圖像傳感器和包括該圖像傳感器的圖像處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種圖像傳感器和一種包括該圖像傳感器的圖像處理系統(tǒng)。圖像傳感器包括：像素陣列，包括多個單位像素，每個單位像素包括單個晶體管和與單個晶體管的本體連接的光電二極管；行驅(qū)動器塊，被構(gòu)造成使像素陣列中的多個行中的一個行能夠進入讀出模式；以及讀出塊，被構(gòu)造成感測并放大進入讀出模式的行中包括的多個單位像素中的每個單位像素輸出的像素信號。
【專利說明】圖像傳感器和包括該圖像傳感器的圖像處理系統(tǒng)
[0001]本申請要求分別于2012年10月2日和2013年I月17日提交的第10-2012-0109716號和第10-2013-0005210號韓國專利申請的優(yōu)先權(quán)，本申請的公開通過
引用全部包含于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]示例實施例涉及一種圖像傳感器、一種操作該圖像傳感器的方法和/或包括該圖像傳感器的圖像處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]互補型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器是使用CMOS的感測裝置。CMOS圖像傳感器相比于具有高壓模擬電路的電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器具有較低的制造成本和較小的尺寸，因此CMOS圖像傳感器具有低功耗的優(yōu)點。另外，相比于早期開發(fā)階段，CMOS圖像傳感器的性能已有所改進，因此，CMOS圖像傳感器常用于各種電器，包括諸如智能電話和數(shù)碼相機的便攜式裝置。
[0004]由于CMOS圖像傳感器的各種用途，已經(jīng)要求CMOS圖像傳感器中的像素最小化。因此，期望的是包括具有較小像素的像素陣列和用于驅(qū)動像素陣列的驅(qū)動電路的CMOS圖像傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)一些示例實施例，提供了一種操作圖像傳感器的方法。所述方法包括:在與單個晶體管的本體連接的光電二極管處累積光電荷；根據(jù)所累積的光電荷和施加到單個晶體管的柵極的讀電壓來輸出像素信號；以及消除來自光電二極管的光電荷。
[0006]光電二極管的頂表面可以低于單個晶體管的源極的頂表面和單個晶體管的漏極的頂表面。
[0007]光電二極管可以與源極相比更靠近漏極。光電二極管可以是通過施加到背柵極的背柵極電壓形成的虛擬光電二極管。
[0008]單個晶體管的源極可以通過溝道與單個晶體管的漏極連接。
[0009]累積光電荷的步驟可以包括通過向單個晶體管的柵極、源極和漏極之中的至少一個端子施加高電壓用雪崩效應(yīng)引起光電荷放大?？梢曰趩蝹€晶體管的閾值電壓來確定讀電壓。
[0010]像素信號可以是具有至少兩個電平的數(shù)字信號。所述方法還可以包括通過處理像素信號來產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
[0011]產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的步驟可以包括將多個均輸出像素信號的子像素分組并且處理從分組的子像素輸出的像素信號。
[0012]根據(jù)其它示例實施例，提供了一種圖像傳感器，所述圖像傳感器包括:像素陣列，包括多個單位像素，每個單位像素包括單個晶體管和與單個晶體管的本體連接的光電二極管；行驅(qū)動器塊，被構(gòu)造成使像素陣列中的多個行中的一個行能夠進入讀出模式；以及讀出塊，被構(gòu)造成感測并放大進入讀出模式的行中包括的多個單位像素中的每個單位像素輸出的像素信號。行驅(qū)動器塊可以控制行中包括的單個晶體管中的每個晶體管的源極電壓和柵極電壓，以使像素陣列中的行進入讀出模式。
[0013]行驅(qū)動器塊可以通過控制單個晶體管的源極電壓和柵極電壓，使所述多個單位像素能夠進入集成模式和重置模式。光電二極管可以在集成模式下累積隨著入射光的強度而變化的光電荷。在重置模式下可以消除所累積的光電荷。
[0014]光電二極管的頂表面可以低于單個晶體管的源極的頂表面和單個晶體管的漏極的頂表面。光電二極管可以與源極相比更靠近漏極。
[0015]單位像素還可以包括從行驅(qū)動器塊接收背柵極電壓的背柵極。
[0016]光電二極管可以是通過背柵極電壓形成的虛擬光電二極管。單位像素還可以包括將單個晶體管的源極和漏極彼此連接的溝道。
[0017]溝道可以具有接觸光電二極管的至少一個側(cè)面。
[0018]溝道可以使用硅S1、Ge或SiGe形成。
[0019]單位像素還可以包括在溝道和光電二極管之間的內(nèi)部光電二極管，并且內(nèi)部光電二極管可以使用Ge或SiGe形成。
[0020]在像素陣列的列方向上相鄰的單個晶體管可以共用源極或漏極。像素陣列還可以包括在像素陣列的行方向上相鄰的單個晶體管之間的淺溝槽隔離(STI)。
[0021]可選擇地，像素陣列還可以包括在列方向上相鄰的單個晶體管之間的STI和在行方向上相鄰的單個晶體管之間的STI。
[0022]可以基于單個晶體管的閾值電壓來確定讀出模式的柵極電壓。
[0023]單個晶體管可以具有形成為與源極相比更靠近漏極的柵極，光電二極管形成為與漏極相比更靠近源極。單位像素還可以包括被構(gòu)造成消除累積在光電二極管處的光電荷的
重置端子。
[0024]像素信號可以是數(shù)字信號并且可以包括重置信號和圖像信號。
[0025]根據(jù)其它示例實施例，提供了一種圖像處理系統(tǒng)，所述圖像處理系統(tǒng)包括:圖像傳感器，包括多個單位像素，每個單位像素包括單個晶體管和與單個晶體管的本體連接的光電二極管，圖像傳感器放大并輸出來自單位像素中的每個單位像素的數(shù)字像素信號；以及圖像信號處理器，被構(gòu)造成處理數(shù)字像素信號并且產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
[0026]單位像素還可以包括:背柵極，從行驅(qū)動器塊接收背柵極電壓，使單位像素能夠以行為單元進入讀出模式。
[0027]圖像傳感器還可以包括與單位像素中的每個單位像素對應(yīng)的濾色器或微透鏡。圖像信號處理器可以將單位像素中的每個單位像素看作單個像素并且通過處理從每個單位像素輸出的像素信號來產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
[0028]可選擇地，單位像素可以被劃分成包括至少兩個單位像素的多個子像素組。圖像信號處理器可以將子像素組中的每個子像素組看作單個像素并且通過處理從每個子像素組中的所述至少兩個單位像素輸出的像素信號來產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
[0029]圖像傳感器還可以包括與每個子像素組對應(yīng)的濾色器或微透鏡。
[0030]根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例，提供了一種電子系統(tǒng)，所述電子系統(tǒng)包括:圖像傳感器，包括多個單位像素，每個單位像素包括單個晶體管和與單個晶體管的本體連接的光電二極管，圖像傳感器放大并輸出來自單位像素中的每個單位像素的數(shù)字像素信號；處理器，被構(gòu)造為處理數(shù)字像素信號，產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)，并且控制圖像傳感器的操作；存儲器，被構(gòu)造為存儲圖像數(shù)據(jù)和用于控制圖像傳感器的操作的程序；以及顯示單元，被構(gòu)造為顯示從處理器和存儲器中的一個輸出的圖像數(shù)據(jù)。
[0031]至少一個示例實施例涉及一種圖像傳感器。
[0032]在一個實施例中，圖像傳感器包括:像素陣列，包括多個單位像素，單位像素被構(gòu)造成在讀出模式下輸出數(shù)字像素信號，每個單位像素具有單個晶體管和與單個晶體管的體端子連接的光電二極管，光電二極管被構(gòu)造成在集成模式期間在光電二極管內(nèi)累積光電荷并且晶體管被構(gòu)造成在重置模式期間釋放所累積的光電荷；以及多個感測放大器，被構(gòu)造成在讀出模式期間基于數(shù)字像素信號和參考來放大數(shù)字像素信號。
[0033]在一個實施例中，光電二極管被構(gòu)造為通過基于光電二極管內(nèi)所累積的光電荷量使相關(guān)晶體管的體的電壓電平變化來改變所述相關(guān)晶體管的閾值電壓。
[0034]在一個實施例中，圖像傳感器被構(gòu)造為通過在不使用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的情況下使單個晶體管的閾值電壓變化來執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0035]在一個實施例中，每個單位像素被構(gòu)造為基于所述相關(guān)晶體管的閾值電壓輸出至少兩個電壓中的一個作為數(shù)字像素信號。
[0036]在一個實施例中，晶體管中的每個具有被構(gòu)造為接收源極電壓的源極、被構(gòu)造為接收列電壓的漏極和被構(gòu)造為接受柵極電壓的柵極，并且圖像傳感器還包括:行驅(qū)動器，被構(gòu)造為向像素陣列的驅(qū)動行中的晶體管中的每個晶體管的源極供應(yīng)源極電壓并且向柵極供應(yīng)柵極電壓，以使驅(qū)動行中的晶體管成為讀出模式、集成模式和重置模式中的一個。
[0037]在一個實施例中，行驅(qū)動器被構(gòu)造為通過禁用驅(qū)動行中的單個晶體管使驅(qū)動行中的單個晶體管成為集成模式。
[0038]在一個實施例中，行驅(qū)動器被構(gòu)造為通過啟用驅(qū)動行中的單個晶體管使驅(qū)動行中的單個晶體管成為讀出模式。
[0039]在一個實施例中，如果之前模式是重置模式，則在讀出模式下輸出的數(shù)字像素信號是重置信號，并且如果之前模式是集成模式，則在讀出模式下輸出的數(shù)字像素信號是圖像信號。
[0040]在一個實施例中，單位像素被構(gòu)造為，使得光電二極管的頂表面低于晶體管的源極和漏極的頂表面。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]通過參照附圖詳細描述本發(fā)明構(gòu)思的示例性實施例，本發(fā)明構(gòu)思的以上和其它特征以及優(yōu)點將變得更清楚，在附圖中:
[0042]圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的圖像處理系統(tǒng)的框圖；
[0043]圖2是圖1中示出的圖像傳感器的詳細框圖；
[0044]圖3A和圖3B是用于說明圖1中示出的像素陣列的處理單元的示圖；
[0045]圖4是圖1中示出的像素陣列的結(jié)構(gòu)的示例的示意圖；
