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WO2021172036A1 - センサ素子およびセンサ装置 - Google Patents

センサ素子およびセンサ装置 Download PDF

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WO2021172036A1
WO2021172036A1 PCT/JP2021/005164 JP2021005164W WO2021172036A1 WO 2021172036 A1 WO2021172036 A1 WO 2021172036A1 JP 2021005164 W JP2021005164 W JP 2021005164W WO 2021172036 A1 WO2021172036 A1 WO 2021172036A1
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photoelectric conversion
unit
charge
semiconductor substrate
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卓哉 丸山
悠介 大竹
拓郎 村瀬
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Sony Semiconductor Solutions Corp
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Sony Semiconductor Solutions Corp
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/12—Image sensors

Definitions

  • the light incident on the semiconductor substrate 21 is transmitted to the FD portion 25 by providing the element separation structure 23 with an opening 26 having the minimum necessary opening area according to the charge transfer path. Leakage can be suppressed. As a result, the sensor element 11 can improve the PLS as compared with the conventional sensor element, and can obtain a better sensing result.
  • the semiconductor substrate 21 is etched with a mask pattern provided with such an opening region 31, the digging depth in the narrow region 32 becomes shallower than the opening region 31 in the other regions due to the microloading effect.
  • the semiconductor substrate 21 is dug into the surface.
  • the element separation structure 23 provided with the opening 26 having a curved shape with continuous arcs.
  • the sensor element 11b having such a configuration is better by suppressing the leakage of light to the FD units 25-1 and 25-2 and improving the PLS. The sensing result can be obtained.
  • the sensor element 11b can expand the area of the photoelectric conversion unit 22b as the three sides of the element separation structure 23b expand. As a result, the sensitivity of the photoelectric conversion unit 22b can be improved.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of the sensor element 11c of the third variation.
  • a in FIG. 6 shows a planar configuration example in the shallow portion of the sensor element 11c
  • B in FIG. 6 shows a planar configuration example in the deep portion of the sensor element 11c
  • C in FIG. 6 shows a cross-sectional configuration example of the sensor element 11c in the alternate long and short dash line AA shown in FIGS. 6A and 6B
  • the surface facing downward in C in FIG. 6 is a semiconductor. It is the back surface (light incident surface) of the substrate 21.
  • the same reference numerals are given to the configurations common to the sensor element 11a in FIG. 4, and detailed description thereof will be omitted.
  • the sensor element 11d has a configuration different from that of the sensor element 11a of FIG. 4 in that a drain region 51 is provided in place of the FD unit 25-2 (FIG. 4), and is otherwise shown in FIG. It has the same configuration as the sensor element 11a of No. 4.
  • the sensor element 11g is provided with an element separation structure 23 so as to surround the photoelectric conversion portion 22 of the semiconductor substrate 21, and an opening 26 is provided in a part of one side of the element separation structure 23. Is formed. Further, in the sensor element 11g, the electric charge is transferred to the FD unit 25-1 via the transfer gate 24-1 and the electric charge is transferred to the FD unit 25-2 via the transfer gate 24-2. The transfer path is configured to pass through the opening 26 of the element separation structure 23, which is the same configuration as the sensor element 11a of FIG. Further, in the sensor element 11g, the transistor forming regions 27-1 to 27-3 are provided outside the element separation structure 23.
  • the sensor element 11g like the sensor element 11a in FIG. 4, suppresses the leakage of light to the FD units 25-1 and 25-2, and improves the PLS to obtain better sensing results. Obtainable.
  • the sensor element 11 described above is required to have further improved PLS, such as a back-illuminated indirect TOF sensor, an IR (Infrared) sensor that detects near-infrared light, and various sensors having a global shutter structure. It can be applied to sensor devices.
  • the distance is measured by measuring the phase shift of the modulated light.
  • FIG. 14 is a diagram showing a usage example in which the above-mentioned sensor device 101 is used as an image sensor.

