TW201909399A - 固體攝像元件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種固體攝像元件及其製造方法，追求固體攝像元件的性能改善。固體攝像元件，具備包含光電轉換部與轉移電晶體之畫素，將氟導入畫素所包含的轉移電晶體之閘極電極GE與汲極區(延伸區EX與n＋ 型半導體區NR)。

Description

固體攝像元件及其製造方法
本發明，例如係關於一種以CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體)影像感測器為代表之固體攝像元件及其製造技術。
於日本特開平4-167469號公報(專利文獻1)，記載一種將氟導入形成在半導體基板上之多結晶矽膜(多晶矽膜)全體的技術。 [習知技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開平4-167469號公報
[本發明所欲解決的問題]
固體攝像元件中，在光線未入射至固體攝像元件之狀態(黑暗時)，理想情況為電子未貯存在固體攝像元件的光電轉換部，影像呈漆黑。
然而，實際的固體攝像元件中，由於金屬汙染、晶體缺陷、閘極絕緣膜與矽基板之界面能態(Interface state)等，即便在光線未入射至固體攝像元件之狀態，電子仍貯存於固體攝像元件的光電轉換部。此一結果，在黑暗時，仍因貯存在固體攝像元件的光電轉換部之電子，產生微小的訊號，降低影像之黑階。引起此一現象之微小的訊號，稱作「暗電流」，為了改善固體攝像元件的性能，期望減少此「暗電流」。
其他目的與新特徵，應可自本說明書之記述內容及附圖明暸。 [解決問題之技術手段]
一實施形態之固體攝像元件，具備包含光電轉換部與轉移電晶體之畫素，對畫素所包含的轉移電晶體之閘極電極與汲極區導入氟。 [本發明之效果]
依一實施形態，則可追求固體攝像元件的性能改善。
以下實施形態中，雖為了方便在必要時分割為複數個部分或實施形態而予以說明，但除了特別指出之情況以外，其等並非彼此全無關聯，而係具有一方為另一方之部分或全部的變形例、細節、補充說明等關係。
此外，以下實施形態中，在提及要素的數目等(包括個數、數值、量、範圍等)之情況，除了特別指出之情況及原理上明顯限定為特定數目之情況等以外，並未限定於該特定的數目，可為特定的數目以上亦可為以下。
進一步，以下實施形態中，其構成要素(亦包含要素步驟等)，除了特別指出之情況及原理上明顯被視為必須之情況等以外，自然可說是並非為必要。
同樣地，以下實施形態中，在提及構成要素等之形狀、位置關係等時，除了特別指出之情況及原理上明顯被視為並非如此之情況等以外，包含實質上與該形狀等近似或類似者等。此一條件，對於上述數值及範圍亦相同。
此外，在用於說明實施形態的全部附圖中，對同一構件原則上給予同一符號，並省略其重複的說明。另，有即便為俯視圖仍為了容易觀看附圖而附加影線之情況。
＜影像感測器(固體攝像元件)之概略構成＞ 本實施形態中，參考附圖並對拍攝影像之影像感測器(固體攝像元件)予以說明。首先，茲就影像感測器之概略構成予以說明。影像感測器，係將輸入至影像感測器的光線轉換為電訊號之元件。圖1為，示意在影像感測器中將光線轉換為電訊號之樣子的圖。例如，如圖1所示，從對象物發出的光線往透鏡L入射而成像。於此透鏡L之成像位置配置影像感測器IS，將藉由透鏡L成像的影像往影像感測器IS照射。若光線照射影像感測器IS，則該光線轉換為電訊號。而後，藉由將從影像感測器IS輸出的電訊號予以訊號處理而生成影像。如此地，影像感測器IS，具有將入射的光線轉換為電訊號而輸出的功能。
若將影像感測器IS的光接收面RC放大，則得知在影像感測器IS的光接收面RC，配置微透鏡OL、彩色濾光片CF、及光電二極體PD。亦即，得知影像感測器IS，具備微透鏡OL、彩色濾光片CF、及光電二極體PD。以下，依序對於構成影像感測器IS之各個構成要素的功能予以說明。
＜微透鏡之構成及功能＞ 首先，茲就微透鏡OL予以說明。圖2為概略顯示未在影像感測器IS設置微透鏡OL的情況之構成的圖。如圖2所示，並未在影像感測器IS設置微透鏡OL的情況，入射至影像感測器IS的光線，不僅照射配置於影像感測器IS的光接收面之光電二極體PD，亦照射光電二極體PD的周邊區域。亦即，於影像感測器IS的光接收面，將複數光電二極體PD配置於陣列上，而各個光電二極體PD，係隔著一定的間隙配置。因此，入射至影像感測器IS的光線並未全部往光電二極體PD入射，而亦照射光電二極體PD間之間隙。
入射至光電二極體PD的光線，可轉換為電訊號，但入射至複數光電二極體PD間之間隙的光線，並未照射光電二極體PD，故無法轉換為電訊號。亦即，浪費入射至複數光電二極體PD間之間隙的光線。因此，得知宜構成為將入射至影像感測器IS的光線盡可能地轉換為電訊號，但在並未於影像感測器IS設置微透鏡OL的情況，未以影像感測器IS轉換為電訊號而浪費掉的光線變多。
作為解決此一問題之方法，考慮將光電二極體PD以無間隙的方式配置，但因需要設置用於轉移在各個光電二極體PD轉換出的電荷之掃描電路等，故在複數光電二極體PD間必須存在間隙。例如，將影像感測器IS以一個大的光電二極體PD形成之情況，雖可使光接收面之間隙消失，但此一情況無法獲得影像之解析度。因此，為了改善影像之解析度，需盡可能在光接收面配置大量彼此獨立之複數個小的光電二極體PD。此一情況，必須將來自各光電二極體PD的電荷獨立轉換為電訊號，必須設置一定間隔之間隙(絕緣區域)以使各個光電二極體PD電性獨立。因此，在各個光電二極體PD間產生一定間隙，故難以使光電二極體PD間之間隙完全消失。
因而，為了將入射至影像感測器IS的光線效率良好地轉換為電訊號，而將微透鏡OL設置於影像感測器IS。圖3為，顯示在光電二極體PD的前表面配置微透鏡OL之例子的示意圖。如圖3所示，與複數光電二極體PD分別對應而配置微透鏡OL。亦即，微透鏡OL，配置與光電二極體PD的數目為相同數的量。如圖3所示，入射至影像感測器IS的光線，往微透鏡OL入射。入射至微透鏡OL的光線，收斂而往光電二極體PD上照射。如此地，微透鏡OL，具有使入射至影像感測器IS的光線收斂而往光電二極體PD上照射之功能。亦即，未設置微透鏡OL的情況下未往光電二極體PD入射而對光電二極體PD間之間隙照射的光線，亦藉由設置微透鏡OL折射，往光電二極體PD入射。亦即，微透鏡OL，具有使入射光收斂而往光電二極體PD上照射的功能。因此，藉由在影像感測器IS設置微透鏡OL，而可將往光電二極體PD間之間隙照射的光線聚光在光電二極體PD上，故可將往影像感測器IS入射的光線效率良好地轉換為電訊號。
＜彩色濾光片之構成及功能＞ 而後，對彩色濾光片CF予以說明。首先，將光線轉換為電訊號之光電二極體PD，並未一併附有辨識色彩的功能，僅可區別光線之明暗。因此，僅以光電二極體PD，在影像感測器映出的影像全部呈黑白。因而，以能夠在影像感測器生成彩色影像的方式，於影像感測器IS設置彩色濾光片CF。人類的眼睛亦僅可感受到「紅」、「綠」、「藍」三原色，但藉由調整此等三原色的光量，而感受所有色彩。此一現象稱作「光的三原色之加色混合」。例如，若使「紅」與「綠」為相同光量，則成為「黃」。亦即，使「紅」與「綠」為相同光量，且無「藍」的光量之狀態下，成為「藍」的補色，即黃色。此外，若使「紅」、「綠」、「藍」為相同光量則成為白色。另一方面，在無「紅」、「綠」、「藍」之全部光量的情況，成為黑色。利用此一原理者係圖4所示之彩色濾光片CF。於圖4，顯示彩色濾光片CF的1種之原色濾光片。原色濾光片，係使用RGB(Red、Green、Blue)三原色之濾光片。藉由將此原色濾光片置於光電二極體PD前方，而可使其等成為與各個色彩對應的光電二極體PD。例如，將紅色濾光片置於前表面之光電二極體PD，成為紅色用的偵測光量之二極體；將綠色濾光片置於前表面之光電二極體PD，成為綠色用的偵測光量之二極體。進一步，將藍色濾光片置於前表面之光電二極體PD，成為藍色用的偵測光量之二極體。此外，因應紅色用之光電二極體PD的光量、綠色用之光電二極體PD的光量、及藍色用之光電二極體PD的光量，而可實現各種色彩。
