專利名稱：固態(tài)成像器件和成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種作為圖像拾取器件使用的固態(tài)成像器件和成像裝置。
背景技術(shù)：
最近，使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的圖像傳感器(下面，將其稱為CMOS傳感器)已經(jīng)得到廣泛使用。CMOS是在IC制造中所使用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。CMOS傳感器不需要電荷耦合器件(CCD)需要的高驅(qū)動電壓。此外，可以與外圍電路一起集成CMOS傳感器(芯片上結(jié)構(gòu))。因此CMOS傳感器使得尺寸大大減小。
CMOS傳感器包括像素的兩維陣列。一個像素區(qū)包括許多元件晶體管，如光電轉(zhuǎn)換元件、讀出門、電壓轉(zhuǎn)換元件、復(fù)位門、和放大器。因此，減小像素尺寸是很困難的。近來，已經(jīng)提出了一種結(jié)構(gòu)，例如多個像素共享結(jié)構(gòu)，其中在多個像素間部分共享每個像素所需的元件以減小由除光電轉(zhuǎn)換元件之外的一個像素所占有的區(qū)域。絕對需要這樣的技術(shù)來減小在CMOS傳感器中的每個像素的尺寸。圖12示出了一種結(jié)構(gòu)(參考專利文獻(xiàn)1)作為具體的例子。在該結(jié)構(gòu)中，在兩個光電轉(zhuǎn)換元件21之間布置要被共享的電壓轉(zhuǎn)換元件和其他電路元件(諸如復(fù)位門的晶體管和類似的元件)。圖13示出了另一種結(jié)構(gòu)(參考專利文獻(xiàn)2)，其中在兩個光電轉(zhuǎn)換元件21和兩個讀出門22之間共享電壓轉(zhuǎn)換元件23和其他電路元件，并且在與光電轉(zhuǎn)換元件21相鄰的每個晶體管區(qū)24中布置所共享的電路元件。
但是在傳統(tǒng)的多像素共享結(jié)構(gòu)中，實際上不可能一致地布置光電轉(zhuǎn)換元件和元件晶體管。因此，共享元件晶體管的程度并不總與光電轉(zhuǎn)換元件的區(qū)域占有率成比例。原因是在每個小像素中的元件晶體管的尺寸相對于像素尺寸較大，而且由于制造技術(shù)和物理特性的限制導(dǎo)致形狀上的靈活性不高。兩維地將像素的光學(xué)中心相等地間隔開并且所有像素具有相同的基本特性是非常必要的。因此，即使減小了在每個像素中由除去光電轉(zhuǎn)換元件以外的晶體管占據(jù)的區(qū)域(晶體管區(qū))，因為需要賦給一致布置(例如對稱性)較高的優(yōu)先級，所以不能有效地使用通過減小所占據(jù)區(qū)域而形成的自由空間。換句話說，當(dāng)有效地利用自由空間時，不能兩維地將光像素中心相等地間隔開。
例如，在圖12所示的多像素共享結(jié)構(gòu)中，當(dāng)相對于像素區(qū)每個元件晶體管的尺寸足夠小時，可以在光電轉(zhuǎn)換元件21之間的空間中布置元件晶體管。隨著像素區(qū)域變小，在晶體管之間的間隔或在用于連接的互連部分之間的間隔變窄。這使得設(shè)計靈活性更差。將光電轉(zhuǎn)換元件21安排到每個像素的光學(xué)中心(像素中心)是很困難的。
在圖13所示的多像素共享結(jié)構(gòu)中，將用于光電轉(zhuǎn)換元件21的區(qū)域與晶體管區(qū)24分離。因此，從像素布置的方面來說這種結(jié)構(gòu)是高效率的。還可以提供良好平衡的布置布局。但是，由于晶體管區(qū)24和用于光電轉(zhuǎn)換元件21的區(qū)域?qū)?zhǔn)，所以即使晶體管區(qū)24較大，還可以在寬方向減小光電轉(zhuǎn)換元件21的區(qū)域。因此，很難將光電轉(zhuǎn)換元件21布置到每個像素的光中心(像素中心)。而且很難確保在每個光電轉(zhuǎn)換元件21中可積累的信號電荷量。
在圖12和13中所示的多像素共享結(jié)構(gòu)之外，還可以獲得在圖14中的另一個多像素共享結(jié)構(gòu)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，垂直地布置光電轉(zhuǎn)換元件21。但是在這個多像素共享結(jié)構(gòu)中，由于所共享的電壓轉(zhuǎn)換元件23的數(shù)量非常少，而且擴(kuò)散層的電容增加。不幸的是，電壓轉(zhuǎn)換效率可能降低。而且，還可以獲得在圖15所示的其他多像素共享結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，在垂直方向上的共享與在水平方向上的共享組合起來。在這個多像素共享結(jié)構(gòu)中，需要讀出一行的信號從而將信號劃分為兩個部分。不利地是，輸出信號可能不同于典型的視頻信號。
因此，本發(fā)明的目的是提供帶有多像素共享結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像器件，其中即使當(dāng)減小每個像素區(qū)時，還可以通過有效地使用自由空間來為每個光電轉(zhuǎn)換元件確保足夠的區(qū)域，并且將光電轉(zhuǎn)換元件安置到每個像素的光學(xué)中心從而可以兩維地將光像素中心相等地間隔開。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種固態(tài)成像器件，其包括在兩維陣列中布置的光電轉(zhuǎn)換元件和將通過光電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行的光電轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓的電壓轉(zhuǎn)換元件，其中將所述每個電壓轉(zhuǎn)換元件布置在兩維陣列中對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件之間，并且在兩個光電轉(zhuǎn)換元件之間共享所述每個電壓轉(zhuǎn)換元件。
