TW200834903A - Pixel of CMOS image sensor, structure thereof, and method of operating the same - Google Patents

Description

200834903 26169pif 九、發明說明： 本美國非偶專利申請據_珠 U.S.U Π9主張韓國專利申1專f法條文35 10-2006-0111805,申請日為2〇〇6 / %案（案號為 茲將所有該韓國專利申請案之 13曰）的優先權， 述。 、谷ϋ入本案中，而不再冗 【發明所屬之技術領域】 本發明關於-種互補金氣半導體（ ^像感測器，且制種在cmq 為CMOS) 素電路。 〜像感測器中之晝 、【先前技術】 將CMOS影像感測器安裝 位相機等上以便捕捉視野中之旦 〜包5舌用相機以及數 號，並將此電信號傳輪到數‘二像轉換為電信 處理器對自影像捕捉裝置輪出二此數位信號 理’以在諸如液晶顯示（LCD ^象_執行信號處 像。 X置之頒示裝置中顯示影 典型CMOS影像感測器包括 感測器陣列。每.一晝素感測器包括财，陣形式之晝素 信號之光裝置，例如，光電先麟其轉換為電 改良c则影像感“ 曾加動態範圍以 rendition)可得以增強。 ♦生使传色彩再現（coJor ΐ發明内容】 根據本發明，提供一種能舜增強動態之CMOS影 5 200834903 26169pif 像感測為之晝素電路、其構造及其操作方法 根據本發明，亦提供一種能夠進 妯 像感測器之晝素電路及其構造以及其影 根據本發社-紐，提供翔金導體 影像感測II之晝素。此晝素包括：光=^CMOS) 節點，經由第一開關連接至光電二極體及擴散

擴⑽p點之g壓回應。將浮置擴散節點之 電容耦合施加於源極隨耦器。 Φ 上述第-開關可設置成在一個圖框期間 二極體與浮置擴散節點。 是接尤田一 ^述晝素構造可包括··第一主動區，具有第一電晶體 及：二電晶體以及光電二極體，且包括浮置擴散節點，該 斤^擴散節點為第一電晶體與第二電晶體之連接節點；以 及第一主動區，包括具有閘極節點之第三電晶體。第三電 二^閘極節點延伸以覆蓋第一主動區之浮置擴散節點之 一部分，浮置擴散節點及第三電晶體之閘極是設置成使浮 置擴散節點之電壓經由電容耦合而被施加於第三電晶體之 閘極節點。 上述晝素構造可更包括插入第一主動區之浮置擴散節 點的上部部分與自第二主動區延伸之閘極節點的下部部分 之間的介電層。 閘極節點可自第二主動區延伸以便以叉子形式覆蓋浮 I擴散節點之一部分。 閑極節點可自第二主動區延伸以在浮置擴散節點之上 6 200834903 26169pif 部部分以螺旋形.式覆蓋浮置擴散節點之—部分。 ^據本發明之另一態樣，提供CM〇s影像感測器之晝 夕、田” 第—電晶體’連接於電源與浮置擴散節點 端1於置成由重設信號控制；第二電晶體，包括兩 轉移信號控制，所述兩端之一者連接至浮詈 ff::’乐二電晶體，包括兩端以及-閘極，所述兩端 一士接至電源；.以及第四電晶體，連接於第三電晶體 輪出節點之間’且設置成由選擇信號控制。 =置擴“點之電壓經由電雜合施加於第三電晶體之 閣極0 上述第三電晶體可為源極隨耦器電晶體。 可在一個圖框期間兩次致能上述轉移信號。 時 點 上逑第二電晶體，當對兩個轉移信號之每一者回應 可在假圖框期間兩次連接光電二極體與浮置擴散節 及望上Ϊ5,是設置成在—個圖框期間於第—捕捉模式以 運作’且轉移信號在所述第―捕捉模式 以及弟一捕捉模式之每一者下被致能。 上述選擇信號可設置成在第二捕捉模式下被致能。 於之錢可設置成錄二爾犧式_於轉移信 現之刖被致能。 ^擇錢可設置絲第二觀料顧 則被致能，且铺致能狀態直錄二捕捉模式虎之 根據本發明之另一實施例，提供一種CMo;影像感測 7 200834903 26169pif

