CN1866531A - 互补金属氧化物半导体图像传感器的像素 - Google Patents
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Abstract
提供了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的单元像素，其包括光电转换元件、转移晶体管、升压电容器和信号转移电路，其中，光电转换元件基于入射光产生电荷，转移晶体管响应转移控制信号将电荷转移到浮动扩散结点，升压电容器被放置在转移晶体管的栅极和浮动扩散结点之间，并且信号转移电路响应选择信号来转移浮动扩散结点的电势，并且浮动扩散结点的电势的动态范围可以加宽，转移晶体管的漏极－源极电压差可以增加，从而电荷转移效率可以提高。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器，尤其涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
背景技术
图像传感器是一种将照片图像转换为电信号的半导体模块。图像传感器通常被广泛用于数码相机、具有内置相机的蜂窝电话、可视系统等中。
在市场上通常有两种类型的图像传感器。一种是电荷耦合器件(CCD)型图像传感器，另一种是互补金属氧化物半导体(CMOS)型图像传感器。CMOS型图像传感器与CCD型图像传感器相比具有较差的噪声特性和图像质量。然而，CCD型图像传感器与CMOS型图像传感器相比在生产成本和能量消耗上存在缺点。CMOS型图像传感器可以通过传统的半导体制造工艺来制造并且可以与信号放大或信号处理的外围系统集成。另外，CMOS型图像传感器与CCD型图像传感器相比在处理速度和能量消耗上具有优点。然而，CMOS型图像传感器与CCD型图像传感器相比在噪声、图像质量、低信燥比(SNR)和有限的动态信号范围上存在缺点。
传统的CMOS图像传感器具有三种结构，例如，1-晶体管结构、3-晶体管结构和4-晶体管结构。在这三种CMOS图像传感器结构中，4-晶体管结构的应用最广泛。4-晶体管结构CMOS图像传感器的单元像素包括一个光电二极管和四个CMOS晶体管。光电二极管上聚集的产生光的电荷被四个CMOS晶体管控制和传送。
图1是图解说明用附图标记100一般表示的4-晶体管结构CMOS图像传感器的传统单元像素的电路图。参考图1，CMOS图像传感器的单元像素100包括光电二极管110、转移(transfer)晶体管120、复位晶体管130、源极跟随晶体管140和选择晶体管150。光电二极管110根据入射光将产生的光的电荷聚集。转移晶体管120响应转移控制信号TX，将光电二极管110中聚集的产生光的电荷转移到浮动扩散结点(floating diffusion node)FD。复位晶体管130 RX复位浮动扩散结点FD，从而浮动扩散结点FD响应复位控制信号而具有初始电势。
源极跟随晶体管140检测浮动扩散结点FD的电势的变化，选择晶体管150将源极跟随晶体管140检测到的电势传送给内部电路(图1中未示出)。例如，该内部电路可以包括取样电路和放大电路，该取样电路对由选择晶体管150检测到并且由源极跟随晶体管140传送的信号进行取样，该放大电路放大由取样电路取样的信号。
之后，将描述图1中图解的CMOS图像传感器的单元像素的操作。当复位晶体管130在复位控制信号RX被激活为高电平时导通时，浮动扩散结点FD的电势被初始化为电源电压VDD的电平。源极跟随晶体管140和选择晶体管150检测浮动扩散结点140的电势，从而检测到的电势变成浮动扩散结点FD的初始电位。检测到的电势，即，浮动扩散结点FD的初始电势，被称作参考电势。
在光聚集周期期间，在光电二极管110中产生电子空穴对(EHP)。光电二极管110中产生的电子空穴对的数量与光电二极管100上如何的光的强度成比例。
当在转移控制信号TX被激活为高电平时在转移晶体管120中形成沟道时，光电二极管110中聚集的电荷被转移到浮动扩散结点FD。因此，浮动扩散结点FD的电势与由光电二极管110转移的电荷成比例地降低，结果，源极跟随晶体管140的源极的电势变化。
当选择晶体管150导通时，浮动扩散结点FD的电势，也称作数据电势，被转移到内部电路。CMOS图像传感器的光感测操作可以通过相关双取样(CDS)来执行。例如，通过将数据电势与浮动节点的初始电势进行比较来执行光感测操作。在光感测操作完成之后，重复浮动扩散结点FD的复位操作，并且重复上述的其他操作。
如上所解释的，CMOS图像传感器通过检测浮动扩散结点FD的电势的变化来执行光检测操作。也就是，CMOS图像传感器通过检测浮动扩散结点FD的初始电势(即，参考电势)与由于被转移到浮动扩散结点FD的电荷而降低的电势(即，数据电势)之间的差，将入射光转换为电信号。
CMOS图像传感器的操作电压越低，则浮动扩散结点FD的动态范围越窄，并且转移晶体管120的信号转移效率越差。因此，期望一种具有宽动态范围和改进的转移晶体管120的信号转移效率的CMOS图像传感器。
