DE69804380T2

DE69804380T2 - MOS Bildsensor

Info

Publication number: DE69804380T2
Application number: DE69804380T
Authority: DE
Inventors: Bryan David Ackland; David Andrew Inglis; Marc J. Loinaz
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2018-06-10
Also published as: JP4276194B2; CA2237505C; EP0886318B1; US6141050A; DE69804380D1; CA2237505A1; JP3878744B2; JP2005237016A; EP0886318A1; JPH11103044A

Description

Die Erfindung betrifft Bildsensorschaltungen und Verfahren zum Betreiben einer Bildsensorschaltung.
Ein bekanntes Problem auf dem Gebiet von Fotogate-CMOS- und CCD- Bildsensoren besteht in dem reduzierten optischen Ansprechverhalten auf kurze Wellenlängen. Insbesondere erzielt eine in dem US-Patent 5 576 763 von Ackland et al. vom 19. November 1996 offenbarte Fotogate-Schaltung äußerst geringes Lese-Rauschen. Wie dort dargestellt, ist die hauptsächlich fotoempfindliche Zone der Fotogate-Schaltung die Verarmungszone unterhalb des Fotogates und die Zone, die sich innerhalb der Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge des Randes dieser Verarmungszone befindet. Das Fotogate wird mit großer Fläche ausgebildet, um die Anzahl gesammelter Elektronen zu maximieren. Allerdings leidet die Fotogate-Sensorschaltung an einem geringen Quantenwirkungsgrad für kurzwelliges Licht aufgrund der Absorptionscharakteristik des verwendeten Polysilicium-Gatematerials. Verschärft wird dieses Problem noch durch die Verwendung von silizierten Gates, die in zahlreichen CMOS-Fertigungsverfahren verwendet werden. Fotogate-CCD-Bildsensoren, beispielsweise Frametransfer-CCDs leiden ebenfalls an diesem Problem.
Bildsensoren auf Fotodiodenbasis haben ein besseres optisches Ansprechverhalten auf kurze Wellenlängen. Allerdings leiden CMOS-Bildsensoren auf Fotodiodenbasis an dem Problem des Rücksetz-Rauschens. Speziell ist es nicht praktikabel, den aktuellen Rücksetz-Wert für den Sensor zu erhalten, der von dem Sensor-Ausgangssignal subtrahiert wird, um den Effekt des Rücksetz- Rauschens aus dem Sensor-Ausgangssignal zu eliminieren. Deshalb wird unter Verwendung des Ausgangssignals nach dessen Rücksetzen für den nächsten Sensorzyklus ein simulierter Rücksetzwert verwendet. Allerdings können solche simulierten Rücksetzwerte nicht exakt den aktuellen Rücksetzwert für den Sensorzyklus repräsentieren, in welchem sie verwendet werden, was zu einer schlechteren Bildqualität führt.
Mikio Kyomasu: "A new MOS imager using photodiode as current source" IEEE Journal of Solid-State Circuit, Band 26, Nr. 8, Seiten 1116-1122 (XP000258579) und die US-A-5 742 047 offenbaren jeweils einen Bildgeber, der einen Kondensator dazu benutzt, direkt fotoabhängige Ladung aus einer Fotodiode zu sammeln. Die US-A-4 287 441 zeigt die Verwendung einer doppelt korrelierten Abtastmethode.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Bildsensorschaltung nach Anspruch 1 geschaffen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 19 geschaffen.
Die den herkömmlichen Bildsensoren anhaftenden Probleme werden gemildert durch eine Bildsensorschaltung, die eine Fotodiode im Verein mit einem Ladungstransfermechanismus anstelle des herkömmlichen Fotogate-Lichtsensors verwendet. Durch Verwendung der Fotodiode gelangt zumindest ein Teil des erfaßten Lichts nicht durch eine Polysiliciumschicht und wird somit nicht von dem Polysilicium daran gehindert, den empfindlichen Sensorbereich zu erreichen. Die erfindungsgemäße Bildsensorschaltung besteht aus Bauelementstrukturen, die durch übliche CMOS-Verfahrenstechnologien leicht verfügbar sind. In vorteilhafter Weise zeigen die erfindungsgemäßen Bildsensoren einen wesentlich verbesserten Quantenwirkungsgrad für kurzwelliges Licht, verglichen mit den üblichen Sensoren. Darüber hinaus zeigen erfindungsgemäße Bildsensoren eine verbesserte