固态图像捕获元件与照相机系统的制作方法
【专利摘要】以每像素为单位提供固态图像捕获元件以及因此可进行多比特AD转换的照相机系统是可能的，压缩因像素所引发的噪音是可能的，而且以最小的像素进行多比特、高速图像捕获也是可能的。［解决方案］像素包含嵌入式光电二极管（PD）、放大晶体管、以及传送晶体管，其中，放大晶体管形成一个源极跟随器电路，具有作为输入的栅极和作为输出的源极，传送晶体管向放大晶体管的栅极传送电荷，即PD光电转换的电荷。放大晶体管形成于一个半导体基片中，该半导体基片与在其上形成嵌入式PD和传送晶体管的基片电隔离。所述放大晶体管的基片处于浮动状态。加载单元包含一个△∑调制器，该△∑调制器以每像素为单位输入和输出图像信号。把△∑调制器的输出反馈于一个可用于积累像素的电容的电容器部分。
【专利说明】固态图像捕获元件与照相机系统
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及一种包括CMOS图像传感器和照相机系统的固态图像传感器。
【背景技术】
[0002]最近几年，作为图像传感器，CMOS (互补金属氧化物半导体)图像传感器已经取代CCD引起人们的关注。
[0003]其原因在于，CMOS图像传感器克服了以下问题。
[0004]即，C⑶像素的生产需要一种特殊的工艺，其操作需要多个电源电压，另外，为了操作，需要组合多个外部1C。
[0005]CMOS图像传感器克服了诸如系统非常复杂(对CCD而言)的诸多问题。
[0006]对于CMOS图像传感器，就其制造而言，可以使用与通常CMOS型-集成电路的制造工艺类似的制作工艺，单一的电源足够用于驱动，而且使用CMOS工艺的模拟电路或者数字电路可以混合在同一芯片中。
[0007]因此，CMOS图像传感器具有诸如能够减少外部IC的数目的诸多明显优点。
[0008]以上所描述的CMOS图像传感器(以下，将其称为CMOS图像传感器)，作为图像传感器，广泛用于诸如数字照相机、摄像放像机、监视摄像放像机、以及车载照相机的成像设备。
[0009]CXD的主流输出电路为使用具有浮动扩散(FD)层的FD放大器的I通道(ch)输出。
[0010]相比之下，CMOS图像传感器具有针对每一像素的FD放大器，其主流输出为列-并行输出型，其中，选择图像阵列中的一行，并且该行沿列方向同时被读取。
[0011]其原因在于，难以从布置在像素中的FD放大器获得足够的驱动能力，并且数据率需要降低，这使并行处理显现优势。
[0012]已经推出了众多列-并行输出型CMOS图像传感器的信号输出电路。一种这样的所推出的信号输出电路为这样一种类型:对于每一列，其包括模拟-数字转换器件(以下，将其简写为ADC (模拟数字转换器)，并且捕获作为数字信号的像素信号。
[0013]非专利文献I和专利文献I公开了一种安装了列-并行型ADC的CMOS图像传感器。
[0014]另外，为了实现高精度AD转换，推出了一种使用ΛΣ调制器的CMOS图像传感器(例如，参见专利文献2和非专利文献2)。
[0015]引用列表
[0016]专利文献
[0017]专利文献I JP2OO5-32333IA
[0018]专利文献2 JP2OO6-33Ml5A
[0019]专利文献3 JP (日本专利申请)2003-521608A
[0020]专利文献4 JP2006-59857A
[0021]非专利文献
[0022]非专利文献1:W.Yang 等人(W.Yang 等人，“An Integrated800 X 600CM0S ImageSystem, ” ISSCC技术论文文摘，第304-305页，1999年2月)
[0023]非专利文献2:Y.CHae(Y.CHae等人，“A2.lMpixell20frame/s CMOS Image SystemSensor wuth Column-ParalIel Δ Σ ADC Architecture, ” ISSCC2010/SESS10N22
【发明内容】
[0024]技术问题
[0025]顺便提及，在图像的多比特支持中，难以把传统上使用的Nyquist ADC与高速成像相结合地加以使用，特别是当比特的数目为14或者14个以上时。
[0026]例如，根据专利文献3中所公开的技术，实现了列-并行ADC的双倍速。
[0027]然而，这一 技术包括一个样本/保持(S/Η)电路，其缺点在于，导致了所谓的kTC噪
音的叠加。
[0028]专利文档4推出了子-范围/斜率型AD转换技术。
[0029]根据这一技术，在一列中提供了两个ADC，以执行稀疏(sparse)控制和精密(fine)控制的AD转换。在这一技术中，在稀疏控制期间，由所述列中的电流源对电容器进行充电，在精密控制期间，进行电荷的AD转换。
[0030]然而，由于使用了两种ADC，稀疏控制ADC和精密控制ADC，所以导致了噪音叠加。特别是，在向其一个实施例中所示的电容器进行充电的充电类型的情况下，叠加了切换噪
曰?
