RGBZ图像传感器的RGBZ像素信元单元的物理布局和结构制造技术

本发明专利技术描述了一种具有像素信元单元的图像传感器。该像素信元单元具有在半导体表面上的第一、第二和第三传输门晶体管门，其分别联接在第一、第二和第三可见光光电二极管区域和第一电容区域之间。该像素信元单元具有在半导体表面上的第四传输门晶体管门，其联接在第一红外光电二极管区域和第二电容区域之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】RGBZ图像传感器的RGBZ像素信元单元的物理布局和结构
本专利技术的领域总体上涉及成像技术，并且更具体地，涉及用于RGBZ图像传感器的RGBZ像素信元单元的物理布局和结构。
技术介绍
图1示出了图像传感器100的基本元件。如图1所示，图像传感器包括具有组成像素信元(cell)102的像素阵列101。行解码器103具有联接到像素信元102的行的输出，其联接到像素阵列101。感测放大器104也联接到像素阵列101的列的输出。图像传感器100还包括联接在感测放大器104下游的模数电路105。图像传感器100还包括定时和控制电路106，其负责产生指示图像传感器100的操作的时钟和控制信号。
技术实现思路
本专利技术描述了具有像素信元单元的图像传感器。像素信元单元具有在半导体表面上的第一、第二和第三传输门晶体管门，其分别联接在第一可见光光电二极管区域、第二可见光光电二极管区域和第三可见光光电二极管区域与第一电容区域之间。该像素信元单元具有半导体表面上的第四传输门晶体管门，其联接在第一红外光电二极管区域和第二电容区域之间。附图说明以下描述和所附附图用于说明本专利技术的实施例。在附图中：图1示出了图像传感器(现有技术)的图示；图2示出可见光像素信元的图示；图3示出Z像素信元的图示；图4示出具有RGBZ像素的像素阵列的图示；图5示出了用于第一RGBZ像素单元信元设计的第一维恩图；图6示出符合图5的维恩图的RGBZ像素单元信元的实施例；图7a和7b示出了图6的RGBZ像素单元信元的布局实施例；图8示出了用于第二RGBZ像素单元信元设计的第二维恩图；图9示出了符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元的第一实施例；图10a和10b示出了图9的RGBZ像素单元信元的布局实施例；图11示出符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元的第二实施例；图12a和12b示出了图11的RGBZ像素单元信元的布局实施例；图13示出符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元的第三实施例；图14a和14b示出了图13的RGBZ像素单元信元的布局实施例；图15示出由RGBZ像素单元信元执行的方法；图16a至16g示出了RGBZ像素信元的制造方法；图17示出相机系统的实施例；图18示出了计算机系统的实施例。具体实施方式图2示出了用于可见光像素的电路设计202。如图2所示，首先，通过接通复位晶体管Q1，清除电容器201的负电荷(其使电容器的电压达到电源电压V_pixel)。当电容器的负电荷被清除并且传输门晶体管Q2被关断时，曝光时间开始，其中根据在曝光时间内接收的光的强度和曝光时间的长度，光敏光电二极管203产生并收集负电荷(电子)。在曝光时间之后，传输门晶体管Q2接通，使得收集在光电二极管203中的负电荷传输到电容器201。负电荷到电容器201的传输影响电容器的电压(电容器201接收的负电荷越多，其电压越低)。在光电二极管的负电荷已经被传送到电容器201之后，启用行选择控制信号，其接通行选择晶体管Q3，行选择晶体管Q3允许联接在像素信元的列输出下游的感测放大器感测电容器电压。然后，电容器电压的读数被数字化，并用作对光电二极管203所接收到光强度的指示。然后重复该过程。通常，行选择信号接通沿着像素阵列中的同一行的每个像素信元的行选择晶体管Q3。行选择信号“滚动”(scroll)通过阵列中各行，以接收整个阵列的图像。在“全局快门”模式的情况下，在阵列中所有像素信元上的曝光时间是同时的(并且图像不应具有任何与运动相关的人为影像(artifact))。在“卷帘快门”模式的情况下，像素信元的曝光时间例如逐行地被分级(其可以允许运动人为影像的存在)。存储电容器201的存在允许曝光定时与激活行选择并读出存储电容器201的定时解耦。换言之，在曝光并将电荷转移到存储电容器201中之后，存储电容器的电压可以在被读出之前保持一段时间。因此，支持每个存储电容器读出多次曝光时间的图像传感器架构是可能的。也就是说，仅作为一个示例，可以构造图像传感器，对于根据行选择激活的存储电容器201的每次读出，该图像传感器具有三次曝光，对应电荷三次传输到存储电容器201中。图3示出了用于使用“飞行时间”技术采集深度信息的图像传感器的“Z”像素302的电路设计。在飞行时间图像采集的情况下，通常，光源将来自相机系统的红外(IR)光发射到对象上，并且对于像素阵列中的多个像素信元中的每一个，测量在发射光和在像素阵列上接收该光的反射图像之间的时间。由飞行时间像素产生的图像对应于该对象的三维轮廓，其表征为在不同像素位置中的每一个(x，y)处的特定的深度测量值(z)。如图3所示，Z像素设计302包括如上文关于可见光像素信元202所描述的执行类似操作的存储电容器301、复位晶体管Q1、传输门晶体管Q2、光电二极管303和行选择晶体管Q3。传输门晶体管Q2在曝光时间期间利用时钟信号在曝光的过程中接通和关断。在Z像素302的曝光时间期间利用时钟信号控制传输门晶体管Q2是飞行时间技术的人为影像。在通常方法中，同一Z像素302在四次不同的复位、曝光时间和读出顺序中设置有四个不同时钟(其每一个的相位按90°分开)。然后，组合四个不同的电荷收集的读出，从而计算针对该像素的飞行时间深度值。在曝光时间本身期间，如上所提到的，传输门晶体管Q2在时钟信号的控制下触发接通和关断。因此，在曝光序列期间，电荷多次从光电二极管303传输到存储电容器301。在传输门晶体管Q2关断的半个时钟周期期间，“背漏”(back-drain)晶体管Q4接通以使得来自光电二极管303的电荷流入V_pixel电源节点。