[发明专利]CMOS图像传感器的像素结构及像素结构的形成方法

说明书

本发明提供了一种CMOS图像传感器的像素结构及像素结构的形成方法，应用于半导体技术领域。在本发明提供的CMOS图像传感器像素结构的形成方法中，通过将存储单元中的靠近图像传感器像素结构浮动扩散点一侧的部分栅极层进行减薄处理，从而在存储单元中形成的栅极堆叠结构中包含的栅极层的厚度在沿着从光电二极管至所述浮动扩散点的方向上呈阶梯状变薄，进而降低了浮动扩散点与每个存储单元中的栅极层之间的寄生电容，以及与浮动扩散点相连接的导电插塞与每个存储单元中的栅极层之间的寄生电容，进而减小了浮动扩散点出的总电容，并最终提高了存储单元的动态范围。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种CMOS图像传感器的像素结构及像素结构的形成方法。

背景技术

随着汽车工业、物联网和监控设备的发展，各类电子产品对于图像传感器的需求逐步增加。现有主流的图像传感器技术是与CMOS工艺兼容的CMOS图像传感器技术，其中的一些图像传感器技术需要像素单元向小尺寸发展，以实现单位面积内设置更多的像素单元，进而获取更加真实的图像。另一些图像传感器技术，需要像素单元向大尺寸发展，以实现不同的特殊需求(例如：更大的动态范围，更多的图像细节)。而这两种像素尺寸发展方向，对于像素结构的设计和工艺的要求不同。具体地，对于小像素单元，由于每个像素单元的电荷较少，且像素阵列中的每行像素单元的数量较多，因此需要更加快速的光响应和转移速度，由此才能实现高像素单元的操作；而对于大像素单元，由于其每个像素单元可存储的电子较多，为保证每个像素单元中的电子能够完全转移，需要对像素单元进行精确的调整。

随着图像传感器的分类越来越细化，对于不同的用途有不同的设计和像素单元的优化，而目前对于可获取更加详细图像信息的高动态范围像素单元的需求逐步增加，因为高动态范围像素单元不仅可以获取更加详细的图像细节，同时还能与其它领域，如红外相结合，实现更好的近红外的图像效果。

目前，如图1所示，常用的一种提高小像素CMOS图像传感器的动态范围的方法是通过在每个像素单元中与浮动扩散点FD连接的复位管RST处添加一个并联的电容C2，从而实现通过降低像素单元浮动扩散点FD的总电容的方式，实现不同转换因子的图像处理功能(转换因子与电容成反比)，且现有技术中需要通过在浮动扩散点与复位管之间添加一个选择晶体管SEL的方式，来实现在该处增加一个并联的电容C2的目的，此时，该像素单元的结构包括光电二极管PD、传输晶体管TX、源极跟随管SF、选择晶体管RS、选择晶体管SEL以及并联电容C2。其中，在低光情况下，使用高转换因子的方式(HCG,小电容Cfd)，将低光信号进行放大，捕捉更多低光细节；对于高光情况，使用低转换因子处理(LCG,大电容Cfd+C2)，防止产生过多的电子在本身无法转移的情况下，溢出到邻近像素单元产生像素之间的干扰。高转换与低转换的比例为1+Cfd/C2，为了将低光实现高转换，会尽量降低浮动扩散点的电容，而增加一个大电容，从而实现高动态范围，就是要降低高转换因子的电容Cfd，增加额外电容C2。

但是，由于现有技术中需要通过在浮动扩散点与复位管之间添加一个晶体管的方式，实现在该处增加一个并联的电容，从而造成图像传感器制造成本高、版图设计繁琐等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CMOS图像传感器像素结构的形成方法，以解决由于小像素图像传感器像素结构中浮动扩散点的总电容比较高，导致小像素图像传感器像素结构的动态范围低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种CMOS图像传感器像素结构，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底中形成有器件隔离结构以及通过所述器件隔离结构定义出的至少一个像素单元；

光电二极管，位于每个所述像素单元对应的半导体衬底中；

浮动扩散点，位于用于隔离相邻所述像素单元的器件隔离结构中；