TW202127643A - 成像裝置 - Google Patents

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椎原由宇
町田貴志
大池祐輔
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日商索尼半導體解決方案公司
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Abstract

本發明提供一種成像裝置，其包含：一第一導電性類型之一第一半導體基板，其包含一第一表面及位於與該第一表面相對之一側上之一第二表面；一第二導電性類型之一光電轉換單元，其嵌入至該第一半導體基板之該第一表面中，藉由光電轉換而產生對應於一所接收光量之一電荷；該第二導電性類型之一第一電荷儲存單元及一第二電荷儲存單元，其平行地嵌入至該第一半導體基板之該第二表面中，儲存在該光電轉換單元中產生之該電荷；一第一電荷轉移單元，其將該電荷自該光電轉換單元轉移至該第一電荷儲存單元；及一第二電荷轉移單元，其將該電荷自該光電轉換單元轉移至該第二電荷儲存單元。

Description

成像裝置
本發明係關於一種藉由執行光電轉換而獲取一影像之成像裝置。
目前為止，已提出一種固態影像感測器，該固態影像感測器藉由在一光電轉換單元與一浮動擴散部之間提供一電荷保持單元(記憶體單元)而達成一全域快門。舉例而言，專利文獻1揭示一種在一單元像素中具備兩個保持單元之成像裝置，其中成像裝置藉由在一曝光週期期間針對每一保持單元複數次執行自光電轉換單元至保持單元之一電荷轉移而達成在一長時間週期內儲存一信號電荷。舉例而言，專利文獻2揭示一種相對於一單個光電轉換單元而具備兩個或兩個以上電荷儲存單元之影像感測器，其中影像感測器能夠藉由在不同曝光時間內重複地轉移電荷而獲取一高動態範圍影像。 [引用清單] [專利文獻]
[PTL 1] JP 2017-220896A [PTL 2] JP 2016-574723A
[技術問題]
同時，在成像裝置中，存在對於一較大飽和電荷及一敏感度改良之需求。
期望提供一種能夠具有一較大飽和電荷且亦具有經改良敏感度之成像裝置。 [問題之解決方案]
根據本發明之一項實施例，提供一種成像裝置，其包含：一第一導電性類型之一第一半導體基板，其包含一第一表面及位於與該第一表面相對之一側上之一第二表面；一第二導電性類型之一光電轉換單元，其嵌入至該第一半導體基板之該第一表面中，藉由光電轉換而產生對應於一所接收光量之一電荷；一第一電荷儲存單元及一第二電荷儲存單元，其等皆係該第二導電性類型，平行地嵌入至該第一半導體基板之該第二表面中，儲存在該光電轉換單元中產生之該電荷；一第一電荷轉移單元，其將該電荷自該光電轉換單元轉移至該第一電荷儲存單元；及一第二電荷轉移單元，其將該電荷自該光電轉換單元轉移至該第二電荷儲存單元。
在根據本發明之一項實施例之成像裝置中，相對於一單個光電轉換單元而提供兩個電荷儲存單元(一第一電荷儲存單元及一第二電荷儲存單元)，該光電轉換單元安置於一半導體基板之一第一表面上，而該兩個電荷儲存單元安置於該半導體基板之一第二表面上。利用此配置，一感測器像素內部之光電轉換單元及兩個電荷儲存單元之面積擴展。
[相關申請案交叉參考]
本申請案主張2019年11月15日提出申請之日本優先權專利申請案JP 2019-207287之權益，該日本優先權專利申請案之全部內容以引用之方式併入本文中。
在下文中，將詳細地且參考圖式闡述根據本發明之一實施例。以下說明係本發明之一特定實例，且本發明並不限於以下形式。另外，本發明並不限於圖式中所圖解說明之組件之性質，諸如配置、尺寸及尺寸比率。在下文中，說明將按以下次序進行。 1. 第一實施例 (半導體裝置之實例，其中一個光電轉換單元及兩個電荷儲存單元堆疊於半導體基板中) 1-1. 成像裝置之示意性組態 1-2. 成像裝置之特定組態 1-3. 藉由成像裝置進行之操作 1-4. 動作及效應 2. 第二實施例 (半導體裝置之實例，其中除轉移電晶體之外的像素電晶體形成於單獨基板上並被堆疊) 3. 修改 3-1. 修改1 (面對背(face-to-back)黏附兩個半導體基板之實例) 3-2. 修改2 (提供含有垂直電晶體之第三轉移電晶體之實例) 3-3. 修改3 (形成作為垂直電晶體之第一轉移電晶體之實例) 3-4. 修改4 (另外提供放電電晶體之實例) 3-5. 修改5 (另外提供第四轉移電晶體之實例) 3-6. 修改6 (在相鄰感測器像素之間共用兩個FD之實例) 3-7. 修改7 (提供具有相互不同的面積之兩個MEM之實例) 3-8. 修改8 (形成具有FD之一個MEM之實例) 3-9. 修改9 (在一個PD中提供四個MEM之實例) 4. 應用實例 5. 實際用途實例
＜1. 第一實施例＞ (1-1. 成像裝置之示意性組態) 圖1A係圖解說明根據本發明之一第一實施例之一成像裝置100A之功能之一例示性組態的一方塊圖。
成像裝置100A係所謂的全域快門方法之一背面照明式影像感測器，例如一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。成像裝置100A藉由自一主體接收光、執行光電轉換及產生一影像信號而獲取一影像。
全域快門方法係指執行一全域曝光之一方法，其中基本上同時針對所有像素開始曝光且同時針對所有像素結束曝光。本文中，所有像素係指其中出現一影像之一部分中之所有像素，且排除諸如虛擬像素之區。而且，若時間差及影像失真充分小而不會引起一問題，則全域快門方法包含如下一方法：移動一全域曝光區域，同時以複數個列(舉例而言，幾十個列)為單位而非同時對所有像素執行一全域曝光。而且，全域快門方法包含如下一方法：對一預定區域中之像素而非對其中出現一影像之部分中之所有像素執行一全域曝光。
一背面照明式影像感測器係指經組態使得在一光接收面(來自一主體之光入射於其上)與一互連層(在其處提供用於驅動每一像素之接線元件(諸如電晶體))之間提供一光電轉換單元(諸如一光電二極體)之一影像感測器，該光電轉換單元自該主體接收光且將光轉換成一電信號。
舉例而言，成像裝置100A具備一像素陣列單元111、一垂直驅動單元112、一行信號處理單元113、一資料儲存單元119、一水平驅動單元114、一系統控制單元115及一信號處理單元118。
在成像裝置100A中，像素陣列單元111形成於一半導體基板10 (稍後闡述)上。舉例而言，諸如垂直驅動單元112、行信號處理單元113、資料儲存單元119、水平驅動單元114、系統控制單元115及信號處理單元118之周邊電路與像素陣列單元111形成於同一半導體基板10上。
像素陣列單元111包含複數個感測器像素110，該複數個感測器像素包含一光電轉換單元11 (稍後闡述)，該光電轉換單元根據來自主體之入射光之量而產生並儲存電荷。如圖1中所圖解說明，在一水平方向(列方向)及一垂直方向(行方向)中之每一者上排列感測器像素110。在像素陣列單元111中，針對含有在列方向上排列於一單個線中之感測器像素110之每個像素列而在列方向上佈局一像素驅動線116，且針對含有在行方向上排列於一單個線中之感測器像素110之每個像素行而在行方向上佈局一垂直信號線(VSL) 117。
垂直驅動單元112包含若干組件，諸如一移位暫存器及一位址解碼器。藉由透過複數個像素驅動線116而分別將諸如一信號之資訊供應至複數個感測器像素110，垂直驅動單元112同時驅動像素陣列單元111中之所有複數個感測器像素110或以像素列為單元進行驅動。
透過VSL 117中之每一者而將自藉由垂直驅動單元112選擇性地進行掃描之一像素列之單元像素輸出之信號供應至行信號處理單元113。針對像素陣列單元111之每個像素行，行信號處理單元113對透過VSL 117而自所選擇列上之單元像素輸出之信號執行預定信號處理，且亦暫時保持經處理像素信號。
具體而言，行信號處理單元113含有諸如一移位暫存器及一位址解碼器(舉例而言)之組件，對一類比像素信號執行諸如一雜訊移除程序、一相關雙取樣程序及一類比/數位(A/D)轉換程序之程序，且產生一數位像素信號。行信號處理單元113將所產生像素信號供應至信號處理單元118。
水平驅動單元114含有諸如一移位暫存器及一位址解碼器之組件，且依序選擇行信號處理單元113之對應於一像素行之一單元電路。將藉由透過水平驅動單元114之一選擇性掃描、藉由行信號處理單元113中之每一單元電路而處理之像素信號依序輸出至信號處理單元118。
系統控制單元115含有諸如產生各種時序信號之一時序產生器之組件。系統控制單元115基於由時序產生器產生之時序信號而控制垂直驅動單元112、行信號處理單元113及水平驅動單元114之驅動。
信號處理單元118對自行信號處理單元113供應之像素信號執行信號處理(諸如算術處理)，同時視需要將資料暫時儲存於資料儲存單元119中，且輸出含有像素信號中之每一者之一影像信號。
在藉由信號處理單元118進行之信號處理期間，資料儲存單元119暫時儲存信號處理所需之資料。
注意，本發明之成像裝置並不限於圖1A中所圖解說明之成像裝置100A，且亦可具有(舉例而言)如圖1B中所圖解說明之成像裝置100B或圖1C中所圖解說明之成像裝置100C之組態之一組態。圖1B係圖解說明作為根據本發明之第一實施例之一第一修改之成像裝置100B之功能之一例示性組態的一方塊圖。圖1C係圖解說明作為根據本發明之第一實施例之一第二修改之成像裝置100C之功能之一例示性組態的一方塊圖。
在圖1B之成像裝置100B中，資料儲存單元119安置於行信號處理單元113與水平驅動單元114之間，且自行信號處理單元113輸出之像素信號藉由經過資料儲存單元119而被供應至信號處理單元118。
而且，在圖1C之成像裝置100C中，資料儲存單元119及信號處理單元118平行地安置於行信號處理單元113與水平驅動單元114之間。在成像裝置100C中，行信號處理單元113執行A/D轉換，該A/D轉換一次以像素陣列單元111之一個行或一次以像素陣列單元111之多個行來將類比像素信號轉換為數位像素信號。
(1-2. 成像裝置之特定組態) 圖2係(舉例而言)圖1A中所圖解說明之成像裝置100A中之像素陣列單元111之一剖面組態之一實例的一示意性圖解說明。圖3A及圖3B係(舉例而言)圖1A中所圖解說明之成像裝置100A之(舉例而言)像素陣列單元111中的圖2中所圖解說明之區段1 (圖3A)及區段2 (圖3B)中之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例之示意性圖解說明。注意，圖2中之剖面圖對應於圖3A及圖3B中所圖解說明之線I-I'及線II-II'。圖4係(舉例而言)圖1A中所圖解說明之成像裝置100A中之感測器像素110之一電路組態之一實例的一圖解說明，且圖解說明圖3A及圖3B中所圖解說明之感測器像素1100及感測器像素1102之一例示性電路組態。
