CN114902420A - 固态成像元件和成像系统 - Google Patents

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Abstract

根据本公开的固态成像元件(200)包含第一基板(光接收芯片201)和第二基板(检测芯片202)。第一基板(光接收芯片201)包含光电二极管(221)，光电二极管(221)光电转换入射光以生成光电流。第二基板(检测芯片202)接合至第一基板(光接收芯片201)，并且包含亮度变化检测电路(电流‑电压转换电路310)，该亮度变化检测电路基于通过转换电路(电流‑电压转换电路310)转换获得的电压信号来检测入射光的亮度变化，该转换电路将光电流转换成电压信号。遮光部件(700)设置在第一基板(光接收芯片201)和第二基板(检测芯片202)中的至少一个基板中并且遮挡光电二极管(221)与设置在第二基板(检测芯片202)中的有源元件(晶体管TR)之间的区域。

Description

固态成像元件和成像系统
技术领域
本公开涉及固态成像元件和成像系统。
背景技术
在动态视觉系统中使用的固态成像元件将入射光光电转换为电压信号，并且基于电压信号检测入射光的亮度变化(例如，参照专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：国际公开第2019/087472号
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在检测入射光的亮度变化的固态成像元件中，在内部发生杂散光的施加的情况下，电压信号的电压波动，并且亮度变化的检测精度可能劣化。
因此，本公开提出了能够抑制亮度变化的检测准确度劣化的固态成像元件和成像系统。
问题的解决方案
根据本公开的固态成像元件设置有第一基板和第二基板。第一基板设置有光电二极管，该光电二极管光电转换入射光以生成光电流。第二基板设置有亮度变化检测电路，亮度变化检测电路基于由转换电路转换的电压信号来检测入射光的亮度变化，并且亮度变化检测电路接合至第一基板，转换电路将光电流转换为电压信号。包括光遮挡单元，该光遮挡单元设置在第一基板或第二基板中的至少任何中，并且遮挡设置在第二基板中的有源元件与光电二极管之间的光。
附图说明
图1是示出根据本公开的成像装置的配置实例的框图。
图2是示出根据本公开的固态成像元件的堆叠结构的实例的示图。
图3是根据本公开的光接收芯片的平面图的实例。
图4是根据本公开的检测芯片的平面图的示例。
图5是根据本公开的地址事件检测单元的平面图的实例。
图6是示出根据本公开的地址事件检测电路的配置实例的框图。
图7是示出根据本公开的电流-电压转换电路的配置实例的电路图。
图8A是示出根据本公开的减法器和量化器的配置实例的电路图。
图8B是示出根据本发明的量化器的变形的电路图。
图9是根据本公开的固态成像元件的横截面示意图。
图10A是示出根据本公开的光接收芯片侧光遮挡布线的配置示例的截面示意图。
图10B是示出根据本公开的光接收芯片侧光遮挡布线的配置示例的截面示意图。
图10C是示出根据本公开的光接收芯片侧光遮挡布线的配置示例的平面示意图。
图10D是示出了根据本公开的光接收芯片侧光遮挡布线的布置实例的侧示例性视图。
图11A是示出根据本公开的检测芯片侧光遮挡布线的布置实例的平面示意图。
图11B是示出根据本公开的检测芯片侧光遮挡布线的布置实例的平面示意图。
图11C是示出了根据本公开的检测芯片侧光遮挡布线的配置示例的侧面示意图。
图12是示出根据本公开的遮光膜的另一布置实例的截面说明图。
图13是示出了根据本公开的遮光沟槽结构的横截面示意图。
图14A是示出根据本公开的第一遮光结构实例的平面示意图。
图14B是沿图15A中的线A-A’截取的截面图。
图15A是示出根据本公开的第二遮光结构实例的平面示意图。
图15B是沿图16A中的线B-B’截取的截面图。
图16是示出根据本公开的地址事件检测电路的另一个配置实例的框图。
图17是示出根据本公开的扫描型成像装置的配置实例的框图。
图18是示出了根据本公开的实施方式的距离测量系统的配置实例的示意图。
图19是示出了根据本公开的实施方式的距离测量系统的电路配置实例的框图。
具体实施方式
在下文中，参照附图详细描述本公开的实施方式。另外，在以下的各实施方式中，对相同部分标注相同标号并省略其说明。
[1.成像装置的配置实例]
图1是示出根据本公开的成像装置100的配置实例的框图。该成像装置100是图像数据的成像系统的实例，并且设置有成像透镜110、固态成像元件200、记录单元120以及控制单元130。作为成像装置100，假设安装在工业机器人上的照相机、车载照相机等。
成像透镜110会聚入射光并且将其引导至固态成像元件200。固态成像元件200对入射光进行光电转换以对图像数据成像。该固态成像元件200对成像图像数据执行预定信号处理(诸如图像识别处理)，并且经由信号线209向记录单元120输出处理后的数据。
记录单元120记录来自固态成像元件200的数据。控制单元130控制固态成像元件200对图像数据成像。
[2.固态成像元件的配置实例]
图2是示出根据本公开的固态成像元件200的堆叠结构的实例的示图。该固态成像元件200设置有检测芯片202和堆叠在检测芯片202上的光接收芯片201。这些芯片通过过孔等接合。注意，除了过孔之外，它们还可以通过Cu-Cu接头或凸块彼此连接。检测芯片202是对来自固态成像元件200的输出执行信号处理的信号处理芯片的实例。
