CN113224087A - 图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种图像感测装置。图像感测装置包括设置有第一光电转换元件和第一浮置扩散区的第一单位像素、设置有第二光电转换元件和第二浮置扩散区的第二单位像素、设置有第三光电转换元件和第三浮置扩散区的第三单位像素以及设置有第四光电转换元件和第四浮置扩散区的第四单位像素。第一单位像素至第四单位像素通过第一器件隔离结构彼此隔离。第一浮置扩散区至第四浮置扩散区通过导线联接到公共浮置扩散节点。第一单位像素至第四单位像素中的至少一个单位像素包括联接到公共浮置扩散节点的转换增益晶体管，该转换增益晶体管被配置成响应于被提供至转换增益晶体管的增益控制信号来调整公共浮置扩散节点的电容。

Description

图像感测装置
技术领域
本专利文件公开的技术和实现方式总体上涉及图像感测装置。
背景技术
图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体装置。近年来，随着计算机产业和通信产业的不断发展，对于高质量、高性能图像传感器的需求在例如数码相机、摄像机、个人通信系统(PCS)、游戏机、监控摄像机、医用微型相机、机器人等的各个领域中迅速增加。
图像感测装置可大致分为基于CCD(电荷耦合装置)的图像传感器和基于CMOS(互补金属氧化物半导体)的图像传感器。CMOS图像传感器具有更简单和更方便的驱动方案，并且因此在某些应用中可能是优选的。此外，CMOS图像传感器可以将信号处理电路集成到单个芯片中，使得CMOS图像传感器易于小型化以在产品中实现，并且额外的好处是消耗非常低的功率。CMOS图像传感器可采用CMOS工艺来制造，以获得低的制造成本。CMOS图像传感器已得到深入研究，并且CMOS图像传感器已被广泛使用并且被设计用于实现高分辨率图像。
此外，随着CMOS图像传感器的图像分辨率逐渐增加，每个像素的尺寸逐渐减小，以使得像素的数量可以增加而不增加芯片的尺寸。
发明内容
所公开技术的各种实施方式涉及具有高动态范围的图像感测装置，其可以通过调整转换增益来获得低照度和高照度特性。
所公开技术的各种实施方式涉及具有能够在被配置成共享浮置扩散(FD)区的共享像素结构中调整转换增益的新布局结构的图像感测装置。
按照所公开技术的一个实施方式，图像感测装置可以包括：第一单位像素，该第一单位像素包括第一光电转换元件和第一浮置扩散区，该第一光电转换元件被配置成响应于入射光而产生光电荷，该第一浮置扩散区被配置成接收由第一光电转换元件产生的光电荷；第二单位像素，该第二单位像素包括第二光电转换元件和第二浮置扩散区，该第二光电转换元件被配置成响应于入射光而产生光电荷，该第二浮置扩散区被配置成接收由第二光电转换元件产生的光电荷；第三单位像素，该第三单位像素包括第三光电转换元件和第三浮置扩散区，该第三光电转换元件被配置成响应于入射光而产生光电荷，该第三浮置扩散区被配置成接收由第三光电转换元件产生的光电荷；以及第四单位像素，该第四单位像素包括第四光电转换元件和第四浮置扩散区，该第四光电转换元件被配置成响应于入射光而产生光电荷，该第四浮置扩散区被配置成接收由第四光电转换元件产生的光电荷。第一单位像素至第四单位像素可以通过第一器件隔离结构而彼此隔离。第一浮置扩散区至第四浮置扩散区可以通过导线联接到公共浮置扩散节点。第一单位像素至第四单位像素中的至少一个单位像素可以包括联接到公共浮置扩散节点的转换增益晶体管，并且该转换增益晶体管被配置成响应于被提供至转换增益晶体管的增益控制信号来调整公共浮置扩散节点的电容。
根据所公开技术的另一实施方式，图像感测装置可以包括沿第一方向和垂直于第一方向的第二方向布置的多个像素组。每个像素组可以包括通过第一器件隔离结构彼此隔离的单位像素。每个单位像素可以包括：光电转换元件，其被配置成通过执行对入射光的光电转换来产生光电荷；浮置扩散区，其被配置成接收光电荷；以及传输晶体管，其被配置成将由光电转换元件产生的光电荷传输到浮置扩散区。单位像素的浮置扩散区可以通过导线联接到公共浮置扩散节点。单位像素中的至少一个单位像素可以包括转换增益晶体管，该转换增益晶体管被配置成响应于被提供至转换增益晶体管的增益控制信号来调整公共浮置扩散节点的电容。
应当理解，对所公开技术的上述一般描述和以下详细描述都是说明性的和解释性的，并且意在提供对所要求的公开内容的进一步解释。
附图说明
当结合附图考虑时，参考以下详细描述，所公开技术的上述和其他特征及有益方面将变得明了。
图1是示出基于所公开技术的一些实现方式的图像感测装置的框图的示例。
图2是示出基于所公开技术的一些实现方式的图1所示的像素组(PXG)的布局结构的示意图的示例。
图3是示出基于所公开技术的一些实现方式的与图1所示的像素组(PXG)相对应的等效电路的等效电路图的示例。
图4A是示出基于所公开技术的一些实现方式的图2所示的像素组(PXG)中包含的单位像素(PX1)的布局结构的示意图的示例。
