JP2008160133A - Cmosイメージセンサのための、小サイズ、高利得及び低ノイズのピクセル - Google Patents

Cmosイメージセンサのための、小サイズ、高利得及び低ノイズのピクセル Download PDF

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Abstract

【課題】固体CMOSイメージセンサに関し、更に具体的には、1つのピクセルに2つのロウラインのみを有し、光を感知するためのピンフォトダイオード、及び1つ又は2つのカラムラインを有するCMOSイメージセンサピクセル並びにそのアレイに関する。
【解決手段】ピクセルは、アドレッシングトランジスタを有さず、感知トランジスタとリセットトランジスタは、何れもpチャネル型MOSトランジスタである。結果的に、このような構造は、極めて低いノイズ動作をもたらす。そして、この新たなピクセル構造は、標準CDS信号処理動作を許容し、ピクセル−ピクセルの不均一性を減少させて、kTCリセットノイズを最小化する。ピクセルは、高感度、高い変換利得、高い応答均一性及び低ノイズを有し、これは効率的な3Tピクセルレイアウトによって可能になる。
【選択図】図2

Description

本発明は、固体イメージセンサに関し、更に具体的には、高解像度、高性能、及び極めて小さなピクセルサイズを有するCMOSイメージセンサに関する。特に、本発明は、1つのピクセルに対し、3つのトランジスタ、2つのロウライン及び2つのカラムラインのみを有するピクセルに関する。また、本発明は、感知及びリセットのための低ノイズのpチャネルMOSトランジスタを有し、アドレッシングトランジスタを有せず、通常、4T(four transistors)ピクセル構造と共に用いられていた低ノイズの標準相関二重サンプリング動作が可能なピクセルに関する。
一般的なイメージセンサは、衝突する光子をセンサピクセルに集積する(集まる)電子に変換することによって光を感知する。集積サイクルの完了後、集まった電荷は電圧に変換され、これは、センサの出力端子に供給される。一般的なCMOSイメージセンサにおいて、電荷−電圧変換は、ピクセル自体によって直接達成され、アナログピクセル電圧は、様々なピクセルアドレッシング及びスキャニング方式によって出力端子に伝送される。また、アナログ信号は、チップの出力に到達する前に、デジタル信号にオンチップ変換することができる。ピクセルには、通常、適合したアドレッシングトランジスタによりピクセルに接続された感知ラインを駆動するソースフォロワ(source follower)及びバッファ増幅器が統合される。電荷−電圧変換が完了し、その結果として、信号がピクセルから伝送された後、ピクセルは、新たな電荷の蓄積を用意するためにリセットされる。電荷検出ノードとしてフローティング拡散(FD)を用いるピクセルにおいて、リセットは、瞬間的にFDノードを基準電圧に導電性接続するリセットトランジスタのターンオンによって達成される。このステップは、集まった電荷を除去するが、この技術分野で公知となっているように、kTCリセットノイズを発生する。kTCノイズは、好ましい低ノイズ性能への達成のために、相関二重サンプリング(CDS)信号処理技術によって除去されなければならない。CDS概念を用いる通常のCOMSセンサは、ピクセルに4Tを備えなければならない。4Tピクセル回路の一例は、Guidashの米国特許5,881,184号から見出すことができる。
このような高性能ピクセルは、ピクセルに統合された4Tを備えることによって、その動作のために何本かの信号ラインが求められる。通常、このようなピクセルは、ロウ方向にリセットライン、電荷伝送ライン及びアドレッシングラインを有し、カラム方向にVddライン及びVoutラインを有する。隣接するピクセル間で対応するトランジスタ及びこのラインの一部を共有することができるが、これは、ピクセル内の相互接続ラインに係って他の困難な問題を発生させる。多数のトランジスタ及び数の増加したロウラインとカラムラインは、重要なピクセル面積を消費し、それによって電荷の保持及び光感知に用いることも可能としていたアクティブピクセル面積を大きく減少させる。