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Abstract

本開示は、より良好なセンシング結果を得ることができるようにするセンサ素子およびセンサ装置に関する。 センサ素子は、半導体基板に入射する光を受光して光電変換する光電変換部と、光が入射する裏面側から半導体基板を掘り込んだトレンチ構造で周囲を囲って、光電変換部を光学的に分離する分離部と、半導体基板の表面側に設けられ、光電変換部に蓄積されている電荷を転送する転送部と、転送部を介して光電変換部から転送される電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、光電変換部から電荷蓄積部への電荷の転送経路となる分離部の１辺の一部分が開口することで設けられる開口部とを備える。本技術は、例えば、間接TOFセンサまたはIRセンサに適用できる。

Description

センサ素子およびセンサ装置
　本開示は、センサ素子およびセンサ装置に関し、特に、より良好なセンシング結果を得ることができるようにしたセンサ素子およびセンサ装置に関する。
　従来、間接TOF（Time of Flight）センサなどの各種のセンサ装置は、例えば、複数のセンサ素子が半導体基板にアレイ状に配置されて構成される。そして、センサ装置では、センサ素子が受光した光がフォトダイオードにおいて光電変換され、光の受光量に応じて発生した電荷がフォトダイオードからＦＤ（Floating Diffusion）部に転送されて、その電位に応じた信号がセンサ素子から出力される。
　例えば、特許文献１には、半導体基板の裏面側から入射光を受ける距離画像装置において、フォトダイオードに存在する不要な電荷をリセットするための電荷破棄部、および、フォトダイオードから読み出した電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を備えた構造がオーバーフロードレイン開示されている。
特開２００９－８５３７号公報
　ところで、従来、裏面照射型のセンサ素子では、フォトダイオードでの光電変換で発生した電荷を蓄積するＦＤ部やメモリ領域などに対する遮光が十分に行われていない構造であった。そのため、ＦＤ部やメモリ領域などに漏れる光による感度の特性を示すPLS（Parasitic Light Sensitivity）が低下する原因となっていた。そこで、PLSの改善を図って、より良好なセンシング結果を得られるようにすることが求められている。
　本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より良好なセンシング結果を得ることができるようにするものである。
　本開示の一側面のセンサ素子は、半導体基板に照射される光を受光して光電変換する光電変換部と、前記光が照射される第１の面側から前記半導体基板を掘り込んだトレンチ構造で周囲を囲って、前記光電変換部を光学的に分離する分離部と、前記第１の面に対して反対側となる前記半導体基板の第２の面側に設けられ、前記光電変換部に蓄積されている電荷を転送する転送部と、前記転送部を介して前記光電変換部から転送される電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の転送経路となる前記分離部の１辺の一部分が開口することで設けられる開口部とを備える。
　本開示の一側面のセンサ装置は、半導体基板に照射される光を受光して光電変換する光電変換部と、前記光が照射される第１の面側から前記半導体基板を掘り込んだトレンチ構造で周囲を囲って、前記光電変換部を光学的に分離する分離部と、前記第１の面に対して反対側となる前記半導体基板の第２の面側に設けられ、前記光電変換部に蓄積されている電荷を転送する転送部と、前記転送部を介して前記光電変換部から転送される電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の転送経路となる前記分離部の１辺の一部分が開口することで設けられる開口部とを有するセンサ素子を備える。
　本開示の一側面においては、半導体基板に照射される光を受光する光電変換部によって光電変換され、光が照射される第１の面側から半導体基板を掘り込んだトレンチ構造で周囲を囲う分離部によって光電変換部が光学的に分離され、第１の面に対して反対側となる半導体基板の第２の面側に設けられる転送部によって光電変換部に蓄積されている電荷が転送され、転送部を介して光電変換部から転送される電荷が電荷蓄積部において一時的に蓄積され、光電変換部から電荷蓄積部への電荷の転送経路となる分離部の１辺の一部分が開口することで開口部が設けられる。
本技術を適用したセンサ素子の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 素子分離構造のマスクパターンについて説明する図である。 センサ素子の立体的な構成例を示す図である。 第１のバリエーションであるセンサ素子の構成例を示す図である。 第２のバリエーションであるセンサ素子の構成例を示す図である。 第３のバリエーションであるセンサ素子の構成例を示す図である。 センサ素子の積層構造の一例を示す図である。 第４のバリエーションであるセンサ素子の構成例を示す図である。 第５のバリエーションであるセンサ素子の構成例を示す図である。 第６のバリエーションであるセンサ素子の構成例を示す図である。 第７のバリエーションであるセンサ素子の構成例を示す図である。 第８のバリエーションであるセンサ素子の構成例を示す図である。 センサ装置の構成例を示すブロック図である。 イメージセンサを使用する使用例を示す図である。
　以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　＜センサ素子の構成例＞
　図１は、本技術を適用したセンサ素子の一実施の形態の構成例を示す図である。
　図１のＡには、センサ素子１１の平面的な構成例が示されている。図１のＢには、図１のＡに示す一点鎖線Ａ－Ａにおけるセンサ素子１１の断面的な構成例が示されており、図１のＣには、図１のＡに示す一点鎖線Ｂ－Ｂにおけるセンサ素子１１の断面的な構成例が示されている。
　図１に示すように、センサ素子１１は、半導体基板２１に入射する光を受光して光電変換する光電変換部２２の周囲を囲うように設けられる素子分離構造２３によって、光電変換部２２に入射した光が外部に漏れ出ないように光学的に分離する構成となっている。また、センサ素子１１は、光電変換部２２において光電変換された電荷を転送する転送ゲート２４、および、転送ゲート２４を介して光電変換部２２から転送されてくる電荷を一時的に蓄積するＦＤ部２５が、素子分離構造２３より外側の半導体基板２１の表面側に設けられている。そして、センサ素子１１では、光電変換部２２からＦＤ部２５への電荷の転送経路（図中の白抜きの矢印）となる素子分離構造２３の一部分が開口するように形成された開口部２６が設けられている。
