CN101501853A - 摄像装置芯片组及图像拾取系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种摄像装置芯片组以及图像拾取系统。摄像装置芯片组包括：具有多个单位像素(21)及周边电路部(22)的至少一部分的摄像芯片(11)、和具有对电信号进行转换处理的数字处理部(31)及周边电路部(22)的剩余部分的DSP芯片(13)。在第一基板上形成有第一布线层，在配置有多个单位像素(21)的感光区域(20)，第一布线层的层数在两层以下，在其它区域，该第一布线层的层数在三层以下。

Description

摄像装置芯片组及图像拾取系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种摄像装置芯片组及图像拾取系统，特别是关于在数字相机等中使用的包括MOS型摄像芯片和数字信号处理芯片的芯片组、以及使用该芯片组的图像拾取系统。
背景技术
[0002]近年来，伴随着半导体器件的高性能化及小型化，将多种功能集中在一个芯片中的单片(one-chip)化正得到推进。在固体摄像装置领域中，也由于数字信号处理技术和CMOS微细化加工技术的快速进步，而使得下述单片CMOS相机能够得以实现，该单片CMOS相机是在一个硅基板上集成了将照射到摄像面的光信号转换成电信号后取出的摄像元件、和能够进行高度信号处理的数字信号处理装置(DSP)(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本专利公开2000-224495号公报
(发明所要解决的课题)
[0003]然而，在进一步推进固体摄像装置的小型化及高性能化时，已明显看出单片化存在很大问题。
[0004]为了实现固体摄像装置的小型化及高像素化，而有必要减小像素尺寸。若像素尺寸变小则信号量减少，因此由于光散粒噪声(optical shot noise)而使得信噪比劣化。光散粒噪声指的是信号本身的噪声。当将信号的电子数设为n时，信号本质上具有√n的噪声，信噪(S/N)比成为n/√n＝√n。因此，若像素尺寸变小且信号电子数n变小，则S/N比的值将急剧恶化，从而将无法再生出清晰的图像。
[0005]由此，为了减小像素尺寸，而有必要在固体摄像装置中设置具有抑制光散粒噪声的信号处理功能的DSP。
[0006]还有，入射光中所包含的光散粒噪声是该信号本身所具有的起伏噪声(fluctuation noise)。由此，与固体摄像装置的噪声即晶体管的热噪声及光电二极管的漏电流等相比，减小该光散粒噪声的绝对值是很困难的事情。因此，为了使光散粒噪声变得不明显，则要求使用DSP进行信号处理。由于该信号处理复杂，因而DSP的功能变得复杂化。伴随着功能的复杂化，在DSP中所需要的布线数增加，因此在DSP中有必要加大布线所占的面积、或者增加布线层数。
[0007]不过，加大布线所占的面积将直接导致固体摄像装置尺寸增大。另一方面，若布线层的高度变高，则由于从倾斜方向朝光电二极管入射的光被布线层遮挡，因而将使得灵敏度(sensitive)降低。特别是若像素的单元(cell)尺寸(间距)变小，则光变得容易被布线层遮挡，因此增加布线层高度的缺点就将越发明显。
[0008]为了降低布线层的高度，虽然能够想到削减各个布线层厚度的方法，不过当考虑到可靠性等问题时削减布线层厚度并不是容易的。还有，也考虑到在形成有像素的感光区域减少布线层层数并在形成有DSP的区域增加布线层层数的方法。不过，如果在布线层层数不同的部分产生较大的高低差异，则将难以在芯片表面形成使光聚集在像素的微透镜(microlens)及滤色镜(color filter)等。因此，很难在一个芯片内使布线层的层数发生很大变化。
[0009]另一方面，还想到了下述方案，即：使固体摄像装置实现双芯片化，也就是分割成两个芯片即摄像芯片和DSP芯片，使摄像芯片成为布线层数较少的芯片，并使DSP芯片成为布线层数较多的芯片。不过，在摄像芯片中不仅设置了具有像素的感光区域，还设置了驱动像素的周边电路。在包含周边电路的情况下降低摄像芯片的布线层数将是一件困难的事情。还有，周边电路多为数字电路，当将这样的周边电路设置在摄像芯片中时，还存在无法使其实现充分微细化的问题。
