固態成像設備和圖像捕獲裝置的製作方法

2023-06-08 18:00:26

專利名稱：固態成像設備和圖像捕獲裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及固態成像設備和圖像捕獲裝置。更具體地說，本發明涉及 通過將預定數量(兩個或更多)的行或預定數量(兩個或更多)的列設定 成一個組，順次讀取每個組的信號電荷的固態成像設備和圖像捕獲裝置。
背景技術：
在通常以CMOS (互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器為代表的X-Y 可尋址型固態成像設備中，可以以行、列或像素為單位從像素陣列部中選 擇像素，從而通過指定像素陣列部中的任意區域來部分地切出(cutout) 並讀取該任意區域中的像素信息，其中，在像素陣列部中，包括光電轉換 元件的像素以矩陣形式二維配置。例如，參見日本專利申請公開No.JP 2001-45383 (專利文獻1)。
圖5是用於說明現有技術CMOS圖像傳感器的示意圖，並且圖6是用 於說明所述CMOS圖像傳感器的某個像素的像素電路配置的示例的示意 圖。這裡所示的CMOS圖像傳感器包括像素陣列部102、垂直掃描電路 103、列電路(信號處理電路)104、水平掃描電路105、水平信號線 106、輸出電路107、定時生成器(TG) 108等，其中，像素陣列部102具 有包括以矩陣形式二維配置的光電轉換元件的像素101。像素陣列部102 還具有垂直信號線109，針對每個垂直像素列提供一條垂直信號線。
每個像素101形成一個像素電路，該像素電路除了光電轉換元件之 外，還具有例如一個光電二極體110、四個電晶體(例如， 一個轉移晶體 管111、 一個復位電晶體112、 一個放大電晶體113以及一個選擇電晶體 114)。例如，使用n通道MOS電晶體作為這些電晶體。
當柵極轉移脈衝TRG施加到轉移電晶體111上時，該電晶體將經過 光電二極體110光電轉換並且存儲在轉移電晶體111中的信號電荷(這裡 為電子)轉移到浮動擴散(FD)部115。當復位脈衝RST在信號電荷從光電二極體110轉移之前施加到復位電晶體112 (其連接在FD部115和用於 提供電源電壓VDD的電源線之間)的柵極上時，該電晶體復位FD部115 的電勢。在復位電晶體112作出復位之後，放大電晶體113將FD部115的電 勢輸出作為復位電平，並且還在轉移電晶體111作出轉移之後將FD部 115的電勢輸出作為信號電平。當選擇脈衝SEL施加到選擇電晶體114的 柵極上時，該電晶體選擇像素101，並且將從放大電晶體113順序提供的 復位電平和信號電平輸出到對應的垂直信號線109。這裡，在開始存儲信號電荷之前，通過將轉移脈衝TRG施加到轉移 電晶體111的柵極並且同時將復位脈衝RST施加到復位電晶體112的柵極 上來執行快門(shutter)操作，以去除存儲在像素的光電二極體中的不必 要的電荷。圖像傳感器的電子快門系統主要包括全局快門系統和滾動快門系統。 全局快門系統同時對所有像素執行快門操作，然而，如圖7A和圖7B所 示，滾動快門系統按時間變換區域，以便逐個對區域執行快門操作。應當 注意，圖7B示出快門操作定時，其中，橫軸表示時間[H] (1H: —個水平 轉移周期)，縱軸表示行地址，並且圖7A表示時刻n[H]處的狀態的物理 圖像。另外，CMOS型圖像傳感器主要採用了滾動快門系統。