用于RGBZ图像传感器的RGBZ像素单元信元的制作方法

本发明通常涉及成像技术，且更具体地，涉及用于第一和第二Z传输门。

背景技术：

图1示出了图像传感器100的基本元件。如图1所示，图像传感器包括具有组成像素信元(cell)102的像素阵列101。行解码器103具有联接到像素信元102的行的输出，其联接到像素阵列101。感测放大器104也联接到像素阵列101的列的输出。图像传感器100还包括联接在感测放大器104下游的模数电路105。图像传感器100还包括定时和控制电路106，其负责产生指示图像传感器100的操作的时钟和控制信号。

技术实现要素：

描述了一种图像传感器。图像传感器包括具有包括可见光光电二极管和红外光电二极管的单元信元的像素阵列。可见光光电二极管和红外光电二极管联接到像素阵列的特定列。单元信元具有联接到可见光光电二极管的第一电容器，以存储来自每个可见光光电二极管的电荷。单元信元具有读出电路以在特定列上提供第一电容器的电压。单元信元具有第二电容器，其通过传输门晶体管联接到红外光电二极管，以在飞行时间曝光期间从红外光电二极管接收电荷。单元信元具有联接到红外光电二极管的背漏晶体管。

描述了一种设备，其具有第一装置，用于将第一电荷从已经接收到第一类型可见光的第一光电二极管传输到存储电容器中，并且在像素阵列的列处读出所述存储电容器的第一电压的。该装置还具有第二装置，用于将第二电荷从已经接收到第二类型可见光的第二光电二极管传输到所述存储电容器中，并且在所述像素阵列的列处读出存储电容器的第二电压。该装置还具有第三装置，用于将第三电荷从已经接收到第三类型可见光的第三光电二极管传输到所述存储电容器中，并且在所述像素阵列的列处读出存储电容器的第三电压。该装置还具有第四装置，用于将第四电荷从已经在飞行时间曝光期间接收到红外光的第四光电二极管传输到第二存储电容器中，并且在所述像素阵列的列处读出所述第二存储电容器的第四电压。

附图说明

以下描述和附图用于说明本发明的实施例。在附图中：

图1示出了图像传感器(现有技术)的图示。

图2示出可见光像素信元的图示；

图3示出Z像素信元的图示；

图4示出具有RGBZ像素的像素阵列的图示；

图5示出了第一RGBZ像素信元设计的第一维恩图；

图6示出符合图5的维恩图的RGBZ像素单元信元的实施例。

图7a和7b示出了图6的RGBZ像素单元信元的布局实施例。

图8示出了用于第二RGBZ像素单元信元设计的第二维恩图；

图9示出了符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元的第一实施例。

图10a和10b示出了图9的RGBZ像素单元信元的布局实施例。

图11示出符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元的第二实施例。

图12a和12b示出了图11的RGBZ像素单元信元的布局实施例。

图13示出符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元的第三实施例。

图14a和14b示出了图13的RGBZ像素单元信元的布局实施例。

图15示出了由RGBZ像素单元信元执行的方法；

图16a至16g示出了RGBZ像素信元的制造方法；

图17示出相机系统的实施例；

图18示出了计算机系统的实施例。

具体实施方式

图2示出了用于可见光像素的电路设计202。如图2所示，首先，通过导通复位晶体管Q1而清除电容器201的负电荷(其使得电容器的电压达到电源电压V_pixel)。在电容器的负电荷被清除且传输门晶体管Q2关断时，曝光时间(exposure time)开始，其中根据在曝光时间中接收的光强度和曝光时间的长度，光敏光电二极管203产生和收集负电荷(电子)。

在曝光时间之后，传输门晶体管Q2导通，其将收集在光电二极管203中的负电荷传输到电容器201。将负电荷传输到电容器201影响电容器的电压(电容器201接收的负电荷越多，则其电压越低)。在光电二极管的负电荷已经传输到电容器201之后，启用行选择(row select)控制信号，其导通行选择晶体管Q3，其允许联接到像素信元的列输出部下游的感测放大器感测电容器电压。电容器的电压读数随后被数字化且用作对通过光电二极管203接收的光强度的表示。过程随后重复。

通常，行选择信号导通像素阵列中沿同一行的每个像素信元的行选择晶体管Q3。行选择信号“滚动(scroll)”过阵列的各行，以接收整个阵列的图像。在“全局快门(global shutter)”模式的情况下，在阵列中的所有像素信元上曝光时间是同时的(且图像不应该具有任何与人为影像(artifact)相关的运动)。在“卷帘快门(rolling shutter)”模式的情况下，像素信元的曝光时间是分阶段的，例如以逐行的方式(其可允许运动人为影像的存在)。

存储电容器201的存在允许曝光定时与行选择激活和存储电容器201读出的定时解除联接。换句话说，在曝光且电荷传输到存储电容器201中之后，存储电容器的电压可在被读出之前保持一定时间段。结果，支持每次存储电容器读出多个曝光时间的图像传感器架构是可存在的。即，仅作为一个例子，图像传感器可以构造为，对于根据行选择激活的存储电容器201的每次读出，存在与电荷向存储电容器201的三次相应传输相对应的三次曝光。

