JP2005259784A

JP2005259784A - 固体撮像装置とその製造方法および固体撮像装置を用いたカメラ

Info

Publication number: JP2005259784A
Application number: JP2004065734A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Mori; 三佳森
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】半導体基板上に、撮像領域と、ＭＯＳトランジスタが設けられる周辺領域とを有する固体撮像装置の製造方法において、結晶性が劣化しない熱処理方法を提供する。
【解決手段】本発明の固体撮像装置の製造方法では、撮像領域であるＡ領域と、ＮＭＯＳトランジスタが設けられるＢ領域とに、ゲート絶縁膜４と、ゲート電極５, ６, ７と、ゲート電極７の側面上に設けられるサイドウォール１３と、各不純物拡散層８, ９, １０とを形成する。そして、シリコン基板１の上に、Ｃｏ等の金属を堆積した後、基板を炉に導入し、窒素雰囲気中において、４００℃〜５５０℃の温度まで加熱し、さらに、８００℃〜９３０℃の温度まで加熱することにより、シリサイド化を進行させる。本発明では、炉を用いて加熱を行うことにより、ＲＴＰと比較して温度の上昇・下降速度を遅くすることができるため、シリコン基板１の結晶性の劣化を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置とその製造方法および固体撮像装置を用いたカメラに関し、特に、半導体基板上に、複数の画素を有する撮像領域と、ＭＯＳトランジスタとが設けられた固体撮像装置とその製造方法およびカメラに関する。

ＭＯＳ型の固体撮像装置は、各画素に供給される信号を、ＭＯＳトランジスタを含む増幅回路によって増幅して読み出すイメージセンサである。固体撮像装置のうちＣＭＯＳプロセスで製造されるいわゆるＣＭＯＳイメージセンサは、低電圧、低消費電力であり、周辺回路とワン・チップ化ができるという長所を有している。そのため、近年では、ＣＭＯＳイメージセンサがＰＣ用小型カメラなどの携帯機器の画像入力素子として注目されている。

図３は、固体撮像装置の構成の一例を示す回路図である。この固体撮像装置は、複数の画素２６がマトリックス状に配列された撮像領域２７と、画素を選択するための垂直シフトレジスタ２８および水平シフトレジスタ２９と、垂直シフトレジスタ２８および水平シフトレジスタ２９に必要なパルスを供給するタイミング発生回路３０とを同一の基板上に備えている。

撮像領域２７内に配置する各画素２６では、フォトダイオードからなる光電変換部２１と、ソースが光電変換部２１に接続され、ドレインが増幅用トランジスタ２４のゲートに接続され、ゲートが垂直シフトレジスタ２８からの出力パルス線３１に接続された転送用トランジスタ２２と、ソースが転送用トランジスタ２２のドレインに接続され、ゲートが垂直シフトレジスタ２８からの出力パルス線３２に接続され、ドレインが電源３３に接続されるリセット用トランジスタ２３と、ドレインが電源３３に接続され、ゲートが転送用トランジスタ２２のドレインおよびリセット用トランジスタ２３のソースに接続される増幅用トランジスタ２４と、ドレインが増幅用トランジスタ２４のソースに接続され、ゲートが垂直シフトレジスタ２８からの出力パルス線３４に接続され、ソースが信号線３５に接続される選択用トランジスタ２５とが設けられている。

ここで、図３に示すような回路を構成する半導体装置の具体的な構造について、図４を参照しながら説明する。図４は、従来のＭＯＳ型固体撮像装置の構造を示す断面図である。

図４において、Ａ領域は撮像領域を示し、Ｂ領域はＣＭＯＳロジック領域を示している。Ａ領域においては、Ｐ型のシリコン基板１０１のうちトレンチ１０２によって囲まれる領域の上に、厚さ１０ｎｍ以下のゲート絶縁膜１０４を介して、電荷読み出し用のゲート電極１０５と、リセット用とアドレス用との両方の機能を有するゲート電極１０６と、電界効果トランジスタのゲート電極であるゲート電極１０７とが設けられている。ここで、図４に示す断面では、ゲート電極１０５およびゲート電極１０７が素子分離１０２の上に配置しているが、これらは図４に示す断面よりも奧のシリコン基板１０１の上に延びて、その領域でゲート電極として機能する。

シリコン基板１０１のうちゲート電極１０６の側方に位置する領域には、Ｎ型ドレイン領域１０８が設けられている。そして、シリコン基板１０１のうちの一部には、信号蓄積領域１１５が設けられている。

