DE102015108961A1

DE102015108961A1 - Bildsensor

Info

Publication number: DE102015108961A1
Application number: DE102015108961.0A
Authority: DE
Inventors: Auf Teilnichtnennung Antrag; Frank Mütze
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2016-12-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bildsensor mit einer Mehrzahl von Pixeln, wobei zumindest ein Pixel einen Photodetektor und einen Speicherknoten aufweist, wobei das Pixel so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Bildsensors der Speicherknoten elektrische Ladungen aus dem Photodetektor aufnimmt und speichert. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Bildsensor mit einer Mehrzahl von Pixeln bereitzustellen, wobei zumindest ein Pixel bei einem Auslesen des Speicherknotens ein verringertes kTC-Rauschen aufweist. Zu Lösung dieser Aufgabe wird erdfindungsgemäß vorgeschlagen, den Speicherknoten als vertikal integrierten Kondensator auszugestalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bildsensor mit einer Mehrzahl von Pixeln, wobei zumindest ein Pixel einen Photodetektor und einen Speicherknoten aufweist, wobei das Pixel so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Bildsensors der Speicherknoten elektrische Ladungen aus dem Photodetektor aufnimmt und speichert.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Bildsensoren mit einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Pixeln bekannt. Derartige Bildsensoren finden beispielsweise als CCD- oder CMOS-Kameras Anwendung sowohl im industriellen Bereich als auch bei Endkunden, beispielsweise in digitalen Fotokameras, wie zum Beispiel mobilen Kameras in Handys und Tablets. Um diese Photodetektoren der Pixel mit einem vertretbaren Schaltungsaufwand auslesen zu können, ist es in vielen Ausführungsformen erforderlich, die in dem Photodetektor generierten Ladungen auf Speicherknoten, welche einen integralen Bestandteil des jeweiligen Pixels bilden, zwischenzuspeichern.
Viele Rauschquellen, welche bei der Bildaufnahme mit Hilfe eines solchen Bildsensors auftreten, lassen sich durch differenzielle und korrelierte Messverfahren reduzieren. Dem Fachmann ist ein solch differenziell korreliertes Messverfahren auch unter dem Begriff Correlated Double Sampling (CDS) bekannt.
Beim Auslesen der Speicherknoten der jeweiligen Pixel tritt mit dem sogenannten Rücksetz- (engl. Reset)- oder kTC-Rauschen ein Rauschen thermischen Ursprungs auf, welches sich ausschließlich durch differenziell korrelierte Messungen (CDS) unterdrücken lässt.
Unter kTC Rauschen versteht man den Vorgang, dass beim Umladen eines Kondensators die Menge der umgeladenen Ladungsträger auf dem Kondensator statistisch schwankt. Ein solcher Umladeprozess findet beispielsweise beim Rücksetzen des Pixels statt.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Bildsensor mit einer Mehrzahl von Pixeln bereitzustellen, wobei zumindest ein Pixel bei einem Auslesen des Speicherknotens ein verringertes kTC-Rauschen aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Bildsensor mit einer Mehrzahl von Pixeln gelöst, wobei zumindest ein Pixel einen Photodetektor und einen Speicherknoten aufweist, wobei das Pixel so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Bildsensors der Speicherknoten elektrische Ladungsträger aus dem Photodetektor aufnimmt und speichert, wobei der Speicherknoten ein vertikal integrierter Kondensator ist.
Es zeigt sich bei genauerer Betrachtung, dass das kTC-Rauschen ausgedrückt als Spannung proportional zum Kehrwert der Quadratwurzel aus der Kapazität des Speicherkondensators ist. Mit anderen Worten ausgedrückt wird das kTC-Rauschen ausgedrückt als Spannungsniveau geringer, je größer die auszulesende Kapazität des Speicherkondensators wird.
Der Bildsensorentwickler strebt allerdings stets nach kleineren Pixeln mit einer möglichst großen lichtaktiven Fläche im Vergleich zur Gesamtfläche des Pixels. Das Verhältnis von lichtaktiver Fläche zur Gesamtpixelfläche ist dem Fachmann auch unter dem Begriff des „Füllfaktors“ bekannt. Je geringer nun der Flächenbedarf des Speicherkondensators, umso kleiner kann das Pixel bei gleichzeitig steigendem Füllfaktor realisiert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß der Speicherknoten als ein vertikal integrierter Kondensator realisiert. Unter einem vertikal integrierten Kondensator werden im Sinne der vorliegenden Anmeldung Kondensatoren verstanden, die eine erheblich größere Erstreckung in einer Richtung senkrecht zur ursprünglichen Oberfläche des Substrats aufweisen als in einer Richtung parallel zur ursprünglichen Oberfläche des Substrats. Es versteht sich, dass die hierbei als Referenzfläche zu betrachtende Oberfläche des Substrats die ursprüngliche, d.h. vor einer Prozessierung, bereitgestellte, planare Oberfläche des Halbleitersubstrats ist.
