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CN114927537A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

图像传感器及其制造方法 Download PDF

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CN114927537A
CN114927537A CN202210647954.6A CN202210647954A CN114927537A CN 114927537 A CN114927537 A CN 114927537A CN 202210647954 A CN202210647954 A CN 202210647954A CN 114927537 A CN114927537 A CN 114927537A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gate
trench
substrate
image sensor
transistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210647954.6A
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English (en)
Inventor
董立群
肖海波
林率兵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Howay Integrated Circuit Chengdu Co ltd
Original Assignee
Howay Integrated Circuit Chengdu Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Howay Integrated Circuit Chengdu Co ltd filed Critical Howay Integrated Circuit Chengdu Co ltd
Priority to CN202210647954.6A priority Critical patent/CN114927537A/zh
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80—Constructional details of image sensors
    • H10F39/803—Pixels having integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H10F39/8037—Pixels having integrated switching, control, storage or amplification elements the integrated elements comprising a transistor
    • H10F39/80373—Pixels having integrated switching, control, storage or amplification elements the integrated elements comprising a transistor characterised by the gate of the transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明提供一种图像传感器及其制造方法，包括：提供衬底，衬底具有相对的第一表面和第二表面；执行干法刻蚀，形成前段沟槽；执行湿法刻蚀，将前段沟槽向第二表面一侧(下)以及侧向刻蚀形成后段沟槽；前段沟槽和后段沟槽构成栅极沟槽；形成栅极，栅极纵向部填充在栅极沟槽中。本发明的栅极结构，一方面和同样开口尺寸的垂直栅极结构相比，后段沟槽的截面宽度从第一表面一侧到第二表面一侧逐渐变大，即将栅极沟槽的底部尺寸做大从而增大电子底部传输表面积，以提高底部电子传输效率，增加满井容量；另一方面和仅采用干法刻蚀形成的同样深度的垂直栅结构相比，采用先干法后湿法刻蚀可减少干法刻蚀带来的等离子损伤，减少白像素，提高像素质量。

Description