[0046]圖5A至圖5C是用于實現(xiàn)圖4中示出的像素陣列的結(jié)構(gòu)的布局的示圖；[0047]圖6是圖1中示出的像素陣列的結(jié)構(gòu)的另一個示例的示意圖；
[0048]圖7A和圖7B是用于實現(xiàn)圖6中示出的像素陣列的結(jié)構(gòu)的布局的示圖；
[0049]圖8是圖1中示出的像素陣列的結(jié)構(gòu)的又一個示例的示意圖；
[0050]圖9是圖1中示出的像素陣列的結(jié)構(gòu)的再一個示例的示意圖；
[0051]圖10是用于詳細說明圖2中示出的單位像素的框圖；
[0052]圖11是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的用于形成圖2中示出的單位像素的布局的示圖；
[0053]圖12是在圖11中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的示例的示圖；
[0054]圖13A是在圖11中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的另一個示例的示圖；
[0055]圖13B是在圖11中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的又一個示例的示圖；
[0056]圖13C是在圖11中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的再一個示例的示圖；
[0057]圖13D是在圖11中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的另一個示例的示圖；
[0058]圖14是在圖11中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的又一個示例的示圖；
[0059]圖15是在圖11中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的再一個示例的示圖；
[0060]圖16是在圖11中示出的布局中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的示例的示圖；
[0061]圖17是在圖11中示出的布局中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的另一個示例的示圖；
[0062]圖18是在圖11中示出的布局中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的又一個示例的示圖；
[0063]圖19是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的用于形成圖2中示出的單位像素的布局的示圖；
[0064]圖20是在圖19中示出的布局中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的示例的示圖；
[0065]圖21是在圖19中示出的布局中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的另一個示例的示圖；
[0066]圖22是在圖19中示出的布局中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的又一個示例的示圖；
[0067]圖23是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的用于形成圖2中示出的單位像素的布局的示圖；
[0068]圖24是在圖23中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的示例的示圖；[0069]圖25是在圖23中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的另一個示例的示圖；
[0070]圖26是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的用于形成圖2中示出的單位像素的布局的示圖；
[0071]圖27是在圖26中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的示例的示圖；
[0072]圖28A是在圖26中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的另一個示例的示圖；
[0073]圖28B是在圖26中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的又一個示例的示圖；
[0074]圖28C是在圖26中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的再一個示例的示圖；
[0075]圖28D是在圖26中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的另一個示例的示圖；
[0076]圖29是在圖26中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的又一個示例的示圖；
[0077]圖30是在圖26中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的再一個示例的示圖；
[0078]圖31是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的用于形成圖2中示出的單位像素的布局的示圖；
[0079]圖32是圖31中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的示例的示圖；
[0080]圖33A是在圖31中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的另一個示例的示圖；
[0081]圖33B是在圖31中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的又一個示例的示圖；
[0082]圖33C是在圖31中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的再一個示例的示圖；
[0083]圖33D是在圖31中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的另一個示例的示圖；
[0084]圖34是在圖31中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的又一個示例的示圖；
[0085]圖35是在圖31中示出的布局中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的再一個示例的示圖；
[0086]圖36是在圖31中示出的布局中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的示例的示圖；
[0087]圖37是在圖31中示出的布局中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的另一個示例的示圖；
[0088]圖38是在圖31中示出的布局中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面的又一個示例的示圖；
[0089]圖39是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的在不同操作模式下向圖2中示出的單位像素施加的電壓的示圖；
[0090]圖40是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的操作圖1中示出的圖像處理系統(tǒng)的方法的流程圖；
[0091]圖41是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的包括圖1中示出的圖像傳感器的電子系統(tǒng)的框圖；
[0092]圖42是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的包括圖1中示出的圖像傳感器的電子系統(tǒng)的框圖；
[0093]圖43是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的圖1中示出的像素陣列的橫截面的示圖；以及
[0094]圖44是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的圖1中示出的像素陣列的橫截面的示圖。
【具體實施方式】
[0095]現(xiàn)在，在下文中將參照附圖更充分地描述示例實施例，在附圖中示出本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明可以用許多不同的形式來實施并且不應(yīng)該被解釋為局限于在此闡述的實施例。相反地，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，并且將把本發(fā)明的范圍充分地傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。在附圖中，為了清晰起見，會夸大層和區(qū)域的尺寸和相對尺寸。同樣的標號始終表示同樣的元件。
[0096]將理解的是，當(dāng)元件被稱作“連接”或“結(jié)合”到另一元件時，該元件可直接連接或結(jié)合到所述另一元件，或者可能存在中間元件。相反，當(dāng)元件被稱作“直接連接”或“直接結(jié)合”到另一元件時，則不存在中間元件。如在這里使用的，術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)所列的項目的任意組合和所有組合并且可以被縮寫為“/”。
[0097]應(yīng)該理解的是，盡管這里可以使用術(shù)語“第一”、“第二”等來描述各種元件，但這些元件不應(yīng)該受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語只是用于將一個元件與另一個元件區(qū)分開。例如，在不脫離本公開的教導(dǎo)的情況下，第一信號可以被稱為第二信號，并且類似地，第二信號可以被稱為第一信號。
[0098]這里使用的術(shù)語只是出于描述特定實施例的目的，而不意圖限制本發(fā)明。如這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”也意圖包括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)該理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，說明存在所述特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個或多個其它特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件、組件和/或其組合。
