CN106254798B - 固态成像装置 - Google Patents

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Abstract

一种固态成像装置，包括：光电转换器，包括多个光接收元件，其与接收光的每个颜色对应地沿一个方向布置，每个光接收元件生成与接收的光的量对应的电荷；电荷存储单元，包括多个电容器，存储由各个光接收元件生成的电荷；以及信号处理单元，配置为将由所述多个电容器存储的电荷各自处理为信号。布置电荷存储单元以便跨光电转换器与信号处理单元相对。

Description

固态成像装置
技术领域
本发明涉及成像装置，并且具体涉及固态成像装置。
背景技术
在诸如摄像机、数码相机、复印机等的各种类型的成像装置中使用各自包括芯片上微透镜和滤色镜的固态成像装置。
此外，国际专利公布No.WO/2011/155442公开了一种放大型固态成像装置，其包括像素阵列和控制像素阵列中包括的像素的操作的控制电路，在像素阵列中，各自包括多个电容器的多个像素以矩阵形式布置。
然而，在传统示例中，当在晶片的像素区域之上和之下提供电极极板时，在滤色镜颜料的施加和/或微透镜的形成中可能出现不均匀。此外，当从芯片的边缘至每个像素的距离过短时，像素可能受到应力的影响，并且图像特性可能劣化。此外，当每个像素包括模拟存储器和第二放大晶体管(SF2)时，当像素尺寸改变时出现分辨率变化的问题，因为光电二极管(PD)之间的距离改变。
发明内容
根据本发明一个方面，一种固态成像装置，包括：光电转换器，包括多个光接收元件，其与接收光的每个颜色对应地沿一个方向布置，每个光接收元件生成与接收的光的量对应的电荷；电荷存储单元，包括多个电容器，存储由各个光接收元件生成的电荷；以及信号处理单元，配置为将由所述多个电容器存储的电荷各自处理为信号。布置电荷存储单元以便跨光电转换器与信号处理单元相对。
附图说明
图1是在晶片上形成固态成像装置的第一示例状态的图；
图2是在晶片上形成固态成像装置的第二示例状态的图；
图3是固态成像装置的截面的示例的图；
图4是图示根据第一实施例的固态成像装置的示例性配置的图；
图5是图示在固态成像装置中包括的红色(R)光读取单元的示例性配置的图；
图6是固态成像装置的布局的第一示例的示意图；
图7是固态成像装置的布局的第二示例的示意图；
图8是固态成像装置的布局的第三示例的示意图；
图9是指示写入时序的时序图；
图10是指示读取时序的时序图；以及
图11是图示根据第二实施例的固态成像装置的示例性配置的图。
附图意在描绘本发明的示例性实施例，并且不应被解释为限制其范围。贯穿各图，相同或相似附图标记指代相同或相似组件。
具体实施方式
这里使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并且不意在限制本发明。如这里使用的，单数形式“一个”和“这个”意在也包括复数形式，除非上下文清晰地另有所指。在描述附图中图示的优选实施例时，为了清楚的目的可采用特定术语。然而，本专利说明书的公开不意在限制于如此选择的特定的术语，并且要理解，每个特定元素包括具有相同功能、以类似方式操作并实现类似结果的所有技术等同。下面将参照附图详细描述本发明实施例。
首先，将说明本发明的背景。图1是在晶片1上形成固态成像装置(互补金属氧化物半导体(CMOS)线性图像传感器)10的第一示例状态的示意图。固态成像装置10是包括多个像素11、信号处理块12、外围电路13和电极极板14的芯片。
多个像素11沿一个方向布置，并且各自配置为执行光电转换以根据接收的光的量生成电荷。每个信号处理块12例如通过使用由像素11生成的电荷作为图像信号，执行诸如相关双采样(CDS)处理的处理。每个外围电路13包括例如输出通过信号处理块12的对应一个处理的信号的电路。每个电极极板14是例如包括电源端和将来自外围电路13的对应一个的图像信号输出到外部的端子的区域。
