A Sub-0.5 Electron Read Noise VGA I

A Sub-0.5 Electron Read Noise VGA Image Sensor
in a Standard CMOS Process
Assim Boukhayma, Arnaud Peizerat, and Christian Enz, Senior Member, IEEE
Abstract—A sub-0.5 e−
rms temporal read noise
VGA (640H×480V) CMOS image sensor has been integrated
in a standard 0.18 μm 4PM CMOS process. The low noise
performance is achieved exclusively through circuit optimization
without any process refinements. The presented imager relies
on a 4T pixel of 6.5 μm pitch with a properly sized and biased
thin oxide PMOS source follower. A full characterization of
the proposed image sensor, at room temperature, is presented.
With a pixel bias of 1.5μA the sensor chip features an
input-referred noise histogram from 0.25 e−
rms to a few e−
rms
peaking at 0.48 e−
rms. The imager features a full well capacity
of 6400 e− and its frame rate can go up to 80 fps. It also features
a fixed pattern noise as low as 0.77%, a lag of 0.1% and a dark
current of 5.6 e−
/s. It is also shown that the implementation of
the in-pixel n-well does not impact the quantum efficiency of
the pinned photo-diode.
Index Terms—CMOS, CIS, image sensor, low noise,
sub-electron, low light, 1/ f noise, thermal noise, thin oxide, thick
oxide.
I. INTRODUCTION
THE market demand for electronic image sensors, and
particularly CMOS compatible, is in continuous growth.
Over the last decade, mobile handset and digital cameras
occupied the biggest part of the market and fuelled the development
of CMOS image sensors for low cost and performance
applications. For decades charge-coupled devices (CCDs)
have been the technology of choice in terms of noise and
dynamic range performance. Compared to CMOS active pixel
sensors (APS), CCDs are expensive, present higher power
consumption, lower speed and preclude on-chip integration.
Regarding the sensitivity, the considerable gap between CCDs
and CMOS image sensors based on conventional PN junction
photodiodes was mainly due to the reset kTC noise. The
development of pinned photodiodes (PPDs) also known as
buried photodiodes in CMOS technology reduced dramatically
that gap. Indeed, CMOS image sensors (CIS) with PPDs
present a lower dark current and a lower noise achieved thanks
to the double sampling readout scheme. Today, markets like
medical, security, industrial vision, defence, scientific imaging
Manuscript received December 29, 2015; revised March 10, 2016 and
June 8, 2016; accepted June 8, 2016. Date of publication July 7, 2016; date
of current version September 1, 2016. This paper was approved by Associate
Editor Hideto Hidaka.
A. Boukhayma is with the Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
(EPFL), ICLAB, Neuchatel, Switzerland, and also with the CEA-LETI
Minatech, Grenoble, France (e-mail: [e-mail]).
A. Peizerat is with CEA-LETI Minatech, Grenoble, France.
C. Enz is with EPFL, Lausanne, Switzerland.
Color versions of one or more of the figures in this paper are available
online at http://ieeexplore.ieee.org.
Digital Object Identifier 10.1109/JSSC.2016.2579643
or space are expected to grow and increase the demand for
more sensitive CIS operating in low light conditions.
During the last few years, many works focused on the reduction
of the temporal readout noise (TRN) in CMOS image
sensors based on pinned photodiodes in order to enhance their
performance under low light conditions. To this purpose, the
noise of the whole readout chain has to be minimized, starting
with the thermal noise using conventional circuit techniques,
e.g. bandwidth control, in-pixel or column-level amplification
and correlated multiple sampling (CMS) [1] [2] [3]. After
thermal noise reduction, the 1/f noise originating from the
pixels becomes the dominant noise source. At the circuit level,
the correlated double sampling (CDS) and CMS reduce dramatically
that 1/f noise, but not enough to reach sub-electron
noise performance [4] [3]. Pixel-level optimization is required
in order to further reduce the 1/ f noise. In [1], 0.86 e−
rms inputreferred
TRN has been achieved by implementing a PMOS
in-pixel open-loop amplifier. It showed that sub-electron performance
can be reached, using only circuit techniques, at the
cost of a lower dynamic range and higher photo-response nonuniformity
(PRNU) [1]. Other works focused on process level
techniques. In [2], 0.7 e−
rms input-referred TRN is reached by
implementing a buried channel source follower (SF) together
with CMS. More recently, 0.74 e−
rms TRN (in the SF readout
mode) has been demonstrated by combining a buried channel
SF with the reduction of the sense node capacitance obtained
through process optimization [5]. Deep sub-electron noise
performance has been recently reported by implementing
process level techniques reducing the sense node (SN) capacitance
[6] [7] but at the cost of a low full well of 200 e− in [6]
and the use of a 25 V off-chip reset clock voltage in [7].
