专利名称：具有改良的光电二极管区域分配的cmos图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明大体上关于图像传感器，且具体但非排他地关于用于CMOS图像传感器的改良的光二极管区域分配。
背景技术：
图像传感器已变得普遍存在。图像传感器广泛地用在数字静态相机、蜂窝电话及安全相机以及医学、汽车及其它应用中。用以制造图像传感器尤其是互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器(“CIS”))的技术已持续大步前进。举例而言，对较高分辨率及较低功耗的需求已鼓励了这些图像传感器的进一步小型化及集成。小型化亦有助于图像传感器的成本降低。大小及图像质量特别重要的一个应用领域为医学应用(例如，内窥镜)。对于医学应用而言，图像传感器芯片通常必须小，同时提供高质量图像。为了实现这些特性，对于给定芯片大小，感光孔径应尽可能地大，而周边电路应尽可能地有限。像素(像元)填充因子表示像素的对光敏感的区域的分数。像素间距为成像器件中像素之间的物理距离。像素填充因子已随着像素间距减小而变小，这是因为有源电路元件和金属互连在每一像素中消耗的区域量增加。解决填充因子损失的一个方法为在每一像素正上方使用微尺度透镜(微透镜)来直接向像素内的区域的感光部分聚焦光。解决填充因子损失的另一种方法为使用背照式(“BSI”)图像传感器，这些图像传感器将有源像素电路组件及金属互连置放于图像传感器管芯的正面上，且将感光组件置放于衬底内、面向图像传感器管芯的背面。对于BSI图像传感器，光子吸收大半发生在背面硅表面附近。然而，在同一硅区域上提供较大的个别像素区域的解决方案将改良BSI图像传感器以及前照式图像传感器。附图简述参看以下附图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，在以下附图中，除非另有指明，否则贯穿各个视图中的相同附图标记指代相同部分。
图1为CMOS图像传感器的框图。图2为常规CMOS图像传感器内的两个4T像素的像素电路的电路图。图3为展示像素分组成宏像素区块的拜耳模式像素阵列的示意性表示。图4A为包括拜耳模式宏像素区块的像素阵列的实施例的示意性表示。图4B为包括拜耳模式宏像素区块的替代实施例的像素阵列的示意性表示。图4C为包括宏像素区块的另一替代实施例的像素阵列的示意性表示。图5A为一对前照式像素的横截面图。图5B为一对背照式像素的横截面图。图6为根据本发明的包括具有宏像素区块的像素阵列的成像系统的实施例的框图。
具体实施例方式本文中描述用于具有改良的光电二极管区域分配的图像传感器的装置、方法及系统的实施例。在以下描述中，陈述众多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在无这些具体细节中的一或多者的情况下加以实践，或以其它方法、组件、材料等来加以实践。在其它情况下，不详细展示或描述公知结构、材料或操作以避免混淆某些方面。遍及本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用表示结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性包括于本发明的至少一实施例中。因此，在本说明书全文各处的词组 “在一个实施例中”或“在实施例中”的出现未必均指同一实施例。此外，可在一个或多个实施例中以任何合适方式组合特定特征、结构或特性。图1说明CMOS图像传感器100的实施例，其包括彩色像素阵列105、读出电路110、 功能逻辑115及控制电路120。彩色像素阵列105为具有X数目个像素列及Y数目个像素
行的成像传感器或像素(例如，像素P1、P2.....Pn)的二维(「2D」)阵列。在一个实施例
