CN109817699A - 一种晶体管以及图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种晶体管以及图像传感器，所述晶体管包括：有源层，包括沿第一方向延伸的两侧边缘；栅极，设置于所述有源层上，所述栅极在所述有源层上的投影与所述有源层的两侧边缘形成重叠区，所述重叠区包括：两条第一侧边缘，与所述有源层的两侧边缘重合；以及两条第二侧边缘，分别连接两条所述第一侧边缘；其中，所述重叠区包括邻接所述有源层的两侧边缘的两个第一区域，在所述第一区域内、所述第二侧边缘分别沿靠近与所述第一区域邻接的所述有源层的一侧边缘的方向上逐渐向远离所述重叠区的方向延伸。该晶体管能够改善CMOS图像传感器在低温时的暗电流。

Description

一种晶体管以及图像传感器

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种晶体管以及具有该晶体管的图像传感器。

背景技术

图像传感器中的基本单元为像素，每个像素中包括光电二极管和MOS晶体管，光电二极管用于将光信号转换为相应的电流信号，MOS晶体管用于传输和读出光电二极管转换的电流信号。其中转移晶体管的源极和光电二极管相连，光电二极管上方为氧化硅层，PN光电二极管在远离衬底的方向依次形成N型掺杂区和P型掺杂区。PN光电二极管由于其表面直接与硅/氧化硅截面接触，存在暗电流大的缺点，因此，在传统的图像传感器中，在图像传感器中引入表面钳位结构，以减小暗电流。

在图像传感器中，强电场效应引起的带间隧穿，热载流子效应产生的电子会扩散到仅有一浅沟槽隔离的重置后的光电二极管中，贡献部分光电二极管的暗电流。温度越低，这部分的暗电流的贡献越大，当低于某一温度时，这部分电流会主导光电二极管的暗电流。

CMOS图像传感器中，通常把源极跟随器晶体管、重置晶体管以及行选择晶体管的源区与光电二极管源区布置为距离仅有一浅沟槽隔离，因此，源极跟随器晶体管、重置晶体管以及行选择晶体管的高电场效应引起的带间隧穿，热载流子效应产生的电子会扩散到仅有一浅沟槽隔离的重置后的光电二极管中，产生暗电流。

在硅材料中，N型杂质在硅/二氧化硅界面的分凝系数是P型杂质的2个量级以上。请一并参见图6和图7，其分别示出了现有技术的一种晶体管的俯视图以及去除栅极后的俯视图。如图6所示，当长条形的多晶硅栅20作为掩蔽层(阻挡层)对源极跟随器晶体管、重置晶体管以及行选择晶体管的有源层10进行源漏注入时，由于N型杂质和P型杂质分凝系数的差异，N型杂质会在硅/二氧化硅界面处形成突出的尖角(如图7中B位置)。经研究，该尖角处的电场是平面电场的4倍。进而，强电场产生的电子扩散到光电二极管，增加了暗电流，影响了图像传感器的性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种晶体管以及具有该晶体管的图像传感器，该晶体管能够改善CMOS图像传感器在低温时的暗电流。

根据本发明的一个方面提供一种晶体管，所述晶体管包括：有源层，包括沿第一方向延伸的两侧边缘；栅极，设置于所述有源层上，所述栅极在所述有源层上的投影与所述有源层的两侧边缘形成重叠区，所述重叠区包括：两条第一侧边缘，与所述有源层的两侧边缘重合；以及两条第二侧边缘，分别连接两条所述第一侧边缘；其中，所述重叠区包括邻接所述有源层的两侧边缘的两个第一区域，在所述第一区域内、所述第二侧边缘分别沿靠近与所述第一区域邻接的所述有源层的一侧边缘的方向上逐渐向远离所述重叠区的方向延伸。

可选地，所述第一区域内的第二侧边缘为直线。

可选地，所述第二侧边缘与所述有源层的边缘在所述重叠区外形成的第一夹角为钝角。

可选地，所述第一夹角在105度到165度之间。

可选地，所述第一区域内的第二侧边缘为弧形，且向靠近所述重叠区的方向凹入。

可选地，所述第一区域的宽度小于0.05微米。

可选地，所述有源层经源漏注入后、在所述重叠区内形成沟道掺杂层以及位于所述沟道掺杂层两端的源极和漏极。

可选地，所述沟道掺杂层为P型掺杂，所述源极和所述漏极为N型掺杂。

根据本发明的另一个方面，还提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：光电二极管沟槽，设置于所述光电二极管的一侧；以及上述的晶体管，所述晶体管设置于所述沟槽中，作为所述图像传感器的源极跟随器晶体管、重置晶体管和/或行选择晶体管。

