專利名稱：固態(tài)成像器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)成像器件，例如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器，對于二維陣列中的每個像素，均具有光電轉(zhuǎn)換器以及多個像素晶體管。
背景技術(shù)：
圖8是一個電路圖，示出了一種已知CMOS圖像傳感器中所使用的像素結(jié)構(gòu)的示例。
參照圖8，每一像素包括一個光電轉(zhuǎn)換器1和多個晶體管2、3、4和6。
光電轉(zhuǎn)換器1，例如光電二極管，接收光，并且存儲信號載荷。
晶體管2(以下將其稱為放大晶體管2)放大信號載荷。晶體管3(以下將其稱為轉(zhuǎn)移晶體管3)將存儲在光電轉(zhuǎn)換器1中的信號載荷轉(zhuǎn)移到放大晶體管2的柵極。
晶體管4(以下將其稱為復(fù)位晶體管4)對放大晶體管2的柵極的電壓進(jìn)行復(fù)位。
信號線5(以下將其稱為電源電壓提供線5)用于提供電源電壓。將復(fù)位晶體管4和放大晶體管2的漏極連接于電源電壓提供線5。
晶體管6(以下將其稱為選擇晶體管6)選擇輸出像素。信號線7(以上將其稱為像素輸出線7)用于輸出像素信號。
外部晶體管8(以下將其稱為恒流提供晶體管8)向像素輸出線提供恒流。恒流提供晶體管8向所選擇的像素中的放大晶體管2提供恒流，使放大晶體管2可作為源跟隨器，從而可以將與放大晶體管2的柵極的電壓相差預(yù)定值的電壓施加于像素輸出線7。
信號線9是用于控制轉(zhuǎn)移晶體管3的柵極電壓的傳送信號線(以下將其稱為傳送信號線9)。信號線10是用于控制復(fù)位晶體管4的柵極電壓的復(fù)位信號線(以下將其稱為復(fù)位信號線10)。信號線11是用于控制選擇晶體管6的柵極的電壓的選擇信號線(以下將其稱為選擇信號線11)。信號線12(以下將其稱為恒壓提供線12)是用于向恒流提供晶體管8的柵極提供預(yù)定電壓，以致于恒流提供晶體管8可以執(zhí)行提供預(yù)定電流的飽和區(qū)操作。
引線13是一種脈沖引線，通過該引線可將傳送脈沖提供給每一傳送信號線9，并且將其連接于每一行選擇AND元件14的一個輸入端口。將來自縱向選擇機(jī)制15的輸出提供給行選擇AND元件14的另一輸入端口。將行選擇AND元件14的輸出端口連接于傳送信號線9。
引線16是脈沖引線，通過該引線將復(fù)位脈沖提供給每一條復(fù)位信號線10，并且將其連接于每一行選擇AND元件17的輸入端口。將來自縱向選擇機(jī)制15的輸出提供給行選擇AND元件17的另一輸入端口。將行選擇AND元件17的輸出端口連接于復(fù)位信號線10。
引線18是脈沖引線，通過該引線將選擇脈沖提供給每一條選擇信號線11，并且將其連接于每一行選擇AND元件19的一個輸入端口。將來自縱向選擇機(jī)制15的輸出提供給行選擇AND元件19的另一輸入端口。將行選擇AND元件19的輸出端口連接于選擇信號線11。
在以上所描述的結(jié)構(gòu)中，僅將控制脈沖提供給縱向選擇機(jī)制15所選擇的像素行的信號線。
使用所提供的圖9中所示的驅(qū)動信號，按以下所描述的方式執(zhí)行從每一像素的讀出操作。
參照圖9，將選擇信號提供給圖8中的選擇信號線11，將復(fù)位信號提供給圖8中的復(fù)位信號線10，以及將傳送信號提供給圖8中的傳送信號線9。
首先，導(dǎo)通將針對其執(zhí)行讀出操作的像素行中的選擇晶體管6和復(fù)位晶體管4，以對放大晶體管2的柵極進(jìn)行復(fù)位。在導(dǎo)通復(fù)位晶體管4之后，將對應(yīng)于每個像素的復(fù)位電平的電壓提供給下游相關(guān)雙抽樣(CDS)電路20。
其次，導(dǎo)通轉(zhuǎn)移晶體管3，并且將存儲在光電轉(zhuǎn)換器1中的電荷傳送到放大晶體管2的柵極。在完成了這一傳送并且導(dǎo)通轉(zhuǎn)移晶體管3之后，將具有對應(yīng)于所存儲的載荷量的信號電平的電壓提供給下游CDS電路20。
CDS電路20測量已經(jīng)讀出的復(fù)位電平和信號電平之間的差，并且抑制所產(chǎn)生的固定模式噪聲，例如，由于對于每個像素所讀出的晶體管的門限(Vth)的變化所產(chǎn)生的固定模式噪聲。
列選擇機(jī)制21選擇存儲在CDS電路20中的信號，并且通過水平信號線22在下游電路中，例如，在一個自動增益控制(AGC)中，讀出該信號，以進(jìn)行處理。
如以上所描述的，除光電轉(zhuǎn)換器外，CMOS圖像傳感器中的每個像素必須包括各種晶體管和用于讀出存儲在光電轉(zhuǎn)換器中的電荷的控制信號線。
因此，與具有簡單像素結(jié)構(gòu)的電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器相比，難以減小CMOS圖像傳感器中的像素的尺寸。
