(57)【要約】  本発明は、第１の種類の半導体基板（１）と、基板とＰＮ接合を形成する第２の種類のドープ領域によって画定された光起電変換領域（２）を備えており、光起電モードで動作し、光への曝露の最中にＰＮ接合によって収集される光電電荷担体を再放射する少なくとも１つの第１のフォトダイオードと、積分モードで動作し、逆バイアスされ、基板とＰＮ接合を形成する第２の種類のドープ領域によって画定された電荷蓄積領域（３）を備えており、前記電荷蓄積領域が、光起電変換領域（２）からの電荷担体へと曝露され、そのような電荷担体を蓄積させる少なくとも１つの第２のフォトダイオードとを備えるＣＭＯＳ能動ピクセルの構造に関する。
2015534407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の種類の半導体基板（１）と、
前記基板とＰＮ接合を形成する第２の種類のドープ領域によって画定された光起電変換領域（２）を備えており、放射への曝露の際に光起電モードで動作するように構成されており、放射への曝露の際に前記ＰＮ接合によって捕らえられる光電電荷担体を再放射するように構成されている少なくとも１つの第１のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードの放射への曝露の際に積分モードで動作し、逆バイアスされるように構成されており、前記基板とＰＮ接合を形成する第２の種類のドープ領域によって画定された電荷蓄積領域（３）を備えており、前記電荷蓄積領域は、前記光起電変換領域（２）から由来する電荷担体へと曝露され、前記電荷担体を蓄積させるように構成されている少なくとも１つの第２のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードの電圧を読み取り、前記第２のフォトダイオードにおける電荷の測定を読み取るための読み出し手段と
を備えるＣＭＯＳ型の能動ピクセル構造。
【請求項２】
前記光起電変換領域（２）と前記電荷蓄積領域（３）とが、基板のうちの、前記第１のフォトダイオードによって再放射された前記電荷担体が前記蓄積領域における収集および蓄積のために通過する部分によって隔てられており、前記第１のフォトダイオードの前記ＰＮ接合の空乏領域と前記第２のフォトダイオードの前記ＰＮ接合の空乏領域とが、互いに隔てられ、接していない請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記基板（１）は、前記電荷担体の閉じ込め領域を定める空間変調ドープ（８）を有しており、前記閉じ込め領域は、前記第１および第２のフォトダイオードを１つのグループにしている請求項１または２に記載の構造。
【請求項４】
前記光起電変換領域（２）と前記電荷蓄積領域（３）との間の距離が、０．１μｍ〜１００μｍの間である請求項２または３に記載の構造。
【請求項５】
前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードは、光起電変換領域（２）が少なくとも１つの電荷蓄積領域（３）に隣接して位置するように前記基板に挿入されている請求項１から４のいずれか一項に記載の構造。
【請求項６】
前記光起電変換領域（２）と前記電荷蓄積領域（３）とが、少なくとも部分的に重ねられている請求項１から５のいずれか一項に記載の構造。
【請求項７】
前記電荷蓄積領域（３）は、少なくとも前記光起電変換領域（２）の広がりを包含する空間的な広がりを有する請求項６に記載の構造。
【請求項８】
前記第２のフォトダイオードは、前記電荷蓄積領域（３）を前記基板の表面から隔てる、前記基板と同じ種類のドープを有しているパッシベーション層を備えている請求項１から７のいずれか一項に記載の構造。
【請求項９】
リセットトランジスタ（ＲＳＴＬＯＧ）が、前記基板（１）に配置されたリセット領域を前記光起電変換領域（２）へと接続するように構成されている請求項１から８のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１０】
前記リセット領域は、前記基板（１）内の前記第１の種類の高濃度のドープ領域によって形成された基板−接点（７）によって形成されている請求項９に記載の構造。
【請求項１１】
前記リセット領域は、可変の電圧Ｖｘによってバイアスされ、前記可変の電圧Ｖｘを前記電荷蓄積領域（３）と関連付けられた浮動拡散ノード（ＦＤ）まで伝播させる高濃度のドープ領域によって形成されている請求項９に記載の構造。
【請求項１２】
前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードの前記読み出し手段が、前記第１のフォトダイオードの電圧を読み取り、前記第２のフォトダイオードにおける電荷の測定を読み取るために、共通のバスＣＯＬへと接続された前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードに共通の読み出し回路（１３）を前記ピクセルに備えている請求項１から１１のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１３】
前記電荷蓄積領域（３）と関連付けられた浮動拡散ノード（ＦＤ）を備えており、
前記共通の読み出し回路（１３）は、
前記第２のフォトダイオードと関連付けられた浮動拡散ノードの電圧を読み出すように構成された電荷転送構造（１３ａ）と、
前記第１のフォトダイオードを、前記電荷転送構造のリセットトランジスタ（Ｔｓ１）を介して前記浮動拡散ノード（ＦＤ）へと接続する電圧オフセット回路（１３ｂ）と
を備える請求項１２に記載の構造。
【請求項１４】
前記電圧オフセット回路（１３ｂ）は、ゲートが前記光起電変換領域（２）へと接続された負のしきい値電圧のトランジスタ（Ｔｓ１）を備える請求項１３に記載の構造。
【請求項１５】
前記電荷蓄積領域（３）と関連付けられた浮動拡散ノード（ＦＤ）を備えており、
前記共通の読み出し回路（１３）は、前記第２のフォトダイオードと関連付けられた浮動拡散ノードの電圧を読み出すように構成された電荷転送構造（１３ａ）を備え、前記光起電変換領域（２）は、キャパシタ（ＣＸ）を介して前記浮動拡散ノードへと接続されている請求項１２に記載の構造。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の複数のピクセル構造と、
前記第１のフォトダイオードの電圧の読み出しを、前記第２のフォトダイオードにおける電荷の測定の読み出しと組み合わせる少なくとも１つの出力回路と
を備えるセンサ。
【請求項１７】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の構造を有するＣＭＯＳ型の能動ピクセルの動作プロセスであって、
前記第１のフォトダイオードが、光起電モードで動作し、前記第１のフォトダイオードの放射への曝露の際に前記ＰＮ接合によって捕らえられる光電電荷担体を再放射し、
前記第２のフォトダイオードが、逆バイアスされ、積分モードで動作し、前記電荷蓄積領域が前記光起電変換領域から由来する電荷担体へと曝露され、前記電荷担体を蓄積し、
前記第１のフォトダイオードの電圧および前記第２のフォトダイオードにおける電荷の測定が、読み出し手段によって読み取られる動作プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力の消費が少ない一群の電子コンポーネントを使用するＣＭＯＳ型（相補型金属酸化膜半導体）の能動ピクセルの分野に関する。特には、本発明は、ＣＭＯＳピクセル構造およびこれを備えるイメージセンサアレイに関する。
【０００２】
ＣＭＯＳ集積技術は、良好な分解能および妥当な画質を有するモノリシックなカメラ用のチップの製造を可能にする。これらの技術の使用は、エネルギー消費の少ないセンサを得ることも可能にする。そのようなセンサは、ＣＭＯＳトランジスタの迅速なスイッチングのおかげで、高速な読み出し速度も提供する。加えて、これらの技術は、コンディショニング、処理、エンコーディング、および通信の機能を統合する可能性を提供する。
【背景技術】
【０００３】
伝統的なピクセルにおいては、フォトダイオードにおいて生じた電子−正孔の対がキャパシタにおいて積分され、電圧信号または電荷信号のいずれかがもたらされる。
【０００４】