图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器(CIS)已变得无所不在。其广泛地用于数字静态相机、蜂窝式电话、安全相机以及医疗、汽车及其它应用中。随着图像传感器越来越广泛的应用以及技术的不断更新换代，对较高分辨率及较低功率消耗的需求已促进了图像传感器的进一步小型化及集成。像素尺寸越做越小且对像素要求也越来越高，像素中的满阱容量主要是靠离子注入完成，但是随着像素尺寸的缩小，离子注入深度需要越来越深，也就不可避免的会导致深层的电子难以高效的传输，从而进一步导致图像拖尾等现象，使得图像质量下降。
发明内容
本发明提供一种图像传感器及其制造方法，一目的在于提高栅极沟槽底部电子传输效率，增加满井容量；解决图像传感器小尺寸像素深层电子传输困难的问题。
本发明另一目的在于，减少干法刻蚀带来的等离子损伤，减少白像素，提高像素质量。
本发明提供一种图像传感器的制造方法，包括：
提供一衬底，所述衬底中形成有光电转换部，所述衬底沿其厚度方向具有相对的第一表面和第二表面；
执行干法刻蚀，形成前段沟槽，所述前段沟槽从所述第一表面向所述衬底中延伸；
执行湿法刻蚀，将所述前段沟槽向所述第二表面一侧以及侧向刻蚀形成后段沟槽；在垂直于所述衬底的截面上，所述后段沟槽的截面宽度从所述第一表面一侧到所述第二表面一侧逐渐变大；所述前段沟槽和所述后段沟槽构成栅极沟槽；
形成栅极，所述栅极包括高出所述第一表面的栅极横向部和从所述栅极横向部向所述衬底中延伸的至少一个栅极纵向部，一个所述栅极纵向部填充在一个所述栅极沟槽中。
进一步的，所述前段沟槽的深度为所述栅极沟槽深度的1/3～2/3。
进一步的，在垂直于所述衬底的截面上，所述前段沟槽的截面图形呈矩形。
进一步的，所述前段沟槽的深度为
Figure BDA0003684729430000021
均包含端点值；所述后段沟槽的深度为
Figure BDA0003684729430000022
均包含端点值。
进一步的，执行湿法刻蚀之后，形成所述栅极之前，还包括：
形成隔离层，所述隔离层至少覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底部；
对所述栅极沟槽的侧壁和底部进行离子注入。
进一步的，对所述栅极沟槽的侧壁和底部进行离子注入之后，形成所述栅极之前，还包括：
去除所述隔离层；
形成栅氧化层，所述栅氧化层至少覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底部。
进一步的，所述栅极为传输晶体管的栅极，形成所述栅极之后还包括：
对所述栅极远离所述光电转换部的一侧的所述衬底中注入N型离子，形成浮动扩散部；以及
对所述光电转换部靠近所述衬底的所述第一表面的区域注入P型离子形成钉扎层。
进一步的，一个所述传输晶体管的栅极包括所述栅极横向部和从所述栅极横向部向所述衬底中延伸并间隔的两个或三个所述栅极纵向部。
进一步的，所述图像传感器包括多种晶体管，所述多种晶体管包括传输晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管、行选择晶体管以及转换增益控制晶体管；所述多种晶体管中的至少一种晶体管的栅极采用所述形成栅极的方法形成。
本发明还提供一种图像传感器，包括：
衬底，所述衬底中形成有光电转换部，所述衬底沿其厚度方向具有相对的第一表面和第二表面；
前段沟槽，所述前段沟槽从所述第一表面向所述衬底中延伸；
后段沟槽，所述后段沟槽从所述前段沟槽向所述第二表面一侧以及侧向延伸，在垂直于所述衬底的截面上，所述后段沟槽的截面宽度从所述第一表面一侧到所述第二表面一侧逐渐变大；所述前段沟槽和所述后段沟槽构成栅极沟槽；
栅极，所述栅极包括高出所述第一表面的栅极横向部和从所述栅极横向部向所述衬底中延伸的至少一个栅极纵向部，一个所述栅极纵向部填充一个所述栅极沟槽。
进一步的，还包括：
栅氧化层，所述栅氧化层至少覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底部。
进一步的，还包括：
浮动扩散部，所述浮动扩散部位于所述栅极远离所述光电转换部的一侧的所述衬底中；
其中，所述光电转换部、所述栅极和所述浮动扩散部构成传输晶体管。
