固態圖像傳感器及成像系統的製作方法

2023-10-05 15:22:29

專利名稱：固態圖像傳感器及成像系統的製作方法
固態圖像傳感器及成像系統技術領域
用較長的時間以將整個供電線路(voltage supplying line ) 的電壓設定為選擇失效電壓電平。如果該時間很長，這就意味著像素 選擇失效期間佔據了從所有像素中讀出信號所用時間的更大部分。這 個問題在要求高幀率的應用中，或者在成像平面變大而增加了供電線 路的電阻或寄生電容的情況中，更為嚴重。特別是，HD(高清晰度)
標準要求每秒輸出60幀，並且對於解決該問題提出了強烈要求。 發明內容[0005本發明用於克服傳統方法的缺點，其目的是提供有利於信 號的高速讀出的固態圖像傳感器。[0006本發明的第一方面提供一種固態圖像傳感器，包括二維 地排列著多個像素的〗象素陣列；選擇像素陣列的行的垂直掃描電路； 以及選擇像素陣列的列的水平掃描電路。每個像素包括光電轉換器、 傳輸開關、電荷 一 電壓變換節點(charge-voltage conversion node )、 放大器、以及控制開關。傳輸開關將電荷從光電轉換器傳輸到電荷-電壓變換節點。放大器將與被傳輸到電荷-電壓變換節點的電荷所對 應的信號輸出到像素所屬列的垂直信號線。控制開關控制電荷-電壓 變換節點的電壓。固態圖像傳感器包括通過像素的控制開關控制每個 像素的電荷-電壓變換節點的電壓的電壓控制器。由電壓控制器通過 控制開關在電荷-電壓變換節點處所設的電壓包括用於將像素設定 為選中狀態的第一電壓、以及用於將像素設定為非選中狀態的第二電 壓。電壓控制器和每個像素的控制開關，通過使用水平掃描期間的至 少一部分，來將每個像素的電荷-電壓變換節點電壓設定為第二電 壓。0007本發明的第二方面提供一種成像系統，該系統包括如上 所述的固態圖像傳感器；以及處理由固態圖像傳感器輸出的信號的信 號處理電路。[0008本發明另外的特點將通過參考附圖對下列實施方案進行 的說明而變得更加明顯。


[00091圖1為電路圖，其示意性地顯示了根據本發明優選實施方 案所述的固態圖像傳感器的結構；[0010圖2為時序圖，其顯示了對比操作示例；圖7為框圖，其顯示了用於在固態圖像傳感器中產生控制 信號PVD的控制信號產生電路的結構；0016圖8為時序圖，其顯示了圖7中的控制信號產生電路中信 號的改變；以及[0017圖9為框圖，其顯示了成像系統的構造。
具體實施方式
00181下面將參考附圖對本發明的優選實施方案進行描述。[0019圖1為電路圖，其示意性地顯示了根據本發明優選實施方 案所述的固態圖像傳感器的結構。根據本發明優選實施方案所述的固 態圖像傳感器100包括二維地排列著多個像素101的像素陣列90; 選擇像素陣列90的行的垂直掃描電路140;以及選擇像素陣列90的 列的水平掃描電路150。固態圖像傳感器100包括列放大器160和電 容單元170，它們被排列在像素陣列90的各個列上。固態圖像傳感器 100還包括輸出放大器120，用於放大從由水平掃描電路150選中的 列的電容單元輸入的信號。[0020在圖l所示實例中，像素陣列90隻由排成兩行x兩列的4 個^f象素101組成。實際的4象素陣列90可以由更多的^f象素101組成。 每個像素101包括光電轉換器102、傳輸開關103、放大器105、以及 控制開關(復位開關)106。[0021光電轉換器102將入射光光電地轉換為電荷。光電轉換器 102 —般由光電二極體構成。傳輸開關103將電荷從光電轉換器102
傳輸到電荷-電壓變換節點104。傳輸開關103 —般由MOS電晶體 構成。傳輸開關103響應由垂直掃描電路140所驅動的傳輸脈沖PTX 的激活，將電荷從光電轉換器102傳輸到電荷-電壓變換節點104。 電荷-電壓變換節點104具有電容，並且通過該電容將電荷轉換成電 壓。電荷-電壓變換節點104—般包括形成於半導體襯底中的浮動擴 散區(FD) 放大器105將與被傳輸到電荷-電壓變換節點104的電 荷相對應的信號輸出到目標像素所屬列的垂直信號線109。放大器105 一般由MOS電晶體(放大器MOS電晶體)構成，並且其柵極被耦 合到電荷-電壓變換節點104。控制開關106對電荷-電壓變換節點 104的電壓進行控制或復位。控制開關106 —般由MOS電晶體(復 位MOS電晶體)構成。控制開關106響應由垂直掃描電路140所驅 動的復位信號PRES的激活而被開啟，並控制電荷-電壓變換節點 104的電壓。
