专利名称：Cmos图像传感器的像素单元及cmos图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器的像素单元及CMOS图像传感器。
背景技术：
图像传感器的作用是将光学图像转化为相应的电信号。图像传感器分为互补金属氧化物图像传感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor imagesensor,简称 CMOS传感器)和电荷I禹合器件图像传感器(Charge-coupledDevice image sensor,简称CO)图像传感器)。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高，噪声小，但是CCD图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且CXD图像传感器的功耗较高。相比之下，CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。因此CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置(例如胃镜)、 车用摄像装置等。全局快门像素技术是指成像阵列中的所有像素都会同时开始或停止曝光。传统上，全局快门像素技术主要用于C⑶图像传感器。由于CMOS图像传感器的不断普及，且由于机器视觉、电影制作、工业、汽车和扫描应用要求必须以高图像品质捕捉快速移动的物体，图像传感器供应商已经致力于克服在CMOS图像传感器上使用全局快门像素技术的相关传统障碍。对于CMOS图像传感器来说，全局快门实施方案包括有增加像素级存储器。请参考图1，现有的全局快门CMOS图像传感器的像素单元具有如图1所示的俯视结构，在一个像素单元中，包括有一个将光信号转化为电信号的光电转换元件例如光电二极管PD，一个用于存储电荷的电荷存储元件如存储二极管SD，一个接收来自电荷存储元件的电荷的浮置扩散区FD，其中，在光电二极管H)和存储二极管SD之间设置有传第一传输晶体管GS，在存储二极管SD和浮置扩散区FD之间设置有第二传输晶体管Tx，并且，在图1中光电二极管H)左侧还包括有第一复位晶体管GR,在浮置扩散区FD右侧还包括有第二复位晶体管Rx。请参考图2，图2为根据图1所示的像素单元电路信号的时序图。从图2中可以看出，现有的CMOS图像传感器的像素单元工作过程是第一复位晶体管GR打开(对应图中的高电位)，使得光电二极管H)可以将上一工作周期残留的电荷移除，从而使得光电二极管H)自身回复到高电位，然后关闭第一复位晶体管GR。在第一复位晶体管GR关闭的时间内，首先光电二极管ro进行曝光以积累电荷，这段时间为电荷积分时间T2。然后曝光停止，此时第一传输晶体管GS即打开，以将光电二极管F1D中积累的电荷传输到存储二极管SD中。电荷一旦从光电二极管F1D传输到存储二极管SD中，第一传输晶体管GS即关闭,此时，要准备将电荷从存储二极管SD传输到浮置扩散区FD，但是在开始传送之前，必须对浮置扩散区FD进行复位，以防止噪声。所以此时要打开第二复位晶体管Rx，将浮置扩散区FD复位之后，再将第二复位晶体管Rx关闭，随即打开第二传输晶体管Tx，使得电荷从存储二极管SD传输到浮置扩散区FD，浮置扩散区FD产生压降，这个压降通过输出端Output读出，该读出的压降即为输出信号。为了保证能够连接不断进输出信号，在下一周期电荷积分时间T2结束之前，必须完成对浮置扩散区FD的复位以及电荷从存储二极管SD到浮置扩散区FD的传输，正如图2中所示，电荷积分时间T2 (此处的电荷积分时间T2是指可用于电荷积分的最大时间范围，实际电荷积分时间可以在该范围内选择任意值)大于或者等于第二复位晶体管Rx打开一次的时间加第二传输晶体管Tx打开一次的时间。通常第二传输晶体管Tx打开一次的时间较长，这就使得电荷积分时间T2较长，因而整个像素单元的工作周期Tl也就较长，这意味着CMOS图像传感器的速度较慢。由于第二传输晶体管Tx限制了图像传感器的速度，因此即使缩短实际电荷积分时间，也无法提高图像传感器的整体速度，因此不适用于拍摄高速运动的物体。
