CN100502024C - 半导体模块、摄像机及摄像机的制造方法 - Google Patents

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Abstract

在布线层侧形成微型焊点34,37的背照型MOS(金属氧化物半导体)固态图像拾取器件32和在布线层侧在与MOS型固态图像拾取器件的微型焊点34,37相对应的位置上形成微型焊点35,38的信号处理芯片33通过微型凸块36,39连接。在包括MOS型固态图像拾取器件的半导体模块中,在可以提高图像处理速度的同时,可以实现画面内的同时性和可以提高画面质量,可以简化制造工艺,并且可以提高成品率。此外,可以降低同时驱动所有像素或大量像素时所需的功耗。

Description

半导体模块、摄像机及摄像机的制造方法
交叉参考相应申请
本发明包含与2004年7月30日向日本专利局提出的日本专利申请第JP2004-224208号有关的主题,特此全文引用,以供参考。
技术领域
本发明涉及包括MOS(金属氧化物半导体)型固态图像拾取器件的半导体模块、MOS型固态图像拾取器件、摄像机和摄像机的制造方法。
背景技术
到目前为止,例如,MOS摄像机模块被当作包括MOS型固态图像拾取器件的半导体模块。为了制造小型MOS摄像机模块,需要使用将MOS型固态图像拾取器件(下文称为“MOS型图像传感器芯片”)和信息处理芯片叠放在一起的有前途方法。
作为根据现有技术例子1的MOS摄像机模块,在例如非专利参考文献1中描述的SIP(插件式系统)排列是众所周知的。在这种MOS摄像机模块中,MOS型图像传感器芯片叠放在信号处理芯片上和被焊在信号处理芯片上,MOS型图像传感器芯片和信号处理芯片位于电路板上,用引线焊接工艺处理两个芯片和电路板,然后,用这种引线焊接工艺使MOS型图像传感器芯片和信号处理芯片互连。
附图中的图1是示出根据现有技术的MOS型图像传感器芯片的排列的示意图。如图1所示,这种MOS型图像传感器芯片1包括以二维方式(即,XY矩阵方式)排列数个像素3的像素部分2、列部分4、与水平信号线5连接的输出电路6、垂直驱动电路7、水平驱动电路8和控制电路9。
将指示工作模式的输入时钟和数据从MOS型图像传感器1的外部供应给控制电路9。响应这些输入时钟和数据,控制电路9将时钟和脉冲供应给随后的各个部分,以便各个部分可以工作起来。
垂直驱动电路7选择像素部分2的一行,并且通过尽管未示出,但沿着横向延伸的控制布线将必要脉冲供应给所选行的像素。
列部分4含有与列相对应排列的列信号处理电路10。将一条线量的像素信号供应给列信号处理电路10,并且列信号处理电路10以诸如CDS(相关复式取样:消除固定模式噪声的处理)、信号放大和A/D(模拟到数字)转换之类的适当处理方式处理如此供应的信号。
水平驱动电路8依次选择列信号处理电路10,并且将列信号处理电路10的信号供应给水平信号线5。输出电路10处理来自水平线5的信号和输出如此处理过的信号。例如,输出电路6所作的处理可以是诸如只有缓冲或黑色电平调整、列散射的纠正、信号放大、缓冲之前的颜色处理之类的各种处理。
图2是示出如图1所示的MOS型图像传感器1中的像素电路的例子的电路图。在本例中,4个像素构成一个单元。
如图2所示,这个像素电路包括用作光电转换元件的4个光电二极管PD[PD1,PD2,PD3,PD4]。光电二极管PD1到PD4分别与相应的4个传送晶体管12[121、122,123、124]连接。传送布线161到164与各自传送晶体管121到124的栅极连接。各自传送晶体管121到124的漏极被连接成共同电极,然后,共同电极与重置晶体管13的源极连接。传送晶体管12的漏极和重置晶体管13的源极之间的所谓浮动扩散点(FD)与放大晶体管14的栅极连接。重置晶体管13的漏极与电源布线15连接,其栅极与重置布线17连接。此外,还配备了其漏极与电源布线15连接的选择晶体管18。选择晶体管18的源极与放大晶体管14的漏极连接。选择布线19与选择晶体管18的栅极连接。光电二极管PD[PD1-PD4]、传送晶体管12[121-124]、重置晶体管13、选择晶体管18和放大晶体管14构成集中4个像素(光电二极管)形成的一个单元。另一方面,放大晶体管14的源极与垂直信号线21连接。如后所述的其漏极与垂直信号线21连接并可以用作恒流源的负载晶体管22作为列信号处理电路10的一部分与垂直信号线21连接。负载布线23与负载晶体管22的栅极连接。
在这个像素电路中,4个光电二极管PD[PD1-PD4]光电转换信号电荷。光电二极管PD的光电子(信号电荷)通过相应传送晶体管12[121-124]被传送到浮动扩散点FD。由于浮动扩散点FD与放大晶体管14的栅极连接,如果选择晶体管18被导通,那么,与浮动扩散点FD的电位相对应的信号通过放大晶体管14输出到垂直信号线21。
重置晶体管13去除浮动扩散点FD到电源线15的信号电荷(电子),以便重置浮动扩散点FD的信号电荷。使横向布线19、17和16[161-164]成为同一行的像素的公用线,从而通过垂直驱动电路7控制它们。
用作恒流源的负载晶体管22作为列信号处理电路10的一部分来提供。所选行的负载晶体管22和放大晶体管14构成源极跟随器,将它的输出供应给垂直信号线21。
作为根据现有技术例子2的CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器模块,在引用的非专利参考文献1中描述的那一种是众所周知的。在本例中,图像传感器芯片拥有被布线穿过的基底和利用微型凸块(bulk)使图像传感器与下侧芯片连接。根据这种方法,由于可以增加凸块的数量和可以减少电感和电容成分,使高速接口成为可能。并且,图像传感器芯片通过来自像素部分的布线直接与下侧芯片连接,从而也可以获得画面内的同时性。
[非专利参考文献1]:Sharp technical journal Volume 81,2001,December,page 34。
[非专利参考文献2]:IEDM 99,pp.879-882。
发明内容
在根据现有技术例子1制造MOS摄像机模块的方法中,当MOS型图像传感器芯片是一般来说长几毫米的正方形时,来自MOS型图像传感器的输出通过最多几十条的焊线供应给信号处理芯片,这成为阻碍图像处理速度提高的瓶颈。这种图像处理速度受到限制的原因是不可以增加焊线的数量和由于焊线的电感和在焊线之间或在焊线与电路基底之间产生的电容成分干扰和延迟了信号。
此外,由于这种类型的MOS摄像机模块按行的顺序从像素部分的像素中读出信号已成惯例,所以在不同时间从像素部分的上面像素和下面像素中读出像素信号,从而不能建立起画面内的同时性。另一方面,如果使画面内的曝光定时一致,那么,在从像素中读出像素信号之前,使噪声叠加在像素信号上,从而导致画面质量变差。
在根据现有技术例子2的CMOS型图像传感器模块中,使布线穿过基底的工艺的成本的增加和成品率的下降是严重问题。另外,由于像素电路使像素的孔径比变小的问题与现有技术相似。尤其,由于应该在硅(Si)基底上保留布线可以穿过的区域,因此从光学的角度来看,无用区将不可避免地增大。例如,在本例中,通孔的直径是2.5μm(微米),并且在这样的通孔周围应该预留边缘区,使得直径约为3μm的区域变成无用的。并且,需要形成通孔的工艺,因此,工艺变复杂了,从而使制造工艺变得错综复杂。在这种现有技术例子中,不存在像素电路。在这种现有技术例子中要试验的是只在上晶片上形成光电二极管,使光电流按原样流过下晶片的结构。
鉴于上述这些方面,本发明提供了在可以提高图像处理速度的同时可以简化制造工艺、提高成品率、实现画面内的同时性并且可以改善图像质量的半导体模块。
并且,本发明提供了可以控制同时驱动所有像素或大量像素时消耗的电流的半导体模块。
并且,本发明提供了可以应用于半导体模块等的MOS型固态图像拾取器件。
并且,本发明提供了包括MOS型固态图像拾取器件和半导体模块的摄像机和摄像机的制造方法。
