JP2000299487A - 紫外線用受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】経時的に高信頼性の紫外線用受光素子を提供す
る。 【解決手段】ｎ⁺型シリコン基板１上にｎ^-型エピタキシ
ャル層２が形成され、このｎ^-型エピタキシャル層２に
ｐ型の第一の不純物層３、ｐ型のガードリング層４、ｎ
⁺型のチャネルストッパ層５、およびｎ型の第二の不純
物層６が形成され、ｎ^-型エピタキシャル層２上にシリ
コン酸化膜７が形成され、シリコン酸化膜７上に、金属
からなる、アノード電極８およびカソード電極９が形成
され、ｎ⁺型シリコン基板１の下面にカソード電極１０
が形成される。シリコン酸化膜７は、ガードリング層４
とチャネルストッパ層５との間隙に相当する範囲で厚く
形成され、この厚いシリコン酸化膜７は、カソード電極
９により覆われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外線に対して経
時的に高信頼性である紫外線用受光素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】紫外線受光素子は紫外線エネルギーを電
気エネルギーに変換する素子であり、受光素子に逆バイ
アスを印加することによって形成される空乏層およびそ
の近傍へ紫外線が入射することでキャリアが励起され、
このキャリアが逆バイアスにより生じた電界に従って移
動し光電流が発生する。

【０００３】図３に、ｎ⁺型シリコン基板１０１上にシ
リコンからなるエピタキシャル層１０２を形成して紫外
線用受光素子を構成した例を示す。この受光素子に紫外
線が入射した場合、表面に設けられた絶縁物層であるシ
リコン酸化膜１０５中で正電荷が発生し、シリコン酸化
膜１０５とその下部のシリコン半導体との界面に界面準
位を生じさせることがある。界面準位は、漏れ電流や暗
電流の発生の要因となるためノイズ成分が増加し、素子
の信頼性が低下するという問題がある。

【０００４】この現象は、受光領域Ｂの外側部分、特
に、ｐ型不純物層１０３とｎ⁺型チャネルストッパ層１
０４で挟まれたエピタキシャル層１０２（間隙部分Ｃ）
とシリコン酸化膜１０５の界面で界面準位が発生した時
に大きな問題となる。また、アノード電極１０６とカソ
ード電極１０７を介して素子に逆バイアスが印加される
と、間隙部分Ｃでは空乏層が生じるが、紫外線がシリコ
ン酸化膜１０５を通過してこの空乏層の領域まで入射す
ると、この部分でキャリアが生じ、素子の感度が不安定
となり、信頼性が低下するという問題も生じる。

【０００５】このような問題を解決するために、例え
ば、特開平６−３１０６９７号公報では、受光領域の外
側のシリコン酸化膜をポリシリコン（多結晶シリコン）
層で覆うという手法が提案されている。この手法によれ
ば、照射された紫外線がポリシリコン層に遮光され、シ
リコン酸化膜やこの下部の半導体層に到達しないとされ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近の
研究によれば、ポリシリコンは紫外線、特に強い紫外線
に対して十分な遮光性を有していないことが分かってき
ており、紫外線がポリシリコン層を通過して、このポリ
シリコン層の下部にあるシリコン酸化膜やエピタキシャ
ル層まで到達し、信頼性が低下するという問題がある。

【０００７】本発明は、このような従来の技術的課題に
鑑みてなされたものであり、紫外線用受光素子を経時的
に高信頼性にすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る紫外線用受
光素子は、（１）第一導電型不純物が高濃度にドープさ
れた半導体基板と、（２）この半導体基板上に形成さ
れ、第一導電型不純物が低濃度にドープされたエピタキ
シャル層と、（３）このエピタキシャル層の表層に形成
され、第二導電型不純物がドープされた第一の不純物層
と、（４）この第一の不純物層の周囲のエピタキシャル
層に形成され、第一の不純物層よりも深くかつ内周が第
一の不純物層と接続するように、第二導電型の不純物が
ドープされたガードリング層と、（５）このガードリン
グ層の周囲のエピタキシャル層にガードリング層と離隔
して形成され、第一導電型不純物が高濃度にドープされ
たチャネルストッパ層と、（６）上記エピタキシャル層
上に形成された絶縁物層と、（７）絶縁物層上に形成さ
れ、絶縁物層に形成されたスルーホールを介して、ガー
ドリング層に接続された第一金属層と、（８）絶縁物層
上に形成され、絶縁物層に形成されたスルーホールを介
して、チャネルストッパ層に接続された第二金属層とを
備え、絶縁物層が、ガードリング層とチャネルストッパ
層との間隙に相当する範囲で厚く形成され、この厚く形
成された絶縁物層を、第一金属層もしくは第二金属層の
一方が覆っていることを特徴とする。