図1は、従来の4Tピクセルを簡略に示す回路図である。ピンフォトダイオード(pinned photodiode)101は、電荷伝送トランジスタ102を介してFDノード103に結合されている。感知ソースフォロワ(SF)トランジスタ104は、FDノード103に接続されたゲート、Vddノード105に接続されたドレイン、及びアドレッシングトランジスタ106を介して出力カラムバス107に接続されたソースを有する。Vddノード105は、Vddカラムバス108に接続されている。FDノード103は、リセットトランジスタ109によってVddノード105にリセットされる。リセットトランジスタ109のゲートは、第1ロウバスライン110によって制御され、アドレッシングトランジスタ106は、第2ロウバスライン111によって制御され、電荷伝送トランジスタ102のゲートは、第3ロウバスライン112によって制御される。
光子113がフォトダイオードに衝突することによって、フォトダイオードに電子電荷が発生する。電荷集積の完了後、FDノード103はリセットされ、フォトダイオードからの全ての電荷は、FDノード103上に伝送される。これは、FDノードの電圧を最初のリセットレベルから新しい信号レベルに変化させるのである。次に、FDノード上のリセットレベルと信号レベルは、何れもSFトランジスタ104によって感知され、両レベルは、出力カラムバス107上に伝送され、また、削除及び追加処理のために、カラム信号処理回路にも伝送される。信号レベルからのリセットレベルの削除は、相関二重サンプリングと呼ばれ、これは、信号からkTCノイズ及びトランジスタ臨界値の不均一性を除去する。これは、4Tピクセル回路の主要効果の1つである。
しかし、4Tは、重要なアクティブピクセル面積を多く占め、動作のために3つの第1〜第3ロウ制御ライン110,111,112を要求する。これが本回路の短所であり、これは、時々、複数のフォトダイオードと回路とを共有することによって補償される。しかし、回路の共有もやはり短所となる。このような回路において、FDノードのキャパシタンスは増加し、ピクセル感度を減少させ、また、相互接続ラインも重要なピクセル面積を占める。このような概念の異なる短所は、やや非対称のレイアウト及び電気的機能であり、これは結果的に、非対称の光学的及び電気的なクロストーク問題をもたらす。したがって、ピンフォトダイオードを用いた電荷伝送概念を維持し、ピクセルにおけるトランジスタの数を減少させ、ピクセルの対称性を維持することが好ましい。
そこで、本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、極めて小さなピクセルサイズ、及び1つのピクセルに2つのロウアドレッシングライン及び2つのカラムラインのみを有し、アドレッシングトランジスタを有しないピクセルを備えた実用的なCMOSイメージセンサ装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、光感知のためにピンフォトダイオードを用い、ピクセルが3つのトランジスタのみを有し、いかなる回路の共有もなく、大きな電荷変換利得を有する小さなピクセルを生成することを許容し、完全なCDS動作を提供して、kTCノイズの除去を行い、かつ、ピンフォトダイオードからの完全な電荷伝送を達成する、CMOSイメージセンサピクセルを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明は、小さなピクセルサイズのCMOSイメージセンサを構成するために、異なる接近法で説明するが、これは、従来の困難性を克服し、従来の接近法よりも簡単でかつ実用的な解決法を提供する。本発明は、向上した電荷保持容量、増加した光開口部応答及び増加した感度を有する更に小さなピクセルを提供する。
また、本発明は、アドレッシングトランジスタをピクセルから除去し、電荷感知トランジスタ(ソースフォロワトランジスタ)を低ノイズのpチャネルMOSトランジスタに取り替えることによって、いかなる回路の共有もなく、2つのロウアドレッシングライン及び2つのカラムラインのみを有する。したがって、出力カラムライン(Voutライン)は、1つのカラムにおいて全てのピクセル感知トランジスタソースフォロワ拡散に対して共通する。
また、ピクセルからアドレッシングトランジスタを除去することによって、小さなピクセルサイズを達成するために回路を共有する必要がなく、その結果、FDキャパシタンスが非常に小さくすることができ、ピクセル電荷変換利得の大きな増加を達成することができる。
本発明を従来技術と区別し、実際に設計可能な他の特徴は、やはりpチャネル型MOSのリセットトランジスタである。これは、トランジスタ臨界値によるいかなる電圧損失も発生せずにピクセルFDノードのハードリセットを許容する。
最後に、本発明を従来技術と区別する重要な特徴は、ピクセルに3つのトランジスタのみ有させるにもかかわらず、完全なCDS動作を用いて、ピンフォトダイオードからの電荷伝送及びkTCリセットノイズの完全な除去を行い、かつ、電荷を感知することができるという点である。
