專利名稱：用于像素中高動態(tài)范圍成像的系統(tǒng)和成像傳感器像素的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例大體涉及圖像俘獲裝置，且更特定來說但并不排他地涉及增強圖像俘獲裝置的動態(tài)范圍。
背景技術(shù)：
圖像俘獲裝置包括圖像傳感器及成像透鏡。成像透鏡將光聚焦到圖像傳感器上以形成圖像，且圖像傳感器將光轉(zhuǎn)換成電信號。將電信號從圖像俘獲裝置輸出到主電子系統(tǒng)的其它組件。所述電子系統(tǒng)可為(例如)移動電話、計算機、數(shù)碼相機或醫(yī)療裝置。隨著像素單元變小，像素單元輸出可易于通過下游信號處理解密的足夠強度的信號變得更困難。此外，存在對圖像傳感器在從低光條件變化到亮光條件的大照明條件范圍上執(zhí)行的需求。此執(zhí)行性能一般被稱作具有高動態(tài)范圍成像(HDRI或者僅HDR)。因此，用 于減小像素單元的大小的現(xiàn)有技術(shù)解決方案限制了像素單元的動態(tài)范圍。圖I為包括于圖像傳感器陣列內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)四晶體管(4T)像素單元的圖。像素單元100包括光感測元件(即，光電二極管)101、轉(zhuǎn)移晶體管102、復(fù)位晶體管103、源極跟隨器晶體管104及行選擇晶體管105。在操作期間，轉(zhuǎn)移晶體管102接收轉(zhuǎn)移信號TX，其將在光電二極管101中所累積的電荷轉(zhuǎn)移到浮動擴散節(jié)點106。復(fù)位晶體管103耦合于電力軌VDD與浮動擴散節(jié)點106之間以在復(fù)位信號RST的控制下復(fù)位像素單元100 (例如，將浮動擴散節(jié)點106及光電二極管101放電或充電到預(yù)設(shè)電壓)。浮動擴散節(jié)點106經(jīng)耦合以控制源極跟隨器晶體管104的柵極端子。源極跟隨器晶體管104耦合于電力軌VDD與行選擇晶體管105之間。行選擇晶體管105在行選擇信號RS的控制下將像素電路的輸出選擇性耦合到讀出列190。在正常操作中，通過臨時斷言復(fù)位信號RST及轉(zhuǎn)移信號TX而復(fù)位光電二極管101及浮動擴散節(jié)點106。通過撤銷斷言轉(zhuǎn)移信號TX且準(zhǔn)許入射光對光電二極管101充電而開始累積窗(即，曝光周期)。隨著光產(chǎn)生的電子累積于光電二極管101上，其電壓降低(電子為負電荷載流子)。光電二極管101上的電壓或電荷指示在曝光周期期間入射于光電二極管101上的光的強度。在曝光周期的末尾，復(fù)位信號RST經(jīng)撤銷斷言以隔離浮動擴散節(jié)點106，且轉(zhuǎn)移信號TX經(jīng)斷言以將光電二極管101耦合到浮動擴散節(jié)點106。電荷轉(zhuǎn)移使浮動擴散節(jié)點106的電壓按與在曝光周期期間累積于光電二極管101上的光產(chǎn)生的電子成比例的量下降。浮動擴散節(jié)點106經(jīng)設(shè)計得相對小，以便實現(xiàn)高轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換增益；然而，在高照明條件下，通過光電二極管101所產(chǎn)生的電荷(信號)的量可大于浮動擴散節(jié)點106的容量。這將導(dǎo)致浮動擴散節(jié)點的飽和，進而產(chǎn)生減小的動態(tài)范圍以及減小的信噪比(SNR)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面中，本發(fā)明提供一種成像傳感器像素，其包含浮動擴散(FD)區(qū)域；光敏元件，其用以獲取圖像電荷；轉(zhuǎn)移柵極，其將所述圖像電荷從所述光敏元件選擇性轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)域；及多個金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容區(qū)域，其耦合到所述FD區(qū)域以增大所述FD區(qū)域的電容，其中所述MOS電容區(qū)域中的每一者包括最小電容值及不同的閾值電壓值，所述MOS電容區(qū)域中的每一者在轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)域的所述圖像電荷超過其閾值電壓值時具有大于其最小電容值的電容值。