韩国专利待审公开No.2003-9625公开了一种提高从光电二极管到浮动扩散结点的电荷转移的效率的方法。在公开No.2003-9625中，用于驱动转移晶体管的栅极的驱动时钟耦合到浮动扩散结点的电势。然而，所述方法不易于实现，因为由于转移栅极的电极扩展到浮动扩散区，因此难以形成浮动扩散结点(或者浮动扩散区)。
也就是，难以使用栅极自校直离子注入技术来形成浮动扩散区。因此，当在形成浮动扩散区之后形成转移栅极时，需要额外的光掩模处理，因此制造工艺变得更加复杂，制造成本增加。另外，由于设计和控制转移晶体管的沟道宽度较难，因此难以保证转移晶体管的电特性。
发明内容
本发明的示例性实施例提供了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的单元像素，用于加宽CMOS图像传感器的动态范围和/或提高电荷转移效率。本发明的另一示例性实施例还提供了一种用于加宽CMOS图像传感器的动态范围并提高电荷转移效率的CMOS图像传感器的像素阵列。本发明的又一示例性实施例还提供了一种用于加宽图像传感器的动态范围并提高电荷转移效率的CMOS图像传感器。
在本发明的一些示例性实施例中，CMOS图像传感器的单元像素包括：光电转换元件，其被配置成基于入射光产生电荷；转移晶体管，其被配置成响应转移控制信号，将光电转换元件中聚集的电荷转移到浮动扩散结点；放置在转移晶体管的栅极和浮动扩散结点之间的升压电容器；和信号转移电路，其被配置成响应选择信号来转移浮动扩散结点的电势。
在更多的实施例中，所述升压电容器(boosting capacitor)可以是金属绝缘体金属(MIM)电容器或者聚乙烯绝缘体聚乙烯(PIP)电容器。所述信号转移电路可以包括源极跟随晶体管，其栅极耦合到浮动扩散结点，其漏极耦合到电源。另外，所述信号转移电路可以还包括串联耦合到源极跟随晶体管的选择晶体管。CMOS图像传感器的单元像素可以还包括复位晶体管，其被配置成复位浮动扩散结点的电势，从而浮动扩散结点响应复位控制信号而具有初始电势。
在本发明的其他示例性实施例中，一种CMOS图像传感器的像素阵列包括：多个光电转换元件，每个光电转换元件分别被配置成基于入射光产生电荷；多个转移晶体管，每个转移晶体管分别被配置成响应多个转移控制信号之一，将相应的光电转换元件中聚集的电荷转移到浮动扩散结点；多个跨越相邻光电转换元件的边界放置的升压电容器，每个升压电容器分别电耦合在转移晶体管的栅极与浮动扩散结点之间；和信号转移电路，其被配置成响应选择信号来转移浮动扩散结点的电势。
在更多的实施例中，所述信号转移电路可以包括源极跟随晶体管，其栅极耦合到浮动扩散结点，其漏极耦合到电源。所述信号转移电路可以还包括串联耦合到源极跟随晶体管的选择晶体管。
在本发明的另其他示例性实施例中，一种CMOS图像传感器的像素阵列包括：多个光电转换元件，每个光电转换元件分别被配置成基于入射光产生电荷；多个转移晶体管，每个转移晶体管分别被配置成响应多个转移控制信号之一，将相应的光电转换元件中聚集的电荷转移到多个浮动扩散结点之一；多个跨越相邻光电转换元件的边界放置的升压电容器，每个升压电容器分别电耦合在转移晶体管的栅极与相应浮动扩散结点之间；和多个信号转移电路，每个信号转移电路分别被配置成响应多个选择信号之一来转移相应的浮动扩散结点的电势。
在本发明的另其他示例性实施例中，一种CMOS图像传感器包括：多个光电转换元件，每个光电转换元件分别被配置成基于入射光产生电荷；多个转移晶体管，每个转移晶体管分别被配置成响应多个转移控制信号之一，将相应光电转换元件中聚集的电荷转移到多个浮动扩散结点之一；多个跨越相邻光电转换元件的边界放置的升压电容器，每个升压电容器分别电耦合在转移晶体管的栅极与相应浮动扩散结点之间；信号转移电路，其被配置成响应多个选择信号来转移相应浮动扩散结点的电势；和内部电路，其被配置成取样从信号转移电路转移的电势。
在本发明的另其他示例性实施例中，一种CMOS图像传感器包括：多个光电转换元件，每个光电转换元件分别被配置成基于入射光产生电荷；多个转移晶体管，每个转移晶体管分别被配置成响应多个转移控制信号之一，将相应的光电转换元件中聚集的电荷转移到多个浮动扩散结点之一；多个跨越相邻光电转换元件的边界放置的升压电容器，每个升压电容器分别电耦合在转移晶体管的栅极与相应的浮动扩散结点之间；多个信号转移电路，每个信号转移电路分别被配置成响应多个选择信号之一来转移相应浮动扩散结点的电势；和内部电路，其被配置成取样从信号转移电路转移的电势。
在更多的实施例中，所述内部电路可以包括取样电路和放大电路。所述内部电路可以包括相关双取样器(double sampler)，并且可以使用该相关双取样器取样从多个信号转移电路转移的电势。
因此，可以加宽浮动扩散结点的电势的动态范围。另外，可以增加转移晶体管的漏极-源极电压差，从而可以提高电荷转移效率。
附图说明
通过参考附图更详细地描述示例性实施例，本发明的特征和优点将变得更加明显，附图中：
图1是图解说明4-晶体管结构互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的传统单元像素的电路图；