[0031]专利文献2公开了一种通过在一列中包含一个ΛΣ调制器提高速度的技术。
[0032]更具体地讲，其为一种通过其致使用于根据一个像素读取一列的列电流源针对积分器或者量化器的反馈目的地对电流进行调节的方法。
[0033]然而，根据这一技术，布设面积增大，从而难以设计精密像素，例如，其宽度约为Iym的像素。
[0034]本发明专利提供了能够每像素单位多个像素地进行AD转换、压缩因像素所生成的噪音、以及进行精密像素多比特高速成像的固态图像传感器，以及一种照相机系统。
[0035]问题的解决
[0036]根据本发明专利的第一方面，提供了一种固态图像传感器，包括像素阵列单元，其中排列了多个包括把光信号转换为电信号的光电二极管的像素；以及读取单元，其从像素读取图像信号。像素包括嵌入式光电二极管、放大晶体管、以及传送晶体管，其中，放大晶体管形成一个源极跟随器电路，具有用于输入的栅极和用于输出的源极，传送晶体管向放大晶体管的栅极传送电荷，即光电二极管光电转换的电荷。放大晶体管形成于一个半导体基片中，该半导体基片与在其上形成嵌入式光电二极管和传送晶体管的基片电隔离，而且所述放大晶体管的基片处于浮动状态。读取单元包括一个ΛΣ调制器，该ΛΣ调制器输入/输出每像素单位图像信号，然后，作为反馈，把ΛΣ调制器的输出赋予一个可用于集成像素的电容的电容单元。
[0037]根据本发明专利的第二方面，提供了一种照相机系统，包括固态图像传感器、在图像传感器上形成目标图像的光系统、以及处理图像传感器的输出图像信号的信号处理电路。所述固态图像传感器包括像素阵列单元，其中排列了多个包括把光信号转换为电信号的光电二极管的像素；以及读取单元，其从像素读取图像信号。像素包括嵌入式光电二极管、放大晶体管、以及传送晶体管，其中，放大晶体管形成一个源极跟随器电路，具有用于输入的栅极和用于输出的源极，传送晶体管向放大晶体管的栅极传送电荷，即光电二极管光电转换的电荷。放大晶体管形成于一个半导体基片中，该半导体基片与在其上形成嵌入式光电二极管和传送晶体管的基片电隔离，而且所述放大晶体管的基片处于浮动状态。读取单元包括一个Λ Σ调制器，该Λ Σ调制器输入/输出每像素单位图像信号，然后，作为反馈，把Λ Σ调制器的输出赋予一个可用于集成像素的电容的电容单元。
[0038]本发明的优点
[0039]根据本发明专利，能够每像素单位多个像素地进行AD转换、能够压缩因像素所生成的噪音、以及能够进行精密像素多比特高速成像。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1说明了根据本实施例的CMOS图像传感器(固态图像传感器)的一个配置实例。
[0041]图2说明了根据本实施例的CMOS图像传感器的像素的一个实例。
[0042]图3说明了根据本实施例的ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的一个基本配置。
[0043]图4说明了根据本实施例的像素阵列单元的一个布设实例。
[0044]图5说明了根据本实施例的像素电路的一个简化的部分。
[0045]图6为说明了根据本实施例的像素电路的电荷积累与读取的具体操作的时序图。
[0046]图7说明了根据本实施例的CMOS图像传感器的像素的另一个实例。
[0047]图8说明了ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的一个具体配置实例。
[0048]图9说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第一层叠结构实例。
[0049]图10说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第二层叠结构实例。
[0050]图11说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第三层叠结构实例。
[0051]图12说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第四层叠结构实例。
[0052]图13说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第五层叠结构实例。
[0053]图14说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第六层叠结构实例。
[0054]图15说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第七层叠结构实例。
[0055]图16说明了其中使用了根据本实施例的固态图像传感器的照相机系统的一个配置实例。
【具体实施方式】
[0056]以下，将结合附图描述本发明专利的一个实施例。
[0057]将按以下次序进行描述:
[0058]1.固态图像传感器配置综述
[0059]2.像素电路的基本操作
[0060]3.像素电路的具体操作
[0061]4.像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的层叠结构实例
