CN103474443B - 用于测量cmos图像传感器转换增益的像素单元及方法 - Google Patents

用于测量cmos图像传感器转换增益的像素单元及方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元及方法，通过增加一辅助测量单元，其包括与悬浮漏极相并联的一个或多个附加电容，在同样条件下，对第一像素单元和第二像素单元进行光响应测量，根据两种像素单元相对应的输出信号及附加电容的电容值，以计算出悬浮漏极的电容值，进而得到CMOS图像传感器转换增益。因此，本发明的一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元及方法，能精确地测量CMOS图像传感器悬浮漏极的电容，进而计算出像素单元的转换增益，以保证像素性能评估的准确性。

Description

用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元及方法
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元及方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，根据元件的不同，可分为电荷耦合元件（Charge Coupled Device，简称CCD）和金属氧化物半导体元件（ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，简称CMOS）两大类。CMOS图像传感器和传统的CCD图像传感器相比具有低功耗，低成本以及与CMOS工艺兼容等优点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机（DSC），手机摄像头，摄像机和数码单反（DSLR）中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。如图1所示，典型的像素单元的元器件包括：光电二极管101、传输晶体管102、复位晶体管104、源极跟随晶体管105和行选择晶体管106。其中，光电二极管101是感光单元，负责将光子转换为电子，传输晶体管102负责将光电二极管101中产生的电子传输到悬浮漏极103，悬浮漏极103将收集到的电荷转换为电压信号，源极跟随晶体管105将电压信号放大，行选择晶体管106负责选中像素单元并将电压信号Vout1输出到外围处理电路。如图2所示为基于图1的CMOS图像传感器像素单元的版图结构示意图，其还包括用于形成器件的有源区和栅极，用于互连的接触孔和金属连线，进行电荷向电压转换的悬浮漏极103’。
在CMOS图像传感器芯片的各种性能评价指标中，像素单元的转换增益（Conversion Gain，简称CG）是一个重要的评价指标，这是因为需要通过转换增益才能计算出像素单元的其它性能指标，例如量子效率、信噪比和动态范围等。像素单元的转换增益是指一个光生载流子在电荷向电压转换的节点上引起的电压变化幅度，其中，在有源像素单元中此转换节点通常是悬浮漏极。其计算公式如下：
CG=△V/n ①
其中，△V为电压变化，n为光生载流子数
而△V=Q/CFD=q*n/CFD ②
其中，Q为光生载流子的电荷量，CFD为悬浮漏极的电容，q为单位电荷
将②式带入①可知，转换增益CG=q/CFD ③
由③式可知，只需知道悬浮漏极的电容就可得到像素单元的转换增益。悬浮漏极的电容CFD是一个节点电容，主要包括结电容、源漏与栅极的耦合电容、栅电容和金属之间的耦合电容等，但由于悬浮漏极电容的每个分电容的面积较小，为此悬浮漏极的电容值通常仅为几个fF，而现有电容测量仪器所能测到的电容值最小是几十fF，所以就无法通过直接测量得到悬浮漏极的电容，进而得到像素单元的转换增益。
现有技术中，CMOS图像传感器像素单元的转换增益是通过统计的方法来估算，即把光生载流子的吸收看成泊松分布，通过连续测量100幅以上的图像，统计输出数据的标准偏差，标准偏差和输出电压之间的比值为转换增益。但这种方法的缺点是工作量大，而且估算值可能和实际值之间有较大误差，造成后续像素性能评估的不准确。
为此，如何精确地测量CMOS图像传感器悬浮漏极的电容，进而计算出像素单元的转换增益，以保证像素性能评估的准确性，是目前业界急需解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的为，针对上述问题，提出了一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元，该像素单元通过增加一辅助测量单元，其包括与所述悬浮漏极相并联的一个或多个附加电容。
