CN105390513A - 单位像素、包括其的图像传感器及包括其的图像处理系统 - Google Patents

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Abstract

提供了以全局快门模式操作的图像传感器的单位像素。所述单位像素包括：光电二极管区域，包括被配置为累积在第一时间段期间从入射光生成的光电荷的光电二极管；以及存储二极管区域，包括被配置为从光电二极管接收和存储光电荷的存储二极管。光电二极管对应于聚焦入射光的微镜。

Description

单位像素、包括其的图像传感器及包括其的图像处理系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年8月21日提交的韩国专利申请No.10-2014-0109181的优先权，其公开内容通过引用全部合并于此。
背景技术
图像传感器是将光学图像转换成电信号的设备。图像传感器用在数字相机或其它类型的图像处理设备中。图像传感器包括多个像素。主要地使用机械快门模式和电子快门模式来控制曝光时间，所述曝光时间确定电信号所基于的光电荷的量。
机械快门模式是使用机械设备来阻挡到像素的光的方法。电子快门模式通常用在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中。其是电控制生成和累积光电荷的积分时间的方法。电子快门模式包括卷帘快门模式和全局快门模式。
卷帘快门模式是将积分时间控制为对于像素阵列中的每行是不同的方法。全局快门模式是将积分时间控制为对于像素阵列的整个所有行是相同的方法。
全局快门模式具有消除在行中由不同的积分时间导致的图像失真的优点。然而，其也存在包括低积分度的一些缺点，因此期望一些改进。
发明内容
根据本发明概念的一些实施例，提供了一种以全局快门模式操作的图像传感器的单位像素。单位像素包括：光电二极管区域，包括被配置为累积在第一时间段期间从入射光生成的光电荷的光电二极管；以及存储二极管区域，包括被配置为接收和存储已累积在光电二极管中的光电荷的存储二极管。光电二极管可以对应于聚焦入射光的微镜。
光电二极管区域和存储二极管区域可以相对于行方向和列方向中的任一个倾斜布置。
单位像素可以进一步包括：溢流栅极，被配置为防止在除了第一时间段外的时间段期间生成的光电荷从光电二极管溢流到存储二极管；存储栅极，被配置为将累积在光电二极管处的光电荷传输到存储二极管；以及传输栅极，被配置为将存储在存储二极管中的光电荷传输到浮动扩散区。
溢流栅极、存储栅极、传输栅极和浮动扩散区可以依序布置成一排。
可以通过相邻单位像素来感测浮动扩散区的电压电平。
溢流栅极、存储栅极以及传输栅极可以具有凹形栅极结构。
单位像素可以进一步包括遮光膜，其具有与存储二极管区域相对应的区域，以阻挡入射光。
单位像素可以进一步包括形成在光电二极管和存储二极管之间的第二深沟槽隔离区(DTI)，以阻挡入射光。
单位像素可以进一步包括形成在单位像素的边缘处的第一DTI，用于提供在单位像素和相邻单位像素之间的电和光隔离。
单位像素可以进一步与相邻单位像素共享信号输出电路。信号输出电路可以包括：重置晶体管，被配置为重置存储光电荷所传输到的浮动扩散区；源跟随器，被配置为生成与浮动扩散区的电压电平相对应的电流；以及选择晶体管，被配置为输出电流作为像素信号。
根据本发明概念的其它实施例，提供了一种以全局快门模式操作的图像传感器。图像传感器包括：包含多个单位像素的像素阵列，每个单位像素输出与在第一时间段期间接收的入射光相对应的像素信号；读出电路，被配置为对像素信号执行模数转换，以生成数字像素信号；以及时序生成器，被配置为控制像素阵列和读出电路。每个单位像素包括光电二极管区域，包括被配置为累积在第一时间段期间从入射光生成的光电荷的光电二极管；以及存储二极管区域，包括被配置为接收和存储已累积在光电二极管中的光电荷的存储二极管。光电二极管可以对应于聚焦入射光的微镜。
根据本发明概念的另外实施例，提供了一种以全局快门模式操作的图像传感器的单位像素。单位像素包括光电二极管，被配置为累积在第一时间段期间从入射光生成的光电荷；以及存储二极管，被配置为接收和存储已累积在光电二极管中的光电荷；以及遮光单元，被配置为对存储二极管遮挡入射光。光电二极管可以对应于聚焦入射光的微镜。
根据本发明概念的进一步实施例，提供了一种以全局快门模式操作的图像处理系统。图像处理系统包括：包括多个单位像素的图像传感器，每个单位像素输出与在第一时间段期间接收的入射光相对应的像素信号，以及对像素信号执行模数转换，以生成数字像素信号；以及图像信号处理器，被配置为处理数字像素信号，以生成图像数据。每个单位像素包括光电二极管区域，包括被配置为累积在第一时间段期间从入射光生成的光电荷的光电二极管；以及存储二极管区域，包括被配置为接收和存储已累积在光电二极管中的光电荷的存储二极管。光电二极管可以对应于聚焦入射光的微镜。
应注意，尽管未特别描述，但是已关于一个实施例描述的本发明概念的方面可以合并到不同的实施例中。也就是说，可以以任何方式和/或组合来组合所有实施例和/或任意实施例的特征。在下面阐述的说明书中详细解释了本发明概念的这些和其它目的和/或方面。
附图说明
通过参考附图详细本发明概念的示例实施例，本发明概念的上述和其它特征和优点将变得更明显。
图1是根据本发明概念的一些实施例的图像处理系统的框图。
图2是图1中所示的像素阵列的示例的图。
图3是图1中所示的像素阵列的另一示例的图。
图4是图1中所示的像素阵列的又一示例的图。
图5是图1中所示的像素阵列的进一步示例的图。
图6是根据本发明概念的一些实施例的图2中所示的像素的布局的图。
图7是图6中所示的像素的电路图。
图8是示出图7中所示的像素的操作的时序图。
图9是根据本发明概念的一些实施例的图2中所示的像素的布局的图。
图10是图9中所示的像素的电路图。
图11是示出图10中所示的像素的操作的时序图。
图12是图6或图9中所示的布局的截面图。
图13是根据本发明概念的一些实施例的包括图像传感器的电子系统的框图。
图14是根据本发明概念的一些实施例的包括图像传感器的电子系统的框图。
