CN101189863B - 耦合电容匹配的共享放大器像素 - Google Patents

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Abstract

一种制造图像传感器的方法，所述方法包括以下步骤：提供多个像素，每个像素都具有光电探测器；提供在所述多个光电探测器之间共享的放大器；提供与每个光电探测器相关联的传输门；提供在所述多个光电探测器之间共享的电荷到电压转换区；确定每个传输门与电荷到电压转换区之间的电容；以及通过改变一个或多个像素内的物理结构来把所述电容修改成基本上相同。

Description

耦合电容匹配的共享放大器像素
技术领域
本发明大体上涉及CMOS图像传感器领域。更具体地，本发明涉及这种共享放大器的图像传感器，所述放大器包括为每个像素匹配传输门和浮动扩散(floating diffusion)之间的电容以便降低固定模式噪声(fixed pattern noise)。
背景技术
图1示出现有技术，共享的像素示意图包括两个光电探测器(PD1和PD2)、两个传输门(TG1和TG2)、行选择晶体管(RSEL)、公共的浮动扩散感测节点(FD)、具有复位门(RG)的复位晶体管和源极跟随器输入晶体管(SF)。图2的现有技术的像素是类似的概念，区别仅在于四个PD和TG共享公共部件。
这些设计在TG和FD之间产生了耦合电容，所述耦合电容产生了与每个TG到公共FD的电容中的失配相关的固定模式噪声。例如，如果图1中的像素中从TG1到FD的电容(CTG1-FD)不同于TG2到FD的电容(CTG2-FD)，那么在读出期间会存在与前述电容的失配相关联的行相关的奇偶或模2的固定模式噪声。
在如图2所示的4-共享像素中也注意到类似的影响。电容(CTG1-FD)、(CTG2-FD)、(CTG3-FD)和(CTG4-FD)中的失配导致行相关的模4的固定模式噪声。由于固定模式噪声在空间上是高度相关的，所以很容易在低电平检测到并且会降低图像质量。TG-FD电容包括与像素内的互连相关联的寄生电容和TG叠加(overlap)电容。
本发明通过对共享的放大器像素的TGI到FD所产生的匹配电容进行详细的规划和设计来消除固定模式噪声。这可以通过但不限于相同的TG配线布局以及在每个像素内相对于FD结和互连使用相同水平的互连来完成。可以使用版图后提取工具(post layoutextraction tool)和其他集成电路电容建模工具来设计所要求的匹配度。在一些情况下，这可能要求有目的地向一个或多个TGi-FD区域添加寄生电容，以产生匹配的TG-FD耦合电容。
发明内容
本发明旨在克服上述问题中的一个或多个。简要综述，根据本发明的一个方面，本发明在于一种制造图像传感器的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供多个像素，每个像素都具有光电探测器；(b)提供在所述多个光电探测器之间共享的放大器；(c)提供与每个光电探测器相关联的传输门；(d)提供在所述多个光电探测器之间共享的电荷到电压转换区；(e)确定每个传输门与电荷到电压转换区之间的电容；以及(f)通过改变一个或多个像素内的物理结构来把电容修改成基本上相同。
相应地，本发明图像传感器的技术方案包括：
(a)多个像素，每个像素都具有光电探测器；
(b)在多个所述光电探测器之间共享的放大器；
(c)与每个光电探测器相关联的传输门；
(d)在所述多个光电探测器之间共享的电荷到电压转换区；其中每个传输门与电荷到电压转换区之间的电容基本上相同。
另外，本发明数字照相机的技术方案包括：
图像传感器，所述图像传感器包括：
(a)多个像素，每个像素都具有光电探测器；
(b)在多个所述光电探测器之间共享的放大器；
(c)与每个光电探测器相关联的传输门；
(d)在所述多个光电探测器之间共享的电荷到电压转换区；其中每个传输门与电荷到电压转换区之间的电容基本上相同。
参考附图，根据下面的优选实施例的详细描述和随附的权利要求将会更加清楚地理解本发明的这些以及其他方面、目的、特征和优势。
本发明的有益效果
本发明的优势在于：通过对共享的放大器像素的TGI到FD所产生的匹配电容进行详细的规划和设计来消除固定模式噪声。这可以通过但不限于相同的TG配线布局以及在每个像素内相对于FD结和互连使用相同级别的互连来完成。可以使用版图后提取工具和其他集成电路电容建模工具来设计所要求的匹配度。在一些情况下，这要求有目的地向一个或多个TGi-FD区域添加寄生电容，以产生匹配的TG-FD耦合电容。
附图说明
图1是现有技术的共享放大器的两个像素的示意图；
图2是现有技术的共享放大器的四个像素的示意图；
图3是共享放大器的两个像素的本发明的示意图；
图4是共享放大器的四个像素的本发明的示意图；以及
图5是用于说明普通消费者所习惯的典型商业实施例的数字照相机的图示。
具体实施方式
参考图3，示出了共享放大器40的图像传感器30(仅示出了图像传感器的一部分)的两个像素10和20，所述放大器40优选为源极跟随器SF。图像传感器30-优选为有源像素图像传感器，包括二维像素阵列；然而，为了理解清楚，图3示出了两个像素，用以说明二个共享设计(2S)，图4图示了四个共享设计(4S)。有源像素指的是具有被用作像素中的或与像素相关联的有源电路元件的晶体管的像素，CMOS指的是“互补金属氧化物半导体”，其中相反掺杂(opposite doping)的两个晶体管(一个是p型掺杂、一个是n型掺杂)以互补的方式连接在一起。有源像素典型采用CMOS设计并且在工业中被可互换地使用。
参考图3，每个像素10和20包括用于捕获被转换成电荷的入射光的光电二极管PD1和PD2。每个像素10和20还包括用于将电荷从光电二极管PD1和PD2传输到共享的浮动扩散50的传输门TG1和TG2及其相关联的且共享的源极跟随器晶体管SF 40。复位门RG的作用是把浮动扩散50复位到预定的电荷电平，并且行选择门RSEL选择特定的行以读出。
操作以下述方式进行。在光电二极管PD1和PD2的积分(integration)之后，打开行选择门RSEL，然后通过对复位门RG施加脉冲而将浮动扩散50复位。该复位信号然后被读出。传输门TG1被脉冲启动，并且来自光电探测器PD1的信号电荷被传输到浮动扩散50，信号电平被经由放大器SF 40读出，在放大器40中该信号被放大，然后被读出到读出总线60上。接着，通过再次脉冲启动复位门RG来将浮动扩散50复位。该行的复位电平被读出。然后对另一个传输门TG2施加脉冲，以将电荷传输到浮动扩散50。然后，经由放大器SF 40读出这个信号电平，在放大器40中该信号被放大，然后把该信号读出到读出总线60上。然后，对于设备上的剩余行重复该过程。
非常值得注意的是，每个传输门TG1和TG2到浮动扩散50的电容被匹配为基本上相同。这由电容器CTG1-FD和CTG2-FD用符号进行表示。电容的匹配能够通过但不限于相同的传输门配线布局。进一步地，在每个像素内相对于浮动扩散结区和互连使用相同水平的互连。可以使用版图后提取工具和其他的集成电路电容建模工具来设计所要求的匹配度。在一些情况下，这要求有目的地向一个或多个传输门-浮动扩散区域添加寄生电容，以产生匹配的传输门-浮动扩散耦合电容。
参考图4，示出了共享公共部件的四个像素。这些像素10、20、25和28在概念和操作上与图3中的像素类似，区别仅在于四个光电二极管和传输门共享公共部件，而不是两个光电二极管和传输门共享公共部件。此外，使用如上所述的相同的电容匹配来匹配传输门到浮动扩散的电容。此匹配的电容由四个电容器CTG1-FD、CTG2- FD、CTG3-FD、和CTG4-FD来用符号进行表示。
参考图5，示出了包括本发明的图像传感器30的数字照相机70，用以说明普通消费者所熟悉的典型商业实施例。
部件列表
10像素
20像素
25像素
28像素
30图像传感器
40放大器SF
50共享的浮动扩散
60读出总线
70数字照相机

