[發(fā)明專利]像素單元和形成像素單元的方法及數(shù)字相機成像系統(tǒng)組件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810099793.5
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108200367B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 莫要武;徐辰;邵澤旭;張正民;馬偉劍
• 申請（專利權(quán)）人: 思特威（上海）電子科技有限公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H04N5/378;H04N5/235;H04N5/225
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

一種像素單元，包括光電二極管，傳輸晶體管，復(fù)位晶體管，動態(tài)范圍增強電容，電容控制晶體管，放大晶體管，滾動曝光行選擇晶體管及讀出電路塊。所述光電二極管，傳輸晶體管，復(fù)位晶體管，動態(tài)范圍增強電容，電容控制晶體管，源極跟隨放大晶體管和滾動曝光行選擇晶體管設(shè)置在第一半導(dǎo)體芯片的第一基底內(nèi)，用于累積圖像電荷以響應(yīng)入射到光電二極管上的光。所述讀出電路塊可部分地設(shè)置在第二半導(dǎo)體芯片的第二基底內(nèi)，部分地設(shè)置在第一基底內(nèi)，其中所述讀出電路塊根據(jù)應(yīng)用程序設(shè)定包含可選的滾動曝光模式和全局曝光模式。全局曝光模式提供像素內(nèi)相關(guān)雙采樣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種堆疊芯片結(jié)構(gòu)的圖像傳感器像素單元。底部芯片包括用以捕獲圖像的光感區(qū)域和結(jié)構(gòu)陣列。頂部芯片包括電路元件用以從陣列中獲取圖像。圖像傳感器可用于數(shù)字相機。

背景技術(shù)

圖像捕獲裝置一般包括圖像傳感器和鏡頭。鏡頭聚光到圖像傳感器以形成圖像，圖像傳感器轉(zhuǎn)換光信號到電信號。電信號從圖像捕獲裝置輸出到電子系統(tǒng)的其他組件。圖像捕獲裝置和電子系統(tǒng)的其他組件構(gòu)成圖像系統(tǒng)。圖像傳感器逐漸應(yīng)用普遍，在各種電子系統(tǒng)中都可見，例如手機，數(shù)碼相機，醫(yī)療設(shè)備，以及計算機等。

一個典型的圖像傳感器包括一系列光傳感圖像器件(像素)排列置于兩維陣列中。此圖像傳感器可認(rèn)為是通過在像素上形成色彩濾鏡矩陣(CFA)以產(chǎn)生圖像。這種技術(shù)過去用于制造圖像傳感器，尤其是CMOS圖像傳感器，其技術(shù)不斷持續(xù)向前發(fā)展。例如，更高的分辨率和低功耗的需求進一步促進了這些圖像傳感器的小型化和集成化。然而，小型化會伴隨像素光感靈敏度和動態(tài)范圍的降低，這需要新的方案來解決問題。

隨著像素尺寸的降低，基底內(nèi)總的光吸收程度對某些光來說變得不充足，尤其是波長較長的光。這成為使用光入射到傳感器基底的背面的背照(BSI)技術(shù)的圖像傳感器的典型問題。在BSI技術(shù)中，傳感器硅基底可以是2微米厚，這足夠吸收藍光但不足以吸收紅光，紅光充分吸收需要大約10微米厚。

將已有的圖像傳感器形成所稱的堆疊傳感器是眾所周知的技術(shù)。這種形式中一種典型的設(shè)置方式是，像素陣列中的光電二極管或其他光傳感元件形成在第一半導(dǎo)體晶片或?qū)樱幚砉鈧鞲性男盘柕南嚓P(guān)電路形成在位于第一半導(dǎo)體晶片或?qū)又系牡诙雽?dǎo)體晶片或?qū)印５谝缓偷诙雽?dǎo)體晶片或?qū)釉谶@里一般分別指傳感器芯片和電路芯片。更準(zhǔn)確地說，第一和第二半導(dǎo)體晶片沿著許多其他類似的晶片形成于堆疊的第一和第二半導(dǎo)體晶片上，排列整齊相關(guān)的晶片內(nèi)連后，切割成一般稱作為半導(dǎo)體芯片的堆疊器件。堆疊的兩個芯片可理解為通常慣例的兩個晶片堆疊并且被切割成依舊保留堆疊以形成例如一個堆疊圖像傳感器的電路系統(tǒng)的芯片。當(dāng)晶片的互連和芯片內(nèi)的互連涉及分別形成于留在晶片和芯片上的裝置時，晶片的互連連接傳感器和電路晶片可被看作芯片內(nèi)的互連。關(guān)于這種設(shè)置的好處包括最終的圖像傳感系統(tǒng)與未堆疊設(shè)置的情形相比，占用更少的面積。另外一個好處是，不同的生產(chǎn)方法和材料可用于加工單獨優(yōu)化使用的芯片。

兩種最普通的讀出傳感器芯片產(chǎn)生的圖像信號的方式是滾動曝光模式和全局曝光模式。滾動曝光模式包括在不同的時間內(nèi)曝光傳感器陣列的不同行并且按選定的順序讀出這些行。全局曝光模式包括同時曝光每一像素并且和操作傳統(tǒng)的機械快門相機相同的時間長度。現(xiàn)有的數(shù)字圖像系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了滾動曝光或全局曝光的讀出模式。成像系統(tǒng)具有兩種可選的讀出模式是非常有益的。