一种cmos图像传感器像素单元的版图结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种CMOS图像传感器像素单元的版图结构，包括多个像素单元，每一个像素单元包括四个光电二极管；四个传输晶体管，分别与所述四个光电二极管对应相连；共用有源区的一个源极跟随晶体管，一个复位晶体管以及一个行选通晶体管；以及悬浮节点，所述四个光电二极管和四个传输晶体管以所述悬浮节点中心对称排列。本实用新型能够同时保证高灵敏度和高动态范围。
【专利说明】—种CMOS图像传感器像素单元的版图结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器像素单元的版图结构。
【背景技术】
[0002]通常，图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器主要包括电荷耦合器件(CXD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片
[0003]CMOS图像传感器和传统的C⑶传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
[0004]常规的CMOS图像传感器像素单元的版图结构如图1所示，其中包括实现光电转换的感光单元光电二极管101，用于光电二极管复位的复位晶体管104，用于将光电二极管中的电子传输到悬浮节点103的传输晶体管102，将电荷信号转换为电压信号的悬浮节点103，将转换得到的电压放大的源极跟随晶体管105，以及输出信号的行选通晶体管106。其中，传输晶体管102的栅极通过接触孔由金属连线108a引出，通过外部信号控制传输晶体管打开或关闭。悬浮节点103通过接触孔由金属连线108b连接至源极跟随管105的栅极和复位晶体管104的源极，行选通晶体管106的源极通过接触孔由信号输出线107输出。
[0005]如图1所示为常规像素单元的版图结构，其工作过程为首先通过打开复位晶体管104和传输晶体管102，对光电二极管101进行复位，接着关断复位晶体管104和传输晶体管102，对像素单元进行曝光，通过光电二极管101完成光电转换，接着打开传输晶体管102，将光电二极管101中的电子传输到悬浮节点103，接着通过悬浮节点103将电荷信号转换为电压信号，电压信号通过源极跟随晶体管105进行放大，再通过选中行选通晶体管106,将电压信号通过信号输出线107输出。
[0006]像素单元最重要的技术指标包括灵敏度和动态范围，高灵敏度可以保证低照度条件下有较好的响应，高动态范围可以保证高照度条件下像素单元不会饱和溢出。如图1所示的常规像素单元往往不能同时兼顾这两者，因为高灵敏度和高动态范围对像素单元的要求是矛盾的。常规像素单元的灵敏度和动态范围取决于悬浮节点的电容值，悬浮节点的电容较小时，像素单元的灵敏度较高，但动态范围变小；当悬浮节点电容较大时，则灵敏度降低，而动态范围变大。因此为了同时提高灵敏度和动态范围，保证像素单元在低照度和高照度下都有较好的响应，本实用新型提出了一种全新的CMOS图像传感器像素单元的版图结构。
实用新型内容
[0007]本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种CMOS图像传感器像素单元的版图结构，同时提高灵敏度和动态范围，保证像素单元在不同照度条件下都有较好的响应，以提升图像质量。
[0008]为达成上述目的，本实用新型提供一种CMOS图像传感器像素单元的版图结构，包括多个像素单元，每一个所述像素单元包括四个光电二极管；四个传输晶体管，分别与所述四个光电二极管对应相连；共用有源区的一个源极跟随晶体管，一个复位晶体管以及一个行选通晶体管；以及悬浮节点，所述四个光电二极管和四个传输晶体管以所述悬浮节点为中心呈中心对称排列。
[0009]优选地，所述源极跟随晶体管、复位晶体管及行选通晶体管设于所述四个光电二极管的一侧，所述悬浮节点通过接触孔由金属连线引出连接至所述源极跟随晶体管的接触孔及所述复位晶体管的接触孔。
[0010]优选地，所述四个传输晶体管的栅极分别通过接触孔由四条金属连线独立引出。
[0011]优选地，所述四条金属连线相互平行。
[0012]优选地，所述行选通晶体管的源极通过接触孔由信号输出线引出。
[0013]本实用新型的优点在于，通过将像素单元中的四个光电二极管和四个传输晶体管共用同一个悬浮节点，源极跟随晶体管，复位晶体管以及行选通晶体管，且以该悬浮节点为中心对称设置，能够同时保证CMOS图像传感器高灵敏度和高动态范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1所示为现有技术中CMOS图像传感器像素单元版图结构的示意图。
[0015]图2所示为本实用新型实施例的CMOS图像传感器像素单元版图结构的示意图。
【具体实施方式】
[0016]为使本实用新型的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本实用新型的内容作进一步说明。当然本实用新型并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本实用新型的保护范围内。此外，本实用新型利用示意图进行了详细的表述，在详述本实用新型实施例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本实用新型的限定。
