DE69932898T2 - Aktiver Pixelsensor mit zwischen benachbarten Pixelreihen gemeinsam genutzten Steuerbussen - Google Patents

Aktiver Pixelsensor mit zwischen benachbarten Pixelreihen gemeinsam genutzten Steuerbussen Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen den Bereich der Halbleiter-Fotosensoren und -Bildwandler, insbesondere Bildwandler, die als "Active Pixel Sensors" (APS) bezeichnet werden.
  • Aktive Pixelsensoren (Active Pixel Sensors/APS) sind Halbleiter-Bildwandler, bei denen jedes Pixel ein Lichtfühlmittel, ein Rückstellmittel, ein Ladungsübertragungsmittel, ein Ladungsumwandlungsmittel und sämtliche oder einige Teile eines Verstärkers beinhaltet. APS-Vorrichtungen werden bislang in einer Weise betrieben, bei der jede Zeile oder Reihe des Bildwandlers mit einem Spaltenauswahlsignal ausgewählt und dann ausgelesen wird (analog zu Wörtern und Bit-Zeilen in Speichervorrichtungen). In Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, wie im "Hintergrund der Erfindung" des US-Patents 5,539,461 in Bezug auf die Schaltung aus 34 beschrieben, erfolgt die Verbindung oder der Kontakt zu den verschiedenen Knoten innerhalb der Pixel einer gegebenen Reihe auf pixelweiser Grundlage, auch wenn es sich dabei nicht um denselben elektrischen Knoten innerhalb einer Reihe handelt (siehe 1). Da Kontaktbereiche in jedem Pixel angeordnet sind, und da die Kontaktbereiche üblicherweise eine große Fläche des Pixels aufgrund der notwendigen Überlagerung der Metallschichten belegen, reduziert die Einbringung dieser Kontaktbereiche in jedem Pixel den Füllfaktor für das Pixel, da sie Fläche belegen, die sonst für den Fotodetektor zur Verfügung stünde. Die Verbindung dieser Komponenten mit dem entsprechenden Timing-Signal erfolgt über Metallbusse, die die gesamte Pixelreihe kreuzen. Diese Metallbusse sind optisch opak und können Bereiche des Photodetektors verdecken, damit sie in die Pixelteilung hineinpassen. Auch dies reduziert den Füllfaktor der Pixel. Eine Reduzierung des Füllfaktors bewirkt eine Reduzierung der Empfindlichkeit und des Sättigungssignals des Sensors. Dies beeinträchtigt die fotografische Empfindlichkeit und den Dynamikbereich des Sensors, also Leistungskriterien, die zur Erzielung einer guten Bildqualität wichtig sind.
  • Um hoch auflösende APS-Vorrichtungen mit kleinen Pixeln zu bauen, ist es notwendig, sub-μm-CMOS-Prozesse zu verwenden, um die Fläche des Pixels zu minimieren, die den Komponenten in dem Pixel zugeordnet sind, bei denen es sich nicht um Fotodetektorkomponenten handelt. Im Vergleich mit einem üblichen CCD-Sensor (Charge Coupled Device) bedarf es im Wesentlichen eines technologisch fortschrittlicheren und kostspieligeren Prozesses, um eine APS-Vorrichtung mit gleicher Auflösung und Empfindlichkeit zu realisieren. Allerdings haben APS-Vorrichtungen den Vorteil, dass sie im Vergleich mit CCD-Sensoren mit einer einzigen Spannung betrieben werden, wenig Energie verbrauchen, X-Y-adressierbar sind, Bildfenster ermöglichen und eine effektive Integration der Signalverarbeitungselektronik auf einem Chip ermöglichen.
  • In dem vorstehend genannten US-Patent 5,539,461 wird die Verwendung eines Vertikalauswahlleitungs-Busses VS (d.h. einer Reihenauswahlleitung) der einen Reihe für eine andere Auswahlfunktion (nämlich die Rückstellfunktion) einer benachbarten Reihe beschrieben.
