Sensor de imagen CMOS con factor de llenado mejorado y corriente de oscuridad reducida.

Un fotosensor que comprende:

una región de conversión de luz (151) que se dispone para convertir fotones en una banda óptica a cargas móviles,

dicha región de conversión de luz que comprende una región dopada continua de un primer tipo de conductividad en una región de un segundo tipo de conductividad;

caracterizado por

una pluralidad de regiones de almacenamiento de carga separadas (172-174) de dicho primer tipo de conductividad separadas por regiones de barrera (181-184) de dicho primer tipo de conductividad dentro de dicha región dopada continua, cada región de almacenamiento de carga que tiene un nivel diferente de dopaje que dichas regiones de barrera de carga de manera que se evita que dichas cargas móviles generadas en esa región de almacenamiento de carga se muevan a una región de almacenamiento de carga adyacente; y

una pluralidad de puertas de transferencia (152-154), cada puerta de transferencia que comprende una región de puerta adyacente a una correspondiente de dichas regiones de almacenamiento de carga y dispuestas entre esa región de almacenamiento de carga y una región de drenaje (162-164),

en donde dichas regiones de almacenamiento de carga y dichas regiones de drenaje se dopan de manera que dichas cargas móviles recogidas en dicha región de almacenamiento de carga fluirán a dicha región de drenaje cuando se aplica un primer campo eléctrico a dicha región de puerta y en donde dichas cargas móviles recogidas en dicha región de almacenamiento de carga se inhiben de fluir a dicha región de drenaje cuando se aplica un segundo campo eléctrico a dicha región de puerta.

Sensor de imagen CMOS con factor de llenado mejorado y corriente de oscuridad reducida Antecedentes de la invención El desarrollo de cámaras digitales baratas ha provocado la incorporación de cámaras en una serie de otros productos. Por ejemplo, los teléfonos celulares y PDA están equipados comúnmente con cámaras. Aunque las cámaras iniciales proporcionadas con los dispositivos eran de resolución limitada, recientes mejoras en las matrices de imágenes CMOS han provocado cámaras con más de dos millones de píxeles para tales aplicaciones.

Se podrían obtener mejoras adicionales en la resolución y coste de tales cámaras si se pudiera reducir el tamaño de los píxeles en la matriz de imágenes. El coste de la cámara está directamente relacionado con el área de silicio ocupada por la matriz de imágenes y la circuitería anexa.

La matriz de imágenes ocupa la mayoría de esta área. Por lo tanto, para aumentar el número de píxeles o para disminuir el coste de una cámara con el número actual de píxeles, se debe reducir el área de silicio. El área de silicio, a su vez, se determina por el tamaño de los píxeles en la matriz de imágenes.

Una matriz de imágenes CMOS típica incluye una matriz bidimensional de sensores de píxeles que se organizan como una pluralidad de filas y columnas de sensores de píxeles. Cada sensor de píxel mide la intensidad de luz en un punto correspondiente en la imagen para luz de un color particular. Cada sensor de píxel incluye un fotodiodo que convierte la luz a una carga electrónica que se almacena en el fotodiodo hasta que se lee el fotodiodo. Cada píxel también incluye uno o más transistores que se usan para generar una señal que es proporcional a la carga almacenada y para acoplar esa señal a un canal principal correspondiente durante el proceso de lectura.

El área del fotodiodo determina la sensibilidad de luz del sensor de píxel, por lo tanto, modificaciones en la matriz de imágenes que reducen el tamaño del área activa del fotodiodo también reducen la sensibilidad de luz de la matriz. Por consiguiente, son de interés esquemas para reducir el sensor de píxel sin disminuir la sensibilidad de luz de la cámara. Por ejemplo, en un esquema, un número de fotodiodos comparten el mismo convertidor de carga a voltaje para reducir el área de silicio dedicada a circuitería de procesamiento en lugar de conversión de luz.

