JP2002209144A - 画像センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 画像センサのピクセルフィルファクタを増大
させる、またはピクセルサイズを減少させる。 【解決手段】 画像センサは、行と列に配列した複数の
ピクセル、それぞれが光検出器ＰＤを備える同じ行の少
なくとも２つの隣接するピクセル５、隣接するピクセル
５を独立に選択できる行選択機構、および２つの隣接す
るピクセルのための共通の出力信号ノードと出力信号線
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像検知デバイス
に関し、より詳細には、より小さいピクセルサイズまた
は増大したピクセルフィル(pixel fill)ファクタのため
の手段を提供する画像検知デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】アクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）
は、一般的には、個々のベース上のピクセルに割り当て
られた関連する能動回路構成要素を備えた感光手段を含
む。これらの能動回路構成要素は、一般的には、ピクセ
ルリセット機能を実行するための手段、または電荷を移
動するための何らかの手段、電圧変換を実行するための
手段、または増幅に使用される回路構成要素である。Ａ
ＰＳデバイスは、画像の各行が選択され、それから列選
択信号を使用して読み出される方式で操作されてきた
（メモリデバイスのワードとビットの行にそれぞれ類似
する）。開示されてきた従来の技術のデバイスでは、こ
れらの構成要素のすべてが完全に単一のピクセルの境界
内に置かれている。

【０００３】これらの能動回路構成要素を各ピクセルに
含めることは、そうでなければ光検出器に使用できた区
域を取ることから、ピクセルのためのフィルファクタ
（ピクセルが占める割合）を減少させる。フィルファク
タの減少は、センサの感度と飽和信号を減少させ、これ
によって、良好な画質を得るための重要な性能パラメー
タであるセンサの写真速度とダイナミックレンジに順に
悪影響が及ぶ。さらに、これらの能動回路構成要素をピ
クセル内に含めることによって、ピクセルの最小サイズ
に制限が置かれ、これは画像センサのサイズと費用に悪
影響を及ぼす。

【０００４】高解像度で小さなピクセルのＡＰＳデバイ
スを構築するためには、ピクセル内の行選択トランジス
タと増幅器の他の部分に割り当てられたピクセルの区域
を最小限にするためにサブミクロンレベルのＣＭＯＳプ
ロセスを使用することが必要である。本質的に、標準的
な電荷結合素子（ＣＣＤ）センサと比較して同一の解像
度と感度のＡＰＳデバイスを実現するには、技術的によ
り進んだ、よりコストのかかるプロセスが取られる。し
かし、ＡＰＳデバイスは、ＣＣＤセンサと比較して、単
一の電源操作、低消費電力、ｘ−ｙアドレス指定能力、
画像ウインドー処理、および信号処理回路を効率よくオ
ンチップ集積できる機能の利点を有する。

【０００５】ＣＣＤの感度とＡＰＳデバイスの利点を備
える画像センサを提供する一つの取り組み方法は、元の
ピクセル設計の望ましい特徴と機能性を維持しながら、
完全に単一のピクセル内に必要とされる構成要素と相互
接続の数を減らすことによって、ＡＰＳデバイスのフィ
ルファクタと感度を改善することである。Ｇｕｉｄａｓ
ｈによる米国特許出願番号第０８／８０８，４４４号
は、この必要性を満たす手段を開示する。この事例で
は、浮動拡散、共通ドレイン増幅器、行選択トランジス
タ、リセットトランジスタが二つの行の隣接する光検出
器とトランスファゲートとの間で共有されていた。この
事例は、改善したフィルファクタを備えたピクセルを提
供するが、外部の機械シャッタを使用せずにグローバル
電子シャッタを実行する可能性を消滅させた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述の議論を考察する
と、ピクセルフィルファクタを増大させ、および／また
はピクセルサイズを減少させ、同時にグローバルシャッ
タを実現させる方法および装置については、先行技術に
は不足するものがあることは容易に明らかである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】画像センサは、（ａ）行
列状に配列された複数のピクセルと、（ｂ）光検出器を
それぞれ有し、同一の行内でに隣接する少なくとも二つ
のピクセルと、（ｃ）隣接するピクセルを独立に選択で
きる行選択機構と、（ｄ）二つの隣接するピクセルのた
めの共通の出力信号ノードとを備える。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明を認識するためには、先行
技術を理解することが有益である。これに関して、いく
つかの典型的な先行技術のアクティブピクセルセンサ
（ＡＰＳ）およびパッシブピクセルセンサ（ＰＰＳ）の
ピクセルが図１、図２および図３に示される。図１のＡ
ＰＳピクセルは、フォトダイオードまたはフォトゲート
のいずれかでありうる光検出器（ＰＤ）、トランスファ
ゲート（ＴＧ）、浮動拡散（ＦＤ：フローティング・デ
ィフュージョン）、リセットゲート（ＲＧ）を備えたリ
セットトランジスタ、行選択ゲート（ＲＳＥＬ）を備え
た行選択トランジスタ、および信号トランジスタ（ＳＩ
Ｇ）を含む。図２のＡＰＳピクセルは、通常はフォトダ
イオード（Ｐ）である光検出器（ＰＤ）、リセットゲー
ト（ＲＧ）を備えたリセットトランジスタ、行選択ゲー
ト（ＲＳＥＬ）を備えた行選択トランジスタ、および信
号トランジスタ（ＳＩＧ）を含む。図３のＰＰＳピクセ
ルは、通常はフォトダイオード（Ｐ）である光検出器
（ＰＤ）、および行選択ゲート（ＲＳＥＬ）を備えた行
選択トランジスタを含む。上述のＡＰＳおよびＰＰＳの
ピクセルの操作は当該技術分野では周知であり、本願明
細書では詳述しない。各事例において、これらの構成要
素のすべてを単一のピクセル内に含めることによって、
ピクセルのフィルファクタ、感度、および最小サイズは
減少する。

