JP4936619B2

JP4936619B2 - 画像センサ

Info

Publication number: JP4936619B2
Application number: JP2001296456A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・ジョージ・アメリカ; クリストファー・レイ・フープル; ロレッタ・アール・フェンドロック; スティーブン・ローレンス・コスマン
Original assignee: オムニヴィジョンテクノロジーズインコーポレイテッド
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP2002158347A; EP1207561A2; US6489642B1; EP1207561A3; DE60128049T2; DE60128049D1; EP1207561B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像センサの分野に関し、さらに詳しくは、ＭＯＳ装置に使用される電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９９８年８月２５日に発行されたAnagnostopoulosらの米国特許第５，７９８，５４２号は、第１及び第２の領域を持つ光センサを備えた画像センサを開示している。各領域には、半導体基板上に形成されたゲート誘電体層、透明電極層、絶縁層及びパッシベーション層を含む透明層の積層体が設けられている。光センサの分光感度は、層の材料やその相対厚さに大きく影響される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、入射光に対する画像センサの分光感度は波長とともに変化し、ピークと谷を有する分光感度曲線が生成される。透明層の積層体が両方の領域で同一であれば、この問題は特に重大である。
【０００４】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、分光感度の均一性が改善された画像センサを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板と光センサとを備え、該光センサは第１及び第２の感光領域を有し、前記第１の感光領域は前記基板上に少なくとも一つの透明材料層の第１の積層体を有するとともにピークと谷を持つ分光感度を有し、前記第２の感光領域は前記基板上に少なくとも一つの透明材料層の第２の積層体を有するとともにピークと谷を持つ分光感度を有し、前記第１の感光領域の分光感度の少なくとも一つのピークあるいは谷を前記第２の感光領域の分光感度の少なくとも一つの谷あるいはピークと重なり合わせて、前記光センサの平均分光感度を前記第１あるいは第２の感光領域の個々の分光感度より滑らかにしたことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に有効な従来の光センサのデザインを示している。光センサ１０は第１及び第２の格納領域１１，１２を備えており、各領域はバリヤ領域２１，２２をそれぞれ有し、格納された電荷が格納領域１１，１２から流出するのを防止している。ブルーミング対策として横にオーバーフロードレイン１６が設けられている。第１の感光領域は、格納領域１１、バリヤ領域２１、その上の誘電体層２８、ポリシリコン電極３２、図示してはいないが絶縁層やパッシベーション層のような他の層を含む第１の積層体を有している。同様に、第２の感光領域は、格納領域１２、バリヤ領域２２、その上の誘電体層２８、ポリシリコン電極３０、図示してはいないが絶縁層やパッシベーション層のような他の層を含む第２の積層体を有している。
【０００７】
図２（ａ）は、格納領域１１，１２及びバリヤ領域２１，２２を横切る線Ａ−Ａに沿った図１の断面図で、基板２４を有する光センサ１０の構造を示しており、基板２４は、高濃度にドープされたｐ型基板で、より低濃度にドープされたｐ型材料製のエピタキシャル層がその上の全面に形成されたものが好ましい。格納領域１１，１２は、エピタキシャル層２６に打ち込まれた低濃度のドープされたｎ型注入層から形成されるのがよい。光センサ１０を構成するために使用される他の構成は、格納領域や別の低濃度ｐ型注入層と同じｎ型注入層を使用して形成されるバリヤ領域２１，２２のようなエピタキシャル層２６にも形成される。
【０００８】
