图像传感器像素电路及处理器系统技术方案

本实用新型专利技术涉及图像传感器像素电路及处理器系统。本实用新型专利技术的一个目的是解决与现有技术中存在的一个或更多个问题相关的问题。一种图像传感器像素，形成于半导体衬底上，包括：光电二极管区，响应于图像光产生电荷；浮动扩散区；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从光电二极管区转移到浮动扩散区；半导体衬底中的n型掺杂阱区；p沟道金属氧化物半导体MOS源极跟随器晶体管，形成于半导体衬底上的n型掺杂阱区内，其中p沟道MOS源极跟随器晶体管具有耦合到浮动扩散区的栅极端子和耦合到列读出线的源极端子；以及n沟道MOS重置晶体管，耦合在浮动扩散区和偏置电压列线之间，被配置为重置浮动扩散区。可以增加光电二极管的面积和电荷存储能力。

Image sensor pixel circuit and processor system

The utility model relates to an image sensor pixel circuit and a processor system. The purpose of the utility model is to solve the problems related to one or more problems existing in the prior art. An image sensor pixel formed on a semiconductor substrate, includes a photodiode region, in response to the image light generated charge; floating diffusion region; charge transfer transistor is configured to transfer charge generated from the photodiode region to the floating diffusion region; n doped well region in a semiconductor substrate; P channel metal oxide semiconductor MOS source follower transistor, N type doped well region is formed in a semiconductor substrate, wherein the P channel MOS source follower transistor has a gate terminal coupled to the floating diffusion region and coupled to the column reading line source terminals; and N channel MOS reset transistor coupled in floating between the diffusion zone and the bias voltage line, is configured to reset the floating diffusion region. Can increase the area of photodiode and charge storage capacity.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及固态图像传感器阵列(例如，互补金属氧化物半导体CMOS阵列)，而更具体地，涉及具有像素的图像传感器，像素可以具有亚微米尺寸并且可以从像素形成于其上的像素衬底的背面或正面被照明。像素的小(即，小于1微米)的尺寸减少图像传感器阵列的成本，但是尽管像素尺寸减小，不牺牲传感器性能(诸如噪声、像素阱能力、动态范围、辉散控制、低的暗电流贡献和可忽略的图像滞后)是重要的。
技术介绍
通常的图像传感器通过将冲击的光子转化为集成(收集)到传感器像素中的电子(或空穴)来感测光。一旦完成每个集成周期，收集到的电荷被转化为电压信号，所述电压信号被供应到相应的与图像传感器相关联的输出端子。通常，电荷到电压的转化直接在像素内执行，而作为结果的模拟像素电压信号通过各种像素寻址和扫描方案转移到输出端子。在传递到芯片外之前，模拟电压信号有时可以在芯片上转化为数字等效物。每个像素包括缓冲放大器(即，源极跟随器)，其驱动经由各自的寻址晶体管连接到像素的输出感测线。在电荷到电压的转化完成之后并且作为结果的信号从像素转移出之后，在随后的集成周期开始之前，重置像素。在包括用作电荷检测节点的浮动扩散(FD)的像素中，此重置操作通过瞬间开启重置晶体管来完成，所述重置晶体管将浮动扩散节点连接到电压参考(通常为像素电流漏极节点)用于漏去(或者移除)任何转移到FD节点上的电荷。然而，如本领域已熟知的，使用重置晶体管从浮动扩散节点移除电荷产生热kTC重置噪声。此kTC重置噪声必须使用相关双采样(CDS)信号处理技术来移除，以达成期望的低噪声性能。利用CDS的典型的CMOS图像传感器需要每个像素至少四个晶体管(4T)。具有钉扎的(pinned)光电二极管的4T像素电路的例子可以在Lee(美国专利号5625210)中找到，其作为引用并入此处。图1示出了CMOS传感器中的像素100的简化的电路图。