CN109037252A - 固态成像器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及固态成像器件及其制造方法。为了提高固态成像器件的性能，固态成像器件具有包括光电转换单元和传输晶体管的像素，并且氟被引入到像素中包括的传输晶体管的栅极电极和漏极区域(延伸区域和n+型半导体区域)。

Description

固态成像器件及其制造方法
相关申请的交叉引用
2017年6月8日提交的日本专利申请No.2017-113764的公开内容，包括说明书、附图和摘要，通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及例如以互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器为代表的固态成像器件及其制造技术。
背景技术
日本专利公开No.4-167469公开了一种用于将氟引入到形成在半导体衬底上的整个多晶体硅膜(多晶硅膜)的技术。
发明内容
对于固态成像器件，期望在没有入射光模式(暗模式)下没有累积电子的光电转换单元中为暗。
然而，在实际的固态成像器件中，即使在没有入射光的模式下，由于金属污染、晶体缺陷以及栅极绝缘膜和硅衬底之间的界面能级而导致电子在光电转换单元中累积。结果，在暗模式中，在固态成像器件的光电转换单元中累积的电子也产生小信号，从而使图像的黑电平劣化。引起上述现象的这种小信号被称为“暗电流”，并且为了改善固态成像器件的性能，希望减少“暗电流”。
根据说明书和附图的描述，其它目的和新颖特征将显而易见。
根据一个实施例的固态成像器件具有包括光电转换单元和传输晶体管的像素，并且氟被引入到包括在像素中的传输晶体管的栅极电极和漏极区域。
根据实施例，可以改善固态成像器件的性能。
附图说明
图1是示出图像传感器中的将光转换为电信号的状态的图。
图2是示出在图像传感器中未设置任何微透镜时的结构的图。
图3是示出在光电二极管的前方布置微透镜的例子的图。
图4是示出作为一个滤色器的原色滤色器的图。
图5是示出作为另一滤色器的补色滤色器的图。
图6是示出pn结的二极管的能带结构的图。
图7是示出光接收单元的器件结构的一个例子的截面图。
图8是示出像素的电路结构的电路图。
图9是示出传输晶体管的放大部分的示意图。
图10是示出根据实施例的图像传感器的制造工艺的截面图。
图11是示出图10之后的图像传感器的制造工艺的截面图。
图12是示出图11之后的图像传感器的制造工艺的截面图。
图13是示出图12之后的图像传感器的制造工艺的截面图。
图14是示出图13之后的图像传感器的制造工艺的截面图。
图15是示出图14之后的图像传感器的制造工序的截面图。
图16是示出图15之后的图像传感器的制造工艺的截面图。
图17是示出图16之后的图像传感器的制造工艺的截面图。
图18是示出图17之后的图像传感器的制造工艺的截面图。
图19是示出图18之后的图像传感器的制造工艺的截面图。
具体实施方式
在以下的实施例中，为了方便起见，必要时将分为多个部分或实施例进行说明，除非另有明确说明，否则这些部分或实施例彼此不是无关的而是彼此相关的，使得一个部分或实施例覆盖另一部分或实施例的修改例子、细节、补充说明等等中的一些或全部。
另外，在以下实施例中，当涉及元件的数量(包括单元的数目、数值、量、范围等)时，其不限于特定数量，而是可以多于或者不多于所述特定数量，除非另有明确说明和原则上另外明确限于所述特定数量。
另外，在下面的实施例中，除非另有明确说明和原则上明显不可缺少，否则构成元件(包括要素步骤)不一定是必不可少的。
类似地，在以下实施例中，当涉及构成元件的形状及其位置关系时，除非另有明确说明和原则上明显不是这样，否则将包括基本上近似或类似于这些形状的形状及其位置关系。这也适用于上述数目和范围。
在为了描述实施例而描绘的所有附图中，相同的代码被分配给相同的部件，并且其重复的描述被省略。此外，即使在平面图中也可以添加阴影以使得易于理解视图。
<图像传感器(固态成像器件)的示意结构>
在实施例中，将参照附图描述拾取图像的图像传感器(固态成像器件)。首先，将描述图像传感器的示意结构。图像传感器是将输入光转换为电信号的元件。图1是示出在图像传感器中将光转换为电信号的状态的示意图。例如，如图1中所示，从对象发出的光进入透镜L并形成图像。图像传感器IS被布置在透镜L的图像形成位置处并由透镜L形成的图像照射。在由光照射时，图像传感器IS将光转换为电信号。处理从图像传感器IS输出的电信号，从而生成图像。如上所述，图像传感器IS具有将入射光转换为电信号并输出该信号的功能。
当图像传感器IS的光接收表面RC被放大时，微透镜OL、滤色器CF和光电二极管PD被布置在光接收表面RC上。图像传感器IS包括微透镜OL、滤色器CF和光电二极管PD。以下，将依次描述形成图像传感器IS的各个构成元件的功能。
<微透镜的结构和功能>
首先，将描述微透镜OL。图2是示意性地示出当在图像传感器IS中未设置任何微透镜OL时的结构的图。如图2所示，当在图像传感器IS中没有设置微透镜OL时，不仅布置在图像传感器IS的光接收表面上的光电二极管PD，而且光电二极管PD周围的外围区域也由入射到图像传感器IS的光照射。多个光电二极管PD在图像传感器IS的光接收表面上以阵列布置，并且各个光电二极管PD以规则间隔布置。因此，入射到图像传感器IS的所有光不仅进入光电二极管PD，还进入光电二极管PD之间的间隙。
入射到光电二极管PD的光可以被转换成电信号，但是入射到多个光电二极管PD之间的间隙的光由于其没有照射光电二极管PD，所以不能被转换成电信号。换句话说，入射到光电二极管PD之间的间隙的光被浪费。入射到图像传感器IS的全部光被设计为尽可能多地转换成电信号；然而，当图像传感器IS没有设置有微透镜OL时，在图像传感器IS中没有被转换成电信号的浪费的光很多。
为了解决上述问题，光电二极管PD可以没有间隙地被布置；然而，由于必须提供用于传输在各个光电二极管PD中转换的电荷的扫描电路，所以在多个光电二极管PD之间必须存在间隙。例如，当图像传感器IS由一个大光电二极管PD形成时，在光接收表面上不需要间隙；然而，在这种情况下，不能获得足够的图像分辨能力。为了提高图像分辨能力，必须尽可能多地在光接收表面上布置多个小的单独光电二极管PD。在这种情况下，来自相应光电二极管PD的电荷必须被独立地转换为电信号，并且为了电隔离各个光电二极管PD，必须以规则间隔提供间隙(绝缘区域)。因此，难以完全消除各个光电二极管PD之间产生的间隙。
为了将入射到图像传感器IS的光有效地转换为电信号，使图像传感器IS设置有微透镜OL。图3是示出在光电二极管PD前方布置微透镜OL的例子的示意图。如图3所示，相应微透镜OL与相应光电二极管PD对应地布置。简言之，微透镜OL被布置为与光电二极管PD的数量相同的数量。如图3所示，入射到图像传感器IS的光进入微透镜OL。入射到微透镜OL会聚以照射光电二极管PD。因此，微透镜OL具有会聚入射到光电二极管PD上的图像传感器的光的功能。换句话说，在不提供微透镜OL的情况下照射光电二极管PD之间的间隙而不进入光电二极管PD的光可以利用微透镜OL被折射以进入光电二极管PD。微透镜OL具有集中入射光以照射光电二极管PD的功能。因此，通过使图像传感器IS设置有微透镜OL，入射到光电二极管PD之间的间隙的光可以被集中在光电二极管PD上；结果，入射到图像传感器IS的光可以被有效地转换成电信号。
