CN100399572C

CN100399572C - 互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构

Info

Publication number: CN100399572C
Application number: CNB2005100896640A
Authority: CN
Inventors: 吴心平; 林家辉
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2005-08-08
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2025-08-08
Also published as: CN1913165A

Abstract

本发明涉及互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，该互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构包括一基底、多个光感测元件、多个晶体管与多个彩色滤光膜。基底具有一像素阵列区，像素阵列区是由多个像素所构成，每一个像素具有光感测区以及有源元件区，且像素之间以一隔离结构区隔，其中光感测区具有不同的尺寸。另外，多个光感测元件分别定义于光感测区中。多个晶体管配置于有源元件区中。多个彩色滤光膜分别配置于相对应的像素上方，以形成彩色滤光阵列。

Description

互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构

技术领域

本发明关于一种图像传感器的结构，且特别是有关于一种互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构。

背景技术

互补式金属氧化物半导体晶体管图像传感器(CMOS image sensor，CIS)与互补式金属氧化物半导体晶体管的工艺相容，能够很容易在与其他周边电路整合在同一芯片上，因此能够大幅降低图像传感器的成本以及消耗功率。亦因此近年来在低价位领域的应用上，互补式金属氧化物半导体晶体管图像传感器已成为电荷耦合元件的代替品，进而使得互补式金属氧化物半导体晶体管图像传感器的重要性与日俱增。

但是，互补式金属氧化物半导体晶体管图像传感器仍具有一些缺点尚待克服。举例来说，一般而言互补式金属氧化物半导体晶体管图像传感器对不同频率的入射光有不同的灵敏度，尤其是对于蓝光的响应(response)会较红光与绿光差。

美国专利第6,137,100号(U.S.Pat.No.6,137,100)题目为“CMOSIMAGE SENSOR WITH DIFFERENT PIXEL SIZES FOR DIFFERENTCOLORS”，其内容已揭露一种具有不同尺寸的彩色滤光膜的互补式金属氧化物半导体晶体管图像传感器，其利用改变彩色滤光膜的尺寸，以解决对于光灵敏度不相同的问题。另外，美国专利申请案的早期公开号2004/0100570A1(U.S.Pub.No.2004/0100570A1)题目为“IMAGE SENSORAND DIGITAL CAMERA”，其内容揭露借助改变彩色滤光膜的尺寸，以调整光灵敏度。然而，上述改变彩色滤光膜尺寸的方法会使得工艺较为繁复，且具有较不利于量产等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，能够提高对蓝光的响应能力。

本发明提出一种互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构包括一基底，基底具有一像素阵列区，像素阵列区是由多个像素所构成，每一个像素具有光感测区以及有源元件区，且像素之间以一隔离结构区隔，其中光感测区具有不同的尺寸；多个光感测元件分别定义于光感测区中；多个晶体管配置于有源元件区中；以及多个彩色滤光膜分别配置于相对应的像素上方，以形成彩色滤光阵列(color filter array，CFA)。

依照本发明的实施例所述，上述的像素的大小一致。

依照本发明的实施例所述，上述的彩色滤光阵列是配置成一贝尔图形(Bayer pattern)，贝尔图形包括依第一颜色及第二颜色的顺序重复地配置于彩色滤光阵列的奇数列上，以及依第三颜色及第一颜色的顺序重复地配置于彩色滤光阵列的偶数列上。其中，第一颜色是绿色，第二颜色是红色，且第三颜色是蓝色。而且，每4个像素包括一红色像素、二绿色像素以及一蓝色像素。

依照本发明的实施例所述，上述的像素的光感测区的尺寸分别是蓝色像素大于各绿色像素，各绿色像素大于红色像素。

依照本发明的实施例所述，上述的二绿色像素共用一有源元件区。

依照本发明的实施例所述，上述的光感测元件包括光二极管。

依照本发明的实施例所述，上述还包括多个微透镜(microlens)分别配置于相对应的彩色滤光膜上方。

本发明是利用改变光感测区的尺寸，提高像素的填充系数(fill factor，FF)，以增加对蓝光的响应能力。因此，本发明不需改变像素尺寸，所以不会造成整个元件面积增加，而提高晶片制造与镜片成本的问题。而且，本发明仅需于一开始的布局做改变，而后续工艺皆与现有相同，因此本发明可以简易的步骤，就能提高光灵敏度。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为依照现有技术所绘示的互补式金属氧化物半导体图像传感器的上视图。

