CN107077605A - 一种单元像素及包含其的指纹识别传感器 - Google Patents

Abstract

根据本发明一实施例的单元像素，其形成于基板上并将入射的光转换成电信号，所述单元像素的特征为，包括：受光部，产生光电转换；以及多个金属线，位于所述受光部的上部，形成用于检测向所述受光部接近垂直入射的光的光入射路径，所述光入射路径的高度形成为比所述光入射路径的宽度大。

Description

一种单元像素及包含其的指纹识别传感器

技术领域

本发明涉及一种用于指纹识别传感器的单元像素。

背景技术

图像传感器是将光转换成电信号的传感器。典型的图像传感器包括使用互补金属氧化物半导体(CMOS)的有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)和无源像素传感器(Passive Pixel Sensor，PPS)。用于这种图像传感器的光电二极管将入射光积聚并转换成电信号。为了增加光电二极管的入射光的量，通常在光电二极管的上部设置微透镜。

另外，光学指纹识别用传感器将指纹图像拍摄后转换成电信号。为了拍摄指纹图像，现有的光学指纹识别用传感器具有将光照射到指纹上并进行反射的光学系统。然而，由于像反射镜或透镜那样的光学系统通常具有相当大的体积，因而具备光学指纹识别用传感器的指纹识别装置难以实现小型化。

发明内容

用于解决问题的手段

为此，根据本发明一实施例的单元像素，其形成于基板上并将入射的光转换成电信号，所述单元像素的特征在于，包括：受光部，产生光电转换；以及多个金属线，位于所述受光部的上部，形成用于检测向所述受光部接近垂直入射的光的光入射路径，所述光入射路径的高度形成得比所述光入射路径的宽度大。

根据本发明一实施例的单元像素及包含其的指纹识别传感器由于无需用于拍摄指纹图像的光学系统及用于增加入射光的量的微透镜，从而能够实现指纹识别装置的小型化。

此外，根据本发明一实施例的单元像素及包含其的指纹识别传感器由于不是添加额外机构的方式而是通过单元像素自身来实现接触式透镜效果的方式，从而能够实现指纹识别装置的小型化。

附图说明

图1是对单元像素的剖面结构进行说明的图。

图2至图6是对本发明一实施例的单元像素的剖面结构进行说明的图。

图7是对于本发明一实施例的单元像素中，将光电二极管作为受光部来使用的结构进行说明的图。

图8是对于本发明一实施例的单元像素中，使用浮置栅极结构的晶体管型受光部的结构进行说明的图。

图9是对于本发明一实施例的图8所示的浮置栅极结构的晶体管型受光部的电路图及工作原理进行说明的图。

图10是对于本发明一实施例的单元像素的侧面结构进行说明的图。

图11及图12是对于本发明一实施例的包含有透镜结构的单元像素的结构进行说明的图。

图13及图14是对于本发明一实施例的在像素保护层上部形成矩形狭缝结构的单元像素的结构进行说明的图。

图15及图16是对于本发明一实施例的在像素保护层上部形成正方形狭缝结构的单元像素的结构进行说明的图。

图17是对于本发明一实施例的增加像素保护层上部的单元体高度的单元像素的结构进行说明的图。

图18及图19是对于包括本发明一实施例的单元像素的指纹识别传感器进行说明的图。

具体实施方式

本发明可以进行各种变更，并且可以具有多个实施例，通过在附图中例示特定实施例并对此详细说明来对本发明进行详细的说明。然而，并不是将本发明限定于特定的实施方式，而应理解为包括本发明的思想及技术范围内的所有变更、等同物或替代物。

在对本发明的说明中，当认为对于相关公知技术的具体说明可能会不必要地混淆本发明的主旨时，省略其详细说明。

此外，在未另外说明的情况下，本说明书及权利要求中所使用的单数一般应被解释为“一个以上”。

图1是对单元像素的剖面结构进行说明的图。

参照图1(a)，示出受光部为光电二极管110的普通单元像素100的结构。微透镜140改变光的入射角，并将入射的光聚光于光电二极管110。单元像素100包括向光电二极管110供应电源、控制信号，并用于从光电二极管110接收数据信号的金属线120、130。金属线120、130层叠于光电二极管110的上部。此时，为了确保受光面积，应当最大限度地减小金属线120、130所占的空间。即，与一般的逻辑工序不同，在图像传感器所使用的单元像素的情况下，只有最大限度地减少金属线的数量并降低金属线的宽度和厚度，才能缩短光入射路径。当光入射路径被缩短时，能够增加光电二极管110的受光效率。

