图像传感器和像素的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及图像传感器和像素。提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列的每个像素包括：光电探测器，所述光电探测器在半导体衬底中形成，并且具有用于接收代表入射光的光电荷的电荷收集区域；接收装置，所述接收装置在所述半导体衬底中而且邻近所述电荷收集区域形成，所述接收装置具有覆盖在所述半导体衬底上并与所述半导体衬底绝缘、接收响应度控制信号的栅极；以及读出电路，所述读出电路响应于选择信号将由所述光电探测器的所述电荷收集区域收集的所述光电荷转移到输出。
【专利说明】
图像传感霜和像素
技术领域
[0001 ]本公开整体设及图像传感器，并且更具体地讲，设及具有高动态范围的图像传感 器。
【背景技术】
[0002] 电子图像传感器存在于各种实用产品中，包括照相机、摄像机、蜂窝电话、医疗装 置、机器视觉仪器等。图像传感器具有特征动态范围。动态范围是指可由像素数据的单一帖 中的图像传感器所调节的入射光的范围。希望具有具备高动态范围的图像传感器W对产生 高动态范围入射信号的场景进行成像，诸如具有通向外部的窗的室内房间、具有混合的阴 影与明亮日照的室外场景、组合人工照明与阴影的夜间场景，W及许多其他场景。
[0003] 例如，在照相机中，通常存在两种方式来调整图像曝光W实现高动态范围。第一种 方式是改变快口速度。第二种方式是改变光圈的大小。调整图像曝光的运些方式中的两种 控制施加到胶卷或施加到电子图像传感器的光量。在数字照相机中，图像传感器可电子地 改变快口速度。然而，使用脉冲发光二极管化抓)的光已变得普遍，并且由于与短积分时间 相关的可能闪烁效果，保持传感器积分时间常数甚至更重要。此外，改变透镜光圈对于机器 视觉应用不是非常实用。
[0004] 对于扩展图像传感器像素本身的动态范围存在若干种已知技术，包括使用压扩像 素、对数像素、双转换增益像素，W及双光电二极管像素。然而，运些方法中的每个都具有缺 点。压扩像素的缺点是其非线性响应，高像素固定图形噪声(FPN)，W及在拐点处的信噪比 (SNR)下降。对数像素也受到高像素 FPN和非线性的影响。双转换增益和双光电二极管像素 仅具有两个预定的、离散响应度值，运限制其有效性。 【实用新型内容】
[0005] 根据本实用新型的一个方面，提供一种图像传感器，所述图像传感器包括像素阵 列，所述像素阵列的每个像素包括:光电探测器，所述光电探测器在半导体衬底中形成，并 且具有用于接收代表入射光的光电荷的电荷收集区域;接收装置，所述接收装置在所述半 导体衬底中而且邻近所述电荷收集区域形成，所述接收装置具有覆盖在所述半导体衬底上 并与所述半导体衬底绝缘、接收响应度控制信号的栅极；W及读出电路，所述读出电路响应 于选择信号将由所述光电探测器的所述电荷收集区域收集的所述光电荷转移到输出。
[0006] 在一个实施例中，所述接收装置还包括用于接收所述响应度控制信号的漏极。
[0007] 在一个实施例中，所述接收装置在所述电荷收集区域的第一侧，并且所述读出电 路在所述电荷收集区域的与所述第一侧相背对的第二侧。
[000引在一个实施例中，所述图像传感器还包括：用于响应于所测得的照明水平来提供 所述响应度控制信号的可变电压源。
[0009] 在一个实施例中，所述入射光包括入射到所述半导体衬底的背表面上的光。
[0010] 在一个实施例中，所述读出电路包括:转移栅极，所述转移栅极邻近所述光电探测 器并且形成于所述半导体衬底的前表面中而且与所述半导体衬底的所述前表面绝缘，所述 转移栅极用于形成从所述电荷收集区域到浮置扩散区的导电通道；W及源极跟随器晶体 管，所述源极跟随器晶体管具有禪接到电源电压端子的漏极，禪接到所述浮置扩散区的栅 极，W及用于提供像素输出信号的源极。
[0011] 根据本实用新型的另一个方面，提供一种用于图像感测的像素，包括:光电探测 器，所述光电探测器具有用于接收代表入射光的光电荷的电荷收集区域;接收装置，所述接 收装置具有禪接到所述电荷收集区域的源极，用于接收响应度控制信号的栅极，和漏极；W 及读出电路，所述读出电路具有禪接到所述电荷收集区域的输入，W及禪接到输出导体W 用于向其提供像素输出的输出。
[0012] 在一个实施例中，所述接收装置的所述漏极禪接到其所述栅极。