另，構成彩色濾光片CF之紅色濾光片、綠色濾光片、藍色濾光片，並非單純地配置，而係以例如以圖4所示的貝爾(Bayer)配列為代表之基本圖案為單位而配列。亦即，彩色濾光片CF，藉由重複組合有紅色濾光片、綠色濾光片、藍色濾光片的基本圖案而構成。
此等使用RGB三原色之原色濾光片，影像的色彩再現性良好，但有影像感測器IS的敏感度不佳，在暗處的拍攝弱等副作用。因此，原色濾光片多使用在敏感度良好的大型影像感測器IS。
另一方面，彩色濾光片CF，除了使用RGB三原色之原色濾光片以外，亦有稱作補色濾光片的濾光片。補色濾光片，例如，如圖5所示，係以青(C)、洋紅(M)、黃(Y)再加上綠(G)此4種色彩構成。然則，使用補色濾光片的影像感測器，考慮實際上人看到所拍攝到的影像而必須從CMYG轉換為RGB，但在此一轉換時，有產生雜訊等問題。然則，補色濾光片，有敏感度較原色濾光片更好等優點，故多使用在大小(尺寸)小(換而言之，可說是敏感度低)的影像感測器IS。
＜光電二極體＞ 接著，對光電二極體PD之構成予以說明。光電二極體PD，具有作為若照射光線則產生電荷之光電轉換部的功能。具有此等功能之光電二極體PD，例如可由pn接合所產生的二極體構成。圖6為，顯示pn接合所產生的二極體之能帶構造的圖。如圖6所示，左側區域為p型半導體區，右側區域為n型半導體區。而p型半導體區與n型半導體區的邊界為中央區域，成為空乏層。如此地構成之pn接合所產生的二極體中，例如，若具有能帶間隙以上之能量的光線(hν)往空乏層入射，則空乏層吸收此光線。具體而言，存在於能帶之價帶的電子吸收光線，藉而此電子獲得能帶間隙以上之能量。而後，獲得能帶間隙以上之能量的電子，越過能帶間隙而往能帶之導帶移動。此一結果，產生移動至導帶的電子e、及因電子移動至導帶而在價帶生成之正電洞h所造成的正電洞電子對。而後，生成的電子e及正電洞h，藉由對光電二極體PD施加之反方向電壓VG而加速。亦即，通常，光電二極體PD中，對pn接合所產生的二極體施加反方向電壓VG而使用。反方向電壓VG，係對pn接合所產生之障壁變高的方向施加之電壓。具體而言，對n型半導體區施加正電壓，對p型半導體區施加負電壓。藉由如此地構成，例如，在空乏層產生的電子e與正電洞h，受到反方向電壓VG所造成之高電場而加速。此一結果，可使電子e與正電洞h再結合的比例減少，可確保足夠的電流。如同上述地，構成光電二極體PD。
＜光接收部的裝置構造＞ 而後，對影像感測器之光接收部的裝置構造予以說明。
影像感測器，具備具有形成有複數畫素之攝像區的半導體基板。此時，於攝像區，形成將入射光轉換為電荷之光電轉換部(光電二極體)、及轉移電荷之轉移電晶體。此外，轉移電晶體，具備於半導體基板內彼此分隔而形成之源極區及汲極區、源極區與汲極區所包夾之通道區、形成於通道區上之閘極絕緣膜、及形成於閘極絕緣膜上之第1閘極電極。
以下，對於具體的裝置構造予以說明。
圖7為，顯示光接收部的裝置構造之一例的剖面圖。圖7中，例如，配置由導入磷(P)或砷(As)等n型雜質(施體)的矽基板構成之半導體基板1S，於此半導體基板1S的表面(主面、元件形成面)形成元件隔離區STI。藉由此元件隔離區STI區隔主動區(活性區)，在區隔出的主動區形成光接收部。具體而言，於半導體基板1S，形成導入有硼(B)等p型雜質(受體)之p型井PWL；以包圍在此一p型井PWL內的方式，形成導入有磷(P)或砷(As)等n型雜質之n型井NWL。藉由此p型井PWL(p- 型半導體區)與n型井NWL(n- 型半導體區)，構成光電二極體(pn接合二極體)。此光電二極體，作為將入射光轉換為電荷之光電轉換部而作用，包含俯視時包圍在p型井PWL內之n型井NWL。
而後，於n型井NWL的表面之一部分，形成雜質濃度較p型井PWL更高之p＋ 型半導體區PR。p＋ 型半導體區PR，與閘極電極GE分隔。此p＋ 型半導體區PR，係以抑制依據在半導體基板1S的表面形成有多個之界面能態的電子產生為目的而形成之區域。亦即，半導體基板1S的表面區域中，由於界面能態之影響，即便為未照光的狀態仍產生電子，引起暗電流之增加。因此，藉由在使電子為多個載子之n型井NWL的表面，形成使正電洞為多個載子之p＋ 型半導體區PR，而抑制未照光的狀態下之電子的產生，抑制暗電流的增加。另，p＋ 型半導體區PR，亦可不與閘極電極GE分隔。
而後，以俯視時與n型井NWL之一部分重疊的方式，於半導體基板1S上形成閘極絕緣膜GOX，於此閘極絕緣膜GOX上形成閘極電極GE。此外，於此閘極電極GE的兩側之側壁形成側壁間隔件SW。例如，閘極絕緣膜GOX，雖由氧化矽膜形成，但並不限於此，亦可由介電常數較氧化矽膜更高的高介電常數膜形成。例如，閘極絕緣膜，可由將氧化鑭導入至氧化鉿的鉿系絕緣膜構成。此外，閘極電極GE，例如可由多晶矽膜形成；側壁間隔件SW，例如可由氧化矽膜、氮化矽膜、或氧化矽膜與氮化矽膜之疊層膜形成。
接著，在與閘極電極GE對準之半導體基板1S內，形成由n- 型半導體區構成之延伸區EX，並與側壁間隔件SW對準，形成n＋ 型半導體區NR。藉由此等延伸區EX與n＋ 型半導體區NR，構成汲極區。
如同上述地，於半導體基板1S上形成光電二極體與轉移電晶體Q。具體而言，將光電二極體，由p型井PWL與n型井NWL形成；此外，轉移電晶體Q，使上述n型井NWL為源極區，使與n型井NWL分隔既定距離之形成在半導體基板1S的延伸區EX及n＋ 型半導體區NR為汲極區。
而後，以源極區與汲極區包夾之區域成為通道形成區，於此通道形成區上方隔著閘極絕緣膜GOX形成閘極電極GE。藉此，形成具備源極區、汲極區、通道形成區、閘極絕緣膜GOX、及閘極電極GE之轉移電晶體Q。此時，n型井NWL與閘極電極GE，具備俯視時重疊的區域。進一步，得知形成在半導體基板1S之主動區的光電二極體與轉移電晶體Q，共用n型井NWL而電性連接。
另，亦可在轉移電晶體Q之汲極區(n＋ 型半導體區NR)的表面形成矽化物膜。藉此，例如，可降低汲極區與插栓PLG之連接電阻。另，矽化物膜，例如可由鎳鉑矽化物膜、鎳矽化物膜、鈦矽化物膜、鈷矽化物膜、或鉑矽化物膜等形成。
而後，參考圖7，並對形成在形成於半導體基板1S之光電二極體與轉移電晶體Q的上層之配線構造予以說明。圖7中，於光電二極體的表面(n型井NWL及p＋ 型半導體區PR的表面)，形成絕緣膜。此絕緣膜，具有良好地維持半導體基板1S的表面特性(界面特性)之功能，例如由氧化矽膜或氮化矽膜形成。於此絕緣膜上，形成反射防止膜ARF，此反射防止膜ARF，例如由氮氧化矽膜形成。
接著，以覆蓋包含閘極電極GE及反射防止膜ARF上方之半導體基板1S的方式，形成層間絕緣膜IL1；形成貫通此層間絕緣膜IL1而到達至n＋ 型半導體區NR(汲極區)之插栓PLG。層間絕緣膜IL1，例如由以TEOS(tetra ethyl ortho silicate，四乙氧基矽烷)作為原料之氧化矽膜形成。插栓PLG，例如藉由下述方式形成：將由鈦膜與形成在鈦膜上的氮化鈦膜(鈦膜/氮化鈦膜)構成之阻障導體膜、及形成在阻障導體膜上之鎢膜，嵌入至形成在層間絕緣膜IL1的接觸洞。
