DE102006049565A1 - Pixel mit räumlich variierenden Sensorpositionen - Google Patents

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Christopher D. Albany Silsby
William G. Corvallis Gazeley
Matthew Michael Albany Borg
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Avago Technologies Sensor IP Singapore Pte Ltd
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Abstract

Ein Bildsensor, der ein Substrat, zumindest eine Metallschicht und eine Mehrzahl von Pixeln umfasst, die in einem Array angeordnet sind. Jedes Pixel umfasst ein Erfassungselement, das in dem Substrat angeordnet ist, und zumindest ein Metallverbindungssegment, das in der zumindest einen Metallschicht angeordnet ist. Das Array umfasst ein Paar von senkrechten Achsen, die sich von einer optischen Mitte erstrecken, wobei für eine Linie aus Pixeln, die sich senkrecht von einer der Achsen zu einem Umfangsrand des Arrays erstreckt, eine Beabstandung zwischen den Erfassungselementen von aufeinander folgenden Paaren von Pixeln der Linie zumindest gleich einer Beabstandung zwischen den zugeordneten zumindest einen Metallverbindungssegmenten ist, und wobei für zumindest ein aufeinander folgendes Paar von Pixeln der Linie die Beabstandung zwischen den Erfassungselementen um einen inkrementalen Betrag größer ist als die Beabstandung zwischen den entsprechenden zumindest einen Metallverbindungssegmenten.

Description

  • Verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung ist eine Teilanmeldung von Seriennummer 11/123,782, eingereicht am 6. Mai 2005, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
  • Festkörperbildsensoren (auch bekannt als „Festkörperbildaufnehmer", „Bildsensoren" und „Bildaufnehmer") werden verbreitet in vielen Bereichen und in einer Anzahl von Gebieten angewendet. Festkörperbildsensoren wandeln ein empfangenes Bild in ein Signal um, das das empfangene Bild anzeigt. Beispiele von Festkörperbildsensoren umfassen ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD; charge coupled devices), Photodiodenarrays und komplementäre Metalloxidhalbleiter-Bilderzeugungsvorrichtungen (CMOS-Bilderzeugungsvorrichtungen; CMOS = complementary metal oxide semiconductor) (auch bekannt als „CMOS-Bildsensoren" oder „CMOS-Bilderzeugungsarrays").
  • Festkörperbildsensoren sind aus Halbleitermaterialen hergestellt, wie z.B. Silizium oder Galliumarsenid, und weisen Bilderzeugungsarrays aus lichterfassenden (d. h. photosensitiven) Elementen auf (auch bekannt als „Photodetektore oder „Photorezeptoren"), die verbunden sind, um analoge Signale zu erzeugen, die ein Bild darstellen, das die Vorrichtung beleuchtet. Ein typisches Bilderzeugungsarray weist eine Anzahl von Photodetektoren auf, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jeder Photodetektor Photoladungen erzeugt. Die Photoladungen sind das Ergebnis von Photonen, die auf die Oberfläche des Halbleitermaterials des Photodetektors auftreffen und freie Ladungsträger (Elektronenlochpaare), in einer Menge erzeugen, die linear proportional zu der einfallenden Photonenstrahlung ist. Die Photoladungen von jedem Pixel werden in ein Ladungssignal umgewandelt, das ein elektrisches Potential ist, das den Energiepegel darstellt, der von einem entsprechenden Teil es Objekts reflektiert wird und durch den Festkörperbildsensor empfangen wird. Das resultierende Signal oder Potential wird durch eine Video/Bild-Verarbeitungsschaltungsanordnung gelesen und verarbeitet, um eine Signaldarstellung des Bildes zu erzeugen.
  • In den letzten Jahren wurden CMOS-Bildsensoren zu einer praktizierbaren Implementierungsoption für Bildaufnehmer und liefern Kosten- und Leistungsvorteile gegenüber anderen Techniken, wie z.B. CCD oder Ladungsinjektionsbauelementen (CID; charge injection device). Ein herkömmlicher CMOS-Bildsensor ist üblicherweise als ein Bilderzeugungsarray aus Pixeln strukturiert, wobei jedes Pixel einen Photodetektor und eine Transistorregion umfasst, und wie oben erörtert wurde, wandelt jedes Pixel das einfallende Licht in ein elektronisches Signal um.
  • Ein Typ eines aktiven Pixelentwurfs für einen CMOS-Bildsensor, der häufig als ein Festgelegte- bzw. Gepinnte-Diode-Pixel bezeichnet wird, umfasst vier Drähte (oder „Metallverbindungsleitungen" oder „Metallverbindungssegmente"), einen Photodetektor (d. h. eine Photodiode) und drei Transistoren, d. h. einen Rücksetztransistor, einen Source-Folger-Transistor und einen Zugriffstransistor (oder „Transfergate"). Die Photodiode und Transistoren sind in aktiven Bereichen eines Siliziumsubstrats angeordnet, das einen Boden für das Pixel bildet. Zwei der Metallverbindungssegmente sind in einer ersten Metallschicht angeordnet (allgemein als Metall-1 bezeichnet), die über einer Polysiliziumschicht positioniert ist, die auf dem Siliziumsubstrat gebildet ist, und liefern Rücksetz- und Zugriffs-(„Transfer"-)Signale zu dem Pixel.
  • Die zwei verbleibenden Metallverbindungssegmente, die senkrecht zu den ersten zwei Metallverbindungssegmenten in einer zweiten Metallschicht angeordnet sind (allgemein als Metall-2 bezeichnet), die über einer dielektrischen Iso lierschicht über der ersten Metallschicht positioniert ist, und liefern Leistung und Spaltenauswahl zu dem Pixel. Leitfähige Kontakte koppeln die Schicht Metall-1 mit der Polysiliziumschicht und mit den aktiven Bereichen des Siliziumsubstrats und leitfähige Durchkontaktierungen koppeln die Schicht Metall-2 mit der Schicht Metall-1. Die Kontakte und die Durchkontaktierung ermöglichen, dass die Metallverbindungssegmente in elektrischer Kommunikation miteinander und mit der Polysiliziumschicht und dem Siliziumsubstrat des Pixels sind. Bei einem typischen Drei-Transistor-Aktiv-Pixelentwurf für einen CMOS-Bildsensor umfasst jedes Pixel vier Drähte (oder „Metallverbindungsleitungen" oder „Metallverbindungssegmente") und drei Transistoren, d. h. einen Rücksetztransistor, einen Source-Folger-Transistor und einen Auswahltransistor. Zwei Metallverbindungssegmente sind horizontal angeordnet, um eine Zeilenauswahl bereitzustellen entweder zum Rücksetzen des Pixels oder zum Lesen des Pixels. Zwei andere Metallverbindungssegmente sind vertikal angeordnet (oder im Wesentlichen senkrecht zu den ersten zwei Metallverbindungssegmenten) um eine Spaltenauswahl sowohl zum Lesen als auch Rücksetzen des Pixels zu liefern.
  • Bei herkömmlichen CMOS-Bildsensoren hat die Anordnung der Strukturen des Pixels, was die relative Positionierung des Photoresistors, der Transistorregion oder der Metallverbindungssegmente sowie andere Struktursegmente umfasst, Probleme dargestellt. Ein Hauptproblem, das herkömmliche CMOS-Bildsensoren aufweisen, ist die Pixellichtschattenbildung (auch bezeichnet als „geometrische Schattenbildung"). Eine Pixellichtschattenbildung wird verursacht, wenn der Mittelstrahl oder Hauptstrahl, der auf das Pixel auftrifft, wesentlich von der Normalen (oder senkrecht zu der Bilderzeugungsarrayebene) abweicht. Unter diesen Bedingungen können eines oder mehrere der Pixelelemente, die in Metallschichten über dem Photodetektor positioniert sind, eine wesentliche Lichtmenge dahingehend blockieren, auf den Photodetektor gerichtet zu werden. Folglich kann die Hel ligkeit des resultierenden Bildes wesentlich reduziert werden, was zu einer schlechten Bildqualität führt.
    •
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bildsensor und ein Verfahren zum Konfigurieren eines Bildsensors mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Bildsensor gemäß Anspruch 1 und 17 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.
  • Bei einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung einen Bildsensor, der ein Substrat, zumindest eine Metallschicht und eine Mehrzahl von Pixeln umfasst, die in einem Array angeordnet sind. Jedes Pixel umfasst ein Erfassungselement, das in dem Substrat angeordnet ist, und zumindest ein Metallverbindungssegment, das in der zumindest einen Metallschicht angeordnet ist. Das Array umfasst ein Paar von senkrechten Achsen, die sich aus einer optischen Mitte erstrecken, wobei für eine Linie von Pixeln, die sich senkrecht von einer der Achsen zu einem Umfangsrand des Arrays erstreckt, eine Beabstandung zwischen den Erfassungselementen von aufeinander folgenden Pixelpaaren der Linie zumindest gleich einer Beabstandung zwischen den zugeordneten zumindest einen Metallverbindungssegmenten ist, und wobei für zumindest ein aufeinander folgendes Pixelpaar der Linie die Beabstandung zwischen den Erfassungselementen um einen inkrementalen Betrag größer ist als die Beabstandung zwischen den entsprechenden zumindest einen Metallverbindungssegmenten.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm, das im Allgemeinen ein CMOS-Bilderzeugungsarray darstellt;
  • 2 ein Block- und Schema-Diagramm, das ein Pixel des CMOS-Bilderzeugungsarrays aus 1 darstellt;
  • 3 ein Beispiellayout des Pixels aus 2 gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Querschnittansicht, die Teile des Pixels aus 3 darstellt;
  • 5 ein Beispiellayout des Pixels aus 2 mit verschobenen Metallroutenpositionen gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine Querschnittansicht, die Teile des Pixels aus 5 darstellt;
  • 7 ein Beispiellayout des Pixels aus 2 mit verschobenen Metallroutenpositionen gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 8 eine Querschnittansicht, die Teile des Pixels aus 7 darstellt;
  • 9 ein Flussdiagramm, das im Allgemeinen ein Ausführungsbeispiel eines Prozesses zum Verschieben von Metallroutenpositionen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 10 Pixel gemäß einem Beispiel einer herkömmlichen Pixelkonfiguration;
  • 11 eine Querschnittansicht, die Teile des Pixels aus 10 darstellt;
  • 12 ein Ausführungsbeispiel der Pixel aus 10, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert sind;
  • 13 eine Querschnittansicht, die Teile der Pixel aus 12 darstellt;
  • 14A eine Querschnittansicht, die Teile einer Pixelzeile gemäß einer herkömmlichen Konfiguration darstellt;
  • 14B eine Querschnittansicht, die Teile einer Pixelzeile darstellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist;
  • 14C eine Querschnittansicht, die Teile einer Pixelzeile darstellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist;
  • 15A eine Querschnittansicht, die Teile einer Pixelzeile darstellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist; und
  • 15B eine Querschnittansicht, die Teile einer Pixelzeile darstellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
  • In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, die einen Teil derselben bilden, und in denen auf darstellende Weise spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diesbezüglich wird eine Richtungsterminologie, wie z.B. „oben", „unten", „Vorderseite", „Rückseite", „vordere(r)", „hintere(r)", etc. Bezug nehmend auf die Ausrichtung der Figur(en) verwendet, die beschrieben werden. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einer Reihe von unterschiedlichen. Ausrichtungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Darstellung verwendet und ist nicht einschränkend. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgende, detaillierte Beschreibung soll daher nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden, und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das allgemein ein CMOS-Bilderzeugungsarray 30 darstellt, das eine Mehrzahl von Pixeln 32 umfasst, die in einer Mehrzahl von Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes Pixel 32 Photoladungen aus empfangenem Licht erzeugt, das ein Bild darstellt. Die Photoladungen, die durch die Pixel 32 erzeugt werden, sind das Ergebnis von Photonen, die auf die Oberfläche eines Halbleitermaterials oder den Photodetektor (z.B. Photodiode und Photogate) treffen, und freie Ladungsträger (d. h. Elektronenlochpaare) erzeugen, in einer Menge linear proportional zu der einfallenden Photonenstrahlung. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, umfasst jedes Pixel 32 metallische Verbindungssegmente und Durchkontaktierungen, die basierend auf ihrer Position relativ zu einer optischen Mitte des Array 30 gemäß der vorliegenden Erfindung verschoben werden können, um die Photonenstrahlung zu erhöhen, die auf das Halbleitermaterial einfällt.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Beispielkonfiguration eines Pixels 32 darstellt, das allgemein als ein vergrabenes-gattergesteuertes Photodiodentyp-Pixel bezeichnet wird. Das Pixel 32 umfasst einen Photodetektor 42, einen Zugriffstransistor 40 (häufig bezeichnet als ein „Transfergate"), einen Rücksetztransistor 44 und einen Source-Folger-Transistor 46. Das Gate des Transfergates 40 ist mit einer Zugriffs- oder Transfer-(TX-)Leitung 48 gekoppelt, die Source ist mit einer Photodiode (PD) 42 gekoppelt und der Drain ist mit einer floatenden Diffusionsregion (FD) 50 gekoppelt. Das Gate des Rücksetztransistors 44 ist mit einer Rücksetzleitung (RST) 52 gekoppelt, die Source ist mit einer FD 50 gekoppelt und der Drain ist mit einer Spannungsleitung (PVDD) 54 gekoppelt. Das Gate des Source-Folger-Transistors 46 ist mit der Source des Rücksetztransistors 44 gekoppelt, die Source ist mit einer Spalten- oder Bit-(BIT)Leitung 54 gekoppelt, und der Drain ist mit der PVDD 54 gekoppelt. Obwohl nur ein Pixel 32 dargestellt ist, erstrecken sich TX-, RST-Leitungen 48, 52 über alle Pixel einer gegebenen Zeile des Arrays 30, und PVDD- und BIT-Leitungen 54, 56 erstrecken sich über alle Pixel einer gegebenen Spalte des Arrays 30.