图3是根据本公开的光接收芯片201的平面图的示例。光接收芯片201设置有光接收单元220和过孔布置单元211、212和213。
过孔排布单元211、212和213中设置有与检测芯片202连接的过孔。此外，在光接收单元220中，多个光电二极管221以二维晶格方式布置。光电二极管221光电转换入射光以生成光电流。被分配了包括行地址和列地址的像素地址的每个光电二极管221被作为像素处理。
图4是根据本公开的检测芯片202的平面图的示例。该检测芯片202设置有过孔布置单元231、232和233、信号处理电路240、行驱动电路251、列驱动电路252和地址事件检测单元260。连接至光接收芯片201的过孔被布置在过孔布置单元231、232和233中。
地址事件检测单元260从多个光电二极管221中的每个的光电流生成检测信号，并将其输出至信号处理电路240。该检测信号是指示入射光的光量超过预定阈值的事实是否被检测为地址事件的1位信号。
行驱动电路251选择行地址并允许地址事件检测单元260输出与所选择的行地址对应的检测信号。
列驱动电路252选择列地址并允许地址事件检测单元260输出对应于所选择的列地址的检测信号。
信号处理电路240对来自地址事件检测单元260的检测信号执行预定信号处理。该信号处理电路240以二维晶格方式将检测信号布置为像素信号，并且获取每个像素的具有1位信息的图像数据。然后，信号处理电路240对图像数据执行诸如图像识别处理等信号处理。
图5是根据本公开的地址事件检测单元260的平面图的实例。在该地址事件检测单元260中，多个地址事件检测电路300以二维晶格方式布置。被分配了像素地址的每个地址事件检测电路300连接到具有相同地址的光电二极管221。
地址事件检测电路300量化与来自相应的光电二极管221的光电流对应的电压信号，并且输出该电压信号作为检测信号。
[3.地址事件检测电路的配置实例]
图6是示出根据本公开的地址事件检测电路300的配置实例的框图。该地址事件检测电路300设置有电流-电压转换电路310、缓冲器320、减法器330、量化器340和转移电路350。
电流电压转换电路310将来自对应的光电二极管221的光电流转换为电压信号。该电流电压转换电路310将电压信号提供给缓冲器320。
缓冲器320校正来自电流电压转换电路310的电压信号。该缓冲器320将校正后的电压信号输出至减法器330。
减法器330根据来自行驱动电路251的行驱动信号，降低来自缓冲器320的电压信号的电平。该减法器330将降低的电压信号提供给量化器340。
量化器340将来自减法器330的电压信号量化成数字信号并将数字信号与检测信号输出至转移电路350。
转移电路350根据来自列驱动电路252的列驱动信号将来自量化器340的检测信号传送到信号处理电路240。
[4.电流-电压转换电路的配置实例]
图7是示出根据本技术的本公开的电流-电压转换电路310的配置实例的电路图。该电流-电压转换电路310设置有转换晶体管311、电流源晶体管312和电压供应晶体管313。作为转换晶体管311和电压供应晶体管313，例如，使用N型金属氧化物半导体(MOS)晶体管。此外，例如，使用P型MOS晶体管作为电流源晶体管312。
转换晶体管311将来自相应的光电二极管221的光电流Iin转换成电压信号Vout并且将其从其栅极输出。转换晶体管311的源极经由输入信号线314连接到光电二极管221的阴极和电压供应晶体管313的栅极。此外，转换晶体管311的漏极连接到电源，并且其栅极经由输出信号线315连接到电流源晶体管312的漏极、电压供应晶体管313的漏极和缓冲器320的输入端子。
电流源晶体管312将预定的恒定电流提供给输出信号线315。将预定偏置电压Vbias施加至电流源晶体管312的栅极。其源极连接到电源，其漏极连接到输出信号线315。
电压供应晶体管313将对应于恒定电流的恒定电压从输出信号线315经由输入信号线314提供到转换晶体管311的源极。因此，转换晶体管311的源极电压被固定为恒定电压。因此，当光入射时，转换晶体管311的栅极-源极电压根据光电流增加，并且电压信号Vout的电平增加。
[5.减法器和量化器的配置实例]
图8A是示出根据本公开的减法器330和量化器340的配置实例的电路图。减法器330设置有电容器331和333、反相器332和开关334。此外，量化器340设置有比较器341。
电容器331的一端连接到缓冲器320的输出端子，其另一端连接到反相器332的输入端子。电容器333与反相器332并联连接。
开关334包括例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且根据行驱动信号打开和关闭连接电容器333的两端的路径。开关334用作通过连接电容器333的两端来放电和复位电容器333的复位晶体管。
反相器332将经由电容器331输入的电压信号反相。反相器332将反相信号输出至比较器341的非反相输入端(+)。
比较器341是例如反相放大器，并且用作亮度变化检测电路，该亮度变化检测电路基于从减法器330输入的电压信号检测入射在光电二极管221上的入射光的亮度变化。
比较器341将来自减法器330的电压信号与施加至反相输入端(-)的预定阈值电压VthON和VthOFF进行比较以检测入射光的亮度变化。比较器341将指示比较结果的信号作为检测信号输出至转移电路350。