　例えば、センサ素子１１は、平面視して矩形形状となっており、その矩形の１辺に転送ゲート２４およびＦＤ部２５が配置されている。そして、素子分離構造２３の開口部２６は、転送ゲート２４およびＦＤ部２５が配置された素子分離構造２３の１辺の一部分における掘り込み深さを、その一部分以外における掘り込み深さよりも浅くすることによって形成される。
　具体的には、素子分離構造２３は、半導体基板２１を裏面側から掘り込んだトレンチ構造となっており、平面視した矩形形状の４辺のうち、開口部２６が設けられる１辺以外の３辺は、半導体基板２１を貫通する深さまで掘り込まれる。そして、素子分離構造２３は、開口部２６が設けられる１辺では、開口部２６以外における掘り込み深さが、他の３辺と同様に半導体基板２１を貫通する深さとなるとともに、開口部２６における掘り込み深さが、他の部分よりも浅くなるように形成される。即ち、素子分離構造２３は、開口部２６が設けられる１辺の全てに亘る掘り込み深さが、他の３辺の掘り込み深さより浅い形状ではなく、その１辺の一部分だけ掘り込み深さが浅い形状となっている。
　また、素子分離構造２３の開口部２６は、図１のＢに示すように、円弧が連続する曲線的な形状となるように形成され、両側から徐々に浅くなるとともに、最も深くなる中央において曲線で凸となる形状に形成される。このような形状とすることで、開口部２６は、例えば、単なるアーチ形状よりも、電荷の転送経路に応じた必要最小限の開口面積とすることができる。これにより、開口部２６は、より小さな開口面積によって、開口部２６を介して素子分離構造２３の外へ光の漏れ出しを防止する効果をより大きくすることができる。
　また、センサ素子１１は、転送ゲート２４およびＦＤ部２５が設けられる１辺以外の３辺に沿って、素子分離構造２３より外側の半導体基板２１の表面側に、トランジスタ形成領域２７－１乃至２７－３が設けられる。トランジスタ形成領域２７－１乃至２７－３には、例えば、増幅トランジスタやリセットトランジスタ、選択トランジスタなどのように、センサ素子１１を駆動するのに必要となる各種のトランジスタが形成される。
　また、センサ素子１１は、半導体基板２１の裏面であって、半導体基板２１に光が入射する光入射面（図１のＢおよびＣの上側を向く面）に、素子間遮光膜２８およびオンチップレンズ２９が積層される。素子間遮光膜２８は、隣接する他のセンサ素子１１との境界を遮光し、オンチップレンズ２９は、半導体基板２１に入射してくる光を光電変換部２２に集光する。また、素子間遮光膜２８によって、転送ゲート２４およびＦＤ部２５も遮光される。
　このような構成のセンサ素子１１は、電荷の転送経路に応じた必要最小限の開口面積となる開口部２６を素子分離構造２３に設けることによって、半導体基板２１に入射した光がＦＤ部２５に漏れ出すことを抑制することができる。これにより、センサ素子１１は、従来のセンサ素子と比較して、PLSの改善を図ることができ、より良好なセンシング結果を得ることができる。
　ここで、図２を参照して、素子分離構造２３となるトレンチ構造を掘り込む際に用いられるマスクパターンについて説明する。
　図２において、クロスハッチングが施されている開口領域３１が、素子分離構造２３となるトレンチ構造を掘り込むのに用いられるマスクパターンが開口している領域に該当する。そして、素子分離構造２３に開口部２６が設けられる個所は、開口領域３１の線幅が細くなるようにマスクパターンが形成される。即ち、矩形の開口領域３１の１辺の一部分が細幅領域３２となっている。
　そして、このような開口領域３１が設けられたマスクパターンで半導体基板２１をエッチングすると、マイクロローディング効果によって、細幅領域３２における掘り込み深さが、その他の領域の開口領域３１よりも浅くなるように半導体基板２１が掘り込まれる。これにより、図１に示したように、円弧が連続する曲線的な形状の開口部２６が設けられた素子分離構造２３を形成することができる。
　図３は、センサ素子１１の立体的な構成例を示す図である。
　図３に示すように、センサ素子１１は、半導体基板２１の光入射面においてセンサ素子１１の周囲を囲うように素子間遮光膜２８が配置されており、半導体基板２１に入射した光が外部に漏れ出すことを防止するように素子分離構造２３が設けられている。また、センサ素子１１は、半導体基板２１の裏面側から光が照射される裏面照射型であり、図３において下側を向く面が半導体基板２１の表面となる。
　そして、センサ素子１１は、半導体基板２１の表面側からの深さが深い部分である深部において、素子分離構造２３によって外周全てが光学的に分離される構造となっている。さらに、センサ素子１１は、半導体基板２１の表面側からの深さが浅い部分である浅部において、素子分離構造２３の一部分に開口部２６が設けられ、開口部２６以外は、素子分離構造２３によって外周が光学的に分離される構造となっている。
　＜センサ素子のバリエーション＞
　図４乃至図１２を参照して、センサ素子１１のバリエーションについて説明する。
　図４は、第１のバリエーションであるセンサ素子１１ａの構成例を示す図である。
　図４のＡには、センサ素子１１ａの浅部における平面的な構成例が示されており、図４のＢには、センサ素子１１ａの深部における平面的な構成例が示されている。また、図４のＣには、図４のＡおよびＢに示す一点鎖線Ａ－Ａにおけるセンサ素子１１ａの断面的な構成例が示されており、図４のＣにおいて下側を向く面が半導体基板２１の裏面（光入射面）となっている。なお、図４に示すセンサ素子１１ａにおいて、図１のセンサ素子１１と共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　センサ素子１１ａは、図１のセンサ素子１１と同様に、半導体基板２１の光電変換部２２の周囲を囲うように素子分離構造２３が設けられ、素子分離構造２３の１辺の一部分に開口部２６が形成された構成となっている。
　そして、センサ素子１１ａでは、２つの転送ゲート２４－１および２４－２、並びに、２つのＦＤ部２５－１および２５－２が、半導体基板２１の表面側に設けられている。即ち、センサ素子１１ａは、転送ゲート２４－１を介してＦＤ部２５－１に電荷が転送される転送経路、および、転送ゲート２４－２を介してＦＤ部２５－２に電荷が転送される転送経路が、素子分離構造２３の開口部２６を通るような構成となっている。
