RGBZ图像传感器的RGBZ像素信元单元的物理布局和结构的制作方法

本发明的领域总体上涉及成像技术，并且更具体地，涉及用于RGBZ图像传感器的RGBZ像素信元单元的物理布局和结构。

背景技术：

图1示出了图像传感器100的基本元件。如图1所示，图像传感器包括具有组成像素信元(cell)102的像素阵列101。行解码器103具有联接到像素信元102的行的输出，其联接到像素阵列101。感测放大器104也联接到像素阵列101的列的输出。图像传感器100还包括联接在感测放大器104下游的模数电路105。图像传感器100还包括定时和控制电路106，其负责产生指示图像传感器100的操作的时钟和控制信号。

技术实现要素：

本发明描述了具有像素信元单元的图像传感器。像素信元单元具有在半导体表面上的第一、第二和第三传输门晶体管门，其分别联接在第一可见光光电二极管区域、第二可见光光电二极管区域和第三可见光光电二极管区域与第一电容区域之间。该像素信元单元具有半导体表面上的第四传输门晶体管门，其联接在第一红外光电二极管区域和第二电容区域之间。

附图说明

以下描述和所附附图用于说明本发明的实施例。在附图中：

图1示出了图像传感器(现有技术)的图示；

图2示出可见光像素信元的图示；

图3示出Z像素信元的图示；

图4示出具有RGBZ像素的像素阵列的图示；

图5示出了用于第一RGBZ像素单元信元设计的第一维恩图；

图6示出符合图5的维恩图的RGBZ像素单元信元的实施例；

图7a和7b示出了图6的RGBZ像素单元信元的布局实施例；

图8示出了用于第二RGBZ像素单元信元设计的第二维恩图；

图9示出了符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元的第一实施例；

图10a和10b示出了图9的RGBZ像素单元信元的布局实施例；

图11示出符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元的第二实施例；

图12a和12b示出了图11的RGBZ像素单元信元的布局实施例；

图13示出符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元的第三实施例；

图14a和14b示出了图13的RGBZ像素单元信元的布局实施例；

图15示出由RGBZ像素单元信元执行的方法；

图16a至16g示出了RGBZ像素信元的制造方法；

图17示出相机系统的实施例；

图18示出了计算机系统的实施例。

具体实施方式

图2示出了用于可见光像素的电路设计202。如图2所示，首先，通过接通复位晶体管Q1，清除电容器201的负电荷(其使电容器的电压达到电源电压V_pixel)。当电容器的负电荷被清除并且传输门晶体管Q2被关断时，曝光时间开始，其中根据在曝光时间内接收的光的强度和曝光时间的长度，光敏光电二极管203产生并收集负电荷(电子)。

在曝光时间之后，传输门晶体管Q2接通，使得收集在光电二极管203中的负电荷传输到电容器201。负电荷到电容器201的传输影响电容器的电压(电容器201接收的负电荷越多，其电压越低)。在光电二极管的负电荷已经被传送到电容器201之后，启用行选择控制信号，其接通行选择晶体管Q3，行选择晶体管Q3允许联接在像素信元的列输出下游的感测放大器感测电容器电压。然后，电容器电压的读数被数字化，并用作对光电二极管203所接收到光强度的指示。然后重复该过程。

通常，行选择信号接通沿着像素阵列中的同一行的每个像素信元的行选择晶体管Q3。行选择信号“滚动”(scroll)通过阵列中各行，以接收整个阵列的图像。在“全局快门”模式的情况下，在阵列中所有像素信元上的曝光时间是同时的(并且图像不应具有任何与运动相关的人为影像(artifact))。在“卷帘快门”模式的情况下，像素信元的曝光时间例如逐行地被分级(其可以允许运动人为影像的存在)。

存储电容器201的存在允许曝光定时与激活行选择并读出存储电容器201的定时解耦。换言之，在曝光并将电荷转移到存储电容器201中之后，存储电容器的电压可以在被读出之前保持一段时间。因此，支持每个存储电容器读出多次曝光时间的图像传感器架构是可能的。也就是说，仅作为一个示例，可以构造图像传感器，对于根据行选择激活的存储电容器201的每次读出，该图像传感器具有三次曝光，对应电荷三次传输到存储电容器201中。

图3示出了用于使用“飞行时间”技术采集深度信息的图像传感器的“Z”像素302的电路设计。在飞行时间图像采集的情况下，通常，光源将来自相机系统的红外(IR)光发射到对象上，并且对于像素阵列中的多个像素信元中的每一个，测量在发射光和在像素阵列上接收该光的反射图像之间的时间。由飞行时间像素产生的图像对应于该对象的三维轮廓，其表征为在不同像素位置中的每一个(x，y)处的特定的深度测量值(z)。

如图3所示，Z像素设计302包括如上文关于可见光像素信元202所描述的执行类似操作的存储电容器301、复位晶体管Q1、传输门晶体管Q2、光电二极管303和行选择晶体管Q3。传输门晶体管Q2在曝光时间期间利用时钟信号在曝光的过程中接通和关断。在Z像素302的曝光时间期间利用时钟信号控制传输门晶体管Q2是飞行时间技术的人为影像。在通常方法中，同一Z像素302在四次不同的复位、曝光时间和读出顺序中设置有四个不同时钟(其每一个的相位按90°分开)。然后，组合四个不同的电荷收集的读出，从而计算针对该像素的飞行时间深度值。