根据本发明的一个实施例,半导体模块包括在布线层侧在每个单位像素单元上或在每个数个像素的单元上形成微型焊点(pad)的背照型MOS型固态图像拾取器件以及在布线层侧在与MOS型固态图像拾取器件的微型焊点相对应的位置上形成微型焊点的信号处理芯片,其中,MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片通过微型凸块连接。
根据本发明的一个实施例,在上述半导体模块中,在与MOS型固态图像拾取器件的像素区部分的外围相对应的区域上形成像素驱动微型焊点,像素驱动微型焊点通过微型凸块与信号处理芯片侧的微型焊点连接。
并且,半导体模块含有只通过信号处理芯片的普通焊点建立的外部接口。也就是说,半导体模块不含有从MOS型固态图像拾取器件中建立的外部接口。
此外,MOS型固态图像拾取器件包括普通测试焊点。
根据本发明的一个实施例,在上述半导体模块中,MOS型固态图像拾取器件含有单元,该单元包括:光电转换元件、包括用于从光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管、直接或间接与放大晶体管的源极连接以便与微型焊点连接的输出线、其漏极直接或间接与输出线连接的负载晶体管、与负载晶体管的源极连接以施加第一电压的布线、重置放大晶体管的栅极电位的重置机构以及直接或间接与放大晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线。
根据本发明的一个实施例,在上述半导体模块中,MOS型固态图像拾取器件含有单元,该单元包括:光电转换元件、包括用于从光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管、直接或间接与放大晶体管的源极连接的输出线、其漏极直接或间接与所述输出线连接的注入晶体管、与注入晶体管的源极连接以施加第一电压的布线、重置放大晶体管的栅极电位的重置机构、其源极直接或间接与放大晶体管的漏极连接的激活晶体管以及直接或间接与激活晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线。
根据本发明的一个实施例,在上述半导体模块中,将重置脉冲供应给重置机构,重置脉冲与供应给注入晶体管的第一注入脉冲重叠,并且重置脉冲在第一注入脉冲结束之前结束。
并且,该单元进一步包括传送晶体管,其源极与光电转换元件连接以及其漏极直接或间接与放大晶体管的栅极连接,供应给传送晶体管的传送脉冲在供应给注入晶体管的第二注入脉冲开始之前结束。
根据本发明的一个实施例,在上述半导体模块中,MOS型固态图像拾取器件输出作为多路复用模拟信号的单元输出,该模拟信号经过信号处理芯片数字化之后被多路复用并存储在存储器中。
根据本发明的一个实施例,在上述半导体模块中,MOS型固态图像拾取器件输出作为数字信号的单元输出,该数字信号由信号处理芯片多路分解并存储在存储器中。
并且,该单元输出是在模拟-数字转换像素信号之后,进一步多路复用像素信号得出的输出。
此外,根据本发明的一个实施例,MOS型固态图像拾取器件可以不包括控制电路。
根据本发明的另一个实施例,MOS型固态图像拾取器件含有单位像素单元或含有数个像素的单元,该单元包括光电转换元件、包括用于从光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管、直接或间接与放大晶体管的源极连接的输出线、其漏极直接或间接与输出线连接的注入晶体管、与注入晶体管的源极连接以施加第一电压的布线、重置放大晶体管的栅极电位的重置机构、其源极直接或间接与放大晶体管的漏极连接的激活晶体管以及直接或间接与激活晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线。
这种MOS型固态图像拾取器件可以应用于背照型固态图像拾取器件和前照型固态图像拾取器件两者。此外,这种MOS型固态图像拾取器件可以应用于与微型凸块的存在与否无关的固态图像拾取器件。
根据本发明的另一个实施例,在上述MOS型固态图像拾取器件中,供应给重置机构的重置脉冲与供应给注入晶体管的第一注入脉冲重叠,并且重置脉冲在第一注入脉冲结束之前结束。
并且,该单元进一步包括传送晶体管,其源极与光电转换元件连接以及其漏极直接或间接与放大晶体管的栅极连接,供应给所述传送晶体管的传送脉冲在供应给注入晶体管的第二注入脉冲开始之前结束。
根据本发明的进一步实施例,摄像机包括含有如下的半导体模块:在布线层侧在每个单位像素单元上或在每个数个像素的单元上形成微型焊点的背照型MOS(金属氧化物半导体)型固态图像拾取器件以及在布线层侧在与MOS型固态图像拾取器件的微型焊点相对应的位置上形成微型焊点的信号处理芯片,其中,MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片通过微型凸块连接。
根据本发明的进一步实施例,在上述摄像机中,在与MOS型固态图像拾取器件的像素区部分的外围相对应的区域上形成像素驱动微型焊点,像素驱动微型焊点通过微型凸块与信号处理芯片侧的微型焊点连接。
根据本发明的进一步实施例,在上述摄像机中,半导体模块含有通过信号处理芯片的普通焊点建立的外部接口。
并且,根据本发明的进一步实施例,在上述摄像机中,MOS型固态图像拾取器件含有单元,该单元包括:光电转换元件、包括用于从光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管、直接或间接与放大晶体管的源极连接以便与微型焊点连接的输出线、其漏极直接或间接与输出线连接的负载晶体管、与负载晶体管的源极连接以施加第一电压的布线、重置放大晶体管的栅极电位的重置机构以及直接或间接与放大晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线。
此外,根据本发明的更进一步实施例,摄像机的制造方法包括:在背照型MOS型固态图像拾取器件中,在布线层侧在每个单位像素单元上或在每个数个像素的单元上形成微型焊点的工艺,以及通过微型凸块将背照MOS型固态图像拾取器件与含有在布线层侧在与MOS型固态图像拾取器件的微型焊点相对应的位置上形成的微型焊点的信号处理芯片连接的工艺。
根据本发明的半导体模块的实施例,由于这个半导体模块包括在布线层侧在每个单位像素单元上或在每个数个像素的单元上形成微型焊点的背照型MOS型固态图像拾取器件以及在布线层侧在与MOS型固态图像拾取器件的微型焊点相对应的位置上形成微型焊点的信号处理芯片,其中,MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片通过微型凸块连接。可以提高图像处理速度,因此,使高速接口成为可能。此外,由于可以同时驱动所有像素或大量像素并且可以同时读出像素信号,因此可以获得画面内的同时性。于是,可以获得极好的画面质量。
由于半导体模块应用在布线层侧在它与光入射表面相反的表面上形成微型焊点的背照MOS型固态图像拾取器件,无需考虑图像传感器的孔径比,可以在表面上布置大量微型焊点。
在MOS型固态图像拾取器件侧上只形成像素和布线,并且在信号处理芯片侧上形成除了像素和布线之外的所有其它电路系统。借助于这种布置,可以降低MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片两者的成本。
由于MOS型固态图像拾取器件被做成背照MOS型固态图像拾取器件,并且在布线层侧通过微型焊点和微型凸块连接固态图像拾取器件和信号处理芯片,所以不需要现有技术通孔形成工艺,因此,可以减少工艺的数量。因此,可以简化制造工艺和可以提高成品率。结果,由于光敏区不随为通孔准备的空间而减小,可以提高MOS型固态图像拾取器件的灵敏度,因此,可以防止相对于斜光的不对称性。
在MOS型固态图像拾取器件上在它与像素区部分的外围相对应的区域上形成诸如用于电源、地线和像素控制信号的那些那样的所谓像素驱动微型焊点,并且微型焊点可以通过微型凸块与信号处理芯片的微型焊点连接。因此,可以减少相连部分之间的电感和电容成分,并且可以避免信号的干扰和延迟。
