JP5650337B2 - CMOS image sensor pixel and control sequence thereof - Google Patents

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Description

本願は、2011年4月15日に中国特許局に提出された、出願番号201110095448.2、発明の名称を「CMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造およびその制御シーケンス」とする中国特許出願の優先権を要求し、そのすべての内容は、引用によって本願に結合される。 The present application is the priority of the Chinese patent application filed with the Chinese Patent Office on April 15, 2011 with the application number 2011010095448.2 and the title of the invention "CMOS image sensor pixel readout circuit structure and its control sequence". The entire content of which is claimed and incorporated herein by reference.

本発明は、CMOSイメージセンサに関し、特にCMOSイメージセンサ画素およびその制御シーケンスに関する。 The present invention relates to a CMOS image sensor, and more particularly to a CMOS image sensor pixel and its control sequence.

現在、イメージセンサは、デジタルカメラ、携帯電話、医療機器、自動車およびその他の用途に広範に用いられている。特に、CMOS(相補型金属酸化膜半導体)イメージセンサの急速な発展により、低出力、小型、高解像度のイメージセンサに対する要求が高まっている。   Currently, image sensors are widely used in digital cameras, mobile phones, medical devices, automobiles and other applications. In particular, due to the rapid development of CMOS (complementary metal oxide semiconductor) image sensors, there is an increasing demand for low output, small size, high resolution image sensors.

従来技術におけるCMOSイメージセンサ画素構造の配置方式は、4T2Sを例とすると、画素自体の構造特性に依存し、そのアレイは、一般に、第1の層の金属、第2の層の金属および第3の層の金属を素子として相互接続する必要があり、隣接する行の画素間で複数の行の第1の層の金属または第2の層の金属を接続する必要があり、隣接する列の画素間で複数の列の第2の層の金属または第1の層の金属を接続する必要がある。   The arrangement of the CMOS image sensor pixel structure in the prior art depends on the structural characteristics of the pixel itself, taking 4T2S as an example, and the array generally consists of a first layer metal, a second layer metal, and a third layer metal. The metal in the first layer needs to be interconnected as an element, and the pixels in the first layer in the plurality of rows or the metal in the second layer need to be connected between the pixels in the adjacent rows. It is necessary to connect the second layer metal or the first layer metal in a plurality of rows between them.

上述した従来技術は、少なくとも次の欠点を含む。
小型画素センサの感光面積は小さく、感度は低く、暗い光の下での情報転送が充分に明晰でない。特に、第1の層の金属、第2の層の金属および第3の層の金属を用いて素子として相互接続した場合、フォトダイオードSi(ケイ素)表面上の媒体の高さが比較的高く、光線のフォトダイオードへの入射に影響を及ぼす。隣接する行および隣接する列の画素間の複数の金属線は、金属ウィンドウの開口率を低くする。
The prior art described above includes at least the following drawbacks.
Small pixel sensors have a small photosensitive area, low sensitivity, and information transfer under dark light is not clear enough. In particular, when the first layer metal, the second layer metal, and the third layer metal are interconnected as an element, the height of the medium on the surface of the photodiode Si (silicon) is relatively high, It affects the incidence of light on the photodiode. A plurality of metal lines between pixels in adjacent rows and adjacent columns lowers the aperture ratio of the metal window.

本発明の目的は、比較的大きな金属ウィンドウの開口率を有し、感度が高い小型CMOSイメージセンサ画素およびその制御シーケンスを提供することである。 An object of the present invention is to provide a small CMOS image sensor pixel having a relatively large metal window aperture ratio and high sensitivity, and a control sequence thereof.

本発明の目的は、次の技術手法により実現される。 The object of the present invention is realized by the following technical technique.

本発明のCMOSイメージセンサ画素は、フォトダイオードと、電荷転送トランジスタと、選択トランジスタ、ソースフォロアトランジスタと、リセットトランジスタと、アクティブ領域と含む。   The CMOS image sensor pixel of the present invention includes a photodiode, a charge transfer transistor, a selection transistor, a source follower transistor, a reset transistor, and an active region.

具体的には、4つの画素を2×2の画素アレイに配列して1セットの画素セルとする。第1の列および第2の列における2つの画素が、それぞれ列内で選択トランジスタ、ソースフォロアトランジスタ、リセットトランジスタおよびアクティブ領域を共有し、第1の列および第2の列は背中合わせで配列される。   Specifically, four pixels are arranged in a 2 × 2 pixel array to form a set of pixel cells. The two pixels in the first column and the second column each share a selection transistor, a source follower transistor, a reset transistor and an active region in the column, and the first column and the second column are arranged back to back. .

複数セットの画素セルを垂直および水平方向に二次元画素アレイになるように配列し、同行の画素は、第2の層の金属線により素子の接続を実現し、同列の画素は、第1の層の金属線により素子の接続を実現する。   A plurality of sets of pixel cells are arranged so as to form a two-dimensional pixel array in the vertical and horizontal directions, and pixels in the same row realize element connection by a metal wire of the second layer. The connection of the element is realized by the metal wire of the layer.

前記第1の列における2つの画素の素子の配置方式は次のとおりである。   The arrangement method of the elements of the two pixels in the first column is as follows.

選択トランジスタ(SX1)およびソースフォロアトランジスタ(SF1)は画素(11)のフォトダイオード(PD11)上方に位置し、リセットトランジスタ(RX1)は画素(11)のフォトダイオード(PD11)と画素(21)のフォトダイオード(PD21)との間に位置する。   The selection transistor (SX1) and the source follower transistor (SF1) are located above the photodiode (PD11) of the pixel (11), and the reset transistor (RX1) is the photodiode (PD11) of the pixel (11) and the pixel (21). It is located between the photodiode (PD21).

前記第2の列における2つの画素の素子の配置方式は次のとおりである。   The arrangement method of the elements of the two pixels in the second column is as follows.