図２（ｂ）は、図１の線Ｂ−Ｂに沿った断面図で、ドレインに対しオーバーフローバリヤを構成してブルーミングを防止するバリヤ領域１９は、バリヤ領域２１，２２と全く同様に構成されるが、より狭く設けられて「短チャネル効果」の利点を持ち、多少深い表面チャネル電位を生成している。チャネルストッパ１５はｐ＋注入層から形成するのが好ましい。横のオーバーフロードレイン１６は、ｐ型コンテナ注入層１７内の高ドーズｎ型注入層を使用して形成される。エピタキシャル層２６上に形成されるこれらの構造は、二酸化ケイ素−窒化ケイ素−二酸化ケイ素（ＯＮＯ）誘電体２８によりこれらの構造体から分離されたインジウム−錫酸化物電極３０及びポリシリコン電極３２を介して制御される電位を持つ。
【０００９】
フルフレーム２相ＣＣＤの分光感度は、ゲート電極材料やゲート電極上の誘電体膜の相対厚さや組成に強く影響される。入射光に対するＣＣＤの感度は、波長とともに変化する。ＣＣＤは通常、青色光より赤色光の方に反応する。この光学的感度の違いにより、集めた画像を電子的に取り扱う必要があり、カラー感度の相違を補償している。これまでのフルフレーム・マルチゲートＣＣＤでは、すべての電極は同じ厚さでもよかった。光路、すなわち、膜及びその界面の吸収率と反射率は、ほとんど等しい。このことで、全波長にわたり画像の光学的感度が周期的に上がったり下がったりする。光学的感度の上がり下がりは、入射光の吸収率、反射率や、建設的及び破壊的干渉による。これらの相互作用は、可視スペクトルにわたってＣＣＤウェルに入射する光量が常に増加したり減少する。光学的感度の上がり下がりは波長の変化とともに変化する。これは、光の光学的相互作用が、入射光の波長が変化するにつれて、ＣＣＤフィルムとともに変化するからである。
【００１０】
図３は、図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるタイプの画像センサの分光感度曲線３４を示している。この図から分かるように、格納領域１１、１２にわたる多層干渉により感度曲線には多数のピークと谷がある。
【００１１】
フィルムやその光学特性の組み合わせにより、ＣＣＤピクセルに入る入射光の建設的あるいは破壊的干渉の影響を制御することができる。２相ＣＣＤは各ピクセル上に二つの電極を持つ。各ピクセルへの入射光量はフィルムにより制御される。フィルムとその厚さを適宜選択することにより、各ゲート電極対の波長に依存した複合透過率を、ＵＶからＩＲの近傍までの全スペクトルにわたって滑らかで連続するように変化させることができる。
【００１２】
本発明によれば、感光領域の一つあるいは両方の層厚みは、第１の領域の分光感度の少なくとも一つのピークあるいは谷を第２の領域の分光感度の少なくとも一つの谷あるいはピークに重ね合わせ、光センサの平均分光感度が第１あるいは第２の感光領域の個々の分光感度より滑らかになるように調節される。例えば、電極層３０，３２の元の厚さは、それぞれＩＴＯの１７５ｎｍとポリシリコンの１７０ｎｍであった。
【００１３】
従来装置における層の干渉効果のコンピュータシミュレーションを感光領域の各々に対し分光感度曲線を作成するために行った。電極層の厚さをそれから調節し、新たなシミュレーションにより分光感度の修正曲線を作成した。曲線の一つの少なくとも一つのピークが他の曲線の少なくとも一つの谷に重なっているかどうかを決定するために分光感度の修正曲線を調べた。より均一な分光感度を持つ組み合わせ曲線が作成されるまで、このプロセスは繰り返された。その結果、ＩＴＯの９５ｎｍとポリシリコンの１７０ｎｍの厚さを持つ電極層３０，３２により得られた分光感度が図３の曲線３６として示されている。さらに、その上の誘電体パッシベーション層（図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）には図示せず）の厚みをセンサ感度をさらに向上させるために調節した。
【００１４】
本発明の好ましい実施の形態によれば、電極層３０，３２は両方共ＩＴＯであり、電極の個々の厚みは画像センサの分光感度の均一性を最適化するために制御される。各電極の厚みを制御することにより、入射光の光路が最適化され、フィルム積層体の波長に対する透過率の通常の周期的変化を減少したり解消することができる。
【００１５】
図４は、滑らかな分光感度を生成するために使用された異なる電極厚さを有する本発明にかかるデュアルＩＴＯゲート電極センサの構造を示している。センサは、厚さが異なる基板２４、エピタキシャル層２６、ＯＮＯ誘電体層２８、ＩＴＯゲート電極３０，３０’を有する。二酸化ケイ素層３８、窒化酸化ケイ素パッシベーション層４０及び二酸化ケイ素反射防止層４２が、電極上に設けられている。図示されているように、ＩＴＯゲート電極３０，３０’上の酸化層の厚みは異なっていてもよく、センサの分光感度に影響を与える。各ゲート電極及びその上の酸化層は、各ゲート電極の相対透過率が特定波長において他のものと相補的となるように調節できる光学的透過率を有する。あるゲート電極（例えば、３０）はある波長に対し高い透過率を有し、別のゲート電極（例えば、３０’）はかなり低い透過率を持つようにしてもよい。その結果、二つの電極の透過率が平均化され、広範囲の波長にわたり平坦な感度が得られる。