图3显示了用于图像传感器的“Z”像素302的电路设计，所述图像传感器使用“飞行时间(time-of-flight)”技术捕获深度信息。在飞行时间图像捕获的情况下，通常，光源将红外(IR)光从相机系统发射到物体上，且针对像素阵列的多个像素信元每一个测量光发射和在像素阵列上接收到其反射图像之间的时间。通过飞行时间像素产生的图像对应于物体的三维轮廓，特征在于不同像素位置中的每一个(x，y)处的独特深度测量(z)。

如图3所示，Z像素设计302包括与针对可见光像素信元202如上所述地类似地操作的存储电容器301、复位晶体管Q1、传输门晶体管Q2、光电二极管303和行选择晶体管Q3。传输门晶体管Q2在曝光时间期间在曝光过程中按照时钟信号导通和关断。在Z像素301的曝光时间期间按照时钟信号控制传输门晶体管Q2是飞行时间技术的人为影像。在通常方法中，同一Z像素302在四次不同的复位、曝光时间和读出顺序中设置有四个不同时钟(其每一个的相位按90°分开)。随后，四次不同的电荷收集读出被组合，以计算针对该像素的飞行时间深度值。

在曝光时间本身期间，如上所述，传输门晶体管Q2在时钟信号的控制下导通和关断。如此，在曝光顺序期间电荷从光电二极管303多次传输到存储电容器301。在传输门晶体管Q2关断时的半个时钟循环期间，“背漏(back-drain)”晶体管Q4导通，以使得电荷从光电二极管304流动到V_pixel电源节点。控制背漏晶体管Q4的时钟与控制传输门晶体管Q2的时钟成180°的异相位，使得一个导通时，另一个关断。

如此，在曝光时间过程中，流动出光电二极管的电荷在流动通过传输门晶体管Q2和流动通过背漏晶体管Q4之间来回改变方向。但是，应注意，在Z像素信元曝光时间的期间，导通和关断传输门晶体管Q2在功能上类似于如上所述的具体可见像素信元实施例，其中，对于每次行选择读出，存在多次曝光和向存储电容器201的相应电荷传输。

图4显示了具有像素信元402的像素阵列401的实施例，其包括可见光像素R、G和B和Z像素。虽然具体实施例显示了红色(R)、蓝色(B)和绿色(G)像素作为可见光像素，但是其他实施例可以使用不同颜色像素方案(例如蓝绿色、紫红色和黄色)。出于简单的目的，本发明的其余部分将主要对RGB可见光像素方案做出描述。

单元信元402布局设计的难度在于，使得二极管的表面积扩展(以增强光学敏感度)，而同时保留足够半导体表面积空间以将与像素单元信元电路设计相关联的晶体管布置为靠近单元信元或位于单元信元内(例如，在这种接近是适当的或必要的情况中)。即，这种晶体管占用的空间越多，则用于收集光的空间越少，反之亦然，用于收集光的空间越多，则用于放置晶体管的空间越少。

额外的问题是，通常，用于可见光像素设计的存储电容器应该较小，以在读出期间降低噪声，而用于Z像素设计的存储电容器应该较大，以促进更大的红外光检测像素容量。

一种方案是让可见光像素共享同一存储电容器，且，针对Z像素引入第二存储电容器。在可见光像素共享同一存储电容器的情况下，可节省空间，否则这种空间将被所取消的存储电容器所占用。还可以使共享存储的像素变小，以与降低可见光像素的读出信号噪声的期望相一致。另外，用于Z像素的第二存储电容器可以设置为大于用于可见光的存储电容器，这与具有较大的红外检测像素容量的期望一致。

图5显示了用于RGBZ像素信元设计的维恩图(Venn diagram)500，其与该方法相符。如图5所示，R、G和B像素每一个使用同一存储电容器C1。相比之下，Z像素具有其自己的存储电容器C2，该C2具有比电容器C1更大的电容。

图6显示了用于RGBZ像素信元600的设计的实施例，其符合图5的维恩图500。如图6所示，用于R、G和B二极管每一个的相应传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B联接到同一存储电容器C1。除了合并的RGB像素电路601之外，存在独立不同的Z像素电路602。合并的RGB像素电路601和Z像素电路602二者具有其自身的相应读出电路，读出电路联接到同一阵列的列603。如此，例如，同一感测放大器可以感测来自两像素电路601、602的读出电压。

C1和C2电容器的相应电压的读出在不同施加进行(即它们不能同时地被读出)。另外，因为共享C1电容器，所以针对可见光二极管的读出针对不同颜色在不同施加进行。连续进行可见光读出，例如首先读出红色，随后读出绿色，随后读出蓝色，且随后该过程重复。通过R、G和B二极管收集的电荷可同时地(或逐次地)积累。

然而，从任何具体可见光光电二极管到电容器C1的电荷传输隔离地进行(即如果出于测量入射光的目的而将RGB传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B中的任何一个导通，则另两个传输门晶体管关断)。由此连续而不是并行地将电荷传输到C1(类似于从C1读出)。通过同时启用传输门晶体管和复位晶体管Q1_RGB，清除在可见光光电二极管中收集的电荷。在这种情况下，通过启用Q2_R、Q2_G、Q2_B晶体管和复位晶体管Q1_RGB每一个，可同时地清除多个可见光二极管。