如图1所示，固态成像装置10具有沿一个方向的纵向形状。当提供电极极板14以便位于以行布置的像素11附近时，如上所述，像素11可能受到芯片中提供的电极极板14的影响(例如，应力和形成的不均匀)。
图2是在晶片1a上形成固态成像装置(CMOS线性图像传感器)10a的第二示例状态的示意图。固态成像装置10a是以与固态成像装置10的位置布置不同的位置布置来提供多个像素11、信号处理块12、外围电路13和电极极板14的芯片。以下，将通过使用相同附图标记指代基本相同的构成元件中的一些。
如图2所示，在固态成像装置10a中，如上所述，像素11可能受到位于与以行布置的像素11相邻的其他芯片中提供的电极极板14的影响(例如，应力和形成的不均匀)。
接下来，将详细说明对像素的上述影响。图3是固态成像装置10的截面的示例的图。固态成像装置10配置为使得在半导体衬底100中形成的像素区域102上层叠绝缘膜104、无源膜106、平整膜108、滤色镜110和微透镜112。此外，提供顶部布线层114，以便位于与像素区域102相邻。顶部布线层114是电极极板14。
在形成极板开口之后，通过旋涂处理对固态成像装置10施加树脂材料等，以便形成芯片上类型的滤色镜110和微透镜112。在此情况下，因为固态成像装置10具有在极板开口形成的台阶，所以由于台阶而出现不均匀。不均匀的区段位于极板开口越近，不均匀程度越高。换言之，当滤色镜110和微透镜112以及极板开口之间的距离短时，在滤色镜110和微透镜112中出现不一致(形成的不均匀)。结果，因为透射率和转换增益在像素之间变化，从而影响图像特性。
此外，固态成像装置10易于在其芯片边缘受到由Si之间的线性展开系数的差别、粘合剂和裸片(die)结合处理期间的卷带自动结合(tab)导致的热应力、以及与铸模处理期间的树脂的固化收缩率有关的应力的影响，从而影响图像特性(例如，每10Mpa的应力的Didsat＝5％)。
此外，当固态成像装置10被配置为使得像素包括模拟存储器或第二放大晶体管(SF2)时，因为像素尺寸的增加导致光电二极管(PD)之间的距离的增加，所以分辨率变差。换言之，在选择电路的尺寸上没有自由度。
第一实施例
接下来，将参照图4和图5说明根据第一实施例的固态成像装置的配置。
图4是图示根据第一实施例的固态成像装置2的示例性配置的图。
固态成像装置2可以是例如CMOS彩色线性传感器，并且可以安装在图像读取装置或包括图像读取装置的多功能外围设备(MFP)中。固态成像装置2包括红色(R)光读取单元20RE、另一红色(R)光读取单元20RO、绿色(G)光读取单元20GE、另一绿色(G)光读取单元20GO、蓝色(B)光读取单元20BE、以及另一蓝色(B)光读取单元20BO。R光读取单元20RE包括下面参照图5所述的像素30，并且提供有透射红色光的滤色镜和芯片上微透镜。R光读取单元20RO具有与R光读取单元20RE的配置相同的配置。
此外，G光读取单元20RE、G光读取单元20GO、B光读取单元20BE和B光读取单元20BO各自具有与R光读取单元20RE的配置相同的配置，除了其中的确定从而接收的光的颜色的滤色镜不同之外。此外，R光读取单元20RE、R光读取单元20RO、G光读取单元20GE、G光读取单元20GO、B光读取单元20BE、B光读取单元20BO包括六个像素，并且构造通过单个系统从其顺序输出信号的一列。
尽管图4图示构造一列的部分，但是以这样的方式配置固态成像装置2，使得沿一个方向布置多个列，从而例如，对于接收的光的每个颜色，沿一列布置7000或更多像素30。此外，固态成像装置2中的每列中包括的像素30的量不限于6，并且可以是任何数目。此外，固态成像装置2可包括控制其构造元件的控制单元。
图5是图示在固态成像装置2中包括的R光读取单元20RE的示例性配置的图。R光读取单元20RE包括像素30和模拟存储器单元40，并且配置为接收R光并执行光电转换。
