專利名稱：數(shù)字像素傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及數(shù)字像素傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)。
數(shù)字?jǐn)z影術(shù)是過(guò)去幾年中出現(xiàn)的最令人激動(dòng)的技術(shù)之一。借助適當(dāng)?shù)挠布蛙浖?以及稍許知識(shí))，任何人都可把數(shù)字?jǐn)z影術(shù)的原理用于工作。例如，數(shù)字相機(jī)處于數(shù)字?jǐn)z影術(shù)應(yīng)用的刃口地位。近年來(lái)的產(chǎn)品推廣，技術(shù)進(jìn)步及價(jià)格降低，以及電子郵件和環(huán)球網(wǎng)的出現(xiàn)，已使數(shù)字相機(jī)成為最熱門(mén)的新型消費(fèi)電子產(chǎn)品。
但是，數(shù)字相機(jī)的工作方式不同于傳統(tǒng)的膠片相機(jī)。事實(shí)上，數(shù)字相機(jī)的工作方式更接近于計(jì)算機(jī)掃描儀，復(fù)印機(jī)或傳真機(jī)。絕大多數(shù)數(shù)字相機(jī)使用圖像傳感器或光敏器件，例如電荷耦合器件(CCD)或互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)感知景象。光敏器件對(duì)景象反射的光線起反應(yīng)，并可把反應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮与姾尚盘?hào)，電荷信號(hào)可進(jìn)一步被數(shù)字化。通過(guò)使光透過(guò)紅色，綠色和藍(lán)色濾光器，可關(guān)于每個(gè)獨(dú)立的色譜，對(duì)反應(yīng)進(jìn)行度量。當(dāng)借助軟件組合并取值這些讀數(shù)時(shí)，相機(jī)可確定圖像各部分的具體顏色。由于圖像實(shí)際上是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的集合，因此圖像可容易地下載到計(jì)算機(jī)中，并進(jìn)行巧妙的處理，以便獲得更美的效果。
但是，數(shù)字相機(jī)不具有常規(guī)攝影術(shù)能夠獲得的分辨率。而傳統(tǒng)的基于膠片的技術(shù)，只受化學(xué)膠片的粒度的限制，其分辨率一般為幾千萬(wàn)像素，普通消費(fèi)者能夠接受的有市場(chǎng)前景的絕大多數(shù)數(shù)字相機(jī)中使用的圖像傳感器的分辨率稍大于1百萬(wàn)像素。
此外，數(shù)字圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍通常不如基于膠片的常規(guī)攝影術(shù)那樣寬。對(duì)于CMOS圖像傳感器來(lái)說(shuō)，更是如此，一般說(shuō)來(lái)，CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍小于CCD的動(dòng)態(tài)范圍。

圖1表示了Fowler等的美國(guó)專利No.5461425中描述的數(shù)字圖像傳感器10的方框圖。如圖所示，圖像傳感器核心12具有一個(gè)二維像素陣列15，每個(gè)像素具有一個(gè)和專用A/D轉(zhuǎn)換器耦接的光檢測(cè)元件(光檢測(cè)器或光傳感器)，A/D轉(zhuǎn)換器輸出代表光檢測(cè)元件的模擬輸出的位流。換句話說(shuō)，F(xiàn)owler的圖像傳感器直接輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)?？紤]到傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器，這種結(jié)構(gòu)不僅使后續(xù)的支持電路變得非常簡(jiǎn)單，而且還具有許多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括可更好地控制圖像傳感器的工作，并且圖像質(zhì)量更好。但是，在每個(gè)光檢測(cè)元件中加入專用A/D轉(zhuǎn)換器，會(huì)引入一些實(shí)際問(wèn)題，這些實(shí)際問(wèn)題會(huì)限制這種圖像傳感器的使用。問(wèn)題之一是圖像傳感器核心12的尺寸不可避免地要大于不具有專用A/D轉(zhuǎn)換器情況下，圖像傳感器核心的尺寸。如果要求圖像傳感器具有位于其上的幾百萬(wàn)個(gè)光檢測(cè)器，則會(huì)存在大量的專用A/D轉(zhuǎn)換器，這些專用A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)占用圖像傳感器核心中相當(dāng)大量的空間。較大的圖像傳感器核心通常意味著成本較高，生產(chǎn)率較低。于是，需要直接產(chǎn)生數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的數(shù)字圖像傳感器的新的設(shè)計(jì)。此外，當(dāng)需要光檢測(cè)器變小，以便在尺寸有限的圖像傳感器中安放專用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，會(huì)降低光傳感器的靈敏性。在常規(guī)的處理下，像素的光敏部分的效率和靈敏性隨著CMOS器件尺寸的減小而降低。另外，隨著功能元件尺寸的進(jìn)一步減小，光傳感器會(huì)遭受逐漸增大的泄漏電流，于是噪聲越來(lái)越大。靈敏性的降低導(dǎo)致像素器件的動(dòng)態(tài)范圍相應(yīng)減小，從而導(dǎo)致在像素處需要其它支持電路進(jìn)行補(bǔ)償。像素處支持電路數(shù)量的增大抵消了在芯片方面，較小的器件尺寸的益處。于是，需要具有高效率和高靈敏性的CMOS光傳感器，同時(shí)仍然能夠在支持電路方面保持較小的器件尺寸的組件。
