具有可控制的传输栅电压的图像传感器的制作方法

专利名称：具有可控制的传输栅电压的图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及在数字相机及其它类型成像装置中使用的电子图像传感器，尤其涉及在电子图像传感器中的图像读出。
背景技术：
典型电子图像传感器包括许多配置成二维阵列的光电二极管或其它光敏元件。这些元件通常亦称为图像元素或“像素”且相应的阵列被称为像素阵列。入射在该像素阵列上的光由光敏元件转换为电荷。对于给定图像捕获周期所收集的电荷是使用有源像素传感器(APQ或电荷耦合器件(CCD)配置从像素阵列的光敏元件读取的。如所熟知，图像传感器可使用互补金属氧化物半导体(CMOS)电路来实施。这种类型的图像传感器通常被称为CMOS图像传感器。在这种配置中，每一像素包括至少一个光电二极管和传输栅。该传输栅被用于结合图像读出过程控制所收集的电荷从光电二极管到感测节点的传输。感测节点通常包括浮动扩散。每一像素可包含其自身的浮动扩散，或单一浮动扩散可由一小群组像素共享。作为后者配置的示例，含有二、三或四个像素的群组可各自共享单一浮动扩散。给定的这种群组的像素中的每一个包含用于可控制地在图像读出期间连接相应的光电二极管至浮动扩散的传输栅。其它读出电路可在多个像素之间共享，诸如复位栅、输出晶体管及行选择晶体管。给定的传输栅一般可被视为具有两个操作状态，S卩，开启状态，其中传输栅导电且将所收集的电荷从光电二极管传输至浮动扩散；及关闭状态，其中传输栅不导电且有效地断开光电二极管与浮动扩散的连接。传输栅藉由施加各自为开启状态或关闭状态的电压电平至传输栅而置于开启状态或关闭状态。传输栅通常只有在足够从光电二极管传输所收集的电荷的一段短暂时间内置于开启状态，否则保持在关闭状态。根据常规实践，关闭状态电压电平通常设定到足够大以避免从浮动扩散漏电到光电二极管中的电平。该漏电被视为光电二极管暗电流的一种形式。当使用上述传输栅时会出现另一类型的漏电。此漏电在本文被称为栅致漏极泄漏 (GIDL)，且可引起在浮动扩散电位中的不令人期望的改变，该改变是在先于转移来自光电二极管的所收集的电荷对浮动扩散的复位采样与后于转移来自光电二极管的所收集的电荷对浮动扩散的信号采样之间。GIDL可被视为浮动扩散暗电流的一种形式。常规图像读出技术未充分地解决光电二极管暗电流与归因于GIDL的浮动扩散暗电流之间的关系。因此，存在提供适当机制的改良的图像读出技术的需求，用于降低这两种类型的暗电流对图像传感器性能的负面影响。

发明内容
本发明的说明性实施例提供一种图像传感器，其中像素阵列的传输栅由具有多个关闭状态电压电平的传输栅驱动。根据本发明的一个方面，图像传感器包括像素阵列和耦合至该像素阵列的信号产生器。该像素阵列包括多个像素，其每一个具有耦合至传输栅的光敏元件。该信号产生器被配置成产生用于施加于至少一个传输栅的传输栅信号。该传输栅信号具有至少一个开启状态电压电平以及第一和第二关闭状态电压电平。第一关闭状态电压电平通常具有比第二关闭状态电压电平的量值较高的量值。第二关闭状态电压电平可在读出操作期间利用以减少在像素阵列的浮动扩散区域中的暗电流。在第一说明性实施例中，传输栅信号的多个关闭状态电压电平，是通过响应于关闭状态电压电平控制信号在第一与第二关闭状态电压电平之间切换相应的传输栅信号线而产生。在第二说明性实施例中，传输栅信号的多个关闭状态电压电平，是通过改变施加于其中形成像素的井的一电压电平而产生。所施加的电压电平响应于井电压电平控制信号而被改变。根据本发明的图像传感器，可在一数字相机或其它类型的成像装置中实施。该说明性实施例有利地减小光电二极管暗电流及基于GIDL的浮动扩散暗电流两者的负面影响，藉此改良图像传感器的读出性能。


本发明的上述及其它目的、特征及优点当结合以下说明及附图时将可变得更显而易见，其中在可能处已使用相同的参考数字表示共享于各附图的相同特征。图1是具有根据本发明一实施例配置的图像传感器的数字相机的框图；图2是显示图1的数字相机的图像传感器的一部分的一更详细视图的框图；图3显示可被修正以合并在图2的图像传感器中的可控制传输栅关闭状态电压电平的图像传感器电路；图4说明如经修正以合并可控制传输栅关闭状态电压电平的图3的图像传感器电路；图5是说明图4的图像传感器电路的操作的时序图；图6显示在本发明一实施例中的合并可控制传输栅关闭状态电压电平的图像传感器电路的另一示例；图7显示像素截面视图及在本发明另一实施例中实施可控制传输栅关闭状态电压电平的相关驱动电路及控制器；图8显示在图7中说明的用于包含像素及其它组件的图像传感器的像素阵列平面图；及图9是说明图7及图8之图像传感器电路的操作的时序图。