Para reducir el área de cada sensor de píxel aún más o bien deben ser reducidos los niveles de ruido de los fotodiodos individuales o bien debe ser reducido el espacio muerto alrededor de cada fotodiodo. En general, cada fotodiodo es un implante de un primer tipo de semiconductor en un sustrato de un segundo tipo de semiconductor. Los pozos están separados unos de otros. El espacio entre los fotodiodos es espacio muerto realmente en que ni recoge eficientemente la carga ni proporciona espacio para circuitería de procesamiento.

De manera similar, todos los fotodiodos presentan una corriente de "oscuridad". Es decir, incluso en ausencia de luz, se acumula carga en el fotodiodo en alguna proporción. En la práctica, los fotodiodos se reinician justo antes de que una imagen sea proyectada sobre la matriz de imágenes para extraer cualquier carga acumulada. No obstante, hay siempre algo de retardo entre el reinicio y la exposición de imagen durante la cual se acumula la carga de la corriente de oscuridad. Además, la corriente de oscuridad continúa acumulándose incluso en presencia de luz de la exposición. Finalmente, la corriente de oscuridad se acumula desde el momento que el obturador se cierra en la cámara a la vez que se leen los píxeles. Por lo tanto, la corriente de oscuridad representa un límite inferior en la sensibilidad de luz de la matriz, dado que, según disminuyen los niveles de luz, se alcanza un punto en el cual la corriente de oscuridad es de la magnitud o mayor que la corriente de "luz".

La fabricación de CMOS moderna usa tecnología de barrera de aislamiento superficial (STI) para aislar transistores y fotodiodos individuales. La interfaz entre la STI y la pared lateral del fotodiodo es conocido que tiene la más alta tasa de generación de corriente de oscuridad. Por lo tanto, a medida que se reduce el área de píxel para disminuir el tamaño del área de imágenes, la relación de la corriente de oscuridad a corriente de luz aumenta.

Un sensor de imagen de la técnica anterior es conocido a partir de la US 2007/0210239. Un dispositivo de recogida de imágenes de la técnica anterior es conocido a partir de la US 2005/0269604.

Compendio de la invención Según la presente invención en un primer aspecto, se proporciona un fotosensor como se expone por la Reivindicación 1. En un segundo aspecto, se proporciona una matriz de imágenes que utiliza el mismo, como se expone por la Reivindicación 8.

En un aspecto de la invención, las cargas móviles son electrones. Las cargas móviles generadas en una de las regiones de barrera se mueven a una de las regiones de almacenamiento de carga adyacentes a esa región de barrera.

Aún en otro aspecto de la invención, las regiones de almacenamiento de carga se pueden dividir en una pluralidad de grupos de regiones de almacenamiento de carga. Cada grupo de regiones de almacenamiento de carga incluye una pluralidad de regiones de almacenamiento de carga separadas, las regiones de drenaje de las regiones de

almacenamiento de carga en uno de los grupos que se conectan a un nodo de circuito común que corresponde a ese grupo. El fotosensor también puede incluir un circuito de reinicio para conectar el nodo de circuito común a un potencial predeterminado en respuesta a una señal de reinicio y un circuito de conversión de carga a voltaje conectado al nodo de circuito común. El circuito de carga a voltaje genera un voltaje de salida relacionado con una carga en el nodo de circuito común en un nodo de salida, el nodo de salida está conectado a una primera línea de bits en respuesta a una señal de salida que se acopla al circuito de conversión de carga a voltaje.

En un aspecto adicional de la invención, las regiones de almacenamiento de carga se organizan como una primera y segunda columnas de regiones de almacenamiento de carga. La primera columna de las regiones de almacenamiento de carga se dispone paralela a la segunda columna de regiones de almacenamiento de carga. Las regiones de almacenamiento de carga en la primera columna de regiones de almacenamiento de carga se conectan a un circuito de salida que genera señales que representan cargas almacenadas en la primera columna de regiones de almacenamiento de carga en una primera línea de bits y la segunda columna de regiones de almacenamiento de carga se conecta a un circuito de salida que genera señales que representan cargas en la segunda columna de regiones de almacenamiento de carga en una segunda línea de bits que es diferente de la primera línea de bits.

Breve descripción de los dibujos La Figura 1 es un dibujo esquemático de una matriz de imágenes CMOS de la técnica anterior del tipo usado normalmente con sensores dentales.