像素电路100具有双路共享光电二极管方案，其中两个光电二极管共享单个浮动扩散节点。具体地，光电二极管101(PD1)和102(PD2)共享公共的浮动扩散(FD)电荷检测节点114，源极跟随器(SF)晶体管103连接到所述浮动扩散(FD)电荷检测节点114。源极跟随器晶体管103的漏极端子连接到Vdd列偏置线109，而源极跟随器晶体管103的源极通过寻址晶体管104连接到列输出信号(读出)线108。电荷检测节点114通过重置晶体管105重置，所述重置晶体管105也连接到Vdd列偏置线109。来自光电二极管101和102的电荷分别通过电荷转移晶体管106和107转移到浮动扩散节点114上。重置晶体管105的栅极由在行控制线110上接收的重置控制信号控制，电荷转移晶体管106和107的栅极由分别在行线112和113上接收的转移控制信号控制，而寻址晶体管104的栅极由在行寻址线111上接收的行选择控制信号控制。如图1所示，清楚的是，每对像素光电二极管必须耦合到总共五个晶体管(即，每个光电二极管2.5个晶体管)。当减小像素尺寸时，将每个像素的晶体管的数量和金属线互连的数量最小化是期望的。这通常通过消除行寻址晶体管104来完成。没有行寻址晶体管的像素的操作已被说明，例如，在Hynecek(美国专利号8558931)中，其作为引用并入此处。当像素组件(诸如源极跟随器晶体管)尺寸上减小时，随机电报信号(RTS)噪声变得更主导并且在最终的图像中可察觉到。因此，能够提供改进的图像传感器像素是期望的。
技术实现思路
本技术的一个目的是解决与现有技术中存在的一个或更多个问题相关的问题。根据本技术的一个方面，提供一种图像传感器像素电路，形成于半导体衬底上，包括：光电二极管区，响应于图像光产生电荷；浮动扩散区；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管区转移到所述浮动扩散区；所述半导体衬底中的n型掺杂阱区；p沟道金属氧化物半导体MOS源极跟随器晶体管，形成于所述半导体衬底上的所述n型掺杂阱区内，其中所述p沟道MOS源极跟随器晶体管具有耦合到所述浮动扩散区的栅极端子和耦合到列读出线的源极端子；以及n沟道MOS重置晶体管，耦合在所述浮动扩散区和偏置电压列线之间，被配置为重置所述浮动扩散区。根据一个实施例，所述n沟道MOS重置晶体管的漏极端子与所述半导体衬底上的所述n型掺杂阱区重叠，使得所述偏置电压设置到所述n型掺杂阱区。根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：至少一个额外的光电二极管，其中所述至少一个额外的光电二极管被配置为将产生的电荷转移到所述浮动扩散区。根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：至少三个额外的光电二极管，其中所述至少三个额外的光电二极管被配置为为将产生的电荷转移到所述浮动扩散区，并且其中所述n沟道MOS重置晶体管具有形成所述浮动扩散区的一部分的漏极端子。根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：p+型退化掺杂层，形成于所述光电二极管区之下并且连接到参考端子，其中所述p+型退化掺杂层具有通过具有关于所述p+型退化掺杂层的相反的极性的补偿注入剂而形成的开口，并且其中所述p+型退化掺杂层在所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区之下延伸以形成势垒，所述势垒被配置为通过防止光产生的电子从所述半导体衬底的基体部分进入所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区而将所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区与所述半导体衬底的所述基体部分隔离。根据一个实施例，所述图像传感器像素电路形成为所述半导体衬底上的图像传感器像素电路阵列的一部分。所述图像传感器像素电路还包括：像素隔离结构，选自由下列组成的组之中：浅槽隔离区和深槽隔离区，其中所述像素隔离结构被配置为将所述图像传感器像素电路与所述图像传感器像素电路阵列中的其它图像传感器像素电路隔离。根据一个实施例，所述图像传感器像素电路形成为所述半导体衬底上的图像传感器像素电路阵列的一部分，所述图像传感器像素电路还包括：所述半导体衬底中的杂质注入部分，被配置为将所述图像传感器像素电路与所述图像传感器像素电路阵列中的其它图像传感器像素电路隔离。根据一个实施例，所述半导体衬底具有正表面和相对的背表面，其中所述列读出线在所述正表面处耦合到所述p沟道MOS源极跟随器晶体管的所述源极端子，并且所述光电二极管被配置为响应于通过所述背表面接收的图像光来产生电荷。根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：多个微透镜和滤色器元件，形成在所述半导体衬底的所述背表面之上。根据一个实施例，所述半导体衬底具有正表面和相对的背表面，其中所述列读出线在所述正表面处耦合到所述p沟道MOS源极跟随器晶体管的所述源极端子，并且所述光电二极管被配置为响应于通过所述正表面接收的图像光来产生电荷。根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：多个微透镜和滤色器元件，形成在所述半导体衬底的所述正表面之上。