配线62电连接。像素电路90的各部通过接触插头63与对应的配线62电连接。各配线62例如与图像传感器10f的读出电路部电连接。
[0119]
沟槽29以贯通半导体区域36的方式形成。沟槽29的一端位于配线层60的绝缘层61内。沟槽29的另一端位于雪崩倍增区域22的第2倍增区域72内。即，沟槽29不将雪崩倍增区域22完全分离。沟槽29例如以sti形成。
[0120]
在图像传感器10f中，相对电极50由具有透光性的材料形成，光经由相对电极50向半导体层20入射。在半导体层20产生的电荷在雪崩倍增区域22被倍增，倍增后的信号电荷流入电荷收集区域23，经读出区域37被多个像素电路90读出。图像传感器10f并不像上述的测距图像传感器10a那样检测从光源2出射而被对象物oj反射了的脉冲光l，而是检测从外部射来的光的光传感器。另外，图像传感器10f也可以以使得光不从第2侧而从第1侧入射的方式构成。在这种情况下，相对电极50也可以不具有透光性。
[0121]
图像传感器10f中，第1倍增区域71和第2倍增区域72的各自遍及多个像素11a相连。第2倍增区域72的第1部分72a与电荷收集区域23中位于阱区域31之间的部分重叠。第1部分72a在z方向上与阱区域31不重叠。第2部分72b在z方向上与阱区域31重叠，在从z方向观察时包围第1部分72a。第2部分72b在z方向上与电荷收集区域23的外侧部分重叠。在从z方向观察时，第1部分72a与第2部分72b之间的边界和电荷收集区域23与阱区域31之间的边界(阱区域31的内缘)一致。
[0122]
在图像传感器10f的第2倍增区域72，也与上述的测距图像传感器10a一样，第1部分72a的n型杂质的浓度高于第2部分72b的n型杂质的浓度。由此，能够在第1部分72a使耗尽层容易扩展，能够使在电压施加时在雪崩倍增区域22产生的电场均匀化。
[0123]
[第6变形例]
[0124]
图16所示的第6变形例的测距图像传感器10g主要在下述方面与上述的测距图像传感器10a不同。即，第2倍增区域72的n型杂质的浓度遍及整个第2倍增区域72都是均匀的。第2倍增区域72的n型杂质的浓度例如为1
×
10
16
cm-3
以上。
[0125]
第1倍增区域71具有p型杂质的浓度相互不同的第1部分71a和第2部分71b。第1部分71a在z方向上与电荷收集区域23重叠，第2部分71b在z方向上与阱区域31重叠。第1部分71a在从z方向观察时位于阱区域31和势垒区域34的内侧，在z方向上与阱区域31和势垒区域34不重叠。
[0126]
第2部分71b与第1部分71a连续，在从z方向观察时包围第1部分71a。第2部分71b中
的第1部分71a侧的部分(内侧部分)在z方向上与电荷收集区域23重叠。第2部分71b的整体在z方向上与势垒区域34重叠。在从z方向观察时，第1部分71a与第2部分71b之间的边界和电荷收集区域23与势垒区域34之间的边界(势垒区域34的内缘)一致。
[0127]
第2部分71b的p型杂质的浓度高于第1部分71a的p型杂质的浓度。作为一个例子，第2部分71b的p型杂质的浓度为1
×
10
16
以上，第1部分71a的p型杂质的浓度为1
×
10
16
以上。
[0128]
在测距图像传感器10g中，第2部分71b的p型杂质的浓度高于第1部分71a的p型杂质的浓度。由此，能够在第2部分71b抑制耗尽层的扩展，与上述的测距图像传感器10a一样，能够使在电压施加时在雪崩倍增区域22产生的电场均匀化。另外，在测距图像传感器10g中，第1倍增区域71(第2部分71b)也可以不到达沟槽29。
[0129]
在上述的测距图像传感器10b、10c、10e和图像传感器10f中，也可以与测距图像传感器10g一样，使得第2倍增区域72的n型杂质的浓度遍及整个第2倍增区域72都均匀，并且在第1倍增区域71中第2部分71b的p型杂质的浓度高于第1部分71a的p型杂质的浓度。在这种情况下，也能够使在电压施加时在雪崩倍增区域22产生的电场均匀化。
[0130]
本公开并不限定于上述实施方式和变形例。例如，在各结构的材料和形状中，并不限定于上述的材料和形状，可以采用各种各样的材料和形状。在测距图像传感器10a中，第2倍增区域72(第2部分72b)也可以不到达沟槽29。
[0131]
测距图像传感器10a只要具有相对于第2倍增区域72配置于第1侧的p型的区域(第1导电型的第1导电型区域)即可，阱区域31也可以不构成电路。例如，测距图像传感器10a也可以取代阱区域31，具备作为设置在多个像素11a之间的边界部的分离区域的第1导电型区域。在这种情况下，也可以通过贴合或利用线缆在测距图像传感器10a连接制作有像素电路的基板。这在测距图像传感器10b～10e、10g和图像传感器10f中也一样。
[0132]
在测距图像传感器10a～10e、10g的任一者中，均对1个像素11a设置有至少1个第1电荷传送区域、至少1个第2电荷传送区域、至少1个第1传送栅电极和至少1个第2传送栅电极即可，对第1传送栅电极和第2传送栅电极的电压施加方法、以及从第1电荷传送区域和第2电荷传送区域取出电荷的方法/排出电荷的方法，并不限定于上述的方法。在测距图像传感器10a～10e、10g的任一者中均可以不设置第2电荷收集区域和第2传送栅电极。
[0133]
在测距图像传感器10a～10e、10g和图像传感器10f中，p型和n型的导电型均可以与上述的方式相反。多个像素11a也可以沿半导体层20的第1表面20a一维地排列。也可以仅设置单一的像素11a。在测距图像传感器10a～10e和图像传感器10f的任一者中，第2倍增区域72的第1部分72a均可以在z方向上与阱区域31重叠。例如，第1部分72a也可以以使得第1部分72a的外缘部在z方向上与阱区域31重叠的方式形成。在这种情况下，能够使雪崩倍增区域22中的电场更加均匀化。同样，在测距图像传感器10g中，第1倍增区域71的第1部分71a也可以在z方向上与阱区域31重叠。

