本發(fā)明總體上涉及固態(tài)圖像傳感器，并且更具體地涉及新穎的三維圖像傳感器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

生產(chǎn)的具有CMOS圖像傳感器的可視成像系統(tǒng)顯著地減少了照相機(jī)成本和功率，同時(shí)改善了圖像分辨率并且減少了噪聲。CMOS圖像傳感器通常是片上成像系統(tǒng)（iSoC）產(chǎn)品，其將圖像檢測(cè)和信號(hào)處理與大量支持性知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）塊組合，所述支持性知識(shí)產(chǎn)權(quán)塊包括定時(shí)控制器，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器，參考電壓，A/D轉(zhuǎn)換，圖像處理級(jí)，和其它輔助電路。因此，得到的攝像機(jī)可以使用僅由鏡頭，快門和電池支持的單一CMOS集成電路來(lái)裝配。結(jié)果是越來(lái)越小的照相機(jī)以越來(lái)越低的成本具有越來(lái)越長(zhǎng)的電池壽命。

由CMOS iSoC傳感器提供的改善，尤其包括由其嵌入的iSoC功能能夠?qū)崿F(xiàn)的操作靈活性，也已經(jīng)轉(zhuǎn)化為兩用照相機(jī)的出現(xiàn)，其產(chǎn)生高分辨率靜止圖像和高清晰度視頻兩者。靜止捕獲和視頻采集的這種集中已經(jīng)廢除了專用靜止照相機(jī)和利用先前傳感器技術(shù)，例如CCD生產(chǎn)的傳統(tǒng)攝錄像機(jī)兩者。也已經(jīng)暴露對(duì)甚至更好的兩用圖像傳感器的需要以最佳地執(zhí)行兩種類型的成像。

盡管CMOS iSoC兩用傳感器為許多應(yīng)用生產(chǎn)展示出可接受質(zhì)量的靜止照片（still）和視頻兩者，它們的圖像質(zhì)量遠(yuǎn)低于由器件物理設(shè)置的限制。此外，捕獲質(zhì)量在多樣的照明條件下通常有點(diǎn)降低并且在極端條件下被嚴(yán)重?fù)p害。

挑戰(zhàn)性情形的一個(gè)示例是給直接由太陽(yáng)作為背光的樹(shù)照相；陰影，在受照射葉子上的許多鏡面高光，和直射陽(yáng)光的組合幾乎總是導(dǎo)致次優(yōu)圖像質(zhì)量。背光樹(shù)的視頻捕獲甚至更具挑戰(zhàn)性，尤其是如果風(fēng)與變化的云量相組合；陰影，中間色調(diào)和鏡面高光的這種混雜格外難以以最佳保真度來(lái)進(jìn)行捕獲。進(jìn)一步加入到挑戰(zhàn)的是，這種情況在相對(duì)均勻和良性的照明條件的幾秒內(nèi)頻繁地和動(dòng)態(tài)地出現(xiàn)。捕獲“完美”圖像的挑戰(zhàn)被攝影師朝向最具挑戰(zhàn)性的照明條件傾斜以將照片美感最大化（通過(guò)利用在日出和日落時(shí)的所謂的“魔法時(shí)刻”）的事實(shí)進(jìn)一步復(fù)雜化。

由于圖像傳感器的許多元件通過(guò)直接或非直接方式是光敏感的的事實(shí)，變化的和不穩(wěn)定的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)不僅在曝光時(shí)間期間，而且在所有其它時(shí)間影響最終圖像質(zhì)量。這種寄生信號(hào)捕獲生成降低圖像質(zhì)量的成像偽像。具有內(nèi)部電子快門的傳感器不能防止大量寄生信號(hào)污損圖像捕獲。機(jī)械快門的包含通常有助于防止出現(xiàn)大部分寄生信號(hào)生成。然而，包括機(jī)械快門增加了成本，復(fù)雜性，并且降低了照相機(jī)可靠性；因此存在迫切需要來(lái)消除它的包含。

然而，迄今開(kāi)發(fā)的用于真正阻擋光的最佳方式是機(jī)械快門；所得到的快門抑制比（SRR）可以接近無(wú)窮大，即當(dāng)快門被關(guān)閉時(shí)，在傳感器中的任何地方?jīng)]有檢測(cè)到照射在照相機(jī)上的光。檢測(cè)不必是在實(shí)際光檢測(cè)器上，而是可以代替地在不同電路中的其它地方被拾取以影響性能。傳感器的快門抑制比也經(jīng)常被稱作在光線捕獲無(wú)效時(shí)的周期（即當(dāng)機(jī)械快門將被放置在傳感器前面以便收集零無(wú)用信號(hào)時(shí)的時(shí)期）期間描述其電阻擋光的能力的消光系數(shù)。

