JP2015534273A - ３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素 - Google Patents

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Abstract

本発明は、フォトダイオードで生成された電荷を浮遊拡散領域に転送する効率を極大化する３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素を開示（ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ）する。３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素は、第１ウエハには、フォトダイオードと、転送トランジスタとが形成され、第２ウエハには、リセットトランジスタと、ソースフォロワトランジスタとが形成される。特に、フォトダイオードのポジティブ領域には、第２ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するＮ＿接地電圧を印加する。

Description

本発明は、イメージセンサの分離型単位画素に関するものであって、特に、１つのウエハに形成されたフォトダイオードのポジティブ領域に、第２ウエハに形成された素子に供給される接地電圧より低い電圧を印加して、電荷伝達効率を極大化したイメージセンサの分離型単位画素に関するものである。
それぞれの画素あたりに１つずつ設けられるイメージセンサ回路は、フォトダイオードと、該フォトダイオードで生成された電荷を浮遊拡散領域（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ａｒｅａ）に転送する転送トランジスタと、転送された電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタと、変換電圧を出力する選択トランジスタと、浮遊拡散領域をリセットさせるリセットトランジスタとを基本的に備える。
より多い画素を一定の面積に実現するためには、単位画素に割り当てられる面積が減少するしかないが、前述のように、単位画素には複数のトランジスタおよびフォトダイオードが形成されなければならないため、光を受信するフォトダイオードに割り当てられる領域は、複数のトランジスタの占める領域によって限定されなければならない。このような欠点を克服するために、１つのウエハにフォトダイオードとフォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタとを形成し、他の１つのウエハには残りのトランジスタを形成する方法が提案されて使用されていた。
本発明が解決しようとする技術的課題は、フォトダイオードで生成された電荷を浮遊拡散領域に転送する効率を極大化する３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素を提供することである。
上記の技術的課題を達成するための、本発明の一態様（ｏｎｅ ａｓｐｅｃｔ）に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素は、構成要素が第１ウエハおよび第２ウエハに分離されて集積される。前記第１ウエハには、入射する光に対応する変換電圧を生成し、入射する光に対応する電荷を生成するフォトダイオードと、第１パッドと、転送制御信号に応答して、前記フォトダイオードで生成された電荷を前記第１パッドに転送する転送トランジスタとが集積される。前記第２ウエハには、第２パッドと、前記第２パッドに転送される電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第２パッドおよび前記ソースフォロワトランジスタのゲート端子を共通にリセットさせるリセットトランジスタとが集積される。前記フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第２ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するＮ＿接地電圧を印加する。
上記の技術的課題を達成するための、本発明の他の態様（ａｎｏｔｈｅｒ ａｓｐｅｃｔ）に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素は、入射する光に対応する変換電圧を生成し、構成要素が第１ウエハおよび第２ウエハに分離されて集積される。前記第１ウエハには、入射する光に対応する電荷を生成するフォトダイオードと、第１パッドと、転送制御信号に応答して、前記フォトダイオードで生成された電荷を前記第１パッドに転送する転送トランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第１パッドおよび前記転送トランジスタの共通端子をリセットさせるリセットトランジスタとが集積される。前記第２ウエハには、第２パッドと、前記第２パッドに転送される電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタとが集積される。前記フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第２ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するＮ＿接地電圧を印加する。
