(57)【要約】【課題】信号対雑音比を向上させ、イメージラグ現象を減少させることができる相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサを提供する。【解決手段】 入射された光に応答して電荷を発生させるフォトダイオード、フォトダイオードに集積された電荷をフローティング拡散ノードに伝送する、第１伝送ゲートと第２伝送ゲートとを具備したカップルドゲート伝送トランジスタ、フローティング拡散ノードの電位を所定の電圧でリセットさせるリセットトランジスタ、及び選択信号に応答してフローティング拡散ノードの電位を内部回路に伝達する信号伝達回路を具備する。カップルドゲートの電圧カプッリング現象を用いて伝送トランジスタのゲートバイアス電圧及びフローティング拡散ノードの初期電圧を電源電圧以上に上昇させることでフォトダイオードの容量を増加させることができ、イメージラグ現象を減少させることができる。【選択図】    図２
2006186355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光に応答して電荷を発生させるフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに集積された電荷をフローティング拡散ノードに伝送する、第１伝送ゲートと第２伝送ゲートとを具備したカップルド（ｃｏｕｐｌｅｄ）ゲート伝送トランジスタと、
前記フローティング拡散ノードの電位を所定の電圧にリセットさせるリセットトランジスタと、
選択信号に応答して前記フローティング拡散ノードの電位を内部回路に伝達する信号伝達回路と、
を含むことを特徴とする相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項２】
前記伝送トランジスタは、
前記第１伝送ゲートと前記第２伝送ゲートとの間の電圧カップリング現象を用いて前記第２伝送ゲート下部の電圧を上昇させる方式で動作することを特徴とする請求項１記載の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項３】
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートは、前記第１伝送ゲートの上部に位置することを特徴とする請求項２記載の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項４】
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートは、前記フローティング拡散ノードの上部に位置することを特徴とする請求項２記載の 相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項５】
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートは、前記第１伝送ゲートと前記フローティング拡散ノードの上部に位置することを特徴とする請求項２記載の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項６】
前記相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサは、
前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートに電源電圧を供給する第１伝送ゲート制御ラインと、
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートに電源電圧を供給する第２伝送ゲート制御ラインと、
前記第１伝送ゲート制御ラインに存在し、前記第１伝送ゲートに対する電源電圧の連結を開閉するスイッチング素子と、を含んで構成されることを特徴とする請求項２記載の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項７】
前記相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサは、
前記スイッチング素子によって前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートを前記電源電圧に連結させた後遮断し、
前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートが浮遊された状態で前記第２伝送ゲート制御ラインによって前記第２伝送ゲートを電源電圧に連結させ、電圧カップリングによって前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートの下部電位を前記電源電圧より高い電圧に上昇させる方式で動作する請求項６記載の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項８】
前記相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサは、
相関二重サンプリング方式で前記フローティング拡散ノードの電位をサンプリングし、
一番目のサンプリングは前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートの下部電位が電圧カップリングによって前記電源電圧より高い電圧に上昇された状態で行われることを特徴とする請求項７記載の 相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項９】
前記信号伝達回路は、
前記フローティング拡散ノードの電位をゲートに入力受けるソースフォロアトランジスタと、
前記ソースフォロアトランジスタのソース電圧を前記選択信号に応答して外部に伝達する選択トランジスタと、を具備することを特徴とする請求項１記載の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項１０】
前記フォトダイオードは、ピン表面を有するピンフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項１１】
入射された光に応答して電荷を発生させる複数個のフォトダイオードと、
対応する前記フォトダイオードに集積された電荷をフローティング拡散ノードに伝送する、第１伝送ゲートと第２伝送ゲートとを含む複数個のカップルドゲート伝送トランジスタと、
前記フローティング拡散ノードの電位を所定の電圧にリセットするリセットトランジスタと、
選択信号に応答して前記フローティング拡散ノードの電位を内部回路に伝達する信号伝達回路と、
を具備したことを特徴とする共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイ。
【請求項１２】
前記伝送トランジスタは、
前記第１伝送ゲートと前記第２伝送ゲートと間の電圧カップリング現象を用いて前記第２伝送ゲート下部の電圧を上昇させる方式で動作することを特徴とする請求項１１記載の共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイ。
【請求項１３】
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートは前記第１伝送ゲートの上部に位置することを特徴とする請求項１２記載の共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイ。
【請求項１４】
