CN110676276B - 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。图像传感器包括至少一个像素单元以及栅极结构，像素单元包括：设置在衬底中的有源区，所述有源区被隔离沟槽与用于相邻像素单元的有源区分隔开；第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区；第一掺杂区，设置在有源区中在所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区下方，并且所述第一掺杂区具有第一掺杂类型；第一沟道形成区，设置在第一浮置扩散区与第一掺杂区之间；第二沟道形成区，设置在第一浮置扩散区与第二浮置扩散区之间。

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。
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
根据本公开的一个方面，提供了一种图像传感器，包括至少一个像素单元，所述像素单元包括：设置在衬底中的有源区，所述有源区被隔离沟槽与用于相邻像素单元的有源区分隔开；第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区，彼此分离地设置在有源区中邻近上表面处，所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区具有第一掺杂类型；第一掺杂区，设置在有源区中在所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区下方，并且所述第一掺杂区具有第一掺杂类型；第一沟道形成区，设置在第一浮置扩散区与第一掺杂区之间；第二沟道形成区，设置在第一浮置扩散区与第二浮置扩散区之间；以及栅极结构，设置在所述隔离沟槽中，所述栅极结构包括栅极和栅极绝缘层，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与所述第一沟道形成区和所述第二沟道形成区相邻。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于形成图像传感器的方法，包括：提供衬底，所述衬底包括有源层；在有源层的用于至少一个像素单元的各有源区中形成用于相应的像素单元的第一掺杂区；在所述有源层中形成至少一个隔离沟槽，以隔离用于所述至少一个像素单元的各有源区；在所述至少一个隔离沟槽中形成至少一个栅极结构，每一个所述栅极结构包括栅极和栅极绝缘层，以及在有源层的用于至少一个像素单元的各有源区中形成用于相应的像素单元的第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，其中所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此分离地设置在有源区中邻近上表面处，所述第一掺杂区设置在所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区下方，所述第一掺杂区以及第一浮置扩散区和第二浮置扩散区具有相同的掺杂类型；其中，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与在第一浮置扩散区与第一掺杂区之间的第一沟道形成区和在第一浮置扩散区与第二浮置扩散区之间的第二沟道形成区相邻。
根据本公开的一个方面，提供了一种前述的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二阈值电压的电压，使得沟道形成在第一沟道形成区中，从而将第一浮置扩散区与第一掺杂区导通，并且在第二沟道形成区和第三沟道形成区中不形成沟道，从而将第一浮置扩散区与第二浮置扩散区彼此电隔离且第二浮置扩散区和第一掺杂区彼此电隔离，以及对栅极施加大于第二阈值电压且小于第三阈值电压的电压，使得沟道分别形成在第一沟道形成区和第二沟道形成区中，从而将第一浮置扩散区与第一掺杂区导通且第一浮置扩散区与第二浮置扩散区导通，并且在第三沟道形成区中不形成沟道，从而将第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离。
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，根据下面的详细描述，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剖视图；
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B-B’截取的截面图；
图1C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C-C’截取的截面图；
图1D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D-D’截取的截面图；
图2示意性地示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器的示意性电路图；
图3示出了根据本公开的实施例的图像传感器的制造方法的示例流程图；以及
图4A至图4F示意性地示出了与图3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。
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。