このキャパシタの値が、容量へと加えられる電圧が常にピクセルにおいて制限されるがゆえに、飽和を生じることなく受け取ることができる最大の電荷量を決定する。値が大きいほど、積分容量が大きくなり、したがって動作のダイナミックレンジが広くなる。しかしながら、積分キャパシタの値が大きいと、同量の積分電荷において電圧がより低くなり、したがって感度が低くなる。多くの場合、この積分容量は、単にフォトダイオードの接合部の容量である。
【０００５】
この構成の典型的な例が、図１に示されるとおりの３つのトランジスタを有するＡＰＳとして知られるＣＭＯＳ能動ピクセルセンサである。このピクセルは、
Ｐ型半導体基板１と、
基板とＰＮ接合を形成しており、露光時に電荷を蓄積するＮ型ドープ領域ＮＰＤによって画定された光電変換領域と、
基板１の表面上の二酸化ケイ素の絶縁層と、
電荷の蓄積によって引き起こされる電圧の変化を読み取るための読み出し回路と
を備え、
光電変換領域と基板とによって形成されたＰＮ接合が、フォトダイオードのカソードおよびアノードを形成しており、
前記読み出し回路は、
光電変換領域ＮＰＤへと接続された１つの電極と、電源ＶＤＤへと接続された他方のもう１つの電極とを有しており、ゲートへのリセット信号ＲＳＴによって制御されてフォトダイオードの電圧をプレチャージへとリセットするリセットトランジスタＴ１と、
ゲートが光電変換領域ＮＰＤへと接続される一方で、電極のうちの一方が電源電圧ＶＤＤへと接続された読み出しトランジスタＴ２と、
ゲートへと印加されうる選択信号ＳＥＬによって制御され、電極のうちの一方が読み出しトランジスタＴ２の他方の電極と共通であり、電極のうちの他方が読み出しバスＣＯＬへと接続されている選択トランジスタＴ３と
を備えている。
【０００６】
したがって、光電電荷が、リセットトランジスタＴ１のプレチャージ動作の後でフォトダイオードの接合容量に自動的に積分され、その後に選択トランジスタＴ３のスイッチングによって読み出される。読み出しの流れが、図１に示した３トランジスタ型ＣＭＯＳ能動ピクセルの典型的な動作の時間図を提示する図２に示されている。
【０００７】
この時間図には、リセット信号ＲＳＴの変化２１、選択信号ＳＥＬの変化２２、光電変換場所、すなわちフォトダイオードにおける電圧ＶＰＤの変化２３、および読み出し配線ＣＯＬにおける電圧ＶＣＯＬの変化２４が、時間の関数として、任意値にて概略的に示されている。
【０００８】
時刻ｔ１において、フォトダイオードが、撮像の前に、リセットトランジスタＴ１を作動させる信号ＲＳＴによって初期電圧にリセットまたはプレチャージされる。時刻ｔ２において、リセットトランジスタＴ１がオフにされ、初期読み出しが、読み出し回路の電圧フォロワのオフセットを後に取り除くための前記初期電圧の決定を可能にする。時刻ｔ３において、フォトダイオードを露光時の照明のもとで動作させることができるよう、選択トランジスタＴ３が選択信号ＳＥＬによってオフにされる。結果として、光電電荷の蓄積により、フォトダイオードの電圧（ＶＰＤ）が低下する。この電圧の変化が、電圧フォロワモードにおいてトランジスタＴ２によって読み出される。最後に、時刻ｔ４において、照明を表わす電圧を取得するために、最終的な読み出しが、選択信号ＳＥＬによって露光の終わりにおいて生じる。最終的な出力信号は、最終的な読み出しと初期読み出しとの間の差である。
【０００９】
フォトダイオードの容量へと加えられる追加の容量が、飽和レベルの限界を高めることを可能にする一方で、ピクセルの感度を大幅に下げることを、確認することができる。結果として、ダイナミックレンジはほとんど改善されない。良好な感度を得るために、積分容量を減らすことが、より好都合であると考えられる。飽和レベルの限界を、露光時間、レンズの開口、などによって制御することができる。
【００１０】
積分容量の低減は、フォトダイオードの本質的な構造によって制限される。フォトダイオードが光電変換領域によって光子を集めるがゆえに、光子の収集の有効性を失うことなく、したがって感度を失うことなく、表面積を減らすことは不可能である。米国特許第６５３１７２５号、第６０５１４４７号、および第５９０３０２１号が、そのようなピクセルのフォトダイオードの接合容量の低減を意図した技術的解決策を提案している。これらの技術的解決策は、Ｎ型の光電変換領域が逆バイアスによって部分的に減らされるフォトダイオードのＰＮ接合を使用する。
【００１１】
しかしながら、フォトダイオードの接合部の容量が小さいと、フォトダイオードのリセットに関連する雑音の問題が引き起こされ、すなわちスイッチング雑音ＫＴＣが生じる。このリセット雑音ＫＴＣは、初期電圧の適切な読み出しを乱し、例えば複雑なメモリシステムを設けない限り、容易に補償することは不可能である。
【００１２】
感度を改善し、雑音を減らすために、電荷転送ＣＭＯＳ能動ピクセル構造が、提案されている。図３に示されるように、転送トランジスタＴＸが、３トランジスタ型能動ピクセルへと、フォトダイオードと読み出しトランジスタＴ２との間に追加される。「転送ゲート」と呼ばれるこの転送トランジスタは、ＮＰＤ領域に蓄積した光電電荷を、きわめて小さなサイズのＰＮ接合によって形成された浮動拡散ノードＦＤへと転送することを可能にする。この浮動拡散ノードＦＤは、一般に、低い容量値を有しており、したがって電荷−電圧変換の利得が大いに高められる。この電荷転送によって、変換の利得が、もはやフォトダイオードＮＰＤの接合容量とは無関係になる。４トランジスタ構造として知られるこの構造は、ピクセルの感度の向上を可能にし、例えば夜間視などの高い感度を必要とする用途を想定可能にする。
【００１３】
図３に示されるピクセルなどの電荷転送４トランジスタ型ピクセルは、ピクセルの感度をさらに改善する別の利点を有する。フォトダイオードのリセットトランジスタＴ１が、遮断時にフォトダイオードへと電荷リセット雑音ＫＴＣを注入する。ＫＴＣと呼ばれるこの雑音は、積ＫＴＣの平方根に比例し、ここでＫはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、Ｃは容量値である。図１のピクセルなどの３トランジスタ型ピクセルにおいては、このリセット雑音ＫＴＣを補償することが、雑音が露光の開始時に生じ、画像信号は露光の終わりにおいて読み出されるがゆえに、かなり困難である。これが、３トランジスタ型ピクセルで形成された撮像センサの低感度の理由である。
【００１４】
４トランジスタ型ピクセルにおいては、状況がきわめて異なる。画像信号の読み出しに、電荷転送の直前の浮動拡散ノードＦＤのリセットが先行する。このＫＴＣ雑音を取り除くために、差動が使用される。
【００１５】
図４が、４トランジスタ型能動ピクセルの時間図を示している。この時間図には、リセット信号ＲＳＴの変化４１、転送トランジスタＴＸのゲートへと印加される信号の変化４２、選択信号ＳＥＬの変化４３、浮動拡散ノードＦＤにおける電圧ＶＦＤの変化４４、および読み出し配線ＣＯＬにおける電圧ＶＣＯＬの変化４５が、任意値にて、時間の関数として、概略的に示されている。
【００１６】
時刻ｔ１において、浮動拡散ノードＦＤが、撮像の前に、リセットトランジスタＴ１を作動させる信号ＲＳＴを使用して初期電圧にリセットされ、選択トランジスタＴ３が、選択信号ＳＥＬによってオンにされる。
【００１７】
時刻ｔ２において、リセットトランジスタＴ１が信号ＲＳＴによってオフにされ、初期読み出しによって前記初期電圧を決定することができる。時刻ｔ３において、光電変換領域ＮＰＤから浮動拡散ノードＦＤへと電荷を転送するために、転送トランジスタＴＸがオンにされる。時刻ｔ４において、転送トランジスタＴＸがオフにされる一方で、第２の読み出しが、読み出し配線において行われる。時刻ｔ５において、選択トランジスタＴ３がオフにされる。
【００１８】
出力信号は、初期読み出しと第２の読み出しとの間の差であり、光電変換領域ＮＰＤにおいて蓄積されて浮動拡散ノードＦＤへと転送された光電電荷によって引き起こされる電圧の変化によって形成される。したがって、浮動ノードＦＤのリセット雑音は、差分読み出し回路によって必然的に補償される。
【００１９】
したがって、浮動拡散ノードＦＤの容量によって引き起こされるＫＴＣ雑音の影響を、差分読み出しによって効果的に除去することができるが、フォトダイオードの接合容量によって引き起こされる雑音は除去されない。
【００２０】
