[发明专利]一种CMOS图像传感器像素单元阵列

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别是涉及一种可实现高灵敏度的CMOS图像传感器的像素单元阵列。

背景技术

图像传感器是将光信号转换为电信号的装置。图像传感器通常包括电荷耦合器件(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，由于具有低功耗、低成本及可与CMOS工艺相兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于微型数码相机(DSC)、手机摄像头、摄像机和数码单反(DSLR)等消费电子领域，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。

CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常见的像素单元为包含一个光电二极管和四个晶体管的有源像素结构。在这些器件中，光电二极管是感光单元，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、信号放大和读出的控制。

在图像传感器芯片的各种性能评价指标中，灵敏度是其中最重要的技术指标之一。像素单元的灵敏度就是单位入射光强对应的像素单元输出的大小，灵敏度越高则对于相同的入射光强得到的输出信号越强。对于图像传感器在低照度条件下的使用，只有高灵敏度的像素单元才能得到足够幅度的输出信号供后续电路进行处理，灵敏度偏低则像素单元的输出信号可能被电路噪声完全淹没，无法产生有效的信号输出。因此，高灵敏度的像素单元在CMOS图像传感器处于暗光条件下的应用尤其重要。

影响像素单元灵敏度的因素有很多，包括光电二极管的面积、光电二极管上方介质层的类型和厚度、像素单元的悬浮漏极电容以及光电二极管的注入能量、剂量等。其中，光电二极管上方介质层的厚度直接影响了入射光子到达光电二极管的数量。介质层越薄则入射光损耗就越少，像素单元的灵敏度也越高。但是，像素单元通常需要三层金属层来实现复位、行选、传输管、电源电压和信号输出，而使用三层金属层造成入射光线到达光电二极管的感光区域之前，需要经过三层金属层之间的介质层，造成入射光子的明显损耗和灵敏度的下降。

请参阅图1，图1是常规的CMOS图像传感器像素单元阵列的版图结构示意图。如图1所示，以2×2个的像素阵列为例，阵列中的四个像素单元按行列整齐排布，每个像素单元中的感光部分即光电二极管1设置在硅衬底中并处于像素单元的中心，负责将光信号转换为电信号。光电二极管1上方的介质层中，在二行光电二极管1之间的位置按图示的水平方向布有使用金属一的信号输出线2，每一行的各像素单元共用一条信号输出线；在二列光电二极管1之间的位置按图示的垂直方向并列布有使用金属二的传输控制线5、复位控制线4和行选控制线3，每一列的各像素单元共用这三条控制线；电源线6使用金属三，在各个光电二极管1之间的位置形成网格状分布，用以防止不同像素之间的光学串扰。

由于常规的像素单元工作时序是逐列或逐行输出的，这就要求上述控制线和信号输出线之间需以互相垂直的形式来分布。这也就意味着，控制线和信号输出线需要使用不同的金属层，也就是需要使用上述的金属一和金属二两层互连金属层。为了保证每个像素单元得到的光学信号是直接入射到其表面的光线，而不是从相邻的像素单元通过金属层的间隙串扰进入的光线，我们还需要进行防光线串扰的版图设计。如图1所示，为了防止像素单元之间的光学串扰，常规的像素单元使用了网格状的金属三(即电源线6)互连层，通过大面积的金属三进行像素单元之间的光学隔离。这样，常规的像素单元就需要用到三层金属互连层，导致介质层具有很高的厚度。入射光线在到达光电二极管1的感光区域之前，需要经过三层金属层之间的介质层，造成入射光子的明显损耗和灵敏度的下降。

请接着参阅图2，图2是图1中A-A方向的剖面结构示意图。如图2所示，其中的传输控制线5、复位控制线4和行选控制线3使用金属二形成；网格状的电源线6使用金属三形成。由于使用了三层金属互连层，使得光电二极管1上方覆盖的介质层7较厚，造成了入射光线的损耗。同时，对于有一定入射角度的倾斜光线而言，较厚的介质层7可能造成光线无法到达光电二极管1表面，进一步降低了灵敏度。并且，将使用金属三的电源线6布置成网格状的目的是为了防止光学串扰，但实际上并不能起到完全消除光学串扰的作用。如图2所示，起防止串扰作用的电源线6和位于其下层的控制线5、4、3之间还是有较大的介质层空隙，相邻像素单元之间的倾斜入射光还是有可能从一个像素单元进入另一个像素单元，仍将造成像素单元之间的光学串扰。

发明内容