CN211208448U - 堆叠芯片图像传感器和固态堆叠芯片图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及堆叠芯片图像传感器和固态堆叠芯片图像传感器。本技术的各种实施方案可包括能够同时积聚电子和空穴的图像传感器。根据一个示例性实施方案，该图像传感器包括具有像素电路阵列的背照式混合键合堆叠芯片图像传感器，并且每个像素电路都包括在深沟槽隔离区中沿垂直方向取向的电荷存储电容器。该电子和空穴两者使用全局快门操作来积聚(收集)，并且该电荷存储电容器用于存储由该空穴生成的信号。

Description

堆叠芯片图像传感器和固态堆叠芯片图像传感器
技术领域
本实用新型涉及堆叠芯片图像传感器和固态堆叠芯片图像传感器。
背景技术
电子设备，诸如移动电话、相机和计算机，通常使用图像传感器通过感测光来捕获图像。典型的成像器传感器包括像素的焦平面阵列，并且每个像素包括用于在衬底的一部分中聚积光生电荷的光电传感器，诸如光电门、光电导体或光电二极管。当光子投射在光电传感器上时，生成电子-空穴对。常规图像传感器将在像素内积聚(收集)的电子转换成电压，而空穴通常被丢弃到衬底中。
在完成积聚周期之后，收集到的电子电荷被转换成电压，该电压被提供给图像传感器的输出端子。在CMOS图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟信号还可在到达芯片输出之前在芯片上被转换成数字等同物。
像素利用缓冲放大器，通常为源极跟随器(SF)晶体管，以驱动通过合适的寻址晶体管连接到像素的感测线。在电荷到电压的转换完成并且所得信号从像素被转移出去之后，像素被复位以便准备聚积新的电荷。在利用浮动扩散(FD)节点作为电荷检测节点的像素中，复位通过导通复位晶体管来实现，该复位晶体管将FD节点导电地连接到电压参考，该电压参考通常为像素SF漏极节点。此步骤删除收集到的电荷；然而，这生成kTC复位噪声。该kTC复位噪声通常通过相关双采样(CDS)信号处理技术从信号移除，以便实现所需的低噪声性能。
利用CDS概念的典型CMOS图像传感器通常在像素中需要三个晶体管(3T)或四个晶体管(4T)，其中一个用作电荷转移晶体管。然而，难以使其适应高动态范围(HDR)操作，其中必须将大量电荷存储在像素中。解决该问题的常规方法包括：向一组像素中的一些传感器行或像素分配较短的积聚时间；使用对数电荷到电压转换特性；以及将电荷存储电容器并入像素中。然而，这些常规方法并不理想，因为一者或多者可导致牺牲低光度分辨率，较短的积聚时间可导致错过一些短脉冲持续时间光源的检测；对数电荷到电压转换可导致更高的信号噪声；并且/或者由于具有占据像素中较大面积的元件，因此增加了芯片的整体尺寸。
实用新型内容
本实用新型涉及堆叠芯片图像传感器和固态堆叠芯片图像传感器。
本实用新型解决的技术问题是：传统的高动态范围图像传感器可能具有高的信号噪声、漏检短的脉冲光源、具有不良的低光度分辨率并且在芯片上占据了大的面积。
本技术的各种实施方案可包括能够同时积聚电子和空穴的图像传感器。根据一个示例性实施方案，图像传感器包括背照式混合键合堆叠芯片图像传感器，该图像传感器包括像素电路阵列，并且每个像素电路都包括在深沟槽隔离区中沿垂直方向取向的电荷存储电容器。电子和空穴两者都使用全局快门操作来积聚(收集)，并且电荷存储电容器用于存储由空穴生成的信号。
根据一个方面，堆叠芯片图像传感器包括：像素阵列，其中每个像素形成在第一芯片和第二芯片上并包括：光电探测器，该光电探测器被配置成同时生成电子电荷和空穴电荷；电荷转移设备，该电荷转移设备包括：源极端子，该源极端子连接到光电探测器的阴极；漏极端子，该漏极端子连接到供电电压；以及栅极端子，该栅极端子被配置成接收第一信号；电容器，该电容器被配置成检测空穴电荷并且包括：第一电极，该第一电极连接到光电探测器的阳极；以及第二电极，该第二电极连接到地电位；浮体节点，该浮体节点设置在光电探测器和电容器之间；以及读出电路，该读出电路连接到电容器。
