CN109860218A - 具有背对背布局设计结构的图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有背对背设计布局的图像传感器。所述图像传感器包括四个感光像素单元对向设置形成开口，源极跟随晶体管设置于开口中心位置并靠近浮动扩散点。所述图像传感器的像素单元还包括复位晶体管，行选择晶体管以及转换增益控制晶体管，分别布局于像素单元的感光像素之间。图像传感器的像素单元的光电二极管之间，多个晶体管之间，以及多个像素单元之间设置隔离结构，以降低像素电路的暗电流。本发明提出的具有新型布局结构的图像传感器，布局设计结构紧凑，像素电路设置对称性好，同时能提高电路转换增益，提升图像传感器性能。

Description

具有背对背布局设计结构的图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器布局设计技术领域，尤其涉及感光像素单元具有共享结构且像素单元背对背布局设计的图像传感器。

背景技术

CMOS图像传感器广泛应用于各领域，例如智能手机，监控设备，无人机，人工智能等多种使用，且其应用需求日趋小型化。通常的图像传感器采用4晶体管设计，一个光电二极管加上一个传输晶体管，一个复位晶体管，一个源极跟随晶体管及一个行选择晶体管的电路结构。为满足小型化集成化的设计需求，图像传感器的像素单元采用共享结构设计可减少像素尺寸及提高填充因子(fill factor)。填充因子相应于感光单元所占的区域面积相对于像素单元面积的比值，提高填充因子可以提升像素电路的灵敏度和信噪比。

通常共享结构的像素单元的布局设计中为确保感光器件光电二极管的开口率，晶体管的布局设计需要进一步紧凑合理。在这种情况下，依赖于像素大小和晶体管布局，像素单元中共享像素的多个光电二极管会出现输出灵敏度差异性的问题。同时，由于布局结构设置不同，浮动扩散点产生寄生电容较大，会影响像素电路的转换增益。专利申请公布号CN102956660A，名称为“固态成像器件和电子设备”的中国专利中公开的技术方案，具有共享结构的多个光电转换单元的布局结构，如图4至图10公开的专利方案中，四个光电二极管PD对向设置，浮动扩散点FD置于对向设置结构的中心位置，以确保多个光电二极管之间的灵敏度差异性最小。源极跟随晶体管13设置在多个光电二极管布局的边侧位置，此种结构设置形式，浮动扩散点距离源极跟随晶体管的距离远，浮动扩散点处产生的寄生电容较大，因此会影响像素电路的转换增益。

本专利基于上述问题，提出一种结构紧凑布局合理的图像传感器布局设计方案，能保证光电二极管的开口率，提高像素电路的转换增益，降低像素电路暗电流，提升图像传感器的性能。

发明内容

本发明目的是提供一种具有背对背布局设计结构的图像传感器，所述图像传感器包括按行和列排列布局的多个像素单元构成的像素阵列，每个所述像素单元包括：

光电二极管及连接到所述光电二极管的传输晶体管构成感光像素单元，四个感光像素单元形成共享结构，连接并共享浮动扩散点；所述光电二极管以一方向布局设置，每个所述传输晶体管以一倾斜角度设置于其相应的所述光电二极管的角部，所述传输晶体管可以45度倾斜角度设置于所述光电二极管的角部位置；所述四个感光像素单元对向设置并形成开口；

浮动扩散点，包括第一浮动扩散点和第二浮动扩散点，分别设置于两个对向的所述开口处，所述第一浮动扩散点和所述第二浮动扩散点分别连接到相应的两个所述感光像素单元；

源极跟随晶体管，靠近并对称设置于所述第一浮动扩散点和所述第二浮动扩散点之间，所述源极跟随晶体管连接至所述第一浮动扩散点和所述第二浮动扩散点；以及

复位晶体管，所述复位晶体管设置于相应的两个所述感光像素单元之间；

所述图像传感器的任意两个相邻像素单元之间为背对背布局设置结构，所述背对背为相邻像素单元的所述光电二极管背对背布局设置；

可选的，所述像素阵列中同一行的相邻两个所述像素单元沿所述复位晶体管对称；定义行方向为所述两个对向开口的方向，另一方向为列方向；

可选的，所述图像传感器还包括一行选择晶体管，与所述源极跟随晶体管同一方向布局，所述像素阵列中同一列的相邻两个所述像素单元沿所述行选择晶体管对称；

可选的，所述图像传感器还包括一转换增益控制晶体管，与所述复位晶体管同一方向布局设置，每一所述像素单元中，所述转换增益控制晶体管靠近所述浮动扩散点设置并连接到所述浮动扩散点；

可选的，所述图像传感器的像素单元之间设置隔离结构，为离子注入方式隔离或STI隔离；

可选的，所述图像传感器的每个所述像素单元的光电二极管之间以及各晶体管之间设置隔离结构，为离子注入方式隔离或STI隔离(浅沟槽隔离，shallow trenchisolation)；