【０００９】フィルファクタの改善を実現する一つの手
段は、行順次（row at a time)読み出し動作を利用し、
各ピクセルの代わりに２つの隣接する行ピクセルに浮動
拡散及び増幅器を提供することである。この手段は、Ｇ
ｕｉｄａｓｈによる米国特許出願番号第０８／８０８，
４４４号に開示された。一時に１つの行だけが読み出さ
れるので、単一の浮動拡散、リセットトランジスタ、行
選択トランジスタ、および共通ドレイン増幅器が、離れ
た行にある２つの隣接するピクセルに使用できる。しか
し、米国特許出願番号第０８／８０８，４４４号の開示
内容は、機械シャッタを使用せずにグローバル電子シャ
ッタを実行して、センサの読み出し中の入射照明を妨ぐ
ことはできない。

【００１０】本発明に立ち返って、本発明に係る実施例
の概略図が図４、図５および図６に示される。一般的
に、本実施例は、ピクセル出力ノードと出力信号線を少
なくとも２つの行が隣接するピクセル５間で共有する。
１つの行内での画像信号分離は、行ごとに２つの分離行
選択信号線、すなわち行内の１つおきのピクセルに対す
る分離行選択信号線を１つずつと、２列１組ごとに対し
て１：２の列出力信号線デマルチプレクススキームを設
けることによって達成される。

【００１１】操作の好適な方式は以下に記載する。当業
者は、他の方式も可能であり、以下に記載する方式は例
示目的のために選択されていることを理解されたい。当
業者は、２つのピクセル５のみが示されているが、各行
は複数のピクセル５を含み、隣接するピクセル５の操作
はその下に記載されることも理解されたい。図４に示さ
れる４つのトランジスタ（４Ｔ）ピクセルについては、
読み出し操作が図８に示されるような次の方式でなされ
る。図４および図８の両方を参照して、まず、ＲＧをパ
ルスにすることによって、浮動拡散（ＦＤ）１０ａおよ
び１０ｂがリセットされる。次に、ＳＲ１をパルスにす
ることによって、行選択（ＲＳＥＬ）１（１５）が作動
され、浮動拡散（ＦＤ）１（１０ａ）のリセットレベル
が列回路２０ａにより標本化され、保持される。行選択
１（１５）が接続しているピクセルすなわち本実施例で
は１つおきのピクセルのすべての電気的活動を行選択１
（１５）が命じることは、当業者には明らかである。そ
の後、行選択１（１５）が停止され、行選択２（２５）
が作動される。ＳＲ２をパルスすることによって、浮動
拡散２（１０ｂ）のリセットレベルは、列回路２０ｂに
より標本化され、保持される。次に、ＴＧをパルスする
ことによって、集積された信号電荷が、光検出器３０か
ら浮動拡散へ転送される。ＳＳ１をパルスすることによ
って、行選択２（２５）が停止され、行選択１（１５）
が作動され、浮動拡散１（１０ａ）の信号レベルが列回
路２０ａにより標本化され、保持される。ＳＳ２をパル
スすることによって、行選択１（１５）が停止され、行
選択２（２５）が作動され、浮動拡散２（１０ｂ）の信
号レベルが列回路２０ｂによって標本化され、保持され
る。その後、列回路２０ａ、２０ｂの標本化され、保持
された信号の読み出しは、同一のピクセル読み出し方式
が次の行で始まる前に行われる。

