本發(fā)明涉及一種用于指紋識(shí)別傳感器的單元像素。

背景技術(shù)：

圖像傳感器是將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。典型的圖像傳感器包括使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)的有源像素傳感器(activepixelsensor，aps)和無(wú)源像素傳感器(passivepixelsensor，pps)。用于這種圖像傳感器的光電二極管將入射光積聚并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。為了增加光電二極管的入射光的量，通常在光電二極管的上部設(shè)置微透鏡。

另外，光學(xué)指紋識(shí)別用傳感器將指紋圖像拍攝后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。為了拍攝指紋圖像，現(xiàn)有的光學(xué)指紋識(shí)別用傳感器具有將光照射到指紋上并進(jìn)行反射的光學(xué)系統(tǒng)。然而，由于像反射鏡或透鏡那樣的光學(xué)系統(tǒng)通常具有相當(dāng)大的體積，因而具備光學(xué)指紋識(shí)別用傳感器的指紋識(shí)別裝置難以實(shí)現(xiàn)小型化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

用于解決問(wèn)題的手段

為此，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素，其形成于基板上并將入射的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所述單元像素的特征在于，包括：受光部，產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換；以及多個(gè)金屬線，位于所述受光部的上部，形成用于檢測(cè)向所述受光部接近垂直入射的光的光入射路徑，所述光入射路徑的高度形成得比所述光入射路徑的寬度大。

根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素及包含其的指紋識(shí)別傳感器由于無(wú)需用于拍攝指紋圖像的光學(xué)系統(tǒng)及用于增加入射光的量的微透鏡，從而能夠?qū)崿F(xiàn)指紋識(shí)別裝置的小型化。

此外，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素及包含其的指紋識(shí)別傳感器由于不是添加額外機(jī)構(gòu)的方式而是通過(guò)單元像素自身來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸式透鏡效果的方式，從而能夠?qū)崿F(xiàn)指紋識(shí)別裝置的小型化。

附圖說(shuō)明

圖1是對(duì)單元像素的剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

圖2至圖6是對(duì)本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素的剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

圖7是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素中，將光電二極管作為受光部來(lái)使用的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

圖8是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素中，使用浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管型受光部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

圖9是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的圖8所示的浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管型受光部的電路圖及工作原理進(jìn)行說(shuō)明的圖。

圖10是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素的側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

圖11及圖12是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的包含有透鏡結(jié)構(gòu)的單元像素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

圖13及圖14是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的在像素保護(hù)層上部形成矩形狹縫結(jié)構(gòu)的單元像素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

圖15及圖16是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的在像素保護(hù)層上部形成正方形狹縫結(jié)構(gòu)的單元像素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

圖17是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的增加像素保護(hù)層上部的單元體高度的單元像素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

圖18及圖19是對(duì)于包括本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素的指紋識(shí)別傳感器進(jìn)行說(shuō)明的圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明可以進(jìn)行各種變更，并且可以具有多個(gè)實(shí)施例，通過(guò)在附圖中例示特定實(shí)施例并對(duì)此詳細(xì)說(shuō)明來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。然而，并不是將本發(fā)明限定于特定的實(shí)施方式，而應(yīng)理解為包括本發(fā)明的思想及技術(shù)范圍內(nèi)的所有變更、等同物或替代物。

在對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明中，當(dāng)認(rèn)為對(duì)于相關(guān)公知技術(shù)的具體說(shuō)明可能會(huì)不必要地混淆本發(fā)明的主旨時(shí)，省略其詳細(xì)說(shuō)明。

此外，在未另外說(shuō)明的情況下，本說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求中所使用的單數(shù)一般應(yīng)被解釋為“一個(gè)以上”。

圖1是對(duì)單元像素的剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D1(a)，示出受光部為光電二極管110的普通單元像素100的結(jié)構(gòu)。微透鏡140改變光的入射角，并將入射的光聚光于光電二極管110。單元像素100包括向光電二極管110供應(yīng)電源、控制信號(hào)，并用于從光電二極管110接收數(shù)據(jù)信號(hào)的金屬線120、130。金屬線120、130層疊于光電二極管110的上部。此時(shí)，為了確保受光面積，應(yīng)當(dāng)最大限度地減小金屬線120、130所占的空間。即，與一般的邏輯工序不同，在圖像傳感器所使用的單元像素的情況下，只有最大限度地減少金屬線的數(shù)量并降低金屬線的寬度和厚度，才能縮短光入射路徑。當(dāng)光入射路徑被縮短時(shí)，能夠增加光電二極管110的受光效率。

