CN112768482A - 一种背照式全局快门像素结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背照式全局快门像素结构及其制造方法，该结构包括：半导体衬底；微透镜，设置于半导体衬底的背面；光电转换区，位于半导体衬底内；遮光结构，邻近光电转换区，所述遮光结构的底部位于半导体衬底的背面，所述遮光结构的侧壁由半导体衬底的背面向上延伸至半导体衬底的正面，所述遮光结构的侧壁在靠近所述光电转换区的一侧设有缺口；电荷存储区，位于半导体衬底内，收容于遮光结构中；介质遮蔽区，嵌于半导体衬底的正面，且覆盖电荷存储区的上表面，并由电荷存储区的上表面延伸至遮光结构的缺口处；以及转移栅，嵌于介质遮蔽区内。本发明的利用遮光结构和介质遮蔽区，可以有效消除寄生光效应，且结构简单，制作工艺易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种背照式全局快门像素结构及其制造方法。
背景技术
CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)是指基于CMOS工艺制造的图像传感器，通过将模拟光信号转换成数字电信号实现图像拍摄功能。CMOS图像传感器可采用两种曝光方式，即全局快门(Global Shutter)模式与滚筒式快门(Rolling Shutter)模式。全局快门模式是指所有像素的曝光时刻均相同，同时开始曝光，同时结束曝光。全局快门CMOS图像传感器广泛应用于高速运动物体的成像，包括机器视觉、工业测量、航空航天，以及军事应用等领域。
全局快门像素依据存储节点的类型不同可以分为电荷域(Charge Domain)和电压域(Voltage Domain)两种类型。电荷域全局快门像素在曝光结束时，将光生信号电荷转移至存储区进行储存。而电压域全局快门像素是在曝光结束时，将光生信号电荷经过转换节点转换为电压，储存在电容之中。全局快门CMOS图像传感器工作时，阵列中的所有像素同时开始和停止曝光，曝光收集的光生信号电荷储存在如上所述的电荷域或电压域存储节点之中。对于一定阵列规模的图像传感器，全部像素的读出需要一定的时间，面阵规模越大，读出的时间也就越长，因此第一个像素的读出和最后一个像素的读出就存在时间差。在这段时间差内，如果存在MOS管漏电以及存储节点受寄生光干扰，即光照产生的光生信号被吸引至存储节点等情况，都会对存储节点的信号造成影响。
对于电荷域全局快门像素，为了提高光电二极管(Photo Diode，PD)的填充系数，可以采用背照式(Back Side Illuminated，BSI)的结构，但在目前的背照式像素单元结构中，其背面的遮光板和下方的电荷存储区的距离较远，大角度的光线很容易在电荷存储区中产生寄生光电荷，干扰存储节点信号，从而使器件性能难以满足高端应用的需求。因此，如何设计像素结构，以有效防止寄生光效应，已成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术，本发明的目的在于提供一种背照式全局快门像素结构及其制造方法，应用于CMOS图像传感器中，用于解决现有技术中寄生光电荷干扰存储节点信号等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种背照式全局快门像素结构，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有一背面及一正面；
光电转换区，位于所述半导体衬底内；
遮光结构，包括底部以及由所述底部边缘向上延伸的侧壁，所述遮光结构邻近所述光电转换区，所述遮光结构的底部位于所述半导体衬底的背面，所述遮光结构的侧壁由所述半导体衬底的背面向上延伸至所述半导体衬底的正面，所述遮光结构的侧壁在靠近所述光电转换区的一侧由所述半导体衬底的正面向下设有缺口；
电荷存储区，位于所述半导体衬底内，收容于所述遮光结构中，且所述电荷存储区靠近所述遮光结构的底部；
介质遮蔽区，嵌于所述半导体衬底的正面，且覆盖所述电荷存储区的上表面，并由所述电荷存储区的上表面延伸至所述遮光结构的所述缺口处；以及
转移栅，嵌于所述介质遮蔽区内。
可选地，所述转移栅包括沿所述半导体衬底深度方向的槽栅，所述槽栅位于所述遮光结构的所述缺口中。
可选地，所述转移栅包括多个沿所述半导体衬底深度方向的槽栅，多个所述槽栅由靠近所述缺口的一端向远离所述缺口的方向依次排列。
进一步可选地，每个所述槽栅对应的工作电压不同，且多个所述槽栅的工作电压向远离所述缺口的方向逐次递增。
可选地，所述介质遮蔽区与所述电荷存储区之间设有P型掺杂层。
