TWI290800B - Image sensor and pixel that has positive transfer gate voltage during integration period - Google Patents

Description

1290800 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種影像感測器，特別是 有關於一種在低光狀態下光電二極體堆積期 間，使用可維持正傳導閘極（或3 T像素之重設 閘極）電壓的像素之影像感測器。 【先前技術】 影像感測器已普遍存在。他們廣泛使用於 數位靜止相機、手機、安全監控相機、醫療、 汽車，及其他應用上。用於製造影像感測器之 技術，特別是互補金屬氧化半導體影像感應 器，持續以高速進展。例如，更高解析度與更 低耗電之需求促使影像感測器進一步地微型化 與整合。 限制「熱像素」對於影像感測器是個持續 的挑戰，即當沒有入射光，仍會輸出信號的那 些像素。熱像素問題在長堆積期間（即長曝光 時間）更加嚴重。熱像素問題與暗電流密切相 關。如以下將更多描述，就四電晶體（4 T )像 素設計而言，一般相信傳導電晶體之傳導閘下 面的區域，爲暗電流之主要來源。 限制暗電流的一個方法是施加負電位於傳 導閘上。如果傳導閘之電位保持負値，電洞將 累積在移轉；閘下。這將抑制電子的產生，也大 大降低暗電流與熱像素的影響。然而，把負電 位施力[I於傳導閘導致衰減之抗飽和 （anti- 3 1290800 b 1 ο 〇 m i n g )性能。在負電位時，傳導閘被完全 關閉。如果有一明亮的光源入射在任何成像陣 列之像素上，那麼在那些像素上所產生的光電 - 荷無法溢流出移轉閘到浮置節點上，並從那裡 溢出重設電晶體到 V 〃汲極。大量由光產生的 ' 電荷反而溢流至相鄰的光電二極體，導致圖像 上的大白點（i.e. blooming)。 另一方面，如果傳導閘之電位保持正値， 因爲傳導電晶體部分打開，有一容易的通道穿 • 過傳導電晶體至V d d汲極。然而在此狀態，光 電二極體之電位井容量會減少。 【發明内容】 根據本發明形成之主動像素與影像感測 器，有兩種操作模式：正常模式與低光模式。 本發明根據在影像感測器上之照明強度，由正 常轉換至低光模式。一旦照明度被決定，藉著 比較照明度與一臨界點，來決定以正常模式或 ^ 低光模式操作。 主動像素包含一光敏元件，與一傳導電晶 體，形成於該光敏元件與一浮置節點之間，且 選擇性操作以由該光敏元件傳送一信號至該浮 置節點。像素更包含一放大電晶體，由浮置節 點控制，其中放大電晶體輸出該信號之放大信 號至一行位元線。像素更包含一重設電晶體， 可重設該浮7置節點至一參考電壓。 4 1290800 光敏元件係選自光電二極體，固定光電二 極體，部份固定光電二極體，或光閘。 . 在另一實施例中，本發明係爲一方法，用 以操作影像感測器之像素，該像素包含一光敏 * 元件，一傳導電晶體於光敏元件與浮置節點之 間，用來傳送來自光敏元件之信號至浮置節 點，與一放大電晶體，由浮置節點上之信號調 整。此方法包含決定入射光之強度。如果照明 度爲低，堆積期間部分打開傳導電晶體。如果 • 照明度爲正常，該堆積期間實質上關閉傳導電 晶體。 本發明同樣適用於 4T 主動像素設計， 5T 、6T亦同，以及固態影像感測器使用之其 他設計。 【實施方式】