根据一个实施例，针对RGB像素电路实施随后的定时方案。首先，在行选择晶体管关断时，通过激活复位晶体管，清除电容器C1的电荷。通过启用要被清除的每一个光电二极管的相应传输门晶体管，一个或多个可见光二极管中的电荷可与C1同时地清除。在具体可见光光电二极管曝光时间期间，其传输门晶体管关断。随后，通过在其他传输门晶体管以及复位和行选择晶体管关断时激活一光电二极管的传输门晶体管，来自该光电二极管的电荷被传输到C1。随后通过激活被关断的复位晶体管Q1_RGB和行选择晶体管Q3_RGB(所有三个传输门晶体管也可以被关断)，感测从第一光电二极管而来的C1上的电压。C1上的电荷随后经由复位而被清除，且针对其他二极管每一个，该过程重复两次以上。整个过程随后重复。

根据一个实施例，针对Z像素电路602实施以下时间方案。在行选择晶体管Q3_Z关断的情况下，通过激活复位晶体管Q1_Z而清除电容器C2上的电压。传输门晶体管或背漏晶体管Q2_Z、Q4_Z中任一个也可以导通，以清除Z光电二极管中的任何电荷。曝光时间随后开始，其中第一时钟信号被应用于传输门晶体管Q2_Z的栅极，且与第一时钟信号成180°异相的第二时钟应用于背漏晶体管Q4_Z的栅极。对于与激活传输门晶体管Q2_Z的逻辑电平对应的第一时钟循环的那些部分(例如50％)，电荷从Z光电二极管传输到C2。对于第二时钟信号中的与用于激活背漏晶体管Q4_Z的逻辑电平对应的其余部分，电荷从Z光电二极管传输到Vpix电压源端子。

在曝光时间之后，两时钟信号被抑制(squelched)以关断传输门晶体管Q2_Z和背漏晶体管Q4_Z，且复位晶体管Q1_Z保持关断。随后，行选择晶体管Q3_Z导通，使得电容器C2上的电压可被感测。该过程随后再重复三次，使得具有0°、90°、180°、和270°相位的第一时钟信号(和相应第二时钟信号)的四种不同情况已经应用于Z像素电路。针对四种不同相位从电容器C2而来的读出在下游被处理，以确定用于Z像素的深度值。用于下一组0°、90°、180°和270°时钟信号的整个过程随后被重复，以用于下一个Z像素深度值。

在操作中，RGB像素信元电路601和Z像素信元电路602可以串行或并行运行，只要其相应读出以不同次数进行即可。同样，R、G和B像素值可以以与Z像素值相同的速率(rate)或以不同速率产生。然而，在更高性能的实施例中，由于更长的Z像素曝光时间，R、G和B像素值比Z像素值更频繁地产生(在Z曝光时间期间进行多个R、G和B像素读出)。如果R、G和B像素与Z像素相比以相同或更慢的速率获得读出，则用于R、G和B像素的传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B也可以用作背漏晶体管，以清除R、G和B二极管的电荷(所述电荷可能在较长的Z曝光期间积累)。这里，RGB传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B和RGB复位晶体管Q1_RGB被激活，以使得电容器C1上的电压达到Vpix电源电压电平，且允许电荷离开光电二极管而进入电容器C1。

图7a和7b显示了用于R、G、B和Z二极管以及传输门晶体管Q2_R、Q2_G_Q2_B、和Q2_Z、背漏晶体管Q4、C1和C2电容器的两个不同布局的实施例。这里，因为传输门晶体管和背漏晶体管直接联接到光电二极管，所以它们通常与二极管集成在同一半导体表面积中。RGB像素电路和Z像素电路的其他晶体管可以例如位于像素阵列的外围或在像素阵列的表面积中的宏信元(例如RGBZ信元组)的外围处。若以光电二极管表面积为代价，一个或多个其他晶体管也可以集成在RGBZ单元中。

如图7a和7b所示，用于RGB像素信元电路的传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B位于R、G和B二极管的对角处，C1电容器形成在一区域中，该区域存在于用于三个传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B每一个的有源区域处、、正好存在于有源区域之外、或靠近有源区域存在。用于Z光电二极管的传输门晶体管和背漏晶体管Q2_Z、Q4形成在Z光电二极管的角部处，而非面向C1和RGB传输门晶体管的角部处。C2形成在一区域中，该区域存在于Z传输门晶体管的有源区域处、正好存在于有源区域之外、或靠近有源区域存在。

在图7a和7b中，用于Q2_R、Q2_G、Q2_B、Q2_Z和Q4晶体管的栅电极可以近似地放置在它们相应的光电二极管的附近或边缘处。在一个实施例中，用于这些晶体管中的每一个的第一源极/漏极区域与其相应的光电二极管在空间上集成(例如，通过使它的置入位于光电二极管内)。在相同或不同的实施例中，取决于特定晶体管，这些晶体管的第二源极/漏极区域与C1，C2或Vpix在空间上集成。例如，在晶体管联接到C1或C2的情况下，晶体管的源极/漏极区位于用于形成C1和C2的植入物中和/或接收作为C1或C2的电极的触点。在晶体管联接到Vpix的情况下，晶体管的源极/漏极区域接收连接到Vpix电源电压电位的触点。

