具有混合型异质结构的图像传感器制造技术

一种图像传感器结构提供了超过100dB的SNR，而不需要使用机械快门。用于有效像素传感器阵列的电路部件被分离并且被垂直地布置在混合芯片结构中的至少两个不同层中。顶层优选地使用低噪声PMOS制造工艺制造，并且包括用于每个像素的光电二极管和放大器电路。底层优选地使用标准CMOS工艺来制造，并且包括NMOS像素电路部件和信号处理所需的任何数字电路。与使用CMOS相比，通过在为形成低噪声像素优化的PMOS工艺中形成顶层，像素性能可以被大大地改善。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及固态图像传感器，并且更具体地涉及新颖的三维图像传感器结构。
技术介绍
生产的具有CMOS图像传感器的可视成像系统显著地减少了照相机成本和功率，同时改善了图像分辨率并且减少了噪声。CMOS图像传感器通常是片上成像系统（iSoC）产品，其将图像检测和信号处理与大量支持性知识产权（IP）块组合，所述支持性知识产权块包括定时控制器，时钟驱动器，参考电压，A/D转换，图像处理级，和其它辅助电路。因此，得到的摄像机可以使用仅由镜头，快门和电池支持的单一CMOS集成电路来装配。结果是越来越小的照相机以越来越低的成本具有越来越长的电池寿命。由CMOSiSoC传感器提供的改善，尤其包括由其嵌入的iSoC功能能够实现的操作灵活性，也已经转化为两用照相机的出现，其产生高分辨率静止图像和高清晰度视频两者。静止捕获和视频采集的这种集中已经废除了专用静止照相机和利用先前传感器技术，例如CCD生产的传统摄录像机两者。也已经暴露对甚至更好的两用图像传感器的需要以最佳地执行两种类型的成像。尽管CMOSiSoC两用传感器为许多应用生产展示出可接受质量的静止照片（still）和视频两者，它们的图像质量远低于由器件物理设置的限制。此外，捕获质量在多样的照明条件下通常有点降低并且在极端条件下被严重损害。挑战性情形的一个示例是给直接由太阳作为背光的树照相；阴影，在受照射叶子上的许多镜面高光，和直射阳光的组合几乎总是导致次优图像质量。背光树的视频捕获甚至更具挑战性，尤其是如果风与变化的云量相组合；阴影，中间色调和镜面高光的这种混杂格外难以以最佳保真度来进行捕获。进一步加入到挑战的是，这种情况在相对均匀和良性的照明条件的几秒内频繁地和动态地出现。捕获“完美”图像的挑战被摄影师朝向最具挑战性的照明条件倾斜以将照片美感最大化（通过利用在日出和日落时的所谓的“魔法时刻”）的事实进一步复杂化。由于图像传感器的许多元件通过直接或非直接方式是光敏感的的事实，变化的和不稳定的场景动态不仅在曝光时间期间，而且在所有其它时间影响最终图像质量。这种寄生信号捕获生成降低图像质量的成像伪像。具有内部电子快门的传感器不能防止大量寄生信号污损图像捕获。机械快门的包含通常有助于防止出现大部分寄生信号生成。然而，包括机械快门增加了成本，复杂性，并且降低了照相机可靠性；因此存在迫切需要来消除它的包含。然而，迄今开发的用于真正阻挡光的最佳方式是机械快门；所得到的快门抑制比（SRR）可以接近无穷大，即当快门被关闭时，在传感器中的任何地方没有检测到照射在照相机上的光。检测不必是在实际光检测器上，而是可以代替地在不同电路中的其它地方被拾取以影响性能。传感器的快门抑制比也经常被称作在光线捕获无效时的周期（即当机械快门将被放置在传感器前面以便收集零无用信号时的时期）期间描述其电阻挡光的能力的消光系数。具有电子快门的单片传感器不像当使用机械快门时那样对环境光看不见。然而，为了进一步减少成本，照相机制造商希望通过具有提供极高SRR的传感器制造商供应装置来消除用于静止照相机的机械快门机构。因此，CMOSiSoC需要具有远超过100dB的SRR，其远在现代CMOS和CCD图像传感器的消光极限之外。用于消除机械开关的一个方法是生产具有电子卷帘快门的图像传感器。图像以逐行为基础形成在这些传感器中使得从第一行的曝光开始/结束到最后一行的曝光开始/结束总是存在一个帧时间的延迟。结果是每行有效地捕获不同的时期。无论对于静止捕获还是视频，对于低于约60Hz的捕获率，令人非常讨厌的假象可能随之而来，这取决于在场景中移动的速率。另一方面，卷帘快门传感器的整体性能通常优于具有全局快门能力的传感器，其中整个传感器捕获相同的曝光时期，因为像素更易于设计和建立；卷帘快门传感器的信噪比大大地优于具有全局快门的那些。机械快门另外可以通过在图像传感器中集成电子全局快门来被代替。在这种类型的传感器中，每个像素在单一、相同的曝光周期期间集成其捕获的信号。尽管具有更复杂得多的像素设计，传感器必须在没有损害的情况下执行，使得测量的性能是非常高的并且不被装置设计或者工艺技术限制。直到现在，CMOS全局快门传感器已经展现比竞争的CMOS卷帘快门传感器更低的占空因子和更高的噪声电平。使用片上系统集成来生产这些“快照（snapshot）”传感器还没有缩小差距（closethegap）。用于显现照相机产品的CMOS可视成像器中的由片上系统集成提供的优点因而已经激发相当大的努力以通过开发高性能全局快门功能来进一步改善有效像素传感器（APS）装置。不幸的是，除了较高噪声，差的占空因子，和对寄生信号拾取的脆弱性之外，渐增复杂的iSoC对噪声拾取也更加脆弱。不期望有的拾取尤其可能在最期望的传感器内：能够高质量静止和视频捕获的模式改变传感器。一个令人讨厌的结果是增加的噪声，即相干的时钟馈通和固定图形噪声两者，因为双模式使用动态地改变了传感器自身EMI和时钟馈通，从而变化地影响图像质量。具有快照图像捕获能力的当前图像传感器设计因而仍需要机械快门以最有效地执行相关的双重采样（CDS），其中从第二曝光的帧减去第一暗帧以便消除传感器的复位（或者kTC）噪声同时也减少固定图形噪声。在没有机械快门的情况下，各种寄生信号将后CDS噪声增加到远高于通常由在帧减法之间的时间间隔设置的基本限制。在没有机械快门的情况下，具有卷帘快门图像捕获能力的现代图像传感器设计更加有效地工作，因为卷帘快门电子电路可被用来将停滞时间最小化，在其期间传感器的电路中的一些以直接或者非直接的方式对光污染是脆弱的。因此遍及传感器，包括在每个像素的光检测器外部的许多其它光敏位置，通过谨慎的卷帘快门定时的停滞时间最小化限制了不想要的信号的集成。用于生产高性能图像传感器的嵌入式片上CMOS电路复杂性的最后的主要缺点在于使用CMOS技术来不变地生产这些装置，该CMOS技术是通过以被修改为随后添加成像方面的“标准”CMOS工艺开始来被开发的。这些事后的修改重新设计了用于成像的CMOS技术，即使底层技术被起初优化用于大量生产片上数字系统。第一个结果是这些CMOS“图像传感器”（CIS）工艺具有许多掩模层，从而增加了与制造相关的成本。第二个结果是得到的CMOS成像过程在远落后于现有技术的技术节点处提供数字逻辑使得在CMOS图像传感器中摩尔定律的益处未被充分地利用。在近十年内的经验结果无可争辩地表明的最终结果是在这些单片CIS工艺中正确地优化光电二极管质量已经是不可能的；尽管平均暗电流大致比得上用商业的CCD生产常规获得的暗电流，但是当与科学上的CCDS相比时，该暗电流更高，并且最让人难以忍受的是，缺陷像素的数目要大几个数量级。因此，集成的工艺整合仍更适合于数字逻辑而不是更精密的光电探测器。这种缺点不是惊人的，因为仅最近有对高质量传感器的足够的生产要求以证明在世界半导体代工厂特别开发了优化的CIS工艺。然而开发优化的CMOS图像传感器工艺将需要特别以图像传感器为目标的非常昂贵的半导体工艺开发，所述图像传感器相对于仍驱动大得多的产量的主流消费者驱动技术来说具有迥然相异的要求，本专利技术提供了更易处理的解决方案。
技术实现思路
本专利技术是混合型成像传感器，其最佳地被配置为分别优化像素性能，包括光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像传感器，包括：包括像素元件阵列的第一CMOS电路层；每个像素元件包括：光电二极管；和放大器；和第一模数转换器（ADC）电路部分；第二CMOS层，包括：支持像素电路，包括全局快门采样和保持电路的；和第二模数转换器（ADC）电路部分，其连接到第一CMOS层中的对应的第一ADC电路部分；和在所述第一CMOS层和所述第二CMOS层之间形成的阻挡层。