具有電子快門的單片傳感器不像當(dāng)使用機(jī)械快門時(shí)那樣對(duì)環(huán)境光看不見(jiàn)。然而，為了進(jìn)一步減少成本，照相機(jī)制造商希望通過(guò)具有提供極高SRR的傳感器制造商供應(yīng)裝置來(lái)消除用于靜止照相機(jī)的機(jī)械快門機(jī)構(gòu)。因此，CMOS iSoC需要具有遠(yuǎn)超過(guò)100dB的SRR，其遠(yuǎn)在現(xiàn)代CMOS和CCD圖像傳感器的消光極限之外。

用于消除機(jī)械開(kāi)關(guān)的一個(gè)方法是生產(chǎn)具有電子卷簾快門的圖像傳感器。圖像以逐行為基礎(chǔ)形成在這些傳感器中使得從第一行的曝光開(kāi)始/結(jié)束到最后一行的曝光開(kāi)始/結(jié)束總是存在一個(gè)幀時(shí)間的延遲。結(jié)果是每行有效地捕獲不同的時(shí)期。無(wú)論對(duì)于靜止捕獲還是視頻，對(duì)于低于約60Hz的捕獲率，令人非常討厭的假象可能隨之而來(lái)，這取決于在場(chǎng)景中移動(dòng)的速率。另一方面，卷簾快門傳感器的整體性能通常優(yōu)于具有全局快門能力的傳感器，其中整個(gè)傳感器捕獲相同的曝光時(shí)期，因?yàn)橄袼馗子谠O(shè)計(jì)和建立；卷簾快門傳感器的信噪比大大地優(yōu)于具有全局快門的那些。

機(jī)械快門另外可以通過(guò)在圖像傳感器中集成電子全局快門來(lái)被代替。在這種類型的傳感器中，每個(gè)像素在單一、相同的曝光周期期間集成其捕獲的信號(hào)。盡管具有更復(fù)雜得多的像素設(shè)計(jì)，傳感器必須在沒(méi)有損害的情況下執(zhí)行，使得測(cè)量的性能是非常高的并且不被裝置設(shè)計(jì)或者工藝技術(shù)限制。直到現(xiàn)在，CMOS全局快門傳感器已經(jīng)展現(xiàn)比競(jìng)爭(zhēng)的CMOS卷簾快門傳感器更低的占空因子和更高的噪聲電平。使用片上系統(tǒng)集成來(lái)生產(chǎn)這些“快照（snapshot）”傳感器還沒(méi)有縮小差距（close the gap）。

用于顯現(xiàn)照相機(jī)產(chǎn)品的CMOS可視成像器中的由片上系統(tǒng)集成提供的優(yōu)點(diǎn)因而已經(jīng)激發(fā)相當(dāng)大的努力以通過(guò)開(kāi)發(fā)高性能全局快門功能來(lái)進(jìn)一步改善有效像素傳感器（APS）裝置。不幸的是，除了較高噪聲，差的占空因子，和對(duì)寄生信號(hào)拾取的脆弱性之外，漸增復(fù)雜的iSoC對(duì)噪聲拾取也更加脆弱。不期望有的拾取尤其可能在最期望的傳感器內(nèi)：能夠高質(zhì)量靜止和視頻捕獲的模式改變傳感器。一個(gè)令人討厭的結(jié)果是增加的噪聲，即相干的時(shí)鐘饋通和固定圖形噪聲兩者，因?yàn)殡p模式使用動(dòng)態(tài)地改變了傳感器自身EMI和時(shí)鐘饋通，從而變化地影響圖像質(zhì)量。

具有快照?qǐng)D像捕獲能力的當(dāng)前圖像傳感器設(shè)計(jì)因而仍需要機(jī)械快門以最有效地執(zhí)行相關(guān)的雙重采樣（CDS），其中從第二曝光的幀減去第一暗幀以便消除傳感器的復(fù)位（或者kTC）噪聲同時(shí)也減少固定圖形噪聲。在沒(méi)有機(jī)械快門的情況下，各種寄生信號(hào)將后CDS噪聲增加到遠(yuǎn)高于通常由在幀減法之間的時(shí)間間隔設(shè)置的基本限制。

