CN114071037A - 像素和全局快门图像传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了用于全局快门像素阵列的像素，该像素包括感测层和存储层。感测层包括被适配成在接收到辐射之际提供电荷的感测元件，以及用于从该感测元件接收电荷的浮动扩散区。存储层包括至少一个存储节点，该至少一个存储节点用于从该感测层的浮动扩散区接收电荷并存储所述电荷。感测层和存储层形成层堆叠，感测层至少覆盖存储层的存储节点并且该堆叠进一步包括至少在该感测层与该存储层的存储节点之间的遮光件，从而使该存储节点被遮蔽以免遭照射辐射。该存储节点被提供在两个转移栅极之间。该存储节点及其周围栅极被提供在第一浮动扩散区和第二浮动扩散区之间。

Description

像素和全局快门图像传感器
技术领域
本发明涉及辐射感测领域。本发明尤其涉及有源像素和具有全局快门功能的图像传感器。
背景技术
数字成像使用在光照射之际生成载荷子的感测元件。电荷的操纵及在此基础上的输出信号的生成能够以不同方式进行，这取决于，例如，所使用的电子元件和感测元件的类型。例如，全局快门(GS)模式就所有像素同时接收到用以形成图像的信息的意义而言更接近传统摄像。全局快门通常在容易且简单的实现中在电荷耦合器件(CCD)中提供。然而，CCD具有缺陷并且在商业上是较不可行的。对于许多应用优选不同类型的传感器，诸如基于CMOS技术的有源像素传感器。有源像素传感器的制造更便宜并且能被容易地寻址。有源像素传感器的已知缺点是像素的较低填充因子，因为有源电路系统占据对辐射不敏感的表面区域。另外，有源像素传感器通常以几分之一秒的速度逐行操作和寻址。这被称为滚动快门(RS)模式。
滚动快门模式有若干缺点，诸如移动体的图像失真。尽管GS CCD不经历这些问题，但由于CCD的缺陷，存在将有源像素技术适配成使得有源像素传感器被赋予全局快门功能的趋势。
然而，将基于有源像素的传感器适配成提供GS功能并非易事。将全局快门与有源像素技术相结合需要对制造路线进行折衷(低分辨率、速度等)和适配。然而，存在若干可能性。这些可能性包括在电荷域、电压域或数字域中提供GS像素。电荷域中的GS像素具有减小的填充因子并受害于对寄生光的高敏感度。电压域中的GS像素需要像素内电容器且遭受噪声。数字域中的GS像素中的每个像素都需要模数转换器(ADC)，这需要大像素区域。
WO 2012/042782公开了具有第一和第二半导体衬底的固态成像器件。第一半导体衬底包括光电转换单元、转移晶体管、以及电荷保持单元的至少一部分。第二半导体衬底包括像素附加电路，该电路被配置成处理被转移至电荷保持单元的信号电荷或者由放大单元放大的信号。被配置成减少透射穿过光电转换单元以进入像素附加电路的光的遮光构件被置于第一衬底上。
期望提供具有经济的功能架构、良好性能和GS功能的图像感测。
发明内容
本发明的各实施例的目标是提供一种显示出高填充因子以及对寄生光的低敏感度的像素以及具有全局快门功能的功能性良好的图像传感器。
本发明提供了一种用于全局快门像素阵列的像素，该像素包括感测层和存储层。感测层包括被适配成在接收到辐射之际提供电荷的感测元件以及用于从该感测元件接收电荷的第一浮动扩散区。存储层包括至少一个存储节点，该至少一个存储节点用于从该感测层的第一浮动扩散区接收电荷并用于存储所述电荷。存储节点被提供在两个转移栅极之间，并且该存储节点和这两个转移栅极被在第一浮动扩散区和第二浮动扩散区之间。使该存储节点位于两个转移栅极之间允许存储栅极(用作存储节点的栅极)被基本上或甚至完全废弃，这改善了完整电荷传输并且对于暗电流和漏电流是有利的。感测层和存储层形成层堆叠，感测层至少覆盖存储层的该存储节点。
该堆叠进一步包括至少在感测层与存储层的至少该存储节点之间的遮光件，以使该存储节点被遮蔽以免受辐射。
本发明的实施例的优点在于能够为图像传感器提供电荷域中的存储节点，并对该存储节点进行辐射遮蔽。另一优点是该像素可以变得非常紧凑，因为读出级和存储节点可以与感测层堆叠，从而增大填充因子。
在本发明的一些实施例中，感测层和存储层各自包括到不同偏压的连接，其中存储层的偏压高于感测层的偏压。本发明的实施例的优点是电荷转移在感测层和存储之间被改进。
在本发明的一些实施例中，存储层包括电连接到感测层的浮动扩散区的区域，以使得浮动扩散区延伸入存储层中以形成共用浮动扩散区。
本发明的实施例的优点在于存储层中的浮动扩散区允许容易地将电荷从感测层转移至存储层的存储节点。
在本发明的一些实施例中，共用浮动扩散区是由感测层和存储层中的每一者中的至少一个二极管形成的。
本发明的实施例的优点在于这两层之间的电连接能被容易地提供，从而避免与该层的其余部分短路。
在本发明的一些实施例中，第一浮动扩散区是由感测层中的第一二极管以及存储层中的第二二极管形成的，第一二极管和第二二极管通过混合接合焊盘来彼此电连接。
本发明的实施例的优点是能获得具有低轮廓(low profile)和小面积的紧凑布局。
在本发明的一些实施例中，存储层进一步包括被适配成基于存储在存储节点中的电荷来提供读出信号的读出级。本发明的实施例的优点在于该读出电路可被包括在同一层中，这进一步改进了像素的紧凑性并增加对该读出级的遮蔽。