  • Das Pixel 32 arbeitet in zwei Modi, Integration und Auslese, basierend auf Signalen, die über TX 48 und RST-Leitungen 48, 52 empfangen werden. Anfänglich ist das Pixel 32 in einem Rücksetzzustand, in dem das Transfergate 48 und der Rücksetztransistor 52 angeschaltet sind. Um ein Integrieren zu beginnen, werden Rücksetztransistor 52 und Transfergate 48 abgeschaltet. Während der Integrationsperiode sammelt PD 42 eine photoerzeugte Ladung an, die proportional zu der Photonenstrahlung ist, die sich durch Teile des Pixels 32 ausbreitet und auf den Photodetektor 42 einfällt.
  • Nachdem sich das Pixel 32 für eine gewünschte Zeitperiode integriert hat, wird der Rücksetztransistor 44 eingeschaltet und der Rücksetzpegel der FD 50 wird auf BIT-Leitung 56 über den Source-Folger-Transistor 46 abgetastet. Nachfolgend wird das Transfergate 40 eingeschaltet und die akkumulierte Ladung wird von der PD 42 zu der FD 50 übertragen. Die Ladungsübertragung verursacht, dass das Potential der FD 50 von dem Rücksetzwert abweicht, was ungefähr gleich dem Pegel der PVDD-Leitung 54 minus einer Schwellenspannung ist, auf einen Signalwert, der von der akkumulierten Ladung abhängt. Der Signalwert wird dann abgetastet, oder gelesen, auf der BIT-Leitung 56, über den Source-Folger-Transistor 46. Die Differenz zwischen dem abgetasteten Signalwert und dem abgetasteten Rücksetzwert bildet ein Bildsignal für das Pixel 32 und ist proportional zu der Intensität des Lichts, das auf die PD 42 einfällt.
  • Nach dem Auslesen der Pixelzeile, in der das Pixel 32 angeordnet ist, wird die FD 50 zu Masse zurückgebracht, um den Source-Folger-Transistor 46 abzuschalten. Da alle Source-Folger-Transistoren der Pixel jeder Spalte eine Verdrahtetes-ODER-Schaltung bilden, stellt das Zurückbringen von FD 50 zu Masse sicher, dass nur ein Source-Folger-Transistor jeweils in einer gegebenen Spalte angeschaltet ist. Die FD 50 wird zu Masse zurückgebracht durch temporäres Treiben von PVDD 54 auf einen niedrigen Spannungspegel (üblicherweise Masse), und dann Hochtakten von RST 52, was wiederum den floatenden Diffusionsbereich jedes Pixels in einer gegebenen Zeile (wie z.B. FD 50) auf den Spannungspegel von PVDD 54 einstellt (die, wie vorangehend beschrieben, zuvor zu Masse getrieben wurde).
  • 3 stellt ein Beispiellayout des Pixels 32 dar, wie durch 2 dargestellt wird, wenn es in einer Region 60 angeordnet ist (siehe 2), die in der Nähe einer optischen Mitte des Arrays 30 ist. Die Elemente des Pixels 32 sind in verschiedenen Schichten angeordnet, die ein Siliziumsubstrat überlagern, das den „Boden" des Pixels 32 bildet. Bei dem dargestellten Beispiel, Bezug nehmend auf den Zeichen-Schlüssel bzw. die -Legende 70, umfasst das Pixel 32 eine Polysiliziumschicht („Poly" 72), die das Siliziumsubstrat überlagert, eine erste Metallschicht („Metall-1") 74, die über der Poly 72 positioniert ist, und eine zweite Metallschicht („Metall-2") 76, die über der Poly 72 positioniert ist. Dieelektrische Isolierschichten (nicht dargestellt) sind zwischen der Poly 72 und der Metall-1 74 und der zwischen der Metall-1 74 und der Metall-2 76 positioniert. Das Pixel 32 umfasst zusätzliche Materialschichten, die für eine einfache Darstellung hierin nicht beschrieben oder erörtert sind.
  • Die PD 42, die FD 50 und aktive Bereiche 78 des Transistors sind in aktiven Regionen (d. h. dotierten Regionen) des Siliziumsubstrats angeordnet. Kontakte, die bei 80 dargestellt sind, liefern leitfähige Wege, um die Metall-1 74 mit aktiven Bereichen 78 der Transistoren zu koppeln, und um die Metall-1 74 mit der Poly 72 zu koppeln. Durchkontaktierungen, angezeigt bei 82, liefern leitfähige Wege, um die Metall-2 76 mit der Metall-1 74 zu koppeln.
  • TX- und RST-Leitungen 48, 52 sind in der Metall-1 74 angeordnet, und PVVD- und BIT-Leitungen 54, 56 sind in der Metall-2 76 angeordnet und erstrecken sich jeweils horizontal und vertikal (im Hinblick auf 3) über das Pixel 32. Ein Segment 90 der Poly 74 ist über der PD 40 und der FD 50 positioniert, um das Gate des Transfergates 40 zu bilden. Die TX-Leitung 54 ist über einen Kontakt 92 mit dem Segment 90 der Poly 72 gekoppelt. Ein Segment 94 der Poly 72 ist über dem aktiven Bereich 78 positioniert, um das Gate des Rücksetztransistors 44 zu bilden, und erstreckt sich zu und ist gekoppelt mit der RST-Leitung 52 durch den Kontakt 96. Ein Segment 98 der Poly 72 ist über dem aktiven Bereich 78 positioniert, um das Gate des Source-Folger-Transistors 46 zu bilden. Ein erstes Ende eines Segments 100 der Metall-1 74 ist durch einen Kontakt 102 mit der Source des Rücksetztransistors 44 in dem aktiven Bereich 78 gekoppelt, und ein zweites Ende ist durch einen Kontakt 104 mit dem Segment 98 der Poly 72 gekoppelt, wodurch die Source des Rücksetztransistors 44 mit dem Gate des Source-Folger-Transistors 46 gekoppelt ist. Die Source des Rücksetztransistors 44 ist mit der FD 50 über den aktiven Bereich 78 gekoppelt.
  • Die PVDD-Leitung 54 ist durch eine Durchkontaktierung 106 mit einem ersten Ende eines Segments 108 der Metall-1 74 gekoppelt, die ihrerseits an einem zweiten Ende mit den Drains der Rücksetz- und Source-Folger-Transistoren 44, 46 durch einen Kontakt 110 gekoppelt ist. Die BIT-Leitung 56 ist durch eine Durchkontaktierung 112 mit einem ersten Ende eines Segments 114 der Metall-1 74 gekoppelt, die ihrerseits an einem zweiten Ende mit der Source des Source-Folger-Transistors 46 durch einen Kontakt 116 gekoppelt ist. Der Photodetektor eines benachbarten Pixels ist bei 120 dargestellt.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass 3 ausschließlich zu Darstellungszwecken umfasst ist und nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist. Als solches wurden Elementgrößen, Beabstandungen zwischen Elementen und die relative Position von Elementen im Hinblick aufeinander zur Erleichterung der Darstellung übertrieben und sollen die tatsächlichen Pixelstrukturen nicht genau darstellen.
  • Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, dass Durchkontaktierungen (z.B. Durchkontaktierungen 106 und 112) und Kontakte (z.B. 96, 102, 104, etc.) im Allgemeinen als Zwischenschichtverbindungselemente beschrieben werden können. Wie der Name andeutet, wirken solche Zwischenschichtverbindungselemente als „Kanäle", um nichtkontaktierende Schichten elektrisch miteinander zu koppeln. Die Ausdrücke „Durchkontaktierung" und „Verbindung" werden nur zu darstellenden Zwecken verwendet, um zwischen Verbindungen zwischen den Schichten Metall-1 und Metall-2 und zwischen der Metall-1 und dem Siliziumsubstrat und/oder der Polysiliziumschicht zu unterscheiden.
  • 4 ist eine Querschnittansicht des Pixels 32, wie durch 3 dargestellt ist. Eine Oberflächenebene des Arrays 30 und eine Oberflächenebene des Siliziumsubstrats, in denen die PD 42 und die aktiven Bereiche 78 der Transistoren positioniert sind, sind jeweils bei 126 und 128 dargestellt. Ein Isolationsbereich 129 trennt das Pixel 32 von dem benachbarten Pixel 122. Für eine vereinfachte Darstellung sind weder alle Komponenten von Pixel 32 aus 3 dargestellt, noch sind andere Pixelkomponenten dargestellt, wie z.B. Mikrolinsen, Farbfilter und verschiedene transparente dielektrische Schichten. Wiederum ist wie bei 3 4 ausschließlich zu Darstellungszwecken vorgesehen.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist das Pixel 32 aus 3 und 4 in der Region 60 (siehe 1) in der Nähe zu einer optischen Mitte 130 des Arrays 30 angeordnet. Die optische Achse 130 entspricht einer Referenzlinie senkrecht zu der Oberflächenebene 126 einer Mitte des Arrays 30, die dieselbe schneidet. Wie dargestellt ist, sind die PVDD-Leitung 54, die Durchkontaktierung 106 und die Durchkontaktierung 112 jeweils in Distanzen 140, 142 und 144 von einem Rand 138 des Pixels 32 positioniert, der nahe der PD 42 ist. Die BIT-Leitung 56 ist in einer Distanz 148 von der PVDD-Leitung 54 positioniert.
