CN112563294A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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高桥诚司
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

本公开的各种实施例涉及一种图像传感器，所述图像传感器包括各自设置在半导体衬底内的第一光电探测器及第二光电探测器。隔离结构从所述半导体衬底的前侧表面延伸到所述半导体衬底的后侧表面。所述前侧表面与所述后侧表面相对，且所述隔离结构在侧向上位于所述第一光电探测器与所述第二光电探测器之间。读出晶体管设置在所述半导体衬底的所述前侧表面上。所述读出晶体管的第一侧上覆在所述第一光电探测器上且所述读出晶体管的第二侧上覆在所述第二光电探测器上。所述第一侧与所述第二侧相对且所述读出晶体管在所述隔离结构之上连续地延伸。

Description

图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明的实施例是有关于一种图像传感器。
背景技术
许多现代电子器件(例如，数字相机、光学成像器件等)包括图像传感器。图像传感器将光学图像转换成可表示为数字图像的数字数据。图像传感器包括像素传感器阵列，像素传感器阵列是用于将光学图像转换成数字数据的单元器件。像素传感器的一些类型包括电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)图像传感器及互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)图像传感器(CMOS image sensor，CIS)。与CCD图像传感器相比，CIS由于功耗低、大小小、数据处理快、数据直接输出及制造成本低及其他原因，而更受青睐。
发明内容
本发明的实施例提供一种图像传感器，包括：第一光电探测器，设置在半导体衬底内。第二光电探测器，设置在所述半导体衬底内。隔离结构，从所述半导体衬底的前侧表面延伸到所述半导体衬底的后侧表面，其中所述前侧表面与所述后侧表面相对，且其中所述隔离结构在侧向上位于所述第一光电探测器与所述第二光电探测器之间。以及读出晶体管，设置在所述半导体衬底的所述前侧表面上，其中所述读出晶体管的第一侧上覆在所述第一光电探测器上且所述读出晶体管的第二侧上覆在所述第二光电探测器上，其中所述第一侧与所述第二侧相对，且其中所述读出晶体管在所述隔离结构之上连续地延伸。
本发明的实施例提供一种图像传感器，包括：第一像素传感器及第二像素传感器，各自包括多个光电探测器、多个转移晶体管、及浮动扩散节点，其中所述多个光电探测器设置在半导体衬底内，且其中所述多个转移晶体管设置在所述半导体衬底的前侧表面上且将所述多个光电探测器选择性地电耦合到所述浮动扩散节点。隔离结构，设置在所述半导体衬底内，其中所述隔离结构连续地环绕所述第一像素传感器中的每一光电探测器及所述第二像素传感器中的每一光电探测器，且其中所述隔离结构完全延伸穿过所述半导体衬底。源极输出器晶体管，上覆在所述第一像素传感器上且由所述第一像素传感器的所述浮动扩散节点进行门控。以及行选择晶体管，上覆在所述第二像素传感器上且具有电耦合到所述源极输出器晶体管的源极/漏极区的源极/漏极区。
本发明的实施例提供一种形成图像传感器的方法，所述方法包括：在半导体衬底的前侧表面上形成浅沟槽隔离结构。在所述半导体衬底中形成第一光电探测器及第二光电探测器，其中所述第一光电探测器与所述第二光电探测器通过所述浅沟槽隔离结构在侧向上隔开。在所述前侧表面上形成读出晶体管，其中所述读出晶体管的第一侧壁上覆在所述第一光电探测器上且所述读出晶体管的第二侧壁上覆在所述第二光电探测器上，其中所述第一侧壁与所述第二侧壁相对，且其中所述读出晶体管在所述浅沟槽隔离结构的上表面之上连续地延伸。沿所述读出晶体管的所述第一侧壁形成第一源极/漏极区。沿所述读出晶体管的所述第一侧壁形成第一结隔离结构，其中所述第一结隔离结构在侧向上位于所述第一源极/漏极区之间。以及在所述半导体衬底的后侧表面上形成深沟槽隔离结构，其中所述深沟槽隔离结构从所述后侧表面延伸到所述浅沟槽隔离结构。
附图说明
结合附图阅读以下详细说明，会最好地理解本公开的各个方面。应注意，根据本行业中的标准惯例，各种特征并非按比例绘制。事实上，为论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
图1示出具有在隔离结构之上延伸的像素器件的图像传感器的一些实施例的布局图。
图2示出根据线A-A’的图1所示图像传感器的一些替代实施例的剖视图。
图3A示出具有多个像素器件的图像传感器的一些实施例的布局图，所述多个像素器件分别具有设置在栅极电极的单个侧上的源极/漏极区。
图3B及图3C示出图3A所示图像传感器的一部分(如图3A中的虚线框所示)的一些替代实施例的布局图。
图4示出具有多个像素传感器及在隔离结构之上延伸的像素器件的图像传感器的一些实施例的布局图。
图5示出根据线B-B’的图4所示图像传感器的一些替代实施例的剖视图。
图6示出根据图4所示图像传感器的替代实施例的图像传感器的布局图，其中图像传感器具有多于一个像素器件，所述像素器件各自在隔离结构之上延伸。
图7示出图4所示图像传感器的一些替代实施例的电路图。
图8及图9示出根据线C-C’的图6所示图像传感器的一些替代实施例的剖视图。
图10到图17示出用于形成具有在隔离结构之上延伸的像素器件的图像传感器的方法的一些实施例的一系列剖视图。
图18示出用于形成具有在隔离结构之上延伸的像素器件的图像传感器的方法的一些实施例的流程图。
具体实施方式
本公开提供用于实施本公开的不同特征的许多不同的实施例或实例。以下阐述组件及排列的具体实例以简化本公开。当然，这些仅为实例而非旨在进行限制。举例来说，在以下说明中，在第二特征之上或第二特征上形成第一特征可包括其中第一特征与第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中第一特征与第二特征之间可形成附加特征从而使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。另外，本公开在各种实例中可重复使用参考编号和/或字母。此种重复使用是为了简明及清晰起见，且自身并不表示所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
此外，为易于说明，本文中可能使用例如“在…之下(beneath)”、“在…下方(below)”、“下部的(lower)”、“在…上方(above)”、“上部的(upper)”等空间相对性用语来阐述图中所示一个元件或特征与另一(其他)元件或特征的关系。所述空间相对性用语旨在除图中所绘示的取向外还囊括器件在使用或操作中的不同取向。装置可具有其他取向(旋转90度或处于其他取向)，且本文中所用的空间相对性阐述语可同样相应地进行解释。
一些互补金属氧化物半导体图像传感器(CIS)具有像素传感器阵列。像素传感器阵列的像素传感器包括设置在半导体衬底中的光电探测器阵列(例如，2×2光电探测器阵列)。在一些实施例中，光电探测器可通过隔离结构(例如，全深度隔离结构)彼此隔开。此外，像素传感器包括设置在半导体衬底的有源区上的多个像素器件(例如，转移晶体管、复位晶体管、源极输出器晶体管和/或行选择晶体管)。典型地，所述多个像素器件在侧向上邻近相应的光电探测器阵列设置且不跨越隔离结构延伸。内连结构上覆在半导体衬底及像素器件上。内连结构将光电探测器与像素器件电耦合在一起。像素传感器使用光电探测器记录入射辐射(例如，光子)且有利于利用像素器件数字读出记录。
对于上述CIS而言的一个挑战是噪声性能差(例如，随机噪声、固定模式噪声、闪烁噪声(flicker noise)、散粒噪声(shot noise)、热噪声、白噪声(white noise)等)。噪声性能的一个因素是所述多个像素器件的大小(例如，源极输出器器件的大小)。在一些实施例中，隔离结构是从半导体衬底的前侧延伸到半导体衬底的后侧的全深度深沟槽隔离(deeptrench isolation，DTI)结构。前侧与后侧相对。在这种实施例中，全深度DTI结构可改善图像传感器的全阱容量(full well capacity)和/或增大设置在半导体衬底内/之上的邻近的光电探测器和/或像素器件之间的电隔离。由于隔离结构是全深度DTI结构，因此它将消耗半导体衬底的表面积，从而减小半导体衬底的有源区的大小。此外，像素传感器局限于上覆在半导体衬底的有源区上，其中像素传感器一般不上覆在全深度DTI结构上。因此，为适应全深度DTI结构，像素器件通常缩减以便将像素器件、隔离结构及光电探测器设置在半导体衬底上/中。然而，减小像素器件的大小会对噪声产生负面影响(例如，由于源极输出器器件的大小减小)，从而导致噪声性能差。在这种实施例中，随着像素器件的大小减小，像素器件的每一栅极电极(例如，源极输出器栅极电极)下的可选择性形成的沟道的有效长度减小。随着可选择性形成的沟道的有效长度减小，像素器件中存在的闪烁噪声将增加。这增加了图像传感器中的噪声，从而降低了从图像传感器产生的图像的准确性和/或可靠性。
本公开的各种实施例涉及包括至少一个像素器件的图像传感器，所述像素器件在设置在第一像素传感器与第二像素传感器之间的隔离结构(例如，全深度DTI结构)之上延伸。第一像素传感器与第二像素传感器彼此邻近。第一像素传感器与第二像素传感器各自包括光电探测器阵列(例如，2×2光电探测器阵列)及多个像素器件。所述多个像素器件可包括读出晶体管，例如复位晶体管、源极输出器晶体管、选择晶体管、转移晶体管等。光电探测器阵列及所述多个像素器件分别设置在半导体衬底上和/或半导体衬底内。隔离结构设置在半导体衬底内，并在侧向上环绕邻近的像素传感器的每一光电探测器。读出晶体管(例如，源极输出器晶体管)设置在半导体衬底上，并在侧向上在隔离结构之上延伸。读出晶体管从第一像素传感器中的光电探测器之上连续地延伸到第二像素传感器中的光电探测器之上。
由于读出晶体管在邻近的像素传感器之间的隔离结构之上连续地延伸，因此读出晶体管可具有扩大的栅极电极。此外，读出晶体管可被配置成充当彼此并联的两个晶体管，其中单个导电接触件上覆在读出栅极电极上。在这种实施例中，省略了原本要用于将两个栅极电极彼此并联地电耦合的金属线与另一导电接触件，从而降低内连结构的总导电密度(例如，减小内连结构中存在的寄生电容)。另外，由于读出晶体管可充当彼此并联的两个晶体管，因此可降低读出晶体管的有效沟道电阻。这部分地减小了读出晶体管中的噪声，从而提高了从图像传感器产生的图像的准确性和/或可靠性。
另外，沿读出栅极电极的第一侧分别设置有读出晶体管的第一源极/漏极区及第二源极/漏极区。在第一源极/漏极区与第二源极/漏极区之间在侧向上设置有结隔离结构。在一些实施例中，结隔离结构可在读出栅极电极下方朝读出栅极电极的与第一侧相对的第二侧延伸一定距离。随着所述距离增大，位于读出栅极电极之下以及第一源极/漏极区与第二源极/漏极区之间的选择性导电沟道的有效长度增加。随着有效长度的增加，读出晶体管中存在的噪声(例如，闪烁噪声)减小。这进一步降低了读出晶体管中的噪声，从而进一步提高了从图像传感器产生的图像的准确性和/或可靠性。