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートは、前記フローティング拡散ノードの上部に位置することを特徴とする請求項１２記載の共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイ。
【請求項１５】
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートは、前記第１伝送ゲートと前記フローティング拡散ノードの上部に位置することを特徴とする請求項１２記載の共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイ。
【請求項１６】
前記相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイの相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサそれぞれは、
前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートに電源電圧を供給する第１伝送ゲート制御ラインと、
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートに電源電圧を供給する第２伝送ゲート制御ラインと、
前記第１伝送ゲート制御ラインに存在し、前記第１伝送ゲートに対する電源電圧連結を開閉するスイッチング素子と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１２記載の共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイ。
【請求項１７】
前記相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイの相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサそれぞれは、
前記スイッチング素子によって前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートを前記電源電圧に連結させた後遮断し、
前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートが浮遊された状態で前記第２伝送ゲート制御ラインによって前記第２伝送ゲートを電源電圧に連結させ、電圧カップリングによって前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートの下部電位を前記電源電圧より高い電圧に上昇させる方式で動作することを特徴とする請求項１６記載の共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイ。
【請求項１８】
前記相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイの相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサそれぞれは、
相関二重サンプリング方式で前記フローティング拡散ノードの電位をサンプリングし、
一番目のサンプリングは前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートの下部電位が電圧カップリングによって前記電源電圧より高い電圧に上昇された状態で行われることを特徴とする請求項１７記載の共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイ。
【請求項１９】
前記信号伝達回路は、
前記フローティング拡散ノードの電位をゲートに入力受けるソースフォロアトランジスタと、
前記ソースフォロアトランジスタのソース電圧を前記選択信号に応答して外部に伝達する選択トランジスタと、を具備することを特徴とする請求項１１記載の共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイ。
【請求項２０】
前記フォトダイオードは、ピン表面を有するピンフォトダイオードであることを特徴とする請求項１１記載の共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイ。
【請求項２１】
対応する波長の光に応答して電荷を発生させる赤色光感知領域、緑色光感知領域及び青色光感知領域を含んでシリコン基板上に多層構造に形成されたフォトダイオード領域と、
前記フォトダイオード領域に含まれた各感知領域に集積された電荷を各感知領域に対応するフローティング拡散ノードに伝送する、第１伝送ゲートと第２伝送ゲートとを具備した各感知領域に対応した複数個のカップルドゲート伝送トランジスタと、
前記フローティング拡散ノードの電位を所定の電圧にリセットさせる複数個のリセットトランジスタと、
選択信号に応答して前記フローティング拡散ノードの電位を内部回路に伝達する複数個の信号伝達回路と、
を含むことを特徴とする多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項２２】
前記フォトダイオード領域は、
Ｐ型シリコン基板内に形成された第１Ｎ型領域、前記第１Ｎ型領域に取り囲まれた第１Ｐ型領域、及び前記第１Ｐ型領域に取り囲まれた第２Ｎ型領域で構成され、
前記青色光感知領域、前記緑色光感知領域、及び前記赤色光感知領域はそれぞれ前記Ｐ型シリコン基板と前記第１Ｎ型領域と間、前記第１Ｎ型領域と前記第１Ｐ型領域と間、前記第１Ｐ型領域と前記第２Ｎ型領域と間のＰＮ接合から形成されることを特徴とする請求項２１記載の多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項２３】
前記フォトダイオード領域は、
Ｎ型シリコン基板内に形成された第１Ｐ型領域、前記第１Ｐ型領域に取り囲まれた第１Ｎ型領域、及び前記第１Ｎ型領域に取り囲まれた第２Ｐ型領域で構成され、
前記青色光感知領域、前記緑色光感知領域、前記赤色光感知領域はそれぞれ前記Ｎ型シリコン基板と前記第１Ｐ型領域との間、前記第１Ｐ型領域と前記第１Ｎ型領域との間、前記第１Ｎ型領域と前記第２Ｐ型領域との間のＰＮ接合から形成されることを特徴とする請求項２１記載の多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項２４】
前記伝送トランジスタは、
前記第１伝送ゲートと前記第２伝送ゲートとの間の電圧カップリング現象を用いて前記第２伝送ゲート下部の電圧を上昇させる方式で動作することを特徴とする請求項２１記載の多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜アクティブピクセルセンサ。
【請求項２５】
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートは、前記第１伝送ゲートの上部に位置することを特徴とする請求項２４記載の多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項２６】
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートは、前記フローティング拡散ノードの上部に位置することを特徴とする請求項２４記載の多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項２７】
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートは、前記第１伝送ゲートと前記フローティング拡散ノードの上部に位置することを特徴とする請求項２４記載の多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項２８】
