(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル層の成長を行うステップと、
前記エピタキシャル層の成長を第１深さで停止するステップと、
前記エピタキシャル層の成長を前記第１深さで停止する一方、第１ピクセル領域において前記第１深さで、前記エピタキシャル層にポテンシャル障壁の一部を形成するステップであって、第２ピクセル領域の下方には該ポテンシャル障壁を備えていないため、前記第２ピクセル領域の下方において、前記ポテンシャル障壁の下にある前記第１ピクセル領域の前記エピタキシャル層の一部から、前記ポテンシャル障壁の上にある前記第２ピクセル領域の前記エピタキシャル層の一部に電荷が流れるように構成されている、ポテンシャル障壁を形成するステップと、
前記ポテンシャル障壁の一部を形成した後に、前記エピタキシャル層が最終的な深さに至るまで、前記エピタキシャル層の成長を継続するステップと、
前記第１ピクセル領域において第１色を受け取る第１フォトダイオードを形成するステップと、
第２ピクセル領域において前記第１色よりも長波長の第２色を受け取る第２フォトダイオードを形成するステップと
を含んでなる、イメージセンサの製造方法。
【請求項２】
前記エピタキシャル層にポテンシャル障壁の一部を形成するステップは、低エネルギーのイオン注入を実行することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記低エネルギーのイオン注入を実行することはボロンを注入することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記エピタキシャル層の成長を前記第１深さよりも浅い第２深さで停止するステップと、
前記エピタキシャル層の成長を前記第２深さで停止する一方、前記第１色よりも短波長の第３色を受け取る第３ピクセル領域において前記第２深さで、前記エピタキシャル層に前記ポテンシャル障壁の一部を形成するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１ピクセル領域の上方に第１フィルタを形成するステップであって、該第１フィルタは、前記第１ピクセル領域へと第１色の光が通過するように構成されている、第１フィルタを形成するステップと、
前記第２ピクセル領域の上方に第２フィルタを形成するステップであって、該第２フィルタは、前記第２ピクセル領域へと第２色の光が通過するように構成されている、第２フィルタを形成するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１色は少なくとも緑色又は青色を含み、前記第２色は赤色を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ポテンシャル障壁はＰ型のドープ領域を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
エピタキシャル層の成長を行うステップと、
前記エピタキシャル層の成長を第１深さで停止するステップと、
前記エピタキシャル層の成長を前記第１深さで停止する一方、第１ピクセル領域において前記第１深さで、前記エピタキシャル層にポテンシャル障壁の第１部分を形成するステップと、
前記ポテンシャル障壁の前記第１部分を形成した後に、前記エピタキシャル層が第２深さに至るまで、前記エピタキシャル層の成長を継続するステップと
前記エピタキシャル層の成長を前記第２深さで停止するステップと、
前記エピタキシャル層の成長を前記第２深さで停止する一方、第３ピクセル領域において前記第２深さで、前記エピタキシャル層に前記ポテンシャル障壁の第２部分を形成するステップと、
前記ポテンシャル障壁の前記第２部分を形成した後に、前記エピタキシャル層が最終深さに至るまで、前記エピタキシャル層の成長を継続するステップと
前記第１ピクセル領域に、第１色を受け取る第１フォトダイオードを形成するステップと、
第２ピクセル領域に、前記第１色よりも長波長の第２色を受け取る第２フォトダイオードを形成するステップであって、前記第２ピクセル領域の下方には前記ポテンシャル障壁を備えていないため、前記第２ピクセル領域の下方において、前記ポテンシャル障壁の下にある前記第１ピクセル領域又は前記第３ピクセル領域の前記エピタキシャル層の一部から、前記ポテンシャル障壁の上にある前記第２ピクセル領域の前記エピタキシャル層の一部に電荷が流れるように構成されている、第２フォトダイオードを形成するステップと、
前記第３ピクセル領域に、前記第１色よりも短波長の第３色を受け取る第３フォトダイオードを形成するステップと
を含んでなる、イメージセンサの製造方法。
【請求項９】