在另一方面中，本發(fā)明進一步提供一種系統(tǒng)，其包含成像像素陣列，其中每一成像像素包括浮動擴散(FD)區(qū)域，光敏元件，其用以獲取圖像電荷，轉(zhuǎn)移柵極，其將所述圖像電荷從所述光敏元件選擇性轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)域，及多個金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容區(qū)域，其耦合到所述FD區(qū)域以增大所述FD區(qū)域的電容，其中所述MOS電容區(qū)域中的每一者包括最小電容值及不同的閾值電壓值，所述MOS電容區(qū)域中的每一者在轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)域的所述圖像電荷超過其閾值電壓值時具有大于其最小電容值的電容值；控制單元，其耦合到所述成像像素陣列以控制所述成像像素陣列的圖像數(shù)據(jù)俘獲；及讀出電路，其耦合到所述成像像素陣列以從所述成像像素中的每一者讀出所述圖像數(shù)據(jù)。


以下描述包括具有通過本發(fā)明的實施例的實施方案的實例所給出的說明的圖的論述。所述圖式應(yīng)通過實例而非通過限制來理解。如本文中所使用，應(yīng)將對一個或一個以上“實施例”的參考理解為描述包括于本發(fā)明的至少一個實施方案中的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。因此，出現(xiàn)于本文中的例如“在一個實施例中”或“在一替代實施例中”的詞組描述本發(fā)明的各種實施例及實施方案，且未必全部指代同一實施例。然而，其也未必相互排斥。圖I為現(xiàn)有技術(shù)四晶體管(4T)像素單元的圖。圖2為說明根據(jù)本發(fā)明的一實施例的成像系統(tǒng)的框圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的4T像素單元的圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的對于MOS電容區(qū)域的電容對柵極電壓曲線的曲線圖。圖5A及5B為根據(jù)本發(fā)明的實施例的耦合到浮動擴散節(jié)點的多個MOS電容區(qū)域的說明。圖6為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的利用具有多個摻雜劑區(qū)域的MOS電容器的像素單元的橫截面圖。圖7為展示在根據(jù)本發(fā)明的一實施例的像素單元的浮動擴散節(jié)點處的光強度與電容之間的關(guān)系的曲線圖。接下來為某些細節(jié)及實施方案的描述，包括可描繪下文所描述的實施例中的一些或全部的圖的描述，以及論述本文中所呈現(xiàn)的發(fā)明性概念的其它可能實施例或?qū)嵤┓桨?。下文提供本發(fā)明的實施例的綜述，隨后是參看圖式的更詳細描述。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例描述通過將成像像素的浮動擴散節(jié)點耦合到多個金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容區(qū)域?qū)⒏邉討B(tài)范圍成像(HDRI或僅HDR)提供到成像像素。應(yīng)理解，MOS電容區(qū)域僅在浮動擴散節(jié)點處的電壓(或在柵極節(jié)點與浮動擴散節(jié)點之間的電壓差)大于MOS電容區(qū)域的閾值電壓時“接通”(即，改變浮動擴散節(jié)點的總電容)；在皿)5電容區(qū)域“接通”前，其不對成像像素的總電容或轉(zhuǎn)換增益有影響。本發(fā)明的實施例所利用的多個MOS電容區(qū)域中的每一者可具有不同的閾值電壓，借此在不同的照明條件下“接通”。此增大成像像素的動態(tài)范圍，借此提供用于主成像系統(tǒng)的HDR，以及增大成像系統(tǒng)的信噪比(SNR)。在以下描述中，闡述眾多特定細節(jié)以提供對實施例的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認識到，可在無特定細節(jié)中的一者或一者以上的情況下或通過其它方法、組件、材料等來實踐本文中所描述的技術(shù)。在其它例子中，并未詳細展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免使某些方面晦澀難懂。圖2為說明根據(jù)本發(fā)明的一實施例的成像系統(tǒng)的框圖。所說明的實施例成像系統(tǒng)200包括像素陣列205、讀出電路210、功能邏輯215及控制電路220。
