CN102883118B - 互补金属氧化物半导体图像传感器 - Google Patents

互补金属氧化物半导体图像传感器 Download PDF

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Abstract

在一个实施例中，一种图像传感器包括被配置为将光信号转换为光电荷的第一光电二极管，被配置为存储第一光电二极管的光电荷的感测节点，以及被配置为在输出线上选择性地输出与感测节点处的光电荷对应的电信号的电路。所述电路连接到至少第一导电接触件，并且所述输出线布置在感测节点和第一导电接触件之间。

Description

互补金属氧化物半导体图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年7月15日提交的韩国专利申请第10-2011-0070544号的优先权，其公开通过全文引用包含于此。
技术领域
示例实施例涉及一种图像传感器，更具体地，涉及一种用于使用密勒效应增加转换增益的互补金属－氧化物－半导体(CMOS)图像传感器。
背景技术
一种包括感测诸如光强度、温度、质量或时间之类的有效物理量并输出电信号的像素阵列的传感器用于许多方面。具体地，一种测量被拍摄对象的图像的图像传感器应用于多个领域。
发明内容
一些实施例提供一种用于增加转换增益的图像传感器。
一些实施例提供一种用于增加转换增益和灵敏度的图像传感器。
在一个实施例中，一种图像传感器包括被配置为将光信号转换为光电荷的第一光电二极管，被配置为存储第一光电二极管的光电荷的感测节点，以及被配置为在输出线上选择性地输出与感测节点处的光电荷对应的电信号的电路。所述电路连接到至少一个第一导电接触件，并且所述输出线布置在感测节点和第一导电接触件之间。
例如，所述电路可以包括被配置为向感测节点传送光电荷的传送晶体管。所述传送晶体管连接到第一导电接触件，并且所述输出线布置在感测节点和第一导电接触件之间。
在一个实施例中，所述传送晶体管具有连接到第一导电接触件用于接收栅控信号的栅极。
在一个实施例中，所述电路还包括被配置为重置感测节点的电压电平的重置晶体管，并且所述重置晶体管连接到第二导电接触件。所述输出线可以布置在感测节点和第二导电接触件之间。
在另一实施例中，所述电路可以包括被配置为将光电荷转换为电信号的驱动晶体管。所述电路可以包括被配置为控制电信号向输出线的传送的选择晶体管，并且所述选择晶体管连接到第三导电接触件。所述输出线可以布置在感测节点和第三导电接触件之间。
在一个实施例中，所述输出线包围感测节点。
在另一实施例中，所述输出线位于与感测节点相同的平面中。
在进一步的实施例中，所述输出线包围第三导电接触件。
在另一实施例中，所述图像传感器还包括被配置为将光信号转换为光电荷的第二光电二极管。此处，所述感测节点被配置为存储第二光电二极管的光电荷。在此实施例中，所述电路可以包括被配置为向感测节点传送第一光电二极管的光电荷的第一传送晶体管。第一传送晶体管连接到第一导电接触件。所述电路还可以包括被配置为向感测节点传送第二光电二极管的光电荷的第二传送晶体管。第二传送晶体管连接到第二导电接触件。所述电路可以更进一步包括被配置为重置感测节点的电压电平的重置晶体管。所述重置晶体管连接到第三导电接触件。驱动晶体管还可以被配置为将感测节点处的光电荷转换为电信号，并且选择晶体管可以被配置为控制电信号向输出线的传送。所述选择晶体管连接到第四导电接触件，并且所述输出线布置在感测节点和第一导电接触件到第四导电接触件的至少一个之间。
在另一实施例中，所述图像传感器包括：第二光电二极管，被配置为将光信号转换为光电荷；第三光电二极管，被配置为将光信号转换为光电荷；第四光电二极管，被配置为将光信号转换为光电荷；以及所述感测节点被配置为存储第一光电二极管到第四光电二极管的光电荷。在此实施例中，所述电路可以包括被配置为向感测节点传送第一光电二极管的光电荷的第一晶体管，被配置为向感测节点传送第二光电二极管的光电荷的第二传送晶体管，被配置为向感测节点传送第三光电二极管的光电荷的第三传送晶体管，被配置为向感测节点传送第四光电二极管的光电荷的第四传送晶体管，被配置为重置感测节点的电压电平的重置晶体管，被配置为将感测节点处的光电荷转换为电信号的驱动晶体管，以及被配置为控制电信号向输出线的传送的选择晶体管。所述第一传送晶体管连接到第一导电接触件，第二传送晶体管连接到第二导电接触件，第三传送晶体管连接到第三导电接触件，第四传送晶体管连接到第四导电接触件，所述重置晶体管连接到第五导电接触件，以及所述选择晶体管连接到第六导电接触件。所述输出线布置在感测节点和第一导电接触件到第六导电接触件的至少一个之间。
在另一实施例中，一种图像传感器包括被配置为将光信号转换为光电荷的光电二极管，被配置为存储光电荷的感测节点，被配置为在输出线上选择性地输出与感测节点处的光电荷对应的电信号的电路，以及被配置为从至少一个导电接触件屏蔽感测节点的输出线。
在进一步的实施例中，图像传感器包括一个或多个光电二极管、感测节点、与一个或多个光电二极管的每一个关联并且被配置为向感测节点传送来自关联的光电二极管的光电荷的传送晶体管、被配置为重置感测节点的电压电平的重置晶体管、被配置为将感测节点处的光电荷转换为电信号的驱动晶体管、被配置为控制向输出线的电信号的传送的选择晶体管，以及输出线。所述输出线布置在感测节点和连接到传送晶体管、重置晶体管、以及选择晶体管中的一个的导电接触件之间。
