專利名稱：互補金屬氧化物半導體圖像傳感器及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器及其操作方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種具有改善的暗電流特性的CMOS圖像傳感器及其操作方法。
背景技術：
圖像傳感器已被應用于各種領域，例如機器視覺、機器人技術、基于衛(wèi)星的儀器、交通、導航和制導。典型地，圖像傳感器具有組成圖像幀的二維陣列的像素。
像素包括能夠累積對應于所吸收的光量的電荷的光電轉(zhuǎn)換元件。也就是，當光子與在半導體基底上形成的光電轉(zhuǎn)換元件的表面碰撞時，產(chǎn)生自由載荷子并且被收集在光電轉(zhuǎn)換元件中。讀出所收集的載荷子并且隨后通過各種過程將其轉(zhuǎn)移到輸出電路，從而再現(xiàn)圖像。
代表性的圖像傳感器是電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。CCD具有較低的噪聲電平，并且產(chǎn)生比CMOS圖像傳感器更好的圖像質(zhì)量。然而，CMOS圖像傳感器可被容易地操作并且采用各種掃描技術。而且，信號處理電路可被集成在單個芯片上，從而能夠使產(chǎn)品小型化，并且與CMOS處理的兼容性可以減少制造成本。另外，CMOS圖像傳感器的功耗非常低，因此，在具有有限的電池容量的產(chǎn)品中可以容易地采用CMOS圖像傳感器。因此，CMOS圖像傳感器被廣泛使用。
CMOS圖像傳感器可以以各種結構來制造，但是通常具有四個晶體管和一個光電二極管，下文將其稱作“4Tr結構”。4Tr結構是使用普通CMOS制造處理制造的。然而，4Tr結構產(chǎn)生相對大的暗電流。
暗電流是即使當物體未曝露于像素陣列單元時產(chǎn)生的輸出信號。也就是，暗電流是噪聲。不管是否存在將被記錄的圖像，都產(chǎn)生暗電流。
過大的暗電流使得區(qū)分明和暗比較困難，因此減小了動態(tài)范圍。而且，不均勻和過多的暗電流產(chǎn)生“白缺陷”，這產(chǎn)生了比正常更大的信號。因此，期望減小暗電流的改進技術。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有改善暗電流特性的互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。
本發(fā)明也提供了一種操作具有改善暗電流特性的CMOS圖像傳感器的方法。
在查看了下列描述的基礎上，本發(fā)明的上述特征對于本領域的普通技術人員將變得明顯。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種CMOS圖像傳感器，包括具有像素矩陣的像素陣列單元，其中每個像素包括電荷轉(zhuǎn)移元件，用于將在光電轉(zhuǎn)換元件中收集的電荷轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件；和行驅(qū)動單元，用于在所述光電轉(zhuǎn)換元件的電荷累積周期的部分期間將電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移元件，其中所提供的電壓使得所述電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作CMOS圖像傳感器的方法，包括在光電轉(zhuǎn)換元件的電荷累積周期的部分期間將電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移元件，其中所提供的電壓使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢；和激活所述電荷轉(zhuǎn)移元件，并且將在光電轉(zhuǎn)換元件中收集的電荷轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件。


通過參考附圖來詳細描述示例性實施例，本發(fā)明的上面和其他特征將變得更加明顯，其中圖1圖解說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的方框圖；圖2示出了圖1的CMOS圖像傳感器的像素的電路圖；圖3示出了圖1的CMOS圖像傳感器的像素的示意平面圖；圖4示出了沿圖3所示的IV-IV’線截取的橫截面圖；圖5A和5B示出了圖解說明圖1的CMOS圖像傳感器的電荷轉(zhuǎn)移元件的特性的視圖；圖6示出了圖1的CMOS圖像傳感器的耦合部件的電路圖；圖7示出了圖6的耦合部件的時序圖；圖8示出了圖1的CMOS圖像傳感器的時序圖；圖9示出了圖1的CMOS圖像傳感器的示意圖和電勢圖；和圖10示出了圖解說明圖1的CMOS圖像傳感器的特性的視圖。
具體實施例方式
通過參考優(yōu)選實施例和附圖的下列詳細描述將更容易地理解本發(fā)明的特征和及其實現(xiàn)方法。然而，本發(fā)明可以以許多種不同的形式來體現(xiàn)，并且不應當被曲解為限于此處所闡述的實施例。相反，提供這些實施例，是為了使本公開更透徹和完整，并且對于本領域的普通技術人員來說將全面地傳達本發(fā)明的概念，并且本發(fā)明將由所附權利要求來定義。整個說明書中相同的附圖標記表示相同的元件。
圖1圖解說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的方框圖。
參考圖1，CMOS圖像傳感器1包括像素陣列單元10、行驅(qū)動單元20、雙相關取樣器(CDS)50、和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)60。行驅(qū)動單元20包括驅(qū)動信號提供部件30和耦合部件40。
