CN106098718A - 一种传输空穴的图像传感器像素结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传输空穴的图像传感器像素结构，该结构中每组像素单元晶体管都是PMOS管，由于PMOS管本身输出噪声较小，因而可以减小输出噪声，且都放在N阱中隔离外围器件噪声；每组像素单元都可以有效的减小暗电流和增强抗辐照能力；传输空穴图像传感器二维像素阵列中金属连线使用两层金属线进行连接，仅使用第0层金属线和第1层金属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；此外，还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
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种传输空穴的图像传感器像素结构。
背景技术
图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器和CCD(电荷耦合型器件)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。
现有技术中的CMOS图像传感器列共享2×2像素单元结构的排布方式以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，现有技术中晶体管都是NMOS管，NMOS管本身输出噪声比PMOS管高，并且现有技术的光电二极管暗电流较大，对输出像素影响较大，抗辐照能力较弱。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NMOS管本身输出噪声较高，而且还和整个P衬底连接在一起，外围电路的噪声很容易通过衬底传导给晶体管，加剧输出噪声，影响输出图像效果；现有技术中光电二极管的暗电流较大，在图像传感器输出图像时会产生白点，影响输出图像效果。
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线离电源金属线较近，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传输空穴的图像传感器像素结构，可以减小暗电流、减小像素读出噪声、抗辐照特性好、灵敏度高，从而有效提高像素图像传感器的图像品质。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种传输空穴的图像传感器像素结构，包括：多组在垂直和水平方向上排列成二维像素阵列的像素单元；其中，每一组像素单元均为四个像素排列成2×2的像素阵列；
每一组像素单元中前列两个像素和后列两个像素分别在其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，且每一像素还各自包含一光电二极管与一空穴传输晶体管；
每一列的两个像素中，其各自包含的光电二极管的正极与空穴传输晶体管相连，且这两个复位晶体像素各自的空穴传输晶体管均与共享的漂浮有源区相连，所述共享的漂浮有源区与复位晶体管相连，源跟随晶体管与选择晶体管相连，且漂浮有源区还与源跟随晶体管的栅极相连。
每一组像素单元均设置在N型衬底上，每一像素中的光电二极管的负极接N型衬底，N型衬底接电源。
前列两个像素共享的选择晶体管与源跟随晶体管位于像素单元的顶部，后列两个像素共享的选择晶体管与源跟随晶体管位于像素单元的底部。
每一组像素单元中还包括：五根晶体管控制线、地控制线以及两根列信号输出线；其中：
第一晶体管控制线连接前列两个像素共享的选择晶体管的栅极，第二晶体管控制线连接前一行两个像素中的空穴传输晶体管的栅极，第三晶体管控制线连接两个复位晶体管的栅极，第四晶体管控制线连接后一行两个像素中的空穴传输晶体管的栅极，第五晶体管控制线连接后列两个像素共享的选择晶体管的栅极；
地控制线连接两个复位晶体管以及选择晶体管的漏极；
两根列信号输出线分别连接前列两个像素和后列两个像素共享的源跟随晶体管的源极。
五根晶体管控制线均使用第0层金属线，分别与相应晶体管栅极的多晶硅通过接触孔0相互接触；
地控制线使用第1层金属线，分别与相应晶体管漏极通过接触孔1相互接触；
两根列信号输出线均使用第1层金属线，分别与相应晶体管的源极通过接触孔1相互接触。
每一列的两个像素中，漂浮有源区与源跟随晶体管栅极的多晶硅之间使用第1层金属线通过接触孔1相互接触。
