CN104867949A - 影像传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种影像传感器，包含具有多个感测像素的像素区、对应每个感测像素的多个传输栅极、分别电连接多个相邻感测像素的多个浮动扩散区，而被最接近的传输栅极所控制、位于浮动扩散区间的重置栅极、与浮动扩散区一起被重置栅极所控制的重置电压节点、以及位于像素区外的多个源极随耦栅极，以分别读取来自像素区的光电流。

Description

影像传感器

技术领域

本发明大致上涉及一种影像传感器。特定言之，本发明则针对一种具有三端共享（three-share）的T形晶体管的影像传感器。

背景技术

在影像传感器的领域中，由于高像素的需求，因此像素愈来愈小，但是像素小又会影响到影像品质，因此增进像素的开口率（fill factor）可以提高收光效率而增进影像品质。

发明内容

本发明则提出了一种具有三端共享的T形晶体管的影像传感器。本发明的影像传感器，相邻的像素可以经由共享多种元件与减少金属使用来扩大像素的总体受光面积。一方面，共享多种元件的相邻像素就可以依序读取光信号。另一方面，还可以减少金属占据影像传感器中的面积来进一步扩大总体受光面积。还有，经由调整T形晶体管的尺寸，又可以减轻短通道效应。

本发明首先提出一种影像传感器。本发明的影像传感器包含像素区、多个传输栅极、第一浮动扩散区、第二浮动扩散区、重置（reset）栅极、重置电压节点（signal node）与多个源极随耦（source follower）栅极。像素区包含多个感测像素，而每个感测像素仅具有一个传输栅极。第一浮动扩散区与第二浮动扩散区，分别电连接不相同又相邻的多个感测像素，使得多个传输栅极其中任何一个会控制第一浮动扩散区与第二浮动扩散区其中最接近之一者。重置栅极位于第一浮动扩散区与第二浮动扩散区之间，而重置电压节点则邻近重置栅极，又使得重置电压节点与第一浮动扩散区和第二浮动扩散区一起被重置栅极所控制。多个源极随耦栅极位于像素区外，用来分别读取来自像素区的光电流。

在本发明一实施方式中，感测像素作为源极，第一浮动扩散区或第二浮动扩散区则作为漏极，而被各传输栅极所控制。

在本发明另一实施方式中，像素区包含4个感测像素。

在本发明另一实施方式中，多个传输栅极围绕重置栅极。

在本发明另一实施方式中，第一浮动扩散区、第二浮动扩散区、重置栅极与重置电压节点一起形成T字形。

在本发明另一实施方式中，重置栅极位于T形的交点。

在本发明另一实施方式中，重置栅极为一种3方向的晶体管。

在本发明另一实施方式中，第一浮动扩散区与第二浮动扩散区为共享式节点。

在本发明另一实施方式中，源极随耦栅极用来读取来自第一浮动扩散区或是第二浮动扩散区的光电流。

在本发明另一实施方式中，重置电压节点作为源极，第一浮动扩散区或是第二浮动扩散区则作为漏极，而一起被重置栅极所控制。

在本发明另一实施方式中，第一浮动扩散区作为源极，第二浮动扩散区则作为漏极，而被重置栅极所控制。

本发明其次提出另一种影像传感器。本发明的影像传感器包含多个像素区、主动区域、多个传输栅极、重置栅极、第一浮动扩散区、第二浮动扩散区、重置电压节点与多个源极随耦栅极。主动区域包含多个像素区，而每个像素区包含多个感测像素。每个感测像素仅具有多个传输栅极其中的一个传输栅极。重置栅极位于主动区域之外。第一浮动扩散区与第二浮动扩散区位于主动区域之外并邻近重置栅极，而分别电连接至多个像素区中不相同的至少一者。重置电压节点亦位于主动区域之外并邻近重置栅极，而与第一浮动扩散区和第二浮动扩散区一起被重置栅极所控制。多个源极随耦栅极位于主动区域之外，以分别读取来自像素区的光电流。

