像素单元和形成像素单元的方法及数字相机的成像系统组件技术方案

一种像素单元，包含第一基底，光电二极管，读出电路，传输晶体管及反射结构。所述光电二极管设置在第一半导体芯片的第一基底内，累积电荷以响应入射到其上的光。所述读出电路设置在第二半导体芯片的第二基底内。所述传输晶体管连接至所述光电二极管和所述读出电路之间，将电荷从光电二极管传输至读出电路。所述反射结构设置于所述读出电路和所述光电二极管之间，用于将未被吸收的通过光电二极管的入射光反射回到所述光电二极管进行第二次吸收。

Pixel unit and method for forming pixel unit and imaging system component of digital camera

A pixel unit includes a first substrate, a photodiode, a readout circuit, a transmission transistor and a reflective structure. The photodiode is located in the first substrate of the first semiconductor chip and accumulates the charge to respond to the light incident on it. The readout circuit is arranged in the second substrate of the second semiconductor chip. The transmission transistor is connected to the photodiode and the readout circuit to transmit charge from the photodiode to the readout circuit. The reflection structure is arranged between the read-out circuit and the photodiode, which is used to reflect the incident light through the photodiode that is not absorbed back to the photodiode for the second absorption.

【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的成像系统组件
本专利技术涉及一种图像传感器，尤其涉及一种具有堆叠芯片结构的CMOS图像传感器。底部芯片包括捕获图像的光传感区域和结构的阵列。顶部芯片包括从阵列中获取图像的电路元件。该图像传感器可应用于数字相机。
技术介绍
一个图像捕获装置包括一个图像传感器和一个成像镜头。成像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。该电信号从图像捕获装置输出到主系统的其他组件。该图像捕获装置和主系统的其他组件构成一个成像系统。图像传感器现在非常普遍并在各种电子系统中可见，例如，手机，数字相机，医疗设备，或计算机等。一个典型的图像传感器包括设置于两维阵列的一定数量的光传感图像单元(像素)。所述的图像传感器能够通过对像素形成色彩滤镜矩阵(CFA)以产生彩色图像。此技术用于制造图像传感器，尤其是，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，继续向前迈进发展。例如，高分辨率和低功耗的需求进一步促进这些图像传感器的小型化和集成化。然而，小型化带来了像素图像分辨率和动态范围的损失，需要新的方式来解决这个问题。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。将所述图像传感器做成所述的堆叠图像传感器已是众所周知。其中一种典型的方式是，像素阵列的光电二极管或其他光传感元件设置于第一半导体晶片或基底，处理光传感元件信号的相关电路设置于直接覆盖在第一半导体晶片或基底之上的第二半导体晶片或基底上。所述的第一和第二半导体基底在此一般分别是指传感器和电路芯片。更准确地，第一和第二半导体晶片并排沿着第一和第二半导体晶片上很多类似的晶片设置，所述晶片是堆叠的，对齐相关的晶片内电连接点，切成称作半导体芯片的堆叠组件。当提到堆叠两个芯片应理解为在普通应用中两个晶片堆叠并切成依旧堆叠成例如堆叠图像传感器的电子系统这样的芯片。当晶片间连接点和芯片内连接点分别指形成在留在相同晶片和芯片上的装置的连接点时，所述连接传感器和电路芯片的晶片间电连接点可看作是芯片内互连。这种设置的好处包括图像传感器系统与非堆叠设置相比占用面积降低。另外一个好处是不同的生产方法和材料可用于加工每个芯片可独立优化的情形。当特定的新型电路元件用于互连及新型反射结构用于像素的传感器和电路芯片时，堆叠图像传感器性能得到提升。本专利技术满足了这些需求，并进一步提供如下
技术实现思路
中描述的益处。
技术实现思路
本专利技术对以下描述的内容提供有益之处并做出相应贡献。本专利技术提供一种像素单元，该像素单元包括第一基底，光电二极管，传输晶体管，反射结构，及读出电路。所述光电二极管设置于第一半导体芯片的第一基底内，累积图像电荷以响应入射其上的光。所述读出电路设置于第二半导体芯片的第二基底内。所述的传输晶体管连接到所述光电二极管和所述读出电路之间，将图像电荷从所述光电二极管传输到所述读出电路。所述反射结构置于所述读出电路和所述光电二极管之间，用于反射没有被吸收的从所述光电二极管通过的入射光，所述入射光第二次回到所述光电二极管被吸收。所述光反射结构包括一位于所述光电二极管上的反射水平面部分及一位于所述光电二极管侧面的反射垂直面。所述反射水平面和所述反射垂直面由金属构成。进一步地，所述反射水平面和所述反射垂直面由绝缘体制备的非导电镜面构成。进一步地，所述反射水平面和所述反射垂直面由具有反射功能的非金属材料构成。所述光反射结构包括所述传输晶体管传输通道上的一开口，用于将所述传输晶体管直接电连接到所述输出电路。所述光反射结构形成在所述读出电路和所述光电二极管之间的第二基底上。反射光回到所述的光电二极管可降低相邻像素单元间的串扰，提高信噪比。既然较长波长的光比较短波长的光更容易通过非吸收基底，比起较短波长的光，所述的反射结构可以提高较长波长的光的收集效率。本专利技术还提供一种形成像素单元的方法，包含以下的步骤：提供一包含光电二极管和传输晶体管的第一半导体芯片；提供一包含读出电路的第二半导体芯片；在所述传输晶体管和所述读出电路之间形成一反射结构，所述反射结构用于将光反射回到所述光电二极管；及采用至少一个芯片内互连连接所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片，每一所述芯片内互连连接到所述传输晶体管和所述读出电路。本方法还进一步包括：从目标聚光到像素单元，所述像素单元转换光信号到电信号，所述电信号用于形成所述目标的数字图像。本专利技术还提供一种数字相机的成像系统组件，该成像系统组件包括：多个排列为两维阵列像素单元，每一像素单元包括：具有正面和背面的第一基底；光电二极管，设置于第一半导体芯片的所述第一基底内，用于累积电荷以响应通过第一基底背面入射到所述光电二极管上的光；读出电路，设置于第二半导体芯片的第二基底内；传输晶体管，设置于所述第一基底的正面上且连接至所述光电二极管和所述读出电路之间，用于将电荷从所述光电二极管传输至所述读出电路；及反射结构，形成在所述传输晶体管和所述读出电路之间，所述反射结构用于将光反射回到所述光电二极管。本专利技术的一个主要目的是提供一种目前现有技术中未能体现该益处的图像传感器像素。本专利技术的另一个目的是提供一种占用面积小且可以降低像素阵列尺寸和加工成本的像素单元。本专利技术还提供一种能降低像素串扰，有效提高较长波长光的量子效率的像素单元，并能增强信噪比。本专利技术其他的特征及益处会从以下更为详细的描述中得出，同时通过本专利技术相关的附图，实施例等得到实现。附图说明本专利技术相关附图描述如下所述：图1为根据本专利技术一实施例的包含于一集成电路系统内具有像素内垂直通道传输晶体管的堆叠图像传感器像素单元的图像系统框图；图2为根据本专利技术一实施例的具有像素内垂直通道传输晶体管的堆叠图像传感器像素单元的电路图；图3A为现有技术中光电二极管，传输晶体管及像素电路占用相同半导体芯片的像素单元布局；图3B为图3A所示的现有技术像素单元的截面图；图4A为现有技术像素单元布局的分解图；图4B为图4A所示的现有技术像素单元的截面图；图5A为根据本专利技术一个实施例的像素单元的分解图；图5B为图5A中所示的像素单元的截面图；图6为根据本专利技术一个实施例的像素单元的截面图；及图7为根据本专利技术另一个实施例像素单元的截面图。具体实施方式上述附图给出了对堆叠图像传感器改进的本专利技术中具有像素内垂直通道传输晶体管和光反射结构的堆叠图像传感器像素单元。本专利技术揭示了堆叠图像传感器的各种实施例。在以下描述中，展示了大量细节以助于理解本专利技术。本领域技术人员应该得知，然而，此处所述内容在没有详细细节或其他方法，组件，材料等都可得到实施。在其他例子中，已知的结构，材料或操作未展示或描述，是为了避免模糊特定内容。一个基底可具有一个正面和一个背面。任何加工过程从正面的执行操作可看作为正面操作，当从背面执行操作可被看作是背面操作。如光电二极管和相关的晶体管的结构和装置可形成在半导体基底的正面表面。包括金属布线层和本文档来自技高网...

