CN102057668B - 宽孔径图像传感器像素 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像传感器，其包含四个像素的单位单元(204)。所述单位单元包含：四个光敏区域(211、212、213、214)，其响应于光而收集电荷；四个传送晶体管(207、208、209、210)，其将来自所述四个光敏区域中的每一者的所述电荷分别传递到一个共用电荷/电压转换机构(203)；三个控制导线(TG1、TG2、TG3)，其中第一控制导线(TG)控制所述传送晶体管中的两者(208、210)且第二控制导线(TG1)控制所述传送晶体管中的一者(207)且第三控制导线(TG3)控制所述传送晶体管中的一者(209)；放大器(205)，其连接到所述共用电荷/电压转换机构，所述放大器响应于来自所述电荷/电压转换机构的信号而输出一输出信号；及复位晶体管(206)，其连接到所述共用电荷/电压转换机构以用于将所述电荷/电压转换机构复位到预定信号电平(VDD)。

Description

宽孔径图像传感器像素
技术领域
本发明大体来说涉及图像传感器，且更特定来说涉及在覆盖光电二极管的金属线之间具有改进的开口以增加敏感度的此类图像传感器。
背景技术
随着像素大小减小到小于1.7μm以满足需求，存在若干折衷。主要缺点是减小的敏感度，因为像素面积更小了且像素导线之间的更小的开口阻挡了太多的光。
举例来说，参考图1，其显示来自美国专利公开案2008/0062290的像素示意图。单位单元具有四个传送栅极107、108、109及110，其分别控制浮动扩散部与光电二极管112、113、114及111之间的电荷流动。晶体管106将浮动扩散部复位到电源VDD的电平。晶体管105对浮动扩散部电压进行缓冲且行选择晶体管103将所述电压切换到输出信号线上。在此像素示意图中，存在总共6个水平导线及2个垂直导线。如果1.4μm像素大小是所要的，那么2.8μm的单位单元必须含有6个水平导线。如果典型的金属2导线线及空间要求为0.18μm，那么那些6个导线将占用2.8μm中的1.80μm，从而仅留下1.0μm孔用于像素单位单元中的两个光电二极管。用于每一光电二极管的0.5μm开口小于红色光的波长(650nm)。因此，像素量子效率将非常差。
可通过使用3个或3个以上金属层来使得金属导线中的开口更大。蜂窝电话的相机透镜通常具有可以与法线的25度角度入射的光射线。金属导线3或3个以上层的高堆叠将阻挡以25度入射的光到达光电二极管。
本发明将解决光电二极管上面的金属导线之间的窄开口的问题而同时准许通过在低分辨率成像模式中对像素进行求和来改进敏感度。
发明内容
一种图像传感器包含四个像素的单位单元。所述单位单元包含：四个光敏区域，其响应于光而收集电荷；四个传送晶体管，其将来自所述四个光敏区域中的每一者的所述电荷分别传递到一个共用电荷/电压转换机构；三个控制导线，其中第一控制导线控制所述传送晶体管中的两者且第二控制导线控制所述传送晶体管中的一者且第三控制导线控制所述传送晶体管中的一者；放大器，其连接到所述共用电荷/电压转换机构，所述放大器响应于来自所述电荷/电压转换机构的信号而输出一输出信号；及复位晶体管，其连接到所述共用电荷/电压转换机构以用于将所述电荷/电压转换机构复位到预定信号电平。
本发明的目标为增加光电二极管上面的开口的面积而同时准许通过在低分辨率成像模式中对像素进行求和来改进敏感度。
根据对优选实施例的以下详细描述及所附权利要求书的审阅并参考随附图式将更清楚地理解及了解本发明的这些及其它方面、目的、特征以及优点。
本发明的有利效果
本发明具有增加覆盖光电二极管的开口的面积以实现光电二极管的改进的敏感度的优点。
附图说明
图1为现有技术图像传感器的示意图；
图2图解说明本发明的单位单元配置的面积及形状；
图3图解说明本发明的具有矩形形状像素对常规正方形像素的单位单元像素配置；
图4图解说明现有技术的拜耳滤色器布置；
图5图解说明现有技术的使用全色滤波器的全色滤色器布置；
图6图解说明现有技术的使用全色滤波器的另一全色滤色器布置；
图7为本发明的单位单元的示意图；
图8为图7的单位单元的布局；
图9为本发明的单位单元的替代实施例；
图10为图9的示意图的布局；
图11图解说明叠加于图10的顶部上的金属布线；
图12显示图11的水平横截面B-B；
图13显示图11的垂直横截面A-A；
图14为本发明的图像传感器的俯视图；及