【０００９】このような構成にすることにより、紫外線
による信頼性低下の原因となりやすい範囲（ガードリン
グ層とチャネルストッパ層との間隙に相当する範囲）に
おいて、紫外線が金属層で遮られることにより、金属層
の下の絶縁物層およびその下のエピタキシャル層に到達
しない。

【００１０】また、紫外線がアノード電極とカソード電
極との間隙から入射しても、この間隙部分の絶縁物層は
相対的に薄くなっているので、この絶縁物層におけるチ
ャージの発生が抑えられ、シリコン半導体との界面にお
ける界面準位の発生が抑制される。

【００１１】また、厚く形成された絶縁物層を第一金属
層が覆うようにしたときは、絶縁物層が厚いために第一
金属層がチャンネルストッパ層とガードリング層の間隙
のエピタキシャル層に与えるＭＯＳ効果は少なくなり、
逆に、厚く形成された絶縁物層を第二金属層が覆うよう
にしたときには、かかるＭＯＳ効果による不具合は原理
的に生じない。

【００１２】さらに、本発明に係る紫外線用受光素子
は、ガードリング層とチャネルストッパ層に挟まれるエ
ピタキシャル層の表層に、エピタキシャル層より高濃度
でかつチャネルストッパ層より低濃度の第一導電型不純
物がドープされた第二の不純物層を更に備える構成にし
てもよい。

【００１３】このような構成にすることにより、素子に
逆バイアスが印加された時に、ガードリング層とチャネ
ルストッパ層とに挟まれるエピタキシャル層に生じる空
乏層が小さくなり、この領域に紫外線が万が一入射して
も、不純物がドープされない場合に比べてキャリアの発
生する数が減り、経時的にも耐久性が向上する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態を詳細に説明する。

【００１５】第１図は、この発明の第一実施形態に係る
紫外線用受光素子の構造を示す断面図である。

【００１６】この紫外線用受光素子は、ｎ型不純物が高
濃度にドープされたｎ⁺型シリコン基板１と、このｎ⁺型
シリコン基板１上に形成され、ｎ型不純物が低濃度にド
ープされたシリコンからなるｎ^-型エピタキシャル層２
と、このｎ^-型エピタキシャル層２の表層に形成され、
ｐ型不純物がドープされた第一の不純物層３と、この第
一の不純物層３の周囲のｎ^-型エピタキシャル層２に形
成され、第一の不純物層３よりも深くかつ内周が第一の
不純物層３と接続するように、ｐ型不純物がドープされ
たガードリング層４と、このガードリング層４の周囲の
ｎ^-型エピタキシャル層２にガードリング層４と離隔し
て形成され、ｎ型不純物が高濃度にドープされたチャネ
ルストッパ層５と、ガードリング層４とチャネルストッ
パ層５の間隙のｎ^-型エピタキシャル層２の表層に形成
され、ｎ^-型エピタキシャル層２より高濃度でかつチャ
ネルストッパ層５より低濃度のｎ型不純物がドープされ
た第二の不純物層６を備えている。

【００１７】そして、上記のようなシリコン半導体上、
すなわち、第一の不純物層３、ガードリング層４、チャ
ネルストッパ層５および第二の不純物層６上には、シリ
コン酸化膜７が形成され、このシリコン酸化膜７上に
は、シリコン酸化膜７に形成されたスルーホールを介し
てガードリング層４に接続されたアノード電極８と、シ
リコン酸化膜７に形成されたスルーホールを介してチャ
ネルストッパ層５に接続されたカソード電極９を備えて
おり、さらにｎ⁺型シリコン基板１の下面に形成された
カソード電極１０を備えて構成されている。

