有條件重置、多位讀出圖像傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開內(nèi)容涉及電子圖像傳感器領(lǐng)域，并且更具體地涉及用于在該樣的圖像傳感 器中使用的采樣架構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 諸如CMOS或者CCD傳感器之類的數(shù)字圖像傳感器包括多個光敏元件（"光傳感 器"），每個光敏元件被配置為將在光傳感器上入射的光子（"捕獲的光"）轉(zhuǎn)換成電荷。電 荷然后可W被轉(zhuǎn)換成表示每個光傳感器捕獲的光的圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)包括捕獲的光的數(shù) 字表示，并且可W被操縱或者處理W產(chǎn)生有能力在查看設(shè)備上顯示的數(shù)字圖像。圖像傳感 器被實施在具有物理表面的集成電路（"1C")中，該物理表面可W被劃分成配置為將光轉(zhuǎn) 換成電信號（電荷、電壓、電流等）的多個像素區(qū)域（例如一個或者多個光傳感器和附帶控 制電路）。為了方便，在圖像傳感器內(nèi)的像素區(qū)域還可W稱為圖像像素（"IP")，并且像素 區(qū)域或者圖像像素的聚合將稱為圖像傳感器區(qū)域。圖像傳感器1C通常還將包括在圖像傳 感器區(qū)域W外的區(qū)域，例如某些類型的控制、采樣或者接口電路。多數(shù)CMOS圖像傳感器包 含用于將像素電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的A/D(模數(shù)）電路。A/D電路可W是位于圖像傳 感器區(qū)域內(nèi)或者位于圖像傳感器區(qū)域的外圍處的一個或者多個ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。
【附圖說明】
[0003] 在附圖的各圖中通過示例的方式而不是通過限制的方式來舉例說明本文中公開 的各種實施例，并且在附圖中，同樣的附圖標(biāo)記指代相似元件，并且在附圖中：
[0004] 圖1圖示根據(jù)一個實施例的圖像傳感器的部分的橫截面；
[0005]圖2圖示根據(jù)例如在圖1的布局中有用的一個實施例的具有多個像素信號口限的 模擬像素圖像傳感器的部分陣列電路；
[0006] 圖3圖示根據(jù)例如利用圖1和2的實施例而有用的一個實施例的配置為將像素信 號轉(zhuǎn)換成多位數(shù)字轉(zhuǎn)換的示例圖像傳感器讀取電路；
[0007] 圖4圖示根據(jù)使用例如圖1的橫截面W及圖2和3的電路的一個實施例的具有多 位架構(gòu)的圖像傳感器系統(tǒng)的示例電路框圖實施例；
[000引圖5圖示根據(jù)使用例如圖1的橫截面W及圖2和3的電路的一個實施例的具有位 于IP陣列外圍的讀取電路陣列的圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)的另一示例電路框圖；
[0009] 圖6a圖示根據(jù)使用例如圖2的陣列電路的一個實施例的作為圖4和5的備選的 示例兩層圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)中的像素陣列1C的俯視圖；
[0010] 圖化圖示根據(jù)使用例如圖3的讀取電路的一個實施例的作為圖4和5的備選的 示例兩層圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)中的預(yù)處理器1C的俯視圖；
[0011] 圖6c圖示根據(jù)一個實施例的示例兩層圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)中的圖6a的像素陣列 1C和圖化的預(yù)處理器1C的部分橫截面；
[0012] 圖7圖示根據(jù)一個實施例的諸如圖3的讀取電路之類的圖像傳感器讀取電路的操 作；
[0013] 圖8圖示根據(jù)利用本文中描述的系統(tǒng)而有用的一個實施例的圖像捕獲系統(tǒng)中的 數(shù)據(jù)流動；
[0014] 圖9圖示根據(jù)一個實施例的用于由諸如圖3的讀取電路之類的圖像傳感器讀取電 路使用的各種時間采樣策略；
[0015] 圖10圖示修改的4晶體管像素的實施例，其中執(zhí)行非破壞性過口限檢測操作W與 相關(guān)的雙采樣結(jié)合實現(xiàn)有條件重置操作；
[0016] 圖11是圖示在圖10的漸進讀出像素內(nèi)的示例性像素周期的定時圖；
