固體攝像裝置製造方法
2023-05-05 11:54:16
固體攝像裝置製造方法
【專利摘要】一種固體攝像裝置，能夠抑制SNR的劣化。具有：攝像區域(3)，對光電二極體(12)配置有濾色器的單位像素被二維配置成矩陣狀；以及讀出信號線(TG11、12)，對配置有多個單位像素(11)的任意一行設置有多條，根據配置於任意一行的多個單位像素(11)的顏色種類數來設置讀出信號線(TG11、12)，在配置於任意一行的多個單位像素(11)中，對濾色器的顏色相同的單位像素(11)連接有同一讀出信號線(TG11、12)。
【專利說明】固體攝像裝置
【技術領域】
[0001]本實施方式涉及一種固體攝像裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，數位相機等中所使用的固體攝像裝置的像素尺寸的縮小化發展，其趨勢是發展到Iym左右。隨著像素尺寸的進一步縮小化，畫質的性能維持以及性能提高變得非常重要，要求新技術的研究開發。由於隨著像素尺寸的縮小而作為受光部的光電二極體能夠保持的信號減少，因此使表示畫質的性能的一個指標、即Signal to Noise Rat1 (SNR:信噪比)提高是非常重要的課題。
[0003]在拍攝圖像時，在構成圖像傳感器的R、G、B這3色的濾色器之間存在靈敏度差，因此例如雖然對象物為白色，但有時在拍攝的圖像中看不出白色而產生所謂的著色。為了對該著色的現象進行修正，而在攝像裝置中設置有White Balance (WB:白平衡)功能。在一般的WB中，對從3色的濾色器分別得到的信號進行數位化，並對該數位訊號乘以與濾色器間的靈敏度比相對應的增益，由此能夠消除濾色器間的靈敏度差而使白平衡提高。然而，在以往的WB功能中，不能夠區分信號所含有的噪聲成分，因此存在的問題為，在對信號乘以增益時噪聲也增加，結果SNR會劣化。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的課題為，提供一種能夠抑制SNR劣化的固體攝像裝置。
[0005]實施方式的固體攝像裝置的特徵在於，具有:攝像部，對光電轉換元件配置有濾色器的像素被二維配置成矩陣狀；讀出信號線，控制由上述光電轉換元件蓄積的電荷的讀出，對配置有上述多個像素的任意一行設置有多條；存儲器，儲存配置有任意一個上述濾色器的上述像素的受光靈敏度與配置有其他顏色的上述濾色器的上述像素的受光靈敏度的比率；以及寄存器，按照上述濾色器的顏色種類來儲存上述像素的曝光時間，
[0006]上述濾色器包含白色濾色器，根據配置於上述任意一行的上述多個像素中所配置的上述濾色器的顏色種類數來設置上述讀出信號線，在配置在上述任意一行的上述多個像素中，按照上述濾色器的每種顏色連接有共通的上述讀出信號線，配置有上述白色濾色器的像素的曝光時間比其以外的像素的曝光時間短。
[0007]根據上述構成的固體攝像裝置，能夠抑制SNR劣化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是對本發明的實施方式的固體攝像裝置的構成的一個例子進行說明的框圖。
[0009]圖2是對本實施方式的單位像素11的電路構成的一個例子進行說明的圖。
[0010]圖3是對從單位像素11取得像素信號的定時進行說明的時間圖。
【具體實施方式】[0011]以下，參照附圖對實施方式進行說明。
[0012]圖1是對本發明的實施方式的固體攝像裝置的構成的一個例子進行說明的框圖。本實施方式的固體攝像裝置具有圖像傳感器部I和圖像信號處理部(ISPdmage SignalProcessor)部)2。