可选地，所述介质遮蔽区与所述电荷存储区之间设有高K介质层。
可选地，所述光电转换区嵌于所述半导体衬底的正面，所述光电转换区的上表面与所述半导体衬底的正面共面。
可选地，所述介质遮蔽区的材料选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种背照式全局快门像素结构的制造方法，包括如下步骤：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有一背面及一正面；
形成遮光结构，所述遮光结构的底部位于所述半导体衬底的背面，所述遮光结构的侧壁由所述半导体衬底的背面向上延伸至所述半导体衬底的正面，所述遮光结构侧壁的一侧设有由所述半导体衬底的正面向下的缺口；
在所述半导体衬底的正面形成光电转换区，所述光电转换区靠近所述遮光结构具有缺口的一侧；
在所述半导体衬底的正面形成介质槽，所述介质槽位于所述遮光结构内并延伸至所述缺口处；
在所述介质槽的下方形成电荷存储区，所述电荷存储区位于所述遮光结构内；
在所述介质槽内填充介质材料形成介质遮蔽区；以及
在所述介质遮蔽区内形成转移栅。
可选地，形成所述遮光结构包括以下步骤：在所述半导体衬底的背面形成凹槽以及由所述凹槽四周向所述半导体衬底深度方向延伸的沟槽，所述沟槽其中一侧的深度小于其它部分的深度；在所述凹槽以及所述沟槽内填充遮光材料形成遮光结构，所述沟槽深度较小的一侧形成所述遮光结构的缺口；对所述半导体衬底进行正面减薄，直至露出部分所述遮光材料。
可选地，在所述介质遮蔽区内形成所述转移栅包括步骤：在所述介质遮蔽区内形成栅槽，在所述栅槽内填充栅极材料形成槽栅。
进一步可选地，在所述介质遮蔽区内形成多个所述槽栅，且多个所述槽栅由靠近所述遮光结构的所述缺口的一端向远离所述缺口的方向依次排列。
可选地，在所述介质槽内填充所述介质材料之前，包括步骤：经由所述介质凹槽在所述电荷存储区表面形成P型掺杂层。
可选地，在所述介质槽内填充所述介质材料之前，包括步骤：在所述介质槽底部形成高K介质层。
如上所述，本发明的背照式全局快门像素结构及其制造方法，具有以下有益效果：
本发明的背照式全局快门像素结构，利用遮光结构和介质遮蔽区，可以有效消除寄生光效应。遮光结构可以屏蔽大部分寄生光，但光电转换区与电荷存储区之间需要通过遮光结构侧壁上的缺口转移电荷，为避免寄生光从该缺口泄露，本发明设置了介质遮蔽区，覆盖在电荷存储区表面的介质遮蔽区可以最大程度封住遮光结构的缺口，使电荷存储区收容于遮光结构内部，远离缺口位置，不需要制作额外的放电结构，而且，电荷存储区上方由于设置了介质遮蔽区，不存在传统结构中电荷存储区与半导体衬底之间较大的PN结耗尽区，可以进一步抑制寄生光效应。
此外，制作介质遮蔽区可以通过开设介质槽完成，先开设介质槽再形成电荷存储区，制作工艺易于实现，工艺偏差控制较为宽松，可靠性高。通过介质槽可以在电荷存储区表面形成P型掺杂层或高K介质层从而可进一步以抑制暗电流，在介质槽内形成多个槽栅可以逐渐递增栅极电压，使电荷在向电荷存储区转移的过程中可以形成电势梯度，从而提高电荷转移效率。
附图说明
图1显示为本发明实施例一提供的背照式全局快门像素结构的示意图。
图2显示为本发明实施例一提供的背照式全局快门像素结构的制造方法示意图。
图3a-3j显示为本发明实施例一提供的背照式全局快门像素结构的制造流程示意图；其中，图3a显示为形成凹槽和沟槽的示意图，图3b显示为填充遮光材料的示意图，图3c显示为平坦化半导体衬底背面的示意图，图3d显示为形成滤光片和微透镜的示意图，图3e显示为进行正面减薄的示意图，图3f显示为形成光电转换区和介质槽的示意图，图3g显示为形成电荷存储区的示意图，图3h显示为形成介质遮蔽区的示意图，图3i显示为形成栅槽的示意图，图3j显示为形成转移栅的示意图。
图4显示为本发明实施例二提供的背照式全局快门像素结构的示意图。
图5显示为本发明实施例二中电荷在向电荷存储区转移的过程中形成电势梯度的示意图。
图6a显示为本发明实施例三提供的背照式全局快门像素结构的示意图；图6b显示为本发明实施例三中形成P型掺杂层的示意图。
图7a显示为本发明实施例四提供的背照式全局快门像素结构的示意图；图7b显示为本发明实施例四中形成高K介质层的示意图。
元件标号说明
100 半导体衬底
101 半导体衬底的背面
102 半导体衬底的正面
1011 凹槽
1012 沟槽
1021 介质槽
200 微透镜
201 滤光片
202 载板
300 光电转换区
400 遮光结构
401 遮光结构的底部
402 遮光结构的侧壁
403 缺口
500 电荷存储区
600 介质遮蔽区
601 栅槽
