CN103384313B - Cmos有源像素图像传感器及其校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CMOS有源像素图像传感器及其校准方法，该CMOS有源像素图像传感器具有由多个CMOS有源像素组成的像素阵列，其中每个像素包括：光敏元件，其在入射光照射下产生光电流；放大器，其输入端与所述光敏元件耦接，用于对所述光敏元件所产生的光电流进行放大；以及积分电容器，耦接在所述放大器输入端和输出端之间，用于对经过所述放大器放大的光电流进行积分，以获得积分电压，其特征在于，所述积分电容器由CMOS有源像素传感器制造工艺中形成的金属层之间或者多晶硅层之间的寄生耦合形成。本发明中，利用CMOS有源像素图像传感器制造工艺中形成的金属层或多晶硅层之间的寄生耦合形成的小电容值的积分电容器，显著提高了CMOS有源像素图像传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，具体地讲，涉及CMOS有源像素图像传感器及其校准方法。
背景技术
互补型金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器（CIS）由于体积小、耗电量低和成本低等优势已经成为成像科技发展的主流，广泛地用于光学式鼠标、数码相机、可视电话、智能手机等上。
对于CMOS图像传感器而言，灵敏度和噪声是通常衡量一个数字图像传感器水平的两个重要参数，而由于噪声中的固定图形噪声（FPN）对于每一帧是不变的，这有点像通过网栅看东西，因此固定图形噪声的降低比瞬态噪声的降低更受到人们的重视。
现有的CIS技术是以像素阵列（pixel array）的形式组成的CMOS图像传感器，而像素阵列则是由许多像素单元排列而成，一般像素单元主要可区分为无源像素传感器（PPS）或有源像素传感器（APS）。由于有源像素传感器中的每个像素中增加了放大器，显著地增大了传感器速度并且改善了其信噪比，使得有源像素传感器被广泛应用，目前有源像素传感器的主要类型依据其具有的晶体管的数量区分为3T结构及4T结构的像素传感器，简称为3T-APS和4T-APS。
由于较短的积分时间，灵敏度对于帧速率高于100帧/S的高速CIS而言至关重要。从电路级别上来讲，CIS像素的灵敏度取决于对光电流进行积分的电容器的大小。基于4T-APS的CIS在浮动漏极（floating drain，FD）上对光电流进行积分，该浮动漏极电容较大，通常为几个fF至10fF。基于3T-APS的CIS的积分电容更大。这些较大的积分电容将导致CIS灵敏度较小。在Gamal等的“CMOS imagesensors”,IEEE Circuits&Devices Mag.,pp.6-20,May/Jun.2005中有关于基于4T-APS的CIS和基于3T-APS的CIS的介绍。
相对于CCD图像传感器而言，CMOS图像传感器的制造工艺与外围电路的相同，都是采用CMOS工艺技术，因此CMOS图像传感器更加易于集成为单个片上系统。而且，使用CMOS图像传感器，可以实现控制逻辑和定时、图像处理以及信号处理电路（诸如A/D转换）的单片集成，因此能够以较低的成本制造CMOS图像传感器。另外，CMOS器件仅需要单个电源供电，该电源也可以用于驱动外围电路，因此CMOS图像传感器功耗较低。然而，相对于CCD图像传感器而言，CMOS图像传感器的一个突出的缺点是固定图形噪声（FPN）大。FPN是由于列处理电路和像素电路之间的失配造成的。FPN包括偏移失配和增益失配。在现有CIS的列中，FPN列偏移通常在列中使用Delta Difference Sampling(DDS)来去除，该技术可参见Mendis等的“CMOS active pixel image sensors for highly integratedimaging systems”,IEEE J.Solid-State Circuits,Vol.32,pp.187-197,1997。在成像过程中，一些设计使用外部测试电压来测量列偏移和FPN增益，从而补偿失配。在“Circuit and method for cancellation ofcolumn pattern noise in CMOS imagers)”的美国专利第6,903,670B1号中有相关记载。
