DE19631086A1 - Pixelbildsensorzelle - Google Patents

Pixelbildsensorzelle

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Description

Die Erfindung betrifft eine Pixelbildsensorzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um hochschnelle, sogenannte smarte Bildsensoreinrichtungen zu schaffen, ist es notwendig, Bildsensormatrizen mit anderen digitalen Schaltungen, die den Betrieb der Matrix steuern und den Matrixausgang verarbeiten, zu integrieren. Die Integration der Bildsensoren mit Schaltkreisen in CMOS-Technik ist wegen deren niedrigen Stromverbrauchs, Reife und allgemeiner Zugänglichkeit dieser Technologie wünschenswert.
Bildsensoren werden derzeit weitgehend als CCD′s ausgebildet, die jedoch stark stromverbrauchend sind und aufgrund der Notwendigkeit ihres sequentiellen Auslesens uneffiziente Ladungstransfereigenschaften aufweisen, die für viele Abbildungsanwendungen mit hoher Abbildungstreue ungeeignet sind. Weiterhin können CCD′s nicht ohne weiteres mit CMOS- Schaltkreisen aufgrund ihrer Herstellungserfordernisse und hohen Kosten integriert werden.
US 5 289 023 beschreibt eine aktive Pixelbildsensortechnolo­ gie, die auf einem einzelnen npn-Polyemitter-Bipolarphototransistor ba­ siert, der sowohl als integrierender Photosensor als auch als Ansteuer­ einrichtung verwendet wird. Hierbei wird eine hohe Empfindlichkeit bei niedrigen Lichtpegeln erreicht, wobei in einem größeren dynamischen Be­ reich gearbeitet wird, als er mit CCD′s erzielbar ist. Wegen des Einzel­ transistorphotosensors ist nur ein relativ kleiner Matrixzellenbereich erforderlich. Obwohl diese Technologie für die Zukunft vielversprechend ist, besitzt sie einige Nachteile wie die Schwierigkeit, eine gute Stromverstärkungsanpassung in Polyemitter-Bipolareinrichtungen zu erzie­ len, und die typischen Probleme in bezug auf die Herstellung von vergra­ benen Schichten und die hohe Leckageempfindlichkeit der Matrix.
S. K. Mendes u. a., "Progress In CMOS Active Pixel Image Sen­ sors", SPIE, Vol. 2172, S. 19-29, beschreibt eine aktive Pixelsensor­ technologie, die CMOS-kompatibel ist. Diese in Fig. 6A schematisch dar­ gestellte Struktur umfaßt ein Photogatter PG mit einem schwimmenden Aus­ gangsknoten FD, der durch ein Transfergatter TX separiert ist. Die Pi­ xeleinheitszelle umfaßt ferner einen Rückstelltransistor R, den Ein­ gangstransistor eines ersten Source-Folge- und eines Reihenansteuertran­ sistors X. Der Auslesekreis, der einer gesamten Spalte von Pixeln ge­ meinsam ist, umfaßt einen Ladetransistor VLN des ersten Folgetransistors und zwei Abtast- und Haltekreise zum Speichern des Signalpegels und des Rückstellpegels. Jeder Abtast- und Haltekreis umfaßt einen Abtast- und Halteschalter SHS oder SHR und einen Kondensator CS oder CR und einen zweiten Source-Folge- und Spaltenansteuertransistor Y1 oder Y2. Der La­ detransistor des zweiten Satzes von Source-Folgern VLP1 und VLP2 ist der gesamten Matrix gemeinsam.
