图像感测装置的制作方法

1.本公开的各种实施方式涉及一种半导体设计技术，并且更具体地，涉及一种图像感测装置。


背景技术：

2.图像感测装置使用对光做出反应的半导体的特性来捕获图像。通常，图像感测装置可以大致分为电荷耦合器件(ccd)图像感测装置和互补金属氧化物半导体(cmos)图像感测装置。近来，cmos图像感测装置被广泛使用，因为它们允许在单个集成电路(ic)上直接实现模拟控制电路和数字控制电路两者。


技术实现要素：

3.本公开的各种实施方式针对支持相位检测自动对焦功能和高动态范围功能的图像感测装置。
4.根据实施方式，图像感测装置可以包括：第一像素组，第一像素组包括至少一个第一半遮光像素和至少一个第一正常像素；以及图像处理器，图像处理器适用于使用在第一时段期间从第一半遮光像素生成的第一像素信号作为相位信息，并且使用在第二时段期间从第一半遮光像素生成的第一像素信号作为动态范围信息。
5.图像处理器可以基于在第一时段期间生成的第一像素信号的相位信息来计算距对象的深度，基于在第二时段期间生成的第一像素信号的动态范围信息来生成高亮度图像，并且基于在第二时段期间从第一正常像素生成的像素信号来生成低亮度图像。
6.图像感测装置还可以包括第二像素组，第二像素组包括至少一个第二半遮光像素和至少一个第二正常像素，其中，图像处理器可以使用在所述第二时段期间从第二半遮光像素生成的第二像素信号作为动态范围信息。
7.第一半遮光像素可以具有绿色滤色器，并且第二半遮光像素可以具有红色滤色器或蓝色滤色器。
8.根据实施方式，图像感测装置可以包括：第一像素组，第一像素组包括一个第一半遮光像素和三个第一正常像素；以及图像处理器，图像处理器适用于使用在第一时段期间从第一半遮光像素生成的第一像素信号作为相位信息，并且使用在第二时段期间从第一半遮光像素生成的第一像素信号作为动态范围信息。
9.图像处理器可以基于在第一时段期间生成的第一像素信号的相位信息来计算距对象的深度，基于在第二时段期间生成的第一像素信号的动态范围信息来生成高亮度图像，并且基于在第二时段期间从第一正常像素生成的像素信号来生成低亮度图像。
10.图像感测装置还可以包括第二像素组，第二像素组包括一个第二半遮光像素和三个第二正常像素，其中，图像处理器可以使用在第二时段期间从第二半遮光像素生成的第二像素信号作为动态范围信息。
11.第一半遮光像素可以具有绿色滤色器，并且第二半遮光像素可以具有红色滤色器
或蓝色滤色器。
12.第一时段可以包括图像感测装置执行相位检测自动对焦功能的时间区段，并且第二时段可以包括图像感测装置捕获图像的时间区段。
13.根据实施方式，图像感测装置可以包括：第一像素组，第一像素组包括两个第一半遮光像素和两个第一正常像素；以及图像处理器，图像处理器适用于使用在第一时段期间从第一半遮光像素生成的第一像素信号的相位信息，以及使用在第二时段期间从第一半遮光像素生成的第一像素信号的动态范围信息。
14.图像处理器可以基于在第一时段期间生成的第一像素信号的相位信息来计算距对象的深度，基于在第二时段期间生成的第一像素信号的动态范围信息来生成高亮度图像，并且基于在第二时段期间从第一正常像素生成的像素信号来生成低亮度图像。
15.图像感测装置还可以包括第二像素组，第二像素组包括两个第二半遮光像素和两个第二正常像素。其中，图像处理器可以使用在第二时段期间从第二半遮光像素生成的第二像素信号作为动态范围信息。
16.每个第一半遮光像素可以具有绿色滤色器，并且每个第二半遮光像素可以具有红色滤色器或蓝色滤色器。
17.第一时段可以包括图像感测装置执行相位检测自动对焦功能的时间区段，并且第二时段可以包括图像感测装置捕获图像的时间区段。
18.根据实施方式，提供了一种包括一个或更多个半遮光像素和一个或更多个正常像素的图像感测装置的操作方法，该操作方法可以包括以下步骤：通过每个半遮光像素生成具有积分时间的半遮光像素信号，并且通过每个正常像素生成具有积分时间的正常像素信号；基于半遮光像素信号生成高亮度图像，并且基于正常像素信号生成低亮度图像；以及基于高亮度图像和低亮度图像生成高动态范围图像。