[00221像素101被定義為包括光電轉換器102、傳輸開關103、 電荷-電壓變換節點104、放大器105、以及控制開關(復位開關) 106的電路。在此情況下，至少兩個像素還可以共享電荷-電壓變換 節點104、放大器105、以及控制開關106中的至少一個。
[00231在圖l所示實例中，構成放大器105的放大器MOS晶體 管的漏極、以及構成控制開關106的復位MOS電晶體的漏極可以被 耦合到供電線路108。供電線路108的電壓由電壓控制器130驅動。
[0024垂直信號線109被耦合到恆流源110。源極跟隨器電路 (source follower circuit)包括恆流源110和放大器MOS電晶體，該 放大器MOS電晶體構成屬於選中列的像素101的放大器105。
0025在圖l所示實例中，圖1中下方的列放大器160放大通過 奇數列上的垂直信號線109讀出的信號。圖l中上方的列放大器160 (未顯示)放大通過偶數列上的垂直信號線109讀出的信號。
[0026在第一實施方案中，由電壓控制器130通過控制開關106 在電荷-電壓變換節點104處所設的電壓包括用於將像素設定為選中 狀態的第一電壓VD_1、以及用於將像素設定為非選中狀態的第二電壓VD_2。電壓控制器130和每個像素101的控制開關106通過使用 水平掃描期間的至少一部分來將每個像素101的電荷-電壓變換節點 104的電壓設定為第二電壓VD_2。當復位信號PRES激活後的電壓 電平比供電線路108的電壓電平低控制開關106的閾值電壓時，在 MOS電晶體上可能發生電壓降。復位信號PRES和電壓供給線108 的電壓電平被確定以防止電壓降。[0027當放大器105由NMOS電晶體構成時，第一電壓VD_1 被設定得比第二電壓VD_2更高。當放大器105由PMOS電晶體構成 時，第一電壓被設定得比第二電壓更低。[0028電壓控制器130根據電壓切換信號PVD將供給到供電線 路108的電壓在第一電壓VD_1和第二電壓VD—2之間切換。電壓控 制器130包括，比如，第一傳輸門131、第二傳輸門132、和反相器 133。第一傳輸門131的輸入接收第一電壓VD—1，而第二傳輸門132 的輸入接收第二電壓VD_2。第一傳輸門131和第二傳輸門132的輸 出被耦合到供電線路108。當電壓切換信號PVD為高電平時，第一傳 輸門131開啟，第一電壓VD_1被供給到供電線路108。當電壓切換 信號PVD為低電平時，第二傳輸門132開啟，笫二電壓VD—2被供 給到供電線路108。[0029列放大器160包括，比如，差分放大器112、輸入電容113、 反饋電容114、和箝位控制開關115。本例中，列放大器160可以獲 得的反相增益為輸入電容113與反饋電容114之比。0030當與像素的復位狀態相對應的噪聲電平(N輸出)被輸出 到垂直信號線109時，箝位脈衝PCLMP只在預定期間為高電平。當 箝位脈沖PCLMP為高電平時，從列放大器160輸出的信號變得等於 施加在差分放大器112的同相輸入端上的參考電壓VREF。在箝位脈 衝PCLMP回到低電平之後，寫信號PTN只在預定期間為高電平。 因此，與像素101的復位狀態相對應的噪聲電平(N輸出)通過寫開 關117n被寫入保持電容118n。[0031然後，傳輸脈沖PTX被激活以只在預定期間開啟傳輸開
