TWI676394B - 混合接合影像感測器之回饋電容器和讀取方法 - Google Patents
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Abstract
一種混合接合影像感測器具有光二極體晶片，具有多個大晶胞；每個大晶胞具有至少一光二極體和一耦接區域。數個耦接區域耦接至一支撐電路晶片之一大晶胞單元之一耦接區域，該些耦接區域饋入一放大器之一輸入和一回饋電容器。回饋電容器更耦接至放大器之一輸出，且放大器在該輸入和輸出之間進行反相。方法包括：重置光二極體晶片之一光二極體；將來自光二極體的一信號透過接合點耦接至支撐電路晶片以耦接至一回饋電容器和放大器之一輸入，回饋電容器更耦接至放大器之一反相輸出；以及使用放大器放大信號，其中回饋電容器之一電容確定放大器之一增益。
Description
本發明係有關於影像感測器技術領域，尤其是有關於混合接合的影像感測器之回饋電容器和讀取方法。
CMOS矩形陣列光電感測器陣列通常用作照相機中的影像感測器。這些陣列具有NxM個(當N和M都大於1且通常不相等)基於光二極體的光電感測器的陣列，每個基於光二極體的光電感測器具有至少一個選擇電晶體，選擇電晶體具有耦接至一選擇線的一閘極。這些陣列通常具有佈置為向光二極體施加電荷的預充電電晶體，以及佈置為在一個或多個位元線上從光二極體讀取後曝光電荷的一個或多個感測電晶體；這些陣列通常還具有用於驅動選擇線的解碼器驅動器和由位元線饋入的增益放大器，且在一些實施例中可以包含其他電路。
傳統地，在位元線上讀取光電感測器陣列的光二極體，有時透過單元增益源極跟隨器。位元線反過來在增益放大器上被多工。增益放大器通常具有由圍繞放大器的提供回饋的兩個電阻或兩個電容器的比控制的增益。
在實施例中，具有影像感測器陣列之一混合接合的裝置具有光二極體晶片，具有多個大晶胞，其中每個大晶胞具有至少一個光二極體和一耦接區域。耦接區域耦接至具有大晶胞單元之一支撐電路晶片，大晶胞單元具有一接合耦接區域耦接至一放大器之一輸入和一回饋電容器之一第一極板，回饋電 容器之第一極板耦接至放大器之輸入。回饋電容器之一第二極板耦接至放大器之一輸出，且放大器在輸入和其輸出之間進行反相。
在另一實施例中，放大來自光二極體晶片之光二極體之一信號之方法包括：重置光二極體晶片之光二極體；將來自光二極體之一信號耦接至接合耦接區域，接合耦接區域耦接至一支撐電路晶片之一接合耦接區域；將該信號透過支撐電路之接合耦接區域耦接至一回饋電容器之一第一極板和一放大器之一輸入，其中，回饋電容器之一第二極板耦接至放大器之一反相輸出；以及使用放大器放大信號，其中回饋電容器之電容確定放大器的增益。
200‧‧‧4光二極體大晶胞
202、652、654‧‧‧光二極體大晶胞
204、206、208、210‧‧‧光二極體
212、214、216、218‧‧‧轉移電晶體
220‧‧‧大晶胞資料線
222、304、604、668、670‧‧‧接合觸點
224、312‧‧‧重置裝置
226‧‧‧重置線
230‧‧‧放大器
232‧‧‧輸出
244、672、674‧‧‧回饋電容器
246、618、660、662‧‧‧重置電晶體
248‧‧‧重置控制線
250‧‧‧第二增益控制電容
300、650‧‧‧實施例
308、606、607‧‧‧大晶胞單元
316‧‧‧重置控制線
318‧‧‧放大器電晶體
322、612、614‧‧‧疊接和選擇電晶體
326‧‧‧大晶胞選擇線
327‧‧‧增益設定電容器
330‧‧‧共用大晶胞位元線
332‧‧‧負載和預充電電晶體
350‧‧‧可配置電容電容器
352‧‧‧固定電容器
354、356‧‧‧可控電容器
358、360‧‧‧選擇電晶體
608、610、656、658‧‧‧輸入電晶體
613、615‧‧‧共用負載匯流排
620‧‧‧回饋電容器
622‧‧‧列選擇信號
624‧‧‧全域參考
626、628‧‧‧P裝置
632、695‧‧‧電流源偏壓信號
636‧‧‧共用電流源電晶體
640‧‧‧第二電容器
664、666‧‧‧負載電晶體
676、678‧‧‧第二增益設定電容器
680、682‧‧‧重置輸入
