CN104125417B - 光电转换设备和成像系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及光电转换设备以及成像系统。光电转换设备具有布置成行和列的多个像素，每一像素被配置用于通过光电转换产生信号；与所述多个像素的各个列对应地布置的并且被配置用于保持基于像素的信号的多个保持电容器；第一输出线；第二输出线；被布置在保持电容器和第一输出线之间的第一开关；被布置在保持电容器和第二输出线之间的第二开关；以及被配置用于控制第二开关的第二列选择线，其中，第二列选择线与第一输出线交叉处的部分的布线结构和第二列选择线与第二输出线交叉处的部分的布线结构不同。
Description
技术领域
本发明涉及用于扫描仪、视频照相机以及数字静态照相机等的光电转换设备以及成像系统。
背景技术
日本专利申请特开No.2003-259227公开了CMOS图像传感器中的一种技术，该技术通过以不同的相位操作的两个水平扫描电路从列存储器读取信号，将来自两个水平输出线的输出进行复用，并且输出经复用的输出。由此，可以高于水平输出线的驱动频率的频率从CMOS图像传感器输出信号，并且可实现具有高帧率的光电转换设备。
但是，如日本专利申请特开No.2003-259227中的CMOS图像传感器具有如下问题。为了如上所述以不同的相位从列存储器将信号读取到两个水平输出线，包括在一个相位中在列存储器和第一水平输出线之间提供电气连续的第一列选择线以及在另一个相位中在列存储器和第二水平输出线之间提供电气连续的第二列选择线。出现如下问题：第一列选择线与第二水平输出线电容耦合或者第二列选择线与第一水平输出线电容耦合，导致信号读取时间段中噪声叠加。
发明内容
根据本发明的一个方面，光电转换设备包括：按行和列布置的多个像素，并且每个像素被配置用于通过光电转换产生信号；多个保持电容器，每个保持电容器被与多个像素的列中的一个列对应地布置，并且被配置用于保持基于像素产生的信号的信号；第一输出线；第二输出线；布置在保持电容器和第一输出线之间第一开关；布置在保持电容器与第二输出线之间的第二开关，以及被配置用于控制第二开关的列选择线，其中，列选择线与第一输出线交叉处的部分的布线结构不同于列选择线与第二输出线交叉处的部分的布线结构。
从下文参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的光电转换设备的图。
图2是本发明的第一实施例的像素的电路图。
图3是本发明的第一实施例的放大器电路的电路图。
图4是本发明的第一实施例的驱动定时的图。
图5是本发明的第一实施例的一部分的平面图。
图6是本发明的第一实施例的一部分的截面图。
图7是本发明的第一实施例的一部分的截面图。
图8是本发明的第一实施例的一部分的截面图。
图9是本发明的第二实施例的一部分的平面图。
图10是本发明的第二实施例的一部分的截面图。
图11是本发明的第二实施例的一部分的截面图。
图12是本发明的第二实施例的一部分的截面图。
图13是示出成像系统的配置示例的示图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
(第一实施例)
图1是示出根据本发明的第一实施例的光电转换设备的配置示例的图。光电转换设备是例如CMOS图像传感器，并且对物体图像的入射光进行光电转换，将通过光电转换获得的电信号进行放大，并且将电信号输出到外部。光电转换设备具有像素阵列110。像素阵列110具有以二维行和列的形式被布置的多个像素111。为了简化起见，图1示出八个像素111，但是像素111的数目不局限于八个，并且可包括更大数量的像素111。各个像素111通过光电转换产生信号。
图2是示出像素111的配置示例的电路图。像素控制信号线112具有行选择脉冲线PSEL、像素传送脉冲线PTX和像素复位脉冲线PRES。光电转换部114为例如光电二极管，并且将光转换成电荷以对该电荷进行累积。像素传送开关115响应于像素传送脉冲线PTX的电压将在光电转换部114中累积的电荷传送至浮置扩散FD。浮置扩散FD累积电荷，并且将电荷转换成电压。像素复位开关116响应于像素复位脉冲线PRES的电压将浮置扩散FD的电压和/或光电转换部114的电压复位为电源电压VDD。像素放大器传感器117将浮置扩散FD的电压放大。行选择开关118响应于行选择脉冲线PSEL的电压输出被像素放大器传感器117放大的电压至列信号线113。列信号线113对于以行和列的形式布置的像素111的列中的每一列被设置。各列中的像素111连接到各列信号线113。
