用于測量cmos圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元及方法
【專利摘要】本發(fā)明的一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元及方法，通過增加一輔助測量單元，其包括與懸浮漏極相并聯(lián)的一個或多個附加電容，在同樣條件下，對第一像素單元和第二像素單元進行光響應(yīng)測量，根據(jù)兩種像素單元相對應(yīng)的輸出信號及附加電容的電容值，以計算出懸浮漏極的電容值，進而得到CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益。因此，本發(fā)明的一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元及方法，能精確地測量CMOS圖像傳感器懸浮漏極的電容，進而計算出像素單元的轉(zhuǎn)換增益，以保證像素性能評估的準確性。
【專利說明】用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是指將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，根據(jù)元件的不同，可分為電荷耦合兀件(Charge Coupled Device,簡稱CCD)和金屬氧化物半導(dǎo)體兀件(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor,簡稱CMOS)兩大類。CMOS圖像傳感器和傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器相比具有低功耗，低成本以及與CMOS工藝兼容等優(yōu)點，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅用于消費電子領(lǐng)域，例如微型數(shù)碼相機(DSC)，手機攝像頭，攝像機和數(shù)碼單反(DSLR)中，而且在汽車電子，監(jiān)控，生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]CMOS圖像傳感器的像素單元是圖像傳感器實現(xiàn)感光的核心器件。如圖1所示，典型的像素單元的元器件包括:光電二極管101、傳輸晶體管102、復(fù)位晶體管104、源極跟隨晶體管105和行選擇晶體管106。其中，光電二極管101是感光單兀,負責(zé)將光子轉(zhuǎn)換為電子，傳輸晶體管102負責(zé)將光電二極管101中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)綉腋÷O103,懸浮漏極103將收集到的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號，源極跟隨晶體管105將電壓信號放大，行選擇晶體管106負責(zé)選中像素單元并將電壓信號Voutl輸出到外圍處理電路。如圖2所示為基于圖1的CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu)示意圖，其還包括用于形成器件的有源區(qū)和柵極，用于互連的接觸孔和金屬連線，進行電荷向電壓轉(zhuǎn)換的懸浮漏極103 ’。
[0004]在CMOS圖像傳感器芯片的各種性能評價指標中，像素單元的轉(zhuǎn)換增益(Conversion Gain,簡稱CG)是一個重要的評價指標,這是因為需要通過轉(zhuǎn)換增益才能計算出像素單元的其它性能指標，例如量子效率、信噪比和動態(tài)范圍等。像素單元的轉(zhuǎn)換增益是指一個光生載流子在電荷向電壓轉(zhuǎn)換的節(jié)點上引起的電壓變化幅度，其中，在有源像素單元中此轉(zhuǎn)換節(jié)點通常是懸浮漏極。其計算公式如下:
[0005]CG= Δ V/n ①
[0006]其中，Λ V為電壓變化，η為光生載流子數(shù)
[0007]而ΛV=Q/CFD=q*n/CFD ②
[0008]其中，Q為光生載流子的電荷量，Cfd為懸浮漏極的電容，q為單位電荷
[0009]將②式帶入①可知，轉(zhuǎn)換增益CG=q/CFD ③
[0010]由③式可知，只需知道懸浮漏極的電容就可得到像素單元的轉(zhuǎn)換增益。懸浮漏極的電容Cfd是一個節(jié)點電容，主要包括結(jié)電容、源漏與柵極的耦合電容、柵電容和金屬之間的耦合電容等，但由于懸浮漏極電容的每個分電容的面積較小，為此懸浮漏極的電容值通常僅為幾個fF，而現(xiàn)有電容測量儀器所能測到的電容值最小是幾十fF，所以就無法通過直接測量得到懸浮漏極的電容，進而得到像素單元的轉(zhuǎn)換增益。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)中，CMOS圖像傳感器像素單元的轉(zhuǎn)換增益是通過統(tǒng)計的方法來估算，即把光生載流子的吸收看成泊松分布，通過連續(xù)測量100幅以上的圖像，統(tǒng)計輸出數(shù)據(jù)的標準偏差，標準偏差和輸出電壓之間的比值為轉(zhuǎn)換增益。但這種方法的缺點是工作量大，而且估算值可能和實際值之間有較大誤差，造成后續(xù)像素性能評估的不準確。
[0012]為此，如何精確地測量CMOS圖像傳感器懸浮漏極的電容，進而計算出像素單元的轉(zhuǎn)換增益，以保證像素性能評估的準確性，是目前業(yè)界急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的主要目的為，針對上述問題，提出了一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元，該像素單元通過增加一輔助測量單元，其包括與所述懸浮漏極相并聯(lián)的一個或多個附加電容。
