(57)【要約】      （修正有）【課題】画像センサの性能を向上させる。【解決手段】撮像装置が、入射画像光に応答して電荷を蓄積するための感光性素子１４５を有する半導体基板１４０を含む。半導体基板は、画像光を受け取るように位置付けられた受光面を含む。撮像装置は、負電荷層１２７及び電荷吸い込み層１２３も含む。負電荷層は、半導体基板内の受光面に沿った蓄積域内に正孔を誘発するように半導体基板の受光面に近接して配置される。電荷吸い込み層は、負電荷層に近接して配置され、負電荷層内の負電荷の量を維持し又は増加させるように構成される。負電荷層は、半導体基板と電荷吸い込み層の間に配置される。【選択図】図１
2014204126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する画像光に応答して電荷を蓄積するための感光性素子を含み、前記画像光を受け取るように位置付けられた受光面を有する半導体基板と、
前記半導体基板内の前記受光面に沿った蓄積域内に正孔を誘発するように前記半導体基板の前記受光面に近接して配置された負電荷層と、
前記負電荷層に近接して配置された電荷吸い込み層と、
を備え、前記電荷吸い込み層は、前記負電荷層内の負電荷の量を維持し又は増加させるように構成され、前記負電荷層は、前記半導体基板と前記電荷吸い込み層の間に配置される、
ことを特徴とする画像センサ。
【請求項２】
前記負電荷層は、ハフニウムアルミニウム酸化物を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の画像センサ。
【請求項３】
前記負電荷層は、前記ハフニウムアルミニウム酸化物内のアルミニウムの段階的分布を含み、前記ハフニウムアルミニウム酸化物は、前記負電荷層の底部側の近接よりも前記負電荷層の上部側の近接にアルミニウムが多く分布し、前記底部側は、前記上部側よりも前記感光性素子に近接する、
ことを特徴とする請求項２に記載の画像センサ。
【請求項４】
前記段階的分布は、アルミニウム含有量の逐次的増加である、
ことを特徴とする請求項３に記載の画像センサ。
【請求項５】
前記段階的分布は、アルミニウム含有量の段階的増加である、
ことを特徴とする請求項２に記載の画像センサ。
【請求項６】
前記ハフニウムアルミニウム酸化物内の前記アルミニウムは、実質的に均一に分布する、
ことを特徴とする請求項２に記載の画像センサ。
【請求項７】
前記電荷吸い込み層は、正に帯電する、
ことを特徴とする請求項１に記載の画像センサ。
【請求項８】
前記画像センサは、背面照射型画像センサ（「ＢＳＩ」）であり、前記受光面は、前記ＢＳＩの背面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の画像センサ。
【請求項９】
前記負電荷層の第１の厚み及び前記電荷吸い込み層の第２の厚みが、前記画像光の反射量を減少させるように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の画像センサ。
【請求項１０】
前記負電荷層と前記半導体基板の間に配置された絶縁層と、
前記負電荷層と前記電荷吸い込み層の間に配置された第１の電荷遮断バリア層（「ＣＢＢＬ」）と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の画像センサ。
【請求項１１】
前記絶縁層と前記負電荷層の間に配置された第２のＣＢＢＬをさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の画像センサ。
【請求項１２】
前記負電荷層と前記電荷吸い込み層の間に配置された第１の電荷遮断バリア層（「ＣＢＢＬ」）と、
前記電荷吸い込み層の、前記第１のＣＢＢＬとは反対側に配置された酸素バリアと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の画像センサ。
【請求項１３】
撮像装置であって、
撮像画素のアレイと、
