JP2009535819A - 高性能画像センサのための透明チャネル薄膜トランジスタベースのピクセル - Google Patents
高性能画像センサのための透明チャネル薄膜トランジスタベースのピクセルInfo
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Abstract
ピクセル回路およびピクセル回路を作成する方法、撮像装置および光変換装置を含む処理システム、光変換装置から電荷を受け取り、蓄積するためのフローティング拡散領域、ならびにピクセルの動作に使用するための透明トランジスタであって、透明トランジスタは少なくとも部分的に光変換デバイスを覆い、それによって、光変換デバイスは透明トラジスタを通して通過する光を受け取る。
【選択図】図６
【選択図】図６
Description
開示された実施形態は、半導体デバイスの分野、特に薄膜技術を使用した画像センサに関する。
典型的に、画像センサアレイは、一つのピクセルのそれぞれが例えばフォトゲート、フォトコンダクタ、もしくは、フォトダイオードなどのような光変換デバイスを含むピクセルの焦平面アレイを含む。図１Ａは、光変換デバイスとして埋め込みフォトダイオード（pinned photodiode）１１４を有する伝統的なＣＭＯＳ撮像ピクセル１００の一部の断面図を示す。図１Ｂは、ピクセル１００回路の全体の概略図を示す。フォトダイオード１１４は、シャロウトレンチ分離（ＳＴＩ）領域として図示された分離領域１１０に近接している。フォトダイオード１１４はｐ＋表面層１１６の下にあるｎ型領域１１５を含む。
フォトダイオード１１４は、例えば電子のような電荷キャリアに光子を変換し、電荷キャリアはトランスファートランジスタ１１９によってフローティング拡散領域１４０に転送される。さらに、示されたピクセル１００は、典型的に、電荷の転送に先立ちフローティング拡散領域１４０を予め定められた値（Ｖａａｐｉｘとして示される）へリセットするための、ソース／ドレイン領域１３６に接続されたリセットトランジスタ１２１を含む。動作では、ソースフォロワートランジスタ１４２（図１Ｂ）は、ピクセル１００を含む行のための行選択トランジスタ１５２（図１Ｂ）が起動する場合、フローティング拡散領域１４０上の電荷を表す電圧を列導線１５０（図１Ｂ）に出力する。
ＣＭＯＳ撮像センサ回路、そのステップの処理、および撮像センサ回路のさまざまなＣＭＯＳ素子の機能の詳細な説明が、例えば、Ｍｉｃｒｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．に譲渡された米国特許Ｎｏ．６，１４０，６３０、Ｎｏ．６，３７６，８６８、Ｎｏ．６，３１０，３６６、Ｎｏ．６，３２６，６５２、Ｎｏ．６，２０４，５２４、および、Ｎｏ．６，３３３，２０５に述べられている。本開示の前述の特許はここにその全体として引用によって組み込まれる。
伝統的なピクセル１００は、入射光がフォトダイオード１４１の表面に当たる時、電荷キャリア（電子）がフォトダイオード１４１のｐ−ｎ接合の空乏領域（領域１１５と領域１１６の間）に発生する。
図１Ａおよび１Ｂからわかるように、ＣＭＯＳセンサは典型的に増幅を含むさまざまな機能のためにいくつかのトランジスタをピクセルごとに使用する。図１Ａと１Ｂは４トランジスタ（４Ｔ）デザインを示しているが、より少ない（例えば３Ｔ）トランジスタを備えるピクセル回路、同様に、より多い（例えば５Ｔ，６Ｔなど）トランジスタを持つピクセル回路が知られている。ピクセルサイズが高解像度センサ内で縮小される場合、これらのトランジスタと対応する相互接続によって占められる領域が大きくなり、光変換デバイスに使用できるピクセル領域を減少させる。光変換デバイス領域は撮像感度と量子効率を増加させるために可能な限り大きく作られるべきである。
加えて、高い量子効率、小さなピクセルを必要とし、ならびにより短い可視波長および紫外線のなどの特有の波長を必要とする、いくつかの画像化応用例がある。光変換デバイス領域のサイズを大きくすることは、これらの場合では特に重要である。
以下の詳細な説明では、引用は付随する図を参照してなされ、付随する図は本発明が実行されうる具体的な実施形態の一部分を形成し、例示によって本発明が実行されうる具体的な実施形態を示す。これらの実施形態は当業者がそれらを実行することができるのに十分に詳細な説明がなされ、ならびに他の実施形態が利用されて良く、構造的変形、論理的変形、工程の変更、電気的変形がなされて良いことが理解されるであろう。示された処理ステップの過程はある例であるが、しかしながら、次に続くステップは以降に定められたものに限定されず、ある順序で必然的に発生するステップを除いて、当業者に知られるように、変更されてもよい。
ここで使用される「ウェハ」、「基板」という用語は、シリコン、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）またはシリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）技術、ドープ半導体ならびに非ドープ半導体、および他の半導体構造を含んでいるとして理解されるべきである。さらに、以下の説明で「ウェハ」もしくは「基板」が引用される時、以前の処理ステップが、ベース半導体構造もしくは基台（foundation）の中および上に、領域、接合、もしくは材料層を形成するために使用されていることがある。加えて、半導体はシリコンベースである必要は無く、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ガリウムヒ素もしくはその他の半導体であることができる。