[0010]虽然还想到不将周边电路设置在摄像芯片中而在DSP芯片中设置驱动像素的周边电路的方法，不过此时存在下述问题，即：需要连接摄像芯片和DSP芯片的大量布线。
发明内容
[0011]本发明是为了解决所述以往问题的发明，其目的在于能够实现一种如下所示的摄像芯片组，即：该摄像芯片组包括摄像芯片及DSP芯片，并且能够使摄像芯片和DSP芯片之间的连接变得容易，且由于微细化造成的灵敏度下降幅度小。
(解决课题的方法)
[0012]为了实现所述目的，本发明将摄像芯片组设为下述结构，即：该摄像芯片组包括感光区域的布线层在两层以下的摄像芯片、和布线层在四层以上的DSP芯片。
[0013]具体来说，本发明所涉及的摄像装置芯片组，其特征在于：包括摄像芯片和数字信号处理芯片，该摄像芯片形成在第一基板，具有将入射光转换成电信号的多个单位像素(unit-pixel)、及驱动该多个单位像素的周边电路部的一部分，该数字信号处理芯片形成在第二基板，具有对电信号进行转换处理的数字信号处理部、及周边电路部的剩余部分；在第一基板上形成有第一布线层；在配置有多个单位像素的感光区域，第一布线层的层数在两层以下，在其它区域，该第一布线层的层数在三层以下。
[0014]根据本发明的摄像装置芯片组，由于在配置有多个单位像素的感光区域，第一布线层在两层以下，而在其它区域，该第一布线层在三层以下，所以在摄像芯片中能够确保入射到单位像素的光，并且在数字信号处理芯片能够削减芯片的面积。还有，由于在摄像芯片形成有周边电路部的至少一部分，所以摄像芯片和数字信号处理芯片之间的连接也变得容易。而且，由于能够分别按照适当的设计规则来设计摄像芯片和数字信号处理芯片，所以摄像芯片及数字信号处理芯片的制造变得容易，并且还能降低制造成本。其结果是能够容易实现一种使摄像芯片和DSP芯片之间的连接变得容易并且因微细化造成的灵敏度下降幅度小的摄像芯片组。
[0015]在本发明的摄像装置芯片组中，理想的是感光区域的第一布线层的层数、与其它区域的该第一布线层的层数相等。通过设定成所述结构，从而由于在第一布线层没有出现高低差异，所以摄像芯片的形成变得容易。
[0016]在本发明的摄像装置芯片组中，理想的是周边电路部具有水平扫描部、垂直扫描部、向水平扫描部供给定时信号(timing signal)的水平定时信号发生部、向垂直扫描部供给定时信号的垂直定时信号发生部、放大电信号的放大部、以及将放大了的电信号转换成数字信号的模数转换部，垂直定时信号发生部和模数转换部的至少一部分形成在数字信号处理芯片。通过设定成所述结构，从而由于将大电路规模块(block)设置在数字信号处理芯片中，所以能够容易削减摄像芯片的布线层。
在本发明的摄像装置芯片组中，理想的是在第二基板上形成有第二布线层，第二布线层在四层以上。通过设定为所述结构，将能够有效地对结构复杂的DSP芯片进行布线，从而能够削减DSP芯片的尺寸。
[0017]在本发明的摄像装置芯片组中，其特征在于：在第一基板形成有第一晶体管，在第二基板形成有第二晶体管，第一晶体管的栅极绝缘膜比第二晶体管的栅极绝缘膜厚。通过设定为所述结构，在摄像芯片中能够提高栅极击穿电压(gate breakdown voltage)，从而能够实现可靠性高的摄像装置芯片组。
[0018]在本发明的摄像装置芯片组中，其特征在于：在第一基板形成有第一晶体管，在第二基板形成有第二晶体管，第一晶体管是按照比第二晶体管的最小尺寸大的最小尺寸设计规则形成的。通过设定为所述结构，从而能够减小数字信号处理芯片的尺寸。
[0019]在本发明的摄像装置芯片组中，理想的是多个单位像素一维地排列在感光区域。
[0020]在本发明的摄像装置芯片组中，理想的是多个单位像素二维地排列在感光区域。
[0021]本发明所涉及的图像拾取系统的特征在于：该图像拾取系统包括本发明的摄像装置芯片组。
(发明的效果)