前記撮像画素のアレイに結合されて、前記アレイ内の前記撮像画素の各々から画像データを読み出す読み出し回路と、
を備え、各撮像画素は、
入射する画像光に応答して電荷を蓄積するための感光性素子を含み、前記画像光を受け取るように位置付けられた受光面を有する半導体基板と、
前記半導体基板内の前記受光面に沿った蓄積域内に正孔を誘発するように前記半導体基板の前記受光面に近接して配置された負電荷層と、
前記負電荷層に近接して配置された電荷吸い込み層と、
を含み、前記電荷吸い込み層は、前記負電荷層内の負電荷の量を維持し又は増加させるように構成され、前記負電荷層は、前記半導体基板と前記電荷吸い込み層の間に配置される、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
前記負電荷層は、ハフニウムアルミニウム酸化物を含む、
ことを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記負電荷層は、前記ハフニウムアルミニウム酸化物内のアルミニウムの段階的分布を含み、前記ハフニウムアルミニウム酸化物は、前記負電荷層の底部側よりも前記負電荷層の上部側に近い方にアルミニウムが多く分布し、前記底部側の方が前記上部側よりも前記感光性素子に近接する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記ハフニウムアルミニウム酸化物内の前記アルミニウムは、実質的に均一に分布する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置。
【請求項１７】
前記電荷吸い込み層は、正に帯電する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１８】
各撮像画素は、
前記負電荷層と前記半導体基板の間に配置された絶縁層と、
前記負電荷層と前記電荷吸い込み層の間に配置された第１の電荷遮断バリア層（「ＣＢＢＬ」）と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１９】
各撮像画素は、前記絶縁層と前記負電荷層の間に配置された第２のＣＢＢＬをさらに含む、
ことを特徴とする請求項１８に記載の撮像装置。
【請求項２０】
各撮像画素は、
前記負電荷層と前記電荷吸い込み層の間に配置された第１の電荷遮断バリア層（「ＣＢＢＬ」）と、
前記電荷吸い込み層の、前記第１のＣＢＢＬとは反対側に配置された酸素バリアと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に画像センサに関し、詳細には、排他的な意味ではないが、背面照射型画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
画像センサは、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、防犯カメラ、並びに医療用途、自動車用途及びその他の用途に広く用いられている。より低コストの画像センサをシリコン基板上に作製するために、相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）技術が使用される。多くの画像センサは、通常、数百個、数千個、又は数百万個もの光センサセルを含む。
【０００３】
画像センサでは、画像センサの画素内の感光性素子に入射する画像光の量を増やすために、背面照射（「ＢＳＩ」）技術が使用されることが多い。ＢＳＩ技術を使用する場合、（入射した画像光により生成される）光電子を収集して測定できる画像センサの前面側に光電子を導く電界を形成するために背面蓄積が役立つ。半導体基板の背面における蓄積がなければ、電子が背面に拡散して再結合による損失を生じることがあり、これにより画像センサの感度が低下する可能性がある。半導体基板の背面における蓄積には、半導体基板の別の層（例えば、二酸化シリコン絶縁層）との界面から生じる「暗電流」を低減又は阻害できるという利点がある。「暗電流」を低減させると、画像センサの信号対雑音比が向上し、重要なことに画像センサの感度が高まる。画像センサ業界は、半導体基板の背面における蓄積が有利であることから、画像センサの性能を高める背面蓄積を生じさせようと努めている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