像素陣列單元10包括像素矩陣。多個像素吸收從物體反射的光，并且將所吸收的光轉(zhuǎn)換為電信號。像素陣列單元10從行驅(qū)動單元20接收多個驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號包括像素選擇信號ROW、復位信號RST、和電荷轉(zhuǎn)移信號TG。經(jīng)由垂直信號線12將所述電信號提供給CDS 50。
行驅(qū)動單元20從控制器(未示出)接收定時信號和控制信號，并且將用于對多個像素的讀出操作的驅(qū)動信號提供給像素陣列單元1O。對于像素矩陣，通常以行狀態(tài)(row-wise)的方式提供驅(qū)動信號。
行驅(qū)動單元20包括驅(qū)動信號提供部件30和耦合部件40。驅(qū)動信號提供部件30將像素選擇信號ROW和復位信號RST提供給像素陣列單元10，并且它以行狀態(tài)的方式將電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX提供給耦合部件40。
像素選擇信號ROW是用于控制像素陣列單元10中的選擇元件的信號。例如，經(jīng)由第i像素選擇信號線14將像素選擇信號ROW提供給第i行的選擇元件。
復位信號RST是用于控制像素陣列單元10中的復位元件的信號。例如，經(jīng)由第i復位信號線16將復位信號RST提供給第i行的復位元件。
電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX被提供給耦合部件40并且被轉(zhuǎn)換為電荷轉(zhuǎn)移信號TG，用于控制像素陣列單元10中的電荷轉(zhuǎn)移元件(參見圖2的130)。
耦合部件40接收電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX，并且將電荷轉(zhuǎn)移信號TG提供給像素陣列單元10中的電荷轉(zhuǎn)移元件。電荷轉(zhuǎn)移信號TG是通過對電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX的負升壓(boosting)而產(chǎn)生的，并且包括使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓。最好，耦合部件40將邏輯“高”電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX提供給像素陣列單元10，然而它負升壓邏輯“低”電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX。當然，即使當電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX是邏輯“高”時，它可以被負升壓。然而，電荷轉(zhuǎn)移元件不應在閾值電壓之下。
CDS 50經(jīng)由垂直信號線12接收在像素陣列單元10中產(chǎn)生的電信號，并且對接收到的電信號保持和取樣。也就是，CDS 50對預定的參考電壓電平(下文稱作“噪聲電平”)和電信號的電壓電平(下文稱作“信號電平”)執(zhí)行雙取樣，并且輸出差值。CDS 50負責抑制由像素陣列單元10和垂直信號線12產(chǎn)生的噪聲。放大器(未示出)從CDS 50接收上述的電壓差，并且輸出具有適當增益的模擬信號，其中使用可編程增益放大來實現(xiàn)適當?shù)脑鲆妗?br> ADC 60從放大器接收模擬信號，并且輸出數(shù)字信號以進行偏移校正。所述數(shù)字信號被鎖存元件(未示出)鎖存，并且數(shù)據(jù)選擇元件(未示出)將鎖存的信號提供給復用器(未示出)。該復用器連續(xù)地排列接收到的信號，并且將連續(xù)排列的信號提供給圖像信號處理器(未示出)。
圖2示出了圖1的CMOS圖像傳感器的像素的電路圖，和圖3示出了圖1的CMOS圖像傳感器的像素的示意平面圖。圖4示出了沿圖3所示的IV-IV’線的橫截面圖。圖5A和5B示出了圖解說明圖1的CMOS圖像傳感器的電荷轉(zhuǎn)移元件的特性的視圖。
首先，參考圖2和3，CMOS圖像傳感器的像素100包括光電轉(zhuǎn)換元件110、電荷檢測元件120、電荷轉(zhuǎn)移元件130、復位元件140、放大元件150、和選擇元件160。
光電轉(zhuǎn)換元件110收集在吸收從物體反射的光之后產(chǎn)生的電荷。光電轉(zhuǎn)換元件110可以是光電二極管、光電晶體管、光電門、管腳光電二極管(PPD)。
浮動擴散(FD)區(qū)可被用作電荷檢測元件120。電荷檢測元件120接收在光電轉(zhuǎn)換元件110中收集的電荷。由于電荷檢測元件120具有寄生電容，因此電荷被累積地收集。電荷檢測元件120電連接到放大元件150的柵極，以便控制放大元件150。
電荷轉(zhuǎn)移元件130將電荷從光電轉(zhuǎn)換元件110轉(zhuǎn)移到電荷檢測單元120。電荷轉(zhuǎn)移元件130通常由一個晶體管組成，并且由電荷轉(zhuǎn)移信號TG控制。
復位元件140周期性地復位電荷檢測元件120。復位元件140的源極連接到電荷檢測元件120，并且復位元件140的漏極連接到Vdd。復位元件140響應復位信號RST而被驅(qū)動。
放大元件150與像素100外部的恒定電流發(fā)生器(未示出)結合用作源極跟隨緩沖放大器(source follower buffer amplifier)，并且響應電荷檢測元件120的電壓而將可變電壓輸出至垂直信號線12。放大元件150的源極連接到選擇元件160的漏極，并且放大元件150的漏極連接到Vdd。
選擇元件160以行狀態(tài)的方式選擇將被讀出的像素，并且響應像素選擇信號ROW而被驅(qū)動。選擇元件160的源極連接到垂直信號線12。
電荷轉(zhuǎn)移元件130、復位元件140和選擇元件160的各個驅(qū)動信號線18、16和14在行方向上(在水平方向上)延伸，從而屬于相同行的像素被同時驅(qū)動。