而後，於形成插栓PLG之層間絕緣膜IL1上，例如形成層間絕緣膜IL2，於此層間絕緣膜IL2形成配線L1。例如，層間絕緣膜IL2，例如由氧化矽膜形成，但並未限定於此，亦可由介電常數較氧化矽膜更低的低介電常數膜形成。作為低介電常數膜，例如可列舉SiOC膜。此外，配線L1，例如由銅配線形成，可藉由使用金屬鑲嵌法而形成。另，配線L1，並未限定為銅配線，亦可由鋁配線形成。而後，於形成有配線L1之層間絕緣膜IL2上，例如形成由氧化矽膜或低介電常數膜構成之層間絕緣膜IL3，於此層間絕緣膜IL3形成配線L2。進一步，於形成有配線L2之層間絕緣膜IL3上，形成層間絕緣膜IL4，於此層間絕緣膜IL4形成遮光帶SZ。
此處，配線L1、配線L2及遮光帶SZ，以俯視時不與光電二極體重疊的方式形成；在俯視時與光電二極體重疊的區域，形成透光部LPR。此係為了使往光電二極體入射的光線，不受配線L1、配線L2及遮光帶SZ遮蓋。此外，於透光部LPR上，隔著彩色濾光片CF而搭載微透鏡OL。另，遮光帶SZ，係為了將往彼此鄰接之光電二極體入射的光線分離而設置。亦即，遮光帶SZ，具有抑制在鄰接的光接收部間之漏洩光的入射之功能。
光接收部如同上述地構成，以下，茲就其運作簡單地說明。圖7中，若往光接收部照射光線，首先，入射光，通過微透鏡OL及彩色濾光片CF。而後，通過以遮光帶SZ區隔出的透光部LPR，進一步，通過對可見光呈透明的層間絕緣膜IL4～IL1後，往反射防止膜ARF入射。反射防止膜ARF，抑制入射光之反射，使充足光量的入射光往光電二極體入射。光電二極體中，入射光的能量較矽的能帶間隙更大，故藉由光電轉換而吸收入射光，生成正電洞電子對。此時生成的電子，貯存於n型井NWL。而後，在適切的時間點，將轉移電晶體Q開啟(ON)。具體而言，對轉移電晶體Q之閘極電極施加閾值電壓以上的電壓。如此一來，則在閘極絕緣膜正下方的通道形成區形成通道區(n型半導體區)，使轉移電晶體Q之源極區(n型井NWL)與汲極區(延伸區EX與n＋ 型半導體區NR)成為電性導通。此一結果，貯存於n型井NWL的電子，通過通道區而到達汲極區，從汲極區傳往配線層而取出至外部電路。如此地，使光接收部運作。
＜畫素之電路構成＞ 接著，對構成影像感測器之複數畫素各自的電路構成予以說明。圖8為，顯示畫素之電路構成的電路圖。圖8中，於畫素，包含光電二極體PD、轉移電晶體Q、重置電晶體RTr、放大電晶體ATr、選擇電晶體STr。光電二極體PD，作為將入射至畫素的入射光轉換為電荷之光電轉換部而作用；轉移電晶體Q，具有轉移以光電二極體PD轉換出的電荷之功能。此外，重置電晶體RTr，作為用於將電荷重置之電晶體而作用；放大電晶體ATr，具有將依據由轉移電晶體Q轉移的電荷之電壓訊號放大之功能。進一步，選擇電晶體STr，具有將在放大電晶體ATr放大的電壓訊號往輸出訊號線OSL輸出之功能。
圖8中，光電二極體PD之陽極，與基準電位(GND)連接；光電二極體PD之陰極，與轉移電晶體Q之源極電性連接。此外，轉移電晶體Q之汲極，與重置電晶體RTr之源極電性連接；重置電晶體RTr之汲極，與電源電位(VDD)電性連接。此外，轉移電晶體Q之汲極，與放大電晶體ATr之閘極電極電性連接；放大電晶體ATr之汲極，和重置電晶體RTr之汲極一同與電源電位(VDD)電性連接。亦即，放大電晶體，配置成為源極隨耦器。另一方面，放大電晶體ATr之源極，與選擇電晶體STr電性連接；選擇電晶體STr，與輸出訊號線OSL電性連接。此處，本說明書之「放大」，亦包含相對於往放大電晶體輸入的輸入電壓，從放大電晶體輸出的輸出電壓幾乎為1倍之情況。進一步，如圖8所示，轉移電晶體Q之汲極，與放大電晶體ATR之閘極電極電性連接。
構成影像感測器之畫素的電路，如同上述地構成，以下，茲就其運作簡單地說明。首先，藉由光電二極體PD，從入射光生成電荷，將此電荷貯存於光電二極體PD。而後，若將轉移電晶體Q開啟(ON)，則貯存於光電二極體PD的電荷經由轉移電晶體Q，往放大電晶體ATr之閘極電極轉移。其後，以放大電晶體ATr將依據電荷的電壓訊號放大。而後，若將選擇電晶體STr開啟，則將在放大電晶體ATr放大的電壓訊號往輸出訊號線OSL輸出。如此地，可從畫素取出與入射光對應的電壓訊號。另，藉由將重置電晶體RTr開啟(ON)，而不將貯存於光電二極體PD的電荷往輸出訊號線OSL取出，而係往電源電位側取出，施行重置動作。
＜改善的研討＞ 本案發明人，從追求影像感測器(固體攝像元件)的性能改善之觀點來看，進行改善的研討。例如，作為降低影像感測器的性能之要因，存在被稱作「隨機雜訊」的雜訊、被稱作「暗電流」的雜訊。若此等雜訊變大，則影像感測器的性能降低。因此，為了追求影像感測器的性能改善，需盡可能減小雜訊。
具體而言，「隨機雜訊」，例如，從圖8所示之放大電晶體ATr發生。「隨機雜訊」，係由於放大電晶體ATr的放大不均，此一現象，意指相同位準的訊號成為強度不同的訊號，因此，發生影像閃爍。亦即，「隨機雜訊」，成為產生影像閃爍之主要原因。此外，此「隨機雜訊」，與在畫素所包含的被稱作放大電晶體ATr之n通道型電場效應電晶體產生的1/f雜訊(閃爍雜訊)具有強相關。因此，為了減少此等「隨機雜訊」，重要的是減少在放大電晶體ATr產生的1/f雜訊。
另一方面，本案發明人，作為在影像感測器產生的雜訊，並非著眼於上述「隨機雜訊」，而係著眼於「暗電流」。「隨機雜訊」，係成為影像閃爍之主要原因的雜訊，另一方面，「暗電流」，成為招致影像感測器的S/N比降低之主要原因。亦即，若「暗電流」變大，則黑暗時的影像之黑階降低。此一現象，係指若「暗電流」變大，則影像感測器的敏感度降低。因此，為了改善影像感測器的敏感度，重要的是降低起因於「暗電流」的雜訊。
因而，本案發明人，發現「暗電流」係起因於圖8所示之轉移電晶體Q。亦即，上述「隨機雜訊」，起因於圖8所示之放大電晶體ATr，另一方面，本案發明人著眼的「暗電流」，起因於圖8所示之轉移電晶體Q。
＜＜「暗電流」之發生機制＞＞ 以下，對於起因於圖8所示之轉移電晶體Q的「暗電流」之發生機制予以說明。圖9為，將轉移電晶體Q之一部分放大顯示的示意圖。如圖9所示，構成光電轉換部的一部分之n型井NWL，亦作為轉移電晶體Q之源極區而作用，與此源極區分隔，形成延伸區EX，並以包圍在此延伸區EX內的方式形成n＋ 型半導體區NR。而後，藉由延伸區EX與n＋ 型半導體區NR，構成汲極區。
接著，圖9中，源極區(n型井NWL)與汲極區(延伸區EX＋n＋ 型半導體區NR)所包夾之區域成為通道區，於此通道區上形成閘極絕緣膜GOX。此外，於閘極絕緣膜GOX上，形成閘極電極GE；於此閘極電極GE的兩側之側壁，形成側壁間隔件SW。如同上述地，構成轉移電晶體Q。
此處，例如，將閘極絕緣膜GOX由氧化矽膜形成，另一方面，通道區為由矽構成之區域，因而在閘極絕緣膜GOX與通道區的界面，存在矽之懸鍵(未結合鍵)。從此一現象來看，在閘極絕緣膜GOX與通道區的界面，形成起因於懸鍵的界面能態。尤其是，圖9中，將界面能態之存在以「×」示意。此一界面能態，不僅存在於閘極絕緣膜GOX與通道區之間的界面，亦存在於延伸區EX與閘極絕緣膜GOX之間的界面、延伸區EX與側壁間隔件SW之間的界面、n＋ 型半導體區NR的表面。