像素陣列單元111中之感測器像素110達成一記憶體保持全域快門。本發明實施例之每一感測器像素110相對於一個光電轉換單元(PD) 11包含堆疊於半導體基板10中之兩個電荷儲存單元(MEM) 12A及12B。具體而言，光電轉換單元11形成為嵌入至半導體基板10之一第一表面(後表面：表面S1)中，而電荷儲存單元12A及12B形成為嵌入至半導體基板10之一第二表面(前表面：表面S2)中。電荷儲存單元12A及12B在圖3A及圖3B中所圖解說明之線I-I'之方向上平行地安置。
雖然稍後闡述細節，但在本發明實施例中，光電轉換單元11以及電荷儲存單元12A及12B在圖3A及圖3B中所圖解說明之線II-II'之方向上之間距經形成使得光電轉換單元11具有一間距(W)且電荷儲存單元12A及12B具有大約一半間距(1/2W)。在半導體基板10之第二表面(表面S2)上，稍後闡述之像素電晶體以光電轉換單元11之大約一半間距(舉例而言)沿著一個方向(線II-II'之方向)橫跨兩個毗鄰感測器像素而平行地安置，類似於電荷儲存單元12A及12B。出於此原因，在圖3A、圖3B及圖4中，為了彼此區分每一感測器像素110之組件，將識別編號(0、1、2、3)附加至每一感測器像素110之組件之符號之後。然而，作為以上情況之一例外，由於相對於每一感測器像素110各自提供兩個轉移電晶體(第一轉移電晶體TRY及第二電晶體TRG)，因此將識別編號(0、1、2、3)附加至符號之前。在下文中，在其中需要在每一感測器像素110之組件之間進行區分之一情形中，將識別編號附加至每一感測器像素110之組件之符號之前或之後，但在其中需要在每一感測器像素110之組件之間進行區分之一情形中，將自每一感測器像素110之組件之符號之末尾省略識別編號。
首先，將參考圖4闡述提供於像素陣列單元111中之每一感測器像素110之電路(像素電路)之一例示性組態。舉例而言，每一感測器像素110包含電力線VDD1及VDD2、一光電轉換單元(PD)、兩個電荷儲存單元(MEM1及MEM2)、兩個電荷-電壓轉換單元(浮動擴散部FD)以及像素電晶體。像素電晶體形成讀出自浮動擴散部FD輸出之信號之一讀出電路，且包含(舉例而言)第一轉移電晶體TRY1及TRY2、第二轉移電晶體TRG1及TRG2、一重設電晶體RST、一選擇電晶體SEL以及一放大電晶體AMP。
在此實例中，第一轉移電晶體TRY1及TRY2、第二轉移電晶體TRG1及TRG2、放大電晶體AMP、選擇電晶體SEL以及重設電晶體RST皆係N型MOS電晶體，且每一閘極電極使用(舉例而言)多晶矽(多晶Si)來形成。在藉由系統控制單元115之驅動控制之基礎上向第一轉移電晶體TRY1及TRY2、第二轉移電晶體TRG1及TRG2、放大電晶體AMP、選擇電晶體SEL以及重設電晶體RST之每一閘極電極供應來自垂直驅動單元112及水平驅動單元114之各別驅動信號。驅動信號係脈衝信號，該等脈衝信號在一高位準下進入一現用狀態(接通狀態)，且在一低位準下進入一非現用狀態(關斷狀態)。
PD (光電轉換單元11)係含有(舉例而言)一P-N接面光電二極體之一光電轉換元件，且經組態以自一主體接收光，並且藉由光電轉換而產生及儲存對應於所接收光之量之一電荷。PD形成為嵌入至半導體基板10之第一表面(表面S1)中(如上文所闡述)，但PD之一部分(一凸起部分11X)朝向第二表面(表面S2)延伸。
MEM1 (電荷儲存單元12A)設置於PD之凸起部分11X與兩個FD中之一者(舉例而言，浮動擴散部FD13)之間，而MEM2 (電荷儲存單元12B)設置於PD之凸起部分11X與兩個FD中之另一者(舉例而言，浮動擴散部FD14)之間。為了達成全域快門功能，在將PD中所產生及儲存之電荷轉移至兩個FD之同時，MEM1及MEM2暫時保持電荷。MEM1對應於本發明之一「第一電荷儲存單元」之一特定實例，而MEM2對應於本發明之一「第二電荷儲存單元」之一特定實例。而且，兩個FD對應於本發明之一「第一電荷-電壓轉換單元」及一「第二電荷-電壓轉換單元」之一特定實例。
第一轉移電晶體TRY1安置於PD之凸起部分11X與MEM1之間，而第二轉移電晶體TRG1安置於MEM1與浮動擴散部FD中之一者之間。第一轉移電晶體TRY2安置於PD之凸起部分11X與MEM2之間，而第二轉移電晶體TRG2安置於MEM2與另一浮動擴散部FD之間。第一轉移電晶體TRY1及TRY2經組態以根據施加至第一轉移電晶體TRY1及TRY2之閘極電極之驅動信號而分別將儲存於PD中之電荷轉移至MEM1及MEM2。第二轉移電晶體TRG1及TRG2經組態以根據施加至第二轉移電晶體TRG1及TRG2之閘極電極之驅動信號而將暫時保持於MEM1及MEM2中之電荷轉移至分別連接之FD。第一轉移電晶體TRY1及第二轉移電晶體TRG1對應於本發明之一「第一電荷轉移單元」之一特定實例，而第一轉移電晶體TRY2及第二轉移電晶體TRG2對應於本發明之一「第二電荷轉移單元」之一特定實例。在每一感測器像素110中，舉例而言，當關斷第一轉移電晶體TRY1及TRY2且接通第二轉移電晶體TRG1及TRG2時，透過第二轉移電晶體TRG1及TRG2而將儲存於MEM1及MEM2中之電荷轉移至FD中之每一者。
兩個FD係浮動擴散區域，該等浮動擴散區域分別將透過第一轉移電晶體TRY1、MEM1及第二轉移電晶體TRG1而自PD轉移之電荷或透過第一轉移電晶體TRY2、MEM2及第二轉移電晶體TRG2而自PD轉移之電荷轉換成一電信號(舉例而言，一電壓信號)且輸出該電信號。
在本發明實施例中，兩個FD各自由彼此相隔兩個像素之感測器像素110共用。此點將使用圖3A及圖3B中所圖解說明之感測器像素1100及感測器像素1102來闡述。感測器像素1100之PD0之陰極電連接至第一轉移電晶體TRY01及TRY02中之每一者之源極，而PD0之陽極電連接至一參考電位線(舉例而言，接地)。第一轉移電晶體TRY01及TRY02之汲極分別電連接至第二轉移電晶體TRG01及TRG02之源極。第二轉移電晶體TRG01之汲極電連接至FD0，且第二轉移電晶體TRG02之汲極電連接至FD1。感測器像素1102之PD2之陰極電連接至第一轉移電晶體TRY21及TRY22中之每一者之源極，而PD2之陽極電連接至一參考電位線(舉例而言，接地)。第一轉移電晶體TRY21及TRY22之汲極分別電連接至第二轉移電晶體TRG21及TRG22之源極。第二轉移電晶體TRG21之汲極電連接至FD1，且第二轉移電晶體TRG22之汲極電連接至FD2。換言之，FD1由感測器像素1100及感測器像素1102共用。而且，雖然在圖4中未圖解說明，但FD0由感測器像素1100及在相對側上與感測器像素1102相隔兩個像素之一相鄰感測器像素(為方便起見，在下文中稱為感測器像素-1102)共用。FD2由感測器像素1101及在相對側上與感測器像素1100相隔兩個像素之一相鄰感測器像素(為方便起見，在下文中稱為感測器像素1104)共用。
重設電晶體RST連接至兩個FD中之每一者，且另外，放大電晶體AMP及選擇電晶體SEL透過VSL (VSL 117)而連接至兩個FD中之每一者。
重設電晶體RST具有連接至電力線VDD1之一汲極及連接至FD中之一者之一源極。重設電晶體RST根據施加至重設電晶體RST之閘極電極之一驅動信號而初始化或(換言之)重設FD。舉例而言，當接通重設電晶體RST時，將FD之電位重設至電力線VDD1之電壓位準。換言之，將FD初始化。
放大電晶體AMP輸出對應於FD之電位之一電信號。舉例而言，放大電晶體AMP與提供於行信號處理單元113中之一恆定電流源一起形成一源極隨耦器電路。
當選擇感測器像素110時，選擇電晶體SEL被接通，且經由VSL 117而透過放大電晶體AMP將來自FD之一電信號輸出至行信號處理單元113。
接下來，將使用圖2、圖3A及圖3B來闡述提供於圖1A之像素陣列單元111中之感測器像素110之一剖面組態及一平面圖組態。
每一感測器像素110包含使用一半導體材料(例如，矽(Si))來形成之半導體基板10、光電轉換單元11以及兩個電荷儲存單元12A及12B。舉例而言，半導體基板10係P型(一第一導電性類型)，而光電轉換單元11以及電荷儲存單元12A及12B係N型(一第二導電性類型)。舉例而言，光電轉換單元11形成為嵌入於半導體基板10之第一表面(表面S1)中，而兩個電荷儲存單元12A及12B形成為嵌入於半導體基板10之第二表面(表面S2)中並沿著圖3A及圖3B中所圖解說明之線I-I'之方向平行地安置。換言之，光電轉換單元11以及兩個電荷儲存單元12A及12B堆疊於半導體基板10中。具體而言，電荷儲存單元12A及12B形成為(舉例而言)沿著線I-I'平行地嵌入，其中光電轉換單元11之凸起部分11X位於該兩個電荷儲存單元之間。由光電轉換單元11產生之電荷由於一電位梯度而沿循凸起部分11X朝向半導體基板10之第二表面(表面S2)，並被分配給電荷儲存單元12A及12B。換言之，由光電轉換單元11產生之電荷在相反方向上轉移，其中光電轉換單元11之凸起部分11X介於該等相反方向之間。
而且，在半導體基板10之第二表面(表面S2)上，提供浮動擴散部FD13及FD14、連接至電力線VDD之一VDD接觸區域15A、連接至一電力線VSS之一VSS接觸區域15B以及連接至VSL之一VSL接觸區域16。
此外，作為第二表面(表面S2)側上之像素電晶體，每一感測器像素110包含(舉例而言)第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)、第二轉移電晶體22B (TRG1)及23B (TRG2)、一重設電晶體24 (RST)、一選擇電晶體25 (SEL)以及一放大電晶體26 (AMP)。舉例而言，如電荷儲存單元12A及12B，第一轉移電晶體22A及23A、第二轉移電晶體22B及23B、重設電晶體24、選擇電晶體25以及放大電晶體26橫跨兩個毗鄰感測器像素而沿著線II-II'安置。
具體而言，第一轉移電晶體22A安置於光電轉換單元11之凸起部分11X與電荷儲存單元12A之間，而第二轉移電晶體22B安置於電荷儲存單元12A與浮動擴散部FD13之間。第一轉移電晶體23A安置於光電轉換單元11之凸起部分11X與電荷儲存單元12B之間，而第二轉移電晶體23B安置於電荷儲存單元12B與浮動擴散部FD14之間。重設電晶體24安置於第二轉移電晶體23B旁邊，其中浮動擴散部FD14介於其間。放大電晶體26及選擇電晶體25以彼次序安置於重設電晶體24旁邊，其中VDD接觸區域15A介於該放大電晶體及該選擇電晶體與該重設電晶體之間。