[0013]圖像傳感器部I具備:攝像區域3，多個單位像素11在行以及列方向上矩陣配置成二維矩陣狀；垂直移位寄存器4，作為按照每行來選擇單位像素11的選擇部；以及AD變換部5，將從單位像素11輸出的模擬信號進行數位化。在各個單位像素11中，為了取得特定的顏色信號而配置有濾色器。在圖1所示的單位像素11中，表示為R的像素是配置有主要使紅色波長區域的光透射的濾色器的像素，表示為B的像素是配置有主要使藍色波長區域的光透射的濾色器的像素。另外，表示為G(G1、G2)的像素是配置有主要使綠色波長區域的光透射的濾色器的像素。
[0014]另外，在圖1所示的一個例子中，表示作為拜耳(Bayer)配置而對一般使用的濾色器進行了配置的情況。即，濾色器被配置為，從相鄰接的單位像素11在行方向以及列方向上取得相互不同的顏色信號。
[0015]此外，圖像傳感器部I具有存儲器6，該存儲器6用於存儲配置有R的濾色器的單位像素11 (以下表示為R像素)、配置有B的濾色器的單位像素11 (以下表示為B像素)以及配置有G的濾色器的單位像素11 (以下表示為G像素)的靈敏度比。存儲器6例如具有:用於存儲R像素與G像素的靈敏度比的R/G靈敏度比存儲器61 ;以及用於存儲B像素與G像素的靈敏度比的B/G靈敏度比存儲器62。
[0016]並且，圖像傳感器部I具有用於對單位像素11的曝光時間進行控制的曝光時間控制部7。在本實施方式的固體攝像裝置中，能夠按照單位像素11中所配置的濾色器來設定曝光時間。因此，曝光時間控制部7具有設定G像素的曝光時間的Gl寄存器71及G2寄存器74、設定R像素的曝光時間的R寄存器72以及設定B像素的曝光時間的B寄存器73。另夕卜，在圖1中，作為設定G像素的曝光時間的寄存器，設置有Gl寄存器71和G2寄存器74這兩個寄存器，但也可以構成為作為G寄存器而僅具有一個寄存器。另外，不需要對每個顏色像素設定寄存器，也可以將多個顏色的寄存器共通化。例如，在R像素與B像素的曝光時間相同的情況下，也能夠成為一個寄存器。
[0017]並且，圖像傳感器部I還具有:定時脈衝發生器8，根據曝光時間控制部7的設定，來生成各單位像素11的動作所需要的規定的時鐘信號；以及輸出I/F9，用於輸出將從單位像素11輸出的信號進行了數位化的像素信號。
[0018]ISP部2具有對圖像信號的明亮度進行控制的ALC(Auto Luminas Control:自動亮度控制)10。ALClO根據存儲器6中所儲存的顏色像素間的靈敏度比、從單位像素11輸出的像素信號的電平，對每個顏色像素計算最佳的曝光時間，並向曝光時間控制部7輸出。
[0019]另外，在圖1中僅表示了在攝像區域3中配置的單位像素11的一部分。實際上，在攝像區域3中配置有數十至數千單位的行，在各行以及各列上配置有數十至數千單位的單位像素11。
[0020]接下來，利用圖2對圖1所示的單位像素11的電路構成進行說明。圖2是對本實施方式的單位像素11的電路構成的一個例子進行說明的圖。如圖2所示，單位像素11在攝像區域3中被配置在來自垂直移位寄存器4的讀出信號線TG與垂直信號線VSL的交叉位置。單位像素11例如具有:輸出與入射光量相對應的信號的受光元件(光電轉換元件)、即光電二極體12 ;以及讀出電晶體14a、放大電晶體14b、復位電晶體14c及地址電晶體14d這4個電晶體。單位像素11的構成是一個例子，並不限定於實施方式。
[0021]光電二極體12的陰極接地，陽極經由讀出電晶體14a與浮置擴散層(floatingdiffus1n:浮動傳播區)13連接。放大電晶體14b的柵極與浮置擴散層13連接，電流路徑的一端與垂直信號線VSL連接，另一端與地址電晶體14d的電流路徑的一端連接。如此連接的放大電晶體14b對浮置擴散層13中所蓄積的信號進行放大，並從垂直信號線VSL向噪聲除去電路17輸出。在噪聲除去電路17中從像素信號除去了噪聲之後，從信號線HSL輸出。另外，在放大電晶體14b的電流路徑的一端連接有負載電晶體16的電流路徑的另一端。負載電晶體16的柵極和電流路徑的一端與控制信號線DC連接。
