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具有多级转移栅极的CMOS图像传感器

阅读:460发布:2023-01-26

专利汇可以提供具有多级转移栅极的CMOS图像传感器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及具有多级转移栅极的CMOS图像 传感器 。一种图像传感器 像素 包括:第一电荷存储 节点 ,其经配置以具有第一电荷存储电势;第二电荷存储节点,其经配置以具有第二电荷存储电势且从所述第一电荷存储节点接收电荷,其中所述第二电荷存储电势大于所述第一电荷存储电势;及转移 电路 ,其耦合于所述第一电荷存储节点与所述第二电荷存储节点之间,其中所述转移电路包括至少三个转移区域,其中:第一转移区域接近所述第一电荷存储节点且经配置以具有大于所述第一电荷存储电势且低于所述第二电荷存储电势的第一转移电势;第二转移区域耦合于所述第一转移区域与第三转移区域之间且经配置以具有大于所述第一电荷存储电势且低于所述第二电荷存储电势的第二转移电势;及所述第三转移区域接近所述第三电荷存储节点且经配置以具有大于所述第一电荷存储电势且低于所述第二电荷存储电势的第三转移电势。电荷在多个转移 信号 脉冲之后完全地从所述第一电荷存储节点转移到所述第二电荷存储节点。,下面是具有多级转移栅极的CMOS图像传感器专利的具体信息内容。

1.一种图像传感器像素,其包括:
第一电荷存储节点,其经配置以具有第一电荷存储电势;
第二电荷存储节点,其经配置以具有第二电荷存储电势且从所述第一电荷存储节点接收电荷,其中所述第二电荷存储电势大于所述第一电荷存储电势;及
转移电路,其耦合于所述第一电荷存储节点与所述第二电荷存储节点之间,其中所述转移电路包括至少三个转移区域,其中:
第一转移区域接近所述第一电荷存储节点且经配置以具有大于所述第一电荷存储电势且低于所述第二电荷存储电势的第一转移电势;
第二转移区域耦合于所述第一转移区域与第三转移区域之间且经配置以具有大于所述第一电荷存储电势且低于所述第二电荷存储电势的第二转移电势;及所述第三转移区域接近所述第三电荷存储节点且经配置以具有大于所述第一电荷存储电势且低于所述第二电荷存储电势的第三转移电势。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其中:
所述第一转移区域包括经配置以控制所述第一转移电势的第一输入电极
所述第二转移区域包括经配置以控制所述第二转移电势的第二输入电极;
所述第三转移区域包括经配置以控制所述第三转移电势的第三输入电极;且所述第一输入电极、所述第二输入电极及所述第三输入电极与彼此电隔离
3.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其中所述第一转移电势、所述第二转移电势及所述第三转移电势基本上相同。
4.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其中所述第一转移电势低于所述第二转移电势。
5.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其中所述第二转移电势低于所述第三转移电势。
6.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其中所述第一电荷存储节点包括安置于半导体衬底中的光电二极管
7.根据权利要求6所述的图像传感器像素,其中所述第二电荷存储节点包括安置于所述半导体衬底中的浮动扩散节点
8.根据权利要求7所述的图像传感器像素,其中所述转移电路包括形成在所述半导体衬底上的场效晶体管的改性栅极。
9.根据权利要求8所述的图像传感器像素,其中所述场效晶体管的所述改性栅极被划分成与彼此隔离的至少三个邻近区域,其中第一区域与所述第一转移区域相关联且包括所述第一输入电极,第二区域与所述第二转移区域相关联且包括所述第二输入电极,且第三区域与所述第三转移区域相关联且包括所述第三输入电极。
10.根据权利要求8所述的图像传感器像素,其中所述场效晶体管的所述改性栅极定位在所述半导体衬底的共同掺杂区域之上。
11.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其中所述第一输入电极、所述第二输入电极及所述第三输入电极包括多晶、金属及金属化合物中的至少一者。
12.一种在图像传感器像素中将电荷从具有第一电荷存储电势的第一电荷存储节点转移到具有第二电荷存储电势的第二电荷存储节点的方法,其包括:
响应于第一转移信号增加接近所述第一电荷存储节点的第一转移区域的第一转移电势使得增加的第一转移电势大于所述第一电荷存储电势但低于所述第二电荷存储电势;
响应于第二转移信号增加邻近所述第一转移区域与第三转移区域之间的第二转移区域的第二转移电势使得增加的第二转移电势不低于所述增加的第一转移电势但低于所述第二电荷存储电势;
响应于第三转移信号减小所述第一转移区域的所述第一转移电势使得减小的第一转移电势小于所述第一电荷存储电势;
响应于第四转移信号增加接近所述第二电荷存储节点的所述第三转移区域的第三转移电势使得增加的第三转移电势不低于所述增加的第二转移电势且不高于所述第二电荷存储电势,其中所述第二电荷存储电势大于所述第一电荷存储电势;
响应于第五转移信号减小所述第二转移区域的所述第二转移电势使得减小的第二转移电势与所述减小的第一转移电势基本上相同;及
响应于第六转移信号减小所述第三转移区域的所述第三转移电势使得减小的第三转移电势与所述减小的第一转移电势基本上相同。
13.根据权利要求12所述的方法,其中重复地提供所述第一、第二、第三、第四、第五及第六转移信号作为多个脉冲以便在所述多个脉冲之后将电荷完全地从所述第一电荷存储节点转移到所述第二电荷存储节点。
14.根据权利要求12所述的方法,其中所述增加的第一转移电势低于所述增加的第二转移电势,且所述增加的第二转移电势低于所述增加的第三转移电势。
15.根据权利要求12所述的方法,其中所述第一电荷存储节点包括光电二极管
16.根据权利要求12所述的方法,其中所述第二存储节点包括浮动扩散节点。
17.根据权利要求12所述的方法,其进一步包括转移电路,其中所述转移电路包括形成在半导体衬底上的场效晶体管的改性栅极,其中所述场效晶体管的所述改性栅极被划分成至少三个区域,其中第一区域与所述第一转移区域相关联,第二区域与所述第二转移区域相关联且第三区域与所述第三转移区域相关联。
18.根据权利要求17所述的方法,其中所述场效晶体管的所述改性栅极定位在所述半导体衬底的共同掺杂区域之上。
19.根据权利要求12所述的方法,其中:
所述第一转移区域包括经配置以控制所述第一转移电势的第一输入电极;
所述第二转移区域包括经配置以控制所述第二转移电势的第二输入电极;
所述第三转移区域包括经配置以控制所述第三转移电势的第三输入电极;且所述第一输入电极、所述第二输入电极及所述第三输入电极与彼此电隔离。
20.根据权利要求19所述的方法,其中所述第一输入电极、所述第二输入电极及所述第三输入电极包括多晶硅、金属及金属化合物中的至少一者。

