CMOS图像传感器的像素结构及其形成方法技术

一种CMOS图像传感器的像素结构及其形成方法，其中所述形成方法，在所述半导体衬底中形成浮置扩散区和位于浮置扩散区一侧的光电二极管区，所述光电二极管区的深度大于浮置扩散区的深度；刻蚀部分所述光电二极管区，在所述光电二级管区中形成凹槽，所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区；在所述凹槽的侧壁和底部表面形成栅介质层；在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽。本发明专利技术的CMOS图像传感器的开口率和量子效率得到提高。

The pixel structure and forming method of CMOS image sensor

A pixel structure of a CMOS image sensor and a forming method thereof, wherein the forming method forms a floating diffusion area and a photodiode area on one side of the floating diffusion area in the semiconductor substrate, and the depth of the photodiode area is greater than the depth of the floating diffusion area; the etching part of the photodiode area forms a groove in the photodiode area, and the concave The depth of the groove is less than that of the photoelectric secondary tube area and greater than that of the floating diffusion area, and the side wall of the groove exposes the floating diffusion area; a gate dielectric layer is formed on the side wall and the bottom surface of the groove; a transparent gate electrode is formed on the surface of the gate dielectric layer, and the transparent gate electrode fills the groove. The opening rate and quantum efficiency of the CMOS image sensor of the invention are improved.

【技术实现步骤摘要】
CMOS图像传感器的像素结构及其形成方法
本专利技术涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器的像素结构及其形成方法。
技术介绍
图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器，通常用于将光学信号转化为相应的电信号。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高，噪声小，但是CCD图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且CCD图像传感器的功耗较高。相比之下，CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。目前CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置(例如胃镜)、车用摄像装置等。CMOS图像传感器的基本感光单元被称为像素，所述像素包含一个光电二极管和3个或4个MOS晶体管，称为3T型或4T型。目前市场上大部分CMOS图像传感器是4T型。如图1所示的4T型图像传感器像素包括：4个MOS晶体管和1个光电二极管PD，所述4个MOS晶体管分别为复位晶体管M1、放大晶体管M2、选择晶体管M3的和传输晶体管M4。下面对如图1所示的4T型图传感器的像素单元的工作原理进行说明。首先，在接收光照前，复位晶体管M1和传输晶体管M4导通，其他晶体管关断，对所述浮置扩散区FD和光电二极管PD进行复位；然后，所有晶体管关断，光电二极管PD接收光照，并且进行光电转换形成光生载流子；然后传输晶体管M4导通，其他晶体管关断，光生载流子自光电二极管PD转移到浮置扩散区FD；接着，放大晶体管M2和选择晶体管M3导通，光生载流子依次从浮置扩散区FD经过放大晶体管M2和选择晶体管M3输出，完成一次光信号的采集与传输。现有的CMOS图像传感器像素的填充因子(FillFactor，FF)或开口率仍有待提高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是怎样提高CMOS图像传感器像素的开口率。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底中形成浮置扩散区和位于浮置扩散区一侧的光电二极管区，所述光电二极管区的深度大于浮置扩散区的深度；刻蚀部分所述光电二极管区，在所述光电二级管区中形成凹槽，所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区；在所述凹槽的侧壁和底部表面形成栅介质层；在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽。可选的，所述光电二极管与所述浮置扩散区接触。可选的，所述光电二极管与所述浮置扩散区不接触。可选的，刻蚀去除部分所述光电二级管区以及光电二级管区与浮置扩散区之间的部分半导体衬底，在所述光电二级管区中以及半导体衬底中形成凹槽。可选的，所述栅介质层的材料为氧化硅。可选的，所述透明的栅电极的材料为氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铟镓锌或氧化铟锡锌。可选的，所述透明电极层的表面等于或高于半导体衬底的表面。可选的，还包括：在所述半导体衬底上形成介质层，所述介质层具有暴露出半导体衬底表面的开口；沿开口刻蚀所述半导体衬底，在所述光电二级管区中形成凹槽；在所述开口和凹槽的侧壁以及凹槽的底部表面形成栅介质层；在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽和开口。本专利技术还提供了一种CMOS图像传感器的像素结构，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底中的浮置扩散区和位于浮置扩散区一侧的光电二极管区，所述光电二极管区的深度大于浮置扩散区的深度；位于所述光电二级管区中的凹槽，所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区；位于所述凹槽的侧壁和底部表面的栅介质层；位于所述栅介质层表面上的透明栅电极，所述透明栅电极填充满凹槽。可选的，所述凹槽的底部暴露出部分光电二级管区，所述凹槽的一侧侧壁暴露出浮置扩散区和浮置扩散区底部的部分半导体衬底。可选的，所述凹槽的底部暴露出部分光电二级管区和光电二级管区一侧的半导体衬底，所述凹槽的一侧侧壁暴露出浮置扩散区和浮置扩散区底部的部分半导体衬底。可选的，所述栅介质层的材料为氧化硅。可选的，所述透明的栅电极的材料为氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铟镓锌或氧化铟锡锌。可选的，所述透明电极层的表面等于或高于半导体衬底的表面。可选的，还包括：位于所述半导体衬底上的介质层，所述介质层具有暴露出半导体衬底表面的开口；位于所述开口和凹槽的侧壁以及凹槽的底部表面的栅介质层；位于所述栅介质层表面上的透明栅电极，所述透明栅电极填充满凹槽和开口。与现有技术相比，本专利技术技术方案具有以下优点：本专利技术的CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，在所述半导体衬底中形成浮置扩散区和位于浮置扩散区一侧的光电二极管区，所述光电二极管区的深度大于浮置扩散区的深度；刻蚀部分所述光电二极管区，在所述光电二级管区中形成凹槽，所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区；在所述凹槽的侧壁和底部表面形成栅介质层；在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽。由于所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区，且由于凹槽中形成的栅介质层和栅电极都是透明的，透明的栅电极和栅介质层不会阻挡正面入射的光线，使得凹槽底部的那一部分光电二级管区也能接收光线产生感应电压，因而本专利技术在不改变CMOS图像传感器像素结构的尺寸的前提下，使得更大尺寸的光电二级管区能接收光线产生感应电压，从而提高了CMOS图像传感器的开口率和量子效率，从而提高了信噪比。进一步，所述光电二极管与所述浮置扩散区接触，由于凹槽底部与浮置扩散区的底部具有一定的距离，在凹槽中形成栅介质层和栅电极后，光电二级管区和浮置扩散区的底部之间的半导体衬底中形成能形成垂直的沟道。进一步，所述光电二极管与所述浮置扩散区不接触，刻蚀去除部分所述光电二级管区以及光电二级管区与浮置扩散区之间的部分半导体衬底，在所述光电二级管区中以及半导体衬底中形成凹槽；在所述开口和凹槽的侧壁以及凹槽的底部表面形成栅介质层；在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽和开口，因而使得所述浮置扩散区的底部与光电二级管区之间形成横向和垂直相结合的沟道。进一步，在所述半导体衬底上形成介质层，所述介质层具有暴露出半导体衬底表面的开口；沿开口刻蚀所述半导体衬底，在所述光电二级管区中形成凹槽；在所述开口和凹槽的侧壁以及凹槽的底部表面形成栅介质层；在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽和开口。所述形成的栅电极的表面高于半导体衬底的表面，高于半导体衬底表面的部分栅电极可以作为接触插塞，从而使得CMOS图像传感器的栅电极和与栅电极连接的接触插塞都是透明的导电材料，透明的栅电极以及接触插塞均不会阻挡从正面入射的光线，使得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，其特征在于，包括：/n提供半导体衬底；/n在所述半导体衬底中形成浮置扩散区和位于浮置扩散区一侧的光电二极管区，所述光电二极管区的深度大于浮置扩散区的深度；/n刻蚀部分所述光电二极管区，在所述光电二级管区中形成凹槽，所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区；/n在所述凹槽的侧壁和底部表面形成栅介质层；/n在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽。/n