在本發明實施例中，如上文，電荷儲存單元12A及12B以及像素電晶體相對於光電轉換單元11之間距(W)以大約一半間距(1/2W)形成，且像素電晶體橫跨兩個毗鄰感測器像素而安置。具體而言，如圖3A及圖3B中所圖解說明，舉例而言，在一區域X1 (藉由在線I-I'之方向上將複數個感測器像素110劃分成兩個區段而獲得)中橫跨感測器像素1100及感測器像素1101而提供感測器像素1100之像素電晶體(TRY01、TRY02、TRG01、TRG02、RST01、AMP01及SEL01)，而在一區域X2 (藉由在線I-I'之方向上將複數個感測器像素110劃分成兩個區段而獲得)中橫跨感測器像素1100及感測器像素1101而提供感測器像素1101之像素電晶體(TRY11、TRY12、TRG11、TRG12、RST11、AMP11及SEL11)。而且，在區域X1 (藉由在線I-I'之方向上將複數個感測器像素110劃分成兩個區段而獲得)中橫跨感測器像素1101及感測器像素1102而提供感測器像素1102之像素電晶體(TRY21、TRY22、TRG21、TRG22、RST21、AMP21及SEL21)。換言之，在線I-I'之方向上彼此毗鄰之感測器像素110之像素電晶體分別交替安置於藉由在線I-I'之方向上將複數個感測器像素110劃分成兩個區段而獲得之一個區域與另一區域之間，且移位一個感測器像素。
舉例而言，含有一種氧化物或諸如此類之一絕緣膜21設置於半導體基板10與像素電晶體之間。含有組件(諸如像素電晶體之閘極電極)之一互連層(舉例而言，稍後闡述之一互連層20；參見圖6)設置於絕緣膜21上。在互連層內部，除了像素電晶體之閘極電極之外，(舉例而言)亦提供用於將驅動信號施加至閘極電極之互連件M1。此外，舉例而言，半導體基板10具備環繞光電轉換單元11之一像素隔離部分17，及阻擋光電轉換單元11與電荷儲存單元12A及12B之間的光之一隔離膜18。
像素隔離部分17係用於將毗鄰感測器像素110彼此光學及電隔離，且自半導體基板10之第一表面(表面S1)至第二表面(表面S2)而設置於毗鄰光電轉換單元11之間。舉例而言，像素隔離部分17含有由一種氧化物膜(諸如氧化矽(SiO2 )、氧化鉿(HfO2 )、氧化鋯(ZrO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鈦(TiO2 )或氧化鉭(Ta2 O5 ))環繞之一金屬膜(諸如鎢(W))。利用此配置，具有自一毗鄰像素P被入射之風險之傾斜入射光由金屬膜阻擋以達成光學隔離，而另外，毗鄰感測器像素藉由氧化物膜而彼此電隔離。
隔離膜18將光電轉換單元11與電荷儲存單元12A及12B電及光學隔離。舉例而言，如像素隔離部分17，隔離膜18含有由一種氧化物膜(諸如氧化矽(SiO2 )或諸如此類)環繞之一金屬膜(諸如鎢(W)或諸如此類)。藉由在光電轉換單元11與電荷儲存單元12A及12B之間提供隔離膜18，抑制至電荷儲存單元12A及12B上之光入射，且可減少雜訊。利用此配置，改良寄生光敏感度(PLS)特性。
此外，每一感測器像素110亦可包含位於半導體基板10之第一表面(表面S1)上或(換言之)位於光入射側上之一彩色濾光器31及一晶片上透鏡32。
彩色濾光器31包含(舉例而言)透射一紅色波長頻帶中之光之一紅色濾光器、透射一綠色波長頻帶中之光之一綠色濾光器及透射一藍色波長頻帶中之光之一藍色濾光器，且此等濾光器(舉例而言)設置於像素陣列單元111內部之一常規彩色陣列(諸如一拜耳(Bayer)陣列)中。舉例而言，一光屏蔽部分亦可設置於彩色濾光器31之毗鄰像素之間。
晶片上透鏡32將自半導體基板10之第一表面(表面S1)側入射之光聚集至光電轉換單元11上。晶片上透鏡32使用具有一高折射率之一材料、具體而言一無機材料(例如，氧化矽(SiO2 )或氮化矽(SiN))來形成。另外，可使用具有一高折射率之一有機材料，諸如環硫樹脂或鈦化合物及其樹脂。並不特別限制晶片上透鏡32之形狀，且可使用各種透鏡形狀(諸如半球形狀及半圓柱形狀)中之任一者。如圖2中所圖解說明，舉例而言，可針對每個感測器像素110而提供晶片上透鏡32，或可針對複數個感測器像素110而提供一單個晶片上透鏡。
(1-3. 藉由成像裝置進行之操作) 圖5圖解說明用於驅動成像裝置100A之感測器像素110之一時序圖之一實例。
在本發明實施例之成像裝置100A中，舉例而言，透過MEM2而執行PD之重設。首先，在關斷第一轉移電晶體TRY2之後，開始感測器像素1100中之曝光，且開始PD中之電荷產生及儲存。此後，藉由在t1秒之後接通第一轉移電晶體TRY1，將電荷自PD轉移至MEM1。接下來，在關斷第一轉移電晶體TRY1之後，開始感測器像素1100中之曝光，且重新開始PD中之電荷產生及儲存。此後，藉由在t2秒之後接通第一轉移電晶體TRY2，將電荷自PD轉移至MEM2。在一全域轉移週期期間重複進行此系列驅動程序。
在全域轉移週期結束之後，將儲存於MEM1及MEM2中之每一者中之電荷轉移至每一FD且根據一滾動讀出而作為電壓信號依序輸出至VSL。此時，根據t1與t2之間的時間差，可向兩個單元MEM1及MEM2賦予一偽敏感度比率。利用此配置，可同時儲存且單獨地讀出具有不同敏感度之信號。
(1-4. 動作及效應) 在本發明實施例之成像裝置100A中，相對於一個PD (光電轉換單元11)而提供兩個單元MEM1 (電荷儲存單元12A)及MEM2 (電荷儲存單元12B)，PD安置於半導體基板10之第一表面(表面S1)上，且兩個單元MEM1及MEM2安置於半導體基板10之第二表面(表面S2)上。利用此配置，每一感測器像素110中之PD以及兩個單元MEM1及MEM2之面積效率增加。在下文中，將解釋以上點。
如較早所闡述，在實施一全域快門之一影像感測器中，已提出一結構，在該結構中相對於一個光電轉換單元(PD)而提供兩個或兩個以上電荷儲存單元(MEM)。在影像感測器中，藉由在曝光週期期間針對每一MEM複數次轉移電荷而在一長時間內儲存電荷或換言之，獲取一高動態範圍影像。
然而，在以上影像感測器中，由於PD及兩個MEM安置於同一平坦表面上，因此一單個像素內部之PD及MEM之面積減小。此形成經減小飽和電荷(Qs)、較低敏感度及一較低佈局自由度之問題。
相比而言，在本發明實施例中，PD形成為嵌入至半導體基板10之第一表面(表面S1)中，而兩個單元MEM1及MEM2形成為嵌入至半導體基板10之第二表面(表面S2)中。換言之，一個PD以及兩個單元MEM1及MEM2堆疊於半導體基板10中。此配置使得可增加每一感測器像素110中之PD以及兩個單元MEM1及MEM2之面積。
根據上文，在本發明實施例之成像裝置100A中，可改良飽和電荷(Qs)及敏感度。因此，提供具有一較大飽和電荷以及較高敏感度之一成像裝置係可能的。
此外，在本發明實施例之成像裝置100A中，改良佈局自由度亦係可能的。
而且，在本發明實施例之成像裝置100A中，藉由在堆疊於半導體基板10中之PD (光電轉換單元11)與兩個單元MEM1 (電荷儲存單元12A)及MEM2 (電荷儲存單元12B)之間提供光屏蔽隔離膜18，減少透過PD而透射至MEM1及MEM2中之光入射。因此，減少MEM1及MEM2中錯誤信號之發生係可能的。
接下來，將闡述本發明之一第二實施例及修改1至9。在下文中，以相同符號來表示類似於以上第一實施例之組件之組件，且在適當之情形下省略此等組件之說明。
＜2. 第二實施例＞ 圖6係根據本發明之一第二實施例之成像裝置100D中之像素陣列單元111之一剖面組態之一實例的一示意性圖解說明。圖7A及圖7B係(舉例而言)圖6中所圖解說明之成像裝置100D之像素陣列單元111中的圖6中所圖解說明之區段2 (圖7A)及區段3 (圖7B)中之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例的示意性圖解說明。注意，圖6中之剖面圖對應於圖7A及圖7B中所圖解說明之線I-I'及線II-II'。
在以上第一實施例之成像裝置100A中，像素電晶體，亦即，第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)、第二轉移電晶體22B (TRG1)及23B (TRG2)、重設電晶體24 (RST)、選擇電晶體25 (SEL)以及放大電晶體26 (AMP)設置於半導體基板10之第二表面(表面S2)上。相比而言，在本發明實施例之一成像裝置100D中，在以上像素電晶體當中，重設電晶體24 (RST)、選擇電晶體25 (SEL)及放大電晶體26 (AMP)設置於與半導體基板10分開之一基板(諸如一半導體基板40)上，且半導體基板(舉例而言)藉由Cu-Cu結合而黏附在一起。
具體而言，光電轉換單元11形成為嵌入至半導體基板10之第一表面(表面S1)中，而電荷儲存單元12A及12B形成為嵌入至半導體基板10之第二表面(表面S2)中，如以上第一實施例。另外，絕緣膜21設置於半導體基板10之第二表面(表面S2)上。透過絕緣膜21，第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)以及第二轉移電晶體22B (TRG1)及23B (TRG2)設置於半導體基板之第二表面(表面S2)上。
一互連層20設置於半導體基板10之第二表面(表面S2)上，除了第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)以及第二轉移電晶體22B (TRG1)及23B (TRG2)之閘極電極之外，該互連層亦含有絕緣膜21及複數個互連件。在互連層20中，互連件M1、M2及M3形成為在一層間絕緣膜27內部之複數個互連件。舉例而言，含有銅(Cu)之複數個銲墊電極28在層間絕緣膜27之表面上曝露。
半導體基板40使用一半導體材料(例如，矽(Si))來形成，且具有彼此相對之一第一表面(前表面：表面S3)及一第二表面(後表面：表面S4)。在半導體基板之第一表面(表面S3)上，經由含有一材料(例如，一種氧化物)之一絕緣膜51而提供重設電晶體24 (RST)、選擇電晶體25 (SEL)及放大電晶體26 (AMP)。
一互連層50設置於半導體基板40之第一表面(表面S3)上，除了重設電晶體24 (RST)、選擇電晶體25 (SEL)及放大電晶體26 (AMP)之閘極電極之外，該互連層亦含有絕緣膜51及複數個互連件。在互連層50中，互連件M4、M5及M6形成為在一層間絕緣膜52內部之複數個互連件。舉例而言，含有銅(Cu)之複數個銲墊電極53在層間絕緣膜52之表面上曝露。
