CN103066086B - 一种cmos图像传感器像素阵列及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器像素阵列，包括多个像素单元，每个像素单元包括光电二极管，基于入射光产生电荷；以及传输晶体管，其栅极将光电二极管产生的电荷转移至其悬浮漏极；其中，所述多个像素单元的传输晶体管的悬浮漏极面积从所述像素阵列的边缘向中心递增。本发明还公开了一种CMOS图像传感器像素阵列的制造方法。本发明能够有效对图像暗角进行补偿，以提高图像质量。

Description

一种CMOS图像传感器像素阵列及其制造方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器像素阵列。

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。

对CMOS图像传感器而言，如何提高图像质量是设计和制造中一个非常重要的因素。如图1所示为现有的图像传感器，其中像素单元采用拜亚(Bayer)形式排列，R代表感应红色光的像素单元，G感应绿色光的像素单元，B感应蓝色光的像素单元，最终通过RGB三色合成还原真实的图像颜色。如图2所示是图像传感器像素单元阵列中央位置的结构剖视图，其中CMOS图像传感器包括用于光电转换的光电二极管101以及多个MOS晶体管，光电二极管101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，复位和读出的控制。MOS晶体管中包括一个传输晶体管。光电二极管101的阴极聚积经光电转换所产生的电子-空穴对中的电荷。传输晶体管的源极接光电二极管的阴极，栅极102控制其源极与其悬浮漏极103之间的电荷转移，也即是说，传输晶体管的栅极102用于控制电荷从光电二极管101向悬浮漏极103输送，而传输晶体管的悬浮漏极103用于电荷向电压转换。此外，CMOS图像传感器还包括金属互连线105a、105b、105c，用于金属互连线之间隔离的介质层104，用于红绿蓝分色的滤色层106，以及用于光线聚焦的微透镜107。如图2所示，在CMOS图像传感器像素单元阵列中央位置的入射光基本上是垂直入射，因此能够被光电二极管101完全收集，产生的电压信号较强。图3所示是图像传感器像素阵列边缘位置的结构剖视图，其像素单元结构与中央位置的像素单元完全一致。在传感器像素阵列边缘位置的入射光具有一定的入射角度，因此无法被光电二极管101完全收集，产生的电压信号较弱。入射光线角度在像素阵列面上的不均匀分布，造成光电反应在整个成像平面上的不均匀，使得到的图像的边缘位置会比中间位置显得更暗，这种现象通常被称作镜头阴影或是暗角效应。实验发现当入射光线的入射角大于20度时，图像边缘的亮度只相当于图像中间位置亮度的78%，甚至更少。所以在CMOS图像传感器中需要使用各种暗角矫正的方法来消除图像中间和边缘亮度的不均匀分布。

图4所示为现有技术中一种用于消除图像暗角传统方法的结构剖视图，其通过边缘位置的微透镜107和滤色层106的位移，使得入射光能够聚焦到边缘位置光电二极管101的表面，以减小图像暗角效应。然而在焦距较小的情况小，入射光线的角度较大，而微透镜和滤色层的位移受到整个像素单元阵列空间的限制，位移量是有限的，无法有效地补偿图像的暗角效应。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，能够有效对图像暗角进行补偿，以提高图像质量。

为达成上述目的，本发明提供一种CMOS图像传感器像素阵列，包括多个像素单元，每一个像素单元包括光电二极管，基于入射光产生电荷；以及传输晶体管，其栅极将所述光电二极管产生的电荷转移至其悬浮漏极；其中，所述多个像素单元的传输晶体管的悬浮漏极面积从所述像素阵列的边缘向中心递增。

可选的，所述多个像素单元的传输晶体管悬浮漏极的面积从所述像素阵列的边缘向中心线性递增，且最小面积与最大面积之比为1:1.05~1:2。

可选的，所述多个像素单元的传输晶体管栅极面积相同。

可选的，所述多个像素单元的光电二极管面积相同。

可选的，所述像素阵列包括介质层，金属互连线，滤色层以及微透镜。

本发明进一步提供一种所述CMOS图像传感器像素阵列的制造方法，包括以下步骤：在半导体衬底上形成多个像素单元的光电二极管；淀积介质层，并在所述介质层上形成多个传输晶体管栅极；在所述介质层上方形成图形化的光刻胶层；以及以所述图形化的光刻胶层为掩膜进行离子注入，以形成多个所述传输晶体管的悬浮漏极，且所述多个传输晶体管的悬浮漏极的面积从所述像素阵列的边缘向中心递增。