可选的，所述图像传感器的源极跟随晶体管和浮动扩散点之间设置STI隔离，所述像素单元的光电二极管之间以及其他晶体管之间设置离子注入方式隔离；

可选的，所述图像传感器为FSI图像传感器或BSI图像传感器，两种形式的图像传感器设计均可采用上述具有共享结构的设计布局。

本发明提出的具有背对背布局设计结构的图像传感器，其像素电路中四个感光像素单元对向设置形成开口，第一部分浮动扩散点和第二部分浮动扩散点分别设置于两个对向开口处。源极跟随晶体管设置在四共享感光像素单元的中心并对称连接到第一浮动扩散点和第二浮动扩散点。此种布局结构设置多个光电二极管的灵敏度差异性小，且像素电路设计对称性好。本发明方案中浮动扩散点距离源极跟随晶体管的距离近，浮动扩散点的电容较小，像素电路的转换增益较高，能有效提高像素电路的性能。

附图说明

图1为本发明给出的一应用实施例的具有四共享结构的像素电路图；

图2为本发明提出的图像传感器的实施例一像素单元布局结构示意图；

图3为本发明提出的图像传感器的实施例二像素单元布局结构示意图；

图4为本发明提出的图像传感器实施例一的隔离结构应用例一示意图；

图5为本发明提出的图像传感器实施例一的隔离结构应用例二示意图；

图6为本发明提出的实施例一的图像传感器的像素阵列布局示意图；及

图7为本发明提出的实施例二的图像传感器的像素阵列布局示意图。

具体实施方式

以下结合各个附图对本发明提出的具体设计方案进行详细的说明。图1为本发明给出的一个应用实施例中具有四共享结构的图像传感器的电路图。如图1中所示，像素电路包括四个共享感光像素单元，分别由PD0和TX0，PD1和TX1，PD2和TX2以及PD3和TX3构成四路感光像素，连接至并共享浮动扩散点FD。曝光结束后，像素信号经源极跟随晶体管SF信号放大和行选择晶体管RS选择输出至列线。本实施例图示中，像素电路还包括一转换增益控制晶体管DCG及电容，以实现像素电路高低增益之间转换，提高图像传感器的动态范围。

图2为本发明提出的具有背对背布局设计结构的图像传感器的实施例一像素单元布局示意图，如图中所示，具有共享结构的四个感光像素单元的光电二极管PD0，PD1，PD2以及PD3，四个光电二极管按一方向布局设置，传输晶体管TX0，TX1，TX2以及TX3以一定倾斜角度分别设置于其相应的光电二极管的角部，在一应用实施例中，通常以45度倾斜角度分别设置于其相应光电二极管的角部位置。四个感光像素单元对向设置，传输晶体管TX1和TX2形成一开口，传输晶体管TX0和TX3形成另一开口。浮动扩散点FD设置于开口的中心处，如图2中所示，浮动扩散点FD包括两部分。源极跟随晶体管SF设置于两个对向开口的中心位置，靠近并面向两部分浮动扩散点设置。这种布局设置方式浮动扩散点FD产生的电容小，能有效提高像素电路的转换增益。同时，对称设置于源极跟随晶体管SF两侧的两部分浮动扩散点对于像素电路设计对称性好，有利于降低各个颜色通道的感度差异，尤其是利于降低拜尔格式RGGB像素中的两个绿色通道Gr/Gb的感度差异。复位晶体管RST设置于相应的两个感光像素单元PD1以及PD2之间。图2中给出的实施例中，图像传感器像素阵列同一行中相邻两个所述像素单元沿复位晶体管对称，定义行的方向为图中沿着开口的横向方向，另一方向为列方向。本实施例中，像素电路还包括一行选择晶体管RS，与源极跟随晶体管SF相同的方向布局设置，图像传感器像素阵列的同一列中相邻两个像素单元沿该行选择晶体管RS对称。本实施例给出的像素单元布局结构，像素电路布局设计对称性好，各器件性能差异性小，利于提升像素电路的性能。

图3为本发明给出的具有背对背布局设计结构的图像传感器实施例二的像素单元布局结构示意图。如图3中所示，与图2布局结构不同的是，本实施例中像素单元还包括一转换增益控制晶体管DCG，以通过高低增益模式切换，实现像素电路的转换增益控制，提高图像传感器的动态范围。转换增益控制晶体管DCG与复位晶体管RST沿同一侧方向布局设置，转换增益控制晶体管DCG置于靠近浮动扩散点FD距离近端一侧。

