JP2000236416A - 六角格子状にレイアウトされた方形読出し層を有するアモルファスシリコン能動画素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高解像度、低ノイズ、柔軟なカラーパター
ン、高充填密度、最適化した画素形状、高密度、低クロ
ストークな能動イメージセンサを提供する。 【解決手段】 能動イメージセンサは、複数の読出しセ
ル２０が形成される読出し層１７を画定する半導体基板
からなり、読出し層は、複数の空洞６を有する検出層３
を画定する誘電材料から形成され、空洞が読出しセルの
１つの信号入力と通じる開口を備える。空洞は六角格子
状のレイアウトで配列されて読出しセルとは反対側に配
置される。空洞の中には、真性アモルファスシリコンP-
I-Nフォトダイオード７が形成され、入射光を表わす出
力信号を生成する。空洞には配線２１が形成され、出力
信号を読出しセルの信号入力へ伝達する。フォトダイオ
ード上には、バイアスをかけられた透明電極９が設けら
れる。P-I-Nフォトダイオード及び透明電極が共に副画
素５を画定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は概して能動イメージ
センサに関し、より詳細にはアモルファスシリコン検出
層と半導体読出し層とを備えた能動イメージセンサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】デジタルカメラやカムコーダ、スキャ
ナ、コピー機等のような最新のイメージングシステム、
結像システムの多くにおいては、高解像度及び高い色忠
実度でイメージ、画像を取り込む性能を持つイメージセ
ンサが必要とされる。イメージングシステムのほとんど
は、システムの寸法、重量、電力消費、熱放散性及び耐
久性に関わる制約から、固体イメージセンサを採用して
いる。イメージを高解像度及び高忠実度で取り込むイメ
ージングシステムの性能は、使用されるイメージセンサ
に大きく依存する。通常イメージセンサの解像度は、イ
メージセンサ中に含まれる画素数で評価される。固体セ
ンサの解像度は、予め決められた面積中により多くの画
素を配することができるように、画素の寸法を縮小する
ことによって高めることができる。単位面積あたりより
多くの画素を持つイメージセンサ上に入射するイメージ
は、単位面積あたりより少ない画素を持つイメージセン
サに入射するイメージよりも高い解像度で取り込むこと
ができる。画素の外形及び画素間の対称性もまた、単位
面積あたりの画素数を左右する。さらに画素間の対称性
は色のアリアジング（aliasing）に影響することがあ
る。画素によって生じる電気ノイズのようなその他の要
因が画質に影響する場合もある。加えてカラーイメージ
について言えば、イメージセンサ中の画素に割り当てら
れた事前に決められたカラーパターンがイメージの色忠
実度を左右することもある。

【０００３】イメージセンサの望ましい属性としては、
低電気ノイズ、カラーパターンにおける柔軟性、解像度
を高める為に最適化された画素密度及び形状、隣接画素
間の対称性、最大化した画素充填率（fill-factor）が
あげられる。低電気ノイズであれば、画素によって生成
されるイメージ信号がノイズによって変えられてしまう
ことが避けられる。さらに個々の画素からのノイズ及び
リーク電流が、隣接する画素のイメージ信号に影響を与
えてしまうこともある。加えて、画素の電気ノイズは画
素の形状及び画素間の対称性に影響される場合がある。
各画素により生じるノイズを低減することによって、電
気ノイズをフィルタリングする為の回路やアルゴリズム
を最低限にし、あるいは排除することが可能となる。カ
ラーパターンに柔軟性があれば、イメージセンサを例え
ば写真又はビデオ用のＲＧＢカラーパターンに、あるい
は印刷又は走査用のＣＭＹカラーパターンに、といった
ように特定のアプリケーションに適合するように作るこ
とが可能となる。

【０００４】方形の画素は、例えばフォトダイオードの
ような能動素子中にリーク電流を生じる急峻な方形の縁
部に起因する、さらなるノイズの原因となり得る。急峻
な縁部に起因するノイズが排除されるような画素形状が
望ましい。さらに、画素面積に対する能動領域の比率が
100％の充填率に近づくように、画素のイメージを取り
込む為の能動領域を最大化することが望ましい。トラン
ジスタ及び信号を取り回す配線（routing line）のよう
な部品を画素から除去することにより、その部品が占め
ていた面積を画素の能動領域を最大化する為に利用する
ことができ、これにより充填率を増大させることができ
る。

【０００５】従来のイメージセンサの設計には、フォト
ゲート能動画素センサ、３つのトランジスタを持つバル
クシリコンフォトダイオード画素センサ、パルスバイポ
ーラＣＭＯＳ能動画素センサ、方形ＣＭＯＳ画素センサ
が含まれる。

【０００６】フォトゲート能動画素センサでは、低ノイ
ズ作動や電子シャッタの為にＣＭＯＳフォトゲート画素
内に４つのトランジスタが使われている。しかしながら
このようなトランジスタの数では、５×５μm²近い画素
面積を持つ最新のＣＣＤイメージセンサに太刀打ちでき
る画素領域は望めない。フォトゲートセンサ中のトラン
ジスタ数が原因で、最新のＣＣＤイメージセンサと比較
すると低い充填率となる。

【０００７】パルスバイポーラＣＭＯＳ能動画素センサ
では、ＣＭＯＳプロセスにおいて縦形バイポーラデバイ
スが採用されている。バイポーラデバイスを利用すれ
ば、画素中のトランジスタ数が少ない為に画素面積を小
さくできる。しかしながら、この設計においてはイメー
ジの遅れがあり、また高β利得（βgain）バイポーラト
ランジスタを持つ画素からの出力信号を増幅する必要が
あるといった欠点がある。高β利得バイポーラトランジ
スタは、低電流条件下においては信号劣化を呈し、画素
の読出し経路に増幅段を組み込んでいる為に画素のスケ
ーラビリティ（scalability）を制限する。さらにオー
バーフロー条件（over flow）を回避する為に追加のエ
ミッタ端子を必要とする。さらなるエミッタ端子によ
り、ＣＭＯＳプロセスにおいて画素レイアウトが非対称
となってしまう。パルスバイポーラＣＭＯＳ能動画素セ
ンサにおいては、ＣＭＯＳ設計ルールにおいて、Ｎ-ウ
ェル（N-well）間隔をとる為の設計ルールに準じるに
は、隣接する画素を離して配さなければならない為に画
素面積は最小化されない。

