JPH10256521A - ピクセル機能を相互に共用するアクティブピクセル撮像センサおよびその製造方法 - Google Patents

ピクセル機能を相互に共用するアクティブピクセル撮像センサおよびその製造方法

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JPH10256521A
JPH10256521A JP10042197A JP4219798A JPH10256521A JP H10256521 A JPH10256521 A JP H10256521A JP 10042197 A JP10042197 A JP 10042197A JP 4219798 A JP4219798 A JP 4219798A JP H10256521 A JPH10256521 A JP H10256521A
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pixels
gate
image sensor
photodetector
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JP10042197A
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Robert Michael Guidash
マイケル グイダッシュ ロバート
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 充填ファクターを増大させたＡＰＳセンサ。 【解決手段】 複数のピクセルを有する撮像センサであ
って、第一伝導度型の半導体物質から製造され、少なく
とも二個の隣接するピクセル３０で構成された撮像セン
サである。各ピクセル３０は基板内に形成された光検出
器３１と電気機能とを備えるが、この電気機能は、隣接
ピクセルの間で共有され、隣接ピクセル内に集積された
ものである。電気機能に含まれるものとしては、トラン
スファーゲート３２、リセットゲート３６、横列選択ゲ
ート３９、アンプドレン、出力ノード、フローティング
拡散３４、リセットドレン、ラテラルオーバーフローゲ
ート、オーバーフロードレン、またはアンプがあり、電
気機能が多重ピクセル間に共有されるので、スペースの
節約となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にソリッドス
テート画像センサ、特にアクティブピクセルセンサ（Ａ
ＰＳ）と称される撮像デバイスに関し、内部に従来より
大きな充填ファクター（開口率）を有するＡＰＳセンサ
に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＡＰＳは、普通、光検出手段、リセット
手段、電荷転送手段、電荷／電圧変換手段、およびアン
プ部分すべてが、各ピクセルに備えられているソリッド
ステート撮像デバイスである。従来技術のＡＰＳデバイ
スの作動は、撮像デバイスの各ラインまたは横列を選択
し、縦行選択信号を用いて読み出す（メモリデバイスの
選択と読み出しに類似）ものであった。従来の技術のデ
バイスでは、所与の横列のピクセル内の各種のノード
（結節点）への結合または接点は、個々のピクセル基準
で行われる。これは、ピクセルが横列内の同一電気ノー
ドにあっても、そうである（図１参照）。これらの接点
部は各ピクセルに配置され、接点部は、金属層を重ね合
わせる必要があるので、ピクセル域の多くの部分を占領
してしまうのが通常であり、各ピクセルにこのような接
点部が含まれていると、ピクセルの充填ファクターが減
少する。接点の占める面積が、光検出器に用いることが
できる面積を占領してしまうからである。この結果、撮
像センサの感度や飽和信号が低下する。これは、写真ス
ピードやセンサのダイナミックレンジに悪影響を与え
る。センサのダイナミックレンジは、良好な画質を得る
に大切な性能指標である。更に、従来技術のＡＰＳピク
セルでは、ピクセル一個内にアンプ全部、アドレスおよ
びリセットトランジスタを内蔵し、これらの部品と光検
出器とを全く一個のピクセル領域内で相互に結合して作
動させたものである。この結果、レイアウトが非効率に
なり、製造されるピクセルは充填ファクターが小さいも
のだけである。
【０００３】高解像度で、小さなピクセルのＡＰＳデバ
イスを製造するためには、サブミリのＣＭＯＳプロセス
を用いて、ピクセル内の横列選択トランジスタやアンプ
の他の部品に割り当てられるピクセル面積を最小にする
