CN107492571A - Cmos图像传感器的双鳍形场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，包括：环形有源区，所述环形有源区为鳍形凸起结构，其包围有凹槽；所述环形有源区对应于凹槽两侧的部分凸起结构分别定义为两鳍形晶体管的沟道区域；环形有源区的两端区域定义为晶体管的源级、漏极；所述环形有源区的外围区域和内部区域覆盖有介质层进行隔离；栅极区域，其覆盖沟道区域及内部区域介质层和部分的外围区域介质层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管。
背景技术
进入21世纪以来，半导体工艺技术飞速发展，工艺制程已向40nm节点以下发展，在应用于核心中央处理器中28nm节点制程量产已成熟化。在向20nm节点以下工艺发展过程中，传统的2D平面晶体管结构已出现性能及工艺制程的弊端，因此，Intel、TSMC、Samsung先后提出了16nm、14nm制程节点采用3D结构的鳍式场效应晶体管（FinFet），在相同的物理长度实现更长的有效沟道长度，能大幅度提高芯片的性能。
除此之外，图像传感器是将光信号转化为电信号的半导体器件，图像传感器具有光电转换元件。
图像传感器按又可分为互补金属氧化物（CMOS）图像传感器和电荷耦合器件（CCD）图像传感器。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高且噪声小，但是CCD图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且CCD图像传感器的功耗较高。相比之下，CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。因此，随着技术发展，CMOS图像传感器越来越多地取代CCD图像传感器应用于各类电子产品中。目前CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置（例如胃镜）、车用摄像装置等。
图像传感器的核心元件是像素单元（Pixel），像素单元直接影响图像传感器的尺寸大小、暗电流水平、噪声水平、成像通透性、图像色彩饱和度和图像缺陷等等因素。
一直以来，一对矛盾的因素一起推动图像传感器向前发展：
1. 经济因素：一个晶圆可产出的图像传感器芯片越多，则图像传感器芯片的成本越低，而像素单元占据整个图像传感器芯片的大部分面积，因此，为了节省成本，要求像素单元的尺寸制作得较小，也就是说，出于经济因素考虑，要求图像传感器中像素单元的尺寸缩小。
2. 图像质量因素：为了保证图像质量，特别是为了保证光线敏感度、色彩饱和度和成像通透性等指标，需要有足够的光线入射到像素单元的光电转换元件（通常采用光电二极管）中，而较大的像素单元能够有较大的感光面积接受光线，因此，较大的像素单元原则上可以提供较好的图像质量；此外，像素单元中除了光电转换元件外，还有相当部分的开关器件，例如重置晶体管、传输晶体管和放大器件（如源跟随晶体管），这些器件同样决定着暗电流、噪声和图像缺陷等，从图像质量角度考虑，原则上大器件的电学性能更好，有助于形成质量更好的图像；为此可知，出于图像质量因素考虑，要求图像传感器中像素单元的尺寸增大。
可以明显得看到，如何协调上述矛盾以取得最优化的选择，是图像传感器业界一直面临的问题。
现有图像传感器中，通常具有由一个像素单元组成的像素阵列（array），从版图层面看，多个像素单元可以拼在一起组合成一个完整的像素阵列，并且根据需要像素单元的形状可以是矩形，正方形，多边形（三角形，五边形，六边形）等等。
现有图像传感器中，像素单元的结构可以分为光电转换元件加3晶体管结构，光电转换元件加4晶体管结构或者光电转换元件加5晶体管结构。光电转换元件加3晶体管结构具体是光电转换元件直接电连接浮置扩散区，光电转换元件中产生的光生电子储存于浮置扩散区中，在复位晶体管（RST）和行选通晶体管（SEL）的时序控制下，将光生电子通过源跟随器（SF）转换输出。
