TWI430660B - 具有全域快門及儲存電容之背側照明影像感測器 - Google Patents
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Description
本發明大致上涉及影像感測器，且特定言之但不唯一地，本發明涉及背側照明CMOS影像感測器。
對於高速影像感測器，最好使用全域快門以捕捉快速移動的物體。全域快門可使在該影像感測器中的所有像素同時捕捉該影像。對於移動較慢的物體，可使用更普通的滾動快門。滾動快門根據順序捕捉該影像。例如，在一二維(「2D」)像素陣列內的每列可被依序啟用，使得在單列內的每個像素在同一時間捕捉該影像，但是每列係根據滾動順序啟用。因此，像素的每列在一不同影像擷取視窗期間捕捉該影像。對於移動緩慢的物體，在每列之間的時間差產生可接受的影像失真。對於快速移動的物體，滾動快門會造成沿著該物體的移動軸的一明顯伸長失真。為了實施全域快門，儲存電容器被用於暫時儲存由在該陣列中的每個像素擷取的影像電荷，而其等待從該像素陣列之讀出。
圖1說明一習知前側照明互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)成像像素100。成像像素100的前側，是基板105之其上供配置像素電路及其上供形成用於重新分佈信號的金屬堆疊110的該側。金屬層(例如，金屬層M1和M2)被以此方式圖案化以便產生一光學通道，入射在成像像素100的該前側上的光可經由該光學通道到達光敏光電二極體(「PD」)區域115。該前側可進一步包含一實施一彩色感測器的彩色濾光器層和一將該光聚焦到PD區域115上的微透鏡。
為了實施全域快門，習知成像像素100包括一儲存電容器120。為了可使電荷在PD區域115之間快速轉移及最小化信號路由，儲存電容器120被定位為緊鄰像素電路區域125內的光電二極體區域115，與其餘像素電路一起用於操作成像像素100。因此，儲存電容器120不惜犧牲PD區域115來消耗成像像素100內的有價值的實際面積(real estate)。減少PD區域115的大小以容納儲存電容器120會降低成像像素100的填充因數，從而減少了對光敏感的像素區域的量，並降低了低光性能。
此處描述了一種操作一具有全域快門和儲存電容器的背側照明影像感測器的系統及方法的實施例。在以下描述中，闡述很多具體細節以更加深入地理解該等實施例。然而，熟習此相關技術者將認識到，此處描述的技術可不需要該等具體細節的一或多個，或者可用其他方法、組件、材料等實踐。在其他情況下，沒有顯示或詳細描述眾所周知的結構、材料或操作以避免混淆某些態樣。
貫穿本說明書的參考「一個實施例」或「一實施例」是指結合該實施例描述的一特定特徵、結構或特點被包含在本發明的至少一實施例中。因此，在貫穿本說明書的各個地方中片語「在一個實施例中」或「在一實施例中」的出現不一定都是參考同一實施例。此外，該等特定特徵、結構或特點可以任何適當的方式組合在一或多個實施例中。
本說明書各處，使用若干專門術語。這些術語將採用其等在其等所來源之技術中的一般意思，除非此處明確定義或其等使用的背景會明確指出。術語「重疊」在此處參考一半導體晶粒的表面法線定義。如果穿過半導體晶粒的橫截面所繪製之與該表面法線平行的一線與該兩個元件相交，則配置在晶粒上的兩個元件被認為是「重疊」。
本發明的非限制和非詳盡實施例係參考以下圖式描述，其中相同數字是指貫穿各種圖式的相同部分，除非另有指明。
圖2是根據本發明的一實施例說明一背側照明成像系統200的方塊圖。成像系統200的該說明實施例包含一像素陣列205、讀出電路210、功能邏輯215和控制電路220。
