专利名称：固态成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态成像设备。
背景技术：
近年来，安装在数字静态照相机、摄像机和蜂窝电话(cellularphone)中的固态 成像设备正在被积极地开发。作为固态成像设备，CCD(电荷耦合器件)传感器和CMOS(互补 金属氧化物半导体)传感器是广泛公知的。特别地，增长的程度的关注正在被集中于CMOS 传感器，与CCD传感器相比，CMOS传感器的特征包括较低的功率消耗、高速读出的能力、以 及芯片上系统(system-on-a-chip)的集成化。CMOS传感器对于每个像素包括放大器电路，所述放大器电路包括浮动扩散放大器 等。当读出像素信号时，广泛使用一种方法，所述方法从在行方向和列方向上以矩阵布置有 多个像素的像素阵列部分中选择某一行，并且同时读出位于所选的行中的全部像素的像素信号。对于改进固态成像设备以实现更高的像素密度和更高的操作速度的需求正在持 续增长。例如，日本专利申请特开第2005-311821号(以下称为“专利文献1”)公开了一 种设备，该设备通过在每行中布置多条垂直输出线并且同时读出多个行，实现高速读出。然而，根据专利文献1中描述的固态成像设备，虽然该设备通过在每行中布置多 条垂直输出线并且同时读出多个行的像素信号而被改进为高的操作速度，由于为每个像素 设置缓冲器，因此光电转换元件的面积比降低。即，难以将固态成像设备改进为实现高像素 密度以使得每个像素获得预定的开口率(aperture ratio) 0已鉴于上述的问题而做出了本发明，本发明的一个目的是提供一种固态成像设 备，该固态成像设备缩短用于读出全部像素的像素信号的时间，并且提高像素的开口率。
发明内容
参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其他特征将变得清晰。根据本发明，一种固态成像设备包括沿多个行和列布置为矩阵的多个像素，其 中，所述像素中的每一个包括光电转换元件和滤色器(color filter)；共用地布置的多个 缓冲器，每一个缓冲器对应于所述多个像素中的两个或更多个；以及多条垂直输出线，布置 为使得所述多条垂直输出线中的两条或更多条对应于所述像素中的一列而被布置，其中， 每一个缓冲器的输入节点共同地连接到具有不同颜色的滤色器的像素，并且所述多个缓冲 器的输出节点交替连接到所述多条垂直输出线。结合附图阅读以下描述，本发明的其他特征和优势将变得清晰，其中贯穿附图，类 似的附图标记表示相同或相似的部分。现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
图IA和IB是示出根据本发明的第一实施例的固态成像设备的配置示例的示意图。图2是示出具有图IA和IB中示出的像素配置的固态成像设备的驱动方法的视 图。图3是以时间序列示出从每一列的垂直输出线输出的像素信号的视图。图4是示出图2中的每一行的像素的曝光时段的转变的视图。图5是示出根据本发明的第二实施例的固态成像设备的驱动方法的视图。图6是以时间序列示出从每一列的垂直输出线输出的像素信号的视图。图7是示出图6和图8A和8B中的每一行的像素的曝光时段的转变的视图。图8A和图8B是示出根据本发明的第三实施例的固态成像设备的读出方法的视 图。图9是以时间序列示出输入到列读出电路的像素信号的视图。图IOA和IOB是示出固态成像设备的像素的截面结构的视图。并入到说明书中并构成说明书一部分的附图示出本发明的实施例，并且与描述一 起用于说明本发明的原理。