具体实施方式
现在将充分参考附图来描述本发明概念，在附图中示出本发明的实施例。然而，本发明可以实现在许多不同的形式中，并且不应认为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例是使得本公开是完全和完整的，并且将充分向本领域技术人员传递本发明的范围。在附图中，为了清楚，可以放大层和区域的大小和相对大小。在通篇中，类似的数字指代类似的元件。
将理解，当将一元件称为“连接”或“耦接”至另一元件时，其可以直接连接或耦接至该另一元件，或可以存在中间元件。相比而言，当将一元件称为“直接连接”或“直接耦接”另一元件时，不存在中间元件。如在此使用的，术语“和/或”包括相关联列出的项中的一个或多个的任何和所有组合，并且可以缩写为“/”。
将理解，尽管在此可能使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件进行区分。例如，可以将第一信号术语化为第二信号，并且类似地，可以将第二信号术语化为第一信号，而不背离本公开的教导。
在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，不旨在限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另外指示。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或增加。
除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属的技术领域的普通技术人员共同理解的相同的含义。进一步将理解，诸如在词典中通常使用的术语应被解释为具有与其在相关领域和/或本申请的上下文中的含义一致的含义，并且将不被在理想或过度正式的常识解释。
图1是根据本发明概念的一些实施例的图像处理系统100的框图。图像处理系统100可以被实现为便携式电子设备，诸如膝上型计算机、蜂窝电话、智能电话、平板个人计算机(PC)、个人数字助理(PDA)、娱乐数字助理(EDA)、数字静态相机、数字视频相机、便携式多媒体播放器(PMP)、移动互联网设备(MID)、可穿戴计算机、物联网(IoT)设备、和/或万物互联(IoE)设备。
图像处理系统100包括光学透镜103、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器110、数字信号处理器(DSP)200和显示器300。一些实施例提供了可以在芯片中实现元件110和200。
CMOS图像传感器100可以生成与通过光学透镜103输入(捕捉)的物体相对应的数字像素信号DPS。CMOS图像传感器110包括像素(或有源像素(APS))阵列120、行驱动器130、时序生成器140、相关双采用(CDS)块150、比较器块152、模数转换(ADC)块154、控制寄存器块160、斜坡生成器170、和缓冲器180。
CMOS图像传感器110可以被配置为能够执行全局快门操作。全局快门操作可以是控制积分时间同时像素阵列120中的光电二极管(例如图7中的PD)在像素阵列120中的全部所有行上一致地累积光电荷的方法。
像素阵列120包括以矩阵布置的多个像素10。像素阵列120和像素10的结构和操作将在随后参考图2至图12进行详细描述。每个像素10可以被称为单位像素，因为像素10共同形成一个像素阵列120。
行驱动器130可以根据时序生成器140的控制向像素阵列120传送用于控制像素10的操作的多个控制信号(图7中的OS、SS、TS、RS和SLS)。控制信号OS、SS、TS、RS和SLS将在随后参考图7、8、10和11进行详细描述。
时序生成器140可以根据控制寄存器块160的控制来控制行驱动器130、CDS块150、ADC块154和斜坡生成器170的操作。
CDS块150对从形成在像素阵列120中的相应列行输出的像素信号P1至Pm执行CDS。比较器块152将已在CDS块150中经受CDS的像素信号(例如电压电平)与从斜坡生成器170输出的斜坡信号进行比较，并且根据比较结果来输出比较信号。ADC块154将从比较器块152接收的比较信号转换成数字信号，并且将数字信号输出到缓冲器180。在一些实施例中，CDS块150、比较器块152和ADC块154可以形成读出电路。
控制寄存器块160根据DSP200的控制来控制时序生成器140、斜坡生成器170和缓冲器180的操作。缓冲器180将与从ADC块154输出的数字信号相对应的数字像素信号DPS传送到DSP200。DSP200包括图像信号处理器210、传感器控制器220和接口230。
图像信号处理器210控制接口230和传感器控制器220，传感器控制器220控制控制寄存器块160。图像传感器110和DSP200可以分别实行在例如多芯片封装的单个封装中的芯片中。一些实施例提供了图像传感器110和图像信号处理器210可以分别实现在例如多个芯片封装的单个封装中的芯片中。在一些实施例中，图像传感器110和图像信号处理器210可以一起实现在单个芯片中。
图像信号处理器210处理从缓冲器180接收的数字像素信号DPS，并将所处理的图像数据IDATA传送到接口230。传感器控制器220根据图像信号处理器210的控制来生成用于控制控制寄存器块160的各种控制信号。接口230将来自图像信号处理器210的所处理的图像数据IDATA传送到显示器300。
显示器300显示从接口230输出的图像数据IDATA。显示器300可以是薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)、发光二极管(LED)显示器、有机LED(OLED)显示器和/或有源矩阵OLED(AMOLED)显示器。
图2是图1中所示的像素阵列120的示例400-1的图。图3是图1中所示的像素阵列120的另一示例400-2的图。图4是图1中所示的像素阵列120的又一示例400-3的图。图5是图1中所示的像素阵列120的进一步示例400-4的图。