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。
図2は、本発明に係るピクセルを簡略に示す回路図である。同図に示すように、ピンフォトダイオード201が電荷伝送トランジスタ202を介して電荷検出ノードであるFDノード203に結合されている。FDノード203は、pチャネルMOSトランジスタのリセットトランジスタ209によって基準制御信号Vrfノード205にリセットされる。FDノード上の電圧は、カラムバスラインである出力Voutライン207に接続されたソース及び基板に接続されたドレインを有するpチャネルMOSトランジスタのソースフォロワ(SF)トランジスタ204によって感知される。また、前記ソースフォロワ(SF)トランジスタ204のボディは、カラムバスラインである基準制御信号Vrfライン208に接続されている。前記SFトランジスタ204の臨界値は、該SFトランジスタ204が空乏型になるように、チャネル領域206に適合した埋め込みによって変形する。特に、小サイズが要求される場合、このようなトランジスタが標準nチャネルトランジスタよりもノイズ性能面に優れているということがこの技術分野で公知となっているように、pチャネル型と空乏モードは、何れも低ノイズ動作に適するように前記SFトランジスタを生成する。このピクセルを動作させるために、電荷伝送トランジスタ202のゲートは、ロウバスラインである伝送制御信号Vtxライン211に接続され、リセットトランジスタ209のゲートは、ロウバスラインであるピクセルリセット制御信号Vrxライン210に接続されている。このピクセルにアドレッシングトランジスタは存在しない。即ち、従来とは異なり、pチャネルMOSトランジスタのソースフォロワ(SF)トランジスタ204から提供されるピクセル出力信号は、アドレッシングなしにピクセルの出力信号ライン207に伝達される。
図3は、理解の一助とするための、ピクセルの動作の一実施形態を簡略に示すタイミング図である。これは、リセット制御信号Vrx、基準制御信号Vrf及び伝送制御信号Vtxのタイミングである。
同図に示すように、実線301は、選択されたピクセルリセット制御信号ライン210に供給されるVrxパルス波形を示している。Vrxパルス電圧レベルが論理ハイレベルであれば、リセットトランジスタ209はターンオフされる。同図に点線302で示すように、選択されていないピクセルは、引き続き自体のリセットラインがバイアスされた論理ローレベルを有する。実線303で示すように、Vrfバイアスは、Vrxパルスが論理ハイレベルに変換されている間に、しばらくの間、例えば、0.5Vだけ低いレベル(例えば、2.8V対比2.3V)になる。結果的に、Vrfパルスは、選択されたピクセルのFDノードバイアスが同じカラムに接続された全てのピクセルのFDノードのリセットよりも約0.5V低くなる。また、前記Vrfパルスは、ただ1つの選択されたピクセルのSFトランジスタ204をターンオンさせる。このような動作は、アドレッシングトランジスタに対するいかなる要求もなく、電荷感知用pチャネルMOSトランジスタ(即ち、図2の204)を用いることによって可能になる。ピクセルからのアドレッシングトランジスタの除去は、ピクセルの出力抵抗及びそれに伴う駆動能力を改善し、ピクセルの一時的なノイズを減少させ、ピクセルトランジスタの数を減少させ、最後に、ピクセルロウ制御ラインの数を減少させる。その他のピクセル動作は、標準と同様である。ピクセルの出力リセットレベルは、時間305でサンプリングされる。続いて、Vtxパルス304によって、最後に、時間306でピクセル出力をサンプリングする。カラム処理回路は、CDS信号の削除だけでなく、適合したピクセルバイアスの電流を提供し、また、信号処理機能を提供する。
図4は、より明確に説明するための、CMOSセンサピクセルの可能なレイアウトの一実施形態を簡略に示す図である。アクティブ領域401は、ピンフォトダイオード408、伝送ゲート404及びnフローティング拡散(FD)403を備える。他のアクティブ領域402は、リセットトランジスタゲート405及び信号感知トランジスタゲート406を備える。この領域は、下に埋め込まれたnウェル(well)(図示せず)を有する。nウェルとのコンタクトは、n領域407によって提供される。nウェル領域は、感知トランジスタpドレイン接続を基板に提供するために、点線409によって境界とする。2つの他の点線410は、各々n領域411によって互いに分離された感知トランジスタとリセットトランジスタとに対するpソースドレイン境界を示す。