JP2008016723A - 固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面にシリサイドが形成された浮遊拡散層での接合リーク電流を低減し、白キズ等の発生を抑制することができる固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置を提供する。
【解決手段】浮遊拡散層６０を構成する第１の不純物領域２２をイオン注入により形成する。また、周辺回路に属するトランジスタのソース領域あるいはドレイン領域を構成する第２の不純物領域７２をイオン注入により形成する。さらに、第１の不純物領域２２および第２の不純物領域７２の表面部に、半導体基板３の構成元素と高融点金属元素との化合物層２４、７４を形成する。第１の不純物領域２２を形成するイオン注入は、化合物層２４の格子定数と半導体基板３の格子定数との不整合による応力を緩和するとともに、半導体基板内３に発生する格子間原子がクラスタを形成することのない条件で行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディジタルカメラ等に使用される固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置に関する。

ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型固体撮像装置は、フォトダイオードにより検出された信号を増幅するＭＯＳトランジスタを各画素に備えているため、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型固体撮像装置に比べて高感度であるという特徴を有している。

図５（ａ）は、ＭＯＳ型固体撮像装置の構成を模式的に示す回路図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）の単位画素部分を拡大して示す回路図である。図５（ａ）に示すように、ＭＯＳ型固体撮像装置の感光領域２００は、２次元状に配列された複数の単位画素２０１により構成されている。また、感光領域２００の周囲には、列方向に画素を選択する垂直シフトレジスタ２１０、行方向に画素を選択する水平シフトレジスタ２２０、および垂直シフトレジスタと水平シフトレジスタとにタイミングパルスを供給するパルス発生回路２３０等の周辺回路が配置されている。また、図５（ｂ）に示すように、単位画素２０１は、フォトダイオード１１０、転送トランジスタ１２０、リセットトランジスタ１３０、増幅トランジスタ１４０、および列選択トランジスタ１５０により構成されている。

ＭＯＳ型固体撮像装置の一種であるＣＭＯＳ（Complementary-MOS）イメージセンサでは、周辺回路はＮ型ＭＯＳトランジスタとＰ型ＭＯＳトランジスタとを組み合わせたＣＭＯＳ論理回路により構成されている。一方、単位画素２０１を構成する転送トランジスタ１２０、リセットトランジスタ１３０、増幅トランジスタ１４０、および列選択トランジスタ１５０は、全てＮ型ＭＯＳトランジスタにより構成されている。また、周辺回路がＮ型ＭＯＳトランジスタのみで構成されたＭＯＳ型固体撮像装置も存在する。周辺回路をＮ型ＭＯＳトランジスタのみで構成した場合、ＭＯＳ型固体撮像装置は全てＮ型ＭＯＳトランジスタで構成されるため、製造工程が簡潔になる。

図６は、単位画素およびＮ型ＭＯＳトランジスタの構造を模式的に示す断面図である。図６では、単位画素として、フォトダイオードと転送トランジスタとを示している。また図中のＮ型ＭＯＳトランジスタは、半導体基板上に形成された転送トランジスタ以外のＮ型ＭＯＳトランジスタ、すなわち、増幅トランジスタ、列選択トランジスタ、あるいは周辺回路が含むＮ型ＭＯＳトランジスタを代表している。なお、図６では、図５に示した素子に同一の符号を付している。

図６に示すように、単位画素２０１とＮ型ＭＯＳトランジスタ１７０は、Ｐ型のウェル領域１０２（Ｐウェル１０２）が形成された半導体基板１０３表面部の素子分離１０１により区分された領域にそれぞれ形成されている。フォトダイオード１１０は、基板表面から順に、Ｐ型不純物領域１１５、Ｎ型不純物領域１１４を備える。そのＮ型不純物領域１１４をソース領域として、転送トランジスタ１２０が構成されている。転送トランジスタ１２０のドレイン領域は、浮遊拡散層（フローティングディフュージョン）１６０を構成している。浮遊拡散層１６０は、転送トランジスタ１２０のゲート電極１２３に隣接した低濃度不純物領域１２１と、当該低濃度不純物領域１２１と電気的に接続された高濃度不純物領域１２２とにより構成されている。本構成の単位画素は、フォトダイオード１１０において光電変換によって生成され、ＰＮ接合に蓄積された信号電荷（電子）を、転送トランジスタ１２０を導通状態にすることにより浮遊拡散層１６０に転送する。その浮遊拡散層１６０の電位を増幅トランジスタを介して読み出すことで画素信号が出力される（図５参照）。なお、浮遊拡散層１６０の電位を読み出すためのコンタクトは、浮遊拡散層１６０の高濃度不純物領域１２２上に形成される。

また、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ１７０のソース領域およびドレイン領域は、短チャネル効果を抑制するため、ゲート電極１７３の側から低濃度不純物領域１７１と高濃度不純物領域１７２とが設けられたＬＤＤ（Lighly Doped Drain）構造を有している。Ｎ型ＭＯＳトランジスタ１７０のソース領域およびドレイン領域と導通を取るためのコンタクトは、各領域の高濃度不純物領域１７２上に形成される。

以上のようなＭＯＳ型固体撮像装置の製造工程では、ＭＯＳトランジスタとフォトダイオードの両方を形成する必要がある。そのため、一般にＭＯＳロジック製造プロセスにフォトダイオード形成工程を追加する手法が用いられる。この場合、浮遊拡散層１６０の高濃度不純物領域１２２およびＮ型ＭＯＳトランジスタの高濃度不純物領域１７２は、同一工程で同時に形成される。また、ＭＯＳロジック製造プロセスでは、ソース領域とのコンタクトやドレイン領域とのコンタクトの寄生抵抗を低減するために、高濃度不純物領域１７２上に金属シリサイド層１７４が形成される。このため、フォトダイオード形成工程を単純に追加したＭＯＳロジック製造プロセスでは、浮遊拡散層１６０の高濃度不純物領域１２２上にも金属シリサイド層１２４が形成される。

