JP2008098601A - 改善されたカラークロストークを有するイメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】改善されたカラークロストークを有する、小型ピクセルを有するイメージセンサを提供すること。
【解決手段】本発明のイメージセンサは、第１導電型の基板と、該第１導電型の基板にアレイされた第１ピクセル及び第２ピクセルと、該第２ピクセルに該当する前記基板内には配置されることなく、前記第１ピクセルに該当する前記基板内に配置されたポテンシャル障壁とを備える。ここで、前記第２ピクセルは、前記第１ピクセルに対応するカラーよりも相対的に長波長を有するカラーに対応するものである。また、前記ポテンシャル障壁は、高エネルギーのイオン注入によるドーパントを有し、前記Ｐ型エピタキシャル層のエピタキシャル成長中にイオンの注入又は拡散により形成されたドーパントを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体イメージセンサ、詳しくは、光吸収カラーフィルタで覆われている、小型ピクセルを有するイメージセンサに関する。

ＣＭＯＳイメージセンサのピクセルは、通常、フォトダイオード、より詳しくは、ピンドフォトダイオード（ｐｉｎｎｅｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）と、４つのトランジスタとで構成される。フォトダイオードは、後で電荷を伝達するトランスファトランジスタにより、適切な瞬間に電荷検出ノードのフローティング拡散（ＦＤ：Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）ノードに伝達される光生成電荷を収集する。一方、ＦＤノードは、電荷が伝達される前に、適切な基準電圧にリセットされなければならない。リセットにより、ｋＴＣノイズが発生し、これがＦＤノードの示す信号に付加される。したがって、ＦＤノードの電圧を、電荷の伝達前に１回、電荷の伝達後に１回の計２回読み出す必要がある。この動作を、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）といい、これは、フォトダイオードから伝達された電荷によって生じるノードの電圧差のみを感知する。

ソースフォロア（ＳＦ）トランジスタは、ＦＤノードに接続されたゲート、及び電源電圧（Ｖｄｄ）に接続されたドレイントランジスタとアドレストランジスタとを介して共通の列感知線に接続されたソースにより、ＦＤノードの電圧の感知を行う。このような理由から、通常のＣＭＯＳイメージセンサは、それぞれのピクセルに４つのトランジスタ（４Ｔ）を備える必要がある。ピンドフォトダイオードを有する４Ｔピクセル回路の例は、Ｌｅｅによる米国特許第５，６２５，２１０号で確認することができる。

通常のＣＭＯＳイメージセンサの設計において、Ｇｕｉｄａｓｈによる米国特許第６，６５７，６６５ Ｂ１の例から分かるように、種々のフォトダイオードのための回路は、共有することができる。この特許において、デュアルピクセルは、センサイメージアレイの隣接する行に位置し、同じ回路を共有する２つのフォトダイオードで構成される。

通常のＣＭＯＳイメージセンサにおけるカラー感知は、図１に示すように、適切なカラーフィルタをフォトダイオード上に配置することによって達成される。青色フィルタ１０１は、緑色光及び赤色光を吸収し、青色の光子のみがフォトダイオード領域の下に入るようにする。これと同様に、緑色フィルタ１０２は、青色光及び赤色光を吸収し、緑色の光子のみがシリコンバルクの下に入るようにする。青色及び緑色の光子は、高いエネルギーを有し、それにより、シリコンバルク、すなわち、高濃度のＰ^＋型でドープされたＰ^＋型基板１０６の表面から深さＸ_ｇに位置するシリコンバルク内の特定領域１０４へ速やかに吸収される。一方、赤色の光子は、低いエネルギーを有し、シリコンバルク内にさらに深く浸透する。赤色の光子は、何らかの光電子を発生させる前に、深さＸ_ｅｐｉに位置するＰ型エピタキシャル層（Ｐ−エピタキシャル）と高濃度のＰ^＋型基板１０６との間の界面１０５にまで浸透する。このとき、前記界面１０５は、深さＸ_ｒに位置する。