界面能態的能量，具有矽(半導體)的價帶與導帶之間的能量。亦即，界面能態，存在於價帶與導帶之間的能帶間隙內。此一結果，若不具有界面能態，則存在於價帶的電子，若未給予能帶間隙以上之能量則無法往導帶遷移。亦即，若不具有界面能態，若未照射具有能帶間隙以上之能量的光線，則無法將存在於價帶的電子激發至導帶。換而言之，若未照射具有能帶間隙以上之能量的光線，則電子從價帶往導帶遷移之機率變得極低。此一現象，係指在不具有界面能態，且未照射具有能帶間隙以上之能量的光線之情況，流通於導帶的電子流即暗電流極少。然而，實際上，例如，在閘極絕緣膜GOX與通道區之間的界面，存在界面能態。此一情況，例如，即便未照射具有能帶間隙以上之能量的光線，仍藉由熱激發(晶格振動之能量)，使電子從價帶遷移至界面能態，其後，發生電子從界面能態往導帶遷移之過程。此一現象，係指即便在未照射具有能帶間隙以上之能量的光線之黑暗時，經由界面能態，電子從價帶往導帶遷移的機率仍變大，因此，往導帶遷移的電子與價帶的正電洞之再結合增加。此一現象，係指因遷移至導帶的電子與價帶的正電洞之再結合所產生的「暗電流」增加。如此地，由於界面能態存在，而使「暗電流」增加。尤其是，因在轉移電晶體Q產生之「暗電流」，導致黑暗時的影像之黑階的降低，結果使影像感測器的S/N比變小。亦即，在轉移電晶體Q產生之「暗電流」，成為發生影像感測器的敏感度降低之主要原因。
因而，本實施形態中，考慮上述「暗電流」之發生機制，施加使在轉移電晶體Q產生之「暗電流」減少的工夫。以下，對於施加此工夫的本實施形態之技術思想予以說明。
＜實施形態之基本思想＞ 本實施形態之基本思想，例如在於下述點：圖9所示之轉移電晶體Q中，為了減少以「×」表示的界面能態，而使成為界面能態之產生原因的矽之懸鍵與氟(F)結合。藉此，減少成為界面能態之產生原因的矽之懸鍵，結果可減少界面能態。因此，依本實施形態之基本思想，則在轉移電晶體Q中，可減少起因於界面能態之「暗電流」的產生，因而可追求影像感測器的性能改善。亦即，即便未照射具有能帶間隙以上之能量的光線，若界面能態存在，則藉由較能帶間隙更小的熱能量(晶格振動的能量)，經由界面能態，將電子從價帶往導帶激發，而後，激發的電子與價帶的正電洞再結合，藉而「暗電流」流動，以此等機制運作。考慮此一機制，本實施形態之基本思想，著眼於抑制成為「暗電流」之產生原因的界面能態本身之發生。此外，本實施形態之基本思想，進一步，考慮界面能態起因於矽之懸鍵，而使懸鍵與氟結合。依此等本實施形態之基本思想，則在轉移電晶體Q中，可減少成為界面能態之產生原因的矽之懸鍵，結果亦可減少因懸鍵而形成的界面能態。藉此，依本實施形態之基本思想，則可抑制起因於界面能態的「暗電流」之發生。
＜影像感測器之製造方法＞ 接著，參考附圖，並對於將上述基本思想具體化的影像感測器之製造方法予以說明。
首先，如圖10所示，準備導入有硼(B)等p型雜質(受體)的由單晶矽構成之半導體基板1S。此時，半導體基板1S，成為呈略圓盤形狀之半導體晶圓的狀態。另，半導體基板1S，亦可不為p型基板，而係導入有磷(P)等n型雜質(施體)之n型基板。
而後，於半導體基板1S的主面側(表面側)形成將元件間分離之元件隔離區STI。元件隔離區STI，係為了使元件彼此不干涉而設置。此一元件隔離區STI，例如可利用LOCOS(local Oxidation of silicon，局部矽氧化)法或STI(shallow trench isolation，淺溝槽隔離)法形成。例如，STI法，如同下述地形成元件隔離區STI。亦即，使用光微影技術及蝕刻技術於半導體基板1S形成元件隔離溝。而後，以嵌入元件隔離溝的方式在半導體基板上形成氧化矽膜，其後，藉由化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing，CMP)，將形成在半導體基板上之不需要的氧化矽膜去除。藉此，可形成僅在元件隔離溝內嵌入有氧化矽膜之元件隔離區STI。
而後，如圖11所示，藉由使用光微影技術及離子植入法，而將硼(B)等p型雜質導入半導體基板1S內，藉以形成p型井PWL。其後，如圖12所示，例如藉由使用熱氧化法，於p型井PWL的表面形成由氧化矽膜構成之閘極絕緣膜GOX。然則，閘極絕緣膜，不限為氧化矽膜，亦可由介電常數較氧化矽膜更高的高介電常數膜形成。例如，閘極絕緣膜，亦可由將氧化鑭導入至氧化鉿的鉿系絕緣膜構成。而後，於閘極絕緣膜GOX上，例如，形成由多晶矽膜構成之導體膜PF。
其後，如圖13所示，藉由使用光微影技術及蝕刻技術，而將導體膜PF圖案化，形成轉移用電晶體之閘極電極GE。
接著，如圖14所示，藉由使用光微影技術及離子植入法，而將磷(P)或砷(As)等n型雜質(施體)導入半導體基板1S內。藉此，可形成包圍在p型井PWL內之n型井NWL。藉由上述p型井PWL與n型井NWL構成光電二極體(光電轉換部)。而此一n型井NWL之一部分，形成為俯視時與轉移用電晶體之閘極電極GE重疊。如此地使n型井NWL之一部分與轉移用電晶體之閘極電極GE重疊的理由在於，使n型井NWL亦作為轉移用電晶體之源極區而作用，故轉移用電晶體可運作。其後，藉由使用光微影技術及離子植入法，將硼(B)等p型雜質導入n型井NWL的表面區域。藉此，可在n型井NWL的表面區域形成p＋ 型半導體區PR。此處，圖14中，圖示將閘極電極GE與p＋ 型半導體區PR分隔，但並不限於此，以閘極電極GE與p＋ 型半導體區PR接觸的方式形成p＋ 型半導體區PR亦可。
另，本實施形態的影像感測器之製造方法中，雖對於以閘極絕緣膜GOX→閘極電極GE→n型井NWL→p＋ 型半導體區PR的順序形成之例子予以說明。然則，本實施形態的影像感測器之製造方法，並不限於此，以n型井NWL→p＋ 型半導體區PR→閘極絕緣膜GOX→閘極電極GE的順序形成亦可。
而後，如圖15所示，藉由使用光微影技術及離子植入法，而形成與閘極電極GE對準之延伸區EX。其後，如圖16所示，在覆蓋轉移用電晶體的閘極電極GE之半導體基板1S上，例如，形成由氧化矽膜構成之絕緣膜，對此絕緣膜，施行非等向性蝕刻。藉此，可於轉移用電晶體之閘極電極GE的兩側之側壁，形成側壁間隔件SW。此時，以使絕緣膜亦留在形成有光電轉換部之區域的方式，施行使用遮罩之蝕刻。
接著，如圖17所示，於半導體基板1S上，例如，使用CVD法而形成氮氧化矽膜，藉由使用光微影技術及蝕刻技術，將氮氧化矽膜圖案化。藉此，可形成由氮氧化矽膜構成之反射防止膜ARF。
而後，如圖18所示，於半導體基板1S上塗布光阻膜RF後，對此光阻膜RF施行曝光顯影處理。藉此，可將光阻膜RF圖案化。光阻膜RF的圖案化，以形成圖18所示之開口部OP的方式施行。具體而言，光阻膜RF的圖案化，係以露出閘極長方向中之閘極電極GE的一半(右半)，並露出以側壁間隔件SW與元件隔離區STI包夾之部分的延伸區EX之方式施行。其後，如圖18所示，藉由以圖案化的光阻膜RF作為遮罩之離子植入法，將磷(P)或砷(As)等n型雜質導入半導體基板1S內。藉此，可形成對準側壁間隔件SW，並包圍在延伸區EX內之n＋ 型半導體區NR。
而後，如圖19所示，藉由將以形成有開口部OP之光阻膜RF作為遮罩的離子植入法，將氟植入至從開口部OP露出之閘極電極GE的內部、從開口部OP露出之側壁間隔件SW的內部、及n＋ 型半導體區NR的內部。此時的氟之植入條件，例如為植入能量10keV，劑量1×1015 /cm2 。藉此，依本實施形態，則可將氟植入轉移電晶體之閘極電極GE中的一部分、右側之側壁間隔件SW的內部、及n＋ 型半導體區NR的內部。