特に定めのない限り様々な図を通じて同様の参照数字が同じ部分を示す以下の図を参照しながら、本発明の非限定的かつ非包括的な実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本開示の実施形態による、負電荷層及び電荷吸い込み層を有する背面照射型画像センサの画素の一例を示す図である。
【図２】本開示の実施形態による、負電荷層及び電荷吸い込み層を有する背面照射型画像センサの画素の例示的な層を示す図である。
【図３】本開示の実施形態による、図２の層間を電子が移動するのに必要なエネルギーに関連する画素内の層の位置を示す図表である。
【図４】本開示の実施形態による、段階的負電荷層及び電荷吸い込み層を有する背面照射型画像センサの画素の例示的な層を示す図である。
【図５】本開示の実施形態による、図４の層間を電子が移動するのに必要なエネルギーに関連する画素内の層の位置を示す図表である。
【図６】本開示の実施形態による、負電荷層及び電荷吸い込み層を有する背面照射型画像センサの画素の例示的な層を示す図である。
【図７】本開示の実施形態による、図６の層間を電子が移動するのに必要なエネルギーに関連する画素内の層の位置を示す図表である。
【図８】本開示の実施形態による、負電荷層及び電荷吸い込み層を有する背面照射型画像センサの画素の例示的な層を示す図である。
【図９】本開示の実施形態による、図８の層間を電子が移動するのに必要なエネルギーに関連する画素内の層の位置を示す図表である。
【図１０】本開示の実施形態による、負電荷層及び電荷吸い込み層を有する背面照射型画像センサの画素の例示的な層を示す図である。
【図１１】本開示の実施形態による、図１０の層間を電子が移動するのに必要なエネルギーに関連する画素内の層の位置を示す図表である。
【図１２】本開示の実施形態による撮像システムを示すブロック図である。
【図１３】本開示の実施形態による、撮像アレイ内の２つの４トランジスタ（「４Ｔ」）画素の画素回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本明細書では、画像センサ及び撮像システムの実施形態について説明する。以下の説明では、実施形態を完全に理解できるように数多くの特定の詳細を示している。しかしながら、当業者であれば、これらの特定の詳細の１つ又はそれ以上を使用せずに他の方法、構成要素、材料などを使用して、本明細書で説明する技術を実施できると認識するであろう。その他の場合、いくつかの態様を曖昧にしないために、周知の構造、材料又は方法については詳細に説明していない。
【０００７】
本明細書を通じて、「１つの実施形態」又は「ある実施形態」に対する言及は、これらの実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書を通じて様々な箇所で出現する「１つの実施形態では」又は「ある実施形態では」という表現は、必ずしも全てが同じ実施形態について言及しているわけではない。さらに、１又はそれ以上の実施形態において、特定の特徴、構造又は特性をあらゆる好適な形で組み合わせることもできる。
【０００８】
図１に、本開示の実施形態による、負電荷層１２７を有する背面照射型（「ＢＳＩ」）画像センサの画素１００を示す。画素１００は、マイクロレンズ１１３、カラーフィルタ１１７、反射防止要素１２０、絶縁層１３０、半導体基板１４０及び金属層１５０を含む。反射防止要素１２０は、電荷吸い込み層１２３及び負電荷層１２７を含む。
【０００９】
