CN108305884A - 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 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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
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)。
全局曝光(GS)模式同时曝光阵列中的所有像素。这有利于抓取快速运动的目标，及时冻结。曝光开始前通过耗尽所有的电荷所有像素都复位(RST)到相同的表面暗电平。在曝光开始时每一像素同时收集电荷并在整个曝光期间都允许这样处理。在曝光结束时每一像素同时传输电荷到它的读出点。全局曝光模式可看作是当前面的曝光从每一像素的读出存储点读出时曝光行进的连续操作方式。在这种模式中，传感器具有百分百的占空比来优化时间分辨率和光子收集效率。在滚动曝光模式中的短暂读出阶段的图像中没有这种做法。传感器的不同区域之间准确的时间相关性是必需的这是全局曝光最基本的要求。全局曝光模式也非常容易实现与光源或其他设备同步。
全局曝光模式要求像素比使用滚动曝光模式的像素至少多包含一个晶体管或存储组件。这些额外的组件用于存储后续同时曝光时间内所读出的图像电荷。为了提高图像信号的信噪比，需要一个参考电路，不但在每一像素电荷到放大器晶体管输出的信号的转换之前，而且在像素电荷传输到用于在读出期间存储图像电荷的额外组件之前执行该参考电路。
总之，滚动曝光模式能传送最低的读出噪声而且对不需要到光源或外部设备同步的快速数据流非常有用。然而，当相对较大，快速移动的物体成像时会带来空间变形的风险。在使用全局曝光时没有空间变形的风险，且同步到快速切换外部装置时相对简单并且能产生图像的高帧率。能灵活地同时提供滚动曝光模式和全局曝光模式非常有利。
当采用特定新型电路元件实现可选滚动曝光读出模式和全局曝光读出模式时，传感器芯片和电路芯片在每一像素互相连接的堆叠图像传感器性能会得到提升。本发明满足了这些需求并在本发明内容中进一步详细描述。
发明内容
如下内容描述给出了本发明所做出的贡献。
本发明提供一种像素单元，所述像素单元包括：
第一基底，包括正面和背面；
一个或多个传输晶体管，每一所述传输晶体管分别连接至各自的光电二极管及共享浮动节点，设置在所述第一基底内，用于累积和传输图像电荷以响应入射到所述光电二极管上的光；
复位晶体管，放大晶体管，及滚动曝光行选择晶体管设置在所述第一基底内，用于转换图像电荷到图像信号并当选择滚动曝光读出模式时将所述图像信号从所述第一基底连接输出；
全局曝光读出电路块，设置在堆叠于所述第一基底正面的第二基底内，用于当选择全局曝光读出模式时将所述图像信号从所述第二基底连接输出；及
芯片内互连，用于直连所述放大晶体管的源极到所述全局曝光读出电路块。
所述多个传输晶体管及各自连接的光电二极管分别为四个传输晶体管和四个光电二极管，所述多个传输晶体管共享一浮动节点并连接到所述复位晶体管和所述放大晶体管的栅极。所述四个光电二极管以2×2排列方式设置。所述四个光电二极管的一个光电二极管通过红光滤光器接收入射光，一个光电二极管通过蓝光滤光器接收入射光，两个光电二极管分别通过绿光滤光器接收入射光。
所述滚动曝光读出模式和所述全局曝光读出模式根据功能设定选择。所述第二基底上读出电路块内晶体管关闭时，所述可选滚动曝光模式的图像信号从所述放大晶体管通过所述第一基底上的滚动曝光行选择晶体管连接输出到图像传感器的列线。所述第一基底上的滚动曝光行选择晶体管关闭时，所述读出电路块的可选全局曝光读出模式的图像信号从所述放大晶体管通过全局曝光输出放大晶体管和全局曝光行选择晶体管连接输出到图像传感器的列线。
所述读出电路块的全局曝光模式包括连接在所述放大晶体管和所述全局曝光输出放大晶体管之间的电路器件，用于对所述放大晶体管和所述电路器件执行相关双采样。
所述全局曝光输出放大晶体管的漏极连接到电源，全局曝光输出放大晶体管的栅极通过一复位晶体管连接到电源，所述全局曝光输出放大晶体管的栅极和地之间包含三个组件。