在曝光时间本身期间，如上所提到的，传输门晶体管Q2在时钟信号的控制下触发接通和关断。因此，在曝光序列期间，电荷多次从光电二极管303传输到存储电容器301。在传输门晶体管Q2关断的半个时钟周期期间，“背漏”(back-drain)晶体管Q4接通以使得来自光电二极管303的电荷流入V_pixel电源节点。控制背漏晶体管Q4的时钟与控制传输门晶体管Q2的时钟异相180°，使得在接通一个的同时关断另一个。

因此，在曝光时间的过程中，从光电二极管流出的电荷在流过传输门晶体管Q2和流过背漏晶体管Q4之间来回交替方向。然而，注意，在Z像素信元的曝光时间期间，接通和关断传输门晶体管Q2在功能上类似于正如上提到的特定可见像素信元实施例，对于每次行选择读出，存在多次曝光和向存储电容器201的相应电荷传输。

图4示出了具有包括可见光像素R、G和B以及Z像素的像素单元信元402的像素阵列401的实施例。尽管该具体实施例示出了红色(R)、蓝色(B)和绿色(G)像素作为可见光像素，但是其他实施例可以使用不同的颜色像素方案(例如，青色、品红色和黄色)。出于简单，本申请的剩余部分将主要涉及RGB可见光像素方案。

在单元信元402的布局设计中的挑战是，扩展光电二极管的表面积(以增强光学灵敏度)，同时保留足够的半导体表面积空间，以将与像素单元信元电路设计相关联的晶体管布置为靠近单元信元或位于单元信元内(例如，在这种接近是适当的或必要的情况中)。也就是说，这种晶体管占用的空间越大，将用以收集光的空间就越小，并且反之亦然，将用以收集光的空间越大，用以放置晶体管的空间就越小。

作为另一考虑，通常，用于可见光像素设计的存储电容器应较小，以减小读出期间的噪声，而用于Z像素设计的存储电容器应较大，以促进较大的红外检测像素容量。

一种解决方案是使可见光像素共享同一存储电容器，并且，为Z像素引入第二存储电容器。在可见光像素共享同一存储电容器的情况下，可节省空间，否则这种空间将被所取消的存储电容器所占用。还可以使共享存储的像素变小，以与降低可见光像素的读出信号噪声的期望相一致。此外，用于Z像素的第二存储电容器可以设置为大于用于可见光的存储电容器，这与具有较大的红外检测像素容量的期望一致。

图5示出了与该方法一致的用于RGBZ像素单元信元设计的维恩图500。如图5所示，R、G和B像素中的每一个使用同一存储电容器C1。相比之下，Z像素具有其自身的存储电容器C2，C2具有比电容器C1更大的电容。

图6示出了符合图5的维恩图500的RGBZ像素单元信元600的设计的实施例。如图6所示，用于R、G和B光电二极管中的每一个的相应的传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B联接到同一存储电容器C1。除了合并的RGB像素电路601之外，存在独立不同的Z像素电路602。合并的RGB像素电路601和Z像素电路602二者具有其自身的相应的读出电路，该读出电路联接到同一阵列的列603。因此，例如，同一感测放大器可以感测来自两个像素电路601、602的读出电压。

C1和C2电容器的相应电压的读出在不同时间进行(即，它们不被同时读出)。另外，由于共享C1电容器，用于可见光光电二极管的读出针对于不同颜色在不同时间进行。可以顺序地进行可见光读出，例如，首先进行红色读出，然后进行绿色读出，然后进行蓝色读出，并且然后重复该过程。由R、G和B光电二极管收集的电荷可以同时(或串行地)累积。

然而，电荷从任何特定可见光光电二极管到电容器C1的传输是隔离地进行的(即，如果RGB传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B中的任一个为了测量入射光的目的而接通，则另外两个传输门晶体管关断)。因此，电荷传输到C1(与从C1读出类似)顺序地进行而非并行地进行。在可见光光电二极管中收集的电荷可以通过同时启用传输门晶体管和复位晶体管Q1_RGB来“清除”。在这种情况下，通过启用Q2_R、Q2_G、Q2_B晶体管和复位晶体管Q1_RGB中的每一个，可以同时清除多个可见光光电二极管。

根据一个实施例，针对RGB像素电路实现以下定时方案。首先，当行选择晶体管关断时，通过激活复位晶体管来清除电容器C1的电荷。通过启用要被清除的每一个光电二极管的相应传输门晶体管，一个或多个可见光二极管中的电荷可与C1同时地清除。在特定可见光光电二极管的曝光时间期间，其传输门晶体管关断。然后，通过激活一光电二极管的传输门晶体管，且同时关断其他传输门晶体管、复位晶体管和行选择晶体管，而将来自该光电二极管的电荷传输到C1。来自第一光电二极管的C1上的电压随后通过激活被关断的复位晶体管Q1_RGB和行选择晶体管Q3_RGB(所有三个传输门晶体管也可以是关断的)而被感测。然后，通过复位清除C1上的电荷，并且对于其他光电二极管中的每个重复该过程两次。然后重复整个过程。

