CN1835243A - Mos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种MOS图像传感器，其包括：半导体衬底，其具有许多个设置成矩阵形式的像素，该半导体衬底包括包含光电二极管的电荷聚积区和浮动扩散区的第一区以及包含多个晶体管的第二区，每个晶体管具有栅极和源极/漏极区；第一二氧化硅膜，其形成在该半导体衬底上方，覆盖该第一区中的该电荷聚积区的表面，并形成为该第二区中至少一些晶体管的栅极侧壁上的侧壁间隔物；以及氮化硅膜，其形成该第一二氧化硅膜上方，覆盖该第二区中的源极/漏极区并且至少在该第一区中的该电荷聚积区上方的区域中具有开口。本发明提供的半导体图像传感器具有高灵敏度并能够以低噪声提供输出。

Description

MOS图像传感器
相关申请的交叉参考
本申请基于并要求2005年3月17日申请的日本专利申请No.2005-076221的优先权，在此通过参考援引其全部内容。
技术领域
本申请涉及一种半导体器件，尤其涉及一种具有半导体光电二极管作为光电转换元件且具有绝缘栅型晶体管的半导体器件。
背景技术
作为一种图像传感器，广泛采用具有半导体光电二极管作为光电转换元件的半导体图像传感器。存在两种类型的半导体图像传感器：CCD型半导体图像传感器，其具有用以检测和转移电荷的电荷耦合器件；以及MOS型图像传感器，其具有包含MOS晶体管的、用以检测电荷的电荷检测电路。这里，将具有不仅由单层氧化膜制成的栅极绝缘膜的晶体管也称为MOS晶体管。MOS型半导体图像传感器具有可降低功耗的优点。
图1A为示出MOS型半导体图像传感器结构的示意平面图。具有感光器的像素PX以矩阵形式设置于像素区中。在所示结构中，转移线(transfer line)TL、复位线RL及选择线SL沿行方向平行设置，并且电压线VRL和信号读取线SGL沿列方向平行设置。垂直驱动器V-DRIVE驱动每一条线，而水平驱动器H-DRIVE读取每一列中的信号电压。每一行中的像素的信号电压被读取，在每一列中噪声被抵消，并且信号电压被放大、A/D转换及经受其他所需的处理。
图1B示出像素PX的结构实例。这个实例示出四个晶体管(4Tr)的有源像素传感器(APS)，其中，一个像素由一个光电二极管PD和四个MOS晶体管构成。所有像素的光电二极管的阳极由共同的p型阱制成。光电二极管PD的阴极(n型区)构成电荷聚积区。阴极聚积光电二极管PD中通过入射光的光电转换所产生的电子-空穴对中的电子。
转移晶体管TRT以光电二极管的阴极作为其源极，且以浮动扩散区FD作为其漏极，该浮动扩散区FD为p型区中处于电性浮动状态的n型区。转移晶体管TRT的转移栅极TG控制源极与漏极之间的电荷转移。在图像检测周期结束时将转移信号从转移线TL提供到同一行中的像素PX时，在该行中的光电二极管PD中聚积的信号电荷被转移到相应的浮动扩散区FD。
源极跟随器晶体管SFT和选择晶体管SLT串联连接，并且它们的栅极分别连接到浮动扩散区FD和选择线SL。浮动扩散区FD产生电压V＝Q/C，这里Q为转移的电荷，而C为电容，并将与聚积的电荷相应的输出提供到源极跟随器晶体管SFT的栅极。
当将选择信号从选择线SL提供到同一行中的像素时，来自每个源极跟随器晶体管SFT的输出信号经由选择晶体管SLT被提供到信号读取线SGL。信号电荷在其读取操作完成之后就不再需要。当将导通信号从复位线提供到同一行中的每个复位晶体管RST时，浮动扩散区FD中的电荷经由复位晶体管RST流到电压线VRL。
图1C为说明像素驱动操作的时序图。此时序图示出施加到转移晶体管TRT栅极的信号TG、施加到复位晶体管RST栅极的信号RST、施加到选择晶体管SLT栅极的信号SL、从SLT提供到输出信号线SGL的输出信号SGL及浮动扩散区FD(源极跟随器晶体管SFT的栅极)的电压FD的变化。
当使选择晶体管的栅极电压变高时，选择晶体管进入能够转移源极跟随器晶体管SFT的输出电压的导通状态。使复位晶体管RST的栅极电压立刻变高，以排放浮动扩散区FD中的噪声电荷并为信号读取操作做准备。当RST的电压改变时，在浮动扩散区FD和源极跟随器晶体管SFT处，即在输出电压SGL处，正极性的电压发生变化。
