CN110034146A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
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，所述半导体衬底具有光电感应单元；多个第一光电二极管，位于所述光电感应单元内，且围绕所述光电感应单元的中心轴分布；控制栅极，位于所述光电感应单元，所述控制栅极自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸；多个浮置扩散区，在浮置区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布；多个第二光电二极管，在光电区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述第二光电二极管与所述浮置扩散区一一对应。本发明方案有机会选择适当的光电二极管以改变光电转换的灵敏度，提高传感器的动态范围，更好地适应不同光线的需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)器件为例，由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。
在形成现有的CIS像素器件的过程中，通常先在半导体衬底内形成光电二极管(Photo Diode，PD)，在半导体衬底的表面形成控制栅极(Gate)，进而在控制栅极的另一侧的半导体衬底内形成浮置扩散区(Floating Diffusion，FD)，其中，相邻的像素器件可以共用该浮置扩散区。
然而，上述CIS的光电二极管的面积与厚度有限，导致产生的载流子不足，影响成像质量，且这种传统结构无法改变图像传感器PD的灵敏度，动态范围(Dynamic range)较低。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，有机会选择适当的光电二极管以改变光电转换的灵敏度，形成高动态范围的CMOS图像传感器，更好地适应不同光线的需求。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有光电感应单元；多个第一光电二极管，位于所述光电感应单元内，且围绕所述光电感应单元的中心轴分布；控制栅极，位于所述光电感应单元，所述控制栅极自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸；多个浮置扩散区，在浮置区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述浮置扩散区与所述第一光电二极管一一对应，所述浮置区域是指所述光电感应单元的围绕所述控制栅极的部分；多个第二光电二极管，在光电区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述第二光电二极管与所述浮置扩散区一一对应，所述光电区域是指所述光电感应单元的围绕所述浮置区域的部分。
可选的，所述的图像传感器还包括：多个传输栅极，位于所述半导体衬底的表面，所述传输栅极与所述第二光电二极管一一对应，每个第二光电二极管位于对应的传输栅极一侧的半导体衬底内，每个第二光电二极管对应的浮置扩散区位于对应的传输栅极另一侧的半导体衬底内。
可选的，所述第一光电二极管的灵敏度低于所述第二光电二极管的灵敏度。
可选的，所述的图像传感器还包括：隔离区，位于所述浮置扩散区与所述第二光电二极管之间；其中，所述隔离区的材料与所述半导体衬底的材料一致。
可选的，所述控制栅极的顶部表面高于或齐平于所述半导体衬底的表面。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电感应单元；在所述光电感应单元内形成多个第一光电二极管，所述多个第一光电二极管围绕所述光电感应单元的中心轴分布；在所述光电感应单元形成控制栅极，所述控制栅极自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸；形成多个浮置扩散区以及多个第二光电二极管，所述多个浮置扩散区在浮置区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述浮置扩散区与所述第一光电二极管一一对应，所述浮置区域是指所述光电感应单元的围绕所述控制栅极的部分，所述多个第二光电二极管在光电区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述多个第二光电二极管与所述多个浮置扩散区一一对应，所述光电区域是指所述光电感应单元的围绕所述浮置区域的部分。