根据一个实施例，针对Z像素电路602实施以下定时方案。在行选择晶体管Q3_Z关断的情况下，通过激活复位晶体管Q1_Z来清除电容器C2上的电压。传输门晶体管Q2_Z或背漏晶体管Q4_Z中的任一个也可以接通以清除Z光电二极管中的任何电荷。然后，曝光时间开始，其中，第一时钟信号被施加到传输门晶体管Q2_Z的栅极，而与第一时钟信号异相180°的第二时钟信号被施加到背漏晶体管Q4_Z的栅极。对于与激活传输门晶体管Q2_Z的逻辑电平对应的第一时钟周期的那些部分(例如，50％)，电荷从Z光电二极管传输到C2。对于其中第二时钟信号对应于激活背漏晶体管Q4_Z的逻辑电平的剩余部分，电荷从Z光电二极管传输到Vpix电压源端子。

在曝光时间之后，两个时钟信号被抑制以关断传输门晶体管Q2_Z和背漏晶体管Q4_Z，并且复位晶体管Q1_Z保持关断。随后，行选择晶体管Q3_Z接通，使得可以感测电容器C2上的电压。然后，该过程再重复三次，使得第一时钟信号(和相应的第二时钟信号)的具有0°、90°、180°和270°相位的四个不同实例已经被施加到Z像素电路。对于四个不同相位来自电容器C2的读出在下游被处理以确定Z像素的深度值。然后针对下一组0°、90°、180°和270°时钟信号重复整个过程用于下一个Z像素深度值。

在操作中，RGB像素信元单元电路601和Z像素信元电路602可以串行或并行操作，只要它们对应的读出在不同的时间进行。同样，可以以与Z像素值相同的速率或以不同的速率产生R、G和B像素值。然而，在更高性能的实施例中，由于Z像素的较长的曝光时间，R、G和B像素值比Z像素值更加频繁地生成(在Z曝光时间期间进行多个R、G和B像素读出)。如果R、G和B像素将以与Z像素相同或更慢的速率读出，则用于R、G和B像素的对应传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B也可以用作背漏晶体管，以使可能例如在长时间Z曝光期间积累的电荷从R、G和B光电二极管放电。在此，RGB传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B和RGB复位晶体管Q1_RGB都被激活，以迫使电容器C1上的电压为Vpix电源电压电平，并允许电荷从光电二极管流出到电容器C1。

图7a和7b示出了R、G、B和Z光电二极管以及传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B、Q2_Z、背漏晶体管Q4、C1和C2电容器的两种不同布局的实施例。这里，由于传输门晶体管和背漏晶体管直接联接到光电二极管，因此它们通常集成在与光电二极管相同的半导体表面积内。RGB像素电路和Z像素电路的其他晶体管可以位于例如像素阵列的外围处或像素阵列的表面积内的宏信元(例如，一组RGBZ单元信元)的外围处。一个或多个其它晶体管也可以以光电二极管的表面积为代价而集成在RGBZ单元信元内。

如图7a和7b所示，用于RGB像素信元电路的传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B位于R、G和B光电二极管相对的角部处，其中，C1电容器形成在一区域中，该区域存在于三个传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B中每一个的有源区域处、正好存在于有源区域之外、或靠近有源区域存在。用于Z光电二极管的传输门晶体管Q2_Z和背漏晶体管Q4形成在Z光电二极管的除面向C1和RGB传输门晶体管的角部之外的角部处。C2形成在一个区域中，该区域存在于Z传输门晶体管的有源区域处、正好存在于该有源区域之外或靠近该有源区域存在。

如图7a和7b所示，用于Q2_R、Q2_G、Q2_B、Q2_Z和Q4晶体管的栅电极可以近似地放置在它们对应的光电二极管的附近或边缘处。在一个实施例中，这些晶体管中每一个晶体管的第一源极/漏极区域与该每一个晶体管对应的光电二极管在空间上集成(例如，通过使其注入物位于光电二极管内)。在相同或不同的实施例中，取决于特定晶体管，这些晶体管的第二源极/漏极区域与C1、C2或Vpix在空间上集成。例如，在晶体管联接到C1或C2的情况下，晶体管的源极/漏极区域位于用于形成C1和C2的注入物内和/或接收作为C1或C2的电极的触点。在晶体管联接到Vpix的情况下，晶体管的源极/漏极区域接收结合到Vpix电源电压电位的触点。

图7a和7b就如下方面而言是不同的：Z像素的三个“可用”角部(即，不面向RGB传输门晶体管和C1)中的两个角部由Z像素传输门晶体管Q2_Z和背漏晶体管Q4占据。另一个实施例(未示出)对应于图7a的实施例，其中传输门晶体管Q2_Z和电容器C2的位置与背漏晶体管Q4的位置交换。甚至另一实施例(也未示出)对应于图7b的实施例，其中传输门晶体管Q2_Z和电容器C2的位置与背漏晶体管Q4的位置交换。

在各种实施例中，C1和C2电容器两者可以至少部分地形成为扩散电容。C2通过具有与C1不同的任何注入物、具有比C1更大的表面积或者具有在C2上形成的比C1更多(例如，更广延、更精细、更大)的金属结构，C2可以比C1更大，使得C2基本上比C1具有更大的电极板表面积。

