專利名稱：雙轉(zhuǎn)換增益柵極與電容器的組合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及數(shù)字圖像傳感器，且明確地說涉及雙轉(zhuǎn)換增益成像器。
技術(shù)背景成像裝置，包含電荷耦合裝置(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)成像器， 普遍用于光成像應(yīng)用中。通常，數(shù)字成像器陣列包含像素單元的焦平面陣列，所述單元的每一者包含光電傳 感器(例如，光柵、光電導(dǎo)體或光電二極管)。在CMOS成像器中，通常包含源極跟隨 器輸出晶體管的讀出電路連接到每一像素單元。光電傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電子，所述電 子通常轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，例如連接到源極跟隨器輸出晶體管的柵極的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。可包 含電荷轉(zhuǎn)移裝置(例如，晶體管)，用于將來自光電傳感器的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。另 外，此類成像器單元通常具有用于在電荷轉(zhuǎn)移之前將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)復(fù)位到預(yù)定電荷電平的晶 體管。源極跟隨器晶體管的輸出由行選擇晶體管選通為像素輸出信號(hào)。舉例來說，在第6,140,630號(hào)美國(guó)專利、第6,376,868號(hào)美國(guó)專利、第6,310,366號(hào)美 國(guó)專利、第6,326,652號(hào)美國(guó)專利、第6,204,524號(hào)美國(guó)專利和第6,333,205號(hào)美國(guó)專利(其 每一者轉(zhuǎn)讓給Micron Technology公司)中描述了示范性CMOS成像電路、其處理步驟和 成像電路的各種CMOS元件的功能的詳細(xì)描述。以上專利的每一者的揭示內(nèi)容全文以引 用的方式并入本文中。參看圖1和2，其分別說明常規(guī)CMOS像素單元100的俯視和橫截面圖，當(dāng)入射光 187撞擊光電二極管光電傳感器120的表面時(shí)，光電二極管光電傳感器120的p-n結(jié)(表 示在n-聚積區(qū)122與p+表面層123的邊界處)中產(chǎn)生電子/空穴對(duì)。所產(chǎn)生的電子(光電 荷)被收集在光電傳感器120的n型聚積區(qū)122中。光電荷經(jīng)由轉(zhuǎn)移晶體管106從初始 電荷聚積區(qū)122移動(dòng)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)110。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)110處的電荷通常由源極跟隨器晶體 管108轉(zhuǎn)換為像素輸出電壓，并隨后經(jīng)由行選擇晶體管109而在列輸出線lll上輸出。常規(guī)CMOS成像器設(shè)計(jì)(例如圖1中針對(duì)像素單元100所示的CMOS成像器設(shè)計(jì)) 提供大約百分之五十的填充因數(shù)，意味著單元100中僅一半致力于將光轉(zhuǎn)換為電荷載流 子。如圖所示，單元100中僅一小部分包括光電傳感器120 (例如，光電二極管)。像素 單元100的其余部分包含隔離區(qū)102 (展示為襯底101中的STI區(qū))、耦合到轉(zhuǎn)移晶體管106的轉(zhuǎn)移柵極106'的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)110，以及用于具有各自柵極107'、 108鄰109'的復(fù)位 107、源極跟隨器108和行選擇109晶體管的源極/漏極區(qū)115。在常規(guī)像素單元100布局 中，復(fù)位、源極跟隨器和行選擇晶體管柵極107'、 108'和109'的每一者連續(xù)對(duì)準(zhǔn)，從而共 用源極/漏極區(qū)115并需要用于每一像素單元100的有效表面積。隨著像素的比例縮放持 續(xù)減小像素100總面積，形成利用最少量的表面積的高敏感性光電傳感器，或找到較有 效的像素單元布局以使像素單元的非光敏組件所需的面積最小化以便維持用于光電傳感 器的相對(duì)較大的面積，變得越來越重要。另外，常規(guī)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，例如浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)IIO，具有有限量的電荷存儲(chǔ)容量。 一旦達(dá)到 此容量，像素單元就變得較低效。明確地說，不能利用可用于像素單元的完整動(dòng)態(tài)范圍。 一旦超過電荷存儲(chǔ)容量，就會(huì)發(fā)生稱為"溢出"的不合需要的現(xiàn)象，借此"超過容量" 的電荷逃逸到像素單元100的不合需要的部分或逃逸到鄰近的像素單元。 一種所提議的 用于處理這種有限電荷存儲(chǔ)容量的解決方案是添加連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)110的電容器。所 述電容器用于存儲(chǔ)額外的超過容量的電荷，因此電荷不會(huì)流動(dòng)到單元的其它區(qū)域或鄰近 的單元。然而，這種解決方案的問題是，額外的電容器占據(jù)單元中原本可用于增加單元 的光電傳感器的尺寸的空間，進(jìn)而減小像素單元和整個(gè)陣列的潛在填充因數(shù)。因此，需要且希望增加成像器像素單元的填充因數(shù)和存儲(chǔ)容量。進(jìn)而本發(fā)明的雙轉(zhuǎn) 換增益柵極在低光和高光條件下提供良好的敏感性。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在各個(gè)示范性實(shí)施例中提供一種具有雙轉(zhuǎn)換增益的像素單元陣列結(jié)構(gòu)。雙轉(zhuǎn) 換增益元件耦合在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)與各自存儲(chǔ)電容器之間。具有控制柵極的所述雙轉(zhuǎn)換增益 元件接入所述電容器的電容，以將所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的轉(zhuǎn)換增益從第一轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)榈?二轉(zhuǎn)換增益。為了增加空間的有效使用，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件柵極還充當(dāng)所述電容器的 底板。在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例中，高動(dòng)態(tài)范圍晶體管結(jié)合具有電容器-DCG柵極組合的 像素單元而使用；在另一實(shí)施例中，鄰近的像素共用像素組件，包含所述電容器-DCG組合o


