图像传感器及其形成方法与流程

1.本发明涉及半导体领域，特别涉及一种图像传感器及其形成方法。


背景技术：

2.cmos图像传感器因其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素单元尺寸等优势被广泛用作成像设备。cmos图像传感器通常采用两种曝光方式：滚动曝光(rolling shutter)和全局曝光(global shutter)。
3.其中，对于滚动曝光像素单元(rolling shutter pixel)所组成的像素阵列而言，不同行(列)像素单元的曝光并不是同时开始或终止。这一非同时性对于普通成像设备而言没有特别的影响，但是对于高帧率的图像拍摄时，往往会引起明显的图像失真与变形。全局曝光的像素单元在高速运动物体的成像领域具有特别的优势，
4.但是全局曝光像素单元(global shutter pixel)往往存在占用面积大的问题。


技术实现要素：

5.本发明解决的问题是如何减小像素单元的占用面积。
6.为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器的形成方法，包括：
7.在像素单元的基底上形成分裂栅极结构，所述分裂栅极结构包括：第一开关栅极、存储栅极和第二开关栅极。
8.可选的，还包括：在所述分裂栅极结构上形成金属硅化物层，所述金属硅化物层至少覆盖所述存储栅极。
9.可选的，在像素单元的基底上形成分裂栅极结构的步骤中，所述存储栅极还延伸至所述第一开关栅极和所述第二开关栅极上。
10.可选的，在像素单元的基底上形成分裂栅极结构的步骤还包括：在存储节点的基底上形成存储栅介质层；在所述存储栅介质层表面形成所述存储栅极。
11.可选的，在存储节点的基底上形成存储栅介质层的步骤中，所述存储栅极介质层还延伸至所述第一开关栅极和所述第二开关栅极相对的侧壁表面。
12.可选的，在存储节点的基底上形成存储栅介质层的步骤中，所述存储栅极介质层还分别延伸至部分所述第一开关栅极和部分所述第二开关栅极上。
13.可选的，在所述存储栅介质层表面形成所述存储栅极的步骤中，所述存储栅极的侧壁、所述第一开关栅极的侧壁和所述第二开关栅极的侧壁与所述存储栅介质层的表面均接触。
14.可选的，还包括：在所述分裂栅极结构上形成金属硅化物层之前，在所述分裂栅极结构的侧壁形成侧墙。
15.可选的，所述存储栅极延伸至所述第一开关栅极和所述第二开关栅极上；在所述分裂栅极结构的侧壁形成侧墙的步骤包括：所述第一开关栅极的侧壁、所述第二开关栅极的侧壁以及延伸至所述第一开关栅极和所述第二开关栅极上的存储栅极的侧壁形成所述
侧墙。
16.可选的，在像素单元的基底上形成分裂栅极结构的步骤包括：在存储节点的基底上形成所述存储栅极；在存储节点两侧的基底上形成第一开关栅极和第二开关栅极。
17.可选的，在像素单元的基底上形成分裂栅极结构的步骤包括：在像素单元的基底上形成第一栅极材料层；在所述第一栅极材料层内形成第一开口，所述第一开口底部露出存储节点的基底；在所述第一开口内形成所述存储栅极；对所述第一栅极材料层进行图形化以形成所述第一开关栅极和所述第二开关栅极。
18.可选的，所述图像传感器为全局曝光图像传感器。
19.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。
20.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
21.本发明技术方案中，在像素单元的基底上形成分裂栅极结构，所述分裂栅极结构包括：第一开关栅极、存储栅极和第二开关栅极。将所述第一开关栅极、所述存储栅极和所述第二开关栅极设置为分裂栅极结构，能够省去所述存储栅极两侧基底内的源漏区，能够有效减小所述第一开关栅极、所述存储栅极和所述第二开关栅极的占用面积，有利于所述像素单元面积的减小。
22.本发明可选方案中，所述形成方法还包括：在所述分裂栅极结构上形成金属硅化物层，所述金属硅化物层至少覆盖所述存储栅极。所述金属硅化物层位至少覆盖所述存储栅极，既能够有效降低所述存储栅极的接触电阻，还能够遮挡光线进入存储栅极下方的存储节点，能够抑制存储节点内的寄生光响应。
23.本发明可选方案中，所述存储栅极还分别延伸至所述第一开关栅极和所述第二开关栅极上，从而能够有效增大所述第一开关栅极、所述存储栅极和所述第二开关栅极之间的金属硅化物层之间的距离，以尽量减小桥接几率；而且延伸至所述第一开关栅极和所述第二开关栅极上的存储栅极上的金属硅化物能够有效遮挡所述第一开关栅极的侧壁和所述第二开关栅极的侧壁的存储栅介质层位置的漏光，能够有效改善存储节点的挡光问题，能够有效抑制寄生光响应。
附图说明
