(57)【要約】【課題】フォトダイオードのブルーミングを制御するための手法を提供する。  【解決手段】本発明は、フォトダイオードを含む少なくとも１つのセルを有する集積回路を提供する。このフォトダイオードは、半導体基板の一部分および該基盤部分上に位置する中間層との間に形成される下位ｐｎ接合、および中間層と該中間層よりさらに高ドープ化された上位層との間に形成される上位ｐｎ接合とを備える。上位接合の順方向バイアス電圧は、下位接合の順方向バイアス電圧より低い。このように、フォトダイオードは、表面ダイオード（上位接合）がオンになるまで、電荷を蓄積する。また、フォトダイオードに蓄積不可能なキャリア（たとえば、電子）は、基板内に拡散する代わりに、表面層（上位層）のキャリア（たとえば、正孔）と再結合される。
2005512341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路であって、
フォトダイオードおよび該フォトダイオードのブルーミングを制御する手段を含む少なくとも１つのセルを有し、
前記ブルーミング制御手段が、前記フォトダイオードの一部分を形成することを特徴とする、集積回路。
【請求項２】
前記フォトダイオードが、
半導体基板の一部分および該基板部分上に位置する中間層との間に形成される下位ｐｎ接合と、
前記中間層と該中間層よりさらに高ドープされた上位層との間に形成される上位ｐｎ接合と、を備え、
前記上位接合の順方向バイアス電圧が、前記下位接合の順方向バイアス電圧より低く、
前記ブルーミング制御手段が、前記上位接合および前記上位層を有する、
ことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス
【請求項３】
フォトダイオードを含む少なくとも１つのセルを有する集積回路であって、
該フォトダイオードが、
半導体基板の一部分および該基板部分上に位置する中間層との間に形成される下位ｐｎ接合と、
前記中間層と該中間層よりさらに高ドープされた上位層との間に形成される上位ｐｎ接合と、を備え、
前記上位接合の順方向バイアス電圧が、前記下位接合の順方向バイアス電圧より低い、
ことを特徴とする集積回路。
【請求項４】
前記上位層のドーピングが、前記中間層のドーピングの少なくとも5倍以上であることを特徴とする、請求項２および請求項３に記載の集積回路。
【請求項５】
前記下位接合の順方向バイアス電流の少なくとも10倍の前記上位接合の順方向バイアス電流を得るように、前記2つの接合の前記順方向バイアス電圧が選択されることを特徴とする、請求項２乃至請求項４に記載の集積回路。
【請求項６】
前記上位層がインジウム・ドープ・シリコンから形成され、
前記中間層がリン・ドープ・シリコンから形成され、
前記基板部分がホウ素ドープ・シリコンから形成される、
ことを特徴とする、請求項２乃至請求項５に記載の集積回路。
【請求項７】
前記フォトダイオードが完全空乏型フォトダイオードであり、前記セルが４つのトランジスタから構成されるフォトダイオード制御手段をさらに含む、
ことを特徴とする、上記請求項に記載の集積回路。
【請求項８】
前記セルのマトリクスを有する、上記請求項に記載の集積回路。
【請求項９】
少なくとも１つの請求項８記載の集積回路を含む画像センサ
【請求項１０】
半導体基板内に製作されるフォトダイオードのためのブルーミング制御方法であって、
前記フォトダイオードが、上位層および前記基板の一部分に設けられる中間層との間に形成される上位ｐｎ接合を含み、
前記上位接合が順方向バイアスをかけられるまで前記フォトダイオード内に電荷の蓄積を可能し、前記上位層のキャリアと前記中間層から到達するキャリアの再結合を助けるようにした、ブルーミング制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロエレクトロニクスに関し、特にフォトダイオードを含む集積回路に関する。さらに詳細には、本発明は、上記フォトダイオードのブルーミング（blooming）制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子に基づく画像センサは、光子をシリコン内の電子および正孔（hole）のペアに変換する原理によって機能する。さらに詳細には、感光領域で生成された電荷は、フォトダイオード内に蓄積され、その後、電子システムによって読み込まれる。このフォトダイオードを操作する電子システムは、特にフォトダイオードが完全空乏型（fully depleted）フォトダイオードである場合に、フォトダイオード内に蓄積された電荷の移動を可能にする、移動トランジスタ（transfer transistor）を含む。