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。
根据本公开的一个方面，提供了一种图像传感器，包括至少一个像素单元，所述像素单元包括：设置在衬底中的有源区，所述有源区被隔离沟槽与用于相邻像素单元的有源区分隔开；第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区，彼此分离地设置在有源区中邻近上表面处，所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区具有第一掺杂类型；第一掺杂区，设置在有源区中在所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区下方，并且所述第一掺杂区具有第一掺杂类型；第一沟道形成区，设置在第一浮置扩散区与第一掺杂区之间；第二沟道形成区，设置在第一浮置扩散区与第二浮置扩散区之间；以及栅极结构，设置在所述隔离沟槽中，所述栅极结构包括栅极和栅极绝缘层，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与所述第一沟道形成区和所述第二沟道形成区相邻。
下面结合图1A至图1D来具体说明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B-B’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C-C’截取的截面图。图1D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D-D’截取的截面图。
如图1A所示，图像传感器100可以包括至少一个像素单元。
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的结构，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、以任意形式布置的像素单元。
根据本公开的实施例，每个像素单元可以包括设置在衬底110中的有源区120。有源区120被隔离沟槽108与用于相邻像素单元的有源区(在图1A-1D中未示出)分隔开。
在一些实施例中，衬底110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110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示，当从垂直于衬底110的表面的方向看时，衬底110中的有源区的四周均设置有隔离沟槽108，以与相邻的像素单元的有源区分隔开。应理解，本公开并不限于此。如图1B-图1D所示，当从沿着线B-B’、线C-C’、线D-D’的截面看时，衬底中的有源区的两侧均设置有隔离沟槽108，使得该像素单元的有源区与相邻的像素单元的有源区分隔开。
如图1A所述，像素单元包括第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102。第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102彼此分离地设置在有源区中。第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102具有第一掺杂类型。如图1C所示，第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102可以设置在有源区中邻近上表面处。
如图1B-1D所示，像素单元还可以包括第一掺杂区104。第一掺杂区104设置在有源区中在第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102下方，并且第一掺杂区104可以具有与第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102相同的掺杂类型，例如第一掺杂类型。
如图1B所示，像素单元还可以包括第一沟道形成区105。第一沟道形成区105设置在第一浮置扩散区101与第一掺杂区104之间。第一沟道形成区105可以具有第二掺杂类型；但本公开不限于此。
如图1A所示，像素单元还可以包括第二沟道形成区106。第二沟道形成区106设置在第一浮置扩散区101与第二浮置扩散区102之间。第二沟道形成区106可以具有第二掺杂类型；但本公开不限于此。
如图1A所示，像素单元还可以包括栅极结构103。栅极结构103设置在隔离沟槽104中。栅极结构103包括栅极和栅极绝缘层。如图1A及图1B所示，栅极结构103的栅极隔着栅极绝缘层与第一沟道形成区105和第二沟道形成区106相邻。在根据本公开的一个实施例，第一沟道形成区105和/或第二沟道形成区106设置为与该隔离沟槽104接触。
根据本公开的一个实施例，要在第一沟道形成区105中形成第一沟道的阈值电压为第一阈值电压Vt1，要在第二沟道形成区106中形成第二沟道的阈值电压为第二阈值电压Vt2，第一阈值电压Vt1被配置为小于所述第二阈值电压Vt2。
通过以上方式设置阈值电压的关系，可以按照以下方式来对栅极结构103中的栅极施加电压。在栅极被施加的电压大于第一阈值电压Vt1且小于第二阈值电压Vt2时，在第一沟道形成区105中形成沟道，以导通第一浮置扩散区101与第一掺杂区104，而在第二沟道形成区106中不形成沟道，从而使得第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102彼此电隔离。当在栅极施加的电压大于第二阈值电压Vt2时，在第二沟道形成区106中也形成沟道，从而使得第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102彼此导通。