Derartige vertikal integrierte Kondensatoren haben verglichen mit herkömmlichen flächigen Kondensatoren bei gleicher Kapazität einen deutlich geringeren Platzbedarf angegeben in der von dem Kondensator bedeckten Fläche der ursprünglichen Oberfläche des Halbleitersubstrats. Anders ausgedrückt ist der Flächenbedarf zur Realisierung einer vorgegebenen Kapazität deutlich geringer verglichen mit einer planaren Kapazität. Das Verhältnis von Kapazität zu Flächenbedarf ist dem Fachmann auch unter dem Begriff „Kapazitätsbelag“ bekannt. Dieser Kapazitätsbelag ist bei vertikal integrierten Kondensatoren deutlich höher. Man bekommt vereinfacht gesagt mehr Kapazität für die spendierte Fläche.
Beispiele für solche vertikal integrierten Kondensatoren sind Kondensatoren, die in Stapel-Technologie (engl.: stack techology) prozessiert sind, und Kondensatoren, die in Graben-Technologie (engl.: trench technology) prozessiert sind. Bei beiden Typen von Kondensatoren ändert sich die Kapazität insbesondere mit der Wahl der Erstreckung des Kondensators in einer Richtung senkrecht zur ursprünglichen Oberfläche des Halbleitersubstrats.
Bei der Stapeltechnologie wird der Kondensator über der ursprünglichen Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebaut.
Bei der Grabentechnologie wird der Kondensator durch Ätzen einer Vertiefung bzw. eines Grabens in die ursprüngliche Oberfläche des Halbleitersubstrats erzeugt.
Unter einem Bildsensor im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden alle elektronischen Bildsensoren verstanden, die eine Mehrzahl von Pixeln (auch als Bildpunkte, Bildzellen oder Bildelemente bezeichnet) aufweisen. Beispiele für solche Bildsensoren sind CCD-Sensoren oder CMOS-Sensoren, bei denen die einzelnen Pixel typischerweise in Form einer Matrix (Arrays) zeilenförmig oder flächig angeordnet sind, sodass sich mit dem Bildsensor ein zeilenförmiges oder flächiges, zweidimensionales Bild aufnehmen lässt.
Als Photodetektor kommen dabei in einer Ausführungsform Photodioden, Phototransistoren oder Photowiderstände zum Einsatz.
In einer Ausführungsform ist der Photodetektor eine sog. pinned Photodiode.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Bildsensor eine sogenannte Time-of-Flight-Kamera, welche neben einem flächigen Bild mit einem Laufzeitverfahren auch Distanzen misst, d.h. ein Bild mit dreidimensionalen Bildinformationen generiert. In einer solchen Ausführungsform der Erfindung ist der Photodetektor ein Detektor, dessen Funktionsprinzip auf dem Lichtlaufzeitverfahren (engl.: Time-of-Flight, TOF) beruht. Solche TOF-Detektoren messen eine Entfernung für jeden Bildpunkt des abzubildenden Objekts von dem Photodetektor mit Hilfe einer Messung der Zeit, welche die elektromagnetische Welle für das Durchlaufen der Messstrecke benötigt. Die gemessene Zeit ist hierbei direkt proportional zur durchlaufenen Messstrecke.
Diese Lichtlaufzeitverfahren beruhen in einer Ausführungsform darauf, dass das abzubildende Objekt aktiv mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird und die von dem Objekt reflektierte Strahlung von einem Photodetektor erfasst wird. Dabei wird die Zeit erfasst, welche die intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung von der Quelle über das Objekt zu dem Photodetektor benötigt hat. Dazu ist es erforderlich, dem Photodetektor oder einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung ein elektrisches Referenzsignal bereitzustellen. Dieses elektrische Referenzsignal weist die gleiche Frequenz auf, wie die Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung, die vom Objekt reflektiert wird. Aus der Phasendifferenz zwischen der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung und dem elektrischen Referenzsignal lässt sich die Laufzeit des Signales bestimmen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Photodetektor, welche auf dem Lichtlaufzeitverfahren beruht, ein sogenannter Photomischdetektor, auch als PMD-Detektor bezeichnet (engl.: photonic mixing device; PMD).
