【专利解密】思特威CMOS图像传感器设计方案 有效改善高、低转换增益

【爱集微点评】思特威提出的像素单元和CMOS图像传感器的设计方案，通过制备埋入栅结构，可以增加增益控制电容，有效实现双转换增益控制，特别适用于高光下，提高图像传感器的动态范围。此外，基于该设计，可以结合像素单元元件的布局，使得高转换增益及低转换增益均得到有效改善。

集微网消息，图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。根据元件的不同，可以分为CCD（电荷耦合元件）和CMOS（金属氧化物半导体元件）两大类。

随着CMOS图像传感器（CIS）设计及制造工艺的不断发展，CMOS图像传感器逐渐取代CCD图像传感器已经成为主流。其中，CMOS图像传感器可以分为FSI（前照式）和BSI（背照式）两类。

动态范围是图像传感器成像质量的关键因素，动态范围大可输出更宽光强范围内的场景图像信息，呈现更丰富的图像细节。通常情况下，图像传感器输出的动态范围大约为60‑70db，在一般自然环境应用中，为了同时捕获高光及阴影部分的图像信息所需要的动态范围约为100db。在图像传感器设计中，通常采用读取多帧图像进行多帧合成的方式来实现图像传感器高动态范围（HDR）。另外，部分传感器会设计双转换增益模式（DCG），以在不同的应用环境中采用不同增益。比如，在低光场景下，图像传感器的像素电路工作在高转换增益模式下；在高光场景下，图像传感器的像素电路工作在低转换增益模式下。

然而，采用多帧合成的高动态范围实现方式中多帧读取过程存在时间差，最后合成的图像中会出现拖尾的现象，电路的读取噪声大。而且，现有增益控制单元的增益电容难以有效增大，较小的增益电容限制了增益控制单元作用的发挥，限制了器件的动态范围，难以继续降低低增益部分。另外，也有通过设置器件电容的方式提高增益电容的做法，但该做法引入器件电容，增加信号间影响，工艺难度大等，导致现有图像传感器动态范围难以有效提高。

为此，思特威在2021年5月14日申请了一项名为“像素单元、CMOS图像传感器、电子设备及制备方法”的发明专利（申请号：202110528697.X），申请人为思特威（上海）电子科技股份有限公司。

根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中公开的图像传感器结构系统的框架图，图像传感器包括连接到像素阵列的读出电路和控制电路，功能逻辑单元连接到读出电路，对像素电路的读取进行逻辑控制；读出电路和控制电路连接到状态寄存器，实现对像素阵列的读取控制。

像素阵列包括按行（R1，R2，R3…Ry）和列（C1，C2，C3…Cx）排布的多个像素单元，像素阵列输出的像素信号经列线输出至读出电路。每一像素单元获取图像数据后，图像数据采用状态寄存器指定读出模式的读出电路读出，然后传输到功能逻辑单元。

功能逻辑单元可仅存储图像数据或通过图像效果应用或处理的图像数据。在一应用例中，读出电路可沿读出列线一次读出一行图像数据，或者可采用各种其他方式读出图形数据。控制电路的操作可通过状态寄存器的当前设置确定。例如，控制电路产生快门信号用于控制图像获取。此快门信号为全局曝光信号，可以使得像素阵列的所有像素通过单一获取窗口同时获取其图像数据。

如上图，为像素单元制备的工艺流程图，首先，准备好包括感光控制单元区、复位晶体管区及增益控制晶体管区的衬底。接着，对应复位晶体管区及增益晶体管区制备埋入栅结构，埋入栅结构位于晶体管的源极区和漏极区之间并延伸至衬底中以形成埋入沟道。

如上图所示，衬底101包括感光控制单元区101a、复位晶体管区101b及增益控制晶体管区101c。而在制备埋入栅结构时，该方案中采用光刻‑刻蚀工艺在衬底对应位置制备凹槽，并填充凹槽以形成埋入栅结构，例如采用现有的物理化学气相沉积或者化学气相沉积工艺进行凹槽的填充。该方法工艺简便，无额外复杂步骤且易于实现，与现有的半导体制作流程兼容，无需额外的工艺开发，同时不影响其他增加寄生电容的设计。

最后，分别再感光控制单元区制备感光元件、传输晶体管及浮动扩散点，在复位晶体管区制备复位晶体管，以及在增益控制晶体管区制备增益控制晶体管。其中，传输晶体管的分别与感光元件及浮动扩散点连接，增益控制晶体管连接在浮动扩散点与复位晶体管之间，复位晶体管另一端连接第一电压源。

以上就是思特威提出的像素单元和CMOS图像传感器的设计方案，该方案通过制备埋入栅结构，可以增加增益控制电容，有效实现双转换增益控制，特别适用于高光下，提高图像传感器的动态范围。此外，基于该设计，可以结合像素单元元件的布局，使得高转换增益及低转换增益均得到有效改善。

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（校对/赵月）