[發明專利]在CMOS上感測圖像的系統和方法

有效

• 申請號: 200710094550.4
• 申請日: 2007-12-13
• 公開（公告）號: CN101459184A
• 公開（公告）日: 2009-06-17
• 發明（設計）人: 朱虹;楊建平
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H01L21/822;H04N9/04
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 劉繼富;顧晉偉

技術領域

本發明涉及成像技術。更特別地，本發明提供用于在CMOS彩色傳感器上捕獲圖像的方法和系統。僅僅作為舉例，本發明已經用于在N-型襯底CMOS傳感器的每個像素上捕獲真彩色信息。但是，應認識到本發明具有寬得多的應用范圍。

背景技術

得到生動的圖像是人類自身長期堅持不懈的努力。早在石器時代，人類試圖用洞穴圖畫記錄他們的所見。在過去的幾千年中，藝術家開發了用畫筆和帆布記錄圖像的技術。藝術家已能用油畫準確地得到現實世界的圖像，但是油畫的精確度不能與照像術相提并論。

在1826年，法國的發明人Nicéphore?Niépce在石油衍生物涂敷的拋光的錫鉛合金盤上形成了第一個攝影圖像。從那時起，攝影成像的技術開始發展。在之后的幾百年中更好的技術和設備改進了圖像質量。在最近的50年中，彩色攝影技術得到了改進并且日臻完善。在最近的十年中，隨著Kodak在1990推出的第一個可商業得到的數字式照相機，新型的圖像捕獲技術數字成像迅速地變成捕獲圖像的流行的方法。

對于數字成像，圖像傳感器(或負性膠卷的數字等同物)是數字成像器件比如數字式照像機、照像電話(camera?phones)等的最重要的元件之一。長期以來，圖像傳感器基于由George?Smith和Willard?Boyle在Bell實驗室開發的電耦器件(CCD)技術。過去，CCD基成像裝置占據主導地位。最近，CMOS基圖像傳感器日益流行。

CMOS圖像傳感器技術通常具有數百萬的傳感器像素(光敏元件)，每個傳感器像素包括兩個到四個晶體管和一個光電二極管。通常，CMOS圖像感測的常規方法使用一個np結，在N區之上施加很薄的p+層以減少噪音并提高圖像捕獲過程中的藍光響應。以一種方式，CMOS傳感器單元10以類似于電容器的方式工作。存儲在電極中的電荷越多，跨越CMOS耗盡區的電壓降越高。光子，所具有的能量可在半導體中被吸收產生自由載流子。自由載流子在電場下向CMOS傳感器的N型區移動并中和電荷和降低電勢。能量結合前后的電壓差提供信號電平。然后將信號電平用作作為檢測的光的量的讀數，并用于形成圖像。

基于應用，CMOS傳感器往往比CCD傳感器具有優點。例如，與CCD圖像傳感器相比，CMOS傳感器通常具有更低的成本和更長的電池壽命。結果，對于便攜式成像裝置，比如照像電話和傻瓜相機，CMOS常常是優選的。在高端應用，CCD圖像傳感器就靈敏度而言往往不及CMOS圖像傳感器。因為CMOS圖像傳感器的各種優點，CMOS圖像傳感器的技術迅速發展。隨著像素尺寸縮小和MOS晶體管溝道長度縮短，CMOS圖像傳感器的分辨率增加。雖然圖像傳感器分辨率的增加往往改善圖像清晰度，但是降低的像素大小和增加的噪音水平已經成為改進圖像質量的障礙。已經開發各種技術以改善電平性能，比如結構和電路的改進。例如，已經開發各種系統和方法以提供分色。在過去，三種主要的方法用于提供分色：濾色器、疊加結的光電二極管、和結分離。遺憾的是，上述技術對于圖像感測和分色往往是不充分的。通過在以下充分說明的本發明，已經至少部分地克服了常規方法的這些及其它的限制。

因此，需要CMOS圖像感測器件的改進的方法和系統。

發明內容

本發明涉及成像技術。更特別地，本發明提供用于在CMOS彩色傳感器上捕獲圖像的方法和系統。僅僅作為舉例，本發明已經用于在N-型襯底CMOS傳感器的每個像素上捕獲真彩色信息。但是，應認識到本發明具有寬得多的應用范圍。

根據一個實施方案，本發明提供CMOS圖像感測像素。所述像素包括n-型襯底。所述像素也包括覆蓋所述n-型襯底的p-型外延層。所述像素另外包括覆蓋所述p-型外延層的n-型層。以及在n型層上覆蓋的p型層。另外，所述像素包括在p-型外延層和n-型層之間形成的pn結。此外，所述像素包括連接到所述CMOS圖像感測像素的控制電路。

根據另一個實施方案，本發明提供使用CMOS圖像傳感器確定顏色的方法。所述CMOS圖像傳感器包括n-型襯底和p-型層，所述p-型層覆蓋所述n-型襯底。所述方法包括在所述n-型襯底上施加第一電壓的步驟。所述方法還包括得到第一輸出的步驟，其與第一電壓有關。所述方法另外包括在所述n-型襯底上施加第二電壓的步驟。另外，所述方法包括得到第二輸出的步驟，其與第一電壓有關。另外，所述方法包括在所述n-型襯底上施加第三電壓的步驟。所述方法另外包括得到第三輸出的步驟，其與第一電壓有關。所述方法也包括提供多個加權因子的步驟。所述方法包括基于所述多個加權因子、第一輸出、第二輸出和第三輸出確定顏色。