在本领域中，从未有过在电子域对像素之间的失配进行补偿的方法。由于像素阵列的大小在近年来迅速增加，补偿像素之间的失配的技术是必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种CMOS有源像素图像传感器及其校准方法，其针对当前基于三个晶体管或四个晶体管的CMOS有源像素图像传感器中存在的积分电容较大从而导致的CMOS图像传感器灵敏度较低的问题，提出了采用CMOS有源像素图像传感器制造工艺中的金属层之间或多晶硅层之间的寄生耦合所形成的小积分电容器作为CMOS图像传感器中的积分电容器来提高CMOS有源像素图像传感器的灵敏度；另外，本发明又针对小的寄生积分电容器会增大有源像素之间的失配从而增大CMOS有源像素图像传感器的固定图形噪声的问题，提出了在每个像素中配置一个用以向该像素引入已知的校准电流的开关从而借助于该已知的校准电流来精确地测量所选像素的偏移和固定图形噪声增益，实现像素级的校准，从而提供不仅灵敏度高而且具有改善的固定图形噪声补偿的CMOS有源像素图像传感器。
为此，本发明提供了一种CMOS有源像素图像传感器，具有由多个CMOS有源像素组成的像素阵列，其中每个像素包括：光敏元件，其在入射光照射下产生光电流；放大器，其输入端与所述光敏元件耦接，用于对所述光敏元件所产生的光电流进行放大；以及积分电容器，耦接在所述放大器输入端和输出端之间，用于对经过所述放大器放大的光电流进行积分，以获得积分电压，其特征在于，所述积分电容器由CMOS有源像素传感器制造工艺中形成的金属层之间或者多晶硅层之间的寄生耦合形成。
优选地，所述积分电容器由连续堆叠的金属层-氧化物层-金属层形成。
优选地，所述氧化物层为二氧化硅层。
优选地，通过另一氧化物层而置于所述积分电容器下方的金属层以及通过再一氧化物层而置于所述积分电容器上方的金属层接地。
所述积分电容器可以小于1fF。
优选地，所述积分电容器为0.7fF。
根据本发明的CMOS有源像素图像传感器中的每个像素还包括校准开关，该校准开关的源极连接到所述放大器输入端，漏极连接到校准总线，而栅极在一个校准控制信号的控制下将校准模式下所用的校准电流引入该像素，其中所述校准总线用于在校准模式下传输校准电流。
在根据本发明的CMOS有源像素图像传感器中，针对像素阵列中的每列像素设置一条校准总线。
优选地，所述校准电流与光电流具有相同的积分路径。
根据本发明的CMOS有源像素图像传感器中的每个像素还包括复位开关，其漏极连接至所述放大器输入端，源极连接至放大器输出端，而栅极由复位控制信号控制，所述复位开关在所述积分电容器对光电流进行积分前在所述复位控制信号的控制下对所述积分电容器进行复位，以在所述积分电容器上获得该像素的复位电压。
所述校准总线在成像模式下被施加一个偏置电压。
优选地，所述偏置电压等于所述复位电压。
根据本发明的CMOS有源像素图像传感器的每个像素还可以包括：积分电压采样电容器，用于在积分电压采样信号的控制下对积分电压进行采样，以获得采样的积分电压；以及复位电压采样电容器，用于在复位电压采样信号的控制下对复位电压进行采样，以获得采样的复位电压。
根据本发明的CMOS有源像素图像传感器的每个像素还可以包括：第一读出开关，用于对采样的积分电压进行缓冲，以在第一读出信号的控制下将采样的积分电压传输到第一列总线；以及第二读出开关，用于对采样的复位电压进行缓冲，以在第二读出信号的控制下将采样的复位电压传输到第二列总线。
根据本发明的CMOS有源像素图像传感器还可以包括：校准电流产生模块，产生针对像素阵列中的每列像素的校准电流；以及第一切换矩阵，用于将校准电流产生模块产生的校准电流切换到像素阵列中所选列的校准总线。
根据的CMOS有源像素图像传感器还可以包括：可变增益放大器阵列，包括多个可变增益放大器，每个可变增益放大器用于像素阵列中的每列像素，用于对从像素阵列中所选像素输出的积分电压进行放大以得到经过放大的积分电压；第二切换矩阵，用于对是否进一步处理经过放大的积分电压进行控制；模数转换器阵列，用于对经过第二切换矩阵输入的经过放大的积分电压进行量化；以及水平位移寄存器，用于将经过量化的积分电压移位到输出端。
本发明还提供了一种校准上述的CMOS有源像素图像传感器的方法，包括校准模式和成像模式，在校准模式下：使所选列的校准总线传输校准电流，而向其它列的校准总线施加一个偏置偏压；使所选列中所选像素的校准开关开启，以将校准电流引入所选像素；根据从水平移位寄存器输出的经过量化的积分电压来计算所选像素的偏移和增益失配；以及存储所计算出来的所选像素的偏移和增益失配；在成像模式下：向所有列的校准总线施加所述偏置偏压；从水平移位寄存器获取与所选像素的光敏元件受光激发后产生的光电流相对应的经过量化的积分电压；将所获取的经过量化的积分电压减去所计算出来的所选像素的偏移和增益失配来获得真实的所选像素的积分电压。
