DE60023537T2

DE60023537T2 - Aktivmatrix-bildsensor-pixel mit rücksetzelektrode, welche den photoempfindlichen bereich umgibt

Info

Publication number: DE60023537T2
Application number: DE60023537T
Authority: DE
Inventors: Morteza Afghahi; Ramin Rajabian
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: TW498681B; AU1960401A; US6486913B1; ATE308117T1; EP1228531A1; DE60023537D1; EP1228531B1; WO2001026157A1

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft digitale Bilddarstellungsvorrichtungen und im Besonderen Pixellayouts oder Konfigurationen.
Beschreibung des Stands der Technik
Bilderfassungsvorrichtungen bzw. Bildsensorvorrichtungen sind die Licht detektierende Komponente in digitalen Bilddarstellungssystemen wie zum Beispiel von Digitalkameras, Scannern und Kopierern. Eine Bilderfassungsvorrichtung, wie zum Beispiel eine Kamera, verwendet Licht, um ein Bild auf einem Chip auf Halbleiterbasis zu erfassen. Der Chip ersetzt den Film in herkömmlichen Systemen, die mit Filmen arbeiten. In einer Kamera ist eine Bilderfassungsvorrichtung in ihrer einfachsten Ausführung so konfiguriert, dass sie ein Schwarzweiß- oder Farbbild durch Halbleiterbausteine wie etwa Transistoren, Kondensatoren und Fotodioden erfasst. In einem Beispiel handelt es sich bei der Bilderfassungsvorrichtung um einen Chip, der aus einer Mehrzahl von Pixeln besteht, wobei jedes Pixel lichtempfindlich ist.
Ein Pixel weist eine fotoempfindliche Struktur auf, wie etwa eine Fotodiode, sowie weitere Pixelschaltkreisanordnungen. Die fotoempfindliche Struktur ist der Abschnitt des Pixels, der auf Licht anspricht. Bei einem typischen Einsatz wird eine Pixelschaltung mit einer Fotodiode auf eine vorbestimmte Spannung geladen, wobei die Fotodiode Licht ausgesetzt wird, und wobei die Pixelschaltung ihre gespeicherte Energie abhängig von der Intensität der Belichtung entlädt. Zum Beispiel besteht eine Pixelschaltung mit drei Transistoren aus einem Rücksetztransistor, einem Zeilentransistor, einem Source-Folger-Transistor und einer Fotodiode. Ein Schieberegister oder ein Decodierer außerhalb der Pixelschaltung erzeugt ein Signal, das den Rücksetztransistor und den Zeilentransistor (über eine Bitleitung) invertiert, dass die Schaltung angesteuert wird und ein vorbestimmter Wert (z.B. V_cc) und das Lichtsignal ausgelesen werden. Die Differenz zwischen der vorbestimmten Spannung und dem Lichtsignal beziffert die Intensität des auf die Fotodiode auftreffenden Lichts.
Pixelschaltungen können in Pixelanordnungen angeordnet werden, wie zum Beispiel in verschiedenen Zeilen und Spalten von Pixelschaltungen. Die einzelnen Pixelschaltungen können über Wort- und Bitleitungen gekoppelt werden. Das durch das Schieberegister oder den Decodierer erzeugte Rücksetzsignal kann global (d.h. gesamte Anordnung) oder auf ein einzelnes Pixel oder eine Pixelzeile begrenzt sein. Die Bitleitung zeigt einer Zeile die Entladung deren Signal entlang der Wortleitung an einen Kollektor an, wie etwa an einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU).
Die Pixelschaltungen, wie etwa die vorstehend beschriebene Pixelschaltung mit drei Transistoren, werden in einem Ausführungsbeispiel in und auf einem Chip auf Halbleiterbasis ausgebildet. Ein Ziel bei der Gestaltung einer Pixelschaltung oder einer Anordnung von Pixelschaltungen ist es, die fotoempfindliche Fläche der Schaltung zu maximieren und die Fläche für die zusätzlichen Pixelschaltkreisanordnungen zu minimieren. Ein derartiges Merkmal ist die Hauptaufgabe von EP-A-0862219.
Der Trend in der digitalen Bilddarstellung geht in Richtung immer höherer Bildauflösung. Eine Methode, wie dies erreicht wird, ist durch eine Reduzierung der Größe der Pixelschaltungen. Der Trend wird besonders gefördert durch die Hersteller ladungsgekoppelter Bausteine (CCDs), da einer der Hauptvorteile eines CCD eine kleine Pixelschaltung ist. Eine Möglichkeit dafür, dass CMOS-basierte Bildsensoren im Vergleich zu ihren Konkurrenten, den CCD-basierten Sensoren, konkurrenzfähig bleiben können, ist die Reduzierung der Pixelgröße auf eine Größe, die der eines CCD-Pixels entspricht, bei vergleichbarer Empfindlichkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Bildsensorschaltung gemäß dem gegenständlichen Anspruch 1.