可选的，所述的图像传感器的形成方法还包括：在所述半导体衬底的表面形成多个传输栅极，每个第二光电二极管位于对应的传输栅极一侧的半导体衬底内，每个第二光电二极管对应的浮置扩散区位于对应的传输栅极另一侧的半导体衬底内。
可选的，在所述半导体衬底的表面形成多个传输栅极包括：在所述半导体衬底的表面形成传输栅极介质层；在所述传输栅极介质层的表面形成传输栅极材料层；对所述传输栅极材料层以及所述传输栅极介质层进行刻蚀，以形成所述多个传输栅极。
可选的，在所述光电感应单元形成控制栅极包括：在所述光电感应单元内形成控制栅极沟槽，所述控制栅极沟槽自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸，且所述控制栅极沟槽的底部暴露出每个所述第一光电二极管的一部分；在所述控制栅极沟槽内形成隔离薄膜，所述隔离薄膜覆盖所述控制栅极沟槽的底部和侧壁；在所述隔离薄膜的表面以及所述半导体衬底的表面形成栅极材料层；对所述栅极材料层以及所述隔离薄膜进行平坦化，以形成传输栅极并暴露出所述半导体衬底的表面，且所述传输栅极的表面齐平于所述半导体衬底的表面。
可选的，在所述光电感应单元形成控制栅极包括：在所述光电感应单元内形成控制栅极沟槽，所述控制栅极沟槽自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸，且所述控制栅极沟槽的底部暴露出所述光电二极管组中每个光电二极管的一部分；在所述控制栅极沟槽内形成隔离薄膜，所述隔离薄膜覆盖所述控制栅极沟槽的底部和侧壁；在所述隔离薄膜的表面以及所述半导体衬底的表面形成栅极材料层；对所述栅极材料层以及所述隔离薄膜进行刻蚀，以形成传输栅极并暴露出所述半导体衬底的表面，且所述传输栅极的表面高于所述半导体衬底的表面。
可选的，所述形成多个浮置扩散区以及多个第二光电二极管包括：在所述半导体衬底的表面形成图形化的第一掩膜层，所述第一掩膜层暴露出所述浮置扩散区在所述半导体衬底表面占据的区域；以所述第一掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行第一离子注入，以形成所述浮置扩散区；在所述半导体衬底的表面形成图形化的第二掩膜层，所述第二掩膜层暴露出所述第二光电二极管在所述半导体衬底表面占据的区域；以所述第二掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成所述第二光电二极管。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例中，提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有光电感应单元；多个第一光电二极管，位于所述光电感应单元内，且围绕所述光电感应单元的中心轴分布；控制栅极，位于所述光电感应单元，所述控制栅极自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸；多个浮置扩散区，在浮置区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述浮置扩散区与所述第一光电二极管一一对应，所述浮置区域是指所述光电感应单元的围绕所述控制栅极的部分；多个第二光电二极管，在光电区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述第二光电二极管与所述浮置扩散区一一对应，所述光电区域是指所述光电感应单元的围绕所述浮置区域的部分。采用上述方案，通过设置多个第一光电二极管以及多个第二光电二极管，且多个第二光电二极管在光电区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述第二光电二极管与所述浮置扩散区一一对应，相比于现有技术中，仅在半导体衬底设置一层光电二极管，受到光电二极管的面积限制，难以形成足够的光生载流子，采用本发明实施例的方案，由于设置两部分光电二极管，可以在需要时，通过利用第二光电二极管，有机会选择适当的光电二极管以改变光电转换的灵敏度，形成高动态范围的图像传感器，更好地适应不同光线的需求。
进一步，所述图像传感器还包括多个传输栅极，所述传输栅极与所述第二光电二极管一一对应，每个第二光电二极管位于对应的传输栅极一侧的半导体衬底内，每个第二光电二极管对应的浮置扩散区位于对应的传输栅极另一侧的半导体衬底内，采用本发明实施例的方案，可以通过控制传输栅极，选择仅使用第一光电二极管，相当于利用低灵敏度的光电二极管，在强光时生成较少的载流子，不易发生高光溢出(blooming)效应，从而提高强光时的成像效果；还可以通过控制传输栅极，选择同时使用第一光电二极管以及第二光电二极管，相当于利用高灵敏度的光电二极管，在弱光时生成较多的载流子，从而提高弱光时的成像效果。也即通过可变的光电二极管有效地调整了图像传感器在不同光线下的灵敏度，提高图像传感器的动态范围。