图7a和7b在以下方面不同：Z像素的三个“可用”的角部(即，不面向RGB传输门晶体管和C1)中的两个由Z像素传输门晶体管Q2_Z和背漏晶体管Q4_Z占用。另一个实施例(未示出)对应于图7a的实施例，其中传输门晶体管Q2_Z和电容器C2的位置与背漏晶体管Q4的位置交换。另一实施例(也未示出)对应于图7b的实施例，其中传输门晶体管Q2_Z和电容器C2的位置与背漏晶体管Q4的位置交换。

在各种实施例中，C1和C2电容器两者可以至少部分地形成为扩散电容。通过具有与C1不同的任何植入物、具有比C1更大的表面积、或者具有比C1更多(例如，广泛，精细，更大)的金属结构，可以使C2大于C1，使得其基本上具有比C1更大的电极板表面积。

图8示出了用于另一RGBZ像素单元信元的维恩图800，其中可见光像素共享同一电容器C1，并且引入用于Z像素的第二电容器C2。然而，与图中所示的方法不同，图8的方法中的Z像素不仅具有其自己的较大电容器C2，而且共用电容器C1，或者以某种方式至少联接到电容器C1。在Z像素实际使用C1作为来自Z光电二极管的电荷的存储节点的设计中，可以仅使用单个读出电路(即，RGB和Z像素电路使用同一读出电路，因为这些电路在存储电容节点处联接)。

图9示出了与图8的维恩图符合的RGBZ像素单元信元的实施例900。如图9所示，用于R、G和B光电二极管中的每一个的各个传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B联接到同一存储电容器C1。除了合并的RGB光电二极管、传输门和C1电容电路，还存在分开的不同Z光电二极管、传输门和C2电容电路。然而，合并的RGB电路和Z电路通过晶体管Q5联接在一起，使得在Z像素曝光期间，来自Z光电二极管的电荷可以被传输到电容器C2和C1两者中。其具有的效果是将用于Z像素的电容增加到C1+C2。在一实施例中，C2具有比C1大的电容。在另一个实施例中，C1和C2具有大致相同的电容。

RGB和Z电路之间通过晶体管Q5的联接允许两个像素电路共享同一个读出电路。这里，晶体管Q5基本上用于在Z像素的曝光期间和在Z像素读出期间在电容器C1和C2之间建立共用节点。因此，在一实施例中，在Z像素曝光期间和在Z像素读出期间，晶体管Q5导通(但是，例如，否则为关断)。

RGB像素信元主要如上文针对图3所描述的那样操作。然而，应注意，通过Z像素电路使用电容器C1，导致通过RGB复位晶体管对电容器C1进行额外复位。具体地，在已经读出用于其中一种可见光像素的电容器C1上的电压之后，将发生电容器C1的复位，以使得电容器C1准备用于从Z光电二极管接收电荷(该复位在图6的实施例中不存在。在复位之后，在电容器C1中从Z光电二极管接收电荷，并且读出电容器C1和C2上的电压。电容器C1然后被再次复位，以使其准备用于从可见光光电二极管接收电荷。

Z像素信元也主要如上针对图6所述的那样操作。然而，这里，如上所述，在Z像素的曝光期间，晶体管Q5也被激活以允许电荷从Z光电二极管传输到电容器C1。晶体管Q5保持激活，直到读出电容器C1和C2上的电压。

由于RGB像素信元和Z像素信元之间的联接，与图6的电路相比，两个信元不太能够在另一个信元内孤立地和并行地操作。也就是说，尽管图6的RGB和Z像素电路601、602可以完全同时操作并且彼此不参考(除了它们不能被同时读出)，但是相比之下，在图9的方法中，在Z像素曝光期间，来自R、G或B光电二极管的电荷不能传输到C1中。由于Z曝光可能需要延长的时间段(因为在四个不同的时钟相位进行曝光)，所以背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B分别联接到R、G和B光电二极管中的每一个，以清除电荷(这种电荷会在Z像素曝光期间累积)。因此，在一实施例中，晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B在R、G、B像素曝光期间关断，但在Z像素曝光期间导通。

图10a和10b示出了用于图9的电路的RGBZ单元信元布局实施例。作为与针对图6电路的图7a和图7b的实施例的比较点，图10a和10b还示出了用于可见光像素的背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B。晶体管Q5不直接联接到光电二极管，且因此可以放置在阵列的外围、宏信元的外围或在具有光电二极管表面积尺寸的相应损失的单元信元内。

图10a和10b在Z像素传输门晶体管Q2_Z和四个背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B、Q4_Z占据的Z像素的三个“可用”角部(即，不面向RGB传输门晶体管和C1)中的两个的方面不同。另一个实施例(未示出)对应于图10a的实施例，其中背漏晶体管Q2_Z和电容器C2的位置与四个背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B、Q4_Z的位置交换。另一实施例(也未示出)对应于图10b的实施例，其中背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B、Q4_Z和电容器C2的位置与背漏晶体管Q2-Z的位置交换。

应注意，在图10a的实施例中，像素单元信元可被视为具有位于信元的相反侧上的两个不同Vpix物理节点的“内部一半(inner halves)”。也就是说，每个Vpix物理节点由两个相邻像素单元信元共享。相反，在图10b的实施例中，像素单元信元可以被视为具有位于像素单元信元的四个不同角部处的四个不同Vpix物理节点的“内部四分之一”。也就是说，每个Vpix物理节点由四个不同的像素单元信元共享。

