專利名稱：用于cmos圖像傳感器的像素陣列結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器，更具體地，涉及像素陣列結(jié)構(gòu)和排列該 像素陣列結(jié)構(gòu)的方法，該方法能夠以菱形圖案排列互補金屬氧化物半 導體(CMOS)圖像傳感器的像素，以及將MOS像素晶體管設置于像 素的光電二極管之間。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是一種用于將光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號的元件。 一般而 言，廣泛地使用電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器和互補金屬氧化物 半導體(CMOS)圖像傳感器。在CCD圖像傳感器中，MOS電容器相互靠近設置，電荷載流子 存儲在電容器中，且存儲的電荷根據(jù)門信號進行移動。在CMOS圖像傳感器中，使用了開關(guān)方法，在開關(guān)方法中，控制 電路和信號處理電路用作外圍電路，并根據(jù)所需像素的數(shù)目組合光電 二極管和MOS晶體管以組成單位像素(unit pixel),并使用單位^象素 連續(xù)地4企測輸出。CCD元件盡管存在光學傳感單元和信號處理單元分開制造的問 題，但是其具有很好的分辨率。因此，CCD圖像傳感器廣泛用于可攜 式攝像機和科學或醫(yī)學領(lǐng)域中的照相機。CMOS圖像傳感器具有能夠?qū)⑾袼仃嚵?、像素?qū)動單元和用于處 理信號的電路包括在單個芯片中的優(yōu)點。因此，CMOS圖像傳感器廣 泛用于大眾化的個人計算才幾(PC)照相機、移動電話照相機、玩具和 雙才莫式照相才幾。如圖1所示，CMOS圖像傳感器的單位像素100可具有3T結(jié)構(gòu)， 該3T結(jié)構(gòu)包括由光電二極管Dpd和三個MOS晶體管MRX、 Msf及 MsEL表示的光學傳感元件，或者如圖2所示，CMOS圖像傳感器的單 位像素200可具有4T結(jié)構(gòu)，該4T結(jié)構(gòu)包括光傳感元件Dpd和四個 MOS晶體管M丁x、 MRX、 Msf及Msel?，F(xiàn)在參考圖1詳細描述作為CMOS圖像傳感器的主要組件的單位 像素的操作。輸入復位信號RX，所有像素通過復位晶體管Mrx保持在起始狀 態(tài)。當切斷復位信號RX時，由微透鏡(未示出)會聚的光信號通過 光電二極管DpD轉(zhuǎn)換為電信號。光電二極管兩端的電流的幅度根據(jù)光 信號的幅度而改變。另外，具有不同幅度的像素信號通過源跟隨晶體 管MsF和由適當?shù)倪x擇信號SEL操作的選擇晶體管MsEL傳輸至輸出 線OUT。第2002-0094607 ( 2002.12.18)號名稱為"Apixel array method of a CMOS image sensor ( CMOS圖像傳感器的像素陣列方法)"的韓 國專利申請公開了一種排列CMOS圖像傳感器的單位像素100和200 的傳統(tǒng)方法?，F(xiàn)在，為了便于說明，參照圖3描述根據(jù)傳統(tǒng)發(fā)明的像素陣列方 法。傳統(tǒng)上，如圖3所示，單位像素300設置于行和列交叉的位置。雖然未在圖中示出，但是當鄰近的四個像素的中心點相連時，則 顯示出具有水平線和垂直線的正方形。圖4示出了根據(jù)傳統(tǒng)陣列方法的像素的示意性的布局圖。每個單 位像素構(gòu)造有由光電二極管代表的光學傳感元件10和MOS晶體管電 路單元20。由于單位像素必須制造成彼此電隔離，因此單位像素以預 定的間隔連續(xù)地設置。該間隔被稱為間距(pitch)。當單位像素以小于 預定間距的間隔連續(xù)地設置時，則超過了制造工藝所允許的分辨能力 限度，因此單位像素之間的電隔離是不可能的。在圖4中所示的行間距Pr代表一行中的像素與下 一行中的像素的 距離，即，行間的單位距離。列間距Pc代表一列中的像素與下一列中的像素的距離，即，列間 的單位距離。距離dl代表兩個光學傳感元件10之間的最小距離。 如圖4所示，填滿光學傳感元件10的區(qū)域比(region ratio )在每 個單位像素中是最大的。因此，光學傳感元件10的尺寸決定單位像素
之間的間距Pc和Pr。當光學傳感元件10的尺寸增大時，間距Pc和 Pr也增大。間距Pc和Pr，以及距離dl由制造半導體元件的微制造技術(shù)決定。 本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的是，當制造技術(shù)確定時，間距和距離也確定為 固定值。眾所周知的是，當包括光學傳感元件IO的單位像素制造為具 有小于制造技術(shù)中確定的間距Pc、 Pr和距離dl時，元件之間的電隔 離和物理隔離將無法保持，并且元件的正確操作也無法保證。CMOS圖像傳感器開發(fā)者可能想要增大光學傳感元件10的區(qū)域 以提高照片的敏感度和圖像傳感器的分辨率。但是，由于存在上述問 題，所述想法受到了限制。