JP2002176163A - Cmosアクティブピクセル画像センサ - Google Patents
Cmosアクティブピクセル画像センサInfo
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Abstract
いて、光検出器の外にある分離領域内で発生した電子
が、光検出器に移動することを防止し、また、一つの光
検出器からあふれる光電子が、隣合う光検出器に移動す
ることも防止する。 【解決手段】 CMOSアクティブピクセル画像センサ
を成すピクセルのアレイにおいて、少なくとも一つのピ
クセルが、光検出器12と、光検出器に電圧を供給する
ための電圧源21と、光検出器と隣合い、電圧源に接続
可能な清掃ダイオード40と、を備える。清掃ダイオー
ド40は、隣合うピクセル間に配置され、光検出器の外
の電子が光検出器に移動することを防止する。
Description
ブピクセル光検出器に関し、より詳しくは、隣合う光検
出器の間に清掃ダイオードを備え、隣合う光検出器間の
クロストークを防止し、熱によって発生した電子が分離
領域から光検出器へと拡散することを防止する、改善さ
れたCMOSアクティブピクセル光検出器アレイに関す
る。
するため、より新しい画像回路においては、相補型金属
酸化膜半導体(CMOS)アクティブピクセルセンサ
(APS)セルが使われ、光エネルギのピクセルを電気
信号に変換する。アクティブピクセルセンサセルを有す
ることにより、従来のフォトダイオードは典型的には、
数々のトランジスタと組み合わされる。これらのトラン
ジスタは、電気信号を形成することに加え、増幅、読み
出し制御、及びリセット制御を可能にする。
ら。この文献をここに参照し組み入れる)は、従来のC
MOSアクティブピクセルセンサセル10を示す概略図
である。図1に示すように、セル10は、フォトダイオ
ード12と、そのソースがフォトダイオード12に接続
されているリセットトランジスタ14と、そのゲートが
フォトダイオード12に接続されているソースフォロア
トランジスタ16と、そのドレインがソースフォロアト
ランジスタのソースと直列で接続されている行選択トラ
ンジスタ18と、を含む。
は、三つのステップによって実行される。セル10が以
前の集積サイクルからリセットされるリセットステップ
と、光エネルギが収集され電気信号に変換される画像集
積ステップと、信号が読み出される信号読み出しステッ
プと、である。
には、リセットトランジスタ14のゲートに、リセット
電圧VR(5ボルト)のパルスが短期間与えられる。リ
セット電圧VRは、リセットトランジスタ14をオン状
態にし、これにより、フォトダイオード12及びソース
フォロアトランジスタ16のゲートの電圧を、初期リセ
ット電圧にまで引き上げる。ソースフォロアトランジス
タ16のゲートに与えられた初期リセット電圧はまた、
ソースフォロアトランジスタ16のソースへの初期中間
電圧を定義し、これは、初期転送電圧よりも閾値電圧降
下一つ分だけ低い。リセットトランジスタ14のゲート
にパルスが与えられた直後、行選択トランジスタ18の
ゲートに行選択電圧VRSがパルスとして与えられる。
行選択トランジスタ18のゲート上の行選択電圧VRS
は、ソースフォロアトランジスタ16のソース上の初期
中間電圧が、初期集積電圧として行選択トランジスタ1
8のソースに現れるようにする。この初期集積電圧が、
画像システムによって読み出され、記憶される。
ォトダイオード12に衝突し、いくつかの電子−正孔対
を作りだす。フォトダイオード12は、新しく形成され
た電子−正孔対間の再結合を制限するように設計され
る。この結果、光によって発生した正孔は、フォトダイ
オード12のアース端子に引き寄せられ、同時に、光に
よって発生した電子は、フォトダイオード12の正の端
子に引き寄せられる。正の端子では、追加の電子の各々
によりフォトダイオード12の電圧が下げられる。よっ
て、集積ステップの終了時には、フォトダイオード12