在根据本公开的实施例的图像传感器100中，作为光电二极管的一部分的第一掺杂区104用于基于感测到的辐射产生电荷，浮置扩散区101和102用于存储光电二极管产生的电荷。通过对栅极结构103的栅极施加合适的电压，可以仅将第一浮置扩散区或将第一浮置扩散区与第二浮置扩散区两者与光电二极管的第一掺杂区104导通，从而将光电二极管产生的电荷传输至第一浮置扩散区或第一与第二浮置扩散区两者中。从而，可以提高图像传感器的动态范围。
图2示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器的示意性电路图。
图2所示出的示意性电路包括第一浮置扩散区101及第一掺杂区104及二者之间的传输控制栅极TG(Vt1)。该示意性电路还包括第二浮置扩散区102以及第二浮置扩散区102与第一掺杂区104之间的传输控制栅极TG(Vt2)。该示意性电路还包括复位晶体管RS、放大器Amp以及选择晶体管SEL，选择晶体管SEL连接至列线路。
在根据本公开的一个实施例的图像传感器中，第一浮置扩散区和第一掺杂区以及栅极结构作为一个MOS(金属氧化物半导体)晶体管的构成部分，其中浮置扩散区和第一掺杂区分别用作MOS晶体管的源极和漏极或漏极和源极。第一浮置扩散区和第二浮置扩散区以及栅极结构作为一个MOS(金属氧化物半导体)晶体管的构成部分，其中第一浮置扩散区和第二浮置扩散区分别用作MOS晶体管的源极和漏极或漏极和源极。基于此，可以认为每个像素单元包括至少上述两个MOS晶体管并且所述至少两个MOS晶体管共用一个栅极。当对栅极施加合适的电压时，像素单元内的MOS晶体管的源极和漏极通过是否在其沟道形成区中形成沟道而导通或隔离，从而使得光电二极管产生的电荷传输至第一浮置扩散区或第一浮置扩散区和第二浮置扩散区两者。
如该示意性电路图所示，当在栅极结构103的栅极施加的电压大于第一阈值电压Vt1且小于第二阈值电压Vt2时，仅TG(Vt1)导通，TG(Vt2)不导通，因此仅第一浮置扩散区101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，更适合在较低的环境光强度下进行拍摄，同时增加了图像传感器的灵敏度。
而当在栅极结构103的栅极被施加的电压大于第二阈值电压Vt2时，TG(Vt2)导通，第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102两者被连通，因此第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102两者都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第一掺杂区在垂直于衬底表面的方向上排列，从而提高了第一掺杂区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，增加第一掺杂区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第一掺杂区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第一掺杂区的电连通，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。
本领域的技术人员将理解，在如图1A-1D所示的实施例中的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电荷容纳能力的设计需要来灵活设置。本领域的技术人员将理解，根据本发明的一个实施例的图像传感器也可以包括彼此分离地设置的三个或更多个浮置扩散区。
根据本发明的一个实施例，像素单元还可以包括第三沟道形成区107。如图1D所示，第三沟道形成区107设置在第二浮置扩散区102与第一掺杂区104之间。第三沟道形成区107可以具有第二掺杂类型；但本公开不限于此。其中，栅极结构103的栅极隔着栅极结构的栅极绝缘层与第三沟道形成区107相邻。要在第三沟道形成区107中形成的第三沟道的阈值电压为第三阈值电压Vt3。在一些实施例中，第三阈值电压Vt3被配置为大于第二阈值电压Vt2。
通过以上方式设置阈值电压之间的关系，可以按照以下方式来对栅极结构103中的栅极施加电压。在对栅极结构103中的栅极施加的电压大于第一阈值电压Vt1且小于第二阈值电压Vt2时，在第一沟道形成区105中形成沟道，使得第一浮置扩散区101与第一掺杂区导通104；并且在第二沟道形成区106和第三沟道形成区107中不形成沟道，使得第二浮置扩散区102与第一掺杂区104彼此电隔离且第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102彼此电隔离。在对栅极结构103中的栅极施加的电压大于第二阈值电Vt2压且小于第三阈值电压Vt3时，在第一沟道形成区105和第二沟道形成区106中分别形成沟道，使得第一浮置扩散区101与第一掺杂区104导通且第一浮置扩散区101与第二浮置扩散区102导通；并且在第三沟道形成区107中不形成沟道，使得第二浮置扩散区102与第一掺杂区104彼此电隔离。
因此，通过控制对栅极施加的电压，可以控制是否在第一沟道形成区105、第二沟道形成区106和第三沟道形成区107中形成沟道，从而控制将第一沟道形成区、第二沟道形成区和第三沟道形成区两侧的部件彼此电隔离还是相互导通。由于在栅极结构103的栅极施加的电压小于第三阈值电压Vt3，第二浮置扩散区102不能单独地连接到图像传感器的电路中。如前所述，通过以上操作，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。