说明书全文

具有多级转移栅极的CMOS图像传感器

技术领域

[0001] 本发明大体上涉及半导体图像传感器,且特定来说(但非排他地),涉及具有多级转移栅极的CMOS图像传感器。

背景技术

[0002] 图像传感器已经变得无处不在。它们广泛使用于数字照相机、蜂窝电话、安全摄像机中,还广泛使用于医学、汽车及其它应用中。典型的全局快互补金属化物半导体(CMOS)图像传感器如下操作:从入射光子积累于光电二极管中的图像电荷从光电二极管转移到存储节点,且接着,随后转移到浮动扩散节点以进行全局快门读出。生成的图像电荷量与图像光的强度成比例。生成的图像电荷可用于产生表示外部场景的图像。
[0003] 为了实现从一个节点到另一节点的电荷转移,节点经常经设计使得在操作期间,电荷将转移到其的节点(即,目的地节点,例如浮动扩散节点)具有比从其转移电荷的节点(即,源极节点,例如光电二极管节点)更大的电势。为了将电荷从一个节点完全地转移到另一者,目的地节点的电势可能需要比源极节点的电势大等于或超过将转移的电荷量的量。换句话来说,目的地节点可能需要具有足够的全阱容量来在节点之间的势垒移除时保持来自源极节点的电荷而不与源极节点共享后面的电荷。
[0004] 为了实现多个节点之间的完全电荷转移,在图像传感器行业中使用若干解决方案。第一种解决方案是增加连续节点的电势,其中每一连续节点之间的电势的增加通常等于或超过像素的全阱容量。然而,此解决方案通常需要将更高电供应电压提供到图像传感器。更高电力供应电压可导致更高电力消耗,可能需要专门的制造工艺,及/或可能需要减轻静电放电问题。第二种解决方案是减小节点之间的转换增益。然而,此解决方案可在图像传感器的操作中导致更多噪声及更低灵敏度。第三种解决方案是在图像传感器像素中包含额外节点-例如,通过使两个或两个以上芯片堆叠在一起而形成的图像传感器。然而,此解决方案可能需要额外接点及存储节点以供电荷在堆叠式硅芯片之间转移。额外节点加剧对增加后续存储节点的电势的需要。

