JP2009105381A - 透明なトランジスタを備えたｃｍｏｓイメージセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】透明なトランジスタを備えたＣＭＯＳイメージセンサーを提供する。
【解決手段】フォトダイオードと、フォトダイオード上に形成されたトランジスタと、を備えることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサーである。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明なトランジスタがフォトダイオード上に配置されてフォトダイオード領域が増大したＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサーに関する。

イメージセンサーは、光を感知して電気的な信号に変換する光電変換素子である。一般的なイメージセンサーは、半導体基板上にアレイに配列される複数個の単位ピクセルを備える。それぞれの単位ピクセルは、フォトダイオード及びトランジスタを備える。前記フォトダイオードは、外部から光を感知して光電荷を生成して保存する。前記トランジスタは、生成された光電荷の電荷量による電気的な信号を出力する。

ＣＭＯＳイメージセンサーは、光信号を受信して保存できるフォトダイオードを備え、また、光信号を制御または処理できる制御素子を使用してイメージを具現できる。制御素子は、ＣＭＯＳ製造技術を利用して製造できるので、ＣＭＯＳイメージセンサーは、その製造工程が単純であるという長所を有し、さらに、色々な信号処理素子と共に一つのチップに製造できるという長所を有している。

一方、ＣＭＯＳイメージセンサーは、一つのチップ上にフォトダイオードと複数のトランジスタとを集積するため、フォトダイオード領域が限定される。フォトダイオード領域上に特定の波長を選択するカラーフィルタを備える。フォトダイオード領域が減少すれば、イメージセンサーのダイナミックレンジが減少し、したがって、イメージセンサーの感度が低下しうる。

本発明の目的は、透明なトランジスタを使用してフォトダイオード領域を増大させたＣＭＯＳイメージセンサーを提供するところにある。

前記目的を達成するために、本発明による透明なトランジスタを備えたＣＭＯＳイメージセンサーは、フォトダイオードと、前記フォトダイオード上に形成されたトランジスタと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、前記トランジスタは、複数個からなる。

本発明によれば、前記トランジスタは、透明なトランジスタでありうる。

本発明によれば、前記トランジスタは、酸化物半導体からなるチャンネル層を備えることを特徴とする。

前記酸化物半導体は、ＺｎＯ，ＳｎＯ，ＩｎＯのうちいずれか一つからなる。

前記酸化物半導体は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｒのうち少なくともいずれか一つを含む。

本発明によれば、前記トランジスタは、前記フォトダイオードを覆う第１絶縁層上のソース電極及びドレイン電極と、前記第１絶縁層上で前記ソース電極及びドレイン電極を覆う前記酸化物半導体からなる酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層を覆う第２絶縁層と、前記第２絶縁層上で前記ソース電極とドレイン電極との間に形成されたゲート電極と、を備える。

本発明によれば、前記電極は、透明な電極で形成される。

前記透明な電極は、ＩＴＯからなる。

以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態による透明なトランジスタを備えたＣＭＯＳイメージセンサーを詳細に説明する。

本発明において、“透明なトランジスタ”は、本発明の一例による特徴を指すものであり、透明でないトランジスタを使用してもよく、特に、本発明を他の発明と区別されるように説明するために使用した用語であり、本発明の範囲を限定するのに使われるものではない。

ＣＭＯＳイメージセンサーは、２次元的に配列された複数個のピクセルを備える。各ピクセルには、光を下部のフォトダイオードに多く送るための集光レンズと、各フォトダイオードに一定な波長の光を伝達し、他の波長の光は遮断するカラーフィルタとが配置される。以下では、単位ピクセルについて説明し、図面で集光レンズ及びカラーフィルタの構成を省略した。

図１は、本発明の一実施形態による透明なトランジスタを備えたＣＭＯＳイメージセンサー１００の平面図である。

図１に示すように、本発明のＣＭＯＳイメージセンサー１００は、フォトダイオードＰＤ及び４個のゲート電極を備える。４個のゲート電極は、トランスファゲート１２１、リセットゲート１２２、ドライブゲート１４４及び選択ゲート１４５であり、それらは、それぞれトランスファトランジスタＴｘ、リセットトランジスタＲｘ、ドライブトランジスタＤｘ及び選択トランジスタＳｘに含まれる。

トランスファトランジスタＴｘ及びリセットトランジスタＲｘは、フォトダイオードＰＤの側面に形成されている。フォトダイオードＰＤの一部分上に酸化物半導体層ＯＳが形成されており、ドライブトランジスタＤｘ及び選択トランジスタＳｘは、酸化物半導体層ＯＳ上に形成される。