根據(jù)本發(fā)明，在第一基片上形成成像傳感器的光傳感器，在第二基片上形成光傳感器的支持電路。隨后使第一基片和第二基片電耦接，這樣第一基片上的每個(gè)光傳感器與第二基片上的支持電路電耦接。在一個(gè)實(shí)施例中，第一基片和第二基片通過(guò)凸塊電耦接。換句話說(shuō)，在第二基片的上表面上形成導(dǎo)電材料(例如銦)凸塊，凸塊與支持電路電耦接。在第一基片中適當(dāng)?shù)匦纬赏泛皖愃频膶?dǎo)電凸塊，從而當(dāng)使第一基片和第二基片對(duì)準(zhǔn)時(shí)，第一基片上的光傳感器與第二基片上的凸塊電耦接。在大多數(shù)實(shí)施例中，第一基片被布置成與第二基片接觸，并被粘結(jié)就位。在一些實(shí)施例中，可利用相同的處理技術(shù)(例如CMOS)生產(chǎn)第一和第二基片，而在其它一些實(shí)施例中，可利用不同的處理技術(shù)生產(chǎn)第一和第二基片。
在一個(gè)實(shí)施例中，成像設(shè)備包括像素陣列。每個(gè)像素包括一個(gè)光傳感器和該光傳感器的像素支持電路。根據(jù)本發(fā)明，光傳感器形成于第一基片上，并借助通路和隆起技術(shù)，與第二基片上的像素支持電路電耦接。在另一實(shí)施例中，也可在第一基片上形成復(fù)用電路，從而多個(gè)光傳感器可利用第二基片中的相同凸塊，使第一基片上光傳感器與第二基片上的像素支持電路之間的信號(hào)耦接。
本發(fā)明的不同實(shí)施例可來(lái)帶一個(gè)或多個(gè)下述優(yōu)點(diǎn)和益處。首先，采用本發(fā)明的圖像傳感器的尺寸不會(huì)因采用大量的像素級(jí)支持電路而顯著增大，于是，可保持圖像傳感器的靈敏度。其次，由于圖像傳感器的尺寸幾乎不變，因此可保持生產(chǎn)這種圖像傳感器時(shí)，半導(dǎo)體晶片的產(chǎn)率。從而，可控制這種圖像傳感器的成本，并且可實(shí)現(xiàn)這種圖像傳感器的普及。
以下將參考附圖，詳細(xì)描述這些以及其它實(shí)施例。下文還將論述本發(fā)明實(shí)施例的其它目的、益處和優(yōu)點(diǎn)。
圖1(現(xiàn)有技術(shù))表示了Fowler等的美國(guó)專利No.5461425中描述的圖像傳感器。
圖2A表示了根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器或光敏器件的方框圖。
圖2B表示了根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字像素傳感器電路的例證方框圖。
圖3表示了根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字圖像傳感器的方框圖。
圖4A-4D表示了根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字圖像傳感器的相應(yīng)方框圖。
圖5A-5C表示了根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字圖像傳感器的相應(yīng)方框圖。
圖2A表示了其中實(shí)踐本發(fā)明的光傳感器陣列(圖像傳感器)100。光傳感器陣列100可在任何圖像捕獲器件(例如，數(shù)字相機(jī))中用于固定或視頻圖像捕獲。利用CMOS技術(shù)，一般至少部分構(gòu)成于基片上的光傳感器陣列100包含布置成陣列的若干像素150-i，j。在圖2A中，單個(gè)像素150-i，j被布置在行102-i和列104-j中，行102-i是行102-1～102-N之一，列104-j是列104-1～104-M之一。對(duì)于彩色檢測(cè)來(lái)說(shuō)，每個(gè)像素150-i，j可包括一個(gè)濾光器(例如，紅色濾光器，藍(lán)色濾光器或綠色濾光器)。隨后，像素150-i，j被布置在有選擇性透射濾光器的鑲嵌面中，從而不同組的像素150-i，j檢測(cè)不同顏色的光線。例如，第一組像素150-i，j106可檢測(cè)紅光，第二組像素150-i，j 108可檢測(cè)綠光，第三組像素150-i，j 110可檢測(cè)藍(lán)光。光傳感器陣列100的分辨率由行數(shù)和列數(shù)確定。圖2A中，光傳感器陣列100的分辨率為N×M，在許多應(yīng)用中，該分辨率可以為，例如1000像素×1000像素。
光傳感器陣列100中的每個(gè)像素150-i，j包括一個(gè)當(dāng)暴露在光線下時(shí)，產(chǎn)生電信號(hào)的光傳感器。圖2B表示了單個(gè)像素150的例子，該像素可以是光傳感器陣列100中的任意一個(gè)像素150-i，j。于是，像素150是像素組106，108或110之一的一個(gè)組件。
