專利名稱：具有可選擇裝倉的cmos圖像傳感器像素的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一l^涉及圖像傳^^頁域，特別地，涉及具有可以選擇性鵬且合電荷電 壓轉換區(qū)的像素的圖像傳,。
技術背景現(xiàn)有技術的CMOS有源像素傳皿的像素體系結構如圖1 ， 2和3中所示。 參照圖1，這個四晶體管像素具有光探測器n-PD禾P在^S象素中都有的電荷電壓 轉換區(qū)n、這種體系結構提供了一^f尤勢。第一^J尤勢^5iJ巴電荷電壓轉換區(qū) n卜用作存儲區(qū)的全l]貞快門(global shutter)操作。第二^[尤勢尉象素對稱。WM象 素都是相同的，這為#^像素都提供了一樣的光響應。這種像素體系結構也具有 劣勢，第一個劣勢就于大像素尺寸，電荷電壓轉換區(qū)的電容太小而不能保持在 光探測器中累積的所有電荷，第二個劣勢是缺少像素內電荷域裝倉。圖2所示的像劍早決了第一個劣勢，M)l在《fii象素中弓l入附加容量C必增 大了電荷電壓轉換區(qū)電容。雖然這解決了電荷電壓轉換區(qū)的電容問題，而且可以 提供更為線性的輸出響應，但是其具有由于像素中分配給附加電容的區(qū)域而 造成像素的填充因子減小的劣勢。減小的填充因子對像素的充電容量和動態(tài)范圍 有著不利影響。圖3所示的像^M3i在相鄰像素之間共享電荷電壓轉換n+而解決了電荷域裝 倉能力不足、電荷電壓區(qū)電劍氐以及土真充因刊氐的劣勢。這種像素體系結構具有 其他劣勢。第一個劣勢對象素X^爾。^H象素不是一樣的，而且這可以導致在光 響應上的系鄉(xiāng)緩別，引起可能斷氐圖像質量的固定圖象噪聲。第二個劣勢是剖貞 快門能力的不足。因為電荷電壓轉換區(qū)是相鄰像素共享，所以不能被用作電荷存 儲區(qū)域以隔離單^fc探測謝甫獲的信號。因此，需要一個可以克月lh^缺點的圖像傳自。 發(fā)明內容本發(fā)明旨在克服前述問題的一個或多個。簡括之，根據(jù)本發(fā)明的一個方面， 本發(fā)明在于包括多個像素的圖像傳艇至少兩個像素分別包括(a)光探測器; (b)電荷電壓轉換區(qū)；(C)到放大器的輸入；和選擇性iik^接電荷電壓轉換區(qū)的開關。M閱讀以下j腿實施例的詳細說明和所附權利要求書并參照附圖，會更 清晰地理解和認識沐發(fā)明的這些和其幼面、目的、特tES優(yōu)點。本發(fā)明公開了一種具有以下優(yōu)勢的CMOS有源像素(a)具有劍i貞快門的 單個四晶體管操作；(b)通過鄰近像素中部件的使用產(chǎn)生的可選#$封奐增益；(c) 在垂直或水平方向上的可選擇電荷皿倉(charge domain binning); (d)對減小分 辨率讀出的更高M率；和(e)由于所有像素都一樣的像素娥爾。


圖1是現(xiàn)有技術的有源像素圖像傳自的像素；圖2是現(xiàn)有技術的具有用于浮置擴散的增大的電容的浮置圖像傳/f^像素；圖3是現(xiàn)有技術的具有共享放大器的圖像傳^l像素；圖4是本發(fā)明第一實施例的示意圖，其示出了通過在垂直方向上的電荷電壓 轉換區(qū)的選擇性連接^M共可編程轉換增益和裝倉的五晶體管像素；圖5是本發(fā)明第二實施例的示意圖，其示出了ffiil在垂直禾詠平方向上的電 荷電壓轉換區(qū)的選擇性連接^M共可編程轉換增益和裝倉的五晶體管像氣圖6是圖1在沒有電荷電壓轉換區(qū)連接在一起的情況下的時序圖；圖7是圖1在兩個相鄰電荷電壓轉換區(qū)連接在一起的情況下的時序亂圖8是圖1在三個電荷電壓轉換區(qū)連接在一起的情況下的時序圖；圖9是本發(fā)明第三實施例的示意圖，其示出了艦光探測器的選擇性連接來 提供可編程轉換增益和裝倉的四晶體管像素，該光探測器也可以用作垂鼓向上 的電荷電壓轉換區(qū)；圖10是本發(fā)明第四實施例的示意圖，其示出了艦光探測器的選擇性連接 鵬供可編程轉換增益和裝倉的四晶體管像素，該光探測器也可以用作垂直和水 平方向上的電荷電壓轉換區(qū)；圖11是本發(fā)明第五實施例的示意圖，其示出了Mil在垂鼓向上的具有相 