前記エピタキシャル層に前記ポテンシャル障壁の第１部分を形成するステップは、低エネルギーのイオン注入を実行することを含み、
前記エピタキシャル層に前記ポテンシャル障壁の第２部分を形成するステップは、低エネルギーのイオン注入を実行することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記低エネルギーのイオン注入を実行することは、ボロンを注入することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１ピクセル領域の上方に第１フィルタを形成するステップであって、該第１フィルタは、前記第１ピクセル領域へと第１色の光を通過させるように構成されている、第１フィルタを形成するステップと、
前記第２ピクセル領域の上方に第２フィルタを形成するステップであって、該第２フィルタは、前記第２ピクセル領域へと第２色の光を通過させるように構成されている、第２フィルタを形成するステップと、
前記第３ピクセル領域の上方に第３フィルタを形成するステップであって、該第３フィルタは、前記第３ピクセル領域へと第３色の光を通過させるように構成されている、第３フィルタを形成するステップと
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１色は緑色を含み、前記第２色は赤色を含み、前記第３色は青色を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ポテンシャル障壁はＰ型のドープ領域を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記エピタキシャル層にポテンシャル障壁の第１部分を形成するステップは、ポテンシャル障壁の第１部分を前記第１ピクセル領域に形成するが、前記第２ピクセル領域及び前記第３ピクセル領域には形成しないことを含み、
前記エピタキシャル層にポテンシャル障壁の第２部分を形成するステップは、ポテンシャル障壁の第２部分を前記第３ピクセル領域に形成するが、前記第１ピクセル領域及び前記第２ピクセル領域には形成しないことを含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体イメージセンサ、詳しくは、光吸収カラーフィルタで覆われている、小
型ピクセルを有するイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサのピクセルは、通常、フォトダイオード、より詳しくは、ピン
ドフォトダイオード（ｐｉｎｎｅｄ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）と、４つのトランジスタと
で構成される。フォトダイオードは、後で電荷を伝達するトランスファトランジスタによ
り、適切な瞬間に電荷検出ノードのフローティング拡散（ＦＤ：Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉ
ｆｆｕｓｉｏｎ）ノードに伝達される光生成電荷を収集する。一方、ＦＤノードは、電荷
が伝達される前に、適切な基準電圧にリセットされなければならない。リセットにより、
ｋＴＣノイズが発生し、これがＦＤノードの示す信号に付加される。したがって、ＦＤノ
ードの電圧を、電荷の伝達前に１回、電荷の伝達後に１回の計２回読み出す必要がある。
この動作を、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）といい
、これは、フォトダイオードから伝達された電荷によって生じるノードの電圧差のみを感
知する。
【０００３】
ソースフォロア（ＳＦ）トランジスタは、ＦＤノードに接続されたゲート、及び電源電
圧（Ｖｄｄ）に接続されたドレイントランジスタとアドレストランジスタとを介して共通
の列感知線に接続されたソースにより、ＦＤノードの電圧の感知を行う。このような理由
から、通常のＣＭＯＳイメージセンサは、それぞれのピクセルに４つのトランジスタ（４
Ｔ）を備える必要がある。ピンドフォトダイオードを有する４Ｔピクセル回路の例は、Ｌ
ｅｅによる米国特許第５，６２５，２１０号で確認することができる。
【０００４】
通常のＣＭＯＳイメージセンサの設計において、Ｇｕｉｄａｓｈによる米国特許第６，
６５７，６６５  Ｂ１の例から分かるように、種々のフォトダイオードのための回路は、
共有することができる。この特許において、デュアルピクセルは、センサイメージアレイ
の隣接する行に位置し、同じ回路を共有する２つのフォトダイオードで構成される。
【０００５】
通常のＣＭＯＳイメージセンサにおけるカラー感知は、図１に示すように、適切なカラ
ーフィルタをフォトダイオード上に配置することによって達成される。青色フィルタ１０