藉由以下操作而將半導體基板10與半導體基板40黏附在一起：致使半導體基板10之第二表面(表面S2)與半導體基板40之第一表面(表面S3)彼此相對，且結合分別在設置於每一表面上之互連層20及互連層50之表面上曝露之複數個銲墊電極28與銲墊電極。換言之，半導體基板10與半導體基板40以所謂的一面對面組態黏附在一起。
如以上第一實施例，電荷儲存單元12A及12B以及像素電晶體相對於光電轉換單元11之間距(W)以大約一半間距(1/2W)形成。而且，在本發明實施例中，形成於半導體基板10上之第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)以及第二轉移電晶體22B (TRG1)及23B (TRG2)橫跨兩個毗鄰感測器像素而平行地安置。類似地，形成於半導體基板40上之重設電晶體24 (RST)、選擇電晶體25 (SEL)及放大電晶體26 (AMP)亦橫跨兩個毗鄰感測器像素而平行地安置。換言之，第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)以及第二轉移電晶體22B (TRG1)及23B (TRG2)之面積可增加。此配置使得可最大化電荷儲存單元12A及12B之面積。
以此方式，在本發明實施例之成像裝置100D中，在像素電晶體當中，重設電晶體24 (RST)、選擇電晶體25 (SEL)及放大電晶體26 (AMP) (排除第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)以及第二轉移電晶體22B (TRG1)及23B (TRG2))設置於一單獨基板(半導體基板40)上，藉此使得可進一步增加兩個單元MEM1 (電荷儲存單元12A)及MEM2 (12B)之面積。因此，與以上第一實施例之成像裝置100A相比，可進一步改良飽和電荷(Qs)及敏感度。另外，可進一步改良佈局自由度。
＜3. 修改＞ (3-1. 修改1) 圖8係根據本發明之修改1之成像裝置100E中之像素陣列單元111之一剖面組態之一實例的一示意性圖解說明。圖9A及圖9B係(舉例而言)圖8中所圖解說明之成像裝置100E之像素陣列單元111中的圖8中所圖解說明之區段2 (圖9A)及區段3 (圖9B)中之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例的示意性圖解說明。注意，圖8中之剖面圖對應於圖9A及圖9B中所圖解說明之線I-I'及線II-II'。
如以上第二實施例之成像裝置100D，在本修改之成像裝置100E中，在像素電晶體當中，重設電晶體24 (RST)、選擇電晶體25 (SEL)及放大電晶體26 (AMP)設置於與半導體基板10分開之一基板(半導體基板40)上，該半導體基板具備光電轉換單元11 (PD)、電荷儲存單元12A (MEM1)及12B (MEM2)、第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)以及第二轉移電晶體22B (TRG1)及23B (TRG2)。如以上第二實施例，在像素電晶體當中，重設電晶體24 (RST)、選擇電晶體25 (SEL)及放大電晶體26 (AMP)形成於半導體基板40之第一表面(表面S3)上。本修改之成像裝置100E與以上第二實施例之不同之處在於半導體基板10與半導體基板40以所謂的一面對背組態黏附在一起，其中使半導體基板10之第二表面(前表面：表面S2)與半導體基板40之第二表面(後表面：表面S4)彼此相對。
舉例而言，可如下形成成像裝置100E。首先，在半導體基板10之第二表面(表面S2)上形成第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)以及第二轉移電晶體22B (TRG1)及23B (TRG2)之閘極電極。此後，藉由用層間絕緣膜27覆蓋閘極電極而形成互連層20。接下來，在扁平化互連層20之表面之後，使用第二表面(表面S4)作為結合表面來將半導體基板40黏附至半導體基板10，從而致使半導體基板40變得更薄。此後，在半導體基板之第一表面(表面S3)上形成諸如重設電晶體24 (RST)、選擇電晶體25 (SEL)及放大電晶體26 (AMP)之組件。注意，(舉例而言)使用通孔54來形成半導體基板10與半導體基板40之間的電連接。利用此配置，完成圖8中所圖解說明之成像裝置100E。
以此方式，在本修改中，由於半導體基板10與半導體基板40以所謂的一面對背組態黏附在一起，因此與以上第二實施例之成像裝置100D相比，(舉例而言)可縮短至浮動擴散部FD之互連件之長度。因此，除了以上第一及第二實施例之效應之外，改良FD轉換效率亦係可能的。
(3-2. 修改2) 圖10係根據本發明之修改2之成像裝置100F中之像素陣列單元111之一剖面組態之一實例的一示意性圖解說明。圖11A及圖11B係(舉例而言)圖10中所圖解說明之成像裝置100F之像素陣列單元111中的圖10中所圖解說明之區段1 (圖11A)及區段2 (圖11B)中之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例的示意性圖解說明。注意，圖10中之剖面圖對應於圖1中所圖解說明之線I-I'及線II-II'。圖12係圖10中所圖解說明之成像裝置100F中之感測器像素110之一電路組態之一實例的一圖解說明。
本修改之成像裝置100F與以上第二實施例之不同之處在於所謂的一垂直第三轉移電晶體(TRZ)設置於第一轉移電晶體22A (TRY1)與第一轉移電晶體23A (TRY2)之間。
在成像裝置100F中，第三轉移電晶體29 (TRZ)之閘極電極(轉移閘極電極19A及19B)延伸至光電轉換單元11，該光電轉換單元形成為嵌入至半導體基板10之第一表面(表面S1)中。舉例而言，由光電轉換單元11產生之電荷透過轉移閘極電極19A而被分配給電荷儲存單元12A (MEM1)且透過轉移閘極電極19B而被分配給電荷儲存單元12B (MEM2)。換言之，在光電轉換單元11內部，可在無需形成一電位梯度之情況下轉移電荷，該電位梯度自半導體基板10之第一表面(表面S1)至第二表面(表面S2)改變。因此，可使光電轉換單元11之電位加深，藉此使得可增加飽和電荷(Qs)。
注意，舉例而言，轉移閘極電極19A及19B經形成使得將該兩者彼此接合之一線正交於兩個電荷儲存單元12A (MEM1)及12B (MEM2)之佈局方向。
圖13圖解說明(舉例而言)用於驅動成像裝置100F之感測器像素110之一時序圖之一實例。由於藉由第三轉移電晶體TRZ而執行自光電轉換單元PD之電荷讀出，因此光電轉換單元PD之曝光週期與第三轉移電晶體TRZ之關斷週期同義。因此，難以使曝光週期t2比在其期間第三轉移電晶體TRZ之驅動脈衝完全下降且然後再次完全上升之週期短。
以此方式，在本修改之成像裝置100F中，使用一垂直電晶體(第三轉移電晶體29 (TRZ))來將由光電轉換單元11產生之電荷分配給電荷儲存單元12A及12B，且因此可使光電轉換單元11之電位加深。因此，除了以上第一及第二實施例之效應之外，進一步增加飽和電荷(Qs)亦係可能的。
(3-3. 修改3) 圖14係根據本發明之修改3之成像裝置100G中之像素陣列單元111之一剖面組態之一實例的一示意性圖解說明。圖15A及圖15B係(舉例而言)圖14中所圖解說明之成像裝置100G之像素陣列單元111中的圖14中所圖解說明之區段1 (圖15A)及區段2 (圖15B)中之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例的示意性圖解說明。注意，圖14中之剖面圖對應於圖15A及圖15B中所圖解說明之線I-I'及線II-II'。
以上修改2圖解說明藉由在第一轉移電晶體22A (TRY1)與第一轉移電晶體23A (TRY2)之間提供所謂的一垂直第三轉移電晶體(TRZ)而將由光電轉換單元11產生之電荷分配給電荷儲存單元12A及12B之一實例，但第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)亦可兼作第三轉移電晶體(TRZ)。本修改與以上修改2之不同之處在於第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)形成為垂直電晶體。
在成像裝置100G中，第一轉移電晶體22A (TRY1)及第一轉移電晶體23A (TRY2)之閘極電極(轉移閘極電極19C (19Ca及19Cb)及19D (19Da及19Db))延伸至光電轉換單元11，該光電轉換單元形成為嵌入至半導體基板10之第一表面(表面S1)中。
注意，用於驅動本修改之成像裝置100G中之感測器像素110之時序圖類似於以上第一實施例(圖5)之時序圖。換言之，根據第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)之接通間隔而判定曝光週期t1及t2。
如上文，在本修改之成像裝置100G中，第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)形成為垂直電晶體，且因此可根據第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)之接通間隔而判定曝光週期t1及t2。因此，除了以上第一及第二實施例之效應之外，進一步增加飽和電荷(Qs)同時亦縮短第一轉移電晶體22A (TRY1)及23A (TRY2)中之每一者之接通間隔從而使得可在一較短時間量內儲存及分配電荷亦係可能的。
(3-4. 修改4) 圖16A及圖16B係根據本發明之修改4之成像裝置100H中之像素陣列單元111之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例的示意性圖解說明。圖17係圖16A及圖16B中所圖解說明之成像裝置100H中之感測器像素110之一電路組態之一實例的一圖解說明。圖18圖解說明用於驅動成像裝置100H之感測器像素110之一時序圖之一實例。
本修改之成像裝置100H與以上第二實施例之不同之處在於將初始化或(換言之)重設PD之一放電電晶體OFG (放電電晶體33)作為一像素電晶體而另外提供。注意，重設PD意味著耗盡PD。
放電電晶體OFG設置於第一轉移電晶體TRY1與第一轉移電晶體TRY2之間，且具有(舉例而言)連接至電力線VDD之一汲極以及連接至第一轉移電晶體TRY1及TRY2之一源極。放電電晶體OFG根據施加至閘極電極之一驅動信號而重設PD。
以此方式，在本修改之成像裝置100H中，藉由提供重設PD之放電電晶體OFG，在無需經過MEM1及MEM2之情況下重設PD係可能的。因此，除了以上第一及第二實施例之效應之外，在兩個單元MEM1及MEM2係處於一電荷儲存狀態中之同時進行管線曝光亦係可能的。
