JP2006237622A - 能動画素センサにおける量子効率の改善 - Google Patents

Abstract

【課題】 適切なコンタクトのサイジングと整形によって受光部の量子効率が改善できるフォトダイオード形状を提供する。
【解決手段】ＭＯＳ型固体撮像素子において、フォトダイオード素子１０２が、開口率を向上させて電荷を直接得るよりもむしろ、基板中の電子正孔対の拡散を得るために最適化された、Ｈ字状、Ｘ字状，リング状など特殊な形状に形成されており容量を低減させることにより光電変換効率を向上させる。フォトダイオード１０２は、薄型のポリシリコンの覆いと共に形成されている。
【選択図】図１

Description

発明の簡単な説明

（発明の背景）
本発明は、ＣＭＯＳ画像センサ、特に能動画素センサの量子効率の最適化技術に関する。

電子画像センサは、対象物の電気像を獲得する。該センサは、入射光子を電子信号（電子）に変換する。光子と電子との間の変換効率は、しばしば量子効率（ＱＥ）と称される。ＱＥは、センサの主要な撮像性能基準の一つである。

ＣＣＤ型光センサは、基板上に形成された一組のアレー内に電荷を蓄える。アレーの各部は、全体像を構成する画素すなわちピクセルを蓄える。

相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）は、ピクセル内に関連回路を含む。その関連回路部は、感光性を有しない。それ等の集光能力を有しない領域は、画素内に蓄えられた情報を電子信号に変換する機能を有する関連回路を含む。これ等の感光能力を有しない領域は、これ等に限定はされないが、経路選択バス、トランジスタ、シリサイドの如き不透明物質により被覆された領域を含む。

多くの画像センサデバイスは、入射する光子をフオトゲートを用いて電荷に変換する。その電荷は、基板内に蓄えられる。その他のデバイスは、入射する光子を、フオトダイオードを用いて電子に変換する。しかしながら、フォトダイオードは光子を電子に変換するには光子を受光しなければならない。従って、感光性を有しない領域がデバイスの全体的な量子効率を低減させ、且つ、それ故に、デバイスの全体的な感光能力を低減させるであろうことは、通常の当業者にとって、既知の知識であった。従って、通常の当業者は、感光性を有する領域を最大化するために、関連回路に用いられる画素の領域を最小化することを試みてきた。このことは、例えば、受光量を最大化するために、フォトダイオードのサイズを増大させることにより、達成された。

当該技術において、もう一つの共通に見られる傾向は、電気抵抗を減少させるために、ポリシリコンと金属の組合せを利用することであった。ポリシリコンと金属の組合せは、ポリサイドと呼ばれることが多い。特殊な材料には、シリサイド及びサラサイドが含まれる。多くの近代のサブミクロンプロセスにおいては、抵抗を低減するために、これ等の材料が用いられる。然しながら、これ等の材料も不透明である。

フオトダイオードを含めた能動画素センサに用いることが可能なダイオードは、ポリサイドにより形成することが可能である。しかしながら、発明者の知る限りにおいて、このことを示唆した者は存在しない。何故ならば、ポリサイドにより形成されたフオトダイオードは不透明であり、それ故に、入射光から情報を受取ることは期待されなかったからである。

基本的な能動画素センサは米国特許第５、４７１、５１５号に示されており、その開示は引用により本明細書に含まれる。

（発明の要約）
本発明は、ＣＭＯＳセンサの量子効率を改善する方法に関する。このことは、多様な方法を用いる本発明に基づいて、達成される。第一の方法は、画素における感光領域の大きさを、増大させるのではなく、減少させることにより、フオトダイオード画素におけるＱＥを改善することに関する。

第二の方法は、フォトゲート機構のＱＥ応答性を改善することに関する。
本発明の一つの態様は、先行技術により示唆されるが如くにフォトダイオードを増大させるのではなく、これを小さくするものである。このことは、機能に関する新規な方法についての発明者の知識を用いることにより、達成される。光子は、フオトダイオードの基板内において捕捉され、電子空孔対に変換される。これらの電子空孔対は、ダイオード内に拡散して電流を形成する。本実施形態によるダイオードのサイズは、光を直接に受けるよりは、基板からの拡散を得るために、最適化されている。このことは、ダイオードが基板の開放領域よりも小さいことを必要とする。

