DE602005001415T2

DE602005001415T2 - Hybrider, ladungsgekoppelter CMOS-Bildsensor

Info

Publication number: DE602005001415T2
Application number: DE602005001415T
Authority: DE
Inventors: Sohei San Jose Manabe; Hidetoshi Santa Clara Nozaki
Original assignee: Omnivision Technologies Inc
Current assignee: Omnivision Technologies Inc
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: EP1589583B1; EP1589583A2; ATE365380T1; CN1716623B; TW200532906A; TWI270205B; DE602005001415D1; US7045754B2; EP1589583A3; CN1716623A; US20050219884A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Bildsensoren und insbesondere einen CMOS-Bildsensor, der Ladungskopplungs-Technik zur Implementierung eines Rahmenspeichers nutzt.
Es gibt zwei Hauptkategorien von Bildsensortechniken: ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD) und CMOS-Bildsensoren. Die Vorteile der beiden Techniken sind sorgfältig dokumentiert. CMOS-Bildsensoren weisen beispielsweise Vorteile in Bezug auf Stromverbrauch, Herstellungskosten und Schaltkreisintegration auf. Dennoch weisen CCDs bei bestimmten Anwendungen im oberen Leistungsbereich Vorteile auf.
Es wurden Versuche unternommen, die beiden Technologien zu verbinden, so dass ein Bildsensor die Vorteile beider aufweist. US-Patent Nr. 5.625.210 beschreibt die Kombination der allgemein genutzten Technik der gepinnten Photodiode von CCD-Bildsensoren mit durch CMOS gesteuerten Schaltkreisen.
WO2005/022638A offenbart eine Vorrichtung, die alle im Oberbegriff von Anspruch 1 angeführten technischen Merkmale aufweist.
Die vorliegende Erfindung kombiniert Aspekte von CCD-Technologie in einem CMOS-Bildsensor.
Die vorliegende Erfindung stellt einen aktiven Pixel gemäß Anspruch 1 bereit.
Der Gegenstand von Anspruch 1 unterscheidet sich insofern von den Lehren von WO 2005/022638A , als dass dieses Dokument nur ein Speichergate zwischen dem Transfertransistor und dem Steuergate offenbart, das mit dem Ausgangsanschluss des Transfertransistors und dem Eingangsanschluss des Steuergates elektrisch verbunden ist, während die vorliegende Erfindung zwei Speichergates zwischen dem Transfertransistor und dem Steuergate einsetzt, um den Verlust von Signalladungen durch die schnelle Übertragung derselben zwischen den beiden Speichergates zu reduzieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines in einem CMOS-Bildsensor verwendeten, aktiven Pixels mit drei Transistoren nach dem Stand der Technik.
2 ist eine schematische Darstellung eines in einem CMOS-Bildsensor verwendeten, aktiven Pixels mit vier Transistoren nach dem Stand der Technik.
3 ist eine schematische Darstellung eines aktiven Pixels.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Teils des aktiven Pixels aus 3.
5 ist eine schematische Darstellung eines aktiven Pixels, die die Verwendung von gemeinsamen Transistoren zeigt.
6 zeigt schematische Darstellungen und Querschnittsansichten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Einsatz eines zusätzlichen Speichergates.
7 zeigt schematische Darstellungen und Querschnittsansichten eines aktiven Pixels unter Verwendung einer p-Typ-Schicht unter dem Speichergate und eines zusätzlichen Steuergates.
Während die in 3, 4, 5 und 7 dargestellten aktiven Pixel nicht Teil des Schutzumfangs der Ansprüche sind, werden sie dennoch in der Beschreibung aufgenommen, da sie nützliche Information für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung in Bezug auf den Einsatz von Speicher-Töpfen bereitstellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details angeführt, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung werden jedoch erkennen, dass die Erfindung auch ohne eines oder mehrere spezifische Details oder unter Einsatz anderer Verfahren, Komponenten, Materialien etc. umgesetzt werden kann. An anderer Stelle werden bekannte Strukturen, Materialien oder Vorgänge nicht angeführt oder detailliert beschrieben, um Aspekte der vorliegenden Erfindung deutlich darstellen zu können.