以下描述提供許多特定的細節，以使對本 發明之實施例有徹底的了解。然而，熟悉相關 領域之技藝者將可認出，本發明在缺少一或多 個特定細節下仍是可行的，也可與其他方法、 組件、材料一起實施。在其他例子，沒有顯示 或描述眾所周知的結構、材料或操作，以避免 本發明含糊的方面。 在說明書各處提及的「單一實施例」或/一 個實施例」β，係指一有關此實施例所描述之特 徵、結構、或特性，且包括在本發明至少一實 5 ⑧ 1290800 施例中。因此，在說明書各處「單一實施例」 或「一個實施例」片語的出現，不一定都指著 同一個實施例。此外，特別的特徵、結構、或 . 特性，在一或多個實施例中，可以任何適當的 方式組合起來。 第一圖說明使用三電晶體之互補金屬氧化 半導體主動像素。這在此技術中以 3T主動像 素爲人所知。一光敏元件101輸出一信號用來 調整放大電晶體 1 0 5。這信號被「安置」在節 φ 點A，節點A與放大電晶體1 0 5之閘極相連結。 因此，放大電晶體 105 係處在源極隨耦結構 中。光敏元件101可以是各式各樣裝置其中一 種，包含但不受限於光閘，光電二極體，固定 光電二極體，部份固定光電二極體等。 堆積期間（也稱爲曝光或累積期間），光敏 元件 1 0 1捕捉射入像素之光線，並輸出一信 號，代表射入在光敏元件1 0 1上之光線強度。 應 此信號（由光敏元件1 0 1產生之電荷累積）存 放在節點A上，節點A與放大電晶體1 0 5之閘 極相連結。存放在節點A上之信號接著被用來 調整放大電晶體 1 0 5。堆積期間後，在下一個 堆積期間開始之前，重設電晶體1 0 3用來重設 節點 A之電位（1 e v e 1 )至一參考電位。最後， 列選擇電晶體 1 0 7 當作一裝置使用來定位 (a d d r e s s )像素，並選擇性地讀出信號至一行 位元線1 0 97。 6 1290800 第二圖與第一圖之 3T主動像素在很多方 面類似，除了 一額外的傳導電晶體 2 0 1，藉由 光敏元件 1 0 1，用來傳送信號輸出至浮置節點 . B。此設計以四電晶體或4 T像素爲人所知。操 作時，堆積期間光敏元件1 0 1產生電荷，因爲 * 傳導電晶體 2 0 1爲關閉，電荷停留在光敏元 件。堆積期間後，傳導電晶體2 0 1被打開（利 用傳導閘），以傳送信號至浮置節點B。信號傳 送至浮置節點B後，傳導電晶體2 0 1再度被關 閉，以開始隨後的堆積期間。因此如所見，傳 φ 導電晶體2 0 1定期的打開與關閉，以傳送每一 個堆積期間的信號至浮置節點B。 在浮置節點B上的信號接著用來調整放大 電晶體 1 〇 5。此外，通過行位元線 1 0 9讀出之 後，重設電晶體1 0 3重設浮置節點B至一參考 電壓，在這特定實施例中，參考電壓爲Vdd。 本發明同樣適用於以上描述之3T或4T設 計，5T 、6T亦同，以及固態影像感測器使用 9 之其他設計。具體地說，本發明預期 (c ο n t e m p 1 a t e s )對於像素（因此影像感測器也 是）有兩種操作模式。低光狀態下，傳導閘（就 4 T、5 T、6 T而言，與其他使用傳導閘之像素設 計）上之電壓保持稍微正値。正常光狀態下， 像素正常地運作，而傳導閘上之電壓名義上大 約在0.0伏特。同樣地，3T像素低光狀態下， 重設電晶體1 0 3的重設閘上之電壓保持稍微正 値。正常光狀態下，像素正常地運作，而傳導 7 1290800 閘上之電壓 名義上大約在〇.〇伏特。 根據本發明形成之主動像素結構，大體上 與第一圖或第二圖顯示的一樣。然而，如以下 更進一步詳細描述，影像感測器與影像感測器 內之主動像素的操作，控制爲根據不同光線狀 態，像素表現也不同。 參閱第三圖，係本發明之方法的流程圖。 首先，在方格3 0 1， 射入影像感測器（因此 • 像素也是）之照明度被監測。這用任何數目的 常用方法皆可完成。例如，來自影像感測器之 輸出其明亮度可被檢測。如此領域中通常技藝 者可了解，幾乎每個影像感測器都具有自動增 益控制與曝光控制電路系統。藉由決定來自像 . 素的信號輸出之強度，可決定週遭的光亮度。 另一選擇是，來自影像感測器處理過的輸出， 可被檢測以決定相對週遭照明狀態。再另一選 擇是，位於影像感測器成像區域以外之專屬光 ^ 敏裝置，可用來監測影像感測器上之入射光強 度。 隨後，於方格3 0 3，在方格 301決定之照 明度與一臨界値比較，如在一實施例中藉由比 較器電路之使用。臨界値引發「正常」操作與 「低光」操作之間的轉換。臨界點被設置之準 確點可依影像感測器之設計考慮、參數、與特 性，而作改變，甚至影像感測器之使用者可自 行勘酌有所調整。無論如何，在一實施例中， 8 1290800 臨界點用來描述正常與低光操作之間的不 同。可以了解的是，其他類型之起動裝置也可 用來轉換正常與低光操作。用來轉換正常至低 • 光操作之精確的機制並不重要。 如果在方格 3 0 1決定之照明度低於臨界 點，那麼在方格 3 0 7，傳導電晶體（或重設電 晶體，就 3T 像素而言）在堆積期間正偏壓 (positively biased )到某一程度 V"_i〇_dHk。 在一實施例中，V t x ^。_ d a，k爲0 . 5伏特。然而， • 之確切値將隨著用來製造影像感測 器之特定製程（如90nm互補金屬氧化半導體） 而改變，可能只是從0 . 0伏特之上與完全打開 電晶體之下就有所改變。 至於4T像素，讀出期間傳送光電二極體信 號至浮置節點，傳導電晶體偏壓到 Vn_h，，它 將完全打開傳導電晶體。在一些實施例中， V t ^ h i可能是1 . 3伏特、1 . 8伏特、2 . 3伏特、2 . 8 φ 伏特，或3 . 3伏特。換句話說，V t x _ h i在積體電 路中爲電晶體之開啓電壓，精確的電壓將隨著 特定之積體電路而改變。通常，V t i h i僅是積體 電路之 Vdd供電軌（power supply rail)。