DE19641305A1 - Aktive Pixelsensorzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Pixelsensorzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Abbildungsschaltkreise sind als ladungsgekoppelte Schaltungen (CCD′s) ausgeführt, um ein Pixel an Lichtenergie in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das die Intensität der Lichtenergie re­ präsentiert. Allgemein verwenden CCD′s ein Photogate, um Lichtenergie zu sammeln, und eine Reihe von Elektroden, um die am Photogate gesammelte Ladung an einen Ausgangsknotenpunkt zu übertragen.

Obwohl CCD′s einige Vorteile wie hohe Sensitivität und hohen Füllfaktor aufweisen, ist auch eine Reihe von Nachteilen, etwa eine be­ grenzte Ausleserate und ein begrenzter dynamischer Bereich sowie der Schwierigkeit, die CCD′s in Mikroprozessoren auf CMOS-Basis zu integrie­ ren, damit verbunden.

Um diese Probleme zu beseitigen, wurden aktive Pixelsensorzel­ len entwickelt, bei denen ein Photogate mit einer Anzahl von aktiven Transistoren kombiniert wird, die zusätzlich zum Formen eines elektri­ schen Signals eine Verstärkung, eine Auslese- und eine Rückstellsteue­ rung liefern.

Eine derartige Pixelsensorzelle umfaßt neben dem Photogate ei­ nen Rückstelltransistor, ein Transfergate zwischen der Source des Rück­ stelltransistors und dem Photogate, einen Lesetransistor, dessen Gate mit der Source des Rückstelltransistors verbunden ist, und einen Zu­ grifftransistor. Hierbei findet zunächst eine Bildintegration statt, während der Lichtenergie durch das Photogate gesammelt wird, und danach ein Signalauslesen stattfindet, bei dem die gesammelte Energie in ein elektrisches Signal konvertiert wird, das ausgelesen wird. Während der Bildintegration wird eine positive Spannung an das Photogate und eine kleinere positive Spannung an das Transfergate gelegt. Auftreffende Pho­ tonen erzeugen Elektron-Loch-Paare, deren Elektronen aufgrund der posi­ tiven Spannung am Photogate unter diesem gesammelt werden. Gleichzeitig wird eine positive Spannung an das Gate des Rückstelltransistors gelegt, um das Antiblooming zu steuern, indem es überschüssiger Ladung erlaubt wird, zum Drain des Rückstelltransistors zu fließen. Zusätzlich wird der Zugrifftransistor abgeschaltet. Nach der Bildintegration wird ausgele­ sen, indem zunächst der Zugrifftransistor eingeschaltet wird. Danach wird die Source des Rückstelltransistors durch kurzes Pulsen des Gates des Rückstelltransistors mit einer positiven Spannung zurückgestellt. Dies setzt die Source des Rückstelltransistors auf eine Anfangsspannung zurück. Danach wird das Photogate auf low (0 V) gepulst, um die unter dem Photogate gespeicherte Ladung zur Source des Rückstelltransistors zu übertragen, der seinerseits den durch den Lesetransistors fließenden Strom moduliert. Hierbei werden nur MOS-Transistoren verwendet, so daß ein Integration in CMOS-Systeme möglich ist. Jedoch ist die Größe dieser gegenüber CCD′s bereits kleineren Pixelsensorzelle noch relativ groß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pixelsensorzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, deren Größe wesentlich redu­ ziert ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Auf diese Weise werden alle Funktionen der Pixelsensorzelle in einem einzelnen MOS-Transistor mit gespaltenem Gate integriert, wodurch sich die Größe wesentlich reduzieren läßt. Im Betrieb erhöhen auf einen Bildsammelbereich fallende Photonen dessen Potential, wodurch das Poten­ tial eines floatenden Gates des MOS-Transistors erhöht wird. Hierdurch wird die Schwellenwertspannung für einen Pixeltransistor erniedrigt, wo­ durch der Strom, der durch diesen Transistor gesourced wird, wenn eine Lesespannung über ein Steuergate angelegt wird, proportional zur empfan­ genen Lichtenergie ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1A zeigt eine Draufsicht auf ein Paar von aktiven Pixel­ sensorzellen.

