[实用新型]图像捕获设备和像素设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及CMOS图像传感器。更具体而言，本实用新型涉及一种用于背侧照明CMOS图像传感器的新颖全局快门控制结构。 

背景技术

相关申请的交叉引用

本申请包含的主题涉及发明名称为Apparatus Having Coordinated Exposure Period and Illumination Period的美国专利No.7,909,257的主题，该美国专利被转让给与本申请相同的受让人并且在此处通过引用全文结合于此。

图像传感器或像素为这样的半导体器件，其收集入射的光能量(光子)并且将一定量的所收集的光能量转换为与所收集的光能量的数量或强度成比例的电信号。在具有存储节点的图像传感器中，电容器典型地被用于临时存储与所收集光能量的大小相对应的电荷。全局快门CMOS图像传感器在针对每个像素的控制电路中采用若干晶体管。 

参考图1图示一种传统像素电路。第一晶体管T1被用于将光电探测器(光电二极管)101中光能量的收集而产生的电荷传递到浮动扩散(电容器)或存储节点102。第二晶体管T2被用于将光电探测器节点重置到期望电压电平以用于后续曝光。第三晶体管T3将存储节点重置到期望电压电平。被配置为源极跟随器放大器的第四晶体管T4放大在存储节点收集的电荷。存储节点作为源极跟随器的栅极操作，用于发信号通知附连到像素阵列的图像处理电路系统(未示出)。第五晶体管T5被切换以选择具体像素用于读出其存储的电荷，例如Column Out或Vout。因而，各种波长的光被光电二极管检测，并且随后大量所检测的光生电荷被传递到浮动扩散节点，即驱动晶体管的栅极，并且作为电信号在输出端子Vout或Column Out被输出。 

图像传感器典型地使用半导体制造工艺在硅晶片上制作。通常，CMOS像素电路制造成用于捕获数字图像的数百万个像素的阵列。参考图2，图示现有技术前侧照明(FSI)结构和两个现有技术版本的背侧照明(BSI)CMOS传感器像素结构二者。公知的是，BSI技术通过应用过滤器和微透镜到像素的背侧(硅晶片的背侧)从而收集从那里通过的光而实现更好的灵敏度。如图所示，BSI技术将金属和像素/过滤器/透镜层的布置倒置，使得金属和电介质层位于传感器阵列下方，从而为光行进到像素中提供了最直接的路径，这优化了其填充因子并且因此与FSI像素相比提供更小的像素尺寸。再次参考图2，具有光电探测器(光电二极管)201的像素200是通过将选定的掺杂剂注入在硅衬底203的表面202上而形成。此表面202可以可替换地称为顶表面、前表面或纯粹第一表面。如此处所使用，术语在衬底上是指如所示光电二极管在硅衬底中的位置。尽管它可以与光电二极管在衬底中或者在衬底表面处的状态同义，术语在…上将指代如所示的位置，其暗示形成光电二极管的步骤是由冲着顶表面或前表面202的工艺步骤(诸如注入)执行。类似用法意图用于图5C所示的金属层554。术语在衬底之上此处将用于指代不在硅衬底内的器件和/或层。例如金属互连层金属1、金属2以及可替换地金属3和金属4(示于BSI像素220、240)的多层金属互连204形成于硅衬底之上并且彼此电连接(未示出)以及电连接到光电二极管。金属化层219典型地称为金属0。这些导电通路将逻辑和数据信号输运到用于处理由像素生成的图像数据的控制电路以及从该控制电路输运所述逻辑和数据信号。金属化层由一层二氧化硅(SiO2)218分离。一些金属线204可以用作用于将电力分布到在衬底上形成的器件的电压传输线。透镜207和可选过滤器208在前侧工艺中形成于最顶部金属层209之上(像素200)，或者可替换地，在背侧工艺中形成于硅衬底的底部或第二侧210之上(像素220和240)。 

在图2的CMOS图像传感器200中，光电二极管形成于硅衬底的前表面上，并且金属互连204使得像素的光电二极管不直接阻挡光205相对于像素的表面以特定角度206的入射。因而，光透射通过透镜、过滤器以及金属化层的电介质211，并且最终到达光电二极管。光通路217被图示为表示在FSI结构中某些光能量不到达光电二极管，但是在BSI设计220、240中将冲击光电二极管。 

如所示的CMOS图像传感器的阵列典型地被实现为数百万个像素的阵列。如果数目超过某一数量，该阵列变得太大并且因此单独像素尺寸必须减小。由于直接撞击在每个光电二极管上的光数量减小的原因，这种减小导致每个像素的捕获光能量(光子)数量减小。由阵列捕获的图像的质量由此下降。