La Figura 2 es un dibujo esquemático de un típico pixel de cuatro transistores de la técnica anterior.

La Figura 3 es una vista superior de una parte de una columna de fotodiodos según una realización de la presente invención.

La Figura 4 es un gráfico del potencial a lo largo de la línea 4-4 mostrada en la Figura 3.

Las Figuras 5A y 5B son gráficos de la energía potencial que se ve por un fotoelectrón cuando se aplican diferentes voltajes de puerta a la puerta como se muestra a lo largo de la línea 5-5 en la Figura 3.

La Figura 6 es un dibujo esquemático de una única columna de regiones de almacenamiento de carga que son conectables a una línea de bits.

La Figura 7 es una vista superior de una parte de una estructura de dos columnas de región de almacenamiento de carga.

La Figura 8 es una vista en sección transversal a través de la línea 8-8 mostrada en la Figura 7.

La Figura 9 es un dibujo esquemático de una parte de dos columnas de regiones de almacenamiento de carga que comparten un circuito de lectura común.

La Figura 10 es un dibujo esquemático de un circuito de conversión de carga conectado a una línea de bits.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas La manera en la que la presente invención proporciona sus ventajas se puede entender más fácilmente con referencia a la Figura 1, que es un dibujo esquemático de una matriz de imágenes CMOS de la técnica anterior. La matriz de imágenes 40 está construida de una matriz rectangular de sensores de píxeles 41. Cada sensor de píxel incluye un fotodiodo 46 y un circuito de... [Seguir leyendo]

1. Un fotosensor que comprende:

una región de conversión de luz (151) que se dispone para convertir fotones en una banda óptica a cargas móviles, dicha región de conversión de luz que comprende una región dopada continua de un primer tipo de conductividad en una región de un segundo tipo de conductividad;

caracterizado por una pluralidad de regiones de almacenamiento de carga separadas (172-174) de dicho primer tipo de conductividad separadas por regiones de barrera (181-184) de dicho primer tipo de conductividad dentro de dicha región dopada continua, cada región de almacenamiento de carga que tiene un nivel diferente de dopaje que dichas regiones de barrera de carga de manera que se evita que dichas cargas móviles generadas en esa región de almacenamiento de carga se muevan a una región de almacenamiento de carga adyacente; y una pluralidad de puertas de transferencia (152-154) , cada puerta de transferencia que comprende una región de puerta adyacente a una correspondiente de dichas regiones de almacenamiento de carga y dispuestas entre esa región de almacenamiento de carga y una región de drenaje (162-164) , en donde dichas regiones de almacenamiento de carga y dichas regiones de drenaje se dopan de manera que dichas cargas móviles recogidas en dicha región de almacenamiento de carga fluirán a dicha región de drenaje cuando se aplica un primer campo eléctrico a dicha región de puerta y en donde dichas cargas móviles recogidas en dicha región de almacenamiento de carga se inhiben de fluir a dicha región de drenaje cuando se aplica un segundo campo eléctrico a dicha región de puerta.

2. El fotosensor de la Reivindicación 1 en donde dichas cargas móviles comprenden electrones.

3. El fotosensor de la Reivindicación 1 en donde la región de conversión de luz se dispone de manera que las cargas móviles generadas en una de dichas regiones barrera se mueven a una de dichas regiones de almacenamiento de carga adyacentes a esa región barrera.

4. El fotosensor de la Reivindicación 1 en donde dichas regiones de almacenamiento de carga se dividen en una pluralidad de grupos de regiones de almacenamiento de carga, cada grupo de regiones de almacenamiento de carga que comprende una pluralidad de regiones de almacenamiento de carga separadas, dichas regiones de drenaje de dichas regiones de almacenamiento de carga en uno de dichos grupos que están conectadas a un nodo de circuito común que corresponde a ese grupo.

5. El fotosensor de la Reivindicación 4 que además comprende un circuito de reinicio dispuesto para conectar dicho nodo de circuito común a un potencial predeterminado en respuesta a una señal de reinicio.