「埋め込みフォトダイオード（ｐｉｎｎｅｄ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）」（ＰＰＤ）の発明が、この問題の克服を可能にしている。図３に示されるとおり、埋め込みフォトダイオードは、基板１と協働してＰＮ接合を形成してフォトダイオードを形成する典型的にはＮ型の拡散である光電変換領域を、典型的にはＰ型である基板１とドープ領域５（パッシベーション領域とも呼ばれ、典型的にはＰである基板と同じ型のきわめて浅い深さの大量の表面拡散によってもたらされ、光電変換領域ＮＰＤを基板１の表面から絶縁する）との間に挟んで形成されている。フォトダイオードが充分に高い電圧でバイアスされるとき、光電変換領域ＮＰＤの可動電荷が完全に枯渇する。光電変換領域ＮＰＤの空間電荷が、露光時間の最中に光子によって生成された光電子を引き付け、蓄積させる。
【００２１】
露光の終わりにおいて、光電変換領域ＮＰＤに蓄積したこれらの光電子は、転送トランジスタＴＸによって浮動拡散ノードＦＤへと転送され、電圧へと変換される。この転送が完全である場合、フォトダイオードＰＰＤは、再び可動電荷が存在しない状態となる。この場合、リセット雑音ＫＴＣは生じない。
【００２２】
光電子の完全な転送は、リセット雑音ＫＴＣを除去するためだけでなく、生じうる残像を防止するためにもきわめて重要である。番号ＦＲ１２５１３８７で仏国に出願された特許出願が、例えば単純なＣＭＯＳプロセスを使用して転送トランジスタＴＸの良好な機能を可能にする構造を提示している。
【００２３】
４トランジスタ型ピクセルの１つの利点は、読み出し部分を、いくつかのＰＰＤフォトダイオードによって容易に共有できることにある。図５が、この共有の原理を示している。２つのＰＰＤフォトダイオードが、浮動拡散ノードＦＤの各側に配置され、各々のＰＰＤフォトダイオードを転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２によって浮動拡散ノードＦＤへと接続することができる。米国特許第７９６４９２９号および第７９８９７４９号が、この件についてのさらなる詳細を示している。この読み出しの増幅の共有の可能性を通じて、現時点において、携帯電話機のカメラに頻繁に使用されるきわめて小さいサイズのピクセルを製造することが可能である。
【００２４】
これらの電荷転送の種々の構成は、ピクセルの感度の限界を改善しながらピクセルのサイズを小さくすることに貢献している。しかしながら、動作のダイナミックレンジはまったく改善されておらず、ときには逆行さえしている。これは、浮動拡散ノードＦＤの小さい容量値ゆえに、蓄積の量が限られるからである。例えば、ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙによる６μｍ×６μｍのサイズの４トランジスタ型ピクセルを含んでいるＣＭＯＳ  ＯＶ７９５５センサは、優秀な感度（１２Ｖ／ｌｕｘ＊ｓ）を示すが、わずか６０００個の光電子で飽和する。
【００２５】
動作のダイナミックレンジを広げ、飽和を遅らせるために、複数回の露光を使用する手法が、いくつかの市販の製品において使用されている。これらは、より広いダイナミックレンジの画像を得るために、いくつかの撮像パラメータにてシーンをとらえ、次いでこれらの露光を組み合わせることを必要とする。これらの手法は、複雑な画像処理を必要とする。また、変化する環境および／または複雑な環境において最適な撮像パラメータをリアルタイムで見つけることは、多くの場合に困難でもある。
【００２６】
文献ＥＰ１３５４３６０Ａ１、ＷＯ２００９／０２７４４９Ａ１、およびＷＯ２０１０／１０３４６４Ａ１が、フォトダイオードが、フォトダイオードが光制御の電流源として動作する伝統的な設計と対照的に、太陽電池と同様に光起電モードにて動作するピクセルの設計を提案している。図６が、特許ＥＰ１３５４３６０に記載の光起電モードのフォトダイオードを有するピクセルの構造を示している。このピクセルは、伝統的な３トランジスタ型ピクセルに類似しているが、２つの基本的な相違を有しており、すなわち光起電変換領域が、リセット動作の際に短絡させられ、フォトダイオードの接合部が、入射する光子によって生成される電子−正孔の対によって自動的に直接バイアスされる。画像信号は、光起電電圧とリセット時のゼロ電圧との間の差分読み出しによって得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】米国特許第６５３１７２５号
【特許文献２】米国特許第６０５１４４７号
【特許文献３】米国特許第５９０３０２１号
【特許文献４】仏国特許第１２５１３８７号
【特許文献５】米国特許第７９６４９２９号
【特許文献６】米国特許第７９８９７４９号
【特許文献７】欧州特許第１３５４３６０Ａ１号
【特許文献８】国際公開第２００９／０２７４４９Ａ１号
【特許文献９】国際公開第２０１０／１０３４６４Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
この動作モードにおいて、開いた回路のフォトダイオードの端子における電圧が、信号として測定される。この電圧は、ショックレー（Ｓｃｈｏｃｋｌｅｙ）の法則に従い、対数の関係によって光の強度に相関する。この対数の関係が、信号の発達を圧縮し、より広い動作のダイナミックレンジをもたらす。多数の利点にもかかわらず、この光起電の機能は、特には、感度に関して、本発明が克服を試みるいくつかの欠点を有している。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の１つの目的は、単純でコンパクトな設計を保ちながら、広い動作のダイナミックレンジと良好な感度とを組み合わせるピクセル構造を提案することにある。
【００３０】
より具体的には、本発明は、
第１の種類の半導体基板と、
基板とＰＮ接合を形成する第２の種類のドープ領域によって画定された光起電変換領域を備えており、放射への曝露の際に光起電モードで動作するように構成されており、放射への曝露の際にＰＮ接合によって捕らえられる光電電荷担体を再放射するように構成されている少なくとも１つの第１のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードの放射への曝露の際に積分モードで動作し、逆バイアスされるように構成されており、基板とＰＮ接合を形成する第２の種類のドープ領域によって画定された電荷蓄積領域を備えており、前記電荷蓄積領域は、光起電変換領域から由来する電荷担体へと曝露され、そのような電荷担体を蓄積させるように構成されている少なくとも１つの第２のフォトダイオードと、
第１のフォトダイオードの電圧を読み取り、第２のフォトダイオードにおける電荷の測定を読み取るための読み出し手段と
を備えるＣＭＯＳ型の能動ピクセル構造を提案する。
【００３１】
本明細書において、用語「第１の種類」および「第２の種類」は、半導体の型、すなわちＰ型およびＮ型に関する。第１および第２の種類は、異なっている。典型的には、第１の種類がＰ型に相当する一方で、第２の種類がＮ型に相当する。あるいは、第１の種類がＮ型に相当する一方で、第２の種類がＰ型に相当してもよい。
【００３２】
第２のフォトダイオードを第１のフォトダイオードの光起電変換領域から由来する電荷担体へと曝露することで、通常であれば基板へと拡散してしまうと考えられるこれらの電荷担体を蓄積することができる。電荷担体の回収が、光起電モードの第１のフォトダイオードによって可能にされる広いダイナミックレンジを損なうことなく、ピクセルの感度の大幅な改善を可能にする。
【００３３】
本発明は、以下の特徴を単独または技術的に可能な任意の組み合わせにて取り入れることによって、好都合に完成される。
【００３４】
光起電変換領域と電荷蓄積領域とが、基板のうちの第１のフォトダイオードによって再放射された電荷担体が蓄積領域における収集および蓄積のために通過する部分によって隔てられており、第１のフォトダイオードのＰＮ接合の空乏領域と第２のフォトダイオードのＰＮ接合の空乏領域とが、互いに隔てられ、接していない。
【００３５】
基板は、電荷担体の閉じ込め領域を画定する空間変調ドープを有しており、前記閉じ込め領域は、電荷担体を封じ込めることによって光起電変換領域からの電荷担体の電荷蓄積領域による収集の効率を高めるために、第１および第２のフォトダイオードを１つのグループにしている。
【００３６】
