JP4401507B2 - 配線されたフローティングディフュージョンと共通増幅器のあるアクティブピクセルセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体フォトセンサと、各ピクセルと関連したアクティブ回路素子を有するアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）と呼ばれるイメージャとの分野に関し、より詳細には、光検出器から分離された電荷- 電圧変換領域のあるピクセルの４つのトランジスターピクセルと、相関二重サンプリング（correlated double sampling、ＣＤＳ）とを利用する固体イメージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＰＳは固体イメージャであり、各ピクセルは光感知手段と、リセット手段と、電荷- 電圧変換手段と、行選択手段と、さらに全て又は部分的に増幅器とを具備する固体ピクセル素子を通常含む。ピクセル内に集められた光電荷は、エリック フォサム(Eric Fossum) による1993年７月のSPIEの1900-08-8194-1133 巻での「アクティブピクセルセンサ：ＣＣＤは恐竜か？（Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?) 」等の先行技術文献で説明されているように、ピクセル内で対応する電圧若しくは電流に変換される。ＡＰＳデバイスは、イ フォサム(E. Fossum) による1993年７月のSPIEの1900-08-8194-1133 巻での「アクティブピクセルセンサ：ＣＣＤは恐竜か？（Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?) 」や、R. H. Nixon, S. E. Kemeny、C. O. Staller とE. R. FossumによるSPIEのプロシーディング2415巻の「オンチップタイミングと、コントロールと信号チェーン電子工学とを有する１２８ｘ１２８ＣＭＯＳフォトダイオードタイプアクティブマトリックスセンサ（128x128 CMOS Photodiode-type Active Pixel Sensor with On-chip Timing, Controland Signal Chain Electronics) 」、1995年の論文３４での「電荷結合素子と固体光学センサＶ（Charge-Coupled Devices and Solid-State Optical Sensors V) 」で説明されているように、イメージャの各ライン又は行が選択されてから、列選択信号を利用して読出されるように作動されてきた。アクティブピクセルセンサ内での行及び列の選択は、メモリ装置でのワード及びビットの選択に類似する。ここで、全体の行の選択はワードを選択することに類似しており、アクティブピクセルセンサの一つの列からの読出しは、そのワード内で単一のビットラインを選択又はイネーブリングすることに類似する。従来の先行技術でのアクティブピクセルセンサ装置では、４つのトランジスター設計を利用するアーキテクチャを示しており、全ての４つのトランジスターは夫々及びいずかのピクセル内に含まれている。４つのトランジスターは、通常、トランスファー、行選択、リセット及びソースフォロワ増幅器トランジスターである。このアーキテクチャは容易にＣＤＳを実行し、低読出しノイズが得られる能力を有するＡＰＳが得られる利点があるが、上記４Ｔピクセルは低い充填比（fill factor)である。充填比は光センサに当てるピクセル面積の割合である。上記４つのトランジスターと関連するコンタクト領域と信号バスは各ピクセルに配置され、コンタクト領域は所望の重なりとさまざまな層の空間により、通常大きなピクセル面積を使うので、ピクセルの充填比はさもなければ光検出器に利用されるであろう大きな面積が使用されるため減少する。上記部品の夫々の適当なタイミング信号への接続は、ピクセルの全体の行を横行する金属バスにより行われる。上記金属バスは光学的に不透明であり、光検出器の領域をさえぎり、ピクセルピッチに適合する。更に、このことはピクセルの充填比を減少させる。充填比を減少させることは、センサの感度及び飽和信号を低下させる。上記のことはセンサの写真スピードやダイナミックレンジ、さらに高画質を得るために重要である性能指標に悪影響を与える。