【０００３】
もしブルーミング状態に対して何ら対策を取っていないならば、フォトダイオード内にもはや蓄積されない電荷は、半導体基板内に拡散してしまい、これらの拡散した電荷が、画像センサの全てのフォトダイオードを乱すことになる。このため、画像の周囲にいっそう大きな白いハレーション（white halo）が生じてしまう。
【０００４】
この問題を修正するために、フォトダイオードの飽和レベルを移動トランジスタのゲートに適用される電圧までに限定するという1つの解決策がある。さらに詳細には、電荷が基板内に拡散して近傍のフォトダイオードの受ける信号を劣化させる前に、（リセットトランジスタの制御された伝導（controlled conduction）を介して）電源へ向けて排出されるようになる。
【０００５】
しかしながら、この電圧は特定の電圧源によって調整されなければならず、この技術に関する拡散（dispersion）を考慮しなければならない。さらに、これらの拡散は、フォトダイオードの蓄積ダイナミックレンジの減少に帰着する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述の欠点を修正することを目的とし、フォトダイオードのブルーミングを制御するための根本的に別な解決策を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、フォトダイオードを含む少なくとも１つのセルを有する集積回路を提供する。このフォトダイオードは、半導体基板の一部分および該基板部分上に位置する中間層との間に形成される下位ｐｎ接合（lower pn junction）、および中間層と該中間層よりさらに高ドープされた（more highly doped）上位層との間に形成される上位ｐｎ接合（upper pn junction）とを備える。
【０００８】
さらに、上位接合の順方向バイアス電圧は、下位接合の順方向バイアス電圧より低い。
【０００９】
このように、フォトダイオードは、表面（surface）ダイオード（上位接合）がオンになるまで、電荷を蓄積する。また、フォトダイオードに「蓄積不可能な（not storable）」キャリア（carrier）（たとえば、電子）は、基板内に拡散する代わりに、表面層（上位層）のキャリア（たとえば、正孔）と再結合（recombine）される。
【００１０】
このように、本発明によると、最大蓄積レベルは、もはやＭＯＳトランジスタ（移動トランジスタ）のチャネル電圧によって定義されるものではなく、接合の順方向バイアス電圧によって定義される。
【００１１】
フォトダイオードの蓄積ダイナミックレンジは、その結果増加する。拡散に関する問題も解決される。
【００１２】
さらに、ブルーミング制御手段は、この場合、上位接合および上位層を有する。これらは、フォトダイオードの一部分を形成する。この点は、本発明による集積回路の一般的な特徴でもある。
【００１３】
上位層のドーピングは、中間層のキャリア（例えば電子）より多くのキャリア（例えば正孔）を含み、ブルーミング中の再結合を可能にするように、中間層のドーピングより大きくなければならない。
【００１４】
さらに、上位接合の順方向バイアス電圧がフォトダイオードの下位接合の順方向バイアス電圧より低い場合でも、一般に、順方向にバイアスをかけられた下位接合から生じた基板内の電流は残ってしまう。
【００１５】
当業者は、アプリケーションおよびフォトダイオードの最大所望蓄積レベルに従って、または中間層のドーピングに対する上位層のドーピングに従って、または上位接合の順方向バイアス電流と下位接合の順方向バイアス電流との比率に従って、調整方法を知ることができるであろう。
【００１６】
中間層のドーピングの少なくとも5倍以上（たとえば10倍以上）となるように、上位層のドーピングを選択することが好ましい。さらに、下位接合の順方向バイアス電流の少なくとも10倍の上位接合の順方向バイアス電流を得るように、２つの接合の順方向バイアス電圧をそれぞれ選択することが好ましい。
【００１７】
本発明を実行する一手法によれば、上位層はインジウム・ドープ・シリコン（indium-doped silicon）から形成され、中間層はリン・ドープ・シリコン（phosphorus-doped silicon）から形成され、前記基板部分がホウ素ドープ・シリコン（boron-doped silicon）から形成される。
【００１８】
上述の一手法を受けて、他の材料の使用が想定されうる。従って、リンをヒ素（arsenic）やアンチモン（antimony）と取り替えることも可能である。一般に、シリコンの価電子帯（valence band）と伝導帯（conduction band）との間のギャップを減少させる、あらゆる材料を選ぶことが可能である。
