JPH1070261A - ブルーミング防止及び低クロストークの電子シャッターを有するカラー能動画素センサー - Google Patents

ブルーミング防止及び低クロストークの電子シャッターを有するカラー能動画素センサー

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JPH1070261A
JPH1070261A JP9117216A JP11721697A JPH1070261A JP H1070261 A JPH1070261 A JP H1070261A JP 9117216 A JP9117216 A JP 9117216A JP 11721697 A JP11721697 A JP 11721697A JP H1070261 A JPH1070261 A JP H1070261A
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リー テー−シュアン
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80Constructional details of image sensors
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10F77/40Optical elements or arrangements
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 新たなAPSデバイス画素アーキテクチャー
及び動作方法を提供する。 【解決手段】 画素内にマイクロレンズと光遮蔽を設け
た複数の画素を有する半導体基板からなる能動画素セン
サーアーキテクチャー。各画素は入射光が信号電荷とし
て収集される光電子を形成する光検出器領域と、信号電
荷を光検出器領域から光遮蔽により覆われる電荷格納領
域に転送する手段と、増幅器への入力である検知ノード
とを含む画素からなり、検知ノードは信号格納領域へ作
用するよう接続される。画素アーキテクチャーは光遮蔽
とマイクロレンズ技術を設計に導入することを許容する
画素の対称な設計を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は新たなAPSデバイ
ス画素アーキテクチャー及び動作方法に関する。
【0002】
【従来の技術】APSは各画素が光検出手段と、リセッ
ト手段と、増幅器の全て又は一部分とを含む固体画像化
器である。APSデバイスは典型的には画像化器の各ラ
イン又は行が積分され、異なる時間間隔で読み出され、
それからリセットされるよう動作する。故に画像全体の
読み出しでは各ラインは異なる時点で場面を捕捉する。
照明条件がその時により変動する故に場面の中の対象が
また動く故に読み出しのこの方法は画像の得られた表示
でラインアーティファクトを発生しうる。これは高品質
の動又は静止画像が要求されるAPSデバイスの応用で
の有用性を制限する。
【0003】付加的にAPSデバイスの電荷を電圧に変
換する領域及び他の能動トランジスタ領域(即ち光検出
領域以外)は場面の照明から遮蔽されない。結果として
自由電子はこの領域で発生される。これらの電子はそれ
が発生した画素に実質的に制限されず、隣接画素に拡散
する。これは画像信号の空間的精度及び画像センサーの
変調伝達関数(MTF)の劣化を引き起こす。これはこ
の画素クロストークがカラー混合を導き、画像のカラー
バランスに有害に影響するカラー画像センサーで特に問
題である。
【0004】APSデバイスは典型的にはCMOS製造
工場で製造される故にカラーフィルター配列(CFA)
又はマイクロレンズ配列(μLens)を設けられてお
らず、光検出領域の形と大きさはCFA及びμLens
の取付に対して最適化されていない。この理由は従来技
術の能動画素センサーは典型的にはモノクロームである
からである。ほとんどの画像化応用に対してカラーセン
サーを有することが望ましい。仮にCFA及びμLen
sが従来技術のAPSデバイスに取り付けられたとして
も得られた画像は最適化されないクロストーク及び光検
出領域により劣ったカラーMTFを有する。
【0005】上記の問題を解決するために全ての画素に
対して同じ点及び時間間隔で積分(インテグレーショ
ン)をなし、次にこの電荷を場面の照明から遮蔽されて
いる各画素の格納(ストレージ)領域に転送することが
望ましい。これはフレーム積分と称されている。MTF
を改善するために光検出器を除く全ての領域を場面の照
明から効果的に遮蔽することがまた望ましい。積分中に
より重要なのはフレーム積分に対してデバイスの格納及
び読み出し中にブルーミング制御をなすことが更に望ま
しい。最終的にCFA及びμLensを取り付け、CF