The purpose of this work is

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

เซนเซอร์ย่อย 0.5 อิเล็กตรอนอ่านเสียง VGA ภาพกระบวนการมาตรฐาน CMOSAssim Boukhayma, Arnaud Peizerat และ สมาชิกคริสเตียนฉลาดเท่า อาวุโส IEEEบทคัดย่อ — การย่อย 0.5 e−rms ขมับเสียงอ่านเซ็นเซอร์ภาพ CMOS VGA (640 H × 480V) ได้ถูกรวมเข้าในμ m 0.18 เป็นมาตรฐาน 4 PM CMOS กระบวนการ สัญญาณรบกวนต่ำประสิทธิภาพคือความสำเร็จเพิ่มประสิทธิภาพวงจรเฉพาะโดยไม่ต้องปรับแต่งใด ๆ กระบวนการ อาศัย imager นำเสนอบนพิกเซล 4 ทีของ 6.5 μ m สนามพร้อมขนาดเหมาะ และลำเอียงออกไซด์บาง PMOS แหล่งผู้ติดตาม สิงเต็มเซนเซอร์ภาพนำเสนอ อุณหภูมิห้อง นำเสนอด้วยอคติพิกเซลของ 1.5μA เซนเซอร์ชิคุณสมบัติการฮิสโตแกรมของเสียงเรียกเข้าจาก 0.25 e−rms ไปกี่ e−rmsจุดที่ 0.48 e−rms ระดับที่มีกำลังการผลิตดี6400 e− และโครงกรอบ ราคาสามารถไปถึง 80 fps อีกทั้งยังมีเสียงรูปแบบคงที่ต่ำสุด 0.77%, 0.1% ช่วงห่าง และความมืดปัจจุบันของ 5.6 e−/ s ก็ยังแสดงให้เห็นว่าการดำเนินการพิกเซลดี n ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของควอนตัมการตรึงภาพไดโอดกำหนดดัชนี — CMOS, CIS เซ็นเซอร์ภาพ เสียง ต่ำอิเล็กตรอนย่อย แสง 1 / f เสียง ความร้อนเสียง บาง ออกไซด์หนาออกไซด์I. บทนำความต้องการของตลาดสำหรับเซนเซอร์ภาพอิเล็กทรอนิกส์ และCMOS เข้ากันได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเติบโตอย่างต่อเนื่องได้กว่าทศวรรษ โทรศัพท์มือถือ และกล้องดิจิตอลครอบครองส่วนใหญ่ของตลาด และผลักดันการพัฒนาเซนเซอร์ภาพ CMOS สำหรับต้นทุนต่ำและประสิทธิภาพการใช้งาน สำหรับทศวรรษที่ผ่านมาค่าธรรมเนียม–อุปกรณ์ถ่ายเทประจุ (CCDs)ได้รับเทคโนโลยีของทางเลือกในแง่ของเสียง และประสิทธิภาพของช่วงแบบไดนามิก เมื่อเทียบกับ CMOS พิกเซลที่ใช้งานอยู่เซ็นเซอร์ (APS), CCDs มีราคาแพง ปัจจุบันพลังงานสูงการใช้ ลดความเร็ว และห้ามรวมบนชิพเกี่ยวกับความไวแสง ช่องว่างระหว่าง CCDs มากและตามธรรมดา PN junction เซ็นเซอร์ภาพ CMOSphotodiodes เนื่องจากเสียงเครีเซ็ตได้ การพัฒนาของตรึง photodiodes (PPDs) ที่รู้จักกันphotodiodes ฝังในเทคโนโลยี CMOS ที่ลดลงอย่างมากที่ช่องว่าง จริง CMOS เซนเซอร์ภาพที่ (CIS) ด้วย PPDsปัจจุบันกระแสมืดต่ำและขอบคุณเสียงรบกวนทำได้ต่ำกว่าโครงร่างการอ่านคู่สุ่มตัวอย่าง วันนี้ ตลาดที่ชอบการแพทย์ ความปลอดภัย วิสัย ทัศน์อุตสาหกรรม กลาโหม ถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์ฉบับที่ 29 ธันวาคม 2015 ได้รับ 10 มีนาคม 2016 ที่ปรับปรุง และ8 มิถุนายน 2016 ยอมรับ 8 มิถุนายน 2016 วันเผยแพร่ 7 กรกฎาคม 2016 วันของรุ่นปัจจุบัน 1 กันยายน 2016 เอกสารนี้ได้รับการอนุมัติจากบริษัทฮิดากะฮิเดโตะแก้ไขA. Boukhayma อยู่กับได้รับการ Polytechnique Federale โลซาน(EPFL), ICLAB นอยชาเทิล สวิตเซอร์แลนด์ กับ CEA-LETIเกรอน็อบล์ ฝรั่งเศส Minatech (อีเมล์: [e-mail])A. Peizerat มี Minatech CEA LETI เกรอน็อบล์ ฝรั่งเศสค.