[0013] 在一个实施例中，所述接收装置在所述电荷收集区域的第一侧，并且所述读出电 路在所述电荷收集区域的与所述第一侧相背对的第二侧。
[0014] 在一个实施例中，所述读出电路包括:转移栅极，所述转移栅极用于将剩余电荷从 所述电荷收集区域转移到浮置扩散区；源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有禪 接到电源电压端子的漏极，禪接到所述浮置扩散区的栅极，和用于提供像素输出信号的源 极；W及复位栅极，所述复位栅极用于响应于复位信号的激活而将基准电压端子禪接到所 述浮置扩散区。
【附图说明】
[0015] 本领域技术人员参照附图阅读本说明书，可W更好地理解本实用新型，也可W显 而易见地认识到本实用新型的多种特征和优点，在附图中：
[0016] 图示意性形式示出本领域中已知的有源像素；
[0017] 图2W框图形式示出根据本实用新型的具有高动态范围的图像处理系统；
[0018] 图3W框图形式示出在图2的图像处理系统中使用的图像传感器；
[0019] 图4示出在图3的图像传感器中使用的具有相关联源极跟随器晶体管的像素的横 截面；
[0020] 图5W在第一偏置条件下的对应势阱图示出图4的像素的横截面；
[0021] 图6W在第二偏置条件下的对应势阱图示出图4的像素的横截面;并且
[0022] 图7W在第Ξ偏置条件下的对应势阱图示出图4的像素的横截面。
[0023] 在不同附图中使用相同的参考符号来指示相同或类似的元件。除非另有说明，否 则词语"禪接"及相关词组意味着直接连接，W及通过本领域已知的方式间接电连接;而且 除非另有说明，否则设及直接连接的任一描述也涵盖采用适宜间接电连接形式的替代实施 方式。
【具体实施方式】
[0024] 图示意性形式示出本领域中已知的像素100。像素100是有源像素，其包括光电 二极管110、转移栅极120、浮置扩散区130、N沟道金属氧化物半导体(M0S)晶体管140、150和 160, W及列导体170。光电二极管110具有阴极，W及连接到地的阳极。晶体管120具有连接 到浮置扩散区(FDH30的漏极，用于接收标记为"TG"的控制信号的栅极，W及连接到光电二 极管110的阴极的源极。晶体管140具有连接到标记为"Vm"的电源电压端子的漏极，用于接 收标记为"RST"的信号的栅极，W及连接到浮置扩散区130的源极。晶体管150具有连接到Vm 的漏极，连接到浮置扩散区130的栅极，W及源极。晶体管160具有连接到晶体管150的源极 的漏极，用于接收标记为"RS"的信号的栅极，W及连接到列导体170的源极。
[0025] 信号RS是行选择信号，其激活像素100W及相同行的图像传感器内的所有像素。在 典型的实施中，图像传感器使用相关双采样(CDS),其中从采样复位电平减去所获得的图像 电平W补偿固定图形噪声。在复位周期期间，像素100响应于信号RST的激活而复位，运使得 晶体管140导通并且将浮置扩散区130上拉至相对高的电压。在复位周期期间，转移栅极信 号TG无效。晶体管150对应于浮置扩散区130上的电压减去晶体管150的阔值电压来提供该 晶体管的源极上的电压。由于信号RS是激活的，所W晶体管160是导通的并且将复位电平传 递到列导体170。
[0026] 在图像获取期间，信号RST是失活的，并且电荷载流子(在运种情况下为电子）W对 应于入射光的量在光电二极管110的阴极处累积。信号TG被激活W将累积的电子转移到浮 置扩散区130,从而减小浮置扩散区上的电压。晶体管150W源极跟随器配置连接并且充当 有源放大器W缓冲浮置扩散区上的电压W在该晶体管的源极上提供等于Vfd-Vt的电压，其 中Vfd为浮置扩散区的电压并且Vt为晶体管150的阔值电压。由于晶体管160是导通的，所W 该电压被转移到列导体170。
[0027] 图2W框图形式示出根据本实用新型的具有高动态范围的图像处理系统200。图像 处理系统200可为例如数字静态照相机、蜂窝电话照相机、数字视频摄像机等。图像处理系 统200通常包括成像平台220、图像传感器230、处理器240、存储器250、显示器260，W及其他 输入/输出（I/O)装置270。