必要がある。つまり、標準の電荷結合デバイス（ＣＣ
Ｄ）センサに比較して、これと同じ解像度と感度をＡＰ
Ｓで実現するには、より高度の技術と、よりコストのか
かるプロセスが必要である。しかし、ＡＰＳデバイス
は、ＣＣＤセンサに較べて、単一５Ｖ供給操作、低電力
消費、ｘ−ｙアドレス性、イメージウィンドウ化という
利点があり、さらに信号処理電子部品をチップに効果的
に集積できる能力も有する。
【０００４】典型的な従来技術ＡＰＳピクセル１０を図
１に示す。このピクセルは、光検出器（ＰＤＥＴ）１１
（フォトダイオードでもフォトゲートでもよい）、トラ
ンスファーゲート（ＴＧ）１２、フローティング拡散
（ＦＤ）１４、リセットゲート（ＲＧ）付リセットトラ
ンジスタ（１６）、横列選択ゲート（ＲＳＧ）付横列選
択トランジスタ４、および信号トランジスタ（ＳＩＧ）
５を備えている。ピクセルを読み出し、アドレス指定す
るに必要な電子部品はすべて単一ピクセル領域内に含ま
れ、単一のピクセル領域内だけで相互に結合され、作動
するようになっていることに留意のこと。ピクセル内の
多様な電気ノード各々に接点を設ける領域のうち、横列
に共通なものは、図１に示されるが、図２にも説明され
ている。これらは、トランスファーゲート接点（ＴＧ
Ｃ）１３、リセットゲート接点（ＲＧＣ）３７、および
横列選択ゲート接点（ＲＳＧＣ）３である。他に、縦行
に共通な接点範囲もある。これらも、図１と図２に示さ
れている。これらは、電力供給接点（ＶＤＤＣ）９とピ
クセル出力ノード接点（ＯＵＴＣ）８である。各ピクセ
ルには、接点の幾つかは横列または縦行に共通であるに
しても、別々の離れた接点部が存在することに留意のこ
と。明らかなことは、これら接点部が占める面積がピク
セル面積の相当な部分であり、光検出器に利用できる面
積を制限してしまっているので、ピクセルの充填ファク
ターや感度が低下してしまっていることである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以上の議論から明らか
なことは、充填ファクターを増大させたＡＰＳセンサに
対する技術の必要性が存在するということである。本発
明では、他の問題を含めてこの問題に対処する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の問題に
対処するものである。要約すれば、本発明の態様の一つ
は、複数のピクセルを有する撮像センサであって、第一
伝導度型の半導体物質と、基板内に形成された光検出器
を有するピクセルを少なくとも二個隣接して備え、各ピ
クセルが、隣接するピクセルと共用する電気機能を少な
くとも一つ有する撮像センサである。
【０００７】本発明が提供するピクセルレイアウトの革
新によって、高充填ファクターを有するピクセルが製造
される。ＣＣＤの感度とＡＰＳデバイスの利点とを兼ね
備えた撮像センサを製造するアプローチの一つは、充填
ファクターを改良して、これに対応するＡＰＳデバイス
感度を増加させることである。これは、本発明では幾つ
かの方法で行われる。第一は、各ピクセルに別々の信号
ライン接点部を備えさせる必要性をなくすことである。
第二は、ピクセル間で電気部品を共用することである。
最後には、充填ファクターを増大できる方法として、ピ
クセルの境界を超えて電子部品を相互結合して作動さ
せ、配線を完結するのにアレイを用いて行うことであ
る。これらは全て、ＡＰＳデバイスの特定ピクセルを選
択的にアドレス指定する能力を維持しながら行われる。
【０００８】本発明は、これら接点部に必要なピクセル
一個当たりの面積を減少させる手段を提供する。概念的
には次のように説明することができる。各ピクセルの設
計を行うに当たって、横列関連のノードの接点部をピク
セルの左と右の端に沿ってかこれに近く配置し、縦行関
連のノードの接点部をピクセルの上部と底部の端に沿っ
てかこれに近く配置し（図３参照）、両隣のピクセルが
これらの接点部を共用できるようにし、各ピクセルに別
々の接点部を備えさせる必要性をなくさせる。本発明の
好ましい態様では、接点部は、従来技術デバイスでは各
ピクセル毎に必要とされるのと比較して、ピクセル二個
に一つしか必要としない。従って、本発明によって、ピ
クセル一個当たり必要とされる面積は減少し、従ってピ
クセルの充填ファクターが増大する。
【０００９】更に、隣合ったピクセルのＶＤＤドレン部
をラテラルオーバーフロードレンとして用いることもで
きる。これは、同じような「ピクセル共用」の概念であ
り、ＶＤＤドレン部がピクセル１個の信号トランジスタ
のドレンと隣接ピクセル（複数を含む）のオーバーフロ