浮遊拡散層１６０の高濃度不純物領域１２２上に金属シリサイド層１２４が形成されると、結晶欠陥に起因する接合リーク電流が増加する。当該接合リーク電流は浮遊拡散層１６０の電位を変動させ、画素信号にノイズを重畳させる。ＭＯＳ型固体撮像装置では、接合リーク電流により変動した浮遊拡散層の電位が増幅され、いわゆる白キズ等の固定パターンノイズが発生する。この対策として、浮遊拡散層の高濃度不純物領域上には、金属シリサイド層を設けない構造が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。
特開２００１−１１１０２２号公報

しかしながら、浮遊拡散層１６０の高濃度不純物領域１２２上に金属シリサイド層１２４を設けない場合、浮遊拡散層１６０に接続されるコンタクトの寄生抵抗が増加する。コンタクトの寄生抵抗が大きくなると、浮遊拡散層１６０からの出力信号が低下し、結果的に固体撮像装置の感度が低下する。特に、近年、ＭＯＳトランジスタの微細化に伴って、薄層化された浮遊拡散層では、金属シリサイド層を設けることなく浮遊拡散層１６０とのコンタクトを形成すると、寄生抵抗が著しく増大してしまう。このため、浮遊拡散層１６０の高濃度不純物領域１２２上に金属シリサイド層１２４を形成した場合であっても、接合リーク電流を発生させない構造が必要とされている。

浮遊拡散層上に金属シリサイド層を形成した場合に発生する接合リーク電流は、結晶欠陥を介して流れることが知られている。図７は、浮遊拡散層上に金属シリサイド層を形成した場合に形成される結晶欠陥を模式的に示す断面図である。図７では、半導体基板上の素子分離をＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造としている。

例えば、金属シリサイド層６０４がコバルトシリサイド（ＣｏＳｉ₂）である場合、金属シリサイド層６０４は、単結晶シリコンの一部のシリコン原子がコバルト原子に置換された結晶構造を有している。この場合、金属シリサイド層６０４（コバルトシリサイド）と高濃度不純物領域６０２（不純物が導入されたシリコン基板）との界面では格子定数の不整合が生じる。このため、金属シリサイド層６０４と高濃度不純物領域６０２との界面に結晶欠陥が発生する。特に、素子分離６０１がＳＴＩ構造である場合、ＳＴＩと直角に近い角度で接触する個所に応力が集中することが知られている。このため、金属シリサイド層６０４直下の高濃度不純物領域６０２の素子分離６０１側端部では、より多くの積層欠陥（面状の格子欠陥）６０５が発生する。

また、上述のような浅い接合を有する高濃度不純物領域６０２を形成するためのイオン注入では、低注入エネルギー、かつ高ドーズ量の注入条件が採用されている。そのような注入条件を採用したイオン注入では、アニール処理により非晶質状態から結晶性を回復させる際に、再結晶化できないシリコン基板中（高濃度不純物領域６０２中）のシリコン原子が増加する。そのような再結晶化できないシリコン原子は格子間原子となる。過剰になった格子間原子は、シリコン単結晶基板の｛３１１｝結晶面上(例えば、図７の破線６１０に沿った方向)でクラスタ化して、ロッド状の積層欠陥を発生させる。例えば、コバルト（Ｃｏ）を用いて金属シリサイド層６０４を形成する場合、積層欠陥が発生していると、その積層欠陥の周囲の格子歪みによりＣｏの拡散が促進される。同時に、Ｃｏは、積層欠陥中の過剰な格子間原子と反応し、結晶面６１０に沿った方向にＣｏの析出を伴う積層欠陥（Ｃｏ析出）６０６を形成する。このような、積層欠陥６０６が高濃度不純物領域６０２とＰウェル６０３との接合の空乏層内に存在すると、バンド間トンネリングによる接合リークが発生するようになる。

固体撮像装置では、以上のようにして発生する接合リーク電流に起因して変動した浮遊拡散層の電位が増幅されて画素信号となる。このため、通常のＮ型ＭＯＳトランジスタの動作では問題が発生しない程度のわずかな接合リーク電流であっても、当該接合リーク電流の発生により、固体撮像装置の感度は低下してしまう。また、ＭＯＳ型固体撮像装置では、再生画面上で出力の大きい白い点状欠陥（白キズ）が生じてしまう。

本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、浮遊拡散層上に金属シリサイド層を形成した場合であっても、接合リーク電流の発生を抑制することができる固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、光電変換により生成された信号電荷を浮遊拡散層に転送し、当該浮遊拡散層の電位に応じた信号を出力する複数の画素と、浮遊拡散層と同一導電型のトランジスタを含む周辺回路とを半導体層上に備えた固体撮像装置の製造方法を前提としている。そして、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、浮遊拡散層を構成する第１の不純物領域をイオン注入により形成する。また、周辺回路に属するトランジスタのソース領域あるいはドレイン領域を構成する第２の不純物領域をイオン注入により形成する。さらに、第１および第２の不純物領域の表面部に、上記半導体層の構成元素と高融点金属元素との化合物層を形成する。この構成において、第１の不純物領域を形成するイオン注入は、上記化合物層の格子定数と上記半導体層の格子定数との不整合による応力を緩和するとともに、上記半導体層内に発生する格子間原子がクラスタを形成することのない条件で行われる。ここで、周辺回路に属するトランジスタとは、上記半導体層上に形成された、光電変換により生成された信号電荷を浮遊拡散層に転送する転送トランジスタ以外のトランジスタを指す。また、半導体層内に発生する格子間原子がクラスタを形成することのない条件とは、上記化合物層形成時にクラスタが形成されていない条件を指す。すなわち、イオン注入直後に形成されていたクラスタが、その後に消滅する場合を含む。