局部的相互接続(以下、LICとする)412は、リセットトランジスタのドレインをFD及び感知トランジスタ406のゲートと接続させる。リセットトランジスタのソースは、nウェルn領域407と共に、第1金属レベルを用いて形成される共通カラムバスラインVrf413に接続される。感知トランジスタ414のソースも第1金属レベルによって形成される出力カラムバスラインVout415に接続される。伝送ゲートロウバスラインVtx416は、同じロウに接続された全ての伝送ゲート404に信号を供給し、同様にロウバスラインVrx417は、同じロウに接続された全てのリセットゲート405に信号を供給する。この2つのロウバスライン416,417は、第2金属レベルを用いて形成される。LICを用いることによって、ピクセルにおいて2つの金属層のみを有することができ、これは、ピクセル上部構造の高さを減少させ、それによって、ピクセルの光学的特性を改善する。また、前記実施形態は、この技術分野で通常の知識を有する者が変形及び変更を行うことができる。前記ピクセルを標準ピクセルと区別する主な特徴は、ピクセルにおけるnウェル領域、及び2つのpチャネルMOSトランジスタの存在である。このうちの1つは、電荷感知のためであり、もう1つは、FDノードをリセットするためである。
もちろん、図5に示すように、前記ピクセルを回路共有の構成で配置することもできる。このような構成は、1つのフォトサイトに2つのロウバスラインを維持することを許容し、カラムバスラインの数をただ1つに減少させる。これは、極めて小さなピクセルを設計する場合、又は、LIC相互接続技術が容易な場合に効果的である。このような共有構成において、各ピンフォトダイオード501,502は、対応する電荷伝送トランジスタ503,504を介して共通FDノード513に接続されている。このノードは、リセットトランジスタ507によってロウバスライン508にリセットされる。感知トランジスタ506は、基板及び単一出力カラムバスライン512に接続されている。基準バイアス及びnウェルは、ロウバスライン508によって提供される。ロウバスライン510,511は、各々電荷伝送トランジスタ503,504のゲートに電荷伝送パルス信号を供給する。その結果、1つのフォトダイオードに2つのロウバスラインのみが存在し、これは、より小さく、かつ、より効率的なピクセルレイアウトをもたらす。
本発明は、1つのピクセルに2つのロウアドレッシングラインと1つ又は2つのカラムラインのみを有し、アドレッシングトランジスタを有しないピクセルを備えた実用的かつ極めて小さなピクセルサイズのCMOSイメージセンサ装置を提供する。また、光感知のために、ピンフォトダイオードを用い、ピクセルに3つのトランジスタのみを有し、いかなる回路の共有もなく、大きな電荷変換利得を有する小さなピクセルを生成することを許容する。更に、完全なCDS動作を提供し、kTCノイズの除去を行い、かつ、ピンフォトダイオードからの完全な電荷伝送を達成するCMOSイメージセンサピクセルを提供する。
以上、PチャネルMOSリセットトランジスタとPチャネルMos感知トランジスタ、及びピクセルに対し、2つのロウラインと1つ又は2つのカラムラインとを有する新たなCMOSイメージセンサピクセルの好ましい実施形態について説明し、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
光を感知するためのピンフォトダイオードを有する標準(従来)4T CMOSイメージセンサピクセルを簡略に示す回路図である。 光を感知するためのピンフォトダイオードを有し、アドレッシングトランジスタを有しない新しい(本発明)3T CMOSイメージセンサピクセルを簡略に示す回路図である。 図2に示したピクセルの動作の一実施形態を簡略に示すタイミング図である。 新しい3T CMOSセンサピクセルの可能なレイアウトの一実施形態を簡略に示す図(図はスケーリングせず、例えば、ラインで概略的に示す金属相互接続層のような、構造の全ての物理的特徴を示してはいない。)である。 同じ回路を共有する2つのピクセルフォトダイオードを簡略に示し、出力のためのただ1つのカラムバスライン及びフォトサイトに対し、2つのロウアドレッシングラインを有するようにする回路図である。
符号の説明
201 ピンフォトダイオード
202 電荷伝送トランジスタ
203 FDノード
204 ソースフォロワ(SF)トランジスタ
205 基準制御信号Vrfノード
206 チャネル領域
207 出力Voutライン
208 基準制御信号Vrfライン
209 リセットトランジスタ
210 リセット制御信号Vrxライン