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：控制第一沟道形成区、第二沟道形成区和第三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；控制第一沟道形成区、第二沟道形成区和第三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；或者上述方式的组合。即，可以通过调整掺杂浓度、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，可以通过在沟道方向上设置第一沟道形成区的长度小于第二沟道形成区的长度，由此使得第一沟道形成区的第一阈值电压Vt1小于第二沟道形成区的第二阈值电压Vt2。另外，可以通过在沟道方向上设置第二沟道形成区的长度小于第三沟道形成区的长度，使得由此使得第二阈值电压Vt2小于第三阈值电压Vt3。另外，可以通过将第一沟道形成区的掺杂浓度设置为小于第二沟道形成区的掺杂浓度，以及第二沟道形成区的掺杂浓度小于第三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。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。
在根据本发明的一个实施例中，栅极结构103的栅极隔着另外的栅极绝缘层与相邻的至少一个像素单元中的沟道形成区相邻。在这样的实施例中，所述像素单元与相邻的像素单元共用共同的栅极结构。也即，至少两个像素单元共享一个传输控制栅极。这节省了元器件的数量，并使得所公开的图像传感器更易于控制。
下面结合图3以及图4A至图4F描述根据本公开的实施例的图像传感器的形成方法。图3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4A至图4F示意性地示出了与图3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4A至图4E的截面对应于图1B中所示的截面，即，沿着图1A中的线B-B’截取的截面图，图4F的截面对应于图1C中所示的截面，即，沿着图1A中的线C-C’截取的截面图。
根据本公开的实施例的图像传感器的形成方法300可以包括步骤301至步骤305。
在步骤301处，提供衬底，该衬底可以具有有源层，如图4A所示提供衬底401，该衬底可以具有有源层401’。
在步骤302处，在有源层的用于至少一个像素单元的各有源区中形成用于相应的像素单元的第一掺杂区。如图4B所示，在衬底的有源区中形成第一掺杂区402。例如，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第一掺杂区402。
在步骤303处，在所述有源层中形成至少一个隔离沟槽，以隔离用于所述至少一个像素单元的各有源区。如图4C所示，在有源区的周围形成隔离沟槽403，以使得该有源区与其他有源区隔离开。
在步骤304处，在所述至少一个隔离沟槽中形成至少一个栅极结构，每一个所述栅极结构可以包括栅极和栅极绝缘层。如图4D所示，在隔离沟槽403中形成栅极结构404。
在步骤305处，在有源层的用于至少一个像素单元的各有源区中形成用于相应的像素单元的第一浮置扩散区和第二浮置扩散区。如图4E及4F所示，其中所述第一浮置扩散区405和第二浮置扩散区406彼此分离地设置在有源区中邻近上表面处，第一掺杂区402设置在所述第一浮置扩散区405以及第二浮置扩散区406下方，所述第一掺杂区402以及第一浮置扩散区405和第二浮置扩散区406具有相同的掺杂类型。例如，可以通过离子注入工艺等对衬底401的对应区域分别进行掺杂来形成第一浮置扩散区405和第一浮置扩散区406。例如，可以首先对衬底401进行掺杂来形成第一浮置扩散区405，之后再对衬底401进行掺杂来形成第二浮置扩散区406。
经过上述步骤后，在有源层的用于至少一个像素单元的各有源区中形成用于相应的像素单元的第一沟道形成区和第二沟道形成区。如图4E和图4F所示，第一沟道形成区407形成在第一浮置扩散区405与第一掺杂区402之间，第二沟道形成区408形成在第一浮置扩散区405与第二浮置扩散区406之间。其中栅极结构404的栅极隔着栅极绝缘层与相应的像素单元的第一沟道形成区和第二沟道形成区相邻。
可以通过例如离子注入工艺等对第一沟道形成区407和/或第二沟道形成区408进行掺杂，使得在第一沟道形成区中形成的第一沟道的第一阈值电压Vt1小于在第二沟道形成区中形成的第二沟道的第二阈值电压Vt2。如上所述，可以通过控制掺杂浓度来配置阈值电压Vt1和Vt2的大小。
另外，也可以通过设置第一沟道形成区和第二沟道形成区的在沟道方向上的长度来配置阈值电压Vt1和Vt2的大小。
类似地，第三沟道形成区409形成在第二浮置扩散区406与第一掺杂区402之间。可以通过控制掺杂浓度或沟道方向上的沟道长度来使得在第二沟道形成区中形成的第二沟道的第二阈值电压Vt2小于在第三沟道形成区中形成的第三沟道的第三阈值电压Vt3。
根据本发明的一个实施例，在隔离沟槽中形成至少一个栅极结构的步骤包括：在沟槽中形成第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖所述沟槽的表面，并在沟槽中形成第一开口；在第一绝缘层上形成中间绝缘层，以填充所述第一开口；去除所述中间绝缘层的一部分，以形成第二开口；以导电材料填充所述第二开口以形成所述栅极。