１は、緑色光及び赤色光を吸収し、青色の光子のみがフォトダイオード領域の下に入るよ
うにする。これと同様に、緑色フィルタ１０２は、青色光及び赤色光を吸収し、緑色の光
子のみがシリコンバルクの下に入るようにする。青色及び緑色の光子は、高いエネルギー
を有し、それにより、シリコンバルク、すなわち、高濃度のＰ＋型でドープされたＰ＋型
基板１０６の表面から深さＸｇに位置するシリコンバルク内の特定領域１０４へ速やかに
吸収される。一方、赤色の光子は、低いエネルギーを有し、シリコンバルク内にさらに深
く浸透する。赤色の光子は、何らかの光電子を発生させる前に、深さＸｅｐｉに位置する
Ｐ型エピタキシャル層（Ｐ−エピタキシャル）と高濃度のＰ＋型基板１０６との間の界面
１０５にまで浸透する。このとき、前記界面１０５は、深さＸｒに位置する。
【０００６】
このような高濃度のＰ＋型基板１０６で電子１０７が発生すると、電子は、そこに位置
する正孔と速やかに再結合し、「赤色」のフォトダイオードでは収集されない。一方、非
空乏エピタキシャル層１０９で発生した電子１０８は、寿命が非常に長く、空乏領域１１
０の境界に到達するまで、横拡散及び縦拡散を自由に行う。空乏領域の境界は、シリコン
表面から深さＸｄ１に位置する。電子１１１が空乏領域に入ると、電子は、Ｎ型領域１１
２に位置した、対応するフォトダイオードのポテンシャル井戸内に速やかに拡散する。Ｎ
型領域１１２及びＰ＋型ピン止め層１１３により、フォトダイオードは、シリコン表面の
近くに形成される。このような構造を、ピンドフォトダイオードという。また、Ｐ＋型ピ
ン止め層１１３は、シリコン表面内でエッチングされ、フォトサイトを分離し、対応する
電気回路を互いに孤立させるＳＴＩ領域１１４の側面及び底部に沿って延長する。ＳＴＩ
領域１１４は、シリコン二酸化物で満たされている。さらに、シリコン二酸化物は、フォ
トダイオードの表面領域全体を覆い、トランスファゲート１１７の下に延長する。前記Ｓ
ＴＩ領域１１４に満たされたシリコン二酸化物は、「１１５」で示し、フォトダイオード
の表面全体を覆い、トランスファゲート１１７の下に延長したシリコン二酸化物は、「１
１６」で示している。また、トランスファゲート１１７は、多結晶シリコンで形成される
。
【０００７】
適切なバイアスが接続１１８（概略的に図示）によってトランスファゲート１１７に印
加されると、フォトダイオードのポテンシャル井戸に格納された電子の電荷は、Ｎ＋型ド
ーピングによって形成され、電圧の変化をもたらすＦＤノード１１９上に伝達される。そ
の後、この電圧の変化は、ワイヤ１２０（概略的に図示）によってＦＤノードに接続され
た適切な増幅器（ＳＦ）により感知される。電圧の変化は、所望の信号を表す。フォトダ
イオード及びポリシリコン系のトランスファゲート１１７は、通常、シリコン二酸化物又
はシリコン二酸化物の多重層により形成される別の層１２１によって覆われ、カラーフィ
ルタの配置前に別の透明膜がその上に配置される。その後、マイクロレンズがフィルタ上
に配置され（図示せず）、フォトダイオードの表面領域上に光を集中させる。
【０００８】
図１からよく分かるように、非空乏エピタキシャル層１０９での赤色光発生電子も、横
拡散を行い、隣接するフォトダイオードの空乏領域に入ることができる。赤色光発生電子
が、緑色又は青色の誤ったフォトダイオード井戸にあれば、不要なカラークロストークが
発生させる。このような問題は、ピクセル縦寸法が５μｍ程度で、かつ横寸法が２μｍ以
下の小型ピクセルで著しい。同問題を防止するため、エピタキシャル層の厚さ（すなわち
、深さＸｒの界面１０５）を減少させ、それにより、非空乏エピタキシャル層１０９の厚
さを減少させるか、又はＸｄ１に位置する空乏領域１１０の境界を深さＸｄ２にまで延長
することが可能である。
【０００９】
しかしながら、このような２つのアプローチは、以下のような問題がある。
【００１０】
まず、エピタキシャル層の厚さを薄くすると、Ｐ＋型基板１０６で赤色光電子が多く発
生し、これにより、そこにある正孔と再結合して信号に寄与することができなくなる。適
切な赤色光応答のためには、５．０μｍ程度又はそれ以上のエピタキシャル層の厚さを有
することが好ましい。
【００１１】
また、空乏領域の境界を界面１０５にまで延長することも問題となる。これを達成する
ためにエピタキシャル層を浅くドープすると、暗電流が多く発生し、これは、前記エピタ
キシャルのドーピングレベルのための分離された空乏層の境界１２２が示されているよう
に、シリコン表面の近傍に位置するＰ＋型の中間領域１１３の不連続及び分離をもたらす
。このような問題が発生すると、ピクセルの上部に位置する金属ワイヤといった別の手段
