JP2006194784A - 赤外線固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のＰＮ接合ダイオードによって赤外線を検知する赤外線固体撮像装置においては、ＰＮ接合ダイオードを取り囲む酸化膜との界面には界面トラップが存在し、電気伝導のキャリアが生成再結合することで雑音が発生していた。
【解決手段】 本発明の赤外線固体撮像装置は、ＰＮ接合ダイオードを構成する半導体層の不純物濃度に分布を持ち、半導体層を流れる電気伝導キャリアが半導体層の周辺部分よりも中央部分に多く偏在するように設定されている。そのため、半導体層と周囲の半導体／酸化膜の界面における電気伝導キャリアの生成再結合が従来よりも減少し、ＰＮ接合ダイオードの雑音が小さくなる。

【選択図】 図３

Description

本発明は、ダイオード等の半導体素子を感熱素子として備えた赤外線固体撮像装置、および、その製造方法に関するものである。

従来の赤外線固体撮像装置では、シリコン層に形成したＰＮ接合ダイオードを感熱素子として用い、ＰＮ接合ダイオードの出力信号を使用して画像情報を得ていた。また、当該ＰＮ接合ダイオードのＰ型半導体層内の不純物分布及びＮ型半導体層内の不純物分布は、均一なものであった。（例えば、非特許文献１参照）。

上野雅史、他 「ＳＯＩ基板を用いた３２０×２４０画素非冷却赤外イメージセンサ」映像情報メディア学会技術報告 ２０００年２月２５日 Vol.24 N0.17 PP.53-58

従来の赤外線固体撮像装置のＰＮ接合ダイオードにおいては、ＰＮ接合ダイオードの半導体層は、その周囲に素子分離のための分離酸化膜、その上部にＰＮ接合ダイオードを保護するための絶縁膜などによって囲まれていた。これら分離酸化膜等とＰＮ接合ダイオードの半導体層との界面には、界面トラップが存在し、電気伝導のキャリアが生成再結合することで雑音が発生していた。このため、この雑音によりＰＮ接合ダイオードの出力のＳＮ比、ひいては、赤外線固体撮像装置の出力のＳＮ比が低下するという問題があった。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、出力のＳＮ比が良好な赤外線固体撮像装置を得ることを目的とする。

本発明の赤外線固体撮像装置は、シリコン基板上にシリコン酸化膜層とＳＯＩ層とを有したＳＯＩ基板のＳＯＩ層にＰＮ接合ダイオードを形成して入射赤外線によって発生する温度変化を電気信号に変換する検出部を備え、この検出部をＳＯＩ基板から離間して支持体により保持するものとし、そのＰＮ接合ダイオードの半導体層の不純物濃度分布を、半導体層を流れるキャリアが半導体層の周辺部分よりも中央部分に多く偏在するように設定したものである。

また、本発明の赤外線固体撮像装置の製造方法は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層にＰＮ接合ダイオードを形成して入射赤外線によって発生する温度変化を電気信号に変換する検出部を形成する工程を有し、この検出部及び検出部に接合された支持体との周囲にエッチング孔を開口し、更にエッチング孔からエッチャントを導入してＳＯＩ基板の内部に空洞を形成することにより、検出部をＳＯＩ基板から離間して保持する工程を有しており、このＰＮ接合ダイオードを形成する不純物注入工程において、半導体層を流れるキャリアが半導体層の周辺部分よりも中央部分に多く偏在するように不純物の濃度分布を設定した赤外線固体撮像装置の製造方法である。

