基于暗角补偿的图像传感器像素阵列及其形成方法
【专利摘要】本发明一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列及其形成方法，包括多个像素单元，每个像素单元包括光电二极管、传输晶体管栅极和悬浮漏极，所述光电二极管基于入射光产生电荷，所述传输晶体管栅极将所述光电二极管产生的电荷转移至其悬浮漏极，其中，所述光电二极管的注入区和传输晶体管栅极具有一重叠区，以及所述多个像素单元的光电二极管注入区和传输晶体管栅极的重叠区的面积从所述像素阵列的边缘向中心递减。本发明还提供了一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的形成方法，能有效对图像暗角进行补偿，以提高图像质量。
【专利说明】基于暗角补偿的图像传感器像素阵列及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列及其形成方法。
【背景技术】
[0002]通常，图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器包括电荷耦合器件(Charge Coupled Device,简称CCD)和互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor Transistor,简称 CMOS)图像传感器芯片
[0003]CMOS图像传感器和传统的C⑶传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，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。
[0004]对CMOS图像传感器而言，如何提高图像质量是设计和制造中一个非常重要的因素。如图1所示为现有的图像传感器，其像素单元采用拜亚(Bayer)形式排列，其中，R代表感应红色光的像素单元，G感应绿色光的像素单元，B感应蓝色光的像素单元，最终通过RGB三色合成还原真实的图像颜色。如图2所示是图像传感器像素单元阵列中央位置的结构剖视图，其中CMOS图像传感器包括用于光电转换的光电二极管101以及多个MOS晶体管，光电二极管101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，复位和读出的控制。MOS晶体管中包括一个传输晶体管。传输晶体管栅极102用于控制电荷从光电二极管101向悬浮漏极103输送,而悬浮漏极103用于电荷向电压转换。此外，CMOS图像传感器还包括金属互连线105a、105b、105c,用于金属互连线之间隔离的介质层104，用于红绿蓝分色的滤色层106，以及用于光线聚焦的微透镜107。具体来说，在CMOS图像传感器工作过程中，光电二极管101将收集到的入射光转换成电荷并把转换后的电荷积累在光电二极管101中，在光电转换过程结束以后，通过脉冲信号将传输晶体管栅极102打开,将光电二极管101中积累的电荷全部输送到悬浮漏极103中，悬浮漏极103将积累的电荷量转换为电压的变化量。悬浮漏极103上电压变化量与从光电二极管101中传送到悬浮漏极103的电荷量成正比。在像素单元的结构中传输管控制电子从光电二极管到悬浮漏极的传输，传输管的特性对像素单元的性能有着重要影响。
[0005]图3所示为常规CMOS图像传感器像素单元的版图结构，其包括用于形成光电二极管的注入区IOla和有源区101b、传输晶体管栅极102和悬浮漏极103，其中，光电二极管注入区IOla和传输晶体管栅极102有一重叠区108，该重叠区108的大小可以影响传输晶体管的传输效率。如图4所示为常规像素单元的光响应特性曲线，其横轴为照度，代表入射光的强度，纵轴为输出信号，输出信号随照度的增加而增加，照度到达一定值时输出信号饱和，即照度继续增加但输出信号不变。在常规的像素阵列中，所有的像素单元使用相同的版图结构，即所有的像素单元的光电二极管注入区和传输晶体管栅极重叠区的重叠面积是相同的，因此所有的像素单元对光的响应特性也是相同的。但由于图像边缘像素接收到的入射光比图像中央像素少，也就是边缘像素得到的照度较小，因此造成图像边缘的像素单元的输出信号较小，在成像结果上就是表现出图像边缘的亮度较暗，也就是图像暗角的现象。