參照?qǐng)D1(b)，示出了受光部為光電二極管111的單元像素101的結(jié)構(gòu)。不同于圖1(a)中說(shuō)明的普通單元像素100，圖1(b)中示出的單元像素101不包括微透鏡140。在圖1(b)中示出的單元像素101中，光的入射角度受到金屬線的限制，因而受光部只能檢測(cè)出一定角度的光。其中，能夠由受光部檢測(cè)的光的角度通過(guò)多個(gè)金屬線121、131、141來(lái)決定。此外，入射的光的角度應(yīng)大于通過(guò)多個(gè)金屬線121、131、141來(lái)決定的直線151a、151b和芯片(chipdie)表面之間的角度。然而，光電二極管111為了檢測(cè)光，光進(jìn)入的受光面積必須確保到一定程度。

參照?qǐng)D1(c)，示出了受光部為光電二極管112的本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素102的結(jié)構(gòu)。單元像素102包括用于決定入射的光的角度而形成的多個(gè)金屬線122、132、142。為了檢測(cè)出入射到芯片表面的光中的接近垂直地入射到光電二極管112上的光，當(dāng)增加多個(gè)金屬線122、132、142中的至少任意一個(gè)厚度時(shí)，光入射路徑的高度會(huì)提高。其中，接近垂直地入射的光包括實(shí)際上向受光部(圖1(c)中為光電二極管，112)垂直入射的光。根據(jù)實(shí)施例，可以使各個(gè)金屬線122、132、142的厚度全部增加，或者可以形成為只有最上側(cè)金屬線142的厚度比剩余的金屬線122、132的厚度厚。另外，將具有虛擬金屬或遮光特性的物質(zhì)進(jìn)一步沉積到受光部的上部，由此光電二極管112能夠檢測(cè)出接近垂直地入射的光。

此外，當(dāng)提高光電二極管112的靈敏度而在狹小的面積上也能夠維持敏感的靈敏度特性時(shí)，光電二極管112上部的光入射路徑的寬度(width)可以變窄。其中，光入射路徑為光能夠進(jìn)入的路徑，向芯片表面入射的光的路徑受到金屬線122、132、142的限制，所以能夠決定光入射路徑。因此，只有具有一定的入射角的光才能通過(guò)受光部被檢測(cè)到。例如，光入射路徑的高度(height)與寬度的比值(h:w)范圍可以是10:1至30:1。隨著光入射路徑的高度與寬度的比值(h:w)越高，即使光電二極管112從芯片表面遠(yuǎn)離也能夠區(qū)分物體的陰影。

圖2至圖6是對(duì)本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素的剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D2，單元像素200包括：受光部210；以及第一至第六金屬線230、240、250、260、270、280，形成用于檢測(cè)向受光部210接近垂直入射的光的光入射路徑220。

受光部210可以采用光電二極管或浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管。在將浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管用作受光部210的情況下，因受光部210具有高光靈敏度特性而使光入射路徑220的寬度窄的情況下，通過(guò)少量的光也能得到清晰的圖像。因此，在受光部210為浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管的情況下，光入射路徑220的寬度可以比受光部210為光電二極管的情況時(shí)窄。具體而言，在將浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管用作受光部210的情況下，可以縮小相對(duì)于像素間距(pixelpitch)的受光部210的面積，由于在結(jié)構(gòu)上應(yīng)當(dāng)與金屬線鄰接，所以采用金屬線的光入射路徑220的寬度可以更小。因此，如圖2所示，當(dāng)利用第一至第六金屬線230、240、250、260、270、280來(lái)增加光入射路徑220的高度時(shí)，光入射路徑220可以形成為狹長(zhǎng)的隧道形。由此，由于從多個(gè)角度進(jìn)入的光的阻隔率增加而減少了向受光部210入射的光量，但是采用浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管型受光部210的圖像傳感器因浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管型受光部210的高光靈敏度特性而在少的光量中也能獲得清晰的圖像。

第一至第六金屬線230、240、250、260、270、280由形成電氣布線的第一及第二金屬線230、240和所謂虛擬金屬線的第三至第六金屬線250、260、270、280構(gòu)成。第一至第六金屬線230、240、250、260、270、280通過(guò)金屬間介質(zhì)(intermetaldielectric，imd)而彼此電絕緣。此外，由第一至第六金屬線230、240、250、260、270、280定義的光入射路徑220也通過(guò)imd來(lái)形成。其中，光入射路徑220的截面可以形成為各種形狀，例如多邊形、圓形等。

此外，以0.18μm半導(dǎo)體工序?yàn)槔?，一般而言金屬線金屬可以層疊至6個(gè)，在工藝上從受光部210表面最大能實(shí)現(xiàn)7～10μm高度。然而，受光部210需要吸收一定量的光，因此光經(jīng)過(guò)的光入射路徑220的寬度只能制造成最小約1μm以上。因此，光入射路徑220的高度與寬度的最大比值可以是30:1。然而，其由工序技術(shù)所決定，隨著工序技術(shù)的發(fā)展，可以提高光入射路徑220的高度與寬度的最大比值是顯然的。