具体实施例方式本文将结合数字相机、图像传感器、图像传感器电路及相关图像读出技术的特殊实施例说明本发明。然而，应理解的是此等说明性配置仅以示例的方式提出，且不应视为以任何方式限制本发明的范围。本领域技术人员将认识到的是所揭示的配置可经调适以一易懂方式与许多种其它类型的成像装置、图像传感器、图像传感器电路及相关图像读出技术配合使用。
图1显示本发明一说明性实施例中的数字相机100。在该数字相机中，来自一主题场景的光被输入到成像级102。该成像级可包括常规元件，诸如透镜、中性密度滤光器、光圈及快门。该光由成像级102聚焦以在将入射光转换为电子信号的图像传感器104上形成图像。数字相机100进一步包含处理器106、存储器108、显示器110及一个或多个额外输入 /输出(I/O)元件112。尽管在图1的实施例中显示为分离元件，成像级102可与图像传感器104整合，且可能地与数字相机100的一个或多个额外元件整合，以形成一小型化相机模块。图像传感器104将通常被实施为具有相关滤色器阵列(CFA)图案的彩色图像传感器。可在该图像传感器104中使用的一种类型的CFA图案是熟知的拜耳(Bayer)图案， 其揭示在美国专利第3，971，065号中，标题为“Color Imaging Array”，该案以引用的方式并入本文中。可在图像传感器104中使用的CFA图案的其它示例包含揭示在美国专利申请公开案第2007/0024931号中的示例，其标题为“Image Sensor with Improved Light knsitivity”，该案以引用的方式并入本文中。这些示例包含提供具有全色光响应的某种像素的图案。本文中这种图案亦一般称为“稀疏”CFA图案。用稀疏CFA图案配置的图像传感器展现较大光灵敏度且因此良好地适用于使用在包括低场景照明、短曝光时间、小孔径或在光达到图像传感器的数量方面的其它限制的应用中。处理器106可包括例如微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或其它处理装置，或多个此类装置的组合。成像级102及图像传感器 104的各种元件可由从处理器106供应的时序信号或其它信号控制。存储器108可包括任何类型的存储器，诸如(例如)任意组合的随机存取存储器 (RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、基于盘片的存储器、可移除存储器或其它类型的存储元件。由图像传感器104捕获的给定图像可由处理器106储存在存储器108中并在显示器110上显示。尽管可使用其它类型的显示器，显示器110通常是有源矩阵彩色液晶显示器(LCD)。额外1/0元件112可包括例如各种屏幕上的控件、按钮或其它用户接口、网络接口、存储器卡接口等。关于图1所示类型的数字相机的操作的额外细节可例如在上文所引的美国专利申请公开案第2007/0024931号中找到。尽管在实施本发明时可使用其它类型的图像传感器，在本实施例中假定图像传感器104为CMOS图像传感器。如图2中所显示，图像传感器104更特定而言包括像素阵列200、可控制信号产生器202及信号处理电路204。在其它实施例中，元件202及204中之一或两者可被配置为至少部分地在图像传感器外部。像素阵列200 —般包含以列及行配置的多个像素以及与像素阵列的读出相关联的额外电路，其示例将结合图3至图9而描述在下文中。像素阵列中的每一像素一般包括耦合至传输栅的至少一个光电二极管或其它类型的光敏元件。可控制信号产生器202可在处理器106的控制下操作以产生与像素阵列30的读出相关联的信号，举例言之，包含复位栅(RG)信号、传输栅(TG)信号及行选择(旧)信号， 如图2中所指示。与图像读出相关联的其它类型的信号，包含采样信号(诸如采样及保持复位(SHR)和采样及保持信号(SHQ),亦可由信号产生器202所产生。