[0022]讀出電晶體14a的柵極與讀出信號線TG連接。另外，電流路徑的一端與光電二極體12的陽極連接，另一端與浮置擴散層13連接。如此連接的讀出電晶體14a對光電二極體12中的電荷的蓄積進行控制。
[0023]復位電晶體14c的柵極與復位信號線RST連接，電流路徑的一端與浮置擴散層13連接，另一端與電源端子15連接。如此連接的復位電晶體14c具有將放大電晶體14b的柵極電位復位的功能。
[0024]地址電晶體14d的柵極與地址信號線ADR連接，電流路徑的一端與放大電晶體14b的電流路徑的另一端連接，另一端與電源端子15連接。如此構成的地址電晶體14d根據來自地址信號線ADR的脈衝信號，來選擇動作對象(讀出對象)的單位像素11。
[0025]另外，對於在攝像區域3中配置的單位像素11的每行，設置有I條地址信號線ADRU條復位信號線RST、以及與相應行所含有的顏色像素的種類的個數相同的條數的讀出信號線TG。在圖1所示的例子中，在從上起的第I行中配置有G像素和R像素這兩種顏色像素。因此，在從上起的第I行中設置有2條讀出信號線TG11、TG12。另外，在從上起的第2行中配置有B像素和G像素這兩種顏色像素。因此,在從上起的第2行中也設置有2條讀出信號線TG21、TG22。另外，在奇數行中配置有與第I行相同的顏色像素，在偶數行中配置與第2行相同的顏色像素。因此，各信號線的構成也為，奇數行是與第I行相同的構成，偶數行是與第2行相同的構成。
[0026]各行所配置的多條讀出信號線與顏色像素的種類一一對應。例如，在圖1所示的例子的情況下，第I行的讀出信號線TGll與G像素(Gl像素)對應，讀出信號線TG12與R像素對應。因此，如圖2所示，配置於第I行的G像素的讀出電晶體14a的柵極與讀出信號線TGll連接，R像素的讀出電晶體14a的柵極與讀出信號線TG12連接。
[0027]同樣，第2行的讀出信號線TG21與B像素對應，讀出信號線TG22與G像素(G2像素)對應。因此，如圖2所示，配置於第2行的B像素的讀出電晶體14a的柵極與讀出信號線TG21連接，G像素的讀出電晶體14a的柵極與讀出信號線TG22連接。
[0028]如此，不同的顏色像素的讀出電晶體14a與不同的讀出信號線連接，由此能夠對每個顏色像素設定不同的曝光定時(曝光時間)。
[0029]接下來，利用圖3的時間圖對如上述那樣構成的固體攝像裝置的像素信號的讀出動作進行說明。圖3是對從單位像素11取得像素信號的定時進行說明的時間圖。
[0030]在讀出動作的說明之前，對每個顏色像素的曝光時間的設定進行說明。各顏色像素的曝光時間根據濾色器的靈敏度比來設定。例如，在靈敏度比為R:G:B = 1:2:1的情況下，通過將R像素和B像素的曝光時間設定為G像素的曝光時間的2倍，能夠將靈敏度比調整成R:G:B = 1:1:1。以往，通過利用數字處理來使在相同曝光時間從單位像素取得的R像素和B像素的像素信號成為2倍，由此調整靈敏度比，但在該情況下，像素信號所含有的噪聲成分也會成為2倍。但是，在本實施方式的固體攝像裝置中，通過使曝光時間成為2倍來調整靈敏度比，因此噪聲成分的增加成為1.4倍左右。因此，與以往的方法相比，能夠抑制由靈敏度比的調整導致的SNR的劣化。
[0031]顏色像素的靈敏度比按照每個傳感器晶片不同。因此，將在產品出廠前測試等中測定出的靈敏度比預先儲存在存儲器6中。在上述的一個例子的情況下，在存儲器6的R/G靈敏度比存儲器61中存儲有0.5 ( = 1/2)，在B/G靈敏度比存儲器62中存儲有0.5 (=1/2)。