[0062]5.照相机系统的配置实例
[0063]< 1.固态图像传感器配置综述>
[0064]图1说明了根据本实施例的CMOS图像传感器(固态图像传感器)的一个配置实例。[0065]所述CMOS图像传感器100包括像素阵列单元110、作为像素驱动单元的行选择电路(Vdec)120、以及列读取电路130，列读取电路130具有通过ΛΣ调制器、针对每一列的AD转换功能。
[0066]在本实施例中，AD转换器由一个具有ΛΣ调节功能的ΛΣ调制器形成，例如，AD转换器由配置为能够输入/输出每像素单位像素信号的ΛΣ调制器形成。
[0067]在本实施例中，例如，像素阵列单元110和一部分或者全部列读取电路130由一个层叠结构形成。于是，能够通过作为TSV (通过通路(SiVia))的金属结把由ΛΣ调制器形成的AD转换器电连接于一个开关晶体管。
[0068]像素阵列单元110具有按M行XN列二维形状(矩阵形状)排列的多个像素电路IlOA0
[0069]图2说明了根据本实施例的CMOS图像传感器的像素的一个实例。
[0070]像素电路IlOA包括一个作为光电转换元件的光电二极管(PD，以下，可以将其简单的称为PD) 111。
[0071]于是，对于一个光电二极管111，像素电路IlOA包括4个晶体管:传送晶体管112、重置晶体管113、放大晶体管114、以及选择晶体管115。
[0072]传送晶体管112、重置晶体管113、放大晶体管114、以及选择晶体管115由隔离栅场效应晶体管(FET)形成。在图2的实例中，使用了一个η通道的FET，然而，也可以使用ρ通道的FET。
[0073]此处，说明了 4-晶体管类型像素电路的一个实例，然而，也可以使用包括一个选择晶体管等的3晶体管类型。
[0074]光电二极管111执行把入射光转换为相应于所述光量的数量的电荷(此处，为电子)。
[0075]把传送晶体管112连接在光电二极管111和作为输出结点的浮动扩散FD(以下可以简单地将其称为PD)之间。传送晶体管112具有一个作为通过传送控制线LTRG提供于其栅极(传送门)的控制信号的传送信号TRG。
[0076]于是，传送晶体管112把光电二极管111光电转换的电荷(电子)传送于浮动扩散FD0
[0077]把重置晶体管113连接在电源线LVDD和浮动扩散FD之间，重置晶体管113具有一个作为通过重置控制线LRST提供于其栅极(传送门)的控制信号的重置信号RST。
[0078]于是，重置晶体管113把浮动扩散FD的电位重新设置为电源线LVDD的电位。
[0079]把放大晶体管114的栅极连接于浮动扩散FD。经由选择晶体管115把放大晶体管114连接于信号线1^61以与像素部分之外的恒定电流源Cl共同构成一个源极跟随器电路。
[0080]然后，通过选择控制线LSEL，把一个选择信号SEL作为相应于地址信号的控制信号提供于选择晶体管115，以接通选择晶体管115。
[0081]当接通选择晶体管115时，放大晶体管114放大浮动扩散FD的电位，以把相应于所述电位的电压输出于信号线LSGN。把通过信号线LSGN从每一像素输出的电压输出于列读取电路130。
[0082]例如，按行同时针对每一像素执行这些操作，因为按行连接了传送晶体管112、重置晶体管113、以及选择晶体管115的每一栅极。
[0083]经由开关晶体管140，把像素电路IlOA (例如，浮动扩散FD)连接于Λ Σ调制器(ΔΣ ADC)的反馈系统的输出侧。
[0084]把开关晶体管140形成在与在其上形成像素电路IlOA的基片相分离的基片上，由通过开关线LSSW所提交的开关信号SSW实施对其接通/关闭的驱动控制。
[0085]把布线于像素阵列单元110中的重置控制线LRST、传送控制线LTRG、以及选择控制线LSEL作为一组，布线在像素阵列的行中。
[0086]分别为LRST、LTRG,以及LSEL提供M条控制线。
[0087]由行选择电路120确定重置控制线LRST、传送控制线LTRG、以及选择控制线LSEL。
[0088]例如，由列读取电路130驱动开关线LSSW。
[0089]行选择电路120控制像素阵列单元110中任何一行中的像素的操作。行选择电路120通过控制线LSEL、LRST,以及LTRG控制像素。
[0090]列读取电路130经由信号输出线LSGN接收对其进行控制以由行选择电路120加以读取的像素行数据，并且将所述数据传送于一个相继的信号处理电路。
[0091]列读取电路130包含一个⑶S电路或者ADC (模拟数字转换器)。
[0092]ADC由一个具有ΛΣ调节功能的ΛΣ调制器形成，例如，把由ΛΣ调制器形成的ADC配置为能够输入/输出每像素单位像素信号。
[0093]图3说明了根据本实施例的ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的一个基本配置。
[0094]ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)200包括至少一个积分器210、量化器220、以及形成至像素电路IlOA的反馈系统的一部分的DAC230。通过开关晶体管140把DAC230的输出端连接于像素电路IlOA的浮动扩散FD。