本发明针对常规的基于三个晶体管或四个晶体管的CMOS有源像素图像传感器中积分电容较大从而使得图像传感器灵敏度较低的问题，采用了CMOS图像传感器制造工艺中所形成的金属层之间或者多晶硅层之间的寄生耦合所形成的电容值非常小的电容器作为CMOS图像传感器中的积分电容器，这样形成的积分电容器的电容比常规的基于三个晶体管或四个晶体管的CMOS图像传感器中所使用的积分电容器的电容小一个数量级，因此能够显著地提高CMOS图像传感器的灵敏度；另外，发明人认识到，小的积分电容将增大像素之间的失配，从而导致固定图形噪声增大。为此，在本发明的CMOS图像传感器的每个有源像素中设置了一个开关晶体管，用于在校准模式下向该像素引入已知的校准电流，来准确地测量该像素的偏移和固定图形噪声增益。由于在每个像素中设置了用于向其中引入校准电流的开关晶体管，因此该方式能够以像素为单位对CMOS图像传感器进行校准，从而能够实现在没有光学器件存在的情况下，在电子领域补偿像素间的失配；优选地，所述校准电流遵循像素中的光敏元件在光激发下产生的光电流的相同路径在像素中进行积分，因此可以利用成像模式下的外围电路构造来实现校准模式下的像素级校准，从而能够采用相同的处理电路来对像素进行校准和成像；为了使得在每个像素中引入开关晶体管之后不会降低像素的性能，在成像模式下，使将已知校准电流引入像素的开关晶体管的漏极-源极电压接近零，这是通过在成像模式下使得在校准总线电压上施加的偏置电压等于像素的复位电压来实现的，以此来限制漏电流，改善成像性能。
附图说明
通过结合附图的以下描述，将会更容易地理解本发明并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示出了现有技术中CMOS图像传感器的框图；
图2示出了根据本发明的CMOS图像传感器的框图；
图3示出了根据本发明的CMOS图像传感器的像素电路图；
图4示出了图3所示的像素电路图中的各控制信号的时序图；
图5示出了根据本发明的CMOS图像传感器的像素中的积分电容器的截面图；
图6示出了根据本发明的向像素施加校准电流的示意图；
图7示出了根据本发明的如何通过控制各控制信号来实现像素级校准的示意图；
图8示出了进行FPN补偿前后的图像对比的示意图；
图9示出了CMOS图像传感器中所有像素的金属层-氧化物层-金属层构成的积分电容器（MOM积分电容器）的失配情况的示意图；
图10示出了在不同照明条件下拍摄的图像对比的示意图；
图11示出了根据本发明的CMOS图像传感器与其他现有CMOS图像传感器的多种参数比较的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易于理解，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。在本发明中，以示例方式，对本发明提出的CMOS图像传感器及其校准方法进行说明，但是本发明不限于所公开的优选实施例的具体形式。所属领域的技术人员可以根据本发明公开的内容对本发明进行修改和变型，这些修改和变型也应当属于由权利要求限定的本发明的保护范围。
本发明针对现有技术中CMOS图像传感器中积分电容较大从而使得灵敏度较低的问题，提出了采用在CMOS图像传感器制造工艺中所形成的金属层之间或多晶硅层之间的寄生耦合形成的小电容电容器来作为CMOS图像传感器的积分电容器，以提高CMOS图像传感器的灵敏度。
另外，发明人认识到，采用上述方式形成的小电容的积分电容器会增大整个CMOS图像传感器的像素之间的失配从而增大CMOS图像传感器的固定图形噪声。为了降低固定图形噪声，在本发明的CMOS图像传感器的每个像素中另外设置了一个开关晶体管，其置于针对像素阵列中的每一列像素而设置的用于传递校准电流的校准总线和该像素之间，与该像素中的像素积分节点耦接，用于在校准模式下将已知的校准电流引入该像素中，来测量像素的偏移和固定图像噪声增益，测得的像素偏移和固定图形噪声增益可以存储在存储器中；在成像模式下，断开所述开关晶体管，对光敏元件受光激发产生的光电流进行积分，并且通过相同的量化模块来量化积分电压，然后减去在校准模式下测得的像素的偏移和固定图形噪声增益，以此方法来在提高CMOS图像传感器灵敏度的同时降低整个CMOS图像传感器的像素之间的失配或电路失配导致的固定图形噪声。
图1示出了现有技术中的CMOS图像传感器（CIS）的构造的框图。该CMOS图像传感器包括由M*N个像素构成的像素阵列100、可变增益放大器阵列101、开关矩阵103和ADC阵列102。可变增益放大器阵列101具有针对每列的可变增益放大器VGA，该可变增益放大器VGA具有相关双采样（CDS）功能，可由相关双采样放大器或相关双采样电路构成。通常，为了校正CMOS图像传感器中外围电路或像素之间的失配导致的固定图形噪声，采用了在像素复位和积分周期结束的不同时间对CMOS像素输出进行双采样、然后用积分周期结束时的像素输出值减去像素复位时的像素输出值来去除固定图形噪声。开关矩阵103在控制信号的控制下将经过可变增益放大器放大的积分电压输出到ADC阵列102，以进行模数转换，然后将经过量化的积分电压Dimage输出。ADC阵列102中的模数转换器（ADC）1021的数量取决于像素阵列的尺寸和速度要求以及所选的ADC结构。有关具有可变增益放大器（VGA）和相关双采样功能的CIS结构的教导可以参见美国专利No.6222175B1。有关对CIS的ADC阵列设计的教导可以参见美国专利No.6512546B1、美国专利No.6953923B2、美国专利No.7015844B1和美国专利No.7876371B2。