[0099]除非另有定義，否則這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科技術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所通常理解的意思相同的意思。將進一步理解的是，除非這里明確這樣定義，否則術(shù)語(諸如在通用字典中定義的術(shù)語)應(yīng)該被解釋為具有與相關(guān)技術(shù)和/或本申請的背景下它們的意思相同的意思，而不是將理想地或者過于正式地解釋它們的意思。
[0100]圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的圖像處理系統(tǒng)的框圖。[0101]如圖1中所示，圖像處理系統(tǒng)10可以包括圖像傳感器100、圖像處理器或數(shù)字信號處理器(DSP)200、顯示單元300和透鏡500。圖像傳感器100可以包括像素陣列110、行驅(qū)動器塊160、時序發(fā)生器170、控制寄存器塊180和讀出塊190。
[0102]圖像傳感器100可以由DSP200控制，以感測通過透鏡500拍攝的對象400。DSP200可以將圖像傳感器100已感測并輸出的圖像輸出到顯示單元300。此時，顯示單元300可以是可輸出圖像的任何裝置。例如，顯示單元300可以被實現(xiàn)為計算機、移動電話或配備有相機的電子裝置。
[0103]DPS200可以包括相機控制單元210、圖像信號處理器220和個人計算機接口(PCI/F) 230。相機控制單元210控制控制寄存器塊180。相機控制單元210可以控制圖像傳感器100,更具體地,利用集成電路總線(inter-1ntegrated circuit, I2C)控制控制寄存器塊180,但示例實施例的范圍不限于此。
[0104]圖像信號處理器220接收圖像數(shù)據(jù)即讀出塊190的輸出信號，將圖像數(shù)據(jù)處理成可視圖像，并且通過PC I/F230將圖像輸出到顯示單元300。在圖1中，圖像信號處理器220設(shè)置在DSP200內(nèi)，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以改變該設(shè)計。例如，圖像信號處理器220可以設(shè)置在圖像傳感器100內(nèi)。
[0105]像素陣列110可以包括多個單位像素。每個單位像素包括單個晶體管和光電轉(zhuǎn)換元件諸如光電二極管或PIN型光電二極管。像素陣列110中的每個單位像素可以只包括一個單個晶體管，以提高圖像傳感器100的集成度。例如，圖像傳感器100可以包括大小為
0.1X0.ιμπι或更小的單位像素。像素陣列110使用多個光電轉(zhuǎn)換元件感測光并且將光轉(zhuǎn)換成電信號，從而產(chǎn)生圖像信號。
[0106]時序發(fā)生器170可以將控制信號或時鐘信號輸出到行驅(qū)動器塊160和讀出塊190，以控制行驅(qū)動器塊160和讀出塊190的操作或時序?？刂萍拇嫫鲏K180由相機控制單元210控制并且存儲圖像傳感器100的操作所必需的各種命令。
[0107]行驅(qū)動器塊160以行為單元驅(qū)動像素陣列110。行驅(qū)動器塊160可以為像素陣列110中的每個單位像素的單個晶體管提供重置電壓信號、背柵極電壓信號、源極電壓信號和柵極電壓信號。換句話講，行驅(qū)動器塊160可以解碼來自時序發(fā)生器170的控制信號并且為像素陣列110中的每行提供重置電壓信號、背柵極電壓信號、源極電壓信號和柵極電壓信號。
[0108]像素陣列110將包括重置信號和圖像信號的像素信號從通過由行驅(qū)動器塊160提供的源極電壓信號和柵極電壓信號選擇的行輸出到讀出塊190。讀出塊190暫時存儲來自像素陣列110的像素信號并且在輸出像素信號之前感測并放大像素信號。此時，讀出塊190可以包括為像素陣列110中的每列提供的用于暫時存儲像素信號的列存儲器(例如，靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM))和用于感測并放大像素信號的感測放大器。
[0109]當(dāng)圖像傳感器100包括深度傳感器時，像素陣列110可以包括至少一個深度像素和光源(未示出)，光源發(fā)射具有相位差的調(diào)制光。圖像信號處理器220可以處理來自圖像傳感器100的圖像數(shù)據(jù),使用飛行時間(time of flight, T0F)方法計算圖像傳感器100和對象400之間的距離，以及產(chǎn)生深度圖像。
[0110]圖2是圖1中示出的圖像傳感器100的詳細框圖。
[0111]參照圖1和圖2，像素陣列110可以以“η”行“m”列的矩陣形式來實現(xiàn)?？梢杂尚序?qū)動器塊160向像素陣列110中的行分別提供重置電壓信號RVSl至RVSn、分別提供背柵極電壓信號BVSl至BVSn、分別提供源極電壓信號SVSl至SVSn并且分別提供柵極電壓信號GVSl至GVSn，以進行操作。
[0112]像素陣列110中的每個像素120可以具有集成模式、重置模式和讀出模式。隨后，將參照圖10詳細描述這些操作模式。
[0113]像素陣列110中的每行中的像素120可以根據(jù)重置電壓信號RVSl至RVSn中的一個重置電壓信號、背柵極電壓信號BVSl至BVSn中的一個背柵極電壓信號、源極電壓信號SVSl至SVSn中的一個源極電壓信號和柵極電壓信號GVSl至GVSn中的一個柵極電壓信號而進入集成模式、重置模式和讀出模式。
[0114]讀出塊190可以包括列存儲器塊192和感測放大器塊196。列存儲器塊192可以包括多個存儲器194，這多個存儲器194從分別與像素陣列110中的各個列連接的列線COLl至COLm接收像素信號。存儲器194中的每個可以是SRAM或動態(tài)RAM (DRAM)0根據(jù)時序發(fā)生器170的控制，列存儲器塊192可以暫時存儲已經(jīng)被感測放大器塊196放大并輸出的像素信號并且可以將已經(jīng)被暫時存儲的像素信號輸出到圖像信號處理器220。如隨后將參照圖10描述的，當(dāng)由于光電荷而出現(xiàn)大信號變化時，可以將像素信號作為數(shù)字信號來處理，因此不必進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0115]感測放大器塊196可以包括連接在像素陣列110和列存儲器塊192之間的多個感測放大器198。根據(jù)時序發(fā)生器170的控制，感測放大器198可以放大并輸出在讀出模式下分別從列線COLl至COLm輸出的各個像素信號。例如，感測放大器塊196可以將像素信號的電平與參考電平進行比較并且將像素信號放大至所需的(或可選擇地，預(yù)定的)電平。像素信號可以是具有兩個電平(例如，O和I)或更多個電平(例如，O、1、2和3)的數(shù)字信號。
[0116]圖3A和圖3B是用于說明圖1中示出的像素陣列110的處理單元的示圖。
[0117]參照圖1至圖3B，圖3A和圖3B示出包括布置成16行16列的單位像素120的像素陣列110的一部分。
[0118]每個單位像素120可以輸出數(shù)字像素信號。當(dāng)假設(shè)圖像傳感器100獲取顏色圖像或深度圖像時，圖3A中示出的單位像素120可以是紅色(R)、綠色(G)或藍色(B)像素或深度像素。由于單位像素120只包括單個晶體管(未示出)和光電二極管(未示出)，因此可能適合需要小像素尺寸的圖像傳感器100?？梢杂蓤D像信號處理器220按單個幀來處理分別從圖3A中示出的單位像素120輸出的數(shù)字像素信號。
[0119]參照圖3B，單位像素120可以用作子像素。詳細地，64個子像素120可以形成具有8行8列的子像素組114-1至114-4中的一個。子像素組114-1至114-4可以包括具有紅色濾色器層(未示出)的第一子像素組114-1和第四子像素組114-4、具有藍色濾色器層(未示出)的第二子像素組114-2和具有綠色濾色器層(未示出)的第三子像素組114-3，從而形成拜耳圖案(Bayerpattern)。
[0120]例如，當(dāng)假設(shè)從第一子像素組114-1中包括的單位像素120中的每個單位像素輸出的像素信號是I位數(shù)字像素信號并且當(dāng)在單個幀中將從第一子像素組114-1輸出的數(shù)字像素信號相加時，可以產(chǎn)生64個數(shù)字代碼。因此，當(dāng)16次讀出第一子像素組114-1時，可以產(chǎn)生與可具有1024個代碼的模擬信號對應(yīng)的1024個代碼。這種像素信號處理還可以應(yīng)用于第二子像素組114-2至第四子像素組114-4。盡管在當(dāng)前實施例中已經(jīng)描述了將從第一子像素組114-1輸出的數(shù)字像素信號相加的情況，但在其它實施例中可以使用與相加不同的處理方法。盡管在當(dāng)前示例實施例中64個子像素120構(gòu)成子像素組114-1至114-4中的每個子像素組，但示例實施例不限于當(dāng)前實施例。
[0121]由于圖像傳感器100中的像素陣列110直接輸出數(shù)字像素信號，因此可以省去用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路。用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路(例如，包括斜波電路、比較器、計數(shù)器等)是造成噪音和功耗的原因。因此，根據(jù)當(dāng)前實施例的圖像傳感器的像素陣列110降低了噪聲和功耗。
[0122]圖4是圖1中示出的像素陣列110的結(jié)構(gòu)的示例的示意圖。
[0123]參照圖1、圖2和圖4，圖4示出像素陣列110的部分110_1的布置。分別包括在單位像素120-1中的單個晶體管布置成矩陣形式。單個晶體管中的每個具有獨立于相鄰的單個晶體管的源極和漏極。
[0124]單位像素120-1中的每個單位像素中包括的單個晶體管具有與行驅(qū)動器塊160連接的源極和柵極，因此接收源極電壓信號SVSa至SVS(a+3)中的一個源極電壓信號和柵極電壓信號GVSa至GVS(a+3)中的一個柵極電壓信號。單個晶體管還具有與讀出塊190連接的漏極，并且可以連接到列線COLb至COL(b+3)中的一個列線，以根據(jù)行驅(qū)動器塊160的控制來輸出像素信號。
[0125]圖5A至圖5C是用于實現(xiàn)圖4中示出的像素陣列的結(jié)構(gòu)110_1的布局110_la、110-lb和110-C的示圖。
[0126]參照圖1、圖2、圖4和圖5A，單位像素120-la中的每個單位像素的源極S、柵極G和漏極D順序地沿著行方向布置。每個單位像素120-la可以包括與相鄰的單位像素120-la電隔離的阱層121。
[0127]參照圖5B，分別屬于相鄰列的單位像素120-lb可以通過沿著列方向形成的淺溝槽隔離(STI) 122彼此電隔離。STI122可以通過形成淺溝槽并且用氧化物或氮化物填充溝槽來形成。STI122可以防止由每個單位像素120-lb中包括的光電二極管(未示出)產(chǎn)生的光電荷擴散到相鄰的單位像素120-lb。
