(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6290897
(24)【登録日】2018年2月16日
(45)【発行日】2018年3月7日
(54)【発明の名称】3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素
(51)【国際特許分類】
H01L 27/146 20060101AFI20180226BHJP
H04N 5/369 20110101ALI20180226BHJP
H04N 5/374 20110101ALI20180226BHJP
【FI】
H01L27/146 A
H01L27/146 D
H04N5/369
H04N5/374
【請求項の数】10
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2015-532972(P2015-532972)
(86)(22)【出願日】2013年9月24日
(65)【公表番号】特表2015-534273(P2015-534273A)
(43)【公表日】2015年11月26日
(86)【国際出願番号】KR2013008527
(87)【国際公開番号】WO2014051306
(87)【国際公開日】20140403
【審査請求日】2016年9月14日
(31)【優先権主張番号】10-2012-0107112
(32)【優先日】2012年9月26日
(33)【優先権主張国】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】310024033
【氏名又は名称】エスケーハイニックス株式会社
【氏名又は名称原語表記】SK hynix Inc.
(74)【代理人】
【識別番号】100118913
【弁理士】
【氏名又は名称】上田 邦生
(72)【発明者】
【氏名】ジェ ウォン オム
【審査官】
安田 雅彦
(56)【参考文献】
【文献】
特開2008−235478(JP,A)
【文献】
特表2010−530633(JP,A)
【文献】
特開2012−033894(JP,A)
【文献】
特開2006−032497(JP,A)
【文献】
特開2005−347691(JP,A)
【文献】
特開2011−091474(JP,A)
【文献】
特開2010−087962(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 27/14−148
H04N 5/335−378
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射する光に対応する変換電圧を生成するイメージセンサの分離型単位画素において、
入射する光に対応する電荷を生成するフォトダイオードと、第1パッドと、転送制御信号に応答して、前記フォトダイオードで生成された電荷を前記第1パッドに転送する転送トランジスタとが形成された第1ウエハと、
第2パッドと、該第2パッドに転送される電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第2パッドおよび前記ソースフォロワトランジスタのゲート端子を共通にリセットさせるリセットトランジスタとが形成された第2ウエハとを備え、
前記フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第2ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するN_接地電圧を印加することを特徴とする、イメージセンサの分離型単位画素。
【請求項2】
前記転送トランジスタの一端子が前記フォトダイオードのネガティブ領域に接続され、他の一端子が前記第1パッドに接続され、ゲートには前記転送制御信号が印加され、
前記リセットトランジスタの一端子が電源電圧および該電源電圧と電圧準位の異なる第2電源電圧のうちの1つに接続され、他の一端子が前記第2パッドおよび前記ソースフォロワトランジスタの前記ゲート端子に共通に接続され、ゲートに前記リセット制御信号が印加され、
前記ソースフォロワトランジスタの一端子が電源電圧に接続され、他の一端子には変換電圧を出力することを特徴とする、請求項1に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
【請求項3】
前記第2ウエハが、選択制御信号に応答して、前記ソースフォロワトランジスタで生成された変換電圧をスイッチングする選択トランジスタをさらに備え、
該選択トランジスタは、ゲート端子には前記選択制御信号が印加され、一端子が前記ソースフォロワトランジスタの前記他の一端子に接続され、他の一端子に前記変換電圧を出力することを特徴とする、請求項2に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
【請求項4】
入射する光に対応する変換電圧を生成するイメージセンサの分離型単位画素において、
入射する光に対応する電荷を生成するフォトダイオードと、第1パッドと、転送制御信号に応答して、前記フォトダイオードで生成された電荷を前記第1パッドに転送する転送トランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第1パッドおよび前記転送トランジスタの共通端子をリセットさせるリセットトランジスタとが形成された第1ウエハと、