A及びμLensの効率的な使用を可能にする光検出領
域を設計することが望ましい。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はこれら
の及び他の問題を解決することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】新たなAPSデバイス画
素アーキテクチャー及び動作方法は各画素で場面の照明
の同時の積分を用い、その次に各画素での信号電子を光
遮蔽された電荷格納領域へ同時に転送することにより実
現される。それは代替的な電荷積分及び転送スキーム
と、同時の電子的シャッター操作及び画像捕捉及びセン
サー上の全ての画素の格納を可能にする画素アーキテク
チャーからなる。これは基盤上に形成された複数の画素
を有する半導体基板からなる本発明の能動画素センサー
により提供され、少なくとも画素の一つが:入射光が信
号電荷として収集される光電子を形成する光検出器領域
と、光検出器領域上のカラーフィルターと、光検出器領
域上で開口を有する少なくとも電荷格納領域上の光遮蔽
と、光検出器領域から電荷格納領域へ信号電荷を転送す
る手段と、増幅器への入力である検知ノードとを有し、
検知ノードは信号格納領域に作用するよう接続される。
本発明では光検出器の形がμLensが有効フィルフ
ァクターを最大化するために用いられ、高品質カラー画
像を提供するよう寸法上対称に設計されている。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明のこれらの及び他の特徴、
目的、及び利点は以下に図を参照して、好ましい実施例
と請求項の詳細な説明により明らかとなる。理解を容易
にするために同一の符号が図に共通の同一の要素を示す
ために可能な場合に用いられる。
【0009】本発明は新たなAPSデバイス画素アーキ
テクチャー及び動作方法に関し、それは各画素で場面の
照明の同時の積分に続く各画素での信号電子を光遮蔽さ
れた電荷格納領域への同時の転送を用いる。この画素ア
ーキテクチャー及び動作方法は一方で電子シャッター能
力とブルーミング防止制御を維持しながら従来技術のA
PSデバイスのライン毎の積分及び読み出し方法により
引き起こされる画像アーティファクトを除去する。
【0010】図1の(A)、(B)は画素アーキテクチ
ャーの問題の領域を示す本発明の2つの異なる実施例の
断面を示す。本発明の特定の物理的な実施例の多数の変
形例は達成可能であり、これらの好ましい実施例は例と
して選ばれていることは当業者には明らかである。例え
ばピンフォトダイオードとして図1の(A),(B)に
示される光検出器はピン止め層を有さないフォトゲート
又はフォトダイオードのようなどのような光検出手段で
も良い。
【0011】図1の(A)で画素は垂直オーバーフロー
ドレイン14を有するフォトダイオード12と、浮遊拡
散18と、リセットゲート17と、リセットドレイン1
9と、光遮蔽8とからなる。光遮蔽開口9と、カラーフ
ィルター4と、μLens6とは光はカラーフィルター
4を通過した後にマイクロレンズ6を通して光遮蔽開口
9に合焦する光検出器にわたり配置される。故にフォト
ダイオード12に入来する光はカラーフィルター4によ
り決定されるような所定の帯域内の波長を有する。
【0012】図1の(B)は第二の実施例の断面図であ
り、2つの転送ゲート26、36及び格納領域38が存
在することを除き図1の(A)に示される実施例に多く
の点で類似している。両方の場合で光遮蔽は光検出器
(この場合にはフォトダイオード12)を除く全ての領
域を効率的に覆うように不透明な層又は重複する層で構
成され、それにより入射光はフォトダイオード領域上に
のみ入射する。光検出領域に対する光電子の発生を制限
する光遮蔽内の開口の形成は画素間のクロストークを抑
制する。
【0013】従来技術と本発明のAPSの比較は図2の
(A),(B)を比較することによりなされる。従来技
術のデバイス5は要求された能動トランジスタを増幅器
領域25として示される可能な限り小さな領域に単に詰
め込んだだけであり、それから残りの画素領域を光検出
器の得られる形によらずに光検出器領域15に割り当て
る。結果として光検出器は寸法的な対称性を有さず、C
FA及びμLensの取付に対してそれほど適切ではな
い。なお図2を参照するに本発明は長方形の光検出器領
域11として示される対称的に形成された光検出領域を
用い、それはその中心に関して二次元的に対称である。
長方形光検出器が示される一方で正方形、楕円形、又は
円形の光検出器もまた実施されうる。光検出器の対称性
は光遮蔽8、開口9、カラーフィルター10、光検出器
領域上のマイクロレンズ6を配置する経済的な方法を可
能にする。光検出器の対称性はこれは物理的により小さ
な画素で従来技術の画素と同じフィルファクターを有す