像素陣列205是一二維(「2D」)陣列的背側照明成像感測器或像素(例如，像素P1、P2...、Pn)。在一實施例中，每個像素是一主動像素感測器(「APS」)，如一互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)成像像素。如所說明，每個像素被配置成一列(例如，列R1到Ry)和一行(例如，行C1到Cx)以擷取人物、場景或物體的影像資料，該影像資料然後可用於生成該人物、場景或物體的一個2D影像。
在每個像素已擷取其影像資料或影像電荷之後，該影像資料係由讀出電路210讀出並被轉移到功能邏輯215。讀出電路210可包含放大電路、類比至數位轉換電路等。功能邏輯215可簡單地儲存該影像資料或甚至經由應用後起影像作用(例如，剪切、旋轉、去紅眼、調節亮度、調節對比度等)而操縱該影像資料。在一實施例中，讀出電路210可沿著讀出行線(已說明)一次讀出一列影像資料或可使用各種其他技術(未說明)讀出該影像資料，如串列讀出或完全並行同時讀出所有像素。
控制電路220被耦合到像素陣列205以控制像素陣列205的操作特性。例如，控制電路220可產生一快門信號用於控制影像擷取。在一實施例中，該快門信號是一全域快門信號，用於同時啟用像素陣列205內的所有像素以在一單個擷取視窗期間同時擷取其等各自的影像資料。在一替代實施例中，該快門信號是一滾動快門信號，藉此每列、行或組的像素在連續擷取視窗期間被依照順序啟用。
圖3是根據本發明的一實施例，說明在一背側照明成像陣列內的兩個四元電晶體(「4T」)像素的像素電路300的電路圖。像素電路300是一可用於實施圖2的像素陣列200內的每個像素的像素電路結構。然而，應明白本發明的實施例並不限於4T像素結構；確切言之，受益於本發明的一般技術者將明白本發明亦適用於3T設計、5T設計以及各種其他像素結構。
在圖3中，像素Pa和Pb係以兩列和一行配置。每個像素電路300的該說明實施例包含一光電二極體PD、一轉移電晶體T1、一重設電晶體T2、一源極隨耦(「SF」)電晶體T3、一選擇電晶體T4和一儲存電容器C1。在操作期間，轉移電晶體T1接收一轉移信號TX，其將累積在光電二極體PD中的電荷轉移到一耦合至儲存電容器C1的浮動擴散節點FD。雖然浮動擴散節點FD有一固有電容，但其一般不足以取代儲存電容器C1。例如，浮動擴散節點FD達成足夠電容所需的大小將導致不可接受的洩漏電流以及其他非線性特性。
重設電晶體T2被耦合在一電源導軌VDD與該浮動擴散節點FD之間以在一重設信號RST的控制下重設(例如，將該FD放電或充電到一預設電壓)。該浮動擴散節點FD經耦合以控制SF電晶體T3的閘極。SF電晶體T3被耦合在該電源導軌VDD與選擇電晶體T4之間。SF電晶體T3作為一源極隨耦器操作，從儲存電容器C1提供一高阻抗輸出。最後，選擇電晶體T4在一選擇信號SEL的控制下選擇性地將像素電路300的輸出耦合到該讀出行線。
在一實施例中，該TX信號、該RST信號和該SEL信號係由控制電路220產生。在一實施例中，其中像素陣列205用一全域快門操作，該全域快門信號被耦合到整個像素陣列205中的每個轉移電晶體T1的閘極以在每個像素的光電二極體PD與儲存電容器C1之間同時開始電荷轉移。在一實施例中，該全域快門信號係由包含在控制電路220內的全域快門電路305產生。