Eine Ausführungsform eines PMD-Detektors ist beispielsweise in der DE 10 2004 016 624 A1 beschrieben. Zur Entfernungsmessung mittels eines solchen PMD-Detektors wird in einer ausführungsform beispielsweise ein Verfahren zum Bestimmen von Amplitude und relativer Phase der Intensitätsmodulation eines elektromagnetischen Strahlungssignals, so wie es in der DE 19821974 A1 beschrieben ist, verwendet.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden innerhalb einer photoleitfähigen Schicht des PMD-Detektors Photonen der auf den Detektor treffenden elektromagnetischen Strahlung in Ladungsträger umgewandelt. Im Allgemeinen besteht die einfallende elektromagnetische Strahlung dabei aus einer intensitätsmodulierten Strahlungssignal und Hintergrundstrahlung. Besonders vorteilhaft für das Erfassen und Bestimmen von Intensität und/oder relativer Phase der Intensitätsmodulation eines elektromagnetischen Strahlungssignals ist eine Phasenkorrelation zwischen dem modulierten Spannungs- oder Stromsignal als Referenzsignal und der Intensitätsmodulation des Strahlungssignals. Im Allgemeinen werden zur Vereinfachung der Erfassung gleiche Frequenzen und/oder Signale für das Referenzsignal und die Intensitätsmodulation gewählt. Dabei kann das Modulationssignal jede periodische, insbesondere beispielsweise eine sinus- bzw. kosinusförmige oder aber auch eine quasi periodische Struktur aufweisen.
Die Phasenbeziehung zwischen dem Referenzsignal und der Intensitätsmodulation des Strahlungssignals beim Aussenden durch die Strahlungsquelle wird dabei als bekannt vorausgesetzt. Die Phasenverschiebung des erfassten Strahlungssignals gegenüber dem Strahlungssignal beim Aussenden beruht auf der von dem Strahlungssignal benötigten Zeit zum Zurücklegen der Wegstrecke der Quelle über das reflektierende oder streuende Objekt zum Photodetektor. Aus dieser Laufzeitmessung kann bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Strahlungssignals, im Allgemeinen ist dies die Lichtgeschwindigkeit, die zurückgelegte Wegstrecke berechnet werden. Aus dieser Wegstrecke ergibt sich bei bekannter Relativposition von Quelle und Photodetektor die Entfernung des reflektierenden oder streuenden Objekts.
Die Anzahl der durch ein elektromagnetisches Signal in dem PMD-Detektor erzeugten Ladungsträger ist proportional zur Intensität des Signals. Für das Erfassen und Bestimmen der Amplitude und/oder der relativen Phasenverschiebung der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung werden gezielt diejenigen Ladungsträger aus der Gesamtzahl an erzeugten Ladungsträgern herausgefiltert, die durch die intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung erzeugt werden. Zu diesem Zweck weist der PMD-Detektor in einer Ausführungsform eine sogenannte Ladungsträgerschaukel auf. Die Ladungsschaukel bildet sich durch Beaufschlagung von Kontakten, Dioden oder MOS-Kapazitäten mit einem elektrisch modulierten Potentialgradienten aus. Die daraus resultierende modulierte Spannungsdifferenz zwischen unterschiedlichen Bereichen der photoleitfähigen Halbleiterschicht führt dazu, dass die erzeugten Ladungsträger entlang des Potentialgefälles verschoben und in den Bereichen mit einem relativen Potentialminimum gesammelt werden. Die in den unterschiedlichen Bereichen der photoleitfähigen Halbleiterschicht gesammelten Ladungsträger werden während des Verschiebens oder zeitlich daran anschließend ausgelesen. Die erzeugten Ladungsträger werden also zunächst gemäß einem Referenzsignal in Form eines modulierten Spannungssignals verschoben bzw. mit diesem gemischt. Anschließend werden die verschobenen bzw. gemischten Ladungsträgermengen aufintegriert, wodurch man als Messwerte elektrische Signale erhält, die mit der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung korreliert sind.
Durch Differenzbildung zwischen den in den unterschiedlichen Bereichen der photoleitfähigen Halbleiterschicht ausgelesenen Signalen mittelt sich die unkorrelierte Hintergrundstrahlung statistisch heraus. Unkorrelierte Hintergrundstrahlung bezeichnet dabei den Anteil an Ladungsträgern, die durch solche elektromagnetische Strahlung erzeugt wurden, die keine Kohärenz zum modulierten Spannungssignal/Referenzsignal aufweist. Eine solche unkorrelierte Hintergrundstrahlung kann beispielsweise in Form von Sonnenlicht oder Raumbeleuchtung auftreten.
Das aus der Differenzbildung resultierende Differenzsignal ist im Wesentlichen sowohl proportional zur Intensität des einfallenden intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlungssignals als auch zur Phasenverschiebung zwischen der Intensitätsmodulation des elektromagnetischen Strahlungssignals und dem elektrischen Demodulationssignal des Photodetektors, d.h. dem elektrischen Referenzsignal. Bei bekannter Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Referenzsignal im Photodetektor und dem intensitätsmodulierten Strahlungssignal kann die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen bestimmt werden, die auf der von dem reflektierten Signal zurückgelegten Wegstrecke und der damit verbundenen Laufzeit beruht.
