本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种像素单元结构及制作方法。
背景技术：
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，包括电荷耦合器件(ccd)和互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器芯片两大类。cmos图像传感器和传统的ccd传感器相比具有的低功耗，低成本和与cmos工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。
像素单元是cmos图像传感器实现感光功能的核心器件，像素单元的动态范围指的是在同一场景中能够探测的最强和最弱光之间的比值，而动态范围是图像传感器最重要的性能指标之一。为了提升像素单元的动态范围，如图1所示，图1为现有技术采用大小像素单元结构的版图示意图，即在一个像素单元中同时包括大光电二极管和小光电二极管两者感光结构，其中大光电二极管用于感应弱光，小光电二极管用于感应强光，为了避免小光电二极管在强光下的过快饱和，通过在小光电二极管上覆盖挡光层来减少进光量从而达到感应强光的目的。图2为沿图1的“ab”方向的截面示意图，挡光层位于小像素单元上方，现有技术的挡光层的形成需要额外的工艺步骤，造成工艺制作成本上升，同时由于挡光层刻蚀使用的等离子体造成大光电二极管表面的等离子损伤，从而引起暗电流和白色像素增加，像素单元性能劣化，可靠性和成品率下降。
因此需要一种不增加额外工艺成本，不造成像素单元性能退化的大小像素结构和形成方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种像素单元结构及其制作方法。
为实现上述目的，本发明第一方面提供一种像素单元结构，其特征在于，包括：
衬底；第一光电二极管和第二光电二极管，自所述衬底的正面分设于所述衬底内；沟槽隔离结构，位于所述衬底内，自所述衬底的正面隔离所述第一光电二极管和所述第二光电二极管；其中所述沟槽隔离结构包括二极管沟槽隔离结构和光电沟槽隔离结构，所述二极管沟槽隔离结构环绕所述第一光电二极管的周边和所述第二光电二极管的周边；所述光电沟槽隔离结构覆盖所述第二光电二极管表面。
优选地，所述光电沟槽隔离结构在垂直于所述衬底表面的投影面积大于第二光电二极管在垂直于所述衬底表面的投影面积。
优选地，所述第一光电二极管具有垂直于所述衬底表面的第一高度，所述第二光电二极管具有垂直于所述衬底表面的第二高度，所述光电沟槽隔离结构具有垂直于所述衬底表面的光电沟槽结构高度；所述第一高度等于所述第二高度与所述光电沟槽结构高度之和。
优选地，所述第二高度小于1μm。
优选地，所述二极管沟槽隔离结构具有垂直于所述衬底表面的二极管沟槽高度，所述二极管沟槽高度大于或等于所述光电沟槽高度。
优选地，所述第二光电二极管的灵敏度低于所述第一光电二极管的灵敏度。
本发明第二方面提供一种像素单元结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；自所述衬底的正面形成分设于所述衬底内的第一光电二极管和初始第二光电二极管；自所述衬底的正面形成沟槽和第二光电二极管，所述沟槽包括二极管沟槽和光电沟槽，所述二极管沟槽环绕所述第一光电二极管的周边和所述第二光电二极管的周边，所述光电沟槽位于所述第二光电二极管上；填充所述沟槽，形成，其中所述二极管沟槽填充形成二极管沟槽结构，所述光电沟槽填充形成光电沟槽结构。
优选地，在所述衬底的正面形成覆盖所述第一光电二极管的图形化的光刻胶层，以所述图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述衬底形成所述二极管沟槽，刻蚀所述初始第二光电二极管形成所述第二光电二极管和位于所述第二光电二极管上的光电沟槽。
