TWI412271B

TWI412271B - 固態成像裝置、相機、及電子裝置

Info

Publication number: TWI412271B
Application number: TW097148816A
Authority: TW
Inventors: Takashi Abe; Ryoji Suzuki
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2013-10-11
Also published as: CN101510552A; JP2009194260A; TW200935888A; JP5130946B2; US20120224090A1; US20090207291A1; US8817152B2; CN101510552B; KR20090088790A; US8134625B2

Description

固態成像裝置、相機、及電子裝置

本發明一般係關於固態成像裝置、相機及電子裝置。更特定言之，本發明係關於一種在一像素中包括一轉換器用於將一光電轉換元件所產生之電荷轉換成像素信號的固態成像裝置，諸如CMOS影像感測器。本發明還關於一種相機及電子裝置，每一者具備該固態成像裝置。CMOS影像感測器在本文中係指至少部分利用CMOS程序製造的一影像感測器。

本發明包含於2008年2月15日向日本專利局申請之日本專利申請案JP 2008-035361的相關標的，其全部內容係以引用的方式併入本文內。

一CMOS影像感測器係藉由包括二維配置的複數個像素，每一像素包括一光電轉換元件與數個像素電晶體或所謂的MOS電晶體，並藉由組態以將該光電轉換元件所產生之電荷轉換成影像信號以循序讀出來提供的一固態成像裝置。近年來，CMOS影像感測器已吸引很多關注，由於其應用散佈於各種成像裝置，諸如用於行動電話內的相機、數位靜態相機、數位攝錄像機及其他類似裝置。

圖1解說一一般已知CMOS影像感測器之一範例。CMOS影像感測器1係(例如)藉由包括一成像區段4，其具有以一二維陣列配置的複數個像素3(單位單元)，該等像素之每一者包括一用作光電轉換元件2之光二極體與數個像素電晶體(MOS電晶體)，並藉由包括周邊電路來提供。

在使用光電轉換元件2接收光時，累積光電轉換所產生的信號電荷。該等像素電晶體係在本範例中提供作為四電晶體電路組態，其包括一傳送電晶體6、一重設電晶體7、一放大電晶體8及一選擇電晶體9。傳送電晶體6用作用於將累積於光電轉換元件2內的信號電荷傳送至一浮動擴散(FD)(即，放大電晶體8之閘極)的電晶體。重設電晶體7係用於重設放大電晶體8之閘極電位的電晶體。放大電晶體8係用於放大該等信號電荷。選擇電晶體9係用於選擇一輸出像素。

在一像素3中，傳送電晶體6之源極係連接至光電轉換元件2，而該傳送電晶體之汲極係連接至重設電晶體7之源極。至傳送電晶體6之閘極，連接一傳送信號佈線11以控制該傳送電晶體之閘極電位。對於重設電晶體7，其汲極係連接至來源電壓供應線(以下稱為電源供應佈線)10而其閘極係連接至用於控制閘極電位的一重設信號佈線12。對於放大電晶體8，其汲極係連接至電源供應佈線10，其源極係連接至選擇電晶體9之汲極，而其閘極係連接至在傳送電晶體6與重設電晶體7之間的浮動擴散(FD)。對於選擇電晶體9，其源極係連接至像素輸出線14而其閘極係連接至用於控制閘極電位的選擇信號佈線13。

用於供應一恆定電流的一電晶體16係連接至像素輸出線14以便供應一恆定電流至一選定放大電晶體8，作為源極隨耦器來操作放大電晶體8，並使電位在像素輸出線14上產生使得此電位相對於電晶體8之閘極電位具有一特定固定電位差異。至電晶體16之閘極，連接一恆定電位供應線17用於供應固定電位，使得電晶體16在飽和區內操作用於供應一固定電流。

數字32代表用於控制用於適當形成該像素之半導體井區之電位的接地電位，而數字33代表一接地佈線。

另一方面，一垂直選擇單元21、一行選擇單元22及一CDS(相關雙重取樣)電路23係提供作為該等周邊電路。此外，佈置用於該等像素3之每一列的係一列選擇AND電路25，其使其輸出端子連接至傳送信號佈線11；另一列選擇AND電路26，其使其輸出端子連接至重設信號佈線12；及又另一列選擇AND電路27，其使其輸出端子連接至選擇信號佈線13。

至每一列內的列選擇AND電路25之一輸入端子，連接一脈衝端子28用於供應一傳送脈衝至傳送信號佈線11，而來自垂直選擇單元21之一輸出係連接至AND電路25之另一輸入端子。至每一列內的列選擇AND電路26之一輸入端子，連接一脈衝端子29用於供應一重設脈衝至重設信號佈線12，而來自垂直選擇單元21之輸出係連接至另一輸入端子。至每一列內的列選擇AND電路27之一輸入端子，連接一脈衝端子30用於供應一選擇脈衝至選擇信號佈線13，而來自垂直選擇單元21之輸出係連接至另一輸入端子。

使用此組態，每一控制脈衝係僅供應至連接至垂直選擇單元21所選擇之列的該等信號佈線。從每一像素3的讀出操作係藉由施加圖2中所示之驅動信號來實施如下。

圖2中所示的一傳送信號(脈衝)S1係供應至傳送信號佈線11，一重設信號(脈衝)S2係供應至重設信號佈線12，且一選擇信號(脈衝)S3係供應至選擇信號佈線13。

首先，藉由供應一選擇脈衝S3與一重設脈衝S2，將連接至目前欲讀出列的選擇電晶體9與重設電晶體7置於傳導狀態，然後重設放大電晶體8之閘極(所謂的浮動擴散FD)之電位。在將重設電晶體7變成不傳導之後，在隨後階段將對應於每一像素3之重設位準的電壓讀出至CDS電路23。接下來，藉由供應一傳送脈衝S1，將傳送電晶體6變成傳導，然後將累積於光電轉換元件2內的該等電荷傳送至浮動擴散，即放大電晶體8之閘極。在電荷傳送之後，將傳送電晶體6置於非傳導狀態並在隨後階段將處於對應於累積電荷數量之信號位準的電壓讀出至CDS電路23。