【００１２】図８のタイミングは、ピクセルの回転シャ
ッタオペレーションを示す。図４の例は、グローバルシ
ャッタオペレーションも行うことができる。これが図９
に示される。これに関して、読み出しは、センサの各ピ
クセルにおいて、集積された信号電荷を光検出器３０
ａ、３０ｂから浮動拡散１０ａ、１０ｂへ転送すること
によって、同時に始まる。次に、ＳＳ１をパルスするこ
とによって、行選択１（１５）が作動され、浮動拡散１
（１０ａ）の信号レベルが列回路２０ａにより標本化
（サンプリング）され、保持される。その後、ＳＳ２を
パルスすることによって、行選択１（１５）が停止さ
れ、行選択２（２５）が作動され、浮動拡散２（１０
ｂ）の信号レベルが列回路２０ｂにより標本化され、保
持される。その後、ＲＧをパルスすることによって、読
み出されている行の浮動拡散１０ａ、１０ｂがリセット
される。次に、ＳＲ１をパルスすることによって、行選
択２（２５）が停止され、行選択１（１５）が作動さ
れ、浮動拡散１（１０ａ）のリセットレベルが列回路２
０ａにより標本化され、保持される。その後、ＳＲ２を
パルスすることによって、行選択１（１５）が停止さ
れ、行選択２（２５）が作動され、浮動拡散２（１０
ｂ）のリセットレベルが標本化され、保持される。列回
路２０ａ、２０ｂの標本化され、保持された信号の読み
出しは、同一のピクセル読み出し方式が画像センサの次
の行で始まる前に行われる。

【００１３】図５でのＡＰＳピクセルの読み出し操作
は、図１０のタイミング図に示される。所望の集積時間
の終わりには、ＳＳ１をパルスすることによって、行選
択１（１５）が作動され、光検出器２（３０ｂ）の信号
レベルが列回路２０ａにより標本化され、保持される。
次に、ＳＳ２をパルスすることによって、行選択１（１
５）が停止され、行選択２（２５）が作動され、光検出
器２（３０ｂ）の信号レベルが列回路２０ｂにより標本
化され、保持される。次に、ＲＧをパルスにすることに
よって、読み出されている行のすべての光検出器３０
ａ、３０ｂは、リセットされる。行選択２（２５）を停
止し、行選択１（１５）を作動させ、ＳＲ１をパルスに
することによって、光検出器１（３０ａ）のリセットレ
ベルは、列回路２０ａにより標本化され、保持される。
次に、行選択１（１５）を停止し、行選択２（２５）を
作動させ、ＳＲ２をパルスすることによって、光検出器
２（３０ｂ）のリセットレベルは、列回路２０ａにより
標本化され、保持される。列回路２０ａ、２０ｂにより
標本化され、保持された信号の読み出しは、同一のピク
セル読み出し方式が画像センサの次の行で始まる前に行
われる。

【００１４】図６でのＰＰＳピクセルの読み出し操作
は、図１１のタイミング図に示される。所望の集積時間
の終わりには、ＳＳ１（図示せず）をパルスにすること
によって、行選択１（１５）が作動され、光検出器１
（３０ａ）の信号レベルが列回路（図示せず）により標
本化され、保持される。次に、ＳＳ２（図示せず）をパ
ルスにすることによって、行選択１（１５）が停止さ
れ、行選択２（２５）が作動され、光検出器２（３０
ｂ）の信号レベルが列回路（図示せず）により標本化さ
れ、保持される。標本化され、保持された信号の読み出
しは、同一のピクセル読み出し方式が画像センサの次の
行で始まる前に行われる。

【００１５】行ごとの２つの分離選択信号線と共有の出
力ノードと出力信号線のこの同一の概念は、読み出しの
ための特定の行を能動的に選択することによって列出力
信号線に一時読み出しがなされる特定のピクセル設計で
あればどれにでも適用できる。この操作は、概念的に
は、行ごとの列インタレース・サンプルホールド・オペ
レーションとして説明できる。この概念を使用した他の
例が図７に提供される。この事例では、ピクセル選択機
構は、Ｇｕｉｄａｓｈによる１９９９年９月７日付で発
行された米国特許番号第５，９４９，０６１号に記載さ
れているような切替可能（スイッチ付き）電源行選択
（switched supply row select）である。この事例で
は、２つの切替可能電源信号線が各行について提供され
ている。１つの選択信号線が行のすべての奇数のピクセ
ルに適用され、１つの選択信号線が行のすべての偶数の
ピクセルに適用される。