像素陣列205為成像傳感器單元或像素單元(例如，像素P1、P2、· · .、Pn)的二維(2D)陣列。在一個實施例中，每一像素單元為互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)成像像素。在另一實施例中，每一像素單元為電荷稱合裝置(CCD)成像像素。像素陣列205可實施為前側(cè)照明圖像傳感器或后側(cè)照明圖像傳感器。如所說明，每一像素單元排列成行(例如，行Rl到Ry)及列(例如，列Cl到Cx)以獲取人、地點或物體的圖像數(shù)據(jù)，接著可使用所述圖像數(shù)據(jù)來再現(xiàn)人、地點或物體的圖像。在每一像素已獲取其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷之后，圖像數(shù)據(jù)由讀出電路210讀出并轉(zhuǎn)移到功能邏輯215。讀出電路210可包括放大電路、模/數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換電路或其它電路。功能邏輯215可僅存儲圖像數(shù)據(jù)，或甚至通過應(yīng)用后期圖像效果(例如，修剪、旋轉(zhuǎn)、去紅目艮、調(diào)整亮度、調(diào)整對比度或其它操作)來操縱圖像數(shù)據(jù)。在一個實施例中，讀出電路210可沿讀出列線(說明為一般位線)一次讀出一行圖像數(shù)據(jù)，或可使用多種其它技術(shù)(未說明)同時讀出圖像數(shù)據(jù)，例如串行讀出、沿讀出行線的列讀出或所有像素的全并行讀出。控制電路220耦合到像素陣列205，且包括用于控制像素陣列205的操作特性的邏輯。舉例來說，復(fù)位、行選擇及轉(zhuǎn)移信號可由控制電路220產(chǎn)生?？刂齐娐?20還可產(chǎn)生用于控制圖像獲取的快門信號。在一個實施例中，快門信號為用于同時使像素陣列205內(nèi)的所有像素能夠在單一獲取窗期間同時俘獲其相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)的全局快門信號。在一替代實施例中，快門信號為借以在連續(xù)獲取窗期間依次啟用每一行、每一列或每一群組像素的滾動快門信號。在個實施例中，成像系統(tǒng)200為包括于電子系統(tǒng)中的子系統(tǒng)。所述電子系統(tǒng)可為移動電話、計算機、數(shù)碼相機或醫(yī)療裝置，且可進一步包括操作單元，所述操作單元包含與電子系統(tǒng)有關(guān)的計算或處理單元。舉例來說，所述電子系統(tǒng)可為移動電話，且所述操作單元可為負責(zé)系統(tǒng)的電話操作的電話單元。圖3為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的四晶體管(4T)像素單元的圖。像素單元300包括于像素單元陣列中，如上文所述且在圖2的像素陣列205中所說明。像素單元300包括光電二極管301、轉(zhuǎn)移晶體管302、復(fù)位晶體管303、源極跟隨器晶體管304及行選擇晶體管305。這些元件類似于圖I的4T像素單元發(fā)揮功能。在此實施例中，像素單元300還包括可變電容元件307，可變電容元件307包括多個MOS電容區(qū)域。如下文所述，多個MOS電容區(qū)域的存在允許浮動擴散節(jié)點306的電容在某些照明條件下變化一即，當(dāng)柵極端子308與浮動擴散節(jié)點306之間的電壓差大于MOS電容區(qū)域中的一者的閾值電壓值時。圖4為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的MOS電容區(qū)域的電容值對柵極電壓曲線的曲線圖。曲線圖400展示曲線410，曲線410說明用于具有p+柵極及η-主體的MOS電容區(qū)域的電容值。應(yīng)理解，對于包含位于P-主體上的η+柵極的MOS電容區(qū)域，曲線410將為鏡面式(即，‘翻轉(zhuǎn)’)。當(dāng)施加到MOS電容區(qū)域的電壓(即，柵極電壓)小于閾值電壓Vt時，高頻率電容Chf值處于Cmin,而準(zhǔn)靜態(tài)電容Cqs處于CMax。對于本發(fā)明的實施例的使用，將僅考慮Chf,且Cqs將不對包括所述MOS電容區(qū)域的像素單元的總電容有影響。當(dāng)施加到電容器的電壓處于閾值電壓Vt與平帶電壓Vfb之間時，MOS電容區(qū)域的電容值為所施加電壓的函數(shù)一即，所施加電壓超過閾值電壓Vt越大，則MOS電容區(qū)域的電容值越高。當(dāng)施加到MOS電容區(qū)域的電壓超過平帶電壓Vfb時，MOS電容區(qū)域的電容值達到 最大值Cmax。當(dāng)MOS電容區(qū)域操作性耦合到4T像素單元的浮動擴散節(jié)點(例如，圖3的浮動擴散節(jié)點306)時，則在高照明光條件下，MOS電容區(qū)域可具有在讀出操作期間超過其Cmin值的電容值。