[0095]ΛΣ调制器通过积分器210和量化器220把从像素电路IlOA所获得的信号作为I个比特的数据加以输出。
[0096]ΛΣ调制器具有把I个比特的数据转换为排列在量化器输出侧的多个比特的数据的抽选(decimation)电路(抽选过滤器)240。
[0097]以下的描述集中于像素阵列单元110的像素电路和连接于像素电路的ΛΣ AD转换器的一个具体的配置、层叠结构、以及连接状态。
[0098]在根据本实施例的CMOS图像传感器100中，浮动扩散FD (或者I3Dl 11)执行Λ Σ
方案的ΛΣ调节。
[0099]当浮动扩散FD或者PDlll执行Λ Σ调节时，形成一个执行至FD或者H)的反馈选取的切换器(图2中的开关晶体管140)。
[0100]在一个与像素的roil和像素电路IiOA的基片相分离的基片上形成ΛΣ调制器(ΔΣ ADC) 200。
[0101]如以上所描述的，像素电路IIOA和Λ Σ调制器(ΛΣ ADC) 200具有一个通过作为
TSV的金属连接建立至开关晶体管140的电连接的结构。
[0102]反馈(FB)系统允许至执行集成的FD或者H)的电容的电连接。换句话说，可以把FD或者ro用作一个可用于集成像素的电容的电容单元。
[0103]另外，例如，把I个比特的数据转换为多个比特的数据的抽选电路具有形成在一个与像素电路IlOA的基片相分离的基片上的结构。[0104]图4说明了根据本实施例的像素阵列单元的一个布设实例。
[0105]为了易于理解，图4的实例说明了一种不包含图2中的选择晶体管的3晶体管类型。
[0106]在本实施例中，把放大晶体管114形成在与在其上形成嵌入式PDlll和传送晶体管112的基片相电分离的半导体基片(或者阱)SUBamp上。通过一个SOI结构，把在其上形成放大晶体管114的基片SUBamp连接于放大晶体管114的源极，或者令其保持为浮动状态。
[0107]图5说明了根据本实施例的像素电路的一个简化的部分。
[0108]图5说明了相应于图4中3晶体管像素电路的一个简化的部分。
[0109]像素电路IlOB具有一个针对外延地形成在一个晶片上的η-型层151中的像素的P-阱区域152。在P-阱区域152上形成构成一个像素的光电二极管(PD111)、传送晶体管112、重置晶体管113、以及放大晶体管114。
[0110]光电二极管(PD)Ill具有一个形成在η-型积累层153基片表面侧的P-型层154，其作为所谓的“嵌入式光电二极管”形成，其中，把信号电荷积累层夹在P-型层154和相对的导电层152之间。
[0111]在本实施例中，采用了其中把η-型积累层153夹在基片的表面侧的P-型层154和P-阱区域152之间的HAD (空穴积累二极管)类型。
[0112]然后，在η-阱区域155中与P-阱区域152中的光电二极管111并行地形成放大晶体管114。把η-阱区域155与光电二极管111的η-型积累层153相隔一个ρ-型层157。
[0113]传送晶体管112的漏极和重置晶体管113的源极共享的扩散层所形成浮动扩散FD0
[0114]接下来，通过TVS连接浮动扩散FD和放大晶体管114的栅极GTamp的输入单元。把放大晶体管114的源极连接于信号线LSG，并且将其漏极接地。
[0115]< 2.像素电路的基本操作>
[0116]以下，将描述根据本发明的像素电路110Α、110Β的基本操作。
[0117]在像素电路IlOA中，入射在硅基片的光子生成电子与空穴对，嵌入式光电二极管111把这些电子与空穴对的空穴与积累电子积累在结点NDlll中。
[0118]被接通的传送晶体管112把积累结点NDlll中积累的电子传送于浮动扩散FD，从而可驱动放大晶体管114的栅极。
[0119]另一方面，使用将其源极连接于浮动扩散FD以及将其漏极连接于电源的重置晶体管113重新设置像素。
[0120]经由选择晶体管115或者直接地把放大晶体管114的漏极连接于电源，并且将其源极连接于垂直信号线LSGN。在沿列方向排列的多个像素之间共享垂直信号线LSGN。
[0121]把传送于浮动扩散FD的信号电荷作为信号输出于垂直信号线LSGN。
[0122]在作为I比特数字数据输出之前，ΛΣ调制器200 ΛΣ调节输出的模拟信号VSL。此时，把一个余留信号作为反馈赋予DAC230，并且由浮动扩散FD通过开关晶体管140加以捕获。
[0123]< 3.像素电路的具体操作>
[0124]图6为说明了根据本实施例的像素电路的电荷积累与读取的具体操作的时序图。[0125]首先，重新设置像素。在重新设置期间，把至重置控制线LRST的重置信号RST和至传送控制线LTRG的传送信号TRG设置为高电平，从而可以接通重置晶体管113和传送晶体管112。
[0126]例如，其为一个把1.8V的电源电压传送于光电二极管111的积累结点的操作。于是，积累结点NDlll的电位上升，并且吸收积累在那里的电子。
[0127]特别是，在HAD结构中，积累结点由夹在P-型层之间的薄η-型层形成，其电子全部释放，从而创建了 一个完全枯竭状态。
[0128]此后，把至传送控制线LTRG的传送信号TRG切换为低电平，以关闭传送晶体管112。于是，把积累结点NDlll改变为浮动状态，以重新开始电荷积累。