在更进一步的实施例中，所述图像传感器包括像素阵列。所述述像素阵列包括被配置为将光信号转换为光电荷的第一光电二极管，被配置为存储第一光电二极管的光电荷的感测节点，以及被配置为在输出线上选择性地输出与感测节点处的光电荷对应的电信号的电路。所述电路连接到至少第一导电接触件，并且所述输出线布置在感测节点和第一导电接触件之间。所述图像传感器还包括被配置为将电信号转换为数字信号的模数转换器，被配置为存储数字信号的存储器、以及被配置为处理存储在存储器中的数字信号的信号处理器。
在另一实施例中，一种图像传感器包括被配置为将光信号转换为光电荷的第一光电二极管，被配置为存储第一光电二极管的光电荷的感测节点，以及被配置为在输出线上选择性地输出与感测节点处的光电荷对应的电信号的电路。所述输出线布置为包围感测节点。
一些示例实施例还可以涉及诸如照相机系统、计算系统等之类的图像传感器的应用。
一些示例实施例还涉及形成图像传感器的方法。
在一个实施例中，所述方法包括形成像素单位，该像素单位具有：被配置为将光信号转换为光电荷的光电二极管，被配置为存储光电荷的感测节点，以及被配置为在输出线上选择性地输出与感测节点处的光电荷对应的电信号的电路。所述方法还包括形成输出线以使得输出线布置在感测节点和电路的至少一个导电接触件之间。
至少一个实施例涉及一种集成电路。
在一个实施例中，所述集成电路包括衬底、形成在衬底上的至少第一栅极结构和第二栅极结构、布置在衬底上的绝缘层、位于绝缘层上并分别电连接到第一栅极结构和第二栅极结构的第一接触件和第二接触件、以及电连接到第一接触件的感测节点。导线的至少一部分位于感测节点和第二接触件之间的绝缘层上。
附图说明
通过下面参考附图对实施例的详细描述，本发明示例实施例的上述及其它特征和优点将变得更加明显，其中：
图1A是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素的平面图；
图1B是沿着线1B-1B’的图1A中的单位像素的剖视图；
图2A是用于说明图像传感器的单位像素中的密勒效应的图；
图2B是图2A中示出的驱动电路的示意性等效电路图；
图3是与图2A和图2B对应的像素的详细电路图；
图4A和图4B是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素的平面图；
图5是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素的平面图；
图6是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素的详细电路图；
图7A是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素的平面图；
图7B是沿着线7B-7B’的图1A中的单位像素的剖视图；
图8是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素的平面图；
图9是具有共享结构的两个像素的图像传感器中的像素的详细电路图；
图10A是图9中示出的像素的平面图；
图10B是沿着线10B-10B’的图10A中的单位像素的剖视图；
图11是沿图10中示出的线11-11'截取的像素的剖视图；
图12是具有共享结构的四个像素的图像传感器中的像素的详细电路图；
图13是根据示例实施例的图12中示出的像素的平面图；
图14是根据示例实施例的图12中示出的像素的平面图；
图15A到图15D是单位像素的不同示例的详细电路图；
图15E是图15B中所示的单位像素的平面图；
图15F是图15C中所示的单位像素的平面图；
图16是根据示例实施例的图像传感器的图；
图17是根据示例实施例的照相机系统的框图；
图18是根据示例实施例的计算系统的框图；以及
图19是用于图18中示出的计算系统的接口的示例的框图。
具体实施方式
以下将参考示出实施例的附图更完整地描述示例实施例。然而，示例实施例可以实现为许多不同的形式并且不应该被看作限于此处描述的实施例。相反，提供这些实施例以使得本公开是彻底且完全的，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区域的尺寸和相对大小可以被放大。相似的数字始终指代相似的元件。
应当理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，它可以直接连接或耦接到该另一个元件，或者可以存在插入元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在插入的元件。这里使用的术语“和/或”包括相关列出的项中的一个或多个的任意和所有组合并且可以被缩写为“/”。
应当理解，尽管术语“第一”、“第二”等在这里可以用来描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语限制。这些术语仅用于区分各个元件。例如，第一信号可以被称作第二信号，并且，类似地，第二信号可以被称作第一信号而不脱离本公开的教导。
这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意欲限制本发明。这里使用的单数形式“一”、“一个”和“该”意欲也包括复数形式，除非上下文明确指示。还应该理解，本说明书使用的术语“包括”和/或“包括的”或“包含”和/或“包含的”指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或添加。
除非特别定义，否则这里使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本发明所属的领域的普通技术人员所通常理解的含义。还应当理解，诸如在通常使用的词典中定义的那些术语应当被解释为具有与相关领域和/或本申请的背景下的含义一致的含义，并且不会被在理想化或过度正式的意义上解释，除非这里明确说明。