在上述堆叠芯片图像传感器的一个实施方案中，电荷转移设备控制电子电荷从光电探测器到电荷转移设备的漏极端子的转移。
在上述堆叠芯片图像传感器的一个实施方案中，读出电路包括：反相放大器晶体管，该反相放大器晶体管连接到浮体节点；反馈电容器，该反馈电容器连接在反相放大器晶体管的漏极端子和栅极端子之间；行选择晶体管，该行选择晶体管连接到反相放大器晶体管的漏极端子并响应第二信号；以及预充电电容器，该预充电电容器连接到浮体节点并响应第三信号。
在上述堆叠芯片图像传感器的一个实施方案中，第一芯片包括：光电探测器；电容器；以及电荷转移设备；并且第二芯片与第一芯片垂直堆叠并包括读出电路。
在上述堆叠芯片图像传感器的一个实施方案中，电容器的第二电极包括以下至少一项：掺杂多晶硅和钨。
根据另一方面，固态堆叠芯片图像传感器包括：像素电路阵列，每个像素电路都包括：外延层，该外延层包括：像素体，该像素体具有第一主表面和相对的第二主表面，并且包括：光电二极管；浮体区；p+型掺杂区，该p+型掺杂区沿着相对的侧壁并与像素体的第二主表面相邻；沟槽区，该沟槽区从外延层的第一主表面延伸到第二主表面，其中沟槽区包括：氧化物层，该氧化物层沉积在沟槽区的相对的垂直侧壁上；以及中心部分，该中心部分设置在相对的氧化物层之间，其中中心部分包括导电材料并连接到地电位；电荷转移结构，该电荷转移结构至少部分地设置在外延层内，其中电荷转移结构包括漏极并被配置成将电子电荷从光电二极管转移到漏极；以及读出电路，该读出电路连接到浮体区；其中每个像素电路形成在多个芯片上。
在上述固态堆叠芯片图像传感器的一个实施方案中，固态堆叠芯片图像传感器包括与第二芯片垂直堆叠的第一芯片。
在上述固态堆叠芯片图像传感器的一个实施方案中，第一芯片包括外延层和电荷转移结构；并且第二芯片包括读出电路。
在上述固态堆叠芯片图像传感器的一个实施方案中，第一芯片和第二芯片用混合键合焊盘键合在一起；并且其中混合键合焊盘：设置在外延层的第一主表面和第二芯片之间；并且与光电二极管重叠。
在上述堆叠芯片图像传感器的一个实施方案中，读出电路包括：源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管连接到浮体区；反馈电容器，该反馈电容器连接到源极跟随器晶体管；行选择晶体管，该行选择晶体管连接到源极跟随器晶体管的源极端子并响应行选择信号；和预充电电容器，该预充电电容器连接到浮体区并响应预充电信号。
本实用新型实现的技术效果是通过积聚电子和空穴以形成高动态范围图像来提供改进的高动态范围图像传感器。
附图说明
当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本技术。在以下附图中，通篇以相同附图标记指代各附图当中的类似元件和步骤。
图1代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的成像系统；
图2是根据本技术的示例性实施方案的简化电路图；
图3是根据本技术的示例性实施方案的固态像素电路的一部分的剖视图；以及
图4是根据本技术的示例性操作的时序图。
具体实施方式
本技术可在功能块部件和各种信号加工步骤方面进行描述。此类功能块可通过被配置成执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的部件来实现。例如，本技术可采用可执行多种功能的各种半导体器件、晶体管、电容器等。另外，本技术可结合任何数量的系统(诸如便携式设备、消费电子器件、汽车系统、监控系统等)实施，并且所述的系统仅为该技术的一个示例性应用。此外，本技术可采用任何合适的像素架构、读出方案和/或设备布局。
根据本实用新型的各个方面的用于图像传感器的方法和装置可提供改进的动态范围。根据本技术的各个方面的用于图像传感器的方法和装置可结合任何合适的相机应用一起操作，诸如数字相机、移动电话、平板计算机、网络相机、视频相机、视频监控系统、汽车成像系统、具有成像功能的视频游戏系统，或任何其它所需的成像系统。此外，用于图像传感器的方法和装置可与任何合适的成像系统一起使用，诸如相机系统、视频系统、机器视觉、车辆导航、监视系统、运动检测系统等。