700 转移栅
701 第一槽栅
702 第二槽栅
800 P型掺杂层
900 高K介质层
S1-S7 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
目前，在CMOS图像传感器中，对于背照式电荷域全局快门，为了抑制寄生光效应，会在像素结构中设置三维的遮光结构避免寄生光泄露或邻近像素的光线干扰。该遮光结构从各个方向上对电荷存储区进行遮蔽，可以有效降低寄生光效应，然而，光电转换区与电荷存储区之间需要导通路径，遮光结构必须留有缺口以提供光电转换区向电荷存储区转移电荷的通道。因此，遮光结构不能实现对电荷存储区的完全遮蔽。为了进一步解决寄生光问题，往往需要在像素结构中制作额外的放电结构，或者设计其它复杂的结构遮挡漏光缺口，因而提高了工艺难度和生产成本。
鉴于此，本发明提供了一种应用于CMOS图像传感器中的背照式全局快门像素结构及其制造方法，采用较为简单的器件结构和易于实现的工艺，几乎可以彻底消除寄生光，从而解决现有技术中寄生光电荷干扰存储节点信号等问题。
实施例一
请参阅图1，本实施例提供的背照式全局快门像素结构，具体包括：半导体衬底100，所述半导体衬底100具有一背面101及一正面102；微透镜200，设置于所述半导体衬底100的背面101；光电转换区300，位于所述半导体衬底100内；遮光结构400，包括底部401以及由所述底部401边缘向上延伸的侧壁402，所述遮光结构400邻近所述光电转换区300，所述遮光结构400的底部401位于所述半导体衬底100的背面101，所述遮光结构400的侧壁402由所述半导体衬底100的背面101向上延伸至所述半导体衬底100的正面102，所述遮光结构400的侧壁402在靠近所述光电转换区300的一侧由所述半导体衬底100的正面102向下设有缺口403；电荷存储区500，位于所述半导体衬底100内，收容于所述遮光结构400中，且所述电荷存储区500靠近所述遮光结构400的底部401；介质遮蔽区600，嵌于所述半导体衬底100的正面102，且覆盖所述电荷存储区500的上表面，并由所述电荷存储区500的上表面延伸至所述遮光结构400的所述缺口403处；以及转移栅700，嵌于所述介质遮蔽区600内。
其中，所述介质遮蔽区600覆盖所述电荷存储区500并沿所述半导体衬底100的宽度方向延伸，由于所述介质遮蔽区600的阻隔，使所述电荷存储区500收容于遮光结构400的内部。具体地，所述介质遮蔽区600可以伸出所述缺口403外，或正好延伸至所述缺口403中。所述介质遮蔽区600的深度要尽可能的匹配所述缺口403的口径，但需要在所述介质遮蔽区600与所述缺口403之间留有缝隙，使光电转换区300产生的光生信号电荷通过转移栅700的控制能够转移至电荷存储区500中储存。本实施例通过设置介质遮蔽区600可以最大程度封住遮光结构400的缺口403，遮光结构400结合介质遮蔽区600的设计，可以有效消除寄生光，不需要制作额外的放电结构。而且，介质遮蔽区600直接设置在电荷存储区500的上方，不存在传统结构中电荷存储区与其上方半导体之间较大的PN结耗尽区，可以进一步抑制寄生光效应。
在实际实施中，所述遮光结构400的具体尺寸可以根据器件的实际需要进行设计，例如所述遮光结构400的底部401厚度可以为20～40nm，其侧壁402厚度可以为20～40nm。所述电荷存储区500的深度可以为2～3μm，宽度可以为1～2μm。所述遮光结构400的口径，即图中其相对的两侧侧壁最大距离可以为1.5～2.5μm。所述遮光结构400的口径需大于电荷存储区500的宽度，从而可将电荷存储区500收容其中。所述电荷存储区500与遮光结构400的侧壁402可留有间距，该间距可以为30～50nm。所述遮光结构400两侧侧壁402的高度差，即遮光结构400的缺口403的在半导体衬底100深度方向的口径可以为200～300nm。所述介质遮蔽区600的深度可以为200～300nm。
在本实施例中，所述转移栅为沿所述半导体衬底100深度方向的槽栅700，所述槽栅700位于所述介质遮蔽区600内靠近所述缺口403的一端。优选地，所述槽栅700可以位于所述遮光结构400的所述缺口403中，例如，槽栅700可以设置在正对所述缺口403的位置，这样槽栅700可以正好封住所述缺口403，进一步抑制寄生光效应。具体地，槽栅700的厚度可以大于所述遮光结构400的侧壁402的厚度，因此，槽栅700会有一部分位于所述缺口403中，而另一部分伸出所述缺口403外和/或位于所述遮光结构400内。