前記多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサは、
前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートに電源電圧を供給する第１伝送ゲート制御ラインと、
前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートに電源電圧を供給する第２伝送ゲート制御ラインと、
前記第１伝送ゲート制御ラインに存在し、前記第１伝送ゲートに対する電源電圧連結を開閉するスイッチング素子と、を含んで構成されることを特徴とする請求項２４記載の多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項２９】
前記多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサは、
前記スイッチング素子によって前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートを前記電源電圧に連結させた後遮断し、
前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートが浮遊された状態で前記第２伝送ゲート制御ラインによって第２伝送ゲートを電源電圧に連結させ、電圧カップリングによって前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートの下部電位を前記電源電圧より高い電圧に上昇させる方式で動作する請求項２８記載の多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項３０】
前記多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサは、
相関二重サンプリング方式で前記フローティング拡散ノードの電位をサンプリングし、
一番目のサンプリングは前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートの下部電位が電圧カップリングによって前記電源電圧より高い電圧に上昇された状態で行われることを特徴とする請求項２９記載の多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【請求項３１】
前記信号伝達回路は、
前記フローティング拡散ノードの電位をゲートに入力受けるソースフォロアトランジスタと、
前記ソースフォロアトランジスタのソース電圧を前記選択信号に応答して外部に伝達する選択トランジスタと、を具備することを特徴とする請求項２１記載の多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクティブピクセルセンサに係り、特に、信号対雑音比を向上させ、イメージラグ現象を減少させることができる相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブピクセルセンサは光学画像を電気的信号に変換させる半導体モジュールとしてデジタルカメラ、カメラ内蔵型携帯電話、ビジョンシステムなどに幅広く使用されている。
【０００３】
現存するアクティブピクセルセンサの種類は大きく電荷結合素子（ＣＣＤ；Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型と相補性金属酸化膜半導体ＣＭＯＳ型とに分類される。ＣＣＤ型はＣＭＯＳ型に比べてノイズが少なく、イメージ品質が優れているが、生産単価と消費電力面ではＣＭＯＳ型に比べて不利である。ＣＭＯＳ型は一般的な半導体製造技術で生産可能であるので増幅及び信号処理のような周辺システムとの統合が容易で生産費用を低くすることができ、処理速度が速くてＣＣＤ型に比べて低消費電力であるという長所がある。
【０００４】
しかし、ＣＭＯＳ型は前述のようにノイズとイメージ品質面では不利であるという短所がある。信号対雑音比（ＳＮＲ；Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）が低く、信号のダイナミックレンジが狭いという短所が存在する。
【０００５】
ＣＭＯＳアクティブピクセルセンサの構造には従来の第１トランジスタ構造、３トランジスタ構造があったが、最近では４トランジスタ構造が普遍的である。４トランジスタ構造によると、一つのＣＭＯＳアクティブピクセルセンサは１個のフォトダイオードと４個のＭＯＳトランジスタとを含んで構成される。即ち、フォトダイオードに接続された光電荷を４個のＭＯＳトランジスタの制御を受け伝送する方式である。
【０００６】
図１は従来技術の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの断面図である。
【０００７】
図１に示すように、従来技術の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ１００はＰ型のシリコン基板１０１に形成されたフォトダイオード領域１１０、Ｎ型領域１２０、１３０で構成されている。フォトダイオード領域１１０、Ｎ型領域１２０、１３０の上部には絶縁膜１４０が形成される。例えば、絶縁膜はＳｉＯ２層とすることができる。
【０００８】
絶縁膜１４０の上部には伝送ゲート電極ＴＧ、リセットゲート電極ＲＧが形成される。伝送ゲート電極ＴＧとリセットゲート電極ＲＧにはそれぞれ伝送ゲート制御ラインＴＧＣとリセットゲート制御ラインＲＧＣとが連結される。
【０００９】
一方、Ｎ型領域１２０はフローティング拡散ノードとしてフローティング拡散ノードの役割をする。Ｎ型領域１２０から信号を読み出しするためのソースフォロアトランジスタＳＦと選択信号ライン（ＳＥＬＣ）とによってターンオンされる選択トランジスタ（ＳＥＬ）が追加的に具備される。
【００１０】
フォトダイオード領域１１０は断面図上で見るときには狭い面積を占めるが、実際表面積はＮ型領域１２０、１３０に比べて広い面積を占めて光電荷を発生させることができるように形成される。フォトダイオード領域１１０を除いた領域上部には図１では省略されているが遮光膜が形成され雑音を防止する。
【００１１】
Ｎ型領域１２０、１３０はシリコン基板の絶縁膜１４０上に形成された電極ＴＧ、ＲＧと共にＭＯＳトランジスタ１５０、１６０を形成する。
【００１２】
伝送トランジスタ１５０は伝送ゲート電極ＴＧに連結された伝送ゲート制御ラインＴＧＣによって制御され、フォトダイオード領域１１０に集束された光電荷をフローティング拡散ノード１２０に伝送する役割を実施する。リセットトランジスタ１６０はリセットゲート電極ＲＧに連結されたリセットゲート制御ライン（ＲＧＣ）によって制御され、フローティング拡散ノード１２０の初期電位をリセットする役割を実施する。
【００１３】
ソースフォロアトランジスタＳＦはフローティング拡散ノード１２０の電位変化を読み出し、選択トランジスタＳＥＬの制御を受け読み出したフローティング拡散ノード１２０の電位を後端部の内部回路に伝達する役割を実施する。例えば、内部回路は読み込みした信号をサンプルするためのサンプリング回路、増幅回路などを含んで構成することができる。
【００１４】
図１に示したアクティブピクセルセンサの動作は次の通りである。
リセットゲート制御ラインＲＧＣによってリセットゲート電極ＲＧの電圧が上昇してリセットトランジスタ１６０がターンオンされるとフローティング拡散ノード１２０の電位が電源電圧ＶＤＤに上昇する。このとき、ソースフォロアトランジスタＳＦと選択トランジスタＳＥＬとによってフローティング拡散ノード１２０の電位を一次的にサンプリングするようになるが、この電位が基準電位となる。
