CN104157664A - 一种图像传感器抑噪全芯片esd保护结构 - Google Patents

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Abstract

本发明一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，包括用于对传感器内核控制与读出电路进行供电和保护的第一区域A，用于对传感器像素单元进行供电和保护的第二区域B；所述的传感器内核控制与读出电路用于控制传感器像素单元，所述的传感器像素单元向传感器内核控制与读出电路输出采集到的光电信号；所述的第一区域A包括分别连接在传感器内核控制与读出电路上的第一输入金属焊盘和第一输出金属焊盘，用于供电的第一电源轨VDDH1和第一地轨VSSH1；所述的第二区域B包括连接在传感器像素单元上的第二输入金属焊盘，用于供电的第二电源轨VDDH2和第二地轨VSSH2；所述的第一地轨VSSH1和第二地轨VSSH2相连接。

Description

一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构。
背景技术
目前主流应用的CMOS图像传感器(CIS)像素单元为4T-APS结构，其等效电路如图1所示。包括复位nMOS管Mn_rst、光电二极管PD、曝光控制管Mn_tg、读取存储在寄生节点FD光电信号的源跟随器nMOS管Mn_sf、行选信号输出nMOS管Mn_rs。其中Mn_rst源端接电源轨Vpower_pixel、漏端接FD点；Mn_tg源端接PD、漏端接FD；Mn_sf源端接电源轨Vpower_pixel、漏端接Mn_rs源端；Mn_rs漏端接该外部输出列总线。该结构相较3T-APS结构，在感光区PD与存储点FD点加入TG管，且采用pinned型光电二极管作为感光单元，这些技术的引入具有如下优点：光电转换节点与信号读取节点分离，可以实现对光电信号真正意义上的相关双采样，抑制固定图形噪声；pinned型光电二极管不同于常规单结二极管，可使光电二极管在复位后具有精确的初始电压值及固定的光电收集区宽度，对像素阵列光电响应的一致性起到非常大的作用。
在4T-APS结构中，进行相关双采样所需的像素单元复位初始电压值由Mn_rst管栅端VRST与Vpower_pixel电压值决定，因此要想获得较高的复位电压以提升像素单元光电信号输出摆幅，就需要对像素单元供电进行优化设定。通常情况下，像素单元的复位管栅压与像素单元中各管供电电压均高于传感器芯片中读出电路与IO电路部分供电电压，这些高压信号的供电端口需要特殊处理，如果仍然使用常规IO端口为这些特殊端口供电，将导致如图2所示的IO端口与电源轨短路的问题，造成芯片失效。因此常规的混合电压图像传感器芯片设计时，将会人为的将这些高压供电IO端口的电源轨与传感器芯片读出电路与IO电路部分供电端口的电源轨断开，即保证了电路部分的噪声不会通过电源轨串扰到像素单元，又从电学层面完全阻断这种短路失效问题，但该方法也同时引入静电放电(Electro-Static discharge，ESD)电流在全芯片电源轨进行泄放不能形成环路的问题，严重削弱了混合电压图像传感器的全芯片ESD防护能力。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种不仅保证IO端口能够为混合电压图像传感器提供供电与隔离噪声，而且能够建立全芯片ESD泄流通路，防护能力强的图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，包括用于对传感器内核控制与读出电路进行供电和保护的第一区域A，用于对传感器像素单元进行供电和保护的第二区域B；所述的传感器内核控制与读出电路用于控制传感器像素单元，所述的传感器像素单元向传感器内核控制与读出电路输出采集到的光电信号；