如上所述，在圖像傳感器的制造過程中，在努力提高照片敏感度 和圖像傳感器分辨率的過程中，像素的布局被設計成增大光學傳感元 件10的區(qū)域。但是，由于MOS晶體管電路單元20不能被移開，因 此在光學傳感元件IO之間設置了 MOS晶體管電^各單元20。但是，由 于區(qū)域是有限的，所以所述努力也受到了限制。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供了 一種改進的像素陣列結(jié)構(gòu)和能夠增大照片敏感度和 CMOS圖像傳感器分辨率的方法。本發(fā)明還提供了一種能夠增大光學傳感元件的有效區(qū)域的像素陣 列結(jié)構(gòu)和方法。本發(fā)明還提供了具有根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器且具有進一 步改進的性能的電子裝置。 技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種互補金屬氧化物半導體 (CMOS)圖像傳感器的像素組陣方法，所述方法包括以下步驟(a) 通過以菱形圖案排列多個單位像素而形成具有多行和多列的單位像素 陣列；(b)為了電操作所述多個單位像素，在列方向上延長所述多個 單位像素處的信號線以連接至多個單位列解碼器中的每一個；以及(c )為了電操作所述多個單位像素，在行方向延長所述多個單位像素處的 信號線以連接至多個單位行解碼器中的每一個，并將所述信號線排列 為兩行以連接至單個單位行解碼器。在本發(fā)明的上述方面中，以菱形圖案形成單位像素陣列的步驟可 包括將一行中的像素陣列平移列間距的一半的步驟，以使得該行中的 像素陣列與下一行中的像素陣列不設置于相同的列位置上。另外，為了電操作多個單位像素，在多個單位像素處沿著列方向 設置信號線的步驟可包括收集所有的信號線以允許在列方向上連接所 述信號線的步驟，所述所有的信號線包括用于 一 行中的像素陣列中的 每個單位像素的額外輸出信號線和電源信號線。另外，為了電操作多個單位像素，在多個單位像素處沿著列方向 設置信號線的步驟可包括連接一行中的像素陣列中的每個單位像素中 的附加控制信號以允許在行方向連接控制信號的步驟，所述附加控制 信例如為復位信號、傳輸信號或選擇信號。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種CMOS圖像傳感器的像素陣 列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括單位像素陣列，其包括多行和多列，其中一 行中的單位像素與下一行中的單位像素對角地排列；多個單位行解碼 器，其沿著所述單位像素的列方向設置以便將行方向地址分配給所述 單位像素；以及多個單位列解碼器，其沿著所述單位像素的行方向設 置以便將列方向地址分配給所述單位像素；其中，所述單位行解碼器 中的每一個將行方向地址同時分配給兩行中的單位像素。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種CMOS圖像傳感器的像素陣 列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括單位像素陣列，其包括多行和多列，其中一 行中的單位像素被設置成在行方向上相對于下一行中的單位像素平移 列間距的一半；多個單位行解碼器，其沿著所述單位像素的列方向設 置以便將行方向地址分配給所述單位像素；以及多個單位列解碼器， 其沿著所述單位像素的行方向設置以便將列方向地址分配給所述單位 像素；其中，所述單位行解碼器中的每一個將行方向地址同時分配給 兩行中的單位像素。


圖1是示出了由光電二極管和三個MOS晶體管構(gòu)成的互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的像素的電路圖；圖2是示出了由光電二極管和四個MOS晶體管構(gòu)成的CMOS圖像傳感器的像素的電路圖；圖3示出了傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器的陣列結(jié)構(gòu)；圖4是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的像素陣列的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的像素陣列的示意圖；圖6示出了以4T結(jié)構(gòu)的像素為例的根據(jù)本發(fā)明的像素結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7示出了連續(xù)排列的如圖4所示的單位像素；圖8示出了像素陣列以顯示根據(jù)本發(fā)明的整體像素陣列結(jié)構(gòu)；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的像素陣列結(jié)構(gòu)的視圖；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的像素陣列結(jié)構(gòu)中所包含的單位行解碼器的視圖；以及圖ll示出了使用如圖10所示的單位行解碼器的像素陣列結(jié)構(gòu)的視圖。
