JP4156831B2

JP4156831B2 - 能動ピクセル画像センサ

Info

Publication number: JP4156831B2
Application number: JP2001391103A
Authority: JP
Inventors: マイケルガイダッシュロバート
Original assignee: イーストマンコダックカンパニー
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: US6730897B2; JP2002305688A; DE60120099T2; EP1223746B1; EP1223746A3; US20020121589A1; DE60120099D1; EP1223746A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般に相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）能動ピクセルセンサ（ＡＰＳ）に関し、特に、改良されたピクセルセンサで、電圧に依存しない静電容量を付加した結果、線形性が向上したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＭＯＳＡＰＳは固体撮像素子で、各ピクセルは光感受手段、リセット手段、電荷変換手段、選択手段、および増幅器の全体または一部を備えている。ＡＰＳ素子はＣＣＤセンサと比較すると、次の点で有利である。単一電源作動、低い消費電力、ｘ−ｙのアドレス指定能力、画像ウインドウ生成、そしてチップ上に信号処理回路の集積が可能なことである。
【０００３】
ディジタルカメラ用の高分解能小型ピクセルＡＰＳ素子を製作するためには、サブミクロンＣＭＯＳプロセスを使用することが必要で、それぞれ内部に能動素子を割り当てられている各ピクセルの面積を最小にするためである。良好な信号対雑音特性を達成するためには、ピクセル内に可能な限り多くの光電子を保持することが重要である。代表的なＡＰＳピクセル構造では、各ピクセルで集積された光電子は電圧に変換される。この電荷電圧変換領域は多くの場合ダイオードで、ホトダイオードまたは孤立した浮動拡散部である。電荷電圧変換領域に含まれる電子の最大数を決定するのは、その領域の寄生静電容量である。サブミクロンＣＭＯＳプロセスは通常３．３ボルトとそれ以下の低い電源電圧で作動するので、リセットレベルおよび電荷電圧変換領域に付随しうる電圧の揺れは、電源電圧により制限される。電源電圧が低いので、電荷電圧変換領域での信号の揺れは、リセットレベルに比べて大きい。電荷電圧変換領域を形成するダイオードの静電容量は、ダイオード間電圧の関数なので、また、信号の振れはリセット状態のダイオード間電圧に比べて大きいので、ダイオードの静電容量はリセットレベル（すなわち暗信号）から飽和レベル（すなわち輝信号）まで大幅に変化する。典型的なＡＰＳピクセル構造では、リセット状態の静電容量は飽和状態の静電容量よりも小さい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これが非線形伝達関数を生む。カラー画像センサにとって、線形伝達関数を有することが非常に重要である。センサ応答が非線形であると、画像の色彩忠実度が低下する可能性がある。ＣＣＤ画像センサに対しては、応答の線形性は最適化してある。ＡＰＳはＣＣＤに比べてずっと線形性が劣る。
【０００５】
貧弱な線形性に加えて、ＡＰＳセンサは低い電荷容量に苦しむこともあるが、これはサブミクロンＣＭＯＳプロセスの供給電圧が低い結果である。同じピクセルの大きさに対して、ＣＭＯＳＡＰＳセンサはＣＣＤ画像センサに比べて電荷容量が低いが、ＣＣＤ画像センサでは高い供給電圧、クロック電圧が用いられることによる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ＣＣＤの線形性を持ち、かつ、ＡＰＳ素子の利点を持った画像センサを提供する一つの方法は、ＡＰＳ素子で電荷電圧変換領域の静電容量が、電圧に依存する効果を低減することである。この発明はまさにそうするもので、電荷電圧変換領域のダイオード静電容量に並列に、電圧に依存しないコンデンサを挿入することで実現する。これはまた、ＡＰＳ素子の電荷容量の改善にも利用でる。
【０００７】