现在参见图1，示例性成像系统105可包括电子设备，诸如被配置成捕获图像数据的数字相机。例如，成像系统105可包括通过总线115与各种设备通信的中央处理单元(CPU)110。连接到总线115的一些设备可提供进出系统的通信，例如输入/输出(I/O)设备120。
成像系统105可被配置成使用低光度信号和高光度信号来构建数字高动态范围(HDR)图像。成像系统105还可包括用于观看数字图像的显示屏 (未示出)。显示屏可耦接到总线115并被配置成从该总线发送和/或接收信息，诸如图像数据。
连接到总线115的其它设备可包括存储器125，例如随机存取存储器 (RAM)和/或可移动存储器130，诸如USB驱动器、存储卡、SD卡等。虽然总线115被示为单条总线，但可使用任何数量的总线来提供通信路径以使设备互连。
成像系统105还可包括用于捕获和传送图像数据的图像传感器145。例如，图像传感器145可包括像素电路阵列(未示出)以检测光并通过以下方式传送构成图像的信息：将光子流的可变衰减(在它们穿过物体或经物体反射时)转换成电信号。图像传感器145可结合任何合适的技术来实现，诸如CMOS技术中的有源像素传感器。
在各种实施方案中，成像系统105可包括透镜135，以将图像或场景聚焦在图像传感器145上。例如，光可通过透镜135进入成像系统105并击中图像传感器145。透镜135可包括固定焦距透镜和/或可调焦距透镜。
在各种实施方案中，图像传感器145可被配置成处理图像数据。例如，图像传感器145可包括图像信号处理器(未示出)以执行图像重建，诸如去马赛克、白平衡、降噪、颜色校正等。图像传感器145还可包括用于将像素电荷转换成数字图像的各种信号处理电路和/或系统，诸如采样保持电路、模数转换器、放大器等。
参见图2，阵列内的每个像素电路200可捕获图像或场景的一部分。像素电路200可包括一个或多个集成电路，诸如信号处理电路、电荷存储设备、电荷到电压转换电路、电荷转移设备等，以检测可见光子并将所检测的光子转换成表示像素信号的电荷。例如，像素电路200可包括第一部分240和第二部分245。根据示例性实施方案，第一部分240包括光电探测器201、电荷转移设备203和电容器209。
光电探测器201将光(光子)转换成包括电子和空穴(电子-空穴对) 的电荷，其可单独地被称为电子电荷和空穴电荷。光电探测器201可包括例如光电二极管、光电门或任何其它响应光的合适设备。在示例性实施方案中，光电探测器201包括具有浮体FB(也被称为浮体节点FB)的钉扎光电二极管。
电荷转移设备203(诸如场效应晶体管)可被配置成将电子电荷经由信号线216从光电探测器201转移到漏极端子。电荷转移设备203可包括 MOS晶体管，该MOS晶体管包括连接到信号线211的栅极端子，其中信号线用于传输全局快门信号GS以操作电荷转移设备203。电荷转移设备 203的漏极端子被偏置通过连接到供电电压VDD的信号线216。例如，当全局快门信号GS被偏置为“高”时，电荷转移设备203接通以将电子电荷从光电探测器201转移到漏极端子。
电容器209可用于存储来自光电探测器201的空穴电荷。电容器209 可连接到像素电路200的浮体节点FB和地电位节点GND。因此，空穴电荷被转换为电压并存储在电容器209上。空穴电荷表示所有程度的照明，并且所得信号可用于构建HDR图像。
根据示例性实施方案，像素电路200的第二部分245作为读出电路操作。例如，像素电路200的第二部分245可包括放大晶体管207(诸如反相放大器晶体管)、复位晶体管205和行选择晶体管208。像素电路200的第二部分245连接到浮体FB并被配置成递送(即，输出)列感测线221上对应的空穴电荷生成的输出电压VOUT。放大晶体管207、复位晶体管205和行选择晶体管208可包括常规MOSFET，各自包括栅极端子、源极端子和漏极端子。
