CN106463457A - 具有浮动扩散部互连部电容器的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

图像传感器包括：像素电路，其包括光感测元件和形成在基板中的电荷存储节点；输出元件，其具有形成在基板上方的电极层中的控制电极，输出元件生成与由光感测元件生成并由电荷存储节点保存的电荷相对应的输出信号；以及局部金属互连部，其将电荷存储节点电连接至控制电极。控制像素电路的操作的控制配线形成在位于电极层上方的配线层中。金属互连部形成在位于电极层上方并位于配线层中的最低配线层下方的层中，使得定控制配线中的一个给定控制配线与金属互连部重叠，以便在重叠区域中形成平行板电容器。

Description

具有浮动扩散部互连部电容器的图像传感器
技术领域
本发明涉及一种图像传感器系统，并且特别地但不排他性地涉及一种用于实施电子全局快门的有源像素CMOS图像传感器。
背景技术
数字摄像装置使用图像传感器将入射光能量转换成电信号。图像传感器包括被称为像素的光感测元件的二维阵列。例如，CMOS图像传感器包括感光结构(例如，光电二极管)的n×m阵列以及用于读出和控制的电路元件(通常，光电二极管及其相应的读出和控制晶体管被称为“像素”)。阵列中的每个像素产生与在积分时段期间入射在像素上的光的量相对应的电信号。光感测元件的输出被转换成数字形式，并且被数字地存储以形成代表场景的原始数据。原始数据可被图像处理器处理，以产生再现的数字图像。图像传感器设计包括电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物(CMOS)、数字像素系统(DPS)传感器等。CMOS图像传感器的优点在于它们消耗较低水平的功率。
有源像素CMOS图像传感器被设计成在每个像素处包括控制元件(例如，MOS晶体管)，以控制光电探测器中的光子累积、控制复位并向像素提供转换增益。有源像素CMOS图像传感器可支持卷帘快门模式和/或全局快门模式。
在卷帘快门模式和全局快门模式二者中，通常，信号电荷位于浮动扩散部FD(下面将进一步说明)中，直至该行被读出。在卷帘快门模式中，在被读出之前，信号电荷仅在浮动扩散部上等待几微秒。然而，在全局快门模式中，该时间可以很轻易地为几毫秒。在浮动扩散部等待被读出的时间期间，其可收集大量暗信号，这是因为浮动扩散部暗电流通常相当高(60C时1000-2000e-/s)。该暗信号会增加固定模式噪声(FPN)和随机噪声(temporalnoise)。此外，当信号电荷位于等待被读出的浮动扩散部上时，下一帧正被累积在光电二极管中，并且如果光在信号被读出之前到达浮动扩散部，则来自下一帧的光会使当前帧的图像失真。
因此，本发明提供了一种能够减少流向浮动扩散部的暗电流并且能够防止光到达浮动扩散部的图像传感器。
附图说明
图1示出示例性图像传感器。
图2示出示例性图像传感器。
图3示出示例性像素电路的示意图。
图4示出用于操作像素电路的示例性信号时序图。
图5示出示例性像素电路的示意图。
图6示出用于操作像素电路的示例性信号时序图。
图7A示出示例性图像传感器的截面。
图7B示出示例性图像传感器的截面。
图8示出对比像素电路的布局。
图9示出示例性像素电路的布局。
图10示出示例性像素电路的布局。
图11示出示例性图像传感器的截面。
图12示出示例性图像传感器的截面。
图13示出示例性像素电路的示意图。
图14示出示例性相机。
图15示出卷帘快门模式中获取的图像的几何失真的示例。
具体实施方式
图像传感器-一般构造
图1和图2示出示例性CMOS图像传感器10。图像传感器10形成在半导体基板700(例如，如图7A和图7B示出的硅基板700)上。图像传感器10包括像素区域11，像素110在像素区域11中例如布置成具有n行m列的n×m矩阵形状。像素区域11可包括有效像素区域(未示出)和光学黑像素区域(未示出)。有效像素区域中的像素110用于输出与由图像传感器生成的图像的位(也被称为点或像素)相对应的像素信号。另一方面，光学黑区域中的像素用于输出用作各种噪声消除技术的基准的黑电平信号。通常，光学黑区域中的像素与有效像素区域中的像素110相同，但不同之处在于光学黑区域中的像素被屏蔽入射光。通常，光学黑区域沿像素区域11的一个或多个边沿设置在有效像素区域的周边。像素区域11还可以包括伪像素，这些伪像素可用于执行各种功能，但是它们并不对应于输出图像中的位。在下文中，除非明确地指出，否则当提到“像素110”时，所提到的像素是指用于输出与由图像传感器生成的图像的位相对应的像素信号的像素。每个像素110由作为具有光电转换功能的光接收元件的光电二极管PD以及MOS晶体管构成。下面将进一步讨论像素110的详细构造。
图像传感器包括围绕像素区域11的外围布置的各种驱动部。这些驱动部控制图像传感器的操作，并且在不考虑它们之间的差异时，这些驱动部可被统一地称为“控制部”。像素110的操作被垂直驱动单元12控制，垂直驱动单元向与各像素行连接的各控制线16施加信号。与现有技术类似，垂直驱动单元12可包括地址译码器、移位寄存器等以生成控制脉冲。通过列处理单元13(下面将对其进一步说明)执行从像素110读出信号的操作，列处理单元经由列读出线17连接至各像素列。水平驱动单元14控制列处理单元13的读出操作，并且与现有技术类似，水平驱动单元可包括移位寄存器。系统控制单元15被设置成例如通过生成各种时钟脉冲和控制脉冲来控制垂直驱动单元12、列处理单元13以及水平驱动单元14。由列处理单元13读出的信号被输出至信号处理单元18，信号处理单元执行各种信号处理功能并输出图像数据。作为示例仅描述了该一般构造，并且将理解也可以应用其它构造。例如，类似于列处理输出单元13，可以以列并行方式构造信号处理单元18和/或存储单元(未示出)，使得每列的像素信号并行地受到信号处理。作为另一个示例，信号处理单元18和/或存储单元(未示出)可与像素阵列单元11被包含在相同的集成电路中，或者可以设置在不与像素阵列单元11集成的不同电路中。