在本实施例中，所述光电转换区300嵌于所述半导体衬底100的正面102，所述光电转换区300的上表面与所述半导体衬底100的正面102共面。所述光电转换区300的具体尺寸可以根据器件的实际需要进行设计，例如，所述光电转换区300的深度可以为2～3μm，宽度可以为1～2μm。所述光电转换区300与所述槽栅700的间距可以为30～50nm，所述光电转换区300与所述遮光结构400可留有间距，该间距可以为80～100nm。
在本实施例中，所述背照式全局快门像素结构还包括滤光片201，所述滤光片201设置于所述半导体衬底100的背面101，位于所述微透镜200与所述半导体衬底100之间。
在本实施例中，所述半导体衬底100可以为硅衬底或其他适合的半导体材料衬底。所述介质遮蔽区600的材料可以选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种。所述电荷存储区500可以为高N型掺杂浓度半导体。
请参阅图2，本实施例还提供一种上述背照式全局快门像素结构的制造方法，包括如下步骤：
S1提供半导体衬底，所述半导体衬底具有一背面及一正面；
S2形成遮光结构，所述遮光结构的底部位于所述半导体衬底的背面，所述遮光结构的侧壁由所述半导体衬底的背面向上延伸至所述半导体衬底的正面，所述遮光结构侧壁的一侧设有由所述半导体衬底的正面向下的缺口；
S3在所述半导体衬底的正面形成光电转换区，所述光电转换区靠近所述遮光结构具有缺口的一侧；
S4在所述半导体衬底的正面形成介质槽，所述介质槽位于所述遮光结构内并延伸至所述缺口处；
S5在所述介质槽的下方形成电荷存储区，所述电荷存储区位于所述遮光结构内；
S6在所述介质槽内填充介质材料形成介质遮蔽区；以及
S7在所述介质遮蔽区内形成转移栅。
下面结合附图3a-3j进一步详细说明本实施例提供的背照式全局快门像素结构的制造方法。
首先，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100具有一背面101及一正面102。所述半导体衬底100可以是任何适合的半导体材料，例如可采用硅衬底。
然后，如图3a所示，在所述半导体衬底100的背面101形成凹槽1011以及由所述凹槽1011四周向所述半导体衬底100深度方向延伸的沟槽1012，所述沟槽1012其中一侧的深度小于其它部分的深度。
再如图3b所示，在所述凹槽1011以及所述沟槽1012内填充遮光材料形成遮光结构400，所述沟槽1012深度较小的一侧形成所述遮光结构400的侧壁402上的缺口403。
然后，如图3c所示，平坦化所述半导体衬底100的背面101，以去除多余的遮光材料。
再如图3d所示，在所述半导体衬底100的背面101形成滤光片201和微透镜200。所述滤光片201位于所述微透镜200与所述半导体衬底100之间。
如图3e所示，对所述半导体衬底100进行正面102减薄，直至露出部分所述遮光材料。具体地，可以在所述半导体衬底100的背面101粘贴载板202再进行减薄，粘贴载板202可以保护衬底背面101的微透镜200，最后完成器件制作后再把载板202去掉。
如图3f所示，在所述半导体衬底100的正面102形成光电转换区300，所述光电转换区300靠近所述遮光结构400具有缺口403的一侧。在所述半导体衬底100的正面102形成介质槽1021，所述介质槽1021位于所述遮光结构400内并延伸至所述缺口403处。具体地，可以通过刻蚀工艺形成介质槽1021。所述介质槽1021可以几乎完全覆盖所述遮光结构400的顶部，仅与所述遮光结构400的侧壁402留有必要空隙，且所述介质槽1021延伸至所述缺口403处，尽量靠近所述光电转换区300，仅与所述缺口403留有必要缝隙，使光电转换区300产生的光生信号电荷能够转移至电荷存储区500中储存。
如图3g所示，在所述介质槽1021的下方形成电荷存储区500，所述电荷存储区500位于所述遮光结构400内。具体地，可以经由所述介质槽1021通过离子注入形成电荷存储区500，此时形成的电荷存储区500可以靠近所述遮光结构400的底部401，这样不需要很高的注入能量就能使电荷存储区500收容于所述遮光结构400内尽可能远离缺口403的位置。
接下来，如图3h所示，在所述介质槽1021内填充介质材料形成介质遮蔽区600。具体地，填充的介质材料可以选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种，或其它适合的介质材料。
最后，在所述介质遮蔽区600内形成转移栅700。所述转移栅700可以为槽栅。具体地，如图3i所示，可以在所述介质遮蔽区600内形成栅槽601，再如图3j所示在所述栅槽601内填充栅极材料形成槽栅作为转移栅700。
