サリサイド・プロセスに基づくCMOSセンサ中で使用するウエル−基板フォトダイオード
【課題】 ウエル(203)−基板(200)ダイオードを光検出器として有する画像センサである。好ましい実施形態では、現在のサリサイド(CMOS)プロセスを利用して、この画像センサを製造する。
【解決手段】 ダイオード接合の上のフィールド酸化膜領域(207)は可視光に対して透明であり、したがって、このフォトダイオードを、非サリサイド・プロセスに基づいて製作したソース/ドレイン拡散−基板フォトダイオードを有するデバイスに劣らない量子効率にすることができる。フォトダイオードは、センサ・アレイの一部として、比較的修正していないデジタルCMOS製作プロセスを使用してデジタル回路と一体化することができる。さらに、ウエル−基板構造は、もう1つの同様のウエル中に構築したFETの特性にほぼ1次に悪影響を及ぼすことなくウエルを修正することによって、フォトダイオードの光学的性質を設計することができるようにする。
【解決手段】 ダイオード接合の上のフィールド酸化膜領域(207)は可視光に対して透明であり、したがって、このフォトダイオードを、非サリサイド・プロセスに基づいて製作したソース/ドレイン拡散−基板フォトダイオードを有するデバイスに劣らない量子効率にすることができる。フォトダイオードは、センサ・アレイの一部として、比較的修正していないデジタルCMOS製作プロセスを使用してデジタル回路と一体化することができる。さらに、ウエル−基板構造は、もう1つの同様のウエル中に構築したFETの特性にほぼ1次に悪影響を及ぼすことなくウエルを修正することによって、フォトダイオードの光学的性質を設計することができるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は一般に、光検出用半導体構造に関し、さらに詳細には、最近の技術の相補型金属酸化膜半導体(CMOS)の製作プロセスを使用して構築されたフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【0002】
全ての結像システムの重要な構成要素は光検出器であり、これは、画像を捕捉しようとする物体から生じる可視光の入射光子を検出するために使用されるデバイスである。いくつかの従来技術の検出デバイスとしては、第1A図および第1B図に示すデバイスなどがある。第1A図は、pn接合を形成するp型にドーピングした基板および多量にドーピングしたN+拡散層を有するフォトダイオードを実現する従来技術を示している。pn接合は、絶縁酸化物領域で取り囲まれる。N+は、必要なら従来の手段を介してp型基板が電気的に接触した、隣接するトランジスタのソース/ドレイン拡散にすることができる。
ほとんどのフォトダイオードは、pn接合ダイオードに逆バイアスをかけ、空乏領域が形成されるようにする原理に基づいている。フォトダイオードは、図示のように、透明な酸化物層を通ってシリコン中に進行する入射光を受ける。半導体の特性は、可視光の入射光子に応答して、空乏領域の内側および外側両方で電子−正孔対が発生するようになっている。次いで、これらの光によって生成された電子−正孔対は、拡散およびドリフト機構によって押し流され、空乏領域中に集まり、それにより所望の画像の一部分を表す光電流を誘導する。
【0003】
フォトダイオードの感度の一因となる重要な要因は、その可能な限り多くの入射光子を捕捉する能力である。第1A図の例では、空乏領域の上のN+表面領域はほぼ完全に露出し、入射光子が大きなN+領域を通って構造内に進入することができるようになっている。
【0004】
現在および将来の世代の製作プロセスを使用して構築した集積回路は、光検出構造の設計、実装、および性能に深刻な制約を与える。例えば、画像センサICなど現在の集積回路では、しばしば、制限された物理的スペースの要件を満たすために、多数の光検出素子を単一のICダイ中に組み込むことが試みられる。この課題を解決するためには、第1A図の従来のフォトダイオードのN+領域をかなり小さくしなければならず、それによりフォトダイオード構造の感度は低下する。
【0005】
さらに、実装することが望ましい機能の複雑さが増すことにより、ICによって放散される総電力が増加し続けるので、半導体製作プロセスは、構成回路素子の寸法を小さくすることも見込んでおくことによって維持される。ただし、寸法が小さくなり、相互接続の数が増えることによって、IC全体の抵抗は大きくなる。例えば、最新のCMOSプロセスを使用して構築された電界効果トランジスタ(FET)デバイスは、ソースおよびドレインの高度にドーピングされた拡散領域ならびにゲートのポリシリコン層によって与えられる抵抗が、信号を有効に伝送できないほど大きくなり過ぎるような、小さな横方向および縦方向の寸法を有する。この問題を緩和するために、ポリシリコン・セルフアライン・タイプの現在のCMOS製作プロセスでは、ソース、ドレイン、およびゲートの露出したシリコン区域を、シリサイドと呼ばれる導電性の高い材料で覆い、その後に形成される金属コンタクトのシート抵抗を小さくする追加の工程段階を設けている。シリサイド層は、露出したシリコンの上にチタンなどの金属の層を付着させ、次いでチタンとシリコンの間で反応を引き起こして金属層をシリサイドに変化させることによって形成することができる。