图8示出了另一RGBZ像素单元信元的维恩图800，在该信元中，可见光像素共享同一电容器C1，并且引入用于Z像素的第二电容器C2。然而，与图5所示的方法不同，在图8的方法中，Z像素不仅具有其本身的较大的电容器C2，而且共用电容器C1，或者以某种方式至少联接到电容器C1。在Z像素实际使用C1作为用于来自Z光电二极管的电荷的存储节点的设计中，可以仅使用单一的读出电路(即，RGB像素电路和Z像素电路使用同一读出电路，因为这些电路在该存储电容节点处联接)。

图9示出了符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元的实施例900。如图9所示，用于R、G和B光电二极管中的每一个的对应的传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B联接到同一存储电容器C1。除了合并的RGB光电二极管、传输门和C1电容电路，存在一独立、不同的Z光电二极管、传输门和C2电容电路。然而，合并的RGB电路和Z电路通过晶体管Q5联接在一起，使得在Z像素曝光期间，来自Z光电二极管的电荷可以被传输到电容器C2和C1两者中。这具有将Z像素的电容增加到C1+C2的效果。在一个实施例中，C2具有比C1大的电容。在另一个实施例中，C1和C2具有近似相同的电容。

在RGB电路和Z电路之间通过晶体管Q5的联接也允许两个像素电路共享同一读出电路。这里，晶体管Q5实质上用于在Z像素曝光期间和在Z像素读出期间建立电容器C1和C2之间的公共节点。因此，在一个实施例中，在Z像素曝光期间和在Z像素读出期间，晶体管Q5接通(但是，例如，在其他情况下关断)。

RGB像素信元大部分如上文关于图6所描述的进行操作。然而，注意，通过Z像素电路使用电容器C1，导致通过RGB复位晶体管对电容器C1的额外复位。具体地，在已经读出用于可见光像素中的一个的电容器C1上的电压之后，将进行电容器C1的复位，以使得电容器C1准备用于从Z光电二极管接收电荷(这一复位在图6的实施例中不存在)。在复位之后，电容器C1接收来自Z光电二极管的电荷，并且读出在电容器C1和电容器C2上的电压。电容器C1然后被再次复位，以使得C1准备用于接收来自可见光光电二极管的电荷。

Z像素信元也大致如上文关于图6所描述的操作。然而，在此，如上所提到的，在Z像素的曝光期间，晶体管Q5激活以允许电荷从Z光电二极管传输到电容器C1。晶体管Q5保持激活，直到读出电容器C1和C2上的电压。

由于RGB像素信元和Z像素信元之间的耦合，与图6的电路相比，两个信元不能并行操作并且不能在另一个信元内孤立地操作。也就是说，图6的RGB像素电路601和Z像素电路602可以完全同时操作而彼此不涉及(除了它们不能被同时读出)，但是相比之下，在图9的方法中，在Z像素曝光期间，来自R、G或B光电二极管的电荷不能传输到C1中。由于Z像素曝光可能需要延长的时间段(因为在四个不同的时钟相位下进行曝光)，背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B分别联接到R、G和B光电二极管中的每一个，以排入在Z像素曝光期间可能累积的电荷。因此，在一个实施例中，晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B在R、G、B像素曝光期间关断，而在Z像素曝光期间接通。

图10a和10b示出了用于图9的电路的RGBZ单元信元布局的实施例。作为与用于图6的电路的图7a和图7b的实施例的比较之处，图10a和10b的实施例额外示出了用于可见光像素的背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B。晶体管Q5不直接联接到光电二极管，并且因此可以放置在阵列的外围处、宏信元的外围处、或在具有光电二极管表面积尺寸的相称损失的单元信元内。

图10a和10b就如下方面而言是不同的：Z像素的三个“可用”角部(即，不面向RGB传输门晶体管和C1的角部)中的两个由Z像素传输门晶体管Q2_Z和四个背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B、Q4_Z占据。在另一对应于图10a的实施例的实施例(未示出)中，Z像素传输门晶体管Q2_Z和电容器C2的位置与四个背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B、Q4_Z的位置交换。在另一对应于图10b的实施例的实施例(也未示出)中，背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B、Q4_Z和电容器C2的位置与Z像素传输门晶体管Q2_Z的位置互换。

注意，在图10a的实施例中，像素单元信元可被视为具有位于信元的相反侧上的两个不同Vpix物理节点的“内半部”。也就是说，每个Vpix物理节点由两个相邻的像素单元信元共用。相比之下，在图10b的实施例中，像素单元信元可以被视为具有位于像素单元信元的四个不同角部处的四个不同Vpix物理节点的“内四分之一部”。也就是说，每个Vpix物理节点由四个不同的像素单元信元共享。

图11示出了符合图8的维恩图的另一个实施例。如在图11中所示，Z像素信元通过背漏晶体管Q4实现对电容器C1的使用。然而，在此，电容器C1不用作Z光电二极管的存储节点，而是用作Vpix电源电压节点。因此，电容器C1在Z曝光期间根据其正常/传统操作用于支持背漏晶体管Q4。通过激活RGB像素信元电路的复位晶体管Q1_RGB，可以使C1电容器处于Vpix电压电平。因此，在图11的实施例中，RGB复位晶体管Q1_RGB不仅在R、G或B曝光之前复位C1，而且在Z曝光期间也被激活，以迫使电容器C1用作Vpix电压节点，以支持Z像素背漏晶体管Q4的操作。

