JP2007036202A - 高解像度ｃｍｏｓイメージセンサのためのスタック型ピクセル - Google Patents

Abstract

【課題】固体ＣＭＯＳイメージセンサ、さらに詳細には、スタックフォトサイト、高感度及び低暗電流を有するＣＭＯＳイメージセンサを開示している。
【解決手段】ピクセルは、シリコンバルクからフォトダイオードと隣接したシリコン表面に位置した分離された電荷貯蔵構造まで光−発生電荷を転換するように標準フォトサイト下に特殊電位バリアを含む。したがって、本発明のピクセルはその上部に所定の光吸収カラーフィルタなくても２個のカラー−コーディングされる信号を検出する能力を有する。このようなスタックフォトサイトを利用して構成されたイメージセンサは、高いピクセル密度、より高解像度及びより高感度を有する。また、本発明は相違した深くに位置になった電位バリアを有するピクセルをアレイで統合することによって、所定のカラーフィルタない高解像度ＣＭＯＳカラーイメージセンサを形成することが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体イメージセンサに関し、さらに詳細には、コンパクトしたピクセルレイアウト、高感度及び低暗電流を引き起こすスタックフォトサイトを有するＣＭＯＳイメージセンサに関する。垂直的に、積層されたスタックフォトサイトを有するピクセルのアライメントは、標準光−吸収カラーフィルタの利用に対する必要性を除去し、センサピクセル密度を増加させる。

通常のイメージセンサは、衝突する光子をセンサピクセルに捕集された電子に変換することによって、光を感知する。インテグレーションサイクル(integration cycle）の完了以後に、収集された電荷は、電圧に変換されるが、これは、センサの出力端子に供給される。ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、電荷の電圧への変換は、ピクセルに直接達成され、アナログピクセル電圧は、多様なピクセルアドレッシング及びスキャニングスキームを通して出力端子に伝達される。アナログ信号は、チップ出力に到達成する前に、オン−チップ上で等価のデジタル信号に変換できる。

ピクセルは、バッファ増幅器(通常に、ソースフォロア)を含むが、これは、適したアドレッシングトランジスタにより、ピクセルに接続されるセンシングラインを駆動する。電荷の電圧への変換が完了し、その結果として生じる信号がピクセルから伝達された後に、ピクセルは、新規電荷の蓄積を準備するためにリセットされる。電荷検出ノードとしてフローティング拡散ＦＤを用いるピクセルにおいて、リセットは、ＦＤノードを電圧基準に瞬間的に導電性で接続させるリセットトランジスタをターン−オンすることによって達成される。

このステップは、収集された電荷を除去するが、これは、本発明が属する技術分野でよく知らされているように、ＫＴＣ−リセットノイズを発生させる。所定の低いノイズ性能を達成するために、ｋＴＣノイズは、相関二重サンプリングＣＤＳ信号処理技術により信号から除去されなければならない。ＣＤＳ概念を用いる通常的なＣＭＯＳセンサは、ピクセル内に４つのトランジスタ４Ｔを含む必要がある。

４Ｔピクセル回路の例は、Ｇｕｉｄａｓｈによる米国特許第５、９９１、１８４号で確認することができる。Ｖｄｄバイアス線でスイッチングパルスを導入することによって、ピクセルから選択トランジスタを除去し、ピクセル内に３ＴだけでＣＤＳ動作を達成できる。Ｍａｓａｈｉｒｏ Ｋａｓａｎｏにより「Ａ２．０ｕｍ Ｐｉｘｅｌ Ｐｉｔｃｈ ＭＯＳ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ａｎ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉ Ｆｉｌｍ Ｃｏｌｏｒ Ｆｉｌｔｅｒ」（Digest of Technical Papers ISCC、vol．48、Feb．2005、pp．348−349参照）に示されているように、各ピクセル内のトランジスタより大きい数は、低費用及び高解像度イメージセンサを形成するために、ピクセル大きさが減少される必要がある時、問題となる。標準３Ｔピクセルは、ｋＴＣノイズ抑制に対して、ＣＤＳ概念を用いられず、任意の他の手段がこのノイズの不利な影響を最小化するのに用いなければならない。