参照图1(b)，示出了受光部为光电二极管111的单元像素101的结构。不同于图1(a)中说明的普通单元像素100，图1(b)中示出的单元像素101不包括微透镜140。在图1(b)中示出的单元像素101中，光的入射角度受到金属线的限制，因而受光部只能检测出一定角度的光。其中，能够由受光部检测的光的角度通过多个金属线121、131、141来决定。此外，入射的光的角度应大于通过多个金属线121、131、141来决定的直线151a、151b和芯片(ChipDie)表面之间的角度。然而，光电二极管111为了检测光，光进入的受光面积必须确保到一定程度。

参照图1(c)，示出了受光部为光电二极管112的本发明一实施例的单元像素102的结构。单元像素102包括用于决定入射的光的角度而形成的多个金属线122、132、142。为了检测出入射到芯片表面的光中的接近垂直地入射到光电二极管112上的光，当增加多个金属线122、132、142中的至少任意一个厚度时，光入射路径的高度会提高。其中，接近垂直地入射的光包括实际上向受光部(图1(c)中为光电二极管，112)垂直入射的光。根据实施例，可以使各个金属线122、132、142的厚度全部增加，或者可以形成为只有最上侧金属线142的厚度比剩余的金属线122、132的厚度厚。另外，将具有虚拟金属或遮光特性的物质进一步沉积到受光部的上部，由此光电二极管112能够检测出接近垂直地入射的光。

此外，当提高光电二极管112的灵敏度而在狭小的面积上也能够维持敏感的灵敏度特性时，光电二极管112上部的光入射路径的宽度(Width)可以变窄。其中，光入射路径为光能够进入的路径，向芯片表面入射的光的路径受到金属线122、132、142的限制，所以能够决定光入射路径。因此，只有具有一定的入射角的光才能通过受光部被检测到。例如，光入射路径的高度(Height)与宽度的比值(H:W)范围可以是10:1至30:1。随着光入射路径的高度与宽度的比值(H:W)越高，即使光电二极管112从芯片表面远离也能够区分物体的阴影。

图2至图6是对本发明一实施例的单元像素的剖面结构进行说明的图。

参照图2，单元像素200包括：受光部210；以及第一至第六金属线230、240、250、260、270、280，形成用于检测向受光部210接近垂直入射的光的光入射路径220。

受光部210可以采用光电二极管或浮置栅极结构的晶体管。在将浮置栅极结构的晶体管用作受光部210的情况下，因受光部210具有高光灵敏度特性而使光入射路径220的宽度窄的情况下，通过少量的光也能得到清晰的图像。因此，在受光部210为浮置栅极结构的晶体管的情况下，光入射路径220的宽度可以比受光部210为光电二极管的情况时窄。具体而言，在将浮置栅极结构的晶体管用作受光部210的情况下，可以缩小相对于像素间距(Pixel pitch)的受光部210的面积，由于在结构上应当与金属线邻接，所以采用金属线的光入射路径220的宽度可以更小。因此，如图2所示，当利用第一至第六金属线230、240、250、260、270、280来增加光入射路径220的高度时，光入射路径220可以形成为狭长的隧道形。由此，由于从多个角度进入的光的阻隔率增加而减少了向受光部210入射的光量，但是采用浮置栅极结构的晶体管型受光部210的图像传感器因浮置栅极结构的晶体管型受光部210的高光灵敏度特性而在少的光量中也能获得清晰的图像。

第一至第六金属线230、240、250、260、270、280由形成电气布线的第一及第二金属线230、240和所谓虚拟金属线的第三至第六金属线250、260、270、280构成。第一至第六金属线230、240、250、260、270、280通过金属间介质(Inter Metal Dielectric，IMD)而彼此电绝缘。此外，由第一至第六金属线230、240、250、260、270、280定义的光入射路径220也通过IMD来形成。其中，光入射路径220的截面可以形成为各种形状，例如多边形、圆形等。

此外，以0.18μm半导体工序为例，一般而言金属线金属可以层叠至6个，在工艺上从受光部210表面最大能实现7～10μm高度。然而，受光部210需要吸收一定量的光，因此光经过的光入射路径220的宽度只能制造成最小约1μm以上。因此，光入射路径220的高度与宽度的最大比值可以是30:1。然而，其由工序技术所决定，随着工序技术的发展，可以提高光入射路径220的高度与宽度的最大比值是显然的。

