[发明专利]背面照明的全局快门成像阵列

说明书

公开了一种成像阵列及其使用方法，其适用于利用全局快门的背面照明成像阵列。成像阵列包括具有像素传感器有序阵列的多个像素传感器。每个像素传感器包括主光电二极管和校正光电二极管。控制器在第一时刻复位所有主光电二极管，该第一时刻对于所有像素传感器是相同的；在该第一时刻之后的第二时刻复位所有校正光电二极管，该第二时刻对于所有像素传感器是相同的，并且该控制器顺序读出像素传感器。在第三时刻读出该像素传感器，该第三时刻对于不同的像素传感器是不同的。测量校正电荷以校正不同的读出时刻。

技术领域

本发明涉及背面照明的全局快门成像阵列。

背景技术

用于CMOS成像传感器的电路构造在硅晶片的一侧上，在下面的讨论中称为前侧。传感器包括像素传感器阵列，其中每个像素传感器具有光电二极管和相关的读出电路。光电二极管和有源读出电路构造在晶片的正面上。然后在正面上沉积并图案化各种金属层。金属层提供各种导体和一些无源元件，例如电容器和电阻器。在前侧照明的成像传感器中，要捕获的图像从前侧上方成像到像素传感器上。因此，必须组织金属层，使得每个光电二极管上的区域不受阻碍。结果，可以在金属层中构造的电路必须构造在像素传感器阵列的侧面，这增加了成像阵列所需的硅面积。

其中图像从硅晶片的另一侧投影到像素传感器上的成像传感器具有减小成像阵列的尺寸的潜力，因为正面上的光电二极管上方的区域现在可用于电路元件的构造和用于控制和读出像素传感器的各种信号的路由。然而，背面照射的像素传感器阵列存在其它挑战，特别是当用于全局快门系统时，其中电荷存储在每个像素传感器中的浮动扩散节点上，同时等待被读出。浮动扩散节点可以被视为具有寄生光电二极管，如果被照射，该寄生光电二极管将在存储期间产生光电子。在前侧照明方案中，浮动扩散节点由在金属层中设置的掩模屏蔽。然而，在背面照射方案中，在可以在其上沉积这种屏蔽的背面与浮动扩散节点之间存在显著的距离。结果，难以在不对像素传感器中的光电二极管也进行部分屏蔽的情况下屏蔽浮动扩散节点。

发明内容

本发明包括成像阵列及其使用方法。成像阵列包括具有像素传感器有序阵列的多个像素传感器，每个像素传感器的特征在于像素传感器有序阵列中的位置。每个像素传感器包括主光电二极管和校正光电二极管。成像阵列还包括控制器，该控制器在第一时刻复位所有主光电二极管，该第一时刻对于所有像素传感器是相同的，该控制器在该第一时刻之后的第二时刻复位所有校正光电二极管，该第二时刻对于所有像素传感器是相同的，并且该控制器顺序读出像素传感器。多个像素传感器中的每一个在第三时刻被读出，该第三时刻对于不同的像素传感器是不同的，并且取决于像素传感器在像素传感器有序阵列中的位置。多个像素传感器中的每一个的读出包括测量在第三时刻与第二时刻之间在该像素传感器中的校正光电二极管上累积的校正电荷、测量在第三时刻在该像素传感器中的主光电二极管上累积的总电荷、以及计算表示在第二时刻在主光电二极管上累积的电荷的像素传感器曝光值。

在本发明的一个方面中，校正光电二极管的特征在于具有第一光转换效率，并且主光电二极管的特征在于具有第二光转换效率，第一光转换效率小于第二光转换效率。在一个示例性实施例中，主光电二极管的特征在于具有将光转换为光电子的第一硅面积，并且校正光电二极管的特征在于具有将光转换为光电子的第二硅面积，第一硅面积大于第二硅面积。

在本发明的另一方面，每个像素传感器包括浮动扩散节点、响应于第一传输信号而将主光电二极管连接到浮动扩散节点的第一传输栅极、以及将校正光电二极管连接到浮动扩散节点的第二传输栅极。

在本发明的另一方面，成像阵列包括位线，并且每个像素传感器包括放大浮动扩散节点上的电压从而在放大器输出上产生信号的放大器、响应于行选择信号而将放大器输出连接到位线的位线栅极、以及响应于复位信号而将浮动扩散节点连接到第一复位电压源的复位栅极。

在本发明的另一方面，主光电二极管和校正光电二极管分别通过第一传输栅极和第二传输栅极相对于浮动扩散节点并联连接到一起。