  • Die internationale Publikation Nummer WO 96/03773 beschreibt in Bezug auf 3 die Verwendung derselben Leitung/desselben Busses zur Durchführung der Reihenauswahlfünktion für eine Reihe von Pixeln und der Rückstellfunktion für eine benachbarte Reihe von Pixeln.
  • Die Europäische Patentanmeldung EP 0 809 394 A2 beschreibt ein Verfahren zur Reihenauswahl für Aktivpixelsensoren, die die Notwendigkeit eines separaten Reihenauswahlgatters pro Pixel erübrigt. Dies wird in einem Fall (3A) durch simultanes Anlegen einer VDD-Spannung an den SIG-Transistor 35 und das Gatter des Reihenauswahltransistors ROWST erreicht, während gleichzeitig eine Off-Spannung an die vergleichbaren Elemente der anderen Reihen angelegt wird. Alternativ hierzu (3B) entfällt der Reihenauswahltransistor, und die VDD-Spannung wird an den SIG-Transistor 45 angelegt, während gleichzeitig die VDD-Spannung von den SIG-Transistoren der nicht ausgewählten Reihen entfernt wird, wodurch die nicht ausgewählten SIG-Transistoren potenzialfrei sind.
  • Aus der vorstehenden Erörterung wird deutlich, dass in der Technik weiterhin Bedarf nach einem verbesserten Verfahren für den Einsatz von Signalbusstrukturen innerhalb von APS-Vorrichtungen besteht.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere in einem aktiven Pixelsensor verwendbar mit einem CMOS Halbleitersubstrat mit einer Vielzahl von Pixeln, die in einer Vielzahl von Spalten und Reihen ausgebildet sind, wobei jedes Pixel einen Fotodetektor und aktive Schaltelemente aufweist, die dem Fotodetektor zugeordnet sind. Die aktiven Schaltelemente müssen von mindestens drei verschiedenen Steuersignalen gesteuert werden, wobei die jeweils mindestens drei verschiedenen Steuersignale jeweils an mindestens drei verschiedene Typen von Steuergattern angelegt sind. Das Steuergatter umfasst ein Rückstellgatter, ein Reihenauswahlgatter und ein Übertragungsgatter, die an einem Ausgangsende des Fotodetektors angeordnet sind. Innerhalb einer jeden Reihe von Pixeln und für mindestens einen ersten und zweiten Typ von Steuergattern sind die Steuergatter des gleichen Typs miteinander verbunden und bilden jeweils erste und zweite Steuerbusse, an die verschiedene externe Steuersignale anlegbar sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal für jedes Steuergatter eines dritten Typs von Steuergattern innerhalb einer jeden Reihe durch eine Verbindung eines jeden Steuergatters mit einem Steuerbus eines anderen Typs, ausgewählt aus den ersten und zweiten Typen von Steuerbussen, einer benachbarten Reihe von Pixeln erzeugt wird, worin die Steuergatter des dritten Typs von Steuergattern innerhalb einer jeden Reihe entweder: Rückstellgatter sind, die mit einem Übertragungsgatterbus einer benachbarten Reihe verbunden sind; oder Übertragungsgatter sind, die mit einem Reihenauswahlbus einer benachbarten Reihe verbunden sind.
  • Diese und weitere Aspekte, Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und anhängenden Ansprüche sowie durch Bezug auf die anliegenden Zeichnungen besser verständlich und verdeutlicht.