選択トランジスタ(SX2)およびソースフォロアトランジスタ(SF2)は画素(22)のフォトダイオード(PD22)の下方に位置し、リセットトランジスタ(RX2)は画素(12)のフォトダイオード(PD12)と画素(22)のフォトダイオード(PD22)との間に位置する。   The selection transistor (SX2) and the source follower transistor (SF2) are located below the photodiode (PD22) of the pixel (22), and the reset transistor (RX2) is the photodiode (PD12) of the pixel (12) and the pixel (22). It is located between the photodiode (PD22).

前記第1の列における2つの画素の素子の配置方式において、選択トランジスタ(SX1)はソースフォロアトランジスタ(SF1)の左側に位置する。   In the arrangement method of the elements of the two pixels in the first column, the selection transistor (SX1) is located on the left side of the source follower transistor (SF1).

前記第2の列における2つの画素の素子の配置方式において、選択トランジスタ(SX2)はソースフォロアトランジスタ(SF2)の右側に位置する。   In the arrangement method of the elements of the two pixels in the second column, the selection transistor (SX2) is located on the right side of the source follower transistor (SF2).

前記第1の列における2つの画素の素子の配置方式において、アクティブ領域(FD1)は画素(11)のフォトダイオード(PD11)と画素(21)のフォトダイオード(PD21)との間、リセットトランジスタ(RX1)の右側に位置する。   In the arrangement method of the elements of the two pixels in the first column, the active region (FD1) is provided between the photodiode (PD11) of the pixel (11) and the photodiode (PD21) of the pixel (21), and a reset transistor ( It is located on the right side of RX1).

前記第2の列における2つの画素の素子の配置方式において、アクティブ領域(FD2)は画素(12)のフォトダイオード(PD12)と画素(22)のフォトダイオード(PD22)との間、リセットトランジスタ(RX2)の左側に位置する。   In the arrangement method of the elements of the two pixels in the second column, the active region (FD2) is provided between the photodiode (PD12) of the pixel (12) and the photodiode (PD22) of the pixel (22), and a reset transistor ( It is located on the left side of RX2).

前記第1の列における2つの画素の素子の配置方式において、アクティブ領域(FD1)はソースフォロアトランジスタ(SF1)のゲートと第1の層の金属線で接続する。   In the arrangement method of the elements of the two pixels in the first column, the active region (FD1) is connected to the gate of the source follower transistor (SF1) by the metal line of the first layer.

前記第2の列における2つの画素の素子の配置方式において、アクティブ領域(FD2)はソースフォロアトランジスタ(SF2)のゲートと第1の層の金属線で接続する。   In the arrangement method of the elements of the two pixels in the second column, the active region (FD2) is connected to the gate of the source follower transistor (SF2) by the metal line of the first layer.

前記CMOSイメージセンサ画素は、前記画素セル複数セットからなる画素アレイを含んでもよい。   The CMOS image sensor pixel may include a pixel array including a plurality of pixel cell sets.

本発明の上述したCMOSイメージセンサ画素の制御シーケンスは、CMOSイメージセンサ画素アレイ行デコーダシーケンスおよび列コントローラシーケンスを含む。   The above described CMOS image sensor pixel control sequence of the present invention includes a CMOS image sensor pixel array row decoder sequence and a column controller sequence.

前記第1の層の金属線は、信号出力線ならびに列コントローラシーケンス制御線および電源制御線である。   The metal lines of the first layer are signal output lines, column controller sequence control lines, and power supply control lines.

前記第2の層の金属線は、行デコーダシーケンス出力制御線である。   The second layer metal line is a row decoder sequence output control line.

上述した内容から分かるように、本発明におけるCMOSイメージセンサ画素は、4T2S(4つのトランジスタ,2つの画素が選択トランジスタ、ソースフォロアトランジスタおよびリセットトランジスタを共有する)構造を採用する。4つの画素を2×2画素アレイに配列して1セットとする。第1の列および第2の列における2つの画素が、それぞれ列内で選択トランジスタ、ソースフォロアトランジスタおよびリセットトランジスタを共有し、第1の列および第2の列は背中合わせで配列される。   As can be seen from the above description, the CMOS image sensor pixel according to the present invention employs a 4T2S structure (four transistors, two pixels share a selection transistor, a source follower transistor, and a reset transistor). Four pixels are arranged in a 2 × 2 pixel array to form one set. Two pixels in the first column and the second column share a selection transistor, a source follower transistor, and a reset transistor, respectively, in the column, and the first column and the second column are arranged back to back.

本発明のCMOSイメージセンサ画素アレイは、第1の層の金属および第2の層の金属のみを素子の相互接続として用いる。第3の層の金属を素子の相互接続として用いず、フォトダイオードSi(ケイ素)表面上の媒体の高さを下げ、さらに多くの光をフォトダイオードに入射させることができる。本発明のCMOSイメージセンサ画素構造および各トランジスタの配置方式によって、隣接する行画素間に2行の第2の層の金属線のみを配置し、隣接する列画素間に2列の第1の層の金属線のみを配置して、機能を実現することができる。この金属線構造は、金属ウィンドウ開口率を有効に高める。   The CMOS image sensor pixel array of the present invention uses only the metal of the first layer and the metal of the second layer as element interconnections. The third layer metal is not used as an element interconnect, and the height of the medium on the surface of the photodiode Si (silicon) can be lowered and more light can be incident on the photodiode. According to the CMOS image sensor pixel structure and the arrangement method of each transistor of the present invention, only two rows of second-layer metal lines are arranged between adjacent row pixels, and two columns of first layers are arranged between adjacent column pixels. The function can be realized by arranging only the metal wires. This metal wire structure effectively increases the metal window aperture ratio.