如图2所示，列处理单元13可包括每列的模数(“AD”)转换器23。因此，在一次一行地读出像素信号时，以列并行方式执行AD转换。特别地，垂直驱动单元在读出时选取一行，并且所选取行中的每个像素110向与其连接的列读出线17输出信号。每列的AD转换器23并行地对这些信号进行AD转换，并且接着水平驱动单元使AD转换器23将数字信号串行地(即，一次一个地)输出至水平输出线19。
AD转换器23包括比较器31、计数器32、开关33和存储器(锁存器)34。比较器31具有与一条列读出线17连接的一个输入和与由基准信号生成部20生成的基准电压Vref连接的另一个输入。比较器31的输出连接至计数器32，而计数器的输出经由开关33连接至存储器34。对于读出操作，基准信号生成部20使电压Vref从时刻t0起采取斜坡电压形式，该斜坡电压随时间以设定的速率近似线性地改变量值。计数器32在时刻t0处开始计数，且在电压Vref与列读出线17上存在的电势匹配时(称其为时刻t1)，比较器31使其输出翻转，从而使计数器32停止计数。计数器23的计数对应于t0(在Vref开始改变量值时)与t1(在Vref与列读出线17的电势匹配时)之间的时间量。由于已知Vref的变化速率，因此t0与t1之间的时间对应于列读出线17的电势的量值。因此，列读出线17的模拟电势被转换成由计数器23输出的数字值。由计数器23输出的数字值经由开关33被输出至存储器34，在存储器中保存该数字值直至水平驱动单元使存储器经由水平输出线19输出该值。可采用相关双采样(CDS)技术，其中，将复位电平从像素信号中减去，以便抵消像素的复位电平之间的在像素上及在时间上的差异。在CDS技术中，对于每个读出操作，首先，经由列读出线17读出复位信号，接着经由列读出线17读出像素信号，并且将这两个信号相减。优选地，例如，通过在复位信号被读出时使计数器23向下计数并接着在像素信号被读出时使计数器从向下计数值开始向上计数，AD转换器23可自身执行相减。因此，计数器23输出的值等于通过使根据像素信号得到的向上计数与根据复位信号得到的向下计数相减获得的差值，这意味着计数器23的输出值对应于像素信号与复位信号的差值。然而，可在AD转换之前使模拟信号相减，或者可在AD转换之后使数字值相减。
基于被输入至系统控制单元15中的主时钟信号MCK，系统控制单元15可生成用于控制各种其它部件的时钟信号和控制信号，例如，时钟信号CK和控制信号CS1、CS2和CS3等。例如，主时钟信号MCK可从除包括像素区域11的集成电路之外的电路输入(例如，从安装有图像传感器的装置的处理器输入)。
控制线16和列读出线17形成在多个配线层720中，这些配线层彼此层叠，并且在它们之间设置有层间绝缘膜(例如，参照图7A和图7B)。配线层720在半导体基板700的前面侧上形成在像素的顶部。
在本发明的实施例中，图像传感器10可以是单色传感器或具有滤色器阵列的彩色传感器。为了实现彩色图像传感器，如图7A和图7B所示，在像素阵列上叠加与每个像素元件相关的选择性传输滤色器740的阵列，每个滤色器740过滤某个预定波长的光。也可以以任何方式布置滤色器740的阵列。例如，滤色器阵列可包括以拜耳(Bayer)图案布置的红色、绿色和蓝色(RGB)滤色器。根据从彩色图像传感器获取的像素数据，在图像处理流程中使用去马赛克算法来生成彩色图像。
如图7A和图7B所示，图像传感器还可包括片上透镜层750，片上透镜层可包括多个微透镜。每个微透镜可形成为对应于一个或多个光电二极管，并被构造成将入射光聚集至相应的一个或多个光电二极管。
图像传感器10可用于前侧照射型传感器或背侧照射型传感器。前侧照射型图像传感器被构造成由来自半导体基板700的前面侧的光照射(回想一下，半导体基板700的前表面是上面形成有配线层的表面)。图7A示出前侧照射型图像传感器的示例。另一方面，背侧照射型图像传感器被构造成从半导体基板700的背面侧(即，与形成有配线层的侧相对的侧)被照射。图7B示出背侧照射型图像传感器的示例。如果设置用于图像传感器10的滤色器层740和/或片上透镜层750，则将它们布置在半导体基板700的被照射光的一侧上。因此，在前侧照射型图像传感器中，滤色器层740、片上透镜层750和配线层720共同设置在半导体基板700的相同侧上，而在背侧照射型图像传感器中，滤色器层740和片上透镜层750设置在与上面设置有配线层的一侧相对的一侧上。背侧照射传感器可通过如下步骤形成：首先，在透明基板700的前侧上形成像素和配线层720；并其后将芯片翻转，且在基板700的背侧上形成片上光学系统(诸如滤色器740和微透镜阵列750等)。背侧照射传感器的优点在于，无论它们的构造如何，配线层720的配线不会阻挡任何光到达PD，由此增加了传感器的灵敏度。前侧照射传感器的优点在于，制作简单且成本低。
像素电路-一般构造和操作
图3和图5分别示出像素110的示例性示意构造，特别地示出由像素110a和110b代表的构造(下面将进一步讨论)。由于这些示意构造是一般性的，并因而没有示出作为本发明的实施例的特征的某些细节，例如，将在下面更详细地讨论的互连部950的具体设计等。然而，本发明的像素110并不局限于这些示例性示意构造。因此，例如，在不背离本发明的范围的情况下，可向像素110a/b增加新的晶体管，或者可从像素110a/b中移除已有晶体管或将它们重新布置在像素110a/b中。因此，像素110可被示意地构造成使用目前已知的或待开发的包括通过互连部连接到读出节点的电荷存储节点的任意普通有源像素架构。图4和图6分别示出卷帘快门模式或全局快门模式中的像素110a和110b的操作。可以理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以使用不同的操作步骤。2006年的《微电子学杂志(Microelectronics Journal)》中的由Bigas等人发表的“CMOS图像传感器概述(Review ofCMOS image sensors)”对示例性有源像素架构进行了说明。
