本專利申請(qǐng)要求提交于2015年11月9日、由Jaroslav Hynecek發(fā)明的名稱為“Pixels with High Dynamic Range and a Global Shutter Scanning Mode”(具有高動(dòng)態(tài)范圍和全局快門掃描模式的像素)的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No.62/252767的優(yōu)先權(quán)，該專利申請(qǐng)以引用方式并入本文，并且據(jù)此要求該申請(qǐng)的共同主題的優(yōu)先權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型整體涉及成像系統(tǒng)，更具體地講，涉及具有背照式像素的成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代電子設(shè)備(諸如移動(dòng)電話、相機(jī)和計(jì)算機(jī))通常使用數(shù)字圖像傳感器。圖像傳感器(有時(shí)稱為成像器)可由二維圖像感測(cè)像素陣列形成。每個(gè)像素包括接收入射光子(光)并將光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光敏元件。有時(shí)，圖像傳感器被設(shè)計(jì)為使用聯(lián)合圖像專家組(JPEG)格式將圖像提供給電子設(shè)備。

一些常規(guī)圖像傳感器可在全局快門(GS)掃描模式下操作。但這可能需要在圖像傳感器的像素中具有額外的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，這樣會(huì)占用很大一部分的可用像素區(qū)域，同時(shí)會(huì)增加傳感器的成本。在這種情況下，可能需要高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)全局快門像素來存儲(chǔ)大量電荷，從而進(jìn)一步增加傳感器的成本。

因此希望能夠?yàn)閳D像傳感器提供改善的像素設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型解決的一個(gè)技術(shù)問題是改善占用可用像素區(qū)域且增加傳感器成本的在全局快門掃描模式下操作的常規(guī)圖像傳感器。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供一種圖像傳感器，所述圖像傳感器包括成像像素，所述成像像素包括：第一襯底；第二襯底；在所述第一襯底中形成的光電二極管；在所述第一襯底中形成的第一電荷轉(zhuǎn)移柵極和第二電荷轉(zhuǎn)移柵極；在所述第二襯底中形成的第一電荷存儲(chǔ)區(qū)和第二電荷存儲(chǔ)區(qū)；以及第一互連層和第二互連層，其中所述第一互連層將所述第一電荷轉(zhuǎn)移柵極耦接到所述第一電荷存儲(chǔ)區(qū)，并且其中所述第二互連層將所述第二電荷轉(zhuǎn)移柵極耦接到所述第二電荷存儲(chǔ)區(qū)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述第二柵極包括電荷溢出柵極，并且其中所述電荷溢出柵極包括具有在所述電荷溢出柵極下方形成的離子注入的埋溝晶體管。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器被配置成在全局快門掃描模式下操作。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述光電二極管被配置成響應(yīng)于入射光產(chǎn)生總電荷量，其中所述成像像素被配置成使用所述第一電荷轉(zhuǎn)移柵極將第一量的所述總電荷量轉(zhuǎn)移到所述第一電荷存儲(chǔ)區(qū)，并且其中所述第一電荷存儲(chǔ)區(qū)為浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述成像像素被配置成使用所述第二電荷轉(zhuǎn)移柵極將第二量的所述總電荷量轉(zhuǎn)移到所述第二電荷存儲(chǔ)區(qū)，并且其中所述第二電荷存儲(chǔ)區(qū)包括電荷存儲(chǔ)電容器。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述第一互連層和所述第二互連層在所述成像像素的相對(duì)側(cè)上形成。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器還包括圍繞所述成像像素的隔離區(qū)，其中所述隔離區(qū)包括摻雜硅。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器還包括：被配置成使所述電荷存儲(chǔ)電容器重置到偏置電壓的重置晶體管；以及耦接到所述電荷存儲(chǔ)電容器的源極跟隨器晶體管。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器還包括：耦接到所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的源極跟隨器晶體管，其中所述源極跟隨器晶體管在所述第二襯底中形成。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器還包括：在所述第二襯底中形成的雙重置電路，所述雙重置電路被配置成重置所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器還包括：第三襯底；以及在所述第三襯底中形成的列反饋放大器，其中所述列反饋放大器通過第三互連層耦接到所述雙重置電路。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器還包括：在所述第二襯底中形成的有源重置電路，所述有源重置電路被配置成重置所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器還包括：第三襯底；以及所述第三襯底中的相關(guān)雙采樣信號(hào)處理電路。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供一種成像像素，包括：光電二極管；浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)；電荷存儲(chǔ)電容器；耦接在所述光電二極管和所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)之間的第一電荷轉(zhuǎn)移晶體管；耦接在所述光電二極管和所述電荷存儲(chǔ)電容器之間的第二電荷轉(zhuǎn)移晶體管；以及耦接到所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的有源重置電路。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述成像像素還包括：耦接到所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的第一源極跟隨器晶體管；以及耦接到所述電荷存儲(chǔ)電容器的第二源極跟隨器晶體管。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述有源重置電路包括：耦接到所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的重置晶體管；p溝道增益晶體管；以及n溝道負(fù)載晶體管。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述有源重置電路包括：耦接到所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的重置晶體管；n溝道增益晶體管；以及p溝道負(fù)載晶體管。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述第二電荷轉(zhuǎn)移晶體管是具有在電荷溢出柵極下方形成的離子注入的埋溝晶體管。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供一種成像像素，包括：在第一襯底中形成的光電二極管；在第二襯底中形成的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)；在所述第二襯底中形成的電荷存儲(chǔ)電容器；耦接在所述光電二極管和所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)之間的第一電荷轉(zhuǎn)移柵極，其中所述第一電荷轉(zhuǎn)移柵極在所述第一襯底中形成；耦接在所述光電二極管和所述電荷存儲(chǔ)電容器之間的第二電荷轉(zhuǎn)移柵極，其中所述第二電荷轉(zhuǎn)移柵極在所述第一襯底中形成；以及耦接到所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的有源重置電路，其中所述有源重置電路包括增益晶體管、負(fù)載晶體管和重置晶體管，并且其中所述重置晶體管耦接到所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述增益晶體管具有第一極性，其中所述負(fù)載晶體管具有第二極性，并且其中所述第一極性和所述第二極性不同。

