-
Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Halbleitersensoren
und insbesondere auf Sensoren, die allgemein als aktive Pixelsensoren
bezeichnet werden.
-
APS
sind Halbleiter-Bilderzeugungsgeräte, bei denen jedes Pixel eine
Lichterfassungseinrichtung, eine Ladungs-/Spannungs-Wandlereinrichtung, eine
Reset-Einrichtung und einen Verstärker oder einen Teil eines
solchen aufweist. Gegenüber
ladungsgekoppelten Bilderzeugungsgeräten (CCD) weisen sie einige
Vorteile auf, etwa die Möglichkeit
des Betriebes mit nur einer 5V-Versorgung, die X-Y-Adressierbarkeit
und die weitgehende Integration der Signalverarbeitung auf dem Chip.
-
Im
Betrieb von APS-Geräten
wird jedes Pixel wiederholt rückgestellt
und ausgelesen. Der Rückstellvorgang
erfolgt in der Weise, dass der Fotodetektor oder die Ladungs-/Spannungs-Wandlungseinrichtung
durch Entfernen der dort vorhandenen Signalladung rückgestellt
wird. Dies wird durch Integration eines Reset-Transistors in jedem
Pixel bewerkstelligt. Beim Einschalten des Reset-Transistors kann
die Signalladung in den Drain des Reset-Transistors fließen und
wird somit aus dem Bereich des Fotodetektors oder dem Bereich der
Ladungs-/Spannungs-Wandlereinrichtung
entfernt. Da dieser Reset-Transistor in jedem Pixel vorhanden ist,
nimmt er Raum ein, der sonst für
den Fotodetektor genutzt werden könnte, und reduziert damit den
Füllfaktor und
die Empfindlichkeit des Geräts.
-
In 1 ist
ein bekanntes APS-Pixel dargestellt. Das Pixel 10 weist
einen Fotodetektor 12, der entweder aus einer Foto-Diode
oder einem Foto-Gate bestehen könnte,
ferner ein Transfer-Gate 14, einen "gleitenden Diffusor" 16, einen Reset-Transistor 17 mit
einem Reset-Gate 18 und einem Reset-Drain 19,
und einen Reihenauswahltransistor (ROWST) 8 mit einem Reihenauswahlgate
(RSG) 9 und einem Signaltransistor (SIG) 6 auf.
Die Pixel sind in einer Anordnung (X-Spalten und Y-Reihen) angeordnet
und bilden so einen Bildsensor aus. Das Gerät arbeitet wie folgt: Durch
Einschalten des Transfer-Gates 14 und des Reset-Gates 18 wird
eine gegebene Reihe rückgestellt.
Etwaige im Fotodetektor 12 oder im gleitenden Diffusor 16 vorhandene
Elektronen werden über
den Reset-Drain 19 entfernt. Dann werden das Transfer-Gate 14 und
das Reset-Gate 18 ausgeschaltet, und einfallendes Licht
erzeugt eine vorgegebene Zeit lang (Integrationszeit) Elektronen im
Fotodetektor 12. Anschließend wird das Reset-Gate eingeschaltet
und entfernt etwaige Elektronen, die sich im Bereich des gleitenden
Diffusors angesammelt haben können.
Dann wird das Reset-Gate ausgeschaltet und anschließend der
Reset-Signalpegel für
die betreffende Reihe spaltenweise ausgelesen (die Details dieses
Vorgangs sind nicht erfindungsrelevant). Dann wird das Transfer-Gate 14 eingeschaltet,
und diese Elektronen werden auf den mit dem Gate des SIG 6 verbundenen gleitenden
Diffusor 16 übertragen.
Danach wird der Signalpegel für
die betreffende Reihe spaltenweise ausgelesen. Ein in jeder Spalte
vorhandener CDS-Verstärker
dient dazu, Rückstell-Rauschen
und durch Pixelversatz bedingtes Rauschen zu beseitigen. Der Vorgang
wird dann für
die übrigen
Reihen mit für
alle Reihen konstanter Integrationszeit wiederholt, aber während einer
anderen Zeitdauer integriert. Wie bereits erwähnt, reduziert die Integration eines
Reset-Transistors in jedem Pixel den Füllfaktor und die Empfindlichkeit
des Geräts.
Außerdem
kann die reihenweise Durchführung
der Rückstell-,
Integrations- und Leseoperationen Bildartefakte erzeugen.