Die Bezugnahme auf "eine Ausführungsform" in der vorliegenden Beschreibung bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, Teil zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Die Bezeichnung "in einer Ausführungsform", die an verschiedenen Stellen in der vorliegenden Beschreibung aufscheint, bezieht sich demnach nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform. Weiters können die jeweiligen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften auf beliebige geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung kombiniert bestimmte Aspekte der CCD-Technologie mit der CMOS-Verarbeitungstechnologie. 1 veranschaulicht einen aktiven CMOS-Pixel mit drei Transistoren nach dem Stand der Technik. Ein Lichtabfühlelement 101 gibt ein Signal aus, das eingesetzt wird, um einen Verstärkungstransistor 105 zu modulieren. Der Verstärkungstransistor ist auch als Sourcefolgertransistor bekannt. Bei dem Lichtabfühlelement 101 kann es sich um verschiedene Vorrichtungen handeln, wie z.B., ohne Einschränkung, Photogates, Photodioden, gepinnte Photodioden, teilweise gepinnte Photodioden etc.
Während einer Integrationsphase erfasst das Lichtabfühlelement 101 Licht und gibt ein Signal aus, das die Lichtmenge des Lichteinfalls auf das Lichtabfühlelement 101 anzeigt. Das Signal wird eingesetzt, um den Verstärkungstransistor 105 zu modulieren. Nach der Integrationsphase wird ein Rücksetztransistor 103 eingesetzt, um den Pegel des Ausgabeknotens des Lichtabfühlelements auf einen Referenzpegel rückzusetzen. Schließlich wird ein Zeilenauswahltransistor 107 eingesetzt, um den Pixel zu adressieren und selektiv das Signal von dem Pixel auf eine Spalten-Bit-Leitung 109 auszulesen.
2 ist dem aktiven Pixel mit drei Transistoren aus 1 in vielerlei Hinsicht ähnlich, nur dass ein zusätzlicher Transfertransistor 201 eingesetzt wird, um das von dem Lichtabfühlelement 101 ausgegebene Signal zu einem Schwebeknoten A zu übertragen. Wenngleich ein aktiver Pixel mit vier Transistoren aufgrund des Transfergates 201 möglicherweise größer ist, können im Vergleich mit dem aktiven Pixel mit drei Transistoren aus 1 dennoch Vorteile erzielt werden.
In 3 wird das Signal eines Lichtabfühlelements 101 (das ohne Einschränkung Photogates, Photodioden, gepinnte Photodioden (spezielle Art von Photodioden), teilweise gepinnte Photodioden (spezielle Art von Photodioden) und dergleichen umfasst) durch drei Gates zu einem Abfühlknoten A übertragen: ein Transfergate 301, ein Speichergate 303 und ein Steuergate 305.
Sobald sich das Signal des Lichtabfühlelements 101 in dem Abfühlknoten A befindet, ist der Schaltkreis einem Schaltkreis nach dem Stand der Technik ähnlich und umfasst einen Rücksetztransistor 307, einen Verstärkungstransistor 309 und einen Zeilenauswahltransistor 311. Das Signal in Abfühlknoten A moduliert den Verstärkungstransistor 309 so, dass das auf geeignete Weise verstärkte Signal auf einer Spalten-Bit-Leitung 313 angeordnet wird. Der Zeilenauswahltransistor 311 wird eingesetzt, um den aktiven Pixel selektiv zu adressieren.