本発明によれば、入射赤外線を検知するＰＮ接合ダイオードの中を流れるキャリアが半導体層の周辺部分よりも中央部分に多く偏在するように不純物の濃度分布を設定したので、ＰＮ接合ダイオードの雑音が低下する。そのため、ＰＮ接合ダイオードの出力のＳＮ比が向上し、ひいては出力のＳＮ比が良好な赤外線固体撮像装置が得られるものである。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１における赤外線固体撮像装置は、非冷却方式（あるいは、熱型とも称される）の赤外線固体撮像装置である。特に、実施の形態１において示した例は、ＳＯＩ(Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)基板と呼ばれる基板を用いて赤外線固体撮像装置を形成したものである。なお、ＳＯＩ基板は、シリコン基板上に埋め込み酸化膜層（以下、ＢＯＸ層という。ｂｕｒｉｅｄ ｏｘｉｄｅ）と呼ばれるシリコン酸化膜を介してＳＯＩ(Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ 即ち、シリコン単結晶層)層が形成されているものである。一般的な半導体工業においては、このＳＯＩ層に高周波トランジスタなどを作り込むものである。本発明の実施の形態１においては、このＳＯＩ層に赤外線検知のためのＰＮ接合ダイオードを作り込んでいる。さらに、赤外線固体撮像装置に入射する赤外線を効率よくＰＮ接合ダイオード部分の温度変化に変換するために、ＰＮ接合ダイオードを含む検出部は、細長い支持体（以下、支持脚と称する。）によりシリコン基板から中空状態に保持されている。このため、検出部はシリコン基板から断熱されているので、入射赤外線を効率よく温度変化に変換することができ、ＰＮ接合ダイオードの出力変化を増加させることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の赤外線固体撮像装置の実施の形態１を更に説明する。図１は、本発明の実施の形態１における赤外線固体撮像装置１００の斜視図である。図１において、検出器２００はＳＯＩ基板４００上にアレイ状に複数個配列されている。その配列された個々の検出器２００をアドレスするための走査回路１１０と、検出器２００が出力した信号を処理して外部に出力するための信号処理回路１２０とが検出器アレイ１３０の周辺部に設けられている。

図２は、図１中に配置されている検出器２００を部分的に拡大した平面図であって、わかりやすく説明するために、ＰＮ接合ダイオード３００に係わる部分を透視したものである。検出器２００は、検出部２１０と支持脚２２０とを含む構成であり、さらに、検出部２１０にはＰＮ接合ダイオード３００が内蔵されている。また、検出部２１０は、支持脚２２０により基板側と接続され、その支持脚２２０の中に配設されている配線４５１を介して図１に示す走査回路１１０に電気的に接続されている。

図３は、図２におけるＡ−Ａ断面線に沿った断面図であり、検出器２００が断熱構造になっている状態を示すものである。検出部２１０は、シリコン基板１４０の一部分を除去することによって作った空洞２３０の上に支持脚２２０によって保持されている。このため、検出部２１０は、シリコン基板１４０から熱的に絶縁された構造になっている。

ＰＮ接合ダイオード３００はＰ型半導体層とＮ型半導体層とから構成されており、これら半導体層は不純物濃度の差によって区分され、Ｎ^＋型、Ｎ⁻型、Ｎ⁻⁻型、Ｐ^＋型、Ｐ⁻型、Ｐ⁻⁻型などと表記される。すなわち、“^＋”から“⁻⁻”になるに従い不純物濃度は薄くなることを意味する。

図３に示した実施の形態１のＰＮ接合ダイオード３００は、Ｐ^＋Ｎ⁻接合ダイオードの例である。すなわち、Ｐ型半導体層３１１は高濃度のＰ^＋型であり、また、Ｎ型半導体層は、不純物濃度の違いによって、Ｎ⁻型半導体層３２２とＮ⁻型半導体層３２２より更に薄いＮ⁻⁻型半導体層３２３とに分かれて構成されている。実施の形態１において示したＮ型半導体層は、Ｎ⁻型半導体層３２２、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３、Ｎ⁻型半導体層３２２とからなる３層構造に構成されている。また、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層の下層は、ＢＯＸ層４２０であり、上層はシリコン酸化膜からなる絶縁膜４４０である。また、Ｐ型及びＮ型半導体層の側面は、分離酸化膜４３０と接している。すなわち、ＰＮ接合ダイオード３００の半導体層は、その周囲全てにおいてシリコン酸化膜と接している。