此實際上增大浮動擴散節(jié)點的電容；然而，在低光條件下，MOS電容區(qū)域可具有處于其Cmin值的電容值；在本發(fā)明的一些實施例中，所述Cmin值為零或接近零，使得浮動擴散節(jié)點的電容值將僅包括其本征電容(如上文所述，對于小的浮動擴散節(jié)點，其為相對小的電容值)。圖5A及5B為根據(jù)本發(fā)明的實施例的耦合到浮動擴散節(jié)點的多個MOS電容區(qū)域的說明。在圖5A中，多個MOS電容器(S卩，電容器510、511、. . .、51n)經(jīng)并聯(lián)耦合且耦合到浮動擴散節(jié)點500。應(yīng)理解，在其它實施例中，元件510-51n可為多個MOS晶體管以提供可變電容。盡管未展示，但應(yīng)理解，浮動擴散節(jié)點500包括于圖像像素單元中，其類似于圖3的像素單元300中的浮動擴散節(jié)點306。在此實施例中，電容器510-51n中的每一者將具有不同的閾值電壓Vt值，借此對在不同的電壓電平下的浮動擴散節(jié)點500的總電容有影響。在一個實施例中，電容器510的平帶電壓Vfb值可為與511的閾值電壓Vt值相同的值，電容器511的平帶電壓Vfb值可為與電容器512(未圖示)的閾值電壓￥:相同的值，對于所有電容器511-51n，情況均如此(但在其它實施例中，可存在電容器的Vt-Vfb范圍的某一重疊)。此外，電容器中的每一者可具有接近零的最小電容值CMIN。因此，對于電容器510的Vt到電容器51η的Vfb的電壓范圍，在浮動擴散節(jié)點500處的總電容將為在浮動擴散節(jié)點處所接收的電壓(即，在相應(yīng)圖像傳感器處所接收的光的強度)的函數(shù)，但對于低于電容器510的Vt的電壓，浮動擴散節(jié)點的電容將不大于其本征電容。圖5Β說明多個電容區(qū)域的一替代實施例。在此實施例中，并不利用如在圖5Α中所展示的多個不同的電容器，而利用包括多個相異的摻雜劑區(qū)域的單一MOS電容器。MOS電容器550包括接觸件590及595、“金屬”層580、氧化物層570及摻雜劑區(qū)域560、561、...、56η。摻雜劑區(qū)域560-56η中的每一者將具有不同的摻雜程度以影響每一區(qū)域的閾值電壓Vt及平帶電壓Vfb值。因此，應(yīng)理解，電容器550為圖5Α的多個電容器510-51η的更簡單且有效的功能等效物。圖6為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的利用具有多個摻雜劑區(qū)域的MOS電容器的像素單元的橫截面圖。在此實施例中，4T像素單元600包括形成于襯底610的前側(cè)上的光電二極管680。在此實施例中，光電二極管680包含P型鈍化或釘扎層670及η型光敏區(qū)域675。ρ型擴散阱620形成于襯底610內(nèi)。浮動擴散件660、M0S電容器690、復(fù)位晶體管、源極跟隨器晶體管及行選擇晶體管(未圖示)也可形成于P型擴散阱620或類似建構(gòu)的擴散阱內(nèi)。在像素600的操作期間，轉(zhuǎn)移晶體管605接收轉(zhuǎn)移信號以將在光電二極管680中所累積的電荷轉(zhuǎn)移到浮動擴散件660。淺溝槽隔離(STI)區(qū)域630將像素600與相應(yīng)像素陣列內(nèi)的其它像素單元分開。在此實施例中，在亮光條件下，MOS電容器690增大浮動擴散節(jié)點660的電容。如上文所述，使MOS電容器690所提供的電容變化的一種方式是使多個所包括的電容區(qū)域的閾值電壓變化。在此實施例中，通過使在MOS電容器690的柵極640下的區(qū)域650的摻雜程度變化而實現(xiàn)所述可變電容(例如，區(qū)域650可包含硅且柵極640可包含多晶硅)。在此實施例中，柵極640下的區(qū)域650包含摻雜劑區(qū)域651、652、653及654。因此， MOS電容器690可被看作將四個可變電容提供到浮動擴散節(jié)點660。當(dāng)施加到MOS電容器690的柵極640的電壓克服摻雜劑區(qū)域651所產(chǎn)生的閾值電壓時，將可變電容Csrosi施加到浮動擴散節(jié)點660。當(dāng)施加到柵極640的電壓克服摻雜劑區(qū)域652所產(chǎn)生的閾值電壓(在此實施例中，其“高”于摻雜劑區(qū)域651的閾值電壓)時，將可變電容Csros2(除了 Csrosi外)施加到浮動擴散節(jié)點660，對于可分別將可變電容Csros3及Csros4提供到浮動擴散件660的摻雜劑區(qū)域653及654，情況均如此。在其它實施例中，區(qū)域650可包含大于兩個的任何量的摻雜劑區(qū)域。在此實施例中，區(qū)域650具有一摻雜劑分布，其中摻雜劑濃度從最接近浮動擴散節(jié)點660的摻雜劑區(qū)域651增大到最接近STI 630的摻雜劑區(qū)域654。