在比较器341中，例如，在成像装置100用于脸部认证的情况下，切换与将眨眼光施加至作为对象的脸部的光源的眨眼周期同步的阈值电压VthON和VthOFF输入。比较器341在光源被接通的周期中将输入电压信号与阈值电压VthON进行比较。此外，比较器341在光源被关闭的周期中将输入电压信号与阈值电压VthOFF进行比较。
应注意，量化器340的配置不限于图8A中示出的配置，并且可以是例如图8B中示出的配置。图8是示出根据本发明的量化器的变形的电路图。如图8B所示，根据本变形例的量化器340a设置有与输入并联连接的两个比较器341a和341b。
电压信号从减法器330输入到比较器341a和341b的非反相输入端(+)。阈值电压VthON被输入到比较器341a的反相输入端(-)。阈值电压VthOFF被输入到比较器341b的反相输入端(-)。
比较器341a将指示电压信号与阈值电压VthON之间的比较结果的检测信号SigON输出到转移电路350。比较器341b将指示电压信号与阈值电压VthOFF之间的比较结果的检测信号SigOFF输出到转移电路350。
通过具有这种配置的量化器340a，与图8A中示出的量化器340相似，可以基于从减法器330输入的电压信号检测入射在光电二极管221上的入射光的亮度的变化，并且将检测结果输出到传输电路350。
此处，在量化器340和340a中，当减法器330的寄生光敏感(PLS)高时，输入电压信号的电压由于在减法器330中施加杂散光或者光生成电荷的扩散而波动，并且亮度变化的检测准确度劣化。
例如，在图8A中所示的配置的情况下，当在分别连接到包括在减法器330中的电容器331和333的杂质扩散区A1和A2中发生杂散光的施加或光生成电荷的扩散时，发生光电转换，并且输入到量化器340的电压信号的电压波动。
此外，当在连接到开关334的栅极的杂质扩散区域A3中发生杂散光的施加或光生成电荷的扩散时，开关334的断开/闭合操作中发生异常，并且输入到量化器340的电压信号的电压可能波动。
此外，例如，在地址事件检测电路300中，与热载流子的生成相关联的发光现象(在下文中，称为HC光发射)可能发生在具有相对较大电流量的晶体管的栅极电极附近。
当通过HC光发射的光透射通过固态成像元件200的内部并且被光电二极管221接收时，发生光电转换，暗电流和随机噪声增加，并且亮度变化的检测精度劣化。
因此，根据本公开的固态成像元件200具有抑制由于杂散光的施加或光生成电荷的扩散而引起的亮度变化的检测精度的劣化的配置。在下文中，具体描述根据本公开的具有抑制亮度变化的检测准确度劣化的配置的固态成像元件。
[6.根据本公开的固态成像元件]
[6-1.根据本公开的固态成像元件的总体配置]
接下来，参照图9描述根据本公开的固态成像元件。图9是根据本公开的固态成像元件的横截面示意图。要注意的是，为了方便起见，在后文中描述假设固态成像元件的光入射的表面的一侧为上侧，并且与光入射的表面的相反侧为下侧。
如图9所示，根据本公开的固态成像元件200设置有作为其上设置光电二极管221的第一基板的实例的光接收芯片201和作为接合至光接收芯片201的第二基板的实例的检测芯片202。片上透镜600堆叠在光接收芯片201上。
光接收芯片201设置有：半导体层400，其中多个光电二极管221布置成矩阵；以及第一布线层500，设置在与半导体层400的光入射的表面相对的侧上。
半导体层400例如是掺杂有诸如硼(B)的P型杂质的硅(Si)基板。光电二极管221是其中例如磷(P)等N型杂质在半导体层400中扩散的区域。在光电二极管221之间设置有使光电二极管221彼此电隔离和光学隔离的深沟槽隔离(DTI)401。
第一布线层500例如包括诸如氧化硅(SiO2)膜之类的层间绝缘膜501、包括设置在层间绝缘膜501内部的第一布线M1、第二布线M2、第三布线M3等的多层布线、以及连接电极MCu。连接电极MCu是通过Cu(铜)-Cu(铜)连接将光接收芯片201x电连接到检测芯片202x的电极。
例如，检测芯片202设置有半导体层410和第二布线层510，在半导体层410中，设置了包括在诸如地址事件检测电路300的信号处理电路中的诸如晶体管TR的电路元件，并且第二布线层510设置在半导体层410的光入射的表面的一侧上。
半导体层410是例如掺杂有诸如硼(B)的P型杂质的硅(Si)基板。例如，半导体层410设置有诸如磷(P)的N型杂质在其中扩散的区域。扩散有N型杂质的区域变成例如晶体管TR的源极S、漏极D等。
第二布线层510例如包括诸如氧化硅(SiO2)膜之类的层间绝缘膜511、设置在层间绝缘膜511内的多层布线M以及连接电极MCu。连接电极MCu是通过Cu(铜)-Cu(铜)连接将检测芯片202x电连接至光接收芯片201x的电极。此外，晶体管TR的栅电极G设置在第二布线层510中。
在此，在固态成像元件200中，当入射在片上透镜600上的光800透射通过光电二极管221、第一布线层500、以及第二布线层510并且入射在检测芯片202x的半导体层410上时，亮度变化的检测精度可能劣化。
如上所述，当光800入射在例如连接到电容器331和333的杂质扩散区域以及减法器330中的开关334的栅极上时，在杂质扩散区域中发生光电转换，并且输入到量化器340的电压信号的电压波动。因此，在固态成像元件200中，亮度变化的检测精度劣化。