[0129]另一方面，在电场积累期间，把至重置控制线LRST的重置信号RST维持为高电平，并且把未被选择像素的重置晶体管113设置为接通状态。
[0130]于是，把将放大晶体管114的栅极连接于其的浮动扩散FD维持为电源电压电平。未被选择像素的放大晶体管114处于关闭状态。
[0131]以下，将描述所积累的电荷的读取操作。
[0132]首先，把至所选择的行的重置控制线LRST的重置信号RST切换为低电平，以关闭重置晶体管113。此时，在与重置晶体管113耦合的作用下，浮动扩散FD的电位改变，例如，从1.8V改变至处于浮动状态的0.8V。于是，把放大晶体管114改变为接通状态。
[0133]此处，连接于恒定电流源Cl的放大晶体管114和信号线LSGN形成了一个源极跟随器电路。作为源极跟随器电路的输入端的浮动扩散FD的电位Vfd和作为输出端的垂直信号线LSGN的电位VSL具有其波动率接近I的线性关系。
[0134]S卩，如果恒定电流源Cl的电流值为i，则下列关系完全成立:
[0135][数学表达式]
[0136]i= (1/2) * β * (Vfd-Vth-VSL) 2
[0137]其中，β为常数。
[0138]在以上的公式中，在增益接近O的情况下，(Vfd-Vth-VSL)变为常数，Vfd的波动反映在VSL中。S卩，当放大晶体管114变为接通状态时，浮动扩散FD的电位波动反映在垂直信号线LSGN的电位波动中。
[0139]此处，执行第一读取，一个读出电路(未在图中加以说明)临时保持出现在垂直信号线LSGN中的电位。
[0140]接下来，把至传送控制线LTRG的传送信号TRG设置为高电平，以接通传送晶体管112。于是，在与传送晶体管112的栅极耦合的作用下，浮动扩散FD的电位升高，而且电子流入浮动扩散FD。
[0141]如果浮动扩散FD的电势足够高，则所有累积电子流出到浮动扩散FD，并且FD处于完全耗尽状态。
[0142]然后，把至传送控制线LTRG的传送信号TRG切换为低电平，以关闭传送晶体管112。于是，与驱动传送控制线LTRG之前的电位相比，浮动扩散FD的电位下降相应于信号电荷的量。
[0143]S卩，如果光子的入射完全消失，则所述电位返回至大约0.8V的原始电位，然而，如果光子入射，并且生成光电子，则电位随光电子的数目下降，例如，变为等于0.7V。这反映在作为源极跟随器的输出的垂直信号线LSGN中。
[0144]在上述实例中，通过与重置晶体管113的栅极的耦合，异或地控制放大晶体管114的接通/关闭。
[0145]这是简化布线的一种有效的手段，然而，如果需要的话，如图7中所示，也可以经由开关晶体管116把重置晶体管113的漏极连接于电源线LVREF。
[0146]例如，可以使电源线LVREF的电压VREF上升，而不选择像素，以进一步升高浮动扩散FD的电位。
[0147]于是，在不选择像素时，能够完全防止电流从放大晶体管114泄漏，并且能够阻止未被选择像素在垂直信号线LSGN中生成不必要的噪音。
[0148]通过Λ Σ调制器200的积分器210和量化器220，把从像素电路IlOA (110Β)所获得的信号作为I比特数据加以输出。
[0149]另外，通过反馈系统的DAC230和开关晶体管140，把一部分数据作为反馈赋予像素电路ΙΙΟΑ(ΙΙΟΒ)的浮动扩散FD。把反馈信号随积累的图像信号一起输出于积分器210。
[0150]以下，将描述ΛΣ调制器(ΛΣ ADC) 200的一个具体配置实例。
[0151]图8说明了ΛΣ调制器(ΛΣ ADC) 200的一个具体配置实例。
[0152]图8中的ΛΣ调制器200包括一个微分(differential)放大器(微分amp) 250,其把积分器210的输入侧的DAC230的图像信号(VO)和反馈数据(V3)组合在一起，把它们的差Vl (V0-V3)加以放大，并且输出于积分器210。
[0153]积分器210包括一个连接于一个输入阶段的电阻兀件R210、一个具有输入于一个输入端的微分放大器250的输出的运算放大器211、以及一个连接在运算放大器211的输入和输出端之间的电容C210。向积分器210的输出信号V2赋予[(1/CR) / Vldt]。
[0154]量化器220为一个比较器221，其把积分器210的输出与一个参照电压进行比较，并且向DAC230和抽选电路240输出I比特数字数据。
[0155]<4.像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的层叠结构实例>
[0156]例如，通过包括以下所说明的层叠结构，形成具有上述配置的Λ Σ调制器(ΛΣ ADC) 200 和像素电路 IlOA (IlOB)0
[0157]以下，将结合图9?15描述像素电路IlOA (110Β)和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC) 200
的层叠结构实例。
[0158]图9?15说明了像素电路和ΛΣ调制器以及用于其操作的晶体管的布设和截面图。
[0159]这些层叠结构的实例具有一个三维空间结构300，并且通过重叠两个结构(半导体基片)310、320得以产生。
[0160]< 4.1像素电路和Λ Σ调制器(ΛΣ ADC)的第一层叠结构实例>
