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CN205159323U - 图像传感器像素电路及处理器系统 - Google Patents

图像传感器像素电路及处理器系统 Download PDF

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CN205159323U
CN205159323U CN201520752251.5U CN201520752251U CN205159323U CN 205159323 U CN205159323 U CN 205159323U CN 201520752251 U CN201520752251 U CN 201520752251U CN 205159323 U CN205159323 U CN 205159323U
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sensor pixel
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J·希内塞克
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Semiconductor Components Industries LLC
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Abstract

本实用新型涉及图像传感器像素电路及处理器系统。本实用新型的一个目的是解决与现有技术中存在的一个或更多个问题相关的问题。一种图像传感器像素，形成于半导体衬底上，包括：光电二极管区，响应于图像光产生电荷；浮动扩散区；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从光电二极管区转移到浮动扩散区；半导体衬底中的n型掺杂阱区；p沟道金属氧化物半导体MOS源极跟随器晶体管，形成于半导体衬底上的n型掺杂阱区内，其中p沟道MOS源极跟随器晶体管具有耦合到浮动扩散区的栅极端子和耦合到列读出线的源极端子；以及n沟道MOS重置晶体管，耦合在浮动扩散区和偏置电压列线之间，被配置为重置浮动扩散区。可以增加光电二极管的面积和电荷存储能力。

Description

图像传感器像素电路及处理器系统
技术领域
本实用新型涉及固态图像传感器阵列(例如，互补金属氧化物半导体CMOS阵列)，而更具体地，涉及具有像素的图像传感器，像素可以具有亚微米尺寸并且可以从像素形成于其上的像素衬底的背面或正面被照明。像素的小(即，小于1微米)的尺寸减少图像传感器阵列的成本，但是尽管像素尺寸减小，不牺牲传感器性能(诸如噪声、像素阱能力、动态范围、辉散控制、低的暗电流贡献和可忽略的图像滞后)是重要的。
背景技术
通常的图像传感器通过将冲击的光子转化为集成(收集)到传感器像素中的电子(或空穴)来感测光。一旦完成每个集成周期，收集到的电荷被转化为电压信号，所述电压信号被供应到相应的与图像传感器相关联的输出端子。通常，电荷到电压的转化直接在像素内执行，而作为结果的模拟像素电压信号通过各种像素寻址和扫描方案转移到输出端子。在传递到芯片外之前，模拟电压信号有时可以在芯片上转化为数字等效物。每个像素包括缓冲放大器(即，源极跟随器)，其驱动经由各自的寻址晶体管连接到像素的输出感测线。
在电荷到电压的转化完成之后并且作为结果的信号从像素转移出之后，在随后的集成周期开始之前，重置像素。在包括用作电荷检测节点的浮动扩散(FD)的像素中，此重置操作通过瞬间开启重置晶体管来完成，所述重置晶体管将浮动扩散节点连接到电压参考(通常为像素电流漏极节点)用于漏去(或者移除)任何转移到FD节点上的电荷。然而，如本领域已熟知的，使用重置晶体管从浮动扩散节点移除电荷产生热kTC重置噪声。此kTC重置噪声必须使用相关双采样(CDS)信号处理技术来移除，以达成期望的低噪声性能。利用CDS的典型的CMOS图像传感器需要每个像素至少四个晶体管(4T)。具有钉扎的(pinned)光电二极管的4T像素电路的例子可以在Lee(美国专利号5625210)中找到，其作为引用并入此处。
图1示出了CMOS传感器中的像素100的简化的电路图。像素电路100具有双路共享光电二极管方案，其中两个光电二极管共享单个浮动扩散节点。具体地，光电二极管101(PD1)和102(PD2)共享公共的浮动扩散(FD)电荷检测节点114，源极跟随器(SF)晶体管103连接到所述浮动扩散(FD)电荷检测节点114。源极跟随器晶体管103的漏极端子连接到Vdd列偏置线109，而源极跟随器晶体管103的源极通过寻址晶体管104连接到列输出信号(读出)线108。电荷检测节点114通过重置晶体管105重置，所述重置晶体管105也连接到Vdd列偏置线109。来自光电二极管101和102的电荷分别通过电荷转移晶体管106和107转移到浮动扩散节点114上。重置晶体管105的栅极由在行控制线110上接收的重置控制信号控制，电荷转移晶体管106和107的栅极由分别在行线112和113上接收的转移控制信号控制，而寻址晶体管104的栅极由在行寻址线111上接收的行选择控制信号控制。如图1所示，清楚的是，每对像素光电二极管必须耦合到总共五个晶体管(即，每个光电二极管2.5个晶体管)。