请参考图1，示出了光电转换元件加4晶体管结构的剖面示意图。光电转换元件115通常为光电二极管（Photo diode，PD），光电转换元件115通过转移晶体管114电连接浮置扩散区113（FD），引线L3（引线通常包括插塞和互连线等）电连接转移晶体管114的栅极。源跟随晶体管112电连接浮置扩散区113，源跟随晶体管112用于将浮置扩散区113中形成的电位信号放大，引线L2电连接源跟随（放大）晶体管112的栅极。复位晶体管111一端电连接电源VDD，另一端电连接浮置扩散区113，以对浮置扩散区113的电位进行复位，引线L1电连接复位晶体管111的栅极。从中可知，光电转换元件加4晶体管结构是光电转换元件加在3晶体管结构基础上，在光电转换元件115和浮置扩散区113之间增加传输晶体管114。传输晶体管114可以有效地抑止杂讯，光电转换元件加4晶体管结构可以得到更好的图像质量，逐渐成为业界的主导结构。此外，可以多个光电转换元件共享一套4晶体管器件，以便节省芯片面积，这种结构也被认为是4晶体管结构。
然而，现有图像传感器中，像素单元有其先天难以克服的缺陷：
1.现有像素单元中，4个晶体管器件全部都是平面结构，换而言之，如果要进一步缩小芯片面积，必须要减小这些器件（如传输晶体管、复位晶体管和源跟随晶体管等）的尺寸。但是如果缩小这些器件的尺寸，会同时导致这些器件的性能下降，具体表现为器件的驱动电流下降、电学参数波动增加和放大效率下降等问题。这些问题对于图像质量的影响十分重大。因此，虽然像素阵列周边的电路可以按照摩尔定律进一步缩小线宽，减小尺寸，但是像素单元中的晶体管器件却只能非常缓慢地缩小。而整个图像传感器芯片的面积主要由像素阵列决定，因此，现有像素单元的结构限制了芯片面积进一步缩小，使图像传感器的成本高居不下。
2. 现有像素单元中，4个晶体管器件全部都是平面结构，对于一定大小的像素单元，其容纳4个晶体管器件后，大小很能进一步缩小，导致感光部分的光电转换元件占像素单元的比例被限制。而对于像素单元性能来讲，光电转换元件占比例越小，单位面积内收集的光线越少，图像越不通透，图像层次感越差，色彩越干涩，总之，晶体管器件的平面结构限制了图像质量的进一步提高。
3. 现有像素单元中，在暗场下的图像质量十分关键，其关键指标是暗电流、噪声、白点和暗点等。这些暗电流、噪声、白点和暗点来源于晶体管器件频率噪声和热噪声，以及光电转换元件的表面复合电流。在传统的现有工艺中，即使花费很大的努力在这些方面，但是由于已经到达工艺极限，仍然无法取得理想的效果，因此，急需新的图像传感器和相应的工艺来进一步降低暗电流、噪声、白点和暗点等指标的水平。
4. 现有像素单元中，由于各晶体管均为平面结构，因此，转移晶体管、复位晶体管和源跟随晶体管之间的寄生电容不能随着尺寸缩小进一步降低，寄生电容基本上起到负面的作用，例如降低信号传输速度，增大低频1/f噪声，减小动态范围等等，这些都是图像传感器所不能接受的。所以，必须要进一步减小寄生电容，降低低频1/f噪声，以便提高信号传输速度，增大动态范围，而这对于传统图像传感器及其形成工艺而言，是一个非常艰巨而且昂贵任务。更多现有图像传感器及其形成方法的内容可参考2014年1月8号公开的公开号为CN103500750A的中国专利申请文件。
此外，在现有的CMOS图像传感器中，也有采用鳍形场效应晶体管的结构，中国发明专利申请，申请号：201410193016.9公开了一种鳍形场效应晶体管，该鳍形场效应晶体管为单个鳍形的结构，对沟道的控制力有待提升，此外现有鳍形场效应晶体管的结构如图2所示，图2中200作为鳍形晶体管沟道区区域，两端分别为晶体管的源级210、漏极220。230为覆盖在其上的多晶硅层。此结构中由于为单个鳍形结构，跨导会较小，并且源级210、漏极220由于周围接触的为半导体界面，例如：硅，寄生电容会较高，此外，此结构较难刻蚀以形成良好界面。
发明内容
为了提高鳍式场效应晶体管的性能，本发明提供一种CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，包括：环形有源区，所述环形有源区为鳍形凸起结构，其包围有凹槽；所述环形有源区对应于凹槽两侧的部分凸起结构分别定义为两鳍形晶体管的沟道区域；环形有源区的两端区域定义为晶体管的源级、漏极；