所述三个组件包括一复位电容，连接在所述全局曝光输出放大晶体管的栅极和通过全局曝光复位晶体管的图像信号输出点之间；一信号电容，连接在所述图像信号输出点和第三组件全局曝光信号选择晶体管的漏极之间；所述全局曝光信号选择晶体管的源极连接到地端。
所述全局曝光复位晶体管连接所述图像信号放大晶体管到所述复位电容和信号电容之间的连接点，一个全局曝光偏置电流晶体管连接所述图像信号放大晶体管到地端。
进一步地，所述三个组件包括一复位电容，连接在所述全局曝光输出放大晶体管的栅极和第二组件全局曝光信号选择晶体管的漏极之间，所述全局曝光信号选择晶体管连接到通过全局曝光复位晶体管的图像信号的输出端，所述全局曝光信号选择晶体管的源极还连接到第三组件信号电容，所述信号电容连接在所述图像信号的输出端和地之间。
所述全局曝光复位晶体管连接所述图像信号放大晶体管到所述全局曝光信号选择晶体管和信号电容之间的连接点，所述全局曝光偏置电流晶体管连接所述图像信号放大晶体管到地端。
本发明还提供一种形成像素单元的方法，包含以下步骤：
提供第一半导体芯片，所述第一半导体芯片包括一个或多个传输晶体管，每一所述传输晶体管分别连接到各自的光电二极管并共享浮动点，及复位晶体管，放大晶体管和滚动曝光读出行选择晶体管；
提供第二半导体芯片，所述第二半导体芯片包括全局曝光读出电路，所述全局曝光读出电路的读出模式包括滚动曝光模式和全局曝光模式；及
至少一个芯片内互连用于连接所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片。
还进一步包括，聚光目标到像素单元，所述像素单元转换光信号到电信号，形成该目标的图像。
本发明还提供一种数字相机的成像系统组件，所述成像系统包括：
多个像素单元，所述像素单元以二维阵列排列，每一所述像素单元包括：
第一基底，具有正面和背面；
一个或多个传输晶体管，每一传输晶体管分别连接到各自的光电二极管并共享浮动节点，设置在所述第一基底内，用于累积和传输图像电荷以响应入射到所述光电二极管上的光；
复位晶体管，放大晶体管和滚动曝光行选择晶体管设置在所述第一基底内，用于转换图像电荷到图像信号并当选择滚动曝光读出模式时将图像信号从所述第一基底连接输出；
全局曝光读出电路块，设置在堆叠于所述第一基底正面的第二基底内，用于当选择全局曝光读出模式时将图像信号连接输出所述第二基底；及
芯片内互连用于直连所述放大晶体管到所述读出电路块。
本发明一个主要目的是为了提供一种现有技术中未给出的图像传感器像素。
本发明另一目的是提供一种占用较少面积且可降低像素尺寸及生产成本的像素单元。
本发明另一目的是提供一种根据应用设置具有滚动曝光和全局曝光两种可选模式的堆叠像素。
本发明另一个目的是提供具有可选读出模式以及全局曝光模式的读出路径中像素内相关双采样的堆叠像素。
本发明另一个目的是提供一种当全局曝光信号输出到堆叠像素的逻辑部分时滚动曝光信号输出到传感器芯片部分的堆叠像素。
以下的具体实施方案中记载的内容会进一步体现本发明的益处，结合相关的附图及各实施例，进一步体现本发明内容。
附图说明
本发明的附图如下所述：
图1是根据本发明一实施例的包含于一集成电路系统内具有堆叠图像传感器像素单元的图像系统的框图；
图2是现有技术中具有滚动曝光读出模式的堆叠图像传感器像素单元一实施例电路图；
图3A是现有技术中光电二极管，传输晶体管，及像素单元占用相同半导体芯片像素单元布局图；
图3B是图3A中所示的现有技术像素单元的截面图；
图4A是现有技术像素单元的分解图；
图4B是图4A中所示的现有技术像素单元的截面图；
图5是根据本发明第一实施例的像素单元的分解图；
图6是图5中所示的根据本发明第一实施例的像素单元的电路图；
图7是图5中所示的根据本发明第一实施例的控制信号时序用于选择读出模式的像素单元控制时序图；
图8是图5中所示的根据本发明第一实施例的控制信号用于选择另一读出模式的像素单元控制时序图；
图9是根据本发明第二实施例的像素单元的分解图；
图10是图9中所示的根据本发明第二实施例的像素单元的电路图；及
图11是图9中所示的根据本发明第二实施例的控制信号时序用于选择读出模式的像素单元控制时序图。
具体实施方式
