JP2012523113A - 電子画像検出装置 - Google Patents

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Abstract

【解決手段】本発明は、絶縁層(22)の第１面に設けられた複数の金属電極(24)と、金属電極間の絶縁層上に延びるアモルファスシリコン領域(26)とを備えている電子画像検出装置に関する。

Description

本発明は、電子画像検出装置に関する。
画像検出を行うために、CMOS技術を使用して、トランジスタ、例えばプレチャージトランジスタ及び読取りトランジスタに関連付けられたフォトダイオードを有する画素を半導体基板に形成することが知られている。入射光子が電子／正孔対を発生させ、電子／正孔対の電子がフォトダイオードによって集められる。電子は、その後画素内で電圧に変換されて、画素アレイの周囲に配置された電子読取り回路によって読み取られる。
暗視又は微光用の画像センサの場合には、光学画像で検出する代わりに、関連する電子画像で検出することが知られている。このため、光学画像は、電子ビームアレイを送る光電陰極とも呼ばれる光電変換器によって電子画像に変換される。画像センサの一般的な感度を向上させるために、増幅された電子画像を電子画像検出装置に送る電子増幅器が、光電陰極の出力に設けられてもよい。
仏国特許出願公開第2888667 号明細書
図１は、電子画像検出装置を単純化した斜視図である。
絶縁層12が、支持体10上に延びている。支持体10は、例えば、CMOS集積回路の能動素子（トランジスタ及びダイオード）を有し、CMOS集積回路上に、これらの能動素子を相互に接続する複数の相互接続レベルの相互接続積層体が形成されている半導体基板から形成されている。絶縁層12は、相互接続積層体の最後の相互接続レベルの一部であってもよい。示された例では、アレイ状に配置された複数の金属電極14が絶縁層12上に延びている。金属電極14は夫々、相互接続積層体に設けられたトラック及びバイア（不図示）によって、半導体基板に形成された集積回路の要素に接続されている。図１に示された電子画像検出装置の表面に届く電子は、金属電極14によって取り込まれ、その後、処理及び読取りのための集積回路に運ばれる。従って、電子画像検出装置の画素は夫々、画素に通常設けられる要素に加えて、金属電極14と集積回路に接続するための金属のトラック及びバイアとを備えている。
電子が、金属電極14によって保護されていない絶縁層12の部分に達する場合、電子は、画像の品質に影響を及ぼす場合があり、場合によっては絶縁破壊を引き起こす閉じ込められた電荷を絶縁層12に発生させる。絶縁材料から形成された絶縁層12に貯蔵された電荷は、入射電子を逸脱させる場合がある電場を形成し、従って、画像にアーティファクトを引き起こす。電子が絶縁層12に達することを回避するために、金属電極14の周りの絶縁層12をエッチングし、エッチングされた箇所の底部に金属層を露出させている。この金属層は、絶縁層12への電子の浸透に対する障壁を構成し、CMOS集積回路に電気的に接続されており、集められた電荷の排出を可能にする。金属電極14が上方の金属保護層より下にある構造が提供されてもよい。
上述されたようなステップ構造は、２つの問題を引き起こす。第１の問題は、得られた構造の上面が平坦ではないことである。このため、任意の後の製造工程、例えば、基板上に接点を設けるための接続パッドを形成する工程を不可能にするか、又は非常に困難にする。更に、電子は下部の金属部分に反射し、構造のステップ状の側面から絶縁層12の絶縁材料に達する場合がある。従って、電子は、閉じ込められた電荷をこの絶縁層12に発生させる場合があり、絶縁破壊と画像中のアーティファクトとを依然として引き起こす。
従って、上面が平坦であり、電子の閉込めと、金属電極の下及び／又は金属電極間に存在する絶縁材料の劣化とを回避する電子画像検出装置が必要である。
本発明の実施形態の目的は、画素の金属電極間の絶縁材料が入射電子から保護されている電子画像検出装置を提供することである。
本発明の実施形態の別の目的は、先行技術の電子画像検出装置の上面より更に平坦である上面を有することが可能な電子画像検出装置を提供することである。
従って、本発明の実施形態は、絶縁層の第１面に設けられた複数の金属電極と、該金属電極間の絶縁層上に延びるアモルファスシリコン領域とを備えていることを特徴とする電子画像検出装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、前記アモルファスシリコン領域は水素化されている。
本発明の実施形態によれば、前記アモルファスシリコン領域は略真性である。
本発明の実施形態によれば、トレンチが、前記金属電極間の絶縁層に形成されている。
本発明の実施形態によれば、少なくとも１つのゲート電極が、少なくとも１つのアモルファスシリコン領域の前方の前記絶縁層の第２面に設けられており、前記少なくとも１つのゲート電極はバイアス電圧源に接続され得る。
本発明の実施形態によれば、前記ゲート電極は前記金属電極の前方に部分的に延びている。