所述的第一区域A包括分别连接在传感器内核控制与读出电路上的第一输入金属焊盘和第一输出金属焊盘，用于供电的第一电源轨VDDH1和第一地轨VSSH1；第一输入金属焊盘和第一输出金属焊盘分别与第一电源轨VDDH1和第一地轨VSSH1之间并联第一电源轨保护电路EV1和第一地轨保护电路EG1；第一输入金属焊盘连接第一信号输入端，第一输出金属焊盘连接第一信号输出端；
所述的第一电源轨VDDH1连接传感器内核控制与读出电路的外部最高供电电平金属焊盘；第一地轨VSSH1连接传感器内核控制与读出电路的外部最低供电电平金属焊盘，第一区域A中最高输入与输出信号电平值不高于VDDH1电平值；
所述的第二区域B包括连接在传感器像素单元上的第二输入金属焊盘，用于供电的第二电源轨VDDH2和第二地轨VSSH2；第二输入金属焊盘分别与第二电源轨VDDH2和第二地轨VSSH2之间并联第二电源轨保护电路EV2和第二地轨保护电路EG2；第二输入金属焊盘连接第二信号输入端；
所述的第二电源轨VDDH2总线端悬空，第二地轨VSSH2连接全芯片最低供电电平金属焊盘，第二区域B中第二输入金属焊盘提供用于传感器像素单元独立供电的高于第一电源轨VDDH1的供电电平；
所述的第一地轨VSSH1和第二地轨VSSH2相连接。
优选的，还包括用于连接第一地轨VSSH1和第二地轨VSSH2的第三区域C；第三区域C由连接第一地轨VSSH1与第二地轨VSSH2的一组对向并联第一二极管D1与第二二极管D2组成。
进一步，第一二极管D1由一组P型二极管pdio组成，其中pdio的阳极接第一地轨VSSH1，第二地轨阴极接VSSH2；第二二极管D2由一组N型二极管ndio组成，其中ndio的阳极接第二地轨VSSH2，阴极接第一地轨VSSH1。
进一步，第一电源轨VDDH1和第一地轨VSSH1之间串联电源钳位电路EP；第二电源轨VDDH2和第二地轨VSSH2之间串联电源钳位电路EP。
再进一步，当ESD事件发生时，ESD电流泄放路径依次通过如下结构：ESD电流通过第一区域A的第一输入金属焊盘、第一区域A的第一电源轨保护电路EV1、第一区域A的第一电源轨VDDH1、第一区域A的电源钳位电路EP、第一区域A的第一地轨VSSH1、第三区域C中二极管D2、第二区域B的第二地轨VSSH2、第二区域B的电源钳位电路EP、第二区域B的第二电源轨VDDH2、第二区域B的第二电源轨保护电路EV2、第二区域B的第二输入金属焊盘最后到芯片外。
再进一步，电源钳位电路EP由一组RC电路控制的MOS管结构组成，RC电路由控制电阻RC和控制电容CC组成；MOS管结构包括钳位泄放NMOS管MN2和反相器INV；
当电源钳位电路EP置于第一区域A中时，钳位泄放NMOS管MN2的漏端接第一电源轨VDDH1，源端与体端接第一地轨VSSH1；栅端接三级串联反相器INV后分别通过控制电容CC与第一电源轨VDDH1连接，通过控制电阻RC与第一地轨VSSH1连接；
当电源钳位电路EP置于第二区域B中时，钳位泄放NMOS管MN2的漏端接第二电源轨VDDH2，源端与体端接第二地轨VSSH2；栅端接三级串联反相器INV后分别通过控制电容CC与第二电源轨VDDH2连接，通过控制电阻RC与第二地轨VSSH2连接。
优选的，第一输入金属焊盘和第一输出金属焊盘分别通过限流电阻R与传感器内核控制与读出电路连接。
优选的，第一电源轨保护电路EV1由多组并联的相同尺寸pMOS管MP组成；其中pMOS管MP栅端、源端与体端接第一电源轨VDDH1，漏端接第一输入金属焊盘或第一输出金属焊盘；第一地轨保护电路EG1由多组并联的相同尺寸nMOS管MN组成，其中nMOS管MN栅端，源端与体端接第一地轨VSSH1连接，漏端接第一输入金属焊盘或第一输出金属焊盘。