信号处理电路204可包括例如用于处理自像素阵列200读出的模拟信号的模拟信号处理器(ASP)、用于放大这种信号的一个或多个可编程增益放大器(PGA)，及用于将经放大的信号转换为适合于由处理器106处理的数字形式的模数转换器(ADC)。这种信号处理电路的部分可被配置在该图像传感器的外部，或与像素阵列200 —体地形成，例如形成在具有光敏元件及像素阵列的其它读出电路元件的共同集成电路上。与像素阵列200的读出及对应图像数据的处理相关联的功能性可至少部分地以储存在存储器108中并由处理器106执行的软件的形式实施。例如，由可控制信号产生器 202产生的各种信号可响应于由处理器106执行软件来选择或以其它方式配置。如将被本领域普通技术人员所了解，鉴于本文所提供的教示，这种软件可以一易懂方式实施。应了解的是，如在图1及图2中所显示的数字相机100和图像传感器104可包括本领域普通技术人员已知的一种类型的额外或替代元件。本文未特别显示或描述的元件可从本领域中已知的类型中选择。本文描述的这些及其它附图被简化以清楚地说明本发明的各个方面，且不必按比例绘制。一给定实施例可包含未明确说明的多种其它特征或元件，但对于本领域普通技术人员将熟悉为共同相关于所描述的普通类型的数字相机、图像传感器或图像传感器电路。如上文所注释，常规图像传感器的问题在于这种传感器无法适当控制光电二极管暗电流及基于GIDL的浮动扩散暗电流两者的负面性能影响。图像传感器104在所说明的实施例中被配置成通过使用像素阵列的传输栅的至少一个子集的多个关闭状态电压电平提供对这两种类型的漏电的改良控制。更特定而言，给定传输栅信号将具有至少三个不同的电压电平，即，开启状态电压电平、第一关闭状态电压电平及第二关闭状态电压电平。开启状态电压电平使传输栅处于其开启状态，致使所收集的电荷从相关光电二极管传输至浮动扩散。第一及第二关闭状态电压电平两者均使传输栅处于其关闭状态。然而，第一关闭状态电压电平具有一相对高的量值，其被选择以在光电二极管不经受读出操作期间的时间周期内限制光电二极管暗电流，而第二关闭状态电压电平相对于第一关闭状态电压电平在量值上减少以在用于该光电二极管的读出操作期间限制归因于GIDL的浮动扩散暗电流。通过减少读出操作期间的传输栅关闭状态电压电平，归因于GIDL的浮动扩散暗电流明显减少。在所有其它时间，传输栅关闭状态电压电平保持在一相对高的电平以最小化光电二极管暗电流。因而，施加于像素阵列的一个或多个传输栅的传输栅信号的关闭状态电压电平结合一个或多个关联像素的读出而从第一电平改变为第二电平。此可例如经由配置信号产生器202致使传输栅信号可在包含开启状态电压电平和第一及第二关闭状态电压电平的至少三个不同电压电平之间可控制地切换来完成。将参考图4、图5及图6描述此类型的配置的示例。用于改变传输栅关闭状态电压电平的另一技术是在利用其中形成传输栅的至少一个子集的η井或ρ井的实施例中通过改变这种井的井电压。这种类型的配置的一个示例将参考图7及图8描述。现参考图3，其显示可被修正以合并上文所述的多个关闭状态电压电平特征的例示性图像传感器电路。该图像传感器电路包括像素阵列200的像素300及一信号产生器 202’的一部分，该信号产生器202’通常对应于图2的信号产生器202，但其不具有产生具有多个关闭状态电压电平的传输栅信号的能力。
像素300包括光电二极管302及四个相关ρ型MOS (PMOS)晶体管304、306、308及 310。通常，这种晶体管及相关光电二极管是在ρ型衬底上的η井区域中形成的。在其它实施例中，像素晶体管可为η型MOS(NMOS)晶体管，在此情况中光电二极管及晶体管通常在η 型衬底上的P井区域内形成。在NMOS像素晶体管的替代实施中，NMOS晶体管形成于在ρ 型衬底上生长的P型外延层中。像素300是一所谓的4Τ像素的示例，因为其包含四个晶体管。第一晶体管304是传输栅，其被配置成响应于传输栅(TG)信号将所收集的电荷从光电二极管302转移至浮动扩散(FD)。第二晶体管306是复位栅，其被配置成响应于复位栅(RG)信号通过将浮动扩散耦合至像素电源电压PIX_VDD来复位该浮动扩散。第三晶体管308是源极跟随器或输出晶体管，其被配置成放大浮动扩散上的信号及供应该放大信号至与像素阵列的特定列相关联的共同输出线PIX_0UT。在本实施例中，源极跟随器经由第四晶体管310耦合至共同输出线PIX_0UT，该第四晶体管310是如所显示响应于行选择(RS) 信号可操作的行选择晶体管。RG、TG及RS信号是由信号产生器202，使用开关S1、S2、及S3而产生的，这些开关由各自控制信号RG_CTRL、TG_CTRL及RS_CTRL控制。更明确而言，RG、TG及RS信号中的每一个在相应的开启与关闭状态电压电平(RG_0N_V与RG_0FF_V、TG_0N_V与TG_0FF_V、RS_ 0N_V与RS_0FF_V)之间可控制。这些开启状态及关闭状态电压电平将关联复位栅、传输栅及行选择晶体管置于它们各自的开启及关闭状态。图3的图像传感器电路的至少一部分可针对阵列200的其它像素的每一个重复。 在阵列的相同行中的像素可共享共同RG信号、共同TG信号及共同RS信号，而在阵列的相同列中的像素共享共同输出线PIX_0UT。