结合上述各个附图对本发明进一步进行图示描述。本发明为具有可选滚动曝光和全局曝光读出模式及全局曝光读出路径像素内相关双采样的堆叠图像传感器像素单元。本发明给出了堆叠图像传感器的各种实施例。在以下描述中，给出了大量细节描述用于理解本发明内容。本领域技术人员应当得知，本发明所记载的技术内容在没有具体细节或其他方法，组件，材料等的情况下可以得到实施。在其他情况下，已知的结构，材料或操作未呈现或在细节中描述，以避免模糊特定的内容。一个基底可具有一个正面和一个背面。任何加工过程从正面的执行操作可看作为正面操作，当从背面执行操作可被看作是背面操作。如光电二极管和相关的晶体管的结构和装置可形成在半导体基底的正面表面。包括金属布线层和导电层的交互层介质堆叠可形成在基底的正面表面。在一个堆叠芯片设置中，既然每个芯片上的互连大都设置在每个芯片的正面，两个芯片的正面可直接连接。当特定电路元件位于或形成于一个基底上时，一般可认为是该电路位于基底的正面。
本专利所使用的“耦接”或“连接”定义如下。“连接”用于描述为两个电路元件之间的直连，例如，按照普通的集成电路加工技术形成的金属线。相比之下，“耦接”用于描述两个电路元件之间或者直连或者非直连。例如，两个耦接元件可以用金属线直接连接，或通过中间的电路元件(例如，电容，电阻，或晶体管的源/漏端)非直接连接。本发明的堆叠芯片排列中，既然每个芯片上的电互连点大多数形成在每个芯片的正面，两个芯片的正面可直接连接起来。当特定电路元件位于基底内或形成在基底上时，一般可看作是位于所述基底的正面。
图1是一图像系统100的结构图。该图像系统100包括一具有多个图像传感器像素的像素阵列102，所述像素阵列包含多个具有本发明所提供的技术特征的图像传感器像素。如图中所示，图像系统100包括连接到控制电路108和读出电路104的像素阵列102，读出电路104连接到功能逻辑单元106。控制电路108和读出电路104连接到状态存储器110。在一实施中，像素阵列102为如图所示的图像传感器像素(例如，像素P1，P2...)的二维(2D)阵列。如图所示，每一像素排成行(例如，行R1到Ry)和列(例如，列C1到Cx)以获得一个人或地方或物体等的图像数据，由此可产生一个人或地方或物体的两维图像。在一实施例中，每一像素获取图像数据或图像电荷后，图像数据采用状态寄存器110指定读出模式的读出电路104读出，然后传输到功能逻辑单元106。在各种应用例中，读出电路104可包括放大电路，模数转换(ADC)电路，及其他。状态寄存器110可包括有程序化选择系统用以确定读出系统是通过滚动曝光还是全局曝光模式读出。功能逻辑单元106可仅存储图像数据或通过图像效果应用甚至处理图像数据(例如，裁剪，旋转，去红眼，调整亮度，调整对比度，或其他)。在一应用例中，读出电路104可沿读出列线(如图所示)一次读出一行图像数据，或者可采用各种其他技术(未示出)读出图形数据，例如串行读出或同时并行读出所有的像素。在一应用例中，控制电路108连接到像素阵列102以控制像素阵列102的可操作特性。控制电路108的操作可通过状态寄存器110的当前设置确定。例如，控制电路108可产生一快门信号用于控制图像获取。在一应用例中，此快门信号是一全局曝光信号使得像素阵列102的所有像素通过单一获取窗口同时分别获取它们的图像数据。在另一应用例中，此快门信号是一滚动曝光信号，每一像素行，列或组通过连续获取窗口连续实现。
图2是现有技术中具有滚动曝光读出模式的堆叠图像传感器像素单元的一实施例的电路图。该图和实施例用于简单描述本发明实施例像素的预期操作。如图所示，每一传感器像素200包括一光电二极管210(例如，光感器件)和像素支持电路211。光电二极管210可为现有CMOS图像传感器中采用的钉扎(Pinned)二极管。光电二极管210可设置在堆叠系统的传感器芯片上，像素支持电路211可设置在一单独的电路芯片上。在一应用例中，像素支持电路211包括一复位晶体管220，源极跟随(SF)晶体管225，及行选择晶体管230的电路芯片上，连接到如图所示的堆叠芯片系统的传感器芯片上的垂直通道传输晶体管215和光电二极管210。在另一应用例中，未标示出，像素支持电路包括电路芯片上的行选择晶体管230连接到堆叠系统的传感器芯片上的复位晶体管220，源极跟随(SF)晶体管225，和垂直通道传输晶体管215和光电二极管210。