[0032]在拍攝圖像時，ALClO從存儲器6取得R、G、B各顏色像素的靈敏度比，並對每個顏色像素計算曝光時間。所計算出的每個顏色像素的曝光時間被設定到曝光時間控制部7的各寄存器71?74的相應部。在上述的一個例子的情況下，當在Gl寄存器71和G2寄存器74中作為曝光時間而設定有Td時，在R寄存器72和B寄存器73中作為曝光時間而設定TdX 2。定時脈衝發生器8參照曝光時間控制部7的各寄存器71?74的設定值，生成用於取得像素信號並進行讀出的各信號的脈衝定時，並向垂直移位寄存器4輸出。以下，對像素信號的讀出動作進行說明。
[0033]從垂直移位寄存器4向復位信號線RSTl和讀出信號線TG12輸出脈衝信號(時刻tl)。通過這些脈衝信號，R像素的復位電晶體14c和讀出電晶體14a成為導通狀態。於是，由於讀出電晶體14a成為導通狀態，因此光電二極體12所蓄積的電荷經由讀出電晶體14a被讀出到浮置擴散層13，光電二極體12被復位。此外，由於復位電晶體14c成為導通狀態，因此浮置擴散層13所蓄積的電荷被復位。然後，復位電晶體14c和讀出電晶體14a成為截止狀態，並開始向R像素的光電二極體12蓄積電荷(R像素的曝光開始)。
[0034]接著，在R像素將曝光進行到曝光時間控制部7的R寄存器72中所設定的曝光時間的一半時間的時刻，從垂直移位寄存器4向復位信號線RSTl和讀出信號線TGll輸出脈衝信號(時刻t2)。通過這些脈衝信號，Gl像素的復位電晶體14c和讀出電晶體14a成為導通狀態。於是，由於讀出電晶體14a成為導通狀態，因此光電二極體12所蓄積的電荷經由讀出電晶體14a被讀出到浮置擴散層13，光電二極體12被復位。此外，由於復位電晶體14c成為導通狀態，因此浮置擴散層13所蓄積的電荷被復位。然後，復位電晶體14c和讀出電晶體14a成為截止狀態，並開始向Gl像素的光電二極體12蓄積電荷(Gl像素的曝光開始)。
[0035]當R像素、G像素都將曝光進行到曝光時間控制部7的對應的寄存器71、72中所設定的曝光時間時，從垂直移位寄存器4向讀出信號線TGll和讀出信號線TG12輸入讀出脈衝(時刻t4)。於是，R像素和Gl像素的讀出電晶體14a都成為導通狀態，兩個像素的光電二極體12所蓄積的電荷被讀出到兩個像素的浮置擴散層13。浮置擴散層13的電位根據從光電二極體12讀出的電荷量而被調製。
[0036]接下來，從垂直移位寄存器4向地址信號線ADRl輸出行選擇脈衝。由於柵極與地址信號線ADRl連接的地址電晶體14d成為導通狀態，因此根據浮置擴散層13所蓄積的電荷量來調製在放大電晶體14b中流動的電流量，該電流量被作為各像素的信號讀出到垂直信號線VSL，並作為像素信號向AD變換部5輸出。然後，在AD變換部5中像素信號被數字變換，並結束第I行的像素信號的讀出動作。
[0037]另外，通過AD變換部5數位化了的像素信號經由輸出I/F9向ALClO輸出。在ALClO中，根據所輸入的像素信號的電平來計算R、G、B各顏色像素的靈敏度比，並對每個顏色像素計算曝光時間。所計算出的每個顏色像素的曝光時間被反饋給曝光時間控制部7，各寄存器71?74的相應部的值被重新設定。這樣，通過根據所讀出的像素信號的電平來重新計算靈敏度比，並逐次進行曝光時間的調整，由此對於攝像對象整體的顏色色調變化了的情況(例如從在自然光下進行攝像的狀態切換到在紅色等特定顏色的光源下的攝像的情況)下等的顏色像素的靈敏度比的變化也能夠靈活應對，能夠提高白平衡的調整精度。
[0038]如上述那樣，配置於第I行的R像素在從時刻tl到時刻t4的期間進行曝光。另一方面，配置於第I行的G像素在從時刻t2到時刻t4的期間進行曝光。這樣，關於配置於相同行的多個種類的顏色像素，讀出定時在同一時刻進行，但曝光開始時刻對每個顏色像素在不同的定時進行，由此能夠調整為對每個顏色像素成為不同的曝光時間。通過對每個顏色像素設定與靈敏度比相對應的曝光時間，由此能夠將所輸出的像素信號的電平調整為同一電平，並能夠在抑制噪聲成分的增加的同時提高白平衡。