参考图1和图2，假定图1中所示的像素阵列120仅包括以示例400-1中具有3行和3列的3×3矩阵布置的九个像素10-1。为了描述方便，描述了像素阵列120包括九个像素10-1，但是本发明概念不限于该示例。像素阵列120可以具有n×m矩阵格式，其中“n”和“m”是至少为1的整数。
3×3矩阵区域410平行于或垂直于行方向或列方向布置。每个像素区域410可以包括将来自光线透镜103的入射光聚焦在像素区域410的中心的微镜450。
像素10-1可以分别包括光电二极管区域PA11至PA33、以及存储二极管区域SA11至SA33。例如，在第二行和第二列之间的交叉处的像素10-1包括光电二极管区域PA22至存储二极管区域SA22。
光电二极管区域PA11至PA33可以包括累积从入射光生成的光电荷的光电二极管(例如图7中的PD)。光电二极管(例如图7中的PD)可以占用光电二极管区域PA11至PA33中的每一个的大部分。光电二极管区域PA11至PA33中的每一个的中心可以与像素区域410的中心一致，使得微镜450将入射光聚焦在光电二极管区域PA11至PA33中的每一个的光电二极管(例如图7中的PD)上。
存储二极管区域SA11至SA33可以包括临时存储累积在光电二极管(例如图7中的PD)处的光电荷以便实现全局快门模式的存储二极管(例如图7中的SD)。存储二极管区域SA11至SA33可以分别以相对于光电二极管区域PA11至PA33的45度角形成。存储二极管(例如图7中的SD)可以占用存储二极管区域SA11至SA33中的每一个的大部分。
例如SA22的每个存储二极管区域与光电二极管区域(例如与存储二极管区域SA22包括在同一像素10-1中的PA22)相邻布置。光电二极管区域PA22和存储二极管区域SA22可以相当于行方向和/或列方向倾斜布置。例如，光电二极管区域PA22和存储二极管区域SA22可以以相对于行方向和/或列方向的45度角布置。
微镜450可以形成为对应于光电二极管(例如图7中的PD)。这里，“对应于”可以意味着微镜450具有与光电二极管PD的区域匹配的区域，并且形成为覆盖光电二极管PD的区域的大部分。同时，微镜450可以形成为不对应于存储二极管(例如图7中的SD)。换句话说，微镜450可以具有不与存储二极管SD的区域匹配的区域，并且可以形成为不覆盖存储二极管SD的区域的大部分。这意味着当将微镜450放置在像素区域410中时，例如SA21的存储二极管区域可以布置在例如与光电二极管区域PA11、PA12、PA21和PA22相对应的相邻微镜450之中。
因此，光电二极管区域PA11至PA33形成为尽可能对应于相应微镜450，并且存储二极管区域SA11至SA33形成在除了用于光电二极管区域PA11至PA33的区域中。结果，可以增加像素10-1的布置效率或集成度。
此外，由于微镜450形成为仅对应于光电二极管区域PA11至PA33，而不对应于存储二极管区域SA11至SA33，所以增加了光吸收并降低了光泄漏。光吸收可以是每单位面积能够吸收的光量。光泄露可以是其中因为假设仅存储由光电二极管PD生成的光电荷的存储二极管SD存储了其它光电荷(例如从入射在存储二极管SD上的光生成的光电荷)而在像素信号P1至Pm中发生噪声的现象。
不同于图2中所示的示例400-1，在分别在图3至图5中所示的示例400-2、400-3和400-4中，包括在像素10-2中的存储二极管区域SA11至SA33可以分别以相对于光电二极管区域PA11至PA33的135度的角度形成；包括在像素10-3中的存储二极管区域SA11至SA33可以分别以相对于光电二极管区域PA11至PA33的225度的角度形成；以及包括在像素10-4中的存储二极管区域SA11至SA33可以分别以相对于光电二极管区域PA11至PA33的315度的角度形成。在像素阵列120的示例400-2、400-3和400-4中每个像素10-2、10-3和10-4的结构和操作与示例400-1中像素10-1的基本相同。
图6是根据本发明概念的一些实施例的图2中所示的像素10-1的布局500的图。图7是图6中所示的像素的电路图。图8是示出图7中所示的像素的操作的时序图。
参考图1至图8，布局500是图2中所示的像素10-1中位于在第二行和第二列之间的交叉处的像素10-1的布局。尽管将描述图2中所示的仅像素10-1的布局500，除了方向外，图3至图5中所示的像素10-2、10-3和10-4的布局(未示出)与布局500相同。
布局500示出像素10-1中包括的元件的布置。布局500可以包括光电二极管区域PA22和存储二极管区域SA22。光电二极管区域PA22和存储二极管区域SA22可以包括深沟槽隔离(DTI)区510和有源区515。
DTI区510可以形成在有源区515的边缘处，用于与相邻像素(未示出)的有源区(未示出)的电或光隔离。使用DTI工艺形成的DTI区510可以填充有诸如二氧化铪的氧化物和/或多晶硅。例如，DTI区510可以由掺杂有具有高反射的硼的多晶硅形成，但本发明概念不限于该示例。
DTI区510可以防止导致信噪比(SNR)由于有源区之间的载流子的交换而降低的电串扰。此外，DTI区510的侧壁掺杂有具有高反射的材料，由此防止导致SNR因为入射在有源区515上的光穿透相邻有源区(未示出)而降低。例如，DTI区510的侧壁可以由掺杂有具有高反射的硼的多晶硅膜形成，但是本发明概念不限于该示例。
有源区515可以包括浅沟槽隔离(STI)520、阱530、溢流晶体管OX的栅极(OG)540、存储晶体管SX的栅极(SG)542、传输晶体管TX的栅极(TG)544、重置晶体管RX的栅极(RG)546、源跟随器SF的栅极(SFG)548、选择晶体管SEL的栅极(SELG)550、浮动扩散区560、像素电压端子(VP)570、地端子(GND)580和输出端子590。有源区515中包括的元件的布置不限于图6中所示的，而可以自由修改。
STI520可以形成在DTI区510的内部中的其它元件的周围。STI520可以使用STI工艺来形成，以使元件电隔离。STI520可以比DTI区510浅。STI520的内部可以由与DTI区510基本相同的材料形成。