關103。由此，光電轉換器102中的電荷通過傳輸開關103被傳輸到 電荷-電壓變換節點104。放大器105將與被傳輸到電荷-電壓變換 節點104的電荷對應的信號輸出到垂直信號線109。列放大器160輸 出信號電平(S輸出)，該信號電平是通過對從箝位脈衝PCLMP為 低電平時的電壓起的電壓變化施加上述反相增益而生成的。寫信號 PTS只在預定期間為高電平，並且信號電平(S輸出)通過寫開關117s 被寫入保持電容118s。[0032在水平掃描期間，通過水平掃描輸出像素信號。即，由水 平掃描電路150順序選中的列的噪聲電平(N輸出)和信號電平(S 輸出)從保持電容118n和118s被輸出到輸出放大器(差分放大器) 120。輸出放大器(差分放大器)120計算並輸出信號電平(S輸出) 與噪聲電平(N輸出)之間的差分。[0033垂直掃描電路140掃描被選中的行，並重複讀出操作，從 像素陣列90的所有行都獲得讀出輸出。[0034要注意的是，電源電壓可以被設為，比如，3.3 V;第一 電壓VD—1的高電平可以被設為，比如，3.3 V;而第二電壓VD—2可 以被設為，比如，0.3 V到1.0 V。[00351現在將說明圖1中所示固態圖像傳感器100的操作。作為 對比實例，將參考圖2，說明未選中的行上的像素101的電荷-電壓 變換節點104在像素讀出期間(水平消隱期間)被復位的情況。像素 讀出期間是信號被列放大器160通過垂直信號線109從像素陣列90 讀出、並被存儲於電容單元170中的期間，即，其為水平掃描期間之 間的期間。因此，像素讀出期間等價於水平消隱期間。[0036PRES(n)和PRES(n+l)表示用於控制由垂直掃描電路140 所驅動的第n行和第(n+l)行上的像素的復位信號PRES。 PTX(n) 和PTX(n+l)表示用於控制由垂直掃描電路140所驅動的第n行和第 (n+l)行上的像素的傳輸脈衝PTX。假設像素101中的所有MOS 電晶體為NMOS電晶體。[00371在像素選擇失效操作期間，電壓切換信號PVD變為低電
平，以將選擇失效第二電壓VD一2供給到供電線路108。垂直掃描電 路140將所有行的復位信號PRES(n)和PRES(n+l)激活到高電平。由 此，第二電壓VD—2通過供電線路108和控制開關106被施加到像素 陣列卯中所有像素的電荷-電壓變換節點104。所有像素的電荷-電 壓變換節點104被復位到第二電壓VD_2。[0038在像素選擇使能操作期間，未選中的行的復位信號 PRES(n+l)變為低電平，並且未選中行上的像素101的控制開關(復 位開關)106被關斷。電壓切換信號PVD變為高電平以將像素選擇第 一電壓VD一1供給到供電線路108。然後，供電線路108的電壓變為 第一電壓VD—H。在此時，選中的行的復位信號PRES(n)保持為高電 平。從而，第一電壓VD一1通過供電線路108和控制開關106被施加 到選中的行上的像素101的電荷-電壓變換節點104。選中行上的像 素101的電荷-電壓變換節點104被復位為第一電壓VD—1。在此時， 選中的行上的像素101將與像素復位狀態相對應的信號輸出到垂直信 號線109。0039如上所述，當與笫n行上的每個像素101的像素復位狀 態相對應的信號(復位信號)被輸出到垂直信號線109時，箝位脈衝 PCLMP只在預定期間為高電平。在此之後，箝位脈衝PCLMP回到 低電平，並且寫信號PTN只在預定期間為高電平。與像素101的復 位狀態相對應的噪聲電平(N輸出)通過寫開關117n被寫入保持電 容118n。0040然後，傳輸脈衝PTX(n)被激活，以只在預定期間開啟傳 輸開關103。由此，光電轉換器102中的電荷通過傳輸開關103被傳 輸到電荷-電壓變換節點104。與電荷相對應的信號被輸出到垂直信 號線109。列放大器160輸出信號電平(S輸出)，該信號電平是通 過對從箝位脈衝PCLMP為低電平時的電壓起的電壓變化施加上述反 相增益而生成的。寫信號PTS只在預定期間為高電平，且信號電平(S 輸出)通過寫開關117s被寫入保持電容118s。0041在水平掃描期間，完成對第n行的水平掃描操作。即， 由水平掃描電路150順序選中的列的噪聲電平(N輸出)和信號電平 (S輸出)從保持電容118n和118s被輸出到輸出放大器(差分放大 器)120。