  • Allgemein ausgedrückt ist das Pixel 32 aus 4 auf herkömmliche Weise konfiguriert, wobei die PVDD- und BIT-Leitung 54, 56 der Metall-2 76, Segmente 108, 114 der Metall-1 74 und Durchkontaktierungen 106, 112 über aktiven Transistorbereichen 78 und dem Isolationsbereich 129 positioniert sind, um den Bereich zwischen der PD 42 und der Oberflächenebene 126 frei von Metallverbindungen zu halten, so dass das Licht zu der PD 42 nicht durch solche Hindernisse „blockiert" wird. Bei den meisten herkömmlichen Bilderzeugungsarrays ist die herkömmliche Pixelkonfiguration von Pixel 32, wie durch 3 und 4 dargestellt ist, für alle Pixel des Arrays identisch. Anders ausgedrückt ist jedes Pixel des Arrays 30 identisch mit einem festen Abstand angeordnet. Somit sind die Distanzen 140, 142 und 144 von dem Rand 138 zu der PVDD-Leitung 54, der Durchkontaktierung 106, der Durchkontaktierung 112 und zwischen PVDD- und BIT-Leitungen 54, 56 für jedes Pixel des Arrays gleich.
  • Wenn das Pixel 32 in der Nähe der optischen Achse 130 ist, wie z.B. in der Region 60, ist ein Haupt- oder Durchschnitts-Strahlenwinkel eines Bündels aus einfallenden Lichtstrahlen 160, das auf die Oberflächenebene 126 des Arrays 30 einfällt, im Wesentlichen normal (d. h. senkrecht zu) zu der Oberfläche 126. Als solches ist die herkömmliche Konfiguration des Pixels 34, wie durch 3 und 4 dargestellt ist, effektiv, um zu erlauben, dass einfallende Lichtstrahlen 160 die PD 42 erreichen.
  • Der Hauptstrahlenwinkel eines Bündels aus einfallenden Strahlen, der auf die Oberflächenebene 126 einfällt, weicht jedoch von der Normalen mit der Distanz von der optischen Achse 130 ab. Im Allgemeinen erhöht sich die Abweichung des Hauptstrahlenwinkels von der Normalen auf nichtlineare Weise mit der Distanz von der optischen Achse 130, wobei eine maximale Abweichung in der Nähe zu den Rändern des Arrays 30 auftritt (d. h. der größten Distanz von der optischen Achse 130). Die Abweichung resultiert primär aus einem Phänomen, das allgemein als die „Nicht-Telezentrizität" der Linse bezeichnet wird, die durch eine Bilderzeugungsvorrichtung (nicht gezeigt) verwendet wird, die das Bilderzeugungsarray 30 verwendet. Diese Abweichung führt dazu, dass die herkömmliche Pixelstruktur (primär die Elemente der Metall-2 76) des Pixels 32 aus 3 und 4 eine Schattenbildung (oder „geometrische Schattenbildung") des zugeordneten Photodetektors PD 42 oder des Photodetektors eines benachbarten Pixels verursacht, wobei sich die Schattenbildungseffekte verschlimmern, wenn die Pixel weiter von der optischen Achse 130 entfernt sind. Die Schattenbildung reduziert die Lichtintensität, die durch die Pixel empfangen wird, insbesondere jener Pixel in der Nähe zu den Rändern des Bilderzeugungsarrays 30, die bereits eine Reduzierung der Lichtintensität relativ zu jenen Pixeln in der Nähe der optischen Achse 130 daraus sehen, was allgemein als Vignettierung (verursacht durch 1/Cosinuscharakteristika der Linse) bezeichnet wird.
  • Wenn z.B. das Pixel 32, das die herkömmliche Konfiguration aus 4 aufweist, in einer Region 62 des Arrays 30 anstelle der Region 60 positioniert ist (siehe 1), würde der Hauptstrahlenwinkel des einfallenden Lichts auf die Oberflächenebene 126 wesentlich von der Normalen abweichen, wie durch das Bündel aus einfallenden Strahlen bei 162 dargestellt ist. Folglich, wenn dieselbe bei Region 62 positioniert ist, blockiert die BIT-Leitung 56 der Metall-2 76 einfallendes Licht zu dem Photodetektor 120 des benachbarten Pixels 122, was folglich die Helligkeit eines Bildes reduziert, das durch das benachbarte Pixel 122 erzeugt wird.
  • Auf ähnliche Weise, wenn das Pixel 32 mit der herkömmlichen Konfiguration aus 4 an der Region 64 des Arrays 30 positioniert ist, gegenüberliegend zu der optischen Achse 130 aus Region 62 (siehe 1), würde der Hauptstrahlenwinkel des einfallenden Lichts auf die Oberflächenebene wesentlich von der Normalen abweichen (um dieselbe Größe aber einem entgegengesetzten Winkel zu der Abweichung bei Region 62), wie durch das Bündel aus einfallenden Strahlen 164 dargestellt ist. Folglich, wenn dieselbe bei Region 64 positioniert ist, blockiert die PVDD-Leitung 54 der Metall-2 76 einfallendes Licht auf die PD 42, was folglich die Helligkeit eines Bildes reduziert, das durch das Pixel 32 erzeugt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, und wie durch 5 bis 8 nachfolgend dargestellt ist, werden die Metall-2-Elemente und entsprechende Durchkontaktierungen der Pixel 32 (d. h. PVDD- und BIT-Leitungen 54, 56 und Durchkontaktierungen 110, 112 bei den dargestellten Beispielen) hin zu der optischen Achse 130 verschoben, basierend auf ihrer Distanz von und Position zu (d. h. rechts oder links im Hinblick auf 1) der optischen Achse 130. Das Verschieben der Metall-2-Elemente und ihre entsprechenden Durchkontaktierungen hin zu der optischen Mitte des Bilderzeugungsarrays 30 gemäß der vorliegenden Erfindung reduziert die Lichtschattenbildung, die herkömmlichen Pixelstrukturen zugeordnet ist.
  • Elemente der Metall-1 74 (d. h. Segment 100) sind in unmittelbarer Nähe zu der Oberfläche 128 des Siliziumsubstrats positioniert und weiter weg von der Bilderzeugungsebene 126 als Elemente der Metall-2 76. Als solches haben Elemente der Metall-1 74 im Allgemeinen wenig Auswirkung auf geometrische Schattenbildungseffekte. Die geometrische Schattenbildung wird im Allgemeinen durch Pixelkomponenten in Schichten über der Metall-1 74 und näher an der Bildebene 126 verursacht, wie z.B. den Elementen der Metall-2 76, wie hierin beschrieben ist. Bei einigen Pixelarchitekturen jedoch können die Elemente der Metall-1 74 zu geometrischen Schattenbildungseffekten beitragen. Als solches, obwohl sie hierin im Hinblick auf Elemente der Metall-2 76 und auf zugeordnete Zwischenschichtverbindungselemente beschrieben sind, können die Lehren der vorliegenden Erfindung (wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird) auch auf Elemente der Metall-1 74 und zugeordnete Zwischenschichtverbindungselemente angewendet werden. Die Lehren der vorliegenden Erfindung können ebenfalls auf die Elemente in Metallschichten außer der Metall-1 und Metall-2 angewendet werden, wenn eine Pixelarchitektur solche zusätzlichen Metallschichten einsetzt.
  • 5 und 6 stellen ein Beispiellayout des Pixels 32 gemäß der vorliegenden Erfindung dar, wenn es in der Region 62 des Bilderzeugungsarrays 30 angeordnet ist. Wie dargestellt ist, werden PVDD- und BIT-Leitungen 54, 56 der Metall-2 76 und entsprechende Durchkontaktierungen 110 und 112 hin zu dem Rand 38 verschoben, um eine Verschiebungsdistanz 200 relativ zu ihren entsprechenden Positionen, wenn das Pixel 32 an Position 60 angeordnet ist (wie durch 3 und 4 dargestellt ist). Die Größe der Verschiebungsdistanz 200 basiert auf der Distanz des Pixels 32 von der optischen Mitte 130 des Bilderzeugungsarrays 30. Die Richtung der Verschiebungsdistanz 200 hängt von der relativen Position des Pixels 32 zu der optischen Mitte 130 ab. Da der Rand 138 von Pixel 32 aus 5 und 6 hin zu der optischen Mitte 130 gewandt ist, ist die Richtung der Verschiebungsdistanz 200 hin zu dem Rand 138 (d. h. nach „links" in den 1, 5 und 6).
  • Weiter Bezug nehmend auf 4 sind die Distanzen 240, 242 und 244 zwischen der PVDD-Leitung 54 und den Durchkontaktierungen 106 bzw. 112 zu dem Rand 138 geringer als die Distanzen 140, 142 und 144, um einen Betrag gleich der Verschiebungsdistanz 200. Da die BIT-Leitung 56 ebenfalls hin zu dem Rand 138 um eine Verschiebungsdistanz 200 verschoben wird, ist die Distanz 256 zwischen der PVDD- und BIT-Leitung 54, 56 gleich der Distanz 156. Wie durch 5 und 6 dargestellt wird, wurden die Positionen und Abmessungen der Segmente 108 und 114 der Metall-1 74 entsprechend eingestellt.
  • Wie durch 6 dargestellt wird, bei der die PVDD- und BIT-Leitungen 54, 56 der Metallschicht 276 und entsprechende Durchkontaktierungen 106, 112 hin zu dem Rand 138 um eine Verschiebungsdistanz 200 verschoben sind, wird das Bündel aus einfallenden Lichtstrahlen 162 nicht mehr blockiert und weist einen ununterbrochenen Weg zu dem PD 120 des benachbarten Pixels 122 auf. Zusätzlich dazu, obwohl die PVDD-Leitung 54 der Metall-2 76 zwischen der PD 42 und der Oberflächenebene 126 positioniert ist, weist ein Bündel aus Lichtstrahlen (nicht dargestellt), das auf das Pixel 32 einfällt, einen Hauptstrahlenwinkel ähnlich zu dem des Bündels aus Lichtstrahlen 162 auf und wird somit nicht durch die PVDD-Leitung 54 blockiert.
  • 6 und 7 stellen ein Beispiellayout des Pixels 32 gemäß der vorliegenden Erfindung dar, wenn es an der Region 64 des Bilderzeugungsarrays 30 angeordnet ist. Wie dargestellt ist, sind PVDD- und BIT-Leitungen 54 und 56 der Metall-2 76 weg von dem Rand 138 um eine Verschiebungsdistanz 300 relativ zu ihren entsprechenden Positionen verschoben, wenn das Pixel 32 bei Region 60 angeordnet ist (wie durch 3 und 4 dargestellt ist). Wenn das Pixel 32 bei Region 62 angeordnet ist (wie durch 5 und 6 dargestellt ist), basieren die Größe und Richtung der Verschiebungsdistanz 300 jeweils auf der Distanz, die das Pixel 32 von der optischen Mitte 130 des Bilderzeugungsarrays 30 ist und auf der relativen Position des Pixels 32 zu derselben. Da der Rand 138 des Pixels 32 aus 7 und 8 von der optischen Mitte 130 abgewandt ist, ist die Richtung der Verschiebungsdistanz 200 weg von dem Rand 138 (d. h. nach rechts in 1, 7 und 8). Bei dem dargestellten Beispiel ist die Region 64 im Wesentlichen in einer gleichen Distanz von der optischen Mitte 130 des Arrays 30 bei Region 62.
