一種cmos圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu),包括多個像素單元,每一個像素單元包括四個光電二極管;四個傳輸晶體管,分別與所述四個光電二極管對應(yīng)相連;共用有源區(qū)的一個源極跟隨晶體管,一個復位晶體管以及一個行選通晶體管;以及懸浮節(jié)點,所述四個光電二極管和四個傳輸晶體管以所述懸浮節(jié)點中心對稱排列。本實用新型能夠同時保證高靈敏度和高動態(tài)范圍。
【專利說明】—種CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及圖像傳感器領(lǐng)域,特別涉及一種CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]通常,圖像傳感器是指將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。圖像傳感器主要包括電荷耦合器件(CXD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器芯片
[0003]CMOS圖像傳感器和傳統(tǒng)的C⑶傳感器相比具有的低功耗,低成本和與CMOS工藝兼容等特點,因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅用于消費電子領(lǐng)域,例如微型數(shù)碼相機(DSC),手機攝像頭,攝像機和數(shù)碼單反(DSLR)中,而且在汽車電子,監(jiān)控,生物技術(shù)和醫(yī)學等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004]常規(guī)的CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中包括實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的感光單元光電二極管101,用于光電二極管復位的復位晶體管104,用于將光電二極管中的電子傳輸?shù)綉腋」?jié)點103的傳輸晶體管102,將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的懸浮節(jié)點103,將轉(zhuǎn)換得到的電壓放大的源極跟隨晶體管105,以及輸出信號的行選通晶體管106。其中,傳輸晶體管102的柵極通過接觸孔由金屬連線108a引出,通過外部信號控制傳輸晶體管打開或關(guān)閉。懸浮節(jié)點103通過接觸孔由金屬連線108b連接至源極跟隨管105的柵極和復位晶體管104的源極,行選通晶體管106的源極通過接觸孔由信號輸出線107輸出。
[0005]如圖1所示為常規(guī)像素單元的版圖結(jié)構(gòu),其工作過程為首先通過打開復位晶體管104和傳輸晶體管102,對光電二極管101進行復位,接著關(guān)斷復位晶體管104和傳輸晶體管102,對像素單元進行曝光,通過光電二極管101完成光電轉(zhuǎn)換,接著打開傳輸晶體管102,將光電二極管101中的電子傳輸?shù)綉腋」?jié)點103,接著通過懸浮節(jié)點103將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,電壓信號通過源極跟隨晶體管105進行放大,再通過選中行選通晶體管106,將電壓信號通過信號輸出線107輸出。
[0006]像素單元最重要的技術(shù)指標包括靈敏度和動態(tài)范圍,高靈敏度可以保證低照度條件下有較好的響應(yīng),高動態(tài)范圍可以保證高照度條件下像素單元不會飽和溢出。如圖1所示的常規(guī)像素單元往往不能同時兼顧這兩者,因為高靈敏度和高動態(tài)范圍對像素單元的要求是矛盾的。常規(guī)像素單元的靈敏度和動態(tài)范圍取決于懸浮節(jié)點的電容值,懸浮節(jié)點的電容較小時,像素單元的靈敏度較高,但動態(tài)范圍變??;當懸浮節(jié)點電容較大時,則靈敏度降低,而動態(tài)范圍變大。因此為了同時提高靈敏度和動態(tài)范圍,保證像素單元在低照度和高照度下都有較好的響應(yīng),本實用新型提出了一種全新的CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu)。
實用新型內(nèi)容
[0007]本實用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷,提供一種CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu),同時提高靈敏度和動態(tài)范圍,保證像素單元在不同照度條件下都有較好的響應(yīng),以提升圖像質(zhì)量。
[0008]為達成上述目的,本實用新型提供一種CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu),包括多個像素單元,每一個所述像素單元包括四個光電二極管;四個傳輸晶體管,分別與所述四個光電二極管對應(yīng)相連;共用有源區(qū)的一個源極跟隨晶體管,一個復位晶體管以及一個行選通晶體管;以及懸浮節(jié)點,所述四個光電二極管和四個傳輸晶體管以所述懸浮節(jié)點為中心呈中心對稱排列。
[0009]優(yōu)選地,所述源極跟隨晶體管、復位晶體管及行選通晶體管設(shè)于所述四個光電二極管的一側(cè),所述懸浮節(jié)點通過接觸孔由金屬連線引出連接至所述源極跟隨晶體管的接觸孔及所述復位晶體管的接觸孔。
[0010]優(yōu)選地,所述四個傳輸晶體管的柵極分別通過接觸孔由四條金屬連線獨立引出。
[0011]優(yōu)選地,所述四條金屬連線相互平行。
[0012]優(yōu)選地,所述行選通晶體管的源極通過接觸孔由信號輸出線引出。
[0013]本實用新型的優(yōu)點在于,通過將像素單元中的四個光電二極管和四個傳輸晶體管共用同一個懸浮節(jié)點,源極跟隨晶體管,復位晶體管以及行選通晶體管,且以該懸浮節(jié)點為中心對稱設(shè)置,能夠同時保證CMOS圖像傳感器高靈敏度和高動態(tài)范圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器像素單元版圖結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0015]圖2所示為本實用新型實施例的CMOS圖像傳感器像素單元版圖結(jié)構(gòu)的示意圖。
