TWI308797B - High fill factor multi-way shared pixel - Google Patents

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Description

-1308797 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體而言係關於數位影像感應器，且 a 付疋5之係 關於一種像素單元陣列架構，在該陣列之像素單元之中具 有共享組件。 ' 【先前技術】 通常’數位影像器陣列包括像素單元之一焦平面陣列， 該等單元中之每一者包括一光電感應器，例如光電閘極 (ph〇t〇gate)、光電導體或光電二極體。在CM〇s影像器中， 一讀出電路經連接至Its包括—源極隨麵器輸Α電晶體的 每一像素單元。該光電感應器將光子轉換成電子，電子通 常經轉移至一連接至該源極隨耦器輸出電晶體之閘極的浮 動擴散區。可包括一電荷轉移裝置(例如，電晶體)以便將電 荷自該光電感應器轉移至該浮動擴散區。另外，此等影像 器單元通f具有-電晶體’用於在電荷轉移之前將該浮動 擴散區重設為預定電荷位準。列選擇電晶體將源極隨耦器 電晶體之輸出閘控為像素輸出訊號。 例示性CMOS成像電路、其處理步驟及成像電路之各種 CMOS元件之功能的具體描述（例如）在美國專利第6,14〇,63〇 號、美國專利第6,376,868號、美國專利第6,31〇,366號、美國專 利第6,326,652號、美國專利第6,2〇4,524號及美國專利第6,333,2〇5 號中有所描述，每一專利均讓渡給Micron Technology，
Inc。上述專财之每一者的揭示内容以全文引用之方式併 入本文中。 111128.doc • 1308797 參看圖1、圖2及圖3，其分別說明一習知（：厘〇：5像素感應 器單元100之自上而下視圖、橫截面圖及電路簡圖，當入射 光187到達光電二極體光電感應器12〇之表面時，在光電二 極體之p-n接面（表現在卜積聚區122及p+表面層123之邊界 處）中產生電子/電洞對。產生的電子（光電荷）收集於光電二 極體120之η型積聚區m中。《電荷經由一轉移電晶體1〇6 自初始電荷積聚區122移動至一浮動擴散區11〇。浮動擴散 區no處的電荷通常由一源極隨耦器電晶體1〇8轉換成像素 輸出電壓且隨後經由一列選擇電晶體1〇9而輸出於一行輸 出線111上。 。諸如圖】及圖2中所*，對像素單元100之習知CMOS影像 器叹计提供僅約為百分之五十之填充係數，意謂像素⑽僅 有一半用於將光轉換成電荷载子。如圖所示，單元100僅有 小部分包含一光電感應器（光電二極體）120。像素單元
的剩餘部分包括展示為基板⑻中之STI區的㈣區102、麵 接至一轉移電晶體106之轉移閘極1〇6，的浮動擴散區及 用於重設電晶體1G7、源極隨㉟器電晶體iq8及列選擇電晶 體1〇9之源極/沒極區115，該等電晶體ι〇7、⑽及⑽且有 :㈣極1〇7，、108，及109，。此外，由於像素總面積繼續減 v(。歸因於所要之縮放比例（⑽ling))，產生高敏感性光電感 〜文仔愈來愈重要’該高敏感性光電感應器利用最小量 之表面積或在像素陣列上為像素單元之非感光性組件找到 更有效的布局以提供增加之光電感應器面積。 另外，諸如浮動擴散區11〇之習知儲存節點具有有限量之 111128.doc -1308797
電何儲存容I 小。-旦超出=旦達到該容量’像素單元之有效性便變 使，•超容"V" 儲存容量，便將出現不良現象，從而 相鄰像素 料单几100之不良部分或逃逸至 解決辦法伟=用一Γ以解決此有限電荷儲存容量之建議
該解決辦法之問Β§^ ° J 4在於，像素單元上之電容彳+ 可用以增加弁雷武成 冤今态佔據了本來 -及總陣列之潛在填充係數。 咸乂了像素早 因此，需要一種具有改良之填充 有效像素單元陣列架構。…、數及電何儲存容量的 【發明内容】 抑在各種例示性實施例中，本發明提供—種 早7^之像素單元陣列架構，該等像素單元Μ ^素 元組件。該像素單元架構增加了潛在填充^共享像素單 中的許多像素丑古，丨^像素單元組件可由陣列 關聯之若干組件：且可包括與自像素單元中讀出訊號相 根據本發明之例示性實施例 對於該像素單无之光構包括-相 其他例示性實施例中，適當地定位—館°然而在 可由多個像素單元共享以烊 ^子電谷态，以使其 维持高填充係數。 ’、早兀之電荷容量，同時