負電荷層１２７は、負の固定電荷を保持し、負に帯電している。電荷吸い込み層１２３は、負電荷層１２７から正電荷を吸い込むように機能する。負電荷層１２７から正電荷を吸い込むことにより、負電荷層１２７の負電荷が増加し、又は保持される。負電荷層１２７から正電荷を「吸い込む」ために、電荷吸い込み層１２３は正に帯電することができる（すなわち、この層は正の固定電荷を保持する）。場合によっては、電荷吸い込み層が、実際に負電荷層に電子を供給することもできる。
【００１０】
より詳細に説明すると、負電荷層１２７を半導体層基板１４０に近接して配置し、半導体基板の蓄積域に正孔を誘発する。電荷吸い込み層１２３は、負電荷層１２７内の負電荷を適所に保持し、これにより負電荷層１２７が、蓄積域内の正孔を許容可能な孔密度で適所に保持できるようになる。
【００１１】
電荷吸い込み層１２３及び負電荷層１２７の厚みは、画像光１０５が層１２３と層１２７の界面で反射されることなく感光性素子１４５に移動するように実質的に反射防止性となるようにサイズ決めされるので、層１２３と層１２７の組み合わせは反射防止要素１２０と呼ばれる。層１２３及び層１２７の厚みは、各層の屈折率に基づくと同時に画像光１０５の波長も考慮してサイズ決めすることができる。カラーフィルタ１１７と絶縁層１３０の間に図１に示すよりも多くの層が存在する実施形態では、電荷吸い込み層１２３及び負電荷層１２７の厚みを反射防止用にサイズ決めする上でさらなる検討が行われるであろう。
【００１２】
半導体基板１４０は、入射画像光１０５に応答して電荷を蓄積するための感光性素子１４５を含む。金属層１５０は、画素１００の読み出しを容易にするように構成された金属相互接続を含むことができる。例えば、金属層１５０は、感光性素子１４５内の電子（画像光１０５からのフォトンによって発生した）を浮遊拡散領域に移動させる移送ゲート（図示せず）の電極を含むことができる。浮遊拡散領域（図示せず）は、半導体基板１４０内に位置することもできる。
【００１３】
図示の実施形態では、画像光１０５は、マイクロレンズ１１３、カラーフィルタ１１７、電荷吸い込み層１２３、負電荷層１２７、絶縁層１３０及び半導体基板１４５にこの順序で遭遇する光路に沿って伝播する。他の実施形態では、層の一部を再配置し、或いは層を追加又は除去することができる。いくつかの実施形態では、カラーフィルタ１１７を含まなくてもよい。画像光１０５が光路に沿ってマイクロレンズ１１３にぶつかると、マイクロレンズ１１３は、（光学効率のために）画像光１０５を合焦又は集光して感光性素子１４５に向ける。集積期間（露光期間又は蓄積期間とも呼ばれる）中、画像光１０５は感光性素子１４５に入射し、感光性素子１４５は、この入射光に応答して電気信号（光生成電荷）を生成する。この電気信号は、感光性素子１４５内に保持される。この段階では、移送ゲート（図示せず）はオフであってもよい。集積期間が過ぎると、移送ゲートをオンにして感光性素子１４５からの電子を浮遊拡散領域に移動させることができ、その後これらの電子が画像センサの読み出し回路によって読み出される。
【００１４】
図２〜図１１には、マイクロレンズ１１３と金属層１５０の間に配置できる層の例を示している。当業者であれば、マイクロレンズ１１３と金属層１５０の間には、図２〜図１１に示してないさらなる層を含めることもできると理解するであろう。例えば、（赤外フィルタなどの）さらなる光学層、及び／又は酸化層及び金属グリッド層を含めることができる。
【００１５】
図２には、本開示の実施形態による、負電荷層を有するＢＳＩ画像センサの画素の例示的な層を示す。半導体基板１４０は、受光面２４１を含む。図示の実施形態では、図示の層がＢＳＩ画像センサ用であるため、受光面２４１は半導体１４０の背面に存在する。換言すれば、受光面２４１は、図２では受光面２４１の反対側の面である半導体基板１５０の表側面２４２よりも先に画像光１０５を受け取る。
【００１６】