进一步的，所述图像传感器包括多种晶体管，所述多种晶体管包括传输晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管、行选择晶体管以及转换增益控制晶体管；所述栅极为所述多种晶体管中的任意一种晶体管的栅极。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种图像传感器及其制造方法，包括：提供衬底，衬底具有相对的第一表面和第二表面；执行干法刻蚀，形成前段沟槽；执行湿法刻蚀，将前段沟槽向第二表面一侧(下)以及侧向刻蚀形成后段沟槽；前段沟槽和后段沟槽构成栅极沟槽；形成栅极，栅极纵向部填充在栅极沟槽中。本发明的栅极结构，一方面和同样开口尺寸的垂直栅极结构相比，后段沟槽的截面宽度从第一表面一侧到第二表面一侧逐渐变大，即将栅极沟槽的底部尺寸做大从而增大电子在栅极沟槽外侧底部传输表面积，以提高栅极沟槽底部电子传输效率，增加满井容量；另一方面和仅采用干法刻蚀形成的同样深度的垂直栅结构相比，采用先干法后湿法刻蚀可减少干法刻蚀带来的等离子损伤，减少白像素，提高像素质量。
附图说明
图1为本发明实施例的图像传感器的制造方法流程示意图。
图2至图12为本发明实施例的图像传感器第一种示例的制造方法各步骤示意图。
图13为一种包含平面传输晶体管的图像传感器示意图。
图14为一种包含垂直传输晶体管的图像传感器示意图。
图15为本发明实施例的图像传感器第二种示例的示意图。
图16为本发明实施例的图像传感器电路原理示意图。
图17为本发明实施例的图像传感器第三种示例的示意图。
其中，附图标记如下：
10-衬底；11-光电转换部；12-钉扎层；13-浮动扩散部；14-氧化硅层；15-浅沟槽隔离；16-氮化硅层；17-硬掩膜层；18-光阻层；19-隔离层；20-栅极；20a-栅极横向部；20b-栅极第一纵向部；20c-栅极第二纵向部；21-栅极；22-TX栅极；23-RST栅极；24-SF栅极；25-RS栅极；26-栅氧化层；30-栅极；40-垂直栅极；40a-栅极横向部；40b-栅极垂直部；V1-前段沟槽；V2-后段沟槽；V-栅极沟槽；K-栅极沟槽的开口；f1-第一表面；f2-第二表面；h1-前段沟槽V1的深度；h2-后段沟槽V2的深度；TX-传输晶体管；w-栅极的宽度；ef-沟槽侧壁纵向距离。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种图像传感器及其制造方法。以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
为了便于描述，本申请一些实施例可以使用诸如“在…上方”、“在…之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为在其它元件或部件“上方”或“之上”。下文中的术语“第一”、“第二”、等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。
本发明实施例提供了一种图像传感器的制造方法，如图1所示，包括：
步骤S1、提供一衬底，所述衬底中形成有光电转换部，所述衬底沿其厚度方向具有相对的第一表面和第二表面；
步骤S2、执行干法刻蚀，形成前段沟槽，所述前段沟槽从所述第一表面向所述衬底中延伸；
步骤S3、执行湿法刻蚀，将所述前段沟槽向所述第二表面一侧以及侧向刻蚀形成后段沟槽；在垂直于所述衬底的截面上，所述后段沟槽的截面宽度从所述第一表面一侧到所述第二表面一侧逐渐变大；所述前段沟槽和所述后段沟槽构成栅极沟槽；
步骤S4、形成栅极，所述栅极包括高出所述第一表面的栅极横向部和从所述栅极横向部向所述衬底中延伸的至少一个栅极纵向部，一个所述栅极纵向部填充在一个所述栅极沟槽中。
下面结合图2至图12介绍本发明实施例的图像传感器第一种示例的制造方法的各步骤。
如图2和图3所示，提供一衬底10，所述衬底10沿其厚度方向具有相对的第一表面f1和第二表面f2。衬底10例如为P型半导体衬底，可通过离子注入或扩散形成P型阱区。衬底10中形成有光电转换部11和浅沟槽隔离(STI)15。浅沟槽隔离15，所述浅沟槽隔离15从第一表面f1向衬底中延伸一定深度，并且至少部分环绕所述光电转换部11。所述浅沟槽隔离15在所述衬底10中包含至少部分填充有氧化物的沟槽。光电转换部11可包括光电二极管(PD)、光电晶体管、光电门和钉扎光电二极管(PPD)中的任意一种。光电转换部11例如包含第一多数电荷载流子类型(例如，N型)。衬底10的表面可依次形成有氧化硅层14和氮化硅层16。
形成硬掩膜层17，在所述氮化硅层16的表面形成硬掩膜层17，硬掩膜层17可包括不定性碳膜(APF)和底部抗反射层(BARC)。硬掩膜层17可通过沉积工艺形成，硬掩膜层17的厚度例如为