阱区域530掺杂有p或n型杂质。其可以被形成为使元件彼此电隔离。高度掺杂有杂质(例如p++或n++杂质)的区域可以形成在阱区域530中。该高度掺杂的区域可以用作溢流晶体管OX、存储晶体管SX、传输晶体管TX、重置晶体管RX、源跟随器SF和选择晶体管SEL中的每一个的源极端子和/或漏极端子。阱区域530可以电绝缘高度掺杂的区。
溢流晶体管OX的栅极540、存储晶体管SX的栅极542、传输晶体管TX的栅极544、重置晶体管RX的栅极546、源跟随器SF的栅极548、选择晶体管SEL的栅极550可以分别接收随后将参考图7描述的控制信号OS、SS、TS、RS和SLS。源跟随器SF的栅极548可以连接到浮动扩散区560。栅极540、542、544、548和550可以由多晶硅形成。
溢流晶体管OX的栅极540、存储晶体管SX的栅极542、传输晶体管TX的栅极544、浮动扩散区560可以依序布置成一排。如图7中所示，累积在光电二极管PD处的光电荷被依序从光电二极管PD传输到存储二极管SD和浮动扩散区FD。
光电二极管PD、存储二极管SD和浮动扩散区FD中的沟道的长度越短，沟道越宽，则光电荷的传输效率越高。因此，为了最大化光电二极管PD、存储二极管SD和浮动扩散区FD中的光电荷传输效率，元件540、542、544和546可以依序布置成一排，如图6中所示。
可以在非常短的部分中执行电荷在光电二极管PD、存储二极管SD和浮动扩散区FD中的传输。因此，当传输效率不令人满意时，可以不将累积在光电二极管PD处的光电荷传输到浮动扩散区FD。这可以在像素信号P1至Pm中导致噪声。
浮动扩散区560可以形成为邻近传输晶体管TX的栅极544。在光电二极管PD中生成的光电荷被通过存储晶体管SX和传输晶体管TX传输并且累积在浮动扩散区560处。浮动扩散区560可以连接到源跟随器SF的栅极548。浮动扩散器560的电压电平可以由源跟随器SF感测，并且源跟随器SF可以向选择晶体管SEL传送与电压电平相对应的电流。
在一些实施例中，浮动扩散区560可以连接到邻近布局500的另一像素(例如包括光电二极管区域PA13和存储二极管区域SA13的像素)的源跟随器的栅极(未示出)，代替源跟随器SF的栅极548。此时，浮动扩散区560的电压电平可以由包括在光电二极管区域PA13中的源跟随器(未示出)感测，并且该源跟随器可以向包括在光电二极管区域PA13的选择晶体管(未示出)传送与电压电平相对应的电流。这里，相邻像素可以是与布局500在不同行中的任何像素。
像素电压端子570可以提供与布局500对应的像素10-2的操作所必需的像素电压Vpix。例如，像素电压端子(VP)570可以向溢流晶体管OX、重置晶体管RX和源跟随器SF中的每一个的漏极端子施加像素电压Vpix。像素电压Vpix可以等于或低于电源电压VDD，但是本发明概念不限于该示例。
地端子580可以提供与布局500相对应的像素10-1的操作所必需的地电压VSS。例如，地端子580可以向光电二极管PD和存储晶体管SD中的每一个的一端施加地电压VSS。输出端子590可以连接到存储晶体管SX的源极端子，以从源端子向列线输出像素信号。
随后将参考图12描述沿图6中的A-A’线所取的布局500的截面图。
参考图7，对应于布局500并且能够以全局快门模式操作的像素550可以包括光电二极管PD、溢流晶体管OX、存储晶体管SX、传输晶体管TX、重置晶体管RX、源跟随器SF和选择晶体管SEL。
光电二极管PD累积或收集响应于入射光而生成的光电荷。溢流晶体管OX连接在提供像素电压Vpix的像素电压端子VP和光电二极管PD之间。溢流晶体管OX的栅极OG用于防止由光电二极管PD生成的电荷溢流到存储二极管SD中。溢流晶体管OX响应于溢流控制信号OS而接通或截止。
例如，当入射在像素550上的光的强度高时(例如当太阳或灯照射时，即在白光电平的情况下)或当在光电二极管PD处收集除了积分时间Tint之外的时间期间生成的光电荷时，溢流晶体管OX用于防止在光电二极管PD中生成的光电荷(例如电子)溢流到存储二极管SD中。
存储晶体管SX连接在光电二极管PD和存储二极管SD之间。从光电二极管PD传输的电荷通过存储晶体管SX被存储在存储二极管SD中。存储晶体管SX响应于提供到其栅极SG的存储控制信号SS而接通或截止。
传输晶体管TX连接在存储二极管SD和浮动扩散区FD之间。存储在存储二极管SD中的电荷通过传输晶体管TX被存储或累积在浮动扩散区FD中。传输晶体管TX响应于提供到其栅极TG的传输控制信号TS而接通或截止。
重置晶体管RX连接在提供像素电压Vpix的像素电压端子VP和浮动扩散区FD之间。响应于重置控制信号RS，重置晶体管RX可以将来自浮动扩散区FD的光电荷(例如电子)传送到像素电压端子VP。换句话说，当重置晶体管RX接通时，可以将浮动扩散区FD的电压电平重置为像素电压Vpix。
源跟随器SF连接在提供像素电压Vpix的像素电压端子VP和选择晶体管SEL之间。源跟随器SF基于通过浮动扩散区FD中的电荷确定的电压电平来操作。
为了便于描述，在图6和图7中所示的实施例中，像素电压Vpix被共同提供给溢流晶体管OX、重置晶体管RX和源跟随器SF。然而，可以不同地指定分别提供给溢流晶体管OX、重置晶体管RX和源跟随器SF的操作电压。
响应于选择控制信号SLS，选择晶体管SEL可以向列线输出源跟随器SF的信号(例如模拟像素信号)。
将参考图8描述根据图7中所示的控制信号OS、RS、SS、TS和SLS的像素550的操作。传输控制信号TS在时间点T1转变为高电平。由于重置控制信号RS在时间点T1处于高电平，所以存储在存储二极管SD中的电荷(例如电子)通过重置晶体管RX放电到像素电压端子VP。存储控制信号SS在时间点T2转变为高电平。因此，存储在光电二极管PD中的电荷通过晶体管SX、TX和RX放电到像素电压端子VP。
传输控制信号TS在时间点T3转变为高电平。因此，存储在存储二极管SD中的电荷(例如电子)通过重置晶体管RX放电到像素电压端子VP。光电二极管PD在从时间点T2’到时间点T4的积分时间Tint期间或在第一时间段期间使用入射光来累积电荷。
存储控制信号SS在时间点T4转变为高电平。因此，光电二极管PD中的电荷通过存储晶体管SX存储在存储二极管SD中。