中，每个像素为互补金属氧化物半导体(“CMOS”)成像像素。彩色像素阵列105可实施为前照式像素阵列或背照式图像像素阵列。如所说明，将每一像素配置成行(例如，行Rl至 Ry)及列(例如，列Cl至Cx)以获取人、地点或对象的图像数据，该图像数据接着可用来呈现人、地点或对象的2D图像。在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，由读出电路 110来读出图像数据，且将该图像数据传送至功能逻辑115。读出电路110可包括放大电路、 模数(“ADC”)转换电路或其它电路。功能逻辑115可仅储存图像数据或甚至通过应用后期图像效果(例如，修剪、旋转、去红眼、调整亮度、调整对比度或其它操作)来操纵图像数据。控制电路120耦合至像素阵列105以控制彩色像素阵列105的操作特性。举例而言， 控制电路120可产生用于控制图像获取的快门信号。彩色像素阵列105经由使用滤色器阵列(“CFA”)将色彩指派给每一像素。CFA 通过将单独的原色的滤光器置放于像素之上来将该色彩指派给每一像素。在光子穿过某一原色的滤光器以到达像素时，仅该原色的波长将穿过。所有其它波长将被吸收。原色为由科学识别为所有其它色彩的构建块的一组色彩。原色的示例包括红色、绿色及蓝色(常称作RGB)及青色、品红色及黄色(常称作CMY)。举例而言，在RGB色彩模型中，组合变化量的红色、绿色及蓝色将产生光谱中的所有其它色彩。已针对不同应用开发出众多类型的CFA。CFA模式几乎仅包含配置成矩形X、Y模式的相同正方形像素元件(称作微像素)。已提议六边形及八边形像素，但重复像素单元 (称作宏像素(macropixel))常见为以四个成一群。在大多数数字相机图像传感器中，最风行的CFA为拜耳模式(Bayer pattern)。使用具有交替滤光器行的棋盘模式，拜耳模式所具有的绿色像素为红色或蓝色像素的两倍，且其按交替行排列，即红色楔入绿色之间且蓝色楔入绿色之间。此模式利用了人眼将绿色照度视为界定锐度时的最强影响的偏好。另外， 不论您怎样拿着相机-在风景模式下或在人像模式下，拜耳模式都产生相同图像。图2为说明像素阵列105内的两个四晶体管(“4T”)像素的像素电路200的实施例的电路图。像素电路200表示用于实施图1的彩色像素阵列105内的每一像素的一个可能架构，但本发明的实施例不限于4T像素架构；相反，受益于本发明的本领域将理解，当前教示亦适用于3T设计、5T设计及各种其它像素架构。在图2中，像素1 及1 配置成两行及一列。每一像素电路200的所说明实施例包括感光元件PD、传输晶体管Tl、重置晶体管T2、源极随耦器(“SF”)晶体管T3及选择晶体管T4。在每一像素操作期间，传输晶体管Tl接收传输信号TX，将感光元件PD中累积的电荷传输至浮动扩散节点FD。重置晶体管 T2耦合于电力轨VDD与浮动扩散节点FD之间以在重置信号RST的控制下重置FD (例如， 对FD放电或充电至预设电压)。浮动扩散节点FD经耦合以控制SF晶体管T3的栅极。SF 晶体管T3耦合于电力轨VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3用作提供自像素输出的高阻抗的源极随耦器。最后，选择晶体管T4在选择信号SEL的控制下选择性地将像素电路 200的输出耦合至读出列线。在像素阵列105的一个实施例中，TX信号、RST信号及SEL信号由控制电路120产生。图3示出像素阵列105的一部分300及包括四个像素(下文称作“微像素”以将其与宏像素区分开)的拜耳模式宏像素310。拜耳模式宏像素位于具有均勻的X及Y间隔距离 Ip的像素阵列内。在所说明的实施例中，宏像素310内的每一微像素占据实质上相同的光收集区域-即，每一微像素实质上占据宏像素的光收集区域的25%。拜耳模式宏像素是用于将红色(I )、绿色(G)及蓝色(B)滤色器配置于感光元件阵列之上的滤色器阵列(CFA)的重复单元。当读出拜耳模式像素阵列的电荷时，按顺序逐行地记录色彩。一行可为BGBGBG， 跟着是GRGRGR的行，等等。此情形称作顺序RGB。任一成像是统的重要方面为信噪比(SNI )。信噪比可随着像素小型化而变小，这是因为在收集区域变小时信号变小，而同时噪声水平会保持相同。可使用增益来提升输出信号，但任何此种增益元件将增加噪声以及信号，因为放大电路自身也产生噪声(例如， 由组件产生的约翰逊噪声(Johnson noise))。