JP2001237407A - 電磁放射の検出器およびその製造方法 - Google Patents
電磁放射の検出器およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】埋込ダイオード構造を形成するためのフォトダ
イオード表面の逆導電型領域（ピニング領域）と転送ゲ
ートとのエッジ位置の不整合により、転送電荷に対する
バリアが生じてしまうこと。 【解決手段】二重目的電極４０が電荷収集領域２２表面
から、電荷収集領域２２と電荷検出領域２６との間の転
送チャネル３４までを覆うように設ける。露光中は、二
重目的電極４０に低電圧を印加して、発生した電荷を収
集領域２２の表面から離れた部分４４に集め、埋込ダイ
オード構造とした場合と同様に基板表面での電荷の再結
合を防止することができる。露光が終了したら、二重目
的電極４０に高電圧を印加して、電荷を収集領域２２か
ら検出領域２６に転送する。
イオード表面の逆導電型領域（ピニング領域）と転送ゲ
ートとのエッジ位置の不整合により、転送電荷に対する
バリアが生じてしまうこと。 【解決手段】二重目的電極４０が電荷収集領域２２表面
から、電荷収集領域２２と電荷検出領域２６との間の転
送チャネル３４までを覆うように設ける。露光中は、二
重目的電極４０に低電圧を印加して、発生した電荷を収
集領域２２の表面から離れた部分４４に集め、埋込ダイ
オード構造とした場合と同様に基板表面での電荷の再結
合を防止することができる。露光が終了したら、二重目
的電極４０に高電圧を印加して、電荷を収集領域２２か
ら検出領域２６に転送する。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】この発明はＣＭＯＳ技術を用いた能動画
素固体フォトセンサおよび作像器に関する。
素固体フォトセンサおよび作像器に関する。
【０００２】
【関連技術の説明】電磁放射を検出するための能動画素
固体センサおよびデバイスは周知であり幅広く使用され
ている。カメラシステムに搭載されると、画素列は、検
出された光レベルに対応する電気信号を発生させる視覚
または像センサとして働く。そのようなフォトセンサの
例がＥＰ７３９０３９およびＷＯ９３／１９４８９に開
示されている。これらのセンサは、ＣＭＯＳ技術または
ＭＯＳ技術を用いて実施されるものであるが、半導体基
板において放射により生じた電荷を集めるようにされた
領域である収集接合を利用する。これらの収集接合は、
基板がｐ導電型であるかまたはｎ導電型であるかによっ
てそれぞれｐ−ｎ接合またはｎ−ｐ接合のいずれかであ
る。
固体センサおよびデバイスは周知であり幅広く使用され
ている。カメラシステムに搭載されると、画素列は、検
出された光レベルに対応する電気信号を発生させる視覚
または像センサとして働く。そのようなフォトセンサの
例がＥＰ７３９０３９およびＷＯ９３／１９４８９に開
示されている。これらのセンサは、ＣＭＯＳ技術または
ＭＯＳ技術を用いて実施されるものであるが、半導体基
板において放射により生じた電荷を集めるようにされた
領域である収集接合を利用する。これらの収集接合は、
基板がｐ導電型であるかまたはｎ導電型であるかによっ
てそれぞれｐ−ｎ接合またはｎ−ｐ接合のいずれかであ
る。
【０００３】能動画素は、その画素において光に対し感
度を有する素子または構成要素上に集められる電荷を増
幅するようその画素に集積される回路系とともに構成さ
れる。能動画素は、さらに、より細かい機能、たとえ
ば、フィルタ処理、高速動作、またはより極端な照明条
件といった機能に対する付加的な電子機器を備えてもよ
い。逆に、受動画素はそのような回路系を有さず、した
がって、それらは、メタライゼーションの導電ワイヤま
たはラインを介してその画素に接続される、電荷に対し
感度を有する増幅器を必要とする。しかしながら、能動
画素ＣＭＯＳまたはＭＯＳセンサの１つの主な欠点は、
画素表面の大きな部分が電質回路系に対して用いられる
ことであり、したがって、各画素ごとの収集エリアを制
限することである。
度を有する素子または構成要素上に集められる電荷を増
幅するようその画素に集積される回路系とともに構成さ
れる。能動画素は、さらに、より細かい機能、たとえ
ば、フィルタ処理、高速動作、またはより極端な照明条
件といった機能に対する付加的な電子機器を備えてもよ
い。逆に、受動画素はそのような回路系を有さず、した
がって、それらは、メタライゼーションの導電ワイヤま
たはラインを介してその画素に接続される、電荷に対し
感度を有する増幅器を必要とする。しかしながら、能動
画素ＣＭＯＳまたはＭＯＳセンサの１つの主な欠点は、
画素表面の大きな部分が電質回路系に対して用いられる
ことであり、したがって、各画素ごとの収集エリアを制
限することである。
【０００４】収集接合から再結合長内でフォトンにより
生じた電荷はすべてその接合に拡散し収集される可能性
を有するため、収集接合の、電荷に対し感度を有する容
積は、その接合の空乏層よりも大きい、このメカニズム
に基づき、小さな収集接合を伴うセンサはより大きな光
電性容積を有する。たとえば、見かけの前部サイズまた
は光電性領域が約３０μｍ直径であるフォトセンサは３
μｍ×２μｍの接合および１５μｍの再結合長を伴って
形成され得る。しかしながら、他の回路系（たとえば検
出回路系）を含む能動画素の場合には、他の態様では収
集接合に達するであろう一部の電荷が、代わりに、付加
的な回路系の接合または構成要素によって捕捉される。
画素の付加的な回路系によってとられたこれらの電荷は