当减小像素尺寸时，将每个像素的晶体管的数量和金属线互连的数量最小化是期望的。这通常通过消除行寻址晶体管104来完成。没有行寻址晶体管的像素的操作已被说明，例如，在Hynecek(美国专利号8558931)中，其作为引用并入此处。当像素组件(诸如源极跟随器晶体管)尺寸上减小时，随机电报信号(RTS)噪声变得更主导并且在最终的图像中可察觉到。
因此，能够提供改进的图像传感器像素是期望的。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是解决与现有技术中存在的一个或更多个问题相关的问题。
根据本实用新型的一个方面，提供一种图像传感器像素电路，形成于半导体衬底上，包括：光电二极管区，响应于图像光产生电荷；浮动扩散区；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管区转移到所述浮动扩散区；所述半导体衬底中的n型掺杂阱区；p沟道金属氧化物半导体MOS源极跟随器晶体管，形成于所述半导体衬底上的所述n型掺杂阱区内，其中所述p沟道MOS源极跟随器晶体管具有耦合到所述浮动扩散区的栅极端子和耦合到列读出线的源极端子；以及n沟道MOS重置晶体管，耦合在所述浮动扩散区和偏置电压列线之间，被配置为重置所述浮动扩散区。
根据一个实施例，所述n沟道MOS重置晶体管的漏极端子与所述半导体衬底上的所述n型掺杂阱区重叠，使得所述偏置电压设置到所述n型掺杂阱区。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：至少一个额外的光电二极管，其中所述至少一个额外的光电二极管被配置为将产生的电荷转移到所述浮动扩散区。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：至少三个额外的光电二极管，其中所述至少三个额外的光电二极管被配置为为将产生的电荷转移到所述浮动扩散区，并且其中所述n沟道MOS重置晶体管具有形成所述浮动扩散区的一部分的漏极端子。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：p+型退化掺杂层，形成于所述光电二极管区之下并且连接到参考端子，其中所述p+型退化掺杂层具有通过具有关于所述p+型退化掺杂层的相反的极性的补偿注入剂而形成的开口，并且其中所述p+型退化掺杂层在所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区之下延伸以形成势垒，所述势垒被配置为通过防止光产生的电子从所述半导体衬底的基体部分进入所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区而将所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区与所述半导体衬底的所述基体部分隔离。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路形成为所述半导体衬底上的图像传感器像素电路阵列的一部分。所述图像传感器像素电路还包括：像素隔离结构，选自由下列组成的组之中：浅槽隔离区和深槽隔离区，其中所述像素隔离结构被配置为将所述图像传感器像素电路与所述图像传感器像素电路阵列中的其它图像传感器像素电路隔离。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路形成为所述半导体衬底上的图像传感器像素电路阵列的一部分，所述图像传感器像素电路还包括：所述半导体衬底中的杂质注入部分，被配置为将所述图像传感器像素电路与所述图像传感器像素电路阵列中的其它图像传感器像素电路隔离。
根据一个实施例，所述半导体衬底具有正表面和相对的背表面，其中所述列读出线在所述正表面处耦合到所述p沟道MOS源极跟随器晶体管的所述源极端子，并且所述光电二极管被配置为响应于通过所述背表面接收的图像光来产生电荷。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：多个微透镜和滤色器元件，形成在所述半导体衬底的所述背表面之上。
根据一个实施例，所述半导体衬底具有正表面和相对的背表面，其中所述列读出线在所述正表面处耦合到所述p沟道MOS源极跟随器晶体管的所述源极端子，并且所述光电二极管被配置为响应于通过所述正表面接收的图像光来产生电荷。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：多个微透镜和滤色器元件，形成在所述半导体衬底的所述正表面之上。