上述專利文獻1的圖11示出能夠部分切出並讀取像素陣列部的任意 區域中的像素信息的現有技術CMOS圖像傳感器。發明內容順便提及，公知的是，當入射到圖像傳感器上的光非常強時，由於過 量產生的信號電荷從像素溢出並洩漏到相鄰像素，因此出現稱為溢出 (blooming)的現象。在同時讀取預定數量(兩個或更多)行或列的圖像 傳感器中，當採用上述滾動快門系統時，會出現因溢出導致的偏置差。應 當注意，這裡的術語"同時"並不意味著嚴格字面意義上的時間同時性， 而是意味著就在同一水平轉移周期內讀取行或列而言的同時。下面將描述由溢出導致偏置差出現的機制。這裡給出了示例，情形 (A)在被設定成一個水平轉移周期的一個信號電荷存儲周期內同時讀取 兩行，以及情形(B)在被設定成兩個水平轉移周期的一個信號電荷存儲周期內同時讀取兩行。
A:在被設定成一個水平轉移周期的一個信號電荷存儲周期內同時讀 取兩行的情形
圖8B示出快門操作定時，其中，橫軸表示時間[H]，縱軸表示行地
址，並且圖8A表示時刻n[H]處的狀態的物理圖像。這裡，如果注意時刻 n[H]處的狀態，則首先在該時刻讀取行(m-2)和行(m-l)，並且針對接 下來要被讀取的行m和行(m+l)執行快門操作。此時，已經從行m以下 的行中讀取了信號電荷，因此在行(m-l)中沒有電荷。此外，已經對行 m和行(m+l)執行了快門操作，因此在行m和行(m+l)中也沒有電 荷。
此時，尚未對行(m+2)執行快門操作，從而仍存儲著("1幀"— "2H")那麼多的電荷。因此，如果存在一定光量，以致於以("1幀" _ "2H")那麼多的電荷導致溢出，則行m不會發生來自垂直相鄰行的 溢出，但是行(m+l)會遭受來自行(m+2)的溢出，從而與溢出量成正 比的偏置會存在於行(m+l)上，直到在時刻(n+l) [H]處行(m+l)被 讀取為止。這會導致行m和行(m+l)之間的輸出差異。應當注意，即使 光量如此大，以致於以與l[H]內存儲的電荷一樣多的電荷導致溢出，行m 具有與在l[H]內存儲的電荷相等的溢出量，而行(m+l)具有與("1 幀"_ "2H")的電荷一樣多的電荷相等的溢出量，從而也出現偏置差， 並且因此以輸出差異方式表現出來。
B:在被設定成兩個水平轉移周期的一個信號電荷存儲周期內同時讀 取兩行的情形
圖9B示出快門操作定時，其中，橫軸表示時間[H]，縱軸表示行地 址，並且圖9A表示處於時刻n[H]處的狀態的物理圖像。這裡，如果注意 時刻(n-l) [H]處的狀態，則首先在比該時刻早l[H]的時刻對行m以下的 行(m-l)執行快門操作，從而僅僅存儲了與在l[H]內存儲的電荷一樣多 的電荷。已經對行m之上的(m+l)執行了快門操作，從而在行(m+l) 中沒有電荷。此時，尚未對行(m+l)之上的行(m+2)執行快門操作， 從而在行(m+l)中存儲了 ( "1幀"一 "2H")那麼多的電荷，然而， 已經對行(m+l)以下的行m執行了快門操作，從而在行m中沒有電荷。 因此，行m和行(m+l)分別具有不同的來自它們相鄰行的溢出量。因此，出現了偏置差，這會導致輸出差異。日本專利申請公開No.JP 2006-310932提出了一種抗溢出的方法，在 該方法中，對不被讀取的行執行快門操作，以便避免來自不被讀取的行的 溢出。然而，該方法沒有考慮到將要被讀取的行對另一將要被讀取的行的 溢出。另外，存在許多抗溢出的技術，在這些技術中，浮動擴散部被不斷 地復位到電源等，並且已經洩漏到浮動擴散部的電荷對電源等進行放電， 從而減輕對相鄰像素的溢出。