[0014]為達成上述目的，本發(fā)明用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元，包括:
[0015]光電二極管；
[0016]與所述光電二極管相連的傳輸晶體管；
[0017]位于有源區(qū)上的懸浮漏極；以及
[0018]共用有源區(qū)的復(fù)位晶體管、源極跟隨晶體管和行選擇晶體管；
[0019]其特征在于，還包括
[0020]輔助測量單元，其包括與所述懸浮漏極相并聯(lián)的一個或多個附加電容。
[0021]優(yōu)選地，所述的附加電容是MM、MOM或MOS電容。
[0022]優(yōu)選地，所述的附加電容經(jīng)由金屬連線與所述懸浮漏極及所述源極跟隨晶體管的柵極相連。
[0023]優(yōu)選地，所述附加電容通過接觸孔由金屬連線與所述懸浮漏極的接觸孔相連接，以與所述懸浮漏極相連。
[0024]為達成上述目的，本發(fā)明還提供一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的方法，所述的方法包括以下步驟:
[0025]步驟S1:于光電二極管端通入一定光強的入射光，其中，所述光電二極管用于將光子轉(zhuǎn)換為電子；
[0026]步驟S2:由傳輸晶體管將所述光電二極管中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)綉腋÷O，進而轉(zhuǎn)換為電壓信號，并由源極跟隨晶體管對電壓信號進行放大，以及
[0027]通過行選擇晶體管選中第一像素單元，得到輸出信號Vwtl ；
[0028]步驟S3:然后，與所述第一像素單元懸浮漏極外相并聯(lián)一個或多個附加電容，得到第二像素單元；
[0029]步驟S4:同樣條件下，通過行選擇晶體管選中所述第二像素單元，得到輸出信號
V.vout2 ?
[0030]步驟S5:通過輸出信號比值，以計算出所述懸浮漏極的電容值，進而得到CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益。
[0031]優(yōu)選地，所述附加電容的電容值可由單位電容與附加電容面積的乘積得出。
[0032]優(yōu)選地，同樣條件是指測試的起始條件、過程條件、及相應(yīng)的其他技術(shù)手段皆相同。
[0033]優(yōu)選地，與所述第一像素單元的懸浮漏極相并聯(lián)一個附加電容Ca的情況下，所述輸出信號比值 Voutl/Vout2= (Ca+CFD) /Cfdo
[0034]優(yōu)選地，所述CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益CG=q/CFD，其中，q為單位電荷，Cfd為懸浮漏極的電容。
[0035]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元及方法，通過增加一輔助測量單元，其包括與懸浮漏極相并聯(lián)的一個或多個附加電容，在同樣條件下，對第一像素單元和第二像素單元進行光響應(yīng)測量，根據(jù)兩種像素單元相對應(yīng)的輸出信號及附加電容的電容值，以計算出懸浮漏極的電容值，進而得到CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益。因此，本發(fā)明的一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元及方法，能精確地測量CMOS圖像傳感器懸浮漏極的電容，進而計算出像素單元的轉(zhuǎn)換增益，以保證像素性能評估的準確性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器像素單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖3為本發(fā)明用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元一具體實施例的電路結(jié)構(gòu)不意圖；
[0039]圖4為本發(fā)明用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元一具體實施例的版圖結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0040]體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的一些典型實施例將在后段的說明中詳細敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上當(dāng)作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。
[0041]上述及其它技術(shù)特征和有益效果，將結(jié)合實施例及附圖2-4對本發(fā)明的用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元及方法進行詳細說明。