圖2B中，像素150表示光傳感器陣列100(圖2A)中像素150-i，j之一的電路的一個(gè)實(shí)施例。像素150包括光傳感器120和像素支持電路138，光傳感器120可以是光電二極管。光傳感器120可被表示為電流源122和電容器124并聯(lián)。光傳感器120與晶體管128的源極和漏極串聯(lián)耦接，光傳感器120和晶體管128的組合體耦接在電源Vcc和地之間。晶體管128的柵極130被耦接，以便接收復(fù)位信號(hào)。當(dāng)發(fā)給柵極130的復(fù)位信號(hào)被設(shè)定為高電平，則打開(kāi)晶體管128，電容器124被充電到Vcc減去晶體管128的門(mén)限電壓VTh的電壓。在復(fù)位信號(hào)設(shè)定為高電平的時(shí)間長(zhǎng)到足以完成對(duì)電容器124的充電之后，把復(fù)位信號(hào)設(shè)定為低電平，以便關(guān)閉晶體管128。電容器124隨后通過(guò)電流源122放電。
電流源122以一定的速率使電容器124放電，放電速率取決于入射光傳感器120的光子的數(shù)目。通過(guò)濾光器136過(guò)濾的來(lái)自光126的光子，入射到光傳感器120。從而，電容器124兩端的電壓取決于入射光傳感器120的光子的總數(shù)。電壓輸出信號(hào)Vout(它是電容器124兩端的電壓)表示在關(guān)閉晶體管128的時(shí)間和入射到光傳感器120上的光線126被截?cái)嗟臅r(shí)間之間，累積的光強(qiáng)度。
電路132被耦接，以便接收來(lái)自于電容器124的電壓輸出信號(hào)電壓輸出信號(hào)Vout。電路132增強(qiáng)電壓輸出信號(hào)Vout，以便產(chǎn)生像素電荷信號(hào)(pixel charge signal)。像素電荷信號(hào)是適于耦接下述模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的增強(qiáng)電壓輸出信號(hào)。應(yīng)注意在某些實(shí)施例中，電路132不是必需的。根據(jù)具體的實(shí)現(xiàn)，電路132的使用可提高像素150的靈敏性。
諸如圖2B中表示的像素150之類的圖像傳感器的操作涉及光集中過(guò)程，以及其后的讀出過(guò)程。使這兩個(gè)過(guò)程中的每個(gè)過(guò)程持續(xù)可控的時(shí)間間隔。首先，通過(guò)打開(kāi)晶體管128，對(duì)電容器124充電。隨后在如上所述的光集中過(guò)程中，在設(shè)定的一段時(shí)間，即曝光時(shí)間內(nèi)，使光線126入射到光傳感器120上。其間進(jìn)行光集中過(guò)程的時(shí)間間隔被稱為曝光控制，可借助電子快門(mén)實(shí)現(xiàn)所述曝光控制，曝光控制可控制有多少電荷被光傳感器120擴(kuò)散。在光集中過(guò)程之后，像素150開(kāi)始讀出過(guò)程，在讀出過(guò)程中，借助讀出電路，每個(gè)光檢測(cè)器中的像素電荷信號(hào)被讀出到數(shù)據(jù)總線或視頻總線上。在集中過(guò)程之后，像素電荷信號(hào)由電路132測(cè)量，并由A/D轉(zhuǎn)換器134進(jìn)行數(shù)字化，以便產(chǎn)生表示像素150的曝光量的數(shù)字化像素電荷信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器134可具有任意的精度(例如，8，10或16二進(jìn)制位)。
A/D轉(zhuǎn)換器134被耦接，以便接收來(lái)自于電路132的像素電荷信號(hào)(即，模擬信號(hào))，并且當(dāng)受到CLK信號(hào)的觸發(fā)時(shí)，對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，產(chǎn)生數(shù)字化像素電荷信號(hào)。和常規(guī)實(shí)現(xiàn)的位于像素150外的電路相反，在像素150內(nèi)對(duì)像素電荷信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的優(yōu)點(diǎn)在于可以比相應(yīng)模擬信號(hào)高得多的速度，從光傳感器陣列100中的每個(gè)像素150-i，j讀出數(shù)字化像素電荷信號(hào)。在美國(guó)專利No.5461425中詳細(xì)討論了像素級(jí)數(shù)字化處理，該專利作為參考整體包含于此。