图4B是示出基于所公开技术的一些实现方式的图2所示的像素组(PXG)中包含的单位像素(PX2)的布局结构的示意图的示例。
图4C是示出基于所公开技术的一些实现方式的图2所示的像素组(PXG)中包含的单位像素(PX3)的布局结构的示意图的示例。
图4D是示出基于所公开技术的一些实现方式的图2所示的像素组(PXG)中包含的单位像素(PX4)的布局结构的示意图的示例。
图5是示出基于所公开技术的一些实现方式的沿图4C所示的线A-A′截取的单位像素的示例的截面图。
具体实施方式
本专利文献提供图像感测装置的实现方式和示例，并且所公开的特征可以被实现为基本上解决由于各种图像感测装置的限制和缺点而引起的一个或更多个问题。所公开技术的一些实现方式可以提出具有高动态范围的图像感测装置的设计，其可以通过调节转换增益来获得低照度(illuminance)和高照度特性。所公开技术的一些实现方式可以用于提供具有能够在共享浮置扩散(FD)区的共享像素结构中调整转换增益的新布局结构的图像感测装置的设计。例如，所公开的技术提供能够改善其操作特性的图像感测装置的各种实现方式，并且还提供能够在多个像素共享浮置扩散(FD)区的共享结构中调整转换增益而不增加像素的尺寸的图像感测装置的各种实现方式。
现在将详细参考某些实施方式，其示例在附图中示出。将尽可能在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。在下面的描述中，将省略对于本文中所包含的相关已知配置或功能的详细描述，以避免混淆主题。
图1是示出基于所公开技术的一些实现方式的图像感测装置100的示例的框图。
参照图1，图像感测装置100可以包括像素阵列110、行解码器120、相关双采样器(CDS)电路130、模数转换器(ADC)电路140、输出缓冲器150、列解码器160和定时控制器170。在这种情况下，仅出于说明的目的而公开图像感测装置100的上述组成元件，并且根据需要可以向图像感测装置100添加至少一些元件或从中省略至少一些元件。
像素阵列110可以包括以矩阵形状连续地和重复地布置的多个像素组(PXG)。每个像素组(PXG)可以包括多个单位像素，以将从外部接收的入射光转换为电信号。每个单位像素可以包括通过将入射光转换为电信号来产生光电荷的感光像素。每个像素组(PXG)中包含的单位像素可以是共享像素，其中，在单位像素中分别形成的浮置扩散(FD)区通过导线彼此联接。每个单位像素可以通过行线从行解码器120接收包括选择信号、复位信号、传输信号和增益控制信号等的驱动信号，并且可以由驱动信号驱动。
行解码器120可以在从定时控制器170接收到控制信号时驱动像素阵列110。具体地，行解码器120可以从像素阵列110的多个行线中选择至少一个行线。为了从多个行线中选择至少一个行线，行解码器120可以生成行选择信号。行解码器120可以对与至少一个所选行线相对应的像素顺序地使能像素复位信号和传输信号。因此，模拟参考信号和模拟图像信号可以由所选行线中包含的每个像素生成，使得由所选行线中包含的各个像素生成的模拟参考信号和模拟图像信号可以顺序地传送到相关双采样器(CDS)电路130。在这种情况下，根据需要，由每个像素生成的参考信号和图像信号可以被统称为像素信号。
相关双采样器(CDS)电路130可以顺序地采样并保持从像素阵列110传送到多个列线的参考信号和图像信号。即，相关双采样器(CDS)电路130可以采样并保持与像素阵列110的每列相对应的参考信号和图像信号的电平。
相关双采样器(CDS)电路130可以在从定时控制器170接收到控制信号时将与每个列的参考信号和图像信号相对应的相关双采样(CDS)信号发送到ADC电路140。
ADC电路140可以从CDS电路130接收每个列的CDS信号，可以将接收到的CDS信号转换为数字信号，并且可以由此输出数字信号。ADC电路140可以基于每个列的CDS信号和从定时控制器170接收的斜坡信号来执行计数和计算操作，使得ADC电路140可以生成从中去除了对应于每个列的噪声(例如，每个像素的唯一复位噪声)的数字图像数据。
ADC电路140可以包括对应于像素阵列110的各个列的多个列计数器，并且可以使用列计数器将每个列的CDS信号转换为数字信号。根据另一实施方式，ADC电路140可以包括单个全局计数器，并且可以使用从全局计数器接收的全局码将对应于每个列的CDS信号转换为数字信号。
输出缓冲器150可以接收从ADC电路140输出的每个列的图像数据，可以捕获所接收的图像数据，并且可以输出所捕获的图像数据。输出缓冲器150可在从定时控制器170接收到控制信号时临时存储从ADC电路140输出的图像数据。输出缓冲器150可以用作被配置为对图像传感器100和联接到图像传感器100的另一装置之间的传输速度差(或处理速度差)进行补偿的接口。
列解码器160可以在从定时控制器170接收到控制信号时选择输出缓冲器150的列，并且被临时存储在输出缓冲器150的所选列中的图像数据可以被顺序输出。更详细地，列解码器160可以从定时控制器170接收地址信号，可以基于接收到的地址信号生成列选择信号，并且可以选择输出缓冲器150的列，使得列解码器160可以控制来自输出缓冲器150的所选列的图像数据作为输出信号SO被输出。