24.图1是一种图像传感器的全局曝光像素单元的剖面结构示意图；
25.图2至图9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
26.由背景技术可知，现有技术中全局曝光像素单元存在占用面积过大的问题。现结合一种全局曝光像素单元的剖面结构分析其占用面积过大问题的原因：
27.参考图1，示出了一种图像传感器的全局曝光像素单元的剖面结构示意图。
28.所述图像传感器的像素单元包括：感光区域(pd)10pd，所述感光区域10pd位于基底10内；第一栅极11、第二栅极12和第三栅极13，所述第一栅极11、所述第二栅极12和所述第三栅极13位于所述基底10上，且在平行所述基底10表面的平面内，沿背向所述感光区域10pd的方向依次排列，其中，所述第一栅极11覆盖部分所述感光区域10pd；第一掺杂区21、
第二掺杂区22和第三掺杂区23，所述第一掺杂区21位于所述第一栅极11和述第二栅极12之间的基底10内，所述第二掺杂区22位于所述第二栅极12和所述第三栅极13之间的基底10内，所述第三掺杂区23位于所述第三栅极13远离所述感光区域10pd一侧的基底内。
29.其中，所述第一栅极11为第一传输晶体管的栅极(tx1 gate)；所述第二栅极12为存储晶体管的栅极(sg gate)；所述第三栅极13为第二传输晶体管的栅极(tx2 gate)；所述第三掺杂区23为浮置扩散节点(floating drain，fd)。
30.如图1所示，第一传输晶体管、存储晶体管和第二传输晶体管占用面积较大，使得整个像素单元的面积面积难以进一步减小；另外存储晶体管下方的存储节点没有遮挡，光线容易进入存储节点而产生寄生光响应。
31.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：
32.在像素单元的基底上形成分裂栅极结构，所述分裂栅极结构包括：第一开关栅极、存储栅极和第二开关栅极。
33.本发明技术方案，在像素单元的基底上形成分裂栅极结构，所述分裂栅极结构包括：第一开关栅极、存储栅极和第二开关栅极。将所述第一开关栅极、所述存储栅极和所述第二开关栅极设置为分裂栅极结构，能够省去所述存储栅极两侧基底内的源漏区，能够有效减小所述第一开关栅极、所述存储栅极和所述第二开关栅极的占用面积，有利于所述像素单元面积的减小。
34.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。
35.参考图2至图9，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。
36.参考图2至图5，在像素单元的基底100上形成分裂栅极结构110(如图5所示)，所述分裂栅极结构110包括：第一开关栅极111、存储栅极112和第二开关栅极113。
37.如图2所示，所述形成办法包括：提供基底100。
38.所述基底100为后续步骤提供基础并提供机械支撑。
39.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；存储节点sn，所述存储节点sn位于所述感光区域101一侧的衬底内。
40.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。
41.如图2至图5所示，提供基底100之后，在所述基底100上形成所述分裂栅极结构110(如图5所示)。
42.需要说明的是，本发明一些实施例中，所述图像传感器为全局曝光图像传感器。具体的，所述分裂栅极结构110包括：第一开关栅极111、存储栅极112和第二开关栅极113。
43.如图2至图5所示，平行所述基底100表面的平面内，所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113沿所述感光区域101指向所述存储节点sn的方向依次排
列，且所述存储栅极112位于所述存储节点sn的基底100上。
44.所以，平行所述基底100表面的平面内，所述第一开关栅极111位于部分所述感光区域101以及所述感光区域101和所述存储节点sn之间的基底100上，所述存储栅极112位于所述存储节点sn的基底100上，所述第二开关栅极113位于所述存储节点sn远离所述感光区域101一侧的基底100上。
45.本发明一些实施例中，在像素单元的基底100上形成分裂栅极结构110的步骤包括：如图2至图4所示，在存储节点的基底100上形成所述存储栅极112。
46.具体的，在像素单元的基底100上形成分裂栅极结构110的步骤包括：如图2所示，在像素单元的基底100上形成第一栅极材料层110a；如图3所示，在所述第一栅极材料层110a内形成第一开口110k，所述第一开口底部110k露出存储节点sn的基底；如图4所示，在所述第一开口110k内形成所述存储栅极112。