在沒(méi)有機(jī)械快門的情況下，具有卷簾快門圖像捕獲能力的現(xiàn)代圖像傳感器設(shè)計(jì)更加有效地工作，因?yàn)榫砗熆扉T電子電路可被用來(lái)將停滯時(shí)間最小化，在其期間傳感器的電路中的一些以直接或者非直接的方式對(duì)光污染是脆弱的。因此遍及傳感器，包括在每個(gè)像素的光檢測(cè)器外部的許多其它光敏位置，通過(guò)謹(jǐn)慎的卷簾快門定時(shí)的停滯時(shí)間最小化限制了不想要的信號(hào)的集成。

用于生產(chǎn)高性能圖像傳感器的嵌入式片上CMOS電路復(fù)雜性的最后的主要缺點(diǎn)在于使用CMOS技術(shù)來(lái)不變地生產(chǎn)這些裝置，該CMOS技術(shù)是通過(guò)以被修改為隨后添加成像方面的“標(biāo)準(zhǔn)”CMOS工藝開(kāi)始來(lái)被開(kāi)發(fā)的。這些事后的修改重新設(shè)計(jì)了用于成像的CMOS技術(shù)，即使底層技術(shù)被起初優(yōu)化用于大量生產(chǎn)片上數(shù)字系統(tǒng)。

第一個(gè)結(jié)果是這些CMOS“圖像傳感器”（CIS）工藝具有許多掩模層，從而增加了與制造相關(guān)的成本。

第二個(gè)結(jié)果是得到的CMOS成像過(guò)程在遠(yuǎn)落后于現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)處提供數(shù)字邏輯使得在CMOS圖像傳感器中摩爾定律的益處未被充分地利用。

在近十年內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果無(wú)可爭(zhēng)辯地表明的最終結(jié)果是在這些單片CIS工藝中正確地優(yōu)化光電二極管質(zhì)量已經(jīng)是不可能的；盡管平均暗電流大致比得上用商業(yè)的CCD生產(chǎn)常規(guī)獲得的暗電流，但是當(dāng)與科學(xué)上的CCDS相比時(shí)，該暗電流更高，并且最讓人難以忍受的是，缺陷像素的數(shù)目要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，集成的工藝整合仍更適合于數(shù)字邏輯而不是更精密的光電探測(cè)器。這種缺點(diǎn)不是驚人的，因?yàn)閮H最近有對(duì)高質(zhì)量傳感器的足夠的生產(chǎn)要求以證明在世界半導(dǎo)體代工廠特別開(kāi)發(fā)了優(yōu)化的CIS工藝。

然而開(kāi)發(fā)優(yōu)化的CMOS圖像傳感器工藝將需要特別以圖像傳感器為目標(biāo)的非常昂貴的半導(dǎo)體工藝開(kāi)發(fā)，所述圖像傳感器相對(duì)于仍驅(qū)動(dòng)大得多的產(chǎn)量的主流消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)說(shuō)具有迥然相異的要求，本發(fā)明提供了更易處理的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是混合型成像傳感器，其最佳地被配置為分別優(yōu)化像素性能，包括光電二極管質(zhì)量，和iSoC集成。成像SoC可以以極低的暗電流來(lái)用零像素缺陷節(jié)省成本地制造，同時(shí)也使用最新可用的技術(shù)節(jié)點(diǎn)用以執(zhí)行SoC集成。

本發(fā)明的圖像傳感器通過(guò)使用出現(xiàn)的用于垂直集成的技術(shù)來(lái)被構(gòu)造，如由美國(guó)專利No.6,504,141和6,476,375舉例說(shuō)明的，其中光檢測(cè)層與下面的信號(hào)處理器層分離。可以使用用于垂直結(jié)合三維集成電路（3D-IC）的其它方式，例如美國(guó)專利No.6,902,987的直接結(jié)合互連技術(shù)。

本發(fā)明通過(guò)使用PMOS技術(shù)分別構(gòu)造優(yōu)化的光檢測(cè)層來(lái)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改善以提供來(lái)自光電二極管和第一級(jí)放大器兩者的未被損害的像素性能。在光檢測(cè)層中制作的PMOS晶體管具有比在深亞微米CMOS工藝中精心制作的PMOS裝置優(yōu)良得多的性能，從而改善了性能并且潛在地消除了閃爍噪聲。相對(duì)于信噪比和供應(yīng)優(yōu)良的PMOS晶體管到3D-IC中的其它電路塊兩者來(lái)改善了性能。

