高靈敏度cmos圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)光電二極管及相同數(shù)量的電荷傳輸晶體管及第一漂浮有源區(qū)，還包括一個(gè)復(fù)位晶體管、一個(gè)源跟隨晶體管、一個(gè)行選擇晶體管和第二漂浮有源區(qū)，所述第一漂浮有源區(qū)與第二漂浮有源區(qū)之間通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管隔開(kāi)。源跟隨晶體管探測(cè)第二漂浮有源區(qū)的電勢(shì)信號(hào)，第二漂浮有源區(qū)的寄生電容不隨共享像素?cái)?shù)量變化，有效提高了共享型像素的光電轉(zhuǎn)換增益，可有效提高采用共享型像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的感光靈敏度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)手機(jī)、醫(yī)療器械、汽車(chē)和其他應(yīng)用場(chǎng)合。特別是制造CMOS (互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使人們對(duì)圖像傳感器的輸出圖像品質(zhì)有了更高的要求。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中的CMOS圖像傳感器，特別是采用小面積像素單元的CMOS圖像傳感器，一般使用共享型像素結(jié)構(gòu)，例如兩個(gè)像素共享，四個(gè)像素共享，或更多個(gè)像素共享。采用像素共享的重要原因，是節(jié)省晶體管，以便擴(kuò)大光電二極管的面積，進(jìn)而提高像素的感光靈敏度；但是這種提高感光靈敏度的方式，卻犧牲了漂浮有源區(qū)的光電轉(zhuǎn)換增益，因?yàn)楣蚕斫Y(jié)構(gòu)中的每個(gè)像素的電荷傳輸晶體管都與漂浮有源區(qū)相連接，進(jìn)而增加了漂浮有源區(qū)的寄生電容，共享的像素?cái)?shù)量越多，漂浮有源區(qū)的寄生電容越大，所以光電轉(zhuǎn)換增益越低；像素的光電轉(zhuǎn)換增益越低，感光靈敏度越低，這恰與采用擴(kuò)大光電二級(jí)面積的方法來(lái)提高感光靈敏度的初衷相違背。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器，以CMOS圖像傳感器四晶體管四個(gè)像素共享結(jié)構(gòu)(4T4S)為例，如圖1所示，101?104分別為四個(gè)像素的光電二極管，105?108分別為對(duì)應(yīng)四個(gè)光電二極管的電荷傳輸晶體管，109為復(fù)位晶體管，110為源跟隨晶體管，111為行選擇晶體管，112為列位線，F(xiàn)D為漂浮有源區(qū)；其中FD電容部分，Cl為FD與各電荷傳輸晶體管柵極的柵源交疊電容，C2為FD與109的柵源交疊電容，C3和C4分別為FD與110的柵漏和柵源交疊電容，Cm4為FD連線金屬寄生電容，4Caa為FD有源區(qū)體電容。
[0005]由圖1所示，可得出FD的總電容為:
[0006]CFD4 = 4CI+C2+C3+C4+Cm4+4Caa
[0007]等式中的4C1和4Caa中的系數(shù)4與共享型結(jié)構(gòu)中的像素?cái)?shù)量相等，Cm4正比于像素?cái)?shù)量。因此可推算N個(gè)像素共享結(jié)構(gòu)中的FD區(qū)的寄生總電容為:
[0008]CFDn = nCI+C2+C3+C4+Cmn+nCaa
[0009]上述等式中的η越大，像素平均節(jié)省的晶體管越多，進(jìn)而像素的光電二極管擴(kuò)大的面積越多，像素靈敏度就會(huì)越高；但是，等式中的η越大，漂浮有源區(qū)總電容CFDn越高，從而降低了光電轉(zhuǎn)換增益，像素的感光靈敏度越低，這與采用擴(kuò)大光電二極管面積的方法來(lái)提高感光靈敏度的初衷相違背。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]本實(shí)用新型的目的是提供一種高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用開(kāi)關(guān)晶體管隔離出小寄生電容的漂浮有源區(qū)方法，使像素的光電轉(zhuǎn)換增益不受共享的
像素?cái)?shù)量影響。[0011]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0012]本實(shí)用新型的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)光電二極管及相同數(shù)量的電荷傳輸晶體管及第一漂浮有源區(qū)，還包括一個(gè)復(fù)位晶體管、一個(gè)源跟隨晶體管、一個(gè)行選擇晶體管和第二漂浮有源區(qū)，所述第一漂浮有源區(qū)與第二漂浮有源區(qū)之間通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管隔開(kāi)。
[0013]由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型提供的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，由于使用開(kāi)關(guān)晶體管將寄生電容較大的第一漂浮有源區(qū)與寄生電容較小的第二漂浮有源區(qū)隔開(kāi)，源跟隨晶體管探測(cè)第二漂浮有源區(qū)的電勢(shì)信號(hào)，第二漂浮有源區(qū)的寄生電容不隨共享像素?cái)?shù)量變化，有效提高了共享型像素的光電轉(zhuǎn)換增益，可有效提高采用共享型像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的感光靈敏度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器的四晶體管四個(gè)像素共享結(jié)構(gòu)(4T4S)的電路示意圖。