上記の技術的課題を達成するための、本発明のさらに他の態様（ｓｔｉｌｌ ａｎｏｔｈｅｒ ａｓｐｅｃｔ）に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素は、入射する光に対応する変換電圧を生成し、構成要素が第１ウエハおよび第２ウエハに分離されて集積される。前記第１ウエハには、第１パッドと、入射する光に対応する電荷を生成する第１フォトダイオードと、第１転送制御信号に応答して、前記第１フォトダイオードで生成された電荷を前記第１パッドに転送する第１転送トランジスタと、入射する光に対応する電荷を生成する第２フォトダイオードと、第２転送制御信号に応答して、前記第２フォトダイオードで生成された電荷を前記第１パッドに転送する第２転送トランジスタとが集積される。前記第２ウエハには、第２パッドと、前記第２パッドに転送された電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第２パッドおよび前記ソースフォロワトランジスタのゲート端子を共通にリセットさせるリセットトランジスタとが集積される。前記第１フォトダイオードのポジティブ領域および前記第２フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第２ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するＮ＿接地電圧を印加する。
本発明に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素は、フォトダイオードで生成された電荷を浮遊拡散領域に効果的に転送することができ、リセットトランジスタに供給される電圧源の準位を可変させることにより、浮遊拡散領域のリセットを効率的に行うことができる利点がある。
本発明の第１実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。 本発明の第２実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。 本発明の第３実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。 本発明の第４実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。 本発明の第５実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。 本発明の第６実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
本発明と本発明の動作上の利点および本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の例示的な実施形態を説明する添付図面および添付図面に記載された内容を参照しなければならない。
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明することにより、本発明を詳細に説明する。各図面に提示された同一の参照符号は同一の部材を表す。
図１は、本発明の第１実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
図１を参照すれば、本発明に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素１００を構成する要素は、２つのウエハ１１０，１２０に分離されて形成されている。
第１ウエハ１１０には、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタＭ１とが集積される。第２ウエハ１２０には、リセットトランジスタＭ２と、ソースフォロワトランジスタＭ３とが集積される。
フォトダイオードＰＤのポジティブ領域には、第２ウエハ１２０で使用される接地電圧ＧＮＤより低い電圧準位を有するＮ＿接地電圧Ｎ＿ＧＮＤが印加される。転送トランジスタＭ１の一端子はフォトダイオードＰＤのネガティブ領域に接続され、他の一端子は第１パッドＰ１に接続され、ゲートには転送制御信号Ｔｘが印加される。
リセットトランジスタＭ２の一端子は電源電圧ＶＤＤおよび電源電圧ＶＤＤと電圧準位の異なる第２電源電圧ＶＤＤ＿Ａのうちの１つに接続され、他の一端子は第２パッドＰ２およびソースフォロワトランジスタＭ３のゲート端子に共通に接続され、ゲートにリセット制御信号Ｒｅが印加される。ソースフォロワトランジスタＭ３の一端子は電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートは第２パッドＰ２に接続される。
一般的に、浮遊拡散領域（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）は、転送トランジスタＭ１、リセットトランジスタＭ２の拡散領域（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ａｒｅａ）およびソースフォロワトランジスタＭ３のゲート領域を意味するが、ここでは、第１パッドＰ１および第２パッドＰ２も浮遊拡散領域に含まれる。
従来は、フォトダイオードＰＤのポジティブ端子の場合、第２ウエハ１２０で使用される接地電圧ＧＮＤを共通に使用していたが、本発明では、第２ウエハ１２０で使用される接地電圧ＧＮＤより低い電圧準位を有するＮ＿接地電圧Ｎ＿ＧＮＤを使用することにより、フォトダイオードＰＤのポジティブ領域とネガティブ領域との間の電圧差を従来に比べて増加させることを提案する。フォトダイオードＰＤで生成される電荷は、フォトダイオードＰＤに入射する光の強度に応じて決定されるが、フォトダイオードＰＤの両領域間の電圧差が大きくなるほど、フォトダイオードで生成された電荷が浮遊拡散領域に効果的に伝達される。