【實施方式J 在以下貧施方式尹參看附圖 名4附圖形成本文之一部 ϊ ί I J28.doc 1308797 分且以說明方式展示可於其中實踐本發明之具體實施例。 足夠詳細地描述此等實施例以使熟習此項技術者能夠實踐 本發明，且應瞭解可利用其他實施例，且在不偏離本發明 之精神及範疇的情況下’可進行結構、邏輯及電方面之變 化。所述處理步驟之進程為本發明之實施例的例示性進 程；然而，步驟之次序不限於本文陳述之此項且可如此項 技術中已知般加以改變，必需按某一順序發生之步驟除外。 本文中所使用的術語"晶圓"及”基板，，應理解為包括矽、磊 晶、絕緣物上矽（SOI)或藍寶石上矽（s〇s)技術、摻雜及無 摻雜半導體’及其他半導體結構。此外，當在以下描述中 參考”晶圓”或"基板"時，可能已利用先前處理步驟在基礎半 導體結構（base semiconductor structure)或基座之中或之上 形成區域、接面或材料層。另外，半導體不需要基於矽， 而是可基於鍺化矽、鍺、砷化鎵或其他半導體。 ❿ 本文中所使用的術語”像素，，係指含有一光電感應器及用 於將光子轉換成電訊號之相關電晶體的光電元件單位單元 ⑽it cell)。出於說明之目的，在本文中於圖中及描述中說 明了少量代表性像素；《而，大量複數個相同像素的製造 通常同時進行。因以下實施方式不應理解為限制性音 義’且本發明之範嘴僅由附加申請專利範圍所界定。 本文中所使用的術語成—定角度"、"成肖度的"及”㈣ 的’’應解釋為意謂相對於某一規定的參寺點成任何角 即：既不完全平行也不完全垂直。因此，當—物件：至； 4刀與某一參考點相交而形成不是〇。、％。或⑽。之角度 mi28.doc 1308797 ”成一定角 時’該物件被視為相對於該參考點，，成角度的，, &M或”傾斜的"。 =看諸圖’其中相同數字指定相同元件，圖4說明根據 ^之第-例示性實施例在具有—像素布局設計之石夕基 之或之上建構的像素陣列45()之—部分的自上而下視 。圖5為描繪圖4之像素陣列45〇之部分的電路圖。
在像素陣列450之所說明部分中’在陣列450之-列中的 兩個相鄰像素412、413共享共同像素組件。另外，每—像 素单疋412、413分別具有個別光電感應器4〇1、4〇3。光電 感應器4〇1、4〇3可為用於將可見光子轉換成電子（光電荷） <何感光性結構，且在較佳實施例中光電感應器術、4〇3 為光電二極體區。每-像素單元412、413可具有各個轉移 閘極402、404作為各個轉移電晶體4〇2，、4〇4，之部分以便 :積聚之光電荷自光電感應器4〇卜403中轉移至共同儲存 節點，如浮動擴散區410所示。 轉移問極402、403較佳與光電感應器401、403成角度。 舉例而言’轉移閘極4〇2、4()3之縱向範圍展示為相對於相 關光電感應盗401、403之長度L及寬度w為傾斜的。轉移閘 極402之此較佳成角度的幾何形狀慮及該轉移閘極之長度l 及寬度w的有效布局’以改良像素412(413)的⑦漏及滞後效 月b另外藉由最大化每一像素412(413)之光電感應器4〇1 積°亥成角度的布局亦有益於最大化像素單元412(413) 之填充係數。 如圖4及圖5中所示，在相鄰像素412、413之間共享剩餘 HII28.doc 1308797 的像素組件。此等組件說明為在一共享中繼線（trunk)49〇 上’該令繼線490位於該陣列之下一像素行中兩個列相鄰的 光電感應器40卜403之間。該中繼線49〇上之共享組件包括 洋動擴散區410,其用作像素412、413之共同健存節點，藉 ' 由轉移閘極402、404自光電感應器401、403接收電荷。一 - 具有閉極4〇7之重設電晶體位於浮動擴散區410之與光電感 應器401、403相對之-侧上。一源極/沒極區4〇6位於重設 • 電晶體閘極407的第二側上，其能夠接收電源電壓匕 子動擴散區410亦電連接至—源極隨搞器電晶體之閑極 4〇9 "亥源極隨耦器電晶體具有一耦接至電源電壓匕之 汲極。源極隨耦器電晶體基於浮動擴散區4丨〇上的儲荷 產生電壓輸出訊號。具有一閘極411之列選擇電晶體具有一 連接至源極隨耦器電晶體之源極的汲極，以便選擇性地讀 出像素訊號至行線420。 如圖5中電簡圖形式中所示，一共享電容器4〇8具有一第 _ -電極408，’該共享電容器4〇8可麵接至匕咖且在一第二電 極408"處經電連接至浮動擴散區41〇〇電容器4〇8增加了浮 動擴散區410之電荷儲存容量及像素412、413之量子效率。 電容器408較佳藉由像素陣列45〇之表面上方的電鍍金屬層 (未Η示）而電連接至浮動擴散區410及厂。或者，電容器 408了經由正好位於基板表面下方的内埋導電互連層而 連接至浮動擴散區410及/或。像素陣列450之較佳布 局具有位於兩個行相鄰的光電感應器區域401、403之轉角 處的共旱電容器408，如圖所示。光電感應器對4〇1、4〇3之 111128.doc 1308797 轉角49 1形成為成稍微切削之角度以准許該架構。鄰近第一 對光電感應器401、403之第二對光電感應器（未圖示）亦將具 有經切削之邊緣，以使得電容器408形成於四個光電感應器 之間的區域中。如圖所示’光電感應器401、403之轉角在 光電感應器401、4〇3之長度L及寬度W相交處不形成直角。 實情為’光電感應莽邊緣491成經切削之角度（clipped angle)，取走感光區域的一小區域以慮及電容器4〇8 ^此較 佳叹汁最大化電谷器面積，同時最小化光電感應器1 (4〇3) 面積之損失。將使用適當之隔離技術，例如淺溝槽隔離， 來形成一隔離區493以隔離該電容器4〇8與四個光電感應 器。