进一步地，所述第一光电二极管的灵敏度可以低于所述第二光电二极管的灵敏度，从而可以在强光时，仅开启低灵敏度的第一光电二极管，更有效地避免强光时的过曝；而在弱光时，开启低灵敏度的第一光电二极管和高灵敏度的第二光电二极管，更有效地避免弱光时的信号不足。
附图说明
图1是现有技术中一种图像传感器的器件剖面结构示意图；
图2是本发明实施例中一种图像传感器的俯视图；
图3是本发明实施例中一种图像传感器的仰视图；
图4是本发明实施例中一种图像传感器的器件剖面结构示意图；
图5是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图；
图6至图13是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
在形成现有的CIS像素器件的过程中，通常先在半导体衬底内形成光电二极管，在半导体衬底的表面形成控制栅极，进而在控制栅极的另一侧的半导体衬底内形成浮置扩散区，其中，相邻的像素器件可以共用该浮置扩散区。
这种传统结构无法改变图像传感器PD的灵敏度，进而提高动态范围。在现有的一种改进方案中，为了提高图像传感器的动态范围，采用堆叠的方式，将两片晶圆通过键合(Bonding)形式结合起来，两片晶圆中分别形成有不同灵敏度的图像传感器，进而根据入射光的强度选择图像传感器进行使用。
参照图1，图1是现有技术中一种图像传感器的器件剖面结构示意图。所述图像传感器可以包括第一半导体衬底101以及第二半导体衬底111。所述第一半导体衬底101与所述第二半导体衬底111相互键合。其中，箭头所示的方向为入射光的入射方向。
其中，所述第一半导体衬底101内具有光电二极管102，所述第一半导体衬底101的表面形成有金属互连结构105；所述第二半导体衬底111内具有光电二极管112，所述第二半导体衬底111的表面形成有金属互连结构115。
其中，所述第一半导体衬底101内的光电二极管102的灵敏度可以低于所述第二半导体衬底111内的光电二极管112的灵敏度。
所述图像传感器还包括介质层120、滤色镜(Color Filter)结构130以及透镜结构140。其中，所述介质层120位于所述第二半导体衬底111的表面，所述滤色镜结构130位于所述介质层120的表面，所述透镜结构140位于所述滤色镜结构130的表面。
在具体实施中，对于蓝光等波长较短的入射光，还可以对蓝光滤色镜下方的介质层120进行加厚，以降低蓝光滤色镜下方的光电二极管112的厚度，从而减少对蓝光的吸收，提高成像质量。
本发明的发明人经过研究发现，在图1示出的现有技术中，可以在弱光或者正常光强下采用第二半导体衬底111内的高灵敏度光电二极管112采集图像，并且采用第一半导体衬底101内的低灵敏度光电二极管102接收通过第二半导体衬底111的未吸收的入射光。强光条件下，仅使用第一半导体衬底101内的低灵敏度光电二极管102采集图像，然而这种堆叠式结构制作工艺较复杂，成本较高。
在本发明实施例中，提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有光电感应单元；多个第一光电二极管，位于所述光电感应单元内，且围绕所述光电感应单元的中心轴分布；控制栅极，位于所述光电感应单元，所述控制栅极自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸；多个浮置扩散区，在浮置区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述浮置扩散区与所述第一光电二极管一一对应，所述浮置区域是指所述光电感应单元的围绕所述控制栅极的部分；多个第二光电二极管，在光电区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述第二光电二极管与所述浮置扩散区一一对应，所述光电区域是指所述光电感应单元的围绕所述浮置区域的部分。采用上述方案，通过设置多个第一光电二极管以及多个第二光电二极管，且多个第二光电二极管在光电区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述第二光电二极管与所述浮置扩散区一一对应，相比于现有技术中，仅在半导体衬底设置一层光电二极管，受到光电二极管的面积限制，难以形成不同灵敏度的光电二极管组，或是采用堆叠式结构导致制作工艺较复杂，成本较高，采用本发明实施例的方案，由于设置两部分光电二极管，可以在需要时，通过利用第二光电二极管，有机会选择适当的浮置扩散区以改变光电转换的灵敏度，达到高动态范围，更好地适应不同光线的需求。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