因此，(例如申請公布號為2002-077731的日本未經(jīng)審查的專利申請)建議了一種通過改變像素電路的驅(qū)動方法，消除對選擇晶體管的使用，以簡化像素結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像器件，如圖11中所示。
例如，作為一種選擇，如圖12中所示，(例如WO97/07630)建議了一種其中在多個用于讀出的光電轉(zhuǎn)換器之間共享一個放大晶體管的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)圖像拾取器件。
具體地講，在圖12中所示的像素中，通過轉(zhuǎn)移晶體管3，將來自兩個鄰接像素中的兩個光電轉(zhuǎn)換器的輸出提供給放大晶體管2的柵極。順序地控制轉(zhuǎn)移晶體管3和復(fù)位晶體管4，從放大晶體管2輸出兩個像素信號。
構(gòu)造MOS圖像拾取器件，以致于將電容器23連接于放大晶體管2的柵極，并且通過電容器反沖線24提供反沖脈沖(kick pulse)，以控制該柵極處的電壓。
在圖12中所示的相關(guān)技術(shù)中，共享放大晶體管可以減少一個像素中元件的數(shù)目，從而減小了像素的尺寸。然而，在圖8和11中所示的單位單元(包括一個像素)中，像素陣列中的所有像素具有相同的形狀，而具有圖12中所示單位單元(共享放大晶體管的像素對兒)的像素陣列包括兩種像素。
由于這兩種像素具有不同的元件布置，所以存在著特性方面的差別，例如，兩種像素之間的敏感度和飽和度。
例如，當(dāng)按Bayer格式進(jìn)行顏色編碼時，G中所編碼的像素具有針對每條線的不同特性。因此，存在著一個圖像中畫出水平條紋的問題。
這一問題不僅涉及圖12中的單位單元，而且還涉及像素之間的晶體管的共享，而不管晶體管的數(shù)目或布置如何。
例如，由于在圖12中的下方像素中僅提供了電容器23，所以因電容器23遮蔽了入射光，或因電容器23的占空，減小了光接收區(qū)的尺寸，從而降低了入射光量。因此，下方像素中的敏感度變得低于上方像素中的敏感度。
另外，在用于讀出經(jīng)歷了光電轉(zhuǎn)換的電荷的轉(zhuǎn)移晶體管的布置方面，以及在讀出電荷的方向方面，兩種像素也互不相同。在轉(zhuǎn)移晶體管的布置方面、在確定讀出電荷的方向方面的不同，導(dǎo)致兩種像素之間的敏感度方面的不同。例如，這是因為轉(zhuǎn)移晶體管的電位對光接收部分的電位的影響出現(xiàn)在兩種像素的不同位置，因此，在來自同一方向的入射光的光電轉(zhuǎn)換效率方面或所存儲的載荷量方面，兩種像素可能互不相同。
在一種已知的讀出方法中，例如，在一個輸出系統(tǒng)(水平信號線、AGC、模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)等)中，處理將從每一像素讀出到CDS電路的信號輸出，以將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后在內(nèi)部和外部電路中處理該數(shù)字信號，并且抽取該數(shù)字信號。
然而，最近幾年，響應(yīng)人們對能夠高速進(jìn)行取樣的固態(tài)成像器件的需求，提出了一種將從每一像素讀出到CDS電路的信號輸出劃分成兩個輸出系統(tǒng)進(jìn)行處理的方法，如圖13中所示。
圖13示出了CMOS圖像傳感器的完整結(jié)構(gòu)的示例。參照圖13，CMOS圖像傳感器包括含有以上所描述的像素陣列的傳感器111、縱向驅(qū)動電路112、快門驅(qū)動電路113、CDS電路114、水平驅(qū)動電路115、定時發(fā)生器116、AGC電路117A和117B、ADC電路118A和118B等。構(gòu)造CMOS圖像傳感器，以能夠通過兩條水平信號線119A和119B、AGC電路117A和117B以及ADC電路118A和118B輸出信號。
與已知的具有一個輸出系統(tǒng)的圖像傳感器相比，將該輸出系統(tǒng)劃分為加載在一條水平信號線上的兩個部分，則按雙倍速度讀出是可能的。
然而，就處理而言，不可能使兩個輸出系統(tǒng)中的元件的特征相同。換句話說，由于輸出系統(tǒng)均包括模擬電路，例如AGC和ADC，而且這兩種電路在增益、噪聲特性等方面不同，所以在信號處理之后，甚至是當(dāng)輸入了相同的信號時，也輸出互相略不相同的信號。
具體地講，在所述固態(tài)成像器件中，作為從像素輸出的信號，對具有10的負(fù)一次方(ten to the minus first power)毫伏到幾毫伏數(shù)量級的低電平的模擬信號進(jìn)行處理，從而，兩個輸出系統(tǒng)之間的特性差導(dǎo)致了大的問題。
例如，圖14說明了使用Bayer濾色器，通過兩個輸出系統(tǒng)，從一個成像器讀出信號的方式。
在圖14中所示的Bayer陣列中，將具有交替布置的R像素和Gr像素的RG行布置在具有交替布置的Gb像素和B像素的GB行的附近。
