TW201547278A - 具暗電流減少及低功率消耗的影像擷取方法 - Google Patents

Abstract

本發明關於於影像感測器中之影像擷取方法，影像感測器係於零電位(Vss)之第一電源端子及正電源電位(Vdd)之第二電源端子間被供電並具主動像素列及行之矩陣。每一像素包含光二極體及將光產生電荷轉移至電荷儲存節點之閘極。電荷泵於電荷累積時間期間將負電位(VNEG)施加於轉移閘極，並於轉移時間窗期間接收所有像素共用之轉移控制信號(TRA)。轉移控制信號或重置控制信號連續地包含至少第一相位期間從負電位(VNEG)至正轉移電位、第二相位期間從正轉移電位至由第一電源端子供應之零電位、有限期間之第三相位期間保持零電位、及第四相位期間從零電位回至由電荷泵供應之負電位。經歷電源電位限制電荷泵中之電流需求，其需於轉移末端重建負電位VNEG。

Description

具暗電流減少及低功率消耗的影像擷取方法

本發明關於具主動像素之電子影像感測器。

此等感測器使用像素列及像素行陣列，每一像素中具光敏元件及若干電晶體。

一像素之有利組成為諸如圖1中所示組成，具有：-自偏壓(或「針札(pinned)」)光二極體PH，-電荷儲存節點ND，其相當於電容器，-轉移電晶體T1，用於隔離光二極體與儲存節點，或相反地，著眼於測量轉移後儲存節點之電位而允許電荷從光二極體轉移至儲存節點，-電晶體T2，用於讀取電荷，以電壓隨耦器模式組配，具有其閘極連接至儲存節點以允許儲存節點之電位轉移至電晶體之源極上，-電晶體T3，用於重置儲存節點，允許儲存節點之電 位設定於參考值，用以測量參考電位，著眼於存在來自光二極體之電荷及缺少來自光二極體之電荷的情況下儲存節點之電位之差動量測，-像素選擇電晶體T4，由列定址導體SEL控制，允許讀取電晶體T2之源極電位轉移至行導體COL上，列導體SEL為相同像素列之所有像素共用，行導體COL為相同像素行之所有像素共用，-最後，可選地，附加電晶體T5可具有二下列功能之一及/或另一者：在太強烈照明之狀況下，朝向抗暈光汲極排除光二極體中過量電荷，或藉由朝向汲極完全排空累積電荷而重置光二極體之電位，以便於展開新集成期間之前恢復其空電位；電晶體T5為可選的並允許展開將定義之所有像素共用之累積時間。

將注意的是使用「電晶體」用詞以便促進諸如圖1之電路圖方面的了解。然而，在像素之實體組成中，不一定以傳統方式形成電晶體，獨立於像素之其他元件，具源極區、汲極區、隔開源極與汲極之通道區、及通道頂部之隔離閘極。在像素之真實實體組成中，某些電晶體實際上係由可施加控制電位之隔離閘極實質上形成。因而，例如轉移電晶體T1係由與基板隔離之轉移閘極形成，位於光二極體PH及形成電荷儲存節點之N+型擴散間之區上；電晶體T1之源極為光二極體；電晶體之汲極為電荷儲存節點。類似地，電晶體T5係使用隔離閘極形成，一側鄰近光二極體(形成電晶體之源極)，另一側鄰 近電荷排除汲極(形成電晶體之汲極)。

在習知技藝之感測器中，存在一般稱為的暗電流(dark current)，換言之是即使在無照明下的雜散電荷流，然而，缺少照明將導致缺少電荷。該些雜散電荷降低信雜比且當測量到低照明狀況時特別有害。