优选地，采用干法刻蚀工艺形成所述二极管沟槽和所述光电沟槽。
优选地，形成所述沟槽隔离结构后，还包括：形成位于所述衬底的正面的金属隔离层，所述金属隔离层对应覆盖所述二极管沟槽结构。
从上述技术方案可以看出，本发明提供一种像素单元结构及其形成方法，利用二极管沟槽隔离结构环绕第一光电二极管的周边和第二光电二极管的周边，有效隔离所述第一光电二极管和所述第二光电二极管器件；同时所述光电沟槽隔离结构覆盖所述第二光电二极管表面，降低第二光电二极管的灵敏度；在不增加额外的工艺步骤的前提下，降低了工艺加工成本，同时也避免了在形成第二光电二极管的过程中，刻蚀工艺对第一光电二极管的等离子损伤，避免了像素单元结构的性能劣化，具有显著的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术采用大小像素单元结构的版图示意图
图2为沿图1的“ab”方向的截面示意图
图3为本发明实施例的一种像素单元结构的版图示意图
图4为沿图3的“cd”方向的截面示意图
图5至图8示出了本发明实施例的一种像素单元结构的制作方法的结构示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请结合参考图3和图4，图3是本发明实施例的一种像素单元结构的版图示意图，图4为沿图3的“cd”方向的截面示意图。
如图3所示，本发明的一种像素单元结构，包括衬底100，第一光电二极管121和第二光电二极管123，自所述衬底100的正面分设于所述衬底内；沟槽隔离结构141、142，位于所述衬底100内，自所述衬底100的正面隔离所述第一光电二极管121和所述第二光电二极管123。
如图4所示，所述沟槽隔离结构141、142包括二极管沟槽隔离结构141和光电沟槽隔离结构142，所述二极管沟槽隔离结构141环绕所述第一光电二极管121的周边和所述第二光电二极管123的周边，用于隔离所述第一光电二极管121和所述第二光电二极管123之间的光学和电学串扰；所述光电沟槽隔离结构142覆盖所述第二光电二极管123表面，为了避免所述第二光电二极管123表面在强光下的过快饱和，降低所述第二光电二极管的灵敏度，达到感应强光的目的。
作为一优选实施例，所述光电沟槽隔离结构142在垂直于所述衬底100表面的投影面积大于第二光电二极管123在垂直于所述衬底100表面的投影面积，从而所述光电沟槽隔离结构142全面覆盖所述第二光电二极管123。所述第一光电二极管121具有垂直于所述衬底100表面的第一高度，所述第二光电二极管123管具有垂直于所述衬底100表面的第二高度，所述光电沟槽隔离结构具有垂直于所述衬底100表面的光电沟槽结构高度；所述第一高度等于所述第二高度与所述光电沟槽结构高度之和。
以下通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种像素单元结构的制作方法进行详细说明。
本发明的一种像素单元结构的制作方法，可用于制作上述的像素单元结构，并可包括以下步骤：
首先，提供衬底；其次，自所述衬底的正面形成分设于所述衬底内的第一光电二极管和初始第二光电二极管。
如图5所示，本发明的衬底100为包括设置有第一光电二极管121、初始第二光电二极管122的硅衬底，以及位于硅衬底背面表面上、设置有接触孔、通孔以及金属互连布线和其他各mos晶体管的后道介质层。其中，所述第一光电二极管121和后续形成的初始第二光电二极管是感光单元，所述第一光电二极管121和所述初始第二光电二极管122自所述衬底100的正面贯穿所述衬底100，实现对光线的收集并负责光电转换，将光子转换为电子；其他的mos晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中、复位、信号放大和读出的控制，可包括例如传输管、复位管、源极跟随管和行选管等；其中传输管负责将第一光电二极管和后续形成的第二光电二极管中产生的电子传输到悬浮漏极，并转换为电压信号输出；后道介质层中的金属互连布线根据需要可设置两层或两层以上；各层的金属互连布线之间通过通孔进行连接。