具體實施方式
在下文中，將參考附圖詳細描述本發(fā)明的示例性的實施方案。 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的像素陣列的示意圖。為了將 本發(fā)明的實施方案與根據(jù)相關(guān)技術(shù)的方法進行比較，圖5中的像素以 與圖4中類似的列間距Pc和行間距Pr進行設置。另外，光學傳感單 元10和MOS晶體管電i 各單元20也簡單類似于圖4中的光學傳感單 元和MOS晶體管電路單元。參考圖5，單位像素以行和列進行排列。 一行中的單位像素陣列 與下一行的像素陣列對角地設置。在排列方法中，雖然像素以與傳統(tǒng) 排列方法相同的列間距Pc和行間距Pr進行排列，但是兩個光學傳感 單元10之間的距離dl大于傳統(tǒng)排列方法中的距離dl。這意味著光學 傳感單元10的區(qū)域可以更大。因此，雖然使用的制作技術(shù)與相關(guān)技術(shù)
的相同，但是根據(jù)本發(fā)明的光學傳感元件10的區(qū)域可通過陰影線區(qū)域 30增大以充分地接收光。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的4T像素的示意性的布局?，F(xiàn)在，參考圖2所示的電路圖描述圖6所示的布局。MOS晶體管電路單元20包括傳輸晶體管(transfer transistor )MTX 100、復位晶體管MRxllO、源跟隨晶體管Msf130和逸捧晶體管MSEL 140。由于上文描述了電路單元20的操作，因此將忽略其詳細描述。 接觸部分210至240是連接部分，其電連接至例如電源線和選擇線的 連接線，以用于電操作MOS晶體管電路單元20,從而使得整個陣列 的電操作可正確地4丸4亍。在如圖6所示的布局中，示例了 4T像素。 但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解的是，可以以與圖5類似的布局對 圖1所示的3T像素進行舉例說明。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的方法排列的兩個4T像素的視圖。圖中 示出了具有彩色濾光片或微透鏡700的像素的光學傳感元件。根據(jù)本發(fā)明的精神和范圍，當連接兩個光學傳感單元的中心點時， 可明顯地示出對角線。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的像素陣列。當連接四個鄰近的光 學傳感單元的中心點時，所連接的中心點形成具有四個對角線(對角 線由虛線表示)的菱形。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的像素陣列結(jié)構(gòu)的視圖。在圖 9中，為了不費力地描述本發(fā)明的精神和范圍，像素由虛線分開。根 據(jù)分界線，具有多個行和知J的結(jié)構(gòu)形成菱形。如圖9所示的沿著行方向的信號線為表示復位信號的線RX—0 至RX一3、表示用于將通過將光信號轉(zhuǎn)換為電信號而獲得的信號傳輸 至像素的其它部分的信號線TX—0至TX—3、以及表示用于選擇像素以 傳輸電信號至陣列的外部.的信號線SEL一O至SEL—3。為了通過使用沿著行方向的信號線RX—0、 TX—0、 SEL—0等和沿 著列方向的信號線CO—0、 C0一1、 C1—0等來驅(qū)動像素陣列，需要在行 方向上用于驅(qū)動單位像素的行解碼器(未示出)和在列方向驅(qū)動單位 像素的列解碼器(未示出)。在本文中，行解碼器形成了包括列方向上
多個單位行解碼器的陣列，且列解碼器形成了包括行方向上多個單位 列解碼器的陣列。在圖2和圖3所示的以矩形排列的傳統(tǒng)的像素陣列結(jié)構(gòu)中，為每行的單位像素設置了單個單位行解碼器以形成列方向的陣列，為每列 的單位像素設置了單個單位列解碼器以形成行方向的陣列。但是，在傳統(tǒng)的像素陣列結(jié)構(gòu)中，列間距Pc和行間距Pr是狹窄的，因此難以 排列每個單位行解碼器。在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的如圖9所示的具有菱形圖案的像素陣 列的像素陣列結(jié)構(gòu)中，兩行中的單位像素的數(shù)量與傳統(tǒng)的像素陣列結(jié) 構(gòu)中一行的單位像素的數(shù)量是相同的，但是，行間距小于傳統(tǒng)的像素 陣列結(jié)構(gòu)中的行間距。這將導致當給定的區(qū)域相同時，與傳統(tǒng)情況相 比，可以集成更多的像素。因此，與傳統(tǒng)情況相比，多個像素之間的 間隙得到了改進，并且屏幕的質(zhì)量得以提高。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的像素陣列中包含的單位行 解碼器的視圖。參考圖10,行解碼器可同時選擇包括在兩行中的多個像素。當對 單位行解碼器1010進行排列以便將行方向地址同時分配給兩行中的 單位-像素時，兩行中的單位l象素可被同時驅(qū)動，因此，與傳統(tǒng)情況相 比，單位行解碼器1010的區(qū)域得以增大。