两种类型的全局快门架构包括第一类型架构和第二类型架构，在第一类型架构中，光电二极管电荷被直接传输至一节点，且稍后从该节点读出光电二极管电荷，且在第二类型架构中，光电二极管电荷首先被传输至中间节点，并接着被传输至第三节点(未示出)，且稍后从第三节点读出光电二极管电荷。由于第二类型架构需要额外的电路元件，这降低光电二极管的填充系数(fill factor)，并因此降低了像素灵敏度和量子效率。因此，在填充系数很重要的较小像素中，诸如图3和图5示出的那些像素110a/b等第一类型结构是优选的(虽然第二类型结构显然处于本发明的范围内)。
图3示出可以在卷帘快门模式或全局快门模式中操作的示例性像素110a的示意图，但是通常该像素用于卷帘快门模式。像素110a包括将入射光转换成电荷的光电二极管PD(有时被简称为“PD”)、控制由PD积累的电荷的传输的传输栅极晶体管M3、接收从PD传输的电荷的浮动扩散部FD(有时被简称为“FD”)、生成与FD的电荷的电势相对应的像素信号的放大晶体管M4、控制像素信号的读出的读出晶体管M2以及控制FD的复位的复位晶体管M1。
图5示出可以在卷帘快门模式或全局快门模式中操作的示例性像素110b的示意图，但是通常该像素用于全局快门模式。像素110b可包括与像素110a相同的电路元件，并且还包括全局快门晶体管M5，以控制像素110b的积分时段的开始。
在卷帘快门模式和全局快门模式二者中，当像素110a/b的PD被复位时，开始像素110a/b的积分时段，并且当电荷经由传输栅极晶体管M3被从PD传输时，像素的积分时段结束。PD的复位清除积累在PD中的任何电荷，并且开始新的积分时段。
图4示出像素110a在卷帘快门模式中的操作。当图像传感器在非操作时段之后首先开始图像感测操作时，可进行初始操作以对PD进行确认复位(affirmative resetting)，在该初始操作中，传输栅极晶体管M3和复位晶体管M1分别通过线TG和RSG被同时导通，由此将PD连接至承载电源电压Vdd的电源线216。从而，清除积累在PD中的任何电荷，并且开始新的积分时段，在积分时段期间，PD以与PD上的入射光量相对应的速率积累电荷。在积分时段Tint结束之前，经由RSG上的脉冲即刻再次使复位晶体管M1导通，清除积累在FD中的任何电荷(例如，来自暗电流的电荷)，并且读出晶体管M2也经由线ROS被导通，从而允许读出与FD的复位电平相对应的信号。复位电平信号可用于相关双采样(CDS)或其它噪声校正技术。接着，经由TG再次使传输栅极晶体管M3导通，从而将积累在PD中的电荷传输至FD。这清除了PD的电荷并使积分时段结束。然后，使读出栅极导通(或在读出复位电平之后仅简单地保持在ON状态下)，从而使在电荷传输之后的FD的电势作为像素电平信号被读出至列读出线17(位线)。
可将电荷从PD至FD的传输视为PD的有效复位操作，并因此在传输栅极晶体管M3被关断时立即开始下一帧的积分时段。然而，对于像素110a的像素架构，更通常地，在像素电平信号被读出之后可进行另一确认复位操作，在这种情况下，在复位(与仅通过将电荷从PD传输到FD实现的PD有效复位相比，PD的确认复位意味着PD连接至电源线216)之后可立即开始下一帧的积分时段。
在卷帘快门模式中，在逐行的基础上执行动作。因此，如图4所示，每行像素开始积分时段(即，使其光电二极管复位)的时间晚于前一行像素开始积分时段的时间。因此，虽然所有行的积分时段的持续时间相同，但积分时段的开始时间和结束时间对于每行来说是不同的。相应地，由于当物体移动穿过传感器的视场时，该物体会在不同的时间点处被每个行成像，因此在卷帘快门时序的情况下，快速移动的物体变得失真。例如，从右向左快速移动的物体的垂直边可在拍摄图像中被显示为向右倾斜的斜线，这是因为当第1行曝光完成时该边可能在列m中，当第2行曝光完成时该边可能在列m-1中，当第3行曝光完成时该边可能在列m-2中，以此类推。图像中的卷帘快门伪影(rolling shutter artifact)的示例可参照图16。
另一方面，在全局快门模式中，整个图像传感器中的所有像素同时开始和停止曝光或光累积，因此，由场景中的运动导致的几何失真问题被抑制。在使用物体的垂直边的以上示例的情况下，由于对于所有像素来说曝光同时开始和结束，因此该垂直边在拍摄图像中表现为垂直线。
图6示出像素110b在全局快门模式中的操作。该操作类似于图4示出的操作，当不同之处在于在图6中，所有像素同时被复位(“全局PD复位”)，并且所有像素同时进行电荷传输操作(“全局传输”)。此外，相比于在确认复位操作中使传输栅极晶体管M3和复位晶体管M1一起导通的像素110，像素110b仅通过经由线AB使全局快门晶体管M5导通就可以完成PD的确认复位。经由全局快门晶体管M5来复位FD使得能够对像素的PD进行确认复位，而不会影响FD中保持的电荷。
在理论上，如果所有像素的PD被同时复位并且电荷被同时传输(未示出)，则像素110a也可进行全局快门操作。然而，全局快门优选使用像素110b来实施，该像素允许经由全局快门晶体管M5进行PD的确认复位。这是因为仅可在从第(n-1)帧中读出所有像素电平信号之后进行像素110a中的第n帧的全局复位操作，而在像素110b中，由于PD复位操作不会清除像素110b中的FD电荷，因此在从第(n-1)帧中读出所有像素电平信号之前就可进行第n帧的全局复位操作。由于当PD被复位时会开始下一个积分时段，并且相比于像素110a，像素110b中PD可更快地被复位，因此像素110b中的积分时段之间的时间小于像素110a中的积分时段之间的时间。减小积分时段之间的时间会增加图像传感器的最大帧速率，因此相比于像素110a，像素110b可以更高的帧速率来进行全局快门操作。
图7A和图7B示出像素110的截面层图。图8更详细地示出对比示例的像素110b的布局的平面图。图9和图10更详细地示出本实施例的像素110b的布局的平面图。应当理解，类似布局也可用于像素110a，其中，简单地省略了晶体管M5和线AB。