このような高濃度のＰ^＋型基板１０６で電子１０７が発生すると、電子は、そこに位置する正孔と速やかに再結合し、「赤色」のフォトダイオードでは収集されない。一方、非空乏エピタキシャル層１０９で発生した電子１０８は、寿命が非常に長く、空乏領域１１０の境界に到達するまで、横拡散及び縦拡散を自由に行う。空乏領域の境界は、シリコン表面から深さＸ_ｄ１に位置する。電子１１１が空乏領域に入ると、電子は、Ｎ型領域１１２に位置した、対応するフォトダイオードのポテンシャル井戸内に速やかに拡散する。Ｎ型領域１１２及びＰ^＋型ピン止め層１１３により、フォトダイオードは、シリコン表面の近くに形成される。このような構造を、ピンドフォトダイオードという。また、Ｐ^＋型ピン止め層１１３は、シリコン表面内でエッチングされ、フォトサイトを分離し、対応する電気回路を互いに孤立させるＳＴＩ領域１１４の側面及び底部に沿って延長する。ＳＴＩ領域１１４は、シリコン二酸化物で満たされている。さらに、シリコン二酸化物は、フォトダイオードの表面領域全体を覆い、トランスファゲート１１７の下に延長する。前記ＳＴＩ領域１１４に満たされたシリコン二酸化物は、「１１５」で示し、フォトダイオードの表面全体を覆い、トランスファゲート１１７の下に延長したシリコン二酸化物は、「１１６」で示している。また、トランスファゲート１１７は、多結晶シリコンで形成される。

適切なバイアスが接続１１８（概略的に図示）によってトランスファゲート１１７に印加されると、フォトダイオードのポテンシャル井戸に格納された電子の電荷は、Ｎ^＋型ドーピングによって形成され、電圧の変化をもたらすＦＤノード１１９上に伝達される。その後、この電圧の変化は、ワイヤ１２０（概略的に図示）によってＦＤノードに接続された適切な増幅器（ＳＦ）により感知される。電圧の変化は、所望の信号を表す。フォトダイオード及びポリシリコン系のトランスファゲート１１７は、通常、シリコン二酸化物又はシリコン二酸化物の多重層により形成される別の層１２１によって覆われ、カラーフィルタの配置前に別の透明膜がその上に配置される。その後、マイクロレンズがフィルタ上に配置され（図示せず）、フォトダイオードの表面領域上に光を集中させる。

図１からよく分かるように、非空乏エピタキシャル層１０９での赤色光発生電子も、横拡散を行い、隣接するフォトダイオードの空乏領域に入ることができる。赤色光発生電子が、緑色又は青色の誤ったフォトダイオード井戸にあれば、不要なカラークロストークが発生させる。このような問題は、ピクセル縦寸法が５μｍ程度で、かつ横寸法が２μｍ以下の小型ピクセルで著しい。同問題を防止するため、エピタキシャル層の厚さ（すなわち、深さＸ_ｒの界面１０５）を減少させ、それにより、非空乏エピタキシャル層１０９の厚さを減少させるか、又はＸ_ｄ１に位置する空乏領域１１０の境界を深さＸ_ｄ２にまで延長することが可能である。

しかしながら、このような２つのアプローチは、以下のような問題がある。

まず、エピタキシャル層の厚さを薄くすると、Ｐ^＋型基板１０６で赤色光電子が多く発生し、これにより、そこにある正孔と再結合して信号に寄与することができなくなる。適切な赤色光応答のためには、５．０μｍ程度又はそれ以上のエピタキシャル層の厚さを有することが好ましい。

また、空乏領域の境界を界面１０５にまで延長することも問題となる。これを達成するためにエピタキシャル層を浅くドープすると、暗電流が多く発生し、これは、前記エピタキシャルのドーピングレベルのための分離された空乏層の境界１２２が示されているように、シリコン表面の近傍に位置するＰ^＋型の中間領域１１３の不連続及び分離をもたらす。このような問題が発生すると、ピクセルの上部に位置する金属ワイヤといった別の手段によって別の電気接続をＰ^＋型領域の表面に提供する必要がある。しかし、これは、ピクセル開口効率、すなわち、最終ピクセル量子効率を低減させてしまう。

そこで、本発明の目的は、改善されたカラークロストークを有する、小型ピクセルを有するイメージセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のイメージセンサは、第１導電型の基板と、該第１導電型の基板にアレイされた第１ピクセル及び第２ピクセルと、該第２ピクセルに該当する前記基板内には配置されることなく、前記第１ピクセルに該当する前記基板内に配置されたポテンシャル障壁とを備える。

以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態をさらに詳細に説明する。

本発明は、小型ピクセルセンサの向上した性能を提供することで、結果的に、より小さなカラークロストークを発生させる。これは、青色光及び／又は緑色光を受け取るピクセルの下には、クロストークを遮断するポテンシャル障壁を備え、赤色光を受け取るピクセルの下には、ポテンシャル障壁を備えないことによって達成される。

ポテンシャル障壁は、Ｐ型エピタキシャル層内に高エネルギーの深いボロン注入によって形成するか、又はＰ型エピタキシャル層の成長中に低エネルギーのイオン注入によって形成することも可能である。