例えば、半導体層が単結晶シリコンである場合、半導体層内に発生する格子間原子クラスタが熱処理時に消滅できる条件は、上記第１の不純物領域の最大不純物濃度が５Ｅ２０／ｃｍ³以下である。また、上記第１の不純物領域がＮ型である場合、第１の不純物領域形成のために導入される元素がリンであることが好ましい。リン以外の元素を導入する場合であっても、低ドーズ量でイオン注入を行うことにより、化合物層の格子定数と上記半導体層の格子定数との不整合による応力を緩和することができる。本構成は、上記画素が、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造の素子分離に区分された半導体層上の領域に形成される場合、特に好適である。

また、本発明に係る他の固体撮像装置の製造方法では、まず、半導体層の表面部に、フォトダイオード形成領域およびトランジスタ形成領域を区分する素子分離が形成される。そのフォトダイオード形成領域には、上記半導体層と逆導電型の不純物領域を形成することにより、フォトダイオードが形成される。また、半導体層上には、上記信号電荷の転送を行う転送トランジスタのゲート電極および周辺回路に属するトランジスタのゲート電極が、ゲート絶縁膜を介して形成される。上記フォトダイオードの表面には、表面リーク抑制用の半導体層と同一導電型の不純物領域が形成される。

次いで、浮遊拡散層を構成する、上記半導体層と逆導電型の第１の低濃度不純物領域がイオン注入により形成される。また、周辺回路に属するトランジスタのゲート電極の両側に位置する半導体層には、当該半導体層と逆導電型の第２の低濃度不純物領域がイオン注入により形成される。その後、半導体層上の全面に絶縁膜が堆積され、絶縁膜上に、フォトダイオードを被覆するマスクパターンが形成される。そのマスクパターンをマスクとした絶縁膜の異方性エッチングにより、転送トランジスタのゲート電極の第１の低濃度不純物領域側側面、および前記周辺回路に属するトランジスタのゲート電極の両側面にサイドウォールが形成される。そして、浮遊拡散層を構成する、上記半導体層と逆導電型の第１の高濃度不純物領域が、転送トランジスタのゲート電極および当該ゲート電極側面のサイドウォールをマスクとしたイオン注入により形成される。また、周辺回路に属するトランジスタのゲート電極の両側に位置する半導体層には、当該ゲート電極および当該ゲート電極両側のサイドウォールをマスクとしたイオン注入により、上記半導体層と逆導電型の第２の高濃度不純物領域が形成される。そして、第１および第２の高濃度不純物領域の表面部には、上記半導体層の構成元素と高融点金属元素との化合物層が形成される。本構成において、上記第１の高濃度不純物領域を形成するイオン注入は、上記化合物層の格子定数と上記半導体層の格子定数との不整合による応力を緩和するとともに、前記半導体層内に発生する格子間原子がクラスタを形成することのない条件で行われる。

一方、他の観点では、本発明は、固体撮像装置を提供することもできる。当該固体撮像装置は、半導体層上に、光電変換により生成された信号電荷を浮遊拡散層に転送し、当該浮遊拡散層の電位に応じた信号を出力する複数の画素を備える。そして、本発明に係る固体撮像装置は、上記浮遊拡散層の表面部に設けられた、上記半導体層の構成元素と高融点金属元素との化合物層を備える。また、上記浮遊拡散層は、上記化合物層と上記浮遊拡散層との界面に、上記化合物層の格子定数と上記半導体層の格子定数との不整合による応力を緩和する元素を導入することにより形成された高濃度不純物領域を有する。

本発明によれば、浮遊拡散層上に金属シリサイド層を形成した場合であっても、浮遊拡散層における結晶欠陥の発生を抑制することができる。この結果、接合リーク電流の発生を抑制することができ、白キズ等の発生を抑制することができる。したがって、高感度の固体撮像装置を、高い製造歩留まりで安定して製造することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態では、フォトダイオードとＮ型ＭＯＳトランジスタで構成される固体撮像装置の製造方法として本発明を具体化している。

（第１の実施形態）
図１および図２は、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の製造過程を示す工程断面図である。図１および図２では、単位画素とＮ型トランジスタとを半導体基板の表面部に並べて図示している。ここでは、Ｎ型トランジスタは、転送トランジスタ以外の半導体基板上のＮ型トランジスタを代表する。また、図１および図２では、図中左側から順に、フォトダイオード形成領域１０、転送トランジスタ形成領域２０、Ｎ型トランジスタ形成領域７０を配置している。上述のように、フォトダイオードのＮ型不純物領域は転送トランジスタのソース領域と共通であるため、ここでは、転送トランジスタのゲート電極とドレイン領域（浮遊拡散層６０、図２（ｄ）参照）とを転送トランジスタ形成領域２０として示している。

