[發明專利]CMOS圖像傳感器

在審

• 申請號: 202110344989.8
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN112885859A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 程劉鎖;陳廣龍;王函;張繼亮;錢江勇
• 申請（專利權）人: 華虹半導體（無錫）有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 上海浦一知識產權代理有限公司 31211
• 代理人: 郭四華

本發明公開了一種CMOS圖像傳感器，各光電二極管形成于半導體襯底上，入射到光電二極管的入射光從半導體襯底的第一表面進入。在半導體襯底的第一表面上形成有第一介質層，在第一介質層中形成有多個位于對應的光電二極管的正上方的底部表面呈弧形下凹結構的下微透鏡；在第一介質層的頂部表面上形成有多個位于對應的下微透鏡的正上方的頂部表面呈弧形上凸結構的上微透鏡，上微透鏡和下微透鏡在入射光的路徑上形成組合微透鏡；上微透鏡的材料的折射率大于等于下微透鏡的材料的折射率，下微透鏡的材料的折射率大于第一介質層的折射率。本發明能增加光線入射到光電二極管的入射角，從而能增加光學吸收效率。

技術領域

本發明涉及一種半導體集成電路，特別涉及一種CMOS圖像傳感器。

背景技術

現有CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor，CIS)由像素(Pixel)單元電路和CMOS電路構成，相對于CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器因為采用CMOS標準制作工藝，因此具有更好的可集成度，可以與其他數模運算和控制電路集成在同一塊芯片上，更適應未來的發展。

根據現有CMOS圖像傳感器的像素單元電路所含晶體管數目，其主要分為3T型結構和4T型結構。

如圖1所示，是現有3T型CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路示意圖；現有3T型CMOS圖像傳感器的像素單元電路包括感光二極管即光電二極管(Photo Diode，PD)D1和CMOS像素讀出電路。所述CMOS像素讀出電路為3T型像素電路，包括復位管M1、放大管M2、選擇管M3，三者都為NMOS管。

所述感光二極管D1的N型區和所述復位管M1的源極相連。

所述復位管M1的柵極接復位信號Reset，所述復位信號Reset為一電位脈沖，當所述復位信號Reset為高電平時，所述復位管M1導通并將所述感光二極管D1的電子吸收到讀出電路的電源Vdd中實現復位。當光照射的時候所述感光二極管D1產生光生電子，電位升高，經過放大電路將電信號傳出。所述選擇管M3的柵極接行選擇信號Rs，用于選擇將放大后的電信號輸出即輸出信號Vout。

如圖2所示，是現有4T型CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路示意圖；和圖1所示結構的區別之處為，圖2所示結構中多了一個轉移晶體管或稱為傳輸管M4，所述轉移晶體管4的源區為連接所述感光二極管D1的N型區，所述轉移晶體管4的漏區為浮空有源區(Floating Diffusion，FD)，所述轉移晶體管4的柵極連接傳輸控制信號Tx。所述感光二極管D1產生光生電子后，通過所述轉移晶體管4轉移到浮空有源區中，然后通過浮空有源區連接到放大管M2的柵極實現信號的放大。

按照光線的入射方式，CMOS圖像傳感器分為前照式(Frontside Illumination，FSI)CMOS圖像傳感器和背照式(Backside Illumination，BSI)CMOS圖像傳感器。FSI CIS中，入射光需要穿過金屬互聯結構進入到光電二極管中，由于金屬會反射光，故需要在光電二極管頂部設置入射通道，入射通道中不設置金屬連線和通孔。通常，入射通道的尺寸減小，入射光能夠達到光電二極管的角度較小。為了增加入射到光電二極管中的光線，通常會設置微透鏡(microlens)進行聚光，微透鏡能將更大區域范圍如違約金屬連線或通孔正上方的光線也匯聚到光電二極管中，從而能提高敏感性(sensitivity)。

BSI CIS中入射光則從半導體襯底的背面入射，而金屬互聯結構位于半導體襯底的正面，故金屬互聯結構不會影響到入射光，所以，BSI CIS的光線利用率極高。

近年來隨著集成電路制造工藝技術的進步加上5G、人工智能的發展，CMOS圖像傳感器越來越發揮著重要的作用；作為圖像傳感器里面重要分支，前照式CMOS圖像傳感器的工藝也是一直在發展，現有前照式CMOS圖像傳感器均采用微透鏡形式進行聚光，來提升敏感性。