【００１８】本実施形態において特徴的なことは、第一
に、ガードリング層４とチャネルストッパ層５の間隙の
ｎ^-型エピタキシャル層２の表層に第二の不純物層６が
形成され、この第二の不純物層６に、ｎ^-型エピタキシ
ャル層２より高濃度でかつチャネルストッパ層５より低
濃度のｎ型不純物がドープされていることである。

【００１９】第二の特徴は、表面に形成されたシリコン
酸化膜７の厚さが各部において異なっていることであ
る。具体的には、受光領域Ａでは薄く２５ｎｍ程度に、
第二の不純物層６上では受光領域Ａよりも５倍以上、好
ましくは１０倍以上厚く、例えば４００ｎｍ程度の厚さ
に形成され、チャネルストッパ層５上ではその中間の厚
さの３００ｎｍ程度になっていることである。

【００２０】第三の特徴は、カソード電極９がガードリ
ング層４とチャネルストッパ層５の間隙に形成された第
二の不純物層６を覆うように、好ましくは第二の不純物
層６とこれに隣接するガードリング層４およびチャネル
ストッパ層５の端部を覆うように形成されていることで
ある。したがって、厚く形成されたシリコン酸化膜７の
上面および側面を覆うようにカソード電極９が形成され
ており、しかもそのカソード電極９が金属であるアルミ
ニウムで構成されていることである。

【００２１】次に、上記実施形態に係る紫外線用受光素
子の作用を説明する。

【００２２】受光素子の使用状態においては、アノード
電極８とカソード電極９を介して逆バイアスが印加さ
れ、空乏層が第一の不純物層３の下部およびガードリン
グ層４周辺のエピタキシャル層２に広がる。そして、検
出すべき紫外線は受光面に対して垂直方向あるいは斜方
向から入射される。

【００２３】このような使用状態においては、受光素子
の信頼性低下は、受光領域Ａの外側部分のシリコン酸化
膜７に紫外線が入射して正電荷を発生させ、シリコン酸
化膜７とその下部のシリコン半導体の界面に界面準位を
生じさせることにより引き起こされる。

【００２４】上記実施形態においては、受光領域Ａの外
側の領域がアルミニウムからなるアノード電極８および
アルミニウムからなるカソード電極９で覆われているの
で、この領域に紫外線が入射した場合、最表面がシリコ
ン酸化膜やポリシリコン膜である場合に比べて、紫外線
がシリコン酸化膜７および第二の不純物層６に到達しづ
らい。したがって、受光素子の経時的な信頼性が向上す
る。

【００２５】アノード電極８とカソード電極９との間隙
から紫外線が入射することも考えられるが、アノード電
極８とカソード電極９との間隙部分のシリコン酸化膜７
は、第二の不純物層６上部のシリコン酸化膜７に比べて
相対的に薄くなっているので、紫外線入射に伴うチャー
ジの発生が抑えられ、シリコン半導体との界面における
界面準位の発生が抑制される。

【００２６】また、ガードリング層４とチャネルストッ
パ層５の間の距離を、例えば、１０μｍ程度と狭くする
ことができるため、第二の不純物層６とシリコン酸化膜
７との界面の面積が少なくなり、この部分に紫外線が万
が一入射してきてもそれにさらされる範囲が減少する。

【００２７】これに加えて、上記実施形態においては、
ガードリング層４とチャネルストッパ層５の間隙のｎ^-
型エピタキシャル層２の表層に、ｎ^-型エピタキシャル
層２より高濃度でかつチャネルストッパ層５より低濃度
のｎ型不純物がドープされた第二の不純物層６を備えた
構成であるため、逆バイアスが印加された時に、ガード
リング層４とチャネルストッパ層５の間隙で形成される
空乏層が小さくなり、この間隙に紫外線が万が一入射し
ても、不純物がドープされない場合に比べてキャリアの
発生する数が減り、そのために受光素子の耐久性が向上
する。

【００２８】なお、上記実施形態においては、シリコン
酸化膜７のうち第一の不純物層３の上の部分の膜厚が２
５ｎｍ程度と薄く、第一の不純物層３の不純物濃度が高
く、膜厚が０．１μｍ程度と薄いため、紫外線に対して
高感度である。また、第一の不純物層３の膜厚が薄いた
め暗電流が増加する可能性が有るが、第一の不純物層３
の外側にガードリング層４を接続した構造にしたことに
より、暗電流を低減することが可能になる。