如图1所示，在可变增益放大器阵列101和开关矩阵103之间还可以设置其他信号处理模块，以在将信号进一步传递到ADC阵列102进行模数转换之前对所获取的积分电压信号进行所需的额外处理，由于这些额外处理与本发明思想无关，在此省略对它们的描述。
如上所述，为了提高CMOS图像传感器的灵敏度，本发明采用在CMOS图像传感器制造工艺中形成的金属层之间或多晶硅层之间的寄生耦合形成的电容值较小的电容器作为积分电容器，由于该小电容的积分电容器会增加整个CMOS图像传感器的像素之间的失配，从而增加CMOS图像传感器的固定图形噪声，因此本发明在各个像素中引入了已知的校正电流来校正各个像素的偏移和固定图形噪声增益。
图2示出了根据本发明的CIS构造的框图。如图2所示的根据本发明的CIS包括校准电流产生模块201、切换矩阵202、像素阵列203、可变增益放大器阵列204、开关矩阵205、ADC阵列206和水平移位寄存器207。其中，可变增益放大器阵列204、开关矩阵205和ADC阵列206的结构和功能均可与图1所示的现有技术的CIS构造中所包括的可变增益放大器阵列104、开关矩阵103和ADC阵列102相同。校准电流产生模块201针对每列像素产生在校准模式下所使用的校准电流Ical2011。相应地，根据本发明的CIS还包括切换矩阵202，其用于把校准电流产生模块201所产生的针对每列像素的校准电流Ical2011切换到像素阵列203中的对应列。可变增益放大器阵列204与图1所示的VGA阵列101可以相同，具有针对每列像素的增益放大器VGA，而每个增益放大器VGA均具有相关双采样功能，这种相关双采样功能可以由相关双采样放大器或相关双采样电路来实现，其用于放大来自像素阵列203的积分电压。通过切换矩阵205，经过前级放大后的积分电压信号由ADC阵列206进行量化。经过量化的积分电压Dimage由水平移位寄存器207移位到CIS芯片的输出。
相对于现有技术，可以看出，本发明的CIS构造中不仅另外设置了用于产生校准电流以对像素之间的失配进行补偿的校准电流产生模块201和与其相对应设置的用于对像素阵列中所选列进行选择的开关矩阵202，还另外设置了水平移位寄存器207。这是因为，为了降低由于灵敏度提高而增大的CMOS图像传感器的固定图形噪声，本发明的CMOS图像传感器需要在两种模式下操作：校准模式和成像模式。在校准模式下，利用输入到每个像素中的已知校准电流对该像素的偏移和FPN增益进行测量，所测量的结果将通过本发明的CIS构造中设置的水平移位寄存器207来移位到存储器中，以在之后的成像模式中取出，用来补偿固定图形噪声增益。因此，与现有技术中的CMOS图像传感器构造相比，本发明在校准模式下获得的每个像素的偏移和固定图形噪声增益将被预先存储起来以与成像模式中获得的积分电压Dimage进行相减，以此方式来补偿固定图形噪声。
图3示出根据本发明的CMOS图像传感器的像素2031的像素电路图。像素2031包括作为光敏元件的光电二极管304，其在光激发下产生光电流Iph311。放大器305输入端与光电二极管304在像素积分节点Vx处耦接，用于对光电二极管304受光激发产生的光电流Iph311进行放大。经过放大的光电流通过耦接在放大器305两端的积分电容器Cint307进行积分。在积分之前，利用开关M1308、通过施加在开关M1308上的控制信号来使积分电容器Cint307复位。控制信号首先控制积分电容器Cint307的复位电压Vr在电容器Cr310上被采样。积分周期结束时，控制信号控制积分电容器Cint307的积分电压Vs在电容器Cs309上被采样。复位电压Vr和积分电压Vs的电压采样分别通过第一读出晶体管312和第二读出晶体管313被缓冲并且分别通过两个控制信号驱动两条列总线302和303来通过这两条列总线302和303将复位电压Vr和积分电压Vs的电压采样输出。开关M4306耦接在校准总线301和像素2031的积分节点Vx之间以启用校准模式。开关M4306由控制信号进行控制，用以控制是否将流经校准总线301的校准电流Ical2011引入到像素2031。
开关M4306可以为开关晶体管，其栅极由控制信号进行控制，以控制该开关晶体管的开启与关断。在校准模式下，当校准总线301被选择从而其中有校准电流传导并且开关晶体管由控制信号号控制为开启时，该像素2031被选择进行校准，校准总线301中传输的已知校准电流Ical2011被引入到像素2031中，用来计算和获得该像素的偏移和增益失配数据，以在成像模式中用于补偿该像素的固定图形噪声。基于此，本发明可以实现像素级的校准和固定图像噪声补偿。