图1示出图像传感器100的一些实施例的布局图，图像传感器100具有在第一隔离结构110(以虚线示出)之上延伸的读出晶体管120c。第一隔离结构110可例如被称为深沟槽隔离(DTI)结构。图2示出根据线A-A’的图1所示图像传感器100的一些替代实施例的剖视图200。
如图1所示，图像传感器100包括分别设置在衬底102上的第一像素传感器106及第二像素传感器108。在一些实施例中，衬底102是包括第一掺杂类型(例如，p型)的块状衬底(例如，硅)。第一像素传感器106可包括第一多个光电探测器106a到106b(以虚线示出)，且第二像素传感器108可包括第二多个光电探测器108a到108b(以虚线示出)。所述第一多个光电探测器106a到106b及所述第二多个光电探测器108a到108b(例如光电二极管)分别被配置成吸收入射辐射(例如，光子)并产生对应于入射辐射的电信号。所述第一多个光电探测器106a到106b及所述第二多个光电探测器108a到108b设置在衬底102内且各自包括与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型(例如，n型)。在一些实施例中，第一掺杂类型是p型，且第二掺杂类型是n型，反之亦然。第一隔离结构110设置在衬底102中，且在侧向上环绕所述第一多个光电探测器106a到106b及所述第二多个光电探测器108a到108b中的每一光电探测器。当从横截面观察时，第二隔离结构131(在一些实施例中，被称为浅沟槽隔离(shallowtrench isolation，STI)结构)上覆在衬底102及第一隔离结构110上。
在衬底102中设置有第一多个拾取阱接触区(pickup well contact regions)114a到114b。所述第一多个拾取阱接触区114a到114b分别对应于第一多个光电探测器106a到106b。此外，在衬底102中设置有第二多个拾取阱接触区129a到129b，且所述第二多个拾取阱接触区129a到129b分别对应于所述第二多个光电探测器108a到108b。所述第一多个拾取阱接触区114a到114b及所述第二多个拾取阱接触区129a到129b可各自以比衬底102高的掺杂浓度包括与衬底102相同的掺杂类型，例如第一掺杂类型(例如，p型)。
在衬底102中设置有第一多个浮动扩散节点116a到116b，且所述第一多个浮动扩散节点116a到116b分别对应于所述第一多个光电探测器106a到106b。在衬底102中设置有第二多个浮动扩散节点128a到128b，且所述第二多个浮动扩散节点128a到128b分别对应于所述第二多个光电探测器108a到108b。所述第一多个浮动扩散节点116a到116b及所述第二多个浮动扩散节点128a到128b可各自以比衬底102高的掺杂浓度包括第二掺杂类型(例如，n型)。
在衬底102之上/衬底102中设置有第一多个转移晶体管112a到112b，且转移晶体管112a到112b各自上覆在所述第一多个光电探测器106a到106b中的相应的光电探测器上。举例来说，第一转移晶体管112a上覆在第一光电探测器106a上，且第二转移晶体管112b上覆在第二光电探测器106b上。在衬底102之上/衬底102中设置有第二多个转移晶体管126a到126b，且转移晶体管126a到126b各自上覆在所述第二多个光电探测器108a到108b中的相应的光电探测器上。在一些实施例中，所述第一多个转移晶体管112a到112b及所述第二多个转移晶体管126a到126b分别被配置成在对应的光电探测器与对应的浮动扩散节点之间形成导电沟道，其中在对应的光电探测器中累积的电荷(例如，通过吸收入射辐射)可被转移到对应的浮动扩散节点。举例来说，第一转移晶体管112a被配置成在第一光电探测器106a与第一浮动扩散节点116a之间形成导电沟道，其中在第一光电探测器106a中累积的电荷可转移到第一浮动扩散节点116a。在一些实施例中，所述第一多个转移晶体管112a到112b及所述第二多个转移晶体管126a到126b中的每一转移晶体管包括转移栅极电极109，转移栅极电极109具有延伸到衬底102中的嵌入式导电本体111。此外，转移栅极电极109的至少一部分各自通过栅极介电层(例如，图2所示栅极介电层202)与衬底102隔开。
在衬底102上设置有第一多个读出晶体管120a到120c(例如，复位晶体管、源极输出器晶体管、行选择晶体管等)。在一些实施例中，所述第一多个读出晶体管120a到120c分别包括读出栅极电极122a到122c及源极/漏极区124a到124h。在一些实施例中，所述第一多个读出晶体管120a到120c可各自例如为金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxidesemiconductor field-effect transistor，MOSFET)、双极结型晶体管(bipolar junctiontransistor，BJT)、高电子迁移率晶体管(high-electron-mobility transistor，HEMT)等。
在一些实施例中，第一读出晶体管120a包括第一读出栅极电极122a及源极/漏极区124a到124b。第二读出晶体管120b包括第二读出栅极电极122b及源极/漏极区124c到124d。第三读出晶体管120c包括第三读出栅极电极122c及源极/漏极区124e到124h。读出晶体管120a到120c各自包括使每一读出晶体管120a到120c与衬底102隔开的栅极介电层(例如，第三读出晶体管120c包括图2所示栅极介电层202)。
第一多个结隔离结构118a到118d位于衬底102中，且结隔离结构118a到118d各自设置在读出晶体管120a到120c与和读出晶体管相邻的栅极电极之间。所述第一多个结隔离结构118a到118d被配置成增大源极/漏极区124a到124h之间的隔离。在一些实施例中，结隔离结构118a到118d各自以比衬底102高的掺杂浓度包括第一掺杂类型(例如，p型)。
多个导通孔130及多个导电配线132上覆在衬底102上(当从横截面观察时)并将器件和/或掺杂区(例如，所述第一多个读出晶体管120a到120c、源极/漏极区124a到124d、所述第一多个拾取阱接触区114a到114b等)电耦合到彼此。当从横截面观察时，所述多个导通孔130分别从所述多个导电配线132的下表面延伸到下伏的器件或掺杂区。在一些实施例中，当从横截面观察时，导通孔130及导电配线132是上覆在衬底102上的内连结构的一部分。为在图1中清晰起见，导通孔130由设置在框中的“X”示出。
衬底102包括第一多个有源区103a到103b及第二多个有源区104a到104b。所述第一多个有源区103a到103b及所述第二多个有源区104a到104b分别包括第一像素传感器106及第二像素传感器108的掺杂区。举例来说，所述第一多个有源区103a到103b包括所述第一多个光电探测器106a到106b、所述第一多个拾取阱接触区114a到114b及所述第一多个浮动扩散节点116a到116b。因此，所述第一多个有源区103a到103b对应于第一像素传感器106。在另一实例中，所述第二多个有源区104a到104b包括第二多个光电探测器108a到108b、所述第二多个拾取阱接触区129a到129b及所述第二多个浮动扩散节点128a到128b。因此，所述第二多个有源区104a到104b对应于第二像素传感器108。
所述第一多个读出晶体管120a到120c被配置成进行对由所述第一多个光电探测器106a到106b累积的电荷的读出。在一些实施例中，第一读出晶体管120a被配置成复位晶体管，第二读出晶体管120b被配置成行选择晶体管，且第三读出晶体管120c被配置成源极输出器晶体管。由于第三读出晶体管120c在第一隔离结构110(和/或第二隔离结构131)之上从所述第一多个光电探测器106a到106b延伸到所述第二多个光电探测器108a到108b，因此第三读出晶体管120c的有效大小增大。这是因为第三读出晶体管120c可充当并联的两个晶体管(如图7中所解释)。因此，第三读出晶体管120c的大小可大于当第三读出晶体管120c被限制在直接上覆在所述第一多个有源区103a到103b和/或所述第二多个有源区104a到104b中的单个有源区上/设置在所述单个有源区中的情况。因此，图像传感器100中噪声(例如，闪烁噪声)的存在减小，从而提高图像传感器100的可靠性、耐久性及性能。
此外，在一些实施例中，通过将第二读出晶体管120b设置在所述第二多个有源区104a到104b中的第一有源区104a之上，读出晶体管120a到120c并不彼此紧密接近。因此，第二读出晶体管120b的大小可大于当第二读出晶体管120b与第一有源区104a中的另一读出晶体管器件邻近地设置的情况。这进一步减小了图像传感器100中的噪声(例如，闪烁噪声)的存在，从而进一步提高图像传感器100的可靠性、耐久性及性能。
在一些实施例中，噪声的另一因素是内连结构(例如，导通孔130及导电配线132)的总导电密度。举例来说，随着导通孔130和/或导电配线132的数目增加，内连结构中的导电元件之间的寄生电容增大。这增加了图像传感器100中的噪声。由于第三读出栅极电极122c在第一隔离结构110之上并在源极/漏极区124e到124f与源极/漏极区124g到124h之间延伸，因此单个导通孔130上覆在第三读出栅极电极122c上。这使第三读出晶体管120c能够充当并联的两个晶体管，从而降低第三读出晶体管120c的有效沟道电阻，同时降低内连结构的总导电密度。因此，图像传感器100可具有进一步得到改善的噪声性能，同时减少与形成图像传感器100相关联的时间及成本。
如图2所示，衬底102具有与后侧102b相对的前侧102f。第二隔离结构131从前侧102f上方延伸到衬底102中的位于前侧102f之下的点。第一隔离结构110从后侧102b延伸到衬底102中的点，其中第一隔离结构110的顶面直接接触第二隔离结构131的底表面且/或与第二隔离结构131的底表面对齐。在这种实施例中，第一隔离结构110及第二隔离结构131可形成完全延伸穿过衬底102的全深度深沟槽隔离(DTI)结构。这可部分地增大图像传感器100的阱容量(well capacity)。
在衬底102中可设置有读出晶体管阱区204，且读出晶体管阱区204直接位于第三读出晶体管120c之下。在一些实施例中，第三读出晶体管120c可被配置成在读出晶体管阱区204中形成导电沟道。在另一些实施例中，读出晶体管阱区204可以比衬底102高的掺杂浓度包括第一掺杂类型(例如，p型)。第三读出晶体管120c上覆在所述第一多个光电探测器106a到106b的第二光电探测器106b上且上覆在所述第二多个光电探测器108a到108b的第二光电探测器108b上。此外，第三读出晶体管120c在第一隔离结构110的段110a之上连续地延伸，第一隔离结构110的段110a在侧向上位于所述第一多个光电探测器106a到106b中的第二光电探测器106b与所述第二多个光电探测器108a到108b中的第二光电探测器108b之间。