在從圖14中的RG行(第n行)讀出的過程中，通過輸出系統(tǒng)A從R像素讀出信號，并且通過輸出系統(tǒng)B從Gr像素讀出信號。
在從圖14中的GB行(第n+1行)讀出的過程中，通過一個輸出系統(tǒng)A從Gb像素讀出信號，并且通過一個輸出系統(tǒng)B從B像素讀出信號。
換句話說，通過輸出系統(tǒng)A從R像素和Gb像素讀出信號，以及通過輸出系統(tǒng)B從B像素和Gr像素讀出信號。
由于對從R、G以及B像素讀出的信號進(jìn)行了信號處理，例如每一著色后階段的顏色平衡的調(diào)整，所以因輸出系統(tǒng)導(dǎo)致的R、G以及B之間的微小差別，不會導(dǎo)致大的問題。
然而，當(dāng)Gr和Gb像素(在將它們處理成相同的G像素時通過不同的輸出系統(tǒng)對它們進(jìn)行處理)之間存在很小的差別時，信號沿行方向周期性地變化，因此可能導(dǎo)致一個圖像中的水平條紋。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供這樣一種固態(tài)成像器件能夠簡化像素結(jié)構(gòu)，以減小像素尺寸，并且當(dāng)提供多個輸出系統(tǒng)時，能夠抑制像素之間特性的變化。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)以上的目的，本發(fā)明提供了一種固態(tài)成像器件，該固態(tài)成像器件包括具有二維陣列中多個單位單元的成像區(qū)，每個單位單元包括一組預(yù)定數(shù)目的像素；以及用于選擇像素的信號線。單位單元包括對應(yīng)于像素的多個光電轉(zhuǎn)換器；放大機(jī)制，由像素共享，用于放大從每一光電轉(zhuǎn)換器讀出的信號，并且輸出所放大的信號；以及傳送機(jī)制，用于有選擇地從光電轉(zhuǎn)換器讀出信號，并且將所讀出信號提供給放大機(jī)制。用于驅(qū)動放大機(jī)制的信號線，是由所有像素所共享的全面信號線，對全面信號線進(jìn)行驅(qū)動，允許從每一像素讀出信號。
本發(fā)明的特征在于，在成像區(qū)中針對每一像素列，將單位單元沿列方向互相位移一個像素，或者位移小于一個像素的量。
本發(fā)明提供了一種固態(tài)成像器件，該固態(tài)成像器件包括具有二維陣列中多個單位單元的成像區(qū)，每個單位單元包括一組預(yù)定數(shù)目的像素；以及用于選擇像素的信號線。單位單元包括對應(yīng)于像素的多個光電轉(zhuǎn)換器；放大機(jī)制，由像素共享，用于放大從每一光電轉(zhuǎn)換器讀出的信號，并且輸出所放大的信號；以及傳送機(jī)制，用于有選擇地從光電轉(zhuǎn)換器讀出信號，并且將所讀出信號提供給放大機(jī)制。對單位單元中的光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行布置，以使它們沿對角線互相鄰接。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像器件共享像素之間的晶體管，并且使用全面信號線來減少針對每一像素的晶體管的數(shù)量和信號線的數(shù)量，從而減小了像素的大小。
而且，針對像素之間共享晶體管的問題所在，即具有不同形狀的像素之間的特性差以及兩個輸出系統(tǒng)之間的增益差，對單位單元的布置進(jìn)行設(shè)計，或者共享對角線互相鄰接的像素之間的晶體管，可以縮小像素之間信號的特性差，特別是使用G過濾器過濾的像素之間的信號的特性差。


圖1是一個電路圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施列的像素結(jié)構(gòu)。
圖2是一個電路圖，示出了具有圖1中像素結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像器件的結(jié)構(gòu)。
圖3A～3D是時序圖，示出了當(dāng)從圖1中的像素結(jié)構(gòu)中的像素讀出信號時，如何提供驅(qū)動信號。
圖4是一個電路圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施列的固態(tài)成像器件的結(jié)構(gòu)。
圖5是一個電路圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施列的像素結(jié)構(gòu)。
圖6A～6B說明了當(dāng)將信號讀出到圖5中的像素結(jié)構(gòu)中的一個輸出系統(tǒng)時的操作示例。
圖7說明了當(dāng)將信號讀出到圖5中的像素結(jié)構(gòu)中的兩個輸出系統(tǒng)時的操作示例。
圖8是一個電路圖，示出了具有第一已知像素結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像器件的結(jié)構(gòu)。