さて、本実施形態の固体撮像装置の製造工程では、図１（ａ）に示すように、まず、Ｎ型のシリコン基板からなる半導体基板３の表面部に公知の手法により素子分離１が形成される。ここでは、素子分離１はＳＴＩ構造を有している。素子分離１が形成された後、フォトダイオード形成領域１０、転送トランジスタ形成領域２０、およびＮ型トランジスタ形成領域７０にＰウェル２が形成される。その後、半導体基板３の表面にゲート絶縁膜（図示せず）が形成される。本実施形態では、ゲート絶縁膜として、膜厚が５ｎｍ〜１０ｎｍ程度のシリコン酸化膜を熱酸化法により形成している。当該ゲート絶縁膜上に減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により、膜厚が１８０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の導電性ポリシリコン膜が形成される。そのポリシリコン膜に対して公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を適用することにより、転送トランジスタのゲート電極２３およびＮ型トランジスタのゲート電極７３が形成される。なお、フォトダイオードを構成するＮ型不純物領域１４は、Ｐウェル２が形成されてからポリシリコン膜が堆積されるまでの間に、フォトダイオード形成領域１０に開口を有するマスクを通じたイオン注入法により形成される。あるいは、ゲート電極２３、７３を形成した後、フォトダイオード形成領域１０に開口を有するマスクを通じたイオン注入法によりＮ型不純物領域１４を形成することもできる。

次に、図１（ｂ）に示すように、転送トランジスタのゲート電極２３のソース側端部から所定の間隔おいた位置よりフォトダイオード形成領域１０（転送トランジスタのソース領域）の端部を規定する素子分離１にわたって開口が設けられたレジストパターン８１が形成される。レジストマスク８１は公知のフォトリソグラフィ技術により形成される。そのレジストパターン８１を通じたイオン注入によりＮ型不純物領域１４内にＰ型不純物領域１５が形成される。

続いて、図１（ｃ）に示すように、転送トランジスタのドレイン領域の高濃度不純物に開口を有するレジストパターン８２が形成される。ここでは、レジストパターン８２の開口端を、転送トランジスタのゲート電極２３上と、転送トランジスタのドレイン領域端を規定する素子分離１上に配置している。そのレジストパターン８２を通じたイオン注入により、転送トランジスタのドレイン領域（浮遊拡散層６０、図２参照）の一部を構成するＮ型の低濃度不純物領域２１が形成される。ここでは、注入エネルギーが３０ｋｅＶ、ドーズ量が２Ｅ１３／ｃｍ²の注入条件でリン（Ｐ）をイオン注入している。

その後、図１（ｄ）に示すように、Ｎ型トランジスタのソース領域およびドレイン領域に開口を有するレジストパターン８３がフォトリソグラフィ技術を用いて形成される。そのレジストパターン８３をマスクとして、半導体基板３にＮ型の不純物が導入され、Ｎ型トランジスタのソース領域およびドレイン領域の一部を構成する低濃度不純物領域７１が形成される。ここでは、注入エネルギーが５０ｋｅＶ、ドーズ量が４Ｅ１３／ｃｍ²の注入条件でリンをイオン注入している。

イオン注入が完了すると、半導体基板３上の全面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等からなる絶縁膜がＣＶＤ法等により堆積される。次いで、図２（ａ）に示すようにフォトダイオード形成領域１０を被覆するレジストパターン８４がフォトリソグラフィ等により形成され、そのレジストパターン８４をマスクとして、絶縁膜に対してＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によるエッチバックが行われる。これにより、ゲート電極２３のドレイン側の側面にサイドウォール２５が形成され、ゲート電極７３の両側にサイドウォール７５が形成される。同時に、フォトダイオード形成領域１０を被覆する被覆膜１６が形成される。なお、被覆膜１６上のレジストパターン８４は、サイドウォール２５、７５の形成が完了した後、アッシング等により除去される。

この後図２（ｂ）に示すように、Ｎ型トランジスタ形成領域７０に開口を有するレジストパターン８５がフォトリソグラフィ等により形成される。当該状態で半導体基板３にヒ素（Ａｓ）がイオン注入等により導入され、Ｎ型トランジスタのソース領域およびドレイン領域の一部を構成するＮ型の高濃度不純物領域７２が形成される。当該イオン注入により、ＬＤＤ構造を有するＮ型トランジスタのソース領域およびドレイン領域が完成する。なお、ヒ素のイオン注入は、注入エネルギーが５０ｋｅＶ、ドーズ量が２Ｅ１５／ｃｍ²の注入条件で行われる。これにより、接合深さが１２０ｎｍ程度で、最大濃度が６．２Ｅ２０／ｃｍ³程度の高濃度不純物領域７２が形成される。

レジストパターン８５が除去された後、半導体基板３上に、Ｎ型トランジスタ形成領域７０を被覆するレジストパターン８６が形成される。当該状態で、イオン注入により半導体基板３にリンが導入され、図２（ｃ）に示すように、転送トランジスタのドレイン領域（浮遊拡散層６０）を構成する高濃度不純物領域２２が形成される。当該イオン注入により、ＬＤＤ構造を有する転送トランジスタのドレイン領域（浮遊拡散層６０）が完成する。なお、リンのイオン注入は、注入エネルギーが５０ｋｅＶ、ドーズ量が８Ｅ１３／ｃｍ²の注入条件で行われる。これにより、接合深さが１５０ｎｍ程度で、最大濃度が９．０Ｅ１８／ｃｍ³程度の高濃度不純物領域２２が形成される。リンイオン注入後には、レジストパターン８６をアッシング等により除去した後、８５０℃で４５分間の活性化アニール処理が行われる。