图2为依照现有技术所绘示的互补式金属氧化物半导体图像传感器的光灵敏度对波长的关系图。

图3为依照本发明一实施例所绘示的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局图。

图4所绘示的是贝尔图形的彩色滤光阵列。

图5为依照本发明另一实施例所绘示的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局图。

图6为依照本发明实施例所绘示的互补式金属氧化物半导体图像传感器的光灵敏度对波长的关系图。

附图标记说明

100：图像传感器

102：有源区

104：隔离结构

106：光二极管感测区

107：晶体管元件区

108、110、112：导体层

114、116、124、126、128：接触孔

118：重置晶体管

120：输出选择晶体管

122：源极随耦器晶体管

300：基底

302：像素

302a、302c：绿色像素

302b：蓝色像素

302d：红色像素

304、304a、304b、304c、304d：光感测区

306、306a、306b、306d：有源元件区

具体实施方式

图1为依照现有技术所绘示的互补式金属氧化物半导体图像传感器的上视图。由图1中显示互补式金属氧化物半导体图像传感器包括由多个图像传感器构成一个传感器阵列，其中每一个图像传感器100包括光二极管感测区106与晶体管元件区107，而光二极管感测区106与晶体管元件区107之间是以一隔离结构104区隔。晶体管元件区107包括有源区102、导体层108、导体层110、导体层112与接触孔114、116、124、126、128。其中，光二极管感测区106是位于部分隔离结构104下方，且光二极管感测区106是由一掺杂型态与基底相异的掺杂区与基底所组成的。导体层108跨在有源区102的部分是作为重置晶体管118的栅极结构，导体层110跨在有源区102的部分是作为输出选择晶体管120的栅极结构，导体层112跨在有源区102的部分则是作为源极随耦器晶体管122的栅极结构。

另外，在图像传感器100上方还包括配置有彩色滤光膜(color filter)(未绘示)，其可具有三种不同的颜色(红色、蓝色、绿色)。

图2为依照现有技术所绘示的互补式金属氧化物半导体图像传感器的光灵敏度(photo sensitivity)对波长(wave length)的关系图。在图2中，横轴表示波长(其单位为微米)，纵轴表示感光元件的光灵敏度(任意单位)。由图中可看出，一般互补式金属氧化物半导体图像传感器对光的响应能力分别是，红色大于绿色，绿色大于蓝色。也就是说，互补式金属氧化物半导体图像传感器对于蓝光的响应较红光与绿光差。

因此，本发明提出一种互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构。图3为依照本发明实施例所绘示的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局图。以下是以一个2×2像素阵列为例做说明。

请参照图3，互补式金属氧化物半导体图像传感器包括基底300，其例如是P型硅基底。基底300具有一像素阵列区，而像素阵列区是由多个像素302所构成，而像素302的大小一致。其中，每一个像素302具有一光感测区304以及一有源元件区306，且相邻的二像素302之间以一隔离结构(未绘示)区隔，隔离结构例如是场氧化层。而且，在像素302中，除了光感测区304以外，其余的区域皆可做为有源元件区306。

互补式金属氧化物半导体图像传感器还包括有多个光感测元件分别定义于光感测区304中，以及多个晶体管配置于有源元件区306中。其中，光感测元件例如是光二极管，光二极管例如是由一N型掺杂区与部分基底300所组成。晶体管可例如是重置晶体管、输出选择晶体管与源极随耦器晶体管。

特别是，本发明的像素302的大小一致，而光感测区304具有不同的尺寸。光感测区304的面积大小相对地会影响到像素感光的特性，而且光感测区304的面积在像素302的面积所占的比例也同样是影响互补式金属氧化物半导体图像传感器的光灵敏度的重要因素。其中，光感测区的面积除以像素的面积可定义为填充系数(fill factor，FF)。换句话说，单位像素内的填充系数越高，其光灵敏度越好。