  • Alle Merkmale und Vorteile von APS-Vorrichtungen nach dem Stand der Technik werden beibehalten, während gleichzeitig weniger Pixelfläche für Kontaktbereiche und Metallbusse benötigt wird. Dies bietet folgende Vorteile: höherer Füllfaktor, höhere Empfindlichkeit und höheres Sättigungssignal bei gleicher Pixelgröße, kleinerer Pixelgröße und Vorrichtungsgröße bei gleichem Füllfaktor.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1a eine schematische Zeichnung einer Pixelkonstruktion nach dem Stand der Technik;
  • 1b eine Draufsicht zur Darstellung eines typischen Layouts der Pixelkonstruktion aus 1a nach dem Stand der Technik;
  • 2 ein Zeitablaufdiagramm für das in 1a und 1b gezeigte Pixel;
  • 3 eine schematische Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Draufsicht zur Darstellung des Layouts eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ein Zeitablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 6 eine schematische Zeichnung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 7 eine schematische Zeichnung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 8 eine Draufsicht zur Darstellung des Layouts des in 7 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
  • 9 ein Zeitablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel, wie in 10 gezeigt;
  • 10 eine schematische Zeichnung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • Zum besseren Verständnis wurden, soweit möglich, identische Bezugszeichen verwendet, um identische Elemente zu bezeichnen, die den verschiedenen Figuren gemeinsam sind.
  • Es wurde festgestellt, dass Reihensignalleitungen kombiniert werden können, wodurch sich größere Füllfaktoren für aktive Pixelsensoren (APS) erzielen lassen, bei denen es sich typischerweise um CMOS-basierte Bildsensoren handelt. Dies dient zur Lösung der Nachteile von Pixeln 10 nach dem Stand der Technik, wie in 1a dargestellt, bei der es sich um eine schematische Zeichnung eines typischen APS nach dem Stand der Technik handelt. Der erste Teil der vorliegenden Erfindung lässt sich konzeptionell folgendermaßen beschreiben: um eine korrelierte Doppelabtastung zur Unterdrückung von Leserauschen und Offset-Rauschen zu erreichen, muss die Floating Diffusion 12 zurückgesetzt werden, bevor die Signalladung für den Fotodetektor 14 zur Floating Diffusion 12 übertragen wird. In der Technik wird dieser Betrieb dadurch erreicht, dass ein separates Signal bereitgestellt wird, um das Rückstellgatter 16 unmittelbar vor dem Abtasten und Halten des Rückstellpegels zurückzustellen. Wenn die Rückstellung nicht unmittelbar, sondern eine gewisse Zeit vor dem Abtasten und Halten des Rückstellsignals erfolgt, lassen sich die gleichen Ergebnisse erzielen. Das Zeitintervall zwischen dem Anlegen des Signals an das Rückstellgatter 16 muss allerdings kurz genug sein, damit kein Dunkelstrom die Höhe des Sättigungssignals nennenswert verringert (d.h. eine deutliche Null erzeugt). Zudem ist jede Reihe mit ihrem eigenen Reihenauswahlgatter 18 versehen, welches Bestandteil einer Sourcefolgertransistor-Konfiguration mit SIGNAL-Transistor 19 ist. In der Vorrichtung nach dem Stand der Technik aus 1a werden separate Rückstellgatterbusse 15, Übertragungsgatterbusse 13 und Reihenauswahlbusse 17 innerhalb jeder Reihe des aktiven Pixelsensors verwendet. 1b zeigt ein typisches Layout eines schematisch in 1a dargestellten Pixels nach dem Stand der Technik, wonach deutlich wird, dass der Übertragungsgatterbus 13, der Reihenauswahlbus 17 und der Rückstellgatterbus 15 einen großen Teil des Raums innerhalb des Pixels 10 belegen.