使用CDS電路23，計算在先前讀出的重設位準與該信號位準之間的差異，藉此抵銷固定圖案雜訊，其可能由於用於每一像素之臨限電壓Vth及類似因素之變動而在放大電晶體中產生。在由行選擇單元22選定之際，在諸如AGC(自動增益控制)等的隨後階段將累積於CDS電路23內的該等信號透過水平信號佈線24讀出至該電路並隨後加以處理。

圖1中所示的該等佈線係使用複數個金屬佈線來形成。該等佈線係該等驅動佈線，諸如傳送信號佈線11、重設信號佈線12及選擇信號佈線13；該等信號輸出佈線，諸如像素輸出佈線14以及水平信號佈線24；電源供應佈線10；及接地佈線33。例如，欲在垂直方向上形成的像素輸出佈線14係形成於第一層上；該等驅動佈線(諸如欲在水平方向上形成的傳送信號佈線11、重設信號佈線12及選擇信號佈線13)以及接地佈線33係形成於第二層上；而電源供應佈線10係形成於第三層上。

此外，為了連接電源供應佈線10及驅動佈線與用作像素電晶體之源極或汲極的擴散區及閘極電極，經由形成於絕緣中間層內的通孔從該第三層至該第二層，從該第二層至該第一層，並從該第一層至擴散區及閘極電極來連續提供該等連接。在透過該等複數個金屬佈線將光聚焦至光電轉換元件上的前面照明CMOS影像感測器中，藉由形成該等佈線以便避免緊接在光電轉換元件上方，降低金屬佈線所引起之漸暈並增加聚焦效率。隨著佈線層數目的增加，聚焦效率減少由於成本及縱橫比增加而一般不可避免。

作為金屬佈線的一另外作用，可引述在像素之間阻隔光。在到達影像感測器之表面時，光束透過晶片上透鏡來聚焦至每一光電轉換元件。然而，當光束之入射角較大時，引起該等欲入射的光束偏斜至除最初期望的光電轉換元件外的位置上的可能性。在其中該等光束進入下一光電轉換元件的情況，色彩混合發生並引起影像品質劣化，諸如影像解析度減少。對比之下，藉由在該等光電轉換元件之間佈置金屬佈線，抑制至相鄰像素之色彩混合並可防止影像品質劣化。此外，還提出另一結構(包括虛設佈線)用於在像素之間的遮蔽(參考日本未審核專利申請公開案第2005-277404號)。

圖3係解說包括於該成像區段內的先前習知佈線結構之一示意圖。參考圖3，由一三層結構來形成佈線。即，一像素輸出佈線14係由在一第一層上在垂直方向上延伸的金屬佈線來形成。用作驅動佈線的一傳送信號佈線11、重設信號佈線12及選擇信號佈線13，以及一接地佈線33係由在一第二層上在水平方向上彼此平行延伸的金屬佈線來形成。一電源供應佈線10係在一第三層上由金屬佈線形成為格子形狀。為了連接該電源供應佈線及驅動佈線與該等像素電晶體之擴散區及閘極電極，如更早些所提及，實務中從該第三層至該第二層，從該第二層至該第一層並接著從該第一層來提供該等連接。然而，此處在圖式中省略其細節。在該第三層上的電源供應佈線10還服務於在該等像素之間遮蔽的作用。

此外，一CMOS固態成像裝置之另一佈線電路係說明於日本未審核專利申請公開案第2003-230055號中，包括於CCD固態成像裝置內的遮蔽膜係說明於日本末審核專利申請公開案第2005-216886號與日本未審核專利申請公開案第Heisei 11(1999)-204768號中，且包括於一CMOS固態成像裝置內的另外遮蔽膜係說明於日本未審核專利申請公開案第2004-104203號中。

在一CMOS影像感測器中，在像素陣列內的數個佈線係使用用於驅動像素電晶體、像素輸出、電源供應及接地電路的金屬佈線來提供。在所謂的前面照明CMOS影像感測器中，其中光從具備佈線形成於其上的側來入射在光電轉換元件上，可能必需防止由於佈線之漸暈所引起的靈敏度減少。此外，為了藉由增加聚焦效率來改良靈敏度，需要藉由減少在光電轉換元件與晶片上透鏡之間的距離來降低一裝置高度。

關於圖3之佈線結構，顧慮佈線自身之寄生電阻及電容所引起的信號延遲效應以及遮蔽發生。該等可能導致影像品質劣化。例如，在具有較大光學大小的一CMOS影像感測器中，可能顧慮佈線之寄生電阻及電容。像素之特性隨著成像區內的位置而變動，且由於遮蔽等所引起的影像品質劣化可能會發生。特別地，由於電源供應佈線與接地佈線對輸出具有相對較強影響，高度需要具有較低電阻及電容之佈線。另一方面，金屬佈線還用於在像素之間遮蔽以抑制色彩混合。為了滿足該等要求及所需特性，較重要的係整體增加金屬佈線之靈活性。

如上述，由於在像素之間的遮蔽係使用以格子形狀形成的電源供應佈線來實施，改良聚焦效率並可藉由增大格子的每一開口來增加靈敏度。然而，由於在該第二層上形成具有金屬佈線的四個佈線，其在水平方向彼此平行地延伸，佈線密度變得較高並斷定在本範例中，該等佈線之一些部分(即，在圖3中所示之兩個外側上的在該第二層上的傳送信號佈線11與接地佈線33)係向外突出至格子狀電源供應佈線10所界定之開口10A來形成，即使在減少每一佈線之線寬之後亦如此。由此，降低實際開口區域並相應地減少靈敏度。此外，遮蔽可能傾向於由於佈線之寄生電阻增加而相對容易地發生。

由於佈線密度因該四個佈線而較高，在該等驅動佈線與相鄰接地佈線33之間的距離較小，引起在兩個佈線之間的耦合電容較大且相對容易地產生接地電位之波動。由於佈線寬度減少所引起之寄生電阻增加還會影響接地電位之波動之發生。接地電位之波動可能偵測為雜訊。