図４は、図３の矢印Ｂ線に沿った方向でみたエネルギー準位図である。図４において、Ｎ型半導体層は、Ｎ⁻型半導体層３２２、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３、Ｎ⁻型半導体層３２２の３層構造に構成されている。エネルギー準位図において、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３の領域の伝導帯および価電子帯が、Ｎ⁻型半導体層３２２領域の準位より上がっている。なお、図４において、伝導帯の底をＥｃ、価電子帯の頂上をＥｖ、フェルミ準位をＥｆとそれぞれ表記している。また、ＰＮ接合ダイオードに順方向バイアスを印加すると、Ｐ型半導体層からＮ型半導体層へ過剰少数キャリアである正孔３３１が流れ込む。

ここで、正孔は、Ｐ型半導体層中では多数キャリアであるが、バイアスによってＮ型半導体層へ流れ込んだものは過剰少数キャリアと一般に呼ばれている。ＰＮ接合ダイオードを流れる電気伝導に寄与するキャリアを説明する上での便宜のため、これらのキャリアの呼びかたを単にキャリアと以下の説明では言うことにする。

図５は、従来構造のＰＮ接合ダイオードにおけるエネルギー準位図である。すなわち、図５は、Ｎ⁻型半導体層３２２のみからなるＮ型半導体層のエネルギー準位の例である。従来のＰＮ接合ダイオードは、図５に示すように、Ｎ⁻型半導体層３２２の不純物分布が均一であったために価電子帯は平坦であり、正孔３３１は、Ｎ⁻型半導体層３２２の全体に広がっていた。

次に、雑音の発生原因について述べ、実施の形態１における解決手段について説明する。
まず最初に、ＰＮ接合ダイオードの雑音について考察する。ＰＮ接合ダイオードが発生する雑音として、以下の３つの原因が考えられる。

（１）熱雑音
（２）ショット雑音
（３）１／ｆ雑音

熱雑音は、キャリアの熱運動よって発生し、ショット雑音は、空乏層を通してキャリアが不規則に半導体層へ注入されることにより発生する。１／ｆ雑音は、２つの原因によって発生する。１つは、キャリアの移動度が揺らぐことであり、もう１つは、キャリアの密度が揺らぐことである。また、１／ｆ雑音は低周波領域で大きくなるため、例えば、３０Ｈｚ周期で画像を撮像する固体撮像装置にとっては、１／ｆ雑音によって生ずる画面上のチラツキが画質を低下させる要因の一つとなる。実施の形態１において、この１／ｆ雑音を小さくする構造を形成するのは、固体撮像装置の画質向上に資することになるからである。

次に、実際のダイオード構造について、１／ｆ雑音の発生原因を説明する。図２および図３において、ＰＮ接合ダイオード３００を構成するＰ型半導体層若しくはＮ型半導体層を上下に挟む絶縁膜４４０、ＢＯＸ層４２０との界面近傍又はＰ型半導体層若しくはＮ型半導体層の周囲を囲む分離酸化膜４３０との界面近傍（以下、これらを単に、半導体／酸化膜の界面という）にはＰ型半導体層若しくはＮ型半導体層（以下、これらを単に、半導体層という）の中央部よりも多くのトラップ準位が存在する。

従来構造のＰ^＋Ｎ⁻接合ダイオードは、図５に示すように、Ｎ⁻型半導体層３２２の不純物分布が均一であったために価電子帯は平坦であった。このため、正孔３３１は、Ｎ⁻型半導体層３２２の全体に広がっていた。そのため、半導体／酸化膜の界面に存在するトラップ準位によってキャリアが捕獲され、１／ｆ雑音が発生する原因となっていた。

次に、本実施の形態１における１／ｆ雑音を小さくするための手段を説明する。図４において、キャリアの正孔３３１は、ポテンシャルエネルギーが最も高い場所、すなわち、価電子帯の頂上に集まる。すなわち、Ｎ⁻型半導体層３２２ではなくＮ⁻⁻型半導体層３２３に集まる。言い換えると、正孔３３１は、Ｎ⁻型半導体層３２２と絶縁膜４４０の界面、または、Ｎ⁻型半導体層３２２とＢＯＸ層４２０の界面近傍ではなく、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３の中央部に集まる。このため、キャリアは、半導体／酸化膜の界面のトラップ準位に捕獲されることが少なくなるので、１／ｆ雑音が抑制されるのである。