圖3表示了根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器300的功能圖。圖像傳感器300包括傳感器陣列302，傳感器器陣列302具有類似于圖2A和2B中描述的N×M像素陣列。傳感器放大器和鎖存電路304被耦合到傳感器陣列302中，以便于從傳感器陣列302中讀出數(shù)字信號(hào)。門(mén)限存儲(chǔ)器306，時(shí)標(biāo)存儲(chǔ)器308和數(shù)字存儲(chǔ)器310與傳感器陣列302耦合。由于傳感器陣列302是N×M像素陣列，每個(gè)像素輸出具有k比特的數(shù)字化像素電荷信號(hào)，因此門(mén)限存儲(chǔ)器306為N×M比特，時(shí)標(biāo)存儲(chǔ)器308的大小為N×M×m比特，這里m是時(shí)間分辨率。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器陣列302的分辨率為1000×1000像素，每個(gè)像素輸出為10比特(即，N＝M＝1000，k＝10)。于是，門(mén)限存儲(chǔ)器306為1兆位，具有兩位時(shí)間分辨率的時(shí)標(biāo)存儲(chǔ)器308為2兆位，數(shù)字存儲(chǔ)器310至少為1.2兆位。這種存儲(chǔ)器配置的結(jié)果是，傳感器陣列302中的每個(gè)像素可被門(mén)限存儲(chǔ)器306和時(shí)標(biāo)存儲(chǔ)器308單獨(dú)標(biāo)記，并被存儲(chǔ)在數(shù)字存儲(chǔ)器310中。
因此，借助上面略述的，并且在圖3中圖解說(shuō)明的結(jié)構(gòu)，每個(gè)像素曝光于圖像的曝光時(shí)間可不同，以便補(bǔ)償圖像的明亮和暗色部分。另外，與每個(gè)像素相關(guān)的曝光時(shí)間有多長(zhǎng)的信息以及該像素的累積強(qiáng)度被存儲(chǔ)在時(shí)標(biāo)存儲(chǔ)器308和數(shù)字存儲(chǔ)器310中。在David Yang等的美國(guó)專利申請(qǐng)，No.09/567786，“Multiple Sampling via aTime-Indexed Method to Achieve Wide Dynamic Ranges”(申請(qǐng)日，2000年5月9日)中提供了圖像傳感器300的進(jìn)一步描述，該專利申請(qǐng)的發(fā)明人之一是本發(fā)明的發(fā)明人，該專利申請(qǐng)作為參考整體包含于此。
如圖2A-2B及圖3的結(jié)構(gòu)中所示，圖像傳感器302包括一個(gè)二維像素陣列，每個(gè)像素具有一個(gè)光檢測(cè)器和具有A/D轉(zhuǎn)換器的支持電路。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，每個(gè)像素單元包括可如同美國(guó)專利No.5461425中描述的那樣實(shí)現(xiàn)的，或者按照?qǐng)D2B的電路138實(shí)現(xiàn)的相同電路。
和電路138的各種不同實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)，每個(gè)像素必須提供一定的空間，以便容納電路138。實(shí)踐中，為了容納電路138，要么擴(kuò)大圖像傳感器的尺寸，要么縮小光檢測(cè)器的尺寸。在任何一種情況下，要么產(chǎn)率被降低，要么光檢測(cè)器尺寸被降低。隨著光傳感器的尺寸變得越來(lái)越小，光傳感器的效率和靈敏性被降低，這是不利的。雖然借助輔助濾波和放大，可在電路132中，補(bǔ)償一些靈敏性損失，但是仍然非常希望在繼續(xù)包括具有更小特征尺寸的支持電路的同時(shí)，保持光傳感器的靈敏性。
圖4A表示了根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字圖像傳感器450中的單個(gè)像素400的一個(gè)實(shí)施例的橫截面。像素400包括形成于基片401上的像素支持電路和形成于另一基片402上的光傳感器407。基片401和基片402可以是相同的半導(dǎo)體材料，也可以是不同的半導(dǎo)體材料，不過(guò)基片401最好由CMOS工藝形成?；?01和基片402通過(guò)連接點(diǎn)405和406電耦接。借助本領(lǐng)域中眾所周知的方法，在基片401上形成連接點(diǎn)405和406，例如銦凸塊。根據(jù)具體的實(shí)現(xiàn)，凸塊材料可包括焊錫，銅，銀或金。通過(guò)在基片402中形成深的通路，可形成從光傳感器407到凸塊405和406的電連接。
如果借助銦凸塊技術(shù)形成連接點(diǎn)405和406，則根據(jù)具體的工藝方法，在基片402的背面，以及在基片401的頂面上，連接點(diǎn)405和406的位置處沉積銦。應(yīng)注意所述的基片的背面或頂面是相對(duì)于圖4A而言，并不意味著用于產(chǎn)生基片的晶片的任意特定側(cè)面。借助常規(guī)的金屬化技術(shù)，可形成與銦的電連接。隨后可把基片401放置在基片402上方，并按壓使之就位，在沉積的銦之間形成冷井，并形成連接點(diǎn)405和406。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，光傳感器407包括形成于基片402中的光檢測(cè)區(qū)412。通常，基片402包括p型區(qū)，光檢測(cè)區(qū)412被摻雜(例如借助離子注入)，從而在p型區(qū)中形成n+區(qū)。
