JP4366702B2 - 六角格子状にレイアウトされた方形読出し層を有するアモルファスシリコン能動画素センサ - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概して能動イメージセンサに関し、より詳細にはアモルファスシリコン検出層と半導体読出し層とを備えた能動イメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルカメラやカムコーダ、スキャナ、コピー機等のような最新のイメージングシステム、結像システムの多くにおいては、高解像度及び高い色忠実度でイメージ、画像を取り込む性能を持つイメージセンサが必要とされる。イメージングシステムのほとんどは、システムの寸法、重量、電力消費、熱放散性及び耐久性に関わる制約から、固体イメージセンサを採用している。イメージを高解像度及び高忠実度で取り込むイメージングシステムの性能は、使用されるイメージセンサに大きく依存する。通常イメージセンサの解像度は、イメージセンサ中に含まれる画素数で評価される。固体センサの解像度は、予め決められた面積中により多くの画素を配することができるように、画素の寸法を縮小することによって高めることができる。単位面積あたりより多くの画素を持つイメージセンサ上に入射するイメージは、単位面積あたりより少ない画素を持つイメージセンサに入射するイメージよりも高い解像度で取り込むことができる。画素の外形及び画素間の対称性もまた、単位面積あたりの画素数を左右する。さらに画素間の対称性は色のアリアジング（aliasing）に影響することがある。画素によって生じる電気ノイズのようなその他の要因が画質に影響する場合もある。加えてカラーイメージについて言えば、イメージセンサ中の画素に割り当てられた事前に決められたカラーパターンがイメージの色忠実度を左右することもある。
【０００３】
イメージセンサの望ましい属性としては、低電気ノイズ、カラーパターンにおける柔軟性、解像度を高める為に最適化された画素密度及び形状、隣接画素間の対称性、最大化した画素充填率（fill-factor）があげられる。低電気ノイズであれば、画素によって生成されるイメージ信号がノイズによって変えられてしまうことが避けられる。さらに個々の画素からのノイズ及びリーク電流が、隣接する画素のイメージ信号に影響を与えてしまうこともある。加えて、画素の電気ノイズは画素の形状及び画素間の対称性に影響される場合がある。各画素により生じるノイズを低減することによって、電気ノイズをフィルタリングする為の回路やアルゴリズムを最低限にし、あるいは排除することが可能となる。カラーパターンに柔軟性があれば、イメージセンサを例えば写真又はビデオ用のＲＧＢカラーパターンに、あるいは印刷又は走査用のＣＭＹカラーパターンに、といったように特定のアプリケーションに適合するように作ることが可能となる。
【０００４】
方形の画素は、例えばフォトダイオードのような能動素子中にリーク電流を生じる急峻な方形の縁部に起因する、さらなるノイズの原因となり得る。急峻な縁部に起因するノイズが排除されるような画素形状が望ましい。さらに、画素面積に対する能動領域の比率が100％の充填率に近づくように、画素のイメージを取り込む為の能動領域を最大化することが望ましい。トランジスタ及び信号を取り回す配線（routing line）のような部品を画素から除去することにより、その部品が占めていた面積を画素の能動領域を最大化する為に利用することができ、これにより充填率を増大させることができる。
【０００５】
従来のイメージセンサの設計には、フォトゲート能動画素センサ、３つのトランジスタを持つバルクシリコンフォトダイオード画素センサ、パルスバイポーラＣＭＯＳ能動画素センサ、方形ＣＭＯＳ画素センサが含まれる。
【０００６】
フォトゲート能動画素センサでは、低ノイズ作動や電子シャッタの為にＣＭＯＳフォトゲート画素内に４つのトランジスタが使われている。しかしながらこのようなトランジスタの数では、５×５μm2近い画素面積を持つ最新のＣＣＤイメージセンサに太刀打ちできる画素領域は望めない。フォトゲートセンサ中のトランジスタ数が原因で、最新のＣＣＤイメージセンサと比較すると低い充填率となる。
【０００７】
パルスバイポーラＣＭＯＳ能動画素センサでは、ＣＭＯＳプロセスにおいて縦形バイポーラデバイスが採用されている。バイポーラデバイスを利用すれば、画素中のトランジスタ数が少ない為に画素面積を小さくできる。しかしながら、この設計においてはイメージの遅れがあり、また高β利得（βgain）バイポーラトランジスタを持つ画素からの出力信号を増幅する必要があるといった欠点がある。高β利得バイポーラトランジスタは、低電流条件下においては信号劣化を呈し、画素の読出し経路に増幅段を組み込んでいる為に画素のスケーラビリティ（scalability）を制限する。さらにオーバーフロー条件（over flow）を回避する為に追加のエミッタ端子を必要とする。さらなるエミッタ端子により、ＣＭＯＳプロセスにおいて画素レイアウトが非対称となってしまう。パルスバイポーラＣＭＯＳ能動画素センサにおいては、ＣＭＯＳ設計ルールにおいて、Ｎ-ウェル（N-well）間隔をとる為の設計ルールに準じるには、隣接する画素を離して配さなければならない為に画素面積は最小化されない。
【０００８】
バルクシリコンフォトダイオード画素センサは、フォトダイオード及びトランジスタが同じシリコン層に組み込まれており、トランジスタの占める面積によってフォトダイオードが利用できる能動領域が狭くなる為、1.2μmＣＭＯＳプロセス技術を用いた場合の充填率が約30％であり、最新のＣＣＤイメージセンサとは比較にならない。
【０００９】
方形ＣＭＯＳ能動画素センサの設計においては方形の画素形状が採用されており、各画素は方形格子状に配置されている。方形格子では最適な画素密度に達し得ないのは明らかである。Bayerのカラーパターンは方形格子用のカラーフィルタアレイ（ＣＦＡ）として開発された。BayerＣＦＡパターンにおいては、赤、緑、青のセンサの比率が１：２：１である。したがってアレイ中の各赤画素及び青画素に対して、緑画素は２個ある。一般的に、BayerＣＦＡパターンの色密度は、センサ色の２つ（赤及び青）を低くサンプリングし、カラーパターンカーネルを非対称としてしまう為に最良の選択とは言えない。BayerＣＦＡパターンにおいては、水平方向の直線、垂直方向の直線、斜め方向の直線のイメージ造作は、３つ以上の異なる色のセンサ位置を通過することはない。これは赤及び青センサ位置が、同じ色のセンサと隣り合うことがない為である。したがって方形の画素形状は柔軟なカラーパターン作製には適合しない。