本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的一個(gè)技術(shù)效果是提供用于圖像傳感器的改善的像素，改善的像素具有較大的光圈效率和HDR性能高分辨率而不犧牲光電二極管的大小。

附圖說明

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方案的具有圖像傳感器的示例性電子設(shè)備的示意圖。

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方案的具有多個(gè)接合在一起的襯底的圖像傳感器的透視圖。

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方案的具有雙重置電路的像素的電路圖，該雙重置電路在多個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)。

圖4是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方案的具有有源重置電路的像素的電路圖，該有源重置電路在多個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)。

圖5是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方案的圖3或圖4中所示的像素中使用的示例性上部襯底的頂視圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的實(shí)施方案涉及具有背照式像素的圖像傳感器。圖1中示出了具有數(shù)字相機(jī)模塊的電子設(shè)備。電子設(shè)備10可以是數(shù)字相機(jī)、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、醫(yī)療設(shè)備或其他電子設(shè)備。相機(jī)模塊12(有時(shí)稱為成像設(shè)備)可包括圖像傳感器14和一個(gè)或多個(gè)鏡頭28。在操作期間，鏡頭28(有時(shí)稱為光學(xué)器件28)將光聚焦到圖像傳感器14上。圖像傳感器14包括將光轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的光敏元件(如像素)。圖像傳感器可具有任何數(shù)量(如，數(shù)百、數(shù)千、數(shù)百萬或更多)的像素。典型的圖像傳感器可(例如)具有數(shù)百萬的像素(如，百萬像素)。例如，圖像傳感器14可包括偏置電路信號(hào)緩沖電路(如，源極跟隨器負(fù)載電路)、采樣保持電路、相關(guān)雙采樣(CDS)電路、放大器電路、模擬數(shù)字(ADC)轉(zhuǎn)換器電路、數(shù)據(jù)輸出電路、存儲(chǔ)器(如，數(shù)據(jù)緩沖電路)、尋址電路等。

