專利名稱：具有改良的光電二極管區域分配的cmos圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發明大體上關于圖像傳感器，且具體但非排他地關于用于CMOS圖像傳感器的改良的光二極管區域分配。
背景技術：
圖像傳感器已變得普遍存在。圖像傳感器廣泛地用在數字靜態相機、蜂窩電話及安全相機以及醫學、汽車及其它應用中。用以制造圖像傳感器尤其是互補金屬氧化物半導體(“CMOS”)圖像傳感器(“CIS”))的技術已持續大步前進。舉例而言，對較高分辨率及較低功耗的需求已鼓勵了這些圖像傳感器的進一步小型化及集成。小型化亦有助于圖像傳感器的成本降低。大小及圖像質量特別重要的一個應用領域為醫學應用(例如，內窺鏡)。對于醫學應用而言，圖像傳感器芯片通常必須小，同時提供高質量圖像。為了實現這些特性，對于給定芯片大小，感光孔徑應盡可能地大，而周邊電路應盡可能地有限。像素(像元)填充因子表示像素的對光敏感的區域的分數。像素間距為成像器件中像素之間的物理距離。像素填充因子已隨著像素間距減小而變小，這是因為有源電路元件和金屬互連在每一像素中消耗的區域量增加。解決填充因子損失的一個方法為在每一像素正上方使用微尺度透鏡(微透鏡)來直接向像素內的區域的感光部分聚焦光。解決填充因子損失的另一種方法為使用背照式(“BSI”)圖像傳感器，這些圖像傳感器將有源像素電路組件及金屬互連置放于圖像傳感器管芯的正面上，且將感光組件置放于襯底內、面向圖像傳感器管芯的背面。對于BSI圖像傳感器，光子吸收大半發生在背面硅表面附近。然而，在同一硅區域上提供較大的個別像素區域的解決方案將改良BSI圖像傳感器以及前照式圖像傳感器。附圖簡述參看以下附圖描述本發明的非限制性及非詳盡實施例，在以下附圖中，除非另有指明，否則貫穿各個視圖中的相同附圖標記指代相同部分。
圖1為CMOS圖像傳感器的框圖。圖2為常規CMOS圖像傳感器內的兩個4T像素的像素電路的電路圖。圖3為展示像素分組成宏像素區塊的拜耳模式像素陣列的示意性表示。圖4A為包括拜耳模式宏像素區塊的像素陣列的實施例的示意性表示。圖4B為包括拜耳模式宏像素區塊的替代實施例的像素陣列的示意性表示。圖4C為包括宏像素區塊的另一替代實施例的像素陣列的示意性表示。圖5A為一對前照式像素的橫截面圖。圖5B為一對背照式像素的橫截面圖。圖6為根據本發明的包括具有宏像素區塊的像素陣列的成像系統的實施例的框圖。
具體實施例方式本文中描述用于具有改良的光電二極管區域分配的圖像傳感器的裝置、方法及系統的實施例。在以下描述中，陳述眾多具體細節以提供對實施例的透徹理解。然而，本領域普通技術人員將認識到，本文中所描述的技術可在無這些具體細節中的一或多者的情況下加以實踐，或以其它方法、組件、材料等來加以實踐。在其它情況下，不詳細展示或描述公知結構、材料或操作以避免混淆某些方面。遍及本說明書對“一個實施例”或“實施例”的引用表示結合該實施例所描述的特定特征、結構或特性包括于本發明的至少一實施例中。因此，在本說明書全文各處的詞組 “在一個實施例中”或“在實施例中”的出現未必均指同一實施例。此外，可在一個或多個實施例中以任何合適方式組合特定特征、結構或特性。圖1說明CMOS圖像傳感器100的實施例，其包括彩色像素陣列105、讀出電路110、 功能邏輯115及控制電路120。彩色像素陣列105為具有X數目個像素列及Y數目個像素
行的成像傳感器或像素(例如，像素P1、P2.....Pn)的二維(「2D」)陣列。在一個實施例
