CMOS图像传感器的像素结构及其形成方法与流程

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种cmos图像传感器的像素结构及其形成方法。

背景技术：

图像传感器分为互补金属氧化物(cmos)图像传感器和电荷耦合器件(ccd)图像传感器，通常用于将光学信号转化为相应的电信号。ccd图像传感器的优点是对图像敏感度较高，噪声小，但是ccd图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且ccd图像传感器的功耗较高。相比之下，cmos图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。目前cmos图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置(例如胃镜)、车用摄像装置等。

cmos图像传感器的基本感光单元被称为像素，所述像素包含一个光电二极管和3个或4个mos晶体管，称为3t型或4t型。目前市场上大部分cmos图像传感器是4t型。如图1所示的4t型图像传感器像素包括：4个mos晶体管和1个光电二极管pd，所述4个mos晶体管分别为复位晶体管m1、放大晶体管m2、选择晶体管m3的和传输晶体管m4。

下面对如图1所示的4t型图传感器的像素单元的工作原理进行说明。首先，在接收光照前，复位晶体管m1和传输晶体管m4导通，其他晶体管关断，对所述浮置扩散区fd和光电二极管pd进行复位；然后，所有晶体管关断，光电二极管pd接收光照，并且进行光电转换形成光生载流子；然后传输晶体管m4导通，其他晶体管关断，光生载流子自光电二极管pd转移到浮置扩散区fd；接着，放大晶体管m2和选择晶体管m3导通，光生载流子依次从浮置扩散区fd经过放大晶体管m2和选择晶体管m3输出，完成一次光信号的采集与传输。

现有的cmos图像传感器像素的填充因子(fillfactor，ff)或开口率仍有待提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是怎样提高cmos图像传感器像素的开口率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种cmos图像传感器的像素结构的形成方法，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底中形成浮置扩散区和位于浮置扩散区一侧的光电二极管区，所述光电二极管区的深度大于浮置扩散区的深度；

刻蚀部分所述光电二极管区，在所述光电二级管区中形成凹槽，所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区；

在所述凹槽的侧壁和底部表面形成栅介质层；

在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽。

可选的，所述光电二极管与所述浮置扩散区接触。

可选的，所述光电二极管与所述浮置扩散区不接触。

可选的，刻蚀去除部分所述光电二级管区以及光电二级管区与浮置扩散区之间的部分半导体衬底，在所述光电二级管区中以及半导体衬底中形成凹槽。

可选的，所述栅介质层的材料为氧化硅。

可选的，所述透明的栅电极的材料为氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铟镓锌或氧化铟锡锌。

可选的，所述透明电极层的表面等于或高于半导体衬底的表面。

可选的，还包括：在所述半导体衬底上形成介质层，所述介质层具有暴露出半导体衬底表面的开口；沿开口刻蚀所述半导体衬底，在所述光电二级管区中形成凹槽；在所述开口和凹槽的侧壁以及凹槽的底部表面形成栅介质层；在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽和开口。

本发明还提供了一种cmos图像传感器的像素结构，包括：

半导体衬底；

位于所述半导体衬底中的浮置扩散区和位于浮置扩散区一侧的光电二极管区，所述光电二极管区的深度大于浮置扩散区的深度；

位于所述光电二级管区中的凹槽，所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区；

位于所述凹槽的侧壁和底部表面的栅介质层；

位于所述栅介质层表面上的透明栅电极，所述透明栅电极填充满凹槽。

可选的，所述凹槽的底部暴露出部分光电二级管区，所述凹槽的一侧侧壁暴露出浮置扩散区和浮置扩散区底部的部分半导体衬底。

可选的，所述凹槽的底部暴露出部分光电二级管区和光电二级管区一侧的半导体衬底，所述凹槽的一侧侧壁暴露出浮置扩散区和浮置扩散区底部的部分半导体衬底。

可选的，所述栅介质层的材料为氧化硅。

可选的，所述透明的栅电极的材料为氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铟镓锌或氧化铟锡锌。

可选的，所述透明电极层的表面等于或高于半导体衬底的表面。

可选的，还包括：位于所述半导体衬底上的介质层，所述介质层具有暴露出半导体衬底表面的开口；位于所述开口和凹槽的侧壁以及凹槽的底部表面的栅介质层；位于所述栅介质层表面上的透明栅电极，所述透明栅电极填充满凹槽和开口。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