參考圖4，CMOS圖像傳感器的像素包括半導體基底102、器件隔離區(qū)106、光電轉(zhuǎn)換元件110、電荷檢測元件120、和電荷轉(zhuǎn)移元件130。為了圖解方便，將PPD圖解為光電轉(zhuǎn)換元件110。
半導體基底102主要是P型基底，并且包括有源(active)區(qū)和器件隔理區(qū)。盡管未示出，但是P型外延層可以形成于半導體基底102上，和/或隔離的阱區(qū)可以形成于半導體基底102上以形成光電轉(zhuǎn)換元件110、電荷轉(zhuǎn)移元件130、以及其他元件。
器件隔離區(qū)106限定半導體基底102的有源區(qū)。典型地，器件隔離區(qū)106可以是FOX(場效氧化)區(qū)或者STI(淺溝隔離)區(qū)，它是通過LOCOS(LOCal硅氧化物)處理而形成的。
光電轉(zhuǎn)換元件110收集在吸收光之后產(chǎn)生的電荷，并且它包括N+型光電二極管112和P+管腳(P+-pinning)層114。通常，光電二極管112和管腳層114是通過兩種不同的離子注入處理形成的。首先，通過N+摻雜物離子注入成比外圍源極和漏極區(qū)更深的深度來形成光電二極管112。其次，通過離子注入高量的低能P+雜質(zhì)在光電二極管112上形成管腳層114。當然，摻雜濃度和位置可以根據(jù)工藝流程設計來變化，因此本發(fā)明不限于上述內(nèi)容。
在傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器中，光電二極管的表面損壞是由暗電流引起的。光電二極管的表面損壞主要由懸垂的硅粘結物(dangling silicon bond)引起，但是也可以例如在柵極或隔離物的形成期間由與蝕刻壓力相關的缺陷引起。根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例，在半導體基底102中深深地形成光電二極管112，并且在光電二極管112上形成管腳層114。因此，可以減少暗電流產(chǎn)生，并且可以極大地便于光生成的電荷的轉(zhuǎn)移。
電荷檢測元件120可以主要由N+摻雜物的離子注入來形成，并且它經(jīng)由電荷轉(zhuǎn)移元件130來接收在光電轉(zhuǎn)換元件110中收集的電荷。
電荷轉(zhuǎn)移元件130可以是具有低閾值電壓(Vth)的增強型晶體管或者耗盡型晶體管，其被用來減少當發(fā)射過多光時可能發(fā)生在光電轉(zhuǎn)換元件110中的溢出和激增現(xiàn)象。
也就是，在使用低閾值電壓的增強型晶體管的情況下，即使將邏輯“低”信號施加到電荷轉(zhuǎn)移元件130的柵極時，也可以通過在閾值電壓之上的預定電壓來形成溝道。因此，在光電轉(zhuǎn)換元件110中產(chǎn)生的電荷(多于預定量)可以流入電荷檢測元件120。這里，可以通過將P+摻雜物的離子注入半導體基底102的表面108來形成溝道，其對應于電荷轉(zhuǎn)移元件130。
另一方面，在使用耗盡型晶體管的情況下，即使當電荷轉(zhuǎn)移元件130處于無效狀態(tài)，也存在溝道。因此，在光電轉(zhuǎn)換元件110中產(chǎn)生的電荷(多于預定量)可以經(jīng)由電荷轉(zhuǎn)移元件130流入電荷檢測元件120，就象在具有低閾值電壓的上述增強型晶體管中一樣。這里，可以通過在表面108中的N-摻雜物的離子注入來形成溝道。
然而，使用具有低閾值電壓的增強型晶體管和耗盡型晶體管可以導致更容易生成暗電流。電荷可以通過光產(chǎn)生，但是也可以通過熱能產(chǎn)生。具體地，因為如上所述在半導體基底102的表面108上存在懸垂的硅粘結物，因此在價帶和導帶之間存在多個中帶隙(midgap)或陷阱(trap)層。因此，甚至通過R-G中心生成低熱量也能夠容易地產(chǎn)生電荷。為此，即使當未曝露于光時，在電荷轉(zhuǎn)移元件130中也能夠產(chǎn)生電荷。所產(chǎn)生的電荷甚至在電荷轉(zhuǎn)移元件130的未激活狀態(tài)下也可以經(jīng)由仍存在的溝道移動，從而導致暗電流產(chǎn)生。
正電荷(即，空穴)注入到對應于電荷轉(zhuǎn)移元件130的半導體基底102的表面108可以減少暗電流生成?？昭ㄅc負電荷的重新組合可以暫時減少電荷生成。在這一點上，如果能夠在半導體基底102的表面108中注入空穴的電壓、即使得充電轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓被周期性地提供給電荷轉(zhuǎn)移元件130，則可以將暗電流影響減少到可以忽略的水平。
最好是，將使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓周期性地提供給電荷轉(zhuǎn)移元件130。然而，在光電轉(zhuǎn)換元件110的電荷累積周期的部分期間，可以將使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓暫時地提供給電荷轉(zhuǎn)移元件130。這里，短語“電荷累積周期”表示除了電荷轉(zhuǎn)移元件130激活時將電荷轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件120的周期以外的所有周期。為了在整個電荷累積周期將使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓施加到電荷轉(zhuǎn)移元件130，需要傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器的結構改變。在這一點上，如上參考圖1所述，根據(jù)本發(fā)明實施例的CMOS圖像傳感器的行驅(qū)動單元20執(zhí)行電荷轉(zhuǎn)移處理信號的負升壓，并且將使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓提供給像素陣列單元10。
