專利名稱：用于減少分配噪聲的cmos圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種CMOS圖像傳感器；而更具體而言，涉及一種通過延長施加到轉移晶體管的柵極的轉移控制信號的下降時間來減少分配噪聲的CMOS圖像傳感器。
背景技術：
圖像傳感器是把光圖像轉換成電信號的半導體裝置。圖像傳感器分為電荷耦合器件(下文中，稱作CCD)圖像傳感器和互補金屬氧化物半導體(下文中，稱作CMOS)圖像傳感器。
CCD圖像傳感器包括至少一個電容器。這些電容器排列得彼此很接近，而電荷載流子存儲于所述電容器中并轉移到其上。
相比之下，CMOS圖像傳感器包括通過CMOS工藝制造的多個單元像素。每個所述單元像素包括一個光電二極管和三或四個MOS晶體管，用于驅動所述單元像素的。CMOS圖像傳感器采用CMOS技術，所述CMOS技術使用控制電路和信號處理電路作為外圍電路。基于像素數量來形成MOS晶體管，而且使用MOS晶體管來依次檢測輸出數據。
在制造所述各種圖像傳感器的過程中，為提高光靈敏度，已進行了很多嘗試。例如，CMOS圖像傳感器包括用于感測光的光電二極管和用于將所感測的光處理成電數據信號的CMSO邏輯電路。為了提高光靈敏度，已進行了增加填充因子的嘗試。填充因子含義表示光電二極管相對于圖像傳感器總面積的比率。
圖1是示出CMOS圖像傳感器的單元像素的電路圖，其中單元像素包括4個晶體管。
圖1的單元像素使用亞-微米CMOS外延工藝形成，以便提高光靈敏度并減少單元像素間的串擾效應。
如圖1所示，圖像傳感器的單元像素包括構造一個PNP結、一個PNPN結等的光電二極管PD、轉移晶體管Tx、浮動擴散節點FD、復位晶體管RX、驅動晶體管DX和選擇晶體管SX。光電二極管PD接收來自一個對象的光，以產生對應的電子-空穴對，即光生電荷。當轉移晶體管TX導通時，轉移晶體管TX將在光電二極管PD處累積的光生電荷轉移到浮動擴散節點FD。當轉移晶體管TX導通時，浮動擴散節點FD接收從轉移晶體管TX轉移的光生電荷。復位晶體管RX響應于復位信號將浮動擴散節點FD的電壓復位到電源電壓VDD電平。導通驅動晶體管的柵極的量隨著對應于從浮動擴散節點FD轉移的光生電荷的電信號而變化，以使驅動晶體管DX輸出的電信號與光生電荷的量成比例。基于選擇信號導通的選擇晶體管SX輸出單元像素通過驅動晶體管DX輸出的信號。
如圖1中所示，參考號LX表示負載晶體管。浮動擴散節點FD具有預定的電容量Cfd。
下面將詳細描述從圖1中所示的單元像素獲取輸出電壓VOUT的操作原理。
首先，關斷轉移晶體管TX、復位晶體管RX和選擇晶體管SX。此時，光電二極管PD處于全耗盡狀態。開始光集成以收集光電二極管PD處的光生電荷。
當復位晶體管RX導通時，浮動擴散節點FD的電壓被復位。然后，選擇晶體管導通。此時，測量處于復位操作的單元像素的第一輸出電壓V1。所測的值表示浮動擴散節點FD的電壓的DC電平移動。
在適當的光聚集時間后，轉移晶體管TX導通，使得光電二極管PD處的所有光生電荷轉移到浮動擴散節點FD。然后，轉移晶體管TX關斷。此時，測量由轉移到浮動擴散節點FD的電荷所引起的第二輸出電壓V2。
從輸出電壓V1和輸出電壓V2的差獲得作為光生電荷的轉移結果的輸出電壓VOUT。即除了噪聲，輸出電壓VOUT單純是信號電壓。該方法稱作互相關雙采樣(CDS)。
轉移晶體管TX將光生電荷轉移到浮動擴散節點FD。同時，當施加到轉移晶體管的柵極的轉移控制信號從邏輯電平“高”下降到邏輯電平“低”時，即，當其從導通狀態改變成關斷狀態時，轉移晶體管TX存在若干問題。
最大的問題是注入到浮動擴散節點FD的電荷所引起的分配噪聲，其由于轉移控制信號的短的下降時間而發生。
圖2是描述CMOS圖像傳感器的能量圖，集中在轉移晶體管TX上，而圖3是說明轉移晶體管TX導通時電子移動的能量圖。
