CN1750266A - 互补型金属氧化物半导体场效应晶体管影像感测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一互补型金属氧化物半导体场效应晶体管影像感测器。该影像感测器包括一主动式光感测像素阵列于一基底上，各像素的至少一边宽度小于或等于3微米。至少一介电层设置于基底上，覆盖该光感测像素阵列。一彩色滤光层设置于该至少一介电层上。其中，所有该至少一介电层与该彩色滤光层的厚度总和除以该像素的任意一边宽度小于或等于1.87。本发明所述互补型金属氧化物半导体场效应晶体管影像感测器，可避免感测影像的失真、提升感测像素的分辨率，以及致使增加感测像素对应色彩的饱和度。
Description
技术领域
本发明是关于一种影像感测器，特别是有关于一种互补型金属氧化物半导体场效应晶体管影像感测器，具有特定维度关系的光感测像素。
背景技术
互补型金属氧化物半导体场效应晶体管影像感测器(CMOSimage sensor)已广泛使用于许多应用领域，例如静态数字相机(digital still camera，DSC)。上述应用领域主要利用一主动像素阵列或影像感测单元(image sensor cell)阵列，包括光二极管元件，以将入射的影像光能转换成数字数据。
就静态数字相机(DSC)领域而言，必须达成的性能要件包括高影像画质且具低串音及噪声，并且能在低环境光源情况下提供高画质影像。
然而，于影像感测像素中所发生的光辐射的反射或折射现象，往往是造成影像感测器发生串音的主因。上述光辐射的反射或折射若被其它感测像素所侦测，则发生串音，进而造成影像变形。现有技术中，串音的量测乃借由一不透明光罩设置于光感测元件阵列上，仅容许线进入其中的一光感测像素上。量测由该光感测像素邻近的另一感测像素所接收到的感测信号，并且将此信号除以原感测器应感测到的信号，此比值称串音(cross talk)。传统上业界对串音的要求限制在，当入射光倾斜角为15度时，串音比值必须小于或等于50％。
请参阅图1，其显示量测传统的CMOS影像感测器串音的结构100的剖面示意图。结构100包括半导体基底101，其内具有一光二极管120阵列。各个光二极管120包括例如一N-型掺杂区域124于一P-型掺杂区域122中。各个光二极管120彼此间以一绝缘结构110阵列隔离，例如以浅沟槽隔离物(shallowtrench isolator，STI)隔离。一介电层130形成于该半导体基底101上。一金属层140包括一开口形成于介电层130上。开口定义光感测像素的一特定区域，用以量测特定CMOS影像感测像素的串音。该开口所对应的像素的光二极管120将影像光源160转换成想要的信号并将斜角射入的光源160’换成不想要的信号。将不想要的信号除以想要的信号的比值即该像素的串音。
随着集成化程度增加，像素的面积缩小且采用多层介电层结构使整个影像感测器的密度增加。例如，基底101上覆盖多层介电层结构130，例如以层间介电层(interlayer dielectric，ILD)与/或金属间介电层(intermetal dielectric，IMD)。然而，随着像素宽度缩减，介电层的厚度并未随之缩减，亦即像素的垂直方向维度仍维持原有尺度。是故，入射光160及160’入射同一感测像素介电层130的上表面。入射光160及160’穿透介电层130而进入不同的感测像素。入射光160及160’所表述为一般的两种入射光情况，入射光160以几近垂直的角度入射，而入射光160’以倾斜角θ入射。
以几近垂直的角度入射的入射光160被底层的感测像素120I所感应，此为正常应感测到的信号。然而，以倾斜角θ入射的入射光160’却被邻近的感测像素120II而非被预定的感测像素120I感测。此为造成串音的主因。串音会造成感测影像的失真，降低感测像素的分辨率，以及致使感测像素的对应色彩变调。