部分暗電流係因光二極體之N區與圍繞光二極體而為使其與相鄰光二極體絕緣之絕緣氧化矽之間的介面缺陷。絕緣氧化物通常已知為淺溝槽隔離(縮寫STI)包含於表面溝槽內，表面溝槽圍繞遠離通道之光二極體，除了需保留用於重置作業期間排空來自光二極體(電晶體T5)之電荷之通道外，通道需保留用於將電荷從光二極體(電晶體T1)轉移至儲存節點。介面缺陷捕捉電子；該些電子後續被釋放並於電荷從光二極體轉移至儲存節點時朝向儲存節點吸引；為此原因，其將視為源自照明之有用電荷，然而其實際上為非源自照明之雜散電荷。

為盡可能限制這種影響，已提出於光二極體區(N型)及填充絕緣體之溝槽間插入P型區的想法。此P區接觸其中形成光二極體之P型矽的主動層。其圍繞光二極體之N區並避免後者直接接觸隔離溝槽。其充當與隔離溝槽起作用之鈍化層，以便中和雜散電荷。然而，在生產過程中，不可能將P型區置於轉移電晶體T1或電晶體T5(當存在時)之閘極(以多晶矽製成)下；原因在於P型植入實際上必須在閘極形成之後實施，因此不可能將P型雜質植於閘極之下；然而氧化矽製造之隔離溝槽於閘極 之下延伸，其較佳地像其他地方一樣由P區鈍化。

因此，基於以上提出之原理，在電晶體T1及T5之閘極下面的半導體區維持與氧化矽直接接觸，並可能產生有害的暗電流。

轉移電晶體T1之閘極可維持輕微負電位(約-0.7伏)，而非光產生電荷集成期間之零電位。此電壓將允許電洞被吸引及累積在閘極下面；於氧化物/矽介面捕捉到的電子接著與移動電洞重新組合並消失，因而排除了電荷從光二極體轉移至儲存節點期間不想要的電子朝向儲存節點前進之風險。

然而，為產生此負電壓，而積體電路被供以0伏及3至5伏正電壓的電力，必須使用電荷泵。電荷泵具有低於50%有時甚至低於30%之低效率。因此它們消耗的電流遠高於它們必須供應之電流。

在稱為「全域快門」模式之感測器之一作業模式中，亦即具整體曝光時間，感測器之所有像素的轉移相位同步。像素陣列之所有轉移閘極同時啟動，將電荷從光二極體轉移進入儲存節點。對具2百萬像素之感測器而言，當轉移脈衝結束時，為返回-0.7伏之電位，電荷泵中電流需求可超過80毫安，且此具附帶條件，控制脈衝下降時間迫至至少300奈秒，使得轉換不會太唐突。為放電並聯連接之所有轉移閘極之等效電容而由電荷泵供應之80毫安可相應於因電荷泵之低效率之250毫安的所有電流消耗。

為解決暗電流之問題而不製造轉移閘極從高狀態切換至低狀態(反之亦然)時極高電流需求的困難，本發明之想法為於三不同階段實施切換至低狀態，其係從正電壓至零(感測器之一電源端子之電位)接著穩定在零之通道，接著從零至由電荷泵供應之負電壓之通道。大部分電荷於轉移脈衝期間累積在轉移閘極中，接著首先放電進入電源端子至零伏(接地)，且不進入電荷泵；後者僅提供轉移電晶體之閘極通道，從0伏至小負電壓(例如-0.7伏)。

因此，本發明提供於影像感測器中之影像擷取方法，影像感測器具主動像素列及行之矩陣，並於零電位之第一電源端子及正電源電位之第二電源端子間被供電，其中每一像素包含於主動半導體層內以零參考電位形成之光二極體、用於轉移由光二極體至電荷儲存節點之光產生之電荷的電荷轉移閘極、及可選地用於重置光二極體之電位的閘極，方法包含將電荷從矩陣之所有像素之光二極體整體轉移至相應儲存節點之步驟，及可選地重置所有光二極體之步驟，其中電荷泵於電荷累積時間期間之主要部分期間將負電位施加於轉移閘極及/或重置閘極，並於轉移時間窗期間接收所有像素共用之轉移控制信號或重置控制信號，轉移控制信號或重置控制信號連續地包含至少第一相位期間從該負電位至正轉移電位、第二相位期間從 正轉移電位至由第一電源端子供應之零電位、有限期間之第三相位期間保持零電位、及第四相位期間從零電位回至由電荷泵供應之負電位。