由于外部接口只通过信号处理芯片的普通焊点建立,也就是说,外部接口不从MOS型固态图像拾取器件中建立,可以去掉MOS型固态图像拾取器件上的光学无用区,因此,可以避免电路系统占据像素区的比例下降。
由于MOS型固态图像拾取器件包括用于测试的普通焊点,在与信号处理芯片焊接在一起之前,可以检查MOS型固态图像拾取器件的特性。
由于MOS型固态图像拾取器件含有单元,该单元包括:光电转换元件、包括用于从光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管、直接或间接与放大晶体管的源极连接以便与微型焊点连接的输出线、其漏极直接或间接与输出线连接的负载晶体管、与负载晶体管的源极连接以施加第一电压的布线、重置放大晶体管的栅极电位的重置机构以及直接或间接与放大晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线,因此MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片可以通过上述微型凸块连接,可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号。
由于MOS型固态图像拾取器件含有单元,该单元包括:光电转换元件、包括从光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管、直接或间接与放大晶体管的源极连接的输出线、其漏极直接或间接与输出线连接的注入晶体管、与注入晶体管的源极连接以施加第一电压的布线、重置放大晶体管的栅极电位的重置机构、其源极直接或间接与放大晶体管的漏极连接的激活晶体管以及直接或间接与激活晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线,因此MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片可以通过上述微型凸块连接,可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号。并且,该单元包括激活晶体管和注入晶体管,可以防止激活晶体管和注入晶体管两者同时导通,从而可以防止恒定电流流过,并且MOS型固态图像拾取器件包括1,000,000数量级的单元。因此,当可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号时,可以防止大电流流过,从而可以解决电流问题。
由于将重置脉冲供应给重置机构,重置脉冲与供应给注入晶体管的第一注入脉冲重叠,并且重置脉冲结束在第一注入脉冲结束之前,可以使重置脉冲之后马上获得的输出线电位等于地电位,因此,可以防止输出线电位波动。
由于该单元包括传送晶体管,并且供应给传送晶体管的传送脉冲结束在供应给注入晶体管的第二注入脉冲开始之前,可以使电压降低。也就是说,与传送脉冲与第二注入脉冲重叠的情况相比,在传送时从浮动扩散点(FD)获得的电位因像素内电容耦合的作用而处在高电平上,从而可以使电压降低。
由于MOS型固态图像拾取器件输出作为多路复用模拟信号的单元输出,该模拟信号被信号处理芯片数字化、多路分用和存储在存储器中,MOS型固态图像拾取器件可以不要求信号处理芯片处理单元输出被转换成模拟信号之后获得的信号,并且可以提高MOS型固态图像拾取器件制造过程中的成品率。
由于来自MOS型固态图像拾取器件的单元输出被转换成数字信号,并且这个数字信号在信号处理芯片侧被多路分用和存储在存储器中,可以将数个像素集中在一起作为一个单元,以数个单元为单位集中与那些像素相对应的数字信号和可以通过微型焊点将其输出到信号处理芯片侧。于是,可以增加每个微型焊点的像素个数,可以扩大微型焊点的尺寸,并且也可以降低微型焊点的密度。
一般说来,与信号处理芯片相比,像素特性难以变一致的MOS型固态图像拾取器件的成品率较低。根据本发明的实施例,由于MOS型固态图像拾取器件不包括控制电路的配置,即,它具有可以尽可能多地减少除了像素之外的其它电路,所以可以缩小无用区,并且可以降低包括MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片的系统的成本。
根据本发明的MOS型固态图像拾取器件的实施例,由于MOS型固态图像拾取器件包括单位像素单元或含有数个像素的单元,该单元包括光电转换元件、包括用于从光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管、直接或间接与放大晶体管的源极连接的输出线、其漏极直接或间接与输出线连接的注入晶体管、与注入晶体管的源极连接以施加第一电压的布线、重置放大晶体管的栅极电位的重置机构、其源极直接或间接与放大晶体管的漏极连接的激活晶体管以及直接或间接与激活晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线,因此可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号。并且,该单元包括激活晶体管和注入晶体管,并且可以防止激活晶体管和注入晶体管两者同时导通,从而可以防止恒定电流流过,并且MOS型固态图像拾取器件包括1,000,000数量级的单元。因此,当可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号时,可以防止大电流流过,从而可以解决电流问题。
在上述MOS型固态图像拾取器件中,由于将重置脉冲供应给重置机构,重置脉冲与供应给注入晶体管的第一注入脉冲重叠,并且重置脉冲在第一注入脉冲结束之前结束,可以使重置脉冲之后马上获得的输出线电位等于地电位,因此,可以防止输出线电位波动。
在上述MOS型固态图像拾取器件中,由于该单元包括传送晶体管,并且供应给传送晶体管的传送脉冲在供应给注入晶体管的第二注入脉冲开始之前结束,可以使电压降低。也就是说,与传送脉冲与第二注入脉冲重叠的情况相比,在传送时从浮动扩散点(FD)获得的电位因像素内电容耦合的作用而处在高电平上,从而可以使电压降低。
附图说明
图1是示出根据现有技术的MOS型固态图像拾取器件的例子的示意图;
图2是示出如图1所示的MOS型图像传感器中像素电路的例子的电路图;
图3A是示出根据本发明一个实施例的半导体模块的侧视图;
图3B是示出根据本发明一个实施例的半导体模块的平面图;
图4是示出根据本发明一个实施例的视频摄像机的布置的截面图;
图5是示出背照MOS型固态图像拾取器件的布置的示意图;
图6是示出根据本发明一个实施例的MOS型图像传感器芯片的示意图;
图7是示出根据本发明一个实施例的MOS型图像传感器芯片的一个单元的排列的例子的电路图;
图8是如图7所示的单元排列的驱动时序图;
图9是示出根据本发明一个实施例的MOS型图像传感器芯片的一个单元的排列的另一个例子的电路图;
图10是示出根据本发明一个实施例的微型焊点的布局的例子的概念图;
图11是示出根据本发明一个实施例的MOS型图像传感器芯片和信号处理芯片之间的互连的例子的概念图;
图12是示出根据本发明一个实施例的信号处理芯片侧的相关复式取样(CDS)/模拟-数字(A/D)电路的例子的电路图;
图13是示出根据本发明一个实施例的信号处理芯片侧的例子的概念图;
图14是示出根据本发明一个实施例的MOS型图像传感器芯片和信号处理芯片之间的互连的另一个例子的概念图;和
图15是示出根据本发明另一个实施例的MOS型图像传感器芯片的示意图。
具体实施方式
下文参照附图对本发明加以描述。
图3A和3B示出了根据本发明一个实施例的半导体模块的基本结构。具体地说,图3A是示出根据本发明一个实施例的半导体模块的侧视图,而图3B是它的平面图。