[0028] 在图像处理系统200中，成像平台220接收来自主题场景的光210。成像平台220可 包括常规元件，诸如透镜、中性密度滤光器、可变光圈，W及快口。成像平台220聚焦光210W 形成图像传感器230上的图像。图像传感器230通过将入射光转化成电信号来捕获图像。处 理器240然后在运样获得的图像上进行后处理并且将运些图像转化成各种格式W用于显示 器260上的输出或使用其他I/O装置270进行导出。可例如用微处理器、微控制器、数字信号 处理器(DSP)、或其他数字逻辑电路来实施处理器240,并且处理器240还提供信号W控制图 像处理系统200的各种元件。处理器240使用存储器250W存储用于展示在显示器260上的所 获得图像。显示器260可为任何类型的显示器，诸如有源矩阵彩色液晶显示器化CD)。其他1/ 0装置270可包括例如各种屏幕上控件、按钮或其他用户界面、网络接口、存储卡接口等。
[0029] 图3W框图形式示出在图2的图像处理系统200中使用的图像传感器230。图像传感 器230通常包括像素阵列310、时序和控制电路320、解码器330、行驱动器332、解码器340、列 选择电路％2、标记为"S/H"的采样和保持放大器350、放大器360、模拟数字转换器(ADC) 370, W及图像处理器380。像素阵列310包括布置成行和列的像素阵列。定时和控制电路320 控制解码器330W依次激活每个所选择的行。解码器330选择单条行线，并且行驱动器332驱 动跨整行像素阵列310相对应的行选择信号。沿着所选择行的每个像素通过共同行选择线 同时被激活，并且向相应列线提供输出。
[0030] 在图示实施例中，时序和控制电路320还通过向解码器340提供列地址来依次选择 列。解码器340向列选择电路342提供列选择信号。列选择电路342将列线连接到采样和保持 放大器350。采样和保持放大器350向放大器360提供标记为"Vrst"的复位电平和标记为 "VsiG"的信号电平两者。放大器360是电压放大器，其从复位电平减去信号电平W补偿固定 图形噪声。模拟数字转换器370接收差分电压并且向图像处理器380提供代表像素的噪声补 偿信号电平的数字代码，该数字代码累积到信号W形成完整图像。图像处理器380进行附加 的图像处理功能W提供标记为"输出"的经处理的图像信号，并且向时序和控制电路320提 供标记为"照明水平"的输出信号W表示整个图像或其特定部分的光强度。
[0031] 此外，时序和控制电路320向像素阵列310提供标记为"RC"的专用响应度控制信 号。定时和控制电路320使用信号RC来调整像素阵列310中的像素的响应度W防止所选择的 像素饱和，并且从而改善动态范围。在一种形式中，时序和控制电路320基于整个图像的光 强度来提供信号RC。在该例子中，时序和控制电路320作为可变电压源操作，该可变电压源 响应于"照明水平"提供RC信号。在另一种形式中，时序和控制电路320基于图像的特定部分 的光强度(诸如在行基础、列基础或区域基础上）W不同电平提供信号RC。像素阵列310中的 每个像素 W下述方式修改W使用RC信号的值来调整像素的饱和电平，从而提供更宽的总体 动态范围。
[0032] 图4示出在图3的图像传感器230中使用的具有相关联源极跟随器晶体管450的像 素400的横截面。像素400在具有前表面412和背表面414的半导体衬底410中形成。像素400 通常包括光电二极管区域420、响应度控制栅极区域430、读出电路区域440, W及源极跟随 器晶体管450。
[0033] 光电二极管区域420包括在靠近前表面412的半导体衬底410的表面部分中的P+隔 离区域424下面的掩埋n+阴极区域422W形成钉扎光电二极管。
[0034] 响应度控制栅极区域430包括通过栅极氧化物的薄层与前表面412隔离的栅极 432, W及n+漏极区域434。栅极432和漏极区域434连接在一起并且接收信号RC，从而形成二 极管连接的M0S晶体管。
[0035] 读出电路区域440包括转移栅极442、n+浮置扩散区444、复位栅极446, W及连接到 电源电压端子Vaa的n+漏极区域448。栅极442和446中的每个通过栅极氧化物的薄层与前表 面412隔离并且用于响应于施加高于相应晶体管的阔值电压的正电压来诱导导电通道W用 于传导电子。
[0036] 晶体管450具有连接到Vaa的漏极、连接到浮置扩散区域444的栅极、W及连接到节 点452的源极，该节点本身进一步连接到行选择晶体管的漏极，在图4中未示出。