【0006】
セルフアラインCMOS(「サリサイド」)プロセスでは、第1A図のソースおよびドレインのN+領域全体をシリサイドで覆う。シリサイドは、CMOSプロセスで使用する厚さでは10%以下の光を通すことはできるが、ほぼ不透明な材料であるので、第1A図のフォトダイオードは、ある角度で空乏領域に到達する入射光子にしか依拠することができない。その結果として、第1A図の場合と同様のフォトダイオードを使用する画像アレイは、CMOSサリサイド・プロセスに基づいて構築したときに画像を捕捉する効果が低下する。
【0007】
第1A図のpn接合に到達する光子の数を増加させる1つの方法は、光検出に使用される領域の上にシリサイドが形成されないようにシリサイドをさらにパターン化する工程段階を追加することによって、シリサイドをカスタマイズするものである。ただし、このような追加ステップには時間がかかり、ICを大量生産するときに製造コストが高くなることになる。
【0008】
光子の数を増加させるもう1つの方法は、交互にかみ合ったシリサイド構造を取り囲む複数の半透明酸化物領域を通って入射光がフォトダイオードに進入する、一連の「エッジ・インテンシブ(edge intensive)」フォトダイオードの連続として第1B図に示してある。この方式では、単位面積あたりで捕捉される光子が少なくなるので、第1A図の従来の非サリサイド設計に比べて効果の低いフォトダイオードが提供される。
【0009】
最後に、第1A図および第1B図のフォトダイオード構造のもう1つの欠点は、特に現在および将来のプロセスとともに、カスタマイズ化した製作ステップを必要とする点である。これは、製作プロセスが進歩することによってトランジスタの寸法が小さくなるにつれて、電界効果トランジスタ(FET)のソースおよびドレインの拡散領域の深さも浅くなり、それに応じて短チャネルFETを適切に設計することができるようにしなければならないからである。拡散深さが浅くなるにつれて、このような拡散−基板接合を使用して構築したフォトダイオードの光学的性質も変化する。したがって、最初の光学的性質を維持するために、フォトダイオードの場合だけは異なる拡散領域を構築する必要がある。このFETで使用する標準的な拡散領域への追加は、プロセスの複雑さを増すので望ましくない。したがって、標準的なIC製作プロセスを使用して実装することができるが、光学的性質を規定する際の柔軟さも見込んでいるフォトダイオード構造が必要とされている。
【発明の概要】
【0010】
本発明は、ウエル層と基板層の間にpn接合を形成させた新しいフォトダイオードを対象とするものである。フォトダイオードの感光領域は、基板中に形成されたウエルと基板のpn接合の中およびその周りに形成される。
上述の本発明のエレメント、ならびに本発明のその他の態様および利点は、以下の説明、添付の請求の範囲、および添付の図面に関連して理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1A】第1A図は、従来技術の異なる光検出構造を示す図である。
【図1B】第1B図は、従来技術の異なる光検出構造を示す図である。
【図2A】第2A図は、第1の実施形態による本発明を含む半導体構造の断面図である。
【図2B】第2B図は、第2の実施形態による本発明を含む半導体構造の断面図である。
【図3】第3図は、本発明の第1および第2の実施形態によるフォトダイオードを含むフォトセルを示す図である。
【図4A】第4A図は、第3の実施形態による本発明を含む半導体構造の断面図である。
【図4B】第4B図は、第4の実施形態による本発明を含む半導体構造の断面図である。
【図5】第5図は、本発明の第3および第4の実施形態によるフォトセルを示す図である。
【図6】第6図は、例示的なフォトセルの等価回路を示す図である。
【図7】第7図は、例示的な画像センサ回路を示すブロック図である。
【図8】第8図は、本発明を組み込んだ画像捕捉システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
第2A図および第2B図は、それぞれ第1および第2の実施形態の本発明のフォトダイオードを含む、現在のシリコンCMOS製作プロセスで実現した半導体構造を示す図である。第2A図および第2B図それぞれのフォトダイオードは、基板200および基板中にあるウエル203によって形成された感光pn領域を特徴とする。ウエル203は、通常は、基板200へのイオン注入によって形成される。絶縁フィールド酸化膜207は、ウエルと電気的に接触するために高度にドーピングした小さな拡散領域209を除いて、ほぼウエル203を覆う。基板200は、既知の技術(図示せず)を使用して、電気的に接触されていてもよい。当業者に既知のその他の技術を利用して、ウエルと基板を電気的に接触することもできる。
【0013】