【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；光电二极管，设置于所述第一基底内，用于累积电荷以响应入射到其上的光；读出电路，设置于堆叠在所述第一基底的正面上的第二基底内；传输晶体管，设置于所述第一基底的正面上，且连接于所述光电二极管和所述读出电路之间，用于将电荷从所述光电二极管传输至所述读出电路；及光反射结构，设置于所述读出电路和所述光电二极管之间，所述光反射结构用于将光反射回到所述光电二极管。

【技术特征摘要】
2017.02.03 US 15/424,124;2017.05.01 US 15/583,4361.一种像素单元，包括：第一基底，具有正面和背面；光电二极管，设置于所述第一基底内，用于累积电荷以响应入射到其上的光；读出电路，设置于堆叠在所述第一基底的正面上的第二基底内；传输晶体管，设置于所述第一基底的正面上，且连接于所述光电二极管和所述读出电路之间，用于将电荷从所述光电二极管传输至所述读出电路；及光反射结构，设置于所述读出电路和所述光电二极管之间，所述光反射结构用于将光反射回到所述光电二极管。2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述光反射结构设置在所述光电二极管和所述传输晶体管的所述第一基底的正面上，所述光反射结构用于将通过所述光电二极管且未被吸收的光反射回到所述光电二极管。3.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述光反射结构包括一位于所述光电二极管上的反射水平面部分及一位于所述光电二极管侧面的反射垂直面。4.根据权利要求3所述的像素单元，其特征在于，所述反射水平面和所述反射垂直面由金属构成。5.根据权利要求3所述的像素单元，其特征在于，所述反射水平面和所述反射垂直面由绝缘体制备的非导电镜面构成。6.根据权利要求3所述的像素单元，其特征在于，所述反射水平面和所述反射垂直面由具有反射功能的非金属材料构成。7.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述光反射结构包括所述传输晶体管传输通道上的一开口，用于将所述传输晶体管直接电连接到所述输出电路。8.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述光反射结构形成在所述读出电路和所述光电二极管之间的第二基底上，所述光反射结构包括所述传输晶体管传输通道上的一开口，用于将所述传输晶体管直接电连接到所述输出电路。9.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐辰，高秉强，邵泽旭，
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