中，每個像素為互補金屬氧化物半導體(“CMOS”)成像像素。彩色像素陣列105可實施為前照式像素陣列或背照式圖像像素陣列。如所說明，將每一像素配置成行(例如，行Rl至 Ry)及列(例如，列Cl至Cx)以獲取人、地點或對象的圖像數據，該圖像數據接著可用來呈現人、地點或對象的2D圖像。在每一像素已獲取其圖像數據或圖像電荷之后，由讀出電路 110來讀出圖像數據，且將該圖像數據傳送至功能邏輯115。讀出電路110可包括放大電路、 模數(“ADC”)轉換電路或其它電路。功能邏輯115可僅儲存圖像數據或甚至通過應用后期圖像效果(例如，修剪、旋轉、去紅眼、調整亮度、調整對比度或其它操作)來操縱圖像數據。控制電路120耦合至像素陣列105以控制彩色像素陣列105的操作特性。舉例而言， 控制電路120可產生用于控制圖像獲取的快門信號。彩色像素陣列105經由使用濾色器陣列(“CFA”)將色彩指派給每一像素。CFA 通過將單獨的原色的濾光器置放于像素之上來將該色彩指派給每一像素。在光子穿過某一原色的濾光器以到達像素時，僅該原色的波長將穿過。所有其它波長將被吸收。原色為由科學識別為所有其它色彩的構建塊的一組色彩。原色的示例包括紅色、綠色及藍色(常稱作RGB)及青色、品紅色及黃色(常稱作CMY)。舉例而言，在RGB色彩模型中，組合變化量的紅色、綠色及藍色將產生光譜中的所有其它色彩。已針對不同應用開發出眾多類型的CFA。CFA模式幾乎僅包含配置成矩形X、Y模式的相同正方形像素元件(稱作微像素)。已提議六邊形及八邊形像素，但重復像素單元 (稱作宏像素(macropixel))常見為以四個成一群。在大多數數字相機圖像傳感器中，最風行的CFA為拜耳模式(Bayer pattern)。使用具有交替濾光器行的棋盤模式，拜耳模式所具有的綠色像素為紅色或藍色像素的兩倍，且其按交替行排列，即紅色楔入綠色之間且藍色楔入綠色之間。此模式利用了人眼將綠色照度視為界定銳度時的最強影響的偏好。另外， 不論您怎樣拿著相機-在風景模式下或在人像模式下，拜耳模式都產生相同圖像。圖2為說明像素陣列105內的兩個四晶體管(“4T”)像素的像素電路200的實施例的電路圖。像素電路200表示用于實施圖1的彩色像素陣列105內的每一像素的一個可能架構，但本發明的實施例不限于4T像素架構；相反，受益于本發明的本領域將理解，當前教示亦適用于3T設計、5T設計及各種其它像素架構。在圖2中，像素1 及1 配置成兩行及一列。每一像素電路200的所說明實施例包括感光元件PD、傳輸晶體管Tl、重置晶體管T2、源極隨耦器(“SF”)晶體管T3及選擇晶體管T4。在每一像素操作期間，傳輸晶體管Tl接收傳輸信號TX，將感光元件PD中累積的電荷傳輸至浮動擴散節點FD。重置晶體管 T2耦合于電力軌VDD與浮動擴散節點FD之間以在重置信號RST的控制下重置FD (例如， 對FD放電或充電至預設電壓)。浮動擴散節點FD經耦合以控制SF晶體管T3的柵極。SF 晶體管T3耦合于電力軌VDD與選擇晶體管T4之間。SF晶體管T3用作提供自像素輸出的高阻抗的源極隨耦器。最后，選擇晶體管T4在選擇信號SEL的控制下選擇性地將像素電路 200的輸出耦合至讀出列線。在像素陣列105的一個實施例中，TX信號、RST信號及SEL信號由控制電路120產生。圖3示出像素陣列105的一部分300及包括四個像素(下文稱作“微像素”以將其與宏像素區分開)的拜耳模式宏像素310。拜耳模式宏像素位于具有均勻的X及Y間隔距離 Ip的像素陣列內。在所說明的實施例中，宏像素310內的每一微像素占據實質上相同的光收集區域-即，每一微像素實質上占據宏像素的光收集區域的25%。拜耳模式宏像素是用于將紅色(I )、綠色(G)及藍色(B)濾色器配置于感光元件陣列之上的濾色器陣列(CFA)的重復單元。當讀出拜耳模式像素陣列的電荷時，按順序逐行地記錄色彩。一行可為BGBGBG， 跟著是GRGRGR的行，等等。此情形稱作順序RGB。任一成像是統的重要方面為信噪比(SNI )。信噪比可隨著像素小型化而變小，這是因為在收集區域變小時信號變小，而同時噪聲水平會保持相同。可使用增益來提升輸出信號，但任何此種增益元件將增加噪聲以及信號，因為放大電路自身也產生噪聲(例如， 由組件產生的約翰遜噪聲(Johnson noise))。在先前技術中，已嘗試通過改良彩色像素的SNR尤其是常規產生較少信號的那些色彩的SNR來改良彩色圖像質量。RGB型彩色圖像傳感器中的像素通常對不同色彩具有不同的響應。對于具有實質上相等的光收集區域的像素而言，來自紅色像素(Vr)、綠色像素(Vg)及藍色像素(Vb)的信號之間的比通常在 2. 