單位像素、包括其的圖像傳感器及包括其的圖像處理系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】單位像素、包括其的圖像傳感器及包括其的圖像處理系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2014年8月21日提交的韓國專利申請N0.10-2014-0109181的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用全部合并于此。
【背景技術(shù)】
[0003]圖像傳感器是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備。圖像傳感器用在數(shù)字相機(jī)或其它類型的圖像處理設(shè)備中。圖像傳感器包括多個(gè)像素。主要地使用機(jī)械快門模式和電子快門模式來控制曝光時(shí)間，所述曝光時(shí)間確定電信號(hào)所基于的光電荷的量。
[0004]機(jī)械快門模式是使用機(jī)械設(shè)備來阻擋到像素的光的方法。電子快門模式通常用在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器中。其是電控制生成和累積光電荷的積分時(shí)間的方法。電子快門模式包括卷簾快門模式和全局快門模式。
[0005]卷簾快門模式是將積分時(shí)間控制為對(duì)于像素陣列中的每行是不同的方法。全局快門模式是將積分時(shí)間控制為對(duì)于像素陣列的整個(gè)所有行是相同的方法。
[0006]全局快門模式具有消除在行中由不同的積分時(shí)間導(dǎo)致的圖像失真的優(yōu)點(diǎn)。然而，其也存在包括低積分度的一些缺點(diǎn)，因此期望一些改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明概念的一些實(shí)施例，提供了一種以全局快門模式操作的圖像傳感器的單位像素。單位像素包括:光電二極管區(qū)域，包括被配置為累積在第一時(shí)間段期間從入射光生成的光電荷的光電二極管；以及存儲(chǔ)二極管區(qū)域，包括被配置為接收和存儲(chǔ)已累積在光電二極管中的光電荷的存儲(chǔ)二極管。光電二極管可以對(duì)應(yīng)于聚焦入射光的微鏡。
[0008]光電二極管區(qū)域和存儲(chǔ)二極管區(qū)域可以相對(duì)于行方向和列方向中的任一個(gè)傾斜布置。
[0009]單位像素可以進(jìn)一步包括:溢流柵極，被配置為防止在除了第一時(shí)間段外的時(shí)間段期間生成的光電荷從光電二極管溢流到存儲(chǔ)二極管；存儲(chǔ)柵極，被配置為將累積在光電二極管處的光電荷傳輸?shù)酱鎯?chǔ)二極管；以及傳輸柵極，被配置為將存儲(chǔ)在存儲(chǔ)二極管中的光電荷傳輸?shù)礁?dòng)擴(kuò)散區(qū)。
[0010]溢流柵極、存儲(chǔ)柵極、傳輸柵極和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)可以依序布置成一排。
[0011 ] 可以通過相鄰單位像素來感測浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的電壓電平。
[0012]溢流柵極、存儲(chǔ)柵極以及傳輸柵極可以具有凹形柵極結(jié)構(gòu)。
[0013]單位像素可以進(jìn)一步包括遮光膜，其具有與存儲(chǔ)二極管區(qū)域相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，以阻擋入射光。
[0014]單位像素可以進(jìn)一步包括形成在光電二極管和存儲(chǔ)二極管之間的第二深溝槽隔離區(qū)(DTI)，以阻擋入射光。
[0015]單位像素可以進(jìn)一步包括形成在單位像素的邊緣處的第一 DTI，用于提供在單位像素和相鄰單位像素之間的電和光隔離。
[0016]單位像素可以進(jìn)一步與相鄰單位像素共享信號(hào)輸出電路。信號(hào)輸出電路可以包括:重置晶體管，被配置為重置存儲(chǔ)光電荷所傳輸?shù)降母?dòng)擴(kuò)散區(qū)；源跟隨器，被配置為生成與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的電壓電平相對(duì)應(yīng)的電流；以及選擇晶體管，被配置為輸出電流作為像素信號(hào)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明概念的其它實(shí)施例，提供了一種以全局快門模式操作的圖像傳感器。圖像傳感器包括:包含多個(gè)單位像素的像素陣列，每個(gè)單位像素輸出與在第一時(shí)間段期間接收的入射光相對(duì)應(yīng)的像素信號(hào)；讀出電路，被配置為對(duì)像素信號(hào)執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以生成數(shù)字像素信號(hào)；以及時(shí)序生成器，被配置為控制像素陣列和讀出電路。每個(gè)單位像素包括光電二極管區(qū)域，包括被配置為累積在第一時(shí)間段期間從入射光生成的光電荷的光電二極管；以及存儲(chǔ)二極管區(qū)域，包括被配置為接收和存儲(chǔ)已累積在光電二極管中的光電荷的存儲(chǔ)二極管。光電二極管可以對(duì)應(yīng)于聚焦入射光的微鏡。
