專利名稱：用于3維合成像素的高增益讀取電路的制作方法
用于3維合成像素的高增益讀取電路本發明涉及在兩個或更多晶片上用有源部件制造的CM0S(互補金屬氧化物半導 體)圖像感測設備，更具體而言，涉及減少這些類型的成像感測設備的信號噪聲的量。
背景技術：
通常，隨著使用CMOS工藝制造的像素的尺寸被調整至較小的尺寸，這些較小像素 的某些性能特性變差。具體而言，光電二極管的容量減小。這縮小了圖像傳感器的動態范 圍。可以通過從如圖1中所示的非共享式像素設計轉變至圖2所示的類似于4共享 像素設計的共享式像素設計來重新獲得部分光電二極管容量。圖1的非共享式設計包括 收集響應于光照的電荷的光電二極管1和用于將電荷從光電二極管1轉移至浮置擴散 (floating diffusion) 3的轉移柵極2。源極跟隨器放大器5感測電荷，并且作為響應，源 極跟隨器放大器5經由輸出端9將其輸出信號傳遞至輸出線8上。復位晶體管4使浮置擴 散3復位至預定信號電平，并且行選擇晶體管7被選擇性地激活以便將源極跟隨器放大器 5的輸出傳遞至輸出線8。參考圖2，示出了共享式像素設計，其具有與非共享式像素設計相同的部件，只不 過復位晶體管4、源極跟隨器放大器5和行選擇晶體管7被多個光電二極管11、12、13和14 共享，所述光電二極管11、12、13和14的電荷分別由轉移柵極15、16、17和18進行轉移。這 減少了每個像素的晶體管的數目，從而允許有較大的光電二極管面積并因此有大光電二極
管容量。共享式像素方法的一個缺點是浮置擴散19、20、21和22在電容上的增加。因為浮 置擴散節點被用電線并聯地連接在一起，所以核(kernel)中的每個像素都增加電容。如本 文中所定義的，“核”被定義為共享同一浮置擴散的像素的集合。增大浮置擴散的電容會減 小給至源極跟隨器放大器5的電壓電荷轉換比。增大浮置擴散的電容會增大電子讀取噪 聲。增大電子讀取噪聲會縮小動態范圍。然而，對于大多數應用而言，通過向共享式像素體 系結構轉變來增加光電二極管的面積的有益效果超過負面影響。可以使用反饋來有效地減小浮置擴散的電容。如圖3a中所示，示出了如圖2中一 樣的共享式設計，只不過互連浮置擴散的浮置擴散線31在物理上在如圖3b中所示的屏蔽 線30之上。屏蔽線30被電連接到源極跟隨器(SF)放大器5的輸出端9。在未示出的另一 配置中，與前述不同，屏蔽線被連接到行選擇晶體管7的Vout 8。由于輸出端9的信號以近 于1的增益跟隨浮置擴散19、20、21、22上的電壓，所以屏蔽上的電壓跟隨浮置擴散上的電 壓。通過用被以Vout加偏壓的屏蔽來屏蔽浮置擴散線31，減小了浮置擴散的互連的寄生電 容，從而導致電壓電荷轉換比增大。近來，有過通過在兩個晶片之間堆疊具有電互連的兩個或更多硅晶片來實現像素 的3維集成的一陣風潮。在圖4中圖示該技術的一個實施例。該實施例與圖2相同，不同 的是光電二極管23a、23b、24a和24b及轉移柵極25a、25b、26a和26b位于傳感器晶片40 上，并且其余晶體管被從傳感器晶片(SW)40移至像素下面的電路晶片(CW)41上。光電二極管23a、23b、24a和24b被包含在由兩個電介質層43和54界定的有源層(硅)42中。將 晶體管移至CW 41上的有源層(硅)67會增大光電二極管(PD)的面積，從而增大PD的容 量并因此增大動態范圍。然而，該方法的消極方面之一是由于兩個晶片之間的電互連55和 電互連線52而存在較多的寄生浮置擴散電容。圖4中示出的3維方法的另一缺點是在浮置擴散線之間存在較多的交叉電容，這 導致更多的電串擾。因此，需要一種克服上述缺點的像素設計。
發明內容
本發明意在克服上文所述的問題中的一個或多個。簡而言之，用金屬屏蔽包圍將 傳感器晶片上的浮置擴散與電路晶片上的晶體管互連的金屬線。該金屬屏蔽被連接到增益 大于零的放大器。此放大器的輸出跟隨浮置擴散節點上的電壓。這會減小浮置擴散電容。 這種屏蔽還減少相鄰浮置擴散之間的幾乎所有不想要的電耦合，從而使電串擾最小化。
