CN101194363B - Cmos有源像素传感器共享的放大器像素 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器，包括单位单元，所述单位单元具有多个像素；所述单位单元包括：放大器输入晶体管，被多个像素共享；多个浮动扩散，被浮动扩散互连层接合，并且被连接到放大器输入晶体管；和互连层，形成输出信号线，所述输出信号线屏蔽所述浮动扩散互连层。
Description
技术领域
本发明大体上涉及CMOS图像传感器的领域，更具体地，涉及一种图像传感器，在所述图像传感器中，多个光电探测器共享放大器。
背景技术
在图1中，现有技术的图像传感器的2个共享的像素示意图包括两个光电探测器(PD1和PD2)，每个光电探测器都具有相关联的传输门(TG1和TG2)，所述传输门(TG1和TG2)将电荷传输到公共浮动扩散感测节点。行选择晶体管(RSEL)选择要读出的行，而具有复位门(RG)的复位晶体管将公共浮动扩散感测节点(n+)复位到预定电压。源极跟随器输入晶体管SF感测公共浮动扩散感测节点(n+)上的电压并且对信号进行放大。图2中的现有技术的图像传感器是类似的概念，区别仅在于四个光电二极管(PD1-PD4)和TG(TG1-TG4)共享公共部件。
这些共享的放大器像素旨在使用规模较小的CMOS工艺来产生具有高占空系数(fill factor)的小像素。在使用小像素的情况下，光电二极管能够具有低的电荷容量。与非共享的放大器像素相比，共享的放大器像素原本就具有较高的浮动扩散电容，这是由于后者具有连接在一起的多个浮动扩散。较大的电容是由包括单个电荷到电压转换节点的多个浮动扩散区引起的结果，并且还由于连接多个浮动扩散区的互连层的寄生电容而引起。因此，所期望的是减小浮动扩散电容以便能够在感测节点获得适当的电压信号摆幅。
因此，本发明描述了在共享的放大器CMOS有源像素传感器(APS)设计中减小浮动扩散电容的方法。
发明内容
本发明致力于克服如上所述的一个或多个问题。总体上，根据本发明的一个方法，本发明在于一种包括单位单元(unit cell)的图像传感器，所述单位单元具有多个像素；所述单位单元包括：(a)放大器输入晶体管，被多个像素共享；(b)多个浮动扩散，被浮动扩散互连层接合，并且被连接到放大器输入晶体管；和(c)互连层，形成输出信号线，所述输出信号线屏蔽浮动扩散互连层。
参照附图，根据如下优选实施例的详细描述和随附的权利要求，将会更加清楚地理解本发明的这些以及其他方面、目的、特征和优势。
本发明的有益效果
本发明具有如下优势：在共享的放大器CMOS有源像素传感器(APS)设计中减小电荷到电压转换区(也被称作感测节点电容)。
附图描述
图1是现有技术的具有共享放大器的两个光电二极管的图像传感器的示意图；
图2是现有技术的具有共享放大器的四个光电二极管的图像传感器的示意图；
图3a是本发明的具有共享公共感测节点的两个光电二极管的图像传感器的示意图，其中所述公共感测节点使用输出总线来屏蔽浮动扩散互连层；
图3b是沿着图3a的线3b-3b的横截面的侧视图；
图4a是现有技术的在P阱中具有浮动扩散的像素的示意图；
图4b是本发明的像素的示意图，所述像素在较深且较轻掺杂的n型注入中具有浮动扩散，并且NMOS P阱注入被从浮动扩散区掩蔽；
图4c是本发明和图4b的更具体的实施例的像素的示意图，其中较深且较轻掺杂的n型注入是使用还被用在光电探测器中的注入而形成的；以及
图5是本发明的数字照相机的图示。
具体实施方式
在详细讨论本发明之前，具有指导意义的是，注意到本发明优选地用于但不限于CMOS有源像素传感器。有源像素传感器指的是像素内的有源电气元件，例如复位晶体管和行选择晶体管，而CMOS指的是互补金属氧化物硅类型电气元件，例如与像素相关联但通常不在像素中的晶体管，并且它们是在晶体管的源极/漏极属于一种掺杂质类型和包围它的相反掺杂质类型的时候形成的。CMOS设备通常消耗较少的功率。