如圖所示，當轉移晶體管TX處于關斷狀態時，光生電荷在光電二極管PD處累積。當轉移晶體管TX導通時，光生電荷沿路徑“A”從光電二極管PD轉移到浮動擴散節點FD。
圖4是描述當轉移晶體管TX關斷時施加于轉移晶體管TX的轉移控制信號的下降時間短的情況下電子移動的能量圖。
在轉移晶體管TX關斷后，在浮動擴散節點FD中累積的光生電荷轉換成電信號。當轉移晶體管TX關斷時，存在于轉移晶體管TX下的溝道電子可在任意方向移動。
由于浮動擴散節點FD的電壓高于光電二極管PD的電壓，理論上正確的是，溝道電子從光電二極管PD移動到浮動擴散節點FD，如圖4中的路徑“B”所示的。然而，由于轉移晶體管TX的關斷時間很短，不是所有的溝道電子都能移動到浮動擴散節點FD。即，一些溝道電子返回光電二極管PD，如圖4中的路徑“C”所示的。
該現象在像素中不同地發生。因而，當從外部看時，看起來發生了噪聲。該現象稱作分配噪聲。由于分配噪聲被視為屏幕上的噪聲，其作為降低圖像傳感器性能的一個因素而其作用。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種CMOS圖像傳感器，用于減少施加于轉移晶體管柵極的轉移控制信號的短下降時間所引起的分配噪聲。
根據本發明的一個方面，提供有一種CMOS圖像傳感器，包括單元像素，包括由轉移控制信號控制的轉移晶體管；以及轉移控制信號控制器，用于控制所述轉移控制信號的上升和下降時間，其中為減少分配噪聲，充分增加所述轉移控制信號的下降時間。
根據本發明的另一方面，提供有一種CMOS圖像傳感器，包括以列×行的形式排列的多個單元像素，每個包括由轉移控制信號控制的轉移晶體管；以及轉移控制信號控制器，用于控制所述轉移控制信號的上升和下降時間；以及多個電容性部分，連接在地電壓和公共節點之間，所述公共節點連接在所述轉移控制信號控制器的輸出端子和所述轉移晶體管的柵極之間，以籍此在包含于相同行的單元像素中的所述轉移晶體管關斷時增加所述轉移晶體管的下降時間，其中多個單元像素設置在由單個轉移控制信號控制器所控制的同一行中。
從以下結合附圖給出的優選實施例的描述中，本發明的以上以及其它目的和特征將變得顯而易見，其中圖1是示出一種CMOS圖像傳感器的單元像素的電路圖，其中單元像素有4個晶體管；圖2是描述所述CMOS圖像傳感器的能量圖，集中于轉移晶體管上；圖3是圖示當所述轉移晶體管導通時電子移動的能量圖；圖4是描述當轉移晶體管TX關斷時轉移控制信號的下降時間短的情況下電子移動的能量圖；圖5是示出當轉移控制信號的下降時間增加時電子移動的能量圖；圖6是圖示一種用于驅動單元像素的轉移晶體管的CMOS類型驅動器、單元像素的結構以及所述CMOS類型驅動器的下降時間的圖；圖7A到7C是描述根據本發明的第一實施例的一種用于控制施加到轉移晶體管的柵極的轉移控制信號的驅動器的電路圖；圖8A到8C是圖示根據本發明的所述第一實施例的所述轉移晶體管的仿真中的下降時間的變化的時序圖；圖9到10是描述根據本發明的第二實施例的一種用于驅動單元像素的轉移晶體管的CMOS類型驅動器的圖；圖11A到11C是根據本發明的第三實施例的一種用于驅動轉移晶體管的驅動器的電路圖；圖12A到12C是描述圖11A到11C中所示的驅動器的布局。
具體實施例方式
將參考附圖詳細描述根據本發明的示范性實施例的CMOS圖像傳感器。
由于分配噪聲是由于施加到轉移晶體管的柵極的轉移控制信號的短下降時間所引起的，所以本發明集中于增加轉移控制信號的下降時間上。
在增加所述下降時間的過程中，增加了用于產生允許溝道電子移動到高于光電二極管的浮動擴散節點的電場的時間余量。由于所述電場，所有的電子移動到浮動擴散節點，由此減少了分配噪聲。
通常，下降時間“τ”限定為τ＝RC。因此，還要增加R和C的至少一個。