因此，延伸至图3的右边缘的RG、TG及RS线通常会连接至在相同行中的额外像素。此外，阵列将包含像素的额外行及相关开关，其中对于每一行的控制通过独立于对于其它行的控制而操作。然而，应注意的是，像素阵列的每一像素不需要如在图3配置中包含其自身的复位栅、输出晶体管及行选择晶体管。反而在这种类型的图像传感器电路中的给定复位栅 306、给定输出晶体管308及给定行选择晶体管310通常在多个像素中共享。下文将参考图 6描述这种共享配置的一个示例。因此，如本文所使用的术语“像素”旨在涵盖例如一群组电路元件，诸如302、304、306、308及310，或在像素300与其它像素共享元件306、308及310 的实施例中仅包括元件302及304的替代群组。图像传感器电路的许多替代配置可用于实施本发明的给定实施例。这种电路的常规方面被本领域普通技术人员充分理解并因此本文将不进一步描述其细节。图4说明图3的图像传感器电路经修正以合并上文所述的多个关闭状态电压电平特征的方式。如图4所显示的图像传感器电路通常包括像素300、信号产生器开关Sl至S3 及如前文所述的其它元件。然而，在本实施例中的信号产生器202被配置成合并额外开关 S4，该开关S4可操作以响应于控制信号TG_0FF_SEL在第一关闭状态电压电平TG_0FF_HI_ V与第二关闭状态电压电平TG_0FF_L0_V之间切换传输栅关闭状态电压电平。在本实施例中的TG信号因此经由在三个不同电压电平(即开启状态电压电平TG_0N_V、第一关闭状态电压电平TG_0FF_HI_V及第二关闭状态电压电平TG_0FF_L0_V)之间的开关S2及S4而可控制。该TG信号除那些相关于读出操作的时间外大体上随时保持在TG_0FF_HI_V以减少光电二极管302中的暗电流。然而，在光电二极管302的给定读出操作期间，该TG信号被切换到TG_0FF_L0_V以减少归因于GIDL的浮动扩散暗电流。这种基于GIDL的浮动扩散暗电流仅在读出操作期间是一问题，因为此暗电流添加到被测量的信号。在本实施例中的TG_0FF_SEL信号是由TG关闭电平控制器400供应的。控制器400 可被合并到图像传感器104的信号产生器202中，或可替代地为处理器106的部分。类似控制器可提供控制信号RG_CTRL、TG_CTRL及RS_CTRL，且可使用熟知电路配置而配置。在其它实施例中，单一控制器可被用于提供对于信号产生器202的所有控制信号，例如基于供应自处理器106的时序信号。应注意的是图4实施例显示额外开关S4，其作为与像素阵列200的像素的给定行相关联的行特定开关集合的一部分。这允许TG关闭状态电压电平仅对于被读取的行改变， 留下其它行不受影响。在一替代实施例中，单一开关可被用于对所有行(被读取的行及未被读取的剩余行两者)控制TG关闭状态电压电平。因为读出操作相较于全部行读出时间一般是短持续时间，这提供在读出期间的TG_0FF_L0_V电压而留下TG电压在多数时间为TG_ 0FF_HI_V以减少光电二极管暗电流的益处。此替代实施例在归因于限制的芯片面积或其它限制而不能容纳额外行特定开关的实施中是有用的。然而，在图4中显示的行特定开关是较佳的，因为其提供通常较低的光电二极管暗电流。图5是说明图4的图像传感器电路的操作的时序图。所显示的RG、TG及RS信号分别是施加于PMOS晶体管306、304及310的栅极的信号。PMOS晶体管是低态有效 (active-low)装置。这种装置藉由逻辑低信号电平而置于其各自的导电或接通状态及藉由逻辑高信号电平而置于其各自的非导电或断开状态。对于是高态有效(active-high)装置的NMOS晶体管，信号极性是相反的。该时序图亦显示控制开关S2的TG_CTRL信号及控制开关S4的TG_0FF_SEL信号。 该TG_CTRL信号之一逻辑高信号电平造成开关S2连接TG信号线至传输栅开启状态电压电平TG_0N_V，而TG_CTRL信号的逻辑低信号电平造成开关S2取决于开关S4的状态而连接 TG信号线至传输栅关闭状态电压电平TG_0FF_HI_V或TG_0FF_L0_V两者之一。更明确而言，当TG_CTRL在逻辑低电平且TG_0FF_SEL在逻辑低电平时，TG信号线被连接至第一传输栅关闭状态电压电平TG_0FF_HI_V。此第一传输栅关闭状态电压电平被表示为在该时序图中的TG信号的电平500。当TG_CTRL在逻辑低电平且TG_0FF_SEL在逻辑高电平时，TG信号线被连接至第二传输栅关闭状态电压电平TG_0FF_L0_V。该第二传输栅关闭状态电压电平被表示为TG信号的电平502。图5时序图中进一步显示的是例示性采样信号SHR及SHS。