【０００３】
米国特許第６１６０２８１号及び６１０７６５５号明細書において、Guidash は、フローティングディフュージョン、行選択トランジスター、リセットトランジスター及びソースフォロワ入力トランジスターを隣接行のピクセル間で共有することにより、先行技術での４つのトランジスターピクセルの機能性を維持するピクセルアーキテクチャを開示している。上記アーキテクチャでは、単一のフローティングディフュージョン領域は、２又は４つの隣接ピクセル間で共有される。上記アーキテクチャは高い充填比を提供するが、物理的に大きなフローティングディフュージョン領域を生じさせる。このことは、電荷- 電圧変換ノードの全静電容量の大部分であるフローティングディフュージョンの電圧に依存する接合静電容量により、一層非線形な電荷- 電圧変換が生じる。更に、各ピクセル内の光検出器の同じ配置を維持しようとすると、フローティングディフュージョンとリセットトランジスターの非効率なレイアウトが招来する。非線形電荷- 電圧変換は可変なカラーバランスのアーティファクトをもたらす。各ピクセル内の光検出器の同じでない配置により、別のアーティファクトが生じる。上記アーティファクトの双方とも画質に悪影響をもたらす。
【０００４】
典型的な先行技術でのフォトダイオードＡＰＳピクセルを図１に示す。図１に示すピクセルは、フォトダイオード（ＰＤ）、トランスファートランジスター（ＴＧ）、フローティングディフュージョン（ＦＤ）、リセットゲート（ＲＧ）のあるリセットトランジスターと、行選択ゲート（ＲＳＧ）のある行選択トランジスターと、ソースフォロワ入力信号トランジスター（ＳＩＧ）とからなる先行技術での４つのトランジスターピクセルである。上記先行技術でのピクセルの充填比は通常２５％以下である。
【０００５】
Guidash により提案された別のピクセルアーキテクチャを、図２及び図３に示す。図２では、２つの行隣接ピクセル、ピクセルＡ及びピクセルＢは、分離フォトダイオードとトランスファーゲート、ＰＤａ、ＰＤｂ、ＴＧａ、ＴＧｂを夫々有するが、他の全ての構成部品、ＦＤ、ＲＧ、ＲＳＧ及びＳＩＧを共有する。図３では、１及び２は行を、ａ及びｂは列を夫々表わし、４つの行及び列隣接ピクセル、ピクセル１ａ、２ａ、１ｂ及び２ｂは分離ＰＤ’ｓとＴＧ’ｓ、ＰＤ１ａ、ＰＤ２ａ、ＰＤ１ｂ、ＰＤ２ｂ、ＴＧ１ａ、ＴＧ２ａ及びＴＧ２ｂを有するが、他の全ての構成部品ＦＤ、ＲＧ、ＲＳＧ及びＳＩＧを共有する。この場合、行ごとに２つのトランスファーゲートバスがあり、隣接列からの信号電荷の混合を防止している。上記アーキテクチャは、図１に示す先行技術でのピクセルよりは実質的に高い充填比を、つまり小さなピクセルを提供するが、前述したように、数多の欠点がある。図２に示す２つの隣接ピクセル又は図３に示す４つの隣接ピクセルのいずれかにより共有される単一のフローティングディフュージョン領域を有することにより、図１で得られるよりは物理的に大きなフローティングディフュージョンが生じることが分かる。更に、図２及び図３から、隣接ピクセル境界内での光検出器の配置は同じでないことは明らかである。
【０００６】
高い充填比を有する別のピクセルアーキテクチャと、Guidash により提案された共有増幅器ピクセルの能力のように、ＣＤＳを実行できる能力と、更に各ピクセル内の光検出器の同じ配置で、より線形である電荷- 電圧変換を有するセンサが望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）を実行する能力のある高い充填比のアクティブピクセルアーキテクチャを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、行と列に形成された複数のピクセルを有する半導体基板からなる一連の行及び列に配された複数のピクセルを有する画像センサにより達成される。少なくとも２つのピクセルの夫々は、互いに空間的に分離され、単一のリセットトランジスターのソースに電気的に接続された電荷-電圧変換領域を有する。更に、リセットトランジスターを共有するピクセルは、増幅器と選択電気的機能を共有する。好ましい実施態様では隣接ピクセルを考慮するが、ただし、すぐ隣のピクセルである必要はない。