而且，本發(fā)明提供固態(tài)成像裝置，其包括在兩維陣列中布置的光電轉(zhuǎn)換元件和將通過對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓的電壓轉(zhuǎn)換元件，以及入射光線通過其而到達(dá)所述光電轉(zhuǎn)換元件的光學(xué)系統(tǒng)，其中將所述每個電壓轉(zhuǎn)換元件布置在兩維陣列中對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件之間，并且在兩個光電轉(zhuǎn)換元件之間共享所述每個電壓轉(zhuǎn)換元件。


圖1示出了解釋根據(jù)本發(fā)明第一實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的第一個例子的示意圖，圖1示出了元件的布局例子；圖2A和2B示出了解釋根據(jù)本發(fā)明第一實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的第二例子的示意圖，圖2A示出了電路配置的例子；圖3A到3C示出了解釋根據(jù)本發(fā)明第一實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的第三例子的示意圖，圖3B和3C示出了信號讀出的例子；圖4示出了解釋根據(jù)本發(fā)明第二實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5示出了解釋根據(jù)本發(fā)明第三實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的第一個例子的示意圖；圖6示出了解釋根據(jù)本發(fā)明第三實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的第二個例子的示意圖；圖7示出了解釋各個顏色元件的產(chǎn)生電荷量的示意圖；圖8示出了解釋根據(jù)本發(fā)明第四實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的第一個例子的示意圖；圖9示出了解釋根據(jù)本發(fā)明第四實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的第二個例子的示意圖；圖10A到10B示出了解釋根據(jù)本發(fā)明第五實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的例子的示意圖；
圖11A到11C示出了解釋根據(jù)本發(fā)明第六實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的例子的示意圖；圖12示出了解釋在傳統(tǒng)CMOS傳感器中的多像素共享結(jié)構(gòu)的第一個例子的示意圖；圖13示出了解釋在傳統(tǒng)CMOS傳感器中的多像素共享結(jié)構(gòu)的第二個例子的示意圖；圖14示出了解釋在傳統(tǒng)CMOS傳感器中的多像素共享結(jié)構(gòu)的第三個例子的示意圖；和圖15示出了解釋在傳統(tǒng)CMOS傳感器中的多像素共享結(jié)構(gòu)的第四個例子的示意圖。
具體實施例方式
將參照附圖用CMOS傳感器的例子在下面說明根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像器件。
下面將說明本發(fā)明第一實施例。圖1到3C示出了根據(jù)第一實施例的CMOS傳感器的概要結(jié)構(gòu)的例子。圖1示出了元件布局的例子。圖2A和2B示出了電路配置的例子。圖3B和3C示出了信號讀出的例子。
參照圖1，根據(jù)第一實施例，CMOS傳感器包括用于光電轉(zhuǎn)換的光電轉(zhuǎn)換元件1；用于將通過光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號的電壓轉(zhuǎn)換元件2；用于控制從光電轉(zhuǎn)換元件1到電壓轉(zhuǎn)換元件2的電荷讀出的傳輸門3；晶體管區(qū)4，其中將用于處理通過對應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換元件而獲得的電壓信號的電路組(即，包括諸如復(fù)位門和類似元件的晶體管的電路元件組)進(jìn)行布置；和互連5，用于將電壓轉(zhuǎn)換元件2電連接到在晶體管區(qū)4中的對應(yīng)電路組。元件1到5基本上與已知COM傳感器的那些元件相同。因此，將省略對那些元件的說明。