[0128]參照圖5C，單位像素120-lc中的每個可以通過沿著行方向形成的STI123和沿著列方向形成的STI122與相鄰的單位像素120-lc電隔離。
[0129]圖6是圖1中示出的像素陣列110的結(jié)構(gòu)的另一個示例的示意圖。
[0130]參照圖1、圖2、圖4和圖6，在與圖4中示出的像素陣列110的布置的部分110_1不同的圖6中示出的像素陣列110的布置的部分110-2中，在列方向上相鄰的單位像素120-2共用源極或漏極。共用源極的相鄰單位像素120-2中分別包括的單個晶體管接收源極電壓信號SVSc至SVS (c+2)之中的相同信號。單位像素120-2中的每個單位像素中包括的單個晶體管具有獨立的柵極，因此接收柵極電壓信號GVSc至GVS (c+3)中的一個。單位像素120-2中的每個單位像素中包括的單個晶體管可以連接到列線COLd至COL (d+3)中的一個。由于在圖6中示出的布置的部分110-2中，列方向上相鄰的單位像素120-2共用源極或漏極，因此像素陣列110可以被實現(xiàn)成每個單位面積包括更多像素或者被實現(xiàn)為尺寸更小。
[0131]圖7A和圖7B是用于實現(xiàn)圖6中示出的像素陣列110的結(jié)構(gòu)110_2的布局110_2a和110-2b的示圖。
[0132]參照圖1、圖2、圖6和圖7A，列方向上相鄰的單位像素120_2a共用源極S或漏極Do每個單位像素120-2a可以包括用于與相鄰單位像素120-2a電隔離的阱層121。
[0133]參照圖7B，分別屬于相鄰列的單位像素120_2b可以通過沿著列方向形成的STI122彼此電隔離。
[0134]圖8是圖1中示出的像素陣列110的結(jié)構(gòu)的又一個示例的示意圖。
[0135]參照圖1、圖2、圖4至圖5C和圖8，在與圖4中示出的部分110_1不同的圖8中示出的像素陣列110的布置的部分110-3中，每個列中相鄰的單位像素120-3可以接收源極電壓信號SVSf至SVS (f+3)之中的相同信號。
[0136]在像素陣列110的布置的部分110-3中，單位像素120_3中的每個單位像素中包括的單個晶體管具有連接到行驅(qū)動器塊160的源極和柵極，因此接收源極電壓信號SVSf至SVS (f+3)中的一個源極電壓信號和柵極電壓信號GVSe至GVS (e+3)中的一個柵極電壓信號。單個晶體管還具有連接到讀出塊190的漏極并且可以連接到列線COLf至C0L(f+3)中的一個，以根據(jù)行驅(qū)動器塊160的控制來輸出像素信號。
[0137]由于單位像素120-3中的每個單位像素中包括的單個晶體管的源極和漏極分別單獨地形成，因此除了上述差別(即，源極端子的布線)之外，圖5A至圖5C中示出的布局IlO-1a至IlO-1c可以按基本相同的方式使用。
[0138]圖9是圖1中示出的像素陣列110的結(jié)構(gòu)的再一個示例的示意圖。
[0139]參照圖1、圖2、圖4至圖5C、圖8和圖9，在與圖8中示出的部分110_3不同的圖9中示出的像素陣列110的布置的部分110-4中，沿著行設(shè)置在奇數(shù)位置的單位像素120-4可以接收柵極電壓信號GVSh_l和GVS (h+Ι) _1至GVS (h+3) _1之中的相同信號，沿著行設(shè)置在偶數(shù)位置的單位像素120-4可以接收柵極電壓信號GVSh_2和GVS (h+Ι) _2至GVS (h+3) _2之中的相同信號。
[0140]因此，可以不同地控制設(shè)置在奇數(shù)位置的單位像素120-4和設(shè)置在偶數(shù)位置的單位像素120-4。例如，當(dāng)設(shè)置在奇數(shù)位置的單位像素120-4在集成模式下操作時，設(shè)置在偶數(shù)位置的單位像素120-4可以在讀出模式下操作。然而，示例實施例不限于當(dāng)前實施例。除了上述差別之外，圖9中不出的部分110-4與圖8中不出的部分110-3基本上相同。
[0141]圖10是用于詳細說明圖2中示出的單位像素120的框圖。
[0142]參照圖1、圖2和圖10，單位像素120可以包括單個晶體管SX和光電二極管H)。為了方便起見，假設(shè)在圖10至圖39中示出的實施例中，光電轉(zhuǎn)換元件是光電二極管，但示例實施例不限于這些示例實施例。光電二極管ro具有連接到地的第一端和可以與單個晶體管sx的本體(或體)連接或者電斷開的第二端。光電二極管ro可以保留與通過透鏡500輸入的光強度成比例產(chǎn)生的光電荷。
[0143]單個晶體管SX具有連接到行驅(qū)動器塊160的源極和柵極，因此可以接收源極電壓信號SVS和柵極電壓信號GVS。單位像素120可以根據(jù)源極電壓信號SVS和柵極電壓信號GVS而具有三種操作模式，S卩，集成模式、重置模式和讀出模式。隨后，將參照圖39詳細描述確定操作模式所依據(jù)的源極電壓信號SVS和柵極電壓信號GVS。
[0144]在集成模式下，在由入射光產(chǎn)生的光電荷(即，電子和空穴)之中，一種類型的光電荷(即，電子或空穴)累積在光電二極管ro中。在重置模式下，累積在光電二極管ro中的光電荷通過源極或漏極而耗盡。
[0145]在讀出模式下，通過列線COL輸出與累積在光電二極管ro中的光電荷對應(yīng)的像素信號。像素信號包括圖像信號和重置信號。圖像信號是就在集成模式之后的讀出模式下輸出的信號并且重置信號是就在重置模式之后的讀出模式下輸出的信號。
[0146]在讀出模式下，單個晶體管SX的本體電壓可以根據(jù)累積在光電二極管ro中的光電荷而不同。單個晶體管SX的閾值電壓可以隨著本體電壓而變化。當(dāng)單個晶體管SX的閾值電壓變化時，可以得到與在源極電壓變化時得到的結(jié)果相同的結(jié)果。通過使用這個原理，單位像素120可以輸出具有至少兩個電平的數(shù)字像素信號。
[0147]圖11是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的用于形成圖2中示出的單位像素120的布局130的示圖。
[0148]參照圖2和圖11，在布局130中，順序地形成單個晶體管的源極S、柵極G和漏極D并且形成連接源極S和漏極D的溝道131。另外，在布局130中可以包括用于與相鄰的單位像素(未示出)電隔離的阱層132。
[0149]盡管未示出，但在布局130中可以包括用于與在方向A或B上相鄰的單位像素電隔離的STI (圖13C和圖13D中的138)。另外，在STI138內(nèi)可以形成接收圖2中示出的背柵極電壓信號BVS的背柵極(圖13C和圖13D中的B)。背柵極B可以從行驅(qū)動器塊160接收背柵極電壓信號BVSl至BVSn中的一個。
[0150]圖12至圖15示出沿著圖11中示出的布局130的A方向上的橫截面截取的不同布局的各個示例。
[0151]圖12是在圖11中示出的布局130中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板140_1的橫截面的示例130A-1的示圖。
[0152]參照圖11和圖12，示例130A-1可以包括單個晶體管的源極S、柵極G和漏極D、溝道131、阱層132、光電二極管133、柵極絕緣層134、第一外延層135和第二外延層136?？梢曰谕?Si)基板形成半導(dǎo)體基板140-1。
[0153]單個晶體管的源極S、柵極G和漏極D可以用作單個晶體管的端子?？梢酝ㄟ^執(zhí)行離子注入將源極S和漏極D形成為高濃度摻雜區(qū)。當(dāng)單個晶體管是P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)晶體管時，源極S和漏極D可以是摻雜有P+型雜質(zhì)的P區(qū)。相反地，當(dāng)單個晶體管是N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管時，源極S和漏極D可以是摻雜有N+型雜質(zhì)的N區(qū)?？梢允褂枚嗑Ч鑱硇纬蓶艠OG。
[0154]溝道131可以被形成為，使載流子在單個晶體管的源極S和漏極D之間平穩(wěn)地流動。當(dāng)單個晶體管是PMOS晶體管時，載流子是空穴，而當(dāng)單個晶體管是NMOS晶體管時，載流子是電子。溝道131不是必要的，而是可以選擇性地形成。可以使用S1、鍺(Ge)或SiGe形成溝道131。當(dāng)單個晶體管是PMOS晶體管時，阱層132可以摻雜有N-型雜質(zhì)，而當(dāng)單個晶體管是NMOS晶體管時，阱層132可以摻雜有P-型雜質(zhì)。
[0155]光電二極管133可以形成在阱層132中。當(dāng)單個晶體管是PMOS晶體管時，光電二極管133可以摻雜有N型雜質(zhì)，而當(dāng)單個晶體管是NMOS晶體管時，光電二極管133可以摻雜有P型雜質(zhì)。
[0156]可以形成柵極絕緣層134以使柵極G和溝道131之間絕緣。可以使用Si02、Si0N、SiN、A1203、Si3N4, Gex0yNz> GexSiyOz或高介電常數(shù)材料來形成柵極絕緣層134。可以使用HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5、硅酸鉿、硅酸鋯或其組合的原子層沉積來形成高介電常數(shù)材料。
[0157]可以利用外延生長法形成第一外延層135和第二外延層136。當(dāng)單個晶體管是PMOS晶體管時，第一外延層135和第二外延層136可以分別摻雜有P-型和P+型雜質(zhì)。相反地，當(dāng)單個晶體管是NMOS晶體管時，第一外延層135和第二外延層136可以分別摻雜有N-型和N+型雜質(zhì)。
[0158]盡管在圖12中未示出，但在源極S、柵極G和漏極上可以形成用于操作像素陣列110的導(dǎo)線(即，用于與行驅(qū)動器塊160和讀出塊190連接的導(dǎo)線)，以提供背面照明(BSI)，從而提高光電二極管133的導(dǎo)光效率。
[0159]圖13A是在圖11中示出的布局130中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板140_2a的橫截面的另一個示例130A-2a的示圖。
[0160]參照圖11至圖13A，在示例130A_2a中，可以使用蝕刻工藝在半導(dǎo)體基板140_2a中嵌入柵極G。換句話講，半導(dǎo)體基板140-2a可以具有凹陷柵極結(jié)構(gòu)。
[0161]因此，溝道131也嵌入半導(dǎo)體基板140_2a中，使得光電二極管133形成在半導(dǎo)體基板140-2a內(nèi)。因此，從光電二極管133到源極S或漏極D的距離增大。當(dāng)光電二極管133和源極S或漏極D之間的距離增大時，光電二極管133對溝道131的影響會增大。
