TWI507033B - 用於三維整合像素之高增益讀取電路 - Google Patents

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TWI507033B
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Description

用於三維整合像素之高增益讀取電路
本發明係關於用主動組件在兩個或兩個以上晶圓上製造之CMOS影像感測裝置，且更明確言之，本發明係關於用此等類型之成像感測裝置減少信號雜訊量。
一般而言，隨著使用CMOS處理程序製成之像素按比例調整至較小尺寸，此等較小像素之一些效能降級。明確而言，光電二極體能力減少。此減少影像感測器之動態範圍。
可藉由從如在圖1中圖解說明之一非共用像素設計進展至如在圖2中圖解說明之4共用像素設計而獲得回一些光電二極體能力。圖1之非共用設計包括：一光電二極體1，該光電二極體1回應於光而收集電荷；及一傳送閘2，該傳送閘2用於將電荷從光電二極體1傳送至一浮動擴散3。一源極隨耦放大器5感測電荷，且作為回應，該源極隨耦放大器5經由一輸出9將其輸出信號傳遞至一輸出線8。一重設電晶體4將浮動擴散3設定為一預定信號位準，且選擇性地啟動一列選定電晶體7以用於將源極隨耦放大器5之輸出傳遞至輸出線8。
參考圖2，繪示共用像素設計，該共用像素設計具有與非共用設計相同之組件，惟重設電晶體4、源極隨耦放大器5及列選定電晶體7係由多個光電二極體11、12、13與14(其等電荷分別由傳送閘15、16、17與18傳送)共用除外。此減少每像素電晶體之數量，因此容許一較大之光電二極體區域及一強大的光電二極體能力。
共用像素做法之一缺點為增加浮動擴散19、20、21與22之電容。因為浮動擴散節點平行地接線在一起，所以在核心中之每一像素增加電容。如本文所定義，一核心定義為共用相同浮動擴散之像素的群組。增加浮動擴散電容將減少源極隨耦放大器5之電壓轉電荷轉換比率。增加浮動擴散容量將增加電子讀取雜訊。增加電子讀取雜訊將減少動態範圍。但是，對於大多數應用，藉由進展至共用像素架構而增加光電二極體之正效益超過負效益。
可使用回饋以有效地減少浮動擴散電容。如在圖3a中所圖解說明，繪示如同在圖2中之共用設計一樣之共用設計，惟互連浮動擴散之浮動擴散電線31實體上係在一屏蔽電線30上(如在圖3b中繪示)除外，。屏蔽電線30電連接至源極隨耦(SF)放大器5之輸出9。在另一組態(圖中未繪示)中，屏蔽電線反而是連接至列選定電晶體7之Vout 8。因為輸出9之信號以幾乎一增益跟隨在浮動擴散19、20、21及22上之電壓，所以在屏蔽物上之電壓跟隨在浮動擴散上之電壓。藉由用以Vout加偏壓之一屏蔽物來屏蔽浮動擴散電線31，減少浮動擴散互連之寄生電容，此導致增加電壓轉電壓轉換比率。
最近，在藉由堆疊兩個或兩個以上矽晶圓連同介於兩個晶圓之間的電互連的三維整合像素中已存在一陣轟動。此技術之一實施例圖解說明於圖4中。此實施例與圖2相同，惟光電二極體23a、23b、24a與24b及傳送閘25a、25b、26a與26b係在感測器晶圓40上且其餘電晶體從感測器晶圓(SW)40移動至在像素下之電路晶圓(CW)41上除外。光電二極體23a、23b、24a與24b包含於以兩個介電層43及54為界限之一作用層(矽)42中。將電晶體移動至在CW 41上之作用層(矽)67可增加光電二極體(PD)區域，而此增加PD能力，且從而增加動態範圍。但是，歸因於電互連55及電互連電線52介於兩個晶圓之間，所以此方法之負面態樣的一者為存在更多寄生浮動擴散電容。