　また、センサ素子１１ａは、図１のセンサ素子１１と同様に、素子分離構造２３より外側の半導体基板２１の表面側に、トランジスタ形成領域２７－１乃至２７－３が設けられている。
　このような構成のセンサ素子１１ａは、図１のセンサ素子１１と同様に、ＦＤ部２５－１および２５－２への光の漏れ出しを抑制し、PLSの改善を図ることによって、より良好なセンシング結果を得ることができる。
　図５は、第２のバリエーションのセンサ素子１１ｂの構成例を示す図である。
　図５のＡには、センサ素子１１ｂの浅部における平面的な構成例が示されており、図５のＢには、センサ素子１１ｂの深部における平面的な構成例が示されている。また、図５のＣには、図５のＡおよびＢに示す一点鎖線Ａ－Ａにおけるセンサ素子１１ｂの断面的な構成例が示されており、図５のＣにおいて下側を向く面が半導体基板２１の裏面（光入射面）となっている。なお、図５に示すセンサ素子１１ｂにおいて、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　センサ素子１１ｂは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、半導体基板２１の光電変換部２２ｂの周囲を囲うように素子分離構造２３ｂが設けられ、素子分離構造２３ｂの１辺の一部分に開口部２６が形成された構成となっている。また、センサ素子１１ｂは、転送ゲート２４－１を介してＦＤ部２５－１に電荷が転送される転送経路、および、転送ゲート２４－２を介してＦＤ部２５－２に電荷が転送される転送経路が、素子分離構造２３ｂの開口部２６を通るような構成である点で、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成となっている。
　そして、センサ素子１１ｂでは、素子分離構造２３ｂが、転送ゲート２４－１および２４－２並びにＦＤ部２５－１および２５－２が設けられている１辺以外の３辺がセンサ素子１１ｂの外周となる位置に配置されるように設けられる。これにより、センサ素子１１ｂは、素子分離構造２３ｂより内側となる半導体基板２１の表面側に、トランジスタ形成領域２７－１乃至２７－３が設けられる構成となる。
　このような構成のセンサ素子１１ｂは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、ＦＤ部２５－１および２５－２への光の漏れ出しを抑制し、PLSの改善を図ることによって、より良好なセンシング結果を得ることができる。
　さらに、センサ素子１１ｂは、図４のセンサ素子１１ａと比較して、素子分離構造２３ｂの３辺が広がるような形状となるのに伴って光電変換部２２ｂの面積を拡大することができ、その結果、光電変換部２２ｂの感度の向上を図ることができる。
　図６は、第３のバリエーションのセンサ素子１１ｃの構成例を示す図である。
　図６のＡには、センサ素子１１ｃの浅部における平面的な構成例が示されており、図６のＢには、センサ素子１１ｃの深部における平面的な構成例が示されている。また、図６のＣには、図６のＡおよびＢに示す一点鎖線Ａ－Ａにおけるセンサ素子１１ｃの断面的な構成例が示されており、図６のＣにおいて下側を向く面が半導体基板２１の裏面（光入射面）となっている。なお、図６に示すセンサ素子１１ｃにおいて、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　センサ素子１１ｃは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、半導体基板２１の光電変換部２２ｃの周囲を囲うように素子分離構造２３ｃが設けられ、素子分離構造２３ｃの１辺の一部分に開口部２６が形成された構成となっている。また、センサ素子１１ｃは、転送ゲート２４－１を介してＦＤ部２５－１に電荷が転送される転送経路、および、転送ゲート２４－２を介してＦＤ部２５－２に電荷が転送される転送経路が、素子分離構造２３ｃの開口部２６を通るような構成である点で、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成となっている。
　また、センサ素子１１ｃでは、図５のセンサ素子１１ｂと同様に、素子分離構造２３ｃが、転送ゲート２４－１および２４－２並びにＦＤ部２５－１および２５－２が設けられている１辺以外の３辺がセンサ素子１１ｃの外周となる位置に配置される形状で設けられている。
　ここで、センサ素子１１ｃは、図７に示すように、半導体基板２１にトランジスタ形成基板４１が積層され、トランジスタ形成基板４１に回路基板４２が積層された３層の積層構造となっている。そして、センサ素子１１ｃでは、トランジスタ形成基板４１にトランジスタ形成領域２７－１乃至２７－３（図示せず）が設けられる。即ち、センサ素子１１ｃは、トランジスタ形成領域２７－１乃至２７－３が半導体基板２１の表面に設けられない構成となっている。
　このような構成のセンサ素子１１ｃは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、ＦＤ部２５－１および２５－２への光の漏れ出しを抑制し、PLSの改善を図ることによって、より良好なセンシング結果を得ることができる。
　さらに、センサ素子１１ｃは、図４のセンサ素子１１ａと比較して、トランジスタ形成領域２７－１乃至２７－３が半導体基板２１の表面に設けられない構成とするのに伴って光電変換部２２ｂの面積を拡大することができ、その結果、光電変換部２２ｂの感度の向上を図ることができる。即ち、センサ素子１１ｃは、素子分離構造２３ｃによる遮光面積を最小化するのに伴って光電変換部２２ｂの感度を最大化し、かつ、光電変換部２２ｃの面積を確保することによって飽和電荷量を稼ぐことができるので、感度および飽和電荷量の両方の向上を図ることができる。
　図８は、第４のバリエーションのセンサ素子１１ｄの構成例を示す図である。
　図８のＡには、センサ素子１１ｄの浅部における平面的な構成例が示されており、図８のＢには、センサ素子１１ｄの深部における平面的な構成例が示されている。また、図８のＣには、図８のＡおよびＢに示す一点鎖線Ａ－Ａにおけるセンサ素子１１ｄの断面的な構成例が示されており、図８のＣにおいて下側を向く面が半導体基板２１の裏面（光入射面）となっている。なお、図８に示すセンサ素子１１ｄにおいて、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　センサ素子１１ｄは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、半導体基板２１の光電変換部２２ｄの周囲を囲うように素子分離構造２３ｄが設けられ、素子分離構造２３ｄの１辺の一部分に開口部２６が形成された構成となっている。また、センサ素子１１ｄは、転送ゲート２４－１を介してＦＤ部２５－１に電荷が転送される転送経路、および、転送ゲート２４－２を介してドレイン領域５１に電荷が転送（排出）される転送経路が、素子分離構造２３ｄの開口部２６を通るような構成である点で、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成となっている。