下文中，將參考圖5A和5B來描述所提供的使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓。
圖5A圖解說明了當具有低閾值電壓的增強型晶體管被用作電荷轉(zhuǎn)移元件時、被施加到電荷轉(zhuǎn)移元件的柵極的電荷轉(zhuǎn)移信號TG與電荷轉(zhuǎn)移元件的電勢之間的關系。
即使當電荷轉(zhuǎn)移信號TG是邏輯“低”時，電荷轉(zhuǎn)移元件具有正電勢(閾值電壓以上的預定電壓Δ)，這導致形成預定溝道。在光電轉(zhuǎn)換元件的電荷累積周期期間，將使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓施加到電荷轉(zhuǎn)移元件。最好，該電壓是0V，并且用于該電壓的保持周期Δt在大約100納秒到10微秒的范圍內(nèi)。在電荷累積周期期間，施加該電壓至少一次。然而，因為電荷轉(zhuǎn)移信號TG的邏輯“高”周期是恒定的，因此該電壓的施加次數(shù)隨著保持周期Δt的增加而減少。
圖5B圖解說明了當耗盡型晶體管被用作電荷轉(zhuǎn)移元件時、被施加到電荷轉(zhuǎn)移元件的柵極的電荷轉(zhuǎn)移信號TG與電荷轉(zhuǎn)移元件的電勢之間的關系。
當電荷轉(zhuǎn)移信號TG是邏輯“低”時，形成溝道。當電荷轉(zhuǎn)移元件處于未激活狀態(tài)時，將使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓施加到電荷轉(zhuǎn)移單元。最好，該電壓是負的(-Δ)，并且對于該電壓的保持時間Δt大約是100納秒到10微秒的范圍內(nèi)。在電荷累積周期期間施加該電壓至少一次。然而，因為電荷轉(zhuǎn)移信號TG的邏輯“高”周期是恒定的，因此該電壓的施加次數(shù)隨著保持周期Δt的增加而減少。
圖6示出了圖1的CMOS圖像傳感器的耦合部件的電路圖和圖7是圖6的耦合部件的時序圖。
參考圖6和7，升壓控制信號(boost control signal)BSTX是對于像素陣列單元10中以行狀態(tài)的方式排列的所有像素的公共信號。電荷轉(zhuǎn)移信號TG是對于屬于像素陣列單元10的每行的像素的公共信號。像素陣列單元10由N行組成。為了便于圖解說明，將說明第i行的電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)和電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)。
首先參考圖6，驅(qū)動信號提供部件30由控制器(未示出)管理，并且將電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)提供給耦合部件40。
耦合部件40包括升壓調(diào)節(jié)器41和升壓器42。升壓器42包括升壓電容器CBS(i)、反相器44和電阻器46。
升壓調(diào)節(jié)器41將升壓控制信號BSTX提供給升壓器42。當電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)是邏輯“高”時，升壓控制信號BSTX被維持為邏輯“低”，但是本發(fā)明不限于此。
耦合部件40接收升壓控制信號BSTX，并且執(zhí)行電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)的負升壓。也就是，當升壓控制信號BSTX是邏輯“低”時，耦合部件40將電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)直接提供給像素陣列單元10，而當升壓控制信號BSTX是邏輯“高”時，耦合部件40負升壓電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)。
當電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)是邏輯“高”時，對升壓電容器CBS(i)充電。另一方面，當電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)是邏輯“低”時，節(jié)點E是0V，并且節(jié)點F是Vdd。這時，當升壓控制信號BSTX轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺睍r，節(jié)點F由反轉(zhuǎn)器44轉(zhuǎn)變?yōu)?V。節(jié)點E被負升壓至相應的預定電壓。這里，負升壓的電壓使得像素100中的電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢。
當從外部看接收電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)的電荷轉(zhuǎn)移元件時，這看起來象是在電荷轉(zhuǎn)移元件上放置了具有幾pF電容的加載電容器CTG(i)。因此，升壓電容器CBS(i)和加載電容器CTG(i)執(zhí)行電荷耦合。假設使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓是Vbs，則可以通過等式1來計算負升壓的程度
Vbs=Vdd*{CBS(i)CBS(i)+CTG(i)}---(1)]]>其中Vbs和Vdd是絕對值。