需要提供一種具有改良靈敏度及影像品質之固態成像裝置，具備該固態成像裝置之相機及具備該相機之電子裝置。

依據本發明之一具體實施例，提供一種固態成像裝置。該固態成像裝置包括一成像區，該成像區包括：二維配置的像素，該等像素之每一者包括一光電轉換元件及用於讀出輸出自該光電轉換元件之信號的複數個像素電晶體；以及堆疊佈線，其用於驅動該等像素之每一者。在該固態成像裝置中，在該等像素之間的一遮蔽部分係藉由組合選自該等堆疊佈線之複數個不同佈線來形成。

依據本發明之一具體實施例，提供一種相機。該相機包括一固態成像裝置；一光學系統，其係經組態用以將入射光引導至包括於該固態成像裝置內的一光電轉換元件；及一信號處理電路，其係經組態用以處理來自該固態成像裝置之輸出信號。該固態成像裝置包括一成像區，該成像區包括：二維配置的像素，該等像素之每一者包括一光電轉換元件及用於讀出輸出自該光電轉換元件之信號的複數個像素電晶體；以及堆疊佈線，其用於驅動該等像素之每一者。在該固態成像裝置中，在該等像素之間的一遮蔽部分係藉由組合選自該等堆疊佈線之複數個不同佈線來形成。

依據本發明之一具體實施例，提供一種電子裝置。該電子裝置包括一相機。該相機包括一固態成像裝置；一光學系統，其係經組態用以將入射光引導至包括於該固態成像裝置內的一光電轉換元件；及一信號處理電路，其係經組態用以處理來自該固態成像裝置之輸出信號。該固態成像裝置包括一成像區，其包括二維配置的至少複數個像素，該等像素之每一者包括一光電轉換元件及用於讀出輸出自該光電轉換元件之信號的複數個像素電晶體；以及堆疊佈線，其用於驅動該等像素之每一者。在該固態成像裝置中，在該等像素之間的一遮蔽部分係藉由組合選自該等堆疊佈線之複數個不同佈線來形成。

在依據本發明之一具體實施例之固態成像裝置中，由於藉由組合選自該等堆疊佈線之複數個不同佈線來形成該遮蔽部分，減少在其他層上的佈線密度並可增加藉由組合該複數個佈線所形成的該等格子狀遮蔽部分所界定之該等開口之區域。此外，可為還提供用於該遮蔽之上述佈線以及為其他佈線實現電阻以及電容降低。

在依據本發明之一具體實施例之固態成像裝置中，由於藉由組合選自該等堆疊佈線之複數個不同佈線所形成的格子狀遮蔽部分所界定的該等開口之區域係增加，可增加聚焦效率並可改良靈敏度。此外，由於目前實現的電阻及電容減少，可抑制該遮蔽等所引起之影像品質劣化，即改良影像品質。

依據本發明之一具體實施例之相機併入上述固態成像裝置。因此，可獲得高靈敏度及高品質的圖像影像。

依據本發明之一具體實施例之電子裝置併入能夠提供高靈敏度及高品質的圖像影像的上述相機。因此，可實現該等電子裝置之高效能。

以下將參考附圖來說明本發明之具體實施例。

依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置可能係一典型前面照明CMOS影像感測器。儘管以下使用採取圖1中概略性所示之前述組態的圖解來說明依據本發明之一具體實施例之固態成像裝置之若干範例，但並不意在將本發明限制於該圖解及附圖。

作為依據本發明之一具體實施例之一CMOS影像感測器的固態成像裝置之示意性組態係類似於圖1中所解說者。即，依據本具體實施例之固態成像裝置包括一成像區段與佈置在該成像區段周圍的周邊電路。該成像區段包括以一二維陣列配置的複數個像素(單位單元)，其中該等像素之每一者包括(例如)一用作光電轉換元件之光二極體與數個像素電晶體(MOS電晶體)。在圖1之範例中的該等像素電晶體包括四個電晶體，諸如一傳送電晶體、一重設電晶體、一放大電晶體及一選擇電晶體。

一傳送信號佈線係連接至該傳送電晶體之閘極，一重設信號佈線係連接至該重設電晶體之閘極，而一選擇信號佈線係連接至該選擇電晶體之閘極。一像素輸出線係連接至該選擇電晶體之源極。此外，一電源供應佈線係連接至該重設電晶體與該放大電晶體兩者之汲極。另外，提供一接地佈線。該等佈線係在形成光電轉換元件的一基板之表面側上透過絕緣中間層堆疊的複數個層之一結構中由金屬形成。

一晶片上濾色器與晶片上透鏡係透過一平面化層來形成於該複數個佈線層上方。

另一方面，一垂直選擇單元、一行選擇單元及一CDS(相關雙重取樣)電路等係提供作為該等周邊電路。另外，佈置用於該等像素之每一列的係一列選擇AND電路，其使其輸出端子連接至該傳送信號佈線；另一列選擇AND電路，其使其輸出端子連接至該重設信號佈線；及又另一列選擇AND電路，其使其輸出端子連接至該選擇信號佈線。

由於其他特徵及操作均類似於圖1中所示該等者，因此省略其重複說明。

此外，依據本發明之一具體實施例之固態成像裝置之特徵係運用於該複數個佈線內的一佈線結構。圖4係依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置之一示意圖，特別詳細解說該佈線結構之一第一範例。該第一範例之一固態成像裝置41具備一成像區段42，其包括：一像素輸出佈線43，其由在一第一層上在垂直方向上延伸之金屬佈線所形成；及一傳送信號佈線44、重設信號佈線45及選擇信號佈線46，其各由在一第二層上在水平方向上彼此平行延伸的金屬佈線所形成。而且此範例中，一電源供應佈線47與一接地佈線48係各由在一第三層上的金屬佈線彼此部分分開地形成一格子形狀。