及びソースフォロアトランジスタ16のゲートの電位
は、最終集積電圧にまで低減されており、この低減され
た量が、受けた光エネルギの強度を表す。上述と同様
に、ソースフォロアトランジスタ16のゲート上の最終
集積電圧は、ソースフォロアトランジスタ16のソース
上での最終中間電圧を定義する。
ジスタ16のソース上の最終中間電圧は次に、行選択ト
ランジスタ18のゲートにもう一度行選択電圧VRSの
パルスを与えることにより、最終集積電圧として読み出
される。この結果、セル10によって収集された総合電
荷を表す収集電圧が、初期リセット電圧から最終集積電
圧を引くことにより求められる。
面図である。セル10は好適にはp型基板上に形成され
る。フォトダイオード12は好適には、軽くドーピング
されたn型領域をp型領域の中に含む。図2において、
行選択トランジスタ18のゲートは、符号23で示され
る。同様に、リセットトランジスタ14のゲートは、リ
セットゲート26として示される。ソースフォロアトラ
ンジスタ16のゲートは符号20で示される。セルの電
源(電圧源、VDD)は符号21で示される。
ようなセル10のアレイを示す。より詳しくは、図4は
図2と同様の平面図であり、図3は、線A−A’に沿っ
た断面図である。このようなアレイには、カラーのクロ
ストークの問題が存在する。より詳しくは、図3に示す
ように、セル10の間の分離領域31に自然に着地する
光子によって生成される光電子30が、隣合う光検出器
12に向かって移動する傾向がある。カラー画像センサ
の場合、カラーフィルタアレイパターンがピクセルアレ
イと併用され、第一のカラーを備えた第一のピクセルを
通った光子が、第一及び第二ピクセル間の分離領域に衝
突し、第二の隣合うピクセルの光検出器に行ってしまう
光電子を生成する場合がある。第二の隣合うピクセルで
集積される信号は理想的には、そのピクセルの上の第二
のカラーフィルタを通る光子の量を表すことが望ましい
ので、第一のカラーフィルタを通過した光子によって生
成され第二の光検出器に達する光電子は、カラー混合又
はカラークロストークの原因となる。正確にカラー画像
を表すためには、カラー混合を最小限にする必要があ
る。相当量のカラー混合又はカラークロストークが生じ
ると、結果として処理されたカラー画像に色合いのずれ
が生じ、色の忠実度が低減される。
た、光電子が第一のピクセルからあふれ、分離領域を超
えて第二の隣合うピクセルに流れた場合にも生じる可能
性がある。これは、第一のピクセルに入射する光が第一
の光検出器を完全に満たすほど十分に明るく余剰の光電
子が作り出される場合に生じることがある。そして、こ
れらの余剰の光電子は、第一のピクセルから漏れ又はあ
ふれ、分離領域31を横切り、第二の隣合うピクセル又
は複数のピクセルの光検出器によって収集される場合が
ある。これにより、第一の色に関連する光子によって発
生した光電子が、第二の色に関連するピクセル又は光検
出器によって収集されるという現象が起きる。
は、ピクセルの正確な物理構造及び配置に依存する。図
4に示すピクセルアレイの場合、縦方向の混合又はクロ
ストークは低く、これは、フォトダイオード間の間隔が
大きいため及び電圧源21のn+基板ダイオードを通り
抜けることによる光電子の有効な排出のためである。こ
れに反し、横方向のクロストークは高く、これは、光電
子をピクセルの境界から離れるように保つ光シールドが
ないため及び隣合うフォトダイオード間の分離範囲/空
間31が小さいためである。
電流(dark current)として知られる、熱による電子の
発生率が高い範囲である。これらの熱によって発生した
電子は、分離領域から隣合う光検出器へと拡散又は移動
する場合がある。これらの暗電流電子は次に、光によっ
て発生した電子と混合され、読み出される。熱によって
発生した電子は、入射光信号と関連しないため、雑音電
子と呼ばれ、ピクセル及び画像センサの信号対雑音比の
性能を低減させる。
離範囲31に作り出された電子を、このような電子が光
検出器12に移動できる前に取り除く構造が必要とされ