47.所述第一栅极材料层110a后续用以形成第一开关栅极111(如图5所示)和第二开关栅极113(如图5所示)。本发明一些实施例中，所述第一开关栅极111和所述第二开关栅极113为多晶硅栅极，因此所述第一栅极材料层110a为多晶硅层。具体的，在所述基底100上沉积多晶硅材料以形成所述第一栅极材料层110a。
48.需要说明的是，如图2所示，提供所述基底100之后，形成所述第一栅极材料层110a之前，所述形成方法还包括：在所述基底100上形成介质层(图中未标示)；在所述介质层上形成所述第一栅极材料层110a。
49.所述第一开口110k底部露出所述存储节点sn的基底100，用以为所述存储栅极112的形成提供空间。
50.具体如图3所示，形成所述第一栅极材料层110a后，对所述第一栅极材料层110a进行曝光刻蚀，去除所述存储节点sn的基底100上的第一栅极材料层110a，露出所述存储节点sn的基底100，以形成所述第一开口110k。
51.所述存储栅极112位于所述存储节点sn的基底100上。
52.所述存储栅极112为多晶硅栅极，即所述存储栅极112的材料为多晶硅。因此如图3和图4所示，形成所述存储栅极112的步骤包括：形成所述第一开口110k之后，在剩余的所述第一栅极材料层110a和所述第一开口110k内沉积多晶硅材料；对所沉积的多晶硅材料进行图形化，在所述第一开口110k内形成所述存储栅极112。
53.本发明一些实施例中，在像素单元的基底100上形成分裂栅极结构110(如图2至图5所示)的步骤还包括：在存储节点sn的基底100上形成存储栅介质层112o；在所述存储栅介质层112o表面形成所述存储栅极112。
54.具体的，形成所述存储栅极112的步骤包括：在存储节点sn的基底100上形成存储栅介质层112o；在所述存储栅介质层112o表面沉积多晶硅材料以形成所述存储栅极112。
55.所述存储栅介质层112o用以实现所述存储栅极112与所述存储节点sn的基底100内的沟道之间的电隔离。
56.本发明一些实施例中，所述存储栅介质层112o还用以实现所述存储栅极112与所述第一开关栅极111、所述第二开关栅极113之间的电隔离；因此，在存储节点sn的基底100上形成存储栅介质层112o的步骤中，所述存储栅极介质层112o还延伸至所述第一开关栅极111和所述第二开关栅极113相对的侧壁表面。
57.具体的，如图4所示，所述存储栅极介质层112o覆盖所述存储节点sn的基底100，且靠近所述感光区域101的一侧，所述存储栅极介质层112o延伸至所述存储节点sn和所述感光区域101之间基底上所述第一栅极材料层110a的侧壁上，远离所述感光区域101的一侧，所述存储栅极介质层112o延伸至所述存储节点sn远离所述感光区域101一侧的所述第一栅极材料层110a的侧壁上；之后，在存储栅极介质层112o上形成所述存储栅极112。
58.所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113用以构成分裂栅极结构110，因此所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113之间相互紧靠；但是所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113之间相互绝缘。
59.因此如图4所示，在所述存储栅介质层112o表面形成所述存储栅极112的步骤中，所述存储栅极112的侧壁、所述第一开关栅极111的侧壁和所述第二开关栅极113的侧壁与所述存储栅介质层112o的表面均接触。
60.具体的，靠近所述感光区域101的一侧，所述存储栅极112的侧壁和所述第一开关栅极111的侧壁分别与所述存储栅介质层112o的两个表面相接触；远离所述感光区域101的一侧，所述存储栅极112的侧壁和所述第二开关栅极113的侧壁分别与所述存储栅介质层112o的两个表面相接触。
61.所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113之间并未形成掺杂区，省去了所述掺杂区的面积，能够有效减小所述像素单元的面积。
62.如图4所示，在像素单元的基底100上形成分裂栅极结构110的步骤中，所述存储栅极112还延伸至剩余的所述第一栅极材料层110a上。存储栅极112的一端沿朝向所述感光区域101的方向延伸至一侧剩余的所述第一栅极材料层110a上，另一端沿远离所述感光区域101的方向延伸至另一侧剩余的所述第一栅极材料层110a上。