图15显示具有本发明的图像传感器的图像捕获装置的框图。
具体实施方式
本发明将首先揭示具有覆盖光电二极管的导线之间的开口的增加的面积的像素的结构。参考图2，典型的像素具有相等的宽度W及高度H。因此1.4μm像素为1.4μm2。不存在像素必须为正方形的基本要求。像素纵横比可改变使得其具有大于宽度的高度。此纵横比加大水平导线之间的间隔。其减小垂直导线之间的间隔，但存在比水平导线少的垂直导线。因此，在矩形形状像素的情况下，金属导线之间用于光的开口存在净增加。
在图像传感器中具有矩形像素的情况下，相机将针对显示器使用图像处理将图像传感器的矩形像素变换为具有正方形像素的像素。需要使得像素的纵横比为两个完全平方的比，例如16∶9或25∶16及其它类似纵横比。参考图3，此使得用于产生正方形像素的图像处理算法更容易。图3的左侧为具有5个行及4个列的正方形像素阵列。如果矩形像素具有25×16(两个完全平方)的纵横比，那么具有4个行及5个列的矩形像素阵列具有与正方形像素阵列完全相同的像素数目及相同的面积。因此，两个矩形及正方形阵列布局在像素计数上相等。矩形阵列具有较小的垂直分辨率，但其也具有比正方形阵列大的水平分辨率。
推广的情况将为具有宽度 及高度 的矩形像素，其中A为像素的所要面积，且n为整数。像素的纵横比将为
矩形像素的宽度及高度不限于那些值，但那些值允许实施简单的图像处理算法。考虑1.4μm像素作为实例。对于25∶16(n＝4)的纵横比，宽度为1.12μm且高度为1.75μm。对于六个0.18μm水平金属导线的情况，此将0.35μm加到0.5μm金属开口上以使得其成为0.85μm。此为显著的改进。
可通过实现以下来获得进一步改进：可通过对VDD电源进行计时并使用复位晶体管106作为行选择器消除图1的行选择晶体管103。此消除RS水平导线。
注意，本发明包含可消除另一水平导线的滤色器布局。图4显示大多数色彩图像传感器所使用的传统拜耳滤色器模式。像素求和对于此模式来说是困难的且每一像素可仅接收一种色彩。使用红色、绿色、蓝色及全色像素的滤色器模式描述于美国专利公开案2007/0024879 A1中且再现于图5及6中。对于图5及6中的两个模式，像素单位单元将含有两个全色像素及两个色彩像素。所述全色像素形成最终图像的高分辨率亮度分量，其优于拜耳模式的绿色色彩通道。全色像素模式利用人眼对亮度分辨率比其对色彩分辨率更敏感的事实。像素架构还可通过将4像素单位单元内的2个色彩像素一起求和来利用此事实。在像素浮动扩散部上的电荷域中而非在已数字化2个色彩像素中的每一者之后在数字域中对色彩像素进行求和存在噪声优点。
图7显示本发明的实施例的示意图。此实施例经设计以利用图5中所显示的滤色器模式。此示意图为单位单元204，其具有由同一控制导线TG2控制的两个传送栅极208及210。传送栅极208及210传送来自响应于入射光而收集电荷的光敏区域(优选地为光电二极管211及213)的电荷。光电二极管213及211在红色、绿色或蓝色滤色器之下，且当启动TG2时，在电荷/电压转换机构(优选地为浮动扩散部203)上将其电荷求和在一起。光电二极管212及214在全色滤波器之下且当启动传送栅极207或209时被独立地传送到浮动扩散部203。晶体管206将浮动扩散部203复位为电源电压VDD的电平。晶体管206还充当行选择晶体管。放大器晶体管205将浮动扩散部203电压缓冲到输出信号导线Out上。此单位单元像素204具有在水平方向上仅具有四个导线的设计。使用具有1.75μm高度及0.18μm水平金属导线的矩形1.4μm像素的先前实例，金属导线对之间的开口现在为1.21μm。此是0.5μm的现有技术金属开口的两倍多。因此，本发明的量子效率比现有技术高得多。
图8显示具有四个像素的单位单元204的硅布局。四个传送栅极207到210对称地布置在浮动扩散部203周围。晶体管205及206放置在光电二极管的另一侧上。此像素204布局在水平及垂直方向上提供规则间隔的光电二极管，其中其光学中心由X标记。所述规则间隔的光电二极管对于维持以一角度入射的光的光学对称性来说是重要的。