電荷泵用以維持累積時間期間之負電位，但未歷經此相位之高電流需求。在第二及第三相位期間未使用電荷泵。接著，其用以於轉移控制信號末端驅動電位從零至負電位，但接著電位差低於第一相位之正電位及最終負電位間存在之電位差。因電容放電之電流需求因此減少。電流需求之增量在於二電壓差之比例。

例如，正電位為3.3伏及負電位為-0.7伏。電流消耗之增量在於4伏/0.7伏之比例約5.7。

電荷泵並未實施從正電位至零電位之通道，但電容放電電流直接流入零電位之電源端子。因此電荷泵之低效率在此相位並非問題。

在一實施例中，僅轉移脈衝(或重置脈衝)之下降邊緣經歷通過第一電源端子直接供應之零電位之通道的相位。

在另一實施例中，為對稱之故，提供轉移脈衝之上升邊緣相同形狀，具從電荷泵供應之負電位至第一電源端子供應之零電位的上升相位、此電位之有限期間之相位、及從零電位至正電位之上升相位，其提供電荷轉移。

設想施加負電壓至轉移閘極之感測器於下列出版品中描述：US2008296630、US 8,163 591、US 2009/0219418、及Bongki Mheen、Young-Joo Song、及Albert J.P.Theuwissen之「針對增加井產能及抑制暗電流之四電晶體CMOS影像像素的負偏移作業」(Negative Offset Operation of Four-Transistor CMOS Image Pixels for Increased Well Capacity and Suppressed Dark Current)。

AMP‧‧‧功率放大器

COL‧‧‧行導體

d_TRA‧‧‧邏輯控制脈衝

d_VLO‧‧‧控制輸入

FR‧‧‧框週期

GR‧‧‧重置控制信號

ND‧‧‧電荷儲存節點

PCH‧‧‧電荷泵

PH‧‧‧光二極體

RST‧‧‧線

SEL‧‧‧列定址導體

sel‧‧‧選擇信號

shs、rst、shr‧‧‧讀取信號

T1‧‧‧轉移電晶體

T2‧‧‧讀取電晶體

T3‧‧‧電晶體

T4‧‧‧像素選擇電晶體

T5‧‧‧重置電晶體

Ti‧‧‧電荷累積時間

TRA‧‧‧轉移控制信號

Vdd‧‧‧正電源電位

VHI‧‧‧高電壓

VLO‧‧‧低電壓

VLOSEL‧‧‧電壓選擇器

VNEG‧‧‧負電位

Vss‧‧‧零電位

讀取依循及參照附圖呈現之詳細描述，本發明之其他部件及優點將變得顯而易見，其中：-圖1(已描述)顯示具五電晶體之傳統像素電路圖；-圖2顯示像素之一般作業時序圖；-圖3A及3B顯示依據本發明之光二極體之轉移或重置控制脈衝之形狀之一可能範例；-圖4A及4B顯示依據本發明之光二極體之轉移或重置控制脈衝之理論形狀；-圖5A及5B顯示考量電荷泵之恢復時間之控制脈衝之真實形狀；-圖6顯示依據本發明之感測器之作業時序圖；-圖7顯示產生轉移或重置信號之電路；-圖8顯示圖7中電路中使用之信號。

圖2顯示具5電晶體之像素之傳統作業時序圖，其中使用第五電晶體觸發展開集成期間(稱為「全域快門」模式之模式中作業)。「全域快門」模式中作業可能缺少電晶體T5，但累積時間不可調整並等於框週期FR。

