一种增益自动调节高动态范围像素的方法与流程

1.本发明属于集成电路技术领域，特别是涉及一种增益自动调节高动态范围像素的方法。


背景技术：

2.图像传感器是一种感应光照强度的光敏性元件，入射光在pd中感应并收集，曝光结束后光电荷转移到浮置扩散节点fd中存储。读出时电荷信号在fd中转换为电压信号，再通过后放大器sf向外输出。把像素能输出的最大信号到最小信号的范围称之为动态范围。工业中，为了提高像素对小信号的分辨能力，需要把fd电容做的很小，根据q＝cv，可以把很少的电荷尽量转换为高的电压。但当光信号量输入很大时，fd电容转换的电压过高会超过后续电路承受的幅度，因此针对大信号时需要大的fd电容。像素中通常需要用hdr开关在fd上连接一个电容cap,常用的电容有mim、金属手指电容或者mos电容；
3.当hdr关闭时候，fd有效电容比较小，像素增益高，当hdr打开时候，fd并联cap大电容，从而实现fd的大的电容，在有限的输出幅度下存储更多的电荷。通常定义像素增益cvg为1/(fd电容)，它代表像素把一个电子转换为电压数值的能力。在该架构像素在一次曝光中电容只能改变两次，只可以实现两种增益的调节。同时开关需要设计额外电路和时序支持，增加了像素和外围电路的复杂程度和功耗，尤其在小尺寸像素设计中，大量电路金属走线会严重降低像素的填充因子，降低量子效率。同时两种增益大小的选取空间和实际应用需求会存在很大的失配，严重制约图像传感器在高动态范围领域的应用；因此，针对以上问题，提供一种增益自动调节高动态范围像素的方法具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种增益自动调节高动态范围像素的方法，解决了以上问题。
5.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明的一种增益自动调节高动态范围像素的方法，该方法通过耦合了电容的像素结构实现；
7.所述耦合了电容的像素结构具体是基于传统4t像素上加入非均匀掺杂电容；所述像素结构采用沟道非均匀掺杂的电容，即在多晶硅下的硅中掺杂杂质的类型不同，电容和像素及电路集成于同一个晶圆中，采用硅基mos电容结构；所述电容的非均匀掺杂的沟道连接至像素结构的存储节点处，所述多晶硅通过金属连接至地线固定点位；
8.并且靠近光电二极管区域开始，逐渐降低硅中电子浓度，不断提高空穴的浓度；所述晶圆的下级板做在单晶硅中，硅中的掺杂的杂质采用梯度式掺杂，所述杂质采用兼容集成电路制造工艺中的杂质，包括n型杂质以及p型杂质。
9.进一步地，所述n型杂质采用磷或砷；所述p型杂质采用硼或铟。
10.进一步地，所述电容的非均匀掺杂的沟道包括n型沟道、p型沟道、n+型沟道、p+型沟道；所述n型沟道注入电子剂量量级为1e^13；所述n+型沟道注入电子剂量量级在1e^15；
所述p型沟道注入电子剂量量级为1e^13；所述p+型沟道注入电子剂量量级为1e^15。
11.进一步地，所述电容的非均匀掺杂的沟道采用包括重n+型沟道掺杂，轻n型沟道掺杂，轻p型沟道掺杂，重p+型沟道掺杂，使所述电容中形成梯度电势，使所述电容中的电荷量不随存储节点的电容逐渐增加。
12.本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：
13.1、采用本结构的像素，由于在集成电路制造中就集成了可变电容，因此在实际应用中，像素可根据输入的信号电荷量自动调节像素增益，不需要额外的电路支持；
14.2、本技术方案的像素采用沟道非均匀掺杂的电容，采用该架构的像素可以根据像素电荷量大小，自动调节电容，从而减少了像素对电路的依赖，同时可根据工艺掺杂调节产生多个增益的选项，极大拓展了像素应用范围。
15.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明的一种增益自动调节高动态范围像素的方法对应非均匀掺杂下高动态范围像素结构的结构示意图；
18.图2为图1中耦合了电容的像素结构的结构的截面示意图；
19.图3为图1中耦合了电容的像素结构的结构的顶面示意图；
20.图4为图3中电容沟道的电势图；
21.图5为采用本发明的一种增益自动调节高动态范围像素的方法的图像传感器的信号输出与曝光时间的关系图；
22.图6为现有传统高动态范围像素架构图；
23.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
24.fd
‑
存储节点，gnd
‑
地线。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
26.如图6所示，为传统高动态范围像素架构的结构示意图，其具体为传统4t像素结构，包括光电二极管pd、曝光管子tx、复位管rst、存储节点fd、后放大器sf、行选开关sel、电源线vdd和读出线co、电容cap、开关hdr；