フォトダイオードＰＤは、光を受けて電子及び正孔を生成する領域である。本発明でのフォトダイオードＰＤは、ドライブトランジスタＤｘ及び選択トランジスタＳｘ領域にも形成されて、その領域が拡張されている。

第１コンタクトＣＴ１及び第２コンタクトＣＴ２は、導線（図示せず）により電気的に連結される。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。

図２に示すように、半導体基板、例えばｐ型Ｓｉ基板１１０にｎ型ウェル領域１１１が形成されており、ｎ型ウェル領域１１１の表面には、ｐ型不純物領域１１２が形成されている。前記ｎ型ウェル領域１１１及びｐ型不純物領域１１２は、フォトダイオードＰＤを構成する。

フォトダイオードＰＤの一側には、ｎ型不純物でドーピングされたフローティング拡散領域１１３と、リセット拡散領域１１４とが形成されている。フローティング拡散領域１１３とリセット拡散領域１１４とは、フォトダイオードＰＤ領域より低いポテンシャルを有するようにドーピングされる。

基板１１０上には、第１絶縁層１２０が形成されている。第１絶縁層１２０でｎ型ウェル領域１１１とフローティング拡散領域１１３との間には、トランスファゲート１２１が形成されており、フローティング拡散領域１１３とリセット拡散領域１１４との間には、リセットゲート１２２が形成されている。フォトダイオードＰＤのｎ型ウェル領域１１１、フローティング拡散領域１１３及びトランスファゲート１２１は、トランスファトランジスタＴｘを形成する。フローティング拡散領域１１３、リセット拡散領域１１４及びリセットゲート１２２は、リセットトランジスタを形成する。

第１絶縁層１２０上には、第２絶縁層１３０が形成されている。第１絶縁層１２０及び第２絶縁層１３０は、それぞれシリコン酸化物で形成される。フローティング拡散領域１１３には、第１絶縁層１２０及び第２絶縁層１３０を貫通する第１コンタクト１３１が形成されている。第１コンタクト１３１と連結された配線１３２は、後述する選択トランジスタの選択ゲートに連結された第２コンタクト１３３との連結のためのものである。

図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。

図３に示すように、第１絶縁層１２０上にソース電極１４１、共通電極１４２及びドレイン電極１４３が形成されている。第１絶縁層１２０上には、それらの電極１４１ないし１４３を覆う酸化物半導体層１４０と第３絶縁層１５０とが形成されている。第３絶縁層１５０は、第１絶縁層１２０及び第２絶縁層１３０と同じ物質で形成される。そして、ソース電極１４１と共通電極１４２との間の第３絶縁層１５０上には、ドライブゲート１４４が形成されており、共通電極１４２とドレイン電極１４３との間の第３絶縁層１５０上には、選択ゲート１４５が形成されている。ソース電極１４１、共通電極１４２及びドライブゲート１４４は、ドライブトランジスタを形成し、共通電極１４２、ドレイン電極１４３及び選択ゲート１４５は、選択トランジスタを形成する。

前記ドライブゲート１４４上には、配線１３２と連結される第２コンタクト１３３及び配線１３４が形成されている。

前記酸化物半導体層１４０は、トランジスタの電極間の電荷移動チャンネルを形成し、望ましくは、透明な物質で形成される。酸化物半導体層１４０は、ＺｎＯ，ＳｎＯ，ＩｎＯ及びそれらの酸化物にＴａ，Ｈｆ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｒが含まれた酸化物などで形成される。

前記電極１４１ないし１４３、コンタクト１３１，１３３及び配線１３２，１３４は、透明な電極、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）で形成される。また、図１ないし図３には示していないが、ゲートＴＧ，ＲＧ，ＳＧに連結されるコンタクト及び配線、リセット拡散領域ＲＤ及びドレイン電極１４３に連結されるコンタクト及び配線も、透明な電極、例えばＩＴＯで形成される。

本発明のイメージセンサー１００は、選択トランジスタＳｘ及びドライブトランジスタＤｘが形成される領域の下部をフォトダイオードＰＤ領域として活用することによって、それらのトランジスタがフォトダイオードＰＤ領域の一側に形成されることより約４０％面積が増大する。かかる面積の増大は、フォトダイオードＰＤで形成される電子を収容する能力を向上させ、したがって、ダイナミックレンジが向上する。

また、選択トランジスタＳｘ及びドライブトランジスタＤｘを透明な物質で形成することによって、光が照射される領域が増大してイメージセンサーの感度が向上する。

図４は、図１ないし図３に示したイメージセンサー１００の等価回路図である。図４に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサーは、フォトダイオードＰＤ、トランスファトランジスタＴｘ、リセットトランジスタＲｘ、ドライブトランジスタＤｘ及び選択トランジスタＳｘを備える。