为达成上述目的，本发明用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元，包括:
光电二极管；
与所述光电二极管相连的传输晶体管；
位于有源区上的悬浮漏极；以及
共用有源区的复位晶体管、源极跟随晶体管和行选择晶体管；
其特征在于，还包括
辅助测量单元，其包括与所述悬浮漏极相并联的一个或多个附加电容。
优选地，所述的附加电容是MIM、MOM或MOS电容。
优选地，所述的附加电容经由金属连线与所述悬浮漏极及所述源极跟随晶体管的栅极相连。
优选地，所述附加电容通过接触孔由金属连线与所述悬浮漏极的接触孔相连接，以与所述悬浮漏极相连。
为达成上述目的，本发明还提供一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤S1：于光电二极管端通入一定光强的入射光，其中，所述光电二极管用于将光子转换为电子；
步骤S2：由传输晶体管将所述光电二极管中产生的电子传输到悬浮漏极，进而转换为电压信号，并由源极跟随晶体管对电压信号进行放大，以及
通过行选择晶体管选中第一像素单元，得到输出信号Vout1；
步骤S3：然后，与所述第一像素单元悬浮漏极外相并联一个或多个附加电容，得到第二像素单元；
步骤S4：同样条件下，通过行选择晶体管选中所述第二像素单元，得到输出信号Vout2；
步骤S5：通过输出信号比值，以计算出所述悬浮漏极的电容值，进而得到CMOS图像传感器转换增益。
优选地，所述附加电容的电容值可由单位电容与附加电容面积的乘积得出。
优选地，同样条件是指测试的起始条件、过程条件、及相应的其他技术手段皆相同。
优选地，与所述第一像素单元的悬浮漏极相并联一个附加电容Ca的情况下，所述输出信号比值Vout1/Vout2=(Ca+CFD)/CFD。
优选地，所述CMOS图像传感器转换增益CG=q/CFD，其中，q为单位电荷，CFD为悬浮漏极的电容。
从上述技术方案可以看出，本发明的一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元及方法，通过增加一辅助测量单元，其包括与悬浮漏极相并联的一个或多个附加电容，在同样条件下，对第一像素单元和第二像素单元进行光响应测量，根据两种像素单元相对应的输出信号及附加电容的电容值，以计算出悬浮漏极的电容值，进而得到CMOS图像传感器转换增益。因此，本发明的一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元及方法，能精确地测量CMOS图像传感器悬浮漏极的电容，进而计算出像素单元的转换增益，以保证像素性能评估的准确性。
附图说明
图1为现有技术中CMOS图像传感器像素单元的电路结构示意图；
图2为现有技术中CMOS图像传感器像素单元的版图结构示意图；
图3为本发明用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元一具体实施例的电路结构示意图；
图4为本发明用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元一具体实施例的版图结构示意图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。
上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图2-4对本发明的用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元及方法进行详细说明。
图2为现有技术中CMOS图像传感器像素单元的版图结构示意图。
请参阅图2，第一像素单元包括光电二极管101’，其中，光电二极管101’是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，用于将光子转换为电子；与光电二极管101’相连的传输晶体管102’，用于将光电二极管101’中产生的电子传输到悬浮漏极103’；位于有源区上的悬浮漏极103’，将收集到的电荷转换为电压信号；以及共用有源区的复位晶体管104’、源极跟随晶体管105’和行选择晶体管106’，主要实现对光电二极管101’的选中，复位，信号放大和读出的控制，进一步地，源极跟随晶体管105’用于将电压信号放大，行选择晶体管106’负责选中像素单元并将电压信号输出到外围处理电路。此外，还包括用于形成器件的有源区和栅极，用于互连的接触孔和金属连线。
