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CN101960596B - 具有两个晶片的有源像素传感器 - Google Patents

具有两个晶片的有源像素传感器 Download PDF

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CN101960596B CN200980108186.XA CN200980108186A CN101960596B CN 101960596 B CN101960596 B CN 101960596B CN 200980108186 A CN200980108186 A CN 200980108186A CN 101960596 B CN101960596 B CN 101960596B
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Abstract

一种垂直集成式图像传感器(400)包括连接到支持电路晶片(404)的传感器晶片(402)。所述传感器晶片上的每一像素区包括：光电检测器(302)；电荷/电压转换机构(306)；传送机构(304)，其用于将电荷从所述光电检测器传送到所述电荷/电压转换机构；以及复位机构(308)，其用于使所述电荷/电压转换机构放电。所述支持电路晶片包括用于所述传感器晶片上的每一像素区的放大器(312)和其它支持电路。晶片间连接器(320)将所述传感器晶片上的每一电荷/电压机构直接连接到所述支持电路晶片上的放大器的相应栅极(416)。

Description

具有两个晶片的有源像素传感器
技术领域
本发明一般来说涉及有源像素传感器领域，且更明确地说，涉及具有两个单独半导体晶片的有源像素传感器，其中每一晶片包括电性电路的一部分。
背景技术
CMOS图像传感器(CIS)遭受深度比例缩放的亚微米互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺需要实现可与电荷耦合装置(CCD)像素大小竞争的小像素的问题。一般来说，当所述CMOS工艺比例缩放到较小尺寸时，工艺集成和结构的细节改变，且像素性能降级。这种情况的两个实例是浅沟槽隔离和经重掺杂的逆行阱。此两者均为建造深度亚微米CMOS装置所必需的，但所述两者对像素的暗电流具有不利影响。因此，必须做很多工作来将光电检测器和像素重新集成到每一新的深度亚微米CMOS技术节点中并重新优化。
然而，设计者面对亚微米CMOS装置的设计与制造的折中。设计者可通过不转移到经更多比例缩放的CMOS工艺(此产生用于较小像素的较低填充因数)，或者不转移到较小设计规则工艺以实现小像素(此导致需要对光电检测器进行重新集成和重新工程设计以获得可接受的图像质量)来维持像素图像质量。
这些问题的一种解决方案是与CMOS电路分开地建造光电检测器。举例来说，可将图像传感器建造于不同晶片上，并使用三维集成或晶片级互连技术将所述晶片结合在一起。美国专利6,927,432制作使用两个半导体晶片的有源像素传感器。一个晶片(施主晶片)包括光电检测器而另一晶片(宿主晶片)包括互连层和用于像素中信号操作和光电检测器的读出的电性电路。像素互连件将施主晶片上的每一光电检测器直接连接到宿主晶片上的相应节点或电路。
虽然此方法将光电检测器与电路的处理分开，但其因与光电检测器的直接接触或连接而使光电检测器性能降级。此性能降级的特定实例包括但不限于由于来自触点蚀刻工艺的损坏而导致的增加的暗电流、光电检测器中引起点缺陷的增加的金属污染和由于连接到经高度掺杂的欧姆触点区而导致的高暗电流。
图1是根据现有技术可实施于两个半导体晶片上的另一像素架构的示意图。此像素架构揭示于2007年10月4日申请的共同受让的美国专利申请案11/867,199中。像素100包括光电检测器102、传送门104、电荷/电压转换机构106(SW)，106(CW)、复位晶体管108、电位VDD 110、源极跟随器放大器晶体管112和行选择晶体管114。行选择晶体管114的漏极连接到源极随动器112的源极且行选择晶体管114的源极连接到输出Vout 116。复位门108和源极随动器112的漏极维持在电位VDD 110。复位门108的源极和源极随动器112的栅极连接到电荷/电压转换机构106(CW)。
虚线118环绕光电检测器102、传送门104和电荷/电压转换机构106(SW)以勾画出一个晶片(传感器晶片)上所包括的组件的轮廓。虚线118未环绕的电荷/电压转换机构106(CW)、复位门晶体管108、电位VDD 110、源极跟随器放大器晶体管112、行选择晶体管114、输出116表示形成于第二晶片(电路晶片)上的组件。晶片间连接120将传感器晶片上的电荷/电压转换机构106(SW)电连接到电路晶片上的电荷/电压转换机构106(CW)。