本发明的CMOS图像传感器的改进之处在于利用CIS制造工艺中形成的金属层之间或多晶硅层之间的寄生耦合形成的小电容作为每个像素中的积分电容器Cint307，其电容值非常小，可以低于1fF，比常规的基于三个晶体管的CMOS有源像素传感器或者基于四个晶体管的CMOS有源像素传感器中的积分电容器的电容值小一个数量级。
在本发明中，采用寄生耦合所形成的较小电容值的积分电容器对CIS像素中的光敏元件受光激发产生的光电流进行积分来提高CIS的灵敏度。然而，小的寄生积分电容器增加了像素之间的失配，从而增大固定图形噪声。为此，本发明在每个像素中设置了一个用于将已知的校准电流引入该像素的开关晶体管，该开关晶体管设置在为每列像素设置的用于传递校准电流产生模块产生的校准电流的校准总线与像素中的积分节点之间，通过其开启和断开来控制是否向该像素引入校准电流，从而实现了像素级的校准。
可以根据实际的CIS制造工艺选择所采用的开关晶体管306。如上所述，在本发明的CMOS有源像素图像传感器中设置开关晶体管306是为了向采用小寄生电容的积分电容器的像素中引入已知的校准电流来补偿采用小积分电容器所带来的固定图形噪声增益。因此，可以根据实际需要，选择设置在各个像素中的开关晶体管306，只要其能够在校准模式下将校准总线中的已知校准电流引入像素中即可，这对于本领域技术人员而言是容易实现的，因此本发明对开关晶体管306没有具体限制。
根据本发明，参照图3所示的像素电路图。在校准模式下，将CIS覆盖，以避免其中的光敏元件受光激发产生光电流，此时通过开关矩阵202、校准总线301和像素内设置的开关晶体管306来选择要进行校准的像素，并且使得在所选像素中仅仅有校准电流流过并且被积分，而针对该校准电流所产生的复位电压和积分电压通过列总线302和列总线303传递到对应的可变增益放大器204，利用其所具有的相关双采样功能计算出针对所注入的已知校准电流的积分电压，然后将针对该已知校准电流的积分电压进行量化并且利用水平移位寄存器207输出到存储器中进行存储，所存储的经过量化的积分电压即为该像素的偏移和固定图形噪声增益。在成像模式下，将校准总线进行偏置，使其中没有校准电流流过，并且断开像素中的用于传输校准电流的开关晶体管，此时仅仅对CIS中光敏元件被光激发产生的光电流进行积分，然后将针对光电流产生的复位电压和积分电压从列总线302和列总线303传递到对应的可变增益放大器204，利用其所具有的相关双采样功能计算出针对光电流的积分电压，然后将针对光电流的积分电压进行量化并且利用水平移位寄存器207输出，然后减去存储器中存储的针对该像素的像素偏移和固定图形噪声增益，以获得真实的光电流积分产生的积分电压，从而实现补偿固定图形噪声的目的。
图4示出根据本发明的像素2031中各控制信号 和在成像帧中的典型像素电压的时序图。首先，复位信号首先关断，由于光电流的积分，像素电压Vn开始建立。经过一段较短的时间，复位电压采样信号继而关断。电容器Cr310对像素的复位电压Vr进行采样，其中包括复位噪声。最后，像素电压采样信号会关断。电容器Cs309对积分电压Vs进行采样，其中积分电压Vs和复位电压Vr之间的差值是与该像素中的积分电流成正比的。积分周期结束后，第一读出开关312和第二读出开关313开启并将积分电压Vs和复位电压Vr传递到列总线302和303。在现有的实施方式中，均没有实现同帧图像的积分电压Vs和复位电压Vr的相关双采样。
图5示出了根据本发明的一个实施例的积分电容器的截面图。在图5所示的积分电容器的截面图中，最下层为P型衬底，该P型衬底上的填充层均为绝缘层，可以为二氧化硅或其他绝缘材料；未被填充的白色层为金属层，可以为铝、铜或者其他金属互连金属。其中M1层和M层均为金属层。在该实施例中，本发明的积分电容器Cint307是由连续堆叠的金属层M3502-氧化物层500-金属层M4501所形成的MOM电容器，其中，金属层M3502作为MOM电容器的下极板、金属层M4501作为MOM电容器的上极板，上极板和下极板之间为氧化物层，这样形成的电容器为MOM电容器，而不是通常的金属电容器（MIM）。所述氧化物层500可以是SiO2层。由于形成MOM电容器的上极板和下极板的面积非常小、并且所形成的MOM电容器是采用通用的金属层间耦合来实现的而不是由特殊制造的间距更小的金属电容器（MIM），因此积分电容器Cint307的电容值非常小。由于积分电容器Cint307的电容值非常小，所以避免其耦合到像素中的其他信号线是非常重要的。在该实施例中，可以把通过氧化物层置于金属层M3502下方的金属层M2503和通过氧化物层置于金属层M4501上方的金属层M5504接地，从而使得MOM电容器与其它信号线屏蔽。在该实施例中，MOM电容器的电容值通常小于1fF，可以小到0.7fF。
