[发明专利]像素单元和形成像素单元的方法及数字相机成像系统组件

说明书

一种像素单元，包括光电二极管，传输晶体管，复位晶体管，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在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所述光电二极管上的光。所述读出电路块可部分设置在第二半导体芯片的第二基底内，部分设置在所述第一基底内，所述读出电路块可根据程序设定包含可选的滚动曝光读出模式和全局曝光读出模式。所述全局曝光读出模式提供像素内相关双采样。

技术领域

本发明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图像传感器的像素单元。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。

背景技术

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。

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。

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(SF)。