活性化アニール処理が完了すると、コバルトからなる高融点金属材料が半導体基板３上に堆積され、ランプアニールが行われる。これにより、図２（ｄ）に示すように、コバルトが直接接触するシリコン基板やポリシリコン（ゲート電極）に金属シリサイド層が形成される。本実施形態では、高濃度不純物領域２２、７２の表面にコバルトシリサイドからなる金属シリサイド層２４、７４が形成される。また、ゲート電極２３、７３の上面にもコバルトシリサイド層が形成される。なお、コバルトシリサイドは２段階アニール法を用いて形成される。本実施形態では、１ｓｔアニールが４９０℃で６０秒間、２ｎｄアニールが８４０℃で１０秒間である。また、シリコン基板やポリシリコンと未反応の高融点金属材料は、１ｓｔアニール後に、ウェットエッチング等により選択的に除去される。以降、半導体基板３の全面に層間絶縁膜が堆積された後、金属シリサイド層２４、７４上にコンタクトホールが形成される。さらに、上層配線の形成を行なうことでＭＯＳ型固体撮像装置が完成する。

以上説明したように、本実施形態では、浮遊拡散層６０を形成するイオン種としてリンを使用している。このように、リンを用いることで、金属シリサイド層直下の素子分離端における積層欠陥６０５（図７参照）の発生を抑制することができる。これは、積層欠陥６０５の発生が、ヒ素をイオン種として用いることにより増長すると考えられるためである。

比較的高濃度のヒ素をイオン注入した半導体基板に対してアニール処理を行うことにより結晶性を回復させると、ヒ素注入領域におけるシリコン基板の格子定数が大きくなることが知られている。文献値によれば、ヒ素とシリコンの原子間距離は０．２４１ｎｍとなり、シリコンの原子間距離である０．２３５ｎｍよりも長くなる（A. Parisini, A. Bourret, A. Armigliato, M. Servidori, S. Solmi, R. Fabbri, J. R. Regnard, and J. L. Allain, Journal of Applied Physics 67, 2320-2332 (1990)）。そのためアニール処理時、ヒ素が注入されたシリコン基板領域には圧縮応力が作用し、砒素が注入されていないシリコン基板領域には引っ張り応力が作用する。このため、シリコン基板内部には結晶の歪みが生じる。さらに、高濃度不純物領域上に金属シリサイド層を形成する場合、金属シリサイド層と不純物注入がなされていないシリコン領域との格子定数差よりも、金属シリサイド層とヒ素が注入され格子定数が大きくなったシリコン領域の方が大きくなる。そのため金属シリサイド層とシリコン領域との界面では、より強い圧縮応力が働くようになり、結晶の歪みがさらに大きくなる。上述のように、この結晶の歪みは、素子分離端で顕著に発生し、素子分離端に積層欠陥６０５が発生する。この現象は、浮遊拡散層の表面にコバルトシリサイドを形成するときだけでなく、その他のシリサイド材料（チタン、タングステン、タンタル、ニッケル、白金、モリブデン、パラジウム等）により金属シリサイド層を形成する場合にも同様に発生する。

本実施形態では、格子定数がシリコンとほぼ同等であるリンをイオン注入することにより浮遊拡散層を形成している。このため、不純物注入がなされたシリコン領域と不純物注入がなされていないシリコン領域との格子定数差は、ヒ素をイオン注入した場合に比べて小さくなっている。その結果、金属シリサイド層と高濃度不純物領域との格子定数差による結晶の歪み（応力）を緩和することができ、金属シリサイド層直下の素子分離端における積層欠陥の発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、上述のように、浮遊拡散層を構成する低濃度不純物領域２１および高濃度不純物領域２２の両方を、リンを１Ｅ１５／ｃｍ²以下の低ドーズ量でイオン注入しているため、最大不純物濃度は５Ｅ２０／ｃｍ³以下になっている。このため、後で詳述するように、浮遊拡散層底部の接合付近におけるＣｏ析出を伴う積層欠陥６０６（図７参照）の発生を低減する効果も有している。

さらに、本実施形態では、Ｎ型トランジスタのソース領域およびドレイン領域を構成する低濃度不純物領域７１および高濃度不純物領域７２を、転送トランジスタのドレイン領域と異なるイオン種をイオン注入することにより形成できる。このため、浮遊拡散層の不純物プロファイルと、Ｎ型トランジスタのソース領域あるいはドレイン領域の不純物プロファイルを異ならせることができる。すなわち、Ｎ型トランジスタの電気特性を低下させることなく、浮遊拡散層における接合リーク電流の発生を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、格子定数がほぼシリコンと同じであるリンをイオン注入することにより浮遊拡散層の高濃度不純物領域を形成するため、アニール処理時に発生する格子歪みを低減させることができる。したがって、素子分離端における結晶欠陥の発生を抑制することができる。また、浮遊拡散層底部の接合付近で発生するＣｏ析出を伴う結晶欠陥の発生も抑制することができる。この結果、高感度な固体撮像装置を高い製造歩留まりで形成することができる。

なお、上記実施形態では、Ｎ型トランジスタのソース領域およびドレイン領域と浮遊拡散層とを異なる注入条件で形成したが、Ｎ型トランジスタのソース領域およびドレイン領域を、上述の浮遊拡散層の形成条件と同条件で形成することもできる。

（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、金属シリサイド層直下の素子分離端における積層欠陥の発生を抑制するため、浮遊拡散層の高濃度不純物領域をリンをイオン注入することで形成した。しかしながら、ヒ素等の他のイオン種をイオン注入することにより浮遊拡散層を形成した場合であっても、特定の条件下であれば、金属シリサイド層の形成に起因する接合リーク電流の発生を抑制することができる。そこで、第２の実施形態では、浮遊拡散層の高濃度不純物領域をヒ素をイオン注入することにより形成する事例について説明する。