发明内容

[0005] 一方面,本发明涉及一种图像传感器像素,其包括:第一电荷存储节点,其经配置以具有第一电荷存储电势;第二电荷存储节点,其经配置以具有第二电荷存储电势且从所述第一电荷存储节点接收电荷,其中所述第二电荷存储电势大于所述第一电荷存储电势;及转移电路,其耦合于所述第一电荷存储节点与所述第二电荷存储节点之间,其中所述转移电路包括至少三个转移区域,其中:第一转移区域接近所述第一电荷存储节点且经配置以具有大于所述第一电荷存储电势且低于所述第二电荷存储电势的第一转移电势;第二转移区域耦合于所述第一转移区域与第三转移区域之间且经配置以具有大于所述第一电荷存储电势且低于所述第二电荷存储电势的第二转移电势;及所述第三转移区域接近所述第三电荷存储节点且经配置以具有大于所述第一电荷存储电势且低于所述第二电荷存储电势的第三转移电势。
[0006] 另一方面,本发明涉及一种在图像传感器像素中将电荷从具有第一电荷存储电势的第一电荷存储节点转移到具有第二电荷存储电势的第二电荷存储节点的方法,其包括:响应于第一转移信号增加接近所述第一电荷存储节点的第一转移区域的第一转移电势使得增加的第一转移电势大于所述第一电荷存储电势但低于所述第二电荷存储电势;响应于第二转移信号增加邻近所述第一转移区域与第三转移区域之间的第二转移区域的第二转移电势使得增加的第二转移电势不低于所述增加的第一转移电势但低于所述第二电荷存储电势;响应于第三转移信号减小所述第一转移区域的所述第一转移电势使得减小的第一转移电势小于所述第一电荷存储电势;响应于第四转移信号增加接近所述第二电荷存储节点的所述第三转移区域的第三转移电势使得增加的第三转移电势不低于所述增加的第二转移电势且不高于所述第二电荷存储电势,其中所述第二电荷存储电势大于所述第一电荷存储电势;响应于第五转移信号减小所述第二转移区域的所述第二转移电势使得减小的第二转移电势与所述减小的第一转移电势基本上相同;及响应于第六转移信号减小所述第三转移区域的所述第三转移电势使得减小的第三转移电势与所述减小的第一转移电势基本上相同。
附图说明
[0007] 参考以下图式描述本发明的非限制及非详尽实施例,其中相似的元件符号指代贯穿多种视图的相似部件,除非另有说明。
[0008] 图1是示意性地说明根据本发明的实施例的成像系统的一个实例的框图
[0009] 图2是根据本发明的实施例的图像传感器像素的一部分的简化示意性横截面图。
[0010] 图3A到图3I是根据本发明的实施例的说明其操作的图2中展示的图像传感器像素部分的简化电势分布。
[0011] 对应的参考字符指示贯穿诸图中若干视图的对应组件。所属领域的技术人员应了解,出于简单且清楚的目的说明图中的元件,且并不一定按比例绘制元件。举例来说,图中一些元件的尺寸可相对于其它元件而被夸大以帮助改善对本发明的多种实施例的理解。并且,为了更方便地了解本发明的这些多种实施例,通常不描绘在商业可行的实施例中有用或必要的常见但好理解的元件。