在图像检测周期结束时使TG变高，并且使转移晶体管TRT导通，以将光电二极管PD中聚积的电荷转移到浮动扩散区FD。因为TG电压改变，因此在浮动扩散区FD和信号读取线SGL处正极性电位也发生改变。在稳定之后，具有电容C的浮动扩散区FD处的电位因为读取电荷Q而改变了ΔV＝Q/C。此电位变化被源极跟随器晶体管SFT转换成输出信号，并且该输出信号被读取到读取线SGL。然后，选择线SL的电位变低，从而结束读取操作。
在形成半导体图像传感器的像素结构之后，在半导体衬底的上表面上形成层间绝缘膜，并穿过层间绝缘膜形成连接到晶体管电极的接触塞。为了在晶体管的电极上形成接触塞，需要首先形成穿过层间绝缘膜的接触孔。为了不会损坏半导体衬底，优选在层间绝缘膜下面形成蚀刻停止层，例如氮化硅膜。为了降低光电二极管的噪声并提高图像质量，需要降低界面能阶(interfacial level)。为此，需要进行氢化处理。氮化硅膜具有在氢化处理期间屏蔽氢的作用。因此，如果要适当地形成接触孔，则会妨碍图像质量。
日本特开平No.2004-165236提出通过低压(LP)CVD沉积氮化硅膜作为蚀刻停止层，并且去除光电二极管等上面不需要氮化硅膜的区域中的氮化硅膜。此公开文本说明了由于因蚀刻停止层的存在能够适当地形成接触孔，并由于氢能够从去除蚀刻停止层的区域到达半导体衬底的表面，因此通过氢处理能够抑制暗电流，从而提高图像质量。
期望半导体图像传感器具有高灵敏度及低噪声输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高灵敏度及低噪声输出的半导体图像传感器。
根据本发明的一个方案，提供一种半导体图像传感器，包括：半导体衬底，其具有许多个设置成矩阵形式的像素，该半导体衬底包括具有光电二极管的电荷聚积区和浮动扩散区的第一区以及具有包含栅极和源极/漏极区的晶体管的第二区；第一二氧化硅膜，其形成在该半导体衬底上方，覆盖该第一区中的该电荷聚积区的表面，并形成为该第二区中至少一些晶体管的栅极侧壁上的侧壁间隔物；以及氮化硅膜，其形成该第一二氧化硅膜上方，覆盖该第二区中的源极/漏极区并且至少在该第一区中的该电荷聚积区上方的区域中具有开口。
可以在晶体管栅极的侧壁上形成侧壁间隔物，并利用二氧化硅膜覆盖光电二极管的表面。在晶体管的源极/漏极区上形成氮化硅膜的蚀刻停止层。在去除了光电二极管上的氮化硅膜时，二氧化硅膜保护光电二极管。在执行氢化处理时，氢经由光电二极管上的氮化硅膜的开口到达衬底。
在实际形成的样本中灵敏度得到提高且噪声被降低。
附图说明
图1A至1C为说明MOS型半导体图像传感器的结构和操作的示意平面图、等效电路图及时序图。
图2A和2B为简要说明根据第一实施例的半导体图像传感器的结构的等效电路图及平面图。
图3为显示第一实施例的半导体图像传感器的结构的示意剖视图。
图4A至4F为显示说明实现图3所示结构的制造工艺的平面布局的示意平面图。
图5A至5I和图5S至5V为说明图3所示的半导体图像传感器的制造工艺的剖视图。
图6A和6B为显示图3所示半导体图像传感器的滤色层及显微透镜的布局的示意平面图。
图7A和7B为说明根据第二实施例的半导体图像传感器的制造工艺的示意剖视图。
具体实施方式
现在将对本发明人所制造的样本和本发明人所确定的样本性能进行说明。
图2A为显示两个像素的等效电路图。光电二极管PD1和PD2构成两个光电转换元件。光电二极管PD1和PD2经由转移栅极TG1和TG2耦接到浮动扩散区FD1和FD2。一个电荷读取电路被两个像素共用。也就是说，浮动扩散区FD1和FD2连接在一起，并且此连接点连接到源极跟随器晶体管SFT的栅极且经由复位晶体管RST连接到复位电压线VRL。源极跟随器晶体管SFT的漏极连接到电压线VRL，并且源极跟随器晶体管SFT的源极经由选择晶体管SLT连接到信号读取线SGL。选择晶体管SLT的栅极接收第一选择信号SL1和第二选择信号SL2。由于转移栅极TG1和TG2不同时导通，因此光电二极管PD1和PD2中的电荷能够被选择性地读取。
