JP2008153594A - イメージセンサｉｃ - Google Patents

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Abstract

【課題】 各画素間の光電変換特性のバラツキを抑制し、ＩＣ全体にわたり均一な光電変換特性を有し、カラーフィルタを内蔵したカラーイメージセンサＩＣを提供する。
【解決手段】 フォトダイオードからなる複数の赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの保護膜の下面には、全て同一の電位に固定された多結晶シリコン薄膜を配置した。また多結晶シリコン薄膜の膜厚は、赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの受光波長を選択的に透過するように異なった膜厚で形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像情報を読み取り電送する装置、ファクシミリ、イメージスキャナ、電子カメラに用いられるイメージセンサＩＣに関する。
図２は従来のイメージセンサの動作を例示する回路図である。ＭＯＳイメージセンサのセンサ回路１０では、ＰＮ接合を用いたフォトダイオード１２に、前記フォトダイオード１２に適当な電圧にリセットするためのスイッチング素子であるリセットトランジスタ１１と、前記フォトダイオード１２で蓄積された光電荷を増幅するための増幅回路１３が結線されている。
リセットトランジスタ１１をＯＮしフォトダイオード１２が十分にリセット電圧となるリセット動作と、リセットトランジスタ１１をＯＦＦし、一定時間中フォトダイオード１２に光電荷を蓄積させる蓄積動作と、増幅回路１３をＯＮしフォトダイオード１２に蓄積された光電荷を増幅して読み出す読み出し動作で、連続的に光情報を読み取ることができる構成になっている。
また、読み出し動作後に増幅された信号を一時的に記憶することも、容量素子２１と２つのスイッチトランジスタ（２２Ａおよび２２Ｂ）からなる保持回路２０を用いて行うことができる。
読み出し動作中にスイッチトランジスタ２２ＡをＯＮし、増幅回路１３により保持容量２１へ信号を電荷として貯え、スイッチトランジスタ２２ＡをＯＦＦした後、任意の保持時間後にスイッチトランジスタ２２ＢをＯＮし保持容量２１から読み出すことができる。
リセット、蓄積、読み出しの一連の動作を複数のフォトダイオードに対して一括に処理し、保持回路から個別に任意に読み出すことが可能である。
ここで、フォトダイオード１２に入射した光の強度に応じて光電変換をおこなうことになるが、光電変換特性はフォトダイオードのもっとも重要な特性の一つである。
この特性を向上させるため、フォトダイオード１２内部の空乏層が形成される半導体領域の欠陥発生が抑制された光電変換素子が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００４−３１２０３９（第２４図）
しかしながら、一つのＩＣチップ内に複数の画素を配置したイメージセンサＩＣにおいては、画素を構成する複数のフォトダイオード１２における光電変換特性が、それらの上面の位置する保護膜厚のばらつきにより入射光の強度が変化してしまうことを原因として、光電特性がばらついてしまうという問題があった。
改善策として、保護膜形成後に平坦化を行ったり、更なる膜厚均一化を目的に第二の保護膜を形成したりする例も提案されているが、工程が増加して製造コストが増大してしまうこと、十分な均一性が得られないなどの問題点があった。また、カラーイメージセンサとして使用する場合には、ＩＣ製造工程以降の組立工程などにおいて、赤色、緑色、青色それぞれの光を選択的に透過するカラーフィルタを受光素子に整合して形成することが一般的であるが、工程が煩雑であり、カラーフィルタと受光素子である画素領域とを精度よく位置あわせを行うことが難しいことから微細化、高精細化への妨げになるという問題点があった。
上記問題点を解決するために、本発明はイメージセンサを以下のように構成した。
フォトダイオードやトランジスタなどの素子を同一シリコン基板上に構成するイメージセンサＩＣにおいて、フォトダイオードからなる複数の赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの保護膜の下面には、全て同一の電位に固定された多結晶シリコン薄膜が配置されており、赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの上に配置された多結晶シリコン薄膜の膜厚は、赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの受光波長を選択的に透過するように異なった膜厚で形成されていることを特徴とするイメージセンサＩＣとした。
以上説明したように、本発明はイメージセンサＩＣにおいて、フォトダイオードからなる複数の赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの保護膜の下面には、全て同一の電位に固定された多結晶シリコン薄膜が配置されており、赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの上に配置された多結晶シリコン薄膜の膜厚は、赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの受光波長を選択的に透過するように異なった膜厚で形成した。これらの手段により、保護膜形成時における下地となる領域の電位が、全ての画素領域にわたりほぼ一定に固定することができるようになるため、各画素上の保護膜形成スピードや、膜質が一定に保たれ、各画素上に形成された保護膜は、ほぼ均一な膜厚、および膜質を有するようになる。従って、各画素のフォトダイオードに入射する光の強度を、一定に保つことが可能になるため、各画素間の光電変換特性のバラツキを抑制し、ＩＣ全体にわたり均一な光電変換特性を有するイメージセンサＩＣを得ることができる。
また、赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの上に配置された多結晶シリコン薄膜の膜厚は、赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの受光波長を選択的に透過するように異なった膜厚で形成されているため、実質的に赤色、緑色、青色それぞれの光を透過するカラーフィルタの役目を果たすことができる。これにより、従来ＩＣ製造工程以降の実装工程などにおいて別途形成する必要があったカラーフィルタを、受光素子である画素領域に高精度で位置整合した形でＩＣ製造工程中に形成することが可能となった。このため、微細、高精細なカラーイメージセンサＩＣを容易に提供することができる。
図１は、本発明によるイメージセンサの画素領域における実施例を示す模式的平面図である。
赤色光受光用の画素領域４０１、緑色光受光用の画素領域４０２、青色光受光用の画素領域４０３が隣接して形成されており、赤色光受光用の画素領域４０１の上には赤色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０１が、緑色光受光用の画素領域４０２の上には緑色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０２が、そして青色光受光用の画素領域４０３の上には青色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０３が形成されている。ここで、図示しないが、赤色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０１、緑色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０２、および青色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０３は、電気的に接続されており、全て同一の電位に固定されており、さらに、イメージセンサを形成するシリコン基板の基板電位と同一の電位となるように電気的に接続されている。
これによって、後に形成される保護膜形成時において、下地となる画素領域の電位をイメージセンサＩＣ内の全ての画素領域にわたりほぼ一定に保つことができるようになる。これにより、各画素上の保護膜形成スピードや膜質が一定に保たれ、各画素上に形成された保護膜はほぼ均一な膜厚と膜質とを有するようになる。従って各画素のフォトダイオードに入射する光の強度は、一定に保つことが可能になるため、各画素間の光電変換特性のバラツキを抑制し、イメージセンサＩＣ全体にわたり均一な光電変換特性を有するイメージセンサＩＣを得ることができる。
また、赤色光受光用の画素領域４０１、緑色光受光用の画素領域４０２、および青色光受光用の画素領域４０３、それぞれの上に配置された多結晶シリコン薄膜の膜厚は、赤色光受光用の画素領域４０１、緑色光受光用の画素領域４０２、および青色光受光用の画素領域４０３、それぞれの受光波長を選択的に透過するように異なった膜厚で形成されているため、実質的に赤色、緑色、青色それぞれの光を透過するカラーフィルタの役目を果たすことができる。
これにより、従来はＩＣ製造工程以降の実装工程などにおいて別途形成する必要があったカラーフィルタをＩＣ製造工程中に受光素子である画素領域に高精度で位置整合した形で形成することが可能となるため、これまでに困難であった微細なカラー用の画素を形成することができる。さらに、これにより、微細、高精細なカラーイメージセンサＩＣを提供することができる。
図１においては、簡単のため、赤色光受光用の画素領域４０１、緑色光受光用の画素領域４０２、および青色光受光用の画素領域４０３はそれぞれ１つずつしか図示しなかったが、実際には、これらは複数個ずつ形成される。
また、図１においては、赤色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０１、緑色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０２、青色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０３はそれぞれ独立した膜である例を図示したが、赤色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０１、緑色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０２、および青色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜５０３を連続した同一組成の膜で形成し、赤色光受光用の画素領域４０１、緑色光受光用の画素領域４０２、青色光受光用の画素領域４０３それぞれに応じた膜厚に加工することにより形成しても構わない。
本発明のイメージセンサの画素領域における実施例を示す模式的平面図である。 従来のイメージセンサの動作を例示する回路図である。
符号の説明
１０ センサ回路
１１ リセットトランジスタ
１２ フォトダイオード
１３ 増幅回路
２０ 保持回路
２１ 保持容量
２２Ａ、２２Ｂ スイッチトランジスタ
４０１ 赤色光受光用の画素領域
４０２ 緑色光受光用の画素領域
４０３ 青色光受光用の画素領域
５０１ 赤色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜
５０２ 緑色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜
５０３ 青色光を選択的に透過する膜厚を有する多結晶シリコン薄膜