Im Betrieb der in Fig. 6A dargestellten Schaltung, deren Zeit­ diagramm in Fig. 6B gezeigt ist, werden die Verbindungsbusspannungen auf 5 V und 0 V gesetzt und das Transfergatter TX mit 2,5 V vorgespannt. Wäh­ rend der Signalintegration werden photoerzeugte Elektronen am Photogat­ ter PG gesammelt, das mit 5 V vorgespannt ist. Der Rückstelltransistor R ist mit 2,5 V vorgespannt, um als eine Senke gegen seitliches "Ausblühen" zu wirken, die es ermöglicht, daß überschüssige Ladung zur Rückstell­ drain fließt. Der Reihenansteuertransistor X ist auf 0 V gelegt. Einer Signalintegration folgend werden die Pixel einer gesamten Reihe gleich­ zeitig ausgelesen. Zunächst werden die Pixel der auszulesenden Reihe adressiert, indem der Reihenansteuerschalter X aktiviert wird. Dann wird der Knotenpunkt FD des Pixels durch kurze Impulsbeaufschlagung des Rück­ stellgatters R auf 5 V zurückgestellt. Dies stellt den Knotenpunkt FD auf etwa 3,5 V zurück. Der Ausgang des ersten Source-Folgers wird auf den Kondensator am unteren Ende der Spalte durch Aktivieren des Abtast- und Halteschalters SHR abgetastet. Danach wird das Photogatter PG durch Im­ pulsbeaufschlagung auf 0 V herabgesetzt, wobei die Signalladung zum Kno­ tenpunkt FD übertragen wird. Die neue Ausgangsspannung wird auf den Kon­ densator CS abgetastet, indem der Abtast- und Halteschalter SHS akti­ viert wird. Die gespeicherten Rückstell- und Signalpegel werden aufein­ anderfolgend durch den zweiten Satz von Source-Folgern abgefragt, indem Spaltenadressierschalter Y1 und Y2 aktiviert werden. Die Zeitabfolge hiervon ist in Fig. 6B dargestellt.
Eines der größten Probleme, die auftreten, wenn eine Abbil­ dungsmatrix in ein CMOS-Verfahren integriert wird, besteht im Übergangs­ kriechstrom auf den Photokollektor. Fig. 7 zeigt die Photokollektor­ übergangskriechstromdaten für eine konventionelle CMOS-Anordnung. Hie­ raus ist ersichtlich, daß die periphere Komponente des Übergangskriech­ stroms das Hundertfache der Flächenkomponente für VR = 5 V bei Raumtempera­ tur (T = 25°C) beträgt. Dies ist der Fall, weil die aktive Bereichskante ein Bereich mit hoher Grenzflächenzustandsdichte und weiter ein Bereich hoher Beanspruchung ist, der als Getterstelle für Störstellen wirkt. Diese periphere Leckage begrenzt den dynamischen Bereich des Ausgangs eines aktiven CMOS-Pixelsensors auf etwa 8 bit. Für einige Anwendungen ist dieser dynamische Bereich von 8 bit geeignet, jedoch beeinträchtigt er die Bildqualität in anderen Fällen. Bei der Erzeugung eines Bildes, das 35 mm photographische Qualität besitzt, ist beispielsweise eine dy­ namischer Bereich von 10 bit erforderlich.
Ferner wird der Aufbau einer Bildmatrix unter Verwendung des CMOS-Verfahrens motiviert, um eine Integration mit einem Analog-Digital- Wandler zu ermöglichen, wodurch ein Digitalbildausgang erleichtert wird. Jedoch ist eine Kreuzkopplung zwischen der digitalen CMOS-Schaltung des Analog-Digital-Wandlers und der Bildmatrix ein Problem.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pixelbildsensorzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der der dynamische Be­ reich vergrößert ist.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Eine derartige aktive Pixelbildsensorzelle verwendet Schutz­ ringe, schützende Diffusionen und/oder eine Kombination dieser beiden Techniken, um zu verhindern, daß am Rand des aktiven Bereichs erzeugte Elektronen auf die Bildsensormatrix treffen. Beispielsweise kann ein n⁺-Schutzring, verbunden mit VCC, in der p-Epitaxialschicht zwischen der Kante des aktiven Bereichs und der Matrix angeordnet werden, wodurch es für an den Kanten erzeugte Elektronen schwierig wird, in die p⁺-Epita­ xialschicht in der Matrix einzudringen. Die Ausführung erfordert die Verwendung von ringförmigen MOS-Anordnungen in der Matrix. Alternativ können die Gates von n-Kanalanordnungen der Matrix so ausgebildet wer­ den, daß sie stark dotierte p⁺-Bänder überlappen, wodurch Stromfluß zwi­ schen Source- und Drainbereichen erzwungen wird. Das Fernhalten der Lec­ kage an der Kante des aktiven Bereichs von der Matrix, die um das Hun­ dertfache gesenkt werden kann, kann den dynamischen Bereich des Bildsen­ sors um 6 bit erhöhen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines schematisch in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer aktiven Pixelbildsensorzel­ le.
