JP2000232216A - 配線されたフローティングディフュージョンと共通増幅器のあるアクティブピクセルセンサ - Google Patents

配線されたフローティングディフュージョンと共通増幅器のあるアクティブピクセルセンサ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、相関二重サンプリングを実行でき
る高充填比のフォトダイオードアクティブピクセルアー
キテクチャを提供する。 【解決手段】 一連の行及び列に配された複数のピクセ
ルを有する画像センサは、行及び列で形成された複数の
ピクセルを有する半導体基板から成る。少なくとも２つ
のピクセルの夫々は相互に空間的に分離され、単一のリ
セットトランジスターのソースに電気的に接続された電
圧- 電荷変換領域を有する。リセットトランジスターを
共有するピクセルは、増幅器と選択電気的機能をも共有
する。好ましい実施態様は隣接ピクセルを考慮するが、
すぐ隣である必要はない

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体フォトセンサ
と、各ピクセルと関連したアクティブ回路素子を有する
アクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）と呼ばれるイメー
ジャとの分野に関し、より詳細には、光検出器から分離
された電荷- 電圧変換領域のあるピクセルの４つのトラ
ンジスターピクセルと、相関二重サンプリング（correl
ated doublesampling、ＣＤＳ）とを利用する固体イメ
ージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】ＡＰＳは固体イメージャであり、各ピク
セルは光感知手段と、リセット手段と、電荷- 電圧変換
手段と、行選択手段と、さらに全て又は部分的に増幅器
とを具備する固体ピクセル素子を通常含む。ピクセル内
に集められた光電荷は、エリック フォサム(Eric Foss
um) による1993年７月のSPIEの1900-08-8194-1133 巻で
の「アクティブピクセルセンサ：ＣＣＤは恐竜か？（Ac
tive Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?) 」での先
行技術文献で説明されているようなピクセル内で、対応
する電圧若しくは電流に変換される。ＡＰＳデバイスは
イメージャの各ライン又は行が選択され、イ フォサム
(E. Fossum) による1993年７月のSPIEの1900-08-8194-1
133 巻での「アクティブピクセルセンサ：ＣＣＤは恐竜
か？（Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?)
」や、R. H. Nixon, S. E. Kemeny、C. O. Staller と
E. R. FossumによるSPIEのプロシーディング2415巻の
「オンチップタイミングと、コントロールと信号チェー
ン電子工学とを有する１２８ｘ１２８ＣＭＯＳフォトダ
イオードタイプアクティブマトリックスセンサ（128x12
8 CMOS Photodiode-type Active Pixel Sensor with On
-chip Timing, Controland Signal Chain Electronics)
」、1995年の論文３４での「電荷結合素子と固体光学
センサＶ（Charge-Coupled Devices and Solid-State O
ptical Sensors V) 」で説明された列選択信号を利用し
て読出されるように作動した。アクティブピクセルセン
サ内での行及び列の選択は、メモリ装置でのワード及び
ビットの選択に類似する。ここで、全体の行の選択はワ
ードを選択することに類似しており、アクティブピクセ
ルセンサの一つの列からの読出しは、そのワード内で単
一のビットラインを選択又はイネーブリングすることに
類似する。従来の先行技術でのアクティブピクセルセン
サ装置では、４つのトランジスター設計を利用するアー
キテクチャを示しており、全ての４つのトランジスター
は夫々及びいずかのピクセル内に含まれている。４つの
トランジスターは、通常、トランスファー、行選択、リ
セット及びソースフォロワ増幅器トランジスターであ
る。このアーキテクチャは容易にＣＤＳを実行し、低読
出しノイズが得られる能力を有するＡＰＳが得られる利
点があり、上記４Ｔピクセルは低い充填比（fill facto