ฉลาดเท่ากับ EPFL โลซาน สวิตเซอร์แลนด์ได้มีรุ่นสีของตัวเลขในกระดาษนี้อย่างน้อยหนึ่งอย่างออนไลน์ที่ http://ieeexplore.ieee.orgตัวระบุวัตถุดิจิตอล 10.1109/JSSC.2016.2579643หรือพื้นที่คาดว่าจะเติบโต และเพิ่มความต้องการCIS ความไวต่อการทำงานในสภาพแสงน้อยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จำนวนมากเน้นการลดรบกวนอ่านขมับ (TRN) ในภาพ CMOSเซ็นเซอร์ที่อิงตรึง photodiodes เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของพวกเขาประสิทธิภาพภายใต้สภาพแสงน้อย เพื่อวัตถุประสงค์นี้ การเสียงของห่วงโซ่การอ่านทั้งยังลดได้ เริ่มต้นรบกวนความร้อนโดยใช้เทคนิควงจรธรรมดาเช่นการควบคุมแบนด์วิดธ์ ขยาย พิกเซล หรือ ระดับคอลัมน์และมีความสัมพันธ์หลายอย่าง (CMS) [1] [2] [3] หลังจากลดความร้อนเสียงรบกวน เสียง 1/f ที่เกิดจากการพิกเซลกลายเป็น แหล่งเสียงรบกวนที่โดดเด่น ในระดับวงจรตัวอย่างคู่ที่มีความสัมพันธ์ (ซีดี) และ CMS ลดอย่างมากนั่นเสียง 1/f แต่ไม่เพียงพอถึงอิเล็กตรอนย่อยเสียงประสิทธิภาพ [4] [3] จำเป็นต้องเพิ่มประสิทธิภาพของภาพเพื่อลด 1 / เสียง f ใน [1], 0.86 e−rms inputreferredTRN ได้ โดยการใช้แบบ PMOSเครื่องขยายแบบลูปเปิดพิกเซล แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพย่อยอิเล็กตรอนสามารถทำได้ ใช้เทคนิควงจรเท่านั้น ที่ต้นทุนช่วงล่างและ nonuniformity การตอบสนองภาพที่สูงขึ้น(PRNU) [1] . งานอื่น ๆ ที่เน้นในระดับกระบวนการเทคนิคการ ใน [2], 0.7 e−rms ที่ TRN อินพุตอ้างถึงโดยการใช้ผู้ติดตามแหล่งฝังช่อง (SF) ด้วยกันด้วย CMS เพิ่มเติมล่าสุด 0.74 e−rms ที่ TRN (ใน SF อ่านออกโหมด) ได้ถูกแสดงให้เห็น โดยการรวมช่องสัญญาณแบบฝังSF กับลดความจุโหนความรู้สึกที่ได้รับด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ [5] เสียงลึกย่อยอิเล็กตรอนประสิทธิภาพได้รายงานเมื่อเร็ว ๆ นี้ โดยการใช้กระบวนการเทคนิคระดับลดความจุของโหน (SN) ความรู้สึก[6] [7] แต่ค่าใช้จ่ายต่ำดีของ e− 200 ใน [6]และการใช้ V 25 ปิดเกล็ดตั้งนาฬิกาแรงดันไฟฟ้าใน [7]วัตถุประสงค์ของงานนี้คือ

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

A-0.5 ต Electron อ่านเซ็นเซอร์รับภาพเสียงรบกวน VGA
ในมาตรฐาน CMOS กระบวนการ
Assim Boukhayma, Arnaud Peizerat คริสเตียนและ Enz, สมาชิกอาวุโส, IEEE
นามธรรมย่อย 0.5 E-
RMS เสียงอ่านขมับ
VGA (640H × 480V) เซ็นเซอร์รับภาพแบบ CMOS ได้รับการรวม
อยู่ในกระบวนการ 0.18 ไมครอน 16:00 CMOS มาตรฐาน เสียงต่ำ
ประสิทธิภาพการทำงานจะประสบความสำเร็จโดยเฉพาะการเพิ่มประสิทธิภาพของวงจร
โดยไม่ต้องปรับแต่งกระบวนการใด ๆ อิมเมจนำเสนออาศัย
บนพิกเซล 4T 6.5 ไมโครเมตรสนามที่มีขนาดใหญ่และถูกต้องลำเอียง
ออกไซด์ PMOS บางติดตามแหล่งที่มา ลักษณะเต็มรูปแบบของ
เซ็นเซอร์รับภาพที่นำเสนอที่อุณหภูมิห้องจะนำเสนอ.