<滤色器的结构和功能>
接着，将描述滤色器CF。将光转换为电信号的光电二极管PD具有不识别光的颜色而仅识别光的灰度的功能。仅利用光电二极管PD，由图像传感器获得的图像变为单色。因此，在图像传感器IS中提供滤色器CF以产生彩色图像。人眼只能感知“红”、“绿”和“蓝”三种原色；通过调节这三种原色的光量，人可以感知到任何颜色。这被称为“通过光的三原色的加色混合”。例如，相同光量的“红色”和“绿色”被混合为“黄色”。换句话说，在相同光量的“红色”和“绿色”而没有“蓝色”的光量的情况下，变成黄色作为“蓝色”的补色。相同量的“红色”、“绿色”和“蓝色”混合为白色。另一方面，在“红色”、“绿色”和“蓝色”没有光量时，变成黑色。该原理被用作图4所示的滤色器CF。图4将原色滤色器示出为一个滤色器CF。原色滤色器是使用红、绿和蓝(RGB)三个原色的滤色器。通过在光电二极管PD前方设置原色滤色器，可以获得与相应颜色相对应的光电二极管PD。例如，放置在红色滤色器前方的光电二极管PD用于检测红色的光量，放置在绿色滤色器前方的光电二极管PD用于检测绿色的光量。类似地，放置在蓝色滤色器前方的光电二极管PD用于检测蓝色的光量。因此，可以根据用于红色的光电二极管PD、用于绿色的光电二极管PD以及用于蓝色的光电二极管PD的相应光量来实现各种颜色。
这里，形成滤色器CF的红色滤色器、绿色滤色器和蓝色滤色器不是简单地布置，而是被布置为例如图4所示的拜耳排列的基本图案。简而言之，通过包括组合的红色滤色器、绿色滤色器和蓝色滤色器的基本图案的重复而形成滤色器CF。
使用RGB的三原色的原色滤色器在图像中的颜色再现性上是良好的，但是在图像传感器IS的灵敏度上较差，在黑暗处拍摄照片时存在缺陷。因此，原色滤色器经常被用在具有良好灵敏度的大型图像传感器IS中。
滤色器CF包括补色滤色器，作为与使用RGB的三原色的原色滤色器不同的滤色器。如图5所示，补色滤色器包括四种颜色，例如青色(C)、品红色(M)、黄色(Y)和另外的绿色(G)。对于使用补色滤色器的图像传感器，考虑到人实际看到拾取图像，有必要将其从CMYG转换为RGB，而在该转换中出现噪声。补色滤色器的优点是灵敏度比原色滤色器好；因此，补色滤色器经常被用于小尺寸(换句话说，具有较低灵敏度)图像传感器IS中。
<光电二极管>
接下来，将描述光电二极管PD的结构。光电二极管PD具有作为在接收到光的照射时生成电荷的光电转换单元的功能。光电二极管PD可以通过例如由pn结构成的二极管形成。图6是示出由pn结构成的二极管的能带结构的图。如图6所示，左侧是p型半导体区域，右侧是n型半导体区域。p型半导体区域和n型半导体区域之间的边界是中心区域并且变为耗尽层。由此在被pn结包括的二极管中，例如，当具有大于带隙的能量的光(hν)进入耗尽层时，该光被耗尽层吸收。具体而言，当光被存在于价带中的电子吸收时，电子获得大于带隙的能量。已经获得比带隙大的能量的电子移动到导带，越过带隙。结果，通过移动到导带的电子e和通过电子移动到导带而在价带中产生的空穴h出现电子-空穴对。所产生的电子e和空穴h通过被施加到光电二极管PD的反向电压VG加速。换句话说，在光电二极管PD中，通常将反向电压VG施加到由pn结构成的二极管。反向电压VG是在提高pn结势垒的方向上施加的电压。具体而言，对n型半导体区域施加正电压，对p型半导体区域施加负电压。根据该结构，例如，耗尽层中产生的电子e和空穴h由反向电压VG在高电场中加速。结果，可以减小重新耦合电子e和空穴h的比率，从而获得足够的电流。如上所述，光电二极管PD被形成。
<光接收单元的器件结构>
将描述图像传感器中的光接收单元的器件结构。
图像传感器包括具有形成多个像素的成像区域的半导体衬底。这里，成像区域被设置有用于将入射光转换成电荷的光电转换单元(光电二极管)和用于传输电荷的传输晶体管。传输晶体管具有在半导体衬底内相互隔开距离而形成的源极区域和漏极区域、由源极区域和漏极区域夹住的沟道区域、形成在沟道区域上的栅极绝缘膜和形成在栅极绝缘膜上的第一栅极电极。
以下将描述具体的器件结构。
图7是示出光接收单元的器件结构的一个例子的截面图。在图7中，例如，布置由硅衬底制成的半导体衬底1S，其中引入有诸如磷(P)或砷(As)的n型掺杂剂(施主)，并且在半导体衬底1S的表面(主表面、元件形成表面)上形成元件隔离区域STI。该元件隔离区域STI划分有源区域，并且光接收单元形成在经划分的有源区域中。具体地，在半导体衬底1S中形成引入有诸如硼的p型掺杂剂(受主)的p型阱PWL，并且将引入有诸如磷(P)或砷(As)的n型掺杂剂的n型阱NWL形成为容纳在p型阱PWL内。通过n型阱NWL(n-型半导体区域)和p型阱PWL(p-型半导体区域)形成光电二极管(PN结二极管)。光电二极管用作将入射光转换成电荷的光电转换单元，并且包括在平面图中容纳在p型阱PWL内的n型阱NWL。
具有比p型阱PWL更高掺杂浓度的p+型半导体区域PR形成在n型阱NWL的一部分表面上。p+型半导体区域PR远离栅极电极GE。该p+型半导体区域PR是为了抑制基于在半导体衬底1S的表面上形成的界面能级产生电子的目的而形成的区域。换句话说，由于界面能级的影响，即使在没有光照射的状态下，半导体衬底1S的表面区域上也产生电子，这导致暗电流的增加。因此，通过在其中电子作为多数载流子的n型阱NWL的表面上形成其中空穴作为多数载流子的p+型半导体区域PR，在没有光照射的状态下的电子的生成被抑制并且暗电流的增加被抑制。p+型半导体区域PR不是必须远离栅极电极GE。
在半导体衬底1S上形成栅极绝缘膜GOX以在平面图中与n型阱NWL的一部分重叠，并且将栅极电极GE形成在栅极绝缘膜GOX上。在栅极电极GE的两个侧壁上形成侧壁间隔物SW。例如，栅极绝缘膜GOX由氧化硅膜形成；然而，其不限于此，而是可以由具有比氧化硅膜更高的介电常数的高介电常数膜形成。例如，栅极绝缘膜可以由具有向氧化铪引入氧化镧的铪基绝缘膜形成。栅极电极GE可以例如由多晶硅膜形成，并且侧壁间隔物SW可以例如由氧化硅膜、氮化硅膜或氧化硅膜和氮化硅膜的膜堆叠形成。
接下来，在半导体衬底1S内与栅极电极GE对准地形成由n-型半导体区域形成的延伸区域EX，并且将n+型半导体区域NR形成为与侧壁间隔体SW对准。漏极区域由延伸区域EX和n+型半导体区域NR形成。
如上所述，光电二极管和传输晶体管Q形成在半导体衬底1S上。具体而言，光电二极管由p型阱PWL和n型阱NWL形成，并且传输晶体管Q由上述被定义为源极区域的n型阱NWL以及被定义为漏极区域的延伸区域EX和n+型半导体区域NR形成，延伸区域EX和n+型半导体区域NR形成在半导体衬底1S中并且与n型阱NWL相距预定距离。