在操作过程中，在曝光期间光电二极管210产生电荷响应入射光。垂直通道传输晶体管215响应传输控制信号TX将光电二极管累积的电荷传输到浮动扩散点(FD)217。当光电二极管210是垂直通道传输晶体管215的源极时，浮动扩散点217是传输晶体管的实际上的漏极。在一实施例中，垂直通道传输晶体管是一垂直通道金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。复位晶体管220连接于电源VDD和浮动扩散点217之间，响应于复位控制信号RST，复位传感器像素200(例如，放电或充电浮动扩散点217和光电二极管210到当前电压)。浮动扩散点217连接到源极跟随晶体管225的栅极。源极跟随晶体管225连接于电源VDD和行选择晶体管230之间，放大输出浮动扩散点217的电压信号。行选择晶体管230根据行选择控制信号RS将像素电路的输出从源极跟随晶体管225输出到读出列，或位线235。光电二极管210和浮动扩散点217由暂时有效的复位信号RST和传输控制信号TX复位。累积窗口(例如曝光阶段)在传输控制信号TX失效时开始，使得入射光在光电二极管210累积产生电荷。当光电子在光电二极管210处累加，其电压降低(电子带负电荷)。在曝光期间光电二极管210上的电压或电荷代表入射到光电二极管210上的光照强度。在曝光期后，复位控制信号RST失效，关闭复位晶体管220并将浮动扩散点217与电源VDD隔离。传输控制信号TX有效，将光电二极管210连接到浮动扩散点217。电荷从光电二极管210通过垂直通道传输晶体管215传输到浮动扩散点217，在曝光期间使得浮动扩散点217的电压通过一定比例降低到光电二极管210累积的光电子。
图像传感器的一个重要的设计要点是动态范围，它是由光电二极管和二极管输出的最小的可测变化之间的满额电压幅度的对数比所确定。一般地，最小的可测变化由光电二极管和浮动扩散点的复位采样噪声控制。降低动态范围上的复位采样噪声的影响依赖于相关双采样(CDS)。CDS是选取像素信号的两个样本并从第二个信号减去第一个信号以去掉复位采样噪声。一般地，采样一般快速跟随光电二极管和浮动扩散点的复位执行一次且在光电二极管允许累积电荷并将其传输到浮动扩散点后执行一次。信号相减的操作在像素的外围电路执行且可能增加传统的图像传感器的面积虽然不一定是像素的面积。使用滚动曝光模式的图像传感器可包含仅增加外围电路元件的CDS且像素中没有增加的其他电路元件。使用全局曝光模式的图像传感器像素内可能需要多个电容和晶体管，这些降低了填充因子。通过分开CDS所需的增加组件到电路芯片上以保持降低填充因子从而分离并堆叠在传感器芯片上部。
图3A为现有技术普通像素单元的布局图。光电二极管310，传输晶体管315和像素电路311占用相同的半导体芯片。图3B为图3A中所示的像素单元沿AA’的截面图。光电二极管310和像素电路311相应于图2中的标示为光电二极管210和像素电路211的光电二极管和像素电路，除了他们占用相同的芯片晶片。传输晶体管315占用如图2中的传输晶体管215相同的位置，除了传输晶体管315为一普通意义上的平面互补金属氧化物半导体场效应管(CMOSFET)，它的源极，通道，及漏极位于半导体基底内，且并行与半导体基底的表面。图3A和图3B中所示的M1尽可能减少对降低像素阵列尺寸和生产成本是有利的。然而芯片尺寸M1受加工技术的最小化设计规则的需求所限，比如设置像素电路311到传输晶体管315最接近的方式。这种情况是迫使像素单元分离到两个堆叠芯片的主要因素，芯片的像素电路可堆叠在光电二极管和传输晶体管上以降低M1的晶片尺寸。
图4A是现有技术中普通像素单元布局的分解图。图中光电二极管410和平面互补CMOSFET传输晶体管415位于传感器芯片的半导体基底上，且像素电路411位于电路半导体芯片一隔开的基底上。图4A呈现了传感器芯片的分解图，它的组件置于上部表面，对齐排列于组件置于下部表面电路芯片，通过芯片内互连440连接。在图4B中，电路芯片的下面实际上是前面所述的基底的前面。图4B为图4A像素单元沿BB’包括电路芯片的叠加部分的截面图。图4B呈现了由芯片内互连440连接的两堆叠半导体芯片。与图3A和图4A相比，本领域技术人员应该意识到，假设光电二极管310和410具有相同的尺寸，芯片尺寸M2比M1小，这样能提供降低生产加工成本的可能。