在圖4中圖解說明之三維方法的另一負面態樣為浮動擴散電線之間存在更多交叉電容，此導致更多電串擾。
因此，需要存在克服上文描述之缺點的一像素設計。
本發明之目的係克服上文提出之一或更多個問題。簡要概括而言，藉由一金屬屏蔽物包圍在感測器晶圓上之浮動擴散與在電路晶圓上之電晶體之一金屬電線的互連。金屬屏蔽物連接至具有大於零之增益的一放大器。此放大器之輸出跟隨在浮動擴散節點上之電壓。此減少浮動擴散電容。屏蔽物亦介於相鄰浮動擴散之間的幾乎所有不需要之電耦合，藉此最小化電串擾。
本發明之上述及其他目的、特徵及優點將隨參考連同附圖一起之本發明之以下具體描述而變得更加清晰。
如圖5及圖6中所圖解說明，繪示本發明之影像感測器39。影像感測器39包含一感測器晶圓40及一電路晶圓41。請注意圖6僅繪示兩個感光區域，為圖解說明之簡單起見，宜繪示光電二極體35與36及一傳送閘44與45。圖5圖解說明另一組此等組件，以圖解說明像素陣列在結構及功能二者上的重複本質。感測器晶圓40包含四個感光區域35、36、37及38(宜係光電二極體)，該等感光區域之每一者回應於入射光而收集電荷，感測器晶圓40亦包含分別與每一光電二極體35、36、37及38相關聯之傳送閘44、45、46及47。傳送閘44及45選擇性地且分別將來自光電二極體35及36的電荷傳遞至電荷轉電壓轉換區域49(宜係一浮動擴散49)。在最佳化光電二極體效能之一程序中建置感測器晶圓40。形成於感測器晶圓40上之核心僅含有光電二極體35及36，該等光電二極體35及36饋送一浮動擴散節點49、介於光電二極體35及36與一浮動擴散節點49之間的傳送閘44及45，以及使光電二極體及浮動擴散隔離於其他光電二極體37與38的隔離區51(圖5)。金屬化53之一單層提供佈線至傳送閘44、45、46及47。若需要，感測器晶圓40上可包含兩層或兩層以上金屬以用於傳送閘佈線。
薄化之感測器晶圓40經由連接器56電連接至一電路晶圓41。連接介於感測器晶圓40與電路晶圓41之間之浮動擴散49、65的電互連68由一金屬屏蔽物100包圍。金屬屏蔽物100由每一金屬層57-64中的金屬片段及介於電路晶圓41上之金屬層70-76之間的電連接組成。金屬屏蔽物100經由電連接器101電連接至源極隨耦放大器105之輸出109，以此減少浮動擴散之有效電容。金屬屏蔽物100之另一優點為其減少介於互連浮動擴散49、56之電互連68的相鄰電線之間的電容耦合，且因此減少電串擾。
電路晶圓41包含另一電荷轉電壓轉換區域(宜係與浮動擴散49組合而集合地將傳遞至浮動擴散49的電荷轉換為一電壓的浮動擴散65)。在電路晶圓41上之源極隨耦放大器105放大在輸出線108上輸出之電壓。電路晶圓41亦包含一重設閘104，該重設閘104將在浮動擴散65上之電壓重設為一預定位準。電路晶圓41進一步包含一列選定電晶體107，用於選擇性地允許源極隨耦放大器105之輸出109被傳遞至輸出線108。
對於上文之實施例，核心由兩個光電二極體組成。但是，在感測器晶圓40上之核心可正好由一光電二極體，或由三個或三個以上光電二極體組成。