图11示出了符合图8的维恩图的另一个实施例。如图11所示，Z像素信元通过背漏晶体管Q4实现对电容器C1的使用。然而，这里，电容器C1不用作Z光电二极管的存储节点，而是用作Vpix电源电压节点。因此，电容器C1用于在Z曝光期间根据其正常/传统操作来支持背漏晶体管Q4。通过激活RGB像素信元电路的复位晶体管Q1_RGB，可以使C1电容器处于Vpix电压电平。因此，在图11的实施例中，RGB复位晶体管Q1_RGB不仅在R、G或B曝光之前复位C1而且在Z曝光期间也被激活，以迫使电容器C1充当Vpix电压节点，以支持Z像素背漏晶体管Q4的操作。

关于可见光RGB光电二极管何时可以将电荷传输到电容器C1以及电容器C1何时可以被读出的限制与针对图9如上所述的类似。也就是说，RGB像素信元和Z像素信元在它们如何同时彼此隔离地操作方面受到限制。具体地，R、G或B光电二极管在Z曝光期间不能使其电荷传输到电容器C1。然而，在Z曝光期间使用C1作为Vpix电压节点消除了用以清除来自Z光电二极管的电荷的电容器C1(上文参考图9所述)的额外复位序列。也就是说，在Z曝光期间将电容器电压设置为Vpix，电容器C1在Z曝光期间有效地保持在复位电平，并且因此准备好在Z像素曝光和电荷传输到C2之后立即从R、G或B像素接受电荷。

图11的实施例具有用于电容器对C1和C2的单独读出，因为前者用于接受来自RGB光电二极管的电荷，后者用于存储来自Z光电二极管的电荷。与图9的方法不同，图11的方法中的每个RGB光电二极管不需要背漏晶体管，因为在Z曝光期间由RGB光电二极管累积的任何溢出电荷可以通过其相应的传输门晶体管排入电容器C1。因此，RGB传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B不仅用作传输门晶体管，而且用作背漏晶体管。因此，在一个实施例中，RGB传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B不仅在它们各自的光电二极管的电荷传输期间而且在Z曝光期间都是激活的。

图12a和12b示出了用于图11的电路设计的不同RGBZ像素信元布局实施例。因为图11的方法不包括联接到特别形成的Vpix电源电压节点的背漏晶体管，与前述实施例不同，所以图12a和12b的布局方法不包括Vpix电压节点。另外，用于Z光电二极管的背漏晶体管Q4直接联接到电容器C1。应注意，Z传输栅极Q2_Z可以占据未被背漏晶体管Q4占用的Z光电二极管的三个角部中的任何一个。

应注意，针对图6、9和11的电路设计实施例如上所述的各个晶体管的各种激活/去激活方案可以由图像传感器定时和控制电路实现，图像传感器定时和控制电路联接到这些晶体管中的每一个并向其提供控制信号以建立其导通/关断状态。

还应注意，RGBZ单元信元应当适当地将进入其相应像素的光过滤。也就是说，在一个实施例中，R光电二极管应当通过在其上方形成基本上仅让红光通过的滤光器结构来接收红光，G光电二极管应当通过在其上方形成基本上仅让绿光通过的滤光器结构来接收绿光，B光电二极管应当通过在其上方形成基本上仅让蓝光通过的滤光器结构而接收蓝光，并且Z光电二极管应当通过在其上方形成基本上仅让红外光通过的滤光器结构来接收红外光。

图13示出了符合图8的维恩图的RGBZ像素信元设计方法的两个实施例1301、1302。如图13所示，实施例1301、1302二者包括第二传输门晶体管Q2_Z_2，以增加在Z曝光期间收集的电荷量。也就是说，如在典型的实施例中那样，Z光电二极管联接到传输门晶体管和背漏晶体管。在Z曝光期间，第一时钟信号被施加到传输门晶体管，并且第二时钟信号被施加到背漏晶体管，其中第一和第二时钟具有180°的相位差。这样，当第一时钟接通传输门晶体管时，电荷被传输到存储电容器中，该存储电容器随后被读出以检测接收的光强度。相反，当第二时钟接通背漏晶体管时，电荷被传输到电源节点中。

进入电源节点的电荷流可以被视为是能降低Z像素的灵敏度的信号损失。相比之下，图13的实施例1301、1302将第一和第二时钟信号施加到分别联接到电容器C2和C1的第一和第二传输门晶体管Q2_Z_1、Q2_Z_2。因此，在Z曝光期间，当第二时钟信号接通Q2_Z_2时，传统上将在背漏期间流到电源节点的电荷将改为流入电容器C1。因此，在Z曝光期间收集更多的电荷，导致更敏感的Z像素。

在读出期间，感测C1上的电压，然后感测C2上的电压(或首先感测C2，然后感测C1)。在下游(例如，在感测放大器下游的模拟、数字或混合信号电路)，两个电压读数被组合以在Z曝光期间产生用于时钟信号对的单个读数。然后，该过程重复，例如按照与刚刚施加的第一和第二时钟信号对相差90°的时钟对再重复一次。在一实施例中，使电容C1近似等于电容C2，使得来自电容器对C1、C2的相同电压读数对应于相同的接收电荷量。