根据本实用新型的另一个方面，提供一种图像传感器像素电路，形成于半导体衬底上，包括：光电二极管区，响应于图像光产生电荷；浮动扩散区；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管区转移到所述浮动扩散区；p沟道结型栅极场效应JFET源极跟随器晶体管，形成于所述半导体衬底上的所述浮动扩散区内；以及n沟道JFET重置晶体管，耦合到所述浮动扩散区并且被配置为将所述浮动扩散区重置到重置电压。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：列读出线，耦合到所述p沟道JFET源极跟随器晶体管的源极端子；以及接地端子，耦合到所述p沟道JFET源极跟随器晶体管的漏极端子。
根据一个实施例，所述n沟道JFET重置晶体管耦合在所述浮动扩散区和电压偏置列线之间。
根据一个实施例，所述p沟道JFET源极跟随器晶体管具有由所述半导体衬底上的所述浮动扩散区包围的n+型掺杂栅极区和形成在所述n+型掺杂栅极区下的p型掺杂沟道区。
根据一个实施例，所述p沟道JFET源极跟随器晶体管的所述n+型掺杂栅极区在不用导线的情况下电耦合到所述浮动扩散区。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：p+型退化掺杂层，形成于光电二极管区之下并且连接到接地端子，其中所述p+型退化掺杂层具有通过具有关于所述p+型退化掺杂层的相反的极性的补偿注入剂形成的开口，并且其中所述p+型退化掺杂层在所述浮动扩散区之下延伸以形成势垒，所述势垒被配置为通过防止光产生的电子从所述半导体衬底的基体部分进入所述浮动扩散区而将所述浮动扩散区与所述半导体衬底的所述基体部分隔离。
根据本实用新型的另一个方面，提供一种处理器系统，包括：中央处理单元；存储器；输入/输出电路；以及成像设备。其中所述成像设备包括：像素阵列，具有形成于半导体衬底上的至少一个像素电路；以及透镜，将图像聚焦到所述像素阵列上。其中所述至少一个像素电路包括：光电二极管区，响应于图像光产生电荷；浮动扩散区；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管区转移到所述浮动扩散区；n沟道结型栅极场效应JFET源极跟随器晶体管，形成于所述半导体衬底上的所述浮动扩散区内；以及p沟道JFET重置晶体管，耦合到所述浮动扩散区并且被配置为将所述浮动扩散区重置到重置电压。
根据一个实施例，所述n沟道JFET源极跟随器晶体管具有被所述半导体衬底上的所述浮动扩散区包围的p+型掺杂栅极区以及形成于所述p+型掺杂栅极区下的n型掺杂沟道区。
根据一个实施例，所述n沟道JFET源极跟随器晶体管的所述p+型掺杂栅极区在不用导线的情况下电连接到所述浮动扩散区。
本实用新型的一个优点是像素可以在不具有行选择晶体管的情况下形成以增加光电二极管的面积和电荷存储能力。
附图说明
图1是常规的图像传感器像素的简化的电路图，具有共享相同的像素电路的两个光电二极管，所述像素电路包括两个转移栅极、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)源极跟随器、寻址晶体管和重置晶体管。
图2是图像传感器像素的例示性电路图，具有共享公共的浮动扩散区的两个光电二极管，具有两个电荷转移晶体管、源极跟随器晶体管和重置晶体管，其中根据本实用新型的实施例，源极跟随器晶体管是p沟道型晶体管。
图3是两个光电二极管的例示性布局图，具有每个共享的浮动扩散区像素拓扑结构(例如具有图2中所示的类型的电路的像素)相应的转移栅极，其中根据本实用新型的实施例，p沟道型MOSFET源极跟随器晶体管和n沟道型MOSFET重置晶体管位于光电二极管行之间的浅槽隔离(STI)主干(trunk)。
图4是图2和图3中所示的类型的像素沿着图3的线A’-A”的例示性剖面图，其中微型n阱区与p沟道型MOSFET源极跟随器晶体管一起形成。在微型n阱区和n+型掺杂MOSFET重置晶体管之间设置连接。根据本实用新型的实施例设置p+型掺杂RPW层。
图5是图2和图3中所示的类型的像素跨过根据本实用新型的实施例的像素中的p沟道型MOSFET源极跟随器晶体管的位置处的STI隔离主干的例示性剖面图。
图6是四个光电二极管的例示性布局图，具有每个共享的浮动扩散区像素拓扑结构相应的电荷转移栅极，其中根据本实用新型的实施例，p沟道型MOSFET源极跟随器晶体管和n沟道型MOSFET重置晶体管位于光电二极管行之间的浅槽隔离(STI)主干。
图7是根据本实用新型的实施例，示出了图2到图6中所示的类型的p沟道型MOSFET源极跟随器晶体管之下的完全耗尽微型n阱中的偏置电势的例示性图和能带图。
图8是四个光电二极管的例示性布局图，具有每个共享的浮动扩散区像素拓扑结构相应的电荷转移栅极，其中根据本实用新型的实施例，像素源极跟随器是直接位于浮动扩散电荷检测区内的p沟道结型栅极场效应晶体管(JFET)。
图9是根据本实用新型的实施例，采用图2到图8的图像传感器像素的处理器系统的框图。
具体实施方式
