JP2004297089A - ブルーミング防止及び低クロストークの電子シャッターを有するカラー能動画素センサー - Google Patents

Abstract

【課題】新たなＡＰＳデバイス画素アーキテクチャー及び動作方法を提供する。
【解決手段】画素内にマイクロレンズと光遮蔽を設けた複数の画素を有する半導体基板からなる能動画素センサーアーキテクチャー。各画素は入射光が信号電荷として収集される光電子を形成する光検出器領域と、信号電荷を光検出器領域から光遮蔽により覆われる電荷格納領域に転送する手段と、増幅器への入力である検知ノードとを含む画素からなり、検知ノードは信号格納領域へ作用するよう接続される。画素アーキテクチャーは光遮蔽とマイクロレンズ技術を設計に導入することを許容する画素の対称な設計を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は新たなＡＰＳデバイス画素アーキテクチャー及び動作方法に関する。

ＡＰＳは各画素が光検出手段と、リセット手段と、増幅器の全て又は一部分とを含む固体画像化器である。ＡＰＳデバイスは典型的には画像化器の各ライン又は行が積分され、異なる時間間隔で読み出され、それからリセットされるよう動作する。故に画像全体の読み出しでは各ラインは異なる時点で場面を捕捉する。照明条件がその時により変動する故に場面の中の対象がまた動く故に読み出しのこの方法は画像の得られた表示でラインアーティファクトを発生しうる。これは高品質の動又は静止画像が要求されるＡＰＳデバイスの応用での有用性を制限する。

付加的にＡＰＳデバイスの電荷を電圧に変換する領域及び他の能動トランジスタ領域（即ち光検出領域以外）は場面の照明から遮蔽されない。結果として自由電子はこの領域で発生される。これらの電子はそれが発生した画素に実質的に制限されず、隣接画素に拡散する。これは画像信号の空間的精度及び画像センサーの変調伝達関数（ＭＴＦ）の劣化を引き起こす。これはこの画素クロストークがカラー混合を導き、画像のカラーバランスに有害に影響するカラー画像センサーで特に問題である。

ＡＰＳデバイスは典型的にはＣＭＯＳ製造工場で製造される故にカラーフィルター配列（ＣＦＡ）又はマイクロレンズ配列（μＬｅｎｓ）を設けられておらず、光検出領域の形と大きさはＣＦＡ及びμＬｅｎｓの取付に対して最適化されていない。この理由は従来技術の能動画素センサーは典型的にはモノクロームであるからである。ほとんどの画像化応用に対してカラーセンサーを有することが望ましい。仮にＣＦＡ及びμＬｅｎｓが従来技術のＡＰＳデバイスに取り付けられたとしても得られた画像は最適化されないクロストーク及び光検出領域により劣ったカラーＭＴＦを有する。

上記の問題を解決するために全ての画素に対して同じ点及び時間間隔で積分（インテグレーション）をなし、次にこの電荷を場面の照明から遮蔽されている各画素の格納（ストレージ）領域に転送することが望ましい。これはフレーム積分と称されている。ＭＴＦを改善するために光検出器を除く全ての領域を場面の照明から効果的に遮蔽することがまた望ましい。積分中により重要なのはフレーム積分に対してデバイスの格納及び読み出し中にブルーミング制御をなすことが更に望ましい。最終的にＣＦＡ及びμＬｅｎｓを取り付け、ＣＦＡ及びμＬｅｎｓの効率的な使用を可能にする光検出領域を設計することが望ましい。

本発明の目的はこれらの及び他の問題を解決することにある。

新たなＡＰＳデバイス画素アーキテクチャー及び動作方法は各画素で場面の照明の同時の積分を用い、その次に各画素での信号電子を光遮蔽された電荷格納領域へ同時に転送することにより実現される。それは代替的な電荷積分及び転送スキームと、同時の電子的シャッター操作及び画像捕捉及びセンサー上の全ての画素の格納を可能にする画素アーキテクチャーからなる。これは基盤上に形成された複数の画素を有する半導体基板からなる本発明の能動画素センサーにより提供され、少なくとも画素の一つが：入射光が信号電荷として収集される光電子を形成する光検出器領域と、光検出器領域上のカラーフィルターと、光検出器領域上で開口を有する少なくとも電荷格納領域上の光遮蔽と、光検出器領域から電荷格納領域へ信号電荷を転送する手段と、増幅器への入力である検知ノードとを有し、検知ノードは信号格納領域に作用するよう接続される。本発明では光検出器の形がμＬｅｎｓが有効フィルファクターを最大化するために用いられ、高品質カラー画像を提供するよう寸法上対称に設計されている。

