具有位置随空间变化的象素的图像传感器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种图像传感器，它包括衬底、至少一个金属层以及以阵列形式布置的多个象素。每个象素包括布置在衬底中的传感元件和布置在所述至少一个金属层中的至少一个金属互连线段。阵列包括从光学中心延伸的一对垂直轴线，其中，对于从轴线之一向阵列的周围边缘垂直延伸的象素线，所述线中连续成对象素的传感元件之间的间隔至少等于有关的至少一个金属互连线段之间的间隔，其中对于所述线中至少一对连续象素，传感元件之间的间隔比对应的至少一个金属互连线段之间的间隔大一个渐增量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器位置随空间变化的象素。
技术介绍
固态图像传感器(也称为“固态成像器”、“图像传感器”和“成像器”)在许多领域和很多行业中有广阔的应用。固态图像传感器将接收到的图像转换为表示所接收到的图像的信号。固态传感器的示例包括电荷耦合器件(CCD)、光电二极管阵列以及互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器件(也称为“CMOS图像传感器”或“CMOS成像阵列”)。固态图像传感器由半导体材料(例如硅或砷化镓)制造，并包括检测光的(即光敏)元件(也称为“光检测器”或“光接收器”)组成的成像阵列，所述成像阵列被互连以产生表示照明了器件的图像的模拟信号。典型的成像阵列包括大量成行成列布置的光检测器，每个光检测器都产生光电荷。光电荷是光子造成的，所述光子撞击到光检测器的半导体材料表面上并产生数量与入射光子辐射成线性比例的自由载流子(电子-空穴对)。来自每个象素的光电荷转换为电荷信号，所述电荷信号是表示能量水平的电位，所述能量水平是从物体的相应部分反射并由固态图像传感器接收到的。所得的信号或电位通过视频/图像处理电路进行读取和处理以产生表示图像的信号。近年来，CMOS图像传感器已经成为用于成像器的实用实现选择，并且在价格和性能方面具有超过其他技术——例如CCD或电荷注入器件(CID)——的优势。传统的CMOS图像传感器通常被构造成象素组成的成像阵列，每个象素都包括光检测器和晶体管区域，如上所述，每个象素都将输入的光转换为电信号。用于CMOS图像传感器的一种类型有源象素设计方案常称为PIN二极管象素(pinned-diode pixel)，包括四条电线(即“金属互连线”或“金属互连段”)、光检测器(即光电二极管)和三个晶体管，即复位晶体管、源极跟随器晶体管和存取控制晶体管(即“传送门”)。光电二极管和晶体管位于硅衬底的有源区，所述硅衬底形成了象素的基底。金属互连段中的两个布置在第一金属层(通常称为metal-1)中并向象素提供复位和存取控制(“传送”)信号，所述第一金属层位于硅衬底上形成的多晶硅层上方。剩下的两个金属互连段以与前面的两个金属互连段垂直的方式位于第二金属层(通常称为metal-2)中并向象素提供电源和列选择功能，所述第二金属层位于覆盖第一金属层的电介质绝缘层上方。导电触点将metal-1层耦合到多晶硅层，并耦合到硅衬底的有源区，导电过孔将metal-2层耦合到metal-1层。触点和过孔使金属互连段可以彼此电连通并与象素的多晶硅层和硅衬底电连通。在用于CMOS图像传感器的典型三晶体管有源象素设计方案中，每个象素包括四条电线(即“金属互连线”或“金属互连段”)以及三个晶体管，即复位晶体管、源极跟随器晶体管和选择晶体管。两个金属互连段水平布置，提供行选择功能用于对象素进行复位或对象素进行读取。另外两个金属互连段垂直布置(即基本上垂直于前面的两个金属互连段)，提供列选择功能用于对象素进行读取和复位。在传统的CMOS图像传感器中，象素结构的布置(包括光检测器、晶体管区域和金属互连段、以及其他结构元件的相对定位)存在一些问题。传统CMOS图像传感器表现出来的一个主要问题是象素光遮挡(也称为“几何遮挡”)。象素光遮挡是在照射到象素的平均光线或主光线与正常情况(即垂直于成像阵列的平面)相比严重偏离时造成的。在这种情况下，位于光检测器上方金属层中的一个或多个象素元件可能使相当数量的光受到遮挡而不能导向光检测器。结果，可能使所得图像的亮度严重降低，造成图像质量不佳。
技术实现思路
在一个方面，本专利技术提供了一种图像传感器，它包括衬底、至少一个金属层以及以阵列形式布置的多个象素。每个象素包括布置在衬底中的传感元件和布置在所述至少一个金属层中的至少一个金属互连线段。阵列包括从光学中心延伸的一对垂直轴线，其中，对于从轴线之一向阵列的周围边缘垂直延伸的象素线，所述线中连续成对象素的传感元件之间的间隔至少等于有关的至少一个金属互连线段之间的间隔，其中对于所述线中至少一对连续象素，传感元件之间的间隔比对应的至少一个金属互连线段之间的间隔大一个渐增量。附图说明参考下面的附图，可以更好地理解本专利技术的实施例。附图中的元件不一定是按相互之间的比例绘制的。相同的标号表示相应的类似元件。图1是总体上图示了CMOS成像阵列的方框图。图2是图示了图1中CMOS成像阵列的象素的方框示意图。图3是根据本专利技术，图2中象素的示例布局。图4是图示了图3中部分象素的剖视图。图5是图2中象素的示例布局，所述象素具有根据本专利技术的经过移动的金属路线位置。图6是图示了图5中部分象素的剖视图。图7是图2中象素的示例布局，所述象素具有根据本专利技术的经过移动的金属路线位置。图8是图示了图7中部分象素的剖视图。图9的流程图大体上图示了根据本专利技术，用于移动金属路线位置的过程的一种实施例。图10图示了根据传统象素结构一种示例的象素。图11是图示了图10中部分象素的剖视图。图12图示了根据本专利技术设置的图10中象素的一种实施例。图13是图示了图12中部分象素的剖视图。图14A是图示了根据传统结构的部分象素行的剖视图。图14B是图示了根据本专利技术设置的部分象素行的剖视图。图14C是图示了根据本专利技术设置的部分象素行的剖视图。图15A是图示了根据本专利技术设置的部分象素行的剖视图。图15B是图示了根据本专利技术设置的部分象素行的剖视图。具体实施例方式下面的具体实施方式参考了构成其一部分的附图，附图中以示例性方式示出了可以用于实现本专利技术的具体实施例。