DE19719326A1 - Aktive Pixelsensorzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Pixelsensorzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ladungsgekoppelte Komponenten (CCDs) sind bisher gewöhnlich die Hauptstütze von bildgebenden Schaltungen, um ein Pixel von Lichtenergie in ein elektrisches Signal umzusetzen, das die Intensität der Lichtenergie repräsentiert. Im allgemeinen verwenden CCDs ein Photo­ gate, um die Lichtenergie in eine elektrische Ladung umzusetzen, und ei­ ne Reihe von Elektroden, um die an dem Photogate gesammelte Ladung zu einem Ausgangsleseknoten zu transferieren.

Obwohl CCDs viele Vorteile, wie hohe Empfindlichkeit und hohen Füllfaktor haben, ist neben einer begrenzten Leserate und Beschränkungen des Dynamikbereichs die Schwierigkeit, CCDs mit auf CMOS basierenden Mi­ kroprozessoren zu integrieren, nachteilig.

Um diese Nachteile bei auf CCD basierenden bildgebenden Schal­ tungen zu überwinden, sind bildgebende Schaltungen mit aktiven Pixelsen­ sorzellen bekannt, um ein Lichtenergiepixel in ein elektrisches Signal umzusetzen. Mit aktiven Pixelsensorzellen kann eine Photodiode mit einer Anzahl von aktiven Transistoren kombiniert werden, die zusätzlich zur Bildung eines elektrischen Signals Verstärkung, Lesesteuerung und Rück­ setzsteuerung ermöglichen.

Eine bekannte Pixelsensorzelle enthält eine Photodiode, einen n-Kanal-Rücksetztransistor, dessen Source mit der Photodiode verbunden ist, einen n-Kanal-Lesetransistors, dessen Gate mit der Photodiode ver­ bunden ist, und einen n-Kanal-Zeilenwähltransistor, dessen Drain in Se­ rie mit der Source des Lesetransistors liegt. Eine solche Pixelsensor­ zelle hat drei Betriebsphasen. Eine erste ist ein Rücksetzschritt, bei dem die Pixelsensorzelle bezüglich des vorhergehenden Integrationszyklus zurückgesetzt wird, eine zweite Phase ist ein Bildintegrationsschritt, bei dem Lichtenergie gesammelt und in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, und die dritte Phase ist ein Leseschritt, bei dem das Signal aus­ gelesen wird. Während des Rücksetzschrittes wird das Gate des Rücksetz­ transistors kurz mit einem Rücksetzspannungsimpuls (5 V) beaufschlagt, wodurch die Photodiode auf eine Anfangsintegrationsspannung gebracht wird, die gleich V_R-V_T ist, worin V_R die Rücksetzspannung und V_T die Schwellenspannung des Rücksetztransistors ist. Während der Integration trifft Lichtenergie in Form von Photonen auf die Photodiode, wodurch ei­ ne Anzahl von Elektronen-Loch-Paaren erzeugt wird. Die Photodiode ist so ausgelegt, daß die Rekombination zwischen den neugebildeten Elektronen- Loch-Paaren begrenzt wird. Demgemäß werden die photonenerzeugten Löcher von dem Masseanschluß der Photodiode angezogen, während die photonener­ zeugten Elektronen von dem positiven Anschluß der Photodiode angezogen werden, wobei jedes zusätzliches Elektron die Spannung auf der Photodio­ de verringert. Am Ende der Integrationsperiode ist die abschließende Spannung der Photodiode gleich V_R-V_T-V_S, worin V_S die Spannungsänderung der absorbierten Photonen repräsentiert. Demgemäß kann die Anzahl von Photonen, die von der Photodiode während der Bildintegrationsperiode ab­ sorbiert wurden, bestimmt werden, indem man die Spannung am Ende der In­ tegrationsperiode von der Spannung zu Beginn der Integrationsperiode subtrahiert, wodurch man den Wert V_S erhält, d. h. ((V_R-V_T)-(V_R-V_T-V_S)).

Nach der Bildintegrationsperiode wird die aktive Pixelsensor­ zelle ausgelesen, indem man den Zeilenwähltransistor einschaltet, der bis dahin ausgeschaltet war. Wenn der Zeilenwähltransistor eingeschaltet wird, reduziert die verringerte Spannung auf der Photodiode die Spannung am Gate des Lesetransistors, der seinerseits die Höhe des Stromes ver­ ringert, der durch den Lesetransistor und den Zeilenwähltransistor fließt. Der verringerte Strompegel wird mittels Stromdetektoren erfaßt.