Die bevorzugten Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung, den anhängigen Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen umfassend verständlich. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Schaltungsdiagramm zweier benachbarter Pixelschaltungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein beispielhaftes Layout für eine Zelle der benachbarten Pixelschaltungen aus 1; und
3 eine Draufsicht des Fertigungslayouts zweier benachbarter Zeilen und zweier benachbarter Spalten von Pixelschaltungen.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Pixelanordnung, eine Bildsensorschaltung und ein Bilddarstellungssystem. Gemäß einem Aspekt weist die Pixelanordnung mindestens ein Paar von Pixelschaltungen auf, die sich eine Rücksetzelektrode teilen, um ein vorbestimmtes Signal an jedem der benachbarten Pixel zu erzeugen. Die benachbarten Pixel sind zum Beispiel Bestandteil einer Pixelanordnung einer Mehrzahl von Zeilen und Spalten, wie dies in einer Digitalkamera der Fall ist. Die Rücksetzelektrode ist in einem Ausführungsbeispiel um den fotoempfindlichen Bereich jedes Pixels angeordnet. Die Konfiguration der Elektrode um den fotoempfindlichen Bereich trennt den fotoempfindlichen Bereich von Isolationsstrukturen (wie etwa eine flache Grabenisolation). Die Interaktion zwischen fotoempfindlichen Strukturen und Isolationsstrukturen hat zu unerwünschtem Verluststrom in dem Stand der Technik entsprechenden Strukturen geführt. Durch die gemeinsame Nutzung einer Rücksetzelektrode können die Pixelfläche benachbarter Pixel und die Pixelanordnung im Allgemeinen verkleinert werden.
Die Abbildung aus 1 zeigt ein Schaltungslayout zweier benachbarter Pixelschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei jeder Pixelschaltung um eine Pixelschaltung mit drei Transistoren, mit einem Zeilentransistor, einem Source-Folger-Transistor und die sich eine Rücksetztransistorelektrode eines Rücksetztransistors teilen. Die benachbarten Pixelschaltungen 100 werden in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in Bezug auf die Pixelzelle 110 und die Pixelzelle 210 beschrieben. Die Funktionsweise jeder Schaltung ist die gleiche.
Die Zelle 110 und die Zelle 210 arbeiten als Reaktion auf ein Rücksetzsignal, das zum Einschalten der Rücksetztransistorelektrode 130 verwendet wird. Die Rücksetztransistorelektrode 130 wird an einem Decodierer oder einem Schieberegister außerhalb der Zelle 110 und 210 eingeschaltet. Ein Rücksetzsignal kann global sein (z.B. zum Zurücksetzen einer ganzen Anordnung) oder es kann eine oder mehrere Zeilen zurücksetzen. Das Rücksetzsignal 300 schaltet die Rücksetztransistorelektrode 130 ein, um den Diodenknoten 190 und den Diodenknoten 290 entsprechend auf einen vorbestimmten Spannungswert zu bringen, wie zum Beispiel V_cc 140. Der Wert an dem Diodenknoten 190 und an dem Diodenknoten 290 wird an einen externen Kollektor auf den entsprechenden Bitleitungen 150 und 250 ausgelesen. Die entsprechenden Source-Folger-Transistoren 160 und 260 verstärken den Spannungswert. Ein erstes Zeilensignal 320 und 325 von dem Decodierer oder dem Schieberegister schalten entsprechend den Zeilentransistor 170 und den Zeilentransistor 270 ein, und das verstärkte Signal an den entsprechenden Knoten 180 und 280 wird entsprechend über die Bitleitung 150 und die Bitleitung 250 gesammelt.