图9显示本发明的替代实施例的示意图，所述替代实施例经设计以利用图6中所显示的滤色器模式。此示意图为单位单元304，其具有由同一控制导线TG3控制的两个传送栅极309及310。传送栅极309及310传送来自响应于入射光而收集电荷的光电二极管311及314的电荷。光电二极管311及314在红色、绿色或蓝色滤色器之下且当启动TG2时在浮动扩散部303上将其电荷一起求和。光电二极管312及313在全色滤波器之下且当启动传送栅极307或308时被独立地传送到浮动扩散部303。晶体管306将浮动扩散部303复位到电源电压VDD的电平。晶体管306还充当行选择晶体管。放大器晶体管305将浮动扩散部303电压缓冲到输出信号导线Out上。此像素304具有在水平方向上仅具有四个导线的设计。使用具有1.75μm高度及0.18μm水平金属导线的矩形1.4μm像素的先前实例，金属导线对之间的开口现在为1.21μm。此是0.5μm的现有技术金属开口的两倍多。因此，本发明的量子效率比现有技术高得多。
图10显示图9的还包含4个像素的单位单元304的硅布局。四个传送栅极307到310对称地布置在浮动扩散部303周围。晶体管305及306放置在光电二极管的另一侧上。此像素304布局在水平及垂直方向上提供规则间隔的光电二极管，其中其光学中心由X标记。所述规则间隔的光电二极管对于维持以一角度入射的光的光学对称性来说是重要的。由于全色像素全部处于一行中，因此可使用圆柱形微透镜将光聚焦于所述光电二极管上。
图11显示叠加于图10的顶部上的金属布线。四个水平导线TG1、TG2、TG3及RG两个一对地布置于光电二极管行之间的边界的顶部上方。此提供导线之间的最大开口以用于光到光电二极管的通路。垂直导线Out及VDD制作于不同的金属化物层级上。
图12显示图11的水平横截面B-B。此像素布局的特定优点为水平横截面B-B仅具有一个金属层以实现对传入光的最小阻碍。导线在光电二极管之间的一个浮动扩散部315导线与下一对光电二极管之间的两个导电Out及VDD之间交替。此确实引入可通过使得浮动扩散部导线315较宽而减轻的光学左右不对称性。
图13显示图11的垂直横截面A-A。此横截面显示第二金属层上的TG1、TG2、TG3及RG导线。矩形像素的较长侧沿此横截面布置以最大化第二层级金属导线之间的开口。
本发明的第一实施例具有如图11、12及13中所显示的类似布线布置。
本发明的两个实施例可制作为其中电子为电荷载流子的NMOS像素或制作为其中空穴为电荷载流子的PMOS像素。
图14为本发明的图像传感器320的俯视图，所述图像传感器具有布置成二维阵列的多个像素321。像素321以电子方式分组在单位单元204及304中。每一单位单元204及304含有四个像素。对于本发明，将单位单元界定为四个像素。
图15为可与并入有根据本发明的像素结构的图像传感器一起使用的成像系统的框图。成像系统1200包含数码相机电话1202及计算装置1204。数码相机电话1202为可使用并入有本发明的图像传感器的图像捕获装置的实例。其它类型的图像捕获装置也可与本发明一起使用，例如数码静止相机及数码摄录像机。
在根据本发明的实施例中，数码相机电话1202为便携式、手持式电池操作的装置。数码相机电话1202产生存储于存储器1206中的数字图像，存储器1206可为(例如)内部快闪EPROM存储器或可装卸存储器卡。或者，可使用其它类型的数字图像存储媒体(例如，磁性硬驱动器、磁带或光盘)来实施存储器1206。
数码相机电话1202使用透镜1208将来自场景(未显示)的光聚焦到成像集成电路1212的图像传感器阵列320上。在根据本发明的实施例中，图像传感器阵列320使用拜耳滤色器模式来提供色彩图像信息。图像传感器阵列320由时序产生器1214控制，时序产生器1214还控制闪光灯1216以在周围照明为低时照明所述场景。
从图像传感器阵列320输出的模拟输出信号经放大且由模/数(A/D)转换器电路1218转换为数字数据。所述数字数据存储于缓冲器存储器1220中且随后由数字处理器1222进行处理。数字处理器1222由存储于固件存储器1224中的固件控制，固件存储器1224可以是快闪EPROM存储器。数字处理器1222包含实时时钟1226，时钟1226甚至在数码相机电话1202及数字处理器1222处于低功率状态中时仍保持日期及时间。经处理的数字图像文件存储于存储器1206中。存储器1206还可存储其它类型的数据，例如，音乐文件(例如，MP3文件)、铃音、电话号码、日历及待办事项列表。
