CN105655362B - 防串扰图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防串扰图像传感器，其包括包含基底的像素阵列及形成于基底上的导线。所述基底上形成有像素结构阵列，每个所述像素结构包括感光单元及围绕所述感光单元但与所述感光单元隔离设置的深光电二极管。所述深光电二极管的N极与所述导线连接，所述深光电二极管用于接收所述感光单元溢出的光载流子并通过所述导线清除所述感光单元溢出的光载流子。本发明较佳实施方式的图像传感器利用所述深光电二极管来隔离所述感光单元，由于所述深光电二极管制作难度相对于传统的深沟槽隔离结构低，因此，较易实现而且隔离效果好。

Description

防串扰图像传感器

技术领域

本发明涉及成像技术，尤其是涉及一种防串扰图像传感器。

背景技术

无论是CMOS图像传感器，还是CCD图像传感器，变得越来越高度集成。这种高度集成的结果是图像传感器中每个像素的尺寸减小。但是已经发现，随着图像传感器的像素尺寸减小，邻近像素之间的串扰变成很严重的问题。一般来讲，串扰产生自二个不同的来源：(1)光学串扰与在像素上方通过其微型透镜将入射光线光学聚焦到适当的感光元件上的能力有关；(2)电子串扰与聚集感光元件中所形成的光载流子(photocarriers)的能力有关，这些光载流子最初产生在感光元件中。

目前，形成的光载流子(电子)没有被完全聚集在其最初产生的地方一即感光元件中。这是因为光生载流子(photogenerated carriers)会扩散到邻近的感光结构中。一种电隔离邻近像素的方法是在每个像素周围设置深的P-阱植入区域。这种深的P-阱区域分别电连接到基体电位，并且将每个像素与其它像素相隔离。然而，这种方法的一个缺点是，一些入射光子，尤其是较长波长的光子，会在硅感光元件的深层产生电子。

为了避免损失较长波长的光子信号，感光元件的轻掺杂P-型区域比较深，一般要求外延层(epitaxial layer)厚度大于4微米。这使隔离的深P-阱一般也要大于4微米，这需要大约2.4兆电子伏(MeV)的B11植入，而这又将进一步需要大约8微米的光刻胶厚度。然而，厚的光刻胶不能形成好的几何图样。

目前现有技术的一种实施方式是，在小于3微米的各个像素间设有大约0.4微米的间隔。一般地，能用来形成0.4微米开口(opening)的光刻胶的最大厚度是大约2微米。但是，2微米厚的光刻胶只能将B11植入闭锁至最大能量约为600千电子伏(KeV)(或大约1微米的渗透深度)。而只有1微米深的P-阱隔离不能完全地隔离各像素。此外，轻微掺杂的厚度为1微米的外延层将会降低量子效率和图像传感器的敏感度。因此，现有技术不是完全有效的，因而有必要提供一种改进的工艺。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种。

根据本发明实施方式的防串扰图像传感器，其包括包含基底的像素阵列及形成于基底上的导线。所述基底上形成有像素结构阵列，每个所述像素结构包括感光单元及围绕所述感光单元但与所述感光单元隔离设置的深光电二极管。所述深光电二极管的N极与所述导线连接，所述深光电二极管用于接收所述感光单元溢出的光载流子并通过所述导线清除所述感光单元溢出的光载流子。

本发明较佳实施方式的图像传感器利用所述深光电二极管来隔离所述感光单元，由于所述深光电二极管制作难度相对于传统的深沟槽隔离结构低，因此，较易实现而且隔离效果好。

在一些实施方式中，如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述深光电二极管的深度大于所述感光单元的深度。

在一些实施方式中，所述深光电二极管的深度与所述感光单元的深度的比值大于等于2。

在一些实施方式中，所述感光单元的面积与所述像素结构的面积的比值为0.44-0.56，而所述感光单元的面积与所述深光电二极管的面积的比值为25-81。

在一些实施方式中，每个所述像素的所述深光电二极管为闭合环状。

在一些实施方式中，所述深光电二极管包括沿所述基底的深度方向依次堆叠的下P极、N极及上P极，所述上P极及所述下P极接地。

在一些实施方式中，相邻两个所述像素结构的所述深光电二极管相的所述上P极与所述上P极连接、所述N极与所述N极连接、所述下P极与所述下P极连接。

在一些实施方式中，所述基底还包括位于所述感光单元及所述深光电二极管下方的P型衬底。

在一些实施方式中，所述深光电二极管与所述P型衬底之间的距离小于1微米。

在一些实施方式中，所述像素阵列还包括形成于基底上的金属互联层，所述导线形成于所述金属互联层，所述金属互联层还形成有阵列的防眩光管及防眩光控制线，所述防眩光管为MOS管，所述深光电二极管的所述N极与所述防眩光管的漏极连接，所述防眩光管的源极连接到所述导线，而所述防眩光控制线与所述防眩光管的栅极连接用于控制所述防眩光管的开关状态。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明较佳实施方式的图像传感器的方框示意图。

