TWI492369B - 固態成像元件與照像機 - Google Patents

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Description

固態成像元件與照像機
本發明係關於一種固態成像元件及照相機，且更特定言之，本發明係關於一種光感測單元與互連層之間之位置關係週期性改變的固態成像元件，以及一種配備此一固態成像元件的照相機。
近幾年，已廣為使用一種應用CMOS(互補式金屬氧化物半導體)技術(其為IC製造用的標準技術之一)的CMOS類型固態成像元件。
不同於一CCD(電荷耦合元件)類型固態成像元件，一CMOS類型固態成像元件不使用高驅動電壓，且可與周邊電路整合(晶片上佈置)，此產生微型化固態成像元件的重要優點。
另外，晶片之微型化及多像素結構係CMOS類型固態成像元件的當前所需。但是，在保持像素之大小的同時使晶片微型化會由於其導致一CMOS類型固態成像元件中使用之像素之數量的減少而帶來固態成像元件之解析度降低的結果。另一方面，在保持像素之大小的同時晶片之多像素結構會由於其導致大尺寸晶片而帶來製造之成本增加或晶片良率減少的結果。
因此，需使像素之尺寸小於其現今之尺寸以實施晶片的微型化及多像素結構。若達成像素之尺寸的微型化，則可提供具有相同解析度的一更小CMOS類型固態成像元件，或者可代以在保持該元件之尺寸如其然般的同時改良解析度。
但是當減小像素之尺寸時，由於進入各像素之光量被減少且像素之光感測部分之靈敏度特性劣化，故而會發生一問題。存在一種藉由增加一輸出電路之轉換效率而維持靈敏度特性的方法。
因此，輸出自CMOS類型固態成像元件之視訊信號的S/N比會劣化。換言之，通常難以藉由在減小像素之尺寸時增加光電轉換效率而維持靈敏度特性，藉此變得需要改良各像素之光收集效率以防止視訊信號的S/N比劣化。
鑑於此一觀點，已提出其中一光感測單元之光收集效率係藉由將晶片上透鏡(OCL)佈置於安裝於該光感測單元上之一彩色濾光器上而改良的一些元件－舉例而言，如日本未審查專利申請公開案第2002-76322號、第2002-151670號及第2005-116939號中所揭示的元件。
一CMOS感測器包含配置成一矩陣的複數個像素，且通常包含一讀出閘極、一電荷電壓轉換單元、一重設閘極、一放大器及類似者，且一光感測單元係包含於各像素之區中，藉此可說是很難減小像素的尺寸。
但是近來，已提出一種所謂複數個像素共用組件式結構(例如參看日本未審查專利申請公開案第2006-54276號)，其中各像素中由諸組件而非光感測單元佔用之面積係可藉由初始安裝於各像素上且由複數個像素共用的此等組件而減少。此一技術已成為用於實現CMOS類型固態成像元件中使用之像素之尺寸之減小的一項重要技術。
但是在一些情形中，在像素圖案中會週期性改變光感測單元與互連層之間的位置關係，用於達成像素之尺寸的減小，或對於複數個像素共用組件式結構而在圖案中週期性改變。因此，因為非有規則地佈置光感測單元與互連層，或換言之，因為經形成用於光感測單元與互連層之圖案係非均一圖案，所以個別光感測單元之靈敏度會週期性改變，帶來輸出自一固態成像元件之影像信號中週期性誘發影像品質之劣化的結果。
本發明係在留意上述問題下達成，且提供一種能夠提供均一像素輸出信號的固態成像元件，以及一種配備該固態成像元件的照相機。
根據本發明之一實施例，提供一種固態成像元件，該固態成像元件包含：一成像單元，其中複數個光感測單元係形成為一矩陣且複數個互連件係形成於該複數個光感測單元之間；一彩色濾光器，其係佈置於該成像單元上且根據一預定義規則而傳送顏色給該等光感測單元；及晶片上透鏡，其等係經佈置該彩色濾光器上以便以一對一為基礎而對應於該等光感測單元，且該等晶片上透鏡具有根據該等光感測單元之靈敏度之間之差異而變化的光收集特性，其中當根據相同規則而將相同顏色傳送給該等光感測單元時，由於相對於該等光感測單元之個別互連件之位置週期性變化的事實而產生該等光感測單元之靈敏度之間的該等差異。
根據本發明之另一實施例，提供一種照相機，該照相機包含：一固態成像元件；一光學系統，其引導入射光至該等成像單元中；及一信號處理電路，其用於處理輸出自該固態成像元件的信號。該固態成像元件包含：一成像單元，其中複數個光感測單元係形成為一矩陣且複數個互連件係形成於該複數個光感測單元之間；一彩色濾光器，其係佈置於該成像單元上且根據一預定義規則而傳送顏色給該等光感測單元；及晶片上透鏡，其等係經佈置該彩色濾光器上以便以一對一為基礎而對應於該等光感測單元，且該等晶片上透鏡具有根據該等光感測單元之靈敏度之間之差異而變化的光收集特性，其中當根據相同規則而將相同顏色傳送給該等光感測單元時，由於相對於該等光感測單元之個別互連件之位置週期性變化的事實而產生該等光感測單元之靈敏度之間的該等差異。