可將來自圖像傳感器14的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)和視頻圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由路徑26提供給圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16。圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16可用于執(zhí)行圖像處理功能，諸如自動(dòng)聚焦功能、深度感測(cè)、數(shù)據(jù)格式化、調(diào)節(jié)白平衡和曝光、實(shí)現(xiàn)視頻圖像穩(wěn)定、臉部檢測(cè)等。

圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16還可用于根據(jù)需要壓縮原始相機(jī)圖像文件(例如，壓縮成聯(lián)合圖像專家組格式(或JPEG格式))。在典型布置(有時(shí)稱為片上系統(tǒng)(SOC))中，相機(jī)傳感器14以及圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16在共用集成電路芯片上實(shí)現(xiàn)。使用單個(gè)集成電路芯片來實(shí)施相機(jī)傳感器14以及圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16能夠有助于降低成本。不過，這僅僅是個(gè)示例。如果需要，可使用單獨(dú)的集成電路芯片來實(shí)現(xiàn)相機(jī)傳感器14以及圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16。

相機(jī)模塊12可經(jīng)由路徑18將獲得的圖像數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)子系統(tǒng)20(例如，圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16可將圖像數(shù)據(jù)傳送到子系統(tǒng)20)。電子設(shè)備10通常向用戶提供許多高級(jí)功能。例如，在計(jì)算機(jī)或高級(jí)移動(dòng)電話中，可為用戶提供運(yùn)行用戶應(yīng)用程序的能力。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，電子設(shè)備10的主機(jī)子系統(tǒng)20可包括存儲(chǔ)和處理電路24以及輸入-輸出設(shè)備22，諸如小鍵盤、輸入-輸出端口、操縱桿和顯示器。存儲(chǔ)和處理電路24可包括易失性和非易失性的存儲(chǔ)器(例如，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、閃存存儲(chǔ)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)驅(qū)動(dòng)器，等等)。存儲(chǔ)和處理電路24還可包括微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、專用集成電路或其他處理電路。

圖2示出了圖1中的示例性圖像傳感器，諸如圖像傳感器14。圖像傳感器14可通過以下方式來感測(cè)光：將碰撞光子轉(zhuǎn)換成積聚(收集)到傳感器像素中的電子或空穴。在完成積聚周期之后，收集到的電荷可被轉(zhuǎn)換成電壓，該電壓可被提供給圖像傳感器14的輸出端子。在圖像傳感器14為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器的實(shí)施方案中，電荷到電壓的轉(zhuǎn)換可直接在圖像傳感器的像素中完成。然后，模擬像素電壓可通過各種像素尋址和掃描方案被轉(zhuǎn)移到輸出端子。模擬信號(hào)還可在到達(dá)芯片輸出之前在芯片上被轉(zhuǎn)換成數(shù)字等同物。像素可具有源極跟隨器(SF)，該源極跟隨器可驅(qū)動(dòng)用合適的尋址晶體管連接到像素的感測(cè)線。

在電荷到電壓轉(zhuǎn)換完成并且所得信號(hào)從像素轉(zhuǎn)移出去之后，圖像傳感器14的像素可被重置以便準(zhǔn)備積累新的電荷。在某些實(shí)施方案中，像素可使用浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(FD)作為電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。在使用浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)時(shí)，重置可通過導(dǎo)通重置晶體管來實(shí)現(xiàn)，該重置晶體管將FD節(jié)點(diǎn)導(dǎo)電地連接到電壓參考，該電壓可以是像素SF漏極節(jié)點(diǎn)。這一步驟從浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)移除收集到的電荷。然而，這可能生成kTC重置噪聲。這種kTC重置噪聲可使用相關(guān)雙采樣(CDS)信號(hào)處理技術(shù)從信號(hào)移除，以便實(shí)現(xiàn)低噪聲性能。