图2是本发明较佳实施方式的图像传感器的像素阵列的俯视示意图。

图3是本发明较佳实施方式的图像传感器的像素阵列的截面示意图。

图4是本发明较佳实施方式的图像传感器的像素阵列的像素结构的电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本发明较佳实施方式的图像传感器100包括像素阵列10、列缓存单元20、行译码单元30、模拟处理电路单元40、数模转换电路单元50及图像信号处理电路60。

像素阵列10用于收集光信号，并把光信号转化成和光强成正比的电信号。如此，可以将被摄物通过摄像镜头在像素阵列10上的光学影像转化成电信号。列缓存单元20用于采集并输出像素阵列10产生的电信号。行译码单元30用于控制像素阵列10的曝光。模拟处理电路40用于处理及放大列缓存单元20采集到的电信号。模数转换电路50用于把模拟信号转换成数字信号。图像信号处理电路60用于对数字信号进行处理以调节图像的亮度，曝光，白平衡等参数。

像素阵列10可以包括200万像素、300万像素、500万像素、1000万像素或者更多或更少的像素。请参阅图2-3，本实施例中，为帮助说明具体结构，像素阵列10包括3＊3阵列的像素10p。

像素阵列10包括基底11。基底11为半导体材料，例如，重掺杂P型硅上外延轻掺杂P型硅。基底11基本呈矩形片状，并包括上表面111及下表面112。

像素阵列10包括通过在上表面111进行光刻、注入、扩散等集成电路制造工艺将As或P离子植入基底11而形成的3＊3阵列的像素结构113及位于基底11下部的P型衬底114。像素阵列10还包括通过集成电路制造工艺形成于上表面111上的金属互联层12、彩色滤光片13及微镜阵列14。

本实施方式中，每个像素结构113包括感光单元1131及深光电二极管1132。深光电二极管1132围绕感光单元1131但与感光单元1131隔离设置。

感光单元1131一般是光电二极管，并用于感测进入对应像素10p的光线的强度并转化为光载流子。如此，通过设置感光单元1131，像素阵列10可以将被摄物通过摄像镜头的光学成像转化成电信号。

深光电二极管1132为深度较感光单元1131深的光电二极管，除了可以感测光线产生光载流子外，深光电二极管1131还可以传导光载流子。

如此，在局部亮度过高导致某个像素10p对应的感光单元1131饱和而致使光载流子溢出时，深光电二极管1132可以接收、吸收光载流子，而不会致使光载流子串扰到相邻的感光单元1131，起到像素10p之间隔离效果，从而避免眩光现象及串扰现象产生。

深光电二极管1131包括沿基底11的深度方向依次堆叠下P极、N极及上P极。

具体的，像素结构113基本呈矩形，感光单元1131也基本呈矩形，所述深光二极管1132为环绕感光单元1131的矩形环状结构(即为连续闭合环状)。

为方便制造，相邻的像素结构113的深光电二极管1132相连接。具体的相邻两个上P极与上P极连接、N极与N极连接、下P极与下P极连接。也即是说，相邻的像素结构113共用同一光电二极管1132。

当然，深光电二极管1132并不限于本实施方式，在其他实施方式中，在保证隔离效果的情况下，深光电二极管1132也可以是围绕感光单元1131的分离结构，而非连续的环状。相邻的像素结构113的深光电二极管1132还可以分离设置以实现特定的效果。

P型衬底114可以是基底11经过集成电路制造工艺后剩余的重掺杂P型硅上外延轻掺杂P型硅，P型衬底114同样可以接收、吸收感光单元1131溢出的光载流子。

为保证像素10p的开口率，本实施方式中，像素结构113的尺寸在6微米左右，而感光单元1131的尺寸在4-4.5微米左右，而深光电二极管1132的尺寸在0.5-0.8微米左右。或者说，感光单元1131的面积与像素结构113的面积的比值为0.44-0.56，而感光单元1131的面积与深光电二极管1132的面积的比值为25-81。