フォトダイオードは、基板と電気的に接触する共通ノードである地面と拡散領域209の間で有効に作成される。本発明の1つの特定の実施形態では、基板200は、p型の導電型を有し、ウエル203はn型の導電型を有する。このシナリオでは、拡散領域209は、N+拡散領域として多量にドーピングされ、ウエル203とオーミック接触することになる。あるいは、n型基板とp型ウエルの間にpn接合を形成し、P+拡散領域がウエル203と接触するようにすることもできる。その他様々な基板とウエルの組合せが可能であり、それらはCMOS集積回路設計の当業者の能力の範囲内である。ただし、全ての場合において、ダイオードの空乏領域は、ウエル203と基板200の間のpn接合を横切ってその付近に形成される。それによって生じたフォトダイオードに適正な逆バイアス電圧を印加した後、透過した入射光に応答して光電流を誘導することができる。
【0014】
第2A図は、現在のCMOS製作プロセスで、空間効率の良いトポロジとともに使用した本発明を示す図である。フィールド酸化膜207は、浅いトレンチの分離(STI)で表してある。第2B図は、フィールド酸化膜を選択酸化法(LOCOS)タイプにすることができる代替実施形態を示している。第2B図の構造は、その他の点は上述の第2A図の構造と同じままとなる。ただし、どちらの場合も、フォトダイオードはフィールド酸化膜の下に存在することに留意されたい。したがって、酸化膜(STIまたはLOCOS)は、フォトダイオードを横方向で電気的に分離するためには使用されていない。これは、酸化物層がフォトダイオードを横方向で分離する役割を果たしていた第1A図および第1B図の従来の構造とは対照的である。本発明のフォトダイオードは、部分的には基板を高度にドーピングすることで、横方向の電気的分離を有効に受ける。
【0015】
第2A図および第2B図の残りの形状では、ゲート導電層235を有するFET構造が示されている。FETは、第6図の概略図の例示的なフォトセル回路600中でリセット信号を受信するゲートM3を備えたFETで示すように、フォトダイオードのための従来のリセット・トランジスタとして作用する。また、FETは、ドレイン/ソース拡散215の上に形成されたドレイン/ソース導電層225、ならびにポリシリコン233および導電ゲート層235で覆われた酸化膜231を有するゲートを特徴とする。拡散209は導電層223で覆われ、FETのソース、およびフォトダイオードのウエル203とのオーミック・コンタクトの役割を果たす。導電層は、通常は、シリコンの上に高融点金属の層を堆積させ、次いで既知の技術を使用してシリコン表面上でこの金属を合金にしてシリサイドを形成する。高融点金属は、例えば、コバルト、チタン、タングステン、タンタル、およびモリブデンのうちの1つにすることができる。
【0016】
シリサイドはほぼ不透明であり、したがって、ほぼ全ての入射光信号を反射する。しかし、フィールド酸化膜(通常は二酸化シリコン)は、当該の入射光信号、すなわち感光領域で検出することができる信号に対してほぼ透明であり、したがって、かなりの数の光子をフォトダイオードに入射させる。感光領域は、透過光に応答して電子−正孔対が生成される、ウエル203と基板200の部分として決められる。これには、ウエルと基板の間に形成されたpn接合部とその周りの空乏領域と、ウエルと基板の内側であるが空乏層の外側となる区域とが含まれる。
【0017】
本発明のフォトダイオードの光学的性質は、同じIC上にあるほぼ同様の別のウエル領域中に形成されたFETの性能に有意な影響を及ぼさずに、ある程度調整することができる。これは、例えば、ウエル203の深さを変え、拡散領域209および215の深さを一定に保つことによって行うことができる。このようにして、本発明のフォトダイオード構造は、ますます浅い拡散領域を必要とする最新の製作プロセスについていくことができる。
【0018】
第3図は、本発明を組み込んだCMOSフォトセルの例示的な配置図を示している。線A−A’で切断した平面はフォトセルの一部分の断面図で、この部分は、前出の第2A図および第2B図に示してある。本発明のフォトダイオードは、N+拡散209を備えたn型ウエル203としてこの配置図に表してある。ウエル203の境界によって決まるフォトダイオードのサイズ(面積)は、通常は光電池の面積に関して最大となる。隣接する電界効果トランジスタ(FET)は、ゲート233、および供給電圧VDDに接続されたドレイン215を有する。
【0019】
第4A図および第4B図は、フォトダイオードのウエルN+拡散409を隣接するリセットFETの分離したソースN+拡散419に金属線で接続した、本発明の第3および第4の代替実施形態を示している。第4A図および第4B図の構造は、その他の点では上述の第2A図および第2B図の構造と同じままであり、第4A図はLOCOS酸化膜を示し、第4B図はSTI酸化膜を有する。第5図は、第4A図または第4B図の構造を特徴とするフォトセルの配置図を示す図である。線A−A’で切断した平面は、第4A図および第4B図に示すフォトセルの一部分の断面図を画定する。
【0020】
第6図は、第3図および第5図の配置図に基づくフォトセル回路600の概略図であり、金属ストリップM1、M2、およびM3を、フォトセル中の3つのFETの各ゲートへの接続として示している。リセット端子、行端子、およびビット線端子、ならびに正の供給ノードVDDへの接続も示してある。リセット回路は、金属ストリップM3を備えたFETを含み、読出し回路は、金属ストリップM1およびM2を備えたFETである。フォトセル回路600は、p型基板中にn型ウエルを有するフォトダイオードを含み、このn型ウエルはゲート金属M1へ接続されると共に、ゲート金属M3を備えたFETのソースに接続され、p型基板は地面に接続される。フォトセル回路600の動作は、CMOS画像感知回路の当業者には容易に分かるであろう。