在图4A和图4B中所示的堆叠组件中，芯片尺寸限制由传感器芯片确定。假设期望保留光电二极管的尺寸，进一步降低芯片尺寸的机会是降低传输晶体管尺寸，或重置其在光电二极管的覆盖空间。
图5是根据本发明第一实施例的像素单元的分解图。图5呈现了像素单元布局，其中像素单元部分502包括光电二极管PDa，PDb，PDc，PDd及各自的MOSFET传输晶体管TXa，TXb，TXc，TXd和一般连接的浮动节点FN位于传感器芯片510的半导体基底上。像素单元部分504(像素电路块)包括位于电路半导体芯片511的独立基底上的像素电路。图5呈现了传感器芯片510的分解图及，组件位于上表面以芯片内互连AA和BB对齐排列的组件位于下表面的电路芯片511，或者也可说是前面所定义的前面。没提供图示但容易联想到和图4B相似，并如图5中所示的两堆叠半导体芯片通过芯片内互连AA和BB连接。
像素单元部分502呈现了仅像素相关组件位于传感器芯片510上。像素单元部分502重复形成图像阵列的行和列。传感器芯片510可包含额外的外围电路作为功能化图像传感器的图像阵列部分的需求，例如，连接复位控制信号和传输晶体管的传输控制信号到所有的像素单元。光电二极管PDa，PDb，PDc和PDd可以是相同的尺寸和位置，例如图中所示2×2的阵列。典型地，像素单元部分502内光电二极管的尺寸和位置是选定的，如像素单元部分502的阵列的所有光电二极管设置为统一的样式布局。在实例中，像素单元502用于形成彩色图像传感器。各种颜色的滤光器可设置在入射光路径内的每一像素位置处。一种已知的2×2的滤光器安置是拜尔滤光模式(Bayer filter pattern)，其包含一个红色，一个蓝色，及两个绿色滤光器(RGGB)。位于像素单元部分504上的像素电路限制其占用不多于像素单元部分502所占用的面积。像素电路芯片511可包含额外的外围电路作为功能化图像传感器的像素电路部分的需求，例如，连接控制信号和电源。
图6是图5中所示的根据本发明第一实施例的像素单元的电路图。图6中的像素单元部分602和604相应于图5中的像素单元部分502和504。图6中所示的电路图更清晰地呈现了各器件之间的连接关系。器件名称在两个图中是通用的且用于描述像素单元的操作。图6中设置了传输晶体管(TXa，TXb，TXc，TXd)，每一晶体管分别连接到单独的光电二极管(PDa，PDb，PDc，PDd)并共享浮动节点FN，表示为像素单元部分602且设置于第一基底内用以累积和传输图像电荷以响应入射到光电二极管上的光。位于像素单元部分602上并设置在第一基底内，包括一复位晶体管RST和一源级跟随放大晶体管(SF)用于转换图像电荷到图像信号(PIXO)，以及一行选择晶体管(RSW)，用于当选择滚动曝光读出模式时，将图像信号从像素单元部分602连接输出。图6还描述了像素单元604的读出电路块，且设置在堆叠在第一基底正面上的第二基底内，其中读出电路块包括可选的全局曝光读出模式，及芯片内互连AA和BB直连源极跟随放大晶体管SF到读出电路块。芯片内互连AA连接电源PIXVDD到复位晶体管RST和源极跟随放大晶体管SF。芯片内互连BB连接图像信号PIXO到第二基底上的像素单元部分604内的全局曝光读出电路，所述图像信号PIXO产生于源极跟随放大晶体管SF的源极。
本发明所提供内容优于现有技术的优点是本发明像素单元的结构，所述像素单元的图像信号可选地从位于第一基底上的电路中以滚动曝光模式读出，或可选地从位于第二基底上的电路中以全局曝光模式读出。产生具有滚动曝光模式输出且不需信号穿过第二基底的图像能有效降低功耗及信噪且能增加帧率。为了进一步将第二基底电路与第一基底电路分离，从仅设置在第一基底上的可选源提供电源PIXVDD也非常有利。