本発明の別の態様は、これ等のダイオードが、キャパシタンスを減少させ、利得を更に増大させるために特殊な形状を取ることを含む。

本発明の別の態様は、フオトゲート構造の上面を被覆する薄いポリシリコン層を用いることにある。この薄いポリシリコン層は、一定の光子の減衰を防止する。

（好適な実施形態の説明）
図１は、フオトダイオード画素の概要を示す。各画素１００は、フオトダイオード領域１０２及び関連回路領域１０４を含む。図１に示されたデバイスは、一個の能動画素であり、能動画素とは、各画素が、少なくとも、画素に関連し画素内に形成された回路を有する画素を意味する。回路１０４は、一個のソース・ホロワを含めて概略的に示されているが、他の関連回路も画素に組込まれることが可能である。関連回路は、ＮＭＯＳ又はＣＭＯＳにより形成されることが望ましい。ＣＭＯＳ回路はサイズが大きいので、ＮＭＯＳの方が望ましい。ＮＭＯＳ又はＣＭＯＳの何れかを形成するに際し、例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）の形成の場合に要求される様な特殊な半導体形成技術は必要とされない。これに関する更に詳細な説明は、米国特許第５、４７１、５１５号に示されている。

フオトダイオード素子１０２は、図１にも示されている。フオトダイオード１０２は、ＣＭＯＳ又はＮＭＯＳの場合と同様に、ＣＭＯＳ互換プロセスにより形成される。図１は本発明に基づくシステムを示し、このシステムに依れば、フオトダイオ−ド１０２のサイズは、この種のフオトダイオードの場合に得られる画素内の全領域よりも小である。

画像センサに関する技術、特に能動画素センサに関する技術において、確立された知識に依れば、フオトダイオード画素は可能な限り大きな光子収集領域を有すべきであるとされていた。従来のフオトダイオード画素は、中空を有しない多角形内に、例えば、正方形、長方形、又はＬ字型のフオトダイオードの領域内に、フオトダイオードを形成した。例えば、図１に示された典型的な画素のレイアウトにおいて、フオトダイオードは、変換回路１０４を除く全てが示されているＬ字型領域を有する筈である。

能動画素センサのソース・フォロワは、フオトダイオードからの集積電荷を電圧に変換する。発明者は、ノード１０６における電圧は、Ｑ（電荷）をＣ（キャパシタンス）で割ったものに比例する電圧Ｖであると考えていた。発明者は、意外なことに、電子当たりの電圧（マイクロボルト）で表される変換利得が、予想に反して、ダイオードのサイズを縮小することにより、増大することを発見した。何故ならば、ダイオードのサイズを縮小することにより、それによる電荷の減少よりもキャパシタンスの減少の方が大であるからである。これにより、図１に示される様に、ダイオードのために用いられる回路の量が効果的に減少したのみならず、感光性が増加した。

この理由については、フォトンによって１１０のような電子正孔対が生成するためと予想される。基板１１２の占有されていない部分にある電子正孔対１１０は、フォトダイオード１０２に拡散すると考えられる。

本発明者らは、このシステムを使用して、基板により深く拡散する電子正孔対ではなくてフォトダイオード１０２へ拡散する電子正孔対を維持できることを確認した。前者の場合には、電子正孔対は失われてしまう。

フォトダイオードの形状は、光を直接受けるのではなく、むしろ基板からの拡散が得られるように最適化するのが好ましい。図示したシステムは、本発明者らが有用であると判断した様々なレイアウトに相当するものである。

図２には、本実施形態に従うフォトダイオード配置の第一のレイアウトを示す。図２のフォトダイオード２００は、通常矩形の輪郭２０２で表される画素内に示されている。従ってフォトダイオード２００は、実質的に画素の端部２０４から画素の中心部２０６へのびる実質的に矩形の領域で形成される。フォトダイオード２００は該線に沿ってのみ形成され、画素の残りの部分は実質的に空きの状態となる。

図３には、フォトダイオード３００が同様に画素の端部３０２から画素の中心部３０４へのびている別の実施形態を示す。

図４には、部分的にリングの形状をしたフォトダイオードを示す。フォトダイオード４００は、ポイント４００から近くにある画素の一方の端部へとのび、さらに画素の他方の端部の近くにあるポイント４０４へのびている。フォトダイオード４００は、実質的にアーク状の経路をたどり、画素の中央重心部４０４を取り囲んでいる。