根据本发明的另一个实施例，在隔离沟槽中形成至少一个栅极结构的步骤包括：在沟槽中填充绝缘材料；在所述绝缘材料中形成开口；以导电材料填充所述开口以形成所述栅极。
本领域的技术人员将理解，上述步骤也可以以其他顺序执行。例如，可以在形成掺杂区之前形成隔离沟槽，或者可以在形成隔离沟槽之前形成浮置扩散区。
根据本公开的另一个方面涉及上述图像传感器的操作方法。
对栅极施加大于第一阈值电压Vt1且小于第二阈值电压Vt2的电压，使得沟道形成在第一沟道形成区中，从而将第一浮置扩散区与第一掺杂区导通，并且在第二沟道形成区和第三沟道形成区中不形成沟道，从而将第一浮置扩散区与第二浮置扩散区彼此电隔离且第二浮置扩散区和第一掺杂区彼此电隔离。
对栅极施加大于第二阈值电压Vt2且小于第三阈值电压Vt3的电压，使得沟道分别形成在第一沟道形成区和第二沟道形成区中，从而将第一浮置扩散区与第一掺杂区导通且第一浮置扩散区与第二浮置扩散区导通，并且在第三沟道形成区中不形成沟道，从而将第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离。
通过如上所述地操作根据本公开的实施例的图像传感器，参照图1A，当在栅极结构103的栅极施加的电压大于第一阈值电压Vt1且小于第二阈值电压Vt2时，仅第一浮置扩散区101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，更适合在较低的环境光强度下进行拍摄，同时增加了图像传感器的灵敏度。而当在栅极结构103的栅极被施加的电压大于第二阈值电压Vt2而小于第三阈值电压Vt3时，第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102两者被连通，因此第一浮置扩散区101和第二浮置扩散区102两者都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。
另外，本公开的实施方式还可以包括以下示例：
1、一种图像传感器，包括至少一个像素单元，所述像素单元包括：设置在衬底中的有源区，所述有源区被隔离沟槽与用于相邻像素单元的有源区分隔开；第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区，彼此分离地设置在有源区中邻近上表面处，所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区具有第一掺杂类型；第一掺杂区，设置在有源区中在所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区下方，并且所述第一掺杂区具有第一掺杂类型；第一沟道形成区，设置在第一浮置扩散区与第一掺杂区之间；第二沟道形成区，设置在第一浮置扩散区与第二浮置扩散区之间；以及栅极结构，设置在所述隔离沟槽中，所述栅极结构包括栅极和栅极绝缘层，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与所述第一沟道形成区和所述第二沟道形成区相邻。
2、根据1所述的图像传感器，要在第一沟道形成区中形成的第一沟道的阈值电压为第一阈值电压，要在第二沟道形成区中形成的第二沟道的阈值电压为第二阈值电压，并且所述第一阈值电压被配置为小于所述第二阈值电压。
3、根据1所述的图像传感器，所述像素单元还包括：第三沟道形成区，设置在第二浮置扩散区与所述第一掺杂区之间；其中，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与所述第三沟道形成区相邻，要在第三沟道形成区中形成的第三沟道的阈值电压为第三阈值电压，并且所述第三阈值电压被配置为大于第二阈值电压。
4、根据2所述的图像传感器，在栅极被施加的电压大于第一阈值电压且小于第二阈值电压时：在第一沟道形成区中形成沟道，以导通第一浮置扩散区与第一掺杂区，并且在第二沟道形成区中不形成沟道，从而使得第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此电隔离。
5、根据3所述的图像传感器，在栅极被施加的电压大于第一阈值电压且小于第二阈值电压时：在第一沟道形成区中形成沟道，使得第一浮置扩散区与第一掺杂区导通，并且在第二沟道形成区和第三沟道形成区中不形成沟道，使得第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离且第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此电隔离，在栅极被施加的电压大于第二阈值电压且小于第三阈值电压时：在第一沟道形成区和第二沟道形成区中分别形成沟道，使得第一浮置扩散区与第一掺杂区导通且第一浮置扩散区与第二浮置扩散区导通，并且在第三沟道形成区中不形成沟道，使得第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离。
6、根据3所述的图像传感器，通过分别配置第一沟道形成区、第二沟道形成区和第三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二阈值电压且第二阈值电压小于第三阈值电压：掺杂浓度、在各自沟道方向上的长度、或二者的组合。
7、根据6所述的图像传感器，第一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三沟道形成区的掺杂浓度。
8、根据6所述的图像传感器，第一沟道形成区在其沟道方向上的长度小于第二沟道形成区在其沟道方向上的长度，第二沟道形成区在其沟道方向上的长度小于第三沟道形成区在其沟道方向上的长度。
