图像传感器以及电子信息装置的制作方法

1.本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种图像传感器以及电子信息装置。


背景技术：

2.图像传感器可以分为互补金属氧化物(complementary metal oxide semiconductor，cmos)图像传感器和电荷耦合器件(charge coupled device，ccd)图像传感器，通常用于将光学信号转化为相应的电信号。ccd图像传感器的优点是对图像敏感度较高，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。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。
3.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。
4.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。
5.现有图像传感器中，像素单元的结构可以包括多种结构，如光电转换元件加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晶体管结构等。其中，光电转换元件加3晶体管结构可以为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(reset transistor，rst)和行选择晶体管(shared select transistor，sel)的时序控制下，将光生电子通过源跟随晶体管(source follower，sf)转换输出。
6.然而，在现有的图像传感器中，设置金属层分别与浮置扩散区、源跟随晶体管的栅极、复位晶体管的源极电连接，容易形成布线寄生电容，导致转换增益下降。


技术实现要素：

7.本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器以及电子信息装置，可以在保持电连接性能的前提下，避免寄生电容的形成，有效提高图像传感器的性能。
8.为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：像素区域，其包括多个像素单元；每个像素单元包括：光电二极管区、传输晶体管、浮置扩散区、源跟随晶体管以及复位晶体管；其中，所述浮置扩散区与所述源跟随晶体管的栅极通过第一钨结构连接，所述源跟随晶体管的栅极与所述复位晶体管的源极通过第二钨结构连接。
9.可选的，所述浮置扩散区与所述第一钨结构接触的区域与所述源跟随晶体管的沟道之间存在第一沟槽隔离结构。
10.可选的，所述第二钨结构与所述复位晶体管的源极接触的区域与所述源跟随晶体管的沟道之间存在第二沟槽隔离结构。
11.可选的，所述第一钨结构以及所述第二钨结构的上方不存在金属层与其电连接。
12.可选的，所述第一钨结构和所述第二钨结构的形成过程至少包括以下步骤：形成所述传输晶体管、所述源跟随晶体管、所述复位晶体管的栅极结构；形成所述传输晶体管、所述源跟随晶体管、所述复位晶体管的侧墙；形成所述浮置扩散区、所述源跟随晶体管的源极和漏极、所述复位晶体管的源极和漏极；铺设介质层，以覆盖所述传输晶体管、所述源跟随晶体管、所述复位晶体管的栅极结构；刻蚀所述介质层，形成第一沟槽结构和第二沟槽结构，其中，刻蚀所述介质层的速率和刻蚀所述源跟随晶体管的侧墙的速率的比值大于某一临界值；铺设钨，以覆盖所述第一沟槽结构和所述第二沟槽结构。
13.可选的，所述第一钨结构和所述第二钨结构的形成过程还包括：在刻蚀所述介质层之前，通过化学机械研磨工艺，对所述介质层进行平坦化；和/或，在所述铺设钨之后，通过化学机械研磨工艺，对形成的第一钨结构和第二钨结构进行平坦化。
14.可选的，所述图像传感器还包括：金属互连层；彩色滤光片；微透镜。
15.可选的，所述第一钨结构和所述第二钨结构为分离结构。
16.可选的，所述第一钨结构和所述第二钨结构为整体结构。
17.为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种电子信息装置，包括上述的图像传感器。
18.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