第一及第二金屬線230、240在多個(gè)金屬線中與受光部210最接近。因此，下側(cè)金屬線是指第一及第二金屬線230、240。第一及第二金屬線230、240傳遞控制受光部210的動(dòng)作的受光部控制信號(hào)，并且形成用于傳遞受光部210檢測(cè)直進(jìn)光而產(chǎn)生的入射光檢測(cè)信號(hào)的電氣布線。作為一實(shí)施例，第一及第二金屬線230、240可以配置成包圍受光部210上部的光入射路徑220。作為另一實(shí)施例，可以配置成在第一及第二金屬線230、240中形成電氣布線，使金屬線包圍受光部210上部的光入射路徑的。由第一及第二金屬線230、240定義的光入射路徑的截面可以形成為各種形狀，例如多邊形、圓形等。

第三至第六金屬線250、260、270、280位于第一及第二金屬線230、240的上部。作為一實(shí)施例，作為虛擬金屬線的第三至第六金屬線250、260、270、280可以形成為平板形狀，該平板形狀包括在與由第一及第二金屬線230、240形成的光入射路徑220對(duì)應(yīng)的位置形成的開(kāi)口。形成于第三至第六金屬線250、260、270、280上的開(kāi)口可以定義光入射路徑220。開(kāi)口可以形成為各種形狀，例如多邊形、圓形等。另外，作為又一實(shí)施例，如圖2所示，虛擬金屬線并不一定需要多個(gè)，根據(jù)受光部210的種類或者要求的光入射路徑220的高度與寬度的比值，在第一及第二金屬線230、240的上部可以只設(shè)置一個(gè)虛擬金屬線。此外，最上側(cè)金屬線是指，在虛擬金屬線中位于離受光部210最遠(yuǎn)的金屬線。在圖2中，第六金屬線280可以成為最上側(cè)金屬線。

直線290a、290b通過(guò)第一至第六金屬線230、240、250、260、270、280來(lái)決定，該直線可以確定受光部210能夠聚光的最小角度。此外，入射的光的角度應(yīng)大于直線290a、290b和芯片表面之間的角度。因此，當(dāng)利用第一至第六金屬線230、240、250、260、270、280來(lái)提高光入射路徑220的高度時(shí)，在受光部210能夠聚光的光成為向受光部210接近垂直入射的光。

參照?qǐng)D3，單元像素201包括：受光部211，可以由光電二極管或浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成；以及第一至第三金屬線231、241、251，形成用于檢測(cè)向受光部211接近垂直入射的光的光入射路徑221。

可視角261通過(guò)第一至第三金屬線231、241、251所形成的光入射路徑221的高度和寬度來(lái)決定。位于可視角261以內(nèi)的物體在不與鄰接單元像素201a、201b重疊的范圍內(nèi)可區(qū)分明暗。

當(dāng)由比圖3所示的焦點(diǎn)(focus)最大高度更高的部分入射光時(shí)，由于鄰接單元像素201a、201b可以將物體看成相同的部分，因而不能夠區(qū)分指紋、圖案等接近的物體的明暗。即，當(dāng)物體在可區(qū)分物體的明暗的部分(271，以下為聚焦區(qū)域)的左側(cè)部分271a時(shí)，向鄰接單元像素201a及單元像素201均可以入射光，當(dāng)物體在右側(cè)部分271c時(shí)，向鄰接單元像素201b及單元像素201均可以入射光。此外，在聚焦區(qū)域271的上側(cè)部分271b的情況下，光可以向與鄰接單元像素201a、201b鄰接的其它單元像素入射。因此，聚焦區(qū)域271被確定。在圖3中，聚焦區(qū)域271為從芯片表面的上部部分至焦點(diǎn)最大高度281為止，并且形成為由構(gòu)成可視角261的直線包圍的多邊形。

此外，聚焦區(qū)域271內(nèi)部的物體亮度被識(shí)別為受光部211中亮度的平均值。當(dāng)物體在焦點(diǎn)最大高度281以內(nèi)時(shí)，始終正確地形成焦點(diǎn)，但是，當(dāng)物體位于焦點(diǎn)最大高度以上時(shí)，單元像素201因像重疊而不能夠區(qū)分明暗。其中，為了提高焦點(diǎn)最大高度281來(lái)識(shí)別更高位置的(長(zhǎng)距離)的物體，可以擴(kuò)大單元像素201、201a、201b之間的間隔，從而能夠使重疊的區(qū)域在更高的位置形成。即，受光部211可以通過(guò)由圖3所示的光入射路徑221的高度和寬度所決定的可視角261，在不與其它單元像素重疊的范圍以內(nèi)區(qū)分物體的明暗。