[0042]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]請參閱圖2，第一像素單元包括光電二極管101’，其中，光電二極管101’是感光單元，實現(xiàn)對光線的收集和光電轉(zhuǎn)換，用于將光子轉(zhuǎn)換為電子；與光電二極管101’相連的傳輸晶體管102’，用于將光電二極管101’中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)綉腋÷O103’;位于有源區(qū)上的懸浮漏極103’，將收集到的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號；以及共用有源區(qū)的復(fù)位晶體管104’、源極跟隨晶體管105’和行選擇晶體管106’，主要實現(xiàn)對光電二極管101’的選中，復(fù)位，信號放大和讀出的控制，進一步地，源極跟隨晶體管105’用于將電壓信號放大，行選擇晶體管106’負責(zé)選中像素單元并將電壓信號輸出到外圍處理電路。此外，還包括用于形成器件的有源區(qū)和柵極，用于互連的接觸孔和金屬連線。
[0044]圖3為本發(fā)明用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元一具體實施例的電路結(jié)構(gòu)不意圖。
[0045]請參閱圖3，第二像素單元包括光電二極管201，其中，光電二極管201是感光單元，實現(xiàn)對光線的收集和光電轉(zhuǎn)換，用于將光子轉(zhuǎn)換為電子；與光電二極管201相連的傳輸晶體管202，用于將光電二極管201中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)綉腋÷O203 ;位于有源區(qū)上的懸浮漏極203，將收集到的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號；以及共用有源區(qū)的復(fù)位晶體管204、源極跟隨晶體管205和行選擇晶體管206，主要實現(xiàn)對光電二極管201的選中，復(fù)位，信號放大和讀出的控制，進一步地，源極跟隨晶體管205用于將電壓信號放大，行選擇晶體管206負責(zé)選中像素單元并將電壓信號Vratl輸出到外圍處理電路。還包括一輔助測量單元207，其包括與懸浮漏極203相并聯(lián)的一個或多個附加電容，其中，該附加電容結(jié)構(gòu)簡單，面積計算方便，其電容值可由單位電容與附加電容面積的乘積得出，進一步地，該附加電容可以是MM、MOM或MOS電容中的一種或多種。在本實施例中，該輔助測量單元207包括與懸浮漏極203相并聯(lián)的一個附加電容Ca，那么相應(yīng)地第二像素單元的懸浮漏極203電容為CFD+Ca。
[0046]圖4為本發(fā)明用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元一具體實施例的版圖結(jié)構(gòu)示意圖。
[0047]請參閱圖4，第二像素單元，還包括用于形成器件的有源區(qū)和柵極，用于互連的接觸孔和金屬連線。在本實施例中，輔助測量單元207’經(jīng)由金屬連線與懸浮漏極203’及源極跟隨晶體管205’的柵極相連，進一步地，該輔助測量單元207’通過接觸孔由金屬連線與懸浮漏極203’的接觸孔相連接，進而以與懸浮漏極相連。通過一定光強條件下，將第一像素單元和第二像素單元的版圖結(jié)構(gòu)同時搭載在測試芯片中，并使用標準的CMOS圖像傳感器工藝進行流片，對第一像素單元和第二像素單元進行光學(xué)特性測量，得到第一像素單元的輸出Vtjutl，第二像素單元的輸出Vrat2t5其中，第一像素單元懸浮漏極103’的電容為Cfd，第二像素單元懸浮漏極203’的電容為CFD+Ca。
[0048]具體地，用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的方法包括以下步驟:
[0049]步驟S1:請參閱圖2，于光電二極管101’端通入一定光強的入射光，其中，該光電二極管101’是感光單元，實現(xiàn)對光線的收集和光電轉(zhuǎn)換，用于將光子轉(zhuǎn)換為電子。
[0050]步驟S2:請參閱圖2，由傳輸晶體管102’將光電二極管101’中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)綉腋÷O103’，進而轉(zhuǎn)換為電壓信號，并由源極跟隨晶體管104’對電壓信號進行放大，以及通過行選擇晶體管105’選中第一像素單元，得到輸出信號Vwtl，其中，第一像素單元懸浮漏極103’的電容為Cfd。
[0051]步驟S3:然后，請參閱圖4，與第一像素單元的懸浮漏極相并聯(lián)的一個或多個附加電容Ca，得到第二像素單元。其中，該附加電容Ca結(jié)構(gòu)簡單，面積計算方便，其電容值可由單位電容與附加電容面積的乘積得出，進一步地，該附加電容Ca可以是MM、MOM或MOS電容中的一種或多種。
[0052]需要說明的是，第二像素單元可以是與第一像素單元懸浮漏極相并聯(lián)的一個附加電容的像素結(jié)構(gòu)，也可以是與第一像素單元懸浮漏極相并聯(lián)的多個附加電容的像素結(jié)構(gòu)。下文僅以第二像素單元為第一像素單元懸浮漏極外并聯(lián)一個附加電容的像素結(jié)構(gòu)為例進行詳細說明，其他像素結(jié)構(gòu)的測量方法與其基本相同，可參照本實施例修改，在此不再贅述。
[0053]步驟S4:同樣條件下，通過行選擇晶體管206’選中所述第二像素單元，得到輸出信號Vwt2，其中，同樣條件是指測試的起始條件、過程條件、及相應(yīng)的其他技術(shù)手段皆相同，其包括但不僅限于第一像素單元和第二像素單元中的光電二極管感光面積、外圍晶體管的尺寸、測試過程的技術(shù)手段，所采用的工藝等。在本實施例中，第二像素單元為第一像素單元懸浮漏極外并聯(lián)一個附加電容的像素結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，第二像素單元懸浮漏極203’的電容為 CFD+Ca。