る。
的は、相補型金属酸化膜半導体アクティブピクセル画像
センサを含むカメラ/画像システムであって、ピクセル
のアレイを含み、各ピクセルが、光検出器と、光検出器
に電圧を供給するための電圧源と、光検出器に隣合う清
掃ダイオードと、を有するカメラ/画像システムを提供
することである。清掃ダイオードは、回路の電圧源に接
続されていてもよく、又は異なる電圧源に接続されてい
てもよい。清掃ダイオードは、アクティブピクセル画像
センサの隣合う光検出器の間に配置され、光検出器の外
にある分離領域内で発生した電子が、光検出器に移動す
ることを防止し、また、一つの光検出器からあふれる光
電子が、隣合う光検出器に移動することも防止する。
隣合うように配置され、ピクセルは更に、光検出器の下
に位置する回路部品を含み、清掃ダイオードがピクセル
の側辺の少なくとも一つに沿って配置される。清掃ダイ
オードは、隣合う光検出器間の分離領域を二分してもよ
く、又はチップの面積を節約するために、分離領域の下
に配置されてもよい。清掃ダイオードは、少なくとも隣
合うピクセル内の隣合う光検出器間に配置される。電圧
源及び清掃ダイオードは、連続的なアクティブ範囲領域
を形成してもよい。
た回路部品を含み、清掃ダイオードがその側辺に沿って
配置され、回路部品は、光検出器の下に効果的な清掃ダ
イオードを形成する。
ークを低減し、分離領域に熱によって発生した電子を、
光検出器間に配置され電圧源に接続された清掃ダイオー
ドを提供することにより収集する。より詳しくは、図6
は図4と同様の図であるが、電圧源21が、電圧源21
と清掃ダイオード40の組合せによって置き換えられた
ものを示す。これは、図5の断面図においても見ること
ができる。動作中は、光検出器12の外で生じた光電子
が、光検出器セル12ではなく、清掃ダイオードに引き
寄せられる。
形状を有していてもよく、図6に示すように複数の導電
性素子を有していてもよい。当業者にはこの記載から明
らかなように、清掃ダイオードは、清掃ダイオード40
が隣合う光検出器12の間に配置されていれば、光検出
器アレイ内の光検出器セル10の配置によって、どのよ
うな必要形状(及び大きさ)を有していてもよい。これ
に加え、全ての光検出器セルが清掃ダイオードを必要と
するわけではない。ここでも、清掃ダイオード40が光
検出器12の間に配置されていれば、いずれの構成も可
能である。
ピクセルセルが存在する。したがって、好適な実施形態
では、アレイの内部光検出器セルは全て、同一の形状と
同一の大きさの清掃ダイオードを有する。アレイの周縁
光検出器セルは、独自の清掃ダイオードを有していても
よく、これによりアレイの境界に沿ったセルの構成に適
合する。
よって集められた電子が収集され光検出器12から引き
離されることを可能にするよう、電圧源21と清掃ダイ
オード40との間に電気的な接続が存在する限りは、概
念的に電圧源21の一部として考慮されてもよく、又は
電圧源21とは別個であるが電圧源21に接続されてい
るものとして考慮されてもよい。実際に好適な実施形態
では、電圧源21及び清掃ダイオード40は、電圧源ノ
ードと同じ導電型によってドーピングされた、連続的な
アクティブ範囲領域を形成する。
ード40(例えばn型のインプラント)が既知の技法を
使い、清掃ダイオード42の主要部分が、分離領域31
の間(図5に示す)ではなく、分離領域31の下になる
ように(図7に示す)形成される。この実施形態では、
清掃ダイオード42を実施するための必要面積を低くで
きる。
オード40は、電圧源21ではなく、相互接続子44を
介して別個の電圧源に接続されてもよい。別個の電圧源
は、既知の電圧装置のいずれであってもよく、本発明の
構成を隠さないよう、ここには図示しない。相互接続子
44に接続された別個の清掃電圧源は、別個に制御で
き、これによりクロストーク及び暗電流の低減及び光検
出器の量子効率を最適化する。前述の実施形態と同様
に、図8に示す清掃ダイオード40は、分離領域31の