-
Man
kennt zwei grundsätzliche
Arten von Ladungs-/Spannungs-Wandlereinrichtungen, den gleitenden
Diffusor und das gleitende Gate. Die mit dem gleitenden Diffusor
arbeitende Methode ergibt sehr gute Empfindlichkeit (d. h. geringe
Kapazität),
aber eine nur unvollständige
Rückstellung,
was zu Reset-Rauschen führt.
Die FG-Methode ergibt eine vollständige Rückstellung und somit kein Reset-Rauschen,
ihre Empfindlichkeit ist aber gering. Die Lösung mit dem gleitenden Diffusor
wurde bisher hauptsächlich
in APS- und ladungsgekoppelten Geräten (CCD) eingesetzt, um eine
gute Empfindlichkeit zu erhalten. Gegen das Reset-Rauschen wendet
man eine korrelierte Doppelabtastung an.
-
Soll
ein CDS-Verfahren durchgeführt
und das Reset-Rauschen beseitigt werden, muss der Rückstellvorgang
vor dem Lesevorgang stattfinden. Wegen dieser Forderung, dass vor
einem Lesesignalpegel ein Rückstellsignalpegel
vorliegen muss, hat man APS-Geräte
bisher so betrieben, dass jede Zeile oder Reihe eines Bilderzeugungsgeräts in einem
anderen Zeitintervall als alle anderen Zeilen oder Reihen rückgestellt,
integriert und ausgelesen wird. Würde man also das gesamte Bilderzeugungsgerät auslesen,
hätte jede
Zeile die Szene zu einem anderen Zeitpunkt erfasst. Da die Belichtungsbedingungen
sich zeitabhängig
verändern
können
und auch tatsächlich
verändern,
und da sich die Objekte in einer Szene auch bewegen können, kann
dieses Ausleseverfahren in der erhaltenen Bildwiedergabe Zeilenartefakte
erzeugen. Dadurch ist der Nutzen von APS-Geräten in Anwendungen beschränkt, in denen
bewegte oder unbewegte Bilder hoher Qualität gefordert sind. Dieses Problem
kann zwar dadurch überwunden
wurden, dass man den Signalpegel und dann den Rückstellpegel ausliest, aber
wie vorstehend bereits erwähnt
wurde, wird dadurch das Reset-Rauschen nicht beseitigt.
-
US-A-5 298 778 beschreibt
eine Anwendung eines Halbleiter-Bilderzeugungsgeräts mit einer
Vielzahl von in einer zweidimensionalen Matrix angeordneten Bildelementen.
Ein Sensorbereich ist von einem Substrat umgeben, und ein Gate-Bereich
ist seitlich im Wesentlichen um den Sensorbereich herum angeordnet.
Der Sensorbereich ist durch eine Oberfläche des Substrats hindurch
ausgebildet und vertikal mit dem Sensorbereich ausgerichtet, während auf
der gegenüber
liegenden Oberfläche
des Substrats ein Drain ausgebildet ist, der ebenfalls mit dem Sensorbereich
ausgerichtet ist. Der Sensorbereich und der Gate-Bereich bilden
zusammen einen Kanal, durch den Source-Drain-Strom fließt. Auf
das Substrat auftreffendes Licht gelangt durch den Kanal zum Sensorbereich,
wo sich Ladung fotoelektrisch ansammelt, um daraus durch Regelung
des Source-Drain-Stroms entsprechend der Größenordnung der fotoelektrisch
angesammelten Ladung ein Bildsignal zu erzeugen. Nach dem Auslesen
wird das Gerät
rückgestellt,
indem die im Sensorbereich angesammelte Ladung durch den Gate-Bereich
entfernt wird.
-
Um
die vorstehend beschriebenen, mit APS-Geräten verbundenen Probleme zu
lösen,
ist eine Reset-Einrichtung wünschenswert,
die den Füllfaktor
des Pixels nicht verringert. Außerdem
wäre eine
Reset-Einrichtung wünschenswert,
die eine vollständige
Rückstellung
bewirkt, so dass das APS-Gerät
in der Weise betrieben werden könnte,
dass es ohne Entstehung von Reset-Rauschen ausgelesen und dann rückgestellt
wird.
