像素单元和形成像素单元的方法及数字相机成像系统技术方案

一种像素单元，包括第一基底，一个或多个传输晶体管，复位晶体管，电容，放大晶体管及读出电路块。所述光电二极管，传输晶体管，复位晶体管和放大晶体管设置于第一半导体芯片的第一基底内，用于累积图像电荷以响应入射到光电二极管上的光。所述读出电路块可部分设置于第二半导体芯片的第二基底内，部分设置于所述第一基底内，所述读出电路块包括可根据应用程序设定可选的滚动曝光读出模式和全局曝光读出模式。全局曝光读出模式提供像素内相关双采样。

【技术实现步骤摘要】
像素单元和形成像素单元的方法及数字相机成像系统
本专利技术涉及一种图像传感器，尤其涉及一种堆叠芯片结构的CMOS图像传感器的像素单元。底部芯片包括用以捕获图像的光感区域和结构阵列。顶部芯片包括电路元件用以从阵列中获取图像。图像传感器可用于数字相机。
技术介绍
图像捕获装置一般包括图像传感器和镜头。镜头聚光到图像传感器以形成图像，图像传感器转换光信号到电信号。电信号从图像捕获装置输出到电子系统的其他组件。图像捕获装置和电子系统的其他组件构成图像系统。图像传感器逐渐应用普遍，在各种电子系统中都可见，例如手机，数码相机，医疗设备，以及计算机等。一个典型的图像传感器包括一系列光传感图像器件(像素)排列置于两维阵列中。此图像传感器可认为是通过在像素上形成色彩滤镜矩阵(CFA)以产生图像。这种技术过去用于制造图像传感器，尤其是CMOS图像传感器，其技术不断持续向前发展。例如，更高的分辨率和低功耗的需求进一步促进了这些图像传感器的小型化和集成化。然而，小型化会伴随像素光感灵敏度和动态范围的降低，这需要新的方案来解决问题。随着像素尺寸的降低，基底内总的光吸收程度对某些光来说变得不充足，尤其是波长较长的光。这成为使用光入射到传感器基底的背面的背照(BSI)技术的图像传感器的典型问题。在BSI技术中，传感器硅基底可以是2微米厚，这足够吸收蓝光但不足以吸收红光，红光充分吸收需要大约10微米厚。当特定反射结构设置于BSI图像传感器像素的前面以反射未吸收的光通过像素，提高吸收的长波长光的数量的机会将得到提高。将已有的图像传感器形成所称的堆叠传感器是众所周知的技术。这种形式中一种典型的设置方式是，像素阵列中的光电二极管或其他光传感元件形成在第一半导体晶片或层，处理光传感元件的信号的相关电路形成在位于第一半导体晶片或层之上的第二半导体晶片或层。第一和第二半导体晶片或层在这里一般分别指传感器芯片和电路芯片。更准确地说，第一和第二半导体晶片沿着许多其他类似的晶片形成于堆叠的第一和第二半导体晶片上，排列整齐相关的晶片内连后，切割成一般称作为半导体芯片的堆叠器件。堆叠的两个芯片可理解为通常惯例的两个晶片堆叠并且被切割成依旧保留堆叠以形成例如一个堆叠图像传感器的电路系统的芯片。当晶片的互连和芯片内的互连涉及分别形成于留在晶片和芯片上的装置时，晶片的互连连接传感器和电路晶片可被看作芯片内的互连。关于这种设置的好处包括最终的图像传感系统与未堆叠设置的情形相比，占用更少的面积。另外一个好处是，不同的生产方法和材料可用于加工单独优化使用的芯片。两种最普通的读出传感器芯片产生的图像信号的方式是滚动曝光模式和全局曝光模式。滚动曝光模式包括在不同的时间内曝光传感器阵列的不同行并且按选定的顺序读出这些行。全局曝光模式包括同时曝光每一像素并且和操作传统的机械快门相机相同的时间长度。现有的数字图像系统已经实现了滚动曝光或全局曝光的读出模式。成像系统具有两种可选的读出模式是非常有益的。滚动曝光(RS)模式在不同的时间内曝光和读出阵列的相邻行，每行开始和结束其曝光与相邻行有略微的偏移时间。曝光完成后一行接一行地读出且从每行传输电荷到像素的读出节点。虽然每行属于相同的曝光时间，传感器上部的行的曝光时间要早于下部的行的曝光时间。时间有赖于行的数目以及相邻行之间的偏移时间。滚动曝光读出模式一个潜在的问题是空间变形。