本発明の実施形態によれば、前記アモルファスシリコン領域の厚さは、２乃至500 nm、好ましくは10乃至100 nmである。
本発明の実施形態によれば、前記金属電極は、約１μm 間隔で設けられている。
本発明の実施形態によれば、前記金属電極はアルミニウムから形成されている。
本発明の実施形態によれば、前記絶縁層は、該絶縁層の第２面の側で、半導体基板上に延びる複数の相互接続レベルの相互接続積層体から形成された支持体に接している。
本発明の実施形態によれば、前記金属電極は、前記相互接続積層体に形成された導電性バイアによって、前記半導体基板に形成された電子部品に接続されている。
本発明の実施形態は、光電陰極、マイクロチャネルプレート、及び上述されたような電子画像検出装置を備えていることを特徴とする画像センサを更に提供する。
本発明の前述及び他の目的、特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。
従来の電子画像検出装置を単純化して示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る電子画像検出装置を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る電子画像検出装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態の変形例に係る電子画像検出装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態の変形例に係る電子画像検出装置を示す断面図である。 本発明の実施形態の別の変形例に係る電子画像検出装置を示す断面図である。 本発明の実施形態の別の変形例に係る電子画像検出装置を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る電子画像検出装置の要素と、下方の半導体基板に形成された要素との接続例を部分的に示す断面図である。 電子画像検出装置を備えた画像センサ組立体を示すブロック図である。
明瞭化のために、同一の要素は異なる図面において同一の参照番号で示されており、更に、集積回路の図示ではよく見られるように、様々な図面は正しい縮尺で示されていない。
図２及び３は、電子画像検出装置の実施形態を夫々示す断面図及び斜視図である。
電子画像検出装置は、半導体基板上に延びる複数の相互接続レベルの相互接続積層体から形成された支持体20上に形成されている。検出された電子画像の処理を可能にする電子部品が半導体基板に形成されており、相互接続積層体に形成された導電性のトラック及びバイアによって電子画像検出装置に接続されている。
絶縁層22が支持体20上に延びており、複数の金属電極24が絶縁層22の表面に形成されている。各金属電極24は電子画像検出装置の画素に相当する。絶縁層22及び金属電極24は下方の相互接続レベルと同様に形成されてもよく、従って、支持体20の相互接続積層体の最後の相互接続レベルを構成してもよい。一例として、絶縁層22は酸化シリコンから形成されてもよく、金属電極24はアルミニウムから形成されてもよい。更に一例として、金属電極24は、絶縁層22の表面にアレイ状に分配されてもよい。
実施形態によれば、アモルファスシリコンから形成されたアモルファスシリコン領域26が、２つの隣り合う金属電極24間の絶縁層22上に延びている。アモルファスシリコン領域26は、絶縁層22の表面部分を入射電子から保護するために、金属電極24によって覆われていない絶縁層22の表面全体を覆っている。平面図では、アモルファスシリコン領域26は、各金属電極24を囲むように連設されている。アモルファスシリコン領域26は金属電極24に達しており、金属電極24の壁及び縁に延びてもよく、従って金属電極24の周りに正方形を形成してもよい。
アモルファスシリコンは、十分絶縁すべく略真性状態であり、周囲温度で109Ω.cm を超える体積抵抗率を有することが好ましい。従って、２つの隣り合う画素の２つの金属電極間での漏れ抵抗が非常に大きい。しかしながら、アモルファスシリコンは半導体であるので、最も近い金属電極24に向かってアモルファスシリコン領域26に達する電子の移動を可能にする。このようにして金属電極24間に集められた信号は、画素によって検出される有用な信号になる。
アモルファスシリコンは水素化されて、単一のアモルファスシリコンの体積抵抗率より大きな約1010Ω.cm の体積抵抗率を有することが好ましい。アモルファスシリコンは、下方の半導体基板における完成した電子部品の存在と適合する（これらの電子部品を劣化させない）低温で、一般的には400 ℃未満で形成されてもよい。