该方法通过开设介质槽1021制作介质遮蔽区600，制作工艺易于实现，且工艺偏差控制较为宽松，可靠性高。
实施例二
请参阅图4，本实施例提供的背照式全局快门像素结构，与实施例一结构基本相同，不同之处在于：所述转移栅700包括多个沿所述半导体衬底深度方向的槽栅，多个所述槽栅由靠近所述遮光结构400的所述缺口403的一端向远离所述缺口403的方向依次排列。具体地，本实施例提供了两个槽栅，即第一槽栅701和第二槽栅702，其中最靠近所述缺口403的槽栅即第一槽栅701部分地位于所述缺口403中。具体地，相邻槽栅之间的距离范围可以为40～60nm。
器件工作时，每个所述槽栅对应的工作电压不同，且多个所述槽栅的工作电压向远离所述缺口403的方向逐次递增，使电荷在向电荷存储区500转移的过程中可以形成电势梯度，从而提高电荷转移效率。图5提供了电荷在向电荷存储区500转移的过程中形成电势梯度的示意图，其中，MEM是指电荷存储区500，PD是指光电转换区300。
需要说明的是，本实施例对槽栅的数量没有限制，可以是两个、三个或更多个。
实施例三
请参阅图6a和6b，本实施例提供的背照式全局快门像素结构，与实施例一结构基本相同，不同之处在于：在所述介质遮蔽区600与所述电荷存储区500之间设有P型掺杂层800。在所述介质槽1021内填充介质材料之前，可以经由所述介质凹槽1021在所述电荷存储区500表面进行离子注入，以形成P型掺杂层800。P型掺杂层800的厚度可以为30～60nm。所述电荷存储区500为高N型掺杂浓度的区域，增设P型掺杂层800可以抑制暗电流。
实施例四
请参阅图7a和7b，本实施例提供的背照式全局快门像素结构，与实施例一结构基本相同，不同之处在于：在所述介质遮蔽区600与所述电荷存储区500之间设有高K介质层900。在所述介质槽1021内填充介质材料之前，在所述介质槽1021底部形成高K介质层900。高K介质层900采用具有高介电常数的高K介电材料，如Al2O3，HfO2等，高K介质层的厚度可以为10～20nm。本实施例同构增设高K介质层900可以抑制暗电流。
综上所述，本发明的背照式全局快门像素结构，利用遮光结构和介质遮蔽区，可以有效消除寄生光效应。遮光结构可以屏蔽大部分寄生光，但光电转换区与电荷存储区之间需要通过遮光结构侧壁上的缺口转移电荷，为避免寄生光从该缺口泄露，本发明设置了介质遮蔽区，覆盖在电荷存储区表面的介质遮蔽区可以最大程度封住遮光结构的缺口，使电荷存储区收容于遮光结构内部，远离缺口位置，不需要制作额外的放电结构，而且，电荷存储区上方由于设置了介质遮蔽区，不存在传统结构中电荷存储区与半导体衬底之间较大的PN结耗尽区，可以进一步抑制寄生光效应。
此外，制作介质遮蔽区可以通过开设介质槽完成，先开设介质槽再形成电荷存储区，制作工艺易于实现，工艺偏差控制较为宽松，可靠性高。通过介质槽可以在电荷存储区表面形成P型掺杂层或高K介质层从而可进一步以抑制暗电流，在介质槽内形成多个槽栅可以逐渐递增栅极电压，使电荷在向电荷存储区转移的过程中可以形成电势梯度，从而提高电荷转移效率。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (14)
1.一种背照式全局快门像素结构，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有一背面及一正面；
光电转换区，位于所述半导体衬底内；
遮光结构，包括底部以及由所述底部边缘向上延伸的侧壁，所述遮光结构邻近所述光电转换区，所述遮光结构的底部位于所述半导体衬底的背面，所述遮光结构的侧壁由所述半导体衬底的背面向上延伸至所述半导体衬底的正面，所述遮光结构的侧壁在靠近所述光电转换区的一侧由所述半导体衬底的正面向下设有缺口；
电荷存储区，位于所述半导体衬底内，收容于所述遮光结构中，且所述电荷存储区靠近所述遮光结构的底部；
介质遮蔽区，嵌于所述半导体衬底的正面，且覆盖所述电荷存储区的上表面，并由所述电荷存储区的上表面延伸至所述遮光结构的所述缺口处；以及
转移栅，嵌于所述介质遮蔽区内。
2.根据权利要求1所述的背照式全局快门像素结构，其特征在于：所述转移栅包括沿所述半导体衬底深度方向的槽栅，所述槽栅位于所述遮光结构的所述缺口中。
3.根据权利要求1所述的背照式全局快门像素结构，其特征在于：所述转移栅包括多个沿所述半导体衬底深度方向的槽栅，多个所述槽栅由靠近所述缺口的一端向远离所述缺口的方向依次排列。
4.根据权利要求3所述的背照式全局快门像素结构，其特征在于：每个所述槽栅对应的工作电压不同，且多个所述槽栅的工作电压向远离所述缺口的方向逐次递增。
