JP2015005752A - イメージセンサで使用される埋め込みフォトダイオードの改良 - Google Patents

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Abstract

【課題】アバランシェ増倍を用いて信号増幅を行う埋め込みフォトダイオード画素構造を提供する。【解決手段】埋め込みフォトダイオード画素構造(100)は、画素エリア(180)に関して独立にバイアスされたp型基板(110)を有し、n型領域(130)と、基板(110)の上に形成されたp型領域(120)との間にアバランシェ領域(230)を提供する。こうした埋め込みフォトダイオード画素構造(100)は、微光レベル条件で用いられるイメージセンサで使用できる。【選択図】図1

Description

本発明は、イメージセンサで使用される埋め込み(pinned)フォトダイオードの改良に関し、詳細には、これに限定されないが、微光イメージセンサでの強度信号を改善することに関する。
微光強度信号を捕える場合、可及的に最低ノイズを持つ光レベルを記録することが特に重要である。
現在の進歩した相補型金属酸化物半導体(CMOS)において、イメージセンサ(CIS)が、いわゆる4トランジスタ埋め込みフォトダイオード(4T−PPD)構造を持つ画素を一般的に使用している。こうした構造において、トランジスタは、埋め込みフォトダイオード(PPD)を読み出すために用いられ、トランジスタの幾つかは、異なる画素の間で共有できる。PPDは、信号電子とシリコン表面との相互作用を回避することによって、幾つかのノイズ源、例えば、PPDリセットノイズ、暗電流ショットノイズ等を排除または制限する。こうしてPPDは、信号対ノイズ比(SNR)を改善するのに著しく役に立つ。その結果、残りの支配的なノイズは、読み出し回路群の残り、例えば、ソースフォロワ、コラム(column)サーマルノイズなどにシフトしている。
PPDの設計は、ドーピング濃度の慎重な最適化を必要とし、全ての電荷がダイオードから除去され、よってダイオードが空になるといわれるポイントで、予め定めたピンニング(pinning)電圧への自動リセットを確保している。典型的には、約3.3Vの回路電圧VDDで、このピンニング電圧は約1.0V〜1.5Vの範囲内である。
SNRは、2つの異なる方法、即ち、読み出し回路群ノイズをさらに低減することによって、そして、導入する追加ノイズが皆無または最小のままで、信号自体を増幅することによって、さらに改善できる。信号の増幅は、中間段階にある全てのノイズ源も増幅されるため、好ましくは、可能な限り早めに行われる。
さらに、充分に大きな電圧で逆バイアスを印加した場合、p−n接合が、空間電荷領域でのアバランシェ発生、即ち、キャリアの衝突イオン化に起因して降伏し得る。この降伏(breakdown)は、正のフィードバックによるアバランシェ発生が制御不能になった場合に生ずる。しかしながら、同じアバランシェ原理は、降伏電圧未満でバイアスを印加した場合、増幅プロセスとして利用できる。一般に、シリコンフォトダイオードの降伏電圧は、接合のp側およびn側の適切なドーピング濃度を選択することによって操作できる。フォトダイオードのドーピング濃度を増加させることによって、接合内の電界も増加し、降伏電圧は、空乏領域の幅とともに減少する。しかしながら、文献(A.I. Biber, "Avalanche Photodiode Image Sensing in Standard Silicon BiCMOS Technology",(2000))に記載されているように、6V未満の降伏電圧では、降伏は、衝突イオン化ではなく、トンネル現象によって主に生じることが判明した。降伏がトンネル現象によって生じる場合、信号増幅は存在しない。
残念ながら、必要とされる逆バイアス電圧は、典型的なCISプロセスが取り扱うものより超える傾向があり、フォトダイオードの動作電圧範囲は、通常、選択したテクノロジーにおいてCMOSトランジスタのゲート酸化物の厚さによって制限される。4T−PPD構造においてピンニング電圧を増加させて、アバランシェフォトダイオードを実装することは可能であるが、これは、関連した回路において要求される変化に起因して、実用的でない傾向がある。