益’包括：排列成多個列及行之多個晝素，此等晝素之每 一者包括：第一電晶體，連接於電源與浮置擴散節點之間， 且設置成由重設信號控制；第二電晶體，包括兩端且設置 成由轉移信號控制，所述兩端之一者連接至浮置擴散節 點，第三電晶體，包括兩端以及一閘極，此等兩端之—者 連接至電源；以及第四電晶體，連接於第三電晶體之另一 末端與輪出節點之間，且設置成由選擇信號控制使得浮置 擴散節點之電壓經由電容耦合而被施加於第三電晶體:閘 、上逑畫素可分別設置成在一個圖框期間於第—捕捉模 式以及第二捕捉模式下運作，且轉移信號分別在所述 捕捉模式及第二捕捉模式下被致能。 上述選擇信號可設置成依序選擇多個列且在隹—^ 模式下被致能。 一布一俑捉 上述選擇信號設置成在第二·捕捉模式期間於 之前被致能。 Μ 夕袍號 在上述晝素當中，在對應於第-列之畫素於第 ^式下運作時，對應於第二列之晝素於第二捕捉模式= 可將預設列配置於第一列與第二列之間。 根據本發明之又一態樣，—種操作CM〇s影 晝素之方法包括：感測對應於光之第—電壓，·以及碭4為 應於此光之第二電壓。此第-電壓之感“括：4， 電壓；感測第二電壓；以及輪出第二電塵。 』弟一 200834903 26169pif 可在一個圖框期間執行第一電壓以及第二，電壓之感 測。 在此方法中，上述晝素之一或多者 一電晶 體，連接於電源與浮置擴散節點之間，且設置成由重設信 ^空制’第二電晶體’包括兩端且設置成由轉移信號控制， 此^兩端之一者連接至浮置擴散節點；第三電晶體，包括 兩编以及閘極，所述兩端,之一者連接至電源；以及第四 電晶體，連接於第三電晶體之兩端中之另一者與輸出節點 $間，且設.置成讀擇錢㈣，其巾浮置擴散節點以及 ，三電晶體之酿是設置成使浮置紐節點之電壓經由電 容|馬合而被施加於第三電晶體之閑極。 【實施方式】 在下文中，將猎由所附圖式描述本發明之態樣。 、圖1為具有根據本發明之態樣的晝素電路之CM〇S影 像感測益100之貫施例的方塊圖。參看圖1，Cmqs影像 感測益100包括主動式晝素感測器（APS)陣列11〇、列 驅動益120以及類比至數位轉換器（ADC) 13〇。Aps陣 列110包括排列成多個列及行之晝素電路。鞘後將描述晝 素電路之具體構造。CMOS影像感測器100可更包括產I 用=選擇晝素電路並輪出所偵測影像信號之定址信號的控 Μ益。列驅動益120依序選擇APS陣列11〇之歹||。APS陣 列21〇藉由使用光裝置（例如，光電二極體）偵測光，且 接著將此光轉換為電信號以便產生影像信號。自AJ>S陣列 110輪出之影像信號為對應於三種色彩R、G以及B之類 9