第2パッドと、該第2パッドに転送される電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタとが形成された第2ウエハとを備え、
前記フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第2ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するN_接地電圧を印加することを特徴とする、イメージセンサの分離型単位画素。
【請求項5】
前記転送トランジスタの一端子が前記フォトダイオードのネガティブ領域に接続され、他の一端子が前記第1パッドに接続され、ゲートには前記転送制御信号が印加され、
前記リセットトランジスタの一端子が電源電圧および該電源電圧と電圧準位の異なる第2電源電圧のうちの1つに接続され、他の一端子が前記第1パッドおよび前記転送トランジスタの前記他の一端子に共通に接続され、ゲートに前記リセット制御信号が印加され、
前記ソースフォロワトランジスタの一端子が電源電圧に接続され、ゲートには前記第2パッドが接続され、他の一端子が前記変換電圧を出力することを特徴とする、請求項4に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
【請求項6】
前記第2ウエハが、選択制御信号に応答して、前記ソースフォロワトランジスタで生成された変換電圧をスイッチングする選択トランジスタをさらに備え、
該選択トランジスタは、ゲートに前記選択制御信号が印加され、一端子が前記ソースフォロワトランジスタの前記他の一端子に接続され、他の一端子に前記変換電圧を出力することを特徴とする、請求項5に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
【請求項7】
入射する光に対応する変換電圧を生成するイメージセンサの分離型単位画素において、
第1パッドと、入射する光に対応する電荷を生成する第1フォトダイオードと、第1転送制御信号に応答して、前記第1フォトダイオードで生成された電荷を前記第1パッドに転送する第1転送トランジスタと、入射する光に対応する電荷を生成する第2フォトダイオードと、第2転送制御信号に応答して、前記第2フォトダイオードで生成された電荷を前記第1パッドに転送する第2転送トランジスタとが形成された第1ウエハと、
第2パッドと、該第2パッドに転送された電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第2パッドおよび前記ソースフォロワトランジスタのゲート端子を共通にリセットさせるリセットトランジスタとが形成された第2ウエハとを備え、
前記第1フォトダイオードのポジティブ領域および前記第2フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第2ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するN_接地電圧を印加することを特徴とする、イメージセンサの分離型単位画素。
【請求項8】
前記第1フォトダイオードはポジティブ領域に前記N_接地電圧が印加され、
前記第1転送トランジスタの一端子が前記第1フォトダイオードのネガティブ領域に接続され、他の一端子が前記第1パッドに接続され、ゲートに前記第1転送制御信号が印加され、
前記第2フォトダイオードはポジティブ領域に前記N_接地電圧が印加され、
前記第2転送トランジスタの一端子が前記第2フォトダイオードのネガティブ領域に接続され、他の一端子が前記第1パッドに接続され、ゲートに前記第2転送制御信号が印加され、
前記リセットトランジスタの一端子が電源電圧および該電源電圧と電圧準位の異なる第2電源電圧のうちの1つに接続され、他の一端子が前記第2パッドに接続され、ゲートに前記リセット制御信号が印加され、
前記ソースフォロワトランジスタの一端子が電源電圧に接続され、前記第2パッドおよび前記リセットトランジスタの前記他の一端子に格納された電荷に対応する変換電圧を他の一端子を介して出力することを特徴とする、請求項7に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
【請求項9】
前記第2ウエハが、選択制御信号に応答して、前記ソースフォロワトランジスタで生成された変換電圧をスイッチングする選択トランジスタをさらに備え、
該選択トランジスタは、ゲートに前記選択制御信号が印加され、一端子が前記ソースフォロワトランジスタの前記他の一端子に接続され、他の一端子に前記変換電圧を出力することを特徴とする、請求項8に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
【請求項10】
前記第1パッドおよび前記第2パッドが、パッド接続手段によって電気的に接続されることを特徴とする、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のイメージセンサの分離型単位画素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、イメージセンサの分離型単位画素に関するものであって、特に、1つのウエハに形成されたフォトダイオードのポジティブ領域に、第2ウエハに形成された素子に供給される接地電圧より低い電圧を印加して、電荷伝達効率を極大化したイメージセンサの分離型単位画素に関するものである。
【背景技術】
