CN117976681A - 双层堆叠cmos图像传感器 - Google Patents

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孙昌
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Abstract

本发明公开了一种双层堆叠CMOS图像传感器，为4T结构CMOS图像传感器，其像素单元的光电二极管、传输门晶体管及第一浮动扩散区形成在第一基片；光电二极管位于第一基片竖向底部；传输门晶体管及第一浮动扩散区位于光电二极管竖向顶侧；第一浮动扩散区位于传输门晶体管横向周侧；其像素单元的源极跟随管、复位晶体管、行选择管及第二浮动扩散区形成在第二基片；第一基片、第二基片分别封装；第二基片堆叠在第一基片顶侧，第一浮动扩散区同第二浮动扩散区通过穿透硅通孔接在一起构成像素单元的浮动扩散区。该CMOS图像传感器，能大幅增加图像传感器的满阱电容，增加动态范围，使暗电流以及图像噪声得到大幅下降，能同时提升暗线噪声和满阱电容。

Description

双层堆叠CMOS图像传感器
技术领域
本发明涉及半导体制造技术，特别涉及一种双层堆叠CMOS图像传感器。
背景技术
通常CMOS图像传感器(CIS)的一个有源像素单元包含位于外延层中的光电二极管(Photo Diode，PD)和多个像素晶体管(Pixel transistors)，以4T结构CMOS图像传感器为例，如图1所示，四个像素晶体管具体分别为传输门晶体管(Transfer Gate，TG)、源极跟随管(Source Follow，SF)、复位管(Reset，RST)和行选择管(Row Select，RS)。其中，4T结构CMOS图像传感器的基本工作原理是这样的：光电二极管PD作用是实现光电转换，传输门晶体管Tx可以理解为用于控制电子从光电二极管传输到浮置扩散区的开关，浮动扩散区(Floating Diffusion，FD)可以理解为一个电容用于存储光电转换产生的电子，源极跟随管SF为用于控制浮置扩散区的电子传输到信号线的开关，复位管RST用于重置电路中的电压信号，行选择管RS用于控制像素单元信号输出的开关，通过这个开关我们可以控制哪个像素单元信号先输出，哪个后输出。光照前，打开复位管和传输门晶体管，将光电二极管区域的原有的电子释放；在光照时，关闭所有晶体管，在光电二极管空间电荷区产生电荷；读取时，打开传输门晶体管，将存储在光电二极管区的电荷传输到浮动扩散区FD，传输后，传输门晶体管关闭，并等待下一次光照的进入。在浮动扩散区FD的电荷信号随后用于调整源极跟随管，将电荷转变为电压，并通过行选择管将电流输出到模数转换电路中。
当前主流堆叠式CMOS图像传感器结构为，分别在两片不同的硅片上制作逻辑芯片与像素芯片(在逻辑芯片上形成信号处理逻辑电路，像素芯片堆叠在逻辑芯片顶部)并分别进行性能优化，借助TSV(through silicon via，穿透硅通孔)技术进行晶圆(wafer)级互联，最终形成双层堆叠CMOS图像传感器芯片，如图1所示，在每个芯片内，将光转换为电信号的光电二极管PD和控制信号的像素晶体管(TG,SF,RST,RS)在同一层上彼此相邻。当前主流堆叠式CMOS图像传感器结构的这种排布方式，一方面，像素区域放大器(即源极跟随管SF)尺寸受限，信号处理能力有限，光电二极管PD区域占比较小，图像传感器的整体饱和电信号低，动态范围不足；另一方面，受逻辑管影响，图像传感器的噪点严重。小像素的CMOS图像传感器光电二极管与像素晶体管间的隔离一般通过与P型阱形成N-P-N实现，如图3所示。CMOS图像传感器成像暗线噪声失效的原因主要是P型阱隔离宽度不足，导致隔离效果不佳。扩大P型阱的宽度，使光电二极管与器件间相互远离可以提升隔离效果。但是P型阱的扩大后，光电二极管的有效面积也会被P型阱挤压而缩小，由此导致满阱电容降低，所以通过传统工艺方法增大隔离面积无法同时提升暗线噪声和满阱电容，像素区域综合性能不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双层堆叠CMOS图像传感器，能大幅增加图像传感器的满阱电容，增加动态范围，使暗电流以及图像噪声得到大幅下降，能同时提升暗线噪声和满阱电容，使CMOS图像传感器在夜间和其他昏暗场景下较少产生图像噪点。