附图说明
19.图1是例示根据本公开的第一实施方式的图像感测装置的框图。
20.图2是例示图1所示的像素阵列的示例的图。
21.图3是例示图2所示的单位像素电路的示例的电路图。
22.图4是例示图2所示的单位像素电路的另一示例的电路图。
23.图5是例示根据本公开的第二实施方式的图像感测装置的框图。
24.图6是例示图5所示的像素阵列的示例的图。
25.图7是例示图6所示的单位像素电路的示例的电路图。
26.图8是例示图6所示的单位像素电路的另一示例的电路图。
具体实施方式
27.下面参照附图描述各种实施方式，以使得本公开所属领域的技术人员能够容易地施行本发明。
28.将理解的是，当元件被称为“连接到”或“联接到”另一元件时，该元件可以直接连接或联接到该另一元件，或者在一个或更多个元件插置于期间的状态下电连接或联接到该另一元件。此外，还将理解，术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”在本文中使用时指定所述
元件的存在并且不排除一个或更多个其它元件的存在或添加。在以下描述中，以单数形式描述的组件并不排除存在此类组件的多个实例。在整个说明书中，提及“一实施方式”、“第一实施方式”或“第二实施方式”不一定仅指代一个实施方式，并且术语“实施方式”在本文中使用时不一定指所有实施方式。
29.图1是例示根据本公开的第一实施方式的图像感测装置100的框图。
30.参照图1，图像感测装置100可以包括行控制器110、像素阵列120、信号转换器130和图像处理器140。
31.行控制器110可以生成用于控制像素阵列120的各个行的多个行控制信号ctrl。例如，行控制器110可以在第一单位行时间期间生成用于控制布置在像素阵列120的第一行中的像素的第一行控制信号，并且在第n单位行时间期间生成用于控制布置在像素阵列120的第n行中的像素的第n行控制信号(其中“n”是大于2的自然数)。
32.像素阵列120可以包括布置在多个行和多个列的交叉处的像素。例如，可以如图2所示地布置像素。像素可以在行控制器110的控制下将针对每行的多个像素信号vpx输出到信号转换器130。例如，布置在第一行中的像素可以基于第一行控制信号在第一单位行时间期间生成像素信号vpx，并且布置在第n行中的像素可以基于第n行控制信号在第n单位行时间期间生成像素信号vpx。
33.信号转换器130可以生成与像素信号vpx相对应的图像信号dpx。例如，信号转换器130可以包括模数转换器(adc)。
34.基于图像信号dpx，图像处理器140可以在第一时段期间处理与相位检测自动对焦功能相关的相位信息，并且在第二时段期间处理与高动态范围功能相关的图像。
35.图2是例示图1所示的像素阵列120的示例的图。
36.参照图2，像素阵列120可以包括布置为四图案(quad pattern)的多个像素。四图案是指各自具有相同颜色的滤色器的像素以2
×
2为单位布置的图案。在下文中，以2
×
2为单位布置的像素的组被称为单位像素电路。
37.单位像素电路可以包括第一像素至第四像素，第一像素至第四像素中的一个可以是具有半遮光层的半遮光像素；其它三个像素可以是正常像素。半遮光层可以具有左遮光图案s1、右遮光图案s2、上遮光图案s3和下遮光图案s4中的任何一个。左遮光图案s1、右遮光图案s2、上遮光图案s3和下遮光图案s4不一定必须形成为如图2所示，并且可以根据设计进行各种改变。
38.图3是例示图2所示的任何一个单位像素电路的示例的电路图。
39.参照图3，单位像素电路可以包括第一光电二极管至第四光电二极管pd1、pd2、pd3和pd4，第一传输元件至第四传输元件mt1、mt2、mt3和mt4，第一浮置扩散节点fd1，第一复位元件mr1，第一驱动元件md1和第一选择元件ms1。