[0018]根據(jù)本發(fā)明概念的另外實(shí)施例，提供了一種以全局快門模式操作的圖像傳感器的單位像素。單位像素包括光電二極管，被配置為累積在第一時(shí)間段期間從入射光生成的光電荷；以及存儲(chǔ)二極管，被配置為接收和存儲(chǔ)已累積在光電二極管中的光電荷；以及遮光單元，被配置為對(duì)存儲(chǔ)二極管遮擋入射光。光電二極管可以對(duì)應(yīng)于聚焦入射光的微鏡。
[0019]根據(jù)本發(fā)明概念的進(jìn)一步實(shí)施例，提供了一種以全局快門模式操作的圖像處理系統(tǒng)。圖像處理系統(tǒng)包括:包括多個(gè)單位像素的圖像傳感器，每個(gè)單位像素輸出與在第一時(shí)間段期間接收的入射光相對(duì)應(yīng)的像素信號(hào)，以及對(duì)像素信號(hào)執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以生成數(shù)字像素信號(hào)；以及圖像信號(hào)處理器，被配置為處理數(shù)字像素信號(hào)，以生成圖像數(shù)據(jù)。每個(gè)單位像素包括光電二極管區(qū)域，包括被配置為累積在第一時(shí)間段期間從入射光生成的光電荷的光電二極管；以及存儲(chǔ)二極管區(qū)域，包括被配置為接收和存儲(chǔ)已累積在光電二極管中的光電荷的存儲(chǔ)二極管。光電二極管可以對(duì)應(yīng)于聚焦入射光的微鏡。
[0020]應(yīng)注意，盡管未特別描述，但是已關(guān)于一個(gè)實(shí)施例描述的本發(fā)明概念的方面可以合并到不同的實(shí)施例中。也就是說，可以以任何方式和/或組合來組合所有實(shí)施例和/或任意實(shí)施例的特征。在下面闡述的說明書中詳細(xì)解釋了本發(fā)明概念的這些和其它目的和/或方面。
【附圖說明】
[0021]通過參考附圖詳細(xì)本發(fā)明概念的示例實(shí)施例，本發(fā)明概念的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。
[0022]圖1是根據(jù)本發(fā)明概念的一些實(shí)施例的圖像處理系統(tǒng)的框圖。
[0023]圖2是圖1中所示的像素陣列的示例的圖。
[0024]圖3是圖1中所示的像素陣列的另一示例的圖。
[0025]圖4是圖1中所示的像素陣列的又一示例的圖。
[0026]圖5是圖1中所示的像素陣列的進(jìn)一步示例的圖。
[0027]圖6是根據(jù)本發(fā)明概念的一些實(shí)施例的圖2中所示的像素的布局的圖。
[0028]圖7是圖6中所示的像素的電路圖。
[0029]圖8是示出圖7中所示的像素的操作的時(shí)序圖。
[0030]圖9是根據(jù)本發(fā)明概念的一些實(shí)施例的圖2中所示的像素的布局的圖。
[0031]圖10是圖9中所示的像素的電路圖。
[0032]圖11是示出圖10中所示的像素的操作的時(shí)序圖。
[0033]圖12是圖6或圖9中所示的布局的截面圖。
[0034]圖13是根據(jù)本發(fā)明概念的一些實(shí)施例的包括圖像傳感器的電子系統(tǒng)的框圖。
[0035]圖14是根據(jù)本發(fā)明概念的一些實(shí)施例的包括圖像傳感器的電子系統(tǒng)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]現(xiàn)在將充分參考附圖來描述本發(fā)明概念，在附圖中示出本發(fā)明的實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在許多不同的形式中，并且不應(yīng)認(rèn)為限于在此闡述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是使得本公開是完全和完整的，并且將充分向本領(lǐng)域技術(shù)人員傳遞本發(fā)明的范圍。在附圖中，為了清楚，可以放大層和區(qū)域的大小和相對(duì)大小。在通篇中，類似的數(shù)字指代類似的元件。
[0037]將理解，當(dāng)將一元件稱為“連接”或“耦接”至另一元件時(shí)，其可以直接連接或耦接至該另一元件，或可以存在中間元件。相比而言，當(dāng)將一元件稱為“直接連接”或“直接耦接”另一元件時(shí)，不存在中間元件。如在此使用的，術(shù)語“和/或”包括相關(guān)聯(lián)列出的項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)的任何和所有組合，并且可以縮寫為“/”。