【００１０】
図１に、概略的に描いた従来技術の方形ＣＭＯＳ能動画素センサ100を説明用の具体例として示した。センサ100は複数の副画素（subpixel）101を有する。４つの副画素101で太線で示される１画素103を画定する。画素103は２つの緑副画素105、１つの赤副画素107、１つの青副画素109を有する。画素103における副画素101のカラーパターン配列は、画素103が１つの赤副画素107そして１つの青副画素109に対して２つの緑副画素105を有しており、赤副画素107、緑副画素105、青副画素109の色密度が１：２：１であるBayerＣＦＡパターンに対応する。
【００１１】
図２は、従来技術によるセンサ100の上を線形のイメージ造作が横切った場合を描いたものである。矢印133により示される第一の水平方向の通過においては、イメージ造作は緑副画素105及び赤副画素107を横切る。矢印122により示される第二の水平方向の通過においては、イメージ造作は青副画素109及び緑副画素105を横切る。第一の水平方向の通過133は青副画素109を横切ることはない。同様に、第二の水平方向の通過122は赤副画素107を横切ることはない。BayerＣＦＡカラーパターンカーネルが対称ではない為に、第一の水平方向の通過133及び第二の水平方向の通過122は、センサ100の一回の通過において、赤副画素107、緑副画素105、青副画素109を順次横切ることはないのである。緑副画素105と赤副画素107しか通過しない矢印135で示される第一の垂直方向の通過にも同様のことが言える。矢印124で示される第二の垂直方向の通過においては、緑副画素105及び青副画素109しか横切ることはない。加えて、矢印137で示される第一の斜め方向の通過においては、全て緑副画素105しか横切らない。矢印126で示される第二の斜め方向の通過においては、赤副画素107及び青副画素109しか横切らない。BayerＣＦＡパターンが隣り合う副画素101間で色の対称性を持たない為に、ＲＧＢカラーパターンに準じた赤副画素107、緑副画素105、青副画素109を順次通過することが、縦方向、横方向及び斜め方向のイメージ造作に対して不可能である。
【００１２】
能動画素センサにＣＭＯＳフォトゲート及びフォトダイオードを使った実用例では、電子収集ノード（electron collection node）からの電子のリークに起因して、異なる色の画素間でクロストークが生じる。さらにクロストークは画素間隔の不均一性によってさらに悪化する。このような不均一性によって、特に異なるカラーチャンネルに対して、不均一なクロストークパターンが生じる。方形の形状及びBayerＣＦＡパターンにより、１つの画素は８つの画素のグループに取り囲まれる。画素グループの中でも、囲まれた画素に対して縦又は横方向に隣接する画素は、囲まれた画素に対して斜め方向に隣接する画素よりも、囲まれた画素との距離が短く、この結果囲まれた画素とグループ中の他の画素との間の距離にばらつきが生じる。画素間の距離のばらつきにより、不均一なクロストークパターンが生じる。
【００１３】
図３には、説明用の事例として、従来技術によるセンサ100中の隣接する副画素間の相対距離が矢印139で示される。赤副画素117は、４つの緑副画素125及び４つの青副画素129により囲まれている。青副画素129は赤副画素117に対して斜めに隣接しており、青副画素129の赤副画素117からの距離は、赤副画素117に境を接する緑副画素125からの距離よりも大きい。同様に、青副画素119は、４つの緑副画素125及び４つの赤副画素127に囲まれており、赤副画素127は、青副画素119に対して斜めに、そして赤副画素127の青副画素119に対する距離が緑副画素125の青副画素119に対する距離よりも大きい距離をおいて配されている。緑副画素125は青副画素119と境を接しており、したがって赤副画素127よりも青副画素119との距離が近い。緑副画素115は、２つの赤副画素127、２つの青副画素129、４つの緑副画素125に囲まれている。２つの赤副画素127及び２つの青副画素129は緑副画素115に境を接しており、４つの緑副画素125は緑副画素115に対して斜めに位置している。BayerＣＦＡパターンにおいては緑が赤及び青に比べて１：２の割合で過剰にサンプリングされる為に、緑副画素115は４つの緑副画素125により囲まれることになる。囲まれた副画素各々において、囲まれた画素と斜めに隣接する画素との間の余剰距離が不均一クロストークパターンを生じさせることがある。緑副画素115については、緑副画素115が同じ色を持つ同数の副画素に囲まれていない為に、不均一クロストークパターンがさらに悪化する可能性がある。２つの青副画素129及び２つの赤副画素127が相殺するクロストークパターンを持たない場合もあり、この結果緑副画素115に対して斜めに位置する４つの緑副画素125の余剰距離に起因するクロストークに加え、色の不均衡によるさらなるクロストークが生じる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、高解像度、低ノイズ、柔軟なカラーパターン、高充填密度、最適化した画素形状、高密度、低クロストークである能動イメージセンサに対する要求が存在することは明らかである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の好適な実施例においては、能動イメージセンサが提供され、この能動イメージセンサでは、フォトダイオードが直線的にではなく、好ましくは六角形の幾何学的に効率的なパターンに配されており、フォトダイオードとそれらに関連する増幅器が縦に積み重ねられる。このようなイメージセンサは、他のセンサよりも高い画素密度を有し、より高い解像度、より良好な色忠実度、より低いノイズ、より低いクロストーク、より柔軟なＣＦＡパターンを提供する。
【００１６】