在本实施例中，采用CIS制造工艺中形成的金属层M3502和金属层M4501的金属层间寄生耦合形成的电容器作为CMOS有源像素图像传感器中的积分电容器。实际上，可以根据需要，选择在CIS制造工艺中所形成的任意连续堆叠的金属层-氧化物层-金属层或者多晶硅层-氧化物层-多晶硅层构成的电容器作为CMOS图像传感器的积分电容器，而不限于图5中所示的金属层M3502-氧化物层-金属层M4501构成的电容器。
在本发明中，采用CIS制造工艺中形成的金属层间或多晶硅层间的寄生耦合所形成的小电容值的电容器作为本发明的CMOS图像传感器的积分电容器，因此可以显著地提高CMOS图像传感器的灵敏度。
虽然小积分电容器使得CMOS图像传感器的灵敏度大大提高，但是这也使得像素阵列中的像素失配变得非常严重，从而产生了FPN增益。
为了降低小电容值的积分电容器所导致的严重像素失配从而产生FPN增益，如图3所示，本发明在像素中增加了一个开关晶体管306，用于将通过校准总线301引入的已知校准电流引入像素中，通过已知校准电流来对本发明的像素中较大的固定图形噪声进行补偿，以在提高CMOS图像传感器灵敏度的同时降低固定图形噪声。
图6示出了在校准模式下如何将校准电流Ical2011引入像素的方法。同时参照附图2和3，首先，利用切换矩阵202来选择要将校准电流Ical2011传递到的第j列校准总线301。为了将校准电流Ical2011传递到所选的像素(i,j)，需要开启该像素中的开关M4306（图6中未示出），而将其他像素的开关M4306均关闭。除了第j列，其他列的校准总线均被偏置。优选地，使得偏置电压Vcm接近像素的复位电压。因此，在这些列中的开关M4306的漏源电压接近于零，这使得注入到这些像素中的漏电流降至最低。在该校准模式中，将CIS覆盖以避免其中的光敏元件被光激发产生光电流。由以上描述可以看出，在校准模式下，本发明通过针对每列像素设置的校准总线301和每个像素中设置的开关晶体管M4306可以选择特定的像素来向其输入已知的校准电流，以便准确地计算出该被选像素的偏移和固定图形噪声增益，从而实现了像素级校准和补偿。
下面参照图7具体地描述校准模式下的漏电情况。
示图701示出未被选择的列中的像素7011。校准总线301被施加了偏置电压Vcm。在复位控制信号变为低电平时，积分电容器Cint开始进行积分。由于CIS被覆盖，主要电流是从开关晶体管M4泄漏的电流。开关晶体管M4具有亚阈值漏电流Ilk,t和基板漏电流Ilk,s。由于开关晶体管M4很小，基板漏电流Ilk,s通常远小于作为光敏元件的光电二极管PD的暗电流。由于偏置电压Vcm与积分节点处的Vx的值在积分期间很接近并且栅-源电压为负，因此亚阈值电压接近于零。
示图702显示选定列中的两个像素。当开关晶体管M4上的控制信号变为低电平，像素7021不会被选择用于校准。当变为高电平，像素7022会被选择用于校准。当校准总线301上的电压被像素7022偏置时，其偏置电压值会很接近像素7021的复位电压值。与像素7011类似，像素7021的漏电流会低于光电二极管的暗电流。而像素7022对校准电流Ical2011进行了积分。
根据本发明，在CIS中，设置了用于产生校准电流的校准电流产生模块和与之相对应设置的开关矩阵。在校准模式下，由校准电流产生模块产生的一组校准电流在开关矩阵的控制下注入像素阵列中的对应列的校准总线。然后，通过在每个像素中设置的开关晶体管来选择要注入校准电流的像素。在校准模式下，使得CIS结构被覆盖，以避免其中的光敏元件受光激发产生光电流，此时要确保仅有校准电流注入像素，而该校准电流与光敏元件受光激发产生的光电流具有相同的积分路径，因此可以采用用于对光敏元件受光激发产生的光电流相同的积分路径对校准电流进行积分。校准模式下像素的积分电压由CIS量化路径进行量化。量化后的数字编码利用CIS以外的数字处理器来计算像素偏移和增益。取决于可用的硬件资源可以使用各种外插法进行该计算。计算后的像素偏移和增益将被存储在存储器中。在成像模式下，利用开关矩阵202断开校准电流与每列的校准总线之间的连接，并且将校准总线进行偏置，并且断开每个像素中的用于注入校准电流的校准开关，使得该像素处于成像模式。在成像模式下，来自像素的光敏元件受光激发后产生的数字化的积分电压信号将减去存储在存储器中的该像素的偏移和增益，从而来进行固定图形噪声补偿。
本发明的CIS芯片可以在0.18微米CMOS工艺下制造。该芯片可以包括一个256×256像素阵列，在1500fps下成像。
图8至图11分别显示所测量的根据本发明方法制备的CIS芯片的相关性能。
图8示出了在10lux照明条件下CIS拍摄出的图像。图片801是没有经过FPN补偿的图像。图片802显示了经过FPN补偿后的图像，从而可以看出FPN补偿后的图像质量被大大提高。
图9示出了在整个根据本发明的CIS芯片中的所有像素中计算出的MOM积分电容器的电容大小，其整体上的失配约5.6％。
在该示例中，作为积分电容器的MOM电容器均值μMOM=0.7008fF，方差σMOM=0.0391fF。