在圖3中，增加位于受光部211上部的最上側(cè)金屬線251的厚度從而縮小單元像素201的可視角261，但是，除此之外，也可以通過(guò)各種方法在不大幅改變單元像素的基本結(jié)構(gòu)的情況下縮小可視角。參考以下的附圖，觀察縮小可視角的各種單元像素的結(jié)構(gòu)。

參照?qǐng)D4，單元像素202包括：受光部212，可以由光電二極管或浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成；以及第一至第四金屬線232、242、252、262，形成用于檢測(cè)向受光部212接近垂直入射的光的光入射路徑222。省略與圖2及圖3重復(fù)的部分的說(shuō)明，主要對(duì)不同點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。圖4的單元像素202包括第一至第四金屬線232、242、252、262的厚度全都增加的結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)谝恢恋谒慕饘倬€232、242、252、262的厚度全都增加時(shí)，可以提高光入射路徑222的高度。當(dāng)提高光入射路徑222的高度時(shí)，可視角272會(huì)變小，由此在受光部212能夠聚光的光成為向受光部212接近垂直入射的光。

參照?qǐng)D5，單元像素203包括：受光部213，可以由光電二極管或浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成；以及第一至第四金屬線233、243、253、263，形成用于檢測(cè)向受光部213接近垂直入射的光的光入射路徑223。省略與圖2及圖3重復(fù)的部分的說(shuō)明，主要對(duì)不同點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

為了檢測(cè)向受光部213接近垂直入射的光，第一至第四金屬線233、243、253、263形成為階梯形，從而使光入射路徑223能夠傾斜地形成。此時(shí)，當(dāng)光入射路徑223并不垂直而是傾斜時(shí)，光因不同物質(zhì)(例如，imdsio2)之間的折射率差異而不會(huì)向受光部213入射而是向側(cè)面入射，因此會(huì)對(duì)鄰接的其它鄰接單元像素203a、203b產(chǎn)生影響。為了預(yù)防這些問(wèn)題，可以改變層(layer)之間物質(zhì)的組成比，以使得幾乎沒(méi)有折射率的差異。例如，在圖像傳感器的最后工序中，可以通過(guò)從芯片表面蝕刻至受光部213表面，并以填入單一物質(zhì)的方式來(lái)使光入射路徑的光損失達(dá)到最小化。

參照?qǐng)D6，單元像素204包括：受光部214，可以由光電二極管或浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成；以及第一至第三金屬線234、244、254，形成用于檢測(cè)向受光部214接近垂直入射的光的光入射路徑224。省略與圖2及圖2b重復(fù)的部分的說(shuō)明，主要對(duì)不同點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

參照?qǐng)D6(a)，光入射路徑224可以通過(guò)第一至第三金屬線234、244、254來(lái)形成。第一及第二金屬線234、244離受光部214最近。如上所述，第一及第二金屬線234、244傳遞控制受光部214的動(dòng)作的受光部控制信號(hào)，并且可以形成用于傳遞由受光部214檢測(cè)光所產(chǎn)生的電信號(hào)的電氣布線。此時(shí)，在形成第一及第二金屬線234、244方面，除了形成用于與受光部214相互作用的電氣布線的部分及用于形成光入射路徑224的部分之外，可以實(shí)施蝕刻金屬線的工序。由此，可視角264會(huì)變得更狹窄，受光部214只能檢測(cè)更接近垂直入射的光。具體而言，通過(guò)6(b)進(jìn)行說(shuō)明。

圖6(b)是在圖6(a)中從上面觀察的單元像素204的側(cè)面i-i'部分的圖。第一及第二金屬線234、244包圍光入射路徑224，并且在受光部214上部能夠依次層疊。此時(shí)，如圖6(b)所示，第一及第二金屬線234、244可以不按照封閉的圓環(huán)形狀包圍光入射路徑224，也可以斷開(kāi)形成。此外，可以制造成位于第一及第二金屬線234、244內(nèi)部的源極、漏極、柵極(234a、244a中任意一個(gè))稍微狹窄地包圍光入射路徑224的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以在制造第一及第二金屬線234、244的工序中形成。

圖7是對(duì)本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素中將光電二極管作為受光部來(lái)使用的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D7，單元像素300包括：受光部310；以及第一至第六金屬線330、340、350、360、370、380，形成用于檢測(cè)向受光部310接近垂直入射的光的光入射路徑320。

受光部310作為光電二極管，可以將累積的入射光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。受光部310中使用的光電二極管可以是反向偏置的pn結(jié)光電二極管。其中，pn結(jié)光電二極管可以由多晶硅或非晶硅pn接合而成。由光電二極管構(gòu)成的受光部310與浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管型受光部相比需要相對(duì)大的光量，因此雖然光入射路徑320的高度相同，但需要增加光入射路徑320的寬度。當(dāng)增加光入射路徑320的寬度時(shí)，向受光部310入射的光量會(huì)增加。因此，受光部即使使用光電轉(zhuǎn)換效率低的光電二極管也能吸收充分的光量。

