CN110047861B - 图像传感器及其形成方法和操作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及图像传感器及其形成方法和操作方法。图像传感器包括衬底和像素单元。每个像素单元包括栅极结构、彼此分离地设置在衬底中邻近上表面处的多个浮置扩散区、彼此分离地设置在多个浮置扩散区下方的多个光电二极管、以及设置在浮置扩散区与光电二极管之间的第一沟道形成区。每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，二者都与栅极电介质层接触并且由间隔区分离，第二沟道形成区设置在间隔区中。第一沟道形成区包括与浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区分别对应的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区。第一子沟道形成区的阈值电压小于第二沟道形成区的阈值电压，并且二者都小于第二子沟道形成区的阈值电压。

Description

图像传感器及其形成方法和操作方法
技术领域
本公开涉及半导体领域，具体来说，涉及图像传感器及其形成方法和操作方法。
背景技术
图像传感器是能够对辐射(例如，光辐射，包括但不限于可见光、红外线、紫外线等)进行感测并由此生成相应的电子信号的功能器件。图像传感器被广泛地应用于各种需要对辐射进行感测的电子产品中。
本领域中一直存在对于具有高动态范围的图像传感器的需求。
发明内容
本公开的一个目的是提供一种新颖的图像传感器及其形成方法和操作方法。
根据本公开的一个方面，提供了一种图像传感器，其包括衬底以及设置在衬底中的至少一个像素单元。每个像素单元包括：栅极结构，包括嵌入在衬底中的栅极以及设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面的栅极电介质层；多个浮置扩散区，彼此分离地设置在衬底中邻近上表面处，所述多个浮置扩散区围绕栅极结构并且与栅极电介质层接触；多个光电二极管，彼此分离地设置在衬底中，所述多个光电二极管与所述多个浮置扩散区一一对应地设置在所述多个浮置扩散区下方并且与栅极电介质层接触，其中，所述多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，并且所述多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；以及多个第一沟道形成区，每个第一沟道形成区设置在相应的一个浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间，并且具有第二掺杂类型。每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都与栅极电介质层接触并且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区由间隔区分离，第二沟道形成区设置在间隔区中并具有第二掺杂类型。另外，每个第一沟道形成区包括与相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区分别对应的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区。并且，在第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区中形成沟道的阈值电压分别为第一阈值电压、第二阈值电压和第三阈值电压，并且第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于形成上述图像传感器的方法，其包括提供衬底以及在衬底中形成至少一个像素单元。形成每个像素单元包括：在衬底中形成彼此分离的多个光电二极管，所述多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；在衬底中形成栅极结构，栅极结构包括嵌入在衬底中的栅极以及设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面的栅极电介质层，其中，栅极电介质层与所述多个光电二极管的第一区域接触；在衬底中邻近上表面处形成彼此分离并且围绕栅极结构的多个浮置扩散区，所述多个浮置扩散区与所述多个光电二极管一一对应地设置在所述多个光电二极管上方并且与栅极电介质层接触，其中，所述多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都与栅极电介质层接触并且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区由间隔区分离。在每个浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间都分别设置有具有第二掺杂类型的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区，在每个间隔区中设置有具有第二掺杂类型的第二沟道形成区，并且在第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区中形成沟道的阈值电压分别为第一阈值电压、第二阈值电压和第三阈值电压，并且第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压。
根据本公开的另一个方面，提供了一种上述图像传感器的操作方法，包括对栅极施加大于第一阈值电压且小于第三阈值电压的电压，使得沟道形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区中，从而将相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，并且在第二子沟道形成区和第二沟道形成区中不形成沟道，从而将相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区彼此电隔离。该操作方法还包括：对栅极施加大于第三阈值电压且小于第二阈值电压的电压，使得沟道分别形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区和第二沟道形成区中，从而将相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通且第一子浮置扩散区与第二子浮置扩散区导通，并且在第二子沟道形成区中不形成沟道，从而将相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据以下详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1A示意性地示出了根据本公开的实施例的图像传感器的俯视图；
图1B示意性地示出了图1A中所示的图像传感器的沿着图1A中的线1B-1B截取的截面图；
图1C意性地示出了图1A中所示的图像传感器的沿着图1A中的线1C-1C截取的截面图；
图1D示意性地示出了图1B中所示的图像传感器的沿着图1B中的线1D-1D截取的截面图；
图1E示意性地示出了图1B中所示的图像传感器的沿着图1B中的线1E-1E截取的截面图；
图1F示意性地示出了图1B中所示的图像传感器的沿着图1B中的线1F-1F截取的截面图；
图2示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的图像传感器的俯视图；
图3示意性地示出了根据本公开的另一个实施例的图像传感器的俯视图；
图4示出了根据本公开的实施例的图像传感器的形成方法的示例流程图；以及
图5A至图5H示意性地示出了与图4所示的方法的部分步骤对应的图像传感器的示意性剖视图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
还应注意的是，对于数字标号相同而跟随在数字标号后面的字母和数字不同的那些附图标记，其表示的是具有相同、对称和类似结构的不同部件。当只引用这些附图标记所共有的数字标号时，表示共同地引用具有该数字标号和不同字母的所有附图标记。例如，图1A中使用了附图标记106a1、106a2、106b1和106b2等，则当提及附图标记106时，表示所有包含数字标号106以及跟随在后面的不同字母和数字的附图标记106a1、106a2、106b1和106b2等，当提及附图标记106a时，则表示附图标记106a1和106a2所指代的部件，而当提及附图标记106a1时，则仅表示附图标记106a1所指代的部件。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