從以下參看附圖提供的示范性實(shí)施例的具體實(shí)施方式
中將更明白本發(fā)明的以上和其 它優(yōu)點(diǎn)及特征，附圖中圖1是常規(guī)CM0S像素單元的俯視圖；圖2是圖1的像素單元沿著線l-l'截取的橫截面圖圖3是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例構(gòu)造的CMOS像素單元陣列的一部分的俯視圖； 圖4是圖3中描繪的示范性實(shí)施例的電路圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例圖3的像素單元陣列的操作的時(shí)序圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一示范性實(shí)施例構(gòu)造的CMOS像素單元陣列的一部分的俯視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一示范性實(shí)施例的電路圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明另一示范性實(shí)施例圖6的像素單元陣列的時(shí)序圖； 圖9是具有根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的像素單元陣列的CMOS成像器芯片的框圖；以及 圖IO是使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的CMOS成像器的處理系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
在以下具體實(shí)施方式
中，參看附圖，附圖形成具體實(shí)施方式
的一部分且以說明的方 式展示可實(shí)踐本發(fā)明的特定實(shí)施例。充分詳細(xì)地描述這些實(shí)施例以使所屬領(lǐng)域的技術(shù)人 員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，且應(yīng)了解，可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下利用其它實(shí)施 例且可作出結(jié)構(gòu)、邏輯和電氣方面的變化。所描述的處理步驟的進(jìn)程示范本發(fā)明實(shí)施例； 然而，步驟的次序不限于本文所陳述的次序，且可發(fā)生改變(如此項(xiàng)技術(shù)中已知)，除了 必須以某一次序發(fā)生的步驟之外。如本文使用的術(shù)語，"晶片"和"襯底"應(yīng)理解為包含硅、外延、絕緣體上硅(SOI) 或藍(lán)寶石上硅(SOS)技術(shù)、摻雜和未摻雜的半導(dǎo)體，以及其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。此外，以下描述中引用"晶片"或"襯底"時(shí)，可能已利用先前處理步驟在基礎(chǔ)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或基 底中或上方形成了區(qū)、結(jié)或材料層。另外，半導(dǎo)體不需要基于硅，而是可基于硅-鍺、鍺、 砷化鎵或其它半導(dǎo)體。如本文使用的術(shù)語"像素"是指含有用于將光子轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電傳感器和相關(guān) 聯(lián)的晶體管的光電元件單位單元。出于說明的目的，圖中以及本文描述內(nèi)容中說明較小數(shù)目的代表性像素單元；然而，通常大量多個(gè)相似像素單元的制造同時(shí)進(jìn)行。因此，不 應(yīng)在限制意義上理解以下具體實(shí)施方式
，且本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書界定。如本文使用的術(shù)語"以一角度"、"成角度"和"傾斜"應(yīng)解釋為意味著相對(duì)于某一 規(guī)定參考點(diǎn)以任何角度，其并不完全平行或完全垂直。因此，當(dāng)物體的一部分與某一參 考點(diǎn)匯合以形成非0。、 90°或180。的角度時(shí)，認(rèn)為所述物體相對(duì)于所述參考點(diǎn)"成角度"、 "以一角度"或"傾斜"。本發(fā)明大體上涉及一種充當(dāng)像素單元中的存儲(chǔ)電容器的底板的雙轉(zhuǎn)換增益元件柵 極。所述電容器用于在需要時(shí)增加像素單元的電荷容量。雙轉(zhuǎn)換增益(DCG)柵極改進(jìn) 光性能，同時(shí)提供像素單元的寬動(dòng)態(tài)范圍。發(fā)明性組合提供有效的像素陣列結(jié)構(gòu)，其增 加陣列中像素單元的填充因數(shù)。在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例中，高動(dòng)態(tài)范圍晶體管(HDR) 結(jié)合具有電容器-DCG柵極組合的像素單元而使用；在另一實(shí)施例中，鄰近的像素共用像 素組件，包含電容器-DCG組合。參看圖3-4，結(jié)合4向共用像素電路450說明組合的電容器-雙轉(zhuǎn)換增益元件柵極的 一個(gè)示范性實(shí)施例。圖3中說明含有像素電路450的襯底的俯視圖。圖4中說明圖3的 像素單元450的電路圖。如圖4所示，像素電路450包括四個(gè)像素單元450a、450b、 450c、 450d的若干部分。所說明的共用像素電路450還包含共用的雙轉(zhuǎn)換增益(DCG)晶體管 406、電容器408、復(fù)位晶體管410、源極跟隨器晶體管412、行選擇晶體管414和浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)400。如下文更詳細(xì)地論述，DCG晶體管406的柵極還充當(dāng)電容器408的一個(gè)板。第一像素單元450a包含第一光電傳感器401a(說明為光電二極管)和第一電荷轉(zhuǎn)移 晶體管416a。第一高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)晶體管418a視需要可以是像素單元450a的一部 分。