同時にフレーム毎に一回の各画素でのリセット及び積分が場面の照明又は場面の動きの変化により発生するアーティファクトを除去する。電荷格納領域を含む画素の光遮蔽はこの動作を許容する。

少なくとも光検出器領域にわたる光遮蔽内の開口の形成は与えられた画素の光検出器の外側の領域の光電子の発生が隣接画素の光検出器又は電荷格納領域に収集されることを防ぐことによりデバイスのＭＴＦを改善する。光検出器側方又は垂直オーバーフロードレイン（ＬＯＤ又はＶＯＤ）を含むことで格納及び読み出し中にブルーミング制御が可能となる。ＣＦＡ及びマイクロレンズ及び適切に設計された光検出器領域を含むことで高品質のカラー画像が提供される。

本発明のこれらの及び他の特徴、目的、及び利点は以下に図を参照して、好ましい実施例と請求項の詳細な説明により明らかとなる。

理解を容易にするために同一の符号が図に共通の同一の要素を示すために可能な場合に用いられる。

本発明は新たなＡＰＳデバイス画素アーキテクチャー及び動作方法に関し、それは各画素で場面の照明の同時の積分に続く各画素での信号電子を光遮蔽された電荷格納領域への同時の転送を用いる。この画素アーキテクチャー及び動作方法は一方で電子シャッター能力とブルーミング防止制御を維持しながら従来技術のＡＰＳデバイスのライン毎の積分及び読み出し方法により引き起こされる画像アーティファクトを除去する。

図１の（Ａ）、（Ｂ）は画素アーキテクチャーの問題の領域を示す本発明の２つの異なる実施例の断面を示す。本発明の特定の物理的な実施例の多数の変形例は達成可能であり、これらの好ましい実施例は例として選ばれていることは当業者には明らかである。例えばピンフォトダイオードとして図１の（Ａ），（Ｂ）に示される光検出器はピン止め層を有さないフォトゲート又はフォトダイオードのようなどのような光検出手段でも良い。

図１の（Ａ）で画素は垂直オーバーフロードレイン１４を有するフォトダイオード１２と、浮遊拡散１８と、リセットゲート１７と、リセットドレイン１９と、光遮蔽８とからなる。光遮蔽開口９と、カラーフィルター４と、μＬｅｎｓ６とは光はカラーフィルター４を通過した後にマイクロレンズ６を通して光遮蔽開口９に合焦する光検出器にわたり配置される。故にフォトダイオード１２に入来する光はカラーフィルター４により決定されるような所定の帯域内の波長を有する。

図１の（Ｂ）は第二の実施例の断面図であり、２つの転送ゲート２６、３６及び格納領域３８が存在することを除き図１の（Ａ）に示される実施例に多くの点で類似している。両方の場合で光遮蔽は光検出器（この場合にはフォトダイオード１２）を除く全ての領域を効率的に覆うように不透明な層又は重複する層で構成され、それにより入射光はフォトダイオード領域上にのみ入射する。光検出領域に対する光電子の発生を制限する光遮蔽内の開口の形成は画素間のクロストークを抑制する。