图3为本发明用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元一具体实施例的电路结构示意图。
请参阅图3，第二像素单元包括光电二极管201，其中，光电二极管201是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，用于将光子转换为电子；与光电二极管201相连的传输晶体管202，用于将光电二极管201中产生的电子传输到悬浮漏极203；位于有源区上的悬浮漏极203，将收集到的电荷转换为电压信号；以及共用有源区的复位晶体管204、源极跟随晶体管205和行选择晶体管206，主要实现对光电二极管201的选中，复位，信号放大和读出的控制，进一步地，源极跟随晶体管205用于将电压信号放大，行选择晶体管206负责选中像素单元并将电压信号Vout1输出到外围处理电路。还包括一辅助测量单元207，其包括与悬浮漏极203相并联的一个或多个附加电容，其中，该附加电容结构简单，面积计算方便，其电容值可由单位电容与附加电容面积的乘积得出，进一步地，该附加电容可以是MIM、MOM或MOS电容中的一种或多种。在本实施例中，该辅助测量单元207包括与悬浮漏极203相并联的一个附加电容Ca，那么相应地第二像素单元的悬浮漏极203电容为CFD+Ca。
图4为本发明用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元一具体实施例的版图结构示意图。
请参阅图4，第二像素单元，还包括用于形成器件的有源区和栅极，用于互连的接触孔和金属连线。在本实施例中，辅助测量单元207’经由金属连线与悬浮漏极203’及源极跟随晶体管205’的栅极相连，进一步地，该辅助测量单元207’通过接触孔由金属连线与悬浮漏极203’的接触孔相连接，进而以与悬浮漏极相连。通过一定光强条件下，将第一像素单元和第二像素单元的版图结构同时搭载在测试芯片中，并使用标准的CMOS图像传感器工艺进行流片，对第一像素单元和第二像素单元进行光学特性测量，得到第一像素单元的输出Vout1，第二像素单元的输出Vout2。其中，第一像素单元悬浮漏极103’的电容为CFD，第二像素单元悬浮漏极203’的电容为CFD+Ca。
具体地，用于测量CMOS图像传感器转换增益的方法包括以下步骤：
步骤S1：请参阅图2，于光电二极管101’端通入一定光强的入射光，其中，该光电二极管101’是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，用于将光子转换为电子。
步骤S2：请参阅图2，由传输晶体管102’将光电二极管101’中产生的电子传输到悬浮漏极103’，进而转换为电压信号，并由源极跟随晶体管104’对电压信号进行放大，以及通过行选择晶体管105’选中第一像素单元，得到输出信号Vout1，其中，第一像素单元悬浮漏极103’的电容为CFD。
步骤S3：然后，请参阅图4，与第一像素单元的悬浮漏极相并联的一个或多个附加电容Ca，得到第二像素单元。其中，该附加电容Ca结构简单，面积计算方便，其电容值可由单位电容与附加电容面积的乘积得出，进一步地，该附加电容Ca可以是MIM、MOM或MOS电容中的一种或多种。
需要说明的是，第二像素单元可以是与第一像素单元悬浮漏极相并联的一个附加电容的像素结构，也可以是与第一像素单元悬浮漏极相并联的多个附加电容的像素结构。下文仅以第二像素单元为第一像素单元悬浮漏极外并联一个附加电容的像素结构为例进行详细说明，其他像素结构的测量方法与其基本相同，可参照本实施例修改，在此不再赘述。
步骤S4：同样条件下，通过行选择晶体管206’选中所述第二像素单元，得到输出信号Vout2，其中，同样条件是指测试的起始条件、过程条件、及相应的其他技术手段皆相同，其包括但不仅限于第一像素单元和第二像素单元中的光电二极管感光面积、外围晶体管的尺寸、测试过程的技术手段，所采用的工艺等。在本实施例中，第二像素单元为第一像素单元悬浮漏极外并联一个附加电容的像素结构，相应地，第二像素单元悬浮漏极203’的电容为CFD+Ca。
总而言之，在本实施例中，第二像素单元仅比第一像素单元多一测量辅助单元207’，即与悬浮漏极203’相并联的一个附加电容，其他各部分都完全相同。