具体实施例方式(第一实施例)图IA是示出根据本发明的第一实施例的固态成像设备的像素布局结构的示意 图。该图示出包括多个行和多个列的像素阵列部分当中的任意的相邻的两列，并且示出位 于这两列中的从这两列中抽出的八行的像素。根据图IA中的像素布局结构，固态成像设备 包括像素3、缓冲器2、以及用于每列的两条垂直输出线1，所述缓冲器2各被共同地连接到 行方向上的两个相邻的像素。两条垂直输出线1在行方向上交替地连接到缓冲器2。垂直 输出线1包括垂直输出线xlO、yll、xl2和yl3。固态成像设备包括像素阵列部分，在所述像素阵列部分中，沿多个行和多个列以 矩阵布置像素3，所述像素3具有光电转换元件80、滤色器82、以及多个晶体管，如图IOA和 IOB所示。固态成像设备还包括缓冲器2和垂直输出线1，所述缓冲器2被布置为每一个都 对应于多个像素3，并且所述垂直输出线1被布置为使得两条或更多条垂直输出线1对应于 一列。每一个缓冲器2的输入节点共同地连接到多个像素3，并且所述垂直输出线1在行方 向上交替地连接到所述多个缓冲器2的输出节点。根据本实施例，所述多个缓冲器2 —个输出节点接一个输出节点地连接到垂直输 出线1。然而，对于本领域技术人员很显然，在本发明的本质和范围内，缓冲器2可以在一侧 连续地通过两个或更多个输出节点而连接到垂直输出线1，如图IB所示。图2是示出将具有如图IA所示的布局的像素布置应用于其中根据Bayer颜色阵 列布置有像素的固态成像设备的情况下的读出像素信号的方法的视图。图2是示出像素阵 列部分当中的任意的相邻的两个列的视图，其中位于这两个列中的从第0行到第7行的像 素被抽出。所述相邻的两个列被取作第m列和第m+1列。每一列的两条垂直输出线被取作 垂直输出线χ和垂直输出线1。在图2中，具有红色滤色器的像素例如由Rl表示，具有绿色 滤色器的像素例如由Gll表示，并且具有蓝色滤色器的像素例如由Bl表示。
根据图2，首先，位于第0行和第2行中的像素的信号被读出。像素信号通过彼此 不同的缓冲器2被输出到垂直输出线。此时，像素Rl的像素信号被输出到第m列的垂直输 出线xlO，像素R2的像素信号被输出到第m列的垂直输出线yll，像素G12的像素信号被输 出到第m+1列的垂直输出线xl2，并且像素G22的像素信号被输出到第m+1列的垂直输出线 yl3。接着，位于第1行和第3行中的像素的信号被读出。此时，像素Gll的像素信号被 输出到第m列的垂直输出线xlO，像素G21的像素信号被输出到第m列的垂直输出线yll， 像素Bl的像素信号被输出到第m+1列的垂直输出线xl2，并且像素B2的像素信号被输出到 第m+1列的垂直输出线yl3。接着，位于第4行和第6行中的像素的信号被读出。此时，像素R3的像素信号被 输出到第m列的垂直输出线xlO，像素R4的像素信号被输出到第m列的垂直输出线yll，像 素G32的像素信号被输出到第m+1列的垂直输出线xl2，并且像素G42的像素信号被输出到 第m+1列的垂直输出线yl3。接着，位于第5行和第7行中的像素的信号被读出。此时，像素G31的像素信号被 输出到第m列的垂直输出线xlO，像素G41的像素信号被输出到第m列的垂直输出线yll， 像素B3的像素信号被输出到第m+1列的垂直输出线xl2，并且像素B4的像素信号被输出到 第m+1列的垂直输出线yl3。图3是总结了像素信号关于读出行的输出关系的表。图3中的表示出哪些像素信 号关于读出行被输出到每条垂直输出线。因而，根据本实施例，位于交替的行中的像素的像 素数据通过不同的缓冲器2被同时读出到不同的垂直输出线，并且所读出的行被顺序地切 换，以执行读出，直到像素阵列部分中的最后一行。图4是示出根据本实施例的位于从第O行到第7行的每一行中的像素的曝光时段 的转变的视图。省略了关于第8行和之后的行的像素的描述。如上所述，通过设置两个垂直输出线，同时读出的行数是两行，因而与设置一条垂 直输出线的情况相比，读出全部像素的数据所需要的时间被减半。此外，通过使每个缓冲器 2对于行方向上的两个像素共用，与对于每个像素设置单个缓冲器2的情况相比，能够期望 改进为高开口率和高像素密度。此外，如图3所示，由于同时输出到每一列的两条垂直输出 线χ和y的信号用于在行方向上最近的同一颜色的像素，在垂直方向上邻近的具有同一颜 色的滤色器的像素之间的相加是简单的。选择读出的像素行的行选择线以及连接到每一列的垂直输出线χ和y的列读出 电路从图2的图示中被省略。根据图2所示的实施例，缓冲器2中的每一个连接到各对像 素(例如Rl和Gll ；R2和G21 ；G12和Bl以及G22和B2)。然而，本发明不限于这种连接配 置。