然而，在這些技術中，溢出可能不會全部消 除，從而餘留有溢出。另外，當溢出出現時，在滾動快門系統中會出現上述因溢出導致的偏 置差。當信號電平低時(例如，在利用非常大的光量進行高速快門操作期 間)，因溢出導致的偏置的影響是顯而易見的，從而可能經歷這樣一種現 象行之間的傳感器輸出率大大不同於在進行低速快門操作期間的傳感器 輸出率。在這樣的情形下，當執行高速快門操作時，在實際圖像中會出現 因行之間的傳感器輸出率有很大不同而導致的閃光。此外，日本專利申請公開No.JP 2004-111590提出了另一種抗溢出的 技術，該技術在非存儲周期中增加了一個用於對像素的光電二極體進行復 位的開關。為了避免溢出而增加新的開關對於像素的微型化來說是不利 的。考慮到上述情況，期望提供一種能夠避免因溢出導致的偏置並且無需 更改像素電路結構的固態成像設備和圖像捕獲裝置。在一個實施例中，本發明提供了一種固態成像設備，該固態成像設備 具有像素陣列部，在像素陣列部中，包括光電轉換元件的像素以矩陣形式配置。該固態成像設備通過將像素陣列部中的預定數量(兩個或更多)的 相鄰行或預定數量(兩個或更多)的相鄰列設定成一個組，並在存儲信號 電荷之前以組為單位施加快門脈衝來去除不必要的電荷，然後以組為單位 順次讀取信號電荷。在讀取在前組的時間之前，對屬於在後組中至少與在 前組相鄰的一行或一列的像素施加快門操作脈衝之前，先對其施加初步快 門操作(pre-shutter operation)脈衝，以便去除在所述像素中存儲的不必要的電荷。在另一實施例中，本發明提供了一種圖像獲取裝置，該圖像獲取裝置 包括固態成像設備和光學系統。所述固態成像設備具有像素陣列部，在像素陣列部中，包括光電轉換元件的像素以矩陣形式配置，該固態成像設備 通過將像素陣列部中的預定數量(兩個或更多)的相鄰行或預定數量(兩 個或更多)的相鄰列設定成一個組，並且在存儲信號電荷之前以組為單位 施加快門操作脈衝來去除不必要的電荷，然後以組為單位順次讀取信號電 荷。所述光學系統在固態成像設備的圖像捕獲面上形成來自對象的像光的 圖像。在讀取在前組的時間之前，對屬於在後組中至少與在前組相鄰的一 行或一列的像素施加快門操作脈衝之前，先對其施加初步快門操作脈衝， 以便去除在所述像素中存儲的不必要的電荷。
這裡，通過在讀取在前組的時間之前，對屬於在後組中至少與在前組 相鄰的一行或一列的像素施加快門操作脈衝之前，先對其施加初步快門操 作脈衝來去除在所述像素中存儲的不必要的電荷，可以對於屬於存儲信號 電荷的一個組的像素消除溢出或者使來自上下或左右相鄰像素的溢出量基 本相等。
從下面參考附圖對實施例的具體描述更詳細地闡明了本發明的這些和 其它特徵以及各個方面。


圖1A和圖1B是用於說明根據本發明的實施例的固態成像設備的示例 的示圖2A和圖2B是用於說明根據本發明的實施例的固態成像設備的另--示例的示圖3A和圖3B是用於說明根據本發明的實施例的固態成像設備的另一 示例的示圖4A和圖4B是示出在l[H]內的實際存儲期間因溢出引起偏置差的實
驗結果以及初步快門操作的效果的示圖5是用於說明現有技術CMOS圖像傳感器的示意圖6是用於說明某個像素的像素電路配置的示例的示意圖7A和圖7B是用於說明滾動快門系統的示圖8A和圖8B是用於說明因溢出引起偏置差出現的機制的第一示以及圖9A和圖9B是用於說明因溢出引起偏置差出現的機制的第二示圖。
具體實施方式
