TW201415615A - 小型像素內高動態範圍成像 - Google Patents

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TW201415615A TW102125421A TW102125421A TW201415615A TW 201415615 A TW201415615 A TW 201415615A TW 102125421 A TW102125421 A TW 102125421A TW 102125421 A TW102125421 A TW 102125421A TW 201415615 A TW201415615 A TW 201415615A
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Abstract

本發明之實施例闡述提供一小型解決方案以藉由利用一控制節點將一浮動擴散節點重設至一參考電壓值及將一影像電荷自一光敏元件選擇性地轉移至一讀出節點來提供一成像像素之高動態範圍成像(HDRI，或簡單地HDR)。本發明之實施例進一步將控制節點闡述為具有複數個不同電容區以選擇性地增加該浮動擴散節點之總體電容。該浮動擴散節點之此可變電容增加該成像像素之動態範圍，藉此提供主機成像系統之HDR以及增加該成像系統之信號雜訊比(SNR)。

Description

小型像素內高動態範圍成像
本發明之實施例一般而言係關於影像擷取裝置，且更特定而言(但非排他地)，係關於增強影像擷取裝置之動態範圍。
一影像擷取裝置包含一影像感測器及一成像透鏡。成像透鏡將光聚焦至影像感測器上以形成一影像，且影像感測器將光轉換成電信號。電信號自影像擷取裝置輸出至一主機電子系統之其他組件。舉例而言，電子系統可係一行動電話、一電腦、一數位相機或一醫療裝置。
隨著像素單元變得越來越小，輸出可易於藉由下游信號處理解密之充分強度之一信號對於像素單元變得越來越困難。此外，存在對用以在自低光條件至亮光條件變化之一大範圍之照明條件內執行之影像感測器之需求。此效能能力通常稱為具有高動態範圍成像(HDRI或另一選擇係，僅僅HDR)。因此，用於減小像素單元之大小之先前技術解決方案限制像素單元之動態範圍。
100‧‧‧像素單元
101‧‧‧光感測元件/光電二極體
102‧‧‧轉移電晶體
103‧‧‧重設電晶體
104‧‧‧源極隨耦器電晶體
105‧‧‧列選擇電晶體
106‧‧‧浮動擴散節點
190‧‧‧讀出行
200‧‧‧實施例成像系統/成像系統
205‧‧‧像素陣列
210‧‧‧讀出電路
215‧‧‧功能邏輯
220‧‧‧控制電路
300‧‧‧像素單元/像素
301‧‧‧光電二極體
302‧‧‧轉移電晶體
303‧‧‧重設閘極
304‧‧‧源極隨耦器電晶體
305‧‧‧重設電晶體
306‧‧‧浮動擴散節點/浮動節點
307‧‧‧區/電容區
307A‧‧‧區
307B‧‧‧區
307C‧‧‧區
307D‧‧‧區
310‧‧‧基板
317A‧‧‧電容器/元件
317B‧‧‧電容器/元件
317C‧‧‧電容器/元件
317D‧‧‧電容器/元件
400‧‧‧曲線圖
410‧‧‧曲線
421‧‧‧光強度值/值
422‧‧‧值
423‧‧‧值
424‧‧‧值
431‧‧‧段
432‧‧‧段
500‧‧‧像素單元
505‧‧‧轉移電晶體
510‧‧‧基板
520‧‧‧p型擴散井
530‧‧‧淺溝槽隔離區
540‧‧‧控制節點
550‧‧‧通道區
551、552、...、559‧‧‧區/導電區
560‧‧‧浮動擴散部/浮動擴散節點
570‧‧‧p型鈍化或釘紮層
575‧‧‧n型光敏區
580‧‧‧光電二極體
590‧‧‧重設電晶體
595‧‧‧VDD
C1、C2、...、Cx‧‧‧行
P1、P2、...、Pn‧‧‧像素
R1、R2、...、Ry‧‧‧列
RS‧‧‧列選擇信號
RST‧‧‧重設信號/信號
STI‧‧‧淺溝槽隔離
TX‧‧‧轉移信號
VDD‧‧‧電源軌道
以下說明包含對具有以實例方式給出之本發明之實施例之實施方案之圖解之各圖的論述。該等圖式應以實例方式且不以限制方式加以理解。如本文中所使用，對一或多項「實施例」之提及將理解為闡述包含於本發明之至少一項實施方案中之一特定特徵、結構或特性。 因此，本文中出現之諸如「在一項實施例中」或「在一替代實施例中」之短語闡述本發明之各種實施例及實施方案，且未必全部指代相同實施例。然而，其亦未必相互排斥。
圖1係根據本發明之一實施例之包含於一影像感測器陣列內之一先前技術四電晶體(4T)像素單元之一圖式。