通過參考以下結合附圖進行的對本發明的詳細說明，本發明的上述及其它目的、 特征和優點將變得更加顯而易見，在附圖中圖1示出現有技術的非共享式像素的電路圖；圖2示出現有技術的4共享像素的電路圖；圖3a示出現有技術的具有反饋以減小浮置擴散電容的4共享像素的電路圖；圖3b是沿A-A的圖3a的橫截面圖；圖4示出現有技術的使用具有電互連的晶片與晶片的堆疊制造的像素的橫截面 圖；圖5示出本發明的第一實施例。導電屏蔽包圍將兩個晶片電互連的導線。由源極 跟隨器晶體管的輸出端來驅動該屏蔽以減小浮置擴散電容；圖6是對應于圖6的單個核的電路圖；圖7示出本發明的第二實施例。用電壓增益大于一的放大器來驅動屏蔽以進一步 減小浮置擴散電容；圖8示出對應于圖8的單個核的電路圖；圖9示出使用電荷泵的屏蔽的電壓放大的一個示例；圖10是用于對圖11的電荷泵電路圖中的開關晶體管進行時鐘控制的時序的一個 示例；以及圖11是用于舉例說明普通消費者慣用的本發明的典型商用實施例的數字式照相 機的圖示。
具體實施例方式如圖5和圖6中所示，示出本發明的圖像傳感器39。圖像傳感器39包括傳感器晶 片40和電路晶片41。應注意的是為了圖示的簡單起見，圖6僅示出兩個感光區，優選地為 光電二極管35和36以及一個轉移柵極44和45。圖5圖示另一組這些部件以舉例說明像素陣列在結構和功能兩方面的重復性。傳感器晶片40包括四個感光區35、36、37和38，優 選地為光電二極管，每個光電二極管響應于入射光而收集電荷。傳感器晶片40還包括分別 與每個光電二極管35、36、37和38相關聯的轉移柵極44、45、46和47。轉移柵極44和45 選擇性地并分別地使電荷從光電二極管35和36轉移至電荷電壓轉換區49，其優選地為浮 置擴散49。在針對光電二極管的性能最優化的過程中構建傳感器晶片40。在傳感器晶片 40上形成的核僅包含對一個浮置擴散節點49進行饋電的光電二極管35和36、位于光電二 極管35和36與所述一個浮置擴散節點49之間的轉移柵極44和45、以及將光電二極管和 浮置擴散與其它光電二極管37和38隔開的隔離物51 (圖5)。單個金屬化層53提供與轉 移柵極44、45、46和47的連接。必要時，在傳感器晶片40上可包括兩個或更多金屬層用于 轉移柵極的連接。被減薄的傳感器晶片40經由連接器56電連接到電路晶片41。連接傳感器晶片 40與電路晶片41之間的浮置擴散49、65的電互連68被金屬屏蔽100包圍。金屬屏蔽100 由每個金屬層57至64中的金屬段、以及電路晶片41上的金屬層70至76之間的電互連組 成。金屬屏蔽100經由電連接器101電連接到源極跟隨器放大器105的輸出端109，從而減 小浮置擴散的有效電容。金屬屏蔽100的另一好處是其減少將浮置擴散49、65互連的電互 連68的相鄰導線之間的電容耦合，從而減少電串擾。電路晶片41包括另一電荷電壓轉換區，優選地為浮置擴散65，其與浮置擴散49組 合起來共同地將被傳遞至浮置擴散49的電荷轉換成電壓。電路晶片41上的源極跟隨器放 大器105放大在輸出線108上輸出的電壓。電路晶片41還包括將浮置擴散65上的電壓復 位至預定電平的復位柵極104。電路晶片41還包括用于選擇性地允許將源極跟隨器105的 輸出端109與輸出線108接通的行選擇晶體管107。對于上述實施例，核由兩個光電二極管組成。然而，傳感器晶片40上的核可以由 僅僅一個光電二極管、或者兩個或更多光電二極管組成。大多數四晶體管(4T-像素)式設計使用類似于圖1至圖3中示出的的源極跟隨 器放大器來驅動列電路的大電容。然而，源極跟隨器電路的電壓放大系數小于一。圖7和 圖8圖示對施加于包圍晶片與晶片的電互連68的金屬屏蔽100的電壓進行放大的第二實 施例。這減小了浮置擴散49和65的有效電容。應注意的是該實施例與圖7相同，只不過 在金屬屏蔽100與源極跟隨器放大器105的輸出端109之間附接電壓放大器120。