【００１５】
光集積期の間、外部から受光された光がフォトダイオード領域に入射するとこれに比例して電子−正孔対（ＥＨＰ；Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｈｏｌｅ  Ｐａｉｒ）が生成される。
【００１６】
伝送ゲート制御ラインＴＧＣによって伝送ゲート電極ＴＧの電圧が上昇すると伝送ゲート電極ＴＧの下部にチャンネルが形成されフォトダイオード領域に蓄電された電荷はフローティング拡散ノード１２０に伝達され、伝達された電荷量に比例してフローティング拡散ノード１２０の電位が下降するとソースフォロアトランジスタＳＦのソース電位が変化する。
【００１７】
最後に、選択トランジスタ（ＳＥＬ）がターンオンされ、ソースフォロアトランジスタ（ＳＦ）を通じてフローティング拡散ノードの電位１２０を読み出す。基準電位とこのとき読み出したフローティング拡散ノードの電位とのを差異によって光センシングをするようになる（相関二重サンプリング方式；Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）。以後、再度リセット動作からの一連の過程が反復される。
【００１８】
前記のようなセンシング動作に示すように、アクティブピクセルセンサはフローティング拡散ノードの電位変化によって信号を受ける。即ち、アクティブピクセルセンサのフローティング拡散ノードを一定の電圧に上昇させた初期電位とフォトダイオードから伝送される電荷量によって下降した電位の差異によって光信号をセンシングするのである。
【００１９】
従って、アクティブピクセルセンサのフローティング拡散ノードの電位差のレンジがアクティブピクセルセンサが読み出す光信号のダイナミックレンジを意味するので、フローティング拡散ノードを可及的に高い電圧に上昇させた状態で下降させることが有利である。しかし、制限された電圧源を使用する場合においてはフローティング拡散ノードの初期電位を一定の水準以上に高くすることが容易でないという問題点がある。
【００２０】
また、イメージラグ現象はフォトダイオードに形成された光電荷を一度のセンシング動作で全部掃き出せない場合に生じる現象であるので、一度のセンシング動作でフォトダイオード領域に形成された光電荷を全部掃き出すためには、伝送ゲート電極の電圧もやはり高いほど有利である。しかし、制限された電源電圧を使用する場合には伝送ゲート電極の電圧を一定水準以上に高くすることが容易でないという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
前記のような問題点を解決するために本発明の目的は、光信号ダイナミックレンジを向上させ、イメージラグ現象が減少されたアクティブピクセルセンサを提供することにある。
【００２２】
本発明の他の目的は、光信号のダイナミックレンジを向上させ、イメージラグ現象が減少されたアクティブピクセルセンサを使用した共有構造のアクティブピクセルセンサーアレイを提供することにある。
【００２３】
本発明のさらに他の目的は、光信号ダイナミックレンジを向上させ、イメージラグ現象が減少された多層構造のフォトダイオードを採用したアクティブピクセルセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記目的を達成するために本発明は、入射された光に応答して電荷を発生させるフォトダイオード、前記フォトダイオードに集積された電荷をフローティング拡散ノードに伝送する、第１伝送ゲートと第２伝送ゲートとを具備したカップルドゲート伝送トランジスタ、前記フローティング拡散ノードの電位を所定電圧にリセットさせるリセットトランジスタ、及び選択信号に応答して前記フローティング拡散ノードの電位を内部回路に伝達する信号伝達回路を具備することを特徴とする相補性金属酸化膜アクティブピクセルセンサを提供する。
【００２５】
ここで、前記伝送トランジスタは前記第１伝送ゲートと前記第２伝送ゲートとの間の電圧カップリング現象を用いて前記第２伝送ゲート下部の電圧を上昇させる方式で動作することができる。
【００２６】
また、ここで前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートは前記第１伝送ゲートの上部、前記フローティング拡散ノードの上部または前記第１伝送ゲートと前記フローティング拡散ノードの上部に位置することができる。
【００２７】
ここで、前記相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサは、前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートに電源電圧を供給する第１伝送ゲート制御ライン、前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートに電源電圧を供給する第２伝送ゲート制御ライン、及び前記第１伝送ゲート制御ラインに存在し、前記第１伝送ゲートに対する電源電圧の連結を開閉するスイッチング素子をさらに含んで構成することができる。
【００２８】
また、ここで前記相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサは、前記スイッチング素子によって前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートを前記電源電圧に連結させた後遮断し、前記伝送トランジスタの前記第１伝送ゲートが浮遊された状態で前記第２伝送ゲート制御ラインによって前記第２伝送ゲートを電源電圧に連結させ、電圧カップリングによって前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートの下部電位を前記電源電圧より高い電圧に上昇させる方式で動作することができる。
【００２９】
また、ここで、前記相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサは、相関二重サンプリング方式で前記フローティング拡散ノードの電位をサンプリングし、一番目のサンプリングは前記伝送トランジスタの前記第２伝送ゲートの下部電位が電圧カップリングによって前記電源電圧より高い電圧に上昇された状態で行われる。
【００３０】
ここで、前記信号伝達回路は前記フローティング拡散ノードの電位をゲートに入力受けるソースフォロアトランジスタとソースフォロアトランジスタのソース電圧を前記選択信号に応答して外部に伝達する選択トランジスタを含んで構成することができる。
ここで、前記フォトダイオードはピン表面を有するピンフォトダイオードで構成される。
【００３１】
前記他の目的を達成するために本発明は、入射された光に応答して電荷を発生させる複数個のフォトダイオード、対応する前記フォトダイオードに集積された電荷をフローティング拡散ノードに伝送する、第１伝送ゲートと第２伝送ゲートとを具備した複数個のカップルド（ｃｏｕｐｌｅｄ）ゲート伝送トランジスタ、前記フローティング拡散ノードの電位を所定の電圧にリセットするリセットトランジスタ、及び選択信号に応答して前記フローティング拡散ノードの電位を内部回路に伝達する信号伝達回路を含むことを特徴とする共有構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイを提供する。
【００３２】