图2中示出了例示性图像传感器像素的简化的电路图，所述图像传感器像素具有共享公共的浮动扩散节点的具有相应的电荷转移栅极的两个光电二极管。如图2中所示，像素电路200可以包括共享相同的浮动扩散节点213(此处有时被称为电荷储存节点213、电荷储存区213、浮动扩散213、浮动扩散区213或浮动扩散结区213)的第一光电二极管201(PD1)和第二光电二极管202(PD2)。此示例仅仅是例示性的，并且如果期望的话，像素200可以包括任何要求的数量的共享公共的电荷检测电路的光电二极管(例如，四个或更多光电二极管)。像素200可以包括具有耦合到浮动扩散节点213的栅极端子的源极跟随器(SF)晶体管203。源极跟随器晶体管203可以是p沟道型MOSFET(例如，具有p型掺杂沟道区的MOSFET晶体管)。源极跟随器203的漏极可以耦合到接地(GND)端子204，而源极跟随器晶体管203的源极端子连接到公共的列信号线208(例如，由像素阵列的相应列中的所有像素共享的列读出线)。
电荷检测节点213可以由耦合到列参考偏置线209(例如，其上断言偏置电压Vref)的n沟道型MOSFET晶体管205(例如，具有n型掺杂沟道区的MOSFET)重置。来自光电二极管201和202的电荷分别通过电荷转移晶体管206和207转移到浮动扩散节点213上。重置晶体管栅极205可以接收来自行重置线210上的行控制电路(为了简明的目的未示出)的重置控制信号。电荷转移晶体管206和207可以接收分别来自行重置线211和212上的行控制电路的电荷转移控制信号。在图2的示例中，没有形成行寻址晶体管(例如，行选择晶体管)或相应的行选择控制线(例如，节约像素中的空间)。因此，清楚的是，每对两个光电二极管总共包括4个晶体管，每个像素PD2个晶体管。当与常规的图像像素比较时，这导致可观地节约了有价值的像素面积，所述节约的面积可以分配给光电二极管，导致增加的电荷存储能力。
此像素布置的操作的鲁棒性源于所有的非寻址行像素让其重置晶体管205恒定地开启而只有寻址行像素让其重置晶体管205关闭这一事实。这使所有来自非寻址像素的溢出(overflow)电荷安全地漏到重置电压参考偏置线209上并且从阵列漏出到相关联的电源。对于寻址像素信号不可以存在任何干扰。另外，当重置晶体管205关闭时，此晶体管的栅极到漏极的电容性耦合使小的馈通信号输入到浮动扩散电荷检测节点213上。这开启寻址像素行的源极跟随器晶体管203并且提供了相同列中的寻址源极跟随器晶体管203和非寻址源极跟随器晶体管203之间的安全的操作裕度。作为结果的输出信号然后准备作为相关双采样(CDS)操作的参考被取样。当光产生信号电荷转移到寻址行的浮动扩散节点213上时，非寻址源极跟随器晶体管栅极203和寻址源极跟随器晶体管栅极203之间的电压裕度更大幅地增大，使得对于非寻址线没有干扰可以发生，即使对于具有相对高幅度的信号。
图3是具有p沟道型MOSFET源极跟随器晶体管203和2个光电二极管共享配置的像素电路200的拓扑结构的例示性布局图的示例。如图3所示，像素300(对应于图2的像素200)可以具有如区域301所示的活动的(active)光电二极管部分(例如，对应于图2的光电二极管201或202)。光电二极管区301可以包括大概位于像素300的中心的反圆顶(anti-dome，AD)注入和RPW补偿开口区310。光电二极管区301通过STI区299与周围像素的相似区域隔离。这示例仅仅是例示性的，并且如果期望的话，可以使用任何类型的像素隔离(诸如适合的注入或深槽隔离DTI)。通过区域302(对应于图2的栅极206或207)示出电荷转移栅极，所述区域302与n+型掺杂浮动扩散区311(对应于节点213)交界。转移栅极302可以具有注入下面的区域312，其形成改进像素的电荷转移效率的电荷阱。通过虚线313表示用于注入微型n阱区的掩模开口。微型n阱区可以是像素衬底中的n型轻掺杂区，并且此处有时可以被称为微型n阱、小型n阱、或简称为像素的n阱。重置晶体管和SF晶体管可以放置在像素300的STI隔离主干区303中。p+型掺杂MOSFET源极跟随器晶体管的源极和漏极分别由区域307和308示出。区域307连接到像素地。MOSFET源极跟随器晶体管栅极由区域305(对应于图2的源极跟随器203)示出。相似地，n沟道MOSFET重置晶体管具有n+型掺杂源极和漏极区306和对应的栅极区304(例如，对应于重置晶体管205)。为了简明的目的，已经省略了像素布线，而将接触通孔309到像素活动区的放置表示为黑圈。
在另一个适合的布置中，转移栅极区302可以沿着垂直于电荷转移方向的方向扩展。在这种情况下，电荷转移阱312可以扩展，以在其中保持更多电荷。在转移栅极设计中采用此阱改进浮动扩散电压摆幅裕度。Hynecek(美国专利号8159011)(其作为引用并入此处)中为n沟道型源极跟随器像素而解释了这种类型的改进的示例。然而，这个版本的设计牺牲了一些光电二极管电荷存储阱能力。而在另一个适合的布置中，可以在位于阵列的相邻行中的光电二极管而不是相同行的相邻的光电二极管之间共享电路，如图3中示出的。
图4是图2和图3中示出的类型的像素的例示性剖面图。如图4中所示的，剖面图通过图3的线A’-A”取得。像素400(对应于图2的像素电路200和图3的像素拓扑结构300)可以形成在具有p+型掺杂层402的衬底401上，所述p+型掺杂层402沉积于其背表面以将交界状态产生的暗电流最小化。例如，外延层405可以要么是p型轻掺杂的要么是n型轻掺杂的。衬底由将晶体管栅极与衬底隔离的氧化物层403覆盖。此层也延伸到STI隔离区404(对应于图3的区299)中。p+型掺杂RPW区406可以为电子提供势垒，将电子流转到光电二极管存储阱(为了简明的目的未示出)中。区域406可以将微型n阱区407与衬底隔离。RPW层406的另一个重要功能是增加光电二极管的电荷存储能力。然而，层406需要开口(例如，图3中所示的AD区310)以允许基体(bulk)产生的电子(例如在区域405中)流入光电二极管的存储阱。