[0039]另外，在上述的像素信號的讀出動作中，配置於相同行的相同顏色像素以相同的定時進行讀出動作。即，配置於第I行的R像素以與上述的R像素相同的定時進行讀出動作，同樣，配置於第I行的G像素以與上述的G像素相同的定時進行讀出動作。
[0040]此外，關於攝像區域3的第2行以後的各行，在緊前一行的讀出動作中或結束後的規定定時，進行像素信號的讀出動作。例如圖3所示那樣，在進行第I行的各單位像素11的曝光的期間，從垂直移位寄存器4向復位信號線RST2和讀出信號線TG21輸出脈衝信號(時刻t3)。通過這些脈衝信號，B像素的復位電晶體14c和讀出電晶體14a成為導通狀態。於是，由於讀出電晶體14a成為導通狀態，因此光電二極體12所蓄積的電荷經由讀出電晶體14a被讀出到浮置擴散層13，光電二極體12被復位。另外，由於復位電晶體14c成為導通狀態，因此浮置擴散層13所蓄積的電荷被復位。然後，復位電晶體14c和讀出電晶體14a成為截止狀態，開始向B像素的光電二極體12蓄積電荷(B像素的曝光開始)。
[0041]接著，在B像素將曝光進行到曝光時間控制部7的B寄存器72中所設定的曝光時間的一半時間的時刻，從垂直移位寄存器4向復位信號線RST2和讀出信號線TG22輸出脈衝信號(時刻t6)。通過這些脈衝信號，G2像素的復位電晶體14c和讀出電晶體14a成為導通狀態。於是，由於讀出電晶體14a成為導通狀態，因此光電二極體12所蓄積的電荷經由讀出電晶體14a被讀出到浮置擴散層13，光電二極體12被復位。此外，由於復位電晶體14c成為導通狀態，因此浮置擴散層13所蓄積的電荷被復位。然後，復位電晶體14c和讀出電晶體14a成為截止狀態，開始向G2像素的光電二極體12蓄積電荷(G2像素的曝光開始)。
[0042]當B像素、G像素都將曝光進行到曝光時間控制部7的對應的寄存器73、74中所設定的曝光時間時，從垂直移位寄存器4向讀出信號線TG21和讀出信號線TG22輸入讀出脈衝(時刻t7)。於是，B像素和G2像素的讀出電晶體14a都成為導通狀態，兩個像素的光電二極體12所蓄積的電荷被讀出到兩個像素的浮置擴散層13。浮置擴散層13的電位根據從光電二極體12讀出的電荷量而被調製。
[0043]然後，從垂直移位寄存器4向地址信號線ADR2輸出行選擇脈衝。由於柵極與地址信號線ADR2連接的地址電晶體14d成為導通狀態，因此根據浮置擴散層13所蓄積的電荷量來調製在放大電晶體14b中流動的電流量，該電流量被作為各像素的信號而讀出到垂直信號線VSL，並作為像素信號向AD變換部5輸出。然後，在AD變換部5中像素信號被數字變換，並結束第2行的像素信號的讀出動作。
[0044]如上述那樣，根據本實施方式，對於在攝像區域3中配置的單位像素11的每行，設置有與相應行所含有的顏色像素的種類的個數相同的條數的讀出信號線TG11、12，並以與顏色像素的種類一一對應的方式與讀出電晶體14a連接。通過將各個讀出信號線TG11、12的讀出定時錯開規定時間，並使曝光開始時刻不同，由此能夠對每個顏色像素調整曝光時間。通過對每個顏色像素設定與靈敏度比相對應的曝光時間，由此能夠將所輸出的像素信號的電平調整為同一電平，並能夠在調整白平衡時抑制噪聲成分的增加。
[0045]另外，在上述的一個例子中，通過使配置於同一行的R像素與G像素、B像素與G像素的曝光結束定時相同，並使曝光開始定時錯開，由此對每個顏色像素調整曝光時間，但也可以使曝光開始定時相同而使曝光結束定時錯開、或者使曝光開始定時和曝光結束定時的雙方錯開，而調整曝光時間。