光起電変換領域と電荷蓄積領域との間の距離が、０．１μｍ〜１００μｍの間である。
【００３７】
第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードが、光起電変換領域が第２のフォトダイオードの少なくとも１つの電荷蓄積領域に隣接して位置するように、基板に挿入されている。
【００３８】
光起電変換領域と電荷蓄積領域とが、少なくとも部分的に重ねられている。
【００３９】
電荷蓄積領域が、少なくとも前記光起電変換領域の広がりをカバーする空間的な広がりを有する。
【００４０】
第２のフォトダイオードは、電荷蓄積領域を基板の表面から隔てる基板と同じ種類のドープを有しているパッシベーション層を備える。
【００４１】
リセットトランジスタＲＳＴＬＯＧが、基板に配置されたリセット領域を光起電変換領域へと接続するように構成されている。
【００４２】
リセット領域は、基板に第１の種類の高濃度のドープ領域で形成された基板−接点によって形成されている。
【００４３】
リセット領域は、可変の電圧Ｖｘによってバイアスされ、この可変の電圧Ｖｘを蓄積領域と関連付けられた浮動拡散ノードまで伝播させる第２の種類の高濃度のドープ領域で形成されている。
【００４４】
好ましくは、第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードの読み出し手段は、第１のフォトダイオードの電圧を読み取り、第２のフォトダイオードにおける電荷の測定を読み取るために、共通のバスＣＯＬへと接続された第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードに共通の読み出し回路をピクセルレベルに備える。その場合、構造は電荷転送構造であり、一実施の形態において電荷蓄積領域と関連付けられた浮動拡散ノードを備え、共通の読み出し回路は、
第２のフォトダイオードと関連付けられた浮動拡散ノードの電圧を読み取るように構成された電荷転送構造と、
第１のフォトダイオードを、第２のフォトダイオードと関連付けられた電荷転送構造のリセットトランジスタを介して浮動拡散ノードへと接続する電圧オフセット回路と
を備える。
【００４５】
次いで、電圧オフセット回路は、ゲートが光起電変換領域へと接続された負のしきい値電圧のトランジスタを備えることができる。考えられる別の実施の形態において、本構造は、電荷蓄積領域と関連付けられた浮動拡散ノードを備え、共通の読み出し回路は、第２のフォトダイオードと関連付けられた浮動拡散ノードの電圧を読み取るように構成された電荷転送構造を備え、光起電変換領域は、キャパシタを介して浮動拡散ノードへと接続される。
【００４６】
さらに、本発明は、
本発明による複数のピクセル構造と、
第１のフォトダイオードの電圧の読み出しを第２のフォトダイオードにおける電荷の測定の読み出しと組み合わせる少なくとも１つの出力回路と
を備えるセンサに関する。
【００４７】
さらに、本発明は、本発明による構造を有するＣＭＯＳ型の能動ピクセルの動作プロセスであって、
第１のフォトダイオードが、光起電モードで動作し、この第１のフォトダイオードの放射への曝露の際にＰＮ接合によって捕らえられる光電電荷担体を再放射し、
第２のフォトダイオードが、逆バイアスされ、積分モードで動作し、前記電荷蓄積領域が光起電変換領域から由来する電荷担体へと曝露され、これらの電荷担体を蓄積し、
第１のフォトダイオードの電圧および第２のフォトダイオードにおける電荷の測定が、読み出し手段によって読み取られる、動作プロセスに関する。
【００４８】
本発明の他の特徴および利点が、あくまでも例示の目的で提示され、本発明を限定するものではない以下の説明から、さらに明らかになるであろう。この説明は、添付の図面との関連において理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】すでに説明したとおり、技術水準の３トランジスタ型能動ピクセルの構造を示す概略図である。
【図２】すでに説明したとおり、図１のピクセルの機能の際に生じる信号を説明する時間図である。
【図３】すでに説明したとおり、技術水準の４トランジスタ型能動ピクセルの構造を示す概略図である。
【図４】すでに説明したとおり、図３のピクセルの機能の際に生じる信号を説明する時間図である。
【図５】すでに説明したように、図３のピクセルと同様の２つのピクセルによる読み出し回路の共有を説明する概略図である。
【図６】すでに説明したように、光起電モードで動作する技術水準の４トランジスタ型能動ピクセルの構造を説明する概略図である。
【図７】本発明によるピクセル構造の１つの考えられる実施の形態を説明する断面図である。
【図８】光起電モードおよび積分モードのそれぞれのフォトダイオードの応答を、それらが曝される光強度の関数として概略的に示すグラフである。
【図９】露光が基板の背面を介して生じる本発明によるピクセル構造の１つの考えられる実施の形態を説明する断面概略図である。
【図１０】種々のドープ種の注入深さを注入エネルギーの関数として示すグラフである。
【図１１】右側にピクセルアレイの上面図を示し、左側に本発明の１つの考えられる実施の形態によるピクセルの拡大図を示している。
【図１２】右側にピクセルアレイの上面図を示し、左側に本発明の１つの考えられる実施の形態によるピクセルの拡大図を示している。
【図１３】３トランジスタ型ピクセルについて実行されるアンチブルーミング動作の原理を示している。
【図１４】２つのフォトダイオードが共通の回路によって読み取られる本発明の１つの考えられる実施の形態によるピクセル構造の各領域の配置の配線図および断面図をそれぞれ示している。
【図１５】２つのフォトダイオードが共通の回路によって読み取られる本発明の１つの考えられる実施の形態によるピクセル構造の各領域の配置の配線図および断面図をそれぞれ示している。
【図１６】図１４および１５の構造の機能を説明する時間図である。
【図１７】光起電変換領域をリセットのために短絡させる代わりに光起電変換領域へと電圧が印加される一変形における本発明の１つの考えられる実施の形態によるピクセル構造の各領域の配置の配線図および断面図をそれぞれ示している。
【図１８】光起電変換領域をリセットのために短絡させる代わりに光起電変換領域へと電圧が印加される一変形における本発明の１つの考えられる実施の形態によるピクセル構造の各領域の配置の配線図および断面図をそれぞれ示している。
【図１９】図１７および１８の構造の機能を説明する時間図である。
【図２０】共通の読み出し回路がキャパシタを備えている本発明の１つの考えられる実施の形態によるピクセル構造の配線図である。
【図２１】図２０の構造の機能を説明する時間図である。
【図２２】アンチブルーミング機能が４トランジスタ型の構造において使用される本発明について考えられる実施の形態の断面図である。
【図２３】アンチブルーミング機能が４トランジスタ型の構造において使用される本発明について考えられる実施の形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
図７を参照すると、本発明について考えられる１つの実施の形態によるＣＭＯＳ型の能動ピクセル構造は、
第１の種類の半導体基板１と、
基板とＰＮ接合を形成する第２の種類のドープ領域によって画定された光起電変換領域２を備えており、光起電モードで動作し、放射への曝露の最中にＰＮ接合によって捕らえられる光電電荷担体を再放射する少なくとも１つの第１のフォトダイオードと、
積分モードで動作し、逆バイアスされ、基板とＰＮ接合を形成する第２の種類のドープ領域によって画定された電荷蓄積領域３を備えており、前記電荷蓄積領域が、光起電変換領域２から由来する電荷担体へと曝露され、前記電荷担体を収集して蓄積させる少なくとも１つの第２のフォトダイオードと
を備える。
【００５１】
本発明のピクセルの構造は、光起電モードのフォトダイオード、積分モードのフォトダイオード、および光起電モードのフォトダイオードと積分モードのフォトダイオードとの間の電荷結合を一体にグループ化する。
【００５２】
図８が、光起電モードおよび積分モードのそれぞれのフォトダイオードの応答を、それらが曝される光強度の関数として示している。実線８１による曲線が、長い曝露における積分モードのフォトダイオードの応答を示している一方で、点線による曲線８２は、短い曝露におけるこのフォトダイオードの応答を示している。積分モードのフォトダイオードが、強すぎる光強度の検出を妨げる飽和を急速に呈することを、見て取ることができる。
