固態成像設備的制作方法

專利名稱：固態成像設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及固態成像設備。
背景技術：
近年來，安裝在數字靜態照相機、攝像機和蜂窩電話(cellularphone)中的固態 成像設備正在被積極地開發。作為固態成像設備，CCD(電荷耦合器件)傳感器和CMOS(互補 金屬氧化物半導體)傳感器是廣泛公知的。特別地，增長的程度的關注正在被集中于CMOS 傳感器，與CCD傳感器相比，CMOS傳感器的特征包括較低的功率消耗、高速讀出的能力、以 及芯片上系統(system-on-a-chip)的集成化。CMOS傳感器對于每個像素包括放大器電路，所述放大器電路包括浮動擴散放大器 等。當讀出像素信號時，廣泛使用一種方法，所述方法從在行方向和列方向上以矩陣布置有 多個像素的像素陣列部分中選擇某一行，并且同時讀出位于所選的行中的全部像素的像素信號。對于改進固態成像設備以實現更高的像素密度和更高的操作速度的需求正在持 續增長。例如，日本專利申請特開第2005-311821號(以下稱為“專利文獻1”)公開了一 種設備，該設備通過在每行中布置多條垂直輸出線并且同時讀出多個行，實現高速讀出。然而，根據專利文獻1中描述的固態成像設備，雖然該設備通過在每行中布置多 條垂直輸出線并且同時讀出多個行的像素信號而被改進為高的操作速度，由于為每個像素 設置緩沖器，因此光電轉換元件的面積比降低。即，難以將固態成像設備改進為實現高像素 密度以使得每個像素獲得預定的開口率(aperture ratio) 0已鑒于上述的問題而做出了本發明，本發明的一個目的是提供一種固態成像設 備，該固態成像設備縮短用于讀出全部像素的像素信號的時間，并且提高像素的開口率。

發明內容
參照附圖閱讀示例性實施例的以下描述，本發明的其他特征將變得清晰。根據本發明，一種固態成像設備包括沿多個行和列布置為矩陣的多個像素，其 中，所述像素中的每一個包括光電轉換元件和濾色器(color filter)；共用地布置的多個 緩沖器，每一個緩沖器對應于所述多個像素中的兩個或更多個；以及多條垂直輸出線，布置 為使得所述多條垂直輸出線中的兩條或更多條對應于所述像素中的一列而被布置，其中， 每一個緩沖器的輸入節點共同地連接到具有不同顏色的濾色器的像素，并且所述多個緩沖 器的輸出節點交替連接到所述多條垂直輸出線。結合附圖閱讀以下描述，本發明的其他特征和優勢將變得清晰，其中貫穿附圖，類 似的附圖標記表示相同或相似的部分。現在將根據附圖詳細描述本發明的優選實施例。


圖IA和IB是示出根據本發明的第一實施例的固態成像設備的配置示例的示意圖。圖2是示出具有圖IA和IB中示出的像素配置的固態成像設備的驅動方法的視 圖。圖3是以時間序列示出從每一列的垂直輸出線輸出的像素信號的視圖。圖4是示出圖2中的每一行的像素的曝光時段的轉變的視圖。圖5是示出根據本發明的第二實施例的固態成像設備的驅動方法的視圖。圖6是以時間序列示出從每一列的垂直輸出線輸出的像素信號的視圖。圖7是示出圖6和圖8A和8B中的每一行的像素的曝光時段的轉變的視圖。圖8A和圖8B是示出根據本發明的第三實施例的固態成像設備的讀出方法的視 圖。圖9是以時間序列示出輸入到列讀出電路的像素信號的視圖。圖IOA和IOB是示出固態成像設備的像素的截面結構的視圖。并入到說明書中并構成說明書一部分的附圖示出本發明的實施例，并且與描述一 起用于說明本發明的原理。