儘管在圖4中展示了兩個電容器彻，但僅有一個電容 器彻由像素412、413共享，如圖5中所示；另—電容器彻 在陣列450中其他兩個列相鄰像素（未圖示）之間共享。 轉向圖6，現進一步參看圖 :。之例…法，。為…基於二= 使!=〇動之:M〇S影像器3_方塊圖。該例示性操作方法 中所描應瞭解本發明決不限於本文 陡#作方法。對於圖6中描怜 45〇之曝光（積分、《之方法，陣列 (列〇〇〇)之積分週期的社击舟楚 ΰ中展不了第一列 開始，代表該滾動5)之積分週期的 在積料其分隔。 將描述對例示^^對於軸0之像素之讀出操作。 的像素之每-者Γ:生之二出過程’但應瞭解對該列中 电生“出過程。該讀出由時序與控 HI128.doc 1308797 制電路250(圖10)將一重設訊號（Reset)脈衝調製（pulse)成高 位準以啟動重設電晶體407開始。該時序與控制電路25〇亦 使列選擇訊號（RS)為高位準，從而啟動列選擇電晶體之閘 極411。對取樣保持重設訊號（SHR)之脈衝調製在穿過源極 隨耦器電晶體409及已啟動之列選擇電晶體41丨之行線上在 取樣與保持電路266(圖1 〇)處起始對重設電壓的取樣 與保持。結果，重設電壓在行線上表現為像素輸出。接 著，時序與控制電路250脈衝調製一轉移訊號（TXg)以啟動 轉移電晶體402’。當TX0為高位準時，回應於所施加光而積 聚於光電感應器401上的任何電荷在積分週期期間經由轉 移電晶體402,轉移至浮動擴散區41〇上。因此，儲存於浮動 擴散區410中（及相關電容器4〇8上）之電荷之數量代表入射 於像素單元412上之外部光的數量。時序與控制電路25〇將 一取樣與保持光訊號（SHR)脈衝調製成高位準以導致該取 樣與保持電路265讀出像素單元412之所得光訊號輸出電壓 〜。接著像素單元412之差動訊號（VrsrVsig)由差動放大器 267(圖1〇)產生且由下文中闡釋的其他電路處理。 此時對第六列（列005)中像素之操作包括起始一積分週 期。時序與控制電路250(圖1〇)藉由施加適當之列選擇訊號 來啟動該第六列（列005)中的像素，該列選擇訊號在圖6中展 示為RS且應瞭解該訊號不同於用於上文論述之第一列的訊 號。為了重設在諸如光電感應器4〇1之光電感應器處的電 荷，藉由時序與控制電路使轉移閘極訊號（對於此列，展示 為TXJ為高位準，啟動與列〇〇5中光電感應器相關聯之轉移 111128.doc -12· .1308797 問極。另外，由於當該轉移閘極訊號ΤΧι保持高位準時，來 自控制電路250之適當訊號（Reset)亦啟動該列中之重設閘 極。此導致該光電感應器中之任何剩餘電荷洩流以重設電 源電壓。當此等訊號（TXl及Reset)返回至低位準時，此列像 素之積分週期開始。
對列001的讀出過程與圖6十所示對列〇〇〇的讀出過程相 同，但對於列001，轉移控制訊號ΤΧι(而不是τχ〇)變為高位 準以接通轉移閘極。當完成對列001中像素的讀出時，用以 開始一積分週期之對列006中像素之重設開始且遵循對列 005所描述之過程，但在列006中轉移控制訊號τχ〆而不是 ΤΧ〇變為高位準以重設光電感應器。 轉向圖7及圖8，現描述本發明之第二例示性實施例。圖7 展示像素陣列550之一部分的自上而下視圖，而圖8為在例 不性電簡圖形式中描繪例示性像素陣列55〇之部分的電路 圖。根據本發明之第二例示性實施例，像素陣列55〇架構在 具有各個光電感應器5〇1、502、503、5〇4之個別像素單元 之中包括像素組件之四向共享。此等四個像素具有一由圖7 中虛線區710展示的共享架構。該共享架構包括—線性延伸 之中繼線，該中繼線位於一對光電感應器5〇1、5〇3與—對 光電感應器502及504之間的區域内。 如圖8中所說明，每一像素單元具有一具相關閘極、 5 06、5 07、508之轉移電晶體 505'、506,、507,、508,。轉移 電晶體閘極505、506、507、508之至少一部分較佳相對於 光電感應器501、502、503、504成一角度481，如圖7中所 111128.doc -13- 1308797 示。應注意，該實施例之轉移電晶體閘極505、506、507、 5 0 8各自在一行中的兩個相鄰像素之中被共享。舉例而言， 行相鄰像素光電感應器501及521各自共享轉移閘極5〇5，且 行相鄰像素503、523共享轉移電晶體閘極507。然而，共享 • 一轉移電晶體閘極（505)之兩個已說明像素（具有相關光電 * 感應器501、521)不共享一浮動擴散區或讀出電路。實情 為’該實施例具有兩個列相鄰像素，該等兩個列相鄰像素 φ 具有共享一第一浮動擴散區510之光電感應器501及5 02以 及共享一第二浮動擴散區520之兩個列相鄰光電感應器503 及504。兩個浮動擴散區5 1 〇、520彼此電連接且經由一形成 於像素陣列550之表面上方的第一電鍍金屬層而電連接至 一相關電容器518的一電極518"。如圖7及圖8中所示，每一 電容器518在另一側518,經由一第二電鍍金屬層而連接至一 接點’該接點在源極/汲極區5 13處接收電源電壓，例如