-
Die
Erfindung löst
die vorstehend genannten Probleme durch eine neue Pixelarchitektur
und ein neues Rückstellverfahren,
bei dem nicht mehr ein Reset-Transistor pro Pixel erforderlich ist,
und bewirkt eine vollständige
Rückstellung,
so dass kein Reset-Rauschen entsteht und keine korrelierte Doppelabtastung
(CDS) erforderlich ist. Die Erfindung bezieht sich auf einen APS-Bildsensor
gemäß Anspruch
1. Bei einem aktiven Pixelsensor mit einer Vielzahl von Pixeln,
bei dem jedes Pixel einen Fotodetektor zum Sammeln von Ladung aus
einfallendem Licht, ein Transfer-Gate
zum Entfernen von Ladung vom Fotodetektor, ein als Sensor-Knotenpunkt
zu einem Verstärkereingang
wirkender gleitender Diffusor und einen Drain aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass jedes Pixel durch Anlegen eines Potentials benachbart zum gleitenden
Diffusor zurückgestellt
wird, so dass das Gebiet zwischen dem gleitenden Diffusor und dem
Drain vollständig
entladen wird. In gleicher Weise kann auch der Fotodetektor rückgestellt
werden, indem der Reset-Drain neben dem Fotodetektor angeordnet
wird.
-
Die
Erfindung schafft die Möglichkeit,
die Anzahl der für
den Rückstellvorgang
erforderlichen Komponenten zu reduzieren, und erzeugt eine vollständige Rückstellung,
so dass das Gerät
in der Weise betrieben werden kann, dass das gesamte Bilderzeugungsgerät gleichzeitig
(statt reihenweise) integriert wird, ohne unter Reset-Rauschen zu
leiden. Diese neue Architektur wird als APS mit Durchgriff-Rückstellung
bezeichnet. Der gleitende Diffusor wird durch vollständige Entladung
des Gebiets zwischen dem Reset-Drain und dem gleitenden Diffusor rückgestellt,
so dass sich ein "punch
through" (Durchgriff)
vom Reset-Drain zum gleitenden Diffusor ergibt. Dabei wird die gesamte
auf dem gleitenden Diffusor gespeicherte Ladung durch den Reset-Drain abgeführt. In 2A und 2B sind
zwei physische Ausführungsformen
der neuen Pixelarchitektur dargestellt (wobei nur die erfindungswesentlichen
Merkmale gezeigt werden). Es sind jedoch auch spezielle andere physische
Ausführungsformen
realisierbar. Die beiden Ausführungsformen
wurden nur zur Illustration ausgewählt.
-
Bei
der ersten (in 2A dargestellten) physischen
Ausführungsform
umfasst das Pixel einen Fotodetektor, ein Transfer-Gate, einen gleitenden Diffusor,
ein SIG, ein RSG, ein ROWST und einen Reset-Drain. Ein separates
Reset-Gate oder ein separater Reset-Transistor ist nicht vorgesehen.
Bei dieser Architektur wird der Rückstellvorgang dadurch bewirkt,
dass die Versorgungsspannung VDD oder eine andere entsprechende
Spannung an die gewünschten
Reset-Drains (OV, oder eine andere entsprechende Spannung an die übrigen Reset-Drains) angelegt
wird, so dass das p-leitende Gebiet vom Reset-Drain und dem gleitenden
Diffusor vollständig entladen
wird. Durch das vollständige
Entladen des p-leitenden Gebiets werden alle auf dem gleitenden Diffusor
gespeicherten Elektronen in den Reset-Drain abgeleitet, so dass
der gleitende Diffusor vollständig
rückgestellt
wird. Die Aufhebung des Pixelversatzes kann auch hier durch Auslesen,
dann Rückstellen,
Halten und Abtasten erfolgen. Der zuvor für RES und RG verwendete Raum
kann jetzt für
den Fotodetektor verwendet werden, was den Füllfaktor und die Empfindlichkeit
des Pixels verbessert.
-
Die
versenkt angeordneten Reset-Drains gemäß 2A sind
innerhalb einer Reihe durch eine versenkte Schicht miteinander verbunden.
Die versenkte Schicht und der versenkte Reset-Drain können auf
verschiedene, dem Fachmann bekannte Arten der Herstellung von integrierten
Schaltungen (z. B. Hochgeschwindigkeits-BICMOS-Verfahren) hergestellt
werden.