したがって失われ、検出される信号に貢献しない。これ
が、能動画素センサの低フィルファクタおよび低感度の
主な理由である。
生じた電荷はすべてその接合に拡散し収集される可能性
を有するため、収集接合の、電荷に対し感度を有する容
積は、その接合の空乏層よりも大きい、このメカニズム
に基づき、小さな収集接合を伴うセンサはより大きな光
電性容積を有する。たとえば、見かけの前部サイズまた
は光電性領域が約３０μｍ直径であるフォトセンサは３
μｍ×２μｍの接合および１５μｍの再結合長を伴って
形成され得る。しかしながら、他の回路系（たとえば検
出回路系）を含む能動画素の場合には、他の態様では収
集接合に達するであろう一部の電荷が、代わりに、付加
的な回路系の接合または構成要素によって捕捉される。
画素の付加的な回路系によってとられたこれらの電荷は
したがって失われ、検出される信号に貢献しない。これ
が、能動画素センサの低フィルファクタおよび低感度の
主な理由である。
【０００５】当該技術においては、フォトダイオード暗
電流（検出された電磁放射によって引き起こされない電
流）は、主に、そのフォトダイオードの縁部またはシリ
コンとＳｉＯ2との間の界面における電荷キャリヤの、
熱を介した発生によることは公知である。この暗電流
は、「反転モード」または「全位相ピニング」と称され
る方法によって大きく減じられ得る。この方法では、Ｓ
ｉ−ＳｉＯ2界面の反転が、ドーパント層をそのフォト
ダイオードの表面に与えることによって行なわれる。こ
のドーパント層は埋込まれたチャネル（有用な収集接
合）とＳｉ−ＳｉＯ 2界面との間の接触を防ぐ。この方
法は典型的には暗電流を２つのオーダの大きさ減ずる。
電流（検出された電磁放射によって引き起こされない電
流）は、主に、そのフォトダイオードの縁部またはシリ
コンとＳｉＯ2との間の界面における電荷キャリヤの、
熱を介した発生によることは公知である。この暗電流
は、「反転モード」または「全位相ピニング」と称され
る方法によって大きく減じられ得る。この方法では、Ｓ
ｉ−ＳｉＯ2界面の反転が、ドーパント層をそのフォト
ダイオードの表面に与えることによって行なわれる。こ
のドーパント層は埋込まれたチャネル（有用な収集接
合）とＳｉ−ＳｉＯ 2界面との間の接触を防ぐ。この方
法は典型的には暗電流を２つのオーダの大きさ減ずる。
【０００６】この発明に先行する能動画素デバイスの一
例がLeeらによる米国特許第５，６２５，２１０号「ピ
ニングされたフォトダイオードと統合される集積される
能動画素センサ（ACTIVE PIXEL SENSOR INTEGRATED WIT
H A PINNED PHOTODIODE）」に記載されている。この特
許には、転送ゲート伴うｎウェルＣＭＯＳピニングされ
たフォトダイオードを能動画素素子の像感知素子に集積
することが例示されている。図１に示されるように、ｐ
型基板２４はｎ領域２２とともにｐ−ｎフォトダイオー
ドを形成するが、その領域が光能動素子となって、画素
に衝突するフォトンによって作られる光電子を保存す
る。ｎウェル２２をｐ+ピニング領域２０下に「埋込
む」ことにより、集められた光電子をより深いｎ領域に
閉じ込める。フォトダイオード接合は次いでＳｉ−Ｓｉ
Ｏ2界面３０に接することを妨げられるため、その界面
における発生中心での暗電流の発生が抑制される。ピニ
ングドーパント領域２０によって生じた静電位も接合電
位に対するどのような酸化物層電荷の影響も減じる。さ
らに、このようなフォトダイオードは、よりよい電離放
射許容を有する。
例がLeeらによる米国特許第５，６２５，２１０号「ピ
ニングされたフォトダイオードと統合される集積される
能動画素センサ（ACTIVE PIXEL SENSOR INTEGRATED WIT
H A PINNED PHOTODIODE）」に記載されている。この特
許には、転送ゲート伴うｎウェルＣＭＯＳピニングされ
たフォトダイオードを能動画素素子の像感知素子に集積
することが例示されている。図１に示されるように、ｐ
型基板２４はｎ領域２２とともにｐ−ｎフォトダイオー
ドを形成するが、その領域が光能動素子となって、画素
に衝突するフォトンによって作られる光電子を保存す
る。ｎウェル２２をｐ+ピニング領域２０下に「埋込
む」ことにより、集められた光電子をより深いｎ領域に
閉じ込める。フォトダイオード接合は次いでＳｉ−Ｓｉ
Ｏ2界面３０に接することを妨げられるため、その界面
における発生中心での暗電流の発生が抑制される。ピニ
ングドーパント領域２０によって生じた静電位も接合電
位に対するどのような酸化物層電荷の影響も減じる。さ
らに、このようなフォトダイオードは、よりよい電離放
射許容を有する。
【０００７】フォトダイオードのピニングドーパント領
域２０は収集接合の容量も低減するが、これによって、
センサのｋＴＣノイズおよび「ゴースト」像の可能性、
つまり、先のフレームの明るい像が後の暗いフレームに
残留することを減ずる。このいわゆるｋＴＣノイズは作
像センサにおける主なノイズ源の１つであるが、典型的
にはノイズ電荷量（光により生じた電荷の測定値の不確
かさ）として表現され、それは収集接合の容量の二乗根
に比例する。したがって、容量のどのような低減もｋＴ
Ｃノイズの低減に等しい。ピニングドーパント層２０
は、光電子が閉じ込められる静電位ウェルの最低限値を
上げることによって、収集接合の容量を低減する。この
電位ウェルが転送ゲート２８の転送バイアスよりも浅い
場合、フォトダイオードは短時間で完全に空乏化または
リセットされ得る。したがって、ピニングドーパント層
２０によるセンサの容量の十分な低減で、光電子のすべ