[0006]图5所示是图像传感器像素阵列边缘位置的结构剖视图，其像素单元结构与中央位置的像素单元完全一致。在传感器像素阵列边缘位置的入射光具有一定的入射角度，因此无法被光电二极管101完全收集，产生的电压信号较弱。入射光线角度在像素阵列面上的不均匀分布，造成光电反应在整个成像平面上的不均匀，使得到的图像的边缘位置会比中间位置显得更暗，这种现象通常被称作镜头阴影或是暗角效应。实验发现当入射光线的入射角大于20度时，图像边缘的亮度只相当于图像中间位置亮度的78%，甚至更少。所以在CMOS图像传感器中需要使用暗角矫正的方法来消除图像中间和边缘亮度分布不均匀这一问题。
[0007]如图6所示为现有技术中一种用于消除边缘暗角效应的CMOS图像传感器像素阵列的结构剖视图，其通过边缘位置的微透镜107和滤色层106的位移，使得入射光能够聚焦到边缘位置光电二极管101的表面，以减小图像暗角效应。但是，在焦距较小的情况小，入射光线的角度较大，而微透镜和滤色层的位移受到整个像素单元阵列空间的限制，位移量十分有限，无法有效地补偿图像的暗角效应。
【发明内容】
[0008]本发明的目的为，针对上述问题，提出了一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列及其形成方法，能够有效对图像暗角进行补偿，以提高图像质量。
[0009]为实现上述目的，本发明一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列，包括多个像素单元，每个像素单元包括光电二极管、传输晶体管栅极和悬浮漏极，所述光电二极管基于入射光产生电荷，所述传输晶体管栅极将所述光电二极管产生的电荷转移至其悬浮漏极，其中，所述光电二极管的注入区和传输晶体管栅极具有一重叠区，以及
[0010]所述多个像素单元的光电二极管注入区和传输晶体管栅极的重叠区的面积从所述像素阵列的边缘向中心递减。
[0011]在优选或可选的实施例中，所述多个像素单元的光电二极管注入区和传输晶体管栅极的重叠区的面积从所述像素阵列的边缘向中心线性递减。
[0012]在优选或可选的实施例中，所述重叠区的最大面积与最小面积的比值范围为
1.05 ?2。
[0013]在优选或可选的实施例中，所述多个像素单元的光电二极管注入区面积相同；所述多个像素单元的传输晶体管栅极面积相同。
[0014]在优选或可选的实施例中，所述多个像素单元的悬浮漏极面积相同。
[0015]在优选或可选的实施例中，所述像素阵列包括介质层、金属互连线、滤色层和微透镜。
[0016]此外，本发明还提供了一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的形成方法，其包括:
[0017]在半导体衬底上形成多个像素单元的悬浮漏极；
[0018]淀积介质层，并在所述介质层上形成多个传输晶体管栅极；
[0019]在所述介质层和传输晶体管栅极上方形成图形化的光刻胶层；[0020]以所述图形化的光刻胶层为掩膜进行离子注入，以形成多个光电二极管注入区，其中，所述多个光电二极管注入区和传输晶体管栅极的重叠区的面积从所述像素阵列的边缘向中心递减。
[0021]在优选或可选的实施例中，所述多个像素单元的光电二极管注入区和传输晶体管栅极的重叠区的面积从所述像素阵列的边缘向中心线性递减，且所述重叠区的最大面积与最小面积的比值范围为1.05?2。
[0022]在优选或可选的实施例中，所述图形化的光刻胶层具有多个不相等的间隙，且所述多个间隙间所暴露出的传输晶体管栅极的面积从所述像素阵列的边缘向中心递减。
[0023]在优选或可选的实施例中，所述多个像素单元的传输晶体管栅极面积相同；所述多个像素单元的悬浮漏极面积相同。
[0024]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0025]本发明实施例的基于暗角补偿的图像传感器像素阵列及其形成方法，通过将光电二极管注入区和传输晶体管栅极重叠区的面积从该像素阵列的边缘位置向中心位置递减，来相应改变像素单元传输效率的大小，使得CMOS图像传感器像素阵列边缘位置的像素单元传输效率较高，从而在CMOS图像传感器像素阵列边缘位置的入射光无法完全被光电二极管收集的情况下，该阵列边缘的像素单元仍可以得到与阵列中央位置的像素单元相同的输出电压变化，有效补偿了 CMOS图像传感器像素阵列边缘的暗角效应。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中:
[0027]图1为图像传感器阵列；
