图像传感器及其形成方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种图像传感器及形成方法。


背景技术：

2.随着图像传感器的分辨率越来越高，像素尺寸变得越来越小。像素尺寸变小所带来的全阱电容减小、信噪比变差的问题，很大地影响了图像传感器的动态范围。
3.为了改善上述问题，双转换增益(dual conversion gain，dcg)结构被引入图像传感器中。双转换增益结构的引入能够在低照度条件下以较小的积分电容提高转换增益，以提高图像传感器的灵敏度；在高照度条件下以较大的积分电容提升存储电荷，降低转换增益以提高动态范围。
4.但是现有双转换增益结构的引入难以进一步提高所述图像传感器的动态范围。


技术实现要素：

5.本发明解决的问题是如何增大双转换增益结构所引入电容的大小、进一步扩大图像传感器的动态范围。
6.为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器，包括：
7.在像素单元的基底上形成双转换增益控制晶体管的栅极和第一补充盖层，所述第一补充盖层适宜于与所述双转换增益控制晶体管的栅极形成电容结构。
8.可选的，所述第一补充盖层位于所述双转换增益控制晶体管的栅极上，且与所述双转换增益控制晶体管的栅极相绝缘。
9.可选的，形成第一补充盖层的步骤包括：形成经掺杂的第一补充盖层。
10.可选的，形成所述第一补充盖层的步骤中，通过离子注入或原位掺杂的方式形成经掺杂的第一补充盖层。
11.可选的，还包括：在所述双转换增益控制晶体管的栅极上形成绝缘层，所述绝缘层覆盖所述双转换增益控制晶体管的栅极的部分表面；在所述绝缘层上形成所述第一补充盖层。
12.可选的，所述绝缘层包括氧化层、氮化层和氮氧化层中的一种或几种。
13.可选的，所述基底包括：像素区域和外围区域，其中所述像素区域包括多个所述像素单元；在所述双转换增益控制晶体管的栅极上形成绝缘层的步骤包括：在所述双转换增益控制晶体管的栅极上和外围区域的基底上形成所述绝缘层。
14.可选的，在像素单元的基底上形成双转换增益控制晶体管的栅极的步骤包括：在像素单元的基底上形成经掺杂的双转换增益控制晶体管的栅极。
15.可选的，在像素单元的基底上形成经掺杂的双转换增益控制晶体管的栅极中，通过原位掺杂的方式在像素单元的基底上形成经掺杂的双转换增益控制晶体管的栅极。
16.可选的，在像素单元的基底上形成双转换增益控制晶体管的栅极和第一补充盖层的步骤包括：在像素单元的基底上依次形成第一栅极材料层、绝缘材料层和盖层材料层；对
所述盖层材料层和所述绝缘材料层进行第一图形化以形成第一补充盖层和绝缘层；至少对所述第一补充盖层进行离子注入以形成经掺杂的第一补充盖层；对所述第一栅极材料层进行第二图形化以形成所述双转换增益控制晶体管的栅极。
17.可选的，对所述盖层材料层和所述绝缘材料层进行第一图形化以形成第一补充盖层和绝缘层的步骤中，露出部分所述第一栅极材料层；至少对所述第一补充盖层进行离子注入以形成经掺杂的第一补充盖层的步骤包括：对所露出的第一栅极材料层和所述第一补充盖层进行离子注入。
18.可选的，还包括：在像素单元的基底上形成复位晶体管的栅极和第二补充盖层，所述第二补充盖层适宜于与所述复位晶体管的栅极形成电容结构。
19.可选的，所述第二补充盖层位于所述复位晶体管的栅极上，且与所述复位晶体管的栅极相绝缘。
20.可选的，在像素单元的基底上形成双转换增益控制晶体管的栅极和第一补充盖层的过程中，在像素单元的基底上形成复位晶体管的栅极和第二补充盖层。
21.相应的，本发明还提供一种图像传感器，采用本发明的图像传感器的形成方法而形成。
22.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
23.本发明技术方案中，所述第一补充盖层与所述双转换增益控制晶体管的栅极形成电容结构，以供双转换增益结构使用，能够为双转换增益结构提供额外的电容，能够有效增大所述双转换增益结构所引入的电容，能够有效改善高转换增益(high conversion gain，hcg)和低转换增益(low conversion gain，lcg)的比例。
24.本发明可选方案中，还能够在像素单元的基底上形成复位晶体管的栅极和第二补充盖层。在复位晶体管的栅极上形成第二补充盖层，能够进一步扩大电容，有利于进一步增大高转换增益和低转换增益的比例。
