CN102856339B - Cmos图像传感器列共享像素单元及像素阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器列共享像素单元及像素阵列，由两个列像素作为一组像素单元，两个像素在列内共享选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管和漂浮有源区，多组像素单元在垂直和水平方向上排列成为二维像素阵列，所述二维像素阵列中使用两层金属连线进行连接，金属连线仅使用第0层金属连线和第1层金属连线作为器件的控制线而实现采集图像信息功能，不使用第2层或更高层金属连线作为器件控制线，可降低光电二极管Si表面上的介质高度，使得更多的光入射到光电二极管，能够提高小面积像素传感器的用光效率和转换增益，从而提高灵敏度，可以有效提高小面积像素图像传感器的图像品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器，尤其涉及一种CMOS图像传感器列共享像素单元及像素阵列。
背景技术
图像传感器已经广泛应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是CMOS（互补型金属氧化物半导体）图像传感器的快速发展，使人们对低功耗小尺寸高分辨率图像传感器有了更高的要求。
现有技术中的CMOS图像传感器像素结构的排布方式以4T2S（四晶体管两个像素共享）为例，由于依赖于像素本身的结构特征，其像素阵列一般需要第1层金属，第2层金属和第3层金属作为器件互连线，相邻行像素间或相邻列像素间分别需要多行或多列第1层金属、第2层金属或第3层金属连线；并且漂浮有源区与源跟随晶体管栅极相连接的金属电容寄生较大。
上述现有技术至少包含以下缺点：
由于小面积像素传感器的感光面积小，灵敏度低，使得传递暗光下的信息不够清晰。尤其在使用第1层金属，第2层金属和第3层金属作为器件互连线时，光电二极管Si（硅）表面上的介质高度较高，金属连线阻挡了部分光线入射到光电二极管中；并且，漂浮有源区与源跟随晶体管栅极相连接的金属连线离电源金属连线较近，漂浮有源区电容寄生大，导致信号电子转换成信号电压的幅度（转换增益）不大。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏度高的小面积CMOS图像传感器列共享像素单元及像素阵列。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元，单个像素包括光电二极管、电荷传输晶体管、选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管、漂浮有源区及金属连线，由两个列像素作为一组像素单元，两个像素在列内共享选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管和漂浮有源区。
本发明的CMOS图像传感器像素阵列，包括多组上述的CMOS图像传感器列共享像素单元，多组像素单元在垂直和水平方向上排列成为二维像素阵列，所述二维像素阵列中使用两层金属连线进行连接，包括第0层金属连线和第1层金属连线。
由上述本发明提供的技术方案可知，本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元及CMOS图像传感器像素阵列，由于由两个列像素作为一组像素单元，两个像素在列内共享选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管和漂浮有源区，多组像素单元在垂直和水平方向上排列成为二维像素阵列，所述二维像素阵列中使用两层金属连线进行连接，金属连线仅使用第0层金属连线和第1层金属连线作为器件的控制线而实现采集图像信息功能，不使用第2层或更高层金属连线作为器件控制线，可降低光电二极管Si表面上的介质高度，使得更多的光入射到光电二极管。因此，本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元结构能够提高小面积像素传感器的用光效率和转换增益，从而提高灵敏度，所以可以有效提高小面积像素图像传感器的图像品质。
附图说明
图1是本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元的具体实施例一中两个像素组成的4T2S结构电路示意图；
图2是本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元的具体实施例一中两个像素组成的4T2S结构版图示意图；
图3是本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元的具体实施例一中4x4像素阵列电路示意图；
图4是本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元的具体实施例一中4x4像素阵列版图示意图；
图5是本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元的具体实施例二中两个像素组成的4T2S结构电路示意图；
图6是本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元的具体实施例二中4x 4像素阵列电路示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元，其较佳的具体实施方式如图1至图4所示：