图2是显示利用图1的量测影像感测器串音的结构100所量测不同像素宽度与串音的关系曲线。由图中所示，串音于入射光斜角±15度时最为关键。当像素的宽度降低时，例如曲线III及IV于入射光斜角±15度时，串音值会大于50％。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种感测像素的维度设计，使得感测像素的宽度缩减时，入射光斜角±15度的串音值会小于50％。
根据上述目的，本发明提供一种影像感测器装置，包括：一主动式光感测像素阵列于一基底上，各像素的至少一边宽度小于或等于3微米(μm)；至少一介电层设置于该基底上，覆盖该光感测像素阵列；以及一彩色滤光层设置于该至少一介电层上；其中，所有该至少一介电层与该彩色滤光层的厚度总和除以该像素的任意一边宽度小于或等于1.87。
本发明所述的影像感测器装置，各个光感测像素包括一光二极管及一互补型金属氧化物半导体(CMOS)电路。
本发明所述的影像感测器装置，更包括一微透镜阵列设置于该彩色滤光层，各个微透镜相对应一光感测像素。
本发明所述的影像感测器装置，各个光感测像素包括一光二极管具有一钉扎层于其上。
本发明所述的影像感测器装置，各像素的面积小于或等于10平方微米。
本发明所述的影像感测器装置，当一入射光线的入射角等于15度时，各个光感测像素的串音(crosstalk)小于或等于50％。
本发明所述的影像感测器装置，更包括四层内连线设置于该至少一介电层中。
本发明所述的影像感测器装置，该至少一介电层包括一氧化硅层、一氮化硅层、一氮氧化硅层、或一旋布材料层。
根据上述目的，本发明提供一种影像感测器装置，包括：一主动式光感测像素阵列于一基底上，各像素的面积小于或等于10平方微米(μm2)；至少一介电层设置于该基底上，覆盖该光感测像素阵列；以及一彩色滤光层设置于该至少一介电层上；其中，所有该至少一介电层与该彩色滤光层的厚度总和除以该像素的任意一边宽度小于或等于1.87。
根据上述目的，本发明提供一种微电子元件装置，包括下列步骤：如前述的该影像感测器装置，用以光学感侧一影像并产生一相对应于该影像的一模拟信号；一行译码器及一列译码器连接至该影像感测器装置，个别地寻址一或多重个像素或自一选定的像素撷取数据；一模拟数字转换器(A/D converter)连接至该行译码器，以转换该模拟信号成为对应的一数字影像；以及一输出缓冲区配置以储存由该模拟数字转换器转换的该数字影像数据。
本发明所述互补型金属氧化物半导体场效应晶体管影像感测器，可避免感测影像的失真、提升感测像素的分辨率，以及致使增加感测像素对应色彩的饱和度。
附图说明
图1是显示量测传统的CMOS影像感测器串音的结构的剖面示意图；
图2是显示利用图1的量测影像感测器串音的结构所量测不同像素宽度与串音的关系曲线；
图3是显示应用本发明实施例的具四层金属层的影像感测元件的剖面示意图；
图4是显示根据本发明实施例的量测感测像素串音的系统架构图；
图5是显示根据本发明实施例的像素宽度小于3微米的影像感测元件的串音与斜角入射光之间关系的曲线图；
图6是显示根据本发明实施例的影像感测装置的感测像素阵列的方块图；
图7是显示根据本发明实施例本发明实施例的影像感测装置的感测像素的方块图；
图8是显示根据本发明实施例的微电子装置的方块图。
具体实施方式
以下配合图式以及较佳实施例，以更详细地说明本发明。
本发明提供一种影像感测器装置，包括一主动式光感测像素阵列于一基底上，各像素的至少一边宽度小于或等于3微米(μm)。至少一介电层设置于该基底上，覆盖该光感测像素阵列。一彩色滤光层设置于该至少一介电层上。在本发明实施例中，以CMOS影像感测器为例，用以说明本发明较佳实施例，但并非限定本发明。应了解的是，其它光感测元件，亦属于本发明所揭露的范畴。