在該情況下，由于鄰近兩行 中的多個像素并非沿縱向排列而是沿對角方向排列，因此雖然兩個鄰 近的行被同時選定，但是屏幕質(zhì)量也不會惡化。相反，在具有矩形結(jié) 構(gòu)的傳統(tǒng)像素陣列結(jié)構(gòu)中，當兩個鄰近的行被同時選定時，屏幕的質(zhì) 量會惡化。圖ll示出了使用圖IO所示的單位行解碼器1010的像素陣列結(jié)構(gòu)的視圖。參考圖11,行解碼器1100中包含的單位行解碼器1010可同時驅(qū) 動兩行中的像素，因此當行解碼器1010驅(qū)動其數(shù)量與在行方向分配給 傳統(tǒng)單位行解碼器的單位像素相同的單位像素時，每個單位行解碼器 1010所占據(jù)的區(qū)域可相對增大。根據(jù)本發(fā)明的范圍和精神，光學傳感單元的區(qū)域增大效率基本上
提高了 30%至40%。因此，敏感度和分辨率基本上提高了 30%至40%。 盡管具體地示出了本發(fā)明并參考示例性實施方案描述了本發(fā)明， 但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的是，可進行多種形式和細節(jié)的修改， 而不偏離由所附權(quán)力要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明，像素陣列以菱形圖案實現(xiàn)，且像素的晶體管電路排 列于光學傳感元件之間。因此，由于光學傳感元件的有效區(qū)域可被增 大，因此增加了光敏感度和分辨率。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，由于所有電路集成在單個襯底上，因此 可在單個芯片上實現(xiàn)CMOS圖像傳感器。
權(quán)利要求
1. 一種排列CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器的像素的方法，所述CMOS圖像傳感器由光學傳感元件和MOS晶體管構(gòu)成，所述方法包括以下步驟(a)通過以菱形圖案排列多個單位像素而形成具有多行和多列的單位像素陣列；(b)為了電操作所述多個單位像素，在列方向上延長所述多個單位像素處的信號線以連接至多個單位列解碼器中的每一個；以及(c)為了電操作所述多個單位像素，在行方向延長所述多個單位像素處的信號線以連接至多個單位行解碼器中的每一個，并將所述信號線排列為兩行以連接至單個單位行解碼器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述步驟(b)中的所述 信號線為每個單位像素的列輸出信號線或電源信號線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述步驟(c)中的所述 信號線為每個單位像素的行選擇信號線或復位信號線。
4. 一種CMOS圖像傳感器的像素的連續(xù)陣列結(jié)構(gòu)，所述CMOS 圖像傳感器由光學傳感元件和MOS晶體管構(gòu)成，所述結(jié)構(gòu)包括單位像素陣列，其包括多行和多列，其中一行中的單位像素與下 一行中的單位像素對角地排列；多個單位行解碼器，其沿著所述單位像素的列方向設置以便將行 方向地址分配給所述單位〗象素；以及多個單位列解碼器，其沿著所述單位像素的行方向設置以便將列 方向地址分配給所述單位像素；其中，所述單位行解碼器中的每一個將行方向地址同時分配給兩 行中的單位像素。
5. —種CMOS圖像傳感器的像素的連續(xù)陣列結(jié)構(gòu)，所述CMOS 圖像傳感器由光學傳感元件和MOS晶體管構(gòu)成，所述結(jié)構(gòu)包括單位像素陣列，其包括多行和多列，其中一行中的單位像素被設 置成在行方向上相對于下一行中的單位像素平移列間距的一半；多個單位行解碼器，其沿著所述單位像素的列方向設置以便將行 方向地址分配給所述單位像素；以及多個單位列解碼器，其沿著所述單位像素的行方向設置以便將列 方向地址分配給所述單位像素；其中，所述單位行解碼器中的每一個將行方向地址同時分配給兩 行中的單位像素。
全文摘要
本發(fā)明提出了像素陣列結(jié)構(gòu)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的像素陣列結(jié)構(gòu)和排列所述像素陣列結(jié)構(gòu)的方法，其中，單位像素與相鄰的單位像素在行和列方向上對角地設置。對于所述設置而言，偶數(shù)行中的像素陣列相對于奇數(shù)行中的像素陣列平移列間距的一半。因此，在以菱形圖案實現(xiàn)的像素陣列中，由于光學傳感元件之間的距離可以更大，因而可獲得具有較大區(qū)域的光學觸感元件。另外，由于由MOS晶體管構(gòu)成的像素晶體管電路可設置于光學傳感元件之間，因而可顯著增大照片敏感度和分辨率。
文檔編號H01L27/146GK101401207SQ200780008545
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)明者李道永 申請人:(株)賽麗康