附图说明
25.图1是一种引入双转换增益结构的图像传感器的剖面结构示意图；
26.图2至图6是本发明图像传感器的形成方法一实施例各个步骤的剖面结构示意图。
具体实施方式
27.由背景技术可知，现有技术所引入的双转换增益结构难以进一步提高所述图像传感器的动态范围。现结合一种引入双转换增益结构的图像传感器的结构分析难以进一步提高图像传感器的动态范围的问题的原因。
28.参考图1，示出了一种引入双转换增益结构的图像传感器的剖面结构示意图。
29.所述图像传感器的像素单元包括：感光区域(pd)11，所述感光区域11位于基底10内；第一栅极12，所述第一栅极12位于所述感光区域11一侧的基底10上且所述第一栅极1覆盖部分所述感光区域11；第二栅极13，所述第二栅极13位于所述第一栅极12远离所述感光区域11一侧的基底10上且与所述第一栅极12之间具有间隙；第一掺杂区14，所述第一掺杂区14位于所述第一栅极12和所述第二栅极13之间的基底10内；第二掺杂区15，所述第二掺杂区15位于所述第二栅极13远离所述第一掺杂区14一侧的基底10内。
30.其中，所述第一栅极12为传输晶体管的栅极(tx gate)；所述第二栅极13为双转换增益控制晶体管的栅极；所述第一掺杂区14为浮置扩散节点(floating drain，fd)。
31.双转换增益结构是在浮置扩散节点的电容上并联一个辅助电容，即所述第二掺杂区15与所述双转换增益结构的辅助电容相连(如图1中虚线框16内所示部分)，通过所述双转换增益控制晶体管的栅极(即所述第二栅极13)控制所述辅助电容与所述浮置扩散节点的电容的连接和断开使所述浮置扩散节点具有两种不同的转换增益。
32.所述双转换增益结构的辅助电容通常采用寄生mom(metal oxide metal)电容实现。但是，这些类型电容构造的辅助电容的电容值依旧较小，不利于图像传感器获得更大的动态范围。
33.为解决所述技术问题，本发明提供一种图像传感器的形成方法，包括：在像素单元的基底上形成双转换增益控制晶体管的栅极和第一补充盖层，所述第一补充盖层适宜于与所述双转换增益控制晶体管的栅极形成电容结构。
34.本发明技术方案，所述第一补充盖层与所述双转换增益控制晶体管的栅极形成电容结构，以供双转换增益结构使用，能够为双转换增益结构提供额外的电容，能够有效扩大所述双转换增益结构的电容值，能够有效改善高转换增益(high conversion gain，hcg)和低转换增益(low conversion gain，lcg)的比例。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
36.参考图2至图6，示出了本发明图像传感器的形成方法一实施例各个步骤的剖面结构示意图。
37.参考图2至图5，在像素单元的基底100上形成双转换增益控制晶体管的栅极110和第一补充盖层120，所述第一补充盖层120适宜于与所述双转换增益控制晶体管的栅极110形成电容结构。
38.如图2所示，所述形成办法包括：提供基底100。
39.所述基底100为后续步骤提供基础并提供机械支撑。
40.本发明一些实施例中，所述像素单元的基底100包括：衬底(图中未标示)；感光区域101，所述感光区域101位于所述像素单元的衬底内。
41.具体的，所述衬底的材料选自单晶硅、多晶硅或者非晶硅；所述衬底也可以选自硅、锗、砷化镓或硅锗化合物；所述衬底还可以选自具有外延层或外延层上硅结构；所述衬底还可以是其他半导体材料，本发明对此不做任何限制。所述感光区域101包括：位于所述衬底内的n型掺杂区和p型掺杂区，所述n型掺杂区和所述p型掺杂区之间相互接触以形成所述感光区域101。
42.如图2至图5所示，提供基底100之后，在所述基底100上形成所述双转换增益控制晶体管的栅极110和第一补充盖层120。
43.需要说明的是，本发明一些实施例中，所述形成方法还包括：在像素单元的基底100上形成复位晶体管的栅极(图中未示出)和第二补充盖层(图中未示出)，所述第二补充盖层适宜于与所述复位晶体管的栅极形成电容结构。在复位晶体管的栅极上形成第二补充盖层，能够进一步扩大电容，有利于进一步增大高转换增益和低转换增益的比例。