Wenn das gewünschte Motiv oder die gewünschte Szene in den Sichtbereich des Bildsensors gelangt, der die Zelle 110 und die Zelle 210 aufweist, wird ein Belichtungs-Timer (nicht abgebildet) ausgelöst, und der Rücksetztransistor 130 wird abgeschaltet. Danach können fotogenerierte Elektronen-Loch-Paare in der Fotodiode 115 oder der Fotodiode 215, die durch einen Fotostrom verursacht werden (Licht erzeugte Signale), ausschwingen bzw. sich abbauen. Nach einem vorbestimmten Zeitraum schaltet ein zweites Zeilensignal 320 und 325 von dem Decodierer oder dem Schieberegister den Transistor 170 oder den Transistor 270 ein, und eine Spannung an dem Knoten 180 und an dem Knoten 280 wird entsprechend über die Bitleitung 150 und die Bitleitung 250 übertragen. Die Differenz zwischen dem auf der Bitleitung ausgelesenen ersten Wert und dem auf der Bitleitung ausgelesenen zweiten Wert ist proportional zu der von der Fotodiode 115 bzw. der Fotodiode 215 erfassten Licht.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel teilen sich die Zelle 110 und die Zelle 210 eine gemeinsame Rücksetztransistorelektrode. Auf diese Weise ist ein separater Rücksetztransistor für jede der Zellen 110 und 210 nicht erforderlich. Somit kann zwischen benachbarten Pixeln eine Platzeinsparung (z.B. eine Flächeneinsparung) realisiert werden. Die räumliche bzw. Platzeinsparung ermöglicht es, dass einzelne Zellen einen geringeren Bereich belegen als ihre dem Stand der Technik entsprechenden Gegenstücke.
Die Abbildung aus 2 zeigt eine Draufsicht des Fertigungslayouts der Zelle 110. Das Verfahren zur Gestaltung einer derartigen Struktur kann allgemein wie folgt beschrieben werden. Zuerst wird die Zelle 110 mit einem Muster versehen, um Transistorbereiche und Fotoerfassungsbereiche zu definieren. Gemäß der Abbildung aus 2 weist die Zelle 110 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Transistoren auf. Als nächstes wird eine polykristalline Siliziumschicht (Polysilizium) abgeschieden und mit einem Muster versehen, um die einzelnen Gate-Elektroden der drei Transistoren zu bilden. Hiermit wird festgestellt, dass auch andere Materialien für die Elektroden geeignet sind, wie zum Beispiel Gate-Elektroden aus Metall. Gemäß der Abbildung aus 2 weist die Elektrode der Rücksetztransistorelektrode 130 eine die Elektrode umgebende Fotoerfassungselektrode 115 auf. In ähnlicher Weise werden die Elektrode des Zeilentransistors 170 und des Source-Folger-Transistors 160 mit einem Muster versehen.
Nachdem die einzelnen Elektroden der Schaltungen mit drei Transistoren gemustert worden sind, wird ein Implantat realisiert, um Verbindungsbereiche (z.B. Source und Drain) für die Transistoren und die Fotoerfassungsstruktur 115 bereitzustellen.
Wie dies gezeigt wird, ermöglicht es die Musterung bzw. Anordnung der Rücksetzelektrode 130 um die Fotoerfassungsstruktur 115, dass die Elektrode von benachbarten Pixeln gemeinsam genutzt wird. Darüber hinaus sollte eine derartige Konfiguration den Verluststrom reduzieren, der der dem Stand der Technik zugeordneten Fotoerfassungsstruktur 115 zugeordnet ist. Bei dem Stand der Technik entsprechenden Strukturen ist eine Fotoerfassungsstruktur, wie etwa die Fotodiode, durch Isolationsstrukturen umgeben, wie etwa eine flache bzw. seichte Grabenisolation (STI). Der Verluststrom an der Grenzfläche zwischen einer Fotodiode und der STI wurde im Bereich von 20 Nanoampere je Quadratzentimeter identifiziert. Durch die Umgebung der Fotoerfassungsstruktur 115 durch die Rücksetzelektrode 130 ist die Isolationsstruktur (wie etwa STI) von der Fotoerfassungsstruktur 115 getrennt, und der die Isolationsstruktur/Fotoerfassungsgrenzfläche begleitende Verluststrom kann vermieden werden: Ferner ist die Spannung an die Rücksetzelektrode 140 bei der Fotoerfassung beim herkömmlichen Betrieb ausgeschaltet. Die Fotoerfassungsstruktur 130 ist ferner von potenziellem Verluststrom isoliert.
Nach der Gestaltung der Transistoren und der Fotoerfassungsstrukturen werden in einem Ausführungsbeispiel herkömmliche Musterungsschritte für die Gestaltung der Pixelschaltung verwendet, wie zum Beispiel Kontakte zu Gate-Elektroden und Verbindungen, die Bitleitung 150 und V_cc 140, die Zeilensignalleitung 305 und die Rücksetzsignalleitung 310. Hiermit wird festgestellt, dass eine oder mehrere dieser Leitungen sich überschneiden können (z.B. in verschiedenen Vorrichtungs- bzw. Bausteinschichten), und somit sind sie in der Abbildung aus 2 nicht ausdrücklich dargestellt.