[0015]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中的CMOS圖像傳感器的四個(gè)像素共享結(jié)構(gòu)的電路示意圖。
[0016]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中的共享型像素在光電轉(zhuǎn)移操作時(shí)的勢(shì)阱示意圖一。
[0017]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中的共享型像素在光電轉(zhuǎn)移操作時(shí)的勢(shì)阱示意圖二。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0019]本實(shí)用新型的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0020]包括多個(gè)光電二極管及相同數(shù)量的電荷傳輸晶體管及第一漂浮有源區(qū)，還包括一個(gè)復(fù)位晶體管、一個(gè)源跟隨晶體管、一個(gè)行選擇晶體管和第二漂浮有源區(qū)，所述第一漂浮有源區(qū)與第二漂浮有源區(qū)之間通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管隔開(kāi)。
[0021]所述開(kāi)關(guān)晶體管的漏極與所述第二漂浮有源區(qū)相連、源極與所述第一漂浮有源區(qū)相連。
[0022]所述源跟隨晶體管的柵極與所述第二漂浮有源區(qū)相連，所述源跟隨晶體管用于探測(cè)所述第二漂浮有源區(qū)的電勢(shì)信號(hào)變化。
[0023]該高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)中，共享型像素包含的像素?cái)?shù)量大于或等于兩個(gè)。
[0024]所述第二漂浮有源區(qū)的寄生總電容不隨共享像素包含的數(shù)量的變化而變化。
[0025]在進(jìn)行光電電荷轉(zhuǎn)移操作時(shí)，所述第一漂浮有源區(qū)的電勢(shì)高于所述光電二極管完全耗盡電勢(shì)OV?0.3V。
[0026]所述第一漂浮有源區(qū)包括晶體管源漏有源區(qū)或者光電二極管工藝的有源區(qū)。
[0027]所述光電二極管包括Pin型光電二極管、部分Pin型光電二極管或者多晶硅柵型光電二極管。
[0028]本實(shí)用新型的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，由于使用開(kāi)關(guān)晶體管將寄生電容較大的第一漂浮有源區(qū)與寄生電容較小的第二漂浮有源區(qū)隔開(kāi)，源跟隨晶體管探測(cè)第二漂浮有源區(qū)的電勢(shì)信號(hào)，第二漂浮有源區(qū)的寄生電容不隨共享像素?cái)?shù)量變化，有效提高了共享型像素的光電轉(zhuǎn)換增益，可有效提高采用共享型像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的靈敏度。
[0029]具體實(shí)施例:
[0030]在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，以CMOS圖像傳感器四像素共享結(jié)構(gòu)為例，此像素結(jié)構(gòu)中采用Pin型N型光電二極管，像素中的晶體管采用N型晶體管。
[0031]如圖2所示，包括共享結(jié)構(gòu)中四個(gè)像素的光電二極管201?204、四個(gè)像素中的電荷傳輸晶體管205?208、復(fù)位晶體管209、源跟隨晶體管210、行選擇晶體管211、列位線212、開(kāi)關(guān)晶體管213 ;電荷傳輸晶體管205?208的柵極端分別為T(mén)X1、TX2、TX3和ΤΧ4，復(fù)位晶體管209和行選擇晶體管211的柵極端為RX和SX，開(kāi)關(guān)晶體管213的柵極端為T(mén)X，Vdd為電源電壓；FD4為第一漂浮有源區(qū)，F(xiàn)D為第二漂浮有源區(qū)，Cl為FD與TX的交疊電容，C2為FD與RX的交疊電容，C3和C4分別為FD與210的漏極和源極的交疊電容，Cml為FD金屬電容，Caa為FD有源區(qū)體電容。
[0032]從實(shí)施例附圖2中，可以發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)晶體管213將FD4與FD兩個(gè)漂浮有源區(qū)隔開(kāi)，源跟隨晶體管210直接探測(cè)第二漂浮有源區(qū)FD的電勢(shì)變化，第二漂浮有源區(qū)FD的寄生電容表達(dá)為:
[0033]CFD = Cml+Caa+Cl+C2+C3+C4
[0034]因此，本實(shí)施列中的CFD表達(dá)式比在【背景技術(shù)】中闡述的傳統(tǒng)4T4S結(jié)構(gòu)的CFD4少了 3Cl+3Caa，并且根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)Cml會(huì)低于傳統(tǒng)4T4S結(jié)構(gòu)中的Cm4 ;從本實(shí)施例中的CFD表達(dá)式中可以得出:FD寄生電容CFD的值不隨共享像素?cái)?shù)量的變化而變化，CFD可以一直保持不共享4T像素結(jié)構(gòu)的最小值不變。CFD值的大小決定了像素的光電轉(zhuǎn)換增益C.G.，表達(dá)式為:
[0035]C.G.= q/CFD
[0036]表達(dá)式中的q為一個(gè)電子電量6.02E — 19庫(kù)侖。像素的感光靈敏度正比于光電轉(zhuǎn)換增益C.G.，因此本實(shí)用新型像素共享結(jié)構(gòu)的像素，在保持著擴(kuò)大光電二極管面積優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還保持著像素的光電轉(zhuǎn)換增益不變的優(yōu)點(diǎn)，并且光電轉(zhuǎn)換增益值與非共享結(jié)構(gòu)4T像素結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換增益值相同。所以本實(shí)用新型的共享像素結(jié)構(gòu)的方法解決了傳統(tǒng)共享像素光電轉(zhuǎn)換增益降低的缺點(diǎn)，提高了共享型像素的感光靈敏度。