图1A是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素10的平面图。
参照图1A，像素10包括光接收区域(例如，光电二极管)11、包括在传送晶体管中的传送栅极12、包括在重置(reset)晶体管中的重置(reset)栅极13、包括在驱动晶体管中的驱动栅极14、以及包括在选择晶体管中的选择栅极15。
传送(transfer)栅极12可以通过金属接触件16c接收栅控信号。重置栅极13可以通过金属接触件16d接收栅控信号。选择栅极15可以通过金属接触件16g接收栅控信号。
重置晶体管的漏端子可以通过金属接触件16e接收重置电压。驱动晶体管的漏端子可以通过金属接触件16f连接到电源电压节点。驱动栅极14通过金属接触件16a和金属接触件16b连接到重置晶体管的源端子。
感测节点可以包括通过两个金属接触件16a和16b形成的寄生电容。重置晶体管的源端子可以被称为浮动扩散(FD)节点或感测节点17。选择晶体管的源端子通过金属接触件16h连接到输出线18。输出线18可以安排为从连接到金属接触件16h的部分延伸并包围感测节点17。因为输出线18被安排为包围感测节点17，所以感测节点17与各个栅极12，13和15的金属接触件16c、16d和16g绝缘，以使得可以降低感测节点17与各个栅极12、13和15的金属接触件16c、16d和16g的每一个之间的寄生电容。
输出线18可以被安排为仅包围金属接触件16c、16d和16g的至少一部分而不是包围感测节点17。金属接触件16a到16h可以替换为具有类似多硅的导电性的不同类型的接触件。驱动晶体管可以包括源跟随器结构。
如上所述，为了至少屏蔽并使感测节点17与各个栅极12、13和15的金属接触件16c、16d和16g绝缘，输出线18可以安排为包围感测节点17或仅包围金属接触件16c、16d和16g的至少一部分，或者输出线18可以安排为位于感测节点17和金属接触件16c、16d和16g的至少一个之间。然而，示例实施例不局限于这些实施例。
通过输出线18的布置，由于感测节点17和输出线18之间的寄生电容与具有源跟随器结构的驱动晶体管之间的密勒效应，可以降低感测节点17的有效电容。感测节点17的有效电容的降低导致输出电压的增加。作为结果，图像传感器的转换增益增加。下面将详细描述像素中的密勒效应。
图1B是沿着线1B-1B’的图1A中的单位像素的剖视图。如所示，栅极12以及栅极14与15分别形成在通过绝缘区ISO分离的衬底Sub的有源区域上。绝缘层Insul形成在栅极12、14和15上。插塞PG在绝缘层Insul中形成，每个电连接到(例如，接触)栅极12、14和15各自中的一个。接触件16g、16a和16c分别电连接(例如，接触)用于栅极12、14和15的插塞PG。感测节点17位于绝缘层Insul上并且与接触件16a电连接(例如，接触)。输出线18的一部分布置在接触件16g和感测节点17之间，并且另一部分布置在接触件16c和感测节点17之间。如进一步示出的，接触件16a、16g、16c、感测节点17和输出线18处于绝缘层Insul上的相同平面中。
图2A是用于说明图像传感器的单位像素中的密勒效应的图。图2B是图2A中示出的驱动电路20的示意性等效电路图。参照图2A，单位像素包括光电二极管PD，感测节点FD、驱动电路20和输出线。光电二极管PD将接收的光信号转换为光电荷。感测节点FD接近光电二极管PD并感测光电荷。驱动电路20将感测节点FD处的光电荷转换为电信号Vo。输出线连接到驱动电路20并输出电信号Vo。
参照图2B，驱动电路20包括通过具有阻抗Z的元件22连接到反馈环路的放大器21。根据密勒效应，具有电压增益的放大器电路的输入和输出端子之间的阻抗反比于电压增益。
详细地，通过放大器21的增益Av和输入电压Vi的乘积来表示输出电压Vo，即，Vo=AvVi。
在电流未流入放大器21的假定之下，在图2A和图2B中示出的驱动电路20中流动的电流可以通过Ii=(Vi-Vo)/Z=Vi(1-Av)/Z表示。
此时，通过将输入电压Vi除以电流Ii获得从放大器21的输入端子方面考虑的输入阻抗Zin，从而Zin通过Zin=Vi/Ii=ViZ/Vi(1-Av)=Z/(1-Av)表示。
在密勒效应的上述描述中已经叙述过，当放大器是具有负增益的反相放大器的情况下，输入和输出端之间的阻抗反比于电压增益。
然而，图2A和图2B中示出的驱动电路20的放大器21是源跟随器并且放大器21的增益Av具有小于1的正值，例如，0.75或者0.85。因此，从输入端子方面考虑的阻抗Zin与阻抗Z成比例增加。同时，当阻抗Z包括电容C时，阻抗Z通过Z=1/jwC表示。因此，从输入端子方面考虑的阻抗Zin通过Zin=1/(jwC(1-Av))=1/jwCeff表示，其中Ceff是从输入端子方面考虑的电容并且通过Ceff＝C(1-Av)表示。
因此，有效电容Ceff在CMOS图像传感器中降低。随着有效电容Ceff降低，转换增益增加，因此输出电压Vo增加。
图2A和图2B中示出的输入电压Vi可以包括感测节点FD的电压(即，CMOS图像传感器中的感测电压)并且输出电压Vo可以包括像素的输出电压。
图3是与图2A和图2B对应的像素30的详细电路图。
图3中示出的像素30包括四个晶体管Tx、Rx、Dx和Sx以及单个光电二极管PD。四个晶体管Tx、Rx、Dx和Sx包括具有通过栅控信号Φt控制的栅极端子的传送晶体管Tx，具有通过栅控信号Φr控制的的栅极端子的重置晶体管Rx，通过源跟随器结构来放大感测节点FD的电压的驱动晶体管Dx、以及具有通过栅控信号Φs控制的栅极端子的选择晶体管Sx。