　即ち、センサ素子１１ｄは、ＦＤ部２５－２（図４）に替えてドレイン領域５１が設けられている点で、図４のセンサ素子１１ａと異なる構成となっており、その他の点で、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成となっている。
　このような構成のセンサ素子１１ｄは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、ＦＤ部２５への光の漏れ出しを抑制し、PLSの改善を図ることによって、より良好なセンシング結果を得ることができる。
　さらに、センサ素子１１ｄは、例えば、ＦＤ部２５で電荷を蓄積するタイプのグローバルシャッタ構造に適用することが好適である。即ち、センサ素子１１ｄでは、光電変換部２２ｄからＦＤ部２５に転送された電荷が、ＦＤ部２５から読み出されるまでの電荷蓄積時間において、転送ゲート２４－２をオンにして光電変換部２２で発生している電荷をドレイン領域５１に排出することができる。これにより、電荷蓄積時間において、光電変換部２２からＦＤ部２５－１へ電荷が流入することを抑制することができ、さらに良好なセンシング結果を得ることができる。
　図９は、第５のバリエーションのセンサ素子１１ｅの構成例を示す図である。
　図９のＡには、センサ素子１１ｅの浅部における平面的な構成例が示されており、図９のＢには、センサ素子１１ｅの深部における平面的な構成例が示されている。また、図９のＣには、図９のＡおよびＢに示す一点鎖線Ａ－Ａにおけるセンサ素子１１ｅの断面的な構成例が示されており、図９のＣにおいて下側を向く面が半導体基板２１の裏面（光入射面）となっている。なお、図９に示すセンサ素子１１ｅにおいて、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　センサ素子１１ｅは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、半導体基板２１の光電変換部２２ｅの周囲を囲うように素子分離構造２３ｅが設けられ、素子分離構造２３ｅの１辺の一部分に開口部２６ｅが形成された構成となっている。また、センサ素子１１ｅでは、トランジスタ形成領域２７－１乃至２７－３は、素子分離構造２３ｅの内側に設けられている。
　そして、センサ素子１１ｅでは、素子分離構造２３ｅが、その４辺全てがセンサ素子１１ｅの外周となる位置に配置されるように設けられている。さらに、センサ素子１１ｅでは、素子分離構造２３ｅの内側に転送ゲート２４ｅ－１および２４ｅ－２が配置されるとともに、素子分離構造２３ｅに形成されている開口部２６ｅの真下にＦＤ部２５ｅ－１および２５ｅ－２が配置されている。なお、センサ素子１１ｅでは、開口部２６ｅは、ＦＤ部２５ｅ－１および２５ｅ－２が真下に配置されるのに伴って、例えば、図４の開口部２６ａよりも開口面積は大きくなっている。それでも、開口部２６ｅは、図９に示すように、素子分離構造２３ｅの１辺の一部分だけ掘り込み深さを浅くすることで開口部２６ｅが形成されている点で、図４の開口部２６ａと同様である。
　このような構成のセンサ素子１１ｅは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、ＦＤ部２５－１ｅおよび２５ｅ－２への光の漏れ出しを抑制し、PLSの改善を図ることによって、より良好なセンシング結果を得ることができる。
　さらに、センサ素子１１ｅは、例えば、素子分離構造の１辺の全てに亘る掘り込み深さが浅い形状と比較して、開口部２６ｅの開口面積を狭くすることができる。これにより、センサ素子１１ｅは、例えば、近赤外光におけるPLSの改善を図ることができ、近赤外光がＦＤ部２５－１ｅおよび２５ｅ－２に漏れ出すことを抑制することができる。
　図１０は、第６のバリエーションのセンサ素子１１ｆの構成例を示す図である。
　図１０には、センサ素子１１ｆの浅部における平面的な構成例が示されている。なお、図１０に示すセンサ素子１１ｆにおいて、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　センサ素子１１ｆは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、半導体基板２１の光電変換部２２の周囲を囲うように素子分離構造２３が設けられ、素子分離構造２３の１辺の一部分に開口部２６が形成された構成となっている。また、センサ素子１１ｆは、転送ゲート２４ｆ－１を介してＦＤ部２５ｆ－１に電荷が転送される転送経路、および、転送ゲート２４ｆ－２を介してＦＤ部２５ｆ－２に電荷が転送される転送経路が、素子分離構造２３の開口部２６を通るような構成である点で、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成となっている。また、センサ素子１１ｆでは、トランジスタ形成領域２７－１乃至２７－３は、素子分離構造２３の外側に設けられている。
　そして、センサ素子１１ｆでは、転送ゲート２４ｆ－１からＦＤ部２５ｆ－１までの間に、メモリ領域５２－１および読み出しゲート５３－１が配置され、転送ゲート２４ｆ－２からＦＤ部２５ｆ－２までの間に、メモリ領域５２－２および読み出しゲート５３－２が配置されている。即ち、転送ゲート２４ｆ－１を介して光電変換部２２から転送される電荷はメモリ領域５２－１において保持された後、読み出しゲート５３－１により読み出されてＦＤ部２５ｆ－１に供給される。同様に、転送ゲート２４ｆ－２を介して光電変換部２２から転送される電荷はメモリ領域５２－２において保持された後、読み出しゲート５３－２により読み出されてＦＤ部２５ｆ－２に供給される。
　このような構成のセンサ素子１１ｆは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、ＦＤ部２５－１および２５－２への光の漏れ出しを抑制し、PLSの改善を図ることによって、より良好なセンシング結果を得ることができる。