图2B为显示半导体衬底表面布局的示意平面图。通过浅沟槽隔离(STI)形成围绕有源区的元件隔离区。在有源区AR1中形成光电二极管PD1和浮动扩散区FD1。在浮动扩散区FD1右侧的区域中形成高杂质浓度接触区。在低于有源区AR1的区域中，形成与有源区AR1具有相同结构的有源区AR2。在有源区AR2中形成光电二极管PD2和浮动扩散区FD2。用于控制光电二极管与浮动扩散区之间的电荷转移的转移栅极TG1和TG2由虚线示出。
在有源区AR2和AR2右侧的区域中，限定构成电荷读取电路的有源区AR3。一个有源区AR3形成为被两个光电二极管共用。在图2B所示的结构中，复位晶体管RST形成于上方区域中，而选择晶体管SLT和源极跟随器晶体管SFT形成于下方区域中。在每个晶体管上方形成的栅极由虚线示出。沿点划线A-B和C-D-E所得的剖面图在图3中示出。
图3示出样本像素的剖面结构。P型硅衬底10具有浅沟槽隔离区(STI)11，并且在该衬底中形成p型阱PW2、PW3和PW4。
图4A在阴影区中示出抗蚀图案RP1，该抗蚀图案用于向p型阱PW1中进行离子注入。抗蚀图案RP1完全覆盖有源区AR1和AR2中的光电二极管的电荷聚积区以及低于转移栅极TG的区域中的沟道区，并略微露出有源区AR1和AR2的上方区域和接触区的右下方区域中的条形区。换句话说，围绕光电二极管区和转移栅极下面的沟道区形成p型阱PW2。
在图3中，在构成光电二极管阳极的p型阱PW3中形成光电二极管的n型区(电荷聚积区)20。
图4B在阴影区中示出抗蚀图案RP2的开口，该抗蚀图案用于向p型阱PW3中进行离子注入。在有源区AR1和AR2中，除了在比FD的接触结合处的中间靠右侧部分之外，连续形成完全覆盖电荷聚积区20和TG下面的沟道区的p型阱PW3。
在图3中，在p型阱PW4中形成电荷读取电路的晶体管RST、SFT及SLT。
图4C在阴影区中示出抗蚀图案RP3，该抗蚀图案用于向p型阱PW4中进行离子注入。抗蚀图案RP3覆盖光电二极管的n型区、转移栅极区及浮动扩散区。每个光电二极管的电荷聚积区的***区域没有被抗蚀图案覆盖，而是暴露出来。因此，p型阱PW4包括围绕光电二极管的电荷聚积区的区域和形成电荷读取电路的晶体管的区域。
在图3中，p型区22形成于光电二极管的电荷聚积区20上，以使电荷聚积区20具有埋置结构。在p型阱PW3中形成光电二极管的n型电荷聚积区20，并经由转移栅极TG分别形成n型浮动扩散区16和n+型接触区18。
在有源区的表面上，形成二氧化硅的栅极绝缘膜13和多晶硅的栅极15，并将其图案化成每个栅极的形状。在读取电路区域中，通过使用栅极作为掩模的一部分，在p型阱PW4中形成低杂质浓度n型区16，由此形成每个晶体管的源极/漏极区。在浮动扩散区FD和复位晶体管RST的漏极中形成高杂质浓度接触区18。
侧壁间隔物SW形成在源极跟随器晶体管SFT和选择晶体管SLT的栅极侧壁上。用于形成侧壁间隔物SW的二氧化硅膜24没有被蚀刻，而是被留在光电二极管PD、转移栅极TG、浮动扩散区FD及复位晶体管RST上。高杂质浓度n型区17形成在源极跟随器晶体管SFT和选择晶体管SLT的源极/漏极区中。硅化物层19形成在源极跟随器晶体管SFT和选择晶体管SLT的源极/漏极区上以及栅极上。
氮化硅膜26形成在二氧化硅膜24上，并且光电二极管的电荷聚积区20上面的氮化硅膜被去除。在电荷读取电路区域中，氮化硅膜26覆盖源极跟随器晶体管SFT和选择晶体管SLT的源极/漏极区的表面。也就是说，在这个区域中形成接触孔时，氮化硅膜26能够用作蚀刻停止层。
图4D在左下划阴影区中示出用于蚀刻二氧化硅膜24的抗蚀图案RP6，以及在右下划阴影区中示出用于蚀刻氮化硅膜26的抗蚀图案RP7。抗蚀图案RP6使二氧化硅膜留在光电二极管上，而抗蚀图案RP7的开口去除了光电二极管上面的氮化硅膜。在由虚线表示的区域中，尽管在形成样本时氮化硅膜没有被去除，但是该氮化硅膜也可以被去除。但是，为了对浮动扩散区FD有效进行氢化处理，优选去除氮化硅膜。
