专利名称：像素单元、像素阵列、图像传感器以及电子产品的制作方法
技术领域：
本发明属于，具体地说，涉及一种像素单元、像素阵列、图像传感器以及电子产品。
背景技术：
图像传感器可以将光信号转换为电信号。目前，图像传感器可以分为基于电荷耦合器件(CXD)的图像传感器，以及基于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。由于CMOS图像传感器和CCD传感器相比，具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到广泛的应用。比如除在应用到消费电子领域如微型数码相机(DIGITAL SPY CAMERA,DSC)、手机摄像头、摄像机和数码单反(DIGITAL SINGLE LENSE REFLEX，DSLR)中，在汽车电子、监控、生物技术和医学等领域也得到了应用。CMOS图像传感器中，可以根据像素单元中晶体管数目的多寡，分类成3T，4T和5T式，3T式的CMOS图像传感器中，像素单元包括一个光电二极管和3个MOS晶体管，4T和5T式像素单元分别包括一个光电二极管和4个或5个MOS晶体管。像素单元中的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、复位和读出等控制。现有技术中，在CMOS图像传感器中，每一个像素单元的灵敏度直接和像素单元中光电二极管的面积占整个像素单元面积的比例成正比，该比例称为填充因子，由于光电二极管之间存在用于信号控制的3个，4个或5个晶体管，因此晶体管占用了整个像素单元大量的面积，使得通常CMOS图像传感器中像素单元的填充因子在20%到50%之间，换言之，50%到80%的面积上的入射光被屏蔽掉，不能被光电二极管收集并参与光电转换，因而，导致了入射光的损失和像素单元灵敏度的降低。
发明内容
本发明所要解决的技 术问题是提供一种像素单元、像素阵列、图像传感器以及电
子产品。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种像素单元，包括
感光层，包括
感光元件，位于衬底上，用于收集入射光进行光电转换得到感光电信号；
开关器件，位于所述衬底上，用于输出对所述感光元件的控制信号以及所述感光电信
号;
金属层，位于所述感光层之上，用于传输对所述感光元件的控制信号以及将所述感光电信号输出到外围处理电路；
入射光聚集部件，用于改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。优选地，根据本发明的一实施例，所述开关器件被所述金属层所覆盖。优选地，根据本发明的一实施例，所述入射光聚集部件包括入射光反射单元，用于通过反射初次改变所述入射光的传输路径，以使所述入射光射向所述感光元件的感光区域。优选地，根据本发明的一实施例，所述入射光反射单元为一隔离环，位于所述金属层中顶层子金属层之上表面。优选地，根据本发明的一实施例，所述隔离环的环体为介质材料，环腔中填有可反射入射光的金属。优选地，根据本发明的一实施例，所述金属层包括一具有斜面的子金属层，用于改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。优选地，根据本发明的一实施例，所述入射光聚集部件包括
聚光单元，用于改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。优选地，根据本发明的一实施例，所述聚光单元为一微透镜。优选地，根据本发明的一实施例，所述聚光单元设置在金属层中垂直方向上相邻的两个子金属层之间，以覆盖所述感光元件的位置上。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种像素单元的形成方法，包括
在衬底上形成感光元件以及开关器件，以形成感光层，其中，所述感光元件用于收集入射光进行光电转换得到感光 电信号，所述开关器件用于输出对所述感光元件的控制信号以及所述感光电信号；
在所述感光层之上形成金属层，以传输对所述感光元件的控制信号以及将所述感光电信号输出到外围处理电路；
在入射光的传输到所述感光元件上的路径上形成入射光聚集部件，以用于改变所述入射光的传输路径，将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。优选地，根据本发明的一实施例，在所述感光层之上形成金属层时，使所述开关器件被所述金属层所覆盖。优选地，根据本发明的一实施例，在形成入射光聚集部件时，形成一入射光反射单元，用于通过反射初次改变所述入射光的传输路径，以使所述入射光射向所述感光元件的感光区域。优选地，根据本发明的一实施例，在形成入射光反射单元时，在所述金属层中顶层子金属层上边面沉积介质层，并对该介质层进行光刻和刻蚀形成一环体，并在该环体的环腔中填充可反射入射光的金属，以形成一隔离环。优选地，根据本发明的一实施例，在所述感光层之上形成金属层时，使所述金属层中包括具有斜面的子金属层，用于通过反射再次改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。优选地，根据本发明的一实施例，形成入射光聚集部件时，在入射光的传输到所述感光元件上的路径上形成一聚光单元，改变所述入射光的传输路径，并将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。