図３は、本実施形態の固体撮像装置の製造過程を示す工程断面図である。上述のように、本実施形態は、浮遊拡散層の高濃度不純物領域を形成するイオン注入のイオン種にヒ素を用いる点が第１の実施形態と異なる。このため、図３において、第１の実施形態と同一の構造を有する部位に同一の符号を付し、以下での詳細な説明を省略する。なお、図１および図２と同様に、図３に示すＮ型トランジスタは、半導体基板上の転送トランジスタ以外のＮ型トランジスタを代表する。また、図３では、図１および図２と同様、図中左側から順に、フォトダイオード形成領域１０、転送トランジスタ形成領域２０、Ｎ型トランジスタ形成領域７０を配置している。

本実施形態の固体撮像装置の製造工程では、第１の実施形態において図１（ａ）〜図１（ｄ）および図２（ａ）を用いて説明した工程を経て、半導体基板３上に、Ｎ型トランジスタの高濃度不純物領域７２が形成される。図３（ａ）に示すように、以上の工程において、フォトダイオード形成領域１０には、Ｎ型不純物領域１４、Ｐ型不純物領域１５、および被覆膜１６が形成されている。また、転送トランジスタ形成領域２０には、ゲート電極２３、サイドウォール２５、および、低濃度不純物領域２１が形成されている。さらに、Ｎ型トランジスタ形成領域７０には、ゲート電極７３、サイドウォール７５、低濃度不純物領域７１、および高濃度不純物領域７２が形成されている。

この後、半導体基板３上に、Ｎ型トランジスタ形成領域７０を被覆するレジストパターン８６が形成される。当該状態で、イオン注入により半導体基板３にヒ素が導入され、図３（ｂ）に示すように、転送トランジスタのドレイン領域（浮遊拡散層６０）を構成する高濃度不純物領域２２ａが形成される。当該イオン注入により、ＬＤＤ構造を有する転送トランジスタのドレイン領域（浮遊拡散層６０）が完成する。ここでは、ヒ素のイオン注入は、注入エネルギーが５０ｋｅＶ、ドーズ量が１Ｅ１５／ｃｍ²の注入条件で行われる。これにより、接合深さが１２０ｎｍ程度、最大濃度が３．２Ｅ２０／ｃｍ³程度の高濃度不純物領域２２ａが形成される。なお、イオン注入後の活性化アニール条件は、８５０℃で４５分間である。

なお、浮遊拡散層を構成する高濃度不純物領域２２ａの接合深さは、１００ｎｍから１５０ｎｍであることが好ましい。これは、デバイスとしては、不純物領域の抵抗を低減させる必要があるためなるべく深くまで不純物領域を形成する必要があるが、深い接合を形成すると不純物領域が横方向に広ってゲート電極下まで到達し、ＧＩＤＬ（gate induced drain leakage）電流が増大してしまうからである。サイドウォール長が概ね７０〜８０ｎｍで形成される場合、横方向広がりをサイドウォール長以下に抑制しようとすると、接合深さは１００ｎｍから１５０ｎｍとなる。

活性化アニール処理が完了すると、コバルトからなるシリサイド材料を半導体基板３上に堆積してランプアニールを行うことにより、コバルトが直接接触するシリコン基板やポリシリコンに金属シリサイド層２４、７４を形成する。本実施形態では、図３（ｃ）に示すように、高濃度不純物領域２２ａ、７２の表面にコバルトシリサイドからなる金属シリサイド層２４、７４が形成される。また、ゲート電極２３およびゲート電極７３の上面にも金属シリサイド層が形成される。なお、コバルトシリサイドは２段階アニール法を用いて形成される。本実施形態では、１ｓｔアニールが４９０℃で６０秒間、２ｎｄアニールが８４０℃で１０秒間である。また、１ｓｔアニール後に、ウェットエッチング等によりシリコン基板やポリシリコンと未反応の高融点金属が選択的に除去される。

上述したように、高濃度不純物領域２２ａの表面にコバルトシリサイドを形成した場合、半導体基板３内の格子間原子に起因して、Ｃｏ析出を伴う積層欠陥６０６（図７参照）が高濃度不純物領域２２ａに発生する。イオン注入のイオン種がヒ素である場合、５Ｅ１３／ｃｍ²を超えるドーズ量でイオン注入を行なうと、イオン注入領域に非晶質層が発生し始めることが知られている。ドーズ量が大きくなりイオン注入領域に非晶質層が形成されるようになると、アニール処理により非晶質状態から結晶性を回復させる際に、再結晶化できないシリコン原子が増加する。このようにして発生した格子間原子がシリコン基板内で過剰な状態になると、格子間原子はシリコン基板の｛３１１｝結晶面上でクラスタ化して、５０〜２００ｎｍの長さのロッド状の積層欠陥を発生させる。なお、格子間原子は他にも酸化工程により、シリコン中に導入されることが知られているが、イオン注入により発生する格子間原子が積層欠陥を形成する主要因である。

浮遊拡散層上部にコバルトを用いて金属シリサイド層を形成する際、シリコン基板中に積層欠陥が発生していると、その積層欠陥の周囲の格子歪みによりＣｏの拡散が促進される。このとき、Ｃｏは積層欠陥中の過剰な格子間原子と反応し、Ｃｏの析出物６０６を形成する。その析出物が高濃度不純物領域２２ａ底部の接合（空乏層）内に生成されると、浮遊拡散層での接合リークを引き起こす。例えば、Ｎ型トランジスタの高濃度不純物領域７２を形成する、注入エネルギーが５０ｋｅＶ、ドーズ量が２Ｅ１５／ｃｍ²の注入条件でヒ素をイオン注入すると、浮遊拡散層底部の接合内に積層欠陥６０６が発生し、接合リーク電流が流れるようになる。