【具體實施方式】
[0016]為使本實用新型的內(nèi)容更加清楚易懂,以下結(jié)合說明書附圖,對本實用新型的內(nèi)容作進一步說明。當然本實用新型并不局限于該具體實施例,本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本實用新型的保護范圍內(nèi)。此外,本實用新型利用示意圖進行了詳細的表述,在詳述本實用新型實施例時,為了便于說明,示意圖不依照一般比例局部放大,不應(yīng)以此作為對本實用新型的限定。
[0017]圖2為本實用新型的CMOS圖像傳感器像素單元版圖結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0018]CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu)包括多個像素單元,如圖2所示,每一個像素單元包括四個像素,這四個像素的感光單元分別為光電二極管201a,201b, 201c和201d。相對應(yīng)的,四個像素的傳輸晶體管202a,202b,202c和202d分別與這四個光電二極管對應(yīng)相連。四個光電二極管和四個傳輸晶體管均以懸浮節(jié)點203為中心呈中心對稱排列,由此實現(xiàn)四個像素共用同一個懸浮節(jié)點203,從而可根據(jù)需要將四個光電二極管中的電子通過對應(yīng)的傳輸晶體管同時傳輸?shù)綉腋」?jié)點或僅將個別光電二極管的電子傳輸?shù)綉腋」?jié)點。由于懸浮節(jié)點位于四個光電二極管的中心,其到各個光電二極管的距離相等,由此可確保各光電二極管的電子傳輸路徑相等。另一方面,四個像素共用同一組復位晶體管204、源極跟隨管205和行選通管206。如圖2所示,共用有源區(qū)的源極跟隨管205,復位晶體管204以及行選通管206設(shè)置于四個光電二極管的一側(cè),懸浮節(jié)點203通過接觸孔由金屬連線209引出連接至源極跟隨晶體管205的接觸孔以及復位晶體管204的接觸孔,從而與源極跟隨晶體管205的柵極和復位晶體管204的源極相連。行選通晶體管206的源極則通過接觸孔由信號輸出線207引出,以將像素單元的信號輸出。通過上述版圖結(jié)構(gòu),四個像素共用同一個懸浮節(jié)點203,因此懸浮節(jié)點至多可接收四個光電二極管的電子,具有更優(yōu)秀的靈敏度。
[0019]較佳的,四個傳輸晶體管201a,201b,201c和201d的柵極分別通過接觸孔由四條金屬連線208a,208b, 208c和208d獨立引出,由此可控制四個傳輸晶體管同時打開或個別打開。在低照度情況下(如環(huán)境光線強度較弱),四個傳輸晶體管可同時打開,由此這四個光電二極管中的電子將同時傳輸?shù)焦灿玫膽腋」?jié)點上,再通過源極跟隨晶體管及行選通晶體管輸出,由此信號強度增強,提高了圖像靈敏度;在高照度條件下(如環(huán)境光線較強),可控制每次僅打開一個傳輸晶體管,其余傳輸晶體管處于關(guān)斷狀態(tài),以保證共用的懸浮節(jié)點不進入飽和狀態(tài),以提高像素單元的動態(tài)范圍;而在中等照度條件下,可以同時打開兩個傳輸晶體管,另外兩個傳輸晶體管關(guān)斷,懸浮節(jié)點每次得到兩個光電二極管中的電子,可以同時平衡靈敏度和動態(tài)范圍。因此,通過將四個傳輸靜態(tài)管由四條金屬連線獨立引出,能夠?qū)Ω鱾€傳輸晶體管的打開和關(guān)斷獨立控制,以實現(xiàn)靈敏度和動態(tài)范圍的調(diào)節(jié)。從像素單元的版圖結(jié)構(gòu)來看,四條金屬連線208a,208b, 208c和208d較佳是相互平行設(shè)置,以避免金屬布線時相互干擾。
[0020]綜上所述,本實用新型通過將四個光電二極管201a?201d和四個傳輸晶體管202a?204d共用同一個懸浮節(jié)點且以該懸浮節(jié)點為中心呈中心對稱排列,懸浮節(jié)點至多可接收四個光電二極管的電子,從而提高了圖像靈敏度。此外,通過四個傳輸晶體管由不同金屬連線獨立引出,可控制四個傳輸晶體管的打開方式,由此可根據(jù)照度條件的變化將相應(yīng)的光電二極管的電子傳輸?shù)綉腋」?jié)點,可以同時保證高靈敏度和高動態(tài)范圍。
[0021]雖然本實用新型已以較佳實施例揭示如上,然所述諸多實施例僅為了便于說明而舉例而已,并非用以限定本實用新型,本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾,本實用新型所主張的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準。
【權(quán)利要求】
1.一種CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu),包括多個像素單元,其特征在于,每一個所述像素單元包括: 四個光電二極管; 四個傳輸晶體管,分別與所述四個光電二極管對應(yīng)相連; 共用有源區(qū)的一個源極跟隨晶體管,一個復位晶體管以及一個行選通晶體管;以及 懸浮節(jié)點,所述四個光電二極管和四個傳輸晶體管以所述懸浮節(jié)點為中心呈中心對稱排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu),其特征在于,所述源極跟隨晶體管、復位晶體管及行選通晶體管設(shè)于所述四個光電二極管的一側(cè),所述懸浮節(jié)點通過接觸孔由金屬連線引出連接至所述源極跟隨晶體管的接觸孔及所述復位晶體管的接觸孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu),其特征在于,所述四個傳輸晶體管的柵極分別通過接觸孔由四條金屬連線獨立引出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu),其特征在于,所述四條金屬連線相互平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器像素單元的版圖結(jié)構(gòu),其特征在于,所述行選通晶體管的源極通過接觸孔由信號輸出線引出。
【文檔編號】H01L27/146GK203644783SQ201320892554
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】顧學強, 周偉, 肖慧敏 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司