圖像傳感器14可用一個(gè)或多個(gè)襯底層形成。襯底層可以是半導(dǎo)體材料層，諸如硅層。襯底層可使用金屬互連件連接。圖2中示出了一個(gè)示例，其中襯底42、44和46用于形成圖像傳感器14。襯底42、44和46有時(shí)可稱為芯片。上部芯片42可包括像素陣列32中的釘扎光電二極管。上部芯片42還可包括電荷轉(zhuǎn)移晶體管柵極。然而，為了確保上部芯片42中有充足的空間用于光電二極管，可在中部芯片44和下部芯片46中為像素形成多個(gè)像素電路。

可在每個(gè)像素處用互連層將中部芯片44接合到上部芯片42上。例如，可將中部芯片44中的像素電路34接合到浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)，該浮動(dòng)擴(kuò)散連接到在上部芯片42中形成的電荷轉(zhuǎn)移晶體管上。將上部芯片42中的每個(gè)像素接合到中部芯片44中對(duì)應(yīng)的像素電路上(例如，浮動(dòng)擴(kuò)散接合到浮動(dòng)擴(kuò)散)可稱為混合接合。中部芯片44和下部芯片46不可采用混合接合耦接。只有每個(gè)芯片的外圍電接觸墊36才可接合在一起(例如，芯片-芯片連接38)。圖像傳感器14中的每個(gè)芯片可包括相關(guān)電路。上部芯片可包括釘扎光電二極管和電荷轉(zhuǎn)移晶體管柵極。中部芯片可包括像素電路(例如，浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)、源極跟隨器晶體管、重置晶體管等)。底部芯片可包括時(shí)鐘生成電路、像素尋址電路、信號(hào)處理電路(諸如CDS電路)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路、數(shù)字圖像處理電路和系統(tǒng)接口電路中的一個(gè)或多個(gè)。

如本文所述，中部芯片44可包括浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)和電荷感測(cè)晶體管(例如，源極跟隨器晶體管)。然而，這可能使kTC重置噪聲難以消除，因?yàn)榭赡茈y以完全使轉(zhuǎn)移到該節(jié)點(diǎn)上的電荷重置。在后續(xù)實(shí)施方案中(如圖3和圖4)，電荷可被轉(zhuǎn)移到FD節(jié)點(diǎn)上，這些節(jié)點(diǎn)在多個(gè)芯片之間被導(dǎo)電地連接在一起。為了從這些節(jié)點(diǎn)中讀出信號(hào)而不產(chǎn)生kTC重置噪聲，可提供額外的電路，諸如雙重置電路或有源重置電路。

圖3中示出了具有雙重置電路的像素的簡(jiǎn)化像素電路圖。圖3示出了位于上部芯片42上的電路，該電路由釘扎光電二極管(PPD)102、低光級(jí)信 號(hào)電荷轉(zhuǎn)移柵極103、高光級(jí)信號(hào)電荷溢出晶體管104和芯片接地觸點(diǎn)(GND)109構(gòu)成。高光級(jí)信號(hào)電荷溢出晶體管104可以是具有多個(gè)位于其柵極下的離子注入的埋溝晶體管，這有助于實(shí)現(xiàn)高像素到像素閾值的均勻性。到該芯片的控制信號(hào)可通過行線107(Tx1)和108(CLEAR)分布，并且到下方中部芯片44的電連接可通過觸點(diǎn)105和106(有時(shí)稱為互連墊、金屬芯片-芯片互連接合墊、互連層或金屬互連層)形成。釘扎光電二極管102可收集光生電子，并且可以是n型埋設(shè)二極管。在這些實(shí)施方案中，電荷轉(zhuǎn)移柵極103和電荷溢出晶體管104都可以是n型溝道晶體管。然而，也可將上部芯片42設(shè)計(jì)成包括收集光生空穴的p型埋設(shè)二極管。在這些實(shí)施方案中，晶體管可以是p溝道型。這在一些應(yīng)用中可能是有利的，因?yàn)橛糜谑占昭ǖ墓怆姸O管可具有更高的電荷存儲(chǔ)能力，并且FD和晶體管p+結(jié)點(diǎn)泄漏可通過中部芯片44上FD結(jié)點(diǎn)110的n+結(jié)點(diǎn)泄漏進(jìn)行部分補(bǔ)償。