n+型掺杂区409形成相应的n沟道MOSFET重置晶体管的源极和漏极端子。区域409中的一个(漏极)还提供与微型n阱区407的偏置连接，其可以是移动电荷完全耗尽的或仅仅是移动电荷部分耗尽的。n沟道MOSFET重置晶体管的栅极由区域413示出。P沟道MOSFET源极跟随器晶体管由p+型掺杂源极411和p+型掺杂漏极410形成。MOSFET源极跟随器晶体管的漏极连接到地或将像素彼此隔离的p+型掺杂衬底区(为了简明的目的未示出)。MOSFET源极跟随器晶体管的栅极(对应于图2的源极跟随器栅极203)由区域412示出。衬底和栅极由用于隔离各种金属层互连的层间氧化物层覆盖。为了简明的目的，仅示出单个层414以及填充接触孔415的金属连接物416。
图5示出了p沟道MOSFET源极跟随器晶体管(例如，晶体管203)处的主干所切的像素的简化的剖面侧图500。衬底501包括用于减小交界状态产生的暗电流的p+型掺杂层502。栅极氧化物隔离层由区域503示出，所述区域503还填充STI区504。n-型轻掺杂或p-型轻掺杂外延层由区域505示出。p+型掺杂微型n阱隔离RPW区由层506示出，而包含p沟道MOSFET源极跟随器晶体管的微型n阱由区域507示出。p沟道MOSFET源极跟随器晶体管的栅极由区域508示出。像素隔离使用p+型掺杂区509完成，其可以位于STI区504之下或替代地直接处于晶体管主干(未在图5的示例中示出)之下的中间。
在另一个适合的布置中，像素可以设置有四个光电二极管，其对应的电荷转移栅极共享公共的浮动扩散节点。图6是例示性像素布局图，示出了4路共享的光电二极管像素拓扑结构600的简化的顶视图。活动的光电二极管区由区域601示出并且具有大概位于像素光电二极管区的中心的反圆顶(AD)注入和RPW补偿开口区610。区域601可以通过STI隔离区与周围的像素的相似区域隔离。然而，可以使用其它类型的像素隔离，诸如适合的注入或深槽隔离(DTI)。电荷转移栅极由区域602示出，区域602与n+型掺杂浮动扩散区611交界。转移栅极可以具有注入下面的区域612，其形成改进电荷转移效率的电荷阱。n沟道MOSFET重置晶体管和p沟道MOSFET源极跟随器晶体管放置在STI隔离的主干区603中。p+型掺杂MOSFET源极跟随器晶体管源极和漏极分别通过区域607和608示出。区域607可以连接到像素地。
在图6的示例中，p沟道MOSFET源极跟随器晶体管由区域605示出。相似地，n沟道MOSFET重置晶体管具有n+型掺杂源极区606和与浮动扩散区611公共(共享)的漏极区。n沟道MOSFET重置晶体管栅极由区域604示出。为了简明的目的，已经省略了相关联的像素布线。然而，接触通孔放置609由黑圈表示。用于形成完全耗尽或仅仅部分耗尽的微型n阱的掩模由通过虚线613界定的区域表示。相对于常规的传感器的此4路共享的光电二极管布局的主要优势是不那么迫切需要相应的晶体管设计规则和更大的光电二极管电荷存储能力。
为了完整的目的，图7示出了在p沟道MOSFET源极跟随器晶体管的源极端子之下的完全耗尽的微型n阱内的电势和能带例示性图。图700代表微型n阱区内的各种偏置电势和空穴的势垒。简化的源极端子之下的能带图由曲线701代表。晶体管源极结深度表示为Xj702。微型n阱内的n型掺杂注入剂仅用于形成空穴703的势垒，因此迫使空穴从源极沿着晶体管沟道(垂直于图的图画平面)流向偏置为地电势的漏极。足够高的势垒因此防止晶体管源极短路到地(RPW区)。当施加电流偏置时，出现在晶体管源极上的电压电平示出为空穴Vs704的准费密(QuasiFermi)能级电势。微型n阱的参考偏置由电子Vref705的准费密能级电势表示。微型n阱深度表示为区域Xmin706。微型n阱完全耗尽区的大概的恒定深度和其比起栅极氧化物厚度来相对大的值确保源极跟随器的线性和源极跟随器缓冲器的高的、接近一的增益。因此，清楚的是，完全耗尽微型n阱的并入对于像素不呈现任何问题，不占用任何额外的有价值的像素面积，并且不导致任何问题，诸如电子的注入或额外的暗电流的产生，额外的暗电流会添加到光电二极管的暗电流中并因此使传感器性能降级。微型n阱也可以仅仅是移动电荷部分耗尽的。
在一些情况下，不为源极跟随器使用p沟道MOSFET晶体管可以是有优势的，这需要将微型n阱并入像素中。在这样的布置中，可以使用p沟道JFET晶体管作为源极跟随器晶体管并且可以直接将JFET晶体管放置到浮动扩散电荷检测节点中。JFET晶体管没有RTS噪声，具有合理的Gm，具有适合的阈值电压，并且在此实现方式中具有接近一的电压增益。
图8示出了对像素拓扑结构的此修改的示例性布局图。如图8中所示，像素拓扑结构800代表4路共享的光电二极管像素的简化的顶视图。活动的光电二极管区由区域801示出，并且可以包括大概位于像素光电二极管的中心的反圆顶(AD)注入和RPW补偿开口区810。光电二极管区810可以通过STI隔离区与周围的像素的相似区域隔离。然而，可以使用其它类型的像素隔离，诸如适合的注入或深槽隔离(DTI)。