[0037] 像素400如相对于图1的像素100所述来操作，不同的是该像素400包括M0S二极管 连接晶体管形式的额外接收装置。栅极432基于信号RC的电压在钉扎光电二极管和漏极区 域434之间选择性地形成导电通道。漏极区域434基于信号RC的电势收集光电流。当栅极432 下的电势为低时，将不会形成耗尽层，并且由背侧入射光形成的大多数光电流将由阴极422 收集。栅极432下的耗尽层总是处于非静止状态下，运是因为n+漏极区域434防止栅极432下 的移动反型电荷积聚。被栅极432吸引的所有光电子均被扫入到驱动RC节点的虚拟电源中， 从而有助于形成深耗尽区。栅极432下的表面电势由下式得出：
[00；3 引 川
[0039]其中Vrc为栅极432的电压，Vfb为平带电压，φ&为表面电势，Es为娃介电常数，q为电 子电荷，Να为衬底渗杂浓度，Cdx为氧化物电容。像素光电流Iph可由下式表示：
[0040] Iph=IPD+lRc [2]
[0041] 其中Ipd为光电二极管电流并且Irc为RC栅极电流。运两种电流的比率可通过下式 估算：
[0042]
引
[00创其中Wpd为PD耗尽区的体积并且Wr功RC栅极耗尽区的体积。
[0044] 具有接收装置(诸如由响应度控制栅极控制的二极管连接M0S晶体管）的像素提供 控制光电二极管电流的能力W及相应的导致像素饱和的最大光强度。该特征可用于高动态 范围和机器视觉应用，特别是当脉冲L邸光禁止使用短积分时间时。使用偏置到虚拟电源节 点的二极管连接晶体管有助于串扰降低。此外，响应度控制栅极还可用于白平衡目的。
[0045] 图5W在第一偏置条件下的对应势阱图500示出图4的像素400的横截面。第一偏置 条件对应于在低电势处的信号Vrc。势阱520由光电二极管420的阴极形成，并且导致光电荷 在积分周期内积聚。Vrc的低值形成显著势垒W使得基本上没有电子能够到达漏极区域434， 并且基本上所有累积的光电荷都保留在阴极422下的势阱520中。
[0046] 图6W在第二偏置条件下的对应势阱图600示出图4的像素400的横截面。第二偏置 条件对应于在中电势处的信号Vrc。势阱620再次由光电二极管420的阴极形成，并且导致光 电荷在积分周期内积聚。Vrc的中电压形成在栅极432下的小势阱632,并且一些电子能够到 达漏极区域434。因此，在中电势偏置处，像素400W比低偏置处更高的照明水平饱和。
[0047] 图7W在第Ξ偏置条件下的对应势阱图700示出图4的像素的横截面。第Ξ偏置条 件对应于在高电势处的信号Vrc。势阱720再次由光电二极管420的阴极形成，并且导致光电 荷在积分周期内积聚。Vrc的高电压形成在栅极432下的大势阱732,并且许多电子能够到达 漏极区域434。因此，在中电势偏置处，像素400W比中偏置处更高的照明水平饱和。
[0048] 饱和电平随增加的Vrc电压单调地增加。该增加无需是线性的，并且时序和控制电 路320可从查找表选择偏置电压Vrc W对应于所需饱和电平。
[0049] 因此，具有可调整响应度的像素包括接收装置，诸如二极管连接M0S晶体管，该接 收装置可被动态地偏置W控制响应度，W及因此控制图像传感器的场景内动态范围。由此 类像素形成的图像阵列响应于一个或多个响应度控制信号W基于场景的"照明水平"增加 或减小阵列的响应度或阵列的特定部分的响应度。
[0050] 上文所公开的主题被视为示例性的而非限制性的，并且所附权利要求旨在涵盖落 在权利要求真实范围内的所有此类修改、改进和其他实施例。例如，在其他实施例中，半导 体衬底、光电二极管和晶体管的导电类型可W反转。此外，图像传感器和图像处理系统可用 于增加各种不同电子产品的动态范围。
[0051] 在一种形式中，图像传感器或用于图像感测中的像素包括光电探测器、接收装置， W及读出电路。根据一个方面，图像传感器的光电探测器包括内埋光电二极管。在运种情况 下，根据另一个方面，内埋光电二极管包括钉扎光电二极管。
[0052] 在另一种形式中，用于将入射光转化成电信号的方法包括响应于入射光而收集电 荷收集区域中的电荷，响应于响应度控制信号的电平将电荷中的一部分转向到漏极，W及 从电荷收集区域读出剩余电荷。根据该方法的一方面，读出包括将剩余电荷转移到浮置扩 散区，w及响应于浮置扩散区上的电荷而提供输出线上的电压。根据另一方面，读出还包括 将浮置扩散区的电压复位到预定电压，然后转向。在运种情况下，根据该方法的另一方面， 读出还包括在复位之后对浮置扩散区上的电压进行采样，在读出剩余电荷之后对浮置扩散 区上的电压进行采样，W及从读出所述剩余电荷之后的浮置扩散区上的电压减去复位之后 的浮置扩散区上的电压W形成像素输出信号。