Durch das Aufnehmen des Speichergates 303 und des Steuergates 305 kann jeder aktive Pixel analog zu CCD-Bildsensoren einen Speicher umfassen. Wenn die Integrationsphase durch das Lichtabfühlelement 101 abgeschlossen ist, werden das Transfergate 301 und das Speichergate 303 aktiviert. Eine Spannung (V_on) wird an das Transfer- und das Speichergate 301 und 303 angelegt. Es ist anzumerken, dass es sich bei der Spannung V_on um eine positive Spannung für ein p-Substrat handelt. Bei einem n-Substrat handelt es sich bei V_on um eine negative Spannung. Weiters wird die Höhe der Spannung V_on durch verschiedene Gestaltungsparameter des Pixels bestimmt, wird aber typischerweise von V_dd oder V_cc abgeleitet.
Das Anlegen von V_on an das Transfer- und das Speichergate 301 und 303 bildet einen Potentialtopf (Speicher-Topf 401) unterhalb des Speichergates 303. Weiters fließt durch das Anlegen einer Spannung an das Transfergate 301 eine durch das Lichtabfühlelement 101 erzeugte Ladung (Signal) zu dem Speicher-Topf 401 unterhalb des Speichergates 303.
Das Speichergate 303 kann auf der Spannung V_on gehalten werden, während das Transfergate 301 wieder eine Ruhespannung (0 Volt oder eine eingestellte Vorspannung) einnimmt. Das führt dazu, dass das Signal von dem Lichtabfühlelement 101 in dem Speicher-Topf 401 gehalten wird. Um die Ladung von dem Speicher-Topf 401 zu dem Abfühlknoten A zu übertragen, wird das Steuergate 305 dann auf V_on angeregt, während das Speichergate 303 wieder in den Ruhezustand zurückkehrt. Das führt dazu, dass das Signal von dem Speicher-Topf 401 zu dem Abfühlknoten A übertragen wird. Dies erfolgt gesteuert durch das Steuergate 305 und das Speichergate 303.
Wenn das Signal von dem Lichtabfühlelement 101 auf dem Abfühlknoten A platziert wurde, ist die Funktion des aktiven Pixels der in 1 und 2 ähnlich. Anders ausgedrückt wird das Signal auf dem Abfühlknoten A regelmäßig unter Einsatz des Rücksetztransistors 307 rückgesetzt. Weiters wird das Signal in dem Abfühlknoten eingesetzt, um den Verstärkungstransistor 309 zu modulieren, um ein verstärktes Signal auf eine Spalten-Bit-Leitung 313 auszugeben. Der Zeilenauswahltransistor 311 wird eingesetzt, um den Pixel selektiv zu adressieren.
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleitersubstrats, die das Lichtabfühlelement 101 (in diesem Fall eine Photodiode), das Transfergate 301, das Speichergate 303, das Steuergate 305 und den Speicher-Topf 401 zeigt. Das Transfergate 301, das Speichergate 303 und das Steuergate 305 sind durch ein Gate-Dielektrikum, wie z.B. ein dünnes Gate-Oxid, von dem Halbleitersubstrat getrennt. Der Abfühlknoten A wird ebenfalls dargestellt. Das Transfergate 301 ist angrenzend an das Lichtabfühlelement 101 angeordnet. Die Bezeichnung "angrenzend" umfasst, wie hierin verwendet, nicht-überlappend, überlappend und ausgerichtet, wobei dies in Abhängigkeit von verschiedenen Gestaltungsparametern variieren kann. Das Transfergate 301 sollte auf jeden Fall in einer Position angeordnet sein, die die Weiterleitung einer Ladung aus dem Lichtabfühlelement 101 erleichtert.
Es ist anzumerken, dass 3 und 4 nur einen Pixel in einem Pixelfeld zeigt, das einen Bildsensor bildet. In vielen Ausführungsformen reicht die Anzahl der Pixel in dem Bildsensorfeld von hunderten Pixel bis zu Millionen Pixel. Typischerweise weist das Bildsensorfeld viele in Zeilen und Spalten angeordnete Pixel auf. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf die innere Struktur eines einzigen Pixels ausgerichtet, und dieser Pixel kann in verschiedenen Anordnungen eingesetzt werden.