在先前技术中，已尝试通过改良彩色像素的SNR尤其是常规产生较少信号的那些色彩的SNR来改良彩色图像质量。RGB型彩色图像传感器中的像素通常对不同色彩具有不同的响应。对于具有实质上相等的光收集区域的像素而言，来自红色像素(Vr)、绿色像素(Vg)及蓝色像素(Vb)的信号之间的比通常在 2. 5Vb 1.5Vr 1. OVg的粗略比例中，这意味着蓝色像素产生比绿色像素小2. 5倍的信号，且红色像素产生比绿色像素小1. 5倍的信号。因此，对于给定的像素区域，蓝色像素产生最小信号，绿色像素产生最大信号，且红色像素产生介于绿色像素与蓝色像素之间某处的信号。改良图像传感器的SNR的一个常规解决方案寻求通过改变每一微像素的面积以收集更多或更少光子以补偿由不同色彩产生的信号的差异，来使宏像素中的所有像素的输出信号均衡。由于维持或增加图像传感器分辨率是重要的，因此微像素间距必须保持相同或减小。在该情况下，在宏像素组成中给不同色彩的宏像素区域分配可从相等分配改变。举例而言，美国专利第6，137，100号将最大光收集区域分配给蓝色，因为其产生最低信号电平。将最少光收集区域分配给产生最高信号电平的绿色。图4A展示包括具有四个微像素的拜耳模式宏像素410的实施例的像素阵列的部分400。拜耳模式宏像素位于具有相同的均勻X及Y间隔距离Ip的像素阵列内，如图3中所展示。与宏像素310(其中给每一微像素实质上分配了宏像素的光收集区域的25%)相比，宏像素410将其光收集区域的不同部分分配给不同色彩。所说明的实施例给两个绿色微像素中的每一者各分配宏像素的光收集区域的约30%，且给蓝色及红色微像素各分配约 20%。其它实施例可以不同方式分配宏像素的光收集区域。举例而言，在其它实施例中，绿色像素可各自占据宏像素的介于约20%与约40%之间的光收集区域，蓝色像素可占据介于约10%与约30%之间的光收集区域，且红色像素可占据介于约10%与约30%之间的光收集区域。在一些实施例中，两个绿色微像素可具有实质上相同的光收集区域分配，且蓝色及红色微型像素可具有实质上相等但小于绿色微型像素的分配，但在其它实施例中，情况无需如此。像素阵列的包括诸如宏像素410的宏像素的实施例的一目标为通过以分配给蓝色及红色的收集区域为代价增加分配给绿色的收集区域来提高SNR。此配置利用了人眼将绿色照度视为界定锐度方面的最强影响的偏好。另外，无论怎样拿着相机-在风景模式下或在人像模式下，此配置都产生相同图像。此解决方案尤其有利于在最小像素大小下要求高分辨率及高SNR的应用(其中彩色精确度具有较低优先级)。这些应用可见于汽车、安全或机器视觉系统中。图4B说明包括宏像素435的替代实施例的像素阵列的一部分425。宏像素435在许多方面类似于宏像素410。宏像素410与435之间的主要差异在于绿色微像素的形状。 在给绿色微像素指派大到使其隅角交迭的宏像素光收集区域的一比例的实施例中，可使其形状为八边形(如所示)以维持绿色像素的间的隔离量测值。图4C说明具有宏像素460的另一替代实施例的像素阵列的一部分450。宏像素 460在许多方面类似于宏像素410及435。宏像素460与宏像素410及425之间的主要差异在于所使用的原色宏像素410及435使用红色、绿色及蓝色作为原色，而宏像素460改为使用品红色、黄色及青色。品红色、黄色及青色为可用以产生彩色图像的一组常见的替代原色。如同RGB色彩组，对于相同像素区域，品红色、黄色及青色产生不同信号电平黄色产生最大信号，品红色产生最小信号，且青色产生介于黄色与品红色之间的信号。因此，类似于宏像素410，宏像素460给两个黄色微像素中的每一者各分配宏像素的光收集的约30%， 且给品红色及青色微像素各分配约20%。如同宏像素410及435，宏像素460的其它实施例可以不同方式分配宏像素的光收集区域。举例而言，在其它实施例中，黄色像素可各自占据宏像素的介于约20%与约40% 之间的光收集区域，品红色像素可占据介于约10%与约30%之间的光收集区域，且青色像素可占据介于约10%与约30%之间的光收集区域。