5.根据权利要求1所述的背照式全局快门像素结构，其特征在于：所述介质遮蔽区与所述电荷存储区之间设有P型掺杂层。
6.根据权利要求1所述的背照式全局快门像素结构，其特征在于：所述介质遮蔽区与所述电荷存储区之间设有高K介质层。
7.根据权利要求1所述的背照式全局快门像素结构，其特征在于：所述光电转换区嵌于所述半导体衬底的正面，所述光电转换区的上表面与所述半导体衬底的正面共面。
8.根据权利要求1所述的背照式全局快门像素结构，其特征在于：所述介质遮蔽区的材料选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种。
9.一种背照式全局快门像素结构的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有一背面及一正面；
形成遮光结构，所述遮光结构的底部位于所述半导体衬底的背面，所述遮光结构的侧壁由所述半导体衬底的背面向上延伸至所述半导体衬底的正面，所述遮光结构侧壁的一侧设有由所述半导体衬底的正面向下的缺口；
在所述半导体衬底的正面形成光电转换区，所述光电转换区靠近所述遮光结构具有缺口的一侧；
在所述半导体衬底的正面形成介质槽，所述介质槽位于所述遮光结构内并延伸至所述缺口处；
在所述介质槽的下方形成电荷存储区，所述电荷存储区位于所述遮光结构内；
在所述介质槽内填充介质材料形成介质遮蔽区；以及
在所述介质遮蔽区内形成转移栅。
10.根据权利要求9所述的背照式全局快门像素结构的制造方法，其特征在于，形成所述遮光结构包括以下步骤：
在所述半导体衬底的背面形成凹槽以及由所述凹槽四周向所述半导体衬底深度方向延伸的沟槽，所述沟槽其中一侧的深度小于其它部分的深度；
在所述凹槽以及所述沟槽内填充遮光材料形成遮光结构，所述沟槽深度较小的一侧形成所述遮光结构的缺口；
对所述半导体衬底进行正面减薄，直至露出部分所述遮光材料。
11.根据权利要求9所述的背照式全局快门像素结构的制造方法，其特征在于，在所述介质遮蔽区内形成所述转移栅包括步骤：在所述介质遮蔽区内形成栅槽，在所述栅槽内填充栅极材料形成槽栅。
12.根据权利要求11所述的背照式全局快门像素结构的制造方法，其特征在于：在所述介质遮蔽区内形成多个所述槽栅，且多个所述槽栅由靠近所述遮光结构的所述缺口的一端向远离所述缺口的方向依次排列。
13.根据权利要求9所述的背照式全局快门像素结构的制造方法，其特征在于，在所述介质槽内填充所述介质材料之前，包括步骤：经由所述介质凹槽在所述电荷存储区表面形成P型掺杂层。
14.根据权利要求9所述的背照式全局快门像素结构的制造方法，其特征在于，在所述介质槽内填充所述介质材料之前，包括步骤：在所述介质槽底部形成高K介质层。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113629082A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-11-09 | 联合微电子中心有限责任公司 | 遮光结构、图像传感器及图像传感器的制备方法 |
| CN113629082B (zh) * | 2021-07-19 | 2024-06-07 | 联合微电子中心有限责任公司 | 遮光结构、图像传感器及图像传感器的制备方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05275673A (ja) * | 1992-03-24 | 1993-10-22 | Sony Corp | 固体撮像素子 |
| KR20110002611A (ko) * | 2009-07-02 | 2011-01-10 | 주식회사 동부하이텍 | 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| CN102800684A (zh) * | 2011-05-27 | 2012-11-28 | 佳能株式会社 | 固态图像拾取器件及其制造方法、图像拾取系统 |
| CN105789230A (zh) * | 2011-05-27 | 2016-07-20 | 佳能株式会社 | 固态图像拾取装置和图像拾取系统 |
| JP2017212371A (ja) * | 2016-05-26 | 2017-11-30 | キヤノン株式会社 | 固体撮像装置及びその製造方法ならびにカメラ |