发明内容
为解决背景技术中提到的现有CMOS图像传 感器的像素单元工作周期长，不能很好地运用于拍摄高速运动的物体的问题，本发明提供了一种CMOS图像传感器的像素元件，包括用于将光信号转化为电信号的光电转换元件；用于存储由所述光电转换元件所产生电荷的多个电荷存储元件，所述电荷存储元件彼此间相互并联；用于接收来自相互并联的所述电荷存储元件的电荷的浮置扩散区；每个所述光电转换元件与所述电荷存储元件之间设置有第一传输晶体管；每个所述电荷存储元件与所述浮置扩散区之间设置有第二传输晶体管。可选的，所述电荷存储元件有两个。可选的，在所述光电转换元件前面还设置有用于对所述光电转换元件进行复位的第一复位晶体管，所述第一复位晶体管用于在所述光电转换元件每次接收光信号之前进行复位操作。可选的，在所述浮置扩散区后面还设置有用于对所述浮置扩散区进行复位的第二复位晶体管，所述第二复位晶体管用于在所述浮置扩散区每次接收来自所述电荷存储元件的电荷之前进行复位操作。可选的，所述光电转换元件为光电二极管。可选的，所述电荷存储元件为存储二极管。可选的，所述像素元件形成在半导体衬底上或者半导体衬底的外延层上。本发明还提供了一种CMOS图像传感器，包括如上所述的像素元件。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明所提供的CMOS图像传感器的像素单元由于具体多个相互并联的电荷存储元件，因而在进行信号处理时，能够利用这些相互并联的电荷存储元件减短工作周期，加快信号处理速度，使得运用该像素单元的CMOS图像传感器能够用于拍摄高速运动的物体而不出现失真现象。
图1为现有全局快门CMOS图像传感器的像素单元俯视结构示意图；图2为根据图1所示的像素单元电路信号的时序图3为本发明实施例全局快门CMOS图像传感器的像素单元俯视结构示意图；图4为图3中的像素单元的剖面示意图；图5为图3所示像素单元电路信号的时序图。
具体实施例方式请参考图3，图3为本发明实施例提供的全局快门CMOS图像传感器的像素元件俯视结构示意图。本实施例中，该像素元件包括用于将光信号转化为电信号的光电转换元件(如图3中的光电二极管ro)，用于存储由所述光电转换元件所产生电荷的多个相互并联的电荷存储元件(如图3中的存储二极管SDl和存储二极管SD2)，用于接收来自所述电荷存储元件的电荷的浮置扩散区(如图3中的FD)，第一传输晶体管(如图3中的GSl和GS2)，第二传输晶体管(如图3中的Txl和Tx2)，第一复位晶体管(如图3中的GR)和第二复位晶体(如图3中的Rx)。具体的，本实施例中，所述光电转换元件为光电二极管H)。所述电荷存储元件有两个，分别为存储二极管SDl和存储二极管SD2，它们相互并联。这两个相互并联 的存储二极管SDl和SD2与光电二极管H)之间分别设置有一个对应的第一传输晶体管，即存储二极管SDl与光电二极管H)之间设置有第一传输晶体管GSl，存储二极管SD2与光电二极管ro之间设置有第一传输晶体管GS2。类似的，这两个相互并联的存储二极管SDl和SD2与浮置扩散区FD之间分别设置有一个对应的第二传输晶体管，即存储二极管SDl与浮置扩散区FD之间设置有第二传输晶体管Txl，存储二极管SD2与浮置扩散区FD之间设置有第二传输晶体管Tx2。设置于光电二极管ro前面(如图3中所示的光电二极管ro左侧)的是用于对该光电二极管ro进行复位的第一复位晶体管GR，该第一复位晶体管GR用于在所述光电转换元件每次接收光信号之前进行复位操作。