图1的光电转换设备进一步具有垂直扫描电路140。垂直扫描电路140经由像素控制信号线112连接到像素111的各个行。各行中的像素111连接到同一像素控制信号线112。如上所述像素111输出电压至列信号线113。放大器电路120放大列信号线113的电压。
图3是示出放大器电路120的配置示例的电路图。放大器电路120具有运算放大器121、复位开关122、输出电容器C0和反馈电容器CF，并且将列信号线113的电压反相放大。当复位开关122被接通时，放大器电路120被复位，而当复位开关122被关断时，放大器电路120的复位被解除。
在图1中，奇数列中的保持电容器131s-1和131n-1以及偶数列中的保持电容器131s-2和131n-2被设置在多个像素111的各个列中，并且保持基于像素111的信号。
当像素111和放大器电路120被复位时，放大器电路120输出噪声信号，并且传送开关130n由控制信号PTN而接通。噪声信号被经由传送开关130n保持在保持电容器131n-1和131n-2。第一保持电容器131n-1和131n-2保持像素111的复位状态的信号。
当像素111的复位被消除时，光电转换部114开始光电转换以及电荷的蓄积。当放大器电路120的复位被消除并且像素传送开关115接通时，由于行选择开关118接通，像素111输出像素信号至列信号线113，在该像素信号中对应于光电转换所产生的电荷的信号被叠加在噪声信号上。放大器电路120放大列信号线113的像素信号以输出该像素信号。当传送开关130s被控制信号PTS接通时，像素信号被经由传送开关130s保持在保持电容器131s-1和131s-2中。第二保持电容器131s-1和131s-2保持在像素111的非复位状态中的信号。
第一列选择开关132n-1被布置在保持电容器131n-1和第一水平输出线134n-1之间。第一列选择开关132s-1被布置在保持电容器131s-1和第一水平输出线134s-1之间。第二列选择开关132n-2被布置在保持电容器131n-2和第二水平输出线134n-2之间。第二列选择开关131s-2被布置在保持电容器131s-2和第二水平输出线134s-2之间。
当第一列选择开关132n-1被接通时，保持电容器131n-1所保持的电压被读取到水平输出线134n-1。此外，当第一列选择开关132s-1被接通时，保持电容器131s-1所保持的电压被读取到水平输出线134s-1。此外，当第二列选择开关132n-2被接通时，保持电容器131n-2所保持的电压被读取到水平输出线134n-2。此外，当第二列选择开关132s-2被接通时，保持电容器131s-2所保持的电压被读取到水平输出线134s-2。电荷根据保持电容器131n-1、131s-1、131n-2和131s-2的电容值以及包括水平输出线134n-1、134s-1、134n-2和134s-2的布线电容值以及连接到布线的开关的结电容的电容的电容比被分配。上述读取是基于通过如上所述的电荷分配的读取方法的。也就是说，在读取时段期间的水平输出线134n-1、134s-1、134n-2和134s-2处于高阻抗状态。
水平输出线134s-1和134s-2的像素信号被缓冲器153进行阻抗转换，并且经由复用器137被输出至输出端子138s。水平输出线134n-1和134n-2的噪声信号被缓冲器153进行阻抗转换，并且经由复用器137被输出至输出端子138n。