圖9是一個時序圖，示出了圖8中的像素結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動信號的示例。
圖10說明了模塊類型的固態(tài)成像器件。
圖11是一個電路圖，示出了第二已知像素結(jié)構(gòu)。
圖12是一個電路圖，示出了第三已知像素結(jié)構(gòu)。
圖13是一個電路圖，示出了具有兩個輸出系統(tǒng)的已知固態(tài)成像器件的結(jié)構(gòu)。
圖14說明了圖13中的固態(tài)成像器件中的信號的讀出操作。
具體實施例方式
以下，將描述根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像器件的實施例。
如在CMOS圖像傳感器中那樣，對根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的固態(tài)成像器件加以構(gòu)造，從而對于每一像素包括光電轉(zhuǎn)換器和多個晶體管，從而形成具有多個像素的二維像素陣列，并能夠提供多條用于驅(qū)動像素的信號線。在這一結(jié)構(gòu)中，在像素之間共享晶體管，并且使用全面信號線以形成單位單元(共享晶體管的一對像素)，以減少針對每一像素的元件和控制線的數(shù)目，從而減小了像素的尺寸。
另外，使在像素之間共享晶體管的單位單元的布置加以改變，并且按同樣的形狀構(gòu)成相同顏色過濾的像素，以統(tǒng)一以相同顏色過濾的像素的特性。
在對角線鄰接的像素之間共享晶體管，以便通過相同的輸出系統(tǒng)從以相同的顏色過濾的像素讀出信號，甚至當(dāng)將輸出系統(tǒng)換分成兩個時。
以下，將參照附圖描述本發(fā)明的具體實施例。
(第一實施例)圖1是一個電路圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施列的像素結(jié)構(gòu)，其中，在上和下像素之間共享晶體管。
參照圖1，由實線所包圍的區(qū)域表示單位單元30。單位單元30包括像素31(由小間隔虛線所包圍的區(qū)域)和像素32(由大間隔虛線所包圍的區(qū)域)。
在單位單元30中，上和下光電轉(zhuǎn)換器33和34、分別連接于上和下光電轉(zhuǎn)換器33和34的轉(zhuǎn)移晶體管35和36、復(fù)位晶體管37、以及放大晶體管38，形成了兩個像素。
信號線39為一條全面信號線(以下將其稱為全面信號線39)，并且將其連接于復(fù)位晶體管37和放大晶體管38的漏極。
信號線40為像素輸出線(以下將其稱為像素輸出線40)。信號線41為復(fù)位信號線(以下將其稱為復(fù)位信號線41)，用于控制復(fù)位晶體管37的柵極電壓。
信號線42為傳送信號線(以下將其稱為傳送信號線42)，用于控制轉(zhuǎn)移晶體管35的柵極電壓。信號線43為傳送信號線(以下將其稱為傳送恒定信號線43)，用于控制轉(zhuǎn)移晶體管36。
圖2是一個電路圖，示出了具有圖1所示的像素結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像器件中的二維陣列的整體結(jié)構(gòu)。
固態(tài)成像器件的光接收表面(二維像素塊)具有單位單元，每個單位單元包括按二維布置的兩個像素。
恒流提供晶體管8向像素輸出線提供恒流。恒流提供晶體管8向所選擇的像素中的放大晶體管38提供恒流，從而使放大晶體管38可作為源跟隨器，因此可以將與放大晶體管38的柵極的電壓相差預(yù)定的值的電壓施加于像素輸出線40。
引線44是脈沖引線，通過該引線可將傳送脈沖提供給每一像素行的傳送信號線42和43，并且將其連接到行選擇AND元件45的一個輸入端口和行選擇AND元件46的一個輸入端口。將來自縱向選擇機(jī)制15的輸出提供給行選擇AND元件45的另一個輸入端口和行選擇AND元件46的另一個輸入端口。將行選擇AND元件45和46的輸出端口分別連接于傳送信號線42和43。
引線47是脈沖引線，通過該引線將復(fù)位脈沖提供給每個像素行的復(fù)位信號線41，并且將其連接于行選擇AND元件48的輸入端口。將行選擇AND元件48的輸出端口連接到復(fù)位信號線41。將來自O(shè)R電路49的輸出提供給行選擇AND元件48的另一個輸入端口。
將通向上像素行的縱向選擇信號線15A和通向下像素行的縱向選擇信號線15B連接于OR電路49的輸入端口。將因上和下像素行的信號的疊加所產(chǎn)生的波形從OR電路49輸出。
換句話說，僅將每一信號脈沖輸入到縱向選擇機(jī)制15所選擇的像素行。當(dāng)從包括光電轉(zhuǎn)換器33和34的像素行讀出時，通過脈沖引線47所提供的信號被提供給復(fù)位晶體管37的柵極。通過驅(qū)動全面信號線39以及上述信號線，執(zhí)行讀出操作。