[0038]將理解，盡管在此可能使用術(shù)語第一、第二等來描述各種元件，但是這些元件不應(yīng)被這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅用于將一個(gè)元件與另一個(gè)元件進(jìn)行區(qū)分。例如，可以將第一信號(hào)術(shù)語化為第二信號(hào)，并且類似地，可以將第二信號(hào)術(shù)語化為第一信號(hào)，而不背離本公開的教導(dǎo)。
[0039]在此使用的術(shù)語僅用于描述特定實(shí)施例的目的，不旨在限制本發(fā)明。如在此使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“所述”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外指示。將進(jìn)一步理解，術(shù)語“包括”和/或“包含”當(dāng)在本說明書中使用時(shí)指定所述特征、區(qū)域、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、區(qū)域、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或其組的存在或增加。
[0040]除非另外定義，否則在此使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員共同理解的相同的含義。進(jìn)一步將理解，諸如在詞典中通常使用的術(shù)語應(yīng)被解釋為具有與其在相關(guān)領(lǐng)域和/或本申請的上下文中的含義一致的含義，并且將不被在理想或過度正式的常識(shí)解釋。
[0041]圖1是根據(jù)本發(fā)明概念的一些實(shí)施例的圖像處理系統(tǒng)100的框圖。圖像處理系統(tǒng)100可以被實(shí)現(xiàn)為便攜式電子設(shè)備，諸如膝上型計(jì)算機(jī)、蜂窩電話、智能電話、平板個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、娛樂數(shù)字助理(EDA)、數(shù)字靜態(tài)相機(jī)、數(shù)字視頻相機(jī)、便攜式多媒體播放器(PMP)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(MID)、可穿戴計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)(1T)設(shè)備、和/或萬物互聯(lián)(ΙοΕ)設(shè)備。
[0042]圖像處理系統(tǒng)100包括光學(xué)透鏡103、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器110、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 200和顯示器300。一些實(shí)施例提供了可以在芯片中實(shí)現(xiàn)元件110 和 200。
[0043]CMOS圖像傳感器100可以生成與通過光學(xué)透鏡103輸入(捕捉)的物體相對(duì)應(yīng)的數(shù)字像素信號(hào)DPS。CMOS圖像傳感器110包括像素(或有源像素(APS))陣列120、行驅(qū)動(dòng)器130、時(shí)序生成器140、相關(guān)雙采用(⑶S)塊150、比較器塊152、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)塊154、控制寄存器塊160、斜坡生成器170、和緩沖器180。
[0044]CMOS圖像傳感器110可以被配置為能夠執(zhí)行全局快門操作。全局快門操作可以是控制積分時(shí)間同時(shí)像素陣列120中的光電二極管(例如圖7中的PD)在像素陣列120中的全部所有行上一致地累積光電荷的方法。
[0045]像素陣列120包括以矩陣布置的多個(gè)像素10。像素陣列120和像素10的結(jié)構(gòu)和操作將在隨后參考圖2至圖12進(jìn)行詳細(xì)描述。每個(gè)像素10可以被稱為單位像素，因?yàn)橄袼?0共同形成一個(gè)像素陣列120。
[0046]行驅(qū)動(dòng)器130可以根據(jù)時(shí)序生成器140的控制向像素陣列120傳送用于控制像素10的操作的多個(gè)控制信號(hào)(圖7中的OS、SS、TS、RS和SLS)。控制信號(hào)OS、SS、TS、RS和SLS將在隨后參考圖7、8、10和11進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0047]時(shí)序生成器140可以根據(jù)控制寄存器塊160的控制來控制行驅(qū)動(dòng)器130、⑶S塊150、ADC塊154和斜坡生成器170的操作。
[0048]⑶S塊150對(duì)