40.单位像素电路可以具有其中第一光电二极管至第四光电二极管pd1、pd2、pd3和pd4共享第一浮置扩散节点fd1、第一复位元件mr1、第一驱动元件md1和第一选择元件ms1的结构。
41.第一光电二极管pd1可以联接在低电压端子(例如，接地电压端子)和第一传输元件mt1之间。第二光电二极管pd2可以联接在低电压端子和第二传输元件mt2之间。第三光电二极管pd3可以联接在低电压端子和第三传输元件mt3之间。第四光电二极管pd4可以联接
在低电压端子和第四传输元件mt4之间。第一光电二极管pd1可以与半遮光像素相关，并且第二光电二极管至第四光电二极管pd2、pd3和pd4可以与正常像素相关。
42.第一传输元件mt1可以联接在第一光电二极管pd1和第一浮置扩散节点fd1之间。第一传输元件mt1可以基于第一传输控制信号tx1选择性地将第一光电二极管pd1联接到第一浮置扩散节点fd1。第二传输元件mt2可以联接在第二光电二极管pd2和第一浮置扩散节点fd1之间。第二传输元件mt2可以基于第二传输控制信号tx2选择性地将第二光电二极管pd2联接到第一浮置扩散节点fd1。第三传输元件mt3可以联接在第三光电二极管pd3和第一浮置扩散节点fd1之间。第三传输元件mt3可以基于第三传输控制信号tx3选择性地将第三光电二极管pd3联接到第一浮置扩散节点fd1。第四传输元件mt4可以联接在第四光电二极管pd4和第一浮置扩散节点fd1之间。第四传输元件mt4可以基于第四传输控制信号tx4选择性地将第四光电二极管pd4联接到第一浮置扩散节点fd1。例如，在第一时段期间，可以仅激活第一传输控制信号到第四传输控制信号tx1、tx2、tx3和tx4当中的第一传输控制信号tx1，并且在第二时段期间，可以激活第一传输控制信号tx1，并且可以同时激活第二传输控制信号至第四传输控制信号tx2、tx3和tx4。
43.尽管图中未例示，但第一寄生电容器可以联接到第一浮置扩散节点fd1。第一寄生电容器可以存储从第一光电二极管至第四光电二极管pd1、pd2、pd3和pd4生成的电荷。
44.第一复位元件mr1可以联接在高电压端子(例如，电源电压端子avdd)与第一浮置扩散节点fd1之间。第一复位元件mr1可以基于第一复位控制信号rx1选择性地将高电压端子联接到第一浮置扩散节点fd1。
45.第一驱动元件md1可以联接在高电压端子和第一选择元件ms1之间。第一驱动元件md1可以基于加载到第一浮置扩散节点fd1上的电压来驱动像素信号vpx。
46.第一选择元件ms1可以联接在第一驱动元件md1和第一列线col1之间。第一选择元件ms1可以基于第一选择控制信号sx1将像素信号vpx输出到第一列线col1。
47.第一传输控制信号tx1至第四传输控制信号tx4、第一复位控制信号rx1和第一选择控制信号sx1可以被包括在上述行控制信号ctrl中。
48.图4是例示图2所示的任何一个单位像素电路的另一示例的电路图。
49.参照图4，单位像素电路可以包括第一光电二极管至第四光电二极管pd1、pd2、pd3和pd4，第一传输元件至第四传输元件mt1、mt2、mt3和mt4，第一浮置扩散节点fd1，第一储存元件mg1，第一复位元件mr1，第一驱动元件md1和第一选择元件ms1。
50.在本文中，由于第一光电二极管至第四光电二极管pd1、pd2、pd3和pd4，第一传输元件至第四传输元件mt1、mt2、mt3和mt4，第一浮置扩散节点fd1，第一复位元件mr1，第一驱动元件md1和第一选择元件ms1与图3所示的相同，因此省略其详细描述，并且下面仅描述第一储存元件mg1。
51.第一储存元件mg1可以基于第一增益转换信号vg1选择性地联接到第一浮置扩散节点fd1。例如，当执行高动态范围功能时，第一储存元件mg1可以选择性地联接到第一浮置扩散节点fd1。更具体地，第一储存元件mg1可以在第二时段中的生成高亮度图像的第一部分期间不联接到第一浮置扩散节点fd1，并且可以在第二时段中的生成低亮度图像的第二部分期间联接到第一浮置扩散节点fd1。例如，第一储存元件mg1可以通过其栅极端子接收第一增益转换信号vg1，并且具有联接在第一浮置扩散节点fd1和浮置节点之间的源极端子