在其他 實施例中，如果使用靴帶式（b ο o t s t r a p p i n g ) 或電荷泵電路，V t Λ _ h ,可能甚至比V ^供電軌更 高。第六圖說明傳導電晶體之控制時間例。具 體地說，在一堆積期間 6 0 1，傳導電晶體保持 在Vhmh%。接著，在讀出期間6 0 3，傳導電 晶體偏壓到 。注意就3T像素而言，以上 9 1290800 描述之時序適用於重設電晶體1 〇 3。 然而，如果照明度高於臨界點，那麼在方 • 格3 0 5，像素正常運作，而 爲0伏特 或接近0伏特。因此，傳導電晶體（或重設電 晶體，就 3 T像素而言）在堆積期間保持在 V ix_lo_nDrm。在 一實 J也例中 ’ Vtx_lD_iiDrm 爲 0 伏特。 至於4T像素，讀出期間傳送光電二極體信 號至浮置節點，傳導電晶體偏壓到 Vlx_hi，它 # 將完全打開傳導電晶體。第五圖說明傳導電晶 體時序之一例。具體地說，在一堆積期間5 0 1， 傳導電晶體保持在V I i n。^。接著，在讀出期 間 5 0 3，傳導電晶體偏壓到 V i。注意就 3 T 像素而言，以上描述之時序適用於重設電晶體 103° 此外’可以了 解的是，Vix_lo_dark、Vlx_iD_norm 與 V , ^，之確切數値可能隨著特定裝置與系統 特性而改變，以及用來製造影像感測器之製 程。然而，VlX_lo_dad通常大於Vulmcwm。 爲了瞭解上述之時序與偏壓組合爲何有 利，茲提供像素操作的進一步分析。具體地 說，如果週遭的照明爲正常（或非低光），影 像感測器之增益通常保持在 1 .0。這些情況 下，暗電流與熱像素之產生不是一個重大問 題，因堆積期間相對較短。 10 1290800 然而，低光狀態時影像磨 高，例如至 1 . 5，因傳導電晶 (3T像素）部分打開改善bloc • 增益大於 1 . 0，電位井容量沒 感測器並沒有使用光電二極骨 容量。例如，如果增益爲 2.0 益之信號搖擺限制，影像感測 用光電二極體之電位井容量的 積期間增益大於1 .0時，傳導 晶體（3T像素）部分打開之事 # 影像感測器之訊號雜訊比。 也改進暗電流與熱像素缺 經發現由於低光狀態時的正偏 加之電子產生導致更好的表現 體或重設電晶體（3T像素）是 傳導閘下產生之電荷流向浮置 時間的一部分，浮置節點被重 電晶體1 〇 3打開以重新設定浮 φ 有產生之電荷通過重設電晶體 V d d。這樣，暗電流與熱像素缺 至於 3T像素，重設電晶體部 生之電子電荷出去到Vdd。 因此，如上描述所見，根 像素與影像感測器，有兩種操 式與低光模式。本發明根據在 照明強度，2由正常轉換至低光 器上之照明強度可以許多種方 S測器之增益提 體或重設電晶體 )m i n g。再者，因 有降低，且影像 豊之全部電位井 ，由於在較高增 器只能有效地使 一半。因此，堆 電晶體或重設電 實，並不會降低 陷密度。我們已 壓，傳導閘下增 。因爲傳導電晶 ;「打開的」，在 節點。做爲讀出 新設置，當重設 置節點電位，所 1 0 3被清掃至 陷密度被改進。 分打開，使所產 據本發明形成之 作模式：正常模 影像感測器上之 模式。影像感測 式決定，而任何 1290800 決定照明度之方法皆可容易地適用於本發 明。一旦照明度被決定，藉著比較照明度與一 臨界點，來決定以正常模式或低光模式操作。 在低光模式時，重設電晶體（3T像素）或傳導電 晶體（4T像素）偏壓爲正値。 以上描述之主動像素可用在互補金屬氧化 半導體影像感測器 1101之感測器陣列。具體 地說，第四圖顯示一根據本發明形成之互補金 屬氧化半導體影像感測器。互補金屬氧化半導 # 體影像感測器包含一感測器陣歹ί] 1 1 0 3，處理器 電路1 1 0 5，輸入/輸出1 1 0 7，記憶體1 1 0 9，與 匯流排1 1 1 1。儘可能，這些組件的每一個形成 在單一矽基底上，利用標準互補金屬氧化半導 體製程，製造以整合至單一晶片上。 例如，除了以在此揭露之主動像素代替像 素外，感測器陣列 1 1 0 3部分可能與由本發明 之受讓人製造的影像感測器之感測器陣列部 φ 分相當類似，加州森尼維爾市之歐尼影像技術 股份有限公司，型號爲OV56 10或OV7640。 本發明以較佳實施例說明如上，然其並非 用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專 利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等 同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫 離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾， 均屬於本叠明所揭示精神下所完成之等效改 變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍 1290800 內〇 【圖式簡單說明】 • 圖一係三電晶體（3T)主動像素之示意圖。 _ 圖二係四電晶體（4 T )主動像素之示意圖。 圖三係圖二之4 T主動像素操作方法之流程圖。 圖四顯示利用主動像素與本發明之方法形成 之影像感測器。 圖五係傳導電晶體（4 T像素）或重設電晶體（3 T 像素）正常光狀態時操作之時序圖。 • 圖六係傳導電晶體（4 T像素）或重設電晶體（3 T 像素）低光狀態時操作之時序圖。 【主要元件符號說明】 光敏元件1 0 1 重設電晶體1 0 3 放大電晶體1 0 5 列選擇電晶體1 0 7 行位元線1 0 9 φ 傳導電晶體2 0 1 監測照明度3 0 1 高於臨界値303 以正常模式操作305 用正電壓使傳導電晶體偏壓307 堆積時期5 0 1 讀出時期503 堆積時期60 1 讀出時期^03 互補金屬氧化半導體影像感測器1 1 0 1 1290800