另外，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
下面结合图1A至图1F描述根据本公开的实施例的图像传感器100。
图1A示意性地示出了根据本公开的实施例的图像传感器100的俯视图，图1B示意性地示出了图1A中所示的图像传感器的沿着图1A中的线1B-1B截取的截面图，图1C意性地示出了图1A中所示的图像传感器的沿着图1A中的线1C-1C截取的截面图，图1D示意性地示出了图1B中所示的图像传感器的沿着图1B中的线1D-1D截取的截面图，图1E示意性地示出了图1B中所示的图像传感器的沿着图1B中的线1E-1E截取的截面图，并且图1F示意性地示出了图1B中所示的图像传感器的沿着图1B中的线1F-1F截取的截面图。
如图1A所示，图像传感器100可以包括衬底101以及设置在衬底101中的至少一个像素单元。
注意，为了简化附图，图1A中仅示意性地示出了一个像素单元，但本领域技术人员将理解，根据本公开的实施例的图像传感器100可以包括任意数量、以任意形式布置的多个像素单元。
在一些实施例中，衬底101包括但不限于半导体衬底，其可以包括一元半导体材料(诸如，硅或锗等)或化合物半导体材料(诸如碳化硅、硅锗、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟)或其组合。在根据本公开的实施例中，对于衬底没有特别的限制，只要其适于在其中形成用于实现相应功能的部件即可。衬底101的部分或全部还可以掺杂有一定浓度的杂质元素，例如，可以掺杂有N型或者P型的杂质。在下文中，使用“第一掺杂类型”和“第二掺杂类型”来区分不同的掺杂类型。在一些实施例中，第一掺杂类型为N型，第二掺杂类型为P型。在另一些实施例中，第一掺杂类型为P型，第二掺杂类型为N型。
如图1A和图1B所示，每个像素单元可以包括栅极结构103，栅极结构103可以包括嵌入在衬底101中的栅极104以及设置在衬底101中并且围绕栅极104的底面和侧面的栅极电介质层105。
在一些实施例中，当从垂直于衬底101的表面的方向看时，栅极104的形状可以是圆形或矩形等。栅极104的材料可以包括以下之中的一种或多种：多晶硅、掺杂多晶硅(诸如，掺杂有磷离子的多晶硅、掺杂有砷离子的多晶硅、掺杂有锑离子的多晶硅)、金属(例如铜)等。栅极电介质层105的材料可以包括以下之中的一种或多种：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。
如图1A和图1B所示，每个像素单元还可以包括：彼此分离地设置在衬底101中邻近上表面处的多个浮置扩散区106，彼此分离地设置在衬底101中的多个光电二极管102，以及多个第一沟道形成区107。
具体来说，如图1A所示，每个像素单元包括四个子像素单元，即第一子像素单元、第二子像素单元、第三子像素单元和第四子像素单元，分别由字母“a”、“b”、“c”和“d”表示。也就是说，第一子像素单元包括光电二极管102a、浮置扩散区106a和沟道形成区107a，第二子像素单元包括光电二极管102b、浮置扩散区106b和沟道形成区107b，第三子像素单元包括光电二极管102c、浮置扩散区106c和沟道形成区107c，并且第四子像素单元包括光电二极管102d、浮置扩散区106d和沟道形成区107d。第一子像素单元、第二子像素单元、第三子像素单元和第四子像素单元共用一个栅极结构103。
继续参考图1A，多个浮置扩散区106a、106b、106c和106d围绕栅极结构103并且与栅极电介质层105接触。在此基础上，每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都与所述栅极电介质层105接触并且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区由间隔区109分离。例如，浮置扩散区106a包括第一子浮置扩散区106a1和第二子浮置扩散区106a2，二者由间隔区109a分离。对于浮置扩散区106b、106c和106d，同样包括各自的第一子浮置扩散区106b1、106c1、106d1以及各自的第二子浮置扩散区106b2、106c2、106d2，二者由对应的间隔区109b、109c和109d分离。
结合图1B和图1F可以看出，多个光电二极管102a、102b、102c和102d彼此分离地设置在衬底101中，与多个浮置扩散区106a、106b、106c和106d一一对应地设置在多个浮置扩散区下方并且与栅极电介质层105接触。多个浮置扩散区106a、106b、106c和106d具有第一掺杂类型，并且多个光电二极管102a、102b、102c和102d各自包括具有第一掺杂类型的第一区域(图中未示出)。
结合图1B、图1C、图1D和图1E可以看出，多个第一沟道形成区107a、107b、107c和107d彼此分离地围绕栅极结构103并且与栅极电介质层105接触，每个沟道形成区设置在相应的一个浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间，并且具有第二掺杂类型。在此基础上，每个第一沟道形成区包括与相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区分别对应的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区。如图1B和图1C所示，第一沟道形成区107a包括设置在第一子浮置扩散区106a1与相应的光电二极管102a的第一区域之间的第一子沟道形成区107a1，以及设置在第二子浮置扩散区106a2与相应的光电二极管102a的第一区域之间的第二子沟道形成区107a2。类似地，第一沟道形成区107b包括第一子沟道形成区107b1和第二子沟道形成区107b2，第一沟道形成区107c包括第一子沟道形成区107c1和第二子沟道形成区107c2，并且第一沟道形成区107d包括第一子沟道形成区107d1和第二子沟道形成区107d2，在图中没有将它们一一示出。
另外，如图1A、图1D和图1E所示，第二沟道形成区110设置在第一子浮置扩散区与第二子浮置扩散区之间的间隔区109中，并且具有第二掺杂类型。具体来说，第二沟道形成区110a设置在第一子浮置扩散区106a1和106a2之间的间隔区109a中，第二沟道形成区110b设置在第一子浮置扩散区106b1和106b2之间的间隔区109b中，第二沟道形成区110c设置在第一子浮置扩散区106c1和106c2之间的间隔区109c中，并且第二沟道形成区110d设置在第一子浮置扩散区106d1和106d2之间的间隔区109d中。
结合图1A到图1E，可以看出包括第一子沟道形成区和第二子沟道形成区的第一沟道形成区107以及第二沟道形成区110围绕栅极结构103设置，并且分别与栅极电介质层105接触。因此，通过控制对栅极施加的电压，可以控制是否在第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区110中形成沟道，从而控制将第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区110两侧的部件彼此电隔离还是相互导通。具体来说，第一子沟道形成区两侧分别是相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域，第二子沟道形成区的两侧分别是相应的浮置扩散区的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域，而第二沟道形成区两侧分别是相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，并且因此通过控制对栅极施加的电压，可以控制将以上的对应两个区域之间彼此电隔离还是相互导通，由此控制像素单元100的操作。