作業為週期性具框週期FR。當提供該等電晶體時，框始自所有像素同步施加重置脈衝GR至電晶體T5之閘極。脈衝清空由光二極體中光集成之電荷。脈衝GR末端標示所有像素共用之累積時間Ti開始。此時間之末端將由施加於轉移電晶體T1之閘極之轉移脈衝TRA末端定義；此脈衝由全域快門模式中所有像素共用，將集成電荷從光二極體轉移至儲存節點ND。

在累積時間期間，於脈衝TRA之前，重置電位位準(線RST)施加於電晶體T3之閘極以便清空儲存節點中所包含之電荷。在轉移脈衝之前，此信號必須中斷。

在累積時間Ti之後，像素被一列一列地讀取，選擇信號(線SEL)連續地施加於每一列，以便定義讀取時間。圖2中僅顯示一列之信號；其施加於電晶體T4之閘極。讀取係於未顯示之讀取電路中實施，其位於每一像素行底部並連接至個別行導體COL。讀取電路顯著地包含取樣電路，由脈衝shs及shr控制，用以分別取樣轉移脈衝TRA後行導體之有用電位位準及重置後電位位準。測量係於每一週期由二樣本間之差異進行。

特定列之讀取相位係由施加於此列之脈衝信號SEL定義，連續地包含取樣脈衝shs之產生、用於重置考慮中列之像素之儲存節點之電晶體T3之閘極上脈衝rst之產生、及取樣脈衝shr之產生。取樣信號之差異係由類比-數位轉換器(未顯示)轉換。

在習知技藝中，重置光二極體所需之轉移信號TRA及信號GR為所有像素共用，且脈衝通常始自零伏參考電壓，其係形成光二極體之主動半導體層之電位；該些脈衝短時間採用正值，且其允許儲存於光二極體中之電荷清空。

轉移控制或重置控制信號接著具有圖3A中所示之矩形，從零至正轉移電位，當感測器於二電源端子Vss(零)及Vdd(正)間被供電時，其可為Vdd。Vdd典型地為3.3伏。

如上文所說明，若控制信號於集成相位期間保持輕微負電壓(例如-0.7伏)，且若上升及下降邊緣被迫具有最小期間以防止過高電流需求，脈衝之形狀可如圖3B中所示。邊緣之最小期間為例如300奈秒，則信號TRA或GR之總期間可為約1微秒。

依據本發明，不同形狀提供至轉移或重置控制信號之輪廓，如圖4A中所示，其於信號處於其高正位準時及信號返回其低負位準時之間利用信號通道經過電源零電位達有限期間。轉移或重置控制信號因此可分解為至少第一相位期間從負電位至正轉移電位(並較佳地保持數 百奈秒期間)、第二相位期間從正轉移電位至第一電源端子供應之零電位、有限期間之第三相位期間保持零電位、及第四相位期間從零電位返回至電荷泵供應之負電位。

保持零電位之期間可為短。其必須足以允許放電至矩陣之所有電晶體之零閘極電容；約數百奈秒將足夠。

可選地，為信號形成對稱及簡化的原因，亦於第一相位期間利用通道經過電源零電位達信號處於其低負位準時及達到其高正位準時間之有限期間，如圖4B中所示。

較佳地(但不一定)於第一相位中提供達至正電位之逐步上升率，以便限制電流需求；類似地，較佳地於第二相位中從正電位提供逐步下降斜率。上升及下降邊緣接著可持續達100及400奈秒之間。亦可選地於第四相位中提供類似下降或上升斜率(從零下降至-0.7伏)，亦從負電位上升至零電位。

當提供及啟動重置電晶體T5時，圖4A及4B中所示之控制信號形狀可用於轉移控制信號TRA及重置控制信號GR，以便定義展開累積時間。該些形狀亦可僅用於二信號之一，另一者不包含保持電源零電位之相位。圖4A及4B中所示之信號形狀為所示理論形狀以便簡化說明。因有時採取電荷泵產生之電壓(例如理論上-0.7伏)以返回至其開啟時開始之標稱值，真實形狀更通常為下文將說明之圖5A及5B中所示者。