在具体实施例中，该读出级包括连接到该存储层上的附加浮动扩散区的源极随耦器。
本发明的实施例的优点是该源极随耦器是紧凑的并且该器件能在小区域中实现。
在本发明的一些实施例中，该像素包括背侧照明配置。本发明的实施例的优点是像素可以变得更薄。
在本发明的一些实施例中，存储层包括不止一个存储节点，这些存储节点各自被适配成从感测层的浮动扩散区接收电荷并将电荷提供给相同的读出电路。
在本发明的另一方面，提供了一种图像传感器，包括如前述权利要求中的任一项所述的像素的阵列，包括被配置成以全局快门模式驱动该阵列的电路系统。
本发明的实施例的优点在于全局快门模式能够在基于有源像素的图像传感器(例如，CMOS图像传感器)中以高度紧凑的像素分布来使用，例如无需增大传感器区域或减小其感测区域。
在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的那样。
根据此后所描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。
附图说明
图1示意性地示出了在滚动快门模式下操作的基于CMOS技术的现有技术4T像素。
图2示意性地示出了已被适配和扩展成使得能够在全局快门模式下操作的基于CMOS技术的现有技术像素，该像素包括电荷存储节点。
图3示意性地示出了本发明的像素的第一实施例，该像素包括具有感测元件的第一层以及包括存储器元件的第二堆叠层。这两层共享在这两层之间延伸的浮动扩散区。
图4示出了本发明的像素的另一实施例，该像素包括第二层中的用于允许高动态范围成像的若干存储节点。
图5示出了图像传感器，其包括根据本发明的实施例的像素的阵列，以及进一步的对每一像素的不同电路元件进行寻址的驱动电路系统。
图6到图11示出了曝光周期和到存储器元件的电荷转移期间的电位和电荷的配置。
图12和图13分别示出了根据本发明的实施例的像素的横截面和俯视图。
图14示出了根据本发明的替代实施例的像素的横截面。
各附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。
具体实施方式
将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。尺度和相对尺度不对应于对本发明的实施的实际减少。
此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或以任何其他方式描述顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等等用于描述性目的并且不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的取向不同的取向进行操作。
要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，术语“包括”涵盖了仅存在该陈述特征的情况以及这些特征和一个或多个其他特征存在的情况。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被解释为局限于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，设备的仅有的相关组件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性能以任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映要求保护的发明要求比每一项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，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征中。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均能以任何组合来使用。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而将理解，可在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。
当在本发明的实施例中提及“辐射”时，所指的是任何类型的电磁辐射，例如可见光、UV光、(近)红外光、或甚至X射线、伽马射线。或者，辐射可以是粒子，包括低能或高能电子、质子、强子或其他粒子。
现有像素技术基于电荷生成，由于电荷转移跟随在照射辐射之后，这导致电位变化。该变化被用来提供表示所转移的电荷并因此表示照射辐射的信号。
图像传感器包括像素的组织阵列，例如像素符合逻辑地被组织成行和列。这些像素提供可从中重构出图像的信号。在本说明书全文中，分别具有“水平”和“垂直”的共同表示的术语“行”和“列”只是为了方便解释而使用的。它们并不需要但也可以指设备的一个实际物理方向。此外，术语“列”和“行”被用来描述被链接在一起的阵列元件集。链接可以采用行和列的笛卡尔数组的形式；然而，本发明不限于此。如本领域技术人员将理解的，列和行可以容易地互换并且在本公开中这些术语旨在是可互换的。另外，也可构造非笛卡尔阵列且包括在本发明的范围之内。因此，术语“行”和“列”应被广泛解释为“按行和列符合逻辑地组织”。这种措辞意味着阵列元件的集合以拓扑线性相交的方式链接在一起；然而，物理或拓扑布置不必如此。例如，行可以是圆，并且这些圆的列半径以及圆和半径在本发明中被描述为“符合逻辑地组织的”行和列。