【００５３】
破線の曲線８３は、光起電モード、すなわち自己直接バイアス（ｓｅｌｆ−ｄｉｒｅｃｔ−ｂｉａｓ）のフォトダイオードの電圧応答を示している。電圧応答が、強い光強度の検出も可能にする対数の形状をとることを、見て取ることができる。
【００５４】
したがって、積分モードのフォトダイオードと光起電モードのフォトダイオードとは、高度に相補的であり、光起電モードのフォトダイオードが、きわめて広い動作のダイナミックレンジを提供するが、光感度がより低い一方で、積分モードのフォトダイオードは、特には、埋め込みフォトダイオード式４トランジスタ型ピクセルにおいて優秀な感度を有するが、ダイナミックレンジがきわめて狭い。したがって、これらのフォトダイオードの組み合わせが、感度およびダイナミックレンジの両方に関して高性能なピクセルを得ることを可能にする。
【００５５】
露光の前に非ゼロの逆バイアス電圧にプレチャージされたフォトダイオードは、積分モードから光起電モードへと切り替わる応答を生成することができる。実際、ピクセル内の増幅器がフォトダイオードのカソードの負電圧の読み出しを可能にするとき、光起電モードでのフォトダイオードの動作が存在でき、伝統的なＣＭＯＳセンサにおいて見て取ることができる。
【００５６】
しかしながら、この構成は、一般に、積分モードのフォトダイオードが光起電モードの近隣のフォトダイオードによって放出される電荷を収集し、この場合には光起電モードのフォトダイオードによって放出された電荷が、依然として逆バイアスの状態にある（すなわち、積分モードの）フォトダイオードを駄目にし、画像を使用不能にしてしまうため、先行技術のアレイの構成においては推奨されていない。結果は、フォトダイオード間の容認できないクロストークである。これは、「Ｙ．Ｎｉ、  Ｋ．Ｍａｔｏｕ、  『Ａ  ＣＭＯＳ  Ｌｏｇ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  ｏｎ−ｃｈｉｐ  ＦＰＮ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ』、  ＥＳＳＣＩＲＣ‘０１、  １８−２０  Ｓｅｐｔ．  ２００１  Ｖｉｌｌａｃｈ，  Ａｕｓｔｒｉａ、  ｐｐ．１２８−１３２」にて公開され、特許ＥＰ１３５４３６０に記載された研究活動よりも前に、光起電モードのフォトダイオードを有するピクセルへの研究が存在しない理由である。
【００５７】
本発明においては、この効果が回避されず、むしろ追求され、ピクセルの構造が、光起電モードのフォトダイオードによって再放射された電荷担体の積分モードのフォトダイオードによって、この収集効果を生み出すように構成される。
【００５８】
したがって、このピクセルは、２つの画像信号を生成し、一方は光起電モードのフォトダイオードによって生成される対数（Ｓｌｏｇ）であり、他方は積分モードのフォトダイオードによって生成される線形（Ｓｉｎｔ）である。これら２つの画像信号を、そのようなピクセルを備える撮像センサ、そのような撮像センサを備えるカメラシステムにおいて、異なるやり方で使用することができる。例えば、信号Ｓｌｏｇを、シーンに強い光の強弱が存在する場合に使用することができ、信号Ｓｉｎｔを、シーンが暗い場合に使用することができる。また、これら２つの信号を所定の数式または適応的な数式を使用して組み合わせ、ただ１つの画像をもたらすことも可能である。さらに、処理能力が許すのであれば、局所的な設定に関するこれら２つの画像間の局所的な組み合わせを実行することも可能である。
【００５９】
光起電モードで動作するフォトダイオードと積分モードで動作するフォトダイオードとの間の或る程度の近接性が、光起電モードで動作するフォトダイオードによって放射される光電電荷について、積分モードで動作するフォトダイオードによる良好な収集、したがって良好な蓄積を可能にする。
【００６０】
しかしながら、それらのそれぞれの機能を妨げることがないように、光起電変換領域２および電荷蓄積領域３は、光起電モードで動作する第１のフォトダイオードのＰＮ接合の空乏領域と第２のフォトダイオードのＰＮ接合の空乏領域とが互いに離れて接触しないように、基板の一部分（第１のフォトダイオードによって再放射された電荷担体が蓄積領域における収集および蓄積のために通過する部分）によって隔てられる。
【００６１】
したがって、第１のフォトダイオードの光起電変換領域２と第２のフォトダイオードの電荷蓄積領域３との間の距離は、０．１μｍ〜１００μｍの間であり、好ましくは０．１μｍ〜３０μｍの間である。
【００６２】
図７に示される実施の形態においては、光起電変換領域２および電荷蓄積領域３が、光起電変換領域２が基板１の表面に位置する一方で、電荷蓄積領域３が主として基板のコアに位置するように、重ねられている。この実施の形態においては、電荷蓄積領域３が、前記光起電変換領域２の広がりを少なくとも部分的にカバーする空間的な広がりを有する。好ましくは、カバーが完全であり、前記光起電変換領域２の広がりを超えて広がってもよく、したがって、図７の場合に示されているように、光線の一部が、光起電変換領域２を通過する必要なく直接的な経路によって電荷蓄積領域３に達することができる。
【００６３】
しかしながら、この重なり合いは、一部分だけであってもよい。これは、特には、図９に示されるように照明が基板１の背面１０を経由して生じる実施の形態に当てはまる。この場合、光起電変換領域２が主として基板１内に位置する一方で、電荷蓄積領域３が基板１の表面に位置するが、電荷蓄積領域３は、ドープ領域５（パッシベーション領域とも呼ばれ、通常は基板と同じ型のきわめて浅い深さの大量の表面拡散（例えば、基板がＰ型である場合にはＰ＋）によってもたらされ、電荷領域３を基板１の表面から絶縁する）によって表面から絶縁されている。この場合にも、重なりの非部分的な性状ゆえに、直接的な経路を介する光線の一部が、光起電変換領域２を通過することなく電荷蓄積領域３に達する。その他の点では、図９の実施の形態は、図７に示した構成要素と同じ構成要素を繰り返している。
【００６４】
第１のフォトダイオードの光起電変換領域２と第２のフォトダイオードの電荷蓄積領域３との重なりを、当業者であれば、
イオン注入の際の異なるエネルギーレベル、および／または
異なる質量のイオン
を使用して、容易に実行することができる。
【００６５】
例えば、Ｎ型のドープにおいて、一般的に、リンイオン（軽量）またはヒ素イオン（重い）を使用することが可能である。図１０が、種々のイオンの注入深さ（単位は、μｍ）を、それらの注入運動エネルギー（単位は、ｋｅＶ）に対して示している。
【００６６】
例えば、光起電モードのフォトダイオードの光起電変換領域２を、１５０ｋｅＶでのヒ素の注入によって実行でき、積分モードのフォトダイオードの電荷蓄積領域３を、１×１０１５ｃｍ−２というドーズ量でのホウ素ドープの基板における８００ｋｅＶでのリンの注入によって実行することができる。パッシベーション層５を、１０１３ｃｍ−２というドーズ量での１０ｋｅＶでのＢＦ２の注入によって得ることができる。Ｈｏｎｇ  Ｘｉａｏによって書かれ、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌによって出版された書籍「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」（ＩＳＢＮ  ０−１３−１９１１３６−８）が、そのような注入について必要なすべての情報を示している。
【００６７】
図７および９に示される構造は、基板に配置されたリセット領域７を光起電変換領域２へと接続するように構成されたリセットトランジスタＲＳＴＬＯＧをさらに備える。例えば、リセット領域７は、基板１に第１の種類の高ドープ領域で形成された基板−接点によって形成される。リセットトランジスタＲＳＴＬＯＧのドレイン６が、基板−接点７と協働して、短絡したＰＮ接合を形成する。
【００６８】