r)である。充填比は光センサに当てるピクセル面積の割
合である。上記４つのトランジスターと関連するコンタ
クト領域と信号バスは各ピクセルに配置され、コンタク
ト領域は所望の重なりとさまざまな層の空間により、通
常大きなピクセル面積を使うので、ピクセルの充填比は
光検出器に利用される大きな面積のため減少する。上記
部品の夫々の適当なタイミング信号への接続は、ピクセ
ルの全体の行を横行する金属バスにより行われる。上記
金属バスは光学的に不透明であり、光検出器の領域をさ
えぎり、ピクセルピッチに適合する。更に、このことは
ピクセルの充填比を減少させる。充填比を減少させるこ
とは、センサの感度及び飽和信号を低下させる。上記の
ことはセンサの写真スピードやダイナミックレンジ、さ
らに高画質を得るために重要である性能測定に悪影響を
与える。
【０００３】米国特許出願番号第０８/ ８０８、４４４
号及び第０８/ ９１１、２３５号において、Guidash
は、フローティングディフュージョン、行選択トランジ
スター、リセットトランジスター及び隣接行のピクセル
間のソースフォロワ入力トランジスターを共有すること
により、先行技術での４つのトランジスターピクセルの
機能性を維持するピクセルアーキテクチャを開示してい
る。上記アーキテクチャでは、単一のフローティングデ
ィフュージョン領域は、２又は４つの隣接ピクセル間で
共有される。上記アーキテクチャは高い充填比を提供す
るが、物理的に大きなフローティングディフュージョン
領域を生じさせる。このことは、電荷- 電圧変換ノード
の全静電容量の大部分であるフローティングディフュー
ジョンの電圧に依存する接合静電容量により、一層非線
形な電荷- 電圧変換が生じる。更に、各ピクセル内の光
検出器の同じ配置を維持しようとすると、フローティン
グディフュージョンとリセットトランジスターの非効率
なレイアウトが招来する。非線形電荷- 電圧変換は可変
なカラーバランスのアーティファクトをもたらす。各ピ
クセル内の光検出器の同じでない配置により、別のアー
ティファクトが生じる。上記アーティファクトの双方と
も画質に悪影響をもたらす。
【０００４】典型的な先行技術でのフォトダイオードＡ
ＰＳピクセルを図１に示す。図１に示すピクセルは、フ
ォトダイオード（ＰＤ）、トランスファートランジスタ
ー（ＴＧ）、フローティングディフュージョン（Ｆ
Ｄ）、リセットゲート（ＲＧ）のあるリセットトランジ
スターと、行選択ゲート（ＲＳＧ）のある行選択トラン
ジスターと、ソースフォロワ入力信号トランジスター
（ＳＩＧ）とからなる先行技術での４つのトランジスタ
ーピクセルである。上記先行技術でのピクセルの充填比
は通常２５％以下である。
【０００５】Guidash により提案された別のピクセルア
ーキテクチャを、図２及び図３に示す。図２では、２つ
の行隣接ピクセル、ピクセルＡ及びピクセルＢは、分離
フォトダイオードとトランスファーゲート、ＰＤａ、Ｐ
Ｄｂ、ＴＧａ、ＴＧｂを夫々有するが、他の全ての構成
部品、ＦＤ、ＲＧ、ＲＳＧ及びＳＩＧを共有する。図３
では、１及び２は行を、ａ及びｂは列を夫々表わし、４
つの行及び列隣接ピクセル、ピクセル１ａ、２ａ、１ｂ
及び２ｂは分離ＰＤ’ｓとＴＧ’ｓ、ＰＤ１ａ、ＰＤ２
ａ、ＰＤ１ｂ、ＰＤ２ｂ、ＴＧ１ａ、ＴＧ２ａ及びＴＧ
２ｂを有するが、他の全ての構成部品ＦＤ、ＲＧ、ＲＳ
Ｇ及びＳＩＧを共有する。この場合、行ごとに２つのト
ランスファーゲートバスがあり、隣接列からの信号電荷
の混合を防止している。上記アーキテクチャは、図１に
示す先行技術でのピクセルよりは実質的に高い充填比
を、つまり小さなピクセルを提供するが、前述したよう
に、数多の欠点がある。図２に示す２つの隣接ピクセル
又は図３に示す４つの隣接ピクセルのいずれかにより共
有される単一のフローティングディフュージョン領域を
有することにより、図１で得られるよりは物理的に大き
なフローティングディフュージョンが生じることが分か
る。更に、図２及び図３から、隣接ピクセル境界内での
光検出器の配置は同じでないことは明らかである。
【０００６】高い充填比を有する別のピクセルアーキテ
クチャと、Guidash により提案された共有増幅器ピクセ
ルの能力のように、ＣＤＳを実行できる能力と、更に各
ピクセル内の光検出器の同じ配置で、より線形である電
荷- 電圧変換を有するセンサが望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の点に鑑
みてなされたものであり、相関二重サンプリング（ＣＤ
Ｓ）を実行する能力のある高い充填比のアクティブピク