图2是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的单元像素的电路图；
图3是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的单元像素的操作的时序图；
图4是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的单元像素的表面电势的示意图；
图5A是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的单元像素的布局平面图；
图5B是沿图5A的线I-I’的垂直横截面图；
图6是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的像素阵列的电路图；
图7是图解说明根据本发明另一示例性实施例的CMOS图像传感器的像素阵列的电路图；
图8是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的方框图；和
图9是图解说明根据本发明另一示例性实施例的CMOS图像传感器的方框图。
具体实施方式
这里公开了本发明的示例性实施例。所示出的具体结构和功能细节仅仅代表用以描述示例性实施例的意图。因此，本发明能够以许多替换形式来体现，并且不应当被曲解为限于此处所阐述的示例性实施例。
因此，在本发明易受各种修改和替换形式的影响的同时，此处通过附图中的举例方式示出了本发明的特定实施例，并且对其进行详细描述。然而，应当理解，目的不旨在将本发明限制为所描述的特性示例形式，相反，本发明可以覆盖落入其精神和范围之内的所有修改、等价、和替换。整个附图的描述中相同的附图标记可以指向相似的元件。
应当理解，尽管术语第一、第二等在此处可被用来描述不同的元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于相互区分。例如，第一元件可被称作第二元件，并且类似地，第二元件可被称作第一元件，而不背离本发明的范围。如此处所使用的，术语“和/或”包括相关列出项的一个或多个的任意和所有组合。
另外，应当理解，在一个元件被称作“连接到”或“耦合到”另一个元件时，它可以直接连接到或耦合到其他元件或者可能存在介于其间的元件。相反，当一个元件被称作“直接连接到”或“直接耦合到”另一个元件时，不存在介于其间的元件。应当以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其他词语(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“与...相邻”与“直接与...相邻”，等)。
此处所使用的术语意在仅描述特定实施例，而不意欲限制本发明。如此处所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括多种形式，除非上下文明确地进行了相反的指示。还应当理解，术语“包括”、“包含”和/或“具有”在使用时特定存在所阐述的特征、整体、步骤、操作、元件、和/或组成部分，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、和/或组成部分的存在或添加。
除非相反限定，此处所使用的所有术语(包括技术的和科学的术语)具有与由本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同意义。还应当理解，此处所使用的术语应当被解释为具有与在本说明书的上下文和相关领域中的它们的意思一致的意思，并且不被解释为理想化的或者过于形式意义上的，除非此处如此清楚地定义。
图2是图解说明根据本发明示例性实施例的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(通常用附图标记200表示)的单元像素的电路图。参考图2，CMOS图像传感器的单元像素200包括光电转换元件210、转移晶体管220、复位晶体管230、信号转移电路240和升压电容器250。光电转换元件210基于入射光聚集产生光的电荷。例如，光电转换元件210可以是光电二极管(photo diode)。转移晶体管220响应转移控制信号TX，将在光电转移元件210中聚集的产生光的电荷转移到浮动扩散结点FD。
复位晶体管230复位浮动扩散结点FD，从而浮动扩散结点FD可以响应复位控制信号RX而具有初始电势。例如，复位晶体管230可以复位浮动扩散结点FD，从而浮动扩散结点可以具有近似电源电压VDD的电平。
复位控制信号RX被施加到复位晶体管230的栅极，并且电源电压VDD被施加到复位晶体管230的漏极。另外，复位晶体管230的源极连接到浮动扩散结点FD。
信号转移电路240响应选择信号SL，将浮动扩散结点FD的电势转移到内部电路。例如，信号转移电路240可以响应选择信号SEL，将浮动扩散结点FD的电势转移到内部电路。内部电路可以包括取样电路、放大电路等。内部电路可以使用相关双取样方法来取样浮动扩散结点FD的电势。