ここで使用される「ピクセル」という用語は、光センサ、および光子を電気的信号に変換する対応するトランジスタを有する光素子ユニットセルを言う。例示を目的として、一つの代表するピクセルとその形成方法が図および本願の説明に例示されているが、しかしながら典型的には複数の同様のピクセルの製造は同時に進行する。したがって、以下の詳細な説明は限定する意味にとられるものでなく、示された実施形態は付随する請求項によってのみ限定される。
ここで使用される「透明」という用語は、半透明の材料を使用している実施形態を含むとして理解されるべきである。
開示された実施形態は、光変換デバイス、光変換デバイスから電荷を受け取り、蓄積するフローティング拡散領域、および、透明薄膜ピクセルトランジスタ（光変換デバイス上に少なくとも部分的につくられうるもので、画像光を光変換デバイスにそれを通して通過させる） を含むピクセル回路に関連する。薄膜トランジスタが使用される場合、ソースフォロワートランジスタ、リセットトランジスタ、行選択トランジスタ、アンチブルーミング（anti-blooming）トランジスタなどのような一つまたはそれ以上の伝統的なピクセルトランジスタの代替として使用されてもよく、そのように用いられると、蓄積した電荷を光変換デバイスからフローティング拡散領域に運ぶトランスファートランジスタとして特に有効である。ピクセル回路を作成する方法もまた開示される。
セミコンダクタ・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）技術のアクティブ半導体材料は、典型的に、絶縁材料（典型的には酸化物）上の薄膜として形成され、例えば２０００Å（オングストローム）未満もしくは同等の半導体フィルムの厚さを有す。対照的にバルク半導体材料は、典型的に、少なくとも約２００ミクロンの厚さである。ＳＯＩ技術の薄型半導体は、バルク材料を利用している同様の回路を用いて達成されうるより、集積回路において、より高い性能およびより低い電力消費を達成可能にする。
ＳＯＩ技術を利用して作成されうる集積回路デバイスは、いわゆる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む。ここで、「薄膜」の語は、ＳＯＩ構造の薄型半導体フィルムを示す。特に、ＳＯＩ構造の半導体材料はシリコンであってよく、また、同様のものとして、ＴＦＴは再結晶した非晶質シリコンもしくは多結晶シリコンを用いて構成されてよい。シリコンは、電気的に絶縁性の材料（二酸化ケイ素など）によって支持されうるが、これは順番に適切な基板によって支持されている。半導体材料がシリコンを含んでいる場合は、ＳＯＩという用語は、セミコンダクタ・オン・インシュレータ構造としてのより一般的な概念よりも、シリコン・オン・インシュレータ構造を示すために使用されることもある。しかしながら、本発明の文脈においては、ＳＯＩという用語はセミコンダクタ・オン・インシュレータ構造を示すことが理解されるべきである。それゆえに、本発明の文脈中で言及されるＳＯＩ構造の半導体材料は、他の半導体材料をシリコンに加えて、もしくは代わりに含むことができる。
次に図について述べるが、類似の参照番号は類似の要素を示し、図２は、形成されたトランジスタがピクセル回路のためのトランスファートランジスタである、一実施形態にしたがって構成された撮像（imager）ピクセル回路２００の構造の最初の段階の断面図を示す。ピクセル回路２００は、第一の導電体型であるシリコン（Ｓｉ）基板２０５、基板２０５内に形成され、ピクセルを囲い、分離させるＳＴＩ領域２１０を含む。ＳＴＩ領域は誘電性材料で充填される。第二の導電体型であるドープ領域２１５は基板２０５内に形成され、光変換デバイス２１４（図３）の一部になる。また、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層２２０が、例えばストリップ／再成長工程によって基板２０５上に形成される。この例では、光変換デバイス２１４（図３）は埋め込みフォトダイオードである。この例ではまた、第一の導電体型はｐ型で、第二の導電体型はｎ型である。典型的に、光変換デバイス２１４（図３）は約１マイクロメートルの深さで基板２５に拡がることができる。
図３は撮像ピクセル回路２００の形成の次に続く段階の断面図を示す。光変換デバイス２１４のためのドープ表面層２１６が注入される。ドープ表面層２１６は第一の導電体型にドーピングされる。例示的には、ドープ表面層２１６は高ドープｐ＋表面層であり、深さ約０．１マイクロメートルに形成される。ホウ素、インジウム、または、他の適当なｐ型ドーパントなどのｐ型ドーパントが、ｐ＋表面層２１６を形成するために使用されてよい。酸化亜鉛スズ（zinc tin oxide：ＺＴＯ）２２５の層はＳＴＩ領域２１０、ドープ領域２１５、２１６の一部分およびＳｉＯ２層２２０部分の上に形成される。ＺＴＯ層２２５は、すべての可視波長と同様に、短波長での可視高周波および近紫外線を透過し、以下に述べるように、トランスファートランジスタ２１９（図６）のために効果的な第二の選択的導電性チャネルを形成する半導体材料である。蒸着（もとの位置でのドープＺＴＯ）の間もしくはその後で、ｐ型ドーパントは、随意にＺＴＯ層２２５に組み込まれてもよい。