セルアーキテクチャを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、行と列に
形成された複数のピクセルを有する半導体基板からなる
一連の行及び列に配された複数のピクセルを有する画像
センサにより達成される。少なくとも２つのピクセルの
夫々は、互いに空間的に分離され、単一のリセットトラ
ンジスターのソースに電気的に接続された電圧- 電荷変
換領域を有する。更に、リセットトランジスターを共有
するピクセルは、増幅器と選択電気的機能を共有する。
好ましい実施態様では隣接ピクセルを考慮するが、ただ
し、すぐ隣のピクセルである必要はない。４つのトラン
ジスターピクセルの機能性は維持され、単一のフローテ
ィングディフュージョン領域の必要性と、付随する電荷
-電圧変換の非線形性とピクセルアレイ内の隣接光検出
器配置の非対称性とを排除しながら、共有増幅器ピクセ
ルアーキテクチャの高い充填比は維持される。
【０００９】
【発明の実施の形態】図４及び図５には、本発明により
考えられたアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）の共有
増幅器トランジスターピクセルのアーキテクチャの平面
図を示す。図４及び図５に示す実施態様は、発明者が知
るかぎりでのベストモードを示す。他の物理的実施態様
は実現可能であり、後述の説明から図４及び図５に示す
実施態様のさまざまな変形態様である。図４に示すピク
セル１０は、数多の行及び列を有するピクセルのアレイ
内での単一のピクセルである。２つの隣接ピクセルを図
４に示し、各ピクセルで物理的に分離したフローティン
グディフュージョンを相互に、またソースフォロワ入力
トランジスターとどのように相結合しているかを示す。
図４に示す実施態様は２つの行の隣接ピクセル間に共有
された増幅器のあるフォトダイオードピクセルを示す。
なお、この新規なアーキテクチャはフォトゲートピクセ
ルにも利用可能であることを指摘しておく。
【００１０】図４から分かるように、ピクセル１０は、
フォトダイオード光検出器１２と、トランスファーゲー
ト２３と、フローティングディフュージョン２５と、リ
セットゲート１５のあるリセットトランジスター１４と
ソースフォロワ入力信号トランジスター２１（ＳＩＧ）
と、リセットトランジスター１４とソースフォロワ入力
トランジスター２１の電圧供給１８（ＶＤＤ）と、行選
択ゲート（ＲＳＧ）３１のある行選択トランジスター３
０とからなる。図４に示すアーキテクチャは、フローテ
ィングディフュージョンが２つの行隣接ピクセルにより
電気的に共有される２つの物理的及び空間的に分離され
た分離フローティングディフュージョン領域からなる以
外は、図２に示す先行技術での共有増幅器ピクセルのそ
れと同じである。図４では、フローティングディフュー
ジョン２５は相互に物理的及び空間的に分離され、導電
性インターコネクト層４５により相互に及びソースフォ
ロワ入力トランジスター２１に電気的に接続している。
図４に示すように、フローティングディフュージョン２
５、ＦＤｂはリセットトランジスター１４のソース１６
により通常占有される面積を占有するように統合され
る。フローティングディフュージョン２５、ＦＤｂと同
じ電気的ノードにありながら、フローティングディフュ
ージョン２５、ＦＤａはフローティングディフュージョ
ン２５、ＦＤｂから空間的に分離している。したがっ
て、フローティングディフュージョン２５、ＦＤｂと同
じ電気的ノードにありながら、フローティングディフュ
ージョン２５、ＦＤａはリセットトランジスター１４の
ソース１６として働かず、一方、フローティングディフ
ュージョン２５、ＦＤｂはリセットトランジスター１４
のソース１６として働く。これは図２に示すピクセルと
は対照的であり、図２では２つのフォトダイオードとト
ランスファーゲートは単一のフローティングディフュー
ジョン領域と結合している。相接続した２つの物理的に
分離したフローティングディフュージョンを有すること
により、トランスファーゲートは光電荷を同じ物理的フ
ローティングディフュージョン領域へ移動させる必要は
ないので、ピクセル境界内でのフォトダイオードとトラ
ンスファーゲートの配置に制限を与えることはない。こ
のことはピクセル境界内でのフォトダイオードの同じ配
置を一層容易に可能とし、よって図２に示すような同じ
でない配置を有することによる生じる起こり得る別のア
ーティファクトを軽減する。フローティングディフュー
ジョンは相互に配線され、単一の電荷- 電圧変換ノード