一方、Ｂ領域においては、シリコン基板１０１のうちの上部に、ＮＷＥＬＬ１０３ａおよびＰＷＥＬＬ１０３ｂが設けられている。そして、ＮＷＥＬＬ１０３ａの上には、厚さ１０ｎｍ以下のゲート絶縁膜１０４を介して、電界効果トランジスタのゲート電極１０７ａが設けられている。一方、ＰＷＥＬＬ１０３ｂの上にも、ゲート絶縁膜１０４を介して、電界効果トランジスタのゲート電極１０７ｂが設けられている。ゲート電極１０７ａ, １０７ｂの上面および側面上にはサイドウォール１１３が設けられている。

ＮＷＥＬＬ１０３ａのうちゲート電極１０７ａの両側方に位置する部分にはｐ型のＬＤＤ領域１０９が設けられ、サイドウォール１１３の両側方に位置する部分にはｐ型のソース・ドレイン領域１１０が設けられている。一方、ＰＷＥＬＬ１０３ｂのうちゲート電極１０７ｂの両側方に位置する部分にはｎ型のＬＤＤ領域１１９が設けられ、ＰＷＥＬＬ１０３ｂのうちサイドウォール１１３の両側方に位置する部分には、ソース・ドレイン領域１２０が設けられている。ソース・ドレイン領域１１０, １２０の上およびゲート電極１０７ａ, １０７ｂの上には、Ｃｏシリサイド膜１１６およびＣｏシリサイド膜１１７が設けられている。

以上に説明したように、従来の固体撮像装置では、ＣＭＯＳロジック領域とフォトダイオード領域とが隣接して設けられている。
特開２００１−３４５４３９号公報

しかしながら、上述した従来の固体撮像装置の製造方法では、以下のような不具合が生じていた。

図４に示すシリサイド層１１６, １１７を形成するためには、Ｃｏ等の金属を堆積した後に急速熱処理を行って、シリコン基板１０１およびゲート電極１０７ａ, １０７ｂと金属とを反応させる必要がある。しかしながら、この急速熱処理の際に、シリコン基板１０１の結晶性が悪化し、Ａ領域におけるフォトダイオードやＢ領域におけるＮチャネル型トランジスタおよびＰチャネル型トランジスタのいずれかの性能が悪化してしまっていた。そして、撮像領域において、白キズが増加し、リーク電流が生じてしまうという不具合が生じていた。

本発明は、シリサイド化を進行させることができ、かつ、各素子の特性を悪化させないような熱処理の手段を提供することを目的とする。

本発明の第１の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に、複数の単位画素が配列する撮像領域と、ＭＯＳトランジスタが設けられる周辺領域とを有する固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程（ａ）と、前記工程（ａ）の後に、前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）の後に、前記ゲート電極をマスクとしてイオン注入を行うことにより不純物注入層を形成する工程（ｃ）と、前記工程（ｃ）の後に、抵抗加熱を用いて熱処理を行う工程（ｄ）とを備える。

これにより、ＲＴＰ（Rapid Thermal Process）によって熱処理を行っていた場合と比較して、温度の上昇・下降速度が遅くなるため、結晶欠陥が生じにくい。そのため、白キズ数が低減され、リーク電流の発生が抑制される。

ここで、前記工程（ｄ）では、炉を用いて前記熱処理を行うことができる。

また、前記工程（ｃ）の後で前記工程（ｄ）の前に、前記半導体基板の上方に金属を堆積する工程（ｅ）をさらに備え、前記工程（ｄ）では、前記熱処理を行うことにより前記半導体基板の上部と前記金属とをシリサイド化してもよい。従来では、シリサイド化を進行させるための熱処理をＲＴＰによって行うことにより、特に結晶性の悪化が進行していたが、本発明において、この熱処理を抵抗加熱によって行うと、高い効果を得ることができる。

前記工程（ｅ）では、前記金属として少なくともコバルト、チタンまたはニッケルを用いることが好ましい。これらの金属を用いるとシリサイド化が進行しやすいため、ゲート幅が短いプロセスにおいても、低抵抗配線を実現することができる。

前記工程（ｄ）で行う前記熱処理は第１の熱処理であって、前記工程（ｄ）の後に、前記第１の熱処理よりも高い温度で第２の熱処理を行う工程をさらに備えていてもよい。この場合には、第１の熱処理においてシリサイド化を進行させ、第２の熱処理において、シリサイド化を好まない領域に残存するシリサイド膜を取り除くことができるため、ＭＯＳトランジスタの電気特性を向上させることができる。