中部芯片像素電路可包括源極跟隨器SF晶體管111以及相關(guān)的行尋址晶體管112。中部芯片還可包括FD重置晶體管113。為了消除kTC重置噪聲，可包括雙重置電路50。雙重置電路50可包括額外的耦合電容器C_f115和誤差電壓保持電容器C_h 116。kTC重置噪聲校正電壓可在像素輸出處被感測(cè)。像素輸出可通過列信號(hào)線(V_o1)和芯片-芯片觸點(diǎn)122傳遞到位于下部芯片46上的負(fù)反饋放大器124。該誤差電壓被反饋放大器124放大，然后通過芯片-芯片觸點(diǎn)123傳遞回像素。然后，誤差電壓可穿過另一個(gè)列信號(hào)線和第二重置晶體管114。放大器增益可由電容器C_o 127和C_g 126設(shè)置。放大器可被周期性地重置為基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)是從基準(zhǔn)端子125(V_rf)提供給放大器的。從中部芯片到底部芯片的芯片-芯片觸點(diǎn)122和123位于陣列外圍(如圖2所示)。電源線V_dd的電源線觸點(diǎn)121也可位于陣列外圍。

位于中部芯片44上的像素電路的行控制信號(hào)可通過線117(Rx2)、118(Sx1)和119(Rx1)傳遞。接地偏置可使用列或行線，通過觸點(diǎn)120傳遞到中部芯片44。從特定像素信號(hào)中移除kTC重置噪聲之后，該信號(hào)可通過位于下部芯片46上的電路處理。例如，下部芯片46可包括相關(guān)雙采樣(CDS)電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADS)電路以及其他所需的信號(hào)處理和放大模擬數(shù)字電路(如，數(shù)字相加電路、DR壓縮電路等)。位于中部芯片上的晶體管可以是n溝道晶體管或p溝道晶體管。當(dāng)頂部芯片由n溝道晶體管構(gòu)成時(shí)，中部芯 片包括p溝道晶體管可能是有利的，因?yàn)榭稍贔D結(jié)點(diǎn)110處發(fā)生一些結(jié)點(diǎn)泄漏電流補(bǔ)償。

位于中部芯片44上的電路可在全局快門(GS)模式下實(shí)現(xiàn)傳感器高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)操作。這些電路可包括電荷溢出存儲(chǔ)和感測(cè)電路52。電荷溢出存儲(chǔ)和感測(cè)電路52可包括溢出電荷積聚電容器128(C_of1)、溢出電荷存儲(chǔ)電容器129(C_of2)和相關(guān)的切換/重置晶體管131和130。重置晶體管130可耦接到電源線(V_dd)上。在完成整個(gè)陣列的GS電荷轉(zhuǎn)移后，可關(guān)閉晶體管131，可重置晶體管130，并且電容器128可開始新的全局電荷積聚處理。然后，電容器129上出現(xiàn)的電壓可由源極跟隨器(SF)晶體管134和對(duì)應(yīng)的行尋址晶體管135逐行讀出。隨后，可通過重置晶體管132將電容器129重置。然后，對(duì)應(yīng)于溢出信號(hào)的電荷出現(xiàn)在列信號(hào)線140(V_o2)上，并且可被提供給下部芯片46進(jìn)行處理。通過線136(Rx3)、137(Sx2)、138(Rx4)和139(Tx2)將行控制信號(hào)提供給這些電路。

在操作期間，電荷可被收集在釘扎光電二極管102中?？墒褂玫凸饧?jí)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移柵極103將一些電荷(與低光級(jí)照明相關(guān))轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)110?？墒褂酶吖饧?jí)信號(hào)電荷溢出晶體管104將其他電荷(與高光級(jí)照明相關(guān))轉(zhuǎn)移到電荷溢出存儲(chǔ)和感測(cè)電路52。這可同時(shí)保存低光級(jí)信號(hào)和高光級(jí)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)像素的高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)操作。

溢出信號(hào)感測(cè)和處理可能不包括kTC重置噪聲抑制電路。由溢出存儲(chǔ)電容器存儲(chǔ)的高光級(jí)信號(hào)的光致噪聲可高到足以掩蓋這些電路中產(chǎn)生的任何噪聲。