４つのトランジスターピクセルの機能性は維持され、単一のフローティングディフュージョン領域の必要性と、付随する電荷-電圧変換の非線形性とピクセルアレイ内の隣接光検出器配置の非対称性とを排除しながら、共有増幅器ピクセルアーキテクチャの高い充填比は維持される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図４及び図５には、本発明により考えられたアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）の共有増幅器トランジスターピクセルのアーキテクチャの平面図を示す。図４及び図５に示す実施態様は、発明者が知るかぎりでのベストモードを示す。他の物理的実施態様は実現可能であり、後述の説明から図４及び図５に示す実施態様のさまざまな変形態様である。図４に示すピクセル１０は、数多の行及び列を有するピクセルのアレイ内での単一のピクセルである。２つの隣接ピクセルを図４に示し、各ピクセルで物理的に分離したフローティングディフュージョンを相互に、またソースフォロワ入力トランジスターとどのように相結合しているかを示す。図４に示す実施態様は２つの行の隣接ピクセル間に共有された増幅器のあるフォトダイオードピクセルを示す。なお、この新規なアーキテクチャはフォトゲートピクセルにも利用可能であることを指摘しておく。
【００１０】
図４から分かるように、ピクセル１０は、フォトダイオード光検出器１２と、トランスファーゲート２３と、フローティングディフュージョン２５と、リセットゲート１５のあるリセットトランジスター１４とソースフォロワ入力信号トランジスター２１（ＳＩＧ）と、リセットトランジスター１４とソースフォロワ入力トランジスター２１の電源８（ＶＤＤ）と、行選択ゲート（ＲＳＧ）３１のある行選択トランジスター３０とからなる。図４に示すアーキテクチャは、フローティングディフュージョンが２つの行隣接ピクセルにより電気的に共有される２つの物理的及び空間的に分離された分離フローティングディフュージョン領域からなる以外は、図２に示す先行技術での共有増幅器ピクセルのそれと同じである。図４では、フローティングディフュージョン２５は相互に物理的及び空間的に分離され、導電性インターコネクト層４４により相互に及びソースフォロワ入力トランジスター２１に電気的に接続している。図４に示すように、フローティングディフュージョン２５、ＦＤｂはリセットトランジスター１４のソース１６により通常占有される面積を占有するように統合される。フローティングディフュージョン２５、ＦＤｂと同じ電気的ノードにありながら、フローティングディフュージョン２５、ＦＤａはフローティングディフュージョン２５、ＦＤｂから空間的に分離している。したがって、フローティングディフュージョン２５、ＦＤｂと同じ電気的ノードにありながら、フローティングディフュージョン２５、ＦＤａはリセットトランジスター１４のソース１６として働かず、一方、フローティングディフュージョン２５、ＦＤｂはリセットトランジスター１４のソース１６として働く。これは図２に示すピクセルとは対照的であり、図２では２つのフォトダイオードとトランスファーゲートは単一のフローティングディフュージョン領域と結合している。相接続した２つの物理的に分離したフローティングディフュージョンを有することにより、トランスファーゲートは光電荷を同じ物理的フローティングディフュージョン領域へ移動させる必要はないので、ピクセル境界内でのフォトダイオードとトランスファーゲートの配置に制限を与えることはない。このことはピクセル境界内でのフォトダイオードの同じ配置を一層容易に可能とし、よって図２に示すような同じでない配置を有することによる生じる起こり得る別のアーティファクトを軽減する。フローティングディフュージョンは相互に配線され、単一の電荷- 電圧変換ノードを形成するので、フローティングディフュージョン２５は電気的に共有される。フローティングディフュージョンは導電性層３６により相互に接続されているので、フローティングディフュージョン２５ ＦＤｂがリセットされると、フローティングディフュージョン２５ ＦＤａもリセットされて同じ電圧になる。
【００１１】