従来技術と本発明のＡＰＳの比較は図２の（Ａ），（Ｂ）を比較することによりなされる。従来技術のデバイス５は要求された能動トランジスタを増幅器領域２５として示される可能な限り小さな領域に単に詰め込んだだけであり、それから残りの画素領域を光検出器の得られる形によらずに光検出器領域１５に割り当てる。結果として光検出器は寸法的な対称性を有さず、ＣＦＡ及びμＬｅｎｓの取付に対してそれほど適切ではない。なお図２を参照するに本発明は長方形の光検出器領域１１として示される対称的に形成された光検出領域を用い、それはその中心に関して二次元的に対称である。長方形光検出器が示される一方で正方形、楕円形、又は円形の光検出器もまた実施されうる。光検出器の対称性は光遮蔽８、開口９、カラーフィルター１０、光検出器領域上のマイクロレンズ６を配置する経済的な方法を可能にする。光検出器の対称性はこれは物理的により小さな画素で従来技術の画素と同じフィルファクターを有する画素を作ることを可能とする。代替的に同じ画素の大きさを保ち、増幅器の設計により柔軟性を持たせるように増幅器により大きな領域を割り当て、従来技術の画素と同じフィルファクターを維持することが可能である。これは図２の（Ａ），（Ｂ）を比較することにより明らかである。図２の（Ａ）に示されるように入射光が光検出器上に合焦するようマイクロレンズを従来技術の画素にわたって設ける場合に画素のフィルファクターは最大化される。しかしながら光を示される領域に合焦するためにマイクロレンズは画素の中心からオフセットされなければならない。従って、光検出器領域を画素の右上隅に有するどのような有益さももはやない。付加的にはフィルファクターでの有益さなしに光検出器の物理的な大きさの増加がある故に光検出器の容量は不必要に大きい。これはフォトダイオード又は光ゲート検出器の場合に感度に有害に影響する。これはまた画素のクロストークの量を増加し、カラーフィルター配列の重複の許容範囲を減少する。

画素及び光検出器配置が図２の（Ｂ）の本発明に示されるように改善され、マイクロレンズが図２の（Ｂ）に示されるように用いられる場合にはフィルファクターは従来技術の画素と同一である。改善は画素の大きさを同一に保ち、増幅器に対してより大きな画素領域を割り当てることにより達成される。これはより小さな一定のパターンノイズと１／ｆノイズをもたらす。この改善はまた従来技術の画素の右上隅で光検出器の部分を単に除去することにより達成可能である。これは同じフィルファクターを有するより高い解像度のセンサーを提供する。従来技術のＡＰＳセンサーは典型的にモノクロームであり、その対応する製造技術はそれ自体がカラー画素アーキテクチャーに適応できる型のアーキテクチャーを導くものではない。付加的には従来技術のＡＰＳ画素は画素内の光遮蔽を提供せず、マイクロレンズを用いなかった。

リセット動作：
図３の（Ａ）は図１の（Ａ）での画素１に対するリセット動作を示す。画素１は示されるように転送ゲート１６とリセットゲート１７の両方をオンすることによりリセットされる。フォトダイオード１２及び浮遊拡散１８のどの電子もリセットドレイン１９を通して取り出される。これは各画素で同時になされ、フレーム毎に一回なされる。

図３の（Ａ）に示される動作のリセットモードで相関二重サンプリングは用いられない。何故ならばリセットレベルはライン毎又は画素レート毎に読み出しレベルの直前に利用可能ではないからである。従ってＣＤＳの利点は失われる。しかしながら読み出し動作の後にリセットレベルが得られる故に増幅器オフセット打ち消しが達成される。実際増幅器オフセットノイズはＣＤＳにより除去されるリセット及び１／ｆノイズより好ましくない。故にこの動作のリセットモードはなお相関二重サンプリングが不在であっても充分である。

図３の（Ｂ）は図１の（Ｂ）に示される画素２に対するリセット動作を示し、画素２は転送ゲート２６、格納領域３８、転送ゲート３６、リセットゲート２７をオンすることによりリセットされる。上記の第一実施例と類似の方法で、フォトダイオード１２、浮遊拡散２８、格納領域３８のどのような電子でもリセットドレイン２９を通して取り出される。再びこれは各画素で同時になされ、フレーム毎に一回なされる。

図１の（Ｂ）を参照するに他のリセットモードはＶＯＤ１４をパルスする（または側方オーバーフロードレイン（ＬＯＤ）がＶＯＤの代わりに用いられる場合にはそれをオンする）ことにより用いられる。浮遊拡散２８はライン毎に基づいてリセットされえ、それによりリセットレベルは格納され、相関二重サンプリングに対して用いられる。

フレーム積分動作：
画像積分はフォトダイオードで光で発生した電子を収集することにより達成される。図１の（Ａ）を参照するに転送ゲート１６はフォトダイオードと浮遊拡散との間に静電バリアを設ける電圧で配置され（転送ゲート１６のオフ状態）、リセットゲート１７はそのオン又はオフ状態のいずれかに保持される（図４の（Ａ）を参照）。