Wie in 4 gezeigt ist, kann ein durch das Lichtabfühlelement 101 erzeugtes Signal (durch Elektronen dargestellt) durch das Aktivieren des Transfergates 301 und des Speichergates 303 weitergeleitet werden. Diese Weiterleitung ermöglicht es, dass das Signal von dem N-Topf einer das Lichtabfühlelement 101 umfassenden Photodiode in den Speicher-Topf 401 bewegt wird. Das Speichergate 303 und das Steuergate 305 können dann so gesteuert werden, dass das Signal entweder in dem Speicher-Topf 401 gespeichert wird oder zu dem Abfühlknoten A weitergeleitet wird. Der Steuertransistor 305 kann beispielsweise zu einem gewünschten Zeitpunkt aktiviert werden, damit das Signal von dem Speicher-Topf 401 in den Abfühlknoten A ausgelesen wird.
Das Aufnehmen des Speicher-Topfs 401 und die Struktur der Pixel ermöglichen die Unterstützung von "Rahmenbelichtung". Anders ausgedrückt kann der Bildsensor das gesamte Feld dem einfallenden Licht aussetzen und das gesamte Bild (den Rahmen) in den Speicher-Töpfen 401 speichern. Das steht im Gegensatz zu den herkömmlichen Rasterscanning-Ausleseverfahren vieler Bildsensoren nach dem Stand der Technik. Weiters kann der Speicher-Topf 401 mit einer geeigneten Verfah rensgestaltung das durch das Lichtabfühlelement 101 erfasste Signal relativ lange speichern, wodurch eine Langzeitspeicherdauer erhält.
Wenngleich die Anzahl der Gates in jedem aktiven Pixel gesteigert wird, kann das Ausmaß der Steigerung der Anzahl der Gates durch den Einsatz einer Technologie mit gemeinsamen Transistoren gemäßigt werden. Wie in 5 zu sehen ist können insbesondere zwei oder mehrere aneinander angrenzend angeordnete Pixel Transistoren teilen, und die Gesamtanzahl der erforderlichen Transistoren, die zur Umsetzung eines Bildgebungsfelds erforderlich ist, kann reduziert werden. Weitere Details dieser Art des Aufbaus mit geteilten Transistoren sind in der anhängigen US-Patentanmeldung des Anmelders mit der Seriennr. 10/771.839 und dem Titel "CMOS IMAGE SENSOR USING SHARED TRANSISTORS BETWEEN PIXELS" (CMOS-Bildsensor unter Einsatz von Pixel mit gemeinsamen Transistoren), die am 4. Februar 2004 eingereicht wurde, zu finden, die hierin durch Verweis aufgenommen ist.
Eine Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 6 und 7 offenbart. 3 und 4 zeigen eine grundlegende Anordnung von Gates, wobei die Siliziumoberfläche unterhalb des Speichergates 303 beim Halten der Signalladungen verarmt wird. Diese Verarmung verursacht einen relativ großen Leckstrom von der Siliziumoberfläche. Die untenstehend beschriebene Ausführungsform reduziert das Ausmaß des Leckstroms von der Siliziumoberfläche.
6 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch und in Querschnittansicht. Auf ähnliche Weise wie in den Anordnungen in 3 und 4 ist das Transfergate angrenzend an die Photodiode ausgebildet. Jedoch wird zusätzlich zu dem Speichergate 1 und dem Steuergate ein Speichergate 2 zwischen dem Transfergate und dem Knoten A bereitgestellt. Weiters sind zur leichteren Herstellung das erste und das zweite Speichergate, das Transfergate und das Steuergate alle aus derselben Polysiliziumschicht ausgebildet.
Bei Betätigung werden zunächst das Speichergate 1, das Speichergate 2 und das Steuergate betätigt, um die Bereiche unter diesen Gates rückzusetzen. Dann werden Speichergate 1, Speichergate 2 und das Steuergate nacheinander ausgeschaltet. Das durch das einfallende Licht in der Photodiode erzeugte Signal wird durch das Transfergate durch das Einschalten des Transfergates und des Speichergates unter das Speichergate 1 weitergeleitet. Zu diesem Zeitpunkt ist Speichergate 2 ausgeschaltet. Dann wird das Transfergate ausgeschaltet. Das führt dazu, dass das Signal unterhalb des Speichergates 1 gehalten wird.