选择控制信号SLS和溢流控制信号OS在时间点T5转变为高电平。随着溢流控制信号OS转变为高电平，光电二极管PD中的电荷放电到像素电压端子VP。结果，光电二极管PD的电荷不溢流到存储二极管SD中。
在一些实施例中，溢流控制信号OS可以不在时间点T5而是在时间点T4’和T5之间的一时间点转变为高电平。在一些实施例中，在入射在像素550上的光为高强度时(即白光电平)，溢流控制信号OS可以在积分时间Tint的随机时间段转变为高电平。
重置控制信号RS在时间点T6转变为低电平。在时间点Trs执行重置信号的采样。重置信号可以是根据在紧接着重置浮动扩散区FD之后浮动扩散区FD的电压电平输出的像素信号。可以由CDS块150和比较器块152来执行重置信号的采样。
传输控制信号TS在时间点T7转变为高电平。因此，存储在存储二极管SD中电荷被存储在浮动扩散区FD中。
在时间点Tss执行图像信号的采样。图像信号可以是根据在紧接着完成电荷从存储二极管SD传输到浮动扩散区FD之后浮动扩散区FD的电压电平输出的像素信号。可以由CDS块150和比较器块152来执行图像信号的采样。
当选择控制信号SLS在时间点T8转变为低电平时，完成对浮动扩散区FD的采样操作。
图9是根据本发明概念的一些实施例的图2中所示的像素10-1的布局600的图。图10是图9中所示的像素的电路图。图11是示出图10中所示的像素的操作的时序图。
参考图1至图11，布局600是图2中所示的像素10-1中在第二行和第二列之间的交叉处的像素10-1和位于在第三行和第二列之间的交叉处的像素10-1的布局。尽管将描述图2中所示的像素10-1的布局，除了方向外，图3至图5中所示的像素10-2、10-3和10-4的布局(未示出)与布局600相同。
布局600示出像素10-1中包括的元件的布置。布局600可以包括光电二极管区域PA22和PA32以及存储二极管区域SA22和SA32。光电二极管区域PA22和存储二极管区域SA22可以包括DTI区510-1和有源区515-1。光电二极管区域PA32和存储二极管区域SA32可以包括DTI区510-2和有源区515-2。
包括在光电二极管区域PA22和存储二极管区域SA22中的元件520-1、530-1、540-1、542-1和560-1以及包括在光电二极管区域PA32和存储二极管区域SA32中的元件520-2、530-2、540-2、542-2和560-2与图6中所示的元件520、530、540、542、544和560基本相同。
存储二极管区域SA22的浮动扩散区FD1可以电连接到存储二极管区域SA32的浮动扩散区FD2。然而，不同于图6中所示的布局500，重置晶体管RX的栅极546、源跟随器SF的栅极548、选择晶体管SEL的栅极550、像素电压端子570、地端子580和输出端子590可以在布局600中以分布方式跨越光电二极管区域PA22和PA32部署。换句话说，元件546、548、550、570、580和590中的每一个可以被包括在不同的像素(例如不同行中的两个像素)中的光电二极管区域PA22和PA32共享。
在图9中所示的实施例中，光电二极管区域PA22包括一些元件548、550和590，而光电二极管区域PA32包括其余元件546、570和580，但是本发明概念不限于当前实施例。换句话说，元件546、548、550、570、580和590中的哪些包括在光电二极管区域PA22中以及元件546、548、550、570、580和590中的哪些包括在光电二极管区域PA32中可以随机确定，只要元件546、548、550、570、580和590中的每一个包括在光电二极管区域PA22和PA32中的任一个中即可。
由于元件546、548、550、570、580和590中的每一个被分别包括在不同像素中的光电二极管区域PA22和PA32共享，所以每个像素10-1的面积可以降低并且像素阵列120的集成度可以增加。
参考图10，对应于布局600并且能够以全局快门模式操作的像素650包括光电二极管PD1和PD2、溢流晶体管OX1和OX2、存储晶体管SX1和SX2、传输晶体管TX1和TX2、重置晶体管RX、源跟随器SF和选择晶体管SEL。光电二极管PD1和PD2、溢流晶体管OX1和OX2、存储晶体管SX1和SX2以及传输晶体管TX1和TX2执行与图7中所示的光电二极管PD、溢流晶体管OX、存储晶体管SX、传输晶体管TX基本相同的操作。
如参考图9所述，重置晶体管RX、源跟随器SF和选择晶体管SEL可以以分布方式跨越二极管区域PA22和PA32部署，并且执行与图7中所示的重置晶体管RX、源跟随器SF和选择晶体管SEL基本相同的操作。然而，由于重置晶体管RX、源跟随器SF和选择晶体管SEL被光电二极管区域PA22和PA32共享，所以浮动扩散区FD1和FD2的重置和采样操作可以由重置晶体管RX、源跟随器SF和选择晶体管SEL执行。重置晶体管RX、源跟随器SF和选择晶体管SEL可以形成信号输出电路。
将参考图11描述根据图10中所示的控制信号OS1、OS2、SLS、RS、SS1、TS1、SS2和TS2的像素650的操作。传输控制信号TS1和TS2在时间点T1转变为高电平。由于重置控制信号RS在时间点T1处于高电平，所以存储在存储二极管SD1和SD2中的电荷(例如电子)通过重置晶体管RX放电到像素电压端子VP。存储控制信号SS1和SS2在时间点T2转变为高电平。因此，存储在光电二极管PD1中的电荷通过晶体管SX1、TX1和RX放电到像素电压端子VP，以及存储在光电二极管PD2中的电荷通过晶体管SX2、TX2和RX放电到像素电压端子VP。
传输控制信号TS1和TS2在时间点T3转变为高电平。因此，存储在存储二极管SD1和SD2中的电荷(例如电子)通过重置晶体管RX放电到像素电压端子VP。光电二极管PD1和PD2在时间点T2’和T4之间的积分时间Tint1或Tint2期间或在第二时间段期间使用入射光来生成电荷。
存储控制信号SS1和SS2在时间点T4转变为高电平。因此，光电二极管PD1和PD2中的电荷分别通过存储晶体管SX1和SX2分别存储在存储二极管SD1和SD2中。