信号转移电路240可以包括源极跟随晶体管241和选择晶体管242。在替换的实施例中可以修改信号转移电路240。例如，信号转移电路240可以不包括源极跟随晶体管，但是可以仅包括选择晶体管，其漏极连接到浮动扩散结点FD。
源极跟随晶体管241通过源极跟随晶体管241的源极输出被输入到源极跟随晶体管241的栅极的浮动扩散结点FD的电势。源极跟随晶体管241的栅极连接到浮动扩散结点FD，其漏极连接到电源电压VDD。
选择晶体管242响应选择信号SEL转移由源极跟随晶体管241检测到浮动扩散结点FD的电势。选择晶体管242与源极跟随晶体管241串联连接。更具体地，选择晶体管242的漏极连接到源极跟随晶体管241的源极，并且选择信号SEL被施加到选择晶体管242的栅极。
升压电容器250连接在转移晶体管220的栅极和浮动扩散结点FD之间。作为一个示例，升压电容器250可以是金属绝缘体金属(MIM)电容器。对于另一个示例，升压电容器250可以是聚乙烯绝缘体聚乙烯(poly-insulator-poly，PIP)电容器。通过在转移晶体管220的栅极和浮动扩散结点FD之间插入具有期望电容的升压电容器250，可以实现升压效果。
升压电容器250的电容可以根据所需升压电平的程度来确定。例如，可以使用具有大约1pF电容的升压电容器，从而浮动扩散结点FD的电势可以具有大约0.7v的升压电平。
之后，将描述图2中图解说明的CMOS图像传感器的单元像素的操作。当具有电源电压VDD的电平的复位控制信号RX被施加到复位晶体管230的栅极时，浮动扩散结点FD的电势上升到大约电源电压VDD的电平。在浮动扩散结点FD的电势被复位到大约电源电压VDD的电平之后，浮动扩散结点FD的电势通过信号转移电路240来取样并且变成浮动扩散结点的初始电势。
当施加具有电源电压VDD的电平的转移控制信号TX时，升压电容器250升高浮动扩散结点FD的电势。也就是，当复位控制信号RX处于电源电压VDD的电平以及转移控制信号TX处于地电势的电平时，浮动扩散结点FD的电势上升到大约电源电压VDD的电平，并且在升压电容器250的两端聚集与电源电压VDD的电平对应的电荷。在复位控制信号RX被去激活为具有地电势的电平之后，转移控制信号TX上升到电源电压VDD的电平，从而浮动扩散结点FD的电势根据升压电容器250中聚集的电荷升高。例如，升压电容器的电势可以增加在电源电压VDD的电平之上。
在光聚集周期期间，在光电转换元件210中产生电子空穴对(EHP)。光电转换元件210中产生的电子空穴对的数量与入射到光电转换源极110的光的强度成比例。
在复位控制信号RX被去激活为具有地电势电平之后，转移控制信号TX被激活为具有电源电压VDD的电平，并且在转移晶体管220中建立沟道，从而光电转换源极210中聚集的电荷被转移到浮动扩散结点FD。浮动扩散结点FD的电势与从光电转换源极210转移到浮动扩散结点FD的电荷成比例地下降，并且结果源极跟随晶体管241的源极的电势变化。当转移控制信号TX被去激活为具有地电势的电平时，完成由于升压电容器250中累积的电荷引起的升压。
当选择信号SEL被激活并且选择晶体管242导通时，浮动扩散结点FD的电势被源极跟随晶体管241和选择晶体管242转移到内部电路，并且变成数据电势。CMOS图像传感器的光感测操作可以通过相关双取样(CDS)来执行。例如，通过将数据电势与浮动扩散结点的初始电势进行比较来执行光感测操作。在完成光感测操作之后，重复浮动扩散结点FD的复位操作，并且重复上述的其他操作。
通过在转移晶体管220的栅极与浮动扩散结点FD之间插入升压电容器250，浮动扩散结点FD的电势响应转移控制信号TX的激活而升高。因此，浮动扩散结点的电势的动态范围可被加宽，并且转移晶体管220的漏极源极电压差可以增加，从而可以提高电荷转移效率。
图3是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器(通过由附图标记300表示)的单元像素的操作的时序图。参考图3，当复位控制信号RX被激活为电源电压VDD的电平时，复位浮动扩散结点FD的电势，从而浮动扩散结点FD可以具有大约电源电压VDD的电平。在复位浮动扩散结点FD的电势之后，在S1阶段，通过信号转移电路来取样浮动扩散结点FD的电势。
当复位浮动扩散结点的电势从而在转移控制信号TX被去激活的同时浮动扩散结点FD可以具有大约电源电压VDD的电平时，在升压电容器250的两端聚集电荷。在复位控制信号RX被去激活为具有地电势电平之后，转移控制信号TX被激活为具有电源电压VDD的电平。根据转移控制信号TX的激活，浮动扩散结点的电压由于如图3中所示的升压电容器250中聚集的电荷而升高。
因为转移控制信号TX被激活为具有电源电压VDD的电平，因此在转移晶体管中建立沟道，并且浮动扩散结点FD的电势与从光电转换元件转移的电荷成比例地下降。当被激活为电源电压VDD的电平的转移控制信号TX被去激活为具有地电势电平时，上升操作结束，并且浮动扩散结点FD的电势下降。在上升操作完成之后，在S2阶段，浮动扩散结点FD的电势被信号转移电路取样为数据电势。