图3A示出根据图1所示图像传感器100的一些替代实施例的图像传感器300a的布局图。图3A所示图像传感器300a示出不具有导通孔130及导电配线132的图1所示图像传感器100。
如图3A所示，每一结隔离结构118a到118d的至少一部分直接位于相应的读出栅极电极122a到122c之下。在一些实施例中，结隔离结构118a到118d各自以处于约1017原子/cm3到1019原子/cm3范围内的掺杂浓度包括第一掺杂类型(例如，p型)。在另一些实施例中，源极/漏极区124a到124h分别以与结隔离结构118a到118d近似相等的掺杂浓度(例如，处于约1017原子/cm3到1019原子/cm3的范围内)具有第二掺杂类型(例如，n型)。由于结隔离结构118a到118d直接位于相应的读出栅极电极122a到122c之下，且每一源极/漏极区124a到124h位于其对应的读出栅极电极122a到122c的单侧，因此下伏的导电沟道的有效长度可增加(例如，如图3B到图3C所示及所述)。通过增加每一读出栅极电极122a到122c之下的导电沟道的有效长度，图像传感器300a可具有得到改善的噪声性能。
图3B示出图3A所示图像传感器300a的一部分(如图3A中的虚线框所示)的一些替代实施例的剖视图300b。
当从横截面观察时，在第三读出栅极电极122c与衬底102的前侧(图2所示102f)之间设置有读出栅极绝缘体层302。在一些实施例中，读出栅极绝缘体层302充当栅极介电层且/或可例如为或可包含氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或高介电常数介电材料(例如氧化钽、氧化铝、氧化镧、氧化铪、氧化锆、氧化锆铝、氧化铪铝、溴化钛氧化物(titanium bromideoxide)、氧化锶钛、上述材料的组合等)。本文中所用的高介电常数介电材料是介电常数大于3.9的介电材料。在又一些实施例中，读出栅极绝缘体层302可为栅极介电层(例如，图2所示栅极介电层202)的一部分，其中读出栅极绝缘体层302沿结隔离结构118c的侧壁从源极/漏极区124e连续地延伸到源极/漏极区124f。在一些实施例中，源极/漏极区124e到124f及结隔离结构118c分别沿第三读出栅极电极122c的侧壁122csw设置。
结隔离结构118c从源极/漏极区124e连续地延伸到源极/漏极区124f，包括第一掺杂类型(例如，p型)，且/或具有处于约1017原子/cm3到1019原子/cm3范围内的掺杂浓度。在一些实施例中，结隔离结构118c的高掺杂浓度可阻止和/或防止在结隔离结构118c所在的第三读出栅极电极122c的一部分下形成导电沟道。由此，导电沟道首先围绕结隔离结构118c形成。源极/漏极区124e到124f各自包括第二掺杂类型(例如，n型)且/或具有处于约1017原子/cm3到1019原子/cm3范围内的掺杂浓度。在一些实施例中，结隔离结构118c及源极/漏极区124e到124f具有近似相同的掺杂浓度(例如，处于约1017原子/cm3到1019原子/cm3的范围内)。结隔离结构118c被配置成将源极/漏极区124e到124f彼此电隔离。在一些实施例中，当向第三读出栅极电极122c施加适当的偏压条件时，可在第三读出栅极电极122c之下的衬底102中形成导电沟道304。在这种实施例中，导电沟道304的形成有利于电荷载流子(例如，电子)从源极/漏极区124e流向源极/漏极区124f，反之亦然。在一些实施例中，导电沟道304的有效长度由图3B中的虚线示出。随着导电沟道304的有效长度增加，第三读出晶体管120c的噪声性能提高。
结隔离结构118c具有限定在源极/漏极区124e到124f之间的宽度w1，其中宽度w1例如处于约50纳米到500纳米的范围内。在一些实施例中，如果宽度w1小于50纳米，则第三读出晶体管120c中的噪声可能使其不可用。在另一些实施例中，如果宽度w1大于500纳米，则图像传感器的缩放受到限制，且与形成第三读出晶体管120c相关联的成本可能升高。在一些实施例中，读出栅极绝缘体层302直接上覆在导电沟道304上。在这种实施例中，导电沟道304的俯视布局可对应于读出栅极绝缘体层302的俯视布局，其中导电沟道304与读出栅极绝缘体层302具有相同的面积。
图3C示出图3A所示图像传感器300a的一部分(如图3A中的虚线框所示)的一些替代实施例的剖视图。
结隔离结构118c在第三读出栅极电极122c下方延伸距离d1到在侧向上从第三读出栅极电极122c的侧壁122csw偏移的点。读出栅极绝缘体层302围绕第三读出栅极电极122c之下的结隔离结构118c的周界连续地延伸。在一些实施例中，距离d1例如处于约20纳米到300纳米的范围内。在一些实施例中，如果距离d1是20纳米或大于20纳米，则第三读出晶体管120c的噪声性能可能适合在高级工艺节点使用。在另一些实施例中，如果距离d1大于300纳米，则图像传感器的缩放受到限制且/或与形成第三读出晶体管120c相关联的成本可能升高。
图4示出根据图1所示图像传感器100的一些替代实施例的图像传感器400的一些实施例的布局图。
图像传感器400包括第一像素传感器106及第二像素传感器108。图像传感器400还包括对应于第三像素传感器402的第二多个读出晶体管405a到405b。在一些实施例中，第三像素传感器402具有与第一像素传感器106(未示出)相同的光电探测器、转移晶体管和/或读出晶体管布局。然而，为易于例示，图4中已省略了第三像素传感器402的光电探测器、转移晶体管及读出晶体管的一部分。在一些实施例中，衬底102包括具有第一掺杂类型(例如，p型)的任何类型的半导体本体(例如，单晶硅/CMOS块、硅锗(silicon-germanium，SiGe)、绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)等)。
第一像素传感器106包括第一多个光电探测器106a到106d、第一多个转移晶体管112a到112d、第一多个拾取阱接触区114a到114d及第一多个浮动扩散节点116a到116d。所述第一多个光电探测器106a到106d可包括与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型(例如，n型)。所述第一多个拾取阱接触区114a到114d可以比衬底102高的掺杂浓度包括第一掺杂类型(例如，p型)。所述第一多个浮动扩散节点116a到116d可以比衬底102高的掺杂浓度包括第二掺杂类型(例如，n型)。所述第一多个转移晶体管112a到112d设置在衬底102之上/衬底102中，且分别位于所述第一多个光电探测器106a到106d中的光电探测器之上。举例来说，第一转移晶体管112a上覆在第一光电探测器106a上(当从横截面观察时)且第二转移晶体管112b上覆在第二光电探测器106b上。
在一些实施例中，所述第一多个转移晶体管112a到112d分别被配置成在对应的光电探测器与对应的浮动扩散节点之间形成导电沟道以使得在对应的光电探测器中累积的(例如，通过吸收入射辐射)电荷可转移到对应的浮动扩散节点。举例来说，第一转移晶体管112a被配置成在第一光电探测器106a与第一浮动扩散节点116a之间形成导电沟道，其中在第一光电探测器106a中累积的电荷可转移到第一浮动扩散节点116a。在一些实施例中，所述第一多个转移晶体管112a到112d中的每一转移晶体管可包括转移栅极电极109，转移栅极电极109具有延伸到衬底102中的嵌入式导电本体111。此外，转移栅极电极109的至少一部分分别通过栅极介电层与衬底102隔开。
所述第二多个读出晶体管405a到405b(例如，复位晶体管、源极输出器晶体管、行选择晶体管等)设置在衬底102上。在一些实施例中，所述第二多个读出晶体管405a到405b分别包括读出栅极电极406a到406b及源极/漏极区410。在一些实施例中，所述第二多个读出晶体管405a到405b可分别为例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等。在另一些实施例中，所述第二多个读出晶体管405a到405b分别上覆在所述第一多个光电探测器106a到106d中的光电探测器106c到106d上。
在所述第二多个读出晶体管405a到405b与来自所述第一多个转移晶体管112a到112d的邻近的转移栅极之间在侧向上设置有第二多个结隔离结构407a到407b。所述第二多个结隔离结构407a到407b被配置成增大所述第二多个读出晶体管405a到405b的源极/漏极区410之间的隔离。在一些实施例中，所述第二多个结隔离结构407a到407b及所述第二多个读出晶体管405a到405b分别如图3B或图3C所示第三读出晶体管120c被配置。在这种实施例中，在衬底102与每一读出栅极电极406a到406b之间设置有读出栅极绝缘体层302。此外，当从横截面观察时，所述第二多个结隔离结构407a到407b分别在相应的读出栅极电极406a到406b下方延伸。因此，可增加形成在每一读出栅极电极406a到406b下方的导电沟道的有效长度(如图3B或3C中所述)。这会提高所述第二多个读出晶体管405a到405b的噪声性能，从而降低图像传感器400中的噪声(例如，闪烁噪声)。
此外，如图4所示，所述第一多个读出晶体管120a到120c各自如图3C所示第三读出晶体管120c被配置。在这种实施例中，所述第一多个读出晶体管120a到120c分别包括设置在衬底102与对应的读出栅极电极122a到122c之间的读出栅极绝缘体层302。因此，在每一读出栅极电极122a到122c下方的衬底102中形成的导电沟道的有效长度可增加，从而提高读出晶体管120a到120c的噪声性能。这进一步降低了图像传感器400中的噪声。
另外，在一些实施例中，导通孔130的第一导通孔130a直接上覆在所述第一多个拾取阱接触区114a到114d中的第二拾取阱接触区114b且/或电耦合到所述第一多个拾取阱接触区114a到114d中的第二拾取阱接触区114b。第一导通孔130a可被配置成衬底接触节点或接地节点且/或可被称为接地通孔或衬底接触通孔。在一些实施例中，第一导通孔130a可电耦合到地面，其中设置在第二拾取阱接触区114b下方且沿第二光电探测器106b的邻近的侧壁的像素阱区(未示出)电耦合到地面。此外，导通孔130的第二导通孔130b直接上覆在第三读出晶体管120c的源极/漏极区124f上且/或电耦合到第三读出晶体管120c的源极/漏极区124f。在这种实施例中，第二导通孔130b电耦合到电源(例如，直流(direct current，DC)电源)以使得第二导通孔130b被配置成电源供应通孔和/或电源供应节点。在一些实施例中，第一导通孔130a是距第二导通孔130b最近或最接近的导通孔。在其他实施例中，第一导通孔130a与第二导通孔130b之间的距离小于第一导通孔130a与所述多个导通孔130中的任何其他导通孔之间的距离。这可部分地减少设置在衬底102之上的导通孔130和/或导电配线的数目，从而减少与形成图像传感器400相关联的时间及成本。
图5示出根据线B-B’的图4所示图像传感器400的一些替代实施例的剖视图500。