第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区中形成沟道的阈值电压分别为第一阈值电压Vt1、第二阈值电压Vt2和第三阈值电压Vt3，并且第一阈值电压Vt1、第二阈值电压Vt2和第三阈值电压Vt3被配置为使得第一阈值电压Vt1小于第三阈值电压Vt3且第三阈值电压Vt3小于第二阈值电压Vt2。可以通过以下方式使得第一阈值电压Vt1、第二阈值电压Vt2和第三阈值电压Vt3具有以上关系：控制第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区的掺杂浓度，因为掺杂浓度越高，则阈值电压越高；控制栅极电介质层105与第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区接触的部分的厚度，因为栅极电介质层的厚度越大，则阈值电压越高；改变栅极电介质层105与第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区接触的部分的材料；控制第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区在沟道方向上的长度，因为长度越长，则阈值电压越高；或者上述四种方式的任意组合。即，可以通过调整掺杂浓度、栅极电介质层105的材料和/或调整相应部件的尺寸来容易地确保第一阈值电压Vt1、第二阈值电压Vt2和第三阈值电压Vt3具有以上关系。
例如，如图1B和图1C所示，在衬底的深度方向上(即，沟道方向上)，第一子沟道形成区的长度小于第二子沟道形成区的长度，由此使得第一子沟道形成区的第一阈值电压Vt1小于第二子沟道形成区的第二阈值电压Vt2。另外，第二沟道形成区的长度小于第二子沟道形成区的长度，使得由此使得第三阈值电压Vt3小于第二阈值电压Vt2。另外，第一子沟道形成区的掺杂浓度小于第二沟道形成区的掺杂浓度，并且第二沟道形成区的掺杂浓度小于第二子沟道形成区的掺杂浓度，由此使得第一阈值电压Vt1小于第三阈值电压Vt3且第三阈值电压Vt3小于第二阈值电压Vt2。另外，栅极电介质层的与第一子沟道形成区接触的部分的厚度小于栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的部分的厚度，并且栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的部分的厚度小于栅极电介质层的与第二子沟道形成区接触的部分的厚度，由此使得第一阈值电压Vt1小于第三阈值电压Vt3且第三阈值电压Vt3小于第二阈值电压Vt2。另外，栅极电介质层的与第一子沟道形成区接触的位置处的材料相比于栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的位置处的材料具有更大的介电常数，并且栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的位置处的材料相比于栅极电介质层的与第二子沟道形成区接触的位置处的材料具有更大的介电常数，由此使得第一阈值电压Vt1小于第三阈值电压Vt3且第三阈值电压Vt3小于第二阈值电压Vt2。以上各种调节阈值电压的方式可以相互组合，来获得上述阈值电压之间的关系。
通过以上设置阈值电压的关系，可以按照以下方式对栅极104施加电压。下文中以字母“a”所表示的子像素单元为例进行说明。在栅极104被施加的电压大于第一阈值电压Vt1且小于第三阈值电压Vt3时，沟道形成在第一沟道形成区107a的第一子沟道形成区107a1中，使得浮置扩散区106a的第一子浮置扩散区106a1与相应的光电二极管102a的第一区域导通，并且在第二子沟道形成区107a2和第二沟道形成区110a中不形成沟道，使得第二子浮置扩散区106a2与光电二极管102a的第一区域彼此电隔离且第一子浮置扩散区106a1和第二子浮置扩散区106a2彼此电隔离。在栅极104被施加的电压大于第三阈值电压Vt3且小于第二阈值电压Vt2时，沟道分别形成在每个第一沟道形成区107a的第一子沟道形成区107a1和第二沟道形成区110a中，使得浮置扩散区106a的第一子浮置扩散区106a1与光电二极管102a的第一区域导通且第一子浮置扩散区106a1与第二子浮置扩散区106a2导通，并且在第二子沟道形成区107a2中不形成沟道，使得第二子浮置扩散区106a2与光电二极管102的第一区域彼此电隔离。
由此，可以通过控制对栅极结构103的栅极104施加的电压来按照以上方式控制各个像素中的相应部分之间相互导通还是电隔离。类似地，以字母“b”、“c”和“d”表示的像素的操作与以上操作类似，在此省略对其的描述。
在根据本公开的实施例的图像传感器100中，光电二极管102a、102b、102c和102d中的每个光电二极管用于基于感测到的辐射产生电荷，浮置扩散区106a、106b、106c和106d中的每个浮置扩散区用于存储相应的光电二极管产生的电荷。通过对栅极104施加合适的电压，将相应的浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，从而将相应的光电二极管产生的电荷传输至相应的浮置扩散区中。
具体来说，在栅极104被施加的电压大于第一阈值电压Vt1且小于第三阈值电压Vt3时，如上所述，浮置扩散区106a的第一子浮置扩散区106a1与相应的光电二极管102a的第一区域导通，并且第二子浮置扩散区106a2与光电二极管102a的第一区域彼此电隔离且第一子浮置扩散区106a1和第二子浮置扩散区106a2彼此电隔离。由此，光电二极管102中产生的电荷被传输至第一子浮置扩散区106a1，并且通过第一子浮置扩散区106a1被传输到处理电路。另外，在栅极104被施加的电压大于第三阈值电压Vt3且小于第二阈值电压Vt2时，浮置扩散区106a的第一子浮置扩散区106a1与光电二极管102a的第一区域导通且第一子浮置扩散区106a1与第二子浮置扩散区106a2导通，并且第二子浮置扩散区106a2与光电二极管102的第一区域彼此电隔离。由此，光电二极管102中产生的电荷被传输至第一子浮置扩散区106a1，之后通过第一子浮置扩散区106a1传输到第二子浮置扩散区106a2，并且通过浮置扩散区106a2传输到处理电路。
以上以字母“a”所表示的像素为例进行说明，以字母“b”、“c”和“d”表示的像素的操作与以上操作类似，在此省略对其的描述。
通过以上操作，在栅极104被施加的电压大于第三阈值电压Vt3且小于第二阈值电压Vt2时，第一子浮置扩散区106a1和第二子浮置扩散区106a2都被连接到图像传感器的电路中，由此减小了浮置扩散区的电容，从而增加了图像传感器的灵敏度，从而更适合在较低的环境光强度下进行拍摄。与此不同，在栅极104被施加的电压大于第一阈值电压Vt1且小于第三阈值电压Vt3时，仅第一子浮置扩散区106a1被连接到图像传感器的电路中，由此增加了浮置扩散区的电容，从而增加了浮置扩散区对于来自光电二极管的电荷的存储能力，从而更适合在较高的环境光强度下进行拍摄。因此，根据本公开的实施例的图像传感器的像素单元能够在低环境光强度和高环境光强度两种操作状态之间切换，从而增加了图像传感器的动态范围，获得了一种高动态范围的图像传感器。
在以上优点的基础上，与传统的图像传感器相比，根据本公开的实施例的图像传感器100存在其他优点。
首先，在根据本公开的实施例的图像传感器100中，通过将浮置扩散区与光电二极管在垂直于衬底表面的方向上排列，从而提高了光电二极管的感光面积在整个像素单元的面积中所占的比例。因此，可以增加像素单元的集成度，增加光电二极管和浮置扩散区的尺寸，从而可以进一步提高像素单元的动态范围以及提高信噪比。另外，通过将浮置扩散区和光电二极管分别设置在衬底的两侧，为两者的布置留下了充足的空间和自由度，使得浮置扩散区能够设置的更深而不影响与光电二极管的电连通，从而使得在面积受限的情况下能够设置电荷容量更大的浮置扩散区。另外，在本公开的实施例中，每个像素单元内的像素共用一个栅极结构，可以减少栅极结构的数量，提高了光电二极管的感光面积的比例。通过同步控制像素单元中的每个像素，可以使得图像传感器更易于控制。
根据本公开的实施例的每个像素单元还可以包括多个隔离区108。结合图1A至图1D可以看到，每个像素单元可以设置有多个隔离区108，每个隔离区隔开相邻的两个浮置扩散区、相应的两个沟道形成区和相应的两个光电二极管。例如，隔离区108a隔开相邻的两个浮置扩散区106a、106b、相应的两个沟道形成区107a、107b和相应的两个光电二极管102a、102b，隔离区108b隔开相邻的两个浮置扩散区106b、106c、相应的两个沟道形成区107b、107c和相应的两个光电二极管102b、102c，隔离区108c隔开相邻的两个浮置扩散区106c、106d、相应的两个沟道形成区107c、107d和相应的两个光电二极管102c、102d，并且隔离区108d隔开相邻的两个浮置扩散区106d、106a、相应的两个沟道形成区107d、107a和相应的两个光电二极管102d、102a。隔离区108的阈值电压为第四阈值电压Vt4，并且被配置为大于第一阈值电压Vt1和第三阈值电压Vt3，使得隔离区能够有效防止相邻的光电二极管之间的电连通、相邻的浮置扩散区之间的电连通以及相邻的沟道形成区之间的电连通。