如圖4B中基片401的方框圖所示，像素支持電路包括電路408，類似于圖2B的電路132，電路408處理在連接點(diǎn)405接收的信號(hào)。電路132輸出的模擬像素電荷信號(hào)被輸入A/D轉(zhuǎn)換電路409。A/D轉(zhuǎn)換電路409可包括A/D轉(zhuǎn)換器或者響應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)CLK，使模擬像素電荷信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)電荷信號(hào)的其它電路。在David Yang等的待審批的美國(guó)專利申請(qǐng)，No.09/274202，“Methods for SimultaneousAnalog-to-digital Conversion and Multiplication”(申請(qǐng)日，1999年3月22日)中公開(kāi)了一種可使模擬像素電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路，該專利申請(qǐng)的發(fā)明人之一是本發(fā)明的發(fā)明人，該專利申請(qǐng)作為參考整體包含于此。
圖4C表示了光傳感器407。圖4C中的光傳感器407被模擬為光敏電流源410與電容器411并聯(lián)。光傳感器407與基片401上的連接點(diǎn)405和406電連接?；蛘?，可省略連接點(diǎn)406，并形成基片402的接地連接。具有位于基片402上的一個(gè)單獨(dú)的接地接地連接，使光傳感器407使像素400所需的連接點(diǎn)數(shù)目減少一半，即，現(xiàn)在，每個(gè)像素只需要一個(gè)連接點(diǎn)405，而不是兩個(gè)連接點(diǎn)。
在一些實(shí)施例中，還可在基片401和402之間形成絕緣層403，以便保護(hù)和分隔基片401和402。另外，還可在光傳感器407的光收集區(qū)412放置一個(gè)濾光器404，以便光傳感器407對(duì)特定顏色的光線(例如，紅光，綠光或藍(lán)光)敏感。
圖4D表示了數(shù)字成像設(shè)備450的光傳感器陣列451。光傳感器陣列451包括像素的N×M陣列，N×M像素陣列中的每個(gè)像素類似于圖4A中所示的像素400?；?02包括一個(gè)N×M光傳感器陣列，N×M光傳感器陣列中的每個(gè)光傳感器類似于圖4A和4C中表示的光傳感器407。在圖4D中，使一個(gè)獨(dú)立的接地點(diǎn)與基片402耦接，從而，對(duì)于N×M像素陣列中的每個(gè)像素來(lái)說(shuō)，只需要基片401上的一個(gè)連接點(diǎn)405即可提供電連通性。N×M光傳感器陣列中的每個(gè)光傳感器與接地點(diǎn)452耦接，從而不需要連接點(diǎn)406(圖4A)。
基片401包括如圖4B中所示的像素支持電路，像素支持電路與每個(gè)連接點(diǎn)405耦接。根據(jù)另一實(shí)施例，基片401包括控制和讀出電路，以及如圖2和3所述的存儲(chǔ)器。由于獨(dú)立于基片402制造基片401，因此可使用不同的處理技術(shù)制造基片401和基片402?？衫米钕冗M(jìn)的CMOS技術(shù)，處理基片401，以及在基片401上形成的各種電路。隨后，可對(duì)基片402進(jìn)行處理，以便產(chǎn)生具有最佳靈敏性和噪聲特性的光傳感器。
此外，由于在基片402上幾乎不包含支持電路，因此基片402的差不多整個(gè)表面都可供光傳感器使用。這便于在保持CMOS技術(shù)在信號(hào)處理方面的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可獲得更高分辨率的光傳感器陣列。
圖5A表示了數(shù)字成像設(shè)備500。成像設(shè)備500包括像素支持電路501，光傳感器502，行解碼電路507，控制器506，濾波器504和存儲(chǔ)器505。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到這些功能部分中的至少一部分可位于基片503的外部。如同已結(jié)合圖2和3說(shuō)明的那樣，行解碼器507與像素支持電路501耦接，以便控制從光傳感器502中每個(gè)光傳感器的數(shù)字像素電荷信號(hào)的讀出。數(shù)字像素電荷信號(hào)數(shù)據(jù)流由濾波器504接收，并保存在存儲(chǔ)器505中。存儲(chǔ)器505還可包括如同參考圖3說(shuō)明的門(mén)限存儲(chǔ)器和時(shí)標(biāo)存儲(chǔ)器。控制器506控制行解碼器507，存儲(chǔ)器505和光傳感器502，從而響應(yīng)在端口509接收的控制信號(hào)，通過(guò)端口508，從數(shù)字成像設(shè)備500讀出數(shù)據(jù)。
光傳感器502形成于基片511上，而像素支持電路501，濾波器/靈敏放大器504，存儲(chǔ)器505，控制器506和行解碼器507可形成于基片503上。隨后放置基片511，并使之與基片503接觸，從而光傳感器502與像素支持電路501電耦接，控制信號(hào)和接地可輸入光傳感器502。在一些實(shí)施例中，控制信號(hào)可通過(guò)端口510被輸入光傳感器502。基片511可以是足以支持圖像傳感器500提供的分辨率的任意大小。另外，可在基片503上形成任意類型的支持電路。換句話說(shuō)，基片503并不局限于像素支持電路501。
如同已說(shuō)明的那樣，光傳感器502和像素支持電路之間的導(dǎo)電性可由形成于基片503表面上的導(dǎo)電凸塊512的陣列提供。導(dǎo)電凸塊512對(duì)準(zhǔn)基片511下表面上的導(dǎo)電點(diǎn)513的類似陣列。導(dǎo)電點(diǎn)513與光傳感器502中的單個(gè)光傳感器電連接。導(dǎo)電凸塊512與像素支持電路501中的單個(gè)電路電連接。
