CN1833434A - Cmos成像器的光电二极管熔丝标识 - Google Patents

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Abstract

一种在芯片上形成的CMOS图像像素阵列用于在像素阵列中存储已编程信息。在制造和测试期间，通过对像素加激光使光电二极管损坏来将制造批次和其它数据写入阵列。使用现有电路从像素阵列中读取已编程的数据。

Description

CMOS成像器的光电二极管熔丝标识
技术领域
本发明一般涉及半导体成像装置，更具体地说，涉及具有像素单元阵列的CMOS像素传感器成像器，其中对部分像素阵列编程以存储数据。
背景技术
目前对CMOS有源像素成像器用作低成本成像装置很有兴趣。以下参阅图1对CMOS有源像素传感器(APS)的示范像素电路加以说明，图中该电路总体用参考编号100表示。有源像素传感器在像素单位单元中可有一个或多个有源晶体管，可以作成与CMOS技术兼容，并能比无源像素传感器有更高的读出速率。图1所示的像素单元是3T APS像素单元，用参考编号150表示，其中3T在业界通常用来表示使用三个晶体管操作像素。3T APS包括光电二极管162、复位晶体管184、源跟随晶体管186以及行选择晶体管188。应理解，图1示出的电路用于操作单个像素，实际上成像器由排列成行和列的相同像素的M×N阵列构成，阵列中的像素用行和列选择电路进行存取，如下详述。
光电二极管162将入射光子转换成电子，电子聚集在节点A。源跟随晶体管186的栅极连接到节点A，由此放大节点A上出现的信号。当含有单元150的特定行被行选择晶体管188选中时，由晶体管186放大的信号在列线170上被传送到读出电路。光电二极管162在衬底的掺杂区中累积光生成的电荷。应理解，CMOS成像器可以包括光门(photogate)或其它光转换器件来代替光电二极管，用于产生光生成的电荷。
复位电压源Vrst通过复位晶体管184被选择性地连接到节点A。复位晶体管184的栅极连接到复位控制线191，此控制线用于控制复位操作，即Vrst到节点A的连接。Vrst可以等于Vdd。行选择控制线160连接到阵列中同一行的所有像素。电压源Vdd连接到源跟随晶体管186，且其输出通过行选择晶体管188选择性地连接到列线170。虽然图1中未示出，但列线170连接到阵列中同一列的所有像素，且通常在其下端有电流吸收器。行选择晶体管188的栅极连接到行选择控制线160。
如业界所知，从像素150读取一个值有两步过程。在电荷积累期间，光电二极管162将光子转换成电子，电子积聚在节点A。节点A的电荷被源跟随晶体管186放大，并由行存取晶体管188选择性地传送到列线170。在复位期间，通过导通复位晶体管184将复位电压Vrst加到节点A上来复位节点A，然后此电压由源跟随晶体管186通过激活的行选择晶体管188读出到列线170上。结果，两个不同的值，即复位电压Vrst和图像信号电压Vsig，从像素读出，并由列线170发送到读出电路，在此电路上每个值被抽样并保存，以便进行业界已知的进一步处理。
一行中的所有像素同时被读出到各自列线170上，依次激活列线以进行复位和信号电压读出。像素的行也依次被读出到各自列线上。
图2示出了CMOS有源像素传感器集成电路芯片，它包括像素阵列230和控制器232，该控制器232提供定时和控制信号来以业界技术人员众所周知的方式控制像素中所存储信号的读出。示范阵列具有M×N像素的维数，阵列230的大小取决于具体应用。使用列并行读出体系结构来读出成像器，一次读一行。控制器232通过控制行寻址电路234和行驱动器240的操作来选择阵列230中的特定行像素。存储在所选行像素中的电荷信号在列线170(图1)上被提供到读出电路242，按如上所述方式。然后使用列寻址电路244依次读出从每一列读取的像素信号。对应于读出复位信号和积累电荷信号的差分像素信号(Vrst，Vsig)被提供为读出电路242的各个输出Vout1和Vout2。