また、リセットトランジスタＲ２の一端子に印加されるリセット電圧として、電源電圧ＶＤＤをそのまま用いてもよいが、電源電圧ＶＤＤと電圧準位の異なる第２電源電圧ＶＤＤ＿Ａを選択的に使用できるようにした。第２電源電圧ＶＤＤ＿Ａの電圧準位を調整することにより、浮遊拡散領域のリセット電圧準位を調整可能なため、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を浮遊拡散領域に伝達する伝達効率を向上させることができる。この内容は、後述する他の実施形態にも同様に適用される。
図２は、本発明の第２実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
図２を参照すれば、第２実施形態のイメージセンサの分離型単位画素２００の場合、図１に示された第１実施形態１００において選択トランジスタＭ４を第２ウエハ２２０に追加したものである。選択トランジスタＭ４は、選択制御信号Ｓｘに応答して、一端子に接続されたソースフォロワトランジスタＭ３の変換電圧Ｐ＿ｏｕｔを他の一端子にスイッチングする。
図３は、本発明の第３実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
図３を参照すれば、本発明に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素３００を構成する要素は、２つのウエハ３１０，３２０に分離されて形成されている。
第１ウエハ３１０には、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタＭ１と、リセットトランジスタＭ２とが集積される。第２ウエハ１２０には、ソースフォロワトランジスタＭ３が集積される。
フォトダイオードＰＤのポジティブ領域には、第２ウエハ３２０で使用される接地電圧ＧＮＤより低い電圧準位を有するＮ＿接地電圧Ｎ＿ＧＮＤが印加される。転送トランジスタＭ１の一端子はフォトダイオードＰＤのネガティブ領域に接続され、他の一端子は第１パッドＰ１に接続され、ゲートには転送制御信号Ｔｘが印加される。リセットトランジスタＭ２の一端子は電源電圧ＶＤＤおよび電源電圧ＶＤＤと電圧準位の異なる第２電源電圧ＶＤＤ＿Ａのうちの１つに接続され、他の一端子は第１パッドＰ１および転送トランジスタＭ１の共通端子に接続され、ゲートにリセット制御信号Ｒｅが印加される。
ソースフォロワトランジスタＭ３の一端子は電源電圧ＶＤＤに接続され、他の一端子は変換電圧Ｐ＿ｏｕｔを出力し、ゲートは第２パッドＰ２に接続される。
図３に示された第３実施形態の場合、第１実施形態１００および第２実施形態２００において、第２ウエハ１２０，２２０に集積されたリセットトランジスタＭ２を第１ウエハ３１０，４１０に集積させたものである。
図４は、本発明の第４実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
図４を参照すれば、第４実施形態のイメージセンサの分離型単位画素４００の場合、図３に示された第３実施形態３００において選択トランジスタＭ４を第２ウエハ４２０に追加したものである。選択トランジスタＭ４は、選択制御信号Ｓｘに応答して、一端子に接続されたソースフォロワトランジスタＭ３の変換電圧Ｐ＿ｏｕｔを他の一端子にスイッチングする。
図５は、本発明の第５実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
図５を参照すれば、第５実施形態のイメージセンサの分離型単位画素５００の場合、第１ウエハ５１０には、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２と、２つの転送トランジスタとが集積される。第２ウエハ５２０には、リセットトランジスタＭ２と、ソースフォロワトランジスタＭ３とが集積される。
１つのピクセルには、１つのフォトダイオードおよび転送トランジスタが必要なため、第５実施形態の場合、２つのピクセルに備えられるフォトダイオードおよび転送トランジスタを介して転送される電荷を、第２ウエハに集積された１つの処理回路で選択的に処理するものである。
第１フォトダイオードＰＤ１は、ポジティブ領域にＮ＿接地電圧Ｎ＿ＧＮＤが印加される。第１転送トランジスタＭ１１の一端子は第１フォトダイオードＰＤ１のネガティブ端子に接続され、他の一端子は第１パッドＰ１に接続され、ゲートに第１転送制御信号Ｔｘ１が印加される。第２フォトダイオードＰＤ２はポジティブ領域にＮ＿接地電圧Ｎ＿ＧＮＤが印加される。第２転送トランジスタＭ１２の一端子は第２フォトダイオードＰＤ２のネガティブ端子に接続され、他の一端子は第１パッドＰ１に接続され、ゲートに第２転送制御信号Ｔｘ２が印加される。
リセットトランジスタＭ２の一端子は電源電圧ＶＤＤおよび電源電圧と電圧準位の異なる第２電源電圧ＶＤＤ＿Ａのうちの１つに接続され、他の一端子は第２パッドＰ２に接続され、ゲートにリセット制御信号Ｒｅが印加される。ソースフォロワトランジスタＭ３の一端子は電源電圧ＶＤＤに接続され、第２パッドＰ２およびリセットトランジスタＭ２の他の一端子に格納された電荷に対応する変換電圧Ｐ＿ｏｕｔを他の一端子を介して出力する。