對於大多數四電晶體(4T像素)設計，使用諸如在圖1至圖3中繪示之一源極隨耦放大器以驅動行電路之大電容。但是，一源極隨耦電路之電壓放大率係小於一。圖7及圖8圖解說明一第二實施例，該實施例放大應用至包圍晶圓對晶圓電互連68之金屬屏蔽物100的電壓。此減少浮動擴散49及65之有效電容。請注意，此實施例與圖7相同，惟一電壓放大器120附接於金屬屏蔽物100與源極隨耦放大器105之輸出109之間除外，更明確言之，電壓放大器120之輸入連接至源極隨耦放大器105之輸出109。或者，電壓放大器120之輸入連接至列選定電晶體107之輸出(參看虛線)。至放大器120之輸入電壓需要與在浮動擴散49及65上之電荷成比例。對於圖8之示意圖，浮動擴散49及65之有效電容係Cg +CS *(1-Av )。此處Cg 係介於浮動節點49、65與接地之間的總電容，CS 110係介於電互連68與屏蔽物100之間的電容。請注意，若Av 太大，則有效電容為負且電路變得不穩定。
圖9圖解說明一第三實施例。此實施例與圖8相同，惟由一電荷泵111、140、141、142、143(電荷泵由元件111、140、141、142、143組成)代替放大器120除外。電荷泵111、140、141、142、143相對於使用運算放大器之其他電路係小的。此提供大於1之一增益，且並不要求一運算放大器。於圖10中繪示用於切換電晶體phi_1 141、phi_2 142及phi_3 143之時序。當電荷傳送至浮動擴散49及65時，開啟phi_1 141及phi_3 143，關閉phi_2 142。假設源極隨耦電晶體之增益為1，則來自源極隨耦放大器105之初始輸入電壓係QFD /CFD ，其中QFD 係在浮動擴散節點上之電荷，且CFD 係不包含至屏蔽物之電容的有效浮動擴散電容。接下來，使用電荷泵增加在屏蔽物上之電壓。首先關閉phi_1 141，接著關閉phi_3 143，然後開啟phi_2 142。現在來自源極隨耦放大器之輸入電壓係(1+CsH *Cs /((CsH +Cs )*CFD ))*QFD /CFD ，其中CsH 111係介於浮動擴散與屏蔽物之間的寄生電容且CSG 係140。對於圖10，SHR及SHS代表採樣-保持-重設及採樣-保持-採樣。
圖11係可搭配本發明之影像感測器39使用之一成像系統的一方塊圖。成像系統1200包含數位照相手機1202及計算裝置1204。數位照相手機1202係一影像擷取裝置之一實例，該影像擷取裝置可使用併入本發明之一影像感測器。亦可將其他類型之影像擷取裝置(諸如，例如數位靜態相機及數位視訊攝影機)搭配本發明使用。
在根據本發明之一實施例中，數位照相手機1202係一攜帶式、手持、電池操控裝置。數位照相手機1202產生儲存於記憶體1206中之靜態影像，該記憶體1206可為(例如)一內部快閃EPROM記憶體或一可卸除式記憶卡。可替代地使用其他類型之數位影像儲存媒體(諸如磁性硬碟驅動器、磁帶或光碟)以實施記憶體1206。
數位照相手機1202使用透鏡1201以將來自一場景(未繪示)之光聚焦至主動像素感測器1212之影像感測器39上。在根據本發明之一實施例中，影像感測器39使用Bayer彩色濾光片型樣而提供彩色影像資訊。影像感測器39係受控於時序產生器1214，該時序產生器1214亦控制閃光燈1216以當周圍照明度低時照亮場景。
自影像感測器39輸出之類比輸出信號被放大，且由類比轉數位(A/D)轉換電路1218轉換為數位資料。該數位資料儲存於緩衝器記憶體1220中，且隨後由數位處理器1222處理。數位處理器1222受控於儲存於韌體記憶體1224中之韌體，該韌體記憶體1224可為快閃EPROM記憶體。數位處理器1222包含即時時脈1226，該即時時脈1226在即使當數位照相手機1202及數位處理器1222係在一較低電力狀態下亦能保存日期及時間。該等經處理之數位影像檔案係保存於記憶體1206中。記憶體1206亦可儲存其他類型資料(諸如，例如音樂檔案(舉例來說MP3檔案)、鈴聲、電話號碼、日曆及待辦事項)。
