專利名稱：Cmos圖像傳感器列共享像素單元及像素陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種CMOS圖像傳感器，尤其涉及ー種CMOS圖像傳感器列共享像素單元及像素陣列。
背景技術(shù)：
圖像傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機、移動手機、醫(yī)療器械、汽車和其他應(yīng)用場合。特別是CMOS (互補型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器的快速發(fā)展，使人們對低功耗小尺寸高分辨率圖像傳感器有了更高的要求?，F(xiàn)有技術(shù)中的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的排布方式以4T2S (四晶體管兩個像素共享)為例，由于依賴于像素本身的結(jié)構(gòu)特征，其像素陣列一般需要第I層金屬，第2層金屬和第3層金屬作為器件互連線，相鄰行像素間或相鄰列像素間分別需要多行或多列第I層 金屬、第2層金屬或第3層金屬連線；并且漂浮有源區(qū)與源跟隨晶體管柵極相連接的金屬電容寄生較大。上述現(xiàn)有技術(shù)至少包含以下缺點由于小面積像素傳感器的感光面積小，靈敏度低，使得傳遞暗光下的信息不夠清晰。尤其在使用第I層金屬，第2層金屬和第3層金屬作為器件互連線時，光電ニ極管Si(硅)表面上的介質(zhì)高度較高，金屬連線阻擋了部分光線入射到光電ニ極管中；并且，漂浮有源區(qū)與源跟隨晶體管柵極相連接的金屬連線離電源金屬連線較近，漂浮有源區(qū)電容寄生大，導(dǎo)致信號電子轉(zhuǎn)換成信號電壓的幅度(轉(zhuǎn)換増益)不大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種靈敏度高的小面積CMOS圖像傳感器列共享像素單元及像素陣列。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素單元，單個像素包括光電ニ極管、電荷傳輸晶體管、選擇晶體管、源跟隨晶體管、復(fù)位晶體管、漂浮有源區(qū)及金屬連線，由兩個列像素作為ー組像素単元，兩個像素在列內(nèi)共享選擇晶體管、源跟隨晶體管、復(fù)位晶體管和漂浮有源區(qū)。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素陣列，包括多組上述的CMOS圖像傳感器列共享像素單元，多組像素單元在垂直和水平方向上排列成為ニ維像素陣列，所述ニ維像素陣列中使用兩層金屬連線進行連接，包括第O層金屬連線和第I層金屬連線。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可知，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素單元及CMOS圖像傳感器像素陣列，由于由兩個列像素作為ー組像素単元，兩個像素在列內(nèi)共享選擇晶體管、源跟隨晶體管、復(fù)位晶體管和漂浮有源區(qū)，多組像素単元在垂直和水平方向上排列成為ニ維像素陣列，所述ニ維像素陣列中使用兩層金屬連線進行連接，金屬連線僅使用第O層金屬連線和第I層金屬連線作為器件的控制線而實現(xiàn)采集圖像信息功能，不使用第2層或更高層金屬連線作為器件控制線，可降低光電ニ極管Si表面上的介質(zhì)高度，使得更多的光入射到光電ニ極管。因此，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素單元結(jié)構(gòu)能夠提高小面積像素傳感器的用光效率和轉(zhuǎn)換增益，從而提高靈敏度，所以可以有效提高小面積像素圖像傳感器的圖像品質(zhì)。


圖I是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素單元的具體實施例一中兩個像素組成的4T2S結(jié)構(gòu)電路示意圖；圖2是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素單元的具體實施例一中兩個像素組成的4T2S結(jié)構(gòu)版圖不意圖；圖3是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素單元的具體實施例一中4x4像素陣 列電路^^意圖；圖4是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素單元的具體實施例一中4x4像素陣列版圖不意圖；圖5是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素單元的具體實施例ニ中兩個像素組成的4T2S結(jié)構(gòu)電路示意圖；圖6是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素單元的具體實施例ニ中4x 4像素陣列電路^^意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素単元，其較佳的具體實施方式