該等電源供應佈線47係以格子形狀形成，其水平橫桿部分47a各在中間分離成為一第一格子結構，而該等接地佈線48係類似地以格子形狀形成，其水平橫桿部分48a每一者在中間分離成為一第二格子結構。該等電源供應佈線47與接地佈線48係配置以形成一組合，使得該第二格子結構之垂直橫桿部分48b與該第一格子結構之垂直橫桿部分47b係相互佈置以分別空間容納於電源供應佈線47與接地佈線48之上述分離部分內。使用該等電源供應佈線47與接地佈線48，以格子形狀形成遮蔽部分53，其提供開口52，每一者形成於空間對應於像素內所包括之光電轉換元件51的位置處。

此外，先前分別與電源供應佈線47及接地佈線48分離的第一及第二對水平橫桿47a及48a係在其中電源供應佈線47與接地佈線48之方向開始彼此交叉的交叉位置處使用連接佈線55來成對互連，該等連接佈線係由在該第二層上的金屬佈線來形成。

由在該第二層上水平延伸之金屬佈線所形成的傳送信號佈線44、重設信號佈線45及選擇信號佈線46係在分別用於每一者形成為格子結構的該等電源供應佈線47及接地佈線48之水平橫桿部分47a及48a之線寬d1及d2(在本範例中d1=d2)內彼此平行地提供。然而，由於該等連接佈線55係形成於電源供應佈線47與接地佈線48之上述交叉位置處，形成提供於兩個外側上的該等佈線之部分(即，在本範例中的傳送信號佈線44與選擇信號佈線46之部分)使之在該等交叉位置附近從上述線寬部分突出至該等開口52之區域內。

依據本發明之一具體實施例之固態成像裝置41之佈線結構之第一範例，電源供應佈線47與接地佈線48每一者係由在該第三層上的金屬佈線來彼此部分分開地形成格子形狀，且位於電源供應佈線47與接地佈線48之交叉位置處的該等不連續部分還使用由在該第二層上的金屬佈線所形成的該等連接佈線55來加以互連。此外，利用電源供應佈線47與接地佈線48之組合，以格子形狀來形成該等遮蔽部分53。使用該固態成像裝置之此一組態，可在有效地實施像素之間的遮蔽之後改良影像品質，由此控制在該等像素之間的色彩混合。此外，由於面向該等光電轉換元件51的該等開口52之區域得到擴展，故可改良聚焦效率並整體增加靈敏度。

即，在圖3所示之情況下，由於在該第二層上的接地佈線33與傳送信號佈線11係向外突出至由第三層上的格子狀電源供應佈線10所界定的該等開口10A之區域來形成，實務中將開口之有效區域界定為由電源供應佈線10、傳送信號佈線11及接地佈線33所環繞的區域。在本範例中，作為對比，由也用於遮蔽之該等佈線形成的開口52之有效區域係由在該第三層上的電源供應佈線47及接地佈線48所環繞的區域以及在該第二層上的部分突出佈線(例如，傳送信號佈線44與選擇信號線46)來界定。因此，可將在本範例中的開口之區域增加多達在該第二層上的佈線之突出部分之區域的減少，並與圖3之先前已知範例相比，可改良聚焦效率並增加靈敏度。

由於該等接地佈線48係形成於該第三層上，耦合電容在該第二層上的該等信號佈線與該等接地佈線48之間減少。此外，由於該等接地佈線48係以格子形狀來形成，故其佈線寄生電阻變得較小。儘管在該第二層上形成該等連接佈線55，但由於佈線長度相對較短，故可保持在佈線55與其相鄰信號佈線之間的耦合電容較小。使用該等佈線之本組態，由於抑制接地電位之波動，故可穩定接地電位。由於穩定接地電位，可抑制雜訊發生。

另外，藉由形成每一者採取格子形狀的電源供應佈線47與接地佈線48，可保持佈線自身之寄生電阻以及電容較小，可抑制遮蔽發生並還可抑制由於遮蔽所引起之影像品質劣化。此外，由於與先前已知結構相比減少在該第二層上的佈線密度，故變得易於實現該等佈線之低電阻與低電容。而且，降低信號延遲之效應，並可抑制由於信號延遲所引起之影像品質劣化。

由於佈線層數目保持為三個，其與圖3之範例相同，故可利用在光電轉換元件之接收表面與該等晶片上透鏡之間的相對較小距離來實現裝置厚度減少，並可改良裝置靈敏度。使用此一組態，減少在該第二層上的佈線數目並可在設計佈線方案時增加靈活性，同時兼顧漸暈降低。

在該第一範例中，如上述，格子狀電源供應佈線47與接地佈線48每一者係由在該第三層上的金屬佈線來形成，而該等遮蔽部分53係由利用電源供應佈線47與接地佈線48之組合的另一格子形狀來形成。此外，該等遮蔽部分53可先藉由使用信號佈線44、45及46之任一者以及電源供應佈線47與接地佈線48之一者在該第三層上以類似於圖4之一方式彼此部分分開地形成金屬佈線之一格子結構；並隨後藉由使用連接佈線55組合該兩個格子結構來替代性地提供。在此情況下，電源供應佈線47與接地佈線48之另一者係連同彼此平行水平延伸的其他信號佈線來形成為在該第二層上的一另外金屬佈線。

還使用本裝置組態，可增加在遮蔽部分內的該等開口之區域，並實現靈敏度之改良。此外，還可由於電阻及電容降低而實施影像品質之改良。

圖5係依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置之一示意圖，特別詳細解說該佈線結構之一第二範例。該第二範例之一固態成像裝置61具備成像區段42，其包括：像素輸出佈線43，其由在一第一層上在垂直方向上延伸之金屬佈線所形成；及傳送信號佈線44、重設信號佈線45及選擇信號佈線46，每一者由在一第二層上在水平方向上彼此平行延伸的金屬佈線所形成。也在本範例中，電源供應佈線47與接地佈線48每一者係由在一第三層上的金屬佈線來彼此部分分開地形成一格子形狀。