在本发明给出的实施例一及实施例二中，图像传感器每个像素单元的光电二极管之间以及多个晶体管之间，各像素单元之间设置有隔离结构，以防止像素电路中的信号串扰及产生漏电流。本发明提出的方案中，光电二极管之间、像素电路中各晶体管之间，以及各像素单元之间可以采用离子注入的隔离方式，以减少像素电路中的暗电流。图4为上述采用离子注入隔离的图像传感器布局结构示意图，如图4中所示，四个光电二极管之间以及多个晶体管之间均采用离子注入隔离。此种全部采用离子注入隔离方式，能有效降低像素电路中的暗电流。在某些应用例中，光电二极管之间可以采用离子注入的隔离方式，像素电路中各晶体管之间设置STI隔离结构。由于STI隔离容易在形成沟槽结构的蚀刻工艺期间的损伤而导致晶格位错造成缺陷产生较高的暗电流，以致出现不希望的固定噪声，同时像素电路中过大的暗电流会降低图像传感器的动态范围。因此，在某些应用例中，源极跟随晶体管和浮动扩散点之间设置STI隔离，像素单元其他部分以及各像素单元之间均采用离子注入隔离结构，以降低像素电路中暗电流，同时提高电路转换增益，提升图像传感器的性能。图5为上述应用例中隔离结构示意图，如图5中所示，除源极跟随晶体管SF和浮动扩散点FD之间采用STI隔离结构，其余器件或单元之间设置有离子注入方式隔离，以进一步提高像素电路的转换增益。

图6为本发明提出的实施例一的图像传感器的像素阵列示意图，图7为实施例二图像传感器的像素阵列示意图。如图6及图7中所示，像素阵列中包含按行和列布局的多个如图2及图3中所示的像素单元，多个像素单元之间形成背对背设置结构。图像传感器的任意两个相邻像素单元之间为背对背布局设置，背对背为相邻像素单元的相应的光电二极管背对背布局设置。图7中所示的布局结构示意图，在像素阵列的布局中，复位晶体管RST和转换增益控制晶体管DCG对称设置。像素阵列中各器件布局结构对称好，利于提高图像传感器性能。图6及图7中给出的图像传感器像素单元内以及各像素单元之间设置有隔离结构，以避免像素信号之间的串扰，减少像素电路中的暗电流。其结构设计的实施方式如上述图2及图3中所述，此处不另行赘述。

本发明专利给出的各实施例及附图，是为了说明的目的，在不背离本发明更广泛的主旨和范围下，不同形式的等效修改是可行的。根据上述详细的说明可对本发明专利的实施例进行修改。用于权利要求中的术语不应解释为限定于本发明具体实施内容和权利要求部分中所揭露的具体实施例。相反地，权利要求中完整确定的范围应解释为根据权利要求解释确立的声明。本专利的说明书和各个附图应被看作是解释性的，而不是约束性的。

Claims (9)

1.一种具有背对背布局设计结构的图像传感器，所述图像传感器包括按行和列排列布局的多个像素单元构成的像素阵列，其特征在于，每个所述像素单元包括：

分别由光电二极管及传输晶体管构成的四个具有共享结构的感光像素单元，每个所述传输晶体管以一倾斜角度设置于其相应的所述光电二极管的角部，所述四个感光像素单元对向设置形成开口；

浮动扩散点，包括第一浮动扩散点和第二浮动扩散点，分别设置于两个对向的所述开口处，并分别连接到相应的两个所述感光像素单元；

源极跟随晶体管，靠近并对称设置于所述第一浮动扩散点和所述第二浮动扩散点之间；及

复位晶体管，设置于所述相应的两个所述感光像素单元之间。

2.根据权利要求1所述的具有背对背布局设计结构的图像传感器，其特征在于，所述像素阵列的同一行中相邻两个所述像素单元沿所述复位晶体管对称。

3.根据权利要求1所述的具有背对背布局设计结构的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括一行选择晶体管，与所述源极跟随晶体管同一方向布局，所述像素阵列的同一列中相邻两个所述像素单元沿所述行选择晶体管对称。

4.根据权利要求1或3所述的具有背对背布局设计结构的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括一转换增益控制晶体管，与所述复位晶体管同一方向布局设置。

5.根据权利要求1所述的具有背对背布局设计结构的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器的任意两个相邻像素单元之间为背对背布局设置结构，所述背对背为相邻像素单元的所述光电二极管背对背布局设置。

6.根据权利要求1所述的具有背对背布局设计结构的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器的所述像素单元之间设置隔离结构，为离子注入方式隔离或STI隔离。

7.根据权利要求1所述的具有背对背布局设计结构的图像传感器，其特征在于，每个所述像素单元的所述光电二极管之间以及多个晶体管之间设置隔离结构，为离子注入方式隔离或STI隔离。

8.根据权利要求1或所述的具有背对背布局设计结构的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器的所述源极跟随晶体管和所述浮动扩散点之间设置STI隔离，所述像素单元的所述光电二极管之间以及其他晶体管之间设置离子注入方式隔离。

9.根据权利要求1所述的具有背对背布局设计结构的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器为FSI图像传感器或BSI图像传感器。