輸出放大器(差分放大器)120計算並輸出信號電平(S輸 出)與噪聲電平(N輸出)之間的差分。[0042根據該對比實例，在水平消隱期間執行將行設為非選中狀 態的操作。這延長了水平消隱期間，不利於信號的高速讀出。[00431作為本發明優選實施方案中的操作實例，將參考圖3，說 明未選中的行上的像素101的電荷-電壓變換節點104在水平掃描期 間被復位的情況。[0044在本發明的優選實施方案中，如圖3中所示，在第n行 上的像素的水平掃描期間的至少一部分期間，電壓切換信號PVD變 為低電平，以將選擇失效第二電壓VD一2供給到供電線路108。垂直 掃描電路140將所有行的復位信號PRES(n)和PRES(n+l)激活到高電 平。由此，第二電壓￥0_2通過供電線路108和控制開關106被施加 到像素陣列90中所有像素的電荷-電壓變換節點104。即，在水平掃 描期間的至少一部分期間，所有像素的電荷-電壓變換節點104被復 位到第二電壓VD—2。0045在接下來的第(n+l)行的像素讀出期間，電壓切換信號 PVD變為高電平，以將像素選擇第一電壓VD一1供給到供電線路108。 在第(n+l)行的像素讀出期間，未選中的行的復位信號PRES(n)被 無效化(deactivate)為低電平，而選中的行的復位信號PRES(n+l) 只在預定期間被激活為高電平。然後，未選中的行上的像素101的控 制開關106被關斷，而選中的行上的像素101的控制開關106隻在預 定期間被開啟。選中的第(n+l)行上的像素101的電荷-電壓變換 節點104通過供電線路108和控制開關106接收第一電壓VD_1,並 被復位為第一電壓VD一1。[0046如上所述，當與第(n+l)行上的每個像素101的像素復 位狀態相對應的信號(復位信號)被輸出到垂直信號線109時，箝位 脈衝PCLMP只在預定期間為高電平。在此之後，箝位脈衝PCLMP
回到低電平，並且寫信號PTN只在預定期間變為高電平。與像素101 的復位狀態相對應的噪聲電平(N輸出)通過寫開關117n被寫入保 持電容118n。[00471然後，傳輸脈衝PTX(n+l)被激活，以只在預定期間開啟 傳輸開關103。由此，光電轉換器102中的電荷通過傳輸開關103被 傳輸到電荷-電壓變換節點104。與電荷相對應的信號被輸出到垂直 信號線109。列放大器160輸出信號電平(S輸出)，該信號電平是 通過對從箝位脈沖PCLMP為低電平時的電壓起的電壓變化施加上述 反相增益而生成的。寫信號PTS只在預定周期內變為高電平，並且信 號電平(S輸出)通過寫開關117s被寫入保持電容118s。[00481在水平掃描期間，完成對第(n+l)行的水平掃描操作。 即，由水平掃描電路150順序選中的列的噪聲電平(N輸出)和信號 電平(S輸出)從保持電容118n和118s被輸出到輸出放大器(差分 放大器)120。輸出放大器(差分放大器)120計算並輸出信號電平(S 輸出)與噪聲電平(N輸出)之間的差分。[0049通過在水平掃描期間復位非選中行上的像素101的電荷 -電壓變換節點104，水平消隱期間與對比實例相比可以被縮短以便 以更高速度讀出信號。因此，比如，幀率可以提高。[0050在圖3中所示實例中，每個像素的控制開關106從整個水 平掃描期間的開始到結束一直開啟。在整個期間，電壓控制器130通 過像素的控制開關106將每個像素的電荷-電壓變換節點104驅動為 第二電壓。這可以防止選擇失效操作幹擾水平掃描，更確切地說，防 止由選擇失效操作產生的噪聲在水平掃描期間混合在特定列上的像 素的信號中。可以防止產生固定模式噪聲。[0051電壓切換信號PVD還可以被供給自固態圖像傳感器100 的外部，或者產生自固態圖像傳感器100的內部。在前一種情況中， 電路結構可以被簡化以減小晶片尺寸。在後一種情況中，焊盤的數目可以;故減少以縮小安裝板(mounting board )的規模。[0052圖7為框圖，其顯示了用於在固態圖像傳感器100中產生
