[发明专利]用于CMOS图像传感器的像素阵列结构和方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器，更具体地，涉及像素阵列结构和排列该像素阵列结构的方法，该方法能够以菱形图案排列互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的像素，以及将MOS像素晶体管设置于像素的光电二极管之间。

背景技术

图像传感器是一种用于将光学图像转换为电信号的元件。一般而言，广泛地使用电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

在CCD图像传感器中，MOS电容器相互靠近设置，电荷载流子存储在电容器中，且存储的电荷根据门信号进行移动。

在CMOS图像传感器中，使用了开关方法，在开关方法中，控制电路和信号处理电路用作外围电路，并根据所需像素的数目组合光电二极管和MOS晶体管以组成单位像素(unit pixel)，并使用单位像素连续地检测输出。

CCD元件尽管存在光学传感单元和信号处理单元分开制造的问题，但是其具有很好的分辨率。因此，CCD图像传感器广泛用于可携式摄像机和科学或医学领域中的照相机。

CMOS图像传感器具有能够将像素阵列、像素驱动单元和用于处理信号的电路包括在单个芯片中的优点。因此，CMOS图像传感器广泛用于大众化的个人计算机(PC)照相机、移动电话照相机、玩具和双模式照相机。

如图1所示，CMOS图像传感器的单位像素100可具有3T结构，该3T结构包括由光电二极管D_PD和三个MOS晶体管M_RX、M_SF及M_SEL表示的光学传感元件，或者如图2所示，CMOS图像传感器的单位像素200可具有4T结构，该4T结构包括光传感元件D_PD和四个MOS晶体管M_TX、M_RX、M_SF及M_SEL。

现在参考图1详细描述作为CMOS图像传感器的主要组件的单位像素的操作。

输入复位信号RX，所有像素通过复位晶体管M_RX保持在起始状态。当切断复位信号RX时，由微透镜(未示出)会聚的光信号通过光电二极管D_PD转换为电信号。光电二极管两端的电流的幅度根据光信号的幅度而改变。另外，具有不同幅度的像素信号通过源跟随晶体管M_SF和由适当的选择信号SEL操作的选择晶体管M_SEL传输至输出线OUT。第2002-0094607(2002.12.18)号名称为“A pixel array methodof a CMOS image sensor(CMOS图像传感器的像素阵列方法)”的韩国专利申请公开了一种排列CMOS图像传感器的单位像素100和200的传统方法。

现在，为了便于说明，参照图3描述根据传统发明的像素阵列方法。传统上，如图3所示，单位像素300设置于行和列交叉的位置。

虽然未在图中示出，但是当邻近的四个像素的中心点相连时，则显示出具有水平线和垂直线的正方形。

图4示出了根据传统阵列方法的像素的示意性的布局图。每个单位像素构造有由光电二极管代表的光学传感元件10和MOS晶体管电路单元20。由于单位像素必须制造成彼此电隔离，因此单位像素以预定的间隔连续地设置。该间隔被称为间距(pitch)。当单位像素以小于预定间距的间隔连续地设置时，则超过了制造工艺所允许的分辨能力限度，因此单位像素之间的电隔离是不可能的。

在图4中所示的行间距Pr代表一行中的像素与下一行中的像素的距离，即，行间的单位距离。

列间距Pc代表一列中的像素与下一列中的像素的距离，即，列间的单位距离。

距离d1代表两个光学传感元件10之间的最小距离。

如图4所示，填满光学传感元件10的区域比(region ratio)在每个单位像素中是最大的。因此，光学传感元件10的尺寸决定单位像素之间的间距Pc和Pr。当光学传感元件10的尺寸增大时，间距Pc和Pr也增大。

间距Pc和Pr，以及距离d1由制造半导体元件的微制造技术决定。本领域技术人员熟知的是，当制造技术确定时，间距和距离也确定为固定值。众所周知的是，当包括光学传感元件10的单位像素制造为具有小于制造技术中确定的间距Pc、Pr和距离d1时，元件之间的电隔离和物理隔离将无法保持，并且元件的正确操作也无法保证。