【００２９】次に、この紫外線用受光素子の製造方法を
説明する。

【００３０】まず、面方位（１００）のｎ⁺型シリコン
基板１の上に、エピタキシャル成長法により、ｎ型不純
物が低濃度にドープされたシリコンからなるｎ^-型エピ
タキシャル層２を形成し、次に、ガードリング層４とチ
ャネルストッパ層５の間隙を含む範囲にｎ型不純物をイ
オン注入し、ｎ^-型エピタキシャル層２より高濃度でｎ⁺
型のチャネルストッパ層５より低濃度の第二の不純物層
６を、ｎ^-型エピタキシャル層２の表層に形成する。次
に、第二の不純物層６上にシリコン酸化膜を形成し、チ
ャネルストッパ層５部分のシリコン酸化膜をエッチング
により除去し、ｎ型不純物を熱拡散させチャネルストッ
パ層５を形成する。表面酸化により再びシリコン酸化膜
を形成し、エッチングによりガードリング層４部分を開
孔し、熱拡散によりｐ型不純物をドープしガードリング
層４を形成する。表面酸化後、ガードリング層４より内
側のシリコン酸化膜を除去した後、受光領域となる部分
を開孔し、ｐ型不純物をドープし、第一の不純物層３を
形成する。再び表面酸化を行った後、アノード部分とカ
ソード部分を開孔し、金属を蒸着し、アノード電極８と
カソード電極９を形成する。

【００３１】なお、本実施形態において、ｎ⁺型シリコ
ン基板１は、例えば厚さが３８５μｍで比抵抗が０．０
２Ω・ｃｍ以下であり、このｎ⁺型シリコン基板１上にエ
ピタキシャル成長により形成したｎ^-型エピタキシャル
層２は、例えば厚さが１５μｍで比抵抗が１ｋΩ・ｃｍ
である。第一の不純物層３は、例えば厚さ０．１μｍで
ボロン等のｐ型不純物が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上ドープさ
れる。第一の不純物層３の外側に接続するガードリング
層４は、例えば厚さが０．５μｍ以上で不純物濃度が１
×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００３２】また、チャネルストッパ層５は、例えば厚
さが１．５μｍでリン等の不純物が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以
上ドープされる。ガードリング層４とチャネルストッパ
層５の間隙の第二の不純物層６は、例えば８０ｋｅＶの
加速電圧でドーズ量１×１０ ¹²ｃｍ^-2になるようにｎ型
不純物をイオン注入することにより形成される。最終的
にガードリング層４とチャネルストッパ層５の間隙の第
二の不純物層６の幅は１０μｍ程度に狭く形成される。

【００３３】第一の不純物層３は、例えばｐ型不純物と
してボロンを用いて形成され、この場合は、ボロンイオ
ン注入の後短時間のランプアニールを行う方法や、ボロ
シリケートガラス固相拡散法などで形成される。

【００３４】次に、図２を参照して第二の実施形態につ
いて説明する。

【００３５】図２は、本実施形態に係る紫外線用受光素
子の断面構成図である。図２の構成は図１に示す受光素
子の構成と基本的に同一であり、異なる点は、ガードリ
ング層４とチャネルストッパ層５の間隙に形成された第
二の不純物層６の上部のシリコン酸化膜７をアノード電
極８が覆うような構成になっている点である。

【００３６】このような構成によると、図１の実施形態
とは異なり、ガードリング層４とチャネルストッパ層５
の間隙のｎ型の第二の不純物層６（第二の不純物層６が
設けられていない場合はｎ^-型のエピタキシャル層２）
が、シリコン酸化膜７を挟んでアノード電極８と対面す
るため、アノード電極８がＭＯＳ効果を与えて第二の不
純物層６（第二の不純物層６が設けられていない場合は
ｎ^-型のエピタキシャル層２）の導電型を反転させるこ
とも原理的には考えられるが、シリコン酸膜７がガード
リング層４とチャネルストッパ層５の間で厚く形成され
ているために、上記のＭＯＳ効果による不具合は抑制さ
れる。