44.具体的，在像素单元的基底100上形成双转换增益控制晶体管的栅极110和第一补
充盖层120的过程中，在像素单元的基底100上形成复位晶体管的栅极和第二补充盖层。
45.所述双转换增益控制晶体管的栅极110用以控制所述双转换增益控制晶体管沟道的导通和关闭以控制所述双转换增益结构的辅助电容的连接和断开，从而实现两种不同的转换增益。其中，所述双转换增益结构的辅助电容包括第一补充盖层所形成的电容结构，因此所述双转换增益结构具有更大的辅助电容，能够有效改善高转换增益和低转换增益的比例。
46.具体如图2至图5所示实施例中，所述双转换增益控制晶体管的栅极110为多晶硅栅极，即所述双转换增益控制晶体管的栅极110的材料为多晶硅。
47.本发明一些实施例中，在像素单元的基底100上形成双转换增益控制晶体管的栅极110的步骤包括：在像素单元的基底100上形成经掺杂的双转换增益控制晶体管的栅极110。
48.具体如图2至图5所示实施例中，所述双转换增益控制晶体管的栅极110为n型掺杂的多晶硅栅极，即所述双转换增益控制晶体管的栅极110的材料为n型掺杂的多晶硅。
49.具体的，在像素单元的基底100上形成经掺杂的双转换增益控制晶体管的栅极110中，通过原位掺杂的方式在像素单元的基底100上形成经掺杂的双转换增益控制晶体管的栅极110。
50.一些实施例中，像素单元的基底100上还形成有复位晶体管的栅极。具体的，所述复位晶体管的栅极也为多晶硅栅极。具体的，复位晶体管的栅极的材料为n型掺杂的多晶硅。
51.所述第一补充盖层120用以与所述双转换增益控制晶体管的栅极110形成电容结构以共所述双转换增益结构使用。
52.如图2至图5所示实施例中，所述第一补充盖层120位于所述双转换增益控制晶体管的栅极110上，且与所述双转换增益控制晶体管的栅极110相绝缘。
53.所述第一补充盖层120绝缘的层叠于所述双转换增益控制晶体管的栅极110上，既能够与所述双转换增益控制晶体管的栅极110形成电容结构，又无需占用基底面积，不会影响所述像素单元的面积。
54.本发明一些实施例中，形成第一补充盖层120的步骤包括：形成经掺杂的第一补充盖层120。具体的，形成所述第一补充盖层120的步骤中，通过离子注入或原位掺杂的方式形成经掺杂的第一补充盖层120。
55.具体如图2至图5所示实施例中，所述第一补充盖层120的材料为多晶硅，经掺杂的第一补充盖层120为n型掺杂的多晶硅层。
56.一些实施例中，像素单元的基底100上还形成有所述第二补充盖层。具体的，所述第二补充盖层与所述第一补充盖层120一样，为n型掺杂的多晶硅层。
57.一些实施例中，所述第二补充盖层位于所述复位晶体管的栅极上，且与所述复位晶体管的栅极相绝缘。所述第二补充盖层绝缘的层叠于所述复位晶体管的栅极上，既能够与所述复位晶体管的栅极形成电容结构，又无需占用基底面积，不会影响所述像素单元的面积。所以，所述双转换增益结构的辅助电容还包括第二补充盖层所形成的电容结构，辅助电容更大，能够进一步改善高转换增益和低转换增益的比例。
58.本发明一些实施例中，所述形成方法还包括：在所述双转换增益控制晶体管的栅
极110上形成绝缘层121，所述绝缘层121覆盖所述双转换增益控制晶体管的栅极110的部分表面；在所述绝缘层121上形成所述第一补充盖层120。
59.所述绝缘层121用以实现所述第一补充盖层120和所述双转换增益控制晶体管的栅极110之间的电隔离以形成电容结构。
60.如图2至图5所示实施例中，所述形成方法包括：在所述双转换增益控制晶体管的栅极110的部分表面形成所述绝缘层121；在所述绝缘层121的表面形成所述第一补充盖层120。
61.本发明一些实施例中，所述绝缘层121包括氧化层、氮化层、氮氧化层中的一种或几种。具体如图2至图5所示实施例中，所述绝缘层121为氧化硅层。本发明其他实施例中，所述绝缘层121也可以包括其他氧化物层、氮化物层或氮氧化层中的一种或多种。
62.需要说明的是，所述绝缘层121的厚度在15埃至70埃范围内。在所述第一补充盖层120和所述双转换增益控制晶体管的栅极110之间设置薄氧层，从而形成多晶硅-栅氧化层-多晶硅的平板电容结构，能够有效扩大平板电容结构的电容值，能够有效增大高转换增益和低转换增益的比例。