为此，方向性术语(例如“顶部”、“底部”、“前方”、“后方”、“前面的”、“后面的”等)是参考正在说明的(多幅)附图的方向而使用的。由于本专利技术各实施例的元件可以定位到多种不同的方向，所以方向性术语只是为了示例目的而不是限制性的。应当明白，在不脱离本专利技术范围的情况下，也可以采用其他实施例，或者进行结构上或逻辑上的变化。因此，下面的具体实施方式不应以限制性的方式来理解，本专利技术的范围由权利要求来限定。图1的方框图总体上图示了CMOS成像阵列30，CMOS成像阵列30包括以多个行、列的方式布置的多个象素32，每个象素32根据所接收到的表示图像的光而产生光电荷。象素32产生的光电荷是光子造成的，所述光子撞击到光检测器(例如光电二极管和光电门)的半导体材料表面上并产生数量与入射光子辐射成线性比例的自由载流子(电子-空穴对)。如下面将要更详细地说明的，根据本专利技术，每个象素32包括金属互连段和过孔，所述金属互连段和过孔可以根据它们对阵列30的光学中心的相对位置而移动，以使入射到半导体材料上的光子辐射增加。图2是图示了象素32一种示例结构的示意图，象素32通常称为埋栅光电二极管型(buried-gated photodiode type)象素。象素32包括光检测器42、存取控制晶体管40(常称为“传送门”)、复位晶体管44以及源极跟随器晶体管46。传送门40的栅极耦合到存取控制或传送(TX)线48，源极耦合到光电二极管(PD)42，漏极耦合到浮置扩散区域(FD)50。复位晶体管44的栅极耦合到复位(RST)线52，源极耦合到FD 50，漏极耦合到电源线(PVDD)54。源极跟随器晶体管46的栅极耦合到复位晶体管44的源极，其源极耦合到列或位(BIT)线56，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像传感器，包括：衬底；至少第一金属层；以及以阵列方式布置的多个象素，所述阵列具有从光学中心延伸的一对垂直轴线，每个象素包括至少部分布置在所述衬底中的传感元件并至少包括布置在所述第一金属层中的有关第一金属互连线段，其中，对于从所述轴线之一到所述阵列的周围边缘基本上垂直延伸的象素线，所述线中连续成对象素的所述有关第一金属互连线段之间的间隔等于第一距离，其中所述线中连续成对象素的传感元件之间的间隔至少等于所述第一距离，其中所述线中至少一对连续象素之间的间隔等于第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。

【技术特征摘要】
US 2005-10-24 11/256,7431.一种图像传感器，包括衬底；至少第一金属层；以及以阵列方式布置的多个象素，所述阵列具有从光学中心延伸的一对垂直轴线，每个象素包括至少部分布置在所述衬底中的传感元件并至少包括布置在所述第一金属层中的有关第一金属互连线段，其中，对于从所述轴线之一到所述阵列的周围边缘基本上垂直延伸的象素线，所述线中连续成对象素的所述有关第一金属互连线段之间的间隔等于第一距离，其中所述线中连续成对象素的传感元件之间的间隔至少等于所述第一距离，其中所述线中至少一对连续象素之间的间隔等于第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述连续成对象素的传感元件之间的间隔至少等于所述第一距离，并且基于所述连续成对象素离所述光学中心的距离。3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述连续成对象素的传感元件之间的间隔至少等于所述第一距离，并且基于入射到所述阵列表面上的光的入射角。4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，每对所述连续成对象素的传感元件之间的间隔等于所述第二距离。5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，一个或多个传感元件中传感元件之间的间隔大于所述第一间隔，并使得所述线的象素中每个传感元件基本上跟与所述图像传感器有关的设计网格对准。6.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括第二金属层，其中，所述第一金属层位于所述衬底与所述第二金属层之间，其中每个象素至少包括布置在所述第二金属层中的有关第二金属互连线段，其中所述线中连续成对象素的所述有关第二金属互连线段之间的间隔可达所述第一距离，其中所述线中至少一对连续象素的第二金属互连线段之间的间隔等于第三间隔，所述第三间隔小于所述第一间隔。7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述线中每对连续象素的有关第二金属互连线段之间的间隔等于所述第三间隔。8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述连续成对象素的有关第二金属互连线段之间的间隔基于所述连续成对象素离所述光学中心的距离。9.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述连续成对象素的有关第二金属互连线段之间的间隔基于入射到所述阵列表面上的光的入射角。10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述象素的线包括所述阵列中的至少部分象素行。11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述象素的线包括所述阵列中的至少部分象素列。12.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述图像传感器包括互补金属氧化物半导体型图像传感器。13.一种构造图像传感器的方法，所述图像传感器包括衬底、第一金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗D斯莱斯百，威廉G戈则雷，马修M伯格，
申请(专利权)人：普廷数码影像控股公司，
类型：发明
国别省市：KY[开曼群岛]