如前所述，像素单元形成在衬底101中的具有第二掺杂类型的有源区中，并且沟道形成区是该有源区的一部分。在一些实施例中，多个隔离区108也可以是该有源区的一部分，即具有第二掺杂类型。在这种情况下，与控制第一阈值电压Vt1、第二阈值电压Vt2和第三阈值电压Vt3的方式类似地控制第四阈值电压Vt4，在此省略对其的描述。
在一些实施例中，每个隔离区还可以包括设置在相邻的两个浮置扩散区之间的第一沟槽隔离结构和/或设置在相邻的两个沟道形成区之间的第二沟槽隔离结构和/或设置在相邻的两个光电二极管之间的第三沟槽隔离结构。第一沟槽隔离结构、第二沟槽隔离结构和/或第三沟槽隔离结构可以是形成在衬底101中的深沟槽隔离。其中第一沟槽隔离结构和第二沟槽隔离结构可以一体地形成，或者第二沟槽隔离结构和第三沟槽隔离结构可以一体地形成。在一个实施例中，第三沟槽隔离结构可以通过从衬底101的背侧向衬底中心蚀刻来形成，并且可以在对衬底进行减薄的步骤之后进行。
在图1A到图1F中示出的图像传感器100中，包括四个子像素单元。本领域技术人员可以明白，图像传感器100中的子像素单元的个数并不局限于四个，而是可以包括一个、二个、三个或五个以上的子像素单元。特别地，当像素单元仅包括一个子像素单元时，可以不具有隔离区108，并且图像传感器100仍然具有上述优点。
另外，本领域技术人员可以理解，虽然在图1A中示出的浮置扩散区106a、106b、106c和106d具有相同的尺寸和形状，但是在其它实施例中，多个浮置扩散区的尺寸和形状可以彼此相同也可以彼此不相同，并且每个浮置扩散区的尺寸和形状可以根据对应该子像素单元的电荷容纳能力的设计需要来灵活设置。本领域技术人员还应理解，尽管图1A中示出的浮置扩散区106a、106b、106c和106d的外围包络线形状呈现为圆形，但在其它实施例中，多个浮置扩散区的外围包络线形状可以是矩形或椭圆形等。
另外，虽然在图1F中示出的光电二极管102a、102b、102c和102d具有相同的尺寸和形状，但是在其它实施例中，多个光电二极管的尺寸和形状可以彼此相同也可以彼此不相同。尽管图1F中示出的光电二极管102a、102b、102c和102d的形状为方形，但在其它实施例中，光电二极管还可以具有其它形状，包括但不限于圆形、扇形等。
本领域技术人员应理解，虽然在图1A中示出的每个浮置扩散区106a、106b、106c和106d分别包括两个子浮置扩散区，但这仅仅是示例性和说明性的，并不意味着对本公开的限制。在其它实施例中，浮置扩散区的数量可以是三个或者更多个。
本领域技术人员可以理解，虽然在图1A中示出的子浮置扩散区106a1和106a2具有相同的面积，但是在其它实施例中，多个子浮置扩散区的面积可以彼此相同也可以彼此不相同，并且每个浮置扩散区的尺寸可以根据电荷容纳能力的设计需要来灵活设置。
图2示意性地示出了图像传感器200的俯视图。与图1A到图1F中示出的部分类似的部分由类似的附图标记表示，并且在这里不再对它们进行具体说明。图2中示出的图像传感器200与图1中示出的图像传感器100的区别在于同一个浮置扩散区中的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区的面积彼此不同。如图2所示，通过改变间隔区109的位置，使得第一子浮置扩散区206a1和第二子浮置扩散区206a2的面积之比例如为2：1。通过设置第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区的面积比，例如可以根据设计需要设置第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区的电容大小，从而调节图像传感器200的动态范围、提高设计的灵活性。
图3示意性地示出了图像传感器300的俯视图。与图1A到图1F中示出的部分类似的部分由类似的附图标记表示，并且在这里不再对它们进行具体说明。图3中示出的图像传感器300与图1中示出的图像传感器100的区别在于同一个浮置扩散区中的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区的形状和面积彼此不同。如图3所示，通过间隔区109的形状，使得在保证第一子浮置扩散区206a1和第二子浮置扩散区206a2分别与栅极电介质层105接触的情况下，进一步提高第一子浮置扩散区206a1和第二子浮置扩散区206a2的面积之比。与上文类似地，通过设置第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区的面积比，例如可以根据设计需要设置第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区的电容大小，从而调节图像传感器300的动态范围、提高设计的灵活性。
下面结合图4以及图5A至图5H描述根据本公开的实施例的图像传感器的形成方法。图4示出了根据本公开的实施例的图像传感器的形成方法的示例流程图，并且图5A至图5H示意性地示出了与图4所示的方法的部分步骤对应的图像传感器的示意性剖视图。其中，图5A至图5H的截面对应于图1B中所示的截面，即，沿着图1B中的线1B-1B截取的截面图。本领域技术人员将理解，结合图4以及图5A至图5H描述的图像传感器的形成方法可以用于形成如图1A-1F中的图形传感器100、如图2中的图像传感器200和如图3中的图像传感器300，因此前述对于图像传感器100、图像传感器200和图像传感器300的相应描述也适用于此。
根据本公开的实施例的图像传感器的形成方法400可以包括步骤S402和步骤S404。在步骤S402处，提供衬底，该衬底可以如以上所讨论的具有第二掺杂类型的有源区(参考图5A的衬底101)。在步骤S404处，在衬底中形成至少一个像素单元。
形成每个像素单元的步骤S404可以包括步骤S4041、步骤S4042、步骤S4043、步骤S4044、步骤S4045和步骤S4046中的部分或全部。在步骤S4041处，在衬底中形成彼此分离的多个光电二极管(参考图5B的光电二极管102)，这些光电二极管102各自包括具有第一掺杂类型的第一区域。第一区域可以通过对衬底的部分进行第一掺杂类型的掺杂处理来形成。此外，还可以对与第一区域相邻的衬底的部分进行第二掺杂类型的掺杂处理来使得光电二极管包括具有第二掺杂类型的第二区域。
在步骤S4042处，在衬底中形成栅极结构，该栅极结构包括嵌入在衬底中的栅极以及设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面的栅极电介质层，其中栅极电介质层与每个光电二极管的第一区域接触。参考图5C-图5E来描述形成栅极结构的过程，该过程包括：如图5C所示，(例如通过蚀刻处理)在衬底101的上表面处形成用于容纳栅极结构的开口13，开口13的部分侧壁和/或部分底壁暴露出每个光电二极管102的第一区域的至少一部分；如图5D所示，形成覆盖开口13的底面和侧面的栅极电介质层105；以及，如图5E所示，在开口13中的栅极电介质层105上形成栅极104。其中，形成开口13的步骤可以包括：在衬底101的表面形成第一掩模层(图中未示出)，该第一掩模层暴露出衬底101的即将用来形成开口13的区域；以第一掩模层为掩模对衬底101进行刻蚀从而形成开口13。刻蚀的工艺包括但不限于干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺。其中，栅极电介质层105的材料的示例包括但不限于氧化硅等，栅极电介质层105的形成工艺包括但不限于化学气相沉积工艺、原子层沉积工艺或者物理气相沉积工艺。其中，当从垂直于衬底101的表面的方向看时，栅极104的形状可以是圆形或矩形等。栅极104的材料的示例可以包括但不限于多晶硅、掺杂多晶硅(诸如，掺杂有磷离子的多晶硅、掺杂有砷离子的多晶硅、掺杂有锑离子的多晶硅)、金属(诸如铜)等，栅极104的形成工艺包括但不限于化学气相沉积工艺、原子层沉积工艺或者物理气相沉积工艺。