关于可见光RGB光电二极管何时可以将电荷传输到电容器C1，以及电容器C1何时可以被读出的限制为与如上关于图9所述的那些类似。也就是说，RGB像素信元和Z像素信元在它们如何同时彼此孤立地操作方面受到限制。具体地，R、G或B光电二极管在Z曝光期间不能使其电荷传输到电容器C1。然而，在Z曝光期间使C1用作Vpix电压节点，消除了用以清除来自Z光电二极管的电荷的电容器C1的额外复位顺序(如上关于图9所述的)。也就是说，在Z曝光期间将电容器C1电压设置为Vpix，电容器C1在Z曝光期间有效地保持在复位电平，并且因此准备好在Z像素曝光并且将电荷传输到C2之后立即接受来自R、G或B像素的电荷。

图11的实施例具有用于电容器C1和C2的单独的读出，因为前者用于接收来自RGB光电二极管的电荷，而后者用于存储来自Z光电二极管的电荷。与图9的方法不同，图11的方法的每个RGB光电二极管不需要背漏晶体管，因为在Z曝光期间，由RGB光电二极管累积的任何溢出电荷可以通过其各自的传输门晶体管排入到电容器C1。因此，RGB传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B不仅用作传输门晶体管，而且还用作背漏晶体管。因此，在一个实施例中，RGB传输门晶体管Q2_R、Q2_G、Q2_B不仅在它们各自的光电二极管的电荷传输期间是激活的，而且在Z曝光期间都是也是激活的。

图12a和12b示出了用于图11的电路设计的不同RGBZ像素信元布局的实施例。由于图11的方法不包括联接到特殊形成的Vpix电源电压节点的背漏晶体管，所以与前述实施例不同，图12a和12b的布局方法不包括Vpix电压节点。另外，用于Z光电二极管的背漏晶体管Q4直接联接到电容器C1。注意，Z传输门晶体管Q2_Z可以占用没有被背漏晶体管Q4占用的Z光电二极管的三个角部中的任何一个。

相应地认识到，如上关于图6、图9和图11的电路设计实施例描述的晶体管中各种晶体管的各种激活/去激活方案，可以由图像传感器的定时和控制电路实现，该图像传感器定时和控制电路联接到这些晶体管中的每一个，并向其提供控制信号以建立其接通/关断状态。

还应注意，RGBZ单元信元应对进入其相应像素中的光进行适当地滤光。也就是说，在一个实施例中，R光电二极管应当通过在其上方形成基本上仅通过红光的滤光器结构来接收红光，G光电二极管应当通过在其上方形成基本上仅通过绿光的滤光器结构来接收绿光，B光电二极管应当通过在其上方形成基本上仅通过蓝光的滤光器结构来接收蓝光，而Z光电二极管应当通过在其上方形成基本上仅通过红外光的滤光器结构来接收红外光。

图13示出了符合图8的维恩图的RGBZ像素单元信元设计方法的两个实施例1301、1302。如图13所示，实施例1301、1302二者包括第二传输门晶体管Q2_Z_2，以增加在Z曝光期间收集的电荷量。也就是说，回顾传统方法，Z光电二极管联接到传输门晶体管和背漏晶体管。在Z曝光期间，第一时钟信号被施加到传输门晶体管，而第二时钟信号被施加到背漏晶体管，其中第一时钟和第二时钟有180°的相位差。如此，当第一时钟使传输门晶体管接通时，电荷被传输到存储电容器中，该存储电容器随后被读出以检测所接收的光强度。相比之下，当第二时钟使背漏晶体管接通时，电荷被传输到电源节点中。

进入电源节点的电荷流可以被视为降低Z像素灵敏度的信号损失。相比之下，图13的实施例1301、1302将第一和第二时钟信号分别施加到联接到电容器C2的第一传输门晶体管Q2_Z_1和联接到电容器C1的第二传输门晶体管Q2_Z_2。因此，在Z曝光期间，当第二时钟信号使Q2_Z_2接通时，将传统地会在背漏期间流向电源节点的电荷会替代地流入电容器C1中。因此，在Z曝光期间收集更多的电荷，导致更敏感的Z像素。

在读出期间，感测C1上的电压，并且然后感测C2上的电压(或首先感测C2，而然后感测C1)。在下游(例如，利用感测放大器下游的模拟、数字或混合信号电路)，两个电压读出值被组合以产生用于Z曝光期间的时钟信号对的单一读数。然后，该过程重复，例如利用与刚施加的第一和第二时钟信号对具有90°的相位差的时钟对再重复一次。在一个实施例中，设置电容C1近似等于电容C2，以使得来自电容器对C1、C2的相同电压读数对应于相同的所接收电荷量。

对于读出来说，第一实施例1301与第二实施例1302的不同之处在于，第一实施例1301具有一个读出电路，而第二实施例1302具有用于电容器C1和电容器C2中的每一个的分开的读出电路。第一实施例1301包括晶体管Q5，以在电容C2上的电压被感测时将C2联接到读出电路。第一实施例1301还包括单个复位晶体管Q1，以复位C1和C2两者。通过在复位期间保持Q5激活，(例如，在Z曝光之后C1和C2都被读出之后)可以同时复位C1和C2。