63.本发明一些实施例中，所述基底包括：像素区域(图中未标示)和外围区域(图中未示出)，其中所述像素区域包括多个所述像素单元(图中未标示)；在所述双转换增益控制晶体管的栅极110上形成绝缘层121的步骤包括：在所述双转换增益控制晶体管的栅极110上和外围区域的基底上形成所述绝缘层。在外围区域的基底上形成绝缘层121的同时，在所述双转换增益控制晶体管的栅极110上的所述绝缘层121，无需额外增加步骤。
64.需要说明的是，本发明一些实施例中，像素单元的基底100上还形成有复位晶体管的栅极和第二补充盖层；复位晶体管的栅极和第二补充盖层之间也具有所述绝缘层。因此所述形成方法包括：
65.在所述双转换增益控制晶体管的栅极110和复位晶体管的栅极上形成绝缘层121，所述绝缘层121覆盖所述双转换增益控制晶体管的栅极110的部分表面和复位晶体管的栅极的部分表面；形成位于所述双转换增益控制晶体管的栅极110上的绝缘层121上的第一补充盖层120和位于复位晶体管的栅极上的绝缘层121上的第二补充盖层。
66.具体的，在像素单元的基底上形成双转换增益控制晶体管的栅极110和第一补充盖层120的步骤包括：如图2和图3所示，在像素单元的基底100上依次形成第一栅极材料层110a、绝缘材料层121a和盖层材料层120a；如图4所示，对所述盖层材料层120a和所述绝缘材料层121a进行第一图形化以形成第一补充盖层120和绝缘层121；至少对所述第一补充盖层120进行离子注入以形成经掺杂的第一补充盖层120；如图5所示，对所述第一栅极材料层110a进行第二图形化以形成所述双转换增益控制晶体管的栅极110。
67.所述双转换增益控制晶体管的栅极110、所述第一补充盖层120均为多晶硅层，所述绝缘层121的材料为氧化物层；因此在像素单元的基底100上依次形成第一栅极材料层110a、绝缘材料层121a和盖层材料层120a的步骤包括：在像素单元的基底100上沉积多晶硅材料以形成所述第一栅极材料层110a；在所述第一栅极材料层110a上形成氧化物作为所述绝缘材料层121a；在所述绝缘材料层121a上沉积多晶硅材料以形成所述盖层材料层120a。
68.一些实施例中，由于所述双转换增益控制晶体管的栅极110为经掺杂的双转换增益控制晶体管的栅极110，具体的，所述双转换增益控制晶体管的栅极110的材料为n型掺杂
的多晶硅；因此在像素单元的基底100上沉积多晶硅材料的过程中以原位掺杂的方式形成n型掺杂的多晶硅。
69.由于后续所述双转换增益控制晶体管的栅极110上还需要形成所述第一补充盖层120，因此在像素单元的基底100上沉积多晶硅材料的过程中以原位掺杂的方式形成n型掺杂的多晶硅的做法，能够有效保证掺杂浓度和均匀性。
70.本发明一些实施例中，所述基底包括：像素区域和外围区域，外围区域上的部分区域并不需要形成多晶硅层；因此在像素单元的基底100上沉积多晶硅材料后，去除外围区域上的部分多晶硅材料，至少保留像素区域上的多晶硅材料以形成所述第一栅极材料层110a。
71.需要说明的是，所述像素单元的基底100具有感光区域101，如图2和图3所示，所述第一栅极材料层110a覆盖整个所述像素单元的基底100，即包括所述感光区域101在内的整个像素单元的基底100上均形成有所述第一栅极材料层110a。
72.还需要说明的是，所述第一栅极材料层110a和所述基底100之间还具有介质层(图中未标示)以实现电隔离；因此在像素单元的基底100上形成第一栅极材料层110a之前，在像素单元的基底100上形成所述介质层；在所述介质层上形成所述第一栅极材料层110a。
73.一些实施例中，由于所述绝缘层121为氧化物层，因此在所述第一栅极材料层110a上形成氧化物的步骤中，可以通过对部分厚度的所述第一栅极材料层110a进行氧化(oxidation)以形成所述绝缘材料层121a。本发明另一些实施例中，所述绝缘层也可以为氮化物层，因此形成所述绝缘材料层的步骤中，也可以通过对部分厚度的所述第一栅极材料层进行氮化以形成所述绝缘材料层。
74.所述第一图形化的步骤去除部分盖层材料层120a和部分绝缘材料层121a以形成所述第一补充盖层120和所述绝缘层121。
75.具体的，所述第一图形化的过程中，可以通过光刻和刻蚀的方式去除部分盖层材料层120a和部分绝缘材料层121a，露出部分面积的第一栅极材料层110a，以形成所述第一补充盖层120和所述绝缘层121。