可使用使光傳感器502與像素支持電路501電耦接的任意方法。一種方法包括基片511中充填導(dǎo)體的深的通路，每個(gè)通路與光傳感器502中的一個(gè)光傳感器電連接，實(shí)現(xiàn)與基片503上的金屬化線路的電接觸。隨后可將基片511用環(huán)氧樹(shù)脂粘合到(epoxied)基片503。
還可利用銦隆起(bumping)技術(shù)。如果導(dǎo)電凸塊512和基片511下表面上的對(duì)應(yīng)導(dǎo)電點(diǎn)513是銦凸塊，則可使基片511和基片503冷焊就位。冷焊工藝包括在基片503上方對(duì)準(zhǔn)基片511，從而使導(dǎo)電點(diǎn)513和凸塊512對(duì)準(zhǔn)，并在環(huán)境溫度下，在基片511和基片503之間加壓。在壓力下，銦易于焊在一起，從而如果導(dǎo)電點(diǎn)513和凸塊512都是銦，則同時(shí)擠壓基片511和基片503將使這兩塊基片焊接就位。接地輸入點(diǎn)514可類似地焊接在基片503上的接地端口515上。類似地，控制輸入點(diǎn)可焊接在基片503的控制端口516上。另外，在不干擾導(dǎo)電點(diǎn)513和凸塊512的情況下，可在基片511和513之間有選擇地涂覆絕緣環(huán)氧樹(shù)脂，以便幫助把基片511和基片503固定就位。
光傳感器502和基片511可和圖4A-4D中描述的光傳感器407和基片402一樣。另外，像素支持電路501和基片503可和圖4A-4D中描述的基片401的像素支持電路一樣。但是，在一些實(shí)施例中，一個(gè)以上的光傳感器可使用基片511和基片503之間的一個(gè)電耦合(即，導(dǎo)電點(diǎn)513和相對(duì)凸塊512其中的一對(duì))。
借助銦隆起技術(shù)，凸塊512的間距可稍大于光傳感器502的間距；例如，凸塊512的間距可約為20微米。但是，光傳感器502的單個(gè)光傳感器的密度是有限的。在光傳感器的大小不能小于0.20微米的例子中，可使用如下所述的復(fù)用方法。作為參考圖4A-4D描述的利用凸塊512之一的單個(gè)光傳感器的替換方案，多個(gè)光傳感器可使用單個(gè)凸塊512。圖5B和5C表示了多個(gè)光傳感器使用凸塊512中的每個(gè)凸塊的實(shí)施例。
圖5B表示了基片511上的光傳感器502的方框圖，這里多個(gè)獨(dú)立的光傳感器共享電連接513之一。光傳感器512是具有獨(dú)立的光傳感器502-1，1～502-N，M的N×M光傳感器陣列(即，具有N行，M列光傳感器的光傳感器陣列)。光傳感器502-1，1～502-N，M分組成束(cluster)520-1，1～520-Q，P中，束520-1，1～520-Q，P中的每束都具有Z+1個(gè)光傳感器?？稍诠鈧鞲衅?02的任意分組中形成束。在大多數(shù)實(shí)施例中，束520中的每束包括相同數(shù)目的光傳感器502。例如，在圖5B中，束520-1，1包括光傳感器520-1，1，光傳感器520-1，2，光傳感器520-2，1和光傳感器520-2，2。束520-1，1也可包括其它光傳感器。
在大多數(shù)實(shí)施例中，在每束中具有Z+1個(gè)光傳感器的情況下，形成Q×P的束陣列，Q＝N/sqrt(Z+1)，P＝M/sqrt(Z+1)，其中sqrt()是平方根運(yùn)算符。一種特別便利的分組是Z＝3，從而每組四個(gè)光傳感器可具有如圖2A中所示的對(duì)紅色、綠色和藍(lán)色敏感的光傳感器。
束520之一，如520-1，1中的每個(gè)光傳感器通過(guò)復(fù)用器，例如復(fù)用器521-1，1～521-Q，P被耦接，以便共用連接點(diǎn)513，例如，513-1，1～513-Q，P中的單個(gè)連接點(diǎn)。每個(gè)復(fù)用器包括Z+1個(gè)單個(gè)晶體管，每個(gè)晶體管被耦接，以便接收來(lái)自于光傳感器束520之一的輸出。圖5B中，束520-1，1～520-Q，P均分別包括復(fù)用器521-1，1～521-Q，P。復(fù)用器521-1，1～521-Q，P均包括晶體管522-1，1～522-Q，P，523-1，1～523-Q，P，524-1，1～524-Q，P和525-1，1～525-Q，P。晶體管522-1，1～522-Q，P均由控制信號(hào)S0打開(kāi)，晶體管523-1，1～523-Q，P由控制信號(hào)S1打開(kāi)，晶體管524-1，1～524-Q，P由控制信號(hào)S2打開(kāi)，晶體管525-1，1～525-Q，P由控制信號(hào)S3打開(kāi)?？刂菩盘?hào)S0～Sz分別在連接點(diǎn)510-0～510-Z輸入。于是，控制信號(hào)S0～Sz均打開(kāi)整個(gè)一組晶體管，所述一組晶體管再使一組光傳感器與連接點(diǎn)513-1，1～513-Q，P耦接。例如，S0打開(kāi)一組晶體管522。當(dāng)該組晶體管522被打開(kāi)時(shí)，與晶體管522耦接的一組光傳感器與連接點(diǎn)513耦接。例如，當(dāng)晶體管522-1，1被信號(hào)S0打開(kāi)時(shí)，則光傳感器502-1，1與連接點(diǎn)513-1，1耦接。