滚动快门和全局快门模式是像素处置电荷采集和操纵以用于传感器的两种主要方式。在滚动快门方法中，像素阵列采集光并逐行(逐列)提供信号读出。该图像是从在同一行(或列)中同时接收到光的像素的读出中逐行(或逐列)重构的。这造成移动对象的图像失真。相比之下，在全局快门方法中，像素阵列在该阵列的所有像素中同时采集光。电荷被临时存储在每一像素中，以使得这些电荷能通过单个读出电路如同在滚动快门方法中那样逐行(或逐列)读取。然而，不像在滚动快门方法中，信号是从已被同时采集的所存储的电荷获取的。因此，移动对象的通过全局快门方法获取的图像不呈现失真。
滚动快门模式中的标准的现有4T像素的工作原理参照图1的示意性像素表示来解释。这一像素可包括用于电荷采集的(钉扎)光电二极管PPD以及经由转移元件TX(例如，转移晶体管)连接到该PPD的浮动扩散区。提供复位晶体管以将浮动扩散区连接到像素电压VRD或断开该连接。提供源极随耦器SF和选择晶体管以获得基于浮动扩散区中的电荷的电压的测量。提供列总线以获得像素的输出信号Vout。
光子产生的电荷在曝光时间期间被采集并存储在(钉扎)光电二极管PPD中。就在像素读出完成之前，影响浮动扩散电容CFD的电荷被移除，以使得浮动扩散区通过经由复位晶体管RST将浮动扩散电容CFD连接到像素电压VRD来被复位。在该复位动作后，浮动扩散区上的电压被感测到。至此，源极随耦器SF通过将该SF连接到它在列总线上的负载来被激活。该连接通过激活行选择晶体管SEL来被实现。通过源极随耦器SF感测到的信号在列总线上被“复制”。这是第一测量：像素的参考信号。对于第二测量(该测量是对采集到的电荷的实际测量)，来自PPD的电荷通过激活转移元件TX来被被转移至浮动扩散电容CFD。由于电荷转移，电容器CFD上的电压将被降低。当源极随耦器SF经由行选择晶体管SEL被选择感测低电压并将其“复制”到列总线时，该低电压将被源极随耦器SF感测到并且将被“复制”到列总线。这提供了第二测量：像素的输出信号Vout。
像素的读出现在完成。行选择开关SEL将如以前那样被停用。相关双采样(CDS)可通过从像素的输出信号中减去参考信号来实现。以此方式，能够以非常低的噪声水平生成最终信号。
如早先解释的，滚动快门模式具有若干缺点，并且优选提供诸如基于CMOS的像素之类的可以在GS模式中使用的有源像素。更具体地，可以在全局快门模式中通过包括额外的电荷存储存储器节点来使用与图1所示的像素类似的像素。如图2所示，对于与图1的像素类似的像素，该像素可包括附加晶体管。在图2的像素中，在光电二极管PPD与浮动扩散FD之间提供担当存储节点SG的存储栅极。提供第一转移元件TX1以控制电荷从光电二极管PPD到存储栅极节点SG的转移，并且提供第二转移元件TX2以控制电荷从存储栅极节点SG到浮动扩散FD的转移，这将影响其电容CFD。预定数量的此类像素可以按阵列的行和列来被符合逻辑地组织。
每一个像素的钉扎光电二极管PPD可被暴露于辐射(例如，近IR、可见辐射等)。光子产生的电荷在曝光时间期间被采集并存储在(钉扎)光电二极管PPD中。抗模糊(anti-blooming)晶体管TAB可用于防止过度曝光和电荷溢出问题和/或限定曝光时间，并且完全独立于读出序列。
在曝光时间结束时，同时对阵列中的所有像素激活转移元件TX1，并且所有像素将其光子产生的电荷移至它们各自的存储节点SG。
在电荷转移后，对于所有像素清空PPD，并且原则上新曝光可对于所有像素同时开始，如同在普通GS图像传感器中那样。
像素的读出可以按照与滚动快门模式中的典型4T像素相同的方式一行接一行地开始。在将任何电荷移位至浮动扩散区的电容CFD之前，该电容CFD可以复位。这通过复位晶体管RST来完成，如参照图1解释的。
因此，源极随耦器SF通过以下操作来激活：经由行选择晶体管SEL将该源极随耦器SF连接到它在列总线上的负载(如参照图1解释的)，读取连接到源极随耦器SF的栅极的浮动扩散区的复位电压，以及提供第一测量(像素的参考电压)。然后如先前那样，来自SG的电荷通过有源转移元件TX2被转移至具有电容CFD的浮动扩散区，从而降低该CFD上的电压，如先前所解释的，由此提供第二测量(像素的输出信号Vout)。
原则上，该像素被完全读出，并且行选择开关SEL将被停用。如先前那样，可提供CDS。
尽管成功地向CMOS图像传感器提供GS功能，但该像素架构已知是有问题的，问题有它有限的寄生光敏感度性能，尤其是对于非垂直入射光以及对于具有较长波长(如红色或(近)IR)的光。例如，与PPD相邻的存储节点SG可能在它被放置在PPD旁边时从照射辐射接收噪声信号。由此，需要额外的遮蔽层。另一缺点是像素中的感测区域尺寸被减小。填充因子由于被存储节点SG和相关有源电路系统占据的像素区域而减小。
