[发明专利]图像传感器源跟随晶体管的制造方法

说明书

本发明提供一种图像传感器源跟随晶体管的制造方法，包括：在半导体基底中进行第一掺杂类型的离子注入，形成沟道掺杂区域；在所述沟道掺杂区域上方依次形成栅极介质层和栅极；其中，所述沟道掺杂区域的宽度大于所述栅极的宽度。本发明的图像传感器源跟随晶体管的制造方法，在保持一定的栅极宽度前提下，将沟道掺杂区域的宽度扩展到栅极宽度以外，从而将沟道耗尽区移动到栅极外侧，增加了有效沟道宽度；预留了足够的冗余宽度，保证晶体管沟道宽度不受光刻套刻偏差的影响；足够大的注入窗口面积降低了埋沟注入的光刻要求；从而实现在提高源跟随晶体管跨导的同时，减少工艺偏差带来的性能影响，提高工艺稳定性，改善图像传感器的整体性能。

技术领域

本发明涉及一种图像传感器源跟随晶体管的制造方法。

背景技术

随着半导体工艺节点的发展，集成电路中所使用的晶体管尺寸在日渐缩小，以便于获得更高的工作频率，同时降低操作晶体管开关所需要的功耗，并提高晶体管的集成密度。在这个过程中，晶体管沟道长度和宽度一并下降。对于理想的晶体管，沟道长度、宽度成比例下降时，晶体管跨导应该保持不变。然而当晶体管尺寸达到亚微米级别程度后，短沟道效应开始逐渐显露。在晶体管设计中，利用埋沟注入降低晶体管的工作噪声，是一种被广泛应用的制造工艺步骤。为了保持短沟道晶体管的正常开关比，维持晶体管关闭时的沟道势垒，埋沟注入的剂量势必要大幅降低，这会导致晶体管噪声明显提高，信噪比降低。同时，为了应对光刻步骤间套刻精度所带来的影响，晶体管设计上需要在宽度方向预留一定位置以维持埋沟注入的宽度一致，因此实际形成的沟道掺杂区域宽度必须明显窄于晶体管的栅极宽度，进一步大幅降低了晶体管的跨导。

尤其在信号处理电路，特别是图像传感器信号处理电路中，随着图像传感器中像素尺寸的减小，单个像素所能提供的电信号强度也逐渐降低。为了能够输出足够高的信号强度，以提高信噪比，电路增益也日益增大。然而，运算放大器的增益稳定性对其输入端的电压摆幅产生了限制，不能无限制下降。另外，运算放大器的输入端稳定时间由源跟随器的驱动能力决定，这同样要求提高像素中的源跟随晶体管的跨导。

一般的，处于饱和区的n型金属-氧化物-半导体晶体管的跨导可以以下式表示：

（1）

其中，为沟道载流子迁移率，为栅极电容密度，W为沟道掺杂区域宽度，L为沟道掺杂区域长度，为栅端源端之间压差，为开启电压。

理想情况下，当晶体管的长宽成比例的缩小，沟道掺杂区域的长度和宽度也成比例缩小，晶体管的跨导将会维持原值。因此，在源跟随晶体管尺寸较大的时候，缩小像素尺寸并不会造成其跨导损失。然而，当源跟随晶体管的尺寸缩减到一定程度，沟道两侧受外界注入（特别是钉扎注入）所产生的耗尽区影响便逐渐增大。此时公式将化为：

（2）

其中耗尽区宽度 （3）

两侧结势垒 （4）

其中，为沟道载流子迁移率，为栅极电容密度，W为沟道掺杂区域宽度，为沟道中的耗尽区宽度，L为沟道掺杂区域长度，为栅端源端之间压差，为开启电压，为介电常数，q为单位电荷量，为P型离子注入的掺杂浓度，为N型离子注入的掺杂浓度，为结势垒，k为玻尔兹曼常数，T为温度。

常规工艺中，为了保证一定的开启电压，沟道注入剂量变化不大，因此基本维持在一定水平。此时，成比例缩减晶体管的长宽，跨导就开始出现明显下降。现有技术的源跟随晶体管的结构如图1所示，其制造过程所需的光罩示意图如图2所示，为了减少套刻偏差造成的影响，沟道掺杂区域101的宽度W明显小于栅极106的宽度W_G。同时，受其耗尽区103的影响，有效沟道区域102的宽度进一步减小，即，导致跨导随晶体管宽度下降明显。跨导下降会使得源跟随晶体管源端电压输出降低，影响其后所挂载电路的正常工作。

根据公式（2），提高源跟随晶体管跨导的方法主要有以下几类：

1）改动晶体管使用的材料工艺，调整沟道迁移率和晶体管栅极电容密度。