図５に示す実施態様は、４つの行と列の隣接ピクセル４０が共通の構成部品を共有している場合を示す。図５から分かるように、４つのピクセル４０はフォトダイオード光検出器４２（ＰＤ１ａ、ＰＤ２ａ、ＰＤ１ｂ、ＰＤ２ｂ）と、トランスファーゲート４３（ＴＧ１ａ、ＴＧ２ａ、ＴＧ１ｂ、ＴＧ２ｂ）と、フローティングディフュージョン４５（ＦＤａ、ＦＤｂ）と、リセットゲート１５（ＲＧ）のあるリセットトランジスター１４と、ソースフォロワ入力信号トランジスター２１（ＳＩＧ）と、リセットトランジスター１４とソースフォロワ入力トランジスター２１の電源８（ＶＤＤ）と、行選択ゲート（ＲＳＧ）３１のある行選択トランジスター３０とからなる。更に、図５に示すアーキテクチャは、フローティングディフュージョン４５が電気的に接続し、４つの行及び列の隣接ピクセル４０により共有される空間的に分離した分離フローティングディフュージョン領域からなる以外は、図３に示す先行技術での共有増幅器ピクセルのそれと同じである。図５では、フローティングディフュージョン４５（ＦＤａ、ＦＤｂ）は、導電性インターコネクト層５５により相互に且つソースフォロワ入力トランジスター２１に接続された物理的に分離したアクティブエリア領域である。フローティングディフュージョン４５（ＦＤａ、ＦＤｂ）のいずれもリセットトランジスター１４のソース１６として統合していない。代わりに、分離されたアクティブエリア領域がリセットトランジスター１４のソース１６として利用され、更に、この領域は導電性層５５によりフローティングディフュージョン４５（ＦＤａ、ＦＤｂ）及びＳＩＧ２１へ接続される。
【００１２】
図５のアーキテクチャのレイアウトと図３（４つのフォトダイオードとトランスファーゲートが単一のフローティングディフュージョン領域に結合している）のそれとを比較すると、フローティングディフュージョン領域の面積は図５において、より小さい。結果として、図５での電荷- 電圧変換ノードの全静電容量はインターコネクトの静電容量のような電圧に無関係な静電容量からなる。結果として、電荷- 電圧変換は入力信号範囲であまり変動しなくなる。更に、図４と同様に、電気的に相接続した物理的に分離したフローティングディフュージョン領域４５を有することにより、トランスファーゲート４３は光電荷を単一のフローティングディフュージョン領域へ移動させる必要がないので、ピクセル境界内でのフォトダイオード４２とトランスファーゲート４３の配置に制限が加わらなくなる。図５から分かるように、このことによりピクセル境界内でのフォトダイオード４２は同じ配置になり、図３に示す同じでない配置を有することにより起こり得る別のアーティファクトが軽減される。フローティングディフュージョンは互いに配線され、単一の電荷- 電圧変換ノードを形成するので、フローティングディフュージョン４５はいまだに電気的に共有されている。リセットトランジスター１４のソース１６がリセットされると、フローティングディフュージョンは導電性層５５により相互に接続されているので、双方のフローティングディフュージョン４５（ＦＤａ、ＦＤｂ）はリセットされて同じ電位になる。リセットゲート１５のスイッチが切れると、リセットトランジスター１４のソース１６及びフローティングディフュージョン４５（ＦＤａ、ＦＤｂ）は一定でない（浮動している）。電荷がフォトダイオード４２の１から移動すると、フローティングノードの電圧は相接続した領域の全静電容量に応じて変化する。
【００１３】
この新規な相接続したフローティングディフュージョン領域のコンセプトで、４つのピクセル以上の作動構成部品を共有することが可能である。このことを図６に示す。この場合、行選択トランジスター３０、リセットトランジスター１４、及びソースフォロワ入力トランジスター２１（ＳＩＧ）は８つのピクセル５０間で共有される。４つの空間的に分離されたフローティングディフュージョン４６（ＦＤａ、ＦＤｂ、ＦＤｃとＦＤｄ）は相互に配線され、リセットトランジスター１４のソース１６とソースフォロワ入力トランジスター２１のゲート２２に電気的に接続される。更に、フローティングディフュージョン領域４６は最小化され、各ピクセル５０内のフォトダイオード５２の同じ配置が達成される。より小さいピクセル面積が光検出器以外の構成部品により占有されるので、すこぶる高い充填比が効率のよい増幅器の共有で得られる。単一の行選択トランジスター、リセットトランジスター及びソースフォロワ入力トランジスターを共有するピクセルの数は如何なる行の数にも任意に拡大される。行ごとに追加のトランスファーゲートバスを有することにより、如何なる列の数をも含むように拡大されることも可能である。単一の組の作動構成部品を共有するピクセルの数が増えるにつれて、相互に接続したフローティングディフュージョン領域の数とインターコネクトの静電容量により、フローティングディフュージョンの静電容量は増加する。結果として、最大の許容変換静電容量、又は最小の許容変換ゲインにより増幅器セットを共有するピクセルの数に実用的に制限がある。