9、根据1所述的图像传感器，第一沟道形成区和/或第二沟道形成区设置为与该隔离沟槽接触。
10、根据1所述的图像传感器，所述栅极隔着另外的栅极绝缘层与相邻的至少一个像素单元中的沟道形成区相邻。
11、一种用于形成图像传感器的方法，包括：提供衬底，所述衬底包括有源层；在有源层的用于至少一个像素单元的各有源区中形成用于相应的像素单元的第一掺杂区；在所述有源层中形成至少一个隔离沟槽，以隔离用于所述至少一个像素单元的各有源区；在所述至少一个隔离沟槽中形成至少一个栅极结构，每一个所述栅极结构包括栅极和栅极绝缘层，以及在有源层的用于至少一个像素单元的各有源区中形成用于相应的像素单元的第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，其中所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此分离地设置在有源区中邻近上表面处，所述第一掺杂区设置在所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区下方，所述第一掺杂区以及第一浮置扩散区和第二浮置扩散区具有相同的掺杂类型；其中，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与在第一浮置扩散区与第一掺杂区之间的第一沟道形成区和在第一浮置扩散区与第二浮置扩散区之间的第二沟道形成区相邻。
12、根据11所述的用于形成图像传感器的方法，在隔离沟槽中形成至少一个栅极结构包括：在沟槽中形成第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖所述沟槽的表面，并在沟槽中形成第一开口；在第一绝缘层上形成中间绝缘层，以填充所述第一开口；去除所述中间绝缘层的一部分，以形成第二开口；以导电材料填充所述第二开口以形成所述栅极。
13、根据11所述的用于形成图像传感器的方法，在隔离沟槽中形成至少一个栅极结构包括：在沟槽中填充绝缘材料；在所述绝缘材料中形成开口；以导电材料填充所述开口以形成所述栅极。
14、根据11所述的用于形成图像传感器的方法，要在第一沟道形成区中形成的第一沟道的阈值电压为第一阈值电压，要在第二沟道形成区中形成的第二沟道的阈值电压为第二阈值电压，并且所述第一阈值电压被配置为小于所述第二阈值电压。
15、根据11所述的用于形成图像传感器的方法，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与在第二浮置扩散区与所述第一掺杂区之间的第三沟道形成区相邻，要在第三沟道形成区中形成的第三沟道的阈值电压为第三阈值电压，并且所述第二阈值电压被配置为小于第三阈值电压。
16、根据11所述的用于形成图像传感器的方法，在栅极被施加的电压大于第一阈值电压且小于第二阈值电压时：在第一沟道形成区中形成沟道，以导通第一浮置扩散区与第一掺杂区，并且在第二沟道形成区中不形成沟道，从而使得第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此电隔离，
17、根据15所述的用于形成图像传感器的方法，在栅极被施加的电压大于第一阈值电压且小于第二阈值电压时：在第一沟道形成区中形成沟道，使得第一浮置扩散区与第一掺杂区导通，并且在第二沟道形成区和第三沟道形成区中不形成沟道，使得第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离且第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此电隔离，在栅极被施加的电压大于第二阈值电压且小于第三阈值电压时：在第一沟道形成区和第二沟道形成区中分别形成沟道，使得第一浮置扩散区与第一掺杂区导通且第一浮置扩散区与第二浮置扩散区导通，并且在第三沟道形成区中不形成沟道，使得第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离。
18、根据15所述的用于形成图像传感器的方法，通过分别配置第一沟道形成区、第二沟道形成区和第三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二阈值电压且第二阈值电压小于第三阈值电压：掺杂浓度、在各自沟道方向上的长度、或二者的组合。
19、根据18所述的用于形成图像传感器的方法，第一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三沟道形成区的掺杂浓度。
20、根据18所述的用于形成图像传感器的方法，第一沟道形成区在其沟道方向上的长度小于第二沟道形成区在其沟道方向上的长度，第二沟道形成区在其沟道方向上的长度小于第三沟道形成区在其沟道方向上的长度。
21、根据11所述的用于形成图像传感器的方法，第一沟道形成区和/或第二沟道形成区设置为与该隔离沟槽接触。
22、根据11所述的用于形成图像传感器的方法，所述栅极隔着另外的栅极绝缘层与相邻的至少一个像素单元中的所述沟道形成区相邻。
23、一种根据1至10中任一项所述的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二阈值电压的电压，使得沟道形成在第一沟道形成区中，从而将第一浮置扩散区与第一掺杂区导通，并且在第二沟道形成区和第三沟道形成区中不形成沟道，从而将第一浮置扩散区与第二浮置扩散区彼此电隔离且第二浮置扩散区和第一掺杂区彼此电隔离，和对栅极施加大于第二阈值电压且小于第三阈值电压的电压，使得沟道分别形成在第一沟道形成区和第二沟道形成区中，从而将第一浮置扩散区与第一掺杂区导通且第一浮置扩散区与第二浮置扩散区导通，并且在第三沟道形成区中不形成沟道，从而将第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离。