圖8是對(duì)本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素中使用浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管型受光部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D8，單元像素400包括：受光部410；以及第一至第三金屬線430、440、450，形成用于檢測(cè)向受光部410接近垂直入射的光的光入射路徑420。

受光部410可以使用浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管型受光傳感器。當(dāng)將浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管型受光傳感器適用于受光部410時(shí)，相對(duì)于像素間距的受光部410的寬度會(huì)變小，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，受光部410和下側(cè)金屬線430需要鄰接，因而利用金屬線430、440、450而形成的光入射路徑420的寬度可能變得更狹窄。因此，利用圖2至圖6中說(shuō)明的方式來(lái)增加金屬線430、440、450的厚度，并且光入射路徑420可以形成為狹長(zhǎng)的隧道形。由此，可視角460變得更小，焦點(diǎn)最大高度470增加的同時(shí)，能夠檢測(cè)出更多的直進(jìn)性光。此外，受光部410因浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管型受光傳感器的高光靈敏度特性而在少量的光量中也能獲得清晰的圖像。

圖9是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的圖8所示的浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管型受光部的電路圖及工作原理進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D9，單元像素500對(duì)光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并輸出像素電流。為此，單元像素500由pmos(510)和nmos(520)構(gòu)成，該pmos起到對(duì)入射的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的受光部作用，該nmos與pmos(510)連接并起到開(kāi)關(guān)作用。pmos(510)及nmos(520)可通過(guò)普通的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)工序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

單元像素500的動(dòng)作如下所示。當(dāng)將電源電壓vdd施加于與nmos(520)形成在同一基板上的pmos(510)的源極時(shí)，在n阱(n-well)和p型基板對(duì)置的所有區(qū)域中形成pn接合面，因反向偏置而使電中性狀態(tài)的耗盡區(qū)形成得厚。此外，電源電壓在pmos(510)的源極和漏極之間通過(guò)電場(chǎng)來(lái)感應(yīng)p溝道。此后，當(dāng)光向受光部即pmos(510)入射時(shí)，光子入射到與浮置柵極產(chǎn)生耗盡區(qū)的n阱的下部接合面，從而生成電子-空穴對(duì)(ehp；electronholepair)。在pmos(510)的浮置柵極中因極化現(xiàn)象而在位于浮置柵極的下部的n-well，即，漏極和源極之間完成p溝道。電壓施加到與pmos(510)連接的nmos(520)的柵極，并且在形成于nmos(520)的源極和漏極之間形成溝道，由此接收形成于pmos(510)的信號(hào)電荷并輸出入射光檢測(cè)信號(hào)。

圖10是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素的側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D10，單元像素600包括：第一至第三金屬線620、630、640，形成光入射路徑610；以及層650。

在圖10中，單元像素600構(gòu)成以2d網(wǎng)格(2dgrid)形狀排列的像素陣列600a。其中，2d網(wǎng)格形狀的像素陣列600a僅是例示，像素陣列600a可以排列成狹縫結(jié)構(gòu)等各種形狀。

如圖2至圖6中所述，單元像素600通過(guò)各種方式只能檢測(cè)向受光部接近垂直入射的光。此外，在圖10中第一至第三金屬線620、630、640垂直地排列，但與圖6(b)一樣，可以構(gòu)成為包圍光入射路徑610的各種形狀。

此時(shí)，如圖10所示，能夠增加最上側(cè)金屬線640的厚度。除此之外，還能選擇性地增加第一至第三金屬線620、630、640的厚度，當(dāng)增加第一至第三金屬線620、630、640的厚度時(shí)，以光入射路徑610的寬度恒定的方式增加光入射路徑610的高度，因此可視角會(huì)減小。此外，光入射路徑610的高度增加可以使對(duì)物體的明暗進(jìn)行區(qū)分的焦點(diǎn)最大高度增加。

層650為用于保護(hù)單元像素600的像素保護(hù)層的集合。在圖10中示出了層650以與像素陣列600a的形狀相同的方式制造成2d網(wǎng)格形狀，像素保護(hù)層可以排列成各種形狀。此外，層650還能夠以與像素陣列600a不同形狀的排列方式進(jìn)行制造。

圖11及圖12是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的包含有透鏡結(jié)構(gòu)的單元像素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D11，單元像素700包括：受光部710；以及第一至第三金屬線730、740、750，形成用于檢測(cè)向受光部710接近垂直入射的光的光入射路徑720。