ードレンとして働くものである。別々のラテラルオーバ
ーフロードレン部を各ピクセル毎に持たせる必要がない
ので、より多くの面積を光検出器に割り当てることがで
き、充填ファクターが増大する。
【００１０】充填ファクターの改良を実現する別の方法
は、一横列を一時に読み出す操作を行い、フローティン
グ拡散とアンプを、各ピクセル毎でなくピクセル二個毎
に設けることである。所定時には一横列だけが読み出さ
れるので、単一のフローティング拡散とアンプを、別個
の横列にある二個の隣接ピクセルに対して用いることが
できる。この場合もピクセル一個当たりの光検出器面積
を増大させることができるし、あるいは充填ファクター
を一定とすれば、小さなピクセルを製造することができ
る。
【００１１】最後に、ピクセル部品を相互結合して作動
させるに当たって、部品の配置をピクセル境界を超えて
横切るようにすると（単一のピクセル境界内に実質的に
完全な部品レイアウトとするのとは異なって）、レイア
ウト効率が上昇するので、ピクセルの充填ファクターを
改良することができる。
【００１２】本発明のこれらおよび他の態様、目的、特
徴、利点については、以下に記載の好ましい態様の詳細
や前記の特許請求の範囲を吟味し、添付図面を参照すれ
ば、より明快に理解、認識されよう。
【００１３】
【発明の利点】本発明は次の利点を有する。すなわち、
従来技術のＡＰＳデバイスの特徴および利点を維持しな
がら、一方では接点に要するピクセル面積を減少するこ
とができる。このことによって次の利点が生じる。すな
わち、同一のピクセルサイズに対しては充填ファクタ
ー、感度、および飽和信号が上昇し、同一の充填ファク
ターに対してはピクセルとデバイスのサイズが小さくな
ることである。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
するが、理解に便利にするために、共通な同じ部品を図
に示すには、可能な限り、同じ参照番号を用いる。
【００１５】新規なピクセル構造の物理的態様の一つが
図３に示される。他の具体的な物理的態様も実現するこ
とができる。この態様は説明のために選んだものであ
る。ピクセル３０は、光検出器３１を備え、光検出器３
１は入射光からの電荷を蓄積し、トランスファーゲート
３２の制御下に蓄積電荷をフローティング拡散３４へ転
送する。
【００１６】上記の説明に引用の回路エレメントに関連
する接点部は多様である。トランスファーゲート３２に
はトランスファーゲート接点３３があり、リセットゲー
ト３６にはリセットゲート接点３７があり、横列選択ゲ
ート３８には横列選択ゲート接点（ＲＳＧＣ）３９があ
る。これらの接点部は、横列共通接点部であり、ピクセ
ル３０の境界のほぼ左右側に沿って配置される。図３に
示される好ましい態様では、リセットゲート接点３７と
トランスファーゲート接点３３の半分がピクセルの左端
に配置される。横列選択ゲート接点３９に対する接点部
の半分は、ピクセルの右端に配置される。次に、縦行共
通接点部ＶＤＤＣ４０とＯＵＴＣ４１は、ピクセルのほ
ぼ底部端に沿って配置される。この構造を用いると、多
様なエレメントを、機能の面でも、これらのエレメント
を構成するのに用いられるピクセル面積の面でも、ピク
セル間で共用することが可能となる。
【００１７】さて、ピクセルのアレイは、次のようにし
て構成する。第一に、元のピクセルをＸ軸にミラー反転
して新しいピクセルを製造する。次に、新しいピクセル
を元のピクセルと突き合わせ接続するに当たり、接点部
の半分を互いに隣接する箇所に接合する。これは、図４
と図５に示される。図４ではＶＤＤＣ４８がピクセル２
個で共用される。ＯＵＴＣ４６はピクセルの端に沿って
配置されるから、別のピクセルと共用することが可能と
なる。図５ではＶＤＤＣ４９がピクセルの底部端に沿っ
て配置されるから、４個のピクセルと共用することが可
能となる。これが可能なのは、ＶＤＤＣ４９ノードがピ
クセル、横列、縦行全てに共通であるからである。ＯＵ
ＴＣ４７はピクセルの端に沿って配置されるから、別の
ピクセルと共用することが可能となる。次に、このピク
セル２個のグループをＹ軸にミラー反転して別のピクセ
ル二個のセットを製造する。次に、これらピクセル二個
のセットを突き合わせ接続するに当たり、ＶＤＤＣとＯ
ＵＴＣ接点部の半分を互いに隣接するようにする。これ
は、図６と図７に示され、それぞれ図４と図５とに対応
する。次いで、この４個セットのピクセルをアレイに組
んで、撮像センサに装着される所要の数のピクセルを製
造する。
【００１８】センサの読み出し中にブルーミング防止制