如此地，在導入氟後，對半導體基板1S施行1000℃程度之熱處理。藉此，施行導入的雜質之活性化。藉由此時之熱處理，亦使植入至閘極電極GE、側壁間隔件SW、及n＋ 型半導體區NR的氟擴散，到達與閘極絕緣膜GOX的界面、或半導體基板1S的表面。如此地依本實施形態，則施行導入至轉移電晶體之源極區及汲極區的導電型雜質之活性化的熱處理，亦兼作使涵蓋閘極電極GE、側壁間隔件SW、n＋ 型半導體區NR而植入的氟往與閘極絕緣膜GOX的界面、或半導體基板1S的表面擴散之熱處理。此一結果，依本實施形態，則藉由上述熱處理，可使存在於矽(通道區)與閘極絕緣膜GOX間之懸鍵、存在於側壁間隔件SW與延伸區EX間之懸鍵、存在於n＋ 型半導體區NR的表面之懸鍵，與氟結合。亦即，依本實施形態，則可減少存在於轉移電晶體之懸鍵。藉此，依本實施形態，則可減少轉移電晶體的界面能態，最終可減少影像感測器的「暗電流」。
如同上述地，可製造本實施形態之光電轉換部(光電二極體)與轉移電晶體。其後，如圖7所示，以覆蓋半導體基板1S的方式形成層間絕緣膜IL1。此層間絕緣膜IL1，例如由以TEOS作為原料之氧化矽膜形成，例如可藉由電漿CVD法形成。
另，本實施形態的影像感測器之製造方法中，在形成n＋ 型半導體區NR之步驟及導入氟之步驟前的階段，形成反射防止膜ARF，但並不限於此，亦可在形成n＋ 型半導體區NR之步驟及導入氟之步驟後，形成反射防止膜ARF。
而後，使用光微影技術及乾蝕刻技術，於層間絕緣膜IL1形成接觸洞。而後，在包含接觸洞的底面及內壁之層間絕緣膜IL1上，形成鈦/氮化鈦膜。鈦/氮化鈦膜，由鈦膜與氮化鈦膜之疊層膜構成，例如可藉由使用濺鍍法而形成。此鈦/氮化鈦膜，例如，具有所謂的阻障性，防止在之後的步驟中嵌入之膜材料即鎢往矽中擴散。其後，以嵌入接觸洞的方式，在半導體基板1S的主面全表面形成鎢膜。此一鎢膜，例如可使用CVD法形成。而後，例如以CMP法去除形成在層間絕緣膜IL1上之不需要的鈦/氮化鈦膜及鎢膜，藉而可形成插栓PLG。
接著，例如，如圖7所示，在形成有插栓PLG之層間絕緣膜IL1上形成層間絕緣膜IL2。而後，藉由使用光微影技術及蝕刻技術，而在層間絕緣膜IL2形成溝。其後，在包含溝內之層間絕緣膜IL2上形成鉭/氮化鉭膜。此一鉭/氮化鉭膜，例如可藉由濺鍍法形成。而後，於鉭/氮化鉭膜上，例如以濺鍍法形成由薄層銅膜構成之種晶膜後，藉由使此一種晶膜作為電極之電解鍍覆法，在形成有溝之層間絕緣膜IL2上形成銅膜。其後，將在溝的內部以外之層間絕緣膜IL2上露出的銅膜，例如以CMP法研磨而將其去除，藉而僅在形成於層間絕緣膜IL2的溝內留下銅膜。藉此，可形成配線L1。以下，同樣地，可於層間絕緣膜IL3形成配線L2，於層間絕緣膜IL4形成配線L3。進一步，亦可於配線L3之上層形成配線，但省略此處的說明。
另，本實施形態中，雖對於形成由銅膜構成之配線L1的例子予以說明，但例如亦可形成由鋁膜構成之配線L1。
此一情況，於層間絕緣膜IL1及插栓PLG上，依序形成鈦/氮化鈦膜、鋁膜、鈦/氮化鈦膜。此等膜，例如可藉由使用濺鍍法而形成。接著，藉由使用光微影技術及蝕刻技術，施行此等膜的圖案化，形成配線L1。藉此，可形成由鋁膜構成之配線L1。
進一步，如圖7所示，於最上層之層間絕緣膜IL4上，以俯視時與光電二極體重疊的方式安裝彩色濾光片CF，最後，於彩色濾光片CF上安裝微透鏡OL。如同上述地，可製造本實施形態之影像感測器。
可將本實施形態的影像感測器之製造方法如同下述地總結。亦即，本實施形態的影像感測器之製造方法，包含如下步驟：(a)形成轉移電晶體Q之閘極電極GE的步驟(參考圖13)；(b)使用將閘極電極GE的一部分開口之遮罩，將氟導入至閘極電極GE的一部分之步驟(參考圖19)；以及(c)於該(b)步驟後，對半導體基板1S實施熱處理的步驟。此外，本實施形態的影像感測器之製造方法，更包含如下步驟：(d)於該(a)步驟後，該(b)步驟前，形成轉移電晶體Q之汲極區的步驟(參考圖18)。此時，該(b)步驟，使用將閘極電極GE的一部分及汲極區開口，並覆蓋n型井NWL之遮罩，將氟導入至閘極電極GE的一部分及汲極區。尤其是，(b)步驟中，藉由離子植入法，將氟導入閘極電極GE。此外，離子植入法中的氟之植入能量，宜較氟貫通閘極電極GE之能量更小。
另，該(d)步驟，使用汲極區形成用遮罩，將導電型雜質導入半導體基板1S，藉而形成汲極區(參考圖18)。尤其是，本實施形態的影像感測器之製造方法中，在(b)步驟使用之遮罩，係汲極區形成用遮罩(參考圖18及圖19)。
進一步，在(c)步驟實施之熱處理，係用於使導入至半導體基板1S的導電型雜質活性化之活性化退火。
＜實施形態之特徵＞ 接著，茲就本實施形態之特徵予以說明。本實施形態之第1特徵，例如在於下述點：如圖18所示，在形成構成轉移電晶體之汲極區的一部分之n＋ 型半導體區NR後，如圖19所示，將氟導入至閘極電極GE的一部分、側壁間隔件SW、及n＋ 型半導體區NR，其後，對半導體基板1S實施熱處理。藉此，依本實施形態，則可使存在於矽(通道區)與閘極絕緣膜GOX間之懸鍵、存在於側壁間隔件SW與延伸區EX間之懸鍵、存在於n＋ 型半導體區NR的表面之懸鍵，與氟結合。亦即，藉由實施圖19所示之步驟，而可將氟導入至轉移電晶體之閘極電極GE、側壁間隔件SW、及n＋ 型半導體區NR。而後，藉由在其後的步驟實施之熱處理，使導入至閘極電極GE、側壁間隔件SW、及n＋ 型半導體區NR的氟熱擴散。藉此，可使存在於矽(通道區)與閘極絕緣膜GOX間之懸鍵、存在於側壁間隔件SW與延伸區EX間之懸鍵、存在於n＋ 型半導體區NR的表面之懸鍵，與氟結合。亦即，依本實施形態之第1特徵，則可減少存在於轉移電晶體之懸鍵。因此，依本實施形態之第1特徵，則可減少轉移電晶體的界面能態，最終可減少影像感測器的「暗電流」。
而後，本實施形態之第2特徵，例如在於下述點：如圖19所示，使用由圖案化之光阻膜RF構成的遮罩，將氟導入。因此，依本實施形態之第2特徵，例如，可抑制氟導入至圖19所示之構成光電轉換部(光電二極體)的一部分之n型井NWL。亦即，依本實施形態，則構成光電轉換部的一部分之n型井NWL，以由圖案化之光阻膜RF構成的遮罩覆蓋，故氟之往n型井NWL的導入受到抑制。
具體而言，若藉由離子植入法，將氟導入至n型井NWL，則由於導入的氟，在n型井NWL內產生缺陷能態。而一旦缺陷能態生成，則在光電轉換部中，經由缺陷能態之漏電流增加，此一漏電流的增加有導致黑暗時之白點數目或暗電流增加的疑慮。進一步，氟的導入，雖使用離子植入法，但含氟之離子束所含有的汙染物質(contamination)所造成之不良影響亦受到關注。亦即，含氟之離子束，例如包含以鎢(W)為代表的汙染物質，由於以鎢(W)為代表的金屬原子之往n型井NWL內的混入，亦有影像感測器的黑暗時之白點數目或暗電流增加的疑慮。如此地，吾人認為若因氟本身與汙染物質即金屬原子之往n型井NWL的導入而生成缺陷能態，則在光電轉換部中，經由此缺陷能態之漏電流增加，此漏電流的增加導致黑暗時之白點數目或暗電流的增加。
如此地，氟的導入，從減少存在於矽(通道區)與閘極絕緣膜GOX間之懸鍵、存在於側壁間隔件SW與延伸區EX間之懸鍵、存在於n＋ 型半導體區NR的表面之懸鍵的觀點來看為有效方法。另一方面，往構成光電轉換部的一部分之n型井NWL的氟之導入，為缺陷能態之生成原因，因而應予以避免。由上述內容來看，本實施形態中，使用覆蓋構成光電轉換部的一部分之n型井NWL的遮罩，實施氟之離子植入。因此，依本實施形態，則可抑制往n型井NWL之氟的導入，並往轉移電晶體之閘極電極GE、側壁間隔件SW、及n＋ 型半導體區NR導入氟。亦即，實施本實施形態之第1特徵時，藉由採用第2特徵，而可抑制在n型井NWL的缺陷能態之發生，並減少存在於矽(通道區)與閘極絕緣膜GOX間之界面能態、存在於側壁間隔件SW與延伸區EX間之界面能態、存在於n＋ 型半導體區NR的表面之界面能態。此一結果，若依本實施形態之影像感測器，則可有效地減少「暗電流」。