本発明のさらに他の目的を達成するために本発明は、対応する波長の光に応答して電荷を発生させる赤色光感知領域、緑色光感知領域及び青色光感知領域を含んでシリコン基板上に多層構造に形成されたフォトダイオード領域、前記フォトダイオード領域に含まれた各感知領域に集積された電荷を各感知領域に対応するフローティング拡散ノードに伝送する、第１伝送ゲートと第２伝送ゲートを具備した各感知領域に対応された複数個のカップルドゲート伝送トランジスタ、前記フローティング拡散ノードの電位を所定の電圧にリセットさせる複数個のリセットトランジスタ、及び選択信号に応答して前記フローティング拡散ノードの電位を内部回路に伝達する複数個の信号伝達回路を含むことを特徴とする多層フォトダイオード構造の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の望ましい一実施例をより詳細に説明する。
【００３４】
図２、図３、図４は本発明の４トランジスタの相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの断面図である。
【００３５】
図２は本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの一実施形態を示した断面図である。
【００３６】
図２に示すように、本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００ＡはＰ型のシリコン基板２０１に形成されたフォトダイオード領域２１０及びＮ型領域２２０、２３０で構成されている。フォトダイオード領域２１０、Ｎ型領域２２０、２３０の上部には絶縁膜２４０が形成される。例えば、図１で説明されたように絶縁膜２４０はＳｉＯ２層とすることができる。
【００３７】
絶縁膜２４０の上部には第１伝送ゲート電極ＴＧ１、第２伝送ゲート電極ＴＧ２、リセットゲート電極ＲＧが形成される。第１、第２伝送ゲート電極ＴＧ１、ＴＧ２はそれぞれ第１伝送ゲート制御ラインＴＧＣ１と第２伝送ゲート制御ラインＴＧＣ２とに連結される。また、リセットゲート電極ＲＧはリセットゲート制御ラインＲＧＣによって連結される。
【００３８】
フローティング拡散ノード２２０から信号の読み出しをするためのソースフォロアトランジスタＳＦと行選択トランジスタＳＥＬとが追加的に具備される。
【００３９】
フォトダイオード領域２１０は断面図上でみる時には狭い面積を占めるが、実際表面積はＮ型領域に比べて広い面積を占め光電荷を発生させることができるように形成される。
【００４０】
Ｎ型領域２２０、２３０はシリコン基板の絶縁膜上に形成された電極ＴＧ１、ＴＧ２、ＲＧと共にＭＯＳトランジスタ２５０、２６０を形成する。
【００４１】
伝送トランジスタ２５０は第１、第２伝送ゲート電極ＴＧ１、ＴＧ２の制御を受け、フォトダイオード領域２１０に集束された光電荷をフローティング拡散ノード２２０に伝送する役割を実行する。リセットトランジスタ２６０はリセットゲート電極ＲＧの制御を受け、フローティング拡散ノード２２０の初期電位をリセットする役割を実行する。
【００４２】
ソースフォロアトランジスタＳＦはフローティング拡散ノード２２０の電位変化を読み出し、選択信号ラインＳＥＬＣによってターンオンされる選択トランジスタＳＥＬの制御を受け、読み出したフローティング拡散ノード２２０の電位を後端部の内部回路に伝達する役割を実行する。例えば、内部回路は読み込みした信号をサンプルするためのサンプリング回路、増幅回路などを含んで構成される。
【００４３】
図１のアクティブピクセルセンサ１００と比較すると、図２のアクティブピクセルセンサ２００Ａは伝送トランジスタのゲートが第１伝送ゲート電極ＴＧ１と第２伝送ゲート電極ＴＧ２とからなるカップルド（ｃｏｕｐｌｅｄ）ゲート構造を有するという差異点を有している。また、第１伝送ゲート電極ＴＧ１に電源電圧を印加する第１伝送ゲート制御ラインＴＧＣ１を瞬間的に遮断することができるスイッチング素子（ＳＷ＿ＴＧＣ１）を含んでおり、第２伝送ゲート電極ＴＧ２に電源電圧を印加することができる第２伝送ゲート制御ラインＴＧＣ２を追加で含んでいる。
【００４４】
従来技術のアクティブピクセルセンサ１００に比べて本発明のアクティブピクセルセンサ２００Ａが有している利点は、トランジスタにカップルド伝送トランジスタ構造を使用することでカップリング現象を用いて伝送トランジスタゲートバイアス電圧を電源電圧以上の電圧、例えば、１．７倍〜１．８倍まで上昇させることができるという点である。
【００４５】
これを通じてフローティング拡散ノードの初期電位を従来技術に比べて上昇させ、伝送トランジスタゲートバイアス電圧の上昇を通じてフォトダイオードから電荷の伝送を強化することができる。
【００４６】
これは従来技術のアクティブピクセルセンサ構造に比べてさらに高い信号対雑音比とダイナミックレンジを拡大する効果を有する。
【００４７】
一方、設計類型によっては前記したシリコン基板のドーピング型をＰ型からＮ型へ、Ｎ型領域２２０、２３０をＰ型に代替させ形成することが可能であることは当該技術分野で通常の知識を有する者には自明なことである。このような場合に伝送トランジスタ２５０及びリセットトランジスタ２６０に対するバイシング条件はドーピング型によって調整されるべきである。
【００４８】
図３は本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブ層ピクセルセンサの他の実施例を示した断面図である。
【００４９】
図３に示すように、本発明による他の形態の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ｂが示されている。
【００５０】
図３で例示した４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ｂの構成要素は図２で例示した４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ａの構成要素と大部分同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００５１】
ただ、図３のアクティブピクセルセンサ２００Ｂの第２伝送ゲートＴＧ２は図２のアクティブピクセルセンサ２００Ａとは異なり第１伝送ゲート電極ＴＧ１の上部のみに存在し、フローティング拡散ノード２２０領域の上部には存在しない。
【００５２】
従って、図２に基づいて説明したような電圧カップリング効果が第１伝送ゲート電極ＴＧ１に及ばされ、第１伝送ゲート電極ＴＧ１の電圧を上昇させる効果を有するようになる。即ち、伝送トランジスタゲートバイアス電圧の上昇を通じてフォトダイオードからの電荷の伝送を強化させることができる。
【００５３】
図４は本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサのさらに他の実施例を示した断面図である。
【００５４】
図４に示すように、本発明による他の形態の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ｃが示されている。
【００５５】
図４で例示した４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ｃの構成要素は図２で例示した４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ａの構成要素と大部分同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００５６】
ただ、図４のアクティブピクセルセンサ２００Ｃの第２伝送ゲート電極ＴＧ２は図２のアクティブピクセルセンサ２００Ａ及び図３のアクティブピクセルセンサ２００Ｂとは異なりフローティング拡散ノード２２０の上部に存在し、第１伝送ゲート電極ＴＧ１の上部には存在しない。
【００５７】