Figure BDA0003684729430000062
如图4所示，形成光阻层18，具体在硬掩膜层17上涂覆光阻层18，通过曝光显影定义出要形成的栅极沟槽的开口K，在垂直于衬底10的截面上，所述开口K的截面宽度为90nm～120nm。
如图5所示，以光阻层18和硬掩膜层17为掩膜，执行干法刻蚀形成前段沟槽V1，所述前段沟槽V1从所述第一表面f1沿衬底10的厚度方向向所述衬底10中延伸。在一个具体示例中，采用等离子体干法刻蚀工艺，反应气体包括：C4F8和SF6，等离子体室中的气压被设定为10mTorr～14mTorr，RF电源提供1000瓦～3000瓦的功率，170V～900V的偏置电压，持续时间为800s～1000s。SF6和衬底10(例如硅材质)反应生成挥发性的SiF4，C4F8和硅反应生成副产物SiCxFy用于保护侧壁。示例性的，在垂直于衬底10的截面上，前段沟槽V1的截面图形呈矩形。衬底10中前段沟槽V1的深度h1例如为
Figure BDA0003684729430000061
均包含端点值。干法刻蚀完成后去除光阻层18和硬掩膜层17。
如图6所示，执行湿法刻蚀，将所述前段沟槽V1向所述第二表面f2一侧(下)以及侧向刻蚀形成后段沟槽V2；在垂直于所述衬底10的截面上，所述后段沟槽V2的截面宽度从所述第一表面f1一侧到所述第二表面f2一侧(自上而下)逐渐变大；所述前段沟槽V1和所述后段沟槽V2构成栅极沟槽，栅极沟槽例如为倒漏斗型结构。示例性的，湿法刻蚀液采用TMAH(四甲基氢氧化铵)，TMAH是一种具有优良刻蚀性能的各向异性刻蚀液，选择性好、低毒性、低污染，与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。所述TMAH溶液的分子式为(CH3)4NOH，在本实施中，所述TMAH溶液的浓度例如为2.0％～25％，温度为60℃至80℃。所述后段沟槽V2的深度例如为
Figure BDA0003684729430000071
均包含端点值。前段沟槽V1的深度为h1，后段沟槽V2的深度为h2,深度h1和深度h2的和为栅极沟槽深度，前段沟槽V1的深度为所述栅极沟槽深度的1/3～2/3。
如图7所示，形成隔离层19，所述隔离层19可为氧化硅层。所述隔离层19覆盖所述栅极沟槽的侧壁表面、底部以及氮化硅层16的表面。
如图8所示，对所述栅极沟槽的侧壁和底部进行离子注入，例如硼(B)离子注入，用于修复干法刻蚀可能带来的损伤。
如图9所示，去除隔离层19、氮化硅层16和氧化硅层14。
如图10所示，形成栅氧化层26；所述栅氧化层26覆盖所述栅极沟槽V的侧壁表面、底部以及衬底10的表面。
如图11所示，形成栅极20，所述栅极20包括高出所述第一表面的栅极横向部20a和从所述栅极横向部20a沿衬底10的厚度方向向所述衬底10中延伸的至少一个栅极纵向部，一个所述栅极纵向部填充在一个所述栅极沟槽中。具体的，栅极20的材质例如为多晶硅，多晶硅填充栅极沟槽并覆盖栅氧化层26的上表面，经光刻、刻蚀工艺图形化多晶硅形成栅极20。在一示例中，一个晶体管的栅极中，从所述栅极横向部可延伸一个栅极纵向部。在另一示例中，一个晶体管的栅极中，从所述栅极横向部也可延伸间隔的两个或三个栅极纵向部。图11示出了一个晶体管的栅极中，从所述栅极横向部20a分别延伸出间隔的两个栅极纵向部，例如栅极第一纵向部20b和栅极第二纵向部20c；所述栅极20大体上为“π”形。
如图12所示，所述栅极20以传输晶体管TX的栅极为例进行说明，形成所述栅极20之后还包括：形成浮动扩散部(FD)13；具体可通过对栅极20远离光电转换部11的一侧的衬底10中注入N型离子，形成浮动扩散部13。还可在对光电转换部11靠近衬底10的第一表面f1的区域注入P型离子形成钉扎层12。光电转换部11可包含第一多数电荷载流子类型(例如，N型)，钉扎层12可包含第二多数电荷载流子类型(例如，P型)。钉扎层12设置在光电转换部11之上，并且与光电转换部11接触。
光电转换部11设置在衬底10中以响应于入射在衬底10的第二表面f2一侧上的光而产生图像电荷。钉扎层12耦合到光电转换部11。浮动扩散部13设置在栅极20远离光电转换部11的一侧的衬底10中。
本实施例中的栅极20例如为传输晶体管TX的栅极。示例性的，光电转换部11(N型掺杂)、浮动扩散部13和栅极20共同构成传输晶体管TX，其中光电转换部11(N型掺杂)作为传输晶体管TX的源级，浮动扩散部13作为传输晶体管TX的漏级。在操作中，将本实施例的图像传感器T曝光于入射光，经光电效应，在光电转换部11中将入射光转换成电子，电子暂时储存于光电转换部11中。传输晶体管TX部分设置在衬底10中，并且耦合到光电转换部11以响应于施加到传输晶体管TX的栅极20的转移信号而将图像电荷从光电转换部11通过沟道(图中虚线示意处)转移到浮动扩散部13中。