ＺＴＯ薄膜は、３．３から３．９ｅＶの範囲で、広く直接的な光バンドギャップ（band
gap）特性を持つ。これは、この材料における大きなバースタイン−モスシフトによる。バースタイン−モス効果は、増加した自由電子濃度でみたされている伝導帯である。ＺＴＯはまた、酸化およびエッチングに関連した化学的安定性および、物理的な丈夫さを含む有用な性質を持つ。ＺＴＯでのキャリアの移動度は、公知の透明金属酸化物の中で最もよいものの一つであり、それゆえ、トランジスタベースの他の透明金属酸化物ゲート材料と比較して、高比率のオンおよびオフ電流がＺＴＯによって可能である。ＺＴＯ層２２５部分はピクセルのトランジスタのためのチャネル領域として使用される。ソース／ドレイン領域２８１は、好ましくは非常に低いショットキーバリアである伝統的なドーピングによってＺＴＯ層に形成されることができる。代わりに、ソース／ドレイン領域２８１は直接金属蒸着（direct metal deposition）によってＺＴＯ層２２５上に形成されることもできる。
gap）特性を持つ。これは、この材料における大きなバースタイン−モスシフトによる。バースタイン−モス効果は、増加した自由電子濃度でみたされている伝導帯である。ＺＴＯはまた、酸化およびエッチングに関連した化学的安定性および、物理的な丈夫さを含む有用な性質を持つ。ＺＴＯでのキャリアの移動度は、公知の透明金属酸化物の中で最もよいものの一つであり、それゆえ、トランジスタベースの他の透明金属酸化物ゲート材料と比較して、高比率のオンおよびオフ電流がＺＴＯによって可能である。ＺＴＯ層２２５部分はピクセルのトランジスタのためのチャネル領域として使用される。ソース／ドレイン領域２８１は、好ましくは非常に低いショットキーバリアである伝統的なドーピングによってＺＴＯ層に形成されることができる。代わりに、ソース／ドレイン領域２８１は直接金属蒸着（direct metal deposition）によってＺＴＯ層２２５上に形成されることもできる。
図４は、撮像ピクセル回路２００の形成の次に続く段階の断面図を示す。透明誘電体層２３０はＺＴＯ層２２５部分の上に形成される。誘電体層２３０は典型的に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化スズ（ＴｉＯ３）、または原子層蒸着二酸化ケイ素（ＡＬＤ
ＳｉＯ２）のような材料で構成される。
ＳｉＯ２）のような材料で構成される。
図５は、撮像ピクセル回路２００の形成の次に続く段階の断面図を示す。トランスファーゲート電極２４０は少なくとも誘電性材料２３０部分上に形成される。リセットトランジスタ２２１のリセットゲート電極２４１はＳｉＯ２層２２０の一部を覆って形成される。トランスファーゲート電極２４０は任意の適切な導電性材料であってよく、好ましくは、放射エネルギーを透過する材料で、ドープポリシリコンもしくは酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明材料を含むがそれに限定されない。トランスファーゲート電極２４０は誘電体層２３０の一部もしくは全体を覆うことができる。トランスファートランジスタ２１９への透明材料の使用は、トランスファートランジスタ２１９（図６）が、光変換デバイス２１４の少なくとも一部を覆って直接配置されることを可能にする。それはまた、光変換デバイス２１４の全体を覆って配置されてもよく、フィルファクタおよび量子効果における劇的な改良を提供している。実施形態は、ＺＴＯ層２２５で約１００Åから２５００Å、誘電体層２３０で約５０Åから３００Å、トランスファートランジスタゲート電極２４０で約５００Åから１０００Åの範囲の厚さである。ＺＴＯ層２２５の厚さは、異なる実施例によって変化してもよい。例えば、吸収損を減少させるために薄くし、平坦化のためには厚くする。「フィルファクタ」は、ピクセルの表面積に対するフォトダイオードの光感光領域のサイズの基準である。アクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）技術においては、それぞれのピクセルがアクティブ回路を形成するトランジスタを含む。
一般的に、これらのトランジスタは光感光領域ではなく、それゆえピクセルのフィルファクタを減少させる。それは、トランジスタは、トランジスタを形成していなければフォトダイオードの面積を増加させることのできる空間（表面積）を占めるからである。
フローティング拡散領域２４５、および、リセットトランジスタ２２１（図６）のソース／ドレイン領域２５１は、プラズマドーピング（ＰＬＡＤ）工程を含む、公知の方法によって注入される（implanted ）。フローティング拡散領域２４５およびリセットトランジスタ２２１（図６）のソース／ドレイン領域２５１は、第二の導電性型の領域として形成され、この例ではｎ型である。リン、ヒ素、もしくはアンチモンのような任意の適切なｎ型ドーパントが使われてもよい。フローティング拡散領域２４５はトランスファートランジスタ２１９（図６）ゲートスタックとリセットトランジスタ２２１ゲートスタックの間に形成される。リセットトランジスタ２２１のソース／ドレイン領域２５１はリセットトランジスタ２２１と第二のＳＴＩ領域２１１の間に形成される。フローティング拡散領域２４５は、誘電体として機能するＳｉＯ２層２２０の下のドープ領域２１５とフローティング拡散領域２４５の間の第一のチャネルを通して、光変換デバイス２１４から集められた電荷を蓄積する。