优选的，第二电源轨保护电路EV2由一组P型二极管pdio组成，其中pdio的阳极接第二地轨VDDH2，阴极接第二输入金属焊盘；第二地轨保护电路EG2由一组N型二极管ndio组成，其中ndio的阳极接第二输入金属焊盘，阴极接第二地轨VSSH2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明根据混合电压图像传感器芯片供电种类的不同，将传感器芯片中读出电路与IO电路部分供电电压区域划归在第一区域A中，将像素单元部分供电区域规划在第二区域B中，并分别针对各区域中的IO端口处分别对电源轨和地轨进行ESD保护结构的设置；其中将ESD保护结构中的第一地轨保护电路EG1作为第一输入和输出金属焊盘对第一电源轨VDDH1电源轨的保护结构；将ESD保护结构中的第一电源轨保护电路EV1作为第一输入和输出金属焊盘对第一地轨VSSH1的保护结构；将ESD保护结构中的第二电源轨保护电路EV2作为第二输入金属焊盘对第二电源轨VDDH2的保护结构；将ESD保护结构中的第二地轨保护电路EG2为第二输入金属焊盘对第二地轨VSSH2的保护结构；从而提高传感器芯片的全芯片ESD防护能力。满足了多电源供给条件下的混合电压图像传感器IO中ESD布局规划，相较传统图像传感器全芯片IO架构，既能保证芯片电气特性的正确性，不仅IO端口能够为传感器提供高压供电，而且实现低噪高动态光电性能；又能有效提高全芯片ESD泄流及抑噪能力，最大限度建立全芯片ESD泄流通路，提升芯片整体鲁棒性，能够应用于混合电压图像传感器电路的抑噪全芯片ESD保护结构。
进一步的，利用设置在第一地轨VSSH1和第二地轨VSSH2之间的第三区域C，构建了一种在不同电源域间ESD泄流通路的连接架构，使得第一区域A与第二区域B电源域在进行ESD电流泄放时具有电气连接性，但在电路正常工作时能够通过一组对向并联的二极管阻隔第一区域A与第二区域B的电气连接与噪声，确保电路正常工作。
进一步的，电源钳位电路EP将处于同一区域内的电源轨和地轨分别串联，能够降低对应区域内泄流通路导通电阻，提高ESD泄流的稳定和可靠性；在ESD事件发生时，能够快速稳定的通过ESD电流泄放路径进行泄流处理，提高了全芯片的防护能力。
进一步的，通过设置的在第一输入、输出金属焊盘与传感器内核控制与读出电路连接通路上的限流电阻，能够抑制ESD电流进入传感器内核电路时对器件的损伤，增强了对其的防护性能。
附图说明
图1为现有技术中4T-APS结构像素单元等效电路结构示意图。
图2为现有技术中IO端口输入高压时，由于ESD结构引发的IO端口与电源轨短路示意图。
图3为实例中所述的第一区域A中ESD保护结构等效电路示意图。
图4为实例中所述的第二区域B中ESD保护结构等效电路示意图；
图5为实例中所述的第三区域C中ESD保护结构等效电路示意图；
图6为实例中所述的混合电压传感器电路全芯片ESD泄流通路示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
首先，说明本发明所提供的图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构和应用条件：
(一)单元结构
如图3所示，第一区域A中第一信号输入端与输出端分别连接第一输入和输出金属焊盘，在第一输入和输出金属焊盘之间并联第一电源轨保护电路EV1和第一地轨保护电路EG1对第一电源轨VDDH1及第一地轨VSSH1进行保护，本优选结构中在第一电源轨VDDH1与第一地轨VSSH1间串联电源钳位电路EP；电源钳位电路EP将第一电源轨VDDH1与第一地轨VSSH1串联，起到降低该区域泄流通路导通电阻目的。电源钳位电路EP由一组RC电路控制的MOS管结构组成：其中RC控制电路由控制电阻RC和控制电容CC组成，分别优选为1kΩ和10fF为例；MOS管结构中钳位泄放NMOS管MN2漏端接第一电源轨VDDH1，源端与体端接第一地轨VSSH1，栅端接三级串联反相器INV后分别通过控制电容CC与第二电源轨VDDH2连接，通过控制电阻RC与第二地轨VSSH2连接，优选的钳位泄放NMOS管MN2的宽长比为200um:1um；其中三级反相器由三级串联的CMOS电路组成，其中每一级CMOS电路中有一个NMOS管及一个PMOS管串联组成，每个NMOS管宽长比为20um:0.5um、PMOS管宽长比为40um:0.5um。