复位晶体管205的栅极端子可连接到第二信号线212，其中第二信号线212用于向复位晶体管205的栅极传输复位信号RX。类似地，行选择晶体管208的栅极端子可连接到第三信号线213，其中第三信号线213用于向行选择晶体管208的栅极传输行选择信号SX。
在本技术的各种实施方案中，像素电路200还可包括电流源222，该电流源连接到像素电路200的第二部分245(诸如连接到行选择晶体管208) 并被配置成向该第二部分提供偏置电流。电流源222可位于芯片外围，并且从列感测线221通过行选择晶体管208向放大晶体管207供应偏置电流。
根据本技术的示例性实施方案，像素电路200的第二部分245还可包括连接到放大晶体管207的反馈电容器215。反馈电容器215控制像素电路200的增益，并且反馈电容器215和放大晶体管207可共同作为负反馈放大器操作。在另选的实施方案中，反馈电容器和放大晶体管207可用更精细的和/或复杂的放大器(诸如低噪声差分运算放大器或具有非线性增益特性的放大器)代替，以实现低噪声性能、消除随机电报信号(RTS)噪声、并增加像素电路200的动态范围。以堆叠芯片布置设计像素电路200可能是有利的，因为这种布置可能更适合于将复杂电路包括在内而不牺牲像素性能，诸如量子效率、动态范围、噪声抑制能力和像素尺寸。
像素电路200的第二部分245还可包括预充电电容器220，以增加放大晶体管207的输出电压摆动的范围。成像系统105可通过信号线217向预充电电容器220供应预充电信号Φpc。
在示例性实施方案中，像素电路200可被布置在第一芯片和第二芯片上，其中第一芯片和第二芯片垂直地堆叠。在本实施方案中，第一芯片和第二芯片可通过一种或多种类型的键合和/或电连接而键合在一起。例如，像素电路200可包括混合键合214，以将第一芯片连接到第二芯片。根据示例性实施方案，混合键合214用于将位于第一芯片上的像素浮体FB连接到位于第二芯片上的读出电路。附加连接可位于第一芯片和第二芯片的外围，以提供其它芯片到芯片电路连接。
根据示例性实施方案，像素电路200的第一部分240，包括光电探测器201、电容器209和电荷转移设备203，可形成在第一芯片上。另外，像素电路200的第二部分245(包括复位晶体管205、放大晶体管207、行选择晶体管208、反馈电容器215和预充电电容器220)可形成在第二芯片上。根据本实施方案，第二芯片还可包括电流源222。在各种另选的实施方案中，电流源222和其它部件和/或电路可位于堆叠芯片布置中的第三芯片(未示出)上。
参考图2和图3，固态像素结构300(对应于像素电路200的第一部分 240)包括外延衬底层301，其中形成像素体区325。外延衬底层301可在第一主表面上覆盖有第一氧化物层303且在相对的第二主表面上覆盖有第二氧化物层311，其中每个氧化物层303、311都隔离和/或保护外延衬底 301。第二氧化物层311还用于将多晶硅转移栅极315(对应于电荷转移设备203的栅极)与外延衬底301隔离开。
像素体区325可包括各种掺杂区。例如，像素体区325可包括第一p+ 型掺杂层302，该第一p+型掺杂层沿着像素体区325的侧壁并且沿着底部区延伸。像素体区325还可包括沿着像素体区325的第二表面的一部分的第二p+型掺杂区306。第一p+型掺杂区302和第二p+型掺杂区306可用于钝化界面状态，从而通过这些界面状态使暗电流的生成最小化。
像素体区325还可包括与第二p+型掺杂层306相邻的n型掺杂层307。第二p+型掺杂层306和n-型掺杂层307形成收集并存储光子生成的电子 309的钉扎光电二极管区。
第一p+型掺杂区302经由类似于地连接通孔320的连接而连接到混合键合焊盘318。混合键合焊盘318为每个像素电路200的浮体提供到第二部分245的连接。在示例性实施方案中，混合键合焊盘318基本上位于第二 p+型掺杂层306上方，以将光子(其在第一次通过像素体区325时可能未被吸收并生成了电子-空穴对)反射回光电二极管区325。该特征在其中需要近红外感测能力的图像传感器中可能是有用的。