图13为一种包含平面传输晶体管TX的图像传感器示意图。平面传输晶体管TX的栅极30仅有横向部分(即相当于仅有本实施例的栅极横向部图12中的20a)，没有向衬底10中纵向(衬底厚度方向)延伸，当该平面传输晶体管TX的栅极30导通时，在该栅极30下方产生平面沟道，其允许电子自光电转换部11流向浮动扩散部13，平面传输晶体管TX的平面沟道宽度仅为栅极30的宽度w。
而在本发明实施例中，如图12所示，沟道(图12中虚线示意处)沿栅极沟槽V的外轮廓，包括横向部分的沟道(平行于第一表面f1的虚线)和纵向部分的沟道(衬底10厚度方向的虚线)。本实施例中的沟道宽度(图12中虚线长度)与平面传输晶体管TX(图13)的沟道宽度w(栅极30的宽度)相比至少多了4倍的沟槽侧壁纵向距离ef(图12)。本实施例的沟道宽度比平面传输晶体管的栅极宽度大至少约30％，例如，大出约30％、大出约50％、大出约80％、或大出约100％。
图14为一种包含垂直传输晶体管TX的图像传感器示意图。垂直传输晶体管TX的垂直栅极40包括栅极横向部40a和栅极垂直部40b。像素尺寸越做越小且对像素要求也越来越高，像素中的满阱容量主要是靠离子注入完成，但是随着像素尺寸的缩小，离子注入深度需要越来越深，亦即栅极垂直部40b所在的沟槽深度需要越来越深。研究发现栅极垂直部40b所在的沟槽若仅通过干法刻蚀形成，则干法刻蚀过程中会产生大量的等离子体损伤，成为白像素的主要来源，严重影响图像质量。而栅极垂直部40b所在的沟槽若仅采用湿法刻蚀，湿法刻蚀在一定晶面上会自停止，因此在开口尺寸一定的条件下其湿法刻蚀深度有限，只能应用在对传输晶体管TX的栅极垂直部40b的深度要求不高的图像传感器中。
而在本发明实施例中，如图12所示，本发明的栅极20结构，一方面和同样开口尺寸的垂直栅极40(图14)结构相比，后段沟槽V2的截面宽度从第一表面f1一侧到第二表面f2一侧逐渐变大，即将栅极沟槽V的底部尺寸做大从而增大电子在栅极沟槽外侧底部传输表面积，以提高栅极沟槽外侧底部电子传输效率，增加满井容量；另一方面和仅采用干法刻蚀形成的同样深度的垂直栅极40(图14)结构相比，采用本实施例的先干法后湿法刻蚀可减少干法刻蚀带来的等离子损伤，减少白像素，提高像素质量。
图15为本发明实施例的图像传感器第二种示例的示意图。如图15所示，图像传感器中的传输晶体管TX的栅极21中，从栅极横向部可仅向衬底10中延伸一个栅极纵向部，一个栅极纵向部填充在一个栅极沟槽中。本实施例栅极21结构的沟道宽度(图15中虚线长度)与垂直栅极40(图14)结构的沟道宽度(图14中虚线长度)相比，同样后段沟槽的截面宽度从自上而下逐渐变大，即将栅极沟槽的底部尺寸做大从而增大电子在栅极沟槽外侧底部传输表面积，以提高栅极沟槽外侧底部电子传输效率，增加满井容量。同时，减少干法刻蚀带来的等离子损伤，减少白像素，提高像素质量。
结合图12和图16所示，图像传感器包括光电转换部11和多种类型的晶体管，多种类型的晶体管例如包括传输晶体管TX、复位晶体管RST、源极跟随晶体管SF、行选择晶体管RS、转换增益控制晶体管等等。光电转换部11以光电二极管PD为例进行说明。图12仅示出了传输晶体管TX。
在操作过程中，光电转换部11产生的光电荷在曝光过程中响应于入射光。传输晶体管TX连接到传输信号，该信号控制传输晶体管TX传输光电转换部11中累积的电荷到浮动扩散部(FD)13。传输晶体管TX可以为MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。复位晶体管RST连接到VDD和浮动扩散部(FD)13之间，响应于复位信号以复位像素电路，例如放电或充电浮动扩散部13和光电转换部11到当前电压。浮动扩散部(FD)13连接到源极跟随晶体管SF。源极跟随晶体管SF连接到VDD和行选择晶体管RS之间，放大信号以响应浮动扩散部(FD)13的电位。行选择晶体管RS从源极跟随晶体管SF连接像素电路输出到读出列，或位线BIT，响应于行选择控制信号。
入射光使得光电转换部11内产生电荷。当光电转换部11内的光产生电子逐渐累加，它的电压增加(电子是负电荷)。光电转换部11的电压或电荷表示在曝光期间入射到光电转换部11的强度。电荷通过传输晶体管TX从光电转换部11传输到浮动扩散部(FD)13，使得浮动扩散部(FD)13的电压在曝光期间通过累加在光电转换部11上的光生电子成比例地降低。