　さらに、センサ素子１１ｆは、例えば、メモリ領域５２－１および５２－２で電荷を蓄積するタイプのグローバルシャッタ構造に適用することが好適であり、メモリ領域５２－１および５２－２についてもPLSの改善を図ることができる。
　図１１は、第７のバリエーションのセンサ素子１１ｇの構成例を示す図である。
　図１１のＡには、センサ素子１１ｇの浅部における平面的な構成例が示されており、図１１のＢには、センサ素子１１ｇの概略的な断面構成例が示されている。なお、図１１に示すセンサ素子１１ｇにおいて、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　センサ素子１１ｇは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、半導体基板２１の光電変換部２２の周囲を囲うように素子分離構造２３が設けられ、素子分離構造２３の１辺の一部分に開口部２６が形成された構成となっている。また、センサ素子１１ｇは、転送ゲート２４－１を介してＦＤ部２５－１に電荷が転送される転送経路、および、転送ゲート２４－２を介してＦＤ部２５－２に電荷が転送される転送経路が、素子分離構造２３の開口部２６を通るような構成である点で、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成となっている。また、センサ素子１１ｇでは、トランジスタ形成領域２７－１乃至２７－３は、素子分離構造２３の外側に設けられている。
　ここで、センサ素子１１ｇは、図１１のＢに示すように、半導体基板２１およびオンチップレンズ２９の間に、可視光を吸収する光電変換膜６１が設けられている。従って、センサ素子１１ｇでは、光電変換膜６１において可視光が光電変換され、半導体基板２１の光電変換部２２において近赤外光が光電変換されることになる。
　このように、センサ素子１１ｇは、半導体基板２１の光入射面に光電変換膜６１を積層して組み合わせる構造によって、センサ素子１１ｇに入射する光が半導体基板２１に到達するまでに光を集光することで、素子間遮光膜２８（図３参照）での感度低下を抑制することができる。
　そして、センサ素子１１ｇは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、ＦＤ部２５－１および２５－２への光の漏れ出しを抑制し、PLSの改善を図ることによって、より良好なセンシング結果を得ることができる。
　図１２は、第８のバリエーションであるセンサ素子１１ｈの構成例を示す図である。
　図１２には、センサ素子１１ｈの浅部における平面的な構成例が示されている。なお、図１２に示すセンサ素子１１ｈにおいて、図４のセンサ素子１１ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　センサ素子１１ｈは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、半導体基板２１の光電変換部２２の周囲を囲うように素子分離構造２３ｈが設けられ、素子分離構造２３ｈの２カ所に、開口部２６－１および２６－２が形成された構成となっている。また、センサ素子１１ｈでは、トランジスタ形成領域２７－１および２７－２は、素子分離構造２３ｈの内側に設けられている。
　そして、センサ素子１１ｈでは、４つの転送ゲート２４－１乃至２４－４、３つのＦＤ部２５－１乃至２５－３、および、ドレイン領域５１が、半導体基板２１の表面側に設けられている。即ち、センサ素子１１ｈは、転送ゲート２４－１を介してＦＤ部２５－１に電荷が転送される転送経路、および、転送ゲート２４－２を介してＦＤ部２５－２に電荷が転送される転送経路が、素子分離構造２３ｈの開口部２６－１を通るような構成となっている。また、センサ素子１１ｈは、転送ゲート２４－３を介してＦＤ部２５－３に電荷が転送される転送経路、および、転送ゲート２４－４を介してドレイン領域５１に電荷が転送（排出）される転送経路が、素子分離構造２３ｈの開口部２６－２を通るような構成となっている。
　このような構成のセンサ素子１１ｈは、図４のセンサ素子１１ａと同様に、ＦＤ部２５－１乃至２５－３への光の漏れ出しを抑制し、PLSの改善を図ることによって、より良好なセンシング結果を得ることができる。
　さらに、センサ素子１１ｈは、光電変換部２２からＦＤ部２５－１乃至２５－３に転送された電荷が、ＦＤ部２５－１乃至２５－３から読み出されるまでの電荷蓄積時間において、転送ゲート２４－４をオンにして光電変換部２２で発生している電荷をドレイン領域５１に排出することができる。これにより、電荷蓄積時間において、光電変換部２２からＦＤ部２５－１乃至２５－３へ電荷が流入することを抑制することができ、さらに良好なセンシング結果を得ることができる。
　なお、図１２に示す構成例では、２カ所に開口部２６が設けられているが、開口部２６は、電荷の転送経路に応じて２カ所以上の複数個所に設けてもよい。
　＜センサ装置の構成例＞
　上述したセンサ素子１１は、例えば、裏面照射型の間接TOFセンサや、近赤外光を検出するIR（Infrared）センサ、グローバルシャッタ構造の各種のセンサなどのように、よりPLSの改善が求められるセンサ装置に適用することができる。なお、間接TOFでは、変調をかけた光の位相のずれを計測することによって距離が測定される。
　図１３は、センサ素子１１を適用したセンサ装置の構成例を示すブロック図である。
　図１３に示すように、センサ装置１０１は、光学系１０２、センサチップ１０３、信号処理回路１０４、モニタ１０５、およびメモリ１０６を備えて構成され、センサ素子１１の出力を画素値とした静止画像および動画像を取得可能である。
　光学系１０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）をセンサチップ１０３に導き、センサチップ１０３の光入射面に結像させる。
　センサチップ１０３は、例えば、複数のセンサ素子１１がアレイ状に配置されており、光学系１０２を介して光入射面に結像される像に従って、光電変換部２２で光電変換された電荷に応じた画素信号が信号処理回路１０４に供給される。
　信号処理回路１０４は、センサチップ１０３から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路１０４が信号処理を施すことにより得られたセンサ画像（画像データ）は、モニタ１０５に供給されて表示されたり、メモリ１０６に供給されて記憶（記録）されたりする。
　このように構成されているセンサ装置１０１では、上述したセンサ素子１１を適用することで、例えば、PLSの改善された正確なセンサ画像を取得することができる。
