TWI543348B - 影像感測器 - Google Patents

Description

影像感測器

本發明大致上關於一種影像感測器。特定言之，本發明則針對一種具有三端共享(three-share)之T形電晶體之影像感測器。

在影像感測器的領域中，由於高畫素的需求，因此像素愈來愈小，但是像素小又會影響到影像品質，因此增進像素的開口率(fill factor)可以提高收光效率而增進影像品質。

本發明則提出了一種具有三端共享(three-share)之T形電晶體之影像感測器。本發明之影像感測器，相鄰之畫素可以經由共享多種元件與減少金屬使用來擴大畫素的總體受光面積。一方面，共享多種元件之相鄰畫素就可以依序讀取光訊號。另一方面，還可以減少金屬占據影像感測器中的面積來進一步擴大總體受光面積。還有，經由調整T形電晶體的尺寸，又可以減輕短通道效應。

本發明首先提出一種影像感測器。本發明的影像感測器包含畫素區、複數個傳輸閘極、第一浮動擴散區、第二浮動擴散區、重置(reset)閘極、重置電壓節點(signal node)與複數個源極隨耦(source follower)閘極。畫素區包含複數個感測像素，而每個感測像素僅具有一個傳輸閘極。第一浮動擴散區與第二浮動擴散區，分別電連接不相同又相鄰之複數個感測像素，使得複數個傳輸閘極其中任何一個會控制第一浮動擴散區與第二浮動擴散區其中最接近之一者。重置閘極位於第一浮動擴散區與第二浮動擴散區之間， 而重置電壓節點則鄰近重置閘極，又使得重置電壓節點與第一浮動擴散區和第二浮動擴散區一起被重置閘極所控制。複數個源極隨耦閘極位於畫素區外，用來分別讀取來自畫素區之光電流。

在本發明一實施方式中，感測像素作為源極，第一浮動擴散區或是第二浮動擴散區則作為汲極，而被各傳輸閘極所控制。

在本發明另一實施方式中，畫素區包含4個感測像素。

在本發明另一實施方式中，複數個傳輸閘極圍繞重置閘極。

在本發明另一實施方式中，第一浮動擴散區、第二浮動擴散區、重置閘極與重置電壓節點一起形成T字形。

在本發明另一實施方式中，重置閘極位於T形之交點。

在本發明另一實施方式中，重置閘極為一種3方向之電晶體。

在本發明另一實施方式中，第一浮動擴散區與第二浮動擴散區為共享式節點。

在本發明另一實施方式中，源極隨耦閘極用來讀取來自第一浮動擴散區或是第二浮動擴散區之光電流。

在本發明另一實施方式中，重置電壓節點作為源極，第一浮動擴散區或是第二浮動擴散區則作為汲極，而一起被重置閘極所控制。

在本發明另一實施方式中，第一浮動擴散區作為源極，第二浮動擴散區則作為汲極，而被重置閘極所控制。

本發明其次提出另一種影像感測器。本發明的影像感測器包含複數個畫素區、主動區域、複數個傳輸閘極、重置閘極、第一浮動擴散區、第二浮動擴散區、重置電壓節點與複數個源極隨耦閘極。主動區域包含複數個畫素區，而每個畫素區包含複數個感測像素。每個感測像素僅具有複數個傳輸閘極其中的一個傳輸閘極。重置閘極位於主動區域之外。第一浮動擴散區與第二浮動擴散區位於主動區域之外並鄰近重置閘極，而分別電連接至複數 個畫素區中不相同的至少一者。重置電壓節點亦位於主動區域之外並鄰近重置閘極，而與第一浮動擴散區和第二浮動擴散區一起被重置閘極所控制。複數個源極隨耦閘極位於主動區域之外，以分別讀取來自畫素區之光電流。