控制信號PVD的控制信號產生電路的結構。圖8為時序圖，其顯示 了控制信號產生電路中信號的改變。水平掃描電路150由移位寄存器 構成。水平掃描電路150依照掃描脈衝(掃描時鐘)PH，接收作為脈 衝信號的掃描開始信號PHST，並且依照掃描脈沖(掃描時鐘)PH 對脈沖信號進行移位。在將脈沖信號移位到末級(final stage)之後， 水平掃描電路150輸出掃描結束信號Dend。鎖存器電路152產生電 壓切換信號PVD，該電壓切換信號PVD響應掃描開始信號PHST的 激活而變為高電平並且響應掃描結束信號Dend的激活而變為低電 平。[0053在圖1中所示的像素101中，供電線路108被公共地耦合 到控制開關(復位MOS電晶體)106和放大器(放大器MOS電晶體) 105的漏極。本發明還可以採用下列修改方案來代替該結構。圖4為 電路圖，其顯示了根據第一修改方案所述的像素結構。在該修改方案 中，控制開關(復位MOS電晶體)106的漏極被耦合到垂直信號線 109，。在該結構實例中，電壓控制器130足以驅動垂直信號線109，。 當來自像素101的信號被輸出到垂直信號線109，時，電壓控制器130 需要與垂直信號線109，電斷開。耦合到放大器105漏極的供電線路 108，的電壓被固定。0054本發明還可被應用於以下結構中，其中多個光電轉換器 102共享傳輸開關103、控制開關106、放大器105、以及電荷-電壓 變換節點104中至少一個。0055在圖5中所示的第二修改方案中，兩個光電轉換器102a 和102b共享放大器105和控制開關106。傳輸開關103a和103b與光 電轉換器102a和102b相對應地配置。00561同樣在圖6中所示的第三修改方案中，兩個光電轉換器 102a和102b類似地共享放大器105和控制開關106。傳輸開關103a 和103b與光電轉換器102a和102b相對應地配置。00571圖9為框圖，其顯示了根據本發明優選實施方案所述的成 像系統的原理構造。成像系統400包括上述固態圖像傳感器100。
[00581鏡頭1002在固態圖像傳感器100的成像平面(imaging plane)上形成物體的光學圖像。鏡頭1002的外表面被覆蓋了鏡頭蓋 (barrier) 1001 ，用於保護鏡頭1002且還作為主開關(main switch ), 鏡頭1002具有光團1003以調整鏡頭1002的透光量。信號處理電路 1005執行各種處理，諸如對從固態圖像傳感器IOO輸出的成像信號的 校正和箝位。A/D轉換器1006對從信號處理電路1005輸出的成像信 號進行模數轉換。信號處理器1007執行各種處理，諸如對從A/D轉 換器1006輸出的圖像數據的校正和數據壓縮。固態圖像傳感器100、 信號處理電路1005、 A/D轉換器1006以及信號處理器1007根據由定 時發生器(timing generator ) 1008所產生的定時信號來工作。0059模塊1005到1008還可以與固態圖像傳感器100形成於同 一晶片上。總控制/操作單元1009控制成像系統400的模塊。成像系 統400包括用於臨時存儲圖像數據的存儲器1010、以及用於在記錄介 質上記錄圖像或者從記錄介質上讀出圖像的記錄介質控制接口 1011。 記錄介質1012包括半導體存儲器等，並且是可拆卸的。成像系統400 可以包括外部接口 (I/F) 1013,其用於與外部計算機等進行通信。[0060現在將對圖9中所示成像系統400的操作進行描述。響應 於鏡頭蓋1001的打開，主電源、控制系統的電源、以及包括A/D轉 換器1006的成像電路的電源被順序開啟。為了控制膝光，總控制/操 作單元1009將光團1003設為全孔徑狀態(full-aperture state)。輸 出自固態圖像傳感器100的信號經過信號處理電路1005進入A/D轉 換器1006。 A/D轉換器1006對信號進行A/D轉換並將其輸出到信號 處理器1007。信號處理器1007處理數據並將其供給到總控制/操作單 元1009。