てが、転送ゲート２８を導通させることによって検出回
路系ｎウェル２６に転送されて、電位ウェルには電荷が
全く残らず、したがって後のフレームの像に貢献し得
る。
域２０は収集接合の容量も低減するが、これによって、
センサのｋＴＣノイズおよび「ゴースト」像の可能性、
つまり、先のフレームの明るい像が後の暗いフレームに
残留することを減ずる。このいわゆるｋＴＣノイズは作
像センサにおける主なノイズ源の１つであるが、典型的
にはノイズ電荷量（光により生じた電荷の測定値の不確
かさ）として表現され、それは収集接合の容量の二乗根
に比例する。したがって、容量のどのような低減もｋＴ
Ｃノイズの低減に等しい。ピニングドーパント層２０
は、光電子が閉じ込められる静電位ウェルの最低限値を
上げることによって、収集接合の容量を低減する。この
電位ウェルが転送ゲート２８の転送バイアスよりも浅い
場合、フォトダイオードは短時間で完全に空乏化または
リセットされ得る。したがって、ピニングドーパント層
２０によるセンサの容量の十分な低減で、光電子のすべ
てが、転送ゲート２８を導通させることによって検出回
路系ｎウェル２６に転送されて、電位ウェルには電荷が
全く残らず、したがって後のフレームの像に貢献し得
る。
【０００８】ＭＯＳＦＥＴはｐ型基板２４上において電
荷収集ｎウェル２２とＣＭＯＳ検出回路系ｎウェル２６
との間における転送ゲート２８によって形成される。十
分な電圧を転送ゲート２８にかけることにより、空乏領
域が２つのｎウェル２２と２６との間に形成され、した
がって、ピニングされたフォトダイオードとフローティ
ング拡散ＣＭＯＳ検出回路系との間における電荷転送の
ためのｎチャネルが与えられる。転送ゲート２８は、フ
ォトダイオード（または電荷を含む他の構造、たとえば
ストレージゲート）からレジスタへの間の電荷の条件付
転送を制御するゲートまたは電極である。転送ゲート２
８の唯一の機能はスイッチとしてのものであり、適切に
バイアスをかけられると電荷転送チャネルを形成する。
荷収集ｎウェル２２とＣＭＯＳ検出回路系ｎウェル２６
との間における転送ゲート２８によって形成される。十
分な電圧を転送ゲート２８にかけることにより、空乏領
域が２つのｎウェル２２と２６との間に形成され、した
がって、ピニングされたフォトダイオードとフローティ
ング拡散ＣＭＯＳ検出回路系との間における電荷転送の
ためのｎチャネルが与えられる。転送ゲート２８は、フ
ォトダイオード（または電荷を含む他の構造、たとえば
ストレージゲート）からレジスタへの間の電荷の条件付
転送を制御するゲートまたは電極である。転送ゲート２
８の唯一の機能はスイッチとしてのものであり、適切に
バイアスをかけられると電荷転送チャネルを形成する。
【０００９】
【発明の概要】しかしながら、本発明者らは、先行技術
に記載されるピニングされた（pinned）フォトダイオー
ド技術に固有のいくつかの不利な点を認識した。まず、
ピニングされたフォトダイオードの適切な動作には精密
な製造工程が重要である。ピニング（pinning）ドーパ
ント領域２０とｎウェル２２とは互いに自己整列する
が、転送ゲートと下のｎウェル２２および２６との間の
不整合はデバイス性能を著しく損なう。転送ゲート２８
がｎウェル２２および２６の両方の縁部にまで延びない
場合、電荷転送に対するｐ型バリアが存在し、したがっ
て、たとえ転送ゲートが十分にバイアスをかけられると
きでも電荷転送を大きく低減するかまたは取り除き得
る。第２に、他の態様ではフォトダイオードのｎウェル
２２に到達するであろう光電子のいくつかが、収集接合
付近の他の回路系（たとえば検出回路系）によって代わ
りに集められる。換言すれば、他の態様では信号に貢献
するであろう光電子が周囲の回路系の電位ウェルによっ
て捕捉されるため、ｎウェル２２の有効フィルファクタ
がかなり制限される。第３に、低容量フォトダイオード
は「ゴースト」像を最小限にする低ｋＴＣノイズレベル
および高転送能率を有する一方で、それらは小さなエリ
アを有ししたがって、小さな集光容積を有する。
に記載されるピニングされた（pinned）フォトダイオー
ド技術に固有のいくつかの不利な点を認識した。まず、
ピニングされたフォトダイオードの適切な動作には精密
な製造工程が重要である。ピニング（pinning）ドーパ
ント領域２０とｎウェル２２とは互いに自己整列する
が、転送ゲートと下のｎウェル２２および２６との間の
不整合はデバイス性能を著しく損なう。転送ゲート２８
がｎウェル２２および２６の両方の縁部にまで延びない
場合、電荷転送に対するｐ型バリアが存在し、したがっ
て、たとえ転送ゲートが十分にバイアスをかけられると
きでも電荷転送を大きく低減するかまたは取り除き得
る。第２に、他の態様ではフォトダイオードのｎウェル
２２に到達するであろう光電子のいくつかが、収集接合
付近の他の回路系（たとえば検出回路系）によって代わ
りに集められる。換言すれば、他の態様では信号に貢献
するであろう光電子が周囲の回路系の電位ウェルによっ
て捕捉されるため、ｎウェル２２の有効フィルファクタ
がかなり制限される。第３に、低容量フォトダイオード
は「ゴースト」像を最小限にする低ｋＴＣノイズレベル
および高転送能率を有する一方で、それらは小さなエリ
アを有ししたがって、小さな集光容積を有する。
【００１０】この発明は、先行技術に記載されるデバイ
スの不利な点を克服しかつそれらの好ましい特性のうち
のいくつかを達成する代替的なデバイスを提供すること
である。収集フォトダイオードの縁部を超えて延びる二
重目的電極（転送ゲートではない）を利用することによ