【0002】
それぞれの画素あたりに1つずつ設けられるイメージセンサ回路は、フォトダイオードと、該フォトダイオードで生成された電荷を浮遊拡散領域(Floating Diffusion Area)に転送する転送トランジスタと、転送された電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタと、変換電圧を出力する選択トランジスタと、浮遊拡散領域をリセットさせるリセットトランジスタとを基本的に備える。
【0003】
より多い画素を一定の面積に実現するためには、単位画素に割り当てられる面積が減少するしかないが、前述のように、単位画素には複数のトランジスタおよびフォトダイオードが形成されなければならないため、光を受信するフォトダイオードに割り当てられる領域は、複数のトランジスタの占める領域によって限定されなければならない。このような欠点を克服するために、1つのウエハにフォトダイオードとフォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタとを形成し、他の1つのウエハには残りのトランジスタを形成する方法が提案されて使用されていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明が解決しようとする技術的課題は、フォトダイオードで生成された電荷を浮遊拡散領域に転送する効率を極大化する3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記の技術的課題を達成するための、本発明の一態様(one aspect)に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素は、構成要素が第1ウエハおよび第2ウエハに分離されて集積される。前記第1ウエハには、入射する光に対応する変換電圧を生成し、入射する光に対応する電荷を生成するフォトダイオードと、第1パッドと、転送制御信号に応答して、前記フォトダイオードで生成された電荷を前記第1パッドに転送する転送トランジスタとが集積される。前記第2ウエハには、第2パッドと、前記第2パッドに転送される電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第2パッドおよび前記ソースフォロワトランジスタのゲート端子を共通にリセットさせるリセットトランジスタとが集積される。前記フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第2ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するN_接地電圧を印加する。
【0006】
上記の技術的課題を達成するための、本発明の他の態様(another aspect)に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素は、入射する光に対応する変換電圧を生成し、構成要素が第1ウエハおよび第2ウエハに分離されて集積される。前記第1ウエハには、入射する光に対応する電荷を生成するフォトダイオードと、第1パッドと、転送制御信号に応答して、前記フォトダイオードで生成された電荷を前記第1パッドに転送する転送トランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第1パッドおよび前記転送トランジスタの共通端子をリセットさせるリセットトランジスタとが集積される。前記第2ウエハには、第2パッドと、前記第2パッドに転送される電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタとが集積される。前記フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第2ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するN_接地電圧を印加する。
【0007】
上記の技術的課題を達成するための、本発明のさらに他の態様(still another aspect)に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素は、入射する光に対応する変換電圧を生成し、構成要素が第1ウエハおよび第2ウエハに分離されて集積される。前記第1ウエハには、第1パッドと、入射する光に対応する電荷を生成する第1フォトダイオードと、第1転送制御信号に応答して、前記第1フォトダイオードで生成された電荷を前記第1パッドに転送する第1転送トランジスタと、入射する光に対応する電荷を生成する第2フォトダイオードと、第2転送制御信号に応答して、前記第2フォトダイオードで生成された電荷を前記第1パッドに転送する第2転送トランジスタとが集積される。前記第2ウエハには、第2パッドと、前記第2パッドに転送された電荷に対応する変換電圧を生成するソースフォロワトランジスタと、リセット制御信号に応答して、前記第2パッドおよび前記ソースフォロワトランジスタのゲート端子を共通にリセットさせるリセットトランジスタとが集積される。前記第1フォトダイオードのポジティブ領域および前記第2フォトダイオードのポジティブ領域には、前記第2ウエハで使用される接地電圧より低い電圧準位を有するN_接地電圧を印加する。
【発明の効果】
【0008】