本发明的cmos图像传感器的像素结构的形成方法，在所述半导体衬底中形成浮置扩散区和位于浮置扩散区一侧的光电二极管区，所述光电二极管区的深度大于浮置扩散区的深度；刻蚀部分所述光电二极管区，在所述光电二级管区中形成凹槽，所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区；在所述凹槽的侧壁和底部表面形成栅介质层；在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽。由于所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区，且由于凹槽中形成的栅介质层和栅电极都是透明的，透明的栅电极和栅介质层不会阻挡正面入射的光线，使得凹槽底部的那一部分光电二级管区也能接收光线产生感应电压，因而本发明在不改变cmos图像传感器像素结构的尺寸的前提下，使得更大尺寸的光电二级管区能接收光线产生感应电压，从而提高了cmos图像传感器的开口率和量子效率，从而提高了信噪比。

进一步，所述光电二极管与所述浮置扩散区接触，由于凹槽底部与浮置扩散区的底部具有一定的距离，在凹槽中形成栅介质层和栅电极后，光电二级管区和浮置扩散区的底部之间的半导体衬底中形成能形成垂直的沟道。

进一步，所述光电二极管与所述浮置扩散区不接触，刻蚀去除部分所述光电二级管区以及光电二级管区与浮置扩散区之间的部分半导体衬底，在所述光电二级管区中以及半导体衬底中形成凹槽；在所述开口和凹槽的侧壁以及凹槽的底部表面形成栅介质层；在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽和开口，因而使得所述浮置扩散区的底部与光电二级管区之间形成横向和垂直相结合的沟道。

进一步，在所述半导体衬底上形成介质层，所述介质层具有暴露出半导体衬底表面的开口；沿开口刻蚀所述半导体衬底，在所述光电二级管区中形成凹槽；在所述开口和凹槽的侧壁以及凹槽的底部表面形成栅介质层；在所述栅介质层表面上形成透明的栅电极，所述透明的栅电极填充满凹槽和开口。所述形成的栅电极的表面高于半导体衬底的表面，高于半导体衬底表面的部分栅电极可以作为接触插塞，从而使得cmos图像传感器的栅电极和与栅电极连接的接触插塞都是透明的导电材料，透明的栅电极以及接触插塞均不会阻挡从正面入射的光线，使得透明的栅电极和接触插塞底部的光电二级管区以及透明的栅电极一侧的光电二极管区能接收到更多的光线，从而更进一步提高了cmos图像传感器的量子效率。

本发明的cmos图像传感器的像素结构，由于所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区，且由于凹槽中的栅介质层和栅电极都是透明的，透明的栅电极和栅介质层不会阻挡正面入射的光线，使得凹槽底部的那一部分光电二级管区也能接收光线产生感应电压，因而本发明在不改变cmos图像传感器像素结构的尺寸的前提下，使得更大尺寸的光电二级管区能接收光线产生感应电压，从而提高了cmos图像传感器的开口率和量子效率，从而提高了信噪比。

附图说明

图1为现有4t型图传感器的像素单元的电路结构示意图；

图2-6为本发明一实施例cmos图像传感器的像素结构的形成过程的结构示意图；

图7-10为本发明另一实施例cmos图像传感器的像素结构的形成过程的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所言，现有的cmos图像传感器像素的开口率(fillfactor，ff)仍有待提高。

研究发现，现有的正照式cmos图像传感器的像素结构包括1个光电二极管和4个晶体管，只有光电二极管用于感应光线，产生光生载流子，因而在像素结构中光电二极管的面积占整个像素结构的面积的比例直接关系到cmos图像传感器的量子效率和信噪比，业界也将像素结构中光电二极管的面积占整个像素结构的面积的比例称之为填充因子(fillfactor，ff)或开口率，填充因子(fillfactor，ff)或开口率越大，量子效率和信噪比越高，但是现有的正照式cmos图像传感器的像素结构中由于4个晶体管中相应的存在4个多晶硅材料的栅极，使得正照式cmos图像传感器的像素结构的填充因子(fillfactor，ff)或开口率很难进一步提升。

为此，本发明提供了一种cmos图像传感器的像素结构及其形成方法，所述cmos图像传感器的像素结构的形成方法，由于所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区，且由于凹槽中形成的栅介质层和栅电极都是透明的，透明的栅电极和栅介质层不会阻挡正面入射的光线，使得凹槽底部的那一部分光电二级管区也能接收光线产生感应电压，因而本发明在不改变cmos图像传感器像素结构的尺寸的前提下，使得更大尺寸的光电二级管区能接收光线产生感应电压，从而提高了cmos图像传感器的开口率和量子效率，从而提高了信噪比。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

图2-6为本发明一实施例cmos图像传感器的像素结构的形成过程的结构示意图。

参考图2，提供半导体衬底200；在所述半导体衬底200中形成浮置扩散区203和位于浮置扩散区203一侧的光电二极管区202，所述光电二极管区202的深度大于浮置扩散区203的深度。