  • Die Reihenzeitsignale für einen Sensor unter Verwendung des Pixels in 1 werden in 2 gezeigt. Dies zeigt der Betrieb eines 6-reihigen Bildsensors. Der gesamte Bildsensor startet in einem Rückstellzustand, wobei alle Übertragungsgatter 11 und alle Rückstellgatter 16 eingeschaltet sind. Jede Reihe startet mit sequenzieller Integration, indem sie ihr jeweiliges Rückstellgatter 16 und Übertragungsgatter 11 nacheinander abschaltet. Nachdem Reihe 1 die Integration für die gewünschte Zeit durchgeführt hat, geht das Reihenauswahlsignal für Reihe 1 high, die Floating Diffusion 12 für jedes Pixel 10 in Reihe 1 wird zurückgestellt, indem das Rückstellgatter 16 eingeschaltet wird, der Rückstellpegel wird abgetastet und gehalten, die Signalladung wird dann zur Floating Diffusion 12 übertragen, indem das Übertragungsgatter 11 eingeschaltet wird, und der Signalpegel wird abgetastet und gehalten. Das Reihenauswahlsignal für Reihe 1 geht dann low, gefolgt von dem Reihenauswahlsignal für Reihe 2, das high geht. Das gleiche Timing für Rückstellgatter 16 und Übertragungsgatter 11 wird dann für Reihe 2 durchgeführt. Dies wird für die verbleibenden Reihen des Sensors wiederholt, in diesem Fall also für 6 Reihen. Es ist klar, dass jede Reihe einen separaten Metallbus für jedes Reihenzeitsteuerungssignal, Reihenauswahlgatter 18, Rückstellgatter 16 und Übertragungsgatter 11 enthält.
  • Das Konzept der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Signalleitungen innerhalb eines Sensors verringert werden können, indem bestimmte Typen von Signalleitungen zwischen den Reihen gemeinsam genutzt werden. Es wird Bezug genommen auf 3. Jedes Pixel 20 führt die Integration für die gewünschte Zeit durch, das Reihenauswahlsignal 27 für eine ausgewählte Reihe geht high, die Floating Diffusion 22 für jedes Pixel 20 in ausgewählten Reihe 1 wird zurückgestellt, indem das Rückstellgatter 26 eingeschaltet wird, der Rückstellpegel wird abgetastet und gehalten, die Signalladung wird dann zur Floating Diffusion 22 übertragen, indem das Übertragungsgatter 21 eingeschaltet wird, und der Signalpegel wird abgetastet und gehalten. Das Reihenauswahlsignal für die gewählte Reihe geht dann low, gefolgt von dem Reihenauswahlsignal für die nächste eingelesene Reihe, das high geht. Das gleiche Timing für Rückstellgatter 26 und Übertragungsgatter 21 wird dann für diese nächste ausgewählte Reihe durchgeführt. Dieser Vorgang wird für jede der Reihen wiederholt. Es ist klar, dass jede Reihe einen separaten Reihenauswahlgatter-(RSG)-Bus 27 enthält. Der Rückstellgatter-(RG)-Bus in einer Reihe wird allerdings mit dem Übertragungsgatter-Bus 23 in einer benachbarten Reihe geteilt.
  • Es gibt zwei optimale Möglichkeiten, dies zu erreichen, welche als bevorzugte Ausführungsbeispiele vorgestellt werden. Die folgenden beiden Beispiele der vorliegenden Erfindung werden in der Reihenfolge der abnehmenden Zeitintervalle zwischen dem Rückstellen der Floating Diffusion 22 und dem Abtasten und Halten des Rückstellpegels vorgestellt. Wie in 3 gezeigt, wurde der vorher eingelesene Übertragungsgatter-Bus 23 einer Reihe als Rückstellgatter-Bus für die Reihe verwendet, die derzeit eingelesen wird. Dieses Verfahren wird benutzt, um die Gesamtzahl der Signalleitungen zu reduzieren, und zwar unter Verwendung eines Zeitsteuerungssignals aus der vorherigen Reihe innerhalb des Ausleseschemas der vorhandenen Reihe. In dem ersten Beispiel wird das Übertragungsgatter 21 von Reihe n als Rückstellgatter 26 von Reihe n+1 verwendet, wobei n die derzeit eingelesene Reihe ist. 4 zeigt eine Draufsicht eines möglichen Layouts für dieses erste Verfahren zur Reduzierung der Signalbusleitungen und zeigt zwei benachbarte Pixel in unterschiedlichen Reihen. Die Rückstellgatter 26 der oberen Reihe werden als elektrisch mit dem Übertragungsgatter-Bus 23 der unteren Reihe verbunden betrachtet.