图17为本发明实施例的图像传感器第三种示例的示意图。图像传感器包括光电转换部11和多种类型的晶体管，多种类型的晶体管例如包括传输晶体管TX、复位晶体管RST、源极跟随晶体管SF、行选择晶体管RS、转换增益控制晶体管等等。所述多种晶体管中的至少一种晶体管的栅极采用前述介绍的形成栅极的方法形成。图17示出了，传输晶体管TX、复位晶体管RST、源极跟随晶体管SF和行选择晶体管RS的栅极全部采用前述介绍的形成栅极的方法形成。同样对应晶体管的后段沟槽的截面宽度从自上而下逐渐变大，即将对应晶体管的栅极沟槽的底部尺寸做大从而增大电子在栅极沟槽外侧底部传输表面积，以提高栅极沟槽外侧底部电子传输效率，增加满井容量。同时，减少干法刻蚀带来的等离子损伤，减少白像素，提高像素质量。
本发明还提供一种图像传感器，包括：
衬底，所述衬底中形成有光电转换部，所述衬底沿其厚度方向具有相对的第一表面和第二表面；
前段沟槽，所述前段沟槽从所述第一表面向所述衬底中延伸；
后段沟槽，所述后段沟槽从所述前段沟槽向所述第二表面一侧以及侧向延伸，在垂直于所述衬底的截面上，所述后段沟槽的截面宽度从所述第一表面一侧到所述第二表面一侧逐渐变大；所述前段沟槽和所述后段沟槽构成栅极沟槽；
栅极，所述栅极包括高出所述第一表面的栅极横向部和从所述栅极横向部向所述衬底中延伸的至少一个栅极纵向部，一个所述栅极纵向部填充一个所述栅极沟槽。
具体的，图像传感器还包括栅氧化层，所述栅氧化层至少覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底部。
图12为本发明实施例的图像传感器的第一种示例，该示例中，所述栅极20为传输晶体管TX的栅极。图像传感器还包括浮动扩散部13，所述浮动扩散部13位于所述栅极20远离所述光电转换部11的一侧的所述衬底10中；其中，所述光电转换部11、所述栅极20和所述浮动扩散部13构成传输晶体管TX。从所述栅极横向部20a分别延伸出间隔的两个栅极纵向部，例如栅极第一纵向部20b和栅极第二纵向部20c；所述栅极20大体上为“π”形。
图15为本发明实施例的图像传感器的第二种示例，该示例中，图像传感器中的传输晶体管TX的栅极21中，从栅极横向部可仅向衬底中延伸一个栅极纵向部，一个栅极纵向部填充在一个栅极沟槽中。
图17为本发明实施例的图像传感器的第三种示例，该示例中，所述图像传感器包括多种晶体管，多种类型的晶体管例如包括传输晶体管TX、复位晶体管RST、源极跟随晶体管SF、行选择晶体管RS、转换增益控制晶体管等等。所述栅极为所述多种晶体管中的任意一种晶体管的栅极。
综上所述，本发明提供一种图像传感器及其制造方法，包括：提供衬底，衬底具有相对的第一表面和第二表面；执行干法刻蚀，形成前段沟槽；执行湿法刻蚀，将前段沟槽向第二表面一侧(下)以及侧向刻蚀形成后段沟槽；前段沟槽和后段沟槽构成栅极沟槽；形成栅极，栅极纵向部填充在栅极沟槽中。本发明的栅极结构，一方面和同样开口尺寸的垂直栅极结构相比，后段沟槽的截面宽度从第一表面一侧到第二表面一侧逐渐变大，即将栅极沟槽的底部尺寸做大从而增大电子在栅极沟槽外侧底部传输表面积，以提高栅极沟槽底部电子传输效率，增加满井容量；另一方面和仅采用干法刻蚀形成的同样深度的垂直栅结构相比，采用先干法后湿法刻蚀可减少干法刻蚀带来的等离子损伤，减少白像素，提高像素质量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (13)

1.一种图像传感器的制造方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，所述衬底中形成有光电转换部，所述衬底沿其厚度方向具有相对的第一表面和第二表面；
执行干法刻蚀，形成前段沟槽，所述前段沟槽从所述第一表面向所述衬底中延伸；
执行湿法刻蚀，将所述前段沟槽向所述第二表面一侧以及侧向刻蚀形成后段沟槽；在垂直于所述衬底的截面上，所述后段沟槽的截面宽度从所述第一表面一侧到所述第二表面一侧逐渐变大；所述前段沟槽和所述后段沟槽构成栅极沟槽；
形成栅极，所述栅极包括高出所述第一表面的栅极横向部和从所述栅极横向部向所述衬底中延伸的至少一个栅极纵向部，一个所述栅极纵向部填充在一个所述栅极沟槽中。
2.如权利要求1所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述前段沟槽的深度为所述栅极沟槽深度的1/3～2/3。