该区域中ESD保护结构中的第一电源轨保护电路EV1为第一输入和输出金属焊盘对第一电源轨VDDH1的保护结构；第一地轨保护电路EG2为第一输入和输出金属焊盘对第一地轨VSSH1的保护结构。
本优选实例中，优选的在第一输入与输出金属焊盘与传感器内核控制与读出电路的连接通路上设置限流电阻R，以R＝100Ω为例，能够起到抑制ESD电流进入传感器内核控制与读取电路损伤器件的作用。
本优选实例中，第一电源轨保护电路EV1分别由十组宽长比为50um:2um的并联pMOS管MP组成；pMOS管MP的栅端、源端与体端接第一电源轨VDDH1，漏端接第一输入或输出金属焊盘；第一地轨保护电路EG1分别由十组宽长比为50um:2um的并联nMOS管MN组成；nMOS管MN栅端、源端与体端接第一地轨VSSH1，漏端接第一输入或输出金属焊盘。
如图4所示，第二区域B中第二信号输入端与第二输入金属焊盘连接，并联对第二电源轨VDDH2及第二地轨VSSH2的第二电源轨保护电路EV2和第二地轨保护电路EG2；本优选结构中第二电源轨VDDH2与第二地轨VSSH2间串联的电源钳位电路EP；电源钳位电路EP将第二电源轨VDDH2与第二地轨VSSH2串联，起到耦合两条电源轨，降低该区域泄流通路导通电阻目的，电源钳位电路EP与第一区域A中结构完全相同，仅将第一区域A中EP结构所有接第一电源轨VDDH1的位置替换为第二区域B中第二电源轨VDDH2、第一地轨VSSH1的位置替换为第二地轨VSSH2即可。
该区域中ESD保护结构中第二电源轨保护电路EV2为第二输入金属焊盘对第二电源轨VDDH2的保护结构；第二地轨保护电路EG2为第二输入金属焊盘对第二地轨VSSH2的保护结构。
本优选实例中，第二电源轨保护电路EV2由一组P型二极管pdio组成，优选的面积为200um2，其阳极接第二电源轨VDDH2、阴极接第二输入金属焊盘；第二地轨保护电路EG2由一组N型二极管ndio组成，优选的面积为200um2，其阳极接第二输入金属焊盘、阴极接第二地轨VSSH2。
如图5所示，第三区域C中连接第一地轨VSSH1与第二地轨VSSH2为一组并联对向的第一二极管D1与第二二极管D2。第一二极管D1由一组P型二极管pdio组成，优选的，面积为500um2，其阳极接VSSH1、阴极接VSSH2；第二二极管D2由一组N型二极管ndio组成，优选的面积为500um2，其阳极接VSSH2、阴极接VSSH1。
(二)应用条件
第一区域A中第一电源轨VDDH1连接传感器内核控制与读出电路的外部最高供电电平金属焊盘，第一地轨VSSH1连接传感器内核控制与读出电路的外部最低供电电平传感器，该区域中，最高输入与输出信号电平值不高于第一电源轨VDDH1的电平值，如图6所示，即Vin≤VDDH1、Vout≤VDDH1。第二区域B中第二电源轨VDDH2的总线端悬空，第二地轨VSSH2连接全芯片最低供电电平金属焊盘，该区域中，第二输入金属焊盘提供用于传感器像素单元独立供电的高于第一电源轨VDDH1的供电电平，如图6所示，即Vin>VDDH1。