圖2係根據本發明之一實施例之圖解說明一成像系統之一方塊圖。
圖3A及圖3B係根據本發明之一實施例之包含於一像素單元之一重設電晶體中之電容區之圖式。
圖4係根據本發明之一實施例之展示光強度與一像素單元之輸出信號之間的關係的一曲線圖。
圖5係根據本發明之一實施例之利用具有複數個摻雜劑區之一控制節點之一像素單元之一剖面圖。
以下係對特定細節及實施方案之說明，其包含對可描繪下文所闡述之實施例中之某些實施例或全部實施例之各圖的一說明以及論述本文中所呈現之發明性概念之其他可能實施例或實施方案。下文提供對本發明之實施例之一概述，後面接著參考圖式之一更詳細說明。
本發明之實施例闡述提供一小型解決方案以藉由利用一控制節點將一浮動擴散節點重設至一參考電壓值及將一影像電荷自一光敏元件選擇性地轉移至一讀出節點來提供一成像像素之高動態範圍成像(HDRI，或簡單地HDR)。
本發明之實施例進一步將控制節點闡述為具有複數個不同電容區以選擇性地增加浮動擴散節點之總體電容。在某些實施例中，該等電容區僅在浮動擴散節點處之電壓(或一閘極節點與浮動擴散節點之間的一電壓差)大於電容區之一臨限電壓時「接通」(亦即，改變浮動 擴散節點之總體電容)；在電容區「接通」之前，其並未有助於成像像素之總體電容或轉換增益。浮動擴散節點之此可變電容增加成像像素之動態範圍，藉此提供主機成像系統之HDR以及增加成像系統之信號雜訊比(SNR)。
在以下說明中，陳述眾多特定細節以提供對實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下或者藉助其他方法、組件、材料等來實踐本文中所闡述之技術。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使特定態樣模糊。
圖1係根據本發明之一實施例之包含於一影像感測器陣列內之一四電晶體(4T)像素單元之一圖式。像素單元100包含光感測元件(亦即，光電二極體)101、轉移電晶體102、重設電晶體103、源極隨耦器電晶體104及列選擇電晶體105。
在操作期間，轉移電晶體102接收轉移信號TX，轉移信號TX將光電二極體101中所累積之電荷轉移至浮動擴散節點106。重設電晶體103耦合於電源軌道VDD與浮動擴散節點106之間以在重設信號RST之控制下重設像素單元100(例如，將浮動擴散節點106及光電二極體101放電或充電至一預設電壓)。
浮動擴散節點106經耦合以控制源極隨耦器電晶體104之閘極端子。源極隨耦器電晶體104耦合於電源軌道VDD與列選擇電晶體105之間。列選擇電晶體105在列選擇信號RS之控制下將像素電路之輸出選擇性地耦合至讀出行190。
如下文所闡述，藉由利用一控制節點將浮動擴散節點106重設至一參考電壓值及將一影像電荷自光電二極體101選擇性地轉移至讀出行190來實現像素單元100之HDI。在正常操作中，藉由暫時確證重設信號RST及轉移信號TX來重設光電二極體101及浮動擴散節點106。藉 由撤銷確證轉移信號TX及准許入射光對光電二極體101充電來開始累積窗(亦即，曝光週期)。隨著光生電子在光電二極體101上累積，其電壓減小(電子係負電荷載子)。光電二極體101上之電壓或電荷指示在曝光週期期間入射於光電二極體101上之光的強度。在曝光週期結束時，撤銷確證重設信號RST以隔離浮動擴散節點106，及確證轉移信號TX以將光電二極體101耦合至浮動擴散節點106。電荷轉移致使浮動擴散節點106之電壓降低與在曝光週期期間光電二極體101上所累積之光生電子成比例之一量。
圖2係根據本發明之一實施例之圖解說明一成像系統之一方塊圖。所圖解說明之實施例成像系統200包含像素陣列205、讀出電路210、功能邏輯215及控制電路220。
像素陣列205係成像感測器單元或像素單元(例如，像素P1、P2、…、Pn)之二維(2D)陣列。在一項實施例中，每一像素單元係一互補金屬氧化物半導體(CMOS)成像像素。在另一實施例中，每一像素單元係一電荷耦合裝置(CCD)成像像素。像素陣列205可實施為一前側照明影像感測器或一背側照明影像感測器。如所圖解說明，將每一像素單元配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)以獲取一人員、地方或物件之影像資料，然後可使用該影像資料來再現該人員、地方或物件之一影像。