具體實施例方式(第一實施例)圖IA是示出根據本發明的第一實施例的固態成像設備的像素布局結構的示意 圖。該圖示出包括多個行和多個列的像素陣列部分當中的任意的相鄰的兩列，并且示出位 于這兩列中的從這兩列中抽出的八行的像素。根據圖IA中的像素布局結構，固態成像設備 包括像素3、緩沖器2、以及用于每列的兩條垂直輸出線1，所述緩沖器2各被共同地連接到 行方向上的兩個相鄰的像素。兩條垂直輸出線1在行方向上交替地連接到緩沖器2。垂直 輸出線1包括垂直輸出線xlO、yll、xl2和yl3。固態成像設備包括像素陣列部分，在所述像素陣列部分中，沿多個行和多個列以 矩陣布置像素3，所述像素3具有光電轉換元件80、濾色器82、以及多個晶體管，如圖IOA和 IOB所示。固態成像設備還包括緩沖器2和垂直輸出線1，所述緩沖器2被布置為每一個都 對應于多個像素3，并且所述垂直輸出線1被布置為使得兩條或更多條垂直輸出線1對應于 一列。每一個緩沖器2的輸入節點共同地連接到多個像素3，并且所述垂直輸出線1在行方 向上交替地連接到所述多個緩沖器2的輸出節點。根據本實施例，所述多個緩沖器2 —個輸出節點接一個輸出節點地連接到垂直輸 出線1。然而，對于本領域技術人員很顯然，在本發明的本質和范圍內，緩沖器2可以在一側 連續地通過兩個或更多個輸出節點而連接到垂直輸出線1，如圖IB所示。圖2是示出將具有如圖IA所示的布局的像素布置應用于其中根據Bayer顏色陣 列布置有像素的固態成像設備的情況下的讀出像素信號的方法的視圖。圖2是示出像素陣 列部分當中的任意的相鄰的兩個列的視圖，其中位于這兩個列中的從第0行到第7行的像 素被抽出。所述相鄰的兩個列被取作第m列和第m+1列。每一列的兩條垂直輸出線被取作 垂直輸出線χ和垂直輸出線1。在圖2中，具有紅色濾色器的像素例如由Rl表示，具有綠色 濾色器的像素例如由Gll表示，并且具有藍色濾色器的像素例如由Bl表示。
根據圖2，首先，位于第0行和第2行中的像素的信號被讀出。像素信號通過彼此 不同的緩沖器2被輸出到垂直輸出線。此時，像素Rl的像素信號被輸出到第m列的垂直輸 出線xlO，像素R2的像素信號被輸出到第m列的垂直輸出線yll，像素G12的像素信號被輸 出到第m+1列的垂直輸出線xl2，并且像素G22的像素信號被輸出到第m+1列的垂直輸出線 yl3。接著，位于第1行和第3行中的像素的信號被讀出。此時，像素Gll的像素信號被 輸出到第m列的垂直輸出線xlO，像素G21的像素信號被輸出到第m列的垂直輸出線yll， 像素Bl的像素信號被輸出到第m+1列的垂直輸出線xl2，并且像素B2的像素信號被輸出到 第m+1列的垂直輸出線yl3。接著，位于第4行和第6行中的像素的信號被讀出。此時，像素R3的像素信號被 輸出到第m列的垂直輸出線xlO，像素R4的像素信號被輸出到第m列的垂直輸出線yll，像 素G32的像素信號被輸出到第m+1列的垂直輸出線xl2，并且像素G42的像素信號被輸出到 第m+1列的垂直輸出線yl3。接著，位于第5行和第7行中的像素的信號被讀出。此時，像素G31的像素信號被 輸出到第m列的垂直輸出線xlO，像素G41的像素信號被輸出到第m列的垂直輸出線yll， 像素B3的像素信號被輸出到第m+1列的垂直輸出線xl2，并且像素B4的像素信號被輸出到 第m+1列的垂直輸出線yl3。圖3是總結了像素信號關于讀出行的輸出關系的表。圖3中的表示出哪些像素信 號關于讀出行被輸出到每條垂直輸出線。因而，根據本實施例，位于交替的行中的像素的像 素數據通過不同的緩沖器2被同時讀出到不同的垂直輸出線，并且所讀出的行被順序地切 換，以執行讀出，直到像素陣列部分中的最后一行。圖4是示出根據本實施例的位于從第O行到第7行的每一行中的像素的曝光時段 的轉變的視圖。省略了關于第8行和之后的行的像素的描述。如上所述，通過設置兩個垂直輸出線，同時讀出的行數是兩行，因而與設置一條垂 直輸出線的情況相比，讀出全部像素的數據所需要的時間被減半。此外，通過使每個緩沖器 2對于行方向上的兩個像素共用，與對于每個像素設置單個緩沖器2的情況相比，能夠期望 改進為高開口率和高像素密度。此外，如圖3所示，由于同時輸出到每一列的兩條垂直輸出 線χ和y的信號用于在行方向上最近的同一顏色的像素，在垂直方向上鄰近的具有同一顏 色的濾色器的像素之間的相加是簡單的。選擇讀出的像素行的行選擇線以及連接到每一列的垂直輸出線χ和y的列讀出 電路從圖2的圖示中被省略。根據圖2所示的實施例，緩沖器2中的每一個連接到各對像 素(例如Rl和Gll ；R2和G21 ；G12和Bl以及G22和B2)。然而，本發明不限于這種連接配 置。