所述半导体衬底201材料可以为硅(si)、锗(ge)、或硅锗(gesi)、碳化硅(sic)；也可以是绝缘体上硅(soi)，绝缘体上锗(goi)；或者还可以为其它的材料，例如砷化镓等ⅲ-ⅴ族化合物。

所述半导体衬底201中还形成阱区201，所述浮置扩散区203和光电二极管区202位于阱区内。在一实施例中，所述阱区201中掺杂有p型杂质离子，所述p型杂质离子为硼离子、镓离子或铟离子中的一种或几种，相应的，所述浮置扩散区203和光电二极管区202的掺杂类型与阱区201的掺杂类型相反，浮置扩散区203和光电二极管区202中掺杂有n型杂质离子，所述n型杂质离子磷离子、砷离子或锑离子中的一种或几种。

通过离子注入工艺形成所述阱区201、浮置扩散区203和光电二极管区202。在具体的实施例中，所述阱区201、浮置扩散区203和光电二极管区202通过不同工序的离子注入工艺形成。

本实施例中，所述光电二极管区202的深度大于浮置扩散区203的深度，且所述光电二极管区202与浮置扩散区203接触，后续在刻蚀部分所述光电二极管区，在所述光电二级管区中形成凹槽，所述凹槽深度小于光电二级管区的深度大于浮置扩散区的深度，所述凹槽的侧壁暴露出所述浮置扩散区后，在所述凹槽中形成栅介质层和透明的栅电极后，所述光电二极管区202与浮置扩散区203之间能形成垂直的沟道区，不仅能形成透明的栅电极，而且可以减小栅极的横向尺寸，提高cmos图像传感器的像素结构的集成度。需要说明的是，本实施例中以及后续实施例中光电二极管区202以及浮置扩散区203的深度是从半导体衬底的表面到光电二极管区202以及浮置扩散区203底部的垂直距离。

所述半导体衬底200中还可以形成浅沟槽隔离结构(图中未示出)，所述浅沟槽隔离结构用于隔离相邻的有源区。

参考图3，在所述半导体衬底200上形成介质层204，所述介质层204具有暴露出半导体衬底200表面的开口205。

本实施例中，所述介质层204中的开口205暴露出光电二极管区202的靠近浮置扩散区203的部分表面，后续可以沿开口205刻蚀所述光电二级管区202，在光电二级管区202中形成凹槽，然后在凹槽和开口205中形成栅介质层和透明的栅电极，使得形成的栅电极的表面高于半导体衬底200的表面，高于半导体衬底200表面的部分栅电极可以作为接触插塞，从而使得cmos图像传感器的栅电极和与栅电极连接的接触插塞都是透明的导电材料，透明的栅电极以及接触插塞均不会阻挡从正面入射的光线，使得透明的栅电极和接触插塞底部的光电二级管区以及透明的栅电极一侧的光电二极管区202能接收到更多的光线，从而更进一步提高了cmos图像传感器的量子效率。

在其他实施例中，可以不形成所述介质层，后续直接刻蚀所述光电二级管区中形成凹槽。

在一实施例中，所述介质层204的材料为氧化硅或氟掺杂硅玻璃(fsg)

参考图4，刻蚀部分所述光电二极管区202，在所述光电二级管区202中形成凹槽210，所述凹槽210深度小于光电二级管区202的深度大于浮置扩散区203的深度，所述凹槽210的侧壁暴露出所述浮置扩散区203。

本实施例中，沿所述介质层204中开口205刻蚀所述光电二级管区202，在光电二级管区202中形成凹槽210，所述凹槽210深度小于光电二级管区202的深度大于浮置扩散区203的深度，所述凹槽210的侧壁暴露出所述浮置扩散区203，由于后续凹槽中形成的栅介质层和栅电极都是透明的，因而透明的栅电极和栅介质层不会阻挡正面入射的光线，使得凹槽210底部的那一部分光电二级管区202也能接收光线产生感应电压，因而本发明在不改变cmos图像传感器像素结构的尺寸的前提下，使得更大尺寸的光电二级管区202能接收光线产生感应电压，从而提高了cmos图像传感器的开口率和量子效率，从而提高了信噪比。并且，由于凹槽底部与浮置扩散区203的底部具有一定的距离，在凹槽中形成栅介质层和栅电极后，光电二级管区202和浮置扩散区203的底部之间的半导体衬底中200形成能形成垂直的沟道。

刻蚀所述浮置扩散区202可以采用各向异性的干法刻蚀工艺，比如等离子刻蚀工艺。

参考图5，在所述凹槽的侧壁和底部表面形成栅介质层206；在所述栅介质层206表面上形成透明的栅电极207，所述透明的栅电极207填充满凹槽。

本实施例中，在所述开口205和凹槽210的侧壁(参考图4)以及凹槽210的底部表面形成栅介质层206，在在所述栅介质层206表面上形成透明的栅电极207，所述透明的栅电极207填充满凹槽210和开口205(参考图4)。