第一及第二金属线230、240在多个金属线中与受光部210最接近。因此，下侧金属线是指第一及第二金属线230、240。第一及第二金属线230、240传递控制受光部210的动作的受光部控制信号，并且形成用于传递受光部210检测直进光而产生的入射光检测信号的电气布线。作为一实施例，第一及第二金属线230、240可以配置成包围受光部210上部的光入射路径220。作为另一实施例，可以配置成在第一及第二金属线230、240中形成电气布线，使金属线包围受光部210上部的光入射路径的。由第一及第二金属线230、240定义的光入射路径的截面可以形成为各种形状，例如多边形、圆形等。

第三至第六金属线250、260、270、280位于第一及第二金属线230、240的上部。作为一实施例，作为虚拟金属线的第三至第六金属线250、260、270、280可以形成为平板形状，该平板形状包括在与由第一及第二金属线230、240形成的光入射路径220对应的位置形成的开口。形成于第三至第六金属线250、260、270、280上的开口可以定义光入射路径220。开口可以形成为各种形状，例如多边形、圆形等。另外，作为又一实施例，如图2所示，虚拟金属线并不一定需要多个，根据受光部210的种类或者要求的光入射路径220的高度与宽度的比值，在第一及第二金属线230、240的上部可以只设置一个虚拟金属线。此外，最上侧金属线是指，在虚拟金属线中位于离受光部210最远的金属线。在图2中，第六金属线280可以成为最上侧金属线。

直线290a、290b通过第一至第六金属线230、240、250、260、270、280来决定，该直线可以确定受光部210能够聚光的最小角度。此外，入射的光的角度应大于直线290a、290b和芯片表面之间的角度。因此，当利用第一至第六金属线230、240、250、260、270、280来提高光入射路径220的高度时，在受光部210能够聚光的光成为向受光部210接近垂直入射的光。

参照图3，单元像素201包括：受光部211，可以由光电二极管或浮置栅极结构的晶体管构成；以及第一至第三金属线231、241、251，形成用于检测向受光部211接近垂直入射的光的光入射路径221。

可视角261通过第一至第三金属线231、241、251所形成的光入射路径221的高度和宽度来决定。位于可视角261以内的物体在不与邻接单元像素201a、201b重叠的范围内可区分明暗。

当由比图3所示的焦点(Focus)最大高度更高的部分入射光时，由于邻接单元像素201a、201b可以将物体看成相同的部分，因而不能够区分指纹、图案等接近的物体的明暗。即，当物体在可区分物体的明暗的部分(271，以下为聚焦区域)的左侧部分271a时，向邻接单元像素201a及单元像素201均可以入射光，当物体在右侧部分271c时，向邻接单元像素201b及单元像素201均可以入射光。此外，在聚焦区域271的上侧部分271b的情况下，光可以向与邻接单元像素201a、201b邻接的其它单元像素入射。因此，聚焦区域271被确定。在图3中，聚焦区域271为从芯片表面的上部部分至焦点最大高度281为止，并且形成为由构成可视角261的直线包围的多边形。

此外，聚焦区域271内部的物体亮度被识别为受光部211中亮度的平均值。当物体在焦点最大高度281以内时，始终正确地形成焦点，但是，当物体位于焦点最大高度以上时，单元像素201因像重叠而不能够区分明暗。其中，为了提高焦点最大高度281来识别更高位置的(长距离)的物体，可以扩大单元像素201、201a、201b之间的间隔，从而能够使重叠的区域在更高的位置形成。即，受光部211可以通过由图3所示的光入射路径221的高度和宽度所决定的可视角261，在不与其它单元像素重叠的范围以内区分物体的明暗。

在图3中，增加位于受光部211上部的最上侧金属线251的厚度从而缩小单元像素201的可视角261，但是，除此之外，也可以通过各种方法在不大幅改变单元像素的基本结构的情况下缩小可视角。参考以下的附图，观察缩小可视角的各种单元像素的结构。

参照图4，单元像素202包括：受光部212，可以由光电二极管或浮置栅极结构的晶体管构成；以及第一至第四金属线232、242、252、262，形成用于检测向受光部212接近垂直入射的光的光入射路径222。省略与图2及图3重复的部分的说明，主要对不同点进行说明。图4的单元像素202包括第一至第四金属线232、242、252、262的厚度全都增加的结构。当第一至第四金属线232、242、252、262的厚度全都增加时，可以提高光入射路径222的高度。当提高光入射路径222的高度时，可视角272会变小，由此在受光部212能够聚光的光成为向受光部212接近垂直入射的光。