在氮化硅膜26上形成二氧化硅的第一层间绝缘膜30，并且穿过第一层间绝缘膜形成接触孔，所述接触孔到达晶体管的源极/漏极区和浮动扩散区的接触区。钨塞32被埋置在接触孔中。对于源极跟随器晶体管SFT和选择晶体管SLT，由于在衬底上形成蚀刻停止膜26，因此能够以高精度进行蚀刻，从而形成无边界(border-less)接触。所示的位于选择晶体管SLT右侧的W塞32无边界接触地移到源极/漏极区的右侧并叠在STI11上。但是，由于通过使用氮化硅膜26作为蚀刻停止层能够实现高精度蚀刻，因此可以防止STI11被深度蚀刻。对于浮动扩散区FD的接触区18和与浮动扩散区连接的复位晶体管的源极/漏极区的接触区，二氧化硅膜24被留在氮化硅膜26下方。因此，此钨塞32不是无边界接触，从而将位置对准界限设置为例如约0.1μm。
第一铝布线34形成在第一层间绝缘膜30上并被二氧化硅的第二层间绝缘膜36覆盖，第二层间绝缘膜的表面被平坦化。通孔形成在第二层间绝缘膜36中，并且通路导体38(W塞)被埋置在通孔中。类似地，第二铝布线40形成在第二层间绝缘膜36上并被第三层间绝缘膜42覆盖。根据需要，可形成多个W塞的通路导体。第三铝布线50形成在第三层间绝缘膜上并被二氧化硅的绝缘膜52覆盖。氮化硅覆盖膜58形成在绝缘膜52上。通过利用第三铝布线50的某些部分形成焊盘。焊盘上方和焊盘上的覆盖膜58和绝缘膜52被去除。
图4E和4F示出第一、第二及第三铝布线的布局。在图4E中，左下划阴影表示第一铝布线，而右下划阴影表示第二铝布线。复位线RL、转移线TL1和TL2、选择线SL等由第一铝布线形成。电压线VRL、信号线SGL等由第二铝布线形成。图4F示出第三铝布线的图案。第三铝布线构成电压供应平面，并且其在像素上方具有开口以构成遮光膜。
在上述结构中，由于在光电二极管区域中半导体表面被二氧化硅膜覆盖，因此在蚀刻和去除氮化硅蚀刻停止膜期间能够减少半导体表面的损坏。由于将氮化硅膜从像素区域去除，因此能够防止氮化硅膜中的入射光衰减。光电二极管区域中的二氧化硅膜用作形成硅化物层时的掩模，从而在光电二极管区中不会形成硅化层。如果形成硅化层，则这一层可能成为噪声源。
在电荷读取电路区域中，能够形成二氧化硅绝缘体的侧壁间隔物，从而能够形成微型精细晶体管。由于能够形成硅化物层，因此能够形成具有低电阻、高速运行的晶体管。在电荷读取电路区域中，由于形成覆盖晶体管的源极/漏极区的蚀刻停止层，因此能够实现高精度蚀刻，从而能够采用无边界接触。能够在狭窄的区域中有效地形成晶体管。
参照图5A至5I和图5S至5V，将对图3所示结构的制造工艺进行描述。
如图5A所示，形成由氮化硅膜制成的掩模，以在p型硅衬底10的表面层中形成沟槽。通过蚀刻硅衬底约400nm形成沟槽，通过高密度等离子体CVD形成二氧化硅膜，并将其埋置在沟槽中，并且通过化学机械抛光(CMP)来去除多余的部分，由此通过浅沟道隔离(STI)形成元件隔离区11。之后去除掩模。
如图5B所示，在***电路区域中，注入杂质离子，以形成p型阱PW和n型阱NW，进而形成CMOS电路。首先，形成用以向p型阱中进行离子注入的掩模，并以加速能量为300keV且剂量为3×1013cm-2(下文表示为3E13)注入B+离子，以形成深p型阱PW1-1。接下来，以加速能量为30keV、剂量为5E12及入射角为7度注入B+离子，由此形成调整阈值的p型阱PW1-2。
在去除形成p型阱的掩模之后，形成用于形成n型阱的掩模。首先，以加速能量为600keV且剂量为3E13注入P+离子，以形成深n型阱NW1-1。接下来，以加速能量为160keV、剂量为2E13至3E13及入射角为7度注入As+离子，由此形成调整阈值的n型阱NW1-2。下面，将根据需要描述***电路中的CMOS结构。