和漏极端子。
52.在下文中，描述根据第一实施方式的图像感测装置100的操作，其中，图像感测装置100具有上述配置。
53.首先，描述根据相位检测自动对焦功能的图像感测装置100的操作。
54.在第一时段期间，当像素阵列120在行控制器110的控制下生成与距对象的深度相对应的像素信号vpx时，信号转换器130可以生成与像素信号vpx相对应的图像信号dpx。图像处理器140可以基于图像信号dpx中的一些来计算距对象的深度。用于计算深度的图像信号可以与从像素阵列120中的像素当中的半遮光像素生成的像素信号相对应。具体地，考虑到图像处理器140的操作量(即，吞吐量)，从半遮光像素中的一些生成的像素信号可以被用作深度计算图像信号。例如，在深度计算中使用的半遮光像素可以各自具有绿色滤色器。因为各自具有绿色滤色器的半遮光像素比各自具有红色滤色器或蓝色滤色器的半遮光像素具有更好的灵敏度和分辨率，所以使用各自具有绿色滤色器的半遮光像素可以是有利的。
55.接下来，描述根据高动态范围功能的图像感测装置100的操作。
56.在第二时段期间，当像素阵列120在行控制器110的控制下生成与所捕获的图像相对应的像素信号vpx时，信号转换器130可以生成与像素信号vpx相对应的图像信号dpx。图像处理器140可以基于图像信号dpx当中的第一图像信号生成高亮度图像，并且基于第二图像信号生成低亮度图像。例如，第一图像信号可以分别与从单位像素电路中的像素当中的第一半遮光像素生成的像素信号相对应，并且第二图像信号可以分别与从单位像素电路中的像素当中的第一正常像素至第三正常像素生成并合成的像素信号相对应。具体地，由于半遮光像素和正常像素被控制为具有相同的积分时间，并且半遮光像素具有与正常像素相比减半的光透射率，因此可以抑制运动伪影。图像处理器140可以基于高亮度图像和低亮度图像来生成高动态范围图像。另外，当第一储存元件mg1被包括在单位像素电路中时，可以增大与低亮度图像相对应的第二图像信号的最大输出范围。
57.图5是例示根据本公开的第二实施方式的图像感测装置200的框图。
58.参照图5，图像感测装置200可以包括行控制器210、像素阵列220、信号转换器230和图像处理器240。
59.行控制器210可以生成用于控制像素阵列220的各个行的多个行控制信号ctrl。例如，行控制器210可以在第一单位行时间期间生成用于控制布置在像素阵列220的第一行中的像素的第一行控制信号，并且在第n单位行时间期间生成用于控制布置在像素阵列220的第n行中的像素的第n行控制信号(其中“n”是大于2的自然数)。
60.像素阵列220可以包括布置在多个行和多个列的交叉处的像素。例如，像素可以被布置为如图6所示的四图案。像素可以在行控制器210的控制下将针对每行的多个像素信号vpx输出到信号转换器230。例如，布置在第一行中的像素可以基于第一行控制信号在第一单位行时间期间生成像素信号vpx，并且布置在第n行中的像素可以基于第n行控制信号在第n单位行时间期间生成像素信号vpx。
61.信号转换器230可以生成与像素信号vpx相对应的图像信号dpx。例如，信号转换器230可以包括模数转换器(adc)。
62.基于图像信号dpx，图像处理器240可以在第一时段期间处理与相位检测自动对焦功能相关的相位信息，并且在第二时段期间处理与高动态范围功能相关的图像。
63.图6是例示图5所示的像素阵列220的示例的图。
64.参照图6，像素阵列220可以包括布被置为四图案的多个像素。四图案是指各自具有相同颜色的滤色器的像素以2
×
2为单位布置的图案。在下文中，以2
×
2为单位布置的像素的组被称为单位像素电路。
65.单位像素电路可以包括第一像素至第四像素，其中的两个可以是各自具有半遮光层的半遮光像素，其它两个像素可以是正常像素。半遮光层可以具有左遮光图案s1、右遮光图案s2、上遮光图案s3和下遮光图案s4中的任何一个。左遮光图案s1、右遮光图案s2、上遮光图案s3和下遮光图案s4不一定必须被形成为如图6所示，并且可以根据设计进行各种改变。