In einer Ausführungsform weist der PMD-Detektor Auslesegates oder Auslesedioden sowie Modulationsgates auf, wobei das Referenzsignal in die Modulationsgates eingekoppelt wird, während die Auslesegates zum Auslesen der Signale dienen.
Ein Pixel, insbesondere ein Pixel mit einem Photomischdetektor als Photodetektor, weist in einer Ausführungsform eine Fläche auf einem Substrat, vorzugsweise einem Halbleitersubstrat, von (50 µm)² oder weniger, vorzugsweise von (20 µm)² oder weniger auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Speicherkondensator eine Kapazität von mindestens 20 fF, vorzugsweise von mindestens 25 fF und besonders bevorzugt von mindestens 50 fF auf.
Derartig große Kapazitäten bei einem vergleichsweise kleinen Flächenbedarf des gesamten Pixels einschließlich Photodetektor und Speicherkondensator lassen sich erfindungsgemäß mit Hilfe von vertikal integrierten Kondensatoren realisieren.
Auf diese Weise ist in einer Ausführungsform der Erfindung das Verhältnis zwischen der Kapazität des Speicherkondensators und der von dem Pixel belegten Fläche auf dem Substrat, d.h. der Kapazitätsbelag, größer als 40 fF/μm², vorzugsweise größer als 50 fF/μm² und besonders bevorzugt größer als 65 fF/μm². In einer Ausführungsform beträgt der Kapazitätsbelag etwa 70 fF/µm².
Ein Grabenkondensator (engl.: trench capacitor) als Ausführungsform des vertikal integrierten Kondensators bezeichnet einen in der sogenannten Trench-Technik oder Graben-Technik hergestellten Kondensator. Bei diesem wird in das Substrat, vorzugsweise ein Halbleitersubstrat, beispielsweise aus Silizium, zunächst eine Vertiefung bzw. ein Graben geätzt. Durch diese Verlagerung der Struktur des Kondensators in die Tiefe des Substrats kann die Kapazität erhöht werden ohne den Flächenverbrauch ebenfalls in dem Maße zu erhöhen, wie dies bei der Vergrößerung einer rein planaren, d.h. auf der ursprünglichen Oberfläche des Substrats angeordneten Struktur der Fall wäre.
Die Vertiefung in dem Hableitersubstrat ist mit einem elektrischen Isolator beschichtet. Im Falle eines Siliziumsubstrats ist der elektrische Isolator in einer Ausführungsform Siliziumoxid.
Über dem elektrischen Isolator ist eine elektrisch leitende Füllung vorgesehen, welche die Vertiefung bzw. den Graben auffüllt. Diese elektrisch leitende Füllung besteht in einer Ausführungsform aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise Poly-Silizium. In einer alternativen Ausführungsform kann die elektrisch leitende Füllung Metall, vorzugsweise Wolfram, aufweisen. Auf diese Weise bilden das Halbleitersubstrat, die elektrisch leitende Füllung und der dazwischen angeordnete elektrische Isolator den Speicherkondensator. Die Realisierung solcher Grabenkondensatoren ist beispielsweise für Speicherkondensatoren in DRAM-Zellen (engl.: Dynamic Access Random Memory) bekannt.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vertiefung des Grabenkondensators eine Längserstreckung auf, die größer ist als die Tiefe der Vertiefung gemessen senkrecht zu einer ursprünglichen Oberfläche des Halbleitersubstrats und die wesentlich größer ist als eine Breite der Vertiefung.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vertiefung in einer Ansicht von oben einen gefalteten oder mäanderförmigen Verlauf auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Vertiefung eine Längserstreckung von mindestens 1 µm, vorzugsweise von mindestens 3 µm und besonders bevorzugt von mindestens 5 µm.
Dabei bezeichnet die Längserstreckung bei einer Ausführungsform mit einem gefalteten oder mäanderförmigen Verlauf der Vertiefung in einer Ansicht von oben die Gesamterstreckung der Struktur bei Abwicklung auf eine Gerade.
In einer Ausführungsform beträgt die Dicke des elektrischen Isolators zwischen 1 nm und 50 nm, vorzugsweise zwischen 1 nm und 20 nm. Dabei wird die Dicke des elektrischen Isolators in einer Richtung senkrecht zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrats in der Vertiefung gemessen.