5Vb 1.5Vr 1. OVg的粗略比例中，這意味著藍色像素產生比綠色像素小2. 5倍的信號，且紅色像素產生比綠色像素小1. 5倍的信號。因此，對于給定的像素區域，藍色像素產生最小信號，綠色像素產生最大信號，且紅色像素產生介于綠色像素與藍色像素之間某處的信號。改良圖像傳感器的SNR的一個常規解決方案尋求通過改變每一微像素的面積以收集更多或更少光子以補償由不同色彩產生的信號的差異，來使宏像素中的所有像素的輸出信號均衡。由于維持或增加圖像傳感器分辨率是重要的，因此微像素間距必須保持相同或減小。在該情況下，在宏像素組成中給不同色彩的宏像素區域分配可從相等分配改變。舉例而言，美國專利第6，137，100號將最大光收集區域分配給藍色，因為其產生最低信號電平。將最少光收集區域分配給產生最高信號電平的綠色。圖4A展示包括具有四個微像素的拜耳模式宏像素410的實施例的像素陣列的部分400。拜耳模式宏像素位于具有相同的均勻X及Y間隔距離Ip的像素陣列內，如圖3中所展示。與宏像素310(其中給每一微像素實質上分配了宏像素的光收集區域的25%)相比，宏像素410將其光收集區域的不同部分分配給不同色彩。所說明的實施例給兩個綠色微像素中的每一者各分配宏像素的光收集區域的約30%，且給藍色及紅色微像素各分配約 20%。其它實施例可以不同方式分配宏像素的光收集區域。舉例而言，在其它實施例中，綠色像素可各自占據宏像素的介于約20%與約40%之間的光收集區域，藍色像素可占據介于約10%與約30%之間的光收集區域，且紅色像素可占據介于約10%與約30%之間的光收集區域。在一些實施例中，兩個綠色微像素可具有實質上相同的光收集區域分配，且藍色及紅色微型像素可具有實質上相等但小于綠色微型像素的分配，但在其它實施例中，情況無需如此。像素陣列的包括諸如宏像素410的宏像素的實施例的一目標為通過以分配給藍色及紅色的收集區域為代價增加分配給綠色的收集區域來提高SNR。此配置利用了人眼將綠色照度視為界定銳度方面的最強影響的偏好。另外，無論怎樣拿著相機-在風景模式下或在人像模式下，此配置都產生相同圖像。此解決方案尤其有利于在最小像素大小下要求高分辨率及高SNR的應用(其中彩色精確度具有較低優先級)。這些應用可見于汽車、安全或機器視覺系統中。圖4B說明包括宏像素435的替代實施例的像素陣列的一部分425。宏像素435在許多方面類似于宏像素410。宏像素410與435之間的主要差異在于綠色微像素的形狀。 在給綠色微像素指派大到使其隅角交迭的宏像素光收集區域的一比例的實施例中，可使其形狀為八邊形(如所示)以維持綠色像素的間的隔離量測值。圖4C說明具有宏像素460的另一替代實施例的像素陣列的一部分450。宏像素 460在許多方面類似于宏像素410及435。宏像素460與宏像素410及425之間的主要差異在于所使用的原色宏像素410及435使用紅色、綠色及藍色作為原色，而宏像素460改為使用品紅色、黃色及青色。品紅色、黃色及青色為可用以產生彩色圖像的一組常見的替代原色。如同RGB色彩組，對于相同像素區域，品紅色、黃色及青色產生不同信號電平黃色產生最大信號，品紅色產生最小信號，且青色產生介于黃色與品紅色之間的信號。因此，類似于宏像素410，宏像素460給兩個黃色微像素中的每一者各分配宏像素的光收集的約30%， 且給品紅色及青色微像素各分配約20%。如同宏像素410及435，宏像素460的其它實施例可以不同方式分配宏像素的光收集區域。舉例而言，在其它實施例中，黃色像素可各自占據宏像素的介于約20%與約40% 之間的光收集區域，品紅色像素可占據介于約10%與約30%之間的光收集區域，且青色像素可占據介于約10%與約30%之間的光收集區域。在一些實施例中，兩黃色微像素可具有實質上相同的光收集區域分配，且品紅色及青色微像素可具有實質上相等但小于黃色微像素的分配，但在其它實施例中，情況無需如此。