可选地，在步骤S4043处，参考图5F，可以通过例如离子注入工艺等在每个光电二极管的第一区域上方与栅极结构相邻的衬底部分处形成具有第二掺杂类型的第一沟道形成区107，使得在第一子沟道形成区中形成沟道的第一阈值电压Vt1小于在第二子沟道形成区中形成沟道的第二阈值电压Vt2。第一沟道形成区107包括第一子沟道形成区和第二子沟道形成区。图5F中示出了第一子沟道形成区107b1和第二子沟道形成区107a2。第一子沟道形成区和第二子沟道形成区可以通过对衬底101的对应区域进行掺杂来形成。例如，可以首先对衬底101进行掺杂来形成第一子沟道形成区，之后再对衬底101进行掺杂来形成第二子沟道形成区。另外，也可以不包括步骤S4043，而是将每个光电二极管的第一区域与之后形成的对应的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区之间的衬底部分分别作为相应的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区。在这种情况下，第一子沟道形成区和第二子沟道形成区之间的阈值电压的差异是通过第一子沟道形成区和第二子沟道形成区的长度的差异来产生的。
在步骤S4044处，参考图5G，在衬底中邻近上表面处形成彼此分离并且围绕栅极结构103的多个浮置扩散区106，这些浮置扩散区106与之前形成的光电二极管102一一对应地设置在光电二极管106上方并且与栅极电介质层105接触。其中，可以通过例如离子注入工艺等使多个浮置扩散区106具有第一掺杂类型。每个浮置扩散区106都包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都与所述栅极电介质层接触。图5G中示出了第一子浮置扩散区106b1和第二子沟道形成区106a2。第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区可以通过对衬底101的对应区域分别进行掺杂来形成。例如，可以首先对衬底101进行掺杂来形成第一子浮置扩散区，之后再对衬底101进行掺杂来形成第二子浮置扩散区。
在步骤S4045处，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区之间形成间隔区109，从而将第二沟道形成区设置在第一子浮置扩散区与第二子浮置扩散区之间的间隔区中，并且在第二沟道形成区中形成沟道的第三阈值电压Vt3大于第一阈值电压Vt1且小于第二阈值电压Vt2。例如，可以通过对衬底101的对应区域进行掺杂来形成间隔区109。由于间隔区109并不在沿着图1A中的线1B-1B截取的截面图中，所以该步骤没有在附图中示出。另外，也可以不包括步骤S4045，而是将第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区之间的衬底部分作为相应的间隔区。在这种情况下，可以通过设置间隔区的尺寸来获得第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区之间的阈值电压的上述关系。
可以在制造过程中通过以下方式使得第一阈值电压Vt1、第二阈值电压Vt2和第三阈值电压Vt3具有以上关系：控制第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区的掺杂浓度，因为掺杂浓度越高，则阈值电压越高；控制栅极电介质层105与第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区接触的部分的厚度，因为栅极电介质层的厚度越大，则阈值电压越高；改变栅极电介质层105与第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区接触的部分的材料；控制第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区在沟道方向上的长度，因为宽度越长，则阈值电压越高；或者上述三种方式的任意组合。
在步骤S4046处，参考图5H，形成多个隔离区108，每个隔离区隔开相邻的两个浮置扩散区、相应的两个沟道形成区以及相应的两个光电二极管。隔离区108的阈值电压为第四阈值电压Vt4，高于第一阈值电压Vt1和第三阈值电压Vt2。虽然图5H只示出了隔离区108a在相邻两个光电二极管102a、102b之间的部分，但是隔离区108a还包括在相邻两个浮置扩散区106a、106b之间的部分和相邻两个沟道形成区107a、107b之间的部分。隔离区能够有效地防止相邻光电二极管之间、相邻沟道形成区之间、相邻浮置扩散区之间的电学串扰。
像素单元可以形成在衬底101中的具有第二掺杂类型的有源区中，并且沟道形成区可以是该有源区的一部分。在一些实施例中，多个隔离区108也可以是该有源区的一部分，即具有第二掺杂类型。在这种情况下，在图像传感器的制造过程中，通过与控制第一阈值电压Vt1、第二阈值电压Vt2和第三阈值电压Vt3的方式类似地控制第四阈值电压Vt4，在此省略对其的描述。
在一些实施例中，形成多个隔离区还可以包括在相邻的两个浮置扩散区之间形成第一沟槽隔离结构和/或在相邻的两个沟道形成区之间形成第二沟槽隔离结构和/或在相邻的两个光电二极管之间形成第三沟槽隔离结构。形成这些沟槽隔离结构的方法可以包括例如首先通过刻蚀形成沟槽然后在沟槽内填充绝缘材料。这可以确保第一阈值电压小于第二阈值电压，从而可以通过向栅极施加适当电压(例如，大于第一阈值并且小于第二阈值)来实现在保持多个浮置扩散区106彼此电隔离、多个光电二极管102彼此电隔离并且多个沟道形成区107彼此电隔离的同时仅使每个浮置扩散区106与相应的一个光电二极管102的第一区域导通。
注意，形成多个隔离区108的步骤可以在任意适当的时间进行，并不受到任何限制。例如，形成多个隔离区108的步骤可以在形成多个光电二极管之前执行，可以在形成多个光电二极管之后执行，可以在形成多个浮置扩散区之前执行，也可以在形成多个浮置扩散区之后执行，等等。当使用包括第一沟槽隔离结构、第二沟槽隔离结构和/或第三沟槽隔离结构的隔离区时，可以在形成第一沟槽隔离结构和第二沟槽隔离结构之后形成浮置扩散区，也可以在形成第三沟槽隔离结构之后形成光电二极管。
本公开的另一个方面涉及上述图像传感器的操作方法。对栅极104施加大于第一阈值电压Vt1且小于第三阈值电压Vt3的电压，使得沟道形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区中，从而将相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，并且在第二子沟道形成区和第二沟道形成区中不形成沟道，从而将相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区彼此电隔离。另外，对栅极104施加大于第三阈值电压Vt3且小于第二阈值电压Vt2的电压，使得沟道分别形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区和第二沟道形成区中，从而将相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通且第一子浮置扩散区与第二子浮置扩散区导通，并且在第二子沟道形成区中不形成沟道，从而将相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离。
通过如上所述地操作根据本公开的实施例的图像传感器，在栅极104被施加的电压大于第三阈值电压Vt3且小于第二阈值电压Vt2时，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都被连接到图像传感器的电路中，由此减小了浮置扩散区的电容，从而增加了图像传感器的灵敏度，从而更适合在较低的环境光强度下进行拍摄。另外，在栅极104被施加的电压大于第一阈值电压Vt1且小于第三阈值电压Vt3时，仅第一子浮置扩散区被连接到图像传感器的电路中，由此增加了浮置扩散区的电容，从而增加了浮置扩散区对于来自光电二极管的电荷的存储能力，从而更适合在较高的环境光强度下进行拍摄。因此，通过如上所述地操作根据本公开的实施例的图像传感器，能够在低环境光强度和高环境光强度两种操作状态之间切换，从而增加了图像传感器的动态范围。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，本文的描述可能提及了被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