例如，當升壓電容器CBS(i)的電容大于加載電容器CTG(i)的電容九倍時，90％的Vdd經(jīng)受負升壓。而且，當升壓電容器CBS(i)的電容大于加載電容器CTG(i)的電容0.5倍時，大約33％的Vdd經(jīng)受負升壓。最好是，升壓電容器CBS(i)的電容更高，因為隨著電壓Vbs的增加，注入了更多的空穴，這使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢。最好是，將Vbs的絕對值調(diào)節(jié)為Vdd的絕對值的1/10，但是不限于此。
根據(jù)時間常數(shù)(τ)來調(diào)節(jié)電阻器46的大小。當時間常數(shù)增加時，升壓電容器CBS(i)的充電和放電被延緩。因此，可以維持電壓Vbs一段預定周期。在這一點上，最好是，充分地增加電阻器46的大小，但是不限于此。
圖7說明了圖6所示的耦合部件40的操作。參考圖6和7，在時間t1，升壓控制信號BSTX是邏輯“低”，并且電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺?。?jīng)由電阻器46將電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)轉(zhuǎn)移到電荷轉(zhuǎn)移元件，并且對升壓電容器CBS(i)充電。
在時間t2，升壓控制信號BSTX轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺?，并且電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)被負升壓，以便將電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移元件，從而所提供的電壓使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢。
當電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX(i)是邏輯“高”時，最好是，升壓控制信號BSTX是邏輯“低”，但是不限于此。也就是，當電荷轉(zhuǎn)移處理信號TGX是邏輯“高”時，它可以被負升壓。然而，最好，電荷轉(zhuǎn)移元件的電壓沒有減少到小于閾值電壓。
圖8示出了圖1的CMOS圖像傳感器的時序圖，而圖9示出了圖1的CMOS圖像傳感器的示意圖和電勢圖，在圖9的電勢圖中，操作之前的電勢用虛線表示，操作后的電勢用實線表示，并且電勢向下增加。
現(xiàn)在將參考圖1、4、8和9來描述使用光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換元件110的CMOS圖像傳感器1的操作。典型地，在像素陣列單元10上排列的像素100共同執(zhí)行電荷積累。復位信號RST和像素選擇信號ROW是對于屬于像素陣列單元10的每行的像素的公共信號。也就是，屬于一行的像素100接收特定的復位信號和特定的像素選擇信號。
像素陣列單元由N行組成，并且所述行順序表示為ROW(1)、...、ROW(i)、ROW(i+1)、...、ROW(N)。為了便于圖解說明，根據(jù)ROW(i)和ROW(i+1)方面描述CMOS圖像傳感器1的操作。如上所述，像素選擇信號ROW、復位信號RST、和電荷轉(zhuǎn)移信號TG被由控制器(未示出)管理的的行驅(qū)動單元20提供給像素陣列單元10。像素陣列單元10接收這些信號，執(zhí)行電荷累積，并且將所收集的電荷轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件。電荷檢測元件執(zhí)行對噪聲電平和信號電平的雙取樣。
參考圖8和9，周期0＜t＜t1處于未選狀態(tài)。也就是，像素選擇信號ROW(i)和ROW(i+1)、復位信號RST(i)和RST(i+1)、電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)和TG(i+1)是邏輯“低”。然而，由于具有低閾值電壓(Vth)的增強型晶體管或耗盡型晶體管被用作電荷轉(zhuǎn)移元件130來減少當發(fā)射過多光時在光電轉(zhuǎn)換元件110中可以引起的過流現(xiàn)象，即使當電荷轉(zhuǎn)移元件130未被激活，也形成了溝道。因此，所生成的電荷(多于預定量)可以經(jīng)由電荷轉(zhuǎn)移元件130流入電荷檢測元件120。
在時間t1，當像素選擇信號ROW(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺睍r，選擇元件160被激活。也就是，通過連接到被選像素100的垂直信號線12將要讀出在電荷檢測元件120中存儲的電荷。同時，復位信號RST(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺?，并且電荷檢測元件120被復位為Vdd。在像素選擇信號ROW(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺敝?，復位信號RST(i)可以轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺薄?br> 電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)被轉(zhuǎn)換為使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓。因此，可以將空穴注入半導體基底102的表面108，從而減少暗電流生成。當光電轉(zhuǎn)換單元110是管腳(pinned)光電二極管時，可以獲得更多期望的效果。
使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移元件130的類型而變化。也就是，當耗盡型晶體管被用作電荷轉(zhuǎn)移元件130時，該電壓是負的，而當具有低閾值電壓的增強型晶體管被用作電荷轉(zhuǎn)移元件130時，該電壓是0V。
