專利名稱：一種cmos圖像傳感器像素陣列及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種CMOS圖像傳感器像素陣列。
背景技術(shù)：
通常，圖像傳感器是指將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。圖像傳感器包括電荷耦合器件(CXD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器芯片CMOS圖像傳感器和傳統(tǒng)的C⑶傳感器相比具有的低功耗，低成本和與CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，因此得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，例如微型數(shù)碼相機(jī)(DSC)，手機(jī)攝像頭，攝像機(jī)和數(shù)碼單反(DSLR)中，而且在汽車(chē)電子，監(jiān)控，生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)CMOS圖像傳感器而言，如何提高圖像質(zhì)量是設(shè)計(jì)和制造中一個(gè)非常重要的因素。如圖1所示為現(xiàn)有的圖像傳感器，其中像素單元采用拜亞(Bayer)形式排列，R代表感應(yīng)紅色光的像素單元,G感應(yīng)綠色光的像素單元，B感應(yīng)藍(lán)色光的像素單元，最終通過(guò)RGB三色合成還原真實(shí)的圖像顏色。如圖2所示是圖像傳感器像素單元陣列中央位置的結(jié)構(gòu)剖視圖，其中CMOS圖像傳感器包括用于光電轉(zhuǎn)換的光電二極管101以及多個(gè)MOS晶體管，光電二極管101是感光單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的收集和光電轉(zhuǎn)換，其它的MOS晶體管是控制單元，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)光電二極管的選中，復(fù)位和讀出的控制。MOS晶體管中包括一個(gè)傳輸晶體管。光電二極管101的陰極聚積經(jīng)光電轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)中的電荷。傳輸晶體管的源極接光電二極管的陰極，柵極102控制其源極與其懸浮漏極103之間的電荷轉(zhuǎn)移，也即是說(shuō)，傳輸晶體管的柵極102用于控制電荷從光電二極管101向懸浮漏極103輸送,而傳輸晶體管的懸浮漏極103用于電荷向電壓轉(zhuǎn)換。此外，CMOS圖像傳感器還包括金屬互連線105a、105b、105c，用于金屬互連線之間隔離的介質(zhì)層104，用于紅綠藍(lán)分色的濾色層106，以及用于光線聚焦的微透鏡107。如圖2所示，在CMOS圖像傳感器像素單元陣列中央位置的入射光基本上是垂直入射，因此能夠被光電二極管101完全收集，產(chǎn)生的電壓信號(hào)較強(qiáng)。圖3所示是圖像傳感器像素陣列邊緣位置的結(jié)構(gòu)剖視圖，其像素單元結(jié)構(gòu)與中央位置的像素單元完全一致。在傳感器像素陣列邊緣位置的入射光具有一定的入射角度，因此無(wú)法被光電二極管101完全收集，產(chǎn)生的電壓信號(hào)較弱。入射光線角度在像素陣列面上的不均勻分布，造成光電反應(yīng)在整個(gè)成像平面上的不均勻，使得到的圖像的邊緣位置會(huì)比中間位置顯得更暗，這種現(xiàn)象通常被稱作鏡頭陰影或是暗角效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射光線的入射角大于20度時(shí)，圖像邊緣的亮度只相當(dāng)于圖像中間位置亮度的78%，甚至更少。所以在CMOS圖像傳感器中需要使用各種暗角矯正的方法來(lái)消除圖像中間和邊緣亮度的不均勻分布。圖4所示為現(xiàn)有技術(shù)中一種用于消除圖像暗角傳統(tǒng)方法的結(jié)構(gòu)剖視圖，其通過(guò)邊緣位置的微透鏡107和濾色層106的位移，使得入射光能夠聚焦到邊緣位置光電二極管101的表面，以減小圖像暗角效應(yīng)。然而在焦距較小的情況小，入射光線的角度較大，而微透鏡和濾色層的位移受到整個(gè)像素單元陣列 空間的限制，位移量是有限的，無(wú)法有效地補(bǔ)償圖像的暗角效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，能夠有效對(duì)圖像暗角進(jìn)行補(bǔ)償，以提高圖像質(zhì)量。為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器像素陣列，包括多個(gè)像素單兀，每一個(gè)像素單兀包括光電二極管，基于入射光產(chǎn)生電荷；以及傳輸晶體管，其柵極將所述光電二極管產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移至其懸浮漏極；其中，所述多個(gè)像素單元的傳輸晶體管的懸浮漏極面積從所述像素陣列的邊緣向中心遞增?？