同濾色器的像素的電荷電壓轉換區(qū)的選擇性連接而衛(wèi)共可編程轉換增益和裝倉的 五晶體管像素；圖12是本發(fā)明第五實施例的示意圖，其示出了ffl)l在垂直和7jC平方向上的 具有相同濾色器的像素的電荷電壓轉換區(qū)的選擇性連接而樹共可編程轉換增益禾口 裝倉的六晶體管像素；圖13是本發(fā)明第六實施例的示意圖，其示出了iffil在垂直和7乂平方向上具有相同濾色器的像素的用作電荷電壓轉換區(qū)的光探測器的選擇性連接^M共可編 程轉換增益和M的五晶體管像素；圖14是示出本發(fā)明圖像傳繊的典型商業(yè)實施例的數(shù)字照相機。
具體實施方式
在詳細討論本發(fā)明之前，清楚定義CMOS有源像素傳 是有啟發(fā)性的。 CMOS是指互補金屬氧化物硅晶體管，其中互補是指有由不同摻雜劑(一個為ii 型摻雜劑， 一個為P型摻雜劑)鄉(xiāng)賊的兩個晶體管一起工作。n型摻雜劑晶體管 被稱為畫OS， p型摻雜劑晶體管被稱為PMOS。有源像素傳繊是指具有與每個像素相關的有源器件(諸如晶體管)的電子圖像傳ii^?，F(xiàn)參照圖4，本發(fā)明的一個實施例示出了本發(fā)明的CMOS有源像素圖像傳感 器10，其能以可選方式實現(xiàn)電荷域裝倉。如圖1所示，這是五晶體管像素的最簡 單實施例。WS象素20包括光探測器30， 4爐為捕獲轉換為電荷的入射光的n 型光探測器。對傳輸門40施加脈沖以將電荷從光探測器30傳凝l臘號基于接收 電荷量改變的浮置擴散(floating division) 50。對具有復位柵極70的復位晶體管 60施加脈沖以復位浮置擴散50上的電荷，并且對具有fi^^!W極90的fi^擇晶 體管80施加脈沖以M^素陣歹啲特定行。源跟隨繊入晶體管100檢測浮置擴 散50上的電壓并放大該電壓。*都具有^^# 120的多個'^Jt擇"晶體管110 可以任意所需的組合被尋址，以電連接相鄰的浮置擴散區(qū)域50，從而^f共合并來 自相鄰浮置擴散50的電荷的能力。例如，來自兩個浮置擴散50的電荷被合并或 是來自所有三個浮置擴散50的電荷被合并。這種配置被稱為垂直裝倉。圖4的設計被稱為五晶體管、無共享像素(5TNS)。這種像素體系結構的好 處是(l)像素相同，因此與配置差別相關的固定圖像噪聲被減艷(2)電荷域 裝倉可以3I31接通^t擇以連接相令階置擴M完成；(3)對單個像素讀出的可 變電荷電壓轉換可以通過皿擇的時序和行選掛Mt^完成；和(4)電荷域裝倉 是可配置的而不是《更布線的。參照圖5，水^F^擇也可以通跡忝加7j^pfe^擇晶體管(HBSEL) 130 (以 下稱為六晶體管設備)來完成。在該實施例中，附加的晶體管130艦多個浮置 擴散50來允許7jC平裝倉。在該實施例中圖4所描述的BSEL晶體管110被稱為并
標為垂直傾擇晶體管VBSEL110以 ^行相鄰浮置擴散50的選擇性連接。再次， 被裝倉的浮置擴散50的數(shù)目由M—個或多個水^^擇130連接的浮置擴散 50的數(shù)目來確定。為清魏見，應注意垂直魏擇晶體管110如上文討論的垂宣 裝f樣進行連接。參照圖6，其示出了圖4在沒有BSEL晶體管110被接通而導致浮置擴散沒有連接在一起的時序圖。參照圖7，其示出了圖4在垂直相鄰浮置擴散50連接在一起時的時序圖。結 果，用于正被尋址且讀出的行的BSEL晶體管110被接通，所以正被讀出行浮置 禾財目鄰行的浮置擴散50連接在一起以形成單個浮置擴散繊報點。在這種配置 中，轉換增益被M^并且浮置擴散50的電容和電荷容量被增加。對大像素傳麟 而言，其中光電二極管30的電荷容量^，但浮置擴散50電容太小而不能處理 光電二極管容量，這時用于單個光電二極管30讀出的增加的電荷容量浮置是希望 的。土曾加的浮置擴散50容量不需要在^M象素20中集成大電容就可以完成。連接三個行相鄰浮置擴散50在一起的時序圖在圖8中示出。在這種情況下， 兩個BSEL晶體管110被接通，正被尋址的行和相鄰行，以便正被讀出的行和兩 個相鄰行的浮置擴散50連接在一起以形成單個浮置擴散感則節(jié)點。在這種配置 中，進一步減小了轉換增益并且浮置進一步增加了浮置擴散電荷容量。