定时控制器170可以控制行解码器120、ADC电路140、输出缓冲器150和列解码器160。
定时控制器170可以向行解码器120、列解码器160、ADC电路140和输出缓冲器150发送图像传感器100的构成元件所需的时钟信号、定时控制所需的控制信号和选择行或列所需的地址信号。根据实施方式，定时控制器170可以包括逻辑控制电路、锁相环(PLL)电路、定时控制电路、通信接口电路等。
图2是示出基于所公开技术的一些实现方式的图1所示的像素组(PXG)的布局结构的示意图的示例。
参照图2，每个像素组(PXG)可以包括4个单位像素PX1到PX4。单位像素PX1到PX4可以被布置成在第一方向(X轴方向)和垂直于第一方向的第二方向(Y轴方向)上彼此连续(contiguous)或相邻(adjacent)。例如，单位像素PX1～PX4可以被布置成(2×2)矩阵的形状。
单位像素PX1到PX4中的每一个可以是通过器件隔离结构ISO1与连续或相邻的单位像素物理地隔离的隔离像素(isolated pixel)。例如，单位像素PX1到PX4中的每一个包括其自身的光电转换元件PD1到PD4、单个浮置扩散(FD)区FD1到FD4或晶体管。因此，任意两个单位像素都不共享光电转换元件PD1到PD4、浮置扩散(FD)区FD1到FD4和晶体管(TX1到TX4、DX1到DX3、SX1到SX3、RX、CGX)。
在一些实施方式中，器件隔离结构ISO1可以包括槽状隔离结构，其中基板被蚀刻到预定深度，并且绝缘材料填充被蚀刻的区域。例如，器件隔离结构ISO1可包括深槽隔离(DTI)结构、浅槽隔离(STI)结构或其组合。
被包含在不同单位像素中的元件之间的电连接可以通过在基板上形成的导线(例如，金属线)来实现。
单位像素PX1到PX4中的每一个可以包括背照式(BSI)结构或前照式(FSI)结构。
单位像素PX1到PX4中的每一个可以包括单个光电转换元件(PD1到PD4中的任意一个)、单个浮置扩散(FD)区(FD1到FD4中的任意一个)和三个晶体管。如图2所示的示例，被包含在像素组(PXG)中的一些单位像素中所包括的晶体管的类型可以不同于其他单位像素中所包括的晶体管的类型。在图2中，像素组(PXG)中包含的3个单位像素PX1、PX2和PX4可以包括三个晶体管，所述三个晶体管包括传输晶体管(TX1、TX2和TX4中的任意一个)、源极跟随器晶体管(DX1、DX2和DX4中的任意一个)和选择晶体管(SX1、SX2和SX4中的任意一个)。像素组(PXG)中包含的单位像素PX3可以包括传输晶体管TX3、复位晶体管RX和转换增益晶体管CGX。
在上述实现方式中，四个单位像素PX1到PX4包括总共12个晶体管，这12个晶体管包括4个传输晶体管、3个源极跟随器晶体管、3个选择晶体管、单个复位晶体管和单个转换增益晶体管，并且单位像素PX1到PX4中的每一个可以包括3个晶体管。
作为示例，4个传输晶体管可以分别被形成在单位像素PX1到PX4中。3个源极跟随器晶体管可以分别被形成在三个单位像素PX1、PX2和PX4中。3个选择晶体管可分别被形成在三个单位像素PX1、PX2和PX4中。在未形成源极跟随器晶体管和选择晶体管的剩余单位像素PX3中，可以形成单个复位晶体管和单个转换增益晶体管。
光电转换元件PD1到PD4可以基于一对一的方式分别形成在对应的单位像素PX1到PX4中。光电转换元件PD1至PD4可通过执行对入射光的光电转换来产生光电荷。每个单位像素包括光电转换元件，该光电转换元件包括例如光电二极管、光电栅、光电晶体管、光电导体或能够产生光电荷的一些其它感光结构。
浮置扩散(FD)区FD1到FD4可以通过传输晶体管TX1到TX4接收由光电转换元件PD1到PD4产生的光电荷，并且可以临时存储接收到的光电荷。浮置扩散(FD)区FD1到FD4可以通过导线彼此电联接。因此，像素组(PXG)中包含的单位像素PX1到PX4可以被配置成共享浮置扩散(FD)区FD1到FD4并且具有4共享像素结构。
将浮置扩散(FD)区彼此电联接的导线的长度取决于通过导线连接的浮置扩散(FD)区的布置。为了最小化将浮置扩散(FD)区FD1到FD4彼此联接的导线的长度，可以在像素组(PXG)中将浮置扩散(FD)区尽可能近地放置。例如，浮置扩散(FD)区FD1到FD4可以位于像素组(PXG)内彼此最靠近的位置。例如，浮置扩散(FD)区FD1到FD4可以被布置在对应单位像素PX1到PX4的角部区域附近，使得浮置扩散区FD1到FD4可以在像素组(PXG)的中心部分附近相遇。