200834903 26169pif 比信號。adc m將自APS陣列i】0輪出之類 轉換為數位信號。ADC 130藉由使用相關雙取樣1，號 方法將此類比影像信號轉換為數位信號，且接著K DS) 號遞送至信號處理單元中。此方法為熟習技== 知，因而為簡明起見將省略其描述。 珩者所熟 圖2為排列成圖1之ApS陣列1〇〇的畫素電路2 實施例，視圖。如圖2中所說明，—個晝素電路2 = 四個金氧半導體場效電晶體(；MC)sfet)mi至^ — 個光電二極體PD。 及— 此電晶體Μ1及M2以及*電二極體pD依序 於電源電壓VDD與接地霞之間。此電晶體mi由舌奸 號RST控制：且電晶體M2由轉移信號控制。此電晶^ M3以及M4依序串聯連接於電源電壓卿與輸出端子之 間。此電晶體M4之閘極由選擇信號弧控制，且電晶體 M3對斤置擴散節點m的電壓VFD回應而運作，該浮置 擴Π點、Π>為電晶體M1與姐之連接節點。根據本發明 之您^ ’子置擴散即.點FT).之電壓VFD.經由電容耦合而轉 移至電晶體M3 (亦即，源極隨執器之_中。 圖2之電谷益cFG可為電容器，或包括浮置擴散節點FD .以及電晶體M3之閘極之電容器。以下將描述電容器 圖3A至圖3C為根據本發明之態樣的圖2之晝素電路 210之實施例的平面圖。 夢看圖3A，電晶體及敗以及光電二極體pD形 成於第—主動區310上。電晶體吣以及M4形成於第二 200834903 26169pif 主’動區320上。電源電壓VDD經由導線3.15及接觸件316 被施加於J 一主動區310之電晶體區312 ,且亦經由導線 324及接觸件325被施加於第二主動區32〇之電晶體區 312。元件符號313表示電晶體]VII之閘電極，且元件符號 314表示電晶體M2之閘電極。 第一主動區310與第二主動區320，以預設距離相鄰排 列’且電晶體M3以及M4之閘電極分離地形成於第二主 動區320内的電晶體區321之上部部分上。電晶體M3之 閘電極自第二主動區320向第一主動區310延伸以覆蓋第 一主動區310之浮置擴散節點FD之一部分。介電層形成 於第一主動區310之上部部分與電晶體m3之閘電極.322 之間。因此，經由電容耦合將第一主動區31〇之浮置擴散 ΐ點FD中之電壓施加於自第二主動區32〇延伸之閘電極。 為增加第一主動區310之浮置擴散節點FD與自第二 主動區320延伸之閘電極322之間的電容，如圖3Β中所 說明’閘電極342自第二主動區340延伸以便以叉子形式 覆盍第一主動區330之浮置擴散區之一部分。在另一實例 中’如圖3C中所說明，閘電極362自第二主動區.360延 伸以便以螺旋形式覆蓋第一主動區350之浮置擴散區之一 部分。形成於第一主動區之浮置擴散節點FD上之閘電極 的形狀可改變以便改良電容。 由於使用電容耦合來連接第一主動區之浮置擴散節點 FD與第二主動區之閘極，因而光電二極體PD之面積可增 加使得接觸件可形成。此外，增加光電二極體PD之面積 200834903 26169pif 增加了畫素電路210之動態範圍。 四個更詳細地描述晝素電路如之操作。具有 四们电日日體MliM4以及光電二極體扣之 为 =呆作分為兩個操作。一個操作為用以讀取浮置擴散節鄂 二極之體初之重設操作，且另一個操作為用以輪出光電 一極體PD中所偵測之電壓之轉移操作。 Ο 準之作期間，當在選擇信號狐被致能進入高饮 =r以及電晶請將浮置擴散節二= «信°號=就νουτ。此時，輪出信號_為重設電 τΓ"Γθ1 5 , 及J 致能至高位準時，'經由電晶體以

低）施二^^:之電遷（其被光電二極體料 淨卜厥#b V0UT°此時’輸出信號VOUT為感 與tSIG。圖1之ADC130將重設電麼信號VRST 號遞送至信號處理財。輕位W亚將此數位信 M3之备汁置擴散節點FD與源極隨耦器電晶體 堡可处rn!由接觸件直接連接時，浮置擴散節點FD之電 電於經由接觸件之電流浅漏而改變。本發明經由 之閘極Γ 接〒置擴散節點FD與源極隨魅電晶體M3

器^體^擴散節點^之電遷柳被施加於源極隨轉 之閘極。亦即，由於連接浮置擴散節點FD 12 200834903 26169pif :=，之=權的接觸件被移除，因而輸 而與fd經由電容耦合 雙捕捉操作成為可二接，使得晝素電路之 中之畫素⑽。:二 作於第-捕i模ί下：素。虽與第1"列有關之晝素正在運 嫩1列有關之晝素咐 於;-:=3二，，與此兩列有關之晝素同時操作 万、系補從轵式及乐二捕捉模式下。. 圖5為用於晝素電路之信號在圖2之晝素電路執 捕捉過程時之改變的_。參相5，將選擇狐广 =號TXk以及重設信號叫提纖^ Ο 们旦素路執行在—個圖框期間兩次彳貞測光之雙捕 捉操作。亦即，晝素電路在—個圖框期間運作於第一捕捉 巧T1 .以及第二捕捉模式T2下。#在第— 下致能重設信號啊時，為浮置擴散節點 二1 設電壓信號WST _存於電容器&中。此時， 式1中表示源極隨_電晶體M3之閘極電靈V阳。