圖4A是根據本發明的一實施例之一具有一儲存電容器的背側照明成像像素400的混合橫截面/電路圖。成像像素400是像素陣列205內的像素P1到Pn的一種可能實施。成像像素400的該說明實施例包含一基板405、一彩色濾光器410、一微透鏡415、一PD區域420、一互連擴散區域425、一像素電路區域430、像素電路層435和一金屬堆疊440。像素電路區域430的該說明實施例包含一4T像素(其他像素設計可被替代)，且儲存電容器C1配置在一擴散井445內。一浮動擴散450被配置在擴散井445內並且被耦合在轉移電晶體T1與儲存電容器C1的電極461之間。儲存電容器C1的一電極463被耦合到一亦配置在擴散井445內的接地擴散455。金屬堆疊440的該說明實施例包含由金屬層間介電層441和443分離的兩個金屬層M1和M2。雖然圖4A只說明一兩層式金屬堆疊，但是金屬堆疊440可包含更多或更少層用於在像素陣列205的前側之上轉移信號。在一實施例中，一鈍化或釘扎層470被配置在互連擴散區域425之上。最後，淺溝渠隔離(「STI」)將成像像素400與鄰近像素(未說明)隔離。
如所說明，成像像素400對入射在其半導體晶粒之背側上的光480具光敏性。經由使用一背側照明感測器，像素電路區域430可與光電二極體區域420以重疊組態定位。換句話說，包含儲存電容器C1的像素電路300可置放為鄰近於互連擴散區域425且在光電二極體區域420與該晶粒前側之間，而不阻礙光480到達光電二極體區域420。經由將儲存電容器C1置放為與光電二極體區域420重疊，與圖1中說明的並排相反，光電二極體區域420和儲存電容器C1不再競爭有價值的晶粒實際面積(real estate)。確切言之，儲存電容器C1可被擴大以增加其電容，而沒有降低該影像感測器的填充因數。本發明的實施例可使高容量儲存電容器C1置放為非常接近於其等各自的光電二極體區域420，而沒有降低該像素的敏感性。此外，該背側照明組態提供更大的靈活性以在金屬堆疊440內的像素陣列205的該前側之上路由信號，而沒有干擾光480。在一實施例中，該全域快門信號在金屬堆疊440內被路由至像素陣列205內的所有像素。
將儲存電容器C1置放在光電二極體區域420之與光曝露側相反的側上的另一優點是增加了與入射光子的隔離。到達儲存電容器C1的光子可導致洩漏電流增加。然而，入射在晶粒背側上的大多數光子終止於光電二極體區域420內。穿過光電二極體區域420的該等光子由儲存電容器C1的電極463進一步阻擋。經由通過接地擴散455將電極463電氣耦合到擴散井445，電極463有效地作為一隔離接地平面操作。電極461和463可用各種導電材料製成，包含金屬、多晶矽、兩者的組合等。
在一實施例中，接地擴散455是一具有與周圍擴散井445相同的導電性類型(即，正或負的摻雜輪廓)的摻雜區域，但是具有更高的摻雜濃度。相反地，浮動擴散450是用一相反導電性類型摻雜物摻雜以在擴散井445內產生一p-n接面，從而電氣隔離浮動擴散450。
在一實施例中，基板405是用p型摻雜物摻雜。在這種情況下，基板405以及生長在其上的磊晶層可被稱為一P基板。在一P基板的實施例中，擴散井445是一P+井植入且接地擴散455是一P++植入，而光電二極體區域420、互連擴散區域425和浮動擴散450是經N型摻雜。在一實施例中，其中基板405以及其上之磊晶層是N型，擴散井445和接地擴散455也是經N型摻雜，而光電二極體區域420、互連擴散區域425和浮動擴散450具有一相反的P型導電性。
圖4B係根據本發明的一實施例說明一多層儲存電容器C2。在一實施例中，多層儲存電容器C2可取代成像像素400內的儲存電容器C1以達成增加的儲存電容。多層儲存電容器C2的該說明實施例包含兩個由兩層絕緣介電材料分離的電極491和493。電極491和493可用各種導電材料製成，如金屬或多晶矽，而該分離介電質可由二氧化矽或其他絕緣材料製成。雖然圖4B說明一雙層堆疊的電容器，但是應明白多層儲存電容器C2的實施例可包含3、4或更多的電極堆疊以增加C2的電容，同時仍然位於光電二極體區域420之上的像素電路區域430內。
圖5是根據本發明的一實施例說明操作一背側照明成像像素400的一過程500的流程圖。過程500說明像素陣列205內的一單個像素的操作；然而，應明白，取決於使用一滾動快門還是全域快門，過程500可由像素陣列205中的每個像素依照順序或併發執行。該等過程區塊的一些或全部在過程500中出現的順序不應視為具限制性。確切言之，受益於本發明的一般技術者將明白該等過程區塊的一些可以未說明的各種順序執行。