在单位像素(PX1到PX4)中，传输晶体管TX1到TX4可以被布置成在第一方向上与浮置扩散(FD)区FD1到FD4连续或相邻。在单位像素PX1、PX2和PX4中，源极跟随器晶体管DX1到DX3可以被布置成在第二方向上与浮置扩散(FD)区FD1、FD2和FD4连续或相邻，并且选择晶体管SX1到SX3可以被布置成在第一方向上与源极跟随器晶体管DX1到DX3连续或相邻。在单位像素PX3中，转换增益晶体管CGX可被布置成在第二方向上与浮置扩散(FD)区FD3连续或相邻，并且复位晶体管RX可被布置成在第一方向上与转换增益晶体管CGX连续或相邻。
单位像素PX1到PX4可以分别包括分接头区(tap region)T1到T4。分接头区T1到T4可以在第一方向上位于传输晶体管TX1到TX4的一侧。因此，分接头区T1到T4可以分别位于与浮置扩散(FD)区FD1到FD4相对的位置。这里，分接头区T1到T4中的每一个都可以向基板的阱区施加偏置电压。
如上所述，单位像素PX1、PX2和PX4可以包括相同的构成元件。在这种情况下，单位像素PX1中包含的构成元件和单位像素PX2中包含的构成元件可以被布置成相对于单位像素PX1和单位像素PX2之间的边界区域彼此对称。此外，单位像素PX2中包含的构成元件和单位像素PX4中包含的构成元件可以被布置成相对于单位像素PX2和单位像素PX4之间的边界区域彼此对称。
尽管为了便于描述，图2示出了在单位像素PX3中形成复位晶体管RX和转换增益晶体管CGX的示例性情况，但是这种实现方式仅作为一个示例而提供，并且其他实现方式也是可能的。例如，复位晶体管RX和转换增益晶体管CGX可以形成在单位像素PX1、PX2和PX4中的任意一个中，并且选择晶体管和源极跟随器晶体管可以形成在单位像素PX3中。
图3是示出基于所公开技术的一些实现方式的与图1所示的像素组(PXG)相对应的等效电路的等效电路图的示例。
参照图3，像素组(PXG)可以包括光电转换元件PD1到PD4、浮置扩散区FD1到FD4、传输晶体管TX1到TX4、源极跟随器晶体管DX1到DX3、选择晶体管SX1到SX3、复位晶体管RX、转换增益晶体管CGX和转换增益电容器C。
光电转换元件PD1到PD4中的每一个可以执行对入射光的光电转换，并且可以由此产生与入射光量相对应的光电荷。光电转换元件PD1到PD4中的每一个可以被实现为光电二极管、光电晶体管、光电门、钉扎光电二极管或其组合。
传输晶体管TX1到TX4可以联接到光电转换元件PD1到PD4和浮置扩散区FD1到FD4。在一些实施方式中，传输晶体管TX1可以联接到光电转换元件PD1和浮置扩散区FD1，传输晶体管TX2可以联接到光电转换元件PD2和浮置扩散区FD2，传输晶体管TX3可以联接到光电转换元件PD3和浮置扩散区FD3，传输晶体管TX4可以联接到光电转换元件PD4和浮置扩散区FD4。因此，每个传输晶体管TX1到TX4的一个端子可以联接到在同一单位像素中的光电转换元件PD1到PD4，并且每个传输晶体管TX1到TX4的另一个端子可以联接到在同一单位像素中的浮置扩散区FD1到FD4。传输晶体管TX1到TX4可以响应于被施加到其栅极端子的传输信号TS1到TS4而导通或截止，使得传输晶体管TX1到TX4可以将由光电转换元件PD1到PD4产生的光电荷传输到相应的浮置扩散区FD1到FD4。
浮置扩散区FD1到FD4可以通过导线电性地并且共同地彼此联接，从而形成公共浮置扩散(CFD)节点。公共浮置扩散(CFD)节点可以被模型化为与浮置扩散区FD1到FD4并联联接的单结电容器(single junction capacitor)。公共浮置扩散(CFD)节点的电容可以由浮置扩散区FD1到FD4的电容之和表示。公共浮置扩散(CFD)节点可以通过传输晶体管TX1到TX4接收光电转换元件PD1到PD4的光电荷，并且可以临时存储接收到的光电荷。
源极跟随器晶体管DX1到DX3可以联接到与其对应的选择晶体管SX1到SX3和电源电压(VDD)节点。在一些实现方式中，源极跟随器晶体管DX1的一个端子可以联接到电源电压(VDD)节点，并且源极跟随器晶体管DX1的另一个端子可以联接到属于同一单位像素的选择晶体管SX1；源极跟随器晶体管DX2的一个端子可以联接到电源电压(VDD)节点，并且源极跟随器晶体管DX2的另一个端子可以联接到属于同一单位像素的选择晶体管SX2；源极跟随器晶体管DX3的一个端子可以联接到电源电压(VDD)节点，并且源极跟随器晶体管DX3的另一个端子可以联接到属于同一单位像素的选择晶体管SX3。源极跟随器晶体管DX1到DX3可以通过其栅极端子联接到公共浮置扩散(CFD)节点，可以生成与公共浮置扩散(CFD)节点的电势大小相对应的信号，并且可以将生成的信号输出到相应的选择晶体管SX1到SX3。因此，源极跟随器晶体管DX1到DX3中的每一个可以放大公共浮置扩散(CFD)节点的电势变化，并且可以将经放大的电势输出到选择晶体管SX1到SX3。
选择晶体管SX1到SX3可以分别联接到与其对应的源极跟随器晶体管DX1到DX3，并且选择晶体管SX1到SX3中的每一个可以联接到输出节点(OUT)。选择晶体管SX1到SX3可以响应于被施加到其栅极端子的行选择信号(RSS)而导通或截止，使得选择晶体管SX1到SX3可以将源极跟随器晶体管DX1到DX3的输出信号传输到输出节点(OUT)。输出节点(OUT)可以联接到列线。根据本实施方式的选择晶体管SX1到SX3可以共同联接到单个输出节点(OUT)，并且可以通过其栅极端子接收相同的行选择信号(RSS)，使得选择晶体管SX1到SX3可以作为具有相对较大的沟道宽度的单个晶体管工作。