對于本領域技術人員很顯然，在本發明的本質和范圍內，緩沖器2中的每一個可以連接 到每三個或更多的像素，只要連接到共用的一個緩沖器2的所述多個像素包括的至少一個 像素的顏色與其他像素的顏色不同即可。例如，最上方的左側的緩沖器2可以連接到像素 RUGll和R2。并且，最上方的右側的緩沖器2可以連接到像素G12、Bl和G22。(第二實施例)圖5是示出根據本發明的第二實施例的固態成像設備的讀出方法的視圖，并且示 出固態成像設備的一種不同的讀出方法，其中，像素與第一實施例相似地根據Bayer顏色陣列而布置。根據本實施例，不執行像素陣列部分的第0行的讀出。相反，首先，位于第1 行和第2行中的像素的信號被讀出。位于第1行和第2行中的像素的信號通過彼此不同的 緩沖器2被輸出到垂直輸出線。此時，像素Gll的像素信號被輸出到第m列的垂直輸出線 xlO，像素R2的像素信號被輸出到第m列的垂直輸出線yll，像素Bl的像素信號被輸出到第 m+1列的垂直輸出線xl2，并且像素G22的像素信號被輸出到第m+1列的垂直輸出線yl3。接著，位于第3行和第4行中的像素的信號被讀出。此時，像素R3的像素信號被 輸出到第m列的垂直輸出線xlO，像素G21的像素信號被輸出到第m列的垂直輸出線yll， 像素G32的像素信號被輸出到第m+1列的垂直輸出線xl2，并且像素B2的像素信號被輸出 到第m+1列的垂直輸出線yl3。接著，位于第5行和第6行中的像素的信號被讀出。此時，像素G31的像素信號被 輸出到第m列的垂直輸出線xlO，像素R4的像素信號被輸出到第m列的垂直輸出線yll，像 素B3的像素信號被輸出到第m+1列的垂直輸出線xl2，并且像素G42的像素信號被輸出到 第m+1列的垂直輸出線yl3。圖6是總結了像素信號關于讀出行的輸出關系的表，并且示出哪些像素信號關于 讀出行被輸出到每條垂直輸出線。關于位于第7行和之后的行中的像素的信號的輸出的描 述被省略。因而，根據本實施例，位于在行方向上相鄰并且緩沖器2彼此不同的兩行中的像 素的第一對像素信號通過不同的緩沖器2被同時讀出到不同的垂直輸出線。位于共用緩沖 器2的兩行中的像素的第二對像素信號通過同一緩沖器2以不同的定時被讀出到同一垂直 輸出線。作為讀出行的兩行被順序地切換，以便讀出全部像素的像素信號。用于選擇在行 方向上相鄰的兩行的位于每一行中的像素的曝光時段如圖7所示。通過利用本實施例，除了縮短讀出時段和改進為高像素密度之外，還可以如圖7 所示那樣按照行的次序改變曝光時段。還能夠同時讀出在Bayer顏色陣列中包括的四個像 素。因此，成像設備的控制和圖像處理被簡化。雖然根據本實施例描述了不讀出位于第O 行中的像素的信號的讀出方法，但是本發明不限于此。也可以采用首先僅讀出位于第O行 中的像素的信號的布置。選擇讀出像素行的行選擇線以及連接到每一列的垂直輸出線χ和y的列讀出電路 從圖5的圖示中被省略。(第三實施例)圖8A和8B是示出根據本發明的第三實施例的固態成像設備的讀出方法的視圖。 圖8A和8B是示出對于每一列的切換開關的配置示例的視圖。圖8A是示出當從奇數行讀 出時的列讀出電路和垂直輸出線之間的連接的視圖。圖8B是示出當從偶數行讀出時的列 讀出電路和垂直輸出線之間的連接的視圖。以下省略與圖5相同的部件和操作的描述。在圖8A和8B中，每一列的列讀出電路被表示為列讀出電路χ和y。切換元件64 布置在第m列和第m+1列的列讀出電路x60、y61、x62和y63與第m列和第m+1列的垂直輸 出線X10、yll、X12和yl3之間。例如，列讀出電路x60被選擇性地連接到第m列的垂直輸 出線xlO或垂直輸出線yll。如下執行讀出操作。首先，位于第1行和第2行中的像素的信號被讀出。此時，第 m列的列讀出電路x60經由切換元件64連接到第m列的垂直輸出線yll，并且第m列的列