另外，本公开的实施例还可以包括以下示例。
1、一种图像传感器，其特征在于，包括：
衬底；以及
设置在衬底中的至少一个像素单元，每个像素单元包括：
栅极结构，包括嵌入在衬底中的栅极以及设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面的栅极电介质层；
多个浮置扩散区，彼此分离地设置在衬底中邻近上表面处，所述多个浮置扩散区围绕栅极结构并且与栅极电介质层接触；
多个光电二极管，彼此分离地设置在衬底中，所述多个光电二极管与所述多个浮置扩散区一一对应地设置在所述多个浮置扩散区下方并且与栅极电介质层接触，其中，所述多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，并且所述多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；以及
多个第一沟道形成区，每个第一沟道形成区设置在相应的一个浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间，并且具有第二掺杂类型，
其中，每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都与栅极电介质层接触并且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区由间隔区分离，第二沟道形成区设置在间隔区中并具有第二掺杂类型，
每个第一沟道形成区包括与相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区分别对应的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区，并且
在第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区中形成沟道的阈值电压分别为第一阈值电压、第二阈值电压和第三阈值电压，并且第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压。
2、根据项目1所述的图像传感器，其特征在于，
在栅极被施加的电压大于第一阈值电压且小于第三阈值电压时，沟道形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区中，使得相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，并且在第二子沟道形成区和第二沟道形成区中不形成沟道，使得相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区彼此电隔离，
在栅极被施加的电压大于第三阈值电压且小于第二阈值电压时，沟道分别形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区和第二沟道形成区中，使得相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通且第一子浮置扩散区与第二子浮置扩散区导通，并且在第二子沟道形成区中不形成沟道，使得相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离。
3、根据项目1所述的图像传感器，其特征在于，通过分别配置第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区的以下至少一个参数来使得第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压：
掺杂浓度、栅极电介质层在相应位置处的厚度、栅极电介质层在相应位置处的材料、以及在沟道方向上的长度。
4、根据项目3所述的图像传感器，其特征在于，第一子沟道形成区的掺杂浓度小于第二子沟道形成区的掺杂浓度，并且第二沟道形成区的掺杂浓度小于第二子沟道形成区的掺杂浓度。
5、根据项目3所述的图像传感器，其特征在于，栅极电介质层的与第一子沟道形成区接触的部分的厚度小于栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的部分的厚度，并且栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的部分的厚度小于栅极电介质层的与第二子沟道形成区接触的部分的厚度。
6、根据项目3所述的图像传感器，其特征在于，栅极电介质层的与第一子沟道形成区接触的位置处的材料相比于栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的位置处的材料具有更大的介电常数，并且栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的位置处的材料相比于栅极电介质层的与第二子沟道形成区接触的位置处的材料具有更大的介电常数。
7、根据项目3所述的图像传感器，其特征在于，在沟道方向上，第一子沟道形成区的长度小于第二沟道形成区的长度，第二沟道形成区的长度小于第二子沟道形成区的长度。
8、根据项目1所述的图像传感器，其特征在于，每个像素单元还包括：
多个隔离区，每个隔离区隔开相邻的两个浮置扩散区、相应的两个沟道形成区以及相应的两个光电二极管，所述多个隔离区的阈值电压为第四阈值电压，第四阈值电压大于第一阈值电压和第三阈值电压。
9、根据项目8所述的图像传感器，其特征在于，
当对栅极施加的电压小于第四阈值电压时，所述多个隔离区使得所述多个浮置扩散区彼此电隔离、所述多个光电二极管彼此电隔离并且所述多个沟道形成区彼此电隔离。
10、根据项目1至9中任一项所述的图像传感器，其特征在于，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区在衬底的上表面上的投影的面积相同。
11、根据项目1至9中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述多个浮置扩散区的尺寸相同。
12、根据项目11所述的图像传感器，其特征在于，所述多个光电二极管的尺寸相同。
13、根据项目1至9中任一项所述的图像传感器，其特征在于，当从垂直于衬底的表面的方向看时，栅极的形状为圆形或矩形。
14、一种用于形成图像传感器的方法，其特征在于包括：
提供衬底；以及
在衬底中形成至少一个像素单元，其中，形成每个像素单元包括：
在衬底中形成彼此分离的多个光电二极管，所述多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；
在衬底中形成栅极结构，包括：
栅极，嵌入在衬底中；以及
栅极电介质层，设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面，其中，栅极电介质层与所述多个光电二极管的第一区域接触；
在衬底中邻近上表面处形成彼此分离并且围绕栅极结构的多个浮置扩散区，所述多个浮置扩散区与所述多个光电二极管一一对应地设置在所述多个光电二极管上方并且与栅极电介质层接触，其中，所述多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都与栅极电介质层接触并且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区由间隔区分离；以及
其中，在每个浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间都分别设置有具有第二掺杂类型的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区，
在每个间隔区中设置有具有第二掺杂类型的第二沟道形成区，并且
在第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区中形成沟道的阈值电压分别为第一阈值电压、第二阈值电压和第三阈值电压，并且第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压。
15、根据项目14所述的方法，其特征在于，其中，形成栅极结构包括：
在衬底的上表面处形成开口，开口暴露出每个光电二极管的第一区域的至少一部分；