図２では、負電荷層２２７が、ハフニウムアルミニウム酸化物（ＨｆＡｌｘＯｙ）から作製される。いくつかの例では、負電荷層内に他の元素が少量存在することもあるが、これらの例でも、負電荷層の主成分はやはりハフニウムアルミニウム酸化物である。ハフニウムアルミニウム酸化物は、本質的に負帯電物質である。図２に示すように、（二酸化シリコンとすることができる）絶縁層１３０が、負電荷層２２７と半導体基板１４０の間に薄層を提供する。しかしながら、ハフニウムアルミニウム酸化物は本質的に負帯電物質であるため、これが（受光面２４１に沿って配置されている）基板１４０に近接することにより、受光面２４１の近くの蓄積域２４３に正孔が形成されるようになる。電荷吸い込み層２２３は、負電荷層２２７内の負電荷を適所に保持する本質的に正帯電物質であるタンタル酸化物（例えば、Ｔａ２Ｏ５）から作製することができ、これにより蓄積域２４３内の正孔をさらに適所に保持することができる。蓄積域２４３内の蓄積された正孔は、半導体基板１４０と絶縁層１３０の間の界面の結果として生成されることがある暗電流が、感光性素子１４５によって生成された画像信号の一部となることを抑える。この結果、ＢＳＩ画像センサの性能が向上する。
【００１７】
従来のＢＳＩ画像センサでは、半導体基板に近接する負電荷層として様々な２元素金属酸化物が使用されていた。例えば、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ２）、チタン酸化物（ＴｉＯ２）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）、タンタル酸化物（Ｔａ２Ｏ３）及び酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が負電荷層として使用されていた。しかしながら、出願人らは、負電荷層としてハフニウムアルミニウム酸化物を使用することを提案する。出願人らの実験及びデータ解析では、ハフニウムアルミニウム酸化物の特性により、従来の負電荷層よりも高い性能が得られることが示された。意外なことに、実験では、ハフニウムアルミニウム酸化物が、負電荷層に使用されている従来の金属酸化物よりも（時間と共に）安定する負の固定電荷を提供することが示された。また、出願人らのデータでは、ハフニウムアルミニウム酸化物によって蓄積域２４３内により高密度な正孔が誘発され、これにより従来の負電荷層よりも暗電流が低下することが示された。このハフニウムアルミニウム酸化物の正孔誘発性は、同じ厚みの場合に従来の負電荷層よりも多くの負電荷を保持するというハフニウムアルミニウム酸化物の能力に由来すると考えられる。さらに、負電荷層の光学特性は反射防止要素２２０の構成にも重要であるので、蓄積域２４３内により高い正孔密度を誘発できることにより、負電荷層２２７の厚みを従来の解決策よりも薄くすることができる。
【００１８】
図３は、本開示の実施形態による、図２の層間を電子が移動するのに必要なエネルギーに関連する画素内の層の位置を示す図表である。図３には、シリコン層とハフニウムアルミニウム酸化物層の間にシリコン酸化物層が配置されることを示している。また、ハフニウムアルミニウム酸化物は、シリコン酸化物層とタンタル酸化物層の間に配置される。図示のシリコン層は基板層の例であり、シリコン酸化物層は絶縁層の例であり、ハフニウムアルミニウム層は負電荷層の例であり、タンタル酸化物層は電荷吸い込み層の例である。
【００１９】
図４には、本開示の実施形態による、段階的負電荷層を有する背面照射型画像センサの画素の例示的な層を示す。負電荷層４２７内のハフニウムアルミニウム酸化物のアルミニウムは段階的に分布しているので、図４に示す実施形態は図２に示す実施形態と異なる。具体的には、負電荷層４２７の（電荷吸い込み層２２３に最も近い）上部側近くの方が、負電荷層４２７の（絶縁層１３０に最も近い）底部側よりもアルミニウムが多く分布している。対照的に、図２に示す負電荷層２２７では、ハフニウムアルミニウム酸化物内のアルミニウムが実質的に均一に分布する。
【００２０】