図４は、浮遊拡散層をヒ素のイオン注入により形成した場合の注入直後のヒ素の最大濃度とリーク電流不良率との関係を示す図である。図４に示すように、注入直後のヒ素の最大濃度が５Ｅ２０／ｃｍ³を超えると不良が発生し始め、最大濃度の増大に伴不良率は急激に増大する。すなわち、上述の過剰な格子間原子の発生は、注入された不純物（ここではヒ素）の最大濃度に依存して増大する。そして、最大濃度が５Ｅ２０／ｃｍ³を超えるイオン注入が行われた場合に、格子間原子クラスタがその後の熱処理後まで消滅することなく残存してＣｏ析出を伴う積層欠陥６０６を発生させるのである。したがって、高濃度不純物域２２ａの最大不純物濃度を５Ｅ２０／ｃｍ³以下に低減することでＣｏ析出を伴う積層欠陥の発生を抑制することができる。本実施形態の場合、浮遊拡散層６０の最大不純物濃度は３Ｅ２０／ｃｍ³程度であり、Ｃｏ析出が抑制される。なお、Ｃｏ析出を抑制し、かつ、コンタクトの寄生抵抗を低くする観点では、浮遊拡散層の最大濃度は、１Ｅ２０／ｃｍ³から５Ｅ２０／ｃｍ³の範囲であることが好ましい。

また、上述したように、Ｃｏ析出はイオン注入による格子間原子の発生が主な原因である。そこで注入ドーズ量を一定にし、高濃度不純物領域２２ａの注入エネルギーを例えば６０ｋｅＶに増加することにより高濃度不純物領域２２ａにおけるヒ素の最大濃度を低減させ、Ｃｏ析出を抑制することも可能である。したがって、ヒ素のイオン注入は、浮遊拡散層内に発生するＣｏ析出を抑制可能な注入条件、すなわち、高濃度不純物領域２２ａの最大濃度が５Ｅ２０／ｃｍ³以下となる注入条件の範囲内で実施することができる。

また、ヒ素の最大濃度を低減することにより、高濃度不純物領域２２ａでは、ヒ素原子とシリコン原子とが置換される格子位置が減少する。このため、金属シリサイド層２４と高濃度不純物領域２２ａとの格子定数差により生じる応力は、高濃度の注入が行われた場合よりも緩和される。すなわち、第１の実施形態で説明した、金属シリサイド層直下の素子分離端における格子定数の不整合による応力を緩和することができ、積層欠陥６０５の発生を抑制することも可能となる。

なお、金属シリサイド層２４、７４が形成された半導体基板３の全面には、層間絶縁膜が堆積された後、金属シリサイド層２４、７４上コンタクトホールが形成され、上層配線の形成を行なうことでＭＯＳ型固体撮像装置が完成する。

以上のように、本実施形態によれば、浮遊拡散層の高濃度領域をヒ素を用いて形成する際、その不純物ドーズ量や注入エネルギーを、Ｃｏ析出を伴う結晶欠陥の発生を抑制可能な条件に設定するため、浮遊拡散層において接合リークが発生することを抑制できる。また、素子分離端における結晶欠陥の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態では、Ｎ型トランジスタのソース領域およびドレイン領域と浮遊拡散層とを異なる注入条件で形成したが、Ｎ型トランジスタのソース領域およびドレイン領域を、上述の浮遊拡散層の形成条件（最大濃度が５Ｅ２０／ｃｍ³以下となる注入条件）で形成することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、浮遊拡散層を構成する高濃度不純物領域上に金属シリサイド層を形成した場合であっても、浮遊拡散層における積層欠陥の発生を抑制することができる。この結果、接合リーク電流の発生を抑制することができ、高感度の固体撮像装置を安定して製造することができる。

なお、本発明は、以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。本発明の特徴は、浮遊拡散層を形成するイオン注入が、半導体層の構成元素と高融点金属元素との化合物層（金属シリサイド層）の格子定数と半導体層の格子定数との不整合による応力を緩和するとともに、前記半導体層内に発生する格子間原子がクラスタを形成することのない条件で行われることである。したがって、その技術的思想を逸脱しない範囲において、上述の各工程で使用したプロセスを他の等価なプロセスに置換することが可能である。また、工程順を入れ替えることも、材料種を変更することも可能である。また、本発明は、ＭＯＳ型固体撮像装置の製造に特に好適であるが、浮遊拡散層を備える全ての固体撮像素子に適用することができる。その浮遊拡散層の構造を上記浮遊拡散層と同じにすることで、高感度の固体撮像装置を実現できる。

本発明は、高感度の固体撮像装置を安定して製造できるという効果を有し、固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置として有用である。

本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の製造過程を示す工程断面図 本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の製造過程を示す工程断面図 本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の製造過程を示す工程断面図 ヒ素のイオン注入により浮遊拡散層を形成した場合の最大濃度とリーク電流不良率の関係を示す図 ＭＯＳ型固体撮像装置の一例を示す回路図 従来の固体撮像装置の一例を示す断面図 積層欠陥を示す断面図