形成覆盖开口的底面和侧面的栅极电介质层；以及
在栅极电介质层上形成栅极。
16、根据项目14所述的方法，其特征在于，形成每个像素单元还包括：
形成多个隔离区，每个隔离区隔开相邻的两个浮置扩散区、相应的两个沟道形成区以及相应的两个光电二极管。
17、根据项目14所述的方法，其特征在于，在形成第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区的步骤中，通过确定以下至少一个参数来使得第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压：
掺杂浓度、栅极电介质层在相应位置处的厚度、栅极电介质层在相应位置处的材料、以及在沟道方向上的长度。
18、根据项目17所述的方法，其特征在于，第一子沟道形成区的掺杂浓度小于第二子沟道形成区的掺杂浓度，并且第二沟道形成区的掺杂浓度小于第二子沟道形成区的掺杂浓度。
19、根据项目17所述的方法，其特征在于，栅极电介质层的与第一子沟道形成区接触的部分的厚度小于栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的部分的厚度，并且栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的部分的厚度小于栅极电介质层的与第二子沟道形成区接触的部分的厚度。
20、根据项目17所述的方法，其特征在于，栅极电介质层的与第一子沟道形成区接触的位置处的材料相比于栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的位置处的材料具有更大的介电常数，并且栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的位置处的材料相比于栅极电介质层的与第二子沟道形成区接触的位置处的材料具有更大的介电常数。
21、根据项目17所述的方法，其特征在于，在沟道方向上，第一子沟道形成区的长度小于第二沟道形成区的长度，第二沟道形成区的长度小于第二子沟道形成区的长度。
22、根据项目14至21中任一项所述的方法，其特征在于，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区在衬底的上表面上的投影的面积相同。
23、根据项目14至21中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
将开口的形状设置为，当从垂直于衬底的表面的方向看时，是圆形的或矩形的。
24、一种根据项目1至13中任一项所述的图像传感器的操作方法，其特征在于包括：
对栅极施加大于第一阈值电压且小于第三阈值电压的电压，使得沟道形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区中，从而将相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，并且在第二子沟道形成区和第二沟道形成区中不形成沟道，从而将相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区彼此电隔离，和
对栅极施加大于第三阈值电压且小于第二阈值电压的电压，使得沟道分别形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区和第二沟道形成区中，从而将相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通且第一子浮置扩散区与第二子浮置扩散区导通，并且在第二子沟道形成区中不形成沟道，从而将相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (24)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
衬底；以及
设置在衬底中的至少一个像素单元，每个像素单元包括：
栅极结构，包括嵌入在衬底中的栅极以及设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面的栅极电介质层；
多个浮置扩散区，彼此分离地设置在衬底中邻近上表面处，所述多个浮置扩散区围绕栅极结构并且与栅极电介质层接触；
多个光电二极管，彼此分离地设置在衬底中，所述多个光电二极管与所述多个浮置扩散区一一对应地设置在所述多个浮置扩散区下方并且与栅极电介质层接触，其中，所述多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，并且所述多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；以及
多个第一沟道形成区，每个第一沟道形成区设置在相应的一个浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间，并且具有第二掺杂类型，
其中，每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都与栅极电介质层接触并且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区由间隔区分离，第二沟道形成区设置在间隔区中并具有第二掺杂类型，
每个第一沟道形成区包括与相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区分别对应的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区，并且
在第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区中形成沟道的阈值电压分别为第一阈值电压、第二阈值电压和第三阈值电压，并且第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
在栅极被施加的电压大于第一阈值电压且小于第三阈值电压时，沟道形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区中，使得相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，并且在第二子沟道形成区和第二沟道形成区中不形成沟道，使得相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区彼此电隔离，
在栅极被施加的电压大于第三阈值电压且小于第二阈值电压时，沟道分别形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区和第二沟道形成区中，使得相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通且第一子浮置扩散区与第二子浮置扩散区导通，并且在第二子沟道形成区中不形成沟道，使得相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，通过分别配置第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区的以下至少一个参数来使得第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压：
掺杂浓度、栅极电介质层在相应位置处的厚度、栅极电介质层在相应位置处的材料、以及在沟道方向上的长度。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，第一子沟道形成区的掺杂浓度小于第二子沟道形成区的掺杂浓度，并且第二沟道形成区的掺杂浓度小于第二子沟道形成区的掺杂浓度。
5.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，栅极电介质层的与第一子沟道形成区接触的部分的厚度小于栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的部分的厚度，并且栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的部分的厚度小于栅极电介质层的与第二子沟道形成区接触的部分的厚度。