这些采样信号通常操作像素阵列200外的开关以允许在共同输出线PIX_0UT处的像素信号输出被采样到电容器上。虽然在读出像素时通常使用此类采样操作，在其它实施例中可使用替代读出配置。例如，代替采样信号到电容器上，信号可被转换为数字值且数字值被储存在存储器中供稍后使用。本领域技术人员充分理解这些及其它类型采样及相关电路用于实施采样，且因此本文不详细描述。在本实施例中，采样发生在图5中当采样信号SHR及SHS是在逻辑高电平上时。在图5时序图中说明的发信号大体上对应于图4的像素300的单一读出操作。紧接在时间Tl前，RS信号变低以经由行选择晶体管310连接源极跟随器晶体管308至共同输出线PIX_0UT。在时间T1，TG_0FF_SEL改变状态以将TG信号从第一关闭状态电压电平TG_ 0FF_HI_V切换到第二关闭状态电压电平TG_0FF_L0_V。此切换的效应被视为从电平500到电平502的TG信号电平中的轻微缩减。RG信号接着暂时地变低以复位像素的浮动扩散。在SHR信号高的期间，浮动扩散的复位状态是通过例如采样电压到电容器上或将信号转换为数字形式并将其储存来捕获。TG_CTRL信号接着暂时地脉冲变高以将TG信号切换为开启状态电压电平TG_0N_V。这接通像素的传输栅304并容许电荷从光电二极管302 流入浮动扩散。在TG信号返回到TG_0FF_L0_V电平502后，浮动扩散的新状态在SHS信号高的期间被捕获。因为像素读出操作现已实质上完成，TG_0FF_SEL信号在时间1~2再次改变状态以使TG信号返回到TG_0FF_HI_V电平500。最终，RS信号在时间T2后被带回到高电平以断开该行选择晶体管310并藉此断开像素300与共同输出线PIX_0UT的连接。在一给定实施例中利用的特定关闭状态电压电平可取决于实施特定因子(诸如在图像传感器中利用的电压源的类型)而改变。经由举例，在图4电路的一个可能PMOS实施中，传输栅关闭状态高电压电平500可为大约3. 3至3. 5伏特，而传输栅关闭状态低电压电平502可为大约2. 7伏特。在一对应NMOS实施中，传输栅关闭状态高电压电平500可为大约-0. 6至-0. 8伏特，而传输栅关闭状态低电压电平502可为大约0伏特。在传输栅关闭状态电压电平上下文中的术语“低”及“高”因此指各自电压电平的量值。更明确而言，在传输栅的栅极与本体部之间的电位差是所关注的数量。在一 PMOS实施中，η井可被保持到2. 7伏特，例如，其中3. 3至3. 5伏特的传输栅关闭状态高电压提供在 0. 6至0. 8伏特的栅极与本体之间的电位差，且2. 7伏特的传输栅关闭状态低电压提供0伏特的电位差。在一对应NMOS实施中，ρ井或ρ型外延层可保持在0伏特，其中-0. 6至-0. 8 伏特的传输栅关闭状态高电压提供在-0. 6至-0. 8伏特的栅极与本体之间的电位差，且0 伏特的传输栅关闭状态低电压提供0伏特的电位差。传输栅关闭状态高电压因此提供在绝对项中比藉由传输栅关闭状态低电压提供的电位差相对较大或具有较高量值的传输栅的栅极与本体部之间的电位差。当然，上文提到的特定关闭状态电压电平值仅为示例，且在替代实施例中可使用其它值。如前文所指示，在图5中显示的发信号用于像素300的单一读出操作。像素阵列 200的其它像素系以类似方式读出，其中信号RG、TG及RS通常为阵列的特定行的像素共用。图6显示图4的图像传感器电路的一替代实施例。在本实施例中，两个光电二极管302-0及302-1共享浮动扩散FD、复位栅306、源极跟随器308及行选择晶体管310。如所显示，光电二极管302-0及302-1被耦合至各自传输栅304-0及304-1。传输栅304-0 及304-1由各自传输栅信号TGO及TGl控制。传输栅信号响应于各自控制信号TG0_CTRL 及TG1_CTRL使用各自开关S2-0及S2-1在它们的开启状态及关闭状态电压电平之间切换。在本实施例中的开关S4被配置为控制在第一关闭状态电压电平TG_0FF_HI_V与第二关闭状态电压电平TG_0FF_L0_V之间的这些传输栅信号两者的切换。因为传输栅304-0及 304-1两者共享共同浮动扩散，两个传输栅的关闭状态电压电平在读出操作期间被切换到 TG_0FF_L0_V,即使光电二极管302-0及302-1中只有一个正被读取。这防止不正被读取的光电二极管的传输栅在另一光电二极管的读出期间促成暗电流到浮动扩散。其它类型的共享配置可在其它实施例中使用，诸如其中具有三个或四个光电二极管的群组各自共享共同浮动扩散及其它读出电路元件的配置。
