(57)【要約】  入射光に応答して電荷を収集するための光検出器；該光検出器から電荷を受容する、該光検出器に隣接するストレージ領域；該ストレージ領域から電荷を受容し、そして該電荷を電圧信号に変換する、該ストレージ領域に隣接するセンスノード；及び該センスノードからの該電圧信号を検知するための増幅器への入力部を有する画素の2次元アレイを含んで成るイメージセンサ。
2008543061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)入射光に応答して電荷を収集するための光検出器；
(b)該光検出器から電荷を受容する、該光検出器に隣接するストレージ領域、当該ストレージ領域は低暗電流及び低電荷発生欠陥のために最適化されている；
(c)該ストレージ領域から電荷を受容し、そして該電荷を電圧信号に変換する、該ストレージ領域に隣接するセンスノード；及び
(d)該センスノードからの該電圧信号を検知するための増幅器への入力部
を含む画素の2次元アレイを含んで成るイメージセンサ。
【請求項２】
各画素が該光検出器と該ストレージ領域とを含む請求項1に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
該センスノードと該増幅器への入力部とが、画素部分集合によって共有されている請求項2に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
各画素が、該光検出器、該ストレージ領域、該センスノード、及び該増幅器への入力部を含む請求項1に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
該光検出器から転送されない光発生電荷から、該ストレージ領域及びセンスノードを実質的にシールドするために、該ストレージ領域及びセンスノードを取り囲むドープされた領域をさらに含む請求項1に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
該ストレージ領域がピン光ダイオードである請求項1に記載のイメージセンサ。
【請求項７】
該光検出器がピン光ダイオードである請求項1に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
該センスノードの大部分又は全てに跨がる光シールドをさらに含む請求項1に記載のイメージセンサ。
【請求項９】
該光シールドが、該センスノード内の半導体の頂面から実質的に50〜500ナノメートルである請求項8に記載のイメージセンサ。
【請求項１０】
該光シールドが、該センスノード及び該ストレージ領域の大部分又は該ストレージ領域の全ての両方に跨がる請求項8に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
該光検出器に隣接するオーバフロードレインをさらに含む請求項1に記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
画素の2次元アレイを有するイメージセンサの操作方法であって、該方法は：
(a)入射光に応答して光検出器が電荷を収集する基準状態に、複数の光検出器を設定する工程；
(b)該光検出器の積分終了時に、該光検出器から、それぞれのストレージ領域に電荷を転送する工程；
(c)  低暗電流及び低電荷発生欠陥のために、ストレージ領域を最適化する工程；
(d)  該ストレージ領域からそれぞれのセンスノードへ電荷を転送する工程；そして
(e)  該センスノードからそれぞれの増幅器へ、読み出しのために電圧信号を転送する工程を含んで成る。
【請求項１３】
該センスノード上に電荷が保持される時間を最小限にするステップをさらに含む請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
(a)入射光に応答して電荷を収集するための光検出器；
(b)該光検出器から電荷を受容する、該光検出器に隣接するストレージ領域、当該ストレージ領域は低暗電流及び低電荷発生欠陥のために最適化されている；
(c)該ストレージ領域から電荷を受容し、そして該電荷を電圧信号に変換する、該ストレージ領域に隣接するセンスノード；及び
(d)該センスノードからの該電圧信号を検知するための増幅器への入力部
を含む画素の2次元アレイを含むイメージセンサ
を含んで成るカメラ。
【請求項１５】
各画素が該光検出器と該ストレージ領域とを含む請求項14に記載のカメラ。
【請求項１６】
該センスノードと該増幅器への入力部とが、画素部分集合によって共有されている請求項15に記載のカメラ。
【請求項１７】
各画素が、該光検出器、該ストレージ領域、該センスノード、及び該増幅器への入力部を含む請求項14に記載のカメラ。
【請求項１８】
該光検出器から転送されない光発生電荷から、該ストレージ領域及び該センスノードを実質的にシールドするために、該ストレージ領域及び該センスノードを取り囲むドープされた領域をさらに含む請求項14に記載のカメラ。
【請求項１９】
該ストレージ領域がピン光ダイオードである請求項18に記載のカメラ。
【請求項２０】
該光検出器がピン光ダイオードである請求項18に記載のカメラ。
【請求項２１】
該センスノードの大部分又は全てに跨がる光シールドをさらに含む請求項14に記載のカメラ。
【請求項２２】
該光シールドが、該センスノード内の半導体の頂面から実質的に50〜500ナノメートルである請求項21に記載のカメラ。
【請求項２３】