对于本领域技术人员很显然，在本发明的本质和范围内，缓冲器2中的每一个可以连接 到每三个或更多的像素，只要连接到共用的一个缓冲器2的所述多个像素包括的至少一个 像素的颜色与其他像素的颜色不同即可。例如，最上方的左侧的缓冲器2可以连接到像素 RUGll和R2。并且，最上方的右侧的缓冲器2可以连接到像素G12、Bl和G22。(第二实施例)图5是示出根据本发明的第二实施例的固态成像设备的读出方法的视图，并且示 出固态成像设备的一种不同的读出方法，其中，像素与第一实施例相似地根据Bayer颜色阵列而布置。根据本实施例，不执行像素阵列部分的第0行的读出。相反，首先，位于第1 行和第2行中的像素的信号被读出。位于第1行和第2行中的像素的信号通过彼此不同的 缓冲器2被输出到垂直输出线。此时，像素Gll的像素信号被输出到第m列的垂直输出线 xlO，像素R2的像素信号被输出到第m列的垂直输出线yll，像素Bl的像素信号被输出到第 m+1列的垂直输出线xl2，并且像素G22的像素信号被输出到第m+1列的垂直输出线yl3。接着，位于第3行和第4行中的像素的信号被读出。此时，像素R3的像素信号被 输出到第m列的垂直输出线xlO，像素G21的像素信号被输出到第m列的垂直输出线yll， 像素G32的像素信号被输出到第m+1列的垂直输出线xl2，并且像素B2的像素信号被输出 到第m+1列的垂直输出线yl3。接着，位于第5行和第6行中的像素的信号被读出。此时，像素G31的像素信号被 输出到第m列的垂直输出线xlO，像素R4的像素信号被输出到第m列的垂直输出线yll，像 素B3的像素信号被输出到第m+1列的垂直输出线xl2，并且像素G42的像素信号被输出到 第m+1列的垂直输出线yl3。图6是总结了像素信号关于读出行的输出关系的表，并且示出哪些像素信号关于 读出行被输出到每条垂直输出线。关于位于第7行和之后的行中的像素的信号的输出的描 述被省略。因而，根据本实施例，位于在行方向上相邻并且缓冲器2彼此不同的两行中的像 素的第一对像素信号通过不同的缓冲器2被同时读出到不同的垂直输出线。位于共用缓冲 器2的两行中的像素的第二对像素信号通过同一缓冲器2以不同的定时被读出到同一垂直 输出线。作为读出行的两行被顺序地切换，以便读出全部像素的像素信号。用于选择在行 方向上相邻的两行的位于每一行中的像素的曝光时段如图7所示。通过利用本实施例，除了缩短读出时段和改进为高像素密度之外，还可以如图7 所示那样按照行的次序改变曝光时段。还能够同时读出在Bayer颜色阵列中包括的四个像 素。因此，成像设备的控制和图像处理被简化。虽然根据本实施例描述了不读出位于第O 行中的像素的信号的读出方法，但是本发明不限于此。也可以采用首先仅读出位于第O行 中的像素的信号的布置。选择读出像素行的行选择线以及连接到每一列的垂直输出线χ和y的列读出电路 从图5的图示中被省略。(第三实施例)图8A和8B是示出根据本发明的第三实施例的固态成像设备的读出方法的视图。 图8A和8B是示出对于每一列的切换开关的配置示例的视图。图8A是示出当从奇数行读 出时的列读出电路和垂直输出线之间的连接的视图。图8B是示出当从偶数行读出时的列 读出电路和垂直输出线之间的连接的视图。以下省略与图5相同的部件和操作的描述。在图8A和8B中，每一列的列读出电路被表示为列读出电路χ和y。切换元件64 布置在第m列和第m+1列的列读出电路x60、y61、x62和y63与第m列和第m+1列的垂直输 出线X10、yll、X12和yl3之间。例如，列读出电路x60被选择性地连接到第m列的垂直输 出线xlO或垂直输出线yll。如下执行读出操作。首先，位于第1行和第2行中的像素的信号被读出。此时，第 m列的列读出电路x60经由切换元件64连接到第m列的垂直输出线yll，并且第m列的列