66.图7是例示图6所示的任何一个单位像素电路的示例的电路图。
67.参照图7，单位像素电路可以包括第一光电二极管至第四光电二极管pd1、pd2、pd3和pd4，第一传输元件至第四传输元件mt1、mt2、mt3和mt4，第一浮置扩散节点fd1，第一复位元件mr1，第一驱动元件md1和第一选择元件ms1。
68.单位像素电路可以具有其中第一光电二极管至第四光电二极管pd1、pd2、pd3和pd4共享第一浮置扩散节点fd1、第一复位元件mr1、第一驱动元件md1和第一选择元件ms1的结构。
69.第一光电二极管pd1可以联接在低电压端子(例如，接地电压端子)和第一传输元件mt1之间。第二光电二极管pd2可以联接在低电压端子和第二传输元件mt2之间。第三光电二极管pd3可以联接在低电压端子和第三传输元件mt3之间。第四光电二极管pd4可以联接在低电压端子和第四传输元件mt4之间。第一光电二极管pd1和第二光电二极管pd2可以与半遮光像素相关，并且第三光电二极管pd3和第四光电二极管pd4可以与正常像素相关。
70.第一传输元件mt1可以联接在第一光电二极管pd1和第一浮置扩散节点fd1之间。第一传输元件mt1可以基于第一传输控制信号tx1选择性地将第一光电二极管pd1联接到第一浮置扩散节点fd1。第二传输元件mt2可以联接在第二光电二极管pd2和第一浮置扩散节点fd1之间。第二传输元件mt2可以基于第二传输控制信号tx2选择性地将第二光电二极管pd2联接到第一浮置扩散节点fd1。第三传输元件mt3可以联接在第三光电二极管pd3和第一浮置扩散节点fd1之间。第三传输元件mt3可以基于第三传输控制信号tx3选择性地将第三光电二极管pd3联接到第一浮置扩散节点fd1。第四传输元件mt4可以联接在第四光电二极管pd4和第一浮置扩散节点fd1之间。第四传输元件mt4可以基于第四传输控制信号tx4选择性地将第四光电二极管pd4联接到第一浮置扩散节点fd1。例如，在第一时段期间，第一传输控制信号至第四传输控制信号tx1、tx2、tx3和tx4当中的仅第一传输控制信号tx1和第二传输控制信号tx2可以被依次激活，并且在第二时段期间，可以同时激活第一传输控制信号tx1和第二传输控制信号tx2，并且可以同时激活第三传输控制信号tx3和第四传输控制信号tx4。
71.尽管图中未例示，但第一寄生电容器可以联接到第一浮置扩散节点fd1。第一寄生电容可以存储从第一光电二极管至第四光电二极管pd1、pd2、pd3和pd4生成的电荷。
72.第一复位元件mr1可以联接在高电压端子(例如，电源电压端子avdd)与第一浮置扩散节点fd1之间。第一复位元件mr1可以基于第一复位控制信号rx1选择性地将高电压端子联接到第一浮置扩散节点fd1。
73.第一驱动元件md1可以联接在高电压端子和第一选择元件ms1之间。第一驱动元件md1可以基于加载到第一浮置扩散节点fd1上的电压来驱动像素信号vpx。
74.第一选择元件ms1可以联接在第一驱动元件md1和第一列线col1之间。第一选择元件ms1可以基于第一选择控制信号sx1将像素信号vpx输出到第一列线col1。
75.第一传输控制信号tx1至第四传输控制信号tx4、第一复位控制信号rx1和第一选择控制信号sx1可以被包括在上述行控制信号ctrl中。
76.图8是例示图6所示的任何一个单位像素电路的另一示例的电路图。
77.参照图8，单位像素电路可以包括第一光电二极管至第四光电二极管pd1、pd2、pd3和pd4，第一传输元件至第四传输元件mt1、mt2、mt3和mt4，第一浮置扩散节点fd1，第一储存元件mg1，第一复位元件mr1，第一驱动元件md1和第一选择元件ms1。
78.在本文中，由于第一光电二极管至第四光电二极管pd1、pd2、pd3和pd4，第一传输元件至第四传输元件mt1、mt2、mt3和mt4，第一浮置扩散节点fd1，第一复位元件mr1，第一驱动元件md1和第一选择元件ms1与图7所示的相同，因此省略其详细描述，下面仅描述第一储存元件mg1。