在一過程區塊505中，重設光電二極體PD(例如，光電二極體區域420)和儲存電容器C1。重設包含將光電二極體PD和儲存電容器C1放電或充電到一預定電壓電位，如VDD。該重設係經由既使該RST信號有效以啟用重設電晶體T2又使該TX信號有效以啟用轉移電晶體T1而達成。啟用T1和T2將光電二極體區域420、浮動擴散450和電極461耦合到電源導軌VDD。
一旦重設，該RST信號和該TX信號是無效的以由光電二極體區域420開始影像擷取(過程區塊510)。入射在成像像素400的該背側上的光480由微透鏡415經由彩色濾光器410聚焦到光電二極體區域420的該背側上。彩色濾光器410用於將該入射光480過濾成組成顏色(例如，使用拜爾(Bayer)濾鏡或彩色濾光器陣列)。入射光子使電荷累積在該光電二極體的擴散區域內。
在影像擷取視窗期間，當電荷累積在光電二極體區域420內時，經由暫時地使該RST信號有效而該TX信號保持無效，儲存電容器C1被再次重設(過程區塊515)。該第二次重設只重設儲存電容器C1以減少熱雜訊和由於結合該影像電荷產生的其他雜散電荷/洩漏電荷。
一旦該影像擷取視窗過期，則該RST信號再次成無效且藉由使該TX信號有效而將光電二極體區域420內的累積電荷經由該轉移電晶體T1轉移到儲存電容器C1(過程區塊520)。在一全域快門的情況下，該全域快門信號在過程區塊520期間對於在像素陣列205內的所有像素是與該TX信號同時有效的。這導致將由每個像素累積的該影像資料全域轉移到該像素的對應儲存電容器C1中。
一旦該影像資料被轉移到儲存電容器C1，則該TX信號是無效的以隔離儲存電容器C1用於讀出。在一過程區塊525中，該SEL信號是有效的以將該儲存影像資料轉移到該讀出行上用於經由讀出電路210輸出到該功能邏輯215。應明白讀出可經由行線在每列的基礎上(已說明)、經由列線在每行的基礎上(未說明)、在每個像素的基礎上(未說明)或經由其他邏輯分組發生。一旦已讀出所有像素的該影像資料，則過程500返回到過程區塊505以為下個影像準備單獨的儲存電容器C1。
以上解釋的該等過程係就電腦軟體和硬體而描述。描述的該等技術可構成在一機器(例如，電腦)可讀媒體內具體化的機器可執行指令，當其等由一機器執行時，將使該機器實施描述的該等操作。此外，該等過程可具體化在硬體中，如一特定應用積體電路(「ASIC」)或類似物。
機器可存取或機器可讀媒體包含以機器(例如，一電腦、網路裝置、個人數位助理、生產工具、具有一組之一或多個處理器的任何裝置等)可存取的形式提供(即，儲存)資訊的任何機構。例如，一機器可存取媒體包含可記錄/不可記錄媒體(例如，唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、磁碟儲存媒體、光學儲存媒體、快閃記憶體裝置等)。
本發明之所說明實施例的以上描述，包含摘要中的描述，並不意味是詳盡的或將本發明限制於所揭示的確切形式。雖然本發明的特定實施例及其實例在本文中係為說明目的而描述，但是熟習此項相關技術者將認識到在本發明的範圍內可有各種修飾。
鑑於以上詳細描述可對本發明作此等修飾。不應將以下請求項中所用的術語視為將本發明限制於本說明書中揭示的特定實施例。確切言之，本發明的範圍完全由以下請求項決定，該等請求項應根據請求項解釋的既定理論解釋。
100．．．前側照明互補金屬氧化物半導體成像像素
105．．．基板
110．．．金屬堆疊
115．．．光電二極體區域
120．．．儲存電容器
125．．．像素電路區域
200．．．背側照明成像系統