大部の単一チップＣＭＯＳ及びＣＣＤイメージセンサでのカラー感知は、所定のパターンであるピクセルの上部に多様な光吸収及びカラーフィルタを配置することによって達成される。したがって、所定のピクセル下位−グループまたは下位−アレイでの相違したピクセルは、所定のスペクトル波長帯域に対するだけで感知するようになる。したがって、ピクセル下位−グループは、単一カラースーパーピクセルを形成する。その後に、「カラー感知」下位−グループピクセルからの信号は、この方式で不回避に読み取った解像度を回復するための試みで多様な補間及びカラー信号処理方法を用いてカラースーパーピクセル信号を構成するのに用いられている。通常のカラーピクセルパターンの一例は、例えば、Ｂａｙｅｒによる米国特許第３、９７１、０６５号で確認することができる。カラーフィルタアライメントのまた異なる例は、上述されたＭａｓａｈｉｒｏ Ｋａｓａｎｏによる論文で確認することができる。

カラー感知のためのこれらの全ての方法は、上述されたように、解像度を犠牲させ、またカラーフィルタで光を吸収することによって、感度を犠牲させる重要な短所を有する。

図１は、従来の技術に係るものであって、４Ｔピクセル内に用いられた標準フォトサイトの単純化された断面及びこれに関連されたピクセル回路図であって、図１において、従来の技術のピンドフォトダイオード光−感知素子の断面図と共に関連されたピクセル回路の単純化された概略度も示す。ｐ−型のシリコン基板１０１は、その表面でエッチングされてシリコン二酸化物１０３で充電されたＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)領域を有する。シリコン二酸化物は、また、残りピクセル表面をカバーする。浅いｐ＋ドーピング領域１０４は、ピクセルの表面だけでなく、ＳＩＴ領域の底部及び側壁をパッシベーティングする。光−発生された電荷は、ピンドフォトダイオードのｎ−型ドーピングされた領域１０５で収集される。電荷集積サイクルが完了すると、この領域からの電荷は、即刻ゲート１０７をターニングすることによって、ＦＤ(Floation Diffusion)領域１０６に伝達される。ＦＤは、トランジスタ１１８により、適した電位Ｖｄｄにリセットされ、ＦＤ電荷は、トランジスタ１１４により感知される。Ｖｄｄノード１１７とＦＤノード１１３との間に接続されたキャパシタＣｓ１１９は、ピクセルの変換ゲインを調整するのに用いられる。ピクセルは、選択トランジスタ１１５によりアドレッシングされる。制御信号は、伝達ゲートバスＴｘ１１２、リセットゲートバスＲｘ１２０及びアドレスゲートバスＳｘ１２１を通してピクセルに供給される。

ピクセルからの出力は、ピクセルカラムバス１１６に供給される。光子１２２がピクセル上に衝突すると、これらは、その波長によって、シリコンバルクで侵入し、電子−ホールフェアーを生成する。電子は、シリコンの非空乏領域だけでなく、空乏領域１０８で発生される。シリコンの非空乏領域で発生された電子１１０は、これらが、ｎ−型領域１０５に位置された電位ウェルで速かにスウィーピング空乏領域１０９のエッジに拡散する。中性の非空乏領域で発生された電子もまた側方向に拡散することができ、ピクセルクロストルクの原因となる。このような理由から、空乏領域の深さＸｄ１１１は、適した値で形成され、そして、このような不必要な現象が最小化される。

しかし、このような標準フォトサイトを有するピクセルは、優秀に機能するが、それは、発生の深さ及びそれによって、生成される光子の波長によって、電荷を分離する能力がない。このような理由から、カラー感知能力を生成するために、スペクトルの所定の部分を吸収するように、ピクセル上部にカラーフィルタを配置することが必要である。光の吸収は、感度の損失を引き起こすが、これは、カラー感知方法の不必要な不作用である。

この問題に対する独創的な解決策がＭｅｒｒｉｌｌによる米国特許第６、８９４、２６５号で得ることができるように、例えば、Ｆｏｖｅｏｎ社等、複数の会社により確認されて、既に行われた。この方法において、３つのフォトダイオードは、シリコンバルク内部で相互に垂直的に配置され、光−発生されたキャリアは、衝突する光波長によって、相違した深さで収集される。その次に、シリコン表面の上部に位置された回路に埋め込まれたフォトダイオードを接続させることによって、電圧信号が得られ、通常的な方式で電荷が感知、処理及びリセットされる。