图4是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器(通常由附图标记400表示)的单元像素的表面电势的示意图。参考图4，说明光电转换元件区410的电势、转移晶体管区420的电势、浮动扩散结点区430的电势和复位晶体管区440的电势。
在光电转换元件区410中形成势阱(potential well)。在光聚集(photointegration)周期期间，在光电转换元件区410的势阱中聚集电荷。在光聚集周期期间，转移控制信号TX被激活为具有电源电压VDD的电平，并且转移晶体管20的电势上升。当光电转换元件区410的势阱中聚集的电荷被转移到浮动扩散结点FD时，浮动扩散结点FD的电势与所转移的电荷成比例地下降。
如图4所示，与传统CMOS图像传感器的单元像素451相比，根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的单元像素452的电荷转移效率得以提高，因为与传统CMOS图像传感器的单元像素451相比转移晶体管区420和浮动扩散结点区430的电势增加。转移效率的提高源自如参考图2和3所解释的升压电容器中聚集的电荷引起的上升(boosting)操作。
因为与传统CMOS图像传感器的单元像素451相比，转移晶体管区420和浮动扩散结点区430的电势增加，因此与传统CMOS图像传感器的单元像素451的相比，光电转换元件区410的势阱可以更深，从而光电转换元件的电荷聚集容量可以增加。另外，与传统CMOS图像传感器的单元像素的动态范围461相比，根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的单元像素462的动态范围被有利地增加。
图5A是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器(通常由附图标记500表示)的单元像素的布局平面图，而图5B是沿图5A的线I-I’的垂直横截面图。参考图5A和5B，有效区502被绝缘区504围绕。绝缘区504包括填充在衬底上形成的沟槽中的隔离层，并且该绝缘区504与有效区502电和物理地隔离。有效区502包括光区502-1a和502-1b、浮动扩散区502-2、电源区502-3、连接区502-4和输出区502-5。
光区502-1a和光区502-1b在列方向上彼此相邻放置。浮动扩散区502-2放置在光区502-1a的第一侧。扩散栅极层506-1形成于光区501-1a和浮动扩散区502-2之间。复位栅极层506-2形成于浮动扩散区502-2与电源区502-3之间。放大栅极层506-3形成于电源区502-3和连接区502-4之间。选择栅极层506-4形成于连接区502-4和输出区502-5之间。
通过在有效区502与层506-1、506-2、506-3和506-4之间形成栅极绝缘层，在有效区502上按照多晶硅模式形成扩散栅极层506-1、复位栅极层506-2、放大栅极层506-3和选择栅极层506-4。通过使用作为掩膜的多晶硅模式将离子注入有效区502。被注入离子的区域被提供为光区502-1a和502-1b、浮动扩散区502-2、电源区502-3、连接区502-4和输出区502-5。
在光区502-1a和光区502-1b之间形成第一导电或金属线层508和第二金属线层510。第一金属线层508通过触点508-1电连接到转移栅极层506-1。第一金属层508的扩展部分508-2从光区502-1a的边缘向光区502-1b的边缘延伸，其被提供为升压电容器250的下电极。在下电极508-2上形成介电层509，并且在介电层509上形成绝缘夹层511。在绝缘夹层511中形成接触孔，并且形成第二金属线层510。第二金属线层510通过触点510-1电连接到浮动扩散区502-2，并且通过触点510-2电连接到放大栅极层506-3。参考图5B，第二金属线层的部分510-3与介电层509的上部分接触并且被提供为升压电容器250的上电极。将电源电压VDD施加到触点512，并且将触点514提供为输出端。如上所解释的，根据本发明的示例性实施例，通过使用第一金属线层508和第二金属线层510将升压电容器250形成为MIM，从而可以最小化对晶体管的电特性的影响。
图6是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的像素阵列的电路图。参考图6，通常由附图标记600表示的像素阵列包括单元像素610a、610b和610c、复位晶体管620和信号转移电路630。
单元像素610a、610b和610c中的每一个具有彼此基本相同的结构，也就是，单元像素610a、610b和610c中的每一个包括光电转换元件、转移晶体管和升压电容器。例如，单元像素610a包括光电转换元件611a、转移晶体管612a和升压电容器613a。光电转移元件611a、转移晶体管612a和升压电容器613a的结构和操作与图2至5所解释的结构和操作基本相同。
