互補金屬氧化物半導體圖像傳感器的製作方法
2023-07-14 23:26:21 1
專利名稱：互補金屬氧化物半導體圖像傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器，具體的說，本發明涉及一種可以使結合時間點相同從而防止圖像失真的CMOS圖像傳感器。
背景技術：
近來，數位照相機和照相機電話快速發展並商業化。數位照相機和照相機電話一般採用半導體傳感器感測光，而主要使用的半導體傳感器包括互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器和電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器。
CMOS圖像傳感器是指採用CMOS製造技術並採用提供對應於像素數目的多個MOS電晶體並採用該電晶體順序檢測輸出的切換方法而用於將光學圖像轉換為電信號的器件。目前，相比廣泛用作圖像傳感器的CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器具有如下優點驅動方法簡單、可以實現各種掃描方法、由於信號處理電路可以集成在一個晶片上而可能使產品小型化、由於採用兼容的CMOS技術而使製造成本降低並且能耗可以大大減少。
圖1是傳統CMOS圖像傳感器的方框圖。參照圖1，CMOS圖像傳感器包括像素矩陣110、行解碼器130、相關雙採樣(CDS)單元和模數轉換器(ADC)(下文中稱為「CDS和ADC」)150以及列解碼器170。
如圖2所示，在像素矩陣110中，排列單位像素，用於分配行地址的行解碼器130沿著像素矩陣110的一側在像素矩陣110周圍設置，用於分配像素的列地址並且連接到像素的輸出的列解碼器170沿垂直於行解碼器130的方向設置。
行解碼器130由多個各自具有多個柵的行解碼器單元組成。各行解碼器單元通過地址輸入線、傳輸信號輸入線、選擇信號輸入線和復位信號輸入線接收輸入信號，並且各行解碼器單元通過用於響應於復位信號和地址信號而輸出復位柵信號的復位柵信號輸出單元而輸出輸出信號，其中復位信號通過復位信號輸入線輸入，並且地址信號通過地址信號輸入線輸入，選擇柵信號輸出單元用於輸出響應於選擇信號和地址信號而產生的選擇柵信號，其中選擇信號通過選擇信號輸入線輸入，並且地址信號通過地址信號輸入線輸入，以及傳輸信號輸出線用於輸出通過傳輸信號輸入線輸入的傳輸信號。
在從圖像傳感器提取數據的具體過程中，由行解碼器130選擇第一行，提取由列解碼器170選擇的第一行的各像素數據，然後將提取的像素數據放大。之後，由行解碼器130選擇第二行，提取由列解碼器170選擇的第二行的各像素數據，然後將提取的像素數據放大。以這種方式，提取所有的像素數據。
同時，CDS和ADC單元150工作從而其將從單位像素提取的模擬數據轉換為數字數據，並通過採樣實現高圖像質量。
圖2為具有4電晶體(4-T)結構的單位像素的電路圖。參照圖2，單位像素由1個光電二極體PD和4個NMOS電晶體構成。四個NMOS電晶體由復位電晶體Rx、傳輸電晶體Tx、驅動電晶體Dx和選擇電晶體Sx構成，其中復位電晶體Rx用於響應於復位柵信號而復位光電二極體的電勢，傳輸電晶體Tx用於響應於傳輸信號而將充入在光電二極體中的電子傳輸到浮置擴散區域，驅動電晶體Dx用於根據浮置擴散區域的電極電壓的變化通過改變源跟隨器電路的電流而改變各單位像素的輸出電壓，並且選擇電晶體Sx用於響應於選擇柵信號而將各單位像素的輸出電壓作為模擬輸出電壓輸出，該輸出電壓根據浮置擴散區域的電壓變化產生。
參照圖3的工作時序圖詳細說明單位像素的工作。首先，當通過選擇柵信號SG選擇相應的行時，選擇電晶體Sx導通，並且復位電晶體Rx通過復位柵信號RG使浮置擴散區域的電壓復位。之後，當光進入光電二極體時產生電子。當傳輸電晶體Tx通過傳輸柵信號TG導通時，基於在光電二極體處產生的電子積累的電荷被傳輸到浮置擴散區域，並且驅動電晶體Dx以與浮置擴散區域中的電荷量成比例地改變單位像素的輸出電壓。