図１の（Ｂ）に示されるデバイスを参照するに積分は図４の（Ｂ）に示されるようなオフ状態で転送ゲート２６でなされる。ここで格納領域３８及び転送ゲート３６はオン又はオフされうるが、好ましくは格納領域３８は図４の（Ｂ）でのクロストークを減少するためにオフ状態に保たれる。この時間中にリセットゲート２７及び転送ゲート３６をオンに保つことは暗電流信号の浮遊拡散２８又は格納領域３８内での積分を除去し、長い積分時間を許容する。積分時間は光検出器リセットと転送との間の時間により決定される（以下の転送動作を参照）。

転送及び格納動作：
所望の積分時間が経過した後に電荷はフォトダイオードから浮遊拡散又は格納領域に転送される。図１の（Ａ）に示されるデバイスでこれはパルスを送って転送ゲート１６をオンすることにより（即ち転送ゲート１６の下の静電位をフォトダイオード１２の電位より深くすることにより）なされる。リセットゲート１７は転送の前にオフにされなければならない（図５の（Ａ）を参照）。

図１の（Ｂ）のデバイスに対して、転送は図５の（Ｂ）に示すように転送ゲート３６をオフに保つ一方で転送ゲート２６にパルスを送りオンにし、格納領域３８をオンにすることにより達成される。各アーキテクチャーで電荷転送は各画素で同時になされる。浮遊拡散及び格納領域３８の領域は場面の照明から遮蔽され、フォトダイオードの電荷のブルーミングから保護される故に信号は場面の照明により変調されずに浮遊拡散上に又は格納領域の下に格納される。

読み出し動作：
図１の（Ａ）のデバイスに対する読み出し動作を示す図６の（Ａ）を参照するに電荷は浮遊拡散１８上に既に存在し、それにより従来技術でなされるように読み出し動作は単に各画素をアドレッシングすることのみで達成される。この場合にはリセットレベルはライン毎に読み出されえず、故に上記のように相関二重サンプリングをなすことは不可能である。

図１の（Ｂ）のデバイスに対して読み出し動作はリセットゲート２７をオンすることにより浮遊拡散を最初にリセットし；次にリセットレベルを読み出し、それから格納領域３８をオフにする間に転送ゲート３６にパルスを送ってオンすることにより達成される。電荷は浮遊拡散に転送され、信号電荷は読み出されうる。このアーキテクチャーは相関二重サンプリングをなすことを可能にする。図６を参照。

格納及び読み出し中のブルーミング防止制御
積分中のブルーミング防止制御は従来技術のＡＰＳデバイスのそれと類似の方法で達成される。これは積分中にリセットゲートをオンに保つことによりなされ、それにより光検出器で発生されたどのような過剰な光電子も転送ゲートから浮遊拡散上にあふれ、リセットドレインを介して除去されうる。この方法は従来技術又は本発明のデバイスの読み出し中にブルーミング防止制御を提供するために用いることはできない。入射画像が極端に明るい領域が読み出し期間中に現れるように変化する場合には過剰な光電子が短い読み出し時間に発生し、浮遊拡散で検知された信号電子パケットを汚染する。これは本発明でより問題である。何故ならば格納動作の時間は読み出し動作の時間を越えうるからである。故に読み出し及び格納動作中のブルーミング防止制御用の新たな手段が要求される。これを以下に説明する。読み出し中のブルーミング防止制御用のこの新たな方法はフレーム積分を用いないＡＰＳに対して有用であるものである。ライン積分によりラインの従来技術のＡＰＳモードは光遮蔽を含まない従来技術の画素でＶＯＤまたはＬＯＤを含ませることにより改善される。加えてＶＯＤ１４の存在は画素間のクロストークを抑制する。

ブルーミング防止はそれが図１の（Ａ）の場合に転送ゲート１６（又は図１の（Ｂ）の場合に転送ゲート２６）に対するオフ電位より深いようにＶＯＤ１４に対する静電バリアを調整することにより制御可能である。これは場面内のどのような明るい対象により発生された過剰な電子が、ＶＯＤ１４にあふれることを許容し、望ましくないブルーミングアーティファクトを引き起こす浮遊拡散１８（又は図１の（Ｂ）の場合に対しては浮遊拡散２８）又は同じ画素又は隣接する画素の他の領域にブルームしない。