尤其是，本實施形態中，施加抑制往n型井NWL之氟的導入之工夫。具體而言，如圖19所示，使用形成有並未露出閘極電極GE之全部，而係露出閘極電極GE之一部分(例如一半)的開口部之遮罩(圖案化之光阻膜RF)。此係為了防止因遮罩的位置偏移(形成偏移)，而發生未預期的氟往n型井NWL之導入。亦即，在使用將閘極電極GE全部開口之遮罩的情況，即便僅產生微小之遮罩的位置偏移，仍有氟導入至n型井NWL內的疑慮。相對於此，如圖19所示，在使用僅露出閘極電極GE的一部分，並覆蓋閘極電極GE的其他部分之遮罩的情況，即便於遮罩發生位置偏移(形成偏移)，仍可防止n型井NWL從開口部OP露出，故可有效地抑制未預期的氟往n型井NWL之導入。亦即，依本實施形態，即便在實際之製程發生遮罩的位置偏移，能可充分確保對於遮罩的位置偏移之裕度，故可確實地防止未預期的氟往n型井NWL之導入。
進一步，本實施形態中，藉由採用如下第1特徵，亦抑制未預期的氟之往n型井NWL的導入：在形成構成轉移電晶體之汲極區的一部分之n＋ 型半導體區NR後，將氟導入至閘極電極GE的一部分、側壁間隔件SW、及n＋ 型半導體區NR。其係因，採用第1特徵之情況，例如，如圖19所示，在俯視時與n型井NWL重疊的區域，已形成反射防止膜ARF，於此反射防止膜ARF上形成光阻膜RF。亦即，本實施形態中，在導入氟之情況，於n型井NWL上，不僅形成光阻膜RF，亦已形成反射防止膜ARF，因而氟變得難以貫通。亦即，本實施形態中，氟為了到達n型井NWL，不僅須貫通光阻膜RF，亦必須貫通反射防止膜ARF，因而減少氟往n型井NWL的導入。進一步，即便遮罩產生大幅度的位置偏移，仍可藉由反射防止膜ARF之存在，抑制n型井NWL露出，結果亦確實地抑制起因於遮罩之位置偏移的往n型井NWL之氟的導入。
由上述內容來看，採用本實施形態之第1特徵與第2特徵，且亦考慮對於上述遮罩的位置偏移之工夫，藉而可有效地減少不可避免地存在於於影像感測器之「暗電流」。
接著，本實施形態之第3特徵，例如在於下述點：如同參考圖18及圖19所得知，使用形成構成轉移電晶體之汲極區的一部分之n＋ 型半導體區NR時的遮罩，將氟導入。藉此，依本實施形態，則能夠以不追加僅為了導入氟而使用之遮罩的方式，抑制在n型井NWL之缺陷能態的發生，並減少存在於通道區與閘極絕緣膜GOX間之界面能態、存在於側壁間隔件SW與延伸區EX間之界面能態、存在於n＋ 型半導體區NR的表面之界面能態。此一結果，依本實施形態，則可抑制製造成本的上升，並有效地減少不可避免地存在於影像感測器之「暗電流」。
然則，本實施形態之技術思想，並未限定於使用形成n＋ 型半導體區NR時之遮罩將氟導入的構成，例如，亦可採用追加僅為了導入氟而使用之遮罩的構成。此一情況，亦可有效地減少不可避免地存在於影像感測器之「暗電流」。
此處，例如，在形成有圖8所示的構成要素之半導體晶片，作為其以外之構成要素，具備用於實現與外部的訊號交換之輸出入電路(I/O電路)。此一輸出入電路，由電場效應電晶體構成；以相同離子植入步驟，形成轉移電晶體之汲極區與構成輸出入電路的電場效應電晶體之汲極區。此一情況中，離子植入所使用的遮罩，使用將轉移電晶體之汲極區、及成為輸出入電路之構成要素的電場效應電晶體之汲極區雙方開口的遮罩。由此來看，形成汲極區後，使用此一遮罩，無法僅將氟導入轉移電晶體。因此，在以同一離子植入步驟，形成轉移電晶體之汲極區與構成輸出入電路的電場效應電晶體之汲極區的情況，僅為了將氟僅導入轉移電晶體之專用遮罩成為必要。
然則，作為特別的情況，有以個別的離子植入步驟形成轉移電晶體之汲極區與構成輸出入電路的電場效應電晶體之汲極區的情形。具體而言，有使轉移電晶體之汲極區的雜質濃度，較構成輸出入電路的電場效應電晶體之汲極區的雜質濃度更小之情形。此係因，例如，如圖8所示，轉移電晶體Q之汲極區(浮動擴散區)，與放大電晶體ATr之閘極電極電性連接的緣故。亦即，轉移電晶體Q開啟時，電荷從光電轉換部往轉移電晶體Q之汲極區流動，對放大電晶體ATr之閘極電極施加依據此電荷的電位。因此，從改善影像感測器的敏感度之觀點來看，即便為微弱電荷量對放大電晶體ATr之閘極電極施加的電位(閘極電壓)仍變大，故為較佳態樣。此係因，例如，以電荷量「10」對放大電晶體ATr之閘極電極施加閾值電壓的情況，相較於以電荷量「100」對放大電晶體ATr之閘極電極施加閾值電壓的情況，改善「10倍」敏感度。
此處，具有電荷量=靜電電容(C)×電壓(V)的關係，由此得知為了以相同電荷量盡可能將電壓(此處為對放大電晶體ATr之閘極電極施加之閘極電壓)增大，而宜盡可能減小靜電電容(C)。此外，靜電電容，主要為轉移電晶體Q之汲極區的接合電容，因而為了將此接合電容減小，而將轉移電晶體之汲極區的雜質濃度減小。亦即，若轉移電晶體Q之汲極區的雜質濃度變小，則pn接合之空乏層的寬度變大，結果使接合電容變小。由上述內容來看，從追求影像感測器的敏感度改善之觀點來看，有使轉移電晶體Q之汲極區的雜質濃度，較構成輸出入電路的電場效應電晶體之汲極區的雜質濃度更為減小之情形。此一情況，為了形成轉移電晶體Q之汲極區所使用的遮罩，成為僅在轉移電晶體之汲極區設置開口部的遮罩。因此，在形成轉移電晶體之汲極區(n＋ 型半導體區NR)後，直接使用此一遮罩，藉而可實施往轉移電晶體導入氟之步驟。亦即，從追求影像感測器的敏感度改善之觀點來看，在使轉移電晶體Q之汲極區的雜質濃度，較構成輸出入電路的電場效應電晶體之汲極區的雜質濃度更為減小之情況，使用形成構成轉移電晶體Q之汲極區的一部分之n＋ 型半導體區NR時的遮罩，而可將氟僅導入轉移電晶體Q。
＜相對於相關技術的優勢＞ 接著，依本實施形態之技術思想，對相較於相關技術中之技術所具有的優勢予以說明。
例如，如圖12所示，可考慮在形成多晶矽膜PF後，藉由使用離子植入法，而將氟導入此一多晶矽膜PF等相關技術。此一情況，如圖13所示，藉由將導入氟之多晶矽膜PF圖案化，而可形成導入有氟之閘極電極GE。而在形成閘極電極GE後，對半導體基板1S實施熱處理，藉而可使導入至閘極電極GE的氟，往閘極電極GE與閘極絕緣膜GOX的界面擴散。此一結果，可使存在於閘極電極GE與閘極絕緣膜GOX的界面之懸鍵與氟結合，藉此，可減少起因於懸鍵之界面能態的發生。因此，在相關技術中，亦認為可抑制起因於界面能態之「暗電流」的增加。
然則，本實施形態之技術思想，相對於上述相關技術之技術具有優勢，以下，對於此點予以說明。首先，相關技術中，對圖12所示之多晶矽膜PF的全表面導入氟。此一情況，例如，氟亦導入至形成光電轉換部之半導體基板1S的內部。如此一來，則因氟的植入，而在光電轉換部發生缺陷能態。此一結果，相關技術中，藉由使存在於轉移電晶體之懸鍵與氟結合，而可減少起因於懸鍵之界面能態，另一方面，由於在光電轉換部生成缺陷能態，而使經由缺陷之位準漏電流增加，此漏電流的增加將招致黑暗時之白點數目或暗電流的增加。亦即，相關技術中，難以抑制缺陷能態之發生，並減少界面能態，因而難以有效地減少影像感測器之「暗電流」。
此處，相關技術中，考慮以未貫通多晶矽膜PF之植入能量導入氟。此一情況，認為氟幾乎未貫通多晶矽膜PF，因而氟變得不易導入至以多晶矽膜PF覆蓋之光電轉換部。然而，在將氟導入至多晶矽膜PF後，為了使氟擴散而實施熱處理。此時，導入至多晶矽膜PF的氟，變得容易到達至以多晶矽膜PF覆蓋之光電轉換部。進一步，在氟的離子植入中，亦導入汙染物質，即鎢等金屬原子。因此，相關技術中，即便以未貫通多晶矽膜PF之植入能量導入氟，仍變得容易在光電轉換部生成缺陷能態。因此，相關技術中，由於在光電轉換部生成缺陷能態，經由缺陷能態之漏電流增加，難以有效地抑制此一漏電流增加所招致的黑暗時之白點數目或暗電流增加。