[0162]具體地，在其中柵極G的長度是50nm或更小的超小像素陣列110中，從光電二極管133到源極S或漏極D的距離非常接近，從而阻礙了單個晶體管的平穩(wěn)操作。換句話講，當(dāng)柵極G的長度是50nm或更小時，光電二極管133和源極S或漏極D之間的距離太過接近，使得光電二極管133對溝道131的影響減小。結(jié)果，可以由于累積在光電二極管133中的光電荷而導(dǎo)致產(chǎn)生像素信號。因此，當(dāng)使用極小的單位像素來實現(xiàn)圖像傳感器100時，可能優(yōu)選的是，以凹陷柵極結(jié)構(gòu)形成像素陣列110。
[0163]除了上述差別之外，圖13A中示出的半導(dǎo)體基板140_2a與圖12中示出的半導(dǎo)體基板140-1基本上相同。
[0164]圖13B是在圖11中示出的布局130中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板140_2b的橫截面的又一個示例130A-2b的示圖。
[0165]參照圖11至圖13B，示例130A_2b中的柵極G可以形成為凹陷柵極結(jié)構(gòu)，如同圖13A中示出的示例130A-2a中一樣。
[0166]光電二極管133可以在柵極G周圍形成為與源極S相比更靠近漏極D。換句話講，光電二極管133可以形成為關(guān)于柵極G不對稱的結(jié)構(gòu)。在其它實施例中，光電二極管133可以形成為與漏極D相比更靠近源極S。
[0167]當(dāng)如圖13B中所示地形成光電二極管133時，光電二極管133的整個尺寸可以減小。當(dāng)光電二極管133的整個尺寸減小時，累積在光電二極管133中的光電荷和溝道131之間的距離也減小，因此，根據(jù)庫倫定律，光電二極管133對溝道131的影響增大。
[0168]具體地，與圖13A中示出的凹陷柵極結(jié)構(gòu)相比，其中光電二極管133如圖13B中所示關(guān)于柵極G不對稱地形成在具有長度為32nm或更小的柵極G的超小像素陣列110中的凹陷柵極結(jié)構(gòu)可以具有更高的光電轉(zhuǎn)換增益(mV/e_)和更高的電阻變化(％/e-)。例如，在其中柵極G的長度是22nm的像素陣列110中，單個光電荷可以產(chǎn)生大約60mV的轉(zhuǎn)換電壓和大約18%的電阻變化。
[0169]圖13C是在圖11中示出的布局130中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板140-2c的橫截面的再一個示例130A-2c的示圖。
[0170]參照圖11至圖13C，在示例130A-2C中可以形成用于與方向A上相鄰的單位像素(未示出)電隔離的STI138。在STI138內(nèi)可以形成背柵極B。
[0171]可以通過形成淺溝槽并且用氧化物或氮化物填充溝槽來形成STI138。此后，可以通過使用多晶硅形成背柵極B。當(dāng)背柵極B從行驅(qū)動器塊160接收背柵極電壓信號BVSl至BVSn中的一個時，可以形成與圖13B中示出的光電二極管133具有類似功能的虛擬光電二極管133-1。為了形成虛擬光電二極管133-1，適當(dāng)?shù)氖?，?dāng)單個晶體管是NMOS晶體管時，背柵極電壓信號BVSl至BVSn具有-0.5V或更低的電壓，或者當(dāng)單個晶體管是PMOS晶體管時，背柵極電壓信號BVSl至BVSn具有0.5V或更高的電壓。這只是例子并且示例實施例不限于此。
[0172]當(dāng)形成虛擬光電二極管133-1時，可以執(zhí)行與圖13B中示出的實施例中關(guān)于柵極G以不對稱結(jié)構(gòu)形成的光電二極管133基本上相同的功能。
[0173]圖13D是在圖11中示出的布局130中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板140-2d的橫截面的另一個示例130A-2d的示圖。
[0174]參照圖11至圖13D，示例130A_2d可以包括圖13C中示出的STI138和背柵極B連同圖13B中示出的實施例中關(guān)于柵極G以不對稱結(jié)構(gòu)形成的光電二極管133。因此，圖13D中示出的示例130A-2d中的光電二極管133對溝道131的影響可以大于圖13A至圖13C中分別示出的示例130A-2a至示例130A-2c中的光電二極管133對溝道131的影響。
[0175]圖14是在圖11中示出的布局130中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板140-3的橫截面的又一個示例130A-3的示圖。
[0176]參照圖11至圖14，在示例130A-3中，使用鍺Ge或SiGe替代Si來形成溝道131’。換句話講，半導(dǎo)體基板140-3可以具有Ge溝道結(jié)構(gòu)。
[0177]當(dāng)使用Ge或SiGe形成溝道131’時，光電二極管133對溝道131’的影響可以增大，如在圖13A至圖13D中分別示出的半導(dǎo)體基板140-2a至140-2d中一樣。換句話講，光電二極管133將光電荷存儲在局部化的溝道131’中，使得光電二極管133對溝道131’的影響增大。
[0178]除了上述差別之外，半導(dǎo)體基板140-3與圖12中示出的半導(dǎo)體基板140_1基本上相同。
[0179]圖15是在圖11中示出的布局130中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板140-4的橫截面的再一個示例130A-4的示圖。
[0180]參照圖11至圖15，在示例130A-4中可以使用Si形成溝道131。光電二極管133可以是P或N摻雜的Si區(qū)?？梢允褂肎e或SiGe在光電二極管133和溝道131之間形成內(nèi)部光電二極管137。
[0181]當(dāng)內(nèi)部光電二極管137與光電二極管133相鄰地形成時，光電二極管133對溝道131的影響增大，如圖14中示出的半導(dǎo)體基板140-3中一樣。換句話講，光電二極管133將光電荷存儲在內(nèi)部光電二極管137中，使得光電二極管133對溝道131的影響增大。
[0182]除了上述差別之外，半導(dǎo)體基板140-4與圖12中示出的半導(dǎo)體基板140_1基本上相同。
[0183]圖16至圖18示出沿著圖11中示出的布局130的B方向上的橫截面截取的不同布局的各種示例。
[0184]圖16是在圖11中示出的布局130中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板140-5的橫截面的示例130B-1的示圖。
[0185]參照圖11至圖16，示例130B-1中的單個晶體管的柵極G、溝道131、阱層132、光電二極管133、柵極絕緣層134、第一外延層135和第二外延層136與圖12中示出的那些基本上相同。
[0186]參照圖16，溝道131的一個側(cè)面可以接觸柵極絕緣層134并且溝道131的另一側(cè)面可以接觸光電二極管133。溝道131的剩余側(cè)可以接觸阱層132。
[0187]圖12中示出的單個晶體管的源極S、柵極G和漏極D、溝道131、阱層132、光電二極管133、柵極絕緣層134、第一外延層135和第二外延層136以相同的方式應(yīng)用于圖16中示出的示例130B-1。
[0188]圖17是在圖11中示出的布局130中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板140-6的橫截面的另一個示例130B-2的示圖。
[0189]參照圖11至圖17，在圖17中示出的示例130B-2中，溝道131的一個側(cè)面接觸柵極絕緣層134并且溝道131的其它三個相鄰的側(cè)面接觸光電二極管133。
[0190]除了上述差別之外，半導(dǎo)體基板140-6與圖16中示出的半導(dǎo)體基板140_5基本上相同。
[0191]圖18是在圖11中示出的布局130中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板140-7的橫截面的又一個示例130B-3的示圖。
[0192]參照圖11至圖18，在示例130B-3中，溝道131的四個側(cè)面接觸光電二極管133。除了這個差別之外，圖18中示出的半導(dǎo)體基板140-7與圖16中示出的半導(dǎo)體基板140-5基本上相同。
[0193]圖19是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的用于形成圖2中示出的單位像素120的布局230的示圖。
[0194]參照圖2、圖11和圖19，如圖11中示出的布局130中一樣，在布局230中形成單個晶體管的源極S、柵極G和漏極D、溝道131和阱層132。還可以形成STI138，用于與布局230中的方向B上相鄰的單位像素(未示出)電隔離。
[0195]在布局230中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板的橫截面可以與布局130中沿著方向A截取的橫截面130A-1至130A-4中的一個對應(yīng)。
[0196]圖20是在圖19中示出的布局230中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板240_1的橫截面的示例230B-1的示圖。圖21是在圖19中示出的布局230中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板240-2的橫截面的另一個示例230B-2的示圖。圖22是在圖19中示出的布局230中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板240-3的橫截面的又一個示例230B-3的示圖。
[0197]參照圖12、圖16至圖18和圖19至圖22，示例230B-1至230B-3中的單個晶體管的柵極G、溝道131、阱層132、光電二極管133、柵極絕緣層134、第一外延層135和第二外延層136與圖12中示出的那些基本上相同。
[0198]在圖20至圖22中分別示出的示例230B-1至230B-3中，可以在光電二極管133的兩側(cè)形成STI138。STI138有效地防止光電二極管133中產(chǎn)生的光電荷擴散到相鄰的其它單位像素(未示出)。圖20至圖22中示出的示例230B-1至230B-3中的溝道131、光電二極管133和柵極絕緣層134之間的位置關(guān)系與圖16至圖18中分別示出的示例130B-1至130B-3中的溝道131、光電二極管133和柵極絕緣層134之間的位置關(guān)系基本上相同。[0199]圖23是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的用于形成圖2中示出的單位像素120的布局330的示圖。
[0200]參照圖2、圖11和圖23，像圖11中示出的布局130—樣，布局330包括單個晶體管的源極S、柵極G和漏極D、溝道131和阱層132。在布局330中，柵極G可以與漏極D相鄰地形成。在布局330中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面可以與圖16至圖18中分別示出的橫截面130B-1至130B-3中的一個對應(yīng)。