【００３７】また、アノード電極８とカソード電極９の
間隙から紫外線が入射した場合でも、この入射位置はチ
ャンネルストッパ層５の上部であるため、界面準位の発
生による不具合は図１の実施形態に比べて生じにくい。

【００３８】本発明は上記実施形態に限定されず、種々
の変形が可能である。例えば、半導体各部の導電型はｐ
型とｎ型が逆になっていてもよく、この場合には、第一
の不純物層にカソード電極、チャネルストッパ層にアノ
ード電極が接続される。また、絶縁物層はシリコン酸化
膜に限らずシリコン窒化膜あるいはシリコン窒酸化膜で
もよいが、シリコン酸化膜の場合には紫外線によるチャ
ージの発生が問題になりやすいので、本発明の効果は大
きい。

【００３９】電極材料はアルミニウムに限らず、金、
銅、高融点金属、高融点金属シリサイド等の紫外線に対
して不透明であり、半導体プロセスに適用できる材料で
あれば構わない。

【００４０】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明によ
れば、紫外線が受光領域の外側部分の絶縁物層、および
これと接するエピタキシャル層に到達することを阻止す
ることができ、紫外線用受光素子を経時的に高信頼性に
することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態に係る紫外線用受光素子
の断面構造図である。

【図２】本発明の第二実施形態に係る紫外線用受光素子
の断面構造図である。

【図３】従来の紫外線用受光素子の断面構造図である。

【符号の説明】

１…ｎ⁺型シリコン基板、２…ｎ^-型エピタキシャル層、
３…第一の不純物層、４…ガードリング層、５…チャネ
ルストッパ層、６…第二の不純物層、７…シリコン酸化
膜、８…アノード電極、９…カソード電極、１０…カソ
ード電極、１０１…ｎ⁺型シリコン基板、１０２…エピ
タキシャル層、１０３…ｐ型不純物層、１０４…ｎ⁺型
チャネルストッパ層、１０５…シリコン酸化膜、１０６
…アノード電極、１０７…カソード電極。

フロントページの続き (72)発明者 袴田 康男 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 藤井 義磨郎 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 Ｆターム(参考） 5F049 MA02 MA04 MB03 MB12 NA04 NA05 NA07 PA10 QA12 QA14 SE05 SE17 SS03 SS09 SZ10 WA05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一導電型不純物が高濃度にドープされ
   た半導体基板と、 この半導体基板上に形成され、前記第一導電型不純物が
   低濃度にドープされたエピタキシャル層と、 このエピタキシャル層の表層に形成され、第二導電型不
   純物がドープされた第一の不純物層と、 この第一の不純物層の周囲の前記エピタキシャル層に形
   成され、前記第一の不純物層よりも深くかつ内周が前記
   第一の不純物層と接続するように、前記第二導電型の不
   純物がドープされたガードリング層と、 このガードリング層の周囲の前記エピタキシャル層に前
   記ガードリング層と離隔して形成され、前記第一導電型
   不純物が高濃度にドープされたチャネルストッパ層と、 前記エピタキシャル層上に形成された絶縁物層と、 前記絶縁物層上に形成され、当該絶縁物層に形成された
   スルーホールを介して、前記ガードリング層に接続され
   た第一金属層と、 前記絶縁物層上に形成され、当該絶縁物層に形成された
   スルーホールを介して、前記チャネルストッパ層に接続
   された第二金属層と、を備えており、 前記絶縁物層が、前記ガードリング層と前記チャネルス
   トッパ層との間隙に相当する範囲で厚く形成され、この
   厚く形成された絶縁物層を、前記第一金属層もしくは前
   記第二金属層の一方が覆っていることを特徴とする紫外
   線用受光素子。
2. 【請求項２】 前記ガードリング層と前記チャネルスト
   ッパ層との間隙における前記エピタキシャル層の表層
   に、当該エピタキシャル層より高濃度でかつ前記チャネ
   ルストッパ層より低濃度の前記第一導電型不純物がドー
   プされて形成された第二の不純物層を更に備えることを
   特徴とする請求項１記載の紫外線用受光素子。
3. 【請求項３】 前記第一金属層がアノード電極またはカ
   ソード電極として機能することを特徴とする、請求項１
   または請求項２記載の紫外線用受光素子。