圖7和8比較用優(yōu)化的PMOS技術(shù)可獲得的讀出噪聲對(duì)比用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)可獲得的讀出噪聲，其中源極跟隨器形成在NMOS中，該NMOS具有比在通常鑄造工藝中容易獲得的閃爍噪聲更低的閃爍噪聲，即與容易可得到的相比非常好。即使這樣，PMOS全局快門可能在5fF的感測(cè)電容下產(chǎn)生1e-（或者空穴）的讀出噪聲。NMOS全局快門電路代替地在5.5fF下具有3.5e-的讀出噪聲。對(duì)長(zhǎng)期發(fā)展更重要的是，PMOS解決方案隨著感測(cè)電容降低趨于遠(yuǎn)低于1e-，而NMOS解決方案遠(yuǎn)高于2e-達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)所需的最大阱容（full well capacity），本發(fā)明因此能夠?qū)⑷挚扉TSNR從10dB的最小值改善到超過(guò)15dB。假定NMOS閃爍噪聲常規(guī)地由許多CIS工藝來(lái)展現(xiàn)，這個(gè)優(yōu)勢(shì)增加了至少又一個(gè)6dB。

本發(fā)明通過(guò)能夠在感光層之下和下面的信號(hào)存儲(chǔ)層之上實(shí)現(xiàn)光阻擋層來(lái)大大地改善所得到的全局快門傳感器的快門抑制比。在下面的CMOS層中信號(hào)存儲(chǔ)被完全隔離。

本發(fā)明也大大地改善了用于在3D-IC iSOC中嵌入另外功能的能力。信號(hào)處理層被形成在感光層和光阻擋互連層的下面。信號(hào)處理層可以在甚至最新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)處以幾乎任何可用的CMOS技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)。

另一方面，交替地使用極成熟的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，信號(hào)處理層可以代替地以最節(jié)省成本的CMOS工藝來(lái)生產(chǎn)，該技術(shù)節(jié)點(diǎn)代替地減少了開(kāi)發(fā)成本和生產(chǎn)成本兩者。

在任一情況下，多種數(shù)字CMOS技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)包含提供高的信號(hào)存儲(chǔ)效率的高值電容器，例如溝槽電容器，使用高容量電介質(zhì)的替代電容器等。因此，快照像素的采樣電容器可以利用盡可能大的電容制造以抑制其kTC噪聲。

因此，本發(fā)明是全局快門3D-IC iSOC，其提供當(dāng)前從用目前可用的技術(shù)制作的主流CMOS iSOC不可得到的下列屬性：

? 很少的或者零像素缺陷

? 具有超低噪聲和100%填充因子的全局快門像素

? 160dB或者更高的高快門抑制比

? 通過(guò)利用遍及混合型傳感器（3DIC）使用的垂直互連技術(shù)來(lái)用于像素中并且潛在地遍及iSOC使用的高質(zhì)量PMOS晶體管。

附圖說(shuō)明

通過(guò)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明將被容易地理解，其中相似的參考數(shù)字指示相似的結(jié)構(gòu)元件，并且其中：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的混合型結(jié)構(gòu)的層；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的混合型結(jié)構(gòu)的主電路部件的布局；

圖3是示出具有采樣和保持的有效像素電路可如何在PMOS和CMOS層之間被劃分的示例的原理圖；

圖4是示出具有相關(guān)的雙重采樣的有效像素電路可如何在PMOS和CMOS層之間被劃分的示例的原理圖；

圖5是示出電容性跨導(dǎo)放大器（CTIA）如何具有全局快門以及采樣和保持的示例的原理圖；

圖6是示出具有全局快門、采樣和保持以及相關(guān)的雙重采樣的電容性跨導(dǎo)放大器（CTIA）如何在PMOS和CMOS層之間被劃分的示例的原理圖，其中電容器被形成在中間層中；