フォトダイオードＰＤは、光エネルギーを提供され、これによって電荷を生成する。トランスファトランジスタＴｘは、生成された電荷のフローティング拡散領域ＦＤへの移動をトランスファゲートＴＧにより制御できる。リセットトランジスタＲｘは、入力電源ＶｄｄをリセットゲートＲＧにより制御してフローティング拡散領域ＦＤの電位をリセットさせる。ドライブトランジスタＤｘは、ソースフォロワ増幅器の役割を行える。選択トランジスタＳｘは、選択ゲートラインＳＧにより単位ピクセルを選択できるスイッチング素子である。フローティング拡散領域ＦＤは、ドライブゲートＤＧに連結されて、フローティング拡散領域ＦＤの電位は、ドライブトランジスタＤｘと選択トランジスタＳｘとで構成されたソースフォロワ回路により出力ラインＯＵＴに出力される。

図５は、本発明の他の実施形態による透明なトランジスタを備えたＣＭＯＳイメージセンサー２００の平面図である。

図５に示すように、本発明のＣＭＯＳイメージセンサー２００は、フォトダイオードＰＤ及び３個のゲート電極を備える。３個のゲート電極は、リセットゲート２４６、ドライブゲート２４７及び選択ゲート２４８であり、それらは、それぞれリセットトランジスタＲｘ、ドライブトランジスタＤｘ及び選択トランジスタＳｘに含まれる。

フォトダイオードＰＤ上には、酸化物半導体層ＯＳが形成されており、この酸化物半導体層ＯＳ及びフォトダイオードＰＤに電極が形成され、酸化物半導体層上にリセットゲート２４６、ドライブゲート２４７及び選択ゲート２４８が形成されている。

フォトダイオードＰＤは、光を受けて電子及び正孔を生成する領域である。本発明でのフォトダイオードＰＤは、リセットトランジスタＲｘ、ドライブトランジスタＤｘ及び選択トランジスタＳｘ領域にも形成されて、その領域が拡張されている。

第１コンタクトＣＴ１及び第２コンタクトＣＴ２は、導線ＭＬにより電気的に連結される。第３コンタクトＣＴ３は後述する。

図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線の断面図である。

図６に示すように、半導体基板、例えばｐ型Ｓｉ基板２１０にｎ型ウェル領域２１１が形成されている。前記ｎ型ウェル領域２１１及びｐ型Ｓｉ基板２１０は、フォトダイオードＰＤを構成する。

基板２１０上には、フォトダイオードＰＤを覆う第１絶縁層２２０が形成されている。第１絶縁層２２０上には、第１電極ないし第５電極２４１ないし２４５が形成されている。それらの電極は、それぞれソース電極、ドレイン電極、ソース電極、共通電極、ドレイン電極でありうる。第１絶縁層２２０には、ｎ型ウェル領域２１１と第１電極２４１とを連結する第３コンタクト２２２が形成されている。

第１絶縁層２２０上には、第１電極ないし第５電極２４１ないし２４５を覆う酸化物半導体層２３０が形成されている。酸化物半導体層２３０上には、第２絶縁層２４０が形成されている。そして、第２絶縁層２４０上で、第１電極２４１と第２電極２４２との間にリセットゲート２４６が形成されており、第３電極２４３と第４電極２４４との間にドライブゲート２４７が形成されており、第４電極２４４と第５電極２４５との間に選択ゲート２４８が形成されている。第１電極２４１、第２電極２４２及びリセットゲート２４６は、リセットトランジスタＲｘを構成し、第３電極２４３、第４電極２４４及びドライブゲート２４７は、ドライブトランジスタＤｘを構成し、第４電極２４４、第５電極２４５及び選択ゲート２４８は、選択トランジスタＳｘを構成する。

第２絶縁層２４０上には、第３絶縁層２５０が形成されている。第１絶縁層２２０、第２絶縁層２４０及び第３絶縁層２５０は、それぞれシリコン酸化物で形成され、また、相異なる絶縁層で形成されることもある。

第１電極２４１には、酸化物半導体層２３０、第２絶縁層２４０及び第３絶縁層２５０を貫通する第１コンタクト２５１が形成されている。ドライブゲート２４７には、第３絶縁層２５０を貫通する第２コンタクト２５２が形成されている。第１コンタクト２５１及び第２コンタクト２５２は、配線２５４により連結される。