所述栅介质层206的材料为氧化硅，所述透明的栅电极207的材料为氧化铟锡(ito)、氧化铟锌、氧化铟镓锌或氧化铟锡锌。

在一实施例中，所述栅介质层206和透明的栅电极207的形成过程包括：在所述开口以及凹槽的侧壁表面、凹槽的底部表面以及介质层204表面形成栅介质材料层，所述栅介质材料层的形成工艺为化学气相沉积或热氧化；在所述栅介质材料层上形成透明的栅电极材料层，所述栅电极材料层填充满开口和凹槽，所述透明的栅电极材料层的形成工艺为溅射；平坦化去除高于介质层204表面的栅电极材料层和栅介质材料层，在所述凹槽和开口中形成栅介质层206和位于栅介质层206上的透明的栅电极207。

在其他实施例中，当所述半导体衬底200的表面未形成介质层204时，参考图6，所述凹槽中形成的栅介质层206和透明的栅电极207的表面与半导体衬底200的表面齐平。

图7-10为本发明另一实施例cmos图像传感器的像素结构的形成过程的结构示意图。本实施例中与前述实施例的区别在于所述：在形成凹槽之前，所述光电二极管区以及浮置扩散区不接触。需要说明的是，本实施例中与前述实施例中相同或相似部分的结构在本实施例中不再赘述，具体请参考前述实施例中相应的部分的限定或描述。

参考图7，在所述半导体衬底200中形成浮置扩散区203和位于浮置扩散区203一侧的光电二极管区202，所述光电二极管区202的深度大于浮置扩散区203的深度，所述光电二极管202与所述浮置扩散区203不接触。

参考图8，在所述半导体衬底200上形成介质层204，所述介质层204中具有暴露出部分所述光电二极管202的表面以及光电二级管区202与浮置扩散区203之间的部分半导体衬底200表面的开口205。

参考图9，沿开口刻蚀所述光电二极管202以及光电二级管区202与浮置扩散区203之间的半导体衬底200，在所述光电二级管区202中以及半导体衬底200中形成凹槽210，所述凹槽210深度小于光电二级管区202的深度大于浮置扩散区203的深度，所述凹槽210的侧壁暴露出所述浮置扩散区203。

具体的，所述凹槽210的底部暴露出部分光电二级管区和光电二级管区一侧的半导体衬底200，所述凹槽的210一侧侧壁暴露出浮置扩散区203和浮置扩散区203底部的部分半导体衬底200。

参考图10，在所述开口和凹槽的侧壁以及凹槽的底部表面形成栅介质层206；在所述栅介质层206表面上形成透明的栅电极207，所述透明的栅电极207填充满凹槽和开口。

本实施例中，所述浮置扩散区203的底部与光电二级管区202之间形成横向和垂直相结合的沟道。

本发明一实施例还提供了一种cmos图像传感器的像素结构，请参考图5或图6或图10，包括：

半导体衬底200；

位于所述半导体衬底200中的浮置扩散区203和位于浮置扩散区203一侧的光电二极管区202，所述光电二极管区202的深度大于浮置扩散区203的深度；

位于所述光电二级管区202中的凹槽210，所述凹槽210深度小于光电二级管区202的深度大于浮置扩散区203的深度，所述凹槽210的侧壁暴露出所述浮置扩散区203；

位于所述凹槽210的侧壁和底部表面的栅介质层206；

位于所述栅介质层206表面上的透明栅电极207，所述透明栅电极207填充满凹槽210。

在一实施例中，参考图5和图6，所述凹槽210的底部暴露出部分光电二级管区202，所述凹槽210的一侧侧壁暴露出浮置扩散区203和浮置扩散区203底部的部分半导体衬底200。

在另一实施例中，参考图10，所述凹槽210的底部暴露出部分光电二级管区202和光电二级管区202一侧的半导体衬底200，所述凹槽210的一侧侧壁暴露出浮置扩散区203和浮置扩散区203底部的部分半导体衬底200。

所述栅介质层206的材料为氧化硅。所述透明的栅电极207的材料为氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铟镓锌或氧化铟锡锌。

所述透明电极层207的表面等于或高于半导体衬底200的表面。

在一实施例中，还包括：位于所述半导体衬底上的介质层201，所述介质层201具有暴露出半导体衬底200表面的开口；位于所述开口和凹槽210的侧壁以及凹槽的底部表面的栅介质层206；位于所述栅介质层206表面上的透明栅电极207，所述透明栅电极207填充满凹槽和开口。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。