图3是显示应用本发明实施例的具四层金属层的影像感测元件的剖面示意图。于图3中，影像感测元件200的主动式光感测像素阵列包括一光二极管226及一CMOS电路228(如图7所示)。该主动式光感测像素包括一光二极管226具有一钉扎层(pinnedlayer)227于其表面上。各个光二极管226与邻近的光二极管彼此间以一绝缘结构225阵列隔离，例如以浅沟槽隔离物(shallowtrench isolator，STI)隔离。至少一介电层232、234、236、238形成于该半导体基底201上，覆盖该光感测像素。一彩色滤光层260设置于该至少一介电层上。一微透镜阵列270设置于该彩色滤光层260上，各微透镜270相对应一主动式光感测像素。
为达到感测像素微缩化的目的，同时降低像素宽度以及使用多层内连线结构。例如，像素的宽度X下降至小于3微米(μm)，较佳者为小于2.5微米(μm)，更佳为小于2微米(μm)。对应像素上的多层内连线结构介电层的高度Y下降至小于5.72微米(μm)，较佳者为小于3微米(μm)。因此，Y/X的比值较佳者为小于1.87。更明确的说，所有介电层及彩色滤光层的厚度总和除以像素的宽度大抵小于1.87。
此外，像素的面积同时下降至小于10平方微米(μm2)，较佳者为小于9平方微米(μm2)，更佳为小于6.25平方微米(μm2)。
半导体基底201上以一系列的介电层，例如层间介电层(ILD)232、金属间介电层234、236、以及保护层238。介电层232、234、236、238的材质包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或旋布材料(spin-on materials)。各个介电层的厚度范围大抵介于0.1至1.5微米(μm)。例如，以氧化硅层作为介电层的总厚度范围大抵为4.5微米(μm)，而以氮化硅层作为介电层的总厚度范围大抵为1.0微米(μm)。进一步说，于该些介电层包括四层金属内连线结构。该四层金属内连线结构包括金属插塞(plug)242、244、246以及金属线254、256、258，形成于金属间介电层234、236及保护层238内。
一彩色滤光层260形成于保护层238上。彩色滤光层260是由彩色透明高分子材料所构成。彩色滤光层260的厚度范围大抵介于0.5至6.0微米(μm)之间，较佳者为小于2.0微米(μm)。此外，一微透镜270形成于该彩色滤光层260上。
串音的量测方式可借由提供一金属光罩(可参考如图1所示)于对应的光感测元件之上，仅容许入射光通过其中对应的一感测像素。对应的像素所量测到的是想要的信号，而对应像素邻近的像素所测到的是不想要的信号。将不想要的信号除以想要的信号的比值即定义为串音。就业界的需求而言，对串音的要求限制为：当入射光倾斜角为15度时，串音比值必须小于或等于50％。
请参阅图4，其显示根据本发明实施例的量测感测像素串音的系统架构图。源自一光源410的光辐射通过一单光仪420以及一光准直器430，因而产生一均质且平行的入射光。一影像感测元件200固定于一测试板440上。影像感测元件200可为上述的影像感测元件上面形成一金属罩幕。测试板440设置于一旋转轴445，另一端连接一基座450。一斜方向的入射光照射影像感测元件200，可借由旋转旋转轴445至θ角而产生。一感测后所得的输出信号因此得以传送至一数据处理器460，由此可量测获得影像感测元件串音与斜角入射光之间的关系。
请参阅图5，其显示本发明实施例的像素宽度小于3微米的影像感测元件的串音与斜角入射光之间关系的曲线图。像素高宽比Y/X≤1.87时(曲线V)，入射光倾斜角等于15度，影像感测元件的串音小于50％。然而，当像素高宽比Y/X＞1.87时(曲线VI)，入射光倾斜角等于15度，影像感测元件的串音大于50％。
根据本发明实施例，CMOS影像感测器可使用于许多应用领域，例如静态数字相机(digital still camera，DSC)。请参阅图6，其显示一影像感测装置200的方块图。影像感测装置200包括一感测像素220所构成的阵列。各个感测像素220包括一光二极管226及一CMOS电路228，如图7所示。