為了檢測(cè)向受光部710接近垂直入射的光，在圖11中圖示了僅增加最上側(cè)金屬線750的厚度的情況，但可以全部增加或選擇性地增加各個(gè)金屬線730、740、750的厚度。當(dāng)增加金屬線730、740、750的厚度時(shí)，光入射路徑720的高度變高，由此可視角760變得狹窄。作為縮小可視角760的其它方法，單元像素700還可包括透鏡結(jié)構(gòu)。

透鏡結(jié)構(gòu)可以使用凸透鏡結(jié)構(gòu)或凹透鏡結(jié)構(gòu)。其中，凸透鏡結(jié)構(gòu)或凹透鏡結(jié)構(gòu)可以采用與形成金屬線730、740、750及光入射路徑720的物質(zhì)的折射率不同的物質(zhì)來(lái)制造。以下，將對(duì)制造方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

參照?qǐng)D11(a)，凸透鏡結(jié)構(gòu)770a可以形成于第一金屬線730下部。由于凸透鏡結(jié)構(gòu)770a位于第一金屬線730下部，因而經(jīng)由光入射路徑720的光能夠以向受光部710接近垂直入射的方式折射光。

此外，如圖2所述，可以通過(guò)半導(dǎo)體工序獲得的物理性光入射路徑720的高度與寬度的最大比值可以依靠mems工藝制造技術(shù)來(lái)提高。但是，如圖11(a)所示，通過(guò)形成于第一金屬線730下部的凸透鏡結(jié)構(gòu)770a可以將經(jīng)由光入射路徑720的光改變成向受光部710接近垂直入射，從而可以吸收反射到位于更高位置的物體上的光。因此，實(shí)際上光入射路徑720的高度與寬度的比值例如可以為30:1以上。對(duì)其而言，以下圖11(b)及(c)的情況也相同。

圖11(b)示出了形成于最上側(cè)金屬線750的上部的凹透鏡結(jié)構(gòu)770b，圖11(c)示出了在受光部710和第二金屬線740的下部之間形成的凹透鏡結(jié)構(gòu)770c。

在圖11(b)中，凹透鏡結(jié)構(gòu)770b改變?nèi)肷涞墓獾穆窂剑瑥亩沟媚軌驒z測(cè)出向受光部710接近垂直入射的光。

此外，在圖11(c)中，最上側(cè)金屬線750能夠限制從外部入射的光的入射角，凹透鏡結(jié)構(gòu)770c能夠使經(jīng)由光入射路徑720的光向受光部710接近垂直入射。

即，在圖11(a)至(c)中，與在普通圖像傳感器中使用微透鏡的理由相反，凸透鏡結(jié)構(gòu)770a及凹透鏡結(jié)構(gòu)770b、770c限制光的入射角度，以使受光部710只檢測(cè)接近垂直的光。

參照?qǐng)D12，單元像素701包括：受光部711，可以由光電二極管或者浮置柵極結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成；以及多個(gè)金屬線731、741、751、761、771、781，形成用于檢測(cè)向受光部711接近垂直入射的光的光入射路徑721。

多個(gè)金屬線731、741、751、761、771、781向受光部711供應(yīng)電源以及控制信號(hào)，并且能夠從受光部711接收數(shù)據(jù)信號(hào)。多個(gè)金屬線731、741、751、761、771、781能夠?qū)盈B于受光部711的上部。為了檢測(cè)向受光部711接近垂直入射的光，使各個(gè)多個(gè)金屬線731、741、751、761、771、781的厚度全部增加，或者只能夠增加最上側(cè)金屬線781的厚度。

參照?qǐng)D12(a)，凹透鏡結(jié)構(gòu)791a位于最上側(cè)金屬線781上部，并調(diào)節(jié)入射的光的角度，從而能夠使得接近垂直的光向受光部711入射。

此外，如圖2所述，可以通過(guò)半導(dǎo)體工序獲得的物理性的光入射路徑721的高度與寬度的最大比值可以依靠mems工藝制造技術(shù)來(lái)提高。但是，如圖12(a)所示，通過(guò)形成于最上側(cè)金屬線781的凹透鏡結(jié)構(gòu)791a可以將經(jīng)由光入射路徑721的光改變成向受光部711接近垂直入射，從而可以吸收反射到位于更高位置的物體上的光。因此，實(shí)際上光入射路徑721的高度與寬度的比值例如可以為15:1。對(duì)其而言，以下圖12(b)及(c)的情況也相同。

圖12(b)示出了在第四金屬線761之間形成的凸透鏡結(jié)構(gòu)791b，圖12(c)分別示出了形成于第三金屬線751的上部的凸透鏡結(jié)構(gòu)791d、在最上側(cè)金屬線781之間形成的凹透鏡結(jié)構(gòu)791c、在第一金屬線731之間形成的凹透鏡結(jié)構(gòu)791e的組合。