684、686‧‧‧偏壓輸入
688‧‧‧電流源極電晶體
690、693‧‧‧參考信號
692‧‧‧電晶體
694‧‧‧虛擬(dummy)選擇電晶體
696、698‧‧‧P通道電晶體
697、699‧‧‧放大器輸出
圖1是示出光二極體晶片之大晶胞、晶片間接合、放大電路和一行多工器的混合接合的影像感測器陣列中的大晶胞之示意圖。
圖2是實施例中放大電路的實施例之示意圖。
圖3是示出可配置電容增益控制電容器之示意圖。
圖4是示出具有分佈式差分放大器以及支撐電路晶片之每個大晶胞單元中的部分的實施例之示意圖。
圖5是具有分佈式差分放大器以及支撐電路晶片之每個大晶胞單元中的部分的可選實施例之示意圖。
典型的CMOS影像感測器具有全部在相同整體積體電路基板上製造的重置和選擇電晶體、解碼器驅動器、緩衝器、增益放大器和光二極體。對於電晶體以及關聯的互相連接(例如選擇和位元線)，這必須需要在每個光二極體附近保留一些主動區域。隨著照相機變得更小，為適應薄的裝置(例如手機)，以及市場需求更大的像素數量，對於每個光二極體允許越來越小的表面面積。由於信號電平取決於由每個光二極體接收的光子，最大化專用於光二極體的影 像感測器面積的比例以保持靈敏性是期望的。
矽是最常用於CMOS電子電路的半導體材料。儘管其他半導體材料給出特定波長處改進的靈敏性，但是由那些材料設計並製造解碼器、感測放大器和其他電路可能是困難的。例如，由砷化鎵(GaAs)、磷化銦鎵(GaInP)、銦砷化鎵(InGaAs)和鍺(Ge)製造的光二極體可以響應比矽光二極體通常響應的光的那些波長更長的波長。回應於長波長、紅外光的影像感測器可以在軍事和安全系統中有用，而使用矽光二極體的那些通常用於手機和可見光照相機中。
我們已經確定在影像感測器陣列內將增益放大階段從在行多工器之後重置位至位元線，或重置位至一行內之多列群組；為此文件的目的，具有增益放大的行，或具有增益放大的一行內之一列群組是一超大晶胞(單元)。
影像感測器由兩個單獨製造的積體電路晶片接合在一起構成，以形成具有兩個主動層的結構：由矽或由根據影像感測器計畫使用的波長選擇的其他半導體材料(例如鍺、砷化鎵、銦砷化鎵、氮化鎵、碲化汞或磷化銦)製造的光二極體層，和以整體矽CMOS工藝製造的支撐電路層。支撐電路層包括放大器、多工器、和類似的電路，和在一些實施例中的類比數位轉換以及數位影像處理電路。
像素級接合結構通常包含具有與為光二極體晶片和支撐電路晶片之間的電連接提供的每個接合觸點(bond contact)相關聯的小數量(例如2個、4個、8個或16個)光二極體的光二極體晶片。
積體電路通常具有前側，晶元的表面，其中已經進行植入以產生區域例如電晶體源極和汲極，生長的閘極氧化物，在其上沉積用於閘極的多晶矽，且在其上沉積至少一級金屬互連。積體電路可以具有與前側相對的背側。背側照明(BSI)光二極體晶片是薄的並用於使入射光穿透電路晶片的背側以到達晶片的光二極體。前側照明(FSI)光二極體晶片用於使光穿過電路晶片的前側到達光二極體。在本系統的特定實施例中，使用BSI光二極體晶片，且BSI光二極體晶片與支撐電路晶片接合。
具有在與具有支撐電路的晶片不同的晶片上的光二極體的像素級接合結構不僅許可使用光二極體晶片面積的更大百分比用於光二極體，還許可對於光二極體優化光二極體晶片的處理和材料，同時對於支援CMOS電路優化支撐電路晶片的處理。
在可選實施例中，透過在第一積體電路晶片中形成的積體電路上方沉積第二半導體層形成相似多層結構，第一積體電路晶片具有支撐電路，且在第二半導體層中形成光二極體。在另一實施例中，在具有小組光二極體的每個大晶胞之間從主動層或其中製造光二極體的積體電路晶片(光二極體晶片)的互連至支撐電路的積體電路晶片(支撐電路晶片)互連形成電連接。光二極體晶片大晶胞通常具有1個、2個、4個或8個光二極體。
為此文件的目的，像素級接合的影像感測器具有用於具有2個、4個、8個或16個光二極體的每個大晶胞的一個或多個接合。在特定實施例中，每像素接合影像感測器具有用於具有4個光二極體的每個大晶胞的接合。此外，在特定實施例中，光二極體晶片是背側照明晶片，其中晶片具有其中製造光二極體且其上形成互連的上表面，和與上表面相對的背側。
圖1、感測