第一 HDR晶體管418a連接在光電傳感器401a與像素電源電壓VAA_PIX之間。HDR 晶體管418a的柵極端子(如果使用的話)經(jīng)連接以接收第一行高動(dòng)態(tài)范圍控制信號(hào) HDR<0>。當(dāng)接收控制信號(hào)HDR〈0〉時(shí)，HDR晶體管418a允許從光電傳感器401a排出 一些電荷。第一轉(zhuǎn)移晶體管416a連接在第一光電傳感器401a與共用的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400之間， 且可由第一行偶數(shù)轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TX—EVEN〈0〉控制。當(dāng)產(chǎn)生第一偶數(shù)轉(zhuǎn)移柵極控制 信號(hào)TX—EVEN〈0〉時(shí)，第一轉(zhuǎn)移晶體管416a被激活，其允許來自第一光電傳感器401a 的電荷流動(dòng)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400。第二像素單元450b包含第二光電傳感器401b (說明為光電二極管)和第二轉(zhuǎn)移晶 體管416b。第二HDR晶體管418b視需要可以是像素單元450b的一部分。HDR晶體管 418b連接在光電傳感器401b與像素電源電壓VAA_PIX之間。HDR晶體管418b的柵極 端子經(jīng)連接以接收第一行高動(dòng)態(tài)范圍控制信號(hào)HDR<0>。當(dāng)接收控制信號(hào)HDR〈(^時(shí)， 晶體管418b允許從光電傳感器401b排出一些電荷。第二轉(zhuǎn)移晶體管416b連接在第二光電傳感器401b與共用的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400之間， 且可由第一行奇數(shù)轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TX一ODD〈0〉控制。當(dāng)產(chǎn)生第一行奇數(shù)轉(zhuǎn)移柵極控 制信號(hào)TX—ODD〈0〉時(shí)，第二轉(zhuǎn)移晶體管416b被激活，其允許來自第二光電傳感器401b的電荷流動(dòng)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400。第三像素單元450c包含第三光電傳感器401c (說明為光電二極管)和第三轉(zhuǎn)移晶體 管416c。第三HDR晶體管418c視需要可以是像素單元450c的一部分。HDR晶體管418c 連接在光電傳感器401c與像素電源電壓VAA一PIX之間。第三HDR晶體管418c的柵極 端子經(jīng)連接以接收第二行高動(dòng)態(tài)范圍控制信號(hào)HDR<1>。當(dāng)接收控制信號(hào)HDRd〉時(shí)， 晶體管418c允許從光電傳感器401c排出一些電荷。第三轉(zhuǎn)移晶體管416c連接在第三光電傳感器401c與共用的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400之間， 且可由第二行偶數(shù)行轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TX—EVEN〈b控制。當(dāng)產(chǎn)生第二行偶數(shù)轉(zhuǎn)移柵極 控制信號(hào)TX一EVEN〈b時(shí)，第三轉(zhuǎn)移晶體管416c被激活，其允許來自第三光電傳感器 401c的電荷流動(dòng)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400。第四像素單元450d包含第四光電傳感器401d (說明為光電二極管)和第四轉(zhuǎn)移晶 體管416d。第四HDR晶體管418d視需要可以是像素單元401d的一部分。第四HDR晶 體管418d連接在光電傳感器401d與像素電源電壓VAA一PIX之間。第四HDR晶體管418d 的柵極端子經(jīng)連接以接收第二行高動(dòng)態(tài)范圍控制信號(hào)HDRd〉。當(dāng)接收控制信號(hào)HDR〈b 時(shí)，晶體管允許從光電傳感器401d排出一些電荷。第四轉(zhuǎn)移晶體管416d連接在第四光電傳感器401d與共用的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400之間， 且可由第二奇數(shù)轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TX一ODDd〉控制。當(dāng)產(chǎn)生第二奇數(shù)轉(zhuǎn)移柵極控制信 號(hào)TX—ODD〈b時(shí)，第四轉(zhuǎn)移晶體管416d被激活，其允許來自第四光電傳感器401d的 電荷流動(dòng)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400。電容器-DCG柵極組合408、 406由所有四個(gè)像素單元450a、 450b、 450c、 450d共用。 電容器408從DCG柵極電壓接收電源電壓。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400連接到DCG晶體管406的 漏極。DCG晶體管406的源極連接到電容器408的板。四個(gè)光電傳感器401a、401b、401c、 401d每一者與鄰近的像素共用轉(zhuǎn)移晶體管416a、 416b、 416c、 416d的一柵極，然而，每 一光電傳感器401a、 401b、 401c、 401d具有其自身的轉(zhuǎn)移晶體管416a、 416b、 416c、 416d。 源極跟隨器晶體管的源極/漏極端子連接到陣列像素電源電壓VAA一PIX。行選擇晶體管 414連接在源極跟隨器晶體管412與列線之間。HDR晶體管418a、 418b、 418c、 418d的 每一者共用一漏極接點(diǎn)。應(yīng)注意，HDR晶體管418a、 418b、 418c、 418d是實(shí)踐本發(fā)明所 不一定需要的任選組件。電容器-DCG柵極組合408、 406的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)空間的有效使用。如上文注意到， DCG柵極406充當(dāng)電容器408的底板，其減少了為電容器408制造兩個(gè)板的需要。復(fù)位晶體管410連接在陣列像素電源電壓VAA一PIX與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400之間。電容器 408連接在DCG晶體管406的柵極端子與DCG晶體管406的源極之間。