对于读出来说，第一实施例1301与第二实施例1302的不同之处在于，第一实施例1301具有一个读出电路，而第二实施例1302具有用于电容器C1和电容器C2中的每一个的分离的读出电路。第一实施例1301包括晶体管Q5，以在电容C2上的电压被感测时将C2联接到读出电路。第一实施例1301还包括单个复位晶体管Q1，以复位C1和C2。通过在复位期间保持Q5激活，可以同时复位C1和C2(例如，在Z曝光之后两者都被读出之后)。

在一实施例中，第一实施例1301在Z曝光期间保持晶体管Q5关断。在Z曝光期间，时钟信号对被施加到Q2_Z_1和Q2_Z_2，以分别交替地将电荷传输到C2和C1。此外，RGB传输门晶体管关断，并且RGB背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B导通，以防止在Z曝光期间来自RGB像素的溢出(blooming)。

当Z曝光完成时，Q5保持关断，同时通过激活读出电路的行选择信号(RS)来感测C1上的电压。在读出C1上的电压之后，晶体管Q5导通以将C2联接到读出电路。然后感测C2上的电压。在已经感测到C1和C2上的电压之后，Q5保持接通以将C1和C2两者联接到复位晶体管Q1。然后复位晶体管Q1被激活以清除C1和C2上的电荷。然后晶体管Q2_Z_2和Q5关断，以使Z像素与RGB像素脱离联接，例如，准备RGB曝光。

在RGB曝光期间，Z传输门晶体管Q2_Z_1和Q2_Z_2都关断，并且Z背漏晶体管Q4_Z导通。根据上述实施例，RGB传输门晶体管被激活，背漏晶体管被去激活。例如，在一个实施例中，一个RGB像素被曝光，而其他两个RGB像素不被曝光。也就是说，对于被曝光的RGB像素，背漏晶体管关断，并且传输门晶体管导通，而对于没有被曝光的其他两个像素，背漏晶体管导通，且传输门晶体管关断。来自曝光的光电二极管的电荷被传输到C1中，并读出C1上的电压。C1上的电压然后被清除，并且例如可以发生另一RGB的曝光(对于未曝光的像素中的一个)或可以发生Z曝光。

在第二实施例1302的情况下，由于分离的读出和复位电路，去除了晶体管Q5。在Z曝光期间，门晶体管Q2_Z_1由第一时钟信号控制，并且电荷从Z光电二极管流入C2。此外，传输门晶体管Q2_Z_2由第二时钟信号控制，并且电荷从Z光电二极管流入C1。在Z曝光之后，读出电路之一被激活以感测电容器中的一个上的电压(另一个读出电路被去激活)。在第一读出之后，激活另一读出电路(第一读出电路被去激活)以感测第二电容器上的电压(此时第一电容器可以被复位)。在已经读出两个电容器之后，复位后一电容器或两个电容器上的电压。其他方面，操作是如上面对于第一实施例所讨论的操作。

图14a和14b示出了图13的实施例1301、1302的布局实施例。如图14所示，R、G和B传输晶体管门联接在R、G和B光电二极管和C1之间，如在先前的布局实施例中。然而，与先前实施例不同，第二Z像素传输门晶体管门Q2_Z_2联接在Z光电二极管和C1之间。该特定布局方法至少可以利用第二实施例实现。在前面的布局实施例中已经讨论了其他观察到的布局特征。

图15示出了由上述RGBZ像素信元实施例执行的方法。该方法包括将电荷从已经接收到第一类型可见光的第一光电二极管传输到存储电容器中，并在像素阵列的列处读出存储电容器的第一电压(1501)。该方法还包括将电荷从已经接收到第二类型可见光的第二光电二极管传输到存储电容器并且在像素阵列的列处读出存储电容器的第二电压(1502)。该方法还包括将电荷从已经接收到第三类型可见光的第三光电二极管传输到存储电容器，并在像素阵列的列处读出存储电容器的第三电压(1503)。该方法还包括将电荷从已接收到红外光的第四光电二极管传输到第二存储电容器，并在像素阵列的列处读出第二存储电容器的第四电压(1504)。

图16a至16e示出了用于制造具有如上针对图4至图15描述的任何RGB单元信元设计策略的图像传感器的方法，并且还包括与这些设计一致的RGBZ滤光器结构。图16a示出了沿着具有一对可见光像素(如图16a所示的R和G)的像素阵列的轴线的、图像传感器的截面剖切图。这里，半导体基板1601示出了R和G光电二极管的感光区域的大致位置。沉积在基板上的金属化部分1602形成晶体管栅极和源极/漏极触点，且沉积在基板上方的金属化部分形成与像素信元单元设计和其他图像传感器电路相关联的晶体管和电路互连。金属化部分和晶体管结构可以形成为针对图4到14a、b描述的各种特征中的任何特征。

在互连金属化形成部分之后，如图16b所示，在下层结构上方的表面上形成有媒染(mordent)或透明层1603。然后，通过在适当的区域中将该层染色成适当的颜色，在媒染或透明层1603中形成第一类型的可见光过滤器1604(例如，如图16b所示的红色“R”过滤器)。具体地，如图16b所示，媒染/透明层的R像素区域被染成红色。可通过将染料通过光致抗蚀剂掩模热转印到媒染层中然后剥离掩模，或通过光致抗蚀剂掩模将染料吸入透明层然后剥离掩模，来实现染色。这里，光致抗蚀剂和掩模被图案化，以便让目标的区域(R像素区域)曝光并且阻挡其他区域(G、B和Z区域)。具体地，光致抗蚀剂沉积或涂覆在媒染/透明层上。然后通过特征为R像素区域的掩模让光致抗蚀剂曝光。然后蚀刻光致抗蚀剂，以让像素阵列的R区中的下层的透明/媒染层曝光。