最好，在范圍從大約100納秒到10微秒的周期期間，將電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)提供給電荷轉(zhuǎn)移元件130，作為使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓。在電荷累積周期期間，將電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)提供給電荷轉(zhuǎn)移元件130至少一次。這里，電荷累積周期表示除了電荷轉(zhuǎn)移元件130被激活時將電荷轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件120的周期以外的所有周期。
在時間t2，復位信號RST(i)和電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛暗汀?。當然，不必同時地轉(zhuǎn)變復位信號RST(i)和電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)。當復位信號RST(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛暗汀睍r，通過垂直信號線12讀出偏移電平，即，噪聲電平，其對于每個像素是不同的。盡管未示出，但是垂直信號線12的噪聲電平在雙相關取樣器50中被取樣保持脈沖(SHP)保持。
即使當電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛暗汀睍r，注入到半導體基底的表面的空穴被維持一段預定周期，而不消失。因此，減少了暗電流產(chǎn)生，直到空穴消失。
在時間t3，電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺保⑶壹せ铍姾赊D(zhuǎn)移元件130。也就是，光電轉(zhuǎn)換元件110中收集的電荷被轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件120。這時，由于電荷檢測元件120具有寄生電容，因此累積地存儲了電荷。從而，電荷檢測元件120的電勢改變。這里，電荷轉(zhuǎn)移元件130處于激活狀態(tài)的周期被稱作“轉(zhuǎn)移周期”。
在時間t4，電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛暗汀薄．敵潆娹D(zhuǎn)移信號TG(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛暗汀睍r，通過垂直信號線12讀出電荷檢測元件120的電勢變化，即，信號電平。盡管未示出，但是垂直信號線12的信號電平在雙相關取樣器50中被取樣保持脈沖(SHD)保持。
也就是，在像素100中，噪聲電平和信號電平經(jīng)受連續(xù)取樣。當然，可對信號電平的取樣可以先于對噪聲電平的取樣。
根據(jù)上述操作，通過預定切換來控制噪聲電平和信號電平的輸出。因此，即使當使用相同的溝道時理論上也不產(chǎn)生固定的噪聲電平。而且，由于噪聲電平和信號電平被相繼輸出，因此即使不使用分離的存儲器，也可以通過為差分電路的雙相關取樣器50來獲得噪聲電平和信號電平之間的差，從而簡化所述系統(tǒng)。
在時間t5，像素選擇信號ROW(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛暗汀?。在像素選擇信號ROW(i+1)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺钡耐瑫r，可以執(zhí)行像素選擇信號ROW(i)到邏輯低的轉(zhuǎn)變，但是不限于此。在減少功耗的觀點上，最好調(diào)節(jié)像素選擇信號ROW(i)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛暗汀钡臅r間，從而可以通過垂直信號線12讀出信號電平。
這時，電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)被轉(zhuǎn)換為使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓。因此，空穴被注入表面108，從而減少暗電流產(chǎn)生。由于在時間t1注入的空穴在預定周期之后消失，因此在時間t5提供使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓。t1與t5之間的時間間隔是根據(jù)試驗中使用的CMOS圖像傳感器來適當確定的。最好是，在時間t1注入的空穴消失之前，施加使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓。
然后，執(zhí)行幾個隨后的處理，直到通過圖像信號處理元件(未示出)完成圖像顯示。例如，雙相關取樣器50輸出噪聲電平和信號電平之間的差。因此，像素100和垂直信號線12的固定噪聲電平減少。而且，模數(shù)轉(zhuǎn)換器60接收從雙相關取樣器輸出的模擬信號，并且輸出數(shù)字信號。
在時間t6，像素選擇信號ROW(i+1)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺?。隨后的操作與在第i行的相同。也就是，復位信號RST(i+1)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺?，并且電荷檢測元件120被復位為Vdd。電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i+1)轉(zhuǎn)變?yōu)槭沟秒姾赊D(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓，并且空穴被注入表面108。