结合参照图2、图3以及图4，图2是本发明实施例中一种图像传感器的俯视图，图3是本发明实施例中一种图像传感器的仰视图，图4是本发明实施例中一种图像传感器的器件剖面结构示意图。
所述图像传感器可以包括半导体衬底200、多个第一光电二极管210、控制栅极230、多个浮置扩散区240以及多个第二光电二极管212，还可以包括隔离区域以及传输栅极202。
其中，所述隔离区域可以包括第一隔离区221、第二隔离区244以及隔离薄膜232。其中，所述第一隔离区221可以用于对相邻的第一光电二极管210进行隔离，所述第二隔离区244可以用于对浮置扩散区240以及第二光电二极管212进行隔离，所述隔离薄膜232可以作为所述控制栅极230的栅介质层。
需要指出的是，所述半导体衬底200内可以有多个光电感应单元(Cell)，图2以及图3示出的图像传感器即可以视为单个光电感应单元。其中，所述光电感应单元可以表示图像传感器的最小重复单元，用于实现从第一光电二极管210和第二光电二极管212传输光生载流子至对应的浮置扩散区240。
在具体实施中，所述多个第一光电二极管210可以位于所述光电感应单元内，且围绕所述光电感应单元的中心轴分布。
需要指出的是，在图2中采用四个第一光电二极管210进行示例，然而在本发明实施例中，并不对光电二极管210的数量进行限制。
进一步地，所述第一光电二极管210可以围绕所述光电感应单元的中心轴均匀分布，从而使每个第一光电二极管210、浮置扩散区240的面积均匀，提高形成光生载流子以及存储光生载流子的均匀性，从而提高成像质量。
在具体实施中，所述控制栅极230可以位于所述光电感应单元，所述控制栅极230自所述半导体衬底200表面沿所述中心轴向所述半导体衬底200内部延伸。
在具体实施中，可以在控制栅极230与半导体衬底200之间设置有隔离薄膜232，作为所述控制栅极230的栅介质层，从而使得所述控制栅极230与所述隔离薄膜232接触，所述隔离薄膜232与各个第一光电二极管210接触。
需要指出的是，如图4所示，所述控制栅极230的底部与所述第一隔离区221形成沟道的阈值电压为Vt2，所述控制栅极230的侧壁与所述半导体衬底200形成沟道的阈值电压为Vt1，所述Vt2＞Vt1。
在本发明实施例中，通过设置Vt2＞Vt1，可以避免在通过控制栅极230开启第一光电二极管210与浮置扩散区之间的沟道时，只要满足较小值Vt1就能开启，避免导致第一光电二极管210之间的沟道被误开启，导致电学串扰。
多个浮置扩散区240，在浮置区域A围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述浮置扩散区240与所述第一光电二极管210一一对应，所述浮置区域A是指所述光电感应单元的围绕所述控制栅极230的部分。
多个第二光电二极管212，在光电区域B围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述第二光电二极管212与所述浮置扩散区240一一对应，所述光电区域B是指所述光电感应单元的围绕所述浮置区域A的部分。
在本发明实施例中，通过设置多个第一光电二极管210以及多个第二光电二极管212，且多个第二光电二极管212在光电区域B围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述第二光电二极管212与所述浮置扩散区240一一对应，相比于现有技术中，仅在半导体衬底设置一层光电二极管，受到光电二极管的面积限制，难以形成不同灵敏度的光电二极管组，或是采用堆叠式结构导致制作工艺较复杂，成本较高，采用本发明实施例的方案，由于设置两部分光电二极管，可以在需要时，通过利用第二光电二极管212，有机会选择适当的光电二极管以改变光电转换的灵敏度，提供传感器的动态范围，更好地适应不同光线的需求。
进一步地，在本发明实施例中，所述的图像传感器还可以包括多个传输栅极202，位于所述半导体衬底200的表面，所述传输栅极202与所述第二光电二极管212一一对应，每个第二光电二极管212位于对应的传输栅极202一侧的半导体衬底200内，每个第二光电二极管212对应的浮置扩散区240位于对应的传输栅极202另一侧的半导体衬底200内。
其中，所述传输栅极202用于在上电时，使所述浮置扩散区240和对应的第二光电二极管212之间的沟道开启。