在本發明一實施方式中，主動區域包含2ⁿ個感測像素。n為大於2之自然數。

在本發明另一實施方式中，重置閘極位於複數個源極隨耦閘極之間。

在本發明另一實施方式中，影像感測器更包含複數個主動區域，使得重置閘極位於複數個主動區域之間。

在本發明另一實施方式中，複數個源極隨耦閘極其中一者讀取來自複數個主動區域其中一者之光電流。

在本發明另一實施方式中，第一浮動擴散區、第二浮動擴散區、重置閘極與重置電壓節點一起形成T字形。

在本發明另一實施方式中，重置閘極位於T形之交點。

在本發明另一實施方式中，重置閘極為一種3方向之電晶體。

在本發明另一實施方式中，重置電壓節點作為源極，而第一浮動擴散區或第二浮動擴散區作為汲極，又一起被重置閘極所控制。

100‧‧‧影像感測器

101‧‧‧傳輸電晶體

102‧‧‧電晶體結構

105‧‧‧主動區域

110‧‧‧第一浮動擴散區

120‧‧‧第二浮動擴散區

130‧‧‧畫素區

131/132/133/134‧‧‧感測像素

140‧‧‧傳輸電晶體

141/142/143/144‧‧‧傳輸閘極

150‧‧‧重置閘極/重置電晶體

160‧‧‧重置電壓節點

170‧‧‧源極隨耦閘極

180‧‧‧金屬導線

第1圖繪示本發明重置閘極與源極隨耦閘極位於所控制的畫素區之外的影像感測器的俯視圖。

第2圖繪示畫素區、感應節點以及傳輸閘極一起形成一組電晶體結構。

第3圖繪示重置電壓節點、第一感應節點和第二感應節點一起與重置閘極形成另一組電晶體結構。

第4圖繪示又一組電晶體結構，其中第一感應節點作為源極，第二感應 節點作為汲極，而被重置閘極所控制。

第5圖繪示本發明重置閘極位於所控制的畫素區之外的影像感測器的俯視圖。

第6圖繪示重置電壓節點、感應節點一起與重置閘極形成一組電晶體結構。

在本發明的一實施例中，首先提出一種影像感測器100，包括複數個感測像素、複數個重置電晶體、複數個傳輸電晶體和複數個源極隨耦器。第1圖繪示本發明實施例的影像感測器佈局圖。傳輸電晶體140的傳輸閘極是圖中的元件標號141、142、143和144；重置電晶體的重置閘極是元件標號150；畫素區130包括元件標號為131、132、133和134的感測像素；源極隨耦器的閘極標示為170。傳輸閘極141和142分別選擇性傳輸感測像素131和132的電荷到第一浮動擴散區(floating diffusion node)110；傳輸閘極143和144分別選擇性傳輸感測像素133和134的電荷到另一方向的第二浮動擴散區(floatinn diffusion node)120。重置閘極150可控制感測像素131、132、133和134的重置操作。

畫素區130可為此半導體基底中的摻雜區，其中包含有複數個感測像素，但不囿限於此，本發明亦可應用於其他材質的基底。例如，將本實施例的影像感測器結構製作於液晶顯示器的透明面板上，均應屬本發明之涵蓋範圍。畫素區130大致呈多邊形，例如矩形，並可以區分成多個位置區域，例如區分成四個象限(quadrant)，使畫素區130中包含有4個獨立的感測像素131/132/133/134，而每個感測像素分別位於畫素區130的四個象限其中一個內，並大致上環繞第一浮動擴散區110、第二浮動擴散區浮動擴散區120與重置閘極150等元件。每個感測像素131/132/133/134均可用來接收光， 並將光轉換成電流訊號，稱為光電流(photocurrent)。

在本實施例中，傳輸閘極140的數目等同於畫素區130中感測像素的數目。例如，畫素區130中有四個傳輸閘極141/142/143/144，並分別對應於每個感測像素131/132/133/134。如此一來，每個感測像素僅對應於其中一個傳輸閘極，同時又被此傳輸閘極所控制。例如，第1圖中繪示傳輸閘極141對應於感測像素131、傳輸閘極142對應於感測像素132、傳輸閘極143對應於感測像素133、傳輸閘極144對應於感測像素134。較佳者，傳輸閘極與感測像素並不共享。

