CN113365005B - 图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，通过像素单元的输出信号端耦合至容值密度较高、耐压值较低的第一电容，参考信号端耦合至容值密度较低、耐压值较高的第二电容，以实现输出信号和参考信号在列处理模块的隔直，因此可以根据特定的情况（如工艺条件，芯片面积要求，应用环境等），灵活的选择隔直电容的电容类型、电容值大小以及版图布局，从而实现降低制造成本和芯片面积，确保元器件和电路的可靠性，优化图像传感器整体性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法。
背景技术
对于CMOS图像传感器（CIS）芯片设计来说，制造成本，芯片面积，元器件和电路可靠性是非常重要的设计指标。
随着图像传感器中像素阵列的越来越大，帧率要求越来越高，现在普遍用到的列处理模块中包含列处理模数转换（COL ADC）结构，而COL ADC结构中通常会用到如图1所示的带隔直电容C1和C2的比较器CMP1。对于其中的隔直电容C1和C2，通常有很多种选择，例如：
MIM（金属层-绝缘层-金属层）电容：利用的是极板电容，需要增加专门的MIM层来实现，成本高，线性度好。
MOM（金属层-氧化层-金属层）电容：利用的是同层金属之间以及不同层金属之间的寄生电容来实现，通常容值密度比较小，也就是说和其他种类的电容相比，要达到相同的容值，需要更大的面积。但是不需要增加额外的工艺，线性度好。
PIP（多晶硅层-绝缘层-多晶硅层）电容：利用的是上下两层多晶硅层之间的电容，和传统的CMOS工艺相比，需要多增加一层多晶硅层，成本高，线性度好。
薄氧MOS电容：以CMOS工艺中薄氧MOS为基础实现的电容（不限于普通的PMOS管和NMOS管），容值密度大，但是因为是栅氧化层厚度比较薄，电容两端压差不能加的太高，不然会有可靠性问题。
厚氧MOS电容：以CMOS工艺中厚氧MOS为基础实现的电容（不限于普通的PMOS管和NMOS管），与薄氧MOS电容相比，容值密度小，但是因为是栅氧化层厚度相对较厚，电容两端可加电压差也相对较大。
沟槽电容：把MOS管（包括薄氧管和厚氧管，不限于普通的PMOS管和NMOS管）的栅极下沉，增大了源漏极和栅极的接触面积，栅极有效面积增大，容值密度更大，但是制造工艺相对变复杂。
可见，不同类型的电容各自具有优缺点。现有技术差分电路中，通常选择上述电容中类型和容值大小都相同的电容，版图布局也需要对称设计，这样可以减小外界带来的共模干扰。通常在图像传感器电路中也沿用了这一技术，从而常常难以同时满足制造成本，芯片面积，元器件和电路可靠性等多方面的产品需求，获得较佳的图像传感器整体性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，降低制造成本和芯片面积，确保元器件和电路的可靠性，优化图像传感器整体性能。
基于以上考虑，本发明提供一种图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，像素单元的输出信号端耦合至容值密度较高、耐压值较低的第一电容，参考信号端耦合至容值密度较低、耐压值较高的第二电容，以实现输出信号和参考信号在列处理模块的隔直。
优选的，所述第一电容的电容值大于等于第二电容的电容值，从而节省电路设计面积，优化图像传感器的性能。
优选的，所述第一电容与第二电容的版图布局采用不对称设计。
优选的，所述第一电容与第二电容的类型为MIM电容、MOM电容、沟槽电容、PIP电容、薄氧MOS电容、厚氧MOS电容中任意一种。
优选的，所述第一电容为薄氧MOS电容，所述第二电容为厚氧MOS电容。
优选的，所述薄氧MOS电容为逻辑器件，所述厚氧MOS电容为输入输出器件。
本发明的图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，通过像素单元的输出信号端耦合至容值密度较高、耐压值较低的第一电容，参考信号端耦合至容值密度较低、耐压值较高的第二电容，以实现输出信号和参考信号在列处理模块的隔直，因此可以根据特定的情况（如工艺条件，芯片面积要求，应用环境等），灵活的选择隔直电容的电容类型、电容值大小以及版图布局，从而实现降低制造成本和芯片面积，确保元器件和电路的可靠性，优化图像传感器整体性能的目的。
附图说明
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明的图像传感器列处理模块中带隔直电容的比较器的结构示意图；
图2为根据本发明一个优选实施例的图像传感器列处理模块中带隔直电容的比较器的电压波形图。
在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，通过像素单元的输出信号端耦合至容值密度较高、耐压值较低的第一电容，参考信号端耦合至容值密度较低、耐压值较高的第二电容，以实现输出信号和参考信号在列处理模块的隔直，因此可以根据特定的情况（如工艺条件，芯片面积要求，应用环境等），灵活的选择隔直电容的电容类型、电容值大小以及版图布局，从而实现降低制造成本和芯片面积，确保元器件和电路的可靠性，优化图像传感器整体性能的目的。
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
本发明申请人通过研究发现，在图像传感器实际应用中，虽然列处理模块中采用的是如图1所示的差分结构，但是其中比较器CMP1的两个输入端（即pxdin、rampin端）本身输入的并不是对称的差分信号，因此对于隔直电容C1、C2的对称性要求并没有那么高。因此提出一种图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法：可以根据特定的情况（如工艺条件，芯片面积要求，应用环境等），灵活的选择隔直电容C1和C2的电容类型、电容值大小以及版图布局，也就是说隔直电容C1和C2的电容类型、电容值大小都可以不一样，版图布局也可以是不对称的，以便分别满足制造成本，芯片面积，元器件和电路可靠性等多方面的产品需求，优化图像传感器整体性能，其中只要像素单元的输出信号端pxd耦合至容值密度较高、耐压值较低的第一电容C1，参考信号端vramp耦合至容值密度较低、耐压值较高的第二电容C2，即可实现输出信号和参考信号在列处理模块的隔直。
