CN115567791A - 一种大阵列高速读出帧转移ccd图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，包括光敏区、存储区、水平区以及输出放大器，存储区的一端与光敏区连接，另一端与水平区连接，水平区与输出放大器连接，光敏区包括一次多晶硅、二次多晶硅和一次金属，一次多晶硅、二次多晶硅通过一次金属过孔与一次金属连接，一次多晶硅和二次多晶硅在轴向交错设置，一次金属径向设置；存储区包括一次金属和二次金属，一次金属和二次金属通过二次金属过孔连接，二次金属轴向设置；所述一次金属内部设置有沟阻；本发明提升光敏区、存储区快态频率，避免常规金属布线设计对于器件响应均匀性的影响，提升水平区信号快速转移。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器。
背景技术
高光谱侦察载荷要求具备更高空间分辨率、光谱分辨率及更大幅宽。提高空间分辨率有利于更精确地观测小范围内的目标，也可以减小光谱混合的比例，提高光谱解析的精度，这就要求CCD具有高速读出特性；更大幅宽可以提高观测的时间分辨率，减小重访时间周期，这就要求CCD具有更大阵列规模。高速读出帧转移CCD成为高光谱侦察载荷核心器件，现有技术适用于阵列规模≤ 4096×256的高速读出帧转移CCD，但是要实现更大阵列规模帧转移CCD高速读出特性，还必须解决此类器件光敏区、存储区以及水平CCD频率问题，但是现有技术尚无很好的解决办法。
发明内容
为了满足以CCD图像传感器为核心部件的相机成像系统应用需求，本发明提出一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，包括光敏区、存储区、水平区以及输出放大器，存储区的一端与光敏区连接，另一端与水平区连接，水平区与输出放大器连接，光敏区包括一次多晶硅、二次多晶硅和一次金属，一次多晶硅、二次多晶硅通过一次金属过孔与一次金属连接，一次多晶硅和二次多晶硅在轴向交错设置，一次金属径向设置；存储区包括一次金属和二次金属，一次金属和二次金属通过二次金属过孔连接，二次金属轴向设置；所述一次金属内部设置有沟阻。
进一步的，在光敏区，一次金属均匀分布，相邻的两个一次金属若一个通过一次接触孔与一次多晶硅电连接，则另一个通过一次接触孔与二次多晶硅电连接。
进一步的，在存储区，以多个一次金属为一组，每一组中一次金属靠近水平区的一端向中心靠拢，形成靠近光敏区的一端较稀疏、靠近水平区的一端较密集的梯形结构。
作为一种可实施的方式，本发明中将输出放大器设置在两个梯形结构之间的区域，梯形结构中两条腰线的倾斜程度取决于输出放大器所占区域的尺寸，输出放大器所占区域越大，两个梯形结构之间空缺的三角形区域越大，倾斜角度越大。
进一步的，在存储区中，以二次金属的行数为一组与一次金属形成阶梯状连接结构，当前组的第一个与前一组的最后一个与同一列的一次金属连接。
进一步的，若一个阶梯状连接结构不共用同一个水平区，则在后一个水平区的第一个连接位置与前一个位于同一行二次金属且该列的一次金属与最后一行的一次金属也通过二次接触孔连接。
进一步的，水平区与输出放大器之间设置有哑元。优选的，哑像元宽度一般为1～2位。
进一步的，光敏区和存储区之间设置有过度像元和暗像元。优选的，过度像元宽度一般为1～3位，暗像元的宽度一般为过度相关的5～8倍。
进一步的，输出放大器为多级结构。
进一步的，传感器拓扑结构为分裂帧转移结构。
本发明光敏区、存储区全像素金属布线设计，一方面降低光敏区、存储区信号转移RC时间常数，提升光敏区、存储区快态频率，另一方面也保证了所有像素是全同设计，避免常规金属布线设计对于器件响应均匀性的影响；本发明倒梯形存储区设计，避免水平CCD存在拐弯设计，从而影响水平区信号快速转移。
附图说明
图1为现有技术结构示意图；
图2为本发明一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器结构示意图；
图3为本发明相邻倒梯形存储区局部结构；
图4为本发明光敏区全像素金属布线设计示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，包括光敏区、存储区、水平区以及输出放大器，存储区的一端与光敏区连接，另一端与水平区连接，水平区与输出放大器连接，光敏区包括一次多晶硅、二次多晶硅和一次金属，一次多晶硅、二次多晶硅通过一次金属过孔与一次金属连接，一次多晶硅和二次多晶硅在轴向交错设置，一次金属径向设置；存储区包括一次金属和二次金属，一次金属和二次金属通过二次金属过孔连接，二次金属轴向设置；所述一次金属内部设置有沟阻。
如图1，现有技术的存储区呈现长方形，沟阻、一次金属为垂直布局，因此长方形存储区之间没有可以用于布局水平区哑元、输出放大器的区域，为此输出放大器必须全部放置在水平区外围，使得水平必须进行拐弯才能满足输出放大器布局，这会导致信号在水平区高速读出的时信道不畅通，不利于信号的有效高速读出。