复位晶体管RX和转换增益晶体管CGX可以串联联接在电源电压(VDD)节点和公共浮置扩散(CFD)节点之间。用于调整公共浮置扩散(CFD)节点的电容的转换增益电容器(C)可以联接到复位晶体管RX和转换增益晶体管CGX的公共节点。复位晶体管RX可以响应于被施加到其栅极端子的复位信号(RS)而导通或截止，使得复位晶体管RX可以将公共浮置扩散(CFD)节点复位到电源电压(VDD)电平。转换增益晶体管CGX可响应于被施加到其栅极端子的增益控制信号GCS而使转换增益电容器(C)选择性地与公共浮置扩散(CFD)节点并联联接，从而使得转换增益晶体管CGX可以调节公共浮置扩散(CFD)节点的电容。可以从行解码器120接收增益控制信号GCS。
图4A至图4D是示出基于所公开技术的一些实现方式的图2中所示的像素组(PXG)中所包含的单位像素PX1至PX4的布局结构的示意图。
在基板中，形成单位像素的区域可以由器件隔离结构ISO1限定。器件隔离结构ISO1可以形成在连续或相邻的单位像素的边界区域中，使得器件隔离结构ISO1可以将连续或相邻的单位像素物理地彼此隔离。器件隔离结构ISO1可以包括DTI结构和/或DTI结构和STI结构的组合结构。例如，其中形成有单位像素的光电转换元件的基板可以包括光所入射至的第一表面和与第一表面相对并且包括像素晶体管TX1、DX1和SX1的第二表面。器件隔离结构ISO1可以包括前深槽隔离(FDTI)结构，其中通过在从第二表面到第一表面的方向上蚀刻基板到预定深度而形成的槽填充有绝缘材料。
单位像素PX1可以包括由器件隔离结构ISO21限定的有源区ACT11和ACT12。有源区ACT11可以包括选择晶体管SX1、源极跟随器晶体管DX1和传输晶体管TX1。例如，选择晶体管SX1、源极跟随器晶体管DX1和传输晶体管TX1可以被形成为共享同一有源区ACT11。分接头区T1可形成在有源区ACT12中。器件隔离结构ISO21可以被形成具有浅槽隔离(STI)结构，其中通过将基板蚀刻到预定深度而形成的槽填充有绝缘材料。
选择晶体管SX1可以包括形成在有源区ACT11上的选择栅极SG1。在有源区ACT11中，在选择栅极SG1的一侧的有源区可以通过导线联接到输出节点OUT，在选择栅极SG1的另一侧的有源区可以联接到源极跟随器晶体管DX1。选择栅极SG1可以通过导线接收行选择信号RSS。
源极跟随器晶体管DX1可以包括形成在有源区ACT11上的驱动栅极DG1。在有源区ACT11中，在驱动栅极DG1的一侧的有源区可以通过导线联接到电源电压(VDD)节点，在驱动栅极DG1的另一侧的有源区可以联接到选择晶体管SX1。在这种情况下，选择晶体管SX1和源极跟随器晶体管DX1可以不通过导线彼此电联接，而是可以通过共享有源区ACT11来彼此电联接。驱动栅极DG1可以通过导线联接到公共浮置扩散(CFD)节点。
传输晶体管TX1可以包括形成在有源区ACT11上的传输栅极TG1。传输晶体管TX1可以是其中光电转换元件PD1和浮置扩散(FD)区FD1用作源极/漏极区的晶体管。在这种情况下，传输栅极TG1可以被埋入到基板中的预定深度，并且可以形成响应于传输信号TS1而在光电转换元件PD1和浮置扩散(FD)区FD1之间形成垂直沟道区的凹入栅极形状(recessgate shape)。
传输栅极TG1可以形成在有源区ACT11中。因此，在有源区ACT11中，可以在传输栅极TG1的一侧形成浮置扩散(FD)区FD1，并且选择晶体管SX1和源极跟随器晶体管DX1可以联接到传输栅极TG1的另一侧。例如，有源区ACT11可以形成T形结构，其中三个分支彼此共同联接并且三个分支中的每一个弯曲。选择栅极SG1、驱动栅极DG1和传输栅极TG1中的每一个可以形成在每个分支的中央部分。在这种情况下，在有源区ACT11中，虽然形成有传输晶体管TX1的特定区域通过有源区ACT11物理地联接到形成有选择晶体管SX1和源极跟随器晶体管SX1的另一区域，但是应当注意，该特定区域并非电联接的到上述另一区域。例如，用于形成晶体管的源极/漏极区的杂质可以不被注入到有源区ACT11当中的单位像素PX1的中央部分。结果，尽管传输栅极TG1导通，但是浮置扩散(FD)区FD1可以不电联接到选择晶体管SX1或源极跟随器晶体管DX1。
传输栅极TG1可以通过导线接收传输信号TS1。浮置扩散(FD)区FD1可以通过导线联接到公共浮置扩散(CFD)节点。
分接头区T1可用于向基板的阱区施加偏置电压，并且可形成在通过器件隔离结构ISO21与有源区ACT11隔离的有源区ACT12中。有源区ACT12可以在单位像素PX1的角部区域处形成为岛状形状。分接头区T1可以通过导线联接到偏置电压(BV)节点。