图4及图6的实施例是诸配置的说明性示例，其中传输栅信号在包含开启状态电压电平和第一及第二关闭状态电压电平的至少三个不同电压电平之间是可控制可切换的。 如上文所注释，亦可通过改变传输栅在其中形成的η井或ρ井的井电压来改变传输栅关闭状态电压电平，如现将更详细描述。图7显示像素阵列200的单一像素700的一截面图。像素700包括光电二极管 702及传输栅704。光电二极管是在η井710中形成的针扎光电二极管且包括ρ型收集区域712及η+针扎层714。η井710在ρ++衬底718上的ρ型外延层716中形成。衬底718 如指示地被耦合至接地电位。浮动扩散FD包括在η井710中形成的ρ+扩散区域。氧化层 720在光电二极管702及浮动扩散FD上形成。图7中亦显示对η井710供应可控制电压电平的驱动电路730。该可控制电压电平经由在第一 η井电压电平NWELL_L0_V与高于该第一 η井电压电平的第二 η井电压电平 NWELL_HI_V之间的开关SN而可选择。开关SN的状态由从η井电压电平控制器740供应至驱动电路730的控制信号NWELL_CTRL控制。在本实施例中的驱动电路被假定为可控制信号产生器202的元件。如图4及6的控制器400，控制器740可例如被合并到信号产生器 202中，或者可以是处理器106的一部分。尽管图7中未说明，大体上如图3中所显示而配置的诸如复位栅、源极跟随器及行选择晶体管的其它读出电路可与像素700相关联。图8显示包括以列及行配置的个别像素802的一组800的像素阵列200的平面图。像素802形成在η井702中。像素802中的给定一个对应于图7的像素700。如从图 8可见，单一驱动电路730可被用于调整用于整个像素阵列的η井电压。或者，这种η井驱动电路的多个实例可在给定图像传感器内分布，以便减少给定像素与最近驱动电路之间的距离。应注意的是，给定阵列的所有像素不必如图8中所显示在单一井中形成。例如，给定像素阵列可具有在不同井中形成的像素的不同群组，其中分离驱动电路用于每个井。对于图像传感器亦可能具有在井中形成的某些像素及不在井中形成的其它像素。像素700的读出操作通常与前文结合图5的时序图所描述的相同，除开关S4及其控制信号TG_0FF_SEL被消除。控制信号NWELL_CTRL大体上以与TG_0FF_SEL控制信号相同的方式操作。图9说明在读出期间相对于其它信号的NWELL_CTRL时序，并显示对η井电压的相应改变，在图中标示为NWELL_V。因此，在对于像素700的读出操作中，紧接在时间 Tl前的该NWELL_CTRL信号在逻辑低电平处，致使η井710经由开关SN被连接至较低电压电平NWELL_L0_V。在时间Tl，NWELL_CTRL信号从逻辑低电平转变至逻辑高电平，造成开关 SN连接η井710至较高电压电平NWELL_HI_V。因为除当TG变低以从光电二极管传输电荷到浮动扩散中时之外，TG电压在此期间保持恒定，所以η井电压从第一电平900到第二电平902的升高实际上在读出操作期间将传输栅关闭状态电压电平从较高电平降低到较低电平，藉此有利地减少归因于GIDL的浮动扩散暗电流。在时间T2，NWELL_CTRL信号从逻辑高电平转变回到逻辑低电平，造成开关SN再连接η井710至较低电压电平NWELL_L0_V。如本文所描述的其它电压电平，该高及低η井电压电平NWELL_HI_V及NWELL_L0_ V在一给定实施例中可取决于实施特定因子(诸如用在图像传感器中的电压源类型)而改变。经由示例说明，在图7及图8的实施例的一个可能PMOS实施中，高电压电平NWELL_HI_V可大约为3. 0至3. 3伏特，而低电压电平NWELL_L0_V可大约为2. 7伏特。在一对应匪OS 实施中，高电压电平NWELL_HI_V可为大约-0. 3至-0. 6伏特，而低电压电平NWELL_L0_V可为大约0伏特。其它电压电平值可使用在其它实施例中。如上文所说明，在传输栅的栅极与本体部之间的电位差是所关注的数量。在一 PMOS实施中，传输栅可保持在3. 3伏特的关闭状态，例如，其中2. 7伏特的η井低电压提供在0. 6伏特的栅极与本体之间的电位差，且其中3. 3伏特的η井高电压提供0伏特的电位差。在一对应NMOS实施中，传输栅可保持在-0. 6伏特的关闭状态，例如，其中0伏特的ρ 井低电压提供-0. 6的栅极与本体之间的电位差，且其中-0. 6伏特的ρ井高电压提供0伏特的电位差。η井或ρ井低电压因而提供在绝对项中比由η井或ρ井高电压所提供的电位差相对较大或具有一较高量值的传输栅的栅极与本体部之间的电位差。应注意的是，本文使用的术语“传输栅信号”旨在宽泛地解释，且不限制于显示在特定图中的TG信号。