因為該等晶片上透鏡之光收集特性係根據該等光感測單元之靈敏度之間的差異而改變－其中該等光感測單元之靈敏度之間之該等差異係在根據相同規則而將相同顏色傳送給該等光感測單元時，由於相對於該等光感測單元之個別互連件之位置週期性變化的事實而產生－故而可抑制由於該等個別互連件與該等光感測單元之間之關係的影像品質之劣化。
句子「相同顏色係根據相同規則而傳送給光感測單元」意謂著當互相比較兩個光感測單元時，相同顏色被傳送給前述兩個光感測單元，且同時，若鄰接前述兩個光感測單元之一者之一光感測單元與鄰接前述兩個光感測單元之另一者之另一光感測單元係分別位於相對於前述兩個光感測單元之該一者與相對與前述兩個光感測單元之該另一者的相同位置，則相同顏色被傳送給該等光感測單元。
在根據本發明之實施例之固態成像元件及照相機中，可抑制週期性由於個別互連與光感測單元之間之關係的影像品質之劣化，且可提供均一的像素輸出信號。
下文將描述本發明的一實施例(下文稱為一實施例)。將依下列次序就下列主題予以說明。
1.第一實施例
2.第二實施例
3.修改例
<1.第一實施例>
[固態成像元件之示意組態]
圖1係作為根據本發明之一實施例之一固態成像元件之一實例之一CMOS類型影像感測器之一示意組態的一圖。在圖1所示之CMOS固態影像感測器中，共用一重設電晶體Tr2、一放大電晶體Tr3及一選擇電晶體Tr4之複數組兩像素係配置成一矩陣。下文中共用一重設電晶體Tr2、一放大電晶體Tr3及一選擇電晶體Tr4之一組兩像素係稱為兩像素共用組件式單元。
精確言之，兩個光電二極體PD1及PD2，以及分別對應於該等光電二極體PD1及PD2之兩個傳遞電晶體Tr11及Tr12共用重設電晶體Tr2、放大電晶體Tr3及選擇電晶體Tr4。
圖1展示根據一第一實施例之CMOS類型影像感測器1係由包含有規則配置成二維陣列之複數個兩像素共用組件式單元2a的一成像單元3以及佈置於該成像單元3周圍的周邊電路組成。該等周邊電路包含一垂直驅動單元4、一水平傳遞單元5及一輸出單元6。
該等光電二極體PD1及PD2對入射光進行光電轉換。另外，該等光電二極體PD1及PD2具有儲存藉由光電轉換而獲得之信號電荷的電荷儲存區。
該等傳遞電晶體TR11及TR12分別從該等光電二極體PD1及PD2處讀出信號電荷且將此等信號電荷傳遞給稍後將描述的一浮動擴散(FD)區。
該重設電晶體Tr2係用於將浮動擴散(FD)區之電位設定成具有一預定義值的一電晶體。
該放大電晶體Tr3係用於放大傳遞給該浮動擴散(FD)區之信號電荷的一電晶體。
該選擇電晶體Tr4係用於選擇一列像素且將對應於該列像素之像素信號提供給一垂直信號線8的一電晶體。
儘管已在假定CMOS類型影像感測器1包含選擇電晶體Tr4下描述根據該第一實施例的CMOS類型影像感測器1，然而亦可組態不具有選擇電晶體的另一CMOS類型影像感測器。
如圖1所示，在含有兩像素共用組件式單元2之電路中，兩個光電二極體PD1及PD2係分別連接至兩個傳遞電晶體Tr1及Tr12的源極。另外，該等傳遞電晶體Tr11及Tr12的汲極兩者皆係連接至重設電晶體Tr2的源極。
另外，佈置於該等傳遞電晶體Tr11及Tr12與該重設電晶體Tr2之間作為一電荷電壓轉換器的共用浮動擴散(FD)區係連接至放大電晶體Tr3的閘極。
此外，該放大電晶體Tr3之源極係連接至該選擇電晶體Tr4的汲極。該重設電晶體Tr2之汲極與該放大電晶體Tr3之汲極係連接至電源供應電壓。該選擇電晶體Tr4之源極係連接至一垂直信號線8。
該垂直驅動單元4供應一共同重設信號ΦRST給佈置於一列中之兩像素共用組件式單元2之重設電晶體的閘極。另外，該垂直驅動單元4共同施加一列傳遞信號ΦTRG給佈置於一列中之兩像素共用組件式單元2之傳遞電晶體Tr11及Tr12的閘極。此外，該垂直驅動單元4共同施加一列選擇信號ΦSEL給佈置於一列中之兩像素共用組件式單元2之選擇電晶體Tr4的閘極。
該水平傳遞單元5包含以一對一為基礎而連接至垂直信號線8的類比轉數位轉換器9(ADC)、行選擇電路(開關)SW及水平傳遞線10(例如，數量上等於資料位元線之數量的匯流排線)。
該輸出單元6包含一信號處理電路11，用於處理透過該水平傳遞線10及一輸出緩衝器12而提供的輸出信號。
在作為根據本發明之實施例之一固態成像元件之一實例的CMOS類型影像感測器1中，屬於各列且讀出自兩像素共用組件式單元2之信號係藉由該等類比轉數位轉換器9而轉換成數位信號，而後由該等行選擇電路SW循序選擇該等數位信號，並且將該等信號讀出以待循序傳遞給該等水平傳遞線10。在由該信號處理電路11處理之後，便從該輸出緩衝器12輸出該等數位信號(影像資料)。
下文將描述該兩像素共用組件式單元2的操作。首先，藉由將傳遞電晶體Tr11及Tr12之閘極與重設電晶體Tr2之閘極設定成一開通狀態而完全移除儲存於光電二極體PD1及PD2的電荷。其次，在將傳遞電晶體Tr11及Tr12之閘極與重設電晶體Tr2之閘極設定成一開通狀態之後將電荷儲存於該等光電二極體Tr11及Tr12中。