る画素を作ることを可能とする。代替的に同じ画素の大
きさを保ち、増幅器の設計により柔軟性を持たせるよう
に増幅器により大きな領域を割り当て、従来技術の画素
と同じフィルファクターを維持することが可能である。
これは図2の(A),(B)を比較することにより明ら
かである。図2の(A)に示されるように入射光が光検
出器上に合焦するようマイクロレンズを従来技術の画素
にわたって設ける場合に画素のフィルファクターは最大
化される。しかしながら光を示される領域に合焦するた
めにマイクロレンズは画素の中心からオフセットされな
ければならない。従って、光検出器領域を画素の右上隅
に有するどのような有益さももはやない。付加的にはフ
ィルファクターでの有益さなしに光検出器の物理的な大
きさの増加がある故に光検出器の容量は不必要に大き
い。これはフォトダイオード又は光ゲート検出器の場合
に感度に有害に影響する。これはまた画素のクロストー
クの量を増加し、カラーフィルター配列の重複の許容範
囲を減少する。
【0014】画素及び光検出器配置が図2の(B)の本
発明に示されるように改善され、マイクロレンズが図2
の(B)に示されるように用いられる場合にはフィルフ
ァクターは従来技術の画素と同一である。改善は画素の
大きさを同一に保ち、増幅器に対してより大きな画素領
域を割り当てることにより達成される。これはより小さ
な一定のパターンノイズと1/fノイズをもたらす。こ
の改善はまた従来技術の画素の右上隅で光検出器の部分
を単に除去することにより達成可能である。これは同じ
フィルファクターを有するより高い解像度のセンサーを
提供する。従来技術のAPSセンサーは典型的にモノク
ロームであり、その対応する製造技術はそれ自体がカラ
ー画素アーキテクチャーに適応できる型のアーキテクチ
ャーを導くものではない。付加的には従来技術のAPS
画素は画素内の光遮蔽を提供せず、マイクロレンズを用
いなかった。リセット動作: 図3の(A)は図1の(A)での画素1
に対するリセット動作を示す。画素1は示されるように
転送ゲート16とリセットゲート17の両方をオンする
ことによりリセットされる。フォトダイオード12及び
浮遊拡散18のどの電子もリセットドレイン19を通し
て取り出される。これは各画素で同時になされ、フレー
ム毎に一回なされる。
【0015】図3の(A)に示される動作のリセットモ
ードで相関二重サンプリングは用いられない。何故なら
ばリセットレベルはライン毎又は画素レート毎に読み出
しレベルの直前に利用可能ではないからである。従って
CDSの利点は失われる。しかしながら読み出し動作の
後にリセットレベルが得られる故に増幅器オフセット打
ち消しが達成される。実際増幅器オフセットノイズはC
DSにより除去されるリセット及び1/fノイズより好
ましくない。故にこの動作のリセットモードはなお相関
二重サンプリングが不在であっても充分である。
【0016】図3の(B)は図1の(B)に示される画
素2に対するリセット動作を示し、画素2は転送ゲート
26、格納領域38、転送ゲート36、リセットゲート
27をオンすることによりリセットされる。上記の第一
実施例と類似の方法で、フォトダイオード12、浮遊拡
散28、格納領域38のどのような電子でもリセットド
レイン29を通して取り出される。再びこれは各画素で
同時になされ、フレーム毎に一回なされる。
【0017】図1の(B)を参照するに他のリセットモ
ードはVOD14をパルスする(または側方オーバーフ
ロードレイン(LOD)がVODの代わりに用いられる
場合にはそれをオンする)ことにより用いられる。浮遊
拡散28はライン毎に基づいてリセットされえ、それに
よりリセットレベルは格納され、相関二重サンプリング
に対して用いられる。フレーム積分動作: 画像積分はフォトダイオードで光で
発生した電子を収集することにより達成される。図1の
(A)を参照するに転送ゲート16はフォトダイオード
と浮遊拡散との間に静電バリアを設ける電圧で配置され
(転送ゲート16のオフ状態)、リセットゲート17は
そのオン又はオフ状態のいずれかに保持される(図4の
(A)を参照)。
【0018】図1の(B)に示されるデバイスを参照す
るに積分は図4の(B)に示されるようなオフ状態で転
送ゲート26でなされる。ここで格納領域38及び転送
ゲート36はオン又はオフされうるが、好ましくは格納
領域38は図4の(B)でのクロストークを減少するた
めにオフ状態に保たれる。この時間中にリセットゲート
27及び転送ゲート36をオンに保つことは暗電流信号
の浮遊拡散28又は格納領域38内での積分を除去し、
長い積分時間を許容する。積分時間は光検出器リセット
と転送との間の時間により決定される(以下の転送動作
を参照)。転送及び格納動作: 所望の積分時間が経過した後に電荷
はフォトダイオードから浮遊拡散又は格納領域に転送さ