　＜イメージセンサの使用例＞
　図１４は、上述のセンサ装置１０１をイメージセンサとして使用する使用例を示す図である。
　上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
　・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
　・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
　・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
　・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
　・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
　・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
　・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
　・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
　＜構成の組み合わせ例＞
　なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
　半導体基板に入射する光を受光して光電変換する光電変換部と、
　前記光が入射する第１の面側から前記半導体基板を掘り込んだトレンチ構造で周囲を囲って、前記光電変換部を光学的に分離する分離部と、
　前記第１の面に対して反対側となる前記半導体基板の第２の面側に設けられ、前記光電変換部に蓄積されている電荷を転送する転送部と、
　前記転送部を介して前記光電変換部から転送される電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、
　前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の転送経路となる前記分離部の１辺の一部分が開口することで設けられる開口部と
　を備えるセンサ素子。
（２）
　前記分離部は、平面視して矩形形状に形成されており、
　　前記転送部および前記電荷蓄積部が配置される前記１辺以外の３辺、および、前記１辺において前記開口部が設けられている一部分以外の部分は、前記半導体基板を貫通する深さの掘り込み深さでトレンチ構造が形成され、
　　前記開口部だけ掘り込み深さが浅くトレンチ構造が形成される
　上記（１）に記載のセンサ素子。
（３）
　前記分離部となるトレンチ構造を掘り込む際に用いられるマスクパターンの線幅が、前記開口部に対応する領域で線細に形成される
　上記（２）に記載のセンサ素子。
（４）
　前記転送部および前記電荷蓄積部が、それぞれ所定個数ずつ設けられる
　上記（１）から（３）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（５）
　前記分離部は、平面視して矩形形状に形成されており、前記転送部および前記電荷蓄積部が配置される１辺以外の３辺が前記センサ素子の外周となる位置に配置される
　上記（１）から（４）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（６）
　前記半導体基板に対して少なくともトランジスタ形成基板が積層された積層構造となっており、
　前記センサ素子を駆動するのに必要となるトランジスタが前記トランジスタ形成基板に設けられる
　上記（１）から（５）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（７）
　前記電荷蓄積部において一時的に電荷が蓄積されている電荷蓄積時間において、前記光電変換部で発生した電荷を排出する電荷排出部
　をさらに備える上記（１）から（６）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（８）
　前記分離部は、平面視して矩形形状に形成されており、その４辺が前記センサ素子の外周となる位置に配置され、
　前記電荷蓄積部は、前記分離部に設けられた前記開口部の真下に配置される
　をさらに備える上記（１）から（７）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（９）
　前記転送部から前記電荷蓄積部までの間に、メモリ領域および電荷読み出し部が設けられており、
　前記メモリ領域は、前記転送部を介して前記光電変換部から転送される電荷を保持し、
　前記電荷読み出し部は、前記メモリ領域に保持されている電荷を読み出して前記電荷蓄積部に供給する
　上記（１）から（８）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１０）
　前記半導体基板の光入射面に対して積層され、可視光を吸収する光電変換膜
　をさらに備える上記（１）から（９）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１１）
　前記分離部の複数個所に前記開口部が設けられる
　上記（１）から（１０）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１２）
　前記開口部は、両側から徐々に浅くなるとともに、最も深くなる中央において曲線で凸となる形状で設けられる
　上記（１）から（１１）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１３）
　変調をかけた光の位相のずれを計測することによって距離を測定する間接TOF（Time of Flight）センサの用途で用いられる
　上記（１）から（１２）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１４）
　前記光電変換部によって近赤外光を検出するIR（Infrared）センサの用途で用いられる
　上記（１）から（１２）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１５）
　半導体基板に照射される光を受光して光電変換する光電変換部と、
　前記光が照射される第１の面側から前記半導体基板を掘り込んだトレンチ構造で周囲を囲って、前記光電変換部を光学的に分離する分離部と、
　前記第１の面に対して反対側となる前記半導体基板の第２の面側に設けられ、前記光電変換部に蓄積されている電荷を転送する転送部と、