19.在本发明实施例中，通过设置浮置扩散区与所述源跟随晶体管的栅极通过第一钨结构连接，所述源跟随晶体管的栅极与所述复位晶体管的源极通过第二钨结构连接，相比于现有技术中设置金属层与分别与浮置扩散区、源跟随晶体管的栅极、复位晶体管的源极电连接，导致形成寄生电容，降低转换增益，采用本发明实施例的方案，可以在不依赖金属层的前提下仍然实现在浮置扩散区与所述源跟随晶体管的栅极之间、以及在源跟随晶体管的栅极与所述复位晶体管的源极之间的电连接，从而在保持电连接性能的前提下，避免寄生电容的形成，有效提高图像传感器的性能。
附图说明
20.图1是现有技术中一种图像传感器的像素单元的电路示意图；
21.图2是现有技术中一种图像传感器的剖面结构示意图；
22.图3是本技术实施例中一种图像传感器的顶视图；
23.图4是图3中沿切割线a1-a2的剖面图；
24.图5是本技术实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图；
25.图6是本技术实施例中另一种图像传感器的剖面结构示意图。
具体实施方式
26.如前所述，在现有的图像传感器中，以光电转换元件加3晶体管结构为例，可以为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，在复位晶体管和行选择晶体管的时序控制下，将光生电子通过源跟随晶体管转换输出。然而，在现有的图像传感器中，设置金属层分别与浮置扩散区、源跟随晶体管的栅极、复位晶体管的源极电连接，容易形成寄生电容，导致转换增益下降。
27.具体可参照图1，图1是现有技术中一种图像传感器的像素单元的电路示意图。
28.具体地，cmos图像传感器(cmos image sensors，cis)的基本感光单元被称为像素，所述像素单元包含一个光电二极管和3个或4个mos晶体管，称为3t型或4t型，当前大多数cis为4t型。
29.如图1所示的4t型cis可以包括：4个mos晶体管和一个光电二极管(pd)，所述4个mos晶体管分别为复位晶体管rst、源跟随晶体管sf、行选择晶体管sel的和传输晶体管tx。
30.以下对如图1所示的4t型cis的像素单元的工作原理进行说明。具体地，在接收光照前，复位晶体管rst和传输晶体管tx导通，其他晶体管关断，对所述浮置扩散区fd和光电二极管pd进行复位；然后，所有晶体管关断，光电二极管pd接收光照，并且进行光电转换形成光生载流子；然后传输晶体管tx导通，其他晶体管关断，光生载流子自光电二极管pd转移到浮置扩散区fd；接着，源跟随晶体管sf和行选择晶体管sel导通，光生载流子依次从浮置扩散区fd经过源跟随晶体管sf和行选择晶体管sel输出，完成一次光信号的采集与传输。
31.参照图2，图2是现有技术中一种图像传感器的剖面结构示意图。
32.在图2示出的图像传感器中，包括半导体衬底100，所述半导体衬底100的内部和表面形成有像素区域，所述像素区域包括多个像素单元。
33.其中，每个像素单元可以包括：光电二极管区110、传输晶体管130、浮置扩散区131、源跟随晶体管140以及复位晶体管150。
34.进一步地，为了实现浮置扩散区131与源跟随晶体管140之间的连接，以及源跟随晶体管140与复位晶体管150之间的连接，设置金属层160分别与浮置扩散区130、源跟随晶体管140以及复位晶体管150电连接。
35.其中，金属层160可以复用图像传感器的金属互连层中的某层金属层，例如为第一金属层(m1)。
36.本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，需要依赖金属层160才能够实现在浮置扩散区131与源跟随晶体管140之间的连接，以及源跟随晶体管140与复位晶体管150之间的连接，然而由于通过金属层160的连接，也随之带来寄生电容，导致浮置扩散区131的转换增益下降。
37.在本发明实施例中，通过设置浮置扩散区与所述源跟随晶体管的栅极通过第一钨结构连接，所述源跟随晶体管的栅极与所述复位晶体管的源极通过第二钨结构连接，相比于现有技术中设置金属层与分别与浮置扩散区、源跟随晶体管的栅极、复位晶体管的源极电连接，导致形成寄生电容，降低转换增益，采用本发明实施例的方案，可以在不依赖金属层的前提下仍然实现在浮置扩散区与所述源跟随晶体管的栅极之间、以及在源跟随晶体管的栅极与所述复位晶体管的源极之间的电连接，从而在保持电连接性能的前提下，避免寄生电容的形成，有效提高图像传感器的性能。
38.为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
39.结合参照图3和图4，图3是本技术实施例中一种图像传感器的顶视图，图4是图3中沿切割线a1-a2的剖面图。
40.在图3示出的图像传感器中，可以包括半导体衬底200，所述半导体衬底100的内部和表面形成有像素区域，所述像素区域可以包括多个像素单元。