如图16c所示，通过例如用如上所述的技术将透明/媒染层1603的适当(G)像素区域染成绿色，在互连金属化部分上形成第二类型的可见光滤光器1605(例如，如图16c所示的绿色“G”滤光器)。图16d示出了在根据用于形成如上所述的R和G像素的相同技术(为了便于绘制，背景技术中的已经形成的R和G过滤器未示出)而形成B滤光器1606之后的沿具有第三类型(B)的可见光像素的像素阵列的另一轴线的图像传感器和Z像素的截面剖切图。

如图16e所示，IR滤光器1607形成在图像传感器的Z像素区域中。IR滤光器让IR光通过并基本上阻挡可见光。可以通过在透明/媒染层1603上形成光致抗蚀剂层，然后用以像素阵列的Z像素区域为特征的掩模而让光致抗蚀剂曝光，从而形成IR滤光器1607。然后蚀刻光致抗蚀剂层，以让Z像素区域中的透明/媒染层曝光。也可以在Z像素区域中蚀刻下层透明/媒染层，并且可以将基本上仅让IR光通过的材料沉积到曝光区域中。得到的结构如图16e所示。替换地，下层媒染或透明层可保留在Z像素区域中，并且IR滤光器可使用如上所述的光掩膜技术沉积在该层的顶部。

在IR滤光器形成在与RGB滤光器相同的层内的实施例中，可以以任何顺序形成四种像素类型。

在形成IR滤光器之后，如图16f所示，IR截止(IR截止)滤光层1608沉积或涂覆在下层结构上并且在Z像素区域上方蚀刻(例如，使用光致抗蚀剂和掩模技术)。因此，IR截止滤光器基本上放置在R、G和B像素位置上。IR截止滤光层1608由基本上阻挡红外光的材料制成。在各种实施例中，IR截止层1608是有帮助的，因为传统的RGB滤光器可以基本上不阻挡红外光，并且在用于飞行时间系统中的RGBZ图像传感器的情况下，没有IR截止滤光器，RGB像素可以对来自飞行时间照明器的红外光做出响应。因此，IR截止滤光器有助于隔离可见光和飞行时间成像系统。

此外，IR截止滤光器有助于防止RGB像素在Z曝光过程期间饱和，这也可减轻在Z曝光期间对RGB像素进行背漏操作的需要，防止“溢出”(其中过饱和的像素将电荷排入相邻像素)或至少使得在Z曝光之后发生的任何RGB复位更直接。应注意，考虑到RGB滤光器的溢出程度，背漏晶体管可以联接到在各种实施例中描述的任何/所有RGB光电二极管。如此，例如，图6、7a、7b和11、12a、12b可以另外包括用于RGB光电二极管的背漏晶体管，因此包括在图10a和10b中所示的背漏结构。

如图16g所示，在滤光器上形成微透镜1609。这里，透明层(例如，微透镜)可以通过多种不同的工艺中的任何一种形成，例如：1)在下层结构上涂覆和烘焙一个或多个光致抗蚀剂层，将光致抗蚀剂层图案化成例如表示微透镜阵列的圆/圆柱，然后将光致抗蚀剂的圆/圆柱熔化成微透镜的形状；2)对透明层(例如，熔融石英)上的层进行上述1)的工艺，并且使用熔融的光致抗蚀剂作为用于到透明层中的RIE刻蚀的掩模(其完成带透明层中的更全的微透镜形成)；3)微喷射液滴，其瞄准阵列图案中的下层结构并固化液滴。

图17示出了集成传统相机和飞行时间成像的系统1700。系统1700具有用于例如与诸如笔记本电脑、平板电脑或智能手机的系统/母板之类的较大系统/母板进行电接触的连接器1701。根据布局和实施方式，连接器1701可以连接到例如实体连接到系统/母板的柔性电缆，或者连接器1701可以直接接触系统/母板。

连接器1701固定到平面板1702，该平面板1702可以实施为交替的导电层和绝缘层的多层结构，其中导电层被图案化，以形成支持系统1700的内部电连接的电迹线。通过连接器1701，从较大主机系统接收命令，诸如向/从相机系统1700内的配置寄存器写/读配置信息的配置命令。

RGBZ图像传感器1703安装到接收透镜1704下方的平面板1702。RGBZ图像传感器1703包括具有RGBZ单位像素信元的像素阵列。RGB像素信元用于支持传统的“2D”可见图像捕获(传统的图像捕获)功能。Z像素信元对IR光敏感，并且用于支持使用飞行时间技术来支持3D深度轮廓成像。RGBZ像素单元信元可具有共享相同存储电容器和/或如上针对图4到图16所描述的任何其它特征的RGB像素信元。尽管基本实施例包括用于可见图像捕获的RGB像素，但是其他实施例可以使用不同颜色的像素方案(例如，青色，品红色和黄色)。

