具减少金属-绝缘体-金属横向溢出集成电容器延迟的高动态范围CMOS图像传感器像素的制作方法

本公开大体上涉及图像传感器，且特定来说但不排他，涉及高动态范围(hdr)互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。

背景技术：

1、图像传感器已变得无处不在且现广泛用于数码相机、手机、监控摄像头以及医疗、汽车及其它应用中。随着图像传感器集成到更广范围的电子装置中，期望通过装置架构设计以及图像获取处理来在尽可能多的方面(例如分辨率、功耗、动态范围等)增强其功能性、性能指标及其类似者。用于制造图像传感器的技术持续快速发展。例如，对更高分辨率及更低功耗的需求鼓励进一步小型化及集成这些装置。

2、典型互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器响应于来自外部场景的图像光入射到图像传感器上而操作。图像传感器包含像素阵列，其具有吸收入射图像光的一部分且在吸收图像光之后光生图像电荷的光敏元件(例如光电二极管)。由像素光生的图像电荷可测量为列位线上的模拟输出图像信号，其随入射图像光而变化。换句话说，光生图像电荷量与图像光的强度成比例，图像光作为模拟信号从列位线读出且转换成数字值以产生表示外部场景的数字图像(即，图像数据)。

3、标准图像传感器具有约60到70db的有限动态范围。然而，真实世界的亮度动态范围要大得多。例如，自然场景通常跨越90db或更大的范围。为了同时捕捉明亮强光及昏暗阴影中的细节，已在图像传感器中使用高动态范围(hdr)技术来增大所捕捉的动态范围。增大动态范围的一种常见技术是将使用标准(低动态范围)图像传感器以不同曝光设置捕捉的多次曝光合并成单个线性hdr图像，其导致比单个曝光图像大得多的动态范围图像。

技术实现思路

1、本公开的实施例提供一种像素电路，其包括：光电二极管，其经配置以在响应于入射光期间光生图像电荷；浮动扩散区，其经耦合以接收所述图像电荷；转移晶体管，其耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间，其中所述转移晶体管经配置以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区；复位晶体管，其耦合于复位电压源与所述浮动扩散区之间，其中所述复位晶体管经配置以响应于复位控制信号而切换；及横向溢出集成电容器(lofic)，其包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的绝缘区，其中所述第一金属电极耦合到偏置电压源，其中所述第二金属电极选择性耦合到所述浮动扩散区，其中由所述光电二极管在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以通过所述转移晶体管从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散区中。

2、本公开的另一实施例提供一种成像系统，其包括：像素阵列，其包含布置成多行及多列的多个像素电路，其中所述像素电路中的每一者包含：光电二极管，其经配置以响应于入射光而光生图像电荷；浮动扩散区，其经耦合以接收所述图像电荷；转移晶体管，其耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间，其中所述转移晶体管经配置以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区；复位晶体管，其耦合于复位电压源与所述浮动扩散区之间，其中所述复位晶体管经配置以响应于复位控制信号而切换；及横向溢出集成电容器(lofic)，其包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的绝缘区，其中所述第一金属电极耦合到偏置电压源，其中所述第二金属电极选择性耦合到所述浮动扩散区，其中由所述光电二极管在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以通过所述转移晶体管从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散区中，其中所述空闲周期发生在预充电周期之前，所述预充电周期发生在积分周期之前，所述积分周期发生在读出周期之前；控制电路系统，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路系统，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素电路读出图像数据。

技术特征：

1.一种像素电路，其包括：

2.根据权利要求1所述的像素电路，其中由所述光电二极管在积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管溢出到所述lofic而非所述浮动扩散区中，其中所述空闲周期发生在所述积分周期之前。

3.根据权利要求2所述的像素电路，其中所述复位控制信号经配置以在所述空闲周期期间导通所述复位晶体管以在所述空闲周期期间通过所述浮动扩散区使所述lofic放电。

4.根据权利要求3所述的像素电路，其中所述复位电压源是所述偏置电压源，其中所述复位控制信号经配置以导通所述复位晶体管以在所述空闲周期期间及在预充电周期期间将所述第一及第二金属电极耦合到所述偏置电压源以使所述lofic放电，其中所述预充电周期发生在所述空闲周期之后且在所述积分周期之前。

5.根据权利要求4所述的像素电路，其中由所述偏置电压源提供的偏置电压经配置以在所述空闲周期期间、在所述预充电周期期间及在所述积分周期之后发生的读出周期期间等于第二偏置电压，其中所述偏置电压经配置以在所述积分周期期间等于第一偏置电压。

6.根据权利要求5所述的像素电路，其中所述第一偏置电压是低电容器偏置电压，其中所述第二偏置电压是高电容器偏置电压，其中所述低电容器偏置电压小于所述高电容器偏置电压。

7.根据权利要求3所述的像素电路，其进一步包括耦合于所述浮动扩散区与所述第二金属电极之间的双浮动扩散dfd晶体管，其中所述dfd晶体管经配置以响应于dfd控制信号而切换。

8.根据权利要求7所述的像素电路，其进一步包括耦合于所述光电二极管与所述第二金属电极之间的溢出晶体管，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述溢出晶体管溢出到所述lofic中，而非通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，其中由所述光电二极管在所述空闲周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，而非通过所述溢出晶体管溢出到所述lofic中。

9.根据权利要求6所述的像素电路，其中所述lofic是第一电容器，其中所述像素电路进一步包括：

10.根据权利要求9所述的像素电路，其进一步包括：

11.根据权利要求10所述的像素电路，其进一步包括耦合于所述浮动扩散区与所述第二金属电极之间的低转换增益lfg晶体管，其中所述lfg晶体管经配置以响应于lfg控制信号而切换。