设置于浮置扩散区FD后面(如图3中所示的浮置扩散区FD右侧)的是用于对该浮置扩散区FD进行复位的第二复位晶体管Rx，该第二复位晶体管Rx用于在所述浮置扩散区FD每次接收来自所述电荷存储元件的电荷之前进行复位操作。与图1中的现有像素单元相比，本实施例的CMOS图像传感器的像素元件多出了一个电荷存储元件，并且在该多出的电荷存储元件两侧相应地设置有相应的第一传输晶体管和第二传输晶体管，这种设置能够使得该CMOS图像传感器的像素元件运算速度更快，具体的原理将在下面的内容说明。请参考图4，图4为图3中的像素单元的剖面示意图，也是该像素单元的像素驱动电路的电路图。在本实施例中，所述CMOS图像传感器的像素元件形成在半导体衬底上或者半导体衬底的外延层上。从图4中可以看出，第一复位晶体管GR的源极/漏极耦接到光电二极管PD，可对第一复位晶体管GR的栅极具有施加在其上的复位控制信号以实现对光电二极管ro的复位作用。所述第一传输晶体管GSl (或第一传输晶体管GS2)的源极/漏极的一个耦接到光电二极管PD，并且将第一传输晶体管GSl (或第一传输晶体管GS2)的源极/漏极的另一个耦接到存储二极管SDl (或存储二极管SD2)。可对第一传输晶体管GSl (或第一传输晶体管GS2)的栅极施加第一传输控制信号，以控制第一传输晶体管GSl (或第一传输晶体管GS2)的打开与闭合。将第二传输晶体管Txl (或第二传输晶体管Tx2)的源极/漏极的一个耦接到存储二极管SDl (或存储二极管SD2)，并且将第二传输晶体管Txl (或第二传输晶体管Tx2)的源极/漏极的另一个耦接到浮置扩散区FD，可对第二传输晶体管Txl (或第二传输晶体管Τχ2)的栅极施加第二传输控制信号，以控制第二传输晶体管Txl (或第二传输晶体管Τχ2)的打开与闭合。第二复位晶体管Rx的源极/漏极的一个耦接到浮置扩散区FD结点，可对第二复位晶体管Rx的栅极施加复位控制信号以实现对浮置扩散区FD的复位作用。本实施例中，CMOS图像传感器的驱动器产生第一组控制信号，以使得在光电二极管ro再次曝光之前，对光电二极管ro复位，使得光电二极管ro可以将上一工作周期残留的电荷移除。并且，驱动器产生第二组控制信号至第一传输晶体管(GSl和GS2)和第二传输晶体管(Txl和Τχ2)，从而将来自电荷存储元件的电荷传递到浮动扩散FD结点，用于产生图像信号。当各传输控制信号被依次激活，由光电二极管ro产生的电荷被传递到浮置扩散区FD结点，使得浮置扩散区FD产生压降，该压降信号被作为图像信号输出。
请参考图5，图5为图3所示像素电路信号的时序图。本实施例只用零电平信号和正(高)电平信号来代表各晶体管的工作状态(主要是开关状态)。在其它实施例中，也可以同时再采用负(低)电平信号来代表各晶体管的工作状态。本实施例与背景技术中的图2的时序图类似，以第一复位晶体管GR的一个正电平信号(复位信号)作为像素单元一个工作周期T3的开始时间。因而，本实施例CMOS图像传感器的像素单元工作过程是第一复位晶体管GR打开，使得光电二极管ro可以将上一个工作周期残留的电荷通过第一复位晶体管GR左侧所接的电源VDD移除，从而使得光电二极管ro回复到高电位。然后关闭第一复位晶体管GR(即第一复位晶体管GR进入零电平阶段)。在第一复位晶体管GR关闭的时间内，首先光电二极管ro进行曝光以积累电荷，这段时间为电荷积分时间T4 (此处的电荷积分时间T4同样是指可用于电荷积分的最大时间范围，实际电荷积分时间可以在该范围内选择任意值)。在曝光停止时，立即打开第一传输晶体管GSl,以将光电二极管F1D中积累的电荷传输到存储二极管SDl中。光电二极管F1D中积累的全部电荷一旦从光电二极管F1D传输到存储二极管SDl中(可能有少部分电荷残留在光电二极管H)，此部分电荷忽略不计)，第一传输晶体管GSl随即关闭。此时，要先完成对浮置扩散区FD的复位操作才能够将电荷从存储二极管SDl传输到浮置扩散区FD。