优选地，根据本发明的一实施例，通过在金属层中垂直方向上相邻的两个子金属层之间，以覆盖所述感光元件的位置上形成一聚光单元。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种像素阵列，包括上述像素单元。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种图像传感器，包括上述像素阵列。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电子产品，包括上述图像传感器。该电子产品可以为任意配置图像传感器的产品如手机、电子书、相机等。与现有的方案相比，通过在像素单元中设置入射光聚集单元，比如隔离环/内嵌式微透镜/具有斜面的子金属层，使得入射光的传输途径发生变化，尽量射向感光元件的感光区域，从而提高了对感光元件以外区域光线的有效收集，提高了像素单元的灵敏度。
图1为本发明实施例一中像素单元的结构示意 图2为本发明实施例二中像素单元结构的示意 图3为本发明实施例三中像素单元结构的示意 图4为本发明实施例四一种像素单元的形成方法流程 图5所示为执行步骤401、步骤402后像素单元的一部分结构示意 图6所示为执行步骤403中形成聚光单元后像素单元的一部分结构示意图； 图7所示为执行步骤403中形成聚光单元后像素单元的另一部分结构示意 图8为形成中间层子金属层与顶层子金属层互连的导电通孔后像素单元的一部分结构示意 图9为形成顶层子金属层后像素单元的一部分结构示意 图10为形成隔离环之后像素单元的完整结构示意图。
具体实施例方式以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。本发明的下述实施例中，本发明在入射光到感光元件的传输路径上设置一个入射光聚集单元如隔离环、金属层斜面和内嵌式微透镜的复合结构，其中隔离环将斜入射光反射进入内嵌式微透镜，金属层斜面将垂直入射光反射进入内嵌式微透镜，由于有隔离环和金属层斜面反射后的光线并不是垂直于光电二极管表面的，而是有一定角度的，因此它们并不一定能全部到达光电二极管的表面并产生光电反应，而通过高折射率的内嵌式微透镜，这些有一定角度的反射光可以由微透镜再次聚焦，经过折射后形成接近垂直于到光电二极管表面的光线，这样就实现了对光电二极管以外区域光线的有效收集，提高了像素单元的灵敏度。而由于金属互连线是多层之间交错分布的，入射光不会到达MOS管区域而造成漏电，即不会有噪声产生，同时隔离环进一步防止了像素之间串扰的发生。图1为本发明实施例一中像素单元的结构示意图。如图1所示，本实施例中，像素单元包括感光层(图中未示出)、金属层(图中未示出)以及入射光聚集部件103，其中
感光层包括感光元件111以及开关元件121,感光元件111位于衬底(图中未示出)上，用于收集入射光进行光电转换得到感光电信号；开关器件121位于所述衬底上，用于输出对所述感光元件111的控制信号以及所述感光电信号。本实施例中，由于剖切方向的缘故，只能看到两个开关器件，该开关器件121可以为mos晶体管，或者其他类型，只要可实现信号传输即可，在此不再赘述。
金属层位于所述感光层之上，用于传输对所述感光元件111的控制信号以及将所述感光电信号输出到外围处理电路；金属层中可以包括多层子金属层，金属层的设置本身是现有技术，对于本领域普通技术人员来说，其应当明了如何设置以及设置几层，在此不再赘述。需要说明的是，金属层不同子金属层与开关器件端头的连接可以采用导电接触孔131连接，另外，不同的子金属层之间的互连可以通过导电通孔141连接，至于金属层中基于信号传输的需要，子金属层之间的互连对于本领域普通的技术人员属于现有技术，或者根据本发明的启示，无需创造性劳动可实现，在此不再赘述。本实施例中，所述开关器件121被所述金属层所覆盖，由于金属互连线是多层之间交错分布，使得开关器件121被金属层所覆盖，入射光不会到达开关器件121所在的区域而造成漏电，即不会有噪声产生。入射光聚集部件103，用于改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件111的感光区域。本实施例中，所述入射光聚集部件103可以包括入射光反射单元113，用于通过反射初次改变所述入射光的传输路径，以使所述入射光射向所述感光元件111的感光区域。 优选地，所述入射光反射单元为一隔离环，位于所述金属层中顶层子金属层之上表面。由于本实施例中，金属层包括了三层子金属层，即底层子金属层112、中间层子金属层122、顶层子金属层132。因此，隔离环可以直接形成在顶层子金属层132之上，具体地，所述隔离环的环体可以为介质材料，环腔中填有可反射入射光的金属。需要说明的是，该入射光反射单元不局限于为一隔离环，也可以为其他的结构部件，只要能通过反射改变入射光的传输路径，使入射光尽量射向感光兀件111的感光区域，以被感光兀件111尽可能多的参与光电转换，形成感光电信号。本实施例中，隔离环一方面改变入射光的传输路径，另外一方面，还可以进一步防止像素之间串扰的发生。进一步地，本实施例中，所述入射光聚集部件103还可以包括聚光单元123，用于改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件111的感光区域。