該等電源供應佈線47係以格子形狀形成，其水平橫桿部分47a每一者在中間分離成為一第一格子結構，而該等接地佈線48係類似地以格子形狀形成，其水平橫桿部分48a每一者在中間分離成為一第二格子結構。該等電源供應佈線47與接地佈線48係配置以形成一組合，使得該第二格子結構之垂直橫桿部分48b與該第一格子結構之垂直橫桿部分47b係佈置以分別相互空間容納於電源供應佈線47與接地佈線48之上述分離部分內。使用該等電源供應佈線47與接地佈線48，以格子形狀形成遮蔽部分53，該格子具備開口52，每一者形成於空間對應於像素之光電轉換元件51的部分處。

此外，分別以格子形狀彼此部分分開形成的該等電源供應佈線47與接地佈線48不以使用如更早些在該第一範例中所說明之連接佈線的方式來加以連接。而是，以其目前形狀彼此部分分開的該等電源供應佈線47係在該等佈線47之末端部分處使用一佈線62來加以互連，且以其目前形狀彼此部分分開的該等接地佈線48也在該等佈線48之末端部分處使用一佈線63來加以互連。

在該第二層上的傳送信號佈線44、重設信號佈線45及選擇信號佈線46係由在整個裝置長度上水平線性延伸之金屬佈線來形成。在兩側上的該等佈線(諸如傳送信號佈線44與選擇信號佈線46)係提供以免突出至以作為該等電源供應佈線47與接地佈線48之組合的格子形狀形成於該等遮蔽部分53內的該等開口52之區域內。由於該裝置之其他特徵類似於更早些在該第一範例中所說明的該等者，因此省略其重複說明。

依據本發明之一具體實施例之固態成像裝置61之佈線結構之第二範例，採取格子形狀的該等遮蔽部分53係由在該第三層上的金屬佈線來形成為採取該等電源供應佈線47與接地佈線48之組合的圖案，且在該第二層上的該等信號佈線44及46係形成以不突出至該等開口52之區域內。因此，增加面向個別光電轉換元件的該等開口52之區域。在本具體實施例中整體開口之區域可大於該第一範例者。由此，可改良聚焦效率並增加靈敏度。

由於該等接地佈線48係形成於該第三層上，在該第二層上的該等信號佈線與該等接地佈線48之間的耦合電容減少，且由於該等接地佈線48係以格子形狀但彼此部分分開來形成，減少佈線寄生電阻。因此，抑制接地電位之波動並可穩定接地電位。由於穩定接地電位，可抑制雜訊發生。

另外，藉由形成每一者採取格子形狀的電源供應佈線47與接地佈線48，可保持佈線自身之寄生電阻以及電容較小，可抑制遮蔽發生並還可抑制由於遮蔽所引起之影像品質劣化。此外，由於與先前已知結構相比減少在該第二層上的佈線密度，故變得易於實現該等佈線之低電阻以及低電容。而且，減少信號延遲之效應，並可抑制由於信號延遲所引起之影像品質劣化。

由於佈線層數目保持為三個，其與圖3之範例相同，故可利用在光電轉換元件之接收表面與該等晶片上透鏡之間的相對較小距離來實施裝置厚度減少，並可改良靈敏度。使用此一組態，可減少在該第二層上的佈線數目並可在設計佈線方案時增加靈活性，同時兼顧降低漸暈。

由於在該第二範例中彼此分開的該等電源供應佈線47與接地佈線48之該等部分不使用連接佈線來互連，故該第一範例之組態關於該等電源供應佈線47及該等接地佈線48之寄生電阻降低更有利。該第一範例之組態比該第二範例整體上更有利。

圖6係依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置之一示意圖，特別詳細解說該佈線結構之一第三範例。該第三範例之一固態成像裝置71具備成像區段42，其包括：像素輸出佈線43，其由在一第一層上垂直延伸之金屬佈線所形成；及該等信號佈線之任兩者，即在本範例中傳送信號佈線44與重設信號佈線45，以及該等接地佈線48，其係由在該第二層上水平延伸之金屬佈線所形成。另外在本範例中，該等電源供應佈線47與選擇信號佈線46係由在該第三層上的金屬佈線來形成，且採取格子形狀的遮蔽部分53係組合電源供應佈線47與選擇信號佈線46來形成。

垂直延伸、彼此平行地形成具有相對較大線寬d3的該等電源供應佈線47，在其間具有一預定間隔，其足以允許在開口部分內提供光電轉換元件。水平延伸地形成該等選擇信號佈線46，其具有另一較大線寬d4(在本範例中d3=d4)。該等選擇信號佈線46係形成以在與該等電源供應佈線47交叉之位置處彼此部分分開且其末端部分係藉由由在該第二層上的金屬所形成的連接佈線72來在該等位置處互連。使用該等垂直延伸的電源供應佈線47與該等水平延伸的選擇信號佈線46，形成採取格子形狀的遮蔽部分53，其在空間對應於像素內所包括之光電轉換元件51之位置處提供開口52。該等電源供應佈線47係在該等佈線47之末端部分處使用一佈線73來加以互連。

由在該第二層上水平延伸之金屬佈線所形成的該等傳送信號佈線44、重設信號佈線45及接地佈線48係在該等選擇信號佈線46之線寬d4內彼此平行地提供。然而，由於該等連接佈線72係形成於電源供應佈線47與選擇信號佈線46之交叉位置處，形成提供於兩外側上的該等佈線之部分(即，在本範例中的該等接地佈線48與傳送信號佈線44之部分)使之在該等交叉位置附近部分突出至該等開口52之區域內。由於其他裝置特徵類似於該第一範例的該等者，因此省略其重複說明。

依據本發明之一具體實施例之固態成像裝置71之佈線結構之第三範例，使用分別由在該第三層上的金屬佈線所形成的該等垂直延伸的電源供應佈線47與該等水平延伸的選擇信號佈線46來形成採取格子形狀之該等遮蔽部分53，其在空間對應於像素內所包括之光電轉換元件51之位置處具有開口52。與圖3之裝置結構中先前已知者相比，提供於該等遮蔽部分53內的開口52之區域類似於該第一範例較大，可改良聚焦效率並增加靈敏度多達該等開口之區域增加。