在根據本發明之一實施例中，數位照相手機1202擷取靜態影像。數位處理器1222執行色彩內插，隨後執行色彩與色調校正，以產生經轉譯之sRGB影像資料。接著壓縮轉譯之sRGB影像資料及將該sRGB影像資料作為一影像檔案儲存於記憶體1206中。僅舉例而言，可依照JPEG格式壓縮影像資料，該JPEG格式使用已知之「Exif」影像格式。此格式包含使用多種TIEF標籤而儲存特定影像元資料之一Exif應用程式段。例如，可使用分離之TIEF標籤以儲存所擷取之圖像的日期與時間、透鏡光圈數(f/number)及其他相機設定，並且用於儲存影像標題(image caption)。
在根據本發明之一實施例中，數位處理器1222產生由使用者選定之不同影像尺寸。一種此尺寸係低解析度「縮圖」尺寸影像。產生縮圖尺寸影像係描述於頒予Kuchta等人，題為「提供全解析度影像與降低解析度影像之多格式儲存的電子靜態相機(Electronic Still Camera Providing Multi-Format Storage Of Full And Reduced Resolution Images)」之共同讓與之美國專利案第5,164,831中。縮圖影像儲存於RAM記憶體1228中且其應用於彩色顯示器1230，該彩色顯示器1230可為(例如)一主動矩陣LCD或有機發光二極體(OLED)。產生縮圖尺寸影像容許快速地於彩色顯示器1230上檢視該等經擷取之影像。
在根據本發明之另一實施例中，數位照相手機1202亦產生及儲存視訊短片(video clip)。藉由將影像感測器39之多個像素相加在一起(舉例來說，將在影像感測器39之每4行×4列區域內之相同色彩的像素相加)而產生一視訊短片，以建立一較低解析度視訊影像圖框。例如，使用一15圖框/秒之讀出速率，按定期時間間隔自影像感測器陣列1210處讀取視訊影像圖框。
音訊編碼解碼器1232連接至數位處理器1222並接收來自麥克風(Mic)1234之一音訊信號。音訊編碼解碼器1232亦提供一音訊信號至擴音器1236。可使用此等組件以用於電話交談，並且隨同一視訊序列或靜態影像一起記錄與重放一音軌。
在根據本發明之一實施例中，亦使用擴音器1236以通知使用者有一來電電話。此可藉由使用儲存於韌體記憶體1224中之一標準鈴聲，或藉由使用一自定鈴聲完成，該自定鈴聲係從行動電話網路1238下載且儲存於記憶體1206中，此外，可使用一振動裝置(未繪示)來提供一來電電話之一靜音(舉例來說不發出聲音)通知。
數位處理器1222連接至無線數據機1240，此可使數位照相手機1202經由射頻(RF)頻道1242來發射及接收資訊。無線數據機1240使用另一RF鏈路(未繪示)而與行動電話網路1238(諸如一3GSM網路)通信。行動電話網路1238與相片服務供應商1244通信，該相片服務供應商1244儲存從數位照相手機1202上傳之數位影像。其他裝置(包含計算裝置1204)經由網際網路1246存取此等影像。在根據本發明之一實施例中，行動電話網路1238亦連接至一標準電話網路(未繪示)以提供正常電話服務。
一圖形使用者介面(未繪示)顯示於彩色顯示器1230上且受控於使用者控制項1248。在根據本發明之一實施例中，使用者控制項1248包含：用以撥電話號碼之專屬按鈕(舉例來說，一電話鍵盤)；用以設定模式(舉例來說「電話」模式、「日曆」模式及「照相」模式)之一控制項；一操作桿控制器，其包含四方向控制(向上、向下、向左、向右)；及一按鈕中央「確定」或「選擇」開關。