従ってこの発明の目的は、相補形金属酸化物半導体の能動ピクセルセンサ素子に対し、構造と方法を提供することで、このピクセルセンサ素子は光検出器、電荷電圧変換ノード、電荷電圧変換ノードに接続された増幅器入力、および電荷電圧変換ノードに並列に接続された電圧に依存しない静電容量を有する。電圧非依存静電容量は、電荷電圧変換ノードに付加される電荷の関数ではない静電容量を提供する。電圧非依存静電容量は、対向電極コンデンサ、あるいは増幅器入力静電容量でも可能である。このため、本発明に係る能動ピクセル画像センサは、複数のピクセルから構成される能動ピクセル画像センサであって、少なくとも一つの前記ピクセルは、光検出器と、転送ゲートを有する転送トランジスタと、リセットゲートを有するリセットトランジスタと、転送トランジスタのソースは前記光検出器に接続され、転送トランジスタのドレインはリセットトランジスタのソースに接続され、浮動拡散領域は入力トランジスタのゲートに接続され、転送トランジスタのドレイン及びリセットトランジスタのソースによって形成される前記浮動拡散領域と、前記浮動拡散領域と並列であり、また低い電圧係数を持つように設計されたコンデンサと、を備えることを特徴とする。また、本発明に係る能動ピクセル画像センサは、複数のピクセルから構成される能動ピクセル画像センサであって、少なくとも一つの前記ピクセルは、光検出器と、ソースフォロワトランジスタと、前記光検出器と並列であり、また低い電圧係数を持つように設計されたコンデンサと、を備え、前記光検出器は、前記ソースフォロワトランジスタの入力に接続された電荷電圧変換領域としても機能すること、を特徴とする。さらに、本発明に係る能動ピクセル画像センサであって、前記入力トランジスタは、共通ソース増幅器として機能するように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
この発明は相補形金属酸化物半導体能動ピクセルセンサ素子の製造方法をも含んでおり、能動ピクセルセンサ素子は、光検出器、電荷電圧変換ノード、電荷電圧変換ノードに接続された増幅器入力、および電荷電圧変換ノードに並列に接続された電圧非依存静電容量を備えている。電圧非依存静電容量は、電荷電圧変換ノードに付加された電荷の関数ではない静電容量を提供する。電圧非依存静電容量は対向電極コンデンサ、または増幅器入力静電容量で可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はＣＭＯＳＡＰＳピクセル５を示す概略図である。図に示されるように、セル５は次のものを備えている。ホトダイオード（ＰＤ）１０，転送ゲート（ＴＧ）を持つ転送トランジスタ１１で、そのソースはホトダイオード１０に接続され、またそのドレインは、リセットゲート（ＲＧ）を持つリセットトランジスタ１３を介して電圧源（ＶＤＤ）１４に接続されている。転送トランジスタ１１のドレインおよびリセットトランジスタ１３のソースは、浮動拡散領域（ＦＤ）１２を形成し、電荷電圧変換ノードとして機能する。浮動拡散領域１２は、ソースフォロワ増幅器の入力トランジスタ１５のゲートに接続される。入力トランジスタ１５のソースは、行選択トランジスタ１６のドレインに接続され、行選択トランジスタ１６のソースは、列バス１７に接続される。
【００１０】
能動ピクセルセンサセル１５の作動は、３ステップで行われる。リセットステップではセル１０が前の積分サイクルからリセットされる。画像積分ステップでは光エネルギーが収集され電気信号に変換される。そして信号読み出しステップで信号を読み出す。
【００１１】
図１を参照して、リセットステップの間、リセットトランジスタ１３のゲート、そして転送トランジスタ１１にはリセット電圧（例えば３．３ボルト）で短時間パルスが供給される。リセット電圧はリセットトランジスタ１３と転送トランジスタ１１をオンにし、ホトダイオード１０および浮動拡散領域１２の電圧を初期リセット電圧まで引き上げる。
【００１２】
さて、積分段階に入ることが可能になる。積分の間、光のエネルギーは光子としてホトダイオード１０に衝突し、多数の電子・ホール対を生成する。ホトダイオード１０は、新たに生成された多数の電子・ホール対間の再結合を制限するように設計されている。その結果、光により生成されたホールは、ホトダイオード１０の接地端子に引かれ、一方光により生成された電子は、ホトダイオード１０の正極端子に引かれる。正極端子に付与される各電子は、それぞれホトダイオード１０の電圧を減少させる。こうして積分ステップ終了時には、ホトダイオード１０の電位は、最終積分電圧まで減少することになり、その減少量は、受け取った光エネルギーの強度を表す。
【００１３】