図５は、本開示の実施形態による、図４の層間を電子が移動するのに必要なエネルギーに関連する画素内の層の位置を示す図表である。図５の図表は、ハフニウムアルミニウム酸化物層がシリコン層の位置に近づくほど先細りになっている点で図３の図表とは異なる。これにより、負電荷層４２７により保持される負電荷キャリアが電荷吸い込み層（例えば、Ｔａ２Ｏ５）に近づくにつれ、電荷吸い込み層に移動するために必要なエネルギー量が高くなることが分かる。この理由は、ハフニウムアルミニウム酸化物層が電荷吸い込み層に近づくにつれてアルミニウムの濃度が高くなり、アルミニウム含有量が増えることにより、（Ｔａ２Ｏ５として示す）電荷吸い込み層内の正電荷キャリアと結合する可能性がある負電荷キャリアに対してより良好なバリアを提供するからである。従って、段階的負電荷層を有することにより、負帯電層と正帯電層の間の再結合相互作用の量を抑えることができる。この結果、負帯電層は、蓄積域２４３内の正孔を誘発する負電荷をより良好に保持することができる。
【００２１】
図４及び図５に示す段階的負電荷層を作製するには、原子層堆積（「ＡＬＤ」）プロセスを使用してハフニウムアルミニウム酸化物の副層を定めることができる。絶縁層１３０を形成した後に、ハフニウムアルミニウム酸化物の１又はそれ以上の初期副層を堆積させることができる。この初期副層により、第１のアルミニウム濃度／分布を有するハフニウムアルミニウム酸化物が形成される。その後に堆積されたハフニウムアルミニウム酸化物の副層は、初期副層よりもアルミニウム濃度／分布が大きく、これによりアルミニウムの段階的分布が形成される。ハフニウムアルミニウム酸化物層内のアルミニウム分布の段階は、（図５にＨｆＡｌＯの滑らかな先細りで示すように）逐次的なものであっても、或いはより急激な又は階段状であってもよい。当然ながら、ＡＬＤを用いて各副層を形成する際には、図２及び図３に示す負電荷層を作製するようにハフニウムアルミニウム酸化物内のアルミニウム濃度／分布を実質的に同じにすることもできる。
【００２２】
図６には、本開示の実施形態による、負電荷層と電荷吸い込み層を有する背面照射型画像センサの画素の例示的な層を示す。図６では、絶縁体１３０と負電荷層６２７の間に第１の電荷遮断バリア層６３３が配置され、電荷吸い込み層２２３と負電荷層６２７の間に第２の電荷遮断層６３４が配置されている。電荷遮断バリア層６３３及び６３４は、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）で作製することができる。１つの実施形態では、電荷遮断バリア層６３３及び６３４の一方又は両方が、アルミニウム含有量を増やしたハフニウムアルミニウム酸化物で作製される。電荷遮断バリア６３３及び６３４は、層２２３、層６２７、及び基板１４０間の電子の移動を阻止し、層の所望の電荷を維持する役に立つ。図６では、負電荷層６２７を、ＨｆＯ２を含むように示しているが、いくつかの実施形態では、負電荷層６２７を、アルミニウム濃度を減らしたハフニウムアルミニウム酸化物で作製することができる。
【００２３】
図７は、本開示の実施形態による、図６の層間を電子が移動するのに必要なエネルギーに関連する画素内の層の位置を示す図表である。図７には、層を左から右に、シリコン層（基板）、シリコン酸化物層（絶縁層）、アルミニウム酸化物（電荷遮断バリア）、ハフニウム酸化物層（負電荷層の例）、アルミニウム酸化物（電荷遮断バリア）、及びタンタル酸化物層（電荷吸い込み層の例）として示している。
【００２４】
図８には、本開示の実施形態による、負電荷層と電荷吸い込み層とを有する背面照射型画像センサの画素の例示的な層を示す。図８では、電荷吸い込み層２２３と負電荷層６２７の間に電荷遮断バリア層６３４が配置されている。電荷遮断バリア層６３４は、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）で作製することができる。１つの実施形態では、電荷遮断バリア層６３４が、アルミニウム濃度の高いハフニウムアルミニウム酸化物で作製される。電荷遮断バリア６３４は、層２２３と層６２７の間の電子の移動を阻止し、層の所望の電荷を維持する役に立つ。図８では、負電荷層６２７を、ＨｆＯ２を含むように示しているが、いくつかの実施形態では、負電荷層６２７を、アルミニウム濃度の低いハフニウムアルミニウム酸化物で作製することができる。
【００２５】