圖6顯示感測器之作業之一般時序圖。類似於圖2且說明相同，差異如下：此處，信號TRA及GR(或二者之至少其一)之低電位於電荷累積時間為負；且至少從正電位朝向低負電位下降時，轉移控制信號及重置信號之形狀於零電位期間包含有限高原(非零)，如參照圖4A及4B所描述。轉移(或重置)控制信號期間可為1毫秒。

將注意的是，在圖6中，轉移控制信號之低電位在整個電荷集成期間為負，並於電荷讀取期間(換言之，在選擇連續列之信號SEL期間)保持低。然而，如虛線所示，轉移控制信號可於讀取相位期間重置為零電位。由於讀取期間未請求電荷泵，無與來自泵之高頻切換之偽信號相關聯之干擾雜訊引發至儲存節點。在圖6中(如圖2中)，僅顯示單一列之選擇信號sel及讀取信號shs、rst、shr；該些信號連續地重複以便實施各列之選擇及讀取。

圖7顯示連接感測器之相同像素列之所有像素之轉移電晶體T1之閘極的列控制電路。此電路將與用於控制連接一像素列之重置電晶體T5之閘極的列控制電路相同。每一控制電路實質上包含功率放大器AMP及相關電壓選擇器。放大器AMP可供應列之所有電晶體之閘極電容的電荷電流，典型上50至100微安之最大電流；放大器之輸出電流為有限之事實定義施加於列之閘極之信號的上升斜率；例如，若列電容為6微微法拉，則侷限於 100微安之電流定義約250奈秒之上升或下降時間。

放大器AMP係於感測器之一般正電源端子直接供應之電壓Vdd(例如3.3伏)的高電壓VHI及電壓選擇器VLOSEL供應之低電壓VLO間供電。

電壓選擇器接收零電位之一般電源端子供應之低電源電位Vss，及電荷泵PCH供應之負電位VNEG；在其輸出，其供應電位Vss及VNEG之一或另一者，取決於其控制輸入d_VLO上接收之邏輯信號。放大器因此於Vdd及Vss之間由二電源端子被供電；或Vdd及VNEG之間由正電源端子及電荷泵之輸出供電，分別依據信號d_VLO之高或低狀態。若該些電路各配賦一個別像素列，則電荷泵為所有控制電路共用。

放大器AMP進一步於其輸入接收邏輯控制脈衝d_TRA，其係由定序器(未顯示)供應且其建立感測器作業之各式循環信號。信號d_TRA代表累積時間末端之轉移命令。其值於整個累積時間為低邏輯位準0；其僅於圖4A及4B中所示之轉移信號的總期間達高邏輯位準1。當d_TRA處於低位準時，放大器於其輸出供應電壓VLO，換言之Vss或VNEG。當d_TRA處於高邏輯位準時，放大器於其輸出供應電壓VHI，即Vdd。

相同說明同樣適用信號GR。

定序器進一步供應邏輯信號d_VLO，希望控制電壓選擇器VLOSEL。當信號d_VLO處於低位準時，電壓選擇器供應-0.7伏之負電壓VNEG至放大器。當 d_VLO為高時，選擇器供應Vss。

圖8顯示控制信號d_VLO及d_TRA，及衍生之轉移控制信號TRA。

當d_VLO及d_TRA處於低位準時，電荷泵供應VNEG至放大器，且後者供應VNEG至閘極之列。此即整個累積時間Ti之狀況。

當d_VLO達高位準時，放大器接收來自感測器之低電源端子的電壓Vss。放大器於其輸出供應Vss。

當d_TRA後續達高邏輯位準時，放大器之輸出TRA達Vdd，具可由放大器之輸出供應之最大可能電流定義之非零上升時間。TRA後續保持Vdd達信號d_TRA之期間。其於信號d_TRA末端返回位準Vss，具可由放大器之輸入吸收之最大可能電流定義之非零下降時間。最後，可見信號TRA於信號d_VLO末端緩慢地回至負電壓VNEG。此緩慢返回係因電荷泵供應之電壓VNEG；後者供應僅逐漸抵達所要求之標稱負電壓的電壓，因其係藉由感測器之列之所有閘極而經由所有放大器充電。

