图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法技术

本发明专利技术提供了一种图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法，应用于半导体技术领域。通过将像素结构中的传输晶体管的栅极结构的一部分以沟槽的形成扩展到半导体衬底中光电二极管区内，从而可以在增大传输晶体管栅极结构有效面积的同时，在横向方向上延伸光电二极管的宽度，从而增加了电子传输沟通面积，提高光生电子传输速率，减少二极管底部的电子残留，最终提升光电二极管的满阱容量。另一方面，可以实现在不影响芯片面积与采光的情况下，降低芯片的制造成本。此外，由于像素结构中电子传输沟通面积增大，降低了二极管底部的电子残留，从而使得白像素减少。

【技术实现步骤摘要】
图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法
本专利技术涉及半导体
，特别涉及一种图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法。
技术介绍
CMOS图像传感器在过去十几年得到了飞速发展，现已广泛应用于手机、电脑、数码照相机等领域。通常CMOS图像传感器的一个有源像素单元包含位于外延层中的光电二极管(PhotoDiode，PD)和若干晶体管，以4T结构CMOS图像传感器为例，四个晶体管具体包括转移管110(Transfer，Tx)、源极跟随管(SourceFollow，SF)、复位管(Reset，RST)和行选择管(RowSelect，RS)。其中，CMOS图像传感器的基本工作原理是这样的：光照前，打开复位管和转移管，将光电二极管区域的原有的电子释放；在光照时，关闭所有晶体管，在光电二极管空间电荷区产生电荷；读取时，打开转移管，将存储在PD区的电荷传输到浮动扩散节点(FloatingDiffusion，FD)，传输后，转移管关闭，并等待下一次光照的进入。在浮动扩散节点上的电荷信号随后用于调整源极跟随管，将电荷转变为电压，并通过行选择管将电流输出到模数转换电路中。目前，随着标准CMOS工艺水平的不断跃进，以及市场对小尺寸像素的需求，CMOS图像传感器的像素尺寸已经从5.6μm逐渐缩小至1.0μm。然而，对于小像元的图像传感器，由于其像元较小，光子转化的电子也较少，全阱电荷在数千量级。目前表面沟道和垂直沟道这种电子传输方式通路相对较小，光电二极管深处电子的传输需要穿过整个结区，很容易被复合而导致抽取效率较低。而且，P-N结深处电子需要一定的时间和电压驱动才能完成传输，这不利于快速读取。因此，如何在不影响芯片面积与采光等情况下有效制备一个TG，同时提升传输速率以及控制芯片的制造成本成为了小像元图像传感器芯片开发领域亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种图像传感器像素结构的形成方法，以解决现有的图像传感器像素结构中表面沟道和垂直沟道通路相对较小，导致光电二极管深处电子的传输速率低的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种图像传感器像素结构的形成方法，包括：提供一半导体衬底，所述半导体衬底中形成有器件隔离结构以及通过所述器件隔离结构定义出的至少一个光电二极管区，所述器件隔离结构为P型隔离阱；至少对所述光电二极管区的半导体衬底进行刻蚀，以形成每个所述光电二极管区所需的至少两个相互独立的栅极沟槽；形成每个所述光电二极管区所需的图形化栅极结构，每个所述光电二极管区中，所述图形化栅极结构填满各个所述栅极沟槽，并在两个相邻所述栅极沟槽之间连续延伸，且各个所述光电二极管区的图形化栅极结构相互分离。可选的，所述提供具有器件隔离结构和光电二极管区的半导体衬底的步骤可以包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成图形化的掩膜层；以所述图形化的掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行P型离子注入，以形成P型隔离阱，并在形成P型隔离阱之前或者之后，采用第一导电类型离子对所述半导体衬底进行阱离子注入，以形成光电二极管区；采用第二导电类型离子对所述光电二极管区的表层进行离子注入，以在所述光电二极管区中形成光电二极管；对所述半导体衬底的表层进行P型离子注入，以形成P型注入层。可选的，每个所述光电二极管区所需的各个栅极沟槽完全位于所述光电二极管区内，每个所述光电二极管区所需的所述图形化栅极结构完全位于所述光电二极管区内；或者，每个所述光电二极管区的至少一个栅极沟槽延伸到所述光电二极管区外围的部分器件隔离结构中，每个所述光电二极管区所需的所述图形化栅极结构还延伸覆盖在所述光电二极管区外围的部分器件隔离结构上。可选的，形成每个所述光电二极管区所需的图形化栅极结构的步骤，可以包括：通过热氧化工艺或者沉积工艺形成栅氧化层；沉积栅极层于所述栅氧化层上，沉积的所述栅极材料至少填满各个所述栅极沟槽；对所述栅极层进行平坦化，直至所述栅极层的厚度满足要求；对所述栅极层和所述栅氧化层进行光刻和刻蚀，以形成在相邻两个光电二极管区上相互分离的所述图形化栅极结构。可选的，所述栅极沟槽可以为上窄下宽的圆台形沟槽。可选的，所述圆台形沟槽沿平行于所述半导体衬底上表面的方向的截面为圆形，所述圆台形沟槽的底面半径的取值范围可以为0.1μm～0.2μm。可选的，所述圆台形沟槽的顶面半径a与其底面半径b之比为1:3～1:1。可选的，所述圆台形沟槽在沿垂直于所述半导体衬底的上表面方向上的深度取值范围为0.3μm～0.5μm。可选的，各个所述光电二极管区按阵列排布，且在四个所述光电二极管区组成的2*2阵列区域中，各个所述栅极沟槽设置在四个所述光电二极管区相互紧挨的角区域。基于上述所述的图像传感器像素结构的形成方法，本专利技术还提供了一种图像传感器，所述图像传感器可以包括多个像素结构，其中每个所述像素结构可以采用上述所述的图像传感器像素结构的形成方法形成。与现有技术相比，本专利技术技术方案至少存在如下有益效果之一：在本专利技术提供的图像传感器像素结构的形成方法中，通过将像素结构中的传输晶体管的栅极结构的一部分以沟槽的形成扩展到半导体衬底中光电二极管区内，从而可以在增大传输晶体管栅极结构有效面积的同时，在横向方向上延伸光电二极管的宽度，从而增加了电子传输沟通面积，提高光生电子传输速率，减少二极管底部的电子残留，最终提升光电二极管的满阱容量。另一方面，可以实现在不影响芯片面积与采光的情况下，降低芯片的制造成本。此外，由于像素结构中电子传输沟通面积增大，降低了二极管底部的电子残留，从而使得白像素减少。附图说明图1为本专利技术一实施例中的图像传感器像素结构形成方法的流程示意图；图2a～图2c为本专利技术一实施例中的图像传感器像素结构的形成方法在其制备过程中的结构示意图；图3为本专利技术一实施例中的图像传感器像素结构的俯视图；图4为本专利技术另一实施例中的图像传感器像素结构的俯视图；图5为沿图3中AA’方向的剖面结构示意图。其中，附图标记如下：100-衬底；101-隔离结构(P型隔离阱)；102-栅极沟槽；110-光电二极管区；120-P型注入层；130-图形化栅极结构；131-栅氧化层；132-栅极层。具体实施方式承如
技术介绍
所述，对于小像元的图像传感器，由于其像元较小，光子转化的电子也较少，全阱电荷在数千量级。目前表面沟道和垂直沟道这种电子传输方式通路相对较小，光电二极管深处电子的传输需要穿过整个结区，很容易被复合而导致抽取效率较低。而且，P-N结深处电子需要一定的时间和电压驱动才能完成传输，这不利于快速读取。为此，本专利技术提供了一种图像传感器像素结构的形成方法，以解决图像传感器像素结构中表面沟道电和垂直沟道电子传输通路相对较小，导致光电二极管深处电子的传输速率低的问题。参考图1，图1为本专利技术提供的一种图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，包括：/n提供一半导体衬底，所述半导体衬底中形成有器件隔离结构以及通过所述器件隔离结构定义出的至少一个光电二极管区，所述器件隔离结构为P型隔离阱；/n至少对所述光电二极管区的半导体衬底进行刻蚀，以形成每个所述光电二极管区所需的至少两个相互独立的栅极沟槽；/n形成每个所述光电二极管区所需的图形化栅极结构，每个所述光电二极管区中，所述图形化栅极结构填满各个所述栅极沟槽，并在两个相邻所述栅极沟槽之间连续延伸，且各个所述光电二极管区的图形化栅极结构相互分离。/n