图像传感器(其具有带有图1中所示架构的像素)在每一晶片上需要一电荷/电压转换机构。此要求增加制造此类图像传感器的成本，因为传感器晶片和电路晶片两者都必须尽可能清洁地处理。另外，使用晶片间连接120作为电荷/电压转换机构106(SW)，106(CW)、复位晶体管108和源极跟随器放大器晶体管112的共用节点增加所示连接中的电容。
发明内容
一种图像传感器包括两个半导体晶片，传感器晶片连接到支持电路晶片。所述传感器晶片包括像素区阵列，其中每一像素区包括光电检测器、传送机构、电荷/电压转换机构和复位机构。所述支持电路晶片包括互连层和CMOS装置层。所述CMOS装置层包括用于一个或一个以上像素区的支持电路。CMOS装置层中所使用的组件和电路的类型取决于图像传感器的目的或使用。所述支持电路可包括于支持电路晶片上的对应像素区中，其中支持电路晶片上的每一区由传感器晶片上的单个相应像素区使用。另一选择是，传感器晶片上的两个或两个以上像素区可共享支持晶片上的支持电路中的一些或所有支持电路。晶片间连接器将传感器晶片上的每一电荷/电压转换机构直接连接到支持电路晶片上的放大器的相应栅极。
依据对优选实施例的以下详细描述和所附权利要求书的审阅并参考附图将更清楚地理解和了解本发明的这些和其它方面、目标、特征和优点。
本发明的有利效应
本发明包括具有高图像质量和高填充因数两者的优点。传感器晶片可与多种支持电路晶片设计或技术一起使用，借此提供经改善的设计灵活性和优化以及减小的成本。传感器晶片与支持电路晶片之间的连接可通过传感器晶片上的每一电荷/电压转换机构与支持电路晶片上的放大器的相应栅极之间的直接连接来实现，借此减少电容和亮点缺陷。来自电路晶片的亮点缺陷因仅连接栅极而被消除。所属领域的技术人员将认识到：位错和其它缺陷随着晶体管大小比例缩放到较小尺寸而更难以控制和消除。因此，不直接连接到电路晶片从当前设计的电路晶片上的复位连接中消除亮点缺陷，且允许设计者在不增加传感器晶片上的像素缺陷的数目的情况下更容易地比例缩放电路晶片上的晶体管。
附图说明
图1是根据现有技术的实施于半导体晶片上的像素架构的示意图；
图2是根据本发明的实施例中的具有两个半导体晶片的图像传感器的俯视图；
图3是根据本发明的实施例中的可实施于图2中所示图像传感器200中的像素架构的示意图；
图4是沿图2的线A-A′的图解说明根据本发明的实施例中的图3的像素架构的横截面图；及
图5是根据本发明的实施例中的可采用具有两个半导体晶片的图像传感器的成像系统的框图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，将参考形成本文一部分且其中以图解说明方式显示其中可实践本发明的示范性实施例的附图。在这点上，方向性术语(例如，“顶部”、“底部”、“前面”、“背面”、“超前”、“拖后”等)是参考图的所描述的定向而使用。由于本发明的实施例的组件定位于若干个不同定向上，因此方向性术语的使用是出于图解说明的目的而决不具有限制意义。
在整个说明书和权利要求书中，除上下文另外明确规定，以下措词取与本文明确相关联的含义。“一(a)”、“an(一)”和“所述(the)”的含义包括复数参考，且“在......中(in)”的含义包括“在......中(in)”和“在......上(on)”。措词“连接的”意指所连接物项之间的直接电连接，或通过一个或一个以上无源或有源中间装置的间接连接。措词“电路(circuit)”意指连接在一起以提供所要功能的有源或无源的单个组件或多个组件。措词“信号(signal)”意指至少一个电流、电压或数据信号。
现在参考图2，其显示根据本发明的实施例中的具有两个半导体晶片的图像传感器的俯视图。图像传感器200包括像素区202，所述像素区202布置成行204和列206以形成阵列。举例来说，所述阵列可具有任何数目个像素区，例如1280列x960行的像素区。图像传感器200实施有源像素传感器，例如，举例来说，图2中所示实施例中的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。有源像素传感器具有若干个像素，所述像素各自包括像素单元内的一个或一个以上有源电组件。例如，晶体管。
图3是根据本发明的实施例中的可实施于图2中所示图像传感器200中的像素架构的示意图。像素300包括光电检测器302、传送机构304、电荷/电压转换机构306、复位机构308、电源电压VDD 310、放大器312和行选择晶体管314。在根据本发明的实施例中，传送机构304和复位机构308实施为晶体管，放大器312实施为源极随动器晶体管且电荷/电压转换机构306实施为浮动扩散部。