[0017] 圖12和13在圖10的光電二極管、傳輸口和浮置擴散的對應(yīng)不意橫截面圖下方圖 示用于它們的示例性靜電電勢圖；
[0018] 圖14圖示具有漸進讀出像素陣列的圖像傳感器300的實施例；
[0019] 圖15圖示具有在光敏元件與口控感測節(jié)點之間設(shè)置為實現(xiàn)相關(guān)雙采樣的傳輸口 的備選有條件重置像素實施例；
[0020] 圖16圖示在圖15的有條件重置像素的像素周期內(nèi)的示例性操作階段；
[0021] 圖17是示出在圖15的有條件重置像素內(nèi)的每個操作階段期間生成的示例性控制 信號狀態(tài)的與圖16對應(yīng)的定時圖；
[0022] 圖18A至18G圖示圖15的有條件重置像素在圖16和17中所示操作階段期間的 示例性狀態(tài)；
[0023] 圖19圖示有能力執(zhí)行參照圖16至18G描述的有條件重置/有條件恢復(fù)操作的有 條件重置像素的備選實施例；
[0024]圖20圖示允許通過數(shù)字相關(guān)雙采樣和模擬不相關(guān)雙采樣二者減少采樣噪聲的有 條件重置3晶體管像素和讀出電路的實施例；
[0025]圖21是圖示數(shù)字相關(guān)雙采樣操作與一個或者多個模擬不相關(guān)雙采樣操作的組合 的流程圖，該組合可W被執(zhí)行W實現(xiàn)在圖20的有條件地重置H晶體管像素和讀出架構(gòu)內(nèi) 的減少噪聲的像素讀出；
[0026] 圖22圖示圖20的像素架構(gòu)和讀出電路的更詳細實施例；
[0027] 圖23圖示在圖20和22中呈現(xiàn)的像素架構(gòu)的備選實施例；
[0028] 圖24圖示相對于變化光強度的示例性殘值模式和峽間積分讀出；
[0029] 圖25圖示可W在靜止或者視頻成像系統(tǒng)內(nèi)運用的示例性每像素峽處理方式，該 處理方式利用圖24中所示峽間積分方式W在低光條件中產(chǎn)生相對地高SNR圖像；
[0030] 圖26圖示有能力使用在圖24和25中概括的峽間積分方式來生成圖像峽的成像 系統(tǒng)的實施例；
[0031] 圖27圖示可W在圖26的成像系統(tǒng)內(nèi)運用的示例性子峽組織和時間碼指派；
[0032] 圖28圖示用于估算用于像素的輸出峽值的示例性方法，該些像素未產(chǎn)生非零采 樣值（即無重置事件）、并且因此在給定的峽期間"滑行（coasting)";
[0033] 圖29圖示可W由圖26的ISP執(zhí)行的用于實施參照圖24至28描述的峽間積分技 術(shù)的示例性峽處理序列；
[0034] 圖30對比在有參照圖24至29描述的峽間積分和無該峽間積分的情況下的成像 仿真中實現(xiàn)的動態(tài)范圍和SNR;W及
[00巧]圖31圖示用于包括延長的曝光時間的靜止峽捕獲模式的示例性子峽組織?！揪唧w實施方式】
[0036] 在一些圖像傳感器中，表示光子響應(yīng)并且由在像素區(qū)域上入射的光產(chǎn)生的電信息 (本文中稱為"像素信號"）由讀取電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)值。讀取電路可W駐留在圖像 傳感器內(nèi)或者可W位于圖像傳感器外部。在一些方式中，讀取電路可W位于圖像傳感器內(nèi)， 用于由與讀取電路相鄰或者在讀取電路附近的一個或者多個像素區(qū)域使用。對于位于圖像 傳感器外部的讀取電路，與讀取電路關(guān)聯(lián)的一個或者多個像素區(qū)域的像素信號可W從像素 區(qū)域傳送到讀取電路。
[0037] 每個讀取電路對像素區(qū)域進行采樣、從采樣的像素區(qū)域接收像素信號并且將像素 信號轉(zhuǎn)換成表示像素信號的多位數(shù)字值。在像素信號或者表示像素信號的數(shù)字值超過采樣 口限的情況下，在與像素信號關(guān)聯(lián)的像素區(qū)域存儲的像素信號被重置（例如通過重置與像 素區(qū)域關(guān)聯(lián)的光敏元件）。如果像素信號或者數(shù)字值未超過采樣口限，則在像素區(qū)域存儲的 像素信號未被重置。對像素區(qū)域的采樣和僅在像素區(qū)域的像素信號超過采樣口限時對像素 信號的重置本文中稱為"具有有條件重置的非破壞性采樣"。
[0038] 圖像傳威器概沐