画像積分期間に続いて、読み出し期間が始まる。第１行選択トランジスタ１６が、選択電圧（例えば３．３ボルト）を行選択トランジスタ１６のゲートに印加されて、オンになる。次にリセットトランジスタ１３のゲートに、リセット電圧（例えば３．３ボルト）を短時間パルスとして印加する。リセット電圧はリセットトランジスタ１３をオンにし、浮動拡散部１２の電圧を最初のリセット電圧まで引き上げる。リセット電圧は、典型的には、ＶＤＤからリセットトランジスタ閾値電圧を差し引いた値より低いか等しい値である。この時点で、浮動拡散部の空乏領域は最大レベルに達し、その結果、浮動拡散部の静電容量は最小レベルとなる。ソースフォロワトランジスタ１５のゲートにかかる浮動拡散部リセット電圧は、リセット電圧レベルとして読み出される。次に、転送トランジスタ１１のゲートにパルスを印加することによって、積分された光電子が光検出器（光電変換器すなわちホトダイオード１０）から浮動拡散部１２に転送される。このため浮動拡散部１２の電圧が減少する。そして、ソースフォロワトランジスタ１５のゲートの浮動拡散信号電圧は、信号電圧レベルとして読み出される。それから、信号とリセットレベルは引き算され、セル５によって集められた全電荷を表す電圧を与える。
【００１４】
光電子の最大数すなわち最大信号レベルは、通常、浮動拡散電圧レベルを浮動拡散部のリセット電圧全体分、または大きな割合で減少させる。その結果、浮動拡散部空乏領域幅は、リセット後の最初の空乏領域幅に比べて大幅に変化する。これが可変浮動拡散部静電容量を生じ、浮動拡散部に転送される光電子数の関数となる。転送される電子数が増加すると、浮動拡散空乏領域の幅が減少し、浮動拡散静電容量は増大する。このため、連続的非線形伝達関数が発生する。
【００１５】
電圧依存静電容量によって発生する線形性の問題は、図３に示される。図３の垂直軸は浮動拡散領域１２の電圧を表し、水平軸は光のレベルすなわち積分時間を表す。収集される光電子数対光レベルすなわち積分時間は線形関係にある。しかし浮動拡散静電容量は収集電子数の関数として増大するので、浮動拡散領域から列バス１７に供給される出力信号対光レベルすなわち積分時間は線形関係ではない。
【００１６】
この関係は図３の実線Ａに見ることができる。より詳細には、線Ａは連続する非線形な伝達関数を表す。この曲線は２次微分係数が連続して負の値となっている。線形伝達関数から一定率の変位まで許容することとして、曲線Ａで使用可能な信号範囲３３は、電圧レベルＶ_sat’までである。これは全体の信号の振れＶ_satよりもずっと小さくなる可能性がある。応答曲線の第２部分３０に沿って受け取った光のエネルギー量（例えば光子）は計算できるが、このような計算では、その結果得られる画像の雑音が大きくなるおそれがある。それで、良質な画像を用いる応用では、ＡＰＳピクセルの出力は、最初の部分３３に沿う電圧部しか使われず、Ｖ_sat’以上の電圧は普通使われない。
【００１７】
この問題は図２に示されるＡＰＳピクセルに対してはもっと厳しい。この場合にもホトダイオードは電荷電圧変換ノードとして機能する。そしてダイオード静電容量は、ソースフォロワ入力トランジスタのゲートの電気的ノードに関連する全静電容量のうち、前の場合よりずっと大きな部分を占める。この場合には、ピクセル応答伝達曲線の最初の部分３３は、図１に示されるＡＰＳピクセルの場合よりもずっと小さい。
【００１８】
この発明は、これらの問題を軽減するのに、電荷電圧変換ノードに関連する全静電容量に比べて、電圧に依存する静電容量の割合を減少させる。もっと細かく言えば、この発明では電圧依存静電容量の割合を減少するのに、電荷電圧変換ノードにもっと大きな電圧に依存しない静電容量を接続し、組み込む。
【００１９】
例えば、一つの実施例では（図４、図５に示される）、静電容量（Ｃ₁）５０を電荷電圧変換ノード１２に接続する。静電容量（Ｃ₁）５０は非常に低い電圧係数を持つように選び、前述の理由で線形性と電荷容量を提供する。より詳細には、付加的な電圧非依存静電容量を加えて、線形性および飽和電圧を増大させる。望ましい実施例では、コンデンサ５０はポリシリコン−ポリシリコンまたは他の対向電極コンデンサから成る。このようなコンデンサは非常に低い電圧係数を示し、センシングノード１２に電圧に依存しない静電容量を供給する。
【００２０】
図３の点線Ｂは、ピクセル応答伝達関数を図示するが、これは浮動拡散部に並列に電圧非依存の静電容量を付け加えて、達成されたものである。線形性の定義レベルからずれない伝達関数の最初の部分（３２の部分）は、先行技術に比べ増加している。Ｖ_satの値は減少したが、光検出器からの定まった数の最大電子数は、より大きな静電容量で電圧に変換されるので、使用可能な線形部信号レベルＶ_sat’および線形信号伝達関数３２は増大でき、一方第２の非線形部３１は減少している。
【００２１】
更にこの発明による構造では、センシングノードの全体としての電荷容量は増加しており、大きなピクセルや大きな光検出器が要求される場合には有用である。