圖5是示出當轉移控制信號的下降時間增加時電子移動的能量圖。
如圖所示，如果下降時間增加，用于在溝道下產生電場的時間也增加了與所增加的下降時間一樣多的時間。如路徑“X”所指示的，所有的溝道電子根據電場的斜率移動到浮動擴散節點FD，由此防止發生分配噪聲。
圖6是圖示一種用于驅動單元像素的轉移晶體管的CMOS類型驅動器、單元像素的結構以及所述CMOS類型驅動器的下降時間的圖。
如圖所示，CMOS圖像傳感器包括多個單元像素P1到P1280以及CMOS類型的驅動器DRV。每個單元像素P1到P1280包括一個光電二極管、一個浮動擴散節點、一個轉移晶體管、一個復位晶體管、一個驅動晶體管和一個選擇晶體管。CMOS類型的驅動器DRV控制包含于單元像素中的轉移晶體管TX1到TX1280的導通操作和關斷操作。
作為CMOS類型驅動器DRV的一種實例，示出了CMOS反相器類型的驅動器。多個單元像素P1到P1280設置在單個行中。相應地，CMOS類型驅動器DRV同時控制設置在該單個行中的單元像素的多個轉移晶體管TX1到TX1280。
在此，單個行中的1280個單元像素的設置是1.3M圖像傳感器。同樣，在該實施例中，單元像素的復位晶體管和選擇晶體管由每行中的一個驅動器來驅動。
下文中，將參考附圖詳細描述用于在轉移晶體管關斷時增加下降時間(τ)的實施例。
實施例1第一實施例通過減少CMOS類型驅動器DRV的NMOS晶體管的W/L比來增加施加到轉移晶體管柵極的轉移控制信號的下降時間。
圖7A到7C是描述根據本發明的第一實施例的一種用于控制轉移晶體管的驅動器的電路圖。
圖7A中所示的CMOS反相器類型驅動器包括串聯連接于電源電壓VDD和地電壓VSS之間的一個PMOS晶體管P和一個NMOS晶體管N。該CMOS反相器類型驅動器通過這兩個晶體管的柵極來接收輸入信號IN，以示出反相信號OUT。
假設NMOS晶體管N的W/L比為K，通過增加長度L或減少寬度W，可增加電阻，即減少電流，由此增加所述轉移控制信號的下降時間。
同時，柵電極的寬度W與器件的設計規則有關。相應地，一種減少W/L比而不修改設計規則的方法是，當NMOS晶體管的寬度固定時，增加柵電極的長度。
參考圖7B，通過串聯連接2個晶體管N1和N2，可獲得K的一半，即W/2L。這可增加NMOS晶體管的長度L并且對于布局設計中空間利用是足夠的。
參考圖7C，通過串聯連接4個晶體管N1到N4，可獲得K的四分之一，即W/4L。也就是說，通過串聯連接所需要的數量的NMOS晶體管，可獲得期望的下降時間。
圖8A到8C是圖示根據本發明的所述第一實施例的所述轉移晶體管的仿真中的下降時間的變化的時序圖。
參考圖8A，當使用一個NMOS晶體管N使得W/L比為K時，下降時間為約4ns。
同時，由于施加到1.3M CMOS圖像傳感器中的轉移晶體管柵極的轉移控制信號的下降時間為2-3ns，與常規情況相比，圖8A中的下降時間增加了。
參考圖8B，當使用兩個NMOS晶體管N1和N2使得W/L比為K的一半時，下降時間為約8ns。
參考圖8C，當使用四個NMOS晶體管N1到N4使得W/L比為K的四分之一時，下降時間為約17.9ns。
實施例2第二實施例通過增加電容器C來增加轉移晶體管的下降時間(τ)。
圖9和10是描述根據本發明的第二實施例的一種用于驅動轉移晶體管的CMOS類型驅動器的圖。
如圖所示，CMOS圖像傳感器包括多個單元像素P1到P1280和CMOS類型的驅動器DRV。每個單元像素P1到P1280包括一個光電二極管、一個浮動擴散節點、一個轉移晶體管、一個復位晶體管、一個驅動晶體管和一個選擇晶體管。CMOS類型的驅動器DRV控制包含于單元像素中的轉移晶體管TX1到TX1280的導通操作和關斷操作。