この方法の利点は、カラーフィルタカバーピクセルを並べて配置することによって、解像度が犧牲されず、光子がカラーフィルタで吸収される必要がないということである。しかし、これは、シリコンバルク内に深く埋め込まれたフォトダイオードの形成が容易ではなく、また、ノイズを付加せず、シリコン上部に位置された回路により、埋め込まれたフォトダイオードで収集された電話を感知するのに問題がある。

本発明は、上述した従来の技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光−発生されたキャリアを垂直に分離することによって、１つまたは２つ以上の光吸収カラーフィルタを用いなくても、それ以上のカラーコーディングされた信号を提供するＣＭＯＳイメージセンサを提供するものである。従来のピンドフォトダイオード構造の下に適した電位バリアを配置することによって、本発明の目的及び他の目的が達成される。

ＣＭＯＳカラーイメージセンサを形成する相違した接近法が本発明に開示されるが、従来の方法により、解像度の損失をさらに少なくし、光感度をさらに損失しながら、カラー感知のためのさらに単純で、さらに実用的な解決策を提供する。

従来のピンドフォトダイオードの下に特殊電位バリアを配置することによって、深いバルクから光−発生されたキャリアを転換し、これらが容易に収集されることができ、読み取るために格納されることができるシリコンの表面に対して、狭小領域にこれらを流れるようにすることが可能である。したがって、バルクからのキャリアは、シリコン表面の近くの従来のフォトダイオードに隣接した貯蔵領域に便利に蓄積されることができる。したがって、米国特許第６、８９４、２６５号に開示された技術のように、埋め込まれたフォトダイオードを形成し、シリコンバルクで深く電荷を収集及び蓄積することが必要ではないが、これはアクセス、読み取り及びリセットするのに困難さがある問題を解決するものである。

また、特殊電位バリアを相違したピクセルでの相違した深さで配置させ、それによりピクセルを相違した光スペクトル領域に対して、敏感にすることが可能である。したがって、各ピクセルは、１つの代りに、２つまたはそれ以上の相違にコーディングされるカラー信号を提供できる。解像度は、従来の方法ほど犧牲されず、光感度も犧牲されないが、その理由は、カラー吸収フィルタが用いられなかったり従来よりあまり用いられないためではない。全ての光−発生電荷をシリコン表面に近接して蓄積すると、任意の低ノイズ読み取り及びそこに位置されたリセット回路を共有することが可能になり、それにより、非常に小さいピクセルの大きさで高性能を達成するようになる。したがって、本発明は、高収率を有する現在ＣＭＯＳ技術に具現するのに、非常に単純で容易である。

上記目的を達成するために、本発明のイメージセンサは、ピクセルアレイを含むイメージセンサにおいて、前記ピクセルアレイの少なくともいずれか１つのピクセルは、半導体基板の表面下部の第１領域に形成され、光−発生された電荷(photo-generated carriers)を捕集する標準光感知/電荷貯蔵領域と、前記標準光感知/電荷貯蔵領域と分離され、前記半導体基板の表面に近接した領域に形成されて分離された電荷貯蔵領域と、前記半導体基板の内部の前記第１領域下部の第２領域で光−発生された電荷を前記分離された電荷貯蔵領域に転換(diverting)するために、前記第１領域と第２領域との間の前記半導体基板の内部に形成された電位バリアとを含む。

また他の様態に係る本発明は、ピクセルアレイを含むイメージセンサにおいて、前記ピクセルアレイは、第１カラーフィルタを有するピクセルと第２カラーフィルタを有するピクセルとがチェックボード方式でアライメントされ、前記第１カラーフィルタを有するピクセルは、標準のフォトサイトを有し、前記第２カラーフィルタを有するピクセルは、スタックフォトサイトを有することを特徴とする。

以上で説明されているように、本発明は、スタック−フォトサイトを有する１つのピクセルで所定の光吸収カラーフィルタなくても２つのカラーコーディングされる信号を検出する能力を有する。このようなスタックフォトサイトを用いて構成されたイメージセンサは、さらに高いピクセル密度、さらに高解像度及びさらに高感度を有する。