また、本発明の画素構造に基づき、CMOSイメージセンサ画素アレイ行デコーダシーケンスおよび列コントローラシーケンスの2種類の制御シーケンスを用いることができる。   Also, based on the pixel structure of the present invention, two types of control sequences can be used: a CMOS image sensor pixel array row decoder sequence and a column controller sequence.

本発明のCMOSイメージセンサ画素構造は、小面積画素センサの光利用効率を高めることにより、感度を向上させることができるため、小面積画素イメージセンサの画質を有効に高めることができる。   Since the CMOS image sensor pixel structure of the present invention can improve the sensitivity by increasing the light utilization efficiency of the small area pixel sensor, the image quality of the small area pixel image sensor can be effectively increased.

本発明で提供するCMOSイメージセンサ画素の具体的な実施例における4つの画素からなる4T2Sの背中合わせの構造レイアウト概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a back-to-back structure layout of 4T2S composed of four pixels in a specific example of a CMOS image sensor pixel provided by the present invention. 本発明で提供するCMOSイメージセンサ画素の具体的な実施例における4つの画素からなる4T2Sの背中合わせの構造回路概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a back-to-back structure circuit of 4T2S composed of four pixels in a specific example of a CMOS image sensor pixel provided by the present invention. 本発明で提供するCMOSイメージセンサ画素の具体的な実施例における6×4画素アレイレイアウト概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram of a 6 × 4 pixel array layout in a specific example of a CMOS image sensor pixel provided by the present invention. 本発明で提供するCMOSイメージセンサ画素の具体的な実施例における6×4画素アレイ回路概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of a 6 × 4 pixel array circuit in a specific example of a CMOS image sensor pixel provided by the present invention. 本発明で提供するCMOSイメージセンサ画素の具体的な実施例における行デコーダおよび列コントローラ付の画素アレイ概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a pixel array with a row decoder and a column controller in a specific embodiment of a CMOS image sensor pixel provided by the present invention. 本発明で提供するCMOSイメージセンサ画素の具体的な実施例における画素アレイの行デコーダシーケンスおよび列コントローラシーケンス概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a row decoder sequence and a column controller sequence of a pixel array in a specific embodiment of a CMOS image sensor pixel provided by the present invention.

本発明に記載のCMOSイメージセンサ画素およびその制御シーケンスの好ましい具体的な実施形態は、図1〜図6に示すとおりである。   A preferred specific embodiment of the CMOS image sensor pixel and its control sequence according to the present invention is as shown in FIGS.

フォトダイオードと、電荷転送トランジスタと、選択トランジスタと、ソースフォロアトランジスタと、リセットトランジスタと、アクティブ領域と、第1の層の金属線と、第2の層の金属線とを含む。画素アレイ列1に位置する画素11および画素21は、選択トランジスタSX1、ソースフォロアトランジスタSF1、リセットトランジスタRX1およびアクティブ領域FD1を共用する。画素アレイ列2に位置する画素12および画素22は、選択トランジスタSX2、ソースフォロアトランジスタSF2、リセットトランジスタRX2およびアクティブ領域FD2を共用する。選択トランジスタSX1およびソースフォロアトランジスタSF1は、画素11のフォトダイオードPD11上方に位置し、リセットトランジスタRX1は、画素11のフォトダイオードPD11と画素21のフォトダイオードPD21との間に位置する。選択トランジスタSX2およびソースフォロアトランジスタSF2は、画素22のフォトダイオードPD22下方に位置し、リセットトランジスタRX2は、画素12のフォトダイオードPD11と画素22のフォトダイオードPD11との間に位置する。画素11および画素21は、画素12および画素22と水平方向で背中合わせの構造を形成する。   A photodiode, a charge transfer transistor, a selection transistor, a source follower transistor, a reset transistor, an active region, a first-layer metal line, and a second-layer metal line are included. The pixels 11 and 21 located in the pixel array column 1 share the selection transistor SX1, the source follower transistor SF1, the reset transistor RX1, and the active region FD1. The pixel 12 and the pixel 22 located in the pixel array column 2 share the selection transistor SX2, the source follower transistor SF2, the reset transistor RX2, and the active region FD2. The selection transistor SX1 and the source follower transistor SF1 are located above the photodiode PD11 of the pixel 11, and the reset transistor RX1 is located between the photodiode PD11 of the pixel 11 and the photodiode PD21 of the pixel 21. The selection transistor SX2 and the source follower transistor SF2 are located below the photodiode PD22 of the pixel 22, and the reset transistor RX2 is located between the photodiode PD11 of the pixel 12 and the photodiode PD11 of the pixel 22. The pixel 11 and the pixel 21 form a back-to-back structure in the horizontal direction with the pixel 12 and the pixel 22.

前記選択トランジスタSX1は、ソースフォロアトランジスタSF1の左側に位置する。前記選択トランジスタSX2は、ソースフォロアトランジスタSF2の右側に位置する。   The selection transistor SX1 is located on the left side of the source follower transistor SF1. The selection transistor SX2 is located on the right side of the source follower transistor SF2.

前記アクティブ領域FD1は、画素11のフォトダイオードPD11と画素21のフォトダイオードPD21との間、リセットトランジスタRX1の右側に位置する。前記アクティブ領域FD2は、画素12のフォトダイオードPD12と画素22のフォトダイオードPD22との間、リセットトランジスタRX2の左側に位置する。   The active region FD1 is located between the photodiode PD11 of the pixel 11 and the photodiode PD21 of the pixel 21 on the right side of the reset transistor RX1. The active region FD2 is located between the photodiode PD12 of the pixel 12 and the photodiode PD22 of the pixel 22 on the left side of the reset transistor RX2.

前記アクティブ領域FD1は、ソースフォロアトランジスタSF1のゲートと、第1の層の金属線で接続される。前記アクティブ領域FD2は、ソースフォロアトランジスタSF2のゲートと、第1の層の金属線で接続される。   The active region FD1 is connected to the gate of the source follower transistor SF1 by a metal line of the first layer. The active region FD2 is connected to the gate of the source follower transistor SF2 by a metal line of the first layer.