将由源极区域和漏极区域夹住的区域定义为沟道形成区域，并且通过栅极绝缘膜GOX在沟道形成区域上形成栅极电极GE。据此，形成包括源极区域、漏极区域、沟道形成区域、栅极绝缘膜GOX和栅极电极GE的传输晶体管Q。在平面图中，n型阱NWL和栅极电极GE具有重叠区域。此外，形成在半导体衬底1S的有源区域中的光电二极管和传输晶体管Q共享n型阱NWL并且电耦合在一起。
硅化物膜也可以形成在传输晶体管Q中的漏极区域(n+型半导体区域NR)的表面上。据此，例如，可以减小漏极区域和插塞PLG之间的连接电阻。硅化物膜可以由例如镍-铂硅化物膜、硅化镍膜、硅化钛膜、硅化钴膜或硅化铂膜形成。
接下来，将参照图7描述形成于光电二极管之上的上层中的布线结构和形成于半导体衬底1S中的传输晶体管Q。在图7中，在光电二极管的表面(n型阱NWL和p+型半导体区域PR的表面)上形成绝缘膜。绝缘膜具有保持所述半导体衬底1S有利的表面特性(界面特性)的功能，并例如由氧化硅膜或氮化硅膜形成。抗反射膜ARF形成在绝缘膜上，并且抗反射膜ARF由例如氮氧化硅膜形成。
形成层间绝缘膜IL1以覆盖包括栅极电极GE和抗反射膜ARF的半导体衬底1S，并且形成贯穿层间绝缘膜IL1并到达n+型半导体区域NR(漏极区域)的插塞PLG。层间绝缘膜IL1例如由氧化硅膜形成，所述氧化硅膜由原硅酸四乙酯(TEOS)作为原材料制成。插塞PLG例如通过将由钛膜和形成在该钛膜上的氮化钛膜(钛膜/氮化钛膜)制成的阻挡导体膜以及形成在该阻挡导体膜上的钨膜嵌入到层间绝缘膜IL1中形成的接触孔中而形成。
例如，在形成有插塞PLG的层间绝缘膜IL1上形成层间绝缘膜IL2，并且在层间绝缘膜IL2中形成布线L1。例如，层间绝缘膜IL2由例如氧化硅膜形成并且不限于此，而是可以由具有比氧化硅膜更低的介电常数的低介电常数膜形成。作为低介电常数膜，例如可以使用SiOC膜。布线L1例如由铜布线形成，并且可使用镶嵌(Damascene)方法来形成布线。布线L1不限于铜布线，而是它可以由铝布线形成。此外，在形成有布线L1的层间绝缘膜IL2上形成由例如氧化硅膜或低介电常数膜制成的层间绝缘膜IL3，并且在层间绝缘膜IL3中形成布线L2。此外，在形成有布线L2的层间绝缘膜IL3上形成层间绝缘膜IL4，并且在层间绝缘膜IL4上形成遮光带SZ。
这里，布线L1、L2和遮光带SZ形成为在平面图中不与光电二极管重叠，并且在平面图中与光电二极管重叠的区域中形成透光单元LPR。这是为了避免入射到光电二极管的光受到布线L1和L2以及遮光带SZ的干扰。微透镜OL通过滤色器CF被安装在透光单元LPR上。提供遮光带SZ，以便单独地分离入射到相邻的光电二极管的光。简言之，遮光带SZ具有抑制相邻的光接收单元之间的泄漏光的功能。
光接收单元如上所述形成，在下文中将简要描述其操作。在图7中，当光接收单元被光照射时，入射光穿过微透镜OL和滤色器CF。然后，穿过由遮光带SZ分隔的透光单元LPR，并进一步穿过对可见光透明的层间绝缘膜IL4至IL1，光进入抗反射膜ARF。在抗反射膜ARF中，入射光的反射被抑制，并且足够光量的入射光进入光电二极管。在光电二极管中，因为入射光的能量大于硅的带隙，所以入射光通过光电转换被吸收以产生电子-空穴对。这里产生的电子在n型阱NWL中累积。在适当的时刻，将传输晶体管Q导通。具体而言，将在阈值电压及其以上的电压施加到传输晶体管Q的栅极电极。然后，沟道区域(n型半导体区域)形成在栅极绝缘膜正下方的沟道形成区域中，从而将传输晶体管Q的源极区域(n型阱NWL)和漏极区域(延伸区域EX和n+型半导体区域NR)电耦合。结果，累积在n型阱NWL中的电子穿过沟道区域，到达漏极区域，并且从漏极区域传输通过布线层，从而被取出到外部电路。据此，光接收单元操作。
<像素的电路结构>
接下来，将描述形成图像传感器的多个像素的每个电路结构。图8是示出像素的电路结构的电路图。在图8中，像素包括光电二极管PD、传输晶体管Q、重置晶体管RTr、放大器晶体管ATr和选择晶体管STr。光电二极管PD用作将到像素的入射光转换成电荷的光电转换单元，并且传输晶体管Q具有传输在光电二极管PD中所转换的电荷的功能。此外，重置晶体管RTr用作用于重置电荷的晶体管，并且放大器晶体管ATr具有基于由传输晶体管Q传输的电荷来放大电压信号的功能。此外，选择晶体管STr具有将由放大晶体管ATr放大的电压信号输出到输出信号线OSL的功能。
在图8中，光电二极管PD的阳极耦合到参考电势(GND)，并且光电二极管PD的阴极电耦合到传输晶体管Q的源极。传输晶体管Q的漏极电耦合到重置晶体管RTr的源极，并且重置晶体管RTr的漏极电耦合到电源电势(VDD)。此外，传输晶体管Q的漏极电耦合到放大器晶体管ATr的栅极电极，并且放大器晶体管ATr的漏极与重置晶体管RTr的漏极一起电耦合到电源电势(VDD)。简言之，放大器晶体管被布置成源极跟随器。另一方面，放大器晶体管ATr的源极电耦合到选择晶体管STr，并且选择晶体管STr被电耦合到输出信号线OSL。当从放大器晶体管供给的输出电压几乎与进入到放大器晶体管的输入电压相同时，它将被包括在本说明书的“放大器”中。此外，如图8所示，传输晶体管Q的漏极电耦合到放大器晶体管ATR的栅极电极。
如上所述包括形成图像传感器中的像素的电路，在下文中将简要描述其操作。首先，电荷由光电二极管PD从入射光产生并累积在光电二极管PD中。当接通传输晶体管Q时，累积在光电二极管PD中的电荷通过传输晶体管Q传输到放大器晶体管ATr的栅极。之后，基于电荷的电压信号由放大器晶体管ATr放大。当导通选择晶体管STr时，由放大晶体管ATr放大的电压信号被输出到输出信号线OSL。据此，可以从像素中取出对应于入射光的电压信号。通过导通重置晶体管RTr，光电二极管PD中累积的电荷不被取出至输出信号线OSL，而被取出至电源电势侧以执行重置操作。
<改善的调查>
发明人等人从提高图像传感器(固态成像器件)的性能的观点出发，进一步进行了研究。例如，作为降低图像传感器的性能的因素，存在被称为“随机噪声”并且被称为“暗电流”的噪声。当这些噪声变大时，图像传感器的性能劣化。因此，为了提高图像传感器的性能，有必要尽可能地降低噪声。
具体而言，例如如图8所示，从放大晶体管ATr产生“随机噪声”。“随机噪声”是通过由放大器晶体管ATr中的放大差异引起的，这意味着具有相同电平的信号成为具有各种强度的信号，从而导致图像闪烁。“随机噪声”成为图像闪烁的主要原因。这种“随机噪声”与像素中包括的被称为放大器晶体管ATr的n沟道型场效应晶体管中产生的1/f噪声(闪烁噪声)具有强相关性。因此，为了减少“随机噪声”，减小放大器晶体管ATr中产生的1/f噪声是重要的。
另一方面，发明人等人关注“暗电流”而不是上述“随机噪声”，作为图像传感器中产生的噪声。“随机噪声”是图像闪烁的主要原因，而“暗电流”是图像传感器中S/N比率劣化的主要原因。具体而言，当“暗电流”变大时，暗模式下图像的黑电平减小。这意味着当“暗电流”变大时，图像传感器的灵敏度劣化。因此，为了提高图像传感器的灵敏度，降低由“暗电流”引起的噪声是重要的。
