[發(fā)明專利]版圖、像素單元結構及其制備方法

有效

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• 申請日: 2014-12-26
• 公開（公告）號: CN104465690B
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發(fā)明（設計）人: 顧學強;周偉;范春暉
• 申請（專利權）人: 上海集成電路研發(fā)中心有限公司;成都微光集電科技有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H01L27/02
• 代理公司: 上海天辰知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙)31275
• 代理人: 吳世華,林彥之

技術領域

本發(fā)明涉及圖像傳感器領域，具體涉及一種CMOS圖像傳感器像素單元結構及其制備方法，以及像素單元結構版圖。

背景技術

通常，圖像傳感器是指將光信號轉換為電信號的裝置。圖像傳感器包括電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器芯片.

CMOS圖像傳感器和傳統(tǒng)的CCD傳感器相比具有的低功耗，低成本和與CMOS工藝兼容等特點，因此得到越來越廣泛的應用?，F(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅用于微型數(shù)碼相機(DSC)、手機攝像頭、攝像機和數(shù)碼單反(DSLR)等消費電子領域，而且在汽車電子、監(jiān)控、生物技術和醫(yī)學等領域也得到了廣泛的應用。

CMOS圖像傳感器的像素單元是圖像傳感器實現(xiàn)感光的核心器件。最常用像素單元為包含一個光電二極管和四個晶體管的有源像素結構，這些器件中光電二極管是感光單元，實現(xiàn)對光線的收集和光電轉換，其它的MOS晶體管是控制單元，主要實現(xiàn)對光電二極管的選中、復位、信號放大和讀出的控制。

在圖像傳感器芯片的各種性能評價指標中，靈敏度和暗角現(xiàn)象都是影響圖像質量的重要的技術指標，像素單元的靈敏度指的是單位入射光強對應的像素單元輸出的大小，靈敏度越高則對于相同的入射光強得到的輸出信號越強。對于圖像傳感器在低照度條件下的使用，只有高靈敏度的像素單元才能得到足夠幅度的輸出信號供后續(xù)電路進行處理，靈敏度偏低則像素單元的輸出信號可能被電路噪聲完全淹沒，無法產(chǎn)生有效的信號輸出，因此高靈敏度的像素單元在CMOS圖像傳感器在暗光條件下的應用尤其重要。在CMOS圖像傳感器的實際應用中，入射光是有一定角度進入像素單元表面的，在像素陣列邊緣由于入射光的角度最大，因此入射光線較難到達像素單元的感光二極管區(qū)域，造成輸出信號偏小，也就是所謂的暗角現(xiàn)象，暗角現(xiàn)象造成輸出圖像的中間區(qū)域較亮，圖像邊緣區(qū)域較暗，嚴重影響圖像質量。

影響像素單元靈敏度的因素有很多，包括光電二極管的面積、光電二極管上介質層的類型和厚度、像素單元的懸浮漏極電容和光電二極管的注入能量、劑量等。其中光電二極管上介質層的厚度直接影響入射光子到達光電二極管的數(shù)量，介質層越薄則入射光損耗越少，像素單元的靈敏度越高；因此，影響圖像暗角現(xiàn)象的主要因素是介質層的厚度，介質層的較薄有利于有角度的入射光到達光電二極管的表面，減輕暗角現(xiàn)象。但是，像素單元通常需要三層金屬層來實現(xiàn)復位、行選、傳輸管、電源電壓和信號輸出，使用三層金屬層造成入射光線到達光電二極管的感光區(qū)域之前需要經(jīng)過三層金屬層之間的介質層，造成入射光子的損耗和靈敏度的下降，較厚的介質層也造成暗角現(xiàn)象較嚴重。

常規(guī)的CMOS圖像傳感器像素單元陣列的版圖結構，請參閱圖1和圖2，圖1為常規(guī)的CMOS圖像傳感器像素單元結構版圖的示意圖，圖2為常規(guī)的CMOS圖像傳感器像素單元結構沿圖1中AB方向的截面結構示意圖；這里以2x2的像素單元陣列為例，陣列中一共四個像素單元，每個像素單元中的感光部分即光電二極管101處于像素單元的中心，負責將光信號轉換為電信號；在光電二極管101之間的水平方向是使用金屬一的信號輸出線102，每一行共用一條信號輸出線102；在光電二極管101之間的垂直是使用金屬二108的傳輸控制線104、復位控制線105和行選控制線106每一列共用這三條控制線；電源線107使用金屬三109，在光電二極管101之間形成網(wǎng)格狀分布，可以防止不同像素之間的光學串擾。常規(guī)的像素單元工作時序是逐列或逐行輸出，這就要求控制線和信號輸出線是互相垂直分布的，也就意味著控制線和信號輸出線需要使用不同的金屬層，也就是使用金屬一和金屬二兩層互連金屬層。為了保證每個像素單元得到的光學信號就是入射到其表面的光線，而不是從相鄰的像素單元通過金屬層間隙串擾進入的光線，我們需要進行防光線串擾的版圖設計。如圖1所示，為了防止像素單元之間的光學串擾，常規(guī)像素單元使用網(wǎng)格狀的金屬三109互連層，通過大面積的金屬三109進行像素單元之間的光學隔離，這樣常規(guī)的像素單元就需要用到三層金屬互連。同時由于金屬硅化物是不透光的，因此常規(guī)像素單元被硅化物阻擋層103全部覆蓋，以保證在光電二極管區(qū)域沒有金屬硅化物形成。