可选地，所述图像传感器还包括：衬底；外延层，设置于所述衬底上；所述光电二极管和所述晶体管均设置于所述外延层上。

相比于现有技术，本发明实施例提供的晶体管以及使用该晶体管的图像传感器中，由于晶体管的栅极在有源层上的投影与有源层的两侧边缘形成的重叠区包括两个第一区域，且在第一区域内，连接两条与有源层的两侧边缘重合第一侧边缘的第二侧边缘分别沿靠近与所述第一区域邻接的所述有源层的一侧边缘的方向上逐渐向远离所述重叠区的方向延伸，进而可以当有源层进行源漏注入扩散后，使P型和N型杂质的交界边缘较为平直，减小或者避免因P型和N型杂质的分凝系数的差异而引起的两种导电类型的杂质在硅/二氧化硅界面处形成的尖角，进而，形成的沟道掺杂层在P型和N型杂质的交界边缘比较平直，可以有效地减小电场增强效应，减少或者避免强电场产生的电子扩散到图像传感器的光电二极管，从而抑制带间隧穿或热载流子效应引起的暗电流增加，提升图像传感器的性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一个实施例的晶体管的俯视图；

图2为本发明的一个实施例的晶体管中去除栅极后的俯视图；

图3为本发明的另一个实施例的晶体管的俯视图；

图4为本发明的另一个实施例的图像传感器的平面示意图；

图5为本发明的另一个实施例的图像传感器的截面结构示意图；

图6为现有技术的一种晶体管的俯视图；以及

图7为现有技术的一种晶体管去除栅极后的俯视图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。

根据本发明的主旨构思，本发明的晶体管包括：有源层，包括沿第一方向延伸的两侧边缘；栅极，设置于所述有源层上，所述栅极在所述有源层上的投影与所述有源层的两侧边缘形成重叠区，所述重叠区包括：两条第一侧边缘，与所述有源层的两侧边缘重合；以及两条第二侧边缘，分别连接两条所述第一侧边缘；其中，所述重叠区包括邻接所述有源层的两侧边缘的两个第一区域，所述第二侧边缘在所述第一区域内、沿靠近所述有源层的两侧边缘的方向上逐渐向远离所述重叠区的方向延伸。

下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。

请参见图1，其示出了本发明的一个实施例的晶体管的俯视图。如图1所示，在本发明的实施例中，所述晶体管至少包括有源层1和栅极2。

具体来说，有源层1包括沿第一方向延伸的两侧边缘。结合图1所示，有源层1包括边缘11和12，边缘11和12分别为有源层1的上下两侧边缘。在图1所示的实施例中，第一方向是指图1中的横向(左右方向)，即边缘11和边缘12为沿横向延伸纵向(上下方向)排列的两条界定有源层1的边缘。换言之，有源层1整体沿第一方向延伸。

栅极2设置于有源层1上，其中，栅极2可以是多晶硅栅极。具体来说，如图1所示，栅极2沿纵向越过有源层1的两侧边缘11和12，进而，栅极2在有源层1上的投影与有源层1的两侧边缘11和12形成重叠区3(如图1中阴影区域所示)。

重叠区3包括两条第一侧边缘311、312以及两条第二侧边缘321、322。其中，两条第一侧边缘311、312与有源层的两侧边缘11、12重合。结合图1具体来说，由于重叠区3是由栅极2在有源层1上的投影有源层1的两侧边缘11和12形成的，因此，重叠区3的边缘是由有源层1和栅极2的投影所界定的。在此基础上，位于所述重叠区上下两侧的第一侧边缘311和312实际上与有源层1的边缘11和12是重合。如图1所示，位于上侧的第一侧边缘311与边缘11在同一条线上；位于下侧的第一侧边缘312与边缘12在同一条线上。两条第二侧边缘321、322分别连接两条第一侧边缘311、312。如图1所示，当栅极2所在平面与有源层1所在的平面相互平行的情况下，两条第二侧边缘321、322实际上与栅极2的左右两侧边缘重合。

进一步地，为了减小源漏注入时、因分凝系数的差异而使两种导电类型的杂质在硅/二氧化硅界面处形成的尖角。在本发明的实施例中，重叠区3包括邻接有源层1的两侧边缘11、12的两个第一区域301、302。并且在第一区域301或302内、第二侧边缘321、322分别沿靠近与第一区域301或302邻接的有源层1的一侧边缘11或12的方向上逐渐向远离重叠区3的方向延伸。具体来说，在图1所示的实施例中，第一区域301位于重叠区3的上部，其与第一侧边缘311邻接，即第一区域301的上边缘与第一侧边缘311重合；类似地，第一区域302位于重叠区3的下部，其与第一侧边缘312邻接，即第一区域302的下边缘与第一侧边缘312重合。