感測器陣歹[J 1 1 0 3 處理器電路1 1 Ο 5 輸入/輸出1 1 Ο 7 記憶體1 1 0 9 匯流排1 1 1 1 14

Claims (1)

1. 。年方…日修(灵3正替換頁丨 1290800 十、申請專利範圍： 1 . 一主動像素，包含： 一光敏元件，形成於半導體基底；以及 一傳導電晶體，形成於該光敏元件與一浮置節點 之間， 且選擇性操作用以由該光敏元件傳送一信號至該 浮置節點，在操作的第一模式期間之堆積期，其 中該傳導電晶體爲正偏壓。

   2.如申請專利範圍第1項之像素，其中該光敏元件 係選自光電二極體，固定光電二極體，部份固定 光電二極體，或光閘。 3 .如申請專利範圍第 1項之像素，其中該傳導電晶 體在操作的第二模式期間之該堆積期被關閉。 4 .如申請專利範圍第 1項之像素，其中如果入射光 強度爲低，將使用該操作的該第一模式。

   如申請專利範圍第 3項之像素，其中如果入射光 強度爲正常，將使用該操作的該第二模式。 6.如申請專利範圍第 1項之像素，更包含一放大電 晶體，由該浮置節點控制，其中該放大電晶體輸 出該信號之放大訊號至一行位元線。 7 .如申請專利範圍第 1項之像素，更包含一重設電 晶體，可重設該浮置節點至一參考電壓。 15

   v 2 ο》 1 ^日修(g)正替換頁 1290800 8 .如申請專利範圍第 1項之像素，其中該傳導電晶 體爲正偏壓，因此在該堆積期間，它被部分打開。 9.如申請專利範圍第 1項之像素，其中該像素整合 至一互補金屬氧化半導體影像感測器。 10.如申請專利範圍第 1項之像素，其中該像素係 4T、5T、6T、或7T像素構造之一部分。

   12.