Vaa-pix。 • 利用一具有一閘極5 12之重設電晶體5 12,來重設在浮動 擴散區510、520及相關電容器518處的電荷。重設閘極512 之側為能夠接收電源電壓Vaa.pix之源極/汲極區5 13。具有 相關光電感應器501、502、503、504之四個像素單元共享 一共同讀出電路，該讀出電路包括一具有一閘極514之源極 心麵器電晶體及一具有一閘極5 16之列選擇電晶體。四個像 素亦共享電容器5 18，此可增加兩個相關浮動擴散區5丨〇、 520之儲存容量。 本文中所描述之四向共享像素布局說明性地具有共享一 111128.doc -14· .1308797 組s賣出電路71 〇之具各伽伞帝 個先電感應器5〇丨、5〇2(圖7)之兩個列 相鄰像素及具各個光電咸庙哭 电琢應态503、504之兩個行相鄰像 素。因此’根據該例示性眚始加 注貫施例，行輸出線711僅為每隔一 行所需。另外，因為兩個杆如齙 〇 1U仃相鄰像素共享一共同轉移閘極 §號如圖8中所不，在相鄰列中的兩個行相鄰像素將幾乎 同時被讀取至相同輸出線711上。需要單獨處理來自此等像 素之各個訊號以便維持像素陣列55〇之最大解析度。如圖8
中所不’此意§胃每 '—行始· Ψ綠7 1 1 1 m 仃鞠出線711利用兩組取樣與保持電容 器71 5、71 6或總共四個雷交哭 €合态利用由ln—sel訊號（圖9)啟動 之切換器712來判定是否一傳 得八Λ號Vrst或Vsig應進入第一 組電容器715中之一者或第二組電容器716中之一者。剩餘 之控制電路(下文將參看圖1〇詳細論述)由儲存於電容器組 715、716中的訊號為每一傻音 兰么叶咕 彳豕常產生一差動讯號，隨後輸出 該差動訊號以供進一步處理。 所說明之四向共享像素陣列組態具有至少兩個獨特的優 點：相對於習知像素陣列，其在行方向上慮及周邊中的較 大間距電路’且其減少了在像素陣列別之表面上方之層中 需要的電鍍金屬層同時增加了感光區域以及量子效率。另 外，每一電各盗5 1 8有效地位於四個光電感應器之轉角處， 諸如光電感應器502、504之切削邊緣711處所示。該位置在 不犧牲感光區域或由此減少像素陣列550之填充係數的情 況下慮及最大的電容器面積。 月 轉向圖9 ’現進一步參看圖8及圖1〇描述一種操作像素陣 列550之例示性方法，圖9為具有基於例示性陣列55〇之像素 Π1128.doc 15 1308797 陣列之CMOS影像器3〇〇的方塊圖。圖9說明執行一例示 性方法之-部分的時序圖，該例示性方法如上文參看圖6所 論述使用滾動快門操作來操作該例示性陣列別，。且體古 之，圖9說明自像素陣列55〇之兩列(列<〇〇1>及列侧>); 出訊號’每一列具有四列的積分時間。另外，圖9展示在陣 列550中其他兩列之積分週期的起始。應注意，圖$中所示 的轉移閉極訊號線TX_〇DD<〇>、txjeven<〇>、 TX—〇DD<1>、TX-EVEN〇等使用命名法，其中0DD或 EVEN代表陣射料數或偶數像素行，而謂，，⑽”代表 陣列中的具體訊號線列號碼。
在圖9中自左向右讀，對列〇〇1中像素執行讀出操作，應 瞭解該操㈣在該狀適當積分週期之後執行。時序與控 制電路250(圖！ 〇)將一適當列選擇訊號（RS)脈衝調製成高: 準以使特定列之列選擇電晶體，例如，列<〇〇〇>或列<〇〇1> 之列選擇訊號RS能夠"接通"列選擇閘516(圖8)。藉由啟動一 重設訊號（Reset)來重設列001中的浮動擴散區（諸如浮動擴 散區520)，該重設訊號經脈衝調製成高位準以啟動該列中 重设電晶體之重設閘極512。當列選擇訊號（RS)為高位準 時，脈衝調製一取樣保持重設訊號（s H R)以起始一代表重設 條件Vrst之像素訊號的讀出，該像素訊號係自浮動擴散區 (520)經由一源極隨耦器電晶體（514)及列選擇電晶體（516) 獲得。取決於奇數及偶數列中哪—者被讀出，啟動（意即， 脈衝調製成高位準）或不啟動一額外訊號”丨n _ s e丨"，以控制在 適當取樣與保持電路715、716中該訊號的儲存，如上文論 111128.doc 1308797 述。列<001>的已啟動訊號中之每一者返回至低位準。 對於列<〇〇2>，執行類似的讀出操作。具體言之，時序與 控制電路250(圖10)將適當列選擇訊號（RS)調為高位準以啟 動該列的列選擇電晶體549。藉由啟動一重設訊號（Reset) . 來重設列002中的浮動擴散區（諸如浮動擴散區53〇、54〇(圖 . 8))，該重設訊號經脈衝調製成高位準以啟動該列中重設電 晶體之重設閘極547。當該列選擇訊號（RS)為高位準時，脈 _ 衝調製一取樣保持重設訊號（SHR)以起始一代表重設條件 Vm之像素訊號的讀出，該像素訊號係自浮動擴散區54〇經 由一源極隨耦器電晶體548及列選擇電晶體549獲得。若在 列<οοι>之先前讀出期間該"in—sel"訊號為低位準，則在該 璜出期間應將其切換成高位準，且反之亦然。