参照图5，单元像素203包括：受光部213，可以由光电二极管或浮置栅极结构的晶体管构成；以及第一至第四金属线233、243、253、263，形成用于检测向受光部213接近垂直入射的光的光入射路径223。省略与图2及图3重复的部分的说明，主要对不同点进行说明。

为了检测向受光部213接近垂直入射的光，第一至第四金属线233、243、253、263形成为阶梯形，从而使光入射路径223能够倾斜地形成。此时，当光入射路径223并不垂直而是倾斜时，光因不同物质(例如，IMDSiO2)之间的折射率差异而不会向受光部213入射而是向侧面入射，因此会对邻接的其它邻接单元像素203a、203b产生影响。为了预防这些问题，可以改变层(Layer)之间物质的组成比，以使得几乎没有折射率的差异。例如，在图像传感器的最后工序中，可以通过从芯片表面蚀刻至受光部213表面，并以填入单一物质的方式来使光入射路径的光损失达到最小化。

参照图6，单元像素204包括：受光部214，可以由光电二极管或浮置栅极结构的晶体管构成；以及第一至第三金属线234、244、254，形成用于检测向受光部214接近垂直入射的光的光入射路径224。省略与图2及图2b重复的部分的说明，主要对不同点进行说明。

参照图6(a)，光入射路径224可以通过第一至第三金属线234、244、254来形成。第一及第二金属线234、244离受光部214最近。如上所述，第一及第二金属线234、244传递控制受光部214的动作的受光部控制信号，并且可以形成用于传递由受光部214检测光所产生的电信号的电气布线。此时，在形成第一及第二金属线234、244方面，除了形成用于与受光部214相互作用的电气布线的部分及用于形成光入射路径224的部分之外，可以实施蚀刻金属线的工序。由此，可视角264会变得更狭窄，受光部214只能检测更接近垂直入射的光。具体而言，通过6(b)进行说明。

图6(b)是在图6(a)中从上面观察的单元像素204的侧面I-I'部分的图。第一及第二金属线234、244包围光入射路径224，并且在受光部214上部能够依次层叠。此时，如图6(b)所示，第一及第二金属线234、244可以不按照封闭的圆环形状包围光入射路径224，也可以断开形成。此外，可以制造成位于第一及第二金属线234、244内部的源极、漏极、栅极(234a、244a中任意一个)稍微狭窄地包围光入射路径224的结构。这种结构可以在制造第一及第二金属线234、244的工序中形成。

图7是对本发明一实施例的单元像素中将光电二极管作为受光部来使用的结构进行说明的图。

参照图7，单元像素300包括：受光部310；以及第一至第六金属线330、340、350、360、370、380，形成用于检测向受光部310接近垂直入射的光的光入射路径320。

受光部310作为光电二极管，可以将累积的入射光转换成电信号。受光部310中使用的光电二极管可以是反向偏置的PN结光电二极管。其中，PN结光电二极管可以由多晶硅或非晶硅PN接合而成。由光电二极管构成的受光部310与浮置栅极结构的晶体管型受光部相比需要相对大的光量，因此虽然光入射路径320的高度相同，但需要增加光入射路径320的宽度。当增加光入射路径320的宽度时，向受光部310入射的光量会增加。因此，受光部即使使用光电转换效率低的光电二极管也能吸收充分的光量。

图8是对本发明一实施例的单元像素中使用浮置栅极结构的晶体管型受光部的结构进行说明的图。

参照图8，单元像素400包括：受光部410；以及第一至第三金属线430、440、450，形成用于检测向受光部410接近垂直入射的光的光入射路径420。

受光部410可以使用浮置栅极结构的晶体管型受光传感器。当将浮置栅极结构的晶体管型受光传感器适用于受光部410时，相对于像素间距的受光部410的宽度会变小，从结构上来说，受光部410和下侧金属线430需要邻接，因而利用金属线430、440、450而形成的光入射路径420的宽度可能变得更狭窄。因此，利用图2至图6中说明的方式来增加金属线430、440、450的厚度，并且光入射路径420可以形成为狭长的隧道形。由此，可视角460变得更小，焦点最大高度470增加的同时，能够检测出更多的直进性光。此外，受光部410因浮置栅极结构的晶体管型受光传感器的高光灵敏度特性而在少量的光量中也能获得清晰的图像。