当一个大的物体以高于读出速率的速率运动时，就容易出现空间变形。另一个问题是曝光图像的不同区域不能及时地精确纠正并在图像中呈现出变形。为提高最后读出的图像信号的信噪比，一般是降低随机噪声，称为相关双采样(CDS)的参考读出在每个像素被放大晶体管放大输出信号变换之前进行操作。放大晶体管可为一源极跟随晶体管或一普通的漏极结构，其中像素采用电压模式读出。然而，包含一个像素采用电流模式输出的普通源放大器是有益的。普通的源放大器可用于大面积的成像器。光电二极管的电流被放大且读出电路通过电容整合电流到电压，然后转换到数字电路区域。全局曝光(GS)模式同时曝光阵列中的所有像素。这有利于抓取快速运动的目标，及时冻结。曝光开始前通过耗尽所有的电荷所有像素都复位(RST)到相同的表面暗电平。在曝光开始时每一像素同时收集电荷并在整个曝光期间都允许这样处理。在曝光结束时每一像素同时传输电荷到它的读出点。全局曝光模式可看作是当前面的曝光从每一像素的读出存储点读出时曝光行进的连续操作方式。在这种模式中，传感器具有百分百的占空比来优化时间分辨率和光子收集效率。在滚动曝光模式中的短暂读出阶段的图像中没有这种做法。传感器的不同区域之间准确的时间相关性是必需的这是全局曝光最基本的要求。全局曝光模式也非常容易实现与光源或其他设备同步。全局曝光模式要求像素比使用滚动曝光模式的像素至少多包含一个晶体管或存储组件。这些额外的组件用于存储后续同时曝光时间内所读出的图像电荷。为了提高图像信号的信噪比，需要一个参考电路，不但在每一像素电荷到放大器晶体管输出的信号的转换之前，而且在像素电荷传输到用于在读出期间存储图像电荷的额外组件之前执行该参考电路。总之，滚动曝光模式能传送最低的读出噪声而且对不需要到光源或外部设备同步的快速数据流非常有用。然而，当相对较大，快速移动的物体成像时会带来空间变形的风险。在使用全局曝光时没有空间变形的风险，且同步到快速切换外部装置时相对简单并且能产生图像的高帧率。能灵活地同时提供滚动曝光模式和全局曝光模式非常有利。当采用特定新型电路元件实现可选滚动曝光读出模式和全局曝光读出模式时，传感器芯片和电路芯片在每一像素互相连接的堆叠图像传感器性能会得到提升。另一个提升堆叠图像传感器性能的可能是当采用电流模式读出(普通源放大器)用于传感器芯片而不是电压模式读出(普通漏或源极跟随)。本专利技术满足了这些需求并在本
技术实现思路
中进一步详细描述。
技术实现思路
如下内容描述给出了本专利技术所做出的贡献。一像素单元，包括：第一基底，具有正面和背面；一个或多个传输晶体管，每一所述传输晶体管分别连接到各自的光电二极管并共享浮动节点，所述一个或多个传输晶体管设置于所述第一基底内，用于累积和传输图像电荷以响应入射到所述光电二极管上的光；复位晶体管，电容，放大晶体管，及滚动曝光行选择晶体管设置在所述第一基底内，用于转换图像电荷到图像信号，且当选择滚动曝光读出模式时，将所述图像信号连接输出所述第一基底；全局曝光读出电路块，设置在第二基底内，所述第二基底堆叠在所述第一基底的正面上，所述全局曝光读出电路块用于当选择全局曝光读出模式时将图像信号连接输出所述第二基底；芯片内互连，用于直连所述放大晶体管的漏极到所述全局曝光读出电路块。所述多个传输晶体管及其各自的光电二极管包含四个传输晶体管及四个光电二极管，所述多个传输晶体管共享浮动节点，及所述复位晶体管，所述电容及所述放大晶体管。所述四个光电二极管以2×2的排列方式设置，其中一个光电二极管通过红色滤光器接收入射光，一个光电二极管通过蓝色滤光器接收入射光，及两个光电二极管分别通过绿色滤光器接收入射光。所述电容和所述复位晶体管连接到所述放大晶体管的漏极，其中所述放大晶体管通过一个偏置电流晶体管连接到电源。所述滚动曝光读出模式和所述全局曝光读出模式可根据功能设定选择。