请参阅图8，其显示根据本发明实施例的微电子装置600的方块图。于图8中，影像感测装置200亦可与其它电子元件整合成一微电子装置600。例如，微电子装置600包括影像感测装置200与其它控制单元整合，例如行译码器620、一列译码器640、一模拟数字转换器660、以及一输出缓冲区680，形成一系统整合于硅晶片上。微电子装置600包括影像感测装置200配置以接受一影像源并将其转换成一模拟信号。行译码器620及列译码器640连接至影像感测器装置200，个别地寻址一或多重个像素或自一选定的感测像素220撷取模拟信号。模拟数字转换器(A/Dconverter)660是连接至列译码器640，以转换该模拟信号成为对应的一数字影像。输出缓冲区680连接至模拟数字转换器(A/Dconverter)660，配置以储存由该模拟数字转换器转换的该数字影像数据。
本案特征及效果：
本发明的特征与效果在于借由在微缩影像感测像素的宽度时，同时降低各像素上介电层的厚度。亦即，在设计时使像素高宽比满足Y/X≤1.87，以满足业界对串音的要求限制：当入射光倾斜角为15度时，串音比值必须小于或等于50％。因此，本发明的影像感测装置可避免感测影像的失真、提升感测像素的分辨率，以及致使增加感测像素对应色彩的饱和度。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
100：量测传统CMOS影像感测器串音的结构
101：半导体基底
120：光二极管
124：N-型掺杂区域
122：P-型掺杂区域
110：绝缘结构
130：介电层
140：金属层光罩
160：正向入射影像光源
160’：斜角入射影像光源
θ：倾斜角
200：影像感测元件
201：半导体基底
225：绝缘结构
226：光二极管
227：钉扎层(pinned layer)
228：CMOS电路
232、234、236、238：介电层
260：彩色滤光层
270：微透镜
X：像素的宽度
Y：像素介电层的高度
242、244、246：金属插塞(plug)
254、256、258：金属线
410：光源
420：单光仪
430：光准直器
440：测试板
445：旋转轴
450：基座
460：数据处理器
600：微电子装置
620：行译码器
640：列译码器
660：模拟数字转换器
680：输出缓冲区
Claims (9)
1、一种影像感测器装置，所述影像感测器装置包括：
一主动式光感测像素阵列于一基底上，各像素的至少一边宽度小于或等于3微米；
至少一介电层设置于该基底上，覆盖该光感测像素阵列；以及
一彩色滤光层设置于该至少一介电层上；
其中，所有该至少一介电层与该彩色滤光层的厚度总和除以该像素的任意一边宽度小于或等于1.87。
2、根据权利要求1所述的影像感测器装置，其特征在于：各个光感测像素包括一光二极管及一互补型金属氧化物半导体电路。
3、根据权利要求1所述的影像感测器装置，其特征在于：更包括一微透镜阵列设置于该彩色滤光层，各个微透镜相对应一光感测像素。
4、根据权利要求1所述的影像感测器装置，其特征在于：各个光感测像素包括一光二极管具有一钉扎层于其上。
5、根据权利要求1所述的影像感测器装置，其特征在于：各像素的面积小于或等于10平方微米。
6、根据权利要求1所述的影像感测器装置，其特征在于：当一入射光线的入射角等于15度时，各个光感测像素的串音小于或等于50％。
7、根据权利要求1所述的影像感测器装置，其特征在于：更包括四层内连线设置于该至少一介电层中。
8、根据权利要求1所述的影像感测器装置，其特征在于：该至少一介电层包括一氧化硅层、一氮化硅层、一氮氧化硅层、或一旋布材料层。
9、一种微电子元件装置，所述微电子元件装置包括：
如权利要求1所述的该影像感测器装置，用以光学感侧一影像并产生一相对应于该影像的一模拟信号；
一行译码器及一列译码器连接至该影像感测器装置，个别地寻址一或多重个像素或自一选定的像素撷取数据；
一模拟数字转换器连接至该行译码器，以转换该模拟信号成为对应的一数字影像；以及
一输出缓冲区配置以储存由该模拟数字转换器转换的该数字影像数据。
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