圖3A～3D是時序圖，示出了當(dāng)從根據(jù)本實施列的像素結(jié)構(gòu)中的像素讀出信號時，如何提供驅(qū)動信號。
圖3A～3D中示出了提供給從中將讀出信號的像素行的信號。將全面選擇信號提供給圖2中的全面信號線39，將復(fù)位信號提供給圖2中的復(fù)位信號線41，并且將傳送信號提供給圖2中的傳送信號線42和43。
現(xiàn)在，將參照圖3A描述讀出操作。
在初始狀態(tài)下，將復(fù)位信號和傳送信號布置為低(無效)，并且將全面選擇信號布置為高(有效)。
當(dāng)將復(fù)位信號改變?yōu)楦邥r，像全面選擇信號一樣，將每一像素的放大晶體管38的柵極處的電壓布置為高。在將復(fù)位信號改變?yōu)榈椭?，將對?yīng)于復(fù)位電平的電壓讀出到像素輸出線，并且將該電壓存儲在CDS電路中。
接下來，將傳輸信號改變?yōu)楦撸⑶覍⒋鎯υ诿恳还怆娹D(zhuǎn)換器中的電荷傳送于放大晶體管38的柵極。在完成了這一傳送之后，將傳送信號改變?yōu)榈?，并且通過像素輸出線將對應(yīng)于存儲在每一光電轉(zhuǎn)換器中的電荷量的電壓讀出到CDS電路。CDS電路測量復(fù)位電平和信號電平之間的差。
在完成了讀出操作之后，將全面選擇信號改變?yōu)榈?，并且將?fù)位信號改變?yōu)楦?，以對放大晶體管38的輸入部分進(jìn)行復(fù)位。
當(dāng)將真空(depression)型晶體管用作復(fù)位晶體管時，可以僅通過將全面選擇信號改變?yōu)榈?，對放大晶體管38的輸入部分進(jìn)行復(fù)位，因此，可將圖3B中所示的波形用于驅(qū)動固態(tài)成像器件。
圖3C和3D中所示的波形為對圖3A和3B中所示波形的修改。僅在圖3C和3D中的讀出操作期間，將全面選擇信號布置為高。
與已知的結(jié)構(gòu)相比，采用以上所描述的結(jié)構(gòu)，可以簡化像素結(jié)構(gòu)。
具體地講，圖11中所示的已知的像素結(jié)構(gòu)對于每個像素具有三個晶體管，而根據(jù)第一實施例的像素結(jié)構(gòu)對于每個像素具有兩個晶體管。另外，針對每個像素的信號線的數(shù)目從2減少到1.5(即，與人們所熟悉的固態(tài)成像器件的光屏蔽膜一樣，全面選擇信號也用作光屏蔽膜，并且每一像素具有對應(yīng)于光接收表面的開口)。
由于在相關(guān)的技術(shù)中僅在預(yù)定的像素中形成電容器，所以，在敏感度和飽和信號的數(shù)目方面，具有形成在其中的電容器的像素不同于具有每形成在其中的電容器的像素。相比之下，因為通過使用全面信號線控制放大晶體管的輸入部分的復(fù)位電平，所以在根據(jù)本實施例的結(jié)構(gòu)中不需形成用于外部地讀出信號的電容器，從而解決了上述問題。
另外，與相關(guān)技術(shù)中的結(jié)構(gòu)相比，如圖2中所示，不存在除寄生電容之外的電容，而且針對每一像素的信號線的數(shù)目從2減少到1.5，從而可以進(jìn)一步減小像素的尺寸。
(第二實施例)由于在圖12中的已知示例所示的兩個光電轉(zhuǎn)換器之間共享放大晶體管和復(fù)位晶體管的方法和根據(jù)以上所描述的第一實施例的結(jié)構(gòu)(圖1)，可以減少針對每一像素的晶體管的數(shù)目和信號線的數(shù)目，所以在減小像素的尺寸方面，這樣的方法是有用的。然而，如以上所描述的，作為相關(guān)技術(shù)的問題，難以使上光電轉(zhuǎn)換器和傳送柵極的形狀和特性與下光電轉(zhuǎn)換器和傳送柵極的形狀和特性相同。因此，當(dāng)將單位單元布置在二維陣列中，并且使用Bayer濾色器時，在像素特性像素方面，RG行中的G像素不同于GB行中的G像素，因為兩個G過濾器沿對角線互相鄰接。
根據(jù)第二實施列，圖1中的單位單元針對每一列縱向互相位移了一個像素，如圖4中所示。由于除改變了單位單元的布置和針對每一線將控制線連接于不同元件外，圖4中的結(jié)構(gòu)與圖2中的結(jié)構(gòu)相同，所以在圖4中使用了相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識圖2中所示的相同的元件，而且此處省略了對這樣的元件的描述。
對于圖4中的布置，針對每一像素的信號線的數(shù)目從1.5增加到2。然而，R行中的G像素具有與B行中的G像素相同的形狀，因此，在圖1中的情況下，可消除期望在圖1情況下的像素行之間的G像素的特性方面的差別。
具體地講，例如，在對應(yīng)于R行中的G像素和對應(yīng)于B行中的G像素的像素中，對轉(zhuǎn)移晶體管進(jìn)行布置，以致于可沿同一方向從相應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管讀出電荷。因此，轉(zhuǎn)移晶體管中的雜質(zhì)區(qū)的電位對光電轉(zhuǎn)換器的影響出現(xiàn)在光電轉(zhuǎn)換器的大約相同的位置，因此，光電轉(zhuǎn)換器中靈敏度和飽和信號的數(shù)目方面無變化。