Vfg

Cfg + Cg .本 Vfd 方程式1 13 200834903 26169pif

當致能轉移信號％時.，經由光電二極體 每生’、1降’使彳钱設電難號VRS VSIG1差被館存於電容器CFG中。 仏虎 在捕捉模式T2下.，當致能選擇信號SEL時， 出電容器、Cfg中所儲存之電壓作為輸出信號VOUT。乂 時，輸出俗號νουτ為對應於第一捕捉模式T1下之重許 電壓信號VRST與感測電墨信號VSIG之差的第一感ϋ ^虎VSIG1。當選擇信號SEL處於致能狀態下，而重浐 信號RS T被致能時，將浮置擴散節點FD之電壓施加於二 容器CFG，且經由電晶體M3以及綱輸出施加容= CFG之電壓作為輸出信號νουτ。此時，輸出信號ν〇ϋ 為第一捕捉模式了 1下之重設電壓信號VRST。當噗 难 SEL·處於致能狀態下，而轉移信號τχ 電二極體PD降低之電壓施加於電容器◦ _ m FG，且、經由雪曰 體M3以及M4輪出此電壓作為輪出信號ν〇υτ。鉍电曰曰 Ο 號VOUT為第二捕捉模式Τ2下之箓二a 。輪出信 懦2。 之弟-感測電麼信號 /據實施例，第一捕捉模:式丁】*第二捕捉模夕 持續時間之比可經控制，使得用以集光之時 飞『2之 -捕捉模式T1以及第二捕捉模式T2期：：=第 210中之光電二極體PD被調整。結果，第—、足言龟路 與第二捕捉模式Τ2下之光敏感性彼此不同，捕抵式丁1 路210之動態範圍可改變。因此，在不改變全=彳:晝素電 中之光電二極體PD之大小的情況下，動能、電路210 動您乾圍可if加。 14 200834903 26169pif 此外’執行信號處理以經由蕪 一感測電壓信號VSIG1以1捉操作:獲得之第 良影像品質。可飯出位嗨余測電壓信號VSIG2 ·改 壓信號VSIG1 ^第兀來執行使用第—感測電 根據本發明，連;^光電=|=2之信號處理。 ，器電晶體之閘極經由電二^ 被防止。此外：接=因: 觸件之纽下連接，使用接 連接至光電二極體之浮置擴 之擴展。此外， 素雷路而連接，使得雙捕捉操作成為可能且書 承芑塔之劫悲乾圍可增加。 一 本發:Γ，發明已以實施觸露如上，然其勒用以限定 雜技勢者’在不脫離本發明 Ο 當視後附之申請專利範圍所界定者為準，月之^隻乾圍 【圖式簡單說明】 包括了所附圖式以提供對本發明之態樣之進·一步瞭 75 ’、且所附圖式併入於此說明書中並構成其一部分。此等 圖式說明根據本發明之態樣之例示性實施例且與描述一起 用以說明本發明之原理。 、圖Ϊ為具有拫據本發明之態樣的晝素電路之CMOS影 像感測器·之實施例的方塊圖。 圖2為可用於圖1之APS陣列的畫素電路之實施例之 15 200834903 26169pif 視圖。 圖3A至圖3C為根據本發明之態樣的圖2之晝素電路 之實施例的平面圖。 圖4為排列於圖1之APS陣列中之多個列的視圖。 圖5為用於圖2之晝素電路中之信號在晝素電路執行 雙捕捉過程時之改變的視圖。 【主要元件符號說明】