如图7A和图7B所示，像素110形成在基板700上。在基板700中，可通过对基板700进行掺杂来形成PD区域705。也可通过适当地对基板700进行掺杂以形成晶体管的源极/漏极和沟道区域并沉积其栅极电极来形成晶体管。栅极电极可布置在形成在基板700上的晶体管栅极层710中，并可由诸如多晶硅等导电材料制成。图7A和图7B仅示出传输栅极晶体管M3，传输栅极晶体管具有形成在晶体管栅极层710中的栅极电极713，传输栅极晶体管M3的源极为PD的一部分，并且传输栅极晶体管M3的漏极为FD的一部分。金属配线层720形成在晶体管栅极层710的顶部，并且层间绝缘膜布置在金属配线层720和晶体管栅极层710之间。金属配线层720包括像素阵列的各种控制线和读出线，例如，将像素连接至外围读出和控制电路的控制线16和读出线17等。金属配线层720可还包括将单个像素110内的各种元件局部地互相连接的一些局部金属互连部。金属配线层720包括彼此堆叠的多个不同的金属配线层，并且在它们之间布置有层间绝缘膜。最低的金属配线层在本领域中被称为M1配线层，堆叠在M1配线层上的下一个配线层被称为M2配线层，以此类推。金属配线层720的金属配线经由以穿过层间绝缘膜的方式延伸的接触部730连接至像素元件。例如，如图7A和图7B所示，传输栅极晶体管M3的栅极电极713经由接触部730连接至M1配线层中包括的传输栅极线TG。
详细像素布局-对比示例
如上所述，如论它们的一般构造如何，本发明的像素110包括将电荷存储节点连接至读出节点的局部互连部。本发明实施例的各种优点均与其它像素元件的有关局部互连部的布局相关。为了有助于理解这些优点，首先将考虑如下对比示例，该对比示例的局部互连部的布局不同于本发明的实施例的局部互连部的布局。图8示出对比示例的像素110的布局。图8详细地示出PD、FD、晶体管M3的栅极电极713、传输栅极线TG(其为M1配线中的一条配线)以及局部互连部730的布局。之所以示意地示出像素的其它元件，是因为此时并不关心它们的具体布局。这些其它像素元件包括晶体管M1的栅极电极811、晶体管M2的栅极电极812、晶体管M4的栅极电极814、配线316、复位栅极线RSG以及读出选取线ROS。虽然在实践中，相邻像素的电路元件可位于图8示出的布局区域的各种部分中，但是为简单起见，并未示出相邻像素的电路元件。PD经由传输栅极晶体管M3的栅极电极713连接至FD。传输栅极线TG被包括在M1配线层中，并连接至栅极电极713。复位栅极线RSG连接至栅极电极811。读出选取线ROS连接至栅极电极812。电源线316连接至晶体管M1和M4。列读出线17连接至晶体管M2。如上所述，像素110的各种晶体管的栅极电极布置在基板的表面上，并且配线布置在栅极电极上方的配线层中。因此，接触部730可将配线连接至各种像素元件。除位于M1配线层(最低配线层)中的TG线和互连部850之外，在图8未详细指明各种配线布置在哪个配线层中。
在对比示例中，FD通过M1层中包括的局部互连部配线850连接至放大晶体管M4的栅极814。电荷经由互连部850被从FD传输至放大晶体管M4的栅极814。互连部850也布置在FD区域上方，使得其可用作FD的光屏蔽部以便阻挡杂散光。然而，互连部配线850只是勉强覆盖FD区域，并因此一些杂散光可从互连部配线850的侧面周围进入FD区域并进入配线850与TG线之间的间隙。尽管通过扩展互连部配线850以覆盖围绕FD的更多区域能够减少一些这种杂散光，但是其缺点在于会降低填充系数和像素灵敏度的不利效果。这些不利效果的出现是因为互连部配线850的扩展势必导致TG线移动相应的量以便为互连部配线850的扩展提供空间(必须维持互连部配线850与TG线之间的最小配线距离)，从而使得TG线会进一步侵占PD区域并阻挡应当到达PD区域的一些光。
详细像素布局-示例性实施例
图9和图10通过本发明的示例性实施例的平面图详细地示出像素布局。如同图8，图9和图10详细地示出一些电路元件的布局，且同时仅示意性地示出其它电路元件(目前不关心它们的详细布局)。图9的示例性实施例的像素的布局类似于上面针对对比示例描述的布局，但不同之处在于设置了互连部950以代替互连部850。此外，图9还示出晶体管M5的栅极电极815和全局快门线AB。
不同于对比示例的互连部850，互连部950不被包括在M1配线层中。相反，互连部950被包括在晶体管栅极层610与M1配线层之间。此外，互连部950被布局成与M1配线中的一条配线(例如，图中的TG)重叠。通过以这种方式布局互连部950，通过互连部950和其它电路元件形成电容器1400(参见图13)，从而降低了FD的尺寸。如下面进一步所讨论，FD尺寸的这种降低尤其是有利的。此外，由于互连部950位于M1配线与栅极电极之间，所以传输栅极线TG可完全覆盖FD，从而在某个前侧照射型图像传感器实施例中可更有效地用作FD的光屏蔽部。
类似于互连部850，互连部950是将FD连接至放大晶体管M4的栅极814的局部互连部配线。电荷经由互连部950被从FD传输至放大晶体管M4的栅极814。
在示例性实施例中，TG线布置成与互连部950重叠，优选地基本上与全部互连部950重叠。由于互连部950和TG线互相重叠且在二者之间具有小的间隔，因此互连部950和TG线形成电容器1400。因此，除充当在FD与栅极814之间传输电荷的局部电荷路由配线之外，互连部950还用作电容器的电极。图13示意地示出电容器1400在像素110b中的位置，并且应当理解，在像素110a的示意图中电容器1400也具有相似位置。
由互连部950形成的电容器1400的电容允许将FD的区域制作得更小，这是非常有利的。随着浮动扩散结的区域变小，流动至浮动扩散结的暗电流量也减少。因此，减少FD的区域可降低与暗电流相关的噪声。此外，随着FD的区域变小，可更容易地向FD提供光屏蔽，而不会降低填充系数。
然而，为了减少噪声也不能简单地任意地减少FD的区域，这是因为减少FD的区域也会降低其可保持的电荷量。FD的区域必须充分大，使得FD能够保持PD的全饱和电荷(fullsaturation charge)。因此，在对比示例中，FD区域不能减少至超过某一最小值，这是因为这样做会使得FD不能保持PD的全饱和电荷。