ここで、ＰＮ接合ダイオード３００の雑音が小さくなる理由について説明する。実施の形態１の走査回路１１０には定電流源が内臓されており、ＰＮ接合ダイオード３００に順方向電流を流すものである。入射赤外線の変化は、検出部２１０の温度変化に変換され、ＰＮ接合ダイオード３００の順方向バイアスの変化になって現れる。図６は、キャリアの正孔３３１が、Ｎ型半導体層を流れていく様子を模式的に示したものである。図６（ａ）は、実施の形態１の構造の例で、ポテンシャルエネルギーが高い価電子帯の頂上に集まりながら流れるので、半導体／酸化膜の界面に存在するトラップ準位によってキャリアが捕獲されることは少ない。図６（ｂ）は従来構造の例で、トラップ準位にキャリアが捕獲されてしまう。上述したように、半導体層と周囲の半導体／酸化膜の界面における、キャリアの生成再結合が従来よりも減少し、キャリア密度の揺らぎが小さくなるので、ＰＮ接合ダイオード３００に流れる順方向電流の揺らぎが小さくなる。即ち、ＰＮ接合ダイオード３００の雑音が小さくなるのである。

次に、赤外線固体撮像装置１００の動作について説明する。いま、赤外線固体撮像装置１００の撮像対象となる被写体が発した赤外線が、検出器アレイ１３０内の検出器２００に入射すると、検出部２１０の温度が上昇する。このとき、温度変化に応じてＰＮ接合ダイオード３００の電気特性が変化する。次に、走査回路１１０は、検出器２００ごとにこの電気特性の変化を順次読み取り、読み取った信号を信号処理回路１２０を介して外部に出力する。外部に出力された信号によって被写体の熱画像を得ることができるのである。

実施の形態１の検出器２００の構造に起因する特性について説明する。実施の形態１の検出器２００において、検出部２１０は支持脚２２０を介してシリコン基板１４０に接続されている。支持脚２２０の熱コンダクタンスは小さく設定しているので、検出部２１０の温度変化は大きくなり、検出器２００の温度感度が高くできる。すなわち、個々の検出器２００は、支持脚２２０による断熱構造によってシリコン基板１４０に熱が逃げ難いので、赤外線を効率よく温度変化分に変換でき、感度の高い検出器構造となっている。

次に、本実施の形態１における赤外線固体撮像装置１００の製造方法を説明する。図７及び図８で示したのは、赤外線固体撮像装置１００の一個の検出器２００についてみた断面構造であり、工程順に検出器２００が出来上がっていく様子を示したものである。
図７中の（ａ）において、はじめに、基板としてシリコン基板１４０上に、ＢＯＸ層４２０、ＳＯＩ層４１０を順次積層したいわゆるＳＯＩ基板４００を準備する。次に、ＬＯＣＯＳ（ｌｏｃａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ）分離法もしくはトレンチ分離法によって、所定の位置に素子分離のための分離酸化膜４３０を形成する。図７中の(ｂ)は、検出器２００のＰＮ接合ダイオード３００以外の部分に分離酸化膜４３０を形成したものである。次に、図７中の(ｃ)に示すように、ＰＮ接合ダイオード３００のＮ型半導体層を形成するＳＯＩ層４１０領域にリンおよびヒ素をイオン注入して、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３、Ｎ⁻型半導体層３２２を形成する。同様にして、ＰＮ接合ダイオード３００のＰ型半導体層を形成するため、ＳＯＩ層４１０にボロンをイオン注入して、Ｐ^＋型半導体層３１１を形成する。なお、Ｎ⁻⁻型又はＮ⁻型の半導体層の形成においては、Ｎ型半導体層が３層構造になるように、イオン注入時の加速電圧及び注入量を調節する。図７中の(ｃ)は、このようにして形成したＰＮ接合ダイオード３００の半導体層部分を示すものである。次に図７中の(ｄ)に示すように、この上に絶縁膜４４０(例えば、ＣＶＤ法によって堆積させたシリコン酸化膜)を堆積する。次に図７中の(ｅ)に示すように、アルミなどの金属膜を堆積し、配線４５１を形成する。次に、配線４５１及びＰＮ接合ダイオード３００を保護するための保護膜４６０として、例えばシリコン酸化膜を更に堆積する。