水素化されたアモルファスシリコンは、僅かにN 型になる自然な特性を有する。この特性がアモルファスシリコン領域26の絶縁性に影響を及ぼし、アモルファスシリコン領域26の導電性を制御することを防止するために、図２に示された電子画像検出装置は、支持体20と絶縁層22との接続箇所に形成されたゲート電極28を備えてもよい。ゲート電極28は金属電極24間の領域の前方に延びており、好ましくは、金属電極24間の間隔より僅かに大きい面に延びており、（つまり、金属電極24に僅かに対向している）。ゲート電極28はバイアス電圧源VGに接続されており、バイアス電圧源VGは、金属／絶縁体／半導体の積層体(28/22/26)により、水素化されたアモルファスシリコン領域26の空乏化を可能にする。従って、半導体に導電性チャネルが生じ、２つの隣り合う金属電極24間に非常に多くの電荷の流れを引き起こすことが回避される。尚、ゲート電極28は、相互接続積層体の最後から２番目の相互接続レベルに存在する導電性トラックと同時に形成されてもよい。
数値の一例として、水素化されたアモルファスシリコン領域26は、２乃至500 nmの厚さ、好ましくは10乃至100 nmの厚さを有してもよく、金属電極24は、１μm 程度の間隔で設けられてもよい。
図４は、アモルファスシリコン領域26が金属電極24の周りに延びており、金属電極24の厚さと同程度の厚さを有している代替的な実施形態を示す斜視図である。従って、得られた構造は平坦であるか、又は略平坦である。
図５は、アモルファスシリコン領域26が、絶縁層22及び金属電極24上に延びるアモルファスシリコン層30と置き換えられた代替的な実施形態を示している。従って、平面図では、アモルファスシリコン層30は金属電極24のアレイ上に開口部を有さない層を形成している。アモルファスシリコン層30に達する電子は、該アモルファスシリコン層30によって下にある金属電極24に向かって運ばれる。アモルファスシリコン層30は、有利には２つの隣り合う金属電極24間を確実に絶縁する。支持体20と絶縁層22との接続箇所に形成され、バイアス電圧源VGに接続されたゲート電極28は、上述されたようにこの絶縁性を促進してもよい。
図６は、別の代替的な実施形態を示している。２つの隣り合う金属電極24間を絶縁するために、金属電極24間の絶縁層22の領域32がエッチングされている。アモルファスシリコン領域34が、エッチングされた領域32に沿って金属電極24間に延びている。この変形例では、金属電極24が、既に説明された変形例より互いに更に近くに設けられることが可能であり、エッチングされた領域32の空気での絶縁により、２つの隣り合う金属電極24間の干渉を回避することが可能になる。
図７は、電子画像検出装置の上面が平坦である別の代替的な実施形態を示している。このため、金属電極24間の間隔が、例えば絶縁層22の材料と同一の材料から形成された絶縁領域36で充填されている。アモルファスシリコン層38が、このようにして得られた平面全体に均一に成膜されている。図５の変形例と同様に、アモルファスシリコン層38に達する電子は、前記アモルファスシリコン層38によって金属電極24に向かって運ばれる。アモルファスシリコン層38も、２つの隣り合う金属電極24間を確実に絶縁する。
尚、図２，３，４及び６の変形例は、経時的な安定性のため、図５及び７の変形例より好まれる。これら２つの変形例では、アモルファスシリコン層30,38 は電子画像検出装置全体を覆っておらず、絶縁層22を入射光子から保護するために絶縁層22上方の隣り合う金属電極24間にのみ設けられている。実際には、アモルファスシリコン層30,38 が金属電極24上に設けられていることにより、電子画像検出装置の上面からの電子の検出に影響を及ぼさないが、金属電極24の上方で電子を幾らか形成する場合があり、従って、変動する電荷がアモルファスシリコン層30,38 に形成され、得られた画像の品質に影響を及ぼす場合がある。更に、入射光子の流れが存在する場合、寄生電流が、アモルファスシリコンの光生成の性質により金属電極24上に発生する場合がある。
図２及び３に示された構造を得るために、例えば、図１に示されたような構造上に、200 ℃未満の温度でシランの真空プラズマ成膜により連続的なアモルファスシリコン層を形成するステップ、形成されたアモルファスシリコン層に、適したマスクによってリソグラフィを行なうステップ、及びアモルファスシリコン層をエッチングして、少なくともアモルファスシリコン層の中央領域に金属電極24を露出するステップが連続的に行われてもよい。図６に示された構造を得るためには、絶縁層22は、所望のアモルファスシリコン領域のレベルで前もってエッチングされている。
図４に示された構造を得るために、例えば、図１に示されたような構造上に、200 ℃未満の温度でシランの真空プラズマ成膜により連続的なアモルファスシリコン層を形成するステップ、及び金属電極24上のアモルファスシリコン層に選択的な化学機械研磨を行い、金属電極24の上面を露出するステップが連続的に行われてもよい。従って、得られたアモルファスシリコン層の厚さは、金属電極24の厚さと略等しいか、又は金属電極24の厚さより僅かに小さい。
図８は、図２及び３に示された電子画像検出装置と、下方の半導体基板に形成された要素との可能な接続例を部分的に示す断面図である。