在一些实施例中，两黄色微像素可具有实质上相同的光收集区域分配，且品红色及青色微像素可具有实质上相等但小于黄色微像素的分配，但在其它实施例中，情况无需如此。如在宏像素435中，在给宏像素460中的黄色微像素指派大到使其隅角交迭的宏像素光收集区域的一比例的实施例中，可使其形状为八边形以维持黄色像素之间的隔离量测值。图5A至图5B说明CMOS图像传感器中的一对微像素的前照式及背照式实施例的横截面。先前描述的宏像素实施例可被实现为如图5A中所展示的前照式实施例或如图5B 中所展示的背照式实施例。图5A说明前照式CMOS图像传感器中的像素500的实施例。像素500的正面为衬底502的一面，在该面上安置像素电路，且在该面上形成用于再分配信号的金属叠层504。金属层Ml及M2被图案化以形成光学通路，经由该光学通路，入射在前照式像素500上的光可到达感光或光电二极管(“PD”)区506。为实施彩色图像传感器，正面包括滤色器508，这些滤色器508各自安置在有助于将光聚焦至PD区506上的微透镜510 之下。为实施宏像素410、435或460的实施例，每一滤色器508具有适当色彩，且像素500中的每一者的大小被设计为具有对应于其色彩的光收集区域分配。图5B说明在背照式CMOS图像传感器中的像素550的实施例。如同像素500，像素 550的正面为衬底552的一面，在该面上安置像素电路，且在该面上形成用于再分配信号的金属叠层阳4。背面为衬底552的与正面相反的面。为实现彩色图像传感器，背面包括滤色器558，这些滤色器558各自安置于背面与微透镜560之间。微透镜560有助于将光聚焦至PD区556上。通过照射像素550的背面，金属叠层554中的金属互联不会遮蔽待成像的对象与收集区域之间的路径，从而导致PD区556产生更大信号。为实现宏像素410、435或 460的实施例，每一滤色器558具有适当色彩，且像素550中的每一者的大小被设计为具有对应于其色彩的光收集区域分配。图6说明成像系统600的实施例。光学器件601耦合至图像传感器602以将图像聚焦至图像传感器的像素阵列604中的像素之上，光学器件601可包括折射、衍射或反射光学器件或这些光学器件的组合。像素阵列604俘获图像，且成像系统600的剩余部分处理来自该图像的像素数据。图像传感器602包含像素阵列604及信号读取及处理电路610。像素阵列604中的像素可为前照式或背照式像素(如图5A至图5B中所展示)，且可分组成图4A至图4C中所展示的宏像素实施例。在像素阵列604俘获图像的操作期间，像素阵列604中的每一像素在某曝光周期期间俘获入射光(即光子)，且将所收集的光子转换成电荷。由每一像素产生的电荷可作为模拟信号被读出，且该模拟信号的特性(诸如，其电荷、电压或电流)将表示在曝光周期期间入射于该像素上的光强度。在一实施例中，像素阵列604为二维的且包括配置成行606及列608的多个像素。 所说明的像素阵列604规则地成形，但在其它实施例中，阵列可具有不同于所展示的配置的规则或不规则配置，且可包括比所展示的像素、行及列更多或更少的像素、行及列。此外， 在不同实施例中，像素阵列604可为包括红色、绿色及蓝色像素的彩色图像传感器，或可为品红色-青色-黄色图像传感器。图像传感器602包括信号读取及处理电路610。电路610可包括有方法地从每一像素读取模拟信号、对这些信号滤波、校正有缺陷的像素等等的电路及逻辑，等等。在电路 610仅执行一些读取及处理功能的实施例中，这些功能中的剩余功能可由一或多个其它组件(诸如，信号调节器612或DSP 616)来执行。尽管在附图中展示为与像素阵列604分离的元件，但在一些实施例中，读取及处理电路610可与像素阵列604集成在同一衬底上，或可包含嵌入像素阵列内的电路及逻辑。然而，在其它实施例中，如附图中所展示，读取及处理电路610可为在像素阵列604外的元件。在其它实施例中，读取及处理电路610可为不仅在像素阵列604外且亦在图像传感器602外的元件。信号调节器612耦合至图像传感器602以接收并调节来自像素阵列604及读取和处理电路610的模拟信号。在不同实施例中，信号调节器612可包括用于调节模拟信号的各种组件。信号调节器中可见的组件的示例包括滤波器、放大器、偏移电路、自动增益控制等。在信号调节器612仅包括这些元件中的一些且仅执行一些调节功能的实施例中，剩余功能可由一个或多个其它元件(诸如，电路610或DSP 616)来执行。模数转换器(ADC)614 耦合至信号调节器612以从信号调节器612接收对应于像素阵列604中的每一像素的经调节的模拟信号，且将这些模拟信号转换成数字值。