従って、図２に基づいて説明したように、電圧カップリング効果がフローティング拡散ノード２２０に及ぶようになり、フローティング拡散ノード２２０の初期電圧を上昇させる効果を発揮するようになる。即ち、フローティング拡散ノード２２０の初期電圧上昇を通じてさらに高い信号対雑音比とダイナミックレンジを得ることができるという効果を奏する。
【００５８】
図５は本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの回路図である。
【００５９】
図５に示すように、本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ａを簡略にモデリングした回路図が説明される。
【００６０】
伝送トランジスタの第１伝送ゲート電極ＴＧ１上にカップルド構造で構成された第２伝送ゲート電極ＴＧ２と第１伝送ゲート電極ＴＧ１と間にキャパシタンス成分Ｃ１、Ｃ２が存在することがわかる。
【００６１】
図２、３、４及び図５に示された本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの動作は次の図６のタイミング図を通じて理解することができる。
【００６２】
図６は本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの動作を説明するタイミング図である。
【００６３】
図６に示すように、本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ａの動作が説明される。
【００６４】
リセットゲート制御ラインＲＧＣ１によって電源電圧ＶＤＤがリセットゲート電極ＲＧに印加されることによってリセットゲート電極ＲＧの電圧が電源電圧に上昇し（４０１）、フローティング拡散ノードＦＤの電圧も略電源電圧ＶＤＤに上昇する（４０２）。
【００６５】
第１伝送ゲート制御ラインＴＧＣ１によって第１伝送ゲート電極ＴＧ１に電源電圧が印加される（４０３）。これにより、第１伝送ゲート電極ＴＧ１の電圧は電源電圧に上昇する（４０４）。
【００６６】
第１伝送ゲート制御ラインＴＧＣ１上に位置したスイッチング素子（ＳＷ＿ＴＧＣ１）によって第１伝送ゲート電極ＴＧ１に印加された電源電圧が瞬間的に遮断される（４０５）。このとき、第１伝送ゲート電極ＴＧ１はフローティング状態になる。
【００６７】
第１伝送ゲート制御ラインＴＧＣ１に位置したスイッチング素子（ＳＷ＿ＴＧＣ１）によって第１伝送ゲート電極ＴＧ１に印加された電源電圧が瞬間的に遮断された直後、第２伝送ゲート制御ラインＴＧＣ２によって第２伝送ゲート電極ＴＧ２に電源電圧が瞬間的に印加される（４０６）。
【００６８】
第２伝送ゲート電極ＴＧ２に瞬間的に印加された電源電圧によって第１伝送ゲート電極ＴＧ１の電位はカップリングによって瞬間的に電源電圧より高い電圧、例えば、電源電圧の約１．７乃至１．８倍程度に上昇する（４０７）。
【００６９】
図２で例示したアクティブピクセルセンサ２００Ａの場合、第１伝送ゲート電極ＴＧ１の電位が上昇することによりフローティング拡散ノードＦＤの電位も同伴して上昇され（４０８）、ソースフォロアトランジスタによってフローティング拡散ノードＦＤの上昇された電位を測定する（４１０）。このとき、測定されたフローティング拡散ノードＦＤの上昇された電位は相関二重サンプリングのための一番目のサンプリング電位となる。
【００７０】
フォトダイオードに集積された電荷が伝送トランジスタに形成されたチャンネルを通過してフローティング拡散ノードＦＤに流入されると、フローティング拡散ノードＦＤの電位が低下する（４０９）。
【００７１】
最後に、ソースフォロアトランジスタによってフローティング拡散ノードＦＤの下降された電位を測定する（４１１）。このとき、測定されたフローティング拡散ノードＦＤの下降された電位は相関二重サンプリングのための二番目サンプリングとなる。
【００７２】
ソースフォロアトランジスタ及び行選択トランジスタの詳細な動作は従来技術で既に周知の一般的なアクティブピクセルセンサの場合と同一であるので省略する。
【００７３】
前述したように、フローティング拡散ノードＦＤの電位は第１伝送ゲート電極ＴＧ１の電位が電源電圧より高い電圧に上昇することにより同伴的に上昇するようになるので、フローティング拡散ノードの最大電位とフォトダイオードからの電荷が流入し減少されたフローティング拡散ノードの電位との差異のレンジは大きくなる。
【００７４】
また、伝送ゲート電極のバイアス電圧としてさらに高い電圧を使用することにより一度のセンシング動作でフォトダイオード領域に形成された光電荷を全て掃き出すことができるのでイメージラグ現象も減少させることができる。
【００７５】
また、図３で例示したアクティブピクセルセンサ２００Ｂの場合には、第２伝送ゲート電極ＴＧ２が第１伝送ゲート電極ＴＧ１の上部のみに位置するので、フローティング拡散ノードＦＤの電位は同伴して上昇しない。従って、第１伝送ゲート電極ＴＧ１の電位が電源電圧の約１．８倍まで上昇することによる効果のみを得ることができる。即ち、伝送トランジスタゲートバイアス電圧の上昇を通じてフォトダイオードからの電荷の伝送を強化させることができる。
【００７６】
反対に、図３で例示したアクティブピクセルセンサ２００Ｃの場合には、第２伝送ゲート電極ＴＧ２がフローティング拡散ノードＦＤ上部のみに位置するので、第１伝送ゲート電極ＴＧ１の電位は同伴して上昇しない。従って、フローティング拡散ノードＦＤの電位が電源電圧の約１．８倍まで上昇することによる効果のみを得ることができる。即ち、フローティング拡散ノードＦＤの初期電圧上昇を通じてさらに高い信号対雑音比とダイナミックレンジとを得ることができる。
【００７７】
図７と図８は従来技術と本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ａの表面電位ダイアグラムである。
【００７８】
図７は従来技術の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの表面電位ダイアグラムである。
【００７９】
図７に示すように、図１で例示した従来技術の４トランジスタ相補性金属酸化膜アクティブピクセルセンサ１００のフォトダイオード領域１１０の電位５１０、伝送ゲート電極ＴＧの下部電位５２０、フローティング拡散ノード１２０の電位５３０及びリセットゲート電極ＲＧの下部電位５４０を知ることができる。
【００８０】
図７に示すように、フォトダイオード領域１１０には電位井戸が形成される。伝送ゲート電極の下部電位５２０は光集積器の間、低い電位５２１に保持され、リセットゲート電極の下部電位５４０も低い電位５４１に保持された状態にある。しかし、フローティング拡散ノード電位５３０は直前のリセットトランジスタの動作によって電源電圧ＶＤＤレベルに増加されている状態５３１である。このときの、フローティング拡散ノードの電位５３１がソースフォロアトランジスタＳＦと行選択トランジスタＳＥＬとによって読み込みされ相関二重サンプリングの一番目のサンプリング電位となる。
【００８１】
光集積期の間、フォトダイオード領域に形成された電位井戸に電子が蓄積される（５１１）。
【００８２】
光集積期が終わると、伝送ゲート制御ラインＴＧＣによって伝送ゲート電極ＴＧに電源電圧が印加され、伝送ゲート電極の下部電位５２０が上昇（５２２）し、これによりフォトダイオード領域に形成された電位井戸に蓄積された電荷がフローティング拡散ノード１２０の方に伝送されながらフローティング拡散ノードの電位５３０が下降する。
【００８３】
下降されたフローティング拡散ノードの電位５３０は再度ソースフォロアトランジスタＳＦと行選択トランジスタ（ＳＥＬ）とによって読み込みされ、相関二重サンプリングの二番目のサンプリング電位となる。