り、この発明は、製造工程間における小さな不整合上の
デバイス性能の感度を克服する。さらに、この二重目的
電極の収集モード電位は電荷閉込めおよび収集効率の向
上を達成するよう調整され、先行技術において見出され
る付加的なｐ+ドーパント層に対する必要性を低減する
かまたは取り除き得る。最後に、この発明は、周囲の回
路系の電位ウェルから、基板に形成された、フォトンよ
り発生された電荷キャリヤをシールドすることにより、
フォトダイオードのフィルファクタを改善する。
スの不利な点を克服しかつそれらの好ましい特性のうち
のいくつかを達成する代替的なデバイスを提供すること
である。収集フォトダイオードの縁部を超えて延びる二
重目的電極（転送ゲートではない）を利用することによ
り、この発明は、製造工程間における小さな不整合上の
デバイス性能の感度を克服する。さらに、この二重目的
電極の収集モード電位は電荷閉込めおよび収集効率の向
上を達成するよう調整され、先行技術において見出され
る付加的なｐ+ドーパント層に対する必要性を低減する
かまたは取り除き得る。最後に、この発明は、周囲の回
路系の電位ウェルから、基板に形成された、フォトンよ
り発生された電荷キャリヤをシールドすることにより、
フォトダイオードのフィルファクタを改善する。
【００１１】この発明の１つの局面は電磁放射の検出器
を含む。この検出器は、第１の濃度密度での第１導電型
のドーパントと、絶縁層をその表面とに伴う半導体基板
を有する。第１の導電型と反対の第２の導電型で第２の
濃度密度のドーパントを伴う収集領域が半導体基板の表
面領域に形成される。二重目的電極が絶縁層上に形成さ
れ、収集領域の少なくとも一部の表面および基板の少な
くとも一部の両方にわたって延びる。好ましくは、この
収集領域は半導体基板と接合部を形成する。１つの実施
例では、この形成される接合はフォトダイオードであ
る。
を含む。この検出器は、第１の濃度密度での第１導電型
のドーパントと、絶縁層をその表面とに伴う半導体基板
を有する。第１の導電型と反対の第２の導電型で第２の
濃度密度のドーパントを伴う収集領域が半導体基板の表
面領域に形成される。二重目的電極が絶縁層上に形成さ
れ、収集領域の少なくとも一部の表面および基板の少な
くとも一部の両方にわたって延びる。好ましくは、この
収集領域は半導体基板と接合部を形成する。１つの実施
例では、この形成される接合はフォトダイオードであ
る。
【００１２】１つの実施例では、基板は、さらに、ドー
パントの濃度密度が基板におけるドーパントの濃度密度
よりも高い第１の導電型のバリア領域を有する。他の実
施例では、このバリア領域は少なくとも部分的に二重目
的電極の下を延びる。さらなる実施例では、第２導電型
で第３の濃度密度のドーパントを伴う検出領域が半導体
基板の表面領域に形成されるが、収集領域との境はなさ
ず、読出電子機器に接続される。
パントの濃度密度が基板におけるドーパントの濃度密度
よりも高い第１の導電型のバリア領域を有する。他の実
施例では、このバリア領域は少なくとも部分的に二重目
的電極の下を延びる。さらなる実施例では、第２導電型
で第３の濃度密度のドーパントを伴う検出領域が半導体
基板の表面領域に形成されるが、収集領域との境はなさ
ず、読出電子機器に接続される。
【００１３】別の実施例では、収集領域を超える半導体
基板の表面領域は、半導体基板の濃度密度より大きい濃
度密度を有する第１の導電型のドーパントを有するバリ
ア領域であり、読出電子機器はシールド用領域内に形成
される。好ましくは、このシールド用領域下の半導体基
板において発生された電荷キャリヤの少なくとも一部は
収集領域によって集められる。
基板の表面領域は、半導体基板の濃度密度より大きい濃
度密度を有する第１の導電型のドーパントを有するバリ
ア領域であり、読出電子機器はシールド用領域内に形成
される。好ましくは、このシールド用領域下の半導体基
板において発生された電荷キャリヤの少なくとも一部は
収集領域によって集められる。
【００１４】さらに別の実施例では、第４の濃度密度を
有する第１導電型のドーパントを伴うピニング領域が表
面領域内に存在する。好ましくは、このピニング領域は
二重目的電極によって被覆されない。１つの実施例で
は、このピニング領域は二重目的電極と整列し収集領域
に沿って延びる。
有する第１導電型のドーパントを伴うピニング領域が表
面領域内に存在する。好ましくは、このピニング領域は
二重目的電極によって被覆されない。１つの実施例で
は、このピニング領域は二重目的電極と整列し収集領域
に沿って延びる。
【００１５】この発明の別の局面は電磁放射の検出器の
製造方法を含む。この方法は、半導体基板に、第１の濃
度密度で第１導電型のドーパントと、その表面に絶縁層
とを設ける工程と、第１導電型と反対の第２導電型のド
ーパントを第２の濃度密度で半導体基板の表面領域に導
入することにより収集領域を形成する工程と、収集領域
の表面を延びる二重目的電極を絶縁層上に形成する工程
とを含む。
製造方法を含む。この方法は、半導体基板に、第１の濃
度密度で第１導電型のドーパントと、その表面に絶縁層
とを設ける工程と、第１導電型と反対の第２導電型のド
ーパントを第２の濃度密度で半導体基板の表面領域に導
入することにより収集領域を形成する工程と、収集領域
の表面を延びる二重目的電極を絶縁層上に形成する工程
とを含む。
【００１６】
【好ましい実施例の詳細な説明】この発明は任意の能動
または受動画素構造に適用可能である。この発明をある
実施例および図面を参照して説明するが、この発明はそ