为读出滚动曝光模式中的图像信号PIXO，仅需行选择晶体管RSW传输读信号rs_pix到off_pixel读出电路。因此在选择滚动曝光模式上，通过在图1中所示的状态寄存器110上的设置，控制电路108可至少对图6中的晶体管GS_RST，NB，Grst，GSF及GSW关闭。图7给出了用于执行从像素单元部分602的图像信号PIXO的滚动曝光模式读出的控制时序。图7中的每一控制信号相应于图6中所示应用于相关晶体管门电极相似名称的信号及他们的相关状态开(高)/关(低)。为执行图像信号PIXO从像素单元部分602滚动曝光模式读出，时序如图7中所示。首先所有信号都处于关状态，接着复位控制信号rst设置为高电平作用于复位晶体管RST，拉高浮动节点FN到初始电压VFN0(接近于PIXVDD)并拉高源极跟随放大晶体管SF的源极到图像信号PIXO(rst)相应于初始电压值VFN0。接着行选择晶体管RSW打开，初始图像信号以电压Vrs_pix0传输到节点rs_pix。复位晶体管RST置为低电平，传输晶体管TXa接着置为高电平。晶体管TXa保持高电平一段时间(曝光期间)然后设置为低电平。在曝光期间浮动节点FN充电到与入射到光电二极管PDa(此处称VFN1)的光照强度成一定比例，将源极跟随放大晶体管SF的源极拉至相应于VFN1的图像信号，行选择晶体管RSW保持在开通状态，图像信号以电压Vrs_pixl传输到rs_pix。读出电路不在像素单元部分604(off-pixel)但在图像传感器的其他处，对图像信号Vrs_pix0和Vrs_pix1执行相关双采样CDS。图7给出了当复位晶体管RST关闭且传输晶体管TXa打开和关闭前和后的off-pixel CDS电路采样信号rs_pix。图像信号Vrs_pix1减去图像信号Vrs_pix0能够提供低噪声信号到光电二极管PDa相应的图像传感器。读出相似的光电二极管PDb，PDc及PDd信号以完成像素单元部分602的图像信号。
从像素单元部分604的电路提供的具有像素内CDS的全局曝光模式的像素单元部分602读出图像信号的操作规则包含两个阶段，分别为复位值采样和信号值采样。在第二阶段(信号值采样)，像素内CDS操作根据像素单元部分604上的电路元件结构特性自动发生。具体操作上，为读出全局曝光模式的像素单元部分604上的图像信号PIXO，所有晶体管除了行选择晶体管RSW都需传输读信号rs_pix到off_pixel读出电路。因此通过对图1中所示的状态寄存器110合适的设置的选择，控制电路108可关闭晶体管RSW。图8给出的控制时序用于执行图像信号PIXO的全局曝光模式从像素单元部分602读出。图8中所示的每一控制信号相应于图6中所示的相关晶体管的相应名称的门极信号，以及他们相关的状态开(高)/关(低)。为执行从像素单元部分602全局曝光方式读出的图像信号PIXO，图8中给出了控制时序。首先复位控制信号rst作用于复位晶体管RST，设置为高电平，拉高浮动节点FN到初始电压值VFN0(接近于电压值PIXVDD)，并将源极跟随放大晶体管SF的源极拉至相应于初始电压值VFN0的图像信号PIXO(rst)。当晶体管Grst，GS及GS_RST设置为高电平对电容Crst充电到电压V(Crst)，V＝PIXVDD-PIXO(rst)，设置RST为低电平。虽未在图8中呈现，在上述采样阶段的开始，电容采用偏置晶体管NB(通过控制信号gs_nb)预充电以允许源极跟随放大器晶体管SF实施采样新的电压值。然后全局复位晶体管Grst关闭允许电容Crst的顶部极板浮动。所有四个传输晶体管TXa，TXb，TXc及TXd都打开且在曝光期间允许保持开通一段时间。这样使得图像信号PIXO(sig)对电容Csig充电到与光电二极管上光照强度成一定比例。全局曝光晶体管GS关闭，GS_RST随后关闭使得图像信号PIXO(sig)保留在电容Csig上。目前描述的信号，在CDS发生在复位信号和图像信号到电容顺序使用过程中，完成储存全局曝光图像信号到全局曝光电容。
为了从全局曝光的电容中读出图像信号，图8进一步给出下述增加的步骤顺序。接下来全局曝光复位晶体管Grst打开预充电容Crst的寄生电容。当Grst打开且关闭之前很短时间内，全局曝光行选择晶体管GSW设置为打开以从放大器GSF采样复位信号作为信号Vgs_pix0直到全局曝光复位晶体管Grst关闭。全局曝光复位晶体管Grst关闭之后全局曝光行选择晶体管GSW保持打开，下一步打开全局曝光晶体管GS一段时间从放大器GSF采样图像信号作为Vsg_pixl。行选择晶体管GSW然后关闭。读出电路不在像素单元部分604(off-pixel)上但在图像传感器的其他处，对图像信号Vrs_pix0和Vrs_pixl执行相关双采样(CDS)。当复位晶体Grst关闭及传输晶体管GS打开和关闭之前和之后off-pixel CDS电路采样信号gs_pix。这种增加的操作处理源极跟随放大晶体管GSF相关的噪声。