在時間t7，電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i+1)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺保⑶以诠怆娹D(zhuǎn)換元件110中收集的電荷被轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件120。電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)被維持在邏輯“低”狀態(tài)，而不被轉(zhuǎn)換為使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓，因為升壓控制信號BSTX是對于所有行的公共信號，如上所述。
在這點上，當升壓控制信號BSTX被設定為對于每行像素的公共信號時，獨立于電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i)而驅(qū)動電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i+1)。也就是，除了電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i+1)是邏輯“高”的周期，電荷轉(zhuǎn)移信號TG(i+1)被周期性地轉(zhuǎn)換為使得電荷轉(zhuǎn)移元件130具有負電勢的電壓。
盡管為了簡單，上面的描述是關于獨立像素讀出模式的，其中獨立地讀出像素的信號，但是并不限于該模式。幀讀出模式和場讀出模式也是可能的。在幀讀出模式中，在第一場中讀出奇數(shù)(或偶數(shù))線的信號，并且在第二場中讀出偶數(shù)(或奇數(shù))線的信號。在場讀出模式中，同時讀出兩條相鄰線的信號以便將電壓相加，并且改變兩條線的組合。
圖10示出了圖解說明圖1的CMOS圖像傳感器的特性的視圖。
參考圖10，與傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器噪聲電平G相比，根據(jù)本發(fā)明實施例的CMOS圖像傳感器1展現(xiàn)低噪聲電平H。所述噪聲包括光子散粒(shot)噪聲、暗電流噪聲、復位噪聲、熱噪聲和其他噪聲。由于CMOS圖像傳感器1可以減少暗電流產(chǎn)生，因此可以減少暗電流噪聲電平。
而且，假設飽和電平是恒定的，這種噪聲減少可以顯著地增加被定義為飽和電平和噪聲電平之間的差的動態(tài)范圍。
另外，由于在電荷累積周期期間施加了使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓，因此暗電流減少，并且同時可以減少溢出和激增(blooming)現(xiàn)象。
CMOS圖像傳感器1的像素100可以使用作為載流子的負電荷和NMOS晶體管，或者它可以使用作為載流子的正電荷和PMOS晶體管?？梢韵鄳馗淖冸妷旱臉O性。
根據(jù)本發(fā)明實施例的CMOS圖像傳感器的像素可以包括信號處理芯片和/或透鏡系統(tǒng)，并且它可以是電子裝置中的內(nèi)置部件。
在基本不背離本發(fā)明的原理的情況下，本領域的普通技術人員將理解，對于優(yōu)選實施例可以作出許多變化和修改。因此，本發(fā)明的公開優(yōu)選實施例是普通和描述意義上的使用，并不用于限制。
權利要求
1.一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器，包括具有像素矩陣的像素陣列單元，其中每個像素包括電荷轉(zhuǎn)移元件，用于將在光電轉(zhuǎn)換元件中收集的電荷轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件；和行驅(qū)動單元，用于在所述光電轉(zhuǎn)換元件的電荷累積周期的部分期間將電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移元件，其中所提供的電壓使得所述電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢。
2.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述電壓被提供在電荷累積周期的大約100納秒到10微秒的范圍。
3.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述行驅(qū)動單元在光電轉(zhuǎn)換元件的電荷累積周期期間將所述電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移單元至少一次，其中所提供的電壓使得所述電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢。
4.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述電荷轉(zhuǎn)移元件是增強型MOS場效應晶體管。
5.如權利要求4所述的CMOS圖像傳感器，其中所提供的使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓是0伏。
6.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述電荷轉(zhuǎn)移元件是耗盡型MOS場效應晶體管。
7.如權利要求6所述的CMOS圖像傳感器，其中所提供的使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓是負電壓。