然后，自所述衬底的正面形成沟槽和第二光电二极管，所述沟槽包括二极管沟槽和光电沟槽，所述二极管沟槽环绕所述第一光电二极管的周边和所述第二光电二极管的周边，所述光电沟槽位于所述第二光电二极管上。
如图6所示，自所述衬底100的正面形成沟槽，所述沟槽包括二极管沟槽131和光电沟槽132，所述沟槽的形成包括：在所述衬底100的正面形成覆盖所述第一光电二极管121的图形化的光刻胶层(未图示)，以所述图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述衬底100形成所述二极管沟槽131，刻蚀所述初始第二光电二极管形成所述第二光电二极管123和位于所述第二光电二极管123上的光电沟槽132。所述二极管沟槽131环绕所述第一光电二极管121的周边和所述第二光电二极管123的周边；所述光电沟槽132覆盖所述第二光电二极管123表面，且在垂直于所述衬底100表面的投影面积大于第二光电二极管123在垂直于所述衬底表面的投影面积。
在本实施例中，采用干法刻蚀工艺形成所述二极管沟槽123和所述光电沟槽132，本发明不需要增加额外的工艺步骤，降低了工艺加工成本，同时，在刻蚀形成所述光电沟槽132的过程中，所述图形化的光刻胶层作为掩模，覆盖所述第一光电二极管121的表面，从而避免了等离子损伤，避免了像素单元结构的劣化。如图6所示，所述第一光电二极管121具有垂直于所述衬底100表面的第一高度h，所述第二光电二极管具123有垂直于所述衬底100表面的第二高度h，所述光电沟槽132具有垂直于所述衬底表面的光电沟槽高度；所述第一高度h等于所述第二高度h与所述光电沟槽高度之和。
作为一优选实施例，所述沟槽的深度根据不同的像素单元结构的需要可以进行调整，通常所述第一光电二极管121的第一高度在几微米到几十微米，所述第二光电二极管的第二高度小于1μm，所述光电沟槽高度根据所述第一高度来做相应调整。
所述二极管沟槽123具有垂直于所述衬底100表面的二极管沟槽高度，由于所述二极管沟槽123通过刻蚀所述衬底100而形成，所述光电沟槽132通过刻蚀所述初始第二光电二极管而形成，由于刻蚀材料的差异，因此，所述二极管沟槽高度大于或等于所述光电沟槽高度。
然后，填充所述沟槽，形成沟槽隔离结构，其中所述二极管沟槽填充形成二极管沟槽结构，所述光电沟槽填充形成光电沟槽结构。
如图7所示，在本实施例中，填充所述二极管沟槽的材料和填充所述光电沟槽的材料相同，具体的，在所述衬底100的正面全面沉积填充所述二极管沟槽和所述光电沟槽的隔离介质材料，所述隔离介质材料填充所述二极管沟槽形成二极管沟槽隔离结构141，填充所述光电沟槽形成光电沟槽隔离结构142，然后通过cmp工艺去除所述衬底100正面的所述隔离介质材料，直至露出所述第一光电二极管121的表面，所述隔离介质材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氮化硅、氮化钛、氮化钽中的一种或多种组合。在另一实施例中，填充所述二极管沟槽的材料和填充所述光电沟槽的材料不同，其中，填充所述二极管沟槽的材料为金属材料，填充所述光电沟槽的材料为所述隔离介质材料，所述金属材料包括钨、铝或铜中的一种或多种组合，通过在所述光电沟槽填充隔离介质材料，以降低所述第二光电二极管的灵敏度。
所述二极管沟槽隔离结构141通过所述隔离介质材料填充二极管沟槽而形成，所述二极管沟槽隔离结构141具有垂直于所述衬底100表面的二极管沟槽高度，所述光电沟槽隔离结构通过所述隔离介质材料填充光电沟槽而形成，具有垂直于所述衬底表面的光电沟槽结构高度，所述二极管沟槽高度大于或等于所述光电沟槽高度。