盡管圖4中示范性地說明了其中針對每一列，在兩個像素之間共享晶體管和將單位單元互相縱向位移一個像素的情況，但第二實施列也適用于其中改變像素的數(shù)目或其中將單位單元互相位移不同量的情況。
(第三實施列)圖5是一個電路圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施列的像素結(jié)構(gòu)。圖5中示范性地說明了其中在兩個對角線鄰接的光電轉(zhuǎn)換器之間共享復(fù)位晶體管、放大晶體管、復(fù)位信號線、以及全面信號線的情況。由于圖5中的結(jié)構(gòu)具有與圖1中的元件相同的元件，而且僅改變了布置，所以在圖5中使用了相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識圖1中所示的相同的元件，而且此處省略了對這樣的元件的描述。
當(dāng)在其中具有如此布置的單位單元的光接收部分中使用Bayer濾色器時，按圖6B所示中的次序輸出信號。
由于在一個規(guī)范的像素結(jié)構(gòu)中按圖6B中所示的方式輸出信號，所以需要一個沿奇數(shù)行或偶數(shù)行將圖6B中的信號位移一個像素的過程，以支持規(guī)范的信號處理和規(guī)范的輸出格式。
如相關(guān)技術(shù)中所描述的，通常針對每一行將信號從每一像素讀出到CDS電路，然后，列選擇機(jī)制所選擇的列中的信號通過水平信號線，并且，例如，在下游AGC中對其加以處理，以對其進(jìn)行抽取。
另外，如參照圖13所描述的，如已知的情況中，將一個輸出系統(tǒng)劃分成多個輸出系統(tǒng)，并且并行地從像素讀出輸出，允許高速對圖像取樣。
然而，對于多個輸出系統(tǒng)，存在著這樣的問題電路區(qū)增大，并且輸出系統(tǒng)之間的特性發(fā)生變化。具體地講，當(dāng)執(zhí)行Bayer格式的顏色編碼時，因為使用了不同的處理系統(tǒng)，RG行中的G像素與GB行中的G像素在增益方面不同，從而可能導(dǎo)致水平條紋。將參照圖14詳細(xì)地描述這一問題。
相比之下，在本發(fā)明的第三實施列中，在兩個沿對角線布置的像素之間共享復(fù)位晶體管、放大晶體管、復(fù)位信號線、以及全面信號線，如圖5中所示。因此，如圖7中所示，通過相同的像素輸出線從R像素讀出信號，從而可以在相同的輸出系統(tǒng)中處理從G像素的輸出。因此，與具有一個輸出系統(tǒng)的已知情況相比，能夠以雙倍速對像素進(jìn)行取樣，同時可以通過相同的輸出系統(tǒng)從每一行中的G像素抽取信號。
盡管在第三實施列中示范性地說明了其中在兩個像素之間共享晶體管的情況，但第三實施列也適用于其中改變了共享晶體管的像素的數(shù)目或其中將像素互相位移小于一個像素的量的情況。第三實施列還適用于圖8和12中所示的像素結(jié)構(gòu)和其它像素結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的固態(tài)成像器件可以包括除以上所描述的結(jié)構(gòu)之外的結(jié)構(gòu)。例如，通過將相機(jī)模塊型的固態(tài)成像器件與光學(xué)系統(tǒng)和信號處理芯片組合在一起而體現(xiàn)本發(fā)明，如圖10中所示。
在像素的二維陣列中的行和列之間以及在縱向和水平方向之間，無顯著的差別。例如，像素行可以為像素列，反之亦然，取決于觀察固態(tài)成像器件的方向，只要沿兩個大體上互相正交的方向布置像素。
根據(jù)以上所描述的本發(fā)明的實施例，可以獲得下列優(yōu)點。
(第一實施例)
在像素之間共享晶體管并且將全面信號線用作信號線之一，可以大大減少針對每一像素的晶體管的數(shù)目和信號線的數(shù)目，從而可以進(jìn)一步減小像素的尺寸。
(第二實施例)可通過改變單位單元的布置，能夠解決像素間的晶體管的共享問題，即，以同一顏色過濾的像素間的特征差，這一差別是由于使用了具有不同形狀的像素而產(chǎn)生的。
盡管示范性地說明了其中按Bayer格式過濾的成像表面中、針對每一列將包括兩個共享晶體管的縱向鄰接的像素的單位單元互相縱向位移了一個像素的情況，但對單位單元的布置進(jìn)行設(shè)計，以對以同一顏色過濾的像素給予相同形狀的方法，也適用于其它濾色方法和其它像素結(jié)構(gòu)。而且，根據(jù)結(jié)構(gòu)，將單位單元位移小于一個像素的量，可能最好位移一個像素。