[0039] 圖1圖示在實施例中有用的圖像傳感器25的部分橫截面。在圖像傳感器25中， 穿過微透鏡陣列10和濾色器陣列12 (對于彩色成像有用）的光在圖像傳感器的娃區(qū)段20 上入射。對微透鏡（或者其它聚集光學(xué)裝置）和濾色器的使用是可選的并且該里僅出于說 明目的而加W示出。娃20包含用于收集娃吸收的光子生成的電荷的光電二極管（未示出） 和用于操作光電二極管的訪問晶體管（也未示出）。像素陣列1C布線14提供用來在陣列 內(nèi)路由信號和供應(yīng)電壓的連接。如圖所示，圖像傳感器25是背側(cè)照射炬SI)傳感器，因為 光從集成電路的與布線層和主有源電路形成相反的側(cè)進入娃?？蛇x地，像素陣列1C布線14 可W被布置于濾色器陣列12與娃20(如在圖1中定向的那樣在娃的"頂部"內(nèi)有主有源電 路形成）之間用于前側(cè)照射（FSI)。
[0040] 圖像傳感器25包括多個IP("圖像像素"）、所示IP1至IP3,微透鏡陣列10的透 鏡收集的光分別在該些IP上入射。每個IP包括在娃20內(nèi)嵌入的一個或者多個光電二極 管。進入娃20的至少一些光子被轉(zhuǎn)換成娃中的電子-空穴對，并且所得電子（或者在備選 實施例中的空穴）由IP收集。本文中的描述為了簡化的目的而將把該一過程稱為IP捕獲 光并且將光轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)。圖像傳感器的每個IP表示圖像傳感器的表面區(qū)域的部分，并 且圖像傳感器的IP可W被組織成列和行的各種陣列。在CMOS或者CCD圖像像素技術(shù)中， 每個IP(例如每個光傳感器）將在IP上入射的光轉(zhuǎn)換成電荷，并且包括配置為將電荷轉(zhuǎn)換 成電壓或者電流的讀出電路。在一個實施例中，圖像傳感器的每個IP捕獲的光表示用于關(guān) 聯(lián)數(shù)字圖像的圖像數(shù)據(jù)的一個像素，但是在其它實施例中，來自多個IP的圖像數(shù)據(jù)被組合 為表示更少數(shù)目（一個或者多個）的像素（下采樣）。
[0041] 圖像傳感器25可W包括在IP陣列W外的部件。相似地，IP陣列的部分可W包括 未將光轉(zhuǎn)換成電荷的部件。聚合中的IP定義的區(qū)域?qū)⒎Q為圖像傳感器區(qū)域。如本文中描 述的那樣，圖像傳感器可W包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（"ADC")、比較器、控制器、計數(shù)器、累 加器、寄存器、晶體管、光電二極管等。在不同架構(gòu)中，該些部件中的一些部件可W位于圖像 傳感器區(qū)域內(nèi)或者圖像傳感器區(qū)域外部，并且一些部件可w位于配套集成電路上。在該些 實施例中，透鏡（諸如微透鏡陣列10的那些透鏡）可W被配置為將光引向IP內(nèi)的實際光 感測元件，而不是例如引在放大器、比較器、控制器和其它部件上。
[0042] 如W上指出，圖像傳感器可W包括多個IP的陣列。每個IP響應(yīng)于光（例如一個或 者多個光子）捕獲和存儲對應(yīng)電荷。在一個實施例中，在對IP進行采樣時，如果表示在IP 存儲的電荷的像素信號超過采樣口限，則像素信號被轉(zhuǎn)換成表示像素信號的數(shù)字值，并且 IP存儲的電荷被重置。備選地，在對IP進行采樣時，表示在IP存儲的電荷的像素信號被轉(zhuǎn) 換成表示像素信號的數(shù)字值，并且如果數(shù)字值超過采樣口限，則IP存儲的電荷被重置。在 其它實施例中，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且在已經(jīng)完成的轉(zhuǎn)換足W確定是否超過口限時，關(guān)于是否 繼續(xù)轉(zhuǎn)換進行確定。例如在逐次逼近寄存器（"SAR")ADC中，如果口限等于最高有效位模 式，一分辨模式，就可W關(guān)于是否繼續(xù)轉(zhuǎn)換和執(zhí)行對像素的重置或者停止轉(zhuǎn)換進行確定?？?W通過使用配置為比較像素信號或者數(shù)字值與采樣口限的比較器進行對像素信號或者表 示像素信號的數(shù)字值是否超過采樣口限的確定。
[0043] 圖2圖示根據(jù)一個實施例的具有多個像素信號口限的模擬像素圖像傳感器。圖2 的圖像傳感器是CMOS傳感器并且包括IP陣列40。IP陣列可W包括任何數(shù)目的列和行，而 每列和每行有任何數(shù)目的IP。在圖2中突出了IP列50 (表示IP陣列中的完全或者部分 IP列的列）。IP列50包括經(jīng)由列線55通信地禪合的多個IP。在圖2中突出了IP60 (表 示IP陣列中的IP的IP)。