单位像素PX2可以被布置成在第一方向上与单位像素PX1连续或相邻。单位像素PX2可以包括由器件隔离结构ISO22限定的有源区ACT21和ACT22。有源区ACT21可以包括选择晶体管SX2、源极跟随器晶体管DX2和传输晶体管TX2。例如，选择晶体管SX2、源极跟随器晶体管DX2和传输晶体管TX2可以被形成为共享同一有源区ACT21。有源区ACT22可以包括分接头区T2。
单位像素PX2可以包括相对于单位像素PX2和单位像素PX1之间的边界区域在第一方向上与单位像素PX1对称的布局结构。例如，单位像素PX2的有源区ACT21和ACT22可以被布置成在第一方向上分别与单位像素PX1的有源区ACT11和ACT12对称。单位像素PX2的栅极SG2、DG2和TG2可以形成在有源区ACT21上，使得单位像素PX2的栅极SG2、DG2和TG2被布置成在第一方向上与单位像素PX1的栅极SG1、DG1和TG1对称。单位像素PX2的晶体管SX2、DX2和TX2在结构上可以与单位像素PX1的晶体管SX1、DX1和TX1相同，并且在功能上也可以与单位像素PX2的晶体管SX1、DX1和TX1相同。
单位像素PX2的分接头区T2可以被布置成在第一方向上与单位像素PX1的分接头区T1对称。分接头区T2可以形成在通过器件隔离结构ISO22与有源区ACT21隔离的有源区ACT22中。有源区ACT22可以在单位像素PX2的角部区域处形成为岛状形状。分接头区T2可以通过导线联接到偏置电压(BV)节点。
单位像素PX3可以被布置成在第二方向上与单位像素PX1连续或相邻。单位像素PX3可以包括由器件隔离结构ISO23限定的有源区ACT31和ACT32。有源区ACT31可以包括传输晶体管TX3、复位晶体管RX和转换增益晶体管CGX。例如，传输晶体管TX3、复位晶体管RX和转换增益晶体管CGX可以被形成为共享同一有源区ACT31。有源区ACT32可以包括分接头区T3。
传输晶体管TX3可以包括形成在有源区ACT31中的传输栅极TG3。传输栅极TG3可以包括响应于传输信号TS3而在光电转换元件PD3和浮置扩散(FD)区FD3之间形成垂直沟道区的凹入栅极。
在有源区ACT31中，可以在传输栅极TG3的一侧形成浮置扩散(FD)区FD3，并且传输栅极TG3的另一侧可以联接到复位晶体管RX和转换增益晶体管CGX。传输栅极TG3可以通过导线接收传输信号TS3。浮置扩散(FD)区FD3可以通过导线联接到公共浮置扩散(CFD)节点。
复位晶体管RX可以包括形成在有源区ACT31上的复位栅极RG。在有源区ACT31中，在复位栅极RG的一侧的有源区可以通过导线联接到电源电压(VDD)节点，而在复位栅极RG的另一侧的有源区可以联接到转换增益晶体管CGX和转换增益电容器(C)。在这种情况下，复位晶体管RX可以通过与转换增益晶体管CGX共享有源区ACT31而联接到转换增益晶体管CGX，并且可以通过导线联接到转换增益电容器(C)。复位栅极RG可以通过导线接收复位信号(RS)。
转换增益晶体管CGX可以包括形成在有源区ACT31上的转换栅极CG。在有源区ACT31中，可以在转换栅极CG的一侧形成浮置扩散(FD)区FD3，并且转换栅极CG的另一侧可以联接到复位晶体管RX和转换栅极电容器(C)。在这种情况下，转换增益晶体管CGX可以通过与复位晶体管RX共享有源区ACT31而联接到复位晶体管RX，并且可以通过导线联接到转换增益电容器(C)。转换栅极CG可以通过导线接收增益控制信号(GCS)。
联接到转换增益电容器(C)的杂质区VSS可以局部地形成在有源区ACT31当中的单位像素PX3的中央部分。例如，杂质区VSS可用于将转换增益电容器(C)的一个端子接地。
分接头区T3可以被布置成在第二方向上与单位像素PX1的分接头区T1对称。分接头区T3可形成在通过器件隔离结构ISO23与有源区ACT31隔离的有源区ACT32中。有源区ACT32可以在单位像素PX3的角部区域处形成为岛状形状。分接头区T3可以通过导线联接到偏置电压(BV)节点。
单位像素PX4可以被布置成在第一方向上与单位像素PX3连续或相邻，并且还可以在第二方向上与单位像素PX2连续或相邻。单位像素PX4可以包括由器件隔离结构ISO24限定的有源区ACT41和ACT42。有源区ACT41可以包括选择晶体管SX3、源极跟随器晶体管DX3和传输晶体管TX4。例如，选择晶体管SX3、源极跟随器晶体管DX3和传输晶体管TX4可以被形成为共享同一有源区ACT41。有源区ACT42可以包括分接头区T4。
单位像素PX4可以包括相对于单位像素PX4和单位像素PX2之间的边界区域在第二方向上与单位像素PX2对称的布局结构。例如，有源区ACT41和ACT42可以被布置成在第二方向上与单位像素PX2的有源区ACT21和ACT22对称。单位像素PX4的栅极SG3，DG3和TG4可以形成在有源区ACT41上，以使得单位像素PX4的栅极SG3、DG3和TG4被布置成在第二方向上与单位像素PX2的栅极SG2、DG2和TG2对称。即，单位像素PX4的晶体管SX3，DX3和TX4可以被布置成在第二方向上与单位像素PX2的晶体管SX2，DX2和TX2对称。单位像素PX4的晶体管SX3，DX3和TX4在结构上可以与单位像素PX2的晶体管SX2，DX2和TX2的结构相同，并且在功能上也可以与单位像素PX2的晶体管SX2，DX2和TX2相同。