上記の文献(A.I. Biber)、文献(Y.S. Kim et al., "Design and characterization of CMOS avalanche photodiode with charge sensitive preamplifier",(2008))、および文献(L. Pancheri et al., "G.F.D Low-Noise Avalanche Photodiode in Standard 0.25um CMOS Technology")に記載されているように、画素内アバランシェフォトダイオードを利用する前回の試みが、より複雑な回路の使用を必要とするため、貧弱な充填率(fill factor)をもたらす。
米国公開第2011/0303822号、米国公開第2012/0292483号、および文献(R. Shimizu et al., "A charge-multiplication CMOS image sensor suitable for low-light-level imaging", (2009))では、電子増倍が記載され、アバランシェ増幅を達成している。しかしながら、電子増倍が高電圧能力を必要とするため、CMOSプロセスの変更をもたらす。さらに、より多くゲートが各画素で採用する必要があるため、より悪い充填率が得られる。
本開示の目的は、上述した不具合に悩まされない、アバランシェ増倍を用いた信号増幅を提供することである。
本開示の他の目的は、CMOS画素および制御読み出し回路のグランド電位から減結合(decouple)した、4T−PPD画素構造にアバランシェフォトダイオードを設けることである。
本開示の第1態様によれば、埋め込みフォトダイオード画素構造が提供され、これは、第2ドープ領域の上に形成され、第1電位の内部バイアスが印加されている第1ドープ領域と、
第1ドープ領域の上に形成され、第2電位の内部バイアスが印加されている第3ドープ領域と、を備え、
少なくとも第2ドープ領域は、第2電位から独立した第3電位の外部バイアスが印加されて、第1ドープ領域と第2ドープ領域との間にアバランシェ領域を生成することを特徴とする。
本開示に係る埋め込みフォトダイオード画素構造は、標準のCIS実装と比べて追加の回路を必要とせず、画素の充填率が影響されないという利点を有する。第3の外部バイアス電位の提供は、アバランシェ領域が信号増幅を出力することを確立させることができる。
一実施形態において、基板が用意され、その上に第2ドープ領域が形成され、基板は第3電位の外部バイアスが印加される。
第4ドープ領域を第2ドープ領域の上で、第1ドープ領域の下方に形成してもよく、第4ドープ領域は、第1ドープ領域と同様な材料型である。
ドープ領域に関して上述した用語「第1」、「第2」、「第3」、「第4」は、請求項での領域の記述の順序を参照しており、本開示に係る埋め込みフォトダイオード画素構造において領域が形成される順序に必ずしも限定されない。一実施形態において、第1ドープ領域および第4ドープ領域は、n型領域を含み、第2ドープ領域および第3ドープ領域は、p型領域を含む。
少なくとも第1ドープ領域の中に延びており、第2ドープ領域から垂直に分離している注入部(implant)を設けることが好ましい。注入部の一方は、注入部自体に対して反対ドーピングの関連したドープ領域を含んでもよく、注入部およびドープ領域は、少なくとも1つのトランジスタエリアを画定する。転送ゲートが、少なくとも1つのトランジスタエリアと関連してもよい。注入部の他方は、STI(shallow trench isolation:シャロートレンチアイソレーション)エリアを含んでもよい。
好都合には、注入部は、各埋め込みフォトダイオード画素構造を、同じイメージセンサアレイ内の隣接する埋め込みフォトダイオード画素構造から隔離するために使用できる。
一実施形態において、第1ドープ領域は、n型材料を含み、第2ドープ領域は、p型材料を含む。本実施形態において、第3電位は、好ましくは負の電位を含む。
第3ドープ領域は、グランド電位のバイアスが印加されたp型材料を含んでもよい。
第2ドープ領域は、転送ゲートを経由して電荷を抽出することによって、ピンニング電圧の内部バイアスが印加されてもよい。
本開示の他の態様に従って、上述のような少なくとも1つの埋め込みフォトダイオード画素構造を備えたイメージセンサが提供される。