如在宏像素435中，在給宏像素460中的黃色微像素指派大到使其隅角交迭的宏像素光收集區域的一比例的實施例中，可使其形狀為八邊形以維持黃色像素之間的隔離量測值。圖5A至圖5B說明CMOS圖像傳感器中的一對微像素的前照式及背照式實施例的橫截面。先前描述的宏像素實施例可被實現為如圖5A中所展示的前照式實施例或如圖5B 中所展示的背照式實施例。圖5A說明前照式CMOS圖像傳感器中的像素500的實施例。像素500的正面為襯底502的一面，在該面上安置像素電路，且在該面上形成用于再分配信號的金屬疊層504。金屬層Ml及M2被圖案化以形成光學通路，經由該光學通路，入射在前照式像素500上的光可到達感光或光電二極管(“PD”)區506。為實施彩色圖像傳感器，正面包括濾色器508，這些濾色器508各自安置在有助于將光聚焦至PD區506上的微透鏡510 之下。為實施宏像素410、435或460的實施例，每一濾色器508具有適當色彩，且像素500中的每一者的大小被設計為具有對應于其色彩的光收集區域分配。圖5B說明在背照式CMOS圖像傳感器中的像素550的實施例。如同像素500，像素 550的正面為襯底552的一面，在該面上安置像素電路，且在該面上形成用于再分配信號的金屬疊層陽4。背面為襯底552的與正面相反的面。為實現彩色圖像傳感器，背面包括濾色器558，這些濾色器558各自安置于背面與微透鏡560之間。微透鏡560有助于將光聚焦至PD區556上。通過照射像素550的背面，金屬疊層554中的金屬互聯不會遮蔽待成像的對象與收集區域之間的路徑，從而導致PD區556產生更大信號。為實現宏像素410、435或 460的實施例，每一濾色器558具有適當色彩，且像素550中的每一者的大小被設計為具有對應于其色彩的光收集區域分配。圖6說明成像系統600的實施例。光學器件601耦合至圖像傳感器602以將圖像聚焦至圖像傳感器的像素陣列604中的像素之上，光學器件601可包括折射、衍射或反射光學器件或這些光學器件的組合。像素陣列604俘獲圖像，且成像系統600的剩余部分處理來自該圖像的像素數據。圖像傳感器602包含像素陣列604及信號讀取及處理電路610。像素陣列604中的像素可為前照式或背照式像素(如圖5A至圖5B中所展示)，且可分組成圖4A至圖4C中所展示的宏像素實施例。在像素陣列604俘獲圖像的操作期間，像素陣列604中的每一像素在某曝光周期期間俘獲入射光(即光子)，且將所收集的光子轉換成電荷。由每一像素產生的電荷可作為模擬信號被讀出，且該模擬信號的特性(諸如，其電荷、電壓或電流)將表示在曝光周期期間入射于該像素上的光強度。在一實施例中，像素陣列604為二維的且包括配置成行606及列608的多個像素。 所說明的像素陣列604規則地成形，但在其它實施例中，陣列可具有不同于所展示的配置的規則或不規則配置，且可包括比所展示的像素、行及列更多或更少的像素、行及列。此外， 在不同實施例中，像素陣列604可為包括紅色、綠色及藍色像素的彩色圖像傳感器，或可為品紅色-青色-黃色圖像傳感器。圖像傳感器602包括信號讀取及處理電路610。電路610可包括有方法地從每一像素讀取模擬信號、對這些信號濾波、校正有缺陷的像素等等的電路及邏輯，等等。在電路 610僅執行一些讀取及處理功能的實施例中，這些功能中的剩余功能可由一或多個其它組件(諸如，信號調節器612或DSP 616)來執行。盡管在附圖中展示為與像素陣列604分離的元件，但在一些實施例中，讀取及處理電路610可與像素陣列604集成在同一襯底上，或可包含嵌入像素陣列內的電路及邏輯。然而，在其它實施例中，如附圖中所展示，讀取及處理電路610可為在像素陣列604外的元件。在其它實施例中，讀取及處理電路610可為不僅在像素陣列604外且亦在圖像傳感器602外的元件。信號調節器612耦合至圖像傳感器602以接收并調節來自像素陣列604及讀取和處理電路610的模擬信號。在不同實施例中，信號調節器612可包括用于調節模擬信號的各種組件。信號調節器中可見的組件的示例包括濾波器、放大器、偏移電路、自動增益控制等。在信號調節器612僅包括這些元件中的一些且僅執行一些調節功能的實施例中，剩余功能可由一個或多個其它元件(諸如，電路610或DSP 616)來執行。模數轉換器(ADC)614 耦合至信號調節器612以從信號調節器612接收對應于像素陣列604中的每一像素的經調節的模擬信號，且將這些模擬信號轉換成數字值。