以下、本発明のもっとも好ましい実施の形態を添付する図面を参照して説明する。

図２は、本発明のスタックフォトサイト及び電位バリアを有するピクセルの単純化された断面図及びこれに関したピクセル読み出し回路図である。

本発明に係るピクセルは、その発生の深さによって、電荷を分離し、それによりカラーを感知する能力がある。ｐ−型シリコン基板２０１は、その表面にエッチングされ、シリコン二酸化物２０３で充電された浅いＳＴＩ領域２０２を有する。二酸化物は、従来の技術のように、フィルセルの全体の表面をカバーする。浅いｐ＋−ドーピング領域２０４は、暗電流発生を最小化するために、ピクセルの表面だけでなく、ＳＴＩ領域の底部及び側壁をパッシベーティングする。しかし、このピクセルにおいて、ｐ＋ドーピング領域からなる電位バリア２２３は、ピクセル内の深さＸｂ２２５に配置された。このバリアは、ピクセル内のフォトサイトを２つの別個の領域に分離する。深さＸｂ(通常的に空乏された)内部で発生された光−発生電荷２０８は、ピンドフォトダイオードのｎ型ドーピング領域２０５で収集及び蓄積される。シリコンの非空乏領域の電位バリア２２３の下で発生された電荷２１０は、電位バリア２２３の周りを通して、空乏領域２０９のエッジに広がり、ＦＤ２０６で収集及び蓄積される。

空乏領域が従来のピクセルでさらに薄くなされたため、側方向の電荷拡散及びそれによるピクセルクロストルクを最小化するための構造に電荷クロストルクバリア２２４を付加する必要がある。クロストーク防止の他の手段は、ＳＴＩ隔離トレンチをさらに深くするように、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によく知られており、ここで追加論議されない。

したがって、本発明に係るピクセルは、光線の波長により相違した深さで発生された電荷を検出及び分離して蓄積し、そのため、上部に光吸収フィルタの使用必要性なしに固有カラーを感知する能力がある。このピクセルからの信号を処理するための回路は、従来の技術に開示された回路と同じである。トランジスタ２１８は、トランジスタ２１４がその電位を感知した後に、ノード２１３をリセットする。トランジスタ２１５は、ピクセル信号をカラムセンシングライン２１６に接続させる選択トランジスタである。さらに長い波長を有する光に対応する光−発生された電荷は、ＦＤノード２０６で収集される。伝達ゲートＴｘ２０７は、ＦＤノード２０６でピンドフォトダイオードで収集された電荷を伝達するように簡単にパルスされる。この電荷は、短波長を有する光に対応する。残りの制御信号は、リセットゲートバスＲｘ２２０及びアドレスゲートバスＳｘ２２１を通してピクセルに供給される。このピクセルの変換ゲインは、ノード２１３とノードＶｄｄ２１７との間に接続されたキャパシタＣｓ２１９に対して適した値を選択することによって調整される。

光子２２２がピクセル上に衝突する時、これらは、その波長によってシリコンバルクに侵入し、その深さで対応する電子−ホールフェアーを生成する。したがって、本発明のピクセルは、その発生の深さによって、電荷を感知し、それによってカラーを感知する能力を有する。上述した詳細な説明で明らかになったように、これはピンドフォトダイオードの下に付加的なｎ型のバルク電荷蓄電領域を形成する必要なしに達成される。電荷を蓄積しないｐ＋型のドーピング層により、形成された電位バリアだけがピクセルに付加された。このバリア下で発生された電荷は、ピンドフォトダイオードから離れて転換され、シリコン基板の表面に位置された第２電荷貯蔵領域に流れる。シリコン表面に多数の電荷貯蔵領域を形成する他の手段がある。このような可能なアライメントの一例は、図３の本発明の他の実施の形態で説明される。

図３は、本発明のまた異なる実施の形態を示した断面図及び回路図であって、光−発生された電荷を分離してこれらを発生の深さによって、シリコンの表面でまたはその近くに位置された相違した貯蔵領域で流れるようにする電位バリアを有するピンドフォトダイオードを含む。