In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Tiefe der Vertiefung mindestens 4 µm, vorzugsweise mindestens 6 µm und besonders bevorzugt mindestens 8 µm gemessen in einer Richtung senkrecht zur ursprünglichen Oberfläche des Substrats.
Die Breite des Grabens liegt in einer Ausführungsform der Erfindung in einem Bereich von 0,1 µm bis 1 µm.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Bildsensor eine Ausleseeinrichtung für die Pixel des Bildsensors auf, wobei die Ausleseeinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie die Ladungen des Photodetektors eines Pixel ein erstes Mal nach einem Zurücksetzen des Photodetektors und vor dem Beginn einer Integrationszeit als einen Referenzwert ausliest und speichert und die Ladungen des Photodetektors ein zweites Mal nach dem Ablauf der Integrationszeit als einen Rohwert ausliest und dass sie einen Messwert durch Subtraktion des Referenzwertes von dem Rohwert bildet.
Dieses Verfahren zum Auslesen der Photodetektoren eines Pixels eines Bildsensors wird auch als korrelierte Doppelabtastung (engl.: correlated double sampling; CDS) bezeichnet. Auf diese Weise lassen sich Offset und Rauschen eines Photodetektors eines jeden Pixels durch eine Referenzmessung vor oder nach jeder Integration von Ladungsträgern abziehen bzw. herausrechnen. In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Bildsensor eine solche Ausleseeinrichtung für jede Spalte von Pixeln auf.
Der erfindungsgemäße Bildsensor eignet sich insbesondere zur Bildgenerierung mit Hilfe eines sog. globalen Shutters. Dabei integrieren alle Pixel die durch die elektromagnetische Strahlung generierten Ladungsträger gleichzeitig und vorzugsweise über die gleiche Integrations- bzw. Belichtungszeit hinweg. Um trotzdem ein serielles Auslesen der einzelnen Pixel oder zweier oder mehr Gruppen von Pixeln, z.B. der Pixel zweier benachbarter Reihen, zu ermöglichen, muss ein Bildsensor, welcher einen globalen Shutter aufweist, in jedem Pixel einen Speicherknoten aufweisen, auf dem die integrierten Ladungsträger aus dem Photodetektor nach dem Abschluss der Integration und vor dem Auslesen aus dem Pixel zwischengespeichert werden können.
In einer Ausführungsform der Erfindung weisen daher alle Pixel des Bildsensors jeweils einen Auslesetransistor auf und der Bildsensor weist eine Ausleseeinrichtung für die Pixel auf, die so ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Bildsensors die Auslesetransistoren aller Pixel gleichzeitig schaltet. Mit Hilfe der Auslesetransistoren werden die integrierten Ladungsträger der Photodetektoren aller Pixel gleichzeitig in die jeweiligen Speicherknoten der Pixel transferiert. Damit wird ein globaler Shutter für den Bildsensor bereitgestellt.
Alternativ lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Bildsensor jedoch nichtsdestoweniger auch ein sog. Rolling Shutter realisieren. Bei einem Rolling Shutter sind die Integrationszeiten zumindest zweier Pixel oder zweier Gruppen von Pixeln derart zeitlich gegeneinander verschoben, dass die Endpunkte der Integration der zwei Pixel oder Gruppen von Pixeln ein serielles Auslesen ohne Zwischenspeicherung ermöglichen. In einer Ausführungsform weisen daher alle Pixel jeweils einen Auslesetransistor auf und der Bildsensor weist eine Ausleseeinrichtung für die Pixel auf, wobei die Ausleseeinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Bildsensors die Auslesetransistoren eines ersten Pixel oder einer ersten Gruppe von Pixeln zeitlich vor den Auslesetransistoren eines zweiten Pixel oder einer zweiten Gruppe von Pixeln so schaltet, dass die sie die Integration des ersten Pixel oder der ersten Gruppe von Pixeln zeitlich vor dem zweiten Pixel oder der zweiten Gruppe von Pixeln beendet und die integrierten Ladungsträger des ersten Pixel oder der ersten Gruppe von Pixeln zeitlich vor den integrierten Ladungsträgern des zweiten Pixel oder der zweiten Gruppe von Pixeln in die jeweiligen Speicherknoten der Pixel verschiebt. Während der erste Photodetektor oder die Photodetektoren der ersten Gruppe von Pixeln bereits ihre Integration abgeschlossen haben und die Ladungen auf die jeweiligen Speicherkondensatoren verschoben werden, kann der zweite Photodetektor oder die Photodetektoren der zweiten Gruppe von Pixeln integrieren und ihre Ladungen werden seriell nach der ersten Gruppe von Pixeln auf die Speicherknoten verschoben und dann ausgelesen.