在图3中所示的实施例中，行选择晶体管314的漏极连接到源极随动器晶体管312的源极，且行选择晶体管314的源极连接到输出316。复位晶体管308和源极随动器晶体管312的漏极维持在电源电压VDD 310。复位晶体管308的源极和源极随动器晶体管312的栅极直接连接到电荷/电压转换机构306。
虚线318环绕光电检测器302、传送机构304、电荷/电压转换机构306和复位机构308以勾画出传感器晶片上所包括的组件的轮廓。在根据本发明的实施例中，虚线318不环绕的放大器312、行选择晶体管314和输出316表示形成于支持电路晶片上的组件。晶片间连接器320将传感器晶片上的电荷/电压转换机构306直接连接到支持电路晶片上的源极随动器晶体管312的栅极。
现在参考图4，其显示沿图2中的线A-A′的图解说明根据本发明的实施例中的图3的像素架构的横截面图。图像传感器400包括传感器晶片402和支持电路晶片404。传感器晶片402包括像素区406，其中每一像素区406包括光电检测器302、传送机构304、电荷/电压转换机构306和复位机构308。在根据本发明的实施例中，每一复位机构308包括复位门408和复位漏极410。
在根据本发明的实施例中，支持电路晶片404包括互连层412和CMOS装置层414。在根据本发明的实施例中，互连层412是用电介质处理形成的且包括晶片间连接器320，所述晶片间连接器320各自由金属层的组合而形成。晶片间连接器320将传感器晶片402上的每一电荷/电压转换机构306直接连接到支持电路晶片404上的源极随动器晶体管312的栅极416。
CMOS装置层414包括用于像素区406的支持电路。所述支持电路可专用于每一像素区406或者所述支持电路中的一些或所有支持电路可由两个或两个以上像素区406共享。CMOS装置层414中所使用的组件和电路的类型取决于图像传感器400的目的和使用。在根据本发明的实施例中，仅以实例的方式，CMOS装置层414包括用于每一像素区406的源极随动器晶体管312、行选择晶体管(未显示)和电源电压VDD310。每一源极随动器晶体管312包括栅极416和漏极418。在根据本发明的其它实施例中，CMOS装置层414包括额外或不同的模拟和数字电路。此类模拟电路和数字电路的实例包括但不限于：行和列解码器和驱动器、每列的取样与保持电路、模拟信号处理链、数字图像处理块、存储器、时序与控制电路、输入/输出(I/O)和接合垫。
滤色器420、422形成于传感器晶片402上方且用于对由每一光电检测器302接收的入射光的带宽进行滤波。仅以实例方式，滤色器420经配置以使得由其下伏光电检测器302接收在或接近红色光谱下传播的光，而滤色器422经配置以使得由其下伏光电检测器302接收在或接近绿色光谱下传播的光。微透镜424形成于滤色器420、422上方且用于朝向光电检测器302引导光。
图5是根据本发明的实施例中的可采用具有两个半导体晶片的图像传感器的成像系统的框图。成像系统500包括数字相机电话502和计算装置504。数字相机电话502为可采用具有两个半导体晶片的图像传感器的图像捕获装置的实例。其它类型的图像捕获装置可与本发明一起使用，例如，举例来说，数字照相机和数字视频摄像放像机。
在根据本发明的实施例中，数字相机电话502为便携式手持电池操作的装置。数字相机电话502产生数字图像，所述数字图像存储于存储器506中，举例来说，所述存储器506可以是内部快闪EPROM存储器或可拆卸存储器卡。另一选择为，可使用其它类型的数字图像存储媒体(例如，磁性硬驱动器、磁带或光盘)来实施存储器506。
数字相机电话502使用透镜508将来自场景(未显示)的光聚焦于有源像素传感器512的图像传感器阵列510上。在根据本发明的实施例中，图像传感器阵列510使用贝尔(Bayer)滤色器模式来提供色彩图像信息。图像传感器阵列510由时序产生器514控制，而时序产生器514还控制闪光灯516以在周围照明为低时照射所述场景。
从图像传感器阵列510输出的模拟输出信号经放大且由模/数(A/D)转换器电路518转换为数字数据。所述数字数据存储于缓冲器存储器520中且随后由数字处理器522进行处理。数字处理器522由存储于固件存储器524中的固件控制，所述固件存储器524可以是快闪EPROM存储器。数字处理器522包括实时时钟526，其甚至在数字相机电话502和数字处理器522处于低功率状态时仍保持日期和时间。经处理的数字图像文件存储于存储器506中。存储器506还可存储其它类型的数据，例如，举例来说，音乐文件(例如，MP3文件)、铃声音调、电话号码、日历和待办事项列表。