具体地，所述聚光单元可以设置在金属层中垂直方向上相邻的两个子金属层之间，以覆盖所述感光元件111的位置上。所述聚光单元可以为一内嵌式的微透镜。本实施例中，聚光单元123具体形成中间子金属层122之间，而对于本领域普通技术人员来说，在本发明的另外一实施例中，聚光单元123也可以形成在底层子金属层112之间，或者，形成在顶层子金属层132之间，具体形成时，可以再对应子金属层上表面或者下表面为参考。本领域普通技术人员根据本发明实施例的启示，无需创造性劳动即可得到如何设置聚光单元，在此不再赘述。如图2所示为本发明实施例二中像素单元结构的示意图，聚光单元123设置在底层子金属层112之间，详细不再赘述，可参加上述图1及相关描述。进一步地，本实施例中，为了避免金属层可能对遮蔽到感光元件111的入射光，使所述金属层包括一具有斜面的子金属层，用于再次改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件111的感光区域。具体地，本实施例中，在形成顶层子金属层132时，通过版图设计将顶层子金属的由下到上线宽逐渐缩小，接着通过金属刻蚀菜单的调整在金属的侧壁形成一个斜面。需要说明的时，也可以将中间层子金属层122设置成具有一斜面，以避免对入射光的遮蔽，如图3所示，为本发明实施例三中像素单元结构的示意图，将顶层子金属层112以及中间层子金属层122同时设置成具有一斜面详细不再赘述，可参加上述图1及相关描述。图4所示为本发明实施例四一种像素单元的形成方法流程图，如图4所示，本实施例中，其可以包括
步骤401、在衬底上形成感光元件以及开关器件，以形成感光层，其中，所述感光元件用于收集入射光进行光电转换得到感光电信号，所述开关器件用于输出对所述感光元件的控制信号以及所述感光电信号；
步骤402、在所述感光层之上形成金属层，以传输对所述感光元件的控制信号以及将所述感光电信号输出到外围处理电路；
图5所示为执行步骤401、步骤402后像素单元的一部分结构示意图，其包括感光层及其中的感光元件111和开关元件121，以及金属层中的底层子金属层112以及中间层子金属层122，以及底层子金属层112与开关元件121电连接的接触孔131，中间层子金属层122与底层子金属层112互连的导电通孔141。
本实施例中，步骤402中在所述感光层之上形成金属层时，可以通过金属层中不同子金属层的错位布设，使所述开关器件被所述金属层所覆盖。本实施例中，步骤402中在所述感光层之上形成金属层时，使所述金属层中包括具有斜面的子金属层，用于通过反射再次改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。步骤403、在入射光的传输到所述感光元件上的路径上形成入射光聚集部件，以用于改变所述入射光的传输路径，将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。本实施例中，步骤403中形成入射光聚集部件时，在入射光的传输到所述感光元件上的路径上可以形成一聚光单元，改变所述入射光的传输路径，并将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。具体地，通过在金属层中垂直方向上相邻的两个子金属层之间，以覆盖所述感光元件的位置上形成一聚光单元。例如，在中间层子金属层122之间形成一聚光元件如内嵌式微透镜。具体地，图6所示为执行步骤403中形成聚光单元后像素单元的一部分结构示意图，图7所示为执行步骤403中形成聚光单元后像素单元的另一部分结构示意图，如图6和7所示，步骤在图5的基础上，在中间层金属层122上表面化学汽相沉积一层微透镜的介质层1231，微透镜介质层材料可以使用氮化硅等高折射率的材料。通过光刻和刻蚀形成具有一定曲率半径的，位于感光兀件111上方的内嵌式微透镜。在步骤403中，由于本实施中金属层有三层子金属层，因此，在形成聚光单元123之后，还需要形成中间层子金属层122与顶层子金属层132互连的导电通孔141，如图8所示，为形成中间层子金属层与顶层子金属层互连的导电通孔后像素单元的一部分结构示意图，可以通过介质层淀积、通孔的光刻和刻蚀、通孔内阻挡层和金属钨的淀积、通过钨回刻或钨CMP (化学机械抛光)来形成用于互连的导电通孔，在此不再赘述。进一步地，如图9所示，为形成顶层子金属层后像素单元的一部分结构示意图。本实施例中，具体将金属层中顶层子金属层132设置成具有斜面。需要说明的时，由于金属层中子金属层的错位方式不同，如果顶层子金属层的位置原本不会遮蔽入射光到感光元件的传输，而是其他如中间子金属层的位置可能遮蔽入射光，此时，也可以将中间子金属层设置成具有斜面。其他类似情况，在此不再赘述，本领域普通技术人员根据现有技术或者本发明实施例的启示，无须创造性劳动即可想到结合实际情况灵活设计。在形成具有斜面的顶层子金属时的可以通过版图设计来减小线宽，以使垂直入射光充分进入反射区域。顶层子金属的斜面的角度根据反射面到内嵌式微透镜的距离来调节，以保证反射光线能到达内嵌式微透镜的表面，金属斜面的角度可以通过调节刻蚀菜单中反应聚合物的成分比来调节。本实施例中，步骤403中形成入射光聚集部件时，在形成入射光聚集部件时，还可以形成一入射光反射单元，用于通过反射初次改变所述入射光的传输路径，以使所述入射光射向所述感光元件的感光区域。具体地，在形成入射光反射单元时，在所述金属层中顶层子金属层上边面沉积介质层，并对该介质层进行光刻和刻蚀形成一环体，并在该环体的环腔中填充可反射入射光的金属，以形成一隔离环。如图10所示，为形成隔离环之后像素单元的完整结构示意图。上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求 的保护范围内。