[0201]圖24是在圖23中示出的布局330中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板340_1的橫截面的示例330A-1的示圖。圖25是在圖23中示出的布局330中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板340-2的橫截面的另一個示例330A-2的示圖。
[0202]參照圖12和圖23至圖25，示例330A-1和330A-2中的單個晶體管的源極S、柵極G和漏極D、溝道131、阱層132、光電二極管133、柵極絕緣層134、第一外延層135和第二外延層136與圖12中示出的那些基本上相同。
[0203]在示例330A-1和330A-2中，單個晶體管的柵極G可以與漏極D相鄰地形成。
[0204]在圖24中示出的示例330A-1中，光電二極管133可以形成得比溝道131短并且與源極S相鄰。換句話講，光電二極管133和柵極G交替地設(shè)置，從而在讀出模式期間對柵極G的影響最小。結(jié)果，累積在光電二極管133中的光電荷對溝道131的影響增大。另外，當(dāng)在重置模式下向漏極D施加重置電壓時，允許通過向與漏極D相鄰的柵極G施加特定電壓來有效地執(zhí)行重置操作。
[0205]在圖25中示出的示例330A-2中，光電二極管133被形成為具有與溝道131幾乎相同的長度，使得導(dǎo)光效率比圖24中示出的示例330A-1中的高。
[0206]圖26是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的用于形成圖2中示出的單位像素120的布局430的示圖。
[0207]參照圖2、圖11和圖26，像圖11中示出的布局130—樣，布局430包括單個晶體管的源極S、柵極G和漏極D、溝道131和阱層132。在布局430中，在源極S中可以形成重置端子139。
[0208]在布局430中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板的橫截面可以對應(yīng)于圖16至圖18中分別示出的橫截面130B-1至130B-3中的一個。
[0209]盡管在圖26中未示出，但可以形成用于與方向A或B上相鄰的單位像素(未示出)電隔離的STI (圖28C和圖28D中的138)。另外，在STI138中可以形成接收圖2中示出的背柵極電壓信號BVS的背柵極(圖28C和圖28D中的B)。背柵極B可以從行驅(qū)動器塊160接收背柵極電壓信號BVSl至BVSn中的一個。當(dāng)布局430包括沿著方向A形成的STI時，在布局430中沿著方向B截取的橫截面可以與圖20至圖22中分別示出的橫截面230B-1至230B-3中的一個對應(yīng)。
[0210]圖27是在圖26中示出的布局430中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板440_1的橫截面的示例430A-1的示圖。圖28A是在圖26中示出的布局430中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板440-2a的橫截面的另一個示例430A-2a的示圖。圖28B是在圖26中示出的布局430中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板440-2b的橫截面的又一個示例430A-2b的示圖。圖28C是在圖26中不出的布局430中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板440-2c的橫截面的再一個不例430A-2C的示圖。圖28D是在圖26中示出的布局430中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板440-2d的橫截面的另一個示例430A-2d的示圖。圖29是在圖26中示出的布局430中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板440-3的橫截面的又一個示例430A-3的示圖。圖30是在圖26中不出的布局430中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板440-4的橫截面的再一個不例430A-4的示圖。
[0211]參照圖12至圖15和圖26至圖30，示例430A-1至430A-4中的單個晶體管的源極S、柵極G、漏極D和背柵極B、溝道131、阱層132、光電二極管133、柵極絕緣層134、第一外延層135、第二外延層136、內(nèi)部光電二極管137和STI138分別與圖12至圖15中示出的那些基本上相同。
[0212]當(dāng)單個晶體管是PMOS晶體管時，圖27至圖30中示出的源極S中形成的重置端子139可以摻雜有N+型雜質(zhì)，而當(dāng)單個晶體管是NMOS晶體管時，圖27至圖30中示出的源極S中形成的重置端子139可以摻雜有P+型雜質(zhì)。重置端子139可以從行驅(qū)動器塊160接收重置電壓信號RVS并且消除光電二極管133的光電荷。
[0213]圖31是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的用于形成圖2中示出的單位像素120的布局530的示圖。
[0214]參照圖2、圖11和圖31，像圖11中示出的布局130—樣，布局530包括單個晶體管的源極S、柵極G和漏極D、溝道131和阱層132。布局530還可以包括位于柵極G下方的重置端子139，使得重置阱層141插入在重置端子139和柵極G之間。
[0215]盡管在圖31中未示出，但可以形成用于與在方向A或B上相鄰的單位像素(未示出)電隔離的STI (圖33C和圖33D中的138)。另外，在STI138中可以形成接收圖2中示出的背柵極電壓信號BVS的背柵極(圖33C和圖33D中的B)。背柵極B可以從行驅(qū)動器塊160接收背柵極電壓信號BVSl至BVSn中的一個。
[0216]圖32是在圖31中示出的布局530中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板540_1的橫截面的示例530A-1的示圖。圖33A是在圖31中示出的布局530中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板540-2a的橫截面的另一個示例530A-2a的示圖。圖33B是在圖31中示出的布局530中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板540-2b的橫截面的又一個示例530A-2b的示圖。圖33C是在圖31中不出的布局530中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板540-2c的橫截面的再一個不例530A-2C的示圖。圖33D是在圖31中示出的布局530中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板540-2d的橫截面的另一個示例530A-2d的示圖。圖34是在圖31中示出的布局530中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板540-3的橫截面的又一個示例530A-3的示圖。圖35是在圖31中不出的布局530中沿著方向A截取的半導(dǎo)體基板540-4的橫截面的再一個不例530A-4的示圖。
[0217]參照圖12至圖15和圖32至圖35，示例530A-1至530A-4中的單個晶體管的源極
S、柵極G、漏極D和背柵極B、溝道131、阱層132、光電二極管133、柵極絕緣層134、第一外延層135、第二外延層136、內(nèi)部光電二極管137和STI138分別與圖12至圖15中示出的那些基本上相同。
[0218]圖36是在圖31中示出的布局530中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板540_1的橫截面的示例530B-1的示圖。圖37是在圖31中示出的布局530中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板540-2的橫截面的另一個示例530B-2的示圖。圖38是在圖31中示出的布局530中沿著方向B截取的半導(dǎo)體基板540-3的橫截面的又一個示例530B-3的示圖。[0219]參照圖16至圖18和圖36至圖38，示例530B-1至530B-3中的單個晶體管的柵極
G、溝道131、阱層132、光電二極管133、柵極絕緣層134、第一外延層135和第二外延層136分別與圖16至圖18中示出的那些基本上相同。
[0220]在圖36至圖38中分別示出的示例530B-1至530B-3中，可以形成重置端子139和重置阱層141。當(dāng)單個晶體管是PMOS晶體管時，重置端子139可以摻雜有N+型雜質(zhì)，而當(dāng)單個晶體管是NMOS晶體管時，重置端子139可以摻雜有P+型雜質(zhì)。重置端子139可以從行驅(qū)動器塊160接收重置電壓信號RVS并且消除光電二極管133的光電荷?？梢孕纬芍刂泌鍖?41，其接觸光電二極管133和重置端子139，以將光電荷從光電二極管133轉(zhuǎn)移到重置端子139。
[0221]另外，示例530B-1至530B-3中的溝道131、光電二極管133和柵極絕緣層134之間的位置關(guān)系與圖16至圖18中分別示出的示例130B-1至130B-3基本上相同。因此，將省略對其的描述。
[0222]已經(jīng)參照圖11至圖38描述的布局、沿著方向A截取的橫截面、沿著方向B截取的橫截面不是相互獨立的，在必要時可以彼此組合。
[0223]圖39是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的在不同操作模式下向圖2中示出的單位像素120施加的電壓的示圖。
[0224]參照圖2、圖10、圖12和圖39，圖39示出在集成模式、重置模式和讀出模式下施加到單位像素120的電壓。經(jīng)定義，當(dāng)向單個晶體管SX的源極S施加源極電壓信號SVS時出現(xiàn)的電壓值是源極電壓Vs，當(dāng)向單個晶體管SX的柵極G施加?xùn)艠O電壓信號GVS時出現(xiàn)的電壓值是柵極電壓Vg，輸出到單個晶體管SX的漏極D的電壓值是漏極電壓Vd，以及施加到半導(dǎo)體基板(例如，圖12中的阱層132)的電壓值是基板電壓Vsub。
[0225]為了在集成模式下通過雪崩效應(yīng)弓I起光電荷放大，源極電壓Vs、柵極電壓Vg和基板電壓Vsub可以分別是第一集成電壓VINTl、第二集成電壓VINT2和OV。例如，當(dāng)單個晶體管SX是PMOS晶體管時，第一集成電壓VINTl可以是OV并且第二集成電壓VINT2可以是OV或正電壓(例如，O至5V )。當(dāng)單個晶體管SX是NMOS晶體管時，第一集成電壓VINTI可以是OV并且第二集成電壓VINT2可以是OV或負電壓(例如，O至-5V)。當(dāng)單個晶體管SX在接收到電壓的情況下進入集成模式時，單個晶體管SX被禁用并且與輸入到光電二極管ro并累積在單個晶體管SX中的光的強度對應(yīng)地產(chǎn)生光電荷。漏極電壓Vd可以是0V。