3.如权利要求1所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，在垂直于所述衬底的截面上，所述前段沟槽的截面图形呈矩形。
4.如权利要求1所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述前段沟槽的深度为
Figure FDA0003684729420000011
均包含端点值；所述后段沟槽的深度为
Figure FDA0003684729420000012
均包含端点值。
5.如权利要求1所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，执行湿法刻蚀之后，形成所述栅极之前，还包括：
形成隔离层，所述隔离层至少覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底部；
对所述栅极沟槽的侧壁和底部进行离子注入。
6.如权利要求5所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，对所述栅极沟槽的侧壁和底部进行离子注入之后，形成所述栅极之前，还包括：
去除所述隔离层；
形成栅氧化层，所述栅氧化层至少覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底部。
7.如权利要求1至6任意一项所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述栅极为传输晶体管的栅极，形成所述栅极之后还包括：
对所述栅极远离所述光电转换部的一侧的所述衬底中注入N型离子，形成浮动扩散部；以及
对所述光电转换部靠近所述衬底的所述第一表面的区域注入P型离子形成钉扎层。
8.如权利要求7所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，一个所述传输晶体管的栅极包括所述栅极横向部和从所述栅极横向部向所述衬底中延伸并间隔的两个或三个所述栅极纵向部。
9.如权利要求1至6任意一项所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述图像传感器包括多种晶体管，所述多种晶体管包括传输晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管、行选择晶体管以及转换增益控制晶体管；所述多种晶体管中的至少一种晶体管的栅极采用所述形成栅极的方法形成。
10.一种图像传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底中形成有光电转换部，所述衬底沿其厚度方向具有相对的第一表面和第二表面；
前段沟槽，所述前段沟槽从所述第一表面向所述衬底中延伸；
后段沟槽，所述后段沟槽从所述前段沟槽向所述第二表面一侧以及侧向延伸，在垂直于所述衬底的截面上，所述后段沟槽的截面宽度从所述第一表面一侧到所述第二表面一侧逐渐变大；所述前段沟槽和所述后段沟槽构成栅极沟槽；
栅极，所述栅极包括高出所述第一表面的栅极横向部和从所述栅极横向部向所述衬底中延伸的至少一个栅极纵向部，一个所述栅极纵向部填充一个所述栅极沟槽。
11.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
栅氧化层，所述栅氧化层至少覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底部。
12.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
浮动扩散部，所述浮动扩散部位于所述栅极远离所述光电转换部的一侧的所述衬底中；
其中，所述光电转换部、所述栅极和所述浮动扩散部构成传输晶体管。
13.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括多种晶体管，所述多种晶体管包括传输晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管、行选择晶体管以及转换增益控制晶体管；所述栅极为所述多种晶体管中的任意一种晶体管的栅极。
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