图10示出一组在1500fps与不同的照明条件下拍摄的图像。图像1001是在0.1lux照明条件下拍摄的，其图像强度被放大40分贝。图像1002是在1lux照明条件下拍摄的，其图像强度被放大20分贝。图像1003是在10lux照明条件下拍摄的。根据本发明的CIS可在低至约0.1lux照明条件下捕捉图像。
图11是对根据本发明制作的CIS与现有技术中存在的其他CIS的性能进行比较的示图。与过去发表于IEEE Journal of Solid-StateCircuits and IEEE Transactions on Electronic Devices的高速CIS设计基准的性能进行比较，从根据本发明的CIS所得的测试结果比以前所有设计的灵敏度更高并且具有相当低的FPN。
基于以上内容，本发明可以概括为以下构思：
构思1.一种CMOS成像传感器结构，具有高灵敏度和低固定图形噪声，其至少包括：
像素阵列，具有包括小寄生积分电容器的多个像素；
校准电流产生模块；以及
像素电压量化模块。
构思2.如构思1的结构，其中，所述像素具有由金属层或多晶硅层之间的寄生耦合电容形成的积分电容器。
构思3.如构思2的结构，其中，所述积分电容远远小于常规浮动漏极电容器。
构思4.如构思1的结构，其中，所述结构在两种模式下工作：校准模式和成像模式。
构思5.如构思1的结构，其中，所述像素具有开关，用以在校准模式下将校准电流引入所述像素。
构思6.如构思5的结构，其中，所述像素阵列中的所有像素的所述开关具有小的漏极-源极电压，以最小化亚阈值漏电流。
构思7.如构思4的结构，其中，所述传感器在校准模式下生成像素偏移和增益失配数据，并且在成像模式下用所述失配数据来补偿固定图形噪声。
构思8.如构思1的结构，其中，所述传感器的固定图形噪声通过包括以下步骤的方法来进行补偿：
1）在校准模式下，将一组校准电流有选择地引入所述像素中；
2）通过所述量化模块来量化所述像素的积分电压；
3）根据量化的校准电流计算像素偏移和增益失配；
4）在存储器中存储每个像素的偏移和增益失配数据；
5）在成像模式下切断校准电流；
6）使用所述量化模块来对光电流积分电压进行量化；
7）从光电流积分电压中减去所述偏移和增益失配数据。
构思9.在快速帧速率下实现高灵敏度并且能够进行像素级校准的CMOS成像传感器的像素电路至少包括：
列总线，传递像素积分电压信号；
校准总线，传递校准电流；
感应光的光电二极管；
像素内放大器，将光电二极管连接到输出节点；
与像素内放大器并联连接的寄生积分电容器；
与电容器并联连接的复位开关；
较大的电容器，用于对像素的复位电压进行采样；
源跟随器和选择开关，用于驱动列总线；以及
校准开关，将二极管与校准总线连接起来。
构思10.如构思9的电路，其中，所述校准开关在校准模式下将校准电流引入像素。
构思11.如构思9的电路，其中，如果一列未被选择进行校准，则所述校准总线被偏置为像素复位电压。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (18)
1.一种CMOS有源像素图像传感器，具有由多个CMOS有源像素组成的像素阵列，其中每个像素包括：
光敏元件（304），其在入射光照射下产生光电流（311）；
放大器（305），其输入端与所述光敏元件（304）耦接，用于对所述光敏元件（304）所产生的光电流（311）进行放大；以及
积分电容器（307），耦接在所述放大器（305）输入端和输出端之间，用于对经过所述放大器（305）放大的光电流进行积分，以获得积分电压，
其特征在于，所述积分电容器（307）由CMOS有源像素传感器制造工艺中形成的金属层之间或者多晶硅层之间的寄生耦合形成。
2.根据权利要求1所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述积分电容器（307）由连续堆叠的金属层-氧化物层-金属层形成。
3.根据权利要求2所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述氧化物层为二氧化硅层。
4.根据权利要求2所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，通过另一氧化物层而置于所述积分电容器（307）下方的金属层以及通过再一氧化物层而置于所述积分电容器（307）上方的金属层接地。
5.根据权利要求4所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述积分电容器小于1fF。
6.根据权利要求5所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述积分电容器为0.7fF。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，每个像素还包括校准开关（306），该校准开关（306）的源极连接到所述放大器（305）输入端，漏极连接到校准总线（301），而栅极在一个校准控制信号的控制下将校准模式下所用的校准电流（2011）引入该像素，其中所述校准总线（301）用于在校准模式下传输校准电流（2011）。