符号の説明

１、１０１ 素子分離
２、１０２ Ｐウェル
３、１０３ Ｎ型半導体基板
１０、１１０ フォトダイオード形成領域
１４、１１４ Ｎ型不純物領域
１５、１１５ Ｐ型不純物領域
１６ 被覆膜
２０、１２０ 転送トランジスタ形成領域
２１、１２１ 低濃度不純物領域
２２、２２ａ、１２２ 高濃度不純物領域
２３、１２３ ゲート電極
２４、１２４ 金属シリサイド層（コバルトシリサイド）
２５ サイドウォール
６０、１６０ 浮遊拡散層
７０、１７０ Ｎ型トランジスタ形成領域
７１、１７１ 低濃度不純物領域
７２、１７２ 高濃度不純物領域
７３、１７３ ゲート電極
７４、１７４ 金属シリサイド層（コバルトシリサイド）
７５ サイドウォール

Claims (11)

1. 半導体層上に、光電変換により生成された信号電荷を浮遊拡散層に転送し、当該浮遊拡散層の電位に応じた信号を出力する複数の画素と、前記浮遊拡散層と同一導電型のトランジスタを含む周辺回路とを備えた固体撮像装置の製造方法において、
   前記浮遊拡散層を構成する第１の不純物領域をイオン注入により形成する工程と、
   前記周辺回路に属するトランジスタのソース領域あるいはドレイン領域を構成する第２の不純物領域をイオン注入により形成する工程と、
   前記第１および第２の不純物領域の表面部に前記半導体層の構成元素と高融点金属元素との化合物層を形成する工程と、
   を有し、
   前記第１の不純物領域を形成するイオン注入が、前記化合物層の格子定数と前記半導体層の格子定数との不整合による応力を緩和するとともに、前記半導体層内に発生する格子間原子がクラスタを形成することのない条件で行われることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
2. 前記半導体層が単結晶シリコンであり、前記第１の不純物領域の最大不純物濃度が、１Ｅ２０／ｃｍ³から５Ｅ２０／ｃｍ³の間である請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 前記半導体層が単結晶シリコンであり、前記第１の不純物領域形成のために導入される元素がリンである請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
4. 前記第１の不純物領域の不純物プロファイルは、前記第２の不純物領域の不純物プロファイルと異なる請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記第１の不純物領域は、前記第２の不純物領域と異なる不純物種を用いて形成される請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
6. 前記第１の不純物領域の不純物濃度が、前記第２の不純物領域よりも低濃度である請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
7. 前記第１の不純物領域の接合深さが、１００ｎｍから１５０ｎｍの間である請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
8. 前記画素が、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造の素子分離に区分された前記半導体層上の領域に形成される請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記第１および第２の不純物領域は、低濃度不純物領域と高濃度不純物領域とを有し、前記化合物層が、前記高濃度不純物領域の表面にのみ形成された請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 半導体層上に、光電変換により生成された信号電荷を浮遊拡散層に転送し、当該浮遊拡散層の電位に応じた信号を出力する複数の画素と、前記浮遊拡散層と同一導電型のトランジスタを含む周辺回路とを備えた固体撮像装置の製造方法において、
    前記半導体層の表面部に、フォトダイオード形成領域およびトランジスタ形成領域を区分する素子分離を形成する工程と、
    前記フォトダイオード形成領域に前記半導体層と逆導電型の不純物領域を形成しフォトダイオードを形成する工程と、
    前記半導体層上に、前記信号電荷の転送を行う転送トランジスタおよび前記周辺回路に属するトランジスタのゲート電極を、ゲート絶縁膜を介して形成する工程と、
    前記フォトダイオードの表面に、前記半導体層と同一導電型の不純物領域を形成する工程と、
    前記浮遊拡散層を構成する、前記半導体層と逆導電型の第１の低濃度不純物領域をイオン注入により形成する工程と、
    前記周辺回路に属するトランジスタのゲート電極の両側に位置する半導体層に、前記半導体層と逆導電型の第２の低濃度不純物領域をイオン注入により形成する工程と、
    半導体層上の全面に絶縁膜を堆積する工程と、
    前記絶縁膜上に、フォトダイオードを被覆するマスクパターンを形成する工程と、
    前記マスクパターンをマスクとした前記絶縁膜に対する異方性エッチングにより、前記転送トランジスタのゲート電極の第１の低濃度不純物領域側側面、および前記周辺回路に属するトランジスタのゲート電極の両側面にサイドウォールを形成する工程と、
    前記浮遊拡散層を構成する、前記半導体層と逆導電型の第１の高濃度不純物領域を、前記転送トランジスタのゲート電極および当該ゲート電極側面のサイドウォールをマスクとしたイオン注入により形成する工程と、
    前記周辺回路に属するトランジスタのゲート電極の両側に位置する半導体層に、当該ゲート電極および当該ゲート電極両側のサイドウォールをマスクとしたイオン注入により、前記半導体層と逆導電型の第２の高濃度不純物領域を形成する工程と、
    前記第１および第２の高濃度不純物領域の表面部に前記半導体層の構成元素と高融点金属元素との化合物層を形成する工程と、
    を有し、
    前記第１の高濃度不純物領域を形成するイオン注入が、前記化合物層の格子定数と前記半導体層の格子定数との不整合による応力を緩和するとともに、前記半導体層内に発生する格子間原子がクラスタを形成することのない条件で行われることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
11. 半導体層上に、光電変換により生成された信号電荷を浮遊拡散層に転送し、当該浮遊拡散層の電位に応じた信号を出力する複数の画素を備えた固体撮像装置において、
    前記浮遊拡散層の表面部に設けられた、前記半導体層の構成元素と高融点金属元素との化合物層と、
    前記化合物層と前記浮遊拡散層との界面に、前記化合物層の格子定数と前記半導体層の格子定数との不整合による応力を緩和する元素を導入することにより形成された高濃度不純物領域を有する前記浮遊拡散層と、
    を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
    
    

Images