注入されたドーピングにより、基板では小さなポテンシャル障壁を生成し、これは、シリコンバルク内の深さで赤色光によって発生するキャリアが、「赤色」のフォトダイオード（赤色フィルタの下のフォトダイオード）にのみ流れ込むように誘導し、そこに集まるように集中させる。また、深いボロン注入は、不完全な青色フィルタ及び緑色フィルタを貫通する残りの赤色光によって発生するキャリアを再誘導し、「青色」及び「緑色」のフォトダイオードの下のシリコンバルク内の深さで発生したキャリアをも「赤色」のフォトダイオードに流れ込むようにする。

したがって、本発明は、赤色光発生キャリアのカラークロストークを防止すること以外に、不完全な青色及び緑色のカラーフィルタにより生じるカラークロストークをも改善する。その結果、ピクセルサイズが非常に小さく、かつ高性能及び小さなカラークロストークを有するＣＭＯＳセンサアレイを設けることが可能となる。

図２は、本発明の実施形態に係る、フォトダイオードに対応する電荷を伝達するトランスファトランジスタ２０８を備えるイメージセンサのピクセルを簡略に示す断面図である。フォトダイオード領域上に配置された層間透明誘電膜２０４上に、青色フィルタ２０１、緑色フィルタ２０２、及び赤色フィルタ２０３が配置されている。Ｐ^＋型ドープ層２１７は、Ｎ型ドープ層２１０と共に、ピンドフォトダイオードを構成する。Ｐ^＋型ドープ層２１７は、ＳＴＩ領域２０６の側面及び底部領域を含むシリコンの露出した表面全体にわたって延長する。ＳＴＩ領域２０６は、酸化物２０７で満たされている。また、別の酸化物層２０５は、シリコンの表面全体を覆い、ポリシリコン系のトランスファゲート２０８の下に延長する。Ｎ^＋型ドープ層２０９は、増幅器（ＳＦ）（図示せず）に接続されたＦＤノードを形成する。

ピンドフォトダイオードで全ての電荷が空乏化すると、空乏領域２１１がシリコンバルク内の深さＸ_ｄ１で形成される。高エネルギーのボロンイオン注入により形成されたＰ型ドープ層２１２は、ポテンシャル障壁として機能する。この層は、空乏領域２１１の下の深さＸ_ｇで「青色」及び「緑色」のフォトダイオードの下にのみ位置し、ここで、ほとんどの緑色及び青色の光子は、既に電子２１５に転換されている。この電子２１５は、空乏領域２１１のエッジから、短距離においては上方に移動し、Ｎ型ドープ層２１０に位置するフォトダイオードのポテンシャル井戸内に速やかに拡散する。縦拡散距離が非常に短くなり得ることから、横拡散及びそれに伴うカラークロストークの発生の可能性は低い。また、Ｐ型ドープ層２１２が電子に対して小さなポテンシャル障壁を形成し、電子の横拡散を防止することにより、赤色光発生電子２１６も上方に誘導される。さらに、Ｐ型ドープ層２１２の下の赤色光発生電子２１４も、ポテンシャル障壁を克服することができず、Ｐ型ドープ層２１２の周辺に拡散して赤色のフォトダイオードのポテンシャル井戸に到達しなければならない。これは、不完全なカラーフィルタにより生じるカラークロストークをより一層改善する。

したがって、Ｐ型エピタキシャル層（Ｐ−エピタキシャル）は、誤ったフォトダイオードへの横拡散を低減させることなく、赤色光電子への効率的な変換のための、適切かつ充分な深さＸ_ｒを有することができる。Ｐ型エピタキシャル層とＰ^＋型基板との界面２１３は、赤色光電子への変換をさらに向上させるため、通常よりもシリコン内においてより深く配置することができる。また、最小暗電流及び表面のＰ^＋型ドープ層２１７とＰ^＋型基板２１８との導電性接続を向上させるため、Ｐ型エピタキシャル層のドーピングを最適化することができる。上の説明から、この分野の現在の技術状態に比べて、シリコンバルクのピクセル縦横比、すなわち、ピクセル横寸法に対する効果的なピクセルシリコンの厚さが、カラークロストークへの否定的な影響なく著しく増加できることは明らかである。

周知のように、赤色光の波長が最も長く、緑色光及び青色光の波長が順に短くなる。そのため、赤色光による光生成電荷は、Ｐ型エピタキシャル層のより深い領域で生成され得る。したがって、これを考慮して、適切な深さＸ_ｇでＰ型ドープ層２１２が形成される。

上の説明が、ピクセル回路ではなく、フォトダイオードにのみ焦点を合わせることにより、共有されるピクセル回路を本発明に利用することもできることが分かる。すなわち、各ピクセルは、光生成電荷を電気的信号として読み出すための回路を共有し、共有される回路は、共有されるフローティング拡散ノードによって光生成電荷を読み出すことができる。

また、本発明を３Ｔピクセル構造に容易に適用することができることは、当該技術分野における通常の知識を有する者にとって明らかであり、これは、本発明の他の実施形態を示す。