41.其中，每个像素单元可以包括：光电二极管区210、传输晶体管230、浮置扩散区231、源跟随晶体管240以及复位晶体管250。
42.其中，所述浮置扩散区231与所述源跟随晶体管240的栅极通过第一钨结构261连接，所述源跟随晶体管240的栅极与所述复位晶体管250的源极通过第二钨结构262连接。
43.在具体实施中，所述半导体衬底200可以为硅衬底，或者所述半导体衬底200的材料还可以包括锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述半导体衬底200还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底，或者是生长有外延层(epitaxy layer，epi layer)的衬底。
44.所述光电二极管210能够在受到外界光强激发的情况下，产生光生载流子，例如为电子。所述光电二极管210能够通过离子注入工艺形成，而且，通过控制离子注入的能量和浓度，能够控制离子注入的深度和注入范围，从而控制光电二极管210的深度和厚度。
45.进一步地，每个像素单元还可以包括：选择晶体管(图未示)，所述选择晶体管可以与所述源跟随晶体管240连接。
46.有关传输晶体管230、浮置扩散区231、源跟随晶体管240以及复位晶体管250的工作原理以及更多描述，可以参照前文以及图1，此处不再赘述。
47.其中，所述第一钨结构261以及第二钨结构262可以采用金属钨形成，例如采用物理溅射工艺或者化学气相沉积工艺形成。
48.在本发明实施例中，通过设置浮置扩散区231与所述源跟随晶体管240的栅极通过第一钨结构261连接，所述源跟随晶体管240的栅极与所述复位晶体管250的源极通过第二钨结构262连接，相比于现有技术中设置金属层与分别与浮置扩散区、源跟随晶体管的栅极、复位晶体管的源极电连接，导致形成寄生电容，降低转换增益，采用本发明实施例的方案，可以在不依赖金属层的前提下仍然实现在浮置扩散区231与所述源跟随晶体管240的栅极之间、以及在源跟随晶体管240的栅极与所述复位晶体管250的源极之间的电连接，从而在保持电连接性能的前提下，避免寄生电容的形成，有效提高图像传感器的性能。
49.进一步地，所述浮置扩散区231与所述第一钨结构261接触的区域与所述源跟随晶体管240的沟道之间可以存在第一沟槽隔离结构221。
50.进一步地，所述第二钨结构262与所述复位晶体管250的源极接触的区域与所述源跟随晶体管240的沟道之间可以存在第二沟槽隔离结构222。
51.其中，所述第一沟槽隔离结构221以及所述第二沟槽隔离结构222可以采用绝缘材料形成，例如为氧化硅(sio2)材料。
52.需要指出的是，相比于在常规的图像传感器的后续工艺中还会形成的深槽隔离(deep trench isolation，dti)，所述第一沟槽隔离结构221以及所述第二沟槽隔离结构222的深度较小，可以视为浅槽隔离(shallow trench isolation，sti)。其中，所述深度的方向垂直于所述半导体衬底200的表面。
53.参照图5，图5是本技术实施例中一种图像传感器的形成方法的部分流程图。
54.具体地，所述第一钨结构和所述第二钨结构的形成过程至少可以包括步骤s51至步骤s56：
55.步骤s51：形成所述传输晶体管、所述源跟随晶体管、所述复位晶体管的栅极结构；
56.步骤s52：形成所述传输晶体管、所述源跟随晶体管、所述复位晶体管的侧墙；
57.步骤s53：形成所述浮置扩散区、所述源跟随晶体管的源极和漏极、所述复位晶体管的源极和漏极；
58.步骤s54：铺设介质层，以覆盖所述传输晶体管、所述源跟随晶体管、所述复位晶体管的栅极结构；
59.步骤s55：刻蚀所述介质层，形成第一沟槽结构和第二沟槽结构，其中，刻蚀所述介质层的速率和刻蚀所述源跟随晶体管的侧墙的速率的比值大于某一临界值；
60.步骤s56：铺设钨，以覆盖所述第一沟槽结构和所述第二沟槽结构。
61.下面结合图3及图4对上述各个步骤进行说明。
62.首先形成所述传输晶体管230、所述源跟随晶体管240、所述复位晶体管250的栅极结构，然后形成所述传输晶体管230、所述源跟随晶体管240、所述复位晶体管250的侧墙，然后形成所述浮置扩散区231、所述源跟随晶体管240的源极和漏极241、所述复位晶体管250的源极和漏极251。
63.其中，所述栅极结构(gate)以及侧墙(spacer)可以根据具体采用的工艺平台，选择适当的工艺参数形成，本技术实施例对此不做赘述。