前記電源の第1の層の金属線Vddは、SF1およびSF2のドレインに接続される。   The metal line Vdd of the first layer of the power supply is connected to the drains of SF1 and SF2.

前記第1の層の金属線SC1は、選択トランジスタSX1のソース、リセットトランジスタRX1のゲートおよびソースに接続される。前記第1の層の金属線SC2は、選択トランジスタSX2のソース、ならびにリセットトランジスタRX2のゲートおよびソースに接続される。前記第1の層の金属線SC1および第1の層の金属線SC2は、信号出力線および列コントローラシーケンス制御線である。   The metal line SC1 of the first layer is connected to the source of the selection transistor SX1, and the gate and source of the reset transistor RX1. The first-layer metal line SC2 is connected to the source of the select transistor SX2 and the gate and source of the reset transistor RX2. The first-layer metal line SC1 and the first-layer metal line SC2 are a signal output line and a column controller sequence control line.

前記第2の層の金属線SXは、選択トランジスタSX1および選択トランジスタSX2のゲートに接続される。   The second-layer metal line SX is connected to the gates of the selection transistor SX1 and the selection transistor SX2.

前記第2の層の金属線TX1は、電荷転送トランジスタTX11および電荷転送トランジスタTX12のゲートに接続される。前記第2の層の金属線TX2は、電荷転送トランジスタTX21および電荷転送トランジスタTX22のゲートに接続される。   The second-layer metal line TX1 is connected to the gates of the charge transfer transistor TX11 and the charge transfer transistor TX12. The second-layer metal line TX2 is connected to the gates of the charge transfer transistor TX21 and the charge transfer transistor TX22.

前記第2の層の金属線SX、第2の層の金属線TX1および第2の層の金属線TX2は、行デコーダシーケンス出力制御線である。   The second-layer metal line SX, the second-layer metal line TX1, and the second-layer metal line TX2 are row decoder sequence output control lines.

本発明は、従来のイメージセンサは、小面積の画素の感度が低いという課題を解決する。   The present invention solves the problem that a conventional image sensor has low sensitivity of a small area pixel.

<具体的な実施例1>
図1に示すように、CMOSイメージセンサ画素は4T2S構造を採用し、4つの画素を含み、画素11、画素12、画素21および画素22のフォトダイオードは、それぞれPD11、PD12、PD21、PD22である。TX11およびTX12は、それぞれ画素11および画素12の電荷転送トランジスタであり、TX21およびTX22は、それぞれ画素21および画素22の電荷転送トランジスタである。SX1、SF1およびRX1は、それぞれ画素11および画素21の選択トランジスタ、ソースフォロアトランジスタおよびリセットトランジスタである。SX2、SF2およびRX2は、それぞれ画素12および画素22の選択トランジスタ、ソースフォロアトランジスタおよびリセットトランジスタである。画素11および画素21は、トランジスタSX1、SF1、RX1およびアクティブ領域FD1(Floating Diffusion)を共有し、画素12および画素22は、トランジスタSX2、SF2、RX2およびアクティブ領域FD2を共有する。共有する画素11および画素21ならびに共有する画素12および画素22は、水平方向に隣接する構造を形成する。
<Specific Example 1>
As shown in FIG. 1, the CMOS image sensor pixel adopts a 4T2S structure, includes four pixels, and the photodiodes of the pixel 11, the pixel 12, the pixel 21, and the pixel 22 are PD11, PD12, PD21, and PD22, respectively. . TX11 and TX12 are charge transfer transistors of the pixel 11 and pixel 12, respectively, and TX21 and TX22 are charge transfer transistors of the pixel 21 and pixel 22, respectively. SX1, SF1, and RX1 are a selection transistor, a source follower transistor, and a reset transistor of the pixel 11 and the pixel 21, respectively. SX2, SF2, and RX2 are a selection transistor, a source follower transistor, and a reset transistor of the pixel 12 and the pixel 22, respectively. The pixel 11 and the pixel 21 share the transistors SX1, SF1, RX1, and the active region FD1 (Floating Diffusion), and the pixel 12 and the pixel 22 share the transistors SX2, SF2, RX2, and the active region FD2. The shared pixels 11 and 21 and the shared pixels 12 and 22 form a structure that is adjacent in the horizontal direction.

CMOSイメージセンサ画素で使用する金属の相互接続は、次のとおりである。アクティブ領域FD1は、SF1ゲートと、第1の層の金属線で接続される。アクティブ領域FD2は、SF2ゲートと、第1の層の金属線で接続される。電源の第1の層の金属線Vddは、SF1およびSF2のドレインに接続される。SC1線は第1の層の金属線であり、SX1のソースに接続され、RX1のゲートおよびソースに接続され、SC1の第1の層の金属線は信号出力線であり、列コントローラシーケンス制御線でもある。SC2線は第1の層の金属線であり、SX2のソースに接続され、RX2のゲートおよびソースに接続され、SC2第1の層の金属線は信号出力線であり、列コントローラシーケンス制御線でもある。SX線は第2の層の金属線であり、SX1およびSX2のゲートに接続される。TX1線は第2の層の金属線であり、TX11およびTX12のゲートに接続される。TX2線は第2の層の金属線であり、TX21およびTX22のゲートに接続される。SXの第2の層の金属線、TX1の第2の層の金属線およびTX2の第2の層の金属線は、いずれも行デコーダシーケンス出力制御線である。   The metal interconnections used in CMOS image sensor pixels are as follows. The active region FD1 is connected to the SF1 gate by the first layer metal line. The active region FD2 is connected to the SF2 gate by the first layer metal line. The metal line Vdd of the first layer of the power supply is connected to the drains of SF1 and SF2. The SC1 line is a first layer metal line, connected to the source of SX1, connected to the gate and source of RX1, the first layer metal line of SC1 is a signal output line, and a column controller sequence control line But there is. SC2 line is the first layer metal line, connected to the source of SX2, connected to the gate and source of RX2, SC2 first layer metal line is the signal output line, also column controller sequence control line is there. The SX line is a second-layer metal line and is connected to the gates of SX1 and SX2. The TX1 line is a second layer metal line and is connected to the gates of TX11 and TX12. The TX2 line is a second-layer metal line and is connected to the gates of TX21 and TX22. The SX second layer metal line, the TX1 second layer metal line, and the TX2 second layer metal line are all row decoder sequence output control lines.