御を行うには、光検出器にオーバーフロードレンを設け
ることが必要である。ＣＭＯＳプロセスでの最も簡単な
アプローチは、ラテラルオーバーフロードレンを設け、
これと光検出器３１との間をゲート６５で離すことであ
る。ところが、各ピクセルにラテラルオーバーフロード
レン６６を備えるようなことがあれば、これは、ピクセ
ルの充填ファクターを更に低下させ、ピクセルの感度に
悪影響を与えることになる。この場合は図８に示され
る。しかし、ＶＤＤ部をピクセルのほぼ内側に配置すれ
ば、これは、両隣のピクセル（複数も含む）のラテラル
オーバーフロードレンとして用いることができる。この
例の一つが図９に示される。こうすれば、このラテラル
オーバーフロードレン６６は、別のピクセルに存在して
いるので、ピクセル充填ファクターは影響を受けない。
このアプローチを用いれば、読み出し中のブルーミング
制御はピクセル充填ファクターにインパクトを与えずに
行える。
【００１９】最後に、図１０にはピクセル８０の新規設
計が示されるが、これは、フローティング拡散８４、ア
ンプ８５、横列選択トランジスタ８６、および別個の横
列にある隣接ピクセルに付いているリセットゲート８７
を備えている。この場合連続している二縦行に対する横
列選択信号は実際は同じである。画像信号の分離は、各
ピクセルの別個のトランスファーゲート８１，８２を設
けることで行われる。作動は以下のように行われる。先
ず横列Ａが集積され、横列選択トランジスタ８５のゲー
トが開となる。次にフローティング拡散８２がリセット
ゲート８７にパルスを与えてリセットされる。このリセ
ット信号が横列Ａに対して読み出される。次にトランス
ファーゲート８１がパルスで開となり、光検出器Ａから
出る信号電荷がフローティング拡散８４へ転送される。
信号レベルが横列Ａに対して読み出される。次にフロー
ティング拡散８４が、再びリセットゲート８７にパルス
を与えることによって、リセットされる。次に横列Ｂに
対するリセット信号が読み出される。次にＴＧＢがパル
スで開となり、光検出器Ｂから出る信号電荷をフローテ
ィング拡散へ転送する。次に信号レベルが横列Ｂに対し
て読み出される。次いでこの手順をデバイスの残りの対
の横列について繰り返す。
【００２０】図１１は本発明の４個ピクセルの上面図で
あり、ピクセル境界を超えて配線または相互結合する概
念を示すものである。信号トランジスタに対する接点部
は、フローティング拡散の右側に配置され、ピクセル境
界９０の右側で終わる。別のピクセルが右側に突き合わ
せ接合される時、これは、フローティング拡散の信号ト
ランジスタへの結合を完成する。この接合は、ピクセル
の頂部および底部境界を用いてリセットゲートについて
も同様に行われる。この概念を用いると、配線や相互結
合の面積を最少にすることが可能となる。
【００２１】これらの実施形態には示してはいないけれ
ども、ピクセルを設計するに当たって、ピクセルがミラ
ー反転されても光検出器がピクセル内で同じ位置を占め
るようにすることが望ましい。そうすれば、撮像デバイ
スの振幅伝達関数（ＭＴＦ）はデバイスの何処でも一定
である。
【００２２】図面には示してはいないけれども、本発明
に詳細記載の各機能を各々に関連して用い、上記に議論
の利点を備える他のレイアウトや態様を作製することが
可能である。
【００２３】本発明は、好ましい態様を参照して説明さ
れたけれども、当業者には、本発明の範囲から逸脱する
ことなく、部分的改変や修正を行うことができることが
理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術ＡＰＳピクセルの上面図である。
【図２】 図１に示される従来技術ピクセル４個のアレ
イの概略図である。
【図３】 本発明によって明らかにされたピクセルの上
面図であり、接点部が減少していることを示す図であ
る。
【図４】 本発明の２個のピクセルの上面図であり、接
点部が共用されていることを示す図である。
【図５】 図４に示される本発明の上面図であり、ＶＤ
Ｄ接点が減少していることを示す図である。
【図６】 本発明の４個のピクセルの上面図であり、図
４の２個のピクセルのミラー複製であり、縦行に共通な
接点部が共用されていることを示す図である。
【図７】 本発明の４個のピクセルの上面図であり、図
５の２個のピクセルのミラー複製であり、縦行に共通な
接点部が共用されていることを示す図である。
【図８】 図４のピクセルで、ラテラルオーバーフロー
ゲートとドレンとが含まれている図である。
【図９】 図４に示されるピクセル２個の図であり、各