像素30在其中形成光接收元件(光电二极管[PD])300、重置晶体管(RT)302、转移晶体管(TX)304、第一放大晶体管(SF1：第一放大器)306、浮置扩散区(FD区)308。重置(漏极)电压(Vrd)310施加到重置晶体管302。
关于光接收元件300，其阳极连接至地电压，而其阴极连接到转移晶体管304，以便生成与接收的光的量对应的电荷。此外，由在其上层侧提供的滤色镜确定由每个光接收元件300接收的光的颜色。在每个滤色镜上方提供微透镜。转移晶体管304的另一端连接至重置晶体管302和第一放大晶体管306，使得由光接收元件300生成的电荷转移至FD区308。
FD区308是转移晶体管304、第一放大晶体管306、和重置晶体管302连接在一起并用作将电荷转换为电压的电荷电压转换器的区域。重置晶体管302配置为重置FD区308中的电荷。第一放大晶体管306是MOS晶体管，并用作放大FD区308处的电压并将放大的电压输出至随后的级的源级跟随器。此外，当第一放大晶体管306的尺寸过大时，FD区308上施加的电容变大，这降低了电荷-电压转换增益(因为V＝Q/C)。因此，布置第一放大晶体管306在尺寸上小于第二放大晶体管26(后面说明)。
模拟存储器单元40包括选择开关(SL)400、存储电容器(Cr)402、尺寸电容器(Cs)404、选择开关(RDR)406、选择开关(RDS)408、和选择开关(SW)410。与其他电路的地电压不同的电势(存储器参考电压412：Vm)施加到存储电容器402的一端和存储电容器404的一端。
存储电容器402可以是例如MOS电容器，并且配置为当重置像素30时在其中存储电荷。存储电容器404可以是例如MOS电容器，并且配置为在其中存储指示由像素30读取的像素信号的电荷。此外，对于存储电容器402和存储电容器404，因为施加到选择开关侧的电压是比接地侧电压更接近电源电压侧的电平，所以期望配置存储电容器402和存储电容器404各自具有nch型MOS晶体管(MOS电容器)。
此外，关于存储电容器402和存储电容器404，因为MOS晶体管的两端之间的电势差可能不一定大到足以维持氧化物膜容量，所以期望用抑制(depression)型MOS晶体管配置存储电容器402和存储电容器404的每一个。此外，对于存储电容器402和存储电容器404，在一端处的存储器参考电压412可以是与其他电路中的接地电压共同的；然而，当存储器参考电压412波动时，依赖于定时，波动可能直接反应在输出中。因此，配置存储电容器402和存储电容器404，使得存储器参考电压412和对于其他电路的接地电压分离。
当存储电容器402或存储电容器404中存储电荷时，或当存储电容器402或存储电容器404转移所存储的电荷(电压)时，选择开关400、选择开关406、选择开关408和选择开关410操作。更具体地，经由选择开关400，第一放大晶体管306连接至选择开关406和408，用于选择存储电容器402和存储电容器404中的一个，并且连接至选择开关410，用于选择像素30中的一个。存储电容器402和存储电容器404构造在其中存储电荷的电荷存储单元，使得当如上所述执行CDS时，从其读取电压(信号)。
此外，固态成像装置2(图4)包括第一电流源22、第二电流源24、第二放大晶体管(第二放大器)26、列信号处理单元28、和电极极板29。第一电流源22用作用于列中的像素30的第一放大晶体管306的恒流源。第二电流源24用作用于与列对应提供的第二放大晶体管26的恒流源。流过第一电流源22和第二电流源24的电流被布置为可变。
第二放大晶体管26例如可以是nch型MOS晶体管。第二放大晶体管26配置为放大由列中的任何像素30输出的信号(电压)并将放大的信号输出至列信号处理单元28。因为第二放大晶体管26即使在尺寸大时也不如第一放大晶体管306影响转换增益那么多，所以第二放大晶体管26布置为在尺寸上大于第一放大晶体管306，以便改进噪声特性(闪烁噪声、热噪声、随机电报信号[RTS]噪声等)。考虑背栅效应，期望将第二放大晶体管26的背栅极连接至源极。替代地，第二放大晶体管26可以是pch型MOS晶体管。