通過摻雜劑濃度從浮動擴散節(jié)點660增大到STI 630的摻雜劑分布，由MOS電容器690提供到浮動擴散件660的電容可隨著施加到柵極端子640的增大(或減小)的電壓而增大(或減小)。具有多個摻雜劑區(qū)域651-654的MOS電容器690由此將變化的電容提供到浮動擴散件660。應(yīng)理解，利用本發(fā)明的上述實施例的像素及成像陣列將具有增大的動態(tài)范圍，借此實現(xiàn)用于成像陣列的HDR。在此實施例中，摻雜劑區(qū)域651-654為ρ型，如擴散阱620。在其它實施例中，摻雜劑區(qū)域651-654為η型。在其它實施例中，摻雜劑區(qū)域651-654可能并不全為相同類型(例如，摻雜劑區(qū)域651及652可為η型，而摻雜劑區(qū)域653及654為ρ型，等等)。在所說明的實施例中，光電二極管680及像素單元600的其它元件形成于襯底600中。在其它實施例中，像素單元600可形成于安置于襯底上的外延層中。在其它實施例中，像素單元600可在柵極640與STI 630之間具有擴散區(qū)域(圖6中未展示)。在所說明的實施例中，柵極640可經(jīng)η摻雜或未摻雜。在本發(fā)明的其它實施例中，柵極640可經(jīng)ρ摻雜，此可降低MOS電容器690的閾值電壓。柵極640可經(jīng)η摻雜以增大MOS電容器690的閾值電壓。在所說明的實施例中，摻雜劑區(qū)域651、652、653及654形成于柵極640下的區(qū)域中以將可變電容提供到MOS電容器690。在本發(fā)明的其它實施例中，摻雜劑區(qū)域651、652、653及654可形成于柵極640中。換句話說，柵極640的摻雜劑濃度可變化以將可變電容提供到MOS電容器690。電容區(qū)域651-654可具有鄰接(或幾乎鄰接)的非重疊閾值電壓——平帶電壓值范圍，借此產(chǎn)生電容范圍，其中在浮動擴散節(jié)點660處的電容為如下文所述在電壓處于電容區(qū)域651的閾值電壓與電容區(qū)域654的平帶電壓之間時的所述電壓的函數(shù)。圖7為展示在根據(jù)本發(fā)明的一實施例的像素單元的浮動擴散節(jié)點處的光強度與電容之間的關(guān)系的曲線圖。曲線圖700包括曲線710，曲線710基于光電二極管680所接收的光強度來表示圖6的浮動擴散節(jié)點660的電容(應(yīng)理解，像素單元600的動態(tài)范圍對應(yīng)于在浮動擴散節(jié)點處的電容，且由此也由曲線710表示)。光強度值721處的電容表示浮動擴散節(jié)點660的本征電容。在此實施例中，當(dāng)光強度超過值721時，超過摻雜劑區(qū)域651的閾值電壓的電壓將被施加到柵極640，借此提供展示為區(qū)段731的可變電容。在此實施例中，當(dāng)光強度接近值722時，摻雜劑區(qū)域651已達 到其平帶電壓(即，達到其展示為CMax l的最大電容)；然而，當(dāng)光強度值超過值722時，超過摻雜劑區(qū)域652的閾值電壓的電壓將被施加到柵極640，借此提供展示為區(qū)段732的可變電容(其中所述可變電容包括Ctox l，這是因為摻雜劑區(qū)域651已達到其平帶電壓)。類似地，隨著光強度值超過值723及724，分別超過摻雜劑區(qū)域653及654的閾值電壓的電壓將被施加到柵極640，借此分別提供展示為區(qū)段733及734的可變電容。在此實施例中，為了實現(xiàn)相對平滑的電容/動態(tài)范圍曲線(如在曲線710中所展示)，摻雜劑區(qū)域651-654可按面積及/或按摻雜劑分布變化以便實現(xiàn)不同的CMax值。因此，摻雜劑區(qū)域654的CMax 4小于摻雜劑區(qū)域653的CMax 3，摻雜劑區(qū)域653的CMax 3小于摻雜劑區(qū)域652的CMax 2，摻雜劑區(qū)域652的CMax 2小于摻雜劑區(qū)域651的CMax lt)此外，在此實施例中，摻雜劑區(qū)域651的平帶電壓值為或接近摻雜劑區(qū)域652的閾值電壓值，摻雜劑區(qū)域652的平帶電壓值為或接近摻雜劑區(qū)域653的閾值電壓值，等等?？赏ㄟ^任何數(shù)目種常規(guī)方式監(jiān)視由光電二極管(及圖像傳感器)接收的光強度級?？蓪碜詧D像傳感器的輸出的亮度級進行檢驗。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可了解，幾乎每一圖像傳感器都具有用于自動增益控制及曝光控制的電路。通過確定從像素輸出的信號的強度，可確定環(huán)境光級。在圖像傳感器的成像區(qū)外部的專用光敏裝置可用以監(jiān)視由圖像傳感器接收的光強度級。通過將光強度級與一個(或一個以上)閾值(例如，圖4B的閾值485、486及487)比較，可確定施加到柵極640的電壓電平。