衬底102具有与后侧102b相对的前侧102f。第二隔离结构131从前侧102f上方延伸到衬底102中的前侧102f下方的点。第一隔离结构110从后侧102b延伸到衬底102中的点，其中第一隔离结构110的顶表面直接接触第二隔离结构131的底表面且/或与第二隔离结构131的底表面对齐。在这种实施例中，第一隔离结构110及第二隔离结构131可形成完全延伸穿过衬底102的全深度深沟槽隔离(DTI)结构。这可部分地增大图像传感器100的阱容量。第三读出晶体管120c在第一隔离结构110的段110a之上连续地延伸，第一隔离结构110的段110a在侧向上位于所述第一多个光电探测器106a到106b中的第二光电探测器106b与所述第二多个光电探测器108a到108b中的第二光电探测器108b之间。所述第二多个读出晶体管405a到405b中的读出晶体管405b在第一隔离结构110的另一段110b之上连续地延伸。第一隔离结构110的另一段110b在侧向上从段110a偏移开非零距离。在这种实施例中，所述第二多个读出晶体管405a到405b中的读出晶体管405b从第一像素传感器106的光电探测器106d之上连续地延伸到第三像素传感器402的光电探测器(未示出)。因此，在一些实施例中，图像传感器400包括多于一个晶体管(例如，读出晶体管405b及120c)，所述多个一个晶体管在第一隔离结构110的段之上连续地且完全地延伸。在这种实施例中，第一隔离结构110的段夹置在两个像素传感器之间。
在一些实施例中，抗反射层502沿衬底102的后侧102b延伸。在一些实施例中，抗反射层502被配置成减少由衬底102反射的入射辐射的量。在另一些实施例中，抗反射层502可例如为或可包含氧化物、高介电常数介电质、氮化物等。在另一些实施例中，抗反射层502可包括堆叠在包含高介电常数介电质的第二层上的包含氧化物的第一层，反之亦然。
多个滤色器504(例如，红色滤色器、蓝色滤色器、绿色滤色器等)直接接触抗反射层502。在一些实施例中，滤色器504布置在抗反射层502之下的阵列中。滤色器504分别被配置成透射特定波长的入射辐射。举例来说，第一滤色器(例如，红色滤色器)可透射波长在第一范围内的光，而第二滤色器(例如，蓝色滤色器)可透射波长在不同于第一范围的第二范围内的光。此外，在滤色器504之下设置有多个微透镜506。微透镜506被配置成将入射辐射(例如，光子)朝上覆的光电探测器(例如，图4所示所述第一多个光电探测器106a到106d)聚焦。
图6示出对应于图4所示图像传感器400的替代实施例的图像传感器600的一些实施例的布局图。
图像传感器600包括第一像素传感器106、第二像素传感器108、第三像素传感器402、第四像素传感器602a、第五像素传感器602b及第六像素传感器602c。在一些实施例中，图像传感器600包括像素传感器阵列，其中图4所示图像传感器400邻近被配置成图像传感器400的另一图像传感器设置。在这种实施例中，第四像素传感器602a被配置成图4所示第一像素传感器106，第五像素传感器602b被配置成图4所示第二像素传感器108，且第六像素传感器602c被配置成图4所示第三像素传感器402。
第四像素传感器602a包括第四多个光电探测器604、第四多个转移晶体管606、第四多个浮动扩散节点608、第四多个结隔离结构610、源极/漏极区612及第三多个读出晶体管611a到611c。在一些实施例中，第四像素传感器602a的前述区、器件和/或结构被配置成第一像素传感器106的对应区、器件和/或结构，如图1、图2、图3A到图3C、图4和/或图5所示和/或所述。第五像素传感器602b包括第五多个光电探测器620、第五多个转移晶体管622及第五多个浮动扩散节点624。在一些实施例中，第五像素传感器602b的前述区、器件和/或结构被配置成第二像素传感器108的对应区、器件和/或结构，如图1、图2、图3A、图4和/或图5所示和/或所述。此外，第六像素传感器602c包括第三多个读出晶体管630a到630b、源极/漏极区632及多个结隔离结构634。在一些实施例中，第六像素传感器602c的前述区、器件和/或结构被配置成第三像素传感器402的对应区、器件和/或结构，如图4所示和/或所述。
如图6所示，所述第三多个读出晶体管611a到611c中的第三读出晶体管611c从第四像素传感器602a的光电探测器604之上到第五像素传感器602b的光电探测器620之上在侧向上连续地跨越第一隔离结构110及第二隔离结构131延伸。因此，第四像素传感器602a的噪声性能可提高。此外，第一像素传感器106与第四像素传感器602a之间的第一隔离结构110的宽度650小于第一像素传感器106与第四像素传感器602a之间的第二隔离结构131的宽度652。
第一像素传感器106的第二拾取阱接触区114b及第四拾取阱接触区114d各自直接上覆在下伏的像素阱区(未示出)上和/或直接电耦合到下伏的像素阱区(未示出)。像素阱区是包括第一掺杂类型(例如，p型)的衬底102的掺杂区，且沿邻近的光电探测器的侧壁延伸。举例来说，像素阱区位于第二拾取阱接触区114b之下且沿第二光电探测器106b的侧壁延伸。在一些实施例中，包括第一掺杂类型的像素阱区位于像素传感器106、108、402、602a到602d的每一拾取阱接触区(例如，拾取阱接触区114a到114d、129a到129b)之下，且邻接邻近的光电探测器。第四像素传感器602a的拾取阱接触区615a到615b直接上覆在沿所述第四多个光电探测器604中的邻近的光电探测器设置的像素阱区(未示出)上和/或直接电耦合到沿所述第四多个光电探测器604中的邻近的光电探测器设置的像素阱区(未示出)。拾取阱接触区114b、114d、615a到615b通过导通孔130电耦合到上覆的第一导电配线132a。通过将拾取阱接触区114b、114d、615a到615b连接到单导电配线(例如，第一导电配线132a)，设置在衬底102之上的导电配线132的数目减少，从而降低内连结构的总导电密度及与形成图像传感器600相关联的成本。
第二导电配线132b在第三读出晶体管120c的源极/漏极区124f、124h之上延伸，并通过下伏的导通孔130电耦合到源极/漏极区124f、124h。第二导电配线132b在第一隔离结构110之上连续地延伸到第四像素传感器602a的第一读出晶体管611a的源极/漏极区612。第二导电配线132b直接电耦合到第一读出晶体管611a的源极/漏极区612。因此，第三读出晶体管120c的源极/漏极区124f、124h与第一读出晶体管611a的源极/漏极区612直接电耦合在一起，从而提高图像传感器600的噪声性能。此外，这可减少设置在衬底102之上的导电配线132和/或导通孔130的数目，从而降低内连结构的总导电密度及与形成图像传感器600相关联的成本。
图7示出对应于图4或图6所示第一像素传感器106的电路表示形式的一些实施例的电路图700。
电路图700表示接收及处理设置在所述第一多个光电探测器106a到106d上的入射电磁辐射的一些实施例。电荷收集电路701包括分别通过所述第一多个转移晶体管112a到112d电耦合到第一节点712的所述第一多个光电探测器106a到106d。电荷收集电路701被配置成向第一节点712转移/移除从所述第一多个光电探测器106a到106d内的入射电磁辐射收集的电荷。举例来说，所述第一多个转移晶体管112a到112d被配置成分别向相应的浮动扩散节点(例如，图4所示所述第一多个浮动扩散节点116a到116d)移除/转移从所述第一多个光电探测器106a到106d中的每一光电探测器内的入射电磁辐射收集的电荷。转移电压被施加到TX1节点702、TX2节点704、TX3节点706及TX4节点708以将所述第一多个光电探测器106a到106d分别电耦合到所述第一多个浮动扩散节点(图4所示116a到116d)。前述节点分别电耦合到所述第一多个转移晶体管112a到112d的转移栅极电极(图4所示109)。在一些实施例中，每一转移晶体管112a到112d的第一源极/漏极区通过相应的光电探测器106a到106d电耦合到接地节点710(例如，接地节点710电耦合到地面)，且每一转移晶体管112a到112d的第二源极/漏极区电耦合到第一节点712。在前述实施例中，所述第一多个转移晶体管112a到112d彼此并联电耦合。第一节点712电耦合到所述第一多个浮动扩散节点(图4所示116a到116d)、第一读出晶体管120a(例如，复位晶体管)的第一源极/漏极区及第三读出晶体管120c(例如，源极输出器晶体管)的读出栅极电极。在一些实施例中，接地节点710电耦合到直接上覆在和/或直接电耦合到图4或图6所示所述第一多个拾取阱接触区114a到114d上的每一导通孔130。
预充电电路714包括第一读出晶体管120a(例如，复位晶体管)。预充电电路714电耦合到电荷收集电路701的输出端子(例如，第一节点712)。预充电电路714被配置成将第一节点712设定成初始充电状态(例如，设定成第一电压值，例如5伏(V))。在电路700的操作期间，第一节点712处的电压可被设定成初始充电状态和/或可从初始充电状态发生波动，且预充电电路714可用于将第一节点712处的电压设定回初始充电状态。在一些实施例中，第一读出晶体管120a的第一源极/漏极区电耦合到第一节点712，且第一读出晶体管120a的第二源极/漏极区电耦合到电源供应节点718。在一些实施例中，电源供应节点718电耦合到供应电压Vdd的电源(例如，直流(DC)电源)。在另一些实施例中，复位栅极电压RSTG被施加到第一读出晶体管120a的第一读出栅极电极(图4所示122a)以将电源供应节点718处的电压Vdd施加到第一节点712。
电荷转移电路719包括彼此电耦合的第三读出晶体管120c(例如，源极输出器晶体管)与第二读出晶体管120b(例如，行选择晶体管)。电荷转移电路719的输入端子电耦合到预充电电路714的输出端子(例如，第一节点712)。电荷转移电路719的输出端子电耦合到输出节点722(例如，Vout或字线)。在电路700的操作期间，如果第一节点712处的充电电平(charge level)足够高，则电荷转移电路719被配置成根据第二读出晶体管120b选择性地向输出节点722输出电荷。在一些实施例中，第三读出晶体管120c的第一源极/漏极区电耦合到电源供应节点718。第三读出晶体管120c的第二源极/漏极区电耦合到第二读出晶体管120b的第一源极/漏极区。第二读出晶体管120b的第二源极/漏极区电耦合到输出节点722。向第二读出晶体管120b的栅极电极施加选择栅极电压SELG。选择栅极电压SELG被配置成控制到输出节点722的电荷输出。
在一些实施例中，如图7所见，第三读出晶体管120c可包括彼此并联电耦合的两个晶体管120c1到120c2。在这种实施例中，这可实现，因为第三读出栅极电极(图4所示122c)在第一隔离结构(图4所示110)的一段之上连续地延伸。在图4所示布局图中，第一晶体管120c1可上覆在所述第一多个光电探测器106a到106d中的第二光电探测器106b上，且第二晶体管120c2可上覆在所述第二多个光电探测器108a到108b中的光电探测器(图4所示108b)上。此外，第一隔离结构(图4所示110)的一段在侧向上位于第一晶体管120c1的源极/漏极区与第二晶体管120c2的源极/漏极区之间。由于第三读出晶体管120c包括两个彼此并联电耦合的晶体管120c1到120c2，因此在第三读出栅极电极(图4所示122c)下方的衬底(图4所示102)中形成的导电沟道的有效长度可增加。这将提高图4所示图像传感器400的噪声性能。