  • Im Gegensatz dazu jedoch, wenn Pixel 32 bei Region 62 angeordnet ist (wie durch 5 und 6 dargestellt wird), wird nur die Durchkontaktierung 112, die der BIT-Leitung 56 zugeordnet ist, um die Verschiebungsdistanz 300 hin zu der optischen Mitte 130 (d. h. nach rechts) verschoben. Da die Pixel innerhalb des Siliziumsubstrats so dicht gepackt sind, sind die Orte der Photodetektoren und der aktiven Transistorbereiche (z.B. PVDD 42 und aktive Bereiche 78), der Transistoren (z.B. Rücksetztransistor 74 und Source-Folger-Transistor 46) und die zugeordneten Kontakte (z.B. Kontakte 102, 104, 110 und 116) im Wesentlichen an festen Positionen. Als solches ist das Segment 100 der Metall-1 72, das die Source des Rücksetztransistors 44 mit dem Gate des Source-Folger-Transistors 46 koppelt, im Wesentlichen an einem festgelegten Ort.
  • Da die Durchkontaktierung 106 die PVDD-Leitung 54 mit den Drains des Rücksetz- und Source-Folger-Transistors 44, 46 durch das Segment 108 der Metall-1 72 koppelt, kann die Durchkontaktierung 106 nicht zusammen mit der PVDD-Leitung 54 um eine Verschiebungsdistanz 300 verschoben werden, da eine solche Verschiebung erfordern würde, dass das Segment 108 der Metall-1 72 über das Segment 100 der Metall-1 72 ausgedehnt ist. Als solches ist die Durchkontaktierung 106 im Wesentlichen an einer festgelegten Position. Daher, um eine elektrische Verbindung zwischen der verschobenen PVDD 54 und den Drains des Rücksetz- und Source-Folger-Transistors 44, 46 beizubehalten, wird ein Bereichselement 360 der Metall-2 76 zu dem Pixel 32 hinzugefügt, um die PVDD 54 mit der Durchkontaktierung 112 zu koppeln.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Bereichselement 360 angrenzend an und erstreckt sich von der PVDD 54 zu der Durchkontaktierung 106 um eine Distanz zumindest gleich der Verschiebungsdistanz 300. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Bereichselement 36 angrenzend an und erstreckt sich von der PVDD 54 zu der Durchkontaktierung 106 um eine Distanz im Wesentlichen gleich der Verschiebungsdistanz 300. Obwohl es derart dargestellt ist, dass es sich von der PVDD 54 auf lineare Weise erstreckt, kann das Bereichselement bei anderen Ausführungsbeispielen Biegungen und Winkel umfassen, um Konflikte mit anderen Pixelelementen (nicht dargestellt) zu vermeiden, die zwischen der PVDD 54 und der Durchkontaktierung 106 positioniert sein können.
  • Weiterhin Bezug nehmend auf 4 sind die Distanzen 340 und 344 zwischen der PVDD-Leitung 54 und der Durchkontaktierung 112 jeweils zu dem Rand 138 größer als die Distanzen 140 und 144, um einen Betrag gleich der Verschiebungsdistanz 300. Da die BIT-Leitung 56 ebenfalls weg von dem Rand 138 um eine Verschiebungsdistanz 300 verschoben ist, ist die Distanz 356 zwischen der PVDD- und der BIT-Leitung 54, 56 gleich der Distanz 156. Wie durch 7 und 8 dargestellt wird, wurde das Segment 114 der Metall-1 72 um die Verschiebungsdistanz 300 ausgedehnt.
  • Wie durch 8 dargestellt wird, wenn die PVDD- und die BIT-Leitung 54, 56 der Metall-2 76 um die Verschiebungsdistanz 300 weg von dem Rand 138 verschoben sind, wird das Bündel aus einfallenden Lichtstrahlen 164 nicht mehr blockiert und weist einen Weg ohne Hindernisse zu dem PD 42 auf. Zusätzlich dazu, obwohl die BIT-Leitung 56 der Metall-2 76 zwischen der Oberflächenebene 126 und dem PD 120 des benachbarten Pixels 122 positioniert ist, weist ein Bündel aus Lichtstrahlen (nicht dargestellt), die auf das Pixel 32 einfallen, einen Hauptstrahlenwinkel ähnlich zu dem des Bündels aus Lichtstrahlen 164 auf und wird somit nicht durch die BIT-Leitung 56 blockiert.
  • Wie oben beschrieben ist, variiert der Hauptstrahlenwinkel des Lichts, das auf das Bilderzeugungsarray 30 einfällt, nicht linear mit der Distanz von der optischen Achse 130 über das Bilderzeugungsarray 30, wobei die größten Abweichungen entlang der Ränder des Bilderzeugungsarrays 30 auftreten. Als solches ist der Betrag bei der Verschiebungsdistanz bei den Elementen der Metall-2 76 für jedes Pixel 32 des Arrays 30 abhängig von der Distanz des Pixels von der optischen Achse 130. Der Betrag der Verschiebungsdistanz hängt ferner von der Distanz der Metall-2 76 von der Oberflächenebene 126 ab. Somit sind im Allgemeinen die Verschiebungsdistanzen in ihre Größe für Pixel 32 größer, die weiter weg von der optischen Achse 130 angeordnet sind, als für Pixel, die näher an der optischen Achse 130 angeordnet sind. Ferner erhöhen sich aufgrund des nichtlinearen Wesens der Abweichungen von der Normalen des Hauptstrahlenwinkels über das Array 30 die Beträge der Verschiebungsdistanzen ebenfalls nicht linear, wenn die Pixel weiter von der optischen Achse 130 entfernt sind.
  • 9 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Prozesses 400 zum Bestimmen von Verschiebungsdistanzen für jedes Pixels eines Pixelarrays darstellt, das hergestellt werden soll, wie z.B. Pixel 32 von Array 30. Der Prozess 400 beginnt bei 402. Bei 404 werden Parameter/Daten, die dem Bilderzeugungsarray zugeordnet sind, das hergestellt werden soll, bestimmt und umfassen Informationen, wie z.B. die Anzahl „m" von Spalten (C) und die Anzahl „n" von Zeilen (R) des Bilderzeugungsarrays, eine „herkömmliche" oder Basis-Konfiguration eines Pixels des Arrays (z.B. Pixel 32 aus 3 und 4, und umfasst Abmessungen, die die Pixelstruktur beschreiben), und Daten, die sich auf eine Linsenkonfiguration beziehen, die mit dem Array verwendet werden soll (was nichtlineare Charakteristika der Hauptstrahlenwinkel umfasst, die der Linse zugeordnet sind).
  • Bei 406 werden die Werte für den Spaltenzähler (C) und den Zeilenzähler (R) jeweils auf einen Wert von „1" gesetzt. Bei 408, basierend auf den Abmessungen des Arrays, die bei 404 eingegeben werden, wird eine optische Mitte des Arrays bestimmt. Basierend auf dem Wert von C und R wird die Distanz des vorliegenden Pixels (R, C) von der optischen Mitte bestimmt.
  • Bei 410 wird basierend auf der Distanz von der optischen Mitte, wie bei 408 bestimmt wurde, und den nichtlinearen Charakteristika des Hauptstrahlenwinkels und den Abmessungen der Basispixelstruktur von 404 eine Verschiebungsdistanz (SD; shift distance) für die Elemente der Metall-2 des vorliegenden Pixels (R, C) bestimmt.
  • Bei 410 fragt der Prozess 400 ab, ob die SD größer oder gleich Null ist. Wenn die Antwort auf die Anfrage „Nein" ist, fährt der Prozess 400 mit 414 fort. Bei 414 (unter zusätzlicher Bezugnahme auf 1, 5 und 6), da die SD kleiner als Null ist, ist das vorliegende Pixel (R, C) „rechts" von der optischen Mitten angeordnet und die Segmente der Metall-2 werden nach „links" verschoben. Als solches liegen keine festen Transistoren oder Verbindungselemente vor (z.B. Segment 100 aus 3), die eine Bewegung von Durchkontaktierungen verhindern, die den Segmenten der Metall-2 zugeordnet sind, und die Durchkontaktierungen werden um dieselbe SD verschoben wie die entsprechenden Segmente der Metall-2. Der Prozess 400 fährt dann mit 416 fort.
  • Wenn die Antwort auf die Abfrage bei 412 „Ja" ist, fährt der Prozess 400 mit 418 fort. Bei 418 (unter zusätzlicher Bezugnahme auf 1, 5 und 6), da die SD größer ist als Null, ist das aktuelle Pixel (R, C) „links" von der optischen Mitte angeordnet, und die Segmente der Metall-2 werden nach „rechts" verschoben. Als solches liegen feste Transistoren und/oder Verbindungselemente vor (z.B. Segmente 100 aus 7), die eine Bewegung von Durchkontak tierungen verhindern, die den Segmenten der Metall-2 zugeordnet sind. Als solches werden Durchkontaktierungen des vorliegenden Pixels (R, C), die nicht blockiert sind, um dieselbe SD verschoben wie die entsprechenden Segmente der Metall-2, und Durchkontaktierungen, deren Bewegung behindert wird, bleiben an ihrer „Basis"-Position.
  • Der Prozess 400 fährt dann mit 420 fort, wo Bereichselemente zu der Pixelstruktur des aktuellen Pixels (R, C) hinzugefügt werden, um die festen Durchkontaktierungen mit ihren entsprechenden verschobenen Segmenten der Metall-2 zu koppeln. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Länge der Bereichselemente im Wesentlichen gleich der SD des vorliegenden Pixels (R, C). Der Prozess 400 fährt dann mit 416 fort.
  • Bei 416 fragt der Prozess 400 ab, ob der Zeilenzähler „R" gleich der Anzahl „n" von Zeilen in dem Array ist, das hergestellt werden soll. Wenn die Antwort auf die Abfrage „Nein" ist, wurden Verschiebungsdistanzen nicht für alle Pixel der aktuellen Zeile „R" bestimmt, und der Prozess 400 fährt mit 422 fort. Bei 422 wird der Zeilenzähler „R" um einen Wert von „1" inkrementiert und der Prozess 400 kehrt zu 408 zurück, wo der oben beschriebene Prozess für das nächste Pixel der vorliegenden Spalte „C" wiederholt wird.