さらに、基板１は、電荷担体の閉じ込め領域を画定する空間変調ドープ８を有することができ、この閉じ込め領域は、電荷担体を封じ込め、光起電変換領域２から由来する電荷担体の電荷蓄積領域３による収集の効率を高めるために、第１および第２のフォトダイオードをグループ化する。この空間変調ドープ８は、電荷担体を前記閉じ込め領域に封じ込めることを可能にし、したがって電荷担体を電荷蓄積領域３による収集が可能な領域に封じ込めることを可能にする。したがって、光起電変換領域２から由来する電荷担体への電荷蓄積領域３の曝露が改善される。この変調ドープ８は、ピクセル間のクロストークの軽減も可能にする。空間変調ドープは、典型的には、基板１よりもドーパントの濃度が高い領域であり、基板１の表面から基板１の底へと延びている。
【００６９】
第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードを、例えば２つの増幅器によって読み出すことができ、あるいは入力セレクタを備えたただ１つの増幅器によって読み出すことができる。この配置の利点は、太陽電池モードのフォトダイオードと積分モードのフォトダイオードとの間のより良好な結合である。積分モードのフォトダイオードの読み出しを、すでに述べたように、フォトダイオードについての直接的な電圧の読み出し（３トランジスタ型ピクセル）、または浮動拡散ノードＦＤについての電荷転送の読み出し（４トランジスタ型ピクセル）のいずれかによって行うことができる。文献ＥＰ１３５４３６０、ＵＳ２０１１／００２５８９８、およびＥＰ２１８６３１８も、使用可能な読み出し構造を記載している。
【００７０】
図７および９に示した実施の形態において、ピクセル構造の読み出し部分は、図３に示したものと同様である。転送トランジスタＴＸが、電荷担体を電荷蓄積領域３から、読み出しが実行される浮動拡散ノードＦＤへと到達させることができる基板１における転送路を制御および画定する。
【００７１】
図１１に示される別の実施の形態は、当業者にとって既知かつ当業者によって使用されている既存の構造の使用を可能にする。このピクセル構造においては、第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードが、光起電変換領域２が少なくとも１つの電荷蓄積領域３に隣接して位置するように、基板に挿入されている。
【００７２】
図１１は、右側にピクセルアレイを示しており、左側に、光起電モードで動作する２つの第１のフォトダイオード（各々が、基板とＰＮ接合を形成するドープ領域によって画定さ画定された光起電変換領域２を備えている）と、積分モードで動作する逆バイアスされた２つの第２のフォトダイオード（各々が、基板とＰＮ接合を形成するドープ領域によって画定された電荷蓄積領域３を備えている）とを備えるピクセル１１００の拡大図を示している。
【００７３】
第１のフォトダイオードの電圧を読み取り、第２のフォトダイオードにおいて電荷の測定値を読み取るための読み出し手段は、第１のフォトダイオードの電圧を読み取るための第１の回路と、第２のフォトダイオードにおいて電荷の測定値を読み取るための第２の読み出し回路とを備えることができる。
【００７４】
光起電モードの第１のフォトダイオードの各々が、文献ＥＰ  １  ３５４  ３６０に記載の回路と同様の回路によって読み取られる。第１のフォトダイオードのＰＮ接合は、光起電変換領域２を形成するためにＮ型の拡散が実行されるＰ型半導体基板によって形成される。
【００７５】
前記回路は、直流のもとで無限大の入力インピーダンスを有するバッファ増幅器１１０４を備え、その入力端子へと第１のフォトダイオードのＰＮ接合が接続される。バッファ増幅器１１０４は、電源電圧が供給される直列な２つのＰ型チャネルＭＯＳ電界効果トランジスタで形成され、第１のトランジスタがバイアス電流源として機能し、そのゲートが、このバイアス電流の調節を可能にする電圧へと接続されている。
【００７６】
回路は、暗状態を模擬するためにＰＮ接合の短絡を選択的に生み出すことができるスイッチ１１０５をさらに備える。スイッチ１１０５および選択スイッチ１１０６は、ＭＯＳ電界効果Ｎチャネル型トランジスタによって形成される。
【００７７】
積分モードの第２のフォトダイオードの各々は、すでに述べたような３トランジスタ回路によって読み出される。
【００７８】
図１２が、積分モードの４トランジスタ型フォトダイオードを有するこの実施の形態の一変形を示しており、光起電モードのフォトダイオードと関連付けられた回路は、同じままである。この４トランジスタ回路は、図３に関して説明した回路と同様のやり方で機能し、転送トランジスタＴＸが、積分モードで動作しているフォトダイオードの電荷蓄積領域３と浮動拡散ノードＦＤとの間の電荷転送路を制御および画定する。この転送トランジスタＴＸは、転送信号ＴＸｉによって制御される。
【００７９】
浮動拡散ノードＦＤにおける電圧が、ゲートが浮動拡散ノードＦＤへと接続された読み出しトランジスタＴ２によって読み取られる。選択信号ＳＥＬｉによってゲートにおいて制御される選択トランジスタＴ３が、フォトダイオードの読み出しの、バスＣＯＬｊへの選択的な伝送を可能にする。リセット信号ＲＳＴｉによってゲートにおいて制御されるリセットトランジスタＴ１が、浮動拡散ノードＦＤの電圧のリセット電圧へのリセットを可能にする。
【００８０】
これら２つの実施の形態は、同様のやり方で機能する。第１のフォトダイオードは、この第１のフォトダイオードの放射への曝露の最中にＰＮ接合によって捕らえられる光電電荷担体を再放射する。第２のフォトダイオードは、基板とＰＮ接合を形成するドープ領域によって画定された電荷蓄積領域を備え、この電荷蓄積領域は、光起電変換領域から由来する電荷担体へと曝露され、それらの電荷担体を蓄積する。電荷担体のこの循環が、図１１および１２の右側において矢印によって表わされている。
【００８１】
ピクセルの小さなサイズに鑑み、太陽電池フォトダイオード、すなわち光起電によって放出された光電電荷は、いくつかのピクセルを容易に通過することができる。例えば、１×１０１５ｃｍ−３というドーズ量のＰ型ドープのケイ素基板において、可動電荷の拡散長が数百マイクロメートルもの長さになりうる一方で、大部分のピクセルは１０μｍ×１０μｍよりも小さいサイズである。この場合、１つの簡単な解決策は、太陽電池モードのピクセルによって放出された電荷が、近傍に位置し、好ましくは隣接し、すなわち最も近所に位置する積分モードのピクセルによって側方において捕らえられるように、フォトダイオードの２つの群を１つのピクセルに配置することであり、あるいは各々が１種類のフォトダイオードで形成されたピクセルの２つの群をアレイに配置することである。
【００８２】
したがって、前記アレイの出力において、２つのサブ画像が得られ、すなわち太陽電池モードのフォトダイオードから由来する対数サブ画像と、積分モードのフォトダイオードから由来する線形サブ画像とが得られる。
【００８３】
積分モードのフォトダイオードの飽和に、特段の注意が必要である。積分モードの第２のフォトダイオードが過度に多くの電荷を蓄積できる場合、第２のフォトダイオードが光起電モード（太陽電池モードとも呼ばれる）へと進む結果となり、近傍のピクセルの隣接する第２のフォトダイオードを損なうと考えられる。
【００８４】
したがって、いわゆるアンチブルーミング（ａｎｔｉ−ｂｌｏｏｍｉｎｇ）機能を、好ましくは積分モードのフォトダイオードにおいて、光起電モードへの移行を防止するために有効にしなければならない。図１１のような３トランジスタ回路においては、アンチブルーミング作用が、単にリセット信号ＲＳＴに使用される波形によって得られる。図１３が、ＲＳＴ信号によるアンチブルーミング作用の原理を示している。それは、単純に、リセットトランジスタＴ１が作動していないときにゼロの代わりに非ゼロの（Ｎチャネル型リセットトランジスタのための）低いレベルのリセット信号ＲＳＴによってリセットトランジスタを制御することからなる。図１３の例において、ＲＳＴ信号は、浮動拡散ノードＦＤにおける電圧が負にならないように、１Ｖ以上に保持される。この場合、積分モードのフォトダイオードによって生成される過剰な電荷は、リセットトランジスタＴ１によって電源に向かって排出される。
【００８５】
アンチブルーミング機能は、アレイにおけるブルーミングを防止するために４トランジスタ型フォトダイオードにおいても好ましく使用される。国際会議「Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｉｎ  ２００９」におけるＡ．  Ｋｒｙｍｓｋｉによる技術論文「Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｇｌｏｂａｌ  ｓｈｕｔｔｅｒ  ｉｎ  ａ  ４Ｔ  ｐｉｘｅｌ」が、積分モードの４トランジスタ型ピクセルにおけるブルーミング現象を説明し、その効率的な防止方法も説明している。同様に、米国特許第７８９７９０４号、第８０９３５４１号、および第６７７７６６２号も、余分な電荷を電源に向かって排出するための第５のトランジスタにもとづく技術的解決策を提示している。
