图像传感器及其形成方法技术

本申请提供一种图像传感器及其形成方法，所述图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有分立排列的光电器件；沟槽隔离结构，形成于所述半导体衬底中且位于所述光电器件之间；第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，形成于所述光电器件上的半导体衬底内且位于所述沟槽隔离结构之间；传输栅极，形成于所述光电器件一侧的沟槽隔离结构中，所述传输栅极的两端分别与所述第一浮置扩散区和光电器件接近；控制栅极，形成于所述光电器件上的半导体衬底的第一表面上，所述控制栅极的两端分别与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区接近。本申请实现了图像传感器的高动态范围和高灵敏度，提高了图像传感器的性能。

Image sensor and its forming method

The application provides an image sensor and a forming method thereof. The image sensor includes: a semiconductor substrate, in which a photoelectric device arranged separately is formed; a groove isolation structure is formed in the semiconductor substrate and between the photoelectric devices; a first floating diffusion area and a second floating diffusion area are formed on the semiconductor device The transmission gate is formed in the groove isolation structure on one side of the photoelectric device, and the two ends of the transmission gate are close to the first floating diffusion area and the photoelectric device respectively; the control gate is formed on the first surface of the semiconductor substrate on the photoelectric device, and the two ends of the control gate are respectively close to the first floating structure The diffusion zone is close to the second floating diffusion zone. The application realizes the high dynamic range and high sensitivity of the image sensor, and improves the performance of the image sensor.