另一方面，在示例性实施例中，由互连部950形成的电容器1400向FD提供了额外的电荷存储容量，这使得FD的区域能够减少至低于对比示例中的FD的最小值，且同时依然能够确保FD可以保持光电二极管的全饱和电荷。
此外，互连部950的至少一部分布置在TG线与栅极电极713之间，使得TG线与互连部950的与栅极电极713重叠的该部分重叠。回想一下，由于TG线和栅极电极713互相连接，且因此它们基本为等电势。因此，在该重叠区域中，互连部950与TG线、多晶硅栅极电极713形成了所谓的双电容器。标准电容器包括紧密靠近的两个电极，例如两个重叠的平行板。另一方面，双电容器包括紧密靠近的三个电极，其中，第一电极和第三电极为等电势，并且第二电极布置在第一电极和第三电极之间。从图中可以清楚地看出，由互连部950形成的电容器1400的一部分为双电容器形式，而电容器1400的其它部分为单电容器形式。双电容器的电容是类似大小的单电容器的电容的两倍。因此，将电容器1400的一部分形成为双电容器大大增加了电容器1400的电容。因此，由于双电容器增加的容量，可以甚至进一步对应地减少FD的区域。
在以上说明中，电容器1400由TG线、栅极电极713和互连部950形成。然而，该构造仅为示例性的，并且只要互连部950布置在栅极电极层和M1配线层之间并且在至少一个栅极电极和M1配线之间形成双电容器，就可以使用除TG线和栅极电极713之外的电路元件来形成电容器1400。例如，在复位栅极线RSG为M1配线的情况下，互连部950可与复位栅极线RSG重叠，并且可使用复位栅极线RSG和栅极电极811来形成双电容器。
此外，如图10所示，TG线可被延伸成包括覆盖相邻像素之间的边界区域的虚设部960。虚设部960之所以是“虚设”部，是因为其并不是电路元件之间的直接电流路径，而仅是从主电流路径延伸出的“死端(dead-end)”分支。在某个前侧照射型图像传感器实施例中，这种虚设部960可设置在TG线中，以在像素之间形成光屏蔽部，以便减少当光从像素的透镜/滤色器渗入至相邻像素的PD时出现的颜色混合。此外，在前侧或背侧型图像传感器实施例中，虚设部960还可设置成增加电容器1400的电容。如图10所示，当这种虚设部960设置在TG线中时，互连部950可有利地延伸成与部分或全部的虚设部960重叠。这增加了TG线与互连部950之间的重叠区域，由此增加了由互连部950形成的电容器的电容。
图11示出沿图9的线B-B'获得的截面图。如该图所示，互连部950在TG线与栅极电极713之间形成双电容器。优选地，互连部950应当很薄，使得在添加互连部950时，图像传感器在与基板700垂直的方向(即，图中的垂直方向，在下文中被简称为“垂直方向”)上的厚度不会明显增加(与对比示例情况下的图像传感器的厚度相比)。
例如，优选地，互连部950在垂直方向上应当具有小于的厚度t。当互连部950的厚度小于时，不会由于添加了互连部950而需要显著地增加基板700与M1配线层之间的距离。这使得可将传感器10保持为较薄，这是图像传感器10的期望特征。根据标准配线布局规则，必须将互连部950与栅极电极713之间的距离以及互连部950与TG线之间的距离保持大于某一最小值，以便维持适当的电路操作(例如，以防止电击穿)。因此，与栅极电极713之间以及与TG线之间的最小可能距离将取决于互连部950的厚度。当互连部950的厚度为以下时，则在包括互连部950时与栅极电极713之间以及与TG线之间的最小可能距离基本等于在不包括互连部950时与栅极电极713之间以及与TG线之间的最小可能距离(例如，用于防止M1配线层与栅极电极之间的干扰的最小距离)，因此，不必将包括互连部950的图像传感器10制作成比不包括互连部950的图像传感器10更厚。
图12示出沿图9的线A-A'获得的截面图。如图12以及图9所示，互连部950也可被夹持在TG线与栅极电极811之间，由此进一步增加其电容。由于栅极电极811和TG线不一定等电势，因此根据以上定义的双电容器不一定形成在栅极电极811、互连部950和TG线之间。然而，由于电容存在于栅极电极811与互连部950之间，因此与栅极电极811的重叠依然会增加由互连部950形成的电容器1400的电容。
从字面上来讲，在任何两种不同电势的相异导电物体之间均存在一些电容(也许是无穷小的)。该电容取决于各种因素，这些因素包括物体的形状、它们之间的距离以及这两个导电物体之间的任何材料的介电常数。一般来说，该电容与这两个导电物体的重叠区域成正比，并且与它们之间的距离成反比。因此，任何两个电路元件可具有较小的非预期互电容，在本领域中，互电容通常被称为“杂散”或“寄生”电容。在本领域中，对“电容器”和两个电路元件之间的“杂散”或“寄生”电容进行区分是通常的做法。至少通过两种方式将作为“电容器”的电路元件与仅具有寄生电容的电路元件区分开：第一，其执行的功能；第二，其电容的大小。电容器被具体地设计成至少部分地用作电容器，而通常寄生电容是非预期的。此外，相比于在相同电路中产生的寄生电容，通常电容器具有相对较大的电容(特别地，充分大以执行电容器旨在进行的具体功能的电容)。特别地，当其执行存储电荷的功能时，并且当相比于其它电路元件之间的值εA/L，准电容器的值εA/L更大时，可将该元件视为电容器，其中，A为两种导电材料的重叠区域，L为材料之间的距离，并且ε为两种导电材料之间的材料的介电常数。特别地，由互连部950形成的电容器1400被构造成存储被从PD传输至FD的电荷，并且该电容器必须具有充分大的电容，使得电容器1400和FD可共同保持PD的全饱和电荷。
因此，在某些实施例中，在由互连部950形成的电容器1400中，使互连部950与TG线之间的距离以及互连部950与栅极电极713之间的距离尽可能小，以便增加电容器1400的电容。特别地，在某些实施例中，电容器1400的电极之间的距离均至少小于d2，更优选地，约为1/2d2，即其中，d2为在不包括互连部950的情况下与栅极电极713之间以及与TG线之间的最小可能距离(例如，根据配线规则设置的为了防止M1配线层与栅极电极之间的干扰的最小距离)。这有助于确保充分的容量，以保持PD的全饱和电荷。