を形成するので、フローティングディフュージョン２５
は電気的に共有される。フローティングディフュージョ
ンは導電性層３６により相互に接続されているので、フ
ローティングディフュージョン２５ ＦＤｂがリセット
されると、フローティングディフュージョン２５ ＦＤ
ａもリセットされて同じ電圧にある。
【００１１】図５に示す実施態様は、４つの行と列の隣
接ピクセル４０が共通の構成部品を共有している場合を
示す。図５から分かるように、４つのピクセル４０はフ
ォトダイオード光検出器４２（ＰＤ１ａ、ＰＤ２ａ、Ｐ
Ｄ１ｂ、ＰＤ２ｂ）と、トランスファーゲート４３（Ｔ
Ｇ１ａ、ＴＧ２ａ、ＴＧ１ｂ、ＴＧ２ｂ）と、フローテ
ィングディフュージョン４５（ＦＤａ、ＦＤｂ）と、リ
セットゲート１５（ＲＧ）のあるリセットトランジスタ
ー１４と、ソースフォロワ入力信号トランジスター２１
（ＳＩＧ）と、リセットトランジスター１４とソースフ
ォロワ入力トランジスター２１の電圧供給１８（ＶＤ
Ｄ）と、行選択ゲート（ＲＳＧ）３１のある行選択トラ
ンジスター３０とからなる。更に、図５に示すアーキテ
クチャは、フローティングディフュージョン４５が電気
的に接続し、４つの行及び列の隣接ピクセル４０により
共有される空間的に分離した分離フローティングディフ
ュージョン領域からなる以外は、図３に示す先行技術で
の共有増幅器ピクセルのそれと同じである。図５では、
フローティングディフュージョン４５（ＦＤａ、ＦＤ
ｂ）は相互に接続し、導電性インターコネクト層５５に
よりソースフォロワ入力トランジスター２１と接続した
物理的に分離したアクティブエリア領域である。フロー
ティングディフュージョン４５（ＦＤａ、ＦＤｂ）のい
ずれもリセットトランジスター１４のソース１６として
統合していない。代わりに、分離活アクティブエリア領
域がリセットトランジスター１４のソース１６として利
用され、更に、この領域は導電性層５５によりフローテ
ィングディフュージョン４５（ＦＤａ、ＦＤｂ）及びＳ
ＩＧ２１へ接続される。
【００１２】図５のアーキテクチャとレイアウトと図３
（４つのフォトダイオードとトランスファーゲートが単
一のフローティングディフュージョン領域に結合してい
る）のそれとを比較すると、フローティングディフュー
ジョン領域の面積は図５よりは小さい。結果として、図
５での電荷- 電圧変換ノードの全静電容量はインターコ
ネクトの静電容量のような電圧に無関係な静電容量から
なる。結果として、電荷- 電圧変換は入力信号範囲であ
まり変動しなくなる。更に、図４と同様に、電気的に相
接続した物理的に分離したフローティングディフュージ
ョン領域４５を有することにより、トランスファーゲー
ト４３は光電荷を単一のフローティングディフュージョ
ン領域へ移動させる必要がないので、ピクセル境界内で
のフォトダイオード４２とトランスファーゲート４３の
配置に制限が加わらなくなる。図５から分かるように、
このことによりピクセル境界内でのフォトダイオード４
２は同じ配置になり、図３に示す同じでない配置を有す
ることにより起こり得る別のアーティファクトが軽減さ
れる。フローティングディフュージョンは互いに配線さ
れ、単一の電荷- 電圧変換ノードを形成するので、フロ
ーティングディフュージョン４５はいまだに電気的に共
有されている。リセットトランジスター１４のソース１
６がリセットされると、フローティングディフュージョ
ンは導電性層５５により相互に接続されているので、双
方のフローティングディフュージョン４５（ＦＤａ、Ｆ
Ｄｂ）はリセットされて同じ電位になる。リセットゲー
ト１５のスイッチが切れると、リセットトランジスター
１４のソース１６及びフローティングディフュージョン
４５（ＦＤａ、ＦＤｂ）は一定でない（浮動してい
る）。電荷がフォトダイオード４２の１から移動する
と、フローティングノードの電圧は相接続した領域の全
静電容量に応じて変化する。
【００１３】この新規な相接続したフローティングディ
フュージョン領域のコンセプトで、４つのピクセル以上
の作動構成部品を共有することが可能である。このこと
を図６に示す。この場合、行選択トランジスター３０、
リセットトランジスター１４、及びソースフォロワ入力
トランジスター２１（ＳＩＧ）は８つのピクセル５０間
で共有される。４つの空間的に分離されたフローティン
グディフュージョン４６（ＦＤａ、ＦＤｂ、ＦＤｃとＦ
Ｄｄ）は相互に配線され、リセットトランジスター１４
のソース１６とソースフォロワ入力トランジスター２１
のゲート２２に電気的に接続される。更に、フローティ