(第三實施例)當(dāng)通過兩個劃分的輸出系統(tǒng)從按Bayer格式過濾的成像表面中的像素讀出信號時，在規(guī)范的像素結(jié)構(gòu)中、通過不同的輸出系統(tǒng)、讀出按同一顏色過濾的像素(RG行中的G像素與GB行中的G像素)。因此，輸出系統(tǒng)之間特性的變化可能導(dǎo)致水平條紋。在其中兩個縱向鄰接的像素共享晶體管的情況下，會導(dǎo)致同樣的問題。相比之下，根據(jù)本發(fā)明的第三實施列，在兩個對角線鄰接的像素之間通過相同的輸出系統(tǒng)共享晶體管，允許來自Gr像素和Gb像素的輸出，以便被讀出。因此，出現(xiàn)在輸出系統(tǒng)之間的過程中的任何變化，不會影響根據(jù)第三實施例的結(jié)構(gòu)，所以與使用一個輸出系統(tǒng)的情況相比，能夠雙倍速對像素進(jìn)行取樣。
如以上所描述的，根據(jù)在像素之間共享晶體管和使用全面信號線的本發(fā)明的固態(tài)成像器件，可以減少針對每一像素的晶體管的數(shù)目和信號線的數(shù)目，從而減小了像素的大小。
而且，對于具有不同形狀的像素之間的特性差以及兩個輸出系統(tǒng)之間的增益差，是像素之間共享晶體管的問題所在，針對這一問題對單位單元的布置進(jìn)行設(shè)計，或者共享對角線鄰接的像素之間的晶體管，可以縮小像素之間信號的特性差，特別是使用G過濾器過濾的像素之間的信號的特性差。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像器件，該固態(tài)成像器件包括具有二維陣列中的多個單位單元的成像區(qū)，每個單位單元包括一組預(yù)定數(shù)目的像素；以及用于選擇像素的信號線，其中，單位單元包括對應(yīng)于像素的多個光電轉(zhuǎn)換器；放大機(jī)制，由像素共享，并用于放大從每一光電轉(zhuǎn)換器讀出的信號，以及輸出所放大的信號；和傳送機(jī)制，用于有選擇地從光電轉(zhuǎn)換器讀出信號，并且將所讀出信號提供給放大機(jī)制，以及其中，用于驅(qū)動放大機(jī)制的信號線是一條由所有像素共享的全面信號線，對全面信號線進(jìn)行驅(qū)動，允許從每一像素讀出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，還包括復(fù)位機(jī)制，用于對放大機(jī)制的輸入部分進(jìn)行復(fù)位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像器件，其中，用于驅(qū)動復(fù)位機(jī)制的信號線為全面信號線，以及驅(qū)動全面信號線對放大機(jī)制的輸入部分進(jìn)行復(fù)位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，針對成像區(qū)中的每一像素列，將單位單元沿列方向互相位移一個像素，或者位移小于一個像素的量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像器件，其中，在像素的讀出操作周期之外的時間，將通過用于驅(qū)動復(fù)位機(jī)制和放大機(jī)制的全面信號線的全面選擇信號從有效狀態(tài)改變?yōu)闊o效狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像器件，其中，復(fù)位機(jī)制為晶體管，而且其中，在像素的讀出周期期間，將通過全面信號線的全面選擇信號改變?yōu)橛行顟B(tài)，將提供給復(fù)位機(jī)制的柵極的復(fù)位信號改變?yōu)闊o效狀態(tài)，和將提供給傳送機(jī)制的驅(qū)動信號改變?yōu)橛行顟B(tài)，以讀出存儲在光電轉(zhuǎn)換器中的載荷信號。
7.一種固態(tài)成像器件，該固態(tài)成像器件包括具有二維陣列中的多個單位單元的成像區(qū)，每個單位單元包括一組預(yù)定數(shù)目的像素；以及用于選擇像素的信號線，其中，單位單元包括對應(yīng)于像素的多個光電轉(zhuǎn)換器；放大機(jī)制，由像素共享，并用于放大從每一光電轉(zhuǎn)換器讀出的信號，以及輸出所放大的信號；以及傳送機(jī)制，用于有選擇地從光電轉(zhuǎn)換器讀出信號，并且將所讀出信號提供給放大機(jī)制，以及其中，對單位單元中的光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行布置，以使它們沿對角線互相鄰接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像器件，其中，將沿對角線互相鄰接的光電轉(zhuǎn)換器水平或縱向位移小于一個像素的量。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像器件，其中，用于驅(qū)動放大機(jī)制的信號線是一條由所有像素共享的全面信號線，對全面信號線進(jìn)行驅(qū)動，允許從每一像素讀出信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)成像器件，還包括復(fù)位機(jī)制，用于對放大機(jī)制的輸入部分進(jìn)行復(fù)位。