図７には図示していないが、図１で示した信号処理回路１２０等を構成するダイオード、トランジスタ、電気容量等は、上述のイオン注入工程、成膜工程等を通じて形成されている。

引き続いて、検出器２００の下部に空洞２３０を形成する工程について、図８を用いて説明する。最初に、検出器２００の所定の位置にエッチング孔２４０を開口する。図８(ｆ)はエッチング孔２４０が開口された状態を示す。この検出器２００のうちで開口されていない残りの部分は、支持脚２２０および検出部２１０である。エッチング孔２４０は、保護膜４６０とその下の絶縁膜４４０、ＢＯＸ層４２０を貫き、シリコン基板１４０に達する孔である。最後に、エッチング孔２４０を通じて、例えばフッ化キセノンなどのエッチャントを導入して、シリコン基板１４０をエッチングし、シリコン基板１４０の内部に空洞２３０を形成する。図８(ｇ)は工程の最終状態を示す図である。検出部２１０は支持脚２２０によって支えられて、検出部２１０が中空に浮いた状態となる。このようにして、検出器２００を搭載した赤外線固体撮像装置１００が完成する。

上述したように、本実施の形態１の赤外線固体撮像装置では、従来よりもＰＮ接合ダイオード３００の雑音が低下して、ＰＮ接合ダイオード３００の出力のＳＮ比が向上するので、出力のＳＮ比が良好な赤外線固体撮像装置１００を提供することができる。

本実施の形態１においては、Ｐ^＋Ｎ⁻接合ダイオードの例を示したが、半導体層の不純物濃度を別の類型にしても上述と同様の雑音低減効果が得られる。すなわち、Ｎ型半導体層を高濃度のＮ^＋型とし、Ｐ型半導体層を、濃度の違いによって、Ｐ⁻型半導体層３１２、Ｐ⁻⁻型半導体層３１３、Ｐ⁻型半導体層３１２の３層構造に分けても同様の効果が得られる。すなわち、このＰＮ接合ダイオード３００はＰ⁻Ｎ^＋接合ダイオードでありＰ⁻型半導体層３１２領域において電子が過剰少数キャリアとなるようにしてもよい。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２における赤外線固体撮像装置１００を図面を参照しつつ説明する。
実施の形態１においては、Ｐ^＋Ｎ⁻接合ダイオードを構成するＰ型、Ｎ型半導体層のうちでＮ型半導体層について３層構造に構成した場合の形態例を示した。実施の形態２では、Ｎ型半導体層に加えて、更にＰ型半導体層についても３層構造に構成した場合の形態例である。本実施の形態２の赤外線固体撮像装置１００が実施の形態１と異なる部分は、Ｐ^＋Ｎ⁻接合ダイオード部分のみであり、検出器２００の機械的な構造、信号処理回路１２０、動作等は実施の形態１と同様である。以下、本実施の形態２の要部であるＰ^＋Ｎ⁻接合ダイオード部分について説明する。

図９は、検出器２００の断熱構造を示すものである。実施の形態１の図２におけるＡ−Ａ断面線に沿った断面に相当する断面である。本実施の形態２においては、Ｐ^＋Ｎ⁻接合ダイオードはＰ型半導体層およびＮ型半導体層から構成され、さらに、Ｐ型半導体層は、濃度の違いによって、Ｐ^＋＋型半導体層３１０とその上下にあるＰ^＋型半導体層３１１とに分けられる３層構造である。また、Ｎ型半導体層は、濃度の違いによって、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３とその上下にあるＮ⁻型半導体層３２２に分けられる３層構造である。Ｐ^＋Ｎ⁻接合ダイオードの半導体層の上層及び下層は、絶縁膜４４０とＢＯＸ層４２０である。そのため、半導体／酸化膜の界面には多くのトラップ準位が存在する。