像素体区325还可包括n+型掺杂区314，该n+型掺杂区形成电荷转移设备203的漏极端子。n+型掺杂区314还可通过通孔319连接到供电电压 VDD。
像素体区325通过深沟槽隔离区304与相邻像素体隔离，该深沟槽隔离区填充有掺杂多晶硅材料、钨或任何其它合适的导电材料。第三氧化物层305可设置在深沟槽隔离区304的内壁上，以将掺杂的多晶硅材料与像素体区325隔离。
深沟槽隔离区304，其填充有导电材料，可通过通孔320连接到地偏置电位。通孔320可填充有不同类型的导电材料，诸如钨。深沟槽隔离区 304、第一p+型掺杂层302和第三氧化物层305共同形成电容器209。因此，电容器209垂直地布置并且基本上垂直于第一氧化物层303和第二氧化物层311。由于电容器209的垂直取向，可能实现较大的电荷存储容量和高动态范围，而不牺牲曝光的像素面积。这将导致较小尺寸像素和较高量子效率，从而得到改进的传感器性能和较低的成本。
固态像素结构300还可包括邻近外延层301的第二主表面沉积的第四氧化物层312和第五氧化物层313，以将各种金属互连件彼此隔离，诸如通孔319、320和/或混合键合焊盘318。
固态像素结构300还可包括滤色器321和微透镜322。在示例性实施方案中，滤色器321邻近外延层301的第一主表面和第一氧化物层303设置，并且微透镜322设置在与第一氧化物层303相对的滤色器321的表面上。该布置通常被称为“背照式图像传感器像素”。微透镜322集中投射光子 229以进入像素体区325并生成电子309和空穴310，它们分别在n-掺杂区和p+掺杂区307和302中同时生成并积聚(收集)。
根据本技术的各种实施方案并参见图2至图4，在操作中，电子在空穴积聚在像素浮体区325中的同时积聚在光电探测器201诸如钉扎光电二极管中。积聚的空穴用于检测所有程度的照明信号，并且对应的空穴电荷存储在垂直取向的深沟槽隔离电容器中。电子暂时存储在光电探测器201，例如，钉扎光电二极管中，并用于在顺序读出存储在电容器上的信号期间控制全局快门曝光定时。因此，图像传感器145在全局快门扫描模式(全局快门操作)中提供高性能HDR操作。
在示例性操作中，像素电路200以全局快门扫描模式操作，即阵列中的所有像素电路200以相同的时间间隔对电荷进行积聚，然后以逐行的方式读出电荷。
一般来讲，光电探测器201累积并存储由投射在像素阵列上的光子 229生成的电荷。根据示例性操作，全局快门GS信号被切换到低偏置电平 VLOW(即，在间隔401)，以便于同时从每个像素电路200在每个光电探测器201中进行电子积聚(收集)。在此时间间隔期间(401)，无空穴流到电容器，并且电容器上的电压电平保持恒定并准备好读出。信号电压电平 (VOUT)，其对应于空穴生成的电荷，出现在电容器209上，并通过行选择晶体管208和列感测线221读出。
在电容器读出期间，例如通过施加“高”行选择信号SX接通行选择晶体管208。该操作将放大晶体管207的漏极端子连接到由电流源222偏置的列感测线221。根据各种操作模式，可在接通行选择晶体管208之前通过预充电电容器220向浮体FB施加负预充电脉冲。然后可将信号(VOUT)转移到阵列的外围并转换成数字等同物。然后关断行选择晶体管208，并且以相同的方式对每个后续像素行顺序地寻址和处理。
在读出每个电容器上的信号电压电平之后，通过暂时接通复位晶体管 205来复位浮体FB节点和电容器209。例如，复位信号RX可以是脉冲的。然后，行选择晶体管208可在阵列读出的持续时间内保持关闭，其中以与上述相同的方式读出和处理剩余的像素行。
根据示例性实施方案，将电容器上的电压以逐行的方式顺序地读出和复位。例如，首先读出并复位行1中的电容器，接下来读出并复位行2中的电容器，等等。读出和复位电容器上的信号电压电平的这种过程持续N 行，其中N是阵列中的最后一行。