　前記転送部を介して前記光電変換部から転送される電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、
　前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の転送経路となる前記分離部の１辺の一部分が開口することで設けられる開口部と
　を有するセンサ素子を備えるセンサ装置。
　なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
　１１　センサ素子，　２１　半導体基板，　２２　光電変換部，　２３　素子分離構造，　２４　転送ゲート，　２５　ＦＤ部，　２６　開口部，　２７　トランジスタ形成領域，　２８　素子間遮光膜，　２９　オンチップレンズ，　３１　開口領域，　３２　細幅領域，　４１　トランジスタ形成基板，　４２　回路基板，　５１　ドレイン領域，　５２　メモリ領域，　５３　読み出しゲート，　６１　光電変換膜

Claims (15)

  1. 　半導体基板に入射する光を受光して光電変換する光電変換部と、
    　前記光が入射する第１の面側から前記半導体基板を掘り込んだトレンチ構造で周囲を囲って、前記光電変換部を光学的に分離する分離部と、
    　前記第１の面に対して反対側となる前記半導体基板の第２の面側に設けられ、前記光電変換部に蓄積されている電荷を転送する転送部と、
    　前記転送部を介して前記光電変換部から転送される電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、
    　前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の転送経路となる前記分離部の１辺の一部分が開口することで設けられる開口部と
    　を備えるセンサ素子。
  2. 　前記分離部は、平面視して矩形形状に形成されており、
    　　前記転送部および前記電荷蓄積部が配置される前記１辺以外の３辺、および、前記１辺において前記開口部が設けられている一部分以外の部分は、前記半導体基板を貫通する深さの掘り込み深さでトレンチ構造が形成され、
    　　前記開口部だけ掘り込み深さが浅くトレンチ構造が形成される
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  3. 　前記分離部となるトレンチ構造を掘り込む際に用いられるマスクパターンの線幅が、前記開口部に対応する領域で線細に形成される
    　請求項２に記載のセンサ素子。
  4. 　前記転送部および前記電荷蓄積部が、それぞれ所定個数ずつ設けられる
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  5. 　前記分離部は、平面視して矩形形状に形成されており、前記転送部および前記電荷蓄積部が配置される１辺以外の３辺が前記センサ素子の外周となる位置に配置される
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  6. 　前記半導体基板に対して少なくともトランジスタ形成基板が積層された積層構造となっており、
    　前記センサ素子を駆動するのに必要となるトランジスタが前記トランジスタ形成基板に設けられる
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  7. 　前記電荷蓄積部において一時的に電荷が蓄積されている電荷蓄積時間において、前記光電変換部で発生した電荷を排出する電荷排出部
    　をさらに備える請求項１に記載のセンサ素子。
  8. 　前記分離部は、平面視して矩形形状に形成されており、その４辺が前記センサ素子の外周となる位置に配置され、
    　前記電荷蓄積部は、前記分離部に設けられた前記開口部の真下に配置される
    　をさらに備える請求項１に記載のセンサ素子。
  9. 　前記転送部から前記電荷蓄積部までの間に、メモリ領域および電荷読み出し部が設けられており、
    　前記メモリ領域は、前記転送部を介して前記光電変換部から転送される電荷を保持し、
    　前記電荷読み出し部は、前記メモリ領域に保持されている電荷を読み出して前記電荷蓄積部に供給する
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  10. 　前記半導体基板の光入射面に対して積層され、可視光を吸収する光電変換膜
    　をさらに備える請求項１に記載のセンサ素子。
  11. 　前記分離部の複数個所に前記開口部が設けられる
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  12. 　前記開口部は、両側から徐々に浅くなるとともに、最も深くなる中央において曲線で凸となる形状で設けられる
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  13. 　変調をかけた光の位相のずれを計測することによって距離を測定する間接TOF（Time of Flight）センサの用途で用いられる
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  14. 　前記光電変換部によって近赤外光を検出するIR（Infrared）センサの用途で用いられる
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  15. 　半導体基板に照射される光を受光して光電変換する光電変換部と、
    　前記光が照射される第１の面側から前記半導体基板を掘り込んだトレンチ構造で周囲を囲って、前記光電変換部を光学的に分離する分離部と、
    　前記第１の面に対して反対側となる前記半導体基板の第２の面側に設けられ、前記光電変換部に蓄積されている電荷を転送する転送部と、
    　前記転送部を介して前記光電変換部から転送される電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、
    　前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の転送経路となる前記分離部の１辺の一部分が開口することで設けられる開口部と
    　を有するセンサ素子を備えるセンサ装置。
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