[0046]此外，配置於單位像素11的濾色器並不限定於拜耳配置，例如也可以是不在第2行的G2像素中配置濾色器而使其成為W(白色)像素等、其他的顏色配置。尤其是，在單位像素11中配置有W像素的情況下，由於W像素的像素信號的電平與其他顏色像素相比非常高，因此當進行與其他顏色像素相同時間的曝光時，其會飽和。但是，根據本實施方式的固體攝像裝置，由於能夠根據顏色像素的靈敏度比來設定不同的曝光時間，因此能夠使W像素的曝光時間比其他顏色像素短，能夠在避免W像素的飽和的同時以適當的電平對其他顏色像素進行曝光。
[0047]此外，在上述的一個例子中，由於假定為圖像傳感器部I和ISP部2形成於不同晶片，因此在圖像傳感器部I中設置有儲存各顏色像素的曝光時間的曝光時間控制部7 (寄存器71~74)，但也可以構成為，將圖像傳感器部I和ISP部2形成於同一晶片，將由ALClO計算出的各顏色像素的曝光時間直接向定時脈衝發生器8輸入。在該情況下，由於不需要曝光時間控制部7的寄存器71~74，因此能夠實現裝置的小型化。另外，在將圖像傳感器部I和ISP部2形成於不同晶片的情況下，也可以進行層疊而成為I個封裝。
[0048]本說明書中的各「部」是與實施方式的各功能對應的概念上的「部」，並不一定與特
定的硬體、軟體程序--對應。因此，在本說明書中，假定具有實施方式的各功能的虛擬電
路模塊(部)來說明實施方式。
[0049]對本發明的幾個實施方式進行了說明，但這些實施方式只是作為例子而提示的，並不意圖對發明的範圍進行限定。這些新的實施方式能夠通過其他各種方式加以實施，在不脫離發明主旨的範圍能夠進行各種省略、置換、變更。這些實施方式以及其變形包含在發明的範圍、主旨中，並且包含於專利請求範圍所記載的發明和其等同的範圍。
【權利要求】
1.一種固體攝像裝置，其特徵在於， 具有: 攝像部，對光電轉換元件配置有濾色器的像素被二維配置成矩陣狀； 讀出信號線，控制由上述光電轉換元件蓄積的電荷的讀出，對配置有上述多個像素的任意一行設置有多條； 存儲器，儲存配置有任意一個上述濾色器的上述像素的受光靈敏度與配置有其他顏色的上述濾色器的上述像素的受光靈敏度的比率；以及 寄存器，按照上述濾色器的顏色種類來儲存上述像素的曝光時間， 上述濾色器包含白色濾色器， 根據配置於上述任意一行的上述多個像素中所配置的上述濾色器的顏色種類數來設置上述讀出信號線，在配置於上述任意一行的上述多個像素中，按照上述濾色器的每種顏色連接有共通的上述讀出信號線，配置有上述白色濾色器的像素的曝光時間比其以外的像素的曝光時間短。
2.—種固體攝像裝置，其特徵在於， 具有: 攝像部，對光電轉換元件配置有濾色器的像素被二維配置成矩陣狀；以及讀出信號線，控制由上述光電轉換元件蓄積的電荷的讀出，對配置有上述多個像素的任意一行設置有多條， 根據配置於上述任意一行的上述多個像素中所配置的上述濾色器的顏色種類數來設置上述讀出信號線，在配置於上述任意一行的上述多個像素中，按照上述濾色器的每種顏色連接有共通的上述讀出信號線。
3.根據權利要求2所述的固體攝像裝置，其特徵在於， 根據上述像素的受光靈敏度，將控制曝光時間的開始定時和結束定時的信號向上述讀出信號線輸出。
4.根據權利要求2或3所述的固體攝像裝置，其特徵在於， 還具備存儲器，該存儲器儲存配置有任意一個上述濾色器的上述像素的受光靈敏度與配置有其他顏色的上述濾色器的上述像素的受光靈敏度的比率。
5.根據權利要求2或3所述的固體攝像裝置，其特徵在於， 還具備按照上述濾色器的顏色種類來儲存上述像素的曝光時間的寄存器。
6.根據權利要求4所述的固體攝像裝置，其特徵在於， 還具備按照上述濾色器的顏色種類來儲存上述像素的曝光時間的寄存器。
【文檔編號】H04N5/235GK104038745SQ201310334480
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年8月2日 優先權日:2013年3月8日
【發明者】清田享伸 申請人:株式會社東芝