水平输出线134n-1、134s-1、134n-2和134s-2将信号保持预定时间段，此后被开关154复位至电压VCHR。水平扫描电路(控制单元)135-1与第一相位的时钟信号CLK1同步，并且控制列选择开关132n-1和132s-1。水平扫描电路(控制单元)135-2与不同于第一相位的第二相位的时钟信号CLK2同步，并且控制列选择开关132n-2和132s-2。复用器137根据控制信号MUX对从第一水平输出线134n-1和134s-1以及第二水平输出线134n-2和134s-2输入的不同相位的信号进行复用，并且将复用后信号输出至输出端子138n和138s。差分处理电路160对输出端子138s的像素信号和输出端子138n的噪声信号执行差分处理，并且输出从中去除了噪声的像素信号。
图4是示出本实施例的光电转换设备的驱动方法的时序图。PRES表示像素复位脉冲线的电压。PSEL表示行选择脉冲线的电压。PTX表示像素传送脉冲线的电压。此外，PC0R表示控制放大器电路120中的复位开关122的复位信号。此外，PTN表示控制传送开关130n的采样保持信号。PTS表示控制传送开关130s的采样保持信号。此外，CLMSEL1和CLMSEL3表示控制列选择开关132s-1和132n-1的列选择脉冲，并且分别被供给列选择线133-1和133-3。CLMSEL2和CLMSEL4是控制列选择开关132s-2和132n-2的列选择脉冲，并且分别被供给列选择线133-2和133-4。第一列选择线133-1是用于控制第一列中的列选择开关132s-1和132n-1的线。第二列选择线133-2是用于控制第二列中的列选择开关132s-2和132n-2的线。第三列选择线133-3是用于控制第三列中的列选择开关132s-1和132n-1的线。第四列选择线133-4是用于控制第四列中的列选择开关132s-2和132n-2的线。
在时间t1之前，像素复位脉冲线PRES升高到高电平，像素复位开关116被接通，并且浮置扩散FD被复位到电源电压VDD。
从时间t1至时间t11，像素复位脉冲线PRES改变为低电平，像素复位开关116被关断。此外，在时间t2时以及t2之后，行选择脉冲线PSEL升高到高电平，并且行选择开关118被接通，由此预定行中的像素111的信号可被读取。在时间t3，复位信号PC0R改变为高电平，复位开关122被接通，并且放大器电路120被复位。在时间t4，复位信号PC0R改变为低电平，复位开关122被关断，并且放大器电路120的复位被消除。由于浮置扩散FD的复位，像素111输出噪声信号至列信号线113。放大器电路120将噪声信号进行放大并且输出噪声信号。从时间t5至时间t6，采样保持信号PTN升高至高电平，并且采样保持开关130n被接通。各个放大器电路120输出的噪声信号经由采样保持开关130n被保持在各个列中的保持电容器131n-1和131n-2中。
从时间t7到时间t8，像素传送脉冲线PTX升高到高电平，并且像素传送开关115被接通。此时，被像素111中的光电转换部114光电转换的电荷经由像素传送开关115被传送至浮置扩散FD。像素111输出像素信号至列信号线113，在该像素信号中被光电转换的信号叠加在如上所述的噪声信号上。放大器电路120放大列信号线113的像素信号并且输出像素信号。
从时间t9到时间t10，采样保持信号PTS升高到高电平，并且采样保持开关130s被接通。各个放大器电路120输出的像素信号被经由采样保持开关130s保持在各个列中的保持电容器131s-1和131s-2中。
在时间t11时以及之后，像素复位脉冲线PRES升高到高电平，像素复位开关116被接通，并且浮置扩散FD被复位为电源电压VDD。
在时间t12时以及之后，第一相位的时钟信号CLK1和第二相位的时钟信号CLK2分别被提供给水平扫描电路135-1和135-2。水平扫描电路135-1基于第一相位的时钟信号CLK1产生列选择脉冲CLMSEL1和CLMSEL3。首先，当列选择脉冲CLMSEL1与第一相位的时钟信号CLK1同步地升高到高电平时，列选择开关132s-1和132n-1被接通。由此，被保持在保持电容器131s-1和131n-1中的像素信号和噪声信号被读取到第一水平输出线134s-1和134n-1。接下来，列选择脉冲CLMSEL3与第一相位的时钟信号CLK1同步地升高到高水平，并且第三列的像素信号和噪声信号被以与上述方式相同的方式读取。