【００１９】
上述したような集積回路を少なくとも１つ含む画像センサもまた、本発明の対象である。
【００２０】
半導体基板内に生成されたフォトダイオードのためのブルーミング制御方法もまた、本発明の対象である。
【００２１】
本発明による方法の一般的な特徴に従うと、フォトダイオードは上位層および前記基板の一部分に設けられる中間層との間に形成される上位ｐｎ接合を含む。この方法は、前記上位接合が順方向バイアスをかけられるまで前記フォトダイオード内に電荷の蓄積を可能にし、上位層のキャリアと前記中間層から到達するキャリアの再結合を助ける。
【００２２】
本発明の他の利点および特徴は、添付した図面とともに、実施方法および実施形態を限定しない詳細な説明を確認することによって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１において、符号ＩＭＳは、セル（またはピクセル）のマトリクスPXiから形成される画像センサを一般に示す。各マトリクスは1つのフォトダイオードＰＤおよびこのフォトダイオードを制御するための手段を含む。
【００２４】
ここで扱われる例において、フォトダイオードは完全空乏型（fully depleted）フォトダイオードであって、制御手段は４つのトランジスタ（ＴＴ，ＲＳＴ，ＦＴおよびＳＴ）から構成される。しかし、本発明は完全空乏型ダイオードに限定されず、あらゆるフォトダイオードに適用される。特に、３つのトランジスタのみを有する制御手段に関連しているフォトダイオードなどである。
【００２５】
上記完全空乏型ダイオードの４トランジスタ制御手段の構造および操作は、従来技術であって、当業者に良く知られている。この手法の主な特徴は、図１を参照して以下に述べられる。
【００２６】
これらの制御手段は、一方がフォトダイオードに接続され、他方がフォロワトランジスタ（follower transistor）ＦＴのゲートに接続される、移動トランジスタ（transfer transistor）ＴＴを有する。フォロワトランジスタＦＴのゲートは、リセットトランジスタＲＳＴを介して供給電圧Ｖddにも接続される。
【００２７】
最後に、セルPXiを選択するためのトランジスタSTが、フォロワトランジスタFTを容量式出力レジスタ（capacitive output register）に接続する。
【００２８】
セルの操作について考えると、第1のフェーズは、フォトダイオード内の電荷を統合（integrating）または蓄積（storing）するフェーズである。このフェーズでは移動トランジスタＴＴはオフである。統合フェーズの大部分では、リセットトランジスタはオンである。続いて、電荷がフォトダイオードから出力へ移動される直前に、トランジスタＲＳＴはオフとなり、その後、選択トランジスタＳＴがオンになる。これらの操作により、移動前にフォトダイオード内の電荷のレベルを決定することが可能となる。
【００２９】
移動中、移動トランジスタTTはオンになる。その後、リセットトランジスタがオフのままの間に、トランジスタTTは再びオフになり、移動の終了を示す。選択トランジスタSTは、その後、移動後の電荷レベルを決定できるように、再びオンになる。
【００３０】
この第2の計測の後、リセットトランジスタRSTは再びオンになり、一方、新たな統合フェーズが既に開始されている。
【００３１】
フォトダイオードが受け取った光の量は、移動前と移動後に計測された２つの電荷レベルの間の差によって、それぞれ決定される。
【００３２】
従来技術においてブルーミング制御手段は、移動トランジスタTTのゲートに適用される電圧の下位レベルを調整するための特定の電圧源を含むけれども、本発明による制御手段は、以下に詳細に説明するように、フォトダイオードPDの一部分を形成する。
【００３３】
画像センサIMS（さらに詳細には各セルまたはピクセルPXｉ）はＣＭＯＳ技術で製造される。
【００３４】
図２は、セルＰＸｉのフォトダイオードＰＤの半導体構造をより詳細に示している。図２において、符号ＳＢはシリコン半導体基板を示しており、この場合はｐ型にドープ（p-doped）されている。この基板ＳＢは、例えば、ｐ型ドープ井戸（p-doped well）であり、ｐ＋型ドープ半導体ウェーハ内に置かれている。基板ＳＢはアースされている。
【００３５】
移動トランジスタＴＴは、ＭＯＳトランジスタである。このＭＯＳトランジスタのｎ-型にドープされたソース２は、フォトダイオードＰＤのために、基板ＳＢの部分１の上に広がる中間層を形成する。
【００３６】