以位于第一区域301内的第二侧边缘321、322为例，由于与第一区域301邻接的是边缘11，因此，第二侧边缘321和322是沿靠近边缘11的方向上逐渐向远离重叠区3的方向延伸。进而，在图1所示的实施例中，位于重叠区3左侧的第二侧边缘321即为沿靠近边缘11的方向(图1中向上的方向)上逐渐向左延伸；而位于重叠区3右侧的第二侧边缘322即为沿靠近边缘11的方向(图1中向上的方向)上逐渐向右延伸。整个第一区域301长度(左右方向为长度)沿靠近边缘11的方向(图1中向上的方向)上逐渐增加。第一区域301的宽度优选地小于0.05微米。

进一步地，在图1所示的优选实施例中，为了使栅极1的制程更为方便，因此，第一区域301和302内的第二侧边缘321和322均为直线。更进一步地，为了更有效地减小上述两种导电类型的杂质在硅/二氧化硅界面处形成的尖角，第二侧边缘321和322与有源层的边缘11或12在重叠区3外形成的第一夹角A为钝角。结合图1所示，图1中以第一夹角A指第二侧边缘321和其与相交的边缘11在重叠区3外(即图1中左侧)的夹角为例。需要说明的是，第一夹角A也可以是指第二侧边缘322和其与相交的边缘11在重叠区3外(即图1中右侧)的夹角、第二侧边缘321和与其相交的边缘12在重叠区3外(即图1中左侧)的夹角以及第二侧边缘322和与其相交的边缘12在重叠区3外(即图1中右侧)的夹角。优选地，第一夹角A在105度到165度之间。

请参见图2，其示出了本发明的一个实施例的晶体管中去除栅极后的俯视图。如图2所示，在本发明的实施例中，有源层1在栅极2的遮挡下、经源漏注入后、在重叠区3内形成沟道掺杂层35以及位于沟道掺杂层两端的源极34和漏极36。在本发明的实施例中，上述结构主要针对N型掺杂的源漏注入后，在硅/二氧化硅界面，P型阱凸向N型源漏的尖角，因此，在此实施例中，沟道掺杂层35为P型掺杂，源极34和漏极36均为N型掺杂。如图2所示，由于栅极2与有源层1之间形成的重叠区3具有上述的结构，因此，形成经源漏注入后沟道掺杂层35在P型和N型杂质的交界边缘351和352比较平直，减小或者避免因分凝系数的差异而引起的两种导电类型的杂质在硅/二氧化硅界面处形成的尖角。

图3为本发明的晶体管的另外一种实施方式，请参见图3，其示出了本发明的另一个实施例的晶体管的俯视图。与上述图1所示的实施例不同的是，在此实施例中，第一区域301和302内的第二侧边缘321和322为弧形，且向靠近重叠区3的方向凹入。其中，第一区域301和302内的第二侧边缘321和322的弧形优选地，可以根据现有技术中两种导电类型的杂质在硅/二氧化硅界面处形成的尖角的弧形设置，例如与该尖角的弧形对称等，进而，该结构可以使源漏注入后形成的沟道掺杂层在P型和N型杂质的交界边缘更为平直。

进一步地，本发明还提供一种具有上述图1至图3所示的晶体管的图像传感器。请一并参见图4和图5，其分别示出了本发明的另一个实施例的图像传感器的平面示意图以及截面结构示意图。具体来说，所述图像传感器包括：光电二极管5、沟槽6以及上述图1至图3所示的晶体管。

具体来说，沟槽6设置于光电二极管5的一侧。如图4所示，沟槽6设置于光电二极管5的右侧。进一步地，所述图像传感器还包括源极跟随器晶体管71、重置晶体管72以及行选择晶体管73。源极跟随器晶体管71、重置晶体管72以及行选择晶体管73设置于沟槽6中。需要说明的是，图3中仅仅示意性地示出了源极跟随器晶体管71、重置晶体管72以及行选择晶体管73的位置，并不以此为限，源极跟随器晶体管71、重置晶体管72以及行选择晶体管73的位置可以根据实际的需要进行替换或调整。进一步地，在发明的实施例中，源极跟随器晶体管71、重置晶体管72以及行选择晶体管73中至少一个为上述图1至图3所示的晶体管，以此改善图像传感器在低温时的暗电流。

更具体地，在图5所示的实施例中，所述图像传感器还包括衬底81、外延层82、光电二极管和晶体管。其中，光电二极管和晶体管均设置于外延层82上，且光电二极管与晶体管相连接。图5中的晶体管可以是源极跟随器晶体管71、重置晶体管72以及行选择晶体管73中的任一个。