所述环形有源区的外围区域和内部区域覆盖有介质层进行隔离；
栅极区域，其覆盖沟道区域及内部区域介质层和部分的外围区域介质层；
可选的，所述环形有源区外围区域介质层为环形介质层区；环形有源区内部区域介质层为第二介质层；
其中，所述第二介质层上表面及所述环形介质层区部分区域的上表面低于环形有源区的上表面。
可选的，所述两侧的凸起结构与栅极结构构成双鳍形结构，增加跨导。
可选的，所述源级、漏极接触所述外围区域介质层，减少寄生电容。
可选的，外围区域介质层的另一部分区域上表面与环形有源区的上表面齐平，或低于环形有源区的上表面。
可选的，所述外围区域和内部区域的介质层的材质为二氧化硅、氮化硅。
本发明提供一种CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，其中包括环形有源区，环形有源区为鳍形凸起结构，并且环形有源区的两端区域为晶体管的栅极、漏极，增加了跨导；由于栅极、漏极接触于介质层，减少栅极、漏极的寄生电容；此外，外围区域介质层的存在起到辅助刻蚀的作用，能刻蚀形成界面良好的结构。
附图说明
通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方式，本发明所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。其中：
图1为现有技术中光电转换元件和4晶体管结构的剖面示意图；
图2为现有技术中鳍形晶体管的结构示意图；
图3为本发明一实施例中涉及的CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管示意图；
图4为图3沿A-A方向的侧面剖视图；
图5为本发明另一实施例中涉及的CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管示意图。
具体实施方式
为优化现有技术中鳍式场效应晶体管（FinFET）的性能，本发明提供一种CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，包括：环形有源区，所述环形有源区为鳍形凸起结构，其包围有凹槽；所述环形有源区对应于凹槽两侧的部分凸起结构分别定义为两鳍形晶体管的沟道区域；环形有源区的两端区域定义为晶体管的源级、漏极；所述环形有源区的外围区域和内部区域覆盖有介质层进行隔离；栅极区域，其覆盖沟道区域及内部区域介质层和部分的外围区域介质层。
下面结合具体的实施方式对本发明进行具体说明，请参考图3，图3为本发明一实施例中涉及的CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管示意图，图4为图3沿A-A方向的侧面剖视图；请参考图3，环形有源区（AA）330为鳍形凸起结构，在凸起结构的内部包围有凹槽340,凹槽340内形成有内部区域介质层（即第二介质层），内部区域介质层覆盖凹槽340的底面和部分的侧壁，内部区域介质层的上表面低于环形有源区330，环形有源区330的两端区域定义为晶体管的源级360、漏极370；环形有源区330的内部区域由内部区域介质层隔离，外部区域覆盖有外部区域介质层，在本实施例中为环形介质层320并进行隔离。多晶硅栅极350覆盖在内部区域介质层的上、环形有源区330对应于凹槽两侧的部分凸起结构及部分的环形介质层上，多晶硅栅极350会延伸覆盖至凹槽的外侧。其中内部区域介质层上表面及所述环形介质层区部分区域（也即多晶硅栅极覆盖的部分区域）的上表面低于环形有源区330的上表面。这样通过双鳍形结构及多晶硅栅极的控制，环形有源区330对应于凹槽340两侧的部分凸起结构分别定义为两鳍形晶体管的沟道区域，在本实施例中，环形介质层320的另一部分区域（在本实施例中为栅极360、源级370周围区域）上表面与环形有源区330的上表面齐平，在另一实施例中低于环形有源区330的上表面。本实施例中外围区域和内部区域的介质层为二氧化硅或氮化硅。环形介质层320的外围为外围有源区310，请进一步参考图4，图4中分别表述了外围有源区410，环形介质层420、环形有源区430、多晶硅栅极450、栅极460、源级470的结构及相互关系示意图，其中480也为介质材质。