図６は、本発明の第６実施形態に係る３次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
図６を参照すれば、第６実施形態のイメージセンサの分離型単位画素６００の場合、図５に示された第５実施形態５００において選択トランジスタＭ４を第２ウエハ６２０に追加したものである。選択トランジスタＭ４は、選択制御信号Ｓｘに応答して、一端子に接続されたソースフォロワトランジスタＭ３の変換電圧Ｐ＿ｏｕｔを他の一端子にスイッチングする。
実際のイメージセンサは、上述した素子の上部に透明バッファ層およびフィルタがさらに形成されるが、これは、本発明の本質的なものではなく、この分野における通常の知識を有する技術者には広く知られているため、ここでは詳細に言及しない。
実際のイメージセンサは、第１パッドＰ１および第２パッドＰ２をパッド接続手段によって電気的に接続させて使用するが、この部分は、本発明の内容ではなく、この分野における通常の技術者が容易に実現可能なため、ここでは説明をしない。
以上、本発明に対する技術思想を添付図面とともに述べたが、これは、本発明の好ましい実施形態を例示的に説明したものであり、本発明を限定するものではない。また、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも、本発明の技術的思想の範疇を離脱しない範囲内で多様な変形および模倣が可能であることは自明である。
一般的に、浮遊拡散領域（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ａｒｅａ）は、転送トランジスタＭ１、リセットトランジスタＭ２の拡散領域（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ａｒｅａ）およびソースフォロワトランジスタＭ３のゲート領域を意味するが、ここでは、第１パッドＰ１および第２パッドＰ２も浮遊拡散領域に含まれる。
また、リセットトランジスタＭ２の一端子に印加されるリセット電圧として、電源電圧ＶＤＤをそのまま用いてもよいが、電源電圧ＶＤＤと電圧準位の異なる第２電源電圧ＶＤＤ＿Ａを選択的に使用できるようにした。第２電源電圧ＶＤＤ＿Ａの電圧準位を調整することにより、浮遊拡散領域のリセット電圧準位を調整可能なため、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を浮遊拡散領域に伝達する伝達効率を向上させることができる。この内容は、後述する他の実施形態にも同様に適用される。
第１ウエハ３１０には、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタＭ１と、リセットトランジスタＭ２とが集積される。第２ウエハ３２０には、ソースフォロワトランジスタＭ３が集積される。
図３に示された第３実施形態の場合、第１実施形態１００および第２実施形態２００において、第２ウエハ１２０，２２０に集積されたリセットトランジスタＭ２を第１ウエハ３１０に集積させたものである。

Claims (10)

  1. 入射する光に対応する変換電圧を生成するイメージセンサの分離型単位画素において、
    入射する光に対応する電荷を生成するフォトダイオードと、第１パッドと、転送制御信号に応答して、前記フォトダイオードで生成された電荷を前記第１パッドに転送する転送トランジスタとが形成された第１ウエハと、
    第２パッドと、該第２パッドに転送される電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第２パッドおよび前記ソースフォロワトランジスタのゲート端子を共通にリセットさせるリセットトランジスタとが形成された第２ウエハとを備え、
    前記フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第２ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するＮ＿接地電圧を印加することを特徴とする、イメージセンサの分離型単位画素。
  2. 前記転送トランジスタの一端子が前記フォトダイオードのネガティブ領域に接続され、他の一端子が前記第１パッドに接続され、ゲートには前記転送制御信号が印加され、
    前記リセットトランジスタの一端子が電源電圧および該電源電圧と電圧準位の異なる第２電源電圧のうちの１つに接続され、他の一端子が前記第２パッドおよび前記ソースフォロワトランジスタの前記ゲート端子に共通に接続され、ゲートに前記リセット制御信号が印加され、
    前記ソースフォロワトランジスタの一端子が電源電圧に接続され、他の一端子には変換電圧を出力することを特徴とする、請求項１に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
  3. 前記第２ウエハが、選択制御信号に応答して、前記ソースフォロワトランジスタで生成された変換電圧をスイッチングする選択トランジスタをさらに備え、
    該選択トランジスタは、ゲート端子には前記選択制御信号が印加され、一端子が前記ソースフォロワトランジスタの前記他の一端子に接続され、他の一端子に前記変換電圧を出力することを特徴とする、請求項２に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
  4. 入射する光に対応する変換電圧を生成するイメージセンサの分離型単位画素において、