为解决上述技术问题，本发明提供的双层堆叠CMOS图像传感器，为4T结构CMOS图像传感器，其像素单元的光电二极管PD、传输门晶体管TG及第一浮动扩散区形成在第一基片SB1；
光电二极管PD位于第一基片SB1竖向底部；
传输门晶体管TG及第一浮动扩散区位于光电二极管PD竖向顶侧；
第一浮动扩散区位于传输门晶体管TG横向周侧；
其像素单元的源极跟随管SF、复位晶体管RST、行选择管RS及第二浮动扩散区形成在第二基片SB2；
第一基片SB1、第二基片SB2分别封装；
第二基片SB2堆叠在第一基片SB1顶侧，第一浮动扩散区同第二浮动扩散区通过穿透硅通孔接在一起构成像素单元的浮动扩散区FD。
较佳的，第二基片SB2底侧同第一基片SB1顶侧键合在一起。
较佳的，第一浮动扩散区同第二浮动扩散区在竖向投影有重叠区域。
较佳的，所述源极跟随管SF、复位晶体管RST及行选择管RS横向布置形成在所述第二基片SB2。
较佳的，第二浮动扩散区位于源极跟随管SF及复位晶体管RST横向周侧。
较佳的，像素单元的源极跟随管SF的面积大于复位晶体管RST、行选择管RS面积的2倍。
较佳的，像素单元的源极跟随管SF的面积为复位晶体管RST、行选择管RS面积的5～20倍。
较佳的，图像传感器的信号处理逻辑电路形成在第二基片SB2。
本发明的双层堆叠CMOS图像传感器，将像素单元的光电二极管PD及传输门晶体管TG沿竖向依次形成在第一基片SB1，像素单元的其他像素晶体管(Pixel transistors)形成在第二基片SB2，第一基片SB1、第二基片SB2分别独立封装，第二基片SB2堆叠在第一基片SB1顶侧上面而不是并排。该双层堆叠CMOS图像传感器，由于光电二极管PD与像素单元的传输门晶体管TG之外的其他像素晶体管分别位于2个独立的基板上，光电二极管PD区域面积可以大幅提高，从而能大幅增加图像传感器的满阱电容(能增加约一倍)，增加动态范围。同时，由于像素单元的传输门晶体管TG之外的其他像素晶体管形成在第二基片SB2上，光电二极管PD区域只需加强与传输门晶体管TG以及同其他像素单元之间的隔离，可以扩大P型阱隔离宽度来改善隔离效果，使暗电流以及图像噪声得到大幅下降。所以，该双层堆叠CMOS图像传感器能同时提升暗线噪声和满阱电容，从而可以使CMOS图像传感器在夜间和其他昏暗场景下较少产生图像噪点。而且，由于源极跟随管SF所在基片不形成传输门晶体管TG及光电二极管PD，可以增大源极跟随管SF的尺寸，通过增加源极跟随管SF尺寸能够提高图像传感器暗光下的光信号处理能力，改善源极跟随管SF的放大性能，使图像传感器的整体饱和信号量相比于传统图像传感器大幅增加(能增加一倍)，从而能扩大动态范围以及降低暗电流，改善图像噪声。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是4T结构CMOS图像传感器像素单元示意图；
图2是当前主流堆叠式CMOS图像传感器结构示意图；。
图3是当前小像素的CMOS图像传感器光电二极管与像素晶体管间的隔离示意图；
图4是本发明的双层堆叠CMOS图像传感器一实施例示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
如图4所示，双层堆叠CMOS图像传感器为4T结构CMOS图像传感器，其像素单元的光电二极管PD、传输门晶体管TG及第一浮动扩散区形成在第一基片SB1；
光电二极管PD位于第一基片SB1竖向底部；
传输门晶体管TG及第一浮动扩散区位于光电二极管PD竖向顶侧；
第一浮动扩散区位于传输门晶体管TG横向周侧；
其像素单元的源极跟随管SF、复位晶体管RST、行选择管RS及第二浮动扩散区形成在第二基片SB2；
第一基片SB1、第二基片SB2分别封装；
第二基片SB2堆叠在第一基片SB1顶侧，第一浮动扩散区同第二浮动扩散区通过TSV(through silicon via，穿透硅通孔)接在一起构成像素单元的浮动扩散区FD。
较佳的，第二基片SB2底侧同第一基片SB1顶侧键合在一起。
