[发明专利]CMOS图像传感器的双鳍形场效应晶体管

说明书

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：