在根据本发明的一个实施例中，数码相机电话1202捕获静止图像。数字处理器1222执行色彩内插随后执行色彩及色调校正，以产生经再现的sRGB图像数据。所述经再现的sRGB图像数据接着经压缩且被作为图像文件存储于存储器1206中。仅以实例方式，可按照JPEG格式(其使用已知的“Exif”图像格式)来压缩所述图像数据。此格式包含使用各种TIFF标签存储特定图像元数据的Exif应用程序段。举例来说，可使用单独TIFF标签来存储捕获图片的日期及时间、透镜f/数以及其它相机设定，且存储图像标题。
在根据本发明的实施例中，数字处理器1222产生由用户选择的不同图像大小。一个此大小为低分辨率的“拇指指甲”大小图像。产生拇指指甲大小的图像描述于库赫达(Kuchta)等人的标题为“提供全分辨率图像和经减小分辨率图像的多格式存储的电子静止相机(Electronic Still Camera Providing Multi-Format Storage Of Full AndReduced Resolution Images)”的共同受让的第5,164,831号美国专利中。所述拇指指甲图像存储于RAM存储器1228中且供应到显示器1230，举例来说，显示器1230可以是有源矩阵LCD或有机发光二极管(OLED)。产生拇指指甲大小图像允许在彩色显示器1230上快速观察所捕获的图像。
在根据本发明的另一实施例中，数码相机电话1202还产生并存储视频剪辑。视频剪辑是通过将图像传感器阵列320的多个像素一起求和(例如，对图像传感器阵列320的每一4列×4行区内的相同色彩的像素进行求和)以形成较低分辨率的视频图像帧而产生的。举例来说，视频图像帧是使用每秒15帧的读出速率以规律间隔从图像传感器阵列320读取的。
音频编解码器1232连接到数字处理器1222且从麦克风(Mic)1234接收音频信号。音频编解码器1232还向扬声器1236提供音频信号。这些组件既用于电话交谈也用于记录与播放音轨以及视频序列或静止图像。
在根据本发明的实施例中，扬声器1236还用于告知用户传入的电话呼叫。此可使用存储于固件存储器1224中的标准铃音或通过使用从移动电话网络1238下载并存储于存储器1206中的定制铃音来完成。另外，振动装置(未显示)可用于提供传入的电话呼叫的无声(例如，非可听的)通知。
数字处理器1222连接到无线调制解调器1240，其使数码相机电话1202能够经由射频(RF)信道1242发射及接收信息。无线调制解调器1240使用例如3GSM网络的另一RF链路(未显示)与移动电话网络1238通信。移动电话网络1238与存储从数码相机电话1202上载的数字图像的照片服务提供者1244通信。其它装置(包含计算装置1204)经由因特网1246存取这些图像。在根据本发明的实施例中，移动电话网络1238还连接到标准电话网络(未显示)以提供正常电话服务。
图形用户接口(未显示)显示于显示器1230上且由用户控制件1248控制。在根据本发明的实施例中，用户控制件1248包含：用以拨打电话号码的专用按钮(例如，电话小键盘)、用以设定模式(例如，“电话”模式、“日历”模式、“相机”模式)的控制件、包含4路控制(向上、向下、向左、向右)的操纵杆控制器及按钮中心“OK”或“选择”开关。
坞1250给数码相机电话1202中的电池(未显示)再充电。坞1250经由坞接口1252将数码相机电话1202连接到计算装置1204。在根据本发明的实施例中，坞接口1252实施为有线接口，例如USB接口。或者，在根据本发明的其它实施例中，坞接口1252实施为无线接口，例如蓝牙或IEEE 802.11b无线接口。坞接口1252用于将图像从存储器1206下载到计算装置1204。坞接口1252还用于将日历信息从计算装置1204传送到数码相机电话1202中的存储器1206。
尽管已特别参考本发明某些优选实施例详细描述了本发明，但将理解，可在本发明的精神及范围内实现各种变化及修改形式。
部件列表
107 传送栅极
108 传送栅极
109 传送栅极
110 传送栅极
111 光电二极管
112 光电二极管
113 光电二极管
114 光电二极管
203 浮动扩散部
204 单位单元
205 放大器
206 复位晶体管
207 传送栅极
208 传送栅极
209 传送栅极
210 传送栅极
211 光电二极管
212 光电二极管
213 光电二极管
214 光电二极管
303 浮动扩散部
304 单位单元
305 放大器
306 复位晶体管
307 传送栅极
308 传送栅极
309 传送栅极
310 传送栅极
311 光电二极管
312 光电二极管
313 光电二极管
314 光电二极管
320 图像传感器