在图3A和3B中用标号31总体表示的半导体模块包括相互叠在一起的MOS型固态图像拾取器件(下文称为“MOS型图像传感器芯片”)32以及信号处理芯片(即,DSP(数字信号处理)芯片)33。如图3A和3B所示,信号处理芯片33与MOS型图像传感器芯片32连接,处理MOS型图像传感器芯片32供应的输出。并且,不用说,信号处理芯片33可以具有控制MOS型图像传感器芯片32的功能。
图4是示出根据本发明一个实施例的视频摄像机的布置的截面图。根据这个实施例的摄像机是能够拍摄运动图像的视频摄像机的例子。
如图4所示,根据这个实施例的摄像机包括固态图像拾取器件201、光学系统202、快门设备203、驱动电路204和信号处理电路205。
光学系统202适用于将来自对象的成像光线(入射光)聚焦在固态图像拾取器件201的图像拾取表面上,从而在恒定时间间隔内在固态图像拾取器件201中积累信号电荷。
快门设备203适用于控制光线照射在固态图像拾取器件201上的时间间隔和屏蔽照射在固态图像拾取器件201上的光线的时间间隔。
驱动电路204适用于供应驱动信号以控制固态图像拾取器件201的传送操作和快门设备203的快门操作。根据驱动电路204供应的驱动信号(定时信号),在固态图像拾取器件201中传送信号电荷。信号处理电路205适用于进行各种各样的信号处理。尽管未示出,但经过信号处理之后的视频信号可以存储在诸如存储器之类的存储介质中或输出到监视器。
MOS型图像传感器芯片32被做成背照(即,光线从背后输入)型MOS型图像传感器芯片。背照型MOS型图像传感器芯片32具有在基底表面侧形成布线层以便从位于布线层的反面的基底背面侧引入光线的布置。图5是示出背照型MOS型固态图像拾取器件32的布置的示意图。如图5所示,这种背照型MOS型固态图像拾取器件32包括用作在半导体基底41的背面41b侧存在光入射面的光电转换元件的光电二极管PD。在半导体基底41的正面侧形成用作从光电二极管PD中读出信号电荷的装置的数个MOS晶体管Tr。并且,在半导体基底41的正面侧形成由带有层间绝缘体42的多层布线43形成的布线层44。从半导体基底41的正面41a侧到背面41b侧形成光电二极管PD。在光线L穿过纯化膜45入射在上面的背面41b侧形成与每个像素相对应的滤色器46和芯片上微型透镜47。尽管未示出,但由诸如硅基底之类的适当基底材料制成的支承基底可以与布线层44焊接在一起。
回头参照图3A和3B,正如后面所述的那样,在其至少与像素部分(所谓像素区部分)相对应的区域上,在MOS型图像传感器芯片32的布线层44侧的表面(如果MOS型图像传感器芯片32包括支承基底,为支承基底的表面)上,在每个单位像素单元上或在每个数个像素的单元上形成大量微型焊点34。并且,在信号处理芯片33的布线层的表面上形成与MOS型图像传感器芯片32的微型焊点34相对应的大量微型焊点35。然后,通过用微型凸块36电连接相应微型焊点34和35,使MOS型图像传感器芯片32和信号处理芯片33一体化成一个主体。微型焊点34,35由比普通焊点小的微型焊点形成。例如,微型焊点34,35由比50μm见方的普通焊点小的10μm见方的微型焊点形成。在这些微型焊点34,35上形成微型凸块36。与普通焊点布局不同,可以在芯片中心附近形成大量微型焊点34,35。作为微型凸块36的尺寸(这种关系也将应用于如后所述的微型凸块),微型凸块36的直径可以选为30μm或更小,并且,可以在10μm到5μm的范围内选择微型凸块36的直径。
与MOS型图像传感器芯片32的像素部分相对应,形成大量微型焊点34,35和微型凸块36。最好,如后所述,应该在与像素部分的外围相对应的区域中形成微型焊点37,38和微型凸块39。
信号处理芯片33是在比MOS型图像传感器芯片32的区域大的区域上形成的。在这个信号处理芯片33上,在其与MOS型图像传感器芯片32的外部相对应的位置上形成普通焊点51,从而构成与除了这两个芯片的系统之外的其它系统的接口。在MOS型图像传感器芯片32与信号处理芯片33焊接在一起之后使用的普通焊点未位于MOS型图像传感器芯片32侧上。尽管为了清楚地表达基本概念而未示出,但用于测试和选择的普通焊点最好应该位于MOS型图像传感器芯片32侧上。
在通过微型凸块36,39连接之后,至少在周围部分用密封件52,例如,树脂密封信号处理芯片33和MOS型图像传感器芯片32。
根据本实施例的半导体模块31,通过如图3A和3B所示的布置,可以解决在现有技术中遇到的各种问题,譬如,通过半导体基底形成布线的制造工艺的复杂性、制造成本的升高、成品率的降低、像素孔径比因像素电路而变小的问题以及让穿过布线经过的区域的光学无用区增加的问题。具体地说,由于MOS型图像传感器芯片32被做成背照型MOS型图像传感器芯片32,可以使像素的孔径比变大。由于MOS型图像传感器芯片32和信号处理芯片33两者是通过微型凸块36,39连接的,可以简化制造工艺和可以提高成品率。由于MOS型图像传感器芯片32和信号处理芯片33不是利用穿过布线,而是通过微型凸块36,39连接的,可以缩小光学无用区。
根据这种布置,尽管与现有技术例子2不同,通过连接凸块不能叠加大量芯片,但从成品率、下侧芯片33(即,信号处理芯片33)产生的热量以及总高度的角度来看,只连接MOS型图像传感器芯片32和信号处理芯片33应该是可取的。也就是说,如果将芯片叠成许多层,那么,下侧芯片产生的大量热量流入图像传感器中,尤其会使暗特性变坏。但是,根据本实施例使两个芯片32和33相互叠在一起的布置,由于下侧芯片只是信号处理芯片33,信号处理芯片33产生的少量热量流入MOS型图像传感器芯片32中,因此,暗特性的变坏不会成为严重问题。此外,在CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器中,经常希望带有透镜的模块的高度应该尽可能降低。根据本实施例的布置,可以保持半导体模块31的高度较低。
图6是示出MOS型图像传感器芯片32的方框图。如图6所示,MOS型图像传感器芯片32包括排列大量单元54的中心区像素部分53。单元54可以是单位像素,或可以由数个像素形成。然后,在如上所述的布线层之一侧在每个单元54上排列微型焊点34(参见图3A和3B),并且像素部分53含有在它外围形成的像素驱动单元55。在这个像素驱动单元55中,排列着用于供应信号和功率以驱动像素和供应地信号(GND)的大量微型焊点37(参见图3A和3B)。在像素驱动单元55外围形成排列着用于测试的普通焊点57的测试焊点56。
将像素输出供应给像素部分53的微型焊点34。将像素驱动信号、电源和地信号(GND)供应给像素驱动单元55的微型焊点37。如上所述,最好,MOS型图像传感器芯片32侧应该不包括控制电路。其原因描述如下。由于像素特性难以变一致的MOS型图像传感器芯片的成品率一般比信号处理芯片低,如果MOS型图像传感器芯片尽可能地不包括除了像素之外的其它电路,那么,可以使光学无用区变小。此外,关于此的另一个原因是可以用比信号处理芯片的设计规则更宽松的设计规则制造MOS型图像传感器芯片。
图7是示出单元54的例子的图形。在本实施例中,4个像素集中在一起形成一个单元54。如图7所示,根据本实施例的单元54包括4个光电二极管PD[PD1,PD2,PD3,PD4]。各个光电二极管PD1到PD4分别与相应的4个传送晶体管61[611,612,613,614]连接,并且传送晶体管61[611-614]的栅极与供应给传送脉冲的传送布线62[621-624]连接。各个传送晶体管611到614的栅极被共同连接成一起,然后,与重置晶体管63的源极连接。此外,传送晶体管61的漏极和重置晶体管63的源极之间的所谓浮动扩散点(FD)与放大晶体管64连接。重置晶体管63的漏极与供应给电源电压的电源布线65连接,其栅极与供应给重置脉冲的重置布线67连接。此外,在现有技术例子中的如图2所示的选择晶体管上配备了激活晶体管68。具体地说,配备了其漏极与电源布线65连接和其源极与放大晶体管64的漏极连接的激活晶体管68。激活晶体管68的栅极与供应给激活脉冲的激活布线69连接。注入晶体管70与放大晶体管64的源极连接。注入晶体管70的源极与地线(GND)连接,而其栅极与供应给注入脉冲的注入布线73连接。然后,放大晶体管64和注入晶体管70之间的连接点与输出线(或输出终端)72连接。