控制背漏晶体管Q4的时钟与控制传输门晶体管Q2的时钟异相180°，使得在接通一个的同时关断另一个。因此，在曝光时间的过程中，从光电二极管流出的电荷在流过传输门晶体管Q2和流过背漏晶体管Q4之间来回交替方向。然而，注意，在Z像素信元的曝光时间期间，接通和关断传输门晶体管Q2在功能上类似于正如上提到的特定可见像素信元实施例，对于每次行选择读出，存在多次曝光和向存储电容器201的相应电荷传输。图4示出了具有包括可见光像素R、G和B以及Z像素的像素单元信元402的像素阵列401的实施例。尽管该具体实施例示出了红色(R)、蓝色(B)和绿色(G)像素作为可见光像素，但是其他实施例可以使用不同的颜色像素方案(例如，青色、品红色和黄色)。出于简单，本申请的剩余部分将主要涉及RGB可见光像素方案。在单元信元402的布局设计中的挑战是，扩展光电二极管的表面积(以增强光学灵敏度)，同时保留足够的半导体表面积空间，以将与像素单元信元电路设计相关联的晶体管布置为靠近单元信元或位于单元信元内(例如，在这种接近是适当的或必要的情况中)。也就是说，这种晶体管占用的空间越大，将用以收集光的空间就越小，并且反之亦然，将用以收集光的空间越大，用以放置晶体管的空间就越小。作为另一考虑，通常，用于可见光像素设计的存储电容器应较小，以减小读出期间的噪声，而用于Z像素设计的存储电容器应较大，以促进较大的红外检测像素容量。一种解决方案是使可见光像素共享同一存储电容器，并且，为Z像素引入第二存储电容器。在可见光像素共享同一存储电容器的情况下，可节省空间，否则这种空间将被所取消的存储电容器所占用。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：图像传感器，其具有单元像素信元，所述单元像素信元包括：a)在半导体表面上的第一传输门晶体管门、第二传输门晶体管门和第三传输门晶体管门，所述第一传输门晶体管门、第二传输门晶体管门和第三传输门晶体管门分别联接在第一可见光光电二极管区域、第二可见光光电二极管区域和第三可见光光电二极管区域与第一电容区域之间；和b)在所述半导体表面上的第四传输门晶体管门，其联接在第一红外光电二极管区域和第二电容区域之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.22 US 14/579,9061.一种装置，包括：图像传感器，其具有单元像素信元，所述单元像素信元包括：a)在半导体表面上的第一传输门晶体管门、第二传输门晶体管门和第三传输门晶体管门，所述第一传输门晶体管门、第二传输门晶体管门和第三传输门晶体管门分别联接在第一可见光光电二极管区域、第二可见光光电二极管区域和第三可见光光电二极管区域与第一电容区域之间；和b)在所述半导体表面上的第四传输门晶体管门，其联接在第一红外光电二极管区域和第二电容区域之间。2.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述半导体表面上的背漏晶体管门，其联接在所述第一红外光电二极管区域和电源电压节点之间。3.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述半导体表面上的第一背漏晶体管门和第四背漏晶体管门，其分别联接在所述第一可见光光电二极管区域和所述第一红外光电二极管区域与电源电压的第一物理节点之间；以及在所述半导体表面上的第二背漏晶体管门和第三背漏晶体管门，其分别联接在所述第二可见光光电二极管区域和所述第三可见光光电二极管区域与所述电源的第二物理节点之间。4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一背漏晶体管门和所述第四背漏晶体管门位于所述像素信元单元的与所述第二背漏晶体管门和所述第三背漏晶体管门相反的侧上。5.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述半导体表面上的第一背漏晶体管门、第二背漏晶体管门、第三背漏晶体管门和第四背漏晶体管门，其分别联接在：i)所述第一可见光光电二极管区域和电源电压的第一物理节点之间；ii)所述第二可见光光电二极管区域和所述电源电压的第二物理节点之间；iii)所述第三可见光光电二极管区域和所述电源电压的第三物理节点之间；iv)所述第四可见光光电二极管区域和所述电源电压的第四物理节点之间。6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一背漏晶体管门、第二背漏晶体管门、第三背漏晶体管门和第四背漏晶体管门位于所述像素信元单元的不同拐角上。7.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述半导体表面上的背漏晶体管门，其联接在所述红外光电二极管区域和所述第一电容区域之间。8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第四传输门晶体管门和所述背漏晶体管门位于所述红外光电二极管区域的相反端上。9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一可见光滤光器、所述第二可见光滤光器、所述第三可见光滤光器和所述红外滤光器在所述半导体表面上方沿同一水平布置。10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述图像传感器还包括在所述第一可见光光电二极管区域上方的第一颜色滤光器、在所述第二可见光光电二极管区域上方的第二颜色滤光器、在所述第三可见光光电二极管区域上方的第三颜色滤光器、和在所述第一红外光电二极管区域上方的红外滤光器。11.一种计算系统，包括：应用处理器，其包括联接到存储器控制器的多个处理核，所述存储器控制器联接到系统存储器；相机系统，其联接到所述应用处理器，所述相机系统包括具有像素信元单元的图像传感器，所述像素信元单元包括：a)在半导体表面上的第一传输门晶体管...

【专利技术属性】
技术研发人员：温宗晋，B福勒，
申请(专利权)人：谷歌公司，
类型：发明
国别省市：美国,US