类似地，水平扫描电路135-2基于第二相位的时钟信号CLK2产生列选择脉冲CLMSEL2和CLMSEL4。首先，当列选择脉冲CLMSEL2与第二相位的时钟信号CLK2同步地升高到高电平时，列选择开关132s-2和132n-2被接通。由此，被保持在保持电容器131s-2和131n-2中的噪声信号和像素信号被读取到第二水平输出线134s-2和134n-2。接下来，列选择脉冲CLMSEL4与第二相位的时钟信号CLK2同步地升高到高水平，并且第四列的像素信号和噪声信号被与以上述方式相同的方式读取。
基于复用信号MUX，在复用器137中，第一水平输出线134s-1和134n-1的输出以及第二水平输出线134s-2和134n-2中的任一个被选择，并且被分别读取至输出终端138s和138n。
当信号PCHR1升高到高电平时，开关154被接通，并且水平输出线134s-1和134n-1被复位至电压VCHR。此外，当信号PCHR2升高到高电平时，开关154被接通，并且水平输出线134s-2和134n-2被复位至电压VCHR。
图4中的箭头指示信号CLMSEL2的升高和下降。通过在信号CLMSEL2的上升时间的列选择线133-2的电位改变，噪声被加在通过信号CLMEL1而从第一列中的保持电容器131s-1和131n-2读取到水平输出线134s-1和134n-1的信号上。此外，通过在信号CLMSEL2的下降时间的列选择线133-2的电位改变，噪声被加在通过信号CLMEL3而从第三列中的保持电容器131s-1和131n-2读取到水平输出线134s-1和134n-1的信号上。以下将参照图5至8描述噪声对策。
图5是图1中的光电转换设备中的列选择线133-2与水平输出线134s-1、134n-1、134s-2和134n-2的交叉部分的平面图。图6是沿图5中的线6-6’取得的截面图。图7是沿图5中的线7-7’取得的截面图。图8是沿图5中的线8-8’取得的截面图。
多晶硅层、第一铝层和第二铝层被叠置在硅基板150和元件隔离氧化物膜151上，并且多晶硅层和第一铝层通过接触孔连接。在区域B中，相对于由第二铝层形成的水平输出线134s-2和134n-2，列选择线133-2由正下方的第一铝层形成，并且形成具有低电阻的布线。注意到以下事实：即使列选择线133-2在一定程度上与水平输出线134s-2和134n-2电容耦合，水平输出线134s-2和134n-2的电位仍与列选择线133-2的电位改变同步地改变，但是对采样时间段的影响小。在区域A中，列选择线133-2由多晶硅层形成以避免与被以不同相位驱动的水平输出线134s-1和134n-1电容耦合。列选择线133-2在区域B中由第一铝层形成，在区域A中由多晶硅层形成，并且在区域A和B中在不同的布线层中形成。
此外，为了减小列选择线133-2与水平输出线134s-1和134n-1的电容耦合，屏蔽件152被布置在列选择线133-2与水平输出线134s-1和134n-1之间。这是因为，列选择线133-2的电位改变与水平输出线134s-1和134n-1输出信号的时段中的后半部一致，并且接近外部电路执行采样的时间。在区域A中，屏蔽件152被布置在列选择线133-2与水平输出线134s-1和134n-1之间，而在区域B中，屏蔽件152没有被布置在列选择线133-2与水平输出线134s-2和134n-2之间。
通过如上所述使得列选择线133-2的结构在区域A和区域B中不同，噪声难以叠加在被以不同相位驱动的水平输出线134s-1和134n-1上。此外，在本实施例中，列选择线133-2通过在区域B中使用具有低电阻的铝布线来降低布线电阻，由此即使列选择线133-2与被以相同相位驱动的水平输出线134s-2和134n-2电容耦合，对于它们的影响也可被减小。
此外，如图8所示，从保持电容器131s-2和131n-2引至水平输出线134s-2和134n-2的布线136s-2和136n-2与列选择线133-2由同一层形成。因此，可使得列选择线133-2和布线136s-2之间的电容耦合量以及列选择线133-2与布线136n-2之间的电容耦合量不受不同布线层之间的对准误差影响，并且可被高精度地均匀化。因而，列选择线133-2与布线136s-2和136n-2的电容耦合的不平衡导致的偏差误差可被降低。