| US20190157330A1 (en) * | 2016-07-06 | 2019-05-23 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Imaging device, method for manufacturing imaging device, and electronic device |
| CN109997229A (zh) * | 2016-12-01 | 2019-07-09 | 索尼半导体解决方案公司 | 固态成像元件及其制造方法以及成像设备 |
| CN110299374A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-10-01 | 上海微阱电子科技有限公司 | 一种降低寄生光响应的全局像素单元结构和形成方法 |
| CN111463225A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-07-28 | 上海微阱电子科技有限公司 | 全局快门图像传感器单元及其制备方法 |
-
2021
- 2021-01-20 CN CN202110075491.6A patent/CN112768482B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05275673A (ja) * | 1992-03-24 | 1993-10-22 | Sony Corp | 固体撮像素子 |
| KR20110002611A (ko) * | 2009-07-02 | 2011-01-10 | 주식회사 동부하이텍 | 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| CN102800684A (zh) * | 2011-05-27 | 2012-11-28 | 佳能株式会社 | 固态图像拾取器件及其制造方法、图像拾取系统 |
| CN105789230A (zh) * | 2011-05-27 | 2016-07-20 | 佳能株式会社 | 固态图像拾取装置和图像拾取系统 |
| JP2017212371A (ja) * | 2016-05-26 | 2017-11-30 | キヤノン株式会社 | 固体撮像装置及びその製造方法ならびにカメラ |
| US20190157330A1 (en) * | 2016-07-06 | 2019-05-23 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Imaging device, method for manufacturing imaging device, and electronic device |
| CN109997229A (zh) * | 2016-12-01 | 2019-07-09 | 索尼半导体解决方案公司 | 固态成像元件及其制造方法以及成像设备 |
| US20190371846A1 (en) * | 2016-12-01 | 2019-12-05 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Solid-state imaging element, solid-state imaging element manufacturing method, and imaging device |
| CN110299374A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-10-01 | 上海微阱电子科技有限公司 | 一种降低寄生光响应的全局像素单元结构和形成方法 |
| CN111463225A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-07-28 | 上海微阱电子科技有限公司 | 全局快门图像传感器单元及其制备方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113629082A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-11-09 | 联合微电子中心有限责任公司 | 遮光结构、图像传感器及图像传感器的制备方法 |
| CN113629082B (zh) * | 2021-07-19 | 2024-06-07 | 联合微电子中心有限责任公司 | 遮光结构、图像传感器及图像传感器的制备方法 |
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