為了理解本發明，下面將參考附圖來描述本發明的實施例。應當注 意，根據本發明的實施例的固態成像設備的像素電路結構類似於現有技術 的固態成像設備的像素電路配置。圖1A和圖1B是用於說明根據本發明的實施例的固態成像設備的第一 示例的示圖，其中，圖1B示出快門操作定時，其中，橫軸表示時間[H]， 縱軸表示行地址，圖1A示出處於時刻n[H]處的狀態的物理圖像。在根據 第一實施例的固態成像設備中， 一個信號電荷存儲周期被設定為一個水平 轉移周期，並且該固態成像設備是同時讀取兩行的類型(兩相鄰行被設定 為一個組的類型)的固態成像設備。這裡，在該固態成像設備的第一示例中，除了在讀取信號電荷前l[H] 的時刻處執行快門操作之外，在該快門操作前l[H]的時刻處還執行初步快 門操作。具體地，對於在時刻(n-l) [H]處從其讀取信號電荷的行(m-3) 和行(m-4)，在時刻(n-3) [H]處執行初步快門操作，並且在時刻(n-2) [H]處執行快門操作。另外，對於在時刻n[H]處從其讀取信號電荷的行 (m-l)和行(m-2)，在時刻(n-2) [H]處執行初步快門操作，並且在時 刻(n-O [H]處執行快門操作。此外，對於在時刻(n+l) [H]處從其讀取 信號電荷的行(m+l)和行m，在時刻(n-l) [H]處執行初步快門操作， 並且在時刻n[H]處執行快門操作。此外，對於在時刻(n+2) [H]處從其讀 取信號電荷的行(m+3)和行(m+2)，在時刻n[H]處執行初步快門操 作，並且在時刻(n+l) [H]處執行快門操作。在該固態成像設備的第一示例中，如果注意時刻n[H]，則在行m之下 的行(m-l)已經被讀取，從而該行沒有電荷。已經對行m之上的行 (m+l)執行了快門操作，從而行m沒有電荷。此外，己經對行(m+l) 之上的行(m+2)以及行(m+l)之下的行m執行了快門操作，從而這兩 行沒有電荷。結果，可以避免溢出，並且不會出現偏置，從而將不會存在 因由溢出引起的偏置差而導致的輸出差異。注意，在電荷在l[H]內已飽和，從而產生大到導致溢出的光量的情形
中，在行m中會出現來自行(m-l)的等於與在l[H]內存儲的電荷一樣多 的電荷的溢出引起的偏置，並且在行(m+l)中會出現來自行(m+2)的 等於與在l[H]內存儲的電荷一樣多的電荷的溢出引起的偏置。然而，在此 情形中，這些偏置在量上是相等的，因此不會產生偏置差，從而不會產生 輸出差異。
儘管在本實施例中對所有行執行初步快門操作，但只要是注意時刻 n[H]，則僅僅對行(m+2)執行初步快門操作就足以避免導致偏置差的溢 出，沒有必要對行(m+3)執行初步快門操作。然而，如果對各行之間的 快門操作次數不同，則光電二極體中行之間的復位能力差異以及行之間所 施加的負荷差異通常會導致每行的偏置，從而對每行執行相同次數的快門 操作是優選的。另外，雖然在本實施例中在快門操作之前僅僅執行了一次 初步快門操作，但是只要不會出現特性上的問題，就可以執行多次初步快 門操作。
圖2A和圖2B是用於說明根據本發明的實施例的固態成像設備的第二 示例的示圖，其中，圖2B示出快門操作定時，其中，橫軸表示時間[H]， 縱軸表示行地址，並且圖2A表示處於時刻n[H]處的狀態的物理圖像。該 固態成像設備的第二示例包括一個信號電荷存儲周期被設定成兩個水平轉 移周期，同時讀取兩行的類型(兩個相鄰行被設定成一個組的類型)的固 態成像設備。