によって別の電気接続をＰ＋型領域の表面に提供する必要がある。しかし、これは、ピク
セル開口効率、すなわち、最終ピクセル量子効率を低減させてしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明の目的は、改善されたカラークロストークを有する、小型ピクセルを有
するイメージセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明のイメージセンサは、第１導電型の基板と、該第１
導電型の基板にアレイされた第１ピクセル及び第２ピクセルと、該第２ピクセルに該当す
る前記基板内には配置されることなく、前記第１ピクセルに該当する前記基板内に配置さ
れたポテンシャル障壁とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】イメージセンサにおいて、上部に配置された光吸収カラーフィルタを有する従来のピクセルを簡略に示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るイメージセンサにおいて、上部に配置された光吸収カラーフィルタを有するピクセルを簡略に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態をさらに詳細に説明する。
【００１６】
本発明は、小型ピクセルセンサの向上した性能を提供することで、結果的に、より小さ
なカラークロストークを発生させる。これは、青色光及び／又は緑色光を受け取るピクセ
ルの下には、クロストークを遮断するポテンシャル障壁を備え、赤色光を受け取るピクセ
ルの下には、ポテンシャル障壁を備えないことによって達成される。
【００１７】
ポテンシャル障壁は、Ｐ型エピタキシャル層内に高エネルギーの深いボロン注入によっ
て形成するか、又はＰ型エピタキシャル層の成長中に低エネルギーのイオン注入によって
形成することも可能である。
【００１８】
注入されたドーピングにより、基板では小さなポテンシャル障壁を生成し、これは、シ
リコンバルク内の深さで赤色光によって発生するキャリアが、「赤色」のフォトダイオー
ド（赤色フィルタの下のフォトダイオード）にのみ流れ込むように誘導し、そこに集まる
ように集中させる。また、深いボロン注入は、不完全な青色フィルタ及び緑色フィルタを
貫通する残りの赤色光によって発生するキャリアを再誘導し、「青色」及び「緑色」のフ
ォトダイオードの下のシリコンバルク内の深さで発生したキャリアをも「赤色」のフォト
ダイオードに流れ込むようにする。
【００１９】
したがって、本発明は、赤色光発生キャリアのカラークロストークを防止すること以外
に、不完全な青色及び緑色のカラーフィルタにより生じるカラークロストークをも改善す
る。その結果、ピクセルサイズが非常に小さく、かつ高性能及び小さなカラークロストー
クを有するＣＭＯＳセンサアレイを設けることが可能となる。
【００２０】
図２は、本発明の実施形態に係る、フォトダイオードに対応する電荷を伝達するトラン
スファトランジスタ２０８を備えるイメージセンサのピクセルを簡略に示す断面図である
。フォトダイオード領域上に配置された層間透明誘電膜２０４上に、青色フィルタ２０１
、緑色フィルタ２０２、及び赤色フィルタ２０３が配置されている。Ｐ＋型ドープ層２１
７は、Ｎ型ドープ層２１０と共に、ピンドフォトダイオードを構成する。Ｐ＋型ドープ層
２１７は、ＳＴＩ領域２０６の側面及び底部領域を含むシリコンの露出した表面全体にわ
たって延長する。ＳＴＩ領域２０６は、酸化物２０７で満たされている。また、別の酸化
物層２０５は、シリコンの表面全体を覆い、ポリシリコン系のトランスファゲート２０８
の下に延長する。Ｎ＋型ドープ層２０９は、増幅器（ＳＦ）（図示せず）に接続されたＦ
Ｄノードを形成する。
【００２１】
ピンドフォトダイオードで全ての電荷が空乏化すると、空乏領域２１１がシリコンバル
ク内の深さＸｄ１で形成される。高エネルギーのボロンイオン注入により形成されたＰ型
ドープ層２１２は、ポテンシャル障壁として機能する。この層は、空乏領域２１１の下の
深さＸｇで「青色」及び「緑色」のフォトダイオードの下にのみ位置し、ここで、ほとん
どの緑色及び青色の光子は、既に電子２１５に転換されている。この電子２１５は、空乏
領域２１１のエッジから、短距離においては上方に移動し、Ｎ型ドープ層２１０に位置す
るフォトダイオードのポテンシャル井戸内に速やかに拡散する。縦拡散距離が非常に短く
なり得ることから、横拡散及びそれに伴うカラークロストークの発生の可能性は低い。ま
た、Ｐ型ドープ層２１２が電子に対して小さなポテンシャル障壁を形成し、電子の横拡散
を防止することにより、赤色光発生電子２１６も上方に誘導される。さらに、Ｐ型ドープ