【０００８】バルクシリコンフォトダイオード画素セン
サは、フォトダイオード及びトランジスタが同じシリコ
ン層に組み込まれており、トランジスタの占める面積に
よってフォトダイオードが利用できる能動領域が狭くな
る為、1.2μmＣＭＯＳプロセス技術を用いた場合の充填
率が約30％であり、最新のＣＣＤイメージセンサとは比
較にならない。

【０００９】方形ＣＭＯＳ能動画素センサの設計におい
ては方形の画素形状が採用されており、各画素は方形格
子状に配置されている。方形格子では最適な画素密度に
達し得ないのは明らかである。Bayerのカラーパターン
は方形格子用のカラーフィルタアレイ（ＣＦＡ）として
開発された。BayerＣＦＡパターンにおいては、赤、
緑、青のセンサの比率が１：２：１である。したがって
アレイ中の各赤画素及び青画素に対して、緑画素は２個
ある。一般的に、BayerＣＦＡパターンの色密度は、セ
ンサ色の２つ（赤及び青）を低くサンプリングし、カラ
ーパターンカーネルを非対称としてしまう為に最良の選
択とは言えない。BayerＣＦＡパターンにおいては、水
平方向の直線、垂直方向の直線、斜め方向の直線のイメ
ージ造作は、３つ以上の異なる色のセンサ位置を通過す
ることはない。これは赤及び青センサ位置が、同じ色の
センサと隣り合うことがない為である。したがって方形
の画素形状は柔軟なカラーパターン作製には適合しな
い。

【００１０】図１に、概略的に描いた従来技術の方形Ｃ
ＭＯＳ能動画素センサ100を説明用の具体例として示し
た。センサ100は複数の副画素（subpixel）101を有す
る。４つの副画素101で太線で示される１画素103を画定
する。画素103は２つの緑副画素105、１つの赤副画素10
7、１つの青副画素109を有する。画素103における副画
素101のカラーパターン配列は、画素103が１つの赤副画
素107そして１つの青副画素109に対して２つの緑副画素
105を有しており、赤副画素107、緑副画素105、青副画
素109の色密度が１：２：１であるBayerＣＦＡパターン
に対応する。

【００１１】図２は、従来技術によるセンサ100の上を
線形のイメージ造作が横切った場合を描いたものであ
る。矢印133により示される第一の水平方向の通過にお
いては、イメージ造作は緑副画素105及び赤副画素107を
横切る。矢印122により示される第二の水平方向の通過
においては、イメージ造作は青副画素109及び緑副画素1
05を横切る。第一の水平方向の通過133は青副画素109を
横切ることはない。同様に、第二の水平方向の通過122
は赤副画素107を横切ることはない。BayerＣＦＡカラー
パターンカーネルが対称ではない為に、第一の水平方向
の通過133及び第二の水平方向の通過122は、センサ100
の一回の通過において、赤副画素107、緑副画素105、青
副画素109を順次横切ることはないのである。緑副画素1
05と赤副画素107しか通過しない矢印135で示される第一
の垂直方向の通過にも同様のことが言える。矢印124で
示される第二の垂直方向の通過においては、緑副画素10
5及び青副画素109しか横切ることはない。加えて、矢印
137で示される第一の斜め方向の通過においては、全て
緑副画素105しか横切らない。矢印126で示される第二の
斜め方向の通過においては、赤副画素107及び青副画素1
09しか横切らない。BayerＣＦＡパターンが隣り合う副
画素101間で色の対称性を持たない為に、ＲＧＢカラー
パターンに準じた赤副画素107、緑副画素105、青副画素
109を順次通過することが、縦方向、横方向及び斜め方
向のイメージ造作に対して不可能である。

【００１２】能動画素センサにＣＭＯＳフォトゲート及
びフォトダイオードを使った実用例では、電子収集ノー
ド（electron collection node）からの電子のリークに
起因して、異なる色の画素間でクロストークが生じる。
さらにクロストークは画素間隔の不均一性によってさら
に悪化する。このような不均一性によって、特に異なる
カラーチャンネルに対して、不均一なクロストークパタ
ーンが生じる。方形の形状及びBayerＣＦＡパターンに
より、１つの画素は８つの画素のグループに取り囲まれ
る。画素グループの中でも、囲まれた画素に対して縦又
は横方向に隣接する画素は、囲まれた画素に対して斜め
方向に隣接する画素よりも、囲まれた画素との距離が短
く、この結果囲まれた画素とグループ中の他の画素との
間の距離にばらつきが生じる。画素間の距離のばらつき
により、不均一なクロストークパターンが生じる。