图9为根据本发明第二实施例的像素单元的分解图，其中所包含的标记和图5中所示的相同。图10是图9中所示的像素单元的电路图。图9和图10中所示的本发明第二实施例和图5与图6中所示的本发明第一实施例不同，全局曝光开关晶体管GS位于电容Crst和Csig之间代替图5和图6中所示的在电容Csig和地端之间。在滚动曝光模式选择上，图像信号读出如本发明第一实施例所述。在全局曝光模式选择上，图像信号读出和本发明第一实施例中所述的方式相似，除了图11中所示的几个步骤之外，通过比较很容易确定。
本专利实施方案中“一个实施例”，“一个应用例”或“一个例子”等，意思为本实施例中特定的特征，结构，或特点，或者包含在根据本发明的至少一个例子中。因此，“在一个实施例中”或“在一个例子中”的短语出现在本说明书的各种地方，不必限于参考相同的具体实施方案或实施例。而且，独特的特征，结构或特点可包含在一个或多个实施例的任何合适的方式中。定向术语，例如“上”，“下”，“之上”，“之下”，用于参考图中描述的定位。而且，术语“有”，“包含”，“特定”，及类似术语，除非有特定说明，都定义为“包含”。特点，结构或特征可包含在集成电路中，电路中，组合的逻辑电路中，或其他适用的组件，以提供所述的功能性。另外，此处提出的附图是为本领域技术人员提供解释说明且这些附图没必要按比例画出。
本发明上述给出的示例，包括在摘要中描述的，并不详尽或限定于精确的形式披露。本发明所述的详细的实施例，例子，是为了说明的目的，在不背离本发明更广泛的主旨和范围下，不同形式的等效修改是可能的。确实，根据本发明提供的特定的实施例的结构和材料用于说明的目的且其他结构和材料也可应用于其他实施例中及例子中。根据上述详细的说明可对本发明实施例进行修改。用于权利要求中的术语不应解释为限定于本发明具体实施内容和权利要求部分中所揭露的具体实施例。相反地，权利要求中完整确定的范围应解释为根据权利要求解释确立的声明。本发明的说明书和附图应被看作是解释性的，而不是约束性的。

Claims (18)

1.一种像素单元，包括：
第一基底，包括正面和背面；
一个或多个传输晶体管，多个传输晶体管，每一所述传输晶体管连接至各自的光电二极管及共享浮动节点，设置在所述第一基底内，用于累积和传输图像电荷以响应入射到所述光电二极管上的光；
复位晶体管，放大晶体管，及滚动曝光行选择晶体管设置在所述第一基底内，用于转换图像电荷到图像信号并当选择滚动曝光读出模式时将所述图像信号从所述第一基底连接输出；
全局曝光读出电路块，设置在堆叠于所述第一基底正面的第二基底内，用于当选择全局曝光读出模式时将图像信号从所述第二基底连接输出；及
芯片内互连，用于直连所述放大晶体管的源极到所述全局曝光读出电路块。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述多个传输晶体管及各自连接的光电二极管分别为四个传输晶体管和四个光电二极管，所述多个传输晶体管共享一浮动节点并连接到所述复位晶体管和所述放大晶体管的栅极。
3.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述四个光电二极管以2×2排列方式设置。
4.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述四个光电二极管中的一个光电二极管通过红光滤光器接收入射光，一个光电二极管通过蓝光滤光器接收入射光，两个光电二极管分别通过绿光滤光器接收入射光。
5.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述滚动曝光读出模式和所述全局曝光读出模式根据功能应用设定选择。