[0028]图2为现有技术中图像传感器像素阵列中央位置的结构剖视图；
[0029]图3为现有技术中图像传感器像素单元的版图结构；
[0030]图4为现有技术中图像传感器像素单元的光响应特性曲线；
[0031]图5为现有技术中图像传感器像素阵列边缘位置的结构剖视图；
[0032]图6为现有技术中用于消除边缘暗角效应的图像传感器像素阵列的结构剖视图；
[0033]图7为本发明一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的结构剖视图；
[0034]图8为本发明一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的版图结构；
[0035]图9为本发明一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的光响应特性曲线；
[0036]图10?图12为本发明一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的形成方法的剖视图。
【具体实施方式】
[0037]体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。
[0038]与现有技术相比，本发明基于暗角补偿的图像传感器像素阵列及其形成方法，通过将光电二极管注入区和传输晶体管栅极重叠区的面积从像素阵列的边缘位置向中心位置递减，来相应改变像素单元传输效率的大小，即CMOS图像传感器像素阵列从边缘位置到中心位置的像素单元的传输效率逐渐变低，使得CMOS图像传感器像素阵列边缘位置的像素单元的传输效率较高，电荷基本可以全部传出，从而在CMOS图像传感器像素阵列边缘位置的入射光无法完全被光电二极管收集的情况下，阵列边缘的像素单元仍可以得到与阵列中央位置的像素单元相同的输出电压变化，有效补偿了 CMOS图像传感器像素阵列边缘的暗角效应。
[0039]上述及其它技术特征和有益效果，将结合附图7-12对本发明基于暗角补偿的图像传感器像素阵列及其形成方法的一较佳实施例进行详细说明。
[0040]图7为本发明一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的结构剖视图。
[0041]如图7所示，基于暗角补偿的图像传感器像素阵列包括多个像素单元，每个像素单兀包括光电二极管、传输晶体管栅极和悬浮漏极，该光电二极管基于入射光产生电荷，该传输晶体管栅极将光电二极管产生的电荷转移至其悬浮漏极，其中，上述光电二极管注入区和传输晶体管栅极具有一重叠区，以及多个像素单元的光电二极管注入区和传输晶体管栅极的重叠区的面积从所述像素阵列的边缘向中心递减。
[0042]具体来说，其包括多个像素单元，每个像素单元包括光电二极管201、传输晶体管栅极202和悬浮漏极203。光电二极管201基于入射光聚积产生电荷,传输晶体管栅极202用于控制电荷从光电二极管201向悬浮漏极203输送，悬浮漏极203则将积累的电荷数转换为电压的变化量。在本实施例中，CMOS图像传感器像素单元为4-T结构，还包括复位晶体管，源极跟随晶体管和选择晶体管等，这些晶体管的结构及制造方法为本领域技术人员所熟知，在此不作赘述。当然，具有较少或较多晶体管的其他像素单元结构也可以使用。此夕卜，像素单元还包括介质层204，金属互连线205a，205b，205c，滤色层206以及微透镜207 ；上述光电二极管注入区201a和传输晶体管栅极202具有一重叠区208，其中，多个像素单元的光电二极管注入区201a和传输晶体管栅极202的重叠区208的面积从所述像素阵列的边缘位置向中心位置递减。
[0043]在CMOS图像传感器工作过程中，光电二极管201将收集到的入射光转换成电荷，并把转换以后的电荷积累在光电二极管201中，在光电转换过程结束以后，通过脉冲信号将传输晶体管栅极202打开,将光电二极管201中积累的电荷全部输送到悬浮漏极203,而悬浮漏极203的电压因为获取电荷Q而改变。