Claims (4)

  1. フォトダイオードやトランジスタなどの素子を同一シリコン基板上に構成するイメージセンサＩＣにおいて、前記フォトダイオードからなる複数の赤色光受光用の画素領域、緑色光受光用の画素領域、および青色光受光用の画素領域、それぞれの保護膜の下面には、全て同一の電位に固定された多結晶シリコン薄膜が配置されており、前記赤色光受光用の画素領域、前記緑色光受光用の画素領域、および前記青色光受光用の画素領域、それぞれの上に配置された前記多結晶シリコン薄膜の膜厚は、前記赤色光受光用の画素領域、前記緑色光受光用の画素領域、および前記青色光受光用の画素領域、それぞれの受光波長を選択的に透過するように異なった膜厚で形成されていることを特徴とするイメージセンサＩＣ。
  2. 前記赤色光受光用の画素領域、前記緑色光受光用の画素領域、および前記青色光受光用の画素領域、それぞれの上に配置された前記多結晶シリコン薄膜は、連続した膜であることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサＩＣ。
  3. 前記赤色光受光用の画素領域、前記緑色光受光用の画素領域、前記青色光受光用の画素領域、それぞれの上に配置された前記多結晶シリコン薄膜は、それぞれ形状的に独立分離した膜であることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサＩＣ。
  4. 前記赤色光受光用の画素領域、前記緑色光受光用の画素領域、前記青色光受光用の画素領域、それぞれの上に配置された前記多結晶シリコン薄膜の電位は前記シリコン基板の電位と同一になるように電気的に接続されていることを特徴とする請求項２または請求項３記載のイメージセンサＩＣ。
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