前記工程（ｄ）では、前記熱処理における昇温速度および降温速度は、０．０１℃／秒から１℃／秒までの範囲内であることが好ましい。この場合には、白キズ数をさらに低減することができる。

本発明の第２の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、複数の単位画素が配列する撮像領域と、ＭＯＳトランジスタが設けられる周辺領域とを有する固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程（ａ）と、前記工程（ａ）の後に、前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）の後に、前記ゲート電極をマスクとしてイオン注入を行うことにより不純物注入層を形成する工程（ｃ）と、前記工程（ｃ）の後に、熱処理を行い、０．０１℃／秒から１℃／秒までの範囲の速度で降温する工程（ｄ）とを備える。

これにより、ＲＴＰ（Rapid Thermal Process）によって熱処理を行っていた場合と比較して、温度の下降速度が遅くなるため、結晶欠陥が生じにくい。そのため、白キズ数が低減され、リーク電流の発生が抑制される。

前記周辺領域に設けられる前記ＭＯＳトランジスタは全て、Ｎチャネル型トランジスタであることが好ましい。これにより、温度変化の遅い熱処理を行うことが可能であるためである。

前記周辺領域に設けられる前記ＭＯＳトランジスタは全てＰチャネル型トランジスタであってもよい。

周辺領域には、前記ＭＯＳトランジスタが複数設けられ、前記ＭＯＳトランジスタとして、Ｐチャネル型トランジスタおよびＮチャネル型トランジスタの両方が設けられていてもよい。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に、複数の単位画素が配列する撮像領域と、ＭＯＳトランジスタが設けられる周辺領域とを有する固体撮像装置であって、前記半導体基板の上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、前記半導体基板のうち前記ゲート電極の側方に配置する不純物注入層と、前記半導体基板の上に設けられたシリサイド層とを備え、前記シリサイド層は、抵抗加熱を用いた熱処理によって形成されている。

これにより、シリサイド層が、温度の上昇・下降速度の遅い熱処理によって形成されたため、半導体基板に含まれる結晶欠陥は少ない。したがって、この方法によって得られた固体撮像装置では、白キズ数が低減され、リーク電流の発生が抑制される。

前記熱処理は、炉の中で行われてもよい。

なお、このような固体撮像装置をカメラに用いると、高解像度を実現することができる。

本発明では、白キズ数が少なく、リーク電流の発生が抑制される固体撮像装置を得ることができる。

以下に、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置について、図面を用いて詳細に説明する。

（実施形態）
本実施形態では、０．３０μｍ以下の微細ＣＭＯＳプロセスを例に用いて説明を行う。

図１（ａ）, （ｂ）は、本発明の固体撮像装置の製造工程のうちシリサイド化を進行させるための熱処理を行う工程を示す断面図である。なお、図１（ａ）, （ｂ）において、Ａ領域は撮像領域を示しており、この領域には埋め込みフォトダイオードが設けられている。一方、Ｂ領域は周辺領域を示しており、この領域にはＮＭＯＳトランジスタが設けられている。

まず、図１（ａ）に示す構造を得るために以下の工程を行う。Ｐ型のシリコン基板１のうちの一部に、ＳＴＩ構造を有する素子分離領域２を形成し、Ｂ領域に位置するシリコン基板１の一部にＰＷＥＬＬ３を形成する。

その後、シリコン基板１の上に厚さ２〜１０ｎｍのゲート絶縁膜４を形成し、ゲート絶縁膜４の上にポリシリコンからなる厚さ５０〜５００ｎｍのゲート電極５, ６, ７を形成する。なお、Ａ領域におけるゲート電極５は電荷読み出し用トランジスタのゲートであり、ゲート電極６はリセット用とアドレス用との両方の機能を有するトランジスタのゲートであり、ゲート電極７は電界効果トランジスタのゲートである。ここで、図１（ａ）に示す断面では、ゲート電極５およびゲート電極７が素子分離２の上に配置しているが、これらは図１（ａ）に示す断面よりも奧のシリコン基板１の上に延びて、その領域でゲート電極として機能する。