数字信号处理器(DSP) 616耦合至模数转换器614以从ADC 614接收经数字化的像素数据，且处理该数字数据以产生最终数字图像。DSP 616可包括处理器及内部存储器， DSP 616可在该内部存储器中储存并取回数据。在图像由DSP 616处理之后，其可被输出至存储单元618(诸如，闪存或光学或磁性存储单元)及显示单元620(诸如，LCD屏幕)中的
一者或两者。本发明的所说明实施例的以上描述(包括在摘要中所描述的内容)不旨在穷举或将本发明限于所揭示的精确形式。如本领域普通技术人员将认识到，虽然在本文中出于说明性目的描述了本发明的具体实施例及示例，但在本发明的范畴内各种修改是可能的。可根据以上详细描述而对本发明进行这些修改。在所附权利要求中所使用的术语不应被理解为将本发明限于本说明书中所揭示的具体实施例。而是，本发明的范畴将完全由所附权利要求确定，所附权利要求将根据权利要求解释的既定准则加以理解。
权利要求
1.一种装置，包括像素阵列，所述像素阵列包括形成在衬底上的多个宏像素，每个宏像素包括一对第一像素，各自包括用于第一色彩的滤色器，所述第一色彩为像素最敏感的色彩，第二像素，包括用于第二色彩的滤色器，所述第二色彩为像素最不敏感的色彩，以及第三像素，包括用于第三色彩的滤色器，像素对所述第三色彩的敏感度介于最不敏感与最敏感之间，其中所述第一像素所占据的所述宏像素的光收集区域的比例均大于所述第二像素或所述第三像素所占据的比例。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一像素各自占据所述宏像素的介于约20%与约40%之间的光收集区域，所述第二像素占据所述宏像素的介于约10%与约 20%之间的光收集区域，且所述第三像素占据所述宏像素的介于约10%与约20%之间的光收集区域。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一像素各自占据所述宏像素的光收集区域的约30%，所述第二像素占据所述宏像素的光收集区域的约20%，且所述第三像素占据所述宏像素的光收集区域的约20%。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一色彩为绿色，所述第二色彩为蓝色，且所述第三色彩为红色。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一色彩为黄色，所述第二色彩为品红色，且所述第三色彩为青色。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一对第一像素具有八边形的形状。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述宏像素为四边形的且包括四个像素，其中所述第一像素处于相对隅角中，且所述第二像素与所述第三像素处于相对隅角中。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一像素、第二像素及第三像素形成于所述衬底的正面上，且用于所述第一色彩、第二色彩及第三色彩的滤色器形成于所述衬底的正面上。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一像素、第二像素及第三像素形成于所述衬底的正面上，且所述第一滤色器、第二滤色器及第三滤色器形成于所述衬底的背面上。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括耦合至所述像素阵列的像素的控制电路或读出电路。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述控制电路可对于所述像素阵列内的每一像素产生传输(TX)信号、重置(RST)信号及选择信号中的一个或多个。