图3更清楚地示出了像素350的行和列349。每列包括多行像素350。来自特定列中像素350的信号可以读出到与该列关联的读出电路351上。读出电路351包括抽样和保持电路，用于存储像素复位(Vrst)和积累电荷信号(Vsig)。存储在读出电路351中的信号然后可逐列依次读到整个像素阵列330共用的输出级354。模拟输出信号然后可以例如发送到差分模拟电路，该电路将复位和积累电荷信号相减，并将它们发送到模数转换器(ADC)，或者可将复位和积累电荷信号直接提供到模数转换器。
图4更清楚地示出了列读出电路351，它包括抽样和保持读出电路401和放大器434。图4电路能够抽样和保持并随后放大Vsig和Vrst值，供输出级354(图3)随后使用。
制造时，通常对各成像像素阵列逐个测试。测试检测损坏的像素电路、像素信号电平及其它阵列属性，并根据批次和各器件标识号来存储信息。测试中得到的信息可用来增强器件的操作，例如通过对损坏的像素进行补偿、区分像素信号电平以及其它测试的像素属性。
此外，成像传感器在制造过程中是无法识别的。安全/标识值都是在制造了完整系统之后才分配的，导致制造中就多加了一个步骤，也就增加了制造成本。还有一个管理上的负担，就是在分配标识号之前始终要跟踪损坏的像素信息，因为有关像素的传感器和损坏像素信息在整个制造过程中必须人为跟踪。如果在制造顺序中传感器放错了位置，则集成电路成像阵列以及顺序错误的所有其它集成电路成像阵列都必须重新测试。
每个传感器有一定数量的损坏像素是容许的，这样给定数量的传感器被视为可用，并弥补了制造成本。在这些传感器中，被发现损坏了的像素在整个传感器中不超过预定数量，且在预定面积内也不超过预定数量。虽然在测试时发现了这些像素的位置，但如上所述，在制造中要跟踪此信息是一个管理上的负担。更重要的是，确保在制造后为每个传感器提供损坏像素的信息也增加了传感器生产的成本。例如，制造传感器的公司必须向制造相机的公司提供损坏像素信息。更通常的是，将损坏像素信息提供在单独的介质上(例如软盘、计算机可读带或其它计算机可读存储介质)，这就增加了成本。再有，要使每个传感器与其损坏像素信息相匹配也会产生问题。
已知一种CMOS成像器，它具有芯片上可编程存储器，用于存储CMOS传感器阵列的像素和识别信息。例如，美国专利No.6,396,539(Heller等人)公开了一种芯片上可编程闪存存储器，它既复杂又笨重。使用可编程存储器需要附加的存储电路(即存储器)和关联的电路以读取、写入和解密存储器中的信息。所以需要提供一种具有芯片上存储系统的图像传感器，它最小化实现存储器所需的附加电路的数量。此外，需要提供一种芯片上存储系统，它不需要附加的电路来存取和解释所存储的信息。还需要有一种简单易行的方法将像素阵列信息存储在芯片上供以后使用。
发明内容
本发明提供一种CMOS图像传感器阵列，它将信息存储系统合并为传感器阵列的一部分。诸如标识号、像素损坏位置以及熔丝ID信息的像素信息都存储在图像阵列中。通过使用光电二极管作为激光熔丝，可对像素阵列的一行或多行进行编程，以存储各种信息。不需要附加的电路，因为系统使用现有结构来对信息进行解码。
根据以下结合附图提供的本发明的详细说明中，可更容易理解本发明的这些以及其它特性和优点。
附图说明
图1示出现有技术的有源像素；
图2示出现有技术的CMOS有源传感器芯片的框图；
图3示出现有技术的有源像素阵列和相关读出电路的框图；
图4示出现有技术的列读出电路；
图5为具有已编程像素的CMOS阵列的示范实施例；以及
图6示出根据本发明示范实施例包括有CMOS成像装置的基于处理器的系统的框图。
具体实施方式
在以下的详细说明中，参阅构成本说明一部分的附图，在附图中以图示方式示出可以实施本发明的具体实施例。对这些实施例都作了足够详细的说明，以使业界技术人员能够制作和使用本发明，并应理解，在不背离本发明的精神和范围前提下可以对具体实施例进行结构上、逻辑上或其它的改动。
在本发明中，部分CMOS像素阵列被编程以存储信息。更具体地说，使用光电二极管作为熔丝电路来存储信息。
在M×N的CMOS像素阵列中，通常在阵列设计中包括有附加像素行和/或像素列，以在测试阵列期间发现损坏行和列时提供冗余。根据本发明，冗余行和/或列用来存储附加的像素阵列信息。信息以二进制格式编程到阵列中；对每个像素编程以表示“1”或“0”。结果，一系列像素(一行中)用来表示信息的一系列二进制位。像素阵列中的典型行可连接有380到1024个光电二极管，可存储大量信息。例如，已编码的信息可以标识损坏单元位置或制造批次信息。