【００１３】図３には、説明用の事例として、従来技術
によるセンサ100中の隣接する副画素間の相対距離が矢
印139で示される。赤副画素117は、４つの緑副画素125
及び４つの青副画素129により囲まれている。青副画素1
29は赤副画素117に対して斜めに隣接しており、青副画
素129の赤副画素117からの距離は、赤副画素117に境を
接する緑副画素125からの距離よりも大きい。同様に、
青副画素119は、４つの緑副画素125及び４つの赤副画素
127に囲まれており、赤副画素127は、青副画素119に対
して斜めに、そして赤副画素127の青副画素119に対する
距離が緑副画素125の青副画素119に対する距離よりも大
きい距離をおいて配されている。緑副画素125は青副画
素119と境を接しており、したがって赤副画素127よりも
青副画素119との距離が近い。緑副画素115は、２つの赤
副画素127、２つの青副画素129、４つの緑副画素125に
囲まれている。２つの赤副画素127及び２つの青副画素1
29は緑副画素115に境を接しており、４つの緑副画素125
は緑副画素115に対して斜めに位置している。BayerＣＦ
Ａパターンにおいては緑が赤及び青に比べて１：２の割
合で過剰にサンプリングされる為に、緑副画素115は４
つの緑副画素125により囲まれることになる。囲まれた
副画素各々において、囲まれた画素と斜めに隣接する画
素との間の余剰距離が不均一クロストークパターンを生
じさせることがある。緑副画素115については、緑副画
素115が同じ色を持つ同数の副画素に囲まれていない為
に、不均一クロストークパターンがさらに悪化する可能
性がある。２つの青副画素129及び２つの赤副画素127が
相殺するクロストークパターンを持たない場合もあり、
この結果緑副画素115に対して斜めに位置する４つの緑
副画素125の余剰距離に起因するクロストークに加え、
色の不均衡によるさらなるクロストークが生じる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、高解像
度、低ノイズ、柔軟なカラーパターン、高充填密度、最
適化した画素形状、高密度、低クロストークである能動
イメージセンサに対する要求が存在することは明らかで
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の好適な実施例に
おいては、能動イメージセンサが提供され、この能動イ
メージセンサでは、フォトダイオードが直線的にではな
く、好ましくは六角形の幾何学的に効率的なパターンに
配されており、フォトダイオードとそれらに関連する増
幅器が縦に積み重ねられる。このようなイメージセンサ
は、他のセンサよりも高い画素密度を有し、より高い解
像度、より良好な色忠実度、より低いノイズ、より低い
クロストーク、より柔軟なＣＦＡパターンを提供する。

【００１６】一実施例においては、イメージセンサは半
導体基板を含み、その基板には複数の読出しセルが形成
される。基板は、列に配置された読出しセルにより読出
し層を画定する。各読出しセルは信号入力を有する。誘
電材料が読出し層の上に形成され、検出層を画定する。
複数の空洞が検出層に形成される。空洞は六角格子状に
レイアウトに配列され、読出し層中の読出しセルとは反
対側に配置される。真性アモルファスシリコンP-I-Nフ
ォトダイオードが検出層の各空洞内に形成される。各フ
ォトダイオードは、そのフォトダイオードに入射した光
を表わす出力信号を生成する。相互接続、相互配線が、
フォトダイオードからの出力信号を読出しセルの信号入
力へ伝達する。バイアスをかけられた光学的に透明な電
極が、各空洞に配置され、フォトダイオードにバイアス
をかけ、電極に入射した光がフォトダイオード上に結像
されるようにする。フォトダイオード及び電極が検出層
の副画素を画定する。

【００１７】不透明の遮光物を利用してフォトダイオー
ドに入射した光が読出し層に影響しないようにすること
ができる。

【００１８】副画素は、検出層中の副画素密度を最適化
し得るような形状であることが望ましい。六角形が有効
であるが、円形のような他の適した形状でも良い。

【００１９】増幅器は、対応するフォトダイオードの下
に、縦に積層されるる各読出しセル中に設けられ、フォ
トダイオードと電気的に通じてフォトダイオードからの
信号を増幅することが望ましい。増幅器をその対応する
フォトダイオードの下に設けることにより、信号取り回
し線すなわち信号ルーティング線、トランジスタ、その
他の部品をフォトダイオードの能動領域から排除し、こ
れにより入射光を受光するのに有効なフォトダイオード
領域を最大化することができる。

【００２０】一実施例においては、読出し層は蛇行（se
rpentine）バス及び階段状（stair-step）バスを有す
る。蛇行バス及び階段状バスは、信号取り回し線の第一
のパターンを持つ列及び信号取り回し線の第二のパター
ンを持つ隣接する列により画定される。第一及び第二の
パターンは蛇行バス及び階段状バスを形成するように整
列される。蛇行バス及び階段状バスは読出し層の全体に
わたって延伸している。上述したように、信号取り回し
線を読出し層に設けることにより、検出層のフォトダイ
オードの能動領域が最大化される。

【００２１】検出層には電極に隣接して配置されるフィ
ルタ層が含まれていても良い。一実施例においては、フ
ィルタ層はカラーフィルタである。カラーフィルタは所
望のカラーパターンを作る為に、あるいは隣接する副画
素のカラーフィルタパターンに対称性又は非対称性を作
る為に、副画素間で異なっていても良い。

【００２２】検出層は、赤外線フィルタを含み、副画素
に入射する光からの赤外線ノイズの吸収を減衰させるこ
とができる。

【００２３】他の実施例においては、検出層は副画素に
隣接した位置にマイクロレンズを含み、入射光を副画素
上に集光することができる。

【００２４】本発明のその他の態様及び利点は、本発明
の原理を説明する為の具体例を描いた添付の図を参照し
つつ、以下の説明を読むことにより明らかとなる。

【００２５】

【発明の実施例】以下の詳細にわたる説明及び幾つかの
図において、同様の要素は同様の参照番号で示す。

【００２６】説明を目的として図示したように、本発明
は、読出し層を画定する半導体基板と、検出層を画定す
る誘電材料とを含むイメージセンサで具現化される。読
出し層は基板中に幾つもの列をなして形成されている複
数の読出しセルを有する。列中の読出しセルは隣接する
列の読出しセルに対して、その位置がずらされている。
各読出しセルは信号入力を備える。誘電材料が読出し層
上に形成され、検出層を画定する。検出層には複数の空
洞が形成される。空洞は六角格子状にレイアウトされて
配置されており、読出し層の読出しセルとは反対に配置
される。各空洞の一部には、読出しセルの信号入力と通
じる開口がある。真性アモルファスシリコンP-I-Nフォ
トダイオードが各空洞中に形成され、イメージセンサの
副画素が画定される。各フォトダイオードは、そこに入
射する光を表わす出力信号を生成する。各空洞の開口に
配置された相互接続、配線が出力信号をフォトダイオー
ドから読出しセルの信号入力へと伝達する。バイアスを
かけられた光学的に透明な電極が空洞に設けられ、フォ
トダイオードにバイアスをかけて電極上に入射した光が
フォトダイオード上に結像するように作用する。フォト
ダイオード及び電極が副画素を画定する。本発明のイメ
ージセンサは、柔軟な副画素形状を持ち、様々なカラー
パターンに実用可能であり、電気ノイズ及びクロストー
クを低減し、副画素間の均一な間隔と対称性を与える、
最適な副画素密度、最大化した副画素充填密度を備え
る。