步骤S5：通过输出信号比值，以计算出悬浮漏极103’的电容值，进而得到CMOS图像传感器转换增益。由于像素单元的输出信号△V=Q/CFD=q*n/CFD，其中n为光生载流子数，而第一像素单元和第二像素单元的光电二极管面积相同，因此二者的光生载流子n也相同，即可得出输出信号和悬浮漏极电容的比例关系。在本实施例中，与第一像素单元悬浮漏极外并联一个附加电容Ca的情况下，其输出信号比值Vout1/Vout2=(Ca+CFD)/CFD。其中，该附加电容Ca结构简单，面积计算方便，其电容值可由单位电容与附加电容面积的乘积得出，进而可以计算出悬浮漏极103’的电容。而根据CMOS图像传感器转换增益CG=q/CFD可知，其中，q为单位电荷，CFD为悬浮漏极的电容，可以精确测量出CMOS图像传感器像素单元的转换增益以及其它性能指标，以保证像素性能评估的准确性。
综上所述，本发明的一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元及方法，通过增加一辅助测量单元，其包括与悬浮漏极相并联的一个或多个附加电容，在同样条件下，对第一像素单元和第二像素单元进行光响应测量，根据两种像素单元相对应的输出信号及附加电容的电容值，以计算出悬浮漏极的电容值，进而得到CMOS图像传感器转换增益。因此，本发明的一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元及方法，能精确地测量CMOS图像传感器悬浮漏极的电容，进而计算出像素单元的转换增益，以保证像素性能评估的准确性。
以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元，包括:
光电二极管；
与所述光电二极管相连的传输晶体管；
位于有源区上的悬浮漏极；以及
共用有源区的复位晶体管、源极跟随晶体管和行选择晶体管；
其特征在于，还包括
辅助测量单元，其包括与所述悬浮漏极相并联的一个或多个附加电容，所述附加电容的电容值可由单位电容与附加电容面积的乘积得出，使得该像素单元的悬浮漏极的电容为悬浮漏极电容与一个或多个附加电容之和。
2.根据权利要求1所述的用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元，其特征在于，所述的附加电容是MIM、MOM或MOS电容。
3.根据权利要求1所述的用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元，其特征在于，所述的附加电容经由金属连线与所述悬浮漏极及所述源极跟随晶体管的栅极相连。
4.根据权利要求3所述的用于测量CMOS图像传感器转换增益的像素单元，其特征在于，所述附加电容通过接触孔由金属连线与所述悬浮漏极的接触孔相连接，以与所述悬浮漏极相连。
5.一种用于测量CMOS图像传感器转换增益的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：于光电二极管端通入一定光强的入射光，其中，所述光电二极管用于将光子转换为电子；
步骤S2：由传输晶体管将所述光电二极管中产生的电子传输到悬浮漏极，进而转换为电压信号，并由源极跟随晶体管对电压信号进行放大，以及
通过行选择晶体管选中第一像素单元，得到输出信号Vout1；
步骤S3：然后，与所述第一像素单元悬浮漏极外相并联一个或多个附加电容，得到第二像素单元；
步骤S4：同样条件下，通过行选择晶体管选中所述第二像素单元，得到输出信号Vout2；
步骤S5：通过输出信号比值，以计算出所述悬浮漏极的电容值，进而得到CMOS图像传感器转换增益。
6.根据权利要求5所述的用于测量CMOS图像传感器转换增益的方法，其特征在于，所述附加电容可由单位电容与附加电容面积的乘积得出。
7.根据权利要求5所述的用于测量CMOS图像传感器转换增益的方法，其特征在于，同样条件是指两次测试的起始条件、过程条件、及相应的其他技术手段皆相同。
8.根据权利要求5所述的用于测量CMOS图像传感器转换增益的方法，其特征在于，与所述第一像素单元的悬浮漏极相并联一个附加电容Ca的情况下，所述输出信号比值Vout1/Vout2＝(Ca+CFD)/CFD。
9.根据权利要求5所述的用于测量CMOS图像传感器转换增益的方法，其特征在于，所述CMOS图像传感器转换增益CG＝q/CFD，其中，q为单位电荷，CFD为悬浮漏极的电容。
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