相對於此，本實施形態之技術思想中，使用覆蓋光電轉換部之遮罩，對轉移電晶體導入氟。此一結果，依本實施形態，則可抑制往n型井NWL之氟的導入，並將氟導入轉移電晶體之閘極電極GE、側壁間隔件SW、及n＋ 型半導體區NR。亦即，依本實施形態之技術思想，則可抑制在n型井NWL的缺陷能態之發生，並減少在轉移電晶體的界面能態。此一結果，依本實施形態之影像感測器，則可有效地減少「暗電流」。如此地，使用覆蓋光電轉換部之遮罩對轉移電晶體導入氟等技術思想，在可兼顧減少起因於懸鍵之界面能態與抑制光電轉換部之缺陷能態發生的點上，具有重大技術意義。此外，由於此一技術意義的存在，本實施形態之技術思想，相對於相關技術具有巨大優勢。
接著，相關技術中，在形成多晶矽膜PF後導入氟，因而在導入氟後，實施多個熱處理步驟。具體而言，例如，實施圖14中之導入至n型井NWL內的n型雜質之活性化步驟或導入至p＋ 型半導體區PR內的p型雜質之活性化步驟、圖16所示的形成側壁間隔件SW之步驟、圖17中的形成反射防止膜ARF之步驟、導入至n＋ 型半導體區NR內的n型雜質之活性化步驟等。因此，相關技術中，在對多晶矽膜PF導入氟後，實施多個熱處理步驟，結果氟變得容易亦往多晶矽膜PF與閘極絕緣膜GOX的界面以外擴散。此一現象，在相關技術中，係指氟和存在於多晶矽膜PF與閘極絕緣膜GOX的界面之懸鍵結合的機率變小。亦即，相關技術中，在導入氟後，存在多個熱處理步驟，結果氟之熱擴散成為超過必要程度，與懸鍵結合的氟變少。此一結果，相關技術中，氟與懸鍵結合所產生的界面能態之減少效果變小。進一步，相關技術中，在導入氟後存在超過必要程度之熱處理步驟，因而氟到達至光電轉換部之機率變大，因此，光電轉換部的缺陷能態之生成亦增加，此一現象受到關注。亦即，相關技術中，由於在導入氟後存在超過必要程度之熱處理步驟，故與懸鍵結合的氟之減少、及氟往光電轉換部之擴散，變得容易顯現。因此，相關技術中，即便導入氟，仍難以實現因減少界面能態與抑制缺陷能態的發生所產生之「暗電流」的減少。
相對於此，本實施形態之技術思想中，在形成構成轉移電晶體之汲極區的一部分之n＋ 型半導體區NR後，對轉移電晶體導入氟，其後，對半導體基板1S實施熱處理。因此，依本實施形態，相較於相關技術，可使導入氟後實施之熱處理步驟減少，此一現象，依本實施形態之技術思想，相較於相關技術，可減少未與懸鍵結合而往外部擴散的氟，且可有效地抑制氟往光電轉換部的擴散。亦即，依本實施形態之技術思想，則可實現因減少界面能態與抑制缺陷能態的發生所產生之「暗電流」的減少。由上述內容來看，在形成構成轉移電晶體之汲極區的一部分之n＋ 型半導體區NR後，將氟導入至閘極電極GE的一部分、側壁間隔件SW、及n＋ 型半導體區NR之技術思想，在可兼顧減少起因於懸鍵之界面能態與抑制光電轉換部之缺陷能態發生的點上，具有重大技術意義。亦即，由於此一技術意義的存在，本實施形態之技術思想，相對於相關技術具有巨大優勢。
進一步，相關技術中，未對轉移電晶體之汲極區導入氟。因此，相關技術，全然不具有減少存在於汲極區之界面能態的效果。除此之外，相關技術，完全未考慮對於起因於將閘極電極GE圖案化時之蝕刻損害的界面能態之生成的對策，而使藉由減少界面能態而減少「暗電流」之效果變小。
相對於此，本實施形態之技術思想，在形成構成轉移電晶體之汲極區的一部分之n＋ 型半導體區NR後，對轉移電晶體導入氟，其後，對半導體基板1S實施熱處理。因此，不僅對轉移電晶體之閘極電極導入氟，亦對汲極區導入氟。此一結果，依本實施形態之技術思想，則可減少存在於通道區與閘極絕緣膜GOX間之界面能態、存在於側壁間隔件SW與延伸區EX間之界面能態、存在於n＋ 型半導體區NR的表面之界面能態。由此來看，本實施形態之技術思想，可涵蓋轉移電晶體的廣範圍區域地實現界面能態之減少，故在可具有因減少存在於轉移電晶體之界面能態所產生的「暗電流」之減少實效的點上，具有重大技術意義。亦即，由於此一技術意義的存在，本實施形態之技術思想，相對於相關技術具有巨大優勢。
此處，將閘極電極GE圖案化時之蝕刻損害，不僅施加在汲極區側之半導體基板1S的表面，亦施加在光電轉換部側之半導體基板1S的表面。然則，施加在光電轉換部側之半導體基板1S的表面之蝕刻損害，可藉由在其後實施的形成p＋ 型半導體區PR之步驟的離子植入而予以因應。此外，形成側壁間隔件SW之步驟中，並未蝕刻光電轉換部側之半導體基板1S的表面，故光電轉換部側之半導體基板1S的表面不存在蝕刻損害。由此來看，對於起因於施加在汲極區側之半導體基板1S的表面之蝕刻損害的界面能態之生成的對策甚為重要。
關於此點，本實施形態之技術思想中，不僅對轉移電晶體之閘極電極，亦對汲極區導入氟。此一結果，依本實施形態之技術思想，則對於起因於對汲極區側之半導體基板1S的表面施加之蝕刻損害的界面能態之生成，採取足夠的對策。因此，本實施形態之技術思想，相對於起因於對汲極區側之半導體基板1S的表面施加之蝕刻損害的界面能態之生成全然未採取對策的相關技術，具有巨大優勢。
＜實施形態之氟導入技術的實用性＞ 接著，對於本實施形態之氟導入技術的實用性予以說明。例如，圖9中，轉移電晶體Q，將構成光電轉換部的一部分之n型井NWL作為源極區使用。而如圖9所示，n型井NWL與轉移電晶體Q之閘極電極GE，具有在俯視時重疊的區域。此處，本案發明人發現，形成於轉移電晶體Q之界面能態中，尤其是存在於閘極絕緣膜GOX與通道區的界面之界面能態，成為「暗電流」之主要增加要因。詳而言之，圖9中，「暗電流」之增減，最主要受到存在於n型井NWL與閘極電極GE重疊的區域之界面能態的影響。依據此一發現，則若圖9中表示n型井NWL與閘極電極GE重疊的區域之寬度的「L」變得越大，則「暗電流」增加。因此，從減少「暗電流」之觀點來看，宜使表示n型井NWL與閘極電極GE重疊的區域之寬度的「L」減小。另一方面，若表示n型井NWL與閘極電極GE重疊的區域之寬度的「L」變小，則轉移電晶體Q開啟時之電荷的轉移效率變差。亦即，從改善轉移電晶體Q中之電荷的轉移效率之觀點來看，宜使表示n型井NWL與閘極電極GE重疊的區域之寬度的「L」增大。因此，關於表示n型井NWL與閘極電極GE重疊的區域之寬度的「L」之調整，「暗電流」之減少、與電荷的轉移效率之改善，具有彼此折衷的關係。由此來看，在藉由調整表示n型井NWL與閘極電極GE重疊的區域之寬度的「L」，而減少「暗電流」之技術中，招致電荷的轉移效率降低等副作用。
關於此點，本實施形態之技術思想中，對轉移電晶體Q導入氟，使懸鍵與氟結合，藉而抑制起因於界面能態之「暗電流」的增加。而此一技術思想，並未招致轉移電晶體Q之電荷的轉移效率降低。亦即，依本實施形態之技術思想，則能夠以不考慮減少「暗電流」的方式，從改善轉移電晶體Q之電荷的轉移效率之觀點，決定表示n型井NWL與閘極電極GE重疊的區域之寬度的「L」。因此，得知依本實施形態之技術思想，則在能夠以不降低轉移電晶體Q之電荷的轉移效率之方式減少「暗電流」的點上，具有良好的實用性。亦即，得知本實施形態之技術思想，在可兼顧減少「暗電流」、及改善有助於影像感測器之敏感度改善的轉移電晶體Q之電荷的轉移效率的點上，具有良好的實用性。