下面结合具体的实施方式对本发明进行具体说明，请参考图5，图5为本发明另一实施例中涉及的CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管示意图，参考图5环形有源区（AA）530为鳍形凸起结构，在凸起结构的内部包围有凹槽540,凹槽540内形成有内部区域介质层（即第二介质层），内部区域介质层覆盖凹槽540的底面和部分的侧壁，内部区域介质层的上表面低于环形有源区530，环形有源区530的两端区域定义为晶体管的源级560、漏极570；环形有源区530的内部区域由内部区域介质层隔离，外部区域的两侧分别有浅沟槽隔离580、590，在浅沟槽隔离上形成有第一浅沟槽隔离介质层、第二浅沟槽隔离介质层，在本实施例中第一浅沟槽隔离介质层、第二浅沟槽隔离介质层进行隔离。多晶硅栅极550覆盖在内部区域介质层的上、环形有源区530对应于凹槽两侧的部分凸起结构及部分的第一浅沟槽隔离介质层、部分的第二浅沟槽隔离介质层上，多晶硅栅极550会延伸覆盖至凹槽的外侧。其中内部区域介质层上表面及所述第一浅沟槽隔离介质层、第二浅沟槽隔离介质层的部分区域（也即多晶硅栅极覆盖的部分区域）的上表面低于环形有源区530的上表面。这样通过双鳍形结构及多晶硅栅极的控制，环形有源区530对应于凹槽540两侧的部分凸起结构分别定义为两鳍形晶体管的沟道区域，在本实施例中，第一浅沟槽隔离介质层580、第二浅沟槽隔离介质层590的另一部分区域（在本实施例中为栅极560、源级570周围区域）上表面与环形有源区530的上表面齐平，在另一实施例中低于环形有源区530的上表面。本实施例中外围区域和内部区域的介质层为二氧化硅或氮化硅。外围为外围有源区510。
发明提供一种适用于CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，其中包括环形有源区，环形有源区为鳍形凸起结构，并且环形有源区的两端区域为晶体管的栅极、漏极，增加了跨导；由于栅极、漏极接触于介质层，减少栅极、漏极的寄生电容；此外，外围区域介质层的存在起到辅助刻蚀的作用，能刻蚀形成界面良好的结构。
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。
Claims (6)
1.一种CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，其特征在于，包括：
环形有源区，所述环形有源区为鳍形凸起结构，其包围有凹槽；所述环形有源区对应于凹槽两侧的部分凸起结构分别定义为两鳍形晶体管的沟道区域；环形有源区的两端区域定义为晶体管的源级、漏极；
所述环形有源区的外围区域和内部区域覆盖有介质层进行隔离；
栅极区域，其覆盖沟道区域及内部区域介质层和部分的外围区域介质层。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，其特征在于，所述环形有源区外围区域介质层为环形介质层区；环形有源区内部区域介质层为第二介质层；
其中，所述第二介质层上表面及所述环形介质层区部分区域的上表面低于环形有源区的上表面。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，其特征在于，所述两侧的凸起结构与栅极结构构成双鳍形结构，增加跨导。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，其特征在于，所述源级、漏极接触所述外围区域介质层，减少寄生电容。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，其特征在于，外围区域介质层的另一部分区域上表面与环形有源区的上表面齐平，或低于环形有源区的上表面。
6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管，其特征在于，所述外围区域和内部区域的介质层的材质为二氧化硅、氮化硅。
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