本CMOS傳感器的主要特點(diǎn)是上述元件1到5的布置布局。具體地說，如圖1所示，CMOS傳感器具有一種結(jié)構(gòu)，其中將光電轉(zhuǎn)換元件1布置在包括多個列和多個行的兩維陣列中，將每個電壓轉(zhuǎn)換元件2布置在兩維陣列中對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件1之間，并且通過分別提供給對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件1的傳輸門3在兩個光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2。例如，參照圖2B，在包括列i、i+1、i+2、...和行j、j+1、j+2、...的兩維陣列中，在位于坐標(biāo)(i+1，j)的光電轉(zhuǎn)換元件1和位于坐標(biāo)(i，j+1)的光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享一個電壓轉(zhuǎn)換元件2，并且在位于坐標(biāo)(i+1，j+2)的光電轉(zhuǎn)換元件1和位于坐標(biāo)(i，j+3)的光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享另一個電壓轉(zhuǎn)換元件2。
參照圖1，在光電轉(zhuǎn)換元件1之間布置每個晶體管區(qū)4，而在其間沒有電壓轉(zhuǎn)換元件2。在經(jīng)由互連5被電連接到電路組的兩個電壓轉(zhuǎn)換元件2之間共享在晶體管區(qū)域4中分布的每個電路組。參照圖2A，共享的電路組包括復(fù)位(RST)晶體管和選擇(SEL)晶體管。在晶體管區(qū)域4中分布電路元件。
換句話說，如圖1所示，上述CMOS傳感器具有一種結(jié)構(gòu)，其中在相同列方向中對準(zhǔn)的兩個電壓轉(zhuǎn)換元件2之間共享在兩維陣列的列方向中對準(zhǔn)的兩個晶體管區(qū)4中分布的一個電路組，并且在兩維陣列中對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2。一個電路組、兩個電壓轉(zhuǎn)換元件2、和四個光電轉(zhuǎn)換元件1組成一個共享整體(單元塊)6。
如上所述，根據(jù)本實施例，CMOS傳感器具有多像素共享結(jié)構(gòu)，其中在兩個對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件1之間布置一個電壓轉(zhuǎn)換元件2，從而在它們之間共享光電轉(zhuǎn)換元件1。因此，在正交方向中的每個電壓轉(zhuǎn)換元件2的尺寸是在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的尺寸的 在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中在兩維陣列的列或行方向中對準(zhǔn)的光電轉(zhuǎn)換元件之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件。此外，當(dāng)以這種方式布置電壓轉(zhuǎn)換元件2時，每個傳輸門3向?qū)?yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件1突出的部分比較小。因此，可以減小在光電轉(zhuǎn)換元件1之間的空間。而且，由于將每個電壓轉(zhuǎn)換元件2放置于在行方向中的像素之間的間隔的中心，所以延伸到列方向中分開布置的晶體管區(qū)4的每個互連5具有簡單形式，從而互連5幾乎不對另一個互連5產(chǎn)生干擾。關(guān)于通常包括多晶硅的傳輸門3，將傳輸門3的平行布置部分用于信號讀出。因此，可以將每個傳輸門3連接到在小絕緣區(qū)域中的對應(yīng)互連5，而不受多晶硅門之間的可能間隔的限制。
根據(jù)上述共享結(jié)構(gòu)，從而在除晶體管區(qū)4之外的每個整體區(qū)域中，每個光電轉(zhuǎn)換元件1的區(qū)域只依賴于絕緣的寬度。由于減小晶體管區(qū)4的面積是困難的，所以根據(jù)基本上形狀無關(guān)的電壓轉(zhuǎn)換元件2的布置來增加面積的利用率。將在對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件1之間的自由空間有效地用于電壓轉(zhuǎn)換元件2的布置，因此減小電壓轉(zhuǎn)換元件2鄰近的無效區(qū)域。因此，可以減小在光電轉(zhuǎn)換元件1之間的每個間隔(在兩維陣列的行或列方向中其間的距離)。此外，可以確保與每個像素區(qū)相關(guān)而有足夠的面積用于光電轉(zhuǎn)換元件1區(qū)域。而且，將光電轉(zhuǎn)換元件1分配給每個像素的光學(xué)中心，從而可以輕松地將光像素中心兩維地相等地間隔開。
換句話說，在多像素共享結(jié)構(gòu)中，由于可以抑制在與每個共享的電壓轉(zhuǎn)換元件2相鄰的無效區(qū)域的形成，所以可以增加用于每個光電轉(zhuǎn)換元件1的區(qū)域的面積，并且輕松地實現(xiàn)相等間隔的像素中心。由于光電轉(zhuǎn)換元件1的區(qū)域的面積增加導(dǎo)致在光電轉(zhuǎn)換元件1中的飽和信號量的增加，因此改善了動態(tài)范圍。隨著信號電荷量的變大，隨機(jī)噪聲的相對量在強(qiáng)光條件下變小，因此增加了信噪比。從而可以期望提高輸出信號的圖像質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的CMOS傳感器，組成一個電路組的電路元件在兩個晶體管區(qū)域4中分布。因此，可以將電路組的被良好平衡的一致布置指定給在兩維陣列中的對應(yīng)光電轉(zhuǎn)換元件1。即使很難減少晶體管區(qū)4的面積，還是可以相對于每個像素區(qū)域而確保足夠的面積用于光電轉(zhuǎn)換元件1的區(qū)域。此外，將光電轉(zhuǎn)換元件1安置在每個像素的光學(xué)中心，從而可以輕松地將光像素中心兩維地相等地間隔開。