Dunkelstrom-Gleichförmigkeit und haben daher eine bessere Ausbeute. Ein zusätzlicher Vorteil besteht bei den erfindungsgemäßen Bildsensoren darin, daß diese geringeres Rücksetzrauschen im Vergleich zu CMOS-Fotodioden-Bildsensoren aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Bildsensorschaltung, die eine Fotodiode im Verein mit einem Ladungstransfermechanismus verwendet und mit CMOS-Fertigungsverfahren kompatibel ist, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2-5 zeigen verschiedene mögliche Ausgestaltungen für das Layout des Sensors auf einer integrierten Siliciumschaltung; und
Fig. 6 zeigt eine schematische Schaltungsdarstellung des Sensors.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Bildsensorschaltung, die eine Fotodiode in Verbindung mit einem Ladungstransfermechanismus verwendet und kompatibel ist mit CMOS-Fertigungsverfahren, entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Die in Fig. 1 gezeigte Sensorschaltung enthält ein p-Substrat 101, n&spplus;-Zonen 103 und 105, eine Siliciumdioxid-(SiO&sub2;)-Schicht 107, eine Polysiliciumschicht 108, Transistoren 111 und 113, einen Verstärker 115 sowie eine parasitäre Kapazität 117. Die Grenze der n&spplus;-Zone 105 mit dem Substrat 101 bildet eine Fotodiode D1, während die Grenze der n&spplus;-Zone 103 mit dem p-Substrat 101 eine Fotodiode D2 bildet. Die Polysiliciumschicht 109, die SiO&sub2;-Schicht 107 und das p-Substrat 101 bilden ein Gate, welches kein Fotogate sein muß, eines NMOS-Transistors 121, der gebildet wird durch die n&spplus;-Zone 103, die n&spplus;- Zone 105, das p-Substrat 101, die SiO&sub2;-Schicht 107 und die Polysiliciumschicht 109.
Die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist folgende: Das aufzunehmende Licht fällt auf die Fotodioden D1 oder D2. In diesen Fotodioden umfassen die fotoempfindlichen Zonen die Verarmungszone und die Zone, die sich innerhalb einer Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge der Kante jener Verarmungszone befindet. D2 bildet zusammen mit D1 fotoempfindliche Zonen, die einen hohen Quantenwirkungsgrad in der kurzwelligen Zone des sichtbaren Spektrums besitzen.
Der Gate-Anschluß 119 des Transistors 121 wird hoch gehalten, so daß das einfallende Licht Elektronen-Loch-Paare in der Verarmungszone unterhalb der Fotodioden D1 und D2 sowie der Gate-SiO&sub2;-Schicht 107 erzeugen kann. Die erzeugten Elektronen werden unterhalb des Gates für eine Zeitspanne von z. B. 30 Millisekunden gesammelt und gespeichert. Während dieser Zeit belegen Elektronen aus der n&spplus;-Zone 103 die meisten Schnittstellenplätze innerhalb der Schnittstelle, die durch das p-Substrat 101 und die SiO&sub2;-Schicht unterhalb des Gates des Transistors 121 gebildet wird. Dies führt zu einer verringerten thermischen Trägererzeugung und mithin zu einem verringerten Dunkelstrom. Außerdem führt der verringerte Dunkelstrom zu einer höheren Pixel-Ausbeute.
Am Ende der Sammelzeitspanne wird zum Auslesen des Sensors der Anschluß 123 des Transistors 113 vorübergehend hoch gepulst, um die Spannung am Knoten 125 zurückzusetzen. Der am Ausgang des Verstärkers 115 gesehene Rücksetzwert wird von der Abtast- und Halteschaltung 127 gespeichert. Der Gate-Anschluß 119 des Transistors 121 wird dann vorübergehend auf niedrigen Pegel gezwungen, wodurch die unter der Gate-SiO&sub2;-Schicht 107 gespeicherte Ladung zu dem Knoten 125 transferiert wird. Dies geschieht durch das Betreiben des Transistors 101 als Verstärker in Gate-Schaltung. Zu diesem Zweck wird der Gate-Anschluß 139 des Transistors 111 auf eine im wesentlichen fixe Spannung vorgespannt, beispielsweise eine Spannung im Bereich von 0 bis 3 Volt, z. B. 1 Volt.