一実施例においては、イメージセンサは半導体基板を含み、その基板には複数の読出しセルが形成される。基板は、列に配置された読出しセルにより読出し層を画定する。各読出しセルは信号入力を有する。誘電材料が読出し層の上に形成され、検出層を画定する。複数の空洞が検出層に形成される。空洞は六角格子状にレイアウトに配列され、読出し層中の読出しセルとは反対側に配置される。真性アモルファスシリコンP-I-Nフォトダイオードが検出層の各空洞内に形成される。各フォトダイオードは、そのフォトダイオードに入射した光を表わす出力信号を生成する。相互接続、相互配線が、フォトダイオードからの出力信号を読出しセルの信号入力へ伝達する。バイアスをかけられた光学的に透明な電極が、各空洞に配置され、フォトダイオードにバイアスをかけ、電極に入射した光がフォトダイオード上に結像されるようにする。フォトダイオード及び電極が検出層の副画素を画定する。
【００１７】
不透明の遮光物を利用してフォトダイオードに入射した光が読出し層に影響しないようにすることができる。
【００１８】
副画素は、検出層中の副画素密度を最適化し得るような形状であることが望ましい。六角形が有効であるが、円形のような他の適した形状でも良い。
【００１９】
増幅器は、対応するフォトダイオードの下に、縦に積層されるる各読出しセル中に設けられ、フォトダイオードと電気的に通じてフォトダイオードからの信号を増幅することが望ましい。増幅器をその対応するフォトダイオードの下に設けることにより、信号取り回し線すなわち信号ルーティング線、トランジスタ、その他の部品をフォトダイオードの能動領域から排除し、これにより入射光を受光するのに有効なフォトダイオード領域を最大化することができる。
【００２０】
一実施例においては、読出し層は蛇行（serpentine）バス及び階段状（stair-step）バスを有する。蛇行バス及び階段状バスは、信号取り回し線の第一のパターンを持つ列及び信号取り回し線の第二のパターンを持つ隣接する列により画定される。第一及び第二のパターンは蛇行バス及び階段状バスを形成するように整列される。蛇行バス及び階段状バスは読出し層の全体にわたって延伸している。上述したように、信号取り回し線を読出し層に設けることにより、検出層のフォトダイオードの能動領域が最大化される。
【００２１】
検出層には電極に隣接して配置されるフィルタ層が含まれていても良い。一実施例においては、フィルタ層はカラーフィルタである。カラーフィルタは所望のカラーパターンを作る為に、あるいは隣接する副画素のカラーフィルタパターンに対称性又は非対称性を作る為に、副画素間で異なっていても良い。
【００２２】
検出層は、赤外線フィルタを含み、副画素に入射する光からの赤外線ノイズの吸収を減衰させることができる。
【００２３】
他の実施例においては、検出層は副画素に隣接した位置にマイクロレンズを含み、入射光を副画素上に集光することができる。
【００２４】
本発明のその他の態様及び利点は、本発明の原理を説明する為の具体例を描いた添付の図を参照しつつ、以下の説明を読むことにより明らかとなる。
【００２５】
【発明の実施例】
以下の詳細にわたる説明及び幾つかの図において、同様の要素は同様の参照番号で示す。
【００２６】
説明を目的として図示したように、本発明は、読出し層を画定する半導体基板と、検出層を画定する誘電材料とを含むイメージセンサで具現化される。読出し層は基板中に幾つもの列をなして形成されている複数の読出しセルを有する。列中の読出しセルは隣接する列の読出しセルに対して、その位置がずらされている。各読出しセルは信号入力を備える。誘電材料が読出し層上に形成され、検出層を画定する。検出層には複数の空洞が形成される。空洞は六角格子状にレイアウトされて配置されており、読出し層の読出しセルとは反対に配置される。各空洞の一部には、読出しセルの信号入力と通じる開口がある。真性アモルファスシリコンP-I-Nフォトダイオードが各空洞中に形成され、イメージセンサの副画素が画定される。各フォトダイオードは、そこに入射する光を表わす出力信号を生成する。各空洞の開口に配置された相互接続、配線が出力信号をフォトダイオードから読出しセルの信号入力へと伝達する。バイアスをかけられた光学的に透明な電極が空洞に設けられ、フォトダイオードにバイアスをかけて電極上に入射した光がフォトダイオード上に結像するように作用する。フォトダイオード及び電極が副画素を画定する。本発明のイメージセンサは、柔軟な副画素形状を持ち、様々なカラーパターンに実用可能であり、電気ノイズ及びクロストークを低減し、副画素間の均一な間隔と対称性を与える、最適な副画素密度、最大化した副画素充填密度を備える。
【００２７】
図４を参照すると、概略的に描かれている本発明に基づくイメージセンサ１が示されている。イメージセンサ１は読出し層17を画定する半導体基板を含む。読出し層17は、そこに形成された複数の読出しセル20を有する。図４には読出し層17中の１つの読出しセル20が描かれている。読出しセル20を備える列は、読出しセル20が隣接する列中の読出しセル20に対してずれた位置になるように配列されている。読出し層17は、例えばバルクシリコンのいかなる半導体基板でも良い。
【００２８】
読出し層17上には誘電材料が形成され、検出層３を画定している。検出層３には複数の空洞６が形成されている。空洞６は六角格子状にレイアウトされて配置され、読出しセル20とは反対側に設けられる。空洞６は、検出層３中の各空洞６と読出し層17中の読出しセル20とは１対１で対応する。誘電材料は、例えば二酸化珪素又は窒化珪素のような絶縁体とすることができる。
【００２９】
真性アモルファスシリコンP-I-Nフォトダイオード７が空洞６に形成される。フォトダイオード７は、フォトダイオード７に入射した光を表わす出力信号を生成する。例えばフォトダイオード７は、空洞６中にＮ型アモルファスシリコン層15、続いて真性アモルファスシリコン層13、最後にＰ型アモルファスシリコン層11を付着することにより形成される。空洞６の一部には、読出しセル20の信号入力24と通じる開口８を備える。開口８に設けられた配線21が、フォトダイオードの出力信号を信号入力24へと伝送する。配線21は、例えばアルミニウム又はタングステンのような導体から形成することができる。
【００３０】
バイアスのかけられた光学的に透明な電極９が、フォトダイオード７上に配置されてフォトダイオード７にバイアスをかけ、電極９に入射した光をフォトダイオード７上に結像する。電極９は、アースのような電圧源を層11と電気的に通じている。電極９は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を利用して作製可能である。電極９及びフォトダイオード７が、イメージセンサ１の副画素５を画定する。図４には検出層３中の副画素５が１つ描かれている。