从电路的角度来看,本实施例与如图2所示的现有技术例子的不同之处在于,像素在其中包括了注入晶体管70和接地布线71,而输出线72不是沿着垂直方向,而是在每个单元54上独立地延伸。在这个单元54中,响应供应给传送布线62[621-624]的传送脉冲,相应晶体管61[611-614]被导通,从而将相应光电二极管PD[PD1-PD4]的信号电荷传送到浮动扩散点FD。此外,响应供应给重置布线67的重置脉冲,重置晶体管63被导通,从而去除浮动扩散点FD到电源布线65的信号电荷(在本例中,为电子),因此使浮动扩散点FD的电位等于电源电位。
接着,参照图8描述这个单元54的操作。首先,随着通过注入布线73施加注入脉冲1(Pn1),注入晶体管70被导通,并且输出线72被固定在0V上。在这条输出线72被固定在0V上之后,随着通过重置布线67施加重置脉冲Pr,重置晶体管63被导通,从而,浮动扩散点FD的电位被重置成高电平(电源电位)。当浮动扩散点FD被设置成高电平时,放大晶体管64被导通。接着,在注入晶体管70被断开之后,随着通过激活布线69施加激活脉冲Pk1,激活晶体管68被导通。
当激活晶体管68被导通时,输出线72的电位升高到与浮动扩散点FD的电位相对应的电平。这个输出线电位被称为“重置电平”。
接着,激活晶体管68被断开,从而将传送脉冲Pt1供应给传送布线621。传送晶体管611被导通,从而将相应光电二极管PD1的信号电荷传送到浮动扩散点FD。然后,随着注入脉冲2(Pn2)的施加注入晶体管70被导通和输出线72被设置成0。然后,当随着激活脉冲Pk2的施加,激活晶体管68被导通时,输出线72的电位升高到与那时获得的浮动扩散点FD的电位相对应的电平。这时获得的输出线电位被称为“信号电平”。
将输出线72的电位通过微型凸块36供应给信号处理芯片33(参见图3A和3B)。在信号处理芯片33中,模拟-数字转换,从而以数字信号处理的方式处理信号电平与重置电平之间的差值。在本实施例中,从4个光电二极管PD[PD1-PD4]当中的一个光电二极管PD1读出信号。按照那个顺序,对其余三个光电二极管PD2到PD4实施类似操作。
如图8所示,最好,重置脉冲Pr应该与注入脉冲1(Pn1)重叠,重置脉冲Pr在注入脉冲1(Pn1)之前下降。其原因是在重置脉冲Pr下降之后马上获得的输出线电位被设置成0V,从而可以防止这样的输出线电位波动。此外,最好,从低电压的角度来看,传送脉冲Pt1应该在注入脉冲2(Pn2)上升之前下降。其原因是,由于与传送脉冲Pt1与注入脉冲2(Pn2)重叠的情况相比,在传送时获得的浮动扩散点FD电位因像素内的电容耦合而处在高电平上,可以使电压降低。毫无疑问,当不需要严格考虑这些电压降时,本发明不局限于上述情况。
虽然到目前为止已经描述了一个单元的操作,但在像素部分中排列着大量单元。在本实施例中,大量像素被同时驱动。在那种情况下,由于根据现有技术,在利用恒定电流源的源极跟随器操作中,电流同时流入大量单元(例如,1,000,000个单元),它的电流值增大,致使可靠性降低,并且由于布线电阻的缘故,电源电压也降低。因此,根据本实施例,如上所述,使注入晶体管70位于单元中,可以防止它在激活晶体管68被导通的同时被导通,从而防止恒定电流流入单元中。
在本实施例中,不需要以行为单位选择单元,因此不要求选择晶体管。如果MOS型固态图像拾取器件不含有许多像素或要求的规范不那么严格,那么,没有激活晶体管68的单元也可以进行现有技术源极跟随器操作。图9是示出这种情况的单元电路的例子的电路图。
如图9所示,与如上所述类似,4个像素集中在一起形成一个单元151。根据本实施例的单元151包括4个光电二极管PD[PD1,PD2,PD3,PD4],并且各个光电二极管PD1到PD4分别与相应的4个传送晶体管61[611,612,613,614]连接。传送晶体管61[611-614]的各自栅极分别与供应给传送脉冲的传送布线62[621-624]连接。各个传送晶体管611到614的栅极被连接成公用电极并与重置晶体管63的源极连接,而传送晶体管61的漏极和重置晶体管63的源极之间的浮动扩散点FD与放大晶体管64连接。重置晶体管63的漏极与供应给电源电压的电源布线65连接,其栅极与供应给重置脉冲的重置布线67连接。放大晶体管64的漏极与电源布线65连接。负载晶体管152与放大晶体管64的源极连接。负载晶体管152的源极与地线(GND)连接,而其栅极与负载布线153连接。然后,放大晶体管64和负载晶体管152的连接点与输出线72连接。
在本实施例中,虽然在图7中控制布线69、67、73、621到624都沿着横向延伸,但本发明不局限于此。也就是说,由于所有单元被同时操作,控制布线可以沿着垂直方向延伸,控制布线可以沿着横向和垂直方向两者延伸。可替代地,控制布线可以以控制布线可以沿着垂直方向和横向连接的网格方式延伸。此外,当所有单元被同时操作,而使得电流值增加太多时,可以将MOS型固态图像拾取器件的操作划分成几十行的单元的操作。关于这一点,虽然这个单元的电路,而其驱动方法对组合背照MOS型固态图像拾取器件和微型凸块的情况尤其有效,但当同时驱动所有像素或大量像素和同时输出像素信号时,尽管本发明与这样的组合无关,这种单元的电路,而其驱动方法从上述电流问题的角度来看也是有效的。
图10是为了简单起见,就单元输出和重置脉冲的部分而言,以4行×4列的单元排列的形式示出微型焊点的阵列的例子的概念图。如图10所示,包括4个像素的单元54以4×4矩阵的方式排列着,并在每个单元上形成用于模拟输出的微型焊点34。重置栅极驱动脉冲由用于重置栅极驱动脉冲的微型焊点75供应,从像素部分的外围输入缓冲器76中。缓冲器76配备在单元54的每行上,并且重置布线67处在横向上。在缓冲器76的每两条线上配备一个用于电源的微型焊点77。类似地,在每两条线上配备一个用于供应地线(GND)的微型焊点78。如上所述,最好,电源电压和地电压应该由许多微型焊点供应。
图11是示出根据本发明一个实施例的MOS型图像传感器芯片32和信号处理芯片33之间的连接的概念图。如图11所示,在MOS型图像传感器芯片32侧,模拟多路复用器81适用于在一个单元中依次选择4个光电二极管(光电转换元件)PD1到PD4。这个模拟多路复用器81的处理包括将如图7所示的传送晶体管61[611-614]多路复用的信号通过放大晶体管64输出到输出线72的相应处理。将来自模拟多路复用器81的输出通过微型凸块36供应给进行相关复式取样和模拟-数字转换的、处在信号处理芯片33侧的相关复式取样(CDS)和模拟-数字(A/D)转换电路82。通过数字多路分解器83供应来自CDS和A/D转换电路82的所得数字信号,然后,将其存储在帧存储器84[841-844]中。
计算电路85适当地引用存储在帧存储器84中的值,并且以数字信号方式处理它们。这里,尽管到目前为止已经描述了一个单元的上述电路部件的连接,但实际上,这些电路部件可以配备在每个单元上,并且可以相互并行地操作它们。但是,计算电路85无需总是配备在每个单元上,而是例如,一个计算电路85可以引用存储在帧存储器84[841-844]中的多个值,并且它可以串行地处理它们。此外,多路分解器83、帧存储器84和计算电路85无需总是明显地相互分开,而是可以在它们可以进行同等信号处理的程度上将它们合并一起。
例如,如图12所示,与信号处理芯片33相对应的单元具有包括比较器和锁存器的配置。在如图12所示的例子中,微型焊点35与由开关晶体管Q11和取样和保持电容器C2组成的取样和保持电路连接,而这个取样和保持电路通过隔直电容器C1与反相器91连接。开关晶体管Q11的栅极与供应给取样和保持脉冲的取样和保持布线92连接。取样和保持电容器C2的另一端与被供应倾斜波(ramp wave)(电压随时间升高)的倾斜布线93连接。初始化开关(MOS晶体管)Q12连接在反相器91的输入端和输出端之间。