Fig. 1B zeigt einen Schnitt längs der Linie 2A-2A von Fig. 1A.

Bei dem in Fig. 1A und 1B dargestellten Paar von aktiven Pi­ xelsensorzellen 100 umfaßt jede Pixelsensorzelle 100 einen Pixeltransi­ tor 102 mit gespaltenem Gate und ein Rückstellgate 104. Die Pixeltransi­ storen 102, die die Bildinformation für ein einzelnes Pixel liefern, um­ fassen voneinander getrennte Source- und Drainbereiche 106 bzw. 108, die in einem p-leitenden Halbleitersubstrat 110 ausgebildet sind. Die Sour­ ce- und Drainbereiche 106 und 108 definieren ihrerseits einen Kanalbe­ reich 112 im Halbleitersubstrat 110.

Zusätzlich umfaßt der Pixeltransistor 102 einen p+-Bereich 114, der in dem Drainbereich 108 ausgebildet ist, ein floatendes Gate 116 und ein Steuergate 118. Das floatende Gate 116, das elektrisch mit dem p+-Bereich 114 verbunden ist, ist über einem ersten Abschnitt 112A des Kanalbereichs 112 und einem Abschnitt des Drainbereichs 108 ausge­ bildet sowie vom Kanalbereich 112 und Drainbereich 108 durch eine die­ lektrische Schicht 122 isoliert.

Das Steuergate 118 ist seinerseits über einem zweiten Ab­ schnitt 112B des Kanalbereichs 112 und einem Abschnitt des floatenden Gates 116 ausgebildet sowie gegenüber dem Kanalbereich 112 durch eine dielektrische Schicht 122 und gegenüber dem floatenden Gate 116 durch eine weitere dielektrische Schicht 124 isoliert.

Das Rückstellgate 104 ist über einem Abschnitt des Drainbe­ reichs 108 ausgebildet, der an das Halbleitersubstrat 110 und den p+-Bereich 114 angrenzt. Zusätzlich ist das Rückstellgate 104 vom Drainbe­ reich 108 durch die Schicht 122 isoliert.

Im Betrieb wird vor der Bildintegration die Spannung am p+-Bereich 114 und floatenden Gate 116 zurückgestellt, damit sie gleich der am Halbleitersubstrat 110 anliegenden Vorspannung ist. Dies geschieht, indem vorteilhaft ein parasitärer p-Kanal-Transistor genutzt wird, der zwischen dem p-leitenden Halbleitersubstrat 110 und dem p+-Bereich 114 gebildet wird.

Wenn daher Masse Vss an das Halbleitersubstrat 110 und das Steuergate 118 gelegt wird, wird eine positive Vorspannung Vcc an den Drainbereich 108 und eine negative Rückstellspannung Vreset an das Rück­ stellgate 104 angelegt. Löcher aus dem Drainbereich 108 werden zur Ober­ seite des Drainbereichs 108 gezogen, der seinerseits einen leitenden Ka­ nal zwischen dem p+-Bereich 114 und dem Halbleitersubstrat 110 bildet. Hierdurch wird die Spannung am p+-Bereich 114 und floatenden Gate 116 auf einen Wert fallen, der etwa gleich Masse Vss ist.

Nachdem die Spannung am p+-Bereich 114 und floatenden Gate 116 auf die Substratspannung abgesenkt ist, werden der p+-Bereich 114 und das floatende Gate 116 durch Änderung der negativen Rückstellspannung Vreset auf eine positive Spannung, z. B. Vcc, floatend, wodurch anderer­ seits der im Drainbereich 108 eingeschlossene, leitende Kanal beseitigt wird. Daher wird der Obergang zwischen dem p+-Bereich 114 und dem Drain­ bereich 108, der eine Photodiode zum Sammeln von Bildladungen bildet, anfänglich durch Absenken der Spannung am p+-Bereich 114 in bezug auf die Spannung am Drainbereich 108 (der mit der positiven Vorspannung Vcc verbunden ist) umgekehrt vorgespannt.