【００３１】
本発明の一実施例においては、検出層３は、副画素５に入射する光のうち特定波長の光を通過するように作用するフィルタ層25を含むことができる。フィルタ層25は、電極９に隣接して示されているが、入射光が副画素５に到達する前にろ波される限りにおいて、フィルタ層25は検出層３中のいずれの位置にあってもかまわない。
【００３２】
一実施例においては、フィルタ層25はカラーフィルタである。カラーフィルタは事前に決められた色を備える。カラーフィルタを通過する光の波長は、例えば赤、緑、青、シアン、マゼンタ、イエローのような色である。イメージセンサ１の所望の用途に適した色であればいずれもカラーフィルタの色として使用することができる。特にデジタルフォトグラフィー又はビデオに関連する幾つかの用途においては、カラーフィルタの色は、例えば赤、緑、青より構成されるＲＧＢカラーパターンの中の色を使用することができる。印刷や走査用途では、カラーフィルタの色は、例えばシアン、マゼンタ、イエローから構成されるＣＭＹカラーパターンの中の色を使用することができる。
【００３３】
加えて検出層３は、電極９に隣接して配置される赤外線フィルタ27を含むことができる。赤外線フィルタ27は、副画素５に入射する光から赤外線ノイズを減衰するように作用する。赤外線フィルタ27は、図４に示すように副画素５の各々に隣接して個別に設けても、あるいは検出層３中の全ての副画素５を覆う単一の層として設けても良い。
【００３４】
本発明の他の他の実施例においては、検出層３は副画素５に入射する光を集束するように配置されているマイクロレンズ29を含むことができる。マイクロレンズ29は、最新の半導体マイクロレンズ製作技術を利用して実現可能である。
【００３５】
本発明の一実施例においては、副画素５が不透明の遮光層23を含んでいる。遮光層23は、副画素５への入射光が検出層３を通過して読出し層17に到達しないように機能する。第二の誘電材料２が、遮光層23上に配置され、遮光層23を層15から電気的に絶縁することができる。他の実施例においては、不透明の遮光層23は副画素５と読取り層17との間の検出層３中に配置される。
【００３６】
図５を参照すると、検出層３は太線で示される六角格子状にレイアウト28されて配列された副画素35を備える。六角格子状のレイアウト28では、検出層３中の副画素35の各々が６個の隣接する副画素35に囲まれる。六角格子状のレイアウト28は、検出層３全体にわたって繰り返される。六角格子状にレイアウト28されて配置された７つの隣接しあう副画素35は全て、互いに対して対称関係の位置にある。隣り合う副画素間の距離に差異がある為に生じる電気ノイズは、六角格子状のレイアウト28で副画素35を配列することによって、最小限に抑えることができる。本発明の一実施例においては、副画素35が実質的に六角形状を備える。副画素35の形状は正六角形であることが望ましい。同様に図７に示される本発明の他の実施例においては、検出層３が実質的に円形の形状を持つ副画素を含み、その副画素が六角格子状のレイアウト28で配列されている。
【００３７】
本発明の他の実施例においては、検出層３が３つの副画素35により画定される画素30を有する。本発明の一実施例においては、画素30中の副画素35は、図５に示されるような三角形状22に配置されている。画素30に三角形状22を採用し、同時に副画素35に六角形の形状を採用した場合、画素30中の副画素35間、及び検出層３中の隣接画素30間に対称性が保たれ、高密度のイメージセンサが提供される。画素30を画定する為に用いた副画素35の配列は、三角形状22だけに限らず、例えば副画素35を線に沿って配列して画素30を画定するというように、他の構成も可能である。同様に本発明の他の実施例においては、図７で示されるように、画素30は３つの副画素45により画定される。加えて画素30中の副画素45は三角形状22に配列させることができる。
【００３８】
副画素は、半導体プロセスの分野では一般的な方法であるフォトリソグラフィー法及びエッチング法を利用して、検出層の誘電材料中に所望の形状の空洞６を作って、形成することができる。
【００３９】
本発明の一実施例においては、図６に示すように、読出し層17の列151にある読出しセル20が、読出し層17の隣接する列153にある読出しセル20に対してずれた位置にあり、それによって読出し層17中の読出しセル20もまた、太線で示されるように六角格子状のレイアウト28で配置されている。この六角格子状のレイアウト28は読出し層17全体にわたって繰り返される。
【００４０】
他の実施例においては、列151中の読出しセル20を隣接する列153の読み出しセル20に対して読出しセル20幅の半分の距離だけずらすことにより、読出し層17中の読出しセル20が三角形状22に配列されている。読出し層17中の読出しセル20の配置と、図５に示されるような検出層３中の副画素35の配置との間に対応する対称性があることで、対応する読出しセル20に対する副画素35の相対的配置に柔軟性を持たせることができる。例えば副画素35を、それらに対応する読出しセル20の直上に配置することもできるし、あるいは対応する読出しセル20の上部ではあるが、水平にずらして配置することもできる。副画素35をずらして配置した場合、配線21用の開口８の位置はその対応する読出しセル20の信号入力24に整合するように配置されなければならない。しかしながら、副画素35からの出力信号を読出しセル20の信号入力24へと伝達する為に中間レベルの配線が利用されている場合には、この位置合わせは必要ない。
【００４１】
本発明の一実施例において、図８に示すように、読出しセル20は参照番号70で概略的に示される増幅器を含む。P-I-Nフォトダイオード７からの出力信号は、配線21により読出しセル20の信号入力24へと伝達される。増幅器70は、信号入力24と電気的に通じており、出力信号を増幅するように作用する。増幅器70は増幅された出力信号を表わす増幅器出力79を備える。
【００４２】