图9是对于本发明一实施例的图8所示的浮置栅极结构的晶体管型受光部的电路图及工作原理进行说明的图。

参照图9，单元像素500对光进行光电转换并输出像素电流。为此，单元像素500由PMOS(510)和NMOS(520)构成，该PMOS起到对入射的光进行光电转换的受光部作用，该NMOS与PMOS(510)连接并起到开关作用。PMOS(510)及NMOS(520)可通过普通的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)工序来实现。

单元像素500的动作如下所示。当将电源电压VDD施加于与NMOS(520)形成在同一基板上的PMOS(510)的源极时，在N阱(N-well)和p型基板对置的所有区域中形成PN接合面，因反向偏置而使电中性状态的耗尽区形成得厚。此外，电源电压在PMOS(510)的源极和漏极之间通过电场来感应P沟道。此后，当光向受光部即PMOS(510)入射时，光子入射到与浮置栅极产生耗尽区的N阱的下部接合面，从而生成电子-空穴对(EHP；Electron hole pair)。在PMOS(510)的浮置栅极中因极化现象而在位于浮置栅极的下部的N-well，即，漏极和源极之间完成P沟道。电压施加到与PMOS(510)连接的NMOS(520)的栅极，并且在形成于NMOS(520)的源极和漏极之间形成沟道，由此接收形成于PMOS(510)的信号电荷并输出入射光检测信号。

图10是对于本发明一实施例的单元像素的侧面结构进行说明的图。

参照图10，单元像素600包括：第一至第三金属线620、630、640，形成光入射路径610；以及层650。

在图10中，单元像素600构成以2D网格(2D Grid)形状排列的像素阵列600a。其中，2D网格形状的像素阵列600a仅是例示，像素阵列600a可以排列成狭缝结构等各种形状。

如图2至图6中所述，单元像素600通过各种方式只能检测向受光部接近垂直入射的光。此外，在图10中第一至第三金属线620、630、640垂直地排列，但与图6(b)一样，可以构成为包围光入射路径610的各种形状。

此时，如图10所示，能够增加最上侧金属线640的厚度。除此之外，还能选择性地增加第一至第三金属线620、630、640的厚度，当增加第一至第三金属线620、630、640的厚度时，以光入射路径610的宽度恒定的方式增加光入射路径610的高度，因此可视角会减小。此外，光入射路径610的高度增加可以使对物体的明暗进行区分的焦点最大高度增加。

层650为用于保护单元像素600的像素保护层的集合。在图10中示出了层650以与像素阵列600a的形状相同的方式制造成2D网格形状，像素保护层可以排列成各种形状。此外，层650还能够以与像素阵列600a不同形状的排列方式进行制造。

图11及图12是对于本发明一实施例的包含有透镜结构的单元像素的结构进行说明的图。

参照图11，单元像素700包括：受光部710；以及第一至第三金属线730、740、750，形成用于检测向受光部710接近垂直入射的光的光入射路径720。

为了检测向受光部710接近垂直入射的光，在图11中图示了仅增加最上侧金属线750的厚度的情况，但可以全部增加或选择性地增加各个金属线730、740、750的厚度。当增加金属线730、740、750的厚度时，光入射路径720的高度变高，由此可视角760变得狭窄。作为缩小可视角760的其它方法，单元像素700还可包括透镜结构。

透镜结构可以使用凸透镜结构或凹透镜结构。其中，凸透镜结构或凹透镜结构可以采用与形成金属线730、740、750及光入射路径720的物质的折射率不同的物质来制造。以下，将对制造方法进行详细说明。

参照图11(a)，凸透镜结构770a可以形成于第一金属线730下部。由于凸透镜结构770a位于第一金属线730下部，因而经由光入射路径720的光能够以向受光部710接近垂直入射的方式折射光。

此外，如图2所述，可以通过半导体工序获得的物理性光入射路径720的高度与宽度的最大比值可以依靠MEMS工艺制造技术来提高。但是，如图11(a)所示，通过形成于第一金属线730下部的凸透镜结构770a可以将经由光入射路径720的光改变成向受光部710接近垂直入射，从而可以吸收反射到位于更高位置的物体上的光。因此，实际上光入射路径720的高度与宽度的比值例如可以为30:1以上。对其而言，以下图11(b)及(c)的情况也相同。