79.第一储存元件mg1可以基于第一增益转换信号vg1选择性地联接到第一浮置扩散节点fd1。例如，当执行高动态范围功能时，第一储存元件mg1可以选择性地联接到第一浮置扩散节点fd1。根据示例，第一储存元件mg1可以在第二时段中的生成高亮度图像的时段期间联接到第一浮置扩散节点fd1，并且可以在第二时段中的生成低亮度图像的时段期间不联接到第一浮置扩散节点fd1。可以基于从半遮光像素生成的第一图像信号来生成高亮度图像，并且可以基于从正常像素生成的第二图像信号生成低亮度图像。根据另一示例，第一储存元件mg1可以在第二时段中的生成高亮度图像的时段期间联接到第一浮置扩散节点fd1，并且可以在第二时段中的生成低亮度图像的时段期间联接到第一浮置扩散节点fd1。例如，第一储存元件mg1可以通过其栅极端子接收第一增益转换信号vg1，并且具有联接在第一浮置扩散节点fd1和浮置节点之间的源极端子和漏极端子。
80.在下文中，描述了根据第二实施方式的图像感测装置200的操作，其中图像感测装置具有关于图7和图8描述的配置。
81.首先，描述根据相位检测自动对焦功能的图像感测装置200的操作。
82.在第一时段期间，当像素阵列220在行控制器210的控制下生成与距对象的深度相对应的像素信号vpx时，信号转换器230可以生成与像素信号vpx相对应的图像信号dpx。图像处理器240可以基于图像信号dpx中的一些来计算距对象的深度。用于计算深度的图像信号可以与从像素阵列120中的像素当中的半遮光像素生成的像素信号相对应。具体地，考虑到图像处理器240的操作量(即，吞吐量)，从半遮光像素中的一些生成的像素信号可以用作深度计算图像信号。例如，在深度计算中使用的半遮光像素可以各自具有绿色滤色器。因为各自具有绿色滤色器的半遮光像素比各自具有红色滤色器或蓝色滤色器的半遮光像素具有更好的灵敏度和分辨率，所以使用各自具有绿色滤色器的半遮光像素可以是有利的。
83.接下来，描述根据高动态范围功能的图像感测装置200的操作。
84.在第二时段期间，当像素阵列220在行控制器210的控制下生成与所捕获的图像相对应的像素信号vpx时，信号转换器230可以生成与像素信号vpx相对应的图像信号dpx。图像处理器240可以基于图像信号dpx当中的第一图像信号生成高亮度图像，并且基于第二图
像信号生成低亮度图像。例如，第一图像信号可以分别与从包括在单位像素电路中的像素当中的第一半遮光像素和第二半遮光像素生成和合成的像素信号相对应，并且第二图像信号可以分别与从包括在单位像素电路中的像素当中的第一正常像素和第二正常像素生成和合成的像素信号相对应。具体地，由于半遮光像素和正常像素被控制为具有相同的积分时间，并且半遮光像素具有与正常像素相比减半的光透射率，因此可以抑制运动伪影。图像处理器240可以基于高亮度图像和低亮度图像来生成高动态范围图像。另外，当第一储存元件mg1被包括在单位像素电路中时，可以增大与低亮度图像相对应的第二图像信号的最大输出范围。
85.根据本公开的实施方式，与相位检测自动对焦功能相关的像素可以布置在图像的整个区域上，并且像素还可以用于高动态范围功能。
86.根据本公开的实施方式，与相位检测自动对焦功能相关的像素可以布置在图像的整个区域上，并且还可以用于高动态范围功能，由此在提高相位检测自动对焦功能的准确度的同时获得高动态范围内的图像。
87.虽然已经参照特定实施方式例示和描述了本公开，但是本领域技术人员可以根据本公开认识到的那样，可以进行各种改变和修改。因此，所公开的实施方式和任何具体细节都不是限制性的。本公开涵盖落入权利要求的范围内的所有变型。
88.相关申请的交叉引用
89.本技术要求于2020年11月4日提交的韩国专利申请第10-2020-0146139号的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。