列信号处理单元28配置为对由列中的任何像素30输出的信号执行预定处理过程。例如，列信号处理单元28是对由列中的任何像素30输出的信号执行诸如CDS处理的处理的信号处理单元。此外，列信号处理单元28可包括模拟/数字(A/D)转换器等。电极极板29对应于上述电极极板14，并且其上提供有电源端、输出端等。
上述选择开关(例如，选择开关410)、第一放大晶体管306和第二放大晶体管26各自配置有MOS晶体管。此外，尽管已经描述为各自配置有单个晶体管，但是依赖于晶体管的通电阻或电荷注入，选择开关等可以各自配置有采用nch型Tr和pch型Tr的CMOS-SW。此外，依赖于电势，选择开关等各自可配置有pch型Tr。例如，当重置电压Vrd高时，因为选择开关400的电势也高，所以当开关是pch型时的通电阻变得比开关是nch型时低。
接下来，将说明固态成像装置2的芯片上的示例性布局。图6是固态成像装置2的芯片上的布局的第一示例的示意图。在图6中，(R)、(G)和(B)各自指示分别提供了透射红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的颜色的光的滤色镜。
如图6所示，在固态成像装置2中，例如，形成各自对应于像素30的模拟存储器单元40的区域位于与形成与颜色对应布置的像素30的区域相邻(在图6中的上侧)。在此情况下，形成像素30的区域用作光电转换器，其包括与接收的光的颜色对应的沿一个方向布置并且各自生成对应于接收的光的量的电荷的多个光接收元件300。此外，形成模拟存储器单元40的区域用作电荷存储单元，其包括存储电容器402和存储电容器404，配置为在其中存储由多个光接收元件300生成的电荷。在此情况下，第二电流源40还可提供在提供第一电流源22的区域中。
解码器电路50配置为例如解码从两列中的任何像素30输出的信号。信号转移和电源GND区52在其中提供用于转移信号并使电源接地的布线。电极极板区290是提供例如对应于两列的电极极板29的区域。在图6中，对于两列提供一个解码器电路50、一个信号转移和电源GND区域52和一个电极极板区域290；然而，可能的实施例不限于该示例。
遍布固态成像装置2，每个像素30和对应于像素30的模拟存储器单元40之间的距离被布置为基本相同。因为以这样的方式布置固态成像装置2，所述方式即：即使接收的光的颜色彼此不同，每个像素30与对应模拟存储器单元40之间的距离也被布置为基本相同，所以布线电阻基本相同，并且因此可以防止图像特性受建立时间段等的差别的影响。此外，模拟存储器单元40连接至第一电流源22和第二放大晶体管26两者。因此，在固态成像装置2的芯片上的布局的第一示例中，以提供第一电流源22的区域、提供模拟存储器单元40的区域和提供第二放大晶体管26的区域的顺序布置它们。
图7是固态成像装置2的芯片上的布局的第二示例的示意图。固态成像装置2的芯片上的布局的第二示例通过将多个空像素60添加到图6所示的第一示例而获得。如图7所示，空像素60是没有连接至模拟存储器单元40并位于将提供像素30的区域夹住的像素。换言之，多个空像素60的一些布置为在提供第二放大晶体管26的区域和提供像素30的区域之间。此外，一些其他空像素60提供为在提供像素30的区域和提供列信号处理单元28的区域之间。
每个空像素60可以配置为仅包括PD(以及滤色镜和微透镜)；然而，为了减少扰动(串扰)的影响并改进元件的结束状态的目的，期望配置每个空像素60以包括诸如第一放大晶体管306的所有空元件。
图8是固态成像装置2的芯片上的布局的第三示例的示意图。固态成像装置2的芯片上的布局的第三示例通过改变图6所示的第一示例中的第二放大晶体管26的位置而获得。更具体地，在固态成像装置2的芯片上的布局的第三示例中，从模拟存储器单元40的任何至第二放大晶体管26的距离被布置为在每列中尽可能相等(基本相等)。此外，还提供空像素60。
