(57)【要約】本発明は、フォトダイオードと２−トランジスタで画素を構成するイメージセンサの単位画素に関する。本発明に係る２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素は、半導体物質の導電型とは反対の不純物を含有しているフォトダイオードと、前記フォトダイオードと接続され、前記フォトダイオードを初期化するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードと接続され、与えられた画素情報の伝達のために、画素と外部読み出し回路との間の接続を制御する選択トランジスタと、を含む。本発明によれば、開口面(aperture surface)が上昇し、画素サイズが減少して、感度が増加する。さらに、トランジスタ個数の減少によって、フォトダイオードの充填率が著しく大きくなり、感度が増加して、コスト低減が図られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素であって、
半導体物質の導電型とは反対の不純物を含有しているフォトダイオードと、
前記フォトダイオードと接続され、前記フォトダイオードを初期化するリセットトランジスタと、
前記フォトダイオードと接続され、与えられた画素情報の伝達のために、画素と外部読み出し回路との間の接続を制御する選択トランジスタと、を含む２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素。
【請求項２】
前記リセットトランジスタと、前記選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタとは、自身のラインを読み取る時にのみ、ＶＤＤ（電圧供給源）または任意の電圧がラインに印加されるようにした請求項１に記載の２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素。
【請求項３】
前記リセットトランジスタと、前記選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタとは、共通接合層を有するようにした請求項１に記載の２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサの単位画素に関し、特に、フォトダイオードと画素アレイ領域とを分離したイメージセンサの単位画素及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のイメージセンサに使用されてきた画素は、その内部に含まれたトランジスタの個数によって、３−トランジスタ画素、４−トランジスタ画素、及び５−トランジスタ画素に大別される。
【０００３】
図１から図３は、イメージセンサに使われるトランジスタの個数に応じた典型的な画素構造を示すものである。
【０００４】
図１は、３−トランジスタ構造を示し、図２と図３は、４−トランジスタ構造を示す。
【０００５】
図１から図３に示すように、画素回路内部に使用されるトランジスタが存在することに起因して、画素の大きさに対するフォトダイオードが占める面積であるダイオード充填率(fill factor)が、必然的に減少するようになる。一般的なダイオード充填率は、各々の半導体工程の製作能力を考慮すると、約２０〜４５％に相当する。これにより、残りの面積である５５〜８０％の画素残余面積に入射した光は失われるようになる。
【０００６】
このように失われる光学データを最小化するために、イメージセンサの製作工程では、画素単位でフォトダイオードに集光できるように、単位画素毎にマイクロレンズを使用している。マイクロレンズを使用しない状態でのイメージセンサの感度を基準として、マイクロレンズを使用したセンサの感度増加分をマイクロレンズ利得(Micro lens gain)と呼ぶ。
【０００７】
通常、ダイオード充填率が３０％台であることを考慮すれば、マイクロレンズ利得は、約２．５〜２．８倍に該当する。ところが、画素の大きさが、４μｍ×４μｍの大きさや、３μｍ×３μｍ台になり、これよりも更に小さな２．８μｍ×２．８μｍや２．５μｍ×２．５μｍの小さな画素になると、３．４μｍ×３．４μｍ画素を基準として、マイクロレンズ利得が２．８倍から１．２倍のレベルに著しく低下する。これは、マイクロレンズの回折現象によって生ずるものであり、画素の大きさとマイクロレンズ位置の関数となって、回折現象の程度が決められる。
【０００８】
ところが、画素の大きさが益々減少するに従って、マイクロレンズの回折現象も益々増加して、マイクロレンズ利得が１．２倍以下に低下すると、あたかも集光を全くできないような現象が現れることになる。これは、感度低下の新しい原因と考えられている。
【０００９】
一般に、イメージセンサの画素の大きさが小さくなるに従って、フォトダイオードの面積も同時に減少するようになる。フォトダイオードの面積は、概してフォトダイオードの有効電荷量と密接な関連を持つために、フォトダイオードの大きさが減少すると、有効電荷量も減少するようになる。フォトダイオードの有効電荷量は、イメージセンサのダイナミックレンジを決める基本的な特性要素であって、有効電荷量の減少は、直ちにセンサの画質に影響を及ぼす。３．２μｍ×３．２μｍ以下の画素の大きさを製作するに当たって、感度の低下と共に、光に対するセンサのダイナミックレンジが減少し、良好な画質を得るのに根本的な制約を受けるようになる。
【００１０】
イメージセンサを用いてカメラモジュールを製作する際に、外部レンズが用いられるが、画素配列の真ん中に入射する光の入射角は、垂直入射である反面、画素アレイのエッジ部分に行くほど、入射する角の大きさが益々垂直から外れるようになる。直角から一定量以上の角度になると、集光用に割り当てられていたフォトダイオード領域から外れるようにマイクロレンズの集光が行われ、画像が暗くなったり、極端には隣接画素のフォトダイオードに集光されたりして、色度が変わる現象まで生じるようになる。
【００１１】
最近のイメージセンサは、３０万画素や１３０万画素から２００万画素や３００万画素まで開発されるとともに、小型カメラモジュールの内部に、自動焦点だけでなく、動的なズームイン／ズームアウト機能を内蔵することが予想される。
【００１２】
この機能等の特徴は、各々の機能を遂行しながら、エッジ部分での光入射角が大きく変化するということにある。もちろん、このような各々の変化に対して、センサの色度が変わったり、明るさが変わったりしてはならない。しかしながら、画素の大きさは、益々減少しており、このために、入射角の変化に対してセンサが対応できる余裕がない。現在、自動焦点まではそれぞれ対応が可能であるが、動的なズームイン／ズームアウト機能までは、センサが対応できておらず、ズーム機能が搭載された小型カメラモジュールの開発の障害になっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が達成しようとする技術的な課題は、小型画素の製作とともに、従来の感度減少よりは遥かに少ない感度低下を維持しつつ、フォトダイオードに入射する光の多様な入射角に対する対応能力を提供する２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様によれば、本発明に係る２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素は、半導体物質の導電型とは反対の不純物を含有しているフォトダイオードと、前記フォトダイオードと接続され、前記フォトダイオードを初期化するリセットトランジスタと、前記フォトダイオードと接続され、与えられた画素情報の伝達のために、画素と外部読み出し回路との間の接続を制御する選択トランジスタと、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【００１６】