れらに限定されるものではなく、クレームによってのみ
限定されるものである。
または受動画素構造に適用可能である。この発明をある
実施例および図面を参照して説明するが、この発明はそ
れらに限定されるものではなく、クレームによってのみ
限定されるものである。
【００１７】図２は、第１導電型のドーパントを第１の
濃度密度で伴う半導体基板２４に形成されるこの発明の
電磁放射の検出器の第１の実施例を示す。この図２の好
ましい実施例では、半導体基板２４はｐ型シリコン基板
である。絶縁層３０、たとえば二酸化シリコンＳｉＯ2
が、具体的に基板表面上に形成される。図２に示される
ように、この検出器は、半導体基板２４の表面領域内に
形成され、第１の導電型とは反対の第２の導電型のドー
パントを第２の濃度密度で伴う収集領域２２を有する。
この収集領域２２は図２においてはｎウェルとして示さ
れ、半導体基板２４とフォトダイオード接合を形成す
る。この検出器は第１のシールド用領域４２ａと第２の
シールド用領域４２ｂとを有し、それらの各々は、第１
導電型のドーパントを、半導体基板２４の濃度密度より
も大きい濃度密度で有する。図２に示されるとおりで
は、これらシールド用領域４２ａおよび４２ｂは２つの
ｐウェルである。第２のシールド用領域４２ｂにおい
て、検出領域２６が、半導体基板２４の表面領域におい
て、第２導電型のドーパントを第３の濃度密度で伴って
形成される。この検出領域２６は収集領域２２とは境を
なさず、検出回路系３２に結合される。検出領域２６と
収集領域２２とでそれらの間におけるバリア領域３４を
規定する。図２においては、この検出領域２６はｎ+ウ
ェルであり、バリア領域３４は収集領域２２と境をなす
シールド用領域４２ｂの一部である。二重目的電極４０
が絶縁層３０上に形成され、収集領域２２の表面を延
び、バリア領域３４を完全に横切って検出領域２６の縁
部にまで延びる。
濃度密度で伴う半導体基板２４に形成されるこの発明の
電磁放射の検出器の第１の実施例を示す。この図２の好
ましい実施例では、半導体基板２４はｐ型シリコン基板
である。絶縁層３０、たとえば二酸化シリコンＳｉＯ2
が、具体的に基板表面上に形成される。図２に示される
ように、この検出器は、半導体基板２４の表面領域内に
形成され、第１の導電型とは反対の第２の導電型のドー
パントを第２の濃度密度で伴う収集領域２２を有する。
この収集領域２２は図２においてはｎウェルとして示さ
れ、半導体基板２４とフォトダイオード接合を形成す
る。この検出器は第１のシールド用領域４２ａと第２の
シールド用領域４２ｂとを有し、それらの各々は、第１
導電型のドーパントを、半導体基板２４の濃度密度より
も大きい濃度密度で有する。図２に示されるとおりで
は、これらシールド用領域４２ａおよび４２ｂは２つの
ｐウェルである。第２のシールド用領域４２ｂにおい
て、検出領域２６が、半導体基板２４の表面領域におい
て、第２導電型のドーパントを第３の濃度密度で伴って
形成される。この検出領域２６は収集領域２２とは境を
なさず、検出回路系３２に結合される。検出領域２６と
収集領域２２とでそれらの間におけるバリア領域３４を
規定する。図２においては、この検出領域２６はｎ+ウ
ェルであり、バリア領域３４は収集領域２２と境をなす
シールド用領域４２ｂの一部である。二重目的電極４０
が絶縁層３０上に形成され、収集領域２２の表面を延
び、バリア領域３４を完全に横切って検出領域２６の縁
部にまで延びる。
【００１８】当業者ならば第１の導電型はｎ型またはｐ
型のいずれでもあり得ることを認識し、この発明と互換
性がある第１、第２および第３の濃度密度のさまざまな
値が存在することを認識する。シールド用領域４２ａ、
４２ｂ、収集領域２２および検出領域２６は、当該技術
分野において十分に理解される技術、たとえば、拡散ま
たは注入などを用いてすべて形成される。同様に、二重
目的電極４０および絶縁層３０は従来の態様で形成され
る。二重目的電極４０は収集領域２２の表面を横切って
延び、基板２４の表面にまで延びるシールド用領域４２
ｂの一部を完全に横切って延びる。二重目的電極４０は
シールド用領域４２ｂの識別された部分を横切って検出
領域２６の縁部にまで延びる。この発明の光収集接合は
フォトダイオードであり得るが、半導体基板への空乏層
または反転層から本質的になる（たとえば表面チャネル
ＣＣＤ）かまたは半導体基板または表面への（部分的
に）空乏した埋込チャネルから本質的になる（たとえば
埋込チャネルＣＣＤ）接合でもあり得る。このような構
造は、典型的には、ＣＣＤ、電荷注入デバイス、フォト
ゲート、または同様の構造において用いられる。これら
は「仮想接合」と呼ばれ、なぜならばそれらは物理的な
ｎ−ｐ接合と同じ機能性を有しながら、光を介して発生
される電荷キャリヤを収集するからである。
型のいずれでもあり得ることを認識し、この発明と互換
性がある第１、第２および第３の濃度密度のさまざまな
値が存在することを認識する。シールド用領域４２ａ、
４２ｂ、収集領域２２および検出領域２６は、当該技術
分野において十分に理解される技術、たとえば、拡散ま
たは注入などを用いてすべて形成される。同様に、二重
目的電極４０および絶縁層３０は従来の態様で形成され
る。二重目的電極４０は収集領域２２の表面を横切って
延び、基板２４の表面にまで延びるシールド用領域４２
ｂの一部を完全に横切って延びる。二重目的電極４０は
シールド用領域４２ｂの識別された部分を横切って検出
領域２６の縁部にまで延びる。この発明の光収集接合は
フォトダイオードであり得るが、半導体基板への空乏層
または反転層から本質的になる（たとえば表面チャネル