前記酸化物半導体層２３０は、トランジスタの電極間の電荷移動チャンネルを形成し、望ましくは、透明な物質で形成される。酸化物半導体層２４０は、ＺｎＯ，ＳｎＯ，ＩｎＯ及びそれらの酸化物にＴａ，Ｈｆ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｒが含まれた酸化物などで形成される。

前記電極２４１ないし２４５、コンタクト２２２，２５１，２５２、配線２５４は、透明な電極、例えばＩＴＯで形成される。また、図５及び図６には示していないが、ゲートＲＧ，ＳＧに連結されるコンタクト及び配線、電極２４２，２４３に連結されるコンタクト及び配線も、透明な電極、例えばＩＴＯで形成される。

本発明のＣＭＯＳイメージセンサー２００は、リセットトランジスタ、選択トランジスタ及びドライブトランジスタが形成される領域の下部をフォトダイオードＰＤ領域として活用することによって、それらのトランジスタがフォトダイオードＰＤ領域の一側に形成されるものよりも面積が拡大する。かかる面積の増大は、フォトダイオードＰＤで形成される電子を収容する能力を向上させ、したがって、ダイナミックレンジが向上する。

また、リセットトランジスタ、選択トランジスタ及びドライブトランジスタを透明な物質で形成することによって、光が照射される領域が増大してイメージセンサーの感度が向上する。

図７は、図５及び図６に示したイメージセンサー２００の等価回路図である。図７に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサーは、フォトダイオードＰＤ、リセットトランジスタＲｘ、ドライブトランジスタＤｘ及び選択トランジスタＳｘを備える。

リセットトランジスタＲｘは、入力電源ＶｄｄをリセットゲートＲＧにより制御して、リセットトランジスタＲｘのソース電位をＶｄｄ電圧でリセットさせる。フォトダイオードＰＤは、光エネルギーを提供され、これによって電荷を生成する。フォトダイオードＰＤで生成された電荷は、外部に移動し、したがって、リセットトランジスタＲｘのソース電位は低くなり、したがって、これに連結されたドライブゲートＤＧのバイアスが変わり、かかる変化は、選択トランジスタＳｘを通じて出力ラインＯＵＴに出力される。選択トランジスタＳｘは、選択ゲートＳＧにより単位ピクセルを選択できるスイッチング素子である。

以上、本発明の望ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野の当業者であれば、特許請求の範囲に記載の本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明が多様に修正及び変更可能であることを理解できるものである。

本発明は、撮像関連の技術分野に適用可能である。

本発明の一実施形態による透明なトランジスタを備えたＣＭＯＳイメージセンサーの平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。 図１ないし図３に示したイメージセンサーの等価回路図である。 本発明の他の実施形態による透明なトランジスタを備えたＣＭＯＳイメージセンサーの平面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線の断面図である。 図５及び図６に示したイメージセンサーの等価回路図である。

符号の説明

１００ ＣＭＯＳイメージセンサー
１２１ トランスファゲート
１２２ リセットゲート
１４４ ドライブゲート
１４５ 選択ゲート
ＣＴ１ 第１コンタクト
ＣＴ２ 第２コンタクト
Ｄｘ ドライブトランジスタ
ＦＤ フローティング拡散領域
ＯＳ 酸化物半導体層
ＰＤ フォトダイオード
ＲＤ リセット拡散領域
Ｒｘ リセットトランジスタ
Ｓｘ 選択トランジスタ
Ｔｘ トランスファトランジスタ

Claims (9)

1. フォトダイオードと、
   前記フォトダイオード上に形成されたトランジスタと、を備えることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサー。
2. 前記トランジスタは、複数個からなることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
3. 前記トランジスタは、透明なトランジスタであることを特徴とする請求項１または２に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
4. 前記トランジスタは、酸化物半導体からなるチャンネル層を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
5. 前記酸化物半導体は、ＺｎＯ，ＳｎＯ，ＩｎＯのうちいずれか一つからなることを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサー。
6. 前記酸化物半導体は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｒのうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサー。
7. 前記トランジスタは、
   前記フォトダイオードを覆う第１絶縁層上のソース電極及びドレイン電極と、
   前記第１絶縁層上で前記ソース電極及びドレイン電極を覆う前記酸化物半導体からなる酸化物半導体層と、
   前記酸化物半導体層を覆う第２絶縁層と、
   前記第２絶縁層上で前記ソース電極とドレイン電極との間に形成されたゲート電極と、を備えることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
8. 前記ソース電極、前記ドレイン電極及び前記ゲート電極は、透明な電極で形成されたことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサー。
9. 前記透明な電極は、ＩＴＯからなることを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサー。

Images