图11(b)示出了形成于最上侧金属线750的上部的凹透镜结构770b，图11(c)示出了在受光部710和第二金属线740的下部之间形成的凹透镜结构770c。

在图11(b)中，凹透镜结构770b改变入射的光的路径，从而使得能够检测出向受光部710接近垂直入射的光。

此外，在图11(c)中，最上侧金属线750能够限制从外部入射的光的入射角，凹透镜结构770c能够使经由光入射路径720的光向受光部710接近垂直入射。

即，在图11(a)至(c)中，与在普通图像传感器中使用微透镜的理由相反，凸透镜结构770a及凹透镜结构770b、770c限制光的入射角度，以使受光部710只检测接近垂直的光。

参照图12，单元像素701包括：受光部711，可以由光电二极管或者浮置栅极结构的晶体管构成；以及多个金属线731、741、751、761、771、781，形成用于检测向受光部711接近垂直入射的光的光入射路径721。

多个金属线731、741、751、761、771、781向受光部711供应电源以及控制信号，并且能够从受光部711接收数据信号。多个金属线731、741、751、761、771、781能够层叠于受光部711的上部。为了检测向受光部711接近垂直入射的光，使各个多个金属线731、741、751、761、771、781的厚度全部增加，或者只能够增加最上侧金属线781的厚度。

参照图12(a)，凹透镜结构791a位于最上侧金属线781上部，并调节入射的光的角度，从而能够使得接近垂直的光向受光部711入射。

此外，如图2所述，可以通过半导体工序获得的物理性的光入射路径721的高度与宽度的最大比值可以依靠MEMS工艺制造技术来提高。但是，如图12(a)所示，通过形成于最上侧金属线781的凹透镜结构791a可以将经由光入射路径721的光改变成向受光部711接近垂直入射，从而可以吸收反射到位于更高位置的物体上的光。因此，实际上光入射路径721的高度与宽度的比值例如可以为15:1。对其而言，以下图12(b)及(c)的情况也相同。

图12(b)示出了在第四金属线761之间形成的凸透镜结构791b，图12(c)分别示出了形成于第三金属线751的上部的凸透镜结构791d、在最上侧金属线781之间形成的凹透镜结构791c、在第一金属线731之间形成的凹透镜结构791e的组合。

此外，如图12(c)所示，组合多个透镜结构，由此能够调整位于光入射路径721内部的在特定高度入射的光的焦点。

在图12(a)至(c)中，与在普通的图像传感器中使用微透镜的理由相反，凸透镜结构791b、791d及凹透镜结构791a、791c、791e限制光的入射角度，以使受光部711只检测接近垂直的光。

图11及图12所示的透镜结构能够在形成金属线的半导体工序中制造。具体而言，形成单元像素700的金属线730、731、740、741、750、751、761、771、781的半导体工序从受光部710、711表面至芯片表面依次形成氧化膜，并使用露出所述氧化膜的规定区域的多个光致抗蚀剂依次蚀刻氧化膜，并且制造图案。此时，图11及图12中所使用的透镜结构可以由与形成金属线730、731、740、741、750、751、761、771、781及光入射路径720、721的物质不同的物质来制造，因此折射率会不一样。

图13及图14是对于本发明一实施例的在像素保护层上部形成矩形狭缝结构的单元像素的结构进行说明的图。

参照图13，单元像素800包括：受光部810；第一及第二金属线830、840，形成光入射路径820；以及第一及第二单元体860、870，位于像素保护层850的上部。

像素保护层850可以由用于保护单元像素800的物质构成。第一及第二单元体860、870在内部可以形成具有一定形状的狭缝。在图13中示例地图示了矩形形状的狭缝，但不一定局限于此。

图13所示的矩形的狭缝只示出了形成于最上侧单元体即第二单元体870上的情况，可以分别形成于第一及第二单元体860、870。另外，可以增加第一单元体860和第二单元体870的高度即H。增加H的方法可以采用以上所述的图2及图3的方法。

参照图14，形成于第二单元体870的第二矩形狭缝870a能够与形成于第一单元体860的第一矩形狭缝860a相互垂直交叉。在两个狭缝交叉的位置可以形成能够通过光的孔880。例如，设定狭缝的宽度为1μm时，可以在1μm矩形孔880交叉的位置形成。通过这样的结构，单元像素800切断向受光部810倾斜入射的光，可以只检测接近垂直入射的光。

图15及图16是对于本发明一实施例的在像素保护层上部形成正方形狭缝结构的单元像素的结构进行说明的图。

参照图15，单元像素900包括：受光部910；第一及第二金属线930、940，形成光入射路径920；以及第一及第二单元体960、970，位于像素保护层950上部。