  • Ein zweites Beispiel wird in 6 gezeigt, worin der Reihenauswahlgatter-Bus 37 von Reihe n als Rückstellgatter-Bus 36 von Reihe n+1 verwendet wird. Diese Busarchitektur reduziert die Anzahl der Busse je Reihe von 3 auf 2 und verringert somit die Fläche, die vom Fotodetektor 34 belegt wird, was zu einem höheren Füllfaktor des Pixels führt. Außerdem ist der Weg von einem Bus oder einer aktiven Komponente innerhalb eines Pixels in einer gegebenen Reihe zum Rückstellgatter der nächsten Reihe kurz und kann in Polysilicium ausgeführt werden, wodurch eine sehr effektive Verbindung vorgesehen wird, die ebenfalls zu einem höheren Füllfaktor beiträgt.
  • Ein weiteres, schematisch in 7 und in Draufsicht in 8 gezeigtes Beispiel zeigt, dass die Anzahl der Signalleitungen verringert werden kann, indem die Rückstellgatter-Busse 45 gemeinsam genutzt werden. Dies stellt ein effektives Mittel zur Reduzierung der Anzahl der Kontaktbereiche und Busse dar, weil es die Tatsache nutzt, dass es möglich ist, jede Floating Diffusion kontinuierlich zurückzustellen, wenn irgend eine Reihe zurückgestellt wird, ohne den Betrieb der Vorrichtung zu beeinträchtigen. Daher kann der Rückstellgatter-Bus 45 einer beliebigen Reihe mit einer anderen oder mehreren Reihen gemeinsam genutzt werden. In einer noch konsequenteren Form kann das Rückstellgatter 46 für ein Pixel oder für eine Pixelmenge das Signal mit einem beliebigen anderen Pixel oder eine Pixelmenge gemeinsam nutzen, das an das Rückstellgatter 46 angelegt wird. Hierdurch reduziert sich ebenfalls die Anzahl der Busse und Kontaktbereiche pro Reihe, wodurch der Füllfaktor der Pixel erhöht wird. Die verbleibende Struktur ist ähnlich der in den vorherigen Ausführungsbeispielen gezeigten, wobei der Fotodetektor 44 Elektronenpaare aus dem einfallenden Licht erzeugt und diese Elektronen als eine Signalladung speichert, bis das Übertragungsgatter 41 die gespeicherte Ladung an die Floating Diffusion 42 überträgt, die als ein Leseknoteneingang für den Signaltransistor 49 dient.
  • Ein weiteres Mittel zur Reduzierung der Anzahl von Bussen und Kontaktbereichen ist in 10 gezeigt, wo die Reihenauswahlgatter 58 aus einer Reihe desselben Signalbusses wie die Übertragungsgatter 51 in der nächsten auszulesenden Reihe stammen. Dieser Ansatz kehrt die Reihenfolge des Betriebs zwischen Übertragungsgatter 51 und Rückstellgatter 52 um. Der Fotodetektor-Signalpegel wird übertragen und abgetastet und gehalten vor Rückstellung der Floating Diffusion 52 und dem Abtasten und Halten des Rückstellpegels. Auf diese Weise wird eine Pixelversatz-Beseitigung erzielt, wogegen eine korrelierte Doppelabtastung (CDS/Correlated Double Sampling) nicht erfolgen kann. Aufgrund dessen erhöht sich das zeitliche Rauschen. Dadurch verringert sich die Anzahl der Busse pro Reihe von 3 auf 2. Das Zeitablaufdiagrammist in 9 dargestellt.