[0022]根据本发明所涉及的摄像装置芯片组，从而能够实现一种使摄像芯片和DSP芯片之间的连接变得容易并且因微细化造成的灵敏度下降幅度小的摄像装置芯片组。
附图说明
[0023]图1是表示本发明的一实施方式所涉及的摄像装置芯片组的方块图。
图2是表示本发明的一实施方式所涉及的摄像装置芯片组中的一个单位像素示例的电路图。
图3是表示本发明的一实施方式所涉及的摄像装置芯片组中的摄像芯片的感光区域的剖面图。
图4是表示能够确保必要灵敏度的像素间距与布线层数之间关系的图表。
图5是表示本发明的一实施方式所涉及的摄像装置芯片组中的摄像芯片的元件隔离部结构示例的剖面图。
图6是表示本发明的一实施方式所涉及的摄像装置芯片组中的摄像芯片的元件隔离部结构示例的剖面图。
图7是表示本发明的一实施方式所涉及的摄像装置芯片组中的摄像芯片的光电二极管结构示例的剖面图。
图8是表示本发明的一实施方式所涉及的图像拾取系统结构的方块图。
(符号说明)
[0024]11   摄像芯片
      12   数字信号处理芯片
      20   感光区域
      21   单位像素
      22   周边电路部
      23   水平扫描部
      24   垂直扫描部
      25   水平定时信号发生部
      26   放大部
31   数字信号处理部
32   垂直定时信号发生部
33   增益控制放大部
34   模数转换部
41   光电二极管
42   传送晶体管(transfer transistor)
43   复位晶体管(reset transistor)
44   放大晶体管
45   读出晶体管
50   基板
51   元件隔离部
52   浮动扩散部(floating diffusion)
53   转移栅极(transfer gate)
54   栅极绝缘膜
55   层间膜
56   第一布线层
57   金属布线
58   层间膜
59   第二布线层
60   微透镜
61   元件隔离氧化膜
62   元件隔离部
63   p型埋入层
71   存储装置
72   微控制器
具体实施方式
[0025]参照附图来对本发明的一个实施方式进行说明。图1表示本实施方式所涉及的摄像装置芯片组的一个块结构示例。如图1所示，本实施方式的摄像装置芯片组由摄像芯片11和数字信号处理(DSP)芯片12构成。
[0026]摄像芯片11具有呈矩阵状配置在感光区域20的多个单位像素21、和驱动多个单位像素21的周边电路部22的一部分。在摄像芯片11中形成的周边电路部22具有水平扫描部23、垂直扫描部24、向水平扫描部23供给定时信号的水平定时信号发生部25、以及对从单位像素21中读出的信号进行放大的放大部26。此外，单位像素21可以进行一维排列。还有，单位像素21可以是一般结构，例如可以如图2所示由光电二极管41、以及传送晶体管42、复位晶体管43、放大晶体管44和读出晶体管45这四个晶体管构成。还有，也可以省略读出晶体管45，而由三个晶体管构成。
[0027]DSP芯片12具有数字信号处理部31、向摄像芯片11的垂直扫描部24供给定时信号的垂直定时信号发生部32、增益控制放大(GCA)部33及模数转换(ADC)部34。垂直定时信号发生部32、GCA部33以及ADC部34是驱动单位像素21的周边电路部22的一部分。
[0028]图3表示本实施方式所涉及的摄像芯片11中的感光区域20的一个剖面结构示例。如图3所示，在本实施方式的摄像芯片11的感光区域20，在由硅构成的基板50中形成了多个区域，该多个区域由于元件隔离部51而彼此分离开，在各个区域形成了单位像素21。各个单位像素21具有在基板50形成的光电二极管(PD)41及浮动扩散部(FD)52。还有，虽然在图3中没有标明，不过在基板50中还形成有其它晶体管的扩散层。
[0029]在基板50上，隔着栅极绝缘膜54形成了传送晶体管的转移栅极53。转移栅极53是沿行方向延伸形成的，构成了栅极布线。还有，虽然没有在图3中标明，不过还形成有其它晶体管的栅极，其中的一部分成为栅极布线。转移栅极53等被层间膜55覆盖，从而形成第一布线层56。在层间膜55上，形成有垂直信号线即金属布线57、和片装(on-chip)微透镜60。