數字信號處理器(DSP) 616耦合至模數轉換器614以從ADC 614接收經數字化的像素數據，且處理該數字數據以產生最終數字圖像。DSP 616可包括處理器及內部存儲器， DSP 616可在該內部存儲器中儲存并取回數據。在圖像由DSP 616處理之后，其可被輸出至存儲單元618(諸如，閃存或光學或磁性存儲單元)及顯示單元620(諸如，LCD屏幕)中的
一者或兩者。本發明的所說明實施例的以上描述(包括在摘要中所描述的內容)不旨在窮舉或將本發明限于所揭示的精確形式。如本領域普通技術人員將認識到，雖然在本文中出于說明性目的描述了本發明的具體實施例及示例，但在本發明的范疇內各種修改是可能的。可根據以上詳細描述而對本發明進行這些修改。在所附權利要求中所使用的術語不應被理解為將本發明限于本說明書中所揭示的具體實施例。而是，本發明的范疇將完全由所附權利要求確定，所附權利要求將根據權利要求解釋的既定準則加以理解。
權利要求
1.一種裝置，包括像素陣列，所述像素陣列包括形成在襯底上的多個宏像素，每個宏像素包括一對第一像素，各自包括用于第一色彩的濾色器，所述第一色彩為像素最敏感的色彩，第二像素，包括用于第二色彩的濾色器，所述第二色彩為像素最不敏感的色彩，以及第三像素，包括用于第三色彩的濾色器，像素對所述第三色彩的敏感度介于最不敏感與最敏感之間，其中所述第一像素所占據的所述宏像素的光收集區域的比例均大于所述第二像素或所述第三像素所占據的比例。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一像素各自占據所述宏像素的介于約20%與約40%之間的光收集區域，所述第二像素占據所述宏像素的介于約10%與約 20%之間的光收集區域，且所述第三像素占據所述宏像素的介于約10%與約20%之間的光收集區域。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一像素各自占據所述宏像素的光收集區域的約30%，所述第二像素占據所述宏像素的光收集區域的約20%，且所述第三像素占據所述宏像素的光收集區域的約20%。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一色彩為綠色，所述第二色彩為藍色，且所述第三色彩為紅色。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一色彩為黃色，所述第二色彩為品紅色，且所述第三色彩為青色。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述一對第一像素具有八邊形的形狀。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述宏像素為四邊形的且包括四個像素，其中所述第一像素處于相對隅角中，且所述第二像素與所述第三像素處于相對隅角中。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一像素、第二像素及第三像素形成于所述襯底的正面上，且用于所述第一色彩、第二色彩及第三色彩的濾色器形成于所述襯底的正面上。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一像素、第二像素及第三像素形成于所述襯底的正面上，且所述第一濾色器、第二濾色器及第三濾色器形成于所述襯底的背面上。
10.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，進一步包括耦合至所述像素陣列的像素的控制電路或讀出電路。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述控制電路可對于所述像素陣列內的每一像素產生傳輸(TX)信號、重置(RST)信號及選擇信號中的一個或多個。