在實施例中，4光二極體大晶胞200具有光二極體大晶胞202，光二極體大晶胞202具有四個光二極體204、206、208和210。可選實施例具有每個大晶胞2個、4個、8個或16個光二極體。每個光二極體204、206、208和210分別透過轉移電晶體212、214、216和218耦接至大晶胞資料線220，轉移電晶體212、214、216和218分別由轉移線TX1、TX2、TX3和TX4控制。大晶胞資料線220由接合觸點222從光二極體晶片耦接至支撐電路，在支撐電路晶片中，大晶胞資料線220耦接至由重置線226控制的大晶胞重置裝置224；操作中，轉移電晶體212-218的一個或多個轉移電晶體由光二極體轉移線TX1-4使能，重置裝置224由重置線226啟動以在重置階段期間將黑電平電壓施加至光二極體204-210之一光二極體；在重置階段完成後，重置和光二極體轉移使能線被驅 動為低，以使轉移電晶體212-218失效，且光二極體204-210被曝光持續曝光時間以積累光電流，從而降低光二極體上的電壓--降低的電壓形成一影像。在特定實施例中，所有四個轉移電晶體被同時使能以重置所有四個光二極體204-210。在可選實施例中，轉移電晶體被TX1-4順序地啟動以重置光二極體。
大晶胞資料線220還耦接至放大器230的反相輸入，放大器230具有輸出232。在操作期間，在光二極體204-210已經被重置並已經曝光持續曝光時間後，使重置裝置224失效。光二極體轉移線TX1-4的光二極體轉移使能線被啟動以允許讀取光二極體。然後，光二極體204-210的選擇光二極體上的影像相依電壓在放大器230中被放大，係取決於從放大器230輸出232耦接至接合觸點222處的輸入的回饋電容器244與可以是寄生電容或可以具有特定電容器元件的第二增益控制電容器250的比例控制的增益。提供由重置控制線248控制的重置電晶體246以將光二極體的讀取之間的電荷歸零。
圖2、共源放大器
在可選實施例300(圖2)中，包含一個或多個大晶胞，光二極體晶片之每個大晶胞(為簡化未示出，與圖1的相似)接合至支撐電路晶片之3電晶體大晶胞單元308中的接合觸點304。每個大晶胞單元308還具有由重置控制線316控制的重置電晶體312。在一些實施例中，重置控制線316可以由實施例300的所有大晶胞單元共用。在其他實施例中，重置控制線316對於每個大晶胞單元308是單獨的，然而跨大晶胞的多個行是共用的。在大晶胞單元308內還有放大器電晶體318具有閘極連接至接合觸點304，放大器318與疊接和選擇電晶體322串聯耦接。每個疊接和選擇電晶體具有連接至單獨的大晶胞選擇線326的閘極和連接至共用大晶胞輸出線330之汲極。每個大晶胞單元還具有回饋和增益設定電容器327，第二增益設置電容器可以是寄生電容或可以包括除寄生電容之外的電容器。負載和預充電電晶體332為放大器電晶體318提供共用負載。
在耦接至特定大晶胞單元308的光二極體的讀取操作期間，該大晶胞單元的大晶胞選擇線326被驅動至高電平，同時其他大晶胞的所有選擇線被驅動至低電平以不選擇那些大晶胞。選擇的大晶胞308的放大器輸入電晶體 318因此變為由選擇的輸入電晶體318和負載電晶體332形成的放大器的反相輸入。提供從共源放大器輸出線330至接合觸點304的回饋電容器327。
在此，無論將增益控制回饋電容器(例如回饋電容器244，327或接地的第二增益電容器250)指定為任何地方，電容器可以是如圖3示意性示出的可配置電容電容器350。可配置電容電容器具有提供小電容值的小的固定電容器352和可以透過選擇電晶體358、360和固定電容器352並聯耦接的一些可控電容器354、356。選擇電晶體358、360由電容控制線Csel1和Csel2控制，允許控制線Csel1和Csel2配置可配置電容電容器之電容。在其中回饋電容器224和第二增益電容器250都是可配置電容電容器的實施例中，放大器230可以被配置為具有寬選擇的預定增益的任意一個。
在可選實施例中，放大器是差分放大器。
分佈式差分放大器