图5示出本发明的示范性实施例，在图5中，示出了CMOS像素阵列510中行521的一部分，它有几个已修改的代表性像素552a、b、c、y和z。虽然在行521中仅示出5个像素552，但本发明并不限于此。像素552b、552c和552y示出“已改动”，即故意地人为修改。在优选实施例中，通过确定在该位需要什么逻辑状态而表示数据，来对像素进行编程。根据像素的所需逻辑状态，可对像素进行修改，在此修改的像素表示第一逻辑状态，而未修改的像素表示第二逻辑状态。在优选实施例中，通过在制造期间在光电二极管上加激光来修改像素，其方式类似于在制造期间在熔丝上加激光或足够的电压时所用的方式，这使光电二极管损坏。具有其各自光电二极管的所示像素552b、552c和552y标有“X”，表示像素552b、552c和552y具有故意制造的损坏的光电二极管。
在像素阵列510的制造、测试和数据存储操作期间，通过使用现有的行和列开关晶体管来选择单个像素552进行写入。当像素552被选中时，激光被施加有足够的电压，以使所选光电二极管562损坏。继续以此方式进行编程，直到所有数据都适当存储为像素552，根据数据信息模式，将这些像素编程为损坏的或是未损坏的。
用现有电路结构存取和读出存储在像素阵列510中的已编程数据。对像素阵列510中已编程数据的存取与业界已知的相同，以读取像素552，更具体地说是像素行521，其中数据由行和列解码器234、244(图2)存取，且所选的熔丝和/或多个熔丝被读取以确定存储的数据。故意修改的光电二极管562将呈现为损坏或不正确的光电二极管电压，并被读作一种逻辑状态，例如“0”，而未损坏的光电二极管562被读作另一种状态，例如“1”。现有电路将读取电压从模拟数据形式(例如从像素552读取的电压电平)转换为数字数据形式，例如“0”或“1”。
在示范性实施例的另一方面，在像素中使用金属熔丝代替光敏区或光电二极管。金属熔丝的编程以及从像素中读出信号与上述方法类似。在优选实施例中，成像器阵列的最上一行留下用于编程，因此最上一行的像素单元包括代替光敏区的金属熔丝。在本发明的又一方面，像素是可重新编程的。例如，将像素编程为表示一种逻辑状态，随后可重新编程为表示另一种逻辑状态。
本发明的方法和设备方面实施在图6所示的图像装置1140中，该装置提供了图像输出信号。图像输出信号也可用在处理器系统1100中，也示于图6。基于处理器的系统诸如计算机系统例如一般包括中央处理单元(CPU)1110，例如微处理器，其通过一条或多条总线1170与一个多个输入/输出(I/O)装置1150通信。CPU1110还在一条或多条总线1170上通常通过存储器控制器与随机存取存储器(RAM)1160交换数据。处理器系统还可包括外设装置，例如软盘驱动器1120和光盘(CD)ROM驱动器1130，它们也在一条或多条总线1170上与CPU1110通信。
虽然以上对本发明的优选实施例作了说明和图示，但应理解，这些是本发明的示范，不应认为是限制性的。在不背离本发明的精神和范围前提下可以进行添加、删除、替代和其它修改。例如，虽然公开了含有光电二极管的像素，但其它类型的像素也可使用。其它类型的集光器也可使用，例如光门。上述实施例描述了具体数量的晶体管、光电二极管、导线或像素类型(例如3T、4T)等，但本发明不应受限于此。虽然优选实施例公开的是使用有源像素，但无源像素和虚像素也可使用。而且，选作编程的像素不限于放置在图像阵列的冗余列和行中。所以，本发明不应认为由上述说明所限制，而是仅受所附权利要求书范围的限制。

Claims (36)

1.一种具有数据存储的成像系统，包括：
具有传感器阵列的芯片，所述传感器阵列包括用于提供表示入射到所述传感器阵列的光的信号的多个像素，其中部分所述像素用于提供已编程数据存储。
2.如权利要求1所述的成像系统，其中用于提供已编程数据存储的所述像素包括：
具有修改电路的像素，表示第一逻辑状态的数据；以及
没有修改电路的像素，表示第二逻辑状态的数据。
3.如权利要求2所述的成像系统，其中所述具有修改电路的像素被使无效。
4.如权利要求2所述的成像系统，其中所述具有修改电路的像素可以不被修改。
5.如权利要求2所述的成像系统，其中所述具有修改电路的像素包括修改的光敏区。
6.如权利要求2所述的成像系统，其中所述具有修改电路的像素包括修改的金属熔丝。
