[发明专利]用于图像传感器的增强型像素单元架构

说明书

技术领域

本发明大体上涉及图像传感器，且明确地但不排它地说，涉及背侧照明CMOS图像传感器。

背景技术

图像传感器已变为普遍存在的。图像传感器广泛用于数码照相机、蜂窝式电话、安全摄像头以及医疗、汽车和其它应用中。对较高分辨率和较低电力消耗的需求已激励了这些图像传感器的进一步小型化和集成。因此，用以制造图像传感器(例如，CMOS图像传感器(“CIS”)的技术已持续快速进步。

图1是说明常规图像传感器装置的四晶体管(“4T”)像素单元100的电路的电路图。像素单元100包含光电二极管PD 110、传送晶体管TX 115、复位晶体管RST 125、源极跟随器(“SF”)晶体管SF130以及行选择晶体管SEL 135。在操作期间，传送晶体管TX115接收经由TX线140提供的传送信号，其将积累在PD 110中的电荷传送到浮动扩散节点FD 120。RST 125耦合在RST电力线150与FD 120之间，以在经由RST线160提供的复位信号的控制下使像素复位(例如将FD 120和/或PD 110放电或充电到预设电压)。FD 120还经耦合以控制SF 130的栅极。SF 130耦合在SF电力线180与SEL 135之间。SF 130作为提供到FD 120的高阻抗连接的源极跟随器而操作。在经由行选择线170提供的选择信号的控制下，SEL 135将像素100的输出选择性地提供到列读出线或位线190。

通过临时断言RST线160的复位信号和TX线140的传送信号来使PD 110和FD 120复位。通过解除断言TX线140的传送信号且准许入射光为PD 110充电来开始图像积累窗(曝光周期)。随着光生电子积累在PD 110上，其电压减小。PD 110上的电压或电荷指示在曝光周期期间入射在PD 110上的光的强度。在曝光周期结束时，断言TX线140的传送信号，以允许PD 110与FD 120且因此SF 130的栅极之间的电荷交换。电荷传送致使FD 120的电压下降与在曝光周期期间积累在PD 110上的光生电子成比例的量。此第二电压对SF 130加偏压，其结合行选择线170上正断言的选择信号，将信号从SEL 135驱动到位线190。接着将数据作为模拟信号从像素单元100读出到位线190上。

如今的许多当前半导体图像传感器是前侧照明(FSI)装置。也就是说，它们包含制造在半导体晶片的前侧上的成像阵列，其中可在成像阵列处从同一前侧接收光。FSI图像传感器在硅晶片的前侧上或上方安置有金属堆叠，其中所述金属堆叠包含金属层(例如，通过金属间电介质层分离)，以不同地将信号线提供给像素阵列的相应像素元件。

在现存的FSI技术中，迹线在金属堆叠中的路由和利用受到给定像素单元所接收的光首先必须穿过金属堆叠的事实限制。举例来说，在具有例如像素单元100等像素单元的像素阵列中，像素单元的给定行(未图示)共享TX线140和RST线160。然而，像素单元100对任何额外逐行线的使用因需要适应PD 110对光的接收而受限。因此，不是也跨越此行而共享，而是SF电力线180耦合到所述行的一个像素单元，而不耦合到所述行的其它像素单元。相反，SF电力线180仅将电流提供给与此像素单元行相比形成正交像素单元列的像素单元(未图示)的源极跟随器晶体管。此像素单元列共享位线190，且因此无法在逐列基础上同时读出。

一般来说，图像传感器的小型化产生较小的光电二极管，其针对较小量的入射光产生较小量的电荷，其中又产生较小电压和/或电流电平的信号以用于代表所捕获的图像。此些信号的有效产生和处理对下代图像传感器造成一个挑战。

发明内容

根据一实施例，一种背侧照明(BSI)像素阵列包括：传送信号线，其具有第一线阻抗；复位信号线，其具有第二线阻抗；源极跟随器电力线，其具有第三线阻抗，所述第三线阻抗小于所述第一线阻抗或所述第二线阻抗中的至少一者；以及第一像素单元，其包含：光电二极管，其用以响应于入射在所述光电二极管上的光而积累电荷；传送晶体管，其具有耦合到所述传送信号线的栅极，以选择性地将来自所述光电二极管的所述电荷传送到浮动扩散节点；复位晶体管，其具有耦合到所述复位信号线的栅极，以选择性地使所述浮动扩散节点的电压复位；以及埋入式沟道源极跟随器晶体管，其耦合在所述源极跟随器电力线与位线之间，所述埋入式沟道源极跟随器晶体管包含耦合到所述浮动扩散节点的栅极，以将来自所述埋入式沟道源极跟随器晶体管的模拟信号直接输出到所述位线。