此外，畫素區130中的摻雜區上還有多個浮動擴散區，例如第一浮動擴散區110與第二浮動擴散區120。但是，浮動擴散區的數目並不如畫素區130中所有感測像素的數目一樣多。例如，第1圖中繪示兩個浮動擴散區，且浮動擴散區會電連接多個相鄰之感測像素。例如，第一浮動擴散區110電連接相鄰之感測像素131/132，而第二浮動擴散區則電連接感測像素133/134。如此一來，浮動擴散區便可以共享。

特別要注意到的是，各傳輸閘極較佳會控制多個浮動擴散區其中最接近之一者。例如傳輸閘極141/142會控制最接近之第一浮動擴散區110，而傳輸閘極143/144則會控制最接近之第二浮動擴散區120，以構成一種控制元件。例如，傳輸閘極141對應之感測像素131與第一浮動擴散區110、傳輸閘極142對應之感測像素132與第一浮動擴散區110、傳輸閘極143對應之感測像素133與第二浮動擴散區120、傳輸閘極144對應之感測像素134與第二浮動擴散區120。如第2圖所繪示，畫素區130、浮動擴散區120以及傳輸閘極140一起則會形成一組傳輸電晶體101。如此，畫素區130所累積的電荷即可以受控於傳輸閘極140而從畫素區130所扮演之源 極流向作為汲極之浮動擴散區其中一者。

重置閘極150即位於畫素區130中的摻雜區上。更明確地說，一方面重置閘極150位於第一浮動擴散區110與第二浮動擴散區120之間，另一方面，複數個傳輸閘極141/142/143/144又會圍繞重置閘極150。重置閘極150可以接收一重置電壓，並透過傳輸閘極141/142/143/144來重置對應的感測像素131/132/133/134。重置電壓節點160即位於畫素區130中摻雜區的端點上並鄰近重置閘極150，用來接收重置電壓。重置閘極與重置電壓節點亦可以共享。

如第3圖所繪示，重置電壓節點160與第一浮動擴散區110、重置電壓節點160與第二浮動擴散區120均分置於重置閘極150的兩側，使得重置電壓節點160、第一浮動擴散區110和第二浮動擴散區120又一起與重置閘極150形成另一組電晶體結構102，所以重置電壓節點160、第一浮動擴散區110和第二浮動擴散區120亦會被重置閘極150所一起控制。或是，如第4圖所繪示，第一浮動擴散區110和第二浮動擴散區120重置閘極150分置於重置閘極150的兩側，故也可以視為另一組電晶體結構103，亦即第一浮動擴散區110作為源極，第二浮動擴散區120作為汲極，而被重置閘極150所控制。

在第3圖中，所形成之電晶體結構102具有三端共享之T形結構，亦即3方向之電晶體，重置閘極150位於T形之交點。其中重置電壓節點160作為源極，第一浮動擴散區110和第二浮動擴散區120其中一者作為汲極，因此第一浮動擴散區110與第二浮動擴散區120即為共享式節點，以節省重置電晶體的數目。

此外，又如第1圖所繪示，本實施例另可設置有複數個源極隨耦閘極170，位於畫素區130的摻雜區外，並與第一浮動擴散區110或是第二浮動擴散區120電連接。源極隨耦閘極170的輸出 端可以輸出至重置電壓節點，而其輸入端是透過外部金屬繞線(圖未示)電性連接到浮動擴散(floating diffusion)。

如此，經由電晶體結構101耦合至電晶體結構102，某個源極隨耦閘極170就可以讀取來自特定感測像素之電荷並輸出。較佳者，還可以提供具有時序之控制訊號，來分別讀取來自每個感測像素131/132/133/134的光電流。例如，源極隨耦閘極170只會讀取來自第一浮動擴散區110或是第二浮動擴散區120之光電流，換言之，源極隨耦閘極可以共享。