本開示の一実施形態において、イメージセンサは、イメージセンサアレイを含んでもよく、アレイ内の各センサは、埋め込みフォトダイオード画素構造である。
本発明のより良い理解のため、添付の図面を例として参照する。
本開示に係るPPD画素構造の概略図を示す。
本開示について、特定の実施形態に関して特定の図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されない。記載した図面は、概略的に過ぎず、非限定的である。図面において、説明目的のために、要素の幾つかのサイズは誇張し、スケールどおり描いていないことがある。
ここで使用した用語「垂直」および「水平」は、図面の特定の向きを参照するものであり、これらの用語はここで説明した特定の実施形態への限定でないことは理解されよう。
背景として、標準のダイオードがn−p構造またはp−n構造である。標準の埋め込み(pinned)フォトダイオード(PPD)が、両方のp型層または領域が同じ電位、典型的にはグランドに接続されたp−n−p構造を含む。n型層または領域は、0〜1.5Vの電位の内部バイアスが印加され、該バイアスはn型層または領域での電荷の数に依存している。実際、PPDは、バック・ツー・バック(背中合わせ)で配置された2つのダイオードである。
本開示のPPDは、2つのp型層または領域は同じ電位ではなく、一方のp型層または領域はグランド電位であり、他方のp型層または領域は負の電位、典型的には、後述するような実質的に負の電位である点で標準のPPDとは相違する。
本開示の一実施形態によれば、高電圧領域が低電圧領域から垂直方向に分離し、良好な充填率(fill factor)を実現するアバランシェフォトダイオードが提供される。こうしてアバランシェフォトダイオードおよび回路群の残りについて共通のグランド電位を回避できる。2つのp型層または領域を分離することによって、一定のエピ厚さについて電気的クロストークを低減でき、アバランシェ増幅を用いて利得を提供するために極めて高いバイアス電位を実装する必要がない。代替として、極めて高いバイアス電位の実装なしで、同じクロストークでの感度が改善できる。
通常のように、標準の4T画素をp型エピタキシ(エピ)層に設置する代わりに、4T画素が、充分にドープしたp型領域の上部にある、画素アレイの均一にドープしたn型層に設置される。p型領域は、高ドープ基板の上部に形成される。n型層およびp型層の両方が、注入(implantation)またはエピタキシャル成長により形成できる。
本発明は、後述する4T−PPD画素構造を参照して説明するが、該構造は多かれ少なかれ画素当り4つのトランジスタを含むことが理解されよう。図面において、全てのトランジスタを個別に示していない。
追加の画素回路の複雑性が要求される場合、4つより多いトランジスタを利用してもよい。画素間のトランジスタを共用することも可能であり、例えば、より詳細に後述するように、非共用トランジスタである転送ゲートを用いて、3つのトランジスタ(不図示)が異なる画素間で共用できる。それ自体、例として、2.5T−PPD構成が提供される。
さらに、n型領域でのp型注入部(implant)を参照して本開示を説明するが、代替として、適切な電圧の変化、例えば、画素に印加される一定の内部バイアスと比較して、符号の変化または電圧シフトによって、n型注入部をp型領域に設けてもよいことは理解されよう。ここで使用したように、1e15/cm,1e16/cm,1e17/cm,1e18/cm,1e19/cmなどの値は、1015/cm,1016/cm,1017/cm,1018/cm,1019/cmなどのオーダーの濃度を参照する。
図1に示すように、アバランシェフォトダイオードが実装可能なPPD構造100の概略を示す。構造100は、従来のPPD構造と類似するが、n型層または領域の追加、そして、より詳細に後述するように、他のp型層または領域に印加される基準電位(またはグランド)と比べて異なる電位のバイアスを少なくとも1つのp型層または領域に独立に印加する能力を備える。さらに、この独立にバイアス印加されるp型層または領域は、この構造内の他のp型注入部、層または領域に対して独立にバイアス印加される。