作為CMOS類型驅動器DRV的一種實例，示出了CMOS反相器類型的驅動器。多個單元像素P1到P1280設置在單個行中。相應地，CMOS類型驅動器DRV同時控制設置在單個行中的單元像素的多個轉移晶體管TX1到TX1280。
在此，單個行中的1280個單元像素的設置是1.3M圖像傳感器。同樣，在該實施例中，單元像素的復位晶體管和選擇晶體管由每行中的一個驅動器來驅動。
即，為了增加施加到轉移晶體管柵極的轉移控制信號的下降時間(τ)，多個電容性部分D1到Dn連接在地電壓VSS與驅動器DRV的輸出端子和轉移晶體管TX1到TX1280的柵極的公共節點之間。
每個電容性部分D1到Dn包括多個電容器C1到Cn和多個開關S1到Sn。同樣，電容性部分D1到Dn可配置成各種結構。
多個電容器C1到Cn可具有彼此不同的電容，而多個開關S1到Sn可獨立操作。
開關S1到Sn以及電容器C1到Cn可如圖9和10中所示而配置，而且開關S1到Sn在數字電路中可任意控制。
此外，可同時應用增加電阻的方法和增加電容的方法二者。
實施例3通過部分修改第一實施例的結構，布局可設計得更簡單。
圖11A到11C是根據本發明的第三實施例的一種用于控制轉移晶體管的驅動器的電路圖。
如圖所示，CMOS反相器類型驅動器包括串聯連接的一個PMOS晶體管P111和四個NMOS晶體管N111到N114。
盡管基本結構與圖7C的結構相似，NMOS晶體管N111到N114的源極共同連接到地電壓VSS，由此形成了一種電阻器。
在圖11A中，NMOS晶體管N111到N114的源極共同連接到地電壓VSS。在圖11B中，NMOS晶體管N112到N114的源極共同連接到地電壓VSS。在圖11C中，沒有NMOS晶體管的源極連接到地電壓VSS。
在圖11A到11C中，所述串聯連接允許多少就形成多少NMOS晶體管，而且長度L可使用金屬接觸和金屬線來控制。
相應地，在圖11A中，W/L比為K；在圖11B中，為K的一半；在圖11C中，為K的四分之一。
這意味著可僅通過金屬線和金屬接觸的部分修改來調整W/L比，不需修改柵電極。
圖12A到12C是描述圖11A到11C中所示的驅動器的布局。
參考圖12A，NMOS晶體管N111的漏端子通過金屬接觸CT1連接到由金屬線MB形成的輸出端子OUT。NMOS晶體管N112到N114通過接觸CT2到CT5連接到由金屬線MB形成的地電壓VSS。
參考圖12B，NMOS晶體管N111的漏端子通過金屬接觸CT1連接到由金屬線MA形成的輸出端子OUT。NMOS晶體管N112到N114通過接觸CT2到CT4連接到由金屬線MB形成的地電壓VSS。
此時，NMOS晶體管N111的源端子和NMOS晶體管N112的漏端子不連接到地電壓VSS。
參考圖12C，NMOS晶體管N111的漏端子通過金屬接觸CT1連接到由金屬線MA形成的輸出端子OUT。NMOS晶體管N114的源端子通過接觸CT2連接到由金屬線MB形成的地電壓VSS。
此時，NMOS晶體管N111的源端子和NMOS晶體管N112的漏端子、NMOS晶體管N112的源端子和NMOS晶體管N113的漏端子、NMOS晶體管N113的源端子和NMOS晶體管N114的漏端子不連接到地電壓VSS。
如上所述，在增加下降時間的過程中，增加了用于產生允許溝道電子移動到高于光電二極管的浮動擴散節點的電場的時間余量。由于所述電場，所有的電子移動到浮動擴散節點，由此減少了分配噪聲。
盡管已描述的CMOS圖像傳感器具有4個晶體管和一個光電二極管，本發明并不限于該配置。即，本發明可應用到在單元像素中具有轉移晶體管的所有種類的CMOS圖像傳感器。
根據本發明，可減少CMOS圖像傳感器中的分配噪聲，由此改善CMOS圖像傳感器的性能。
本申請包含的主題涉及2005年2月24日提交于韓國專利局的韓國專利申請No.KR 2005-15520，其全部內容通過引用合并于此。
