CN102280458A

CN102280458A - 背面照光传感器

Info

Publication number: CN102280458A
Application number: CN2010102028075A
Authority: CN
Inventors: 黄芳铭; 印秉宏; 张中玮
Original assignee: VIA SHANGHENGJING TECHNOLOGY CORP
Current assignee: VIA SHANGHENGJING TECHNOLOGY CORP
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-14

Abstract

一种背面照光传感器，包含有基板、至少一透镜以及至少一像素结构。该基板具有前面以及背面。该透镜形成于该基板的该背面之上，且该像素结构形成于该基板的该前面上的像素区域，其中该像素区域往该基板的深度方向上的投影区域由该透镜所覆盖。该像素结构包含有第一功率节点、第二功率节点、感测元件以及用以降低噪声的电容。该第一功率节点用以接收第一供给电压，而该第二功率节点用以接收不同于该第一供给电压的第二供给电压。该感测元件依据来自该透镜的入射光而产生感测信号。

Description

背面照光传感器

技术领域

本发明涉及一种影像传感器，尤其涉及一种具有降噪声功能的背面照光传感器。

背景技术

随着互补金属氧化物(complementary metal-oxide-metal，CMOS)半导体影像传感器(CMOS image sensor，CIS)中像素尺寸的减小，传感器阵列中降低感测效能的各种因素，如：量子效应(quantum efficiency，QE)、串话干扰(crosstalk)以及暗电流(dark current)等，均会变得更加显著。对公知影像传感器而言，如：前面照度传感器(front side illuminated sensor)，每个像素传感器的透镜均被制造在基板的前面(front side)上。因此，入射光需要穿过金属层所构成的线路间其中多层的电介质(dielectric)才能到达光敏二极管(photodiode)，否则行进中的光会被金属或其他反射性的物质所吸收或反射。由于光的行进路线上不能有金属或任何反射性材质，公知传感器中亦没有空间足以容纳额外的降噪声电路。

请参照图1，其为公知前面照度影像传感器阵列中像素结构的剖面图。如同图1所示，入射光行经微透镜(micro lens)ML、彩色滤光片(colorfilter)CF、多层电介质以及硅质基板(silicon substrate)Si，其中硅质基板Si内具有用以将收集并转换该入射光成为电子信号的光敏二极管(photodiode)P。接触层(contact layer)CO以及金属层M1与M2不可置于该入射光的行进路线之中，否则光敏二极管P便无法以最有效率的方式运作。因此，只有极少数的空间能容许使用金属层来进行布线(touring)，一些功能性的电路(例如：降噪声电路、电压整流电路等)皆难以在这种架构下实现。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有简易降噪声元件的背面照光(backsideilluminated，BSI)传感器，其可有效地降低噪声干扰。

依据本发明的实施例，其提供了一种背面照光传感器，包含有基板、至少一透镜以及至少一像素结构。该基板具有前面以及背面。该透镜形成于该基板的该背面之上。该像素结构包含有第一功率节点、第二功率节点、感测元件以及用以降低噪声的电容。该像素结构形成于该基板的该前面上的像素区域，其中该像素区域往该基板的深度方向上的投影区域由该透镜所覆盖。该第一功率节点用以接收第一供给电压，而该第二功率节点用以接收不同于该第一供给电压的第二供给电压。该感测元件用以依据来自该透镜的入射光来产生感测信号。该电容包含有第一金属元件、第二金属元件以及电介质元件。该第一金属元件与该第二金属元件分别耦接于该第一功率节点与该第二功率节点。该电介质元件则位在该第一金属元件以及该第二金属元件之间。