【００２２】
こうして上述の議論のように、この発明による構成によってＡＰＳの線形信号応答性（例えば３２の部分）は劇的に向上したが、これはセルの全体としての電圧依存静電容量が、電圧非依存の静電容量素子を加えることで、減少したからである。
【００２３】
それに加えて、通常の当業者には知られるように、素子を組み合わせて用いることは、電圧非依存静電容量をＡＰＳに加えるのに使用できる。例えば多数の静電容量５０を静電容量が必要なレベルまで到達するのに使用できよう。
【００２４】
他の実施形態では、この発明は共通ソース増幅器４０をソースフォロワー１５（例えば図６，図７を参照）としてよりも、読み取り装置として利用する。共通ソース増幅器４０の負荷は、列バス１７に沿う機器４１として示される。
【００２５】
共通ソース増幅器の入力静電容量は、ソースフォロワ増幅器の場合よりも大きくできるが、これは共通ソース増幅器の電圧利得を１よりも大きく設計すればよい。共通ソース増幅器４０の入力静電容量は、ソースフォロワ増幅器の入力静電容量よりも大きい方が良く、センスノード接合静電容量がセンスノード全体の静電容量と比べて小さくなって、線形性を改善する。そして全静電容量が大きくなって、センスノードに対しより大きな電荷容量をもたらす。
【００２６】
ここで開示する分野の当業者には知られるように、共通ソース増幅器４０の入力静電容量は、共通ソース増幅器の電圧利得の設計でより大きくできる（選択できる）。それは、電圧利得がピクセル入力トランジスタのゲートドレイン間静電容量とゲートチャネル静電容量に対して、希望するミラー効果を提供するような設計をすることである。
【００２７】
それに加えて、共通ソース増幅器４０と一つ以上のコンデンサ５０を組み合わせると、センスノードの電圧に依存する静電容量の割合を減少し、それに対応して上述の線形信号応答性を向上することを実現するのに使用できよう。
【００２８】
更に、コンデンサＣ₁は接地ではなく、ＶＤＤのようなノードに対する静電容量を含んでいても良い。
【００２９】
このようにこの発明は、光のレベルに対してより大きい線形信号応答性（例えば３２部分）をつくり出し、より高い電圧飽和レベルＶ_sat2を有しているが、それはセルの電圧依存静電容量が、電圧非依存の静電容量素子（４０，５０）を付加することで、減少したためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】能動ピクセルセンサピクセルを示す概略図である。
【図２】第２の能動ピクセルセンサピクセルを示す概略図である。
【図３】図１および図２に示される能動ピクセルセンサピクセルを用いた、出力電圧の線形性を示すグラフである。
【図４】電圧非依存静電容量を利用する能動ピクセルセンサを示す概略図である。
【図５】電圧非依存静電容量を利用する能動ピクセルセンサを示す概略図である。
【図６】共通ソース増幅器を利用する能動ピクセルセンサピクセルを示す概略図である。
【図７】共通ソース増幅器を利用する能動ピクセルセンサピクセルを示す概略図である。
【符号の説明】
５ＣＭＯＳ能動ピクセルセンサセル、１０ホトダイオード、１１転送トランジスタ、１２浮動拡散領域、１３リセットトランジスタ、１４電圧源、１５入力トランジスタ、１６行選択トランジスタ、１７列バス、４０共通ソース増幅器、５０コンデンサ。

Claims

複数のピクセルから構成される能動ピクセル画像センサであって、
少なくとも一つの前記ピクセルは、
光検出器と、
転送ゲートを有する転送トランジスタと、
リセットゲートを有するリセットトランジスタと、
転送トランジスタのソースは前記光検出器に接続され、転送トランジスタのドレインはリセットトランジスタのソースに接続され、浮動拡散領域は入力トランジスタのゲートに接続され、転送トランジスタのドレイン及びリセットトランジスタのソースによって形成される前記浮動拡散領域と、
前記浮動拡散領域と並列であり、また低い電圧係数を持つように設計されたコンデンサと、
を備えることを特徴とする能動ピクセル画像センサ。
複数のピクセルから構成される能動ピクセル画像センサであって、
少なくとも一つの前記ピクセルは、
光検出器と、
ソースフォロワトランジスタと、
前記光検出器と並列であり、また低い電圧係数を持つように設計されたコンデンサと、を備え、
前記光検出器は、前記ソースフォロワトランジスタの入力に接続された電荷電圧変換領域としても機能すること、
を特徴とする能動ピクセル画像センサ。
請求項１に記載の能動ピクセル画像センサであって、
前記入力トランジスタは、共通ソース増幅器として機能するように構成されていること、を特徴とする能動ピクセル画像センサ。