电荷转移栅极由区域802示出，与n型掺杂浮动扩散区811交界。转移栅极可以具有注入下面的区域812，其形成改进电荷转移效率的电荷阱。n沟道MOSFET重置晶体管可以放置在STI隔离的主干区803中。p+型掺杂JFET源极跟随器晶体管源极和漏极区可以分别在接触通孔807和808之下形成。区域807可以连接到像素地。JFET源极跟随器栅极由n+型掺杂区805示出，而JFETp-型掺杂沟道由区域813示出。JFET源极跟随器栅极区805通过其重叠的扩散传导地耦合到浮动扩散区811，不需要任何线连接。这也是图8的布局的优势，其减小进入浮动扩散电荷检查节点的不需要的信号的寄生耦合。n沟道MOSFET重置晶体管具有n+型掺杂源极区806。n沟道MOSFET重置晶体管的漏极区可以与浮动扩散区811共享。重置晶体管栅极由区域804示出。为了简明的目的，已经省略了相关联的像素布线，而接触通孔的放置809由图8中的黑圈表示。
在另一个适合的布置中，p沟道JFET源极跟随器晶体管可以沿着垂直方向布置。此类型的垂直布置的示例在Hynecek(美国专利申请号2013/0146747)中详细地说明，其作为引用并入此处。
按照这样的方式，可以形成紧凑的亚微米像素布局的几种可能的布置，包括p沟道MOSFET源极跟随器晶体管或p沟道JFET源极跟随器晶体管，以及n沟道MOSFET重置晶体管，不需要像素行寻址晶体管，因此使像素中的面积消耗最小化(例如，允许相对于常规像素的改进的电荷能力和动态范围)。本公开中的说明的细节因此旨在是例示性的而不是局限性的。注意到，本领域技术人员可以在上述教导的启示下做出修改和变化。例如，应理解，所有掺杂剂和衬底的极性类型可以反转，而像素可以包含放置在微型p阱中的p沟道MOSFET重置晶体管、n沟道JFET源极跟随器晶体管或n沟道MOSFET源极跟随器晶体管。因此，应理解，可以在公开的本实用新型的特定实施例中做出改变，所述改变应在本实用新型的范围和精神内。
图9示出了典型的处理器系统1000的简化形式，诸如电子照相机，包括成像设备，诸如成像设备1001(例如，成像设备1001，诸如包括如上文联系图1到图8描述的图像传感器像素的图像传感器)。处理器系统1000是示例性的具有数字电路的系统，可以包括成像设备1001。在没有限制的情况下，这样的系统可以包括计算机系统、静态或视频照相机系统、扫描仪、机器视觉、车辆导航、视频电话、监视系统、自动对焦系统、星体追踪系统、动作检测系统、图像稳定系统以及其它采用成像设备的系统。
处理器系统1000(其可以是数字静态或摄像照相机系统)可以包括透镜，诸如用于当按压快门释放按钮1097时将图像聚焦到像素阵列上的透镜1096。处理器系统1000可以包括中央处理单元，诸如中央处理单元(CPU)1095。CPU1095可以是微处理器，其控制照相机功能和一个或多个图像流功能，并且在总线(诸如总线1093)上与一个或多个输入/输出(I/O)设备1091通信。成像设备1001也可以在总线1093上与CPU1095通信。系统1000可以包括随机访问存储器(RAM)1092和可移除存储器1094。可移除存储器1094可以包括在总线1093上与CPU1095通信的闪速存储器。在具有或不具有存储器储存的情况下，成像设备1001可以与CPU1095在单个集成电路上或在不同芯片上结合。尽管总线1093被例示为的单个总线，其可以是一个或多个总线或桥接器或其它用于互连系统组件的通信路径。
已经说明了例示成像系统的各种实施例，所述成像系统(例如，图像传感器像素阵列)具有不具备相应的寻址晶体管的像素，以允许相对于常规的成像系统的增加的光电二极管能力和动态范围。所述阵列可以包括按行和列布置的若干图像传感器像素。
阵列中的每个图像传感器像素可以在半导体衬底上形成。图像传感器像素可以包括响应于图像光而产生电荷的光电二极管区、浮动扩散区和被配置为将来自光电二极管区的产生的电荷转移到浮动扩散区的电荷转移晶体管。图像传感器像素可以包括半导体衬底中的n型掺杂阱区和形成在半导体衬底上的n型掺杂阱区内的p沟道金属氧化物半导体(MOS)源极跟随器晶体管。p沟道MOS源极跟随器晶体管可以具有耦合到浮动扩散区的栅极端子和耦合到列读出线的源极端子。n沟道MOS重置晶体管可以耦合在浮动扩散区和偏置电压列线之间并且可以被配置为将浮动扩散区重置到重置电压。在另一个适合的布置中，所述像素可以包括p型掺杂阱区、形成在p型掺杂阱区内的n沟道MOS源极跟随器晶体管和p沟道MOS重置晶体管。
n沟道MOS重置晶体管的漏极端子可以与半导体衬底上的n型掺杂阱区重叠，使得在没有布线的情况下将偏置电压设置到n型掺杂阱区。n沟道MOS重置晶体管的漏极端子可以形成浮动扩散区的一部分。像素可以包括通过各自的电荷转移晶体管耦合到浮动扩散区的任何数量的光电二极管(例如，其共享浮动扩散区)。例如，每个像素可以包括其共享浮动扩散区的两个或四个光电二极管。