如圖I至圖4所示單個像素包括光電ニ極管、電荷傳輸晶體管、選擇晶體管、源跟隨晶體管、復(fù)位晶體管、漂浮有源區(qū)及金屬連線，由兩個列像素作為ー組像素単元，兩個像素在列內(nèi)共享選擇晶體管、源跟隨晶體管、復(fù)位晶體管和漂浮有源區(qū)。所述漂浮有源區(qū)與源跟隨晶體管柵極在列方向上用第I層金屬連線連接，此金屬連線遠離電源金屬連線。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素陣列，包括多組上述的CMOS圖像傳感器列共享像素單元，多組像素單元在垂直和水平方向上排列成為ニ維像素陣列，所述ニ維像素陣列中使用兩層金屬連線進行連接，包括第O層金屬連線和第I層金屬連線。所述ニ維像素陣列中，在列方向上同列像素間的電源線和列信號輸出線使用第I層金屬連線連接；所述ニ維像素陣列中，在行方向上同行像素間的晶體管器件控制線使用第O層金屬連線連接。本發(fā)明解決現(xiàn)有圖像傳感器小面積像素靈敏度低的問題，金屬連線僅使用第O層金屬連線和第I層金屬連線作為器件的控制線而實現(xiàn)采集圖像信息功能，不使用第2層或更高層金屬連線作為器件控制線，可降低光電ニ極管Si表面上的介質(zhì)高度，使得更多的光入射到光電ニ極管。漂浮有源區(qū)連接源跟隨晶體管柵極的金屬連線遠離電源金屬連線，可降低漂浮有源區(qū)的寄生電容，從而提高了信號電子轉(zhuǎn)換為信號電壓的幅度。因此，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素單元及CMOS圖像傳感器像素陣列結(jié)構(gòu)能夠提高小面積像素傳感器的用光效率和轉(zhuǎn)換增益，從而提高靈敏度，所以可以有效提高小面積像素圖像傳感器的圖像品質(zhì)。實施例一如圖I所示電路示意圖，CMOS圖像傳感器列共享像素單元采用4T2S結(jié)構(gòu)，包括兩個像素，此兩個像素在同列以上下結(jié)構(gòu)方式排列。圖I中101和201分別為兩個像素的光電ニ極管，102和202分別兩個像素的電荷傳輸晶體管；103為復(fù)位晶體管，104為源跟隨晶體管，105為選擇晶體管，106為列信號輸 出線，其中兩個像素共享復(fù)位晶體管103、源跟隨晶體管104、選擇晶體管105和列信號輸出線106 ；FD(Floating Diffusion)為漂浮有源區(qū)，兩個像素共享FD。晶體管的控制線SX連接選擇晶體管105的柵極，控制線TXl連接傳輸晶體管102的柵極，控制線RX連接復(fù)位晶體管103的柵極，控制線TX2連接傳輸晶體管202的柵極；列信號輸出線106連接源跟隨晶體管104的源極；Vdd為電源電壓，連接復(fù)位晶體管103的漏極和選擇晶體管105的漏扱。如圖2所示,為圖I所示電路示意圖對應(yīng)的版圖示意圖。圖2中晶體管器件控制線SX、TX1、RX、TX2使用第O層金屬連線，電源控制線Vdd和列信號輸出線106使用第I層金屬連線；第O層金屬器件控制線SX、TX1、RX和TX2分別與105、102、103和202的柵極多晶硅通過接觸孔O相互接觸，第I層金屬電源控制線Vdd與105的漏極和103的漏極之間通過接觸孔I相互接觸，第I層金屬列信號輸出線106與104的源極之間通過接觸孔I相互接觸；漂浮有源區(qū)FD與104的柵極多晶硅之間使用第I層金屬連線通過接觸孔I相互接觸。上面所述的兩個像素記為ー組單元，本實施例中將多組像素単元在垂直和水平方向上排列成為ニ維像素陣列，并以4x4像素陣列為例進行示意。本發(fā)明的高靈敏度小面積CMOS圖像傳感器列共享像素単元結(jié)構(gòu)及ニ維像素陣列結(jié)構(gòu)包括但并不局限于4x4像素陣列，而可適應(yīng)其他多種尺寸像素陣列。如圖3所示，為4X 4像素陣列電路示意圖；圖3所示像素陣列電路示意圖所對應(yīng)的版圖示意圖如圖4所示。