而且，在本修改之成像裝置100H中，藉由在全域轉移週期之外接通放電電晶體OFG，自PD溢流之電荷被選擇性地丟棄至放電電晶體OFG之汲極而不會導致MEM1及MEM2中之輝散(blooming)。因此，減少錯誤信號之發生係可能的。
注意，在本修改之成像裝置100H中，可如以上修改2中一樣使用一垂直電晶體來形成第三轉移電晶體TRZ，或另一選擇係，可如修改3一樣垂直地形成第一轉移電晶體TRY1及TRY2。舉例而言，在垂直地形成第一轉移電晶體TRY1及TRY2之情形中，放電電晶體OFG亦形成一放電閘極電極19E，該放電閘極電極類似於第一轉移電晶體TRY1及TRY2而作為一垂直電晶體接達PD，舉例而言如圖19、圖20A及圖20B中所圖解說明。
(3-5. 修改5) 圖21A及圖21B係根據本發明之修改5之成像裝置100I中之像素陣列單元111之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例的示意性圖解說明。圖22係圖21A及圖21B中所圖解說明之成像裝置100I中之感測器像素110之一電路組態之一實例的一圖解說明。圖23圖解說明用於驅動成像裝置100I之感測器像素110之一時序圖之一實例。
本修改之成像裝置100I與以上第二實施例之不同之處在於第四轉移電晶體TRX1及TRX2分別設置於第一轉移電晶體TRY1與第二轉移電晶體TRG1之間及第一轉移電晶體TRY2與第二轉移電晶體TRG2之間。
第四轉移電晶體TRX1及TRX2係用於將電荷保持於MEM1及MEM2內部且亦分別將電荷轉移至第二轉移電晶體TRG1及TRG2。
以此方式，在本修改之成像裝置100I中，藉由分別在第一轉移電晶體TRY1與第二轉移電晶體TRG1之間及第一轉移電晶體TRY2與第二轉移電晶體TRG2之間提供第四轉移電晶體TRX1及TRX2，可使與每一FD (舉例而言，FD0及FD1)隔開之MEM1及MEM2之電位加深。因此，除了以上第一及第二實施例之效應之外，增加MEM飽和電荷(Qs)亦係可能的。
注意，雖然本修改圖解說明提供第四轉移電晶體TRX1及TRX2中之每一者中之一者之一實例，但兩個或兩個以上電晶體亦可形成為第四轉移電晶體TRX1及TRX2。
(3-6. 修改6) 圖24A及圖24B係根據本發明之修改6之成像裝置100J中之像素陣列單元111之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例的示意性圖解說明。圖25係圖24A及圖24B中所圖解說明之成像裝置100J中之感測器像素110之一電路組態之一實例的一圖解說明。
在以上第一及第二實施例中，在相反方向上轉移由光電轉換單元11產生之電荷，且向其分別轉移電荷之兩個FD各自由彼此相隔兩個像素之感測器像素110共用。相比而言，在本修改之成像裝置100J中，兩個FD (舉例而言，FD0及FD1)由兩個毗鄰感測器像素110 (舉例而言，感測器像素1100及1101)共用。此點不同於以上第二實施例。
在本修改中，兩個單元MEM1及MEM2在每一感測器像素110內部平行地安置，且在相同方向上轉移由PD產生之電荷。而且，在本修改中，如上文所闡述，兩個FD (舉例而言，FD0及FD1)由兩個毗鄰感測器像素110 (舉例而言，感測器像素1100及1101)共用。利用此配置，在毗鄰感測器像素110 (舉例而言，感測器像素1100及感測器像素1101)中，在相反方向上轉移由每一PD (舉例而言，PD0及PD1)產生之電荷。而且，在本修改中，由於兩個單元MEM1及MEM2在每一感測器像素110內部平行地安置，因此兩個單元MEM1及MEM2之間距係與PD之間距相同之間距。
以此方式，即使在其中兩個單元MEM1及MEM2在PD之間距內平行地安置之一情形中，亦可獲得類似於以上第二實施例之效應之效應。
(3-7. 修改7) 圖26A及圖26B係根據本發明之修改7之成像裝置100K中之像素陣列單元111之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例的示意性圖解說明。
以上第一及第二實施例及諸如此類圖解說明一實例，其中兩個單元MEM1與MEM2具有相同面積但兩個單元MEM1及MEM2亦可為不同大小。
利用此配置，在本修改之成像裝置100K中，可將一容量比率賦予兩個單元MEM1及MEM2。換言之，舉例而言，在其中一敏感度差(舉例而言，一曝光時間差)存在於MEM1與MEM2之間的一情形中，根據敏感度差而使MEM飽和電荷(Qs)變化係可能的。因此，除了以上第一及第二實施例之效應之外，保持具有較高敏感度之信號亦係可能的。
(3-8. 修改8) 圖27A及圖27B係根據本發明之修改8之成像裝置100L中之像素陣列單元111之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例的示意性圖解說明。圖28係圖27A及圖27B中所圖解說明之成像裝置100L中之感測器像素110之一電路組態之一實例的一圖解說明。圖29圖解說明用於驅動成像裝置100L之感測器像素110之一時序圖之一實例。
舉例而言，以上第一及第二實施例及諸如此類圖解說明一實例，其中提供兩個單元MEM1及MEM2，但一個MEM (舉例而言，MEM2)亦可兼作一FD (舉例而言，FD1)。換言之，在本修改之成像裝置100L中，將由光電轉換單元11產生之電荷之一部分直接轉移至浮動擴散部FD。
而且，在本修改之成像裝置100L中，舉例而言，直接自感測器像素1100中之PD0向其轉移電荷之FD1係透過毗鄰感測器像素1101中之一MEM (舉例而言，MEM12)自PD1進行之電荷轉移之目的地。在此情形中，舉例而言，將由PD0及PD1產生之電荷分別儲存於MEM01及FD1中。在滾動讀出週期中，首先，在其中將來自PD1之電荷儲存於FD0中之狀態中輸出FD0之電位。此後，在被重設之後輸出電位，且最終在轉移儲存於MEM01中之電荷之後輸出電位。
以此方式，在本修改之成像裝置100L中，由於兩個單元MEM1及MEM2中之一者兼作浮動擴散部FD，因此最大化另一MEM之面積係可能的。利用此配置，除了以上第一及第二實施例之效應之外，同時儲存且單獨地讀出具有不同敏感度之信號亦係可能的。
(3-9. 修改9) 圖30A及圖30B係根據本發明之修改9之成像裝置100M中之像素陣列單元111之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之一實例的示意性圖解說明。圖31係圖30A及圖30B中所圖解說明之成像裝置100M中之感測器像素110之一電路組態之一實例的一圖解說明。
以上第一及第二實施例圖解說明相對於一個PD而提供兩個單元MEM1及MEM2之一實例，但MEM之數目不限於以上數目。舉例而言，如圖30A及圖30B中所圖解說明，可相對於一個光電轉換單元PD而提供四個單元MEM1、MEM2、MEM3及MEM4。
圖32係根據本發明之修改9之成像裝置100M中之像素陣列單元111之四個感測器像素110 (感測器像素1100、1101、1102及1103)之一平面圖組態之另一實例的一示意性圖解說明。圖33係圖32中所圖解說明之成像裝置100M中之感測器像素110之一電路組態之一實例的一圖解說明。
如圖32中所圖解說明，在本修改之成像裝置100M中，舉例而言，兩個毗鄰FD (舉例而言，FD0及FD1，或FD2及FD3)可藉由一垂直信號線VSL而被短路。而且，圖32及圖33圖解說明使兩個毗鄰FD短路之一實例，但(舉例而言)亦可使四個FD短路。利用此配置，可減少每像素之垂直信號線VSL之數目，從而使得可改良互連佈局之自由度。此外，可減少互連件之間的短路故障，從而使得可改良製造良率。
＜4. 應用實例＞ 圖34係展示一相機2000之一組態實例之一方塊圖，該相機係應用本發明技術之一電子裝置。
相機2000包含一光學單元2001，該光學單元包含透鏡群組及諸如此類、應用上文所闡述成像裝置(舉例而言，100A或諸如此類)之一成像裝置(擷取影像裝置) 100A，以及係一相機信號處理電路之一數位信號處理器(DSP)電路2002。另外，相機2000包含一圖框記憶體2003、一顯示單元2004、一記錄單元2005、一操作單元2006及一電源供應單元2007。DSP電路2002、圖框記憶體2003、顯示單元2004、記錄單元2005、操作單元2006及電源供應單元2007透過一匯流排線2008彼此連接。
光學單元2001自一主體擷取入射光(影像光)以在成像裝置100A之成像表面上形成一影像。成像裝置100A將藉由光學單元2001而在成像表面上形成為一影像之入射光之一光強度轉換成以像素為單元之電信號，且將經轉換信號作為像素信號輸出。
顯示單元2004包含一面板類型顯示裝置(舉例而言，一液晶面板、一有機EL面板或諸如此類)，且顯示由成像裝置100A擷取之一移動影像或一靜止影像。記錄單元2005將由成像裝置100A擷取之移動影像或靜止影像記錄於一記錄媒體(諸如一硬碟或一半導體記憶體)中。
操作單元2006根據由一使用者執行之一操作而發佈關於相機2000之各種功能之一操作命令。電源供應單元2007將係用於DSP電路2002、圖框記憶體2003、顯示單元2004、記錄單元2005及操作單元2006之操作電源供應之各種電源供應適當地供應至此等供應目標。
如上文所闡述，藉由使用成像裝置100A及上文闡述為成像裝置之諸如此類，可預期獲取有利影像。
圖35係圖解說明作為應用本發明技術之一電子裝置之一距離量測裝置3000之一例示性組態的一方塊圖。
距離量測裝置3000根據量測光之空間傳播時間(飛行時間；TOF)之一方法而量測距離。距離量測裝置3000包含一光源單元3001、一感測器單元3002、一信號處理單元3003、一時序調整電路3004及一控制器3005。
舉例而言，光源單元3001包含一光源3011及一驅動電路3012。舉例而言，感測器單元3002包含一光接收單元3021及一驅動電路3022。舉例而言，信號處理單元3003包含一控制單元3031、一時序產生單元3032及一距離影像輸出單元3033。控制單元3031包含一距離計算單元3131及一距離校正單元3132。
在距離量測裝置3000中，藉由時序產生單元3032而使光源單元3001及感測器單元3002之驅動同步。在光源單元3001中，基於來自時序調整電路3004之一觸發而利用照明光來輻照一目標物件4000。在感測器單元3002中，當利用照明光來輻照目標物件4000時，自目標物件4000反射之經反射光之強度由光接收單元3021接收。經反射光之強度與感測器單元3002之驅動時序之間的距離以及距目標物件4000之距離相關。感測器單元3002輸出與入射於感測器單元3002上之經反射光之強度對應之一信號電壓作為去往控制單元3031之一輸出信號。在控制單元3031中，在距離計算單元3131中依據輸出信號及驅動時序而計算距目標物件4000之距離、在距離校正單元3132中校正該距離，且輸出距離影像資料。距離影像輸出單元3033將自控制單元3031獲得之距離影像資料輸出至控制器3005。