如果期望的话，p+型退化(retrograde)掺杂层可以在光电二极管区之下形成并且连接到参考端子。p+型退化掺杂层可以包括通过具有关于p+型退化掺杂层的相反的极性的补偿注入剂形成的开口。p+型退化掺杂层可以在衬底中的n型掺杂阱区和浮动扩散区之下延伸，以形成势垒，所述势垒被配置为通过防止光产生的电子从半导体衬底的基体部分进入n型掺杂阱区和浮动扩散区而将n型掺杂阱区和浮动扩散区与半导体衬底的基体部分隔离。半导体衬底可以具有正表面和相对的背表面，列读出线可以耦合到正表面处的p沟道MOS源极跟随器晶体管的源极端子，而光电二极管可以被配置为响应于通过背表面接收的图像光而产生电荷。在另一个适合的布置中，光电二极管可以被配置为响应于通过正表面接收的光而产生电荷(例如，像素阵列可以包括当阵列背面被照明时形成于背表面之上而当阵列正面被照明时形成于正表面之上的若干相应的微透镜和滤色器元件)。
在另一个适合的布置中，图像传感器像素可以包括形成在半导体衬底上的浮动扩散区内的p沟道结型栅极场效应晶体管(JFET)源极跟随器晶体管，和耦合到浮动扩散区并且被配置为将浮动扩散区重置到重置电压的n沟道JFET重置晶体管。在另一个适合的布置中，可以形成n沟道JFET源极跟随器晶体管和p沟道JFET重置晶体管。
列读出线可以耦合到p沟道JFET源极跟随器晶体管的源极端子，而接地端子可以耦合到p沟道JFET源极跟随器晶体管的漏极端子。n沟道JFET重置晶体管可以耦合在浮动扩散区和电压偏置列线之间。p沟道JFET源极跟随器晶体管可以具有由半导体衬底上的浮动扩散区包围的n+型掺杂栅极区和形成在n+型掺杂栅极区下的p型掺杂沟道区。p沟道JFET源极跟随器晶体管的n+型掺杂栅极区可以电耦合到浮动扩散区而不用导线。p+型退化掺杂层可以在光电二极管区之下形成并且连接到地端子。p+型退化掺杂层可以包括通过具有关于p+型退化掺杂层的相反的极性的补偿注入剂形成的开口。p+型退化掺杂层可以在浮动扩散区之下延伸，以形成势垒，所述势垒被配置为通过防止光产生的电子从半导体衬底的基体部分进入浮动扩散区而将浮动扩散区与半导体衬底的基体部分隔离。
如果需要的话，半导体衬底(图像传感器像素形成与其上)中的掺杂的极性可以反转。图像传感器像素可以是亚微米尺寸的，可以包括低的RTS噪声，并且可以使用鲁棒像素寻址来操作，不需要行选择晶体管，因此节约了像素衬底上的空间消耗，允许增加的光电二极管面积和最终图像中的动态范围。像素可以在系统中形成，所述系统还包括中央处理单元、存储器、输入/输出电路和透镜。
上述内容仅仅例示本实用新型的原理，并且本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下做出各种修改。上述实施例可以单独实现或者组合地实现。

Claims (20)

1.一种图像传感器像素电路，形成于半导体衬底上，其特征在于包括：
光电二极管区，响应于图像光产生电荷；
浮动扩散区；
电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管区转移到所述浮动扩散区；
所述半导体衬底中的n型掺杂阱区；
p沟道金属氧化物半导体MOS源极跟随器晶体管，形成于所述半导体衬底上的所述n型掺杂阱区内，其中所述p沟道MOS源极跟随器晶体管具有耦合到所述浮动扩散区的栅极端子和耦合到列读出线的源极端子；以及
n沟道MOS重置晶体管，耦合在所述浮动扩散区和偏置电压列线之间，被配置为重置所述浮动扩散区。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述n沟道MOS重置晶体管的漏极端子与所述半导体衬底上的所述n型掺杂阱区重叠，使得偏置电压设置到所述n型掺杂阱区。
3.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
至少一个额外的光电二极管，其中所述至少一个额外的光电二极管被配置为将产生的电荷转移到所述浮动扩散区。
4.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
至少三个额外的光电二极管，其中所述至少三个额外的光电二极管被配置为将产生的电荷转移到所述浮动扩散区，并且其中所述n沟道MOS重置晶体管具有形成所述浮动扩散区的一部分的漏极端子。
5.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
p+型退化掺杂层，形成于所述光电二极管区之下并且连接到参考端子，其中所述p+型退化掺杂层具有通过具有关于所述p+型退化掺杂层的相反的极性的补偿注入剂而形成的开口，并且其中所述p+型退化掺杂层在所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区之下延伸以形成势垒，所述势垒被配置为通过防止光产生的电子从所述半导体衬底的基体部分进入所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区而将所述n型掺杂阱区和所述浮动扩散区与所述半导体衬底的所述基体部分隔离。
6.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述图像传感器像素电路形成为所述半导体衬底上的图像传感器像素电路阵列的一部分，所述图像传感器像素电路还包括：
像素隔离结构，选自由下列组成的组之中：
