TWI694724B - 具有提供高動態範圍之雙轉換增益之小像素 - Google Patents

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Abstract

本申請係關於具有提供高動態範圍之雙轉換增益之小像素。一種共用像素之群組，其包含：一第一共用像素，其包含一第一光電二極體及一第一轉移閘極；一第二共用像素，其包含一第二光電二極體及一第二轉移閘極；一第三共用像素，其包含一第三光電二極體及第一三轉移閘極；一第四共用像素，其包含一第四光電二極體及一第四轉移閘極；一第一浮動擴散，其係由該第一共用像素及該第二共用像素共用；一第二浮動擴散，其係由該第三共用像素及該第四共用像素共用；一電容器，其係經由一第一雙轉換增益電晶體耦接至該第一浮動擴散，並且係經由一第二雙轉換增益電晶體耦接至該第二浮動擴散；其中該電容器係形成於覆蓋該第一共用像素、該第二共用像素、該第三共用像素及該第四共用像素之大部分之一區域中。

Description

具有提供高動態範圍之雙轉換增益之小像素
本發明係關於雙轉換增益(DCG)，且更特定言之係關於具有提供高動態範圍(HDR)之雙轉換增益(DCG)之小像素。
近年來，攝影機模塊安裝在智慧型電話、汽車、醫療裝置等等上。隨著技術之發展，攝影機之解析度增大，同時攝影機之大小顯著減小。經由使用典型地互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器製造攝影機模塊。CMOS影像感測器包含複數個像素。
標準影像感測器具有近似地60至70 dB之有限的動態範圍。然而，現實世界之亮度動態範圍要大得多。自然場景通常跨越90 dB及以上之範圍。為了同時捕捉高光及陰影，高動態範圍(HDR)技術已經在影像感測器中使用以增大所捕捉之動態範圍。用於增大動態範圍之技術係將經由標準(低動態範圍)影像感測器捕捉之兩個曝光合併至單個線性HDR影像中，其具有與單個曝光影像相比大得多的動態範圍。
兩個曝光可以使用已知為雙轉換增益(DCG)之兩個不同的增益捕捉。DCG包括高轉換增益(HCG)及低轉換增益(LCG)。LCG可以經由像素電路中之添加之電容器提供。電容器之區域由於小像素大小受到限制。因此其電容亦係有限的。其又限制了動態範圍。相應地，需要較高動態範圍，同時電容器之大小不變。
在以下描述中，陳述眾多具體細節以便提供對本發明之透徹理解。然而，對於熟習此項技術者而言顯而易見的是，不必採用該等具體細節來實踐本發明。在其他例子中，未詳細地描述眾所周知之材料或方法以便避免混淆本發明。
在本說明書通篇中參考「一個實施例」或「一實施例」意謂結合該等實施例描述之特定特徵、結構或特性包括在本發明之至少一個實施例中。因此，在本說明書通篇在不同位置中出現習語「在一個實施例中」或「在一實施例中」未必係指同一個實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以任何合適之組合及/或子組合組合在一或多個實施例中。
在一些高解析度CMOS影像感測器設計中，四個像素之群組可共用浮動擴散(FD)。與非共用像素相比，顯而易見之優點係在像素陣列中需要較少讀出電路，使得可以減小像素大小。
圖1示出包含分別經由四個轉移閘極電晶體TX1、TX2、TX3及TX4耦接至單個FD之四個光電二極體PD1、PD2、PD3及PD4之2x2共用像素100的HDR群組。為了讀取累積在光電二極體(例如，PD1)中之電荷，僅開啟一個轉移閘極(例如，TX1)。相應地，僅來自光電二極體(例如，PD1)之電荷被轉移至FD。FD中之電荷係經由源極跟隨器電晶體(SF)轉換成電壓。SF之輸出信號Bit係經由開啟經耦接至SF之源極的列選擇電晶體(RS)來讀出。SF之汲極經耦接至類比電源AVDD (類比電壓汲極汲極)。為了讀取累積在另一光電二極體(例如，PD2)中之電荷，開啟另一轉移閘極(例如，TX2)等等。
在一些HDR CMOS影像感測器設計中，雙轉換增益電晶體(DCG)及電容器(CAP)可以添加在2x2共用像素100之群組中。FD係經由DCG耦接至重設電晶體(RST)。FD可以經由電源RFD被重設至一浮動擴散重設電壓(重設FD)。