目前為止示出的例子都是關于t的多進行真實相關，樣(CDS)的四晶體管 像素。圖9和10分別示出了與圖4和5中應用于三晶體管(3T)相同的概念。在 這種情況下，BSEL晶體管110連接在相鄰行的光電二極管30之間。得到的像素 現(xiàn)在是四晶體管(4T)。其他的操作類似于對圖4和5中像素所描述的操作。對于 圖9和10中的像素，光電二極管30也用作電荷電壓轉換節(jié)點50或感則節(jié)點50。應該注意選擇多少像素與BSEL (VBSEL)晶體管110和130連接是可以獨 立于裝倉操作的。例如，希望連接三個浮置擴散50以超促夠的浮置擴散電容來 保持存儲在一1^電二極管30中的電子?，F(xiàn)在除了浮置擴散連接選擇之外可以選 擇性地{頓或不{頓裝倉。招氐光斜牛下，可以選擇"不連接"相鄰像素以M^感 觀ij節(jié)點電容并增加轉換增益以便最大化在低光區(qū)域中傳麟的信噪比。本發(fā)明的另一個實施例在圖11中示出。BSEL晶體管110可以被設置為連接 相同濾色器圖案的相鄰像素20而不^^接物ah相鄰的像素。例如，顏色l連接 在一起，顏色2連接在一起。 本發(fā)明的又一個實施例在圖12中示出。該實施例類似于圖11所示的實施例，其附力口特征是可以進行垂直BSEL (VBSEL)晶體管和水平BSEL (HBSEL)晶 體管的選擇尋iil^i接相同濾色器圖案的行和列相鄰像素。本發(fā)明的又一個實施例在圖13中示出。除了光探測器也用作浮置擴散和電 荷電壓轉換區(qū)外，該實施例類似于圖12所示的實施例。圖14 ^括本發(fā)明的圖像傳感器10的數(shù)字照相機160，用于說明普通消費 者所習慣的典型實施例。
部件列表10 圖像傳繊20 像素30 光探測驟光電二極管40 傳輸門50 浮置擴散60 復位晶體管70 復位柵80 行選擇晶體管90 行選翻100 源跟隨器輸入晶體管10 "儘擇"晶體管(BSEL)120 ^M華柵或垂直M擇晶體管(VBSEL)130 水^^^擇晶體管(HBSEL)160 數(shù)字照相機
權利要求
1.一種圖像傳感器，包括多個像素，至少兩個像素分別包括(a)光探測器；(b)電荷電壓轉換區(qū)；(c)到放大器的輸入；以及用于選擇性地連接電荷電壓轉換區(qū)的開關。
2. 如權利要求1所述的圖像傳 ，其中*電荷電壓轉換區(qū)通過傳輸門連接到光探測器。
3. 如權禾腰求1所述的圖像傳繊，其中每+電荷電壓轉換區(qū)劐本形成光 探測器的-部分。
4. 如權利要求3所述的圖像傳感器，其中所述光探測器是光電二極管。
5. 如權利要求1所述的圖像傳,，其中所述開關是晶體管。
6. 如權利要求5所述的圖像傳皿，其中所述晶體管是NMOS晶體管。
7. 如權利要求1所述的圖像傳殿旨，其中該多個像素排列成行和歹拼且該 開關選擇性地連接行相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
8. 如權利要求1所述的圖像傳繊，其中該多個像素排列成行和歹拼且該 開織擇性ii!l^接列相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
9. 如權利要求i戶;M的圖像傳自，其中該多個像素排列成行和列并且該開魏擇性:ti!l^接行和列相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
10. 如權利要求3所述的圖像傳麟，其中該多個像素排列成行和歹拼且該 開^擇性ii!^銜于相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
11. 如權利要求3所述的圖像傳麟，其中該多刊象素排列成行和歹拼且該 開關選擇性ii!l^接列相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
12. 如權利要求3所述的圖像傳麟，其中該多個像素排列成行和歹拼且該 開，擇性i隨接行和列相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