Die transferierte Ladung wird in dem parasitären Kondensator 117 geladen, der die Ladung in eine Spannung umsetzt. Der parasitäre Kondensator 117 ist klein im Vergleich zu der Gesamtkapazität der Dioden D1, D2 und des Transistors 121. Vorteilhaft ist, daß, wenn die Ladung zu dem parasitären Kondensator übertragen wird, sich eine größere Spannungsänderung entwickelt, als wenn der parasitäre Kondensator 117 die gleiche Kapazität hätte wie die Dioden D1, D2 und der Transistor 121 insgesamt. Dieser Spannungs-"Gewinn" reduziert den Effekt von Zufallsrauschen in den Leseschaltungen, welche den Verstärker 115 sowie alle an dessen Ausgang anschließenden Schaltungen beinhalten.
Die an dem Knoten 125 entwickelte Spannung wird dann von dem Verstärker 115 verstärkt, und die verstärkte Spannung wird in der zweiten Abtast- und Halteschaltung 129 abgespeichert. Die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Abtast- und Halteschaltungen 127 und 129, Vsig, ist das Ausgangssignal der Schaltung. Diese Ausgangssignaldifferenz ist ein Beispiel für die korrelierte Doppelabtastung, durch die in vorteilhafter Weise hier durch den Differenzbetrieb ausgeschaltet werden: a) die Effekte des Rücksetz-Rauschens, b) die Effekte von Schwellenspannungsschwankungen im Transistor 113, c) Offset-Schwankungen des Verstärkers 115 und d) Schalt-Durchführung im Transistor 113 während des Rücksetz-Vorgangs.
Fig. 2 bis 5 zeigen verschiedene mögliche Ausgestaltungen für das Layout des Sensors auf einer integrierten Siliciumschaltung. Die Legende für die verschiedenen Schichten, die den Sensor implementieren, sind in jeder der Figuren dargestellt. Elemente mit gleicher Ziffer wie Elemente in Fig. 1 entsprechen gleichen Elementen. In den Fig. 2 bis 5 ist der Verstärker 115 implementiert durch einen Transistor 235, und ein Auswahl-Steuertransistor 237 wurde hinzugefügt, um selektiv den Ausgang des Sensors zu adressieren. Man beachte, daß die n&spplus;-Zone 105 mit der n&spplus;-Zone 103 vereint werden kann, um eine einzelne Fotodiodenzone zu bilden, wie in Fig. 3 und Fig. 5 gezeigt ist.
Zweckmäßigerweise zeigt Fig. 6 eine schematische Schaltungsanordnung des Sensors. Auch hier entsprechen Elemente mit gleicher Ziffer wie ein Element in Fig. 1 diesem Element.
Es sei angemerkt, daß der Verstärker 115 dazu dient, den Kondensator 117 von der Leitungskapazität und der Kapazität der Abtast- und Halteschaltungen 127 und 129 zu trennen.
Der Fachmann sieht leicht, wie die Erfindung mit PMOS-Transistoren und/oder p&spplus;-n-Fotodioden zu implementieren ist. Er sieht außerdem, daß man anstelle des Siliciumdioxids jedes andere geeignete Isoliermaterial verwenden kann. Es sei lediglich angemerkt, daß nur eine Fotodiode verwendet werden muß.
Wenn dies der Fall ist, wird die verwendete Diode gebildet durch D1, bestehend aus dem Übergang zwischen der n&spplus;-Zone 105 (Fig. 1) und dem p-Substrat 101. Wird von einer solchen Schaltung Gebrauch gemacht, so kann der Transistor 121, wenngleich er scheinbar keine Source besitzt, weil die n&spplus;-Zone 103 fehlt, immer noch als Transistor gedacht werden, dessen Drain und Source kurzgeschlossen sind. In jedem Fall ist der Vorgang der Ladungsansammlung und des Ladungstransfers so, wie er oben beschrieben wurde.
Obschon der Transistor 113 als NMOS-Transistor dargestellt ist, sieht man, daß ein PMOS-Transistor zu einem verbesserten Rücksetzen führt, da er die Spannung am Drain des Transistors höher ziehen kann, als ein entsprechender NMOS-Transistor seine Source hochziehen kann.
Das oben gesagte ist lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung gedacht. Es versteht sich also, daß der Fachmann zahlreiche Abwandlungen ersinnen kann, die, wenngleich sie hier nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind, Ausführungsformen der Erfindung darstellen und in dessen Schutzumfang liegen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Bildsensorschaltung, enthaltend:

eine erste Fotodiode [105] mit einem ersten und einem zweiten Anschluß;

einen ersten Metalloxidhalbleiter-(MOS)-Transistor [121], dessen Drain mit dem ersten Anschluß der ersten Fotodiode gekoppelt ist, um Ladung zu sammeln, die sich durch auf die erste Diode einfallendes Licht entwickelt hat;

einen zweiten MOS-Transistor [111], von dem eine Source mit dem ersten Anschluß der ersten Fotodiode und mit dem Drain des ersten MOS-Transistors gekoppelt ist;

einen Kondensator [117], von dem ein Anschluß mit einem Drain des zweiten Transistors gekoppelt ist; und

einen dritten MOS-Transistor [113], dessen Source mit dem Drain des zweiten Transistors gekoppelt ist;

wobei die im ersten MOS-Transistor gesammelte Ladung durch den zweiten MOS-Transistor übertragen und von dem Kondensator in eine Spannung umgesetzt wird.

2. Bildsensorschaltung nach Anspruch 1, bei der ein Ladungstransfer erfolgt, wenn an ein Gate des ersten MOS-Transistors ein Signal gelegt wird, um dessen Inversionsschicht im wesentlichen zu beseitigen.

3. Bildsensorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der zweite MOS- Transistor als Transistor mit gemeinsamem Gate konfiguriert ist.

4. Bildsensorschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Sensor durch Anlegen eines Signals zum Einschalten des dritten MOS-Transistors rücksetzbar ist.

5. Bildsensorschaltung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der die Schaltung auf einem p-Substrat gebildet ist und der erste Anschluß der ersten Fotodiode deren Kathode ist.

6. Bildsensorschaltung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der die Schaltung auf einem n-Substrat gefertigt ist und der erste Anschluß der ersten Fotodiode deren Anode ist.

7. Bildsensorschaltung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der der dritte MOS- Transistor ein PMOS-Transistor ist, wobei die Verbindungen des Drains und der Source des dritten MOS-Transistors umgekehrt sind.

8. Bildsensorschaltung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5 mit einer zweiten Fotodiode 103, die einen ersten ihrer Anschlüsse mit einer Source des ersten MOS-Transistors gekoppelt hat, wobei der erste MOS-Transistor außerdem Ladung sammelt, die sich durch auf die zweite Fotodiode fallendes Licht entwickelt.

9. Bildsensorschaltung nach Anspruch 8, bei der die Schaltung auf einem p- Substrat gefertigt ist und der erste Anschluß der zweiten Fotodiode deren Kathode ist.

10. Bildsensorschaltung nach Anspruch 8, bei der die Schaltung auf einem n- Substrat gebildet ist und der erste Anschluß der zweiten Fotodiode deren Anode ist.

11. Bildsensorschaltung nach Anspruch 1, bei der der Kondensator an einen Verstärker [115] gekoppelt ist.

12. Bildsensorschaltung nach Anspruch 11, bei der der Verstärker an eine Abtast- und Halteschaltung [127] gekoppelt ist.

13. Bildsensorschaltung nach Anspruch 11, bei der der Verstärker mit mindestens zwei Abtast- und Halteschaltungen [127, 129] gekoppelt ist.