12.—种系统，包括图像传感器，所述图像传感器形成于衬底中，其中所述图像传感器具有包括多个宏像素的像素阵列，每个宏像素包括一对第一像素，各自包括用于第一色彩的滤色器，所述第一色彩为像素最敏感的色彩，第二像素，包括用于第二色彩的滤色器，所述第二色彩为像素最不敏感的色彩，以及第三像素，具有用于第三色彩的滤光器，像素对所述第三色彩的敏感度介于最不敏感与最敏感之间，其中所述第一像素所占据的所述宏像素的光收集区域的比例均大于所述第二像素或第三像素所占据的比例；以及控制电路及处理电路，其耦合至所述图像传感器以读出并处理来自所述像素阵列的信号。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一像素各自占据所述宏像素的介于约20%与约40%之间的光收集区域，所述第二像素占据所述宏像素的介于约10%与约 30%之间的光收集区域，且所述第三像素占据所述宏像素的介于约10%与约30%之间的光收集区域。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一像素各自占据所述宏像素的光收集区域的约30%，所述第二像素占据所述宏像素的光收集区域的约20%，且所述第三像素占据所述宏像素的光收集区域的约20%。
15.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一色彩为绿色，所述第二色彩为蓝色，且所述第三色彩为红色。
16.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一色彩为黄色，所述第二色彩为品红色，且所述第三色彩为青色。
17.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述一对第一像素具有八边形的形状。
18.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一像素、第二像素及第三像素形成于所述像素阵列的正面上，且用于所述第一色彩、第二色彩及第三色彩的滤光器形成于所述像素阵列的正面上。
19.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一像素、第二像素及第三像素形成于所述像素阵列的正面上，且所述第一滤色器、第二滤色器及第三滤色器形成于所述像素阵列的背面上。
20.如权利要求12所述的系统，其特征在于，进一步包括耦合至处理电路的模数转换器(ADC)。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述处理电路包括耦合至所述ADC的数字信号处理器。
22.如权利要求12所述的系统，其特征在于，每个像素进一步包括 光检测器，其形成于所述衬底中；浮动扩散区，其形成于所述衬底中；以及传输门，其形成于所述衬底上且介于光检测器与所述浮动扩散区之间。
全文摘要
一种装置的实施例包括像素阵列，该像素阵列包括多个个宏像素。每个宏像素包括一对第一像素，其各自包括用于第一色彩的滤色器，该第一色彩为像素最敏感的色彩；第二像素，其包括用于第二色彩的滤色器，该第二色彩为像素最不敏感的色彩；及第三像素，其包括用于第三色彩的滤色器，像素对该第三色彩的敏感性介于最不敏感与最敏感之间，其中第一像素所占据的宏像素的光收集区域的比例大于该第二像素或该第三像素所占据的比例。揭示并要求保护相应的过程和系统实施例。
文档编号H04N9/04GK102339839SQ20111020645
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月15日 优先权日2010年7月16日
发明者D·毛, H·E·罗兹, V·韦内齐亚, 戴幸志, 钱胤 申请人:美商豪威科技股份有限公司