在一个实施例中，第一实施例1301在Z曝光期间保持晶体管Q5关断。在Z曝光期间，时钟信号对施加到Q2_Z_1和Q2_Z_2，以分别交替地将电荷传输到C2和C1。另外，RGB传输门晶体管关断，而RGB背漏晶体管Q4_R、Q4_G、Q4_B接通，以防止RGB像素在Z曝光期间溢出(bloom)。

当Z曝光完成时，Q5保持关断，而C1上的电压通过激活读出电路的行选择信号(RS)来感测。在读出C1上的电压之后，晶体管Q5接通以将C2联接到读出电路。然后感测C2上的电压。在感测到C1和C2上的电压之后，Q5保持接通，以将C1和C2两者联接到复位晶体管Q1。然后复位晶体管Q1被激活，以清除C1和C2上的电荷。然后晶体管Q2_Z_2和Q5关断，以使Z像素与RGB像素去耦，例如，以准备RGB曝光。

在RGB曝光期间，Z传输门晶体管Q2_Z_1和Q2_Z_2二者均关断，而Z背漏晶体管Q4_Z接通。与如上所讨论的实施例一致，RGB传输门晶体管被激活，而背漏晶体管被去激活。例如，在一个实施例中，一个RGB像素被曝光，而另两个RGB像素不被曝光。也就是说，对于曝光的RGB像素，背漏晶体管关断而传输门晶体管接通，而对于没有被曝光的另两个像素，背漏晶体管接通而传输门晶体管关断。来自曝光的光电二极管的电荷被传输到C1中，并读出C1上的电压。C1上的电压然后被清除，并且例如(对于未曝光的像素中的任一个)可以发生另一RGB曝光或可以发生Z曝光。

在第二实施例1302的情况下，由于分开的读出器和复位电路，省略了晶体管Q5。在Z曝光期间，门晶体管Q2_Z_1由第一时钟信号控制，并且电荷从Z光电二极管流入C2。此外，传输门晶体管Q2_Z_2由第二时钟信号控制，并且电荷从Z光电二极管流入C1。在Z曝光之后，读出电路中一个被激活，以感测其中一个电容器上的电压(另一个读出电路被去激活)。在第一次读出之后，激活另一读出电路(第一读出电路被去激活)以感测第二电容器上的电压(此时，第一电容器可以被复位)。在已经读出两个电容器之后，复位后一电容器或两个电容器上的电压。其他方面，如上面对于第一实施例所讨论的进行操作。

图14a和14b示出了如上所讨论的图13的实施例1301、1302的布局实施例。如图14所示，R、G和B传输晶体管门联接在R、G和B光电二极管和C1之间，如在先前的布局实施例中。然而，与先前实施例不同，第二Z像素传输门晶体管门Q2_Z_2联接在Z光电二极管和C1之间。该具体布局方法至少可以利用第二实施例实现。在前面的布局实施例中已经讨论了其他所示的布局特征。

图15示出了由如上所讨论的RGBZ像素单元信元实施例执行的方法。该方法包括将电荷从已经接收到第一类型的可见光的第一光电二极管传输到存储电容器中，并在像素阵列的列处读出存储电容器的第一电压1501。该方法还包括将电荷从已经接收到第二类型的可见光的第二光电二极管传输到存储电容器中，并在像素阵列的列处读出存储电容器的第二电压1502。该方法还包括将电荷从已经接收到第三类型的可见光的第三光电二极管传输到存储电容器中，并在像素阵列的列处读出存储电容器的第三电压1503。该方法还包括将电荷从已经接收到红外光的第四光电二极管传输到第二存储电容器中，并在像素阵列的列处读出第二存储电容器的第四电压1504。

图16a至16e示出了用于制造具有如上参考图4至图15所讨论的RGB单元信元设计策略中的任何一个的图像传感器的方法，以及制造还包括与这些设计一致的RGBZ滤光器结构的图像传感器的方法。图16a示出了沿着具有一对可见光像素(如图16a所示的R和G)的像素阵列的轴线的图像传感器的截面剖切图。在此，半导体基体1601示出了R和G光电二极管的感光区域的大致位置。沉积在基体上的金属化部分1602形成晶体管的栅极和源极/漏极触点，并且，沉积在基体上方的金属化部分形成与像素单元信元设计和其他图像传感器电路相关联的晶体管和电路互连结构。金属化部分和晶体管结构可以形成如上关于图4至图14a、图14b所讨论的各种特征中的任何特征。

在互连的金属化部分形成之后，如图16b所示，在下面结构的上方的表面上形成有媒染(mordent)层或透明层1603。然后，通过在合适的区域中将该层染上适当的颜色，在媒染层或透明层1603中形成第一类型的可见光滤光器1604(例如，如图16b所示的红色“R”滤光器)。具体地，如图16b所示，媒染/透明层的R像素区域被染成红色。染色可以通过将染料通过光致抗蚀剂掩模热转印到媒染层中，并且然后剥离掩模，或者通过光致抗蚀剂掩模将染料吸入透明层，并且然后剥离掩模来实现。这里，光致抗蚀剂和掩模被图案化，以便让目标区域(R像素区域)曝光并且阻挡其他另外的区域(G、B和Z区域)。具体地，光致抗蚀剂沉积或涂覆在媒染/透明层上。然后利用以R像素区域为特征的掩模曝光光致抗蚀剂。然后蚀刻光致抗蚀剂以曝光下面的像素阵列的R区域中透明/媒染层。