[0053]因而，在法律允许的最大程度上，本实用新型的范围由W下权利要求书及其等价 内容所容许的最宽泛解释所确定，并且不应受到前述详细说明的约束或限制。
【主权项】
1. 一种图像传感器(300)，所述图像传感器包括像素阵列（310)，其特征在于所述像素 阵列的每个像素(400)包括： 光电探测器(420)，所述光电探测器在半导体衬底(410)中形成， 并且具有用于接收代表入射光的光电荷的电荷收集区域(422); 接收装置(430)，所述接收装置在所述半导体衬底(410)中而且邻近所述电荷收集区域 (422)形成，所述接收装置具有覆盖在所述半导体衬底(410)上并与所述半导体衬底绝缘、 接收响应度控制信号的栅极(432);以及 读出电路(440)，所述读出电路响应于选择信号将由所述光电探测器(420)的所述电荷 收集区域(422)收集的所述光电荷转移到输出。2. 根据权利要求1所述的图像传感器(300)，其特征在于所述接收装置(430)还包括用 于接收所述响应度控制信号的漏极。3. 根据权利要求1所述的图像传感器(300)，其特征在于所述接收装置(430)在所述电 荷收集区域(422)的第一侧，并且所述读出电路(440)在所述电荷收集区域(422)的与所述 第一侧相背对的第二侧。4. 根据权利要求1所述的图像传感器(300 )，其特征在于还包括： 用于响应于所测得的照明水平来提供所述响应度控制信号的可变电压源(320)。5. 根据权利要求1所述的图像传感器(300)，其特征在于： 所述入射光包括入射到所述半导体衬底(410)的背表面(414)上的光。6. 根据权利要求1所述的图像传感器(300)，其特征在于所述读出电路(440)包括： 转移栅极(442)，所述转移栅极邻近所述光电探测器(420)并且形成于所述半导体衬底 (410)的前表面(412)中而且与所述半导体衬底的所述前表面绝缘，所述转移栅极用于形成 从所述电荷收集区域(422)到浮置扩散区(444)的导电通道;以及 源极跟随器晶体管(450)，所述源极跟随器晶体管具有耦接到电源电压端子的漏极，耦 接到所述浮置扩散区（444)的栅极， 以及用于提供像素输出信号的源极。7. -种用于图像感测的像素(400)，其特征在于包括： 光电探测器(420)，所述光电探测器具有用于接收代表入射光的光电荷的电荷收集区 域(422); 接收装置(430)，所述接收装置具有耦接到所述电荷收集区域(422)的源极，用于接收 响应度控制信号的栅极(432)，和漏极(434);以及 读出电路(440)，所述读出电路具有耦接到所述电荷收集区域(422)的输入，以及耦接 到输出导体(452)以用于向其提供像素输出的输出。8. 根据权利要求7所述的像素(400)，其特征在于所述接收装置(430)的所述漏极耦接 到其所述栅极。9. 根据权利要求7所述的像素(400)，其特征在于所述接收装置(430)在所述电荷收集 区域(422)的第一侧，并且所述读出电路(440)在所述电荷收集区域(422)的与所述第一侧 相背对的第二侧。10. 根据权利要求7所述的像素(400)，其特征在于所述读出电路(440)包括： 转移栅极(442)，所述转移栅极用于将剩余电荷从所述电荷收集区域(422)转移到浮置 扩散区（444); 源极跟随器晶体管(450)，所述源极跟随器晶体管具有耦接到电源电压端子的漏极，耦 接到所述浮置扩散区（444)的栅极， 和用于提供像素输出信号的源极；以及 复位栅极(446)，所述复位栅极用于响应于复位信号的激活而将基准电压端子耦接到 所述浮置扩散区（444)。
【文档编号】H04N5/369GK205692832SQ201620611134
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月21日 公开号201620611134.1, CN 201620611134, CN 205692832 U, CN 205692832U, CN-U-205692832, CN201620611134, CN201620611134.1, CN205692832 U, CN205692832U
【发明人】N·博克
【申请人】半导体元件工业有限责任公司