% 100 : CMOS影像感測器 110 :主動.式晝素感測器陣列 1.20 :列驅動器 130 ··類比至數位轉換器 .210 :晝素電路 310 :第一主動區 312 :電晶體區 316:接觸件 320 :第二主動區 321:電晶體區 322 :閘電極 325 :接觸件 330 :第一主動區 340 ··第二主動區 342 ··閘電極 .350 :第一主動區 362 ·閘電極 16 200834903 26169pif

CpG ·電容器 FD ··浮置擴散節點

Ml :電晶體 M2 :電晶體 M3 :電晶體 M4 :電晶體 PD :光電二極體

RST :重設信號 RSTk :重設信號 SEL :選擇信號 SELk :選擇信號 T1 :第一播捉模式 T2 :第二捕捉模式 TX :轉移信號 TXk :轉移信號 VDD :電源電壓

VpD :電麗 vFG:閘極電壓 VOUT ··輸出信號 VRST :重設電壓信號 VSIG1 :第一感测電壓信號 VSIG2 ··第二感測電壓信號 0，1，2〜k-j〜k〜η :列編號 17

Claims (1)

1. 200834903 26169pif 十、申讀專利範圍： 所述晝素 1·-種互補金氧半導體影像感測器之 包含： 一” 光電二極體； .浮置擴散節點，經由第—開關連接至所述光電二極 體；以及

   源極隨㈣1所料置擴料點之電壓回應， 其中將所述4置擴散_點之所述電壓經由電容輕人 施加於所述源極隨耦器。 ° 2. 如申1專利範圍第1項所述之互補金氧半導體影 感測器之畫素’其中所述第-開關是設置成在—個圖框 間兩次連接所述光電二極體與所述浮置擴散節點。 3. -種互補金氧半導體影像感測n之晝素構造，所诚 畫素構造包含： 〜 第-主動區’具有第-電晶體及第二電晶體以 電二極體，且包括洋置擴散節點，該浮置擴散節點 述第一電晶體與所述第一電晶體之連接節點；以及 第二主動區，包括具有閘極節點之第三電晶體， 其中所·述第二電晶體之所述閜極節點延伸，以养嘗 所述第一主動區之所述浮置擴散節點之一部分，所述浮 置擴散節點以及所述第三電晶體之所述閘極是設置成$ 所述浮置擴散卸點之龟壓經由電谷輕合而被施加於所述 第三電晶體之所述閘極節點。 4·如申請專利範圍弟3項所遠之互補金氧半導體影像 18 200834903 26169pif 感測器之晝素構造，更·包括介電層，插入所述第一主動區 之所述浮置擴散節點的上部部分與自所述第二主動區延伸 之所述閘極節點的下部部分之間。 5·如申請專利範圍第3項所述之互補金氧半導體影像 感測為之晝素構造，其中所述閘極節點自所述第二主動區 延伸以便以叉子形式覆蓋所述浮置擴散節點之一部分。 6·如申請專利範圍第3項所述之互補金氧半導體影像 感測器之晝素構造，其中所述閘極節點自所述第二主動區 延伸以在所述浮置擴散節點之所述上部部分以螺旋形式覆 蓋所述浮置擴散節點之一部分。 7· —種互補金氧半導體影像感測器之畫素構造，所述 晝素構造包含： 第一電晶體，連接於電源與浮置擴散節點之間，且 設置成由重設信號控制； 第二電晶體，包括兩端且設置成由轉移信號控制， 所述兩端之一者連接至所述浮置擴散節點； 第三電晶.體，包括兩端以及一閘極，所述兩端之一 者連接至所述電源；以及 第四電晶體，連接於所述第三電晶體之所述兩端的 另一者與輸出節點之間，且設置成由選擇信號控制， 其中所述浮置擴散節點.以及所述第三電晶體之所述 閘極是設置成使所述浮置擴散節點之電壓經由電容耦合 而被施加於所述第三電晶體之所述閘極。 8·如申請專利範圍第7項所述之互補金氧半導體影像 19 200834903 26169pif f測器之畫素構造，其中所述第三電晶體為源極隨輛器電 、乂如甲请專利範圍第8項所述之互補金氣半導體影像 感測為之晝素構造，其中所述轉移仏號在一個圖框期間被 兩次致能。 '曰