此外，所述两个晶体管120c1到120c2共享栅极电极(例如，第三读出栅极电极(图4所示122c))。这至少省略了原本用于将两个单独的栅极电极电耦合在一起的导电配线及导通孔，从而降低了图4所示内连结构(例如，导通孔130及导电配线132)的总导电密度。由于内连结构的总导电密度降低，因此图像传感器400的噪声性能得到进一步提高。
在一些实施例中，在电路700的操作期间，如果在相应的转移晶体管112a到112d被激活时，所述第一多个光电探测器106a到106d内的充电电平足够高，则第三读出晶体管120c被激活，且电荷根据用于寻址(addressing)的第二读出晶体管120b的操作选择性地输出。第一读出晶体管120a可用于在入射辐射的曝光周期之间将光电探测器106a到106d复位(例如，设定成初始电压，例如5伏)。
图8示出根据线C-C’的根据图6所示图像传感器600的一些实施例的图像传感器800的剖视图。
图像传感器800包括上覆在衬底102的前侧102f的内连结构802。衬底102可例如为包括第一掺杂类型(例如，p型)的块状硅衬底。图像传感器800还包括设置在第一转移晶体管112与第二转移晶体管126之间的读出晶体管120。第一转移晶体管112上覆在第一光电探测器801上，且第二转移晶体管126上覆在第二光电探测器803上。第一光电探测器801及第二光电探测器803分别包括第二掺杂类型(例如，n型)。在一些实施例中，图像传感器800包括以列及行的阵列设置的多个像素传感器。像素传感器分别包括转移晶体管、读出晶体管及光电探测器。举例来说，第一转移晶体管112、第一光电探测器801及读出晶体管120可分别为第一像素传感器的一部分，且第二转移晶体管126及第二光电探测器803可分别为第二像素传感器的一部分。因此，读出晶体管120在第一隔离结构110之上从第一像素传感器上方连续地延伸到第二像素传感器上方。
在一些实施例中，读出晶体管120可如图1、图2、图3A到图3C、图4、图5或图6所示和/或所述的第三读出晶体管120c被配置。第一光电探测器801可如图1、图2、图3A、图4、图5或图6所示和/或所述的第一像素传感器106的第二光电探测器106b被配置。第二光电探测器803可如图1、图2、图3A、图4、图5或图6所示和/或所述的第二像素传感器108的第二光电探测器108b被配置。
内连结构802包括内连介电结构824、多个导通孔130、多个导电配线132及导电结合垫820。内连结构802被配置成将衬底102的掺杂区、器件和/或结构电耦合在一起。在另一些实施例中，内连结构802可结合到和/或电耦合到另一集成电路(integrated circuit，IC)管芯830(例如，包括一个或多个半导体器件的集成电路(IC)管芯或者载体衬底)。在一些实施例中，另一集成电路管芯830可例如为专用集成电路(application-specificintegrated circuit，ASIC)。在一些实施例中，另一集成电路管芯830可例如包括晶体管、功率MOSFET器件、动态随机存取存储器(dynamic random-access memory，DRAM)器件、前述器件的组合等。
第二隔离结构131延伸到衬底102的前侧102f中并接触第一隔离结构110。第一隔离结构110包括第一隔离层110c及第二隔离层110d。第一隔离层110c从衬底102的后侧102b延伸到第二隔离结构131且可如图5所示抗反射层502被配置。第一隔离结构110及第二隔离结构131被配置成将设置在衬底102内/衬底102上的邻近的半导体器件彼此电隔离。举例来说，第一光电探测器801通过第一隔离结构110及第二隔离结构131与第二光电探测器803电隔离。在一些实施例中，第一隔离结构110及第二隔离结构131被称为全深度深沟槽隔离(DTI)结构。沿第一隔离结构110设置有多个滤色器504，且沿所述多个滤色器504设置有多个微透镜506。
在一些实施例中，沿第一光电探测器801及第二光电探测器803的上表面设置有隔离区808。隔离区808可为衬底102的掺杂区，所述掺杂区被配置成增大第一光电探测器801及第二光电探测器803与上覆的半导体器件和/或掺杂区(例如读出晶体管阱区204)之间的电隔离。隔离区808包括第一掺杂类型(p型)。转移晶体管阱区804分别设置在第一转移晶体管112及第二转移晶体管126与第一隔离结构110及第二隔离结构131之间。转移晶体管阱区804包括第一掺杂类型(例如，p型)。
第一转移晶体管112及第二转移晶体管126分别包括转移栅极电极109、栅极介电层202、下部栅极注入区806及侧壁间隔件结构818。下部栅极注入区806具有第一掺杂类型(例如，p型)且被配置成改善栅极介电层202与衬底102之间的界面，从而降低第一转移晶体管112及第二转移晶体管126中的暗电流。这可部分地提高图像传感器800的噪声性能。此外，沿第一转移晶体管112及第二转移晶体管126的侧壁设置分别有第一浮动扩散节点116及第二浮动扩散节点128。第一浮动扩散节点116及第二浮动扩散节点128分别包括第二掺杂类型(例如，n型)。
读出晶体管120在侧向上设置在第一转移晶体管112与第二转移晶体管126之间。读出晶体管120包括读出栅极电极122、侧壁间隔件结构818、栅极介电层202、源极/漏极区812、814、轻掺杂区816及读出晶体管阱区204。在一些实施例中，读出晶体管120被配置成有利于从第一光电探测器801读出电信号。在这种实施例中，读出晶体管120可不进行对来自第二光电探测器803的电信号的读出以使得第一光电探测器801是第一像素传感器的一部分，且第二光电探测器803是与第一像素传感器分开的第二像素传感器的一部分。
图9示出根据图8所示图像传感器800的一些替代实施例的图像传感器900的剖视图。
第一隔离结构110的第一隔离层110c可例如具有非平坦图案(例如，锯齿状图案(jig-saw pattern))，所述锯齿状图案被配置成使设置在第一光电探测器801及第二光电探测器803上的入射辐射的光接收表面积增大。这部分地提高了图像传感器900的灵敏度和/或量子效率(quantum efficiency，QE)。
此外，如图9所示，读出栅极电极122和/或转移栅极电极109可各自包括多个栅极电极层902、904、906。在这种实施例中，前述电极可被配置成高介电常数金属栅极，其中栅极介电层202包含高介电常数介电材料。此外，栅极电极层902、904、906可分别例如为或可包含氮化钛、氮化钽、钛、钽、钨、铝等。
图10到图17示出根据本公开的各个方面的形成图像传感器的方法的一些实施例的剖视图1000到1700。尽管图10到图17所示的剖视图1000到1700是参照方法阐述的，然而应理解，图10到图17所示结构并非仅限于所述方法，而是可独立于所述方法。尽管图10到图17被阐述为一系列动作，然而应理解，这些动作并不限制在其他实施例中可改变动作的顺序，且所公开的方法也适用于其他结构。在其他实施例中，所示出和/或所述的一些动作可全部或部分地省略。在一些实施例中，图10到图17可例如用于形成图8所示图像传感器800。在这种实施例中，图10到图17所示区、结构和/或器件的布局可对应于图6所示根据线C-C’的布局。
如图10所示的剖视图1000所示，提供衬底102并在衬底102的前侧102f上形成第二隔离结构131(在一些实施例中，称为浅沟槽隔离(STI)结构)。在一些实施例中，衬底102可例如为块状衬底(例如块状硅衬底)、绝缘体上硅(SOI)衬底或一些其他合适的衬底。在一些实施例中，在形成第二隔离结构131之前，执行第一注入工艺以利用第一掺杂类型(例如，p型)来对衬底102进行掺杂。在这种实施例中，衬底102可例如具有处于约1013原子/cm3到1016原子/cm3的范围内的掺杂浓度。在一些实施例中，用于形成第二隔离结构131的工艺可包括：1)选择性地刻蚀衬底102以在衬底102中形成沟槽，所述沟槽从前侧102f延伸到衬底102中；以及2)利用介电材料填充沟槽(例如，通过化学气相沉积(chemical vapordeposition，CVD)、物理气相沉积(physical vapordeposition，PVD)、原子层沉积(atomiclayer deposition，ALD)、热氧化等)。在一些实施例中，第二隔离结构131可例如为或可包含二氧化硅、氮化物或另一种合适的介电材料。在另一些实施例中，第二隔离结构131具有处于约0.05微米到0.40微米的范围内的厚度t1。
如图11所示的剖视图1100所示，在衬底102中形成第一光电探测器801及第二光电探测器803。第一光电探测器801及第二光电探测器803各自是衬底102的包括与第一掺杂类型(例如，p型)相反的第二掺杂类型(例如，n型)的区。在一些实施例中，第一光电探测器801及第二光电探测器803可通过选择性离子注入工艺形成，所述选择性离子注入工艺利用衬底102的前侧102f上的掩模层(未示出)来选择性地将离子注入到衬底102中。在一些实施例中，第一光电探测器801及第二光电探测器803可各自具有处于约1015原子/cm3到1018原子/cm3范围内的掺杂浓度。此外，第一光电探测器801及第二光电探测器803各自在远离衬底102的前侧102f的方向上从第二隔离结构131垂直偏移非零距离。在一些实施例中，参照图6，第一光电探测器801可对应于图6所示第一像素传感器106的第二光电探测器106b，且第二光电探测器803可对应于图6所示第二像素传感器108的第二光电探测器108b。
另外如图11所示，在衬底102中形成一个或多个掺杂区。举例来说，在第一光电探测器801及第二光电探测器803之上形成隔离区808。在一些实施例中，隔离区808包括掺杂浓度处于约1017原子/cm3到1019原子/cm3范围内的第一掺杂类型(例如，p型)。在另一些实施例中，在图像传感器的操作期间，在隔离区808与第一光电探测器801及第二光电探测器803之间形成pn结且因此形成耗尽区。在这种实施例中，隔离区808的至少一部分没有耗尽(例如，从第一光电探测器801或第二光电探测器803垂直偏移的区)，其中隔离区808被由衬底接触通孔(未示出)施加偏压以使得图像传感器的pn结电容增大。在一些实施例中，隔离区808的部分不会因施加偏压而耗尽。在一些实施例中，参照图6，隔离区808可通过上覆在第一像素传感器106的拾取阱接触区114b上的导通孔130被施加偏压。在这种实施例中，隔离区808电耦合到拾取阱接触区114b。此外，分别沿第一光电探测器801及第二光电探测器803的上表面及侧壁形成转移晶体管阱区804。在转移晶体管阱区804之间在第一光电探测器801及第二光电探测器803之上垂直地形成读出晶体管阱区204。在一些实施例中，转移晶体管阱区804和/或读出晶体管阱区204分别可例如包括处于约1016原子/cm3到1018原子/cm3范围内的第一掺杂类型(例如，p型)。在另一些实施例中，转移晶体管阱区804和/或读出晶体管阱区204可各自具有比隔离区808低的掺杂浓度。在一些实施例中，前述一个或多个掺杂区的形成可包括执行至少一个选择性离子注入工艺，所述选择性离子注入工艺利用衬底102的前侧102f上的掩模层(未示出)来选择性地将离子注入到衬底102中。
