[发明专利]版图、像素单元结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种CMOS图像传感器像素单元结构及其制备方法，以及像素单元结构版图。

背景技术

通常，图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片.

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于微型数码相机(DSC)、手机摄像头、摄像机和数码单反(DSLR)等消费电子领域，而且在汽车电子、监控、生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常用像素单元为包含一个光电二极管和四个晶体管的有源像素结构，这些器件中光电二极管是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中、复位、信号放大和读出的控制。

在图像传感器芯片的各种性能评价指标中，灵敏度和暗角现象都是影响图像质量的重要的技术指标，像素单元的灵敏度指的是单位入射光强对应的像素单元输出的大小，灵敏度越高则对于相同的入射光强得到的输出信号越强。对于图像传感器在低照度条件下的使用，只有高灵敏度的像素单元才能得到足够幅度的输出信号供后续电路进行处理，灵敏度偏低则像素单元的输出信号可能被电路噪声完全淹没，无法产生有效的信号输出，因此高灵敏度的像素单元在CMOS图像传感器在暗光条件下的应用尤其重要。在CMOS图像传感器的实际应用中，入射光是有一定角度进入像素单元表面的，在像素阵列边缘由于入射光的角度最大，因此入射光线较难到达像素单元的感光二极管区域，造成输出信号偏小，也就是所谓的暗角现象，暗角现象造成输出图像的中间区域较亮，图像边缘区域较暗，严重影响图像质量。

影响像素单元灵敏度的因素有很多，包括光电二极管的面积、光电二极管上介质层的类型和厚度、像素单元的悬浮漏极电容和光电二极管的注入能量、剂量等。其中光电二极管上介质层的厚度直接影响入射光子到达光电二极管的数量，介质层越薄则入射光损耗越少，像素单元的灵敏度越高；因此，影响图像暗角现象的主要因素是介质层的厚度，介质层的较薄有利于有角度的入射光到达光电二极管的表面，减轻暗角现象。但是，像素单元通常需要三层金属层来实现复位、行选、传输管、电源电压和信号输出，使用三层金属层造成入射光线到达光电二极管的感光区域之前需要经过三层金属层之间的介质层，造成入射光子的损耗和灵敏度的下降，较厚的介质层也造成暗角现象较严重。

常规的CMOS图像传感器像素单元阵列的版图结构，请参阅图1和图2，图1为常规的CMOS图像传感器像素单元结构版图的示意图，图2为常规的CMOS图像传感器像素单元结构沿图1中AB方向的截面结构示意图；这里以2x2的像素单元阵列为例，阵列中一共四个像素单元，每个像素单元中的感光部分即光电二极管101处于像素单元的中心，负责将光信号转换为电信号；在光电二极管101之间的水平方向是使用金属一的信号输出线102，每一行共用一条信号输出线102；在光电二极管101之间的垂直是使用金属二108的传输控制线104、复位控制线105和行选控制线106每一列共用这三条控制线；电源线107使用金属三109，在光电二极管101之间形成网格状分布，可以防止不同像素之间的光学串扰。常规的像素单元工作时序是逐列或逐行输出，这就要求控制线和信号输出线是互相垂直分布的，也就意味着控制线和信号输出线需要使用不同的金属层，也就是使用金属一和金属二两层互连金属层。为了保证每个像素单元得到的光学信号就是入射到其表面的光线，而不是从相邻的像素单元通过金属层间隙串扰进入的光线，我们需要进行防光线串扰的版图设计。如图1所示，为了防止像素单元之间的光学串扰，常规像素单元使用网格状的金属三109互连层，通过大面积的金属三109进行像素单元之间的光学隔离，这样常规的像素单元就需要用到三层金属互连。同时由于金属硅化物是不透光的，因此常规像素单元被硅化物阻挡层103全部覆盖，以保证在光电二极管区域没有金属硅化物形成。