มีอคติของพิกเซล1.5μAชิปเซ็นเซอร์มี
histogram เสียงการป้อนข้อมูลอ้างอิงจาก 0.25 E-
RMS กับ E- กี่
RMS
จุดที่ 0.48 E-
RMS . อิมเมจมีกำลังการผลิตที่ดีเต็มรูปแบบ
ของ e-6400 และอัตราเฟรมของมันสามารถไปได้ถึง 80 เฟรมต่อวินาที นอกจากนี้ยังมี
เสียงรูปแบบคงที่ต่ำเป็น 0.77%, ความล่าช้าของ 0.1% และมืด
ปัจจุบัน 5.6 E- /
S นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าการดำเนินการ
ในพิกเซล N-กันไม่ได้ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการใช้ควอนตัม
ตรึงภาพไดโอด.
ข้อตกลง-CMOS ดัชนี CIS, เซ็นเซอร์รับภาพ, เสียงต่ำ, การ
ย่อยอิเล็กตรอนที่มีแสงน้อย 1 / เสียง F เสียงความร้อนบางออกไซด์หนา
ออกไซด์.
I. บทนำ
ความต้องการของตลาดสำหรับเซ็นเซอร์ภาพอิเล็กทรอนิกส์และ
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง CMOS เข้ากันได้เป็นในการเจริญเติบโตอย่างต่อเนื่อง.
กว่าทศวรรษที่ผ่านมาโทรศัพท์มือถือและกล้องดิจิตอล
ครอบครองส่วนที่ใหญ่ที่สุดของตลาดและผลักดันการพัฒนา
ของเซ็นเซอร์รับภาพแบบ CMOS สำหรับค่าใช้จ่ายต่ำและประสิทธิภาพ
การใช้งาน . สำหรับทศวรรษที่ผ่านมาค่าใช้จ่ายคู่อุปกรณ์ (CCDs)
ได้รับเทคโนโลยีของทางเลือกในแง่ของเสียงรบกวนและ
ผลการดำเนินงานช่วงแบบไดนามิก เมื่อเทียบกับพิกเซล CMOS
เซ็นเซอร์ (APS) CCDs มีราคาแพงในปัจจุบันพลังงานที่สูงขึ้น
การบริโภคความเร็วที่ต่ำกว่าและดักคอบูรณาการบนชิป.
เกี่ยวกับความไวในช่องว่างมากระหว่าง CCDs
และเซ็นเซอร์รับภาพแบบ CMOS บนพื้นฐานของ PN แยกธรรมดา
photodiodes สาเหตุหลักมาจาก กับเสียง KTC รีเซ็ต
พัฒนาของโฟโตไดโอดตรึง (PPDs) หรือที่เรียกว่า
โฟโตไดโอดฝังอยู่ใน CMOS เทคโนโลยีที่ลดลงอย่างมาก
ทำให้เกิดช่องว่างที่ อันที่จริงระบบเซ็นเซอร์ภาพ CMOS (CIS) กับ PPDs
นำเสนอในปัจจุบันที่ต่ำกว่าที่มืดและเสียงต่ำที่ประสบความสำเร็จขอบคุณ
ไปยังโครงการมิเตอร์ที่อ่านได้สุ่มตัวอย่างคู่ วันนี้ตลาดเช่น
การแพทย์, การรักษาความปลอดภัยวิสัยทัศน์อุตสาหกรรมป้องกัน, การถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์
ต้นฉบับที่ได้รับ 29 ธันวาคม 2015; ปรับปรุง 10 มีนาคม 2016 และ
8 มิถุนายน 2016; ได้รับการยอมรับที่ 8 มิถุนายน 2016 วันที่ตีพิมพ์ 7 กรกฎาคม 2016; วัน
ของรุ่นปัจจุบันที่ 1 กันยายน 2016 บทความนี้ได้รับการอนุมัติโดยรอง
บรรณาธิการ Hideto Hidaka.