在本发明一实施方式中，主动区域包含2ⁿ个感测像素。n为大于2的自然数。

在本发明另一实施方式中，重置栅极位于多个源极随耦栅极之间。

在本发明另一实施方式中，影像传感器还包含多个主动区域，使得重置栅极位于多个主动区域之间。

在本发明另一实施方式中，多个源极随耦栅极其中一者读取来自多个主动区域其中一者的光电流。

在本发明另一实施方式中，第一浮动扩散区、第二浮动扩散区、重置栅极与重置电压节点一起形成T字形。

在本发明另一实施方式中，重置栅极位于T形的交点。

在本发明另一实施方式中，重置栅极为一种3方向的晶体管。

在本发明另一实施方式中，重置电压节点作为源极，而第一浮动扩散区或第二浮动扩散区作为漏极，又一起被重置栅极所控制。

附图说明

图1绘示本发明重置栅极与源极随耦栅极位于所控制的像素区之外的影像传感器的俯视图。

图2绘示像素区、感应节点以及传输栅极一起形成一组晶体管结构。

图3绘示重置电压节点、第一感应节点和第二感应节点一起与重置栅极形成另一组晶体管结构。

图4绘示又一组晶体管结构，其中第一感应节点作为源极，第二感应节点作为漏极，而被重置栅极所控制。

图5绘示本发明重置栅极位于所控制的像素区之外的影像传感器的俯视图。

图6绘示重置电压节点、感应节点一起与重置栅极形成一组晶体管结构。

具体实施方式

在本发明的一实施例中，首先提出一种影像传感器100，包括多个感测像素、多个重置晶体管、多个传输晶体管和多个源极随耦器。图1绘示本发明实施例的影像传感器布局图。传输晶体管140的传输栅极是图中的元件标号141、142、143和144；重置晶体管的重置栅极是元件标号150；像素区130包括元件标号为131、132、133和134的感测像素；源极随耦器的栅极标示为170。传输栅极141和142分别选择性传输感测像素131和132的电荷到第一浮动扩散区(floating diffusion node)110；传输栅极143和144分别选择性传输感测像素133和134的电荷到另一方向的第二浮动扩散区(floatinn diffusion node)120。重置栅极150可控制感测像素131、132、133和134的重置操作。

像素区130可为此半导体基底中的掺杂区，其中包含有多个感测像素，但不限于此，本发明亦可应用于其他材质的基底。例如，将本实施例的影像传感器结构制作于液晶显示器的透明面板上，均应属本发明的涵盖范围。像素区130大致呈多边形，例如矩形，并可以区分成多个位置区域，例如区分成四个象限（quadrant），使像素区130中包含有4个独立的感测像素131/132/133/134，而每个感测像素分别位于像素区130的四个象限其中一个内，并大致上环绕第一浮动扩散区110、第二浮动扩散区浮动扩散区120与重置栅极150等元件。每个感测像素131/132/133/134均可用来接收光，并将光转换成电流信号，称为光电流（photocurrent）。

在本实施例中，传输栅极140的数目等同于像素区130中感测像素的数目。例如，像素区130中有四个传输栅极141/142/143/144，并分别对应于每个感测像素131/132/133/134。如此一来，每个感测像素仅对应于其中一个传输栅极，同时又被此传输栅极所控制。例如，图1中绘示传输栅极141对应于感测像素131、传输栅极142对应于感测像素132、传输栅极143对应于感测像素133、传输栅极144对应于感测像素134。优选地，传输栅极与感测像素并不共享。

此外，像素区130中的掺杂区上还有多个浮动扩散区，例如第一浮动扩散区110与第二浮动扩散区120。但是，浮动扩散区的数目并不如像素区130中所有感测像素的数目一样多。例如，图1中绘示两个浮动扩散区，且浮动扩散区会电连接多个相邻的感测像素。例如，第一浮动扩散区110电连接相邻的感测像素131/132，而第二浮动扩散区则电连接感测像素133/134。如此一来，浮动扩散区便可以共享。

特别要注意到的是，各传输栅极优选会控制多个浮动扩散区其中最接近之一者。例如传输栅极141/142会控制最接近的第一浮动扩散区110，而传输栅极143/144则会控制最接近的第二浮动扩散区120，以构成一种控制元件。例如，传输栅极141对应的感测像素131与第一浮动扩散区110、传输栅极142对应的感测像素132与第一浮动扩散区110、传输栅极143对应的感测像素133与第二浮动扩散区120、传输栅极144对应的感测像素134与第二浮动扩散区120。如图2所绘示，像素区130、浮动扩散区120以及传输栅极140一起则会形成一组传输晶体管101。如此，像素区130所累积的电荷即可以受控于传输栅极140而从像素区130所扮演的源极流向作为漏极的浮动扩散区其中一者。

重置栅极150即位于像素区130中的掺杂区上。更明确地说，一方面重置栅极150位于第一浮动扩散区110与第二浮动扩散区120之间，另一方面，多个传输栅极141/142/143/144又会围绕重置栅极150。重置栅极150可以接收重置电压，并通过传输栅极141/142/143/144来重置对应的感测像素131/132/133/134。重置电压节点160即位于像素区130中掺杂区的端点上并邻近重置栅极150，用来接收重置电压。重置栅极与重置电压节点亦可以共享。