8.如權利要求6所述的CMOS圖像傳感器，其中，在像素陣列單元的至少一行轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換元件的電荷時，所提供的使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓不被提供給電荷轉(zhuǎn)移元件。
9.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述行驅(qū)動單元包括驅(qū)動信號控制部件，用于提供電荷轉(zhuǎn)移處理信號；和耦合部件，其響應升壓控制信號而負升壓所述電荷轉(zhuǎn)移處理信號，并且將使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移元件。
10.如權利要求9所述的CMOS圖像傳感器，其中所述升壓控制信號是用于屬于多行像素陣列單元的像素的公共信號。
11.如權利要求9所述的CMOS圖像傳感器，其中所述升壓控制信號是用于屬于每行像素陣列單元的像素的公共信號。
12.如權利要求9所述的CMOS圖像傳感器，其中所述耦合部件被電荷轉(zhuǎn)移處理信號充電，并且包括響應升壓控制信號泵激電荷的升壓電容器。
13.如權利要求12所述的CMOS圖像傳感器，其中所述耦合部件還包括連接到升壓電容器并且調(diào)節(jié)時間常數(shù)的電阻器。
14.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述光電轉(zhuǎn)換元件是光電二極管、光電晶體管、光電門、管腳光電二極管、或者它們的組合。
15.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中每個像素還包括用于選擇將被讀取的像素的選擇元件。
16.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中每個像素還包括用于復位電荷檢測元件的復位元件。
17.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中每個像素還包括用于向垂直信號線輸出與電荷檢測元件的電勢對應的信號的放大元件。
18.一種操作CMOS圖像傳感器的方法，包括在光電轉(zhuǎn)換元件的電荷累積周期的部分期間將電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移元件，其中所提供的電壓使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢；和激活所述電荷轉(zhuǎn)移元件，并且將在光電轉(zhuǎn)換元件中收集的電荷轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件。
19.如權利要求18所述的方法，其中在將電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移元件的步驟中，所述電壓被提供在電荷累積周期的大約100納秒到10微秒的范圍。
20.如權利要求18所述的方法，其中在將電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移元件的步驟中，在光電轉(zhuǎn)換元件的電荷累積周期期間將所提供的電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移單元至少一次，其中所提供的電壓使得所述電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢。
21.如權利要求18所述的方法，其中所述電荷轉(zhuǎn)移元件是增強型MOS場效應晶體管。
22.如權利要求21所述的方法，其中所提供的使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓是0伏。
23.如權利要求18所述的方法，其中所述電荷轉(zhuǎn)移元件是耗盡型MOS場效應晶體管。
24.如權利要求23所述的方法，其中所提供的使得電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢的電壓是負電壓。
25.如權利要求18所述的方法，還包括在將光電轉(zhuǎn)換元件中收集的電荷轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件之前，復位所述光電轉(zhuǎn)換元件。
26.如權利要求18所述的方法，還包括向垂直信號線輸出與光電轉(zhuǎn)換元件的電勢對應的信號，其中所述電勢是由向其轉(zhuǎn)移電荷而形成的。
27.如權利要求18所述的方法，還包括保持或取樣像素的噪聲電平和信號電平，并且輸出預定的差電平信號。
28.如權利要求27所述的方法，還包括將預定的差電平信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
全文摘要
提供了一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器及其操作方法。所述CMOS圖像傳感器包括具有像素矩陣的像素陣列單元，其中每個像素包括電荷轉(zhuǎn)移元件，用于將在光電轉(zhuǎn)換元件中收集的電荷轉(zhuǎn)移到電荷檢測元件；和行驅(qū)動單元，用于在所述光電轉(zhuǎn)換元件的電荷累積周期的部分期間將電壓提供給電荷轉(zhuǎn)移元件，其中所提供的電壓使得所述電荷轉(zhuǎn)移元件具有負電勢。
文檔編號H04N3/15GK1791185SQ20051012023
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月7日 優(yōu)先權日2004年11月5日
發(fā)明者南丁鉉 申請人:三星電子株式會社