接下来，将说明固态成像装置2的操作。图9是指示对固态成像装置2中的模拟存储器单元40的写入时序的时序图。如图9所示，在固态成像装置2中，在时间t1接通连接至重置电压Vrd的重置晶体管(RT)302，使得初始化FD区308。此后，在固态成像装置2中，经由第一放大晶体管306、选择开关400和选择开关406开始对重置电平上的存储电容器402的写入。
在固态成像装置2中，在时间t2关断重置晶体管302之后，在时间t3对存储电容器402的写入结束。换言之，在固态成像装置2中，将重置电平存储在存储电容器402中。
在固态成像装置2中，作为在时间t4接通转移晶体管304的结果，由光接收元件300接收光而生成的电荷转移至第一放大晶体管306。此后，在固态成像装置2中，接通选择开关408，使得执行对存储电容器404的写入。在此情况下，通过将作为光接收元件300接收光的结果而生成的电荷转换为电压，由FD区308执行写入。因此，在存储电容器404中保持的数据是指示读取的图像的信号电平。此外，在固态成像装置2中，对模拟存储器单元40的写入在时间t6结束，使得将信号电平存储到存储电容器404中完成。
图10是指示从固态成像装置2中的模拟存储器单元40的读取时序的时序图。在本示例中，图10图示在一列中包括六个像素30和六个模拟存储器单元40的固态成像装置2的操作。配置固态成像装置2，使得从R光读取单元20RE、R光读取单元20RO、G光读取单元20GE、G光读取单元20GO、B光读取单元20BE、以及B光读取单元20BO顺序读取数据(RE、RO、GE、GO、BE和BO)。在下面的部分中，将说明R光读取单元20RE的操作作为示例。
在固态成像装置2中，在时间t1接通用于从RE、RO、GE、GO、BE和BO中选择一个的选择开关410。此后，在固态成像装置2中，在时间t2读取R光读取单元20RE的存储电容器404中存储的信号电平并将其经由第二放大晶体管26输出至随后级的列信号处理单元28。在固态成像装置2中，在时间t3结束由R光读取单元20RE执行的从存储电容器404的读取。
然后，在固态成像装置2中，在时间t4读取在存储电容器402中存储的电荷(重置电平)，并将其经由第二放大晶体管26输出至随后级的列信号处理单元28。在固态成像装置2中，在时间t5结束读取。
列信号处理单元28执行通过计算信号电平和重置电平之间的差而计算实质信号电平的处理(CDS)。当偏置电平在各像素之间变化时，如果在第一放大晶体管306之间存在变化，例如，则图像展现垂直条纹(固定图案噪声)。通过执行CDS处理，固态成像装置2抵消每个像素30的偏置电平。此外，当接通重置晶体管302时出现的KTC噪声与重置电平和信号电平相关。为此原因，配置固态成像装置2以便通过执行CDS处理而抵消噪声的出现，这也是可接受的。
在此情况下，列信号处理单元28执行以下处理，例如：列信号处理单元28通过使得信号电平Vs钳位到特定参考电压Vref而保持信号电平Vs。列信号处理单元28通过采用A/D转换器将所保持的信号电平Vs转换为数字信号。然后，列信号处理单元28接受重置电平Vr。此后，列信号处理单元28将信号电平Vs与重置电平Vr之间的差乘以增益(乘以A)，并输出从钳位电平Vref减去乘积结果的结果。换言之，输出来自Vref-(Vr-Vs)×A的结果，并将其转换为数字信号。列信号处理单元28通过将Vref电平和Vref-(Vr-Vs)×A电平各自转换为数字信号并计算其间的差，提取重置电平Vr与信号电平Vs之间的差。
如上所述，配置固态成像装置2，使得占据相对大面积的存储电容器404等位于跨像素30与列信号处理单元28相对。因此可以防止在滤色镜颜料的施加中的不均匀和微透镜的形成中的不均匀的出现。此外，在固态成像装置2中，因为从芯片边缘至每个像素30的距离布置得长，所以较不可能对其施加应力。此外，配置固态成像装置2，使得提供像素30的区域与提供模拟存储器单元40的区域彼此分离，所以增强设计模拟存储器单元40、列信号处理单元28等的电路尺寸的自由度。此外，减少跨像素30延伸的信号线的数目，因为配置第二放大晶体管26的每个，以便放大多个像素30的输出。