此外，在固态成像元件200中，当在晶体管TR的栅电极G附近发生的通过HC光发射801的光802透射通过第二布线层510和第一布线层500并且入射在光电二极管221上时，暗电流和随机噪声增加。因此，在固态成像元件200中，亮度变化的检测精度劣化。
因此，根据本公开内容的光接收芯片201设置有用作遮光单元的遮光膜700，该遮光单元对设置在检测芯片202中的有源元件与设置在半导体层400和检测芯片202之间的第一布线层500中的光电二极管221之间的光进行遮光。
根据这种光接收芯片201，可以防止入射在片上透镜600上并且通过光电二极管221传输的光800通过第一布线层500传输。因此，固态成像元件200可抑制由于入射在片上透镜600上的光800入射在检测芯片202上而引起的亮度变化的检测准确度的劣化。
应注意，光接收芯片201可以设置有用于在设置遮光膜700的位置处代替遮光膜700来遮挡光的布线(在下文中，称为“遮光布线”)。因此，例如，在图9所示的实例中，可仅通过改变第二布线M2的布线图案来防止光800的透射，而不单独增加形成遮光膜700的步骤。
在这种情况下，遮光布线可连接至第一布线M1、第二布线M2、第三布线M3等，或者可以是不连接至第一布线M1、第二布线M2、第三布线M3等的虚设布线。
相反，检测芯片202设置有用作遮光单元的遮光布线701，遮光单元遮挡设置在检测芯片202中的有源元件与设置在半导体层410和光接收芯片201之间的第二布线层510中的光电二极管221之间的光。
根据这种检测芯片202，可以防止通过HC光发射801的光802透射通过第二布线层510。因此，固态成像元件200可抑制由于通过HC光发射801在光电二极管221上的光802的入射引起的亮度变化的检测精度的劣化。
另外，遮光布线701也可以与设置在第二布线层510中的另一多层布线M等连接，也可以是不与另一多层布线M连接的虚设布线。另外，也可以在设置遮光布线701的位置设置代替遮光布线701的遮光膜202。
这里，描述了固态成像元件200设置有遮光膜700和遮光布线701的情况，但是固态成像元件200可设置有遮光膜700或遮光布线701中的至少任意一个。
此外，本文中描述了诸如遮光膜和遮光布线的遮光单元设置在光接收芯片201和检测芯片202两者中的情况，但是遮光单元可以设置在光接收芯片201或检测芯片202中的至少任意一个中。
[6-2.根据本公开内容的光接收芯片侧遮光布线的配置实例]
接下来，参照图10A至图10D描述光接收芯片侧光遮挡布线的配置示例。图10A和图10B是示出根据本公开的光接收芯片侧光遮挡布线的配置示例的截面示意图。图10C是示出根据本公开的光接收芯片侧光遮挡布线的配置示例的平面示意图。图10D是示出了根据本公开的光接收芯片侧光遮挡布线的配置示例的侧面示意图。
如图10A所示，光接收芯片201具有其中第一布线层500中的布线图案规则重复的结构。在图10A所示的实例中，该结构使得在每三个相邻像素中重复相同的布线图案。
因此，在光接收芯片201中，即使经由片上透镜600入射的光800被遮光布线710、第一布线M1、第二布线M2以及第三布线M3反射，反射光也以三个像素为单位均匀地入射在光电二极管221上。
因此，光接收芯片201可防止由三个像素为单位的光电二极管221之间的接收光亮度的不均匀的出现，这是由于光遮挡布线710、第一布线M1、第二布线M2以及第三布线M3的反射光引起的。
应注意，图10A示出了其中遮光布线710设置在第一布线层500中的同一层中的情况，但是这是实例，并且例如，如图10B所示，遮光布线711、遮光布线712和遮光布线713可以设置在第一布线层500中的多个层中。
在图10B中示出的光接收芯片201a中，遮光布线711被设置在与第一布线层500中的第一布线M1相同的层中，遮光布线712被设置在与第三布线M3相同的层中，并且遮光布线713被设置在与连接电极MCu相同的层中。设置在第一布线层500中的多条遮光布线711、712和713设置在平面图中至少部分地彼此重叠的位置处。
例如，如图10C所示，最靠近半导体层400的遮光布线711在平面图中设置在与遮光布线712的两端部分重叠的下层的位置。注意，尽管此处未示出，但下层中的遮光布线712类似地在平面图中设置在与另一下层中的遮光布线713的两端部分重叠的位置处。
因此，在光接收芯片201中，例如，从上层的遮光布线711泄漏的光800被下层的遮光布线712遮挡，并且从下层的遮光布线712泄漏的光800被更下层的遮光布线713遮挡，从而可以执行更可靠的遮光。
此外，如图10D所示，在上层上的遮光布线711形成为使得在下层中与遮光布线712重叠的宽度DB等于或大于在垂直方向上与下层中的遮光布线712的距离DA和在侧视图中与相邻设置的遮光布线711的间隔DC。
此外，尽管此处未示出，但是下层中的遮光布线712类似地形成为使得与另一下层中的遮光布线713重叠的宽度等于或大于在侧视图中与相邻设置的遮光布线713在垂直方向上的距离和与遮光布线712的间隔。因此，光接收芯片201可更可靠地遮挡在倾斜方向上入射的光800。
[6-3.根据本公开内容的检测芯片侧遮光布线的配置实例]
接着，参照图11A和图11B说明检测芯片侧遮光布线的配置例。图11A和图11B是示出根据本公开的检测芯片侧光遮挡布线的布置实例的平面示意图。图11C是示出根据本公开的检测芯片侧光遮挡布线的配置示例的侧面示意图。
如图11A所示，例如，设置在检测芯片202中的遮光布线701设置在包括发生HC光发射801的有源元件(诸如晶体管TR)的位置重叠电路块411、412和413处。然后，遮光布线701具有在平面图中包围电路块411、412和413的尺寸。