[0161]图9说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第一层叠结构实例。
[0162]在图9的实例中，在第一基片310的背侧311上形成光电二极管111，在前侧形成量化器220、DAC230、以及像素电路IlOA (110B)的每一个晶体管。
[0163]在第二基片320上形成ΛΣ操作所需的电路，在第二基片的最低层侧形成针对来自DAC230的反馈的开关晶体管140。
[0164]然后，通过形成在第二基片320中的TSV (通过通路)的金属结，电连通形成在第一基片310的前侧312的DAC230的输出单元和形成在第二基片320的最低层侧的源极/漏极之一的扩散层141。
[0165]< 4.2像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第二层叠结构实例>
[0166]图10说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第二层叠结构实例。
[0167]图10的实例与图9的实例的不同之处在于，在第二基片320的最低层形成DAC230。
[0168]在这一情况下，连接第一基片310的前侧312的量化器220的输出单元和形成DAC230的输入单元的晶体管的源极/漏极之一的扩散层。
[0169]为了图的简化，在图10中的第二基片320的最低层中仅说明了一个晶体管。
[0170]< 4.3像素电路和Λ Σ调制器(ΛΣ ADC)的第三层叠结构实例>
[0171]图11说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第三层叠结构实例。
[0172]图11的实例与图10的实例的不同之处在于，除了 DAC230之外，还在第二基片320的最低层形成抽选电路240。
[0173]在这一情况下，连接第一基片310的前侧312上的量化器220的输出单元和形成DAC230的输入单元的晶体管的源极/漏极之一的扩散层。
[0174]为了图的简化，在图11中的第二基片320的最低层中仅说明了一个晶体管。
[0175]<4.4像素电路和Λ Σ调制器(ΛΣ ADC)的第四层叠结构实例>
[0176]图12说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第四层叠结构实例。
[0177]图12的实例具有类似于图11的实例的结构的一个结构，但就布设而言，图12的实例为这样一个实例:其中，经由开关晶体管140把来自DAC230的反馈连接于光电二极管111。
[0178]< 4.5像素电路和Λ Σ调制器(ΛΣ ADC)的第五层叠结构实例>
[0179]图13说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第五层叠结构实例。
[0180]图13的实例具有类似于图12的实例的结构的一个结构，但其为这样一个实例:其中，于在其上形成像素电路的第一基片310的前侧312，而不是在第二基片的最低层形成DAC230。
[0181]< 4.6像素电路和Λ Σ调制器(ΛΣ ADC)的第六层叠结构实例>
[0182]图14说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第六层叠结构实例。
[0183]图14的实例具有类似于图9的实例的结构的一个结构，但就布设而言，图14的实例为这样一个实例:其中，经由开关晶体管140把来自DAC230的反馈连接于与光电二极管111连接的电容C111。
[0184]电容Clll为不同于浮动扩散FD的电容元件。
[0185]< 4.7像素电路和Λ Σ调制器(ΛΣ ADC)的第七层叠结构实例>
[0186]图15说明了像素电路和ΛΣ调制器(ΛΣ ADC)的第七层叠结构实例。
[0187]图15的实例与图14的实例的不同之处在于，在第二基片320的最低层中形成DAC230和抽选电路240。
[0188]在这一情况下，连接第一基片310的前侧312的量化器220的输出单元和形成DAC230的输入单元的晶体管的源极/漏极之一的扩散层和抽选电路240。
[0189]为了图的简化，在图15中的第二基片320的最低层中仅说明了一个晶体管。[0190]根据本实施例，如以上所描述的，可以获得以下效果。
[0191]根据本实施例，实现了每像素单位多比特(例如，16比特)高速成像的ΛΣ ADC(ΛΣ调制器)的AD转换。
[0192]因此，即使大约I μ m或者I μ m以下的精密像素也能够支持高速成像。
[0193]另外，由于向像素反馈之后的积分，能够抑制因像素所生成的噪音。
[0194]而且，由于使用了一个贯通路(TSV)所产生的三维LSI结构，所以即使精密的像素也支持多比特高速成像。
[0195]可以把具有这样优点的固态图像传感器用作数字照相机或者摄像机的成像设备。
[0196]< 5.照相机系统的配置实例>
[0197]图16说明了其中使用了根据本发明专利一个实施例的固态图像传感器的照相机系统的一个配置实例。