在每一像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路210讀出且轉移至功能邏輯215。讀出電路210可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯215可僅儲存影像資料或甚至藉由應用影像後效應(例如，修剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操控影像資料。在一項實施例中，讀出電路210可沿讀出行線(圖解說明為一般位元線)一次讀出一列影像資料或可使用各種其他技術(未圖解說明)讀出影像資料，諸如串列讀 出、沿讀出列線之行讀出或所有像素同時之一完全並行讀出。
控制電路220耦合至像素陣列205且包含用於控制像素陣列205之操作特性之邏輯。舉例而言，控制電路220可產生重設信號、列選擇信號及轉移信號。控制電路220亦可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實施例中，快門信號係用於同時啟用像素陣列205內之所有像素以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在一替代實施例中，快門信號係藉以在連續獲取窗期間順序地啟用每一列像素、每一行像素或每一像素群組之一滾動快門信號。
在一項實施例中，成像系統200係包含於一電子系統中之子系統。該電子系統可係一行動電話、一電腦、一數位相機或一醫療裝置，且可進一步包含包括與該電子系統相關之一計算或處理單元之一操作單元。舉例而言，該電子系統可係一行動電話，且該操作單元可係負責該系統之電話操作之一電話單元。
圖3A及圖3B係根據本發明之實施例之包含於一像素單元之一重設電晶體中之電容區之圖式。像素單元300包含於一像素單元陣列中，如上文所闡述且圖解說明於圖2之像素陣列205中。像素單元300包含形成於基板310中之光電二極體301、轉移電晶體302、重設電晶體305及源極隨耦器電晶體304。
在此實施例中，重設電晶體305之重設閘極303經組態以啟用像素300之像素內HDR。重設閘極303回應於接收信號RST而將浮動擴散節點306重設至一參考電壓值(例如，基於VDD)。重設閘極303進一步控制轉移至浮動擴散節點306之電荷。在某些實施例中，重設電晶體305包括展示為區307A、307B、307C及307D(共同地為區307)之複數個電容區。如下文所闡述，複數個電容區之存在允許浮動擴散節點306之電容在特定照明條件下一亦即，在浮動擴散節點306處之電壓大於電容區中之一者之一臨限電壓值時變化。複數個電容區307可由各 自具有一不同摻雜劑位準之複數個摻雜劑區形成。舉例而言，可以類似於基板310之一位準來摻雜摻雜劑區中之一者307A，且其餘區可各自可具有增加之摻雜劑位準。
圖3B係根據本發明之一替代實施例之包含於一重設電晶體中之電容區之一圖式。在圖3B中，複數個MOS電容器(亦即，電容器317A至317D)並行地耦合且耦合至浮動擴散節點306。應理解，在其他實施例中，元件317A至317D可係複數個MOS電晶體以提供可變電容。
在此實施例中，電容器317A至317D中之每一者將具有不同臨限電壓VT值，藉此有助於浮動擴散節點306在不同電壓位準下之總體電容。在一項實施例中，電容器317A之平帶電壓VFB值可係與317B之臨限電壓VT值相同之值，電容器317B之平帶電壓VFB值可係與電容器317C之臨限電壓VT相同之值等等(但在其他實施例中，可存在電容器之VT-VFB範圍之某一重疊)。此外，電容器中之每一者可具有接近於零之一最小電容值CMIN。因此，針對電容器317A之VT至電容器317D之VFB之一電壓範圍，浮動擴散節點306處之總電容係在浮動擴散節點處所接收之電壓(亦即，在各別影像感測器處所接收之光的強度)之一函數，但針對低於電容器317A之VT之電壓，浮動擴散節點之電容將不大於其固有電容。
藉由消除單獨電容器以控制發現於先前技術解決方案中之浮動擴散電荷分佈，本發明之實施例減小用於一像素單元之矽面積。矽面積之減小減小裝置成本，此乃因一裝置之矽面積量直接與其製造成本成比例。此外，消除用於重設功能性之單獨電晶體減小裝置之可能寄生電容(例如，汲極至塊體電容)，此乃因電晶體引入對裝置功率消耗、轉換增益及速度效能有害之寄生電容之可能性。最後，組合電容器及重設電晶體減少對金屬路由之需要，藉此允許光敏區(例如，光電二極體)及其相關聯光學路徑之較多可能面積及量子效率之一增 加。
圖4係根據本發明之一實施例之展示光強度與像素之輸出處之信號或輸出信號之間的關係的一曲線圖。曲線圖400包含表示基於由一對應光電二極體接收之光強度之像素單元之動態範圍之曲線410(應理解，一像素單元之一浮動擴散節點處之電容對應於該像素單元之動態範圍，且因此亦由曲線410表示)。