図３において、ピクセルは、その発生の深さによって、電荷を分離し、そのため、カラーを感知する能力を有する。ｐ型シリコン基板３０１は、その表面にエッチングされ、シリコン二酸化物３０３で充電された浅いＳＴＩ領域３０２を有する。酸化物は、また、従来の技術のように、ピクセルの全体の表面をカバーする。浅いｐ＋ドーピング領域３０４は、暗電流発生を最小化するために、ピクセルの表面だけでなく、ＳＴＩの底部及び壁をパッシベーティングする。このピクセルにおいて、以前の実施の形態のように、ｐ＋ドーピング領域である電位バリア３１３は、クロストルクバリア３１４と共にピクセルで深さＸｂ３１５に配置された。バリア３１３は、上述されているように、２つの別個の領域で（に）ピクセルを分離し、深さＸｂ内部で(通常的に、空乏される)発生された光−発生電荷３２６は、ピンドフォトダイオードのｎ型ドーピング領域３０５で収集及び蓄電される。シリコンの非空乏領域でのバリア３１３の下で発生された電荷３１２は、バリア３１３周囲で空乏領域３１０のエッジに拡散され、ＦＤ３０６の代りにゲート３０８下の特殊電位ウェル３１１で収集及び蓄電される。適したバイアスをゲート３０７、３０８及び３０９に印加することによって、形成された電位ウェル３１１は、ピンドフォトダイオードに蓄電された電荷のように、それがＦＤに伝達され、ＣＤＳ概念を用いて読み取ることができるように、ＣＣＤ方式で電荷を蓄電する。ＣＤＳ読み取り概念は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によく知られており、ＦＤノード３０６の破壊的な電荷読み取りにより発生された信号からｋＴＣノイズを除去するのに用いられる。回路の残りは、ＦＤノード電位を感知するソースフォロアトランジスタＳＦ３１７、出力をカラムバス３２８に接続させる選択トランジスタ３１８及びＦＤ３０６をリセットするリセットトランジスタ３２１を有する以前の実施の形態と同一である。ピクセルは、また、キャパシタンスＣｓ３１９を用いるが、これは、変換ゲインを調整するために、ノード３１６とＶｄｄ３２０との間に接続される。制御信号は、リセットゲートバスＲｘ３２６、選択ゲートバスＳｘ３２５及び３つの伝達ゲートバスＴｘ１ ３２４、Ｔｘ２ ３２３及びＴｘ３ ３２２によりピクセルに供給される。

ｋＴＣノイズ抑制のための他の手段が、ノード３１６で導入されることができるネガティブフィードバックリセット、アクティブリセットまたはパラメーターリセットのように新規ピクセルと共に用いられることができる。これらの全ての技術は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によく知られており、ここで追加論議されない。

また、ピクセルのバリア３１２の深さＸｂが変更でき、このため、２つのピクセルが相違したカラー感度を有することができるということは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明白である。例えば、１５０ｋｅＶのイオン注入エネルギーを有するボロンのイオン注入が電位バリア３１３を形成するのに用いられる場合、バリアは、概略０．４μｍの深さに形成される。この深さは、イエロー光により生成された電荷からブルー光により生成された電荷の分離に適している。一方、１．２ＭｅＶのイオン注入エネルギーを有するボロンが用いられる場合、バリアは、概略２．０μｍの深さに形成される。この深さは、レッド光により生成された電荷から、シアン光により生産された電荷を分離するのに適している。したがって、適した信号処理手段により、これら２つのピクセルからＲ、Ｇ、Ｂカラー信号またはＣｙ、Ｍｇ、Ｙｅカラー信号を抽出することが可能である。したがって、ピクセル上部に配置された光吸収フィルタを用いて、センサ光感度を犠牲させることが必要ではない。カラーコーディングされるピクセルの処理及びＲ、Ｇ、Ｂの抽出またはこのようなピクセルからカラー信号の他の組み合わせは、現在の状態でよく発展した技術であるが、これは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によく知られており、したがって、ここで追加論議されない。

本発明のピクセルと用いられることができる電荷貯蔵ウェル及びピンドフォトダイオードアライメントの多数の他の結み合わせがある。説明の単純化のために、本発明のこのような可能性及びまた異なる実施の形態は、図４の単純化された回路図にだけ示される。