本发明提供了一种可以在全局快门传感器中使用的有源像素，该有源像素对寄生光不敏感并且具有大填充因子。该像素包括两个堆叠层，即包括感测元件以及用以移除感测到的电荷的转移元件的被称为传感器层的第一层以及至少包括存储器元件的被称为存储层的第二层。存储器元件被适配成接受来自浮动扩散区的电荷，该浮动扩散区对于这两层是共享且共用的并且从感测元件接收电荷。存储器元件向包括这些有源像素的像素阵列提供GS的可能性。
在第一方面，本发明涉及包括两个或更多个堆叠层的像素。各层之一在该像素中被配置成暴露于辐射，诸如但不限于可见光。例如，如果该像素被用来被暴露于高能量或粒子辐射(包括低或高能电子、质子、强子或其他粒子，或者例如X射线和伽马射线)，则可使用闪烁体来将该辐射转换成可见光子，这些光子然后被暴露于该辐射的层捕获。
该层包括其中采集通过照射辐射产生的光电荷的感测元件。该层是“感测层”。它还包括可向其转移采集到的电荷的浮动扩散区。浮动扩散区延伸入第二层中，该第二层包括可采集并存储来自浮动扩散区的电荷的存储器元件。
感测层可包括转移元件(诸如栅极)，以用于将来自感测元件的电荷转移至浮动扩散节点FD1。感测层可包括用于复位浮动扩散区的复位晶体管。感测层还可包括用于避免信号渗溢(signal bleeding)的晶体管(抗模糊晶体管)，如先前解释的。除了这些电路元件之外，感测元件可占用感测层的大部分区域。值得注意的是，像素的(诸)存储器元件可被包括在存储层中。由此，存储器元件和读出电路系统(包括源极随耦器)不存在于感测层中。除了存储器元件之外，存储层还可包括用于基于存储在存储器元件中的电荷来提供输出信号的读出电路系统。
图3示出了根据本发明的第一方面的实施例的像素100，其中像素的构成部分被分成两层，即感测层110和存储层120。尽管在图3的示意性图示中被示为彼此相邻，但这两层在现实中是彼此堆叠的。这些堆叠层的横截面视图在图12和图14中示出。堆叠层110、120可以是单独的半导体衬底，例如硅衬底。存储层120和感测层110两者都可包括二极管402、401，这些二极管例如通过金属化层403来电连接，由此形成共用浮动扩散区。二极管的使用有助于提供这两层之间的连接，而不与衬底短路。
感测层110可以比存储层120更薄。例如，取决于应用，感测层110可以是微米级，例如对于可见光感测层110可以是约3μm。存储层可以具有晶片的典型厚度，例如700μm，例如1mm等。
感测层110可以是顶层，并且存储层可以在其下方提供，其中“顶”和“下方”是按照辐照方向来表达的：顶层比它下方的层更靠近辐照源或者辐照所来自的点。一般而言，感测层是像素中被布置成从辐射源接收辐射的层，例如可本领域可见光或(近)IR辐射的层。存储层120可以在感测层110的下面。由此，本发明能适用于背照式(BSI)传感器。存储层120可被遮蔽以免辐照直接照射它。
感测层110包括辐敏元件，也被称为感测元件101。感测元件101被置于像素100上以使其从外部源(辐射源、光学系统，诸如透镜系统等)接收辐射(例如，可见辐射，近IR辐射等)。例如，它可以是光电二极管，例如钉扎光电二极管(PPD)。
感测层110的一部分包括被适配成从感测元件101接收电荷的区域，该区域通常被称为具有预定电容CFD的浮动扩散(FD)区。例如，它可以是衬底上的掺杂区，例如它可以是二极管。本发明提供了浮动扩散区FD1，它是对感测层110和存储层120两者共用的，如以下解释的。
转移元件TX可用于允许或阻塞电荷从感测元件101转移至FD区FD1。感测元件101可采集并存储在曝光期间产生的电荷，直到感测层110的转移元件TX被激活。转移元件TX的激活导致感测元件101采集到的电荷被转移至浮动扩散区。感测层110的转移元件TX可以是转移栅极，诸如晶体管(例如，MOSFET)的转移栅极。
在一些实施例中，在感测层110中添加可连接到像素电压VRD1的复位晶体管RST1以复位FD区。由于浮动扩散区“延伸”穿过这两层，或者复位晶体管RST1可以被提供在存储层120中，因此这不占用感测层110中的区域，由此增大感测元件101的填充因子。在使用期间，浮动扩散区的电容CFD1在将电荷移位至此之前被复位。
在一些实施例中，感测层110还可包括具有先前解释的相同功能的抗模糊元件TAB(例如，抗模糊晶体管)。
存储层120包括存储器元件121，该存储器元件可以从感测层110的FD区(例如从由感测层110和存储层120共享的共用浮动扩散区FD1)接收电荷。存储器元件121可存储电荷，并在请求之际，将电荷发送至读出级。更详细地：
存储层120包括与感测层110的FD区等电位的浮动扩散区。感测层110和存储层120可被适配成使得感测层110的FD延伸到存储层120中。用于提供这些区域的器件可以是二极管。例如，感测层110可包括作为FD区的第一二极管401，并且存储层120可包括第二二极管402，该第二二极管电连接到第一二极管以由此形成对这两层共用的浮动扩散区FD1。例如，触点403(诸如电阻触点，例如混合接合焊盘)可用于将这两个二极管互连。感测层110与存储层120之间的互连在图3中被表示为浮动扩散FD1层级的黑圆。二极管在图12和图14中详细地示出。