蛇x的，所述多個(gè)像素單元的傳輸晶體管懸浮漏極的面積從所述像素陣列的邊緣向中心線性遞增，且最小面積與最大面積之比為1:1.05 1:2?？蛇x的，所述多個(gè)像素單元的傳輸晶體管柵極面積相同?？蛇x的，所述多個(gè)像素單元的光電二極管面積相同?？蛇x的，所述像素陣列包括介質(zhì)層，金屬互連線，濾色層以及微透鏡。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種所述CMOS圖像傳感器像素陣列的制造方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成多個(gè)像素單元的光電二極管；淀積介質(zhì)層，并在所述介質(zhì)層上形成多個(gè)傳輸晶體管柵極；在所述介質(zhì)層上方形成圖形化的光刻膠層；以及以所述圖形化的光刻膠層為掩膜進(jìn)行離子注入，以形成多個(gè)所述傳輸晶體管的懸浮漏極，且所述多個(gè)傳輸晶體管的懸浮漏極的面積從所述像素陣列的邊緣向中心遞增?？蛇x的，所述多個(gè)像素單元的傳輸晶體管懸浮漏極的面積從所述像素陣列的邊緣向中心線性遞增，且最小面積與最大面積之比為1:1.05 1:2?？蛇x的，所述制造方法還包括在所述介質(zhì)層上方淀積層間介質(zhì)，形成金屬互連線，濾色層及微透鏡的步驟。 可選的，所述圖形化的光刻膠層具有多個(gè)間隙，且所述多個(gè)間隙的面積從所述像素陣列的邊緣向中心遞增?？蛇x的，所述間隙的位置與所述傳輸晶體管柵極的位置具有間距或部分重疊。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)將傳輸晶體管的懸浮漏極面積從圖像傳感器像素陣列的邊緣位置向中央位置遞增，來(lái)相應(yīng)改變懸浮漏極的電容大小，從而使得CMOS圖像傳感器像素陣列邊緣位置的入射光無(wú)法完全被光電二極管收集的情況下，陣列邊緣的像素單元仍可以得到與陣列中央位置的像素單元相同的輸出電壓變化，有效補(bǔ)償了 CMOS圖像傳感器像素陣列邊緣的暗角效應(yīng)。


圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器像素陣列的俯視圖。圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器像素陣列中央位置的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖3所示為現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器像素陣列邊緣位置的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖4所示為現(xiàn)有技術(shù)中用于消除邊緣暗角效應(yīng)的CMOS圖像傳感器像素陣列的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖5所示為本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素陣列的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖6所示為本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素陣列的版圖示意圖。
圖7至圖9所示為本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素陣列的制造方法的剖視圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。此外，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)的表述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為了便于說(shuō)明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定。圖5為本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素陣列的結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖5所示，CMOS圖像傳感器像素陣列包括多個(gè)像素單元，每個(gè)像素單元包括光電二極管201和傳輸晶體管。光電二極管201基于入射光聚積產(chǎn)生電荷,傳輸晶體管的源極接光電二極管201的陰極，柵極202控制其源極與懸浮漏極之間的電荷轉(zhuǎn)移，懸浮漏極203則將積累的電荷數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓的變化量。在本實(shí)施例中，CMOS圖像傳感器像素單元為4-T結(jié)構(gòu)，還包括復(fù)位晶體管，源極跟隨晶體管和選擇晶體管等，這些晶體管的結(jié)構(gòu)及制造方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不作贅述。