光強度值421處之輸出信號表示一浮動擴散節點(例如，圖3之浮動擴散節點306)之固有電容。在此實施例中，當光強度超過值421時，浮動擴散節點306處之電壓電位降低，且將在浮動擴散節點與重設閘極303之間施加一電壓差，該電壓差大於其電容區中之一者之一臨限電壓值，該等電容區由基板310在重設閘極303下之區中之複數個摻雜區形成，藉此提供展示為段431之一輸出信號。在此實施例中，當光強度接近值422時，該浮動節點電位進一步降低，且浮動節點306與重設閘極303之間的電壓大於其電容區中之另一區之一臨限電壓值，藉此提供展示為段432之一輸出信號。
類似地，當光強度值超過值423及424時，將自較低Vt至較高Vt連續地接通更多電容器。
圖5係根據本發明之一實施例之利用具有複數個摻雜劑區之控制節點之一像素單元之一剖面圖。在此實施例中，4T像素單元500包含形成於基板510之前側上之光電二極體580。如上文所闡述，本發明之實施例亦可包括背側像素組態。
在此實施例中，光電二極體580由p型鈍化或釘紮層570及n型光敏區575構成。p型擴散井520形成於基板510內。浮動擴散部560、重設電晶體590、一源極隨耦器電晶體及一列選擇電晶體(未展示)亦可形成於p型擴散井520或類似構造之擴散井內。在像素500之操作期間，轉移電晶體505接收一轉移信號以將光電二極體580中所累積之電 荷轉移至浮動擴散部560。淺溝槽隔離(STI)區530將像素500與各別像素陣列內之其他像素單元分離。
在此實施例中，在亮光條件下，重設電晶體590包含經摻雜之通道區550以使得其增加浮動擴散節點560之電容。如上文所闡述，變化由重設電晶體590提供之電容之一種方式是變化複數個所包含導電區(展示為區551、552、…、559)之摻雜位準。如上文所闡述，當將光電二極體580中所累積之電荷轉移至浮動擴散部560時，由該電荷產生之電場導致順序地接通551至559，藉此取決於浮動節點中之電荷量(或換言之，曝光至光電二極體580之光強度)而變化浮動擴散節點之電容。
在此實施例中，重設電晶體590包含：控制節點540(例如，一源極及汲極連接)，其用於控制至浮動擴散節點560之電荷；及VDD595，其用以控制施加至導電區551至559之電場之強度。在此實施例中，控制節點540與重設電路及導電區551至559組合以節省像素500之矽面積。
在所圖解說明實施例中，光電二極體580及像素單元500之其他元件形成於基板500中。在其他實施例中，像素單元500可形成於安置於基板上之一外延層中。在其他實施例中，像素單元500可在控制節點540與STI 530之間具有一擴散區(圖5中未展示)。
構成通道區550之導電區551至559可具有連續(或接近連續)摻雜位準，藉此形成其中浮動擴散節點560處之電容係電荷量或曝光至光電二極體580之光強度之一函數之一範圍。
如上文所闡述，藉由使一重設電晶體具有由多個摻雜位準構成之一通道區，與先前技術解決方案相比，一組合重設功能性及電荷控制節點減小用於一像素單元之矽面積。此組合減小裝置成本，此乃因一裝置之矽面積量直接與其製造成本成比例。組合重設功能性及電荷 控制節點亦減小裝置之可能寄生電容(例如，汲極至塊體電容)，此乃因電晶體引入對裝置功率消耗、轉換增益及速度效能有害之寄生電容之可能性。此外，組合重設功能性及電荷控制節點減小用於像素單元之金屬路由量，藉此允許光敏區(例如，光電二極體)及其相關聯光學路徑之較多可能面積及量子效率之一增加。
本文中所闡述之上文稱為程序、伺服器或工具之各種組件可係用於執行所闡述之功能之一構件。本文中所闡述之每一組件包含軟體或硬體或此等之一組合。每一及全部組件可實施為軟體模組、硬體模組、特殊用途硬體(例如，特殊應用硬體、ASIC、DSP等)、嵌入式控制器、硬連線電路、硬體邏輯等。軟體內容(例如，資料、指令、組態)可經由包含一非暫時有形電腦或機器可讀儲存媒體之一製造品而提供，該軟體內容提供表示可執行之指令之內容。該內容可導致一電腦執行本文中所闡述之各種功能/操作。
包含摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明實施例之以上說明並非意欲係窮盡性的或將本發明限制於所揭示之精確形式。儘管出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但如熟習相關技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種修改。