Einer der Hauptvorteile aktiver Pixelsensorzellen zusätzlich zum Ermöglichen der Verstärkung und der verringerten Größe besteht darin, daß der Herstellungsprozeß inhärent dem CMOS-Verfahren ent­ spricht, da nur MOS-Transistoren verwendet werden. Obwohl die so herge­ stellte Pixelsensorzelle kleiner als konventionelle CCD-Pixelsensorzel­ len ist, läßt sich die Größe der Pixelsensorzelle pro Pixel nicht in er­ wünschtem Maße verringern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine aktive Pixelsensorzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs zu schaffen, die weniger Platz auf dem Substrat benötigt.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Bei einer derartigen Pixelsensorzelle wird der Siliciumflä­ chenverbrauch dadurch verringert, daß ein parasitärer Transistor verwen­ det wird, um die Photodiode der Pixelsensorzelle anstelle eines Rück­ setztransistors zurückzusetzen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung sowie von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Querschnittsdiagramm einer aktiven Pixelsen­ sorzelle.

Fig. 2 zeigt ein Querschnittsdiagramm zur Illustration einer Zeile von drei aktiven Pixelsensorzelle.

Die dargestellte aktive Pixelsensorzelle 100 umfaßt eine n⁺-Region 112 in einem p-leitenden Halbleitersubstrat 110, eine n-Wanne 114, die in dem Substrat 110 mit Abstand zu der n⁺-Region 112 ausgebil­ det ist, eine n⁺-Kontaktregion 116, die in der n-Wanne 114 ausgebildet ist, und eine parasitäre Kanalregion 118, die sich zwischen der n⁺-Re­ gion 112 und der n-Wanne 114 befindet.

Zusätzlich umfaßt die Pixelsensorzelle 100 auch einen Lese­ transistor 120 und einen Zeilenwähltransistor 122. Das Gate des Lese­ transistors 120 ist mit der n⁺-Kontaktregion 116 verbunden, während der Drain des Zeilenwähltransistors 122 mit der Source des Lesetransistors 120 verbunden ist. Die Pixelsensorzelle 100 umfaßt ferner ein Rücksetz­ gate 124, das über der parasitären Kanalregion 118 ausgebildet ist und von dieser durch eine Schicht 126 aus Gateoxid getrennt ist. Das Rück­ setzgate 124 wird vorzugsweise aus einer Schicht aus dotiertem Polysili­ cium gebildet.

Der Betrieb der Pixelsensorzelle 100 umfaßt drei Schritte, ei­ nen Rücksetzschritt, während welchem die Pixelsensorzelle 100 nach einem vorhergehenden Integrationszyklus rückgesetzt wird, einen Bildintegra­ tionsschritt, während welchem Lichtenergie gesammelt und in ein elektri­ sches Signal umgesetzt wird, und einen Signalausleseschritt, während welchem das Signal ausgelesen wird.

Während des Rücksetzschrittes wird die Spannung auf der n⁺-Wanne 114 rückgesetzt, indem man den parasitären p-Kanaltransistor verwendet, der durch die n⁺-Region 112, die n-Wanne 114 und das Rück­ setzgate 124 gebildet wird. Indem so eine Leistungsversorgungsspannung Vcc an die n⁺-Region 112 und das Rücksetzgate 124 angelegt wird, steigt die Spannung auf der n-Wanne 114 auf einen Wert, der etwa gleich dem Wert der Leistungsversorgungsspannung Vcc, vermindert um die Schwellen­ spannung des parasitären Transistors, ist. (Niedrigere Spannungen, die ausreichen, um einen leitenden Kanal zu bilden, können auch an das Rück­ setzgate 124 auf Kosten eines verkleinerten Dynamikbereichs angelegt werden.) Versuchsergebnisse zeigen, daß die n-Wanne 114 in weniger als 1 µs rückgesetzt wird, wenn eine Leistungsspannungsversorgung Vcc von 5 V Verwendung findet.

Alternativ kann die Leistungsversorgungsspannung Vcc auf eine Rücksetzspannung Vreset hochgepumpt werden, die um eine Schwellenspan­ nung über der Leistungsversorgungsspannung Vcc liegt. Der Vorteil des Ladungspumpens der an das Rücksetzgate 124 angelegten Spannung besteht darin, daß die ladungsgepumpte Spannung die Pixelsensorzelle 100, unemp­ findlich gegenüber Schwellenspannungsänderungen des parasitären Transi­ stors werden läßt, während gleichzeitig der maximal mögliche Dynamikbe­ reich erreicht wird.