【0021】
本発明のフォトダイオードは、その一部分を第7図に示す画像センサICの一部として利用することもできる。センサIC700は、行デコーダ/駆動デバイス707と列デコーダ703へ接して配置されているフォトセル回路600のアレイを含む。画像を表す信号は、アナログ画像信号を送出するアナログ信号調節回路を含むことができる処理ブロック711から出力される。別法として、例示的なセンサIC700は、各フォトセルのアナログ出力に結合されたA/D変換器およびデジタル信号処理回路を処理ブロック711中に含め、フォトセル信号をデジタル操作してデジタル画像信号を生じさせてもよい。また、この場合には、A/D変換は、列デコーダ703の前に行うことも、その後で行うこともできる。
【0022】
センサIC700は、デジタル・カメラなどの画像捕捉システム中に組み込むこともできる。第8図は、光学的な境界およびA/D変換ブロックに結合されたセンサ・アレイ710を含む、このような実施形態を示している。
【0023】
要約すると、ウエル−基板フォトダイオードを開示した。このフォトダイオード構造は、別々に設計した拡散領域を必要とすることなく、標準的なCMOS製作プロセスを使用して実現することができ、したがって画像センサ・アレイをデジタルIC中に集積する問題に対する費用効率が高く柔軟性に富んだ解決策を与える。例示を目的として上記に記載したフォトダイオード・デバイスの実施形態の構造および実装態様には、言うまでもなく、当業者の能力の範囲内で、その他の変更を加えることができる。したがって、上記の詳細は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で解釈すべきものとする。
【技術分野】
【0001】
本発明は一般に、光検出用半導体構造に関し、さらに詳細には、最近の技術の相補型金属酸化膜半導体(CMOS)の製作プロセスを使用して構築されたフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【0002】
全ての結像システムの重要な構成要素は光検出器であり、これは、画像を捕捉しようとする物体から生じる可視光の入射光子を検出するために使用されるデバイスである。いくつかの従来技術の検出デバイスとしては、第1A図および第1B図に示すデバイスなどがある。第1A図は、pn接合を形成するp型にドーピングした基板および多量にドーピングしたN+拡散層を有するフォトダイオードを実現する従来技術を示している。pn接合は、絶縁酸化物領域で取り囲まれる。N+は、必要なら従来の手段を介してp型基板が電気的に接触した、隣接するトランジスタのソース/ドレイン拡散にすることができる。
ほとんどのフォトダイオードは、pn接合ダイオードに逆バイアスをかけ、空乏領域が形成されるようにする原理に基づいている。フォトダイオードは、図示のように、透明な酸化物層を通ってシリコン中に進行する入射光を受ける。半導体の特性は、可視光の入射光子に応答して、空乏領域の内側および外側両方で電子−正孔対が発生するようになっている。次いで、これらの光によって生成された電子−正孔対は、拡散およびドリフト機構によって押し流され、空乏領域中に集まり、それにより所望の画像の一部分を表す光電流を誘導する。
【0003】
フォトダイオードの感度の一因となる重要な要因は、その可能な限り多くの入射光子を捕捉する能力である。第1A図の例では、空乏領域の上のN+表面領域はほぼ完全に露出し、入射光子が大きなN+領域を通って構造内に進入することができるようになっている。
【0004】
現在および将来の世代の製作プロセスを使用して構築した集積回路は、光検出構造の設計、実装、および性能に深刻な制約を与える。例えば、画像センサICなど現在の集積回路では、しばしば、制限された物理的スペースの要件を満たすために、多数の光検出素子を単一のICダイ中に組み込むことが試みられる。この課題を解決するためには、第1A図の従来のフォトダイオードのN+領域をかなり小さくしなければならず、それによりフォトダイオード構造の感度は低下する。
【0005】
さらに、実装することが望ましい機能の複雑さが増すことにより、ICによって放散される総電力が増加し続けるので、半導体製作プロセスは、構成回路素子の寸法を小さくすることも見込んでおくことによって維持される。ただし、寸法が小さくなり、相互接続の数が増えることによって、IC全体の抵抗は大きくなる。例えば、最新のCMOSプロセスを使用して構築された電界効果トランジスタ(FET)デバイスは、ソースおよびドレインの高度にドーピングされた拡散領域ならびにゲートのポリシリコン層によって与えられる抵抗が、信号を有効に伝送できないほど大きくなり過ぎるような、小さな横方向および縦方向の寸法を有する。この問題を緩和するために、ポリシリコン・セルフアライン・タイプの現在のCMOS製作プロセスでは、ソース、ドレイン、およびゲートの露出したシリコン区域を、シリサイドと呼ばれる導電性の高い材料で覆い、その後に形成される金属コンタクトのシート抵抗を小さくする追加の工程段階を設けている。シリサイド層は、露出したシリコンの上にチタンなどの金属の層を付着させ、次いでチタンとシリコンの間で反応を引き起こして金属層をシリサイドに変化させることによって形成することができる。