选择控制信号SLS和溢流控制信号OS1在时间点T5转变为高电平。随着溢流控制信号OS1转变为高电平，光电二极管PD1中的电荷放电到像素电压端子VP。结果，光电二极管PD1的电荷不溢流到存储二极管SD1中。
在一些实施例中，溢流控制信号OS1可以不在时间点T5而是在时间点T4’和T5之间的一时间点转变为高电平。在进一步实施例中，在入射在像素650上的光为高强度时(即白光电平)时，溢流控制信号OS1可以在积分时间Tint1的随机时间段中转变为高电平。
重置控制信号RS在时间点T6转变为低电平。在时间点Trs1执行重置信号的采样。
传输控制信号TS1在时间点T7转变为高电平。因此，存储在存储二极管SD1中的电荷被存储在浮动扩散区FD1中。在时间点Tss1执行图像信号的采样。
当选择控制信号SLS在时间点T8转变为低电平时，完成对浮动扩散区FD1的采样操作。
当重置控制信号RS在时间点T9转变为高电平时，存储在浮动扩散区FD2中的电荷通过重置晶体管RX放电到像素电压端子VP。
选择控制信号SLS和溢流控制信号OS2在时间点T10转变为高电平。随着溢流控制信号OS2转变为高电平，光电二极管PD2中的电荷放电到像素电压端子VP。结果，光电二极管PD2的电荷不溢流到存储二极管SD2中。
在一些实施例中，溢流控制信号OS2可以不在时间点T10而是在时间点T4’和T10之间的一时间点转变为高电平。在进一步实施例中，在入射在像素650上的光为高强度时(即白光电平)时，溢流控制信号OS2可以在积分时间Tint2的随机时间段中转变为高电平。
重置控制信号RS在时间点T11转变为低电平。在时间点Trs2执行重置信号的采样。
传输控制信号TS2在时间点T12转变为高电平。因此，存储在存储二极管SD2中的电荷被存储在浮动扩散区FD2中。在时间点Tss2执行图像信号的采样。
当选择控制信号SLS在时间点T13转变为低电平时，完成对浮动扩散区FD2的采样操作。
为了描述对不同的光电二极管PD1和PD2的采样操作，分别描述了浮动扩散区FD1和FD2，但是如参考图9所描述的，由于浮动扩散区FD1和FD2彼此电连接，所以它们基本形成一个节点。
图12是图6或图9中所示的布局500或600的截面图。参考图1至图12，图12中所示的像素700是沿图6中所示的线A-A’取的截面图的示例。除了一些参考数字(例如520、520-1和520-2)外，沿线A-A’取的截面与沿图9中所示的线B-B’或C-C’取的截面基本相同。因此，为了描述方便起见，图12仅示出沿图6中所示的线A-A’取的截面。像素700可以包括入射层705、半导体衬底710和布线层720。
入射层705可以包括微镜701、第一平层702、色彩滤镜703和第二平层704。微镜701可以形成在像素700的顶部(假如在入射光首先到达的位置)以对应于光电二极管PD或730。微镜701可以用于增加光收集功率，因而增加图像质量。微镜701可以是图2至图5中所示的微镜450。
色彩滤镜703可以形成在微镜701的下面。色彩滤波703可以选择性地透射具有预定波长(例如红、绿、蓝、品红、黄或青)的光。
第一平层702和第二平层704可以分别形成在色彩滤镜703的上面和下面，以防止反射透过微镜701和色彩滤镜703的光。换句话说，第一平层702和第二平层704有效地透射入射光，由此增加图像传感器110的性能(诸如光吸收和光敏感度)。
半导体衬底710可以包括DTI区510、STI520、阱区域530、溢流晶体管OX的栅极540、存储晶体管SX的栅极542、传输晶体管TX的栅极544、浮动扩散区560、像素电压端子570、光电二极管730、存储二极管740、第二DTI750和遮光膜760。已参考图6描述了图12中所示的元件510、520、530、540、545、544、560和570。然而，溢流晶体管OX的栅极540、存储晶体管SX的栅极542和传输晶体管TX的栅极544形成在凹栅极结构中。可以将凹栅极结构称为垂直传输栅极结构。
凹栅极结构可以使用沟槽工艺来形成。沟槽工艺是在半导体衬底710中形成到某个深度的沟槽的工艺。沟槽工艺可以分成提供相对深的沟槽的DTI工艺和提供相对浅的沟槽的STI工艺。沟槽工艺也可以分成其中从入射层705的侧面开始形成沟槽的后沟槽工艺和其中从布线层720的侧面开始形成沟槽的前沟槽工艺。凹栅极结构可以使用前沟槽工艺来形成。
根据光电二极管730的垂直深度和存储二极管740的垂直深度，各晶体管OX、SX和TX的栅极540、542和544可以使用DTI或STI工艺来形成。
当各晶体管OX、SX和TX的栅极540、542和544形成在凹栅极结构中时，光电二极管730和存储二极管740可以不需要形成为靠近半导体衬底710的表面(即元件560和570形成于其上的表面)，而是可以形成在半导体衬底710的中间。换句话说，各晶体管OX、SX和TX的栅极540、542和544需要靠近光电二极管730或存储二极管740，以用于像素700的正常操作。因此，当各晶体管OX、SX和TX的栅极540、542和544形成在半导体衬底710的上述表面上时，光电二极管730或存储二极管740应形成在与各晶体管OX、SX和TX的栅极540、542和544相对应的窄区域中。然而，当各晶体管OX、SX和TX的栅极540、542和544埋在半导体衬底710中时，如图12中所示，光电二极管730或存储二极管740可以形成为跨越光电二极管区域PA22或存储二极管区域SA22的整个平区域。
因此，当各晶体管OX、SX和TX的栅极540、542和544形成在凹栅极结构中时，增加了光电二极管730或存储二极管740的可储存电荷最大数量(即满阱容量(FWC))和灵敏度。
栅极绝缘层(未示出)可以形成在各晶体管OX、SX和TX的栅极540、542和544和半导体衬底710之间。栅极绝缘层可以由SiO2、SiON、SiN、Al2O3、Si3N4、GexSiyOz和/或高介质材料形成。高介质材料可以通过使用HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5、硅酸铪、硅酸锆和/或其组合来执行原子层沉积而形成。