圖3和圖4所示像素陣列中，111、121、131、141為第I行像素的光電ニ極管，211、221、231、241為第2行像素的光電ニ極管，311、321、331、341為第3行像素的光電ニ極管，411、421、431、441為第4行像素的光電ニ極管；像素器件控制線SXl與同行選擇晶體管115、125、135、145的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TXl與同行電荷轉(zhuǎn)移晶體管112、122、132、142的柵極多晶硅相連，像素器件控制線RXl與同行復(fù)位晶體管113、123、133、143的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TX2與同行電荷轉(zhuǎn)移晶體管212、222、232、242的柵極多晶硅相連，各組像素単元FD分別與相應(yīng)源跟隨晶體管114、124、134、144的柵極多晶硅相連；像素器件控制線SX3與同行選擇晶體管315、325、335、345的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TX3與同行電荷轉(zhuǎn)移晶體管312、322、332、342的柵極多晶硅相連，像素器件控制線RX3與同行復(fù)位晶體管313、323、333、343的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TX4與同行電荷轉(zhuǎn)移晶體管412、422、432、442的柵極多晶硅相連，各組像素単元FD分別與相應(yīng)源跟隨晶體管314、324、334、344的柵極多晶硅相連;16、26、36、46分別為第I列、第2列、第3列、第4列像素的列信號輸出線，分別與相應(yīng)列像素的源跟隨晶體管的源極相連；Vdd為電源金屬連線。上述像素陣列中，同行像素器件控制線SX1、TX1、RX1、TX2、SX3、TX3、RX3、TX4使用第O層金屬連線；同列信號輸出線16、26、36、46使用第I層金屬連線，電源線Vdd使用第I層金屬連線，各組像素単元的FD與相應(yīng)源跟隨晶體管的柵極連接線使用第I層金屬連線。實施例ニ 實現(xiàn)本發(fā)明實施方式另ー實施例如圖5所示電路示意圖，CMOS圖像傳感器列共享像素單元采用4T2S結(jié)構(gòu)，包括兩個像素，此兩個像素在同列以上下結(jié)構(gòu)方式排列。101’和201’分別為兩個像素的光電ニ極管，102’和202’分別兩個像素的電荷傳輸晶體管；103’為復(fù)位晶體管，104’為源跟隨晶體管，105’為選擇晶體管，106’為列信號輸出線，其中兩個像 素共享復(fù)位晶體管103’、源跟隨晶體管104’、選擇晶體管105’和列信號輸出線106’ ；FD’(Floating Diffusion)為漂浮有源區(qū)，兩個像素共享FD’。晶體管控制線SX’連接選擇晶體管105’的柵極，控制線ΤΧΓ連接傳輸晶體管102’的柵極，控制線RX’連接復(fù)位晶體管103’的柵極，控制線TX2’連接傳輸晶體管202’的柵極；列信號輸出線106’連接源跟隨晶體管104’的源極；Vdd’為電源電壓，連接復(fù)位晶體管103’的漏極和選擇晶體管105’的漏扱。上面所述的兩個像素記為ー組單元，本實施例中將多組像素単元在垂直和水平方向上排列成為ニ維像素陣列，并以4x4像素陣列為例進行示意。本發(fā)明的高靈敏度小面積CMOS圖像傳感器列共享像素単元結(jié)構(gòu)及ニ維像素陣列結(jié)構(gòu)包括但并不局限于4x4像素陣列，而可適應(yīng)其他多種尺寸像素陣列。圖6所示像素陣列中，111’、121’、131’、141’為第I行像素的光電ニ極管，211’、221’、231’、241’為第2行像素的光電ニ極管，311’、321’、331’、341’為第3行像素的光電ニ極管，411’、421’、431’、441’為第4行像素的光電ニ極管；像素器件控制線SX1’與同行選擇晶體管115’、125’、135’、145’的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TX1’與同行電荷轉(zhuǎn)移晶體管112’、122’、132’、142’的柵極多晶硅相連，像素器件控制線RX1’與同行復(fù)位晶體管113’、123’、133’、143’的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TX2’與同行電荷轉(zhuǎn)移晶體管212’、222’、232’、242’的柵極多晶硅相連，各組像素単元FD’分別與相應(yīng)源跟隨晶體管114’、124’、134’、144’的柵極多晶硅相連；像素器件控制線SX3’與同行選擇晶體管315’、325’、335’、345’的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TX3’與同行電荷轉(zhuǎn)移晶體管312’、322’、332’、342’的柵極多晶硅相連，像素器件控制線RX3’與同行復(fù)位晶體管313’、323’、333’、343’的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TX4’與同行電荷轉(zhuǎn)移晶體管412’、422’、432’、442’的柵極多晶硅相連，各組像素単元FD’分別與相應(yīng)源跟隨晶體管314’、324’、334，、344，的柵極多晶硅相連；16’、26’、36’、46’分別為第I列、第2列、第3列、第4列像素的列信號輸出線，分別與相應(yīng)列像素的源跟隨晶體管的源極相連；Vdd’為電源金屬連線。