可根據以上詳細說明對本發明做出此等修改。以下申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於說明書中所揭示之特定實施例。而是，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍來判定，以下申請專利範圍將根據申請專利範圍解釋之確立原則來加以理解。
500‧‧‧像素單元
505‧‧‧轉移電晶體
510‧‧‧基板
520‧‧‧p型擴散井
530‧‧‧淺溝槽隔離區
540‧‧‧控制節點
550‧‧‧通道區
551、552、...、559‧‧‧區/導電區
560‧‧‧浮動擴散部/浮動擴散節點
570‧‧‧p型鈍化或釘紮層
575‧‧‧n型光敏區
580‧‧‧光電二極體
590‧‧‧重設電晶體
595‧‧‧VDD
VDD‧‧‧電源軌道

Claims (18)

  1. 一種成像感測器像素，其包括：一浮動擴散(FD)區；一光敏元件，其用以獲取一影像電荷；一儲存電晶體，其用以儲存該影像電荷；一轉移閘極，其用以將該影像電荷自該光敏元件選擇性地轉移至該FD區；及一控制節點，其耦合至該FD區以控制該影像電荷至一讀出節點之轉移，該控制節點用以將該FD區重設至一參考電壓且具有與不同臨限電壓值相關聯之複數個電容區，該等電容區中之每一者當轉移至該FD區之該影像電荷超過其臨限電壓值時具有大於其最小電容值之一電容值。
  2. 如請求項1之成像感測器像素，其中該控制節點之該複數個電容區包括一不同摻雜劑位準。
  3. 如請求項1之成像感測器像素，其中該控制節點之該複數個電容區中之每一者包括不同最大電容值。
  4. 如請求項1之成像感測器像素，其中該複數個電容區中之每一者之最小電容值係零。
  5. 如請求項1之成像感測器像素，其中該控制節點之該複數個電容區中之一者之一平帶電壓等於該複數個電容區中之另一者之一臨限電壓。
  6. 如請求項1之成像感測器像素，其中該光敏元件安置於一半導體晶粒內以用於回應於入射於該成像感測器像素之一背側上之光而累積一影像電荷。
  7. 如請求項1之成像感測器像素，其中該光敏元件安置於一半導體 晶粒內以用於回應於入射於該成像感測器像素之一前側上之光而累積一影像電荷。
  8. 如請求項1之成像感測器像素，其中該成像感測器像素包括一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。
  9. 如請求項1之成像感測器像素，其中該成像感測器像素包括一電荷耦合裝置(CCD)影像感測器。
  10. 一種系統，其包括：一成像像素陣列，其中每一成像像素包含：一浮動擴散(FD)區；一光敏元件，其用以獲取一影像電荷；一儲存電晶體，其用以儲存該影像電荷；一轉移閘極，其用以將該影像電荷自該光敏元件選擇性地轉移至該FD區；及一控制節點，其耦合至該FD區以控制該影像電荷至一讀出節點之轉移，該控制節點用以將該FD區重設至一參考電壓且具有與不同臨限電壓值相關聯之複數個電容區，該等電容區中之每一者當轉移至該FD區之該影像電荷超過其臨限電壓值時具有大於其最小電容值之一電容值；一控制單元，其耦合至該成像像素陣列之該等控制節點以控制該成像像素陣列之影像資料擷取；及讀出電路，其包括一或多個讀出節點且耦合至該成像像素陣列以自該等成像像素中之每一者讀出該影像資料。
  11. 如請求項10之系統，其中對於該成像像素陣列中之每一成像像素，每一電容區包括一不同摻雜劑位準。
  12. 如請求項10之系統，其中對於該成像像素陣列中之每一成像像素，該複數個電容區中之一者之一平帶電壓等於該複數個電容 區中之另一者之一臨限電壓。
  13. 如請求項10之系統，其中對於該成像像素陣列中之每一成像像素，該複數個電容區中之每一者包括不同最大電容值。
  14. 如請求項10之系統，其中對於該成像像素陣列中之每一成像像素，該複數個電容區中之每一者之最小電容值係零。
  15. 如請求項10之系統，其中對於該成像像素陣列中之每一成像像素，該光敏元件安置於一半導體晶粒內以用於回應於入射於該成像像素之一背側上之光而累積一影像電荷。
  16. 如請求項10之系統，其中對於該成像像素陣列中之每一成像像素，該光敏元件安置於一半導體晶粒內以用於回應於入射於該成像像素之一前側上之光而累積一影像電荷。
  17. 如請求項10之系統，其中該等成像像素中之每一者包括一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。
  18. 如請求項10之系統，其中該等成像像素中之每一者包括一電荷耦合裝置(CCD)影像感測器。
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