在各种实施方案中，可在CDS方案中再次对电容器209的电压电平进行采样(未示出)，并将其在各种信号处理电路和/或方法中用作基准，以使像素读出电路(诸如第二部分245)之间的不均匀性减小。另外，可通过向复位晶体管205的栅极端子施加适当形状的复位脉冲以提供对kTC复位噪声的抑制而利用反馈电容器215和放大晶体管207来执行像素浮体FB和电容器209的有源复位。可使用具有负反馈的任何合适的放大器来实现复位噪声降低。
在所有像素行的读出周期期间，光仍然投射在图像传感器145上并在光电探测器201中生成和收集电子。在完成所有行的读出之后，通过将全局快门GS信号切换到高偏置电平VHI(即，在间隔402)来接通电荷转移设备203，并将电子电荷立即从光电探测器201中排出并且到达电荷转移设备203的漏极端子。同时，将对应的空穴电荷转移并存储在电容器上，从而在每个电容器上产生电压阶跃406。随着更多空穴流到电容器209，每个电容器209上的电压将继续逐渐增加。同样，如上所述，关断电荷转移设备203(对于阵列中的所有像素，同时全局地关断)，并且每个电容器209 上的空穴电荷生成的电压停止增加，使其准备好随后读出。
在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本技术的范围。实际上，为简洁起见，方法和系统的常规制造、连接、制备和其它功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际系统中可能存在多个替代的或另外的功能关系或物理连接。
已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下作出各种修改和变化。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体示例确定所述技术的范围。例如，除非另外明确说明，否则可以任何顺序执行任何方法或工艺实施方案中列举的步骤，并且不限于具体示例中提供的明确顺序。另外，任何装置实施方案中列举的部件和/或元件可以多种排列组装或者以其它方式进行操作配置，以产生与本技术基本上相同的结果，因此不限于具体示例中阐述的具体配置。
上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其它优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。
术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排他性的包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品、组合物或装置不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品、组合物或装置固有的其它要素。除了未具体引用的那些，本技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或部件的其它组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其它方式特别适于具体环境、制造规范、设计参数或其它操作要求。
上文已经参照示例性实施方案描述了本技术，其中所描述的像素在具有n+型掺杂FD的p型掺杂半导体外延层中形成，其中钉扎光电二极管收集电子并且在连接到浮体的电容器上感测空穴信号。整个像素结构、衬底材料和结的极性可反转，以使得像素在具有p+型掺杂FD的n型掺杂半导体外延层中形成，其中钉扎光电二极管收集空穴并且在连接到浮体的电容器上感测电子信号。
然而，可在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出改变和修改。这些和其它改变或修改旨在包括在本技术的范围内，如以下权利要求书所述。