此外，如圖12(c)所示，組合多個(gè)透鏡結(jié)構(gòu)，由此能夠調(diào)整位于光入射路徑721內(nèi)部的在特定高度入射的光的焦點(diǎn)。

在圖12(a)至(c)中，與在普通的圖像傳感器中使用微透鏡的理由相反，凸透鏡結(jié)構(gòu)791b、791d及凹透鏡結(jié)構(gòu)791a、791c、791e限制光的入射角度，以使受光部711只檢測(cè)接近垂直的光。

圖11及圖12所示的透鏡結(jié)構(gòu)能夠在形成金屬線的半導(dǎo)體工序中制造。具體而言，形成單元像素700的金屬線730、731、740、741、750、751、761、771、781的半導(dǎo)體工序從受光部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規(guī)定區(qū)域的多個(gè)光致抗蝕劑依次蝕刻氧化膜，并且制造圖案。此時(shí)，圖11及圖12中所使用的透鏡結(jié)構(gòu)可以由與形成金屬線730、731、740、741、750、751、761、771、781及光入射路徑720、721的物質(zhì)不同的物質(zhì)來(lái)制造，因此折射率會(huì)不一樣。

圖13及圖14是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的在像素保護(hù)層上部形成矩形狹縫結(jié)構(gòu)的單元像素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D13，單元像素800包括：受光部810；第一及第二金屬線830、840，形成光入射路徑820；以及第一及第二單元體860、870，位于像素保護(hù)層850的上部。

像素保護(hù)層850可以由用于保護(hù)單元像素800的物質(zhì)構(gòu)成。第一及第二單元體860、870在內(nèi)部可以形成具有一定形狀的狹縫。在圖13中示例地圖示了矩形形狀的狹縫，但不一定局限于此。

圖13所示的矩形的狹縫只示出了形成于最上側(cè)單元體即第二單元體870上的情況，可以分別形成于第一及第二單元體860、870。另外，可以增加第一單元體860和第二單元體870的高度即h。增加h的方法可以采用以上所述的圖2及圖3的方法。

參照?qǐng)D14，形成于第二單元體870的第二矩形狹縫870a能夠與形成于第一單元體860的第一矩形狹縫860a相互垂直交叉。在兩個(gè)狹縫交叉的位置可以形成能夠通過(guò)光的孔880。例如，設(shè)定狹縫的寬度為1μm時(shí)，可以在1μm矩形孔880交叉的位置形成。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)，單元像素800切斷向受光部810傾斜入射的光，可以只檢測(cè)接近垂直入射的光。

圖15及圖16是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的在像素保護(hù)層上部形成正方形狹縫結(jié)構(gòu)的單元像素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D15，單元像素900包括：受光部910；第一及第二金屬線930、940，形成光入射路徑920；以及第一及第二單元體960、970，位于像素保護(hù)層950上部。

像素保護(hù)層950可以由用于保護(hù)單元像素900的物質(zhì)構(gòu)成。第一及第二單元體960、970在內(nèi)部可以形成具有一定形狀的狹縫。在圖15中示例地圖示了正方形的狹縫，但不一定局限于此。此外，在圖15中狹縫形成于第一及第二單元體960、970，但是不僅可以分別形成，還可以只在一個(gè)單元體上形成，可以增加形成有狹縫的單元體的數(shù)量。另外，可以擴(kuò)展第一單元體960和第二單元體970的高度即h。擴(kuò)展h的方法可以采用以上所述的圖2及圖3的方法。

參照?qǐng)D16，形成于第一單元體960的第一正方形狹縫960a的中心與形成于第二單元體970的第二張方形狹縫970a的中心實(shí)質(zhì)上可以一致。另外，形成于第一單元體960的第一正方形狹縫960a的中心與形成于第二單元體970的第二正方形狹縫970a的中心實(shí)質(zhì)上也可以不一致。另外，雖然形成于第一單元體960的第一正方形狹縫960a的中心與形成于第二單元體970的第二正方形狹縫970a的中心實(shí)質(zhì)上一致，但各自的棱角可以不一致。可通過(guò)第一正方形狹縫960a及第二正方形狹縫970a來(lái)形成光能夠通過(guò)的孔980。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)，單元像素900切斷向受光部910傾斜入射的光，可以只檢測(cè)接近垂直入射的光。

圖17是對(duì)于本發(fā)明一實(shí)施例的增加像素保護(hù)層上部的單元體的高度的單元像素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D17，單元像素1000包括：受光部1010；多個(gè)金屬線1030，形成用于檢測(cè)向受光部1010接近垂直入射的光的光入射路徑1020；以及單元體1050，形成于像素保護(hù)層1040的上部。