因此，例如，上文所描述的在一给定传输栅之栅极与本体部之间的电位差可被视为作为本文所使用的术语的传输栅信号的一种类型。图3至图9的说明性实施例利用包括PMOS器件的像素。如上文所说明，对应替代实施例可利用包括NMOS器件的像素而形成。除NMOS器件是高态有效而非低态有效且因此在图5及图9时序图中的RG、TG及RS信号之发信号电平将反转外，这些NMOS实施例的操作大体上类似于前文所述的对应PMOS实施例。参考图7及图8的实施例，其中PMOS器件是在一 P型衬底上的η井区域中形成的，一对应NMOS实施例的该NMOS器件通常将在η型衬底上的P井区域中形成。在上文所描述的实施例中，存在两个不同传输栅关闭状态电压电平。在其它实施例中，可使用多于两个关闭状态电压电平。另外，可变化图5及图9的时序图中说明的特定切换配置。例如，TG信号从较高关闭状态电压电平到较低关闭状态电压电平的转变可由其它信号(诸如图5中显示的RG信号的下降边缘)发起。类似而言，TG信号从较低关闭状态电压电平到较高关闭状态电压电平的转变可由其它信号(诸如图5中显示的SHS信号的下降边缘)发起。上文描述的说明性实施例有利地提供对CMOS图像传感器中的光电二极管暗电流及基于GIDL的浮动扩散暗电流两者的改良控制，藉此克服与常规配置相关的重要问题。本发明已特别参考其说明性实施例而详细描述，但应理解的是可在附加技术方案所陈述的本发明的范围内实现变动及修正。例如，所揭示的技术可经调适与其它类型图像传感器使用并使用图像传感器电路的其它配置而实施。因此，所使用的驱动电路及其相关控制器的特定类型可在替代实施例中变化。如一更特定示例，在图4及图6中说明的类型的多个关闭状态电压电平驱动电路可使用许多种其它类型的电路元件而实施。这些及其它替代实施例对本领域技术人员将易于明了。主要组件符号说明
100数字相机
102成像级
104图像传感器
106处理器
108存储器0079]110显不器0080]112输入/输入(I/O)元件0081]200像素阵列0082]202可控制信号产生器0083]204信号处理电路0084]300PMOS像素0085]302光电二极管0086]304传输栅0087]306复位栅0088]308源极跟随器晶体管0089]310行选择晶体管0090]400关闭状态电压电平控制器0091]500第一关闭状态电压电平0092]502第二关闭状态电压电平0093]700PMOS像素0094]702光电二极管0095]704传输栅0096]710η井0097]712收集区域0098]714针扎层0099]716P型外延层0100]718P型衬底0101]720氧化层0102]730η井驱动电路0103]740η井电压电平控制器0104]800像素组0105]802个别像素0106]900第一η井电压电平0107]902第二η井电压电平0108]S1-S4开关0109]SNη井驱动电路开关
权利要求
1.一种图像传感器，包括像素阵列，其包括多个像素，其中每个像素具有耦合至传输栅的光敏元件；以及信号产生器，其耦合至所述像素阵列；其中所述信号产生器被配置成产生用于施加于所述传输栅中至少一个的传输栅信号；以及其中所述传输栅信号具有至少一个开启状态电压电平和第一及第二关闭状态电压电平。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一关闭状态电压电平具有比所述第二关闭状态电压电平的量值高的量值。
3.如权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，在所述像素中的一个或多个的读出期间，所述传输栅信号具有所述第二关闭状态电压电平。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，在所述像素的一个或多个的所述读出期间，所述传输栅信号从所述第一关闭状态电压电平转变至所述第二关闭状态电压电平并接着从所述第二关闭状态电压电平转变至所述开启状态电压电平。
5.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，在所述像素的一个或多个的所述读出期间转变至所述开启状态电压电平后，所述传输栅信号从所述开启状态电压电平转变回到所述第二关闭状态电压电平并接着从所述第二关闭状态电压电平转变回到所述第一关闭状态电压电平。
6.如权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，在所述像素阵列的给定行像素的读出期间，所述传输栅信号施加于给定行中的像素的传输栅中的每一个。