图2A和图2B中示出的驱动电路20可以包括重置晶体管Rx、驱动晶体管Dx和选择晶体管Sx。驱动电路20还可以包括传送晶体管Tx。放大器21可以包括驱动晶体管Dx。
感测节点FD可以包括通过驱动晶体管Dx的栅极端子、重置晶体管Rx的源端子、以及传送晶体管Tx的漏端子当中的金属接触件形成的寄生电容CFD。
寄生电容可以存在于感测节点FD和外围设备金属接触件的每一个之间。寄生电容C32存在于重置晶体管Rx的栅极端子和感测节点FD之间。寄生电容C31存在于传送晶体管Tx的栅极端子和感测节点FD之间。寄生电容C33存在于选择晶体管Sx的栅极端子和感测节点FD之间。寄生电容COFD可以存在于输出端子Vo和感测节点FD之间。
存在于输出端子Vo和感测节点FD之间的寄生电容COFD可以对应于图2B中具有阻抗Z的元件22。
因此，存在于输出端子Vo和感测节点FD之间的寄生电容COFD抵销其他寄生电容C31、C32和C33，从而增加CMOS图像传感器的转换增益。这可以使用图1中示出的布局实现。这可以起因于物理因素，该物理因素防止寄生电容C31、C32和C33通过输出线的布局被创建。
图4A和4B是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素的平面图。
除输出线48a的布局和不同的参考标号之外，图4A中示出的结构与图1中示出的结构相同。输出线48a连接到金属接触件46h并且从其中延伸以包围选择栅极45的金属接触件46g，所述金属接触件46h连接到选择晶体管的源端子。因此，感测节点47和选择栅极45的金属接触件46g之间的寄生电容至少被降低并且可以由感测节点47和输出线48a之间寄生电容抵销。
远离金属接触件46g，输出线48a可以被安排为包围传送栅极42的金属接触件46c和重置栅极43的金属接触件46d当中的至少一个，以使得减少和/或抵销感测节点47与金属接触件46c、46d和46g的每一个之间的寄生电容。输出线48a可以布置在金属接触件46c、46d和46g的每一个与感测节点47之间而不是包围金属接触件46c、46d和46g。因此，感测节点47被屏蔽，并且可以与金属接触件46c、46d和46g绝缘。
在上述实施例中，使用金属接触件46a到46h，但是可以使用具有导电性的任何其他接触件。
参照图4B，输出线48a被安排为包围选择栅极45的金属接触件46g并且延伸至位于感测节点47和各个传送栅极42和重置栅极43的金属接触件46c和46d的每一个之间。通过此布局，感测节点47与金属接触件46c、46d和46g的每一个之间的寄生电容被降低并且可以被抵销。
图5是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素50的平面图。除金属接触件56e和不同的参考标号之外，图5中示出的结构与图1中示出的结构相同。输出线58也具有与图1中示出的输出线18相同的布局。参照图5，重置晶体管和驱动晶体管通过由金属接触件56e引起的源端子共同连接到电源电压节点。因此，可以使用电源电压电平或可变电压电平来控制重置电压。
图6是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素60的详细电路图。不同于图3中示出的像素30，图6中示出的像素60包括连接在电源电压节点Vdd和驱动晶体管Dx之间的选择晶体管Sx。因此，推断输出端子连接到驱动晶体管Dx的源端子。寄生电容由C61、C62和C63表示。
图7A是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素70的平面图。图7A对应于图6中示出的详细电路图。
除包括在图6中示出的选择晶体管Sx中的选择栅极75的位置和不同的参考标号之外，图7A中示出的结构几乎与图1A中示出的相同。选择栅极75的漏端子接触金属接触件76f以使得选择栅极75连接到电源电压节点。
感测节点77和输出线78以和图1A中示出的感测节点17和输出线18相同的方式布置。换句话说，输出线78安排为包围感测节点77，从而感测节点77与金属接触件76c、76d和76g绝缘。作为结果，感测节点77和金属接触件76c、76d和76g的每一个之间的寄生电容被降低和可能被抵消并且感测节点77和输出线78之间的寄生电容的电容增加。
图7B是沿着线7B-7B’的图7A中的单位像素的剖视图。如所示，栅极72以及73分别形成在通过绝缘区ISO分离的衬底Sub的有源区域上。绝缘层Insul形成在栅极72和73上。插塞PG在绝缘层Insul中形成，每个电连接(例如，接触)栅极72和73中各自的一个。接触件76c和76d分别电连接到(例如，接触)用于栅极72和73的插塞PG。感测节点77位于接触件76c和76d之间的绝缘层Insul上。输出线18的一部分布置在接触件76c和感测节点77之间，并且另一部分布置在接触件76d和感测节点77之间。如进一步示出的，接触件76c和76d、感测节点77和输出线78处于绝缘层Insul上的相同平面中。
图8是根据示例实施例的图像传感器中的单位像素80的平面图。图8对应于图6中示出的详细电路图。除了使用通过金属接触件86e共同连接到电源电压节点的选择晶体管和重置晶体管以及不同的参考标号之外，图8中示出的结构几乎与图7中示出的结构相同。将省略相同结构和操作的描述。
图9是具有共享结构的两个像素的图像传感器中的像素的详细电路图。
参照图9，两个相邻像素分别包括光电二极管PD81和PD82，并且分别包括传送晶体管Tx81和Tx82，而且两个像素共享晶体管Rx、Dx和Sx。在当前实施例中，每个像素包括四个晶体管，但是可以改变包括在每个像素中的晶体管的数目。