ＣＣＤ）かまたは半導体基板または表面への（部分的
に）空乏した埋込チャネルから本質的になる（たとえば
埋込チャネルＣＣＤ）接合でもあり得る。このような構
造は、典型的には、ＣＣＤ、電荷注入デバイス、フォト
ゲート、または同様の構造において用いられる。これら
は「仮想接合」と呼ばれ、なぜならばそれらは物理的な
ｎ−ｐ接合と同じ機能性を有しながら、光を介して発生
される電荷キャリヤを収集するからである。
【００１９】シールド用領域４２ａ、４２ｂは基板２４
において作られた光電子を任意の酸化物領域または検出
領域２６の電位からシールドする。シールド用領域４２
ａ、４２ｂと基板２４との間の界面にて形成された静電
バリアは、シールド用領域４２ａ、４２ｂ下で発生した
電荷が能動素子の付加的な電子機器の接合または他の構
造に拡散するのを防ぐ。収集領域２２下にはそのような
静電バリアは存在しないので、それは他の電子構成要素
下にて発生した電荷を結果的に集め得る。好ましい実施
例の収集接合はほとんど１００％のフィルファクタを有
し、これは、露光される画素のほとんど全表面がその画
素の検出された信号に寄与することを意味する。したが
って、フォトダイオードは小さな接合エリアおよび小さ
な容量を有し得る一方で大きな収集容積を有し得る。
において作られた光電子を任意の酸化物領域または検出
領域２６の電位からシールドする。シールド用領域４２
ａ、４２ｂと基板２４との間の界面にて形成された静電
バリアは、シールド用領域４２ａ、４２ｂ下で発生した
電荷が能動素子の付加的な電子機器の接合または他の構
造に拡散するのを防ぐ。収集領域２２下にはそのような
静電バリアは存在しないので、それは他の電子構成要素
下にて発生した電荷を結果的に集め得る。好ましい実施
例の収集接合はほとんど１００％のフィルファクタを有
し、これは、露光される画素のほとんど全表面がその画
素の検出された信号に寄与することを意味する。したが
って、フォトダイオードは小さな接合エリアおよび小さ
な容量を有し得る一方で大きな収集容積を有し得る。
【００２０】基板２４が露光されると、電子が存在す
る。二重目的電極４０が低電圧にあるとき、それは、基
板２４にて作られた電子を収集領域２２の領域４４に集
める静電位を引き起こす。閉込めによって、集められた
電荷が収集領域２２の表面の電子状態と再結合すること
が最小限に抑えられる。加えて、この閉込めにより、接
合電位に対するどのような酸化物層電荷の影響も減じら
れる。
る。二重目的電極４０が低電圧にあるとき、それは、基
板２４にて作られた電子を収集領域２２の領域４４に集
める静電位を引き起こす。閉込めによって、集められた
電荷が収集領域２２の表面の電子状態と再結合すること
が最小限に抑えられる。加えて、この閉込めにより、接
合電位に対するどのような酸化物層電荷の影響も減じら
れる。
【００２１】二重目的電極４０が高電圧にバイアスされ
ると、収集領域２２に集められた電荷は二重目的電極４
０下のシールド用領域４２ｂに形成された反転層を介し
て検出領域２６に流入する。この二重目的電極４０の高
いバイアスは、電位ウェルをフォトダイオード内におい
てより浅く形成することにより、検出領域２６への電荷
転送中におけるフォトダイオードの容量を減じもする。
この容量低減は集められた電荷が検出領域２６により速
くかつより完全に電荷転送されることを可能にする。し
たがって、この好ましい実施例からの信号は小さいｋＴ
Ｃノイズ成分を有し、「ゴースト」像の可能性が減じら
れる。
ると、収集領域２２に集められた電荷は二重目的電極４
０下のシールド用領域４２ｂに形成された反転層を介し
て検出領域２６に流入する。この二重目的電極４０の高
いバイアスは、電位ウェルをフォトダイオード内におい
てより浅く形成することにより、検出領域２６への電荷
転送中におけるフォトダイオードの容量を減じもする。
この容量低減は集められた電荷が検出領域２６により速
くかつより完全に電荷転送されることを可能にする。し
たがって、この好ましい実施例からの信号は小さいｋＴ
Ｃノイズ成分を有し、「ゴースト」像の可能性が減じら
れる。
【００２２】図２に示される好ましい実施例の二重目的
電極の構造および機能性は先行技術構成の転送ゲートと
は異なる。図２の好ましい実施例の二重目的電極は光電
子の収集および保持を向上させ、収集された電荷を検出
回路系に転送するための反転層を形成し、フォトダイオ
ードの容量を低減することによりこの転送を容易にす
る。
電極の構造および機能性は先行技術構成の転送ゲートと
は異なる。図２の好ましい実施例の二重目的電極は光電
子の収集および保持を向上させ、収集された電荷を検出
回路系に転送するための反転層を形成し、フォトダイオ
ードの容量を低減することによりこの転送を容易にす
る。
【００２３】図２のフォトダイオードの収集領域２２か
ら図２の検出領域２６への完全な電荷転送が理論上は可
能である一方で、実際には不完全な電荷転送を引き起こ
すかもしれないさまざまな影響がある。完全な転送はゲ
ート４０に与えられる電圧または電圧パルスに依存する
のみならず、図２の受取ノード２６に存在する電圧にも
依存する。通常、電極のｎドープされた側のＶthはｐド
ープされた側よりも低い。この効果は、ある電荷量が転
送後にｎ領域に保持される理由でもある。保持される電
荷量はかなり一定であるので、通常のセンサ動作では無
視され得る。この効果は、さらに、２６での電圧を増大
し電極のｐドープされた部分を短くすることによって打
ち消され得る：結果として得られる電界により電子の転
送が促進される。