図６は開示された実施形態にしたがって構成された撮像ピクセル回路２００の形成の次に続く段階の断面図を示す。トランスファートランジスタ２１９ゲートスタックは、この時点で、ＳｉＯ２層２２０、ＺＴＯ層２２５、誘電体層２３０、およびトランスファーゲート電極２４０を含む。リセットトランジスタ２２１ゲートスタックは、この時点で、ＳｉＯ２層２２０、およびリセットゲート電極２４１を含む。サイドウォール２５５および頂部キャップ層２５６は、それぞれのゲートスタック上に、典型的には酸化物成長によって形成され、例えば、ドライエッチ工程または材料蒸着およびエッチバックが後に続く。ＺＴＯ層２２５内のソース／ドレイン領域２８１は、フローティング拡散領域２４５に、いくつかの可能な方法によって接続され、ＺＴＯ層２２５にトランスファートランジスタ２１９の第二のチャネルとしての機能を与える。このような方法は、（１）金属被覆を通した相互接続工程およびフローティング拡散領域２４５と導線２６０の結合する接点、（２）ケイ化物化を用いた局所の相互接続工程、（３）フローティング拡散領域２４５と導線２６０を導電的スペーサを通して結合する密着接点（butted contact）、を含む。それゆえ、トランスファートランジスタ２１９は、ゲート電極２４０上のゲート制御信号の実施例に関する光変換デバイス２１４から電荷を転送するために機能する二つのチャネルを有する。すなわちドープ領域２１５とフローティング拡散領域２４５の間の基板２０５の領域、およびソース／ドレイン領域２８１の間のＺＴＯ層領域２２５である。光変換デバイス２１４で集められた電荷は、ＺＴＯ層２２５に電界が存在する時には、キャリアドリフトによって、または拡散（例えば赤色光子 red photons）を通して、ＺＴＯ層２２５に届くことがある。リセットトランジスタ２２１のソース／ドレイン領域２５１はピクセル供給電圧Ｖａａｐｉｘに接続し、リセットトランジスタ２２１がフローティング拡散領域２４５をリセットすることを可能にする。
読み出し回路６００（配線略図に示される）は導線２６０を介してフローティング拡散領域２４５に接続する。読み出し回路６００は、導線２６０を介してフローティング拡散領域２４５に接続するゲートを持つソースフォロワートランジスタ６１０を含み、第一のソース／ドレイン領域はピクセル供給電圧Ｖａａｐｉｘに接続する。読み出し回路６００はまた、行選択トランジスタ６２０のゲートで受け取った信号に応じた読み出し用のピクセル２００を選択するための、行選択トランジスタ６２０を含む。行選択トランジスタ６２０は、ソースフォロワートランジスタ６１０の第二のソース／ドレイン領域に接続する第一のソース／ドレイン領域を持ち、第二のソース／ドレイン領域は列出力線のアレイに接続する。
示された実施形態は、光変換デバイス２１４上に部分的にもしくは全体的に供給されうるトランスファートランジスタのための透明薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を供給する。伝統的な処理方法はピクセル２００を完成させるために使用される。例えば、ゲートラインに接続するための、絶縁、遮蔽、または金属被覆層、ならびにピクセル２００へのその他の接続が形成されてもよい。さらに、表面全体は、例えば、二酸化ケイ素、ＢＳＧ、ＰＳＧ、またはＢＰＳＧなどの不活性化層（不図示）で被覆されてよく、コンタクトホールを供給するためにＣＭＰ平坦化およびエッチングがなされ、コンタクトを供給するために金属被覆がなされる。伝統的な導体と絶縁体の層は、構体の相互接続およびピクセル２００と周辺回路の接続に使用されてもよい。
加えて、ピクセル回路内の他のトランジスタもまた、上述の方法でトランスファートランジスタ２１９のために構成されてもよい。図６に示される、例示的な４つのトランジスタピクセルを用いて、トランスファートランジスタ２１９、リセットトランジスタ２２１、ソースフォロワートランジスタ６１０および行選択トランジスタ６２０の任意の一つまたはそれ以上が、トランジスタ構成要素２２５、２３０、２４０、２５５、２５６、２８１に関する実施形態に例示された方法で、ＴＦＴとして構成されることができ、部分的または全体的に光変換デバイス２１４上に提供される。
さらに、実施形態は、図６に示されるより少ない、または多いトランジスタを持つピクセルで使用される。明らかであるように、任意のまたはすべてのピクセルトランジスタが、トランスファートランジスタ２１９に関して上述のように構成されてもよい。例えば、図６Ａに示されるように、いくつかのピクセルは、光変換デバイス２１４に接続しているアンチブルーミングトランジスタ３４３および／または蓄積ゲートトランジスタ３４５を使用する。これらはまた、上述の方法でＴＦＴトランジスタとして形成されてもよく、部分的にまたは全体的に光変換デバイス２１４上に配置されてもよい。示された実施形態は、可視光および／または高波長および近紫外光を透過し、光変換デバイス２１４の少なくとも一部を覆って形成されるトランジスタを備えることによってフィルファクタを増加させ、ピクセルでの量子効率を改善する。実施形態は、分散による１０％未満の信号の損失を含むが、しかしながら、半透明の量は増加したフィルファクタのような他の方法の利得（gain）によって相殺することができる。