在本发明实施例中，可以通过控制传输栅极202，选择仅使用第一光电二极管210，相当于利用低灵敏度的光电二极管，在强光时生成较少的载流子，避免高光溢出效应的发生，从而提高强光时的成像效果；还可以通过控制传输栅极202，选择同时使用第一光电二极管210以及第二光电二极管212，相当于利用高灵敏度的光电二极管，在弱光时生成较多的载流子，从而提高弱光时的成像效果。也即通过可变的光电二极管有效地调整了图像传感器在不同光线下的灵敏度，提供传感器的动态范围。
进一步地，所述第一光电二极管210的灵敏度可以低于所述第二光电二极管212的灵敏度。
在本发明实施例中，可以在强光时，仅开启低灵敏度的第一光电二极管210，更有效地避免强光时的过曝；而在弱光时，开启低灵敏度的第一光电二极管210和高灵敏度的第二光电二极管212，更有效地避免弱光时的信号不足。
进一步地，所述控制栅极230的顶部表面可以高于或齐平于所述半导体衬底200的表面。
具体地，可以采用刻蚀工艺或者平坦化工艺形成所述控制栅极230，以使所述控制栅极230的顶部表面可以高于或齐平于所述半导体衬底200的表面。
在本发明实施例中，可以根据具体需求以及所述图像传感器的其他器件，选择所述控制栅极230的顶部的高度，从而有助于降低图像传感器的设计复杂度和工艺难度。
进一步地，所述图像传感器还包括：隔离区244，位于所述浮置扩散区240与所述第二光电二极管212之间。
具体地，可以采用半导体衬底200作为所述浮置扩散区240与所述第二光电二极管212之间的隔离，还可以在形成浮置扩散区240与所述第二光电二极管212之后，采用离子注入的方法形成所述隔离区244。
更具体地，采用半导体衬底200作为所述浮置扩散区240与所述第二光电二极管212之间的隔离，有助于降低工艺复杂度，然而需要浮置扩散区240与所述第二光电二极管212之间具有足够的距离；采用离子注入的方法形成所述隔离区244，有助于在较小的距离内实现较好的隔离效果，然而增加工艺成本。
在本发明实施例中，可以根据具体的精度需求以及工艺难易程度，选择采用哪种方式实现浮置扩散区240与所述第二光电二极管212之间的隔离，从而有助于在降低工艺难度和提高隔离效果之间寻求平衡。
本发明实施例还公开了一种图像传感器的形成方法。
参照图5，图5是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。所述图像传感器的形成方法可以包括步骤S21至步骤S24：
步骤S21：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电感应单元；
步骤S22：在所述光电感应单元内形成多个第一光电二极管，所述多个第一光电二极管围绕所述光电感应单元的中心轴分布；
步骤S23：在所述光电感应单元形成控制栅极，所述控制栅极自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸；
步骤S24：形成多个浮置扩散区以及多个第二光电二极管，所述多个浮置扩散区在浮置区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述浮置扩散区与所述第一光电二极管一一对应，所述浮置区域是指所述光电感应单元的围绕所述控制栅极的部分，所述多个第二光电二极管在光电区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述多个第二光电二极管与所述多个浮置扩散区一一对应，所述光电区域是指所述光电感应单元的围绕所述浮置区域的部分。
下面结合图6至图13对上述各个步骤进行说明。
图6至图13是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图6，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200内具有光电感应单元，在所述光电感应单元内形成多个第一光电二极管210，所述多个第一光电二极管210围绕所述光电感应单元的中心轴分布。
在具体实施中，所述半导体衬底200可以为硅衬底，或者所述半导体衬底200的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于图像传感器的材料，所述半导体衬底200还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底，或者是生长有外延层(Epitaxy layer，Epi layer)的衬底。优选地，所述半导体衬底200可以为轻掺杂的半导体衬底，且掺杂类型与漏区相反。具体地，可以通过向所述半导体衬底200进行离子注入，实现深阱掺杂(Deep Well Implant)。