7.如权利要求5所述的成像系统，其中每个所述修改像素的所述光敏区包括光电二极管。
8.如权利要求5所述的成像系统，其中每个所述修改像素的所述光敏区通过激光进行修改。
9.一种操作图像传感器的方法，包括通过对像素阵列的所选像素进行编程来在所述图像传感器的所述像素阵列中存储数据。
10.如权利要求9所述的方法，还包括读取所述像素阵列中所述存储数据的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，还包括解释所述像素阵列中所述存储数据的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述解释步骤包括将所述存储数据转换为逻辑状态。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述数据包括制造信息。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述数据包括像素识别信息。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述数据包括测试信息。
16.如权利要求9所述的方法，其中所述数据包括损坏像素信息。
17.如权利要求9所述的方法，其中所述存储信息步骤包括确定所述像素阵列中存储所述数据的位置的初始步骤。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述确定存储数据的位置的步骤包括确定所述像素阵列中存储所述数据的行和列。
19.如权利要求9所述的方法，其中所述编程还包括：
修改所述所选像素的电路以在所选像素中存储表示第一逻辑状态的数据；以及
不修改所述所选像素的电路以在第二像素中存储表示第二逻辑状态的数据。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述修改电路的步骤包括使所述电路无效。
21.如权利要求20所述的方法，其中被修改的所述所选像素的电路是所述第二像素的光敏区。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述所选像素的所述光敏区是光电二极管。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述所选像素的所述光敏区通过激光进行修改。
24.一种半导体芯片，具有传感器阵列，所述传感器阵列包括用于提供表示入射到所述传感器阵列的光的信号的多个像素，其中部分所述像素用于提供已编程数据存储。
25.如权利要求24所述的半导体芯片，其中用于提供已编程数据存储的所述像素包括：
具有修改电路的像素，表示第一逻辑状态的数据；以及
没有修改电路的像素，表示第二逻辑状态的数据。
26.如权利要求25所述的半导体芯片，其中所述具有修改电路的像素被使无效。
27.如权利要求25所述的半导体芯片，其中所述具有修改电路的像素包括修改的光敏区。
28.如权利要求27所述的半导体芯片，其中每个所述修改像素的所述光敏区包括光电二极管。
29.如权利要求27所述的半导体芯片，其中每个所述修改像素的所述光敏区通过激光进行修改。
30.一种处理器系统，包括：
处理器；以及
像素传感器阵列，所述传感器阵列包括用于提供表示入射到所述传感器阵列的光的信号的多个像素，其中部分所述像素用于提供已编程数据存储。
31.如权利要求30所述的处理器，其中用于提供已编程数据存储的所述像素包括：
具有修改电路的像素，表示第一逻辑状态的数据；以及
没有修改电路的像素，表示第二逻辑状态的数据。
32.如权利要求31所述的处理器，其中所述具有修改电路的像素被使无效。
33.如权利要求31所述的处理器，其中所述具有修改电路的像素包括修改的光敏区。
34.如权利要求33所述的处理器，其中每个所述修改像素的所述光敏区包括光电二极管。
35.如权利要求33所述的处理器，其中每个所述修改像素的所述光敏区通过激光进行修改。
36.如权利要求31所述的处理器，其中具有修改电路的所述像素包括修改的金属熔丝。
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