圖36圖解說明包含於距離量測裝置3000之感測器單元3002中之感測器像素之一電路組態的一項實例。圖37圖解說明用於驅動包含於感測器單元3002中之感測器像素之一時序圖。自光源單元3001輻射之照明光自目標物件4000反射。自目標物件4000反射之經反射光在經過t1之一延遲之後入射於感測器單元3002上。此時，舉例而言，將由PD0產生之電荷以對應於t2及t3之一比率分配給MEM01及MEM02。依據MEM01及MEM02之輸出以及第一轉移電晶體TRY01及第一轉移電晶體TRY02之驅動時序，可計算距目標物件4000之距離。
＜5. 實際用途實例＞ 根據本發明之一實施例之技術(本發明技術)適用於多種產品。舉例而言，將根據本發明之一實施例之技術實施為安裝於任何類型之行動物件(諸如汽車、電動汽車、電動交通工具、混合電動交通工具、機車、自行車、個人機動車(mobilities)、飛機、無人機、船及機器人)上之裝置。
圖38係圖解說明一交通工具控制系統之一示意性組態實例之一方塊圖，該交通工具控制系統係根據本發明技術之一實施例之一技術適用之一行動物件控制系統的一實例。
交通工具控制系統12000包含經由一通信網路12001而彼此連接之複數個電子控制單元。在圖21A及圖21B中所繪示之實例中，交通工具控制系統12000包含一驅動系統控制單元12010、一主體系統控制單元12020、一交通工具外部資訊偵測單元12030、一交通工具內資訊偵測單元12040及一整合式控制單元12050。另外，作為整合式控制單元12050之功能組態，圖解說明一微電腦12051、一聲音/影像輸出區段12052及一交通工具安裝式網路介面(I/F) 12053。
驅動系統控制單元12010根據各種種類之程式而控制與交通工具之驅動系統相關之裝置之操作。舉例而言，驅動系統控制單元12010用作用於一驅動力產生裝置(其用於產生交通工具(諸如一內燃機、一驅動馬達或諸如此類)之驅動力)、一驅動力傳輸機構(其用於將驅動力傳輸至輪子)、一操縱機構(其用於調整交通工具之操縱角度)、一制動裝置(其用於產生交通工具之制動力)及諸如此類之一控制裝置。
主體系統控制單元12020根據各種種類之程式而控制被提供至一交通工具主體之各種種類之裝置之操作。舉例而言，主體系統控制單元12020用作用於一無密鑰進入系統、一智慧型密鑰系統、一電動窗裝置或各種種類之燈(諸如一前照燈、一倒車燈、一制動燈、一轉向信號、一霧燈或諸如此類)之一控制裝置。在此情形中，可將自一行動裝置傳輸之無線電波作為各種種類之開關之一密鑰或信號之一替代而輸入至主體系統控制單元12020。主體系統控制單元12020接收此等輸入無線電波或信號，且控制交通工具之一門鎖裝置、電動窗裝置、燈或諸如此類。
交通工具外部資訊偵測單元12030偵測關於包含交通工具控制系統12000之交通工具之外部之資訊。舉例而言，交通工具外部資訊偵測單元12030與一成像區段12031連接。交通工具外部資訊偵測單元12030使成像區段12031對交通工具之外部之一影像進行成像，且接收經成像影像。基於所接收影像，交通工具外部資訊偵測單元12030可執行偵測一物件(諸如一人類、一交通工具、一障礙物、一標誌、一路面上之一字符或諸如此類)之處理，或偵測距其之一距離之處理。
成像區段12031係接收光且輸出對應於該光之一所接收光量之一電信號之一光學感測器。成像區段12031可將電信號作為一影像輸出，或可將電信號作為關於一所量測距離之資訊輸出。另外，由成像區段12031接收之光可為可見光，或可為不可見光(諸如紅外線射線或諸如此類)。
交通工具內資訊偵測單元12040偵測關於交通工具之內部之資訊。舉例而言，交通工具內資訊偵測單元12040與偵測一駕駛員之狀態之一駕駛員狀態偵測區段12041連接。舉例而言，駕駛員狀態偵測區段12041包含對駕駛員進行成像之一相機。基於自駕駛員狀態偵測區段12041輸入之偵測資訊，交通工具內資訊偵測單元12040可計算駕駛員之一疲勞程度或駕駛員之一專注程度，或可判定駕駛員是否正在打瞌睡。
微電腦12051可基於關於交通工具之內部或外部之資訊(該資訊係藉由交通工具外部資訊偵測單元12030或交通工具內資訊偵測單元12040獲得)而計算驅動力產生裝置、操縱機構或制動裝置之一控制目標值，且向驅動系統控制單元12010輸出一控制命令。舉例而言，微電腦12051可執行協調控制，該協調控制意欲實施一先進駕駛輔助系統(ADAS)之功能，該等功能包含交通工具之避撞或減震、基於一跟隨距離之跟隨駕駛、交通工具速度維持駕駛、交通工具之一碰撞警告、交通工具偏離一車道之一警告或諸如此類。
另外，微電腦12051可藉由基於關於交通工具之外部或內部之資訊(該資訊係藉由交通工具外部資訊偵測單元12030或交通工具內資訊偵測單元12040獲得)控制驅動力產生裝置、操縱機構、制動裝置或諸如此類而執行意欲用於自動駕駛之協調控制，該自動駕駛使得交通工具自主地行進而不依賴於駕駛員之操作或諸如此類。
另外，微電腦12051可基於關於交通工具之外部之資訊(該資訊係藉由交通工具外部資訊偵測單元12030獲得)而向主體系統控制單元12020輸出一控制命令。舉例而言，微電腦12051可藉由以下操作而執行意欲防止一眩光之協調控制：(舉例而言)根據由交通工具外部資訊偵測單元12030偵測到之一前面的交通工具或一迎面而來的交通工具之位置來控制前照燈，以便自一遠光改變為一近光。
聲音/影像輸出區段12052將一聲音或一影像中之至少一者之一輸出信號傳輸至一輸出裝置，該輸出裝置能夠以視覺方式或以聽覺方式向交通工具之一佔用者或交通工具之外部通知資訊。在圖38之實例中，將一音訊揚聲器12061、一顯示區段12062及一儀錶板12063例示為輸出裝置。舉例而言，顯示區段12062可包含一車載顯示器或一抬頭顯示器中之至少一者。
圖39係圖解說明成像區段12031之一安裝位置之一實例之一圖式。
在圖39中，作為成像區段12031而包含成像區段12101、12102、12103、12104及12105。
舉例而言，成像區段12101、12102、12103、12104及12105定位於前鼻、一側鏡、後保險槓、後門以及一交通工具12100之車廂中之擋風玻璃之上部部分或諸如此類處。被提供至前鼻之成像區段12101及被提供至交通工具內部之擋風玻璃之上部部分之成像區段12105主要獲得交通工具12100之前方之一影像。附接至側鏡之成像區段12102及12103主要獲取交通工具12100之側面上之區之影像。被提供至後保險槓或後門之成像區段12104主要獲得交通工具12100之後方之一影像。被提供至交通工具內部之擋風玻璃之上部部分之成像區段12105主要用於偵測一前面的交通工具、一行人、一障礙物、一信號、一交通標誌、一車道或諸如此類。
另外，圖39圖解說明成像區段12101至12104之成像範圍之一實例。一成像範圍12111表示被提供至前鼻之成像區段12101之成像範圍。成像範圍12112及12113分別表示被提供至側視鏡之成像區段12102及12103之成像範圍。一成像範圍12114表示被提供至後保險槓或後門之成像區段12104之成像範圍。舉例而言，藉由疊加由成像區段12101至12104成像之影像資料而獲得如自上方觀看之交通工具12100之一鳥瞰影像。
成像區段12101至12104中之至少一者可具有獲得距離資訊之一功能。舉例而言，成像區段12101至12104中之至少一者可為由複數個成像元件構成之一立體攝影機，或可為具有用於相差偵測之像素之一成像元件。
舉例而言，微電腦12051可基於自成像區段12101至12104獲得之距離資訊而判定距成像範圍12111至12114內之每一三維物件之一距離及該距離之一時間改變(相對於交通工具12100之相對速度)，且藉此提取(作為一前面的交通工具)尤其存在於交通工具12100之一行進路徑上且以一預定速度(舉例而言，等於或大於0 km/小時)在與交通工具12100實質上相同之方向上行進之一最近三維物件。此外，微電腦12051可預先設定將在一前面的交通工具前方維持之一跟隨距離，且執行自動制動控制(包含跟隨停止控制)、自動加速控制(包含跟隨起動控制)或諸如此類。因此，執行意欲進行自動駕駛之協調控制係可能的，該自動駕駛使得交通工具自主地行進而不依賴於駕駛員之操作或諸如此類。
舉例而言，微電腦12051可基於自成像區段12101至12104獲得之距離資訊而將關於三維物件之三維物件資料分類為一兩輪交通工具、一標準大小交通工具、一大型交通工具、一行人及其他三維物件(諸如一電線桿)之三維物件資料，提取經分類三維物件資料，且使用經提取三維物件資料來自動避開一障礙物。舉例而言，微電腦12051將交通工具12100周圍之障礙物識別為交通工具12100之駕駛員可以視覺方式辨識之障礙物及交通工具12100之駕駛員難以以視覺方式辨識之障礙物。然後，微電腦12051判定指示與每一障礙物碰撞之一風險之一碰撞風險。在其中碰撞風險等於或高於一設定值且因此存在一碰撞可能性之一情形中，微電腦12051經由音訊揚聲器12061或顯示區段12062而向駕駛員輸出一警告，且經由驅動系統控制單元12010而執行強制減速或避開操縱。微電腦12051可藉此幫助駕駛以避免碰撞。
成像區段12101至12104中之至少一者可為偵測紅外線射線之一紅外線相機。舉例而言，微電腦12051可藉由判定在成像區段12101至12104之經成像影像中是否存在一行人而辨識一行人。舉例而言，對一行人之此辨識係藉由提取作為紅外線相機之成像區段12101至12104之經成像影像中之特性點之一程序以及經由對表示物件之輪廓之一系列特性點執行圖案匹配處理而判定其是否係行人之一程序來執行。當微電腦12051判定在成像區段12101至12104之經成像影像中存在一行人且因此辨識出該行人時，聲音/影像輸出區段12052控制顯示區段12062，使得顯示用於強調之一正方形輪廓線，以便疊加於所辨識行人上。此外，聲音/影像輸出區段12052亦可控制顯示區段12062，使得在一所要位置處顯示表示行人之一圖標或諸如此類。
在上文中，闡述可應用與本發明技術相關之技術之交通工具控制系統之一實例。根據本發明之技術可應用於上文所闡述組態內之成像區段12031。具體而言，圖1或諸如此類中所圖解說明之成像裝置100A或諸如此類可應用於成像區段12031。藉由將本發明之技術應用於成像區段12031，可預期交通工具控制系統之優良操作。