増幅器70は、増幅器出力79を提供するソース端子、選択入力77に接続されるゲート端子、トランジスタ91のソース端子に接続されるドレイン端子を備えるトランジスタ93を含む。トランジスタ91は、例えばＶＤＤのような電圧源に接続されるドレイン端子及び、信号入力24に接続されるゲート端子を有する。トランジスタ95は、信号入力24に接続されるソース端子、リセット電圧入力73に接続されるドレイン端子、リセット入力75に接続されるゲート端子を備える。トランジスタ91は信号入力24における信号を増幅する。トランジスタ93は増幅された信号をトランジスタ91のソース端子から受信し、そしてトランジスタ93がオンした場合、増幅された信号を増幅器出力79へと伝送する。リセット電圧入力73における電圧は、トランジスタ95がリセット入力75の信号によりオンした場合に、トランジスタ91のゲート端子へと通じ、トランジスタ93がオンすると増幅器出力79へと伝送される。
【００４３】
本発明の一実施例においては、図９に示すように、読出し層17は蛇行バス89及び階段状バス90を含む。蛇行バス89及び階段状バス90は読出し層17上に形成され、読出し層17の列と交差している。蛇行バス89及び階段状バス90は、例えばアルミニウム及びタングステンのような金属から形成することができる。蛇行バス89及び階段状バス90は、読出しセル20と読出し層17との間で信号のルーティング、取り回しを行なう。
【００４４】
本発明の一実施例においては、読出し層17の列155は、その中に形成されたＡ型の相互接続パターン92を備える読出しセル20を有し、読出し層17中の隣接する列157は、その中に形成されたＢ型の相互接続パターン94を備える読出しセル20を有する。Ａ型の相互接続パターン92を持つ読出しセル20は、Ｃ字形もしくは「コの字」型の相互接続81及び第一のＬ字形の相互接続85を含む（図10）。Ｂ型の相互接続パターン94を持つ読出しセル20は、第二のＬ字形の相互接続83及び第三のＬ字形の相互接続87を含む（図11）。Ｃ字形の相互接続81は、第二のＬ字形の相互接続83と電気的に通じ、蛇行バス89を画定する。第一のＬ字形の相互接続85は、第三のＬ字形の相互接続87と電気的に通じ、階段状バス90を画定する。蛇行バス89及び階段状バス90は、読出し層17の列155及び隣接する列157と交差している。
【００４５】
列155中の読出しセル20の、隣接する列157の読出しセル20に対するオフセット構成、ずれ構成をＡ型相互接続パターン92及びＢ型相互接続パターン94と組み合わせると、読出しセル20と読出し層17との間の信号を伝達するための効率的、かつ独特のルーティング構造が形成される。
【００４６】
本発明の他の実施例においては、蛇行バス89は増幅器出力79と電気的に通じており、階段状バス90はリセット電圧入力73と電気的に通じている。
【００４７】
本発明の一実施例において、図12に示すように、検出層３は、カラーフィルタの色が赤副画素５Ｒには赤、緑副画素５Ｇには緑、そして青副画素５Ｂには青が割り付けられた、赤副画素５Ｒ、緑副画素５Ｇ、青副画素５Ｂを等しい配分のＲＧＢカラーパターンで備える。どの副画素も、矢印36で示されるように、異なる色のカラーフィルタを持つ隣接副画素に取り囲まれるように、検出層３は副画素を配置され得る。矢印36は赤副画素５Ｒが緑副画素及び青副画素に取り囲まれた様子を示している。緑副画素５Ｇは赤副画素及び青副画素により取り囲まれている。青副画素５Ｂは赤副画素及び緑副画素により取り囲まれている。等配分のＲＧＢカラーパターンを描いたが、本発明は等配分のＲＧＢカラーパターンに限られた訳ではなく、他の色の組み合わせや他のカラーパターンを採用することもできる。図12では六角形をした副画素を示したが、副画素の形状は、例えば上述したような円形など方形以外のいかなる形状とすることもできる。
【００４８】
本発明の一実施例においては、図13に示すように、検出層３は、カラーフィルタの色がシアン副画素５Ｃにはシアン、マゼンタ副画素５Ｍにはマゼンタ、イエロー副画素５Ｙにはイエローが割り付けられた、シアン副画素５Ｃ、マゼンタ副画素５Ｍ、イエロー副画素５Ｙを等しい配分のＣＭＹカラーパターンで備える。上述したようにどの副画素も、矢印36で示されるように、異なる色のカラーフィルタを持つ隣接副画素により取り囲まれるように、検出層３は副画素を配置され得る。
【００４９】
本発明の他の実施例においては、図14に示されるように、検出層３は隣接する副画素５間で対称に配置される各副画素５を備え、これにより、水平方向に隣接する副画素５を横切る、矢印37で示される水平方向の仮想横断線が、等配分のＲＧＢカラーパターンを備える副画素５を完全に横切る。矢印37は、水平方向の仮想横断線が、結果的には等配分のＲＧＢカラーパターンの色を有する横方向に隣接する副画素５を順次横切ることになることを示している。矢印37は水平方向の仮想横断線を示したものであるが、検出層３を90度回転させれば、垂直方向の仮想横断線が、等配分のＲＧＢカラーパターンを備える縦方向に隣接する副画素５を順次横切ることになる。
【００５０】
検出層３中の斜めに隣接する副画素５を横切る、矢印38に示されるような第一の斜め方向の仮想横断線が、等配分のＲＧＢカラーパターンを備える斜め方向に隣接する副画素５を完全に横切ることになる。同様に、斜めに隣接する副画素５を横切る、矢印40に示されるような第二の斜め方向の仮想横断線も、等配分のＲＧＢカラーパターンを備える斜め方向に隣接する副画素５を完全に横切ることになる。図14においては六角形の副画素５を図示したが、副画素５の形状は方形以外のいかなる形状でも良く、例えば副画素５の形状を円形とすることもできる。さらに検出層３のカラーパターンは、等配分のＲＧＢカラーパターンに限定されない。
【００５１】
図15は、検出層３に等配分のＣＭＹカラーパターンを用いた例を図示する。上述したように、矢印37に示されるような水平方向の仮想横断線、矢印38に示されるような第一の斜め方向の仮想横断線、および、矢印40に示されるような第二の斜め方向の仮想横断線は、それぞれの線形方向に隣接する副画素５を順次横切ることになる。
【００５２】
本発明の他の実施例においては、図16に示すように、太線で示される画素30には３つの副画素５が含まれる。カラーフィルタの色は、画素30中の３つの副画素５のうちの少なくとも２つは同色である。検出層３は、水平方向の仮想横断線が、矢印37に示されるようなＲＧＢカラーパターンを備える水平方向に隣接する副画素５を順次横切ることになるように、画素30を配置されている。同様に、検出層３を90度回転させれば、垂直方向の仮想横断線が、ＲＧＢカラーパターンを備える垂直方向に隣接する副画素５を順次横切ることになる。
【００５３】