6. El fotosensor de la Reivindicación 4 que además comprende un circuito de conversión de carga a voltaje conectado a dicho nodo de circuito común, dicho circuito de carga a voltaje dispuesto para generar un voltaje de salida relacionado con una carga en dicho nodo de circuito común en un nodo de salida, dicho nodo de salida que está conectado a una primera línea de bits en respuesta a una señal de salida que se acopla a dicho circuito de conversión de carga a voltaje.

7. El fotosensor de la Reivindicación 1 en donde dichas regiones de almacenamiento de carga se organizan como una primera y segunda columnas de regiones de almacenamiento de carga, dicha primera columna de regiones de almacenamiento de carga que se dispone paralela a dicha segunda columna de regiones de almacenamiento de carga, dicha primera columna de regiones de almacenamiento de carga que está separada de dicha segunda columna de regiones de almacenamiento de carga por dicha región de barrera, las regiones de almacenamiento de carga en dicha primera columna de regiones de almacenamiento de carga que están conectadas a un circuito de salida que se dispone para generar señales que representan cargas almacenadas en dicha primera columna de regiones de almacenamiento de carga en una primera línea de bits y dicha segunda columna de regiones de almacenamiento de carga que está conectada a un circuito de salida que se dispone para generar señales que representan cargas en dicha segunda columna de regiones de almacenamiento de carga en una segunda línea de bits que es diferente de dicha primera línea de bits.

8. Una matriz de imágenes que comprende:

una primera y segunda regiones de conversión de luz que están dispuestas para convertir fotones en una banda óptica a cargas móviles, cada región de conversión de luz (151) caracterizada por:

una pluralidad de regiones de almacenamiento de carga separadas (172-174) dentro de una región dopada continua de un primer tipo de conductividad en una región de un segundo tipo de conductividad, separada por regiones de barrera (181-184) de dicho primer tipo de conductividad dentro de dicha región dopada continua, cada región de almacenamiento de carga que tiene un nivel diferente de dopaje que dichas regiones de barrera de manera que se 7

evita que dichas cargas móviles generadas en esa región de almacenamiento de carga se muevan a una región de almacenamiento de carga adyacente; y una pluralidad de puertas de transferencia (152-154) , cada puerta de transferencia que comprende una región de puerta adyacente a una correspondiente de dichas regiones de almacenamiento de carga y dispuestas entre esa 5 región de almacenamiento de carga y una región de drenaje (162-164) , en donde dichas regiones de almacenamiento de carga y dichas regiones de drenaje se dopan de manera que dichas cargas móviles recogidas en dicha región de almacenamiento de carga fluirán a dicha región de drenaje cuando se aplica un primer campo eléctrico a dicha región de puerta y en donde dichas cargas móviles recogidas en dicha región de almacenamiento de carga se inhiben de fluir a dicha región de drenaje cuando se aplica un segundo campo eléctrico a dicha región de puerta; y una línea de bits, dichas regiones de almacenamiento de carga en cada una de dichas primera y segunda regiones de conversión de luz que están conectadas a dicha línea de bits por un circuito de salida que genera señales que representan cargas almacenadas en dichas regiones de almacenamiento de carga en dicha línea de bits.

9. La matriz de imágenes de la Reivindicación 8 en donde dicho circuito de salida comprende una pluralidad de nodos comunes, cada nodo común que está conectado a una pluralidad de regiones de drenaje en dicha primera región de conversión de luz y una pluralidad de regiones de drenaje en dicha segunda región de conversión de luz.

10. La matriz de imágenes de la Reivindicación 9 que además comprende un circuito de reinicio dispuesto para conectar dicho nodo de circuito común a un potencial predeterminado en respuesta a una señal de reinicio.

11. La matriz de imágenes de la Reivindicación 9 que además comprende un circuito de conversión de carga a

voltaje conectado a dicho nodo de circuito común, dicho circuito de carga a voltaje dispuesto para generar un voltaje de salida relacionado con una carga en dicho nodo de circuito común en un nodo de salida, dicho nodo de salida que está conectado a una primera línea de bits en respuesta a una señal de salida que está acoplada a dicho circuito de conversión de carga a voltaje.