薄い透明ＴＦＴチャネルは、ピクセル内の特有のトランジスタのために二酸化ケイ素膜上に構成される。チャネル領域は、光変換デバイス２１４のような光変換デバイスの頂部に直接配置されることができるように透明材料から作られ、フィルファクタおよび量子効率の改善を可能にする。トランジスタの一部のみが透明であり、ゲートスタックとは別の部分を含む実施形態もある。ＩＴＯおよびＺＴＯ材料での透過を増加させる（すなわち、膜での損失を減少させる）技術が存在する。典型的に、これらの膜の構成要素の化学量論が変化することは、透過係数（transmission coefficient）を変えるかもしれない。また、例えばエルビウムのような希土類元素を組み込むことによって、光学的損失がより減少されうる。中間面の頂部での反射を減少させるために、ＩＴＯまたはＺＴＯ層の頂部に反射防止（ＡＲ）膜を配置するような他の技術もある。
図７に示されるように、実施形態にしたがって構成されたピクセルは、ピクセルのアレイを持つ画像センサの一部分として形成されることがある。図７は、行と列に配列された複数のピクセルセルを含むピクセルアレイ１１１１を有する１チップ（回路素子）ＣＭＯＳ画像センサ１１００を示す。アレイ１１１１は、図２−６Ａに関連して上述のように構成された一つまたはそれ以上のピクセルセル２００を備える。
アレイ１１１１のそれぞれの行のピクセルは、行選択線によって同時にターンオンされ、それぞれの列のピクセル信号がそれぞれの列選択線によって列読み出し線に選択的に出力される。行導線は、行アドレスデコーダ１１５０に応答し、行ドライバ１１５１によって選択的に起動される。列選択線は、列アドレスデコーダ１１５４に応答し、列ドライバ１１５３によって選択的に起動される。ピクセルアレイは、タイミングおよび制御回路１１５２によって作動される。タイミングおよび制御回路１１５２は、ピクセル信号の読み出し用に適切な行と列を選択するためにアドレスデコーダ１１５０、１１５４を制御する。
列読み出し線上の信号は、典型的にそれぞれのピクセルに対するピクセルリセット信号（Ｖｒｓｔ）およびピクセル画像信号（Ｖｐｈｏｔｏ）を含む。両信号は、列ドライバ１１５３に接続されたサンプルアンドホールド回路（Ｓ／Ｈ）１１５５に読み込まれる。差分信号（Ｖｒｓｔ−Ｖｐｈｏｔｏ）は、差動増幅器（ＡＭＰ）１１５６によって、それぞれのピクセルに対して算出され、それぞれのピクセルの差分信号はアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１１５７によって増幅され、デジタル化される。アナログデジタル変換器１１５７はデジタル化したピクセル信号を画像処理器１１５８に供給し、画像処理器は画像を画定するデジタル信号を出力する前に適切な画像処理を行う。実施形態はＣＭＯＳ画像センサ１１００に関連して示されるが、実施形態はまた、電荷結合素子（ＣＣＤ）画像装置の類似の構造にも適用できる。
図８は、例えば、スチールカメラシステムまたはビデオカメラシステムのような処理システム５００を示す。このシステムは、一般的にカメラ機能を制御するマイクロプロセッサのような中央処理ユニット（ＣＰＵ）５０５を備えており、一つまたはそれ以上のバス５１５を介する入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置５１０と通信する。撮像装置１１００はまたバス５１５を介してＣＰＵ５０５と通信する。システム５００は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５２０を含み、フラッシュメモリのような取り外し可能なメモリ５２５を含むことができ、バス５１５を介してＣＰＵ５０５と通信もする。撮像装置１１００は、一つの集積回路もしくは処理装置とは異なるチップ上に記憶装置を持つまたは持たない、ＣＰＵ、デジタルシグナルプロセッサ、もしくはマイクロプロセッサのような処理装置と結合してもよい。
処理システム５００は、画像センサ装置を備えることができるデジタル回路を有するシ
ステムの例である。このようなシステムは、コンピュータシステム、カメラシステム、スキャナ、マシーンビジョン、車両ナビゲーション、テレビ電話、監視システム、オートフォーカスシステム、星追跡システム、動き検出システム、画像安定化システム、およびデータ圧縮システムを含むことができるが、これらに限定されない。
ステムの例である。このようなシステムは、コンピュータシステム、カメラシステム、スキャナ、マシーンビジョン、車両ナビゲーション、テレビ電話、監視システム、オートフォーカスシステム、星追跡システム、動き検出システム、画像安定化システム、およびデータ圧縮システムを含むことができるが、これらに限定されない。