如图3所绘示，重置电压节点160与第一浮动扩散区110、重置电压节点160与第二浮动扩散区120均分置于重置栅极150的两侧，使得重置电压节点160、第一浮动扩散区110和第二浮动扩散区120又一起与重置栅极150形成另一组晶体管结构102，所以重置电压节点160、第一浮动扩散区110和第二浮动扩散区120亦会被重置栅极150所一起控制。或是，如图4所绘示，第一浮动扩散区110和第二浮动扩散区120重置栅极150分置于重置栅极150的两侧，故也可以视为另一组晶体管结构103，亦即第一浮动扩散区110作为源极，第二浮动扩散区120作为漏极，而被重置栅极150所控制。

在图3中，所形成的晶体管结构102具有三端共享的T形结构，亦即3方向的晶体管，重置栅极150位于T形的交点。其中重置电压节点160作为源极，第一浮动扩散区110和第二浮动扩散区120其中一者作为漏极，因此第一浮动扩散区110与第二浮动扩散区120即为共享式节点，以节省重置晶体管的数目。

此外，又如图1所绘示，本实施例另可设置有多个源极随耦栅极170，位于像素区130的掺杂区外，并与第一浮动扩散区110或是第二浮动扩散区120电连接。源极随耦栅极170的输出端可以输出至重置电压节点，而其输入端是通过外部金属绕线（图未示）电连接到浮动扩散（floatingdiffusion）。

如此，经由晶体管结构101耦合至晶体管结构102，某个源极随耦栅极170就可以读取来自特定感测像素的电荷并输出。优选地，还可以提供具有时序的控制信号，来分别读取来自每个感测像素131/132/133/134的光电流。例如，源极随耦栅极170只会读取来自第一浮动扩散区110或是第二浮动扩散区120的光电流，换言之，源极随耦栅极可以共享。

优选地，在本实施例中，由于重置栅极150、源极随耦栅极170和浮动扩散区可以共享，因此可以减少晶体管的数目而增加感测像素的面积，以提高开口率，使得信噪比增加而提升元件的灵敏度。还有，如图3所绘示，也可以调整掺杂区端点的尺寸，使得重置电压节点160与第一浮动扩散区110或是第二浮动扩散区120之间有足够的长度，来避免短通道效应。

在本发明的另一实施例中，又提出一种重置栅极位于所控制的像素区之外的影像传感器，如此一来还可以减少金属占据影像传感器的面积，有利于进一步扩大总体受光面积。图5绘示本发明重置栅极位于所控制的像素区之外的影像传感器的俯视图。请参阅图5，本发明影像传感器100，包含主动区域105、第一浮动扩散区110、第二浮动扩散区120、像素区130、多个包含传输栅极的传输晶体管140、包含重置栅极的重置晶体管150、重置电压节点160与多个源极随耦栅极170。

本实施例(如图5所绘示)与先前实施例(如图1所绘示)主要不同之处在于以下几点。首先，在本实施例的影像传感器100中，影像传感器100另包含有多组块状的特定区域，称为主动区域105，而多个像素区130即位于此特定区域105中。每个像素区130为掺杂区，如前所述包含多个感测像素，例如感测像素131/132/133/134。换句话说，主动区域可以包含多个感测像素，例如每个主动区域包含2ⁿ个感测像素，n为大于2的自然数。图5绘示主动区域105包含8个感测像素，也就是n为3。

其次，重置栅极150位于主动区域105之外，所以重置栅极150亦位于像素区130以及各感测像素之外。换句话说，在本实施例中，优选地，重置栅极150位于相邻的多个主动区域105之间或是像素区130之间，以金属导线180电连接至位于主动区域105中的像素区130，并通过传输栅极141/142/143/144来重置对应的感测像素131/132/133/134。

其次，浮动扩散区，例如第一浮动扩散区110与第二浮动扩散区120，也都是位于主动区域105之外，并邻近所对应的重置栅极150。不同的浮动扩散区电连接不同像素区130其中之至少一者。重置电压节点160亦位于主动区域105之外，并邻近重置栅极150。

类似于先前的实施例，重置电压节点160、浮动扩散区又一起与重置栅极150形成另一组晶体管结构。例如图6所绘示，第一浮动扩散区110、第二浮动扩散区120、重置栅极150与重置电压节点160一起形成T字形，重置栅极即位于T形的交点而成为一种3方向的晶体管，所以重置电压节点160与第一浮动扩散区110和第二浮动扩散区120可以一起被重置栅极150所控制。例如，重置电压节点160可作为源极，第一浮动扩散区110或第二浮动扩散区可作为漏极，而一起被位于中央的重置栅极150所控制。