6.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，栅极电介质层的与第一子沟道形成区接触的位置处的材料相比于栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的位置处的材料具有更大的介电常数，并且栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的位置处的材料相比于栅极电介质层的与第二子沟道形成区接触的位置处的材料具有更大的介电常数。
7.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，在沟道方向上，第一子沟道形成区的长度小于第二沟道形成区的长度，第二沟道形成区的长度小于第二子沟道形成区的长度。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每个像素单元还包括：
多个隔离区，每个隔离区隔开相邻的两个浮置扩散区、相应的两个沟道形成区以及相应的两个光电二极管，所述多个隔离区的阈值电压为第四阈值电压，第四阈值电压大于第一阈值电压和第三阈值电压。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，
当对栅极施加的电压小于第四阈值电压时，所述多个隔离区使得所述多个浮置扩散区彼此电隔离、所述多个光电二极管彼此电隔离并且所述多个沟道形成区彼此电隔离。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的图像传感器，其特征在于，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区在衬底的上表面上的投影的面积相同。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述多个浮置扩散区的尺寸相同。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述多个光电二极管的尺寸相同。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的图像传感器，其特征在于，当从垂直于衬底的表面的方向看时，栅极的形状为圆形或矩形。
14.一种用于形成图像传感器的方法，其特征在于包括：
提供衬底；以及
在衬底中形成至少一个像素单元，其中，形成每个像素单元包括：
在衬底中形成彼此分离的多个光电二极管，所述多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；
在衬底中形成栅极结构，包括：
栅极，嵌入在衬底中；以及
栅极电介质层，设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面，其中，栅极电介质层与所述多个光电二极管的第一区域接触；
在衬底中邻近上表面处形成彼此分离并且围绕栅极结构的多个浮置扩散区，所述多个浮置扩散区与所述多个光电二极管一一对应地设置在所述多个光电二极管上方并且与栅极电介质层接触，其中，所述多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都与栅极电介质层接触并且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区由间隔区分离；以及
其中，在每个浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间都分别设置有具有第二掺杂类型的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区，
在每个间隔区中设置有具有第二掺杂类型的第二沟道形成区，并且
在第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区中形成沟道的阈值电压分别为第一阈值电压、第二阈值电压和第三阈值电压，并且第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，形成栅极结构包括：
在衬底的上表面处形成开口，开口暴露出每个光电二极管的第一区域的至少一部分；
形成覆盖开口的底面和侧面的栅极电介质层；以及
在栅极电介质层上形成栅极。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，形成每个像素单元还包括：
形成多个隔离区，每个隔离区隔开相邻的两个浮置扩散区、相应的两个沟道形成区以及相应的两个光电二极管。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在形成第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区的步骤中，通过确定以下至少一个参数来使得第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压：
掺杂浓度、栅极电介质层在相应位置处的厚度、栅极电介质层在相应位置处的材料、以及在沟道方向上的长度。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，第一子沟道形成区的掺杂浓度小于第二子沟道形成区的掺杂浓度，并且第二沟道形成区的掺杂浓度小于第二子沟道形成区的掺杂浓度。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，栅极电介质层的与第一子沟道形成区接触的部分的厚度小于栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的部分的厚度，并且栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的部分的厚度小于栅极电介质层的与第二子沟道形成区接触的部分的厚度。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，栅极电介质层的与第一子沟道形成区接触的位置处的材料相比于栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的位置处的材料具有更大的介电常数，并且栅极电介质层的与第二沟道形成区接触的位置处的材料相比于栅极电介质层的与第二子沟道形成区接触的位置处的材料具有更大的介电常数。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在沟道方向上，第一子沟道形成区的长度小于第二沟道形成区的长度，第二沟道形成区的长度小于第二子沟道形成区的长度。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的方法，其特征在于，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区在衬底的上表面上的投影的面积相同。
23.根据权利要求14至21中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
将开口的形状设置为，当从垂直于衬底的表面的方向看时，是圆形的或矩形的。
24.一种根据权利要求1至13中任一项所述的图像传感器的操作方法，其特征在于包括：
对栅极施加大于第一阈值电压且小于第三阈值电压的电压，使得沟道形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区中，从而将相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，并且在第二子沟道形成区和第二沟道形成区中不形成沟道，从而将相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区彼此电隔离，或
对栅极施加大于第三阈值电压且小于第二阈值电压的电压，使得沟道分别形成在每个第一沟道形成区的第一子沟道形成区和第二沟道形成区中，从而将相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通且第一子浮置扩散区与第二子浮置扩散区导通，并且在第二子沟道形成区中不形成沟道，从而将相应的第二子浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域彼此电隔离。
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