[0037]具體實(shí)施例的工作原理是:
[0038]實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型像素的工作方法有兩種，如圖3和圖4所示的像素工作在光電電荷轉(zhuǎn)移步驟時(shí)的勢(shì)阱示意圖。
[0039]圖3所示，301?304分別表征共享型像素中的四個(gè)光電二極管的勢(shì)阱，305?308分別表征共享型像素中的四個(gè)電荷傳輸晶體管，309為復(fù)位晶體管，313為開(kāi)關(guān)晶體管，314表征第一漂浮有源區(qū)FD4的勢(shì)阱，315表征第二漂浮有源區(qū)FD的勢(shì)阱，316表征電源電壓勢(shì)阱；TXn為305?308的柵極端，其中η為1，2，3和4 ;TX和RX分別為313和309的柵極端；CFD表示像素的第二漂浮有源區(qū)的寄生電容。圖3所示的勢(shì)阱狀態(tài)為像素工作在光電電荷轉(zhuǎn)移的操作過(guò)程，其中305?308和313下面的虛線表示其柵極端為GND時(shí)，即晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的勢(shì)壘.不意圖。[0040]圖3所示的第一漂浮有源區(qū)FD4的工作電勢(shì)VFD4高于光電二極管的完全耗盡電勢(shì)Vpin的范圍為OV?0.3V，第一漂浮有源區(qū)的工藝采用傳統(tǒng)CIS標(biāo)準(zhǔn)邏輯工藝。
[0041]第二種實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型像素結(jié)構(gòu)電荷轉(zhuǎn)移的操作勢(shì)阱示意圖如圖4所示，401?404分別表征共享型像素中的四個(gè)光電二極管的勢(shì)阱，405?408分別表征共享型像素中的四個(gè)電荷傳輸晶體管，409為復(fù)位晶體管，413為開(kāi)關(guān)晶體管，414表征第一漂浮有源區(qū)FD4的勢(shì)阱，415表征第二漂浮有源區(qū)FD的勢(shì)阱，416表征電源電壓勢(shì)阱；TXn為405?408的柵極端，其中η為1，2，3和4 ;ΤΧ和RX分別為413和409的柵極端；CFD表示像素的第二漂浮有源區(qū)的寄生電容。圖4所示的勢(shì)阱狀態(tài)為像素工作在光電電荷轉(zhuǎn)移的操作過(guò)程，其中405?408和413下面的虛線表示其柵極端為GND時(shí)，即晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的勢(shì)壘示意圖。
[0042]圖4所示的第一漂浮有源區(qū)FD4的工作電勢(shì)Vpin4高于光電二極管的完全耗盡電勢(shì)Vpin的范圍為OV?0.3V，其中，F(xiàn)D4有源區(qū)采用的工藝類(lèi)型與光電二極管的工藝類(lèi)型相同，并且像素工作在電荷轉(zhuǎn)移狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)D4已經(jīng)被完全耗盡，其完全耗盡電勢(shì)為Vpin4。
[0043]以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實(shí)用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)光電二極管及相同數(shù)量的電荷傳輸晶體管及第一漂浮有源區(qū)，還包括一個(gè)復(fù)位晶體管、一個(gè)源跟隨晶體管、一個(gè)行選擇晶體管和第二漂浮有源區(qū)，其特征在于，所述第一漂浮有源區(qū)與第二漂浮有源區(qū)之間通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管隔開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)晶體管的漏極與所述第二漂浮有源區(qū)相連、源極與所述第一漂浮有源區(qū)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述源跟隨晶體管的柵極與所述第二漂浮有源區(qū)相連，所述源跟隨晶體管用于探測(cè)所述第二漂浮有源區(qū)的電勢(shì)信號(hào)變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，該高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)中，共享型像素包含的像素?cái)?shù)量大于或等于兩個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二漂浮有源區(qū)的寄生總電容不隨共享像素包含的數(shù)量的變化而變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，在進(jìn)行光電電荷轉(zhuǎn)移操作時(shí)，所述第一漂浮有源區(qū)的電勢(shì)高于所述光電二極管完全耗盡電勢(shì)OV?0.3V。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一漂浮有源區(qū)包括晶體管源漏有源區(qū)或者光電二極管工藝的有源區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高靈敏度CMOS圖像傳感器共享型像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光電二極管包括Pin型光電二極管、部分Pin型光電二極管或者多晶娃柵型光電二極管。
【文檔編號(hào)】H04N5/374GK203813866SQ201420222723
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】郭同輝, 唐冕, 曠章曲 申請(qǐng)人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司