在圖3中，電平「a」表示在通過選擇柵信號SG選擇相應的行之後輸出節點的初始電壓電平，電平「b」表示在通過復位柵信號RG執行復位之後輸出節點的電壓電平，並且電平「c」表示通過傳輸柵信號SG執行擴散到浮置擴散區域後的電壓電平。在這種情況下，輸出節點的電壓電平「b」和「c」之間的差作為實際圖像數據信號輸出。
圖4是傳統行解碼器的通用電路圖。參照圖4，通過行地址Ai、Ai+1、Ai+2和傳輸信號T、選擇信號S以及復位信號R的組合而產生第i行的復位柵信號RGi、傳輸柵信號TGi和選擇柵信號SGi，第i+1行的復位柵信號RGi+1、傳輸柵信號TGi+1和選擇柵信號SGi+1，第i+2行的復位柵信號RGi+2、傳輸柵信號TGi+2和選擇柵信號SGi+2。
在這種情況下，由於CMOS圖像傳感器採用移位寄存器選擇各行並且然後激活單位像素，所以採用圖5所示的時序圖。
圖5為當傳統圖像傳感器在各自單位像素處輸出各自像素數據時的時序圖。
參照圖5，CMOS圖像傳感器採用選擇柵信號SG1選擇第一行，採用復位柵信號RG1執行復位，然後在復位之後測量浮置擴散區域的電壓(復位值)。之後，CMOS圖像傳感器允許累積在光電二極體中的電荷通過傳輸柵信號TG1被傳輸到浮置擴散區域並且然後再次測量浮置擴散區域的電壓(像素數據)。之後，CMOS圖像傳感器採用選擇柵信號SG2選擇第二行並重複上述過程。
在上述輸出圖像數據的方法中，當存在n(這裡n為自然數)行時，第一行接收光的時間點和第n行接收光的時間點不同。在這種情況下，當CMOS傳感器拍攝圖像時，存在移動圖像可能失真的問題。
發明內容
技術問題本發明已經考慮到現有技術中發生的以上問題，並且本發明的目的在於提供一種防止圖像失真的CMOS圖像傳感器。
技術方案為了實現以上目的，本發明提供一種CMOS圖像傳感器，包括二維像素矩陣，其由單位像素構成並且各單位像素具有光電二極體和電晶體；行解碼器，位於像素矩陣的一端以分配行地址；以及列解碼器，位於垂直於行解碼器的像素矩陣的另一端以向由行解碼器選擇的行中的相應像素分配列地址，其中所述行解碼器包括多個行解碼單元，各行解碼單元包括地址信號輸入線、傳輸信號輸入線、選擇信號輸入線、復位信號輸入線；復位柵信號輸出單元，用於輸出響應於復位信號和地址信號而產生的復位柵信號，其中復位信號通過復位信號輸入線輸入而地址信號通過地址信號輸入線輸入；選擇柵信號輸出單元，用於輸出響應於選擇信號和地址信號而產生的選擇柵信號，其中選擇信號通過選擇信號輸入線輸入而地址信號通過地址信號輸入線輸入；以及傳輸信號輸出線，用於輸出傳輸信號，其通過傳輸信號輸入線輸入。
所述單位像素的電晶體為用於響應復位柵信號而復位光電二極體電勢的復位電晶體(Rx)，用於響應傳輸信號而將充入到光電二極體的電子傳輸到浮置擴散區域的傳輸電晶體(Tx)，用於通過根據浮置擴散區域的電極電壓變化而改變源跟隨器電路的電流從而改變各單位像素輸出電壓的驅動電晶體(Dx)，以及用於響應選擇柵信號而將根據浮置擴散區域的電壓變化產生的各單位像素的輸出電壓作為模擬信號電壓輸出的選擇電晶體(Sx)。
此外，該CMOS圖像傳感器允許所有單位像素的傳輸電晶體由傳輸信號導通，採用選擇柵信號選擇一行，然後逐行測量基於在各單位像素中累積的電荷量的電壓電平，並且採用復位柵信號逐行復位單位像素，然後在復位之後測量電壓電平。
此外，該CMOS圖像傳感器還包括相關雙採用(CDS)單元，用於採用基於累積的電荷量的電壓電平與復位之後的電壓電平之間的差值而測量實際圖像數據信號。
此外，該CMOS圖像傳感器還包括減少率測量單元，用於根據行解碼器的工作而測量從圖像傳感器順序輸出的第1至第n(這裡n為自然數)行數據的輸出之間的減少率。
此外，該CMOS圖像傳感器還包括增益補償單元，用於基於減少率測量單元測量的減少率而順序向第1至第n行的輸出加上預先確定的增益量。有益效果根據本發明的CMOS圖像傳感器對所有像素實現了相同的結合時間點，從而防止了圖像失真。
圖1是傳統CMOS圖像傳感器的方框圖；