Die Abbildung aus 3 zeigt das Fertigungslayout von zwei benachbarten Zeilen und zwei benachbarten Spalten. Wie dies aus der Abbildung aus 3 ersichtlich ist, wird die Rücksetztransistorelektrode 130 der benachbarten Zellen 110 und 210 (benachbarte Zeilenzellen) von den benachbarten Zellen geteilt. Das gleiche Prinzip kann verwendet werden, um den Rücksetztransistor zwischen zwei benachbarten Spalten zu teilen oder zwischen benachbarten Zeilen und Spalten. Die gemeinsame Nutzung des Transistors sorgt für räumliche (z.B. in Bezug auf die Fläche) Einsparungen, die in einem bestimmten Bereich mehr Pixel ermöglichen. Bei dieser Konfiguration kann das Verhältnis zwischen Pixelgröße und empfindlichem Bereich („Füllfaktor") erhöht werden.
Die reduzierte Pixelgröße bedeutet auch, dass kleinere Halbleiterscheiben schneller hergestellt werden können. Gemäß einem Aspekt lehren die Grundsätze der vorliegenden Erfindung allgemein die gemeinsame Nutzung einer Transistor-Gate-Elektrode, die um eine Fotoerfassungsstruktur konfiguriert ist. Diese Grundsätze können so erweitert werden, dass sie alle Elektroden einer Schaltung oder von Schaltungen miteinander koppeln, d.h. es kann auf metallische Zwischenverbindungsleitungen verzichtet werden. Eine derartige Erweiterung kommt zum Beispiel in DRAM-Anwendungen zum Einsatz. Zum Beispiel sollte die Verbindung von Zugangstransistoren in einer Zeile den Verluststrom der Zelle begrenzen.
In der vorstehenden genauen Beschreibung wurde die Erfindung in Bezug auf besondere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass diesbezüglich verschiedene Modifikationen und Abänderungen möglich sind, ohne dabei vom Umfang der Erfindung gemäß den Ausführungen in den Ansprüchen abzuweichen. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen somit Zwecken der Veranschaulichung und haben keine einschränkende Wirkung.

Claims

Bildsensorschaltung (100) mit einer Anordnung von Pixeln (115, 215), die einem Pixelausgangsknoten (180) zugeordnet sind, wobei die Bildsensorschaltung folgendes umfasst: eine Rücksetzschaltung (130), die der Pixelanordnung zugeordnet ist, um die Pixelspannung auf einem vorbestimmten Wert einzustellen, wobei die Rücksetzschaltung durch eine Elektrode (130) gekennzeichnet ist, die zumindest einen Abschnitt der Pixelanordnung (115, 215) umgibt.
Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Elektrode (130) jedes Pixel der Pixelanordnung umgibt.
Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Rücksetzschaltung einen Transistor umfasst, und wobei ein Gate-Anschluss des Transistors den Pixeln zugeordnet ist.
Bildsensor nach Anspruch 3, wobei die Pixelanordnung ein Paar von benachbarten Pixeln umfasst.
Bildsensor nach Anspruch 4, wobei das Paar benachbarter Pixel eine Zeilenanordnung oder eine Spaltenanordnung umfasst.