較佳者，在本實施例中，由於重置閘極150、源極隨耦閘極170和浮動擴散區可以共享，因此可以減少電晶體的數目而增加感測像素的面積，以提高開口率，使得訊噪比增加而提升元件的靈敏度。還有，如第3圖所繪示，也可以調整摻雜區端點的尺寸，使得重置電壓節點160與第一浮動擴散區110或是第二浮動擴散區120之間有足夠的長度，來避免短通道效應。

在本發明的另一實施例中，又提出一種重置閘極位於所控制的畫素區之外的影像感測器，如此一來還可以減少金屬占據影像感測器的面積，有利於進一步擴大總體受光面積。第5圖繪示本發明重置閘極位於所控制的畫素區之外的影像感測器的俯視圖。請參閱第5圖，本發明影像感測器100，包含主動區域105、第一浮動擴散區110、第二浮動擴散區120、畫素區130、複數個包含傳輸閘極的傳輸電晶體140、包含重置閘極的重置電晶體150、重置電壓節點160與複數個源極隨耦閘極170。

本實施例(如第5圖所繪示者)與先前實施例(如第1圖所繪示者)主要不同之處在於以下幾點。首先，在本實施例的影像感測器100中，影像感測器100另包含有多組塊狀之特定區域，稱為主 動區域105，而複數個畫素區130即位於此特定區域105中。每個畫素區130為摻雜區，如前所述包含複數個感測像素，例如感測像素131/132/133/134。換句話說，主動區域可以包含複數個感測像素，例如每個主動區域包含2ⁿ個感測像素，n為大於2之自然數。第5圖繪示主動區域105包含8個感測像素，也就是n為3。

其次，重置閘極150係位於主動區域105之外，所以重置閘極150亦位於畫素區130以及各感測像素之外。換句話說，在本實施例中，較佳者，重置閘極150位於相鄰之複數個主動區域105之間或是畫素區130之間，以金屬導線180電連接至位於主動區域105中之畫素區130，並透過傳輸閘極141/142/143/144來重置對應的感測像素131/132/133/134。

其次，浮動擴散區，例如第一浮動擴散區110與第二浮動擴散區120，也都是位於主動區域105之外，並鄰近所對應之重置閘極150。不同之浮動擴散區電連接不同畫素區130其中之至少一者。重置電壓節點160亦位於主動區域105之外，並鄰近重置閘極150。

類似於先前之實施例，重置電壓節點160、浮動擴散區又一起與重置閘極150形成另一組電晶體結構。例如第6圖所繪示，第一浮動擴散區110、第二浮動擴散區120、重置閘極150與重置電壓節點160一起形成T字形，重置閘極即位於T形之交點而成為一種3方向之電晶體，所以重置電壓節點160與第一浮動擴散區110和第二浮動擴散區120可以一起被重置閘極150所控制。例如，重置電壓節點160可作為源極，第一浮動擴散區110或第二浮動擴散區可作為汲極，而一起被位於中央之重置閘極150所控制。

還有，複數個源極隨耦閘極170，亦位於主動區域105之外，而且還鄰近重置閘極150，所以本實施例之重置閘極150還可 以位於複數個源極隨耦閘極170之間。多個源極隨耦閘極170其中一個就可以讀取來自複數個主動區域105的一者之中，特定畫素區130中某個感測像素之光電流。較佳者，還可以提供具有時序之控制訊號，來分別讀取來自每個感測像素131/132/133/134的光電流。例如，多個源極隨耦閘極170其中一個被控制，只會讀取來自第一浮動擴散區110或是第二浮動擴散區120之光電流。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧影像感測器

101‧‧‧傳輸電晶體

102‧‧‧電晶體結構

110‧‧‧第一浮動擴散區

120‧‧‧第二浮動擴散區

130‧‧‧畫素區

131/132/133/134‧‧‧感測像素

140‧‧‧傳輸電晶體

141/142/143/144‧‧‧傳輸閘極

150‧‧‧重置閘極

160‧‧‧重置電壓節點

170‧‧‧源極隨耦閘極

Claims (16)