圖5C表示了用于安放圖5B中所示的基片511上的光傳感器502的基片503的方框圖。像素支持電路501包括像素電路的P×Q陣列。凸塊連接點(diǎn)512-1，1～512-Q，P通過(guò)晶體管530-1，1～530-Q，P分別與Vcc耦接。晶體管530-1，1～530-Q，P均被耦接，以便接收復(fù)位信號(hào)，如前所述。凸塊連接點(diǎn)512-1，1～512-Q，P也分別與電路531-1，1～531-Q，P耦接。電路531-1，1～531-Q，P均包括濾波器，放大器和用于把在512-1，1～512-Q，P接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素電荷信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。響應(yīng)來(lái)自于行解碼器507的行信號(hào)，數(shù)字像素電荷信號(hào)耦接到線路532-1～532-P。濾波器504接收來(lái)自于線路532-1～532-P的數(shù)字像素電荷信號(hào)，并把相應(yīng)的數(shù)字化圖像保存在存儲(chǔ)器505中。
信號(hào)S0～Sz通過(guò)凸塊516-1～516-Z被傳遞給基片511。基片511通過(guò)凸塊515接地。
操作上，通過(guò)把信號(hào)S0～Sz均設(shè)置為高電平，并把復(fù)位信號(hào)設(shè)定為高電平(即等于或接近于Vcc)，可對(duì)光傳感器502-1，1～502-N，M中的每個(gè)光傳感器充電。一旦光傳感器502-1，1～502-N，M均被充電，則把信號(hào)S0～Sz及復(fù)位信號(hào)設(shè)定為低電平。隨后可使含有光傳感器502的基片511暴露給圖像，這里圖像的一部分在設(shè)定的一段時(shí)間內(nèi)照射到光傳感器502-1，1～502-N，M中的每個(gè)光傳感器上。在該曝光時(shí)間內(nèi)，光傳感器502-1，1～502-N，M中的每個(gè)光傳感器累積接收的光線數(shù)量。在一些實(shí)施例中，光傳感器502-1，1～502-N，M均包括一個(gè)有色濾光器，從而，在每個(gè)光傳感器，只累積特定波長(zhǎng)的光線。在一些實(shí)施例中，如同參考圖3說(shuō)明的那樣，可使每束光傳感器累積在預(yù)定的一段時(shí)間內(nèi)來(lái)自圖像的接收光線。
一旦完成累積步驟，則開(kāi)始讀出過(guò)程。相對(duì)于每組光傳感器，完成讀出。通過(guò)把控制信號(hào)S0～Sz之一設(shè)定為高電平，使光傳感器束520-1，1～520-Q，P中每束光傳感器中的相應(yīng)光傳感器分別連接連接點(diǎn)513-1，1～513-Q，P，選擇一組光傳感器。一旦完成一組光傳感器的讀出過(guò)程，控制器506可把控制信號(hào)S0～Sz中的另一信號(hào)設(shè)定為高電平，直到所有的光傳感器均被讀出為止。
上面的描述和附圖只是舉例說(shuō)明本發(fā)明，并不是對(duì)本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到在本發(fā)明公開(kāi)范圍內(nèi)的各種變化，雖然這里沒(méi)有對(duì)這些變化進(jìn)行具體說(shuō)明，但均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字圖像傳感器，其特征在于所述數(shù)字圖像傳感器包括具有光傳感器陣列的第一基片，當(dāng)使光傳感器陣列暴露于景象之下時(shí)，每個(gè)光傳感器產(chǎn)生一個(gè)模擬電荷信號(hào)；與所述第一基片耦接，并且包括像素支持電路陣列的第二基片，每個(gè)像素支持電路接收并把模擬電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電荷信號(hào)。
2.按照權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于利用銦凸塊，耦接所述第一基片和所述第二基片。
3.按照權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其特征在于第一基片包括一復(fù)用器陣列，每個(gè)復(fù)用器與光傳感器陣列中的一組光傳感器耦接，以致來(lái)自于該組光傳感器中各個(gè)光傳感器的模擬電荷信號(hào)被耦合到像素支持電路之一中。
4.按照權(quán)利要求3所述的圖像傳感器，其特征在于該組光傳感器包括具有第一顏色濾光器的第一光傳感器，具有第二顏色濾光器的第二光傳感器，具有第三顏色濾光器的第三光傳感器，以及具有第一顏色濾光器，第二顏色濾光器和第三顏色濾光器之一的第四光傳感器。
5.按照權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其特征在于所述第一顏色濾光器是紅色濾器，所述第二顏色濾光器是綠色濾光器，所述第三顏色濾光器是藍(lán)色濾光器。
6.按照權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其特征在于所述第一顏色濾光器，第二顏色濾光器和第三顏色濾光器被制造成傳感相同的光譜。
7.按照權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其特征在于所述第二基片還包括與像素支持電路陣列耦接的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而來(lái)自于各個(gè)光傳感器的數(shù)字電荷信號(hào)可直接保存在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。