In einem nächsten Schritt wird das Speichergate 2 eingeschaltet, während Speichergate 1 ausgeschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird das Signal unterhalb von Speichergate 2 gehalten.
Dann wird Speichergate 1 eingeschaltet, während Speichergate 2 ausgeschaltet wird. Das Signal wird dann unter Speichergate 1 zurückgeleitet. Das Signal wird so abwechselnd zwischen Speichergate 1 und Speichergate 2 hin- und hergeleitet. In einer Ausführungsform erfolgt die Hin- und Herübertragung in einer Frequenz von 1000 Hertz oder mehr. Diese Hin- und Herübertragung erfolgt, bis die Signalladungen durch den Sourcefolger an die Spalten-Bit-Leitung ausgelesen werden.
Die Ausführungsform in 6 senkt den Leckstrom von der Siliziumoberfläche. Es wird angenommen, dass der Leckstrom von der Siliziumoberfläche mit langsamen Oberflächenzuständen auf der Siliziumoberfläche in Zusammenhang steht. Die langsamen Oberflächenzustände können im Allgemeinen nicht auf eine Ansteuerung von mehr als 1000 Hertz reagieren. Wenn die Speichergates 1 und 2 in einer Frequenz von mehr als 1 kHz ein- und ausgeschaltet werden, sollte demnach der Leckstrom von der Siliziumoberfläche nicht ansteigen. Die vorliegende Erfindung ist dennoch nicht auf eine Schaltfrequenz von mehr als 1000 Hertz beschränkt, und es können andere Mechanismen eingesetzt werden, die die vorliegende Erfindung auch bei einer Schaltfrequenz von weniger als 1000 Hertz vorteilhaft machen.
7 zeigt eine Anordnung schematisch und in Querschnittsansicht, die ein Speichergate, ein erstes Steuergate 1 und ein zweites Steuergate 2 zwischen dem Transfergate und dem Knoten A umfasst.
Es ist anzumerken, dass in dieser Anordnung eine p-Typ-Schicht die Siliziumoberfläche unterhalb des Speichergates bedeckt, um den Leckstrom von der Siliziumoberfläche zu verhindern. Die p-Typ-Schicht kann unter Einsatz eines herkömmlichen Abdeckungs- und Implantationsschritts ausgebildet werden. In einem Bereich, der tiefer liegt als die p-Typ-Schicht, unterhalb des Speichergates und des Steuergates wird ein n-Kanal ausgebildet.
Bei Betätigung wird der n-Kanal durch das Einschalten des Speichergates, des Steuergates 1 und des Steuergates 2 rückgesetzt. Dann wird das Steuergate 2 ausgeschaltet, und das Speichergate sowie das Steuergate 1 werden eingeschaltet. Dann wird das Speichergate in Ruhespannung (0 oder negative Spannung) oder Gleitspannung versetzt. Das n-Kanal-Potenzial wird durch das Potenzial unterhalb von Steuergate 1 eingestellt. Dann werden die Signalladungen von der Photodiode durch das Einschalten und Ausschalten des Transfergates zu dem Speichergate und Steuergate 1 weitergeleitet. Dann wird Steuergate 1 ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt werden die Signalladungen im Bereich des n-Kanals unterhalb des Speichergates gehalten.
Es ist anzumerken, dass in einer weiteren Anordnung das Steuergate 2 weggelassen werden kann. Die Struktur einer solchen Anordnung ist der in 3 dargestellten ähnlich, nur dass zusätzlich die p-Typ-Schicht und der n-Kanal vorhanden sind.