當(dāng)然，具有較少或較多晶體管的其他像素單元結(jié)構(gòu)也可以使用。此外，像素單元還包括介質(zhì)層204，金屬互連線205a，205b, 205c,濾色層206以及微透鏡207。在CMOS圖像傳感器工作過(guò)程中，光電二極管201將收集到的入射光轉(zhuǎn)換成電荷Q，并把轉(zhuǎn)換以后的電荷Q積累在光電二極管201中，在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束以后，通過(guò)脈沖信號(hào)將傳輸晶體管的柵極202打開(kāi),將光電二極管201中積累的電荷Q全部輸送到懸浮漏極203，而具有電容C的懸浮漏極203的電壓因?yàn)楂@取電荷Q而改變，電壓的變化量為AV=Q/C0值得注意的是，請(qǐng)參 考圖6，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素陣列中，每一個(gè)像素單元中傳輸晶體管懸浮漏極203的面積發(fā)生漸變，具體來(lái)說(shuō)，懸浮漏極203的面積從像素陣列邊緣向中心遞增，越靠近陣列邊緣像素單元，其傳輸晶體管懸浮漏極203的面積越小。如圖6所不,懸浮漏極203a的面積小于懸浮漏極203b,懸浮漏極203b的面積小于懸浮漏極203c。較佳的，傳輸晶體管懸浮漏極203的面積是從像素陣列邊緣向中心線性遞增且最小面積與最大面積之比為1:1.05 1:2。當(dāng)入射光線的入射角大于20度時(shí)，如果傳輸晶體管懸浮漏極面積相等，則一般情況下由于圖像邊緣的亮度一般只相當(dāng)于圖像中間位置亮度的78%，因此在本發(fā)明的一實(shí)施例中，此時(shí)邊緣傳輸晶體管懸浮漏極最小面積與中心最大面積之比可為1:1. 28。如上所述，懸浮漏極203電壓的變化量為AV=Q/C，與電荷量Q成正比，也與懸浮漏極的電容C成反比，而懸浮漏極的電容又是和其面積成正比的。由于像素陣列中，懸浮漏極203的面積是從邊緣的位置向陣列中心位置遞增的，在越靠近像素陣列邊緣，懸浮漏極203的電容就越小。因此，雖然像素陣列邊緣位置的像素單元由于入射光角度較大的原因而收集到的入射光較少，造成光電轉(zhuǎn)換得到的電荷也較少，但同時(shí)其對(duì)應(yīng)的懸浮漏極203面積較小即電容也較小，根據(jù)懸浮漏極203上電壓變化量與電荷量成正比，與懸浮漏極203的電容成反比的原理，像素陣列邊緣位置可以得到與陣列中心位置相同的輸出電壓變化，因此，從整個(gè)像素陣列的范圍來(lái)看，其邊緣位置與中心位置的輸出信號(hào)是相同的，從而就能夠有效消除陣列邊緣的暗角效應(yīng)。此外，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，為了消除因光電二極管201和傳輸晶體管柵極202的原因造成懸浮漏極203獲得的電荷量Q發(fā)生變化，每一個(gè)像素單元的光電二極管201的面積是相同的，傳輸晶體管的柵極202面積也相同。下面將參照?qǐng)D7至圖9描述本發(fā)明的用于制造上述CMOS圖像傳感器像素陣列的方法。請(qǐng)參考圖7，首先，在半導(dǎo)體襯底上形成多個(gè)光電二極管201，光電二極管201基于入射光聚積產(chǎn)生電荷。較佳的，多個(gè)光電二極管201的面積均相同。形成方法為通過(guò)進(jìn)行雜質(zhì)離子注入及退火工藝等常規(guī)工藝來(lái)完成，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。接著淀積介質(zhì)層204,并在介質(zhì)層204上形成多個(gè)傳輸晶體管柵極202,較佳的，多個(gè)傳輸晶體管柵極202的面積均相同。傳輸晶體管柵極202的形成方法例如在介質(zhì)層上淀積柵氧化層及多晶硅層，再利用光刻、刻蝕工藝形成傳輸晶體管柵極202，在此不作詳述。請(qǐng)參考圖8，接下來(lái)在介質(zhì)層204上方形成圖形化的光刻膠層208。具體方法例如在介質(zhì)層204表面涂覆光刻膠層并進(jìn)行曝光及顯影處理。根據(jù)圖8可知，圖形化的光刻膠層208具有多個(gè)間隙，且這些間隙的面積自像素陣列邊緣位置向中心位置逐漸增大，較佳的為線性遞增。值得注意的是，這些間隙的位置和傳輸晶體管柵極202的位置具有一定間距或部分重疊，以避免傳輸晶體管柵極202占據(jù)全部間隙位置而擋住后續(xù)的離子注入。然后，以圖形化的光刻膠層208為掩膜進(jìn)行離子注入，最終形成多個(gè)傳輸晶體管的懸浮漏極203。如圖9所示，懸浮漏極203的面積也相應(yīng)從像素陣列邊緣位置向中心位置遞增。當(dāng)然，像素陣列的制造方法還包括形成復(fù)位晶體管，源極跟隨晶體管和選擇晶體管的步驟，其制造工藝均為本領(lǐng)域所公知，在此不作詳細(xì)介紹。最后，在介質(zhì)層204上方淀積層間介質(zhì)，形成金屬互連線，濾色層及微透鏡，完成CMOS圖像傳感器像素陣列的制造。