参照图3a，其中示出了具有多个像素20a和20b的单位单元10的示意图。本发明的图像传感器30包括形成像素阵列的多个单位单元10。每个单位单元10都包括响应于入射光而聚集电荷的两个或更多光敏区(PD1和PD2)。优选地，光电二极管被用作光敏区(PD1和PD2)，并且优选地，两个像素形成单位单元10。行选择晶体管RSEL选择要输出的行。每个光敏区(PD1和PD2)分别包括用于将电荷传输到它们各自的共享感测节点(n+)的传输门(TG1和TG2)，所述共享感测节点(n+)优选是浮动扩散，它将电荷转换成电压。所述感测节点(n+)被浮动扩散互连层40电连接在一起。在将电荷从光敏区(PD1和PD2)传输到感测节点(n+)之前，复位门(RG)将感测节点(n+)上的电压复位到预定电压。放大器-优选是源极跟随器(SF)，感测电连接的感测节点(n+)上的电压，以在输出总线或输出线50上输出。
参照图3a和3b，具有指导意义的是，注意到输出线50被物理地放置成使得它屏蔽浮动扩散互连层40。这减小了电连接的浮动扩散(n+)的电容。浮动扩散互连层40被布线于金属互连层中，所述金属互连层优选地在物理上位于输出线50层之上或高于输出线50层。通过借助于将输出线50布线在浮动扩散互连层或线40之下来屏蔽浮动扩散互连层或线40，浮动扩散互连层40的寄生电容就被减小。典型地，输出线50的宽度会大于浮动扩散互连层40的宽度以便产生更有效的屏蔽。
虽然所示的前述实施例具有共享放大器的两个光电二极管，但是本发明可适用于共享放大器的任意数量光电二极管。例如，可以存在共享放大器的3个或更多光电二极管。
参照图4b和4c，作为在共享的像素设计中减小浮动扩散电容的方法的替代性方法是：对于浮动扩散的n+有源范围区使用较深且较轻掺杂的注入，并从浮动扩散区除去P阱或对P阱进行修改。这减小了浮动扩散感测节点的结电容。典型地，在现有技术(在图4a中示出)中，浮动扩散有源范围区(n+)是借助于互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的n+源极/漏极而被注入的并且被P阱60包围，P阱60用于形成n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。该n+源极/漏极注入常常高于1e14cm2，从而产生少于0.20um的结深度。P阱60还是大剂量注入，从而产生大于1e6cm-3的有效p型本底浓度。图4b和图4c中所示的本发明在浮动扩散有源区域(n+)中使用额外的n型注入70以增加耗尽区宽度。这是单独完成的，或是连同从浮动扩散区的全部或部分区消除P阱注入，或连同修改P阱注入以获得较低的本底浓度一起完成的。额外的n型注入70常常是能量高于或等于50KeV且剂量少于1e14cm3的磷。这种注入优选是用于形成光电探测器20的光电二极管注入。
参照图5，其中示出了数字照相机80(所述数字照相机80在其中布置有图像传感器30)，以用于说明一般消费者所习惯的典型商业实施例。
部件列表
10单位单元
20光电探测器
20a像素
20b像素
30图像传感器
40浮动扩散互连层或线
50输出总线或输出线
60P阱
70n型注入
80数字照相机
Claims (1)
1.一种图像传感器，包括：
单位单元，所述单位单元具有多个像素；所述单位单元包括：
(a)放大器输入晶体管，被所述多个像素共享；
(b)多个浮动扩散，被浮动扩散互连层接合，并且被连接到所述放大器输入晶体管；和
(c)互连层，形成输出信号线，其中所述浮动扩散互连层布置在所述输出信号线之上以屏蔽所述浮动扩散互连层。
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