[0030]虽然没有在图3中标明，不过还形成了用来将晶体管之间连接起来的布线等。金属布线57等被层间膜58覆盖。还有，在片装微透镜60和层间膜55之间也可以形成滤色镜。
[0031]这样一来，在本实施方式的摄像芯片11的感光区域20，布线层的层数为两层。由此，因为在本实施方式的摄像芯片11中布线层数少，所以从倾斜方向入射的光没有被布线层遮挡，从而能够高效地使光入射到PD41。
[0032]图4表示通过模拟试验(simulation)所求出的像素间距(像素尺寸)与能够确保灵敏度的布线层层数之间关系的结果。图4所示实线的下侧表示能够实现的像素间距。当为现在一般的像素间距即2.8μm时，在布线层数为三层的情况下，也能确保最低限度的灵敏度，不过很明显的是在进一步推进微细化时则必须将布线层数设定在两层以下。
[0033]一般在由PD和四个晶体管构成的单位像素中，每个单位像素有必要形成大约四条布线。由此，当像素间距为2.5μm时，若按照0.18μm的设计规则进行设计，则能够将布线层数设为两层。还有，当像素间距为2.0μm时，若按照0.13μm的设计规则进行设计，则能够将布线层数设为两层。
[0034]简单地对设计规则和能够由两层布线形成的像素间距之间的关系进行说明。例如，在第一层布线层形成有信号线、电源线及像素内部的局部布线(local wiring)这三条布线，在第二层布线层形成有兼作遮光罩(light shield)的接地线。此时，在第一层需要三条布线和两个布线间隔。
[0035]当像素间距为2.5μm时，若使用0.18μm的设计规则，则布线部的宽度需要为0.9μm(0.18μm×5)，从而光通过部分的宽度成为1.6μm。还有，当像素间距为2.0μm时，若使用0.13μm的设计规则，则布线部的宽度需要为0.65μm(0.13μm×5)，从而光通过部分的宽度成为1.35μm。理想的是尽可能地提高光通过部分的比例，而还有必要确保该比例至少在60％以上。当像素间距为2.5μm且设计规则为0.18μm时，光通过部分的比例大约为65％，当像素间距为2.0μm且设计规则为0.13μm时，光通过部分的比例大约为67.5％。因此，能够将布线层数设为两层。
[0036]再者，当构成单位像素的晶体管为三个时，则能够削减所需要的布线数，从而能容易将布线层数设为两层。还有，由于能够与晶体管数的减少相应地增加PD的面积，所以能够使灵敏度得以提高。
[0037]将摄像芯片11的感光区域20以外的区域的布线层数设成与感光区域20的布线层数相等的做法在简化芯片的形成工序方面是理想的。不过，减少布线层数，则有可能导致布线在芯片上所占的面积增大。由此，可以将感光区域20以外的区域的布线层数设为三层。
[0038]为了减少摄像芯片11的感光区域20以外的部分的布线层数并使布线所占的面积也减少，理想的是将周边电路部22中尽可能多的部分设置在DSP芯片12一侧。不过，当将水平扫描部23及垂直扫描部24等设置在DSP芯片12侧时，则需要用来连接摄像芯片11和DSP芯片12的大量布线，所以这种做法并不现实。可以在对芯片间的布线数、在芯片间进行布线所引起的噪声的产生、电路规模以及设计简单性等加以考虑的基础上判断将哪个电路块设置在摄像芯片11中。
[0039]例如，在图1中虽然将ADC部34设置在DSP芯片12，不过也可以将ADC部34设置在摄像芯片11。一般来说，ADC部具有数模转换电路，该数模转换电路为了判断数字转换后的值是否正确并进行补正，而将数字转换后的数据再次转换成模拟值。由于数模转换电路具有比较大的电路规模，所以可以将ADC部34中的模数转换电路部分设置在摄像芯片11，而将数模转换电路部分设置在DSP芯片12。
[0040]另一方面，DSP芯片12由于没有布线层数的限制，所以能够自由地进行设计。通过将DSP芯片12的布线层数设定在四层以上，从而能够使DSP芯片12实现小型化。