像素保护层950可以由用于保护单元像素900的物质构成。第一及第二单元体960、970在内部可以形成具有一定形状的狭缝。在图15中示例地图示了正方形的狭缝，但不一定局限于此。此外，在图15中狭缝形成于第一及第二单元体960、970，但是不仅可以分别形成，还可以只在一个单元体上形成，可以增加形成有狭缝的单元体的数量。另外，可以扩展第一单元体960和第二单元体970的高度即H。扩展H的方法可以采用以上所述的图2及图3的方法。

参照图16，形成于第一单元体960的第一正方形狭缝960a的中心与形成于第二单元体970的第二张方形狭缝970a的中心实质上可以一致。另外，形成于第一单元体960的第一正方形狭缝960a的中心与形成于第二单元体970的第二正方形狭缝970a的中心实质上也可以不一致。另外，虽然形成于第一单元体960的第一正方形狭缝960a的中心与形成于第二单元体970的第二正方形狭缝970a的中心实质上一致，但各自的棱角可以不一致。可通过第一正方形狭缝960a及第二正方形狭缝970a来形成光能够通过的孔980。通过这样的结构，单元像素900切断向受光部910倾斜入射的光，可以只检测接近垂直入射的光。

图17是对于本发明一实施例的增加像素保护层上部的单元体的高度的单元像素的结构进行说明的图。

参照图17，单元像素1000包括：受光部1010；多个金属线1030，形成用于检测向受光部1010接近垂直入射的光的光入射路径1020；以及单元体1050，形成于像素保护层1040的上部。

为了增加光入射路径1020的高度，在像素保护层1040上部可以形成单元体1050。例如，在单元像素1000的金属线1030工序之后，可以另外实施形成单元体1050的工序。因此，在未改变芯片内部的金属线1030的厚度的情况下也可以使单元像素1000的可视角1060缩小。这种方式是只在上部添加单元体1050的方式，可以使对单元像素1000的动作产生的影响达到最小化，因此稳定。通过增加的单元体1050，光入射路径1020的宽度比现有单元像素的金属线1030的宽度变得狭窄。因此，能够使焦点最大高度变得更高。

此外，以0.18μm半导体工序为例，最上侧金属线离受光部的最大距离可以至7～10μm。即，在工序上能够实现的金属线的最多数量为6个。因此，只能限制光入射路径的高度与宽度的比值。为了进一步提高该比值，图17所示，可以使用附加结构物。例如，可以将半导体平版印刷(Lithography)工序中使用的光致抗蚀剂(Photo Resist)作为单元体来使用。其中，光致抗蚀剂为具有与彩色滤光片(Color filter)类似性质的物质，具有吸收补色关系的光的特征。因此，当蓝色滤光片(Blue Color Filter，BCF)作为像素保护层1040上部的单元体来使用时，可以将单元体1050的高度提高至约5μm，当红光作为入射的光来使用时，由于能够吸收入射光而可以减小入射的光的角度。

图18以及图19是对于包括本发明一实施例的单元像素的指纹识别传感器进行说明的图。

参照图18，指纹识别传感器包括：半导体层1100，形成有像素阵列；以及像素保护层1110，用于保护单元像素。

指纹识别传感器可以利用手指的指纹1120和由发光体产生的光来获得指纹。此时，由发光体产生的光不仅可以是向受光部接近垂直入射的光，而且可以具备具有倾斜度的光。但是，指纹识别传感器为了获得清晰的指纹图像，指纹识别传感器最大限度地切断具有倾斜度的光，应当只检测接近垂直入射的光。因此，为了只检测向受光部接近垂直入射的光，作为指纹识别传感器中所包含的单元像素，可以使用本发明一实施例的单元像素。

形成于半导体层1100上的像素阵列可以包括以上说明的所有的单元像素来排列。为了检测向受光部接近垂直入射的光，根据本发明一实施例的单元像素为改变了光入射路径的高度与宽度的比值的单元像素，由此指纹识别传感器可以检测清晰的图像。

指纹1120能够与像素保护层1110的上部直接接触。像素保护层1110可以通过半导体沉积方式，由氮化物(Nitride)类的坚硬且折射率高的透明物质制成。

参照图19，指纹识别传感器包括：形成有像素阵列的半导体层1101及像素保护层1111。省略与图18重复的部分的说明，主要对不同点进行说明。

图19的层1121可以由图13及图14、图15及图15b、图17中说明的单元体的集合来形成。层1121在单元像素的金属工序之后可以通过附加工序来生成。由此，可以确保单元像素阵列的操作稳定性。此外，通过添加层1121来提高光入射路径的高度，从而能够缩小可视角，由于提高焦点最大高度而能够更清晰地识别要检测的更远处的物体(例如，指纹)。