  • Die vorliegende Erfindung weist u.a. folgende Merkmale auf: Aktiver Pixelsensor, worin der Reihenauswahlbus für eine derzeit ausgelesene Reihe als Rückstellgatter-Bus für die nächste auszulesende Reihe dient; aktiver Pixelsensor, worin der Steuerbus, der als Steuerbus für eine andere Reihe dient, ein Rückstellbus für jede der Reihen ist; aktiver Pixelsensor, worin der Reihenauswahlbus für eine derzeit ausgelesene Reihe als Übertragungsgatter-Bus für die nächste auszulesende Reihe dient; aktiver Pixelsensor, worin der Übertragungsgatterbus für eine derzeit ausgelesene Reihe als Rückstellgatter-Bus für die nächste auszulesende Reihe dient; aktiver Pixelsensor, wobei die aktiven Schaltungselemente zudem einen Sourcefolgerverstärker umfassen, der in Wirkbeziehung mit dem Fotodetektor verbunden ist; aktiver Pixelsensor, worin die mindestens zwei Signalbusse beides Rückstellgatter-Busse sind; aktiver Pixelsensor, worin die mindestens zwei Signalbusse zudem einen Reihenauswahlbus und einen Rückstellbus umfassen und worin der Reihenauswahlbus für eine derzeit ausgelesene Reihe als Rückstellbus für die nächste auszulesende Reihe dient; aktiver Pixelsensor, worin die mindestens zwei Signalbusse zudem einen Übertragungsgatter-Bus und einen Reihenauswahlbus umfassen und worin der Reihenauswahlbus für eine derzeit eingelesene Reihe als Übertragungsgatter-Bus für die nächste auszulesende Reihe dient; aktiver Pixelsensor, worin die mindestens zwei Signalbusse zudem einen Übertragungsgatter-Bus umfassen und worin der Übertragungsgatter-Bus für eine derzeit eingelesene Reihe als Rückstellgatter-Bus für die nächste einzulesende Reihe dient.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die konkret beschriebenen und bereitgestellten Beispiele Ausführungsbeispiele sind, die zur Darstellung dieser Erfindung dienen. Andere konkrete physische Ausführungsbeispiele sind möglich.

Claims (1)

  1. Aktiver Pixelsensor mit: einem CMOS Halbleitersubstrat mit einer Vielzahl von Pixeln (20, 50), die in einer Vielzahl von Spalten und Reihen ausgebildet sind, wobei jedes Pixel einen Fotodetektor (24, 54) und aktive Schaltelemente aufweist, die dem Fotodetektor zugeordnet sind, wobei die aktiven Schaltelemente gesteuert werden müssen von mindestens drei verschiedenen Steuersignalen, wobei die jeweils mindestens drei verschiedenen Steuersignale jeweils an mindestens drei verschiedene Typen von Steuergattern angelegt sind, die ein Rückstellgatter (26, 56), ein Reihenauswahlgatter (28, 58) und ein Übertragungsgatter (21, 51) aufweisen, die an einem Ausgangsende des Fotodektors angeordnet sind, wobei innerhalb einer jeden Reihe von Pixeln und für mindestens einen ersten und zweiten Typ von Steuergattern die Steuergatter des gleichen Typs miteinander verbunden sind und jeweils erste und zweite Steuerbusse bilden, an die verschiedene externe Steuersignale anlegbar sind; dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal für jedes Steuergatter eines dritten Typs von Steuergattern innerhalb einer jeden Reihe durch eine Verbindung eines jeden Steuergatters mit einem Steuerbus eines anderen Typs, ausgewählt aus den ersten und zweiten Typen von Steuerbussen, einer benachbarten Reihe von Pixeln erzeugt wird, worin die Steuergatter des dritten Typs von Steuergattern innerhalb einer jeden Reihe entweder: Rückstellgatter (26) sind, die mit einem Übertragungsgatterbus (23) einer benachbarten Reihe verbunden sind; oder Übertragungsgatter (51) sind, die mit einem Reihenauswahlbus (57) einer benachbarten Reihe verbunden sind.
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