[发明专利]背照式全局像素单元结构及其制备方法

说明书

本发明提供了一种背照式全局像素单元结构及其制备方法，通过采用挡光隔离沟槽和附加电容上极板对入射光进行反射，避免入射光进入电容结构的电荷信号存储区，并且附加电容结构形成于电容结构对应的硅衬底的背面，可以与电容结构并联，不会占用像素单元中过多的面积，不影响像素单元中光电二极管的感光面积，不会降低器件的灵敏度，还可以增加全局像素单元的存储电容值，降低全局像素单元的读出噪声和提高全局像素单元的整体性能。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种背照式全局像素单元结构及其制备方法。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。

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消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，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多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。

CMOS图像传感器按照入射光进入光电二极管的路径不同，可以分为前照式和背照式两种图像传感器，前照式是指入射光从硅片正面进入光电二极管的图像传感器，而背照式是指入射光从硅片背面进入光电二极管的图像传感器。

在CMOS图像传感器中像素单元的灵敏度直接和像素单元中光电二极管的面积占整个像素单元面积的比例成正比，我们把这个比例定义为填充因子。通常的前照式图像传感器由于光电二极管之间存在用于信号控制的多个晶体管，因此占用了大量的面积，通常CMOS图像传感器中像素单元的填充因子在20％到50％之间，这就意味着50％到80％的面积上的入射光是被屏蔽掉的，不能参与光电转换的过程，因而造成了入射光的损失和像素单元灵敏度的降低。同时像素单元上面有后道金属互连和介质层覆盖，入射光需要穿过介质层才能到达光电二极管表面，从而造成了入射光的损耗和降低了灵敏度。

为了提高CMOS图像传感器中光电二极管的面积和减少介质层对入射光的损耗，采用背照式CMOS图像传感器工艺，即入射光从硅片的背面进入光电二极管，从而减小介质层对入射光的损耗，提高像素单元的灵敏度。

在数码相机中通常有两种快门控制方式:机械快门和电子快门。机械快门通过安装在CMOS图像传感器前面的机械件的开合来控制曝光时间；电子快门通过像素单元的时序控制来改变积分时间，从而达到控制曝光时间的目的。由于机械快门需要机械件，会占用数码相机的面积，因此不适用于便携式的数码相机，而且对于视频监控应用而言，由于通常是进行视频采集，因此一般采用电子快门控制曝光时间。电子快门又分为两种：卷帘式和全局曝光式。卷帘式电子快门每行之间的曝光时间是不一致的，在拍摄高速物体是容易造成拖影现象；全局曝光式电子快门的每一行在同一时间曝光，然后同时将电荷信号存储在像素单元的存储节点，最后将存储节点的信号逐行输出，由于所有行在同一时间进行曝光，所以不会造成拖影现象。