因而在图5中第二传输晶体管Txl的第一个正电平之前，出现一次第二复位晶体管Rx的正电平，即图5中Rx的第二个正电平，从该第二个正电平向上引出的两条虚线可以明显看出，此正电平位于第二传输晶体管Txl的第一个正电平之前，并且需要注意到第二复位晶体管Rx的正电平出现的时候，第二传输晶体管Txl和第二传输晶体管Tx2都处理零电平的关闭状态，也就是说，此时浮置扩散区FD与存储二极管SDl和存储二极管SD2均不接通，保证复位操作准确进行。图5中第二复位晶体管Rx的第二个正电平的出现意味着第二复位晶体管Rx打开，以将图5中未显示的上一个工作周期传到浮置扩散区H)中的电荷导走。接着将第二复位晶体管Rx关闭，此时浮置扩散区FD回复到高电位。对浮置扩散区FD的复位操作完成后，打开第二传输晶体管Txl，使存储二极管SDl中的电荷从存储二极管SDl传输到浮置扩散区FD，浮置扩散区FD产生压降，这个压降通过输出端Output读出，该读出的压降即为输出信号，即完成像素单元的第一个工作周期。现有的像素单元必须等待存储二极管SDl中的电荷从存储二极管SDl传输到浮置扩散区FD之后，才能将下一个工作周期中光电二极管H)所积累的电荷传输到存储二极管SDl之中。但是本实施例由于存在一个与存储二极管SDl并联的存储二极管SD2，因而，在存储二极管SDl中的电荷从存储二极管SDl传输到浮置扩散区FD的过程中，像素单元无须等待，可以直接进入下一个工作周期。具体如图5所示，在第二传输晶体管Txl打开以将存储二极管SDl中的电荷从存储二极管SDl传输到浮置扩散区FD的同时，第一复位晶体管GR又开始了下一个周期的复位操作，即第一复位晶体管GR打开，使得光电二极管H)可以将如图5所示的第一个工作周期残留的电荷通过第一复位晶体管GR左侧所接的电源VDD移除，从而使得光电二极管H)回复到高电位。然后光电二极管F1D进入第二个电荷积分时间T4,电荷积分完成后,第一传输晶体管GS2即打开，光电二极管H)中产生的电荷传输到存储二极管SD2中，即在图5中，虽然第 二传输晶体管Txl第一次打开的时间先于第一传输晶体管GS2第一次打开的时间，但是它们有部分时间段重叠，这就意味着在存储二极管SDl中的电荷开始从存储二极管SDl传输到浮置扩散区FD之后，并且在传输还没结束之前，下一个工作周期中光电二极管H)中产生的电荷传输到存储二极管SD2也开始进行。在光电二极管H)中产生的电荷传输到存储二极管SD2之后，需要将存储二极管SD2中的电荷传输到浮置扩散区FD中。但是在此之前，同样必须对浮置扩散区FD进行复位操作。因而在第二传输晶体管Tx2打开(以将存储二极管SD2中的电荷从存储二极管SD2传输到浮置扩散区FD)之前，先要再次打开第二复位晶体管Rx，即图5中出现第二复位晶体管Rx的第三个正电平，从该正电平向上引出的虚线可以看出，它落在第二传输晶体管Txl的第一个正电平之后，这也就意味着该复位操作是在像素单元第一个工作周期存储二极管SDl中的电荷完全从存储二极管SDl传输到浮置扩散区FD之后进行的。紧接着，打开第二传输晶体管Tx2，即图5中第二传输晶体管Τχ2出现第二个正电平，此时存储二极管SD2中的电荷从存储二极管SD2传输到浮置扩散区FD。浮置扩散区FD产生压降，这个压降通过输出端Output读出，该读出的压降即为输出信号，即完成像素单元的第二个工作周期。现有的全局快门CMOS图像传感器的像素单元(请参考图1)由于第二传输晶体管Tx限制了图像传感器的速度，因此即使缩短实际电荷积分时间，也无法提高图像传感器的整体速度，因此不适用于拍摄高速运动的物体。而本实施例由于有两个相互并联的存储二极管SDl和存储二极管SD2的存在，使得像素单元在工作时，能够交替地利用存储二极管SDl和存储二极管SD2进行电荷的传输，存储二极管SDl和存储二极管SD2又分别利用第二传输晶体管Txl和第二传输晶体管Tx2进行电荷传输,使得每段电荷积分时间Τ4较原来的电荷积分时间Τ2可以缩短许多，因而可以通过缩短实际电荷积分时间来提高图像传感器的整体速度。