如圖4所示，分佈式差分放大器可以與在此描述的回饋電容器一起使用。在特定實施例中，接合觸點604將光二極體晶片大晶胞202之資料線220耦接至支撐電路晶片之大晶胞單元606。第二大晶胞單元607被示出以顯示多個大晶胞單元可以如何互連。大晶胞單元606被配置有由適用於重置光二極體晶片的光二極體和重置差分放大器的重置控制線616控制的重置電晶體618。接合觸點604耦接至差分放大器之一輸入電晶體608之閘極，且第二輸入電晶體610具有一閘極耦接至一全域參考624。在接合觸點604和放大器的反相輸出共用負載匯流排613之間提供回饋電容器620。
每個輸入電晶體透過疊接和選擇電晶體612和614耦接至用於多個大晶胞單元的共用負載匯流排613和615。疊接和負載電晶體612、614由一列選擇信號622控制。在共用負載匯流排613、615上提供由P裝置626、628形成的主動負載。為耦接至共用負載匯流排613、615的所有大晶胞單元提供由電流源偏壓信號632控制的共用電流源電晶體636。
增益由回饋電容器620和第二電容器640的比控制，在一些實施 例中第二電容器可以是寄生電容器，且在其他實施例中可以提供電容器以作為電容器640的部分補償寄生電容。
在圖4的實施例中，接合觸點604、電晶體618、612、610、614、608和電容器620、640形成重複的大晶胞單元606的部分，而圖4的剩餘元件是包含多個大晶胞單元的超大晶胞的部分。
圖5中示出可選的分佈式差分放大器大晶胞。此實施例650以大晶胞652、654為特徵，大晶胞652、654的每個具有三個電晶體(輸入電晶體656、658，重置或預充電電晶體660、662，和負載電晶體664、666)，以及接合觸點668、670。每個大晶胞具有如在此描述的增益設定回饋電容器672、674，回饋電容器672、674可以是固定值電容器或可以具有可配置值以許可增益的調整。增益由差分放大器的增益和回饋電容器672、674與第二增益設定電容器676、678(如參考電容器640、250所先前描述的，可以是部分或全部寄生的)的比設定。回饋電容器672、674或第二增益設置電容器676、678的任一個或全部可以是如在此之前描述的可配置電容器。
每個大晶胞652、654具有啟動預充電電晶體之一重置輸入680、682，以及選擇和偏壓輸入684、686，當選擇和偏壓輸入684、686為高時使大晶胞啟動用於光二極體的讀取。
多個大晶胞652、654形成超大晶胞的部分，超大晶胞具有分佈式差分放大器的其他元件，包括具有耦接至參考信號690之閘極和耦接至每個大晶胞652、654之輸入電晶體656、658以及分佈式差分放大器之非反相輸入電晶體692之汲極的電流源極電晶體688，電晶體692在大晶胞外部，具有連接至參考信號693之閘極，並與具有閘極連接至一偏壓信號695之一疊接和負載電晶體694串聯耦接。虛擬(dummy)選擇電晶體694和讀取選擇電晶體664、666耦接至由P通道電晶體696、698和驅動放大器輸出697、699形成的主動負載。
申請人注意到，在示出的所有實施例中，在耦接至接合觸點和回饋電容器之第一側或極板之放大器輸入以及耦接至放大器之第二側或極板之放 大器輸出之間具有一反轉。示出的實施例包括反相共源或差分放大器技術。
特徵組合
在此描述的特徵可以以不同組合在單一照相機系統中存在。在特徵的組合中，期望具有固定或可配置回饋電容器，具有嚴格寄生的、固定值或可配置的第二增益設定電容器，並具有閘極、金屬-金屬、金屬-多晶矽或橫向類型的電容器之共源或差分放大器。附加組合包括：A指定的混合接合的影像感測器，包括：具有多個大晶胞之光二極體晶片，其中每個大晶胞具有至少一個光二極體和一接合觸點；支撐電路晶片，包括至少一個大晶胞單元，每個大晶胞單元具有至少一個接合觸點電耦接至光二極體晶片之一大晶胞之接合觸點，支撐電路晶片的大晶胞單元之接合觸點耦接至放大器之一輸入，回饋電容器之第一極板耦接至放大器之輸入。回饋電容器之第二極板耦接至放大器之輸出，其中放大器在輸入和輸出之間進行反相。
AA指定的混合接合的影像感測器，包括A指定的混合接合的影像感測器，其中每個光二極體晶片大晶胞有2個、4個、8個或16個光二極體。
AB指定的混合接合的影像感測器，包括A或AA指定的混合接合的影像感測器，其中回饋電容器具有可配置電容。