14. Bildsensorschaltung nach Anspruch 13, bei der die erste der mindestens zwei Abtast- und Halterschaltungen betrieben wird, um eine Darstellung eines ersten Ausgangssignals ansprechend darauf zu speichern, daß der dritte MOS-Transistor eingeschaltet ist und an ein Gate des ersten MOS- Transistors ein Freigabesignal gelegt wird.

15. Bildsensorschaltung nach Anspruch 13, bei der eine zweite der mindestens zwei Abtast- und Halteschaltungen betrieben wird, um eine Darstellung eines zweiten Ausgangssignals ansprechend darauf zu speichern, daß der dritte MOS-Transistor ausgeschaltet ist und an ein Gate des ersten MOS- Transistors ein Sperrsignal gelegt wird, um den ersten MOS-Transistor auszuschalten.

16. Bildsensorschaltung nach Anspruch 13, bei der eine zweite der mindestens zwei Abtast- und Halteschaltungen betrieben wird, um eine Darstellung eines zweiten Ausgangssignals ansprechend auf ein Ausschaltsignal zu speichern, welches an ein Gate des ersten MOS-Transistors gelegt wird, um diesen auszuschalten, und der dritte MOS-Transistor ausgeschaltet ist.

17. Bildsensorschaltung nach Anspruch 13, bei der in einem ersten Betriebszustand eine erste der mindestens zwei Abtast- und Halteschaltungen betrieben wird, um eine Darstellung eines ersten Ausgangssignals ansprechend darauf zu speichern, daß der dritte MOS-Transistor eingeschaltet ist und an das Gate des ersten MOS-Transistors ein Freigabesignal gelegt wird, und ein, in einem zweiten Betriebszustand eine zweite der mindestens zwei Abtast- und Halteschaltungen betrieben wird, um eine Darstellung eines zweiten Ausgangssignals zu speichern, welches Ladung enthält, die von dem ersten MOS-Transistor gesammelt und zu dem Kondensator übertragen wurde in Abhängigkeit davon, daß der dritte MOS-Transistor ausgeschaltet ist und an das Gate des ersten MOS-Transistors ein Sperrsignal gelegt wird, um ihn auszuschalten.

18. Bildsensorschaltung nach Anspruch 17, mit einer Einrichtung zum Ermitteln der Differenz zwischen der Darstellung des ersten Ausgangssignals, das in der ersten der mindestens zwei Abtast- und Halteschaltungen gespeichert ist, und der Darstellung des zweiten Ausgangssignals, welches in der zweiten der mindestens zwei Abtast- und Halteschaltungen gespeichert ist.

19. Verfahren zum Betreiben einer Bildsensorschaltung, wobei der Bildsensor aufweist:

eine erste Fotodiode [105] mit einem ersten und einem zweiten Anschluß;

einen ersten Metalloxidhalbleiter-(MOS)-Transistor [121], dessen Drain mit dem ersten Anschluß der ersten Fotodiode gekoppelt ist, um Ladung zu sammeln, die sich durch auf die erste Fotodiode fallendes Licht entwickelt;

einen zweiten MOS-Transistor [111] in einer Verschaltung mit gemeinsamem Gate, von dem die Source mit dem ersten Anschluß der ersten Fotodiode und mit dem Drain des ersten MOS-Transistors gekoppelt ist;

einen Kondensator [117], von dem ein Anschluß an den Drain des zweiten Transistors gekoppelt ist; und

einen dritten MOS-Transistor [113], dessen Source mit dem Drain des zweiten Transistors gekoppelt ist,

wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:

Sammeln von Elektronen, die sich durch auf die erste Fotodiode fallendes Licht entwickelt haben;

Einstellen des Wertes einer Spannung an dem Kondensator auf einen ersten Wert;

Speichern einer Darstellung des ersten Werts;

Transferieren der gesammelten Elektronen zu dem Kondensator; und

Speichern einer Darstellung des Wertes einer zweiten Spannung an dem Kondensator nach dem Schritt des Transferierens.

20. Verfahren nach Anspruch 19, enthaltend den Schritt des Entwickelns einer Differenz zwischen der gespeicherten Darstellung des ersten Werts und der gespeicherten Darstellung des Werts einer zweiten Spannung an dem Kondensator nach dem Transferschritt.