-
Das
in 2B dargestellte Pixel ist jenem der 2A ähnlich mit
der Ausnahme, dass der Reset-Drain 29 durch tiefe n-Diffusion
von der Oberfläche
her statt durch einen versenkten Reset-Drain 27 gebildet
wird. Durch Anlegen einer entsprechenden positiven Spannung (z.
B. VDD) wird das p-leitende Gebiet vollständig entladen und der gleitende
Diffusor vollständig
rückgestellt.
-
Diese
und andere Aspekte, Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden aus dem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
und der anliegenden Ansprüche
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
-
Der
Füllfaktor
wird durch eine Reset-Einrichtung verbessert, die keinen Pixel-Oberflächenbereich beansprucht.
Mittels einer hochempfindlichen gleitenden Diffusor-Struktur wird
eine vollständige
Rückstellung
erreicht, so dass jegliches Rauschen ausgeschlossen ist. Pixel-Übersprechen
wird unterdrückt.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
bekanntes Pixel;
-
2A eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Pixels;
-
2B eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Pixels;
-
2C eine
Pixelreihe gemäß 2A,
wobei die Reset-Drains über
eine versenkte strukturierte Schicht miteinander verbunden sind;
und
-
2D eine
Pixelreihe gemäß 2B,
wobei die Reset-Drains über
eine versenkte strukturierte Schicht miteinander verbunden sind.
-
Zum
besseren Verständnis
wurden so weit wie möglich
in allen Figuren gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
-
Die
Erfindung ermöglicht
die Reduzierung der für
den Rückstellvorgang
von APS-Geräten
erforderlichen Anzahl von Komponenten und des dafür erforderlichen
Raums und erreicht damit einen höheren Füllfaktor
und eine verbesserte Empfindlichkeit gegenüber bekannten Geräten. Außerdem ermöglicht sie
eine vollständige
Rückstellung,
so dass das Gerät in
einer Weise betrieben werden kann, bei der das gesamte Bilderzeugungsgerät gleichzeitig
(statt reihenweise) integriert wird, ohne unter Reset-Rauschen zu
leiden.
-
Diese
neue Architektur wird als APS mit Durchgriff-Rückstellung bezeichnet. Die
Durchgriff-Rückstellung
kann entweder durch Rückstellen des
Fotodetektor-Bereichs, der nicht Gegenstand der Erfindung ist, oder
durch Rückstellen
des gleitenden Diffusors bewirkt werden, der den Gegenstand der Erfindung
bildet. Im Falle des Fotodetektors wird ein Drain benachbart zum
Fotodetektor angeordnet. Der gleitende Diffusor wird durch vollständige Entladung des
Gebiets zwischen dem Reset-Drain und dem gleitenden Diffusor rückgestellt,
so dass sich ein "punch
through" (Durchgriff)
vom Reset-Drain zum gleitenden Diffusor ergibt. Dabei wird die gesamte auf
dem gleitenden Diffusor gespeicherte Ladung durch den Reset-Drain
abgeführt.
In 2A und 2B sind
zwei physische Ausführungsformen
der neuen Pixelarchitektur dargestellt. Es sind jedoch auch spezielle
andere physische Ausführungsformen realisierbar.
Diese beiden Ausführungsformen
wurden nur zur Illustration ausgewählt.
-
Bei
der ersten (in 2A dargestellten) physischen
Ausführungsform
umfasst das Pixel 20 einen Fotodetektor 22, ein
Transfer-Gate 24, einen gleitenden Diffusor 26,
ein SIG 6, ein ROWST 8, ein RSG 9, und
einen Reset-Drain 27. Ein separates Reset-Gate oder ein
separater Reset-Transistor
ist nicht vorgesehen. Bei dieser Architektur wird der Rückstellvorgang dadurch
bewirkt, dass die Versorgungsspannung VDD oder eine andere entsprechende
Spannung an den gewünschten
Reset-Drain (OV, oder eine andere entsprechende Spannung an die übrigen Reset-Drains) angelegt
wird, so dass das p-leitende Gebiet zwischen dem Reset-Drain 27 und
dem gleitenden Diffusor 26 vollständig entladen wird. Durch das vollständige Entladen
des p-leitenden Gebiets werden alle auf dem gleitenden Diffusor 26 gespeicherten
Elektronen in den Reset-Drain 27 abgeleitet,
so dass der gleitende Diffusor 26 vollständig rückgestellt wird.