[0044]值得注意的是，请参考图8，在本发明基于暗角补偿的图像传感器像素阵列中，每一个像素单元中光电二极管注入区201a和传输晶体管栅极202的重叠区的面积发生渐变，具体来说，光电二极管注入区201a和传输晶体管栅极202重叠区的面积从像素阵列边缘向中心递减，越靠近阵列边缘像素单元，光电二极管注入区201a和传输晶体管栅极202重叠区的面积越大，即重叠区208a的面积大于重叠区208b的面积，重叠区208b的面积大于重叠区208c的面积，使得从边缘位置到中心位置的像素单元的传输效率逐渐变低。较佳的，光电二极管注入区201a和传输晶体管栅极202重叠区的面积从像素阵列边缘向中心线性递减且重叠区的最大面积与最小面积的比值范围为1.05?2。当入射光线的入射角大于20度时，一般情况下由于图像边缘的亮度一般只相当于图像中间位置亮度的78%，因此在本发明的一实施例中，此时边缘像素单元的光电二极管注入区201a和传输晶体管栅极202重叠区的最大面积与中心像素单元的光电二极管注入区201a和传输晶体管栅极202重叠区的最小面积之比可为1.28:1。
[0045]上述重叠区208面积越大，传输效率越高的具体原因如图9所示，本发明一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的光响应特性曲线，从图9可见通过改变光电二极管注入区201a和传输管栅极202的重叠区的大小,可以改变传输晶体管的传输效率,在响应曲线上表现为灵敏度的改变。当像素单元重叠区208的面积较大时，光电二极管201的电荷存储区更靠近悬浮漏极203，单位时间内的传输效率更高，即有更多的电子传输到悬浮漏极203，在相同照度下边缘像素单元表现出较高的灵敏度。当重叠区208面积较小时，光电二极管201的电荷存储区离悬浮漏极203较远，单位时间内的传输效率较低，即传输到悬浮漏极203的电子较少，在相同照度下边缘中央像素单元表现出较低的灵敏度。因此虽然入射光在整个像素阵列上呈现不均匀分布，即边缘像素单元得到的入射光较少，但由于边缘像素单元灵敏度较高，边缘像素单元仍可以得到与阵列中央位置像素单元相同的输出电压变化，即通过阵列边缘到中央的像素单元的不同响应曲线来补偿入射光在像素阵列上的不均匀分布，因此，从整个像素阵列的范围来看，其边缘位置与中心位置的输出信号是相同的，从而就能够有效消除阵列边缘的暗角效应。此外，在本发明的优选实施例中，为了消除因光电二极管201、传输晶体管栅极202和悬浮漏极203的原因造成电荷量Q发生变化，每一个像素单元的光电二极管201的面积相同，传输晶体管栅极202的面积相同以及悬浮漏极203的面积也相同。
[0046]下面将参照图10?图12描述本发明一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的形成方法。
[0047]请参考图10，首先，在半导体衬底上形成多个悬浮漏极203，悬浮漏极203用于将电荷转换为电压。较佳的，多个悬浮漏极203的面积均相同。该悬浮漏极203的形成方法为通过进行杂质离子注入及退火工艺等常规工艺来完成，为本领域技术人员所熟知。接着生长栅氧化层204，并在栅氧化层204上形成多个传输晶体管栅极202，较佳的，多个传输晶体管栅极202的面积均相同。传输晶体管栅极202的形成方法例如在硅衬底上生长栅氧化层204及淀积多晶硅层，再利用光刻、刻蚀工艺形成传输晶体管栅极202，在此不作详述。
[0048]请参考图11，接下来在栅氧化层204和传输晶体管栅极202上方形成图形化的光刻胶层209。具体方法为，在栅氧化层204和传输晶体管栅极202表面上涂覆光刻胶层并以如图8中的版图设计制作的光刻板进行曝光及显影处理。其中，图形化的光刻胶层209具有多个面积不相等的间隙，也即所要形成的多个光电二极管201的面积相同，且这些间隙间所暴露出的传输晶体管栅极202的面积从像素阵列的边缘向中心递减，较佳的为线性递减。
[0049]值得注意的是，这些间隙是用来进行离子注入光电二极管201的。然后，以图形化的光刻胶层209为掩膜进行离子注入光电二极管201，最终形成多个光电二极管注入区201a，其中，光电二极管注入区201a和传输晶体管栅极202重叠区208的面积从像素阵列边缘向中心递减，如图12所示。当然，基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的形成方法还包括形成复位晶体管，源极跟随晶体管和选择晶体管的步骤，其制造工艺均为本领域所公知，在此不作详细介绍。上述通过将光电二极管注入区201a和传输晶体管栅极202重叠区208的面积从像素阵列的边缘位置向中心位置递减，来相应改变像素单元传输效率的大小，即CMOS图像传感器像素阵列从边缘位置到中心位置的像素单元的传输效率逐渐变低，使得CMOS图像传感器像素阵列边缘位置的像素单元的传输效率较高，电荷基本可以全部传出，从而在CMOS图像传感器像素阵列边缘位置的入射光无法完全被光电二极管201收集的情况下，阵列边缘的像素单元仍可以得到与阵列中央位置的像素单元相同的输出电压变化，有效补偿了 CMOS图像传感器像素阵列边缘的暗角效应。最后，在栅氧化层204上方淀积层间介质，形成金属互连线，滤色层及微透镜，形成了基于暗角补偿的图像传感器像素阵列。