即，遮光布线701以100％以上的覆盖率覆盖电路块411、412和413。注意，电路块411、412和413可以是其中发生HC光发射801的有源元件本身，或者可以是包括多个杂质扩散区域的区域。因此，光遮挡布线701可以防止在检测芯片202中发生的HC光发射801导致的光802入射在光电二极管221上。
此外，如图11B所示，在检测芯片202的第二布线层510中，可分别为电路块411、412和413提供遮光布线721、遮光布线722和遮光布线723。在这种情况下，如图11C所示，例如，遮光布线721形成为使得从侧视图中的电路块411的外周突出的突出宽度DB1等于或大于从侧视图中的电路块411在垂直方向上的距离DA1。
此外，遮光布线722和遮光布线723类似地形成为使得在相应电路块412和413的侧视图中从外周边的突出宽度等于或大于在垂直方向上与电路块412和413的距离。
此外，在图11A所示的实例中，遮光布线701形成为使得从在侧视图中包括电路块411、412和413的区域的外周突出的突出宽度等于或大于在侧视图中的垂直方向上距电路块11、412和413的距离。
因此，即使当通过HC光发射801的光802被径向扩散时，光遮挡布线701、光遮挡布线721和光遮挡布线722也可以防止光802入射在光电二极管221上。
注意，这里描述一层中的遮光布线701、遮光布线721和遮光布线722设置在检测芯片202的第二布线层510中的情况，但是这是实例。在第二布线层510中，类似于图11B中示出的第一布线层500，遮光布线711、遮光布线712和遮光布线713可以设置在多个层中。
[6-4.根据本公开内容的遮光膜的另一布置实例]
接下来，参照图12描述根据本公开的遮光膜的另一布置实例。图12是示出根据本公开的遮光膜的另一布置实例的截面说明图。
如图12所示，光接收芯片201b设置有光遮挡膜730，该光遮挡膜牢固地放置在与其中多个光电二极管221在平面图中布置在第一布线层500中的光接收区域重叠的整个区域上。另外，在遮光膜730中，在光接收区域的外侧设置有用于将光电二极管221与光电流的读出电极连接的开口部。
因此，光接收芯片201b可更可靠地防止通过光电二极管221传输的光800和通过HC光发射801传输的光802通过第一布线层500传输。
此外，在设置于第一布线层500中的多层布线中最靠近半导体层400的第一布线M1与半导体层400之间设置遮光膜730。因此，在光接收芯片201b中，遮光膜730和光电二极管221之间的距离被进一步缩短，使得即使当透过光电二极管221的光800被遮光膜730反射时，也可以抑制光入射到相邻的光电二极管。即，根据光接收芯片201b，可以减少遮光膜730的反射光的串扰。
[6-5.根据本公开内容的遮光沟槽结构]
接下来，参照图13描述根据本公开的遮光沟槽结构。图13是示出了根据本公开的遮光沟槽结构的横截面示意图。
如图13所示，光接收芯片201c设置有嵌入在从相邻光电二极管221之间的边界区域朝向第一布线层500的内部延伸的沟槽中的遮光构件740。因此，在光接收芯片201c中，在倾斜方向上入射在光电二极管221上的光800可被遮光构件740遮挡。
注意，通过除了上述的其他光接收芯片201、201a和201b的配置之外还提供遮光构件740，可以进一步提高光接收芯片201、201a和201b的遮光性能，并且可以减少反射光的串扰。
[6-6.根据本公开的第一遮光结构实例]
接下来，参照图14A和图14B描述第一遮光结构实例。图14A是示出根据本公开的第一遮光结构实例的平面示意图。图14B是沿图14A中的线A-A’截取的横截面示意图。应注意，图14A和图14B示出了对应于光接收芯片201d中的一个像素的部分。
如图14A和图14B所示，光接收芯片201d包括需要遮光的光电二极管区域APD和不需要遮光的像素晶体管区域ATr。因此，在光电二极管区域APD中，在第一布线层500的平面方向上延伸的带状的多个平行的第一布线M1等间隔地设置在光电二极管221的下层中。此外，在第一布线M1的下层中，带状的多片平行的第二布线M2以平行于第一布线的带状等间隔地设置。
在平面图中，第一布线M1和第二布线M2交替地布置，并且设置成使得在平面图中，第二布线M2的横向方向上的端部覆盖有第一布线M1的横向方向上的端部。因此，光接收芯片201d可以通过第一布线M1和第二布线M2遮挡光电二极管221和检测芯片202之间的光。
[6-7.根据本公开的第二遮光结构实例]
接下来，参照图15A和图15B描述第二光遮挡结构实例。图15A是示出根据本公开的第二遮光结构实例的平面示意图。图15B是沿图15A中的线B-B’截取的截面图。应注意，图15A和图15B示出了对应于光接收芯片201d中的一个像素的部分。
如图15A和图15B所示，光接收芯片201e还包括需要遮光的光电二极管区域APD和不需要遮光的像素晶体管区域ATr。因此，在光电二极管区域APD中，在第一布线层500的平面方向上延伸的带状的多个平行的第一布线M1等间隔地设置在光电二极管221的下层中。
然后，在第一布线M1的下层中，带状的多片平行的第二布线M2以与第一布线正交的带状等间隔地设置。即，在平面图中，以晶格方式设置第一布线M1和第二布线M2。此外，在第二布线M2的下层中，连接电极MCu在平面图中设置在与光电二极管221重叠的区域中。