Wenn die Spannung am p+-Bereich 114 und floatenden Gate 116 rückgesetzt ist, besteht der nächste Schritt im Beginn der Bildintegra­ tion. Während dieser treffen Photonen auf die Oberfläche des p+-Bereichs 114 und erzeugen dadurch eine Anzahl von Elektron-Loch-Paaren. Die An­ zahl hiervon ist eine Funktion der Intensität der empfangenen Lichtener­ gie.

Die photoerzeugten Elektronen werden ihrerseits zum Drainbe­ reich 108 aufgrund des eingebauten elektrischen Feldes in dem Übergang gelenkt. Dieser Verlust an Elektronen hebt seinerseits das Potential des p+-Bereichs 114 und des floatenden Gates 116. Ähnlich werden einige der photoerzeugten Löcher, die durch Photonen gebildet werden, in den p+-Bereich 114 gelenkt, wodurch das Potential des p+-Bereichs 114 und des floatenden Gates 116 weiter erhöht wird.

Wenn das Potential des floatenden Gates 116 ansteigt, fällt die Schwellenwertspannung des Pixeltransistors 102. Daher ist die Größe der Schwellenwertspannung proportional zur Anzahl von Photonen, die auf den p+-Bereich 114 vom Beginn der Integrationsperiode bis zu ihrem Ende gefallen sind.

Nachdem die Integrationsperiode beendet ist, wird jede Pixel­ sensorzelle 100 durch Anlegen einer positiven Lesespannung Vread an das Steuergate 118 gelesen. Das Anlegen der Lesespannung Vread an das Steu­ ergate 118 induziert die Bildung eines leitenden Kanals an der Oberseite des Kanalbereichs 112 des Halbleitersubstrats 110. Der leitende Kanal erlaubt das Fließen eines Stroms vom Drainbereich 108 zum Sourcebereich 106 (die Elektronen fließen vom Sourcebereich 106 zum Drainbereich 108).

Aufgrund der kapazitiven Kopplung zwischen dem Steuergate 118 und dem floatenden Gate 116 moduliert das Potential des floatenden Gates 116 die Größe des Stroms. Je mehr Photonen daher auf den p+-Bereich 114 während der Integrationsperiode fallen, umso mehr steigt das Potential des floatenden Gates 116 an, wodurch wiederum die Größe des Stroms, der vom Drainbereich 108 zum Sourcebereich 106 fließt, ansteigt, wenn die Lesespannung Vread angelegt wird.

Wenn beispielsweise der Sourcebereich 106 an Masse liegt, wird eine positive Spannung Vcc an den Drainbereich 108 gelegt, während eine Lesespannung Vread von etwa Vcc an das Steuergate 118 gelegt wird, wird der Stromausgang vom Pixeltransistor 102 eine Höhe unter schlechten Lichtbedingungen und eine sehr viel größere Höhe bei hellem Licht besit­ zen.

Wenn zusätzlich der p+-Bereich 114 sehr hellem Licht ausge­ setzt wird, wird automatisch eine Steuerung gegen Überstrahlung gelie­ fert, die das Maximumpotential, das der p+-Bereich 114 erreichen kann, begrenzt, wenn der p+-Bereich 114 in bezug auf den Drainbereich 108 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

Da die positive Spannung Vcc an den Drainbereich 108 angelegt wird, wird der p+-Bereich 114 in Durchlaßrichtung vorgespannt, wenn das Potential des p+-Bereichs 114 etwa 0,7 V größer als die Spannung Vcc ist. Hierdurch reicht der dynamische Bereich der Pixelsensorzelle 100 von 0 V bis etwa Vcc +0,7 V. Zusätzlich kann die Pixelsensorzelle 100 derart gestaltet werden, daß sie mit niedrigem Vcc, z. B. von 2,5 oder 3,3 V, arbeitet. Daher wird ein großer dynamischer Bereich geliefert, der zudem einstellbar ist.

Vorteilhaft ist auch, daß die kapazitive Kopplung zwischen dem Steuergate 118 und dem floatenden Gate 116 durch Änderung des Ausmaßes, in dem das Steuergate 118 das floatende Gate 116 überlappt, variiert werden kann. Durch Variieren der kapazitiven Kopplung kann der Punkt, an dem der Pixeltransistor 102 zu leiten beginnt, variiert werden.