在上文中被稱作本文中所描述的過程、服務(wù)器或工具的各種組件可為用于執(zhí)行所描述的功能的構(gòu)件。本文中所描述的每一組件包括軟件或硬件，或這些的組合。每一及所有組件可實施為軟件模塊、硬件模塊、專用硬件(例如，專用硬件、ASIC、DSP等)、嵌入式控制器、固線式電路、硬件邏輯等?？山?jīng)由包括非暫時性有形計算機或機器可讀存儲媒體的制品提供軟件內(nèi)容(例如，數(shù)據(jù)、指令、配置)，所述制品提供表示可執(zhí)行的指令的內(nèi)容。所述內(nèi)容可引起計算機執(zhí)行本文中所描述的各種功能/操作。本發(fā)明的所說明實施例的以上描述(包括在摘要中所描述的內(nèi)容)并不既定為詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，盡管在本文中出于說明性目的而描述本發(fā)明的特定實施例及實例，但各種修改在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可能的。
可按照以上詳細描述對本發(fā)明進行這些修改。在所附權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限于本說明書中所揭示的特定實施例。實情為，本發(fā)明的范圍應(yīng)完全由所附權(quán)利要求書確定，應(yīng)根 據(jù)權(quán)利要求書解譯的所建立的準(zhǔn)則來解釋所附權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1.一種成像傳感器像素，其包含 浮動擴散FD區(qū)域；光敏元件，其用以獲取圖像電荷； 轉(zhuǎn)移柵極，其將所述圖像電荷從所述光敏元件選擇性轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)域；及多個金屬氧化物半導(dǎo)體MOS電容區(qū)域，其耦合到所述FD區(qū)域以增大所述FD區(qū)域的電容，其中所述MOS電容區(qū)域中的每一者包括最小電容值及不同的閾值電壓值，所述MOS電容區(qū)域中的每一者在轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)域的所述圖像電荷超過其閾值電壓值時具有大于其最小電容值的電容值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像傳感器像素，其中所述多個MOS電容區(qū)域包括于MOS電容器中，且每一 MOS電容區(qū)域包含不同的摻雜劑水平。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像傳感器像素，其進一步包含耦合到所述FD區(qū)域的多個MOS電容器，其中所述多個MOS電容區(qū)域中的每一者包括于所述多個MOS電容器中的一者中，所述多個MOS電容器經(jīng)并聯(lián)耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像傳感器像素，其中所述多個MOS電容區(qū)域中的一者的平帶電壓等于所述多個MOS電容區(qū)域中的另一者的閾值電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像傳感器像素，其中所述多個MOS電容區(qū)域中的每一者包含不同的最大電容值。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像傳感器像素，其中所述多個MOS電容區(qū)域中的每一者的最小電容值為零。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像傳感器像素，其中所述光敏元件安置于半導(dǎo)體裸片內(nèi)，用于響應(yīng)于入射于所述成像傳感器像素的后側(cè)上的光而累積圖像電荷。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像傳感器像素，其中所述光敏元件安置于半導(dǎo)體裸片內(nèi)，用于響應(yīng)于入射于所述成像傳感器像素的前側(cè)上的光而累積圖像電荷。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像傳感器像素，其中所述成像傳感器像素包含互補金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS圖像傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像傳感器像素，其中所述成像傳感器像素包含電荷耦合裝置CXD圖像傳感器。