6讀出電路y61經由切換元件64連接到第m列的垂直輸出線xlO。第m+1列的列讀出電路 x62經由切換元件64連接到第m+1列的垂直輸出線yl3。第m+1列的列讀出電路y63經由 切換元件64連接到第m+1列的垂直輸出線xl2。每一列的列讀出電路x60、y61、x62和y63 與垂直輸出線xlO、yll、χ12和yl3之間的連接關系如圖8A所示。接著，位于第3行和第4行中的像素的信號被讀出。此時，第m列的列讀出電路 x60經由切換元件64連接到垂直輸出線xlO，并且第m列的列讀出電路y61經由切換元件 64連接到第m列的垂直輸出線yll。第m+1列的列讀出電路x62經由切換元件64連接到 垂直輸出線xl2，并且第m+1列的列讀出電路y63經由切換元件64連接到垂直輸出線yl3。 每一列的列讀出電路x60、y61、x62和y63與垂直輸出線xlO、yll、xl2和yl3之間的連接 關系如圖8B所示。接著，位于第5行和第6行中的像素的信號被讀出。此時，第m列的列讀出電路 x60經由切換元件64連接到垂直輸出線yll，并且第m列的列讀出電路y61經由切換元件 64連接到第m列的垂直輸出線xlO。第m+1列的列讀出電路x62經由切換元件64連接到 垂直輸出線yl3，并且第m+1列的列讀出電路y63經由切換元件64連接到垂直輸出線xl2。 每一列的列讀出電路x60、y61、x62和y63與垂直輸出線xlO、yll、xl2和yl3之間的連接 關系如圖8A所示。如上所述，本實施例的讀出像素信號的方法選擇兩個像素所共用的緩沖器2不同 的、在行方向上相鄰的兩行，并且讀出位于所選的行中的像素的信號。此外，每一列的垂直 輸出線xlO、yll、xl2和yl3與列讀出電路x60、y61、x62和y63之間的連接通過切換元件 64而在讀出偶數行的時間和讀出奇數行的時間之間切換。更具體地，每一列的垂直輸出線 與列讀出電路之間的連接關系是這樣一種連接關系，通過所述連接關系，每當改變讀出像 素信號的行時，圖8A的連接關系和圖8B的連接關系交替重復。由于位于在行方向上相鄰 的兩行中的像素的信號被同時讀出，位于每行中的像素的曝光時段與如圖7所示的第二實 施例中的相同。圖9是總結了像素信號關于讀出行的輸出關系的表，其示出哪些像素信號關于讀 出行被輸入到每個列讀出電路。關于位于第7行和之后的行中的像素的信號的輸出的關系 被從表中省略。通過應用本實施例，實現全部像素的信號的讀出時段的縮短，并且該布置容易適 于改進為高像素密度。此外，能夠同時讀出包含在Bayer顏色陣列中的四個像素的信號，并 且能夠按照行的次序改變每一行的曝光時段。如圖9所示，由于具有相同的濾色器的像素 的信號被輸入到各個列讀出電路，在垂直方向上鄰近的、具有同一顏色的像素信號的像素 之間的相加是簡單的。雖然在圖8A和8B中示出的例子中，采用其中列讀出電路x60、y61、x62和y63和 切換元件64與像素區域分離地設置在頂部和底部的布置，但是本發明不限于此。例如，可 以采用列讀出電路x60、y61、x62和y63和切換元件64僅布置在底部側的布置。關于這一 點，選擇讀出像素行的行選擇線從圖8A和8B中的圖示中被省略。雖然在上述實施例中的每一個中，垂直輸出線被布置在相關列的兩側，但是本發 明不限于此。也可以采用其中相關的多條垂直輸出線被布置在該列的一側的布置。例如，可 以采用其中第m列的垂直輸出線xlO和垂直輸出線yll 二者均布置在像素的左側的布置。
雖然根據上述實施例中的每一個，采用了從像素陣列部分的初始行到像素陣列部 分的最終行順序地切換讀出行的讀出方法，但是本發明不限于此。例如，可以采用僅選擇和 讀出所需行的方法。雖然在上述實施例的每一個中描述了其中對于每一列分別布置兩條垂直輸出線 的像素布局結構，但是本發明不限于此。例如，可以為每一列設置三條垂直輸出線，或者可 以為每一列設置四條或更多條垂直輸出線。希望每一列的列讀出電路的數量與垂直輸出線 的數量等同。雖然根據上述的實施例中的每一個，采用其中為兩個像素設置單個共用的緩沖器 的布置，但是本發明不限于此。例如，可以為四個像素設置單個共用的緩沖器，或者可以由 數量多于四個的像素共享緩沖器。雖然根據上述的實施例中的每一個，采用其中不論是哪一列，共用的緩沖器都被 布置在行方向上的相同位置處的布置，但是本發明不限于此。例如，共用的緩沖器在行方向 上的位置可以對于每一列而改變。雖然根據上述的實施例中的每一個，采用其中連接到共用的緩沖器的像素是在行 方向上相鄰的像素的布置，但是本發明不限于此。例如，可以采用其中由總共四個像素共享 緩沖器的布置，所述四個像素包括在行方向上相鄰的兩個像素和在列方向上相鄰的兩個像