重設訊號 (Reset)及重設取樣與保持訊號（SHR)返回至低位準，列選擇 閘極啟動訊號（RS)亦為如此。 接著藉由將—適當轉移閘極訊號（Row^d TX)脈衝調製 ® 成尚位準，為所有奇數行"接通"列<001>及列<002>中適當 轉移電晶體之轉移閑極。如圖8中所示’當線τχ—“仏卜上 的訊號經脈衝調製時，"接通"轉移閘極506及526以分別轉 移來自光電感應器502、522之電荷至浮動擴散區51〇、54〇 中。 轉向圖9Φ夕-^F _ fc.. 弟一虛線，在列<〇ο 1 >中現在自每一奇數行 像素6買出 复去"*37。占 〇,. 、 爆京5fl旒。當適當列選擇電晶體訊號（RS)為高 位準時’脈衝調製-取樣與保持訊號(SHS)以自浮動擴散區 5 1〇經由—源極隨耗器5 14及列選擇電晶體5 16將像素訊號 nil28.doc •1308797
Vsig讀出至行線711上。如上文所述，啟動或不啟動該 ”in_sel"訊號以控制適當取樣與保持電路電容器715、716(圖 8)中像素訊號的儲存。對於列<002>，接著執行相同的讀出 步驟’從而啟動一取樣保持訊號（SHS)及一列選擇訊號（RS) ’ 以自該列中所有其他像素讀出一像素訊號Vsig。然而，對於 列<002>，"in—sel”訊號將處於相反位置中，因為其係用於 在列<001>中自浮動擴散區510將一訊號讀出至行線711 _ 上。此時’已讀出由列<001>及列<〇〇2>中之光電感應器502 及522在奇數行中產生的像素訊號。 應瞭解’接著將重複剛才所描述的步驟以自列<〇〇丨 >及列 <〇〇2>中偶數行像素讀出一對訊號v…及v々。具體言之，對 於光電感應器504 ' 542及各個浮動擴散區520、530，接著 將訊號Vrst及Vsig讀出至行線711上且將其單獨儲存於取樣 與保持電容器715、716中。光電感應器504、542的讀出操 作與剛才關於光電感應器5〇2、522所描述之步驟相同，但 鲁 對於列<001>及列<0〇2>，轉移閘極508、536由偶數行轉移 閘極訊號啟動。 最後如圖9上第四虛線後所示，假定列<〇〇1>及<〇〇2> 之4出過程已完成，則對於列<〇〇5>及<〇〇6>起始一新的積 刀週期。具體言之，藉由抑制—重設訊號⑽如）以啟動重 设電晶體之閘極且藉由脈衝調製適當轉移閉極訊號（奇數 行像素的R〇w〇dd TX及偶數行像素的κ〇%η τχ)來"接通" 2移電晶體之相關轉移閘極而重設在此等列中的光電感應 裔及汙動擴散區。在此等列的積分週期後，可如上文所描 mi28.doc 1308797 述讀出由光電感應器在列，5>及列，6>中產生的訊號。 應瞭解’對於料狀収行之每—者，將重複剛才所 #作方法’且其中僅對於個別像素描述該方法，此 ^為簡明起見’且此等步驟將對1中的所有其他像幸同 時發生，且接著將對-列對中該陣列中之像素的剩餘部分 以列對滾動方式重複。另外，此方法僅為說明性的且本 發明決不限於所描述方法的操作。
圖10說明具有根據上文所描述該等實施例中之一者而建 構之像素陣列200之例示性咖8影像器3〇〇的方塊圖。像素 陣列200包括配置於敎數目之行及列（未圖示）中的複數個 像素。如本文中所猫述，訊號處理電路連接至陣列200，該 電路之至少一部分形成於基板中。由一列選擇線同時接通 及陣列2GG巾每-列之像素，且由各個行選擇線選擇性地輸 出每-行之像素。為整個陣列提供複數個列線及行線。 由回應於列位址解碼器22〇之列驅動器21〇選擇性地啟動列 線。由回應於行位址解碼器27〇之行驅動器26〇選擇性地啟 動行選擇線。因此’為每一像素提供列位址及行位址。 時序與控制電路250操作CMOS影像器300,該時序與控制 電路250控制位址解碼器22〇、27〇以便為像素讀出選擇適當 之列線及行線。控制電路250亦控制列驅動器電路2丨〇及行 驅動器電路260以使得此等電路施加驅動電壓至選定之列 線及行線的驅動電晶體。由與該行裝置26〇相關聯的取樣與 保持電路265讀取通常包括一像素重設訊號（Vrst)及一像素 影像訊號（Vsig)的像素行訊號。差動放大器267為每一像素 111128.doc -19- 1308797 產生差動訊號（vrsrvsig)，類比數 ^ ^ ^ 位轉換盗275(ADC)數位化 該該差動訊唬。類比數位轉換残 m 換盗275提供數位化像素訊號至 一形成數位影像的影像處理器28〇。 圖11展示一處理器系統308， 太㈣夕眘^^备 "亥處理益系統308包括根據 本發明之一實施例建構的影德 町办像窃300。該處理器系統3〇8可 為數位相機或其他影㈣統之部分。影像㈣时接收或控 制來自系統3〇8的其他資料。系統包括-處理器奶，該 處理盗302具有用於影像處理或其他影像處理操作之中央 處理單元（㈣）。該處理器3〇2在一匯流排3〇4上與各種裝置 通信:連接至匯流排3〇4的—些裝置提供通信至系統3〇8中 或自系統姻提供通信；-輸入/輸出⑽）裝置306及影像琴 3〇0為此等通信裝置。連接至匯流排綱的其他裝置提供記 隐體’例 > ’隨機存取記憶體（RAM)3 1〇或可移除記憶體 3 15。 