[0226]可選擇地，為了在集成模式下通過雪崩效應(yīng)升高光電荷放大，可以向源極S或漏極D而非柵極G施加高電壓(例如，就PMOS晶體管而言，3.3V或更高)或低電壓(例如，就NMOS晶體管而言，-3.3V或更低)。
[0227]為了防止光電二極管H)累積光電荷，可以向源極S和漏極D施加特定電壓(對于PMOS晶體管而言是負電壓或者對于NMOS晶體管而言是正電壓)，以阻止光電荷流入到光電二極管ro中。換句話講，可以通過調(diào)節(jié)源極S和漏極D的電壓來實現(xiàn)電閘門。
[0228]在重置模式下，源極電壓Vs、柵極電壓Vg和基板電壓Vsub可以分別是第一重置電壓VRESET1、第二重置電壓VRESET2和0V。例如，當(dāng)單個晶體管SX是PMOS晶體管時，第一重置電壓VRESET1可以是至少1.5V的正電壓，第二重置電壓VRESET2可以是0V。當(dāng)單個晶體管SX是NMOS晶體管時，第一重置電壓VRESET1可以是至多-1.5V的負電壓并且第二重置電壓VRESET2可以是0V。當(dāng)單個晶體管SX在接收到電壓的情況下進入重置模式時，可以通過半導(dǎo)體基板(例如，圖12中的阱層132)重置累積在光電二極管ro處的光電荷。漏電壓Vd可以是0V。
[0229]在讀出模式下，源極電壓Vs、柵極電壓Vg和基板電壓Vsub可以分別是第一讀電壓VREAD1、第二讀電壓VREAD2和0V。例如，在不受光電二極管H)的影響時，當(dāng)單個晶體管SX是PMOS晶體管時，第一讀電壓VREADI可以是電源電壓VDD，第二讀電壓VREAD2可以低于單個晶體管SX的閾值電壓。在不受光電二極管H)的影響時，當(dāng)單個晶體管SX是NMOS晶體管時，第一讀電壓VREADl可以是電源電壓VDD，第二讀電壓VREAD2可以高于單個晶體管SX的閾值電壓。電源電壓VDD可以是圖像傳感器100的電源電壓并且可以為-3V至3V。當(dāng)單個晶體管SX在接收到電壓的情況下進入讀出模式時，可以感測單個晶體管SX的閾值電壓相對于累積在光電二極管ro的光電荷的變化并且可以將漏極電壓Vd (B卩，電源電壓VDD)輸出為像素信號Vout。
[0230]例如，假設(shè)單個晶體管SX是NMOS晶體管，則在不受光電二極管H)影響時單個晶體管SX的閾值電壓是IV，在光電二極管ro產(chǎn)生一個光電荷時，閾值電壓變化至1.4V。當(dāng)光電二極管ro產(chǎn)生一個光電荷時，可以啟用單個晶體管sx并且可以輸出高電平(例如，IV)的像素信號vout。當(dāng)光電二極管ro沒有產(chǎn)生光電荷時，可以禁用單個晶體管sx并且可以輸出低電平(例如，0V)的像素信號Vout。
[0231]圖40是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的操作圖1中示出的圖像處理系統(tǒng)10的方法的流程圖。
[0232]參照圖1至圖3、圖10、圖39和圖40，在操作S600中，在重置模式下，可以響應(yīng)于分別施加到單個晶體管SX的源極和柵極的第一重置電壓VRESET1和第二重置電壓VRESET2，來消除累積在與單個晶體管SX的本體連接的光電二極管H)處的光電荷。
[0233]被對象400反射的光透過透鏡入射在像素陣列110上。在操作S610中，在集成模式下，像素陣列Iio的單位像素120中的每個單位像素中包括的光電二極管ro可以累積根據(jù)入射光強度而產(chǎn)生的光電荷。在操作S620中，在讀出模式下，每個單位像素120可以基于累積的光電荷和柵極電壓信號GVS根據(jù)施加到單個晶體管SX的柵極的第二讀電壓VREAD2來輸出像素信號。此時，單位像素120可以根據(jù)行驅(qū)動器塊160的控制來順序地輸出數(shù)字像素號。
[0234]讀出塊190可以放大并且暫時存儲從像素陣列110輸出的像素信號。根據(jù)時序發(fā)生器170的控制，讀出塊190可以將像素信號順序地發(fā)送到圖像信號處理器220。在操作S630中，圖像信號處理器220可以在如圖3A中所示的單位像素120中的每個單位像素中產(chǎn)生圖像，或者可以在如圖3B中所示的包括多個單位像素120的子像素組114-1至114-4中的每個自像素組中產(chǎn)生圖像。
[0235]圖41是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的包括圖1中示出的圖像傳感器100的電子系統(tǒng)1000的框圖。
[0236]參照圖1和圖41，電子系統(tǒng)1000可以被實現(xiàn)為可以使用或支持移動產(chǎn)業(yè)處理器接口(MIPI)的數(shù)據(jù)處理裝置，諸如移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、便攜式媒體播放器(PMP)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議電視(IPTV)或智能電話。電子系統(tǒng)1000包括圖像傳感器100、應(yīng)用處理器1010和顯示器1050。
[0237]在應(yīng)用處理器1010中實現(xiàn)的相機串行接口(CSI)主機1012可以通過CSI與圖像傳感器100中包括的CSI裝置1041執(zhí)行串行通信。此時，可以分別在CSI主機1012和CSI裝置1041中實現(xiàn)可選的解串器DES和可選的串行器SER。
[0238]在應(yīng)用處理器1010中實現(xiàn)的顯示器串行接口(DSI)主機1011可以通過DSI與包括在顯示器1050中的DSI裝置1051執(zhí)行串行通信。此時，可以分別在DSI主機1011和DSI裝置1051中實現(xiàn)可選的串行器SER和可選的解串器DES。
[0239]電子系統(tǒng)1000還可以包括與應(yīng)用處理器1010通信的射頻(RF)芯片1060。應(yīng)用處理器1010的物理層(PHY) 1013和RF芯片1060的PHY1061可以根據(jù)MIPIDigRF彼此進行數(shù)據(jù)通信。
[0240]電子系統(tǒng)1000還可以包括全球定位系統(tǒng)(GPS) 1020、存儲器1070、擴音器(MIC)1080、動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM) 1085和揚聲器1090。電子系統(tǒng)1000可以使用微波存取全球互通(Wimax) 1030、無線局域網(wǎng)(WLAN) 1100和/或超寬帶(UWB) 1110進行通信。
[0241]圖42是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的包括圖1中示出的圖像傳感器100的電子系統(tǒng)1100的框圖。
[0242]參照圖1和圖42，電子系統(tǒng)1100可以包括圖像傳感器100、處理器1115、存儲器1120、顯示單元 1130 和 I/F1140。
[0243]處理器1115可以控制圖像傳感器100的操作。例如，處理器1115可以基于來自圖像傳感器100的顏色信息和/或深度信息來產(chǎn)生二維和/或三維圖像數(shù)據(jù)。
[0244]存儲器1120可以存儲用于根據(jù)處理器1115的控制來通過總線1150控制圖像傳感器100的操作的程序并且可以存儲處理器1115產(chǎn)生的圖像。處理器1115可以訪問存儲器1120并且執(zhí)行程序。存儲器1120可以由非易失性存儲器來實現(xiàn)。根據(jù)處理器1115的控制，圖像傳感器100可以基于數(shù)字像素信號(例如，顏色信息和/或深度信息)來產(chǎn)生二維和/或三維圖像數(shù)據(jù)。
[0245]顯示單元1130可以從處理器1115或存儲器1120接收圖像并且通過液晶顯示器(IXD)或有源矩陣型有機發(fā)光二極管(AMOLED)來顯示圖像。I/F1140可以被實現(xiàn)為輸入并輸出二維或三維圖像。I/F1140可以是無線I/F。
[0246]圖43是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實施例的圖1中示出的像素陣列110的橫截面150-1的示圖。
[0247]參照圖1至圖3B、圖10至圖38和圖43，圖43示出沿著行方向或列方向截取的像素陣列Iio的橫截面150-1。為了方便描述的緣故，橫截面150-1只包括六個單位像素120。
[0248]橫截面150-1可以包括單位像素120、第三外延層152、濾色器層154和微透鏡層156。假設(shè)入射光首先穿過的微透鏡層156對應(yīng)于下部并且單位像素120對應(yīng)于上部。
[0249]多個單位像素120可以排列成行?？梢愿鶕?jù)圖11、圖19、圖23、圖26和圖31中分別示出的布局中的一個布局來實現(xiàn)每個單位像素120。沿著行方向或列方向截取的單位像素120的橫截面可以與圖12至圖18、圖20至圖22、圖24、圖25、圖27至圖30以及圖32至圖38中分別示出的橫截面中的一個橫截面對應(yīng)。
[0250]因此，第三外延層152可以比第二外延層136更遠離單位像素120的柵極G。在這種情況下，光電二極管133可以被設(shè)置成比用于像素陣列110 (是背面照明(BSI)構(gòu)造)的布線的金屬層(未示出)更靠近于微透鏡層156，使得光電二極管133的聚光能力增強。
[0251]第三外延層152可以形成在單位像素120下方。像第一外延層135和第二外延層136—樣，可以使用外延生長法來形成第三外延層152。第三外延層152可以摻雜有P-型雜質(zhì)。
[0252]濾色器層154可以形成在第三外延層152下方并且可以選擇性地使具有期望(或可選擇地，預(yù)定的)波長(例如，紅色、綠色、藍色、紫紅色、黃色或藍綠色)的光通過。稱為保護層(over-coating layer)的平面化層(未示出)可以形成在濾色器層154上。當(dāng)單位像素120是深度像素時，可以省去濾色器層154。
[0253]濾色器層154中的濾色器155可以被設(shè)置成與單位像素120中的每個單位像素對應(yīng)。例如，如圖43中所示，不同的濾色器R和B可以交替用于相鄰的單位像素120中的每個單位像素。
[0254]微透鏡層156可以形成在濾色器層154下方。微透鏡層156中的微透鏡157可以被設(shè)置成對應(yīng)于單位像素120中的每個。微透鏡層156可以用于增強聚光能力，進而提高圖像質(zhì)量。在其它實施例中，可以省去微透鏡層156。在一些實施例中，圖像傳感器可以包括濾色器和微透鏡中的一個。