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他取向上操作。
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，本公开不受在上述技术领域、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，前面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，并且在其他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。
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 (19)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括至少一个像素单元，所述像素单元包括：
设置在衬底中的有源区，所述有源区被隔离沟槽与用于相邻像素单元的有源区分隔开；
第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区，彼此分离地设置在有源区中邻近上表面处，所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区具有第一掺杂类型；
第一掺杂区，设置在有源区中在所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区下方，并且所述第一掺杂区具有第一掺杂类型；
第一沟道形成区，设置在第一浮置扩散区与第一掺杂区之间；
第二沟道形成区，设置在第一浮置扩散区与第二浮置扩散区之间；以及
栅极结构，设置在所述隔离沟槽中，所述栅极结构包括栅极和栅极绝缘层，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与所述第一沟道形成区和所述第二沟道形成区相邻；
其中，要在第一沟道形成区中形成的第一沟道的阈值电压为第一阈值电压，要在第二沟道形成区中形成的第二沟道的阈值电压为第二阈值电压，并且所述第一阈值电压被配置为小于所述第二阈值电压；在栅极被施加的电压大于第一阈值电压且小于第二阈值电压时，在第一沟道形成区中形成沟道，以导通第一浮置扩散区与第一掺杂区，并且在第二沟道形成区中不形成沟道，从而使得第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此电隔离。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元还包括：
第三沟道形成区，设置在第二浮置扩散区与所述第一掺杂区之间；
其中，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与所述第三沟道形成区相邻，
要在第三沟道形成区中形成的第三沟道的阈值电压为第三阈值电压，并且
所述第三阈值电压被配置为大于第二阈值电压。
3.根据权利要求2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二阈值电压时：
在第一沟道形成区中形成沟道，使得第一浮置扩散区与第一掺杂区导通，并且
在第二沟道形成区和第三沟道形成区中不形成沟道，使得第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离且第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此电隔离，
在栅极被施加的电压大于第二阈值电压且小于第三阈值电压时：
在第一沟道形成区和第二沟道形成区中分别形成沟道，使得第一浮置扩散区与第一掺杂区导通且第一浮置扩散区与第二浮置扩散区导通，并且
在第三沟道形成区中不形成沟道，使得第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，通过分别配置第一沟道形成区、第二沟道形成区和第三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二阈值电压且第二阈值电压小于第三阈值电压：
掺杂浓度、在各自沟道方向上的长度、或二者的组合。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，第一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三沟道形成区的掺杂浓度。
6.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，第一沟道形成区在其沟道方向上的长度小于第二沟道形成区在其沟道方向上的长度，第二沟道形成区在其沟道方向上的长度小于第三沟道形成区在其沟道方向上的长度。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，第一沟道形成区和/或第二沟道形成区设置为与该隔离沟槽接触。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述栅极隔着另外的栅极绝缘层与相邻的至少一个像素单元中的沟道形成区相邻。