发明人等人发现“暗电流”是由图8所示的传输晶体管Q引起的。简言之，上述“随机噪声”是由图8所示的放大器晶体管ATr引起的，而发明人等人注意到的“暗电流”是由图8所示的传输晶体管Q引起的。
<<“暗电流”的发生机制>>
在下文中，将描述由图8所示的传输晶体管Q引起的“暗电流”的发生机制。图9是以放大方式示出传输晶体管Q的一部分的示意图。如图9所示，形成光电转换单元的一部分的n型阱NWL用作传输晶体管Q的源极区域，延伸区域EX形成在距离源极区域一定距离处，并且n+型半导体区域NR被形成为容纳在延伸区域EX中。延伸区域EX和n+型半导体区域NR形成漏极区域。
接下来，在图9中，被源极区域(n型阱NWL)和漏极区域(延伸区域EX和n+型半导体区域NR)夹住的区域是沟道区域，栅极绝缘膜GOX形成在沟道区域上。栅极电极GE形成在栅极绝缘膜GOX上，并且侧壁间隔物SW形成在栅极电极GE的两个横向侧上。据此，形成传输晶体管Q。
这里，例如，栅极绝缘膜GOX由氧化硅膜形成并且沟道区域由硅形成；因此，在栅极绝缘膜GOX和沟道区域之间的界面中存在硅的悬键。然后，在栅极绝缘膜GOX和沟道区域之间的界面中形成由悬键引起的界面能级。特别地，在图9中，界面能级的存在示意性地表示为“×”。这些界面能级不仅存在于栅极绝缘膜GOX与沟道区域之间的界面中，而且还存在于延伸区域EX与栅极绝缘膜GOX之间的界面中、在延伸区域EX与侧壁间隔物SW之间的界面中以及在n+型半导体区域NR的表面上。
界面能级具有硅(半导体)的价带和导带之间的能量。换句话说，界面能级存在于价带和导带之间的带隙内。结果，在没有界面能级的情况下，除非给出大于带隙的能量，否则存在于价带中的电子不能移动到导带。在没有界面能级的情况下，除非照射具有带隙以上的能量的光，否则存在于价带中的电子不能被激发在导带中。换句话说，在没有能量大于带隙的光照射的情况下，电子从价带移动到导带的可能性非常低。这意味着，当没有界面能级并且没有能量大于带隙的光的照射时，作为在导带中流动的电子流的暗电流非常小。然而，实际上，例如在栅极绝缘膜GOX和沟道区域之间的界面中存在界面能级。在这种情况下，例如，即使没有具有大于带隙能量的光照射时，热激发(晶格振动的能量)也会产生将电子从价带移动到界面能级、然后从界面能级移动到导带的过程。这意味着，在没有具有大于带隙的能量的光照射的暗模式中，电子通过界面能级从价带移动到导带的概率也增加，因此增加移动到导带的电子与价带的空穴的重新耦合。这意味着通过移动到导带的电子与价带的空穴的重新耦合增加了“暗电流”。据此，界面能级的存在导致“暗电流”的增加。特别是，由于在传输晶体管Q中产生的“暗电流”造成的暗模式下图像的黑电平劣化，所以图像传感器的S/N比率变小。简而言之，在传输晶体管Q中产生的“暗电流”成为导致图像传感器的灵敏度劣化的主要原因。
然后，考虑到上述“暗电流”的发生机制，本实施例提供了减少传输晶体管Q中产生的“暗电流”的构思。以下，将描述实施例中的技术构思。
<实施例中的基本构思>
本实施例的基本构思是将作为界面能级出现原因的硅的悬键与氟(F)耦合，以便减小例如在图9所示的传输晶体管Q中的由“×”表示的界面能级。由于减少了作为界面能级出现原因的硅的悬键，所以可以减少界面能级。因此，根据本实施例的基本构思，在传输晶体管Q中，可以减少由界面能级引起的“暗电流”的发生，因此提高图像传感器的性能。换句话说，即使当没有具有能量大于带隙的光的照射，但是当存在界面能级时，电子通过小于带隙的热能(晶格振动的能量)从价带被激发到导带，穿过界面能级，然后激发的电子与价带的空穴重新耦合，这是“暗电流”的流动的机制。考虑到这种机制，本实施例中的基本构思注意抑制其本身作为“暗电流”的发生原因的界面能级的出现。考虑到界面能级由硅的悬键引起，本实施例中的基本构思是将悬键与氟耦合。根据实施例的基本构思，在传输晶体管Q中，由于减少了作为界面能级的发生原因的硅的悬键，所以也可以降低由悬键引起的界面能级。据此，实施例中的基本构思可以抑制由界面能级引起的“暗电流”的发生。
<图像传感器的制造方法>
接着，将参照附图描述实现上述基本构思的图像传感器的制造方法。
如图10所示，制备由硅单晶制成的半导体衬底1S，其中引入有诸如硼(B)的p型掺杂剂(受主)。这里，半导体衬底1S处于具有大致盘状的半导体晶片的状态。半导体衬底1S不仅可以是p型衬底还可以是n型衬底，其中引入有诸如磷(P)的n型掺杂剂(施主)。
用于隔离元件的元件隔离区域STI形成在半导体衬底1S的主表面(顶表面)上。元件隔离区域STI被提供以避免元件的相互干扰。元件隔离区域STI可以例如根据硅(LOCOS)局部氧化方法或浅沟槽隔离(STI)方法来形成。例如，根据STI方法，如下形成元件隔离区域STI。根据光刻和刻蚀在半导体衬底1S上形成元件隔离沟槽。然后，在半导体衬底上形成氧化硅膜以嵌入到元件隔离沟槽中，此后，根据化学机械抛光(CMP)，在半导体衬底上形成的不需要的氧化硅膜被消除。据此，能够形成氧化硅膜仅嵌入在元件隔离沟槽内的元件隔离区域STI。
接着，如图11所示，根据光刻和离子注入，通过将诸如硼(B)的p型掺杂剂引入到半导体衬底1S中来形成p型阱PWL。然后，如图12所示，例如根据热氧化方法，在p型阱PWL的表面上形成由氧化硅膜制成的栅极绝缘膜GOX。这里，栅极绝缘膜不限于氧化硅膜，而是可以由具有比氧化硅膜更高的介电常数的高介电常数膜形成。例如，栅极绝缘膜可以由具有向氧化铪引入的氧化镧的铪基绝缘膜形成。在栅极绝缘膜GOX上形成由例如多晶硅膜制成的导体膜PF。
然后，如图13所示，根据光刻和刻蚀对导体膜PF进行图案化，以形成传输晶体管的栅极电极GE。
如图14所示，根据光刻和离子注入，将诸如磷(P)或砷(As)的n型掺杂剂(施主)引入到半导体衬底1S中。据此，可以形成容纳在p型阱PWL中的n型阱NWL。上述p型阱PWL和n型阱NWL形成光电二极管(光电转换单元)。在平面图中，n型阱NWL的一部分以与传输晶体管的栅极电极GE重叠的方式形成。n型阱NWL的一部分与传输晶体管的栅极电极GE重叠的原因是因为n型阱NWL也用作传输晶体管的源极区域以便使传输晶体管能够操作。之后，根据光刻和离子注入，将诸如硼(B)的p型掺杂剂引入到n型阱NWL的表面中。据此，可以在n型阱NWL的表面上形成p+型半导体区域PR。在图14中，栅极电极GE和p+型半导体区域PR被示出为相距一定距离；然而，它们不限于此，而是p+型半导体区域PR可以被形成为与栅极电极GE接触。
本实施例中的图像传感器的制造方法以图像传感器按照栅极绝缘膜GOX→栅极电极GE→n型阱NWL→p+型半导体区域PR的顺序形成的例子进行描述。然而，该方法不限于此，也可以按照n型阱NWL→p+型半导体区域PR→栅极绝缘膜GOX→栅极电极GE的顺序来形成。
如图15所示，根据光刻和离子注入形成对应于栅极电极GE的延伸区域EX。然后，如图16所示，例如，在覆盖传输晶体管的栅极电极GE的半导体衬底1S上形成由氧化硅膜制成的绝缘膜，并且在该绝缘膜上执行各向异性刻蚀。据此，侧壁间隔物SW可以形成在传输晶体管的栅极电极GE的两个侧壁上。这里，使用掩模进行刻蚀以使绝缘膜也留在形成有光电转换单元的区域中。