若希望加速負電壓返回其標稱值，例如-0.7伏，可提供一或更多其他電荷泵，與若電壓VNEG落入超過限制值之絕對值則唯一納入作業之電荷泵PCH並聯。主要電荷泵PCH於累積時間保持-0.7伏位準，其他泵僅於信號d_VLO末端作業。電荷泵之輸出係並聯連接。配置於並聯總成輸出之電壓調節器將主要電荷泵之輸出電壓 與設定點值做比較。若差異過大，則調節器供應一使將輔助電荷泵操作的信號。

參照圖7及8提及關於信號TRA之說明亦可應用於重置信號GR。若電晶體T5需於累積時間提供抗暈光功能，便希望負電壓於此期間施加於其閘極，以於半導體中利用略低於同時在轉移電晶體之閘極下製造之電位障壁的電位障壁。此可藉由提供電晶體T5之閾值電壓低於電晶體T1之閾值電壓而予達成。此可藉由具有二電晶體之不同通道摻雜或不同閘極氧化物厚度而予獲得。亦可提供用於集成相位期間施加於電晶體T5之閘極的負電壓略高於(較少負)施加於電晶體T1之閘極的負電壓。然而，電晶體T5亦可不用作抗暈光電晶體而提供輔助抗暈光裝置。

d_TRA‧‧‧邏輯控制脈衝

GR‧‧‧重置控制信號

TRA‧‧‧轉移控制信號

d_VLO‧‧‧控制輸入

VLO‧‧‧低電壓

VNEG‧‧‧負電位

Vss‧‧‧零電位

Vdd‧‧‧正電源電位

Claims (3)

1. 一種於影像感測器中之影像擷取方法，該影像感測器係於零電位(Vss)之第一電源端子及正電源電位(Vdd)之第二電源端子間被供電並具主動像素列及行之矩陣，其中每一像素包含於主動半導體層內以該零參考電位形成之光二極體(PH)、用於轉移由該光二極體至電荷儲存節點(ND)之光產生之電荷的電荷轉移閘極(T1)、及可能地用於重置該光二極體之電位的閘極(T5)，該方法包含將該電荷從該矩陣之所有該像素之該光二極體整體轉移至該相應儲存節點之步驟，及可選地重置所有該光二極體之步驟，其特徵在於電荷泵(PCH)於電荷累積時間(Ti)期間之主要部分期間將負電位(VNEG)施加於該轉移閘極及/或該重置閘極，並於轉移時間窗期間接收所有該像素共用之轉移控制信號(TRA)或重置控制信號(GR)，該轉移控制信號或該重置控制信號連續地包含至少第一相位期間從該負電位(VNEG)至正轉移電位、第二相位期間從該正轉移電位至由該第一電源端子供應之該零電位、有限期間之第三相位期間保持該零電位、及第四相位期間從該零電位回至由該電荷泵供應之該負電位。
2. 如申請專利範圍第1項之影像擷取方法，其中，該負電位上升至該正電位期間，給予該轉移脈衝之上升邊緣與下降邊緣相同的形狀，具有從該電荷泵供應之該負電位至該第一電源端子供應之該零電位的上升相位、在此電 位之有限期間的相位、及從該零電位至提供該電荷轉移之該正電位的上升相位。
3. 如申請專利範圍第1及2項任一項之影像擷取方法，其中，該電荷泵由用於該電荷轉移脈衝或該重置脈衝末端之至少一輔助電荷泵協助而作業以維持該累積時間期間之負電壓。