圖1示出經添加在像素電路中之DCG及CAP。當DCG開啟時，FD係耦接至CAP。相應地，來自光電二極體之轉移電荷可以被容納在較大電容中，該電容係FD之電容(CFD)及CAP之電容的總和。除了FD p-n結電容之外，CFD可以包括SF閘極之電容、DCG源極之電容、TX重疊之電容，及金屬耦合電容。
這導致低轉換增益(LCG)。因為SF之輸出電壓受到AVDD之限制，因此較大電容(CFD+CAP)引起較小轉換增益以容納更多電荷轉換至在有限電壓範圍中的電壓。LCG與(CFD+CAP)成反比。
當轉換增益較低時，由於與隨機雜訊相比較小之經轉換電壓信號，低光像素之電荷可能並不與隨機雜訊區分開，因此動態範圍減小。因此對於低光，DCG關閉自FD斷開CAP。相應地，來自光電二極體之轉移電荷可以被容納在較小電容中，其係CFD單獨的而沒有CAP。這導致高轉換增益(HCG)。較小電容導致較大轉換增益以容納較少電荷轉換至有限電壓範圍中之電壓。HCG與CFD成反比。
動態範圍(DR)可以與HCG/LCG或(CFD+CAP)/CFD成正比。為了獲得較高DR，(CFD+CAP)必須較大且CFD必須較小。為了獲得較大(CFD+CAP)，需要更多共用光電二極體以使CFD較大並且需要較大區域以使CAP較大。另一方面，需要較少共用光電二極體以使CFD較小。
圖2示出了根據本發明之實施例之兩個1x2共用像素200之HDR群組。下文將描述兩個1x2共用像素200之群組與2x2共用像素100之群組之差異。然而，可能並不重複兩個1x2共用像素200之群組及2x2共用像素100之群組之共用部分。兩個1x2共用像素200之群組包含分別經由TX1及TX2耦接至FD1之PD1及PD2。兩個1x2共用像素200之群組亦包含分別經由TX3及TX4耦接至FD2之PD3及PD4。
對於HCG，DCG1及DCG2兩者均關閉。在此情況下，對於兩個1x2共用像素200之群組之像素，像素之CFD小於2x2共用像素100之群組之像素之CFD，因為較少光電二極體共用FD。與四個像素共用FD相比兩個像素共用FD。參考CFD可以包括SF閘極之電容、DCG源極之電容、TX重疊之電容及金屬耦合電容，較少光電二極體共用FD引起較少CFD。以此方式，CFD可以包括SF閘極、TX重疊及金屬耦合之較少電容。
兩個1x2共用像素200之群組之四個光電二極體(PD1、PD2、PD3及PD4)共同電容器CAP，其與2x2共用像素100之群組中之共同電容器CAP相同。
對於LCG，DCG1及DCG2兩者均開啟。在此情況下，對於兩個1x2共用像素200之群組之像素，像素之CFD大於2x2共用像素100之群組之像素之CFD，因為兩個1x2共用像素200之群組之像素之CDF包括2FD，並且2x2共用像素100之群組之像素之CDF包括僅一個FD。
兩個1x2共用像素200之群組之電容器CAP具有與2x2共用像素100之群組之電容器CAP之電容相同之電容。相應地，電容器之區域可以相同。舉例而言，電容器覆蓋分別具有PD1、PD2、PD3及PD4之四個共用像素之大部分。以此方式，兩個1x2共用像素之群組之像素大小可以與2x2共用像素之群組一樣小，但兩個1×2共用像素之像素可具有與2x2共用像素之群組相比較高之動態範圍。
兩個1x2共用像素200之群組可包含第一源極跟隨器SF1，其將FD1中之電荷轉換成電壓並且自源極耦接至第一列選擇電晶體RS1以輸出讀取信號Bit。SF1之汲極耦接至電源AVDD。類似地，將在FD2中之電荷轉換成電壓之第二源極跟隨器SF2自源極耦接至第二列選擇電晶體RS2以輸出讀取信號Bit。SF2之汲極耦接至電源AVDD。重設電晶體RST分別經由DCG1及DCG2將FD1及FD2重設至RFD電壓。
圖3示出包含2x2共用像素300之複數個群組之影像感測器之像素陣列的例示性佈局圖。2x2共用像素之每個群組包含第一共用像素302、第二共用像素304、第三共用像素306及第四共用像素308。共同電容器310經形成為具有覆蓋共用像素302-308之大部分的區域。
圖4示出根據本發明之實施例包含兩個1x2共用像素400之複數個群組之影像感測器之像素陣列之電路佈局的例示性佈局圖。兩個1x2共用像素之每個群組包含第一共用像素402、第二共用像素404、第三共用像素406及第四共用像素408。共同電容器410經形成為具有覆蓋共用像素402-408之一部分或全部的區域。該區域可覆蓋共用像素402-408之大部分。電容器410可以包含兩個並聯平面電極及經形成於其間之介電層形成金屬-絕緣體-金屬(MIM)型電容器。電容器410亦可包含平面電極及在氧化層中之另一電極形成金屬-氧化物-金屬(MOM)型電容器。