光敏区、存储区金属布局呈现间隔分布，这对于小阵列以及读出速度要求不高的器件是适用的，但是对于大阵列高速读出器件，由于此类器件负载电容大，现有技术不能满足RC时间常数要求，不能有效实现大阵列CCD高速读出。另外，当长波入射光照射器件时，入射光会在金属引线来回反射，在成像时会表现出金属间隔布局的几何图形，影响此类器件使用。
本实施例提供如图2所示的一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器的具体结构示意图，在本实施例中器件主体架构为分裂帧转移CCD，器件有效像元数为6144×256(像素)，主要由光敏区、存储区、水平区以及输出放大器构成。
如图2所示，该器件存储区呈现倒梯形设计，共有96个倒梯形存储区。图 2所示为相邻倒梯形存储区局部结构，每一个倒梯形存储区的沟阻、一次金属以一定的角度倾斜，逐渐收口，形成类似倒梯形形状，基于倒梯形存储区设计，图2中水平区布局呈现水平直线设计，避免水平区拐弯，确保水平区信号快速转移不会受到影响；图3中一次多晶硅、二次多晶硅贯穿相邻倒梯形存储区， 96个倒梯形存储区亦是如此；信号转移在图2所示倒梯形存储区中进行，倒梯形存储区之间的阴影区域不会进行信号转移，图2所示阴影区域用于水平区哑元、输出放大器布局，避免水平区拐弯设计，影响水平信号快速转移。
图2中水平区哑元设置为2位，一方面减小水平区哑元所占相邻倒梯形存储区之间的阴影区域面积，另一方面也减小了水平读出位数，有利于器件快速读出。
图2中输出放大器的第一级、第二级放大器位于相邻倒梯形存储区之间的阴影区域，所占面积最大的第三级放大器位于水平区外围，不占据阴影区域面积，如图3所示。
光敏区全像素金属布线设计见图4所示：像素主要由图4中一次多晶硅、二次多晶硅以及沟阻构成，一次多晶硅、二次多晶硅上分布一次接触孔；每一个像素沿沟阻上分布一次金属，一次金属通过一次接触孔实现与对应多晶硅之间的电学连接，可以看出，每一个像素皆由一次多晶硅、二次多晶硅、一次金属构成，呈现全同像素设计，一方面金属布线相比于常规设计更加密集，进一步降低光敏区信号转移RC时间常数，提升光敏区快态频率，有利于实现器件高速读出特性，另一方面避免常规非全同金属布线设计对于器件响应均匀性的影响。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，包括光敏区、存储区、水平区以及输出放大器，存储区的一端与光敏区连接，另一端与水平区连接，水平区与输出放大器连接，其特征在于，光敏区包括一次多晶硅、二次多晶硅和一次金属，一次多晶硅、二次多晶硅通过一次金属过孔与一次金属连接，一次多晶硅和二次多晶硅在轴向交错设置，一次金属径向设置；存储区包括一次金属和二次金属，一次金属和二次金属通过二次金属过孔连接，二次金属轴向设置；所述一次金属下面设置有沟阻。
2.根据权利要求1所述的一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，其特征在于，在光敏区，一次金属均匀分布，相邻的两个一次金属若一个通过一次接触孔与一次多晶硅电连接，则另一个通过一次接触孔与二次多晶硅电连接。
3.根据权利要求1所述的一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，其特征在于，在存储区，以多个一次金属为一组，每一组中一次金属靠近水平区的一端向中心靠拢，形成靠近光敏区的一端较稀疏、靠近水平区的一端较密集的梯形结构。
4.根据权利要求3所述的一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，其特征在于，在存储区中，以二次金属的行数为一组与一次金属形成阶梯状连接结构，当前组的第一个与前一组的最后一个与同一列的一次金属连接。
5.根据权利要求4所述的一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，其特征在于，若一个阶梯状连接结构不共用同一个水平区，则在后一个水平区的第一个连接位置与前一个位于同一行二次金属且该列的一次金属与最后一行的一次金属也通过二次接触孔连接。
6.根据权利要求1～5所述的任一项一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，其特征在于，水平区与输出放大器之间设置有哑元。
7.根据权利要求1～5所述的任一项一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，其特征在于，光敏区和存储区之间设置有过度像元和暗像元。
8.据权利要求1～5所述的任一项一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，其特征在于，输出放大器为多级结构。
9.据权利要求1～5所述的任一项一种大阵列高速读出帧转移CCD图像传感器，其特征在于，传感器拓扑结构为分裂帧转移结构。
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