  • Wenn die Antwort auf die Abfrage bei 416 „Ja" ist, wurden Verschiebungsdistanzen für alle Pixel der aktuellen Spalte „C" bestimmt, und der Prozess 400 fährt mit 424 fort. Bei 424 fragt der Prozess 400 ab, ob der Spaltenzähler „C" gleich der Anzahl „m" von Spalten in dem Array ist, das hergestellt werden soll. Wenn die Antwort auf die Abfrage „Nein" ist, wurden Verschiebungsdistanzen noch nicht für alle Pixelspalten des Arrays bestimmt, das hergestellt werden soll, und der Prozess 400 fährt mit 426 fort. Bei 426 wird der Spaltenzähler „C" um einen Wert von „1" inkrementiert und der Prozess 400 kehrt zu 408 zurück, um Verschiebungsdistanzen für alle Pixel der nächsten Pixelspalte zu bestimmen. Wenn die Antwort auf die Abfrage bei 424 „Ja" ist, wurden Verschiebungsdistanzen für alle Pixel des Arrays bestimmt, das hergestellt werden soll, und der Prozess 400 ist abgeschlossen, wie bei 428 angezeigt ist.
  • Der oben beschriebene Prozess kann unter Verwendung eines Computerprogramms auf einem Computersystem ausgeführt werden. Zum Beispiel können die Charakteristika eines Bündels aus Lichtstrahlen (z.B. der Hauptstrahlenwinkel), die auf jedes Pixel 32 des Arrays 30 einfallen, bestimmt werden durch Modellieren des zugeordneten Linsensystems. Die Platzierung der Segmente der Metall-2, der entsprechenden Durchkontaktierungen und der erforderlichen Bereichselemente kann dann algorithmisch bestimmt werden basierend auf den Charakteristika des entsprechenden Bündels aus Lichtstrahlen, um einen Pixeloperationsparameter zu optimieren (z.B. Photostrahlung, die auf den Photodetektor einfällt). Obwohl eine Originalsoftware entwickelt werden kann, ist ein Beispiel eines handelsüblich erhältlichen Produkts, das eingesetzt werden kann, um den oben beschriebenen Prozess auszuführen, SKILL SCRIPT® in CADENCE IC Design Tools®.
  • Durch Verschieben der Metallverbindungssegmente und der entsprechenden Durchkontaktierungen, wie oben beschrieben wurde, wird eine Schattenbildung der Photodetektoren des Pixelarrays reduziert, wodurch die Helligkeit der Bilder erhöht wird, die durch den Bildsensor aufgenommen werden. Zusätzlich dazu werden durch Bestimmen und Bereitstellen von Bereichselementen gemäß er vorliegenden Erfindung Metallverbindungssegmente, die festen Schaltungselementen, wie z.B. Durchkontaktierungen, zugeordnet sind, verschoben, während sie in einer erforderlichen elektrischen Kommunikation mit Pixelelementen verbleiben.
  • Während eine Verschiebung der Metallverbindungssegmente auf diese Weise eine Schattenbildung reduziert, wird eine Verschiebung der Metallverbindungssegmente hin zu der optischen Mitte des Arrays, während eine erforderlichen Operationsbeabstandung zwischen Pixelelementen beibehalten wird, immer schwieriger, wenn Pixelabmessungen abnehmen. Zusätzlich dazu sind für eine einfache Herstellung und für eine einfache Verbindung des Arrays mit der Peripherieschaltungsanordnung diese Metallverbindungsleitungen oder Metallverbindungssegmente des herkömmlichen Arrays üblicherweise in einer festgelegten Beabstandung (d. h. weisen einen festen Abstand auf) und erstrecken sich linear über das Array. Bezug nehmend z.B. auf 1, 2 und 3A, erstrecken sich TX- und RST-Leitungen 48 und 52 über jede Pixelzeile, und PVDD- und BIT-Leitungen 54 und 56 erstrecken sich über jede Pixelspalte des Bilderzeugungsarrays 30. Durch individuelles Verschieben der Verbindungssegmente jedes Pixels hin zu einer optischen Mitte des Arrays, erstrecken sich die Metallverbindungssegmente nicht mehr linear über das Array und sind nicht mehr in einem festen Abstand, wodurch das Array schwieriger herzustellen und mit einer Peripherieschaltungsanordnung zu verbinden wird.
  • Im Hinblick auf das oben Erwähnte sind bei einem Ausführungsbeispiel eines Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung die Metallverbindungssegmente bei einer oder mehreren der Metallschichten an einem festen Abstand positioniert, während die Photodioden, zugeordnete Transistoren und Verbindungssegmente an einem zweiten Abstand positioniert sind, der größer ist als der erst Abstand. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, werden durch Verwenden eines zweiten Abstands, der inkremental größer ist als der erste Abstand, die Photodioden und die zugeordnete Schaltungsanordnung jedes Pixel inkremental weiter weg von einer optischen Mitte des Arrays positioniert als die zugeordneten Metallverbindungssegmente an dem ersten Abstand. Folglich werden die Photodioden und die zugeordnete Schaltungsanordnung eines Pixels immer weiter von den zugeordneten Metallverbindungssegmenten mit dem ersten Abstand positioniert, mit einer Distanz von der optischen Mitte des Arrays, wodurch eine Schattenbildung der Photodi oden der Pixel reduziert wird, während die Metallverbindungssegmente in einem festen Abstand beibehalten werden, um eine einfache Verbindung mit der Peripherieschaltungsanordnung beizubehalten.
  • 10 stellt allgemein ein Beispiellayout eines Paars aus aufeinander folgenden Pixeln dar, wie z.B. Pixel 432a und 432b einer Zeile 434 aus Pixeln, die sich auf eine im Allgemeinen senkrechte Weise von einer optischen Achse 436 erstreckt, die sich zusammen mit der optischen Achse 438 tangential von einer optischen Mitte 439 des Bilderzeugungsarrays 30 erstreckt (siehe 1). Wie dargestellt ist, weisen die Pixel 432a und 432b jeweils Komponenten und Strukturen ähnlich zu jenen auf, die durch das Pixel 32 aus 2 und 3 dargestellt sind.
  • Die Elemente der Pixel 432a und 432b sind in verschiedenen Schichten angeordnet, die ein Siliziumsubstrat überlagern, das einen „Boden" des Bilderzeugungsarrays 30 bildet. Bezug nehmend auf den Zeichnungsschlüssel 470 umfasst das Bilderzeugungsarray 30 eine Polysiliziumschicht („Poly") 472, die das Siliziumsubstrat überlagert, eine erste Metallschicht („Metall-1") 474, die über der Poly 472 positioniert ist, und eine zweite Metallschicht („Metall-2") 476, die über der Metall-1 474 positioniert ist. Dielektrische Isolierschichten (nicht dargestellt) sind zwischen der Poly 472 und der Metall-1 474 positioniert, und zwischen der Metall-1 474 und der Metall-2 476. Das Bilderzeugungsarray 30 und die Pixel 432a, 432b können zusätzliche Schichten umfassen, aber für eine einfache Darstellung sind sie nicht beschrieben oder hierin erörtert.
  • Photodioden (PD) 442a, 442b, floatende Diffusionen (FD) 450a, 450b und aktive Bereiche 478a, 478b der Transistoren (d. h. Transfergates, Rücksetztransistoren und Source-Folger-Transistoren, siehe 2) der Pixel 432a und 432b sind in aktiven Regionen (d. h. dotierten Regionen) des Siliziumsubstrats angeordnet. Kontakte 480 liefern leitfä hige Wege, um die Metall-1 474 mit den aktiven Bereichen 478 und der Poly 472 zu koppeln. Durchkontaktierungen 482 liefern leitfähige Wege, um die Metall-2 476 mit der Metall-1 474 zu koppeln.
  • Transfer-(TX) und Rücksetz-(RST-)Leitungen 448 und 452 sind in der Metall-1 474 angeordnet und erstrecken sich über Pixel 432a und 432b und alle anderen Pixel der Zeile 434. Spannungs-(PVDD-) und Bit-(BIT-) Leitungen 454a, 454b und 456a, 456b sind in der Metall-2 476 angeordnet und erstrecken sich jeweils über Pixel 432a, 432b und alle anderen Pixel der zugeordneten Pixelspalte. Segmente 490a, 490b der Poly 472 sind jeweils über der PD 440a, 440b und FD 450a, 450b positioniert, um die Transfergates der Pixel 432a, 432b zu bilden. Die TX-Leitung 448 ist jeweils durch Kontakte 492a und 492b mit den Segmenten 490a und 490b der Poly 472 gekoppelt.
  • Segmente 494a, 494b der Poly 472 sind jeweils über entsprechenden aktiven Bereichen 478a und 478b positioniert, um die Gates der Rücksetztransistoren der Pixel 432a, 432b zu bilden und erstrecken sich und sind gekoppelt mit der RST-Leitung 452 durch Kontakte 496a und 496b. Segmente 498a und 498b der Poly 472 sind jeweils über aktiven Bereichen 478a und 478b positioniert, um die Gates der Source-Folger-Transistoren der Pixel 432a, 432b zu bilden.
  • Erste Enden der Segmente 500a und 500b der Metall-1 474 sind jeweils durch Kontakte 502a und 502b mit der Source der Rücksetztransistoren in den aktiven Bereichen 478a und 478b gekoppelt, und zweite Enden sind durch Kontakte 504a und 504b mit Segmenten 498a und 498b der Poly 472 gekoppelt, wodurch die Source der Rücksetztransistoren mit dem Gate der entsprechenden Source-Folger-Transistoren gekoppelt ist. Die Sources der Rücksetztransistoren sind jeweils mit FDs 450a und 450b durch aktive Bereiche 478a und 478b gekoppelt.
  • PVDD-Leitungen 454a und 454b sind jeweils durch Durchkontaktierungen 506a und 506b mit ersten Enden der Segmente 508a und 508b der Metall-1 474 gekoppelt, die wiederum jeweils an zweiten Enden mit den Drains der Rücksetz- und Source-Folger-Transistoren des aktiven Bereichs 478a, 478b durch Kontakte 510a und 510b gekoppelt sind. BIT-Leitungen 456a und 456b sind jeweils durch Durchkontaktierungen 512a und 512b mit ersten Enden der Segmente 514a und 514b der Metall-1 474 gekoppelt, die wiederum jeweils an zweiten Enden mit den Sources der entsprechenden Source-Folger-Transistoren durch Kontakte 516a und 516b gekoppelt sind.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass 10 und 11, wie nachfolgend beschrieben wird, für Darstellungszwecke vorgesehen sind und nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Als solches sind Elementgrößen, Beabstandungen zwischen Elementen und Positionen von Elementen im Hinblick aufeinander übertrieben und für eine leichte Darstellung eingestellt und sollen nicht tatsächliche Pixelstrukturen und Abmessungen darstellen. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass Durchkontaktierungen (z.B. Durchkontaktierungen 506 und 512) und Kontakte (z.B. 492, 496, 502, 504, etc.) allgemein als „Zwischenschichtverbindungselemente" beschrieben werden können. Wie der Name andeutet, dienen solche Zwischenschichtverbindungselemente als „Kanäle" zum elektrischen Koppeln von Nichtkontaktierungsschichten (z.B. Poly 472 und Metall-1 474) miteinander. Die Ausdrücke „Durchkontaktierung" und „Kontakt" werden zu Beschreibungszwecken verwendet, um Verbindungen zwischen Metall-1 474 und Metall-2 476 von Verbindungen zwischen Metall-1 474 und Poly 472 und dem Siliziumsubstrat zu unterscheiden.