Die Position der Speicherkapazität in dem Pixel hängt davon ab, ob der Bildsensor mit einem Global Shutter oder einem Rolling Shutter versehen ist. Bei der Realisierung mit einem Rolling Shutter ist die Speicherkapazität zwischen dem Photodetektor und einem Pufferverstärker angeordnet. Hingegen ist bei der Realisierung mit einem Global Shutter die Speicherkapazität zwischen einem Pufferverstärker und der Ausleseeinrichtung angeordnet, wobei gleichzeitig zwischen dem Photodetektor und dem Pufferstärker eine zweite Speicherkapazität vorgesehen ist. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich.
1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform eines Pixels eines erfindungsgemäßen Bildsensors mit einem Global Shutter.
2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Pixels eines erfindungsgemäßen Bildsensors mit einem Rolling Shutter.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht der Speicherkondensatoren aus 1 und 2.
4 zeigt eine schematische, teilweise transparente Ansicht des Speicherkondensators aus 3.
5 zeigt eine schematische Draufsicht von oben auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speicherkondensators.
In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Pixels 1 eines Bildsensors 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Pixel hat eine Größe von 15 µm×15 µm und der Bildsensor weist eine Vielzahl dieser Pixel auf, die in Reihen und Spalten auf einem Halbleitersubstrat aus Silizium angeordnet sind.
Jedes Pixel 1 verfügt über drei zentrale Elemente, nämlich einen Photodetektor 3, hier einem Photomischdetektor in Form eines PMD-Elements, einem von einer Ausleseeinrichtung ansteuerbaren Auslesetransistor 4 sowie einen Speicherkondensator 5.
In der dargestellten Ausführungsform werden die einzelnen Pixel 1 spaltenweise mit Hilfe einer Ausleseeinrichtung 6 ausgelesen. Diese verfügt über eine Correlated Double Sampling CDS Schaltung. Nach dem Auslesen der in dem Photodetektor 3 integrierten Ladungsträger werden diese in dem Speicherkondensator 5 zwischengespeichert bis zur Weiterverarbeitung mit Hilfe der Ausleseeinrichtung 6.
Die Correlated Double Sampling CDS Schaltung der Ausleseeinrichtung 6 liest dabei aus dem Speicherkondensator zunächst einen Referenzwert aus, d.h. eine Anzahl von Ladungsträgern, welche nach dem Zurücksetzen bzw. Reset des Photodetektors und vor dem Beginn einer Integrationszeit als ein Referenzwert erfasst wurde. Dieser Referenzwert beschreibt einen Offset des Photodetektors.
Dieser Referenzwert wird als erstes aus dem Speicherkondensator 5 ausgelesen und in der CDS-Schaltung der Ausleseeinrichtung zwischengespeichert. Nachfolgend erfolgt eine Integration der photogenerierten Ladungsträger in dem Photodetektor 3. Die auf diese Weise integrierten Ladungsträger werden ebenfalls ausgelesen und in den Speicherkondensator 5 verschoben. Als nächstes wird dann auch dieser Rohwert von der CDS-Schaltung ausgelesen, in der CDS-Schaltung zwischengespeichert und sodann der Referenzwert von dem Rohwert abgezogen, um den eigentlichen Messwert zu erhalten. Auf diese Weise kann der Offset, den jedes Pixel 1 des Bildsensors 2 hat, herausgerechnet werden.
Allerdings entsteht auch beim Auslesen des Speicherkondensators 5 ein kTC-Rauschen, welches dadurch bedingt ist, dass das Zurücksetzen des Speicherkondensators jedes Mal zu einem anderen, statistisch bedingten Wert für die Anzahl von auf dem Speicherkondensator transferierten Ladungsträgern führt. Diese Anzahl der auf den Speicherkondensator transferierten Ladungsträger nach dem Zurücksetzen ist temperaturabhängig und proportional zur Quadratwurzel aus der Kapazität des Speicherkondensators.
Betrachtet man das Rauschen σ_e ^– in der Ladungsdomäne, so gilt
wobei k die Boltzmann Konstante [1.38 × 10^–23J/K], T die absolute Temperatur, C die zu betrachtende Speicherkapazität und q die Elementarladung ist.
Das dadurch verursachte Spannungsrauschen ist proportional zum Kehrwert der Quadratwurzel der Kapazität, so dass gilt
Daher ist es das Ziel des Designs für das Pixel 1, den Speicherkondensator 5 so zu gestalten, dass seine Kapazität möglichst groß ist, ohne die von dem Pixel 1 belegte Fläche auf dem Halbleitersubstrat zu vergrößern. Dazu ist es notwendig, den Speicherkondensator 5 vertikal zu integrieren, um einen möglichst hohen Kapazitätsbelag, d.h. hohe Kapazität bei geringem Flächenbedarf zu erhalten. In der schematisch dargestellten Ausführungsform liegt die ursprüngliche Oberfläche des Halbleitersubstrats in der Papierebene. In dem hier gezeigten Beispiel ist der Speicherkondensator 5 ein Grabenkondensator.