Die Aufhebung des Pixelversatzes kann auch hier durch Differenzierung
der Lese- und Rückstellsignale
erfolgen. Der Reset-Drain 27 ist jetzt unter dem gleitenden
Diffusor 26 versenkt angeordnet, und die Reset-Drains in
jener Reihe sind über
eine versenkte n-leitende Schicht 28 miteinander verbunden,
so dass nichts vom Pixel-Oberflächenbereich
für den Rückstellvorgang
in Anspruch genommen wird und damit der Füllfaktor und die Empfindlichkeit
des Pixels verbessert werden.
-
Die
versenkt angeordneten Reset-Drains sind innerhalb einer Reihe durch
eine versenkte Schicht 28 miteinander verbunden. Die versenkte Schicht 28 und
der versenkte Reset-Drain 27 können auf unterschiedliche Weise
hergestellt sein. In einem Fall werden die versenkte Schicht 28 und
der versenkte Drain 27 vor der Epitaxialabscheidung durch zwei
separate Implantationen vom n-Typ hergestellt. Die Implantationsdosis
wird in diesem Fall so gewählt,
dass sich während
der übrigen
thermischen Verarbeitung des Geräts
die entsprechende Aufwärtsdiffusion
ergibt. Die versenkte Schicht 28 wird unterhalb zumindest
eines Bereichs des Fotodetektors 22 mit der entsprechenden
Dosis und/oder dem entsprechenden Typ so strukturiert, dass das Übersprechen
unterdrückt
wird, aber immer noch eine angemessene Rotantwort gegeben ist. Das
versenkte Reset-Drain-Implantat wird unter mindestens einem Teil
des gleitenden Diffusors 26 mit der entsprechenden Implantationsdosis
und/oder dem entsprechenden Typ strukturiert, so dass ein Bereich
vom p-Typ links zwischen dem gleitenden Diffusor 26 und
dem Reset-Drain 27 entsteht, der mit einem gewünschten Reset-Potential
vollständig
entladen werden kann.
-
Dies
könnte
auch dadurch geschehen, dass man die versenkte Schicht 28 mit
einem n-leitenden Implantat vor der Epitaxialabscheidung und den
versenkten Reset-Drain 27 mit einem Hochenergie-Implantat
nach der Epitaxialabscheidung ausbildet.
-
Das
in 2B dargestellte Pixel ist dem gemäß 2A ähnlich und
enthält
gleiche Elemente mit der Ausnahme, dass der Reset-Drain nicht wie
in 2A durch einen versenkten Reset-Drain 27 mit einer
versenkten n-leitenden Schicht 28 gebildet wird, sondern
durch eine tiefe n-Diffusion
von der Oberfläche
her. Jedes Anlegen einer entsprechenden positiven Spannung (z. B.
VDD) führt
zur vollständigen
Entladung des n-leitenden Gebiets zwischen dem Reset-Drain 28 und
dem gleitenden Diffusor 26 und zur vollständigen Rückstellung
des gleitenden Diffusors 26. Diese Lösung hat gegenüber der
Lösung
mit versenktem Reset-Drain den Nachteil, dass sie Oberfläche in Anspruch
nimmt, wobei sie aber weniger Oberfläche beansprucht als der separate
Transistor nach dem Stand der Technik.
-
In
diesem Fall ist keine versenkte Schicht erforderlich, und der Bereich
des Reset-Drains könnte durch
einen separaten Implantiervorgang vor der n-Well-Diffusion oder
der Feldoxidation (d. h. dem größten thermischen
Verarbeitungsschritt) erzeugt werden. Allerdings könnte eine
versenkte Schicht zum Verbinden des Reset-Drain-Gebiets genutzt werden,
so dass kein separater Reset-Bus in einer Verbindungsschicht erforderlich
ist. Die versenkte Schicht würde
wie vorstehend beschrieben ausgebildet und strukturiert.
-
2C zeigt
eine Pixelreihe gemäß 2A, wobei
die Reset-Drains 27 über
eine strukturierte versenkte Schicht 28 miteinander verbunden
sind. 2D zeigt die in 2B dargestellte
Pixelreihe, wobei die Reset-Drains 29 über eine strukturierte versenkte
Schicht 28 miteinander verbunden sind. Der einfacheren
Darstellung halber wurden der SIG 6, der RSG 9 und
der ROWST 8 sowohl in 2C als
auch in 2D weggelassen.