   10·如申請專利範圍第9項所述之互補金氧半導體影 像感測器之晝素構造，其中所述第二電晶體，當對所诫兩 個轉移信號之每一者回應時，在一個圖框期間:次連=所 述光電二極體與所述浮置擴散節點。 11·如申請專利範圍第8項所述之互補金氧半導體影像 感測器之畫素構造，其中所述晝素是設置成在—個圖=期 間於第一捕捉模式以及第二捕捉模式下運作，且所述轉移 L號社所地弟一捕捉模式以及所述弟二捕捉模式之每一者 卜被致能。 12·如申請專利範圍第11項所述之互補金氧半導體影 像感測器之晝素構造，其中所述選擇信號是設置成在所述 第二捕捉模式下被致能。 13·如申請專利範圍第12項所述之互補金氧半導體影 ，感測器之晝素構造，其中所述選擇信號是設置成在所述 第二捕捉模式期間於所述轉移信號之前被致能。 14·如申請專利範圍第12項所述之互補金氧半導體影 像感測器之晝素構造，其中所述選擇信號是設置成在所述 第二捕捉模式期間於所述轉移信號之前被致能，且保持致 施狀態直至所述第二捕捉模式結束。 20 200834903 26169pif 15·—種半導體I像感讲器，包含： 排列成多個列及行之多個晝素，所述晝素之 包括： ^者 第-電晶體’連接於電源與浮置擴散節點之間 段置成由重設信號控制； & 、、第二電晶體，包括兩端且設置成由轉移信號控 所述，端之一者連接至所述浮置擴散節點； 第三電晶體，包括兩端以及一閘極，所述 者連接至所述電源；.以及 第四電晶體’連接於所述第三電晶體之另—末 輪出節點之間，且設置成由選擇錢控制， ^ 其中所述浮置擴散節點以及所述f三電晶體之 閘極是設置成使所述浮置擴散節點之電壓經由電^ 而被施加於所述第三電晶體之所述閘極。 德中請專利範圍第15項所述之互補金氧半導體影 〜一素刀別疋故置成在一個圖框期間於 ^-捕捉拉式以及第二捕捉模式下運作，且 ί別在所述第—捕捉模式以及所述第二捕捉模式下= 月b 〇 像感^如申利範圍第16項所述之互補金氧半導體影 ί I ϊ所述選擇信號是設置成依序選擇所述多個 ,且在所述第二捕捉模式下被致能。 像17賴述之互補金氧半導體影 之八所述選擇信號是設置成在所述第二捕捉模 21 200834903 26169pif 式期前被致能。 申明專利乾園第 、、 像感測器，其中，在所迷者Ά之互補金氧半導體影 素於所述第-捕捉模式下中’在對應於第1之晝 所述第二捕捉模式下運作。乍對應於第二列之晝素於 20·如申請專利範圍 〇 、 像感測器，其中預設列金氧半導體影 間。 於所述罘一列與所述第二列之 21·—種操作互補a 法，所述方法包含： 丰導體影像感測器晝素之方 f測對應於光之第1壓，·以及 咸測對應於所述光之第二電愚， 第-所述感測包括： 叛出所述第—番两、.^ 輸出所述第三電摩。…全’執測所述第二電壓；以及 22·如申請專利蘇圍裳 體影像感測器晝素：方法，並作互補金氧半導 電慶之所述感測是在—個圖框期電壓及所述第二 ,23·如申請專利範圍第21項所 體影像感《畫素之方法，其中所述#之作互^金去氧半導 第-電晶體，連接於電源與浮置包含且 設置成由重設信號控制； 間’且 第二電晶體’包括兩端且設置成由轉移 所述兩端之一者連接至所述浮置擴散節點；〜工 22 200834903 26169pif 閘極，所述兩端 之 第一電晶體·’包括兩端以及-者連接至所述電源；以及 第四電晶體，連接於所述第三電晶體之所述兩 的另一者與輪出節點之間，且設置成由選擇信號控制， 其中所述浮置擴散節點以及所述第三電晶體之所述 閘極是設置成使所述浮置擴散節點之電壓經由電容搞合 而被施加於所述第三電晶體之所述閘極。 23