該光シールドが、該センスノードと、該ストレージ領域の大部分又は全てとの両方に跨がる請求項21に記載のカメラ。
【請求項２４】
該光検出器に隣接するオーバフロードレインをさらに含む請求項14に記載のカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ねイメージセンサの分野に関し、そして具体的にはグローバル電子シャッターを有するイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図1を参照すると、現在知られており、且つ利用されているイメージセンサは、ピン光ダイオード画素CMOSイメージセンサである画素10を使用する。この画素は、転送ゲート30を通してセンスノード上に読み出される光ダイオード20を内蔵し、このセンスノードは基準電圧にリセットすることができ、そして読み出し部、例えばソースフォロア回路(a source follower circuit)50のゲートに接続されている。加えて、光ダイオード20は、シャッターウィンドウ以外の時間中に発生した光電流を運び去るために、オーバフローゲート60に接続されている。
【０００３】
光ダイオード20は、電荷を保持するために、制御された電位、例えば1.5 Vを有する埋込み型チャネルを形成するように、浅いp型ピニング層70と、より深いn型拡散部80とを有するピン光ダイオードとして製造されている。ドーピングのこのような組み合わせは、極めて低暗電流及び暗電流点欠陥密度をもたらす。オーバフロードレイン90、及びリセットゲートに接続される基準バイアスは、より高い電圧、例えば3.3 Vに設定される。
【０００４】
図1及び2を参照すると、作業は、光ダイオード20を空にするために、オーバフロードレイン90又は転送ゲート30とリセットゲート100との組み合わせを使用することを伴う。リセットゲート100はまた、光ダイオード20の設定バイアスよりも大きい設定バイアスに、センスノード40をリセットするために使用される。オーバフロードレイン90、転送ゲート30、及びオーバフローゲート60は次いで、シャッターウィンドウを開始するために、全ての画素上で同時にターンオフされ、そして入射光からの信号が、光ダイオード20上で積分される。シャッターウィンドウを終了させるためには、転送ゲート30がターンオンされ、そして信号電荷がセンスノード40に完全に転送される。オーバフロードレイン90は、光ダイオード20上で発生したいかなる追加の電荷も排出されるようにターンオンされる。次いで出力が読み出され、リセットゲート100が、センスノード40を基準電圧に戻すために使用され、そして出力が再び読み出される。信号は2つの読み出し値の差である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術は以下のようないくつかの制限を有している。すなわち(1)基準読み出しは信号読み出しの後で行わなければならないので、これらは無相関のリセット作業に由来し、一時的なノイズが加えられる。(2)信号電荷は、シャッターウィンドウの終了から、その読み出しまで、センスノード上に保持されなければならず、この時間中、バックグラウンドとして、そして輝点として暗電流の蓄積を許す。
従って、上記欠点を克服する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記問題点の1つ又は2つ以上を克服することに関する。手短に要約すれば、本発明の1つの態様によれば、本発明は、イメージセンサであって、入射光に応答して電荷を収集するための光検出器と；光検出器から電荷を受容する、光検出器に隣接するストレージ領域と；ストレージ領域から電荷を受容し、そして電荷を電圧信号に変換する、ストレージ領域に隣接するセンスノードと；センスノードからの電圧信号を検知するための増幅器とを含むイメージセンサにある。
【０００７】
好ましい態様の下記詳細な説明、及び添付の特許請求の範囲を検討することから、また添付の図面を参照することによって、本発明のこれら及びその他の態様、目的、特徴、及び利点がより明らかに理解され、評価されるであろう。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、低暗電流のストレージ領域を有し、そして、低減されたノイズのための真の相関二重サンプリングを伴うグローバル電子シャッターを提供するという利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図3を参照すると、画素120の2次元アレイを成して配列された本発明のイメージセンサ110が示されている。イメージセンサ110はまた、画素120から信号を読み出すための読み出し回路115と、画素120にタイミング信号を提供するためのアドレス回路125とを含む。
【００１０】
図4を参照すると、本発明のイメージセンサの断面が示されている。イメージセンサは、判りやすさのために1つだけが示されている複数の画素120を含み、各画素120は、入射光から発生した電荷を収集するための層140と、ピニング層150とを有する第1ピン光ダイオード130を有している。シャッターゲート160がこの電荷を、転送された電荷を蓄積するための第2ピンダイオード又はストレージ領域170に転送する。転送ゲート180がこの電荷を、第2ピンダイオード170に隣接するセンスノード190、好ましくは浮遊拡散部に転送する。センスノード190はこの電荷を、増幅器200、好ましくはソースフォロアによって検知される電圧に変換する。光検出器130から転送されない、光発生電荷から、ストレージ領域170とセンスノード190とを実質的にシールドするために、ドープされた領域又は電荷シールド225がストレージ領域170とセンスノード190とを取り囲む。リセットトランジスタ215が、浮遊拡散部190を基準電圧にリセットする。第1ピン光ダイオード130から過剰な電荷を排出するために、第1ピン光ダイオード130に隣接して、オーバフロードレイン210が設けられている。