銜接器1250對在數位照相手機1202中之電池充電(未繪示)。銜接器1250經由銜接介面1252將數位照相手機1202連接至計算裝置1204。在根據本發明之一實施例中，將銜接介面1252實施為有線介面(諸如一USB介面)。或者，在根據本發明之其他實施例中，將銜接介面1252實施為一無線介面(諸如一藍芽或一IEEE 802.11b無線介面)。使用銜接介面1252以將影像從記憶體1206處下載至計算裝置1204。亦使用銜接介面1252以將日曆資訊從計算裝置1204處傳送至在數位照相手機1202中之記憶體1206。
已參考一較佳實施例描述本發明。已描述三個其他實施例。但是，應瞭解可在不脫離本發明之範疇下由一般技術者實現變動及修改。
1．．．光電二極體
2．．．傳送閘
3．．．浮動擴散
4．．．重設電晶體
5．．．源極隨耦放大器
7．．．列選定電晶體
8．．．輸出線
9．．．輸出
11-14．．．光電二極體
15-18．．．傳送閘
19-22．．．浮動擴散
23a、23b、24a、24b．．．光電二極體
25a、25b、26a、26b．．．傳送閘
30．．．屏蔽電線
31．．．擴散電線
35-38．．．光電二極體/感光區域
39．．．影像感測器
40．．．感測器晶圓
41．．．電路晶圓
42．．．作用層
43．．．介電層
44-47．．．傳送閘
49．．．電荷轉電壓轉換區域/浮動擴散/浮動擴散節點
51．．．隔離區
52．．．電互連電線
53．．．金屬化
54．．．介電層
55．．．電互連
56．．．連接器
57-64．．．金屬層
65．．．浮動擴散/浮動節點
67．．．作用層
68．．．電互連
70-76．．．金屬層
100．．．金屬屏蔽物
101．．．電連接器
104．．．重設閘
105．．．源極隨耦放大器
107．．．列選定電晶體
108．．．輸出線
109．．．源極隨耦放大器之輸出
110．．．電荷
111、140-143．．．電荷泵
120．．．電壓放大器
1200．．．成像系統
1201．．．透鏡
1202．．．數位照相手機
1204．．．計算裝置
1206．．．記憶體
1210．．．影像感測器陣列
1212．．．主動像素感測器
1214．．．時序產生器
1216．．．閃光燈
1218．．．類比轉數位(A/D)轉換電路
1220．．．緩衝器記憶體
1222．．．數位處理器
1224．．．數位處理器
1226．．．時脈
1228．．．RAM記憶體
1230．．．彩色顯示器
1232．．．音訊編碼解碼器
1234．．．麥克風
1236．．．擴音器
1238．．．行動電話網路
1240．．．無線數據機
1242．．．RF頻道
1244．．．相片服務供應商
1246．．．網際網路
1248．．．使用者控制項
1250．．．銜接器
1252．．．銜接介面
圖1繪示一非共用像素示意圖之先前技術；
圖2繪示4共用像素示意圖之先前技術；
圖3a繪示以回饋降低浮動擴散電容之一4共用像素示意圖之先前技術；
圖3b為圖3a穿過A-A之剖面圖；
圖4繪示使用用電連接晶堆疊之圓對晶圓而製造之一像素的一剖面圖的先前技術；
圖5繪示本發明之第一實施例。一導電屏蔽物包圍電互連兩個晶圓之電線。由源極隨耦電晶體之輸出驅動該屏蔽物以減少浮動擴散電容；
圖6係相對應於圖6之一單核心的一示意圖；
圖7繪示本發明之第二實施例。用具有大於一之電壓增益的一放大器驅動屏蔽物以進一步降低浮動擴散電容；
圖8繪示相對應於圖8之一單核心的一示意圖；
圖9繪示使用一電荷泵對於屏蔽物之電壓方法之一實例；