圖4中示出了具有有源重置電路的像素的簡(jiǎn)化像素電路圖。圖4中的像素不包括列反饋放大器124和圖3中與其相關(guān)的組件。相反，圖4示出了像素內(nèi)有源重置電路54，該像素內(nèi)有源重置電路由p溝道晶體管214(作為增益晶體管而連接)、其電流負(fù)載n溝道晶體管216和重置晶體管215(可以是p溝道或n溝道)構(gòu)成。該電路通過用于重置的行線219(Rx)和行線217(Rx)進(jìn)行控制，以在FD節(jié)點(diǎn)110完成重置后打開或關(guān)閉p溝道晶體管214的電流負(fù)載。該電路的接地是節(jié)點(diǎn)220，如有必要，該節(jié)點(diǎn)也可在一些其他略微正偏置處而不是在接地處偏置。同樣，該電路中的晶體管的極性可根據(jù)頂部芯片晶體管的極性而變化，使得在FD連接節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的 結(jié)點(diǎn)泄漏電流可部分地彼此補(bǔ)償。在本實(shí)施方案中，電荷溢出信號(hào)處理電路52也可位于中部芯片上，如前文結(jié)合圖3所討論那樣。

圖5中示出了上部芯片42的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頂視圖。如圖所示，上部芯片42可包括像素隔離區(qū)307。該像素隔離區(qū)可通過離子注入p+型摻雜雜質(zhì)或n+型摻雜雜質(zhì)而形成。其中存儲(chǔ)有光生電荷的像素有源區(qū)是圖5中的區(qū)域312。通過向電荷轉(zhuǎn)移柵極301施加脈沖，將來自像素有源區(qū)312的低光級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)移到FD區(qū)303上。由高光級(jí)照明獲得的像素溢出電荷在埋溝晶體管302的柵極下方流動(dòng)到漏極擴(kuò)散區(qū)304。當(dāng)必須通過移除所有電荷來使光電二極管完全重置時(shí)，將正清除脈沖施加到柵極302。

圖5中示出了接觸通路，以黑色圓圈表示(如，接觸通路308)。操作柵極的控制線由第一金屬級(jí)M1(例如，用于轉(zhuǎn)移柵極的線309、用于電荷清除柵極的線311和用于施加接地偏置的線310)形成。第二金屬級(jí)M2可用于形成接合墊305和306，這些接合墊將電荷從擴(kuò)散區(qū)轉(zhuǎn)移到中層芯片電路(例如，圖3中的接合墊105和106)。因此，每個(gè)像素具有兩個(gè)混合接合墊。如圖所示，每個(gè)混合接合墊可與相鄰接合墊隔開一定距離58(例如，2.12μm、小于3μm、大于3μm等)。每個(gè)像素可具有寬度60(例如，3μm、小于3μm、大于3μm等)。圖5中示出的像素可具有高光圈效率，這可提高圖像傳感器14的性能。

前述實(shí)施方案可收集并存儲(chǔ)在像素光電二極管中產(chǎn)生的所有電荷(通過使用電荷溢出存儲(chǔ)和感測(cè)電路)。低光級(jí)照明的電荷可被轉(zhuǎn)移到中部芯片的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上，在此處可讀出具有低噪聲的電荷而不產(chǎn)生kTC重置噪聲。溢出電荷(與高光級(jí)照明相關(guān))可積聚和存儲(chǔ)在同樣位于中部芯片上的電容器中。這能夠在全局快門模式下實(shí)現(xiàn)HDR性能，而不犧牲光電二極管的大小。像素可具有較大的光圈效率、較大的量子效率和HDR性能高分辨率。