【００２７】図４を参照すると、概略的に描かれている
本発明に基づくイメージセンサ１が示されている。イメ
ージセンサ１は読出し層17を画定する半導体基板を含
む。読出し層17は、そこに形成された複数の読出しセル
20を有する。図４には読出し層17中の１つの読出しセル
20が描かれている。読出しセル20を備える列は、読出し
セル20が隣接する列中の読出しセル20に対してずれた位
置になるように配列されている。読出し層17は、例えば
バルクシリコンのいかなる半導体基板でも良い。

【００２８】読出し層17上には誘電材料が形成され、検
出層３を画定している。検出層３には複数の空洞６が形
成されている。空洞６は六角格子状にレイアウトされて
配置され、読出しセル20とは反対側に設けられる。空洞
６は、検出層３中の各空洞６と読出し層17中の読出しセ
ル20とは１対１で対応する。誘電材料は、例えば二酸化
珪素又は窒化珪素のような絶縁体とすることができる。

【００２９】真性アモルファスシリコンP-I-Nフォトダ
イオード７が空洞６に形成される。フォトダイオード７
は、フォトダイオード７に入射した光を表わす出力信号
を生成する。例えばフォトダイオード７は、空洞６中に
Ｎ型アモルファスシリコン層15、続いて真性アモルファ
スシリコン層13、最後にＰ型アモルファスシリコン層11
を付着することにより形成される。空洞６の一部には、
読出しセル20の信号入力24と通じる開口８を備える。開
口８に設けられた配線21が、フォトダイオードの出力信
号を信号入力24へと伝送する。配線21は、例えばアルミ
ニウム又はタングステンのような導体から形成すること
ができる。

【００３０】バイアスのかけられた光学的に透明な電極
９が、フォトダイオード７上に配置されてフォトダイオ
ード７にバイアスをかけ、電極９に入射した光をフォト
ダイオード７上に結像する。電極９は、アースのような
電圧源を層11と電気的に通じている。電極９は、例えば
インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を利用して作製可能であ
る。電極９及びフォトダイオード７が、イメージセンサ
１の副画素５を画定する。図４には検出層３中の副画素
５が１つ描かれている。

【００３１】本発明の一実施例においては、検出層３
は、副画素５に入射する光のうち特定波長の光を通過す
るように作用するフィルタ層25を含むことができる。フ
ィルタ層25は、電極９に隣接して示されているが、入射
光が副画素５に到達する前にろ波される限りにおいて、
フィルタ層25は検出層３中のいずれの位置にあってもか
まわない。

【００３２】一実施例においては、フィルタ層25はカラ
ーフィルタである。カラーフィルタは事前に決められた
色を備える。カラーフィルタを通過する光の波長は、例
えば赤、緑、青、シアン、マゼンタ、イエローのような
色である。イメージセンサ１の所望の用途に適した色で
あればいずれもカラーフィルタの色として使用すること
ができる。特にデジタルフォトグラフィー又はビデオに
関連する幾つかの用途においては、カラーフィルタの色
は、例えば赤、緑、青より構成されるＲＧＢカラーパタ
ーンの中の色を使用することができる。印刷や走査用途
では、カラーフィルタの色は、例えばシアン、マゼン
タ、イエローから構成されるＣＭＹカラーパターンの中
の色を使用することができる。

【００３３】加えて検出層３は、電極９に隣接して配置
される赤外線フィルタ27を含むことができる。赤外線フ
ィルタ27は、副画素５に入射する光から赤外線ノイズを
減衰するように作用する。赤外線フィルタ27は、図４に
示すように副画素５の各々に隣接して個別に設けても、
あるいは検出層３中の全ての副画素５を覆う単一の層と
して設けても良い。

【００３４】本発明の他の他の実施例においては、検出
層３は副画素５に入射する光を集束するように配置され
ているマイクロレンズ29を含むことができる。マイクロ
レンズ29は、最新の半導体マイクロレンズ製作技術を利
用して実現可能である。

【００３５】本発明の一実施例においては、副画素５が
不透明の遮光層23を含んでいる。遮光層23は、副画素５
への入射光が検出層３を通過して読出し層17に到達しな
いように機能する。第二の誘電材料２が、遮光層23上に
配置され、遮光層23を層15から電気的に絶縁することが
できる。他の実施例においては、不透明の遮光層23は副
画素５と読取り層17との間の検出層３中に配置される。

【００３６】図５を参照すると、検出層３は太線で示さ
れる六角格子状にレイアウト28されて配列された副画素
35を備える。六角格子状のレイアウト28では、検出層３
中の副画素35の各々が６個の隣接する副画素35に囲まれ
る。六角格子状のレイアウト28は、検出層３全体にわた
って繰り返される。六角格子状にレイアウト28されて配
置された７つの隣接しあう副画素35は全て、互いに対し
て対称関係の位置にある。隣り合う副画素間の距離に差
異がある為に生じる電気ノイズは、六角格子状のレイア
ウト28で副画素35を配列することによって、最小限に抑
えることができる。本発明の一実施例においては、副画
素35が実質的に六角形状を備える。副画素35の形状は正
六角形であることが望ましい。同様に図７に示される本
発明の他の実施例においては、検出層３が実質的に円形
の形状を持つ副画素を含み、その副画素が六角格子状の
レイアウト28で配列されている。