矢印43に示されるような第一の斜め方向の仮想横断線は、ＲＧＢカラーパターンを備える斜めに隣接する副画素５を順次横切ることにはならない。矢印43は、第一の方向の横断線はカラーフィルタの同じ色を備える斜めに隣接する副画素５を横切ることにしかならないことを示している。この画素30及びそれらの各々の副画素５の構成は、斜めに隣接する赤副画素、斜めに隣接する緑副画素、斜めに隣接する青副画素からの出力信号を、イメージからＲＧＢデータを得る為にグループとして処理することができる、例えばビデオのような用途には好適である。そのグループがＲＧＢカラーパターンを形成する平行に配向される赤、緑、青副画素を含むように、各矢印43は隣接する矢印43と平行である。
【００５４】
一方で、矢印41に示されるような第二の斜め方向の仮想横断線は、ＲＧＢカラーパターンを備える斜めに隣接する副画素５を順次横切ることになる。ＲＧＢカラーパターンで説明を行ったが、例えばＣＭＹカラーパターンのような他のいずれのカラーパターンでも利用可能である。任意選択により、画素30中の全ての副画素５がカラーフィルタの同じ色を備えることも可能である。画素30は、種々の用途に特定のカラーパターンを実現するように、検出層３内で配置することができる。図16では六角形の形状をした副画素５が説明されたが、副画素５の形状は方形以外のいかなる形状でも良く、副画素５は例えば円形の形状であっても良い。
【００５５】
本発明の幾つかの実施例を開示して、説明してきたが、本発明は説明及び図示した特定の形状又は配列に限定されるものではない。本発明は特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるものである。
【００５６】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
【００５７】
１．読出し層を画定する半導体基板と、該読出し層がその内に形成される複数の読出しセルを備え、該読出しセルの各々が信号入力を備え、該読出しセルが列をなして配置され、各列が、隣接する列中にある読出しセルに対して位置のずれている読出しセルを備えることと；
前記読出し層上に形成され、検出層を画定する誘電材料と、該検出層がその内に形成される複数の空洞を有し、該空洞のそれぞれがその一部に前記読出しセルの１つの信号入力と通じる開口を備え、前記空洞が、六角格子状のレイアウトで配列され、前記読出しセルとは反対側に配置されることと；
前記空洞のそれぞれの中に形成されている真性アモルファスシリコンP-I-Nフォトダイオードと、該真性アモルファスシリコンP-I-NフォトダイオードがこのP-I-Nフォトダイオード上に入射する光を表わす出力信号を生成するように作動することと；
前記空洞のそれぞれの開口内に配置されている配線と、該配線が、前記P-I-Nフォトダイオードからの出力信号を前記読出しセルの信号入力へと電気的に伝達するように作用することと；さらに
前記P-I-Nフォトダイオード上に配置されている、バイアスをかけられた光学的に透明な電極と、該光学的に透明な電極が、前記P-I-Nフォトダイオードにバイアスをかけ、該光学的に透明な電極上に入射した光を前記P-I-Nフォトダイオード上に結像するように作用することとを含み；
前記P-I-Nフォトダイオード及び前記光学的に透明な電極が共に副画素を画定することを特徴とするイメージセンサ。
【００５８】
２． 前記副画素の形状が六角形である、１項に記載のイメージセンサ。
【００５９】
３． 前記副画素の形状が正六角形である、２項に記載のイメージセンサ。
【００６０】
４． 前記副画素の形状が円形である、１項に記載のイメージセンサ。
【００６１】
５． 前記副画素のそれぞれが、前記P-I-Nフォトダイオードに入射した光が読出し層に当たらないように作用する不透明の遮光層を含む、１項に記載のイメージセンサ。
【００６２】
６． ３つの副画素が三角形状に配列して画素を画定する、１項に記載のイメージセンサ。
【００６３】
７． ３つの読出しセルが前記画素中の３つの副画素に対応し、該３つの読出しセルが三角形状に配列している、６項に記載のイメージセンサ。
【００６４】
８． 信号入力と電気的に通じ、増幅された出力信号を供給する増幅器出力を有する、各読出しセル中に配置されている増幅器をさらに備える、１項に記載のイメージセンサ。
【００６５】
９． 前記増幅器がさらに；
前記増幅器出力を使用可能にするように作用する選択入力と、それによって該選択入力が使用可能である場合に、増幅された出力信号が前記増幅器出力と通じることと；
リセット電圧と通じる端子と；そして
前記増幅器出力をリセット電圧に設定するように作用するリセット入力とを備える、８項に記載のイメージセンサ。
【００６６】
１０． 前記読出し層がさらに；
前記読出し層上に形成されている蛇行バスと、該蛇行バスが前記読出し層の列に交差することと；そして
前記読出し層上に形成されている階段状バスと、該階段状バスが前記読出し層の列に交差することとを含み；
前記蛇行バス及び前記階段状バスが、前記読出しセルと前記読出し層との間で信号通信を行なうように作用する、９項に記載のイメージセンサ。
【００６７】
１１． 前記読出し層の列がさらに；
第一の列の読出しセル上に形成されたＡ型の配線パターンと；そして
前記第一の列に隣接する第二の列の読出しセル上に形成されたＢ型の配線パターンとを含み；
前記Ａ型の配線パターンがＣ字形の配線及び第一のＬ字形の配線を有し、前記Ｂ型の配線パターンが第二のＬ字形の配線及び第三のＬ字形の配線を有し；
前記Ｃ字形の配線が前記第二のＬ字形の配線と電気的に通じて前記蛇行バスを画定し、前記第一のＬ字形の配線が前記第三のＬ字形の配線と電気的に通じて前記階段状バスを画定する、１０項に記載のイメージセンサ。
【００６８】
１２． 前記蛇行バスが前記増幅器出力と電気的に通じ、前記階段状バスが前記リセット電圧と電気的に通じている、１１項に記載のイメージセンサ。
【００６９】
１３． 前記検出層が前記電極に隣接して配置されている赤外線フィルタをさらに含み、該赤外線フィルタが前記副画素に入射した光からの赤外線ノイズの吸収を減衰するように作用する、１項に記載のイメージセンサ。
【００７０】
１４． 前記検出層が前記副画素に隣接して配置されているマイクロレンズをさらに含み、該マイクロレンズが前記副画素上に入射光を集束するように作用する、１項に記載のイメージセンサ。
【００７１】