本發(fā)明兩個實施例的CMOS圖像傳感器列共享像素単元及CMOS圖像傳感器像素陣列中，由于采用了上下結(jié)構(gòu)方式排列的像素結(jié)構(gòu)，并改進像素結(jié)構(gòu)內(nèi)晶體管及漂浮節(jié)點的連接方式，金屬連線僅使用第O層金屬連線和第I層金屬連線作為器件的控制線而實現(xiàn)采集圖像信息功能，沒有使用第2層或更高層金屬連線作為器件控制線，減少了金屬連線使用層數(shù)，有效降低了光電ニ極管Si表面上的介質(zhì)高度，使得更多的光入射到光電ニ極管，提高用光效率。需要特別說明的是，使用第O層金屬連線和第I層金屬連線并不是實現(xiàn)本發(fā)明唯ー實施方式，也可使用第I層金屬連線和第2層金屬連線或其它層金屬連線來實現(xiàn)本發(fā)明像素結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。使用第N層及第N+1層金屬連線可根據(jù)具體像素設(shè)計情況而定，均可實現(xiàn)本發(fā)明提出的減少金屬連線使用層數(shù)，降低介質(zhì)高度，提高用光效率的效果。由于改變金屬連線層級的像素結(jié)構(gòu)其核心設(shè)計方法與上述實施例一及實施例ニ雷同，在此不做贅述。此外，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素単元的漂浮有源區(qū)連接源跟隨晶體管柵極的金屬連線遠離電源金屬連線，降低了漂浮有源區(qū)的寄生電容，從而提高了信號電子轉(zhuǎn)換為信號電壓的幅度。因此，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享像素単元及CMOS圖像傳感器像素陣列結(jié) 構(gòu)能夠提高小面積像素傳感器的用光效率和轉(zhuǎn)換增益，從而提高靈敏度，所以可以有效提高小面積像素圖像傳感器的圖像品質(zhì)。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器列共享像素單元，單個像素包括光電二極管、電荷傳輸晶體管、選擇晶體管、源跟隨晶體管、復(fù)位晶體管、漂浮有源區(qū)及金屬連線，其特征在于 由兩個列像素作為一組像素單元，兩個像素在列內(nèi)共享選擇晶體管、源跟隨晶體管、復(fù)位晶體管和漂浮有源區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器列共享像素單元，其特征在于，所述漂浮有源區(qū)與源跟隨晶體管柵極在列方向上用第I層金屬連線連接，此金屬連線遠離電源金屬連線。
3.一種CMOS圖像傳感器像素陣列，其特征在于，包括多組權(quán)利要求I或2所述的CMOS圖像傳感器列共享像素單元，多組像素單元在垂直和水平方向上排列成為二維像素陣列，所述二維像素陣列中使用兩層金屬連線進行連接，包括第O層金屬連線和第I層金屬連線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS圖像傳感器像素陣列，其特征在于 所述二維像素陣列中，在列方向上同列像素間的電源線和列信號輸出線使用第I層金屬連線連接； 所述二維像素陣列中，在行方向上同行像素間的晶體管器件控制線使用第O層金屬連線連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS圖像傳感器列共享像素單元及像素陣列，由兩個列像素作為一組像素單元，兩個像素在列內(nèi)共享選擇晶體管、源跟隨晶體管、復(fù)位晶體管和漂浮有源區(qū)，多組像素單元在垂直和水平方向上排列成為二維像素陣列，所述二維像素陣列中使用兩層金屬連線進行連接，金屬連線僅使用第0層金屬連線和第1層金屬連線作為器件的控制線而實現(xiàn)采集圖像信息功能，不使用第2層或更高層金屬連線作為器件控制線，可降低光電二極管Si表面上的介質(zhì)高度，使得更多的光入射到光電二極管，能夠提高小面積像素傳感器的用光效率和轉(zhuǎn)換增益，從而提高靈敏度，可以有效提高小面積像素圖像傳感器的圖像品質(zhì)。
文檔編號H01L27/146GK102856339SQ20121035936
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者郭同輝, 陳杰, 劉志碧, 曠章曲, 唐冕 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司