図2に示すように、上述したものは4つの画素からなるレイアウト構造の概略図であり、上述した4つの画素を1セットとし、複数セットの隣接する画素が垂直および水平方向に配列され、二次元画素アレイをなす。 As shown in FIG. 2, the above is a schematic diagram of a layout structure composed of four pixels. The above-mentioned four pixels are set as one set, and a plurality of sets of adjacent pixels are arranged in the vertical and horizontal directions. A dimensional pixel array is formed.

<具体的な実施例2>
図3に示すものは、6×4画素アレイレイアウト概略図である。図3に示す画素アレイレイアウト概略図が対応する回路概略図は、図4に示すとおりである。
<Specific Example 2>
FIG. 3 is a schematic diagram of a 6 × 4 pixel array layout. A circuit schematic diagram corresponding to the pixel array layout schematic diagram shown in FIG. 3 is as shown in FIG.

図3および図4に示す画素アレイにおいて、各画素のFD領域は、それぞれ対応するソースフォロアトランジスタゲートと、第1の層の金属線で接続され、電源Vdd線は、第1の層の金属線を用いる。SC1〜SC6線は、第1の層の金属線であり、信号出力線および列コントローラシーケンス制御線とする。第2の層の金属線SX1はSX11〜SX16のゲートに接続され、第2の層の金属線TX1はTX11〜TX16のゲートに接続され、第2の層の金属線TX2はTX21〜TX26のゲートに接続される。第2の層の金属線SX2はSX21〜SX26のゲートに接続され、第2の層の金属線TX3はTX31〜TX36のゲートに接続され、第2の層の金属線TX4はTX41〜TX46のゲートに接続される。この二次元画素アレイでは、2層の金属のみを用いて相互接続しており、隣接する行画素間には2行の第2の層の金属線しかなく、隣接する列画素間には2列の第1の層の金属線しかない。本発明は、2層の金属のみの使用および高金属ウィンドウ開口率により、小面積画素センサの感度を有効に高める。   In the pixel arrays shown in FIG. 3 and FIG. 4, the FD region of each pixel is connected to the corresponding source follower transistor gate and the first layer metal line, and the power supply Vdd line is the first layer metal line. Is used. SC1 to SC6 lines are first-layer metal lines, and are signal output lines and column controller sequence control lines. The second layer metal line SX1 is connected to the gates of SX11 to SX16, the second layer metal line TX1 is connected to the gates of TX11 to TX16, and the second layer metal line TX2 is the gate of TX21 to TX26. Connected to. The second layer metal line SX2 is connected to the gates of SX21 to SX26, the second layer metal line TX3 is connected to the gates of TX31 to TX36, and the second layer metal line TX4 is the gate of TX41 to TX46. Connected to. In this two-dimensional pixel array, interconnects are made using only two layers of metal, there are only two rows of second-layer metal lines between adjacent row pixels, and two columns between adjacent column pixels. There is only a metal wire of the first layer. The present invention effectively increases the sensitivity of small area pixel sensors by using only two layers of metal and a high metal window aperture ratio.

<具体的な実施例3>
CMOSイメージセンサ画素アレイ信号収集の詳細は、次のとおりである。
<Specific Example 3>
Details of the CMOS image sensor pixel array signal acquisition are as follows.

図5に示すものは、行デコーダおよび列コントローラ付の画素アレイ概略図である。行デコーダは、画素アレイの左側に置き(アレイの右側に置いてもよい)、列コントローラは、画素アレイの最上部に置き、信号読み出し素子は、画素アレイの底部に置く。デコーダ、コントローラおよび信号読み出し素子の位置は、本発明の唯一の方式ではなく、チップの具体的な設計レイアウトの状況により調整してもよい。図5に示す概略図には、アレイ画素の具体的な位置が詳細に明記されており、デコーダシーケンス出力制御線および列コントローラシーケンス制御線の具体的な番号も詳細に明記されている。mおよびnは、非負整数であり、それぞれ画素アレイの画素の行および列の位置を表す。例えば、画素(2m+1,2n+1)は、この画素の位置が第2m+1行、第2n+1列にあることを示す。金属線Vddは電源線であり、センサが正常に動作しているとき、Vddは電源電圧である。金属線SCは、信号出力線であり、列コントローラシーケンス制御線でもあり、金属線SXおよびTXは、行デコーダシーケンス出力制御線である。   FIG. 5 is a schematic diagram of a pixel array with a row decoder and a column controller. The row decoder is placed on the left side of the pixel array (may be placed on the right side of the array), the column controller is placed on the top of the pixel array, and the signal readout element is placed on the bottom of the pixel array. The positions of the decoder, the controller, and the signal reading element are not the only methods of the present invention, and may be adjusted according to the specific design layout of the chip. In the schematic shown in FIG. 5, specific positions of the array pixels are specified in detail, and specific numbers of decoder sequence output control lines and column controller sequence control lines are also specified in detail. m and n are non-negative integers and represent the row and column positions of the pixels of the pixel array, respectively. For example, the pixel (2m + 1, 2n + 1) indicates that the position of this pixel is in the (2m + 1) th row and the (2n + 1) th column. The metal line Vdd is a power supply line, and when the sensor is operating normally, Vdd is a power supply voltage. The metal line SC is a signal output line and a column controller sequence control line, and the metal lines SX and TX are row decoder sequence output control lines.