れる。図1の(A)に示されるデバイスでこれはパルス
を送って転送ゲート16をオンすることにより(即ち転
送ゲート16の下の静電位をフォトダイオード12の電
位より深くすることにより)なされる。リセットゲート
17は転送の前にオフにされなければならない(図5の
(A)を参照)。
【0019】図1の(B)のデバイスに対して、転送は
図5の(B)に示すように転送ゲート36をオフに保つ
一方で転送ゲート26にパルスを送りオンにし、格納領
域38をオンにすることにより達成される。各アーキテ
クチャーで電荷転送は各画素で同時になされる。浮遊拡
散及び格納領域38の領域は場面の照明から遮蔽され、
フォトダイオードの電荷のブルーミングから保護される
故に信号は場面の照明により変調されずに浮遊拡散上に
又は格納領域の下に格納される。読み出し動作: 図1の(A)のデバイスに対する読み出
し動作を示す図6の(A)を参照するに電荷は浮遊拡散
18上に既に存在し、それにより従来技術でなされるよ
うに読み出し動作は単に各画素をアドレッシングするこ
とのみで達成される。この場合にはリセットレベルはラ
イン毎に読み出されえず、故に上記のように相関二重サ
ンプリングをなすことは不可能である。
【0020】図1の(B)のデバイスに対して読み出し
動作はリセットゲート27をオンすることにより浮遊拡
散を最初にリセットし;次にリセットレベルを読み出
し、それから格納領域38をオフにする間に転送ゲート
36にパルスを送ってオンすることにより達成される。
電荷は浮遊拡散に転送され、信号電荷は読み出されう
る。このアーキテクチャーは相関二重サンプリングをな
すことを可能にする。図6を参照。格納及び読み出し中のブルーミング防止制御 積分中のブルーミング防止制御は従来技術のAPSデバ
イスのそれと類似の方法で達成される。これは積分中に
リセットゲートをオンに保つことによりなされ、それに
より光検出器で発生されたどのような過剰な光電子も転
送ゲートから浮遊拡散上にあふれ、リセットドレインを
介して除去されうる。この方法は従来技術又は本発明の
デバイスの読み出し中にブルーミング防止制御を提供す
るために用いることはできない。入射画像が極端に明る
い領域が読み出し期間中に現れるように変化する場合に
は過剰な光電子が短い読み出し時間に発生し、浮遊拡散
で検知された信号電子パケットを汚染する。これは本発
明でより問題である。何故ならば格納動作の時間は読み
出し動作の時間を越えうるからである。故に読み出し及
び格納動作中のブルーミング防止制御用の新たな手段が
要求される。これを以下に説明する。読み出し中のブル
ーミング防止制御用のこの新たな方法はフレーム積分を
用いないAPSに対して有用であるものである。ライン
積分によりラインの従来技術のAPSモードは光遮蔽を
含まない従来技術の画素でVODまたはLODを含ませ
ることにより改善される。加えてVOD14の存在は画
素間のクロストークを抑制する。
【0021】ブルーミング防止はそれが図1の(A)の
場合に転送ゲート16(又は図1の(B)の場合に転送
ゲート26)に対するオフ電位より深いようにVOD1
4に対する静電バリアを調整することにより制御可能で
ある。これは場面内のどのような明るい対象により発生
された過剰な電子が、VOD14にあふれることを許容
し、望ましくないブルーミングアーティファクトを引き
起こす浮遊拡散18(又は図1の(B)の場合に対して
は浮遊拡散28)又は同じ画素又は隣接する画素の他の
領域にブルームしない。
【0022】ブルーミング防止制御はフォトダイオード
に隣接する物理的なゲート又は仮想的なゲートのいずれ
かを用いて側方オーバーフロードレイン(図示せず)で
類似になされる。側方オーバーフロードレイン(LOD
に対する静電バリアの電位は転送ゲートのそれよりもま
た深くなければならない。この方法は与えられた画素の
大きさに対するフィルファクターに有害に影響する。何
故ならば領域がLOD構造に割り当てられなければなら
ないからである。VODはフィルに悪影響を与えずにブ
ルーミング制御を提供する。電子シャッター動作: 電子シャッターは入射光をブロッ
クするための機械的又は電子光学的デバイスの必要なし
に画像化器をシャッターしうることを称する。電子シャ
ッターは各画素に光遮蔽された電荷格納領域(図1の
(A)の場合には浮遊拡散18、図1の(B)の場合に
は浮遊拡散38)、及びフォトダイオードに対するオー
バーフロードレイン(上記の好ましい実施例の場合には
VOD14)を有することにより達成される。積分動作
に関する上記記載によりシャッター又は積分時間は単に
リセットと転送の間の時間、又はLOD(又はVOD1
4)と転送との間の時間である。典型的にはLODは側
方オーバーフローゲートに対して信号パルスを印加する
ことによりオンとなり、又はVOD14はそれ自体に信