盡管已就具體實施例描述了本發明，但對本領域的普通技術人員顯而易見的是，在不背離所附權利要求所披露的本發明的范圍的前提下，可以進行各種改變和修改。
權利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括單元像素，包括由轉移控制信號控制的轉移晶體管；以及轉移控制信號控制器，用于控制轉移控制信號的上升和下降時間，其中為了減少分配噪聲，充分增加所述轉移控制信號的下降時間。
2.如權利要求1的CMOS圖像傳感器，其中所述轉移控制信號的下降時間比所述轉移控制信號的上升時間的兩倍長。
3.如權利要求1的CMOS圖像傳感器，其中所述單元像素進一步包括一個光電二極管、一個復位晶體管、一個驅動晶體管和一個選擇晶體管。
4.如權利要求3的CMOS圖像傳感器，其中所述轉移控制信號控制器包括具有NMOS晶體管的CMOS類型的驅動器。
5.如權利要求4的CMOS圖像傳感器，其中當所述轉移晶體管關斷時，為了增加下降時間，減小所述NMOS晶體管的大小。
6.如權利要求5的CMOS圖像傳感器，其中所述NMOS晶體管的大小包括W/L比，其中W和L分別表示溝道寬度和溝道長度。
7.如權利要求6的CMOS圖像傳感器，其中為了減少所述轉移晶體管的W/L比，增加所述溝道長度。
8.如權利要求7的CMOS圖像傳感器，其中所述CMOS類型的驅動器包括串聯連接的多個NMOS晶體管以增加溝道長度。
9.如權利要求8的CMOS圖像傳感器，其中串聯連接的所述NMOS晶體管的至少兩個源極共同連接到地電壓。
10.如權利要求9的CMOS圖像傳感器，其中所述NMOS晶體管的源極通過金屬線共同連接到地電壓。
11.如權利要求3的CMOS圖像傳感器，進一步包括連接在地電壓和公共節點之間的多個電容性部分，所述公共節點連接在所述轉移控制信號控制器的輸出端子和所述轉移晶體管的柵極之間，以由此增加所述轉移晶體管的下降時間。
12.如權利要求11的CMOS圖像傳感器，其中每個所述電容性部分包括串聯連接的一個電容器和一個開關。
13.如權利要求12的CMOS圖像傳感器，其中所述多個開關獨立操作。
14.如權利要求12的CMOS圖像傳感器，其中所述多個電容器具有不同的電容。
15.如權利要求11的CMOS圖像傳感器，其中所述轉移控制信號控制器包括CMOS類型的驅動器。
16.一種CMOS圖像傳感器，包括以列×行的形式設置的多個單元像素，每個包括由轉移控制信號控制的轉移晶體管；以及轉移控制信號控制器，用于控制所述轉移控制信號的上升和下降時間；以及多個電容性部分，連接在地電壓和公共節點之間，所述公共節點連接在所述轉移控制信號控制器的輸出端子和所述轉移晶體管的柵極之間，以籍此在包含于相同行的所述單元像素中的所述轉移晶體管關斷時增加所述轉移晶體管的下降時間，其中所述多個單元像素設置在由單個轉移控制信號控制器所控制的同一行中。
17.如權利要求16的CMOS圖像傳感器，其中每個所述電容性部分包括串聯連接的一個電容器和一個開關。
18.如權利要求17的CMOS圖像傳感器，其中所述多個開關獨立操作。
19.如權利要求17的CMOS圖像傳感器，其中所述多個電容器具有不同的電容。
20.如權利要求16的CMOS圖像傳感器，其中所述轉移控制信號控制器包括CMOS類型的驅動器。
全文摘要
根據本發明的一個實施例的一種CMOS圖像傳感器包括單元像素，包括由轉移控制信號控制的轉移晶體管；以及轉移控制信號控制器，用于控制所述轉移控制信號的上升和下降時間，其中為減少分配噪聲，充分增加所述轉移控制信號的下降時間。
文檔編號H04N5/357GK1825913SQ200610000540
公開日2006年8月30日 申請日期2006年1月9日 優先權日2005年2月24日
發明者裴昌民, 沈敬珍 申請人:美格納半導體有限會社