6.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述第二基底上读出电路块内的晶体管关闭时，所述可选滚动曝光模式的图像信号从所述放大晶体管通过所述第一基底上的滚动曝光行选择晶体管连接输出到图像传感器的列线。
7.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述第一基底上的滚动曝光行选择晶体管关闭时，所述读出电路块的可选全局曝光读出模式的图像信号从所述放大晶体管通过全局曝光输出放大晶体管和全局曝光行选择晶体管连接输出到图像传感器的列线。
8.根据权利要求7所述的像素单元，其特征在于，所述读出电路块的全局曝光模式包括连接在所述放大晶体管和所述全局曝光输出放大晶体管之间的电路器件，用于对所述放大晶体管和所述电路器件执行相关双采样。
9.根据权利要求8所述的像素单元，其特征在于，所述全局曝光输出放大晶体管的漏极连接到电源，全局曝光输出放大晶体管的栅极通过一复位晶体管连接到电源，所述全局曝光输出放大晶体管的栅极和地之间包含三个组件。
10.根据权利要求9所述的像素单元，其特征在于，所述三个组件包括一复位电容，连接在所述全局曝光输出放大晶体管的栅极和通过全局曝光复位晶体管的图像信号输出点之间；一信号电容，连接在所述图像信号输出点和第三组件全局曝光信号选择晶体管的漏极之间，所述全局曝光信号选择晶体管的源极连接到地端。
11.根据权利要求9所述的像素单元，其特征在于，所述三个组件包括一复位电容，连接在所述全局曝光输出放大晶体管的栅极和第二组件全局曝光信号选择晶体管的漏极之间，所述全局曝光信号选择晶体管连接到通过全局曝光复位晶体管的图像信号的输出端，所述全局曝光信号选择晶体管的源极还连接到第三组件信号电容，所述信号电容连接在所述图像信号的输出端和地之间。
12.根据权利要求10所述的像素单元，其特征在于，所述全局曝光复位晶体管连接所述图像信号放大晶体管到所述复位电容和信号电容之间的连接点，一个全局曝光偏置电流晶体管连接所述图像信号放大晶体管到地端。
13.根据权利要求11所述的像素单元，其特征在于，所述全局曝光复位晶体管连接所述图像信号放大晶体管到所述全局曝光信号选择晶体管和信号电容之间的连接点，所述全局曝光偏置电流晶体管连接所述图像信号放大晶体管到地端。
14.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述芯片内互连将所述放大晶体的漏极连接到电源。
15.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，包括一电源供电于所述第一基底上的所述复位晶体和所述放大晶体管。
16.一种形成像素单元的方法，包含以下步骤：
提供第一半导体芯片，所述第一半导体芯片包括一个或多个传输晶体管，每一所述传输晶体管分别连接到各自的光电二极管并共享浮动点，及复位晶体管，放大晶体管和滚动曝光读出行选择晶体管；
提供第二半导体芯片，所述第二半导体芯片包括全局曝光读出电路，所述全局曝光读出电路的读出模式包括滚动曝光模式和全局曝光模式；及
至少一个芯片内互连用于连接所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片。
17.根据权利要求16所述的形成像素单元的方法，其特征在于，还进一步包括：
聚光目标到像素单元，所述像素单元转换光信号到电信号，形成该目标的图像。
18.一种数字相机的成像系统组件，所述成像系统包括：
多个像素单元，所述像素单元以二维阵列排列，每一所述像素单元包括：
第一基底，具有正面和背面；
一个或多个传输晶体管，每一传输晶体管分别连接到各自的光电二极管并共享浮动节点，设置在所述第一基底内，用于累积和传输图像电荷以响应入射到所述光电二极管上的光；
复位晶体管，放大晶体管和滚动曝光行选择晶体管设置在所述第一基底内，用于转换图像电荷到图像信号并当选择滚动曝光读出模式时将图像信号从所述第一基底连接输出；
全局曝光读出电路块，设置在堆叠于所述第一基底正面的第二基底内，用于当选择全局曝光读出模式时将图像信号连接输出所述第二基底；及
芯片内互连用于直连所述放大晶体管到所述读出电路块。
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