实施例一的双层堆叠CMOS图像传感器，将像素单元的光电二极管PD及传输门晶体管TG沿竖向依次形成在第一基片SB1，像素单元的其他像素晶体管(Pixel transistors)形成在第二基片SB2，第一基片SB1、第二基片SB2分别独立封装，第二基片SB2堆叠在第一基片SB1顶侧上面而不是并排。该双层堆叠CMOS图像传感器，由于光电二极管PD与像素单元的传输门晶体管TG之外的其他像素晶体管分别位于2个独立的基板上，光电二极管PD区域面积可以大幅提高，从而能大幅增加图像传感器的满阱电容(能增加约一倍)，增加动态范围。同时，由于像素单元的传输门晶体管TG之外的其他像素晶体管形成在第二基片SB2上，光电二极管PD区域只需加强与传输门晶体管TG以及同其他像素单元之间的隔离，可以扩大P型阱隔离宽度来改善隔离效果，使暗电流以及图像噪声得到大幅下降。所以，该双层堆叠CMOS图像传感器能同时提升暗线噪声和满阱电容，从而可以使CMOS图像传感器在夜间和其他昏暗场景下较少产生图像噪点。而且，由于源极跟随管SF所在基片不形成传输门晶体管TG及光电二极管PD，可以增大源极跟随管SF的尺寸，通过增加源极跟随管SF尺寸能够提高图像传感器暗光下的光信号处理能力，改善源极跟随管SF的放大性能，使图像传感器的整体饱和信号量相比于传统图像传感器大幅增加(能增加一倍)，从而能扩大动态范围以及降低暗电流，改善图像噪声。
实施例二
基于实施例一的双层堆叠CMOS图像传感器，第一浮动扩散区同第二浮动扩散区在竖向投影有重叠区域。
实施例三
基于实施例一的双层堆叠CMOS图像传感器，所述源极跟随管SF、复位晶体管RST及行选择管RS横向布置形成在所述第二基片SB2。
较佳的，第二浮动扩散区位于源极跟随管SF及复位晶体管RST横向周侧。
较佳的，像素单元的源极跟随管SF的面积大于复位晶体管RST、行选择管RS面积的2倍。例如，像素单元的源极跟随管SF的面积为复位晶体管RST、行选择管RS面积的5～20倍。
较佳的，图像传感器的信号处理逻辑电路形成在第二基片SB2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种双层堆叠CMOS图像传感器，为4T结构CMOS图像传感器，其特征在于，其像素单元的光电二极管(PD)、传输门晶体管(TG)及第一浮动扩散区形成在第一基片(SB1)；
光电二极管(PD)位于第一基片(SB1)竖向底部；
传输门晶体管(TG)及第一浮动扩散区位于光电二极管(PD)竖向顶侧；
第一浮动扩散区位于传输门晶体管(TG)横向周侧；
其像素单元的源极跟随管(SF)、复位晶体管(RST)、行选择管(RS)及第二浮动扩散区形成在第二基片(SB2)；
第一基片(SB1)、第二基片(SB2)分别封装；
第二基片(SB2)堆叠在第一基片(SB1)顶侧，第一浮动扩散区同第二浮动扩散区通过穿透硅通孔接在一起构成像素单元的浮动扩散区(FD)。
2.根据权利要求1所述的双层堆叠CMOS图像传感器，其特征在于，
第二基片(SB2)底侧同第一基片(SB1)顶侧键合在一起。
3.根据权利要求1所述的双层堆叠CMOS图像传感器，其特征在于，
第一浮动扩散区同第二浮动扩散区在竖向投影有重叠区域。
4.根据权利要求1所述的双层堆叠CMOS图像传感器，其特征在于，
所述源极跟随管(SF)、复位晶体管(RST)及行选择管(RS)横向布置形成在所述第二基片(SB2)。
5.根据权利要求1所述的双层堆叠CMOS图像传感器，其特征在于，
第二浮动扩散区位于源极跟随管(SF)及复位晶体管(RST)横向周侧。
6.根据权利要求1所述的双层堆叠CMOS图像传感器，其特征在于，
像素单元的源极跟随管(SF)的面积大于复位晶体管(RST)、行选择管(RS)面积的2倍。
7.根据权利要求1所述的双层堆叠CMOS图像传感器，其特征在于，
像素单元的源极跟随管(SF)的面积为复位晶体管(RST)、行选择管(RS)面积的5～20倍。
8.根据权利要求1所述的双层堆叠CMOS图像传感器，其特征在于，
图像传感器的信号处理逻辑电路形成在第二基片(SB2)。
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