【００３７】本発明の他の実施例においては、検出層３
が３つの副画素35により画定される画素30を有する。本
発明の一実施例においては、画素30中の副画素35は、図
５に示されるような三角形状22に配置されている。画素
30に三角形状22を採用し、同時に副画素35に六角形の形
状を採用した場合、画素30中の副画素35間、及び検出層
３中の隣接画素30間に対称性が保たれ、高密度のイメー
ジセンサが提供される。画素30を画定する為に用いた副
画素35の配列は、三角形状22だけに限らず、例えば副画
素35を線に沿って配列して画素30を画定するというよう
に、他の構成も可能である。同様に本発明の他の実施例
においては、図７で示されるように、画素30は３つの副
画素45により画定される。加えて画素30中の副画素45は
三角形状22に配列させることができる。

【００３８】副画素は、半導体プロセスの分野では一般
的な方法であるフォトリソグラフィー法及びエッチング
法を利用して、検出層の誘電材料中に所望の形状の空洞
６を作って、形成することができる。

【００３９】本発明の一実施例においては、図６に示す
ように、読出し層17の列151にある読出しセル20が、読
出し層17の隣接する列153にある読出しセル20に対して
ずれた位置にあり、それによって読出し層17中の読出し
セル20もまた、太線で示されるように六角格子状のレイ
アウト28で配置されている。この六角格子状のレイアウ
ト28は読出し層17全体にわたって繰り返される。

【００４０】他の実施例においては、列151中の読出し
セル20を隣接する列153の読み出しセル20に対して読出
しセル20幅の半分の距離だけずらすことにより、読出し
層17中の読出しセル20が三角形状22に配列されている。
読出し層17中の読出しセル20の配置と、図５に示される
ような検出層３中の副画素35の配置との間に対応する対
称性があることで、対応する読出しセル20に対する副画
素35の相対的配置に柔軟性を持たせることができる。例
えば副画素35を、それらに対応する読出しセル20の直上
に配置することもできるし、あるいは対応する読出しセ
ル20の上部ではあるが、水平にずらして配置することも
できる。副画素35をずらして配置した場合、配線21用の
開口８の位置はその対応する読出しセル20の信号入力24
に整合するように配置されなければならない。しかしな
がら、副画素35からの出力信号を読出しセル20の信号入
力24へと伝達する為に中間レベルの配線が利用されてい
る場合には、この位置合わせは必要ない。

【００４１】本発明の一実施例において、図８に示すよ
うに、読出しセル20は参照番号70で概略的に示される増
幅器を含む。P-I-Nフォトダイオード７からの出力信号
は、配線21により読出しセル20の信号入力24へと伝達さ
れる。増幅器70は、信号入力24と電気的に通じており、
出力信号を増幅するように作用する。増幅器70は増幅さ
れた出力信号を表わす増幅器出力79を備える。

【００４２】増幅器70は、増幅器出力79を提供するソー
ス端子、選択入力77に接続されるゲート端子、トランジ
スタ91のソース端子に接続されるドレイン端子を備える
トランジスタ93を含む。トランジスタ91は、例えばＶＤ
Ｄのような電圧源に接続されるドレイン端子及び、信号
入力24に接続されるゲート端子を有する。トランジスタ
95は、信号入力24に接続されるソース端子、リセット電
圧入力73に接続されるドレイン端子、リセット入力75に
接続されるゲート端子を備える。トランジスタ91は信号
入力24における信号を増幅する。トランジスタ93は増幅
された信号をトランジスタ91のソース端子から受信し、
そしてトランジスタ93がオンした場合、増幅された信号
を増幅器出力79へと伝送する。リセット電圧入力73にお
ける電圧は、トランジスタ95がリセット入力75の信号に
よりオンした場合に、トランジスタ91のゲート端子へと
通じ、トランジスタ93がオンすると増幅器出力79へと伝
送される。

【００４３】本発明の一実施例においては、図９に示す
ように、読出し層17は蛇行バス89及び階段状バス90を含
む。蛇行バス89及び階段状バス90は読出し層17上に形成
され、読出し層17の列と交差している。蛇行バス89及び
階段状バス90は、例えばアルミニウム及びタングステン
のような金属から形成することができる。蛇行バス89及
び階段状バス90は、読出しセル20と読出し層17との間で
信号のルーティング、取り回しを行なう。

【００４４】本発明の一実施例においては、読出し層17
の列155は、その中に形成されたＡ型の配線パターン92
を備える読出しセル20を有し、読出し層17中の隣接する
列157は、その中に形成されたＢ型の配線パターン94を
備える読出しセル20を有する。Ａ型の配線パターン92を
持つ読出しセル20は、Ｃ字形もしくは「コの字」型の配
線81及び第一のＬ字形の配線85を含む（図10）。Ｂ型の
配線パターン94を持つ読出しセル20は、第二のＬ字形の
配線83及び第三のＬ字形の配線87を含む（図11）。Ｃ字
形の配線81は、第二のＬ字形の配線83と電気的に通じ、
蛇行バス89を画定する。第一のＬ字形の配線85は、第三
のＬ字形の配線87と電気的に通じ、階段状バス90を画定
する。蛇行バス89及び階段状バス90は、読出し層17の列
155及び隣接する列157と交差している。

【００４５】列155中の読出しセル20の、隣接する列157
の読出しセル20に対するオフセット構成、ずれ構成をＡ
型配線パターン92及びＢ型配線パターン94と組み合わせ
ると、読出しセル20と読出し層17との間の信号を伝達す
るための効率的、かつ独特のルーティング構造が形成さ
れる。

【００４６】本発明の他の実施例においては、蛇行バス
89は増幅器出力79と電気的に通じており、階段状バス90
はリセット電圧入力73と電気的に通じている。

【００４７】本発明の一実施例において、図12に示すよ
うに、検出層３は、カラーフィルタの色が赤副画素５Ｒ
には赤、緑副画素５Ｇには緑、そして青副画素５Ｂには
青が割り付けられた、赤副画素５Ｒ、緑副画素５Ｇ、青
副画素５Ｂを等しい配分のＲＧＢカラーパターンで備え
る。どの副画素も、矢印36で示されるように、異なる色
のカラーフィルタを持つ隣接副画素に取り囲まれるよう
に、検出層３は副画素を配置され得る。矢印36は赤副画
素５Ｒが緑副画素及び青副画素に取り囲まれた様子を示
している。緑副画素５Ｇは赤副画素及び青副画素により
取り囲まれている。青副画素５Ｂは赤副画素及び緑副画
素により取り囲まれている。等配分のＲＧＢカラーパタ
ーンを描いたが、本発明は等配分のＲＧＢカラーパター
ンに限られた訳ではなく、他の色の組み合わせや他のカ
ラーパターンを採用することもできる。図12では六角形
をした副画素を示したが、副画素の形状は、例えば上述
したような円形など方形以外のいかなる形状とすること
もできる。