本発明に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素は、フォトダイオードで生成された電荷を浮遊拡散領域に効果的に転送することができ、リセットトランジスタに供給される電圧源の準位を可変させることにより、浮遊拡散領域のリセットを効率的に行うことができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】本発明の第1実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【
図2】本発明の第2実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【
図3】本発明の第3実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【
図4】本発明の第4実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【
図5】本発明の第5実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【
図6】本発明の第6実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明と本発明の動作上の利点および本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の例示的な実施形態を説明する添付図面および添付図面に記載された内容を参照しなければならない。
【0011】
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明することにより、本発明を詳細に説明する。各図面に提示された同一の参照符号は同一の部材を表す。
【0012】
図1は、本発明の第1実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【0013】
図1を参照すれば、本発明に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素100を構成する要素は、2つのウエハ110,120に分離されて形成されている。
【0014】
第1ウエハ110には、フォトダイオードPDと、転送トランジスタM1とが集積される。第2ウエハ120には、リセットトランジスタM2と、ソースフォロワトランジスタM3とが集積される。
【0015】
フォトダイオードPDのポジティブ領域には、第2ウエハ120で使用される接地電圧GNDより低い電圧準位を有するN_接地電圧N_GNDが印加される。転送トランジスタM1の一端子はフォトダイオードPDのネガティブ領域に接続され、他の一端子は第1パッドP1に接続され、ゲートには転送制御信号Txが印加される。
【0016】
リセットトランジスタM2の一端子は電源電圧VDDおよび電源電圧VDDと電圧準位の異なる第2電源電圧VDD_Aのうちの1つに接続され、他の一端子は第2パッドP2およびソースフォロワトランジスタM3のゲート端子に共通に接続され、ゲートにリセット制御信号Reが印加される。ソースフォロワトランジスタM3の一端子は電源電圧VDDに接続され、ゲートは第2パッドP2に接続される。
【0017】
一般的に、浮遊拡散領域(Floating Diffusion
Area)は、転送トランジスタM1、リセットトランジスタM2の拡散領域(Diffusion Area)およびソースフォロワトランジスタM3のゲート領域を意味するが、ここでは、第1パッドP1および第2パッドP2も浮遊拡散領域に含まれる。
【0018】
従来は、フォトダイオードPDのポジティブ端子の場合、第2ウエハ120で使用される接地電圧GNDを共通に使用していたが、本発明では、第2ウエハ120で使用される接地電圧GNDより低い電圧準位を有するN_接地電圧N_GNDを使用することにより、フォトダイオードPDのポジティブ領域とネガティブ領域との間の電圧差を従来に比べて増加させることを提案する。フォトダイオードPDで生成される電荷は、フォトダイオードPDに入射する光の強度に応じて決定されるが、フォトダイオードPDの両領域間の電圧差が大きくなるほど、フォトダイオードで生成された電荷が浮遊拡散領域に効果的に伝達される。
【0019】
また、リセットトランジスタ
M2の一端子に印加されるリセット電圧として、電源電圧VDDをそのまま用いてもよいが、電源電圧VDDと電圧準位の異なる第2電源電圧VDD_Aを選択的に使用できるようにした。第2電源電圧VDD_Aの電圧準位を調整することにより、浮遊拡散領域のリセット電圧準位を調整可能なため、フォトダイオードPDで生成された電荷を浮遊拡散領域に伝達する伝達効率を向上させることができる。この内容は、後述する他の実施形態にも同様に適用される。
【0020】
図2は、本発明の第2実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【0021】
図2を参照すれば、第2実施形態のイメージセンサの分離型単位画素200の場合、
図1に示された第1実施形態100において選択トランジスタM4を第2ウエハ220に追加したものである。選択トランジスタM4は、選択制御信号Sxに応答して、一端子に接続されたソースフォロワトランジスタM3の変換電圧P_outを他の一端子にスイッチングする。
【0022】
図3は、本発明の第3実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【0023】