共用浮动扩散节点FD1具有电容CFD1以接受从感测元件101转移的电荷。将电荷从感测元件101转移导致电容器CFD1的电压的偏移，这可被用作对像素的存储器的输入信号。
存储器元件121可以按与传统CCD的电荷输入结构相类似的方式操作。例如，存储器元件121可包括可被独立控制的三个相邻栅极，例如与用于存储所转移的电荷的存储节点SG相邻的用于转移或阻塞电荷的两个转移元件TX1、TX2。在一些实施例中，存储节点SG覆盖与感测层110的感测元件101所占据的区域相对应的区域。感测层中的二极管的大小以及存储层中的存储节点的大小彼此独立。虽然像素的感测层的区域以及该像素的存储层的区域应优选地彼此对应，但组件可以是不同的；例如，第一二极管401可具有与第二二极管402不同的形状和/或大小。
转移元件TX1、TX2以及存储节点SG可包括可被独立控制的转移栅极。转移栅极TX2可用于将电荷从存储节点SG转移出来。在本发明的实施例中，TX2将被称为输出元件TX2。在一些实施例中，输出元件TX2允许电荷转移至存储层的第二浮动扩散FD2区，该FD2区呈现出已知电容CFD2。
本发明的实施例的优点在于存储节点SG位于两个转移元件TX1、TX2之间。整个存储器元件121(即在本发明的实施例中是两个转移元件TX1、TX2以及它们之间的存储节点SG)可优选地被提供在形成感测层的一部分的第一浮动扩散节点FD1与第二浮动扩散节点FD2之间。存储节点SG可被完全废弃。这改善了采集到的电荷的完整传输，这有利地减少暗电流和漏电流。
在本发明的实施例中，存储层120包括用于复位存储节点以对像素存储器进行擦除的存储复位晶体管RST2。例如，输出元件TX2和复位晶体管RST2两者都可被激活以使得存储节点中的电荷被冲走(例如，至复位汲源(drain source)VRD2)。浮动扩散FD2然后也被置位成复位电压VRD2。
因为像素100包括形成层堆叠的感测层110和存储层120，因此感测层110可接收辐射并且与此同时阻挡辐射到达存储层120。因此，存储层120上的敏感电路系统可被遮蔽以免遭寄生辐射，例如沿着倾斜或偏斜的射线落在像素上的辐射。例如，存储器元件121的至少一部分(例如，至少存储节点SG)可被感测层110物理地交叠。
另外，可以在堆叠中在感测层110与存储层120之间提供光遮蔽。例如，可以向感测层110和/或存储层120提供屏光件或遮光件300，例如这可以被提供在感测层110或存储层120的金属化的层级。遮光件300可以是与堆叠的各层兼容的不透明材料层。例如，作为金属层的屏光件或遮光件300可以被提供在堆叠中作为感测层和存储层之间的遮光件。屏光件或遮光件300可被布置成阻止辐照照射在存储层120的至少一部分上，例如至少存储节点SG上。在本发明的实施例中，屏光件或遮光件300可以在顶层110上或底层中，它可被配置成阻止存储节点SG被照射辐射，例如它可被提供在靠近存储节点SG。该遮光件确保存储层120，具体而言是存储节点SG，被很好地遮蔽以免遭入射光。在本发明的实施例中，遮光件可被布置成额外地阻止光照射在存储层的转移元件(诸如转移栅极)上；例如，遮光件可覆盖至少存储节点以及转移元件，从而有利地降低存储节点对寄生光的敏感度。
感测层110可以连接到第一偏压，并且存储层可以连接到第二偏压。第一和第二偏压可以彼此不同。为了生成和/或改进感测层与存储层之间的电荷转移，第一偏压应比第二偏压低。
像素100可包括用于从由辐射产生的电荷中提取读出信号的读出级130。具体而言，读出级130可基于存储在存储器元件121中的电荷来提供输出信号。信号可经由列总线被转移至读出电路以及图像显示器、存储器等。
例如，存储器元件121可将所存储的电荷发送至第二浮动扩散节点FD2(例如，通过适当地控制包括在存储器元件中的转移元件TX1、TX2和存储节点SG)。第二浮动扩散节点FD2的电压变化，并且该变化可被读出级(例如被其源极随耦器)感测到。列总线上的电压相应地变化，由此提供像素100的输出电压。以此方式，浮动扩散FD2的电压可以在电荷从存储栅极SG转移至浮动扩散FD2之前被读取(复位电压)，并且在所述转移后允许通过电荷转移之前和之后的输出电压的相减来进行相关双采样(CDS)。以此方式，像素可提供具有非常低的噪声水平的最终信号。
在本发明的一些实施例中，存储层120包括读出级130。例如，存储层120可包括由电容CFD2表征的第二浮动扩散节点FD2。电荷可通过单片集成的读出级130(例如，通过集成在存储层120中的源极随耦器SF)来从中被读取。像素100可以变得非常紧凑是有利的。此外，通过提供根据本发明的实施例的不同层(例如，通过配置遮光件300)，读出级130也可被感测层110遮蔽，由此降低对寄生辐射等的敏感度并减少像素的噪声。例如，遮光件可覆盖存储节点以及读出级的至少浮动扩散区，可选地，以及读出级130的其他元件。
在本发明的一些实施例中，像素不限于单个存储节点。