【００８４】
図８は本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ａの表面電位ダイアグラムである。
【００８５】
図８に示すように、図２で例示した本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ２００Ａのフォトダイオード領域２１０の電位６１０、第１伝送ゲート電極ＴＧ１の下部電位６２０、フローティング拡散ノード２２０の電位６３０及びリセットゲート電極ＲＧの下部電位６４０を知ることができる。
【００８６】
図８を参照すると、同様に、フォトダイオード領域２１０には電位井戸が形成される。第１伝送ゲート電極ＴＧ１の下部電位６２０は光集積期の間、低い電位６２１に保持され、リセットゲート電極ＲＧの下部電位６４０も低い電位６４１に保持された状態である。しかし、フローティング拡散ノード２２０の電位６３０は直前のリセットトランジスタの動作によって電源電圧（ＶＤＤ）レベルに増加されている状態６３２である。
【００８７】
光集積期の間、フォトダイオード領域２２０に形成された電位井戸に電子が蓄積される（６１１）。
【００８８】
光集積期が終わると、第１伝送ゲート電極ＴＧ１の下部電位６２０が上昇（６２２）する。しかし、本発明のアクティブピクセルセンサ２００Ａの構造によると、伝送ゲート電極は第１伝送ゲート電極ＴＧ１と第２伝送ゲート電極ＴＧ２のカップルド構造からなり、第１、２ゲート電極（ＴＧ１、ＴＧ２）はそれぞれ第１伝送ゲート制御ラインＴＧＣ１と第２伝送ゲート制御ライン（ＴＧＣ２）とによって制御される。図４を通じて既に説明したように、電圧カップリング現象によって第１伝送ゲート電極の下部電位は従来技術の電位５２２に比べてさらに高い電位６２２に上昇する。
【００８９】
従って、フォトダイオード領域２２０の電子井戸の深さを従来技術のアクティブピクセルセンサ１００に比べてさらに深くすることができる。これはフォトダイオード領域２２０の光電荷集積容量を増加させることでアクティブピクセルセンサがセンシングする光信号ダイナミックレンジを増加させる効果をもたらす要因である。
【００９０】
これに同伴してフローティング拡散ノード２２０の電位も従来技術５３１に比べてさらに高い電位に上昇する（６３２）。図１と図５を通じて例示した従来技術のアクティブピクセルセンサ１００の場合とは異なり、このときのフローティング拡散ノードの電位６３２がソースフォロアトランジスタと行選択トランジスタとによって読み込みされ相関二重サンプリングの一番目のサンプリング電位となる。
【００９１】
次に、フォトダイオード領域２１０に形成された電位井戸に蓄積された電荷がフローティング拡散ノード２２０の方に伝送されながらフローティング拡散ノード２２０の電位が下降するようになる。しかし、図７の場合と比べて伝送ゲート電極ＴＧ下部の電位６２０とフローティング拡散ノード２２０の電位６３０とがさらに急な階段を成すようになるので電位井戸に蓄積された電荷のフローティング拡散ノード２２０への伝送が一層強化される。
【００９２】
また、図７で例示したフローティング拡散ノード１２０の一番目のサンプリング電位５３１に比べて図８で例示したフローティング拡散ノード２２０の一番目のサンプリング電位６３２は電圧カップリング現象によって伝送ゲート電極２２０の下部電位６２０が上昇することに同伴してさらに高い電位を有することが分かる。これはフォトダイオード領域２２０から流入される電荷による電位下降が、さらに広いレンジを有することを可能にするので、信号のダイナミックレンジを向上させる役割をする。
【００９３】
図９はピンフォトダイオードを具備した本発明の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ形態を例示した断面図である。
【００９４】
図９に示すように、本発明のアクティブピクセルセンサ６５０はフォトダイオードピン表面６６１を有したピンフォトダイオード６６０を用いて構成される。
【００９５】
図９で例示したアクティブピクセルセンサ６５０は図２で例示したアクティブピクセルセンサ２００と比較して、フォトダイオードの形態のみに差異があり、残りの構成要素は同一である
【００９６】
ピンフォトダイオード６６０はＰ型シリコン基板にＮ型でドーピングされた領域で形成されたフォトダイオードにＰ型で強くドーピングされたピン表面６６１を追加で有している。
【００９７】
これにより、結果的にＰＮＰ接合構造を有したピンフォトダイオード６６０はＮ型領域が完全空乏され、Ｎ型領域の上部と下部に存在するＰ領域に空乏層が拡張される結果をもたらす。また、上部と下部のＰ型領域のドーピング濃度を調節することで、下部のＰ型領域により多くの空乏層拡張をもたらすことができる。
【００９８】
結果的に、ピンフォトダイオード６６０は基板に深く広い空乏層を確保して固定することで光感度を増加させることができる。
【００９９】
図１０は共有構造に適用された本発明の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイの構成例を示した回路図である。
【０１００】
図１０は本発明のアクティブピクセルセンサ２００の他の実施例として、フィルファクタ（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ）、即ち、一つの画素当たり光の入射を受け光電荷に変換するフォトダイオードの領域とリセットトランジスタ及び信号伝達回路が占める領域の比率を高めることができる共有構造の画素アレイ構成を示したのである。
【０１０１】
図１０は、本発明のアクティブピクセルセンサが含まれ構成された画素アレイ７００は複数個の画素、例えば、三つの画素が一つのリセットトランジスタ及び信号伝達回路を共有している構造を例示している。共有構造で一つのリセットトランジスタと信号伝達回路とを共有する画素の数は製品の構成及び要求される仕様によって異なる。
【０１０２】
画素アレイ７００はそれぞれ一つのフォトダイオードと一つの伝送トランジスタからなる三つの画素７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃで構成される。例えば、画素アレイ７００の一番目の画素７０１ａはフォトダイオード７１０ａとカップルド構造を有した伝送トランジスタ７５０ａとを含んで構成される。また、一番目の画素７０１ａの伝送トランジスタは第１、第２ゲート制御ライン（ＴＧＣ１１、ＴＧＣ１２）及びスイッチング素子（ＳＷ＿ＴＧＣ１１）に連結されている。二番目の画素７０１ｂと三番目の画素７０１ｃもやはり一番目の画素７０１ａと同様に構成されている。
【０１０３】
図２で例示した単一構造のアクティブピクセルセンサ２００と比較すると、図１０の画素アレイ７００に存在する画素７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃは一つのリセットトランジスタ７６０、ソースフォロアトランジスタＳＦ，選択トランジスタＳＥＬを共有する。また、一つのフローティング拡散ノード７２０を共有する。
【０１０４】
従って、画素アレイ７００の画素７０１ａ、７０２ｂ、７０１ｃに含まれた伝送トランジスタ７５０ａ、７５０ｂ、７５０ｃは順番に対応するフォトダイオード７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃに集積された光電荷をフローティング拡散ノード７２０に伝送する。即ち、伝送トランジスタ７５０ａ、７５０ｂ、７５０ｃはそれぞれの第１、２ゲート制御ライン（ＴＧＣ１１、ＴＧＣ１２、ＴＧＣ２１、ＴＧＣ２２、ＴＧＣ３１、ＴＧＣ３２）及びスイッチング素子（ＳＷ＿ＴＧＣ１１、ＳＷ＿ＴＧＣ２１、ＳＷ＿ＴＧＣ３１）の制御を受け、順番にフローティング拡散ノード７２０に対応するフォトダイオード７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃに集積された光電荷を伝送する。次に、ソースフォロアトランジスタＳＦと選択トランジスタＳＥＬとはフローティング拡散ノード７２０の電位を内部回路に伝達する役割を実行する。