[0054]總而言之，在本實施例中，第二像素單元僅比第一像素單元多一測量輔助單元207’，即與懸浮漏極203’相并聯(lián)的一個附加電容，其他各部分都完全相同。
[0055]步驟S5:通過輸出信號比值，以計算出懸浮漏極103’的電容值，進而得到CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益。由于像素單元的輸出信號Λ V=Q/CFD=q*n/CFD，其中η為光生載流子數(shù)，而第一像素單元和第二像素單元的光電二極管面積相同，因此二者的光生載流子η也相同，即可得出輸出信號和懸浮漏極電容的比例關(guān)系。在本實施例中，與第一像素單元懸浮漏極外并聯(lián)一個附加電容Ca的情況下，其輸出信號比值VtjutlZXut2= (Ca+CFD) /Cfd。其中，該附加電容Ca結(jié)構(gòu)簡單，面積計算方便，其電容值可由單位電容與附加電容面積的乘積得出，進而可以計算出懸浮漏極103’的電容。而根據(jù)CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益CG=q/CFD可知，其中，q為單位電荷，Cfd為懸浮漏極的電容，可以精確測量出CMOS圖像傳感器像素單元的轉(zhuǎn)換增益以及其它性能指標，以保證像素性能評估的準確性。
[0056]綜上所述，本發(fā)明的一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元及方法，通過增加一輔助測量單元，其包括與懸浮漏極相并聯(lián)的一個或多個附加電容，在同樣條件下，對第一像素單元和第二像素單元進行光響應(yīng)測量，根據(jù)兩種像素單元相對應(yīng)的輸出信號及附加電容的電容值，以計算出懸浮漏極的電容值，進而得到CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益。因此，本發(fā)明的一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元及方法，能精確地測量CMOS圖像傳感器懸浮漏極的電容，進而計算出像素單元的轉(zhuǎn)換增益，以保證像素性能評估的準確性。
[0057]以上所述的僅為本發(fā)明的實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元，包括: 光電二極管； 與所述光電二極管相連的傳輸晶體管； 位于有源區(qū)上的懸浮漏極；以及 共用有源區(qū)的復(fù)位晶體管、源極跟隨晶體管和行選擇晶體管； 其特征在于，還包括 輔助測量單元，其包括與所述懸浮漏極相并聯(lián)的一個或多個附加電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元，其特征在于，所述的附加電容是MM、MOM或MOS電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元，其特征在于，所述的附加電容經(jīng)由金屬連線與所述懸浮漏極及所述源極跟隨晶體管的柵極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的像素單元，其特征在于，所述附加電容通過接觸孔由金屬連線與所述懸浮漏極的接觸孔相連接，以與所述懸浮漏極相連。
5.一種用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟S1:于光電二極管端通入一定光強的入射光，其中，所述光電二極管用于將光子轉(zhuǎn)換為電子； 步驟S2:由傳輸晶體管將所述光電二極管中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)綉腋÷O，進而轉(zhuǎn)換為電壓信號，并由源極跟隨晶體管對電壓信號進行放大，以及通過行選擇晶體管選中第一像素單元，得到輸出信號Vtjutl ； 步驟S3:然后，與所述第一像素單元懸浮漏極外相并聯(lián)一個或多個附加電容，得到第二像素單元； 步驟S4:同樣條件下，通過行選擇晶體管選中所述第二像素單元，得到輸出信號Vwt2 ；步驟S5:通過輸出信號比值，以計算出所述懸浮漏極的電容值，進而得到CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的方法，其特征在于，所述附加電容可由單位電容與附加電容面積的乘積得出。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的方法，其特征在于，同樣條件是指兩次測試的起始條件、過程條件、及相應(yīng)的其他技術(shù)手段皆相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的方法，其特征在于，與所述第一像素單元的懸浮漏極相并聯(lián)一個附加電容Ca的情況下，所述輸出信號比值Vratl/Vout2= (Ca+CFD)/Cfd。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于測量CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益的方法，其特征在于，所述CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換增益CG=q/CFD，其中，q為單位電荷，Cfd為懸浮漏極的電容。
【文檔編號】H01L27/146GK103474443SQ201310419532
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】顧學(xué)強, 周偉, 王言虹 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司