上面的說明關(guān)于一個共享整體6包括四個光電轉(zhuǎn)換元件1的情況，即由四個像素共享的情況。但是本發(fā)明并不限于此。只要在偶數(shù)的像素之間建立共享關(guān)系，就可以實現(xiàn)類似的驅(qū)動。隨著共享的像素數(shù)量的增加，電壓轉(zhuǎn)換元件2的電容增加。因此，相對于信號電荷量，電壓轉(zhuǎn)換元件2的輸出電壓趨于較低。這種情況減小了提供給放大部件的輸入信號的幅度。這可以導(dǎo)致噪聲免除方面的降級。隨著共享像素的數(shù)量的增加，每個光電轉(zhuǎn)換元件1的面積變大。面積增加速率依賴于與所共享的電路元件相關(guān)的共享程度。因此，隨著共享程度增加，所述增加速率減小。雖然可以通過優(yōu)化雜質(zhì)濃度來改善電壓轉(zhuǎn)換元件2的電容，但是改善的空間有限。因此，在第一實施例中所述的由四個像素進(jìn)行共享是最平衡的共享結(jié)構(gòu)。
在根據(jù)本發(fā)明的CMOS傳感器中，在對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2。關(guān)于讀出，由于將共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2的像素(光電轉(zhuǎn)換元件1)放置在兩維陣列的不同行中，可以同時從每行讀出電荷。因此，上面的結(jié)構(gòu)非常適合拜爾(Bayer)圖案顏色濾波器陣列的使用，如圖3A所示，其中在兩維陣列的行中以R、G、R、G....的順序交替紅色(R)和綠色(G)而且在下一行中以G、B、G、B....的順序交替綠色(G)和藍(lán)色(B)。當(dāng)使用拜爾圖案顏色濾波器陣列時，將G指派給在一個共享整體6中的四個光電轉(zhuǎn)換元件1的每一個。或者，將R指派給四個元件中的兩個并且將B指派給其他兩個元件。換句話說，一個共享整體6包括兩對光電轉(zhuǎn)換元件1，每對具有相同的色譜靈敏度。將相同的顏色指派給在奇數(shù)行中的光電轉(zhuǎn)換元件1，而且將其他相同的顏色指派給在偶數(shù)行中的那些。
因此，當(dāng)使用拜爾圖案顏色濾波器陣列時，如圖3B和3C所示，CMOS傳感器支持一種驅(qū)動模式，其中從組成一個共享整體6的光電轉(zhuǎn)換元件1中具有相同色譜靈敏度的光電轉(zhuǎn)換元件1同時讀出電荷，而且通過在共享整體6中的電壓轉(zhuǎn)換元件2將基于電荷的信號累加。因此，還可以執(zhí)行從光電轉(zhuǎn)換元件1高速讀出信號。換句話說，根據(jù)在驅(qū)動模式中的電荷累加功能，電壓轉(zhuǎn)換元件2可以執(zhí)行與相同顏色的光電轉(zhuǎn)換元件相關(guān)的兩行電荷累加。因此，將輸出行的數(shù)量減少到1/2，從而實現(xiàn)高速信號讀出。
而且，根據(jù)本實施例，CMOS傳感器具有一種結(jié)構(gòu)，其中在每個共享整體中，在兩維陣列中的列方向中的兩個電壓轉(zhuǎn)換元件2之間共享電路組，即將兩個電壓轉(zhuǎn)換元件2垂直對準(zhǔn)。因此，可以將同時讀出的驅(qū)動信號提供給在兩維陣列的相同行中布置的電路組，從而可能輕松地從在兩維陣列的相同行中布置的光電轉(zhuǎn)換元件1同時讀出電荷。換句話說，當(dāng)在對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2時，將共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2的像素(光電轉(zhuǎn)換元件)指派給在兩維陣列中的不同行。因此，可以每行同時讀出基于電荷的信號。而且，當(dāng)在兩個電壓轉(zhuǎn)換元件2之間共享在晶體管區(qū)4中的每個電路組時，只要在列方向中對準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換元件2，就不妨礙同時讀出每行。因此在上述的同時讀出中，還可以實現(xiàn)高速信號讀出。
下面將說明本發(fā)明的第二實施例。圖4示出了解釋根據(jù)第二實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的示意圖。
如在圖中所示，在根據(jù)第二實施例的CMOS傳感器中，在兩維陣列的每個列中布置讀取通過每個電路組處理的電壓信號的多個信號線7。通過信號線7，從在兩維陣列的列方向中布置的多個共享整體6同時讀出電壓信號。根據(jù)上面結(jié)構(gòu)，每列都同時獲得共享整體6的信號輸出，從而根據(jù)輸出的數(shù)量減小獲得一個圖像所需的時間。換句話說，可以實現(xiàn)較高速度的驅(qū)動。
現(xiàn)在將說明本發(fā)明的第三實施例。圖5和6是解釋根據(jù)第三實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的示意圖。
根據(jù)第三實施例，CMOS傳感器包括信號序列排列部分，用于修正在兩維陣列中的奇數(shù)行和偶數(shù)行之間的讀出信號序列差，和修正由在對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2而引起的差異。下面是其原因。