為了增加光入射路徑1020的高度，在像素保護(hù)層1040上部可以形成單元體1050。例如，在單元像素1000的金屬線1030工序之后，可以另外實(shí)施形成單元體1050的工序。因此，在未改變芯片內(nèi)部的金屬線1030的厚度的情況下也可以使單元像素1000的可視角1060縮小。這種方式是只在上部添加單元體1050的方式，可以使對(duì)單元像素1000的動(dòng)作產(chǎn)生的影響達(dá)到最小化，因此穩(wěn)定。通過(guò)增加的單元體1050，光入射路徑1020的寬度比現(xiàn)有單元像素的金屬線1030的寬度變得狹窄。因此，能夠使焦點(diǎn)最大高度變得更高。

此外，以0.18μm半導(dǎo)體工序?yàn)槔?，最上?cè)金屬線離受光部的最大距離可以至7～10μm。即，在工序上能夠?qū)崿F(xiàn)的金屬線的最多數(shù)量為6個(gè)。因此，只能限制光入射路徑的高度與寬度的比值。為了進(jìn)一步提高該比值，圖17所示，可以使用附加結(jié)構(gòu)物。例如，可以將半導(dǎo)體平版印刷(lithography)工序中使用的光致抗蝕劑(photoresist)作為單元體來(lái)使用。其中，光致抗蝕劑為具有與彩色濾光片(colorfilter)類似性質(zhì)的物質(zhì)，具有吸收補(bǔ)色關(guān)系的光的特征。因此，當(dāng)藍(lán)色濾光片(bluecolorfilter，bcf)作為像素保護(hù)層1040上部的單元體來(lái)使用時(shí)，可以將單元體1050的高度提高至約5μm，當(dāng)紅光作為入射的光來(lái)使用時(shí)，由于能夠吸收入射光而可以減小入射的光的角度。

圖18以及圖19是對(duì)于包括本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素的指紋識(shí)別傳感器進(jìn)行說(shuō)明的圖。

參照?qǐng)D18，指紋識(shí)別傳感器包括：半導(dǎo)體層1100，形成有像素陣列；以及像素保護(hù)層1110，用于保護(hù)單元像素。

指紋識(shí)別傳感器可以利用手指的指紋1120和由發(fā)光體產(chǎn)生的光來(lái)獲得指紋。此時(shí)，由發(fā)光體產(chǎn)生的光不僅可以是向受光部接近垂直入射的光，而且可以具備具有傾斜度的光。但是，指紋識(shí)別傳感器為了獲得清晰的指紋圖像，指紋識(shí)別傳感器最大限度地切斷具有傾斜度的光，應(yīng)當(dāng)只檢測(cè)接近垂直入射的光。因此，為了只檢測(cè)向受光部接近垂直入射的光，作為指紋識(shí)別傳感器中所包含的單元像素，可以使用本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素。

形成于半導(dǎo)體層1100上的像素陣列可以包括以上說(shuō)明的所有的單元像素來(lái)排列。為了檢測(cè)向受光部接近垂直入射的光，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單元像素為改變了光入射路徑的高度與寬度的比值的單元像素，由此指紋識(shí)別傳感器可以檢測(cè)清晰的圖像。

指紋1120能夠與像素保護(hù)層1110的上部直接接觸。像素保護(hù)層1110可以通過(guò)半導(dǎo)體沉積方式，由氮化物(nitride)類的堅(jiān)硬且折射率高的透明物質(zhì)制成。

參照?qǐng)D19，指紋識(shí)別傳感器包括：形成有像素陣列的半導(dǎo)體層1101及像素保護(hù)層1111。省略與圖18重復(fù)的部分的說(shuō)明，主要對(duì)不同點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

圖19的層1121可以由圖13及圖14、圖15及圖15b、圖17中說(shuō)明的單元體的集合來(lái)形成。層1121在單元像素的金屬工序之后可以通過(guò)附加工序來(lái)生成。由此，可以確保單元像素陣列的操作穩(wěn)定性。此外，通過(guò)添加層1121來(lái)提高光入射路徑的高度，從而能夠縮小可視角，由于提高焦點(diǎn)最大高度而能夠更清晰地識(shí)別要檢測(cè)的更遠(yuǎn)處的物體(例如，指紋)。

以上，以本發(fā)明的實(shí)施例為中心對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明在不脫離本發(fā)明的本質(zhì)特性的范圍內(nèi)可以以變形的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，不應(yīng)從限定的觀點(diǎn)來(lái)考慮公開(kāi)的實(shí)施例，而應(yīng)當(dāng)從說(shuō)明的觀點(diǎn)來(lái)考慮。本發(fā)明的范圍并不在于上述的說(shuō)明，而是在權(quán)利要求范圍中表示，與其等同范圍內(nèi)的所有不同點(diǎn)應(yīng)解釋為包含在本發(fā)明中。