เอ Boukhayma เป็นกับÉcole Polytechnique Federale de Lausanne
(EPFL) ICLAB, Neuchatel วิตเซอร์แลนด์และยังมี CEA-Leti
Minatech, Grenoble, ฝรั่งเศส (E-mail: [e-mail]).
เอ Peizerat อยู่กับ CEA-Leti Minatech, Grenoble, ฝรั่งเศส.
ซี Enz อยู่กับ EPFL โลซานวิตเซอร์แลนด์.
รุ่นสีหนึ่งหรือมากกว่าของตัวเลขในบทความนี้จะพร้อมใช้งาน
ออนไลน์ได้ที่ http://ieeexplore.ieee.org.
ระบุวัตถุดิจิตอล 10.1109 / JSSC.2016.2579643
หรือพื้นที่ที่คาดว่าจะเติบโตและ เพิ่มความต้องการสำหรับ
ความสำคัญมากขึ้น CIS การดำเนินงานในสภาพแสงน้อย.
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาหลายงานมุ่งเน้นไปที่การลดลง
ของเสียงชั่วคราวมิเตอร์ที่อ่านได้ (TRN) ในภาพ CMOS
เซ็นเซอร์อยู่บนพื้นฐานของโฟโตไดโอดตรึงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของพวกเขา
ผลการดำเนินงานภายใต้สภาพแสงน้อย เงื่อนไข เพื่อจุดประสงค์นี้
เสียงของห่วงโซ่มิเตอร์ที่อ่านได้ทั้งจะต้องมีการลดลงเริ่มต้น
ด้วยเสียงความร้อนโดยใช้เทคนิควงจรเดิม
เช่นการควบคุมแบนด์วิดธ์ในพิกเซลหรือคอลัมน์ระดับการขยาย
และมีความสัมพันธ์การสุ่มตัวอย่างหลาย (CMS) [1] [2 ] [3] หลังจาก
การลดเสียงรบกวนความร้อนเสียง 1 / F ที่มาจาก
พิกเซลจะกลายเป็นแหล่งที่มาของเสียงที่โดดเด่น ในระดับวงจร
สุ่มตัวอย่างคู่มีความสัมพันธ์ (CDS) และ CMS ลดลงอย่างมาก
ว่า 1 เสียง / F, แต่ไม่พอที่จะเข้าถึงย่อยอิเล็กตรอน
ประสิทธิภาพเสียง [4] [3] การเพิ่มประสิทธิภาพในระดับพิกเซลเป็นสิ่งจำเป็น
ในการสั่งซื้อเพื่อลดเสียงรบกวน F 1 / ใน [1], 0.86 E-
RMS inputreferred
TRN ได้รับความสำเร็จโดยการใช้ PMOS
ในพิกเซลวงเปิดเครื่องขยายเสียง มันแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพการทำงานย่อยอิเล็กตรอน
สามารถเข้าถึงได้โดยใช้เพียงเทคนิควงจรที่
ค่าใช้จ่ายของช่วงแบบไดนามิกที่ลดลงและการตอบสนองภาพ nonuniformity สูง
(PRNU) [1] ผลงานอื่น ๆ มุ่งเน้นไปที่ระดับกระบวนการ
เทคนิค ใน [2] 0.7 E-
RMS อินเรียก TRN คือถึงโดย
การดำเนินการติดตามแหล่งที่มาช่องฝัง (SF) ร่วม
กับ CMS เมื่อเร็ว ๆ นี้ 0.74 E-
RMS TRN (ในการอ่านข้อมูลเอสเอฟ
โหมด) ได้รับการพิสูจน์โดยการรวมช่องฝัง
SF กับการลดความรู้สึกโหนดความจุที่ได้รับ
ผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ [5] เสียงย่อยอิเล็กตรอนลึก
ประสิทธิภาพการทำงานได้รับการรายงานเมื่อเร็ว ๆ นี้โดยการใช้
เทคนิคระดับกระบวนการลดความรู้สึกโหนด (SN) ความจุ
[6] [7] แต่ค่าใช้จ่ายของดีเต็มต่ำ 200 E- ใน [6]
และการใช้งานของ 25 V ออกชิปแรงดันไฟฟ้านาฬิการีเซ็ตใน [7].
จุดประสงค์ของงานนี้คือ