此外，藉由減少在該第二層上的佈線密度，可減少在該等接地佈線48與重設信號佈線45之間的耦合電容，並還可降低在該第三層上在該等接地佈線48與該等選擇信號佈線46之間的耦合電容。由此，抑制接地電位之波動並可穩定接地電位。

另外，還在本範例中，抑制遮蔽發生並還可抑制由於遮蔽所引起之影像品質劣化。此外，由於與先前已知結構相比減少在該第二層上的佈線密度，故變得易於實現該等佈線之低電阻及低電容，降低信號延遲之效應，並可抑制信號延遲所引起之影像品質劣化。

由於佈線層數目保持為三個，其與圖3之範例相同，故可利用在光電轉換元件之接收表面與該等晶片上透鏡之間的相對較小距離來實施裝置厚度降低，並可改良靈敏度。使用此一組態，可減少在該第二層上的佈線數目並可在設計佈線方案時增加靈活性，同時兼顧降低漸暈。

該第一及第二範例之組態比該第三範例整體上更有利。

在依據本具體實施例之第三範例中，該佈線組態可藉由使用傳送信號佈線44或重設信號佈線45替代選擇信號佈線46來替代性地提供。此外，可能替代性地易於使用在該第三層上的格子狀金屬佈線來形成兩個佈線，其係選自包括像素輸出佈線43與該等驅動佈線44、45及46之群組。又此外，用於佈線之層數目不限於三個，而可替代性地為兩個、四個或更大。

用於形成單位像素的該等像素電晶體係在以上範例中說明以採取四電晶體電路組態，其包括傳送、重設、放大及選擇電晶體。依據本發明之一具體實施例，可運用三電晶體電路組態，其包括該等傳送、重設及放大電晶體，該選擇電晶體除外。另外，本發明之一具體實施例還可應用於所謂的像素共用型CMOS影像感測器，其中該等像素電晶體係由複數個群組共用，該等群組之每一群組係藉由包括一光電轉換元件與一傳送電晶體來形成。

接下來，在依據上述具體實施例之固態成像裝置中，說明數個組態，用於從外部向該第三層上的不同佈線供應一電源供應或兩個電源供應及信號。

在說明上述供應組態之前，將先在一組態上說明一範例，與先前已知情況相比，該組態適用於將不同電壓(例如電源或兩個電源及接地)供應至在一層上的佈線。此範例性組態可利用於本發明之具體實施例中。

為了在一固態成像裝置中適當決定信號之亮度位準，可能必需設定一黑階，其用作一標準。為了決定該黑階，使用一光學黑階(以下稱為OPB像素)，其係藉由金屬佈線來遮蔽用作光電轉換元件之一光二極體(PD)來形成。考量每一者在水平或垂直方向上明確利用的佈線層之各種不同目的，為了形成該遮蔽金屬佈線，適當的係利用採取格子形狀的電源供應佈線層，該格子具有空間對應於每一像素之開口。如圖7中所解說，在由遮蔽金屬81所覆蓋之OPB像素區89內的OPB像素82係緊接在有效像素85外部提供以適當參考在一有效像素區80內相鄰遮蔽金屬81之開口84所形成的有效像素85之特性。此外，該等OPB像素82係形成於四側上，即在左邊、右邊、頂部及底部上，以消除在有效像素區域80內在左邊、右邊、頂部及底部上該等有效像素85之特性差異。

考量決定該黑階標準，較佳的係使該等OPB像素82與有效像素85在其特性上相同。然而，因為形成於裝置上的佈線圖案差異，可能引起由於電性行為及/或製程差異所引起的某特性偏差。在此情況下，可藉由向該等OPB像素82與有效像素85提供不同電源供應來抵銷該特性差異。如圖7中所解說，當在OPB像素區域89內的遮蔽金屬由在有效像素區80內的電源供應佈線層共用時且當使用一單一電源供應時，可將該電源供應原樣取出至外部。然而，當將不同電源供應單獨提供至該等有效像素85與OPB像素82時，必需將引導至個別像素之佈線分離並將該等電源供應個別地引導至外部。

由於如圖8中所示，該等有效像素85係由該等OPB像素82所環繞，在其中將電源供應引導至外部用於該等有效像素85的情況下，設想一結構使得移除位於環繞該等有效像素的OPB像素區89內的該等OPB像素82與遮蔽金屬87之一些部分並可透過如此移除的部分將至有效像素區80內的該等有效像素85的該等電源供應佈線86引導至外部。形成於OPB像素區89上的遮蔽金屬87係用作至該等OPB像素82之電源供應佈線。

然而，當此類結構由該等電源供應佈線86及87來形成時，至該等有效像素85的電源供應變得不對稱。由此，引起一顯示螢幕之遮蔽並可能出現缺少關於在若干部分之左邊、右邊、頂部及底部上特性差異的一些資訊件多達所移除的上述OPB像素82的可能性。

關於將不同電源供應引導至外部，如在本發明之前述具體實施例中所說明，在使用該第三層上的金屬佈線形成電源供應佈線47與接地佈線48的情況下出現相同難題。

因此，如圖9中所示，依據本發明之一具體實施例，當從外部提供用於有效像素85內的電源供應時，提供除遮蔽金屬87外的一另外結構，使得佈線層88每一者形成於該等OPB像素82上方。使用本結構，可在左邊、右邊、頂部及底部上對稱地實施用於在有效像素區80內將該等電源供應佈線86引導至外部的該等佈線層88。即，不同電源可分別供應至OPB像素區82與有效像素區85，而不移除OPB像素區82之部分且不引起任何電源供應不對稱。然而，在因其較小像素大小難以額外提供一佈線至像素自身上並難以運用圖9中所解說之裝置的固態成像裝置之情況下，可使用圖8中所示之結構來替代性實施該電源供應以便使該等佈線不穿過該等光二極體上方。

