專利名稱：Cmos圖像傳感器列共享2×2像素單元及像素陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器，尤其涉及一種CMOS圖像傳感器列共享2X2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圖像傳感器列共享2X2像素單元結(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，光電二極管Si(硅)表面上的介質(zhì)高度較高，金屬線阻擋了部分光線入射到光電二極管中；并且，漂浮有源區(qū)與源跟隨晶體管柵極相連接的金屬線離電源金屬線較近，漂浮有源區(qū)電容寄生大，導致信號電子轉(zhuǎn)換成信號電壓的幅度(轉(zhuǎn)換增益)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2X2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2X2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、復位晶體管、漂浮有源區(qū)及金屬連線，由4個像素排列成2X2像素陣列作為一組像素單元；每組像素單元的前列兩個像素和后列兩個像素分別在列內(nèi)共享選擇晶體管、源跟隨晶體管、復位晶體管和漂浮有源區(qū)；所述前列兩個像素共享的選擇晶體管和源跟隨晶體管位于像素單元的頂部，所述后列兩個像素共享的選擇晶體管和源跟隨晶體管位于像素單元的底部。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素陣列，包括多組權(quán)利要求I或2所述的CMOS圖像傳感器列共享2X2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金屬連線使用兩層金屬線進行連接，包括第O層金屬線和第I層金屬線。由上述本發(fā)明的技術(shù)方案可知，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享2X2像素單元及像素陣列，由于由4個像素排列成2X2像素陣列作為一組像素單元；每組像素單元的前列兩個像素和后列兩個像素分別在列內(nèi)共享選擇晶體管、源跟隨晶體管、復位晶體管和漂浮有源區(qū)；CMOS圖像傳感器二維像素陣列中金屬連線使用兩層金屬線進行連接，僅使用第O層金屬線和第I層金屬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)。


圖I是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享2X2像素單元的具體實施例一中四個像素組成的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2X2像素單元的具體實施例一中四個像素組成的4T2S結(jié)構(gòu)版圖示意圖；
圖3是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器陣列的具體實施例一中6x 4像素陣列電路示意圖；圖4是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器陣列的具體實施例一中6x 4像素陣列版圖示意圖。
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)明實施例描述中，使用第O層金屬線和第I層金屬線并不是實現(xiàn)本發(fā)明唯一實施方式，也可使用第I層金屬線和第2層金屬線或其它層金屬線來實現(xiàn)本發(fā)明像素結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享2X2像素單元，其較佳的具體實施方式
如圖I、圖2所示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、復位晶體管、漂浮有源區(qū)及金屬連線，其特征在于由4個像素排列成2X2像素陣列作為一組像素單元；每組像素單元的前列兩個像素和后列兩個像素分別在列內(nèi)共享選擇晶體管、源跟隨晶體管、復位晶體管和漂浮有源區(qū)；所述前列兩個像素共享的選擇晶體管和源跟隨晶體管位于像素單元的頂部，所述后列兩個像素共享的選擇晶體管和源跟隨晶體管位于像素單元的底部。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，該金屬連線與電源金屬連線不相鄰。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素陣列，其較佳的具體實施方式
如圖3、圖4所示包括多組上述的CMOS圖像傳感器列共享2X2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金屬連線使用兩層金屬線進行連接，包括第O層金屬線和第I層金屬線。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輸出線使用第I層金屬連線；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。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，僅使用第O層金屬線和第I層金屬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。漂浮有源區(qū)連接源跟隨晶體管柵極的金屬線遠離電源金屬線，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2X2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)。實施例一如圖I所示電路示意圖，CMOS圖像傳感器列共享2X2像素單元采用4T2S結(jié)構(gòu)，包括四個像素，像素11、像素12、像素21和像素22。PDll、roi2、PD21和PD22分別是像素11、像素12、像素21和像素22的光電二極管；TX11、ΤΧ12、ΤΧ21和ΤΧ22分別是像素11、像素12、像素21和像素22的電荷傳輸晶體管；RX1和RX2為復位晶體管，SFl和SF2為源跟隨晶體管，SXl和SX2為選擇晶體管；像素11和像素21共孕復位晶體管RX1、源跟隨晶體管SF1、選擇晶體管SX1，像素12和像素22共享復位晶體管RX2、源跟隨晶體管SF2、選擇晶體管SX2 ；SX1和SFl位于前列像素11和像素21的頂部,SX2和SF2位于后列像素12和像素22的底部。FDl為像素11和像素21共享的漂浮有源區(qū)，F(xiàn)D2為像素12和像素22共享的漂浮有源區(qū)；SN1和SN2為列信號輸出線，VC為電源線。晶體管控制線SVl連接選擇晶體管SXl的柵極，控制線TVl連接電荷傳輸晶體管TXll和TX12的柵極，控制線RV連接復位晶體管晶體管RXl和RX2的柵極，控制線TV2連接電荷傳輸晶體管TX21和TX22的柵極，控制線SV2連接選擇晶體管SX2的柵極；SN1和SN2分別連接源跟隨晶體管的源極，VC連接RX1、RX2、SXl和SX2的漏極；漂浮有源區(qū)FDl與源跟隨晶體管SFl的柵極相連接，漂浮有源區(qū)FD2與源跟隨晶體管SF2的柵極相連接。圖2所示為圖I所示電路示意圖對應(yīng)的版圖示意圖。