Eine Schnittansicht durch den Grabenkondensator 5 ist in 3 schematisch dargestellt. Das Siliziumsubstrat 7 weist dort, wo der Grabenkondensator 5 angeordnet ist, eine in das Substrat hineingeätzte Vertiefung 8 auf. Diese Vertiefung 8 hat in der gezeigten Ausführungsform eine Tiefe von 12 µm in einer Richtung senkrecht zur ursprünglichen Oberfläche 9 des Halbleitersubstrats 7. Die Tiefe der Vertiefung 8 ist in der Zeichnung der 3 mit d bezeichnet. Die Breite w der Vertiefung 8 beträgt beispielsweise 0.2 bis ca. 1 µm.
Die Vertiefung 8 ist mit elektrisch isolierenden Siliziumoxid 10 ausgekleidet, dessen Dicke 20 nm beträgt. Das Siliziumdioxid bildet das Dielektrikum des Speicherkondensators. Die Vertiefung 8 ist sodann mit Poly-Silizium 11 aufgefüllt, auf welches ein elektrischer Kontakt 12 des Kondensators aufgebracht ist.
4 zeigt ergänzend eine transparente perspektivische Darstellung des Grabenkondensators 5 aus 3. Es ist zu erkennen, dass die Länge l des Grabens 8 des Grabenkondensators 5 deutlich größer ist als seine Tiefe d und seine Breite w.
Die Kapazität des Grabenkondensators 8 ergibt sich zu C = ε₀ × ε_r × A / t, wobei ε₀ = 8,854 × 10^–12 λs / Vm die elektrische Feldkonstante bzw. die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, ε_r die dielektrische Leitfähigkeit bzw. die relative Permittivität des elektrischen Isolators 10, t die Dicke des elektrischen Isolators und A die Fläche der Kondensatorplatten ist. ε_r beträgt für Siliziumdioxid ungefähr 3,9.
Die Fläche der Platten des Grabenkondensators berechnet sich näherungsweise zu A = 2 × d × l.
Bei einer Längserstreckung l von 10 µm hat der Grabenkondensator 5 eine Kapazität von 276 fF. Bei einer angenommenen Länge von nur 1 µm hingegen hat der Kondensator eine Kapazität von 27,6 fF. Es ist deutlich erkennbar, dass die Länge des Grabens bzw. der Vertiefung 8 die Kapazität deutlich erhöht.
Daher ist es zweckmäßig, wenn wie in 5 gezeigt die Vertiefung in einer Draufsicht von oben auf das Halbleitersubstrat einen mäanderförmigen Verlauf aufweist, welcher die effektive Länge und damit die Kapazität des Grabenkondensators erhöht. Die Längserstreckung l ist dann die Abwicklung der mäandrierenden Fläche der „Kondensatorplatten“ auf eine Gerade.
Bei der Ausführungsform aus 1 handelt es sich um ein Pixel eines Bildsensors mit einem Global Shutter. Diese weist neben der Speicherkapazität 5 zwischen einem Pufferverstärker 13 und der Ausleseeinrichtung 6 eine weitere Speicher- oder Haltekapazität 14 zwischen dem Photodetektor 3 und dem Pufferverstärker 13 auf. Auch die zweite Speicherkapazität könnte dabei als Grabenkondensator wie in den 3 und 4 gezeigt ausgestaltet.
Im Gegensatz dazu handelt es sich bei dem Pixel aus 2 um ein Pixel eines Bildsensors mit Rollig Shutter. Diese Realisierung kommt mit einer einzigen Speicherkapazität 5‘ zwischen dem Phtodetektor 3 und dem Pufferverstärker 13 aus.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch im beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung dagegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, sowie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
Bezugszeichenliste

1: Pixel
2: Bildsensor
3: Photodetektor
4: Auslesetransistor
5: Speicherkondensator
6: Auslese- und Auswerteeinrichtung
7: Siliziumsubstrat
8: Vertiefung/Graben
9: Oberfläche des Substrats 7
10: Siliziumoxid
11: Poly-Silizium
12: elektrischer Kontakt
13: Pufferverstärker
14: zweiter Speicherkondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004016624 A1 [0021]
DE 19821974 A1 [0021]

Claims

Bildsensor (2) mit einer Mehrzahl von Pixeln (1), wobei zumindest ein Pixel (1) einen Photodetektor (3) und einen Speicherknoten (5) aufweist, wobei das Pixel (1) so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Bildsensors (2) der Speicherknoten (5) elektrische Ladungen aus dem Photodetektor (3) aufnimmt und speichert, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherknoten (5) ein vertikal integrierter Kondensator ist.