Fig. 2 zeigt einen Aufbau einer Matrix aus aktiven Pixelbild­ sensorzellen.
Fig. 3 zeigt einen Aufbau einer aktiven Pixelbildsensorzelle gemäß Fig. 1.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildungsmöglichkeit von n-Kanal- Transistoren für eine Pixelbildsensorzelle.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt der Pixelbildsensorzelle gemäß Fig. 1.
Fig. 6A und 6B zeigen ein Schaltbild und ein Zeitdiagramm für eine bekannte Pixelbildsensorzelle.
Fig. 7A und 7B zeigen die Photokollektor-Übergangskriechstrom­ daten für eine konventionelle CMOS-Anordnung für verschiedene Spannungen und Temperaturen.
Die in Fig. 1 dargestellte Pixelbildsensorzelle 10 umfaßt eine Photodiode d1 und einen auf schwimmendem Potential liegenden Ausgangs­ knoten 12 an der Source eines Rückstelltransistors m1. Sie umfaßt ferner einen Source-Folgetransistor m2 und einen Reihenansteuertransistor m3. Sie kann in einer Matrix derartiger Zellen angeordnet sein. Der Rück­ stelltransistor m1 stellt die Photodiode d1 auf VCC-VTN zurück. Der Source-Folgetransistor m2 puffert die Spannung an der Photodiode d1 auf die Bitleitung für die Spalte der die Pixelbildsensorzelle 10 enthalten­ den Matrix aus. Der Reihenansteuertransistor m3 wählt aus, welche Reihe von Pixelbildsensorzellen 10 der Matrix zu lesen ist. Ein Kondensator C1 und eine Diode d2 sind vorgesehen, um die parasitäre Bitleitungskapazi­ tät zu eliminieren.
Wie vorstehend im Zusammenhang mit den Fig. 7A und 7B disku­ tiert, besitzt die Photosensorstromleckage IL eine signifikante Wirkung auf den dynamischen Bereich der Abbildeinrichtung, wobei der aktive Flä­ chenrand hundertfach zur Stromleckage, verglichen mit dem Matrixbereich für konventionelle CMOS-Anordnungen, (bei 25°C und VR = 5 V) beiträgt. Ty­ pischerweise ist die Gesamtstromleckage IL dividiert durch den Abbil­ dungsphotostrom IPD
IL/IPD = 1/1000,
wodurch der dynamische Bereich der Einrichtung auf etwa 10 bit (2¹⁰ ist etwa 1000) begrenzt wird.
Da der Umfangsrand etwa hundertfach mehr zur Stromleckage IL beiträgt als der Matrixbereich, kann die Eliminierung der Stromleckage am Rand des aktiven Bereichs den dynamischen Bereich um etwa 6 bit (2⁶ ist etwa 100) erhöhen.
Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit zum Eliminieren des Beitrags der Kante des aktiven Bereichs zur Stromleckage IL. Hierbei ist ein n⁺- Schutzring, auf VCC vorgespannt, in einer p-Wanne ausgebildet, um die gesamte Pixelmatrix zu umgeben, wodurch verhindert wird, daß an der Kan­ te des aktiven Bereichs gebildete Elektronen in die Matrix eindringen.