接著，恰在讀出儲存於該等光電二極體PD1及PD2中之電荷之前，藉由將該重設電晶體Tr2之閘極設定成一開通狀態而重設浮動擴散(FD)區的電位。
隨後，將該重設電晶體Tr2之閘極設定成一關斷狀態，且將該等傳遞電晶體Tr11及Tr12之閘極設定成一開通狀態，藉此將該等電荷從該等光電二極體PD1及PD2傳遞至該浮動擴散(FD)區。接著，透過該等光電二極體PD1及PD2而將該等信號電荷施加於該放大電晶體Tr3的閘極，藉此該放大電晶體Tr3放大該等信號電荷。
當該選擇電晶體Tr4被設定成一開通狀態時，透過垂直信號線8而讀出透過藉由該放大電晶體Tr3而進行之信號電荷之電荷電壓轉換而獲得的影像信號。
在佈置於一矩陣中之兩像素共用組件式單元2之一者的平面結構中，一浮動擴散(FD)係佈置於互相對角鄰接的兩個光感測單元之間。換言之，例如如圖2A所示，此等兩個光感測單元透過分別附接至該等光感測單元的傳遞電晶體Tr11及Tr12而共用該浮動擴散(FD)。下文中圖2A所示之兩像素共用組件式單元將稱為兩像素共用組件式單元2a。
將討論由兩像素共用組件式單元2a組成之二維陣列之座標點(i，j)及座標點(i+1，j+1)處的一對光感測單元。在本案例中，例如如圖3A所示，座標點(i，j)及座標點(i+1，j+1)處之光感測單元對共用一浮動擴散(FD)。此外，座標點(i，j+2)及座標點(i+1，j+3)處之一對光感測單元亦共用一浮動擴散(FD)。其他對光感測單元亦在一對光感測單元緊挨浮動擴散(FD)的基礎上類似地共用浮動擴散(FD)。
圖4展示包含根據本發明之第一實施例之兩像素共用組件式單元2a之一成像單元3的布局。如圖4所示，未佈置有浮動擴散(FD)之光感測單元之間之空間係分配用於佈置有電晶體的電晶體區。一重設電晶體Tr2、一放大電晶體Tr3及一選擇電晶體Tr4係佈置於該等電晶體區之各者中。
具體言之，屬於第(2n-1)列之兩像素共用組件式單元2a使其重設電晶體Tr2位於上側上且使其放大電晶體Tr3及選擇電晶體Tr4位於下側上。屬於第2n列之兩像素共用組件式單元2a使其重設電晶體Tr2位於下側上且使其放大電晶體Tr3及選擇電晶體Tr4位於上側上。
該重設電晶體Tr2係由一源極區41、一汲極區42及一重設閘極43組成。該放大電晶體Tr3係由一源極區44、一汲極區45及一放大閘極46組成。該選擇電晶體Tr4係由一源極區47、一汲極區44及一選擇閘極48組成。此處，該放大電晶體Tr3之源極區亦係用作該選擇電晶體Tr4的汲極區。
另外，一互連件49連接一浮動擴散(FD)區20、該重設電晶體Tr2之源極區41及該放大電晶體Tr3的放大閘極46。另外，一互連件(圖4未展示)連接該選擇電晶體Tr4的源極區47與垂直信號線8。
另外，互連層17(圖4未展示)係形成於佈置有該重設電晶體Tr2、該放大電晶體Tr3及該選擇電晶體Tr4的電晶體區上。該等互連層施加電信號給以上電晶體的閘極。
圖5係用於繪示根據本發明之第一實施例之CMOS類型影像感測器之一成像單元3之一截面的一圖。精確言之，圖5係沿圖4之線V-V而得到的一示意截面圖。
如圖5所示，諸如二氧化矽層之一絕緣層(未展示)係形成於包含複數個光感測單元7的一基板50上，且另外，一光透射絕緣層51係形成於該絕緣層上。該光透射絕緣層51之表面係經平坦化。
PSG(磷矽酸鹽玻璃)或BPSG(布硼磷矽酸鹽玻璃)及類似物可用作該光透射絕緣層51的材料。
另外，一晶片上彩色濾光器14(OCCF)係佈置於該經平坦化光透射絕緣層51上。圖5所示之OCCF 14係藉由原色而寫碼，且由邊界區14a分別分開之光透射區14b係用紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)之任何者著色。具體言之，如圖4所示，若屬於佈置成二維陣列之光透射區14b之某一列的光透射區被著色成R、G、R、G及類似顏色，則屬於鄰接該某一列之一第一列的光透射區被著色成B、G、B、G及類似顏色，且屬於鄰接該某一列之一第二列的光透射區被著色成R、G、R、G及類似顏色。換言之，一所謂Bayer陣列係施用於佈置成二維陣列的光透射區14b。
其上具有一著紅色光透射區14b之一光感測單元7指該光感測單元7選擇性接收紅色光，且其上具有一著綠色光透射區14b之一光感測單元7指該光感測單元7選擇性接收綠色光。類似地，其上具有一著藍色光透射區14b之一光感測單元7指該光感測單元7選擇性接收藍色光。
另外，標示於一光透射區14b中之一字母「Gr」指該光透射區14b為一著綠色光透射區且著紅色光透射區與著綠色光透射區係交替佈置於該著綠色光透射區14b屬於的一列中。為了簡單，上述光透射區14b係由「Gr」指代。類似地，標示於一光透射區14b中之一字母「Gb」指該光透射區14b為一著綠色光透射區且著藍色光透射區與著綠色光透射區係交替佈置於該著綠色光透射區14b屬於的一列中。為了簡單，上述光透射區14b係由「Gb」指代。