この中間層２の上に（たとえば注入（implantation）によって）生成されたのが、絶縁領域ＩＳの範囲内に広がるｐ＋型にドープされた上位層３である。この絶縁領域は、たとえば、ＬＯＣＯＳタイプの領域であり、当業者に良く知られている。さらに、基板ＳＢの部分１は、ｐ＋型ドープ上位層３と接触している。
【００３７】
フォトダイオードＰＤは、それゆえにこの場合、３つの層から形成される。これら３つの層は、2つのｐｎ接合、すなわち第2層および第3層で形成される上位接合ならびに第2層および基板１の下位部分（subjacent portion）で形成される下位接合、を定義する。
【００３８】
このフォトダイオードＰＤのドーピング概要の例が、図３ａに示されている。さらに詳細には、ｐ＋型ドープ上位層３が中間層２よりさらに高ドープされており、中間層２は基板１の下位部分よりさらに高ドープされている。
【００３９】
指示として、上位層３のドーピングは1018〜1019原子/cm3の間で選ぶことができる。
【００４０】
中間層２のドーピングは、1017〜1018原子/cm3の間で選ぶことができる。一方、基板１の下位部分は1016原子/cm3以下になるよう選ばれる。
【００４１】
このような中間層２のドーピングを含み、フォトダイオードは完全空乏型（fully depleted type）である。すなわち、第2層内の電子の密度（concentration）が移動の終了時にゼロになる場合、定義電圧で自己バイアスをかける（self-bias）。上述の例では、フォトダイオードは1.5ボルトで自己バイアスをかけている（図３ｂ）。
【００４２】
図４に示すように、また上述のように、フォトダイオードＰＤは、２つの接合（junction）（ダイオード）Ｄ１およびＤ２から構成される。これら２つのダイオード（Ｄ１およびＤ２）は、ダイオードＤ１の順方向バイアス電圧Ｖ１（図５参照）がダイオードＤ２の順方向バイアス電圧Ｖ２より低くなるように選択される。従って、フォトダイオードＰＤは、上位接合Ｄ１が順方向にバイアスを掛けられるまでの照射（illumination）の間、電荷を蓄積する。
【００４３】
ｎ型ドープ中間層２内に蓄積不可能な電荷は、上位層の正孔と再結合されるように上位層３へ移動される（図４の矢印Ａ１を参照）のが好ましい。これらの電荷は基板内に拡散せず、近傍のフォトダイオードを乱さなくなる。
【００４４】
このように、各接合の特性ＣＤ１およびＣＤ２（図５参照）によって、接合Ｄ１の順方向バイアス電流Ｉ１、および接合Ｄ２の小さい順方向バイアス電流Ｉ２が同時に存在する。
【００４５】
しかしながら、ここで述べた例において、電流Ｉ１と電流Ｉ２の比率１０は、一般に基板内に拡散する電子（図４の矢印Ａ２を参照）が近傍フォトダイオードにとって有害とならないように、上位層の正孔と電子との好適な再結合（recombination）を可能にする。
【００４６】
もしダイオードＤ２用の順方向バイアス電圧Ｖ２が0.6ボルトを取るならば、0.4ボルトの順方向バイアス電圧Ｖ１は、例えば、接合Ｄ１用に選ばれる。
【００４７】
物理的に、順方向バイアス電圧の違いを得るために、インジウム（indium）で得られたｐ＋型注入を選ぶことが可能である。一方、基板部分のｐ型ドープはホウ素（boron）で得られる。領域２は、リン（phosphorus）でｎ型にドープされる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明によるフォトダイオードを備える複数のセルから形成される、本発明による画像センサを概略的に示す図である。
【図２】本発明によるフォトダイオードの半導体基板を概略的に示す図である。
【図３ａ】本発明によるフォトダイオードを形成する複数層のドーピングの一例を概略的に示す図である。
【図３ｂ】本発明による完全空乏型フォトダイオードの自己バイアシングの一例を概略的に示す図である。
【図４】本発明による方法を実行する１方向を示す、本発明によるフォトダイオードの別な概略図である。
【図５】本発明によるフォトダイオードの２つの接合に関する、２つの電流−電圧曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  半導体基板
２  中間層（ブルーミング制御手段）
３  上位層（ブルーミング制御手段）
ＰＤ  フォトダイオード
Ｄ１  上位ｐｎ接合
Ｄ２  下位ｐｎ接合
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
2005512341.tif 000008
【国際調査報告】
2005512341.tif 000009
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