ピクセルに対するラテラルオーバーフローゲートおよび
ラテラルオーバーフロードレンとして用いられる隣接ピ
クセルのＶＤＤを示す図である。
【図１０】 フローティング拡散、リセットゲート、リ
セットドレンＶＤＤ、アンプ、横列選択ゲート、および
出力接点部をそれぞれ共有している２個のピクセルを示
す図である。
【図１１】 ４個のピクセルの上面図であり、電気部品
がピクセル境界を超えて相互結合されて作動するように
なっているのを示す図である。
【符号の説明】
３ 横列選択ゲート接点、４ 横列選択トランジスタ、
５ 信号トランジスタ、８ 出力ノード接点、９ 電力
供給接点（ＶＤＤＣ）、１０ 従来技術ピクセル、１１
光検出器、１２ トランスファーゲート、１３ トラ
ンスファーゲート接点、１４ フローティング拡散、１
６ リセットゲート、１７ リセットゲート接点、３０
ピクセル、３１ 光検出器、３２ トランスファーゲ
ート、３３ トランスファーゲート接点、３４ フロー
ティング拡散、３６ リセットゲート、３８ 横列選択
ゲート、３９ 横列選択ゲート接点、４０ ＶＤＤＣ、
４１ ＯＵＴＣ、４５ ＯＵＴＣ、４６ ＯＵＴＣ、４
７ ＯＵＴＣ、４８ ＶＤＤＣ、４９ ＶＤＤＣ、６５
ラテラルオーバーフローゲート、６６ ラテラルオー
バーフロードレン、８０ ピクセル、８１ トランスフ
ァーゲート接点、８２ トランスファーゲート、８４
フローティング拡散、８５ アンプ、８６横列選択トラ
ンジスタ、８７ リセットゲート、９０ ピクセル境
界。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のピクセルを有する撮像センサであ
    って、 第一伝導度型の半導体物質と、 少なくとも二個の隣接するピクセルであって、基板内に
    形成された光検出器を有する各ピクセルと、 隣接するピクセル内に集積され、隣接するピクセルの間
    に共用される少なくとも一つの電気機能と、 を備えた撮像センサ。
  2. 【請求項２】 複数のピクセルを有する撮像センサであ
    って、 第一伝導度型の半導体物質と、 少なくとも二個の隣接するピクセルであって、各ピクセ
    ルが基板内に形成された光検出器を有し、各ピクセル
    が、隣接するピクセルの一つに機能的に関連する少なく
    とも一つの電気部品を備え、電気部品の少なくとも一部
    分が他の隣接するピクセルのピクセル境界内に構造的に
    配置されていることを特徴とするピクセルと、 を備えた撮像センサ。
  3. 【請求項３】 ソリッドステート撮像センサの製造方法
    であり、 第一伝導度型の半導体物質から製造される基板を製作
    し、基板の主表面に複数のピクセルを形成させ、基板内
    に形成された光検出器を各々有する少なくとも２個のピ
    クセルが隣接するようにし、更に、隣接するピクセル内
    に集積され、隣接するピクセルの間に共用される少なく
    とも一つの電気機能を持たせることを特徴とする製造方
    法。
JP10042197A 1997-02-28 1998-02-24 ピクセル機能を相互に共用するアクティブピクセル撮像センサおよびその製造方法 Pending JPH10256521A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/808,444 US6160281A (en) 1997-02-28 1997-02-28 Active pixel sensor with inter-pixel function sharing
US08/808,444 1997-02-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10256521A true JPH10256521A (ja) 1998-09-25

Family

ID=25198772

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP10042197A Pending JPH10256521A (ja) 1997-02-28 1998-02-24 ピクセル機能を相互に共用するアクティブピクセル撮像センサおよびその製造方法

Country Status (6)

Country Link
US (2) US6160281A (ja)
EP (1) EP0862219B1 (ja)
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