图4示出了像素200的替代实施例，像素200包括通过在附图标记中添加“a”和“b”来标识的多个存储器元件121a、121b(如该附图中所示是两个，本发明不限于仅仅一个或两个)。例如，多个存储节点SGa、SGb可被添加到存储层140。例如，可使用诸如转移栅极等附加转移元件TX1a、TX1b来允许将电荷从浮动扩散节点FD1独立地转移至存储节点中的每一者。如前，共用浮动扩散节点FD1是由感测层110和存储层140两者共享的。存储器元件121a、121b可被连接到读出级，例如每个像素的单个读出级130；因此，存储节点SGa、SGb中的每一者上的用于读出电荷的单个读出级。例如，可以为每一个存储节点SGa、SGb提供附加输出元件TX2a、TX2b，以用于将电荷转移至附加浮动扩散FD2(具有预定电容CFD2)以供使用读出级130(如前可以是SF)来读出。
这一像素200可以在高动态范围(HDR)成像中使用。例如，在双曝光HDR模式中，长曝光结果可被存储在第一存储节点SGa中，并且短曝光结果可被存储在第二存储节点SGb中。
遮光件可覆盖至少一个或多个存储栅极，可选地覆盖转移元件，可选地还覆盖至少附加浮动扩散FD2。
在本发明的一些实施例中，例如在具有一个或多个存储节点的实施例中，遮光件覆盖整个存储层(除了两层之间的电触点之外)，从而防止光照射在存储层的电子元件(转移元件、存储节点、读出级等)上。
电路系统、触点、栅极和级(诸如读出级)可以被提供在衬底中或衬底上。感测层和/或存储层可以与集成元件一起构成此类衬底。
在另一方面，本发明涉及一种具有全局快门(GS)能力的图像传感器。该图像传感器包括根据本发明的实施例的像素的阵列，该像素阵列按行和列符合逻辑地组织，并且包括提供对像素曝光的控制的控制电路系统。控制电路系统可以是中央控制单元，该单元控制对阵列的多个像素(例如，所有像素)中的每个像素的转移元件(包括抗模糊晶体管(由此允许控制全局曝光))以及存储器元件和复位晶体管的激活。
图5示意性地示出了包括如参照图3或图4描述的像素100、200的阵列501的图像传感器500，该图像传感器500包括控制单元502。例如，本发明不受阵列501中的像素数量的限制，该阵列可包括例如数百万个像素，如技术所允许的。这一图像传感器500的像素可表现得如同在图3或图4中示出且参照图3或图4解释的像素，由此向传感器500提供GS传感器功能。控制单元502可控制，例如，将电荷从感测元件101转移出去、在存储节点SG、SGa、SGb中采集电荷、将电荷从存储节点移除到每一读出级130、以及例如抗模糊晶体管TAB和复位晶体管RST1、RST2。实际读出还可由控制单元502控制或替代地由“选择”控制电路504来控制，该电路504可以与控制单元502交换信息和/或可以与控制单元502同步，以用于控制每一像素100、200的选择晶体管SEL。读出电路可接受来自每一列总线的信号，并且例如CDS、供存储器存储或显示的信号，等等，如本领域中已知的。
在一些实施例中，从感测元件101到阵列中的每一个像素的读出级130的电荷转移可通过控制转移元件来执行，如在下文中解释的。
感测层110的曝光以及感测元件101中的电荷采集以及抗模糊晶体管TAB的使用可以与图2的对应PPD和抗模糊晶体管TAB相同。
浮动扩散区FD1的复位可以如先前解释的那样完成，例如通过激活连接到浮动扩散区FD1的复位晶体管RST1，这在具有低功耗的情况下提供高速复位。然而，本发明不限于此；例如，通过TX-TX1-TX2移除寄生电荷是可能的。
存储器元件可通过移除电荷，还可通过激活存储层的相关元件(例如，输出元件TX2)和复位晶体管RST2，来“清理”或“擦除”。
如在GS像素中，光子产生的电荷被从感测元件110同时转移到其浮动扩散区FD1，如参照图2解释的。这可以在阵列的所有像素中通过使用图像传感器的控制单元502来提供合适的激活信号来完成。控制单元502还可控制抗模糊晶体管TAB和复位晶体管RST。
如先前提到的，毗邻感测元件101的浮动扩散区FD1对于这两层是共用的(“共用浮动扩散区”)，并且可包括堆叠器件的感测层上的二极管、堆叠器件的存储层上的二极管、以及电触点，例如电阻触点，诸如堆叠器件的两层之间的互连金属化(例如，混合接合焊盘)。
电荷朝共用浮动扩散区FD1的转移将引入其电容器CFD1的电压偏移。CFD1上的该电压以与如何使用CCD的电荷输入结构相类似的方式被用作对存储器元件，具体而言是转移元件TX1-存储节点SG组合的输入：TX1被断开，电荷流入存储节点SG，并且随后TX1被再次闭合。因此，电荷被从感测元件101移至共用浮动扩散区FD1并最终移至存储节点SG中。这可同时对所有像素完成，例如还通过图5所示的控制单元502，例如集成在芯片上的中央控制单元。位于存储层的层级的控制器可被提供。这有利地允许使用不同路线来提供各层，例如使用CMOS制造工艺来提供存储层并使用更便宜的nMOS制造工艺来路线来提供感测层。
在电荷转移后，对于所有像素感测元件101被清空(复位)，并且新曝光可同时对所有像素开始，由此给予图像传感器GS功能。
像素的读出可以按照与滚动快门模式中的典型4T像素相同的方式一行接一行(例如，按行或列)地开始。这可由可以是或不是中央控制单元502的一部分的选择控制单元504来控制。尽管该读出具有与RS传感器中的读出类似的步骤，但对于所有行和列的像素(例如，对于阵列的所有像素)已经同时生成采集到的电荷，如在GS传感器中那样。由此，在拍摄移动体的图像时不出现扭曲或失真。更详细地：