【００４８】本発明の一実施例においては、図13に示す
ように、検出層３は、カラーフィルタの色がシアン副画
素５Ｃにはシアン、マゼンタ副画素５Ｍにはマゼンタ、
イエロー副画素５Ｙにはイエローが割り付けられた、シ
アン副画素５Ｃ、マゼンタ副画素５Ｍ、イエロー副画素
５Ｙを等しい配分のＣＭＹカラーパターンで備える。上
述したようにどの副画素も、矢印36で示されるように、
異なる色のカラーフィルタを持つ隣接副画素により取り
囲まれるように、検出層３は副画素を配置され得る。

【００４９】本発明の他の実施例においては、図14に示
されるように、検出層３は隣接する副画素５間で対称に
配置される各副画素５を備え、これにより線形イメージ
が矢印37で示されるように隣接する副画素５を水平方向
に横切るような水平方向の通過において、等配分のＲＧ
Ｂカラーパターンを備える副画素５は完全に横切られ
る。矢印37は、線形イメージの水平方向の通過が、結果
的には等配分のＲＧＢカラーパターンの色を有する横方
向に隣接する副画素５を順次横切ることになることを示
している。矢印37は水平方向の線形イメージの通過を示
したものであるが、検出層３を90度回転させれば、垂直
方向の線形イメージの通過によって等配分のＲＧＢカラ
ーパターンを備える縦方向に隣接する副画素５を順次横
切ることになる。

【００５０】矢印38に示されるような第一の斜め方向に
検出層３中の斜めに隣接する副画素５を横切って線形イ
メージを通過させた場合、等配分のＲＧＢカラーパター
ンを備える斜め方向に隣接する副画素５を完全に横切る
ことになる。同様に、矢印40に示されるような第二の斜
め方向に斜めに隣接する副画素５を横切って線形イメー
ジを通過させた場合も、等配分のＲＧＢカラーパターン
を備える斜め方向に隣接する副画素５を完全に横切るこ
とになる。図14においては六角形の副画素５を図示した
が、副画素５の形状は方形以外のいかなる形状でも良
く、例えば副画素５の形状を円形とすることもできる。
さらに検出層３のカラーパターンは、等配分のＲＧＢカ
ラーパターンに限定されない。

【００５１】図15は、検出層３に等配分のＣＭＹカラー
パターンを用いた例を図示する。上述したように、矢印
37に示されるような水平方向での線形イメージの通過、
矢印38に示されるような第一の斜め方向での線形イメー
ジの通過、矢印40に示されるような第二の斜め方向での
線形イメージの通過は、それぞれの線形方向に隣接する
副画素５を順次横切ることになる。

【００５２】本発明の他の実施例においては、図16に示
すように、太線で示される画素30には３つの副画素５が
含まれる。カラーフィルタの色は、画素30中の３つの副
画素５のうちの少なくとも２つは同色である。検出層３
は、線形イメージが水平方向に通過した場合に矢印37に
示されるようなＲＧＢカラーパターンを備える水平方向
に隣接する副画素５を順次横切ることになるように、画
素30を配置されている。同様に、検出層３を90度回転さ
せれば、線形イメージが垂直方向に通過した場合にもＲ
ＧＢカラーパターンを備える垂直方向に隣接する副画素
５を順次横切ることになる。

【００５３】矢印43に示されるように第一の斜め方向に
線形イメージが通過した場合、ＲＧＢカラーパターンを
備える斜めに隣接する副画素５は順次横切られることに
はならない。矢印43は第一の方向の通過では、カラーフ
ィルタの同じ色を備える斜めに隣接する副画素５を横切
ることにしかならないことを示している。この画素30及
びそれらの各々の副画素５の構成は、斜めに隣接する赤
副画素、斜めに隣接する緑副画素、斜めに隣接する青副
画素からの出力信号を、イメージからＲＧＢデータを得
る為にグループとして処理することができる、例えばビ
デオのような用途には好適である。そのグループがＲＧ
Ｂカラーパターンを形成する平行に配向される赤、緑、
青副画素を含むように、各矢印43は隣接する矢印43と平
行である。

【００５４】一方で、矢印41に示されるように第二の斜
め方向に線形イメージが通過した場合、ＲＧＢカラーパ
ターンを備える斜めに隣接する副画素５を順次横切られ
ることになる。ＲＧＢカラーパターンで説明を行った
が、例えばＣＭＹカラーパターンのような他のいずれの
カラーパターンでも利用可能である。任意選択により、
画素30中の全ての副画素５がカラーフィルタの同じ色を
備えることも可能である。画素30は、種々の用途に特定
のカラーパターンを実現するように、検出層３内で配置
することができる。図16では六角形の形状をした副画素
５が説明されたが、副画素５の形状は方形以外のいかな
る形状でも良く、副画素５は例えば円形の形状であって
も良い。

【００５５】本発明の幾つかの実施例を開示して、説明
してきたが、本発明は説明及び図示した特定の形状又は
配列に限定されるものではない。本発明は特許請求の範
囲の記載によってのみ限定されるものである。