參考圖2，第一共用像素402包含第一光電二極體PD1及第一轉移閘極TX1，第二共用像素404包含第二光電二極體PD2及第二轉移閘極TX2，第三共用像素406包含第三光電二極體PD3及第三轉移閘極TX3，第四共用像素408包含第四光電二極體PD4及第四轉移閘極TX4。共用像素402及404共用FD1、RS1及DCG1。共用像素406及408共用FD2、RS2及DCG2。四個共用像素402-408共用讀出電路，包括RST、RFD、AVDD及CAP。
替代地，根據本發明之實施例，共同電容器可經形成於如圖5中所示之堆疊晶粒結構中之單獨的邏輯晶粒上。例示性堆疊晶粒結構500包含像素晶粒及邏輯晶粒。像素晶粒包含N+個區域及FD。像素晶粒亦包含金屬層、通孔、雜化鍵之頂部元件(HB-Top)、DCG，以及經耦接至類比接地、嵌入於像素晶粒之氧化層506中之元件502。邏輯晶粒包含雜化鍵之底部元件(HB-Btm)、通孔及經嵌入於邏輯晶粒之氧化層508中之電容器電極504。兩個電極504在邏輯晶粒中形成金屬-氧化物-金屬(MOM)型電容器。亦可形成金屬-絕緣體-金屬(MIM)型電容器。
圖6示出了根據本發明之實施例之N對共用像素600之HDR群組。N為整數。N可為2、4、8或任何合適之數目。一對共用像素與1x2共用像素相同。影像感測器(例如，CMOS影像感測器)可包含像素陣列，該像素陣列包含N對共用像素600之複數個群組。第一對共用像素602包含分別經由轉移閘極TX11及TX12耦接至浮動擴散器FD1之光電二極體PD11及PD12。雙轉換增益電晶體DCG1耦接至FD1。FD1中之電荷經由源極跟隨器電晶體SF1轉換成電壓。SF1之輸出信號Bit經由開啟耦接至SF1之源極之列選擇電晶體RS1讀出。SF1之汲極耦接至類比電源AVDD。
類似地，第N對共用像素604包含分別經由轉移閘極TXn1及TXn2耦接至浮動擴散器FDn之光電二極體PDn1及PDn2。雙轉換增益電晶體DCGn耦接至FDn。FDn中之電荷經由源極跟隨器電晶體SFn轉換成電壓。SFn之輸出信號Bit經由開啟耦接至SFn之源極之列選擇電晶體RSn讀出。SFn之汲極耦接至類比電源AVDD。
共同電容器CAP分別經由全部對DCG1-DCGn之雙轉換增益電晶體耦接至全部對FD1-FDn之浮動擴散。重設電晶體RST亦分別經由全部對DCG1-DCGn之雙轉換增益電晶體耦接至全部對FD1-FDn之浮動擴散，以重設FD1-FDn至RFD電壓。
圖7示出了根據本發明之實施例包含N對共用像素700之複數個群組之影像感測器之像素陣列之例示性佈局圖。N對共用像素之每個群組包含N對共用像素。每對共用像素包含第一共用像素及第二共用像素。舉例而言，圖7示出了包括8對共用像素之群組之像素陣列。第一對共用像素包含第一共用像素702及第二共用像素704。第二對共用像素包含第一共用像素706及第二共用像素708。第三對共用像素包含第一共用像素710及第二共用像素712。第四對共用像素包含第一共用像素714及第二共用像素716。第五對共用像素包含第一共用像素718及第二共用像素720。第六對共用像素包含第一共用像素722及第二共用像素724。第七對共用像素包含第一共用像素726及第二共用像素728。第八對共用像素包含第一共用像素730及第二共用像素732。共同電容器750形成為具有覆蓋共用像素702-732之一部分或全部之區域。該區域可覆蓋共用像素702-732之大部分。共同電容器750可包含兩個並聯平面電極及形成在其間之介電層形成MIM型電容器。電容器750亦可包含平面電極及在氧化層中之另一電極形成MOM型電容器。在一個實施例中，共同電容器可在堆疊晶粒結構中形成在單獨邏輯晶粒上。
雖然本文中已經相對於例示性實施例及用於實踐本發明之最佳模式描述了本發明，但對於熟習此項技術者而言將顯而易見的是，在不脫離本發明之精神及範疇之前提下可以對本發明作出各種實施例之許多修改、改進及子組合、調適以及變化。