211 伝送制御信号Vtxライン

Claims (22)

  1. ピンフォトダイオード(pinned photodiode)と、
    伝送制御信号によって前記ピンフォトダイオードに集積された電荷を伝送するための伝送手段と、
    該伝送手段を介して電荷を受けるフローティング拡散と、
    リセット制御信号によって前記フローティング拡散をリセットする第1のp型MOSトランジスタと、
    前記フローティング拡散の電荷に応じてピクセル出力信号を提供するための第2のp型MOSトランジスタと
    を備えることを特徴とするCMOSイメージセンサピクセル。
  2. 前記ピクセル出力信号が、
    アドレッシングなしにピクセル出力信号ラインに提供されることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  3. 前記第2のp型MOSトランジスタが、
    自体のボディに前記第1のp型MOSトランジスタのソースと共に基準バイアスを受けることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  4. 前記第1のp型MOSトランジスタが、前記リセット制御信号をゲートに受け、前記フローティング拡散にドレインが接続され、
    前記第2のp型MOSトランジスタが、前記フローティング拡散にゲートが接続され、ドレインに接地信号を受けて、ソース側に前記ピクセル出力信号を出力することを特徴とする請求項3に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  5. 前記フローティング拡散をリセットさせるために、前記伝送制御信号がディセーブル状態であり、前記リセット制御信号が論理ローレベルから論理ハイレベルに遷移するとき、前記基準バイアスが所定の量だけ低くなるパルス信号として提供されることを特徴とする請求項4に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  6. 前記伝送手段が、
    前記ピンフォトダイオードと前記フローティング拡散との間にチャネルを構成するための伝送ゲートを備えることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  7. 前記第2のp型MOSトランジスタが、
    空乏型であることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  8. 複数のピンフォトダイオードと、
    伝送制御信号によって前記ピンフォトダイオードに集積された電荷を伝送するための複数の電荷伝送手段と、
    対応する前記電荷伝送手段を介して複数のピンフォトダイオードから電荷を受ける共通フローティング拡散と、
    リセット制御信号によって前記共通フローティング拡散をリセットする第1のp型MOSトランジスタと、
    前記共通フローティング拡散の電荷に応じてピクセル出力信号を提供するための第2のp型MOSトランジスタと
    を備えることを特徴とするCMOSイメージセンサピクセル。
  9. 前記ピクセル出力信号が、
    アドレッシングなしにピクセル出力信号ラインに提供されることを特徴とする請求項8に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  10. 前記第2のp型MOSトランジスタが、
    自体のボディに前記第1のp型MOSトランジスタのソースと共に基準バイアスを受けることを特徴とする請求項8に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  11. 前記第1のp型MOSトランジスタが、前記リセット制御信号をゲートに受け、前記共通フローティング拡散にドレインが接続され、
    前記第2のp型MOSトランジスタが、前記共通フローティング拡散にゲートが接続され、ドレインに接地信号を受けて、ソース側に前記ピクセル出力信号を出力することを特徴とする請求項10に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  12. 前記共通フローティング拡散をリセットさせるために、前記伝送制御信号がディセーブル状態であり、前記リセット制御信号が論理ローレベルから論理ハイレベルに遷移するとき、前記基準バイアスが所定の量だけ低くなったパルス信号として提供されることを特徴とする請求項11に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  13. 前記電荷伝送手段が、