详细地，两个像素共享感测节点FD、重置晶体管Rx、驱动晶体管Dx、以及选择晶体管Sx。
在感测节点FD和相邻的导电材料之间的寄生电容包括感测节点FD和输出端子之间的寄生电容COFD、感测节点FD和选择栅极之间的寄生电容C83、感测节点FD和重置栅极之间的寄生电容C82、感测节点FD和第一传送栅极之间的寄生电容C81、以及感测节点FD和第二传送栅极之间的寄生电容C84。
图10A是图9中示出的像素的平面图。
参照图10A，提供两个光电二极管101a和101b以及两个传送栅极102a和102b。因为提供单个重置栅极103、单个感测节点107、单个驱动栅极104、以及单个选择栅极105，所以它们由两个像素共享。使用金属接触件106b和驱动栅极104的金属接触件106g形成感测节点107，感测节点107连接到两个传送栅极102a和102b之间的共同的源端子。输出线108连接到金属接触件106i并且从其中延伸以包围感测节点107，该金属接触件106i连接到选择晶体管的源端子。
在图10A中示出的共享像素结构中，感测节点107和输出线108安排为与光电二极管101a重叠。因为该结构可以产生阻碍入射光进入光电二极管101a的副作用，所以图10中示出的共享结构将适合于背照式传感器(BIS)。
当应用于前面照度传感器，必须改变一部分布局以使得感测节点107和输出线108不与光电二极管101a重叠。
图10B是沿着线10B-10B’的图10A中的单位像素的剖视图；如所示，栅极102a以及103分别形成在通过绝缘区ISO分离的衬底Sub的有源区域上。绝缘层Insul形成在栅极102a和103上。插塞PG在绝缘层Insul中形成，每个电连接到(例如，接触)栅极102a和103各自中的一个。此外插塞PG还接触光电二极管区域101b。接触件106e、106b和106a分别电连接到(例如，接触)用于栅极102a、光电二极管区域101b和栅极103的插塞PG。感测节点107位于绝缘层Insul上并且与接触件106b电连接(例如，接触)。输出线108的一部分布置在接触件106e和感测节点107之间，并且另一部分布置在接触件106a和感测节点107之间。如进一步示出的，接触件106e、106b、106a、感测节点107和输出线108处于绝缘层Insul上的相同平面中。
图11是沿图10A中示出的线11-11'截取的像素的剖视图。
参照图11，光电二极管101b和绝缘层112位于衬底111上。在衬底111上邻近于光电二极管101b提供彼此相邻的两个传送栅极102a和102b。两个传送栅极102a和102b之间的源极/漏极端子通过金属接触件106b连接到驱动栅极（未示出)。通过此连接形成的寄生电容用作感测节点107。连接到选择晶体管的源端子并从其中延伸的输出线108布置在感测节点107两侧。在布置在感测节点107的两侧的输出线108的部分之间形成的电容器用作输出线108和感测节点107之间的反馈电容器。由于以上描述的密勒效应导致反馈电容器降低有效电容，从而增加转换增益。此外，影响密勒效应的感测节点107和感测节点107周围的每个金属接触件之间的寄生电容被降低，以使得最大化由使用感测节点107和输出线108之间的寄生电容的反馈电容器引起的密勒效应。
在图11中示出的结构中，通过衬底111的后部接收光。因此，即使当输出线108位于光电二极管101b上的时候，也不降低光敏性。
图12是具有共享结构的四个像素的图像传感器中的像素的详细电路图。
参照图12，四个相邻像素分别包括光电二极管PD121、PD122、PD123和PD124，并且分别包括传送晶体管Tx121、Tx122、Tx123和Tx124，而且四个像素共享晶体管Rx、Dx和Sx。在当前实施例中，每个像素包括四个晶体管，但是可以改变包括在每个像素中的晶体管的数目。
详细地，四个像素共享感测节点FD、重置晶体管Rx、驱动晶体管Dx、以及选择晶体管Sx。
在感测节点FD和相邻的导电材料之间的寄生电容包括感测节点FD和输出端子之间的寄生电容COFD、感测节点FD和选择栅极之间的寄生电容C123、感测节点FD和重置栅极之间的寄生电容C122、感测节点FD和第一传送栅极之间的寄生电容C121、感测节点FD和第二传送栅极之间的寄生电容C124、感测节点FD和第三传送栅极之间的寄生电容C125、以及感测节点FD和第四传送栅极之间的寄生电容C126。
图13是根据示例实施例的图12中示出的像素的平面图。
参照图13，提供四个光电二极管131a到131d以及四个传送栅极132a到132d。因为提供单个重置栅极133、单个感测节点137、单个驱动栅极134、以及单个选择栅极135，所以它们由四个像素共享。使用金属接触件136a、金属接触件136c和驱动栅极134的金属接触件136b形成感测节点137，金属接触件136a连接到两个传送栅极132a和132b之间的共同源端子，金属接触件136c连接到两个传送栅极132c和132d之间的共同源端子。输出线138连接到金属接触件136i并且从其中延伸以包围感测节点137，该金属接触件136i连接到选择晶体管的源端子。
在图13中示出的共享像素结构中，感测节点137和输出线138安排为与光电二极管131b和131c重叠。因为该结构可以产生阻碍入射光进入光电二极管131b和131c的副作用，所以图13中示出的共享结构将适合于BIS。
当应用于前面照度传感器时，必须改变一部分布局以使得感测节点137和输出线138不与光电二极管131b和131c重叠。
图14是根据示例实施例的图12中示出的像素的平面图。不同于图13中示出的用于形成源极/漏极端子的有源区域位于像素之间的结构，该有源区域位于图14中示出的结构中的像素的一侧。