図４は、浅い空乏領域からの電荷がピンドフォトダイオード４０１に蓄電され、深い非空乏領域からの電荷がまた異なるピンドフォトダイオード４０２に指定される積層されたピクセルの単純化された回路図を示す。ピンドフォトダイオードは、各電荷伝達ゲート４０３及び４０４を通して共通ＦＤ電荷検出ノード４０８とインターフェスする。回路の残りは、ＳＦがトランジスタ４０５であり、アドレスレジスターがトランジスタ４０６であり、リセットレジスタがトランジスタ４０７である以前の実施の形態と同一である。制御信号は、リセットゲートバスＲｘ４１０、アドレスゲートバスＳｘ４１３、及び２個の伝達ゲートバスＴｘ１ ４１１及びＴｘ２ ４１２を通してピクセルに供給される。ピクセルＶｄｄバイアスは、端子４１４に供給され、接地基準は、端子４１５である。ピクセルは、その変換ゲインを調整するために、キャパシタＣｓ４１６を有する。

図５は、全てのピクセルが同じスタックフォトサイトを有する場合、ピクセルアレイの単純化された断面図を示す。基板５０１は、深さＸｂ５０７に電位バリア及びクロストルクバリアが統合された同じタイプのピクセル５０２のアレイを含む。基板は、その表面の上部に堆積された酸化物５０３及び酸化物の上部にシアン５０４及びマゼンタ５０５フィルタを有する。マイクロレンズ５０６がピクセルアパーチュア効率を向上させるために、カラーフィルタの上部に堆積されている。各ピクセルが２つのカラーコーディングされた信号を伝達できるため、シアンフィルタを有するピクセルがブルー及びグリーンカラー情報を提供する一方、上部にマゼンタフィルタを有するピクセルは、ブルー及びレッドカラー情報を提供するということが容易に分かる。本発明の実施の形態でのピクセルは、Ｃｓキャパシタンスに対して、同じ値及びそれにより同じ変換ゲインを有して、ホワイト光がセンサに衝突する時、概略同じ出力レベルで飽和される。補色フィルタだけが常にスタック型ピクセルと用いられるため、このようなセンサの感度は、標準Ｂａｙｅｒセンサ構成と比べて見た時、２倍向上するということは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明白である。また、解像度も標準場合と比べて見る時、２倍向上するが、その理由は、全体ピクセル密度が標準場合の２倍であるためである。

図６は、ピクセルがスタックフォトサイトを有し、隣接ピクセルが相違した変換ゲインを有するスタックピクセルアレイの単純化された断面図を示す。

基板６０１は、クロストルクバリアと共に深さＸｂ６０７で電位バリアが統合された積層ピクセル６０２及び６０３のアレイを含む。相違したキャパシタＣｓ１及びＣｓ２及びそれにより相違した変換ゲインを有し、基板は、その表面の上部に堆積された酸化物６０４及び酸化物の上部にシアン６０５カラーフィルタだけを含む。マイクロ−レンズ６０６がカラーフィルタを有しないピクセルだけでなく、カラーフィルタを有するピクセル上部に堆積される。シアンフィルタを有するピクセルがブルー及びグリーンカラー情報を提供し、カラーフィルタを有しないピクセルは、ブルー及びエルローカラー情報を提供するということは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明白である。したがって、感度が追加向上し、変換ファクターの相違した値が各ピクセルでの信号レベルをバランシングするのに用いられる。ホワイト照明がセンサに衝突する時、各ピクセルの出力が各ピクセルに対して概略同一レベルで飽和されるようにするためである。また、カラーフィルタの色素タイプの代りにこの実施の形態では、干渉カラーフィルタを用いることも可能であるが、これは、フォトダイオード表面上の構造の高さを顕著に減少させ、それにより、広い光入射の角度に対して、ピクセル性能を向上させる。

図７は、ピクセルがスタックフォトサイトを有し、隣接ピクセルが相違した変換ゲイン及び相違した電位バリア深さを有するスタックピクセルアレイの単純化された断面図である。