在根據第一實施例之成像單元3的布局中，兩像素共用組件式單元2a在其兩個光感測單元與其由一重設電晶體Tr2、一放大電晶體Tr3及一選擇電晶體Tr4組成之電晶體之間具有兩種不同類型的位置關係。兩像素共用組件式單元2之類型係由其中設置有該兩像素共用組件式單元2的列對判定。因此，為便利解釋，對應於其上具有其重設電晶體Tr2且其下具有其放大電晶體Tr3與其選擇電晶體Tr4之一光感測單元的一光透射區14b係由「R1」、「Gr1」、「Gb1」或「B1」指代。另一方面，對應於其下具有其重設電晶體Tr2且其上具有其放大電晶體Tr3與其選擇電晶體Tr4之一光感測單元的一光透射區14b係由「R2」、「Gr2」、「Gb2」或「B2」指代。
如圖4所示，相同顏色(紅色)係傳送給對應於「R1」的一光感測單元與對應於「R2」的一光感測單元二者。另外舉例而言，將考慮分別鄰接於對應於「R1」之光感測單元與對應於「R2」之光感測單元的一對光感測單元，且該對光感測單元係同時位於相對於對應於「R1」之光感測單元之相同位置及位於相對於對應於「R2」之光感測單元之相同位置的一情形。在此情形中，存在八對光感測單元，且相同顏色被傳送給此等對的任何者。因此，根據相同規則可確切地說該等相同顏色被傳送給對應於「R1」的光感測單元與對應於「R2」的光感測單元二者。另外，相同顏色(藍色)被傳送給對應於「B1」的光感測單元與對應於「B2」的光感測單元二者。另外舉例而言，將考慮分別鄰接於對應於「B1」與「B2」之光感測單元的一對光感測單元，且該對光感測單元係同時位於相對於對應於「B1」之光感測單元之相同位置及位於相對於對應於「B2」之光感測單元之相同位置的一情形。在此情形中，存在八對光感測單元，且相同顏色被傳送給此等對的任何者。因此，根據相同規則可確切地說該等相同顏色被傳送給對應於「B1」的光感測單元與對應於「B2」的光感測單元二者。類似地，對於一對對應於「Gb1」之一光感測單元與對應於「Gb2」之一光感測單元，以及一對對應於「Gr1」之一光感測單元與對應於「Gr2」之一光感測單元可作相同表述。
另一方面，相同顏色(綠色)被傳送給對應於「Gr1」的光感測單元與對應於「Gr2」的光感測單元二者。但是，該等相同顏色未被分別傳送給鄰接於對應於「Gr1」之光感測單元的光感測單元與鄰接於對應於「Gb1」之光感測單元的光感測單元。因此，根據相同規則難以聲稱該等相同顏色被傳送給對應於「Gr1」的光感測單元與對應於「Gb1」的光感測單元二者。類似地，對於一對對應於「Gr2」與「Gb2」的光感測單元可作相同表述。
OCCF 14之上佈置有由光透射材料(諸如負性光敏樹脂)製成的晶片上透鏡(OCL)。由OCL 13之透鏡表面(其等為一凸曲面)接收且收集之光進入光感測單元7。
<晶片上透鏡之配置>
圖6係繪示根據第一實施例之CMOS類型影像感測器之晶片上透鏡(OCL)13之配置的一示意圖。圖6之一符號C指成像單元3的中心點。
在第一實施例中，圖6之晶片上透鏡之示意圖之上半部中對應於「Gb1」之OCL 13係經形成以便隨著該等OCL沿著示意圖之向上方向前進而逐漸變小。換言之，藉由形成該等OCL 13之有效面積以便在圖6之示意圖之向上方向中逐漸變小而調整對應於「Gb1」之該等OCL 13的光收集特性。
另一方面，在圖6之晶片上透鏡之示意圖之下半部中對應於「R2」之OCL 13係經形成以便在示意圖之向下方向中逐漸變小。換言之，藉由形成該等OCL 13之有效面積以便在圖6之示意圖之下半部之向下方向中逐漸變小而調整對應於「R2」之該等OCL 13的光收集特性。
在此實施例中，藉由形成OCL 13之有效面積而達成該等OCL 13之光收集特性之調整係作為一實例來描述。但是，該等OCL 13之光收集特性的調整不僅可藉由此方法來達成，亦可藉由其他方法而達成。舉例而言，可藉由改變OCL 13之曲率半徑或藉由在OCL 13之表面上生長具有低光透射率之膜而達成該等OCL 13之光收集特性的調整。
另外，在此實施例中，藉由從圖6之成像單元3之中心起在示意圖之向上方向或向下方向中以一個晶片上透鏡接一個晶片上透鏡為基礎而使OCL 13之有效面積逐漸變小來調整該等OCL 13的光收集特性係作為一實例來描述。或者，在成像台中，可從圖6之成像單元3之中心起在示意圖之向上方向或向下方向中以一定數量之晶片上透鏡接一定數量之晶片上透鏡為基礎或以數十個晶片上透鏡接數十個晶片上透鏡為基礎來使成像台中之OCL 13的有效面積變小。若採用成像台中OCL 13之有效面積被變小的上述方法，則在成像單元3之實際設計中將產生有利效果。
[調整使用晶片上透鏡下之靈敏度之間之差異]
如上所述，可藉由調整OCL 13之尺寸而減小由於光感測單元7與互連層17之間之位置關係之不規則與像素圖案之非均一性的晶片上透鏡之靈敏度之間的週期性差異。下文將就以上調整作詳細解釋。