図１０は、図９の矢印Ｃ線に沿った方向でみたエネルギー準位図である。図９においてＰ型の半導体層部分は、Ｐ^＋型半導体層３１１、Ｐ^＋＋型半導体層３１０、Ｐ^＋型半導体層３１１の３層構造に構成されているので、エネルギー準位は、図１０に示すように、Ｐ^＋＋型半導体層３１０の部分の伝導帯および価電子帯が、Ｐ^＋型半導体層３１１部分より上がっている。キャリアの正孔３３１は、ポテンシャルエネルギーが最も高い場所、すなわち、価電子帯の頂上に集まる。すなわち、Ｐ^＋型半導体層３１１ではなくＰ^＋＋型半導体層３１０に集まる。言い換えると、正孔３３１は、ＳＯＩ層４１０と絶縁膜４４０の界面若しくはＳＯＩ層４１０とＢＯＸ層４２０の界面近傍ではなく、ＳＯＩ層４１０の中央部に集まる。なお、Ｎ型半導体層側の構造については、図３および図４を用いて、実施の形態１で説明した構造と同じ状態である。

図１１は、従来構造のＰＮ接合ダイオードにおけるＰ型半導体層のエネルギー準位図である。すなわち、図１１は、Ｐ^＋型半導体層３１１のみからなるＰ型半導体層のエネルギー準位の例である。従来のＰＮ接合ダイオードは、図１１に示すように、Ｐ^＋型半導体層３１１の不純物分布が均一であったために価電子帯は平坦であり、正孔３３１は、Ｐ^＋型半導体層３１１の全体に広がっていた。そのため、半導体／酸化膜の界面に存在するトラップ準位によってキャリアが捕獲され、１／ｆ雑音が発生する原因となっていた。

実施の形態２のＰ型半導体層においては、キャリアの正孔３３１は、ポテンシャルエネルギーが最も高い場所、すなわち、価電子帯の頂上に集まる。すなわち、正孔３３１は、Ｐ^＋型半導体層３１１と絶縁膜４４０の界面若しくはＰ^＋型半導体層３１１とＢＯＸ層４２０の界面近傍ではなく、Ｐ^＋＋型半導体層３１０の中央部に集まる。また、Ｎ型半導体層においては、キャリアは、Ｎ⁻型半導体層３２２と絶縁膜４４０の界面若しくはＮ⁻型半導体層３２２とＢＯＸ層４２０の界面近傍ではなく、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３の中央部に集まる。このため、ＰＮ接合ダイオード３００のＰ型及びＮ型の両方の半導体層において、キャリアは半導体／酸化膜の界面のトラップ準位に捕獲されることが少なくなるので、１／ｆ雑音が抑制されるのである。

次に、本実施の形態２における赤外線固体撮像装置１００の製造方法を説明する。図１２及び図１３で示したのは、赤外線固体撮像装置１００の一個の検出器２００についてみた断面構造であり、工程順に検出器２００が出来上がっていく様子を示したものである。実施の形態２においては、図１２中の(ａ)に示したように、実施の形態１と同じにＳＯＩ基板４００を用いる。実施の形態１と異なるのは、ＰＮ接合ダイオード３００の製造工程に関する部分であるので、この部分について以下説明する。

図１２中の(ｂ)は、検出器２００のＰＮ接合ダイオード３００以外の部分に分離酸化膜４３０を形成したものである。次に、図１２中の(ｃ)に示すように、ＰＮ接合ダイオード３００のＮ型半導体層を形成するＳＯＩ層４１０の領域にリンおよびヒ素をイオン注入して、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３、Ｎ⁻型半導体層３２２を形成する。同様にして、ＰＮ接合ダイオード３００のＰ型半導体層を形成するＳＯＩ層４１０の領域にボロンをイオン注入して、Ｐ^＋＋型半導体層３１０、Ｐ^＋型半導体層３１１を形成する。図７中の(ｃ)は、このようにして形成したＰＮ接合ダイオード３００の半導体層部分を示すものである。なお、Ｎ型、及びＰ型半導体層が３層構造になるよう、それぞれのイオン注入時の加速電圧及び注入量を調節しておこなう。次に、図１２中の(ｄ)に示すように、この上に絶縁膜４４０(例えば、ＣＶＤ法によって堆積させたシリコン酸化膜)を堆積する。これ以後の工程は、実施の形態１と同様であるので説明は省略するが、図１３中の(ｇ)に示すように、検出部２１０がシリコン基板１４０から浮いた状態の検出器２００を備えた赤外線固体撮像装置１００が完成する。