还有，多个源极随耦栅极170，亦位于主动区域105之外，而且还邻近重置栅极150，所以本实施例的重置栅极150还可以位于多个源极随耦栅极170之间。多个源极随耦栅极170其中一个就可以读取来自多个主动区域105的一者之中，特定像素区130中某个感测像素的光电流。优选地，还可以提供具有时序的控制信号，来分别读取来自每个感测像素131/132/133/134的光电流。例如，多个源极随耦栅极170其中一个被控制，只会读取来自第一浮动扩散区110或是第二浮动扩散区120的光电流。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种影像传感器，包含：

像素区，包含多个感测像素；

多个传输栅极，其中每个所述感测像素仅具有一个所述传输栅极；

第一浮动扩散区，电连接多个相邻的所述感测像素；

第二浮动扩散区，电连接不同于所述第一浮动扩散区所电连接的多个相邻所述感测像素，其中各所述传输栅极控制所述第一浮动扩散区与所述第二浮动扩散区其中最接近之一者；

重置栅极，位于所述第一浮动扩散区与所述第二浮动扩散区之间；

重置电压节点，邻近所述重置栅极，而与所述第一浮动扩散区和所述第二浮动扩散区一起被所述重置栅极所控制；以及

多个源极随耦栅极，位于所述像素区外，以分别读取来自所述像素区的光电流。

2.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述感测像素作为源极，所述第一浮动扩散区与所述第二浮动扩散区其中一者作为漏极，而被各所述传输栅极所控制。

3.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述像素区包含4个所述感测像素。

4.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述多个传输栅极围绕所述重置栅极。

5.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述第一浮动扩散区、第二浮动扩散区、所述重置栅极与所述重置电压节点一起形成T字形。

6.如权利要求5所述的影像传感器，其中所述重置栅极位于所述T形的交点。

7.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述重置栅极为一种3方向的晶体管。

8.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述第一浮动扩散区与所述第二浮动扩散区为共享式节点。

9.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述源极随耦栅极读取来自所述第一浮动扩散区与所述第二浮动扩散区其中一者的所述光电流。

10.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述重置电压节点作为源极，所述第一浮动扩散区和所述第二浮动扩散区其中一者作为漏极，而一起被所述重置栅极所控制。

11.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述第一浮动扩散区作为源极，所述第二浮动扩散区作为漏极，而被所述重置栅极所控制。

12.一种影像传感器，包含：

多个像素区，每个所述多个像素区包含多个感测像素；

主动区域，包含多个所述像素区；

多个传输栅极，其中每个所述感测像素仅具有一个所述传输栅极；

重置栅极，位于所述主动区域之外；

第一浮动扩散区，位于所述主动区域之外并邻近所述重置栅极，而电连接多个所述像素区之至少一者；

第二浮动扩散区，位于所述主动区域之外并邻近所述重置栅极，而电连接不同于所述第一浮动扩散区所电连接的多个所述像素区之至少一者；

重置电压节点，位于所述主动区域之外并邻近所述重置栅极，而与所述第一浮动扩散区和所述第二浮动扩散区一起被所述重置栅极所控制；以及

多个源极随耦栅极，位于所述主动区域之外，以分别读取来自所述像素区的光电流。

13.如权利要求12所述的影像传感器，其中所述主动区域包含2ⁿ个所述感测像素，n为大于2的自然数。

14.如权利要求12所述的影像传感器，其中所述重置栅极位于所述多个源极随耦栅极之间。

15.如权利要求12所述的影像传感器，还包含：

多个所述主动区域，其中所述重置栅极位于多个所述主动区域之间。

16.如权利要求15所述的影像传感器，其中所述多个源极随耦栅极其中一者读取来自多个所述主动区域其中一者的所述光电流。

17.如权利要求12所述的影像传感器，其中所述第一浮动扩散区、第二浮动扩散区、所述重置栅极与所述重置电压节点一起形成T字形。

18.如权利要求17所述的影像传感器，其中所述重置栅极位于所述T形的交点。

19.如权利要求12所述的影像传感器，其中所述重置栅极为一种3方向的晶体管。

20.如权利要求12所述的影像传感器，其中所述重置电压节点作为源极，所述第一浮动扩散区和所述第二浮动扩散区其中一者作为漏极，而一起被所述重置栅极所控制。