【技术特征摘要】
2011.04.19 US 13/0666291.一种图像传感器，包括：包括像素元件阵列的第一CMOS电路层；每个像素元件包括：光电二极管；和放大器；和第一模数转换器（ADC）电路部分；第二CMOS层，包括：支持像素电路，包括全局快门采样和保持电路的；和第二模数转换器（ADC）电路部分，其连接到第一CMOS层中的对应的第一ADC电路部分；和在所述第一CMOS层和所述第二CMOS层之间形成的阻挡层。2.权利要求1的图像传感器，其中在所述第二CMOS层中的所述支持像素电路包括用于每个像素的信号存储电容器，每个信号存储电容器被所述阻挡层光屏蔽。3.权利要求1的图像传感器，其中所述阻挡层包括多个电容器，其中电容器被电连接到所述第一CMOS层中的像素元件，和所述第二CMOS层中的支持像素电路。4.权利要求1的图像传感器，其中所述阻挡层是被形成为所述第一CMOS或第二CMOS层的一部分的金属层。5.权利要求1的图像传感器，其中所述阻挡层是部分地形成在所述第一CMOS层和所述第二CMOS层两者中的金属层。6.权利要求1的图像传感器，其中使用晶片上晶片（WoW）结合来结合所述层。7.权利要求1的图像传感器，进一步包括相关双重采样（CDS）电路，所述相关双重采样电路包括：在所述阻挡层中形成的相关双重采样电容器；和在所述第二CMOS层中形成的相关双重采样电路。8.权利要求1的图像传感器，其中所述采样和...

【专利技术属性】
技术研发人员：L科斯洛夫斯基，
申请(专利权)人：阿尔塔传感器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US