可选的，所述多个像素单元的传输晶体管悬浮漏极的面积从所述像素阵列的边缘向中心线性递增，且最小面积与最大面积之比为1:1.05~1:2。

可选的，所述制造方法还包括在所述介质层上方淀积层间介质，形成金属互连线，滤色层及微透镜的步骤。

可选的，所述图形化的光刻胶层具有多个间隙，且所述多个间隙的面积从所述像素阵列的边缘向中心递增。

可选的，所述间隙的位置与所述传输晶体管栅极的位置具有间距或部分重叠。

本发明的优点在于，通过将传输晶体管的悬浮漏极面积从图像传感器像素阵列的边缘位置向中央位置递增，来相应改变悬浮漏极的电容大小，从而使得CMOS图像传感器像素阵列边缘位置的入射光无法完全被光电二极管收集的情况下，阵列边缘的像素单元仍可以得到与阵列中央位置的像素单元相同的输出电压变化，有效补偿了CMOS图像传感器像素阵列边缘的暗角效应。

附图说明

图1所示为现有技术中CMOS图像传感器像素阵列的俯视图。

图2所示为现有技术中CMOS图像传感器像素阵列中央位置的结构剖视图。

图3所示为现有技术中CMOS图像传感器像素阵列边缘位置的结构剖视图。

图4所示为现有技术中用于消除边缘暗角效应的CMOS图像传感器像素阵列的结构剖视图。

图5所示为本发明的CMOS图像传感器像素阵列的结构剖视图。

图6所示为本发明的CMOS图像传感器像素阵列的版图示意图。

图7至图9所示为本发明的CMOS图像传感器像素阵列的制造方法的剖视图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。此外，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

图5为本发明的CMOS图像传感器像素阵列的结构剖视图。

如图5所示，CMOS图像传感器像素阵列包括多个像素单元，每个像素单元包括光电二极管201和传输晶体管。光电二极管201基于入射光聚积产生电荷，传输晶体管的源极接光电二极管201的阴极，栅极202控制其源极与悬浮漏极之间的电荷转移，悬浮漏极203则将积累的电荷数转换为电压的变化量。在本实施例中，CMOS图像传感器像素单元为4-T结构，还包括复位晶体管，源极跟随晶体管和选择晶体管等，这些晶体管的结构及制造方法为本领域技术人员所熟知，在此不作赘述。当然，具有较少或较多晶体管的其他像素单元结构也可以使用。此外，像素单元还包括介质层204，金属互连线205a，205b，205c，滤色层206以及微透镜207。

在CMOS图像传感器工作过程中，光电二极管201将收集到的入射光转换成电荷Q，并把转换以后的电荷Q积累在光电二极管201中，在光电转换过程结束以后，通过脉冲信号将传输晶体管的栅极202打开，将光电二极管201中积累的电荷Q全部输送到悬浮漏极203，而具有电容C的悬浮漏极203的电压因为获取电荷Q而改变，电压的变化量为ΔV=Q/C。

值得注意的是，请参考图6，本发明的CMOS图像传感器像素阵列中，每一个像素单元中传输晶体管悬浮漏极203的面积发生渐变，具体来说，悬浮漏极203的面积从像素阵列边缘向中心递增，越靠近阵列边缘像素单元，其传输晶体管悬浮漏极203的面积越小。如图6所示，悬浮漏极203a的面积小于悬浮漏极203b，悬浮漏极203b的面积小于悬浮漏极203c。较佳的，传输晶体管悬浮漏极203的面积是从像素阵列边缘向中心线性递增且最小面积与最大面积之比为1:1.05~1:2。当入射光线的入射角大于20度时，如果传输晶体管悬浮漏极面积相等，则一般情况下由于图像边缘的亮度一般只相当于图像中间位置亮度的78%，因此在本发明的一实施例中，此时边缘传输晶体管悬浮漏极最小面积与中心最大面积之比可为1:1.28。

如上所述，悬浮漏极203电压的变化量为ΔV=Q/C，与电荷量Q成正比，也与悬浮漏极的电容C成反比，而悬浮漏极的电容又是和其面积成正比的。由于像素阵列中，悬浮漏极203的面积是从边缘的位置向阵列中心位置递增的，在越靠近像素阵列边缘，悬浮漏极203的电容就越小。因此，虽然像素阵列边缘位置的像素单元由于入射光角度较大的原因而收集到的入射光较少，造成光电转换得到的电荷也较少，但同时其对应的悬浮漏极203面积较小即电容也较小，根据悬浮漏极203上电压变化量与电荷量成正比，与悬浮漏极203的电容成反比的原理，像素阵列边缘位置可以得到与阵列中心位置相同的输出电压变化，因此，从整个像素阵列的范围来看，其边缘位置与中心位置的输出信号是相同的，从而就能够有效消除阵列边缘的暗角效应。此外，在本发明的优选实施例中，为了消除因光电二极管201和传输晶体管栅极202的原因造成悬浮漏极203获得的电荷量Q发生变化，每一个像素单元的光电二极管201的面积是相同的，传输晶体管的栅极202面积也相同。