此外，如图12所示，在某些实施例中，在FD周围包括深p型阻挡部。这有助于防止从杂散光中生成的寄生电子扩散至FD中。此外，除在FD周围之外，也能够在基板700表面的位置处包括深p型阻挡部，特别地，可将深p型植入物植入在没有针对另一目的而被特别掺杂的任何区域中(例如，排除诸如PD、FD和晶体管的源极/漏极区域等区域)。
在某些实施例中，互连部950由金属制成，在这些实施例的一些实施例中，该金属为适于用作铝或铜扩散阻挡部的金属。例如，一些合适材料包括TiTiN、Ta、TaN和TiW。在一个优选实施例中，使用TiTiN。
图9-12示出可被应用至前侧照射型或背侧照射型图像传感器的像素构造和布局。因此，本发明的某些实施例包括前侧照射型图像传感器，且本发明的某些其它实施例包括背侧照射型图像传感器。取决于图像传感器的类型，像素110的电路元件和/或配线层720的配线的具体布局可以不同。例如，在前侧照射型图像传感器中，优选地，将配线层720的配线布置成允许最需要的光到达光电二极管PD，并阻挡大多数寄生光到达光电二极管PD。另一方面，在背侧照射型图像传感器中，由于配线层720的配线并不阻挡光到达光电二极管PD，因此，可以不考虑以上与光阻挡相关顾虑而布置配线。图9-12示出的电路元件和配线的具体布局仅为示例性的，并且可以在不背离本发明的范围的情况下进行变化。在某些实施例中，只要双电容器1400由互连部950、M1层中的配线和像素110的晶体管的栅极电极形成，元件的布局就是不重要的。在其它实施例中，元件的具体布局可以是很重要的。因此，仅当特定布局被记载在所附权利要求中时及达到这种程度时，该权利要求的范围应当仅限于这种布局。
互连部950的有益效果
如上所述，互连部950带来的优点在于，与其它方式相比，它允许将FD区域制做成更小。将FD区域变得更小的优点在于其减少了暗噪声。此外，随着浮动扩散部的尺寸变小，到达该区域的杂散光量也减少，并且这可以更容易地对FD区域进行光屏蔽。
此外，如果图像传感器10为前侧照射型图像传感器，则与对比示例的情况相比，互连部950还更有效地对FD区域进行光屏蔽。由于互连部950未处于M1层中(相比于对比示例的互连部850)，因此M1层中的TG线可完全覆盖FD以及围绕FD的区域。如以上所讨论，在对比示例中，互连部配线850只是勉强覆盖FD区域，这使得一些杂散光从互连部配线850的侧面周围进入FD区域，并且不能够在不降低像素的填充系数的情况下扩展成覆盖FD区域周围的更多区域。然而，当使用互连部950时，相比于互连部850，在不降低填充系数的情况下，TG线可覆盖FD周围的更多区域，进而降低进入FD的杂散光量。
电子设备
电子设备可被构造成包括上述图像传感器10。例如，电子设备可包括数字相机(这些数字相机均被构造成获取静止图像和运动图像)、蜂窝电话、智能电话、平板设备、个人数字助理(PDA)、笔记本计算机、台式计算机、网络摄像机、望远镜、用于科学实验的传感器以及有利地检测光和/或拍摄图像的任何电子设备。
图14示出数字相机形式的示例性电子设备，下面将对其进行说明。然而，本领域的技术人员将理解，图像传感器10也可设置在特征类似于图14示出的相机的特征的不同电子设备中，并且电子设备可包括图14未示出的其它特征和/或可适当地省略图14示出的某些特征。相机1400设置有被构造成将光引导至图像传感器10的光学系统1401。特别地，设置有物镜，该物镜被构造成将光聚集在图像传感器10的入射光侧附近的焦点处。物镜可包括单透镜、透镜组或多个透镜组。例如，可设置变焦透镜，其中，多个透镜组相对彼此进行移动，以便进行放大或缩小。此外，可设置聚焦机构，以便例如通过相对彼此移动物镜和/或图像传感器10来为相机提供聚焦功能。
此外，数字信号处理部(DSP)1402可设置成对从图像传感器10接收的信号进行信号处理，存储部1403可设置成存储由图像传感器10生成的数据，控制部1404可设置成控制图像传感器10的操作，电源部1405可设置成向图像传感器10提供电力，并且输出单元1406可设置成输出所拍摄的图像数据。控制部1404可包括执行存储在非易失性计算机可读介质(例如，存储部1403中包括的存储器)上的指令的处理器。输出单元1406可以为有助于将所存储的数据传输至外部装置和/或在显示装置上将所存储的数据显示为图像的接口，该显示装置可以设置成与相机1400分离或与该相机集成。
图像传感器10在自身中可包括各种部件以对由像素阵列生成的像素信号进行信号处理，并且/或者，这些信号处理部可设置在与图像传感器10分离的电子设备中。优选地，图像传感器10自身执行某些信号处理功能，特别地，模数转换以及CDS噪声消除。优选地，电子设备也可执行某些信号处理功，例如，将来自图像传感器10的原始数据经由处理器和/或经由诸如视频编码器/解码器单元等专用信号处理部转换成图像/视频存储格式(例如，MPEG-4或任何已知格式)。
通常，诸如上述电子设备等计算系统和/或装置可采用多个计算机操作系统中的任意一者，多个计算机操作系统包括但绝不限于：Microsoft操作系统、Unix操作系统(例如，由Oracle Corporation of redwood Shores,California发布的操作系统)、由International Business Machines of Armonk,New York分布的AIX UNIX操作系统、Linux操作系统、由Apple Inc.of Cupertino,California发布的Mac OS X和iOS操作系统、由Research In Motion of Waterloo,Canada发布的BlackBerry OS以及由OpenHandset Alliance开发的Android操作系统的各种版本和/或种类。