AC指定的混合接合的影像感測器，包括A或AA指定的混合接合的影像感測器，其中放大器是差分放大器。
AD指定的混合接合的影像感測器，包括A、AA、AB或AC指定的混合接合的影像感測器，其中每個光二極體晶片大晶胞有2個、4個、8個或16個光二極體。
AE指定的混合接合的影像感測器，包括A、AA、AB、AC或AD指定的混合接合的影像感測器，其中回饋電容器具有可配置電容，至少包括 第一電容器、第二電容器和與所述第二電容器串聯耦接的選擇電晶體。
B指定的放大來自光二極體晶片的光二極體的信號的方法，包括：重置光二極體晶片之光二極體；將來自光二極體之信號耦接至接合點，接合點耦接至支撐電路晶片之接合點；將信號透過支撐電路之接合點耦接至回饋電容器之第一極板和放大器之輸入，其中回饋電容器之第二極板耦接至放大器之反相輸出；以及使用放大器放大信號，其中回饋電容器之電容確定放大器之增益。
BA指定的放大來自光二極體晶片之光二極體的信號的方法包括B指定的方法，並還包括，其中放大器包括共源放大器。
BB指定的放大來自光二極體晶片之光二極體的信號的方法包括B指定的方法，並還包括：其中放大器包括差分放大器。
BC指定的放大來自光二極體晶片之光二極體的信號的方法包括BB、BA或B指定的方法，並還包括：其中回饋電容器的電容由電容選擇信號確定，並還包括配置電容選擇信號。
在不脫離其範圍的情況下，可以對上述方法和系統做出改變。因此，應該注意的是，在上述描述中包含的或在附圖中示出的方式，應該被理解為說明性的且不具有限制意義。所附申請專利範圍旨在覆蓋在此描述的所有通用和特定特徵，以及本方法和本系統的範圍的在語言上的所有聲明應被認為落入其間。
Claims (12)
- 一種混合接合的影像感測器，包括：光二極體晶片，包括多個大晶胞，其中每一大晶胞包括至少一光二極體和一觸點；支撐電路晶片，包括至少一大晶胞單元，每一大晶胞單元包括至少一觸點電耦接至該光二極體晶片之一大晶胞之該觸點，該支撐電路晶片之該大晶胞單元之耦接點耦接至一放大器之一輸入；回饋電容器之一第一極板耦接至該放大器之該輸入；其中該回饋電容器之一第二極板耦接至該放大器之一輸出，其中該放大器在該輸入和該輸出之間進行反相；以及其中該回饋電容器具有可配置電容，由至少一第一電容器、一第二電容器所組成，且一選擇電晶體串聯耦接該第二電容器。
- 如請求項1所述的混合接合的影像感測器，其中該放大器是一共源放大器。
- 如請求項2所述的混合接合的影像感測器，其中每一光二極體晶片之大晶胞有2個、4個、8個或16個光二極體。
- 如請求項2所述的混合接合的影像感測器，其中該回饋電容器具有可配置電容。
- 如請求項1所述的混合接合的影像感測器，其中該放大器是一差分放大器。
- 如請求項5所述的混合接合的影像感測器，其中每一光二極體晶片之大晶胞有2個、4個、8個或16個光二極體。
- 如請求項5所述的混合接合的影像感測器，其中該回饋電容器具有可配置電容。
- 如請求項1所述的混合接合的影像感測器，其中每一光二極體晶片之大晶胞有2個、4個、8個和16個光二極體。
- 一種放大來自光二極體晶片之光二極體之一信號之方法，包括：重置該光二極體晶片之光二極體；將來自該光二極體之一信號耦接至一觸點，該觸點耦接至一支撐電路晶片之一觸點；透過該支撐電路晶片之該觸點將該信號耦接至一回饋電容器之一第一極板和一放大器之一輸入，其中該回饋電容器之一第二極板耦接至該放大器之一反相輸出；使用該放大器放大該信號，其中該回饋電容器之一電容確定該放大器之一增益；以及其中該回饋電容器具有可配置電容，由至少一第一電容器、一第二電容器所組成，且一選擇電晶體串聯耦接該第二電容器。
- 如請求項9所述的放大來自光二極體晶片之光二極體之一信號之方法，其中該放大器包括一共源放大器。
- 如請求項9所述的放大來自光二極體晶片之光二極體之一信號之方法，其中該放大器包括一差分放大器。
- 如請求項9所述的放大來自光二極體晶片之光二極體之一信號之方法，其中該回饋電容器之該電容由一電容選擇信號確定，且進一步包括設定該電容選擇信號以確定該放大器之增益。
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