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)成像器件，其中，用于驅(qū)動復(fù)位機(jī)制的信號線是全面信號線，對全面信號線進(jìn)行驅(qū)動而對放大機(jī)制的輸入部分進(jìn)行復(fù)位。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像器件，其中，通過兩個輸出系統(tǒng)讀出成像區(qū)中的像素輸出的信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固態(tài)成像器件，其中，成像區(qū)配備有RGB Bayer濾色器，而且其中，通過同一輸出系統(tǒng)從G過濾器所過濾的像素讀出信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)成像器件，其中，在像素的讀出操作周期之外的時間，將通過全面信號線的、用于驅(qū)動復(fù)位機(jī)制和放大機(jī)制的全面選擇信號從有效狀態(tài)改變?yōu)闊o效狀態(tài)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)成像器件，其中，復(fù)位機(jī)制為晶體管，而且其中，在像素的讀出周期期間，將通過全面信號線的全面選擇信號改變?yōu)橛行顟B(tài)，將提供給復(fù)位機(jī)制的柵極的復(fù)位信號改變?yōu)闊o效狀態(tài)，和將提供給傳送機(jī)制的驅(qū)動信號改變?yōu)橛行顟B(tài)，以讀出存儲在光電轉(zhuǎn)換器中的載荷信號。
16.一種固態(tài)成像器件，該固態(tài)成像器件包括具有二維陣列中的多個單位單元的成像區(qū)，每個單位單元包括一組預(yù)定數(shù)目的像素，其中，單位單元包括放大晶體管，用于放大從每一像素中的光電轉(zhuǎn)換器讀出的電荷；復(fù)位晶體管，其對放大晶體管的輸入部分進(jìn)行復(fù)位；和信號線，其連接于復(fù)位晶體管，并且改變放大晶體管復(fù)位電平，其中，單位單元中至少兩個像素共享放大晶體管，以及其中，信號線由所有像素共享。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的固態(tài)成像器件，還包括為成像區(qū)中的每一像素列提供的輸出信號線，其中，在像素上提供Bayer濾色器中的過濾器的每一顏色，其中，其上提供了具有紅色過濾器和藍(lán)色過濾器的兩個像素，紅色過濾器鄰接藍(lán)色過濾器，其共享輸出信號線，以及其中，其上提供了具有兩個鄰接綠色過濾器的兩個像素，其共享一條輸出信號線。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的固態(tài)成像器件，還包括至少兩條對應(yīng)于多條輸出信號線的水平信號線，其中，將信號從所有對應(yīng)于濾色器中綠色過濾器的像素讀出到同一水平信號線。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的固態(tài)成像器件，其中，像素上提供了濾色器，其中，每個像素包括從光電轉(zhuǎn)換器讀出電荷的轉(zhuǎn)移晶體管，以及其中，轉(zhuǎn)移晶體管沿同一方向從對應(yīng)于濾色器中的綠色過濾器的所有像素讀出電荷。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的固態(tài)成像器件，其中，所述信號線具有對應(yīng)于光電轉(zhuǎn)換器的開口，并且用作光屏蔽膜。
全文摘要
一種固態(tài)成像器件，其中通過簡化像素結(jié)構(gòu)來減小像素的尺寸，并且在應(yīng)用多個輸出系統(tǒng)的情況下，能夠抑制像素之間特性的變化。單位單元(30)包括兩個像素(31，32)，它們分別是由兩個上和下光電轉(zhuǎn)換元件(33，34)、轉(zhuǎn)移晶體管(35，36)組成，以及由單復(fù)位晶體管(37)和單放大晶體管(38)組成。將全面信號線(39)連接到復(fù)位晶體管(37)和放大晶體管(38)的漏極。對該全面信號線(39)和傳送信號線(42，43)與復(fù)位信號線(41)進(jìn)行控制，以讀出信號，從而實現(xiàn)了像素線的簡化，減小了像素的尺寸等。
文檔編號H04N5/374GK1732681SQ20038010736
公開日2006年2月8日 申請日期2003年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月20日
發(fā)明者阿部高志, 中村信男, 梅田智之, 馬渕圭司, 藤田博明, 船津英一, 佐藤弘樹 申請人:索尼株式會社