上述の実施形態はｐｎｐ型の埋め込みフォトダイオードの形成と関係して示されているが、実施形態はそれに限定されない。基板、フォトゲート、もしくはフォトコンダクタのｎｐもしくはｎｐｎ領域から形成されたフォトダイオードのような、電荷を発生させるための異なる型の光変換装置もしくは光センサのへの適用性がある。ｎｐｎ型フォトダイオードが形成される場合、ドーパントおよび全ての構造の導電性の型は、それに応じて変化する。加えて、実施形態は４トランジスタ（４Ｔ）ピクセルの環境で例示されているが、実施形態はそのように限定されず、ピクセル回路２００には、トランスファートランジスタが存在するかもしくはトランスファートランジスタが存在せず、より多い数のトランジスタまたは少ない数のトランジスタで設計され、実行されることができることが認識されよう。この実施形態はまた、他の固体アレイのピクセルで使用されてもよい。
上記の記述および図における工程および装置は、ここに示した実施形態の目的、特徴、および効果を達成するために使用され、ならびに製造されうる、多くの方法や装置の例を示す。例えば、示された実施形態は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、もしくは画像ピクセルを使用する任意の他の装置で使用されてもよい。このように、これらは実施形態の前述の説明によって限定されるようにはみなされず、付随する請求項によってのみ限定される。
Claims (68)
- 光変換装置と、
前記光変換装置から電荷を受け取り、蓄積するフローティング拡散領域と、
ピクセルの動作において使用される透明トランジスタと、
を含み、
前記透明トランジスタは少なくとも部分的に光変換装置を覆い、前記光変換装置は前記透明トランジスタを通って通過する光を受け取る、
ことを特徴とするピクセル回路。 - 前記透明トランジスタがトランスファートランジスタを含み、前記トランスファートランジスタは蓄積した電荷を前記光変換装置から前記フローティング拡散領域に届けることができる、請求項１のピクセル回路。
- 前記トランスファートランジスタが前記トランスファートランジスタを通して電荷を通過させるための第一と第二のチャネル領域を含む、請求項２のピクセル回路。
- 前記透明トランジスタがリセットトランジスタを含み、前記リセットトランジスタは前記フローティング拡散領域を予め設定されたリセット電圧状態にリセットすることができる、請求項１のピクセル回路。
- 前記透明トランジスタがソースフォロワートランジスタを含み、前記ソースフォロワートランジスタは前記フローティング拡散領域に接続する、請求項１のピクセル回路。
- 前記透明トランジスタが行選択トランジスタを含み、前記行選択トランジスタはスイッチング素子として働き、前記ソースフォロワートランジスタに接続する、請求項１に記載のピクセル回路。
- 前記透明トランジスタが、光変換装置からの電荷のオーバーフローを防ぐためのアンチブルーミングトランジスタを含む、請求項１のピクセル回路。
- 前記透明トランジスタが蓄積ゲートトランジスタを含む、請求項１のピクセル回路。
- 前記透明トランジスタが薄膜トランジスタを含む、請求項１のピクセル回路。
- 前記フローティング拡散領域を予め定められたリセット電圧状態にリセットするリセットトランジスタと、
前記フローティング拡散領域および第一の静電容量回路で蓄積された電荷に基づいて信号を読み出すための読み出し回路と、
前記フローティング拡散領域に接続したソースフォロワートランジスタと、
スイッチング素子として働き、前記ソースフォロワートランジスタに接続する行選択トランジスタと、
をさらに含む請求項２のピクセル回路。 - 前記透明トランジスタがトランジスタチャネルを備え、前記トランジスタチャネルが酸化亜鉛スズを含む、請求項１のピクセル回路。
- 前記透明トランジスタがゲート誘電体をさらに備え、前記ゲート誘電体が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含む、請求項１１のピクセル回路。
- 前記透明トランジスタがゲート誘電体をさらに備え、前記ゲート誘電体が酸化スズ（ＴｉＯ３）を含む、請求項１１のピクセル回路。
- 前記透明トランジスタがゲート誘電体をさらに備え、前記ゲート誘電体が原子層蒸着二酸化ケイ素（ＡＬＤ ＳｉＯ２）を含む、請求項１１のピクセル回路。
- 前記透明トランジスタがゲート電極をさらに備え、前記ゲート電極が酸化インジウムスズを含む、請求項１１のピクセル回路。
- 光変換装置がフォトダイオードを含む、請求項１のピクセル回路。
- フォトダイオードと、
前記フォトダイオードから電荷を受け取り、蓄積するためのフローティング拡散領域と、
前記光変換装置から前記フローティング拡散領域に電荷を転送させるための透明トランスファートランジスタと、
を含み、
前記透明トランスファートランジスタは少なくとも部分的に前記フォトダイオードを覆い、前記フォトダイオードは前記透明トランジスタを通って通過する光を受け取ることを特徴とする、
ピクセル回路。 - 前記透明トランスファートランジスタが、
酸化亜鉛スズを含むチャネルである、第一のチャネル領域と、
酸化インジウムスズを含むゲート電極である、ゲート電極と、
を含むことを特徴とする、請求項１７のピクセル回路。 - 前記透明トランジスタが第二のチャネル領域を備え、前記第二のチャネルがシリコンを含む、請求項１８のピクセル回路。
- ピクセル回路のアレイ
を含む撮像装置であって、
前記ピクセル回路の少なくともいくつかが