所述选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管以及空穴传输晶体管均为PMOS管。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，由于PMOS管本身输出噪声较小，所以每组像素单元晶体管都是PMOS管减小输出噪声，且都放在N阱中隔离外围器件噪声；每组像素单元都可以有效的减小暗电流和增强抗辐照能力；传输空穴图像传感器二维像素阵列中金属连线使用两层金属线进行连接，仅使用第0层金属线和第1层金属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；此外，还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
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种传输空穴的图像传感器像素结构中四个像素组成的4T2S结构电路示意图；
图2为本发明实施例提供的传输空穴的图像传感器像素结构中四个像素组成的4T2S结构版图示意图；
图3为本发明实施例提供的传输空穴的图像传感器像素结构中6×4像素阵列电路示意图；
图4为本发明实施例提供的传输空穴的图像传感器像素结构中6×4像素阵列版图示意图。
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。
本发明实施例提供一种传输空穴的图像传感器像素结构，包括：多组在垂直和水平方向上排列成二维像素阵列的像素单元；其中，每一组像素单元均为四个像素排列成2×2的像素阵列；
每一组像素单元中前列两个像素和后列两个像素分别在其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，且每一像素还各自包含一光电二极管与一空穴传输晶体管；
每一列的两个像素中，其各自包含的光电二极管的正极与空穴传输晶体管相连，且这两个复位晶体像素各自的空穴传输晶体管均与共享的漂浮有源区相连，所述共享的漂浮有源区与复位晶体管相连，源跟随晶体管与选择晶体管相连，且漂浮有源区还与源跟随晶体管的栅极相连。
同时，前列两个像素共享的选择晶体管与源跟随晶体管位于像素单元的顶部，后列两个像素共享的选择晶体管与源跟随晶体管位于像素单元的底部。
优选的，所述选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管以及空穴传输晶体管均为PMOS管。
优选的，每一组像素单元均设置在N型衬底上，每一像素中的光电二极管的负极接N型衬底，N型衬底接电源。
本发明实施例中，每一组像素单元中还包括：五根晶体管控制线、地控制线以及两根列信号输出线；其中：
第一晶体管控制线连接前列两个像素共享的选择晶体管的栅极，第二晶体管控制线连接前一行两个像素中的空穴传输晶体管的栅极，第三晶体管控制线连接两个复位晶体管的栅极，第四晶体管控制线连接后一行两个像素中的空穴传输晶体管的栅极，第五晶体管控制线连接后列两个像素共享的选择晶体管的栅极；
地控制线连接两个复位晶体管以及选择晶体管的漏极；
两根列信号输出线分别连接前列两个像素和后列两个像素共享的源跟随晶体管的源极。
本领域技术人员可以理解，上文中所涉及的“第一”，“第二”等仅为标识作用，并不对技术方案本身做出限制。
优选的，五根晶体管控制线均使用第0层金属线，分别与相应晶体管栅极的多晶硅通过接触孔0相互接触；
地控制线使用第1层金属线，分别与相应晶体管漏极通过接触孔1相互接触；
两根列信号输出线均使用第1层金属线，分别与相应晶体管的源极通过接触孔1相互接触。
优选的，每一列的两个像素中，漂浮有源区与源跟随晶体管栅极的多晶硅之间使用第1层金属线通过接触孔1相互接触。该金属连线远离地金属线，减小寄生电容。
本发明实施例上述方案中，解决了现有图像传感器暗电流影响图像品质问题、解决现有图像传感器器件本身输出噪声和衬底噪声影响输出图像品质问题、解决现有图像传感器抗辐照能力弱的问题、解决了现有图像传感器小面积像素灵敏度低的问题，使用PMOS器件是减少器件本身输出噪声对传感器的影响，放在N阱中可以有效的起到对外界噪声的隔离作用，光电二极管正极与空穴传输晶体管相连，负极与N型衬底相连，可以有效的抑制暗电流；仅使用第0层金属线和第1层金属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，提高光的接收效率。因此，本发明的提供的传输空穴的图像传感器结构能够提高小面积像素传感器的用光效率和转换增益，提高灵敏度，可以有效的抑制暗电流，减少读出噪声，增强抗辐照能力；从而可以有效提高小面积像素图像传感器的图像品质。
为了便于理解，下面结合附图1-4对本发明做详细的说明。
