[發明專利]圖像傳感器及圖像傳感器像素結構的形成方法

在審

• 申請號: 202011187225.4
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112259569A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 黃斌冰;張磊;王奇偉;陳昊瑜
• 申請（專利權）人: 上海華力微電子有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙) 31237
• 代理人: 曹廷廷

本發明提供了一種圖像傳感器及圖像傳感器像素結構的形成方法，應用于半導體技術領域。在本發明提供的圖像傳感器像素結構的形成方法中，通過將像素結構中的傳輸晶體管的柵極結構的一部分以具有缺口的非閉合環(例如，C形)溝槽的形成擴展到半導體襯底中光電二極管區內，由于該非閉合環形狀的柵極溝槽為具有內外兩個表面的特殊結構，因此，可以利用該柵極溝槽內外兩個表面都可以進行電子傳輸的特性，實現增大傳輸晶體管柵極結構有效面積，同時在橫向方向上延伸光電二極管的寬度，進而增加了電子傳輸溝通面積，提高光生電子傳輸速率，減少二極管底部的電子殘留，最終提升光電二極管的滿阱容量。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種圖像傳感器及圖像傳感器像素結構的形成方法。

背景技術

CMOS圖像傳感器在過去十幾年得到了飛速發展，現已廣泛應用于手機、電腦、數碼照相機等領域。通常CMOS圖像傳感器的一個有源像素單元包含位于外延層中的光電二極管(Photo Diode，PD)和若干晶體管，以4T結構CMOS圖像傳感器為例，四個晶體管具體包括轉移管110(Transfer，Tx)、源極跟隨管(Source Follow，SF)、復位管(Reset，RST)和行選擇管(Row Select，RS)。其中，CMOS圖像傳感器的基本工作原理是這樣的：光照前，打開復位管和轉移管，將光電二極管區域的原有的電子釋放；在光照時，關閉所有晶體管，在光電二極管空間電荷區產生電荷；讀取時，打開轉移管，將存儲在PD區的電荷傳輸到浮動擴散節點(Floating Diffusion，FD)，傳輸后，轉移管關閉，并等待下一次光照的進入。在浮動擴散節點上的電荷信號隨后用于調整源極跟隨管，將電荷轉變為電壓，并通過行選擇管將電流輸出到模數轉換電路中。

目前，隨著標準CMOS工藝水平的不斷躍進，以及市場對小尺寸像素的需求，CMOS圖像傳感器的像素尺寸已經從5.6mm逐漸縮小至1.0mm。然而，對于小像元的圖像傳感器，由于其像元較小，光子轉化的電子也較少，全阱電荷在數千量級。目前表面溝道和垂直溝道這種電子傳輸方式通路相對較小，光電二極管深處電子的傳輸需要穿過整個結區，很容易被復合而導致抽取效率較低。而且，P-N結深處電子需要一定的時間和電壓驅動才能完成傳輸，這不利于快速讀取。

因此，如何在不影響芯片面積與采光等情況下有效制備一個TG，同時提升傳輸速率以及控制芯片的制造成本成為了小像元圖像傳感器芯片開發領域亟待解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種圖像傳感器像素結構的形成方法，以解決現有的圖像傳感器像素結構中表面溝道和垂直溝道通路相對較小，導致光電二極管深處電子的傳輸速率低的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種圖像傳感器像素結構的形成方法，包括：

提供一半導體襯底，所述半導體襯底中形成有器件隔離結構以及通過所述器件隔離結構定義出的至少一個光電二極管區；

至少對所述光電二極管區的半導體襯底進行刻蝕，以形成每個所述光電二極管區所需的至少一個柵極溝槽，所述柵極溝槽的平行于所述半導體襯底的截面形狀為具有缺口的非閉合環；

形成每個所述光電二極管區所需的圖形化柵極結構，在每個所述光電二極管區中，所述圖形化柵極結構填滿各個所述柵極溝槽，且各個所述光電二極管區的圖形化柵極結構相互分離。

可選的，所述器件隔離結構可以為P型隔離阱。

可選的，提供具有器件隔離結構和光電二極管區的半導體襯底的步驟，可以包括：

提供半導體襯底，在所述半導體襯底上形成圖形化的硬掩膜層；

以所述圖形化的硬掩膜層為掩膜，對所述半導體襯底進行P型離子注入，以形成P型隔離阱結構，并在形成P型隔離阱結構之前或者之后，采用第一導電類型離子對所述半導體襯底進行阱離子注入，以形成光電二極管區；