详细地，提供四个光电二极管141a到141d以及四个传送栅极142a到142d。因为提供单个重置栅极143a、单个感测节点147、单个驱动栅极144、以及单个选择栅极145，所以它们由四个像素共享。使用金属接触件146a、金属接触件146c和驱动栅极144的金属接触件146b形成感测节点147，金属接触件146a连接到两个传送栅极142a和142b之间的共同源端子，金属接触件146c连接到两个传送栅极142c和142d之间的共同源端子。输出线148连接到金属接触件146j并且从其中延伸以包围感测节点147，该金属接触件146j连接到选择晶体管的源端子。
在其中形成金属接触件146m的有源区域可以实际上不必要，但是可以提供该有源区域用于模式对称性以及简化形成初始有源区域的处理。此外，为了通过重置栅极143a进行控制而确保宽动态范围，或者为了防止由共享像素结构引起的重置电平下降，可以提供伪重置栅极和金属接触件146m。
图15A到图15D是单位像素的不同示例的详细电路图。
参照图15A，单位像素150a包括光电二极管PD、传送晶体管Tx、感测节点FD、重置晶体管Rx、驱动晶体管Dx和选择晶体管Sx。
光电二极管PD可以包括光晶体管、光栅极、PIN型光电二极管(PPD)及其组合当中的至少一个。
图15A示出了包括单个光电二极管PD和四个MOS晶体管Tx、Rx、Dx和Sx的4晶体管(4T)结构，但是本发明构思不限于此示例。包括包含驱动晶体管Dx和选择晶体管Sx以及光电二极管PD的至少三个晶体管的任何电路可以用于该实施例。图15A的结构与图3相同，其中重置晶体管Rx和驱动晶体管Dx连接到相同的电源电压VDD、并且选择晶体管Sx向列线COL提供输出。
参照图15B，单位像素150b具有包括光电二极管PD、重置晶体管Rx、驱动晶体管Dx和选择晶体管Sx的3晶体管(3T)结构。即，除了已经去掉传送晶体管Tx之外，该结构与图15B相同。
参照图15C，单位像素150c具有包括光电二极管PD、传送晶体管Tx、重置晶体管Rx、驱动晶体管Dx和选择晶体管Sx的5晶体管(5T)结构。除了传送控制晶体管Gx基于栅控信号Φs向传送栅极TX选择性地提供传送栅极信号TG之外，图15C的实施例与图15A的实施例相同。
参照图15D，单位像素150d具有包括光电二极管PD、传送晶体管Tx、重置晶体管Rx、驱动晶体管Dx、选择晶体管Sx、以及光电晶体管Px的5T结构。除了光电晶体管Px连接到传送晶体管Tx之外，图15D的实施例与图15A的实施例相同。在此实施例中，从光电二极管PD传送到传送晶体管Tx的电荷量取决于施加到光电晶体管Px的栅极的栅控信号Φp。
图15E是图15B中所示的单位像素的平面图。
图15F是图15C中所示的单位像素的平面图。
图16是根据示例实施例的图像传感器160的图。
参照图16，图像传感器160包括图1到图15D中示出的结构和操作中的任何一个。从而图像传感器160具有改善的转换增益。图像传感器160将光信号转换为电信号并输出该电信号。定时控制器161控制图像传感器160的操作定时。例如，定时控制器161可以使用图像传感器160的传送栅控信号来控制光收集时间。图像传感器160包括像素阵列163、模数转换器(ADC)164、X地址解码器162、存储器165和图像信号处理器(ISP)166。
像素阵列163包括具有图1A到图15D中示出的结构的任何一个的多个像素的阵列。ADC164将从像素阵列163输出的模拟信号转换为数字信号。存储器165可以被称为缓冲存储器或帧存储器。存储器165可以以帧为单位存储数字信号。ISP166使用以数字形式存储在存储器165中的图像信号执行必要的信号处理。该信号处理可以包括颜色插值、颜色校正、自动白平衡、伽玛校正、色饱和度校正、格式化、差像素校正和色相校正。
X地址解码器162使用从定时控制器161接收到的地址信息X-Add控制对于像素阵列163中的每个行的操作(或输出)定时。
取决于相关的二次抽样(CDS)方案,即,模拟CDS、数字CDS或双重CDS，ADC164可以具有不同的结构。ADC164可以实现为为图像传感器160中的每个列而提供的列ADC或为全部列而提供的单个ADC。
图17是根据示例实施例的照相机系统170的框图。照相机系统170可以是数字照相机。
参照图17，照相机系统170可以包括镜头171、图像传感器172、马达单元173和引擎单元174。图像传感器172的像素结构可以包括图1A到图15D中示出的输出线的布局的任何一个。
镜头171将入射光聚焦到图像传感器172中的光接收区域(例如，光电二极管)上。图像传感器172基于通过镜头171接收到的入射光生成图像数据。图像传感器172基于时钟信号CLK提供图像数据。图像传感器172可以使用移动行业处理机接口(MIPI)和/或照相机串行接口(CSI)与引擎单元174接口连接。马达单元173可以响应于从引擎单元174接收到的控制信号CTRL调整镜头171的聚焦，或执行快门动作(shutting)。引擎单元174控制图像传感器172和马达单元173。引擎单元174可以基于从图像传感器172接收到的距离和/或图像数据，生成包括到对象的距离、亮度分量、亮度分量和蓝色分量之间的差值、以及亮度分量和红色分量之间的差值的YUV数据，或者生成例如联合图像专家组(JPEG)数据的压缩数据。引擎单元174可以连接到主机/应用175并且可以基于主时钟信号MCLK向主机/应用175提供YUV数据或JPEG数据。此外，引擎单元174可以使用串行外围设备接口(SPI)和/或内部集成电路(I2C)与主机/应用175接口连接.