如图17所示，例如根据CVD方法在半导体衬底1S上形成氮氧化硅膜，并且根据光刻和刻蚀将氮氧化硅膜图案化。据此，可以形成由氮氧化硅膜制成的抗反射膜ARF。
如图18所示，在将抗蚀剂膜RF涂覆到半导体衬底1S上之后，对抗蚀剂膜RF执行曝光和显影处理。据此，抗蚀剂膜RF可以被图案化。抗蚀剂膜RF被图案化以形成图18所示的开口部分OP。具体而言，对抗蚀剂膜RF进行图案化，以使栅极电极GE在栅极长度方向的一半(右半部分)露出，并露出由侧壁间隔物SW和元件隔离区域STI夹住的延伸区域EX的一部分。之后，如图18所示，根据以图案化的抗蚀剂膜RF作为掩模的离子注入，将诸如磷(P)或砷(As)的n型掺杂剂引入到半导体衬底1S中。由此，能够形成与侧壁间隔物SW相对应且容纳在延伸区域EX中的n+型半导体区域NR。
如图19所示，根据使用形成有开口部分OP的抗蚀剂膜RF的掩模的离子注入，将氟注入到从开口部分OP露出的栅极电极GE、从开口部分OP露出的侧壁间隔物SW以及n+型半导体区域NR。氟的注入条件例如是10keV的注入能量和1×1015/cm2的剂量。根据该实施例，可以将氟注入到传输晶体管的栅极电极GE的部分、右侧的侧壁间隔物SW以及n+型半导体区域NR。
在由此引入氟之后，对半导体衬底1S执行在1000℃的热处理。这激活了引入的掺杂剂。在该热处理中，注入到栅极电极GE、侧壁间隔物SW和n+型半导体区域NR中的氟扩散并且到达与栅极绝缘膜GOX的界面和半导体衬底1S的表面。根据该实施例，用于激活被引入到传输晶体管的源极区域和漏极区域的导电型掺杂剂的热处理还用作用于将注入到栅极电极GE、侧壁间隔物SW和n+型半导体区域NR中的氟扩散到与栅极绝缘膜GOX的界面和半导体衬底1S的表面的热处理。结果，根据本实施例中的上述热处理，氟可以耦合到存在于硅(沟道区域)和栅极绝缘膜GOX之间的悬键、存在于侧壁间隔物SW和延伸区域EX之间的悬键以及存在于n+型半导体区域NR的表面的悬键。简而言之，根据实施例，可以减少传输晶体管中存在的悬键。结果，可以降低传输晶体管的界面能级，并且最终还是可以减小图像传感器的“暗电流”。
如上所述，可以制造本实施例中的光电转换单元(光电二极管)和传输晶体管。之后，如图7所示，形成层间绝缘膜IL1以覆盖半导体衬底1S。层间绝缘膜IL1根据例如等离子体CVD方法、例如由以TEOS为原材料的氧化硅膜形成。
在根据实施例的图像传感器的制造方法中，在形成n+型半导体区域NR的工艺和引入氟的工艺之前的步骤中形成抗反射膜ARF；然而，其不限于此，也可以在上述工艺之后形成抗反射膜ARF。
然后，根据光刻和干法刻蚀，在层间绝缘膜IL1中形成接触孔。在包括接触孔的底表面和内壁的层间绝缘膜IL1上形成钛/氮化钛膜。钛/氮化钛膜由包括钛膜和氮化钛膜的膜堆叠形成，并且可以例如根据溅射方法来形成。例如，钛/氮化钛膜具有例如避免后来工艺中嵌入的材料钨扩散到硅中的所谓的阻挡特性。然后，在半导体衬底1S的整个主表面上形成钨膜以填充接触孔。该钨膜例如可以根据CVD方法形成。例如，根据CMP方法，将不需要的形成在层间绝缘膜IL1上的钛/氮化钛膜和钨膜去除，因此形成插塞PLG。
例如，如图7所示，层间绝缘膜IL2形成在形成有插塞PLG的层间绝缘膜IL1上。根据光刻和刻蚀，在层间绝缘膜IL2中形成沟槽。之后，在包括沟槽内部的层间绝缘膜IL2上形成钽/氮化钽膜。钽/氮化钽膜可以例如根据溅射方法形成。例如，根据溅射方法在钽/氮化钽膜上形成由薄铜膜制成的种子膜后，根据以种子膜作为电极的电解电镀在具有沟槽的层间绝缘膜IL2上形成铜膜。然后，例如根据CMP方法抛光和去除沟槽内部以外的层间绝缘膜IL2上露出的铜膜，从而使铜膜仅留在层间绝缘膜IL2中形成的沟槽的内部。由此，可以形成布线L1。在下文中，类似地，将布线L2形成在层间绝缘膜IL3中，并且将布线L3形成在层间绝缘膜IL4中。此外，可以在布线L3的上层上形成布线；然而，这里省略其描述。
尽管已经以形成由铜膜制成的布线L1为例描述了实施例，但布线L1可以由例如铝膜形成。
在这种情况下，在层间绝缘膜IL1和插塞PLG上依次形成钛/氮化钛膜、铝膜和钛/氮化钛膜。例如，根据溅射方法形成这些膜。接着，根据光刻和刻蚀对这些膜进行图案化，以形成布线L1。据此，可以形成由铝膜制成的布线L1。
此外，如图7所示，滤色器CF在平面图中以与光电二极管重叠的方式附接到最上层的层间绝缘膜IL4，并且最后，将微透镜OL布置在滤色器CF上。如上所述，可以在实施例中制造图像传感器。
实施例中的图像传感器的制造方法总结如下。实施例中的图像传感器的制造方法包括：(a)形成传输晶体管Q的栅极电极GE的工艺(参见图13)；(b)使用栅极电极GE的部分打开的掩模向栅极电极GE的该部分引入氟的工艺(参照图19)；(c)在工艺(b)之后，对半导体衬底1S执行热处理的工艺。该制造方法还包括：(d)在工艺(a)之后且在工艺(b)之前，形成传输晶体管Q的漏极区域的工艺(参照图18)。在工艺(b)中，使用用于覆盖n型阱NWL且将漏极区域和栅极电极GE的上述部分打开的掩模，将氟引入到漏极区域和栅极电极GE的该部分中。特别地，在工艺(b)中，根据离子注入将氟引入栅极电极GE。优选的是，离子注入中的氟的注入能量小于氟穿透栅极电极GE所需的能量。
在工艺(d)中，使用漏极区域形成掩模，将导电型掺杂剂引入半导体衬底1S，以形成漏极区域(参照图18)。特别是在本实施例的图像传感器的制造方法中，工艺(b)中使用的掩模是漏极区域形成掩模(参照图18和图19)。
此外，在工艺(c)中进行的热处理是用于激活引入半导体衬底1S的导电型掺杂剂的激活退火。
<实施例中的特征>
接下来，将描述实施例中的特征点。本实施例中的第一特征点在于，如图18所示，在形成作为传输晶体管的漏极区域的一部分的n+型半导体区域NR之后，将氟引入到栅极电极GE的一部分、侧壁间隔层SW和n+型半导体区域NR，如图19所示，并且此后对半导体衬底1S执行热处理。因此，根据实施例，可以使氟与在硅(沟道区域)和栅极绝缘膜GOX之间存在的悬键、存在于侧壁间隔物SW与延伸区域EX之间的悬键、存在于n+型半导体区域NR的表面上的悬键耦合。简而言之，根据图19所示的工艺，氟可以被引入到传输晶体管的栅极电极GE、侧壁间隔物SW和n+型半导体区域NR。然后，根据上述工艺之后的热处理，引入到栅极电极GE、侧壁间隔物SW和n+型半导体区域NR的氟被热扩散。据此，氟可以与存在于硅(沟道区域)和栅极绝缘膜GOX之间的悬键、存在于侧壁间隔物SW和延伸区域EX之间的悬键以及存在于n+型半导体区域NR的表面上的悬键耦合。简而言之，根据本实施例中的第一特征点，可以减少传输晶体管中存在的悬键。此外，根据本实施例中的第一特征点，可以降低传输晶体管中的界面能级并且最终减小图像传感器中的“暗电流”。
实施例的第二特征点在于，使用由抗蚀剂膜RF制成的经图案化的掩模，以便引入氟，例如如图19所示。根据实施例的第二特征点，可以抑制氟进入形成光电转换单元(光电二极管)的部分的n型阱NWL，例如如图19所示。换句话说，根据实施例，由于形成光电转换单元的部分的n型阱NWL被由抗蚀剂膜RF制成的经图案化的掩模覆盖，所以氟被抑制进入n型阱NWL。