63.剩余的所述第一栅极材料层110a适宜于形成所述第一开关栅极111和所述第二开关栅极113；因此，在存储节点sn的基底100上形成存储栅介质层112o的步骤中，所述存储栅极介质层112o还分别延伸至部分所述第一开关栅极111和部分所述第二开关栅极113上。
64.在像素单元的基底100上形成分裂栅极结构110的步骤还包括：如图5所示，在存储节点sn两侧的基底100上形成第一开关栅极111和第二开关栅极113。
65.具体的，在所述第一开口110k(如图3所示)内形成所述存储栅极112之后，在像素单元的基底100上形成分裂栅极结构110的步骤还包括：对剩余的所述第一栅极材料层110进行图形化以形成所述第一开关栅极111和所述第二开关栅极112。
66.具体如图5所示，形成所述存储栅极112之后，对剩余的所述第一栅极材料层110a进行光刻和刻蚀，去除所述基底100上的部分第一栅极材料层110a，保留所述存储节点sn两侧的基底100上的部分第一栅极材料层110a，以分别形成上所述第一开关栅极111和所述第二开关栅极113。
67.参考图6至图8，所述形成方法还包括：在所述分裂栅极结构110(如图5所示)上形成金属硅化物层120(如图8所示)，所述金属硅化物层120至少覆盖所述存储栅极112。
68.所述金属硅化物层120能够有效减小所述分裂栅极结构110的接触电阻；而且所述金属硅化物层120至少覆盖所述存储栅极112，位于所述存储节点sn的基底100上，能够遮挡光线进入存储栅极112下方的存储节点sn，能够抑制存储节点sn内的寄生光响应。
69.本发明一些实施例中，如图6所示，所述形成方法还包括：在所述分裂栅极结构110(如图5所示)上形成金属硅化物层120之前，在所述分裂栅极结构110的侧壁形成侧墙130。
70.所述侧墙130用以覆盖所述分裂栅极结构110所露出的侧壁，以达到定义金属硅化物层120形成位置的目的；通过侧墙130定义所述金属硅化物层120的形成位置，能够实现所述金属硅化物层120的自对准形成，无需掩模对准，能够降低所述金属硅化物层120的形成工艺难度、保证良率。
71.所述侧墙130的材料可以为氮化物，即所述侧墙130的材料为氮化硅。本发明其他实施例中，所述侧墙的材料也可以包括氧化物、氮化物和氮氧化物中的一种或多种。
72.本发明一些实施例中，所述存储栅极112延伸至所述第一开关栅极111和所述第二开关栅极113上；在所述分裂栅极结构的侧壁形成侧墙的步骤包括：所述第一开关栅极111的侧壁、所述第二开关栅极113的侧壁以及延伸至所述第一开关栅极111和所述第二开关栅极113上的存储栅极112的侧壁形成所述侧墙130。
73.所述第一开关栅极111远离所述存储节点sn一侧的侧壁与所述第二开关栅极113远离所述存储节点sn一侧的侧壁形成有侧墙130；此外，延伸至所述第一开关栅极111上的部分存储栅极112的侧壁和延伸至所述第二开关栅极113上的部分存储栅极112的侧壁也形成有所述侧墙130。
74.需要说明的是，所述形成方法还包括：如图7所示，在所述分裂栅极结构110的侧壁形成侧墙130之后，在所述分裂栅极结构110上形成金属硅化物层120之前，在所述基底100内形成掺杂区140。具体的，可以通过离子注入的方式在所述基底100内形成所述掺杂区140。
75.如图8所示，在所述分裂栅极结构110上形成金属硅化物层120的步骤包括：在所述分裂栅极结构110上形成金属层(图中未示出)，所述金属层覆盖所述分裂栅极结构110的上表面；形成所述金属层之后，进行退火处理以使所述金属层和部分厚度的所述分裂栅极结构110反应，形成所述金属硅化物层120；形成所述金属硅化物层120之后，去除未反应的金属层。
76.具体如图8所示实施例中，所述金属硅化物层120为co的硅化物(co silicide)，也就是说，所述金属层的材料为co。
77.具体的，所述分裂栅极结构110包括：所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113；而且所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113均为多晶硅栅极。因此在所述分裂栅极结构110上形成金属层的步骤中，所述金属层覆盖所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113的表面；而且所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113的侧壁均形成有侧墙130；因此所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113的侧面，所述金属层覆盖所述侧墙130的表面。