光电二极管730和存储二极管740可以是图7中所示的光电二极管PD和存储二极管SD。光电二极管730和存储二极管740中的每一个可以使用离子植入而形成为阱区域530中的n或p型区。为了便于描述，假设阱区域530是p型，并且光电二极管730和存储二极管740是n型。
在一些实施例中，光电二极管730和存储二极管740可以通过堆叠多个掺杂区来形成。在该情况下，下掺杂的区可以使用n+离子植入来形成，并且上掺杂的区可以使用n-离子的植入来形成。
存储二极管740可以形成为具有与光电二极管730不同的厚度，使得可以容易地将存储在存储二极管740中的光电荷传输到浮动扩散区560。光电二极管730可以形成为跨越除了DTI区510和第二DTI区750外的光电二极管区域PA22的大部分，以获得高填充因子。填充因子可以通过光接收区域与像素区域的比来定义。填充因子越高，光吸收性越高。可以将DTI区510称为第一DTI。
第二DTI750可以形成在光电二极管730和存储二极管740之间。第二DTI750可以具有覆盖光电二极管730和存储二极管740的垂直区域的第一长度D1。第二DTI750的内部可以使用后沟槽工艺通过与DTI区510基本相同的材料形成。
换句话说，第二DTI750可以防止光电二极管730和存储二极管740之间的电串扰和光串扰。具体地，第二DTI750可以阻挡穿过光电二极管区域PA22的入射光，由此防止存储二极管740存储从光电二极管730传输的以外的电荷。
第二DTI750可以与半导体衬底710的表面分离第二长度D2。第二长度D2可以是形成光电二极管730和存储二极管740之间的电荷传输的沟道的最小长度。
遮光膜760形成在存储二极管740上或之上，以具有与存储二极管740相对应的区域。遮光膜760可以阻挡通过入射层705入射的光。遮光膜760可以由钨形成，但是本发明概念不限于该示例。
DTI区510、第二DTI750和遮光膜760可以形成阻挡光入射在存储二极管SD上的遮光单元。换句话说，这些结构可以最小化光泄露。
例如，假设存储二极管SD1和SD2在图11中所示的时间点T4时存储相同量的光电荷。由于存储二极管SD1和SD2在不同行，所以在不同时间即在时间点Tss1和Tss2分别对从存储二极管SD1和SD2传输的光电荷采样。因此，当不存在遮光单元时，由于光泄露，在时间点Tss1采样的信号可能不同于在时间点Tss2采样的信号。遮光单元最小化光泄露，由此防止由于不同的采样时刻而发生噪声。
布线层720可以包括各晶体管OX、SX和TX的栅极540、542和544和多层传导线722的部分。多层传导线722可以传送施加到晶体管OX、SX、TX、RX和SEL的控制信号OS、SS、TS、RS和SLS，或者可以在像素700和外部之间传送信号。多层传导层722可以通过对包括诸如铜或铝的金属的传导材料图案化来形成。
如图12中所示，像素700可以被形成为后侧照明(BSI)像素，其中多层传导线722位于半导体衬底710的相对侧，以面对入射层705。然而，本发明概念不限于当前实施例。
图13是根据本发明概念的一些实施例的包括图像传感器的电子系统的框图。电子系统800可以由数据处理装置来实现，数据处理装置诸如是移动电话、个人数字助理(PDA)、便携式媒体播放器(PMP)、IPTV、或可以使用或支持MIPI接口的智能电话。电子系统800包括图像传感器110、应用处理器810和显示器850。
包括在应用处理器810中的相机串行接口(CSI)主机812通过CSI来执行与包括在图像传感器110中的CSI设备841的串行通信。例如，光解串行器(DES)可以实现在CSI主机812中，并且光串行器(SER)可以实现在CSI设备841中。
包括在应用处理器810中的显示串行接口(DSI)主机811通过DSI来执行与包括在显示器850中的DSI设备851的串行通信。例如，光串行器可以实现在DSI主机812中，并且光解串行器可以实现在DSI设备851中。
电子系统800也可以包括射频(RF)芯片860，其与应用处理器810通信。电子系统800的物理信道(PHY)813和RX芯片860的PHY根据MIPIDigRF标准相互通信数据。电子系统800可以进一步包括GPS820、存储设备870、麦克风880、DRAM885和扬声器890中的至少一个元件。电子系统800可以使用Wimax(全球微波互联接入)891、WLAN(无线LAN)893或UWB(超宽带)895等来通信。
图14是根据本发明概念的一些实施例的包括图像传感器110的电子系统900的框图。参考图14，电子系统900可以包括图像传感器110、处理器910、存储器920、显示单元930和I/F940。在一些实施例中，图像传感器110、处理器910、存储器920、显示单元930和I/F940中的每一个可以经由总线950彼此通信地耦接。
处理器910可以控制图像传感器110的操作。处理器910可以处理从图像传感器110输出的像素信号，并生成图像数据。
存储器920可以存储用于控制图像传感器110的操作的程序，并且也可以存储由处理器910生成的图像数据。处理器910可以访问存储器920并执行程序。存储器920可以被形成为易失性存储器或非易失性存储器。
显示单元930可以从处理器910或存储器920接收图像数据，并且在显示器上显示图像数据。例如，显示单元930可以是液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)和/或柔性显示器。
I/F940可以被形成为用于图像数据的输入和输出。I/F940可以被实现为无线I/F。
本一般发明概念也可以实现为计算机可读介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是能够作为之后能够被计算机系统读取的程序的数据的任何数据存储设备。计算机可读记录介质包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备。
计算机可读记录介质也可以跨网络耦接的计算机系统来分布，使得以分布方式存储和执行计算机可读代码。而且，能够由程序员容易地构造实现本一般发明概念的功能程序、代码和代码段。