  • 11 stellt allgemein eine Querschnittansicht der Pixel 432a und 432b aus 10 dar. Wie bei 10 oben ist 11 zu Darstellungszwecken vorgesehen und nicht maßstabs- und abmessungsgetreu gezeichnet. Für eine einfache Darstellung sind nur Abschnitte der Pixel 432a, 432b aus 10 gezeigt, und nicht alle Komponenten der Pixel 432a, 432b und des Bilderzeugungsarrays 30 sind gezeigt (z.B. Mikrolinsen, Farbfilter und verschiedene transparente dielektrische Schichten). Wie es oben beschrieben ist, bilden die Pixel 432a und 432b ein aufeinander folgendes Pixelpaar einer Zeile aus Pixeln 434, die an der optischen Achse 436 beginnt und sich im Allgemeinen auf senkrechte Weise über das Bilderzeugungsarray 30 erstreckt (siehe 1). In Hinblick auf 1 und 10 und 11 erstrecken sich die Pixel 432a und 432b im Wesentlichen horizontal nach links von der optischen y-Achse 436.
  • Eine Oberflächenebene und das Halbleitersubstrat des Arrays 30 sind jeweils bei 526 und 528 dargestellt. Die PDs 442a, 442b und die aktiven Transistorbereiche 450a, 450b sind derart dargestellt, dass sie innerhalb des Substrats 528 angeordnet und positioniert sind. Ein Isolationsbereich 529a trennt die PD 442a des Pixels 432a von benachbarten Elementen des Pixels 432b, und ein Isolationsbereich 529b trennt die PD 442b des Pixels 432b von einem nächsten Pixel (nicht gezeigt) der Zeile 434.
  • Das Layout der Pixel 432a, 432b der 10 und 11 stellt allgemein ein Beispiel einer herkömmlichen Pixelkonfiguration dar, wobei Elemente der Strukturen der Pixel so weit wie möglich außerhalb des vertikalen Raums zwischen den PDs 442a, 442b und der Oberflächenebene 526 positioniert sind, so dass Licht, das auf die Oberflächenebene 526 einfällt, nicht daran gehindert wird, die PDs 442a, 442b zu erreichen. Als solches sind PVDD- und BIT-Leitungen 454a und 456a der Metall-2 476, Segmente 494a und 496a der Metall-1 474, Segmente 500a, 508a und 514a der Poly 472, Kontakte 496a und 504a und Durchkontaktierungen 506a und 512a über aktiven und Isolationsbereichen 478a und 520a des Pixels 432a positioniert. Auf ähnliche Weise sind PVDD- und BIT-Leitungen 454b und 456b der Metall-2 476, Segmente 494b und 496b der Metall-1 474, Segmente 500b, 508b und 514b der Poly 472, Kontakte 496b und 504b und Durchkontaktierungen 506b und 512b über aktiven und Isolations-Bereichen 478b und 520b des Pixels 432b positioniert.
  • 10 und 11 stellen ferner ein Array 30 gemäß herkömmlichen Arraystrukturen dar, wobei alle Pixel des Arrays, wie z.B. Pixel 432a und 432b, eine im Wesentlichen identische Konfiguration aufweisen (siehe auch 14A unten). Als solches ist die Beabstandung zwischen gleichen Elementen jegliches gegebenen Pixels des Arrays im Wesentlichen die gleiche für alle Pixel des Arrays. Zum Beispiel, wie in 10 und 11 dargestellt ist, sind Beabstandungen 520a und 522a zwischen der PVDD- und BIT-Leitung 454a, 456a und zwischen der PVDD-Leitung 454a und dem PD 442a des Pixels 432a jeweils gleich den Beabstandungen 520b und 522b zwischen der PVDD- und BIT-Leitung 454b, 456b und zwischen der PBDD-Leitung 454b und dem PD 442b. Wie in 10 und 11 dargestellt, sind Beabstandungen 520a und 520b und Beabstandungen 522a und 522b der Pixel 432a und 432b jeweils derart angezeigt, dass sie gleich den Distanzen D1 und D2 sind.
  • Ebenfalls gemäß herkömmlichen Arraystrukturen sind alle Pixel des Arrays 30 im Wesentlichen an einer gleichen gewünschten Beabstandung oder einem gewünschten Abstand voneinander über das Array. Beispiele von Standardabständen, die durch herkömmliche Bildsensorarrays eingesetzt werden, sind 7,4 Mikrometer (μm), 5,49 μm und 3,3 μm. Als solches ist eine Zwischenpixelbeabstandung oder ein Abstand zwischen gleichen Elementen benachbarter Pixel im Wesentlichen gleich dem gewünschten Abstand des Arrays. Zum Beispiel, wie in 10 und 11 dargestellt ist, ist ein Abstand 524 zwischen BIT-Leitungen 456a und 456b und ein Abstand 526 zwischen PDs 442a und 442b der Pixel 432a und 432b im Wesentlichen gleich einem gewünschten Abstand, Dp, des Arrays 30. Zusätzlich dazu werden Isolationsbereiche zwischen der Photodiode und Elementen von benachbarten Pixeln bei zumindest einer Minimalbeabstandung beibehalten, DMIN. Zum Beispiel ist der Isolationsbereich 529 zwischen der PD 442a und den Elementen des Pixels 432b derart dargestellt, dass derselbe eine Beabstandung 532 gleich DMIN aufweist.
  • Wie hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck „Erfassungselement" kollektiv auf die Photodiode und die zugeordneten Transistoren und Zwischenverbindungselemente eines gegebenen Pixels, wobei sich der Ausdruck „Zwischenverbindungselemente" auf Metall- und Polyelemente bezieht, die lokal innerhalb eines gegebenen Pixels eingesetzt werden, um die Photodiode und zugeordnete Transistoren miteinander und mit Metallverbindungssegmenten oder -Leitungen zu koppeln, die sich über das Array erstrecken, und alle Pixel einer gegebenen Zeile oder Spalte zu verbinden. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die Zwischenverbindungssegmente der Pixel 432a aus 10 und 11 beispielsweise Segmente 490a, 494a und 498a der Poly 372, Segmente 500a, 508a und 514a der Metall-1 374, Kontakte 492a, 502a, 504a, 510a und 516a und eine Durchkontaktierung 506a, die die PD 442a und die Transistoren des aktiven Bereichs 47a miteinander und mit Verbindungsleitungen TX 448, RST 452, PVDD 454a und BIT 456a koppeln.
  • Als solches weist bei einem Ausführungsbeispiel das Erfassungselement 530a des Pixels 432a die PD 442a, Transistoren von Aktivbereichen 478a und Zwischenverbindungselementen auf, wie oben beschrieben wurde. Auf ähnliche Weise weist das Erfassungselement 530b des Pixels 432b eine PD 442b, zugeordnete Transistoren des aktiven Bereichs 478b und jene Zwischenverbindungselemente auf, die die PD 442b und die zugeordneten Transistoren des aktiven Bereichs 478b miteinander und mit Verbindungsleitungen TX 448, RST 452, PVDD 454b und BIT 456b koppeln. Als solches ist gemäß der beispielhaften herkömmlichen Pixel- und Array-Konfiguration, die durch 10 und 11 dargestellt wird, ein Abstand 524 zwischen BIT-Leitungen 456a und 456b im Wesentlichen gleich dem Abstand 526 zwischen dem Erfassungselement 530a und 530b der Pixel 432a und 432b, wobei diese jeweils im We sentlichen gleich dem gewünschten Abstand, Dp, des Arrays 30 sind.
  • Aus ähnlichen Gründen zu jenen, die oben im Hinblick auf 3 und 4 beschrieben sind, sind Pixel 432a, 432b der 10 und 11 effektiv, es zu ermöglichen, dass einfallende Lichtstrahlen die PDs 442a, 442b erreichen, wenn dieselbe in der Nähe zu der optischen Mitte 439 positioniert sind (siehe 1), wo die Haupt- oder Mittel-Strahlenwinkel der Bündel aus einfallenden Lichtstrahlen, wie z.B. Bündel der Lichtstrahlen 560a, 560b, im Wesentlichen normal zu der Oberflächenebene 526 sind. Wenn die Pixel 432a, 432b jedoch entfernt von der optischen Mitte 439 positioniert sind (wie durch 1 dargestellt ist), weichen die Hauptstrahlenwinkel der Bündel aus einfallenden Richtstrahlen auf die Oberflächenebene 526, wie z.B. die Bündel aus einfallenden Lichtstrahlen 562a, 562b, von der Normalen ab. Der Betrag der Abweichung hängt von mehreren Faktoren ab, wie z.B. der Distanz des Pixels von der optischen Mitte des Arrays und dem optischen System, das dem Array zugeordnet ist, wobei die maximale Abweichung im Allgemeinen an den Rändern des Arrays auftritt. Wie durch Bündel aus einfallenden Lichtstrahlen 562a, 562b dargestellt ist, führt diese Abweichung dazu, dass Elemente der Strukturen der Pixel, wie z.B. PVDD-Leitungen 454a, 454b, einfallendes Licht blockieren und Abschnitte der PDs 442a, 442b „beschatten".
  • Im Hinblick auf das oben Genannte stellen 12 und 13 ein Ausführungsbeispiel der Pixel 432a und 432b des Bilderzeugungsarrays 30 gemäß der vorliegenden Erfindung dar, wobei der Abstand 526 zwischen den Erfassungselementen 530a und 530b ein inkrementaler Betrag (Δ) größer als der Abstand 524 zwischen den PVDD-Leitungen 454a und 454b der Metall-2 476 ist. Relativ zu den herkömmlichen Konfigurationen, die durch die 10 und 11 dargestellt sind, bleibt der Abstand zwischen den Leitungen der Metall-2 467 unverändert, derart, dass der Abstand 524 zwischen den PVDD-Leitungen 454a und 454b an einem Abstand Dp bleibt, und die Beabstandungen zwischen PVDD- und BIT-Leitungen 454a und 456b und zwischen PVDD- und BIT-Leitungen 454b und 456b in einer Distanz D1 bleiben.
  • Der Abstand 526 zwischen den Erfassungselementen 530a und 530b der Pixels 432a und 432b ist jedoch gleich dem Abstand Dp plus dem inkrementalen Betrag Δ. Folglich werden die Beabstandung 522a zwischen der PVDD 454a und der PD 442a des Pixels 432a und die Beabstandung 522b zwischen der PVDD 454b und der PD 442b des Pixels 432b erhöht relativ zu der herkömmlicher Pixel- und Arraystrukturen, wie durch 10 und 11 dargestellt ist. Wie dargestellt ist, ist die Beabstandung 522a zwischen der PVDD 454a und der PD 442a des Pixels 432a gleich der Distanz D1 plus einem inkrementalen Betrag, Δa, und die Beabstandung 522b zwischen der PVDD 454b und der PD 442b des Pixels 432b ist gleich der Distanz D1 plus einem inkrementalen Betrag Δb.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem der Abstand zwischen den Erfassungselementen um den inkrementalen Betrag Δ größer ist als der Abstand zwischen den Verbindungssegmenten der Metall-2 über das gesamte Array (wie weiter durch 14B unten dargestellt wird), ist der inkrementale Betrag Δb größer als der inkrementale Betrag Δa, um die inkrementale Erhöhung bei dem Abstand, Δ, und mit der Zunahme der inkrementalen Beträge Δa und Δb mit der Distanz von der optischen Achse 436. Bei einem Ausführungsbeispiel (wie weiter durch 14C unten dargestellt ist), kann der inkrementale Betrag Δb gleich dem inkrementalen Betrag Δa sein.