具体实施方式

[0012] 本文描述具有多级转移栅极的图像传感器的设备及方法的实例。在以下描述中,陈述众多特定细节以便提供对实例的详尽理解。然而,相关领域的技术人员应认识到,可无需运用所述特定细节中的一或多者或运用其它方法、组件、材料等实践本文描述的技术。在其它情况中,未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
[0013] 贯穿此说明书对“一个实例”或“一个实施例”的参考意味着与实例相结合而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此,贯穿此说明书在多个地方出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”并不一定都指代相同的实例。此外,在一或多个实例中可以任何合适的方式组合特定特征、结构或特性。
[0014] 贯穿此说明书,使用若干技术术语。这些术语具有在其所来自的领域中的普通意义,除非本文明确定义或其使用的上下文将另外清楚地论述。应注意,元件命名及符号可贯穿本档案可互换地使用(例如,Si对硅),然而,两者具有相同意义。
[0015] 图1是说明成像系统100的一个实例的框图。成像系统100包含像素阵列104、控制电路103、读出电路101及功能逻辑102。在一个实例中,像素阵列104是二维(2D)光电二极管或图像传感器像素(例如,像素P1、P2…、Pn)阵列。如所说明,将光电二极管布置成行(举例来说,行R1到Ry)及列(举例来说,列C1到Cx)以获取人、位置或物体等的图像数据,接着可使用所述图像数据来再现所述人、位置或物体等的2D图像。然而,在其它实例中,应了解,光电二极管不必布置成行及列且可采用其它配置。
[0016] 在一个实例中,在像素阵列104中的图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷后,由读出电路101读出所述图像数据且接着将其转移到功能逻辑102。在各种实例中,读出电路101可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它电路。功能逻辑102可简单存储所述图像数据及/或甚至通过应用后图像效果(例如,剪裁、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度、或其它)操纵所述图像数据。在一个实例中,读出电路101可沿着读出列位线一次读出一行图像数据(已说明),或可使用例如串行读出或同时全并行读出所有像素的多种其它技术(未说明)来读出所述图像数据。
[0017] 在一个实例中,控制电路103耦合到像素阵列104以控制像素阵列104中的多个光电二极管的操作。举例来说,控制电路103可生成用于控制图像采集的快门信号。在一个实例中,所述快门信号为全局快门信号,其用于同时启用像素阵列104内的所有像素以在单采集窗期间同时捕获其相应的图像数据。在另一实例中,所述快门信号为滚动快门信号,使得在连续采集窗期间循序地启用像素的每一行、每一列或每一群组。在另一实例中,图像采集与发光效果(例如闪光)同步。
[0018] 在一个实例中,成像系统100可包含于数字照相机、手机、膝上型计算机、汽车或类似物中。另外,成像系统100可耦合到其它硬件零件,例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等)、发光/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪垫、鼠标、麦克等)及/或显示器。其它硬件零件可将指令递送到成像系统100,从成像系统100提取图像数据或操纵由成像系统100供应的图像数据。
[0019] 图2是根据本发明的实施例的图像传感器像素200的一部分的简化示意性横截面图。成像传感器像素200是图1中展示的像素阵列104的至少一个像素的一个可能实施方案。所说明的成像传感器像素200的实施例包含具有光接收区域的P型掺杂半导体衬底207。N型掺杂区域206安置于P型掺杂半导体衬底207中以在光接收区域中形成基于电子的光电二极管。为了减小暗电流,P+钉扎层205也形成在光接收区域的表面上。N型区域206及P+钉扎层
205形成图3A中的第一电荷存储节点301,其经配置以具有第一电荷存储电势。另一N型掺杂区域204安置于半导体衬底207中以便形成浮动扩散节点作为图3A中的第二电荷存储节点
305,其经配置以具有第二电荷存储电势且从第一电荷存储节点301接收电荷。
[0020] 应注意,如本文使用,术语“光电二极管”意在涵盖基本上任何类型的光子或光检测组件,例如基于空穴的光电二极管、光栅或其它光敏区域。还应注意,具有不同类型的掺杂的不同类型的半导体衬底还可用于不同实施例中,且两个电荷存储节点301及305可为p型衬底中的n掺杂区域或半导体衬底的p阱。