圖2是具有4-T(4電晶體)結構的單位像素的電路圖；圖3是單位像素的工作時序圖；圖4是傳統行解碼器的通用電路圖；圖5是當傳統圖像傳感器在各自單位像素處輸出各自像素數據時的時序圖；圖6是根據本發明優選實施方式的行解碼器的通用電路圖；圖7是根據本發明優選實施方式的CMOS圖像傳感器的時序圖；圖8是當傳統圖像傳感器在各自單位像素處輸出各自像素數據的另一時序圖；以及圖9是根據行數據之間測量時間的差表示測量值的減少率的示意圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖對本發明的優選實施方式進行詳細說明。
圖6是根據本發明優選實施方式的行解碼器的通用電路圖。參照圖6，根據本發明的CMOS圖像傳感器允許傳輸柵信號TGi、TGi+1、TGi+2同時導通。這種情況下，在所有單位像素接收光和產生電子的結合時間點相同，從而即使在顯示快速移動的圖像時也不會發生圖像失真。其具體方法將參照根據本發明優選實施方式的圖7的CMOS圖像傳感器的時序圖進行詳細說明。
參照圖7，根據本發明優選實施方式的CMOS圖像傳感器允許傳輸柵信號TG同時導通並且然後使用選擇柵信號(第i行SG)選擇第i行。之後，CMOS圖像傳感器根據累積在第i行的單位像素中的電荷量而順序測量電壓電平(第j像素數據、(j+1)像素數據和(j+2)像素數據)，並在採用復位柵信號(第i行RG)復位第i行之後順序測量各自單位像素的電壓電平(第i復位值、(i+1)復位值和(i+2)復位值)。電壓電平在復位之後測量的原因在於實際圖像數據可以在擴散到浮置區域之後並且電壓電平在復位之後採用電壓電平之間的差進行測量，即，需要經歷CDS過程。
之後，CMOS圖像傳感器採用選擇柵信號(第(i+1)行SG)選擇第(i+1)行並重複上述過程。
因此，即使為所有像素實現相同的結合時間點，CMOS圖像傳感器也可以為各行測量各自像素的電勢電平。即，按照慣例，傳輸電晶體Tx通過傳輸柵信號TG為各行導通，從而各行的結合時間點有差別。然而，在本發明中，所有傳輸電晶體Tx通過傳輸柵信號TG同時導通，因此各行不會產生結合時間點的差別，並且因此可以防止圖像失真。
參照圖8和圖9，以下說明本發明的另一實施方式。圖8是當傳統圖像傳感器在各自單位像素處輸出各自像素數據時的另一時序圖，而圖9是根據傳統行數據之間測量時間的差表示測量值的減少率的示意圖。
參照圖8，根據本發明的CMOS圖像傳感器基於順序從傳統圖像傳感器輸出的行數據之間測量時間的差而測量測量值的減少率，並且根據測量的減少率而向各行增加適當的增益量，從而防止圖像的失真。即，傳統CMOS圖像傳感器首先採用與幀同步信號和傳輸柵信號TG同步的第一選擇柵信號(第1行SG)選擇第一行，允許將已經在光電二極體中累積的電荷通過傳輸柵信號傳輸到浮置擴散區域，並且然後測量浮置擴散區域的電壓(像素數據)。之後，CMOS圖像傳感器採用第一選擇柵信號(第1行SG)執行復位，並測量浮置擴散區域中的第一電壓(第1復位值)。之後，CMOS圖像傳感器採用第二選擇柵信號(第2行SG)選擇第二行，並然後重複上述過程。最後，傳統CMOS圖像傳感器採用第n選擇柵信號(第n行SG)選擇第n行，並然後重複上述過程。在該輸出圖像數據的傳統方法中，當存在n行時，傳輸柵信號TG同時導通，並且驅動各自行的像素的柵信號從第一行至第n行順序工作。因此，在測量第一行像素數據的時間T1與測量第n行像素數據的時間T2之間發生一定的時間差，並且測量的時間差使各自行的像素數據之間產生細微的差別，因此導致圖像質量不均衡。
然而，如圖9所示，根據本發明的CMOS圖像傳感器測量從圖像傳感器同時輸出的第1行至第n(這裡n為自然數)行數據之間的減少率「a」，並且順序向第1至第n行的輸出加上基於測量的減少率『a』而預先確定的增益量，從而消除圖像質量的不均衡。例如，可以以在圖像傳感器的後端安裝背端集成電路(IC)的方式獲得減少率、確定圖像質量不均衡的程度並獲得相對於該不平衡的減少率。能夠補償該減少率的合適增益量可以通過實驗確定或通過圖像傳感器中的內部計算自動確定。將確定的增益量通過圖像傳感器的內部自動增益控制器(AGC)和模數轉換器(ADC)順序加到第1行至第n行的輸出，因此其可以沒有變化的影響圖像。