【0006】
セルフアラインCMOS(「サリサイド」)プロセスでは、第1A図のソースおよびドレインのN+領域全体をシリサイドで覆う。シリサイドは、CMOSプロセスで使用する厚さでは10%以下の光を通すことはできるが、ほぼ不透明な材料であるので、第1A図のフォトダイオードは、ある角度で空乏領域に到達する入射光子にしか依拠することができない。その結果として、第1A図の場合と同様のフォトダイオードを使用する画像アレイは、CMOSサリサイド・プロセスに基づいて構築したときに画像を捕捉する効果が低下する。
【0007】
第1A図のpn接合に到達する光子の数を増加させる1つの方法は、光検出に使用される領域の上にシリサイドが形成されないようにシリサイドをさらにパターン化する工程段階を追加することによって、シリサイドをカスタマイズするものである。ただし、このような追加ステップには時間がかかり、ICを大量生産するときに製造コストが高くなることになる。
【0008】
光子の数を増加させるもう1つの方法は、交互にかみ合ったシリサイド構造を取り囲む複数の半透明酸化物領域を通って入射光がフォトダイオードに進入する、一連の「エッジ・インテンシブ(edge intensive)」フォトダイオードの連続として第1B図に示してある。この方式では、単位面積あたりで捕捉される光子が少なくなるので、第1A図の従来の非サリサイド設計に比べて効果の低いフォトダイオードが提供される。
【0009】
最後に、第1A図および第1B図のフォトダイオード構造のもう1つの欠点は、特に現在および将来のプロセスとともに、カスタマイズ化した製作ステップを必要とする点である。これは、製作プロセスが進歩することによってトランジスタの寸法が小さくなるにつれて、電界効果トランジスタ(FET)のソースおよびドレインの拡散領域の深さも浅くなり、それに応じて短チャネルFETを適切に設計することができるようにしなければならないからである。拡散深さが浅くなるにつれて、このような拡散−基板接合を使用して構築したフォトダイオードの光学的性質も変化する。したがって、最初の光学的性質を維持するために、フォトダイオードの場合だけは異なる拡散領域を構築する必要がある。このFETで使用する標準的な拡散領域への追加は、プロセスの複雑さを増すので望ましくない。したがって、標準的なIC製作プロセスを使用して実装することができるが、光学的性質を規定する際の柔軟さも見込んでいるフォトダイオード構造が必要とされている。
【発明の概要】
【0010】
本発明は、ウエル層と基板層の間にpn接合を形成させた新しいフォトダイオードを対象とするものである。フォトダイオードの感光領域は、基板中に形成されたウエルと基板のpn接合の中およびその周りに形成される。
上述の本発明のエレメント、ならびに本発明のその他の態様および利点は、以下の説明、添付の請求の範囲、および添付の図面に関連して理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1A】第1A図は、従来技術の異なる光検出構造を示す図である。
【図1B】第1B図は、従来技術の異なる光検出構造を示す図である。
【図2A】第2A図は、第1の実施形態による本発明を含む半導体構造の断面図である。
【図2B】第2B図は、第2の実施形態による本発明を含む半導体構造の断面図である。
【図3】第3図は、本発明の第1および第2の実施形態によるフォトダイオードを含むフォトセルを示す図である。
【図4A】第4A図は、第3の実施形態による本発明を含む半導体構造の断面図である。
【図4B】第4B図は、第4の実施形態による本発明を含む半導体構造の断面図である。
【図5】第5図は、本発明の第3および第4の実施形態によるフォトセルを示す図である。
【図6】第6図は、例示的なフォトセルの等価回路を示す図である。
【図7】第7図は、例示的な画像センサ回路を示すブロック図である。
【図8】第8図は、本発明を組み込んだ画像捕捉システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
第2A図および第2B図は、それぞれ第1および第2の実施形態の本発明のフォトダイオードを含む、現在のシリコンCMOS製作プロセスで実現した半導体構造を示す図である。第2A図および第2B図それぞれのフォトダイオードは、基板200および基板中にあるウエル203によって形成された感光pn領域を特徴とする。ウエル203は、通常は、基板200へのイオン注入によって形成される。絶縁フィールド酸化膜207は、ウエルと電気的に接触するために高度にドーピングした小さな拡散領域209を除いて、ほぼウエル203を覆う。基板200は、既知の技術(図示せず)を使用して、電気的に接触されていてもよい。当業者に既知のその他の技術を利用して、ウエルと基板を電気的に接触することもできる。
【0013】