【技术特征摘要】
1.一种图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供一半导体衬底，所述半导体衬底中形成有器件隔离结构以及通过所述器件隔离结构定义出的至少一个光电二极管区，所述器件隔离结构为P型隔离阱；
至少对所述光电二极管区的半导体衬底进行刻蚀，以形成每个所述光电二极管区所需的至少两个相互独立的栅极沟槽；
形成每个所述光电二极管区所需的图形化栅极结构，每个所述光电二极管区中，所述图形化栅极结构填满各个所述栅极沟槽，并在两个相邻所述栅极沟槽之间连续延伸，且各个所述光电二极管区的图形化栅极结构相互分离。


2.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，提供具有器件隔离结构和光电二极管区的半导体衬底的步骤包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成图形化的掩膜层；
以所述图形化的掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行P型离子注入，以形成器件隔离结构，并在形成器件隔离结构之前或者之后，采用第一导电类型离子对所述半导体衬底进行阱离子注入，以形成光电二极管区；
采用第二导电类型离子对所述光电二极管区的表层进行离子注入，以在所述光电二极管区中形成光电二极管；
对所述半导体衬底的表层进行P型离子注入，以形成P型注入层。


3.如权利要求2所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，
每个所述光电二极管区所需的各个栅极沟槽完全位于所述光电二极管区内，每个所述光电二极管区所需的所述图形化栅极结构完全位于所述光电二极管区内；
或者，每个所述光电二极管区的至少一个栅极沟槽延伸到所述光电二极管区外围的部分器件隔离结构中，每个所述光电二极管区所需的所述图形化栅极结构还延伸覆盖在所述光电二极管区外围的部分器件隔离结构上。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄斌冰，张磊，王奇伟，陈昊瑜，顾珍，董立群，
申请(专利权)人：上海华力微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31