更具體 而言，電壓放大器120的輸入端連接到源極跟隨器放大器105的輸出端109。或者，電壓放 大器120的輸入端連接到行選擇晶體管107的輸出端(參見虛線)。到放大器120的輸入 電壓需要與浮置擴散49和65上的電荷成正比。對于圖8的電路圖而言，浮置擴散49和65 的有效電容是Cg+Cs* (I-Av)。其中，Cg是浮置節點49、65與地之間的總電容，Cs 110是電互 連68與屏蔽100之間的電容。應注意，如果Av過大，則有效電容為負，且電路變得不穩定。圖9圖示第三實施例。該實施例與圖8相同，只不過電荷泵111、140、141、142、 143(該電荷泵由部件111、140、141、142、143組成)代替了放大器120。電荷泵111、140、 141、142、143與使用運算放大器的其它電路相比很小。這提供大于1的增益，并且不要求 運算放大器。在圖10中示出用于開關晶體管phi_l 141、phi_2 142和phi_3 143的時序。 當電荷被轉移至浮置擴散49和65時，phi_l 141和phi_3 143導通，而phi_2142截止。假 設源極跟隨器晶體管的增益是1，則來自源極跟隨器放大器105的初始輸出電壓是Qfd/Cfd，
5其中，Qfd是浮置擴散節點上的電荷，而Cfd是不包括到屏蔽的電容的有效浮置擴散電容。接 下來，使用電荷泵來增大屏蔽上的電壓。首先使phi_l 141截止，然后使phi_3 143截止， 然后使phi_2 142導通。來自源極跟隨器的輸出電壓現在是(1+Csh*Cs/((Csh+Cs)*Cfd))*Qfd/ Cfd，其中，Csh 111是浮置擴散與屏蔽之間的寄生電容，而Cse是140。圖10中，SHR和SHS表 示采樣_保持_復位和采樣_保持_采樣。圖11是可以與本發明的圖像傳感器39 —起使用的成像系統的框圖。成像系統 1200包括數字照相電話1202和計算設備1204。數字照相電話1202是可以使用結合了本 發明的圖像傳感器的圖像拍攝設備的一個示例。也能夠和本發明一起使用其它類型的圖像 拍攝設備，比如數字照相機和數字攝像機。在根據本發明的一個實施例中，數字照相電話1202是便攜的、手持的、電池供電 的設備。數字照相電話1202產生存儲在存儲器1206中的數字圖像，存儲器1206可以是例 如內部閃速EPROM(可擦可編程只讀存儲器)存儲器或可卸載存儲卡。或者可以使用比如 磁性硬盤、磁帶、或光盤等其它類型的數字圖像存儲介質來實現存儲器1206。數字照相電話1202使用透鏡1201來使來自景物(未示出)的光聚焦到有源像素 傳感器1212的圖像傳感器39上。在根據本發明的一個實施例中，圖像傳感器39提供使用 Bayer (拜耳)濾色器圖案的彩色圖像信息。圖像傳感器39由時序發生器1214來控制，時 序發生器1214還控制閃光燈1216以便在環境照明低時對景物進行照明。從圖像傳感器39輸出的模擬輸出信號被放大并被模數(A/D)轉換器電路1218轉 換成數字數據。該數字數據被存儲在緩沖存儲器1220中，并隨后由數字處理器1222進行 處理。數字處理器1222由存儲在固件存儲器1224中的固件來控制，固件存儲器1224可以 是閃速EPROM存儲器。數字處理器1222包括實時時鐘1226，即使在數字照相電話1202和 數字處理器1222處于低功率狀態時實時時鐘1226也保留日期和時間。處理后的數字圖 像文件被存儲在存儲器1206中。存儲器1206還可以存儲其它類型的數據，比如音樂文件 (例如MP3 (動態影像專家壓縮標準音頻層面3)文件)、鈴聲、電話號碼、日歷和待辦事項列 表等。在根據本發明的一個實施例中，數字照相電話1202拍攝靜止圖像。數字處理器 1222執行色彩內插，然后執行色彩及色調修正，以便產生渲染后的sRGB (標準紅綠藍)圖像 數據。然后，渲染后的sRGB圖像數據被壓縮并作為圖像文件存儲在存儲器1206中。僅作 為示例，例如可以按照JPEG(聯合圖像專家小組)格式來壓縮圖像數據，JPEG格式使用已 知的“Exif”(“可交換圖像文件”)圖象格式。