因此，光接收芯片201e可以通过第一布线M1、第二布线M2和连接电极MCu遮挡光电二极管221和检测芯片202之间的光。
[7.地址事件检测电路的另一配置实例]
图16是示出了地址事件检测电路1000的第二配置实例的框图。如图16所示，除了电流-电压转换单元1331、缓冲器1332、减法器1333、量化器1334和传输单元1335之外，根据该配置实例的地址事件检测电路1000还包括存储单元1336和控制单元1337。
存储单元1336设置在量化器1334和传输单元1335之间，并且基于从控制单元1337提供的采样信号累加量化器1334的输出(即，比较器1334a的比较结果)。存储单元1336可以是诸如开关、塑料或电容之类的采样电路，或者可以是诸如锁存器或触发器之类的数字存储器电路。
控制单元1337将预定阈值电压Vth提供至比较器1334a的反相(-)输入端。从控制单元1337供应至比较器1334a的阈值电压Vth可以以时分方式具有不同的电压值。例如，控制单元1337在不同的定时提供与指示光电流的变化量超过上限阈值的接通事件对应的阈值电压Vth1和与指示变化量下降到下限阈值以下的断开事件对应的阈值电压Vth2，使得一个比较器1334a可检测多种类型的地址事件。
例如，存储单元1336可在将与断开事件对应的阈值电压Vth2从控制单元1337供应至比较器1334a的反相(-)输入端子的周期中，使用与接通事件对应的阈值电压Vth1来累积比较器1334a的比较结果。应注意，存储单元1336可位于像素2030的内部(参照图17)或像素2030的外部。此外，存储单元1336不是地址事件检测电路1000的必要组件。也就是说，可以省略存储单元1336。
[8.根据本公开的扫描型成像装置的配置实例]
上述成像装置100是通过异步读取方法读取事件的异步成像装置。注意，事件读取方法不限于异步读取方法，并且可以是同步读取方法。应用同步读取方法的成像装置是与以预定帧速率执行成像的正常成像装置相同的扫描型成像装置。
图17是示出根据本公开的扫描型成像装置的配置实例的框图。如图17所示，根据本公开的成像装置2000设置有像素阵列单元2021、驱动单元2022、信号处理单元2025、读取区域选择单元2027和信号生成单元2028。
像素阵列单元2021包括多个像素2030。多个像素2030响应于读取区域选择单元2027的选择信号输出输出信号。多个像素2030中的每可在像素中具有量化器比较器。多个像素2030输出与光的强度的变化量对应的输出信号。多个像素2030可以二维地布置成如图17所示的矩阵。
驱动单元2022驱动多个像素2030中的每个像素以将在每个像素2030中生成的像素信号输出至信号处理单元2025。注意，驱动单元2022和信号处理单元2025是用于获取灰度信息的电路单元。因此，在仅获取事件信息的情况下，可以省略驱动单元2022和信号处理单元2025。
读取区域选择单元2027选择像素阵列单元2021中包括的多个像素2030中的一些。具体地，读取区域选择单元2027响应于来自像素阵列单元2021的每个像素2030的请求确定选择的区域。例如，读取区域选择单元2027在对应于像素阵列单元2021的二维矩阵的结构中包括的行中选择任何一个或多个行。读取区域选择单元2027根据预先设置的周期顺序地选择一个或多个行。此外，读取区域选择单元2027可响应于来自像素阵列单元2021的每个像素2030的请求而确定所选择的区域。
根据由读取区域选择单元2027选择的像素的输出信号，信号生成单元2028生成与在所选择的像素中检测到事件的活动像素对应的事件信号。事件是光强度改变的事件。有源像素是对应于输出信号的光强度的改变量超过或低于预先设置的阈值的像素。例如，信号生成单元2028将像素的输出信号与参考信号进行比较，检测在这大于或小于参考信号的情况下输出输出信号的有源像素，并且生成与有源像素对应的事件信号。
信号生成单元2028可以包括例如仲裁进入信号生成单元2028的信号的列选择电路。此外，信号生成单元2028可被配置为不仅输出其中检测到事件的有源像素的信息，而且输出其中没有检测到事件的无源像素的信息。
其中检测到事件的有源像素的地址信息和时间戳信息(例如，(X,Y,T))通过输出线2015从信号生成单元2028输出。注意，从信号生成单元2028输出的数据不仅可以是地址信息和时间戳信息，而且可以是帧格式(例如，(0,0,1,0,...)的信息。
[9.距离测量系统]
根据本公开的实施方式的距离测量系统是用于使用结构光方法技术测量至对象的距离的系统。此外，根据本公开的实施方式的距离测量系统还可用作用于获取三维(3D)图像的系统，在这种情况下，这可被称为三维图像获取系统。在结构光方法中，通过识别点图像和通过图案匹配从其投影点图像的光源(所谓的点光源)的坐标来执行距离测量。
图18是示出了根据本公开实施方式的距离测量系统的配置的实例的示意图，并且图19是示出了电路配置的实例的框图。
根据本实施例的距离测量系统3000使用表面发射半导体激光器(例如，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)3010)作为光源单元，并且使用被称为DVS的事件检测传感器3020作为光接收单元。垂直腔表面发射激光器(VCSEL)3010将预定图案的光投射到受试者上。根据本实施例的距离测量系统3000除了垂直腔面发射激光器3010和事件检测传感器3020之外，还设置有系统控制单元3030、光源驱动单元3040、传感器控制单元3050、光源侧光学系统3060和照相机侧光学系统3070。