所述滚动曝光读出模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种像素单元，包括：第一基底，具有正面和背面；一个或多个传输晶体管，每一所述传输晶体管分别连接到各自的光电二极管并共享浮动节点，所述一个或多个传输晶体管设置于所述第一基底内，用于累积和传输图像电荷以响应入射到所述光电二极管上的光；复位晶体管，电容，放大晶体管，滚动曝光行选择晶体管设置在所述第一基底内，用于转换图像电荷到图像信号，且当选择滚动曝光读出模式时，将所述图像信号连接输出所述第一基底；全局曝光读出电路块，设置在第二基底内，所述第二基底堆叠在所述第一基底的正面上，所述全局曝光读出电路块用于当选择全局曝光读出模式时将图像信号连接输出所述第二基底；芯片内互连，用于直连所述放大晶体管的漏极到所述全局曝光读出电路块。

【技术特征摘要】
2017.02.03 US 15/424,124;2017.07.27 US 15/661,3931.一种像素单元，包括：第一基底，具有正面和背面；一个或多个传输晶体管，每一所述传输晶体管分别连接到各自的光电二极管并共享浮动节点，所述一个或多个传输晶体管设置于所述第一基底内，用于累积和传输图像电荷以响应入射到所述光电二极管上的光；复位晶体管，电容，放大晶体管，滚动曝光行选择晶体管设置在所述第一基底内，用于转换图像电荷到图像信号，且当选择滚动曝光读出模式时，将所述图像信号连接输出所述第一基底；全局曝光读出电路块，设置在第二基底内，所述第二基底堆叠在所述第一基底的正面上，所述全局曝光读出电路块用于当选择全局曝光读出模式时将图像信号连接输出所述第二基底；芯片内互连，用于直连所述放大晶体管的漏极到所述全局曝光读出电路块。2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述多个传输晶体管及其分别连接的各自的光电二极管包含四个传输晶体管及四个光电二极管，所述多个传输晶体管共享浮动节点，所述共享浮动节点连接到所述复位晶体管，所述电容及所述放大晶体管。3.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述电容和所述复位晶体管连接到所述放大晶体管的漏极，所述放大晶体管通过一偏置电流晶体管连接到电源。4.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述四个光电二极管以2×2的排列方式设置，其中一个光电二极管通过红光滤光器接收入射光，一个光电二极管通过蓝光滤光器接收入射光，及两个光电二极管分别通过绿光滤光器接收入射光。5.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述滚动曝光读出模式和所述全局曝光读出模式根据功能应用设定选择。6.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述滚动曝光读出模式的图像信号在所述第二基底上的读出电路块内的晶体管关闭时，从所述放大晶体管通过所述第一基底上的滚动曝光行选择晶体管传输到图像传感器的列线。7.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述全局曝光读出电路块在滚动曝光行选择晶体管关闭时将图像信号从所述放大晶体管通过全局曝光行选择晶体管传输到图像传感器的列线。8.根据权利要求7所述的像素单元，其特征在于，所述全局曝光读出电路块包括连接在所述放大晶体管和所述全局曝光输出放大晶体管之间的电路器件，用于执行所述放大晶体管和所述电路器件的相关双采样操作。9.根据权利要求8所述的像素单元，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫要武，徐辰，邵泽旭，张正民，
申请(专利权)人：思特威电子科技美国有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US