ブルーミング防止制御はフォトダイオードに隣接する物理的なゲート又は仮想的なゲートのいずれかを用いて側方オーバーフロードレイン（図示せず）で類似になされる。側方オーバーフロードレイン（ＬＯＤに対する静電バリアの電位は転送ゲートのそれよりもまた深くなければならない。この方法は与えられた画素の大きさに対するフィルファクターに有害に影響する。何故ならば領域がＬＯＤ構造に割り当てられなければならないからである。ＶＯＤはフィルに悪影響を与えずにブルーミング制御を提供する。

電子シャッター動作：
電子シャッターは入射光をブロックするための機械的又は電子光学的デバイスの必要なしに画像化器をシャッターしうることを称する。電子シャッターは各画素に光遮蔽された電荷格納領域（図１の（Ａ）の場合には浮遊拡散１８、図１の（Ｂ）の場合には浮遊拡散３８）、及びフォトダイオードに対するオーバーフロードレイン（上記の好ましい実施例の場合にはＶＯＤ１４）を有することにより達成される。積分動作に関する上記記載によりシャッター又は積分時間は単にリセットと転送の間の時間、又はＬＯＤ（又はＶＯＤ１４）と転送との間の時間である。典型的にはＬＯＤは側方オーバーフローゲートに対して信号パルスを印加することによりオンとなり、又はＶＯＤ１４はそれ自体に信号パルスを印加することによりオンする。電荷が光遮蔽された浮遊拡散（１８又は２８）又は格納領域３８に転送された後にそれは入射光により影響されずに格納され、又は読み出される。何故ならば電子は浮遊拡散（１８又は２８）又は格納領域３８で光生成されず、格納及び読み出し期間中にフォトダイオードで発生された電子は浮遊拡散１８又は格納領域３８領域にあふれ得ない。何故ならばそれらはＶＯＤ１４により持ち出されるからである。

本発明は好ましい実施例を参照して説明されてきた。しかしながら変更及び改善は本発明の範囲から離れることなく当業者によりなされうる。

（Ａ）．（Ｂ）はそれぞれ本発明により提供された画素の断面図の第一及び第二の実施例である。 （Ａ）．（Ｂ）はそれぞれ能動画素センサー用の典型的な従来技術の画素及び本発明による画素を示す。 （Ａ）．（Ｂ）はそれぞれ図１の（Ａ）．（Ｂ）に示された本発明のリセット機能に対する静電位を示す図である。 （Ａ）．（Ｂ）はそれぞれ図１の（Ａ）．（Ｂ）に示された本発明の積分機能に対する静電位を示す図である。 （Ａ）．（Ｂ）はそれぞれ図１の（Ａ）．（Ｂ）に示された本発明の転送機能に対する静電位を示す図である。 （Ａ）．（Ｂ）はそれぞれ図１の（Ａ）．（Ｂ）に示された本発明の格納機能に対する静電位を示す図である。

符号の説明

４ カラーフィルター
５ デバイス
６ マイクロレンズ
８ 光遮蔽
９ 光遮蔽開口
１４ 垂直オーバーフロードレイン
１２ フォトダイオード
１８ 浮遊拡散
１７ リセットゲート
１９ リセットドレイン
２６、３６ 転送ゲート
３８ 格納領域
２５ 増幅器領域
２７ リセットゲート
２８ 浮遊拡散

Claims (3)

1. 画素は入射光が信号電荷として収集される光電子を形成する光検出器領域を有する少なくとも一つの画素と、該画素内で信号電荷を光検出器領域から増幅器の入力に接続される検知ノードへ転送する転送機能とを備える半導体材料からなる能動画素センサーであって、前記光検出器領域は該領域の中心に関して実質的に二次元の対称を有して配置され、光遮蔽は少なくとも前記光検出器領域の部分の上を除いた前記画素にわたることを特徴とする能動画素センサー。
2. 前記光遮蔽が前記光検出器領域の少なくとも一部分にわたる開口を含むことを特徴とする請求項１に記載の能動画素センサー。
3. 画素は入射光が信号電荷として収集される光電子を形成する光検出器領域を有する少なくとも一つの画素と、該画素内で信号電荷を光検出器領域から増幅器の入力に接続される検知ノードへ転送する転送機能とを備える半導体材料からなる能動画素センサーであって、前記光検出器領域は実質的に長方形であり、光遮蔽は少なくとも光検出器領域の部分の上を除いた画素にわたることを特徴とする能動画素センサー。

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