    入射する光に対応する電荷を生成するフォトダイオードと、第１パッドと、転送制御信号に応答して、前記フォトダイオードで生成された電荷を前記第１パッドに転送する転送トランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第１パッドおよび前記転送トランジスタの共通端子をリセットさせるリセットトランジスタとが形成された第１ウエハと、
    第２パッドと、該第２パッドに転送される電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタとが形成された第２ウエハとを備え、
    前記フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第２ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するＮ＿接地電圧を印加することを特徴とする、イメージセンサの分離型単位画素。
  5. 前記転送トランジスタの一端子が前記フォトダイオードのネガティブ領域に接続され、他の一端子が前記第１パッドに接続され、ゲートには前記転送制御信号が印加され、
    前記リセットトランジスタの一端子が電源電圧および該電源電圧と電圧準位の異なる第２電源電圧のうちの１つに接続され、他の一端子が前記第１パッドおよび前記転送トランジスタの前記他の一端子に共通に接続され、ゲートに前記リセット制御信号が印加され、
    前記ソースフォロワトランジスタの一端子が電源電圧に接続され、ゲートには前記第２パッドが接続され、他の一端子が前記変換電圧を出力することを特徴とする、請求項４に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
  6. 前記第２ウエハが、選択制御信号に応答して、前記ソースフォロワトランジスタで生成された変換電圧をスイッチングする選択トランジスタをさらに備え、
    該選択トランジスタは、ゲートに前記選択制御信号が印加され、一端子が前記ソースフォロワトランジスタの前記他の一端子に接続され、他の一端子に前記変換電圧を出力することを特徴とする、請求項５に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
  7. 入射する光に対応する変換電圧を生成するイメージセンサの分離型単位画素において、
    第１パッドと、入射する光に対応する電荷を生成する第１フォトダイオードと、第１転送制御信号に応答して、前記第１フォトダイオードで生成された電荷を前記第１パッドに転送する第１転送トランジスタと、入射する光に対応する電荷を生成する第２フォトダイオードと、第２転送制御信号に応答して、前記第２フォトダイオードで生成された電荷を前記第１パッドに転送する第２転送トランジスタとが形成された第１ウエハと、
    第２パッドと、該第２パッドに転送された電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第２パッドおよび前記ソースフォロワトランジスタのゲート端子を共通にリセットさせるリセットトランジスタとが形成された第２ウエハとを備え、
    前記第１フォトダイオードのポジティブ領域および前記第１フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第２ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するＮ＿接地電圧を印加することを特徴とする、イメージセンサの分離型単位画素。
  8. 前記第１フォトダイオードはポジティブ領域に前記Ｎ＿接地電圧が印加され、
    前記第１転送トランジスタの一端子が前記第１フォトダイオードのネガティブ端子に接続され、他の一端子が前記第１パッドに接続され、ゲートに前記第１転送制御信号が印加され、
    前記第２フォトダイオードはポジティブ領域に前記Ｎ＿接地電圧が印加され、
    前記第２転送トランジスタの一端子が前記第２フォトダイオードのネガティブ端子に接続され、他の一端子が前記第１パッドに接続され、ゲートに前記第２転送制御信号が印加され、
    前記リセットトランジスタの一端子が電源電圧および該電源電圧と電圧準位の異なる第２電源電圧のうちの１つに接続され、他の一端子が前記第２パッドに接続され、ゲートに前記リセット制御信号が印加され、
    前記ソースフォロワトランジスタの一端子が電源電圧に接続され、前記第２パッドおよび前記リセットトランジスタの前記他の一端子に格納された電荷に対応する変換電圧を他の一端子を介して出力することを特徴とする、請求項７に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
  9. 前記第２ウエハが、選択制御信号に応答して、前記ソースフォロワトランジスタで生成された変換電圧をスイッチングする選択トランジスタをさらに備え、
    該選択トランジスタは、ゲートに前記選択制御信号が印加され、一端子が前記ソースフォロワトランジスタの前記他の一端子に接続され、他の一端子に前記変換電圧を出力することを特徴とする、請求項８に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
  10. 前記第１パッドおよび前記第２パッドが、パッド接続手段によって電気的に接続されることを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のイメージセンサの分離型単位画素。


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