[0044]IP60包括光電二極管65和控制元件，控制元件使光電二極管能夠在預(yù)備曝光時 被預(yù)充電、并且然后在曝光之后被采樣。在操作中，晶體管70被接通W將光電二極管的負 極禪合到電壓源，并且因此將光電二極管的負極"預(yù)充電"到預(yù)充電電壓。晶體管70在曝 光區(qū)間開始時或者之前被關(guān)斷。在晶體管70關(guān)斷的情況下，負極電壓響應(yīng)于光子撞擊而增 量地放電，從而與檢測到的光量成比例地降低光電二極管電勢VDET。在曝光區(qū)間結(jié)束時，訪 問晶體管72被接通W使表示光電二極管電勢的信號能夠經(jīng)由跟隨器-晶體管74被放大/ 驅(qū)動到列線55上作為像素信號80。
[004引ADC85經(jīng)由列線55通信地禪合到IP列50。在圖2的實施例中，ADC位于像素陣 列40的邊緣，并且可W位于IP陣列位于其上的圖像傳感器內(nèi)或者外部。ADC從IP60接 收像素信號80 (模擬光電二極管電勢的表示）。ADC數(shù)字化像素信號W生成表示像素信號 的3位數(shù)字值（"Pix[2:0] ")。ADC包括7個像素口限；n限1至口限7(本文中稱為"VT1 至VT7")。如果像素信號的量值小于化re、但是大于VT1，則ADC將像素信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值 "000"。小于VT1、但是大于VT2的像素信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字值"001"，在VT2與VT3之間的像 素信號被轉(zhuǎn)換成"010"，W此類推直至轉(zhuǎn)換成"111"的小于VT7的像素信號。
[0046]在圖2的實施例中，在連續(xù)像素口限之間的電勢差近似地相同（例如 VT3-VT4WVT5-VT6)。換而言之，像素口限被線性地分布在VT1與VT7之間。此外， 在圖2的實施例中，在化re與VT1之間的電勢差大于在連續(xù)像素口限之間的電勢 差（例如化re-VTl〉VT3-VT4)，但是在其它實施例中，所有步進相等。選擇VT1使得 化re-VTl〉VT3-VT4,減少了例如暗噪聲在對IP進行采樣時的影響。在圖2的實施例中的 在VT7與Vfloor之間的電勢差也可W大于在連續(xù)像素口限之間的電勢差（例如￥17-Vfloor〉VT3-VT4)。最后，取代線性口限間距，給定的實施例可W指數(shù)地間隔口限，例如其中 每個口限間距是下面的口限間距的兩倍。對于累加多個ADC采樣W形成圖像的系統(tǒng)，指數(shù) 間距在累加之前被轉(zhuǎn)換成線性值。
[0047]Vfloor表示像素飽和口限，光電二極管65的負極電壓在該像素飽和口限處不再 響應(yīng)于光子撞擊而線性地放電。對于在線性靈敏度區(qū)域90內(nèi)的像素信號，在圖表95中示 出像素信號向數(shù)字值的轉(zhuǎn)換。應(yīng)當(dāng)注意可檢測光子撞擊的最大數(shù)目（即像素飽和點）與光 電二極管的電容、因此與它的物理尺寸成比例。因而，在傳統(tǒng)傳感器設(shè)計中，光電二極管覆 蓋區(qū)取決于在給定的應(yīng)用中需要的動態(tài)范圍，而未隨著縮減的工藝幾何形狀明顯地伸縮。 [004引在捕獲圖像期間，在一個實施例中，IP列50和IP陣列40中的每個其它列中的給 定的一行或者多行的IP被連續(xù)地采樣，并且與每個IP關(guān)聯(lián)的像素信號使用與每列關(guān)聯(lián)的 一個或者多個ADC而轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。在圖像捕獲時段期間累加（如W下說明的那樣在一些 實施例中有條件地）和存儲ADC輸出的數(shù)字值?？蒞在圖像傳感器系統(tǒng)中使用除了圖2中 所示IP類型和配置之外的其它IP類型和配置。例如可W使用與晶體管70、72和74不同 的晶體管布置。此外，雖然在圖2中示出與IP列50結(jié)合的一個ADC85,但是在其它實施 例中，可W每IP列使用多于一個ADC，其中不同ADC組服務(wù)于ADC列的陣列行的不同區(qū)段。 W下更詳細地描述附加ADC(W讀取電路的形式）和IP組合。最后，ADC的輸出（例如在 圖2的實施例中的Pix巧:0])可W是任何多位長度，并且可W與W任何方式在Vpu與Vfi。。， 之間分布的任何數(shù)目的口限關(guān)聯(lián)。
[0049] 具有名份采梓巧有條件軍晉的圖像傳威器系統(tǒng)
[0050]圖3圖示根據(jù)一個實施例的配置為將像素信號轉(zhuǎn)換成多位數(shù)字轉(zhuǎn)換的示例圖像 傳感器讀取電路。圖3的實施例圖示IP100、