ο圖IOA是示出前表面照射型固態成像設備的像素的截面結構的視圖。圖IOB是示 出后表面照射型固態成像設備的像素的截面結構的視圖。圖IOA和IOB中所示的固態成像 設備的像素包括形成在基板83中的光電轉換元件80以及形成在基板83的表面上的電路 和布線層81。根據圖IOA中所示的前表面照射型固態成像設備，濾色器82形成在基板表 面側的電路和布線層81的上表面上，并且從基板表面側接收光。根據圖IOB中所示的后表 面照射型固態成像設備，濾色器82形成在基板83的后表面上，并且從基板的后表面側接收 光。通過將第一到第三實施例應用于圖IOA中所示的前表面照射型固態成像設備和 圖IOB中所示的后表面照射型固態成像設備，像素電路的面積可以降低，因為要連接到像 素的緩沖器可以由多個像素共享。因此，第一到第三實施例可以被應用于前表面照射型固 態成像設備和后表面照射型固態成像設備兩者。根據第一到第三實施例的固態成像設備，讀出全部像素的像素信號的時間可被縮 短，并且可提高像素的開口率。應該理解，上述實施例中的每一個都僅僅意圖示出用于實現本發明的具體示例， 并且不意圖限制本發明的技術范圍。更具體地，本發明可以以各種形式實施，而不背離其技 術概念或主要特征。雖然已參照示例性實施例描述了本發明，應該理解，本發明不限于公開的示例性 實施例。以下的權利要求的范圍應被給予最寬的解釋，以便包含所有這樣的變型和等同的 結構和功能。
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權利要求
一種固態成像設備，包括沿多個行和列布置為矩陣的多個像素，其中，所述像素中的每一個包括光電轉換元件和濾色器；共用地布置的多個緩沖器，每一個緩沖器對應于所述多個像素中的兩個或更多個；以及多條垂直輸出線，布置為使得所述垂直輸出線中的兩條或更多條對應于所述像素中的一列而被布置，其中每一個緩沖器的輸入節點共同地連接到具有不同顏色的濾色器的像素，以及所述多個緩沖器的輸出節點交替連接到所述多條垂直輸出線。
2.如權利要求1所述的固態成像設備，其中在同一列中包含的第一對相鄰的像素通過彼此不同的緩沖器同時將信號輸出到彼此 不同的垂直輸出線，以及在同一列中包含的第二對相鄰的像素通過同一緩沖器在不同的定時將信號輸出到同 一垂直輸出線。
3.如權利要求1所述的固態成像設備，還包括多個列讀出電路，被布置為使得像素的每一列與所述列讀出電路中的兩個或更多個對 應；以及多個切換電路，各切換電路選擇性地連接在各列讀出電路和各垂直輸出線之間。
4.如權利要求1所述的固態成像設備，其中奇數行或偶數行中的像素通過彼此不同的緩沖器同時將信號輸出到彼此不同的垂直 輸出線。
5.如權利要求1所述的固態成像設備，其中 不同顏色的濾色器以Bayer顏色陣列布置。
6.如權利要求3所述的固態成像設備，其中 不同顏色的濾色器以Bayer顏色陣列布置，以及所述多個列讀出電路中的每一個輸入來自具有相同顏色的濾色器的像素的信號。
全文摘要
提供一種固態成像設備，其縮短讀出全部像素的像素信號的時間并且提高像素的開口率。該固態成像設備包括沿多個行和列布置為矩陣的多個像素(3)，其中，所述像素中的每一個包括光電轉換元件和濾色器；多個緩沖器(2)，被布置為每一個緩沖器對應于多個像素；以及多條垂直輸出線(1)，布置為使得所述垂直輸出線(1)中的兩條或更多條對應于所述像素中的一列而被布置，其中每一個緩沖器的輸入節點共同地連接到具有不同顏色的濾色器的多個像素，以及所述多個緩沖器的輸出節點交替連接到所述多條垂直輸出線。
文檔編號H01L27/146GK101895696SQ201010180879
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月14日 優先權日2009年5月19日
發明者中村恒一, 樋山拓己 申請人:佳能株式會社