【００１６】
図５は、本発明の実施の形態１にかかる分光感度を示している。この実施の形態では、厚さ２９０ｎｍの電極３０、厚さ１００ｎｍの電極３０'、電極３０上の厚さが１１０ｎｍで電極３０’上の厚さが３００ｎｍの二酸化ケイ素層３８、厚さ４００ｎｍの酸窒化物層４０、厚さ１００ｎｍの反射防止層４２が設けられている。
【００１７】
ゲート電極３０，３０’の分光感度は曲線４４及び４６によりそれぞれ示されている。二つのゲート電極の平均分光感度は曲線４８により示されている。この構成により、かなり平坦で滑らかに変化する光学的感度が得られる。
【００１８】
センサの平均分光感度は、電極３０上及び電極３０’上の二酸化ケイ素層の厚みをそれぞれ１０ｎｍ及び２００ｎｍにして上部層の厚みを調整することにより、さらに調節することができる。
【００１９】
図６に示されるように、ゲート電極３０，３０’の分光感度は曲線５０，５２でそれぞれ示されており、二つのゲート電極の平均分光感度は曲線５４で示されている。
【００２０】
本発明を実施の形態を参照して詳述したが、本発明の範囲内において様々な変形例が考えられる。例えば、二つのＩＴＯゲート電極を使用して本発明を説明したが、他の透明導電材料をゲート電極材料として使用して適宜調整し、均一な分光感度を提供することもできる。さらに、二つ以上、例えば四つのゲートを持つセンサも同様に得ることができる。また、ゲート電極材料の厚みを変えて本発明を説明したが、ゲート電極材料の厚みは同じでもよく、その上層の厚みを適宜調節することにより、より均一なセンサ感度を得ることもできる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、分光感度の均一性が改善されている。すなわち、第１の領域の分光感度の少なくとも一つのピークあるいは谷を第２の領域の分光感度の少なくとも一つの谷あるいはピークに重なり合わせたので、光センサの平均分光感度が第１あるいは第２の感光領域の個々の分光感度より滑らかになるように調節されている。
【００２２】
したがって、カラーフィルタを画像センサに追加してカラー画像センサを製作すると、センサのカラー感度の均一性が大きく改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のピクセル構造の概略正面図である。
【図２】図１のピクセル構造の断面図であり、（ａ）は図１の線Ａ−Ａに沿った断面図で、（ｂ）は図１の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図３】典型的なポリシリコン−ＩＴＯＣＣＤの分光感度と、スペクトルを最適化した本発明にかかるポリシリコン−ＩＴＯゲート電極ＣＣＤの分光感度を示すグラフである。
【図４】本発明にかかるデュアルＩＴＯゲート電極構造を示す図である。
【図５】ＩＴＯゲート電極を様々な光学的積層体と組み合わせた分光透過率曲線を示すグラフであり、二つの電極の個々のゲート透過率と合成透過率を示している。
【図６】ＩＴＯゲート電極を様々な光学的積層体と組み合わせた分光透過率曲線を示す別のグラフであり、二つの電極の個々のゲート透過率と合成透過率を示している。
【符号の説明】
１０光センサ、１１第１の格納領域、１２第２の格納領域、
１５チャネルストッパ、１６オーバーフロードレイン、
１７注入層、１９，２１，２２バリヤ領域、２４基板、
２６エピタキシャル層、２８上部誘電体層、
３０，３０’ ＩＴＯゲート電極層、３２ＩＴＯポリシリコン電極層、
３４、３６，４４，４６，４８，５０，５２，５４分光感度曲線、
３８二酸化シリコン層、４０パッシベーション層、４２反射防止層

Claims

半導体基板と光センサとを備え、該光センサは第１及び第２の感光領域を有し、前記第１の感光領域は前記基板上に少なくとも一つの透明材料層の第１の積層体を有するとともにピークと谷を持つ分光感度を有し、前記第１の感光領域とバリヤによって隔てられた前記第２の感光領域は前記基板上に少なくとも一つの透明材料層の第２の積層体を有するとともにピークと谷を持つ分光感度を有し、
前記第１の感光領域の分光感度の少なくとも一つのピークあるいは谷を、同一波長域における前記第２の感光領域の分光感度の少なくとも一つの谷あるいはピークと重なり合わせて、
前記光センサの平均分光感度を前記第１あるいは第２の感光領域の個々の分光感度より滑らかにしたことを特徴とする画像センサ。
前記第１及び第２の積層体の層数及び材料は同一で、少なくとも一つの層の厚みが異なる請求項１に記載の画像センサ。
前記第１及び第２の積層体の層数及び材料の少なくとも一方が異なる請求項１に記載の画像センサ。