図５には、画素の一方の端部５０２から画素の向かい側の端部５０４へとのびて画素を対角線に横切るフォトダイオード５００を備えたシステムを示す。

図６には、各画素がリング状のフォトダイオード６００を含んでいるシステムを示す。フォトダイオード６００は、中心ポイント６０２を囲む形状を形成している。この形状は、リング形状の内部および外部の双方からフォトンを収集できるため、特に有利であると考えられる。

これらの形状はすべて、基板中で形成された電子正孔対を蓄積させるために最適化したものである。

別の可能性は、画素を覆うマスキングを使用して、光が蓄積するのをさらに阻止することである。図７Ａに様々な画素のレイアウトを示し、図７Ｂにマスキングの結果を示す。

さらに別の代案は、一般に図８に示すように、図１〜図７Ａのいずれかに示した任意の実施形態がポリサイドから形成されたフォトダイオードを有し得ることである。ポリサイド材料は光が直接フォトダイオードに衝突するのを阻止する。光は、フォトダイオード８００には直接衝突せず、代わりに基板８０２の一部に衝突する。フォトダイオード８００は、遮光性ポリサイドから形成されるため、光を直接受容することはない。光は、隣接する基板部分に受容されるだけである。

本発明者らが意図した他の形状としては、図９に示す「Ｈ」型フォトダイオードと図１０に示す「Ｘ」型フォトダイオードが挙げられる。

これらの形状はすべて、多くの基板領域から最大量の電荷を収集し得る所定の位置にフォトダイオード素子を物理的に配置すべきであるとの概念を共通に有するものである。

図１１には、フォトゲート型デバイスに有用な本発明の第２の実施形態を示す。図１１には、基板１０００を覆うポリシリコンゲート１００２を備えた電荷収集基板１０００を示す。本実施形態によれば、ポリシリコンゲート１００２は、従来のものよりも薄く作られている。一般的なポリシリコンゲートは、通常１０００オングストローム程度の薄さであるが、図１１のフォトゲートＡＰＳのゲートは、３００〜４００オングストロームまで薄くしてある。

ポリシリコンは、入射光、特に入射光の青色成分を減衰することが判明している。この薄さのため、光収集の面での改良が可能になる。
他の実施形態は、開示された発明の範囲内である。

図面は、以下により構成される。
フォトダイオードデバイスを用いた能動画素センサを示す。 フオトダイオードの可能な種々の形状を示す。 フオトダイオードの可能な種々の形状を示す。 フオトダイオードの可能な種々の形状を示す。 フオトダイオードの可能な種々の形状を示す。 フオトダイオードの可能な種々の形状を示す。 能動画素ダイオードの典型的な応答を示す。 ポリサイドにより形成されたフオトダイオードを示す。 本発明によるフオトダイオードの二種の追加的形態を示す。 本発明によるフオトダイオードの二種の追加的形態を示す。 薄いポリシリコンの上面被覆を有するフオトゲート・デバイスを示す。

Claims (20)