11.一種系統(tǒng),其包含 成像像素陣列，其中每一成像像素包括 浮動擴散FD區(qū)域， 光敏元件，其用以獲取圖像電荷， 轉(zhuǎn)移柵極，其將所述圖像電荷從所述光敏元件選擇性轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)域，及多個金屬氧化物半導(dǎo)體MOS電容區(qū)域，其耦合到所述FD區(qū)域以增大所述FD區(qū)域的電容，其中所述MOS電容區(qū)域中的每一者包括最小電容值及不同的閾值電壓值，所述MOS電容區(qū)域中的每一者在轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)域的所述圖像電荷超過其閾值電壓值時具有大于其最小電容值的電容值； 控制單元，其耦合到所述成像像素陣列以控制所述成像像素陣列的圖像數(shù)據(jù)俘獲；及 讀出電路，其耦合到所述成像像素陣列以從所述成像像素中的每一者讀出所述圖像數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中對于所述成像像素陣列的每一成像像素，所述多個MOS電容區(qū)域包括于MOS電容器中，且每一 MOS電容區(qū)域包含不同的摻雜劑水平。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述成像像素陣列的每一成像像素進一步包含耦合到所述FD區(qū)域的多個MOS電容器，其中所述多個MOS電容區(qū)域中的每一者包括于所述多個MOS電容器中的一者中，所述多個MOS電容器經(jīng)并聯(lián)耦合。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中對于所述成像像素陣列的每一成像像素，所述多個MOS電容區(qū)域中的一者的平帶電壓等于所述多個MOS電容區(qū)域中的另一者的閾值電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中對于所述成像像素陣列的每一成像像素，所述多個MOS電容區(qū)域中的每一者包含不同的最大電容值。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中對于所述成像像素陣列的每一成像像素，所述多個MOS電容區(qū)域中的每一者的最小電容值為零。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中對于所述成像像素陣列的每一成像像素，所述光敏元件安置于半導(dǎo)體裸片內(nèi)，用于響應(yīng)于入射于所述成像像素的后側(cè)上的光而累積圖像電荷。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中對于所述成像像素陣列的每一成像像素，所述光敏元件安置于半導(dǎo)體裸片內(nèi)，用于響應(yīng)于入射于所述成像像素的前側(cè)上的光而累積圖像電荷。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述成像像素中的每一者包含互補金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS圖像傳感器。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述成像像素中的每一者包含電荷耦合裝置CXD圖像傳感器。
全文摘要
本申請案涉及用于像素中高動態(tài)范圍成像的系統(tǒng)和成像傳感器像素。本發(fā)明的實施例描述通過將成像像素的浮動擴散節(jié)點耦合到多個金屬氧化物半導(dǎo)體MOS電容區(qū)域來將高動態(tài)范圍成像(HDRI或僅HDR)提供到所述成像像素。應(yīng)理解，MOS電容區(qū)域僅在所述浮動擴散節(jié)點處的電壓(或柵極節(jié)點與所述浮動擴散節(jié)點之間的電壓差)大于其閾值電壓時“接通”(即，改變所述浮動擴散節(jié)點的總電容)；在所述MOS電容區(qū)域“接通”前，其不對所述浮動擴散節(jié)點的所述總電容或轉(zhuǎn)換增益有影響。所述MOS電容區(qū)域中的每一者將具有不同的閾值電壓，借此在不同的照明條件下“接通”。此增大了所述成像像素的動態(tài)范圍，借此提供用于主成像系統(tǒng)的HDR。
文檔編號H01L27/146GK102820309SQ201210171149
公開日2012年12月12日 申請日期2012年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月8日
發(fā)明者陳剛, 毛杜利, 戴幸志, 霍華德·E·羅茲 申請人:全視科技有限公司