图6中所示的像素阵列是共享型像素阵列，其中单元像素610a、610b和610c共享复位晶体管620和信号转移电路630。所述共享型像素阵列通过共享复位晶体管620和信号转移电路630可以提高CMOS图像传感器的集成密度。共享复位晶体管620和信号转移电路630的单元像素的数量根据产品所需的规格可以是可变的。
图6中所示的CMOS图像传感器的像素阵列是共享型像素阵列，其中单元像素610a、610b和610c共享复位晶体管620和信号转移电路630，从而单元像素610a、610b和610c共享浮动扩散结点。因此，转移晶体管612a、612b和612c中的每一个将相应的光电转移元件611a、611b和611c中聚集的电荷转移到浮动扩散结点FD。更具体地，转移晶体管612a、612b和612c响应相应的转移控制信号TXa、TXb和TXc，将相应的光电转移元件611a、611b和611c中聚集的电荷依次转移到浮动扩散结点FD。当转移晶体管612a、612b和612c转移相应光电转移元件611a、611b和611c中聚集的电荷时，通过升压电容器613a、613b和613c来产生升压。在感测光电转移元件611a、611b和611c中的每一个之前，可以复位浮动扩散结点FD。复位晶体管620和信号转移电路630的结构和操作与图2所示的复位晶体管230和信号转移电路240的结构和操作基本相同。
图7是图解说明根据本发明另一示例性实施例的CMOS图像传感器的像素阵列(通过由附图标记700表示)的电路图。参考图7，CMOS图像传感器的像素阵列700包括单元像素710a、710b和710c。
单元像素710a、710b和710c中的每一个具有彼此基本相同的结构，也就是，单元像素710a、710b和710c中的每一个包括光电转换元件、转移晶体管、升压电容器、复位晶体管和信号转移电路。例如，单元像素710a包括光电转换元件711a、转移晶体管712a、升压电容器713a、复位晶体管714a和信号转移电路715a。光电转换元件711a、转移晶体管712a、升压电容器713a、复位晶体管714a和信号转移电路715a的结构和操作与图2至5中所解释的结构和操作基本相同。
与图6中所示的像素阵列相比，图7中所示的像素阵列是共享型像素阵列，其中每个单元像素具有复位晶体管和信号转移电路。因此，图7的像素阵列的每个单元像素具有浮动扩散结点。
转移晶体管712a、712b和712c响应相应的转移控制信号TXa、TXb和TXc将在相应光电转换元件711a、711b和711c中聚集的电荷依次转移到相应的浮动扩散结点FDa、FDb和FDc。当转移晶体管712a、712b和712c转移相应光电转换元件711a、711b和711c中聚集的电荷时，由升压电容器713a、713b和713c产生升压。在感测每个光电转换元件711a、711b和711c之前，可以复位每个相应的浮动扩散结点FDa、FDb和FDc。
图8是图解说明根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器(通常由附图标记800表示)的方框图。参考图8，CMOS图像传感器800包括多个单元像素810a-1、810b-1、810c-1、...、810a-2、810b-2、810c-2、...、810a-3、810b-3和810c-3、...复位晶体管820-1、820-2和830-3、...、信号转移电路830-1、830-2和830-3、和内部电路840。单元像素810a-1、810b-1、810c-1、...、810a-2、810b-2、810c-2、...、810a-3、810b-3和810c-3中的每一个具有与图6中所解释的单元像素的结构基本相同的结构。
图8中所示的CMOS图像传感器具有共享型像素阵列。例如，单元像素810a-1、810b-1和810c-1共享复位晶体管820-1和信号转移电路830-1；单元像素810a-2、810b-21和810c-2共享复位晶体管820-2和信号转移电路830-2；以及单元像素810a-3、810b-3和810c-3共享复位晶体管820-3和信号转移电路830-3。因此，单元像素810a-1、810b-1和810c-1共享浮动扩散结点FD-1，单元像素810a-2、810b-2和810c-2共享浮动扩散结点FD-2，单元像素810a-3、810b-3和810c-3共享浮动扩散结点FD-3。
因此，每个单元像素中包含的转移晶体管共享一个浮动扩散结点，其将在相应的光电转换元件中聚集的电荷依次转移到共享的浮动扩散结点。也就是，转移晶体管响应相应的转移控制信号TXa、TXb和TXc将在相应的光电转换元件中聚集的电荷依次转移到相应的浮动扩散结点。当转移晶体管转移相应光电转换元件中聚集的电荷时，由升压电容器产生升压。在感测每个光电转换元件之前，可以复位相应的浮动扩散结点。