在所附申請專利範圍中使用之術語不應解釋為將本發明限制於說明書及申請專利範圍中所揭示之具體實施例。實際上，範疇將完全經由所附申請專利範圍確定，所附申請專利範圍係根據申請專利範圍解譯之已確立之原則解釋的。本說明書及圖相應地被視為說明性的而非限定性的。
100          共用像素 200          共用像素 300          共用像素 302          第一共用像素 304          第二共用像素 306          第三共用像素 308          第四共用像素 310          共同電容器 400          共用像素 402          共用像素 404          共用像素 406          共用像素 408          共用像素 410          電容器 500          堆疊晶粒結構 502          元件 504          電容器電極 506          氧化層 508          氧化層 600          共用像素 602          共用像素 604          共用像素 700          共用像素 702          第一共用像素 704          第二共用像素 706          第一共用像素 708          第二共用像素 710          第一共用像素 712          第二共用像素 714          第一共用像素 716          第二共用像素 718          第一共用像素 720          第二共用像素 722          第一共用像素 724          第二共用像素 726          第一共用像素 728          第二共用像素 730          第一共用像素 732          第二共用像素 750          共同電容器
參見以下圖式描述本發明之非限制性及非窮盡性之實施例，其中除非另外規定，否則貫穿各視圖中相同之參考標號指代相同之部分。
圖1示出了2x2共用像素之HDR群組。
圖2示出了根據本發明之實施例之兩個1x2共用像素之HDR群組。
圖3示出了包含2x2共用像素之複數個群組之影像感測器之像素陣列之例示性佈局圖。
圖4示出了根據本發明之實施例包含兩個1x2共用像素之複數個群組之影像感測器之像素陣列之例示性佈局圖。
圖5示出了根據本發明之實施例包含像素晶粒及邏輯晶粒之堆疊晶粒結構。
圖6示出了根據本發明之實施例之N對共用像素之HDR群組。
圖7示出了根據本發明之實施例包含8對共用像素之複數個群組之影像感測器之像素陣列之例示性佈局圖。
對應的參考標號在圖式之若干視圖通篇中指示對應之組件。熟習此項技術者將瞭解，圖中之元件僅為簡單及清晰起見而進行說明，且未必按比例繪製。舉例而言，圖中之一些元件之尺寸可能相對於其他元件加以放大以有助於改進對本發明之各種實施例之理解。
200          共用像素

Claims (16)

  1. 一種共用像素之群組，其包含：一第一共用像素，其包含一第一光電二極體及一第一轉移閘極；一第二共用像素，其包含一第二光電二極體及一第二轉移閘極；一第三共用像素，其包含一第三光電二極體及一第三轉移閘極；一第四共用像素，其包含一第四光電二極體及一第四轉移閘極；一第一浮動擴散，其由該第一共用像素及該第二共用像素共用；一第二浮動擴散，其由該第三共用像素及該第四共用像素共用；一電容器，其係經由一第一雙轉換增益電晶體耦接至該第一浮動擴散，並且係經由一第二雙轉換增益電晶體耦接至該第二浮動擴散；其中該電容器經形成為具有覆蓋該第一共用像素、該第二共用像素、該第三共用像素及該第四共用像素之大部分之一區域。
  2. 如請求項1之共用像素之群組，其中該電容器包含兩個並聯平面電極及經形成於其間之一介電層以及一平面電極及在一氧化層中之另一電極中之一者。
  3. 如請求項1之共用像素之群組，進一步包含：一第一源極跟隨器電晶體，其係自一汲極耦接至一電源，並且係自一源極耦接至一第一列選擇電晶體，以將該第一浮動擴散中之電荷轉換成電壓，其中該第一列選擇電晶體輸出來自該第一源極跟隨器之一讀取信號；及 一第二源極跟隨器電晶體，其係自一汲極耦接至該電源，並且係自一源極耦接至一第二列選擇電晶體，以將該第二浮動擴散中之電荷轉換成電壓，其中該第二列選擇電晶體輸出來自該源極跟隨器之該讀取信號。