上文在关注图1中的从左侧数起第二列中的电路的情况下进行了说明。与此形成对比，在从左侧数起的第一列中，上述区域A和B的位置变得相反。更具体而言，列选择线133-1与水平输出线134s-1和134n-1交叉处的区域具有与图5至8中所示的区域B的结构相同的结构，并且列选择线133-1与水平输出线134s-2和134n-2交叉处的区域具有与区域A的结构相同的结构。在从左侧数起的第三列以及后续列中，第一列和第二列的布线图案被重复。
在本实施例中，以两种相位的时钟信号CLK1和CLK2操作的光电转换设备被作为示例描述，但是本发明还可应用于被三种或更多种相位的时钟信号驱动的光电转换设备的情况。
此外，本实施例还可应用于具有由保持信号的多个存储部配置的线存储器的光电转换设备。第一开关连接到线存储器的每个存储部。第一公共信号线被配置为与预定数量的第一开关相连接。第二开关是用于连接第一公共信号线与第二公共信号线的开关。信号读取部经由第一开关、第一公共信号线和第二开关选择性地读取被线存储器的各个存储部保持的信号至第二公共信号线。本发明还可通过使得信号与具有不同相位的多个时钟信号同步输出而应用于与此类似的光电转换设备。
(第二实施例)
图9是根据本发明的第二实施例的光电转换设备的平面图。图10是沿图9的线10-10’取得的截面图。图11是沿图9的线11-11’取得的截面图。图12是沿图9的线12-12’取得的截面图。本实施例与第一实施例的不同之处在于列选择线133-2等与水平输出线134s-1和134n-1的交叉部分的结构。下文，将描述本实施例与第一实施例不同之处。
在本实施例中，通过在与列选择线133-2交叉的部分中宽度变细，水平输出线134s-1和134n-1的电容耦合分量减小。应指出，在图9中，水平输出线134s-1和134n-1变细，但是列选择线133-2的宽度可在上述交叉部分中变细。通过采用线的宽度在区域A和区域B中不同的结构，噪声难以叠加在被以不同相位驱动的水平输出线134s-1和134n-1上。
此外，在本实施例中，通过对于列选择线133-2使用具有低电阻的铝布线形成区域A和区域B两者，因此列选择线133-2的整体电阻可被减小。
如上所述，在第一和第二实施例中，列选择线133-2与第一输出线134s-1和134n-1交叉处的部分的区域A和列选择线133-2与第二输出线134s-2和134n-2交叉处的部分的区域B具有彼此不同的布线结构。应指出，列选择线133-2被作为示例描述，但是同样适用于其它列选择线133-1、133-3和133-4。
由于列选择线133-2和第二输出线134s-2和134n-2的电位都与第二相位的时钟信号CLK2同步地改变，因此第二输出线134s-2和134n-2的电压仅受伴随列选择线133-2的电位改变的噪声轻微影响。与此相反，列选择线133-2的电位与第二相位的时钟信号CLK2同步地改变，并且第一输出线134s-1和134n-1的电位与第一相位的时钟信号CLK1同步地改变。因此，第一输出线134s-1和134n-1的电压受伴随列选择线133-2的电位改变的噪声显著影响。
因此，在列选择线133-2与第一输出线134s-1和134n-1交叉处的部分的区域A中，使得布线结构与在列选择线133-2与第二输出线134s-2和134n-2交叉处的部分的区域B的布线结构不同，从而电容耦合被减小。因此，第一输出线134s-1和134n-1的噪声可被减小。
(第三实施例)
图13是示出根据本发明的第三实施例的成像系统的配置示例的图。成像系统800具有例如光学单元810、光电转换设备100、视频信号处理电路单元830、记录和通信单元840、定时控制电路单元850、系统控制电路单元860以及播放和显示单元870。光电转换设备100对应于第一和第二实施例的光电转换设备。
作为诸如透镜的光学系统的光学单元810使得来自被检体的光在光电转换设备100的其中多个像素被以二维形状布置的像素部101上形成图像，并且形成被检体的图像。光电转换设备100在基于来自定时控制电路单元850的信号的定时输出与被使得在像素部101上形成图像的光对应的信号。从光电转换设备100输出的信号被输入作为视频信号处理单元的视频信号处理电路单元830，并且视频信号处理电路单元830根据程序所设定的方法执行信号处理。通过视频信号处理电路单元830中的处理所获得的信号被发送至记录和通信单元840作为图像数据。记录和通信单元840发送用于形成图像的数据至播放和显示单元870，并且使得播放和显示单元870播放和显示动态影像和静止图像。记录和通信单元840接收来自视频信号处理电路单元830的信号，并且不仅执行与系统控制电路单元860的通信而且还执行将用于形成图像的信号记录在未示出的记录介质中的操作。