總控制/操作單元1009計算並確定曝光量。總控制/操作單元 1009基於所確定的曝光量控制光團。[0061總控制/操作單元1009從由固態圖像傳感器IOO輸出並被 信號處理器1007處理的信號中提取出高頻分量。總控制/操作單元 1009基於高頻分量計算到物體的距離。總控制/操作單元1009驅動鏡 頭1002以確定物體是否焦點對準(in focus)。如果總控制/操作單元1009確定物體未焦點對準，它就再次驅動鏡頭1002以計算距離。[0062在確認物體焦點對準之後，開始實際曝光。在曝光結束之 後，輸出自固態圖像傳感器100的成像信號受到圖像處理電路1005 的校正等處理，被A/D轉換器1006進行A/D轉換，並被信號處理器 1007進行處理。信號處理器1007所處理的圖像數據被總控制/操作單 元1009存儲在存儲器1010中。[0063存儲在存儲器1010中的圖像數據，在總控制/操作單元 1009的控制下，通過記錄介質控制I/F被記錄在記錄介質1012上。 圖像數據可以通過外部I/F 1013被提供給計算機等，並被它處理。[0064雖然已經參考典型實施方案描述了本發明，但是要理解本 發明並不受所揭示的典型實施方案的限制。應根據所附權利要求的範 圍進行最廣義的解釋，以涵蓋所有這樣的修改方案以及等價結構和功 能。
權利要求
1.一種固態圖像傳感器，包括二維地排列著多個像素的像素陣列；選擇像素陣列的行的垂直掃描電路；以及選擇像素陣列的列的水平掃描電路，每個像素包括光電轉換器；將電荷從光電轉換器傳輸到電荷-電壓變換節點的傳輸開關；將與被傳輸到電荷-電壓變換節點的電荷相對應的信號輸出到像素所屬列的垂直信號線的放大器；以及控制電荷-電壓變換節點的電壓的控制開關，該傳感器包括通過每個像素的控制開關控制每個像素的電荷-電壓變換節點的電壓的電壓控制器，其中，由所述電壓控制器通過控制開關在電荷-電壓變換節點處所設置的電壓包括用於將像素設定為選中狀態的第一電壓、以及用於將像素設定為非選中狀態的第二電壓，並且所述電壓控制器和每個像素的控制開關，通過使用水平掃描期間的至少一部分，將每個像素的電荷-電壓變換節點電壓設定為第二電壓。
2. 根據權利要求1所述的傳感器，其中控制開關由復位MOS晶 體管構成。
3. 根據權利要求2所述的傳感器，其中，放大器由放大器MOS 電晶體構成，並且設置在一個像素中的放大器MOS電晶體的漏極和 復位MOS電晶體的漏極被電耦合。
4. 根據權利要求2所述的傳感器，其中，放大器由放大器MOS 電晶體構成，並且設置在一個像素中的放大器MOS電晶體的源極和 復位MOS電晶體的漏極被電耦合。
5. 根據權利要求1所述的傳感器，其中至少兩個像素共享一個放 大器、 一個電荷-電壓變換節點、和一個控制開關中的至少一個。
6. 根據權利要求1所述的傳感器，其中，每個像素的控制開關從 整個水平掃描期間的開始到結束一直開啟，並且在整個期間，所述電 壓控制器通過每個像素的控制開關以第二電壓驅動每個像素的電荷 -電壓變換節點。
7. —種成像系統，包括如權利要求1到6中任一項所述的固態圖像傳感器；以及 處理由所述固態圖像傳感器輸出的信號的信號處理電路。
全文摘要
每個像素包括光電轉換器、傳輸開關、電荷-電壓變換節點、放大器、以及控制開關。固態圖像傳感器包括通過像素的控制開關控制每個像素的電荷-電壓變換節點的電壓的電壓控制器。由電壓控制器通過控制開關在電荷-電壓變換節點處所設的電壓包括用於將像素設定為選中狀態的第一電壓(VD_1)、以及用於將像素設定為非選中狀態的第二電壓(VD_2)。電壓控制器和每個像素的控制開關，通過使用水平掃描期間的至少一部分，將每個像素的電荷-電壓變換節點的電壓設定為第二電壓(VD_2)。
文檔編號H04N5/3745GK101212581SQ200710300480
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月28日 優先權日2006年12月28日
發明者板野哲也, 野田智之 申請人:佳能株式會社