在該固態成像設備的第二示例中，除了在讀取信號電荷前2[H]的時刻 執行快門操作之外，還在該快門操作前2[H]的時刻執行初步快門操作。具 體地，對於在時刻(n-l) [H]處從其讀取信號電荷的行(m-3)和行(m-4)，在時刻(n-5) [H](未示出)處執行初步快門操作，並且在時刻(n-3) [H]處執行快門操作。此外，對於在時刻n[H]處從其讀取信號電荷的行 (m-l)和行(m-2)，在時刻(n-4) [H](未示出)處執行初步快門操 作，並且在時刻(n-2) [H]處執行快門操作。此外，對於在時刻(n+l)間 處從其讀取信號電荷的行(m+l)和行m，在時刻(n-3) [H]處執行初步 快門操作，並且在時刻(n-l) [H]處執行快門操作。此外，對於在時刻(n+2) [H]處從其讀取信號電荷的行(m+3)和行(m+2)，在時刻(n-2) [H]處執行初步快門操作，並且在時刻n[H]處執行快門操作。在該固態成像設備的第二示例中，類似於該固態成像設備的上述第一 示例，消除了來自所注意的行的上下行的溢出，或者即使出現了溢出，由 於偏置量基本相等，因此也不會產生偏置差，並且不會引入輸出差異。圖3A和圖3B是用於說明根據本發明的實施例的固態成像設備的第三 示例的示圖，其中，圖3B示出快門操作定時，其中，橫軸表示時間[H]， 縱軸表示行地址，並且圖3A表示處於時刻n[H]處的狀態的物理圖像。該 固態成像設備的第三示例包括一個信號電荷存儲周期被設定成一個水平轉 移周期，同時讀取三行的類型(三個相鄰行被設定成一個組的類型)的固 態成像設備。這裡，在該固態成像設備的第三示例中，除了在讀取信號電荷前l[H] 的時刻執行快門操作之外，還在該快門操作前l[H]執行初步快門操作。具 體地，對於在時刻(n-l) [H]處從其讀取信號電荷的行(m-2)、行(m-3) 以及行(m-4)，在時刻(n-3) [H]處執行初步快門操作，並且在時刻 (n-2) [H]處執行快門操作。此外，對於在時刻n[H]處從其讀取信號電荷的行(m+l)、行m以及行(m-l)，在時刻(n-2) [H]處執行初步快門 操作，並且在時刻(n-l) [H]處執行快門操作。此外，對於在時刻(n+l) [H]處從其讀取信號電荷的行(m+4)(未示出)、行(m+3)以及行 (m+2)，在時刻(n畫l) [H]處執行初步快門操作，並且在時刻n[H]處執 行快門操作。在該固態成像設備的第三示例中，類似於該固態成像設備的上述第一 和第二示例，消除了來自所注意的行的上下行的溢出，或者即使出現了溢 出，由於偏置量基本相等，因此也不會產生偏置差，並且不會引入輸出差升°圖4A和圖4B是示出在l[H]內的存儲期間因溢出引起偏置差的實驗結 果以及初步快門操作的效果的示圖。圖4A示出了不執行初步快門操作的 情況，圖4B示出了執行初步快門操作的情況。在圖4A和圖4B中示出的 這些實驗結果是從在一個信號電荷存儲周期內同時讀取兩行的類型的固態成像設備得出的，其中， 一個信號電荷存儲周期被設定成一個水平轉移周
期，並且這些實驗結果表明在l[H]內的存儲期間來自行m和行(m+l)的 傳感器輸出是如何依賴於光量的。
從圖4A和圖4B可明顯看出，如果不執行初步快門操作，溢出的影響 則隨著光量的增加而增加。因此，應當理解，行m和行(m+l)之間的偏 置差增加。此時，如果執行了初步快門操作，則即使光量增加，也可通過 初步快門操作避免溢出的影響，從而不會出現偏置差。
在根據本發明的實施例的上述固態成像設備中，可以在無需更改它們 的像素電路配置的情況下避免因溢出導致的行之間的偏置差。
另外，執行初步快門操作相當於執行兩次或多次快門操作(傳統的快 門操作加上初步快門操作)，從而還期望減少因有缺陷的復位操作導致的 對像素的光電二極體的不適當的復位。