図９は、本開示の実施形態による、図８の層間を電子が移動するのに必要なエネルギーに関連する画素内の層の位置を示す図表である。図９には、層を左から右に、シリコン層（基板）、シリコン酸化物層（絶縁層）、ハフニウム酸化物層（負電荷層の例）、アルミニウム酸化物（電荷遮断バリア）、及びタンタル酸化物層（電荷吸い込み層の例）として示している。
【００２６】
図１０には、本開示の実施形態による、負電荷層及び電荷吸い込み層を有する背面照射型画像センサの画素の例示的な層を示す。図１０では、電荷吸い込み層２２３と負電荷層６２７の間に電荷遮断バリア層６３４が配置されている。電荷遮断バリア層６３４は、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）で作製することができる。１つの実施形態では、電荷遮断バリア層６３４が、アルミニウム濃度の高いハフニウムアルミニウム酸化物で作製される。電荷遮断バリア６３４は、層２２３と層６２７の間の電子の移動を阻止し、層の所望の電荷を維持する役に立つ。図１０では、負電荷層６２７を、ＨｆＯ２を含むように示しているが、いくつかの実施形態では、負電荷層６２７を、アルミニウム濃度の低いハフニウムアルミニウム酸化物で作製することができる。図１０には、酸素バリア層６３５も含まれる。酸素バリア層６３５は、電荷吸い込み層２２３内に拡散する酸素を減少させる低い酸素拡散係数を有するアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）で作製することができる。電荷吸い込み層２２３内に酸素が拡散すると、電荷吸い込み層の所望の電荷に悪影響が及ぶ恐れがあるので、電荷吸い込み層２２３内に酸素が拡散するのを防ぐことが望ましい。
【００２７】
図１１は、本開示の実施形態による、図８の層間を電子が移動するのに必要なエネルギーに関連する画素内の層の位置を示す図表である。図１１には、層を左から右に、シリコン層（基板）、シリコン酸化物層（絶縁層）、アルミニウム酸化物（電荷遮断バリア）、ハフニウム酸化物（負電荷層の例）、タンタル酸化物層（電荷吸い込み層の例）及びアルミニウム酸化物（酸素バリア層の例）として示している。
【００２８】
図６〜図１１に関連する実施形態では、場合によっては、電荷吸い込み層が実際に負電荷層に電子を供給することもある。これは、電荷吸い込み層が（Ｔａ２Ｏ５の代わりに）Ｓｉ３Ｎ４を含み、かつ負電荷層がＨｆＯ２を含む場合に生じ得る。
【００２９】
図１２は、本開示の実施形態による撮像システム１２００を示すブロック図である。図示の撮像システム１２００の実施形態は、画素アレイ１２０５、読み出し回路１２１０、機能論理回路１２１５、及び制御回路１２２０を含む。
【００３０】
画素アレイ１２０５は、撮像センサ又は画素（例えば、画素Ｐ１、Ｐ２、．．．、Ｐｎ）の２次元（「２Ｄ」）アレイである。１つの実施形態では、各画素が相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）撮像画素である。図示のように、各画素は、行（例えば、行Ｒ１〜Ｒｙ）と列（（例えば、列Ｃ１〜Ｃｘ）の形に配置されて、人物、場所又は物体の画像データを取得し、このデータを用いてこれらの人物、場所又は物体の２Ｄ画像をレンダリングすることができる。画素アレイ１２０５の画素には、画素１００及び図１〜図５に関連する実施形態を組み入れることができる。
【００３１】
各画素がその画像データ又は画像電荷を取得した後には、これらの画像データが読み出し回路１２１０によって読み出され、機能論理回路１２０５に転送される。読み出し回路１２１０は、増幅回路、アナログ−デジタル変換（「ＡＤＣ」）回路、又はその他を含むことができる。機能論理回路１２０５は、画像データを単純に記憶することができ、或いは（トリミング、回転、赤目除去、輝度調整、コントラスト調整、又はその他などの）後処理画像効果を加えることによって画像データを操作することもできる。１つの実施形態では、読み出し回路１２１０が、読み出し列の線（図示）に沿った時点で画像データの行を読み出すことができ、或いは全ての画素の直列読み出し又は同時完全並列読み出しなどの他の様々な技術（図示せず）を用いて画像データを読み出すことができる。画素アレイ１２０５には、画素アレイ１２０５の動作特性を制御するように制御回路１２２０が結合される。例えば、制御回路１２２０は、画像の取得を制御するためのシャッター信号を生成することができる。