浅槽隔离区和深槽隔离区，其中所述像素隔离结构被配置为将所述图像传感器像素电路与所述图像传感器像素电路阵列中的其它图像传感器像素电路隔离。
7.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述图像传感器像素电路形成为所述半导体衬底上的图像传感器像素电路阵列的一部分，所述图像传感器像素电路还包括：
所述半导体衬底中的杂质注入部分，被配置为将所述图像传感器像素电路与所述图像传感器像素电路阵列中的其它图像传感器像素电路隔离。
8.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述半导体衬底具有正表面和相对的背表面，其中所述列读出线在所述正表面处耦合到所述p沟道MOS源极跟随器晶体管的所述源极端子，并且所述光电二极管被配置为响应于通过所述背表面接收的图像光来产生电荷。
9.根据权利要求8所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
多个微透镜和滤色器元件，形成在所述半导体衬底的所述背表面之上。
10.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述半导体衬底具有正表面和相对的背表面，其中所述列读出线在所述正表面处耦合到所述p沟道MOS源极跟随器晶体管的所述源极端子，并且所述光电二极管被配置为响应于通过所述正表面接收的图像光来产生电荷。
11.根据权利要求10所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
多个微透镜和滤色器元件，形成在所述半导体衬底的所述正表面之上。
12.一种图像传感器像素电路，形成于半导体衬底上，其特征在于包括：
光电二极管区，响应于图像光产生电荷；
浮动扩散区；
电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管区转移到所述浮动扩散区；
p沟道结型栅极场效应JFET源极跟随器晶体管，形成于所述半导体衬底上的所述浮动扩散区内；以及
n沟道JFET重置晶体管，耦合到所述浮动扩散区并且被配置为将所述浮动扩散区重置到重置电压。
13.根据权利要求12所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
列读出线，耦合到所述p沟道JFET源极跟随器晶体管的源极端子；以及
接地端子，耦合到所述p沟道JFET源极跟随器晶体管的漏极端子。
14.根据权利要求12所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述n沟道JFET重置晶体管耦合在所述浮动扩散区和电压偏置列线之间。
15.根据权利要求12所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述p沟道JFET源极跟随器晶体管具有由所述半导体衬底上的所述浮动扩散区包围的n+型掺杂栅极区和形成在所述n+型掺杂栅极区下的p型掺杂沟道区。
16.根据权利要求15所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述p沟道JFET源极跟随器晶体管的所述n+型掺杂栅极区在不用导线的情况下电耦合到所述浮动扩散区。
17.根据权利要求12所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
p+型退化掺杂层，形成于光电二极管区之下并且连接到接地端子，其中所述p+型退化掺杂层具有通过具有关于所述p+型退化掺杂层的相反的极性的补偿注入剂形成的开口，并且其中所述p+型退化掺杂层在所述浮动扩散区之下延伸以形成势垒，所述势垒被配置为通过防止光产生的电子从所述半导体衬底的基体部分进入所述浮动扩散区而将所述浮动扩散区与所述半导体衬底的所述基体部分隔离。
18.一种处理器系统，其特征在于包括：
中央处理单元；
存储器；
输入/输出电路；以及
成像设备，其中所述成像设备包括：
像素阵列，具有形成于半导体衬底上的至少一个像素电路，以及
透镜，将图像聚焦到所述像素阵列上，其中所述至少一个像素电路包括：
光电二极管区，响应于图像光产生电荷；
浮动扩散区；
电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管区转移到所述浮动扩散区；
n沟道结型栅极场效应JFET源极跟随器晶体管，形成于所述半导体衬底上的所述浮动扩散区内；以及
p沟道JFET重置晶体管，耦合到所述浮动扩散区并且被配置为将所述浮动扩散区重置到重置电压。
19.根据权利要求18所述的处理器系统，其特征在于，所述n沟道JFET源极跟随器晶体管具有被所述半导体衬底上的所述浮动扩散区包围的p+型掺杂栅极区以及形成于所述p+型掺杂栅极区下的n型掺杂沟道区。
20.根据权利要求19所述的处理器系统，其特征在于，所述n沟道JFET源极跟随器晶体管的所述p+型掺杂栅极区在不用导线的情况下电连接到所述浮动扩散区。
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