図3を参照すれば、本発明に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素300を構成する要素は、2つのウエハ310,320に分離されて形成されている。
【0024】
第1ウエハ310には、フォトダイオードPDと、転送トランジスタM1と、リセットトランジスタM2とが集積される。第2ウエハ
320には、ソースフォロワトランジスタM3が集積される。
【0025】
フォトダイオードPDのポジティブ領域には、第2ウエハ320で使用される接地電圧GNDより低い電圧準位を有するN_接地電圧N_GNDが印加される。転送トランジスタM1の一端子はフォトダイオードPDのネガティブ領域に接続され、他の一端子は第1パッドP1に接続され、ゲートには転送制御信号Txが印加される。リセットトランジスタM2の一端子は電源電圧VDDおよび電源電圧VDDと電圧準位の異なる第2電源電圧VDD_Aのうちの1つに接続され、他の一端子は第1パッドP1および転送トランジスタM1の共通端子に接続され、ゲートにリセット制御信号Reが印加される。
【0026】
ソースフォロワトランジスタM3の一端子は電源電圧VDDに接続され、他の一端子は変換電圧P_outを出力し、ゲートは第2パッドP2に接続される。
【0027】
図3に示された第3実施形態の場合、第1実施形態100および第2実施形態200において、第2ウエハ120,220に集積されたリセットトランジスタM2を第1ウエハ31
0に集積させたものである。
【0028】
図4は、本発明の第4実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【0029】
図4を参照すれば、第4実施形態のイメージセンサの分離型単位画素400の場合、
図3に示された第3実施形態300において選択トランジスタM4を第2ウエハ420に追加したものである。選択トランジスタM4は、選択制御信号Sxに応答して、一端子に接続されたソースフォロワトランジスタM3の変換電圧P_outを他の一端子にスイッチングする。
【0030】
図5は、本発明の第5実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【0031】
図5を参照すれば、第5実施形態のイメージセンサの分離型単位画素500の場合、第1ウエハ510には、2つのフォトダイオードPD1,PD2と、2つの転送トランジスタとが集積される。第2ウエハ520には、リセットトランジスタM2と、ソースフォロワトランジスタM3とが集積される。
【0032】
1つのピクセルには、1つのフォトダイオードおよび転送トランジスタが必要なため、第5実施形態の場合、2つのピクセルに備えられるフォトダイオードおよび転送トランジスタを介して転送される電荷を、第2ウエハに集積された1つの処理回路で選択的に処理するものである。
【0033】
第1フォトダイオードPD1は、ポジティブ領域にN_接地電圧N_GNDが印加される。第1転送トランジスタM11の一端子は第1フォトダイオードPD1のネガティブ端子に接続され、他の一端子は第1パッドP1に接続され、ゲートに第1転送制御信号Tx1が印加される。第2フォトダイオードPD2はポジティブ領域にN_接地電圧N_GNDが印加される。第2転送トランジスタM12の一端子は第2フォトダイオードPD2のネガティブ端子に接続され、他の一端子は第1パッドP1に接続され、ゲートに第2転送制御信号Tx2が印加される。
【0034】
リセットトランジスタM2の一端子は電源電圧VDDおよび電源電圧と電圧準位の異なる第2電源電圧VDD_Aのうちの1つに接続され、他の一端子は第2パッドP2に接続され、ゲートにリセット制御信号Reが印加される。ソースフォロワトランジスタM3の一端子は電源電圧VDDに接続され、第2パッドP2およびリセットトランジスタM2の他の一端子に格納された電荷に対応する変換電圧P_outを他の一端子を介して出力する。
【0035】
図6は、本発明の第6実施形態に係る3次元構造を有するイメージセンサの分離型単位画素である。
【0036】
図6を参照すれば、第6実施形態のイメージセンサの分離型単位画素600の場合、
図5に示された第5実施形態500において選択トランジスタM4を第2ウエハ620に追加したものである。選択トランジスタM4は、選択制御信号Sxに応答して、一端子に接続されたソースフォロワトランジスタM3の変換電圧P_outを他の一端子にスイッチングする。
【0037】
実際のイメージセンサは、上述した素子の上部に透明バッファ層およびフィルタがさらに形成されるが、これは、本発明の本質的なものではなく、この分野における通常の知識を有する技術者には広く知られているため、ここでは詳細に言及しない。
【0038】
実際のイメージセンサは、第1パッドP1および第2パッドP2をパッド接続手段によって電気的に接続させて使用するが、この部分は、本発明の内容ではなく、この分野における通常の技術者が容易に実現可能なため、ここでは説明をしない。
【0039】
以上、本発明に対する技術思想を添付図面とともに述べたが、これは、本発明の好ましい実施形態を例示的に説明したものであり、本発明を限定するものではない。また、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも、本発明の技術的思想の範疇を離脱しない範囲内で多様な変形および模倣が可能であることは自明である。