【技术特征摘要】
1.一种CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底中形成浮置扩散区和位于浮置扩散区一侧的光电二极管区，所述光电二极管区的深度大于浮置扩散区的深度；
刻蚀部分所述光电二极管区，在所述光电二级管区中形成凹槽，所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区；
在所述凹槽的侧壁和底部表面形成栅介质层；
在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽。


2.如权利要求1所述CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，其特征在于，所述光电二极管与所述浮置扩散区接触。


3.如权利要求1所述CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，其特征在于，所述光电二极管与所述浮置扩散区不接触。


4.如权利要求3所述CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，其特征在于，刻蚀去除部分所述光电二级管区以及光电二级管区与浮置扩散区之间的部分半导体衬底，在所述光电二级管区中以及半导体衬底中形成凹槽。


5.如权利要求1所述CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，其特征在于，所述栅介质层的材料为氧化硅。


6.如权利要求1或5所述CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，其特征在于，所述透明的栅电极的材料为氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铟镓锌或氧化铟锡锌。


7.如权利要求6所述CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，其特征在于，所述透明电极层的表面等于或高于半导体衬底的表面。


8.如权利要求1或7所述CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，其特征在于，还包括：在所述半导体衬底上形成介质层，所述介质层具有暴露出半导体衬底表面的开口；沿开口刻蚀所述半导体衬底，在所述光电二级管区中形成凹槽；在所述开口和凹槽的侧壁以及凹槽的底部表...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨龙康，林宗德，黄仁德，
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