该读出级可包括源极随耦器以及连接到该源极随耦器的栅极的第二浮动扩散区FD2。源极随耦器与浮动扩散区FD2之间的交互是与先前参照图2的交互相似的。就在执行像素的一行的读出之前，第二浮动扩散区的电容器CFD2通过复位晶体管RST2来复位。接着，源极随耦器SF通过将该SF连接到它在列总线上的负载来激活。该连接可通过行选择晶体管SEL来实现。在复位动作后，浮动扩散区上的电压通过源极随耦器SF来感测，并且该电压在列总线上被“复制”。这提供了像素的参考电压的第一测量。
然后，可执行读出，同样如参照图2解释的。来自存储节点SG的电荷通过TX2或TXa、TXb被转移至浮动扩散区FD2，由此降低第二扩散区FD2的电容器CFD2上的电压。该低电压被源极随耦器SF感测到并“复制”到列总线。这提供了像素的输出电压的第二测量。
原则上，该像素被完全读出，并且行选择开关SEL可被停用。如前，可提供CDS，以使得可实现具有非常低的噪声水平的最终信号。
综上，针对所有像素的同时曝光时间(例如，同时开始)在具有被很好遮蔽的存储节点的有源像素中提供了“全局快门”效果，因为该存储节点位于对入射辐射隐藏并由至少覆盖该存储节点的遮光件保护的存储层上，如参照本发明的第一方面的实施例解释的。
在下文中，将示出用于驱动根据本发明的第一方面的实施例的像素的方法。该方法类似于用于驱动图2的像素的方法，考虑可添加额外复位晶体管以用于复位可以在转移来自感测元件的电荷之前使用的共用浮动扩散节点FD1。
该方法的步骤包括激活转移元件、晶体管和存储节点，如在图6到图12的电位图中示意性地示出的。电位的正方向在各附图上是向下的。
图6的示意性电位图示出了曝光之前的起始点。从左到右，抗模糊漏极的电位VAB通常被偏置于相对较高的电位(例如，3.3V)。抗模糊晶体管的栅极被示出，偏置于更低电压，典型值是稍微高于0V。感测元件(例如，PPD)被指示为具有其(钉扎)电压，通常是在0V和3.3V之间的某个值，例如1.5V。在该PPD的右侧，存在转移元件TX。尽管在图6中转移元件TX被偏置于与抗模糊晶体管TAB相同的电位，但这仅仅是一个非限制性示例。PPD的电位阱(也被称为PPD的桶(bucket))被很好地限定在感测层110的抗模糊栅极和转移元件TX(例如，转移栅极)之间。
图6到图12中的毗邻感测层的转移元件TX的阴影线区域FD1表示浮动扩散区上的电压。该电压在感测层处是与它在存储层上相同的，因为共用浮动扩散区FD1的这两部分(例如，担当浮动扩散区的二极管)是电连接的。
毗邻浮动扩散区，在存储层120、140上，存储器元件121包括三个可控元件，例如三个栅极。中间栅极可被适配成接受并存储电荷；它被认为是存储节点SG。它被分别用于将电荷转移至存储节点中以及用于将电荷从该存储节点移除或输出的两个转移元件TX1、TX2包围。
转移元件TX1被偏置于低电压，(用作存储节点的)栅极SG被偏置于高电压，并且输出元件TX2被偏置于低电压。存储节点SG下方的桶由转移元件TX1和输出元件TX2上的低电压来明确限定。毗邻输出元件TX2，示出了第二转换节点或浮动扩散区(图6到图12上的FD2)，其中电荷被转换成电压。第二浮动扩散节点FD2可通过复位栅极RST以如在CMOS像素中完成的典型方式来被复位成像素电压VDDPIX。
为了改进从感测层110到存储层120、140的电荷转移，可以为这两层(例如，半导体衬底，例如硅衬底)选择彼此不同的合适偏置。例如，对应于存储层的衬底可被偏置成电压高于对应于感测层的衬底。
图7示出了从噪声、漏电流、串扰等产生的电荷中“清理”感测元件PPD的步骤。这可通过抗模糊晶体管TAB上的脉冲来简单地完成。黑框指示栅极已被激活，改变其电位(提高电压)，其余附图中也是如此。这可同时针对图像传感器的所有像素全局完成。例如，控制单元502可执行该同时动作。由PPD与电压源VAB之间的TAB提供的屏障被降低以使得任何剩余电荷(诸如PPD中的电子)可流入电压源VAB中。
图8示出了PPD与VAB之间的屏障被重建，以使得曝光开始并且电荷被采集在PPD桶中。这由PPD桶中的网状矩形来指示，表示光子产生的电荷。同时，浮动扩散FD1还可以从例如漏电流、来到FD1的寄生光等采集电子。由此，在PPD的光电荷可被转移之前，浮动扩散FD1可被清理。
图9示出了将寄生电荷从第一浮动扩散区FD1移除的可能性。这可通过跨TX1、SG和TX2将电荷从第一浮动扩散区FD1移出至第二浮动扩散区FD2来完成。同时，复位晶体管RST也是活动的，并且来自FD1的所有电荷可以流动到复位的漏极。该PPD可被清空并且也可针对阵列的所有像素全局地完成。另一复位晶体管RST1可被使用，如图3所示，例如被提供在感测层上以复位浮动扩散区FD1。
在该全局动作后，传感器基本上准备好将电荷从感测元件PPD转移至阵列的每个像素的存储器元件的存储节点SG。
该转移在图10中示出，图10示出了电荷如何被传输至并存储在存储器元件121的存储节点SG中。为了发起这一从感测元件PPD到包括存储节点SG的存储器元件MEM的传输，通过TX2上的低电压来对第二浮动扩散区FD2屏蔽存储器元件MEM，同时存储节点SG本身和转移元件TX1保持在高电压(通过偏置存储节点SG的栅极)。例如，与清理FD1的情形(图9)相比，TX1(以及SG)的偏置不需要被改变，但转移元件TX2被偏置于低电压或者不被偏置。由此，当断开转移栅极TX时，来自PPD的所有电荷将被传输至FD1，但因为FD上的原始电压等于TX1上的电压，所以电荷将从该PPD流向存储节点SG。