一実施形態において、構造100は、p型基板110を備え、その上にp型層または領域120が形成される。基板110は、1e18/cm〜1e19/cmのドーピング濃度を有する。p型層または領域120は、1e15/cm〜1e17/cmのドーピング濃度を有する。n型層または領域130が、p型層または領域120の上に形成され、1e15/cm〜1e17/cmのドーピング濃度を有する。これらのドーピング濃度は、一例として与えたものであり、他のドーピング濃度も可能であることに留意する。
さらに、各層または領域のーピング濃度は、当該特定の層または領域内で変化してもよい。n型層または領域130の内部で、n型層または領域150を伴うp型注入部または井戸140が図示のように形成される。領域140はまた、他の画素回路類(不図示)のためのp型井戸として機能する。p型注入部または井戸140およびn型層または領域150は、共にトランジスタ領域を形成する。
n型層または領域130の内部で、p型注入部または井戸160が図示のように形成される。必要ならば、p型注入部または井戸160およびp型注入部(または井戸140(不図示))の内部で、更に異なる画素およびトランジスタを相互に隔離するために、酸化物充填STI(シャロートレンチアイソレーション)領域165が形成される。STI領域165は、n型層または領域130と接触していない。
n型PPD注入部170が、n型層または領域130の上に形成され、p型表面注入部180によって覆われる。PPD注入部170は、1e16/cm〜1e18/cmのドーピング濃度を有する。PPD注入部170は、n型層または領域130を追加する代わりに、全体画素の下方に拡大するように製作してもよいことは容易に理解されよう。
図示のように、p型注入部または井戸140,160が、p型層または領域120から垂直に分離している。
転送ゲート190が、p型井戸140の上に設置され、このゲートへのバイアスに依存して、n型層または領域150をPPD注入部170と接続する。フローティング・ディフュージョン接続200が、p型井戸140内のn型層または領域150の上に設けられる。接続210がp型表面注入部180に対して製作され、よって、内部接続がp型注入部または井戸140,160に対して行われる。接続210は、基準電位、例えば、ゼロまたは正の電位に接続され、典型的にはゼロ電位またはグランドに接続される。p型表面注入部180に対する接続210の位置は、一例として、異なる実装において異なる位置に設置でき、例えば、p型注入部または井戸160およびp型表面注入部180が接続される場合、接続210は、p型注入部または井戸160の上面に設置してもよい(不図示)。
コンタクト220において、一定の負の電位がp型基板110に印加される。図1に示すように、p型基板コンタクト220は、一例としてPPD構造100の裏側に示しており、異なる実装において異なる位置に設置できる。p型注入部または井戸140内の画素回路の基準は、1つの電位、例えば、グランドに固定されており、基板110は、独立にバイアス印加される。この独立バイアス印加は、点線によって示すようなアバランシェ領域230の形成にとって必須である。アバランシェ領域230は、n型層または領域130とp型層または領域120との間に形成される。
実際、図1に示すように、PPD100のp−n−p構造の層または領域の各々が異なるバイアスを有する。表面注入部180で規定される上部p型層または領域は、基準電位または電圧のバイアスが印加され、トランジスタ領域のp型井戸140に接続される。基板110及び/又は層または領域120で規定される下部p型層または領域は、後述のように、負の電圧のバイアスが印加される。PPD注入部170及び/又はn型層または領域130(もし存在する場合)で規定される中間のn型層または領域は、内部バイアスされ、このバイアスは、この層または領域に存在する信号電荷(このp−n−p構造での電子)に依存する。このバイアスは、いわゆる「ピンニング電圧」を超えることはない。全ての電荷(電子)がn型層または領域から転送ゲート190を経由して取り出される場合、それに到達するためである。このピンニング電圧は、n型層または領域の両側にある2つのp型層または領域のバイアスによって規定される内部電圧であり、いずれの外部電圧源または電位にも接続されない。このn型層または領域の注入条件は、その特定のピンニング電圧によって決定される。さらに、このn型層または領域のバイアスは、漏れ電流が得られるため、上部p型表面注入部180の基準電位または電圧の値を下回ることがない。