基板７０１は、それぞれの深さＸｂ１及びＸｂ２に電位バリア及びクロストルクバリアが統合されたスタックピクセル７０２及び７０３のアレイを含む。相違したキャパシタＣｓ１及びＣｓ２は、ピクセルに対する相違した変換ゲインを伝達成する。基板は、その表面上部に堆積された酸化物７０４を含み、カラーフィルタを有しない。マイクロ−レンズ７０５は、ピクセルアパーチュア効率を向上させるために、ピクセル酸化物の上部に配置される。やはり、浅いＸｂバリヤを有するピクセルがブルー及びイエローカラー情報を提供する一方、深いＸｂバリアを有するピクセルは、シアン及びレッドカラー情報を提供するということは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明白である。やはり、ピクセル感度が向上し、変換ゲインファクターの相違した値が、ピクセル出力がホワイト照明がセンサに衝突する時、各フィルセルに対して概略同一レベルに飽和されるように作るために、各ピクセルでの信号レベルをバランシングするのに用いられる。カラーフィルタの完全な除去は、フォトダイオード表面上の構造の高さをさらに減少させ、そのため、最大光感度を有しながら広い光入射角度に対して、最大ピクセル性能を達成する。

説明の完全性のために、可能なフィルタ及びピクセルアライメントの上面がシアン及びマゼンタカラーフィルタを有するセンサに対して、図８に示されており、どのようなカラーフィルタもないセンサに対して図９に示されている。図８は、チェッカーボードパターンでアライメントされた４つのピクセルブロックを有するピクセルアレイ８０１のコーナーを示す。ピクセル８０２は、上部にシアンカラーフィルタを有し、ピクセル８０３は、上部にマゼンタカラーフィルタを有する。全てのピクセルは、これらに統合された同一バリア深さＸｂ及びキャパシタＣｓに対した同一値を有する。図９は、チェッカーボードパターンでアライメントされた４つのピクセルブロックを有するピクセルアレイ９０１のコーナーを示す。ピクセル９０２は、キャパシタＣｓ１と共にこれらが統合された浅いバリアＸｂを有し、ピクセル９０３は、キャパシタＣｓ２と共にこれらが統合された深いバリアＸｂを有する。

一方、信号読み出し回路が共有された共有ピクセルのいずれか１つがスタックフォトサイトを有し、他の１つは、通常の標準フォトサイトを有する方法で具現することが可能であり、これは、図１０に概略的に示されている。

図１０は、図４に示されているように、共有読み取り及びリセット回路を有するピクセルフェアー１００２のブロックを有するピクセルアレイ１００１のコーナーを示す。しかし、共有ピクセルフェアーは、スタックパターサイト１００４及び標準フォトサイト１００３からなる。スタックフォトサイトは、上部に配置されたマゼンタカラーフィルタを有する一方、標準フォトサイトは、上部に配置されたグリーンカラーフィルタを有する。また、標準フォトサイトが上部に配置されたレッドフィルタを有し、スタックフォトサイトが上部に配置されたシアンフィルタを有する他のフィルタアライメントも可能である。このような全ての結み合わせは、標準方法と比べて見た時、解像度だけでなく、感度を向上させる。

また、本発明の実施の形態として、３つ以上のバリアの深さＸｂ及びキャパシタＣｓの２つ以上の値を有する他のピクセルアライメントが可能であり、これは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明白である。