在内部电路840中对由信号转移电路830-1、830-2和830-3转移的信号进行取样。例如，内部电路840可以包括：取样电路，其对通过信号转移电路830-1、830-2和830-3读取的信号取样；和放大电路，其对取样电路中取样的信号进行放大。内部电路840可以包括相关双取样器，并且可以对浮动扩散结点的电势取样。
图9是图解说明根据本发明另一示例性实施例的CMOS图像传感器(通常由附图标记900表示)的方框图。参考图9，CMOS图像传感器900包括多个单元像素961a-1、961b-1、961c-1、961a-2、961b-2、961c-2、961a-3、961b-3和961c-3、和内部电路940。
单元像素961a-1、961b-1、961c-1、961a-2、961b-2、961c-2、961a-3、961b-3和961c-3中的每一个具有与图7中解释的单元像素的结构基本相同的结构。也就是，单元像素961a-1、961b-1、961c-1、961a-2、961b-2、961c-2、961a-3、961b-3和961c-3中的每一个具有复位晶体管和信号转移电路。因此，单元像素961a-1、961b-1、961c-1、961a-2、961b-2、961c-2、961a-3、961b-3和961c-3中的每一个被提供有独立的浮动扩散结点。
CMOS图像传感器中包含的转移晶体管响应相应的转移控制信号TXa、TXb和TXc将在相应光电转换元件中聚集的电荷转移到相应的浮动扩散结点。当转移晶体管转移相应的光电转换元件中聚集的电荷时，在升压电容器中产生升压。另外，在感测每个光电转换元件之前，可以复位相应的浮动扩散结点。
在内部电路940中对由信号转移电路转移的信号进行取样。例如，内部电路940可以包括：取样电路，其对通过信号转移电路读取的信号取样；和放大电路，其对取样电路中取样的信号进行放大。内部电路940可以包括相关双取样器，并且可以对浮动扩散结点的电势取样。
例如，在与形成上述MIM电容器的基本相同的区域中，可以将PIP型电容器形成为升压电容器，或者，在与形成上述MIM电容器的基本相同的区域中，可以形成具有多晶硅、介电层和金属的PIM型升压电容器。在PIP型电容器中，与栅极层对应的多晶硅模式可被形成为电容器的下电极，在电容器的下电极上形成绝缘层，并且另一多晶硅样式在绝缘层上可被形成为电容器的上电极。
根据上述的CMOS图像传感器的单元像素、CMOS图像传感器的像素阵列、和CMOS图像传感器，在转移晶体管(transmission transistor)和浮动扩散结点之间放置具有升压电容器，当激活被施加到转移晶体管的转移控制信号时可以升高浮动扩散结点的电压。
具体地，在转移晶体管和浮动扩散结点之间放置具有期望电容的升压电容器，从而可以获得期望的升压效果。因此，可以加宽浮动扩散结点的电势的动态范围，以及可以增加转移晶体管的漏极源极电压差，从而可以提高电荷转移效率。
上述内容说明了本发明，并且不能被曲解为对其的限制。尽管已经描述了本发明的几个示例性实施例，但是本领域的普通技术人员应当易于理解，在不背离本发明的新颖示教和优点的情况下，可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都包含在本发明的范围之内。
因此，应当理解，上述内容说明了本发明，并且不能被曲解为限于所公开的具体实施例，对所公开实施例的修改以及其他实施例包含在所附权利要求的范围之内。本发明由所附权利要求及其等价物限定。
Claims (32)
1.一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的单元像素，包括：
光电转换元件，其被配置成基于入射光产生电荷；
转移晶体管，其被配置成响应转移控制信号，将光电转换元件中聚集的电荷转移到浮动扩散结点；
放置在转移晶体管的栅极和浮动扩散结点之间的升压电容器；和
信号转移电路，其被配置成响应选择信号来转移浮动扩散结点的电势。
2.如权利要求1所述的单元像素，其中，所述升压电容器是金属绝缘体金属(MIM)电容器。
3.如权利要求1所述的单元像素，其中，所述升压电容器是聚乙烯绝缘体聚乙烯(PIP)电容器。
4.如权利要求1所述的单元像素，其中，所述信号转移电路包括：
源极跟随晶体管，其栅极耦合到浮动扩散结点，其漏极耦合到电源。
5.如权利要求4所述的单元像素，其中所述信号转移电路还包括串联耦合到源极跟随晶体管的选择晶体管。
6.如权利要求4所述的单元像素，还包括：
复位晶体管，其被配置成复位浮动扩散结点的电势，从而浮动扩散结点响应复位控制信号而具有初始电势。
7.一种互补金属氧化物半导体图像传感器的像素阵列，包括：
多个光电转换元件，每个光电转换元件分别被配置成基于入射光产生电荷；
多个转移晶体管，每个转移晶体管分别被配置成响应多个转移控制信号之一，将相应的光电转换元件中聚集的电荷转移到浮动扩散结点；
多个跨越相邻光电转换元件边界放置的升压电容器，每个升压电容器分别电耦合在转移晶体管的栅极与浮动扩散结点之间；和
信号转移电路，其被配置成响应选择信号来转移浮动扩散结点的电势。
8.如权利要求7所述的像素阵列，其中，每个升压电容器是金属绝缘体金属电容器。