１５． 前記検出層が前記電極に隣接して配置されているフィルタ層をさらに含み、該フィルタ層が前記副画素上に入射した光から選択した波長の光を通過させるように作用する、１項に記載のイメージセンサ。
【００７２】
１６． 前記フィルタ層が所定の色を有するカラーフィルタである、１５項に記載のイメージセンサ。
【００７３】
１７． ３つの副画素が画素を画定し、前記カラーフィルタの色が前記画素中の副画素の少なくとも２つについて同色である、１６項に記載のイメージセンサ。
【００７４】
１８ いずれの所定の副画素に対するカラーフィルタの波長も、隣接する副画素に対するカラーフィルタの波長のいずれとも異なる、１６項に記載のイメージセンサ。
【００７５】
１９． 前記カラーフィルタの色が、赤、緑、青、シアン、マゼンタ、イエローからなるグループから選択される、１６項に記載のイメージセンサ。
【００７６】
２０． 隣接する副画素のカラーフィルタの色が、等配分のＲＧＢカラーパターンを画定しており、該カラーフィルタの色が、赤、緑、青からなるグループから選択される、１６項に記載のイメージセンサ。
【００７７】
２１． いずれの所定の副画素に対するカラーフィルタの波長も、隣接する副画素に対するカラーフィルタの波長のいずれとも異なる、２０項に記載のイメージセンサ。
【００７８】
２２． 線形イメージが隣接する副画素を通過した場合に、ＲＧＢカラーパターンを持つ副画素を順次横切ることになるように、副画素が配置されている、２０項に記載のイメージセンサ。
【００７９】
２３． 隣接する副画素に対するカラーフィルタの色が、等配分のＣＭＹカラーパターンを画定し、該カラーフィルタの色が、シアン、マゼンタ、イエローからなるグループから選択される、１６項に記載のイメージセンサ。
【００８０】
２４． いずれの所定の副画素に対するカラーフィルタの波長も、隣接する副画素に対するカラーフィルタの波長のいずれとも異なる、２３項に記載のイメージセンサ。
【００８１】
２５． 線形イメージが隣接する副画素を通過した場合に、ＣＭＹカラーパターンを持つ副画素を順次横切ることになるように、副画素が配置されている、２３項に記載のイメージセンサ。
【００８２】
【発明の効果】
本発明は、アモルファスシリコン検出層と半導体読出し層とを有する能動画素センサに関する。複数のP-I-Nフォトダイオードが検出層に配置される。フォトダイオードは、六角格子状のレイアウトに配置されている副画素を画定する。副画素は、六角形状もしくは円形とすることができる。検出層はカラーパターンを実現するためのカラーフィルタ、赤外線を吸収する赤外線フィルタ、副画素上にイメージを集光するためのマイクロレンズを含むことができる。副画素は、三角形状に配列されて画素を形成し、隣接する画素は六角格子状のレイアウトに配列される。読出し層は、検出層の副画素に対応する複数の方形読出しセルを含む。読出しセルは、検出層の副画素に対応する三角形状に配列することができる。P-I-Nフォトダイオードは、読出し層の読出しセルと通じる、出力信号を発生するための出力を備える。上記構成により、高解像度、低ノイズ、柔軟なカラーパターン、高充填密度、最適化した画素形状、高密度、低クロストークである能動イメージセンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 BayerＣＦＡパターンを備える従来技術による方形ＣＭＯＳ能動画素センサの上面図である。
【図２】従来技術による方形ＣＭＯＳ能動画素センサの上面図であって、線形にイメージを通過させた場合を説明するものである。
【図３】従来技術による方形ＣＭＯＳ能動画素センサの上面図であって、隣り合う副画素間の相対距離を説明するものである。
【図４】検出層及び方形の読出し層を備える本発明に基づくイメージセンサの断面図である。
【図５】六角形をした副画素を備える本発明に基づくイメージセンサの上面図である。
【図６】六角格子状のレイアウトで配置された読出しセルを備える本発明に基づくイメージセンサの上面図である。
【図７】円形の副画素を備える本発明に基づくイメージセンサの上面図である。
【図８】本発明に基づく読出しセル中の増幅器の概略図である。
【図９】本発明に基づく読出しセルの信号取り回し線の上面図である。
【図１０】Ａ型の配線パターンを説明するための図である。
【図１１】Ｂ型の配線パターンを説明するための図である。
【図１２】等配分のＲＧＢカラーパターンを備える本発明に基づくイメージセンサの上面図である。
【図１３】等配分のＣＭＹカラーパターンを備える本発明に基づく円形アレイの上面図である。
【図１４】本発明に基づくイメージセンサの上面図であり、ＲＧＢカラーパターン上で線状イメージを通過させた場合を示すものである。
【図１５】本発明に基づくイメージセンサの上面図であり、ＣＭＹカラーパターン上で線状イメージを通過させた場合を示すものである。
【図１６】本発明に基づくイメージセンサの上面図であり、カラーパターン上で線状イメージを通過させた場合を示すものである。
【符号の説明】
１ イメージセンサ
３ 検出層
５ 副画素
７ P-I-Nフォトダイオード
８ 開口
９ 透明電極
11 Ｐ型アモルファスシリコン層
13 真性アモルファスシリコン層
15 Ｎ型アモルファスシリコン層
17 読出し層
20 読出しセル
21 配線
23 不透明の遮光層
24 信号入力
25 カラーフィルタ
27 赤外線フィルタ
29 マイクロレンズ

Claims (23)

  1. 読出し層を画定する半導体基板であって、該読出し層が、方形に形成された複数の読出しセルを備え、該方形の読出しセルのそれぞれが読出しセルの境界を画定し、該読出しセルの各々が信号入力を備え、該読出しセルが列をなして配置され、各列が、隣接する列中にある読出しセルに対して位置のずれている読出しセルを備える、半導体基板と、
    前記読出し層上に形成され、検出層を画定する誘電材料であって、該検出層が、それぞれ六角形に形成されている複数の空洞を有し、該空洞のそれぞれがその一部に前記読出しセルの１つの信号入力と通じる開口を備え、前記空洞が、六角格子状のレイアウトで配列され、前記読出しセルとは対向して配置された、誘電材料と、
    前記空洞のそれぞれの中に形成されている真性アモルファスシリコンP-I-Nフォトダイオードであって、該真性アモルファスシリコンP-I-Nフォトダイオード上に入射する光を表わす出力信号を生成するように作動する、真性アモルファスシリコンP-I-Nフォトダイオードと、