另一方面,如图12所示,与构成一个单元的4个像素相对应配备了4条字线WD0到WD3,并且在与字线WD0到WD3垂直的方向配备了数条(在本实施例中为10条)位线BIT[BIT0-BIT9]。此外,与4个像素相对应配备了4列的DRAM(动态随机访问存储器)单元组94[940-943]。每个DRAM单元由一个MOS晶体管Q2[Q200-Q209,Q210-Q219,Q220-Q229,Q230-Q239]和一个电容器C3[C300-C309,C310-C319,C320-C329,C330-C339]形成。每列的DRAM单元组940到943由10个DRAM95形成。DRAM单元组94内各个MOS晶体管Q2的栅极被连接成公用电极,并通过开关SW[SW0-SW3]分别与相应字线WD0到WD3连接。开关SW的可动触点c与MOS晶体管Q2的栅极连接,它的第一固定触点a与反相器91的输出线97连接,而其第二固定触点b与相应字线WD0到WD3连接。
如图12所示,通过微型凸块36从微型焊点35输入的模拟信号经电容器C1隔直,供应给反相器91。反相器91与初始化开关Q12(布线是INIT)一起构成比较器。当上述重置电平通过微型凸块36从微型焊点35输入比较器时,输入的重置电平被初始化。然后,当信号电平输入比较器时,反相器91的输入以基本上与输入信号电平和重置电平之差成正比的数量降低,而反相器91的输出转成高电平。此后,当倾斜波输入倾斜布线93时,在DRAM单元95中锁存当比较器反相时获得的位线BIT的电压值,使得经过CDS和A/D转换器电路82处理的信号被存储在帧存储器84[841-844]中。开关SW0到SW3适用于当读取DRAM单元时,多路分用包含在单元中的4个像素的信号,并将信号与字线WD0到WD3连接。这里,上文例示了A/D转换10-位数据的例子,因此,将10-位格雷码值输入位线BIT[BIT0-BIT9]。从理论的角度来看,由比较器和锁存器组成的A/D转换电路很久以前就是众所周知的,因此,无需加以描述。
当同时对所有单元实施这种操作时,将单元的4个像素的信号依次供应给信号处理芯片33,在信号处理芯片33中模拟-数字转换它们,从而将一个帧的数字数据存储在信号处理芯片33侧中。当输出一个帧的数据时,由于从帧存储器中读出数据4次就足够了,因此,可以使帧速率较高。并且,尽管在一个单元的4个像素中会出现非常短时间间隔的时间差,但从频带的角度来看,在画面中不会出现时间差,从而可以在画面内建立同时性。信号处理芯片33利用一个帧的这个数字数据进行摄像机信号处理。
图13是示出信号处理芯片33的电路布局的示意图。如图13所示,在信号处理芯片33侧的单元110包括与MOS型图像传感器芯片32侧的单元54相对应的微型焊点35。在微型焊点35的外围配备了像素驱动部分111,像素驱动部分111含有排列在上面将驱动信号和电源电压供应给MOS型图像传感器芯片32侧的微型焊点38。由于利用上层的布线配备微型焊点38就足够了,可以使由晶体管和下层的布线组成的电路位于微型焊点38下面。在本例中,在信号处理芯片33侧的单元110的选择电路113和读出放大器114部分叠在像素驱动部分111之上。控制各个部分的操作的控制电路115和对帧存储器的数据进行信号处理的信号处理电路116配备在像素驱动部分111的上面和下面。在本例中,从电路区的角度来看,可以在处在信号处理芯片33侧的单元110的外部,通过依次读取数据进行信号处理。如果由于像素的尺寸等较大而可以将信号处理芯片116嵌入单元110中,那么,可以将信号处理单元116嵌入单元110中。
最好,MOS型图像传感器芯片32应该通过宽松旧工艺(例如,0.25μm)来制造,其中相对于通过设置的灵敏度和透镜规格确定的特定像素尺寸可以便宜地和稳定地制造光电二极管,而信号处理芯片33应该通过可收缩超小型化工艺(例如,0.06μm)来制造。当工艺标准差别相当大时,每个单元的电路规模在信号处理芯片33侧较大的本实施例对于这样的情况有效。
另一方面,当MOS型图像传感器芯片32和信号处理芯片33的加工产物相互接近时,在信号处理芯片32侧A/D转换像素信号是有效的。图14是示出根据本发明的MOS型图像传感器芯片和信号处理芯片之间的连接的另一个例子的概念图。在MOS型图像传感器芯片32侧,例如,两个单元与能够依次选择4个光电二极管(光电转换元件)PD1到PD4和PD5到PD8的多路复用器121、122连接,4个光电二极管PD1到PD4,PD5到PD8的每一个都包括在一个单元中。第一多路复用器121、122分别与相应A/D转换电路123、124连接。并且,两个A/D转换电路123、124与第二多路复用器125连接。信号处理芯片33包括来自第二多路复用器125的输出通过微型凸块126与之连接的多路分解器127、与多路分解器127连接和与图像传感器芯片32侧的光电二极管PD[PD1-PD4,PD5-PD8]相对应的存储器131到138以及计算电路128。
如图14所示,在图像传感器芯片32侧的第一多路复用器121、122依次选择了传感器的光电二极管之后,A/D转换电路123、124A/D转换像素信号,而第二多路复用器125选择经如此A/D转换过的像素信号,然后,将数字数据供应给信号处理芯片33侧。将数字数据通过微型凸块126供应给信号处理芯片33侧的多路分解器127,在信号处理芯片33侧,多路分解器127分开数字数据,并且供应给与像素相对应的存储器。
信号处理芯片33的布置不局限于上述的布置,可以将它修改成不需要总是配备多路分解器127和存储器131到138,而数字数据可以直接输入计算电路128中。并且,半导体模块需要清楚地分成如图14所示的图像传感器芯片32和信号处理芯片33。例如,图像传感器芯片32和信号处理芯片33之间的接口可以通过如图12所示的比较器输出端上的微型凸块建立。A/D转换电路123、124可以是其它系统,例如,它们可以通过在例如美国专利第5,801,657号中描述的方法形成。存储器131到138不需要总是由DRAM形成。与现有技术例子2不同,如果图像传感器芯片32具有将经过微型凸块126的信号转换成数字值(需要总是完全A/D转换上面的信号)的配置,可以建立起高速接口,因此,可以防止画面质量变差。此外,由于可以建立起高速接口,如果在如图14所示的图像传感器芯片32侧配置了另一级的第二多路复用器125,那么,可以增加每个微型焊点像素的个数,可以扩大微型焊点的尺寸,并且可以降低微型焊点所处位置的密度。
本发明的实施例不局限于上述例子,也可以采用各种各样的例子。
例如,MOS型图像传感器芯片32不局限于如图6所示的布置,它也可以采用如图15所示的布置。也就是说,如图15所示,可以在图像传感器芯片32侧配备像素控制电路141,以便可以优先减少如图6所示的像素驱动部分55的微型焊点37。
响应各种用途,可采用各种类型的A/D转换,譬如,计数光电二极管达到某个电位的时间段的方法(Dig.Tech.Papers,ISSCC,pp.230-231)。
虽然在图7中放大晶体管64的源极直接与输出线(或输出终端)72连接,但放大晶体管64的源极也可以通过例如通常处于导通状态的晶体管,或通过其它装置间接与输出线(或输出终端)72连接。类似地,虽然注入晶体管70的漏极直接与输出线(或输出终端)72连接,但放大晶体管70的漏极也可以通过例如通常处于导通状态的晶体管,或通过其它装置间接与输出线(或输出终端)72连接。类似地,虽然如上所述,放大晶体管64的漏极和激活晶体管68的源极直接连接,而激活晶体管68和电源布线65直接连接,但它们也可以通过例如通常处于导通状态的晶体管,或通过其它装置间接连接。
虽然在图9中放大晶体管64的源极直接与输出线72连接,但放大晶体管64的源极也可以通过例如通常处于导通状态的晶体管,或通过其它装置间接与输出线(或输出终端)72连接。类似地,虽然负载晶体管152的漏极和输出线(或输出终端)72和放大晶体管64和电源布线65可以分别直接连接,但它们也可以通过例如通常处于导通状态的晶体管,或通过其它装置间接连接。