圖10係解說依據本發明之一具體實施例之佈線結構之一第四範例的一示意圖，其中用於將該等電源供應佈線與接地佈線引導至外部的圖9中所解說之組態係適應於用於使用在該第三層上的金屬佈線來形成該等電源供應佈線47與接地佈線48的該第一範例之前述組態。依據本範例之一固態成像裝置75係藉由在一有效像素區77內包括該等電源供應佈線47來提供，該有效像素區具有配置其內的有效像素76，每一有效像素包括一光電轉換元件51，其中形成該等電源供應佈線47，其延伸至一OPB像素區79上以也作為一遮蔽金屬91來共用，該OPB像素區具有配置其內的周邊OPB像素78。

在有效像素區77內，一無效像素區92係相鄰OPB像素區79來形成。

此外，依據本範例，在有效像素區77內的接地佈線48係藉由在除該第三層外的層上的金屬佈線(即，在本範例中在該第二層上的金屬佈線之電壓供應佈線93)引導至外部來提供。也在本範例中，該等電壓供應佈線93用作用於供應接地電壓的該等佈線。在此情況下，形成該等電壓供應佈線93以穿過緊接提供於無效像素區92與該等OPB像素78內之光電轉換元件51上方。而且，如圖9中所示，形成該等電壓供應佈線93以便在四側(即頂部及底部與左邊及右邊)上對稱，並穿過形成於周邊無效像素區92內的每一開口52上方。使用此結構，該電源電壓係從周邊OPB像素區79內的遮蔽金屬91來供應，而該接地電壓係從電壓供應佈線93來供應。

可替代性形成電源供應佈線47與接地佈線48之佈線圖案，假定其作用與圖10者相反，其中形成接地佈線48，其延伸至OPB像素區79上以也作為在該OPB像素區上的遮蔽金屬來共用，且還藉由該等電壓供應佈線93引導至外部來提供電源供應佈線47。

在依據本發明之一具體實施例之固態成像裝置75之佈線結構之第四範例中，利用形成以在頂部、底部、左邊及右邊上對稱的在該第三層上的電源供應佈線47與接地佈線48兩者，可供應不同的電源及接地電壓。藉由緊接在OPB像素區79內的光電轉換元件上方形成該電壓供應佈線用於將接地佈線48引導至外部，易於將不同電壓分別供應至OPB像素區79與有效像素區77而不引起電源供應及接地電壓供應的任何不對稱，甚至對於每一者具有較小單位大小的像素亦如此。

圖11係解說依據本發明之一具體實施例之佈線結構之一第五範例的一示意圖，其中用於將該等電源供應佈線與接地佈線引導至外部的圖8中所解說之組態係適應於用於使用在該第三層上的金屬佈線來形成該等電源供應佈線47與接地佈線48的該第一範例之上述組態。依據本範例之一固態成像裝置95係藉由移除OPB像素區79之一部分，並藉由將電源供應佈線47或接地佈線48(即，在此範例中為電源供應佈線47)延伸至如此移除部分以作為遮蔽金屬91來共用而加以提供。另一佈線(即，接地佈線48)延伸至除了該移除部分外的OPB像素區79之部分上，以作為遮蔽金屬90來共用。OPB像素78之移除部分可僅形成於一側上，如圖8中所示，且可形成電源供應佈線47，其僅延伸至一側。替代性地，可在兩側上提供OPB像素78之移除部分以在左邊及右邊上對稱，且形成電源供應佈線47，其對稱性地延伸至兩側。

使用依據本發明之一具體實施例之固態成像裝置95之佈線結構之第五範例，變得易於將電源供應佈線47及接地佈線48引導至外部，從而特別使用較小像素大小來適當地實施於固態成像裝置內。

圖12係解說依據本發明之一具體實施例之組態之另一範例的一示意圖，其適應於將分別用於有效像素區77與OPB像素區79之不同電源供應引導至外部的情況。在除無效像素區92外的有效像素區77中，形成採取格子形狀的一有效像素電源供應佈線96以也用作遮蔽，同時在OPB像素區79內形成用於OPB像素的一電源供應佈線97以也用作一遮蔽金屬。該等有效像素電源供應佈線96與OPB像素電源供應佈線97係使用在該第三層上的金屬佈線來形成。

此外，用於有效像素之電源供應佈線96係經組態以穿過提供於無效像素區92與該等OPB像素78內的光電轉換元件上方，並藉由在另一層上的電壓供應佈線93(即，在本範例中在該第二層上的金屬佈線)來引導至外部。使用本結構，易於將不同電壓分別供應至用於有效像素的電源供應佈線96與用於OPB像素的電源供應佈線97，且可使該等有效像素76與OPB像素78之特性適當地參考彼此。

為了比較目的，圖13解說先前已知用於將電源供應佈線引導至外部之範例，其對應於圖7。為了促進理解，類似於圖10、11及12中該等者的在圖13中所包括的該等部分係使用相同數字表示來顯示。參考圖13，形成也用作用於有效像素區77之遮蔽金屬的電源供應佈線47，其延伸至OPB像素區79。雖然電源供應佈線47也用作OPB像素區79內的遮蔽金屬，但其由用於該等有效像素76與OPB像素78的電源供應所共用。

接下來，本文中下面說明結構之數個範例，其用於藉由在該第三層上的金屬佈線來供應分別具有不同電壓或電壓及信號的兩個佈線。關於將電源供應佈線引導至外部，當在OPB像素區內的遮蔽金屬全部由相同佈線形成時，通常可使上述供應直接來自該OPB像素區之外部(參考圖7)°另一方面，當使用在相同層上的金屬佈線將該電源供應較佳地劃分成兩個，諸如一用於該有效像素區而另一者用於該OPB像素區，或一用於該電源供應佈線而另一者用於接地佈線時，移除OPB像素區79之一部分或將電壓供應至該不對稱佈線結構(參考圖8)。此外，儘管還可能認為藉由除該遮蔽金屬層外的層來穿過該OPB像素區，但難以實施此方法用於具有較小單元大小的像素，由於需添加另一佈線至有效像素。然而，當調適圖9中所解說之組態時，甚至在劃分電源供應或在相同層上提供電源供應及接地的情況下，仍可在需要時供應來源電壓，由於緊接在提供於該OPB像素區內的光電轉換元件上方來形成輸出自該有效像素區之該等佈線。例如，甚至在具有較小單元大小的該等固態成像裝置中，仍可將不同電壓供應至分別在相同層上的OPB像素區與有效像素區兩者內的該等佈線，而不移除OPB像素之部分且不引起任何電壓供應不對稱。