技术特征：

1.一种光传感器，其中，具备：具有分别呈层状形成的第1导电型的第1倍增区域和第2导电型的第2倍增区域的雪崩倍增区域；当将在所述第1倍增区域和所述第2倍增区域的厚度方向上所述第2倍增区域相对于所述第1倍增区域所在的一侧作为第1侧时，相对于所述第2倍增区域配置在所述第1侧的第2导电型的电荷收集区域；和相对于所述第2倍增区域配置在所述第1侧的第1导电型的第1导电型区域，所述第2倍增区域具有在所述厚度方向上与所述电荷收集区域重叠的第1部分和在所述厚度方向上与所述第1导电型区域重叠的第2部分，所述第1部分的杂质的浓度高于所述第2部分的杂质的浓度。2.如权利要求1所述的光传感器，其中，所述第1倍增区域在所述厚度方向上与所述电荷收集区域和所述第1导电型区域重叠。3.一种光传感器，其中，具备：具有分别呈层状形成的第1导电型的第1倍增区域和第2导电型的第2倍增区域的雪崩倍增区域；当将在所述第1倍增区域和所述第2倍增区域的厚度方向上所述第2倍增区域相对于所述第1倍增区域所在的一侧作为第1侧时，相对于所述第2倍增区域配置在所述第1侧的第2导电型的电荷收集区域；和相对于所述第2倍增区域配置在所述第1侧的第1导电型的第1导电型区域，所述第1倍增区域具有在所述第1倍增区域和所述第2倍增区域的厚度方向上与所述电荷收集区域重叠的第1部分和在所述厚度方向上与所述第1导电型区域重叠的第2部分，所述第2部分的杂质的浓度高于所述第1部分的杂质的浓度。4.如权利要求3所述的光传感器，其中，所述第2倍增区域在所述厚度方向上与所述电荷收集区域和所述第1导电型区域重叠。5.如权利要求1～4中的任一项所述的光传感器，其中，具备分别包含所述雪崩倍增区域、所述电荷收集区域和所述第1导电型区域的多个像素，所述第1倍增区域遍及所述多个像素相连或到达以将所述多个像素相互分离的方式形成的沟槽。6.如权利要求1～5中的任一项所述的光传感器，其中，具备分别包含所述雪崩倍增区域、所述电荷收集区域和所述第1导电型区域的多个像素，所述第2倍增区域遍及所述多个像素相连或到达以将所述多个像素相互分离的方式形成的沟槽。7.如权利要求1～6中的任一项所述的光传感器，其中，所述第1部分在所述厚度方向上与所述第1导电型区域不重叠。8.如权利要求1～6中的任一项所述的光传感器，其中，
所述第1部分在所述厚度方向上与所述第1导电型区域重叠。9.如权利要求1～8中的任一项所述的光传感器，其中，所述第1导电型区域是构成电路的阱区域。10.如权利要求1～9中的任一项所述的光传感器，其中，具备分别包含所述雪崩倍增区域、所述电荷收集区域和所述第1导电型区域的多个像素，所述第1导电型区域是设置在所述多个像素之间的边界部的分离区域。11.如权利要求1～10中的任一项所述的光传感器，其中，所述第1导电型区域在从所述厚度方向看时包围所述电荷收集区域。12.如权利要求1～11中的任一项所述的光传感器，其中，还具备：相对于所述电荷收集区域配置在所述第1侧的电极；和配置在所述电荷收集区域与所述电极之间的第1导电型的夹持区域。13.如权利要求1～12中的任一项所述的光传感器，其中，还具备：相对于所述第2倍增区域配置在所述第1侧的第2导电型的电荷传送区域；和配置在与所述电荷传送区域相邻的区域上的传送栅电极。

技术总结

光传感器包括：具有分别呈层状形成的第1导电型的第1倍增区域和第2导电型的第2倍增区域的雪崩倍增区域；当将在第1倍增区域和第2倍增区域的厚度方向上第2倍增区域相对于第1倍增区域所在的一侧作为第1侧时，相对于第2倍增区域配置在第1侧的第2导电型的电荷收集区域；和相对于第2倍增区域配置在第1侧的第1导电型的第1导电型区域。第2倍增区域具有在厚度方向上与电荷收集区域重叠的第1部分和在厚度方向上与第1导电型区域重叠的第2部分。第1部分的杂质的浓度高于第2部分的杂质的浓度。杂质的浓度高于第2部分的杂质的浓度。杂质的浓度高于第2部分的杂质的浓度。