27.图像传感器是一种感应光照强度的光敏性元件。入射光在pd中感应并收集，曝光结束后光电荷转移到浮置扩散节点fd中存储。读出时电荷信号在fd中转换为电压信号，再通过后放大器sf向外输出。把像素能输出的最大信号到最小信号的范围称之为动态范围。
工业中，为了提高像素对小信号的分辨能力，需要把fd电容做的很小，根据q＝cv，可以把很少的电荷尽量转换为高的电压。但当光信号量输入很大时，存储节点fd电容转换的电压过高会超过后续电路承受的幅度，因此针对大信号时需要大的fd电容。像素中通常需要用hdr开关在存储节点fd上连接一个电容cap,常用的电容有mim、金属手指电容或者mos电容，如图6所示；
28.当hdr开关关闭时候，存储节点fd有效电容比较小，像素增益高，当hdr打开时候，fd并联cap大电容，从而实现fd的大的电容，在有限的输出幅度下存储更多的电荷。通常定义像素增益cvg为1/(fd电容)，它代表像素把一个电子转换为电压数值的能力。在该架构像素在一次曝光中电容只能改变两次，只可以实现两种增益的调节。同时开关需要设计额外电路和时序支持，增加了像素和外围电路的复杂程度和功耗，尤其在小尺寸像素设计中，大量电路金属走线会严重降低像素的填充因子，降低量子效率。同时两种增益大小的选取空间和实际应用需求会存在很大的失配，严重制约图像传感器在高动态范围领域的应用，因此本发明提供一种增益自动调节高动态范围像素的方法解决以上问题；
29.请参阅图1
‑
5所示，本发明的一种增益自动调节高动态范围像素的方法，该方法通过耦合了电容的像素结构实现；
30.耦合了电容的像素结构具体是基于传统4t像素上加入非均匀掺杂电容；像素结构采用沟道非均匀掺杂的电容，即在多晶硅下的硅中掺杂杂质的类型不同，采用该架构的像素可以根据像素电荷量大小，自动调节电容，从而减少了像素对电路的依赖，同时可根据工艺掺杂调节产生多个增益的选项，极大拓展了像素应用范围；如图2
‑
3所示，电容和像素及电路集成于同一个晶圆中，采用硅基mos电容结构；电容的非均匀掺杂的沟道连接至像素结构的存储节点fd处，多晶硅通过金属连接至地线gnd固定点位；
31.并且靠近光电二极管fd区域开始，逐渐降低硅中电子浓度，不断提高空穴的浓度；晶圆的下级板做在单晶硅中，硅中的掺杂的杂质采用梯度式掺杂，杂质采用兼容集成电路制造工艺中的杂质，包括n型杂质以及p型杂质。
32.其中，n型杂质采用磷或砷；p型杂质采用硼或铟。
33.其中，电容的非均匀掺杂的沟道包括n型沟道、p型沟道、n+型沟道、p+型沟道；n型沟道注入电子剂量量级为1e^13；n+型沟道注入电子剂量量级在1e^15；p型沟道注入电子剂量量级为1e^13；p+型沟道注入电子剂量量级为1e^15。
34.其中，电容的非均匀掺杂的沟道采用包括重n+型沟道掺杂，轻n型沟道掺杂，轻p型沟道掺杂，重p+型沟道掺杂，也可以采用多次掺杂，但需要形成如图4所示的梯度式电势，使所述电容中形成梯度电势，使所述电容中的电荷量不随存储节点fd的电容逐渐增加；
35.本具体实施中电容的工作原理如图4所示，当信号电荷比较少，电荷被局限在电容1中，此时的电容最小，像素增益cvg1数值为1/电容1；当信号增大时电荷进入电容c2，此时电容为电容1+电容2，像素增益cvg2数值为1/(电容1+电容2)；当信号持续增大，进入电容3时候，电容总量为电容1+电容2+电容3，像素增益cvg3数值为1/(电容1+电容2+电容3)；本像素拥有的最大电容时电容1+电容2+电容3+电容4，此时的像素fd容量最大，像素增益cvg4数值为1/(电容1+电容2+电容3+电容4)；采用本结构的像素，由于在集成电路制造中就集成了可变电容，因此在实际应用中，像素可根据输入的信号电荷量自动调节像素增益，不需要额外的电路支持；
36.采用本技术方案的电容，电容的非均匀掺杂沟道连接到像素的fd处，多晶硅通过金属连接到gnd等固定电位。随着像素信号量的增加，像素输出会发生偏折，如图5所示，图像传感器的adc采用12位，采用本技术方案耦合了电容的像素结构的传感器最大输出信号为4095；实际应用中，随着曝光时间增长，光生电荷量不断增加，传感器的输出不断增加，当沟道下不同电容耦合进fd中，像素的增益自动调节。
37.有益效果：
38.1、采用本结构的像素，由于在集成电路制造中就集成了可变电容，因此在实际应用中，像素可根据输入的信号电荷量自动调节像素增益，不需要额外的电路支持；
39.2、本技术方案的像素采用沟道非均匀掺杂的电容，采用该架构的像素可以根据像素电荷量大小，自动调节电容，从而减少了像素对电路的依赖，同时可根据工艺掺杂调节产生多个增益的选项，极大拓展了像素应用范围。
40.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。