通常，计算装置包括计算机可执行指令，其中，这些指令可由一个或多个诸如上面列出的那些计算装置等计算装置执行。计算机可执行指令可根据通过使用多种编程语言和/或技术生成的计算机程序进行编译或解译，多种编程语言和/或技术包括但不限于(单独地或组合地)：JavaTM、C、C++、C#、ObjectiveC、VisualBasic、JavaScript、Perl等。通常，处理器(例如，微处理器)例如从存储器、计算机可读介质等中接收指令，并且执行这些指令，由此执行包括本文所述的一个或多个处理的一个或多个处理。可使用多种计算机可读介质来存储并传输这些指令和其它数据。
计算机可读介质(也被称为处理器可读介质)包括参与提供可被计算机(例如计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的任何非易失性(例如，有形的)介质。这种介质可以采取许多形式，这些形式包括但不限于：非易失性介质和易失性介质。例如，非易失性介质可包括光盘或磁盘和其它持久性存储器。例如，易失性介质可包括通常构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。这些指令可通过一个或多个传输介质进行传输，传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括包含连接至计算机的处理器的系统总线的配线。例如，计算机可读介质的普通形式包括：软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其它磁介质、CD-ROM、DVD、任何其它光学介质、穿孔卡、纸带、带孔图案的任何其它物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其它存储器芯片或盒或计算机可读的任何其它介质。
关于本文所说明的处理、系统、方法、启发等，应当理解，尽管这种处理的步骤被说明为根据某有序序列发生，但是这种处理可以利用按照除本文所说明的顺序之外的顺序执行的所说明步骤来实施。还应当理解，可以同时进行某些步骤，并且可以增加其它步骤，或者可省略本文所说明的某些步骤。换言之，本文对处理进行的说明是出于说明某些实施例的目的而提供的，并且不应以任何方式解释为限制权利要求。
因此，应当理解以上说明旨在为说明性的而不是限制性的。在阅读以上说明的基础上，除所提供示例之外的许多实施例和应用将是显而易见的。范围不应当参考上述说明来确定，而是应当参考所附权利要求以及这些权利要求的等同物的全部范围来确定。可以期望和预期的是，本文讨论的技术中将会出现未来发展，并且所披露的系统和方法将被并入这些未来实施例中。总之，应当理解，本申请能够进行修改和变化。
权利要求中使用的所有术语旨在被给予它们最广泛的合理解释以及如本文所说明的技术人员所理解的它们的普通含义，除非在本文中明确作出相反的指示。特别地，诸如“一个”、“该”、“所述”等单数冠词的使用应当被理解为记载一个或多个所指示的元件，除非权利要求明确表明了相反的限制。
提供本发明的摘要以允许读者快速确定本技术公开的性质。提交摘要时将理解其不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在前述详细说明中，可以看出，出于简化本发明的目的，在各种实施例中将各种特征组合在一起。本发明的方法不应被解释为具有使所要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明主题比单个公开的实施例的所有特征少。因此，所附权利要求被并入具体实施方式中，其中每个权利要求自身作为单独要求保护的主题而存在。

Claims (28)

1.一种图像传感器，其包括：
二维地排列的多个像素，所述多个像素中的每个像素包括光感测元件、电荷存储节点、位于所述光感测元件与所述存储节点之间的传输元件、输出元件以及将所述电荷存储节点连接至所述输出元件的控制电极的局部金属互连部，
其中，所述局部金属互连部与所述传输元件的控制电极以及与位于M1配线层中的给定像素控制配线形成平行板双电容器。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，在平面视角中，所述局部金属互连部和所述给定配线共同地完全覆盖所述电荷存储节点。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述电荷存储节点包括浮动扩散区域。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述浮动扩散区域的尺寸小于所述浮动扩散区域在独自存储所述光感测元件的全饱和电荷时所需的最小尺寸。
5.根据权利要求3所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，在所述浮动扩散区域周围布置有深p型阻挡部。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述深p型阻挡部围绕包括所述光感测元件和所述浮动扩散部的像素区域。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述局部金属互连部在与基板的上表面垂直的方向上具有小于的厚度，在所述基板中形成有所述光电二极管。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述图像传感器被构造为背侧照射型图像传感器。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述局部金属互连部由TiTiN构成。
10.一种包括如权利要求1所述的图像传感器的电子设备。
11.一种图像传感器，其包括：
二维地排列的多个像素；以及
多条控制配线，所述多条控制配线形成在配线层中，并且所述多条控制配线中的每条控制配线连接至所述多个像素中的多于一个的像素，所述多条控制配线控制所述多个像素的操作，
其中，所述多个像素中的每个像素包括：
光感测元件，其被构造成产生电荷；