如圖2所示，晶體管器件控制線SV1、TV1、RV、TV2和SV2使用第O層金屬線，電源控制線VC和列信號輸出線SN1、SN2使用第I層金屬線；第O層金屬控制線SVl、TVU RV、TV2和SV2分別與相應(yīng)晶體管的柵極多晶硅通過接觸孔O相互接觸，第I層金屬控制線SN1、SN2和VC分別與相應(yīng)晶體管的源極和漏極通過接觸孔I相互接觸；漂浮有源區(qū)FDl與SFl的柵極多晶硅之間使用第I層金屬線通過接觸孔I相互接觸，漂浮有源區(qū)FD2與SF2的柵極多晶硅之間使用第I層金屬線通過接觸孔I相互接觸。優(yōu)選的，在本實施例中也可省去選擇晶體管SXl和SX2，實施例中缺少選擇晶體管并不會影響傳感器正常工作，也不會影響本發(fā)明解決的技術(shù)問題。上面所述的四個像素記為一組像素單元，本實施例中將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，并以6x4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2X2像素單元結(jié)構(gòu)及二維像素陣列結(jié)構(gòu)包括但并不局限于6x4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6X 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，roil roi6為第I行像素的光電二極管，PD21 PD26為第2行像素的光電二極管，PD31 TO36為第3行像素的光電二極管，PD41 TO46為第4行像素的光電二極管；像素器件控制線TVl與第I行像素的電荷傳輸晶體管TXll TX16的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TV2與第2行像素的電荷傳輸晶體管TX21 TX26的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TV3與第3行像素的電荷傳輸晶體管TX31 TX36的柵極多晶硅相連，像素器件控制線TV4與第4行像素的電荷傳輸晶體管TX41 TX46的柵極多晶硅相連；像素器件控制線SVl與選擇晶體管SX11、SX13、SX15的柵極多晶硅相連，像素器件控制線SV3與選擇晶體管SX31、SX22、SX33、SX24、SX35、SX26的柵極多晶硅相連，像素器件控制線SV5與選擇晶體管SX42、SX44、SX46的柵極多晶硅相連；像素器件控制線RVl與復位晶體管RX11、RX22、RX13、RX24、RX15、RX26的柵極多晶硅相連，像素器件控制線 RV3與復位晶體管RX31、RX42、RX33、RX44、RX35、RX46的柵極多晶硅相連。像素陣列中的列信號輸出線SNl與第I列像素的源跟隨晶體管SFll和SF31的源極相連，列信號輸出線SN2與第2列像素的源跟隨晶體管SF22和SF42的源極相連，列信號輸出線SN3與第3列像素的源跟隨晶體管SF13和SF33的源極相連，列信號輸出線SM與第4列像素的源跟隨晶體管SF24和SF44的源極相連，列信號輸出線SN5與第5列像素的源跟隨晶體管SF15和SF35的源極相連，列信號輸出線SN6與第6列像素的源跟隨晶體管SF26和SF46的源極相連；電源控制線VC與像素陣列中各組像素單元的復位晶體管漏極端相連接，與像素陣列中各組像素單元的選擇晶體管漏極端相連接；像素陣列中的各組像素單元FD區(qū)分別與相應(yīng)源跟隨晶體管的柵極相連接。上述像素陣列中，同行像素器件控制線TVl TV4、SV1、SV3、SV5、RV1、RV3使用第O層金屬線；同列像素輸出線SNl SN6使用第I層金屬線，電源線VC使用第I層金屬線，各組像素單元的FD與相應(yīng)源跟隨晶體管的柵極連接線使用第I層金屬線。需要特別說明的是，使用第O層金屬線和第I層金屬線并不是實現(xiàn)本發(fā)明唯一實施方式，也可使用第I層金屬線和第2層金屬線或其它層金屬線來實現(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。由于改變金屬線層級的像素結(jié)構(gòu)其核心設(shè)計方法與上述實施例雷同，在此不做贅述。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器列共享2 X 2像素單元及像素陣列中，由于采用了以2X2像素陣列結(jié)構(gòu)作為一組單元，每組單元中前列兩個像素共享的選擇晶體管和源跟隨晶體管位于頂部，后列兩個像素共享的選擇晶體管和源跟隨晶體管位于底部，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層金屬線和第I層金屬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層或更高層金屬線作為器件控制線，有效降低了光電二極管Si表面上的介質(zhì)高度，使得更多的光入射到光電二極管，提高用光效率。此外，本實施例的CMOS圖像傳感器列共享2X2像素單元的漂浮有源區(qū)連接源跟隨晶體管柵極的金屬線遠離電源金屬線，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2X2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)。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。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器列共享2X2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、復位晶體管、漂浮有源區(qū)及金屬連線，其特征在于 由4個像素排列成2X2像素陣列作為一組像素單元； 每組像素單元的前列兩個像素和后列兩個像素分別在列內(nèi)共享選擇晶體管、源跟隨晶體管、復位晶體管和漂浮有源區(qū)； 所述前列兩個像素共享的選擇晶體管和源跟隨晶體管位于像素單元的頂部，所述后列兩個像素共享的選擇晶體管和源跟隨晶體管位于像素單元的底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器列共享2X 2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，該金屬連線與電源金屬連線不相鄰。
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2X2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金屬連線使用兩層金屬線進行連接，包括第O層金屬線和第I層金屬線。
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輸出線使用第I層金屬連線. 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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS圖像傳感器列共享2×2像素單元及像素陣列，由4個像素排列成2×2像素陣列作為一組像素單元；每組像素單元的前列兩個像素和后列兩個像素分別在列內(nèi)共享選擇晶體管、源跟隨晶體管、復位晶體管和漂浮有源區(qū)；CMOS圖像傳感器二維像素陣列中金屬連線使用兩層金屬線進行連接，僅使用第0層金屬線和第1層金屬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H01L27/146GK102868866SQ201210359828
公開日2013年1月9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