下面将参照图7至图9描述本发明的用于制造上述CMOS图像传感器像素阵列的方法。

请参考图7，首先，在半导体衬底上形成多个光电二极管201，光电二极管201基于入射光聚积产生电荷。较佳的，多个光电二极管201的面积均相同。形成方法为通过进行杂质离子注入及退火工艺等常规工艺来完成，为本领域技术人员所熟知。接着淀积介质层204，并在介质层204上形成多个传输晶体管栅极202，较佳的，多个传输晶体管栅极202的面积均相同。传输晶体管栅极202的形成方法例如在介质层上淀积栅氧化层及多晶硅层，再利用光刻、刻蚀工艺形成传输晶体管栅极202，在此不作详述。

请参考图8，接下来在介质层204上方形成图形化的光刻胶层208。具体方法例如在介质层204表面涂覆光刻胶层并进行曝光及显影处理。根据图8可知，图形化的光刻胶层208具有多个间隙，且这些间隙的面积自像素阵列边缘位置向中心位置逐渐增大，较佳的为线性递增。值得注意的是，这些间隙的位置和传输晶体管栅极202的位置具有一定间距或部分重叠，以避免传输晶体管栅极202占据全部间隙位置而挡住后续的离子注入。然后，以图形化的光刻胶层208为掩膜进行离子注入，最终形成多个传输晶体管的悬浮漏极203。如图9所示，悬浮漏极203的面积也相应从像素阵列边缘位置向中心位置递增。当然，像素阵列的制造方法还包括形成复位晶体管，源极跟随晶体管和选择晶体管的步骤，其制造工艺均为本领域所公知，在此不作详细介绍。

最后，在介质层204上方淀积层间介质，形成金属互连线，滤色层及微透镜，完成CMOS图像传感器像素阵列的制造。

综上所述，本发明CMOS图像传感器像素阵列及制造方法通过将传输晶体管的悬浮漏极面积从像素阵列的边缘位置向中央位置递增以相应改变其电容，从而即使像素阵列边缘位置的像素单元由于入射光角度较大的原因而收集到的入射光较少，造成光电转换得到的电荷也较少，但同时其对应的悬浮漏极电容也较小，因此像素阵列边缘位置可以得到与阵列中央位置相同的输出电压变化，最终有效补偿了像素阵列边缘的暗角效应。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种CMOS图像传感器像素阵列，包括多个像素单元，每个像素单元包括光电二极管以及传输晶体管，所述光电二极管基于入射光产生电荷；所述传输晶体管栅极将所述光电二极管产生的电荷转移至其悬浮漏极；其特征在于，

所述多个像素单元的传输晶体管悬浮漏极的面积从所述像素阵列的边缘向中心递增。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素阵列，其特征在于，所述多个像素单元的传输晶体管悬浮漏极的面积从所述像素阵列的边缘向中心线性递增，且最小面积与最大面积之比为1:1.05～1:2。

3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素阵列，其特征在于，所述多个像素单元的传输晶体管栅极面积相同。

4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素阵列，其特征在于，所述多个像素单元的光电二极管面积相同。

5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素阵列，其特征在于，所述像素阵列包括介质层，金属互连线，滤色层以及微透镜。

6.一种权利要求1所述的CMOS图像传感器像素阵列的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在半导体衬底上形成多个像素单元的光电二极管；

淀积介质层，并在所述介质层上形成多个传输晶体管栅极；

在所述介质层上方形成图形化的光刻胶层；以及

以所述图形化的光刻胶层为掩膜进行离子注入，以形成所述多个传输晶体管的悬浮漏极，且所述多个传输晶体管的悬浮漏极的面积从所述像素阵列的边缘向中心递增。

7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器像素阵列的制造方法，其特征在于，所述多个像素单元的传输晶体管悬浮漏极的面积从所述像素阵列的边缘向中心线性递增，且最小面积与最大面积之比为1:1.05～1:2。

8.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器像素阵列的制造方法，其特征在于，还包括在所述介质层上方淀积层间介质，形成金属互连线，滤色层及微透镜的步骤。

9.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器像素阵列的制造方法，其特征在于，所述图形化的光刻胶层具有多个间隙，且所述多个间隙的面积从所述像素阵列的边缘向中心递增。

10.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器像素阵列的制造方法，其特征在于，所述间隙的位置与所述传输晶体管栅极的位置具有间距或部分重叠。