【００１４】
前述の説明は発明者による最善の実施態様を詳細に示している。上記実施態様の変形態様は当業者には容易に明らかであろう。したがって、本発明の範囲は添付した特許請求の範囲により確定されるべきである。
【００１５】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、本当の相関二重サンプリング（ＣＤＳ）のあるアクティブピクセルセンサを提供する。得られた効果は高い充填比、つまり小さなピクセル、電荷- 電圧変換の線形性及び各ピクセル内での同じ光検出器配置である。不利益な点は予測できない。
【図面の簡単な説明】
【図１】４つのトランジスターのフォトダイオードアクティブピクセルセンサのピクセルでの先行技術のアーキテクチャの略平面図である。
【図２】アクティブピクセルセンサの先行技術での共有増幅器のフォトダイオードピクセルアーキテクチャの二つの隣接ピクセルの平面図である。
【図３】アクティブピクセルセンサの先行技術での共有増幅器のフォトダイオードピクセルアーキテクチャの４つの隣接ピクセルの平面図である。
【図４】アクティブピクセルセンサの新規な共有増幅器のフォトダイオードピクセルアーキテクチャの４つの隣接ピクセルの平面図である。
【図５】アクティブピクセルセンサの新規な共有増幅器のフォトダイオードピクセルアーキテクチャの異なる実施態様の４つの隣接ピクセルの平面図である。
【図６】アクティブピクセルセンサの新規な共有増幅器のフォトダイオードピクセルアーキテクチャの異なる実施態様の８つの隣接ピクセルの平面図である。
【符号の説明】
８ ＶＤＤ
１０ ピクセル
１２ フォトダイオード
１４ リセットトランジスター
１５ リセットトランジスターゲート
１６ リセットトランジスターソース
２１ ソースフォロワトランジスター
２２ ソースフォロワトランジスターのゲート
２３ トランスファーゲート
２５ フローティングディフュージョン
３０ 行選択トランジスター
３１ 行選択ゲート
４０ ピクセル
４２ フォトダイオード
４３ トランスファーゲート
４４ インターコネクト層
４５ フローティングディフュージョン
４６ フローティングディフュージョン
５０ ピクセル
４３ トランスファーゲート
５５ インターコネクト層
６５ インターコネクト層

Claims (2)

1. 一連の行及び列に配置された複数のピクセルを有する画像センサであって、
   動作的に光検出器に結合される電荷−電圧変換領域を各ピクセルが有する、半導体基板内に形成された少なくとも２つの隣接ピクセルを有し、
   前記少なくとも２つの隣接ピクセルは、少なくとも、当該ピクセルに対して動作する単一のリセットトランジスターを共有し、
   前記少なくとも２つの隣接ピクセルの前記電荷−電圧変換領域は、相互に空間的に分離され、且つ１つの電気ノードを形成するように導電層によって相互に電気的に接続されており、且つ
   前記１つの電気ノードを形成する前記電荷−電圧変換領域のうちの１つは前記リセットトランジスターのソースとして機能し、前記１つの電気ノードを形成する他の前記電荷−電圧変換領域は前記リセットトランジスターのソースとして機能しない、
   画像センサ。
2. 一連の行及び列に配置された複数のピクセルを有する画像センサであって、
   半導体基板内に形成された所定のピクセル群の小集合を有し、
   当該所定のピクセル群の小集合は、
   隣接する少なくとも２つの行の隣接ピクセル群及び隣接する少なくとも２つの列の隣接ピクセル群からなる少なくとも４つのピクセルと、
   前記少なくとも２つの行または列の隣接ピクセル群のそれぞれに共有されるとともに、相互に空間的に分離された少なくとも２つの電荷−電圧変換領域と
   を有し、
   前記電荷−電圧変換領域を、相互に、且つ前記所定のピクセル群の小集合によって共有される１つ以上のトランジスターに、電気的に接続するインターコネクト層と
   を有する画像センサ。

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