如图5C所示，在像素区域中，通过以加速能量为300keV且剂量为1E13注入B+离子来形成围绕光电二极管区域的深p型阱PW2。通过以加速能量为144keV、剂量为2E12及入射角为7度注入B+离子，并进一步以加速能量为30keV、剂量为2E12及入射角为7度注入B+离子，来形成用于形成光电二极管的阳极区的p型阱PW3。将剂量设置为约等于***电路区域中用于调整阈值的离子注入的剂量的一半。因此转移栅极TG下面的阈值电压Vt设置得较低。
在电荷读取电路区域中，以加速能量为30keV、剂量为5E12及入射角为7度进一步注入B+离子，以形成调整阈值的p型阱PW4。此剂量与***电路区域中n沟道晶体管的阈值调整区的剂量近似为相同程度。
如图5D所示，形成具有用以露出光电二极管的电荷聚积区20的开口的掩模，并且通过以加速能量为325keV、剂量为2E12及入射角为7度注入P+离子，进一步以加速能量为207keV、剂量为2E12及入射角为7度注入P+离子，更进一步以加速能量为135keV、剂量为2E12及入射角为7度注入P+离子来形成被p型阱PW3围绕的n型区20。
在去除掩模且露出清洁的半导体表面之后，通过在800℃进行热氧化而形成约8nm厚的二氧化硅膜13，并且在二氧化硅膜的表面上通过CVD沉积约180nm厚的多晶硅膜15。除了***电路的p沟道晶体管区域之外，以加速能量为20keV、剂量为4E15及入射角为7度将P+离子注入到多晶硅膜15中，以形成低电阻n型多晶硅层15。之后，在800℃进行60分钟退火，以激活注入的杂质离子。
在多晶硅层15上形成抗蚀图案RP4，并蚀刻多晶硅层15，以形成绝缘栅极结构。然后去除抗蚀图案RP4。
如图5E所示，光电二极管区和***电路的p沟道晶体管区被抗蚀掩模覆盖，并且以加速能量为20keV且剂量为4E13注入P+离子，以形成低杂质浓度源极/漏极扩散层16n(LDD或延伸部分)。形成在相应于光电二极管区的区域中具有开口的抗蚀图案，并以加速能量为10keV、剂量为2E13及入射角为7度注入B+离子，以形成埋置光电二极管的p型扩散层22。由于电荷聚积区20的pn设置为结远离硅衬底表面，因此能够抑制噪声。
图5S示出在***电路区域中形成绝缘栅极结构并在每个绝缘栅极结构的两侧形成延伸区16n和16p的状态。例如，通过以加速能量为7keV且剂量为约1E13至2E13注入B+离子而形成延伸区16p。
如图5F所示，形成在相应于浮动扩散区和复位晶体管的接触区的区域中具有开口的抗蚀掩模，并以加速能量为15keV且剂量为2E15注入P+离子，以形成n型高杂质浓度区18。然后去除抗蚀掩模。
在约750℃通过高温CVD沉积约100nm厚的HTO二氧化硅膜24。形成覆盖光电二极管、浮动扩散区FD及复位晶体管RST的抗蚀图案RP6，并通过反应离子蚀刻(RIE)各向异性地蚀刻二氧化硅膜24，以仅在栅极侧壁上留下侧壁间隔物。然后去除抗蚀图案RP6。通过这些工序，在电荷读取电路和***电路中的所需晶体管的栅极侧壁上形成侧壁间隔物，并且光电二极管、浮动扩散区及复位晶体管的表面被二氧化硅膜24覆盖，该二氧化硅膜24用作用于硅化工艺的掩模。二氧化硅膜24也用作用于后序蚀刻工艺的保护膜。
如图5G所示，***电路的p沟道晶体管区被抗蚀图案覆盖，以加速能量为13keV且剂量为2E15注入P+离子，以形成高杂质浓度区17n。
图5T示出***电路区域。在栅极侧壁上形成二氧化硅的侧壁间隔物SW之后，通过上述n型杂质离子注入形成n型高杂质浓度源极/漏极区17n。通过利用抗蚀掩模覆盖像素区和***电路的n沟道晶体管区，以加速能量为5keV且剂量为2E15注入B+离子，以形成p型高杂质浓度区17p。然后去除抗蚀图案。在1000℃进行约10秒的快速热退火(RTA)，以激活注入的杂质离子。
回到图5G，使用氢氟酸处理硅表面。尽管通过氢氟酸处理等使左侧二氧化硅膜24变薄，但在此阶段留下约60nm厚的二氧化硅膜24。然后，通过溅射形成Co膜，并在约520℃进行几十秒的RTA，以使Co膜与下面的硅表面发生硅化反应，从而形成初始硅化物膜。通过SCI清洗或通过过氧化氢铵(ammonium hydrogen peroxide)溶液洗去二氧化硅膜上未反应的Co膜，以仅留下硅化物膜。在约840℃进行几十秒的RTA，以将硅化物膜变成低电阻硅化物膜19。由于在留下二氧化硅膜14的区域中没有露出硅表面，因此没有形成硅化物层。在形成硅化物层19之后，通过CVD在整个衬底表面上沉积约70nm厚的氮化硅膜26。