＜變形例1＞ 實施形態中，對於在形成構成轉移電晶體之汲極區的一部分之n＋ 型半導體區NR後，將氟導入轉移電晶體的例子予以說明。但本實施形態之技術思想，並不限於此，例如，亦可在形成構成轉移電晶體之汲極區的一部分之延伸區EX後，將氟導入。此一情況中，亦可減少起因於懸鍵之界面能態，結果可減少影像感測器之「暗電流」。
＜變形例2＞ 實施形態中，對於將氟導入轉移電晶體之閘極電極與汲極區雙方的例子予以說明。然則，如同上述，若依據「暗電流」之增減，最主要受到存在於n型井NWL與閘極電極GE重疊的區域之界面能態的影響等發現，至少對閘極電極導入氟，則能夠獲得可減少影像感測器之「暗電流」的效果。
＜對最終製品即影像感測器之展現性＞ 本實施形態中，在對轉移電晶體之閘極電極與汲極區雙方導入氟後，對半導體基板實施熱處理。藉此，依本實施形態，則可減少轉移電晶體之界面能態，結果在最終製品即影像感測器中，能夠獲得可減少起因於界面能態之「暗電流」等顯著效果。因此，本實施形態之最終製品即影像感測器，對轉移電晶體之閘極電極與汲極區導入氟。此時，轉移電晶體中，在通道區與閘極絕緣膜的界面存在氟。另一方面，並未將氟導入本實施形態之影像感測器的光電轉換部。
如同上述地，將本實施形態之技術思想具體化的歷程，在最終製品即影像感測器中，展現為對轉移電晶體之閘極電極與汲極區導入氟的構成。此外，將本實施形態之技術思想具體化的最終製品即影像感測器，相較於習知影像感測器，可減少「暗電流」，結果可追求以影像感測器的敏感度改善為代表之性能改善。
以上，雖依據上述實施形態具體地說明本案發明人所提出之發明，但本發明並未限定於上述實施形態，自然可在不脫離其要旨之範圍內進行各種變更。
1S‧‧‧半導體基板
ARF‧‧‧反射防止膜
ATr‧‧‧放大電晶體
CF‧‧‧彩色濾光片
e‧‧‧電子
EX‧‧‧延伸區
F‧‧‧氟
GE‧‧‧閘極電極
GOX‧‧‧閘極絕緣膜
h‧‧‧正電洞
IL1～IL4‧‧‧層間絕緣膜
IS‧‧‧影像感測器
L1～L4‧‧‧配線
LPR‧‧‧透光部
NR‧‧‧n＋型半導體區
NWL‧‧‧n型井
OL‧‧‧微透鏡
OP‧‧‧開口部
OSL‧‧‧輸出訊號線
PD‧‧‧光電二極體
PF‧‧‧多晶矽膜(導體膜)
PLG‧‧‧插栓
PR‧‧‧p＋型半導體區
PWL‧‧‧p型井
Q‧‧‧轉移電晶體
RC‧‧‧光接收面
RF‧‧‧光阻膜
RTr‧‧‧重置電晶體
STI‧‧‧元件隔離區
STr‧‧‧選擇電晶體
SW‧‧‧側壁間隔件
SZ‧‧‧遮光帶
VG‧‧‧反方向電壓
圖1係顯示影像感測器中將光線轉換為電訊號之樣子的圖。 圖2係顯示未在影像感測器設置微透鏡的情況之構成的圖。 圖3係顯示在光電二極體的前表面配置微透鏡之例子的圖。 圖4係顯示彩色濾光片的1種之原色濾光片的圖。 圖5係顯示彩色濾光片的1種之補色濾光片的圖。 圖6係顯示pn接合所產生的二極體之能帶構造的圖。 圖7係顯示光接收部的裝置構造之一例的剖面圖。 圖8係顯示畫素之電路構成的電路圖。 圖9係將轉移電晶體之一部分放大顯示的示意圖。 圖10係顯示實施形態的影像感測器之製程的剖面圖。 圖11係顯示接續圖10的影像感測器之製程的剖面圖。 圖12係顯示接續圖11的影像感測器之製程的剖面圖。 圖13係顯示接續圖12的影像感測器之製程的剖面圖。 圖14係顯示接續圖13的影像感測器之製程的剖面圖。 圖15係顯示接續圖14的影像感測器之製程的剖面圖。 圖16係顯示接續圖15的影像感測器之製程的剖面圖。 圖17係顯示接續圖16的影像感測器之製程的剖面圖。 圖18係顯示接續圖17的影像感測器之製程的剖面圖。 圖19係顯示接續圖18的影像感測器之製程的剖面圖。

Claims (17)

  1. 一種固體攝像元件，包含具備形成有複數畫素之攝像區的半導體基板； 於該攝像區形成有： 光電轉換部，將入射光轉換為電荷；以及 轉移電晶體，轉移該電荷； 該轉移電晶體包含： 源極區與汲極區，於該半導體基板內彼此分隔而形成； 通道區，為該源極區與該汲極區所包夾； 閘極絕緣膜，形成於該通道區上；以及 第1閘極電極，形成於該閘極絕緣膜上； 對該第1閘極電極與該汲極區導入氟。
  2. 如申請專利範圍第1項之固體攝像元件，其中， 氟存在於該通道區與該閘極絕緣膜的界面。
  3. 如申請專利範圍第1項之固體攝像元件，其中， 對該光電轉換部，並未導入氟。
  4. 如申請專利範圍第1項之固體攝像元件，其中， 該光電轉換部，包含俯視時包圍在第1導電型之第1半導體區內的第2半導體區，該第2半導體區為與該第1導電型相反之第2導電型。
  5. 如申請專利範圍第4項之固體攝像元件，其中， 該第2半導體區，成為該轉移電晶體之該源極區。
  6. 如申請專利範圍第5項之固體攝像元件，其中， 該第2半導體區與該第1閘極電極，具備俯視時彼此重疊的區域。
  7. 如申請專利範圍第4項之固體攝像元件，其中， 於該第2半導體區的表面，形成雜質濃度較該第1半導體區更高的該第1導電型之第3半導體區。
  8. 如申請專利範圍第7項之固體攝像元件，其中， 該第3半導體區，與該第1閘極電極分隔。
  9. 如申請專利範圍第1項之固體攝像元件，其中， 該固體攝像元件，包含將依據該電荷的電訊號放大之放大電晶體； 該轉移電晶體之該汲極區，與該放大電晶體之第2閘極電極電性連接。
  10. 如申請專利範圍第1項之固體攝像元件，其中， 該半導體基板為矽基板； 該閘極絕緣膜為氧化矽膜。
  11. 一種固體攝像元件之製造方法，用以製造固體攝像元件，該固體攝像元件包含具備形成有複數畫素之攝像區的半導體基板； 於該攝像區形成： 光電轉換部，將入射光轉換為電荷；以及 轉移電晶體，轉移該電荷； 該轉移電晶體，包含： 源極區與汲極區，於該半導體基板內彼此分隔而形成； 通道區，為該源極區與該汲極區所包夾； 閘極絕緣膜，形成於該通道區上；以及 第1閘極電極，形成於該閘極絕緣膜上； 該固體攝像元件之製造方法，包含如下步驟： (a)步驟，形成該轉移電晶體之該第1閘極電極； (b)步驟，使用將該第1閘極電極的一部分開口之遮罩，將氟導入至該第1閘極電極的該一部分；以及 (c)步驟，於該(b)步驟後，對該半導體基板實施熱處理。
  12. 如申請專利範圍第11項之固體攝像元件之製造方法，其中， 該固體攝像元件之製造方法，更包含如下步驟： (d)步驟，於該(a)步驟後，且於該(b)步驟前，形成該轉移電晶體之該汲極區； 於該(b)步驟，使用將該第1閘極電極的一部分及該汲極區開口之該遮罩，將氟導入至該第1閘極電極的該一部分及該汲極區。
  13. 如申請專利範圍第12項之固體攝像元件之製造方法，其中， 於該(d)步驟，藉由使用汲極區形成用遮罩，將導電型雜質導入該半導體基板，藉以形成該汲極區。
  14. 如申請專利範圍第13項之固體攝像元件之製造方法，其中， 在該(b)步驟使用之該遮罩，係該汲極區形成用遮罩。
  15. 如申請專利範圍第13項之固體攝像元件之製造方法，其中， 在該(c)步驟實施之熱處理，係用於使導入至該半導體基板的該導電型雜質活性化之活性化退火。
  16. 如申請專利範圍第11項之固體攝像元件之製造方法，其中， 該光電轉換部，包含俯視時包圍在第1導電型之第1半導體區內的第2半導體區，該第2半導體區為與該第1導電型相反之第2導電型； 於該(b)步驟，使用覆蓋該第2半導體區之該遮罩，將氟導入該第1閘極電極的該一部分。
  17. 如申請專利範圍第11項之固體攝像元件之製造方法，其中， 於該(b)步驟，藉由離子植入法，將氟導入該第1閘極電極； 該離子植入法中的氟之植入能量，較使氟貫通該第1閘極電極所必須之能量更小。
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