如图16c所示，通过例如通过如上所述的技术将媒染/透明层1603的适当(G)像素区域染成绿色，而在互连金属化部分上方形成第二类型的可见光滤光器1605(例如，如图16c所示的绿色“G”滤光器)。图16d示出沿着像素阵列的另一轴线的图像传感器的横切面图，在根据用于形成如上所讨论的R和G像素的相同技术形成B滤光器1606之后，该像素阵列具有第三类型的可见光像素(B)和Z像素(为了便于绘图，没有示出背景中已经形成的R和G滤光器)。

如图16e所示，IR滤光器1607形成在图像传感器的Z像素区域中。IR滤光器使IR光通过而基本上阻挡可见光。IR滤光器1607可以以下方式形成，通过在透明/媒染层1603上方形成光致抗蚀剂层，并且然后利用以像素阵列的Z像素区域为特征的掩模曝光光致抗蚀剂。然后，蚀刻光致抗蚀剂层以曝光Z像素区域中的透明/媒染层。也可以在Z像素区域中蚀刻下面的透明/媒染层，并且可以将基本上仅使IR光通过的材料沉积到曝光区域中。得到的结构如图16e所示。替代地，下面的媒染或透明层可以保留在Z像素区域中，并且IR滤光器可以使用类似于如上所述的光掩模技术沉积在该层的顶部上。

在IR滤光器形成在与RGB滤光器相同的层内的实施例中，可以以任何顺序形成四种像素类型。

在形成IR滤光器之后，如图16f所示，IR截止(IR-cut)滤光层1608沉积或涂覆在下面的结构上，并且在Z像素区域的上方蚀刻(例如，使用光致抗蚀剂和掩模技术)。如此，IR截止滤光器实质上放置在R、G和B像素位置的上方。IR截止滤光层1608由基本上阻挡红外光的材料制成。在各种实施例中，IR截止层1608是有帮助的，因为传统的RGB滤光器基本上不阻挡红外光，并且在飞行时间系统中使用的RGBZ图像传感器的情况下，如果没有IR截止滤光器，则RGB像素会响应于来自飞行时间照明器的红外光。因此，IR截止滤光器有助于隔离可见光和飞行时间成像系统。

此外，IR截止滤光器有助于防止在Z曝光过程期间RGB像素饱和，这也可减轻在Z曝光期间对RGB像素背漏的需要，防止“溢出”(其中过饱和像素将电荷排入到邻近的像素中)或者至少使在Z曝光之后的任何RGB复位更加直接。注意，在RGB滤光器的溢出仍可能是一个问题的程度下，背漏晶体管可以联接到在各种实施例中所讨论的任意/所有RGB光电二极管。因此，例如，图6、图7a、图7b和图11、图12a、图12b中的实施例可以另外地包括用于RGB光电二极管的背漏晶体管，并且因此包括在图10a和图10b所示的背漏结构。

如图16g所示，在滤光器上方形成微透镜1609。在此，透光层(例如，微透镜)可以通过大量各种不同的工艺中的任何一种形成，例如：1)在下面结构上涂覆和烘烤一个或多个光致抗蚀剂层，将光致抗蚀剂层图案化成例如表示微透镜阵列的圆形/圆柱体，并且然后将光致抗蚀剂圆形/圆柱体熔融成微透镜的形状；2)在透光层(例如熔融石英)上的层上进行上述工艺1)，并且使用熔融的光致抗蚀剂作为用于进入透明层的RIE蚀刻的掩模(其完成到透光层中的更完整的微透镜的形成)；3)瞄准阵列图案中的下面结构微喷射液滴并固化液滴。

图17示出了集成传统相机和飞行时间成像的系统1700。系统1700具有连接器1701，其用于操作例如与诸如膝上型计算机、平板电脑或智能手机的系统/母板等的较大系统/母板的电接触。根据布局和实施方式，连接器1701可以连接到例如实体连接到系统/母板的柔性电缆，或者连接器1701可以直接接触系统/母板。

连接器1701附接到平面板1702，平面板1702可以实现为具有交替的导电层和绝缘层的多层结构，其中导电层被图案化以形成支持系统1700的内部电连接的电迹线。通过连接器1701从较大的主机系统接收命令，诸如将配置信息写入相机系统1700内的配置寄存器中，诸如向/从相机系统1700内的配置寄存器写/读配置信息的配置命令。

RGBZ图像传感器1703安装在接收透镜1704下方的平面板1702。RGBZ图像传感器1703包括具有RGBZ单元像素信元的像素阵列。RGB像素单元信元用于支持传统的“2D”可见光图像采集(传统的图像采集)功能。Z像素信元对IR光敏感，并且用于支持使用飞行时间技术的3D深度轮廓成像。RGBZ像素单元信元可以具有共享同一存储电容器和/或具有如上关于图4至图16所讨论的其它特征中任何一个的RGB像素信元，。尽管基本实施例包括用于可见图像采集的RGB像素，但是其他实施例可以使用不同颜色的像素方案(例如，青色、品红色和黄色)。