图5U示出形成氮化硅膜26之后***电路区域的结构。每个晶体管具有形成在栅极侧壁上的侧壁间隔物SW、延伸部分16、高杂质浓度源极/漏极区17，及源极/漏极区和栅极上的硅化物层19。
如图5H所示，形成抗蚀图案RP7，其具有在相应于光电二极管的电荷聚积区20和浮动扩散区的区域中延伸的开口，并且蚀刻氮化硅膜26，以在氮化硅膜16中形成开口28。通过使用O2+CHF3作为蚀刻剂进行蚀刻，并且二氧化膜和氮化物膜之间的蚀刻速率之比为大约2.5。在蚀刻并去除70nm厚的氮化硅膜并进行30％的过蚀刻之后，二氧化膜的厚度减少量约为9nm。由于留下50nm厚的二氧化硅膜，能够有效防止蚀刻和去除氮化硅膜期间带来的损坏。在转移栅极的部分表面上的氮化硅膜26被去除，从而使氮化硅的侧壁26r被留在开口28中转移栅极TG的侧面上。然后去除抗蚀图案RP7。
如图5I所示，通过使用四乙基原硅酸盐(TEOS)作为源材料进行等离子体CVD，在整个衬底表面上沉积约1000nm厚的二氧化硅膜30。然后，进行CMP，以将二氧化硅膜的表面平坦化。首先，通过使用在相应于浮动扩散区和复位晶体管的接触区的区域中具有开口的抗蚀图案，蚀刻接触孔。也就是说，通过使用C4F8+Ar作为蚀刻剂，蚀刻二氧化硅膜30，并且此蚀刻在氮化硅膜26的表面上停止。将蚀刻剂气体变为O2+CHF3，以蚀刻氮化硅膜26和二氧化硅膜24。通过位置对准界限来进行此蚀刻。以这种方式，形成到达接触区18的接触孔CH1。
接下来，为了形成用于每个晶体管的源极/漏极区的接触孔，形成抗蚀图案，并蚀刻二氧化硅膜30和氮化硅膜26。通过使用C4F8+Ar作为蚀刻剂气体蚀刻二氧化硅膜30，并通过使用O2+CHF3作为蚀刻剂气体蚀刻氮化硅膜。因为硅表面被蚀刻停止层覆盖，从而能够以无边界接触方式高精度地进行此蚀刻。以这种方式，形成接触孔CH2。
在形成接触孔CH1和CH2之后，通过溅射形成约30nm厚的Ti层和约50nm厚的TiN层，然后通过CVD形成约300nm厚的W层。去除绝缘膜上多余的金属层，以形成W塞32。在形成W塞32之后，在450℃进行约60分钟的氢退火。
图5V示出在***电路区域中形成W塞的状态。以无边界接触方式形成源极/漏极区上的W塞32。
如图3所示，通过溅射在第一层间绝缘膜30上形成约30nm厚的Ti层、50nm厚的TiN层、约400nm厚的Al层、约5nm厚的Ti层、以及约50nm厚的TiN层。通过光刻及蚀刻工艺形成布线图案，以形成第一金属布线34。通过高密度等离子体CVD形成约750nm厚的具有良好埋置性能的二氧化硅膜，以覆盖第一金属布线34。在这层二氧化硅膜上，沉积约1100nm厚的等离子体TEOS氧化物膜。通过CMP将TEOS氧化物膜的表面平坦化，并在TEOS氧化物膜上形成第二层间绝缘膜36。形成用于通路接触的抗蚀图案，并形成到达第一金属布线34的通孔。通过与上述类似的工艺在通孔中埋置W塞38。
通过与上述类似的工艺形成第二金属布线40，并形成覆盖第二金属布线40的第三层间绝缘膜42。在通过类似的工艺形成W塞之后，在第三层间绝缘膜42上形成第三金属布线50。第三金属布线50的一部分构成焊盘。形成与上述层间绝缘膜具有相同结构的绝缘膜52，并且在将其表面平坦化之后，通过等离子体CVD沉积约500nm厚的氮化硅覆盖膜58。去除焊盘区域中的覆盖膜58和绝缘膜52，以露出焊盘。在露出焊盘之后，在400℃至450℃进行约30至60分钟的氢退火。