Wenn die Signalladungen ausgelesen werden sollen, wird das Potenzial unterhalb des Steuergates 2 auf einen bestimmten Wert eingestellt. Dann wird das Potenzial unterhalb des Steuergates 1 durch das Anlegen von Spannung daran auf einen niedrigeren Wert als Steuergate 2 eingestellt. Als nächstes wird das Speichergate ausgeschaltet. Signalladungen werden dann durch die Steuergates 1 und 2 in den Knoten A weitergeleitet. Diese Anordnung senkt auch den Leckstrom von der Siliziumoberfläche. Da die Siliziumoberfläche unter dem Speichergate aufgrund der p-Typ-Schicht nicht verarmt wird, ist der Leckstrom von der Siliziumschicht gering.
Die Beschreibung der Erfindung und ihrer Anwendungen dient wie hierin angeführt der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung des Umfangs der Erfindung. Variationen und Modifikationen der hierin offenbarten Ausführungsformen sind möglich, und Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung sind praktische Alternativen oder Entsprechungen der verschiedenen Elemente der Ausführungsformen bekannt. Weiters können die verschiedenen Dotierungstypen umgekehrt werden, so dass ein obenstehend beschriebener n-Kanal-Transistor durch einen p-Kanal-Transistor ersetzt werden kann.

Claims

Aktiver Pixel, umfassend: ein Lichtabfühlelement, das in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist; ein Transfergate, das an das Lichtabfühlelement angrenzend angeordnet ist und mit diesem elektrisch zur Weiterleitung eines Signals aus dem Lichtabfühlelement an einen ersten Speicher-Topf verbunden ist; ein erstes Speichergate, das angrenzend an das Transfergate angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden ist sowie auf dem ersten Speicher-Topf ausgebildet ist, worin das erste Speichergate, wenn aktiviert, den ersten Speicher-Topf in dem Substrat unterhalb des ersten Speichergates ausbildet, wobei der erste Speicher-Topf zur Speicherung des Signals aus dem Lichtabfühlelement fähig ist: einen Verstärkungstransistor, der durch einen Abfühlknoten gesteuert ist; und ein Steuergate, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Pixel ein zweites Speichergate umfasst, das an das erste Speichergate angrenzend angeordnet ist und mit diesem elektrisch verbunden ist sowie auf einem zweiten Speicher-Topf ausgebildet ist, worin das zweite Speichergate, wenn aktiviert, den zweiten Speicher-Topf in dem Substrat unterhalb des zweiten Speichergates ausbildet, wobei der zweite Speicher-Topf zur Speicherung des Signals aus dem Lichtabfühlelement fähig ist; und das Steuergate angrenzend an das zweite Speichergate angeordnet ist und mit diesem elektrisch verbunden ist, um das Signal im zweiten Speicher-Topf zu dem Abfühlknoten hin weiterzuleiten.
Pixel nach Anspruch 1, worin das Lichtabfühlelement aus einer Gruppe bestehend aus Photodioden, gepinnten Photodioden, teilweise gepinnten Photodioden oder Photogates ausgewählt ist.
Pixel nach Anspruch 1, worin der Verstärkungstransistor eine verstärkte Version des Signals an eine Spalten-Bit-Leitung ausgibt.
Pixel nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Rücksetztransistor, der zum Rücksetzen des Abfühlknotens auf eine Referenzspannung ausgebildet ist.
Pixel nach Anspruch 1, worin das erste und das zweite Speichergate selektiv aktiviert werden, um das Signal aus dem Lichtabfühlelement abwechselnd zu speichern.
Pixel nach Anspruch 5, worin das erste und zweite Speichergate bei einer über mehr als 1000 Hertz liegenden Frequenz arbeiten.
Pixel nach Anspruch 1, worin das erste und zweite Speichergate, das Transfergate und das Steuergate aus derselben Polysiliziumschicht ausgebildet sind.
Pixel nach Anspruch 1, umfassend einen Rücksetztransistor, der zum Rücksetzen des Abfühlknotens auf eine Referenzspannung ausgebildet ist.