系统控制单元3030包括例如处理器(CPU)，经由光源驱动单元3040驱动垂直腔面发射激光器3010，并且经由传感器控制单元3050驱动事件检测传感器3020。更具体地，系统控制单元3030同步地控制垂直腔面发射激光器3010和事件检测传感器3020。
在具有上述结构的根据本实施例的距离测量系统3000中，从垂直腔面发射激光器3010发射的预定图案的光通过光源侧光学系统3060投射到被检体(测量对象物)3100。该投射光被对象3100反射。然后，由对象3100反射的光通过相机侧光学系统3070入射在事件检测传感器3020上。事件检测传感器3020接收由对象3100反射的光，并检测像素的亮度的改变超过预定阈值作为事件。由事件检测传感器3020检测到的事件信息被提供给距离测量系统3000外部的应用处理器3200。应用处理器3200对由事件检测传感器3020检测的事件信息执行预定处理。
[10.效果]
根据本公开的固态成像元件设置有第一基板和第二基板。第一基板设置有光电二极管，该光电二极管光电转换入射光以生成光电流。第二基板设置有亮度变化检测电路，该亮度变化检测电路基于由转换电路转换的电压信号来检测入射光的亮度变化，该转换电路将光电流转换为电压信号，并且第二基板被接合至第一基板。包括设置在第一基板或第二基板的至少任意一个中并且遮挡设置在第二基板中的有源元件与光电二极管之间的光的遮光单元。因此，固态成像元件可通过遮光单元遮挡第一基板和第二基板之间的光来抑制亮度变化的检测准确度的劣化。
另外，遮光单元是设置在第一布线层中的遮光膜，该第一布线层被设置在第一基板的包括光电二极管的半导体层与第二基板之间。因此，固态成像元件可通过遮光膜遮挡第一基板和第二基板之间的光来抑制亮度变化的检测精度的劣化。
此外，遮光膜设置在与其中在俯视图中布置多个光电二极管的光接收区域重叠的区域中。因此，在固态成像元件中，通过由设置在平面图中与光接收区域重叠的整个区域中的遮光膜来遮挡第一基板和第二基板之间的光，可以抑制亮度变化的检测精度的劣化。
另外，在设置于第一布线层的多层布线中最靠近半导体层的布线与半导体层之间设置有遮光膜。可以减少遮光膜对反射光的串扰。
此外，遮光单元是设置在第一布线层中的遮光布线，该第一布线层设置在第一基板的包括光电二极管的半导体层与第二基板之间。因此，固态成像元件可仅通过改变设置在第一布线层中的布线的布线图案而不单独添加形成遮光膜的步骤来防止光的透射。
此外，设置在第一布线层中的遮光布线包括在平面图中至少部分重叠的多层布线。因此，固态成像元件可比单层遮光布线更可靠地防止光透射。
此外，遮光单元是设置在第二布线层中的遮光布线，该第二布线层设置在包括第二基板中的有源元件的半导体层与第一基板之间。因此，固态成像元件可以防止在有源元件中发生的HC光发射的光入射在光电二极管上。
此外，设置在第二布线层中的遮光布线包括在平面图中至少部分重叠的多层布线。因此，固态成像元件可比单层遮光布线更可靠地防止光透射。
此外，遮光单元是将第一基板与第二基板电连接的连接电极。因此，固态成像元件可防止光的透射，例如，仅通过改变执行Cu-Cu连接的现有连接电极的布线图案而不单独添加形成遮光膜的步骤。
此外，固态成像元件包括嵌入在沟槽中的遮光构件，该沟槽从相邻光电二极管之间的边界区域朝向设置在第一基板中的包括光电二极管的半导体层与第二基板之间的第一布线层的内部延伸。因此，在固态成像元件中，在倾斜方向上入射的光可被遮光构件遮挡。
此外，成像系统包括固态成像元件和信号处理芯片。固态成像元件设置有透镜、第一基板和第二基板。第一基板设置有光电二极管，该光电二极管光电转换入射光以生成光电流。第二基板设置有亮度变化检测电路，该亮度变化检测电路基于由转换电路转换的电压信号来检测入射光的亮度变化，该转换电路将光电流转换为电压信号，并且第二基板被接合至第一基板。固态成像元件包括遮光单元。遮光单元设置在第一基板或第二基板的至少任意一个中，并且遮光单元设置在第二基板中的有源元件与光电二极管之间的光。信号处理芯片对来自固态成像元件的输出执行信号处理。因此，成像系统可通过由光遮挡单元遮挡第一基板与第二基板之间的光来抑制亮度变化的检测准确度的劣化。
注意，本说明书中描述的效果仅是说明性的；效果不限于此，并且还可以存在另一效果。
应注意，本技术还可具有以下配置。
(1)
一种固态成像元件设置有：
第一基板，设置有光电转换入射光以生成光电流的光电二极管；以及
第二基板，设置有亮度变化检测电路，亮度变化检测电路基于由转换电路转换的电压信号来检测入射光的亮度变化，转换电路将光电流转换成电压信号，第二基板接合至第一基板，
固态成像元件包括：
遮光单元，设置在第一基板或第二基板的至少任意一个中，并且遮挡设置在第二基板中的有源元件与光电二极管之间的光。
(2)
根据以上(1)所述的固态成像元件，其中，
遮光单元包括：
遮光膜，设置在第一布线层中，第一布线层设置在第一基板中的包括光电二极管的半导体层与第二基板之间。
(3)
根据以上(2)所述的固态成像元件，其中，
遮光膜
设置在与在平面图中布置多个光电二极管的光接收区域重叠的区域中。
(4)
根据以上(2)或(3)所述的固态成像元件，其中，
遮光膜
设置在第一布线层中的多层布线之中最靠近半导体层的布线与半导体层之间。
(5)
根据以上(1)至(4)中任一项所述的固态成像元件，其中，
遮光单元包括：