フォトダイオードは、基板と電気的に接触する共通ノードである地面と拡散領域209の間で有効に作成される。本発明の1つの特定の実施形態では、基板200は、p型の導電型を有し、ウエル203はn型の導電型を有する。このシナリオでは、拡散領域209は、N+拡散領域として多量にドーピングされ、ウエル203とオーミック接触することになる。あるいは、n型基板とp型ウエルの間にpn接合を形成し、P+拡散領域がウエル203と接触するようにすることもできる。その他様々な基板とウエルの組合せが可能であり、それらはCMOS集積回路設計の当業者の能力の範囲内である。ただし、全ての場合において、ダイオードの空乏領域は、ウエル203と基板200の間のpn接合を横切ってその付近に形成される。それによって生じたフォトダイオードに適正な逆バイアス電圧を印加した後、透過した入射光に応答して光電流を誘導することができる。
【0014】
第2A図は、現在のCMOS製作プロセスで、空間効率の良いトポロジとともに使用した本発明を示す図である。フィールド酸化膜207は、浅いトレンチの分離(STI)で表してある。第2B図は、フィールド酸化膜を選択酸化法(LOCOS)タイプにすることができる代替実施形態を示している。第2B図の構造は、その他の点は上述の第2A図の構造と同じままとなる。ただし、どちらの場合も、フォトダイオードはフィールド酸化膜の下に存在することに留意されたい。したがって、酸化膜(STIまたはLOCOS)は、フォトダイオードを横方向で電気的に分離するためには使用されていない。これは、酸化物層がフォトダイオードを横方向で分離する役割を果たしていた第1A図および第1B図の従来の構造とは対照的である。本発明のフォトダイオードは、部分的には基板を高度にドーピングすることで、横方向の電気的分離を有効に受ける。
【0015】
第2A図および第2B図の残りの形状では、ゲート導電層235を有するFET構造が示されている。FETは、第6図の概略図の例示的なフォトセル回路600中でリセット信号を受信するゲートM3を備えたFETで示すように、フォトダイオードのための従来のリセット・トランジスタとして作用する。また、FETは、ドレイン/ソース拡散215の上に形成されたドレイン/ソース導電層225、ならびにポリシリコン233および導電ゲート層235で覆われた酸化膜231を有するゲートを特徴とする。拡散209は導電層223で覆われ、FETのソース、およびフォトダイオードのウエル203とのオーミック・コンタクトの役割を果たす。導電層は、通常は、シリコンの上に高融点金属の層を堆積させ、次いで既知の技術を使用してシリコン表面上でこの金属を合金にしてシリサイドを形成する。高融点金属は、例えば、コバルト、チタン、タングステン、タンタル、およびモリブデンのうちの1つにすることができる。
【0016】
シリサイドはほぼ不透明であり、したがって、ほぼ全ての入射光信号を反射する。しかし、フィールド酸化膜(通常は二酸化シリコン)は、当該の入射光信号、すなわち感光領域で検出することができる信号に対してほぼ透明であり、したがって、かなりの数の光子をフォトダイオードに入射させる。感光領域は、透過光に応答して電子−正孔対が生成される、ウエル203と基板200の部分として決められる。これには、ウエルと基板の間に形成されたpn接合部とその周りの空乏領域と、ウエルと基板の内側であるが空乏層の外側となる区域とが含まれる。
【0017】
本発明のフォトダイオードの光学的性質は、同じIC上にあるほぼ同様の別のウエル領域中に形成されたFETの性能に有意な影響を及ぼさずに、ある程度調整することができる。これは、例えば、ウエル203の深さを変え、拡散領域209および215の深さを一定に保つことによって行うことができる。このようにして、本発明のフォトダイオード構造は、ますます浅い拡散領域を必要とする最新の製作プロセスについていくことができる。
【0018】
第3図は、本発明を組み込んだCMOSフォトセルの例示的な配置図を示している。線A−A’で切断した平面はフォトセルの一部分の断面図で、この部分は、前出の第2A図および第2B図に示してある。本発明のフォトダイオードは、N+拡散209を備えたn型ウエル203としてこの配置図に表してある。ウエル203の境界によって決まるフォトダイオードのサイズ(面積)は、通常は光電池の面積に関して最大となる。隣接する電界効果トランジスタ(FET)は、ゲート233、および供給電圧VDDに接続されたドレイン215を有する。
【0019】
第4A図および第4B図は、フォトダイオードのウエルN+拡散409を隣接するリセットFETの分離したソースN+拡散419に金属線で接続した、本発明の第3および第4の代替実施形態を示している。第4A図および第4B図の構造は、その他の点では上述の第2A図および第2B図の構造と同じままであり、第4A図はLOCOS酸化膜を示し、第4B図はSTI酸化膜を有する。第5図は、第4A図または第4B図の構造を特徴とするフォトセルの配置図を示す図である。線A−A’で切断した平面は、第4A図および第4B図に示すフォトセルの一部分の断面図を画定する。
【0020】
第6図は、第3図および第5図の配置図に基づくフォトセル回路600の概略図であり、金属ストリップM1、M2、およびM3を、フォトセル中の3つのFETの各ゲートへの接続として示している。リセット端子、行端子、およびビット線端子、ならびに正の供給ノードVDDへの接続も示してある。リセット回路は、金属ストリップM3を備えたFETを含み、読出し回路は、金属ストリップM1およびM2を備えたFETである。フォトセル回路600は、p型基板中にn型ウエルを有するフォトダイオードを含み、このn型ウエルはゲート金属M1へ接続されると共に、ゲート金属M3を備えたFETのソースに接続され、p型基板は地面に接続される。フォトセル回路600の動作は、CMOS画像感知回路の当業者には容易に分かるであろう。