图18是根据示例实施例的计算系统180的框图。参照图18，计算系统180可以包括处理器181、存储器设备（memory device）182、储存设备（storage device）183、输入/输出(I/O)设备184、电源185、以及图像传感器186。图像传感器186的像素结构可以包括图1A到图15D中示出的输出线的布局的任何一个。
虽然未在图18中示出，但是计算系统180还可以包括可以与视频卡、声卡、存储卡、通用串行总线(USB)设备、或其他电子设备通信的端口。
处理器181可以执行特定计算或任务。处理器181可以是微处理器或中央处理单元(CPU)。处理器181可以通过地址总线、控制总线和数据总线与存储器设备182、储存设备183、以及I/O设备184通信。处理器181还可以连接到诸如外设部件互连(PCI)总线的扩展总线。存储器设备182可以存储计算系统180的操作所需的数据。存储器设备182可以由动态随机存取存储器(DRAM)、移动DRAM、静态RAM(SRAM)、相变RAM(PRAM)、铁电RAM(FRAM)、阻变RAM(RRAM)和/或磁阻RAM(MRAM)实现。
储存设备183可以包括固态驱动器(SSD)、硬盘驱动器(HDD)、以及紧致磁盘-只读存储器(CD-ROM)。I/O设备184可以包括诸如键盘、键区、以及鼠标之类的输入设备以及诸如打印机和显示器之类的输出设备。电源185可以提供计算系统180的操作所需的操作电压。
图像传感器186可以通过总线或其他通信链路与处理器181通信。图像传感器186和处理器181可以一起集成为单个芯片或可以分别分离地集成到不同的芯片中。计算系统180可以是使用图像传感器186的任何类型计算系统。例如，计算系统180可以是数字照相机、蜂窝电话机、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、或智能电话。
图19是根据示例实施例的计算系统190的接口的示例的框图。
参照图19，计算系统190可以实现为可以使用或支持MIPI并且可以包括应用处理器1900、图像传感器1920和显示器1930的数据处理设备。包括在应用处理器1900中的CSI主机（Host）1902可以使用CSI执行与包括在图像传感器1920中的CSI设备1921的串行通信。CSI主机1902可以包括解串器DES并且CSI设备1921可以包括串行器SER。图像传感器1920的像素结构可以包括图1到图15D中示出的输出线的布局的任何一个。
包括在应用处理器1900中的显示器串行接口(DSI)主机（Host）1901可以使用DSI执行与包括在显示器1930中的DSI设备1931的串行通信。DSI主机1901可以包括串行器SER并且DSI设备1931可以包括解串器DES。计算系统190还可以包括可以与应用处理器1900通信的射频(RF)芯片1940。应用处理器1900的物理层(PHY)1903和RF芯片1940的PHY 1941可以根据MIPI DigRF彼此进行数据通信。应用处理器1900还可以包括控制PHY1903以根据MIPI DigRF发送和接收数据的DigRF主(Master)1904。RF芯片1940还可以包括控制PHY1941以根据MIPI DigRF发送和接收数据的DigRF从(Slave)1942。
计算系统190还可以包括全球定位系统(GPS)1910、存储器1950、麦克风(MIC)1960、DRAM1970、以及扬声器1980。计算系统190可以使用超宽频带(UWB)1993、无线局域网(WLAN)1992、以及全球互通微波存取(WIMAX)1991进行通信。图19中示出的计算系统190的结构和接口只是示例，并且本发明不限于此。
根据一些实施例，CMOS图像传感器的转换增益增加，因此，CMOS图像传感器的灵敏度也增加。
尽管已经具体示出并描述了示范性实施例，但是本领域普通技术人员应当理解，在不脱离由以下权利要求书所定义的本发明构思的精神和范围的情况下，可以对本发明做出形式和细节的各种修改。

Claims (30)

1.一种图像传感器，包括：
第一光电二极管，被配置为将光信号转换为光电荷；
感测节点，被配置为存储第一光电二极管的光电荷；
电路，被配置为在输出线上选择性地输出与感测节点处的光电荷对应的电信号，并且该电路连接到至少第一导电接触件；以及
输出线，在感测节点和第一导电接触件之间，所述输出线包围感测节点和第一导电接触件中的至少一个，以使得所述输出线被配置为从第一导电接触件屏蔽感测节点。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为向感测节点传送光电荷的传送晶体管，该传送晶体管连接到第一导电接触件；以及
所述输出线在感测节点和第一导电接触件之间。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其中所述传送晶体管具有连接到第一导电接触件用于接收栅控信号的栅极。
4.如权利要求2所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为重置感测节点的电压电平的重置晶体管，并且所述重置晶体管连接到第二导电接触件；以及
所述输出线在感测节点和第二导电接触件之间。
5.如权利要求4所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为将光电荷转换为电信号的驱动晶体管。
6.如权利要求5所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为控制电信号向输出线的传送的选择晶体管，并且所述选择晶体管连接到第三导电接触件；以及
所述输出线在感测节点和第三导电接触件之间。
7.如权利要求6所述的图像传感器，其中所述输出线包围感测节点。
8.如权利要求6所述的图像传感器，其中所述输出线还包围第三导电接触件。
9.如权利要求5所述的图像传感器，其中
所述驱动晶体管连接到电压电源，并且具有连接到感测节点的驱动栅极。