205．．．像素陣列
210．．．讀出電路
215．．．功能邏輯
220．．．控制電路
300．．．像素電路
305．．．全域快門電路
400．．．成像像素
405．．．基板
410．．．彩色濾光器
415．．．微透鏡
420．．．光電二極體區域
425．．．互連擴散區域
430．．．像素電路區域
435．．．像素電路層
440．．．金屬堆疊
441．．．金屬層間介電層
443．．．金屬層間介電層
445．．．擴散井
450．．．浮動擴散
455．．．接地擴散
461．．．電極
463．．．電極
470．．．鈍化或釘扎層
480．．．光
491．．．電極
493．．．電極
圖1是一習知前側照明成像像素的橫截面圖。
圖2是根據本發明的一實施例說明一背側照明成像系統的方塊圖。
圖3是根據本發明的一實施例說明在一背側照明成像系統內的兩個4T像素的像素電路的電路圖。
圖4A是根據本發明的一實施例的一具有一儲存電容器的背側照明成像像素的混合性橫截面/電路圖。
圖4B是根據本發明的一實施例說明了一用在背側照明成像像素中的多層儲存電容器。
圖5是根據本發明的一實施例說明操作一具有儲存電容器的背側照明成像像素之過程的流程圖。
300．．．像素電路
305．．．全域快門電路
Claims (16)
- 一種成像感測器像素，其包括：一光電二極體區域，其配置在一半導體晶粒內用於累積一影像電荷；一像素電路區域，其配置在該半導體晶粒內在該半導體晶粒的一前側與該光電二極體區域之間，該像素電路區域與該光電二極體區域的至少一部分重疊；一互連擴散區域，其配置在該半導體晶粒內，該互連擴散區域被耦合到該光電二極體區域且朝著該半導體晶粒的該前側延伸；及一儲存電容器，其包含在與該光電二極體區域重疊的該像素電路區域內，且經由該互連擴散區域選擇性地耦合到該光電二極體區域以暫時儲存在其上累積的該影像電荷，該儲存電容器包括：一選擇性地耦合到該互連擴散區域的第一電極，一第二電極，及一配置在該第一與該第二電極之間的介電絕緣層，其中該像素電路區域進一步包括一接地擴散區域，該接地擴散區域耦合到該第二電極以使該第二電極接地且具有一與該半導體晶粒的一基板相同的導電性類型；及一浮動擴散，其耦合到該第一電極且具有一與該基板相反的導電性類型；該像素電路區域更包括一轉移電晶體，其耦合在該互連擴散區域與該浮動擴散之間。
- 如請求項1之成像感測器像素，其中該成像感測器像素包括一互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)背側照明成像 感測器像素。
- 如請求項2之成像感測器像素，其中該半導體晶粒包括一P型矽基板，且該像素電路區域包括一配置在該光電二極體區域與該半導體晶粒的該前側之間的P井擴散區域。
- 如請求項1之成像感測器像素，其中該第一與第二電極是由從一含有多晶矽或金屬之群組選擇的一材料製成。
- 如請求項1之成像感測器像素，其中該儲存電容器包括一具有至少兩個重疊介電絕緣層的多層堆疊電容器。
- 如請求項1之成像感測器像素，其中該成像感測器像素包括一使四個電晶體全部被配置在該像素電路區域內的四元電晶體(「4T」)像素設計，該4T像素設計除該轉移電晶體外包括：一重設電晶體，其耦合到該第一電極以重設該儲存電容器和該浮動擴散；一源極隨耦電晶體，其經耦合以從該儲存電容器輸出該影像電荷；及一選擇電晶體，其用於從其他成像感測器像素選擇該成像感測器像素用於讀出。
- 如請求項2之成像感測器像素，其進一步包括：一微透鏡，其配置在該光電二極體區域之下的該半導體晶粒的一背側上且經光學對準以將從該背側接收到的光聚焦到該光電二極體區域上；及一彩色濾光器，其配置在該微透鏡與該光電二極體區 域之間用於過濾該光。