具体而言，当根据离子注入将氟引入到n型阱NWL中时，所引入的氟在n型阱NWL内产生缺陷能级。当产生缺陷能级时，泄漏电流通过光电转换单元中的缺陷能级而增加，这可能导致暗电流或暗模式中的白斑缺陷的增加。此外，尽管使用离子注入来引入氟，但可能由包含在包括氟的离子束中的污染物(污染)引起不良影响。包含氟的离子束包括例如以钨(W)为代表的污染物，并且以钨(W)为代表的金属原子进入n型阱NWL的混合物可能导致图像传感器的暗电流或暗模式中的白斑缺陷的增加。当由于氟本身和作为污染物的金属原子引入到n型阱NWL而引起缺陷能级产生时，泄漏电流通过光电转换单元中的缺陷能级而增加，并且所增加的泄漏电流被认为导致暗电流或暗模式中的白斑缺陷的增加。
因此，氟的引入对于减少存在于硅(沟道区域)与栅极绝缘膜GOX之间的悬键、存在于侧壁间隔物SW与延伸区域EX之间的悬键、存在于n+型半导体区域NR的表面上的悬键是有效的。在另一方面，氟到形成光电转换单元的一部分的n型阱NWL的引入导致缺陷能级，并且因此应被避免。在实施例中，使用覆盖形成光电转换单元的一部分的n型阱NWL的掩模进行氟的离子注入。据此，实施例可以在抑制向n型阱NWL引入氟的同时将氟引入到传输晶体管的栅极电极GE、侧壁间隔物SW和n+型半导体区域NR。具体而言，在执行实施例的第一特征点时，采用第二特征点来抑制在n型阱NWL中的缺陷能级的出现，以及降低硅(沟道区域)与栅极绝缘膜GOX之间的界面能级、侧壁间隔物SW与延伸区域EX之间的界面能级以及n+型半导体区域NR的表面上的界面能级。结果，根据实施例的图像传感器可以有效地减少“暗电流”。
特别是，实施例抑制了向n型阱NWL引入氟。具体而言，如图19所示，不露出整个栅极电极GE，而是使用具有开口部分的掩模(经图案化的抗蚀剂膜RF)，该开口部分用于露出在其处形成的栅极电极GE的一部分(例如一半)。这是因为防止由于掩模的位置偏差(形成偏差)而导致无意地将氟引入到n型阱NWL中。当使用打开整个栅极电极GE的掩模时，担心即使在掩模的小位置偏差的情况下也可能将氟引入到n型阱NWL中。相反，如图19所示，当使用露出栅极电极GE的一部分而覆盖栅极电极GE的其它部分的掩模时，即使在掩模中发生位置偏差(形成偏差)也可以避免n型阱NWL从开口部分OP露出；因此可以有效地抑制氟向n型阱NWL的无意引入。根据实施例，即使当在实际制造工艺中发生掩模的位置偏差时，也可以充分确保位置偏差的余量，从而能够确实地避免氟向n型阱NWL的无意引入。
在实施例中，也可以通过第一特征点抑制氟向n型阱NWL的无意引入，使得在形成构成传输晶体管的漏极区域的一部分的n+型半导体区域NR之后，氟被引入到栅极电极GE的一部分、侧壁间隔物SW和n+型半导体区域NR。这是因为，在采用第一特征点时，例如，如图19所示，在平面图中与n型阱NWL的重叠区域中已经形成抗反射膜ARF，并且抗蚀剂膜RF形成在抗反射膜ARF上。换句话说，在实施例中，在引入氟时，不仅抗蚀剂膜RF而且抗反射膜ARF也形成在n型阱NWL上，并且氟很难穿透。在实施例中，氟必须不仅穿透抗蚀剂膜RF而且穿透抗反射膜ARF以到达n型阱NWL；结果，尽可能地抑制了氟向n型阱NWL的引入。即使当在掩模中出现大的位置偏差时，抗反射膜ARF也可以抑制n型阱NWL露出，从而确实地抑制氟向n型阱NWL的引入。
如上所述，根据实施例中的第一特征点和第二特征点，通过上述对掩模的位置偏差的改进，可以有效地减小图像传感器中不可避免存在的“暗电流”。
接下来，作为本实施例中的第三特征点，例如，如图18和图19所示，使用用于形成n+型半导体区域NR的掩模来引入氟，n+型半导体区域NR形成传输晶体管的漏极区域的一部分。据此，在不需要添加仅用于引入氟的掩模的情况下，可以降低沟道区域和栅极绝缘膜GOX之间的界面能级、侧壁间隔物SW和延伸区域EX之间的界面能级以及n+型半导体区域NR的表面上的界面能级，同时抑制在n型阱NWL中的缺陷能级的出现。结果，实施例可以有效地减小图像传感器中不可避免存在的“暗电流”，同时抑制制造成本的增加。
实施例中的技术构思不限于使用用于形成n+型半导体区域NR的掩模来引入氟的结构，而是也可以采用例如添加仅用于引入氟的掩模的结构。同样在这种情况下，可以有效地降低图像传感器中不可避免地存在的“暗电流”。
作为其他构成元件，形成了具有图8所示构成元件的半导体芯片包括用于实现与外部信号交换的输入/输出电路(I/O电路)。输入/输出电路是由场效应晶体管形成的，并且可以在同一离子注入工艺中形成传输晶体管的漏极区域和形成输入/输出电路的场效应晶体管的漏极区域。在这种情况下，作为用于离子注入的掩模，使用使传输晶体管和场效应晶体管的漏极区域都打开的掩模。因此，在形成漏极区域之后，使用该掩模不可能仅向传输晶体管引入氟。当在同一离子注入工艺中形成传输晶体管的漏极区域和形成输入/输出电路的场效应晶体管的漏极区域时，需要专用于仅将氟引入传输晶体管的掩模。
在特殊情况下，传输晶体管的漏极区域和形成输入/输出电路的场效应晶体管的漏极区域在各自的离子注入工艺中分别形成。具体而言，使得传输晶体管的漏极区域中的掺杂浓度小于形成输入/输出电路的场效应晶体管的漏极区域中的掺杂浓度。因为传输晶体管Q的漏极区域(浮动扩散区域)电耦合到放大器晶体管ATr的栅极电极，例如如图8所示。当导通传输晶体管Q时，电荷从光电转换单元流向传输晶体管Q的漏极区域，并且基于电荷的电势被施加到放大器晶体管ATr的栅极。因此，从提高图像传感器的灵敏度的观点出发，期望即使较小的电荷也增加施加到放大器晶体管ATr的栅极的电势(栅极电压)。因为例如在电荷量“10”时将阈值电压施加到放大器晶体管A Tr的栅极电极的情况下，灵敏度将比电荷量“100”时施加阈值电压的情况提高10倍。
根据电荷量＝静电容量(C)×电压(V)的关系，发现静电容量(C)应当优选尽可能小以在相同的电荷量的情况下尽可能多地增加电压(这里，施加到放大器晶体管ATr的栅极电极的栅极电压)。由于静电电容主要是传输晶体管Q的漏极区域中的结电容，所以减小传输晶体管的漏极区域中的掺杂浓度以便降低结电容。换句话说，当传输晶体管Q的漏极区域中的掺杂浓度降低时，由于增加了pn结中的耗尽层的宽度，所以结电容降低。如上所述，从提高图像传感器的灵敏度的观点出发，传输晶体管Q的漏极区域中的掺杂浓度比形成输入/输出电路的场效应晶体管的漏极区域中的掺杂浓度小。在这种情况下，仅用于形成传输晶体管Q的漏极区域的掩模具有仅与传输晶体管的漏极区域对应的开口部分。在形成传输晶体管的漏极区域(n+型半导体区域NR)之后，该掩模被照原样使用，从而执行将氟引入传输晶体管的引入工艺。在传输晶体管Q的漏极区域的掺杂浓度被制成比形成输入/输出电路的场效应晶体管的漏极区域小时，从改善图像传感器的灵敏度的观点出发，可以通过使用用于形成n+型半导体区域NR的掩模仅将氟引入到传输晶体管Q，n+型半导体区域NR形成传输晶体管Q的漏极区域的一部分。
<相对于现有技术的优点>