分接头区T4可以被布置成在第二方向上与单位像素PX2的分接头区T2对称。分接头区T4可以形成在通过器件隔离结构ISO24与有源区ACT41隔离的有源区ACT42中。有源区ACT42可以在单位像素PX4的角部区域处形成为岛状形状。分接头区T4可以通过导线联接到偏置电压(BV)节点。
图5是示出沿图4C所示的线A-A′截取的单位像素的示例的截面图。更详细地，图5例示了用于形成转换增益电容器的方法。
参照图5，转换增益电容器(C)可以形成在单位像素PX3中的有源区ACT31上方。例如，转换增益电容器(C)可以包括金属-绝缘体-金属(MIM)电容器，其中，绝缘材料形成在有源区ACT31上方的两个金属板MP0和MP1之间。
在这种情况下，金属板MP0可以对应于转换增益电容器(C)的下电极，并且可以在形成金属层M0的导线的同时形成。金属板MP1可以对应于转换增益电容器(C)的上电极，并且可以在形成金属层M1的导线的同时形成。金属板MP0可以联接到杂质区VSS，并且金属板MP1可以联接到形成在转换栅极CG和复位栅极RG之间的杂质区CAP。
尽管为了便于描述，图5示出了在单位像素PX3中形成用于使将转换增益电容器(C)联接至转换栅晶体管CGX的导线的长度最小化的转换增益电容器(C)示例性情况，但是其他实现方式也是可能的。例如，转换增益电容器(C)可以形成在像素组(PXG)内的未形成导线的冗余空间中的任何地方。
尽管为了便于描述，图5示例性地示出了仅一个转换增益电容器(C)，但是转换增益电容器的数量不限于1。在一些实现方式中，数个转换增益电容器也可以彼此并联联接。
从上述描述可以明显看出，基于所公开技术的一些实现方式的图像感测装置可以改进其操作特性。
基于所公开技术的一些实现方式的图像感测装置可以在多个像素共享浮置扩散(FD)区的共享结构中调整转换增益而不增加像素的尺寸。
本领域技术人员将理解，实施方式可以以除本文所述的方式之外的其他特定方式来执行。因此，上述实施方式在所有方面都应被解释为说明性的而不是限制性的。.此外，本领域技术人员将理解，在所附权利要求中未明确相互引用的权利要求可以作为一个实施方式组合呈现，或者可以在申请提交后通过随后的修改作为新权利要求被包括在内。
尽管已经描述了许多说明性实施方式，但是应当理解，可以基于本专利文件的公开内容对所公开的实施方式和其他实施方式进行修改。
相关申请的交叉引用
本专利文件要求于2020年2月4日提交的韩国专利申请No.10-2020-0013094的优先权和利益，该申请通过引用全部并入本本文。

Claims (20)

1.一种图像感测装置，所述图像感测装置包括：
第一单位像素，所述第一单位像素包括第一光电转换元件和第一浮置扩散区，所述第一光电转换元件被配置成响应于入射光而产生光电荷，所述第一浮置扩散区被配置成接收由所述第一光电转换元件产生的光电荷；
第二单位像素，所述第二单位像素包括第二光电转换元件和第二浮置扩散区，所述第二光电转换元件被配置成响应于入射光而产生光电荷，所述第二浮置扩散区被配置成接收由所述第二光电转换元件产生的光电荷；
第三单位像素，所述第三单位像素包括第三光电转换元件和第三浮置扩散区，所述第三光电转换元件被配置成响应于入射光而产生光电荷，所述第三浮置扩散区被配置成接收由所述第三光电转换元件产生的光电荷；以及
第四单位像素，所述第四单位像素包括第四光电转换元件和第四浮置扩散区，所述第四光电转换元件被配置成响应于入射光而产生光电荷，所述第四浮置扩散区被配置成接收由所述第四光电转换元件产生的光电荷，
其中，所述第一单位像素至所述第四单位像素通过第一器件隔离结构而彼此隔离，
所述第一浮置扩散区至所述第四浮置扩散区通过导线联接到公共浮置扩散节点，并且
所述第一单位像素至所述第四单位像素中的至少一个单位像素包括联接到所述公共浮置扩散节点的转换增益晶体管，所述转换增益晶体管被配置成响应于被提供至所述转换增益晶体管的增益控制信号来调整所述公共浮置扩散节点的电容。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述第一器件隔离结构包括深槽隔离DTI结构。
3.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述至少一个单位像素还包括：
转换增益电容器，所述转换增益电容器联接到所述转换增益晶体管。
4.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，所述转换增益电容器包括金属绝缘体金属MIM电容器。
5.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述第一单位像素至所述第四单位像素中的每一个还包括：