进一步地，可以形成第一掩膜层261，以所述第一掩膜层261为掩膜，在所述光电感应单元内形成多个第一光电二极管210。
其中，所述第一掩膜层261暴露出待形成第一光电二极管210的区域，并遮挡多个第一光电二极管210之间的待隔离区域。
需要指出的是，在本发明实施例的另一种具体实施方式中，还可以在所述待隔离区域中一并注入第一光电二极管210的掺杂离子。所述第一掩膜层261可以暴露出待形成第一光电二极管210的区域以及多个第一光电二极管210之间的待隔离区域，然后在后续工艺中，通过离子注入的方式在第一光电二极管210中形成隔离区。
优选地，所述第一光电二极管210的注入离子可以为N型离子，例如可以选自：P、As以及Sb。
在本发明实施例中，通过设置第一光电二极管210的注入离子为N型离子，可以设置图像传感器的主要载流子为电子，提高运算速度。
参照图7，形成第二掩膜层262，以所述第二掩膜层262为掩膜，采用离子注入工艺，在所述光电感应单元内形成第一隔离区221。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，所述第一隔离区221还可以采用(DeepTrench Isolation，DTI)结构。具体而言，可以先采用刻蚀工艺形成深沟槽，再采用沉积工艺向所述深沟槽内填充介质层，以形成所述DTI结构。
需要指出的是，在本发明实施例的又一种具体实施方式中，所述半导体衬底200中预先注入了与所述第一光电二极管210不同类型的掺杂离子，因此具有隔离效果，此时可以设置为仅通过离子注入形成第一光电二极管210，而相邻的第一光电二极管210之间采用具有隔离效果的半导体衬底200进行隔离，可以理解的是，需要在第一光电二极管210之间保留预设距离的安全区域。
参照图8，在所述光电感应单元内形成控制栅极沟槽231，所述控制栅极沟槽231自所述半导体衬底200表面沿所述中心轴向所述半导体衬底200内部延伸，且所述控制栅极沟槽231的底部暴露出每个所述第一光电二极管210的一部分。
参照图9，在所述控制栅极沟槽231(参照图8)内形成隔离薄膜232，所述隔离薄膜232覆盖所述控制栅极沟槽231的底部和侧壁，在所述隔离薄膜232的表面形成控制栅极230。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，先在所述隔离薄膜232的表面以及所述半导体衬底200的表面形成栅极材料层，然后对所述栅极材料层以及所述隔离薄膜232进行平坦化，以形成控制栅极230并暴露出所述半导体衬底200的表面，且所述控制栅极230的表面齐平于所述半导体衬底200的表面。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，先在所述隔离薄膜232的表面以及所述半导体衬底200的表面形成栅极材料层，然后对所述栅极材料层以及所述隔离薄膜232进行刻蚀，以形成控制栅极230并暴露出所述半导体衬底200的表面，且所述控制栅极230的表面高于所述半导体衬底200的表面。
在本发明实施例中，可以根据具体需求以及所述图像传感器的其他器件，选择所述控制栅极230的顶部的高度，从而有助于降低图像传感器的设计复杂度和工艺难度。
参照图10，在所述半导体衬底200的表面形成图形化的第三掩膜层263，所述第三掩膜层263暴露出所述浮置扩散区240在所述半导体衬底200表面占据的区域。然后以所述第三掩膜层263为掩膜，对所述半导体衬底200进行第三离子注入，以形成浮置扩散区240。
参照图11，在所述半导体衬底200的表面形成图形化的第四掩膜层264，所述第四掩膜层264暴露出所述第二光电二极管212在所述半导体衬底200表面占据的区域，以所述第四掩膜层264为掩膜，对所述半导体衬底200进行第四离子注入，以形成第二光电二极管212。
需要指出的是，在图11示出的图像传感器中，所述浮置扩散区240与所述第二光电二极管212之间的隔离为半导体衬底200，有助于降低工艺复杂度，可以理解的是，需要浮置扩散区240与所述第二光电二极管212之间具有足够的距离。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，还可以在形成浮置扩散区240与所述第二光电二极管212之后，采用离子注入的方法形成隔离区。
参照图12，在所述半导体衬底200的表面形成图形化的第五掩膜层265，所述第五掩膜层265暴露出浮置扩散区240与所述第二光电二极管212之间的隔离区域。然后以所述第五掩膜层265为掩膜，对所述半导体衬底200进行第五离子注入，以形成隔离区244。