上文藉由引用第一及第二實施例、修改1至9及應用實例以及實際用途實例而闡述本發明，但本發明並不限於以上實施例及諸如此類，且各種修改係可能的。舉例而言，第一實施例及諸如此類闡述全域快門方法之一背面照明式影像感測器之一實例，但本發明之成像裝置並不限於一背面照明式影像感測器，而是亦適用於一正面照明式影像感測器。
而且，本發明之成像裝置可採取一模組之形式，在該模組中，一成像區段及一信號處理單元或一光學系統封裝在一起。
注意，本說明書中所闡述之效應僅係實例，且效應並不限於本說明書中所闡述之效應。可存在不同於本說明書中所闡述之效應之效應。
另外，本發明技術亦可如下組態。根據具有以下組態之本發明技術之一實施例，一光電轉換單元安置於一半導體基板之一第一表面上，而兩個電荷儲存單元安置於半導體基板之一第二表面上，且因此一感測器像素內部之光電轉換單元及兩個電荷儲存單元之面積擴展。因此，達成具有一較大飽和電荷以及較高敏感度之一成像裝置係可能的。 (1) 一種成像裝置，其包含： 一第一導電性類型之一第一半導體基板，其包含一第一表面及位於與該第一表面相對之一側上之一第二表面； 一第二導電性類型之一光電轉換單元，其嵌入至該第一半導體基板之該第一表面中，藉由光電轉換而產生對應於一所接收光量之一電荷； 一第一電荷儲存單元及一第二電荷儲存單元，其等皆係該第二導電性類型，平行地嵌入至該第一半導體基板之該第二表面中，儲存在該光電轉換單元中產生之該電荷； 一第一電荷轉移單元，其將該電荷自該光電轉換單元轉移至該第一電荷儲存單元；及 一第二電荷轉移單元，其將該電荷自該光電轉換單元轉移至該第二電荷儲存單元。 (2) 根據(1)之成像裝置，其中該第一電荷儲存單元及該第二電荷儲存單元在一第一方向上之一間距係該光電轉換單元在一第一方向上之一間距之實質上一半。 (3) 根據(1)或(2)之成像裝置，其中該電荷自該光電轉換單元至該第一電荷儲存單元之該轉移之一方向係與該電荷自光電轉換單元至該第二電荷儲存單元之該轉移之一方向相反之方向。 (4) 根據(1)至(3)中任一項之成像裝置，其進一步包含： 一第一電荷-電壓轉換單元，該電荷自該第一電荷儲存單元轉移至該第一電荷-電壓轉換單元；及 一第二電荷-電壓轉換單元，該電荷自該第二電荷儲存單元轉移至該第二電荷-電壓轉換單元。 (5) 根據(2)或(3)之成像裝置，其進一步包含： 一第一電荷-電壓轉換單元，該電荷自該第一電荷儲存單元轉移至該第一電荷-電壓轉換單元；及 一第二電荷-電壓轉換單元，該電荷自該第二電荷儲存單元轉移至該第二電荷-電壓轉換單元，其中 複數個該等光電轉換單元安置在正交於該第一方向之一第二方向上， 該複數個光電轉換單元包含按次序安置之一第一光電轉換單元、一第二光電轉換單元、一第三光電轉換單元及一第四光電轉換單元，且 該第一電荷-電壓轉換單元由該第一光電轉換單元與該第三光電轉換單元共用，且該第二電荷-電壓轉換單元由該第二光電轉換單元與該第四光電轉換單元共用。 (6) 根據(5)之成像裝置，其中該第一光電轉換單元與該第二光電轉換單元彼此共用該第一電荷-電壓轉換單元及該第二電荷-電壓轉換單元。 (7) 根據(6)之成像裝置，其中該第一電荷儲存單元及該第二電荷儲存單元在該第一方向上之一間距係與該光電轉換單元在該第一方向上之該間距相同之間距。 (8) 根據(1)至(7)中任一項之成像裝置，其中該光電轉換單元之一部分朝向該第二表面延伸。 (9) 根據(1)至(8)中任一項之成像裝置，其中該第一半導體基板另外包含設置於該第一表面上且接達該光電轉換單元之一個或複數個垂直電晶體。 (10) 根據(9)之成像裝置，其中 該第一半導體基板包含一第一垂直電晶體及一第二垂直電晶體作為該複數個垂直電晶體，且 接合該第一垂直電晶體與該第二垂直電晶體之一線正交於該第一電荷儲存單元及該第二電荷儲存單元之一陣列方向。 (11) 根據(1)至(10)中任一項之成像裝置，其中 該第一半導體基板另外包含設置於該第一表面上且接達該光電轉換單元之複數個垂直電晶體，且 該複數個垂直電晶體兼做該第一電荷轉移單元及該第二電荷轉移單元之一部分。 (12) 根據(1)至(11)中任一項之成像裝置，其進一步包含： 一放電電晶體，其重設該光電轉換單元。 (13) 根據(12)之成像裝置，其中該電荷自該光電轉換單元至該第一電荷儲存單元及該第二電荷儲存單元之該轉移之一方向正交於該電荷自該光電轉換單元至該放電電晶體之該轉移之一方向。 (14) 根據(1)至(13)中任一項之成像裝置，其中該第一電荷儲存單元與該第二電荷儲存單元具有相互不同的大小。 (15) 根據(4)至(14)中任一項之成像裝置，其中該第一電荷-電壓轉換單元兼做該第一電荷儲存單元。 (16) 根據(4)至(15)中任一項之成像裝置，其中該第一半導體基板另外包含一讀出電路，該讀出電路執行對自該第一電荷-電壓轉換單元及該第二電荷-電壓轉換單元輸出之信號之一讀出。 (17) 根據(4)至(16)中任一項之成像裝置，其進一步包含： 一第二半導體基板，其具備一像素電路，該像素電路執行對自該第一電荷-電壓轉換單元及該第二電荷-電壓轉換單元輸出之信號之一讀出，其中 該第二半導體基板層壓至該第一半導體基板之該第二表面上，其間具有一層間絕緣膜。
熟習此項技術者應理解，可取決於設計要求及其他因素作出各種修改、組合、子組合及變更，此乃因其屬於隨附申請專利範圍及其等效內容之範疇內。
10:半導體基板 11:光電轉換單元 11X:凸起部分 12A:電荷儲存單元 12B:電荷儲存單元 13:浮動擴散部 14:浮動擴散部 15A:VDD接觸區域 15B:VSS接觸區域 16:垂直信號線接觸區域 17:像素隔離部分 18:隔離膜/光屏蔽隔離膜 19A:轉移閘極電極 19B:轉移閘極電極 19C:轉移閘極電極 19Ca:轉移閘極電極 19Cb:轉移閘極電極 19D:轉移閘極電極 19Da:轉移閘極電極 19Db:轉移閘極電極 19E:放電閘極電極 20:互連層 21:絕緣膜 22A:第一轉移電晶體 22B:第二轉移電晶體 23A:第一轉移電晶體 23B:第二轉移電晶體 24:重設電晶體 25:選擇電晶體 26:放大電晶體 27:層間絕緣膜 28:銲墊電極 29:第三轉移電晶體 31:彩色濾光器 32:晶片上透鏡 33:放電電晶體 40:半導體基板 50:互連層 51:絕緣膜 52:層間絕緣膜 53:銲墊電極 54:通孔 100A:成像裝置 100B:成像裝置 100C:成像裝置 100D:成像裝置 100E:成像裝置 100F:成像裝置 100G:成像裝置 100H:成像裝置 100I:成像裝置 100J:成像裝置 100K:成像裝置 100L:成像裝置 100M:成像裝置 110:感測器像素 111:像素陣列單元 112:垂直驅動單元 113:行信號處理單元 114:水平驅動單元 115:系統控制單元 116:像素驅動線 117:垂直信號線 118:信號處理單元 119:資料儲存單元 1100:感測器像素 1101:感測器像素 1102:感測器像素 1103:感測器像素 2000:相機 2001:光學單元 2002:數位信號處理器電路 2003:圖框記憶體 2004:顯示單元 2005:記錄單元 2006:操作單元 2007:電源供應單元 2008:匯流排線 3000:距離量測裝置 3001:光源單元 3002:感測器單元 3003:信號處理單元 3004:時序調整電路 3005:控制器 3011:光源 3012:驅動電路 3021:光接收單元 3022:驅動電路 3031:控制單元 3032:時序產生單元 3033:距離影像輸出單元 3131:距離計算單元 3132:距離校正單元 4000:目標物件 12000:交通工具控制系統 12001:通信網路 12010:驅動系統控制單元 12020:主體系統控制單元 12030:交通工具外部資訊偵測單元 12031:成像區段 12040:交通工具內資訊偵測單元 12041:駕駛員狀態偵測區段 12050:整合式控制單元 12051:微電腦 12052:聲音/影像輸出區段 12053:交通工具安裝式網路介面 12061:音訊揚聲器 12062:顯示區段 12063:儀錶板 12100:交通工具 12101:成像區段 12102:成像區段 12103:成像區段 12104:成像區段 12105:成像區段 12111:成像範圍 12112:成像範圍 12113:成像範圍 12114:成像範圍 AMP0:放大電晶體 AMP1:放大電晶體 AMP2:放大電晶體 AMP3:放大電晶體 AMP4:放大電晶體 AMP5:放大電晶體 AMP6:放大電晶體 AMP7:放大電晶體 FD0:浮動擴散部 FD1:浮動擴散部 FD2:浮動擴散部 FD3:浮動擴散部 FD4:浮動擴散部 FD5:浮動擴散部 FD6:浮動擴散部 FD7:浮動擴散部 I-I':線 II-II':線 M1:互連件 M2:互連件 M3:互連件 M4:互連件 M5:互連件 M6:互連件 MEM01:電荷儲存單元 MEM02:電荷儲存單元 MEM03:電荷儲存單元 MEM04:電荷儲存單元 MEM11:電荷儲存單元 MEM12:電荷儲存單元 MEM13:電荷儲存單元 MEM14:電荷儲存單元 MEM21:電荷儲存單元 MEM22:電荷儲存單元 MEM23:電荷儲存單元 MEM24:電荷儲存單元 OFG:放電電晶體 PD0:光電轉換單元 PD1:光電轉換單元 PD2:光電轉換單元 PD3:光電轉換單元 RST0:重設電晶體 RST1:重設電晶體 RST2:重設電晶體 RST3:重設電晶體 RST4:重設電晶體 RST5:重設電晶體 RST6:重設電晶體 RST7:重設電晶體 S1:表面 S2:表面 S3:表面 S4:表面 SEL0:選擇電晶體 SEL1:選擇電晶體 SEL2:選擇電晶體 SEL3:選擇電晶體 SEL4:選擇電晶體 SEL5:選擇電晶體 SEL6:選擇電晶體 SEL7:選擇電晶體 t1:曝光週期 t2:曝光週期 TRG01:第二轉移電晶體/像素電晶體 TRG02:第二轉移電晶體/像素電晶體 TRG1:第二轉移電晶體/像素電晶體 TRG11:像素電晶體 TRG12:像素電晶體 TRG2:第二轉移電晶體 TRG21:第二轉移電晶體/像素電晶體 TRG22:第二轉移電晶體/像素電晶體 TRX1:第四轉移電晶體 TRX2:第四轉移電晶體 TRY01:第一轉移電晶體/像素電晶體 TRY02:第一轉移電晶體/像素電晶體 TRY1:第一轉移電晶體 TRY11:像素電晶體 TRY12:像素電晶體 TRY2:第一轉移電晶體 TRY21:第一轉移電晶體/像素電晶體 TRY22:第一轉移電晶體/像素電晶體 TRZ:垂直第三轉移電晶體/第三轉移電晶體 VDD:電力線 VDD1:電力線 VDD2:電力線 VSL:垂直信號線 VSL0:垂直信號線 VSL1:垂直信號線 VSL2:垂直信號線 VSL3:垂直信號線 VSS:電力線 W:間距 X1:區域 X2:區域