【0021】
本発明のフォトダイオードは、その一部分を第7図に示す画像センサICの一部として利用することもできる。センサIC700は、行デコーダ/駆動デバイス707と列デコーダ703へ接して配置されているフォトセル回路600のアレイを含む。画像を表す信号は、アナログ画像信号を送出するアナログ信号調節回路を含むことができる処理ブロック711から出力される。別法として、例示的なセンサIC700は、各フォトセルのアナログ出力に結合されたA/D変換器およびデジタル信号処理回路を処理ブロック711中に含め、フォトセル信号をデジタル操作してデジタル画像信号を生じさせてもよい。また、この場合には、A/D変換は、列デコーダ703の前に行うことも、その後で行うこともできる。
【0022】
センサIC700は、デジタル・カメラなどの画像捕捉システム中に組み込むこともできる。第8図は、光学的な境界およびA/D変換ブロックに結合されたセンサ・アレイ710を含む、このような実施形態を示している。
【0023】
要約すると、ウエル−基板フォトダイオードを開示した。このフォトダイオード構造は、別々に設計した拡散領域を必要とすることなく、標準的なCMOS製作プロセスを使用して実現することができ、したがって画像センサ・アレイをデジタルIC中に集積する問題に対する費用効率が高く柔軟性に富んだ解決策を与える。例示を目的として上記に記載したフォトダイオード・デバイスの実施形態の構造および実装態様には、言うまでもなく、当業者の能力の範囲内で、その他の変更を加えることができる。したがって、上記の詳細は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で解釈すべきものとする。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射光信号を電気信号に変換するフォトダイオードであって、
第1の導電型の半導体材料の基板層と、
上部と底部とを有するウエルの底部が基板中に配置され、pn接合がウエルと基板の間に形成され、ウエルと基板が前記フォトダイオードの感光領域となっている、第2の導電型の半導体材料のウエルと、
ウエルとの電気的接触を助長させるために前記ウエルよりも多量にドーピングされており、ウエルと接触している第2の導電型の半導体物質からなるタップ領域と、
ウエルの上部の大部分を覆い、感光領域へ入射する光信号の少なくとも一部を透過させるフィールド酸化膜と
を有するフォトダイオード。
【請求項2】
入射光に電気的に応答するフォトセルであって、
第1の導電型の基板と第2の導電型のウエル領域との間にpn接合を有するフォトダイオードであって、ウエルと基板が前記フォトダイオードの感光領域を定め、ウエル領域が基板中に形成されており、かつ入射光を感光領域で検出できるように透明であるフィールド酸化膜で大部分が覆われた上部を含むとともに、ウエルとの電気的接触を助長させるために前記ウエルよりも多量ドーピングされ、ウエルと接触している第2の導電型の半導体物質からなるタップ領域を含むフォトダイオードと、
フォトダイオードに結合された、入射光の検出に備えてフォトダイオードを初期化するためのリセット回路と、そして
フォトダイオードに結合された、検出された光を表す電気信号を読み取るための読出し回路と
を含むフォトセル。
【請求項3】
ウエル−基板フォトダイオードと、連動するリセットおよび読出し回路と、上部の大部分がフィールド酸化膜で覆われたフォトダイオードのウエルと、ウエルとの電気的接触を助長させるために前記ウエルよりも多量ドーピングされ、ウエルと接触している第2の導電型の半導体物質からなるタップ領域とをそれぞれ有する、行および列に配列された複数のフォトセルと、
フォトセルの行に対して行選択信号を生成するための、フォトセルに結合された複数の行デコーダ/駆動デバイスと、そして
フォトセルの列をデコードするための、フォトセルに結合された列デコーダと
を含む画像センサIC。
【請求項4】
入射光にさらされる光学的な境界、
ウエル−基板フォトダイオードと、連動するリセットおよび読出し回路と、ウエルとの電気的接触を助長させるために前記ウエルよりも多量ドーピングされ、ウエルと接触している第2の導電型の半導体物質からなるタップ領域とをそれぞれ有する、入射光に電気的に応答するフォトセルのセンサ・アレイと、
センサ・アレイに結合されたA/D変換ユニットと、
A/D変換ユニットに結合された、A/D変換ユニットから受信したデジタル・データを処理および圧縮し、検出された画像を生じるデジタル信号処理ユニットと、そして
デジタル信号処理ユニットに結合された、検出された画像を記憶するための記憶ユニットと
を含む画像捕捉システム。
【請求項5】
入射光を電気信号に変換するフォトダイオードであって、
第1導電型の半導体物質からなる第1の領域と、
第1の領域と接触しており、第2導電型の半導体物質からなる第2の領域と、
第1の領域と第2の領域がフォトダイオードの感光領域となっていて、両領域の間に形成されたフォトダイオードのp−n接合と、