2つのp型領域、p型表面注入部180、およびp型層または領域120、および基板110(後述のように存在する場合)は、PPD注入部170およびn型層または領域130(もし存在する場合)によって規定されるn型層または領域によって、相互に隔離されることが重要である。もし2つのp型領域が相互に接触した場合、これらの個々の独立した外部印加バイアスの差に起因して電流が両者間に流れることは容易に理解されよう。
2つのp型層または領域の独立したバイアス印加の使用は、特別な自由度を提供するものであり、これは、極めて高いバイアス電位が、中間のn型層または領域(PPD注入部170および、もし存在する場合はn型エピ層130によって規定される)と、下部p型層または領域(p型エピ層120および、もし存在する場合は基板110で規定される)との間の下部接合に印加可能になるために用いられる。こうした高いバイアス電位が、動作条件をダイオードアバランシェ降伏条件に接近させることができる。検出される信号は増幅され、これは微光レベル検出にとって特に重要である。
適切なドーピング濃度の使用により、構造内で活性化して、埋め込みフォトダイオード画素構造の動作に悪影響を与え得る寄生素子が形成されないことを確保することに注意する必要がある。例えば、p型層または領域120とn型層または領域130ならびにp型表面注入部180とPPD注入部170との間の接合は、決して順方向バイアスにすべきでない。同様な配慮が、下記のグループ分け、即ち、層または領域140,130,120、層または領域160,130,120、および層または領域150,140,130,120における層または領域の間の接合に適用される。
図1を参照して説明した実施形態は、典型的には表面照射(矢印「A」で示すように上方から)で使用されるが、より長い波長のフォトンから由来するキャリアだけが接合深さに応じて増幅される。
他の実施形態(不図示)では、裏面照射(図1中の矢印「B」で示すように下方から)の場合、基板110は必要でなく、接続220は、当業者が理解するように裏面への適切な表面処理の後、p型層または領域120に直接形成される。
p型層または領域120で発生したキャリアだけがアバランシェ増幅を受け、一方、上方の層、例えば、n型層または領域130で発生したキャリアは、電荷蓄積(integration)が生ずるPPD170に向けて直接拡散するようになる。正面からの照射では、これは波長に渡って著しい不均一な増幅を生じさせる。裏面からの照射では、最長波長の光から由来するキャリアの一部だけが増幅されないままになる。蓄積の後、収集された電荷は、転送ゲート190を経由してフローティング・ディフュージョン・ノード200に転送されるであろう。p型井戸140は、回路用の一定で独立した基準、例えば、0V(またはグランド)であり、一方、p型基板110は、符号220においてある一定の負電位Vhのバイアスが印加される。Vhの値は、p型層または領域120のドーピング濃度およびn型層または領域130のn型ドーピング濃度の選択によって決定されるであろう。Vhは、−200V〜−5Vの範囲内、典型的には約−20Vの値を有してもよい。当然ながら、裏面照射状況において基板110を除去した場合、Vhの値は変化しない。
本開示に係るPPD画素構造の周辺回路は、大きな負の基板電圧を管理できる特別な配慮を要することは容易に理解されよう。
各画素が自己の電荷を維持し、バリア(典型的には適切な大きさの静電電位バリア。明示していない)が、STIパッシベーション注入部160およびp型井戸140の下方に設けられ、1つの画素から隣接する画素へn型層または領域130を通じて電荷の転送を防止することは重要である。
当然ながら、層または領域および注入部は、適切なドーピングを伴うシリコンベースのものでもよい。しかしながら、本発明は、シリコンベースの技術に限定されず、従来の半導体技術で用いられる他の任意の適切な材料が適切なドーピング濃度で使用でき、符号220において印加された独立した負のバイアスの下でアバランシェ領域230を形成する。
本開示の実施形態は、下記の利点を有する。