綜上所述，本發(fā)明CMOS圖像傳感器像素陣列及制造方法通過(guò)將傳輸晶體管的懸浮漏極面積從像素陣列 的邊緣位置向中央位置遞增以相應(yīng)改變其電容，從而即使像素陣列邊緣位置的像素單元由于入射光角度較大的原因而收集到的入射光較少，造成光電轉(zhuǎn)換得到的電荷也較少，但同時(shí)其對(duì)應(yīng)的懸浮漏極電容也較小，因此像素陣列邊緣位置可以得到與陣列中央位置相同的輸出電壓變化，最終有效補(bǔ)償了像素陣列邊緣的暗角效應(yīng)。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然所述諸多實(shí)施例僅為了便于說(shuō)明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動(dòng)與潤(rùn)飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書(shū)所述為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器像素陣列，包括多個(gè)像素單元，每個(gè)像素單元包括光電二極管以及傳輸晶體管，所述光電二極管基于入射光產(chǎn)生電荷；所述傳輸晶體管柵極將所述光電二極管產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移至其懸浮漏極；其特征在于， 所述多個(gè)像素單元的傳輸晶體管懸浮漏極的面積從所述像素陣列的邊緣向中心遞增。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素陣列，其特征在于，所述多個(gè)像素單元的傳輸晶體管懸浮漏極的面積從所述像素陣列的邊緣向中心線性遞增，且最小面積與最大面積之比為1:1. 05 1:2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器像素陣列，其特征在于，所述多個(gè)像素單元的傳輸晶體管柵極面積相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器像素陣列，其特征在于，所述多個(gè)像素單元的光電二極管面積相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器像素陣列，其特征在于，所述像素陣列包括介質(zhì)層，金屬互連線，濾色層以及微透鏡。
6.一種權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器像素陣列的制造方法，其特征在于，包括以下步驟 在半導(dǎo)體襯底上形成多個(gè)像素單元的光電二極管； 淀積介質(zhì)層，并在所述介質(zhì)層上形成多個(gè)傳輸晶體管柵極； 在所述介質(zhì)層上方形成圖形化的光刻膠層；以及 以所述圖形化的光刻膠層為掩膜進(jìn)行離子注入，以形成多個(gè)所述傳輸晶體管的懸浮漏極，且所述多個(gè)傳輸晶體管的懸浮漏極的面積從所述像素陣列的邊緣向中心遞增。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器像素陣列的制造方法，其特征在于，所述多個(gè)像素單元的傳輸晶體管懸浮漏極的面積從所述像素陣列的邊緣向中心線性遞增，且最小面積與最大面積之比為1:1.05 1:2。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器像素陣列的制造方法，其特征在于，還包括在所述介質(zhì)層上方淀積層間介質(zhì)，形成金屬互連線，濾色層及微透鏡的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器像素陣列的制造方法，其特征在于，所述圖形化的光刻膠層具有多個(gè)間隙，且所述多個(gè)間隙的面積從所述像素陣列的邊緣向中心遞+ >曰ο
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的CMOS圖像傳感器像素陣列的制造方法，其特征在于，所述間隙的位置與所述傳輸晶體管柵極的位置具有間距或部分重疊。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種CMOS圖像傳感器像素陣列，包括多個(gè)像素單元，每個(gè)像素單元包括光電二極管，基于入射光產(chǎn)生電荷；以及傳輸晶體管，其柵極將光電二極管產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移至其懸浮漏極；其中，所述多個(gè)像素單元的傳輸晶體管的懸浮漏極面積從所述像素陣列的邊緣向中心遞增。本發(fā)明還公開(kāi)了一種CMOS圖像傳感器像素陣列的制造方法。本發(fā)明能夠有效對(duì)圖像暗角進(jìn)行補(bǔ)償，以提高圖像質(zhì)量。
文檔編號(hào)H01L27/146GK103066086SQ20121055226
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者顧學(xué)強(qiáng), 周偉 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司