优选的，第一电容C1与第二电容C2的类型可以为MIM电容、MOM电容、沟槽电容、PIP电容、薄氧MOS电容（通常为逻辑器件）、厚氧MOS电容（通常为输入输出器件）中任意一种。
根据本申请的一个优选实施例，为了降低制造成本和芯片面积，并且确保元器件和电路的可靠性，第一电容C1采用容值密度较高的薄氧MOS电容，以节省芯片面积；第二电容C2采用耐压值较高的厚氧MOS电容，以确保元器件和电路的可靠性。因为都采用的是MOS电容，不需要增加额外的层，所以制造成本相对也会较小。
具体来说，本发明的列处理模块中带隔直电容的比较器的电压波形如图2所示。其中，在自动清零EQ管导通的时候，比较器输入端pxdin和rampin建立的工作点大概在2.0V左右。对于第一电容C1来说，此时它的另外一端接来自像素单元的复位输出电压pxd，它的电压值可控性比较高，可以保证第一电容C1两端的电压差不会超过甚至远小于薄氧MOS电容的栅氧化层击穿电压，从而第一电容C1可以使用容值密度较高、耐压值较低的薄氧MOS电容，以节省芯片面积。而对于第二电容C2来说，它的另外一端接来自斜坡产生电路的参考电压vramp。vramp波形如图2所示，波形以地电压为基准，自动清零时候的电压值为信号可处理范围减去一个小的台阶电压值，电压幅值主要由信号可处理范围决定，而信号可处理范围受到像素单元输出幅值的影响，特别是随着像素单元规模越来越大，尺寸越来越小，像素单元输出幅值一般会比较小，所以自动清零的时候的vramp值也会比较低，例如600mV左右。于是第二电容C2两端的压差可达到1.4V左右，对于很多工艺来说，这个压差已经超出了薄氧MOS电容的可承受范围，会引起可靠性问题，所以第二电容C2需要采用容值密度较低、耐压值较高的厚氧MOS电容，以确保元器件和电路可靠性。
如图2所示，EQ管断开后，比较器CMP1开始比较工作，当pxd和vramp变化的时候，pxdin和rampin会跟随变化，所以隔直电容C1、C2两端电压差基本不变或是变化很小，不会带来任何可靠性问题。
另外，隔直电容C1和C2的电容值大小也可以不一样，通常选择第一电容C1的电容值大于等于第二电容C2的电容值。因为第一电容C1连接在像素单元的输出端，电容值需要大一些，从而减小信号的衰减，而第二电容C2连接在参考信号vramp上，可以通过增大vramp的幅值来补偿电容值小带来的衰减大的问题，所以电容值可以小一点，从而实现了节省电路设计面积，优化图像传感器的性能的目的。
最后，隔直电容C1和C2的版图布局也可以采用不对称设计。对于采用MOS电容的隔直电容C1和C2，通常情况下，为了减小对比较器输入端高阻点的干扰，MOS电容的栅极接在比较器CMP1的输入端，MOS电容的源漏极（或是源漏体极）接在一起连接到像素单元的输出端和参考信号vramp端。因为第一电容C1分别接在每列对应的像素单元输出信号和比较器的输入端，所以每列之间必须独立隔开。但是第二电容C2接在参考信号vramp总线和每列的比较器输入端，所以接在总线vramp上每列的电容的源漏端可以重叠，这样在相同的列面积下，MOS电容的栅极面积可以增加，从而第二电容C2的电容值可以增大，或是第二电容C2的电容值要求不变的情况下，可以减小电容的高度，从而可以进一步减小芯片面积，优化图像传感器的整体性能。
综上所述，本发明的图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，通过像素单元的输出信号端耦合至容值密度较高、耐压值较低的第一电容，参考信号端耦合至容值密度较低、耐压值较高的第二电容，以实现输出信号和参考信号在列处理模块的隔直，因此可以根据特定的情况（如工艺条件，芯片面积要求，应用环境等），灵活的选择隔直电容的电容类型、电容值大小以及版图布局，从而实现降低制造成本和芯片面积，确保元器件和电路的可靠性，优化图像传感器整体性能的目的。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (6)
1.一种图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，其特征在于，通过灵活选择隔直电容的电容类型、电容值大小以及版图布局，使得像素单元的输出信号端耦合至容值密度较高、耐压值较低的第一电容，参考信号端耦合至容值密度较低、耐压值较高的第二电容，以实现输出信号和参考信号在列处理模块的隔直。
2.如权利要求1所述的图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，其特征在于，所述第一电容的电容值大于等于第二电容的电容值，从而节省电路设计面积，优化图像传感器的性能。
3.如权利要求1所述的图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，其特征在于，所述第一电容与第二电容的版图布局采用不对称设计。
4.如权利要求1所述的图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，其特征在于，所述第一电容与第二电容的类型为MIM电容、MOM电容、沟槽电容、PIP电容、薄氧MOS电容、厚氧MOS电容中任意一种。
5.如权利要求4所述的图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，其特征在于，所述第一电容为薄氧MOS电容，所述第二电容为厚氧MOS电容。
6.如权利要求4所述的图像传感器列处理模块隔直电容的实现方法，其特征在于，所述薄氧MOS电容为逻辑器件，所述厚氧MOS电容为输入输出器件。
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