在通常的CMOS傳感器中，如圖5或6所示，通過在兩維陣列中的列選擇開關(guān)8將進(jìn)行讀信號的每個信號線7連接到行電路9，從而從信號線7產(chǎn)生信號到行電路9。根據(jù)在兩個對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2的多像素共享結(jié)構(gòu)，通過不同的信號線7將在奇數(shù)和偶數(shù)行中的光電轉(zhuǎn)換元件1的輸出提供給行電路9。為了獲得與用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的普通CMOS傳感器的輸出等效的輸出，因此必須輸入讀取控制信號到行電路9，從而信號被移動一列。為此，根據(jù)第三實施例的CMOS傳感器包括信號序列排列部分。
通常，由在圖中所示的級聯(lián)連接的多個延遲電路10來控制從信號線7到行電路9的信號輸出。將時間轉(zhuǎn)移信號順序地輸入到在各個列中的列選擇開關(guān)8。根據(jù)第三實施例，在CMOS傳感器中，信號序列排列部分延遲要被提供給第一級的輸入信號，從而將輸入信號定時到普通CMOS傳感器的數(shù)據(jù)輸出。
在上述信號序列排列部分中，例如圖5所示，可以將一個延遲電路11安排在第一輸入級的上游，并且還可以安置旁路延遲電路11的開關(guān)12。在這種結(jié)構(gòu)中，雖然不清楚如何處理末尾列的信號，但是由于通常由定時信號來定義水平空白周期，所以也沒有問題。此外，在信號序列排列部分，例如圖6所示，可安排開關(guān)13從而從串聯(lián)的延遲電路10中選擇提供給各個列的控制信號中的兩個。這兩個所選擇的控制信號與一個列的時間轉(zhuǎn)移讀出信號對應(yīng)。在這種結(jié)構(gòu)中，在行電路9的輸出端提供給放大器9a的模擬信號和普通像素陣列的那些信號沒有區(qū)別。在任一例子中，由于CMOS傳感器包括信號序列排列部分，所以可以切換奇數(shù)行和偶數(shù)行之間的讀出。因此，可以使用與傳輸門3的控制信號同步的定時信號來控制讀出。從而不需要特別功能的電路。
現(xiàn)在將說明本發(fā)明的第四實施例。圖7是解釋各個顏色元件的產(chǎn)生電荷量的示意圖。圖8和9是解釋根據(jù)第四實施例的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)的例子的示意圖。
在根據(jù)第四實施例的CMOS傳感器中，布置拜爾圖案顏色濾波器陣列，從而將顏色濾波器分別地指派給布置在兩維陣列中的光電轉(zhuǎn)換元件1(參照圖3A)。構(gòu)造CMOS傳感器，從而與在兩維陣列中的每個奇數(shù)列的輸出電壓信號相關(guān)的放大因子與每個偶數(shù)列的輸出電壓信號相關(guān)的放大因子彼此不同，即輸出電壓信號的信號線的信號放大因子彼此不同。原因如下。
在拜爾圖案顏色濾波器陣列的布置中，根據(jù)其中在兩個對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2的多像素共享結(jié)構(gòu)，將信號線劃分為在Gr(其中布置了R像素的列的G信號)和Gb(其中布置了B像素的列的G信號)之間共享的輸出線(Gr/Gb輸出線)以及在B和R之間共享的輸出線(B/R輸出線)。如圖7所示，通常，B信號具有如此的特性，即所產(chǎn)生的電荷量小并且由于在表面p+上的光子吸收而引起損耗，而R信號具有如此的特性，即在光電轉(zhuǎn)換元件1的、可以形成pn結(jié)的深度中不吸收大多數(shù)的光子。因此，G信號具有最小的損耗而G信號輸出具有變大的趨勢。因此，如果每個Gr/Gb輸出線的增益(放大因數(shù))不同于每個B/R輸出線的增益，則可以減小在芯片輸出中的RGB之間的色譜特征差異。
具體地說，如圖8所示，減小每條Gr/Gb輸出線的增益并且增加每條B/R輸出線的增益。由于可以使用公知的技術(shù)來設(shè)置增益，所以省略關(guān)于設(shè)置的說明。
根據(jù)每個列的增益設(shè)置，即使當(dāng)CMOS傳感器具有一種結(jié)構(gòu)，其中由為每個列提供的AD轉(zhuǎn)換部分(例如，AD轉(zhuǎn)換器)將從每個列輸出的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并且將從多個列產(chǎn)生的數(shù)字信號順序地提供給一個信號輸出部分(例如，列電路或放大器)，各個數(shù)字信號都會經(jīng)歷增益調(diào)整，從而減小在RGB之間的色譜特征差異。因此，信號輸出部分可以統(tǒng)一地運(yùn)行數(shù)字信號，即使用相同的處理參數(shù)。
例如，如圖9所示，將在兩維陣列中的奇數(shù)列的輸出和偶數(shù)列的輸出分別連接到兩個不同的行電路9b和9c。在這種情況下，當(dāng)在每個奇數(shù)列中的信號線的信號放大因子與在每個偶數(shù)列中的信號線的信號放大因子沒有差別時，只要兩個行電路9b和9c的增益彼此不同，就可以減小在芯片輸出中的RBG之間的色譜特征差異。因此，可以抑制在列之間的增益變化。在行電路9b和9c的增益彼此不同的情況下，可以使用公知的技術(shù)來設(shè)置增益。這里省略關(guān)于增益設(shè)置的說明。
現(xiàn)在將說明根據(jù)本發(fā)明的第五實施例。圖10A和10B示出了根據(jù)第五實施例的CMOS傳感器的示意結(jié)構(gòu)的例子。
在根據(jù)第五實施例的CMOS傳感器中，布置了拜爾圖案顏色濾波器陣列，從而將顏色濾波器分別分派給放置在兩維陣列中的多個光電轉(zhuǎn)換元件1。根據(jù)在被分別分派具有相同顏色的濾波器的、對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件1所產(chǎn)生的檢測信號之間進(jìn)行比較的結(jié)果，修正由像素布局的不同而導(dǎo)致的輸出信號之間的差異。原因如下。