[0198]如图16所不说明的,照相机系统400具有一个可以使用根据本技术一个实施例的CVMOS图像传感器(固态图像传感器)100的成像器件410。
[0199]另外，照相机系统400还具有这样一个光系统:其引导入射在成像器件410的像素面积上的光(形成一个物象)，例如，所述成像器件410为一个根据入射光(图像光)在成像平面上形成图像的透镜420。
[0200]照相机系统400具有一个用于驱动成像器件410的驱动电路(DRV) 430和一个用于处理来自成像器件410的输出信号的信号处理电路(PRC) 440。
[0201]驱动电路330具有一个时序生成器(未在图中加以说明)，其生成包括用于驱动成像器件410中的电路的开始脉冲和时钟脉冲。驱动电路430根据预先确定的时序信号驱动成像器件410。
[0202]另外，信号处理电路440对来自成像器件410的输出信号进行预先确定的信号处理。
[0203]把信号处理电路440所处理的图像信号记录在诸如存储器的记录媒体上。例如，通过打印，把记录在记录媒体上的图像信息制作为硬拷贝。而且，例如，还把信号处理电路440所处理的图像信号作为移动图像显示在由液晶显示器配置的监视器上。
[0204]如以上所描述的，通过把上述CMOS图像传感器100作为成像器件410安装在诸如数字照相机的成像装置中，可以获得低功耗、高精度的照相机。
[0205]另外，也可以把本技术配置如下。
[0206](I) 一种固态图像传感器，包括:
[0207]像素阵列单元，其中排列包括光电二极管的多个像素，所述光电二极管把光信号转换为电信号；以及
[0208]读取单元，从像素读取图像信号，
[0209]其中，所述像素包括:
[0210]嵌入式光电二极管，
[0211]放大晶体管，其形成源极跟随器电路，所述源极跟随器电路具有用于输入的栅极和用于输出的源极，以及
[0212]传送晶体管，其向放大晶体管的栅极传送电荷，该电荷是由所述光电二极管光电转换而来，[0213]其中，放大晶体管形成于与其上形成嵌入式光电二极管和传送晶体管的基片电隔离的半导体基片中，而且所述放大晶体管的基片处于浮动状态，以及
[0214]其中，读取单元包括ΛΣ调制器，该ΛΣ调制器输入/输出每像素单位的图像信号，并且ΛΣ调制器的输出作为反馈被赋予可用于集成像素的电容的电容单元。
[0215](2)根据(I)所述的固态图像传感器，
[0216]其中，像素和ΛΣ调制器形成在不同的基片上，并且所述基片以ΛΣ调制器的反馈路径和像素的电容单元通过通路电连接的方式层叠。
[0217]其中，在不同的基片上形成像素和Λ Σ调制器，并且通过通路(via)按电连接Λ Σ调制器的反馈路径和像素的电容单元的方式层叠所述基片。
[0218](3)根据(2)所述的固态图像传感器，
[0219]其中，ΛΣ调制器包括:
[0220]量化器，其输出作为数字信号的至少一个输入信号，以及
[0221]数字-模拟转换器(DAC)，提供在反馈路径中并把量化器的数字信号转换为模拟信号，以及
[0222]其中，量化器和DAC形成在同一个基片上并且DAC的输出端和每一个像素的电容单元通过通路连接。
[0223](4)根据(2)所述的固态图像传感器，
[0224]其中，ΛΣ调制器包括:
[0225]量化器，其输出作为数字信号的至少一个输入信号，以及
[0226]数字-模拟转换器(DAC)，提供在反馈路径中并把量化器的数字信号转换为模拟信号，以及
[0227]其中，形成量化器和DAC在不同的基片上，并且量化器的输出端和DAC的输入端通过通路连接。
[0228](5)根据(3)所述的固态图像传感器，
[0229]其中，ΛΣ调制器包括抽选电路，其把量化器的数字信号转换为多比特信号，以及
[0230]其中，抽选电路形成在与量化器和DAC相同的基片上，并且DAC的输出端和每一个像素的电容单元通过通路连接。
[0231](6)根据(4)所述的固态图像传感器，
[0232]其中，ΛΣ调制器包括抽选电路，其把量化器的数字信号转换为多比特信号，以及
[0233]其中，抽选电路形成在与DAC相同的基片上，并且量化器的输出端、DAC的输入端以及抽选电路的输入端通过通路连接。
[0234](7)根据(I)?(6)任何之一所述的固态图像传感器，
[0235]其中，被选择性地接通或者关闭的开关晶体管连接在Λ Σ调制器的反馈路径和每一个像素的电容单元之间。
[0236](8)根据(I)?(7)任何之一所述的固态图像传感器，
[0237]其中，每一个像素的电容单元为在每一个像素的放大晶体管的输入侧的浮动扩散扩散结点。
[0238](9)根据(I)?(7)任何之一所述的固态图像传感器，
[0239]其中，像素的电容单元为嵌入式光电二极管。[0240](10) 一种照相机系统,包括:
[0241]固态图像传感器；
[0242]在图像传感器上形成目标图像的光系统；以及
[0243]处理图像传感器的输出图像信号的信号处理电路，
[0244]其中，固态图像传感器包括:
[0245]像素阵列单元，其中排列包括光电二极管的多个像素，所述光电二极管把光信号转换为电信号；以及
[0246]读取单元，从像素读取图像信号，
[0247]其中，所述像素包括:
[0248]嵌入式光电二极管，
[0249]放大晶体管，其形成源极跟随器电路，所述源极跟随器电路具有用于输入的栅极和用于输出的源极，以及