Nachdem die Spannung auf der n-Wanne 114 rückgesetzt worden ist, wird die n-Wanne 114 schwimmend, indem die Leistungsversorgungs­ spannung Vcc (oder die ladungsgepumpe Spannung) von dem Rücksetzgate 124 abgeschaltet wird, wodurch seinerseits der leitenden Kanal eliminiert wird, der zwischen n⁺-Region 112 und n-Wanne 114 gebildet worden war. Demgemäß wird anfänglich die Sperrschicht zwischen p-Substat 110 und n-Wanne 114 zu Beginn. Jedes Integrationszyklus umgekehrt vorgespannt, indem die Spannung auf der n-Wanne 114 relativ zur Spannung am Substrat 110, das an Masse liegt, angehoben wird.

Nach Rücksetzen der Spannung an der n-Wanne 114 besteht der nächste Schritt im Beginn der Bildintegration. Während der Bildintegra­ tion treffen Photonen auf die Photodiode, die von der n-Wanne 114 und dem p-Substrat 110 gebildet ist, wodurch eine Anzahl von Elektronen Loch-Paaren sowohl in der n-Wanne 114 als auch dem unterlagerten p-Sub­ strat 110 gebildet wird. Die Anzahl von Elektronen-Loch-Paaren ist eine Funktion der Intensität der empfangenen Lichtenergie.

Die photonenerzeugten Elektronen in der n-Wanne 114 bleiben ihrerseits in der n-Wanne 114, während die in dem p-Substrat 110 gebil­ beten Elektronen zu der p-n-Sperrschicht diffundieren, von wo sie in die n-Wanne 114 unter der Wirkung des elektrischen Feldes gelangen. Sobald sie in der n-Wanne 114 sind, werden die Elektronen in der n⁺-Region 116 gesammelt.

In ähnlicher Weise diffundieren die in der n-Wanne 114 gebil­ deten Löcher zu der p-n-Sperrschicht, wo sie in das p-Substrat 110 unter der Wirkung des elektrischen Feldes gelangen. Demgemäß akkumuliert wäh­ rend jeder Integrationsperiode die n-Wanne 114 die photonenerzeugten Elektronen für ein einzelnes Pixel.

Somit wird mit der Hinzufügung jedes photonenerzeugten Elek­ trons in der n-Wanne 114 die Spannung auf der n⁺-Region 116, die als Kontaktregion dient, entsprechend reduziert. Die Tiefe der Sperrschicht wie auch die Dicke des Substrats 110 sind so ausgelegt, daß die Rekombi­ nation der photonenerzeugten Elektronen-Loch-Paare begrenzt wird. Demge­ mäß verändert die Photodiode die Spannung der n⁺-Region 116 in einer Weise, die proportional zur Photonenabsorptionsrate ist.

Nach der Bildintegrationsperiode wird die aktive Pixelsensor­ zelle 100 ausgelesen, indem der Zeilenwähltransistor 122 eingeschaltet wird, der bis zu diesem Punkt ausgeschaltet geblieben war. Wenn der Zei­ lenwähltransistor 122 durchschaltet, reduziert die verringerte Spannung auf der n-Wanne 114 die Spannung am Gate des Lesetransistors 120, wo­ durch die Höhe des Stromes verringert wird, der durch die Transistoren 120 und 122 fließt. Die reduzierte Stromhöhe wird dann mittels Stromde­ tektoren erfaßt.

Wenn die n-Wanne 114 sehr hellem Licht ausgesetzt wird, wird automatisch eine Anti-übersteuerungsregelung geliefert, die das Minimal­ potential begrenzt, das die n-Wanne 114 erreichen kann, wenn das Sub­ strat 110 in Durchlaßrichtung bezüglich der n-Wanne 114 vorgespannt wird. Wenn die Spannung auf der n-Wanne 114 demgemäß auf etwa -0,7 V fällt, wird die p-n-Sperrschicht in Durchlaßrichtung vorgespannt, wo­ durch alle überflüssigen Elektronen zum Substrat 110 abfließen. Demgemäß erstreckt sich der maximale Dynamikbereich bei ladungsgepumpter Spannung von etwa -0,7 V bis zu der Leistungsversorgungsspannung Vcc.