具体的，基于0.35um标准CMOS图像传感器制程技术，设定全芯片中传感器控制与读出电路的工作电压为：VDDH1＝3.3V、VSSH1＝0V、Vin1＝0～3.3V、Vout1＝0～3.3V，则如图1所示，若实现像素单元高动态响应输出特性，则像素单元部分供电Vpower_pixel与VRST需设定为高于3.8V，因此Vin2＝0～4V、VSSH2＝0V、VDDH2悬空。采用本发明所述的方案，可在保证传感器电气连接特性正确的情况下，实现像素单元高动态输出所需的供电输入要求，并利用第三区域C的一组对向二极管，实现电路电源域A与像素单元电源域B的噪声串扰隔离，这是因为电源轨中的高频噪声分量一般为微伏至毫伏级，而二极管在正偏条件下也需要0.7V左右的电压才能保证导通状态，因此可阻隔高频噪声通过第一电源轨VSSH1向高精度像素单元第二地轨VSSH2的串扰，进一步提升传感器的动态响应能力。
而当ESD事件发生时，以最坏泄流条件为例，即静电应力发生在某一数字控制信号金属焊盘与像素单元供电金属焊盘间，若按常规传感器中的ESD保护结构，其数字控制电源域与像素单元供电电源域电气断连，则电应力发生时，无法形成ESD电流泄放回路，导致内部器件烧毁失效。而采用本发明所述的方案布局全芯片ESD结构后，如图6所示，其中典型ESD电流泄放路径如下：ESD电流通过第一区域A的第一输入金属焊盘→第一区域A的第一电源轨保护电路EV1→第一区域A的第一电源轨VDDH1→第一区域A的电源钳位电路EP→第一区域A的第一地轨VSSH1→第三区域C中二极管D2→第二区域B的第二地轨VSSH2→第二区域B的电源钳位电路EP→第二区域B的第二电源轨VDDH2→第二区域B的第二电源轨保护电路EV2→第二区域B的第二输入金属焊盘→芯片外。
实验结果表示，基于本发明设计的ESD保护结构传感器芯片，可实现传感器中像素单元2V电压输出、300uV本底噪声的能力，其像素单元本征动态范围高达76dB，而全芯片ESD防护能力在HBM条件下通过2000V标准，远高于常规ESD布局条件下的图像传感器光电与ESD性能指标。解决了混合电压图像传感器中不同电源域间噪声串扰或无法形成ESD泄流通路的问题，提升了混合电压图像传感器电路抑噪及全芯片ESD防护能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，其特征在于，包括用于对传感器内核控制与读出电路进行供电和保护的第一区域A，用于对传感器像素单元进行供电和保护的第二区域B；所述的传感器内核控制与读出电路用于控制传感器像素单元，所述的传感器像素单元向传感器内核控制与读出电路输出采集到的光电信号；
所述的第一区域A包括分别连接在传感器内核控制与读出电路上的第一输入金属焊盘和第一输出金属焊盘，用于供电的第一电源轨VDDH1和第一地轨VSSH1；第一输入金属焊盘和第一输出金属焊盘分别与第一电源轨VDDH1和第一地轨VSSH1之间并联第一电源轨保护电路EV1和第一地轨保护电路EG1；第一输入金属焊盘连接第一信号输入端，第一输出金属焊盘连接第一信号输出端；
所述的第一电源轨VDDH1连接传感器内核控制与读出电路的外部最高供电电平金属焊盘；第一地轨VSSH1连接传感器内核控制与读出电路的外部最低供电电平金属焊盘，第一区域A中最高输入与输出信号电平值不高于VDDH1电平值；
所述的第二区域B包括连接在传感器像素单元上的第二输入金属焊盘，用于供电的第二电源轨VDDH2和第二地轨VSSH2；第二输入金属焊盘分别与第二电源轨VDDH2和第二地轨VSSH2之间并联第二电源轨保护电路EV2和第二地轨保护电路EG2；第二输入金属焊盘连接第二信号输入端；
所述的第二电源轨VDDH2总线端悬空，第二地轨VSSH2连接全芯片最低供电电平金属焊盘，第二区域B中第二输入金属焊盘提供用于传感器像素单元独立供电的高于第一电源轨VDDH1的供电电平；
所述的第一地轨VSSH1和第二地轨VSSH2相连接。
2.根据权利要求1所述的一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，其特征在于，还包括用于连接第一地轨VSSH1和第二地轨VSSH2的第三区域C；第三区域C由连接第一地轨VSSH1与第二地轨VSSH2的一组对向并联第一二极管D1与第二二极管D2组成。