Bildsensor nach Anspruch 3, wobei jedes Pixel der Pixelanordnung einen fotoempfindlichen Bereich umfasst, wobei der Gate-Anschluss des Rücksetztransistors einen ersten Gate-Anschluss umfasst, der den ersten fotoempfindlichen Bereich umgibt, wobei der Bildsensor ferner eine zweite Gate-Elektrode umfasst, die mit der ersten Gate-Elektrode gekoppelt ist und einen zweiten fotoempfindlichen Bereich umgibt.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 2, wobei die Pixelanordnung eine Pixelanordnung umfasst, welche folgendes umfasst: ein erstes Pixel, das ein erstes lichtempfindliches Schaltungselement umfasst; ein zweites Pixel, das ein zweites lichtempfindliches Schaltungselement umfasst; wobei die Elektrode folgendes umfasst: eine Rücksetzelektrode zur Erzeugung eines vorbestimmten Signals an dem ersten Pixel und dem zweiten Signal; wobei die Bildsensorschaltung ferner folgendes umfasst: eine erste Differentialschaltung, die mit dem ersten lichtempfindlichen Schaltungselement gekoppelt ist, um einen Wert zu messen, der einer Differenz zwischen dem vorbestimmten Signal und einem durch das erste lichtempfindliche Schaltungselement erzeugten Signal entspricht; und eine zweite Differentialschaltung, die mit dem zweiten lichtempfindlichen Schaltungselement gekoppelt ist, um einen Wert zu messen, der einer Differenz zwischen dem vorbestimmten Signal und einem durch das zweite lichtempfindliche Schaltungselement erzeugten Signal entspricht.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 7, wobei die Rücksetzelektrode eine erste Transistor-Gate-Elektrode umfasst, welche die erste lichtempfindliche Schaltung umgibt, und eine zweite Transistor-Gate-Elektrode, die mit der ersten Gate-Elektrode gekoppelt ist und die zweite lichtempfindliche Schaltung umgibt.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 8, wobei die erste Differentialschaltung einen ersten Transistor umfasst, der eine Gate-Elektrode aufweist, die mit einem Register gekoppelt ist, und wobei die zweite Differentialschaltung einen zweiten Transistor umfasst, der eine Gate-Elektrode aufweist, die mit dem Register gekoppelt ist, und wobei das Register dazu dient, ein Signal an jede Gate-Elektrode zu erzeugen.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 9, wobei diese ferner einen ersten Sourcefolger-Transistor umfasst, der mit dem ersten lichtempfindlichen Schaltungselement gekoppelt ist, um ein durch das erste lichtempfindliche Element erzeugtes Signal zu empfangen, und einen zweiten Sourcefolger-Transistor, der mit dem zweiten lichtempfindlichen Schaltungselement gekoppelt ist, um ein durch das zweite lichtempfindliche Schaltungselement erzeugtes Signal zu empfangen.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 7, wobei das erste Pixel und das zweite Pixel aneinander angrenzen.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 2, wobei diese ferner ein Bilddarstellungssystem umfasst, das folgendes umfasst: ein optisches System zur Belichtung; wobei die Bildsensorschaltung mit dem optischen System gekoppelt ist, um das Licht zu empfangen, und wobei ein Pixel folgendes umfasst: eine Fotodetektorschaltkreisanordnung, um ein das Licht darstellendes Signal bereitzustellen; eine gemeinsam genutzte Rücksetzschaltkreisanordnung, um der Pixelverstärkungs-Schaltkreisanordnung ein vorbestimmtes Signal bereitzustellen, um als Reaktion auf dem Empfang eines das Licht an einem Eingang darstellenden Signals ein Ausgangssignal bereitzustellen; eine mit dem Ausgang gekoppelte Speicherschaltkreisanordnung, um als Reaktion auf das Ausgangssignal eine exponierte Spannung bereitzustellen; eine Bildverarbeitungs-Schaltkreisanordnung, die mit der Speicherschaltkreisanordnung gekoppelt ist, um erfasste Bilddaten bereitzustellen; eine Ausgangsschnittstelle, um erfasste Bilddaten einem Bildverarbeitungssystem bereitzustellen.
Bilddarstellungssystem nach Anspruch 12, wobei die Rücksetzschaltkreisanordnung für jedes Pixel der Mehrzahl von Pixeln einen Transistor mit einem Gate-Anschluss umfasst, der eine Fotodetektorstruktur der Fotodetektor-Schaltkreisanordnung umgibt.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 12, wobei die gemeinsam genutzte Rücksetzschaltkreisanordnung einen Gate-Anschluss eines ersten Transistors eines ersten Pixels und einen Gate-Anschluss eines zweiten Transistors eines zweiten Pixels umfasst.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 14, wobei der Gate-Anschluss des ersten Transistors eine Fotodetektorstruktur der Fotodetektor-Schaltkreisanordnung eines ersten Pixels umgibt, und wobei der Gate-Anschluss des zweiten Transistors eine Fotodetektorstruktur der Fotodetektor-Schaltkreisanordnung eines zweiten Pixels umgibt.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 15, wobei das erste Pixel und das zweite Pixel benachbarte Pixel darstellen und in einer Zeilenanordnung oder einer Spaltenanordnung vorgesehen sind.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Pixel um ein lichtempfindliches Element handelt, das mit einem Knoten gekoppelt ist; und wobei die Rücksetzschaltung einen Rücksetztransistor umfasst, der mit dem Knoten gekoppelt ist, so dass ein Signal an dem Knoten erzeugt wird, wobei der Rücksetztransistor eine Elektrode umfasst, welche das lichtempfindliche Element umgibt.
Bildsensorschaltung nach Anspruch 17, wobei das lichtempfindliche Element einen Bereich in einem Substrat umfasst, und wobei die Elektrode angrenzend an den Bereich ausgebildet ist.