9.如权利要求7所述的像素阵列，其中，每个升压电容器是聚乙烯绝缘体聚乙烯(PIP)电容器。
10.如权利要求7所述的像素阵列，其中，所述信号转移电路包括源极跟随晶体管，其栅极耦合到浮动扩散结点，其漏极耦合到电源。
11.如权利要求10所述的像素阵列，其中，所述信号转移电路还包括串联耦合到源极跟随晶体管的选择晶体管。
12.如权利要求10所述的像素阵列，还包括：
复位晶体管，其被配置成复位浮动扩散结点的电势，从而浮动扩散结点响应复位控制信号而具有初始电势。
13.一种互补金属氧化物半导体图像传感器的像素阵列，包括：
多个光电转换元件，每个光电转换元件分别被配置成基于入射光产生电荷；
多个转移晶体管，每个转移晶体管分别被配置成响应多个转移控制信号之一，将相应的光电转换元件中聚集的电荷转移到多个浮动扩散结点之一；
多个跨越相邻光电转换元件的边界放置的升压电容器，每个升压电容器分别电耦合在转移晶体管的栅极与相应的浮动扩散结点之间；和
多个信号转移电路，每个信号转移电路分别被配置成响应多个选择信号之一来转移相应的浮动扩散结点的电势。
14.如权利要求13所述的像素阵列，其中，每个升压电容器是金属绝缘体金属(MIM)电容器。
15.如权利要求13所述的像素阵列，其中，每个升压电容器是聚乙烯绝缘体聚乙烯(PIP)电容器。
16.如权利要求13所述的像素阵列，其中，每个信号转移电路包括源极跟随晶体管，其栅极耦合到浮动扩散结点之一，其漏极耦合到电源。
17.如权利要求16所述的像素阵列，其中每个信号转移电路还包括串联耦合到源极跟随晶体管的选择晶体管。
18.如权利要求16所述的像素阵列，还包括：
多个复位晶体管，每个复位晶体管被配置成复位相应的浮动扩散结点的电势，从而相应的浮动扩散结点响应多个复位控制信号之一而具有初始电势。
19.一种互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器，包括：
多个光电转换元件，每个光电转换元件分别被配置成基于入射光产生电荷；
多个转移晶体管，每个转移晶体管分别被配置成响应多个转移控制信号之一，将相应的光电转换元件中聚集的电荷转移到多个浮动扩散结点之一；
多个跨越相邻光电转换元件的边界放置的升压电容器，每个升压电容器分别电耦合在转移晶体管的栅极与相应的浮动扩散结点之间；
信号转移电路，其被配置成响应多个选择信号来转移相应浮动扩散结点的电势；和
内部电路，其被配置成取样从信号转移电路转移的电势。
20.如权利要求19所述的CMOS图像传感器，其中，每个升压电容器是金属绝缘体金属(MIM)电容器。
21.如权利要求19所述的CMOS图像传感器，其中，每个升压电容器是聚乙烯绝缘体聚乙烯(PIP)电容器。
22.如权利要求19所述的像素阵列，其中，信号转移电路包括源极跟随晶体管，其栅极耦合到浮动扩散结点，其漏极耦合到电源。
23.如权利要求22所述的CMOS图像传感器，其中，信号转移电路还包括串联耦合到源极跟随晶体管的选择晶体管。
24.如权利要求22所述的CMOS图像传感器，还包括：
复位晶体管，其被配置成响应复位浮动扩散结点的电势，从而浮动扩散结点多个复位控制信号而具有初始电势。
25.如权利要求22所述的CMOS图像传感器，其中，所述内部电路包括相关双取样器，其被配置成取样从信号转移电路转移的电势。
26.一种互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器，包括：
多个光电转换元件，每个光电转换元件分别被配置成基于入射光产生电荷；
多个转移晶体管，每个转移晶体管分别被配置成响应多个转移控制信号之一，将相应光电转换元件中聚集的电荷转移到多个浮动扩散结点之一；
多个跨越相邻光电转换元件的边界放置的升压电容器，每个升压电容器分别电耦合在转移晶体管的栅极与相应的浮动扩散结点之间；
多个信号转移电路，每个信号转移电路分别被配置成响应多个选择信号之一来转移相应的浮动扩散结点的电势；和
内部电路，其被配置成取样从信号转移电路转移的电势。
27.如权利要求26所述的CMOS图像传感器，其中，每个升压电容器是金属绝缘体金属(MIM)电容器。
28.如权利要求26所述的CMOS图像传感器，其中，每个升压电容器是聚乙烯绝缘体聚乙烯(PIP)电容器。
29.如权利要求26所述的图像传感器，其中，每个信号转移电路包括源极跟随晶体管，其栅极耦合到浮动扩散结点之一，其漏极耦合到电源。
30.如权利要求29所述的CMOS图像传感器，其中，每个信号转移电路还包括串联耦合到源极跟随晶体管的选择晶体管。
31.如权利要求29所述的CMOS图像传感器，还包括：
多个复位晶体管，每个复位晶体管被配置成复位相应复位浮动扩散结点的电势，从而相应的浮动扩散结点响应多个复位控制信号之一而具有初始电势。
32.如权利要求31所述的CMOS图像传感器，其中，所述内部电路包括相关双取样器，其被配置成取样从信号转移电路转移的电势。
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