圖10係測定切換在圖11之示意圖之電荷泵中之電晶體之時間的時序的一實例；及
圖11係用於圖解說明消費者已習慣之本發明之一典型商業實施例的一數位相機的一圖解；
35．．．光電二極體/感光區域
36．．．光電二極體/感光區域
40．．．感測器晶圓
41．．．電路晶圓
44．．．傳送閘
45．．．傳送閘
49．．．電荷轉電壓轉換區域/浮動擴散/浮動擴散節點
65．．．浮動擴散/浮動節點
104．．．重設閘
105．．．源極隨耦放大器
107．．．列選定電晶體
108．．．輸出線
109．．．源極隨耦放大器之輸出
110．．．電荷

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，其包括：(a)一第一晶圓，該第一晶圓包括：(i)一感光區域；(ii)一電荷轉電壓轉換區域；(iii)至少一第一金屬互連層，其耦接至該電荷轉電壓轉換區域；(b)一第二晶圓，該第二晶圓包括：(i)一第一放大器，該第一放大器接收來自該電荷轉電壓轉換區域之一信號；(ii)一或多個第二金屬互連層，其耦接至該第一放大器之一輸入；(c)該第一及第二晶圓用彼此相鄰的各自金屬互連層接合(bonded)在一起；(d)一電互連，該電互連將該電荷轉電壓轉換區域連接至該放大器之一輸入，該電互連包括：(i)該至少一第一金屬互連層與該一或多個第二金屬互連層之互連金屬片段；(e)一電偏壓屏蔽物，該電偏壓屏蔽物至少部份封圍該電連接之至少一部份，該電偏壓屏蔽物包括：(i)該一或多個第二金屬互連層之互連金屬片段。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中在該屏蔽物上之該電偏壓係來自該第一放大器之一輸出。
  3. 如請求項2之影像感測器，進一步包括一第二放大器， 在該第二放大器中，該第二放大器之輸入係該第一放大器之該輸出，且該第二放大器之輸出加偏壓於該電屏蔽物。
  4. 如請求項3之影像感測器，其中該第二放大器係具有大於一之一增益之一放大器。
  5. 如請求項3之影像感測器，其中該第二放大器係一電荷泵電路。
  6. 一種成像裝置，其包括：一影像感測器，該影像感測器包括：(a)一第一晶圓，該第一晶圓包括：(i)一感光區域；(ii)一電荷轉電壓轉換區域；(iii)至少一第一金屬互連層，其耦接至該電荷轉電壓轉換區域；(b)一第二晶圓，該第二晶圓包括：(i)一第一放大器，該第一放大器接收來自該電荷轉電壓轉換區域之一信號；(ii)一或多個第二金屬互連層，其耦接至該第一放大器之一輸入；(c)該第一及第二晶圓用彼此相鄰的各自金屬互連層接合(bonded)在一起；(d)一電互連，該電互連將該電荷轉電壓轉換區域連接至該放大器之一輸入，該電互連包括：(i)該至少一第一金屬互連層與該一或多個第二金 屬互連層之互連金屬片段；(e)一電偏壓屏蔽物，該電偏壓屏蔽物至少部份封圍該電連接之至少一部份，該電偏壓屏蔽物包括：(i)該一或多個第二金屬互連層之互連金屬片段。
  7. 如請求項6之成像裝置，其中在該屏蔽物上之該電偏壓係來自該第一放大器之一輸出。
  8. 如請求項7之成像裝置，進一步包括一第二放大器，在該第二放大器中，該第二放大器之該輸入係該第一放大器之該輸出，且該第二放大器之該輸出加偏壓於該電屏蔽物。
  9. 如請求項8之成像裝置，其中該第二放大器係具有大於一之一增益之一放大器。
  10. 如請求項8之成像裝置，其中該第二放大器係一電荷泵電路。
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