    前記空洞のそれぞれの開口内に配置されている相互接続であって、該相互接続が、前記P-I-Nフォトダイオードからの出力信号を前記読出しセルの信号入力へと電気的に伝達するように作用する、相互接続と、
    前記P-I-Nフォトダイオード上に配置されている、バイアスをかけられた光学的に透明な電極であって、該光学的に透明な電極が、前記P-I-Nフォトダイオードにバイアスをかけ、該光学的に透明な電極上に入射した光を前記P-I-Nフォトダイオード上に結像するように作用し、また、前記光学的に透明な電極が前記P-I-Nフォトダイオードと共に副画素を画定する、光学的に透明な電極と、
    を備え、
    前記読出し層が、蛇行する第１の組の導電体と、階段状の第２の組の導電体とを含み、該第１及び第２の組の導電体のそれぞれは、該第１の組の導電体のそれぞれが各読出しセルからの読出し経路を提供するよう、かつ、該第１の組の導電体のそれぞれが２つの隣接する読出しセルの境界に沿って前記第２の組の導電体のそれぞれと同じ位置を延びるよう、前記読出し層中をそれぞれの読出しセルの境界に沿って延びている、ことを特徴とするイメージセンサ。
  2. 前記副画素の形状が正六角形である請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記副画素のそれぞれが、前記P-I-Nフォトダイオードに入射した光が前記読出し層に当たらないように作用する不透明の遮光層を含む請求項１に記載のイメージセンサ。
  4. ３つの副画素が三角形状に配列して画素を画定している請求項１に記載のイメージセンサ。
  5. ３つの読出しセルが前記画素中の３つの副画素に対応し、該３つの読出しセルが三角形状に配列している請求項４に記載のイメージセンサ。
  6. 前記信号入力と電気的に通じ、増幅された出力信号を供給する増幅器出力を有する、各読出しセル中に配置されている増幅器をさらに備えている請求項１に記載のイメージセンサ。
  7. 前記増幅器がさらに、
    前記増幅器出力を使用可能にするように作用する選択入力であって、該選択入力が使用可能とされた場合に、前記増幅された出力信号が前記増幅器出力と通じる、選択入力と、
    リセット電圧と通じる端子と、
    前記増幅器出力を前記リセット電圧に設定するように作用するリセット入力と、
    を備えている請求項６に記載のイメージセンサ。
  8. 前記読出し層がさらに、
    前記蛇行する第１の組の導電体によって前記読出し層上に形成され、前記読出し層の列に交差している蛇行バスと、
    前記階段状の第２の組の導電体によって前記読出し層上に形成され、前記読出し層の列に交差している階段状バスとを含み、
    前記蛇行バス及び前記階段状バスが、前記読出しセルと前記読出し層との間で信号通信を行なうように作用する請求項７に記載のイメージセンサ。
  9. 前記読出し層の列がさらに、
    第一の列の前記読出しセル上に形成されているＡ型の相互接続パターンと、
    前記第一の列に隣接する第二の列の前記読出しセル上に形成されているＢ型の相互接続パターンとを含み、
    前記Ａ型の相互接続パターンがＣ字形の相互接続及び第一のＬ字形の相互接続を有し、前記Ｂ型の相互接続パターンが第二のＬ字形の相互接続及び第三のＬ字形の相互接続を有し、
    前記Ｃ字形の相互接続が前記第二のＬ字形の相互接続と電気的に通じて前記蛇行バスを画定し、前記第一のＬ字形の相互接続が前記第三のＬ字形の相互接続と電気的に通じて前記階段状バスを画定している請求項８に記載のイメージセンサ。
  10. 前記蛇行バスが前記増幅器出力と電気的に通じ、前記階段状バスが前記リセット電圧と電気的に通じている請求項９に記載のイメージセンサ。
  11. 前記検出層が、前記電極に隣接して配置されている赤外線フィルタをさらに含み、該赤外線フィルタが、前記副画素に入射した光からの赤外線ノイズの吸収を減衰するように作用する請求項１に記載のイメージセンサ。
  12. 前記検出層が前記副画素に隣接して配置されているマイクロレンズをさらに含み、該マイクロレンズが前記副画素上に入射光を集束するように作用する請求項１に記載のイメージセンサ。
  13. 前記検出層が前記電極に隣接して配置されているフィルタ層をさらに含み、該フィルタ層が、前記副画素上に入射した光から選択した波長の光を通過させるように作用する請求項１に記載のイメージセンサ。
  14. 前記フィルタ層が所定の色を有するカラーフィルタである請求項１３に記載のイメージセンサ。
  15. ３つの副画素が１つの画素を画定し、前記カラーフィルタの色が前記画素中の副画素の少なくとも２つについて同色である請求項１４に記載のイメージセンサ。
  16. いずれの所定の副画素に対するカラーフィルタの波長も、隣接する副画素に対するカラーフィルタの波長のいずれとも異なる請求項１４に記載のイメージセンサ。
  17. 前記カラーフィルタの色が、赤、緑、青、シアン、マゼンタ、イエローからなるグループから選択されている請求項１４に記載のイメージセンサ。
  18. 隣接する副画素のカラーフィルタの色が、等配分のＲＧＢカラーパターンを画定しており、該カラーフィルタの色が、赤、緑、青からなるグループから選択されている請求項１４に記載のイメージセンサ。
  19. いずれの所定の副画素に対するカラーフィルタの波長も、隣接する副画素に対するカラーフィルタの波長のいずれとも異なる請求項１８に記載のイメージセンサ。
  20. 隣接する副画素を通る仮想の横断線が、ＲＧＢカラーパターンを持つ副画素を順次横切ることになるように、副画素が配置されている請求項１８に記載のイメージセンサ。
  21. 隣接する副画素に対するカラーフィルタの色が、等配分のＣＭＹカラーパターンを画定し、該カラーフィルタの色が、シアン、マゼンタ、イエローからなるグループから選択されている請求項１４に記載のイメージセンサ。
  22. いずれの所定の副画素に対するカラーフィルタの波長も、隣接する副画素に対するカラーフィルタの波長のいずれとも異なる請求項２１に記載のイメージセンサ。
  23. 隣接する副画素を通る仮想の横断線が、ＣＭＹカラーパターンを持つ副画素を順次横切ることになるように、副画素が配置されている請求項２１に記載のイメージセンサ。
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