1. 一種影像感測器(image sensor)，包含：一畫素區，包含複數個感測像素；複數個傳輸閘極(transfer gate)，其中每個該感測像素僅具有一個該傳輸閘極；一第一浮動擴散區(floating diffusion node)，電連接複數個相鄰之該感測像素；一第二浮動擴散區(floating diffusion node)，電連接不同於該第一浮動擴散區所電連接之複數個相鄰該感測像素，其中各該傳輸閘極控制該第一浮動擴散區與該第二浮動擴散區其中最接近之一者；一重置(reset)閘極，位於該第一浮動擴散區與該第二浮動擴散區之間；一重置電壓節點(signal node)，鄰近該重置閘極，而與該第一浮動擴散區和該第二浮動擴散區一起被該重置閘極所控制，其中該第一浮動擴散區、第二浮動擴散區、該重置閘極與該重置電壓節點一起形成一T字形，且該重置閘極位於該T形之交點；以及複數個源極隨耦(source follower)閘極，位於該畫素區外，以分別讀取來自該畫素區之一光電流。
2. 如請求項1之影像感測器，其中該感測像素作為一源極，該第一浮動擴散區與該第二浮動擴散區其中一者作為一汲極，而被各該傳輸閘極所控制。
3. 如請求項1之影像感測器，其中該畫素區包含4個該感測像素。
4. 如請求項1之影像感測器，其中該複數個傳輸閘極圍繞該重置閘極。
5. 如請求項1之影像感測器，其中該重置閘極為一種3方向之電晶體。
6. 如請求項1之影像感測器，其中該第一浮動擴散區與該第二浮動擴散區為一共享式節點。
7. 如請求項1之影像感測器，其中該源極隨耦(source follower)閘極讀取來自該第一浮動擴散區與該第二浮動擴散區其中一者之該光電流。
8. 如請求項1之影像感測器，其中該重置電壓節點(signal node)作為一源極，該第一浮動擴散區和該第二浮動擴散區其中一者作為一汲極，而一起被該重置閘極所控制。
9. 如請求項1之影像感測器，其中該第一浮動擴散區作為一源極，該第二浮動擴散區作為一汲極，而被該重置閘極所控制。
10. 一種影像感測器，包含：複數個畫素區，每個該複數個畫素區包含複數個感測像素；一主動區域，包含複數個該畫素區；複數個傳輸閘極(transfer gate)，其中每個該感測像素僅具有一個該傳輸閘極；一重置閘極，位於該主動區域之外；一第一浮動擴散區(floating diffusion node)，位於該主動區域之外並鄰近該重置閘極，而電連接複數個該畫素區之至少一者；一第二浮動擴散區(floating diffusion node)，位於該主動區域之外並鄰近該重置閘極，而電連接不同於該第一浮動擴散區所電連接之複數個該畫素區之至少一者；一重置電壓節點(signal node)，位於該主動區域之外並鄰近該重置閘極， 而與該第一浮動擴散區和該第二浮動擴散區一起被該重置閘極所控制，其中該第一浮動擴散區、第二浮動擴散區、該重置閘極與該重置電壓節點一起形成一T字形，且該重置閘極位於該T形之交點；以及複數個源極隨耦(source follower)閘極，位於該主動區域之外，以分別讀取來自該畫素區之一光電流。
11. 如請求項10之影像感測器，其中該主動區域包含2ⁿ個該感測像素，n為大於2之自然數。
12. 如請求項10之影像感測器，其中該重置閘極位於該複數個源極隨耦閘極之間。
13. 如請求項10之影像感測器，更包含：複數個該主動區域，其中該重置閘極位於複數個該主動區域之間。
14. 如請求項13之影像感測器，其中該複數個源極隨耦閘極其中一者讀取來自複數個該主動區域其中一者之該光電流。
15. 如請求項10之影像感測器，其中該重置閘極為一種3方向之電晶體。
16. 如請求項10之影像感測器，其中該重置電壓節點(signal node)作為一源極，該第一浮動擴散區和該第二浮動擴散區其中一者作為一汲極，而一起被該重置閘極所控制。