注意，術語"對光電二極體的不適當的復位"意味著在快門操作期間 沒有對光電二極體進行完全復位，從而在其中留有電荷，並且該電荷在下 一步的讀取操作期間作為偏置量出現，從而產生不適當的像素信號。如果 執行了初步快門操作，則即使像素的光電二極體因其電晶體由於製造中的 變化具有低驅動能力而沒有被適當地復位，該像素也可以維持不會導致特 性問題的復位電平，從而預期可以提高產量。
在根據本發明的實施例的上述固態成像設備中，己經描述了多行被設 定成一個組的示例。然而，替代地，多列也可被設定成一個組。
在根據本發明的實施例的固態成像設備中，可以對於屬於一個存儲信 號電荷的組的像素消除溢出，或者使來自上下或左右相鄰像素的溢出量基 本相等。因此，可以避免因溢出導致的偏置。
本領域的技術人員應當理解，根據設計需求和其它因素可以出現各種 修改、組合、次組合和替換，它們均落在所附權利要求及其等同物的範圍 之內。
本申請包含與2007年2月8日向日本專利局提交的日本專利申請 NoJP 2007-028633相關的主題，其全部內容通過參考被結合於此。
權利要求
1.一種固態成像設備具有像素陣列部，在該像素陣列部中，包括光電轉換元件的像素以矩陣形式配置，並且通過將所述像素陣列部中預定數量的相鄰行或者預定數量的相鄰列設定成一組，並且通過在存儲信號電荷之前以組為單位施加快門操作脈衝來去除不必要的電荷，然後以所述組為單位順序讀取所述信號電荷，所述預定數量是兩個或更多個，其中在讀取在前組的時間之前，對屬於在後組中至少與所述在前組相鄰的一行或一列的像素，在所述快門操作脈衝之前先施加初步快門操作脈衝，以去除在所述像素中存儲的不必要的電荷。
2. 根據權利要求1所述的固態成像設備，其中，在讀取所述在前組的 時間之前，對所述在後組中的所有像素施加所述初步快門操作脈衝。
3. —種圖像捕獲裝置，包括固態成像設備，該固態成像設備具有像素陣列部，在所述像素陣列部 中，像素以矩陣形式排列，所述像素包括光電轉換元件，所述固態成像設 備通過將所述像素陣列部中預定數量的相鄰行或者預定數量的相鄰列設定 成一組，並且通過在存儲信號電荷之前以組為單位施加快門操作脈衝來去 除不必要的電荷，然後以所述組為單位順序讀取所述信號電荷，所述預定 數量是兩個或更多個；以及光學系統，用於在所述固態成像設備的圖像捕獲面上形成來自對象的 像光的圖像，其中在讀取在前組的時間之前，對屬於在後組中至少與所述在前組相鄰的 一行或一列的像素，在所述快門操作脈衝之前先施加初步快門操作脈衝， 以去除在所述像素中存儲的不必要的電荷。
全文摘要
本發明提供了一種具有像素陣列部的固態成像設備和圖像捕獲裝置，在像素陣列部中，包括光電轉換元件的像素以矩陣形式配置，並且通過將像素陣列部中預定數量(兩個或更多)的相鄰行或者預定數量(兩個或更多)的相鄰列設定成一組，並且通過在存儲信號電荷之前以組為單位施加快門操作脈衝來去除不必要的電荷，然後以組為單位順序讀取信號電荷。在該固態成像設備中，在讀取在前組的時間之前，對屬於在後組中至少與在前組相鄰的一行或一列的像素施加快門操作脈衝之前，先對其施加初步快門操作脈衝，以便去除在所述像素中存儲的不必要的電荷。
文檔編號H04N5/335GK101242477SQ200810005909
公開日2008年8月13日 申請日期2008年2月13日 優先權日2007年2月8日
發明者牧野榮治, 臼井隆幸, 鈴木亮司, 阿比留隆浩 申請人:索尼株式會社