[发明专利]多向共用像素上的高动态范围/抗溢出共同栅极

说明书

技术领域

本发明大体上涉及图像传感器，且尤其涉及一种像素阵列架构，其在阵列的像素单 元中具有共用的组件。

背景技术

通常，数字成像器阵列包括像素单元的焦平面阵列，所述单元的每一者包括光传感 器，例如，光栅、光导体或光电二极管。在互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器中， 读出电路连接到每一像素单元，其通常包括源极跟随器输出晶体管。光传感器将光子转 换为电子，通常将所述电子转移到连接到源极跟随器输出晶体管的栅极的浮动扩散区域。 可包括电荷转移装置(例如，晶体管)以用于将电荷从光传感器转移到浮动扩散区域。 另外，所述成像器单元通常具有用于在电荷转移之前将浮动扩散区域复位为预定电荷电 平的晶体管。通过行选择晶体管来栅控源极跟随器晶体管的输出作为像素输出信号。

在(例如)第6,140,630号美国专利、第6,376,868号美国专利、第6,310,366号美国 专利、第6,326,652号美国专利、第6,204,524号美国专利和第6,333,205号美国专利中描 述了示范性CMOS成像电路、其处理步骤和成像电路的各种CMOS元件的功能的详细描 述，上述专利每一者均转让给Micron Technology公司。前述专利的每一者的揭示内容均 以全文引用的方式并入本文中。

参看分别说明常规CMOS像素100的俯视图、部分截面图和电路示意图的图1、2 和3，当入射光187照射光传感器120(例如，光电二极管)的表面时，电子/空穴对在 光电二极管的p-n结中产生(在n型累积区域122和p型表面层123的边界处表示)。在 光电二极管(光传感器120)的n型累积区域122中收集所产生的电子(光电荷)。光电 荷经由转移晶体管106从初始的电荷累积区域122移动到浮动扩散区域110。浮动扩散区 域110处的电荷通常通过源极跟随器晶体管108而转换为像素输出电压，且随后经由行 选择晶体管109而在列输出线111上输出。

例如图1中针对像素100所展示的设计的常规CMOS成像器设计仅提供大约百分之 五十的填充因数，这意味着在将光转换为电荷载流子中仅利用像素100的一半。如图所 示，单元100的仅一小部分包含光传感器120。像素100的剩余部分包括：隔离区域102， 其展示为衬底101中的STI区域；浮动扩散区域110，其耦合到转移晶体管106的转移栅 极106′；和源极/漏极区域115，其用于具有各自栅极107′、108′和109′的复位晶体管107、 源极跟随器晶体管108和行选择晶体管109。随着总像素面积不断减小(归因于所要定 标)，越来越重要的是产生利用最小量的表面积的高敏感性光传感器或找到像素阵列上对 于像素单元的非感光性组件更有效的布局以提供增加的光传感器面积。

另外，例如使用常规像素100的图像传感器的图像传感器具有特性动态范围。动态 范围是指可由像素数据的单一帧中的图像传感器所适应的入射光的范围。需要具有具备 高动态范围的图像传感器以对产生高动态范围入射信号的景色进行成像，例如具有通向 外部的窗的室内房间、具有混合的阴影与明亮日照的室外景色、组合人工照明与阴影的 夜间景色和许多其它景色。

图像传感器的动态范围通常被界定为其最大不饱和信号与其在黑暗条件下的噪声的 标准差的比率。动态范围由于传感器的电荷饱和水平而限于一上端，且由于噪声强加的 限制和/或用以产生数字图像的模拟到数字转换器的量子化极限而限于一下端。当图像传 感器的动态范围太小而不能适应所成像的景色的光强度的变化(例如，由于具有低饱和 程度)时，发生图像失真。因此，在许多例子中需要具有高动态范围的像素单元。

当在积分周期期间被俘获且转换为电荷的入射光大于光传感器120的容量时，发生 与常规像素(例如像素100)中的电荷产生相关联的相关问题。可能以相对较低的照明 水平达到像素的最大电荷容量，此导致像素100容易饱和，进而限制了像素100的动态 范围。一旦感测区域(光电二极管光传感器120)达到饱和，任何额外的光子到电荷的 转换就将需要一些电荷泄漏逸出光传感器120的电荷累积区域122。通常，此泄漏导致 电荷迁移到像素100的不和需要的部分或迁移到邻近像素上，进而导致了串扰。