Um sicherzustellen, daß das untere Ende des dynamischen Be­ reichs erreichbar ist, kann die kapazitive Kopplung variiert werden, um sicherzustellen, daß der Pixeltransistor 102 einen Strom selbst dann leitet, wenn das Potential am floatenden Gate 116 am unteren Ende des dynamischen Bereichs liegt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch Variieren des Dotierungspegels und des Dotierungsprofils des n-leitenden Drainbereichs 108 das eingebaute elektrische Feld und die Sperrschicht zum effiziente­ ren Sammeln von Löchern und Elektronen optimiert werden können, wodurch das ansteigende Potential des p+-Bereichs 114 stärker auf die empfange­ ne Lichtenergie anspricht. Die Pixelsensorzelle 100 zeigt dann die Fä­ higkeit, die Größe des Stromausgangs am Pixeltransistor 102 auf die Pho­ tointensität des empfangenen Lichts abzustimmen.

Die Pixelsensorzelle 100 hat eine wesentlich verminderte Größe (der einzige MOS-Transistor reduziert die Größe um das Dreifache gegen­ über üblichen MOS-Pixel-Anordnungen), liefert ein automatisches Anti­ blooming oder einen automatischen Überstrahlungsschutz und einen breiten dynamischen Bereich. Da nur MOS-kompatible Strukturen verwendet werden, sind die Pixelsensorzellen 100 leicht in Standard-CMOS-Herstellungsprozesse integrierbar.

Die gleiche Struktur kann mit entgegengesetzter Polarität ver­ wirklicht werden, wenn die Vorspannungen entsprechend umgekehrt werden. Die Verwendung eines p-Kanal-Pixeltransistors 102 ist vorteilhaft, weil die gängige CMOS-Technologie eine Oberflächenkanal-NMOS-Einrichtung und eine PMOS-Einrichtung mit vergrabenem Kanal liefert. Da das Rauschen ei­ ner Oberflächenkanal-NMOS-Einrichtung stärker als bei einer PMOS-Einrichtung mit vergrabenem Kanal ist, liefert eine PMOS-Einrichtung einen geringen Rauschpegel. Diese Eigenschaft ist besonders für Anwendungen bei geringen Lichtintensitäten wichtig.

Claims (3)

1. Aktive Pixelsensorzelle (100), die in einem Halbleitersub­ strat (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist und einen Bildsammelbereich (114) und eine Rückstelleinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pixeltransistor (102) mit einem Source- und einem Drainbereich (106, 108) eines zweiten Leitfähigkeits­ typs, die zueinander beabstandet sind und zwischen denen ein Kanalbe­ reich gebildet ist, vorgesehen ist, wobei
der Bildsammelbereich (114) des ersten Leitfähigkeitstyps in dem Drainbereich (108) ausgebildet ist,
ein erstes leitendes Gate (116), mit dem Bildsammelbereich (114) elektrisch verbunden, über einem ersten Abschnitt (112A) des Ka­ nalbereichs und einem Abschnitt des Drainbereichs (108), von dem es durch eine dielektrische Schicht (122) getrennt ist, ausgebildet ist,
ein zweites leitendes Gate (118) über einem zweiten Abschnitt (112B) des Kanalbereichs und einem Abschnitt des ersten leitenden Gates (116) ausgebildet ist, wobei das zweite leitende Gate (118) über dem zweiten Abschnitt (112B) des Kanalbereichs hiervon durch eine zweite dielektrische Schicht (122) und von dem ersten leitenden Gate (116) durch eine dritte dielektrische Schicht (124) getrennt ist, und
die Rückstelleinrichtung durch ein Rückstellgate (104) gebil­ det wird, das über einem Abschnitt des Drainbereichs (108), der sich be­ nachbart zum Bildsammelbereich (1914) befindet, und dem Halbleitersub­ strat (110) angeordnet ist, wobei das Rückstellgate (104) vom Drainbe­ reich (108) durch eine vierte dielektrische Schicht (122) getrennt ist.

2. Pixelsensorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht zwischen Bildsammelbereich (114) und Drainbereich (108) eine Photodiode bildet.

3. Pixelsensorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsammelbereich (114) ein p+-Bereich ist.