传输晶体管，所述传输晶体管被配置成将由相应的光电转换元件产生的光电荷传输到相应的浮置扩散区。
6.根据权利要求5所述的图像感测装置，其中，所述至少一个单位像素还包括：
复位晶体管，所述复位晶体管被配置成响应于被提供至所述复位晶体管的复位信号而复位所述公共浮置扩散节点。
7.根据权利要求6所述的图像感测装置，其中：
所述至少一个单位像素包括由第二器件隔离结构限定的第一有源区和第二有源区，
其中，所述转换增益晶体管、所述传输晶体管和所述复位晶体管被形成为共享所述第一有源区。
8.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，所述第二有源区包括：
分接头区，所述分接头区被配置成接收偏置电压作为输入。
9.根据权利要求5所述的图像感测装置，其中，所述第一单位像素至所述第四单位像素中的除所述至少一个单位像素之外的剩余单位像素中的每一个还包括：
源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管被配置成生成与所述公共浮置扩散节点的电势大小相对应的信号，并输出所生成的信号；以及
选择晶体管，所述选择晶体管被配置成响应于选择信号而将所述源极跟随器晶体管的输出信号传输到输出节点。
10.根据权利要求9所述的图像感测装置，其中：
所述剩余单位像素中的每一个包括由第二器件隔离结构限定的第一有源区和第二有源区；并且
所述剩余单位像素中的每一个的所述传输晶体管、所述源极跟随器晶体管和所述选择晶体管被形成为共享所述第一有源区。
11.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，所述第二有源区包括：
分接头区，所述分接头区被配置成接收偏置电压作为输入。
12.一种图像感测装置，所述图像感测装置包括：
多个像素组，所述多个像素组沿第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向布置，
其中，每一个所述像素组包括通过第一器件隔离结构彼此隔离的单位像素，
其中，每一个所述单位像素包括：
光电转换元件，所述光电转换元件被配置成通过执行对入射光的光电转换来产生光电荷；
浮置扩散区，所述浮置扩散区被配置成接收所述光电荷；以及
传输晶体管，所述传输晶体管被配置成将由所述光电转换元件产生的所述光电荷传输到所述浮置扩散区，
其中，
所述单位像素的所述浮置扩散区通过导线联接到公共浮置扩散节点；并且
所述单位像素中的至少一个单位像素包括转换增益晶体管，所述转换增益晶体管被配置成响应于被提供至所述转换增益晶体管的增益控制信号来调整所述公共浮置扩散节点的电容。
13.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，每一个所述单位像素包括：
第一有源区和第二有源区，所述第一有源区和所述第二有源区由第二器件隔离结构限定。
14.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述至少一个单位像素还包括：
复位晶体管，所述复位晶体管被配置成响应于复位信号而复位所述公共浮置扩散节点。
15.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中，所述至少一个单位像素包括被配置成共享第一有源区的所述传输晶体管、所述转换增益晶体管和所述复位晶体管。
16.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，除所述至少一个单位像素之外的剩余单位像素中的每一个还包括：
源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管被配置成生成与所述公共浮置扩散节点的电势大小相对应的信号，并输出所生成的信号；以及
选择晶体管，所述选择晶体管被配置成响应于选择信号而将所述源极跟随器晶体管的输出信号传输到输出节点。
17.根据权利要求16所述的图像感测装置，其中，所述剩余单位像素中的每一个包括被配置成共享第一有源区的所述传输晶体管、所述源极跟随器晶体管和所述选择晶体管。
18.根据权利要求17所述的图像感测装置，其中所述剩余单位像素包括两个相邻单位像素，所述两个相邻单位像素被布置成使得所述两个相邻单位像素的所述传输晶体管、所述源极跟随器晶体管和所述选择晶体管相对于所述两个相邻单位像素之间的边界区域彼此对称。
19.根据权利要求13所述的图像感测装置，其中，所述第二有源区包括：
分接头区，所述分接头区被配置成接收偏置电压作为输入。
20.根据权利要求13所述的图像感测装置，其中，所述至少一个单位像素还包括：
转换增益电容器，在所述转换增益电容器中，下电极联接到所述至少一个单位像素的所述第一有源区，并且上电极联接到所述转换增益晶体管。
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