圖7是假定具有PMOS源極跟隨器的全局快門像素電路的讀出噪聲估計(jì)的Mathcad?曲線，其展示出“優(yōu)化的”PMOS閃爍噪聲行為；和

圖8是假定具有NMOS源極跟隨器的全局快門像素電路的讀出噪聲估計(jì)的Mathcad?曲線，其展示出“很好的”NMOS閃爍噪聲行為。

具體實(shí)施方式

提供下面的描述以使得任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠作出和使用本發(fā)明并且提出闡明由發(fā)明人想到的用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。然而，各種修改將仍然是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的。任何和所有這樣的修改，等價(jià)物和替代旨在落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。

本發(fā)明是新穎的圖像傳感器結(jié)構(gòu)，其克服了現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像傳感器的限制，同時(shí)在不需要使用機(jī)械快門的情況下提供超過(guò)100dB并且甚至超過(guò)160dB的SRR。更具體地，根據(jù)本發(fā)明，用于有效像素傳感器陣列的電路部件被分離并且被垂直地布置在混合型芯片結(jié)構(gòu)中的至少兩個(gè)不同的層中。頂層優(yōu)選地使用低噪聲PMOS制造工藝來(lái)制造，并且包括用于每個(gè)像素的光電二極管和放大器電路。底層優(yōu)選地使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來(lái)制造，并且包括NMOS像素電路部件和信號(hào)處理所需的任何數(shù)字電路。

通過(guò)在為形成下一代成像像素所需的超低噪聲部件優(yōu)化的PMOS工藝中形成頂層，與使用為成像傳感器和/或數(shù)字集成電路構(gòu)成的單片CMOS工藝相比，像素性能被大大地改善。此外，因?yàn)閿?shù)字電路現(xiàn)在在物理上和哲學(xué)上（philosophically）與成像電路分離，其可以使用幾乎任何標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝并且可能地以最近可用的技術(shù)節(jié)點(diǎn)來(lái)被制造。從許多單一業(yè)務(wù)半導(dǎo)體代工廠可用的這種標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝被優(yōu)化用于電路速度和制造成本，而不是用于生產(chǎn)圖像傳感器。

相比之下，今天的單片CMOS圖像傳感器（CIS）工藝通常支持使用落后現(xiàn)有技術(shù)至少幾代的技術(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字邏輯。例如，幾個(gè)CIS工藝支持具有90nm技術(shù)的數(shù)字邏輯而45nm數(shù)字技術(shù)處在廣泛的制造中。

而且形成鮮明對(duì)比的是，從有限數(shù)目的半導(dǎo)體代工廠可用的CMOS圖像傳感器（CIS）工藝用下面的集成電路工藝技術(shù)將光檢測(cè)器集成，其通常具有對(duì)數(shù)字IC生產(chǎn)的傳承；能夠?qū)崿F(xiàn)用于數(shù)字電路的廣泛的IP庫(kù)支持的該折中相對(duì)于最終可能損害了在生產(chǎn)中可提供的光電二極管質(zhì)量。雖然通過(guò)在其中較低質(zhì)量圖像產(chǎn)品是可接受的市場(chǎng)，例如蜂窩電話市場(chǎng)上集中生產(chǎn)，或者通過(guò)在支持性的電子設(shè)備中加入重要的圖像處理，這樣的構(gòu)成已經(jīng)被賦予商業(yè)實(shí)踐，但是由甚至最不昂貴的電荷耦合裝置（CCD）制造商提供的光檢測(cè)器質(zhì)量未被損害的CIS技術(shù)復(fù)制。

當(dāng)前的CIS工藝需要大約40至50個(gè)掩模步驟來(lái)制造具有濾色器，微透鏡和高達(dá)四級(jí)的金屬層支持的彩色成像傳感器。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字CMOS工藝技術(shù)需要像30一樣少的掩模層?？梢岳糜上?到14一樣少的掩模層完成將釘扎光電二極管與PMOS晶體管和最少的兩個(gè)金屬級(jí)集成。不像CMOS裝置中的光檢測(cè)器那樣，其被在建造光檢測(cè)器所需的那些步驟之外的許多工藝步驟影響，PMOS裝置中的光檢測(cè)器被完全優(yōu)化并且被提供在原來(lái)的狀態(tài)中。

因此，通過(guò)將兩個(gè)層組合成堆疊結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化的頂層（和任何中間層）起作用以能夠?qū)崿F(xiàn)類似CCD的光檢測(cè)器質(zhì)量的生產(chǎn)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較低層的完全光學(xué)屏蔽。在不需要機(jī)械快門的情況下，所得到的屏蔽因而允許所需的光生成的電荷被存儲(chǔ)并且被光電保護(hù)。