64.需要指出的是，由于源跟随晶体管240与复位晶体管250的沟道方向垂直，因此所述源跟随晶体管240的源极和漏极241之间的连线方向与复位晶体管250的源极和漏极251之间的连线方向也垂直，在图4中未能示出源跟随晶体管240的源极和漏极241。
65.然后铺设介质层(图未示)，所述介质层可以覆盖所述传输晶体管230、所述源跟随晶体管240、所述复位晶体管250的栅极结构。
66.然后刻蚀所述介质层，形成第一沟槽结构(图未示)和第二沟槽结构(图未示)，其中，刻蚀所述介质层的速率和刻蚀所述源跟随晶体管240的侧墙的速率的比值大于某一临界值。
67.进一步地，在刻蚀所述介质层之前，所述第一钨结构261和所述第二钨结构262的形成过程还可以包括：通过化学机械研磨工艺，对所述介质层进行平坦化。
68.在本发明实施例中，通过采用化学机械研磨工艺，对介质层进行平坦化，可以有效地提高图像传感器的表面形貌的一致性，有助于提高器件性能。
69.在具体实施中，可以采用适当的材料形成所述介质层，例如采用氧化硅或氮化硅材料，还可以采用适当的材料形成所述源跟随晶体管240的侧墙，例如采用氮碳化硅(sicn)、氧化硅或氮化硅材料。需要指出的是，所述介质层可以为单种材料，例如上述三种材料中的一种，还可以为多种材料堆叠而成的材料，例如可以为氧化硅以及氮化硅的堆叠层，以减轻对晶圆的应力。
70.其中，所述介质层与所述源跟随晶体管240的侧墙的刻蚀比可以大于预设阈值。
71.在本发明实施例中，通过设置所述介质层与所述源跟随晶体管240的侧墙的刻蚀比大于预设阈值，可以在形成源跟随晶体管240的侧墙之后，刻蚀与所述侧墙相邻的介质层时，对所述侧墙进行有效保护。
72.然后铺设钨，以覆盖所述第一沟槽结构和所述第二沟槽结构，从而形成所述第一钨结构261和所述第二钨结构262。
73.进一步地，在刻蚀所述介质层之前，所述第一钨结构261和所述第二钨结构262的形成过程还可以包括：在所述铺设钨之后，通过化学机械研磨工艺，对形成的第一钨结构
261和第二钨结构262进行平坦化。
74.在本发明实施例中，通过采用化学机械研磨工艺，对形成的第一钨结构261和第二钨结构262进行平坦化，可以有效地提高图像传感器的表面形貌的一致性，有助于提高器件性能。
75.进一步地，所述第一钨结构261以及所述第二钨结构262的上方不存在金属层与其电连接。
76.在本发明实施例中，通过设置所述第一钨结构261以及所述第二钨结构262的上方不存在金属层与其电连接，可以在不依赖金属层的前提下仍然实现在浮置扩散区231与所述源跟随晶体管240的栅极之间、以及在源跟随晶体管240的栅极与所述复位晶体管250的源极之间的电连接。
77.进一步地，在本发明实施例的第一种具体实施方式中，所述第一钨结构261和所述第二钨结构262可以为分离结构。
78.需要指出的是，所述第一钨结构261和所述第二钨结构262之间可以通过源跟随晶体管240的栅极实现电连接。
79.更进一步地，所述源跟随晶体管240的栅极可以采用多晶硅(poly)材料，还可以采用高k值金属栅(high-k metal gate)材料，以满足多种半导体器件的需要，且具有导电性。
80.进一步地，在本发明实施例的第二种具体实施方式中，所述第一钨结构261和所述第二钨结构262可以为整体结构。
81.参照图6，图6是本技术实施例中另一种图像传感器的剖面结构示意图。
82.所述另一种图像传感器可以包括图4示出的图像传感器中的多个结构，还可以包括钨结构360，所述钨结构360的内部可以直接实现电荷传输。可以理解的是，所述钨结构360可以视为图4中第一钨结构261和第二钨结构262，也即所述第一钨结构261和所述第二钨结构262可以为整体结构。
83.在本发明实施例中，通过设置所述第一钨结构261和所述第二钨结构262为分离结构，还可以为整体结构，可以在实现第一钨结构261和所述第二钨结构262之间的电连接的基础上，提高设置的灵活性，以在生产成本和导通效率之间达到平衡。
84.进一步地，所述图像传感器还可以包括：金属互连层(图未示)；彩色滤光片(图未示)；微透镜(图未示)。
85.其中，所述金属互连层用于实现多层金属层之间的导通，所述彩色滤光片用于实现对光线的吸收、反射和穿透，所述微透镜用于对入射光线进行折射，以达到吸收更多光线的效果。
86.具体地，可以采用适当的工艺参数形成所述金属互连层、彩色滤光片、微透镜，在本技术实施例中对此不做限制。
87.在本技术实施例中，还公开了一种电子信息装置，包括上述的图像传感器。
88.需要指出的是，所述电子信息装置包括但不限于手机、计算机、平板电脑等终端设备。
89.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。