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードから電荷を受け取り、蓄積するためのフローティング拡散領域と、
前記ピクセルの動作で使用される透明トランジスタであって、前記透明トランジスタが少なくとも部分的に前記フォトダイオードを覆い、前記フォトダイオードが前記透明トランジスタを通って通過する光を受け取る、透明トランジスタと、
フローティング拡散領域で電荷に基づく信号を読み出すための読み出し回路と、を含む
ことを特徴とする、撮像装置。 - 前記透明トランジスタがトランスファートランジスタを含み、前記トランスファートランジスタが蓄積した電荷をフォトダイオードからフローティング拡散領域に届けることができる、請求項２０の撮像装置。
- 前記トランスファートランジスタが前記トランスファートランジスタを通って電荷を通過させるための第一と第二のチャネル領域を備える、請求項２１の撮像装置。
- 前記透明トランジスタがリセットトランジスタを含み、前記リセットトランジスタが前記フローティング拡散領域を予め定められたリセット電圧状態にリセットすることができる、請求項２０の撮像装置。
- 前記透明トランジスタがソースフォロワートランジスタを含み、前記ソースフォロワートランジスタが前記フローティング拡散領域に接続する、請求項２０の撮像装置。
- 前記透明トランジスタが行選択トランジスタを含み、前記行選択トランジスタがスイッチング素子として働き、ソースフォロワートランジスタに接続する、請求項２０の撮像装置。
- 前記透明トランジスタが前記光変換装置からの電荷のオーバーフローを防ぐアンチブルーミングトランジスタを含む、請求項２０の撮像装置。
- 前記透明トランジスタが蓄積ゲートトランジスタを含む、請求項２０の撮像装置。
- 前記透明トランジスタが薄膜トランジスタを含む、請求項２０の撮像装置。
- 前記透明トランジスタがトランジスタチャネルを備え、前記トランジスタチャネルが酸化亜鉛スズを含む、請求項２０の撮像装置。
- 前記透明トランジスタが誘電性ゲートをさらに備え、前記誘電性ゲートが酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含む、請求項２９の撮像装置。
- 前記透明トランジスタが誘電性ゲートをさらに備え、前記誘電性ゲートが酸化スズ（ＴｉＯ３）を含む、請求項２９の撮像装置。
- 前記透明トランジスタが誘電性ゲートをさらに備え、前記誘電性ゲートが原子層蒸着二酸化ケイ素（ＡＬＤ ＳｉＯ２）を含む、請求項２９の撮像装置。
- 前記透明トランジスタがゲート電極をさらに備え、前記ゲート電極が酸化インジウムスズを含む、請求項２９の撮像装置。
- 前記光変換装置がフォトダイオードを含む、請求項２０の撮像装置。
- 基板に光変換装置を形成するステップと、
前記光変換装置から電荷を受け取り、蓄積するために基板にフローティング拡散領域を形成するステップと、
前記ピクセルの動作で使用するための透明トランジスタを形成するステップであって、前記透明トランジスタは前記光変換装置の少なくとも一部を覆って形成される、ステップと、
を含むピクセル回路を形成する方法。 - 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、蓄積した電荷を前記光変換装置から前記フローティング拡散領域に運ぶことができるトランスファートランジスタを形成するステップを含む、請求項３５の方法。
- 前記トランスファートランジスタを形成する前記ステップが、前記トランスファートランジスタを通って電荷を通過させる第一と第二のチャネルを形成するステップを含む、請求項３６の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、前記フローティング拡散領域を予め定められたリセット電圧状態にリセットすることができるリセットトランジスタを形成するステップを含む、請求項３５の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、前記フローティング拡散領域に接続するソースフォロワートランジスタを形成するステップを含む、請求項３５の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、スイッチング素子として働き、ソースフォロワートランジスタと接続する行選択トランジスタを形成するステップを含む、請求項３５の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、前記光変換装置からの電荷のオーバーフローを防止することができるアンチブルーミングトランジスタを形成するステップを含む、請求項３５の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、蓄積ゲートトランジスタを形成するステップを含む、請求項３５の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、薄膜トランジスタを形成するステップを含む、請求項３５の方法。