附图说明

图1为公知前面照度影像传感器阵列中的像素结构的剖面图。

图2为依据本发明的实施所实现的背面照光影像传感器阵列中的像素结构的剖面图。

图3为依据本发明的实施例所实现的像素结构的电路示意图。

图4为依据本发明的实施例所实现的降噪声元件的结构示意图。

图5为依据本发明的另一实施例所实现的降噪声元件的剖面图。

图6为依据本发明的另一实施例所实现的降噪声元件的立体结构示意图。

具体实施方式

请参照图2，其为依据本发明的实施所实现的背面照光(backsideilluminated，BSI)影像传感器阵列中像素结构的剖面图。如图2所示，入射光行经微透镜(micro lens)ML、彩色滤光片(color filter)CF，最后到达硅质基板(silicon substrate)Si中的光敏二极管(photo diode)P。由于该入射光是从硅质基板Si的背面所投射进来，金属层M1、M2与其他线路均位于硅质基板Si的另一面上，故电路的布线也因此有了较大的空间而简单许多，因此，金属层M1与M2便可应用在改善整体效能之上。

请参照图3，其为依据本发明的实施例所实现的像素结构300的电路示意图。像素结构300形成在基板Si的前面(front surface)上的像素区域PA上，像素区域PA在往基板Si的深度方向(thickness direction)D上的投影区域PA’会由微透镜ML所覆盖。像素结构300包含有(但不局限于)用以接收供给电压VDD的第一功率节点NP、用以接收接地电压GND的第二功率节点NG、感测元件310以及耦接于供给电压VDD与接地电压GND之间的降噪声元件320。感测元件310包含有重置晶体管(reset transistor)Rx、输出晶体管(transfer transistor)SF、四个传输晶体管Tx1～Tx4以及四个分别对应传输晶体管Tx1～Tx4的光敏二极管PD1～PD4。重置晶体管Rx具有用以接收重置指令Srx的控制节点、耦接至供给电压VDD的第一节点，以及第二节点。传输晶体管Tx1～Tx4中的每一传输晶体管均具有用以接收传输指令Stx的控制节点、耦接至重置晶体管Rx的该第二节点的第一节点，以及第二节点。光敏二极管PD1～PD4中的每一光敏二极管具有耦接至接地电压GND的第一节点，以及耦接至其所对应的传输晶体管的该第二节点的第二节点。此外，输出晶体管SF(在此实施例中，输出晶体管SF为源极随耦器(sourcefollower))具有耦接至重置晶体管Rx的该第二节点以及所有传输晶体管Tx1～Tx4的该第一节点的控制节点、耦接至降噪声元件320的一端的第一节点，以及用以输出感测信号Sout的第二节点。当感测功能启动时，光敏二极管PD1～PD4会接收该入射光并将其转换为相对应的电子信号。传输晶体管Tx1～Tx4则由转输指令Stx所启动，分别开始将来自相对应光敏二极管PD1～PD4的电子信号传送给输出晶体管SF，在此实施例中，输出晶体管SF是用以作为缓冲器(buffer)，并依据传输晶体管Tx1～Tx4传输的电子信号总和来输出感测信号Sout给后续的处理装置。

当传输晶体管Tx1～Tx4经过相对应的控制节点接收传输指令Stx时，传输晶体管Tx1～Tx4会分别传送光敏二极管PD1～PD4所转换的电子信号给输出晶体管Srx，而输出晶体管SF会依据传输晶体管Tx1～Tx4所传输的电子信号总和来输出感测信号Sout。当重置晶体管Rx被启动时，重置晶体管Rx会强制将输出晶体管SF的该控制节点(例如：闸极)停留预定电位上(在此实施例中，输出晶体管SF的该控制节点上的预定电位为“高电位”)，而感测信号Sout也于是在被强制停留在预定数值。