【００８６】
上述した実施の形態は、太陽電池モードのフォトダイオードと積分モードのフォトダイオードとの間の機能的な混合に頼っている。これらの実施の形態は、既存の実績のある構造を利用することができるという大きな利点を有する。しかしながら、１つの欠点は、すでに説明した重ね合わせの構造と比べて、フォトダイオードアレイの空間分解能が各々の動作モードのための２つへと分割される点にある。さらに、フォトダイオードの読み出し回路が独立したままであり、最適化されていない。したがって、（太陽電池モードおよび積分モードの）複合ピクセルのためのトランジスタの総数は、１０を超える可能性があり、コンパクトさおよびコストの問題につながる。
【００８７】
別の実施の形態は、太陽電池モードのフォトダイオードおよび積分モードのフォトダイオードの両方のための読み出し回路の改良を提案する。低い光レベルにおける性能に鑑み、以下の説明は、電荷転送ＰＰＤフォトダイオードに頼る構造に限られる。
【００８８】
図１４が、本発明によるピクセル構造について考えられる一実施の形態の配線図を示している一方で、図１５は、この実施の形態における第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードの間の配置の断面図を示している。
【００８９】
この実施の形態のこのピクセル構造におけるフォトダイオードの構成は、図７に示したものと同様であるが、これはあくまでも本発明を限定するものではない一例にすぎず、図９における構成あるいは図１１および１２における構成などの他の構成も、使用することが可能である。
【００９０】
例えば、図１４および１５に示される実施の形態において、ＣＭＯＳ型の能動ピクセルの構造は、
第１の種類の半導体基板１と、
基板とＰＮ接合を形成する第２の種類のドープ領域によって画定された光起電変換領域２を備えており、光起電モードで動作し、放射への曝露の最中にＰＮ接合によって捕らえられる光電電荷担体を再放射する少なくとも１つの第１のフォトダイオードと、
積分モードで動作し、逆バイアスされ、基板とＰＮ接合を形成する第２の種類のドープ領域によって画定された電荷蓄積領域３を備えており、前記電荷蓄積領域が、光起電変換領域２から由来する電荷担体へと曝露され、そのような電荷担体を蓄積させる少なくとも１つの第２のフォトダイオードと
を備える。
【００９１】
図示の例では、光起電変換領域２および電荷蓄積領域３が、基板１内で重ねられている。基板と同じ型（例えば、Ｐ型）のきわめて浅い深さの大量の表面拡散からもたらされるドープ領域５（パッシベーション領域とも呼ばれる）が、電荷蓄積領域３を基板１の表面から絶縁している。
【００９２】
第１のフォトダイオードの電圧を読み取るための第１の回路および第２のフォトダイオードにおける電荷の測定値を読み取るための第２の回路の代わりに、第１のフォトダイオードの電圧を読み取り、第２のフォトダイオードにおける電荷の測定値を読み取るための読み出し手段は、共通の読み出し回路１３をピクセルレベルに備えることができる。
【００９３】
したがって、第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードは、第１のフォトダイオードの電圧を読み取り、第２のフォトダイオードにおける電荷の測定値を読み取るために、共通のバスＣＯＬへと接続されたピクセルレベルの共通の読み出し回路１３を有する。
【００９４】
この共通の読み出し回路１３のトランジスタは、好ましくはすべてがＮ型トランジスタである。Ｐ型のトランジスタは、実際のところＮ型のトランジスタよりもかさばり、それらを使用するとピクセルの嵩が増すと考えられる。加えて、電荷蓄積領域３による電荷担体の吸収が、絶縁区画を使用せず、Ｎ型トランジスタを使用して読み出し回路、したがってピクセルの嵩を減らすことを可能にする。
【００９５】
共通の読み出し回路１３は、
第２のフォトダイオードと関連付けられた浮動拡散ノードの電圧を読み出すように構成された電荷転送構造１３ａと、
第１のフォトダイオードを電荷転送構造１３ａのリセットトランジスタＴｓ２を介して浮動拡散ノードへと接続する電圧オフセット回路１３ｂと
を備える。
【００９６】
図１４に示される例では、電圧オフセット回路１３ｂが、ゲートが光起電変換領域２へと接続された負のしきい値電圧を有するＮ型のトランジスタＴｓ１と、ゲートが電圧ＶｂｉａｓによってバイアスされたＮ型のさらなるトランジスタＴｓ５とを備える。トランジスタＴｓ１は、供給電圧ＶＤＤへと接続されたドレインを有し、トランジスタＴｓ１のソースは、他方のトランジスタＴｓ５のドレイン、および電荷転送構造１３ａに属するリセットトランジスタＴｓ２のドレインへと接続されている。
【００９７】
したがって、この電荷転送構造１３ａは、ゲートにおいてリセット信号ＲＳＴによって制御されるトランジスタＴｓ２を備え、トランジスタＴｓ２を介して電圧オフセット回路１３ｂへと接続される。電荷転送構造１３ａは、フォロワ増幅器とも呼ばれるＮ型の読み出しトランジスタＴｓ３をさらに備え、読み出しトランジスタＴｓ３のゲートが、リセットトランジスタＴｓ２のソースおよび浮動拡散ノードＦＤへと接続される。Ｎ型の転送トランジスタＴＸが、電荷蓄積領域３から浮動拡散ノードＦＤへの電荷の転送を可能にする。最後に、読み出しトランジスタＴｓ３のソースが、選択トランジスタＴｓ４のドレインへと接続され、選択トランジスタＴｓ４を介して、読み出し回路１３を読み出しバスＣＯＬへと接続することができる。
【００９８】
このピクセル構造の機能を、図１６に概略的に示す時間図の助けによって説明する。選択信号ＳＥＬが、Ｎ型の選択トランジスタＴｓ４のゲートへと印加され、光起電変換領域のリセット信号ＲＳＴＬＯＧが、光起電変換領域２のリセットトランジスタのゲートへと印加され、リセット信号ＲＳＴが、Ｎ型のトランジスタＴｓ２のゲートへと印加され、転送信号ＴＸが、Ｎ型の転送トランジスタＴＸのゲートへと印加される。電圧Ｖｐｄが、光起電変換領域２における電圧に相当し、電圧Ｖｆｄが、浮動拡散ノードにおける電圧に相当し、電圧ＣＯＬが、共通のバスＣＯＬ上の電圧に相当する。
【００９９】
時刻ｔ１において、選択信号ＳＥＬが有効（高レベル）にされ、選択トランジスタＴｓ４がオンになり、フォロワ増幅器トランジスタＴｓ３が読み出しバスＣＯＬへと接続される。同時に、リセット信号ＲＳＴも高レベルにされる。転送トランジスタＴＸはオフにされており、浮動拡散ノードＦＤが、電圧オフセット回路１３ｂによって形成される光起電モードの第１のフォトダイオードの読み出しバッファの出力へと接続される。したがって、第１の読み出しが、読み出しバスＣＯＬにおいて得られる（読み出し１）。
【０１００】
次に、時刻ｔ２において、光起電変換領域２のリセット信号ＲＳＴＬＯＧが高レベルとされ、したがって光起電モードのフォトダイオードが短絡させられ、第２の読み出しが実行される（読み出し２）。読み出し１と読み出し２との間の差が、光起電モードのフォトダイオードの対数応答をもたらす。
【０１０１】
時刻ｔ３において、リセット信号ＲＳＴがオフにされ、すなわち低レベルへと変化し、浮動拡散ノードＦＤが絶縁された状態になる。第３の読み出しが、浮動拡散ノードＦＤについてリセットレベルを読み出すために実行される（読み出し３）。
【０１０２】
時刻ｔ４において、積分モードの第２のフォトダイオードに蓄積された光電電荷が、転送トランジスタＴＸの動作によって浮動拡散ノードＦＤへと転送される。この電荷の転送は、浮動拡散ノードＦＤに電圧低下を生じさせる。
【０１０３】
時刻ｔ５において、転送トランジスタがオフにされ、第４の読み出し（読み出し４）が、浮動拡散ノードＦＤの電圧を測定するために実行される。読み出し３と読み出し４との間の差が、第２のフォトダイオードの線形応答をもたらす。最後に、時刻ｔ６において、信号ＲＳＴＬＯＧおよびＳＥＬが再び低レベルとされ、露光が再開される。
【０１０４】