6读出电路y61经由切换元件64连接到第m列的垂直输出线xlO。第m+1列的列读出电路 x62经由切换元件64连接到第m+1列的垂直输出线yl3。第m+1列的列读出电路y63经由 切换元件64连接到第m+1列的垂直输出线xl2。每一列的列读出电路x60、y61、x62和y63 与垂直输出线xlO、yll、χ12和yl3之间的连接关系如图8A所示。接着，位于第3行和第4行中的像素的信号被读出。此时，第m列的列读出电路 x60经由切换元件64连接到垂直输出线xlO，并且第m列的列读出电路y61经由切换元件 64连接到第m列的垂直输出线yll。第m+1列的列读出电路x62经由切换元件64连接到 垂直输出线xl2，并且第m+1列的列读出电路y63经由切换元件64连接到垂直输出线yl3。 每一列的列读出电路x60、y61、x62和y63与垂直输出线xlO、yll、xl2和yl3之间的连接 关系如图8B所示。接着，位于第5行和第6行中的像素的信号被读出。此时，第m列的列读出电路 x60经由切换元件64连接到垂直输出线yll，并且第m列的列读出电路y61经由切换元件 64连接到第m列的垂直输出线xlO。第m+1列的列读出电路x62经由切换元件64连接到 垂直输出线yl3，并且第m+1列的列读出电路y63经由切换元件64连接到垂直输出线xl2。 每一列的列读出电路x60、y61、x62和y63与垂直输出线xlO、yll、xl2和yl3之间的连接 关系如图8A所示。如上所述，本实施例的读出像素信号的方法选择两个像素所共用的缓冲器2不同 的、在行方向上相邻的两行，并且读出位于所选的行中的像素的信号。此外，每一列的垂直 输出线xlO、yll、xl2和yl3与列读出电路x60、y61、x62和y63之间的连接通过切换元件 64而在读出偶数行的时间和读出奇数行的时间之间切换。更具体地，每一列的垂直输出线 与列读出电路之间的连接关系是这样一种连接关系，通过所述连接关系，每当改变读出像 素信号的行时，图8A的连接关系和图8B的连接关系交替重复。由于位于在行方向上相邻 的两行中的像素的信号被同时读出，位于每行中的像素的曝光时段与如图7所示的第二实 施例中的相同。图9是总结了像素信号关于读出行的输出关系的表，其示出哪些像素信号关于读 出行被输入到每个列读出电路。关于位于第7行和之后的行中的像素的信号的输出的关系 被从表中省略。通过应用本实施例，实现全部像素的信号的读出时段的缩短，并且该布置容易适 于改进为高像素密度。此外，能够同时读出包含在Bayer颜色阵列中的四个像素的信号，并 且能够按照行的次序改变每一行的曝光时段。如图9所示，由于具有相同的滤色器的像素 的信号被输入到各个列读出电路，在垂直方向上邻近的、具有同一颜色的像素信号的像素 之间的相加是简单的。虽然在图8A和8B中示出的例子中，采用其中列读出电路x60、y61、x62和y63和 切换元件64与像素区域分离地设置在顶部和底部的布置，但是本发明不限于此。例如，可 以采用列读出电路x60、y61、x62和y63和切换元件64仅布置在底部侧的布置。关于这一 点，选择读出像素行的行选择线从图8A和8B中的图示中被省略。虽然在上述实施例中的每一个中，垂直输出线被布置在相关列的两侧，但是本发 明不限于此。也可以采用其中相关的多条垂直输出线被布置在该列的一侧的布置。例如，可 以采用其中第m列的垂直输出线xlO和垂直输出线yll 二者均布置在像素的左侧的布置。
虽然根据上述实施例中的每一个，采用了从像素阵列部分的初始行到像素阵列部 分的最终行顺序地切换读出行的读出方法，但是本发明不限于此。例如，可以采用仅选择和 读出所需行的方法。虽然在上述实施例的每一个中描述了其中对于每一列分别布置两条垂直输出线 的像素布局结构，但是本发明不限于此。例如，可以为每一列设置三条垂直输出线，或者可 以为每一列设置四条或更多条垂直输出线。希望每一列的列读出电路的数量与垂直输出线 的数量等同。虽然根据上述的实施例中的每一个，采用其中为两个像素设置单个共用的缓冲器 的布置，但是本发明不限于此。例如，可以为四个像素设置单个共用的缓冲器，或者可以由 数量多于四个的像素共享缓冲器。虽然根据上述的实施例中的每一个，采用其中不论是哪一列，共用的缓冲器都被 布置在行方向上的相同位置处的布置，但是本发明不限于此。例如，共用的缓冲器在行方向 上的位置可以对于每一列而改变。虽然根据上述的实施例中的每一个，采用其中连接到共用的缓冲器的像素是在行 方向上相邻的像素的布置，但是本发明不限于此。例如，可以采用其中由总共四个像素共享 缓冲器的布置，所述四个像素包括在行方向上相邻的两个像素和在列方向上相邻的两个像