ングディフュージョン領域４６は最小化され、各ピクセ
ル５０内のフォトダイオード５２の同じ配置が達成され
る。より小さいピクセル面積が光検出器以外の構成部品
により占有されるので、すこぶる高い充填比は効率のよ
い増幅器の共有で得られる。単一の行選択トランジスタ
ー、リセットトランジスター及びソースフォロワ入力ト
ランジスターを共有するピクセルの数は行の数に任意に
拡大する。行ごとに追加のトランスファーゲートバスを
有することにより、列の数を含むように拡大することも
可能である。単一の組の作動構成部品を共有するピクセ
ルの数が増えるにつれて、相互に接続したフローティン
グディフュージョン領域の数とインターコネクトの静電
容量により、フローティングディフュージョンの静電容
量は増加する。結果として、最大の許容変換静電容量、
又は最小の許容変換ゲインにより増幅器セットを共有す
るピクセルの数に実用的に制限がある。
【００１４】前述の説明は発明者による最善の実施態様
を詳細に示している。上記実施態様の変形態様は当業者
には容易に明らかであろう。したがって、本発明の範囲
は添付した特許請求の範囲により確定されるべきであ
る。
【００１５】
【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、本当の相
関二重サンプリング（ＣＤＳ）のあるアクティブピクセ
ルセンサを提供する。得られた効果は高い充填比、つま
り小さなピクセル、電荷- 電圧変換の線形性及び各ピク
セル内での同じ光検出器配置である。不利益な点は予測
できない。
【図面の簡単な説明】
【図１】４つのトランジスターのフォトダイオードアク
ティブピクセルセンサのピクセルでの先行技術のアーキ
テクチャの略平面図である。
【図２】アクティブピクセルセンサの先行技術での共有
増幅器のフォトダイオードピクセルアーキテクチャの二
つの隣接ピクセルの平面図である。
【図３】アクティブピクセルセンサの先行技術での共有
増幅器のフォトダイオードピクセルアーキテクチャの４
つの隣接ピクセルの平面図である。
【図４】アクティブピクセルセンサの新規な共有増幅器
のフォトダイオードピクセルアーキテクチャの４つの隣
接ピクセルの平面図である。
【図５】アクティブピクセルセンサの新規な共有増幅器
のフォトダイオードピクセルアーキテクチャの異なる実
施態様の４つの隣接ピクセルの平面図である。
【図６】アクティブピクセルセンサの新規な共有増幅器
のフォトダイオードピクセルアーキテクチャの異なる実
施態様の８つの隣接ピクセルの平面図である。
【符号の説明】
８ ＶＤＤ １０ ピクセル １２ フォロダイオード １４ リセットトランジスター １５ リセットトランジスターゲート １６ リセットトランジスターソース ２１ ソースフォロワトランジスター ２２ ソースフォロワトランジスターのゲート ２３ トランスファーゲート ２５ フローティングディフュージョン ３０ 行選択トランジスター ３１ 行選択ゲート ４０ ピクセル ４２ フォトダイオード ４３ トランスファーゲート ４５ フローティングディフュージョン ４６ フローティングディフュージョン ５０ ピクセル ５３ トランスファーゲート ５５ インターコネクト層 ６５ インターコネクト層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一連の行及び列に配置された複数のピク
    セルを有する画像センサであって、 第一の導電性タイプの半導体材料と、 電荷- 電圧変換領域が相互に空間的に分離するように、
    各ピクセルが作動的に光検出器に結合した電荷- 電圧変
    換領域を有し、基板内に形成された少なくとも２つの隣
    接ピクセルと、 電荷- 電圧変換領域間に形成された電気的接続とからな
    る画像センサ。
  2. 【請求項２】 ピクセルに対して動作する単一のリセッ
    トトランジスターを更に有する請求項１記載の画像セン
    サ。
  3. 【請求項３】 一連の行及び列に配置された複数のピク
    セルを有する画像センサであって、 第一の導電性タイプの半導体材料と、 電荷- 電圧変換領域が相互に空間的に分離するように、
    各ピクセルが作動的に光検出器に結合した電荷- 電圧変
    換領域を有し、基板内に形成された少なくとも２つの隣
    接ピクセルからなる所定のサブセットのピクセルと、 電荷- 電圧変換領域間に形成された電気的接続とからな
    る画像センサ。
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