その後、イオン注入を行うことにより、Ａ領域におけるシリコン基板１のうちゲート電極５の側方に位置する部分に不純物濃度１×１０⁷〜１×１０¹⁶／ｃｍ²のＮ型ドレイン領域８を形成し、Ｂ領域におけるＰＷＥＬＬ３のうちゲート電極７の側方に位置する部分に、不純物濃度１×１０¹¹〜１×１０¹⁶／ｃｍ²のＮ型ＬＤＤ領域９を形成する。その後、ゲート電極５の上面および側面上を覆うＳｉＯ₂膜またはＳｉＮ膜（図示せず）を形成してドライエッチングを行うことにより、ゲート電極５の側面上に、厚さ４０〜３００ｎｍのＳｉＯ₂またはＳｉＮからなるサイドウォール１３を形成する。このときのドライエッチングによって、ゲート絶縁膜４のうち露出している部分が除去される。

次に、Ａ領域の上をレジストマスク（図示せず）で覆った状態でイオン注入を行うことにより、ＰＷＥＬＬ３のうちサイドウォール１３の両側方に位置する領域にソース・ドレイン領域１０を形成する。

次に、Ｂ領域をレジストマスク（図示せず）で覆った状態で、Ａ領域におけるシリコン基板１のうちの一部にフォトダイオードの信号蓄積領域１５を形成する。その後、７００〜１０００℃の温度で３秒間〜１２０分間の熱処理を行うことにより、シリコン基板１に注入された不純物を活性化させる。以上の工程により図１（ａ）に示す構造が得られる。

次に、図１（ｂ）に示す工程で、配線抵抗の低抵抗化を目的として金属シリサイド化を行う。具体的には、Ａ領域をレジストマスクで覆った状態で、シリコン基板１およびゲート電極５, ６, ７の上に、Ｃｏ膜（図示せず）を堆積した後、基板を炉（図示せず）に導入し、窒素雰囲気中において４００℃〜５５０℃の温度まで加熱する（炉工程１）。これにより、シリコン基板１とＣｏ膜とが反応して、Ｂ領域におけるゲート電極７の上にＣｏシリサイド膜１６が、Ｂ領域におけるソース・ドレイン領域１０の上にＣｏシリサイド膜１７がそれぞれ形成される。なお、シリサイド金属として、Ｃｏの他にＴｉ、Ｎｉを用いてもよい。

次に、硫酸を用いて未反応のＣｏ膜を剥離除去した後、さらに、炉（図示せず）を用いて、基板を少なくとも窒素を含んだ雰囲気中において８００℃〜９３０℃の温度まで加熱する。この熱処理により、シリコン酸化膜等の上に位置する余分なシリサイド膜を除去する（炉工程２）。この結果、後に設ける配線（図示せず）およびコンタクト（図示せず）を低抵抗化することができる。なお、本実施形態において、炉において加熱するとは、抵抗体に電流を流すことにより生じた熱を用いて加熱することをいう。

図２は、シリサイド化のための２度の熱処理のそれぞれをＲＴＰによって行うか炉を用いて行うかによって白キズ数がどのように変化するかを示すグラフ図である。なお、図２に示す結果は、１００万画素の撮像素子を１０ｍＶ以上の出力で動作させて測定することにより得た。図２に示すように、２度の熱処理をＲＴＰによって行った場合には、白キズが９０００個も発生しているが、２度の熱処理のうちのいずれか１方を炉を用いた熱処理に変えることにより白キズが減少している。そして、炉を用いて２度の熱処理を行った場合には、温度の上昇・下降速度を遅くすることによって、白キズ数がより低減され、上昇・下降速度が１℃/秒の場合には白キズ数が２００個になり、上昇・下降速度が０．０１℃/秒の場合には白キズが５０になっている。これにより、１℃/秒から０．０１℃/秒までの範囲内で温度が上昇・下降する熱処理は、固体撮像装置として用いるのに特に適しているといえる。

以下に、本実施形態の方法により得られる効果について、従来と比較しながら説明する。従来では、シリサイド膜を形成する際の熱処理をＲＴＰによって行っていた。発明者は、ＲＴＰにより熱処理を行うと、急激に温度が変化するため結晶欠陥が誘発されやすく、白キズの増加が起こることを見いだした。

それに対し、本実施形態のように炉を用いて熱処理を行うと、温度の上昇・下降速度が遅くなるので結晶欠陥が生じにくく、白キズ数が低減され、リーク電流の発生が抑制される。

なお、本実施形態では、シリサイド化のための熱処理を炉工程１と炉工程２とに分けて行った。これは、炉工程１においてシリサイド化を進行させ、炉工程２において、シリサイド化されるのを好まない領域に残存するシリサイド膜を取り除くためである。しかしながら、本発明では、１回の炉工程によって熱処理を完了してもよいし、もちろん２回以上行ってもよい。