図6に示すものは、CMOSイメージセンサ画素アレイで採用する行デコーダ出力シーケンスおよび列コントローラシーケンス概略図である。本発明の画素アレイでは、N型トランジスタをすべて採用する。N型トランジスタのゲートが高レベルに置かれる、すなわち、このトランジスタのゲートの信号が高レベルに置かれるよう制御されると、トランジスタがオンになっていることを示す。N型トランジスタのゲートが低レベルに置かれる、すなわち、このトランジスタのゲートの信号が低レベルに置かれるように制御されると、トランジスタがオフになっていることを表す。N型トランジスタのオン時間の長短、すなわち、このトランジスタのゲートの信号が高レベルに置かれる時間の長短の制御は、センサの動作の具体的な状況によって決まる。画素アレイの底部の信号読み出し素子が信号を読み取るとき、SC線は、列コントローラシーケンス制御線から信号出力線に変換され、信号読み出し素子は、信号出力線を介して信号を読み取る。図6では、対角線を有する矩形は、信号読み出し素子が画素信号を読み取る操作を示し、画素信号が信号読み出し素子により読み取られた後、信号出力線が列コントローラシーケンス制御線に変換する。   FIG. 6 is a schematic diagram of a row decoder output sequence and a column controller sequence employed in the CMOS image sensor pixel array. The pixel array of the present invention employs all N-type transistors. When the gate of the N-type transistor is placed at a high level, that is, when the signal at the gate of this transistor is controlled to be placed at a high level, it indicates that the transistor is on. When the gate of an N-type transistor is placed at a low level, that is, when the signal at the gate of this transistor is controlled to be placed at a low level, it indicates that the transistor is turned off. The control of the length of the on-time of the N-type transistor, that is, the length of time for which the signal of the gate of this transistor is placed at a high level depends on the specific situation of the operation of the sensor. When the signal readout element at the bottom of the pixel array reads the signal, the SC line is converted from the column controller sequence control line to the signal output line, and the signal readout element reads the signal through the signal output line. In FIG. 6, a rectangle having a diagonal line indicates an operation in which the signal reading element reads the pixel signal. After the pixel signal is read by the signal reading element, the signal output line is converted into a column controller sequence control line.

本発明のCMOSイメージセンサ画素アレイが正常に動作するとき、行スクロール型露光方式を採用し、第2m+1行の画素が先に露光を開始し、次いで第2m+2行の画素が露光を開始し、さらに第2m+3行、第2m+4行となる。露光終了の順序は、露光開始の順序と同じである。各行の画素の信号読み取り順序も、行画素の露光開始の順序と同じである。センサが同一フレームの画素アレイ信号を収集するとき、各行の画素の露光時間は等しい。   When the CMOS image sensor pixel array of the present invention operates normally, a row scroll type exposure method is adopted, pixels in the 2m + 1 row start exposure first, then pixels in the 2m + 2 row start exposure, It becomes 2m + 3 line and 2m + 4 line. The order of completion of exposure is the same as the order of exposure start. The signal reading order of the pixels in each row is also the same as the exposure start order of the row pixels. When the sensor collects pixel array signals for the same frame, the exposure times for the pixels in each row are equal.

次に、1行の画素のシーケンス制御について詳細に説明する。行画素の露光時間は、TX信号の最初の高レベル立ち下がりエッジから、TX信号の次の高レベル立ち下がりエッジまでである。露光時間の開始前に、画素フォトダイオードのポテンシャルウェル中に置かれた電荷を除去する必要があり、すなわち、SX信号は低レベルにあり、TX信号およびSC信号が低レベルから高レベルに置かれ、電荷転送トランジスタおよびリセットトランジスタがオンになる。画素フォトダイオードのポテンシャルウェル中に置かれた電荷が除去された後、先ず電荷転送トランジスタがオフになり、次いで、リセットトランジスタがオフになり、すなわち、SX信号は低レベルにあり、TX信号およびSC信号が高レベルから順に低レベルに置かれ、このときに、画素フォトダイオードが露光を開始する。画素露光中に、TX信号は終始低レベルにある。露光時間の終了前に、画素のリセット信号を収集する必要があり、先ず、SX信号およびTX信号は低レベルにあり、SC信号が低レベルから高レベルに置かれ、画素の対応するFD領域を高レベルにリセットする。FD領域を高レベルにリセットした後、SC信号が高レベルから低レベルに置かれ、リセットトランジスタをオフにする。次いで、SC線が列コントローラ制御線から信号出力線に変換され、TX信号は低レベルを保ち、SX信号が低レベルから高レベルに置かれ、選択トランジスタをオンにし、信号出力線を介して、信号読み出し素子が、対応する行全体の各画素の信号を読み取り、保存して、信号1とする。信号1を読み取った後、SX信号は高レベルを保ち、信号読み出し素子が画素信号の読み取りを停止し、SC線が信号出力線から列コントローラ制御線に変換され、SC信号を低レベルに置く。SC信号は低レベルにあり、SX信号は高レベルにあり、TX信号が低レベルから高レベルに置かれ、電荷転送トランジスタをオンにし、フォトダイオードのポテンシャルウェル中の光電電荷が画素の対応するFD領域に移動する。   Next, sequence control of pixels in one row will be described in detail. The row pixel exposure time is from the first high level falling edge of the TX signal to the next high level falling edge of the TX signal. Prior to the start of the exposure time, the charge placed in the potential well of the pixel photodiode must be removed, i.e., the SX signal is at a low level and the TX and SC signals are placed from a low level to a high level. The charge transfer transistor and the reset transistor are turned on. After the charge placed in the potential well of the pixel photodiode is removed, the charge transfer transistor is first turned off and then the reset transistor is turned off, ie, the SX signal is at a low level, the TX signal and the SC The signal is placed at a low level in order from the high level, and at this time, the pixel photodiode starts exposure. During pixel exposure, the TX signal is always low. Before the end of the exposure time, it is necessary to collect the pixel reset signal, first the SX and TX signals are at a low level, the SC signal is placed from a low level to a high level, and the corresponding FD area of the pixel is Reset to high level. After resetting the FD region to a high level, the SC signal is placed from a high level to a low level, turning off the reset transistor. The SC line is then converted from the column controller control line to the signal output line, the TX signal is kept low, the SX signal is placed from low to high, the select transistor is turned on, via the signal output line, The signal reading element reads and stores the signal of each pixel in the entire corresponding row to obtain signal 1. After reading signal 1, the SX signal remains high, the signal readout element stops reading the pixel signal, the SC line is converted from the signal output line to the column controller control line, and the SC signal is placed low. The SC signal is at a low level, the SX signal is at a high level, the TX signal is placed from a low level to a high level, the charge transfer transistor is turned on, and the photoelectric charge in the potential well of the photodiode is changed to the corresponding FD of the pixel. Move to the area.