号パルスを印加することによりオンする。電荷が光遮蔽
された浮遊拡散(18又は28)又は格納領域38に転
送された後にそれは入射光により影響されずに格納さ
れ、又は読み出される。何故ならば電子は浮遊拡散(1
8又は28)又は格納領域38で光生成されず、格納及
び読み出し期間中にフォトダイオードで発生された電子
は浮遊拡散18又は格納領域38領域にあふれ得ない。
何故ならばそれらはVOD14により持ち出されるから
である。
【0023】本発明は好ましい実施例を参照して説明さ
れてきた。しかしながら変更及び改善は本発明の範囲か
ら離れることなく当業者によりなされうる。
【0024】
【発明の効果】同時にフレーム毎に一回の各画素でのリ
セット及び積分が場面の照明又は場面の動きの変化によ
り発生するアーティファクトを除去する。電荷格納領域
を含む画素の光遮蔽はこの動作を許容する。少なくとも
光検出器領域にわたる光遮蔽内の開口の形成は与えられ
た画素の光検出器の外側の領域の光電子の発生が隣接画
素の光検出器又は電荷格納領域に収集されることを防ぐ
ことによりデバイスのMTFを改善する。光検出器側方
又は垂直オーバーフロードレイン(LOD又はVOD)
を含むことで格納及び読み出し中にブルーミング制御が
可能となる。CFA及びマイクロレンズ及び適切に設計
された光検出器領域を含むことで高品質のカラー画像が
提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A).(B)はそれぞれ本発明により提供さ
れた画素の断面図の第一及び第二の実施例である。
【図2】(A).(B)はそれぞれ能動画素センサー用
の典型的な従来技術の画素及び本発明による画素を示
す。
【図3】(A).(B)はそれぞれ図1の(A).
(B)に示された本発明のリセット機能に対する静電位
を示す図である。
【図4】(A).(B)はそれぞれ図1の(A).
(B)に示された本発明の積分機能に対する静電位を示
す図である。
【図5】(A).(B)はそれぞれ図1の(A).
(B)に示された本発明の転送機能に対する静電位を示
す図である。
【図6】(A).(B)はそれぞれ図1の(A).
(B)に示された本発明の格納機能に対する静電位を示
す図である。
【符号の説明】
4 カラーフィルター 5 デバイス 6 マイクロレンズ 8 光遮蔽 9 光遮蔽開口 14 垂直オーバーフロードレイン 12 フォトダイオード 18 浮遊拡散 17 リセットゲート 19 リセットドレイン 26、36 転送ゲート 38 格納領域 25 増幅器領域 27 リセットゲート 28 浮遊拡散
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 テー−シュアン リー アメリカ合衆国,ニューヨーク 14580, ウェブスター,ハイタワー・ウェイ 760

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 画素は入射光が信号電荷として収集され
    る光電子を形成する光検出器領域を有する少なくとも一
    つの画素と、信号電荷を光検出器領域から増幅器の入力
    に接続される検知ノードへ転送する手段とを有し:画素
    設計は少なくとも光検出器領域の部分の上を除いた画素
    にわたる光遮蔽を有する半導体材料を有する能動画素セ
    ンサー。
  2. 【請求項2】入射光が信号電荷として収集される光電子
    を形成する光検出器領域と、信号電荷を光検出器領域か
    ら光遮蔽により覆われる電荷格納領域に転送する手段
    と、増幅器への入力である検知ノードとを含む画素から
    なり、検知ノードは信号格納領域へ作用するよう接続さ
    れる その上に形成された少なくとも一つの画素を有する半導
    体材料を有する能動画素センサー。
  3. 【請求項3】入射光が信号電荷として収集される光電子
    を形成する光検出器領域と、光検出器領域上のカラーフ
    ィルターと、信号電荷を光検出器領域から電荷格納領域
    に転送する手段と、増幅器への入力である検知ノードと
    を含む画素からなり、検知ノードは信号格納領域へ作用
    的に接続される、その上に形成された少なくとも一つの
    画素を有する半導体材料を有する能動画素センサー。
JP9117216A 1996-05-22 1997-05-07 ブルーミング防止及び低クロストークの電子シャッターを有するカラー能動画素センサー Pending JPH1070261A (ja)

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US018127 1996-05-22
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