接下来，将描述根据实施例中的技术构思的相对于现有技术的优点。
例如，如图12所示，在形成多晶硅膜PF之后，可以考虑诸如通过使用离子注入来将氟引入到多晶硅膜PF的现有技术。在这种情况下，如图13所示，将引入氟的多晶硅膜PF图案化，以形成引入氟的栅极电极GE。在形成栅极电极GE之后，对半导体衬底1S进行热处理，使得引入到栅极电极GE的氟可以扩散到栅极电极GE和栅极绝缘膜GOX之间的界面。结果，氟可以与存在于栅极电极GE和栅极绝缘膜GOX之间的界面中的悬键耦合，从而减少由悬键引起的界面能级的发生。因此，同样在现有技术中，认为可以抑制由界面能级导致的“暗电流”的增加。
然而，实施例中的技术构思与上述现有技术相比具有优点，这将在下文中进行描述。首先，在现有技术中，氟被引入到图12所示的多晶硅膜PF的整个表面。在这种情况下，例如，氟也被引入到其中形成有光电转换单元的半导体衬底1S中。氟的注入在光电转换单元中产生缺陷能级。结果，在现有技术中，尽管可以通过将氟与存在于传输晶体管中的悬键耦合来减少由悬键引起的界面能级，但是在光电转换单元中产生缺陷能级，这增加了通过缺陷能级的泄漏电流，导致增加暗电流或暗模式中的白斑缺陷。在现有技术中，难以在抑制缺陷能级的发生的同时减少界面能级，并且难以在图像传感器中有效地减小“暗电流”。
在现有技术中，认为以不穿透多晶硅膜PF的注入能量引入氟。在这种情况下，氟很少穿透多晶硅膜PF，并且不可能被引入到被多晶硅膜PF覆盖的光电转换单元。然而，在将氟引入多晶硅膜PF之后，执行热处理以扩散氟。这里，引入多晶硅膜PF的氟变得容易到达被多晶硅膜PF覆盖的光电转换单元。此外，在氟的离子注入中，引入诸如钨的金属原子作为污染物。结果，在现有技术中，即使以不穿透多晶硅膜PF的注入能量引入氟，在光电转换单元中也容易出现缺陷能级。在现有技术中，光电转换单元中出现的缺陷能级增加了通过缺陷能级的泄漏电流，这使得难以有效地抑制暗电流或暗模式中的白斑缺陷的增加。
相反，根据实施例中的技术构思，使用用于覆盖光电转换单元的掩模并将氟引入到传输晶体管。结果，根据实施例，氟可以被引入到传输晶体管的栅极电极GE、侧壁间隔物SW和n+型半导体区域NR，同时抑制其被引入到n型阱NWL。换句话说，根据实施例中的技术构思，可以在抑制n型阱NWL中出现缺陷能级的同时减少传输晶体管中的界面能级。简而言之，实施例中的图像传感器可以有效地减小“暗电流”。诸如使用用于覆盖光电转换单元的掩模将氟引入到传输晶体管的技术构思对于减少由悬键造成的界面能级以及抑制光电转换单元中的缺陷能级的出现是有效的。实施例的技术构思中的这个重要点与现有技术相比具有优势。
在现有技术中，由于在形成多晶硅膜PF之后引入氟，所以在引入氟之后执行许多热工艺。具体而言，例如图14中对引入到n型阱NWL中的n型掺杂剂的激活工艺、对引入到p+型半导体区域PR中的p型掺杂剂的激活工艺、形成图16中所示的侧壁间隔物SW的工艺、图17中形成抗反射膜ARF的工艺以及引入到n+型半导体区域NR中的n型掺杂剂的激活工艺。由于将氟引入到多晶硅膜PF之后执行多次热工艺，在现有技术中，氟容易扩散到除了多晶硅膜PF和栅极绝缘膜GOX之间的界面以外的其它位置。这意味着降低将氟耦合到存在于多晶硅膜PF和栅极绝缘膜GOX之间的界面中的悬键的可能性。在现有技术中，在引入氟之后，存在许多热工艺，因此，氟的热扩散发生得比所需的更多，并且减少了要与悬键耦合的氟。结果，在现有技术中，由氟与悬键耦合而引起的界面能级的降低效果被减弱。此外，在现有技术中，由于在引入氟之后存在超过需要的热工艺，因此氟到达光电转换单元的可能性增加，并且据此，还可能会不利地增加在光电转换单元中的缺陷能级的出现。简而言之，在现有技术中，由于在引入氟之后存在许多热工艺，所以与悬键耦合的氟减少并且氟容易扩散到光电转换单元。因此，在现有技术中，即使引入氟，也很难减小由界面能级和缺陷能级引起的“暗电流”。
相反，根据本实施例中的技术构思，在形成构成传输晶体管的漏极区域的一部分的n+型半导体区域NR之后，将氟引入传输晶体管，然后对半导体衬底1S执行热处理。根据实施例，与现有技术相比，可以减少在氟的引入之后执行的热工艺。这意味着减少向外扩散而不与悬键耦合的氟并有效地抑制向光电转换单元的氟扩散。简而言之，实施例中的技术构思可以减少“暗电流”，这归功于降低的界面能级和减少的缺陷能级的发生。如上所述，诸如在形成构成传输晶体管的漏极区域的一部分的n+型半导体区域NR之后、引入氟到栅极电极GE的一部分、侧壁间隔物SW和n+型半导体区域NR的技术构思，对于由悬键引起的界面能级的减少和抑制光电转换单元中缺陷能级的发生都是有意义的。实施例的技术构思中的这个重要点与现有技术相比具有优势。
此外，在现有技术中，氟没有被引入到传输晶体管的漏极区域。因此，现有技术没有降低漏极区域中的界面能级的效果。此外，现有技术没有针对由图案化栅极电极GE时的刻蚀损伤引起生成的界面能级的对策，并且在通过降低界面能级来降低“暗电流”的方面不太有效。
相反，根据实施例中的技术构思，在形成构成传输晶体管的漏极区域的一部分的n+型半导体区域NR之后，将氟引入传输晶体管，然后对半导体衬底1S执行热处理。因此，氟不仅被引入到传输晶体管的栅极电极，而且也被引入到漏极区域。结果，实施例中的技术构思可以减少沟道区域与栅极绝缘膜GOX之间的界面能级、侧壁间隔物SW与延伸区域EX之间的界面能级以及n+型半导体区域NR的表面上的界面能级。上述构思可以在传输晶体管的整个较宽范围上减少界面能级，并且因此对于通过减小传输晶体管中存在的界面能级来减小“暗电流”而言是非常重要的。实施例的技术构思中的这个重要点与现有技术相比具有优势。
这里，图案化栅极电极GE时的刻蚀损伤不仅在半导体衬底1S的漏极区域侧的表面上，而且还被添加到半导体衬底1S的光电转换单元侧的表面上。根据在形成p+型半导体区域PR的后续工艺中执行的离子注入，可以解决添加到半导体衬底1S的光电转换单元侧的表面上的刻蚀损伤。在形成侧壁间隔物SW的工艺中，半导体衬底1S的光电转换单元侧的表面未被刻蚀；因此，在半导体衬底1S的光电转换单元侧的表面上不会发生刻蚀损伤。因此，重要的是应对由在半导体衬底1S的漏极区域侧的表面上增加的刻蚀损伤引起的界面能级。
关于这一点，根据实施例中的技术构思，氟不仅被引入到传输晶体管的栅极电极，而且还被引入到其漏极区域。结果，根据同一技术构思，针对由于添加到半导体衬底1S的漏极区域侧的表面上的刻蚀损伤而产生的界面能级，完全采取对策。本实施例中的技术构思相对于没有针对上述产生的界面能级的对策的现有技术而言具有很大的优势。
<实施例中的氟引入技术的可用性>