[0041]通过将摄像芯片11和DSP芯片12制成各自独立的芯片，从而能够利用单独的工序形成摄像芯片11和DSP芯片12。例如，通过使形成在摄像芯片11的晶体管的栅极绝缘膜的膜厚大于形成在DSP芯片12的晶体管的栅极绝缘膜的膜厚，从而能够减少流经摄像芯片11的栅极绝缘膜的漏电流所引起的模拟噪声。
[0042]另一方面，数字电路即DSP芯片12没有必要对模拟噪声加以考虑，所以能够利用最先进的设计规则进行尽可能的微细化加工。
[0043]还有，在摄像芯片11中，能够利用灵活性较大的设计规则来设计元件。由此，通过如图5所示在基板50上形成元件隔离氧化膜61后进行元件隔离、或者如图6所示利用离子注入所形成的元件隔离部62来进行元件隔离，从而能够削减漏电流。
[0044]还有，通过利用灵活性较大的设计规则进行设计，从而还能较容易地进行加热工序。由此，能够如图7所示在PD41中形成p型埋入层63，将PD41制成埋入型光电二极管。通过将PD41制成埋入型光电二极管，从而能够削减来自光电二极管表面的漏电流。
[0045]图8表示的是具有本实施方式的摄像装置芯片组的图像拾取系统。如图8所示，在本实施方式的图像拾取系统中，由微控制器72读取存储在存储装置71中的用来实现电子快门及自动光圈等功能的程序后，对DSP芯片12进行控制。这样一来，通过在图像拾取系统中使用本实施方式的摄像装置芯片组，从而能够使数字照相机、监视相机以及指纹认证装置等图像拾取系统实现高画质化。
[0046]此外，在本实施方式中，虽然列举出将感光区域的布线层数设定为两层的示例，不过也可以将该布线层数设为一层。此时，感光区域以外的区域的布线层数可以为一层，也可以为两层。
(产业上的利用可能性)
[0047]本发明所涉及的摄像装置芯片组能够实现一种使摄像芯片和DSP芯片之间的连接变得容易并且因微细化造成的灵敏度下降幅度小的摄像装置芯片组，所以对于在数字相机等中使用的包括MOS型摄像芯片和数字信号处理芯片的芯片组以及使用该芯片组的图像拾取系统等来说是有用的。

Claims (9)

1.一种摄像装置芯片组，其特征在于：
该摄像装置芯片组，包括：
摄像芯片，形成在第一基板，具有将入射光转换成电信号的多个单位像素、以及驱动该多个单位像素的周边电路部的一部分，和
数字信号处理芯片，形成在第二基板，具有对所述电信号进行转换处理的数字信号处理部、以及所述周边电路部的剩余部分；
在所述第一基板上，形成有第一布线层，
在配置有所述多个单位像素的感光区域，所述第一布线层的层数在两层以下，在其它区域，该第一布线层的层数在三层以下。
2.根据权利要求1所述的摄像装置芯片组，其特征在于：
所述感光区域的所述第一布线层的层数、与其它区域的该第一布线层的层数相等。
3.根据权利要求1所述的摄像装置芯片组，其特征在于：
所述周边电路部具有水平扫描部、垂直扫描部、向所述水平扫描部供给定时信号的水平定时信号发生部、向所述垂直扫描部供给定时信号的垂直定时信号发生部、放大所述电信号的放大部、以及将放大了的电信号转换成数字信号的模数转换部，
所述垂直定时信号发生部和所述模数转换部的至少一部分形成在所述数字信号处理芯片。
4.根据权利要求1所述的摄像装置芯片组，其特征在于：
在所述第二基板上，形成有第二布线层，
所述第二布线层在四层以上。
5.根据权利要求1所述的摄像装置芯片组，其特征在于：
在所述第一基板，形成有第一晶体管，
在所述第二基板，形成有第二晶体管，
所述第一晶体管的栅极绝缘膜比所述第二晶体管的栅极绝缘膜厚。
6.根据权利要求1所述的摄像装置芯片组，其特征在于：
在所述第一基板，形成有第一晶体管，
在所述第二基板，形成有第二晶体管，
所述第一晶体管是按照比所述第二晶体管的最小尺寸大的最小尺寸设计规则形成的。
7.根据权利要求1所述的摄像装置芯片组，其特征在于：
所述多个单位像素一维地排列在所述感光区域。
8.根据权利要求1所述的摄像装置芯片组，其特征在于：
所述多个单位像素二维地排列在所述感光区域。
9.一种图像拾取系统，其特征在于：
该图像拾取系统包括权利要求1～8中任一项所述的摄像装置芯片组。
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