如图12所示的剖视图1200所示，将衬底102图案化以形成垂直栅极电极开口1202。在一些实施例中，图案化工艺包括：1)在衬底102的前侧102f之上形成掩模层(未示出)；2)将衬底102的未被掩蔽的区暴露于一种或多种刻蚀剂，从而界定垂直栅极电极开口1202及衬底102的上表面102us；以及3)执行移除工艺以移除掩模层。衬底102的上表面102us与衬底102的前侧102f垂直偏移距离d2。在一些实施例中，距离d2处于约0.1微米到0.6微米的范围内。在形成垂直栅极电极开口1202之后，在衬底102中形成具有第一掺杂类型(例如，p型)的下部栅极注入区806。在一些实施例中，下部栅极注入区806具有处于约5×1016原子/cm3到5×1018原子/cm3范围内的掺杂浓度。在另一些实施例中，下部栅极注入区806是通过根据设置在衬底102的前侧102f之上的掩模层(未示出)执行选择性离子注入工艺来形成的。
如图13所示的剖视图1300所示，在衬底102之上形成栅极介电层202。栅极介电层202至少部分地对垂直栅极电极开口(图12所示1202)进行衬垫且上覆在读出晶体管阱区204正上方的衬底102的前侧102f的至少一部分上。此外，在垂直栅极电极开口(图12所示1202)中形成转移栅极电极109，且在读出晶体管阱区204之上形成读出栅极电极122。在一些实施例中，上述层和/或结构通过以下步骤形成：1)在衬底102之上沉积栅极介电膜；2)接着沉积栅极介电膜的栅极电极层；以及3)根据掩模层(未示出)将栅极介电膜及栅极电极层图案化，从而界定栅极介电层202、转移栅极电极109及读出栅极电极122。在一些实施例中，栅极介电膜和/或栅极电极层可例如分别通过CVD、PVD、ALD、热氧化、溅射、另一种合适的沉积工艺或前述方法的组合来沉积和/或生长。在一些实施例中，栅极介电层202可例如为或可包含氧化硅、高介电常数介电材料等。在另一些实施例中，转移栅极电极109和/或读出栅极电极122可例如分别为或可包含金属(例如铝、钛等)、多晶硅或另一种合适的导电材料。此外，在形成转移栅极电极109和/或读出栅极电极122之后，可执行选择性离子注入工艺以在读出栅极电极122的相对侧上的读出晶体管阱区204中形成轻掺杂区816。轻掺杂区816可例如包括掺杂浓度比隔离区808小的第二掺杂类型(例如，n型)。
如图14所示的剖视图1400所示，在衬底102的前侧102f上且沿转移栅极电极109的侧壁及读出栅极电极122的侧壁形成侧壁间隔件结构818。此外，在衬底102的前侧102f上形成第一浮动扩散节点116、第二浮动扩散节点128、第一结隔离结构810a、第二结隔离结构810b及源极/漏极区812、814。这界定了第一光电探测器801之上的第一转移晶体管112、第二光电探测器803之上的第二转移晶体管126以及第一光电探测器801及第二光电探测器803之上的读出晶体管120。第一浮动扩散节点116及第二浮动扩散节点128以及源极/漏极区812、814各自具有掺杂浓度比轻掺杂区816高的第二掺杂类型(例如，n型)。第一结隔离结构810a及第二结隔离结构810b各自具有掺杂浓度处于约1017原子/cm3到1019原子/cm3范围内的第一掺杂类型(例如，p型)。
在一些实施例中，轻掺杂区816及源极/漏极区812、814可各自包括第一掺杂类型(例如，p型)。在这种实施例中，读出晶体管阱区204以及第一结隔离结构810a及第二结隔离结构810b可各自包括第二掺杂类型(例如，n型)。
在一些实施例中，参照图6，第一结隔离结构810a可对应于沿第三读出晶体管120c的第一侧壁122csw1设置的结隔离结构118c。此外，第二结隔离结构810b可对应于沿第三读出晶体管120c的第二侧壁122csw2设置的结隔离结构118d。在这种实施例中，源极/漏极区124e到124h可与源极/漏极区812同时形成。此外，第一结隔离结构810a及第二结隔离结构810b可以如图3B所示结隔离结构118c或如图3C所示结隔离结构被配置的方式各自形成。
在一些实施例中，侧壁间隔件结构818可通过在衬底102的前侧102f之上沉积间隔件层(例如，通过CVD、PVD、ALD等)来形成。接着对间隔件层进行刻蚀，从而在转移栅极电极109的侧壁周围及读出栅极电极122的侧壁周围形成侧壁间隔件结构818。在一些实施例中，间隔件层可例如为或可包含氮化物、氧化物或一些其他合适的介电材料。在一些实施例中，第一浮动扩散节点116及第二浮动扩散节点128、源极/漏极区812、814以及第一结隔离结构810a及第二结隔离结构810b可分别通过至少一次选择性离子注入工艺形成，所述选择性离子注入工艺利用衬底102的前侧102f上的掩模层(未示出)来选择性地将离子(例如，n型(例如磷)或p型(例如硼))注入到衬底102中。在另一些实施例中，在所述至少一次选择性离子注入工艺之后执行退火工艺(例如，激光退火、快速热退火(rapid thermal anneal，RTA)等)以使选择性注入的掺杂剂活化。
在一些实施例中，参照图6，读出晶体管120对应于第一像素传感器106的第三读出晶体管120c。在这种实施例中，读出晶体管120在第一像素传感器106与第二像素传感器108之间连续地在侧向上延伸。此外，参照图6，第一转移晶体管112对应于第一像素传感器106的第二转移晶体管112b，且第二转移晶体管126对应于第二像素传感器108的第二转移晶体管126b。
如图15所示的剖视图1500所示，在衬底102的前侧102f之上形成内连结构802。内连结构802包括内连介电结构824、多个导通孔130、多个导电配线132及导电结合垫820。在一些实施例中，内连介电结构824可形成为具有实质上平坦的上表面且可包括分别包含例如氧化物、氮化物、低介电常数介电材料等的一个或多个介电层。在一些实施例中，内连介电结构824可通过CVD、PVD、ALD等形成。在另一些实施例中，可对内连介电结构824执行平坦化工艺(例如，化学机械平坦化(chemical-mechanical planarization，CMP)工艺)以形成实质上平坦的上表面。
在一些实施例中，所述多个导通孔130形成在内连介电结构824中。此外，导通孔130从导电配线132延伸到衬底102的掺杂区(例如，源极/漏极区812、814)和/或晶体管栅极电极(例如，转移栅极电极109、读出栅极电极122等)。此外，导电结合垫820的上表面与内连介电结构824的实质上平坦的上表面对齐。导电结合垫820电耦合到导通孔130及导电配线132(未示出)。在一些实施例中，用于形成导通孔130的工艺包括沉积内连介电结构824的下部部分、接着向下部部分中执行刻蚀以形成对应于导通孔130的通孔开口。在另一些实施例中，通孔开口可通过沉积或生长覆盖填充接触开口的内连介电结构824的导电材料(例如钨)以及接着对导通孔130及内连介电结构824执行平坦化工艺(例如，CMP)来填充。
另外如图15所示，导电配线132和/或导电结合垫820形成在内连介电结构824中。在一些实施例中，用于形成导电配线132和/或导电结合垫820的工艺包括：1)沉积内连介电结构824的上部部分；2)在上部部分之上形成掩模层(未示出)；3)向上部部分中执行刻蚀工艺以形成对应于导电配线132和/或导电结合垫820的开口；4)利用导电材料(例如，铜、铝等)填充开口；及5)接着对导电材料执行平坦化工艺(例如，CMP)。此外，衬底102具有从衬底102的前侧102f到衬底102的后侧102b界定的初始厚度ti。前侧102f与后侧102b相对。在一些实施例中，导通孔130、导电配线132和/或导电结合垫820可例如分别为或可包含钨、铝、铜、前述材料的组合或另一种合适的导电材料。在另一些实施例中，导电结合垫820及内连介电结构824可(例如，通过混合结合工艺)结合到另一集成电路管芯830(例如，包括一个或多个半导体器件的集成电路(IC)管芯或者载体衬底)。在一些实施例中，另一集成电路管芯830可例如为专用集成电路(ASIC)。
如图16所示的剖视图1600所示，将图15所示结构翻转(例如，旋转180度)且将衬底102从初始厚度(图15所示ti)减薄到厚度ts。举例来说，图15所示初始厚度ti大于图16所示衬底102的厚度ts。在一些实施例中，减薄工艺可例如通过平坦化工艺、回蚀工艺、研磨工艺、上述工艺的组合等来执行。在另一些实施例中，平坦化工艺可完全为CMP工艺。在一些实施例中，厚度ts处于约2微米到10微米的范围内。
另外如图16所示，在衬底102中形成第一隔离结构110(在一些实施例中，称为深沟槽隔离(DTI)结构)。第一隔离结构110从后侧102b延伸到衬底102中而到达后侧102b下方的点。在一些实施例中，第一隔离结构110从后侧102b延伸到第二隔离结构131的顶表面。在另一些实施例中，第一隔离结构110从衬底102的后侧102b延伸到衬底102的前侧102f(未示出)。第一隔离结构110包括第一隔离层110c及第二隔离层110d。第一隔离层110c从衬底102的后侧102b延伸到第二隔离结构131且可如图5所示抗反射层502被配置。在一些实施例中，用于形成第一隔离结构110的工艺包括：1)选择性地刻蚀衬底102以在衬底102中形成沟槽，所述沟槽从后侧102b延伸到衬底102中；2)在衬底102之上沉积第一隔离层110c(例如，通过CVD、PVD、ALD等)，从而填充沟槽的一部分；以及3)利用第二隔离层110d填充沟槽的其余部分(例如，通过CVD、PVD、ALD，溅射等)。在一些实施例中，第一隔离层110c可例如为或可包含高介电常数介电材料、氧化物(例如二氧化硅)、氮化硅(例如，Si3N4)、前述材料的组合等。在一些实施例中，第二隔离层110d可例如为或可包含高介电常数介电材料、氧化物(二氧化硅)、氮化硅(例如，Si3N4)、多晶硅、钨、铝、铜等。在另一些实施例中，第二隔离层110d可包括被介电层环绕的导电段，例如，被绝缘介电层(例如，高介电常数介电材料)(未示出)衬垫的导电柱(例如，铜)。在一些实施例中，读出栅极电极122在侧向上延伸跨越第一隔离结构110的段110a的整个宽度w2。
如图17所示的剖视图1700所示，在第一隔离结构110之上形成多个滤色器504。滤色器504由能够透射具有特定波长范围的入射辐射(例如，光)的材料形成，同时阻挡具有特定范围之外的另一波长的入射波长。在另一些实施例中，滤色器504可通过CVD、PVD、ALD等形成，和/或可在形成之后被平坦化(例如，通过CMP)。此外，在滤色器504之上形成多个微透镜506。所述多个微透镜506可通过在滤色器504上沉积透镜材料(例如，通过旋涂方法或沉积工艺)来形成。在透镜材料上方对具有弯曲上表面的透镜模板(未示出)进行图案化。接着通过根据透镜模板选择性地刻蚀透镜材料来形成微透镜506。