    前記ピンフォトダイオードと前記共通フローティング拡散との間にチャネルを構成するための伝送ゲートを備えることを特徴とする請求項8に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  14. 前記第2のp型MOSトランジスタが、
    空乏型であることを特徴とする請求項8に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  15. 各々ソース及びボディを介して基準バイアスを受ける第1のp型MOSトランジスタ及び第2のp型MOSトランジスタを備えるカラム及びロウにアレイされたピクセルと、
    カラム別に備えられてピクセル出力信号を受ける第1のカラムバスラインと、
    カラム別に備えられて前記基準バイアスを提供するための第2のカラムバスラインと、
    ロウ別に備えられて前記リセット制御信号を提供するための第1のロウバスラインと、
    ロウ別に備えられて前記伝送制御信号を提供するための第2のロウバスラインと
    を備えることを特徴とするCMOSイメージセンサピクセルアレイ。
  16. 前記各々のピクセルが、
    ピンフォトダイオードと、
    前記伝送制御信号によって前記ピンフォトダイオードに集積された電荷を伝送するための電荷伝送手段と、
    該電荷伝送手段を介して電荷を受けるフローティング拡散と
    を更に備えることを特徴とする請求項15に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  17. 前記第1のp型MOSトランジスタが、前記リセット制御信号をゲートに受け、前記フローティング拡散にドレインが接続され、
    前記第2のp型MOSトランジスタが、前記フローティング拡散にゲートが接続され、ドレインに接地信号を受けて、ソース側に前記ピクセル出力信号を出力することを特徴とする請求項16に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  18. 前記リセット制御信号が論理ローレベルから論理ハイレベルに遷移する間、前記基準バイアスが所定の量だけ低くなったパルス信号として提供され、
    選択されたピクセルの前記フローティング拡散が、同じカラム上の他のピクセルに比べて低い電圧にリセットされることを特徴とする請求項15に記載のCMOSイメージセンサピクセルアレイ。
  19. 各々ソース及びボディを介して基準バイアスを受ける第1のp型MOSトランジスタ及び第2のp型MOSトランジスタを備えるカラム及びロウにアレイされたピクセルと、
    カラム別に備えられて前記ピクセル出力信号を受けるカラムバスラインと、
    ロウ別に備えられて前記基準バイアスを提供するための第1のロウバスラインと、
    ロウ別に備えられて前記リセット制御信号を提供するための第2のロウバスラインと、
    ロウ別に複数備えられ、前記複数のフォトダイオードに対応し、前記伝送制御信号を提供するための第3のロウバスラインと
    を備えることを特徴とするCMOSイメージセンサピクセルアレイ。
  20. 前記各々のピクセルが、
    複数のピンフォトダイオードと、
    前記伝送制御信号によって該ピンフォトダイオードに集積された電荷を伝送するための複数の電荷伝送手段と、
    該電荷伝送手段を介して電荷を受ける共通フローティング拡散と
    を更に備えることを特徴とする請求項19に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  21. 前記第1のp型MOSトランジスタが、前記リセット制御信号をゲートに受け、前記共通フローティング拡散にドレインが接続され、
    前記第2のp型MOSトランジスタが、前記フローティング拡散にゲートが接続され、ドレインに接地信号を受けて、ソース側に前記ピクセル出力信号を出力することを特徴とする請求項20に記載のCMOSイメージセンサピクセル。
  22. 前記リセット制御信号が論理ローレベルから論理ハイレベルに遷移する間、前記基準バイアスが所定の量だけ低くなったパルス信号として提供され、
    選択されたピクセルの前記共通フローティング拡散が、同じカラム上の他のピクセルに比べて低い電圧にリセットされることを特徴とする請求項19に記載のCMOSイメージセンサピクセルアレイ。
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