在根据本发明的一个实施例中，数字相机电话502捕获静止图像。数字处理器522执行色彩内插随后执行色彩和音调修正，以产生经再现的sRGB图像数据。所述经再现sRGB图像数据接着经压缩且被作为图像文件存储于存储器506中。仅以实例方式，可按照JPEG格式(其使用周知的“Exif”图像格式)来压缩所述图像数据。此格式包括使用各种TIFF标签存储特定图像元数据的Exif应用程序段。举例来说，可使用单独TIFF标签来存储捕获图片的日期和时间、透镜f/数以及其它相机设定，且用于存储图像标题。
在根据本发明的实施例中，数字处理器522产生由用户选择的不同图像大小。一个此大小为低分辨率的“拇指指甲”大小图像。产生拇指指甲大小的图像描述于库赫达等人的标题为“提供全分辨率图像和经减小分辨率图像的多格式存储的电子照相机(Electronic Still Camera Providing Multi-Format Storage Of Full And Reduced ResolutionImages)”的第5,164,831号共同受让的美国专利中。所述拇指指甲图像存储于RAM存储器528中并供应到显示器530，举例来说，所述显示器可以是有源矩阵LCD或有机发光二极管(OLED)。产生拇指指甲大小图像允许在彩色显示器530上快速观察所捕获的图像。
在根据本发明的另一实施例中，数字相机电话502还产生并存储视频剪辑。视频剪辑是通过将图像传感器阵列510的多个像素归纳在一起(例如，将相同色彩的像素归纳于图像传感器阵列510的每一4列x4行区域内)而产生。举例来说，视频图像帧是使用每秒15帧的读出速率以规律间隔从图像传感器阵列510读取的。
音频编码解码器532连接到数字处理器520且从麦克风(Mic)534接收音频信号。音频编码解码器532还给扬声器536提供音频信号。这些组件既用于电话交谈也用于记录和播放音频歌曲以及视频序列或静止图像。
在根据本发明的实施例中，扬声器536还用于通知用户传入电话呼叫。此可使用存储于固件存储器524中的标准铃声音调或通过使用从移动电话网络538下载并存储于存储器506中的定制铃声音调来完成。另外，振动装置(未显示)可用于提供传入电话呼叫的寂静(例如，无声的)告知。
数字处理器522连接到无线调制解调器540，其使得数字相机电话502能够经由射频(RF)信道542发射和接收信息。无线调制解调器540使用例如3GSM网络的另一RF链路(未显示)与移动电话网络538通信。移动电话网络538与存储从数字相机电话502上载的数字图像的照片服务提供者544通信。其它装置(包括计算装置504)经由因特网546存取这些图像。在根据本发明的实施例中，移动电话网络538还连接到标准电话网络(未显示)以提供正常电话服务。
图形用户接口(未显示)显示于显示器530上且由用户控制件548控制。在根据本发明的实施例中，用户控制件548包括：用以拨打电话号码的专用按钮(例如，电话小键盘)、用以设定模式(例如，“电话”模式、“日历”模式、“相机”模式)的控制件、包括4路控制(向上、向下、向左、向右)的操纵杆控制器和按钮中心“OK”或“选择”开关。
坞550给数字相机电话502中的电池(未显示)再充电。坞550将数字相机电话502经由坞接口552连接到计算装置504。在根据本发明的实施例中，坞接口552实施为有线接口，例如，USB接口。另一选择为，在根据本发明的其它实施例中，坞接口552实施为无线接口，例如，蓝牙或IEEE 802.11b无线接口。坞接口552用于将图像从存储器506下载到计算装置504。坞接口552还用于将日历信息从计算装置504传送到数字相机电话502中的存储器506。
                       部件列表
100        像素
102        光电检测器
104        传送门
106SW      传感器晶片上的电荷/电压转换机构
106CW      电路晶片上的电荷/电压转换机构
108        复位晶体管
110        电源电压VDD
112        放大器
114        行选择晶体管
116        输出
118        虚线
120        晶片间连接
200        图像传感器
202        像素区
204        行
206        列
300        像素
302        光电检测器
304        传送机构
306        电荷/电压转换机构
308        复位机构
310        电源电压VDD
312        放大器
314        行选择晶体管
316        输出
318        虚线