图像传感器1703还可以包括用于数字化来自图像传感器的信号的ADC电路和用于为像素阵列和ADC电路产生时钟和控制信号的定时和控制电路。

平面板1702可以包括信号迹线，以将由ADC电路提供的数字信息传送到连接器1701，以便由主计算系统的高端部件进行处理，例如图像信号处理管线(例如集成在应用处理器上)。

相机透镜模块1704集成在RGBZ图像传感器1703上方。相机透镜模块1704包含具有一个或多个透镜，以将接收的光聚焦到图像传感器1703的系统。由于相机透镜模块对可见光的接收可能干扰图像传感器的飞行时间像素信元对IR光的接收，反过来，由于相机模块对IR光的接收可能干扰图像传感器的RGB像素信元对可见光的接收，因此图像传感器的像素阵列和透镜模块1703中任一个或者两者可以包含具有滤光器系统，该滤光器被布置为基本上阻挡将由RGB像素信元接收的IR光，并且基本上阻挡将由飞行时间像素信元接收的可见光。

由光圈1706下面的光源阵列1707组成的照明器1705也安装在平面板1702上。光源阵列1707可以实现在安装到平面板1701的半导体芯片上。光源驱动器联接到光源阵列，以使其发射具有特定强度和经调制的波形的光。

在一个实施例中，图17的集成系统1700支持三种操作模式：1)2D模式；3)3D模式；和3)2D/3D模式。在2D模式的情况下，系统表现为传统相机。因此，照明器1705被禁用，并且图像传感器用于通过其RGB像素信元接收可见光图像。在3D模式的情况下，系统采集在照明器1705的视场中的对象的飞行时间深度信息。因此，启用照明器1705并发射IR光(例如，以关-开-关...的序列)到对象上。IR光从对象反射、通过相机透镜模块1504被接收，并且由图像传感器的Z像素感测。在2D/3D模式的情况下，如上所述2D和3D模式同时有效。

图18示出了诸如个人计算系统(例如，台式机或膝上型计算机)或移动或手持计算系统(例如平板设备或智能电话)的示例性计算系统1800的示意图。如图18所示，基本计算系统可以包括设置在应用处理器或多核处理器1850上的中央处理单元1801(其可以包括例如多个通用处理核)和主存储器控制器1817、系统存储器1802、显示器1803(例如，触摸屏、平板)、本地有线点对点链路(例如USB)接口1804、各种网络I/O功能1805(例如以太网接口和/或蜂窝调制解调器子系统)、无线局域网(例如，WiFi)接口1806、无线点对点链路(例如，蓝牙)接口1807和全球定位系统接口1808、各种传感器1809_1至1809_N、一个或多个相机1810、电池1811、电源管理控制单元1812、扬声器和麦克风1813和音频编码器/解码器1814。

应用处理器或多核处理器1850可以包括在其CPU 1801内的一个或多个通用处理核1815、一个或多个图形处理单元1816、主存储器控制器1817、I/O控制功能1818和一个或多个图像信号处理器管线1819。通用处理核1815通常执行计算系统的操作系统和应用软件。图形处理单元1816通常执行图形密集功能，以例如产生呈现在显示器1803上的图形信息。存储器控制功能1817与系统存储器1802接口接合。图像信号处理管线1819从相机接收图像信息，且处理原始图像信息以供下游使用。电源管理控制单元1812通常控制系统1800的电力消耗。

触摸屏显示器1803、通信接口1804-1807、GPS接口1808、传感器1809、相机1810和扬声器/麦克风1813、编码解码器1814中的每一个相对于整个计算系统都可以被视为各种形式的I/O(输入和/或输出)，在适当时，整个计算系统还包括集成外围设备(例如，一个或多个相机1810)。取决于实施方式，这些I/O部件中的各种I/O部件可以集成在应用处理器/多核处理器1850上，或者可以位于晶片外或应用处理器/多核处理器1850的封装件之外。

在一个实施例中，一个或多个相机1810包括具有RGBZ单元信元的RGBZ图像传感器，在RGBZ单元信元中，可见光像素信元共享同一存储电容器，和/或RGBZ单元信元包括如上关于图4至图16所讨论的其它特征中的任何一个。应用处理器或其他处理器的通用CPU核(或具有执行程序代码的指令执行管线的其它功能块)上执行的应用软件、操作系统软件、设备驱动软件和/或固件可以将命令引导至相机系统并可以从相机系统接收图像数据。

在命令的情况下，命令可以包括进入或退出如上讨论的2D、3D或2D/3D系统状态中的任一个。

本发明的实施例可以包括如上所述的各种过程。所述过程可以以机器可执行指令体现。指令可以用于使通用处理器或专用处理器执行某些过程。替代地，这些过程可以由包含用于执行过程的硬连线逻辑的特定硬件部件或者由编程的计算机部件和定制硬件部件的任何组合来执行。

本发明的要素还可以被提供为用于存储机器可执行指令的机器可读介质。机器可读介质可以包括但不限于，软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘、FLASH存储器、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、传播介质或其他类型的适合于存储电子指令的介质/机器可读介质。例如，本发明可以作为计算机程序被下载，该计算机程序可以通过以载波或其他传播体现的数据信号经由通信链路(例如，调制解调器或网络连接)从远程计算机(例如，服务器)传送到请求计算机(例如，客户端)。

在前述说明书中，参照本发明的具体示例性实施例已经描述了本发明。然而，显而易见的是，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。