  • Wie durch 13 dargestellt ist, wird durch inkrementales Erhöhen der Beabstandungen 522a bzw. 522b zwischen der PVDD 454a und der PD 442a und zwischen der PVDD 454b und dem PD 442b die Schattenbildung der PDs 442a und 442b durch PVDDs 454a und 454b reduziert, wodurch der Ladungsbetrag vergrößert wird, der durch die Pixel während einer Integrationsperiode akkumuliert wird, und die Helligkeit der Bilder erhöht wird, die durch das Bilderzeugungsarray 30 erzeugt werden. Zusätzlich dazu, durch inkrementales Positionieren der Photodioden jedes Pixels weiter weg von den zugeordneten Metallverbindungssegmenten mit einer ansteigenden Distanz von der optischen Mitte, empfangen Photodioden einfallendes Licht, das anderweitig unerwünscht auf ein benachbartes Pixel einfallen kann, was zu einer potentiellen Reduzierung von Pixelnebensprechen führt.
  • Aufgrund der inkrementalen Erhöhung von Δ bei dem Abstand 526 zwischen Erfassungselementen 530a und 530b wird die Beabstandung 532 zwischen der PD 442a und den Elementen des Pixels 432b (z.B. Segment 498b der Poly 472) ebenfalls um den inkrementalen Betrag Δ erhöht, derart, dass die Beabstandung 532 gleich der Summe von DMIN und dem inkrementalen Betrag Δ ist. Zusätzlich dazu wird darauf hingewiesen, dass Bereichselemente 534a und 534b sich jeweils von PVDD-Leitungen 454a und 454d erstrecken, um Durchkontaktierungen 506a und 506b zu verschieben, um eine erforderliche Beabstandung von den Segmenten 500a und 500b der Metall-1 474 beizubehalten.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt), da die Isolationsbeabstandung 532 größer ist als DMIN um den inkrementalen Betrag Δ, wird PD 442a in seiner Abmessung um den inkrementalen Betrag Δ erhöht, wodurch ermöglicht wird, dass die PD 442a zusätzliches einfallendes Licht empfängt. Weiterhin Bezug nehmend z.B. auf 14B unten kann jedes Pixel aus einer Pixelzeile in seiner Abmessung vergrößert werden, wenn ein Abstand zwischen Erfassungselementen größer ist als ein Abstand zwischen Metallverbindungssegmenten über das Array.
  • 14A ist eine vereinfachte Querschnittansicht eines Abschnitts einer Pixelzeile 600, dargestellt als Pixel 632a bis 632g, die sich weg von einer optischen Achse 636 hin zu einem Umfangsrad 638 eines Bilderzeugungssensors erstrecken, von dem die Pixel Teil sind. Jedes Pixel 632 umfasst ein entsprechendes Erfassungselement 630, eine PVDD-Leitung 654 und eine BIT-Leitung 656. Wie durch 14A dargestellt wird, weist die Zeile 600 aus Pixeln 632 eine herkömmliche Konfiguration auf, bei der ein Abstand 624 zwischen PVDD- und BIT-Leitungen 654 und 656 und ein Abstand 626 zwischen Erfassungselementen 630 von aufeinander folgenden Paaren von Pixeln gleich einem Abstand „Dp" ist. Als solches ist das Erfassungselement 630 an einer gleichen Position relativ zu der entsprechenden PVDD-Leitung 654 für jedes Pixel 632, wie durch die gestrichelte Linie 628a angezeigt wird, die eine wesentliche Ausrichtung zwischen einem Rand des Erfassungselements 630a mit PVDD-Leitung 654a des Pixels 632a darstellt.
  • 14B ist eine vereinfachte Querschnittansicht der Pixelzeile 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt ist, ist der Abstand 626 zwischen den Erfassungselementen 630 jedes aufeinander folgenden Pixelpaars 632 um einen inkrementalen Betrag Δ größer als der Abstand 624 zwischen den entsprechenden PVDD- und BIT-Leitungen 654 und 656. Wie dargestellt ist, ist der Abstand 624 zwischen der PVDD- und BIT-Leitung 654 und 656 von aufeinander folgenden Pixelpaaren 632 derart angezeigt, dass er gleich einer Abstandsdistanz Dp ist, während der Abstand 626 zwischen Erfassungselementen derart angezeigt ist, dass er gleich der Summe von Dp und dem inkrementalen Betrag Δ ist.
  • Folglich, beginnend mit Pixel 632b, ist jedes Erfassungselement 630 positioniert oder „versetzt" von der entsprechenden PVDD-Leitung 654 um einen zusätzlichen, inkrementalen Betrag Δ entfernt von der optischen Achse 636. Anders ausgedrückt, während das Erfassungselement 630a im Wesentlichen mit der entsprechenden PVDD-Leitung 654a ausgerichtet bleibt, wie bei 62a angezeigt ist (d. h. eine Versatzdistanz von 0), ist das Erfassungselement 630b von der PVDD-Leitung 654b um eine Versatzdistanz 628b gleich dem inkrementalen Betrag Δ versetzt, das Erfassungselement 628c ist von der entsprechenden PVDD-Leitung 654c um eine Versatzdistanz 628c gleich zweimal dem inkrementalen Betrag Δ (d. h. 2Δ) versetzt, usw., bis das Erfassungselement 628g des Pixels 632g von der entsprechenden PVDD-Leitung 654g um eine Versatzdistanz 628g gleich sechsmal dem inkrementalen Betrag Δ (d. h. 6Δ) versetzt ist. Als solches erhöht sich die Versatzdistanz des Erfassungselements 630 von der entsprechenden PVDD-Leitung 654 mit der Distanz des Pixels 632 von der optischen Achse 636 (und von einer optischen Mitte des Arrays).
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von 14B ist der Wert des inkrementalen Betrags Δ konstant, derart, dass die Versatzdistanzen 628 zwischen aufeinander folgenden Pixelpaaren 632 sich auf lineare Weise mit der Distanz von der optischen Mitte 636 erhöht. Die Funktion des Haupt- oder Ober-Strahlenwinkels aus Bündeln einfallender Lichtstrahlen (wie z.B. Bündel aus Lichtstrahlen 562a aus 11), die auf Pixel 632 der Zeile 600 einfallen, gegenüber einer Distanz der Erfassungselemente 630 von einer Oberfläche des Arrays (wie z.B. durch Oberfläche 526 in 11 dargestellt ist) ist jedoch allgemein keine lineare Funktion. Als Ergebnis ist bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der inkrementale Betrag Δ möglicherweise kein konstanter Wert und kann sich nichtlinear für die Zeile 600 mit der Distanz von der optischen Mitte 636 derart erhöhen, dass Versatzdistanzen 628 zwischen aufeinander folgenden Pixelpaaren 632 sich ebenfalls auf nichtlienare Weise mit der Distanz von der optischen Mitte 636 vergrößern.
  • Ferner sind Bilderzeugungsarrays üblicherweise gemäß einem Entwurfsgitter konfiguriert. Zum Beispiel ist bei 0,25 μm CMOS das typische Minimum-Entwurfsgitter 0,01 μm. Wie oben beschrieben wurde, hängt der Betrag des Versatzes oder der „Verschiebung" 628 von verschiedenen Faktoren ab, die z.B. die Distanz des Pixels von der optischen Mitte des Arrays, eine Distanz von dem Substrat oder Boden des Pixels und den Metallverbindungssegmenten (z.B. PVDD, BIT, TX und RST-Leitungen) und die Optik umfassen, die dem Sensor zugeordnet ist. Bezug nehmend auf 14B und unter Annahme eines Entwurfsgitters von 0,01 μm kann sich z.B. eine optimale Versatzdistanz 628 für jedes Pixel 632 nicht an das Entwurfsgitter halten. Zum Beispiel kann eine optimale Versatzdistanz 628b für das Erfassungselement 630b von der PVDD-Leitung 654b des Pixels 632b als 0,005 μm bestimmt werden, was erfordert, dass zumindest der Abstand 626a zwischen den Erfassungselementen 630a und 630b der Pixel 632a und 632b größer ist als der Abstand 624a zwischen den PVDD- und BIT-Leitungen 654a, 656a und 654b, 656b, um einen inkrementalen Betrag von Δ von 0,005 μm. Eine solche Distanz hält sich nicht an das 0,001 μm Entwurfsgitter.
  • Im Hinblick auf das oben Genannte ist bei einem Ausführungsbeispiel, wie durch 14C dargestellt wird, der Abstand 626 zwischen aufeinander folgenden Pixelpaaren 632 über das Array derart eingestellt, dass die Positionen der Erfassungselemente 630 mit dem Entwurfsgitter ausgerichtet sind. Zum Beispiel, unter weiterer Bezugnahme auf 14B, sei angenommen, das ein Entwurfsgitter von 0,01 μm eingesetzt wird, und das ein Wert von 0,005 μm als der optimale Wert für den inkrementalen Betrag Δ bestimmt wird, um den der Abstand 626 zwischen den Erfassungselementen erhöht werden sollte relativ zu dem Abstand 624 zwischen den PVDD- und BIT-Leitungen 654 und 656. Basierend auf einem solchen inkrementalen Betrag Δ hält sich das Erfassungselement 630 jedes zweiten Pixels, beginnend mit Pixel 632b, nicht an das 0,01 μm Entwurfsgitter.
  • Als solches, Bezug nehmend auf 14C, wird der Abstand 626 zwischen jedem zweiten aufeinander folgenden Pixelpaar, beginnend mit dem aufeinander folgenden Pixelpaar 632a und 632b, um zweimal den inkrementalen Betrag Δ (d. h. 2Δ) eingestellt, während der Abstand 626 zwischen den verbleibenden Paaren von aufeinander folgenden Pixeln bei dem Abstand Dp bleibt, der gleich dem Abstand 524 zwischen den PVDD- und BIT-Leitungen 654, 656 ist. Wie dargestellt ist, sind die Abstände 626b, 626c und 626e gleich der Summe des Abstands Dp und zweimal der inkrementale Betrag 2Δ. Als Ergebnis werden Gruppen von benachbarten Pixeln, Gruppen von zwei benachbarten Pixeln, wie dargestellt ist, um dieselbe Versatzdistanz 628a von ihrer entsprechenden PVDD-Leitung 654 verschoben. Zum Beispiel sind Versatzdistanzen 628b und 628c gleich 2Δ, Versatzdistanzen 628d, 628e sind gleich 4Δ und Versatzdistanzen 628f und 628g sind gleich 6Δ. Als solches sind Erfassungselemente 630 der Pixel 632 weiter entfernt von der entsprechenden PVDD-Leitung 654 positioniert mit einer ansteigenden Distanz von der optischen Achse 636 und jedes desselben ist mit dem Entwurfsgitter ausgerichtet.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie durch 15A und 15B unten dargestellt ist, wird das Erhöhen eines Abstands zwischen Erfassungselementen, wie durch 10–14C beschrieben ist, mit dem Verschieben eines Abschnitts der Metallverbindungssegmente näher an eine optische Mitte des Arrays kombiniert, wie durch 1–9 beschrieben ist. 15 ist eine vereinfachte Querschnittansicht eines Teils des Pixelarrays 700, dargestellt als Pixel 702a bis 702d, das sich weg von einer optischen Achse 704 hin zu einem Umfangsrand 706 eines Bilderzeugungssensors erstreckt, von dem die Pixelzeile ein Teil ist. Jedes Pixel umfasst ein Erfassungselement 710, Verbindungssegmente der Metall-1 712 und 714, Segmente der Metall-2 716 und 718 und Verbindungssegmente der Metall-3 720 und 722, wobei die Verbindungssegmente eine elektrische Verbindbarkeit für Lese- und/oder Rücksetz-Operationen liefern, die Erfassungselemente 710 umfassen.