1. 画像センサであって、
   複数の画素領域を有し、前記画素領域の各々が回路領域とフォトダイオード領域を有し、前記フォトダイオード領域がその中にフォトダイオード素子を有し、
   前記フォトダイオード素子が占めるスペースが、前記画素領域のうち前記回路領域を除いたスペース全体よりも小さく、
   前記フォトダイオード素子は、前記画素の端から中心に向かって伸張する直線形状を有し、画素基板に吸収された光子を受容することができることを特徴とする画像センサ。
2. 画像センサであって、
   複数の画素領域を有し、前記画素領域の各々が回路領域とフォトダイオード領域を有し、前記フォトダイオード領域がその中にフォトダイオード素子を有し、
   前記フォトダイオード素子が占めるスペースが、前記画素領域のうち前記回路領域を除いたスペース全体よりも小さく、
   前記フォトダイオード素子は、リング状であり、画素基板に吸収された光子を受容することができることを特徴とする画像センサ。
3. 画像センサであって、
   複数の画素領域を有し、前記画素領域の各々が回路領域とフォトダイオード領域を有し、前記フォトダイオード領域がその中にフォトダイオード素子を有し、
   前記フォトダイオード素子が占めるスペースが、前記画素領域のうち前記回路領域を除いたスペース全体よりも小さく、
   前記フォトダイオード素子は、前記画素の対角線に沿って伸張しており、画素基板に吸収された光子を受容することができることを特徴とする画像センサ。
4. 画像センサであって、
   複数の画素領域を有し、前記画素領域の各々が回路領域とフォトダイオード領域を有し、前記フォトダイオード領域がその中にフォトダイオード素子を有し、
   前記フォトダイオード素子が占めるスペースが、前記画素領域のうち前記回路領域を除いたスペース全体よりも小さく、
   前記フォトダイオード素子は、Ｈ字形状であり、画素基板に吸収された光子を受容することができることを特徴とする画像センサ。
5. 画像センサであって、
   複数の画素領域を有し、前記画素領域の各々が回路領域とフォトダイオード領域を有し、前記フォトダイオード領域がその中にフォトダイオード素子を有し、
   前記フォトダイオード素子が占めるスペースが、前記画素領域のうち前記回路領域を除いたスペース全体よりも小さく、
   前記フォトダイオード素子は、Ｘ字形状であり、画素基板に吸収された光子を受容することができることを特徴とする画像センサ。
6. 画像センサであって、
   複数の画素領域を有し、前記画素領域の各々が、入射光を受容することができ、前記入射光に反応して拡散可能な変化した基板部分を形成するタイプの基板上に形成されており、前記画素領域の各々は回路領域とフォトダイオード領域を有し、前記回路領域はＭＯＳから成る少なくとも１つのバッファトランジスタと少なくとも１つの前記バッファトランジスタ以外の回路とを含み、前記フォトダイオード領域はその内部にフォトダイオード素子を有し、前記フォトダイオード素子は、前記変化した基板部分から光子を受容することができることを特徴とする画像センサ。
7. 前記フォトダイオードがリング状であることを特徴とする請求項６に記載の画素センサ。
8. 前記フォトダイオードが前記画素の対角線にそってのびていることを特徴とする請求項６に記載の画素センサ。
9. 前記フォトダイオードがＨ字形状であることを特徴とする請求項６に記載の画素センサ。
10. 前記フォトダイオードがＸ字形状であることを特徴とする請求項６に記載の画素センサ。
11. 画像センサであって、
    複数の画素領域を有し、前記画素領域の各々が、入射光を受容できるタイプの基板上に形成されており、前記画素領域の各々が回路領域とフォトダイオード領域を有し、前記フォトダイオード領域がフォトダイオード素子を有し、前記フォトダイオード素子は、入射光が前記フォトダイオード素子に直接到達するのを阻止することができるような不透明材料から成り、画素基板に吸収された光子を受容することができることを特徴とする画像センサ。
12. 前記不透明材料がポリシリコンと金属を組み合わせたポリサイドであることを特徴とする請求項１１に記載の画素センサ。
13. 前記フォトダイオードがリング状であることを特徴とする請求項１１に記載の画素センサ。
14. 前記フォトダイオードがＨ字形状であることを特徴とする請求項１１に記載の画素センサ。
15. 画像センサであって、
    複数の画素領域を有し、前記画素領域の各々が、入射光を受容でき、前記入射光に反応するタイプの基板上に形成されており、前記画素領域の各々が回路領域とフォトゲート領域を有し、前記フォトゲート領域が、厚みが４００Åよりも薄いポリシリコンの層によって覆われていることを特徴とする画像センサ。
16. 画像センサであって、
    複数の画素領域を有し、前記画素領域の各々が回路領域とフォトダイオード領域を有し、前記フォトダイオード領域がその中にフォトダイオード素子を有し、
    前記フォトダイオード素子が占めるスペースが、前記画素領域のうち前記回路領域を除いたスペース全体よりも小さく、
    前記フォトダイオード素子が不透明材料から成り、画素基板に吸収された光子を受容することができることを特徴とする画像センサ。
17. 前記フォトダイオード素子がポリシリコンと金属を組み合わせたポリサイドから成ることを特徴とする請求項１６に記載の画像センサ。
18. 前記フォトダイオード素子が不透明材料から成ることを特徴とする請求項１６に記載の画像センサ。
19. 前記フォトダイオード素子がポリシリコンと金属を組み合わせたポリサイドから成ることを特徴とする請求項１８に記載の画像センサ。
20. 画像センサであって、
    複数の画素領域を有し、前記画素領域の各々が入射光を受容可能なタイプの基板上に形成されており、
    前記画素領域の各々が受光素子を含んでおり、前記受光素子は、入射光が前記受光素子に直接到達するのを阻止することができるような不透明材料から成ることを特徴とする画像センサ。
    

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