根据本技术的另一个方面，提供一种图像传感器像素电路，形成于半导体衬底上，包括：光电二极管区，响应于图像光产生电荷；浮动扩散区；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管区转移到所述浮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像传感器像素电路，形成于半导体衬底上，其特征在于包括：光电二极管区，响应于图像光产生电荷；浮动扩散区；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管区转移到所述浮动扩散区；所述半导体衬底中的n型掺杂阱区；p沟道金属氧化物半导体MOS源极跟随器晶体管，形成于所述半导体衬底上的所述n型掺杂阱区内，其中所述p沟道MOS源极跟随器晶体管具有耦合到所述浮动扩散区的栅极端子和耦合到列读出线的源极端子；以及n沟道MOS重置晶体管，耦合在所述浮动扩散区和偏置电压列线之间，被配置为重置所述浮动扩散区。

【技术特征摘要】
2014.11.25 US 14/553,8291.一种图像传感器像素电路，形成于半导体衬底上，其特征在于包括：
光电二极管区，响应于图像光产生电荷；
浮动扩散区；
电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管区转移到所述浮动扩散区；
所述半导体衬底中的n型掺杂阱区；
p沟道金属氧化物半导体MOS源极跟随器晶体管，形成于所述半导体衬底上的所述n型掺杂阱区内，其中所述p沟道MOS源极跟随器晶体管具有耦合到所述浮动扩散区的栅极端子和耦合到列读出线的源极端子；以及
n沟道MOS重置晶体管，耦合在所述浮动扩散区和偏置电压列线之间，被配置为重置所述浮动扩散区。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述n沟道MOS重置晶体管的漏极端子与所述半导体衬底上的所述n型掺杂阱区重叠，使得偏置电压设置到所述n型掺杂阱区。
3.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
至少一个额外的光电二极管，其中所述至少一个额外的光电二极管被配置为将产生的电荷转移到所述浮动扩散区。
4.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
至少三个额外的光电二极管，其中所述至少三个额外的光电二极管被配置为将产生的电荷转移到所述浮动扩散区，并且其中所述n沟道MOS重置晶体管具有形成所述浮动扩散区的一部分的漏极端子。
5.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
p+型退化掺杂层，形成于所述光电二极管区之下并且连接到参考端子，其中所述p+型退化掺杂层具有通过具有关于所述p+型退化掺杂层的相反的极性的补偿注入剂而形成的开口，并且其中所述p+型退化掺杂层在所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区之下延伸以形成势垒，所述势垒被配置为通过防止光产生的电子从所述半导体衬底的基体部分进入所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区而将所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区与所述半导体衬底的所述基体部分隔离。
6.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述图像传感器像素电路形成为所述半导体衬底上的图像传感器像素电路阵列的一部分，所述图像传感器像素电路还包括：
像素隔离结构，选自由下列组成的组之中：
浅槽隔离区和深槽隔离区，其中所述像素隔离结构被配置为将所述图像传感器像素电路与所述图像传感器像素电路阵列中的其它图像传感器像素电路隔离。
7.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述图像传感器像素电路形成为所述半导体衬底上的图像传感器像素电路阵列的一部分，所述图像传感器像素电路还包括：
所述半导体衬底中的杂质注入部分，被配置为将所述图像传感器像素电路与所述图像传感器像素电路阵列中的其它图像传感器像素电路隔离。
8.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述半导体衬底具有正表面和相对的背表面，其中所述列读出线在所述正表面处耦合到所述p沟道MOS源极跟随器晶体管的所述源极端子，并且所述光电二极管被配置为响应于通过所述背表面接收的图像光来产生电荷。
9.根据权利要求8所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
多个微透镜和滤色器元件，形成在所述半导体衬底的所述背表面之上。
10.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述半导体衬底具有正表面和相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·希内塞克，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：新型
国别省市：美国;US