单个像素包括光电二极管、电荷传输晶体管、选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管、漂浮有源区及金属连线，由两个列像素作为一组像素单元，两个像素在列内共享选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管和漂浮有源区。
所述漂浮有源区与源跟随晶体管栅极在列方向上用第1层金属连线连接，此金属连线远离电源金属连线。
本发明的CMOS图像传感器像素阵列，包括多组上述的CMOS图像传感器列共享像素单元，多组像素单元在垂直和水平方向上排列成为二维像素阵列，所述二维像素阵列中使用两层金属连线进行连接，包括第0层金属连线和第1层金属连线。
所述二维像素阵列中，在列方向上同列像素间的电源线和列信号输出线使用第1层金属连线连接；
所述二维像素阵列中，在行方向上同行像素间的晶体管器件控制线使用第0层金属连线连接。
本发明解决现有图像传感器小面积像素灵敏度低的问题，金属连线仅使用第0层金属连线和第1层金属连线作为器件的控制线而实现采集图像信息功能，不使用第2层或更高层金属连线作为器件控制线，可降低光电二极管Si表面上的介质高度，使得更多的光入射到光电二极管。漂浮有源区连接源跟随晶体管栅极的金属连线远离电源金属连线，可降低漂浮有源区的寄生电容，从而提高了信号电子转换为信号电压的幅度。因此，本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元及CMOS图像传感器像素阵列结构能够提高小面积像素传感器的用光效率和转换增益，从而提高灵敏度，所以可以有效提高小面积像素图像传感器的图像品质。
实施例一：
如图1所示电路示意图，CMOS图像传感器列共享像素单元采用4T2S结构，包括两个像素，此两个像素在同列以上下结构方式排列。
图1中：101和201分别为两个像素的光电二极管，102和202分别两个像素的电荷传输晶体管；103为复位晶体管，104为源跟随晶体管，105为选择晶体管，106为列信号输出线，其中两个像素共享复位晶体管103、源跟随晶体管104、选择晶体管105和列信号输出线106；FD（Floating Diffusion）为漂浮有源区，两个像素共享FD。晶体管的控制线SX连接选择晶体管105的栅极，控制线TX1连接传输晶体管102的栅极，控制线RX连接复位晶体管103的栅极，控制线TX2连接传输晶体管202的栅极；列信号输出线106连接源跟随晶体管104的源极；Vdd为电源电压，连接复位晶体管103的漏极和选择晶体管105的漏极。
如图2所示，为图1所示电路示意图对应的版图示意图。
图2中：晶体管器件控制线SX、TX1、RX、TX2使用第0层金属连线，电源控制线Vdd和列信号输出线106使用第1层金属连线；第0层金属器件控制线SX、TX1、RX和TX2分别与105、102、103和202的栅极多晶硅通过接触孔0相互接触，第1层金属电源控制线Vdd与105的漏极和103的漏极之间通过接触孔1相互接触，第1层金属列信号输出线106与104的源极之间通过接触孔1相互接触；漂浮有源区FD与104的栅极多晶硅之间使用第1层金属连线通过接触孔1相互接触。
上面所述的两个像素记为一组单元，本实施例中将多组像素单元在垂直和水平方向上排列成为二维像素阵列，并以4x4像素阵列为例进行示意。本发明的高灵敏度小面积CMOS图像传感器列共享像素单元结构及二维像素阵列结构包括但并不局限于4x4像素阵列，而可适应其他多种尺寸像素阵列。
如图3所示，为4X 4像素阵列电路示意图；图3所示像素阵列电路示意图所对应的版图示意图如图4所示。
图3和图4所示像素阵列中，111、121、131、141为第1行像素的光电二极管，211、221、231、241为第2行像素的光电二极管，311、321、331、341为第3行像素的光电二极管，411、421、431、441为第4行像素的光电二极管；像素器件控制线SX1与同行选择晶体管115、125、135、145的栅极多晶硅相连，像素器件控制线TX1与同行电荷转移晶体管112、122、132、142的栅极多晶硅相连，像素器件控制线RX1与同行复位晶体管113、123、133、143的栅极多晶硅相连，像素器件控制线TX2与同行电荷转移晶体管212、222、232、242的栅极多晶硅相连，各组像素单元FD分别与相应源跟随晶体管114、124、134、144的栅极多晶硅相连；像素器件控制线SX3与同行选择晶体管315、325、335、345的栅极多晶硅相连，像素器件控制线TX3与同行电荷转移晶体管312、322、332、342的栅极多晶硅相连，像素器件控制线RX3与同行复位晶体管313、323、333、343的栅极多晶硅相连，像素器件控制线TX4与同行电荷转移晶体管412、422、432、442的栅极多晶硅相连，各组像素单元FD分别与相应源跟随晶体管314、324、334、344的栅极多晶硅相连；16、26、36、46分别为第1列、第2列、第3列、第4列像素的列信号输出线，分别与相应列像素的源跟随晶体管的源极相连；Vdd为电源金属连线。
上述像素阵列中，同行像素器件控制线SX1、TX1、RX1、TX2、SX3、TX3、RX3、TX4使用第0层金属连线；同列信号输出线16、26、36、46使用第1层金属连线，电源线Vdd使用第1层金属连线，各组像素单元的FD与相应源跟随晶体管的栅极连接线使用第1层金属连线。
实施例二：