第2の領域と電気接触を助長させるために第2の領域よりも多量にドーピングされ、第2の領域に接触している第2導電型の半導体物質からなる第3の領域と、そして
少なくとも入射光の一部を感光領域に透過させることができる、第2の領域の大部分を覆って入射光を受けるフィールド酸化膜と
を有するフォトダイオード。
【請求項1】
入射光信号を電気信号に変換するフォトダイオードであって、
第1の導電型の半導体材料の基板層と、
上部と底部とを有するウエルの底部が基板中に配置され、pn接合がウエルと基板の間に形成され、ウエルと基板が前記フォトダイオードの感光領域となっている、第2の導電型の半導体材料のウエルと、
ウエルとの電気的接触を助長させるために前記ウエルよりも多量にドーピングされており、ウエルと接触している第2の導電型の半導体物質からなるタップ領域と、
ウエルの上部の大部分を覆い、感光領域へ入射する光信号の少なくとも一部を透過させるフィールド酸化膜と
を有するフォトダイオード。
【請求項2】
入射光に電気的に応答するフォトセルであって、
第1の導電型の基板と第2の導電型のウエル領域との間にpn接合を有するフォトダイオードであって、ウエルと基板が前記フォトダイオードの感光領域を定め、ウエル領域が基板中に形成されており、かつ入射光を感光領域で検出できるように透明であるフィールド酸化膜で大部分が覆われた上部を含むとともに、ウエルとの電気的接触を助長させるために前記ウエルよりも多量ドーピングされ、ウエルと接触している第2の導電型の半導体物質からなるタップ領域を含むフォトダイオードと、
フォトダイオードに結合された、入射光の検出に備えてフォトダイオードを初期化するためのリセット回路と、そして
フォトダイオードに結合された、検出された光を表す電気信号を読み取るための読出し回路と
を含むフォトセル。
【請求項3】
ウエル−基板フォトダイオードと、連動するリセットおよび読出し回路と、上部の大部分がフィールド酸化膜で覆われたフォトダイオードのウエルと、ウエルとの電気的接触を助長させるために前記ウエルよりも多量ドーピングされ、ウエルと接触している第2の導電型の半導体物質からなるタップ領域とをそれぞれ有する、行および列に配列された複数のフォトセルと、
フォトセルの行に対して行選択信号を生成するための、フォトセルに結合された複数の行デコーダ/駆動デバイスと、そして
フォトセルの列をデコードするための、フォトセルに結合された列デコーダと
を含む画像センサIC。
【請求項4】
入射光にさらされる光学的な境界、
ウエル−基板フォトダイオードと、連動するリセットおよび読出し回路と、ウエルとの電気的接触を助長させるために前記ウエルよりも多量ドーピングされ、ウエルと接触している第2の導電型の半導体物質からなるタップ領域とをそれぞれ有する、入射光に電気的に応答するフォトセルのセンサ・アレイと、
センサ・アレイに結合されたA/D変換ユニットと、
A/D変換ユニットに結合された、A/D変換ユニットから受信したデジタル・データを処理および圧縮し、検出された画像を生じるデジタル信号処理ユニットと、そして
デジタル信号処理ユニットに結合された、検出された画像を記憶するための記憶ユニットと
を含む画像捕捉システム。
【請求項5】
入射光を電気信号に変換するフォトダイオードであって、
第1導電型の半導体物質からなる第1の領域と、
第1の領域と接触しており、第2導電型の半導体物質からなる第2の領域と、
第1の領域と第2の領域がフォトダイオードの感光領域となっていて、両領域の間に形成されたフォトダイオードのp−n接合と、
第2の領域と電気接触を助長させるために第2の領域よりも多量にドーピングされ、第2の領域に接触している第2導電型の半導体物質からなる第3の領域と、そして
少なくとも入射光の一部を感光領域に透過させることができる、第2の領域の大部分を覆って入射光を受けるフィールド酸化膜と
を有するフォトダイオード。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【公開番号】特開2010−183089(P2010−183089A)
【公開日】平成22年8月19日(2010.8.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−53848(P2010−53848)
【出願日】平成22年3月10日(2010.3.10)
【分割の表示】特願平11−502820の分割
【原出願日】平成10年6月3日(1998.6.3)
【出願人】(591003943)インテル・コーポレーション (1,101)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年8月19日(2010.8.19)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年3月10日(2010.3.10)
【分割の表示】特願平11−502820の分割
【原出願日】平成10年6月3日(1998.6.3)
【出願人】(591003943)インテル・コーポレーション (1,101)
【Fターム(参考)】
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