ら図２の検出領域２６への完全な電荷転送が理論上は可
能である一方で、実際には不完全な電荷転送を引き起こ
すかもしれないさまざまな影響がある。完全な転送はゲ
ート４０に与えられる電圧または電圧パルスに依存する
のみならず、図２の受取ノード２６に存在する電圧にも
依存する。通常、電極のｎドープされた側のＶthはｐド
ープされた側よりも低い。この効果は、ある電荷量が転
送後にｎ領域に保持される理由でもある。保持される電
荷量はかなり一定であるので、通常のセンサ動作では無
視され得る。この効果は、さらに、２６での電圧を増大
し電極のｐドープされた部分を短くすることによって打
ち消され得る：結果として得られる電界により電子の転
送が促進される。
【００２４】この発明のフォトダイオードの別の実施例
では、図３に示されるように、二重目的電子４０はより
短く、ピニングｐ型領域５０と関連して用いられ、第１
導電型のドーパントが第４の濃度密度でフォトダイオー
ドの収集領域２２の表面に伴われる。当業者ならば、こ
の発明と互換性があるピニング領域５０の濃度密度のさ
まざまな値があることを認め、ピニング領域５０は当該
技術分野において十分に理解される技術、たとえば拡散
または注入を用いて形成されることを認めるであろう。
二重目的電極４０は、基板２４の表面にまで延びる収集
領域２２の部分を大きく横切って延びる。収集領域２２
の残りの表面はピニング領域５０を有する。集められた
電荷の閉じ込めは主に二重目的電極４０によって達成さ
れるが、これは、適切なバイアスにセットされることに
より、集められた光電子を二重目的電極４０下のある容
積内に閉じ込める。反転領域５０下の電位は大抵の場合
二重目的電極４０下のそれよりも低いため、集められた
電荷は二重目的電極４０下のエリア４４に流入しそこで
それらが保存される。二重目的電極４０が高電圧にパル
スかまたはバイアスされると、収集領域２２に集められ
た電荷は二重目的電極４０下のシールド用領域４２ｂに
形成された反転層を介して検出領域２６に流入する。図
３の好ましい実施例の二重目的電極４０はしたがって図
２の好ましい実施例と同じ利点を提供する。
では、図３に示されるように、二重目的電子４０はより
短く、ピニングｐ型領域５０と関連して用いられ、第１
導電型のドーパントが第４の濃度密度でフォトダイオー
ドの収集領域２２の表面に伴われる。当業者ならば、こ
の発明と互換性があるピニング領域５０の濃度密度のさ
まざまな値があることを認め、ピニング領域５０は当該
技術分野において十分に理解される技術、たとえば拡散
または注入を用いて形成されることを認めるであろう。
二重目的電極４０は、基板２４の表面にまで延びる収集
領域２２の部分を大きく横切って延びる。収集領域２２
の残りの表面はピニング領域５０を有する。集められた
電荷の閉じ込めは主に二重目的電極４０によって達成さ
れるが、これは、適切なバイアスにセットされることに
より、集められた光電子を二重目的電極４０下のある容
積内に閉じ込める。反転領域５０下の電位は大抵の場合
二重目的電極４０下のそれよりも低いため、集められた
電荷は二重目的電極４０下のエリア４４に流入しそこで
それらが保存される。二重目的電極４０が高電圧にパル
スかまたはバイアスされると、収集領域２２に集められ
た電荷は二重目的電極４０下のシールド用領域４２ｂに
形成された反転層を介して検出領域２６に流入する。図
３の好ましい実施例の二重目的電極４０はしたがって図
２の好ましい実施例と同じ利点を提供する。
【００２５】加えて、このピニング領域５０は、表面ま
たはＳｉ−ＳｉＯ2界面にて熱を介して発生した電子か
ら検出領域２６をシールドすることにより、効果的にフ
ォトダイオードの暗電流を低減しその電離放射許容を増
大させる。このような反転領域５０は、したがって、他
の態様で実行可能であるよりも大きな収集エリアを伴う
フォトダイオードを可能にする。
たはＳｉ−ＳｉＯ2界面にて熱を介して発生した電子か
ら検出領域２６をシールドすることにより、効果的にフ
ォトダイオードの暗電流を低減しその電離放射許容を増
大させる。このような反転領域５０は、したがって、他
の態様で実行可能であるよりも大きな収集エリアを伴う
フォトダイオードを可能にする。
【００２６】別の好ましい実施例では、図４に示される
ように、二重目的電極はｐ型領域６０と関連して用いら
れる。図３の実施例とは対照的に、図４の実施例は、ｐ
型領域６０が、二重目的電極４０の右側において、フォ
トダイオードの収集領域２２の表面に、つまり、（単一
目的）電極４０と検出領域２６との間に位置する。図３
に示される実施例にあるとおりでは、集められた電荷
は、電極４０下にある、電極４０の高いバイアスによっ
て静電誘起される電位ポケット４４に集められる。しか
しながら、電極４０は、集められた電荷が通って検出回
路系３２に転送されるチャネルを形成するようには用い
られない。そのようなチャネルは実際にはｐ型領域６０
下のｎ型領域である。
ように、二重目的電極はｐ型領域６０と関連して用いら
れる。図３の実施例とは対照的に、図４の実施例は、ｐ
型領域６０が、二重目的電極４０の右側において、フォ
トダイオードの収集領域２２の表面に、つまり、（単一
目的）電極４０と検出領域２６との間に位置する。図３
に示される実施例にあるとおりでは、集められた電荷
は、電極４０下にある、電極４０の高いバイアスによっ
て静電誘起される電位ポケット４４に集められる。しか
しながら、電極４０は、集められた電荷が通って検出回
路系３２に転送されるチャネルを形成するようには用い
られない。そのようなチャネルは実際にはｐ型領域６０
下のｎ型領域である。