8.根据权利要求7所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，针对所述像素阵列中的每列像素设置一条校准总线（301）。
9.根据权利要求7所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述校准电流与光电流具有相同的积分路径。
10.根据权利要求7所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，每个像素还包括复位开关（308），其漏极连接至所述放大器（305）输入端，源极连接至放大器（305）输出端，而栅极由复位控制信号控制，所述复位开关（308）在所述积分电容器（307）对光电流进行积分前在所述复位控制信号的控制下对所述积分电容器（307）进行复位，以在所述积分电容器（307）上获得该像素的复位电压。
11.根据权利要求10所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述校准总线（301）在成像模式下被施加一个偏置电压。
12.根据权利要求11所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述偏置电压等于所述复位电压。
13.根据权利要求10所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，每个像素还包括：
积分电压采样电容器（309），用于在积分电压采样信号的控制下对积分电压进行采样，以获得采样的积分电压；以及
复位电压采样电容器（310），用于在复位电压采样信号的控制下对复位电压进行采样，以获得采样的复位电压。
14.根据权利要求13所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，每个像素还包括：
第一读出开关（312），用于对采样的积分电压进行缓冲，以在第一读出信号的控制下将采样的积分电压传输到第一列总线（302）；以及
第二读出开关（313），用于对采样的复位电压进行缓冲，以在第二读出信号的控制下将采样的复位电压传输到第二列总线（303）。
15.根据权利要求7所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，还包括：
校准电流产生模块（201），产生针对像素阵列中的每列像素的校准电流；以及
第一切换矩阵（202），用于将校准电流产生模块产生的校准电流切换到像素阵列中所选列的校准总线。
16.根据权利要求15所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，还包括：
可变增益放大器阵列（204），包括多个可变增益放大器，每个可变增益放大器用于像素阵列中的每列像素，用于对从像素阵列中所选像素输出的积分电压进行放大以得到经过放大的积分电压；
第二切换矩阵（205），用于对是否进一步处理经过放大的积分电压进行控制；
模数转换器阵列（206），用于对经过第二切换矩阵（205）输入的经过放大的积分电压进行量化；以及
水平位移寄存器（207），用于将经过量化的积分电压移位到输出端。
17.一种校准如权利要求16所述的CMOS有源像素图像传感器的方法，包括：
校准模式：
使所选列的校准总线传输校准电流，而向其它列的校准总线施加一个偏置偏压；
使所选列中所选像素的校准开关（306）开启，以将校准电流引入所选像素；
根据从水平移位寄存器（207）输出的经过量化的积分电压来计算所选像素的偏移和增益失配；以及
存储所计算出来的所选像素的偏移和增益失配；
成像模式：
向所有列的校准总线施加所述偏置偏压；
从水平移位寄存器（207）获取与所选像素的光敏元件受光激发后产生的光电流相对应的经过量化的积分电压；
将所获取的经过量化的积分电压减去所计算出来的所选像素的偏移和增益失配来获得真实的所选像素的积分电压。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述偏置偏压接近所选像素的复位电压。
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Also Published As
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|---|---|
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