【技术实现步骤摘要】
图像传感器及其形成方法
本申请涉及半导体制造领域，具体来说，涉及一种图像传感器及其形成方法。
技术介绍
图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的器件。随着计算机和通信产业的发展，对高性能图像传感器的需求不断增长，这些高性能图像传感器广泛用于诸如数字照相机、摄像录像机、个人通信系统(PCS)、游戏机、安防摄像机、医用微型照相机之类的各种领域。图像传感器通常包括两种类型，电荷藕合器件(CCD)传感器和CMOS图像传感器(CMOSImageSensors，CIS)。相比于CCD图像传感器，CMOS图像传感器具有集成度高、功耗小、生成成本低等优点，因而具有更广泛的应用。相比于应用有限的低动态范围的CMOS图像传感器，高动态范围(highdynamicrange)的CMOS图像传感器有更广泛的应用，尤其是应用于自动化控制和安全系统等领域。现有的CMOS图像传感器采用多浮置扩散区(multifloatingdiffusion)结构来提高动态范围，然而，这种结构会减小光电器件如光电二极管的面积，从而降低图像传感器的灵敏度。例如现有的一种平面结构中，光电二极管与浮置扩散区形成在半导体衬底内的同一侧，当浮置扩散区的区域增加(如形成多浮置扩散区)，相应地，光电二极管的区域就会减小。
技术实现思路
本申请技术方案要解决的技术问题是提供一种高动态范围和高灵敏度的图像传感器。为解决上述技术问题，本申请一方面提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有分立排列的光电器件；沟槽隔离结构，形成于所述半导体衬底中且位于所述光电器件之间；第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，形成于所述光电器件上的半导体衬底内且位于所述沟槽隔离结构之间；传输栅极，形成于所述光电器件一侧的沟槽隔离结构中，所述传输栅极的两端分别与所述第一浮置扩散区和光电器件接近；控制栅极，形成于所述光电器件上的半导体衬底的第一表面上，所述控制栅极的两端分别与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区接近。在本申请的一些实施例中，形成有传输栅极的沟槽隔离结构的宽度大于没有传输栅极的沟槽隔离结构的宽度。在本申请的一些实施例中，所述沟槽隔离结构包括：形成于所述半导体衬底中的第一沟槽；位于所述第一沟槽侧壁和底部的第一绝缘层；覆盖所述第一绝缘层并填充所述第一沟槽的第一填充层。在本申请的一些实施例中，所述第一绝缘层包括第一氧化层、高介电常数材料层和第二氧化层；所述第一填充层包括氧化硅层，或者所述第一填充层包括氧化硅层和氮化硅层。在本申请的一些实施例中，所述第一氧化层、第二氧化层的材料为氧化硅，所述高介电常数材料层的材料为氧化铝或氧化铪。在本申请的一些实施例中，所述第一绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅，所述高介电常数材料层的材料为氧化铝。在本申请的一些实施例中，所述传输栅极包括：形成于所述沟槽隔离结构中的栅极沟槽；位于所述栅极沟槽侧壁和底部的介质层；覆盖所述介质层并填充所述栅极沟槽的栅极材料层。在本申请的一些实施例中，所述介质层的材料为氧化硅或氮化硅，所述栅极材料为多晶硅或金属材料。在本申请的一些实施例中，所述传输栅极在所述沟槽隔离结构中的深度大于所述第一浮置扩散区与所述光电器件之间的距离。在本申请的一些实施例中，所述控制栅极包括：依次形成在所述半导体衬底的第一表面上的栅氧化层和栅极层。在本申请的一些实施例中，所述控制栅极在所述第一表面的宽度大于所述第一浮置扩散区与所述第二浮置扩散区之间的距离。在本申请的一些实施例中，所述图像传感器还包括：形成于所述半导体衬底的第二表面上的滤色层和微透镜，所述第一表面和第二表面为相对面。本申请的另一方面提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有分立排列的光电器件；在所述半导体衬底中形成沟槽隔离结构，所述沟槽隔离结构位于所述光电器件之间；在所述光电器件一侧的沟槽隔离结构中形成传输栅极，所述传输栅极的一端与所述光电器件接近；在所述光电器件上的半导体衬底内形成第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区位于所述沟槽隔离结构之间，所述传输栅极的另一端与所述第一浮置扩散区接近；在所述光电器件上的半导体衬底的第一表面上形成控制栅极，所述控制栅极的两端分别与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区接近。在本申请的一些实施例中，，形成所述沟槽隔离结构包括：刻蚀所述半导体衬底的第一表面，在所述半导体衬底中形成第一沟槽；形成覆盖所述第一沟槽侧壁和底部的第一绝缘层；在所述第一沟槽中形成覆盖所述第一绝缘层的第一填充层。在本申请的一些实施例中，形成所述传输栅极包括：刻蚀所述第一填充层，在所述沟槽隔离结构中形成栅极沟槽；形成覆盖所述栅极沟槽侧壁和底部的介质层；在所述栅极沟槽中填充满栅极材料，形成覆盖所述介质层的栅极材料层。在本申请的一些实施例中，形成控制栅极包括：在所述半导体衬底的第一表面依次形成栅氧化层和栅极层；刻蚀所述栅氧化层和栅极层，形成对应于所述光电器件的控制栅极。在本申请的一些实施例中，形成所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区的工艺为离子注入工艺。在本申请的一些实施例中，所述图像传感器的形成方法还包括：研磨所述半导体衬底的第二表面以减薄所述半导体衬底，所述第一表面和第二表面为相对面；在减薄后的半导体衬底的第二表面上形成滤色层和微透镜。在本申请的一些实施例中，所述图像传感器的形成方法还包括：刻蚀所述半导体衬底的第二表面，在所述半导体衬底内形成连通所述沟槽隔离结构的第二沟槽；形成覆盖所述第二沟槽侧壁的第二绝缘层；在所述第二沟槽中形成覆盖所述第二绝缘层的第二填充层。采用本申请实施例所述的图像传感器结构及其形成方法，浮置扩散区(第一浮置扩散区和第二浮置扩散区)和光电器件形成在半导体衬底内的不同深度，即浮置扩散区和光电器件不在同一平面，可以说是上下位置的立体布局，当浮置扩散区的面积增大也不会影响光电器件的面积，光电器件可以做得足够大，由此保证了光进入量，提高了光电转换效率。并且，传输栅极形成在沟槽隔离结构中，并不占用像素单元区域，进而也不会影响光电器件的面积。因此，在不增加图像传感器面积的情况下，同时实现了高动态范围和高灵敏度，进而提升了图像传感器的性能。本申请中另外的特征将部分地在下面的描述中阐述。通过该阐述，使以下附图和实施例叙述的内容对本领域普通技术人员来说变得显而易见。本申请中的专利技术点可以通过实践或使用下面讨论的详细示例中阐述的方法、手段及其组合来得到充分阐释。附图说明以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本公开的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的专利技术意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：图1为本申请实施例的图像传感器的截面结构示意图；图2为本申请实施例的图像传感器的一种应用实例的俯视结构示意图；图3为本申请实施例的图像传感器的像素单元的读出电路的结构示意图；图4至图9图为本申请实施例的图像传感器的形成方法各步骤对应的截面结构示意图。具体实施方式以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有分立排列的光电器件；沟槽隔离结构，形成于所述半导体衬底中且位于所述光电器件之间；第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，形成于所述光电器件上的半导体衬底内且位于所述沟槽隔离结构之间；传输栅极，形成于所述光电器件一侧的沟槽隔离结构中，所述传输栅极的两端分别与所述第一浮置扩散区和光电器件接近；控制栅极，形成于所述光电器件上的半导体衬底的第一表面上，所述控制栅极的两端分别与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区接近。

【技术特征摘要】
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有分立排列的光电器件；沟槽隔离结构，形成于所述半导体衬底中且位于所述光电器件之间；第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，形成于所述光电器件上的半导体衬底内且位于所述沟槽隔离结构之间；传输栅极，形成于所述光电器件一侧的沟槽隔离结构中，所述传输栅极的两端分别与所述第一浮置扩散区和光电器件接近；控制栅极，形成于所述光电器件上的半导体衬底的第一表面上，所述控制栅极的两端分别与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区接近。2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，形成有传输栅极的沟槽隔离结构的宽度大于没有传输栅极的沟槽隔离结构的宽度。3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述沟槽隔离结构包括：形成于所述半导体衬底中的第一沟槽；位于所述第一沟槽侧壁和底部的第一绝缘层；覆盖所述第一绝缘层并填充所述第一沟槽的第一填充层。4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一绝缘层包括第一氧化层、高介电常数材料层和第二氧化层；所述第一填充层包括氧化硅层，或者所述第一填充层包括氧化硅层和氮化硅层。5.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述第一氧化层、第二氧化层的材料为氧化硅，所述高介电常数材料层的材料为氧化铝或氧化铪。6.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏代龙，杨帆，
申请(专利权)人：德淮半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32