図８では、支持体20が更に詳細に示されている。支持体20は、シリコン基板40の表面に形成された複数の相互接続レベルの相互接続積層体42を有するシリコン基板40を備えており、絶縁層22及び金属電極24が最後の相互接続レベルを形成している。相互接続レベルは夫々、金属のバイアによって相互に接続されてもよい金属のトラックを有している。図示された例では、金属電極24は夫々、相互接続積層体42のバイア及び金属のトラックによってシリコン基板40に形成された要素（不図示）に接続されており、ゲート電極28が、同様に相互接続積層体42のトラック及びバイアにより相互に接続されている。尚、ゲート電極28は、単一の金属領域から形成され、単一の接続によってバイアス電圧源VGに接続されてもよい。
図９は、電子画像検出装置を備えた画像センサ組立体をブロック形式で示している。
画像センサ組立体は、対象物50の画像を形成すべく意図されている。例えばレンズを備えた光学素子52によって得られた対象物50の光学画像54が、光電陰極56によって電子画像58に変換される。この電子画像58は、増幅器装置60、例えばマイクロチャネルプレート（MCP ）に送られる。増幅器装置60によって与えられる増幅された画像62が、ここに述べられているような電子画像検出装置64によって検出される。任意には、表示装置66が、電子画像検出装置64によって検出された画像を表示するために設けられてもよい。
本発明の具体的な実施形態が説明されている。様々な変更及び調整が当業者に想起される。特に、ここに与えられた数値は、単に一例として示されているに過ぎない。更に、ここに説明された電子画像検出装置は、図９に関して説明された画像センサ組立体とは異なり電子画像の検出を必要とするいかなるシステムに使用されてもよい。更に、図２乃至７に示された変形例の各々に関して、金属電極24間に配置されたアモルファスシリコン領域によって、入射電子を集めて、その後、集められた入射電子を隣り合う金属電極に移すことが可能になる。尚、集められた電子を例えば下方の基板に向かって排出することを可能にする導電性のトラック及びバイアが、これらのアモルファスシリコン領域の下にある絶縁層に設けられてもよい。

Claims (12)

  1. 絶縁層(22)の第１面に設けられた複数の金属電極(24)と、
    該金属電極間の絶縁層上に延びて、前記金属電極の主要部分上に延びてないアモルファスシリコン領域(26,34) と
    を備えていることを特徴とする電子画像検出装置。
  2. 前記アモルファスシリコン領域(26,34)は水素化されていることを特徴とする請求項１に記載の電子画像検出装置。
  3. 前記アモルファスシリコン領域(26,34)の体積抵抗率は109 Ω.cm より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子画像検出装置。
  4. トレンチ(32)が、前記金属電極間の絶縁層(12)に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電子画像検出装置。
  5. 少なくとも１つのゲート電極(28)が、少なくとも１つのアモルファスシリコン領域の前方の前記絶縁層(22)の第２面に設けられており、前記少なくとも１つのゲート電極はバイアス電圧源(VG)に接続され得ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電子画像検出装置。
  6. 前記ゲート電極(28)は前記金属電極(24)の前方に部分的に延びていることを特徴とする請求項５に記載の電子画像検出装置。
  7. 前記アモルファスシリコン領域(26,34)の厚さは、２乃至500 nm、好ましくは10乃至100 nmであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電子画像検出装置。
  8. 前記金属電極(24)は、約１μm の間隔で設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電子画像検出装置。
  9. 前記金属電極(24)はアルミニウムから形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電子画像検出装置。
  10. 前記絶縁層(22)は、該絶縁層の第２面の側で、半導体基板(40)上に延びる複数の相互接続レベルの相互接続積層体(42)から形成された支持体(20)に接していることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の電子画像検出装置。
  11. 前記金属電極(24)は、前記相互接続積層体(42)に形成された導電性バイアによって、前記半導体基板(40)に形成された電子部品に接続されていることを特徴とする請求項10に記載の電子画像検出装置。
  12. 光電陰極(56)、マイクロチャネルプレート(60)、及び請求項１乃至11のいずれかに記載の電子画像検出装置(64)を備えていることを特徴とする画像センサ。
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