12.根据权利要求11所述的像素电路，其中所述第二金属电极经配置以在所述空闲周期期间及在所述预充电周期期间通过所述dfd晶体管、所述浮动扩散区及所述lfg晶体管耦合到所述复位晶体管。

13.根据权利要求12所述的像素电路，其进一步包括耦合于所述光电二极管与所述第二金属电极之间的溢出晶体管，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述溢出晶体管溢出到所述lofic中，而非通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，其中由所述光电二极管在所述空闲周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，而非通过所述溢出晶体管溢出到所述lofic中。

14.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述转移晶体管包含于具有双栅极结构的旁路晶体管中，所述双栅极结构包含耦合于所述lofic与所述光电二极管之间的溢出栅极及耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间的转移栅极。

15.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述转移晶体管包括多栅极晶体管结构，其中所述多栅极晶体管结构包括：

16.根据权利要求15所述的像素电路，其中所述第二金属电极通过所述浮动扩散区、所述浮动扩散栅极及所述lofic栅极耦合到所述复位晶体管以在所述空闲周期期间及在预充电周期期间使所述lofic放电。

17.根据权利要求16所述的像素电路，其中由所述光电二极管在积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述光电二极管栅极且通过所述lofic栅极溢出到所述lofic中。

18.一种成像系统，其包括：

19.根据权利要求18所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路系统以存储来自所述多个像素电路中的每一者的所述图像数据的功能逻辑。

20.根据权利要求18所述的成像系统，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管溢出到所述lofic而非所述浮动扩散区中。

21.根据权利要求20所述的成像系统，其中所述复位控制信号经配置以在所述空闲周期期间导通所述复位晶体管以在所述空闲周期期间通过所述浮动扩散区使所述lofic放电。

22.根据权利要求21所述的成像系统，其中所述复位电压源是所述偏置电压源，其中所述复位控制信号经配置以导通所述复位晶体管以在所述空闲周期期间及在预充电周期期间将所述第一及第二金属电极耦合到所述偏置电压源以使所述lofic放电。

23.根据权利要求22所述的成像系统，其中由所述偏置电压源提供的偏置电压经配置以在所述空闲周期期间、在所述预充电周期期间及在所述读出周期期间等于第二偏置电压，其中所述偏置电压经配置以在所述积分周期期间等于第一偏置电压，其中所述第一偏置电压是低电容器偏置电压，其中所述第二偏置电压是高电容器偏置电压，其中所述低电容器偏置电压小于所述高电容器偏置电压。

24.根据权利要求21所述的成像系统，其中所述像素电路中的每一者进一步包括耦合于所述浮动扩散区与所述第二金属电极之间的双浮动扩散dfd晶体管，其中所述dfd晶体管经配置以响应于dfd控制信号而切换。

25.根据权利要求24所述的成像系统，其中所述像素电路中的每一者进一步包括耦合于所述光电二极管与所述第二金属电极之间的溢出晶体管，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述溢出晶体管溢出到所述lofic中，而非通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，其中由所述光电二极管在所述空闲周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，而非通过所述溢出晶体管溢出到所述lofic中。

26.根据权利要求23所述的成像系统，其中所述lofic是第一电容器，其中所述像素电路进一步包括：

27.根据权利要求26所述的成像系统，其中所述像素电路中的每一者进一步包括：

28.根据权利要求27所述的成像系统，其中所述像素电路中的每一者进一步包括耦合于所述浮动扩散区与所述第二金属电极之间的低转换增益lfg晶体管，其中所述lfg晶体管经配置以响应于lfg控制信号而切换。

29.根据权利要求28所述的成像系统，其中所述第二金属电极经配置以在所述空闲周期期间及在所述预充电周期期间通过所述dfd晶体管、所述浮动扩散区及所述lfg晶体管耦合到所述复位晶体管。

30.根据权利要求29所述的成像系统，其中所述像素电路中的每一者进一步包括耦合于所述光电二极管与所述第二金属电极之间的溢出晶体管，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述溢出晶体管溢出到所述lofic中，而非通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，其中由所述光电二极管在所述空闲周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，而非通过所述溢出晶体管溢出到所述lofic中。

31.根据权利要求18所述的成像系统，其中所述转移晶体管包含于具有双栅极结构的旁路晶体管中，所述双栅极结构包含耦合于所述lofic与所述光电二极管之间的溢出栅极及耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间的转移栅极。

32.根据权利要求18所述的成像系统，其中所述转移晶体管包括多栅极晶体管结构，其中所述多栅极晶体管结构包括：

33.根据权利要求32所述的成像系统，其中所述第二金属电极通过所述浮动扩散区、所述浮动扩散栅极及所述lofic栅极耦合到所述复位晶体管以在所述空闲周期期间及在所述预充电周期期间使所述lofic放电。

34.根据权利要求33所述的成像系统，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述光电二极管栅极且通过所述lofic栅极溢出到所述lofic中。

技术总结
本公开涉及具有减少金属‑绝缘体‑金属横向溢出集成电容器延迟的高动态范围CMOS图像传感器像素。一种像素电路包含经配置以响应于入射光而光生图像电荷的光电二极管。转移晶体管经配置以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到浮动扩散区。复位晶体管耦合于复位电压源与所述浮动扩散区之间。横向溢出集成电容器LOFIC包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的绝缘区。所述第一金属电极耦合到偏置电压源，所述第二金属电极选择性耦合到所述浮动扩散区，且由所述光电二极管在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以通过所述转移晶体管从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散区中。

技术研发人员：崔雲
受保护的技术使用者：豪威科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15