[0021] 在图3A中,转移电路215耦合于第一电荷存储节点301与第二电荷存储节点305之间。转移电路215包括至少三个转移区域:第一转移区域302接近第一电荷存储节点301,其可经配置以具有大于第一电荷存储电势且低于第二电荷存储电势的第一转移电势;第二转移区域303耦合于第一转移区域302与第三转移区域304之间,其可经配置以具有大于第一电荷存储电势且低于第二电荷存储电势的第二转移电势;及第三转移区域304接近第二电荷存储节点305,其可经配置以具有大于第一电荷存储电势且低于第二电荷存储电势的第三转移电势。在图2中,作为实例,转移电路215包括形成在半导体衬底207上的场效晶体管的改性栅极。场效晶体管的改性栅极定位在半导体衬底207的共同掺杂区域之上。场效晶体管的改性栅极被划分成至少三个区域,其中第一区域201与图3A中的第一转移区域302相关联,第二区域202与图3A中的第二转移区域303相关联,且第三区域203与图3A中的第三转移区域304相关联。作为实例,第一转移区域201包括第一输入电极208,其经配置以控制第一转移电势;第二转移区域202包括第二输入电极209,其经配置以控制第二转移电势;且第三转移区域203包括第三输入电极210,其经配置以控制第三转移电势。作为实例,每一转移区域的转移电势可通过更改在输入电极中的每一者处施加的电压来配置。输入电极中的每一者包括多晶硅膜、金属膜及金属化合物中的至少一者。作为实例,输入电极中的每一者包括直接安置在半导体衬底207上的薄栅极电介质213的顶部上的多晶硅或金属栅极214的膜堆叠。第一输入电极208、第二输入电极209及第三输入电极210通过隔离结构211及212与彼此电隔离。作为实例,隔离结构可由用氧化硅填充的沟槽形成。第一转移电势、第二转移电势及第三转移电势可经配置以基本上相同。作为另一实例,第一转移电势可经配置以低于第二转移电势,且第二转移电势低于第三转移电势。与第一、第二及第三转移电势相比,第一电荷存储电势始终经配置成在图像传感器像素200中是最低的,且第二电荷存储电势始终经配置成是最高的。
[0022] 图3A到图3I是根据本发明的实施例的图2中展示的图像传感器像素部分的简化电势分布,其用以说明在图像传感器像素200中将电荷从具有第一电荷存储电势的第一电荷存储节点301转移到具有第二电荷存储电势的第二电荷存储节点305的方法的操作。作为实例,当光被接收于光接收区中且转换成电子时,接近第一电荷存储节点301的第一转移区域302的第一转移电势经增加使得第一转移电势大于第一电荷存储电势。因此,电子开始从第一电荷存储节点301转移到第一转移区域302(图3A)。
[0023] 同时,第一转移区域302与第三转移区域304之间的第二转移区域303的第二转移电势也经增加使得第二转移电势不低于第一转移电势。作为一个实例,第二转移电势与第一转移电势大致相同。作为另一实例,第二转移电势高于第一转移电势。因此,电子继续从第一转移区域302转移到第二转移区域303。在电子“落”到第二转移区域303中之后,第一转移区域302的第一转移电势经减小使得经减小的第一转移电势小于第一电荷存储节点301的第一电荷存储电势(图3B)。因此,第二转移区域303中的电子将不会流回到第一电荷存储节点301中。
[0024] 为了继续转移电子,接近第二电荷存储节点305的第三转移区域304的第三转移电势也在大致相同时间或在第一转移电势减小之后经增加使得第三转移电势也不低于第二转移电势且此外不高于第二电荷存储电势。因此,电子继续从第二转移区域303转移到第三转移区域304(图3C)且最终“落”到具有最高电势的第二电荷存储节点305中(图3D)。作为一个实例,第三转移电势与第二转移电势大致相同。作为另一实例,第三转移电势高于第二转移电势。作为一个实例,第三转移电势低于第二电荷存储电势。作为另一实例,第三转移电势与第二电荷存储电势大致相同。
[0025] 在电子“落”到第三转移区域304中之后,第二转移区域303的第二转移电势经减小使得经减小的第二转移电势与第一转移区域302的经减小的第一转移电势大致相同或低于所述经减小的第一转移电势(图3C),其中其两者都低于第一电荷存储节点301的第一电荷存储电势。因此,第三转移区域304中的电子将不会流回到第一电荷存储节点301中而仅流到第二电荷存储节点305中(图3D)。
[0026] 在电子“落”到第二电荷存储节点305中之后,第三转移区域304的第三转移电势同样经减小使得经减小的第三转移电势也小于第一电荷存储节点301的第一电荷存储电势(图3D)。因此,第二电荷存储节点305中的电子将不会流回到第一电荷存储节点301中。作为一个实例,第三转移区域304的经减小的第三转移电势与第一转移区域302的经减小的第一转移电势及第二转移区域303的经减小的第二转移电势大致相同,其中其全部都小于第一电荷存储节点301的第一电荷存储电势及第二电荷存储节点305的第二电荷存储电势,其中第二电荷存储节点305的第二电荷存储电势是最高电势(图3D)。
[0027] 作为实例,每一转移区域的转移电势可通过更改在转移区域中的每一者的输入电极中的每一者处作为电荷转移信号而施加的电压来配置。在电荷转移期间,多个脉冲被提供到输入电极以便按顺序将电荷从第一电荷存储节点301转移到第二电荷存储节点305,如先前段落中描述。电荷转移顺序不一定必须限于先前段落中描述的相同顺序。作为一个实例,在新电荷转移循环开始时,第一转移电势、第二转移电势及第三转移电势可响应于电荷转移信号在基本上相同时间增加(图3A),或逐一增加(图3E)。先前段落中描述的电荷转移操作可用多个转移信号脉冲重复直到第一电荷存储节点301中的所有电荷完全转移到第二电荷存储节点305中(图3A到3I)。此外,转移电路215可包括三个以上转移区域以便实现更高全阱容量。
[0028] 本发明所说明的实例的上文描述,包含说明书摘要中所描述的内容,不希望为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然出于说明的目的本文描述本发明的特定实例,但相关领域的技术人员应认识到在本发明范围内多种修改是可能的。鉴于上文详细的描述,可对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中揭示的特定实例。而是,本发明的范围将完全由所附权利要求确定,所述权利要求应根据建立的权利要求解释的公认原则来解释。
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