8.一種數(shù)字圖像傳感器，其特征在于所述數(shù)字圖像傳感器包括包括光傳感器的第一基片，當(dāng)使光傳感器陣列暴露于景象之下時(shí)，每個(gè)光傳感器產(chǎn)生一個(gè)模擬電荷信號(hào)；通過(guò)一導(dǎo)電凸塊陣列與所述第一基片聯(lián)系的第二基片，所述導(dǎo)電凸塊陣列把第一基片與第二基片粘結(jié)就位，所述第二基片包括像素支持電路陣列，每個(gè)像素支持電路通過(guò)導(dǎo)電凸塊的相應(yīng)凸塊，接收來(lái)自于光傳感器之一的模擬電荷信號(hào)；和其中每個(gè)像素支持電路包括一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并且把模擬電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電荷信號(hào)。
9.按照權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其特征在于所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路是具有預(yù)定數(shù)據(jù)精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
10.按照權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其特征在于所述第一基片是利用第一CMOS工藝方法制造的。
11.按照權(quán)利要求10所述的圖像傳感器，其特征在于所述第二基片是利用第二CMOS工藝方法制造的。
12.按照權(quán)利要求10所述的圖像傳感器，其特征在于所述各個(gè)導(dǎo)電凸塊是利用銦沉積，在所述第一基片和第二基片任一中形成的。
13.按照權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其特征在于所述是導(dǎo)電凸塊利用選擇銦，銅，焊料，銀和金的一種材料形成的。
14.按照權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其特征在于所述第二基片還包括與像素支持電路耦接的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而來(lái)自于各個(gè)像素支持電路的數(shù)字電荷信號(hào)可直接保存在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。
15.一種數(shù)字圖像傳感器的設(shè)計(jì)方法，該方法包括在第一基片上形成光傳感器陣列；在第二基片上形成包括像素電路陣列的像素支持電路，每個(gè)像素電路包括一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；使第一基片和第二基片耦接，從而來(lái)自光傳感器陣列中各個(gè)光傳感器的信號(hào)可被像素電路之一接收。
16.按照權(quán)利要求15所述的方法，其中第一基片與第二基片的耦接包括銦凸塊。
17.按照權(quán)利要求15所述的方法，其中使第一基片與第二基片耦接包括形成選自銦，銅，焊料，銀和金的材料的凸塊。
18.按照權(quán)利要求15所述的方法，還包括在第一基片上形成復(fù)用電路，每個(gè)復(fù)用電路與光傳感器陣列中的一組光傳感器耦合。
19.以數(shù)字方式接收來(lái)自于景象的圖像的方法，所述方法包括在形成于第一基片上的光傳感器陣列接收光線，光傳感器陣列中的各個(gè)光傳感器響應(yīng)所述光線，產(chǎn)生電荷信號(hào)；在形成于第二基片上的支持電路，接收來(lái)自于光傳感器陣列中各個(gè)光傳感器的電荷信號(hào)，支持電路響應(yīng)來(lái)自于光傳感器的電荷信號(hào)，產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)。
20.按照權(quán)利要求19所述的方法，還包括復(fù)用來(lái)自于光傳感器陣列中各個(gè)光傳感器的電荷信號(hào)，以便響應(yīng)控制信號(hào)，每個(gè)支持電路接收來(lái)自于一組光傳感器中的一個(gè)光傳感器的電荷信號(hào)。
全文摘要
提供了一種數(shù)字成像設(shè)備。該數(shù)字成像設(shè)備包括具有形成于第二基片上的支持電路,和形成于第一基片上的光傳感器的光傳感器陣列,所述第二基片由,例如CMOS工藝技術(shù)產(chǎn)生。獨(dú)立于第二基片,單獨(dú)處理第一基片,從而可優(yōu)化形成于第一基片上的光傳感器,而且還可優(yōu)化形成于第二基片上的電路。隨后使第一基片和第二基片電接觸,從而來(lái)自于第一基片上的光傳感器的信號(hào)可由第二基片上的支持電路接收。
文檔編號(hào)H01L31/02GK1336754SQ01129500
公開(kāi)日2002年2月20日 申請(qǐng)日期2001年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月22日
發(fā)明者楊曉東 申請(qǐng)人:匹克希姆公司