为了保证隔离效果，深光电二极管1132的深度与感光单元1131的深度的比值大于等于2。例如，感光单元1131的深度在1微米左右，而深光电二极管1132的深度在2微米左右。

为了增加隔离效果，深光电二极管1132与P型衬底114的距离小于1微米。另外，P型衬底114的厚度在3微米左右。

当然，像素结构113的具体尺寸并不限于本实施方式，在其他方式中可以视需求采用其他的尺寸。

请一并参阅图4，金属互联层12可以形成有各种对像素阵列10产生的电信号控制的开关管(MOSFET管)，例如，传输管tx、复位管rst、源跟随器sf、选择管sel及防眩光管tx0。金属互联层12还可以形成有各种控制线，例如，传输门控制线TX、复位控制信号线RST、行选通控制线SEL及防眩光控制线TX0。金属互联层12还包括有导线Vddp及信号输出线Vout。

传输门控制线TX、复位控制信号线RST、行选通控制线SEL及防眩光控制线TX0的控制信号分别接入传输管tx、复位管rst、选择管sel及防眩光管tx0的栅极，以控制传输管tx、复位管rst、选择管sel及防眩光管tx0的开关状态。其中，传输门控制线TX、复位控制信号线RST、行选通控制线SEL用来控制像素阵列10的曝光和信号采集等。而防眩光管tx0闭合，则防眩光功能启动，深光电二极管1132连接导线Vddp，导线Vddp可以与电源连接，通过电源源源不断地对深光电二极管1132进行清空，从而使深光电二极管1132处于固定的电势。

具体的，防眩光管tx0为MOS管，光电二极管1132的N极与防眩光管tx0的漏极连接，反眩光管tx0的源极与导线Vddp连接，反眩光控制线TX0与反眩光管tx0的栅极连接用于控制防眩光管tx0的开关状态。

本实施方式中，彩色滤光片13包括有阵列的且分别与像素结构113对准的滤光片单元131。滤光片单元131可以由红绿蓝三种，并按贝叶(Byer)排布。

微镜阵列14包括有阵列且分别与像素结构113对准的微镜141，用于折射入射进对应像素结构113的光线，从而提高像素阵列10的感光度。

本发明较佳实施方式的图像传感器100利用深光电二极管1132来隔离感光单元1131，由于深光电二极管1132制作难度相对于传统的深沟槽隔离结构低，因此，较易实现而且隔离效果好，可以防止像素10p之间串扰。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种防串扰图像传感器，其特征在于，包括

包含基底的像素阵列，所述基底上形成有像素结构阵列，每个所述像素结构包括：

感光单元；及

围绕所述感光单元但与所述感光单元隔离设置的深光电二极管；及

形成于所述基底上的导线；

所述深光电二极管的N极与所述导线连接，所述深光电二极管用于接收所述感光单元溢出的光载流子并通过所述导线清除所述感光单元溢出的光载流子；

所述像素阵列还包括形成于基底上的金属互联层，所述导线形成于所述金属互联层，所述金属互联层还形成有阵列的防眩光管及防眩光控制线，所述防眩光管为MOS管，所述深光电二极管的所述N极与所述防眩光管的漏极连接，所述防眩光管的源极连接到所述导线，而所述防眩光控制线与所述防眩光管的栅极连接用于控制所述防眩光管的开关状态。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述深光电二极管的深度大于所述感光单元的深度。

3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述深光电二极管的深度与所述感光单元的深度的比值大于等于2。

4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述感光单元的面积与所述像素结构的面积的比值为0.44-0.56，而所述感光单元的面积与所述深光电二极管的面积的比值为25-81。

5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每个所述像素的所述深光电二极管为闭合环状。

6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述深光电二极管包括沿所述基底的深度方向依次堆叠的下P极、N极及上P极，所述上P极及所述下P极接地。

7.如权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，相邻两个所述像素结构的所述深光电二极管相的所述上P极与所述上P极连接、所述N极与所述N极连接、所述下P极与所述下P极连接。

8.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述基底还包括位于所述感光单元及所述深光电二极管下方的P型衬底。

9.如权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述深光电二极管与所述P型衬底之间的距离小于1微米。