【００２７】図４に示される実施例では、電極４０のバ
イアスの低減で、領域４４における電位が、ｐ型領域６
０下の電位より下がるまで低下する。次いで、電荷が検
出領域２６のより高電位に流れる。集められた電荷によ
って横断されるバリア領域は全く存在しないため、二重
目的電極が反転層を形成する必要は全くない。電極４０
は集められた電荷の閉じ込め、および電荷が検出領域２
６に流れることを可能にする解放素子の両方として働
く。この好ましい実施例では、検出回路系３２への電荷
転送を妨げるような不整合により形成される意図されな
いバリア領域が全く存在しないことを保証するよう、特
別な注意を払わなければならない。領域６０はバリアで
あり、固定された電位高さを有する。４４における電位
がそれより下に下がるとすぐに４４からの電荷キャリヤ
が２６に流れる。
イアスの低減で、領域４４における電位が、ｐ型領域６
０下の電位より下がるまで低下する。次いで、電荷が検
出領域２６のより高電位に流れる。集められた電荷によ
って横断されるバリア領域は全く存在しないため、二重
目的電極が反転層を形成する必要は全くない。電極４０
は集められた電荷の閉じ込め、および電荷が検出領域２
６に流れることを可能にする解放素子の両方として働
く。この好ましい実施例では、検出回路系３２への電荷
転送を妨げるような不整合により形成される意図されな
いバリア領域が全く存在しないことを保証するよう、特
別な注意を払わなければならない。領域６０はバリアで
あり、固定された電位高さを有する。４４における電位
がそれより下に下がるとすぐに４４からの電荷キャリヤ
が２６に流れる。
【００２８】この発明の特定の実施例に関連して上記の
ように記載したが、実施例の記載はこの発明を例示する
ものであって限定的であるよう意図されるものではない
ことを理解されたい。前掲の特許請求の範囲に記載され
るとおりのこの発明の精神および範囲から逸脱すること
なくさまざまな変形例および適用例が当業者には想起さ
れるであろう。
ように記載したが、実施例の記載はこの発明を例示する
ものであって限定的であるよう意図されるものではない
ことを理解されたい。前掲の特許請求の範囲に記載され
るとおりのこの発明の精神および範囲から逸脱すること
なくさまざまな変形例および適用例が当業者には想起さ
れるであろう。
【図１】 ｐ型半導体基板上に組立てられる先行技術の
ピニングされたダイオードのフォトダイオードの図であ
る。
ピニングされたダイオードのフォトダイオードの図であ
る。
【図２】 二重目的電極を伴うこの発明の第１の実施例
に従う電磁放射の検出器の図である。
に従う電磁放射の検出器の図である。
【図３】 この発明の第２の実施例に従う検出器の図で
ある。
ある。
【図４】 この発明の第３の実施例に従う検出器の図で
ある。
ある。
２４ 半導体基板、２２ 収集領域、４０ 二重目的電
極
極
Claims (12)
- 【請求項１】 第１導電型のドーパントを第１の濃度密
度で伴い、絶縁層をその表面に伴う、半導体基板と、 第１導電型とは反対の第２導電型のドーパントを第２の
濃度密度で伴い、半導体基板の表面領域に形成される、
収集領域と、 絶縁層上に形成され、収集領域の少なくとも一部の表面
と基板の少なくとも一部との両方にわたって延びる、二
重目的電極とを含む、電磁放射の検出器。 - 【請求項２】 基板は、ドーパントの濃度密度が基板の
ドーパントの濃度密度よりも高い第１導電型のバリア領
域をさらに含む、請求項１に記載の検出器。 - 【請求項３】 前記バリア領域は少なくとも部分的に二
重目的電極の下を延びている、請求項２に記載の検出
器。 - 【請求項４】 第２導電型のドーパントを第３の濃度密
度で伴い、半導体基板の表面領域に形成されるが収集領
域とは境をなさず読出電子機器に接続される検出領域を
さらに含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の検出
器。 - 【請求項５】 収集領域は半導体基板と接合を形成す
る、請求項１ないし４のいずれかに記載の検出器。 - 【請求項６】 形成される接合フォトダイオードであ
る、請求項５に記載の検出器。 - 【請求項７】 収集領域を超える半導体基板の表面領域
は、第１導電型のドーパントを半導体基板の濃度密度よ
りも大きい濃度密度で有するバリア領域であり、読出電
子機器はシールド用領域内に形成される、請求項１ない
し６のいずれかに記載の検出器。 - 【請求項８】 半導体基板においてシールド用領域下に
発生する電荷キャリヤの少なくとも一部は収集領域によ
って集められる、請求項７に記載の検出器。 - 【請求項９】 第１導電型のドーパントを第４の濃度密
度で伴うピニング領域は表面領域内にある、請求項１な
いし８のいずれかに記載の検出器。 - 【請求項１０】 ピニング領域は二重目的電極によって
被覆されない。請求項９に記載の検出器。 - 【請求項１１】 ピニング領域は二重目的電極と整列し
収集領域に沿って延びる、請求項１０に記載の検出器。 - 【請求項１２】 電磁放射の検出器を製造する方法であ
って、 基板に対し、第１導電型のドーパントを第１の濃度で与
え、および絶縁層をその表面に設ける工程と、 第１導電型とは反対の第２導電型のドーパントを第２の
濃度密度で半導体基板の表面領域に導入することにより
収集領域を形成する工程と、 二重目的電極を、絶縁層上において、二重目的電極が収
集領域の表面をわたって延びるよう形成する工程とを含
む、方法。
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