[发明专利]像素单元和形成方法以及成像系统组件

说明书

一种像素单元，包括一光电二极管，一读出电路，及一垂直通道传输晶体管。所述光电二极管设置于第一半导体芯片的第一基底内，累积图像电荷以响应于入射光到光电二极管。所述读出电路设置于第二半导体芯片的第二基底内。所述垂直通道传输晶体管连接到所述光电二极管和所述读出电路将图像的电荷从所述光电二极管传输到所述读出电路。

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。一个底部芯片包括光感区域阵列和结构以捕获图像。一个顶部芯片包括电路元件以从阵列中获取图像。一个图像传感器可集成用于数字相机内。

背景技术

现有技术中提供了广泛多样的图像采集装置。现有技术中一种典型的图像采集装置包括一个图像传感器和一个成像镜头。成像镜头聚光到图像传感器上形成图像，且图像传感器将光信号转换成电信号。电信号从图像采集装置输出到其他主电路系统的其他组件。图像采集装置和主电路系统的其他组件构成一个图像系统。图像传感器已众所周知且在各种电子系统中常见，例如手机，数字相机，媒体设备，或者计算机中。

一个典型的图像传感器包括一系列光传感图像元件(像素)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，技术继续向前发展。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。

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。

当特定的新电路元件用于内连时，传感器和电路芯片在每个像素元器件互连的叠层图像传感器会得到提升的机会。本发明填补了这些需求，并提供了以下发明内容中描述的进一步的益处。

发明内容

本发明对以下描述的目标在设计和使用过程能产生特定的有益之处。

本发明提供一种像素单元，包括一光电二极管，一读出电路，以及一垂直通道传输晶体管。所述的光电二极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于入射到光电二极管上的入射光。所述的读出电路设置于第二半导体芯片的第二基底内。

所述垂直通道传输晶体管设置于第二半导体芯片的第二基底内，连接于所述光电二极管和所述读出电路以将图像电荷从光电二极管传输到所述读出电路。所述垂直通道传输晶体管为一MOSFET晶体管，包括：

一源极区域，连接到所述光电二极管；

一垂直半导体通道区域，连接到所述源极区域；

一漏极区域，连接到所述垂直半导体通道区域和所述读出电路；以及

一绝缘栅极，紧邻设置在所述垂直半导体通道区域外。

所述垂直半导体通道区域由P型半导体构成，且源极和漏极区域由N型半导体构成。进一步地，所述垂直半导体通道区域由N型半导体构成，且源极和漏极区域由P型半导体构成。