【００５６】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。

【００５７】１．読出し層を画定する半導体基板と、該
読出し層がその内に形成される複数の読出しセルを備
え、該読出しセルの各々が信号入力を備え、該読出しセ
ルが列をなして配置され、各列が、隣接する列中にある
読出しセルに対して位置のずれている読出しセルを備え
ることと；前記読出し層上に形成され、検出層を画定す
る誘電材料と、該検出層がその内に形成される複数の空
洞を有し、該空洞のそれぞれがその一部に前記読出しセ
ルの１つの信号入力と通じる開口を備え、前記空洞が、
六角格子状のレイアウトで配列され、前記読出しセルと
は反対側に配置されることと；前記空洞のそれぞれの中
に形成されている真性アモルファスシリコンP-I-Nフォ
トダイオードと、該真性アモルファスシリコンP-I-Nフ
ォトダイオードがこのP-I-Nフォトダイオード上に入射
する光を表わす出力信号を生成するように作動すること
と；前記空洞のそれぞれの開口内に配置されている配線
と、該配線が、前記P-I-Nフォトダイオードからの出力
信号を前記読出しセルの信号入力へと電気的に伝達する
ように作用することと；さらに前記P-I-Nフォトダイオ
ード上に配置されている、バイアスをかけられた光学的
に透明な電極と、該光学的に透明な電極が、前記P-I-N
フォトダイオードにバイアスをかけ、該光学的に透明な
電極上に入射した光を前記P-I-Nフォトダイオード上に
結像するように作用することとを含み；前記P-I-Nフォ
トダイオード及び前記光学的に透明な電極が共に副画素
を画定することを特徴とするイメージセンサ。

【００５８】２． 前記副画素の形状が六角形である、
１項に記載のイメージセンサ。

【００５９】３． 前記副画素の形状が正六角形であ
る、２項に記載のイメージセンサ。

【００６０】４． 前記副画素の形状が円形である、１
項に記載のイメージセンサ。

【００６１】５． 前記副画素のそれぞれが、前記P-I-
Nフォトダイオードに入射した光が読出し層に当たらな
いように作用する不透明の遮光層を含む、１項に記載の
イメージセンサ。

【００６２】６． ３つの副画素が三角形状に配列して
画素を画定する、１項に記載のイメージセンサ。

【００６３】７． ３つの読出しセルが前記画素中の３
つの副画素に対応し、該３つの読出しセルが三角形状に
配列している、６項に記載のイメージセンサ。

【００６４】８． 信号入力と電気的に通じ、増幅され
た出力信号を供給する増幅器出力を有する、各読出しセ
ル中に配置されている増幅器をさらに備える、１項に記
載のイメージセンサ。

【００６５】９． 前記増幅器がさらに；前記増幅器出
力を使用可能にするように作用する選択入力と、それに
よって該選択入力が使用可能である場合に、増幅された
出力信号が前記増幅器出力と通じることと；リセット電
圧と通じる端子と；そして前記増幅器出力をリセット電
圧に設定するように作用するリセット入力とを備える、
８項に記載のイメージセンサ。

【００６６】１０． 前記読出し層がさらに；前記読出
し層上に形成されている蛇行バスと、該蛇行バスが前記
読出し層の列に交差することと；そして前記読出し層上
に形成されている階段状バスと、該階段状バスが前記読
出し層の列に交差することとを含み；前記蛇行バス及び
前記階段状バスが、前記読出しセルと前記読出し層との
間で信号通信を行なうように作用する、９項に記載のイ
メージセンサ。

【００６７】１１． 前記読出し層の列がさらに；第一
の列の読出しセル上に形成されたＡ型の配線パターン
と；そして前記第一の列に隣接する第二の列の読出しセ
ル上に形成されたＢ型の配線パターンとを含み；前記Ａ
型の配線パターンがＣ字形の配線及び第一のＬ字形の配
線を有し、前記Ｂ型の配線パターンが第二のＬ字形の配
線及び第三のＬ字形の配線を有し；前記Ｃ字形の配線が
前記第二のＬ字形の配線と電気的に通じて前記蛇行バス
を画定し、前記第一のＬ字形の配線が前記第三のＬ字形
の配線と電気的に通じて前記階段状バスを画定する、１
０項に記載のイメージセンサ。

【００６８】１２． 前記蛇行バスが前記増幅器出力と
電気的に通じ、前記階段状バスが前記リセット電圧と電
気的に通じている、１１項に記載のイメージセンサ。

【００６９】１３． 前記検出層が前記電極に隣接して
配置されている赤外線フィルタをさらに含み、該赤外線
フィルタが前記副画素に入射した光からの赤外線ノイズ
の吸収を減衰するように作用する、１項に記載のイメー
ジセンサ。

【００７０】１４． 前記検出層が前記副画素に隣接し
て配置されているマイクロレンズをさらに含み、該マイ
クロレンズが前記副画素上に入射光を集束するように作
用する、１項に記載のイメージセンサ。

【００７１】１５． 前記検出層が前記電極に隣接して
配置されているフィルタ層をさらに含み、該フィルタ層
が前記副画素上に入射した光から選択した波長の光を通
過させるように作用する、１項に記載のイメージセン
サ。

【００７２】１６． 前記フィルタ層が所定の色を有す
るカラーフィルタである、１５項に記載のイメージセン
サ。

【００７３】１７． ３つの副画素が画素を画定し、前
記カラーフィルタの色が前記画素中の副画素の少なくと
も２つについて同色である、１６項に記載のイメージセ
ンサ。

【００７４】１８ いずれの所定の副画素に対するカラ
ーフィルタの波長も、隣接する副画素に対するカラーフ
ィルタの波長のいずれとも異なる、１６項に記載のイメ
ージセンサ。

【００７５】１９． 前記カラーフィルタの色が、赤、
緑、青、シアン、マゼンタ、イエローからなるグループ
から選択される、１６項に記載のイメージセンサ。

【００７６】２０． 隣接する副画素のカラーフィルタ
の色が、等配分のＲＧＢカラーパターンを画定してお
り、該カラーフィルタの色が、赤、緑、青からなるグル
ープから選択される、１６項に記載のイメージセンサ。

【００７７】２１． いずれの所定の副画素に対するカ
ラーフィルタの波長も、隣接する副画素に対するカラー
フィルタの波長のいずれとも異なる、２０項に記載のイ
メージセンサ。