[圖1A] 圖1A係圖解說明根據本發明之一第一實施例之一成像裝置之功能之一例示性組態的一方塊圖。 [圖1B] 圖1B係圖解說明作為第一實施例之一第一修改之一成像裝置之功能之一例示性組態的一方塊圖。 [圖1C] 圖1C係圖解說明作為第一實施例之一第二修改之一成像裝置之功能之一例示性組態的一方塊圖。 [圖2] 圖2係圖解說明圖1A中所圖解說明之成像裝置之組態之一項實例的一示意性剖面圖。 [圖3A及圖3B] 圖3A及圖3B係圖解說明圖1A中所圖解說明之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的一示意性平面圖。 [圖4] 圖4係圖解說明圖1A中所圖解說明之成像裝置之一電路組態之一電路圖。 [圖5] 圖5係圖解說明藉由圖1A中所圖解說明之成像裝置而進行之操作之一實例的一時序圖。 [圖6] 圖6係圖解說明根據本發明之一第二實施例之一成像裝置之一組態之一實例的一示意性剖面圖。 [圖7A及圖7B] 圖7A及圖7B係圖解說明圖6中所圖解說明之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖8] 圖8係圖解說明根據本發明之修改1之一成像裝置之一組態之一實例的一示意性剖面圖。 [圖9A及圖9B] 圖9A及圖9B係圖解說明圖8中所圖解說明之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖10] 圖10係圖解說明根據本發明之修改2之一成像裝置之一組態之一實例的一示意性剖面圖。 [圖11A及圖11B] 圖11A及圖11B係圖解說明圖10中所圖解說明之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖12] 圖12係圖解說明圖10中所圖解說明之成像裝置之一電路組態之一電路圖。 [圖13] 圖13係圖解說明藉由圖10中所圖解說明之成像裝置而進行之操作之一實例的一時序圖。 [圖14] 圖14係圖解說明根據本發明之修改3之一成像裝置之一組態之一實例的一示意性剖面圖。 [圖15A及圖15B] 圖15A及圖15B係圖解說明圖14中所圖解說明之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖16A及圖16B] 圖16A及圖16B係圖解說明根據本發明之修改4之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖17] 圖17係圖解說明圖16A及圖16B中所圖解說明之成像裝置之一電路組態之一電路圖。 [圖18] 圖18係圖解說明藉由圖16A及圖16B中所圖解說明之成像裝置而進行之操作之一實例的一時序圖。 [圖19] 圖19係圖解說明根據本發明之修改4之一成像裝置之一組態之另一實例的一示意性剖面圖。 [圖20A及圖20B] 圖20A及圖20B係圖解說明圖19中所圖解說明之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖21A及圖21B] 圖21A及圖21B係圖解說明根據本發明之修改5之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖22] 圖22係圖解說明圖21A及圖21B中所圖解說明之成像裝置之一電路組態之一電路圖。 [圖23] 圖23係圖解說明藉由圖21A及圖21B中所圖解說明之成像裝置而進行之操作之一實例的一時序圖。 [圖24A及圖24B] 圖24A及圖24B係圖解說明根據本發明之修改6之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖25] 圖25係圖解說明圖24A及圖24B中所圖解說明之成像裝置之一電路組態之一電路圖。 [圖26A及圖26B] 圖26A及圖26B係圖解說明根據本發明之修改7之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖27A及圖27B] 圖27A及圖27B係圖解說明根據本發明之修改8之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖28] 圖28係圖解說明圖26A及圖26B或諸如此類中所圖解說明之成像裝置之一電路組態之一電路圖。 [圖29] 圖29係圖解說明藉由圖26A及圖26B或諸如此類中所圖解說明之成像裝置而進行之操作之一實例的一時序圖。 [圖30A及圖30B] 圖30A及圖30B係圖解說明根據本發明之修改9之成像裝置中之感測器像素之組態之一項實例的示意性平面圖。 [圖31] 圖31係圖解說明圖30A及圖30B中所圖解說明之成像裝置之一電路組態之一電路圖。 [圖32] 圖32係圖解說明根據本發明之修改9之成像裝置中之感測器像素之組態之另一實例的一示意性平面圖。 [圖33] 圖33係圖解說明圖32中所圖解說明之成像裝置之一電路組態之一電路圖。 [圖34] 圖34係圖解說明一電子裝置(相機)之一例示性整體組態之一示意圖。 [圖35] 圖35係圖解說明一電子裝置(距離量測裝置)之一例示性整體組態之一示意圖。 [圖36] 圖36係圖解說明圖35中所圖解說明之距離量測裝置之一感測器單元中之一電路組態的一電路圖。 [圖37] 圖37係圖解說明藉由圖35中所圖解說明之距離量測裝置而進行之操作之一實例的一時序圖。 [圖38] 圖38係圖解說明一交通工具控制系統之一示意性組態之一實例之一方塊圖。 [圖39] 圖39係圖解說明一交通工具外部資訊偵測單元及成像區段之安裝位置之一實例的一解釋圖。
10:半導體基板
11:光電轉換單元
11X:凸起部分
12A:電荷儲存單元
12B:電荷儲存單元
13:浮動擴散部
14:浮動擴散部
15A:VDD接觸區域
15B:VSS接觸區域
16:垂直信號線接觸區域
17:像素隔離部分
18:隔離膜/光屏蔽隔離膜
21:絕緣膜
22A:第一轉移電晶體
22B:第二轉移電晶體
23A:第一轉移電晶體
23B:第二轉移電晶體
24:重設電晶體
25:選擇電晶體
26:放大電晶體
31:彩色濾光器
32:晶片上透鏡
100A:成像裝置
I-I':線
II-II':線
M1:互連件
PD0:光電轉換單元
PD1:光電轉換單元
S1:表面
S2:表面

Claims (17)

  1. 一種成像裝置，其包括： 一第一導電性類型之一第一半導體基板，其包含一第一表面及位於與該第一表面相對之一側上之一第二表面； 一第二導電性類型之一光電轉換單元，其嵌入至該第一半導體基板之該第一表面中，藉由光電轉換而產生對應於一所接收光量之一電荷； 一第一電荷儲存單元及一第二電荷儲存單元，其等皆係該第二導電性類型，平行地嵌入至該第一半導體基板之該第二表面中，儲存在該光電轉換單元中產生之該電荷； 一第一電荷轉移單元，其將該電荷自該光電轉換單元轉移至該第一電荷儲存單元；及 一第二電荷轉移單元，其將該電荷自該光電轉換單元轉移至該第二電荷儲存單元。
  2. 如請求項1之成像裝置，其中該第一電荷儲存單元及該第二電荷儲存單元在一第一方向上之一間距係該光電轉換單元在一第一方向上之一間距之實質上一半。
  3. 如請求項1之成像裝置，其中該電荷自該光電轉換單元至該第一電荷儲存單元之該轉移之一方向係與該電荷自該光電轉換單元至該第二電荷儲存單元之該轉移之一方向相反之方向。
  4. 如請求項1之成像裝置，其進一步包括： 一第一電荷-電壓轉換單元，該電荷自該第一電荷儲存單元轉移至該第一電荷-電壓轉換單元；及 一第二電荷-電壓轉換單元，該電荷自該第二電荷儲存單元轉移至該第二電荷-電壓轉換單元。
  5. 如請求項2之成像裝置，其進一步包括： 一第一電荷-電壓轉換單元，該電荷自該第一電荷儲存單元轉移至該第一電荷-電壓轉換單元；及 一第二電荷-電壓轉換單元，該電荷自該第二電荷儲存單元轉移至該第二電荷-電壓轉換單元，其中 複數個該等光電轉換單元安置在正交於該第一方向之一第二方向上， 該複數個光電轉換單元包含按次序安置之一第一光電轉換單元、一第二光電轉換單元、一第三光電轉換單元及一第四光電轉換單元，且 該第一電荷-電壓轉換單元由該第一光電轉換單元與該第三光電轉換單元共用，且該第二電荷-電壓轉換單元由該第二光電轉換單元與該第四光電轉換單元共用。
  6. 如請求項5之成像裝置，其中該第一光電轉換單元與該第二光電轉換單元彼此共用該第一電荷-電壓轉換單元及該第二電荷-電壓轉換單元。
  7. 如請求項6之成像裝置，其中該第一電荷儲存單元及該第二電荷儲存單元在該第一方向上之一間距係與該光電轉換單元在該第一方向上之該間距相同之間距。
  8. 如請求項1之成像裝置，其中該光電轉換單元之一部分朝向該第二表面延伸。
  9. 如請求項1之成像裝置，其中該第一半導體基板另外包含設置於該第一表面上且接達該光電轉換單元之一個或複數個垂直電晶體。
  10. 如請求項9之成像裝置，其中 該第一半導體基板包含一第一垂直電晶體及一第二垂直電晶體作為該複數個垂直電晶體，且 接合該第一垂直電晶體與該第二垂直電晶體之一線正交於該第一電荷儲存單元及該第二電荷儲存單元之一陣列方向。
  11. 如請求項1之成像裝置，其中 該第一半導體基板另外包含設置於該第一表面上且接達該光電轉換單元之複數個垂直電晶體，且 該複數個垂直電晶體兼做該第一電荷轉移單元及該第二電荷轉移單元之一部分。
  12. 如請求項1之成像裝置，其進一步包括： 一放電電晶體，其重設該光電轉換單元。
  13. 如請求項12之成像裝置，其中該電荷自該光電轉換單元至該第一電荷儲存單元及該第二電荷儲存單元之該轉移之一方向正交於該電荷自該光電轉換單元至該放電電晶體之轉移之一方向。
  14. 如請求項1之成像裝置，其中該第一電荷儲存單元與該第二電荷儲存單元具有相互不同的大小。
  15. 如請求項4之成像裝置，其中該第一電荷-電壓轉換單元兼做該第一電荷儲存單元。
  16. 如請求項4之成像裝置，其中該第一半導體基板另外包含一讀出電路，該讀出電路執行對自該第一電荷-電壓轉換單元及該第二電荷-電壓轉換單元輸出之信號之一讀出。
  17. 如請求項4之成像裝置，其進一步包括： 一第二半導體基板，其具備一像素電路，該像素電路執行對自該第一電荷-電壓轉換單元及該第二電荷-電壓轉換單元輸出之信號之一讀出，其中 該第二半導體基板層壓至該第一半導體基板之該第二表面上，其間具有一層間絕緣膜。
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