兩層結(jié)構(gòu)有效地形成三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其對(duì)垂直地集成全局快門像素是理想的，其不僅提供低的光電二極管噪聲和暗電流，而且提供具有極低閃爍噪聲的低噪聲放大，具有非常高的不透明度的下面的光阻擋層，和在下面的CMOS層中用于設(shè)置全局快門操作所需的采樣和保持電容器的理想地方。因?yàn)殡娙萜髟跇?biāo)準(zhǔn)數(shù)字工藝技術(shù)中被形成，替代的高電容工藝模塊是可用的，包括溝槽電容器和替代的高介電常數(shù)電介質(zhì)。

因此，通過(guò)將兩個(gè)半導(dǎo)體層組合成堆疊結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)較低層的完全光學(xué)屏蔽，無(wú)縫地集成超低噪聲電路和光電二極管層，并且也能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)兩倍于用于像素電路的基板面（real estate），本發(fā)明在最小性能損害的情況下，便于以全局快門模式的像素操作。在操作時(shí)，在上層中的第一存儲(chǔ)位置存儲(chǔ)由電子快門限定的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景內(nèi)容。位于較低層中的第二存儲(chǔ)位置處理從動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)绞鼙Ｗo(hù)節(jié)點(diǎn)的“快照”數(shù)據(jù)，該受保護(hù)節(jié)點(diǎn)通過(guò)新的架構(gòu)既在光學(xué)上又在電學(xué)上與光檢測(cè)器隔離。

用于對(duì)相同的快照時(shí)期同時(shí)捕獲在整個(gè)傳感器中每個(gè)像素處的快照?qǐng)D像的特定裝置也被稱作全局快門像素。在單片CIS工藝技術(shù)中集成的全局快門像素經(jīng)受過(guò)多的噪聲，導(dǎo)致降低的SNR，相對(duì)差的SRR，因?yàn)榉駝t其幾乎不可能既在光學(xué)上又在電學(xué)上隔離快照存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，和歸因于在可用區(qū)域中的許多電路元件的太大的像素間距。

在圖1中示出本構(gòu)思的特定實(shí)施例。在這個(gè)圖中，使用低噪聲PMOS工藝制造頂部晶片1，以形成高質(zhì)量光電二極管，其總體上具有比在標(biāo)準(zhǔn)CMOS中可能的像素缺陷更少的像素缺陷。這個(gè)晶片1也需要較少的掩模，并且因此具有相對(duì)低的成本。

從其背面照射在圖1中的上層，PMOS層，因?yàn)槠湟呀?jīng)被翻轉(zhuǎn)以便直接地將PMOS電路和光電二極管層連接到第二CMOS層。在生產(chǎn)中在互連前或者互連后頂層被變薄到在50和5微米之間并且隨后被鈍化以遍及可見(jiàn)光譜來(lái)將光載流子吸收最大化。這種變薄目前通過(guò)在犧牲襯底，例如SOI或者SIMOX晶片上制造PMOS層，或者通過(guò)借助CMP（化學(xué)機(jī)械平面化）或背面研磨機(jī)械地去除整個(gè)傳感器襯底來(lái)執(zhí)行。

可以使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS處理來(lái)形成一個(gè)或多個(gè)較低層2，其具有以比目前CMOS圖像傳感器（CIS）技術(shù)更低的成本來(lái)支持低功率數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)。此外，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的CMOS晶片將包括多個(gè)金屬層，在不需要機(jī)械快門的情況下，這提供電荷存儲(chǔ)元件的加強(qiáng)的光學(xué)屏蔽。另一個(gè)益處是在另外的基板面現(xiàn)在對(duì)傳感器設(shè)計(jì)者可用的情況下，更高值電容器可被形成在CMOS層2中，進(jìn)一步改善了整體傳感器性能。

可以使用WoW（晶片上晶片）封裝技術(shù)將晶片結(jié)合在一起，產(chǎn)生堆疊的或者三維混合型圖像傳感器，其中頂部PMOS晶片1通過(guò)WoW互連層3結(jié)合到較低CMOS晶片2。而且，因?yàn)閳D像傳感器電路現(xiàn)在被劃分到至少兩個(gè)層中，芯片的整個(gè)表面面積可以被減少，導(dǎo)致用于每個(gè)層的較小管芯尺寸。