【００１１】
入射光が第2ピンダイオード170及び浮遊拡散部190によって受容されるのを防止するために、光シールド220が第2ピンダイオード170及び浮遊拡散部190に跨がっているか、又はこれらを覆っている。光シールド220は、センスノード190内の半導体の頂面から好ましくはほぼ50〜500ナノメートルである。
【００１２】
図4及び5を参照すると、作業は、光ダイオード130を空にするために、オーバフローゲート205とオーバフロードレイン210又はシャッターゲート160と転送ゲート180とリセットゲート215との組み合わせを使用することを伴う。リセットゲート215はまた、光ダイオード130の設定バイアスよりも大きい設定バイアスにセンスノード190をリセットするために、そして、シャッターゲート160との組み合わせにおいて、第2ピンダイオード又はストレージ領域170から全ての電荷を空にするために使用される。シャッターゲート160がターンオンされ、そしてオーバフローゲート205、及び転送ゲート180が次いで、シャッターウィンドウを開始するために、全ての画素120上で同時にターンオフされ、そして入射光からの信号が光ダイオード130上で電荷を発生させ、この電荷はストレージ領域170上で積分される。シャッターウィンドウを終了させるためには、シャッターゲート160がターンオフされ、そして信号電荷がストレージ領域170上に保持される。オーバフローゲート205は、光ダイオード130上で発生したいかなる追加の電荷も排出されるようにターンオンされる。リセットトランジスタ215をクロック・オン及びオフすることにより、センスノード190は基準電圧にリセットされ、そして次いで出力が読み出される。次いで、信号電荷がセンスノード190に転送されるように、転送ゲート180がターンオンされ、そして出力が読み出される。信号は2つの読み出し値の差である。
【００１３】
図6は、成分の全て(オーバフロードレイン210、光ダイオード130、シャッターゲート160、第2ピンダイオード170、転送ゲート180、センスノード190、リセットトランジスタ215、及び増幅器200)が1つの画素内にある、図4の本発明を示す概略図である。図7は、2つの画素120a及び120bの間で物理的に共有されたリセットトランジスタ215及び増幅器200を有する、図4の本発明を示す概略図である。より具体的には、図7は、センスノード190と、増幅器入力部200と、リセットトランジスタ215との電気的共有を示している。なお、図7に示す共有状態は、当業者には容易に明らかになるように、2つの画素を超えて拡張することができる。
【００１４】
図8を参照すると、通常の消費者が慣れている、本発明のイメージセンサ110の典型的な商業的態様を示すために、デジタルカメラ230が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図1は、従来技術のイメージセンサの側面図である。
【図２】図2は、図1のタイミング・ダイヤグラムである。
【図３】図3は、本発明のイメージセンサを示す平面図である。
【図４】図4は、本発明のイメージセンサを示す側方断面図である。
【図５】図5は、図4のタイミング・ダイヤグラムである。
【図６】図6は、非共有形態を示す、図4の側方断面図である。
【図７】図7は、共有形態を示す、図4の側方断面図である。
【図８】図8は、通常の消費者が慣れている典型的な商業的態様を示すための、本発明のイメージセンサを有するデジタルカメラの側面図である。
【符号の説明】
【００１６】
10    画素
20    光ダイオード
30    転送ゲート
40    センスノード
50    ソースフォロア回路
60    オーバフローゲート
70    p型ピニング層
80    n型拡散部
90    オーバフロードレイン
100    リセットゲート
110    イメージセンサ
115    読み出し回路
120    画素
120a    共有画素1
120b    共有画素2
125    アドレス回路
130    第1ピン光ダイオード(光検出器)
140    層
150    ピニング層
160    シャッターゲート
170    第2ピン光ダイオード(ストレージ領域)
180    転送ゲート
190    センスノード(浮遊拡散部)
200    増幅器
205    オーバフローゲート
210    オーバフロードレイン
215    リセットトランジスタ(ゲート)
220    光シールド
225    ドープされた領域又は電荷シールド
230    デジタルカメラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008543061.tif 000008
【図７】
2008543061.tif 000009
【図８】
2008543061.tif 000010
【国際調査報告】
2008543061.tif 000011
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2008543061.tif 000013