通过上述工艺形成样本。为进行比较，也通过不去除光电二极管上的氮化硅膜形成比较样本。测量和比较这两种样品。光电二极管上的氮化硅膜被去除的样本灵敏度增加约25％，而暗电流减少约20％。通过分别以不会使光电二极管饱和的范围内的恒定光量、进行具有短曝光时间的第一图像检测和具有长曝光时间的第二图像检测，并通过计算由第一和第二图像检测之间的信号差除以曝光时间差所获得的每单位(曝光)时间的信号量，来测量灵敏度。通过分别在没有光的暗状态、进行具有短曝光时间的第一图像检测和具有长曝光时间的第二图像检测，并通过计算由第一和第二图像检测之间的信号差除以曝光时间差所获得的每单位(曝光)时间的信号量，来测量暗电流(在暗状态随时间增大的信号被认为是暗电流)。具有氮化硅膜时的550mV/LXsec的灵敏度和0.175fA的暗电流被改善为没有氮化硅膜时的700mV/LXsec的灵敏度和0.14fA的暗电流。
灵敏度提高的一个原因可归结为由于去除光电二极管上的氮化硅膜，因此抑制了光衰减，并且由于光学界面的减少从而减少了反射。但是，仅通过这个原因就能够说明灵敏度提高了25％是不确定的。可以认为通过去除光电二极管上的氮化硅膜，通过氢退火将氢充分引入到衬底中，从而减少暗电流和漏电流并抑制噪声。由于通过二氧化硅膜保护光电二极管的硅表面，可以认为在蚀刻和去除氮化硅膜期间也抑制了硅表面的损坏。
在半导体表面上形成二氧化硅的侧壁间隔物和形成氮化硅的区域中，可实现无边界接触。在这个区域中，能够采用微小的精细设计尺度。即使通过等离子体CVD在氮化硅膜26下面沉积约20nm厚的二氧化硅膜，并且通过等离子体CVD在二氧化硅膜上沉积约70nm厚的氮化硅膜，仍能够实现无边界接触。优选地，在氮化硅膜下面形成的二氧化硅膜的厚度设置为30nm或者更薄，以实现无边界接触。
在上述样本中，第三金属布线50在光电二极管PD上方具有开口，并用作覆盖其他区域的遮光膜。尽管在上述实施例中没有形成滤色镜和显微透镜，但很明显也可以形成滤色镜和显微透镜。
如图6A所示，在图3所示的结构上形成平坦化的膜之后，在平坦化的表面上形成滤色镜。图6A简要示出R、G及B的Bayer布局。通过形成R、G及B层中的每一层，并将每一层图案化，形成滤色镜。在形成滤色镜之后，形成平坦化的膜，以将其表面平坦化。
如图6B所示，在平坦化的层上形成抗蚀层，并将该抗蚀层图案化成圆形。左侧抗蚀层被加热，以使它们流动。由于表面张力，因此每一抗蚀层的表面变成球形并且形成透镜形状。以这种方式形成显微透镜μL。
在上述实施例中，尽管每个晶体管的侧壁间隔物由二氧化硅制成，但是侧壁间隔物可由氮化硅制成。
图7A和7B示出根据第二实施例用于半导体图像传感器的制造工艺。首先，图5A至5E所示的工艺以与第一实施例类似的方式执行。代替沉积二氧化硅膜24，沉积氮化硅膜25作为第一绝缘膜。在晶体管区中，形成露出晶体管区的至少部分区域的抗蚀掩模RP6，并通过RIE蚀刻氮化硅膜25，以形成侧壁间隔物SW。然后去除抗蚀掩模RP6。在图7A所示的工艺之后，执行图5G所示的工艺。
图7B为相应于图5I的剖视图。不执行图5H所示第二绝缘膜的开口形成工艺。由此，在光电二极管上形成氮化硅的第一绝缘膜25和氮化硅的第二绝缘膜26的叠层结构。由于叠层结构的膜是相同的氮化硅膜，从而可以不形成光学界面。然后，执行与图5I所示类似的工艺，以获得图7B所示的结构。然后，类似于第一实施例，形成多层布线结构、滤色镜及显微透镜，以完成半导体图像传感器。
在本实施例中，光电二极管被两层氮化硅层25和26覆盖。为了抑制在氮化硅膜中的光衰减，优选通过低温低压(LP)CVD形成氮化硅膜25和26的至少其中之一，低温低压(LP)CVD在约500℃的低温下形成氮化硅膜。
在本实施例中，光电二极管的硅表面被氮化硅膜覆盖，并且在氮化硅膜上形成具有较低折射率的二氧化硅膜。在硅、氮化硅及二氧化硅之间形成提供逐渐降低的折射率的界面，从而可减少界面处的反射。
由于在通过低温LP-CVD形成的氮化硅膜中减少了光衰减，从而期望得到提高的灵敏度。由于在具有侧壁间隔物的晶体管的半导体表面上形成蚀刻停止层，从而能够实现无边界接触。通过去除不会不利地影响光电二极管功能的区域中的氮化硅膜，可以增强氢退火的效果。
结合优选实施例描述了本发明。本发明不仅限于上述实施例。对于本领域的技术人员而言，显然可进行其他各种修改、改进、组合等。

Claims (17)

1.一种半导体图像传感器，包括：