如图1所示，为传输空穴的图像传感器像素结构中四个像素组成的4T2S结构电路示意图。图1中包括：四个像素，像素11、像素12、像素21和像素22。PD11、PD12、PD21和PD22分别是像素11、像素12、像素21和像素22的光电二极管；TX11、TX12、TX21和TX22分别是像素11、像素12、像素21和像素22的空穴传输晶体管；RX1和RX2为复位晶体管，SF1和SF2为源跟随晶体管，SX1和SX2为选择晶体管，FD1与FD2为漂浮有源区；像素11和像素21共享复位晶体管RX1、源跟随晶体管SF1、选择晶体管SX1，像素12和像素22共享复位晶体管RX2、源跟随晶体管SF2、选择晶体管SX2；FD1为像素11和像素21共享的漂浮有源区，FD2为像素12和像素22共享的漂浮有源区；SX1和SF1位于前列像素11和像素21的顶部，SX2和SF2位于后列像素12和像素22的底部。
图1中五根晶体管控制线记为SV1、TV1、RV、TV2和SV2，地控制线记为VS，两根列信号输出线记为SN1、SN2。
如图1所示，晶体管控制线SV1连接选择晶体管SX1的栅极，晶体管控制线TV1连接空穴传输晶体管TX11和TX12的栅极，晶体管控制线RV连接复位晶体管晶体管RX1和RX2的栅极，晶体管控制线TV2连接空穴传输晶体管TX21和TX22的栅极，晶体管控制线SV2连接选择晶体管SX2的栅极；列信号输出线SN1和SN2分别连接源跟随晶体管的源极，地控制线VS连接RX1、RX2、SX1和SX2的漏极。
如图2所示，为传输空穴的图像传感器像素结构中四个像素组成的4T2S结构版图示意图。
其中，晶体管控制线SV1、TV1、RV、TV2和SV2使用第0层金属线，地控制线VS和列信号输出线SN1、SN2使用第1层金属线。
第0层金属控制线SV1、TV1、RV、TV2和SV2分别与相应晶体管的栅极多晶硅通过接触孔0相互接触，第1层金属控制线SN1、SN2和VS分别与相应晶体管的源极和漏极通过接触孔1相互接触；漂浮有源区FD1与SF1的栅极多晶硅之间使用第1层金属线通过接触孔1相互接触，漂浮有源区FD2与SF2的栅极多晶硅之间使用第1层金属线通过接触孔1相互接触。此外，在本实施例中也可省去选择晶体管SX1和SX2以及相应的晶体管控制线，其并不会影响传感器正常工作，也不会影响本发明解决的技术问题。
本领域技术人员可以理解，前文中所出现的第0/1层金属线，以及接触孔0/1，均为行业术语，主要用于特征的标示与区分。
另一方面，上述图1-图2为四个像素组成的4T2S结构，在实际工作中，需要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。为了便于说明，下面以6×4像素阵列为例进行示意，当然，也可以根据实际需求，来选择其他尺寸像素阵列。
与前述图1-图2类似的，图3-图4分别为6X4像素阵列电路示意图，以及对应的版图示意图。
图3和图4所示像素阵列中，PD11～PD16为第1行像素的光电二极管，PD21～PD26为第2行像素的光电二极管，PD31～PD36为第3行像素的光电二极管，PD41～PD46为第4行像素的光电二极管；晶体管控制线TV1与第1行像素的空穴传输晶体管TX11～TX16的栅极多晶硅相连，晶体管控制线TV2与第2行像素的空穴传输晶体管TX21～TX26的栅极多晶硅相连，晶体管控制线TV3与第3行像素的空穴传输晶体管TX31～TX36的栅极多晶硅相连，晶体管控制线TV4与第4行像素的空穴传输晶体管TX41～TX46的栅极多晶硅相连；晶体管控制线SV1与选择晶体管SX11、SX13、SX15的栅极多晶硅相连，晶体管控制线SV3与选择晶体管SX31、SX22、SX33、SX24、SX35、SX26的栅极多晶硅相连，晶体管控制线SV5与选择晶体管SX42、SX44、SX46的栅极多晶硅相连；晶体管控制线RV1与复位晶体管RX11、RX22、RX13、RX24、RX15、RX26的栅极多晶硅相连，晶体管控制线RV3与复位晶体管RX31、RX42、RX33、RX44、RX35、RX46的栅极多晶硅相连。
像素阵列中的列信号输出线SN1与第1列像素的源跟随晶体管SF11和SF31的源极相连，列信号输出线SN2与第2列像素的源跟随晶体管SF22和SF42的源极相连，列信号输出线SN3与第3列像素的源跟随晶体管SF13和SF33的源极相连，列信号输出线SN4与第4列像素的源跟随晶体管SF24和SF44的源极相连，列信号输出线SN5与第5列像素的源跟随晶体管SF15和SF35的源极相连，列信号输出线SN6与第6列像素的源跟随晶体管SF26和SF46的源极相连。