Bildsensor (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkondensator ein Grabenkondensator (5) oder ein in Stapel-Technologie hergestellter Kondensator ist.
Bildsensor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkondensator (5) eine Kapazität von mindestens 20 fF, vorzugsweise von mindestens 25 fF und besonders bevorzugt von mindestens 50 fF aufweist.
Bildsensor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Kapazität des Speicherkondensators (5) und der von dem Pixel (1) belegten Fläche größer ist als als 40 fF/μm², vorzugsweise größer als 50 fF/μm² und besonders bevorzugt größer als 65 fF/μm².
Bildsensor (2) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (2) ein Halbleitersubstrat (7), vorzugsweise ein Substrat aus Silizium, aufweist, wobei in das Halbleitersubtrat (7) eine Vertiefung (8) eingebracht ist, wobei die Vertiefung (8) mit einem elektrischen Isolator (10), vorzugsweise aus Siliziumoxid, ausgekleidet ist, und wobei die Vertiefung (8) über dem elektrischen Isolator (10) mit einer elektrisch leitenden Füllung (11), vorzugsweise aus Poly-Silizium, aufgefüllt ist, so dass das Halbleitersubstrat (7), die elektrisch leitende Füllung (11) und der dazwischen angeordnete elektrische Isolator (10) den Speicherkondensator (5) bilden.
Bildsensor (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (8) eine Längserstreckung (l) aufweist, die größer ist als die Tiefe (d) der Vertiefung (8) gemessen senkrecht zu einer Oberfläche (9) des Halbleitersubstrats (7), in die die Vertiefung (8) eingebracht ist, und die größer ist als eine Breite (w) der Vertiefung (8).
Bildsensor (2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (8) in einer Ansicht von oben einen mäanderförmigen Verlauf aufweist.
Bildsensor (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (8) eine Längserstreckung (l) von mindestens 1 μm, vorzugsweise von mindestens 3 μm und besonders bevorzugt von mindestens 5 μm aufweist.
Bildsensor (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Dicke (t) des elektrischen Isolators zwischen 1 nm und 50 nm, vorzugsweise zwischen 1 nm und 20 nm beträgt.
Bildsensor (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (d) der Vertiefung (8) mindestens 4 μm, vorzugsweise mindestens 6 μm und besonders bevorzugt mindestens 8 μm beträgt.
Bildsensor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (2) eine Ausleseeinrichtung (6) für die Pixel (1) aufweist, wobei die Ausleseeinrichtung (6) so ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Bildsensors (2) die Ladungen des Photodetektors (3) eines Pixel (1) ein erstes Mal nach einem Zurücksetzen des Photodetektors (3) und vor dem Beginn einer Integrationszeit als einen Referenzwert ausliest und die Ladungen des Photodetektors (3) ein zweites Mal nach dem Ablauf der Integrationszeit als einen Rohwert ausliest und dass sie einen Messwert durch Subtraktion des Referenzwerts von dem Rohwert bildet.
Bildsensor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Pixel (1) des Bildsensors (2) jeweils einen Auslesetransistor (4) aufweisen und der Bildsensor (2) eine Ausleseeinrichtung (6) für die Pixel (1) aufweist, wobei die Ausleseeinrichtung (6) so ausgestaltet und eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Bildsensors (2) die Auslesetransistoren (4) aller Pixel (1) so schaltet, dass sie die Integration der Photodetektoren aller Pixel gleichzeitig beendet und die integrierten Ladungsträger gleichzeitig von den jeweiligen Photodetektoren in die Speicherknoten verschiebt.
Bildsensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle Pixel (1) des Bildsensors (2) jeweils einen Auslesetransistor (4) aufweisen und der Bildsensor (2) eine Ausleseeinrichtung (6) für die Pixel (1) aufweist, wobei die Ausleseeinrichtung (6) so ausgestaltet und eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Bildsensors (2) die Auslesetransistoren (4) eines ersten Pixel oder einer ersten Gruppe von Pixeln (1) so schaltet, dass die sie die Integration des ersten Pixel oder der ersten Gruppe von Pixeln zeitlich vor dem zweiten Pixel oder der zweiten Gruppe von Pixeln beendet und die integrierten Ladungsträger des ersten Pixel oder der ersten Gruppe von Pixeln zeitlich vor den integrierten Ladungsträgern des zweiten Pixel oder der zweiten Gruppe von Pixeln in die jeweiligen Speicherknoten der Pixel verschiebt.
Bildsensor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Pixel (1) jeweils einen Photomischdetektor als Photodetektor (3) aufweisen.