[0017]图2为本实用新型的CMOS图像传感器像素单元版图结构的示意图。
[0018]CMOS图像传感器像素单元的版图结构包括多个像素单元，如图2所示，每一个像素单元包括四个像素，这四个像素的感光单元分别为光电二极管201a，201b, 201c和201d。相对应的，四个像素的传输晶体管202a，202b，202c和202d分别与这四个光电二极管对应相连。四个光电二极管和四个传输晶体管均以悬浮节点203为中心呈中心对称排列，由此实现四个像素共用同一个悬浮节点203，从而可根据需要将四个光电二极管中的电子通过对应的传输晶体管同时传输到悬浮节点或仅将个别光电二极管的电子传输到悬浮节点。由于悬浮节点位于四个光电二极管的中心，其到各个光电二极管的距离相等，由此可确保各光电二极管的电子传输路径相等。另一方面，四个像素共用同一组复位晶体管204、源极跟随管205和行选通管206。如图2所示，共用有源区的源极跟随管205，复位晶体管204以及行选通管206设置于四个光电二极管的一侧，悬浮节点203通过接触孔由金属连线209引出连接至源极跟随晶体管205的接触孔以及复位晶体管204的接触孔，从而与源极跟随晶体管205的栅极和复位晶体管204的源极相连。行选通晶体管206的源极则通过接触孔由信号输出线207引出，以将像素单元的信号输出。通过上述版图结构，四个像素共用同一个悬浮节点203，因此悬浮节点至多可接收四个光电二极管的电子，具有更优秀的灵敏度。
[0019]较佳的，四个传输晶体管201a，201b，201c和201d的栅极分别通过接触孔由四条金属连线208a，208b, 208c和208d独立引出，由此可控制四个传输晶体管同时打开或个别打开。在低照度情况下(如环境光线强度较弱)，四个传输晶体管可同时打开，由此这四个光电二极管中的电子将同时传输到共用的悬浮节点上，再通过源极跟随晶体管及行选通晶体管输出，由此信号强度增强，提高了图像灵敏度；在高照度条件下(如环境光线较强)，可控制每次仅打开一个传输晶体管，其余传输晶体管处于关断状态，以保证共用的悬浮节点不进入饱和状态，以提高像素单元的动态范围；而在中等照度条件下，可以同时打开两个传输晶体管，另外两个传输晶体管关断，悬浮节点每次得到两个光电二极管中的电子，可以同时平衡灵敏度和动态范围。因此，通过将四个传输静态管由四条金属连线独立引出，能够对各个传输晶体管的打开和关断独立控制，以实现灵敏度和动态范围的调节。从像素单元的版图结构来看，四条金属连线208a，208b, 208c和208d较佳是相互平行设置，以避免金属布线时相互干扰。
[0020]综上所述，本实用新型通过将四个光电二极管201a?201d和四个传输晶体管202a?204d共用同一个悬浮节点且以该悬浮节点为中心呈中心对称排列，悬浮节点至多可接收四个光电二极管的电子，从而提高了图像灵敏度。此外，通过四个传输晶体管由不同金属连线独立引出，可控制四个传输晶体管的打开方式，由此可根据照度条件的变化将相应的光电二极管的电子传输到悬浮节点，可以同时保证高灵敏度和高动态范围。
[0021]虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本实用新型，本领域的技术人员在不脱离本实用新型精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本实用新型所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
【权利要求】
1.一种CMOS图像传感器像素单元的版图结构，包括多个像素单元，其特征在于，每一个所述像素单元包括: 四个光电二极管； 四个传输晶体管，分别与所述四个光电二极管对应相连； 共用有源区的一个源极跟随晶体管，一个复位晶体管以及一个行选通晶体管；以及 悬浮节点，所述四个光电二极管和四个传输晶体管以所述悬浮节点为中心呈中心对称排列。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素单元的版图结构，其特征在于，所述源极跟随晶体管、复位晶体管及行选通晶体管设于所述四个光电二极管的一侧，所述悬浮节点通过接触孔由金属连线引出连接至所述源极跟随晶体管的接触孔及所述复位晶体管的接触孔。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素单元的版图结构，其特征在于，所述四个传输晶体管的栅极分别通过接触孔由四条金属连线独立引出。
4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器像素单元的版图结构，其特征在于，所述四条金属连线相互平行。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素单元的版图结构，其特征在于，所述行选通晶体管的源极通过接触孔由信号输出线引出。
【文档编号】H01L27/146GK203644783SQ201320892554
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】顾学强, 周伟, 肖慧敏 申请人:上海集成电路研发中心有限公司