需要指出的是，在图12示出的图像传感器中，采用离子注入的方法形成所述隔离区244，有助于在较小的距离内实现较好的隔离效果，可以理解的是，由于增加了离子注入的工艺步骤，需要增加工艺成本。
参照图13，在所述半导体衬底200的表面形成多个传输栅极202，每个第二光电二极管212位于对应的传输栅极202一侧的半导体衬底200内，每个第二光电二极管212对应的浮置扩散区240位于对应的传输栅极202另一侧的半导体衬底200内。
其中，在所述半导体衬底200的表面形成多个传输栅极202的步骤可以包括：在所述半导体衬底200的表面形成传输栅极介质层；在所述传输栅极介质层的表面形成传输栅极材料层；对所述传输栅极材料层以及所述传输栅极介质层进行刻蚀，以形成所述多个传输栅极202。也即在图13示出的器件中，所述传输栅极202还包含与所述半导体衬底200之间的传输栅极介质层。
在本发明实施例中，通过设置多个第一光电二极管210以及多个第二光电二极管212，且多个第二光电二极管212在光电区域B围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述第二光电二极管212与所述浮置扩散区240一一对应，相比于现有技术中，仅在半导体衬底设置一层光电二极管，受到光电二极管的面积限制，难以形成不同灵敏度的光电二极管组，或是采用堆叠式结构导致制作工艺较复杂，成本较高，采用本发明实施例的方案，由于设置两部分光电二极管，可以在需要时，通过利用第二光电二极管212，有机会选择适当的光电二极管以改变光电转换的灵敏度，提高传感器的动态范围，更好地适应不同光线的需求。
需要指出的是，所述浮置扩散区240的形状还可以为方形，传输栅极202与所述多个第二光电二极管212一一对应，每个第二光电二极管212位于对应的传输栅极202一侧的半导体衬底200内，每个第二光电二极管212对应的浮置扩散区240位于对应的传输栅极202另一侧的半导体衬底200内。
需要指出的是，通过采用环形的浮置扩散区240，相比于采用边缘为矩形的浮置扩散区240，有助于降低边缘效应。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (11)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有光电感应单元；
多个第一光电二极管，位于所述光电感应单元内，且围绕所述光电感应单元的中心轴分布；
控制栅极，位于所述光电感应单元，所述控制栅极自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸；
多个浮置扩散区，在浮置区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述浮置扩散区与所述第一光电二极管一一对应，所述浮置区域是指所述光电感应单元的围绕所述控制栅极的部分；
多个第二光电二极管，在光电区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述第二光电二极管与所述浮置扩散区一一对应，所述光电区域是指所述光电感应单元的围绕所述浮置区域的部分。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
多个传输栅极，位于所述半导体衬底的表面，所述传输栅极与所述第二光电二极管一一对应，每个第二光电二极管位于对应的传输栅极一侧的半导体衬底内，每个第二光电二极管对应的浮置扩散区位于对应的传输栅极另一侧的半导体衬底内。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
所述第一光电二极管的灵敏度低于所述第二光电二极管的灵敏度。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
隔离区，位于所述浮置扩散区与所述第二光电二极管之间；
其中，所述隔离区的材料与所述半导体衬底的材料一致。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
所述控制栅极的顶部表面高于或齐平于所述半导体衬底的表面。
6.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电感应单元；
在所述光电感应单元内形成多个第一光电二极管，所述多个第一光电二极管围绕所述光电感应单元的中心轴分布；
在所述光电感应单元形成控制栅极，所述控制栅极自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸；