在圖2中示出更加詳細(xì)的優(yōu)選實(shí)施例。這個(gè)圖示示出在背景技術(shù)中的本發(fā)明的實(shí)施例的截面圖10并且圖示出各種特征或者傳感器是如何被映射到實(shí)施例的頂視圖20的。如圖示的，在頂層12的頂部的中心122中形成釘扎光電二極管的像素陣列和PMOS源極跟隨器放大器。在PMOS中制造光電二極管和放大器電路導(dǎo)致比傳統(tǒng)的CMOS傳感器更低的本底噪聲（noise floor）（1e-對(duì)比3e-），和更低的暗電流。覆蓋像素陣列122的是微透鏡和濾色器121的矩陣?？裳刂袼仃嚵械倪吘壭纬扇绫绢I(lǐng)域中已知的可選“黑色”像素。

環(huán)繞像素陣列122的外圍，可以形成柱緩沖器123，124和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的PMOS部分。存在通過(guò)在PMOS和CMOS層之間分裂ADC而得到的大的性能優(yōu)點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS成像器中，ADC通常被限制到10比特分辨率。這是由于NMOS限制1/f噪聲和閾值電壓匹配的事實(shí)，其引起較高的閃爍噪聲和較低的分辨率。然而，在PMOS的情況下，存在低得多的1/f噪聲因此需要較小的錯(cuò)誤糾正，導(dǎo)致高達(dá)16比特的分辨率。也存在更好得多的閾值電壓匹配以能夠?qū)崿F(xiàn)較高的基本分辨率（base resolution）。

在PMOS層中形成柱緩沖器的至少一部分也降低了相關(guān)聯(lián)的讀出噪聲。在較低讀出噪聲的情況下，黑色鉗位（black clamp）功能更加高效。而且，由于降低的噪聲電平，電路設(shè)計(jì)者可以選擇增加增益和幀速率。利用這種高質(zhì)量P-FET，簡(jiǎn)單的變換器可以提供100或者更多的增益，而利用共陰共柵放大器配置，增益可以是10000或者更多。在標(biāo)準(zhǔn)的深亞微米技術(shù)中可用的P-FET產(chǎn)生變換器安培數(shù)，其開(kāi)環(huán)增益至多在個(gè)位數(shù)的級(jí)別。

隨著由較低噪聲PMOS層產(chǎn)生的ADC性能的改善，ADC功率可以降低了高達(dá)9/10，并且仍然生成12-14比特分辨率。

在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS層18中，溝槽電容器和NMOS FET被形成在頂層12的像素陣列部分122下面的區(qū)域181中。溝槽電容器可以具有相對(duì)大的尺寸，并且因?yàn)樗鼈儽唤饘賹悠帘?，存?chǔ)的電荷不被照射在頂層12中的像素元件上的光影響。在許多先前的CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)中，使用的電容器實(shí)際上被形成為P/N結(jié)，并且不是“真實(shí)的”電容器。本架構(gòu)提供簡(jiǎn)單的方案來(lái)建造實(shí)際電容器，其可以進(jìn)一步改善傳感器性能。這允許制造具有大的SRR（>160dB）的圖像傳感器，同時(shí)不需要外部的機(jī)械快門。

柱緩沖器和ADC的NMOS部分被設(shè)置在頂層12的PMOS ADC和柱緩沖器區(qū)123，124下面的CMOS層18的外圍183，184上。使用晶片上晶片（WoW）結(jié)合工藝將頂層12和CMOS層18結(jié)合在一起。通過(guò)穿過(guò)WoW結(jié)合層14的通孔將主陣列部分122，181和外圍部分123，124，183，184連接。

阻擋層16優(yōu)選地設(shè)置在頂層和底層之間以便屏蔽NMOS部件免受光影響。這個(gè)層可以是物理上分離的層，或者可以被形成為每個(gè)層的一部分。而且，電容器可以被形成在阻擋層自身中，提供設(shè)計(jì)布局和性能靈活性。

另外，圖像傳感器包括數(shù)字電路環(huán)182，185（即數(shù)字“紐伯格林（Nurburgring）”或者圍繞像素陣列的跑道橢圓形）。如可在頂視圖20中看到的，數(shù)字電路環(huán)可以圍繞傳感器芯片的整個(gè)外圍延伸，并且其包括數(shù)字信號(hào)處理電路以處理像素陣列的輸出。這個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是這將熱生成邏輯電路置于芯片邊緣處，其可以顯著地減小像素陣列內(nèi)的傳感器溫度。