【００１６】本発明の構成は、出力ノードと列出力信号
線が少なくとも２つの隣接するピクセル間で共有される
ので、高いフィルファクタ、または従来の技術に比較し
てより小さいピクセルを提供する。このことの利点は、
図１２及び１３を検討することによって判明できる。図
１２は、従来の技術の２つの行が隣接するピクセル間の
領域を示す。図１３は、本実施例のピクセル構成を使用
して、同一の領域を示す。出力ノードと列信号線を共有
することによって省かれる一次元での区域は、次の式
（１）によって与えられ、ここで、Ｗｃは最小のコンタ
クトサイズ、ＥＮＣ１は活性領域によるコンタクトの最
小のエンクロージャ（囲み範囲）、およびＩＳＯは最小
の活性領域スペースである。

【００１７】

【数１】 省かれる区域=(2Wc+2ENC1+ISO)-(Wc)=Wc+2ENC1+ISO （１）

【００１８】この区域は重要となりうる。例えば０．５
μｍＣＭＯＳプロセスでは、この区域は約１．８μｍで
あり、０．３５μｍＣＭＯＳプロセスについては、この
区域は約１．４μｍである。さらに、この新アーキテク
チャは、アレイ内の隣接する金属線間の距離が増大して
いるので、より少ない列出力信号線を提供し、それゆえ
にピクセルのより大きな有効開口を作り出す。行ごとの
１つの余分の金属線が、行ごとの第２の行選択信号線を
提供するために必要であるが、２つの選択信号線が異な
った金属レベルの互いの上部に渡って通ることができる
ので、別々の出力ノード領域と出力信号線によって占め
られる区域よりもずっと少ない区域を取る。１つの余分
のタイミングと制御信号が必要であり、列ごとの２つの
追加のトランジスタが必要である。しかし、これらは画
像アレイの外にあるＣＭＯＳロジックに組み込まれてい
るので、ピクセルまたは画像アレイ区域には強い影響を
与えない。このアーキテクチャでは、行内の奇数および
偶数のピクセルの画像キャプチャの一時的置換（転位）
も行う。しかし、その時間は非常に短く、（特に行から
行への一時的な置換に比較して）、およそ数百ナノセカ
ンドのレベルであり、いかなる画像捕獲アーティファク
トも作り出さない。余分の一連のサンプル・ホールド
（ＳＨＲおよびＳＨＳストローブ）があるので、最小ラ
イン時間は、この新しいアーキテクチャにとってはわず
かにより長く、それによって、ビデオアプリケーション
のための最大フレームレートは、斬進的に減少する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の技術の画像センサのピクセルを示す図
である。

【図２】 従来の技術の画像センサのピクセルを示す図
である。

【図３】 従来の技術の画像センサのピクセルを示す図
である。

【図４】 本発明に係る画像センサの実施例のピクセル
を示す図である。

【図５】 本発明に係る画像センサの実施例のピクセル
を示す図である。

【図６】 本発明に係る画像センサの実施例のピクセル
を示す図である。

【図７】 本発明に係る画像センサの実施例のピクセル
を示す図である。

【図８】 図４のタイミング図である。

【図９】 図４のタイミング図である。

【図１０】 図５のタイミング図である。

【図１１】 図６のタイミング図である。

【図１２】 従来の技術のピクセルの位置関係を示す図
である。

【図１３】 本発明に係るピクセルの位置関係を示す図
である。

【符号の説明】 ５ ピクセル、１０ａ 浮動拡散１、１０ｂ 浮動拡散
２、１５ 行選択１、２０ａ 列回路、２０ｂ 列回
路、２５ 行選択２、３０ａ 光検出器１、３０ｂ 光
検出器２、ＡＰＳ アクティブピクセルセンサ、ＰＰＳ
パッシブピクセルセンサ、ＰＤ 光検出器、ＴＧ ト
ランスファゲート、ＦＤ 浮動拡散、ＲＧリセットゲー
ト、ＳＩＧ 信号トランジスタ、Ｐ フォトダイオー
ド、ＲＳＥＬ 行選択ゲート。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像センサであって、 （ａ）行列状に配列した複数のピクセルと、 （ｂ）光検出器をそれぞれ有し、同じ行内で隣接する少
   なくとも２つのピクセルと、 （ｃ）前記隣接するピクセルを独立に選択できる行選択
   機構と、 （ｄ）前記２つの隣接するピクセルのための共通の出力
   信号ノードと、 を備えることを特徴とする画像センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の画像センサであって、 前記行選択機構が、同じ行のピクセルを切り替えるため
   に接続された２つの選択信号線を備えたＭＯＳトランジ
   スタであることを特徴とする画像センサ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の画像センサであって、 前記行選択機構が、同じ行のピクセルを切り替えるため
   に接続された２つの選択信号線を備えた切替可能電源で
   あることを特徴とする画像センサ。