该偏压可高于感测元件的电压。例如，如果PPD的钉扎电压是1.5V，则TX1的偏压可以是例如2V。
在将电荷全局传输至MEM节点后，PPD与FD1之间的屏障通过TX上的低电压来重建。在该TX闭合后，两个附加并行动作可开始，例如，但非必需是：
-PPD的可选清理(通过激活TAB，如图11所示)以及PPD的新曝光(如果需要)。
-以典型方式读出存储在存储器节点中的数据，同时维持用于相关双采样的选项(复位FD2，测量参考电平，通过TX2转移电荷(例如通过将TX2偏置到更高电压)，测量来自光子产生的电荷的信号)。
存储器节点的读出能够以与滚动快门模式中从光电二极管中的电荷读出类似的方式完成。
本发明可以在汽车应用(其中需要分析移动对象的图像，例如快速移动的对象)、监控和其他视频应用(例如，以高帧率)中使用。机器视觉是典型的示例。相比于其他有源像素传感器，在不暴露于光的层上提供有源电路系统的大部分，以使得像素区域可被高效地利用。这改进了填充因子并允许像素中的更高灵敏度。各应用因此可包括低强度辐射，例如低光应用。还可实现CDS，这进一步降低了噪声影响。
综上，本发明提供了一种尺寸减小的像素，因为存储节点可位于堆叠器件的第二层上，可选地读出级(例如，源极随耦器)也可位于堆叠器件的第二层上。其存储节点可针对入射光被完全遮蔽，其结果是极低的寄生光敏感度。本发明提供的解决方案与背侧照明兼容，由此提供BSI像素，而无需用于存储节点的非常复杂的遮蔽技术。
在现有技术的情况下，电荷域中近IR入射光与GS传感器的组合是非常困难的，但当存储节点位于堆叠器件的第二层上时，该期间的光敏部分可针对近IR和/或MTF来优化，而没有对寄生光敏感度的任何约束。可实现潜在全局快门像素，该像素小于当今前侧照明器件的极限(2.2μm)。该理念的概念可被容易地扩展到具有若干存储节点的器件，例如供在高动态范围应用或汽车应用中用来防止光闪烁问题。

Claims (10)

1.一种用于全局快门像素阵列的像素(100、200)，所述像素包括感测层(110)和存储层(120、140)，
所述感测层(110)包括：
被适配成在接收到辐射之际提供电荷的感测元件(101)，
用于从所述感测元件(101)接收电荷的第一浮动扩散区(FD1)，所述存储层(120)包括：
至少一个存储节点(SG)，所述至少一个存储节点用于从所述感测层(110)的所述第一浮动扩散区(FD1)接收电荷并用于存储所述电荷，
所述感测层(110)和所述存储层(120)形成层堆叠，所述感测层(110)至少覆盖所述存储层(120)的所述存储节点(SG)并且所述堆叠进一步包括至少在所述感测层(110)与所述存储层(120)的所述存储节点(SG)之间的遮光件(300)，从而使所述存储节点(SG)被遮蔽以免遭辐射，
其中所述存储节点(SG)被提供在两个转移栅极(TX1、TX2)之间，并且所述存储节点(SG)和这两个转移栅极(TX1、TX2)被提供在所述第一浮动扩散区(FD1)和第二浮动扩散区(FD2)之间。
2.如权利要求1所述的像素，其中所述感测层(110)和所述存储层(120)各自包括到不同偏压的连接，其中所述存储层的偏压高于所述感测层的偏压。
3.如权利要求1所述的像素，其中所述存储层(120)包括电连接到所述感测层(110)的浮动扩散区的区域，以使得所述浮动扩散区延伸入所述存储层(120)中以形成共用浮动扩散区(FD1)。
4.如权利要求3所述的像素，其中所述共用浮动扩散区(FD1)是由所述感测层(110)和所述存储层(120)中的每一者中的至少一个二极管(401、402)形成的。
5.如权利要求4所述的像素，其中所述第一浮动扩散区(FD1)是由所述感测层(110)中的第一二极管(401)以及所述存储层(120、140)中的第二二极管(402)形成的，所述第一二极管和所述第二二极管通过混合接合焊盘来彼此电连接。
6.如权利要求1所述的像素，其中所述存储层(120)进一步包括被适配成基于存储在所述存储节点(SG)中的电荷来提供读出信号的读出级(130)。
7.如权利要求6所述的像素，其中所述读出级(130)包括连接到所述存储层(120)上的所述第二浮动扩散区(FD2)的源极随耦器(SF)。
8.如权利要求3所述的像素，其中所述像素(100)包括背侧照明配置。
9.如权利要求3所述的像素(200)，其中所述存储层(140)包括不止一个存储节点(Sga、SGb)，这些存储节点各自被适配成从所述感测层(110)的浮动扩散区(FD1)接收电荷并将电荷提供给相同的读出电路(130)。
10.一种图像传感器(500)，包括如权利要求3所述的像素(100、200)的阵列，所述图像传感器(500)包括被配置成以全局快门模式驱动所述阵列的电路系统(502)。
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