[0255]當(dāng)如圖43中所示地形成像素陣列110時，圖像信號處理器220可以按單個幀來處理從像素陣列110輸出的像素信號，如以上參照圖3A所描述的。換句話講，每個單位像素120可以被看作單個像素。例如，與紅色濾色器R對應(yīng)的單位像素120可以被看作紅色像素并且與藍色濾色器B對應(yīng)的單位像素120可以被看作藍色像素。
[0256]圖44是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的其它示例實施例的圖1中示出的像素陣列110的橫截面150-2的示圖。
[0257]參照圖1至圖3B、圖10至圖38、圖43以及圖44，圖44示出沿著行方向或列方向截取的像素陣列110的橫截面150-2。圖44中示出的單位像素120和第三外延層152與圖42中示出的那些基本上相同。
[0258]濾色器層154’中包括的濾色器155’可以被設(shè)置成對應(yīng)于多個單位像素120。例如，紅色濾色器R和藍色濾色器B可以交替用于每三個單位像素120，如圖44中所示。微透鏡層156’中的微透鏡157’可以被設(shè)置成對應(yīng)于所述多個單位像素120。在一些實施例中，圖像傳感器可以包括濾色器和微透鏡中的一個。
[0259]當(dāng)如圖44中所示地形成像素陣列110時，每個單位像素120可以被看作單個子像素，如參照圖3B描述的。因此，與一個濾色器155’對應(yīng)的一組單位像素120可以用作單個像素。例如，與紅色濾色器R對應(yīng)的三個單位像素120可以被一起看作單個紅色像素并且與藍色濾色器B對應(yīng)的三個單位像素120可以被一起看作單個藍色像素。盡管在圖44中示出的實施例中三個單位像素120被一起看作單個像素，但示例實施例不限于當(dāng)前實施例。
[0260]如上所述，根據(jù)一些示例實施例，圖像傳感器在單位像素中包括單個晶體管和光電二極管，從而提高了集成度。另外，由于圖像傳感器中的像素陣列直接輸出數(shù)字像素信號，因此用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路是不必要的。結(jié)果，可以降低噪聲和功耗。
[0261]雖然已經(jīng)參照示例實施例具體示出并描述了示例實施例，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離如權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍的情況下，可以在示例實施例中進行形式和細節(jié)上的各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種圖像傳感器,包括: 像素陣列，包括多個單位像素，每個單位像素包括單個晶體管和與單個晶體管的本體連接的光電二極管； 行驅(qū)動器塊，被構(gòu)造成通過控制在讀出模式下操作的多個行中的一個行中包括的單個晶體管中的每個晶體管的源極電壓和柵極電壓，使像素陣列中的所述行能夠進入讀出模式；以及 讀出塊，被構(gòu)造成感測并放大在讀出模式下操作的行中包括的多個單位像素中的每個單位像素輸出的像素信號。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，行驅(qū)動器塊被構(gòu)造成通過控制單個晶體管的源極電壓和柵極電壓，使所述多個單位像素能夠進入集成模式和重置模式， 光電二極管被構(gòu)造成在集成模式下累積隨著入射光的強度而變化的光電荷，并且 單個晶體管被構(gòu)造成在重置模式下消除所累積的光電荷。
3.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，光電二極管的頂表面低于單個晶體管的源極的頂表面和單個晶體管的漏極的頂表面。
4.如權(quán)利要求3所述的圖像傳感器，其中，光電二極管與源極相比更靠近漏極，單位像素還包括: 背柵極，被構(gòu)造成從行驅(qū)動器塊接收背柵極電壓，并且光電二極管是通過背柵極電壓形成的虛擬光電二極管。
5.如權(quán)利要求1所述的 圖像傳感器，其中，單位像素還包括: 溝道，將單個晶體管的源極和漏極彼此連接，并且溝道具有接觸光電二極管的至少一個側(cè)面并且是使用硅S1、鍺Ge和硅-鍺SiGe中的一種形成的。
6.如權(quán)利要求5所述的圖像傳感器，其中，單位像素還包括: 內(nèi)部光電二極管，設(shè)置在溝道和光電二極管之間，內(nèi)部光電二極管是使用Ge和SiGe中的一種形成的。
7.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，在像素陣列的列方向上相鄰的單個晶體管共用源極和漏極中的一個并且像素陣列還包括: 在像素陣列的行方向上相鄰的單個晶體管之間的淺溝槽隔離。
8.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，像素陣列還包括: 在像素陣列的列方向上相鄰的單個晶體管之間的淺溝槽隔離；以及 在像素陣列的行方向上相鄰的單個晶體管之間的淺溝槽隔離。
9.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，基于單個晶體管的閾值電壓來確定讀出模式的柵極電壓。
10.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，單個晶體管具有形成為與源極相比更靠近漏極的柵極，光電二極管形成為與漏極相比更靠近源極。
11.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，單位像素還包括: 重置端子，被構(gòu)造成消除累積在光電二極管處的光電荷。
12.—種圖像處理系統(tǒng),包括: 圖像傳感器，包括多個單位像素，每個單位像素包括單個晶體管和與單個晶體管的本體連接的光電二極管，圖像傳感器被構(gòu)造成放大并輸出來自單位像素中的每個單位像素的數(shù)字像素信號；以及 圖像信號處理器，被構(gòu)造成處理數(shù)字像素信號并且產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
13.如權(quán)利要求12所述的圖像處理系統(tǒng)，其中，光電二極管的頂表面低于單個晶體管的源極的頂表面和單個晶體管的漏極的頂表面。
14.如權(quán)利要求13所述的圖像處理系統(tǒng)，其中，光電二極管與源極相比更靠近漏極。
15.如權(quán)利要求14所述的圖像處理系統(tǒng)，其中，單位像素還包括: 背柵極，被構(gòu)造成從行驅(qū)動器塊接收背柵極電壓，以使所述多個單位像素能夠以行為單元進入讀出模式，并且光電二極管是通過背柵極電壓形成的虛擬光電二極管。
16.如權(quán)利要求12所述的圖像處理系統(tǒng)，其中，單位像素還包括: 溝道，將單個晶體管的源極和漏極彼此連接，并且溝道是使用硅S1、鍺Ge或硅-鍺SiGe形成的。
17.如權(quán)利要求12所述的圖像處理系統(tǒng)，其中，單位像素還包括: 溝道，將單個晶體管的源極和漏極彼此連接；并且在溝道和光電二極管之間形成內(nèi)部光電二極管，內(nèi)部光電二極管是使用鍺Ge和硅-鍺SiGe中的一種形成的。
18.如權(quán)利要求12所述的圖像處理系統(tǒng)，其中，圖像傳感器還包括: 濾色器和微透鏡中的一個，對應(yīng)于單位像素中的每個；以及 圖像信號處理器，被構(gòu)造成將單位像素中的每個單位像素看作單個像素并且通過處理從每個單位像素輸出的像素信號來產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
19.如權(quán)利要求12所述的圖像處理系統(tǒng)，其中，單位像素被劃分成包括至少兩個單位像素的多個子像素組，并且圖像信號處理器被構(gòu)造成將子像素組中的每個子像素組看作單個像素并且通過處理從每個子像素組中的所述至少兩個單位像素輸出的像素信號來產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)；并且圖像傳感器還包括: 濾色器和微透鏡中的一個，對應(yīng)于每個子像素組。
20.—種圖像傳感器,包括: 像素陣列，包括多個單位像素，單位像素被構(gòu)造成在讀出模式下輸出數(shù)字像素信號，每個單位像素具有單個晶體管和與單個晶體管的體端子連接的光電二極管，光電二極管被構(gòu)造成在集成模式期間在光電二極管內(nèi)累積光電荷并且晶體管被構(gòu)造成在重置模式期間釋放所累積的光電荷；以及 多個感測放大器，被構(gòu)造成在讀出模式期間基于數(shù)字像素信號和參考來放大數(shù)字像素信號。
21.如權(quán)利要求20所述的圖像傳感器，其中，光電二極管被構(gòu)造為通過基于光電二極管內(nèi)所累積的光電荷量使相關(guān)晶體管的體的電壓電平變化來改變所述相關(guān)晶體管的閾值電壓。
22.如權(quán)利要求21所述的圖像傳感器，其中，圖像傳感器被構(gòu)造為通過在不使用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的情況下使單個晶體管的閾值電壓變化來執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
23.如權(quán)利要求21所述的圖像傳感器，其中，每個單位像素被構(gòu)造為基于所述相關(guān)晶體管的閾值電壓來輸出至少兩個電壓中的一個作為數(shù)字像素信號。
24.如權(quán)利要求20所述的圖像傳感器，其中，晶體管中的每個具有被構(gòu)造為接收源極電壓的源極、被構(gòu)造為接收列電壓的漏極和被構(gòu)造為接受柵極電壓的柵極，并且圖像傳感器還包括: 行驅(qū)動器，被構(gòu)造為向像素陣列的驅(qū)動行中的晶體管中的每個晶體管的源極供應(yīng)源極電壓并且向柵極供應(yīng)柵極電壓，以使驅(qū)動行中的晶體管成為讀出模式、集成模式和重置模式中的一個。
25.如權(quán)利要求24所述的圖像傳感器，其中，行驅(qū)動器被構(gòu)造為通過禁用驅(qū)動行中的單個晶體管使驅(qū)動行中的單個晶體管成為集成模式。
26.如權(quán)利要求24所述的圖像傳感器，其中，行驅(qū)動器被構(gòu)造為通過啟用驅(qū)動行中的單個晶體管使驅(qū)動行中的單個晶體管成為讀出模式。
27.如權(quán)利要求26所述的圖像傳感器，其中，如果之前模式是重置模式，則在讀出模式下輸出的數(shù)字像素信號是重置信號，并且如果之前模式是集成模式，則在讀出模式下輸出的數(shù)字像素信號是圖像信號。
28.如權(quán)利要求24所述的圖像傳感器，其中，單位像素被構(gòu)造為，使得光電二極管的頂表面低于晶體管的源 極和漏極的頂表面。
【文檔編號】H04N5/374GK103716557SQ201310464857
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月2日
【發(fā)明者】陳暎究, 丁柱煥, 樸允童 申請人:三星電子株式會社