[發明專利]CMOS圖像傳感器的像素結構及像素結構的形成方法

在審

• 申請號: 202011353401.7
• 申請日: 2020-11-26
• 公開（公告）號: CN112331686A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 田志;梁啟超;邵華;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CMOS圖像傳感器的像素結構及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CMOS圖像傳感器像素結構的形成方法中，通過將存儲單元中的靠近圖像傳感器像素結構浮動擴散點一側的部分柵極層進行減薄處理，從而在存儲單元中形成的柵極堆疊結構中包含的柵極層的厚度在沿著從光電二極管至所述浮動擴散點的方向上呈階梯狀變薄，進而降低了浮動擴散點與每個存儲單元中的柵極層之間的寄生電容，以及與浮動擴散點相連接的導電插塞與每個存儲單元中的柵極層之間的寄生電容，進而減小了浮動擴散點出的總電容，并最終提高了存儲單元的動態范圍。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種CMOS圖像傳感器的像素結構及像素結構的形成方法。

背景技術

隨著汽車工業、物聯網和監控設備的發展，各類電子產品對于圖像傳感器的需求逐步增加?，F有主流的圖像傳感器技術是與CMOS工藝兼容的CMOS圖像傳感器技術，其中的一些圖像傳感器技術需要像素單元向小尺寸發展，以實現單位面積內設置更多的像素單元，進而獲取更加真實的圖像。另一些圖像傳感器技術，需要像素單元向大尺寸發展，以實現不同的特殊需求(例如：更大的動態范圍，更多的圖像細節)。而這兩種像素尺寸發展方向，對于像素結構的設計和工藝的要求不同。具體地，對于小像素單元，由于每個像素單元的電荷較少，且像素陣列中的每行像素單元的數量較多，因此需要更加快速的光響應和轉移速度，由此才能實現高像素單元的操作；而對于大像素單元，由于其每個像素單元可存儲的電子較多，為保證每個像素單元中的電子能夠完全轉移，需要對像素單元進行精確的調整。

隨著圖像傳感器的分類越來越細化，對于不同的用途有不同的設計和像素單元的優化，而目前對于可獲取更加詳細圖像信息的高動態范圍像素單元的需求逐步增加，因為高動態范圍像素單元不僅可以獲取更加詳細的圖像細節，同時還能與其它領域，如紅外相結合，實現更好的近紅外的圖像效果。

目前，如圖1所示，常用的一種提高小像素CMOS圖像傳感器的動態范圍的方法是通過在每個像素單元中與浮動擴散點FD連接的復位管RST處添加一個并聯的電容C2，從而實現通過降低像素單元浮動擴散點FD的總電容的方式，實現不同轉換因子的圖像處理功能(轉換因子與電容成反比)，且現有技術中需要通過在浮動擴散點與復位管之間添加一個選擇晶體管SEL的方式，來實現在該處增加一個并聯的電容C2的目的，此時，該像素單元的結構包括光電二極管PD、傳輸晶體管TX、源極跟隨管SF、選擇晶體管RS、選擇晶體管SEL以及并聯電容C2。其中，在低光情況下，使用高轉換因子的方式(HCG,小電容Cfd)，將低光信號進行放大，捕捉更多低光細節；對于高光情況，使用低轉換因子處理(LCG,大電容Cfd+C2)，防止產生過多的電子在本身無法轉移的情況下，溢出到鄰近像素單元產生像素之間的干擾。高轉換與低轉換的比例為1+Cfd/C2，為了將低光實現高轉換，會盡量降低浮動擴散點的電容，而增加一個大電容，從而實現高動態范圍，就是要降低高轉換因子的電容Cfd，增加額外電容C2。

但是，由于現有技術中需要通過在浮動擴散點與復位管之間添加一個晶體管的方式，實現在該處增加一個并聯的電容，從而造成圖像傳感器制造成本高、版圖設計繁瑣等問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種CMOS圖像傳感器像素結構的形成方法，以解決由于小像素圖像傳感器像素結構中浮動擴散點的總電容比較高，導致小像素圖像傳感器像素結構的動態范圍低的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種CMOS圖像傳感器像素結構，包括：

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像素單元；

光電二極管，位于每個所述像素單元對應的半導體襯底中；

浮動擴散點，位于用于隔離相鄰所述像素單元的器件隔離結構中；