【００３２】
図１３は、本開示の実施形態による、撮像アレイ内の２つの４トランジスタ（「４Ｔ」）画素の画素回路１３００を示す回路図である。画素回路１３００は、図１２の画素アレイ１２０５内の各画素を実装するための１つの考えられる画素回路アーキテクチャである。しかしながら、本開示の実施形態は、４Ｔ画素アーキテクチャに限定されると理解すべきではなく、むしろ本開示の恩恵を受ける当業者であれば、本発明の教示を３Ｔ設計、５Ｔ設計及びその他の様々なアーキテクチャにも適用できると理解するであろう。
【００３３】
図１３では、画素Ｐａ及び画素Ｐｂが、２行及び１列に配列されている。図示の各画素回路１３００の実施形態は、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴ１、リセットトランジスタＴ２、ソースフォロアー（「ＳＦ」トランジスタＴ３、選択トランジスタＴ４、及び蓄積コンデンサＣ１を含む。動作中、転送トランジスタＴ１は転送信号ＴＸを受け取り、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を浮遊拡散ノードＦＤに転送する。１つの実施形態では、浮遊拡散ノードＦＤを、画像電荷を一時的に蓄えるための蓄積コンデンサに結合することができる。
【００３４】
リセットトランジスタＴ２は、パワーレールＶＤＤと浮遊拡散ノードＦＤの間に結合され、リセット信号ＲＳＴの制御によって画素をリセットする（例えば、ＦＤ及びＰＤを設定電圧に放電又は充電する）。浮遊拡散ノードＦＤは、ＳＦトランジスタＴ３を制御するために結合される。ＳＦトランジスタＴ３は、パワーレールＶＤＤと選択トランジスタＴ４の間に結合される。ＳＦトランジスタＴ３は、浮遊拡散ＦＤへの高インピーダンス接続を提供するソースフォロアーとして動作する。最後に、選択トランジスタＴ４は、選択信号ＳＥＬの制御によって画素回路１３００の出力を読み出し列の線に選択的に結合する。１つの実施形態では、ＴＸ信号、ＲＳＴ信号及びＳＥＬ信号が制御回路１２２０によって生成される。
【００３５】
本発明の例示的な実施形態についての上記の説明は、要約書の記述を含め、包括的であること、又は開示した正確な形に本発明を限定することを意図するものではない。本明細書では、例示を目的として本発明の特定の実施形態及びその例について説明したが、当業者であれば理解するように、本発明の範囲内で様々な修正が可能である。
【００３６】
これらの修正は、上記の詳細な説明に照らして本発明に対し行うことができる。添付の特許請求の範囲で使用する用語は、明細書に開示する特定の実施形態に本発明を限定するものであると解釈すべきではない。むしろ、本発明の範囲は、確立された請求項解釈の原則に従って解釈すべき以下の特許請求の範囲によってのみ決定すべきでものある。
【図１】
2014204126.tif 000003
【図２】
2014204126.tif 000004
【図３】
2014204126.tif 000005
【図４】
2014204126.tif 000006
【図５】
2014204126.tif 000007
【図６】
2014204126.tif 000008
【図７】
2014204126.tif 000009
【図８】
2014204126.tif 000010
【図９】
2014204126.tif 000011
【図１０】
2014204126.tif 000012
【図１１】
2014204126.tif 000013
【図１２】
2014204126.tif 000014
【図１３】
2014204126.tif 000015
【外国語明細書】
2014204126000001.pdf