DCG晶體管406 的柵極連接到雙轉(zhuǎn)換增益控制信號(hào)DCG。當(dāng)產(chǎn)生雙轉(zhuǎn)換增益信號(hào)DCG時(shí)，DCG晶體管 406被激活，其將電容器408的存儲(chǔ)電容連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400。這增加了浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū) 400的存儲(chǔ)容量，其是合乎需要的且減輕了浮動(dòng)擴(kuò)散泄漏問題。如上文所陳述，像素單 元450a、 450b、 450c、 450d共用源極跟隨器晶體管412、復(fù)位晶體管410和行選擇晶體 管414。每一轉(zhuǎn)移柵極416a、 416b、 416c、 416d獨(dú)立于其它光電傳感器401a、 401b、 401c、 401d而將電荷轉(zhuǎn)移到共用的浮動(dòng)擴(kuò)散400。這個(gè)共用的像素單元450布置由于像素組件 400、 414、 410、 412、 418的共用和組合的DCG柵極與電容器板的緣故而允許每一光電 傳感器401a、 401b、 401c、 401d維持較大。在上文描述的示范性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)移柵極416 (圖3)的至少一部分具有相對(duì)于光電 傳感器401a、 401b、 401c、 401d成角度的邊緣。舉例來說，參看圖3，轉(zhuǎn)移柵極416a、 416b、 416c、 416d的側(cè)部展示為傾斜的，其實(shí)現(xiàn)較大的光電傳感器401a、 401b、 401c、 401d。轉(zhuǎn)移柵極416a、 416b、 416c、 416d的這種成角度的幾何形狀實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移柵極的有效 布局。另外，這種成角度的布局還有益于通過使用于每一像素單元450a、 450b、 450c、 450d的光電傳感器401a、 401b、 401c、 401d的面積最大而使像素單元450的填充因數(shù)最 大。圖5是說明圖3-4中所說明的四向像素單元450的一部分的一個(gè)示范性操作的時(shí)序 圖。僅出于清楚的目的，所述時(shí)序圖說明第一像素單元450a的操作。應(yīng)注意，電路450 的操作將針對(duì)像素單元450b、 450c、 450d的操作重復(fù)以下步驟。由于剩余像素單元450b、 450c、 450d的操作基本上相同(具有以下提到的例外)，所以不提供對(duì)像素450b、 450c、 450d的操作的詳細(xì)描述。圖5將行選擇信號(hào)ROW說明在某些實(shí)例中被切換為高和低。 此控制信號(hào)在低時(shí)有效。應(yīng)了解，如果需要，可在所有三個(gè)時(shí)間周期Ta、 Tb、 Te期間保 持施加行選擇信號(hào)ROW。所述時(shí)序圖說明三個(gè)周期Ta、 Tb、 Te。在第一時(shí)間周期Ta期間，將行選擇信號(hào)ROW施加到行選擇晶體管414的柵極(圖5中展示為低有效)。應(yīng)了解，圖5是示范性時(shí)序圖， 且圖5中將信號(hào)說明為低有效還是高有效并不重要。實(shí)踐本發(fā)明所需做的是使所說明的 信號(hào)激活所述信號(hào)正控制的組件。當(dāng)行選擇晶體管414接通時(shí)，通過斷言復(fù)位控制信號(hào)RST (圖5中展示為低有效) 來將像素電路450的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400復(fù)位。這促使將陣列像素電源電壓VAA—PIX施加到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400 (通過復(fù)位晶體管410)。通過激活DCG晶體管406 (DCG的脈沖)將 DCG柵極電壓施加到電容器408。與經(jīng)復(fù)位的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400相關(guān)聯(lián)的復(fù)位信號(hào)電壓Vrst (如由源極跟隨器晶體管412和被激活的行選擇晶體管414輸出)被施加到連接到取樣與 保持電路265 (圖9)的列線，并接著通過復(fù)位取樣與保持信號(hào)SHR的脈沖而進(jìn)行取樣 與保持(針對(duì)第一像素單元450a)。在第二時(shí)間周期Tb期間，當(dāng)?shù)谝慌紨?shù)轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TX—EVEN〈0〉被斷言(圖5 中展示為低有效)并激活第一轉(zhuǎn)移晶體管416a時(shí)，累積在第一光電傳感器450a中的電 荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400。與存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400中的第一像素單元450a像素信號(hào)電 荷相關(guān)聯(lián)的像素信號(hào)電壓Vsigl (如由源極跟隨器晶體管412和被激活的行選擇晶體管 414輸出)被施加到連接到取樣與保持電路265 (圖9)的列線，并接著通過取樣與保持 像素信號(hào)SHS的脈沖而進(jìn)行取樣與保持。為了增加像素單元450a的電荷存儲(chǔ)容量，在第三時(shí)間周期Te期間執(zhí)行以下操作。 應(yīng)注意，可針對(duì)每個(gè)讀出操作或僅在需要避免上文描述的超過容量的情形時(shí)(即，當(dāng)控 制器或圖像處理器確定入射光的量將導(dǎo)致浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400飽和時(shí))執(zhí)行以下第三時(shí)間周 期Te操作。在第三時(shí)間周期Tc期間，施加雙轉(zhuǎn)換增益控制信號(hào)DCG (圖5中展示為低有效)。 這促使DCG晶體管406變?yōu)橛行В鋵⒏?dòng)擴(kuò)散區(qū)400連接到電容器408。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū) 400內(nèi)的電荷還流動(dòng)到電容器408并存儲(chǔ)在電容器408中。施加第一偶數(shù)轉(zhuǎn)移柵極控制 信號(hào)TX—EVEN<0> (圖5中展示為低有效)以激活第一轉(zhuǎn)移晶體管416a。來自第一光電 傳感器401a的剩余多余電荷存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400中。