画素フォトダイオードのポテンシャルウェル中の光電電荷が画素の対応するFD領域に移動した後、電荷転送トランジスタをオンにし、すなわち、SCシーケンスが低レベルにあり、SXシーケンスが高レベルにあり、TXシーケンスが高レベルから低レベルに置かれ、露光時間が終了する。次いで、SC線が列コントローラ制御線から信号出力線に変換され、信号出力線を介して、信号読み出し素子により、対応する行全体の各画素の信号を読み取り、信号2とする。信号2を読み取った後、信号読み出し素子が画素信号の読み取りを停止し、SXシーケンスが高レベルから低レベルに置かれ、SC線が信号出力線から列コントローラ制御線に変換される。   After the photoelectric charge in the potential well of the pixel photodiode has moved to the corresponding FD region of the pixel, the charge transfer transistor is turned on, that is, the SC sequence is low, the SX sequence is high, and the TX sequence is From the high level to the low level, the exposure time ends. Next, the SC line is converted from the column controller control line to the signal output line, and the signal of each pixel in the corresponding row is read by the signal reading element via the signal output line to obtain the signal 2. After reading signal 2, the signal readout element stops reading the pixel signal, the SX sequence is placed from high level to low level, and the SC line is converted from the signal output line to the column controller control line.

本発明のCMOSイメージセンサ画素アレイで採用するシーケンス制御方式は、唯一の方式ではない。例えば、信号読み出し素子は、信号出力線を介して、同じフレームの同じ画素の信号1および信号2を順に読み取る際に、信号1を読み取った後、先ずSXシーケンスを高レベルから低レベルに置き、選択トランジスタをオフにし、信号2を読み取る前に、さらにSXシーケンスを低レベルから高レベルに置いて選択トランジスタをオンにした後に、信号読み出し素子により信号2を読み取ってもよい。センサ画素により収集された光電信号は、信号読み出し素子によって読み取られて記録され、実際の光電信号は、信号1と信号2の差の信号である。   The sequence control method employed in the CMOS image sensor pixel array of the present invention is not the only method. For example, when the signal readout element sequentially reads the signal 1 and the signal 2 of the same pixel of the same frame via the signal output line, after reading the signal 1, the SX sequence is first placed from the high level to the low level, Before the selection transistor is turned off and the signal 2 is read, the signal 2 may be read by the signal read element after the SX sequence is further changed from low level to high level to turn on the selection transistor. The photoelectric signal collected by the sensor pixel is read and recorded by the signal reading element, and the actual photoelectric signal is a difference signal between the signal 1 and the signal 2.

上述したものは、本発明の好ましい具体的な実施形態でしかなく、本発明の保護範囲はこれに限られるものではない。当業者が本発明で開示された技術範囲内で容易に想到可能な変更または置換は、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるものとする。そのため、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲の保護範囲を基準とすべきである。   The above is only a preferred specific embodiment of the present invention, and the protection scope of the present invention is not limited to this. Any change or replacement readily conceivable by those skilled in the art within the technical scope disclosed in the present invention shall fall within the protection scope of the present invention. Therefore, the protection scope of the present invention should be based on the protection scope of the claims.

Claims (9)