将继续描述本实施例中的氟引入技术的可用性。例如，在图9中，传输晶体管Q使用形成光电转换单元的一部分的n型阱NWL作为源极区域。如图9所示，传输晶体管Q的n型阱NWL和栅极电极GE在横截面图中具有重叠区域。这里，发明人等人已经发现，在传输晶体管Q中形成的界面能级中，特别是存在于栅极绝缘膜GOX和沟道区域之间的界面中的界面能级成为增加“暗电流”的主要原因。具体地，在图9中，“暗电流”的量极大地取决于存在于n型阱NWL和栅极电极GE的重叠区域中的界面能级。基于所述发现，在图9中，随着表示上述重叠区域的宽度的“L”变大，“暗电流”更多地增加。从减小“暗电流”的观点来看，优选地表示上述重叠区域的宽度的“L”应该尽可能小。另一方面，当“L”变小时，导通传输晶体管Q时的电荷的传输效率劣化。从提高传输晶体管Q中的电荷的传输效率的观点，优选地，表示n型阱NWL和栅极电极GE的重叠区域的宽度的“L”应当被放大。关于上述“L”的调整，“暗电流”的减少和电荷传输效率的提高彼此处于权衡关系。通过调整上述“L”来减小“暗电流”的技术具有劣化电荷传输效率的副作用。
关于这一点，根据本实施例中的技术构思，氟被引入到传输晶体管Q中以耦合到悬键，从而抑制由界面能级引起的“暗电流”的增加。该技术构思不会使传输晶体管Q中电荷的传输效率劣化。换句话说，根据实施例中的技术构思，在不考虑“暗电流”的减小的情况下，从提高电荷的传输效率的观点，可以确定表示n型阱NWL和传输晶体管Q的栅极电极GE的重叠区域的宽度的“L”。因此，发现上述技术构思在降低“暗电流”而不使晶体管Q中电荷的传输效率劣化方面具有良好的可用性。简言之，实施例中的技术构思在减少“暗电流”和提高传输晶体管Q中的电荷的传输效率方面具有良好的可用性，这有助于图像传感器的灵敏度的提高。
<变形例子1>
已经通过在形成构成传输晶体管的漏极区域的一部分的n+型半导体区域NR之后向传输晶体管引入氟的例子描述了该实施例。但实施例中的技术构思不限于此，例如，可以在形成构成传输晶体管的漏极区域的一部分的延伸区域EX之后引入氟。同样在这种情况下，由于减少由悬键引起的界面能级，可以减小图像传感器的“暗电流”。
<变形例子2>
已经通过将氟引入传输晶体管的栅极电极和漏极区域二者的例子描述了实施例。然而，如上所述，基于“暗电流”的量很大程度上取决于存在于n型阱NWL和栅极电极GE的重叠区域中的界面能级的发现，所以如果仅仅至少引入氟到栅极电极，则可以减小图像传感器中的“暗电流”。
<在作为最终产品的图像传感器中的实施>
在实施例中，在将氟引入传输晶体管的栅极电极和漏极区域二者之后，对半导体衬底执行热处理。据此，由于减少了传输晶体管中的界面能级，本实施例可以获得减小由作为最终产品的图像传感器中的界面能级引起的“暗电流”的显著效果。因此，在作为实施例中的最终产品的图像传感器中，氟被引入到传输晶体管的栅极电极和漏极区域。这里，在传输晶体管中，氟存在于沟道区域和栅极绝缘膜之间的界面中。另一方面，在根据实施例的图像传感器中没有氟被引入到光电转换单元。
如上所述，实施例中的技术构思可以通过作为最终产品的图像传感器来实现，其中氟被引入到传输晶体管的栅极电极和漏极区域。在作为实现实施例中的技术构思的最终产品的图像传感器中，与传统图像传感器相比，通过减少“暗电流”可以更多地提高以灵敏度为代表的性能。
如上所述，尽管已经基于实施例具体地描述发明人等人所做的发明，但是本发明不限于实施例，而是不用说可以在不脱离其精神的情况下进行各种修改。

Claims (17)

1.一种固态成像器件，具有：
包括成像区域的半导体衬底，所述成像区域中形成有多个像素，
所述成像区域包括：
用于将入射光转换为电荷的光电转换单元，和
用于传输所述电荷的传输晶体管，
所述传输晶体管包括：
在所述半导体衬底内相互隔开距离而形成的源极区域和漏极区域，
夹在所述源极区域和所述漏极区域之间的沟道区域，
形成在所述沟道区域上的栅极绝缘膜，和
形成在所述栅极绝缘膜上的第一栅极电极，
其中氟被引入到所述第一栅极电极和所述漏极区域。
2.根据权利要求1所述的元件，
其中氟存在于所述沟道区域和所述栅极绝缘膜之间的界面中。
3.根据权利要求1所述的元件，
其中氟不被引入到所述光电转换单元。
4.根据权利要求1所述的元件，
其中所述光电转换单元包括与第一导电类型相反的第二导电类型的第二半导体区域，所述第二半导体区域在平面图中被容纳在所述第一导电类型的第一半导体区域中。
5.根据权利要求4所述的元件，
其中所述第二半导体区域是所述传输晶体管的所述源极区域。
6.根据权利要求5所述的元件，
其中所述第二半导体区域在平面图中与所述第一栅极电极具有重叠区域。
7.根据权利要求4所述的元件，
其中所述第一导电类型的第三半导体区域被形成在所述第二半导体区域的表面上，所述第三半导体区域具有比所述第一半导体区域高的掺杂浓度。
8.根据权利要求7所述的元件，
其中所述第三半导体区域与所述第一栅极电极相距一定距离。
9.根据权利要求1所述的元件，还包括：
用于基于所述电荷放大电信号的放大器晶体管，
其中所述传输晶体管的所述漏极区域电耦合到所述放大器晶体管的第二栅极电极。
10.根据权利要求1所述的元件，
其中所述半导体衬底是硅衬底，和
其中所述栅极绝缘膜是氧化硅膜。
11.一种制造固态成像器件的方法，所述固态成像器件具有：
包括成像区域的半导体衬底，所述成像区域中形成有多个像素，
所述成像区域包括：
用于将入射光转换为电荷的光电转换单元，和
用于传输所述电荷的传输晶体管，
所述传输晶体管包括：
在所述半导体衬底内相互隔开距离而形成的源极区域和漏极区域，
夹在所述源极区域和所述漏极区域之间的沟道区域，
形成在所述沟道区域上的栅极绝缘膜，和
形成在所述栅极绝缘膜上的第一栅极电极，
上述方法包括以下步骤：
(a)形成所述传输晶体管的所述第一栅极电极；
(b)使用针对所述第一栅极电极的部分被开孔的掩模，将氟引入所述第一栅极电极的所述部分；和
(c)在步骤(b)之后，对所述半导体衬底执行热处理。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
(d)在步骤(a)之后且在步骤(b)之前，形成所述传输晶体管的所述漏极区域，
其中在步骤(b)中，使用针对所述第一栅极电极的所述部分和所述漏极区域被开孔的掩模，将氟引入所述第一栅极电极的所述部分和所述漏极区域。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中在步骤(d)中，使用漏极区域形成掩模来将导电型掺杂剂引入所述半导体衬底，从而形成所述漏极区域。
14.根据权利要求13所述的方法，
其中在步骤(b)中使用的掩模是所述漏极区域形成掩模。
15.根据权利要求13所述的方法，
其中在步骤(c)中执行的所述热处理是用于激活被引入所述半导体衬底的所述导电型掺杂剂的激活退火。
16.根据权利要求11所述的方法，
其中所述光电转换单元包括与第一导电类型相反的第二导电类型的第二半导体区域，所述第二半导体区域在平面图中被容纳在所述第一导电类型的所述第一半导体区域中，并且
其中在步骤(b)中，使用所述掩模来覆盖所述第二半导体区域，将氟引入所述第一栅极电极的所述部分。
17.根据权利要求11所述的方法，
其中在步骤(b)中，根据离子注入将氟引入到所述第一栅极电极，并且
其中所述离子注入中的所述氟的注入能量小于所述氟穿透所述第一栅极电极所需的能量。
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