3.根据权利要求2所述的一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，其特征在于，第一二极管D1由一组P型二极管pdio组成，其中pdio的阳极接第一地轨VSSH1，第二地轨阴极接VSSH2；
第二二极管D2由一组N型二极管ndio组成，其中ndio的阳极接第二地轨VSSH2，阴极接第一地轨VSSH1。
4.根据权利要求2或3所述的一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，其特征在于，第一电源轨VDDH1和第一地轨VSSH1之间串联电源钳位电路EP；第二电源轨VDDH2和第二地轨VSSH2之间串联电源钳位电路EP。
5.根据权利要求4所述的一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，其特征在于，当ESD事件发生时，ESD电流泄放路径依次通过如下结构：ESD电流通过第一区域A的第一输入金属焊盘、第一区域A的第一电源轨保护电路EV1、第一区域A的第一电源轨VDDH1、第一区域A的电源钳位电路EP、第一区域A的第一地轨VSSH1、第三区域C中二极管D2、第二区域B的第二地轨VSSH2、第二区域B的电源钳位电路EP、第二区域B的第二电源轨VDDH2、第二区域B的第二电源轨保护电路EV2、第二区域B的第二输入金属焊盘最后到芯片外。
6.根据权利要求4所述的一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，其特征在于，所述的电源钳位电路EP由一组RC电路控制的MOS管结构组成，RC电路由控制电阻RC和控制电容CC组成；MOS管结构包括钳位泄放NMOS管MN2和反相器INV；
当电源钳位电路EP置于第一区域A中时，钳位泄放NMOS管MN2的漏端接第一电源轨VDDH1，源端与体端接第一地轨VSSH1；栅端接三级串联反相器INV后分别通过控制电容CC与第一电源轨VDDH1连接，通过控制电阻RC与第一地轨VSSH1连接；
当电源钳位电路EP置于第二区域B中时，钳位泄放NMOS管MN2的漏端接第二电源轨VDDH2，源端与体端接第二地轨VSSH2；栅端接三级串联反相器INV后分别通过控制电容CC与第二电源轨VDDH2连接，通过控制电阻RC与第二地轨VSSH2连接。
7.根据权利要求1所述的一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，其特征在于，第一输入金属焊盘和第一输出金属焊盘分别通过限流电阻R与传感器内核控制与读出电路连接。
8.根据权利要求1所述的一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，其特征在于，第一电源轨保护电路EV1由多组并联的相同尺寸pMOS管MP组成；其中pMOS管MP栅端、源端与体端接第一电源轨VDDH1，漏端接第一输入金属焊盘或第一输出金属焊盘；
第一地轨保护电路EG1由多组并联的相同尺寸nMOS管MN组成，其中nMOS管MN栅端，源端与体端接第一地轨VSSH1连接，漏端接第一输入金属焊盘或第一输出金属焊盘。
9.根据权利要求1所述的一种图像传感器抑噪全芯片ESD保护结构，其特征在于，第二电源轨保护电路EV2由一组P型二极管pdio组成，其中pdio的阳极接第二地轨VDDH2，阴极接第二输入金属焊盘；
第二地轨保护电路EG2由一组N型二极管ndio组成，其中ndio的阳极接第二输入金属焊盘，阴极接第二地轨VSSH2。
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