フォトダイオードと、電荷転送トランジスタと、選択トランジスタと、ソースフォロアトランジスタと、リセットトランジスタと、アクティブ領域とを含むCMOSイメージセンサ画素であって、
4つの画素を2×2画素アレイに配列して1セットの画素セルとし、
第1の列および第2の列における2つの画素が、それぞれ列内で選択トランジスタ、ソースフォロアトランジスタ、リセットトランジスタおよびアクティブ領域を共有し、
第1の列および第2の列は隣接するように配列され、
複数セットの画素セルを垂直および水平方向に二次元画素アレイになるように配列し、
同行の画素は、第2の層の金属線により素子の接続を実現して、前記1セットの画素セルでは、2本の第2の層の金属線により素子の接続を実現すると共に、
同列の画素は、第1の層の金属線により素子の接続を実現し、
前記第1の列における2つの画素の素子の配置方式は、
選択トランジスタ(SX1)およびソースフォロアトランジスタ(SF1)が画素(11)のフォトダイオード(PD11)上方に位置し、リセットトランジスタ(RX1)が画素(11)のフォトダイオード(PD11)と画素(21)のフォトダイオード(PD21)との間に位置し、
前記第2の列における2つの画素の素子の配置方式は、
選択トランジスタ(SX2)およびソースフォロアトランジスタ(SF2)が画素(22)のフォトダイオード(PD22)の下方に位置し、リセットトランジスタ(RX2)が画素(12)のフォトダイオード(PD12)と画素(22)のフォトダイオード(PD22)との間に位置することを特徴とするCMOSイメージセンサ画素。
A CMOS image sensor pixel including a photodiode, a charge transfer transistor, a selection transistor, a source follower transistor, a reset transistor, and an active region,
Four pixels are arranged in a 2 × 2 pixel array to form a set of pixel cells,
Two pixels in the first column and the second column each share a selection transistor, a source follower transistor, a reset transistor and an active region in the column;
The first column and the second column are arranged adjacent to each other ;
Arranging a plurality of sets of pixel cells to form a two-dimensional pixel array vertically and horizontally,
The pixels in the same row realize element connection by the second layer metal line , and in the one set of pixel cells, the element connection is realized by two second layer metal lines,
The pixels in the same column realize the connection of the elements by the metal wire of the first layer ,
The arrangement method of the elements of the two pixels in the first column is:
The selection transistor (SX1) and the source follower transistor (SF1) are located above the photodiode (PD11) of the pixel (11), and the reset transistor (RX1) is the photodiode (PD11) of the pixel (11) and the pixel (21). Located between the photodiode (PD21)
The arrangement of the elements of the two pixels in the second column is as follows:
The selection transistor (SX2) and the source follower transistor (SF2) are positioned below the photodiode (PD22) of the pixel (22), and the reset transistor (RX2) is the photodiode (PD12) of the pixel (12) and the pixel (22). A CMOS image sensor pixel, which is located between the photodiode (PD22) and the photodiode .
前記第1の列における2つの画素の素子の配置方式において、選択トランジスタ(SX1)はソースフォロアトランジスタ(SF1)の左側に位置し、
前記第2の列における2つの画素の素子の配置方式において、選択トランジスタ(SX2)はソースフォロアトランジスタ(SF2)の右側に位置することを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサ画素。
In the arrangement method of the elements of the two pixels in the first column, the selection transistor (SX1) is located on the left side of the source follower transistor (SF1),
2. The CMOS image sensor pixel according to claim 1 , wherein in the arrangement of the elements of the two pixels in the second column, the selection transistor (SX2) is located on the right side of the source follower transistor (SF2).
前記第1の列における2つの画素の素子の配置方式において、アクティブ領域(FD1)は画素(11)のフォトダイオード(PD11)と画素(21)のフォトダイオード(PD21)との間であって、リセットトランジスタ(RX1)の右側に位置し、
前記第2の列における2つの画素の素子の配置方式において、アクティブ領域(FD2)は画素(12)のフォトダイオード(PD12)と画素(22)のフォトダイオード(PD22)との間であって、リセットトランジスタ(RX2)の左側に位置することを特徴とする請求項2に記載のCMOSイメージセンサ画素。
In the arrangement method of the elements of two pixels in the first column, the active region (FD1) is between the photodiode (PD11) of the pixel (11) and the photodiode (PD21) of the pixel (21), Located on the right side of the reset transistor (RX1)
In the arrangement of elements of two pixels in the second column, the active region (FD2) is between the photodiode (PD12) of the pixel (12) and the photodiode (PD22) of the pixel (22), The CMOS image sensor pixel according to claim 2 , wherein the pixel is located on the left side of the reset transistor (RX2).
前記第1の列における2つの画素の素子の配置方式において、アクティブ領域(FD1)はソースフォロアトランジスタ(SF1)のゲートと第1の層の金属線で接続し、
前記第2の列における2つの画素の素子の配置方式において、アクティブ領域(FD2)はソースフォロアトランジスタ(SF2)のゲートと第1の層の金属線で接続することを特徴とする請求項3に記載のCMOSイメージセンサ画素。
In the arrangement method of the elements of the two pixels in the first column, the active region (FD1) is connected to the gate of the source follower transistor (SF1) by the metal line of the first layer,
In the arrangement scheme of the elements of the two pixels in the second row, the active region (FD2) in claim 3, wherein the connecting a metal wire of the gate and the first layer of the source follower transistor (SF2) A CMOS image sensor pixel as described.
前記CMOSイメージセンサ画素は、前記画素セル複数セットからなる画素アレイを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のCMOSイメージセンサ画素。 The CMOS image sensor pixel according to claim 1 , wherein the CMOS image sensor pixel includes a pixel array including a plurality of sets of the pixel cells. 制御シーケンスは、CMOSイメージセンサ画素アレイの行デコーダシーケンスおよび列コントローラシーケンスを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のCMOSイメージセンサ画素の制御シーケンス。 The control sequence of the CMOS image sensor pixel according to claim 1 , wherein the control sequence includes a row decoder sequence and a column controller sequence of the CMOS image sensor pixel array. 前記第1の層の金属線は、信号出力線および列コントローラシーケンス制御線であり、
前記第2の層の金属線は、行デコーダシーケンス出力制御線であることを特徴とする請求項6に記載のCMOSイメージセンサ画素の制御シーケンス。
The first layer metal lines are signal output lines and column controller sequence control lines;
7. The control sequence of a CMOS image sensor pixel according to claim 6 , wherein the metal line of the second layer is a row decoder sequence output control line.
制御シーケンスは、CMOSイメージセンサ画素アレイ行デコーダシーケンスおよび列コントローラシーケンスを含むことを特徴とする請求項5に記載のCMOSイメージセンサ画素の制御シーケンス。 6. The control sequence of CMOS image sensor pixels according to claim 5 , wherein the control sequence includes a CMOS image sensor pixel array row decoder sequence and a column controller sequence. 前記第1の層の金属線は、信号出力線および列コントローラシーケンス制御線であり、
前記第2の層の金属線は、行デコーダシーケンス出力制御線であることを特徴とする請求項8に記載のCMOSイメージセンサ画素の制御シーケンス。
The first layer metal lines are signal output lines and column controller sequence control lines;
9. The control sequence of a CMOS image sensor pixel according to claim 8 , wherein the metal line of the second layer is a row decoder sequence output control line.
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