因此，可以消除由於各自行數據之間測量時間的差而產生的傳統圖像質量不均衡，並且還可以消除圖像失真。
雖然已經參照附圖以優選實施方式為重點說明了本發明，但是熟悉本領域的技術人員可以理解，在不脫離如所附權利要求書所公開的本發明的範圍和精神的情況下，其各種修改、增加和替換是可能的。
權利要求
1.一種互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，包括二維像素矩陣，其由單位像素構成，各單位像素具有光電二極體和電晶體；行解碼器，位於像素矩陣的一端以分配行地址；以及列解碼器，其位於像素矩陣的另一端並垂直於行解碼器以為由所述行解碼器選擇的行中的相應像素分配列地址，其中所述行解碼器包括多個行解碼單元，各行解碼單元包括地址信號輸入線；傳輸信號輸入線；選擇信號輸入線；復位信號輸入線；復位柵信號輸出單元，用於輸出響應於復位信號和地址信號而產生的復位柵信號，其中復位信號通過復位信號輸入線輸入，並且地址信號通過地址信號輸入線輸入；選擇柵信號輸出單元，用於輸出響應於選擇信號和地址信號而產生的選擇柵信號，其中選擇信號通過選擇信號輸入線輸入，並且地址信號通過地址信號輸入線輸入；以及傳輸信號輸出線，用於輸出傳輸信號，其通過傳輸信號輸入線輸入。
2.根據權利要求1所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，所述單位像素的電晶體為復位電晶體(Rx)、傳輸電晶體(Tx)、驅動電晶體(Dx)和選擇電晶體(Sx)，其中復位電晶體用於響應於復位柵信號而復位光電二極體的電勢，傳輸電晶體用於響應於傳輸信號而將充入在光電二極體的電子傳輸到浮置擴散區域，驅動電晶體用於根據浮置擴散區域的電極電壓的變化，通過改變源跟隨器電路的電流而改變各單位像素的輸出電壓，並且選擇電晶體用於響應於所述選擇柵信號而將根據浮置擴散區域的電壓變化產生的單位像素的輸出電壓作為模擬信號電壓輸出。
3.根據權利要求2所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，所述互補金屬氧化物半導體圖像傳感器允許所有單位像素的傳輸電晶體由傳輸信號導通，採用選擇柵信號選擇一行，並且然後逐行測量基於在各自單位像素中累積的電荷量的電壓電平，採用復位柵信號逐行復位單位像素，然後在復位之後測量電壓電平。
4.根據權利要3所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，還包括相關雙採樣(CDS)單元，用於採用基於累積的電荷量的電壓電平與復位之後的電壓電平之間的差值而測量實際圖像數據信號。
5.根據權利要求1所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，還包括減少率測量單元，用於根據所述行解碼器的工作而測量從圖像傳感器順序輸出的第1至第n(其中n為自然數)行數據的輸出之間的減少率。
6.根據權利要求5所述的互補金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，還包括增益補償單元，用於基於減少率測量單元測量的減少率而順序向從第1至第n行的輸出加上預先確定的增益量。
全文摘要
本發明公開了一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。該圖像傳感器包括二維像素矩陣，其由單位像素構成，各單位像素具有光電二極體和電晶體；行解碼器，位於像素矩陣的一端以分配行地址；以及列解碼器，其位於垂直於行解碼器的像素矩陣的另一端以向由行解碼器選擇的行中的相應像素分配列地址。所述行解碼器允許包括在像素矩陣中的單位像素的結合時間點相同。因此，可以防止圖像失真。
文檔編號H04N5/335GK1977528SQ200580022041
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月30日 優先權日2004年7月1日
發明者李侖政, 黃載淳, 鄭憲埈 申請人:安太科技株式會社