321 像素
1200 成像系统
1202 数码相机电话
1204 计算装置
1206 存储器
1208 透镜
1212 成像集成电路
1214 时序产生器
1216 闪光灯
1218 A/D转换器电路
1220 缓冲器存储器
1222 数字处理器
1224 固件存储器
1226 坞
1228 RAM存储器
1230 彩色显示器
1232 音频编解码器
1234 麦克风
1236 扬声器
1238 移动电话网络
1240 无线调制解调器
1242 RF信道
1244 照片服务提供者
1246 因特网
1248 用户控制件
1250 坞
1252 坞接口

Claims (16)

1.一种图像传感器，其包括：
多个像素，其包括：
四个像素的单位单元，其包括：
a)四个光敏区域，其响应于光而收集电荷；
b)四个传送晶体管，其将来自所述四个光敏区域中的每一者的所述电荷分别传递到一个共用电荷/电压转换机构；
c)置于所述四个光敏区域之上的滤色器布置，其中所述滤色器布置包括具有相同颜色的两个颜色像素以及两个全色像素；
d)第一、第二及第三控制导线，其中所述第一控制导线控制所述传送晶体管中的与所述颜色像素相关联的两者且第二控制导线控制所述传送晶体管中的与一全色像素相关联的一者且第三控制导线控制所述传送晶体管中的与另一全色像素相关联的一者；
e)放大器晶体管，其连接到所述共用电荷/电压转换机构；及
f)复位晶体管，其连接到所述共用电荷/电压转换机构，其中所述复位晶体管同时用作行选择器。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光敏区域为光电二极管。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述电荷/电压转换机构为浮动扩散部。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述单位单元的每一像素为矩形形状。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，像素纵横比等于两个完全平方数的比。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括定位于第一金属层上的电源及输出，且所述三个控制导线定位于第二金属层上。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，像素纵横比等于两个完全平方数的比。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括每一像素的小于4μm2的面积。
9.一种图像捕获装置，其包括：
图像传感器，其包括：
多个像素，其包括：
四个像素的单位单元，其包括：
a)四个光敏区域，其响应于光而收集电荷；
b)四个传送晶体管，其将来自所述四个光敏区域中的每一者的所述电荷分别传递到一个共用电荷/电压转换机构；
c)置于所述四个光敏区域之上的滤色器布置，其中所述滤色器布置包括具有相同颜色的两个颜色像素以及两个全色像素；
d)第一、第二及第三控制导线，其中所述第一控制导线控制所述传送晶体管中的与所述颜色像素相关联的两者且所述第二控制导线控制所述传送晶体管中的与一全色像素相关联的一者且所述第三控制导线控制所述传送晶体管中的与另一全色像素相关联的一者；
e)放大器晶体管，其连接到所述共用电荷/电压转换机构；及
f)复位晶体管，其连接到所述共用电荷/电压转换机构，其中所述复位晶体管同时用作行选择器。
10.根据权利要求9所述的图像捕获装置，其中所述光敏区域为光电二极管。
11.根据权利要求10所述的图像捕获装置，其中所述电荷/电压转换机构为浮动扩散部。
12.根据权利要求9所述的图像捕获装置，其中，所述单位单元的每一像素为矩形形状。
13.根据权利要求12所述的图像捕获装置，其中，像素纵横比等于两个完全平方数的比。
14.根据权利要求9所述的图像捕获装置，其进一步包括定位于第一金属层上的电源及输出，且所述三个控制导线定位于第二金属层上。
15.根据权利要求9所述的图像捕获装置，其中，像素纵横比等于两个完全平方数的比。
16.根据权利要求9所述的图像捕获装置，其进一步包括每一像素的小于4μm2的面积。
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