該格式包括存儲使用各種TIFF(標簽圖像 文件格式)標簽的特定的圖像元數據的Exif應用片段。單獨的TIFF標簽可被用來例如存 儲拍攝圖片的日期和時間、透鏡f值(f/number)及其它照相機設置，以及存儲圖像說明。在根據本發明的一個實施例中，數字處理器1222產生由用戶選擇的不同的圖像 尺寸。一種這樣的尺寸是低分辨率的“縮略圖”尺寸圖像。在共同受讓的授予Kuchta等人的 題為“Electronic Still Camera Providing Multi-Format Storage Of Full And Reduced Resolution Images”的美國專利號5164831中描述了生成縮略圖尺寸的圖像。該縮略圖 像被存儲在RAM(隨機存取存儲器)存儲器1228中并提供給彩色顯示器1230，彩色顯示器 1230可例如是有源矩陣LCD (液晶顯示器)或有機發光二極管(OLED)。生成縮略圖尺寸的 圖像允許在彩色顯示器1230上快速地查看所拍攝的圖像。
在根據本發明的另一實施例中，數字照相電話1202還產生并存儲視頻剪輯。通過 將圖像傳感器39的多個像素加在一起(例如將圖像傳感器39的每個4列X4行的區域內 的同一顏色的像素相加)以創建低分辨率的視頻圖像幀來產生該視頻剪輯。例如使用每秒 15幀的讀出速率來定期從圖像傳感器陣列1210讀取視頻圖像幀。音頻編解碼器1232被連接到數字處理器1222，并從麥克風(Mic) 1234接收音頻信 號。音頻編解碼器1232還提供音頻信號給揚聲器1236。這些部件被用于電話交談，和用于 記錄及重放伴隨視頻序列或靜止圖像的音軌。在根據本發明的一個實施例中，揚聲器1236還被用來告知用戶打入的電話呼叫。 這可以使用存儲在固件存儲器1224中的標準鈴聲或通過使用從移動電話網絡1238下載并 存儲在存儲器1206中的自定義鈴聲來完成。另外，可以使用振動設備(未示出)來提供對 打入的電話呼叫的無聲(例如聽不見的)通知。數字處理器1222被連接到無線調制解調器1240，這使得數字照相電話1202能夠 經由射頻(RF)信道1242來發送和接收信息。無線調制解調器1240使用比如是3GSM(第 三代全球移動通訊系統)網絡的另一 RF鏈路(未示出)來與移動電話網絡1238進行通信。 移動電話網絡1238與存儲從數字照相電話1202上傳的數字圖像的照片服務提供者1244 進行通信。包括計算設備1204的其它設備經由互聯網1246來訪問這些圖像。在根據本發 明的一個實施例中，移動電話網絡1238還連接到標準電話網絡(未示出)，以便提供正常的 電話服務。圖形用戶界面(未示出)被顯示在顯示器1230上，并由用戶控制機制1248來控 制。在根據本發明的實施例中，用戶控制機制1248包括撥電話號碼的專用按鈕(例如電話 鍵盤)、設置模式(例如“電話”模式、“日歷”模式、“照相機”模式)的控制機制、包括4向 控制(上、下、左、右)和按鈕中心“0K”的操縱桿控制器、或者“選擇”開關。底座(dock) 1250對數字照相電話1202中的電池(未示出)進行充電。充電底座 1250經由充電底座接口 1252將數字照相電話1202連接到計算設備1204。在根據本發明 的一個實施例中，充電底座接口 1252被實現為有線接口，比如USB (通用串行總線)接口。 或者，在根據本發明的其它實施例中，充電底座接口 1252被實現為無線接口，比如藍牙或 IEEE 802. Ilb無線接口。充電底座接口 1252被用來將圖像從存儲器1206下載到計算設備 1204。充電底座接口 1252還被用來將日歷信息從計算設備1204傳輸到數字照相電話1202 中的存儲器1206。已參考優選實施例描述了本發明。已描述了三個其它實施例。然而，應理解，在不 偏離本發明的范圍的情況下，本領域的普通技術人員可以實現變更和修改。部件列表
1光電二極管
2轉移柵極
3浮置擴散
4復位晶體管