13. 如權利要求1所述的圖像傳感器，進一步包括跨過(sparamig)該多個 像素的濾色器陣列并且該開關選擇性iik3i接被濾色器陣歹啲相同顏色所覆蓋的相 鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
14. 如權利要求3所述的圖像傳繊，進一步包括離該多W象素的濾色器 陣列并且該開織擇性i&^接被濾色器陣列的相同顏fe^覆蓋的相鄰像素的電荷 電壓轉換區(qū)。
15. 如權利要求1所述的圖像傳 ，其中所述開關用作為電荷電壓轉換區(qū) 提供所要求的電容或是提供合并來自相鄰光探測器的電荷的驢的全部或任意的組合。
16. 如權利要求1所述的圖像傳自，其中所述開關為電荷電壓轉換區(qū)掛共 所要求的電容。
17. 如權利要求1所述的圖像傳繊，其中所述開^f共合并來自相鄰光探 澳,的電荷的 。
18. —種照相機，包括 圖像傳感器，其包括 多^H象素，至少兩^H象素分別包括(a) 光探測器；(b) 電荷電壓轉換區(qū)；(C)至肪夂大器的輸入；以及用于選擇性ii!^接電荷電壓轉換區(qū)的開關。
19. 如權利要求18所述的照相機，其中針電荷電壓轉換區(qū)ilil傳輸門連 接到光探測器。
20. 如權利要求18所述的照相機，其中針電荷電壓轉換區(qū)M本形成光探 測器的一部分。
21. 如權利要求20所述的照相機，其中所述光探測器是光電二極管。
22. 如權利要求18所述的照相機，其中所述開關是晶體管。
23. 如權利要求22所述的照相機，其中所述晶體管是NMOS晶體管。
24. 如權利要求18所述的相照機，其中該多個像素排列成行和歹拼且該開 ^it擇性M^接行相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
25. 如權利要求18所述的照相機，其中該多個像素排列成行和列并且該開 ，擇性:W^接列相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
26. 如權利要求18所述的照相機，其中該多刊象素排列成行和歹拼且該開 ^擇性iik5i接行和列相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
27. 如權利要求20所述的照相機，其中該多個像素排列成行和列并且該開 ^i^擇性iik^樹亍相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
28. 如權利要求20所述的照相機，其中該多個像素排列成行和列并且該開 ，擇性i^^接列相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
29. 如權利要求20所述的照相機，其中該多個像素排列成行和列并且該開 ;^^擇性;te^銜亍和列相鄰像素的電荷電壓轉換區(qū)。
30. 如權利要求18所述的照才財幾，進一步包括離該多^M象素的濾色器陣 列并且該開關選擇性地連接被濾色器陣列的相同顏fe^覆蓋的相鄰像素的電荷電 壓轉換區(qū)。
31. 如權利要求20所述的照相機，進一步包括,該多個像素的濾色器陣 列并且該幵關選擇性纟 接被濾色器陣列的相同顏色所覆蓋的相鄰像素的電荷電 壓轉換區(qū)。
32. 如權利要求18所述的相照機，其中所述開關用作為電荷電壓轉換區(qū)提 供所要求的電容或是提供合并來自相鄰光探測器的電荷的裝置的全部或任意的組 合。
33. 如權利要求18所述的照相機，其中所述開關為電荷電壓轉換區(qū)^f共所 要求的電容。
34. 如權利要求18所述的照相機，其中所述開^f共合并來自相鄰光探測器 的電荷的裝置。
全文摘要
一種圖像傳感器包括多個像素，至少兩個像素，分別包括光探測器；電荷電壓轉換區(qū)；到放大器的輸入；以及用于選擇性地連接電荷電壓轉換區(qū)的開關。
文檔編號H04N3/15GK101213829SQ200680019101
公開日2008年7月2日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權日2005年6月1日
發(fā)明者R·M·圭達什 申請人:伊斯曼柯達公司