- 一種操作一包含複數個像素的像素陣列之方法，其中該等像素的每個包含一背側照明互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)成像感測器，對於該等像素的每個，該方法包括：將由入射在該像素的一背側上的光產生的電荷累積在該像素的一光電二極體區域內；及將累積在該光電二極體區域內的該電荷轉移到一儲存電容器，其中該儲存電容器定位在該像素的與該背側相反的一前側上且與該光電二極體區域重疊；該方法進一步包括：以一配置在該背側上的微透鏡將該光聚焦到該光電二極體區域上；將該儲存電容器的一第一電極接地到一形成在一配置在一磊晶層中的摻雜井中的接地擴散，其中將累積在該光電二極體區域內的該電荷轉移到該儲存電容器包含經由一轉移閘將該電荷轉移到一配置在該摻雜井內具有與該摻雜井相反導電性類型的浮動擴散，該浮動擴散被耦合到該儲存電容器的一第二電極，其中該摻雜井係配置於與該光電二極體區域重疊在該像素的一前側與該光電二極體區域之間的該磊晶層內。
- 如請求項8之方法，對於每個像素，其進一步包括：在累積該電荷之前，經由暫時啟用一耦合在該光電二極體區域與該儲存電容器的一第一電極之間的轉移電晶 體以及經由暫時啟用一耦合在一電壓導軌與該儲存電容器的該第一電極之間的重設電晶體，重設該光電二極體區域和該儲存電容器；及在累積該電荷與將該電荷轉移到該儲存電容器之間，經由啟用該重設電晶體同時禁用該轉移電晶體，再次重設該儲存電容器。
- 如請求項9之方法，對於每個像素，其進一步包括：經由暫時啟用一選擇電晶體，讀出儲存在該儲存電容器上的該電荷。
- 如請求項8之方法，其中就每個像素轉移在該光電二極體區域內累積的該電荷，包括啟用一全域快門信號以使該像素陣列內的所有像素同時開始轉移該電荷。
- 一種成像系統，其包括：一成像像素的背側照明陣列，其中每個成像像素包含：一光電二極體區域，其用於累積一影像電荷；一儲存電容器，其經耦合以暫時儲存由該光電二極體累積的該影像電荷，該儲存電容器被配置在該成像像素的一前側與該光電二極體區域之間；一轉移電晶體，其用於選擇性地將該光電二極體區域耦合到該儲存電容器；控制電路，其被耦合到成像像素的該背側照明陣列以產生一快門信號用於選擇性地啟用該等成像像素之一或多個的該轉移電晶體；及 讀出電路，其被耦合到成像像素的該背側照明陣列以選擇性地讀出該影像電荷；其中該儲存電容器和轉移電晶體被配置在一於該光電二極體區域之上形成的擴散井內，其中每個成像像素進一步包含一具有與該擴散井相反的導電性類型的浮動擴散，其被耦合到該轉移電晶體且被耦合到該儲存電容器的一第一電極；及一具有與該擴散井相似的導電性類型的接地擴散，其被耦合到該儲存電容器的一第二電極。
- 如請求項12之成像系統，其中該快門信號包括一全域快門信號，該全域快門信號經耦合以同時啟用該等成像像素的該背側照明陣列內的每個轉移電晶體，以利用所有該等成像像素同時捕捉一影像。
- 如請求項12之成像系統，其中成像像素的該背側照明陣列進一步包含：複數個微透鏡，其等配置在成像像素的該陣列的一背側上且每個經對準以將光聚焦到一對應像素上；及一包含兩個或更多個金屬層的金屬堆疊，其配置在成像像素的該陣列的一前側上用於路由信號。
- 如請求項12之成像系統，其中該儲存電容器包括一具有至少兩個重疊介電絕緣層的多層堆疊電容器。
- 如請求項12之成像系統，其中每個像素包括一四元電晶體(「4T」)像素設計，該4T像素設計包含：該轉移電晶體，其耦合在該光電二極體區域與一浮動擴散之間； 一重設電晶體，其耦合到該儲存電容器的一第一電極以重設該儲存電容器上的該影像電荷；一源極隨耦電晶體，其經耦合以從該儲存電容器輸出該影像電荷；及一選擇電晶體，其用於從其他成像感測器像素選擇該成像感測器像素用於讀出。
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