〜 以上描述的方法及裝置說明許多可被使用及製造之方法 及裝置中的較佳方法及典型裝置。以上插述及圖式說明達 成本發月之目標、特徵及優點的實施例。然而，不希望本 發月嚴格限於上述及說明的實施例。舉例而言，儘管本發 月僅 > 看具有組件部分之雙向或四向共享的像素陣列而論 述’但其他多向共享像素陣列亦可在本發明之範疇内。另 外，儘f目前無法預料，但是在以下申請專利範圍之精神 及fe嘴的範圍内對本發明之任何修改應視作本發明之部 分。 【圖式簡單說明】 311128.doc -20- -1308797 圖1為一習知CMOS像素單元之自上而下視圖； 圖2為圖1之像素單元沿線1 - Γ截取之橫截面圖； 圖3為圖1及圖2之習知像素單元的電路圖； 圖4為根據本發明之第一例示性實施例建構之像素單元 陣列之—部分的自上而下視圖； 圖5為根據本發明之第一例示性實施例建構之像素單元 陣列之一部分的電路圖；
，6為描繪用於操作根據本發明之第—實施例建構之像 素單70陣列之例示性方法的時序圖； 圖7為根據本發明之第：例示性實施例建構之像素單元 陣列之一部分的自上而下視圖； 、 圖為根據本發明之第二例示性實施例建構之像素單元 之刀的電路圖，該第二例示性實施例將根據第_ 例不性操作方法加以操作； 圖9為描、㈣於操作根據本發明之第二實施例建構之像 素早70陣列之第二例示性方法的時序圖； 圖^具有根據本發明建構之像素單元陣列之cm〇s影 像盗曰日片的方塊圖；及 、 圖11為使用根據本發明建構 的示意圖。 #之_影像器之處理系統 f主要元件符號說明】 100 像素單元 101 基板 102 隔離區 lIII28.doc .1308797 106 轉移電晶體 106’ 轉移閘極 107 重設電晶體 107' 閘極 108 源極隨耦器電晶體 108' 閘極 109 列選擇電晶體
109' 閘極 110 浮動擴散區 111 行輸出線 115 源極/汲極區 120 光電感應器（光電二極體） 122 η-積聚區 123 ρ+表面層 187 入射光 200 像素陣列 210 列驅動器 220 位址解碼器 250 時序與控制電路 260 行驅動器 265 取樣與保持電路 267 差動放大器 270 位址解碼器 275 類比數位轉換器 111128.doc -22- 1308797
280 影像處理器 300 CMOS影像器 302 處理器 304 匯流排 306 輸入/輸出裝置 308 處理器系統 310 隨機存取記憶體 315 可移除記憶體 401 光電感應器 402 轉移閘極 402' 轉移電晶體 403 光電感應器 404 轉移閘極 404' 轉移電晶體 406 源極/沒極區 407 閘極 408 電容器 408' 第一電極 408" 第二電極 409 閉極 410 浮動擴散區 411 閘極 412 像素單元 413 像素單元 111128.doc -23- 1308797
420 行線 450 像素陣列 481 角度 490 中繼線 491 轉角 493 隔離區 501 光電感應器 502 光電感應器 503 光電感應器 504 光電感應器 505 閘極 505， 轉移電晶體 506 閘極 506' 轉移電晶體 507 閘極 507' 轉移電晶體 508 閉極 508， 轉移電晶體 510 浮動擴散區 512 重設閘極 513 源極/ >及極區 514 源極隨耦器電 516 列選擇電晶體 518 電容器 晶體 111128.doc 24- 1308797
518 518 520 521 522 523 526 530 536 540 542 547 548 549 550 710 711 712 715 716 另一側 電極 浮動擴散區 光電感應器 光電感應器 像素 轉移閘極 浮動擴散區 轉移閘極 浮動擴散區 光電感應器 重設閘極 源極隨耦器電晶體 列選擇電晶體 像素陣列 讀出電路 行線 切換器 取樣保持電容器 取樣保持電容器 111128.doc -25-

Claims (1)

  1. D0^7(93l678：3號專利申請案 ri年"月>/日修(更)正本 中文申請專利範圍替換本(97年11月） 十、申請專利範圍： 1. 一種包括配置於複數個列及行中之複數個像素之像素陣 列’該陣列包含： 第-、第二、第三及第四像素’每一像素具有一用於 產生光電荷的各個第一、第二、第三及第四光電感應器； -共同儲存節點，其由該第―、該第二、該第三及該 第四像素共享以便儲存已產生之光電荷； 一麵接至該共同儲存節點以便增加其電容之電容器；及 -共享讀出電路’其經連接至該共同儲存節點。 2.如請求項1之像素陣列， ‘ 用於重設儲存於該 同儲存節點處之該等電荷的重設電晶體。 3·如請求項1之像素陣列，其中該讀出電路包括-具有—連 一用於;;：：存郎點之閘極的共同源極隨耦器電晶體及 二亥源極隨轉器電晶體之輸出的共同列選擇電 晶體中之至少一者。 < 奸电 4_如請求項3之像素陣列，复中哕减中 -中該-出電路經建構以產生代 衣田β第一、該第二、 ^ 第二及该弟四光電感應器產 生之各個電何量的第_、第二、第 5·如請求項1之像素陳列^ ^ 出汛號。 冢常陣列’其中該第一 該第四像素中之兩者為在 弟——亥第二及 素。 任亥陣列之—列中的兩個相鄰像 “請求項5之像素陣列，其中該第一 該第四像素中之兩者A —、忒第二及 7_如請求項丨之像素陣 ^ T十的相鄰像素。 、 〃中該共旱讀出f路位於一作 11Π28-97112I.doc .1308797 區中’該作用區位於一第一對光電感應器與一第二對光 電感應器之間。 8 ’如凊求項7之像素陣列，其中該第一對光電感應器包含該 第一光電感應器及該第二光電感應器，且其中該第二對 光電感應器包含該第三光電感應器及該第四光電感應 器。 9,如請求項7之像素陣列’其中該電容器位於該等光電感應 器對中之一者的一切削邊緣處。 1 〇.如睛求項1之像素陣列，進一步包含用於將來自該等各個 第、第一、第三及第四光電感應器之電荷轉移至該共 同儲存節點之各個第一、第二、第三及第四轉移電晶體。 11.如請求項1〇之像素陣列，其中該第一、該第二、該第三 及該第四轉移電晶體各自包含一轉移閘極，該轉移閘極 係相對於一相關光電感應器至少部分地成一角度。 12 · 一種包括配置於複數個列及行中之複數個像素的像素陣 列，該陣列包含： 一第一像素及一第二像素，各自具有一用於產生光電 荷之各個第一及第二光電感應器； 一第一浮動擴散區，其用於儲存來自該第一像素及該 第二像素之該等已產生之光電荷； 一第二像素及一第四像素，各自具有一用於產生光電 荷之各個第三及第四光電感應器； -第二浮動擴散區’其用於儲存由該第三光電感應器 及該第四光電感應器產生的該等光電荷，該第二浮動擴 111128-971121.doc 1308797 散區經互連至該第一浮動擴散區；及 一電容器，其位於鄰近該第一、該第二、該第三或該 第四光電感應器中之至少一者處’且經電連接至該第一 浮動擴散區及該第二浮動擴散區。 1 3 ·如請求項12之像素陣列，進一步包含一共同重設電晶 體，其用於重設在該第一浮動擴散區及該第二浮動擴散 區處的該電荷。 1 4.如請求項12之像素陣列，其中該電容器位於鄰近該等光 電感應器中之一者的一切削邊緣處。 15.如請求項12之像素陣列，其中該電容器由—金屬互連層 連接至該第一浮動擴散區及該第二浮動擴散區。 1 6.如s青求項12之像素陣列，進一步包含一共同輸出電路， 其用於讀出來自該第一、該第二、該第三及該第四像素 的至少一訊號。 17.如請求項16之像素陣列，其中該輸出電路經建構以產兰
    代表分別轉移至該第-浮動擴散區及該第二浮動擴散厘 之電荷量的至少兩個讀出訊號。 18·如請求項Π之像素陣列，其中該輸出電路經建構以^ 代表分別由該第-、該第二、該第三及該第四光電感斤 器中之每一者產生之電荷量的四個讀出訊號。 19‘如請求項16之像素陣列，1中兮认， 干〜其中5亥輸出電路至少部分地七 於一線性中繼線上，該線性+ 深性中龜線位於一第一對 肩 應器與一第二對光電感應器之間。 20. —種影像器，其包含： 111128-971121.doc 1308797 配置於列及行中的複數個像素，該陣列包含： ^用於回應於所施加光而產生光電荷之第一、第二、 第三及第四光電感應器； 由該第一、該第二、該第三及該第四光電感應器 共享的共同儲存節點； 用於重叹在該共同儲存節點處之該電荷的共同重 設電晶體；及 ~ -讀出電路，其包含用於產生代表一儲存於該共同 儲存節點處之電荷量的至少— % 1了里町主乂汛琥之至少一共同電晶 广’該讀出電路之至少一部分位於一在該第―、該第二、 該第三及該第四光電感應器之間的作用區中。 21. 如請求項20之影像器，其中每一 一、 /、T邛忒弟、S亥第二、該第 二或該第四光電感應器包含一光電二極體。 22. 如請求項2〇之影像器， ” T忑》貝出電路經建構以產生代 表分別由該第一、該第二、該第三及該第四光電感應器 中之每一者產生之電荷量的四個讀出訊號。 & 23. 如睛求項2〇之影像器，其中該讀出 ^工耦接至取樣與 保持電路，該取樣與保持電路包含： 、 -用於儲存在-行線上之訊號輸出的第— 持電容器；及 ，、保 一用於儲存在該行線上之訊號輸出 J弟一組取樣盥保 持電容器。 ’、保 24. 如請求項23之影像器，該取樣與保持 略進一步包含一 用於控制傳入訊號係儲存至該第一纟且雷κ 、电各器或該第二組 111128-971121.doc 1308797 電容器中的切換器。 