9.一种用于形成图像传感器的方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底包括有源层；
在有源层的用于至少一个像素单元的各有源区中形成用于相应的像素单元的第一掺杂区；
在所述有源层中形成至少一个隔离沟槽，以隔离用于所述至少一个像素单元的各有源区；
在所述至少一个隔离沟槽中形成至少一个栅极结构，每一个所述栅极结构包括栅极和栅极绝缘层，以及
在有源层的用于至少一个像素单元的各有源区中形成用于相应的像素单元的第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，其中所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此分离地设置在有源区中邻近上表面处，所述第一掺杂区设置在所述第一浮置扩散区以及第二浮置扩散区下方，所述第一掺杂区以及第一浮置扩散区和第二浮置扩散区具有相同的掺杂类型；
其中，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与在第一浮置扩散区与第一掺杂区之间的第一沟道形成区和在第一浮置扩散区与第二浮置扩散区之间的第二沟道形成区相邻；
其中，要在第一沟道形成区中形成的第一沟道的阈值电压为第一阈值电压，要在第二沟道形成区中形成的第二沟道的阈值电压为第二阈值电压，并且所述第一阈值电压被配置为小于所述第二阈值电压；在栅极被施加的电压大于第一阈值电压且小于第二阈值电压时，在第一沟道形成区中形成沟道，以导通第一浮置扩散区与第一掺杂区，并且在第二沟道形成区中不形成沟道，从而使得第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此电隔离。
10.根据权利要求9所述的用于形成图像传感器的方法，其特征在于，在隔离沟槽中形成至少一个栅极结构包括：
在沟槽中形成第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖所述沟槽的表面，并在沟槽中形成第一开口；
在第一绝缘层上形成中间绝缘层，以填充所述第一开口；
去除所述中间绝缘层的一部分，以形成第二开口；
以导电材料填充所述第二开口以形成所述栅极。
11.根据权利要求9所述的用于形成图像传感器的方法，其特征在于，在隔离沟槽中形成至少一个栅极结构包括：
在沟槽中填充绝缘材料；
在所述绝缘材料中形成开口；
以导电材料填充所述开口以形成所述栅极。
12.根据权利要求9所述的用于形成图像传感器的方法，其特征在于，所述栅极隔着所述栅极绝缘层与在第二浮置扩散区与所述第一掺杂区之间的第三沟道形成区相邻，
要在第三沟道形成区中形成的第三沟道的阈值电压为第三阈值电压，并且所述第二阈值电压被配置为小于第三阈值电压。
13.根据权利要求12所述的用于形成图像传感器的方法，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二阈值电压时：
在第一沟道形成区中形成沟道，使得第一浮置扩散区与第一掺杂区导通，并且
在第二沟道形成区和第三沟道形成区中不形成沟道，使得第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离且第一浮置扩散区和第二浮置扩散区彼此电隔离，
在栅极被施加的电压大于第二阈值电压且小于第三阈值电压时：
在第一沟道形成区和第二沟道形成区中分别形成沟道，使得第一浮置扩散区与第一掺杂区导通且第一浮置扩散区与第二浮置扩散区导通，并且
在第三沟道形成区中不形成沟道，使得第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离。
14.根据权利要求12所述的用于形成图像传感器的方法，其特征在于，通过分别配置第一沟道形成区、第二沟道形成区和第三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二阈值电压且第二阈值电压小于第三阈值电压：
掺杂浓度、在各自沟道方向上的长度、或二者的组合。
15.根据权利要求14所述的用于形成图像传感器的方法，其特征在于，第一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三沟道形成区的掺杂浓度。
16.根据权利要求14所述的用于形成图像传感器的方法，其特征在于，第一沟道形成区在其沟道方向上的长度小于第二沟道形成区在其沟道方向上的长度，第二沟道形成区在其沟道方向上的长度小于第三沟道形成区在其沟道方向上的长度。
17.根据权利要求9所述的用于形成图像传感器的方法，其特征在于，第一沟道形成区和/或第二沟道形成区设置为与该隔离沟槽接触。
18.根据权利要求9所述的用于形成图像传感器的方法，其特征在于，所述栅极隔着另外的栅极绝缘层与相邻的至少一个像素单元中的所述沟道形成区相邻。
19.一种根据权利要求1至8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二阈值电压的电压，使得沟道形成在第一沟道形成区中，从而将第一浮置扩散区与第一掺杂区导通，并且在第二沟道形成区和第三沟道形成区中不形成沟道，从而将第一浮置扩散区与第二浮置扩散区彼此电隔离且第二浮置扩散区和第一掺杂区彼此电隔离，和
对栅极施加大于第二阈值电压且小于第三阈值电压的电压，使得沟道分别形成在第一沟道形成区和第二沟道形成区中，从而将第一浮置扩散区与第一掺杂区导通且第一浮置扩散区与第二浮置扩散区导通，并且在第三沟道形成区中不形成沟道，从而将第二浮置扩散区与第一掺杂区彼此电隔离。
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