12.—種系統，包括圖像傳感器，所述圖像傳感器形成于襯底中，其中所述圖像傳感器具有包括多個宏像素的像素陣列，每個宏像素包括一對第一像素，各自包括用于第一色彩的濾色器，所述第一色彩為像素最敏感的色彩，第二像素，包括用于第二色彩的濾色器，所述第二色彩為像素最不敏感的色彩，以及第三像素，具有用于第三色彩的濾光器，像素對所述第三色彩的敏感度介于最不敏感與最敏感之間，其中所述第一像素所占據的所述宏像素的光收集區域的比例均大于所述第二像素或第三像素所占據的比例；以及控制電路及處理電路，其耦合至所述圖像傳感器以讀出并處理來自所述像素陣列的信號。
13.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述第一像素各自占據所述宏像素的介于約20%與約40%之間的光收集區域，所述第二像素占據所述宏像素的介于約10%與約 30%之間的光收集區域，且所述第三像素占據所述宏像素的介于約10%與約30%之間的光收集區域。
14.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述第一像素各自占據所述宏像素的光收集區域的約30%，所述第二像素占據所述宏像素的光收集區域的約20%，且所述第三像素占據所述宏像素的光收集區域的約20%。
15.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述第一色彩為綠色，所述第二色彩為藍色，且所述第三色彩為紅色。
16.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述第一色彩為黃色，所述第二色彩為品紅色，且所述第三色彩為青色。
17.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述一對第一像素具有八邊形的形狀。
18.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述第一像素、第二像素及第三像素形成于所述像素陣列的正面上，且用于所述第一色彩、第二色彩及第三色彩的濾光器形成于所述像素陣列的正面上。
19.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述第一像素、第二像素及第三像素形成于所述像素陣列的正面上，且所述第一濾色器、第二濾色器及第三濾色器形成于所述像素陣列的背面上。
20.如權利要求12所述的系統，其特征在于，進一步包括耦合至處理電路的模數轉換器(ADC)。
21.如權利要求20所述的系統，其特征在于，所述處理電路包括耦合至所述ADC的數字信號處理器。
22.如權利要求12所述的系統，其特征在于，每個像素進一步包括 光檢測器，其形成于所述襯底中；浮動擴散區，其形成于所述襯底中；以及傳輸門，其形成于所述襯底上且介于光檢測器與所述浮動擴散區之間。
全文摘要
一種裝置的實施例包括像素陣列，該像素陣列包括多個個宏像素。每個宏像素包括一對第一像素，其各自包括用于第一色彩的濾色器，該第一色彩為像素最敏感的色彩；第二像素，其包括用于第二色彩的濾色器，該第二色彩為像素最不敏感的色彩；及第三像素，其包括用于第三色彩的濾色器，像素對該第三色彩的敏感性介于最不敏感與最敏感之間，其中第一像素所占據的宏像素的光收集區域的比例大于該第二像素或該第三像素所占據的比例。揭示并要求保護相應的過程和系統實施例。
文檔編號H04N9/04GK102339839SQ20111020645
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月15日 優先權日2010年7月16日
發明者D·毛, H·E·羅茲, V·韋內齊亞, 戴幸志, 錢胤 申請人:美商豪威科技股份有限公司