在多像素共享結(jié)構(gòu)中，通常在多個光電轉(zhuǎn)換元件之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件。因為光電轉(zhuǎn)換元件的形狀是對稱的，所以由于在制造過程中的圖案失準(zhǔn)或在接收光線時的光線入射角變化而引起所產(chǎn)生的信號量可能彼此不同。在多像素共享結(jié)構(gòu)中，但是根據(jù)多像素共享結(jié)構(gòu)，其中在對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2，當(dāng)如圖10A所示使用拜爾圖案顏色濾波器時，將每個Gr像素和Gb像素連接到相同的電壓轉(zhuǎn)換元件2，并且Gr和Gb像素屬于不同的行。因此，存在除像素之外元件的相同組合，即顏色和后續(xù)級連接電路。因此，可以容易地修正由像素形狀差異而導(dǎo)致的所產(chǎn)生信號量的差異。
換句話說，在根據(jù)第五實施例的CMOS傳感器中，根據(jù)Gr和Gb像素所產(chǎn)生的檢測信號之間的比較結(jié)果，使用圖10B所示的修正系數(shù)來修正由在對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件1之間像素布局(光電轉(zhuǎn)換元件的布置位置和形狀)的不同而導(dǎo)致的輸出信號差異。將修正應(yīng)用于從B和R像素的輸出信號。根據(jù)修正，修正由像素布局差異而引起的輸出信號差異。在多像素共享結(jié)構(gòu)的情況下，可以實現(xiàn)帶有小輸出變化的信號輸出。具體地說，在多像素共享結(jié)構(gòu)中，其中在對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件2，可以減小修正錯誤并且可以容易地計算修正系數(shù)。在使用垂直或水平相鄰像素之間共享關(guān)系的傳統(tǒng)共享結(jié)構(gòu)中(參照圖12和13)，由于相同顏色像素的共享元件彼此不同，所以錯誤較大。另一方面，在對角共享結(jié)構(gòu)中，由于根據(jù)從Gr和Gb像素(即，具有除像素之外的相同元件的像素)來的檢測信號之間的比較結(jié)果而執(zhí)行修正，所以可以抑制錯誤。在包括垂直共享和水平共享兩者的另外的傳統(tǒng)共享結(jié)構(gòu)中(參照圖15)，由于形成圖案的像素的數(shù)量增加為四個，所以很難計算修正系數(shù)。在另一方面，在對角共享結(jié)構(gòu)中，由于回避了上面的問題，所以可以輕松地獲得修正系數(shù)。
可以將如上所述的修正過程容易地應(yīng)用于經(jīng)歷了AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號。能夠以于在第四實施例中所述增益調(diào)整類似的方式使用公知技術(shù)來執(zhí)行信號輸出的修正過程。這里省略修正過程的說明。
現(xiàn)在將說明本發(fā)明的第六實施例。圖11A到11C解釋了根據(jù)第六實施例的CMOS傳感器的示意結(jié)構(gòu)的例子。
以類似于第一實施例的方式，基于構(gòu)成每個共享整體6的電壓轉(zhuǎn)換元件2中的電荷，根據(jù)第六實施例的CMOS傳感器支持信號累加的驅(qū)動模式。根據(jù)第六實施例，構(gòu)造CMOS傳感器，從而在使用驅(qū)動模式中的電荷累加功能之外，光電轉(zhuǎn)換元件1的光電轉(zhuǎn)換次數(shù)彼此不同，其中為基于電荷的信號累加而從所述光電轉(zhuǎn)換元件1同時讀出電荷。其原因如下。
在多像素共享結(jié)構(gòu)中，具體地說，在四像素共享結(jié)構(gòu)中，其中一個共享整體6包括四個像素，經(jīng)由互連5共享電壓轉(zhuǎn)換元件2的像素包括具有相同色譜特征的像素，即被分派相同顏色濾波器的像素。因此，可以使用電荷累加功能。在這種情況下，如圖11A和11B所示，在電荷被同時讀出的像素中，連接到一個電壓轉(zhuǎn)換元件2的至少一個光電轉(zhuǎn)換元件1的光電轉(zhuǎn)換時間不同于連接到另外電壓轉(zhuǎn)換元件2的至少一個光電轉(zhuǎn)換元件1的光電轉(zhuǎn)換時間。因此，對低亮度光線的靈敏度高于對高亮度光線的靈敏度，即可以實現(xiàn)較寬的動態(tài)范圍?？梢匀鐖D11B所示通過控制讀出脈沖來實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換時間的差異。在具有光電轉(zhuǎn)換時間差異的情況下，例如當(dāng)入射高亮度的光線時，帶有普通累積時間的像素飽和了，但是帶有延遲的累積開始時間的像素沒有飽和，因此獲得依賴于光線強(qiáng)度的特征。因此當(dāng)在共享的電壓轉(zhuǎn)換元件2中累加信號電荷量時，所累加的信號輸出代表靈敏度特征，如圖11C所示。
在如上所述第一到第六實施例中已經(jīng)說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。但是本發(fā)明并不限于此說明。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行本發(fā)明的變化和改進(jìn)，例如第一到第六實施例的適當(dāng)組合。