【０１０５】
図１１は多層フォトダイオード構造に適用された本発明の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの構成例を示した回路図である。
【０１０６】
一般的に、カラー画像をセンシングするためにバイヤーカラーフィルターアレイ（Ｂａｙｅｒ  ＣＦＡ；Ｃｏｌｏｒ  Ｆｉｌｔｅｒ  Ａｒｒａｙ）のような画素モザイクパターンに準じて互いに異なる波長の光を吸収することができる画素、即ち、ＲＥＤ（Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ）画素がアレイを構成する方式が使用されている。しかし、このようなカラーフィルターアレイ方式はセンサが位置した間隔が大きくて画像信号を局部的にサンプリングするようになり、サンプリングされた画像がカラーの間に整列しないのでカラーエイリアシング問題を起こすという短所がある。
【０１０７】
このようなカラーフィルターアレイ方式の対案として多層ウエル構造を採択してシリコン基板上の互いに異なる深さに形成されたＰＮ接合を介して各ＰＮ接合の深さに対応する波長の光を吸収する方式が可能である。このような方式の一つとして一つのフォトダイオード領域内で互いに異なる波長の光をセンシングする方式が特許文献１及び特許文献２に開示されている。図１１は多層フォトダイオード構造を用いてカラー光信号をセンシングすることができる本発明のアクティブピクセルセンサの回路図を例示した。
【特許文献１】米国特許第５、９６５、８７５号明細書
【特許文献２】米国特許第６、６０６、１２０号明細書
【０１０８】
図１１に示すように、フォトダイオード８１０は多層構造に形成されたフォトダイオードである。フォトダイオード８１０は互いに異なる波長の光を吸収するために互いに異なる深さに形成されたＰ型領域及びＮ型領域で構成される。
【０１０９】
例えば、Ｐ型基板上に形成されたＮ型ウエル８１１とＮ型ウエル８１１内に形成されたＰ型ウエル８１２及びＰ型ウエル内に形成されたＮ型領域８１３で構成される。従って、多層構造の各ＰＮ接合が互いに異なる波長の光に反応することでカラー情報をセンシングすることができる。
【０１１０】
フォトダイオード８１０の領域８１１、８１２、８１３はそれぞれ対応するフローティング拡散ノード８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃが、それぞれ対応するリセットトランジスタ８５０ａ、８５０ｂ、８５０ｃによってリセット電位にリセットされる。フォトダイオード８１０のＰ型ドーピング領域８１２のリセット電位８６１ｂはフォトダイオード８１０のＮ型ドーピング領域８１１、８１３のリセット電位８６１ａ、８６１ｃに比べて低い電位になる。これは各ドーピング領域に集束される光電荷の種類によって異なるリセット電位が必要だからである。
【０１１１】
図２のアクティブピクセルセンサ２００Ａと比較して、他の構成要素、即ち、カップルド構造の伝送トランジスタ８５０ａ、８５０ｂ、８５０ｃ、ソースフォロアトランジスタＳＦ１、ＳＦ２、ＳＦ３及び選択トランジスタＳＥＬ１、ＳＥＬ２、ＳＥＬ３の構成及び動作は図２のアクティブピクセルセンサ２００Ａの場合と同一であるので説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
前記のような本発明によると、４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの伝送トランジスタのゲート構造をカップルドゲート形態で構成することで、カップルドゲートの電圧カップリング現象を用いて伝送トランジスタのゲートバイアス電圧及びフローティング拡散ノードであるフローティング拡散ノードの初期電圧を電源電圧以上に上昇させることでフォトダイオードの容量を増加させることができ、イメージラグ現象を減少させる効果を発揮することができる。
【０１１３】
以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】従来技術の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの断面図である。
【図２】本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの断面図である。
【図３】本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの断面図である。
【図４】本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの断面図である。
【図５】本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの回路図である。
【図６】本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの動作を説明するタイミング図である。
【図７】従来技術の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの表面電位ダイアグラムである。
【図８】本発明の４トランジスタ相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの表面電位ダイアグラムである。
【図９】ピンフォトダイオードを具備した本発明の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサ形態を例示した断面図である。
【図１０】共用構造に適用された本発明の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサーアレイの構成例を示した回路図である。
【図１１】多層フォトダイオード構造に適用された本発明の相補性金属酸化膜半導体アクティブピクセルセンサの構成例を示した回路図である。
【符号の説明】
【０１１５】
２００    アクティブピクセルセンサ
２０１    シリコン基板
２１０    フォトダイオード
２２０、２３０    Ｎ型領域
２４０    絶縁膜
２５０    伝送トランジスタ
２６０    リセットトランジスタ
ＳＦ    ソースフォロアトランジスタ
ＳＥＬ    選択トランジスタ
ＴＧＣ１    第１伝送ゲート制御ライン
ＴＣＧ２    第２伝送ゲート制御ライン
ＲＧＣ    リセットゲート制御ライン
ＳＥＬＣ    選択信号ライン
ＳＷ＿ＴＧＣ１    スイッチング素子
【図１】
2006186355.tif 000003
【図２】
2006186355.tif 000004
【図３】
2006186355.tif 000005
【図４】
2006186355.tif 000006
【図５】
2006186355.tif 000007
【図６】
2006186355.tif 000008
【図７】
2006186355.tif 000009
【図８】
2006186355.tif 000010
【図９】
2006186355.tif 000011
【図１０】
2006186355.tif 000012
【図１１】
2006186355.tif 000013