ο图IOA是示出前表面照射型固态成像设备的像素的截面结构的视图。图IOB是示 出后表面照射型固态成像设备的像素的截面结构的视图。图IOA和IOB中所示的固态成像 设备的像素包括形成在基板83中的光电转换元件80以及形成在基板83的表面上的电路 和布线层81。根据图IOA中所示的前表面照射型固态成像设备，滤色器82形成在基板表 面侧的电路和布线层81的上表面上，并且从基板表面侧接收光。根据图IOB中所示的后表 面照射型固态成像设备，滤色器82形成在基板83的后表面上，并且从基板的后表面侧接收 光。通过将第一到第三实施例应用于图IOA中所示的前表面照射型固态成像设备和 图IOB中所示的后表面照射型固态成像设备，像素电路的面积可以降低，因为要连接到像 素的缓冲器可以由多个像素共享。因此，第一到第三实施例可以被应用于前表面照射型固 态成像设备和后表面照射型固态成像设备两者。根据第一到第三实施例的固态成像设备，读出全部像素的像素信号的时间可被缩 短，并且可提高像素的开口率。应该理解，上述实施例中的每一个都仅仅意图示出用于实现本发明的具体示例， 并且不意图限制本发明的技术范围。更具体地，本发明可以以各种形式实施，而不背离其技 术概念或主要特征。虽然已参照示例性实施例描述了本发明，应该理解，本发明不限于公开的示例性 实施例。以下的权利要求的范围应被给予最宽的解释，以便包含所有这样的变型和等同的 结构和功能。
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权利要求
一种固态成像设备，包括沿多个行和列布置为矩阵的多个像素，其中，所述像素中的每一个包括光电转换元件和滤色器；共用地布置的多个缓冲器，每一个缓冲器对应于所述多个像素中的两个或更多个；以及多条垂直输出线，布置为使得所述垂直输出线中的两条或更多条对应于所述像素中的一列而被布置，其中每一个缓冲器的输入节点共同地连接到具有不同颜色的滤色器的像素，以及所述多个缓冲器的输出节点交替连接到所述多条垂直输出线。
2.如权利要求1所述的固态成像设备，其中在同一列中包含的第一对相邻的像素通过彼此不同的缓冲器同时将信号输出到彼此 不同的垂直输出线，以及在同一列中包含的第二对相邻的像素通过同一缓冲器在不同的定时将信号输出到同 一垂直输出线。
3.如权利要求1所述的固态成像设备，还包括多个列读出电路，被布置为使得像素的每一列与所述列读出电路中的两个或更多个对 应；以及多个切换电路，各切换电路选择性地连接在各列读出电路和各垂直输出线之间。
4.如权利要求1所述的固态成像设备，其中奇数行或偶数行中的像素通过彼此不同的缓冲器同时将信号输出到彼此不同的垂直 输出线。
5.如权利要求1所述的固态成像设备，其中 不同颜色的滤色器以Bayer颜色阵列布置。
6.如权利要求3所述的固态成像设备，其中 不同颜色的滤色器以Bayer颜色阵列布置，以及所述多个列读出电路中的每一个输入来自具有相同颜色的滤色器的像素的信号。
全文摘要
提供一种固态成像设备，其缩短读出全部像素的像素信号的时间并且提高像素的开口率。该固态成像设备包括沿多个行和列布置为矩阵的多个像素(3)，其中，所述像素中的每一个包括光电转换元件和滤色器；多个缓冲器(2)，被布置为每一个缓冲器对应于多个像素；以及多条垂直输出线(1)，布置为使得所述垂直输出线(1)中的两条或更多条对应于所述像素中的一列而被布置，其中每一个缓冲器的输入节点共同地连接到具有不同颜色的滤色器的多个像素，以及所述多个缓冲器的输出节点交替连接到所述多条垂直输出线。
文档编号H01L27/146GK101895696SQ201010180879
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月14日 优先权日2009年5月19日
发明者中村恒一, 樋山拓己 申请人:佳能株式会社