因此，本架構(gòu)允許構(gòu)造片上圖像傳感器系統(tǒng)（iSoC），其中PMOS形成優(yōu)良的光電二極管和像素放大器，同時(shí)仍然為后端處理電路提供CMOS的成本和性能益處。因?yàn)殡姾纱鎯?chǔ)電容器可以被放置在較低的層中，在不需要外部機(jī)械快門的情況下，傳感器另外提供信號(hào)存儲(chǔ)元件的光學(xué)屏蔽。

圖3-6示意地圖示出可以如何為不同的有效像素電路在PMOS和CMOS層之間劃分各種像素部件。圖3圖示出實(shí)施例，其中使用源極跟隨器放大器（在虛線左邊的部件）的“4T”有效像素電路和釘扎光電二極管被形成在PMOS層中，并且采樣和保持（S/H）電路（在虛線右邊的部件）是形成在CMOS層中的NMOS裝置。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以將實(shí)際的本底噪聲從在當(dāng)前CMOS設(shè)計(jì)中的3e-減小到小于1e-。

圖4圖示出具有相關(guān)雙重采樣（CDS）的像素電路的實(shí)施例。再次地，釘扎光電二極管和源極跟隨器部件被形成在PMOS層中，并且CDS電路（在虛線右邊的部件）被形成在具有NMOS FET的CMOS層中。這個(gè)實(shí)施例使得旁路電容器能夠被形成在CMOS裝置中，例如作為在光阻擋金屬層中的MIM電容器，或者通過(guò)互連層來(lái)被形成。盡管例如美國(guó)專利No.6,902,987的直接結(jié)合互連技術(shù)通常導(dǎo)致形成歐姆接觸，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員領(lǐng)會(huì)到可以修改垂直互連工藝以留下電介質(zhì)間隙，從而形成用于這個(gè)特定實(shí)施例的必要類型的原位電容器。

圖5是具有全局快門采樣和保持電路的電容性跨導(dǎo)放大器（CTIA）的像素電路的原理圖。釘扎光電二極管和PMOS FET（在虛線左邊的部件）被設(shè)置在PMOS層中，并且NMOS部件被設(shè)置在CMOS層中。

圖6圖示出具有全局快門采樣和保持電路的電容性跨導(dǎo)放大器（CTIA）和CDS的像素電路的替代實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，釘扎光電二極管和支持的PMOS晶體管被形成在PMOS層中。然而，CDS電容器61被形成在中間層、例如圖2的金屬阻擋層中，并且其余的部件被形成在CMOS層中。這個(gè)結(jié)構(gòu)允許在不影響其它層的設(shè)計(jì)的情況下，在中間層中形成非常大的電容器。

本設(shè)計(jì)構(gòu)思也可以被應(yīng)用到在CMOS圖像傳感器架構(gòu)上的CMOS。頂層可以被形成在CMOS而不是PMOS中。這將導(dǎo)致較高的噪聲電平，但仍將提供所有電子快門的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)殡姾纱鎯?chǔ)元件仍將被屏蔽。而且，這個(gè)配置可以被用來(lái)開(kāi)發(fā)非常小的傳感器，因?yàn)橥鈬娮釉O(shè)備可以很容易被掩埋在較低的層中。可替代地，在頂層中使用CMOS能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的電路的集成，用于許多新興的應(yīng)用，例如用于為場(chǎng)景內(nèi)容傳遞深度信息的渡越時(shí)間傳感器。

對(duì)照傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器，本文描述的獨(dú)特的圖像傳感器架構(gòu)提供許多優(yōu)點(diǎn)。具體地，圖像傳感器可以被形成為具有大于100db、并且甚至大于160dB的SNR。通過(guò)在阻擋層下面光學(xué)地屏蔽信號(hào)存儲(chǔ)電容器，傳感器可以在不需要外部機(jī)械快門的情況下提供“全局快門”操作。這可以減少與設(shè)計(jì)數(shù)字靜物照相機(jī)相關(guān)聯(lián)的成本。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到剛剛描述的優(yōu)選實(shí)施例的各種改編和修改可以被配置為不脫離本發(fā)明的范圍和精神。因此，應(yīng)該理解在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以不同于如本文特定描述的那樣來(lái)實(shí)施本發(fā)明。