[发明专利]单片彩色金属氧化物半导体图像传感器及相邻行读出方法

说明书

本发明属于金属氧化物半导体(MOS)图像传感器，尤其是具有两条或更多读出线新结构、和高灵敏度隔行彩色新结构的单芯片互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

集成电路技术已经使许多领域发生了革命，诸如计算机、控制系统、通讯和图像传感。在图像传感领域中，电荷耦合器件(CCD)传感器使得生产相对低成本和小型化的手持式摄像机成为可能。然而，图像传感所需要的固态CCD集成电路制造较为困难，因此成本高。此外，由于生产CCD集成电路和生产CMOS集成电路的工艺不同，图像传感器的信号处理部分，通常放在另一块集成芯片上。因此，一个CCD图像传感器件至少包含两块集成电路：一块CCD传感器和一块信号处理逻辑电路。

E.R.Fossum在SPIE国际光学工程师会议文集1900卷，1993年，2-14页中发表的“有源像素传感器-CCD是恐龙吗”一文中，讨论了CCD技术的另一些缺点。正如该文中所提到的：“尽管CCD由于其高灵敏度、高量子效率和像素点多成为当前实现图像传感和光谱学仪器的首选技术，众所周知，它也是一个相当难掌握的技术。要求近乎完美的电荷转移效率使得CCD成为：(1)辐射敏感，(2)很难重复生产大的像素阵列，(3)与小型设备所需要的片上集成电子电路不兼容，(4)难于通过使用不同材料来扩展光谱响应范围，(5)有限的读出速度。”

相对于CCD集成电路来说，另一种更低成本的技术是金属氧化物半导体(MOS)集成电路。使用MOS技术的图像传感器不仅生产成本比CCD图像传器低，而且在某些应用中性能更好。例如：MOS器件的像素可以做得更小，因此分辨率可以做得比CCD图像传感器更高。此外，所需的处理电路可以集成在图像传感电路的边上，因此可以做出能够完全独立使用的单片集成图像传感器。

MOS图像传感器的例子在“采用CMOS工艺的1/4英寸250K像素带放大MOS图像传感器”(Kawashima等，IEDM93-575.1993年)和“一个低噪声线性放大MOS图像传感器件”(Ozaki等，IEEE电子器件通讯，38卷，第5号，1991年5月)中有详细的介绍。此外Denyer的编号为5,345,266，标题为“阵列图像传感器件”的美国专利，也描述了一个MOS图像传感器。此外，彩色图像传感的MOS实现方法也在下列文章中有介绍。“用于单片摄像机的另一种颜色过滤和处理方法”(Parulski,IEEE电子器件通讯，ED-32卷，第8号，1985年8月)和“减小混淆的单片彩色摄像机”(Imaide等，图像传感技术杂志12卷，第5号，1986年10月第258-260页)。

在MOS固态彩色图像传感器中，通常使用互补颜色过滤图案。像素阵列上覆盖规则图案的彩色过滤小块，称为彩色过滤图案，就可以检测颜色。过滤小块可以直接做在传感器上或做在透明衬底上再粘结在芯片上。彩色过滤图案可以包含诸如：红(R)，绿(G)，蓝(B)，黄(Ye)，青(Cy)，品红(Mg)。彩色过滤图案下面的像素只有遇到彩色过滤小块所指定的颜色的光时，才输出信号。因此，红色信号可以从红色过滤小块下的像素获得，蓝色信号可以从蓝色过滤小块下的像素获得，依此类推。

然而，一些图像传感器并不从过滤后的红绿蓝像素中获得标准的红绿蓝信号，而是用其他颜色的组合来获得。例如：红可以从公式R=(W+Ye)-(G+Gy)中获得。经过过滤的彩色像素是：W=白，Ye=黄，G=绿，Cy=青。在这种情况下，被处理的四个像素信号来自四种传感像素的2×2行的块，而不是1×4行的块。后者会对彩色图像造成干扰。2×2块对标准像素扫描方式来说是一个问题，因为标准扫描方式每只扫一行。而2×2块的像素来自两行。因此，系统无法在扫描的同时处理数据。它必须等到下一行扫描完才能获得另一部分所需数据，因此必须以某种方法保存上一行数据直到获得本行数据。

正如这种情况下彩色信号可以是2×2像素块信号的组合一样，与图像相关的亮度信号，有时也是从两行像素信号的组合获得的。事实上，这是许多系统中色度信号的情况，即使是由R、G、B滤色块直接获得彩色的系统也是如此。因此，在这种系统中，需要有某种办法同时获得来自两行的数据，以得到所需要的组合。在大多数以前的器件中，使用外部的延迟线(如CCD延迟线)来延迟一行。延迟线把前面一行的数据保存到扫描下一行，以提供所需的信息。