首先，組態CMOS類型影像感測器之成像單元3使得一光束以直角進入該成像單元3的中心，但是一光束會不可避免地以某一角度進入該成像單元3的周邊區中。具體言之，如圖7(其為繪示沿圖1之線VII-VII而得到之一截面的一示意圖)所示，一光束以一向上角度進入該成像單元3的上方區，且一光束以一向下角度進入該成像單元3的下方區。
另外，如從圖4清晰可見，在包含根據本發明之第一實施例之兩像素共用組件式單元2a的成像單元3之布局中，對應於「R2」之光感測單元與對應於「Gb1」之光感測單元之間的空間中未佈置電晶體。因為此區中未佈置電晶體，故而此區中亦未佈置互連層17。因此，入射光不會受任何互連層妨礙而進入，故此歸功於圖4中作為由P表示之區的空間而得以有效擴大對應於「R2」與「Gb1」之光感測單元的光電轉換區，結果增加對應於「R2」與「Gb1」之光感測單元的輸出靈敏度。
換言之，在圖4所示之光進入單元與互連層之間之位置關係中，圖4中作為由P表示之區的空間係在圖4之垂直方向中週期性地形成於兩像素共用組件式單元2a之間。因此，促成光電轉換區之有效擴大及輸出靈敏度之增加的諸區週期性出現於垂直方向中。
另外，當光束以向上角度進入該成像單元3的上方區時，對應於「Gb1」之光感測單元的輸出靈敏度易於受影響且增加。另一方面，當光束以向下角度進入該成像單元3的下方區時，對應於「R2」之光感測單元的輸出靈敏度易於受影響且增加。
換言之，因為進入成像單元3之上方區之一入射光的角度不同於進入該成像單元3之下方區之一入射光的角度，故其輸出靈敏度在該成像單元3之上方區中易於受影響且增加的光感測單元係不同於其輸出靈敏度在該成像單元3之下方區中易於受影響且增加的光感測單元。因此，傳送給在該成像單元3之上方區中易於受影響之光感測單元(第一實施例之情形中的「Gb1」)的顏色係不同於傳送給在該成像單元3之下方區中易於受影響之光感測單元(第一實施例之情形中的「R2」)的顏色。
如上所述，在該成像單元3之上方區中，對應於「Gb1」之光感測單元比對應於「Gb2」之光感測單元更易於受向上光的影響且藉由該向上光而使其等之靈敏度增加的更多。另一方面，在該成像單元3之下方區中，對應於「R2」之光感測單元比對應於「R1」之光感測單元更易於受向下光的影響且藉由該向下光而使其等之靈敏度增加的更多。另外，因為入射光之梯度之角度按從該成像單元3之中心起沿一垂直方向(沿一向上方向或一向下方向)的距離成比例地變大，故該入射光之梯度之角度對該等光感測單元之影響按該成像單元之中心起沿一垂直方向(沿一向上方向或一向下方向)的距離成比例地變大。
表格1展示在用於「Gb1」、「Gb2」、「Gr1」及「Gr2」之OCL 13具有相同尺寸且預定義入射光進入「Gb1」、「Gb2」、「Gr1」及「Gr1」之OCL 13的條件下，對應於「Gb1」、「Gb2」、「Gr1」及「Gr2」之光感測單元之輸出信號的值。
如從表格1清晰可見，在成像單元3之上方區中，對應於「Gb1」之光進入單元的輸出靈敏度係高於對應於「Gb2」之光進入單元的輸出靈敏度。另外，對應於「Gb1」之光進入單元之輸出靈敏度與對應於「Gb2」之光進入單元之輸出靈敏度之間之差異按從該成像單元3之中心起沿一垂直方向(沿一向上方向)的距離成比例地變大。
表格2展示在用於「R1」、「R2」、「B1」及「B2」之OCL 13具有相同尺寸且預定義入射光進入「R1」、「R2」、「B1」及「B2」之OCL 13的條件下，對應於「R1」、「R2」、「B1」及「B2」之光感測單元之輸出信號的值。
如從表格2清晰可見，在成像單元3之下方區中，對應於「R2」之光進入單元的輸出靈敏度係高於對應於「R1」之光進入單元的輸出靈敏度。另外，對應於「R2」之光進入單元之輸出靈敏度與對應於「R1」之光進入單元之輸出靈敏度之間之差異按從該成像單元3之中心起沿一垂直方向(沿一向下方向)的距離成比例地變大。
如上所述，由於促成輸出靈敏度之增加之諸區週期性地出現於垂直方向中的事實而誘發週期性產生於該垂直方向中且線性缺陷的影像之劣化。
為抑制影像之此種劣化，在成像單元3之上半部上形成對應於「Gb1」的OCL 13使得該等OCL 13隨著其等沿著圖6之示意圖之向上方向前進而逐漸變小，此導致該成像單元3之上半部上光感測單元中的靈敏度的之差異。
換言之，由於成像單元3之上半部上對應於「Gb1」之光感測單元之輸出靈敏度係高於對應於「Gb2」之光感測單元之輸出靈敏度的事實而誘發影像的劣化。因此，為減少輸出靈敏度之該等差異，須調整對應於「Gb1」之OCL 13的光收集特性。
類似地，可藉由在成像單元3之下半部上形成對應於「R2」之OCL 13使得該等OCL 13隨著其等沿圖6之示意圖之向下方向前進而逐漸變小，來減少該成像單元3之下半部上之光感測單元中的靈敏度之差異。
換言之，由於成像單元3之上半部上對應於「R2」之光感測單元之輸出靈敏度係高於對應於「R1」之光感測單元之輸出靈敏度的事實而誘發影像的劣化。因此，為減少輸出靈敏度之該等差異，須調整對應於「R2」之OCL 13的光收集特性。