   一主動像素，包含： 一光敏元件，形成於半導體基底並與一節點相 連；以及 一重設電晶體，在該節點與一參考電壓之間連 結，並選擇性操作以重設該節點至一參考電壓， 其中該重設電晶體於操作的第一模式期間之堆積 期爲正偏壓。 如申請專利範圍第1 1項之像素，其中該光敏元件 係選自光電二極體，固定光電二極體，部份固定 光電二極體，或光閘。 1 3 .如申請專利範圍第1 1項之像素，其中更包含一傳 導電晶體，於操作的第二模式期間之堆積期，該 傳導電晶體被關閉。 1 4 .如申請專利範圍第1 1項之像素，其中如果入射光 強度爲低，將使用該操作的該第一模式。 1 5 .如申請專利範圍第1 3項之像素，其中如果入射光 16 1290800 日修(更)正替換貝 強度爲正常，將使用該操作的該第二模式。 1 6 .如申請專利範圍第1 1項之像素，更包含一放大電 晶體，由該節點控制，其中該放大電晶體輸出該· 其輸出信號之放大訊號至一行位元線。 1 7 .如申請專利範圍第1 1項之像素，其中該像素整合 至一互補金屬氧化半導體影像感測器。

   用以操作影像感測器像素之方法，該像素包含一 光敏元件，一傳導電晶體於該光敏元件與一浮置 節點之間，用來傳送來自該光敏元件之信號至該 浮置節點，與一放大電晶體，由該浮置節點上之 該信號調整，該方法包含： 決定入射光之強度； 如果該強度爲低： 堆積期間部分打開該傳導電晶體；以及 如果該強度爲正常： 該堆積期間實質上關閉該傳導電晶體。

   1 9 .如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該光敏元件 係選自光電二極體，固定光電二極體，部份固定 光電二極體，或光聞。 2 0 .如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該放大電晶 體輸出該信號之放大訊號至一行位元線。 2 1 .如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該像素更包 含一重設電晶體，可重設該浮置節點至一參考電 17 1290800 壓。 2 2.

   %· 2· 1 β 年月曰修@正替換頁 用來操作影像感測器之一像素之方法，該像素包 含一連結至一節點之光敏元件，一重設電晶體於 該節點與一參考電壓之間，與一放大電晶體，由 該節點上之信號調整，該方法包含： 決定入射光之強度； 如果該強度爲低： 堆積期間部分打開該重設電晶體；以及 如果該強度爲正常： 該堆積期間實質上關閉該重設電晶體。 2 3 .如申請專利範圍第2 2項之方法，其中該光敏元件 係選自光電二極體，固定光電二極體，部份固定 光電二極體，或光閘。 24.如申請專利範圍第22項之方法，其中該放大電晶 體輸出該信號之放大訊號至一行位元線。

   18 1290800 五、 中文發明摘要： 根據本發明形成之一像素與影像感測器有兩種 操作模式：正常模式與低光模式。本發明根據在影像 感測器上之照明強弱度，從正常轉換爲低光模式。一 旦照明度被決定，藉著比較照明度與一臨界點，來決 定以正常模式或低光模式操作。在低光模式時，重設 電晶體（3 T像素）或傳導電晶體（4 T像素）偏壓爲正値。 六、 英文發明摘要： A pixel and image sensor formed in accordance with the present invention has two modes of operation: a normal mode and a low light mode. The present invention switches from a normal to a low light mode based upon the amount of illumination on the image sensor. Once the level of illumination is determined, a decision is made by comparing the level of illumination to a threshold whether to operate in normal mode or low light mode. In low light mode, the reset transistor (for a 3 T pixel) or the transfer transistor (for a 4 T pixel) is biased positive. 七、 指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（二）圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 監測照明度301 高於鼠界値3 0 3 以正常模式操作305 用正電壓使傳導電晶體偏壓307 1290800 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明 特徵的化學式：

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