半导体衬底，其具有许多个像素，所述半导体衬底包括第一区和第二区，所述第一区包含光电二极管的电荷聚积区和浮动扩散区，所述第二区包含均具有栅极和源极/漏极区的多个晶体管；
第一二氧化硅膜，其形成在所述半导体衬底上方，覆盖所述第一区中的所述电荷聚积区的表面，并形成为所述第二区中至少一些晶体管的栅极侧壁上的侧壁间隔物；以及
氮化硅膜，其形成所述第一二氧化硅膜上方，覆盖所述第二区中的源极/漏极区并且至少在所述第一区中的所述电荷聚积区上方的区域中具有开口。
2.如权利要求1所述的半导体图像传感器，还包括导电塞，其穿过所述氮化硅膜，并且在所述第二区中的所述至少一些晶体管的源极/漏极区上形成无边界接触。
3.如权利要求1所述的半导体图像传感器，还包括第二二氧化硅膜，其具有30nm或更薄的厚度，并且形成在所述氮化硅膜与所述第二区中的所述至少一些晶体管的源极/漏极区之间。
4.如权利要求1所述的半导体图像传感器，还包括硅化物层，其形成在所述第二区中的所述至少一些晶体管的源极/漏极区上，其中所述第一区不具有所述硅化物层。
5.如权利要求1所述的半导体图像传感器，其中所述第一区包括包含所述第一二氧化硅层与所述氮化硅层的叠层的部分。
6.如权利要求1所述的半导体图像传感器，其中所述开口露出所述浮动扩散区上方的至少部分区域。
7.一种半导体图像传感器，包括：
半导体衬底，其具有许多个像素，所述半导体衬底包括第一区以及第二区，所述第一区包含光电二极管的电荷聚积区和浮动扩散区，所述第二区包含均具有栅极和源极/漏极区的多个晶体管；
第一氮化硅膜，其形成在所述半导体衬底上方，覆盖所述第一区中的所述电荷聚积区的表面，并形成为所述第二区中至少一些晶体管的栅极侧壁上的侧壁间隔物；
第二氮化硅膜，其形成所述第一氮化硅膜上方，并覆盖所述第二区中的所述至少一些晶体管的源极/漏极区；以及
导电塞，其穿过所述第二氮化硅膜，并且在所述第二区中的所述至少一些晶体管的源极/漏极区上形成无边界接触。
8.如权利要求7所述的半导体图像传感器，其中所述第一和第二氮化硅膜的至少其中之一是在550℃或更低的温度下通过低压CVD形成的膜。
9.如权利要求7所述的半导体图像传感器，还包括二氧化硅膜，其具有30nm或更薄的厚度，并且形成在所述第二氮化硅膜与所述第二区中的所述至少一些晶体管的源极/漏极区之间。
10.如权利要求7所述的半导体图像传感器，还包括硅化物层，其形成在所述第二区中的所述至少一些晶体管的源极/漏极区上，其中所述第一区不具有所述硅化物层。
11.一种半导体图像传感器，包括：
半导体衬底，其具有许多个像素，所述半导体衬底包括第一区和第二区，所述第一区包含光电二极管的电荷聚积区和浮动扩散区，所述第二区包含电荷检测电路，所述电荷检测电路用于检测从所述电荷聚积区到所述浮动扩散区转移的电荷，并由均具有栅极和源极/漏极区的多个晶体管构成；
第一绝缘膜，其形成在所述半导体衬底上方，覆盖所述第一区中的所述电荷聚积区的表面，并形成为所述第二区中至少一些晶体管的栅极侧壁上的侧壁间隔物；以及
第二绝缘膜，其形成所述第一绝缘膜上方，并覆盖所述第二区中的所述至少一些晶体管的源极/漏极区。
12.如权利要求11所述的半导体图像传感器，其中所述第一和第二绝缘膜由不同材料制成。
13.如权利要求12所述的半导体图像传感器，其中所述第一绝缘膜是二氧化硅膜，而所述第二绝缘膜是氮化硅膜。
14.如权利要求11所述的半导体图像传感器，其中所述第二绝缘膜至少在所述第一区中的所述电荷聚积区上方的区域中具有开口。
15.如权利要求13所述的半导体图像传感器，其中所述第一和第二绝缘膜由氮化硅或氧氮化硅制成。
16.如权利要求11所述的半导体图像传感器，还包括多个导电塞，每个导电塞穿过所述第二绝缘膜，并且在所述第二区中的所述至少一些晶体管的源极/漏极区上形成无边界接触。
17.如权利要求11所述的半导体图像传感器，还包括硅化物层，其形成在所述第二区中的所述至少一些晶体管的源极/漏极区上，其中所述第一区不具有所述硅化物层。
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