また、本実施形態では、熱処理の昇温速度および降温速度を遅くしたが、本発明では、降温速度のみを遅くしてもよい。

本発明の固体撮像装置は、白キズ数が低減され、リーク電流が発生しにくくなる点で産業上の利用可能性は高く、イメージセンサデバイスとして有用である。

（ａ）, （ｂ）は、本発明の固体撮像装置の製造工程のうちシリサイド化を進行させるための熱処理を行う工程を示す断面図である。シリサイド化のための２度の熱処理のそれぞれをＲＴＰによって行うか炉を用いて行うかによって白キズ数がどのように変化するかを示すグラフ図である。固体撮像装置の構成の一例を示す回路図である。従来のＭＯＳ型固体撮像装置の構造を示す断面図である。

符号の説明

１シリコン基板
２素子分離領域
３ＰＷＥＬＬ
４ゲート絶縁膜
５, ６, ７ゲート電極
８Ｎ型ドレイン領域
９Ｎ型ＬＤＤ領域
１０ソース・ドレイン領域
１１第１のサイドウォール
１２第２のサイドウォール
１３サイドウォール
１５信号蓄積領域
１６, １７Ｃｏシリサイド膜

Claims

半導体基板上に、複数の単位画素が配列する撮像領域と、ＭＯＳトランジスタが設けられる周辺領域とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
前記半導体基板の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
前記工程（ａ）の後に、前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の後に、前記ゲート電極をマスクとしてイオン注入を行うことにより不純物注入層を形成する工程（ｃ）と、
前記工程（ｃ）の後に、抵抗加熱を用いて熱処理を行う工程（ｄ）と
を備える、固体撮像装置の製造方法。
請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記工程（ｄ）では、炉を用いて前記熱処理を行う、固体撮像装置の製造方法。
請求項１または２に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記工程（ｃ）の後で前記工程（ｄ）の前に、前記半導体基板の上方に金属を堆積する工程（ｅ）をさらに備え、
前記工程（ｄ）では、前記熱処理を行うことにより前記半導体基板の上部と前記金属とをシリサイド化する、固体撮像装置の製造方法。
請求項３に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記工程（ｅ）では、前記金属として少なくともコバルト、チタンまたはニッケルを用いる、固体撮像装置の製造方法。
請求項３または４に記載の固体撮像装置であって、
前記工程（ｄ）で行う前記熱処理は第１の熱処理であって、
前記工程（ｄ）の後に、前記第１の熱処理よりも高い温度で第２の熱処理を行う工程をさらに備える、固体撮像装置の製造方法。
請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記工程（ｄ）では、前記熱処理における昇温速度および降温速度は、０．０１℃／秒から１℃／秒までの範囲内である、固体撮像装置の製造方法。
半導体基板上に、複数の単位画素が配列する撮像領域と、ＭＯＳトランジスタが設けられる周辺領域とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
前記半導体基板の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
前記工程（ａ）の後に、前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の後に、前記ゲート電極をマスクとしてイオン注入を行うことにより不純物注入層を形成する工程（ｃ）と、
前記工程（ｃ）の後に、熱処理を行い、０．０１℃／秒から１℃／秒までの範囲の速度で降温する工程（ｄ）と
を備える、固体撮像装置の製造方法。
請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記周辺領域に設けられる前記ＭＯＳトランジスタは全て、Ｎチャネル型トランジスタである、固体撮像装置の製造方法。
請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記周辺領域に設けられる前記ＭＯＳトランジスタは全てＰチャネル型トランジスタである、固体撮像装置の製造方法。
請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
周辺領域には、前記ＭＯＳトランジスタが複数設けられ、
前記ＭＯＳトランジスタとして、Ｐチャネル型トランジスタおよびＮチャネル型トランジスタの両方が設けられている、固体撮像装置の製造方法。
半導体基板上に、複数の単位画素が配列する撮像領域と、ＭＯＳトランジスタが設けられる周辺領域とを有する固体撮像装置であって、
前記半導体基板の上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、
前記半導体基板のうち前記ゲート電極の側方に配置する不純物注入層と、
前記半導体基板の上に設けられたシリサイド層と
を備え、前記シリサイド層は、抵抗加熱を用いた熱処理によって形成された、固体撮像装置。
請求項１１に記載の固体撮像装置であって、
前記熱処理は、炉の中で行われる、固体撮像装置。
請求項１１または１２に記載された固体撮像装置を用いたカメラ。