设置在第一布线层中的遮光布线，第一布线层设置在第一基板中的包括光电二极管的半导体层与第二基板之间。
(6)
根据以上(5)所述的固态成像元件，其中，
设置在第一布线层中的遮光布线包括
在平面图中至少部分重叠的多层布线。
(7)
根据以上(1)至(6)中任一项所述的固态成像元件，其中，
遮光单元包括：
设置在第二布线层中的遮光布线，第二布线层设置在第二基板中的包括有源元件的半导体层与第一基板之间。
(8)
根据以上(7)所述的固态成像元件，其中，
设置在第二布线层中的遮光布线包括
在平面图中至少部分重叠的多层布线。
(9)
根据以上(1)至(8)中任一项所述的固态成像元件，其中，
遮光单元包括
连接电极，将第一基板电连接至第二基板。
(10)
根据以上(1)至(9)中任一项所述的固态成像元件，进一步设置有：
遮光构件，嵌入在从相邻的光电二极管之间的边界区域朝向第一布线层的内部延伸的沟槽中，第一布线层设置在第一基板中的包括光电二极管的半导体层与第二基板之间。
(11)
一种成像系统设置有：
固态成像元件，包括：
透镜；
第一基板，设置有光电转换入射光以生成光电流的光电二极管；以及
第二基板，设置有亮度变化检测电路，亮度变化检测电路基于由转换电路转换的电压信号来检测入射光的亮度变化，转换电路将光电流转换成电压信号，第二基板接合至第一基板，
固态成像元件包括
遮光单元，设置在第一基板或第二基板的至少任意一个中，并且遮挡设置在第二基板中的有源元件与光电二极管之间的光；以及
信号处理芯片，对来自固态成像元件的输出执行信号处理。
附图标记列表
100 成像装置
110 成像透镜
120 记录单元
130 控制单元
200 固态成像元件
201、201a至201e 光接收芯片
202 检测芯片
211,212,213,231,232,233 过孔布置单元
220 光接收单元
221 光电二极管
240 信号处理电路
251 行驱动电路
252 列驱动电路
260 地址事件检测单元
300 地址事件检测电路
310 电流-电压转换电路
311 转换晶体管
331,333 电容器
312 电流源晶体管
313 电压供应晶体管
320 缓冲器
330 减法器
332：反相器
334 开关
340,340a 量化器
341 比较器
350 转移电路
400,410 半导体层
500 第一布线层
510 第二布线层
600 片上透镜
700,730 遮光膜
701,710至713,721至723 遮光布线
740 遮光构件
M 多层布线
M1 第一布线
M2 第二布线
M3 第三布线
MCu 连接电极

Claims (11)

1.一种固态成像元件，包含：
第一基板，设置有光电转换入射光以生成光电流的光电二极管；以及
第二基板，设置有亮度变化检测电路，所述亮度变化检测电路基于由转换电路转换的电压信号来检测所述入射光的亮度变化，所述转换电路将所述光电流转换成所述电压信号，所述第二基板接合至所述第一基板，
所述固态成像元件包括：
遮光单元，设置在所述第一基板或所述第二基板的至少任意一个中，并且遮挡设置在所述第二基板中的有源元件与所述光电二极管之间的光。
2.根据权利要求1所述的固态成像元件，其中，
所述遮光单元包括：
遮光膜，设置在第一布线层中，所述第一布线层设置在所述第一基板中的包括所述光电二极管的半导体层与所述第二基板之间。
3.根据权利要求2所述的固态成像元件，其中，
所述遮光膜
设置在与在平面图中布置多个光电二极管的光接收区域重叠的区域中。
4.根据权利要求2所述的固态成像元件，其中，
所述遮光膜
设置在所述第一布线层中的多层布线之中最靠近所述半导体层的布线与所述半导体层之间。
5.根据权利要求1所述的固态成像元件，其中，
所述遮光单元包括：
设置在第一布线层中的遮光布线，所述第一布线层设置在所述第一基板中的包括所述光电二极管的半导体层与所述第二基板之间。
6.根据权利要求5所述的固态成像元件，其中，
设置在所述第一布线层中的所述遮光布线包括
在平面图中至少部分重叠的多层布线。
7.根据权利要求1所述的固态成像元件，其中，
所述遮光单元包括：
设置在第二布线层中的遮光布线，所述第二布线层设置在所述第二基板中的包括所述有源元件的半导体层与所述第一基板之间。
8.根据权利要求7所述的固态成像元件，其中，
设置在所述第二布线层中的所述遮光布线包括
在平面图中至少部分重叠的多层布线。
9.根据权利要求1所述的固态成像元件，其中，
所述遮光单元包括
连接电极，将所述第一基板电连接至所述第二基板。
10.根据权利要求1所述的固态成像元件，进一步包括：
遮光构件，嵌入在从相邻的光电二极管之间的边界区域朝向第一布线层的内部延伸的沟槽中，所述第一布线层设置在所述第一基板中的包括所述光电二极管的半导体层与所述第二基板之间。
11.一种成像系统，包括：
固态成像元件，包括：
透镜；
第一基板，设置有光电转换入射光以生成光电流的光电二极管；以及
第二基板，设置有亮度变化检测电路，所述亮度变化检测电路基于由转换电路转换的电压信号来检测所述入射光的亮度变化，所述转换电路将所述光电流转换成所述电压信号，所述第二基板接合至所述第一基板，
所述固态成像元件包括
遮光单元，设置在所述第一基板或所述第二基板的至少任意一个中，并且遮挡设置在所述第二基板中的有源元件与所述光电二极管之间的光；以及
信号处理芯片，对来自所述固态成像元件的输出执行信号处理。
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