图18示出根据本公开的形成图像传感器的方法1800。尽管方法1800被示出和/或阐述为一系列动作或事件，然而应理解所述方法并非仅限于所示顺序或动作。因此，在一些实施例中，所述动作可采用与所示不同的顺序来进行，和/或可同时进行。此外，在一些实施例中，所示动作或事件可被细分成多个动作或事件，所述多个动作或事件可在单独的时间进行或与其他动作或子动作同时进行。在一些实施例中，一些示出的动作或事件可被省略，且还可包括其他未示出的动作或事件。
在动作1802处，在衬底的前侧上形成浅沟槽隔离(STI)结构。图10示出与动作1802的一些实施例对应的剖视图1000。
在动作1804处，在衬底中形成第一光电探测器及第二光电探测器。图11示出与动作1804的一些实施例对应的剖视图1100。
在动作1806处，对衬底执行第一图案化工艺，从而分别在第一光电探测器及第二光电探测器上方的衬底中界定垂直栅极电极开口。图12示出与动作1806对应的一些实施例的剖视图1200。
在动作1808处，在衬底之上形成栅极介电层。栅极介电层对垂直栅极电极开口进行衬垫，且栅极介电层的段在第一光电探测器及第二光电探测器之上延伸。图13示出与动作1808的一些实施例对应的剖视图1300。
在动作1810处，在垂直栅极电极开口中形成转移栅极电极。此外，在栅极介电层的在第一光电探测器及第二光电探测器之上延伸的段之上形成读出栅极电极。图13示出与动作1810的一些实施例对应的剖视图1300。
在动作1812处，在读出栅极电极的相对侧上形成源极/漏极区。此外，邻近转移栅极电极形成浮动扩散节点。图14示出与动作1812的一些实施例对应的剖视图1400。
在动作1814处，在读出栅极电极及转移栅极电极之上形成内连结构。图15示出与动作1814的一些实施例对应的剖视图1500。
在动作1816处，在衬底的后侧中形成深沟槽隔离(DTI)结构，其中后侧与前侧相对。DTI结构接触STI结构，且读出栅极电极连续地延伸跨越DTI结构的段。图16示出与动作1816的一些实施例对应的剖视图1600。
在动作1818处，在DTI结构上形成多个滤色器，且在滤色器上形成多个微透镜。图17示出与动作1818的一些实施例对应的剖视图1700。
因此，在一些实施例中，本公开涉及包括像素传感器阵列的图像传感器，每一像素传感器包括多个光电探测器。DTI结构围绕每一光电探测器连续延伸。读出晶体管在DTI结构之上连续地在侧向上延伸，且上覆在第一像素传感器及第二像素传感器上。
在一些实施例中，本申请提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：第一光电探测器，设置在半导体衬底内；第二光电探测器，设置在所述半导体衬底内；隔离结构，从所述半导体衬底的前侧表面延伸到所述半导体衬底的后侧表面，其中所述前侧表面与所述后侧表面相对，且其中所述隔离结构在侧向上位于所述第一光电探测器与所述第二光电探测器之间；以及读出晶体管，设置在所述半导体衬底的所述前侧表面上，其中所述读出晶体管的第一侧上覆在所述第一光电探测器上且所述读出晶体管的第二侧上覆在所述第二光电探测器上，其中所述第一侧与所述第二侧相对，且其中所述读出晶体管在所述隔离结构之上连续地延伸。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，其中所述读出晶体管包括：读出栅极电极，其中所述读出栅极电极从所述第一光电探测器之上连续地延伸到所述第二光电探测器之上。第一源极/漏极区，沿所述读出栅极电极的第一侧壁设置。以及第二源极/漏极区，沿所述读出栅极电极的所述第一侧壁设置，其中所述第一侧壁上覆在所述第一光电探测器上。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，还包括：结隔离结构，位于所述半导体衬底中，在侧向上位于所述第一源极/漏极区与所述第二源极/漏极区之间且邻接所述第一源极/漏极区及所述第二源极/漏极区，其中所述结隔离结构具有与所述第一源极/漏极区及所述第二源极/漏极区相反的掺杂类型。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，其中所述结隔离结构具有位于所述读出栅极电极之下的侧壁，且其中所述结隔离结构的所述侧壁设置成在朝向所述第二光电探测器的方向上距所述读出栅极电极的所述第一侧壁非零距离。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，还包括：浮动扩散节点，设置在所述半导体衬底内且设置在所述第一光电探测器上方。以及第一转移晶体管，在侧向上邻近所述浮动扩散节点，其中所述第一转移晶体管的顶表面与所述读出晶体管的顶表面齐平，其中所述第一转移晶体管包括第一转移栅极电极，且其中所述第一转移栅极电极的两个或更多个平面侧壁分别面对朝向所述浮动扩散节点的方向。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，还包括：第二转移晶体管，设置在所述第二光电探测器上方。且其中所述读出晶体管在侧向上设置在所述第一转移晶体管与所述第二转移晶体管之间，其中第一结隔离结构沿所述读出晶体管的所述第一侧延伸且在侧向上设置在所述读出晶体管与所述第一转移晶体管之间，其中第二结隔离结构沿所述读出晶体管的所述第二侧延伸且在侧向上设置在所述读出晶体管与所述第二转移晶体管之间。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，还包括：第三光电探测器，与所述第一光电探测器相邻且与所述第二光电探测器沿对角线相对。以及复位晶体管，设置在所述半导体衬底上且上覆在所述第三光电探测器上，其中所述复位晶体管的第一侧壁在侧向上与位于所述读出晶体管的所述第一侧上的所述读出晶体管的第一侧壁对齐。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，还包括：第四光电探测器，与所述第二光电探测器及所述第三光电探测器相邻且与所述第一光电探测器沿对角线相对。选择晶体管，设置在所述半导体衬底上且上覆在所述第四光电探测器上，其中所述选择晶体管的第一侧壁在侧向上与位于所述读出晶体管的所述第二侧上的所述读出晶体管的第二侧壁对齐。且其中所述复位晶体管的第二侧壁与所述复位晶体管的所述第一侧壁相对，且所述选择晶体管的第二侧壁与所述选择晶体管的所述第一侧壁相对，且其中所述隔离结构位于所述选择晶体管的所述第二侧壁及所述复位晶体管的所述第二侧壁之下。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，还包括：第一选择源极/漏极区及第二选择源极/漏极区，沿所述选择晶体管的所述第一侧壁设置，其中在所述第一选择源极/漏极区与所述第二选择源极/漏极区之间设置有选择结隔离结构。以及第一复位源极/漏极区及第二复位源极/漏极区，沿所述复位晶体管的所述第一侧壁设置，其中在所述第一复位源极/漏极区与所述第二复位源极/漏极区之间设置有复位结隔离结构。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，其中所述读出晶体管具有在所述读出晶体管的所述第一侧与所述第二侧之间延伸的相对的侧壁，且其中所述相对的侧壁在侧向上在所述隔离结构的相对的内侧壁之间间隔开。
在一些实施例中，本申请提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：第一像素传感器及第二像素传感器，各自包括多个光电探测器、多个转移晶体管、及浮动扩散节点(floating diffusion node，FDN)，其中所述多个光电探测器设置在半导体衬底内，且其中所述多个转移晶体管设置在所述半导体衬底的前侧表面上且将所述多个光电探测器选择性地电耦合到所述FDN；隔离结构，设置在所述半导体衬底内，其中所述隔离结构连续地环绕所述第一像素传感器中的每一光电探测器及所述第二像素传感器中的每一光电探测器，且其中所述隔离结构完全延伸穿过所述半导体衬底；源极输出器晶体管，上覆在所述第一像素传感器上且由所述第一像素传感器的所述FDN进行门控；以及行选择晶体管，上覆在所述第二像素传感器上且具有电耦合到所述源极输出器晶体管的源极/漏极区的源极/漏极区。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，其中所述源极输出器晶体管从所述第一像素传感器中的第一光电探测器连续地延伸到所述第二像素传感器中的第二光电探测器，且其中所述源极输出器晶体管在设置在所述第一光电探测器与所述第二光电探测器之间的所述隔离结构的段之上连续地延伸。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，其中所述隔离结构包括浅沟槽隔离结构及深沟槽隔离结构，其中所述浅沟槽隔离结构从所述半导体衬底的前侧表面延伸到位于所述前侧表面下方的点，其中所述深沟槽隔离结构从所述半导体衬底的后侧表面延伸到所述点，且其中所述前侧表面与所述后侧表面相对。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，其中所述第一像素传感器包括第一像素阱及第二像素阱，且其中所述图像传感器还包括：第三像素传感器，与所述第一像素传感器相邻且包括第三像素阱及第四像素阱，其中所述第三像素阱与所述第二像素阱沿对角线相对且所述第四像素阱与所述第一像素阱沿对角线相对。以及H形配线，具有四个端部，所述四个端部分别上覆在所述第一像素阱、所述第二像素阱、所述第三像素阱及所述第四像素阱上且分别电耦合到所述第一像素阱、所述第二像素阱、所述第三像素阱及所述第四像素阱。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，还包括：复位晶体管，设置在第三像素传感器之上，其中所述第三像素传感器与所述第一像素传感器相邻。以及单导电配线，从所述单导电配线的第一端部到所述单导电配线的第二端部在侧向上跨越所述隔离结构延伸，其中所述第一端部上覆在所述源极输出器晶体管的源极/漏极区上且所述第二端部上覆在所述复位晶体管的源极/漏极区上。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，还包括：拾取阱接触区，与沿所述第一像素传感器中的光电探测器的侧壁设置的像素阱区具有相同的掺杂类型且直接位于所述像素阱区上。衬底接触通孔，直接电耦合到所述拾取阱接触区。以及电源供应通孔，直接电耦合到所述源极输出器晶体管的源极/漏极区，其中所述衬底接触通孔与所述电源供应通孔之间的距离小于自所述电源供应通孔至所述图像传感器中任何其他导通孔的距离。在本发明的一实施例中，上述的图像传感器，其中所述源极输出器晶体管包括：读出栅极电极，设置在所述半导体衬底的所述前侧表面上。第一源极/漏极区及第二源极/漏极区，沿所述读出栅极电极的第一侧壁设置，其中第一结隔离结构沿所述第一侧壁延伸且在侧向上设置在所述第一源极/漏极区与所述第二源极/漏极区之间。以及绝缘体层，设置在所述读出栅极电极与所述半导体衬底之间，其中所述绝缘体层沿所述第一结隔离结构的一侧延伸。