図４は、本発明の一実施形態に係る２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素を示すものである。この単位画素は、フォトダイオードＰＤと、リセットトランジスタＲＸと、選択機能および読み出し(read-out)機能を兼ね備えたトランジスタＳｘとを備える。
【００１７】
半導体物質の導電型とは反対の不純物を含有しているフォトダイオードＰＤのカソード端子には、リセットトランジスタＲＸのソース端子と、選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタＳｘのゲート端子とが接続されている。
【００１８】
前記リセットトランジスタＲＸは、前記フォトダイオードＰＤを初期化する役割を果たし、選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタＳｘは、与えられた画素情報の提供と共に、画素と外部読み出し回路との間の接続を制御する役割を果たす。
【００１９】
前記リセットトランジスタＲＸと、前記選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタＳｘとは、互いに異なる電圧で印加してもよい。
【００２０】
図５は、本発明の他の実施形態に係る２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素を示すものである。この単位画素は、フォトダイオードＰＤと、リセットトランジスタＲＸと、選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタＳｘとを備える。
【００２１】
半導体物質の導電型とは反対の不純物を含有しているフォトダイオードＰＤのカソード端子には、リセットトランジスタＲＸのソース端子と、選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタＳｘのゲート端子とが接続されている。
【００２２】
また、前記リセットトランジスタＲＸのドレイン端子と、前記選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタＳｘのドレイン端子とは、互いに接続されて、同じ電圧が印加される。
【００２３】
前記リセットトランジスタＲＸは、前記フォトダイオードＰＤを初期化する役割を果たし、前記選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタＳｘは、与えられた画素情報の伝達のために、画素と外部読み出し回路との間の接続を制御する役割を果たす。
【００２４】
図６は、本発明の他の実施形態に係る２−トランジスタで構成された画素アレイ領域を備えるイメージセンサにおいて相互に接続された複数の単位画素を示すものである。ここでは、複数の単位画素の画素出力が相互に接続されている。
【００２５】
図７は、図６の動作を示すタイミングチャートである。
【００２６】
ラインが読み取られる時だけ、ＶＤＤまたは任意の電圧がラインに印加される。読み出すための電流供給は、ライン選択信号によって制御される。
【００２７】
図８は、本発明の一実施形態に係る２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素の物理的構造を示すものである。
【００２８】
Ｐ型半導体基板の内部にＰＮ接合層を形成して、フォトダイオードＰＤを形成し、そして、フォトダイオードをリセットするリセットトランジスタＲＸのゲート電極を形成する。また、アドレス信号を自身のドレイン電極に印加するためのＶＤＤ電圧又は任意の電圧が、リセットトランジスタＲＸのドレイン電極に印加される。そして、フォトダイオードＰＤの情報を自身のゲート電極に印加する、選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタＳｘを形成している。
【００２９】
図９は、本発明の他の実施形態に係る２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素の物理的構造を示すものである。
【００３０】
Ｐ型半導体基板の内部にＰＮ接合層を形成して、フォトダイオードＰＤを形成し、そして、フォトダイオードをリセットするリセットトランジスタＲＸのゲート電極を形成する。また、アドレス信号を自身のドレイン電極に印加して、フォトダイオードＰＤの情報を自身のゲート電極に印加する、選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタＳｘを形成している。
【００３１】
前記リセットトランジスタＲＸと、選択機能および読み出し機能を兼ね備えたトランジスタＳｘとは、共通接合層を有する。
【００３２】
本発明は、図面に示された実施形態を参照して説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者であれば、これらから様々な変形及び均等な他の実施形態が可能であることが理解できるはずである。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、添付の特許請求範囲の技術的な思想により定められるべきである。
【００３３】
（産業上利用可能性）
本発明によれば、開口面(aperture surface)が上昇し、画素サイズが減少して、感度が増加する。さらに、トランジスタ個数の減少によって、フォトダイオードの充填率が著しく大きくなり、感度が増加して、コスト低減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】イメージセンサに代表的に使われるトランジスタの個数に応じた画素構造を示すものである。
【図２】イメージセンサに代表的に使われるトランジスタの個数に応じた画素構造を示すものである。
【図３】イメージセンサに代表的に使われるトランジスタの個数に応じた画素構造を示すものである。
【図４】本発明の一実施形態に係る２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素を示すものである。
【図５】本発明の他の実施形態に係る２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素を示すものである。
【図６】本発明の他の実施形態に係る２−トランジスタで構成された画素アレイ領域を備えるイメージセンサにおいて相互に接続された複数の単位画素を示すものである。
【図７】図６の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の一実施形態に係る２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素の物理的構造を示すものである。
【図９】本発明の他の実施形態に係る２−トランジスタ構造を持つイメージセンサの単位画素の物理的構造を示すものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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