Da die Verwendung eines umlaufenden n⁺-Schutzrings das Feld­ oxid zur Verwendung bei der Bildung der Pixelbildsensorzellen der Matrix eliminiert, müssen andere Maßnahmen ergriffen werden, um den Stromfluß in die npn-Anordnungen, die in den einzelnen Zellen verwendet werden, zu richten. Dies kann durch Verwendung von Ringtransistoren geschehen.
Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Pixelbildsensorzelle gemäß Fig. unter Verwendung von ringförmigen n-Kanal-Transistoren m1, m2 und m3.
Wie in Fig. 3 dargestellt, existiert keine Verbundkante irgendwo in der Kernzelle 10. Die in p⁺-Halbleitermaterial ausgebildete n⁺/p-Photodiode d1 befindet sich auf der linken Seite und ist von anderen Photodioden und Transistoren durch p⁺-Diffusionsbereiche getrennt, die durch Verwen­ dung einer p-Maske auf dem Gateoxidsilicium, das das blanke Silicium ab­ schirmt,gebildet wird (der n⁺-Bereich wird in der gleichen Weise gebil­ det). Transistoren m1, m2 und m3 sind notwendigerweise ringförmig, um eine Source-Drain-Leckage zu vermeiden, wobei keine Feldoxidkante das Ende der Gates überlappt. Die Transistoren m2 und m3 sind durch ihren eigenen p⁺-Schutzring isoliert.
Der Rückstelltransistor m1 umfaßt einen Drainbereich 16, der zum Bereich der n⁺-Photodiode d1 beabstandet ist. Ein ringförmiges Gate 18 aus Polysilicium des Rückstelltransistors m1 liegt über dem zwischen­ geschalteten Kanalbereich zwischen dem Drainbereich 16 und dem Bereich der Photodiode d1. Das Gate 18 des Rückstelltransistors m1 ist mit einer Rückstelleitung 20 verbunden.
Der Source-Folgetransistor m2 umfaßt einen Sourcebereich 22, der mit Abstand zum Drainbereich 16 des Rückstelltransistors m1 ausge­ bildet ist. Ein n-leitender Zwischenbereich 24 ist mit Abstand zum Source­ bereich 22 ausgebildet. Ein weiteres ringförmiges Gate 26 aus Polysi­ licium befindet sich über dem zwischengeschalteten p-Kanalabschnitt zwi­ schen dem Sourcebereich 22 und dem Zwischenbereich 24 (Drain). Der Sour­ cebereich 22 des Source-Folgetransistors m2 ist mit dem Drainbereich 16 des Rückstelltransistors m1 über eine metallische Leitung 28 (metal-1) und die VCC-Versorgungsleitung 30 verbunden. Das Gate 26 des Source-Fol­ getransistors m2 ist mit dem Bereich der Photodiode d1 über eine metal­ lische Leitung 32 (metal-1) verbunden.
Der Reihenansteuertransistor m3 umfaßt einen n-Drainbereich 34, der ebenfalls von dem Zwischenbereich 24 beabstandet ist, sowie ein ringförmiges Gate 36 aus Polysilicium. Das Gate 36 ist mit einer Wort­ leitung 38 verbunden. Der Drainbereich 34 ist mit einer Bit-Leitung 40 verbunden.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die ebenfalls benutzt werden kann, um n-Kanal-Transistoren m1, m2 und m3 an den individuellen Pixel­ bildsensorzellen der Abbildungsmatrix ohne Verwendung der Kante des ak­ tiven Bereichs auszubilden. Hierbei werden p⁺-Implantationen in die in­ dividiellen Zellen verwendet, um eine Source/Drain-Leckage zu vermeiden.
Ersichtlich können Kombinationen von Schutzringstrukturen und p⁺-Implantationen sowohl bei der Gestaltung der Matrix als auch der in­ dividuellen Pixelbildsensorzellen verwendet werden, um die Stromleckage an der Kante des aktiven Bereichs zur Matrix der Pixelbildsensorzellen zu verhindern.