[0050]综上所述，本发明基于暗角补偿的图像传感器像素阵列及其形成方法，通过将光电二极管注入区和传输晶体管栅极重叠区的面积从该像素阵列的边缘位置向中心位置递减，来相应改变像素单元传输效率的大小，使得CMOS图像传感器像素阵列边缘位置的像素单元传输效率较高，从而在CMOS图像传感器像素阵列边缘位置的入射光无法完全被光电二极管收集的情况下，该阵列边缘的像素单元仍可以得到与阵列中央位置的像素单元相同的输出电压变化，有效补偿了 CMOS图像传感器像素阵列边缘的暗角效应。
[0051]以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列，其特征在于，包括多个像素单元，每个像素单兀包括光电二极管、传输晶体管栅极和悬浮漏极，所述光电二极管基于入射光产生电荷，所述传输晶体管栅极将所述光电二极管产生的电荷转移至其悬浮漏极，其中，所述光电二极管的注入区和传输晶体管栅极具有一重叠区，以及 所述多个像素单元的光电二极管注入区和传输晶体管栅极的重叠区的面积从所述像素阵列的边缘向中心递减。
2.根据权利要求1所述的一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列，其特征在于，所述多个像素单元的光电二极管注入区和传输晶体管栅极的重叠区的面积从所述像素阵列的边缘向中心线性递减。
3.根据权利要求2所述的一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列，其特征在于，所述重叠区的最大面积与最小面积的比值范围为1.05?2。
4.根据权利要求1所述的一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列，其特征在于，所述多个像素单元的光电二极管注入区面积相同；所述多个像素单元的传输晶体管栅极面积相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列，其特征在于，所述多个像素单元的悬浮漏极面积相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列，其特征在于，所述像素阵列包括介质层、金属互连线、滤色层和微透镜。
7.一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的形成方法，其特征在于，包括: 在半导体衬底上形成多个像素单元的悬浮漏极； 淀积介质层，并在所述介质层上形成多个传输晶体管栅极； 在所述介质层和传输晶体管栅极上方形成图形化的光刻胶层； 以所述图形化的光刻胶层为掩膜进行离子注入，以形成多个光电二极管注入区，其中，所述多个光电二极管注入区和传输晶体管栅极的重叠区的面积从所述像素阵列的边缘向中心递减。
8.根据权利要求7所述的一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的形成方法，其特征在于，所述多个像素单元的光电二极管注入区和传输晶体管栅极的重叠区的面积从所述像素阵列的边缘向中心线性递减，且所述重叠区的最大面积与最小面积的比值范围为1.05 ?2。
9.根据权利要求7所述的一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的形成方法，其特征在于，所述图形化的光刻胶层具有多个不相等的间隙，且所述多个间隙间所暴露出的传输晶体管栅极的面积从所述像素阵列的边缘向中心递减。
10.根据权利要求7所述的一种基于暗角补偿的图像传感器像素阵列的形成方法，其特征在于，所述多个像素单元的传输晶体管栅极面积相同；所述多个像素单元的悬浮漏极面积相同。
【文档编号】H01L27/146GK103730477SQ201310753979
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】顾学强, 周伟, 张莉玮 申请人:上海集成电路研发中心有限公司