  • Wie dargestellt ist, ist die Zeile 700 aus Pixeln 702 gemäß einer herkömmlichen Arraystruktur konfiguriert, wo jedes Pixel 702 ein im Wesentlichen identisches Layout aufweist, und die Pixel an einem festen Abstand positioniert sind. Als solches ist ein Abstand 724 zwischen Erfassungselemen ten 710, ein Abstand 726 zwischen Verbindungssegmenten der Metall-1 712 und 714, ein Abstand 728 zwischen Verbindungssegmenten der Metall-2 716 und 718 und ein Abstand 730 zwischen Verbindungssegmenten der Metall-3 720 und 722 aus aufeinander folgenden Paaren von Pixeln 702 jeweils gleich einer Abstandsdistanz Dp.
  • 15B stellt ein Beispiellayout der Zeile 700 aus Pixeln 702 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Wie dargestellt ist, bleibt ein Abstand 726 zwischen Metall-2-Verbindungssegmenten bei einer Abstandsdistanz Dp, während die Abstände 726 und 724 zwischen Verbindungssegmenten der Metall-1 und Erfassungselementen 710 jeweils um inkrementale Beträge Δ und 2Δ erhöht werden, und der Abstand 730 zwischen Segmenten der Metall-3 um den inkrementalen Betrag Δ verringert wird. Folglich wird die Struktur jedes Pixels 702 zunehmend hin zu der optischen Achse 704 „gekippt", mit einer zunehmenden Distanz des Pixels von der optischen Achse 704, wodurch eine Schattenbildung der Erfassungselemente 710 durch Verbindungselemente der Metall-1, Metall-2, Metall-3 reduziert wird.
  • Zusätzlich dazu, obwohl sie hierin primär Bezug nehmend auf ein vergrabenes-gattergesteuertes CMOS-Photodioden-Typ-Pixel beschrieben sind, das drei Transistoren einsetzt und Metallverbindungssegmente aufweist, die in zwei Metallschichten angeordnet sind, können die Lehren der vorliegenden Erfindung angepasst werden, um auf andere Typen von CMOS-Pixelarchitekturen angewendet zu werden, die variierende Anzahlen von Transistoren und Verbindungen und mehr als zwei Metallschichten einsetzen, und an andere Pixeltypen (z.B. CCD-Pixeltypen).
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder equivalenten Implementierungen für die spezifischen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden kann, die gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung ist gedacht, um jegliche Anpassungen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele abzudecken, die hierin erörtert werden. Daher ist diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente derselben eingeschränkt.

Claims (21)

  1. Ein Bildsensor, der folgende Merkmale aufweist: ein Substrat; zumindest eine erste Metallschicht (74); und eine Mehrzahl von Pixeln (32), die in einem Array (30) angeordnet sind, das ein Paar von senkrechten Achsen aufweist, die sich von einer optischen Mitte (130) erstrecken, wobei jedes Pixel ein Erfassungselement umfasst, das zumindest teilweise in dem Substrat angeordnet ist, und zumindest ein zugeordnetes erstes Metallverbindungssegment, das in der ersten Metallschicht (74) angeordnet ist, wobei für eine Linie aus Pixeln (32), die sich im Wesentlichen senkrecht von einer der Achsen zu einem Umfangsrand des Arrays (30) erstreckt, eine Beabstandung zwischen den zugeordneten ersten Metallverbindungssegmenten von aufeinander folgenden Paaren von Pixeln (32) der Linie gleich einer ersten Distanz ist, wobei eine Beabstandung zwischen Erfassungselementen von aufeinander folgenden Paaren von Pixeln (32) der Zeile zumindest gleich der ersten Distanz ist, und wobei eine Beabstandung zwischen zumindest einem aufeinander folgenden Paar von Pixeln (32) der Linie gleich einer zweiten Distanz ist, die größer ist als die erste Distanz.
  2. Der Bildsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Beabstandung zwischen den Erfassungselementen von aufeinander folgenden Paaren von Pixeln (32) zumindest gleich der ersten Distanz ist und auf einer Distanz der aufeinander folgenden Paare von Pixeln (32) von der optischen Mitte (130) basiert.
  3. Bildsensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Beabstandung zwischen den Erfassungselementen von auf einander folgenden Paaren von Pixeln (32) zumindest gleich der ersten Distanz ist und auf einem Einfallswinkel von Licht basiert, das auf eine Oberfläche des Arrays (30) auftrifft.
  4. Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Beabstandung zwischen den Erfassungselementen von jedem aufeinander folgenden Paar von Pixeln (32) gleich der zweiten Distanz ist.
  5. Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Beabstandung zwischen Erfassungselementen von einem oder mehreren Erfassungselementen größer ist als die erste Distanz, und derart, dass jedes Erfassungselement der Linie aus Pixeln (32) im Wesentlichen mit einem Entwurfsgitter ausgerichtet ist, das dem Bildsensor zugeordnet ist.
  6. Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der ferner eine zweite Metallschicht (76) aufweist, wobei die erste Metallschicht (74) zwischen dem Substrat und der zweiten Metallschicht (74) positioniert ist, wobei jedes Pixel zumindest ein zugeordnetes zweites Metallverbindungssegment umfasst, das in der zweiten Metallschicht (76) angeordnet ist, wo eine Beabstandung zwischen dem zugeordneten zweiten Metallverbindungssegmenten von aufeinander folgenden Paaren von Pixeln (32) der Linie bis zu der zweiten Distanz ist, und wobei eine Beabstandung zwischen zweiten Metallverbindungssegmenten von zumindest einem aufeinander folgenden Paar von Pixeln (32) der Linie gleich einer dritten Distanz ist, die geringer ist als die erste Distanz.
  7. Bildsensor gemäß Anspruch 6, bei dem die Beabstandung zwischen den zugeordneten zweiten Metallverbindungssegmenten von jedem aufeinander folgenden Paar von Pixeln (32) der Linie gleich der dritten Distanz ist.
  8. Bildsensor gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem die Beabstandung zwischen den zugeordneten zweiten Metallverbindungssegmenten von aufeinander folgenden Paaren von Pixeln (32) auf einer Distanz der aufeinander folgenden Paare von Pixeln (32) von der optischen Mitte (130) basiert.
  9. Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Beabstandung zwischen den zugeordneten zweiten Metallverbindungssegmenten von aufeinander folgenden Paaren von Pixeln (32) auf einem Einfallswinkel von Licht basiert, das auf eine Oberfläche des Arrays (30) auftrifft.
  10. Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Linie aus Pixeln (32) zumindest einen Teil einer Pixelzeile des Arrays (30) umfasst.
  11. Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Linie aus Pixeln (32) zumindest einen Teil einer Pixelspalte des Arrays (30) umfasst.
  12. Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Bildsensor einen komplementären Metalloxid-Typ-Bildsensor aufweist.
  13. Verfahren (400) zum Konfigurieren eines Bildsensors, der ein Substrat, eine erste Metallschicht und ein Array (30) aus Pixeln (32) mit einem Paar von senkrechten Achsen, die sich von einer optischen Mitte erstrecken, aufweist, wobei jedes Pixel ein Erfassungselement, das zumindest teilweise innerhalb des Substrats angeordnet ist, und zumindest ein zugeordnetes erstes Metallverbindungssegment umfasst, das in der ersten Metallschicht angeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Positionieren der zugeordneten ersten Metallverbindungssegmente von aufeinander folgenden Paaren von Pixeln einer Linie aus Pixeln, die sich im Wesentlichen senkrecht von einer der Achsen zu einem Peripherierand des Arrays erstreckt, an einer Beabstandung gleich einer ersten Distanz; Positionieren der Erfassungselemente von aufeinander folgenden Paaren von Pixeln der Linie an einer Beabstandung, die zumindest gleich der ersten Distanz ist, und Positionieren der Erfassungselemente von zumindest einem aufeinander folgenden Paar von Pixeln der Linie an einer Beabstandung gleich einer zweiten Distanz, die größer ist als die erste Distanz.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem das Positionieren der Erfassungselemente der aufeinander folgenden Pixel der Linie das Positionieren der Erfassungselemente von jedem aufeinander folgenden Paar von Pixeln der Linie an einer Beabstandung gleich der zweiten Distanz umfasst.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem das Positionieren der Erfassungselemente der aufeinander folgenden Paare von Pixeln auf einer Distanz der aufeinander folgenden Paare von Pixeln von der optischen Mitte basiert.
  16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem das Positionieren der Erfassungselemente der aufeinander folgenden Paare von Pixeln der Linie das Positionieren der Erfassungselemente von einem oder mehreren aufeinander folgenden Paaren von Erfassungselementen in einer Beabstandung umfasst, die größer ist als die erste Distanz, und derart, dass jedes der Erfassungselemente der Linie aus Pixeln mit einem Entwurfsgitter ausgerichtet ist, das dem Bildsensor zugeordnet ist.
  17. Bildsensor, der folgende Merkmale aufweist: ein Substrat; zumindest eine erste Metallschicht; und ein Array aus Pixeln (432) mit einer optischen Mitte (439), wobei jedes Pixel ein Erfassungselement, das in dem Substrat angeordnet ist, und zumindest ein zugeordnetes erstes Metallverbindungssegment aufweist, das in der ersten Metallschicht (474) angeordnet ist, wobei die ersten Metallverbindungssegmente an einem ersten Abstand beabstandet sind, und wobei die Erfassungselemente an Distanzen beabstandet sind, die zumindest gleich dem ersten Abstand sind, und, für ausgewählte Pixel des Arrays, größer als der erste Abstand, derart, dass ein Versatzwert gleich einer Distanz des Erfassungselements von der optischen Mitte (439) minus der Distanz des zugeordneten ersten Metallverbindungssegments von der optischen Mitte (439) für ein erstes Pixel in der Nähe eines Peripherierandes des Arrays größer ist als für ein zweites Pixel in der Nähe der optischen Mitte (439).
  18. Bildsensor gemäß Anspruch 17, bei dem die Erfassungselemente in einem zweiten Abstand beabstandet sind, der größer ist als der erste Abstand, derart, dass der Versatzwert eines Pixels mit zunehmender Distanz des Pixels von der optischen Mitte (439) zunimmt.
  19. Bildsensor gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem ein Photoelement des Pixels in der Nähe des Peripherierandes in seiner Abmessung größer ist als ein Photoelement des Pixels in der Nähe der optischen Mitte (439), um einen Betrag bis zu der Differenz zwischen den zugeordneten Versatzwerten.
  20. Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem die Distanzen zwischen den Erfassungselementen derart sind, dass die Erfassungselemente im Wesentlichen mit einem Entwurfsgitter ausgerichtet sind, das dem Bildsensor zugeordnet ist.
  21. Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem das erste und zweite Pixel im Wesentlichen entlang einer Linie sind, die sich von der optischen Mitte (439) zu einem Umfangsrad des Arrays erstreckt, und bei dem der Versatzwert des ersten Pixels positiver ist als der Versatzwert des zweiten Pixels, wenn sich die Linie in einer ersten Richtung erstreckt, und weniger negativ ist als der Versatzwert des zweiten Pixels, wenn sich die Linie in einer zweiten Richtung erstreckt, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist.
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