形成多个浮置扩散区以及多个第二光电二极管，所述多个浮置扩散区在浮置区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述浮置扩散区与所述第一光电二极管一一对应，所述浮置区域是指所述光电感应单元的围绕所述控制栅极的部分，所述多个第二光电二极管在光电区域围绕所述光电感应单元的中心轴分布，所述多个第二光电二极管与所述多个浮置扩散区一一对应，所述光电区域是指所述光电感应单元的围绕所述浮置区域的部分。
7.根据权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括：
在所述半导体衬底的表面形成多个传输栅极，每个第二光电二极管位于对应的传输栅极一侧的半导体衬底内，每个第二光电二极管对应的浮置扩散区位于对应的传输栅极另一侧的半导体衬底内。
8.根据权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述半导体衬底的表面形成多个传输栅极包括：
在所述半导体衬底的表面形成传输栅极介质层；
在所述传输栅极介质层的表面形成传输栅极材料层；
对所述传输栅极材料层以及所述传输栅极介质层进行刻蚀，以形成所述多个传输栅极。
9.根据权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述光电感应单元形成控制栅极包括：
在所述光电感应单元内形成控制栅极沟槽，所述控制栅极沟槽自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸，且所述控制栅极沟槽的底部暴露出每个所述第一光电二极管的一部分；
在所述控制栅极沟槽内形成隔离薄膜，所述隔离薄膜覆盖所述控制栅极沟槽的底部和侧壁；
在所述隔离薄膜的表面以及所述半导体衬底的表面形成栅极材料层；
对所述栅极材料层以及所述隔离薄膜进行平坦化，以形成传输栅极并暴露出所述半导体衬底的表面，且所述传输栅极的表面齐平于所述半导体衬底的表面。
10.根据权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述光电感应单元形成控制栅极包括：
在所述光电感应单元内形成控制栅极沟槽，所述控制栅极沟槽自所述半导体衬底表面沿所述中心轴向所述半导体衬底内部延伸，且所述控制栅极沟槽的底部暴露出所述光电二极管组中每个光电二极管的一部分；
在所述控制栅极沟槽内形成隔离薄膜，所述隔离薄膜覆盖所述控制栅极沟槽的底部和侧壁；
在所述隔离薄膜的表面以及所述半导体衬底的表面形成栅极材料层；
对所述栅极材料层以及所述隔离薄膜进行刻蚀，以形成传输栅极并暴露出所述半导体衬底的表面，且所述传输栅极的表面高于所述半导体衬底的表面。
11.根据权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述形成多个浮置扩散区以及多个第二光电二极管包括：
在所述半导体衬底的表面形成图形化的第一掩膜层，所述第一掩膜层暴露出所述浮置扩散区在所述半导体衬底表面占据的区域；
以所述第一掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行第一离子注入，以形成所述浮置扩散区；
在所述半导体衬底的表面形成图形化的第二掩膜层，所述第二掩膜层暴露出所述第二光电二极管在所述半导体衬底表面占据的区域；
以所述第二掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成所述第二光电二极管。
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Effective date of registration: 20230714 Address after: 223001 Room 318, Building 6, east of Zhenda Steel Pipe Company, south of Qianjiang Road, Huaiyin District, Huai'an City, Jiangsu Province Patentee after: Huaian Xide Industrial Design Co.,Ltd. Address before: No. 599, East Changjiang Road, Huaiyin District, Huai'an City, Jiangsu Province Patentee before: HUAIAN IMAGING DEVICE MANUFACTURER Corp. |
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