在一些实施例中，本申请提供一种形成图像传感器的方法，所述方法包括：在半导体衬底的前侧表面上形成浅沟槽隔离(STI)结构；在所述半导体衬底中形成第一光电探测器及第二光电探测器，其中所述第一光电探测器与所述第二光电探测器通过所述STI结构在侧向上隔开；在所述前侧表面上形成读出晶体管，其中所述读出晶体管的第一侧壁上覆在所述第一光电探测器上且所述读出晶体管的第二侧壁上覆在所述第二光电探测器上，其中所述第一侧壁与所述第二侧壁相对，且其中所述读出晶体管在所述STI结构的上表面之上连续地延伸；沿所述读出晶体管的所述第一侧壁形成第一源极/漏极区；沿所述读出晶体管的所述第一侧壁形成第一结隔离结构，其中所述第一结隔离结构在侧向上位于所述第一源极/漏极区之间；以及在所述半导体衬底的后侧表面上形成深沟槽隔离(DTI)结构，其中所述DTI结构从所述后侧表面延伸到所述STI结构。在本发明的一实施例中，上述的方法，还包括：沿所述读出晶体管的所述第二侧壁形成第二源极/漏极区。以及沿所述读出晶体管的所述第二侧壁形成第二结隔离结构，其中所述第二结隔离结构在侧向上位于所述第二源极/漏极区之间。在本发明的一实施例中，上述的方法，还包括：与所述读出晶体管同时地形成第一转移晶体管及第二转移晶体管，其中所述第一转移晶体管的顶表面及所述第二转移晶体管的顶表面与所述读出晶体管的顶表面齐平，并且其中所述第一转移晶体管上覆在所述第一光电探测器上且所述第二转移晶体管上覆在所述第二光电探测器上。
以上概述了若干实施例的特征，以使所属领域中的技术人员可更好地理解本公开的各个方面。所属领域中的技术人员应理解，他们可容易地使用本公开作为设计或修改其他工艺及结构的基础来施行与本文中所介绍的实施例相同的目的和/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。所属领域中的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本公开的精神及范围，而且他们可在不背离本公开的精神及范围的条件下在本文中作出各种改变、代替及变更。
[符号的说明]
100、300a、400、600、800、900：图像传感器
102：衬底
102b：后侧
102f：前侧
102us：上表面
103a、103b：第一多个有源区
104a、104b：第二多个有源区
106：第一像素传感器
106a、106b、106c、106d：第一多个光电探测器
108：第二像素传感器
108a、108b：第二多个光电探测器
109：转移栅极电极
110：第一隔离结构
110a、110b：段
110c：第一隔离层
110d：第二隔离层
111：嵌入式导电本体
112：第一转移晶体管
112a、112b、112c、112d：第一多个转移晶体管
114a、114b、114c、114d：第一多个拾取阱接触区
116：第一浮动扩散节点
116a、116b、116c、116d：第一多个浮动扩散节点
118a、118b、118c、118d：第一多个结隔离结构
120：读出晶体管
120a、120b、120c：第一多个读出晶体管
120c1：第一晶体管
120c2：第二晶体管
122、406a、406b：读出栅极电极
122a：第一读出栅极电极
122b：第二读出栅极电极
122c：第三读出栅极电极
122csw：侧壁
122csw1：第一侧壁
122csw2：第二侧壁
124a、124b、124c、124d、124e、124f、124g、124h、410、612、632、812、814：源极/漏极区
126：第二转移晶体管
126a、126b：第二多个转移晶体管
128：第二浮动扩散节点
128a、128b：第二多个浮动扩散节点
129a、129b：第二多个拾取阱接触区
130：导通孔
130a：第一导通孔
130b：第二导通孔
131：第二隔离结构
132：导电配线
132a：第一导电配线
132b：第二导电配线
200、300b、500、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700：剖视图
202：栅极介电层
204：读出晶体管阱区
302：读出栅极绝缘体层
304：导电沟道
402：第三像素传感器
405a、405b：第二多个读出晶体管
407a、407b：第二多个结隔离结构
502：抗反射层
504：滤色器
506：微透镜
602a：第四像素传感器
602b：第五像素传感器
602c：第六像素传感器
604：第四多个光电探测器
606：第四多个转移晶体管
608：第四多个浮动扩散节点
610：第四多个结隔离结构
611a、611b、611c、630a、630b：第三多个读出晶体管
615a、615b：拾取阱接触区
620：第五多个光电探测器
622：第五多个转移晶体管
624：第五多个浮动扩散节点
634：结隔离结构
650、652、w1、w2：宽度
700：电路
701：电荷收集电路
702：TX1节点
704：TX2节点
706：TX3节点
708：TX4节点
710：接地节点
712：第一节点
714：预充电电路
718：电源供应节点
719：电荷转移电路
722：输出节点
801：第一光电探测器
802：内连结构
803：第二光电探测器
804：转移晶体管阱区
806：下部栅极注入区
808：隔离区
810a：第一结隔离结构
810b：第二结隔离结构
816：轻掺杂区
818：侧壁间隔件结构
820：导电结合垫
824：内连介电结构
830：集成电路(IC)管芯
902、904、906：栅极电极层
1202：垂直栅极电极开口
1800：方法
1802、1804、1806、1808、1810、1812、1814、1816、1818：动作
A-A’、B-B’、C-C’：线
d1、d2：距离
RSTG：复位栅极电压
SELG：选择栅极电压
t1、ts：厚度
ti：初始厚度
Vdd：电压。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括：
第一光电探测器，设置在半导体衬底内；
第二光电探测器，设置在所述半导体衬底内；
隔离结构，从所述半导体衬底的前侧表面延伸到所述半导体衬底的后侧表面，其中所述前侧表面与所述后侧表面相对，且其中所述隔离结构在侧向上位于所述第一光电探测器与所述第二光电探测器之间；以及
读出晶体管，设置在所述半导体衬底的所述前侧表面上，其中所述读出晶体管的第一侧上覆在所述第一光电探测器上且所述读出晶体管的第二侧上覆在所述第二光电探测器上，其中所述第一侧与所述第二侧相对，且其中所述读出晶体管在所述隔离结构之上连续地延伸。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述读出晶体管包括：
读出栅极电极，其中所述读出栅极电极从所述第一光电探测器之上连续地延伸到所述第二光电探测器之上；
第一源极/漏极区，沿所述读出栅极电极的第一侧壁设置；以及
第二源极/漏极区，沿所述读出栅极电极的所述第一侧壁设置，其中所述第一侧壁上覆在所述第一光电探测器上。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
浮动扩散节点，设置在所述半导体衬底内且设置在所述第一光电探测器上方；以及
第一转移晶体管，在侧向上邻近所述浮动扩散节点，其中所述第一转移晶体管的顶表面与所述读出晶体管的顶表面齐平，其中所述第一转移晶体管包括第一转移栅极电极，且其中所述第一转移栅极电极的两个或更多个平面侧壁分别面对朝向所述浮动扩散节点的方向。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第三光电探测器，与所述第一光电探测器相邻且与所述第二光电探测器沿对角线相对；以及
复位晶体管，设置在所述半导体衬底上且上覆在所述第三光电探测器上，其中所述复位晶体管的第一侧壁在侧向上与位于所述读出晶体管的所述第一侧上的所述读出晶体管的第一侧壁对齐。
5.一种图像传感器，包括：
第一像素传感器及第二像素传感器，各自包括多个光电探测器、多个转移晶体管、及浮动扩散节点，其中所述多个光电探测器设置在半导体衬底内，且其中所述多个转移晶体管设置在所述半导体衬底的前侧表面上且将所述多个光电探测器选择性地电耦合到所述浮动扩散节点；
隔离结构，设置在所述半导体衬底内，其中所述隔离结构连续地环绕所述第一像素传感器中的每一光电探测器及所述第二像素传感器中的每一光电探测器，且其中所述隔离结构完全延伸穿过所述半导体衬底；
源极输出器晶体管，上覆在所述第一像素传感器上且由所述第一像素传感器的所述浮动扩散节点进行门控；以及
行选择晶体管，上覆在所述第二像素传感器上且具有电耦合到所述源极输出器晶体管的源极/漏极区的源极/漏极区。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述源极输出器晶体管从所述第一像素传感器中的第一光电探测器连续地延伸到所述第二像素传感器中的第二光电探测器，且其中所述源极输出器晶体管在设置在所述第一光电探测器与所述第二光电探测器之间的所述隔离结构的段之上连续地延伸。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述隔离结构包括浅沟槽隔离结构及深沟槽隔离结构，其中所述浅沟槽隔离结构从所述半导体衬底的前侧表面延伸到位于所述前侧表面下方的点，其中所述深沟槽隔离结构从所述半导体衬底的后侧表面延伸到所述点，且其中所述前侧表面与所述后侧表面相对。
8.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述第一像素传感器包括第一像素阱及第二像素阱，且其中所述图像传感器还包括：
第三像素传感器，与所述第一像素传感器相邻且包括第三像素阱及第四像素阱，其中所述第三像素阱与所述第二像素阱沿对角线相对且所述第四像素阱与所述第一像素阱沿对角线相对；以及
H形配线，具有四个端部，所述四个端部分别上覆在所述第一像素阱、所述第二像素阱、所述第三像素阱及所述第四像素阱上且分别电耦合到所述第一像素阱、所述第二像素阱、所述第三像素阱及所述第四像素阱。
9.根据权利要求5所述的图像传感器，还包括：
复位晶体管，设置在第三像素传感器之上，其中所述第三像素传感器与所述第一像素传感器相邻；以及
单导电配线，从所述单导电配线的第一端部到所述单导电配线的第二端部在侧向上跨越所述隔离结构延伸，其中所述第一端部上覆在所述源极输出器晶体管的源极/漏极区上且所述第二端部上覆在所述复位晶体管的源极/漏极区上。
10.一种形成图像传感器的方法，所述方法包括：
在半导体衬底的前侧表面上形成浅沟槽隔离结构；
在所述半导体衬底中形成第一光电探测器及第二光电探测器，其中所述第一光电探测器与所述第二光电探测器通过所述浅沟槽隔离结构在侧向上隔开；
在所述前侧表面上形成读出晶体管，其中所述读出晶体管的第一侧壁上覆在所述第一光电探测器上且所述读出晶体管的第二侧壁上覆在所述第二光电探测器上，其中所述第一侧壁与所述第二侧壁相对，且其中所述读出晶体管在所述浅沟槽隔离结构的上表面之上连续地延伸；
沿所述读出晶体管的所述第一侧壁形成第一源极/漏极区；
沿所述读出晶体管的所述第一侧壁形成第一结隔离结构，其中所述第一结隔离结构在侧向上位于所述第一源极/漏极区之间；以及
在所述半导体衬底的后侧表面上形成深沟槽隔离结构，其中所述深沟槽隔离结构从所述后侧表面延伸到所述浅沟槽隔离结构。
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