另外，在相对应的像素阵列区上方还配置有一彩色滤光阵列(color filterarray，CFA)(未绘示)，亦即是在相对应的每一个像素302上方分别配置有一个彩色滤光膜。其中，彩色滤光阵列是配置成一贝尔图形(Bayer pattern)，贝尔图形包括依第一颜色及第二颜色的顺序重复地配置于彩色滤光阵列的奇数列上，以及依第三颜色及第一颜色的顺序重复地配置于彩色滤光阵列的偶数列上。上述第一颜色是绿色，第二颜色是红色，且第三颜色是蓝色。请参照图4，其绘示贝尔图形的彩色滤光阵列。如图所示，在贝尔图形的彩色滤光阵列中，每4个像素的小方块中包括红色、绿色以及蓝色三个不同颜色的彩色滤光膜的像素。其中，B是指蓝色，Gb指蓝色旁的绿色，R指红色，Gr指红色旁的绿色。此外，在彩色滤光阵列上还包括配置多个微透镜(microlens)(未绘示)，其分别配置于相对应的彩色滤光膜上，以增加进光量，有效提高感光品质。

在一实施例中，如图5所示，像素302的光感测区304尺寸可分别是蓝色像素302b的光感测区304b大于各绿色像素302a、302c的光感测区304a、304c大于红色像素302d的光感测区304d。因此，蓝色像素302b的填充系数可大于绿色像素302a、302c以及红色像素302d的填充系数。而且，与传统互补式金属氧化物半导体图像传感器相比，蓝色像素302b的光感测区304b的尺寸较现有的光感测区大，红色像素302d的光感测区304d的尺寸较现有的光感测区小，而绿色像素302a、302c的光感测区304a、304c的尺寸与现有的光感测区一样。所以，在光灵敏度对波长的关系图中(如图6所示)，互补式金属氧化物半导体图像传感器对蓝光的响应能力较现有的响应能力高，而对红光的响应能力较现有的响应能力低，对绿色的响应能力与现有的响应能力相同。亦即是，互补式金属氧化物半导体图像传感器对于绿光、红光与蓝光的响应能力相当。另外，二绿色像素302a、302c亦可共用一有源元件区306a(如图5所示)，以更好地提高填充系数，进而增加光灵敏度。

当然，本发明亦可视实际情况与工艺所需适当的对不同像素的填充系数进行调整，而不限于此。

综上所述，本发明是利用改变光感测区的尺寸，提高像素的填充系数，以增加对蓝光的响应能力。亦即是，本发明在不更动像素尺寸的布局面积下，即可达到提高对蓝光的响应能力的目的。而且，由于像素尺寸不变，因此不会造成整个元件面积增加，而提高晶片制造与镜片成本的问题。

另一方面，本发明仅需于一开始的布局做改变，而后续工艺皆与现有相同，因此本发明可以简易的步骤，就能提高光灵敏度，而不会有现有提及的工艺较为繁复，且不利于量产等问题。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但是其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求所限定的为准。

Claims

1.一种互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，包括：

一基底，该基底具有一像素阵列区，该像素阵列区是由多个像素所构成，每一该些像素具有一光感测区以及一有源元件区，且该些像素之间以一隔离结构区隔，其中该些光感测区具有不同的尺寸；

多个光感测元件，分别定义于每一该些光感测区中；

多个晶体管，配置于每一该些有源元件区中；以及

多个彩色滤光膜，分别配置于相对应的该些像素上方，以形成一彩色滤光阵列。

2.如权利要求1所述的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，其中该些像素的大小一致。

3.如权利要求1所述的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，其中该彩色滤光阵列是配置成一贝尔图形，该贝尔图形包括：

依第一颜色及第二颜色的顺序重复地配置于该彩色滤光阵列的奇数列上；以及

依第三颜色及第一颜色的顺序重复地配置于该彩色滤光阵列的偶数列上。

4.如权利要求3所述的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，其中该第一颜色是一绿色，该第二颜色是一红色，且该第三颜色是一蓝色。

5.如权利要求4所述的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，其中每4个该些像素包括一红色像素、二绿色像素以及一蓝色像素。

6.如权利要求5所述的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，其中该些像素的光感测区的尺寸分别是该蓝色像素大于各该绿色像素，各该绿色像素大于该红色像素。

7.如权利要求6所述的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，其中二绿色像素共用一有源元件区。

8.如权利要求1所述的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，其中该些光感测元件包括光二极管。

9.如权利要求1所述的互补式金属氧化物半导体图像传感器的布局结构，还包括多个微透镜，分别配置于相对应的该些彩色滤光膜上方。