間に配置されてもよく(図5)、又は分離領域31の下
に配置されてもよい(図7)。
を含むカメラ/画像システム90を示す。画像システム
90の詳細は、当業者には広く知られており、本発明に
よる突出した特徴を不必要に隠すことを避けるため、こ
こではその説明を省く。
れるインプラントマスクの形状を変更するのみであるた
め、本発明は標準のCMOS技法によって容易に実施で
き、追加の処理ステップを必要としない。したがって、
本発明は、ピクセルアレイの開発に、費用、複雑さ、又
は時間の考慮を加えない。
ードを配置することにより、より等方性のカラークロス
トークを作り出す。各光検出器の底部に位置するピクセ
ル内の回路部品が、縦方向の効果的な清掃又はクロスト
ークの防止を提供する。従来の装置では、カラークロス
トークは非等方性であった(縦方向に非常に少なく、横
方向に相当量)。本発明は、縦及び横の両方向におい
て、カラークロストークを非常に少なくする。
アレイ内に含まないため、本発明は、従来のCCDアレ
イとは異なる。その代わりに、従来の清掃ダイオード
が、ピクセルのアレイ全体を囲むように使われ、これに
より、アレイの外からの迷光電子がピクセルアレイに移
動する又は拡散することを防止する。
子を、隣合う光検出器間の分離領域から取り除く清掃ダ
イオードを供給する。本発明はまた、一つの光検出器に
光によって発生した電子が、隣合う光検出器にあふれる
ことを防止する。したがって、隣合う光検出器は、光検
出器に実際に着地した光電子を主に収集し、光検出器に
隣合うように着地した光電子を実質的に収集しない。ま
た、本発明によれば、第一の強く照射された光検出器か
らの、光によって発生した電子が、第一の光検出器から
漏れ、隣合う光検出器に移動する(そして隣合う光検出
器によって収集される)ことがない。これにより、各光
検出器によって定義される面積上で受ける光電子レベル
の、より正確な測定を可能にし、カラーチャネル混合を
低減できる。このカラークロストークの防止又は低減
は、画像センサによって生成できるカラー画像品質又は
色の忠実度を向上させる。
領域中の、熱によって発生した電子が光検出器に移動し
光検出器によって収集されることを抑制する。これによ
り、画像センサの信号対雑音比を改善できる。
である。
略断面図である。
略平面図である。
略断面図である。
略平面図である。
フォトダイオード、14 リセットトランジスタ、16
ソースフォロアトランジスタ、18 行選択トランジ
スタ、20 ソースフォロア、21 電圧源、23 行
選択、 26リセットゲート、30 光電子、31 分
離領域、40,42 清掃ダイオード、44 相互接続
子、90 カメラ/画像システム、91 光検出器アレ
イ。
Claims (3)
- 【請求項1】 相補型金属酸化膜半導体(CMOS)ア
クティブピクセル画像センサであって、ピクセルのアレ
イを含み、前記ピクセルの少なくとも一つが、 光検出器と、 前記光検出器からの信号を読み取るよう適合されたアク
ティブ回路部品と、 前記回路部品に電圧を供給するための電圧源と、 前記電圧源に接続された清掃ダイオードと、 を備え、前記清掃ダイオードが、前記光検出器の外の電
子が前記光検出器に移動することを防止することを特徴
とするCMOSアクティブピクセル画像センサ。 - 【請求項2】 請求項1に記載のCMOSアクティブピ
クセル画像センサであって、前記清掃ダイオードが前記
光検出器に隣合うように配置されることを特徴とするC
MOSアクティブピクセル画像センサ。 - 【請求項3】 請求項1に記載のCMOSアクティブピ
クセル画像センサであって、前記光検出器が、前記ピク
セルの各々の側辺及び上部に隣合うよう配置され、前記
アクティブ回路部品が前記光検出器の下に配置され、前
記清掃ダイオードが前記ピクセルの前記側辺の少なくと
も一つに沿って配置されることを特徴とするCMOSア
クティブピクセル画像センサ。
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