在本实施例中，形成所述沟槽隔离结构后，还包括：形成位于所述衬底的正面的金属隔离层，所述金属隔离层对应覆盖所述二极管沟槽结构。
如图8所示，在所述衬底100的正面形成对应覆盖所述二极管沟槽结构141的金属隔离层150，在本实施例中，所述金属隔离层150在所述第一光电二极管121和所述第二光电二极管123的上方形成开口，所述开口的底部暴露出所述第一光电二极管121和位于所述第二光电二极管123上的光电隔离结构142，用于引导光线从该开口进入并照射至所述第一光电二极管121和所述第二光电二极管123。
基于本发明的像素单元结构，利用二极管沟槽隔离结构环绕第一光电二极管的周边和第二光电二极管的周边，有效隔离所述第一光电二极管和所述第二光电二极管器件；同时所述光电沟槽隔离结构覆盖所述第二光电二极管表面，降低第二光电二极管的灵敏度；在不增加额外的工艺步骤的前提下，降低了工艺加工成本，同时也避免了第一光电二极管的等离子损伤，避免了像素单元结构的性能劣化，具有显著的意义。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种像素单元结构，其特征在于，包括：
衬底；
第一光电二极管和第二光电二极管，自所述衬底的正面分设于所述衬底内；
沟槽隔离结构，位于所述衬底内，自所述衬底的正面隔离所述第一光电二极管和所述第二光电二极管；其中
所述沟槽隔离结构包括二极管沟槽隔离结构和光电沟槽隔离结构，所述二极管沟槽隔离结构环绕所述第一光电二极管的周边和所述第二光电二极管的周边；所述光电沟槽隔离结构覆盖所述第二光电二极管表面。
2.如权利要求1所述的像素单元结构，其特征在于，所述光电沟槽隔离结构在垂直于所述衬底表面的投影面积大于第二光电二极管在垂直于所述衬底表面的投影面积。
3.如权利要求1所述的像素单元结构，其特征在于，所述第一光电二极管具有垂直于所述衬底表面的第一高度，所述第二光电二极管具有垂直于所述衬底表面的第二高度，所述光电沟槽隔离结构具有垂直于所述衬底表面的光电沟槽结构高度；所述第一高度等于所述第二高度与所述光电沟槽结构高度之和。
4.如权利要求3所述的像素单元结构，其特征在于，所述第二高度小于1μm。
5.如权利要求3所述的像素单元结构，其特征在于，所述二极管沟槽隔离结构具有垂直于所述衬底表面的二极管沟槽高度，所述二极管沟槽高度大于或等于所述光电沟槽高度。
6.如权利要求1所述的像素单元结构，其特征在于，所述第二光电二极管的灵敏度低于所述第一光电二极管的灵敏度。
7.一种像素单元结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
自所述衬底的正面形成分设于所述衬底内的第一光电二极管和初始第二光电二极管；
自所述衬底的正面形成沟槽和第二光电二极管，所述沟槽包括二极管沟槽和光电沟槽，所述二极管沟槽环绕所述第一光电二极管的周边和所述第二光电二极管的周边，所述光电沟槽位于所述第二光电二极管上；
填充所述沟槽，形成沟槽隔离结构，其中所述二极管沟槽填充形成二极管沟槽结构，所述光电沟槽填充形成光电沟槽结构。
8.如权利要求7所述的像素单元结构的制作方法，其特征在于，在所述衬底的正面形成覆盖所述第一光电二极管的图形化的光刻胶层，以所述图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述衬底形成所述二极管沟槽，刻蚀所述初始第二光电二极管形成所述第二光电二极管和位于所述第二光电二极管上的光电沟槽。
9.如权利要求8所述的像素单元结构的制作方法，其特征在于，采用干法刻蚀工艺形成所述二极管沟槽和所述光电沟槽。
10.如权利要求8所述的像素单元结构的制作方法，其特征在于，形成所述沟槽隔离结构后，还包括：形成位于所述衬底的正面的金属隔离层，所述金属隔离层对应覆盖所述二极管沟槽结构。
技术总结