背照式图像传感器及其形成方法技术

一种背照式图像传感器及其形成方法。其中，所述背照式图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括第一区域和至少一个第二区域；光电转换元件，位于所述第一区域中；浮置扩散区，部分位于一个所述第二区域中，且部分位于所述第一区域中，所述第二区域的上表面高于所述第一区域的上表面；转移晶体管，包括位于所述半导体衬底中的源极和漏极，所述源极和所述漏极分别与所述光电转换元件和所述浮置扩散区电连接；源跟随晶体管，包括位于所述半导体衬底上的栅极，所述栅极与所述浮置扩散区电连接；复位晶体管，包括位于所述半导体衬底中的漏极，所述漏极与所述浮置扩散区电连接。所述背照式图像传感器的性能提高，成本降低。

【技术实现步骤摘要】
背照式图像传感器及其形成方法
本专利技术涉及图像传感器领域，尤其涉及一种背照式图像传感器及其形成方法。
技术介绍
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，通常光电转换元件形成在衬底表面之下，逻辑电路形成在光电转换元件之上，光在穿过逻辑电路之后才到达光电转换元件，期间光经过了多层结构，导致光损失或光线通过串扰(crosstalk)至相邻的图像传感器单元芯片，影响每一图像传感器单元芯片的光电转换元件的光响应特性。为了克服上述限制，业已提出背照式(backsideillumination，BSI)图像传感器。背照式图像传感器中，光不经过逻辑电路，而是从衬底背面直接照射到光电转换元件，因此，背照式图像传感器中，光电转换元件的光响应特性提高。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特征尺寸缩小。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、转移晶体管和放大器件(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)和行选择晶体管(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(Photodiode，PD)，光电转换元件115通过转移晶体管114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)连接转移晶体管114的栅极。源跟随晶体管112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连接源跟随(放大)晶体管112的栅极。复位晶体管111一端连接电源VDD，另一端连接浮置扩散区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之间增加转移晶体管114。转移晶体管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(如转移晶体管、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特征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。5.现有像素单元中，由于光电转换元件做在晶圆表面，即使是采用背照式光照条件，也面临着光线通过较厚的半导体层而衰减的问题，这样降低了光进入光电转换元件的光通量，相应的光生电子就减少了，图像传感器的图像质量下降，层次感差，色彩不鲜艳。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。综上所述，亟需一种背照式图像传感器及其形成方法，以克服现有图像传感器的缺陷。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是提供一种背照式图像传感器及其形成方法，以提高背照式图像传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种背照式图像传感器，其特征在于，包括多个像素单元，所述像素单元包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括第一区域和至少一个第二区域；光电转换元件，位于所述第一区域中，用于接收光线以产生信号电荷；浮置扩散区，部分位于一个所述第二区域中，且部分位于所述第一区域中，所述第二区域的上表面高于所述第一区域的上表面，所述浮置扩散区用于收集所述信号电荷以产生信号电位；转移晶体管，包括位于所述半导体衬底中的源极和漏极，所述源极和所述漏极分别与所述光电转换元件和所述浮置扩散区电连接，所述转移晶体管用于控制所述信号电荷转移到所述浮置扩散区；源跟随晶体管，包括位于所述半导体衬底上的栅极，所述栅极与所述浮置扩散区电连接，所述源跟随晶体管用于放大所述信号电位；复位晶体管，包括位于所述半导体衬底中的漏极，所述漏极与所述浮置扩散区电连接，所述复位晶体管用于复位所述浮置扩散区的电位。

【技术特征摘要】
1.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括多个像素单元，所述像素单元包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括第一区域和至少一个第二区域；光电转换元件，位于所述第一区域中，用于接收光线以产生信号电荷；浮置扩散区，部分位于一个所述第二区域中，且部分位于所述第一区域中，所述第二区域的上表面高于所述第一区域的上表面，所述浮置扩散区用于收集所述信号电荷以产生信号电位；转移晶体管，包括位于所述半导体衬底中的源极和漏极，所述源极和所述漏极分别与所述光电转换元件和所述浮置扩散区电连接，所述转移晶体管用于控制所述信号电荷转移到所述浮置扩散区；源跟随晶体管，包括位于所述半导体衬底上的栅极，所述栅极与所述浮置扩散区电连接，所述源跟随晶体管用于放大所述信号电位；复位晶体管，包括位于所述半导体衬底中的漏极，所述漏极与所述浮置扩散区电连接，所述复位晶体管用于复位所述浮置扩散区的电位；所述第二区域呈凸起结构，包括第一部分和位于所述第一部分上的第二部分，所述第一部分具有两个侧面，所述第二部分具有顶面和两个侧面。2.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述浮置扩散区上表面高出所述光电转换元件对应的半导体衬底上表面30nm以上。3.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述源跟随晶体管的沟道区上表面高出所述光电转换元件对应的半导体衬底上表面30nm以上。4.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述源跟随晶体管的沟道区位于另一个所述第二区域的所述第二部分，所述源跟随晶体管的栅极覆盖所述第二部分的顶面和两个侧面的至少其中一面。5.如权利要求4所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述源跟随晶体管的沟道区具有沟道掺杂区和非沟道掺杂区，所述非沟道掺杂区位于所述沟道掺杂区与所述源跟随晶体管的栅极之间。6.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述复位晶体管的沟道区位于另一个所述第二区域的所述第二部分，所述复位晶体管的栅极覆盖所述第二部分的顶面和两个侧面的至少其中一面。7.如权利要求4或6所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底具有多个所述第二区域，所述半导体衬底还具有位于相邻所述第二区域之间的隔离结构，所述光电转换元件位于所述隔离结构中。8.如权利要求7所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述转移晶体管的栅极同时位于所述光电转换元件和所述隔离结构上表面。9.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述像素单元还包括：侧墙，所述侧墙覆盖所述第一部分的两个侧面。10.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述光电转换元件为光电二极管。11.一种背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一区域和至少一个第二区域；在所述第一区域中形成光电转换元件；在所述半导体衬底形成源跟随晶体管、复位晶体管和转移晶体管，所述转移晶体管的源极电连接所述光电转换元件；在所述半导体衬底中形成浮置扩散区，所述浮置扩散区部分位于一个所述第二区域中，部分位于所述第一区域中，所述第二区域上表面高于所述第一区域上表面；并且所述浮置扩散区电连接所述复位晶体管的漏极、所述转移晶体管的漏极和所述源跟随晶体管的栅极；所述第二区域呈凸起结构，包括第一部分和位于所述第一部分上的第二部分，所述第一部分具有两个侧面，所述第二部分具有顶面和两个侧面。12.如权利要求11所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述浮置扩散区上表面高出所述光电转换元件对应的半导体衬底上表面30nm以上。13.如权利要求11所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述源跟随晶体管的沟道区上表面高出所述光电转换元件对应的半导体衬底上表面30nm以上。14.如权利要求11所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述源跟随晶体管的沟道区形成在另一个所述第二区域的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立新，李文强，李杰，陈俭，
申请(专利权)人：格科微电子上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31