與存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)400中的多 余像素信號(hào)電荷相關(guān)聯(lián)的新的像素信號(hào)電壓Vsig2(如由源極跟隨器晶體管412和被激活 的行選擇晶體管414輸出)被施加到連接到取樣與保持電路265 (圖9)的列線，并接著 通過第三取樣與保持像素信號(hào)(高有效)SHD的脈沖而進(jìn)行取樣與保持(針對(duì)第一像素 單元450a)。針對(duì)像素450a的三個(gè)經(jīng)取樣與保持的信號(hào)接著可經(jīng)歷相關(guān)取樣操作以獲得 每一轉(zhuǎn)換增益的實(shí)際像素信號(hào)電平(例如，Vrst-Vsigl和Vrst-Vsig2)。這些信號(hào)均可轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送到下文論述的圖像處理器280，或者僅選擇兩個(gè)信號(hào)中的一者，將 其轉(zhuǎn)換并發(fā)送到圖像處理器280。接著針對(duì)剩余像素450b、 450c、 450d重復(fù)所述操作。應(yīng)注意，對(duì)于剩余像素450b、 450c、 450d,將進(jìn)行相同操作，只是轉(zhuǎn)移柵極416b、 416c、 416d分別由轉(zhuǎn)移柵極控制信 號(hào)TX—EVEN〈1〉、 TX—ODD<0>、 TX—0DD〈1〉控制。應(yīng)注意，如果在像素電路450中使用HDR晶體管418a、 418b、 418c、 418d，那么將在所有三個(gè)時(shí)間周期L、 Tb、 Te期間施加分別針對(duì)第一和第二像素行的高動(dòng)態(tài)范圍控制信號(hào)HDR〈0〉、 HDR〈1〉以確保HDR晶體管418a、 418b、 418c、 418d在讀出操作期間保 持有效。這通過從光電傳感器401a、 401b、 401c、 401d排出一些電荷而防止在讀出過程 期間發(fā)生溢出和其它現(xiàn)象。在根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例中，非共用像素單元利用電容器-DCG組合。圖6 說明根據(jù)本發(fā)明此實(shí)施例的成像器像素單元550的俯視圖。圖7說明圖6中所說明的像 素單元550的電路圖。圖6-7描繪六晶體管喇叭形像素，其具有DCG晶體管506、 HDR 晶體管518、復(fù)位晶體管510、行選擇晶體管514、轉(zhuǎn)移晶體管516和源極跟隨器晶體管 512。包括復(fù)位晶體管510、行選擇晶體管514和源極跟隨器晶體管512的讀出干線橫向 位于光電傳感器501的左側(cè)。光電傳感器501連接到HDR晶體管518和轉(zhuǎn)移晶體管516。 轉(zhuǎn)移晶體管516可由轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TX控制。當(dāng)產(chǎn)生所述信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)移晶體管516 將由光電傳感器501收集的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500。源極跟隨器晶體管512的柵極 連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500。源極跟隨器晶體管512的源極/漏極端子連接到陣列像素電源電 壓VAA—PIX。行選擇晶體管514連接在源極跟隨器晶體管512與列線535之間。復(fù)位晶體管510連接在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500與陣列像素電源電壓VAA一PIX之間。復(fù)位晶 體管510在轉(zhuǎn)移晶體管516轉(zhuǎn)移電荷之前將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500復(fù)位。DCG晶體管506在浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500與電容器508之間。DCG晶體管506的柵極充當(dāng)電容器508的底板。DCG 晶體管506的柵極經(jīng)連接以接收雙轉(zhuǎn)換增益控制信號(hào)DCG。當(dāng)產(chǎn)生雙轉(zhuǎn)換增益控制信號(hào) DCG時(shí)，DCG晶體管506被激活，其將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500連接到電容器508。與前一實(shí)施 例中一樣，電容器508的一個(gè)板也是DCG晶體管506的柵極并從用于DCG晶體管506 的柵極控制信號(hào)接收電壓。圖8是說明圖6-7中所說明的像素單元550的示范性操作的時(shí)序圖。所述時(shí)序圖說明三個(gè)周期Ta、 Tb、 Te。在第一時(shí)間周期Ta期間，將行選擇信號(hào)ROW施加到行選擇晶體管514的柵極(圖8中展示為低有效)。應(yīng)了解，圖8是示范性時(shí)序圖，且圖8中將信 號(hào)說明為低有效還是高有效并不重要。實(shí)踐本發(fā)明所需做的僅僅是使所說明的控制信號(hào) 激活所述信號(hào)正控制的組件。同時(shí)通過斷言復(fù)位控制信號(hào)RST (圖8中展示為低有效)來將像素單元550的浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)500復(fù)位。這促使通過復(fù)位晶體管510將陣列像素電源電壓VAA—PIX施加到浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)500。與經(jīng)復(fù)位的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500相關(guān)聯(lián)的復(fù)位信號(hào)電壓Vrst(如由源極跟隨器晶體管512和被激活的行選擇晶體管512輸出)施加到連接到取樣與保持電路265 (圖9) 的列線并接著通過脈沖復(fù)位取樣與保持信號(hào)SHR (高有效)而取樣與保持。在第二時(shí)間周期Tb期間，當(dāng)轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TX被斷言(圖8中展示為低有效) 并激活TX晶體管516時(shí)，累積在光電傳感器501中的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500。