[发明专利]像素单元和形成像素单元的方法及数字相机成像系统

说明书

一种像素单元，包括第一基底，一个或多个传输晶体管，复位晶体管，电容，放大晶体管及读出电路块。所述光电二极管，传输晶体管，复位晶体管和放大晶体管设置于第一半导体芯片的第一基底内，用于累积图像电荷以响应入射到光电二极管上的光。所述读出电路块可部分设置于第二半导体芯片的第二基底内，部分设置于所述第一基底内，所述读出电路块包括可根据应用程序设定可选的滚动曝光读出模式和全局曝光读出模式。全局曝光读出模式提供像素内相关双采样。

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种堆叠芯片结构的CMOS图像传感器的像素单元。底部芯片包括用以捕获图像的光感区域和结构阵列。顶部芯片包括电路元件用以从阵列中获取图像。图像传感器可用于数字相机。

背景技术

图像捕获装置一般包括图像传感器和镜头。镜头聚光到图像传感器以形成图像，图像传感器转换光信号到电信号。电信号从图像捕获装置输出到电子系统的其他组件。图像捕获装置和电子系统的其他组件构成图像系统。图像传感器逐渐应用普遍，在各种电子系统中都可见，例如手机，数码相机，医疗设备，以及计算机等。

一个典型的图像传感器包括一系列光传感图像器件(像素)排列置于两维阵列中。此图像传感器可认为是通过在像素上形成色彩滤镜矩阵(CFA)以产生图像。这种技术过去用于制造图像传感器，尤其是CMOS图像传感器，其技术不断持续向前发展。例如，更高的分辨率和低功耗的需求进一步促进了这些图像传感器的小型化和集成化。然而，小型化会伴随像素光感灵敏度和动态范围的降低，这需要新的方案来解决问题。

随着像素尺寸的降低，基底内总的光吸收程度对某些光来说变得不充足，尤其是波长较长的光。这成为使用光入射到传感器基底的背面的背照(BSI)技术的图像传感器的典型问题。在BSI技术中，传感器硅基底可以是2微米厚，这足够吸收蓝光但不足以吸收红光，红光充分吸收需要大约10微米厚。当特定反射结构设置于BSI图像传感器像素的前面以反射未吸收的光通过像素，提高吸收的长波长光的数量的机会将得到提高。

将已有的图像传感器形成所称的堆叠传感器是众所周知的技术。这种形式中一种典型的设置方式是，像素阵列中的光电二极管或其他光传感元件形成在第一半导体晶片或层，处理光传感元件的信号的相关电路形成在位于第一半导体晶片或层之上的第二半导体晶片或层。第一和第二半导体晶片或层在这里一般分别指传感器芯片和电路芯片。更准确地说，第一和第二半导体晶片沿着许多其他类似的晶片形成于堆叠的第一和第二半导体晶片上，排列整齐相关的晶片内连后，切割成一般称作为半导体芯片的堆叠器件。堆叠的两个芯片可理解为通常惯例的两个晶片堆叠并且被切割成依旧保留堆叠以形成例如一个堆叠图像传感器的电路系统的芯片。当晶片的互连和芯片内的互连涉及分别形成于留在晶片和芯片上的装置时，晶片的互连连接传感器和电路晶片可被看作芯片内的互连。关于这种设置的好处包括最终的图像传感系统与未堆叠设置的情形相比，占用更少的面积。另外一个好处是，不同的生产方法和材料可用于加工单独优化使用的芯片。

两种最普通的读出传感器芯片产生的图像信号的方式是滚动曝光模式和全局曝光模式。滚动曝光模式包括在不同的时间内曝光传感器阵列的不同行并且按选定的顺序读出这些行。全局曝光模式包括同时曝光每一像素并且和操作传统的机械快门相机相同的时间长度。现有的数字图像系统已经实现了滚动曝光或全局曝光的读出模式。成像系统具有两种可选的读出模式是非常有益的。