在本實(shí)用新型的各種實(shí)施方案中，圖像傳感器可包括成像像素。該成像像素可包括第一襯底、第二襯底、在第一襯底中形成的光電二極管、在第一襯底中形成的第一轉(zhuǎn)移柵極和第二轉(zhuǎn)移柵極、在第二襯底中形成的第一電荷存儲(chǔ)區(qū)和第二電荷存儲(chǔ)區(qū)，以及第一互連層和第二互連層。第一互連層可將第一轉(zhuǎn)移柵極耦接到第一電荷存儲(chǔ)區(qū)，第二互連層可將第二轉(zhuǎn)移柵極耦接到第二電荷存儲(chǔ)區(qū)。第二柵極可包括電荷溢出柵極，電荷溢出柵 極可包括具有在電荷溢出柵極下方形成的離子注入的埋溝晶體管。圖像傳感器可被配置成以全局快門模式操作。

光電二極管可被配置成響應(yīng)于入射光產(chǎn)生總電荷量。成像像素可被配置成使用第一電荷轉(zhuǎn)移柵極將第一量的總電荷量轉(zhuǎn)移到第一電荷存儲(chǔ)區(qū)，第一電荷存儲(chǔ)區(qū)可以是浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。成像像素可被配置成使用第二電荷轉(zhuǎn)移柵極將第二量的總電荷量轉(zhuǎn)移到第二電荷存儲(chǔ)區(qū)，第二電荷存儲(chǔ)區(qū)可包括存儲(chǔ)電容器。第一互連層和第二互連層可在成像像素的相對(duì)側(cè)上形成。圖像傳感器還可包括圍繞成像像素的隔離區(qū)。隔離區(qū)可包括摻雜硅。圖像傳感器還可包括被配置成使存儲(chǔ)電容器重置到偏置電壓的重置晶體管，以及耦接到存儲(chǔ)電容器的源極跟隨器晶體管。圖像傳感器還可包括耦接到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的源極跟隨器晶體管。源極跟隨器晶體管可在第二襯底中形成。圖像傳感器還可包括在第二襯底中形成的雙重置電路，該雙重置電路被配置成使浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)重置。圖像傳感器還可包括第三襯底，以及在第三襯底中形成的列反饋放大器。列反饋放大器可通過第三互連層耦接到雙重置電路。圖像傳感器還可包括在第二襯底中形成的有源重置電路，該有源重置電路被配置成使浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)重置。圖像傳感器還可包括第三襯底，以及第三襯底中的相關(guān)雙采樣信號(hào)處理電路。

在各種實(shí)施方案中，成像像素可包括光電二極管、浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)、電荷存儲(chǔ)電容器、耦接在光電二極管和浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)之間的第一電荷轉(zhuǎn)移晶體管、耦接在光電二極管和電容器之間的第二電荷轉(zhuǎn)移晶體管，以及耦接到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的有源重置電路。成像像素還可包括耦接到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的第一源極跟隨器晶體管和耦接到電荷存儲(chǔ)電容器的第二源極跟隨器晶體管。有源重置電路可包括耦接到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的重置晶體管、p溝道增益晶體管和n溝道負(fù)載晶體管。有源重置電路可包括耦接到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的重置晶體管、n溝道增益晶體管和p溝道負(fù)載晶體管。第二電荷轉(zhuǎn)移晶體管可以是具有在電荷溢出柵極下方形成的離子注入的埋溝晶體管。

在各種實(shí)施方案中，成像像素可包括在第一襯底中形成的光電二極管、在第一襯底和第二襯底中形成的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)、在第二襯底中形成的電荷存儲(chǔ)電容器、耦接在光電二極管和浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)之間的第一電荷轉(zhuǎn)移柵極、耦接在光電二極管和電荷存儲(chǔ)電容器之間的第二電荷轉(zhuǎn)移柵極，以及耦接到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的有源重置電路。第一電荷轉(zhuǎn)移晶體管可在第一襯 底中形成。第二電荷轉(zhuǎn)移柵極可在第一襯底中形成。有源重置電路可包括增益晶體管、負(fù)載晶體管和重置晶體管。重置晶體管可耦接到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。增益晶體管可具有第一極性，負(fù)載晶體管可具有第二極性，并且第一極性和第二極性可不同。

前述內(nèi)容僅是對(duì)本實(shí)用新型原理的示例性說明，因此本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的前提下進(jìn)行多種修改。