实现本发明实施方式另一实施例如图5所示电路示意图，CMOS图像传感器列共享像素单元采用4T2S结构，包括两个像素，此两个像素在同列以上下结构方式排列。101’和201’分别为两个像素的光电二极管，102’和202’分别两个像素的电荷传输晶体管；103’为复位晶体管，104’为源跟随晶体管，105’为选择晶体管，106’为列信号输出线，其中两个像素共享复位晶体管103’、源跟随晶体管104’、选择晶体管105’和列信号输出线106’；FD’（Floating Diffusion）为漂浮有源区，两个像素共享FD’。晶体管控制线SX’连接选择晶体管105’的栅极，控制线TX1’连接传输晶体管102’的栅极，控制线RX’连接复位晶体管103’的栅极，控制线TX2’连接传输晶体管202’的栅极；列信号输出线106’连接源跟随晶体管104’的源极；Vdd’为电源电压，连接复位晶体管103’的漏极和选择晶体管105’的漏极。
上面所述的两个像素记为一组单元，本实施例中将多组像素单元在垂直和水平方向上排列成为二维像素阵列，并以4x4像素阵列为例进行示意。本发明的高灵敏度小面积CMOS图像传感器列共享像素单元结构及二维像素阵列结构包括但并不局限于4x4像素阵列，而可适应其他多种尺寸像素阵列。
图6所示像素阵列中，111’、121’、131’、141’为第1行像素的光电二极管，211’、221’、231’、241’为第2行像素的光电二极管，311’、321’、331’、341’为第3行像素的光电二极管，411’、421’、431’、441’为第4行像素的光电二极管；像素器件控制线SX1’与同行选择晶体管115’、125’、135’、145’的栅极多晶硅相连，像素器件控制线TX1’与同行电荷转移晶体管112’、122’、132’、142’的栅极多晶硅相连，像素器件控制线RX1’与同行复位晶体管113’、123’、133’、143’的栅极多晶硅相连，像素器件控制线TX2’与同行电荷转移晶体管212’、222’、232’、242’的栅极多晶硅相连，各组像素单元FD’分别与相应源跟随晶体管114’、124’、134’、144’的栅极多晶硅相连；像素器件控制线SX3’与同行选择晶体管315’、325’、335’、345’的栅极多晶硅相连，像素器件控制线TX3’与同行电荷转移晶体管312’、322’、332’、342’的栅极多晶硅相连，像素器件控制线RX3’与同行复位晶体管313’、323’、333’、343’的栅极多晶硅相连，像素器件控制线TX4’与同行电荷转移晶体管412’、422’、432’、442’的栅极多晶硅相连，各组像素单元FD’分别与相应源跟随晶体管314’、324’、334’、344’的栅极多晶硅相连；16’、26’、36’、46’分别为第1列、第2列、第3列、第4列像素的列信号输出线，分别与相应列像素的源跟随晶体管的源极相连；Vdd’为电源金属连线。
本发明两个实施例的CMOS图像传感器列共享像素单元及CMOS图像传感器像素阵列中，由于采用了上下结构方式排列的像素结构，并改进像素结构内晶体管及漂浮节点的连接方式，金属连线仅使用第0层金属连线和第1层金属连线作为器件的控制线而实现采集图像信息功能，没有使用第2层或更高层金属连线作为器件控制线，减少了金属连线使用层数，有效降低了光电二极管Si表面上的介质高度，使得更多的光入射到光电二极管，提高用光效率。
需要特别说明的是，使用第0层金属连线和第1层金属连线并不是实现本发明唯一实施方式，也可使用第1层金属连线和第2层金属连线或其它层金属连线来实现本发明像素结构优势。使用第N层及第N+1层金属连线可根据具体像素设计情况而定，均可实现本发明提出的减少金属连线使用层数，降低介质高度，提高用光效率的效果。由于改变金属连线层级的像素结构其核心设计方法与上述实施例一及实施例二雷同，在此不做赘述。
此外，本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元的漂浮有源区连接源跟随晶体管栅极的金属连线远离电源金属连线，降低了漂浮有源区的寄生电容，从而提高了信号电子转换为信号电压的幅度。
因此，本发明的CMOS图像传感器列共享像素单元及CMOS图像传感器像素阵列结构能够提高小面积像素传感器的用光效率和转换增益，从而提高灵敏度，所以可以有效提高小面积像素图像传感器的图像品质。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种CMOS图像传感器像素阵列，其特征在于，包括多组CMOS图像传感器列共享像素单元，多组像素单元在垂直和水平方向上排列成为二维像素阵列，所述二维像素阵列中使用两层金属连线进行连接，包括第0层金属连线和第1层金属连线；
所述CMOS图像传感器列共享像素单元中，单个像素包括光电二极管、电荷传输晶体管、选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管、漂浮有源区及金属连线；
由两个列像素作为一组像素单元，两个像素在列内共享选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管和漂浮有源区；
所述二维像素阵列中，在列方向上同列像素间的电源线和列信号输出线使用第1层金属连线连接；
所述二维像素阵列中，在行方向上同行像素间的晶体管器件控制线使用第0层金属连线连接。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素阵列，其特征在于，所述漂浮有源区与源跟随晶体管栅极在列方向上用第1层金属连线连接，此金属连线远离电源金属连线。
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