地控制线VS与像素阵列中各组像素单元的复位晶体管漏极端相连接，与像素阵列中各组像素单元的选择晶体管漏极端相连接；像素阵列中的各组像素单元的漂浮有源区分别与相应源跟随晶体管的栅极相连接。
上述像素阵列中，同行像素器件控制线TV1～TV4、SV1、SV3、SV5、RV1、RV3使用第0层金属线；同列像素输出线SN1～SN6使用第1层金属线，地控制线VS使用第1层金属线，各组像素单元的漂浮有源区与相应源跟随晶体管的栅极连接线使用第0层金属线。需要特别说明的是，除了使用第0层金属线和第1层金属线之外，还可使用第1层金属线和第2层金属线或其它层金属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。由于改变金属线层级的像素结构其核心设计方法与上述实施例雷同，在此不做赘述。
本发明实施例的上述方案中，由于采用了以2×2像素阵列结构作为一组像素单元，每组单元中晶体管都是PMOS管，并且在N阱中，有效的抑制输出噪声，光电二极管正极与空穴传输晶体管相连，负极与电压相连，有效的抑制暗电流；每组单元中前列两个像素共享的选择晶体管和源跟随晶体管位于顶部，后列两个像素共享的选择晶体管和源跟随晶体管位于底部，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层金属线和第1层金属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层或更高层金属线作为器件控制线，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。
因此，本发明的一种传输空穴图像传感器列共享2×2像素单元结构能够减小输出噪声、抑制暗电流、增强抗辐照能力、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 (7)
1.一种传输空穴的图像传感器像素结构，其特征在于，包括：多组在垂直和水平方向上排列成二维像素阵列的像素单元；其中，每一组像素单元均为四个像素排列成2×2的像素阵列；
每一组像素单元中前列两个像素和后列两个像素分别在其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，且每一像素还各自包含一光电二极管与一空穴传输晶体管；
每一列的两个像素中，其各自包含的光电二极管的正极与空穴传输晶体管相连，且这两个复位晶体像素各自的空穴传输晶体管均与共享的漂浮有源区相连，所述共享的漂浮有源区与复位晶体管相连，源跟随晶体管与选择晶体管相连，且漂浮有源区还与源跟随晶体管的栅极相连。
2.根据要求1所述的一种传输空穴的图像传感器像素结构，其特征在于，每一组像素单元均设置在N型衬底上，每一像素中的光电二极管的负极接N型衬底，N型衬底接电源。
3.根据要求1所述的一种传输空穴的图像传感器像素结构，其特征在于，
前列两个像素共享的选择晶体管与源跟随晶体管位于像素单元的顶部，后列两个像素共享的选择晶体管与源跟随晶体管位于像素单元的底部。
4.根据要求1所述的一种传输空穴的图像传感器像素结构，其特征在于，每一组像素单元中还包括：五根晶体管控制线、地控制线以及两根列信号输出线；其中：
第一晶体管控制线连接前列两个像素共享的选择晶体管的栅极，第二晶体管控制线连接前一行两个像素中的空穴传输晶体管的栅极，第三晶体管控制线连接两个复位晶体管的栅极，第四晶体管控制线连接后一行两个像素中的空穴传输晶体管的栅极，第五晶体管控制线连接后列两个像素共享的选择晶体管的栅极；
地控制线连接两个复位晶体管以及选择晶体管的漏极；
两根列信号输出线分别连接前列两个像素和后列两个像素共享的源跟随晶体管的源极。
5.根据要求4所述的一种传输空穴的图像传感器像素结构，其特征在于，
五根晶体管控制线均使用第0层金属线，分别与相应晶体管栅极的多晶硅通过接触孔0相互接触；
地控制线使用第1层金属线，分别与相应晶体管漏极通过接触孔1相互接触；
两根列信号输出线均使用第1层金属线，分别与相应晶体管的源极通过接触孔1相互接触。
6.根据要求1所述的一种传输空穴的图像传感器像素结构，其特征在于，
每一列的两个像素中，漂浮有源区与源跟随晶体管栅极的多晶硅之间使用第1层金属线通过接触孔1相互接触。
7.根据要求1所述的一种传输空穴的图像传感器像素结构，其特征在于，所述选择晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管以及空穴传输晶体管均为PMOS管。
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