與存 儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500中的像素信號(hào)電荷相關(guān)聯(lián)的像素信號(hào)電壓Vsigl(如由源極跟隨器晶 體管512和被激活的行選擇晶體管514輸出)被施加到連接到取樣與保持電路265(圖9) 的列線并接著通過取樣與保持像素信號(hào)SHS的脈沖(高有效)而進(jìn)行取樣與保持。為了增加像素單元550的電荷存儲(chǔ)容量，在第三時(shí)間周期Te期間執(zhí)行以下操作。應(yīng) 注意，可針對(duì)每個(gè)讀出操作或僅在需要避免上文描述的超過容量的情形時(shí)(即，當(dāng)控制 器或圖像處理器確定入射光的量將導(dǎo)致浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)飽和時(shí))執(zhí)行以下第三時(shí)間周期Tc操 作。在第三時(shí)間周期Te期間，施加雙轉(zhuǎn)換增益控制信號(hào)DCG (圖8中展示為低有效)。 這促使DCG晶體管506變?yōu)橛行В鋵⒏?dòng)擴(kuò)散區(qū)500連接到電容器508。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū) 500內(nèi)的全部電荷還流動(dòng)到電容器508并存儲(chǔ)在電容器508中。施加轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào) (圖8中展示為低有效)以激活轉(zhuǎn)移晶體管516。來自光電傳感器501的剩余電荷存儲(chǔ)在 浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500中。與存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)500中的像素信號(hào)電荷相關(guān)聯(lián)的新的像素信號(hào) 電壓Vsig2 (如由源極跟隨器晶體管512和被激活的行選擇晶體管514輸出)被施加到連 接到取樣與保持電路265 (圖9)的列線并接著通過第三取樣與保持像素信號(hào)SHD (高有 效)的脈沖而進(jìn)行取樣與保持。三個(gè)經(jīng)取樣與保持的信號(hào)接著可經(jīng)歷相關(guān)取樣操作以獲 得實(shí)際像素信號(hào)電平(例如，(Vrst-Vsigl)、 (Vrst-Vsig2))。如同在第一實(shí)施例中，所述 信號(hào)兩者均可轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送到圖像處理器280,或者可僅選擇兩個(gè)信號(hào)中的一 者以轉(zhuǎn)換并發(fā)送到圖像處理器280。應(yīng)注意，如果在像素電路550中使用HDR晶體管518，那么將在所有三個(gè)時(shí)間周期 Ta、 Tb、 Te期間施加高動(dòng)態(tài)范圍控制信號(hào)HDR以確保HDR晶體管518在電荷積累操作 期間保持有效。此光電傳感器防止發(fā)生溢出?？墒褂靡阎木w管制造方法以圖3和6中所說明的具體化布局形成本文描述的晶 體管，而在襯底中形成上文描述的像素結(jié)構(gòu)。光電傳感器401a、 401b、 401c、 401d、 501 可形成為用于將光的光子轉(zhuǎn)換為電子(光電荷)的任何適宜的光敏結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選實(shí)施例 中，光電傳感器401a、 401b、 401c、 401d、 501是釘扎光電二極管，然而，其可形成為 光柵、肖特基二極管，或形成為與本發(fā)明兼容的另一光電感測(cè)裝置。圖9說明具有由根據(jù)上文描述的組合的雙轉(zhuǎn)換增益晶體管與電容器實(shí)施例而構(gòu)造的 像素單元(即，像素450a、 450b、 450c、 450d (圖3)、像素550 (圖6))形成的像素陣 列200的示范性CMOS成像器300的框圖。像素陣列200包括布置在預(yù)定數(shù)目的列和行 (未圖示)中的多個(gè)像素單元。附接到陣列200的是信號(hào)處理電路，如本文所描述。陣列 200中的每一行的像素單元可同時(shí)操作，且每一列的像素單元由各自列選擇線選擇性地 輸出。為整個(gè)陣列200提供多個(gè)行線和列線。行線由行驅(qū)動(dòng)器210響應(yīng)于行地址解碼器 220而選擇性地激活。列選擇線由列驅(qū)動(dòng)器260響應(yīng)于列地址解碼器270而選擇性地激 活。因此，為每一像素單元提供行和列地址。CMOS成像器300由時(shí)序與控制電路250操作，所述時(shí)序與控制電路250控制地址 解碼器220、 270以便選擇適當(dāng)?shù)男芯€和列線用于像素讀出?？刂齐娐?50還控制行和列 驅(qū)動(dòng)器電路210、 260以使得這些驅(qū)動(dòng)器電路將驅(qū)動(dòng)電壓施加到選定的行線和列線的驅(qū)動(dòng) 晶體管。通常包含像素復(fù)位信號(hào)(Vrst)和像素圖像信號(hào)(Vsigl、 Vsig2)的像素列信號(hào) 由與列驅(qū)動(dòng)器260相關(guān)聯(lián)的取樣與保持電路265讀取。放大器267針對(duì)每一像素產(chǎn)生一 信號(hào)。所述信號(hào)由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器275 (ADC)數(shù)字化。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器275將經(jīng) 數(shù)字化的像素信號(hào)供應(yīng)到圖像處理器280，所述圖像處理器280形成并輸出數(shù)字圖像。圖10展示包含根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例而構(gòu)造的成像器300的處理器系統(tǒng)308。處理器系 統(tǒng)308可以是數(shù)碼相機(jī)或其它成像系統(tǒng)的一部分。成像器300可從系統(tǒng)308接收控制或 其它數(shù)據(jù)。系統(tǒng)308包含處理器302,其具有用于圖像處理或其它圖像操縱操作的中央 處理單元(CPU)。處理器302通過總線304與各種裝置通信。連接到總線304的一些裝 置提供進(jìn)入和離開系統(tǒng)308的通信；輸入/輸出(I/O)裝置306和成像裝置(即，成像器 300)是此類通信裝置。連接到總線304的其它裝置提供存儲(chǔ)器，例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM) 310或可移除存儲(chǔ)器315。