76.需要说明的是，一些实施例中，所述形成方法还包括：形成位于复位晶体管的栅极上的绝缘层121上的第二补充盖层；因此所述第一图形化还形成所述第二补充盖层。
77.一些实施例中，所述第一补充盖层120为经掺杂的所述第一补充盖层120，因此如图4所示，形成所述第一补充盖层120之后，进行离子注入以形成经掺杂的第一补充盖层120。
78.本发明一些实施例中，对所述盖层材料层120a(如图3所示)和所述绝缘材料层121a(如图3所示)进行第一图形化以形成第一补充盖层120和绝缘层121的步骤中，露出部分所述第一栅极材料层110a(如图4所示)；至少对所述第一补充盖层120进行离子注入以形成经掺杂的第一补充盖层120的步骤包括：对所露出的第一栅极材料层110a和所述第一补充盖层120进行离子注入。
79.具体的，一些实施例中，经掺杂的第一补充盖层120为n型掺杂的多晶硅层；所以对所露出的第一栅极材料层110a和所述第一补充盖层120进行离子注入的步骤中，对所露出的第一栅极材料层110a和所述第一补充盖层120进行n型离子注入。
80.需要说明的是，一些实施例中，所述第一图形化还形成所述第二补充盖层，至少对
所述第一补充盖层120进行离子注入的步骤中，还对所述第二补充盖层进行离子注入以形成经掺杂的第二补充盖层。
81.所述第二图形化的步骤用以去除部分第一栅极材料层110a以形成所述双转换增益控制晶体管的栅极110。
82.需要说明的是，像素单元的基底100还具有感光区域101，如图5所示，像素单元的基底100上还形成有开关晶体管的栅极130；因此对所述第一栅极材料层110a进行第二图形化的步骤包括：对所述第一栅极材料层110a进行第二图形化，去除部分第一栅极材料层110a，剩余的第一栅极材料层110a形成所述开关晶体管的栅极130和所述双转换增益控制晶体管的栅极110。
83.如图5所示，所述开关晶体管的栅极130位于所述双转换增益控制晶体管的栅极110和所述感光区域101之间的基底上；所述开关晶体管的栅极130还覆盖部分所述感光区域101的基底。
84.具体的，所述第二图形化的过程中，可以通过光刻和刻蚀的方式去除部分第一栅极材料层110a，剩余的部分第一栅极材料层110a作为所述开关晶体管的栅极130和所述双转换增益控制晶体管的栅极110。
85.需要说明的是，本发明一些实施例中，所述形成方法还包括：形成复位晶体管的栅极和第二补充盖层；因此所述第二图形化的过程中，剩余的部分第一栅极材料层110a还作为所述复位晶体管的栅极。
86.参考图6，形成所述双转换增益控制晶体管的栅极110和所述第一补充盖层120之后，在像素单元的基底100内形成掺杂区。
87.如图6所示实施例中，通过离子注入的方式在像素单元的基底100内形成掺杂区141和掺杂区142，其中所述掺杂区141位于所述双转换增益控制晶体管的栅极110和所述开关晶体管的栅极130之间的基底100内，所述掺杂区142位于所述双转换增益控制晶体管的栅极110远离所述感光区域101一侧的基底100内。
88.继续参考图6，形成所述掺杂区之后，进一步形成后续电路以形成与所述掺杂区142串联的电容结构(如图6中虚线框150内所示部分)。具体的，一些实施例中，与所述掺杂区142串联的电容结构可以是寄生mom电容结构。
89.如图6所示，所述第一补充盖层120与所述掺杂区142相连，因此所述第一补充盖层120和所述双转换增益控制晶体管的栅极110之间所形成电容结构与后续电路所形成的电容结构相并联，以构成所述双转换增益结构的辅助电容，能够有效改善高转换增益和低转换增益的比例。
90.此外，本发明还提供一种图像传感器，采用本发明的图像传感器的形成方法而形成。
91.所述图像传感器采用本发明的图像传感器的形成方法形成，因此所述图像传感器的具体技术方案参考前述形成方法的实施例所述，本发明在此不再赘述。
92.综上，所述第一补充盖层与所述双转换增益控制晶体管的栅极形成电容结构，以供双转换增益结构使用，能够为双转换增益结构提供额外的电容，能够有效增大所述双转换增益结构所引入的电容，能够有效改善高转换增益和低转换增益的比例。
93.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本
发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。