25. —種影像器電路，其包含： 第項出電路’其包括_用於讀出一來自一影像器 陣列中-第-複數個像素中之每一者之訊號的第一讀出 電晶體，該陣列包含配置於行及列中的複數個像素； -第二讀出電路，其包括一用於讀出一來自該影像器 陣列中-第二複數個像素中之每—者之訊號的第二讀出 電晶體； -第一轉移閘極訊號線，其用於施加一第一轉移閘極 訊號至該第-複數個像素及該第二複數個像素中之每— 者中的至少一個轉移閘極； 第-轉移閘極訊號線’其用於施加一第二轉移閘極 訊號至該第一複數個像素及該第二複數個像素中之每一 者中的至少一個轉移閑極，其中該第一轉移閘極訊號施 加至一奇數行中該等轉移閘極中之每一者，且該第二轉 移閘極訊號施加至一偶數行中該等轉移閘極中之每— 者； 用於接受來自該行輸出線之該等像素訊號的至少兩個 電容器’其中該第一電容器接受來自該第一複數個像素 的訊號’且該第二電容器接受來自該第二複數個像素的 訊號；及 一用以控制在該等至少兩個電容器中像素訊號之儲存 的切換器。 26·如請求項25之電路，其中該第—複數個像素包括在—第 H1128-97112l.doc 1308797 :列中的至少―像素及在-第二相鄰列中的至少一像 素0 27_如請求項25之電路， 其中第一複數個像素及該第二複 〃 I 3至少兩個列相鄰像素。 2 8.如請求項25之電路，一 讀出電晶體及該第二：二出來自該第一 mi山一項出電晶體中之每-者之該等像素 5孔虎的订輸出線。 29. 一種操作一像素陣列之方法，其包含： 利用-源極隨相器電晶體來產生並輸出一用以代表一 在一積分週期期間由_ 、 ^ ^ ^ 第 弟一、第三及第四光電感 應=生之電荷量的第一、第二、第三及第四像素訊號； 列選擇電晶體來閘控該源極隨竊器電晶體的輸 出，及 啟動一切換器來控制 你i 、該第二、該第三及該第 四像素訊號係儲存至—篦一 第，，且取樣與保持電容器或一篦 二組取樣與保持電容器中。 30·如請求項29之方法，進一 — v匕3將5亥4已產生之電荷自 ^一、该弟一、該第三及該第四光電感應器轉移至一 儲存區或-第二儲存區中之一者的動作。 3 1.如請求項3〇之方法，复 句合、Ί " '"第儲存區及該第二儲存區 吁動擴散區，各自經電連接至一電容器。 32.==之方？’進一步包含重設儲存於該第-儲存 作。'—儲存區處之該等電荷以產生-重設條件的動 111128-971121.doc 1308797 .如叫求項32之方法’進—步包含自該陣列讀取一代表該 重設條件之訊號的動作。 =求項29之方法’其中該控制儲存之動作包含指引續 等輸出訊號至-第-組取樣與料電容器及 取 樣與保持電容器中之一者。 、取 35·-種操作—像素陣列之方法，該像素陣列包含配置於列 及行中的複數個像素，該方法包含： 一士許：第一列中的一第一光電感應器及一第二列中的 第一光電感應器回應於所施加光而產生電荷； 一施加一第一共同轉移訊號以啟動用以分別將由該第一 光電感應盗及該第二光電感應器產生的該等電荷轉移至 各個第-及第二儲存節點的一在該第一列中之第一轉移 電晶體閘極及一在該第二列中之第二轉移電晶體閘極； 產生代表分別轉移至該第一儲存節點及該第二儲存節 點之電荷量的一第一訊號及一第二訊號；及 在各別列選擇訊號控制之下輸出該第一訊號及該第二 訊號至一行線上。 36. 如请求項35之方法，進—步包含選擇性地將該第—㈣ 轉換至一第一組取樣與保持電容器中之一電容器中且： 该第二tfl號轉換至-第二組取樣與保持電容 容器中。 軍 37. 如請求項35之方法’進-步包含重設在該第-光電❹ 器及該第二光電感應器處之該等電荷以起始 ^ 的動作。 W 4 lH128-971121.doc 1308797 38 39 40 41
    42. 43. 44.
    如明求項37之方法’其中該重設該第一光電感應器及該 第一光電感應器的動作包含啟動各個第一及第二重設閘 極及施加該共同轉移訊號。 X甲 如明求項35之方法’其中每次對每—對列進行該輸出該 第一訊號及該第二訊號的動作。 如哨求項35之方法’其中由一滚動快門控制施加至每一 光電感應器之光。 如°月求項40之方法’其中該滾動快Η控制該等光電感應 器中之每一者的—積分週期，使其等於一用於讀出―； 定數目列的時間。 如請求項41之方法’其中列的該預定數目為四。 如π长項35之方法，其中該第一光電感應器及該第二光 電感應器為行相鄰的光電感應器。 如請求項43之方法，進一步包含以下動作： 允許-在該第—列中之第三光電感應器及一在該第二 列：之第四光電感應器回應於所施加光而產生電荷； 一加加第一共同轉移訊號以分別啟動一用以將由該第 二光電感應器及該第四光電感應器產生之該等電荷分別 轉移至該第-儲存節點及該第二料節點的各個第三及 第四轉移電晶體閘極； 產生代表分別轉移至該第—儲存節點及該第 點之電荷量的-第三訊號及-第四訊號；及 在各個列選擇訊號控制之下輸出該第三訊號及該第 儲存節 訊號至該行線上。 四 111128-971121.doc 1308797 45. 46. 士 °青求項44之方法，其中該第三光電感應器及該第四光 電感應器為行相鄰的光電感應器。 如:月求項45之方法，其中該第一光電感應器及該第三光 電感應器為列相鄰的光電感應器，且該第二光電感應器 及°亥第四光電感應11為列相鄰的光電感應器。
    111128-971121.doc
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