系统控制电路单元860整体地控制成像系统的操作，并且控制光学单元810、定时控制电路单元850、记录和通信单元840以及播放和显示单元870的驱动。此外，系统控制电路单元860包括作为记录介质的未示出的存储设备，并且在其中记录控制成像系统的操作所需要的程序。此外，系统控制电路单元860向例如成像系统提供用于根据用户的操作切换驱动模式的信号。具体示例包括要被读取的行以及要被复位的行的改变、伴随电子变焦的视角的改变、以及伴随电子振动隔离的视角的偏移。定时控制电路单元850基于系统控制电路单元860的控制来控制光电转换设备100以及视频信号处理电路单元830的驱动定时。
应指出，上述示例性实施例中的每一个仅示出了实行本发明的实施例的示例，并且本发明的技术范围不应被示例性实施例限制性地解释。即，在不背离本发明的技术概念或者本发明的主要特征的情况下，本发明可被以多种方式实行。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，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赋予最宽的解释以包含所有这样的变型以及等同的结构和功能。
Claims (8)
1.一种光电转换设备，包括：
布置成行和列的多个像素，每一像素被配置用于通过光电转换产生信号；
多个保持电容器，每一保持电容器被与所述多个像素的列中的一列对应地布置，并且被配置用于保持基于由像素产生的信号的信号；
第一输出线，对应于第一列中布置的多个像素；
第二输出线，对应于不同于第一列的第二列中布置的多个像素；
第一开关，被布置在保持电容器和第一输出线之间；
第二开关，被布置在保持电容器和第二输出线之间；以及
列选择线，被配置用于控制第二开关，其中，
列选择线与第一输出线交叉处的列选择线的部分和列选择线与第二输出线交叉处的列选择线的部分在相互不同的布线层中形成。
2.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，
屏蔽件被在列选择线与第一输出线交叉处的部分处布置在列选择线和第一输出线之间，并且
在列选择线与第二输出线交叉处的部分处在列选择线与第二输出线之间没有布置屏蔽件。
3.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，
列选择线与第一输出线交叉处的部分的布线宽度和列选择线与第二输出线交叉处的部分的布线宽度不同。
4.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，
多个保持电容器包括被配置用于保持像素的复位状态的信号的第一保持电容器，以及被配置用于保持像素的非复位状态的信号的第二保持电容器。
5.根据权利要求4所述的光电转换设备，进一步包括差分处理电路，该差分处理电路被配置用于在从第一保持电容器输出至第一输出线或第二输出线的信号与从第二保持电容器输出至第一输出线或第二输出线的信号之间执行差分处理。
6.根据权利要求1所述的光电转换设备，进一步包括控制单元，该控制单元被配置用于分别与相互不同相位的信号同步地控制第一开关和第二开关。
7.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，
列选择线与第一输出线交叉处的部分的布线结构由多晶硅形成，并且列选择线与第二输出线交叉处的部分的布线结构由铝形成。
8.一种成像系统，包括：
根据权利要求1到7中任一项所述的光电转换设备；以及
处理单元，被配置用于处理从所述光电转换设备输出的信号。
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