根据一个方面，堆叠芯片图像传感器包括：像素阵列，其中每个像素形成在第一芯片和第二芯片上，并且包括：光电探测器，该光电探测器被配置成同时生成电子电荷和空穴电荷；电荷转移设备，该电荷转移设备包括：源极端子，该源极端子连接到光电探测器的阴极；漏极端子，该漏极端子连接到供电电压；以及栅极端子，该栅极端子被配置成接收第一信号；电容器，该电容器被配置成检测空穴电荷并且包括：第一电极，该第一电极连接到光电探测器的阳极；以及第二电极，该第二电极连接到地电位；浮体节点，该浮体节点设置在光电探测器和电容器之间；以及读出电路，该读出电路连接到电容器。
在一个实施方案中，电荷转移设备控制电子电荷从光电探测器到电荷转移设备的漏极端子的转移。
在一个实施方案中，读出电路包括：反相放大器晶体管，该反相放大器晶体管连接到浮体节点；反馈电容器，该反馈电容器连接在反相放大器晶体管的漏极端子和栅极端子之间；行选择晶体管，该行选择晶体管连接到反相放大器晶体管的漏极端子并响应第二信号；以及预充电电容器，该预充电电容器连接到浮体节点并响应第三信号。
在一个实施方案中，第一芯片包括：光电探测器；电容器；和电荷转移设备；并且第二芯片与第一芯片垂直堆叠并包括读出电路。
在一个实施方案中，堆叠芯片图像传感器还包括混合键合，以将浮体节点连接到读出电路。
在一个实施方案中，来自像素阵列的每个像素同时生成电子和空穴电荷。
在一个实施方案中，电容器的第二电极包括以下至少一项：掺杂多晶硅和钨。
根据另一方面，用于操作具有按行形成的多个像素的图像传感器的方法，该方法包括：同时操作来自多个像素的每个像素，其中该操作包括：在像素体中同时生成电子电荷和空穴电荷；收集光电二极管中的电子电荷；将空穴电荷积聚到浮体中；在电容器上生成对应于空穴电荷的电压；将电子电荷转移到电荷转移设备的漏极端子；以逐行的方式顺序地激活读出电路；以及将电容器上的电压转换为数字信号。
在一个操作中，该方法还包括：通过将电压脉冲施加到连接到电容器的复位晶体管来复位电容器。
在一个操作中，通过接通电荷转移设备同时进行空穴电荷的转移和电子电荷的转移。
在一个操作中，将空穴电荷转移到浮体还包括激活行选择晶体管。
在一个操作中，该方法还包括通过预充电电容器将负预充电脉冲施加到浮体，其中预充电电容器连接到浮体。
在一个操作中，该方法还包括将偏置电流施加到读出电路。
根据又一方面，固态堆叠芯片图像传感器包括：像素电路阵列，每个像素电路包括：外延层，该外延层包括：像素体，该像素体具有第一主表面和相对的第二主表面，并且包括：光电二极管；浮体区；p+型掺杂区，该p+型掺杂区沿着相对的侧壁并与像素体的第二主表面相邻；沟槽区，该沟槽区从外延层的第一主表面延伸到第二主表面，其中沟槽区包括：氧化物层，该氧化物层沉积在沟槽区的相对的垂直侧壁上；以及中心部分，该中心部分设置在相对的氧化物层之间，其中中心部分包括导电材料并连接到地电位；电荷转移结构，该电荷转移结构至少部分地设置在外延层内，其中电荷转移结构包括漏极并被配置成将电子电荷从光电二极管转移到漏极；以及读出电路，该读出电路连接到浮体区；其中每个像素电路形成在多个芯片上。
在一个实施方案中，固态图像传感器包括与第二芯片垂直堆叠的第一芯片。
在一个实施方案中，第一芯片包括外延层和电荷转移结构；并且第二芯片包括读出电路。
在一个实施方案中，第一芯片和第二芯片通过混合键合而键合在一起；并且其中混合键合焊盘：设置在外延层的第一主表面和第二芯片之间；并且基本上与光电二极管重叠。
在一个实施方案中，每个像素还包括邻近外延层的第二主表面设置的滤色器和微透镜。
在一个实施方案中，图像传感器被配置作为背照式图像传感器。
在一个实施方案中，读出电路包括：源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管连接到浮体区；反馈电容器，该反馈电容器连接到源极跟随器晶体管；行选择晶体管，该行选择晶体管连接到源极跟随器晶体管的源极端子并响应行选择信号；以及预充电电容器，该预充电电容器连接到浮体节点并响应预充电信号。

Claims (10)

1.一种堆叠芯片图像传感器，其特征在于包括：
像素阵列，其中每个像素形成在第一芯片和第二芯片上并包括：