上述過程和裝置說明優(yōu)選方法和典型裝置，可使用和生產(chǎn)其中的許多裝置。以上描 述和圖式說明實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例。然而，不希望本發(fā)明嚴(yán)格限于 上文描述和說明的實(shí)施例。處于所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的本發(fā)明的任何修改均 應(yīng)視為本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種成像裝置，其包括第一光敏元件；第一轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述第一光敏元件與擴(kuò)散區(qū)之間，所述第一轉(zhuǎn)移晶體管用于將光生電荷從所述第一光敏元件轉(zhuǎn)移到所述擴(kuò)散區(qū)；電容器；以及雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，其耦合在所述擴(kuò)散區(qū)與所述電容器之間，用于將所述擴(kuò)散區(qū)選擇性地連接到所述電容器，所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的柵極形成所述電容器的一個(gè)板。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的成像裝置，其進(jìn)一步包括耦合在復(fù)位電壓線與所述擴(kuò)散區(qū)之 間的復(fù)位元件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的成像裝置，其進(jìn)一步包括耦合在電壓源線與所述第一光敏元 件之間的高動(dòng)態(tài)范圍元件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的成像裝置，其中所述高動(dòng)態(tài)范圍元件可經(jīng)激活以從所述第一 光敏元件排出電荷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的成像裝置，其進(jìn)一步包括第二光敏元件；以及第二轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述第二光敏元件與所述擴(kuò)散區(qū)之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的成像裝置，其進(jìn)一步包括第三光敏元件；第三轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述第三光敏元件與所述擴(kuò)散區(qū)之間； 第四光敏元件；以及第四轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述第四光敏元件與所述擴(kuò)散區(qū)之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的成像裝置，其中當(dāng)所述雙轉(zhuǎn)換晶體管被激活時(shí)，所述電容器 增加所述擴(kuò)散區(qū)的轉(zhuǎn)換增益。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像裝置，其中所述電容器連接在所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的 所述柵極與源極之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像裝置，其中所述第一轉(zhuǎn)移晶體管的至少一部分相對(duì)于所 述光敏元件成一角度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像裝置，其進(jìn)一步包括連接到所述擴(kuò)散區(qū)的讀出干線，所述讀出干線、所述擴(kuò)散區(qū)橫向于所述光敏元件而定位。
11. 一種成像器系統(tǒng)，其包括處理器；以及成像裝置，其連接到所述處理器，所述成像裝置包括-第一光敏元件，第一轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述第一光敏元件與擴(kuò)散區(qū)之間，所述第一轉(zhuǎn)移晶 體管用于將光生電荷從所述第一光敏元件轉(zhuǎn)移到所述擴(kuò)散區(qū)， 電容器，雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，其耦合在所述擴(kuò)散區(qū)與所述電容器之間，用于將所述擴(kuò)散 區(qū)選擇性地連接到所述電容器，所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的柵極形成所述電容器的 一個(gè)板，以及復(fù)位元件，其耦合在復(fù)位電壓與所述擴(kuò)散區(qū)之間。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述成像裝置進(jìn)一步包括耦合在電壓源線與所述 第一光敏元件之間的高動(dòng)態(tài)范圍元件。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述高動(dòng)態(tài)范圍元件可經(jīng)激活以從所述第一光 敏元件排出電荷。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，其中所述成像裝置進(jìn)一步包括第二光敏元件；以及第二轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述第二光敏元件與所述擴(kuò)散區(qū)之間。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述成像裝置進(jìn)一步包括第三光敏元件；第三轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述第三光敏元件與所述擴(kuò)散區(qū)之間； 第四光敏元件；以及第四轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述第四光敏元件與所述擴(kuò)散區(qū)之間。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)所述雙轉(zhuǎn)換增益元件被激活時(shí)，所述電容器增 加所述擴(kuò)散區(qū)的轉(zhuǎn)換增益。
17. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，其中所述電容器連接在所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的所述 柵極與源極之間。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述第一轉(zhuǎn)移晶體管相對(duì)于所述光電傳感器成一 角度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述電容器和連接到擴(kuò)散區(qū)的讀出干線以及所述 第一晶體管橫向于所述光電傳感器而定位。
20. —種操作成像器裝置的方法，其包括將擴(kuò)散區(qū)復(fù)位；將光生電荷存儲(chǔ)在所述擴(kuò)散區(qū)中；激活作為電容器的電極的雙轉(zhuǎn)換增益晶體管柵極，所述電容器的另一電極連接到 所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管；以及將光生電荷存儲(chǔ)在所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管電容器組合電路的所述電容器中。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其進(jìn)一步包括輸出表示所述經(jīng)復(fù)位擴(kuò)散區(qū)的第一信號(hào)； 輸出表示所述存儲(chǔ)的光生電荷的第二信號(hào)；以及 輸出表示所述存儲(chǔ)的額外電荷的第三信號(hào)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其進(jìn)一步包括取樣與保持所述第一、第二和第三信號(hào)；以及使用所述經(jīng)取樣與保持的第一、第二和第三信號(hào)來獲得相關(guān)輸出值。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其進(jìn)一步包括從光敏裝置排出多余電荷的動(dòng)作。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述存儲(chǔ)光生電荷的動(dòng)作包括經(jīng)由轉(zhuǎn)移元件將 所述電荷從光敏元件轉(zhuǎn)移到所述第一擴(kuò)散區(qū)的動(dòng)作。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述將光生電荷存儲(chǔ)在所述電容器中的動(dòng)作進(jìn) 一步包括確定所述存儲(chǔ)的光生電荷是否超過預(yù)定電平；以及如果所述存儲(chǔ)的光生電荷超過所述預(yù)定電平，那么激活所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管電 容器組合電路的所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，并將所述轉(zhuǎn)移的所存儲(chǔ)光生電荷存儲(chǔ)在所 述電容器中。
26. —種制造成像裝置的方法，其包括提供第一光敏元件；提供第一轉(zhuǎn)移晶體管，所述第一轉(zhuǎn)移晶體管耦合在所述第一光敏元件與擴(kuò)散區(qū)之 間，所述第一轉(zhuǎn)移晶體管用于將光生電荷從所述第一光敏元件轉(zhuǎn)移到所述擴(kuò)散區(qū)； 以及提供雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管耦合在所述擴(kuò)散區(qū)與電容器之間，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件當(dāng)被激活時(shí)用于將所述擴(kuò)散區(qū)連接到所述電容器， 其中所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的柵極是所述電容器的一個(gè)板。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其進(jìn)一步包括提供耦合在復(fù)位電壓與所述擴(kuò)散區(qū)之 間的復(fù)位元件。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其進(jìn)一步包括提供耦合在電壓源與所述第一光敏元 件之間的高動(dòng)態(tài)范圍元件。
29. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其進(jìn)一步包括提供第二光敏元件；以及提供第二轉(zhuǎn)移晶體管，所述第二轉(zhuǎn)移晶體管耦合在所述第二光敏元件與所述擴(kuò)散 區(qū)之間。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其進(jìn)一步包括-提供第三光敏元件；提供第三轉(zhuǎn)移晶體管，所述第三轉(zhuǎn)移晶體管耦合在所述第三光敏元件與所述擴(kuò)散 區(qū)之間；提供第四光敏元件；以及提供第四轉(zhuǎn)移晶體管，所述第四轉(zhuǎn)移晶體管耦合在所述第四光敏元件與所述擴(kuò)散 區(qū)之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有雙轉(zhuǎn)換增益的像素單元陣列結(jié)構(gòu)。雙轉(zhuǎn)換增益元件耦合在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)與各自存儲(chǔ)電容器之間。具有控制柵極的所述雙轉(zhuǎn)換增益元件接入所述電容器的電容，以將所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的轉(zhuǎn)換增益從第一轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)榈诙D(zhuǎn)換增益。為了增加空間的有效使用，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件柵極還充當(dāng)所述電容器的底板。在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例中，高動(dòng)態(tài)范圍晶體管結(jié)合具有電容器-DCG柵極組合的像素單元使用；在另一實(shí)施例中，鄰近的像素共用像素組件，包含所述電容器-DCG組合。
文檔編號(hào)H04N3/15GK101268683SQ200680034681
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2006年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月1日
發(fā)明者杰弗里·A·麥基 申請(qǐng)人:美光科技公司