电荷存储节点，其被构造成至少在已进行读出操作之前保持由所述光感测元件产生的所述电荷；
输出元件，其被构造成产生与在进行所述读出操作时的所述电荷相对应的像素输出信号；以及
局部金属互连部，其将所述电荷存储节点电连接至所述输出元件的控制电极，
其中，所述局部金属互连部形成在位于所述输出元件的所述控制电极上方并位于所述配线层中的最低配线层下方的层中，并且被构造成使得所述多条控制配线中的给定配线在平面视角中与所述局部金属互连部重叠，以在所述局部金属互连部与所述给定配线之间的重叠区域中形成平行板电容器。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，在平面视角中，所述局部金属互连部和所述给定配线共同地完全覆盖所述电荷存储节点。
13.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，所述多个像素中的每个像素包括被构造成选择性地将所述光感测元件连接至所述电荷存储节点的传输元件，所述传输元件的控制电极的至少一部分在平面视角中既与所述局部金属互连部重叠又与所述给定配线重叠，使得所述平行板电容器的至少一部分为双电容器。
14.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述电荷存储节点包括浮动扩散区域。
15.根据权利要求13所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述浮动扩散区域的尺寸小于所述浮动扩散区域在独自存储所述光感测元件的全饱和电荷时所需的最小尺寸。
16.根据权利要求13所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，在所述浮动扩散区域周围布置有深p型阻挡部。
17.根据权利要求15所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述深p型阻挡部围绕包括所述光感测元件和所述浮动扩散部的像素区域。
18.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述局部金属互连部在与所述基板的上表面垂直的方向上具有小于的厚度。
19.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述局部金属互连部由TiTiN组成。
20.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述给定配线在平面视角中基本上与整个所述局部金属互连部重叠。
21.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的至少一部分像素，所述给定配线包括虚设部，所述虚设部延伸至相邻像素之间的边界区域中，并且所述局部金属互连部延伸至所述边界区域中，以与所述虚设部重叠。
22.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述光感测元件为光电二极管，所述电荷存储节点为浮动扩散区域，所述输出元件包括放大晶体管，并且所述输出元件的所述控制电极包括所述放大晶体管的栅极电极，所述多个像素中的每个像素还包括：
传输晶体管，其被构造成选择性地将所述光电二极管连接至所述浮动扩散区域，并且包括形成在所述电极层中并连接至所述给定配线的多晶硅栅极电极；
复位晶体管，其被构造成选择性地将所述浮动扩散区域连接至电源线；以及
读出晶体管，其连接至所述放大晶体管，并被构造成选择性地执行所述读出操作，由此将所述像素信号电平读出。
23.根据权利要求21所述的图像传感器，
其中，所述多个像素中的每个像素包括被构造成选择性地将所述光电二极管连接至所述电源线的全局快门晶体管。
24.根据权利要求22所述的图像传感器，
其中，所述控制配线经由所述控制配线上承载的控制信号来控制所述多个像素的操作，所述控制信号通过控制部被施加至所述控制配线，并且
所述控制部被构造成在全局快门模式中进行操作，在所述全局快门模式中，经由所述全局快门晶体管的切换使所述多个像素基本上同时开始各自的积分时段，并经由所述传输晶体管的切换使所述多个像素基本上同时结束各自的积分时段。
25.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，所述平行板电容器被构造成使得所述电荷存储节点和所述平行板电容器能够一起保持所述光感测装置的全饱和电荷。
26.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述图像传感器被构造为背侧照射型图像传感器。
27.一种包括根据权利要求11所述的图像传感器的电子设备。
28.一种图像传感器，其包括：
二维地排列的多个像素；以及
多条控制配线，所述多条控制配线形成在配线层中，并且所述多个控制配线中的每条控制配线连接至所述多个像素中的多于一个的像素，所述多条控制配线控制所述多个像素的操作，
其中，所述多个像素中的每个像素包括：
光电二极管，其被构造成产生电荷；
浮动扩散区域；
传输晶体管，其具有与所述控制配线中的给定配线连接的栅极电极，并且被构造成在进行传输操作时将所述光电二极管连接至所述浮动扩散部，由此使所述浮动扩散区域接收由所述光电二极管产生的所述电荷；
放大晶体管，其具有栅极电极，所述放大晶体管被构造成产生与由所述光电二极管产生的所述电荷相对应的像素输出信号；以及
局部金属互连部，其将所述浮动扩散区域电连接至所述放大晶体管的所述栅极电极，
其中，所述局部金属互连部形成在位于所述放大晶体管的所述栅极电极上方并位于所述配线层的最低配线层下方的层中，并且被构造成使得所述给定配线在平面视角中与所述局部金属互连部重叠，以在所述局部金属互连部与所述给定配线之间的重叠区域中形成平行板电容器。
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