表格3-1、表格3-2及表格3-3展示根據該第一實施例之CMOS類型影像感測器中，在用於「Gb1」、「Gb2」、「Gr1」及「Gr2」之OCL 13具有相同尺寸且預定義入射光進入「Gb1」、「Gb2」、「Gr1」及「Gr2」之OCL 13的條件下，用於「Gb1」之三種減少比率之對應於「Gb1」、「Gb2」、「Gr1」及「Gr2」之光感測單元之輸出信號的值。用於表格3-1、表格3-2及表格3-3之減少比率係定義成按升序變大。
如從表格3-1及表格3-2清晰可見，藉由調整用於「Gb1」之OCL 13之尺寸，從而減少該成像單元3之上半部上對應於「Gb1」之光感測單元的輸出靈敏度，且使對應於「Gb1」與「Gb2」之光感測單元之間之差異變窄。表格3-3展示減少比率是如此大而使調整過度的情形。
表格4-1、表格4-2及表格4-3展示根據該第一實施例之CMOS類型影像感測器中，在用於「R1」、「R2」、「B1」及「B2」之OCL 13具有相同尺寸且預定義入射光進入「R1」、「R2」、「B1」及「B2」之OCL 13的條件下，用於「R2」之三種減少比率之對應於「R1」、「R2」、「B1」及「B2」之光感測單元之輸出信號的值。用於表格4-1、表格4-2及表格4-3之減少比率係定義成按升序變大。
如從表格4-1及表格4-2清晰可見，藉由調整用於「R2」之OCL 13之尺寸，從而減少該成像單元3之上半部上對應於「R2」之光感測單元的輸出靈敏度，且使對應於「R1」與「R2」之光感測單元之間之差異變窄。表格4-3展示減少比率是如此大而使調整過度的情形。
如上所述，根據該實施例，藉由調整OCL 13之尺寸，從而使成像單元3之上半部上對應於「Gb1」與「Gb2」之光感測單元之間之差異變窄，且使該成像單元之下半部上對應於「R1」與「R2」之光感測單元之間之差異變窄。
由於像素圖案之非均一性且具體而言由於歸功於圖4中由P表示之區而得以有效擴大光感測單元之光電轉換區之事實的光感測單元之靈敏度之間的差異可獲減少。藉由減少該等光感測單元之靈敏度之差異，可提供均一像素輸出信號，且可抑制週期性產生的影像品質之劣化。
另外，根據此實施例，因為浮動擴散(FD)係佈置於互相傾斜鄰接的一對光感測單元7之間，所以可在未降低該等感測單元7之靈敏度下實現該成像單元3之尺寸的微型化。
因此，根據此實施例，成像單元3之微型化可藉由採用一種所謂複數個像素共用組件式結構而實現，且亦可減少在光感測單元中週期性產生的靈敏度之差異，結果可實現CMOS類型影像感測器的微型化及影像品質之劣化的抑制兩者。
<2.第二實施例>
[照相機之組態]
圖12係採用根據本發明之另一實施例之一CMOS類型照相機之一實例的一示意組態圖。採用根據第一實施例之上述CMOS類型影像感測器作為此照相機77中的一成像元件。
根據本發明之此實施例之照相機77係經組態使得入射光通過諸如一透鏡71之一光學系統及一機械快門72而從一場景(圖12中未展示)進入一固態成像元件73的一成像單元。該機械快門72係用於藉由導引或遮住入射光往返於該固態成像元件73之成像單元而設定曝光時間。
在此照相機中，根據第一實施例之上述固態成像元件係用作固態成像元件73，且此固態成像元件73係由具有一時序產生器、一驅動系統及類似者的一驅動電路74驅動。
藉由一信號處理電路75而對來自該固態成像元件73之輸出信號執行各種類型的信號處理，且而後將經處理之信號輸出為影像信號，且記錄於記錄媒體(諸如記憶體)中或輸出供監控用。
由一系統控制器76執行該機械快門72之敞開與閉合控制、該驅動電路之控制及該信號處理電路75之控制。
因為在此照相機中採用根據本發明之此實施例之固態成像元件，所以可減少由於像素圖案之非均一性的光進入單元之靈敏度之間的差異，結果可透過均一的影像輸出信號而獲得高品質的影像。
<3.修改例>
[關於複數個像素共用組件式結構之修改例]
如上所述，在根據第一實施例之兩像素共用組件式單元2a中，兩個像素以圖2A所示之方式共用一浮動擴散(FD)。但是，該兩像素共用組件式結構不受限於圖2A所示的形式。舉例而言，兩個像素可以圖2B所示之方式共用一浮動擴散(FD)。此處，下文中具有圖2B所示之結構之兩像素共用組件式單元將稱為兩像素共用組件式單元2b。
圖3B展示由兩像素共用組件式單元2b組成之二維陣列之座標點(i+1，j)及座標點(i，j+1)處的一對光感測單元共用一浮動擴散(FD)。此外，座標點(i，j+3)及座標點(i+1，j+2)處之光感測單元對亦共用一浮動擴散(FD)(參看圖3B)。
在第一實施例中，儘管已描述兩個像素共用一重設電晶體Tr2、一放大電晶體Tr3及一選擇電晶體Tr4的情形，然而亦可預期兩個以上像素共用電晶體的另一情形。舉例而言，如圖9所示，可預期四個像素共用一重設電晶體Tr2、一放大電晶體Tr3及一選擇電晶體Tr4的四像素共用組件式單元2c。另外，如圖8所示，一CMOS類型影像感測器可由配置成一陣列的四像素共用組件式單元2c組成。