尚、本発明は、上記の本実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。

従来の技術に係るものであって、４Ｔピクセル内に用いられた標準フォトサイトの単純化された断面及びこれに関したピクセル回路図である。 本発明のスタックフォトサイト及び電位バリアを有するピクセルの単純化された断面図及びこれに関したピクセル読み出し回路図であって、電位バリアは、その発生の深さによって、光−発生された電荷を分離し、これらをシリコン表面で直接または表面近くに位置された相違した貯蔵領域に流れるようにする。この実施の形態において、ピクセルは、その動作のために、４つのトランジスタだけを必要とする。 本発明のまた異なる実施の形態を示した断面図及び回路図であって、光−発生された電荷を分離し、これらを発生の深さによって、シリコンの表面でまたはその近くに位置された相違した貯蔵領域で流れるようにする電位バリアを有するピンドフォトダイオードを含む。 ＣＤＳ読み取り方法を用いて、独立的に電話パケットを読み取る本発明の相違した実施の形態の回路図である。 シアンカラーフィルタを有するピクセルと及びマゼンタカラーフィルタを有するピクセルとがアライメントされ、各ピクセルがスタックフォトサイトを有する本発明の実施の形態を示した概念的な断面図である。 カラーフィルタがないピクセルとシアンフィルタとを有するピクセルとがアレイされ、この２つのピクセルがスタックフォトサイトを有しながら相互に異なる変換ゲインを有する本発明のまた異なる実施の形態を示した概念的な断面図である。 吸収カラーフィルタが用いられず、マイクロ−レンズだけ配置され、電位バリアＸｂの相違した深さ及び変換ゲインの相違した値を有するピクセルがアライメントされた本発明のまた異なる実施の形態を示した概念的な断面図である。 改善されたまたはそれ以上のコンパックカラー感知を達成するためのピクセルであって、マゼンタ及びシアンのための２Ｄピクセルアレイでの可能なカラーフィルタアライメントを示す図である。 改善されたまたはそれ以上のコンパックカラー感知を達成するためのピクセルでカラーフィルタがない２Ｄピクセルアレイでの可能なカラーフィルタアライメントを示す図である。 標準フォトサイト及びスタックフォトサイトを有する２つのピクセルのアライメントを示す図である。

Claims (14)

1. ピクセルアレイを含むイメージセンサにおいて、
   前記ピクセルアレイの少なくともいずれか１つのピクセルは、
   半導体基板の表面下部の第１領域に形成され、光−発生された電荷(photo-generated carriers)を捕集する標準光感知/電荷貯蔵領域と、
   前記標準光感知/電荷貯蔵領域と分離され、前記半導体基板の表面に近接した領域に形成されて分離された電荷貯蔵領域と、
   前記半導体基板の内部の前記第１領域下部の第２領域で光−発生された電荷を前記分離された電荷貯蔵領域に転換(diverting)するために、前記第１領域と第２領域との間の前記半導体基板の内部に形成された電位バリアと
   を含むことを特徴とするイメージセンサ。
2. 前記分離された電荷貯蔵領域は、フローティング拡散であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 前記分離された電荷貯蔵領域は、前記半導体基板の表面でゲート電極下に生成された電位ウェルであることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
4. 前記標準光感知/電荷貯蔵領域と前記分離された電荷貯蔵領域とは、共通電荷検出ノードとインターフェスすることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
5. 前記ピクセルアレイは、チェッカーボード方式でアライメントされ、マゼンタフィルタを有するピクセルとシアンフィルタを有するピクセルとから構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
6. 前記ピクセルアレイは、チェッカーボード方式でアライメントされ、シアンフィルタを有するピクセルとカラーフィルタがないピクセルとから構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
7. 前記ピクセルアレイは、カラーフィルタなしに前記半導体基板の表面から相互に異なる深さで前記電位バリアが形成されたピクセルがチェッカーボード方式でアライメントされて構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
8. 前記シアンフィルタを有するピクセルとカラーフィルタがないピクセルとは、相互に異なる変換ゲインファクターを有することを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
9. 前記相互に異なる深さで前記電位バリアが形成されたピクセルは、相互に異なる変換ゲインファクターを有することを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
10. 前記標準光感知/電荷貯蔵領域は、ピンドフォトダイオードであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
11. ピクセルアレイを含むイメージセンサにおいて、
    前記ピクセルアレイは、第１カラーフィルタを有するピクセルと第２カラーフィルタを有するピクセルとがチェックボード方式でアライメントされ、
    前記第１カラーフィルタを有するピクセルは、標準のフォトサイトを有し、
    前記第２カラーフィルタを有するピクセルは、スタックフォトサイトを有することを特徴とするイメージセンサ。
12. 相互隣接した前記第１カラーフィルタを有するピクセルと前記第２カラーフィルタを有するピクセルとは、共有されたピクセル信号読み出し回路を有することを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサ。
13. 前記第１カラーフィルタは、グリーンカラーフィルタであり、前記第２カラーフィルタは、マゼンタカラーフィルタであることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のイメージセンサ。
14. 前記第１カラーフィルタは、レッドカラーフィルタであり、前記第２カラーフィルタは、シアンカラーフィルタであることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のイメージセンサ。

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