5源極跟隨器放大器
7行選擇晶體管
8輸出線9輸出端 11-14光電二極管 15-18轉移柵極 19-22浮置擴散 23a、23b、24a、24b 光電二極管 25a、25b、26a、26b 轉移柵極 30屏蔽線 31擴散線
35-38光電二極管/感光區
39圖像傳感器
40傳感器晶片
41電路晶片
42有源層
43電介質層
44-47轉移柵極
49電荷電壓轉換區/浮置擴散
51隔離物
52電互連線
53金屬化
54電介質層
55電互連 56連接器 57-64金屬層
65浮置擴散/浮置節點 67有源層 68 電互連 70-76金屬層
100金屬屏蔽
101電連接器
104復位柵極
105源極跟隨器放大器
107行選擇晶體管
108輸出線
109源極跟隨器放大器的輸出端
110 電荷 111,140-143
電荷泵
120 電壓放大器
1200成像系統
1201透鏡
1202數字照相電話
1204計算設備
1206存儲器
1210圖像傳感器陣列
1212有源像素傳感器
1214時序發生器
1216閃光燈
1218A/D轉換器電路
1220緩沖存儲器
1222數字處理器
1224固件存儲器
1226時鐘
1228RAM存儲器
1230彩色顯示器
1232音頻編解碼器
1234麥克風
1236揚聲器
1238移動電話網絡
1240無線調制解調器
1242RF信道
1244照片服務提供者
1246互聯網
1248用戶控制機制
1250充電底座
1252充電底座接口
說明書
7/7頁
9
權利要求
1.一種圖像傳感器，包括(a)第一晶片，所述第一晶片包括 ⑴感光區；( )電荷電壓轉換區；(b)第二晶片，所述第二晶片包括(i)第一放大器，其從所述電荷電壓轉換區接收信號；(c)電互連，其將所述電荷電壓轉換區連接到所述放大器的輸入端；(d)被電偏壓的屏蔽，其至少部分地包圍所述電互連的至少一部分。
2.如權利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述屏蔽上的電偏壓是來自所述第一放大 器的輸出。
3.如權利要求2所述的圖像傳感器，還包括第二放大器，其中，所述第二放大器的輸入 是所述第一放大器的輸出，且所述第二放大器的輸出給所述電屏蔽加偏壓。
4.如權利要求3所述的圖像傳感器，其中，所述第二放大器是增益大于1的放大器。
5.如權利要求3所述的圖像傳感器，其中，所述第二放大器是電荷泵電路。
6.一種成像設備，包括圖像傳感器，所述圖像傳感器包括(a)第一晶片，所述第一晶片包括 ⑴感光區；( )電荷電壓轉換區；(b)第二晶片，所述第二晶片包括(i)第一放大器，其從所述電荷電壓轉換區接收信號；(c)電互連，其將所述電荷電壓轉換區連接到所述放大器的輸入端；(d)被電偏壓的屏蔽，其至少部分地包圍所述電互連的至少一部分。
7.如權利要求6所述的成像設備，其中，所述屏蔽上的電偏壓是來自所述第一放大器 的輸出。
8.如權利要求7所述的成像設備，還包括第二放大器，其中，所述第二放大器的輸入是 所述第一放大器的輸出，且所述第二放大器的輸出給所述電屏蔽加偏壓。
9.如權利要求8所述的成像設備，其中，所述第二放大器是增益大于1的放大器。
10.如權利要求8所述的成像設備，其中，所述第二放大器是電荷泵電路。
全文摘要
一種圖像傳感器包括(a)第一晶片，所述第一晶片具有(i)感光區、(ii)電荷電壓轉換區；(b)第二晶片，所述第二晶片具有(i)從所述電荷電壓轉換區接收信號的第一放大器；(c)將所述電荷電壓轉換區連接到所述放大器的輸入端的電互連；(d)至少部分地包圍所述電互連的至少一部分的被電偏壓的屏蔽。
文檔編號H01L27/146GK102124566SQ200980131698
公開日2011年7月13日 申請日期2009年9月4日 優先權日2008年9月9日
發明者克里斯蒂安·亞歷山德魯·蒂瓦魯斯, 托德·安德森, 約瑟夫·R·蘇馬, 約翰·P·麥卡滕 申請人:伊斯曼柯達公司