然而，由于输出晶体管SF在此为源极随耦器，在该第一节点(例如：汲极)上任何的电压抖动均会污染所输出的感测信号Sout。对公知的前面照度传感器来说，大部分的空间须保留给入射光行进之用，在其中加入降噪声电路几乎是不可能的。因此，对公知的前面照度传感器而言，从参考电压(如供给电压VDD与接地电压GND)来的噪声会影响到其中输出晶体管的效能。请再次参照图2，该入射光由基板Si的该背面投射进来，其中的金属层与电介质可以用来提升系统的效能而不会阻挡到该入射光。举例来说，图2中的金属层M1与M2可经由任意的布线来形成电容或是形成其他电路元件。在图3中则引进了降噪声元件320，在此实施例中，降噪声元件320是以电容来实现，用来提供简单而有效的方式以解决供给电压VDD上的稳压问题，并达成降低噪声的目标。然而，上述结构并非用来限制本发明的范畴，举例来说，可应用其他电路来进一步设计较为复杂的结构以达到更佳的效果；此外，降噪声功能的处理对象也不限定为来自参考电压的电源噪声。

降噪声元件320可以采用许多种架构来加以实现，例如：金属-氧化物-金属(metal-oxide-metal，MOM)电容、金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，MIM)电容或是上述两者的结合。为了详细说明上述结构，请分别参照图4、图5以及图6。图4为依据本发明的实施例所实现的降噪声元件320的结构示意图，图5为依据本发明的另一实施例所实现的降噪声元件320的剖面图，而图6为依据本发明的另一实施例所实现的降噪声元件320的立体结构示意图。在图4中，降噪声元件320为应用金属层M1(或是金属层M2)所形成的指叉(interdigital)电容，在图5中，降噪声元件320为金属层M1、金属层M2以及其间的电介质层所形成的金属-绝缘体-金属(MIM)电容，而在图6中，降噪声元件320为三层金属层、灌孔(via)以及其间的介电质所构成的电容。简单来说，任何应用至少一金属层以及电介质与氧化物的背面照光感应器均落在本发明的范畴之内。

综上所述，本发明提供了一种具有降噪声元件的背面照光感应器，该降噪声号元件可以是金属-氧化物-金属电容、金属-绝缘体-金属电容，或是以多个金属层与其间的电介质层所构成的电容。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等修改与变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种背面照光传感器，包含有：

基板，具有前面以及背面；

至少一透镜，形成于所述基板的所述背面之上；以及

至少一像素结构，形成于所述基板的所述前面上的像素区域，其中，所述像素区域往所述基板的深度方向上的投影区域由所述透镜所覆盖，所述像素结构包含有：

第一功率节点，用以接收第一供给电压；

第二功率节点，用以接收不同于所述第一供给电压的第二供给电压；

感测元件，耦接于所述第一功率节点以及所述第二功率节点，用以依据来自所述透镜的入射光来产生感测信号；以及

电容，包含有：

第一金属元件，耦接于所述第一功率节点；

第二金属元件，耦接于所述第二功率节点；以及

电介质元件，位在所述第一金属元件以及所述第二金属元件之间。

2.如权利要求1所述的背面照光传感器，其中，所述电容的所述第一金属元件以及所述二金属元件由单一金属层所形成。

3.如权利要求1所述的背面照光传感器，其中，所述电容的所述第一金属元件以及所述二金属元件由多个金属层所形成。

4.如权利要求1所述的背面照光传感器，其中，所述电容为金属-氧化物-金属电容。

5.如权利要求1所述的背面照光传感器，其中，所述电容为金属-绝缘体-金属电容。

6.如权利要求1所述的背面照光传感器，其中，所述感测元件包含有：

重置晶体管，具有用以接收重置指令的控制节点、耦接至所述第一功率节点的第一节点，以及第二节点；

至少一传输晶体管，具有用以接收传输指令的控制节点、耦接至所述重置晶体管的所述第二节点的第一节点，以及第二节点；

至少一光敏二极管，具有耦接至所述第二功率节点的第一节点，以及耦接至所述传输晶体管的所述第二节点的第二节点；以及

输出晶体管，具有耦接至所述重置晶体管的所述第二节点以及所述传输晶体管的所述第一节点的控制节点、耦接至所述电容的一端的第一节点，以及用以输出所述感测信号的第二节点。

7.如权利要求6所述的背面照光传感器，其中，所述输出晶体管为源极随耦器。