在本案例中，各構成一光進入單元之部分的四個光電二極體PD1至PD4，以及分別對應於該四個光電二極體PD1及PD4之四個傳遞電晶體Tr11及Tr14共用一重設電晶體Tr2、一放大電晶體Tr3及一選擇電晶體Tr4。
圖10繪示由各包含四個像素之四像素共用組件式單元2c組成之一成像單元3之一正方形陣列狀布局的一實例。在圖10中，各四像素共用組件式單元2c具有重設電晶體Tr2、放大電晶體Tr3及選擇電晶體Tr4。
作為由四像素共用組件式單元2c組成之一成像單元3之一布局，不僅可採用圖10所示的正方形陣列狀布局，亦可採用圖11所示之一斜陣列(蜂巢式陣列)狀布局。
[OCL之光收集特性獲調整之方向之修改例]
在上述第一實施例中，已在假定造成光電轉換區有效擴大之圖4中由P表示之區係週期性產生於垂直方向中的條件下描述CMOS類型影像感測器。換言之，在第一實施例中，已在假定光感測單元與連接電晶體之閘極之互連層之間之位置關係在垂直方向中週期性變化的條件下描述CMOS類型影像感測器。因此，藉由在垂直方向中週期性調整OCL 13之光收集特性而達成影像輸出信號的均一性係。
但是，光感測單元與連接電晶體之閘極之互連層之間之位置關係不僅在垂直方向中週期性變化亦在另一方向中週期性變化。舉例而言，若光感測單元與連接電晶體之閘極之互連層之間之位置關係在水平方向中週期性變化，則藉由在水平方向中週期性調整OCL 13之光收集特性而達成影像輸出信號的均一性。
另外，若光感測單元與連接電晶體之閘極之互連層之間之位置關係在垂直方向與水平方向二者中週期性變化，則藉由在垂直方向與水平方向二者中週期性調整OCL 13之光收集特性而達成影像輸出信號的均一性。
[晶片上彩色濾光器之修改例]
在上述第一實施例中，已描述基於一Bayer陣列之晶片上彩色濾光器14作為一實例。但是，該晶片上彩色濾光器14不受限於基於一Bayer陣列之一者，且可為基於另一類型之陣列之一者，只要其等可根據一預定義規則傳送顏色。
另外，在上述第一實施例中，因為對應於「R2」與「Gb1」之光感測單元係分別位於圖4中由P表示之區之上與該區之下，所以已描述對應於「R2」與「Gb1」之光感測單元之OCL 13之光收集特性的調整來作為一實例。但是，分別位於圖4中由P表示之區之上與該區之下之光感測單元係不受限於對應於「R2」與「Gb1」的光感測單元。
換言之，影像輸出信號之均一性係藉由調整分別位於圖4中由P表示之區之上與該區之下且對應於該等光感測單元之OCL 13之光收集特性而達成。因此，傳遞給分別位於圖4中由P表示之區之上與該區之下之光感測單元的顏色之種類不與該等OCL 13之光收集特性的調整有直接關係。
本申請案包括揭示於2009年7月23日向日本專利局申請的日本專利申請案JP 2009-171674中的相關標的，該案之全文以引用的方式併入本文中
熟悉此項技術者應理解，多種修改、組合、子組合及變更可取決於設計需求及其他因素而出現，只要該等修改、組合、子組合及變更係在隨附申請專利範圍內或為其等效物。
1．．．CMOS類型影像感測器
2、2a．．．兩像素共用組件式單元
2c．．．四像素共用組件式單元
3．．．成像單元
4．．．垂直驅動單元
5．．．水平傳遞單元
6．．．輸出單元
7．．．光感測單元
8．．．垂直信號線
9．．．類比轉數位轉換器
10．．．水平傳遞線
11．．．信號處理電路
12．．．輸出緩衝器
13．．．晶片上透鏡/OCL
14．．．晶片上彩色濾光器
14a．．．邊界區
14b．．．光透射區
17．．．互連層
20．．．浮動擴散(FD)區
41．．．源極區
42．．．汲極區
43．．．重設閘極
44．．．Tr3之源極區/Tr4之汲極區
45．．．汲極區
46．．．放大閘極
47．．．源極區
48．．．選擇閘極
49．．．互連件
50．．．基板
51．．．光透射絕緣層
71．．．透鏡
72．．．機械快門
73．．．固態成像元件
74．．．驅動電路
75．．．信號處理電路
76．．．系統控制器
77．．．照相機
C．．．中心點
FD．．．浮動擴散區
PD1、PD2、PD3、PD4．．．光電二極體
R1、Gr1、Gb1、B1．．．光透射區
R2、Gr2、Gb2、B2．．．光透射區
SW．．．行選擇電路(開關)
Tr2．．．重設電晶體
Tr3．．．放大電晶體
Tr4．．．選擇電晶體
Tr11-Tr14．．．傳遞電晶體
ΦTRG．．．列傳遞信號
ΦRST．．．共同重設信號
ΦSEL．．．列傳遞信號
圖1係展示作為根據本發明之一實施例之一固態成像元件之一實例之一CMOS類型影像感測器之一示意組態的一圖；
圖2A係繪示包含兩個像素之兩像素共用組件式單元之一平面組態的一示意圖；
圖2B係繪示包含兩個像素之另一兩像素共用組件式單元之一平面組態的一示意圖；
圖3A係繪示圖2A所示之兩像素共用組件式單元如何共用組件的一示意圖；
圖3B係繪示圖2B所示之兩像素共用組件式單元如何共用組件的一示意圖；