权利要求
1.一种像素单元，其特征在于，包括 感光层，包括 感光元件，位于衬底上，用于收集入射光进行光电转换得到感光电信号； 开关器件，位于所述衬底上，用于输出对所述感光元件的控制信号以及所述感光电信号; 金属层，位于所述感光层之上，用于传输对所述感光元件的控制信号以及将所述感光电信号输出到外围处理电路； 入射光聚集部件，用于改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述开关器件被所述金属层所覆盖。
3.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述入射光聚集部件包括 入射光反射单元，用于通过反射初次改变所述入射光的传输路径，以使所述入射光射向所述感光元件的感光区域。
4.根据权利要求3所述的像素单元，其特征在于，所述入射光反射单元为一隔离环，位于所述金属层中顶层子金属层之上表面。
5.根据权利要求4所述的像素单元，其特征在于，所述隔离环的环体为介质材料，环腔中填有可反射入射光的金属。
6.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述金属层包括一具有斜面的子金属层，用于改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。
7.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述入射光聚集部件包括 聚光单元，用于改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。
8.根据权利要求7所述的像素单元，其特征在于，所述聚光单元为一微透镜。
9.根据权利要求7所述的像素单元，其特征在于，所述聚光单元设置在金属层中垂直方向上相邻的两个子金属层之间，以覆盖所述感光元件的位置上。
10.一种像素单元的形成方法，其特征在于，包括 在衬底上形成感光元件以及开关器件，以形成感光层，其中，所述感光元件用于收集入射光进行光电转换得到感光电信号，所述开关器件用于输出对所述感光元件的控制信号以及所述感光电信号； 在所述感光层之上形成金属层，以传输对所述感光元件的控制信号以及将所述感光电信号输出到外围处理电路； 在入射光的传输到所述感光元件上的路径上形成入射光聚集部件，以用于改变所述入射光的传输路径，将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述感光层之上形成金属层时，使所述开关器件被所述金属层所覆盖。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在形成入射光聚集部件时，形成一入射光反射单元，用于通过反射初次改变所述入射光的传输路径，以使所述入射光射向所述感光元件的感光区域。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在形成入射光反射单元时，在所述金属层中顶层子金属层上边面沉积介质层，并对该介质层进行光刻和刻蚀形成一环体，并在该环体的环腔中填充可反射入射光的金属，以形成一隔离环。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述感光层之上形成金属层时，使所述金属层中包括具有斜面的子金属层，用于通过反射再次改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，形成入射光聚集部件时，在入射光的传输到所述感光元件上的路径上形成一聚光单元，改变所述入射光的传输路径，并将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，通过在金属层中垂直方向上相邻的两个子金属层之间，以覆盖所述感光元件的位置上形成一聚光单元。
17.一种像素阵列，其特征在于，包括权利要求1、任意所述的像素单元。
18.一种图像传感器，其特征在于，包括权利要求17所述的像素阵列。
19.一种电子产品，其特征在于，包括权利要求18所述的图像传感器。
全文摘要
本发明公开了一种像素单元、像素阵列、图像传感器以及电子产品，其中，像素单元包括感光层，感光层包括感光元件，位于衬底上，用于收集入射光进行光电转换得到感光电信号；开关器件，位于所述衬底上，用于输出对所述感光元件的控制信号以及所述感光电信号；金属层，位于所述感光层之上，用于传输对所述感光元件的控制信号以及将所述感光电信号输出到外围处理电路；入射光聚集部件，用于改变所述入射光的传输路径，以将所述入射光聚集到所述感光元件的感光区域。通过在像素单元中设置入射光聚集单元，比如隔离环/内嵌式微透镜/具有斜面的子金属层，使得入射光尽量射向感光元件的感光区域，从而提高了对感光元件以外区域光线的有效收集。
文档编号H04N5/335GK103066085SQ201210549888
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者顾学强 申请人:上海集成电路研发中心有限公司