[0250]传送晶体管，其向放大晶体管的栅极传送电荷，该电荷是由所述光电二极管光电转换而来，
[0251]其中，放大晶体管形成于与其上形成嵌入式光电二极管和传送晶体管的基片电隔离的半导体基片中，而且所述放大晶体管的基片处于浮动状态，以及
[0252]其中，读取单元包括Λ Σ调制器，该Λ Σ调制器输入/输出每像素单位的图像信号，并且ΛΣ调制器的输出 作为反馈被赋予可用于集成像素的电容的电容单元。
[0253]参照符号列表
[0254]100 CMOS图像传感器
[0255]110 像素阵列单元
[0256]IlOA 像素电路
[0257]111光电转换元件
[0258]112传送晶体管
[0259]113重置晶体管
[0260]114 放大晶体管
[0261]115 选择晶体管
[0262]120 行选择电路(像素驱动电路)
[0263]130列读取电路
[0264]140 开关晶体管
[0265]200 Λ Σ 调制器(AEADC)
[0266]210 积分器
[0267]220量化器
[0268]230 DAC
[0269]240 抽选电路
[0270]400 照相机系统
[0271]410 成像器件
[0272]420 驱动电路
[0273]430透镜(光系统) [0274] 440 信号处理电路
【权利要求】
1.一种固态图像传感器，包含: 像素阵列单元，其中排列包括光电二极管的多个像素，所述光电二极管把光信号转换为电信号；以及 读取单元，从像素读取图像信号， 其中，所述像素包括: 嵌入式光电二极管， 放大晶体管，其形成源极跟随器电路，所述源极跟随器电路具有用于输入的栅极和用于输出的源极，以及 传送晶体管，其向放大晶体管的栅极传送电荷，该电荷是由所述光电二极管光电转换而来， 其中，放大晶体管形成于与其上形成嵌入式光电二极管和传送晶体管的基片电隔离的半导体基片中，而且所述放大晶体管的基片处于浮动状态，以及 其中，读取单元包括Λ Σ调制器，该Λ Σ调制器输入/输出每像素单位的图像信号，并且ΛΣ调制器的输出作为反馈被赋予可用于集成像素的电容的电容单元。
2.根据权利要求1所述的固态图像传感器， 其中，像素和ΛΣ调制器形成在不同的基片上，并且所述基片以ΛΣ调制器的反馈路径和像素的电容单元通过通路电连接的方式层叠。
3.根据权利要求2所述的固态图像传感器， 其中，ΛΣ调制器包括: 量化器，其输出作为数字信号的至少一个输入信号，以及 数字-模拟转换器(DAC)，提供在反馈路径中并把量化器的数字信号转换为模拟信号，以及 其中，量化器和DAC形成在同一个基片上并且DAC的输出端和每一个像素的电容单元通过通路连接。
4.根据权利要求2所述的固态图像传感器， 其中，ΛΣ调制器包括: 量化器，其输出作为数字信号的至少一个输入信号，以及 数字-模拟转换器(DAC)，提 供在反馈路径中并把量化器的数字信号转换为模拟信号，以及 其中，形成量化器和DAC在不同的基片上，并且量化器的输出端和DAC的输入端通过通路连接。
5.根据权利要求3所述的固态图像传感器， 其中，Λ Σ调制器包括抽选电路，其把量化器的数字信号转换为多比特信号，以及其中，抽选电路形成在与量化器和DAC相同的基片上，并且DAC的输出端和每一个像素的电容单元通过通路连接。
6.根据权利要求4所述的固态图像传感器， 其中，Λ Σ调制器包括抽选电路，其把量化器的数字信号转换为多比特信号，以及其中，抽选电路形成在与DAC相同的基片上，并且量化器的输出端、DAC的输入端以及抽选电路的输入端通过通路连接。
7.根据权利要求1所述的固态图像传感器， 其中，被选择性地接通或者关闭的开关晶体管连接在ΛΣ调制器的反馈路径和每一个像素的电容单元之间。
8.根据权利要求7所述的固态图像传感器， 其中，每一个像素的电容单元为在每一个像素的放大晶体管的输入侧的浮动扩散扩散结点。
9.根据权利要求7所述的固态图像传感器， 其中，像素的电容单元为嵌入式光电二极管。
10.一种照相机系统,包括: 固态图像传感器； 在图像传感器上形成目标图像的光系统；以及 处理图像传感器的输出图像信号的信号处理电路， 其中，固态图像传感器包括: 像素阵列单元，其中排列包括光电二极管的多个像素，所述光电二极管把光信号转换为电信号；以及 读取单元，从像素读取图像信号， 其中，所述像素包括:` 嵌入式光电二极管， 放大晶体管，其形成源极跟随器电路，所述源极跟随器电路具有用于输入的栅极和用于输出的源极，以及 传送晶体管，其向放大晶体管的栅极传送电荷，该电荷是由所述光电二极管光电转换而来， 其中，放大晶体管形成于与其上形成嵌入式光电二极管和传送晶体管的基片电隔离的半导体基片中，而且所述放大晶体管的基片处于浮动状态，以及 其中，读取单元包括ΛΣ调制器，该ΛΣ调制器输入/输出每像素单位的图像信号，并且ΛΣ调制器的输出作为反馈被赋予可用于集成像素的电容的电容单元。
【文档编号】H01L27/146GK103460688SQ201280016556
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年4月3日 优先权日:2011年4月11日
【发明者】角博文 申请人:索尼公司