【００７８】２２． 線形イメージが隣接する副画素を
通過した場合に、ＲＧＢカラーパターンを持つ副画素を
順次横切ることになるように、副画素が配置されてい
る、２０項に記載のイメージセンサ。

【００７９】２３． 隣接する副画素に対するカラーフ
ィルタの色が、等配分のＣＭＹカラーパターンを画定
し、該カラーフィルタの色が、シアン、マゼンタ、イエ
ローからなるグループから選択される、１６項に記載の
イメージセンサ。

【００８０】２４． いずれの所定の副画素に対するカ
ラーフィルタの波長も、隣接する副画素に対するカラー
フィルタの波長のいずれとも異なる、２３項に記載のイ
メージセンサ。

【００８１】２５． 線形イメージが隣接する副画素を
通過した場合に、ＣＭＹカラーパターンを持つ副画素を
順次横切ることになるように、副画素が配置されてい
る、２３項に記載のイメージセンサ。

【００８２】

【発明の効果】本発明は、アモルファスシリコン検出層
と半導体読出し層とを有する能動画素センサに関する。
複数のP-I-Nフォトダイオードが検出層に配置される。
フォトダイオードは、六角格子状のレイアウトに配置さ
れている副画素を画定する。副画素は、六角形状もしく
は円形とすることができる。検出層はカラーパターンを
実現するためのカラーフィルタ、赤外線を吸収する赤外
線フィルタ、副画素上にイメージを集光するためのマイ
クロレンズを含むことができる。副画素は、三角形状に
配列されて画素を形成し、隣接する画素は六角格子状の
レイアウトに配列される。読出し層は、検出層の副画素
に対応する複数の方形読出しセルを含む。読出しセル
は、検出層の副画素に対応する三角形状に配列すること
ができる。P-I-Nフォトダイオードは、読出し層の読出
しセルと通じる、出力信号を発生するための出力を備え
る。上記構成により、高解像度、低ノイズ、柔軟なカラ
ーパターン、高充填密度、最適化した画素形状、高密
度、低クロストークである能動イメージセンサを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】BayerＣＦＡパターンを備える従来技術による
方形ＣＭＯＳ能動画素センサの上面図である。

【図２】従来技術による方形ＣＭＯＳ能動画素センサの
上面図であって、線形にイメージを通過させた場合を説
明するものである。

【図３】従来技術による方形ＣＭＯＳ能動画素センサの
上面図であって、隣り合う副画素間の相対距離を説明す
るものである。

【図４】検出層及び方形の読出し層を備える本発明に基
づくイメージセンサの断面図である。

【図５】六角形をした副画素を備える本発明に基づくイ
メージセンサの上面図である。

【図６】六角格子状のレイアウトで配置された読出しセ
ルを備える本発明に基づくイメージセンサの上面図であ
る。

【図７】円形の副画素を備える本発明に基づくイメージ
センサの上面図である。

【図８】本発明に基づく読出しセル中の増幅器の概略図
である。

【図９】本発明に基づく読出しセルの信号取り回し線の
上面図である。

【図１０】Ａ型の配線パターンを説明するための図であ
る。

【図１１】Ｂ型の配線パターンを説明するための図であ
る。

【図１２】等配分のＲＧＢカラーパターンを備える本発
明に基づくイメージセンサの上面図である。

【図１３】等配分のＣＭＹカラーパターンを備える本発
明に基づく円形アレイの上面図である。

【図１４】本発明に基づくイメージセンサの上面図であ
り、ＲＧＢカラーパターン上で線状イメージを通過させ
た場合を示すものである。

【図１５】本発明に基づくイメージセンサの上面図であ
り、ＣＭＹカラーパターン上で線状イメージを通過させ
た場合を示すものである。

【図１６】本発明に基づくイメージセンサの上面図であ
り、カラーパターン上で線状イメージを通過させた場合
を示すものである。

【符号の説明】

１ イメージセンサ ３ 検出層 ５ 副画素 ７ P-I-Nフォトダイオード ８ 開口 ９ 透明電極 11 Ｐ型アモルファスシリコン層 13 真性アモルファスシリコン層 15 Ｎ型アモルファスシリコン層 17 読出し層 20 読出しセル 21 配線 23 不透明の遮光層 24 信号入力 25 カラーフィルタ 27 赤外線フィルタ 29 マイクロレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 399117121 395 Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐ ａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 読出し層を画定する半導体基板と、該読
   出し層がその内に形成される複数の読出しセルを備え、
   該読出しセルの各々が信号入力を備え、該読出しセルが
   列をなして配置され、各列が、隣接する列中にある読出
   しセルに対して位置のずれている読出しセルを備えるこ
   とと；前記読出し層上に形成され、検出層を画定する誘
   電材料と、該検出層がその内に形成される複数の空洞を
   有し、該空洞のそれぞれがその一部に前記読出しセルの
   １つの信号入力と通じる開口を備え、前記空洞が、六角
   格子状のレイアウトで配列され、前記読出しセルとは反
   対側に配置されることと；前記空洞のそれぞれの中に形
   成されている真性アモルファスシリコンP-I-Nフォトダ
   イオードと、該真性アモルファスシリコンP-I-Nフォト
   ダイオードがこのP-I-Nフォトダイオード上に入射する
   光を表わす出力信号を生成するように作動することと；
   前記空洞のそれぞれの開口内に配置されている配線と、
   該配線が、前記P-I-Nフォトダイオードからの出力信号
   を前記読出しセルの信号入力へと電気的に伝達するよう
   に作用することと；さらに前記P-I-Nフォトダイオード
   上に配置されている、バイアスをかけられた光学的に透
   明な電極と、該光学的に透明な電極が、前記P-I-Nフォ
   トダイオードにバイアスをかけ、該光学的に透明な電極
   上に入射した光を前記P-I-Nフォトダイオード上に結像
   するように作用することとを含み；前記P-I-Nフォトダ
   イオード及び前記光学的に透明な電極が共に副画素を画
   定することを特徴とするイメージセンサ。