さらに、Ｐ型ドープ層２１２は、高エネルギーのイオン注入によって注入されなければならないのではなく、Ｐ型ドープ層２１２がエピタキシャル層の成長中に形成され得ることは、当該技術分野における通常の知識を有する者にとって明らかである。エピタキシャル成長は、厚さＸ_ｒと厚さＸ_ｇとの間で止めることができ、ボロンは、低エネルギーのイオン注入によって注入するか、又は別の手段によって配置することが可能である。その後、エピタキシャル成長は、本来の厚さＸ_ｒを完成するまで継続させることができる。これは、本発明のさらなる実施形態を示す。

最後に、Ｐ型ドープ層２１２が深さＸ_ｇで緑色のフォトダイオードの下にのみ配置されてもよく、他の類似したＰ型ドープ層が深さＸ_ｇよりも浅い深さＸ_ｂ（図示せず）で「青色」のフォトダイオードの下にのみ配置してもよいことは、当該技術分野における通常の知識を有する者にとって明らかである。これもまた、本発明のさらなる実施形態を示す。

本発明は、緑色又は／及び青色のフォトダイオードの下にポテンシャル障壁であるＰ型ドープ層を備え、赤色のフォトダイオードの下には備えないことにより、小さいピクセルサイズ、優れた赤色光応答及び小さなカラークロストークを有する固体ＣＭＯＳイメージセンサを提供する。

以上、より小さいサイズのピクセルにおいて、改善されたクロストークを有する新しいピクセルの好ましい実施形態を説明しており、これは、深いＰ型領域を緑色及び青色のフォトダイオードの下に備え、赤色のフォトダイオードの下には備えないことによって達成される。このような改善及び革新は、例示的なものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者が上記の説明に基づいた変形例を作り出すことができることは言うまでもない。また、本発明のイメージセンサに関する実施形態は、ＣＭＯＳイメージセンサにも適用可能である。

したがって、本発明は、上記した実施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の範囲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。

イメージセンサにおいて、上部に配置された光吸収カラーフィルタを有する従来のピクセルを簡略に示す断面図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサにおいて、上部に配置された光吸収カラーフィルタを有するピクセルを簡略に示す断面図である。

符号の説明

２０１ 青色フィルタ
２０２ 緑色フィルタ
２０３ 赤色フィルタ
２０８ トランスファゲート
２０９ Ｎ^＋型ドープ層
２１１ 空乏領域
２１２ Ｐ型ドープ層
２１８ Ｐ^＋型基板

Claims (14)

1. 第１導電型の基板と、
   該第１導電型の基板にアレイされた第１ピクセル及び第２ピクセルと、
   該第２ピクセルに該当する前記基板内には配置されることなく、前記第１ピクセルに該当する前記基板内に配置されたポテンシャル障壁と
   を備えることを特徴とするイメージセンサ。
2. 前記ポテンシャル障壁が、第１導電型のドープ層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. 前記第２ピクセルが、前記第１ピクセルに対応するカラーよりも相対的に長波長を有するカラーに対応するもの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. 前記第２ピクセルが、赤色を感知する第１光吸収カラーフィルタを有し、
   前記第１ピクセルが、緑色又は／及び青色を感知する第２光吸収カラーフィルタを有することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
5. 前記第１ピクセル及び第２ピクセルが、光生成電荷を電気的信号として読み出すための回路を共有することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
6. 前記第１ピクセル及び第２ピクセルが、光生成電荷を収集するために、それぞれフォトダイオードを備えることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
7. 前記第１ピクセル及び第２ピクセルが、光生成電荷を検出するために、フローティング拡散ノードを備えることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
8. 前記第１ピクセル及び第２ピクセルが、フローティング拡散ノードを共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。
9. 前記第１ピクセル及び第２ピクセルが、前記共有されたフローティング拡散ノードに光生成電荷を伝達するために、それぞれトランスファゲートを備えることを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサ。
10. 前記フォトダイオードが、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６に記載のイメージセンサ。
11. 前記第１導電型の基板が、
    前記基板上に成長したＰ型エピタキシャル層を備え、前記基板が、高濃度のＰ^＋型基板で形成されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
12. 前記第１ピクセルが、光生成電荷を収集するためのフォトダイオードを備え、
    前記ポテンシャル障壁が、前記フォトダイオードにより生成される空乏領域の下の前記Ｐ型エピタキシャル層に形成され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. 前記ポテンシャル障壁が、高エネルギーのイオン注入によるドーパントを有することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
14. 前記ポテンシャル障壁が、前記Ｐ型エピタキシャル層のエピタキシャル成長中にイオンの注入又は拡散により形成されたドーパント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。

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