7.如权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，在所述像素阵列的给定行像素的读出期间，所述传输栅信号亦施加于在所述像素阵列的像素的至少一额外行中的像素的传输栅中的每一个。
8.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，在复位信号被施加于所述一个或多个像素的浮动扩散的所述读出的至少一部分期间，所述传输栅信号具有所述第二关闭状态电压电平。
9.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，在响应于采样信号而采样所述一个或多个像素的浮动扩散上的信号的所述读出的至少一部分期间，所述传输栅信号具有所述第二关闭状态电压电平。
10.如权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，所述信号产生器包括驱动电路， 所述驱动电路被配置成响应于关闭状态电压电平控制信号产生所述传输栅信号的第一及第二关闭状态电压电平。
11.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述驱动电路包括开关，所述开关可操作以响应于所述关闭状态电压电平控制信号而在所述第一及第二关闭状态电压电平之间切换传输栅信号线。
12.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述驱动电路产生用于所述像素阵列的多个传输栅信号的第一及第二关闭状态电压电平。
13.如权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，所述像素阵列的像素在第二导电型的衬底上的第一导电型的井中形成。
14.如权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，所述传输栅信号是通过改变施加于所述井的电压电平而在所述第一及第二关闭状态电压电平之间可控制地切换。
15.如权利要求14所述的图像传感器，其特征在于，所述信号产生器包括驱动电路，所述驱动电路被配置成通过响应于井电压电平控制信号而施加相应的电压电平于所述井，从而控制所述传输栅信号的所述第一及第二关闭状态电压电平。
16.一种在图像传感器中使用的方法，其中所述图像传感器包括具有多个像素的像素阵列，每个像素具有耦合至传输栅的光敏元件，所述方法包括以下步骤产生用于施加于所述传输栅中的至少一个的传输栅信号；其中所述传输栅信号具有至少一个开启状态电压电平和第一及第二关闭状态电压电平。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述产生步骤进一步包括响应于关闭状态电压电平控制信号在所述第一及第二关闭状态电压电平之间切换传输栅信号线。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述产生步骤进一步包括通过改变施加于所述像素在其中形成的井的电压电平，而在所述第一及第二关闭状态电压电平之间可控制地切换。
19.一种数字成像装置，包括 图像传感器；以及一个或多个处理元件，其被配置成处理所述图像传感器的输出以产生数字图像； 其中所述图像传感器包括像素阵列，其包括多个像素，其中每个像素具有耦合至传输栅的光敏元件；以及信号产生器，其耦合至所述像素阵列；其中所述信号产生器被配置成产生用于施加于所述传输栅中至少一个的传输栅信号；以及其中所述传输栅信号具有至少一个开启状态电压电平和第一及第二关闭状态电压电平。
20.如权利要求19所述的数字成像装置，其特征在于，所述成像装置包括数字相机。
全文摘要
本发明揭示一种CMOS图像传感器或其它类型的图像传感器，其包括像素阵列及耦合至该像素阵列的信号产生器。该像素阵列包括多个像素，其每一个具有耦合至传输栅的光敏元件。该信号产生器被配置成产生用于施加于传输栅中至少一个的传输栅信号。传输栅信号具有至少一个开启状态电压电平及第一与第二关闭状态电压电平，其中该第一关闭状态电压电平通常具有比该第二关闭状态电压电平的量值高的量值。在一说明性实施例中，该第二关闭状态电压电平在一读出操作期间被利用以减少在该像素阵列的浮动扩散区域中的暗电流。
文档编号H04N5/361GK102257810SQ200980151839
公开日2011年11月23日 申请日期2009年12月9日 优先权日2008年12月19日
发明者J·T·康普托姆, 小森博文 申请人:美商豪威科技股份有限公司