10.如权利要求9所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为控制电信号向输出线的传送的选择晶体管，并且所述选择晶体管连接在输出线和驱动晶体管之间，并且具有连接到第三导电接触件的选择栅极；以及
所述输出线在感测节点和第三导电接触件之间。
11.如权利要求5所述的图像传感器，其中
所述驱动晶体管连接到输出线，并且具有连接到感测节点的驱动栅极。
12.如权利要求11所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为控制电信号向输出线的传送的选择晶体管，并且所述选择晶体管连接在电压电源和驱动晶体管之间，并且具有连接到第三导电接触件的选择栅极；以及
所述输出线在感测节点和第三导电接触件之间。
13.如权利要求5所述的图像传感器，其中
所述重置晶体管连接在电压电源接触件和感测节点之间，并且具有连接到第二导电接触件的重置栅极。
14.如权利要求13所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为控制电信号向输出线的传送的选择晶体管，并且所述选择晶体管连接在电压电源接触件和驱动晶体管之间，并且具有连接到第三导电接触件的选择栅极；以及
所述输出线在感测节点和第三导电接触件之间。
15.如权利要求5所述的图像传感器，其中
所述传送晶体管具有连接到第一导电接触件用于接收第一栅控信号的栅极，所述重置晶体管具有连接到第二导电接触件用于接收第二栅控信号的栅极，并且所述选择晶体管具有连接到第三导电接触件用于接收第三栅控信号的栅极。
16.如权利要求1所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为重置感测节点的电压电平的重置晶体管，并且所述重置晶体管连接到第一导电接触件；以及
所述输出线在感测节点和第一导电接触件之间。
17.如权利要求16所述的图像传感器，其中
所述重置晶体管具有连接到第一导电接触件用于接收栅控信号的栅极。
18.如权利要求16所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为将光电荷转换为电信号的驱动晶体管。
19.如权利要求18所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为控制电信号向输出线的传送的选择晶体管，并且所述选择晶体管连接到第二导电接触件；以及
所述输出线在感测节点和第二导电接触件之间。
20.如权利要求16所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为向感测节点传送光电荷的传送晶体管；以及
被配置为控制传送晶体管的操作的控制晶体管，并且所述控制晶体管连接到第二导电接触件。
21.如权利要求20所述的图像传感器，其中
所述控制晶体管具有连接到第二导电接触件的栅极。
22.如权利要求1所述的图像传感器，其中
所述电路包括被配置为将光电荷转换为电信号的驱动晶体管；
所述电路包括被配置为控制电信号向输出线的传送的选择晶体管，并且所述选择晶体管连接到第一导电接触件；以及
所述输出线在感测节点和第一导电接触件之间。
23.如权利要求22所述的图像传感器，其中
所述输出线包围第一导电接触件。
24.如权利要求22所述的图像传感器，其中
所述选择晶体管具有连接到第一导电接触件用于接收栅控信号的栅极。
25.如权利要求1所述的图像传感器，其中
所述输出线和感测节点位于相同平面中。
26.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第二光电二极管，被配置为将光信号转换为光电荷；以及其中
所述感测节点被配置为存储第二光电二极管的光电荷。
27.如权利要求26所述的图像传感器，其中所述电路包括：
第一传送晶体管，被配置为向感测节点传送第一光电二极管的光电荷，所述第一传送晶体管连接到第一导电接触件；
第二传送晶体管，被配置为向感测节点传送第二光电二极管的光电荷，所述第二传送晶体管连接到第二导电接触件；
重置晶体管，被配置为重置感测节点的电压电平，所述重置晶体管连接到第三导电接触件；以及
驱动晶体管，被配置为将感测节点处的光电荷转换为电信号；以及其中
所述输出线在感测节点和第一导电接触件到第三导电接触件的至少一个之间。
28.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第二光电二极管，被配置为将光信号转换为光电荷；
第三光电二极管，被配置为将光信号转换为光电荷；
第四光电二极管，被配置为将光信号转换为光电荷；以及其中
所述感测节点被配置为存储第一光电二极管到第四光电二极管的光电荷。
29.如权利要求28所述的图像传感器，其中所述电路包括：
第一传送晶体管，被配置为向感测节点传送第一光电二极管的光电荷，所述第一传送晶体管连接到第一导电接触件；
第二传送晶体管，被配置为向感测节点传送第二光电二极管的光电荷，所述第二传送晶体管连接到第二导电接触件；
第三传送晶体管，被配置为向感测节点传送第三光电二极管的光电荷，所述第三传送晶体管连接到第三导电接触件；
第四传送晶体管，被配置为向感测节点传送第四光电二极管的光电荷，所述第四传送晶体管连接到第四导电接触件；
重置晶体管，被配置为重置感测节点的电压电平，所述重置晶体管连接到第五导电接触件；以及
驱动晶体管，被配置为将感测节点处的光电荷转换为电信号；以及其中
所述输出线在感测节点和第一导电接触件到第五导电接触件的至少一个之间。
30.一种图像传感器，包括：
光电二极管，被配置为将光信号转换为光电荷；
感测节点，被配置为存储光电荷；
电路，被配置为在输出线上选择性地输出与感测节点处的光电荷对应的电信号；以及
所述输出线在感测节点和至少一个导电接触件之间，所述输出线包围感测节点和所述至少一个导电接触件中的至少一个，以使得所述输出线被配置为从所述至少一个导电接触件屏蔽感测节点。
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