- 前記光変換装置を形成する前記ステップが、フォトダイオードを形成するステップを含む、請求項３５の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、トランジスタチャネルを形成するステップを含み、前記トランジスタチャネルは酸化亜鉛スズを含む、請求項３５の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、誘電性ゲートを形成するステップをさらに含み、前記誘電性ゲートは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含む、請求項４５の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、誘電性ゲートを形成するステップをさらに含み、前記誘電性ゲートは酸化スズ（ＴｉＯ３）を含む、請求項４５の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、誘電性ゲートを形成するステップをさらに含み、前記誘電性ゲートは原子層蒸着二酸化ケイ素（ＡＬＤ ＳｉＯ２）を含む、請求項４５の方法。
- 前記透明トランジスタを形成する前記ステップが、ゲート電極を形成するステップをさらに含み、前記ゲート電極は酸化インジウムスズを含む、請求項４５の方法。
- プロセッサと、
撮像デバイスと、
を含む処理システムであって、
前記撮像デバイスはピクセル回路のアレイを含み、
前記ピクセル回路の少なくともいくつかが
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードから電荷を受け取り、蓄積するためのフローティング拡散領域と、
前記ピクセルの動作で使用するための透明トランジスタであって、前記透明トランジスタが前記フォトダイオードの少なくとも一部分を覆い、前記フォトダイオードが前記透明トランジスタを通って通過する光を受け取る、透明トランジスタと、
前記フローティング拡散領域で電荷に基づく信号を読み出すための読み出し回路と、を含む
ことを特徴とする処理システム。 - 前記透明トランジスタがトランスファートランジスタを含み、前記トランスファートランジスタは蓄積した電荷を前記フォトダイオードから前記フローティング拡散領域に運ぶことができる、請求項５０の処理システム。
- 前記トランスファートランジスタが前記トランスファートランジスタを通って電荷を通過させる第一と第二のチャネル領域を含む、請求項５１の処理システム。
- 前記透明トランジスタがリセットトランジスタを含み、前記リセットトランジスタは前記フローティング拡散領域を予め定められたリセット電圧状態にリセットすることができる、請求項５０の処理システム。
- 前記透明トランジスタがソースフォロワートランジスタを含み、前記ソースフォロワートランジスタは前記フローティング拡散領域に接続する、請求項５０の処理システム。
- 前記透明トランジスタが行選択トランジスタを含み、前記行選択トランジスタはスイッチングデバイスとして働き、ソースフォロワートランジスタに接続する、請求項５０の処理システム。
- 前記透明トランジスタが、前記光変換装置から電荷がオーバーフローすることを防止するアンチブルーミングトランジスタを含む、請求項５０の処理システム。
- 前記透明トランジスタが蓄積ゲートトランジスタを含む、請求項５０の処理システム。
- 前記透明トランジスタが薄膜トランジスタを含む、請求項５０の処理システム。
- 前記透明トランジスタがトランジスタチャネルを備え、前記トランジスタチャネルは酸化亜鉛スズを含む、請求項５０の処理システム。
- 前記透明トランジスタが誘電性ゲートをさらに備え、前記誘電性ゲートは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含む、請求項５９の処理システム。
- 前記透明トランジスタが誘電性ゲートをさらに備え、前記誘電性ゲートは酸化スズ（ＴｉＯ３）を含む、請求項５９の処理システム。
- 前記透明トランジスタが誘電性ゲートをさらに備え、前記誘電性ゲートは原子層蒸着ニ酸化ケイ素（ＡＬＤ ＳｉＯ２）を含む、請求項５９の処理システム
- 前記透明トランジスタがゲート電極をさらに備え、前記ゲート電極は酸化インジウムスズを含む、請求項５９の処理システム。
- 前記光変換装置がフォトダイオードを含む、請求項５０の処理システム。
- 光変換装置と、
前記光変換装置からの電荷を受け取り、蓄積するためのフローティング拡散領域と、
前記ピクセルの動作で使用するためのトランジスタであって、前記トランジスタは１０％に満たない分散で、光の可視波長内の光を透過する、少なくとも一部分を持つトランジスタと、
を含むピクセル回路であって、
前記トランジスタは前記光変換装置の少なくとも一部を覆い、前記光変換装置は前記トランジスタを通って通過する光を受け取る、
ことを特徴とするピクセル回路。 - 光を透過する前記トランジスタの一部分が光の可視波長内の光を透過することができる請求項６５のピクセル回路。
- 光を透過する前記トランジスタの一部分が１０％に満たない分散で光を透過することができる請求項６５のピクセル回路。
- 光変換装置と、
前記光変換装置から電荷を受け取り、蓄積するためのフローティング拡散領域と、
前記ピクセルの動作で使用されるトランジスタであって、光を透過する少なくとも一部分を持つ前記トランジスタと、
を含むピクセル回路。
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