如上所述的固態(tài)成像器件具有多像素共享結(jié)構(gòu)，其中在對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件之間布置一個電壓轉(zhuǎn)換元件，從而在其間共享電壓轉(zhuǎn)換元件。因此，在正交方向中的每個電壓轉(zhuǎn)換元件的尺寸是在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中其尺寸的 其中在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，在兩維陣列的行方向或列方向中對準(zhǔn)的光電轉(zhuǎn)換元件之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件。換句話說，有效地將在對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件之間的自由空間用于電壓轉(zhuǎn)換元件的布置，從而減小與電壓轉(zhuǎn)換元件相鄰的無效區(qū)域。因此，可以減小在光電轉(zhuǎn)換元件之間的每個間隔(在兩維陣列的列方向或行方向之間的距離)。此外，可以確保有足夠的區(qū)域面積用于與每個像素區(qū)域相關(guān)的光電轉(zhuǎn)換元件的區(qū)域。而且，將光電轉(zhuǎn)換元件安置在每個像素的光學(xué)中心，從而可以容易地將光像素中心相等地兩維地間隔開。當(dāng)在對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件時，將共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件的像素(光電轉(zhuǎn)換元件)安置到兩維陣列中的不同行中。因此，可以每行同時讀出信號。當(dāng)根據(jù)拜爾圖案在各個像素中形成顏色濾波器時，在每個共享整體中，將相同的顏色分派給在奇數(shù)行中的光電轉(zhuǎn)換元件，也將相同的顏色分派給在偶數(shù)行中的光電轉(zhuǎn)換元件。這樣，電壓轉(zhuǎn)換元件可以執(zhí)行相對于相同顏色的光電轉(zhuǎn)換元件的兩行的電荷累加。因此，就可以執(zhí)行從光電轉(zhuǎn)換元件高速讀出信號。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在具有多像素共享結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像器件中，可以抑制在每個共享的電壓轉(zhuǎn)換元件附近形成無效區(qū)域?？梢栽黾用總€光電轉(zhuǎn)換元件區(qū)域的面積，并且可以輕松地實現(xiàn)將像素中心相等地間隔開。因此，由于光電轉(zhuǎn)換元件區(qū)域的面積增加而增加了在光電轉(zhuǎn)換元件中的飽和信號量，從而改善了動態(tài)范圍。隨著信號電荷量的變得更大，隨機(jī)噪聲的相對量在強(qiáng)光條件下變得更小，從而提高了信噪比。因此可以期望輸出信號的圖像質(zhì)量的提高。而且，在多像素共享結(jié)構(gòu)中，其中在對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件之間共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件，可以依賴于驅(qū)動模式來執(zhí)行高速信號讀出。
還可以將本發(fā)明應(yīng)用于成像裝置，例如照相機(jī)或照相機(jī)模塊。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像器件，其包括在兩維陣列中布置的光電轉(zhuǎn)換元件和電壓轉(zhuǎn)換元件，該電壓轉(zhuǎn)換元件將通過對應(yīng)光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，其中將所述每個電壓轉(zhuǎn)換元件布置在兩維陣列中對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件之間，并且在兩個光電轉(zhuǎn)換元件之間共享所述每個電壓轉(zhuǎn)換元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，還包括包括電路組的晶體管區(qū)，每個所述電路組處理由對應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換元件所轉(zhuǎn)換的電壓信號，其中經(jīng)由互連將每個電路組電連接到電壓轉(zhuǎn)換單元，從而在電壓轉(zhuǎn)換元件之間共享電路組。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其中將所述晶體管區(qū)分派給共享電路組的所述電壓轉(zhuǎn)換元件，并且包括在電路組中的電路元件在晶體管區(qū)域中分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中一個所述電路組、兩個所述電壓轉(zhuǎn)換元件、和四個所述光電轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成一個共享整體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中在一個共享整體中包括具有相同色譜靈敏度的多個所述光電轉(zhuǎn)換元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其中所述器件支持一種驅(qū)動模式，其中從在共享整體中具有相同色譜靈敏度的多個所述光電轉(zhuǎn)換元件同時讀出電荷。