Claims (11)

1.一种制造图像传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供多个像素，每个像素都具有光电探测器；
(b)提供在多个所述光电探测器之间共享的放大器；
(c)提供与每个光电探测器相关联的传输门；
(d)提供在所述多个光电探测器之间共享的电荷到电压转换区；
(e)确定每个传输门与电荷到电压转换区之间的电容；以及
(f)通过改变一个或多个像素内的物理结构来把所述电容修改成基本上相同。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(f)包括改变一个或多个像素内的互连。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(f)包括改变一个或多个所述电荷到电压转换区的物理设计。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(f)包括改变一个或多个传输门的物理设计。
5.根据权利要求1所述的方法，其中图像传感器是CMOS图像传感器。
6.一种图像传感器，包括：
(a)多个像素，每个像素都具有光电探测器；
(b)在多个所述光电探测器之间共享的放大器；
(c)与每个光电探测器相关联的传输门；
(d)在所述多个光电探测器之间共享的电荷到电压转换区；其中每个传输门与电荷到电压转换区之间的电容基本上相同。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，一个或多个像素内的物理结构被改变以便所述传输门和所述电荷到电压转换区之间的所述电容中的每一个基本上相同。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中所述图像传感器是CMOS图像传感器。
9.一种数字照相机，包括：
图像传感器，包括：
(a)多个像素，每个像素都具有光电探测器；
(b)在多个所述光电探测器之间共享的放大器；
(c)与每个光电探测器相关联的传输门；
(d)在所述多个光电探测器之间共享的电荷到电压转换区；其中每个传输门与电荷到电压转换区之间的电容基本上相同。
10.根据权利要求9所述的数字照相机，其中，一个或多个像素内的物理结构被改变以便所述传输门和所述电荷到电压转换区之间的所述电容中的每一个基本上相同。
11.根据权利要求9所述的数字照相机，其中所述图像传感器是CMOS图像传感器。
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