圖9中所解說之結構係適當地適應於依據本發明之一具體實施例之前述固態成像裝置之佈線結構之第一、第二及第三範例。圖8之結構還適應於該等第一、第二及第三範例之固態成像裝置。

雖然本文中以上在將電源、接地等連接至有效像素區的該等者上已解說將供應佈線引導至外部的該等方法，但本方法還可適應於用於需要從OPB像素區外部穿過OPB像素區輸入至有效像素區的驅動電路佈線等。

圖14係解說具備依據本發明之一具體實施例之上述固態成像裝置之一相機之一示意性組態的一視圖。參考圖14，依據本具體實施例之一相機100係藉由包括一光學系統(光學透鏡)101、一固態成像裝置102及一信號處理電路103來加以提供。至於固態成像裝置102，可較佳地適應在前述具體實施例中所說明之裝置之任一者以及具備佈線結構之第一範例或第四範例之裝置。光學系統101係經組態用以使用源自物體之影像光(入射光)在固態成像裝置102之成像表面上實施影像形成。信號電荷係藉由包括於固態成像裝置102內的光電轉換元件來累積達一固定時間週期。信號處理電路103係經組態以向輸出自固態成像裝置102之該等信號提供各種信號處理，並輸出作為圖像信號。依據本具體實施例之相機100還可包括一相機模組，其係藉由模組化光學系統101、固態成像裝置102及信號處理電路103來形成。

使用依據本具體實施例之相機100，可提供高靈敏度及高品質的圖像影像，由於此相機併入依據本發明之一具體實施例之固態成像裝置。

依據本發明之一具體實施例，還易於提供其併入圖14中所解說之前述相機或相機模組的各種電子裝置，諸如由行動電話代表的行動裝置。使用依據本發明之具體實施例之電性裝置，可提供高效能電性裝置，由於包括能夠提供高靈敏度及高品質的圖像影像的該等相機。

習知此項技術者應瞭解，可取決於設計要求及其他因素進行各種修改、組合、子組合及變更，只要其係在隨附申請專利範圍或其等效內容的範疇內即可。

1．．．CMOS影像感測器

2．．．光電轉換元件

3．．．像素

4．．．成像區段

6．．．傳送電晶體

7．．．重設電晶體

8．．．放大電晶體

9．．．選擇電晶體

10．．．來源電壓供應線/電源供應佈線

10A．．．開口

11．．．傳送信號佈線

12．．．重設信號佈線

13．．．選擇信號佈線

14．．．像素輸出佈線

16．．．電晶體

17．．．恆定電位供應線

21．．．垂直選擇單元

22．．．行選擇單元

23．．．CDS(相關雙重取樣)電路

24．．．水平信號佈線

25．．．列選擇AND電路

26．．．列選擇AND電路

27．．．列選擇AND電路

28．．．脈衝端子

29．．．脈衝端子

30．．．脈衝端子

32．．．接地電位

33．．．接地佈線

41．．．固態成像裝置

42．．．成像區段

43．．．像素輸出佈線

44．．．傳送信號佈線/驅動佈線

45．．．重設信號佈線/驅動佈線

46．．．選擇信號佈線/驅動佈線

47．．．電源供應佈線

47a．．．水平橫桿部分

47b．．．垂直橫桿部分

48．．．接地佈線

48a．．．水平橫桿部分

48b．．．垂直橫桿部分

51．．．光電轉換元件

52．．．開口

53．．．遮蔽部分

55．．．連接佈線

61．．．固態成像裝置

62．．．佈線

63．．．佈線

71．．．固態成像裝置

72．．．連接佈線

73．．．佈線

75．．．固態成像裝置

76．．．有效像素

77．．．有效像素區

78．．．周邊OPB像素

79．．．OPB像素區

80．．．有效像素區

81．．．遮蔽金屬

82．．．OPB像素

84．．．開口

85．．．有效像素

86．．．電源供應佈線

87．．．遮蔽金屬/電源供應佈線

88．．．佈線層

89．．．OPB像素區

90．．．遮蔽金屬

91．．．遮蔽金屬

92．．．無效像素區

93．．．電壓供應佈線

95．．．固態成像裝置

96．．．有效像素電源供應佈線

97．．．OPB像素電源供應佈線

100．．．相機

101．．．光學系統(光學透鏡)

102．．．固態成像裝置

103．．．信號處理電路

FD3．．．浮動擴散

圖1係解說一CMOS影像感測器之一範例的一示意圖。

圖2係施加至圖1之CMOS影像感測器之驅動信號的一信號波圖。

圖3係解說依據相關技術之一CMOS影像感測器之一佈線結構的一示意圖。

圖4係解說依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置之主要部分之一第一範例的一示意圖。

圖5係解說依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置之主要部分之一第二範例的一示意圖。

圖6係解說依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置之主要部分之一第三範例的一示意圖。

圖7係解說依據相關技術之一電源供應裝置的一示意圖，提供用於比較目的。

圖8係解說適應於依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置之一電壓供應裝置的一示意圖。

圖9係解說適應於依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置的一電壓/信號供應裝置之一較佳範例的一示意圖。

圖10係解說依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置之主要部分之一第四範例的一示意圖。

圖11係解說依據本發明之一具體實施例之一固態成像裝置之主要部分之一第五範例的一示意圖。

圖12係解說依據本發明之一具體實施例適當適應於分別用於一有效像素區與一OPB像素區之不同電源供應之情況的一範例之一示意圖。

圖13係解說依據相關技術之一電源供應佈線的一示意圖，提供用於比較目的。

圖14係解說依據本發明之一具體實施例之一相機之組態的一示意圖。