層２１２の下の赤色光発生電子２１４も、ポテンシャル障壁を克服することができず、Ｐ
型ドープ層２１２の周辺に拡散して赤色のフォトダイオードのポテンシャル井戸に到達し
なければならない。これは、不完全なカラーフィルタにより生じるカラークロストークを
より一層改善する。
【００２２】
したがって、Ｐ型エピタキシャル層（Ｐ−エピタキシャル）は、誤ったフォトダイオー
ドへの横拡散を低減させることなく、赤色光電子への効率的な変換のための、適切かつ充
分な深さＸｒを有することができる。Ｐ型エピタキシャル層とＰ＋型基板との界面２１３
は、赤色光電子への変換をさらに向上させるため、通常よりもシリコン内においてより深
く配置することができる。また、最小暗電流及び表面のＰ＋型ドープ層２１７とＰ＋型基
板２１８との導電性接続を向上させるため、Ｐ型エピタキシャル層のドーピングを最適化
することができる。上の説明から、この分野の現在の技術状態に比べて、シリコンバルク
のピクセル縦横比、すなわち、ピクセル横寸法に対する効果的なピクセルシリコンの厚さ
が、カラークロストークへの否定的な影響なく著しく増加できることは明らかである。
【００２３】
周知のように、赤色光の波長が最も長く、緑色光及び青色光の波長が順に短くなる。そ
のため、赤色光による光生成電荷は、Ｐ型エピタキシャル層のより深い領域で生成され得
る。したがって、これを考慮して、適切な深さＸｇでＰ型ドープ層２１２が形成される。
【００２４】
上の説明が、ピクセル回路ではなく、フォトダイオードにのみ焦点を合わせることによ
り、共有されるピクセル回路を本発明に利用することもできることが分かる。すなわち、
各ピクセルは、光生成電荷を電気的信号として読み出すための回路を共有し、共有される
回路は、共有されるフローティング拡散ノードによって光生成電荷を読み出すことができ
る。
【００２５】
また、本発明を３Ｔピクセル構造に容易に適用することができることは、当該技術分野
における通常の知識を有する者にとって明らかであり、これは、本発明の他の実施形態を
示す。
【００２６】
さらに、Ｐ型ドープ層２１２は、高エネルギーのイオン注入によって注入されなければ
ならないのではなく、Ｐ型ドープ層２１２がエピタキシャル層の成長中に形成され得るこ
とは、当該技術分野における通常の知識を有する者にとって明らかである。エピタキシャ
ル成長は、厚さＸｒと厚さＸｇとの間で止めることができ、ボロンは、低エネルギーのイ
オン注入によって注入するか、又は別の手段によって配置することが可能である。その後
、エピタキシャル成長は、本来の厚さＸｒを完成するまで継続させることができる。これ
は、本発明のさらなる実施形態を示す。
【００２７】
最後に、Ｐ型ドープ層２１２が深さＸｇで緑色のフォトダイオードの下にのみ配置され
てもよく、他の類似したＰ型ドープ層が深さＸｇよりも浅い深さＸｂ（図示せず）で「青
色」のフォトダイオードの下にのみ配置してもよいことは、当該技術分野における通常の
知識を有する者にとって明らかである。これもまた、本発明のさらなる実施形態を示す。
【００２８】
本発明は、緑色又は／及び青色のフォトダイオードの下にポテンシャル障壁であるＰ型
ドープ層を備え、赤色のフォトダイオードの下には備えないことにより、小さいピクセル
サイズ、優れた赤色光応答及び小さなカラークロストークを有する固体ＣＭＯＳイメージ
センサを提供する。
【００２９】
以上、より小さいサイズのピクセルにおいて、改善されたクロストークを有する新しい
ピクセルの好ましい実施形態を説明しており、これは、深いＰ型領域を緑色及び青色のフ
ォトダイオードの下に備え、赤色のフォトダイオードの下には備えないことによって達成
される。このような改善及び革新は、例示的なものに過ぎず、当該技術分野における通常
の知識を有する者が上記の説明に基づいた変形例を作り出すことができることは言うまで
もない。また、本発明のイメージセンサに関する実施形態は、ＣＭＯＳイメージセンサに
も適用可能である。
【００３０】
したがって、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明に係る技
術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術
的範囲に属する。
【符号の説明】
【００３１】
２０１      青色フィルタ
２０２      緑色フィルタ
２０３      赤色フィルタ
２０８      トランスファゲート
２０９      Ｎ＋型ドープ層
２１１      空乏領域
２１２      Ｐ型ドープ層
２１８      Ｐ＋型基板
【図１】
0005973958.tif 000002
【図２】
0005973958.tif 000003