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中在兩維陣列的列方向中的每個共享整體的電壓轉(zhuǎn)換元件之間共享所述電路組。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中將同時讀出的驅(qū)動信號提供給在兩維陣列的相同行中布置的電路組，從而從在兩維陣列的相同行中布置的所述光電轉(zhuǎn)換元件同時讀出電荷。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中在兩維陣列的每個列中布置有要讀出由電路組處理的電壓信號的多條信號線，從而從在兩維陣列的列方向中布置的共享整體通過所述多條信號線同時讀取電壓信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，還包括信號序列排列部分，其修正在兩維陣列中的奇數(shù)行和偶數(shù)行之間的讀出信號序列差，和修正由在兩維陣列中對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件之間的、每個共享整體中共享每個電壓轉(zhuǎn)換元件而導(dǎo)致的差異。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中布置拜爾圖案顏色濾波器陣列，從而將顏色濾波器分派給布置在兩維陣列中的各個光電轉(zhuǎn)換元件，并且在兩維陣列中的奇數(shù)列的輸出電壓信號的放大因子不同于偶數(shù)列的輸出電壓信號的放大因子。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中在每行的每個驅(qū)動周期，通過提供給每個列的AD轉(zhuǎn)換部分，將從兩維陣列的每個列所產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且將從列產(chǎn)生的數(shù)字信號順序地提供給一個信號輸出部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中布置拜爾圖案顏色濾波器陣列，從而將顏色濾波器分派給在兩維陣列中布置的各個光電轉(zhuǎn)換元件，將兩維陣列中的奇數(shù)列的輸出和偶數(shù)列的輸出分別連接到兩個不同的行電路，并且兩個行電路的放大因子彼此不同。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中當(dāng)布置拜爾圖案顏色濾波器陣列，從而將顏色濾波器分派給在兩維陣列中布置的各個光電轉(zhuǎn)換元件時，根據(jù)被分別分派相同顏色濾波器的兩個對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件所產(chǎn)生的檢測信號之間的比較結(jié)果、由像素布局的差異導(dǎo)致的差異，來修正在對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件的輸出信號之間的差異。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中所述器件通過電壓轉(zhuǎn)換元件支持用于基于電荷的信號累加的驅(qū)動模式，并且從其同時讀出電荷的光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換時間彼此不同。
16.一種固態(tài)成像裝置，其包括在兩維陣列中布置的光電轉(zhuǎn)換元件和將通過對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件的光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓的電壓轉(zhuǎn)換元件，以及入射光線通過其到達(dá)所述光電轉(zhuǎn)換元件的光學(xué)系統(tǒng)，其中將所述每個電壓轉(zhuǎn)換元件布置在兩維陣列中對角相鄰的兩個光電轉(zhuǎn)換元件之間，并且在兩個光電轉(zhuǎn)換元件之間共享所述每個電壓轉(zhuǎn)換元件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種固態(tài)成像器件，在帶有多像素共享結(jié)構(gòu)的該固態(tài)成像器件中，可以不受每個像素的面積減小的影響，確保每個光電轉(zhuǎn)換元件有足夠的面積。將光電轉(zhuǎn)換元件安置到每個像素的光學(xué)中心。因此可以將光像素中心相等地兩維地間隔開。在固態(tài)成像器件中，其包括布置在兩維陣列中的光電轉(zhuǎn)換元件1和電壓轉(zhuǎn)換元件2，該電壓轉(zhuǎn)換元件2用于將通過對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件1的光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，在兩維陣列中的兩個對角相鄰的光電轉(zhuǎn)換元件1之間布置一個電壓轉(zhuǎn)換元件2，從而在兩個光電轉(zhuǎn)換元件1之間共享一個電壓轉(zhuǎn)換元件2。
文檔編號H04N5/369GK1734779SQ200510089758
公開日2006年2月15日 申請日期2005年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者工藤義治 申請人:索尼株式會社