以上，以本发明的实施例为中心对本发明进行了说明。本领域技术人员应当理解，本发明在不脱离本发明的本质特性的范围内可以以变形的形式来实现。因此，不应从限定的观点来考虑公开的实施例，而应当从说明的观点来考虑。本发明的范围并不在于上述的说明，而是在权利要求范围中表示，与其等同范围内的所有不同点应解释为包含在本发明中。

Claims (22)

1.一种单元像素，其形成于基板上并将入射的光转换成电信号，所述单元像素的特征在于，包括：

受光部，产生光电转换；以及

多个金属线，位于所述受光部的上部，形成用于检测向所述受光部接近垂直入射的光的光入射路径，

所述光入射路径的高度形成为比所述光入射路径的宽度大。

2.根据权利要求1所述的单元像素，其特征在于，还包括：

虚拟金属线，位于所述多个金属线中的下侧金属线的上部，形成所述光入射路径。

3.根据权利要求2所述的单元像素，其特征在于，

所述虚拟金属线为多个。

4.根据权利要求1所述的单元像素，其特征在于，

所述多个金属线均形成得厚。

5.根据权利要求1所述的单元像素，其特征在于，

所述多个金属线以相互具有不同的厚度的方式形成。

6.根据权利要求1所述的单元像素，其特征在于，

在所述多个金属线中，最上侧金属线形成得比剩余的金属线厚。

7.根据权利要求1所述的单元像素，其特征在于，

所述光入射路径的高度与所述光入射路径的宽度的比值范围为10:1至30:1。

8.根据权利要求1所述的单元像素，其特征在于，

由于所述多个金属线以阶梯型层叠，从而倾斜地形成所述光入射路径。

9.根据权利要求1所述的单元像素，其特征在于，还包括：

像素保护层(Passivation layer)，位于所述多个金属线最上部；以及单元体，位于所述像素保护层上部，形成狭缝结构。

10.根据权利要求9所述的单元像素，其特征在于，

形成于所述单元体的狭缝为矩形，形成于多个所述单元体的狭缝以其长度方向相互垂直交叉的方式形成。

11.根据权利要求9所述的单元像素，其特征在于，

形成于所述单元体的狭缝为正方形，形成于多个所述单元体的狭缝的中心一致或不一致。

12.根据权利要求1所述的单元像素，其特征在于，

所述受光部为光电二极管或浮置栅极结构的晶体管，

在所述受光部为浮置栅极结构的晶体管的情况下，所述光入射路径的宽度比所述受光部为光电二极管的情况狭窄。

13.一种单元像素，其形成于基板上并将入射的光转换成电信号，所述单元像素的特征在于，包括：

受光部，产生光电转换；

多个金属线，位于所述受光部的上部，形成用于检测向所述受光部接近垂直入射的光的光入射路径；以及

透镜结构，位于所述光入射路径，

所述光入射路径的高度形成得比所述光入射路径的宽度大。

14.根据权利要求13所述的单元像素，其特征在于，

所述透镜结构至少由一个以上的凸透镜或凹透镜构成。

15.根据权利要求14所述的单元像素，其特征在于，

所述透镜结构被配置成在所述光入射路径内在特定高度形成所述入射的光的焦点。

16.根据权利要求15所述的单元像素，其特征在于，还包括：

虚拟金属线，位于所述多个金属线中的下侧金属线的上部，形成所述光入射路径。

17.根据权利要求16所述的单元像素，其特征在于，

所述虚拟金属线为多个。

18.根据权利要求13所述的单元像素，其特征在于，

所述多个金属线均形成得较厚。

19.根据权利要求13所述的单元像素，其特征在于，

所述多个金属线以相互具有不同的厚度的方式形成。

20.根据权利要求13所述的单元像素，其特征在于，

在所述多个金属线中，最上侧金属线形成得比剩余的金属线厚。

21.根据权利要求13所述的单元像素，其特征在于，

所述光入射路径的高度与所述光入射路径的宽度的比值范围为10:1至30:1。

22.一种包括由多个如权利要求1或13所述的单元像素排列而成的像素阵列的指纹识别传感器。