図１４および１５に示される実施の形態においては、フォトダイオードが重ねられている。光起電モードの第１のフォトダイオードに、浅い深さでイオンが注入され、積分モードの第２のフォトダイオードは、基板のより深い深さに注入される。これらのフォトダイオードの読み出しの処理は、先の実施の形態における処理と同様である。この構造は、標準的なＣＭＯＳプロセスに対して小さな変更を必要とするかもしれないが、さらに多くの利点を提供し、特には、２種類のフォトダイオード間のより良好な結合ならびに分解能の向上をもくろむことを可能にするピクセルのさらなるコンパクトさを提供する。
【０１０５】
この構成において、トランジスタＴｓ１は、バッファ（すなわち、電圧オフセット回路１３ｂ）の出力に正の電圧を生じさせるために、負のしきい値電圧を有さなければならない（空乏トランジスタ）。このしきい値電圧は、光起電モードの第１のフォトダイオードが短絡させられたときに浮動拡散ノードＦＤをリセットするための適切な電圧が存在するように、充分に負でなければならない。
【０１０６】
トランジスタＴｓ２は、オンにされたときに、バッファ出力（すなわち、電圧オフセット回路１３ｂ）から浮動拡散ノードＦＤへの伝送を可能にするしきい値電圧を有さなければならない。トランジスタＴｓ３は、浮動拡散ノードＦＤの電圧を良好な線形性にてバスＣＯＬへと複製できるように、適切なしきい値電圧を有さなければならない。これらのしきい値電圧を、これらのトランジスタへのさらなるイオン注入によって得ることができる。
【０１０７】
それにもかかわらず、トランジスタＴｓ１、Ｔｓ２、およびＴｓ３のしきい値電圧の調節の複雑さを、図１７および１８に示されるようにピクセルへと可変のバイアス電圧ＶＸを加えることによって軽減することができる。これらの図は、本発明の一実施の形態によるピクセル構造の領域の配置の配線図および断面図をそれぞれ示している。
【０１０８】
この実施の形態は、光起電変換領域２の短絡構造の置き換えを除き、図１４および１５に関してすでに説明した実施の形態と同様である。光起電変換領域２の短絡構造は、電圧ＶＸが印加されるノード９によって置き換えられている。このノード９を、光起電変換領域２へと、この光起電変換領域２のリセットトランジスタＲＳＴＬＯＧによって接続することができる。このノード９は、リセット領域を形成する可変の電圧Ｖｘでバイアスされた第２の型（ここでは、Ｎ型）の高濃度のドープ領域によって形成される。このノード９の光起電変換領域２への接続は、前記可変の電圧Ｖｘが、電荷蓄積領域３と関連付けられた浮動拡散ノードＦＤまで伝播することを可能にする。
【０１０９】
この構造の機能は、図１４および１５の構造の機能にきわめて近く、したがって図１９に示される動作の時間図も、論理的に図１６の時間図にきわめて類似する。したがって、ここでは相違点のみに言及する。
【０１１０】
この構成において、可変の電圧Ｖｘは、ｔ３の後に０Ｖよりも上の値へと変化し、時刻ｔ７における信号ＳＥＬおよびＲＳＴＬＯＧの停止の前に、時刻ｔ６の後で０Ｖへと低下する。すなわち、可変の電圧ＶＸは、光起電モードの第１のフォトダイオードの読み出しの際には接地の値のままであり、積分モードの第２のフォトダイオードの読み出しの際にはより高い値へと移行する。したがって、可変の電圧ＶＸは、第２のフォトダイオードの読み出しを促進する電圧への浮動拡散ノードＦＤのプレチャージを可能にする。したがって、この可変の電圧ＶＸの追加は、トランジスタＴｓ１、Ｔｓ２、およびＴｓ３のしきい値電圧の選択においてより大きな柔軟性をもたらす。
【０１１１】
図２０が、このトランジスタＴｓ１、Ｔｓ２、およびＴｓ３のしきい値電圧の選択の問題の回避を可能にする別の変形を示している。この変形において、構造は、光起電変換領域２が電圧オフセット回路の代わりにキャパシタＣＸを介して浮動拡散ノードへと接続されている点を除き、すでに説明したものと同様のままである。このキャパシタＣＸの別の端子は、浮動拡散ノードＦＤへと接続されている。キャパシタＣＸは、光起電モードの第１のフォトダイオードとは別の構造の形態、またはこの第１のフォトダイオードの上方のゲートの形態であってよい。
【０１１２】
図２１が、図２０の実施の形態の動作の時間図を示している。ピクセルの露光の際に、信号ＲＳＴは、高レベル、すなわちレベル「１」に保持される。ピクセルが時刻ｔ１においてＳＥＬ信号の動作によって選択された後で、信号ＲＳＴが、時刻ｔ２において停止される。次いで、バスＣＯＬにおける第１の読み出し（読み出し１）が、浮動拡散ノードＦＤにおけるリセット電圧を読み出す。
【０１１３】
次に、太陽電池モードとも呼ばれる光起電モードの第１のフォトダイオードが、時刻ｔ３において信号ＲＳＴＬＯＧの印加によって短絡させられる。光の関数としての対数信号に対応するこの第１のフォトダイオードにおける電圧の変化が、キャパシタＣＸを介して浮動拡散ノードＦＤへと伝送される。次いで、第２の読み出し（読み出し２）が、バスＣＯＬについて実行される。
【０１１４】
これらの読み出し間の差（読み出し１−読み出し２）が、ピクセルの対数応答をもたらす。この変化が常に正の方向であることに鑑み、浮動拡散ノードＦＤのリセットの再実行は不要である。
【０１１５】
信号ＴＸが、時刻ｔ４において有効にされる。第２のフォトダイオードから伝送される光電電荷が、浮動拡散ノードＦＤの電圧の低下を生じさせる。時刻ｔ５において、転送トランジスタＴＸがオフにされ、バスＣＯＬにおいて第３の読み出しが実行される（読み出し３）。読み出し２と読み出し３との間の差が、ピクセルの線形応答をもたらす。最後に、ｔ６において、信号ＲＳＴＬＯＧおよびＳＥＬが低レベルに戻され、信号ＲＳＴが高レベルに戻され、露光が再開される。
【０１１６】
第２の電荷転送フォトダイオードを有するすべての実施の形態において、４トランジスタ型ピクセルのものとは異なるアンチブルーミング構造を設けることが好都合である。図２２および２３が、蓄積領域３を基板の表面から絶縁する基板と同じ型の高濃度のドープ領域５を有している第２のフォトダイオードに適合する２つのアンチブルーミング構造を示している。
【０１１７】
図２２および２３は、この構造の異なる領域の積み重ねの構成を説明する断面図である。光起電変換領域２が、横方向および基板の深さの両方において、電荷蓄積領域３によって囲まれている。そのような構成を、電荷担体の収集を最大にするために、他の実施の形態についても想定することができる。
【０１１８】
図２２においては、アンチブルーミングトランジスタ１１が、電圧ＶＤＤのノードと蓄積領域３との間に配置されている。ゲートに印加される電圧ＡＢＬＭの変調が、第２のフォトダイオードの電荷蓄積領域３の外部への電荷担体の拡散を防止する。一変形として、図２３においては、Ｎ型のドープ領域１２が、アンチブルーミングトランジスタ１１を置き換えており、このドープ領域が、電荷蓄積領域３からあふれ出る電荷担体について優先的な経路を生じさせる。
【０１１９】
提示した種々の実施の形態を、実現可能性に関して自在に組み合わせることができ、技術水準において示されている構成要素も、個々の実施の形態に取り入れることが可能である。例えば、本発明の構造は、図５の二重構造を有することができる。同様に、図７に示される一変形を、他の実施の形態に適用することが可能である。
【０１２０】
加えて、図示の例においては、基板がＰ型であり、光起電変換領域２ならびに電荷蓄積領域３および浮動拡散ノードＦＤがＮ型である。しかしながら、この構成が好ましいが、他の構成も使用可能である。
【０１２１】
さらに、本発明は、
好ましくはアレイに配置された本発明による複数のピクセル構造と、
第１のフォトダイオードの電圧の読み出しと第２のフォトダイオードにおける電荷の測定の読み出しとを組み合わせる少なくとも１つの出力回路と
を備えるセンサに関する。
【０１２２】
これらの読み出しの組み合わせは、例えば加算であってよく、より複雑な操作であってよく、あるいは単に露光条件に関係した一方から他方への切り替えであってよい。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図３】
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【図５】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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