光电探测器，所述光电探测器被配置成同时生成电子电荷和空穴电荷；
电荷转移设备，所述电荷转移设备包括：
源极端子，所述源极端子连接到所述光电探测器的阴极；
漏极端子，所述漏极端子连接到供电电压；和
栅极端子，所述栅极端子被配置成接收第一信号；
电容器，所述电容器被配置成检测空穴电荷并包括：
第一电极，所述第一电极连接到所述光电探测器的阳极；和
第二电极，所述第二电极连接到地电位；
浮体节点，该浮体节点设置在所述光电探测器和所述电容器之间；和
读出电路，所述读出电路连接到所述电容器。
2.根据权利要求1所述的堆叠芯片图像传感器，其特征在于所述电荷转移设备控制电子电荷从所述光电探测器到所述电荷转移设备的所述漏极端子的转移。
3.根据权利要求1所述的堆叠芯片图像传感器，其特征在于所述读出电路包括：
反相放大器晶体管，所述反相放大器晶体管连接到所述浮体节点；
反馈电容器，所述反馈电容器连接在所述反相放大器晶体管的漏极端子和栅极端子之间；
行选择晶体管，所述行选择晶体管连接到所述反相放大器晶体管的所述漏极端子并响应第二信号；和
预充电电容器，所述预充电电容器连接到所述浮体节点并响应第三信号。
4.根据权利要求1所述的堆叠芯片图像传感器，其特征在于：
所述第一芯片包括：
所述光电探测器；
所述电容器；和
所述电荷转移设备；并且
所述第二芯片与所述第一芯片垂直堆叠并包括所述读出电路。
5.根据权利要求1所述的堆叠芯片图像传感器，其特征在于所述电容器的所述第二电极包括以下各项中的至少一个：掺杂多晶硅和钨。
6.一种固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于包括：
像素电路阵列，每个像素电路包括：
外延层，所述外延层包括：
像素体，所述像素体具有第一主表面和相对的第二主表面，并且包括：
光电二极管；
浮体区；
p+型掺杂区，所述p+型掺杂区沿着相对的侧壁并与所述像素体的所述第二主表面相邻；
沟槽区，所述沟槽区从所述外延层的所述第一主表面延伸到所述第二主表面，其中所述沟槽区包括：
氧化物层，所述氧化物层沉积在所述沟槽区的相对的垂直侧壁上；和
中心部分，所述中心部分设置在相对的氧化物层之间，其中所述中心部分包括导电材料并连接到地电位；
电荷转移结构，所述电荷转移结构至少部分地设置在所述外延层内，其中所述电荷转移结构包括漏极并被配置成将电子电荷从所述光电二极管转移到所述漏极；和
读出电路，所述读出电路连接到所述浮体区；
其中每个像素电路形成在多个芯片上。
7.根据权利要求6所述的固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于所述固态堆叠芯片图像传感器包括与第二芯片垂直堆叠的第一芯片。
8.根据权利要求7所述的固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于：
所述第一芯片包括所述外延层和所述电荷转移结构；并且
所述第二芯片包括所述读出电路。
9.根据权利要求7所述的固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于所述第一芯片和所述第二芯片用混合键合焊盘键合在一起；并且其中所述混合键合焊盘：
设置在所述外延层的所述第一主表面和所述第二芯片之间；并且
与所述光电二极管重叠。
10.根据权利要求6所述的固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于所述读出电路包括：
源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管连接到所述浮体区；
反馈电容器，所述反馈电容器连接到所述源极跟随器晶体管；
行选择晶体管，所述行选择晶体管连接到所述源极跟随器晶体管的源极端子并响应行选择信号；和
预充电电容器，所述预充电电容器连接到所述浮体区并响应预充电信号。
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