虽然如图7和9所示,传送晶体管61的漏极直接与放大晶体管64的栅极连接,但本发明不局限于此,传送晶体管61的漏极可以通过例如通常导通状态晶体管,或通过其它装置间接与放大晶体管64的栅极连接。
根据上述实施例,由于MOS型图像传感器32和信号处理芯片33通过微型凸块36和39连接在一起,使高速接口成为可能。并且,还可以实现画面内的同时性。此外,由于半导体模块包括背照型MOS型图像传感器芯片,可以在与光入射表面(或者,如果MOS型图像传感器芯片包括支承基底,支承基底的表面)相反的那一侧的布线层上形成大量微型焊点36和39。
由于MOS型图像传感器芯片被做成背照型MOS型图像传感器芯片和图像传感器芯片32和信号处理芯片33通过微型凸块36和39在布线侧连接在一起,与现有技术例子2不同,不需要通孔形成工艺,因此,可以减少工艺数量。结果,可以简化制造工艺,并且可以提高成品率。此外,由于可以防止光敏区因电路和通孔空间而缩小,可以使灵敏度提高,并且可以防止相对于斜光的不对称性。
根据如图7所示的单元排列,由于激活晶体管68和注入晶体管70位于单元内,并且操作激活晶体管68和注入晶体管70,以便不同时导通,即使同时驱动所有像素或大量像素和同时读出像素信号,也可以防止大电流流过,因此,可以提高作为固态图像拾取器件的可靠性。
在本发明中,可以独立构造包括如图7所示的上述单元54的MOS型固态图像拾取器件。在这种情况下,本发明可应用于任何背照型MOS型固态图像拾取器件和前照型MOS型固态图像拾取器件。并且,关于将图像传感器芯片与信号处理芯片连接的连接方法,可以利用基于微型凸块或其它适当连接装置的任何连接连接图像传感器芯片和信号处理芯片。
根据上述MOS型固态图像拾取器件,同时驱动所有像素或大量像素,因此,可以同时读出像素信号。并且,由于该单元包括激活晶体管和注入晶体管,并且防止了激活晶体管和注入晶体管被同时导通,从而可以防止恒定电流流过,当MOS型固态图像拾取器件包括1,000,000数量级的单元或同时驱动所有像素或大量像素以便同时读出像素信号时,可以防止大电流流过,因此,可以提高MOS型固态图像拾取器件的可靠性。
并且,由于供应给重置机构的重置脉冲与供应给注入晶体管的第一注入脉冲重叠和重置脉冲在第一注入脉冲下降之前下降,可以使重置脉冲之后马上获得的输出线电位等于地电位,因此,可以防止输出线电位波动。
此外,由于该单元包括传送晶体管和供应给传送晶体管的传送脉冲在供应给注入晶体管的第二注入脉冲上升之前下降,可以使电压降低。也就是说,由于与传送脉冲第二注入脉冲重叠的情况相比,在传送时获得的浮动扩散点(FD)电位因像素内电容耦合的作用而处在高电平上,可以使电压降低。
根据本发明的半导体模块的实施例,由于这个半导体模块包括在布线层侧在每个单位像素单元上或在每个数个像素的单元上形成微型焊点的背照型MOS型固态图像拾取器件,以及在布线层侧在与MOS型固态图像拾取器件的微型焊点相对应的位置上形成微型焊点的信号处理芯片,其中,MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片通过微型凸块连接,所以可以提高信号处理速度,因此,使高速接口成为可能。此外,由于可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号,可以获得画面内的同时性。于是,可以获得极好的画面质量。
由于半导体模块应用在布线层侧在它与光入射表面相反的表面上形成微型焊点的背照MOS型固态图像拾取器件,无需考虑图像传感器的孔径比,可以在表面上布置大量微型焊点。
在MOS型固态图像拾取器件侧上只形成像素和布线,而在信号处理芯片侧上形成除了像素和布线之外的所有其它电路系统。借助于这种布置,可以降低MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片两者的成本。
由于MOS型固态图像拾取器件被做成背照MOS型固态图像拾取器件,并且在布线层侧通过微型焊点和微型凸块连接固态图像拾取器件和信号处理芯片,所以不需要现有技术通孔形成工艺,因此,可以减少工艺的数量。因此,可以简化制造工艺和可以提高成品率。结果,由于光敏区不随为通孔准备的空间而减小,可以提高MOS型固态图像拾取器件的灵敏度,因此,可以防止相对于斜光的不对称性。
在MOS型固态图像拾取器件上在它与像素区部分的外围相对应的区域上形成诸如用于电源、地线和像素控制信号的那些那样的所谓像素驱动微型焊点,并且微型焊点可以通过微型凸块与信号处理芯片的微型焊点连接。因此,可以减少相连部分之间的电感和电容成分,并且可以避免信号的干扰和延迟。
由于外部接口只通过信号处理芯片的普通焊点建立,也就是说,外部接口不从MOS型固态图像拾取器件中建立,可以去掉MOS型固态图像拾取器件上的光学无用区,因此,可以避免电路系统占据像素区的比例下降。
由于MOS型固态图像拾取器件包括用于测试的普通焊点,在与信号处理芯片焊接在一起之前,可以检查MOS型固态图像拾取器件的特性。
由于MOS型固态图像拾取器件含有单元,该单元包括:光电转换元件、包括用于从光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管、直接或间接与放大晶体管的源极连接以便与微型焊点连接的输出线、其漏极直接或间接与输出线连接的负载晶体管、与负载晶体管的源极连接以施加第一电压的布线、重置放大晶体管的栅极电位的重置机构以及直接或间接与放大晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线,因此MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片可以通过上述微型凸块连接,可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号。
由于MOS型固态图像拾取器件含有单元,该单元包括:光电转换元件、包括用于从光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管、直接或间接与放大晶体管的源极连接的输出线、其漏极直接或间接与输出线连接的注入晶体管、与注入晶体管的源极连接以施加第一电压的布线、重置放大晶体管的栅极电位的重置机构、其源极直接或间接与放大晶体管的漏极连接的激活晶体管以及直接或间接与激活晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线,因此MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片可以通过上述微型凸块连接,可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号。并且,该单元包括激活晶体管和注入晶体管,并且可以防止激活晶体管和注入晶体管两者同时导通,从而可以防止恒定电流流过,并且MOS型固态图像拾取器件包括1,000,000数量级的单元。因此,当可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号时,可以防止大电流流过,从而可以解决电流问题。
由于将重置脉冲供应给重置机构,重置脉冲与供应给注入晶体管的第一注入脉冲重叠,并且重置脉冲结束在第一注入脉冲结束之前,可以使重置脉冲之后马上获得的输出线电位等于地电位,因此,可以防止输出线电位波动。
由于该单元包括传送晶体管,并且供应给传送晶体管的传送脉冲结束在供应给注入晶体管的第二注入脉冲开始之前,可以使电压降低。也就是说,与传送脉冲与第二注入脉冲重叠的情况相比,在传送时从浮动扩散点(FD)获得的电位因像素内电容耦合的作用而处在高电平上,从而可以使电压降低。
由于MOS型固态图像拾取器件输出作为多路复用模拟信号的单元输出,该模拟信号被信号处理芯片数字化、多路分用和存储在存储器中,MOS型固态图像拾取器件可以不要求信号处理芯片处理单元输出被转换成模拟信号之后获得的信号,并且可以提高MOS型固态图像拾取器件制造过程中的成品率。