图像传感器1703还可以包括用于对来自图像传感器的信号进行数字化的ADC电路以及用于为像素阵列和ADC电路生成时钟和控制信号的定时和控制电路。

平面板1702可以包括信号迹线，以将由ADC电路提供的数字信息传送到连接器1701，以便由主计算系统的更高终端部件处理，例如图像信号处理管线(例如，集成在应用处理器)。

相机透镜模块1704集成在RGBZ图像传感器1703上方。相机透镜模块1704包含一个或多个透镜的系统，以将接收的光聚焦到图像传感器1703。由于相机透镜模块对可见光的接收可能干扰通过图像传感器的飞行时间像素信元对IR光的接收，反过来，因为相机模块对IR光的接收可能干扰图像传感器的RGB像素信元对可见光的接收，图像传感器的像素阵列和透镜模块1703二者或其中之一可以包含滤光器系统，其被布置为基本上阻挡要由RGB像素信元接收的IR光，并且基本上阻挡将由飞行时间像素信元接收的可见光。

由在光圈1706下面的光源阵列1707组成的照明器1705也安装在平面板1701上。光源阵列1707可以实施在安装到平面板1701的半导体芯片上。光源驱动器联接到光源阵列，以使其发射具有特定强度和调制波形的光。

在一个实施例中，图17的集成系统1700支持三种操作模式：1)2D模式；3)3D模式；和，3)2D/3D模式。在2D模式的情况下，系统用作传统相机。因此，照明器1705被禁用，并且图像传感器用于通过其RGB像素信元接收可见图像。在3D模式的情况下，系统捕获在照明器1705的视场中的对象的飞行时间深度信息。这样，启用照明器1705并发射IR光(例如，以关-开-关..的.序列)到对象上。IR光从物体反射，通过相机透镜模块1504接收并且由图像传感器的Z像素感测。在2D/3D模式的情况下，上述2D和3D模式同时处于激活状态。

图18示出了诸如个人计算系统(例如，台式机或笔记本电脑)或移动或手持计算系统(例如平板设备或智能电话)的示例性计算系统1800的显示。如图18所示，基本计算系统可以包括设置在应用处理器或多核处理器1850上的中央处理单元1801(其可以包括例如多个通用处理核芯)和主存储器控制器1817，系统存储器1802，显示器1803(例如，触摸屏，平板)，本地有线点对点链路(例如USB)接口1804，各种网络I/O功能1805(例如以太网接口和/或蜂窝调制解调器子系统)，无线局域网(例如，WiFi)接口1806，无线点对点链路(例如，蓝牙)接口1807，和全球定位系统接口1808，各种传感器1809_1至1809_N，一个或多个相机1810，电池1811，电源管理控制单元1812，扬声器和麦克风1813以及音频编码器/解码器1814。

应用处理器或多核处理器1850可以包括在其CPU 1801内的一个或多个通用处理核芯1815，一个或多个图形处理单元1816，主存储器控制器1817，I/O控制功能1818和一个或多个图像信号处理器管线1819。通用处理核芯1815通常执行计算系统的操作系统和应用软件。图形处理单元1816通常执行图形密集功能，以例如产生呈现在显示器1803上的图形信息。存储器控制功能1817与系统存储器1802接口连接。图像信号处理管线1819从相机接收图像信息，且处理原始图像信息以供下游使用。电源管理控制单元1812通常控制系统1800的电力消耗。

触摸屏显示器1803，通信接口1804-1807，GPS接口1808，传感器1809，相机1810和扬声器/麦克风编解码器1813、1814中的每一个相对于整个计算系统都可以被视为各种形式的I/O(输入和或输出)，在适当的情况下还包括集成外围设备(例如，一个或多个相机1810)。根据实现，这些I/O组件中的各种I/O组件可以集成在应用处理器/多核处理器1850上，或者可以位于管芯(die)外或应用处理器/多核处理器1850的封装之外。

在一个实施例中，一个或多个相机1810包括具有RGBZ单元信元的RGBZ图像传感器，其中可见光像素信元共享相同的存储电容器和/或其中RGBZ单元信元包括上面针对图4到16描述的任何其他特征。应用处理器或其他处理器的通用CPU核(或具有执行程序代码的指令执行管线的其它功能块)上执行的应用软件、操作系统软件、设备驱动软件和/或固件可以引导命令到相机系统并从相机系统接收图像数据。

在命令的情况下，命令可以包括进入或退出上述2D、3D或2D/3D系统状态中的任一个。

本发明的实施例可以包括如上所述的各种过程。这些过程可以实施在机器可执行指令中。指令可以用于使通用或专用处理器执行某些处理。或者，这些过程可以由包含用于执行过程的硬连线逻辑的特定硬件组件或者由编程的计算机组件和定制硬件组件的任何组合来执行。

本发明的要素还可以被提供为用于存储机器可执行指令的机器可读介质。机器可读介质可以包括但不限于软盘，光盘，CD-ROM和磁光盘，FLASH存储器，ROM，RAM，EPROM，EEPROM，磁卡或光卡，传播介质或其他适合于存储电子指令的媒体类型/机器可读介质。例如，本发明可以作为计算机程序被下载，该计算机程序可以通过在载波或其他传播中体现的数据信号从远程计算机(例如，服务器)经由通信链路(例如，调制解调器或网络连接)传送到请求计算机(例如，客户端)。

在前述说明书中，已经参照本发明的具体示例性实施例描述了本发明。然而，可以理解，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。