如上所述，根据本发明概念的一些实施例，微镜形成在单位像素中，以仅对应于光电二极管区域，由此在图像传感器和图像处理系统中增加光吸收和降低光泄露。此外，晶体管的栅极形成在凹栅极结构中，并且光电二极管或存储二极管不形成在半导体衬底的表面上，由此增加FWC和敏感度。此外，光电二极管、存储二极管和浮动扩散区依序布置成排，使得增加元件之间光电荷的传输效率。此外，遮光单元形成在存储二极管周围，由此最小化光泄露。
虽然已参考本发明概念的示例实施例特定示出和描述了本发明概念，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求限定的本发明概念的范围的情况下可对其进行各种形式和细节上的改变。

Claims (20)

1.一种以全局快门模式操作的图像传感器的单位像素，所述单位像素包括：
光电二极管区域，包括被配置为累积在第一时间段期间从入射光生成的光电荷的光电二极管；以及
存储二极管区域，包括被配置为接收和存储已累积在光电二极管中的光电荷的存储二极管，
其中，光电二极管对应于聚焦入射光的微镜。
2.根据权利要求1所述的单位像素，其中，光电二极管区域和存储二极管区域相对于行方向和列方向中的任一个倾斜布置。
3.根据权利要求1所述的单位像素，进一步包括：
溢流栅极，被配置为防止在除了第一时间段外的时间段期间生成的光电荷从光电二极管溢流到存储二极管；
存储栅极，被配置为将累积在光电二极管处的光电荷传输到存储二极管；以及
传输栅极，被配置为将存储在存储二极管中的光电荷传输到浮动扩散区。
4.根据权利要求3所述的单位像素，其中，溢流栅极、存储栅极、传输栅极和浮动扩散区依序布置成一排。
5.根据权利要求3所述的单位像素，其中，通过相邻单位像素来感测浮动扩散区的电压电平。
6.根据权利要求3所述的单位像素，其中，溢流栅极、存储栅极以及传输栅极具有凹形栅极结构。
7.根据权利要求1所述的单位像素，进一步包括遮光膜，具有与存储二极管相对应的区域，以阻挡入射光。
8.根据权利要求1所述的单位像素，进一步包括在光电二极管和存储二极管之间的第二深沟槽隔离区(DTI)，以阻挡入射光。
9.根据权利要求1所述的单位像素，进一步包括在单位像素的边缘处的第一深沟槽隔离区(DTI)，被配置为提供在单位像素和相邻单位像素之间的电和光隔离。
10.根据权利要求1所述的单位像素，其中，单位像素与相邻单位像素共享信号输出电路，以及
其中，信号输出电路包括：
重置晶体管，被配置为重置存储电荷所传输到的浮动扩散区；
源跟随器，被配置为生成与浮动扩散区的电压电平相对应的电流；以及
选择晶体管，被配置为输出电流作为像素信号。
11.一种以全局快门模式操作的图像传感器，所述图像传感器包括：
包括多个单位像素的像素阵列，每个单位像素输出与在第一时间段期间接收的入射光相对应的像素信号；
读出电路，被配置为对像素信号执行模数转换，以生成数字像素信号；以及
时序生成器，被配置为控制像素阵列和读出电路，
其中，每个单位像素包括：
光电二极管区域，包括被配置为累积在第一时间段期间从入射光生成的光电荷的光电二极管；
存储二极管区域，包括被配置为接收和存储已累积在光电二极管中的光电荷的存储二极管，
其中，光电二极管对应于聚焦入射光的微镜。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，光电二极管区域和存储二极管区域相对于行方向和列方向中的任一个倾斜布置。
13.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，每个单位像素进一步包括：
溢流栅极，被配置为防止在除了第一时间段外的时间段期间生成的光电荷从光电二极管溢流到存储二极管；
存储栅极，被配置为将累积在光电二极管处的光电荷传输到存储二极管；以及
传输栅极，被配置为将存储在存储二极管中的光电荷传输到浮动扩散区。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，溢流栅极、存储栅极、传输栅极和浮动扩散区依序布置成一排。
15.一种图像传感器，包括：
包括多个单位像素的像素阵列，所述多个单位像素中的每一个包括：
光电二极管，被配置为累积在第一时间段期间从入射光生成的光电荷；
存储二极管，被配置为接收和存储已累积在光电二极管中的光电荷；以及
浮动扩散区，被配置为接收存储在存储二极管中的光电荷，
其中，光电二极管对应于聚焦入射光的微镜。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述多个像素中的每一个包括：
溢流栅极，被配置为防止在除了第一时间段外的时间段期间生成的光电荷从光电二极管溢流到存储二极管；
存储栅极，被配置为将累积在光电二极管处的光电荷传输到存储二极管；以及
传输栅极，被配置为将存储在存储二极管中的光电荷传输到浮动扩散区。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，溢流栅极、存储栅极、传输栅极和浮动扩散区依序布置成一排。
18.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，通过所述多个像素中的相邻像素来感测浮动扩散区的电压电平。
19.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述多个像素中的每一个包括：
在像素的边缘处的第一深沟槽隔离区(DTI)，被配置为提供在像素和所述多个像素中的相邻像素之间的电和光隔离；以及
在光电二极管和存储二极管之间的第二深沟槽隔离区(DTI)，以阻挡入射光。
20.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述多个像素中的像素与所述多个像素中的相邻像素共享信号输出电路，以及
其中，信号输出电路包括：
重置晶体管，被配置为重置存储电荷所传输到的浮动扩散区；
源跟随器，被配置为生成与浮动扩散区的电压电平相对应的电流；以及
选择晶体管，被配置为输出电流作为像素信号。
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