Fig. 5 zeigt im Schnitt die Photodiode d1 der Pixelbildsensor­ zelle von Fig. 1 mit n-Isolierbereich 50. Letzterer ist auf einem p-Halbleitersubstrat 52 ausgebildet. Eine p-Wanne 54 ist in dem n-Iso­ lierbereich 50 ausgebildet. Letzterer unterstützt das Verhindern von Kreuzkopplungen von den rauschbehafteten CMOS-Bereichen des Chips und reduziert ferner ein Ausblühen durch das Sammeln von überschüssigen Elektronen während eines übermäßigen Bestrahlens. Der n-Isolierbereich 50 kann im Verlauf des Implantierens in einem konventionellen CMOS-Pro­ zeßvorgangs gebildet werden. Im Betrieb wird der n-Isolierbereich 50 auf +5 V vorgespannt.

Claims (4)

1. Aktive Pixelbildsensorzelle, umfassend einen Photokollek­ tor (d1), einen Rückstelltransistor (m1), einen Source-Folgetransistor (m2) und einen Reihenansteuertransistor (m3), gekennzeichnet durch
einen n-leitenden Isolierbereich (50), der auf einem p-leiten­ den Substrat (52) ausgebildet ist,
einen in dem Isolierbereich (50) ausgebildeten, p-leitenden Wannenbereich (54),
eine in dem Wannenbereich (54) ausgebildete Schutzeinrichtung, die im wesentlichen eine Stromleckage in der Zelle aufgrund von Kanten­ effekten der aktiven Fläche eliminiert,
wobei der Photokollektor (d1) einen n-leitenden Bereich in dem p-leitenden Wannenbereich (54) umfaßt,
der Rückstelltransistor (m1) voneinander beabstandete n-lei­ tende, im p-Wannenbereich (54) ausgebildete Source- und Drainbereiche (16) mit einem p-Kanalbereich hierzwischen sowie ein zur Aufnahme eines Rückstellsignals angeschlossenes Gate (18) umfaßt, das über dem p-Kanal­ bereich ausgebildet und hiervon durch dielektrisches Material getrennt ist, wobei der Photokollektor (d1) und der Sourcebereich mit einem auf schwimmendem Potential liegenden Ausgangsknoten (12) und der Drainbe­ reich (16) mit einer positiven Versorgungsspannung verbunden sind, der Source-Folgetransistor (m2) voneinander beabstandete n-leitende, im p-Wannenbereich (54) ausgebildete Source- und Drainberei­ che (22) mit einem p-Kanalbereich hierzwischen sowie ein an den Aus­ gangsknoten (12) angeschlossenes Gate (26) umfaßt, das über dem p-Kanal­ bereich ausgebildet und hiervon durch dielektrisches Material getrennt ist, wobei der Sourcebereich (22) mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist, und
der Reihenansteuertransistor (m3) voneinander beabstandete n-leitende, im p-Wannenbereich (54) ausgebildete Source- und Drainberei­ che (34) mit einem p-Kanalbereich hierzwischen sowie ein an eine Wort­ leitung (38) zum Empfang eines Reihenansteuersignals angeschlossenes Gate (36) umfaßt, das über dem p-Kanalbereich ausgebildet und hiervon durch dielektrisches Material getrennt ist, wobei der Drainbereich (34) mit dem Sourcebereich (22) des Source-Folgetransistors (m2) und ferner der Sourcebereich des Reihenansteuertransistors (m3) mit einer elek­ trisch leitenden Bit-Leitung (40) verbunden ist.
2. Pixelbildsensorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Photokollektor (d1) eine Photodiode ist.
3. Pixelbildsensorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Photokollektor (d1) einen Phototransistor mit einem n-Pho­ tokollektorbereich und einem leitenden Photogate über dem Photokollek­ torbereich aufweist, von dem es durch dielektrisches Material getrennt und das zum Empfang eines gepulsten Treibersignals angeschlossen ist, wobei der Photokollektorbereich vom dem Sourcebereich (16) des Rück­ stelltransistors (m1) beabstandet ist, um einen p-leitenden Bereich hierzwischen zu definieren, wobei ein leitendes Transfergate über dem p-leitenden Bereich angeordnet und hiervon durch dielektrisches Material getrennt ist, so daß der Photokollektorbereich elektrisch mit dem Source­ bereich (16) des Rückstelltransistors (m1) durch Anlegen einer Trans­ ferspannung an das Transfergate verbunden wird.
4. Aktive Pixelbildsensorzellenstruktur, umfassend einen Pho­ tokollektorbereich (d1), einen Rückstelltransistor (m1), einen Source- Folgetransistor (m2) und einen Reihenansteuertransistor (m3), gekennzeichnet durch
einen p-leitenden Bereich (54) aus Halbleitermaterial, wobei der Photokollektorbereich (d1) n-leitend in dem p-leitenden Bereich (54) ausgebildet ist, und
wobei der Rückstelltransistor (m1) einen von dem Photokollek­ torbereich (d1) beabstandeten, n-leitenden Drainbereich (16) in dem p-leitenden Bereich (54) aufweist, wodurch ein zwischengeschalteter Be­ reich des p-leitenden Bereichs (54) zwischen dem Photokollektorbereich (d1) und dem Drainbereich (16) gebildet wird, und einen ringförmigen Ga­ tebereich (18) umfaßt, von dem ein Teil über dem zwischengeschalteten Bereich ausgebildet und hiervon durch dielektrisches Material getrennt ist, wobei der Gatebereich (18) den n-leitenden Drainbereich (16) umgibt und mit einer Rückstelleitung (20) zum Empfang eines Rückstellsignals verbunden ist,
wobei der ringförmige Source-Folgetransistor (m2) einen zum Drainbereich (16) des Rückstelltransistors (m1) beabstandeten n-leiten­ den Sourcebereich (22) in dem p-leitenden Bereich (54), einen n-leiten­ den, im p-leitenden Bereich (54) mit Abstand zum Sourcebereich (22) aus­ gebildeten Zwischenbereich zum Ausbilden eines zweiten zwischengeschal­ teten Bereichs des p-leitenden Bereichs (54) und einen ringförmigen Ga­ tebereich (26) aufweist, von dem ein Teil über dem zweiten zwischenge­ schalteten Bereich ausgebildet und hiervon durch dielektrisches Material getrennt ist, wobei der Gatebereich (26) den Sourcebereich (22) umgibt, der mit dem Drainbereich (16) des Rückstelltransistors (m1) und einer positiven Versorgungsspannungsquelle elektrisch verbunden ist, wobei der Reihenansteuertransistor (m3) einen n-leitenden, in dem p-leitenden Bereich (54) mit Abstand zu dem n-leitenden Zwischenbe­ reich ausgebildeten Drainbereich (34) aufweist, wodurch ein dritter zwi­ schengeschalteter Bereich des p-leitenden Bereichs (54) gebildet wird, und einen ringförmigen Gatebereich (36) besitzt, von dem ein Teil über dem dritten zwischengeschalteten Bereich ausgebildet und hiervon durch dielektrisches Material getrennt ist, wobei der Gatebereich (36) den Drainbereich (34) umgibt und mit einer Wortleitung (38) zum Empfangen eines Reihenansteuersignals hiervon verbunden ist, während der Drainbe­ reich (34) mit einer Bit-Leitung (40) verbunden ist, und
einen n⁺-Schutzring in dem p-leitenden Bereich (54), der die aktive Pixelbildsensorzelle umgibt.
DE19631086A 1995-08-04 1996-08-01 Pixelbildsensorzelle Ceased DE19631086A1 (de)

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