因此本实施例所提供的全局快门CMOS图像传感器的像素单元可以缩短像素单元的工作周期，使得像素单元的处理速度更快，更加适用于拍摄高速运动的物体。在本发明的其它实施例中，还可以包括有三个、四个或者更多个的相互并联的存储二极管，利用这些二极管相互配合，以提高像素单元的处理速度。但当然，由于设置更多的存储二极管需要占用的空间越多，可能会影响图像感应器接受光照的面积，因而，可以根据产品设计的需要权衡存储二极管的设置数目。本发明还提供了一种CMOS图像传感器，该传感器具有本说明书以上部分所描述的CMOS图像传感器的像素单元。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施 例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种CMOS图像传感器的像素单元，其特征在于，包括 用于将光信号转化为电信号的光电转换元件； 用于存储由所述光电转换元件所产生电荷的多个电荷存储元件，所述电荷存储元件彼此间相互并联； 用于接收来自相互并联的所述电荷存储元件的电荷的浮置扩散区； 每个所述光电转换元件与所述电荷存储元件之间设置有第一传输晶体管； 每个所述电荷存储元件与所述浮置扩散区之间设置有第二传输晶体管。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述电荷存储元件有两个。
3.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，在所述光电转换元件前面还设置有用于对所述光电转换元件进行复位的第一复位晶体管，所述第一复位晶体管用于在所述光电转换元件每次接收光信号之前进行复位操作。
4.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，在所述浮置扩散区后面还设置有用于对所述浮置扩散区进行复位的第二复位晶体管，所述第二复位晶体管用于在所述浮置扩散区每次接收来自所述电荷存储元件的电荷之前进行复位操作。
5.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述光电转换元件为光电二极管。
6.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述电荷存储元件为存储二极管。
7.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述像素单元形成在半导体衬底上或者半导体衬底的外延层上。
8.—种CMOS图像传感器，其特征在于，包括如权利要求1至7中任意一项所述的像素单元。
全文摘要
本发明提供了一种CMOS图像传感器的像素单元及CMOS图像传感器。所述的CMOS图像传感器的像素单元包括用于将光信号转化为电信号的光电转换元件；用于存储由所述光电转换元件所产生电荷的多个电荷存储元件，所述电荷存储元件彼此间相互并联；用于接收来自相互并联的所述电荷存储元件的电荷的浮置扩散区；每个所述光电转换元件与所述电荷存储元件之间设置有第一传输晶体管；每个所述电荷存储元件与所述浮置扩散区之间设置有第二传输晶体管。本发明所提供的CMOS图像传感器的像素单元由于具体多个相互并联的电荷存储元件，因而在进行信号处理时，能够利用这些相互并联的电荷存储元件减短工作周期，加快信号处理速度。
文档编号H01L27/146GK103022067SQ20121056416
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者饶金华, 张克云 申请人:上海宏力半导体制造有限公司