78.退火处理适宜于驱使金属层与多晶硅材料反应以形成金属硅化物。
79.所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113的上表面与所述金属层直接接触，因此退火处理中，所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113上表面的部分厚度能够直接与所述金属层反应，形成位于所述第一开关栅极111上的金属硅化物层121、位于所述存储栅极112上的金属硅化物层122和位于所述第二开
关栅极113上的金属硅化物层123。
80.在所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113的侧面，所述金属层覆盖所述侧墙130的表面，所述侧墙130的材料为氮化硅；因此位于所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113的侧面的金属层不会与所述侧墙130反应，会被去除；避免在所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113的侧面形成所述金属硅化物层，也能够使所述第一开关栅极111上的金属硅化物层121、所述存储栅极112上的金属硅化物层122和所述第二开关栅极113上的金属硅化物层123之间相互绝缘。
81.本发明一些实施例中，所述存储栅极112还延伸至所述第一开关栅极111和所述第二开关栅极113上；因此如图8所示，延伸至所述第一开关栅极111上的存储栅极112上的金属硅化物层(图中未标示)位于所述第一开关栅极111和所述存储栅极112之间的存储栅介质层112o正上方，延伸至所述第二开关栅极113上的存储栅极112上的金属硅化物层(图中未标示)位于所述第二开关栅极113和所述存储栅极112之间的存储栅介质层112o正上方，这两部分金属硅化物层能够有效遮挡所述第一开关栅极111、所述存储栅极112和所述第二开关栅极113两两之间的存储栅介质层112o位置的漏光，能够有效善存储节点的挡光问题，能够有效抑制寄生光响应。
82.此外，所述存储栅极112还延伸至所述第一开关栅极111和所述第二开关栅极113上，能够使所述第一开关栅极111上的金属硅化物层121、延伸至所述第一开关栅极111上的存储栅极112上的金属硅化物层、所述存储栅极112上的金属硅化物层122、延伸至所述第二开关栅极113上的存储栅极112上的金属硅化物层以及所述第二开关栅极113上的金属硅化物层123分别位于不同的高度，能够有效增大各部分金属硅化物层边缘之间的距离，能够有效降低桥接风险。
83.结合参考图9，形成所述金属硅化物层120(如图8所示)之后，所述形成方法还包括：进一步形成后续电路，以实现与外部电路的电连接，其中所述第一开关栅极111作为第一传输晶体管的栅极(tx1 gate)通过金属硅化物层121与外部电路相连；所述存储栅极112作为存储晶体管的栅极(sg gate)通过金属硅化物层122与外部电路相连；所述第二开关栅极113作为第二传输晶体管的栅极(tx2 gate)通过金属硅化物层123与外部电路相连；所述掺杂区140作为浮置扩散节点(floating drain，fd)与外部电路相连。
84.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。
85.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。
86.综上，在像素单元的基底上形成分裂栅极结构，所述分裂栅极结构包括：第一开关栅极、存储栅极和第二开关栅极，以省去所述存储栅极两侧基底内的源漏区，能够有效减小所述第一开关栅极、所述存储栅极和所述第二开关栅极的占用面积，有利于所述像素单元面积的减小。
87.而且，所述形成方法还包括：在所述分裂栅极结构上形成金属硅化物层，所述金属硅化物层至少覆盖所述存储栅极，以降低所述存储栅极的接触电阻，并遮挡光线进入存储栅极下方的存储节点，抑制存储节点内的寄生光响应。
88.此外，所述存储栅极还分别延伸至所述第一开关栅极和所述第二开关栅极上，从而能够有效增大所述第一开关栅极、所述存储栅极和所述第二开关栅极之间的金属硅化物层之间的距离，以尽量减小桥接几率；而且延伸至所述第一开关栅极和所述第二开关栅极上的存储栅极上的金属硅化物能够有效遮挡所述第一开关栅极的侧壁和所述第二开关栅极的侧壁上的存储栅介质层位置的漏光，能够尽可能的改善存储节点的挡光问题，能够有效抑制寄生光响应。
89.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。