[发明专利]双转换增益栅极与电容器的组合

说明书

技术领域

本发明大体上涉及数字图像传感器，且明确地说涉及双转换增益成像器。

背景技术

成像装置，包含电荷耦合装置(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器，普遍用于光成像应用中。

通常，数字成像器阵列包含像素单元的焦平面阵列，所述单元的每一者包含光电传感器(例如，光栅、光电导体或光电二极管)。在CMOS成像器中，通常包含源极跟随器输出晶体管的读出电路连接到每一像素单元。光电传感器将光子转换为电子，所述电子通常转移到存储节点，例如连接到源极跟随器输出晶体管的栅极的浮动扩散区。可包含电荷转移装置(例如，晶体管)，用于将来自光电传感器的电荷转移到浮动扩散区。另外，此类成像器单元通常具有用于在电荷转移之前将存储节点复位到预定电荷电平的晶体管。源极跟随器晶体管的输出由行选择晶体管选通为像素输出信号。

举例来说，在第6,140,630号美国专利、第6,376,868号美国专利、第6,310,366号美国专利、第6,326,652号美国专利、第6,204,524号美国专利和第6,333,205号美国专利(其每一者转让给Micron Technology公司)中描述了示范性CMOS成像电路、其处理步骤和成像电路的各种CMOS元件的功能的详细描述。以上专利的每一者的揭示内容全文以引用的方式并入本文中。

参看图1和2，其分别说明常规CMOS像素单元100的俯视和横截面图，当入射光187撞击光电二极管光电传感器120的表面时，光电二极管光电传感器120的p-n结(表示在n-聚积区122与p+表面层123的边界处)中产生电子/空穴对。所产生的电子(光电荷)被收集在光电传感器120的n型聚积区122中。光电荷经由转移晶体管106从初始电荷聚积区122移动到浮动扩散区110。浮动扩散区110处的电荷通常由源极跟随器晶体管108转换为像素输出电压，并随后经由行选择晶体管109而在列输出线111上输出。

常规CMOS成像器设计(例如图1中针对像素单元100所示的CMOS成像器设计)提供大约百分之五十的填充因数，意味着单元100中仅一半致力于将光转换为电荷载流子。如图所示，单元100中仅一小部分包括光电传感器120(例如，光电二极管)。像素单元100的其余部分包含隔离区102(展示为衬底101中的STI区)、耦合到转移晶体管106的转移栅极106′的浮动扩散区110，以及用于具有各自栅极107′、108′和109′的复位107、源极跟随器108和行选择109晶体管的源极/漏极区115。在常规像素单元100布局中，复位、源极跟随器和行选择晶体管栅极107′、108′和109′的每一者连续对准，从而共用源极/漏极区115并需要用于每一像素单元100的有效表面积。随着像素的比例缩放持续减小像素100总面积，形成利用最少量的表面积的高敏感性光电传感器，或找到较有效的像素单元布局以使像素单元的非光敏组件所需的面积最小化以便维持用于光电传感器的相对较大的面积，变得越来越重要。

另外，常规存储节点，例如浮动扩散区110，具有有限量的电荷存储容量。一旦达到此容量，像素单元就变得较低效。明确地说，不能利用可用于像素单元的完整动态范围。一旦超过电荷存储容量，就会发生称为“溢出”的不合需要的现象，借此“超过容量”的电荷逃逸到像素单元100的不合需要的部分或逃逸到邻近的像素单元。一种所提议的用于处理这种有限电荷存储容量的解决方案是添加连接到浮动扩散区110的电容器。所述电容器用于存储额外的超过容量的电荷，因此电荷不会流动到单元的其它区域或邻近的单元。然而，这种解决方案的问题是，额外的电容器占据单元中原本可用于增加单元的光电传感器的尺寸的空间，进而减小像素单元和整个阵列的潜在填充因数。

因此，需要且希望增加成像器像素单元的填充因数和存储容量。进而本发明的双转换增益栅极在低光和高光条件下提供良好的敏感性。

发明内容

本发明在各个示范性实施例中提供一种具有双转换增益的像素单元阵列结构。双转换增益元件耦合在浮动扩散区与各自存储电容器之间。具有控制栅极的所述双转换增益元件接入所述电容器的电容，以将所述浮动扩散区的转换增益从第一转换增益改变为第二转换增益。为了增加空间的有效使用，所述双转换增益元件栅极还充当所述电容器的底板。

在本发明的一个特定实施例中，高动态范围晶体管结合具有电容器-DCG栅极组合的像素单元而使用；在另一实施例中，邻近的像素共用像素组件，包含所述电容器-DCG组合。

附图说明