第二实施例
接下来，将参照图11说明根据第二实施例的固态成像装置的配置。图11是图示根据第二实施例的固态成像装置2a的示例性配置的图。固态成像装置2a通过从图4所示的固态成像装置2移除第一电流源22而获得。因为固态成像装置2a没有提供有第一电流源22，所以减少由第一电流源22导致流动的直流。换言之，配置固态成像装置2a执行子阈值写入处理。
根据本发明的至少一方面，实现有利效果：可以提供能够防止图像读取特性变差的固态成像装置。
上述实施例是说明性的，并且不限制本发明。因此，有鉴于上述教导，各种额外修改和变化是可能的。例如，在本公开和所附权利要求的范围内，本文的不同说明和示例性实施例的至少一个元件可以彼此组合或彼此替代。此外，实施例的组件的特征(诸如编号、位置和形状)不限制实施例，并因此优选地设置。因此要理解，在所附权利要求而不是本文具体描述的范围内，可以实践本发明的公开。
所述实施例的每个功能可通过一个或多个处理电路实现。处理电路包括编程处理器，因为处理器包括电路。处理电路还包括诸如专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和被布置为执行所述功能的传统电路组件的装置。

Claims (10)

1.一种固态成像装置，包括：
光电转换器，包括用于第一颜色的第一光接收元件的对、用于第二颜色的第二光接收元件的对、以及用于第三颜色的第三光接收元件的对，所述第一光接收元件的对沿第一方向被布置，所述第二光接收元件的对沿第二方向被布置，所述第三光接收元件的对沿第三方向被布置，所述第一、第二、第三方向彼此平行，每个光接收元件生成与接收的光的量对应的电荷；
电荷存储单元，包括多个电容器的对，所述电容器的对一对一地对应于包括在所述光电转换器中的所述光接收元件的对，每个电容器存储由对应的光接收元件生成的电荷，所述电容器的对沿垂直于所述第一、第二、第三方向的方向被布置；以及
信号处理单元，配置为将由所述多个电容器的对存储的电荷中的每个处理为信号，其中
所述光电转换器被布置在所述电荷存储单元与所述信号处理单元之间，以及
所述电荷存储单元和所述信号处理单元由经过每个对中的两个光接收元件之间的接线与彼此电连接。
2.根据权利要求1的固态成像装置，还包括：
多个第一放大器，分别放大来自多个电荷-电压转换器的电压，所述电荷-电压转换器配置为将由各个光接收元件生成的电荷转换为电压；以及
多个第二放大器，对于多列分别放大电压，每列配置为顺序输出来自所述多个光接收元件中的通过单个系统的预定光接收元件的信号；其中
通过使用金属氧化物半导体MOS晶体管配置第一放大器和第二放大器的每个。
3.根据权利要求2的固态成像装置，其中第二放大器的每个在尺寸上大于第一放大器的每个。
4.根据权利要求2的固态成像装置，其中通过使用单个MOS晶体管配置第一放大器的每个。
5.根据权利要求2的固态成像装置，还包括开关，被配置为接通以便在对应电容器中存储由光接收元件生成的电荷；其中
当第一放大器放大电压时，开关使得电流流动。
6.根据权利要求2的固态成像装置，其中在每列中布置第二放大器，使得第二放大器与对应电容器之间的距离相等。
7.根据权利要求1的固态成像装置，其中每个电容器是MOS电容器。
8.根据权利要求7的固态成像装置，其中每个电容器是抑制型。
9.根据权利要求1的固态成像装置，其中由所述多个光接收元件的每个接收的光的颜色由其上层侧上提供的滤色镜确定；以及
在每个滤色镜上方提供微透镜。
10.根据权利要求1的固态成像装置，其中对每个电容器的一端施加与任何其他电路的地电压不同的电势。
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