Eine Zeile aktiver Pixelsensorzellen kann als Teil einer Ma­ trix gebildet werden, indem man eine n-Wanne 114 (plus n⁺-Kontaktregion 116), ein Rücksetzgate 124 (plus unterlagerter isolierender Schicht 126), einen Lesetransistor 120 und einen Zeilenwähltransistor 122 für jede zusätzliche aktive Pixelsensorzelle hinzufügt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, braucht nur eine n⁺-Region 112 für jede Zeile aktiver Pixelsensorzellen verwendet zu werden. Weiterhin ist gege­ benenfalls eine zweite n⁺-Region auf dem gegenüberliegenden Ende der Zeile vorgesehen, um die Rücksetzzeit zu reduzieren. Wenn demgemäß die Leistungsversorgungsspannung Vcc an die n⁺-Region 112 und die Leistungs­ versorgungsspannung Vcc oder die ladungsgepumpte Spannung an alle Rück­ setzgates 124 in der Zeile über eine Rücksetzleitung 130 angelegt wird, werden alle n-Wannen 114 der Zeile gleichzeitig rückgesetzt.

Demgemäß steigt die Spannung an jeder der n-Wannen 114 auf ei­ nen Wert, der etwa gleich einem Schwellenspannungsabfall unter die Lei­ stungsversorgungsspannung Vcc oder gleich der Leistungsversorgungsspan­ nung Vcc ist, wenn eine ladungsgepumpte Spannung auf der Rücksetzleitung 130 verwendet wird.

Danach werden photonenerzeugte Elektronen in jeder der n-Wan­ nen 114 akkumuliert und in den entsprechenden n⁺-Regionen 116 gesammelt. Als nächstes wird eine Lesespannung gleichzeitig an die Gates jeder der Zeilenwähltransistoren 122 angelegt, um den Strompegelausgang jedes Zei­ lenwähltransistors 122 zu erfassen. Der Strompegel kann einmal oder auch mehrmals erfaßt und dann gemittelt werden. Der Vorteil der Mittelwert­ bildung der aus mehreren Ablesungen erhaltenen Strompegel besteht darin, daß Lesefehler verringert werden.

Anstatt eine ganze Zeile aus Pixelsensorzellen 100 gleichzei­ tig zu lesen, kann auf einzelne Pixelsensorzellen zugegriffen werden, indem das Einschalten der Zeilenwähltransistoren gesteuert wird.

Wie oben erwähnt, sind alle Rücksetzgates 124 in einer Zeile über eine Rücksetzleitung 130 miteinander verbunden. Die Rücksetzleitung 130, die vorzugsweise aus dotiertem Polysilicium gebildet wird, kann me­ tallbelegt sein, um die RC-Verzögerung herabzusetzen, die durch die Polyleitung bedingt ist. Die Rücksetzzeit wird jedoch hauptsächlich durch den Widerstand der n-Wanne 114, der etwa 2 kOhm/Feld beträgt, sowie durch die Kapazität zwischen n-Wanne und Substrat 110 begrenzt.

Eine derartige Pixelsensorzelle 100 kann deutlich kleiner als eine konventionelle aktive Pixelsensorzelle ausgebildet werden. Da dar­ überhinaus nur MOS-kompatible Strukturen verwendet werden, ist die Pi­ xelsensorzelle ohne weiteres in Standard-CMOS-Fabrikationsprozesse, wie dem Doppelwannen-, Einzelpoly- und Einzelmetallprozeß, integrierbar.

Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine n⁺-Re­ gion 116 und eine n-Wanne 114 in einem p-Substrat 110 ausgebildet sind, könnte alternativ auch eine p⁺-Region und eine p-Wanne in einem n-Sub­ strat verwendet werden.

Claims (17)

1. Aktive Pixelsensorzelle (100), die in einem Halbleitersub­ strat (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps (p) ausgebildet ist, mit einer ersten, in dem Halbleitersubstrat (110) ausgebildeten Region (114) des zweiten Leitfähigkeitstyps (n), in der sich photonenerzeugte Elek­ tronen für ein einzelnes Pixel während einer Integrationsperiode sam­ meln, einem Lesetransistor (120), dessen Gate mit der ersten Region (114) verbunden ist, und einem Rücksetztransistor, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rücksetztransistor einen parasitären Kanal (118) zwischen der ersten Region (114) und einer von ihr beabstandeten zweiten Region (112) des zweiten Leitfähigkeitstyps (n) umfaßt, auf dem eine Isolier­ schicht (126) mit einem Rücksetzgate (124) ausgebildet ist.

2. Pixelsensorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeilenwähltransistor (122) in Serie mit dem Lesetransistor (120) geschaltet ist.

3. Pixelsensorzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der ersten Region (114) eine Kontaktregion (116) ausge­ bildet ist, die stärker als die erste Region (114) dotiert ist.

4. Pixelsensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht zwischen der ersten Region (114) und dem Halbleitersubstrat (110) eine Photodiode für ein Pixel bildet.

5. Pixelsensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Region (114) als Wanne ausgebildet ist.

6. Pixelsensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (126) Gateoxid umfaßt.

7. Zeile aktiver Pixelsensorzellen, die nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6 ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Re­ gionen als Wannenregion (114) in der Zeile nebeneinander angeordnet sind, die voneinander durch parasitäre Kanäle (118) getrennt sind, wobei alle parasitären Kanäle (118) mit einer Isolierschicht (126) und einem Rücksetzgate (124) versehen, alle Rücksetzgates (124) mit einer Rück­ setzleitung (130) verbunden und jede Wannenregion mit dem Gate eines Le­ setransistors (120) verbunden ist.

8. Zeile nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem der zweiten Region (112) abgekehrten Ende der Zeile eine weitere zweite Region (112) vorgesehen ist.

9. Zeile nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Lesetransistor (120) in Serie mit einem zugeordneten Zeilenwähl­ transistor (122) geschaltet ist.

10. Zeile nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Wannenregion (114) eine Kontaktregion (116) zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, die höher dotiert ist als die Wannenregion (114).

11. Zeile nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sperrschicht zwischen jeder Wannenregion (114) und dem Halbleitersubstrat (110) eine Photodiode für ein einzelnes Pixel bildet.

12. Verfahren zum Umsetzen von Lichtenergie in ein elektri­ sches Signal mittels einer Pixelsensorzelle (100) nach einem der Ansprü­ che 2 bis 6, gekennzeichnet durch
ein Anlegen einer ersten Spannung an das Halbleitersub­ strat (110),
ein Rücksetzen der ersten Region (114) auf eine Vor-Inte­ grationsspannung, die die Sperrschicht zwischen der ersten Region (114) und dem Halbleitersubstrat (110) in Sperrichtung vorspannt,
ein Sammeln von photonenerzeugten Elektronen in der ersten Region (114) unter Änderung der Vor-Integrationsspannung zu einer Nach-Integrationsspannung, und
ein Anlegen einer Lesespannung an das Gate des Zeilenwähltran­ sistors (122) nach einer Integrationszeit, die dem Rücksetzen folgt, und Erfassen des die Nach-Integrationsspannung repräsentierenden Aus­ gangsstroms des Zeilenwähltransistors (122).

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Rücksetzens ein Anlegen einer die erste Spannung über­ steigenden zweiten Spannung an die zweite Region (122) während einer vorbestimmten Zeitdauer, und ein Anlegen einer dritten Spannung an das Gate über dem parasitären Kanal (118) unter Bilden eines leitenden Ka­ nals in diesem umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß gleiche zweite und dritte Spannungen verwendet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als dritte Spannung eine ladungsgepumpte Spannung verwendet wird.

16. Verfahren zum Umsetzen von Lichtenergie in eine Mehrzahl von Pixelsignalen mittels einer Zeile nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch
ein Anlegen einer ersten Spannung an das Halbleitersubstrat (110),
ein Rücksetzen jeder der Wannenregionen (114) auf eine Vor-In­ tegrationsspannung, welche die Sperrschicht zwischen der Wannenregion (114) und dem Halbleitersubstrat (110) in Sperrichtung vorspannt,
ein Sammeln photonenerzeugter Elektronen in jeder der Wannen­ regionen (114) unter Änderung der Vor-Integrationsspannung zu einer Nach-Integrationsspannung, und
ein Anlegen einer Lesespannung an die Gates der Zeilenwähl­ transistoren (122) nach einer mit dem Rücksetzen beginnenden Integra­ tionszeit und Erfassen des die Nach-Integrationsspannung repräsentieren­ den Stromausgangspegels des Zeilenwähltransistors (122) für jede Wannen­ region (114).

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Rücksetzen das Anlegen eines Spannungsimpulses an die Rücksetzlei­ tung (130) umfaßt.