1.標準のCIS実装と比べて、画素アレイのアドレス指定および読み出しのための追加のCMOS回路の必要性がない。単に、一定の高い負バイアスを供給する必要があるだけであり、これは全ての画素に共通している。
2.既存の画素回路は、適合させる必要がない。これは、画素において、PPD注入部の最適化以外は、技術の変更が必要とされないことを意味する。そして、同じ設計およびレイアウトのオプションが、画素トランジスタの共有、一般のスケーリング等に関して最新のCISについて利用できる。従って、充填率は、標準のCISと比べて影響を受けず、他のアバランシェ代替案より良好である。
3.信号増幅が、主として微光レベル信号について生じ、より高い光レベルでは生じない。これは、増幅率がPPDでの電圧に大きく依存しているためであり、そして、これは収集した電荷の量に依存する。応答は、ダイナミックレンジを増加させるように非線形である。
こうした画素の可能性ある応用は、これに限定されないが、バイオサイエンス(例えば、蛍光検出)、監視カメラまたは、ほぼ真っ暗条件で動作する消費者用カメラなど、種々の技術分野における微光レベル撮像であろう。応用の他の分野が高いダイナミックレンジ撮像において見出される。
特定の特性を有する実施形態について説明したが、少し異なる特性を有する実施形態も可能であることは理解されよう。

Claims (12)

  1. 第2ドープ領域(120)の上に形成され、第1電位の内部バイアスが印加されている第1ドープ領域(170)と、
    第1ドープ領域(170)の上に形成され、第2電位の内部バイアスが印加されている第3ドープ領域(180)とを備え、
    少なくとも第2ドープ領域(120)は、第2電位から独立した第3電位の外部バイアスが印加されて、第1ドープ領域(170)と第2ドープ領域(120)との間にアバランシェ領域(230)を生成することを特徴とする埋め込みフォトダイオード画素構造(100)。
  2. 基板(110)をさらに備え、
    基板(110)の上に第2ドープ領域(120)が形成され、
    基板(110)は、第3電位の外部バイアスが印加される、請求項1記載の埋め込みフォトダイオード画素構造。
  3. 第2ドープ領域(120)の上で第1ドープ領域(170)の下方に形成された第4ドープ領域(130)をさらに備え、
    第4ドープ領域(130)は、第1ドープ領域(170)と同様な材料型である、請求項1または2記載の埋め込みフォトダイオード画素構造。
  4. 少なくとも第1ドープ領域(170)の中に延びており、第2ドープ領域(120)から垂直に分離している注入部(140,160)をさらに備える、請求項1〜3のいずれかに記載の埋め込みフォトダイオード画素構造。
  5. 注入部の一方(140)は、注入部(140)自体に対して反対ドーピングの関連したドープ領域(150)を含み、
    注入部(140)およびドープ領域(150)は、少なくとも1つのトランジスタエリアを画定する、請求項4記載の埋め込みフォトダイオード画素構造。
  6. 少なくとも1つのトランジスタエリアと関連した転送ゲート(190)をさらに備える、請求項5記載の埋め込みフォトダイオード画素構造。
  7. 注入部の他方(160)は、STIエリア(165)を含む、請求項4記載の埋め込みフォトダイオード画素構造。
  8. 第1ドープ領域(170)は、n型材料を含み、第2ドープ領域(120)は、p型材料を含む、請求項1〜7のいずれかに記載の埋め込みフォトダイオード画素構造。
  9. 第3電位は、負の電位を含む、請求項8記載の埋め込みフォトダイオード画素構造。
  10. 第3ドープ領域(180)は、グランド電位のバイアスが印加されたp型材料を含む、請求項8または9記載の埋め込みフォトダイオード画素構造。
  11. 第2ドープ領域(170)は、転送ゲート(190)を経由して電荷を抽出することによって、ピンニング電圧の内部バイアスが印加される、請求項1〜10のいずれかに記載の埋め込みフォトダイオード画素構造。
  12. 請求項1〜11のいずれかに記載の、少なくとも1つの埋め込みフォトダイオード画素画素構造を備えたイメージセンサ。
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