像素单元及成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像传感器。特定来说，本发明的实施例涉及堆叠图像传感器。
【背景技术】
[0002]图像捕获装置包含图像传感器及成像透镜。成像透镜将光聚焦到图像传感器上以形成图像，且图像传感器将光转换成电信号。将电信号从图像捕获装置输出到主机电子系统的其它组件。举例来说，所述电子系统可为移动装置、计算机、数码相机、医疗装置等等。
[0003]需要不断减小图像传感器的大小并提高图像传感器的性能。影响图像传感器像素单元的性能的因素包含图像电荷转移效率、图像滞后及读出像素噪声。用于减少图像滞后的已知方法包含升高浮动扩散区电压。然而，升高浮动扩散区电压所带来的一个缺点为可能需要到像素单元的额外升压线，这因此需要像素单元的额外金属线且因此增加像素单元的大小。用于减少图像滞后的另一已知方法为增大像素单元的转移晶体管的电压摆幅以便使浮动扩散区电压升高。然而，此方法的缺点为增大转移晶体管的电压摆幅需要像素单元的额外电路，这增大像素大小、成本及复杂性。
【发明内容】
[0004]在一个方面中，本发明提供一种像素单元，其包括:光电二极管，其安置在第一半导体芯片内以响应于入射在所述光电二极管上的光而积累图像电荷；转移晶体管，其安置在所述第一半导体芯片内且耦合到所述光电二极管以从所述光电二极管转移所述图像电荷；偏置电压产生电路，其安置在第二半导体芯片内以用于产生偏置电压，其中所述偏置电压产生电路耦合到所述第一半导体芯片以使用所述偏置电压来偏置所述光电二极管，其中所述偏置电压相对于所述第二半导体芯片的接地电压是负的；以及浮动扩散区，其安置在所述第二半导体芯片内，其中所述转移晶体管经耦合以将所述图像电荷从所述第一半导体芯片上的所述光电二极管转移到所述第二半导体芯片上的所述浮动扩散区。
[0005]在另一方面中，本发明提供一种成像系统，其包括:像素阵列，其包含多个像素单元，其中所述像素单元中的每一者包含:光电二极管，其安置在第一半导体芯片内以响应于入射在所述光电二极管上的光而积累图像电荷；转移晶体管，其安置在所述第一半导体芯片内且耦合到所述光电二极管以从所述光电二极管转移所述图像电荷；偏置电压产生电路，其安置在第二半导体芯片内以用于产生偏置电压，其中所述偏置电压产生电路耦合到所述第一半导体芯片以使用所述偏置电压来偏置所述光电二极管，其中所述偏置电压相对于所述第二半导体芯片的接地电压是负的；以及浮动扩散区，其安置在所述第二半导体芯片内，其中所述转移晶体管经耦合以将所述图像电荷从所述第一半导体芯片上的所述光电二极管转移到所述第二半导体芯片上的所述浮动扩散区；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；以及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素读出经放大图像数据。
【附图说明】
[0006]参考以下图式描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中除非另有指示，否则相同参考数字在各种视图中指代相同部件。
[0007]图1A展示根据本发明的教示的像素单元的一个实例示意图。
[0008]图1B展示在根据本发明的教示的像素单元中利用的实例第一及第二半导体芯片的部分的横截面说明。
[0009]图1C展示说明在根据本发明的教示的像素单元中累积图像电荷且随后转移图像电荷的图示。
[0010]图2展示根据本发明的教示的像素单元的另一实例示意图。
[0011]图3展示根据本发明的教示的像素单元的又另一实例示意图。
[0012]图4展示根据本发明的教示的像素单元的又另一实例示意图。
[0013]图5展示根据本发明的教示的包含阵列像素单元的成像系统的经堆叠第一及第二半导体芯片。
[0014]图6为说明根据本发明的教示的包含像素单元阵列的成像系统的框图。
[0015]对应的参考字符贯穿图式的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是出于简化及清楚目的而说明且不一定是按比例绘制。举例来说，图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。并且，通常未描绘在有商业可行性的实施例中有用或有必要的常见而容易理解的元件，以促进更容易地查看本发明的这些各种实施例。
【具体实施方式】
[0016]本文中揭示用于实施具有单独偏置芯片的堆叠图像传感器中的实例像素单元的方法和设备。在以下描述中，陈述许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中描述的技术可在没有所述具体细节中的一或多者的情况下实践或以其它方法、组件或材料等等实践。在其它情况中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。
[0017]贯穿本说明书的对“一个实施例”或“一实施例”的参考意谓结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实例中”或“在一实施例中”在贯穿本说明书的各种地方的出现不一定全都指代相同实施例。此外，在一或多个实例中，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合。
[0018]贯穿本说明书使用若干技术领域术语。这些术语具有其所来自的技术领域中的其一般含义，除非本文中明确定义或其使用上下文另有清楚指示。举例来说，术语“或”是以包含性意义使用(例如，如在“及/或”中)，除非上下文另有清楚指示。
[0019]如将展示，揭示了堆叠芯片方案中的具有单独偏置芯片的图像传感器中的像素单元的实例。在各种实例中，将像素单元的钉扎光电二极管的衬底偏置在与包含像素单元的浮动扩散区的单独衬底的接地电压相比的负电压下。举例来说，在一个实例中，钉扎光电二极管偏置在-0.7伏特下，而包含浮动扩散区的单独衬底的接地电压偏置在零伏特下。根据本发明的教示，在相比于包含浮动扩散区的单独衬底的零伏特偏置的对光电二极管的负偏置电压下，提高了从光电二极管通过转移晶体管到浮动扩散区的图像电荷转移效率。在一个实例中，根据本发明的教示，使用具有共源极耦合晶体管的放大器电路来放大负偏置光电二极管，这减少来自像素单元的图像数据的读出噪声。
[0020]为进行说明，图1A展示根据本发明的教示的像素单元100的一个实例示意图。如所描绘的实例中所展示，在包含堆叠且耦合在一起的第一半导体芯片120及第二半导体芯片122的堆叠芯片方案中实施像素单元100。在一个实例中，第一半导体芯片120为传感器芯片且第二半导体芯片122为专用集成电路(ASIC)芯片。
[0021]在所说明的实例中，像素单元100包含安置在第一半导体芯片120中的光电二极管102。在一个实例中，光电二极管102为钉扎光电二极管(pro)，钉扎光电二极管(pro)响应于入射在光电二极管102上的光103而积累图像电荷。转移晶体管104安置在第一半导体芯片120内且耦合到光电二极管102以从光电二极管102转移所积累的图像电荷。
[0022]图1A中的实例展示，偏置电压产生电路118安置在第二半导体芯片122内以产生偏置电压124。在一个实例中，根据本发明的教不，偏置电压产生电路118包含负电荷栗电路以产生负偏置电压124(例如，-0.