[发明专利]图像传感器及其形成方法和操作方法

说明书

本公开涉及图像传感器及其形成方法和操作方法。图像传感器包括衬底和像素单元。每个像素单元包括栅极结构、彼此分离地设置在衬底中邻近上表面处的多个浮置扩散区、彼此分离地设置在多个浮置扩散区下方的多个光电二极管、以及设置在浮置扩散区与光电二极管之间的第一沟道形成区。每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，二者都与栅极电介质层接触并且由间隔区分离，第二沟道形成区设置在间隔区中。第一沟道形成区包括与浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区分别对应的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区。第一子沟道形成区的阈值电压小于第二沟道形成区的阈值电压，并且二者都小于第二子沟道形成区的阈值电压。

技术领域

本公开涉及半导体领域，具体来说，涉及图像传感器及其形成方法和操作方法。

背景技术

图像传感器是能够对辐射(例如，光辐射，包括但不限于可见光、红外线、紫外线等)进行感测并由此生成相应的电子信号的功能器件。图像传感器被广泛地应用于各种需要对辐射进行感测的电子产品中。

本领域中一直存在对于具有高动态范围的图像传感器的需求。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种新颖的图像传感器及其形成方法和操作方法。

根据本公开的一个方面，提供了一种图像传感器，其包括衬底以及设置在衬底中的至少一个像素单元。每个像素单元包括：栅极结构，包括嵌入在衬底中的栅极以及设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面的栅极电介质层；多个浮置扩散区，彼此分离地设置在衬底中邻近上表面处，所述多个浮置扩散区围绕栅极结构并且与栅极电介质层接触；多个光电二极管，彼此分离地设置在衬底中，所述多个光电二极管与所述多个浮置扩散区一一对应地设置在所述多个浮置扩散区下方并且与栅极电介质层接触，其中，所述多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，并且所述多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；以及多个第一沟道形成区，每个第一沟道形成区设置在相应的一个浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间，并且具有第二掺杂类型。每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都与栅极电介质层接触并且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区由间隔区分离，第二沟道形成区设置在间隔区中并具有第二掺杂类型。另外，每个第一沟道形成区包括与相应的浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区分别对应的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区。并且，在第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区中形成沟道的阈值电压分别为第一阈值电压、第二阈值电压和第三阈值电压，并且第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压。

根据本公开的另一个方面，提供了一种用于形成上述图像传感器的方法，其包括提供衬底以及在衬底中形成至少一个像素单元。形成每个像素单元包括：在衬底中形成彼此分离的多个光电二极管，所述多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；在衬底中形成栅极结构，栅极结构包括嵌入在衬底中的栅极以及设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面的栅极电介质层，其中，栅极电介质层与所述多个光电二极管的第一区域接触；在衬底中邻近上表面处形成彼此分离并且围绕栅极结构的多个浮置扩散区，所述多个浮置扩散区与所述多个光电二极管一一对应地设置在所述多个光电二极管上方并且与栅极电介质层接触，其中，所述多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，每个浮置扩散区包括第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区，第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区都与栅极电介质层接触并且第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区由间隔区分离。在每个浮置扩散区的第一子浮置扩散区和第二子浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间都分别设置有具有第二掺杂类型的第一子沟道形成区和第二子沟道形成区，在每个间隔区中设置有具有第二掺杂类型的第二沟道形成区，并且在第一子沟道形成区、第二子沟道形成区和第二沟道形成区中形成沟道的阈值电压分别为第一阈值电压、第二阈值电压和第三阈值电压，并且第一阈值电压小于第三阈值电压且第三阈值电压小于第二阈值电压。