更具体来说，在图5所示的实施例中，衬底81可以是P型重掺杂硅衬底。外延层82设置于设置于衬底81上，外延层82可以是P型轻掺杂外延层。光电二极管包括N型掺杂层83、P型重掺杂嵌位注入层84、P型掺杂隔离层851、P型掺杂隔离层852、P型重掺杂沟槽隔离层86。其中，N型掺杂层83形成于外延层82上，P型重掺杂嵌位注入层84形成于N型掺杂层83上。P型掺杂隔离层851形成于外延层82的一侧(图5中左侧)，并且由外延层82纵向(图5中为向上)延伸经过N型掺杂层83后直至P型重掺杂嵌位注入层84；P型掺杂隔离层852类似地由外延层82纵向(图5中为向上)延伸至N型掺杂层83，其位于N型掺杂层83的另一侧(图5中右侧)，且其上方连接至P型重掺杂沟槽隔离层86。P型重掺杂沟槽隔离层86用于在N型掺杂层83、P型重掺杂嵌位注入层84与沟槽6之间形成隔离。

进一步地，如图5所示，晶体管包括P阱87，P阱87设置于外延层82上，位于P型掺杂隔离层852的远离N型掺杂层83的另一侧(图5中为P型掺杂隔离层852的右侧)，源极或漏极形成于P阱87的上方(图5中以漏极36为例)。P阱87和有源层1的左右两侧分别设有沟槽6以及P型重掺杂沟槽隔离层86。进一步地，晶体管包括还包括介质层88以及形成于介质层88上的接触孔89。其中，介质层88覆盖光电二极管和晶体管，接触孔89与有源层1相对应。介质层88可以是二氧化硅介质层，接触孔89为金属接触孔。

综上所述，本发明实施例提供的晶体管以及使用该晶体管的图像传感器中，由于晶体管的栅极在有源层上的投影与有源层的两侧边缘形成的重叠区包括两个第一区域，且在第一区域内，连接两条与有源层的两侧边缘重合第一侧边缘的第二侧边缘分别沿靠近与所述第一区域邻接的所述有源层的一侧边缘的方向上逐渐向远离所述重叠区的方向延伸，进而可以当有源层进行源漏注入扩散后，使P型和N型杂质的交界边缘较为平直，减小或者避免因P型和N型杂质的分凝系数的差异而引起的两种导电类型的杂质在硅/二氧化硅界面处形成的尖角，进而，形成的沟道掺杂层在P型和N型杂质的交界边缘比较平直，可以有效地减小电场增强效应，减少或者避免强电场产生的电子扩散到图像传感器的光电二极管，从而抑制带间隧穿或热载流子效应引起的暗电流增加，提升图像传感器的性能。

虽然本发明已以可选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种晶体管，其特征在于，所述晶体管包括：

有源层，包括沿第一方向延伸的两侧边缘；

栅极，设置于所述有源层上，所述栅极在所述有源层上的投影与所述有源层的两侧边缘形成重叠区，所述重叠区包括：

两条第一侧边缘，与所述有源层的两侧边缘重合；以及

两条第二侧边缘，分别连接两条所述第一侧边缘；

其中，所述重叠区包括邻接所述有源层的两侧边缘的两个第一区域，在所述第一区域内、所述第二侧边缘分别沿靠近与所述第一区域邻接的所述有源层的一侧边缘的方向上逐渐向远离所述重叠区的方向延伸。

2.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述第一区域内的第二侧边缘为直线。

3.如权利要求2所述的晶体管，其特征在于，所述第二侧边缘与所述有源层的边缘在所述重叠区外形成的第一夹角为钝角。

4.如权利要求3所述的晶体管，其特征在于，所述第一夹角在105度到165度之间。

5.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述第一区域内的第二侧边缘为弧形，且向靠近所述重叠区的方向凹入。

6.如权利要求1至5中任一项所述晶体管，其特征在于，所述第一区域的宽度小于0.05微米。

7.如权利要求1至5中任一项所述晶体管，其特征在于，所述有源层经源漏注入后，在所述重叠区内形成沟道掺杂层以及位于所述沟道掺杂层两端的源极和漏极。

8.如权利要求7所述晶体管，其特征在于，所述沟道掺杂层为P型掺杂，所述源极和所述漏极为N型掺杂。

9.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：

光电二极管

沟槽，设置于所述光电二极管的一侧；以及

如权利要求1至8中任一项所述的晶体管，所述晶体管设置于所述沟槽中，作为所述图像传感器的源极跟随器晶体管、重置晶体管和/或行选择晶体管。

10.如权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括：

衬底；

外延层，设置于所述衬底上；

所述光电二极管和所述晶体管均设置于所述外延层上。