由于来自MOS型固态图像拾取器件的单元输出被转换成数字信号,并且这个数字信号在信号处理芯片侧被多路分用和存储在存储器中,可以将数个像素集中在一起作为一个单元,以数个单元为单位集中与那些像素相对应的数字信号和可以通过一个微型焊点将其输出到信号处理芯片侧。于是,可以增加每个微型焊点的像素个数,可以扩大微型焊点的尺寸,并且也可以降低微型焊点的密度。
一般说来,与信号处理芯片相比,像素特性难以变一致的MOS型固态图像拾取器件的成品率较低。根据本发明的实施例,由于MOS型固态图像拾取器件不包括控制电路,即,它具有可以尽可能多地减少除了像素之外的其它电路的配置,所以可以缩小无用区,并且可以降低包括MOS型固态图像拾取器件和信号处理芯片的系统的成本。
根据本发明的MOS型固态图像拾取器件的实施例,由于MOS型固态图像拾取器件包括单位像素单元或含有数个像素的单元,该单元包括光电转换元件、包括用于从光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管、直接或间接与放大晶体管的源极连接的输出线、其漏极直接或间接与输出线连接的注入晶体管、与注入晶体管的源极连接以施加第一电压的布线、重置放大晶体管的栅极电位的重置机构、其源极直接或间接与放大晶体管的漏极连接的激活晶体管以及直接或间接与激活晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线,因此可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号。并且,该单元包括激活晶体管和注入晶体管,并且可以防止激活晶体管和注入晶体管两者同时导通,从而可以防止恒定电流流过,并且MOS型固态图像拾取器件包括1,000,000数量级的单元。因此,当可以同时驱动所有像素或大量像素和可以同时读出像素信号时,可以防止大电流流过,从而可以解决电流问题。
在上述MOS型固态图像拾取器件中,由于将重置脉冲供应给重置机构,重置脉冲与供应给注入晶体管的第一注入脉冲重叠,并且重置脉冲在第一注入脉冲结束之前结束,可以使重置脉冲之后马上获得的输出线电位等于地电位,因此,可以防止输出线电位波动。
在上述MOS型固态图像拾取器件中,由于该单元包括传送晶体管,并且供应给传送晶体管的传送脉冲在供应给注入晶体管的第二注入脉冲开始之前结束,可以使电压降低。也就是说,与传送脉冲与第二注入脉冲重叠的情况相比,在传送时从浮动扩散点(FD)获得的电位因像素内电容耦合的作用而处在高电平上,从而可以使电压降低。
本领域的普通技术人员应该明白,取决于设计要求和其它因素,可以作出各种各样的修改、组合、子组合和变更,它们都在所附权利要求书或它的等效物的范围之内。

Claims (15)

1.一种半导体模块,包括:
在布线层侧在每个单位像素单元上或在每个数个像素的单元上形成微型焊点的背照型MOS金属氧化物半导体固态图像拾取器件;和
在布线层侧在与所述MOS型固态图像拾取器件的所述微型焊点相对应的位置上形成微型焊点的信号处理芯片,
其中,所述MOS型固态图像拾取器件和所述信号处理芯片通过微型凸块连接,
其中,在与所述MOS型固态图像拾取器件的像素区部分的外围相对应的区域上形成像素驱动微型焊点,和
所述像素驱动微型焊点通过所述微型凸块与所述信号处理芯片侧的所述微型焊点连接。
2.根据权利要求1所述的半导体模块,
其中,所述半导体模块含有通过所述信号处理芯片的普通焊点建立的外部接口。
3.根据权利要求2所述的半导体模块,
其中,所述MOS型固态图像拾取器件包括普通测试焊点。
4.根据权利要求1所述的半导体模块,
其中,所述MOS型固态图像拾取器件含有单元,该单元包括:
光电转换元件;
包括用于从所述光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管;
直接或间接与所述放大晶体管的源极连接以便与所述微型焊点连接的输出线;
其漏极直接或间接与所述输出线连接的负载晶体管;
与所述负载晶体管的源极连接以施加第一电压的布线;
重置所述放大晶体管的栅极电位的重置机构;和
直接或间接与所述放大晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线。
5.根据权利要求1所述的半导体模块,
其中,所述MOS型固态图像拾取器件含有单元,该单元包括:
光电转换元件;
包括用于从所述光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管;
直接或间接与所述放大晶体管的源极连接的输出线;
其漏极直接或间接与所述输出线连接的注入晶体管;
与所述注入晶体管的源极连接以施加第一电压的布线;
重置所述放大晶体管的栅极电位的重置机构;
其源极直接或间接与所述放大晶体管的漏极连接的激活晶体管;和
直接或间接与所述激活晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线。
6.根据权利要求5所述的半导体模块,
其中,将重置脉冲供应给所述重置机构,所述重置脉冲与供应给所述注入晶体管的第一注入脉冲重叠,并且所述重置脉冲在所述第一注入脉冲结束之前结束。
7.根据权利要求5所述的半导体模块,
其中,所述单元进一步包括传送晶体管,其源极与所述光电转换元件连接并且其漏极直接或间接与所述放大晶体管的栅极连接,以及
供应给所述传送晶体管的传送脉冲在供应给所述注入晶体管的第二注入脉冲开始之前结束。
8.根据权利要求1所述的半导体模块,
其中,所述MOS型固态图像拾取器件输出作为多路复用模拟信号的单元输出,并且
所述模拟信号经过所述信号处理芯片数字化之后,被多路复用并存储在存储器中。
9.根据权利要求1所述的半导体模块,
其中,所述MOS型固态图像拾取器件输出作为数字信号的单元输出,和
所述数字信号由所述信号处理芯片多路分解并存储在存储器中。
10.根据权利要求9所述的半导体模块,
其中,所述单元输出是在模拟-数字转换所述像素信号之后,进一步多路复用像素信号得出的输出。
11.根据权利要求1所述的半导体模块,
其中,所述MOS型固态图像拾取器件不包括控制电路。
12.一种摄像机,包括:
含有如下的半导体模块:在布线层侧在每个单位像素单元上或在每个数个像素的单元上形成微型焊点的背照型MOS型固态图像拾取器件;和
在布线层侧在与所述MOS型固态图像拾取器件的微型焊点相对应的位置上形成微型焊点的信号处理芯片,
其中,所述MOS型固态图像拾取器件和所述信号处理芯片通过微型凸块连接,
其中,在与所述MOS型固态图像拾取器件的像素区部分的外围相对应的区域上形成像素驱动微型焊点,和
所述像素驱动微型焊点通过所述微型凸块与所述信号处理芯片侧的所述微型焊点连接。
13.根据权利要求12所述的摄像机,
其中,所述半导体模块含有通过所述信号处理芯片的普通焊点建立的外部接口。
14.根据权利要求12所述的摄像机,
其中,所述MOS型固态图像拾取器件含有单元,该单元包括:
光电转换元件;
包括用于从所述光电转换元件接收信号电荷的栅极的放大晶体管;
直接或间接与所述放大晶体管的源极连接以便与所述微型焊点连接的输出线;
其漏极直接或间接与所述输出线连接的负载晶体管;
与所述负载晶体管的源极连接以施加第一电压的布线;
重置所述放大晶体管的栅极电位的重置机构;和
直接或间接与所述放大晶体管的漏极连接以施加第二电压的布线。
15.一种摄像机的制造方法,包括如下步骤:
在背照型MOS型固态图像拾取器件中,在布线层侧在每个单位像素单元上或在每个数个像素的单元上形成微型焊点;和
通过微型凸块将所述背照MOS型固态图像拾取器件与含有在布线层侧在与所述MOS型固态图像拾取器件的微型焊点相对应的位置上形成的微型焊点的信号处理芯片连接,
其中,在与所述MOS型固态图像拾取器件的像素区部分的外围相对应的区域上形成像素驱动微型焊点,和
所述像素驱动微型焊点通过所述微型凸块与所述信号处理芯片侧的所述微型焊点连接。
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