圖4係繪示一成像單元之一布局的一示意圖；
圖5係繪示根據本發明之一第一實施例之一CMOS類型影像感測器之一成像單元之一截面的一示意圖；
圖6係繪示根據該第一實施例之CMOS類型影像感測器之晶片上透鏡的一示意圖；
圖7係沿圖1中之線VII-VII得到之一截面的一示意圖；
圖8係展示由各包含四個像素之四像素共用組件式單元組成之一CMOS影像感測器之一示意組態圖的一圖；
圖9係繪示包含四個像素之四像素共用組件式單元之一平面組態的一示意圖；
圖10係繪示由各包含四個像素之四像素共用組件式單元組成之一成像單元之一布局的一示意圖(1)；
圖11係繪示由各包含四個像素之四像素共用組件式單元組成之一成像單元之另一布局的一示意圖(1)；
圖12係根據本發明之另一實施例之一CMOS類型照相機之一實例的一示意組態圖。
R1、Gr1、Gb1、B1．．．光透射區
R2、Gr2、Gb2、B2．．．光透射區
C．．．中心點

Claims (8)

  1. 一種固態成像元件，其包括：一成像單元，其中複數個光感測單元係形成為一矩陣且複數個互連件係形成於該複數個光感測單元之間；一彩色濾光器，其係佈置於該成像單元上且根據一色彩編碼方案而傳送顏色給該等光感測單元；及若干晶片上透鏡，其等係經佈置於該彩色濾光器上以便以一對一為基礎而對應於該等光感測單元，且該等晶片上透鏡具有根據該等光感測單元之靈敏度之間之差異而變化的光收集特性，其中當根據一相同規則而將相同顏色傳送給該等光感測單元時，由於相對於該等光感測單元之個別互連件之位置週期性變化的事實而發生該等光感測單元之靈敏度之間的該等差異，晶片上透鏡係經提供至該固態成像元件之一部分，該等晶片上透鏡具有光收集特性，使得按該相同規則在該部分內靠近該固態成像元件之一中心線之光感測單元之光收集量大於按該相同規則在該部分內距離該中心線遠之光感測單元之光收集量，及該光收集特性使得該相同規則之該等光感測單元之光靈敏度更均勻。
  2. 如請求項1之固態成像元件，其中：相對於該等光感測單元之該等個別互連件之該等位置在一垂直方向中週期性變化； 該等晶片上透鏡之該等光收集特性係根據該垂直方向中從該成像單元之中心起的諸距離而調整；且傳送給對應於其光收集特性係根據一垂直方向中從該成像單元之該中心起的諸距離而調整之該等晶片上透鏡之該等光感測單元的顏色係不同於傳送給對應於其光收集特性係根據另一垂直方向中從該成像單元之該中心起的距離而調整之該等晶片上透鏡之該等光感測單元的顏色。
  3. 如請求項1之固態成像元件，其中：相對於該等光感測單元之該等個別互連件之位置係在一水平方向中週期性變化；該等晶片上透鏡之該等光收集特性係根據該水平方向中從該成像單元之該中心起之距離而調整；且傳送給對應於其光收集特性係根據一水平方向中從該成像單元之該中心起的距離而調整之該等晶片上透鏡之該等光感測單元的顏色不同於傳送給對應於其光收集特性係根據另一水平方向中從該成像單元之該中心起的距離而調整之該等晶片上透鏡之該等光感測單元的顏色。
  4. 如請求項1之固態成像元件，其中相對於該等光感測單元之該等個別互連件的該等位置分別在一垂直方向與一水平方向二者中週期性變化，且該等晶片上透鏡之該等光收集特性係根據該垂直方向與該水平方向二者中從該成像單元之該中心起的距離而調整。
  5. 3及4中任一項之固態成像元件，其中逐漸 調整該等晶片上透鏡的該等光收集特性。
  6. 3及4中任一項之固態成像元件，其中該等晶片上透鏡之該等光收集特性係在多個成像台中調整。
  7. 2、3及4中任一項之固態成像元件，其進一步包括將由該等光感測單元產生之多個電荷轉換成電壓的複數個電荷電壓轉換單元，該複數個電荷電壓轉換單元之各者係由該複數個光感測單元共用。
  8. 一種照相機，其包括：一固態成像元件，其包含一成像單元，其中複數個光感測單元係形成為一矩陣且複數個互連件係形成於該複數個光感測單元之間；一彩色濾光器，其係佈置於該成像單元上且根據一色彩編碼方案而傳送顏色給該等光感測單元；及晶片上透鏡，其等係經佈置於該彩色濾光器上以便以一對一為基礎而對應於該等光感測單元，且該等晶片上透鏡具有根據該等光感測單元之靈敏度之間之差異而變化的光收集特性，其中(a)當根據一相同規則而將相同顏色傳送給該等光感測單元時，由於相對於該等光感測單元之個別互連件之位置週期性變化的事實而發生該等光感測單元之靈敏度之間的該等差異；(b)晶片上透鏡係經提供至該固態成像元件之一部分，該等晶片上透鏡具有光收集特性，使得按該相同規則在該部分內靠近該固態成像元件之一中心線之光感測單元之光收集量大於按該相同規則在該部分內距離該中心線遠之光感測單元之 光收集量，及(c)該等光收集特性使得該相同規則之該等光感測單元之光靈敏度更均勻；一光學系統，其引導入射光至該等成像單元中；及一信號處理電路，其用於處理輸出自該固態成像元件的諸信號。
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