320        晶片间连接器
400        图像传感器
402        传感器晶片
404        支持电路晶片
406        像素区
408        复位晶体管的栅极
410        复位晶体管的漏极
412        互连层
414        CMOS装置层
416        放大器的栅极
418        放大器的漏极
420        滤色器
422        滤色器
424        微透镜
500        成像系统
502        相机电话
504        计算装置
506        存储器
508        透镜
510        图像传感器阵列
512        有源像素传感器
514        时序产生器
516        闪光灯
518        模/数转换器
520        缓冲器存储器
522        数字处理器
524        固件存储器
526        时钟
528        RAM存储器
530        显示器
532        音频编解码器
534        麦克风
536        扬声器
538        移动电话网络
540        无线调制解调器
542        RF信道
544        照片服务提供者
546        因特网
548        用户控制件
550        坞
552        坞接口

Claims (10)

1.一种图像传感器，其包含：
(a)传感器晶片，其包含：
第一像素区阵列，其中每一像素区包括：
光电检测器，其用于响应于入射光而收集电荷；
电荷/电压转换机构；
传送机构，其用于将电荷从所述光电检测器传送到所述电荷/电压机构；以及
复位机构，其用于使所述电荷/电压转换机构放电；
(b)支持电路晶片，其连接到所述传感器晶片且包括：
第二像素区阵列，其具有用于所述第一像素区阵列中的每一像素区的支持电路，其中所述第二像素区阵列中的每一像素区与所述第一像素区阵列中的一个或一个以上像素区相关联，且所述支持电路包括放大器；以及
(c)晶片间连接器，其位于所述传感器晶片上的每一电荷/电压转换机构与所述支持电路晶片上的相应像素区中的所述放大器的栅极之间以用于将电荷从所述电荷/电压转换机构传送到所述放大器。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述电荷/电压转换机构包括浮动扩散部。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述支持电路晶片包括互连层和互补金属氧化物半导体装置层。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述互补金属氧化物半导体装置层包括所述第二像素区阵列，所述第二像素区阵列具有用于所述第一像素区阵列中的每一像素区的支持电路。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述复位机构包括复位晶体管的复位漏极。
6.一种图像捕获装置，其包含：
图像传感器，其包括：
(a)传感器晶片，其包含：
第一像素区阵列，其中每一像素区包括：
光电检测器，其用于响应于入射光而收集电荷；
电荷/电压转换机构；
传送机构，其用于将电荷从所述光电检测器传送到所述电荷/电压机构；以及
复位机构，其用于使所述电荷/电压转换机构放电；
(b)支持电路晶片，其连接到所述传感器晶片且包括：
第二像素区阵列，其具有用于所述第一像素区阵列中的每一像素区的支持电路，其中所述第二像素区阵列中的每一像素区与所述第一像素区阵列中的一个或一个以上像素区相关联，且所述支持电路包括放大器；以及
(c)晶片间连接器，其位于所述传感器晶片上的每一电荷/电压转换机构与所述支持电路晶片上的相应像素区中的所述放大器的栅极之间以用于将电荷从所述电荷/电压转换机构传送到所述放大器。
7.根据权利要求6所述的图像捕获装置，其中所述电荷/电压转换机构包括浮动扩散部。
8.根据权利要求6所述的图像捕获装置，其中所述支持电路晶片包括互连层和互补金属氧化物半导体装置层。
9.根据权利要求8所述的图像捕获，其中所述互补金属氧化物半导体装置层包括所述第二像素区阵列，所述第二像素区阵列具有用于所述第一像素区阵列中的每一像素区的支持电路。
10.根据权利要求6所述的图像捕获装置，其中所述复位机构包括复位晶体管的复位漏极。
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