  4. 如請求項1之共用像素之群組，進一步包含：一重設電晶體，其用以將該第一浮動擴散及該第二擴散重設至一重設浮動擴散(RDF)電壓。
  5. 一種共用像素之群組，其包含：N對共用像素，每對共用像素包含一第一共用像素及一第二共用像素；一第一共用像素，其包含一第一光電二極體及一第一轉移閘極；一第二共用像素，其包含一第二光電二極體及一第二轉移閘極；一浮動擴散，其係由該第一共用像素及該第二共用像素共用；一雙轉換增益電晶體，其經耦接至該浮動擴散；一共同電容器，其係經由每對共用像素之該雙轉換增益電晶體耦接至每對共用像素之該浮動擴散；其中N為一整數；其中該共同電容器經形成為具有覆蓋該N對共用像素之大部分之一區域。
  6. 如請求項5之共用像素之群組，其中該共同電容器包含兩個並聯平面電極及經形成於其間之一介電層以及一平面電極及在一氧化層中之另一電 極中之一者。
  7. 如請求項5之共用像素之群組，其中N為2、4及8中之一者。
  8. 如請求項5之共用像素之群組，其中每對共用像素進一步包含：一源極跟隨器電晶體，其係自一汲極耦接至一電源並且係自一源極耦接至一列選擇電晶體，以將該浮動擴散中之電荷轉換成電壓，其中該列選擇電晶體輸出來自該源極跟隨器之一讀取信號。
  9. 如請求項5之共用像素之群組，進一步包含：一重設電晶體，用以將每對共用像素之該浮動擴散重設至一重設浮動擴散(RDF)電壓。
  10. 一種共用像素之群組，其包含：N對共用像素，每對共用像素包含一第一共用像素及一第二共用像素；一第一共用像素，其包含一第一光電二極體及一第一轉移閘極；一第二共用像素，其包含一第二光電二極體及一第二轉移閘極；一浮動擴散，其係由該第一共用像素及該第二共用像素共用；一雙轉換增益電晶體，其經耦接至該浮動擴散；一共同電容器，其係經由每對共用像素之該雙轉換增益電晶體耦接至每對共用像素之該浮動擴散；其中N為一整數； 其中該共同電容器係形成於一單獨的(separate)邏輯晶粒上。
  11. 一種CMOS影像感測器，其包含一像素陣列，該像素陣列包含共用像素之複數個群組，共用像素之每個群組包含：N對共用像素，每對共用像素包含一第一共用像素及一第二共用像素；一第一共用像素，其包含一第一光電二極體及一第一轉移閘極；一第二共用像素，其包含一第二光電二極體及一第二轉移閘極；一浮動擴散，其係由該第一共用像素及該第二共用像素共用；一雙轉換增益電晶體，其經耦接至該浮動擴散；一共同電容器，其係經由每對共用像素之該雙轉換增益電晶體耦接至每對共用像素之該浮動擴散；其中N為一整數；其中該共同電容器經形成為具有覆蓋該N對共用像素之大部分之一區域。
  12. 如請求項11之CMOS影像感測器，其中該共同電容器包含兩個並聯平面電極及經形成於其間之一介電層以及一平面電極及在一氧化層中之另一電極中之一者。
  13. 如請求項11之CMOS影像感測器，其中N為2、4及8中之一者。
  14. 如請求項11之CMOS影像感測器，其中每對共用像素進一步包含： 一源極跟隨器電晶體，其係自一汲極耦接至一電源並且係自一源極耦接至一列選擇電晶體，以將該浮動擴散中之電荷轉換成電壓，其中該列選擇電晶體輸出來自該源極跟隨器之一讀取信號。
  15. 如請求項11之CMOS影像感測器，進一步包含：一重設電晶體，用以將每對共用像素之該浮動擴散重設至一重設浮動擴散(RDF)電壓。
  16. 一種CMOS影像感測器，其包含一像素陣列，該像素陣列包含共用像素之複數個群組，共用像素之每個群組包含：N對共用像素，每對共用像素包含一第一共用像素及一第二共用像素；一第一共用像素，其包含一第一光電二極體及一第一轉移閘極；一第二共用像素，其包含一第二光電二極體及一第二轉移閘極；一浮動擴散，其係由該第一共用像素及該第二共用像素共用；一雙轉換增益電晶體，其經耦接至該浮動擴散；一共同電容器，其係經由每對共用像素之該雙轉換增益電晶體耦接至每對共用像素之該浮動擴散；其中N為一整數；其中該共同電容器係形成於一單獨的邏輯晶粒上。
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