上述した本実施の形態２の赤外線固体撮像装置では、ＰＮ接合ダイオード３００のＰ型及びＮ型の両方の半導体層において、キャリアは、半導体／酸化膜の界面のトラップ準位に捕獲されることが少なくなるので、１／ｆ雑音が抑制され、実施の形態１よりも更にＰＮ接合ダイオード３００の雑音が低下する。そのため、ＰＮ接合ダイオード３００の出力のＳＮ比が向上するので、出力のＳＮ比が良好な赤外線固体撮像装置１００を提供することができる。

上述した本実施の形態２においては、Ｐ^＋Ｎ⁻接合ダイオードの例を示したが、これをＰ⁻Ｎ^＋接合ダイオードとし、Ｐ型半導体層において電子が過剰少数キャリアとなるようにしてもよい。すなわち、Ｎ型半導体層を濃度の違いによってＮ^＋型半導体層３２１、Ｎ^＋＋型半導体層３２０、Ｎ^＋型半導体層３２１の３層構造に分け、Ｐ型半導体層を濃度の違いによってＰ⁻型半導体層３１２、Ｐ⁻⁻型半導体層３１３、Ｐ⁻型半導体層３１２の３層構造に分けても同様の雑音低減効果が得られる。

実施の形態３．
実施の形態１に示したＰＮ接合ダイオードにおいて、ＰＮ接合ダイオード３００のＮ型半導体層の上層下層には、それぞれ絶縁膜４４０とＢＯＸ層４２０とがあり、これらとの半導体／酸化膜の界面に存在するトラップ準位にキャリアが捕獲されてしまわないような半導体層の構造とした。本実施の形態３においては、Ｎ型半導体層を取り囲む全ての半導体／酸化膜の界面に存在するトラップ準位にキャリアが捕獲されてしまわないような半導体層の構造とした。すなわち、実施の形態１の構造に加えて、更にＮ型半導体層とその周囲にある分離酸化膜４３０との半導体／酸化膜の界面に対してもキャリアの捕獲が少ない半導体層の構造とした。本実施の形態３の赤外線固体撮像装置１００が実施の形態１と異なる部分は、実施の形態１のＰ^＋Ｎ⁻接合ダイオードのうちで、Ｎ型半導体層とその周囲の分離酸化膜４３０と接する部分のみであり、検出器２００の機械的な構造、信号処理回路１２０、動作等は実施の形態１と同様である。以下、本実施の形態３の要部であるＮ型半導体層について説明する。

図１４は、実施の形態３において示す赤外線固体撮像装置１００の中に配置されている検出器２００を部分的に拡大した平面図である。図１５は、検出器２００の断熱構造を示すものであり、図１４におけるＤ−Ｄ断面線に沿った断面図である。図１５において、Ｎ型半導体層は、濃度の違いによって、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３とその上下にあるＮ⁻型半導体層３２２の３層構造に分けられ、更に分離酸化膜４３０と接する周囲がＮ⁻型半導体層３２２になっている。すなわち、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３は、Ｎ⁻型半導体層３２２を介して周囲の酸化膜と接しているのである。

図１６は、図１４中の矢印Ｅ線に沿った方向でみたエネルギー準位図である。図１４において、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３は、分離酸化膜４３０と接する周囲がＮ⁻型半導体層３２２になっているので、エネルギー準位は、図１６に示すようにＮ⁻⁻型半導体層３２３の部分の伝導帯および価電子帯がＮ⁻型半導体層３２２より上がっている。そのため、キャリアの正孔３３１は、ポテンシャルエネルギーが最も高い場所、すなわち、価電子帯の頂上に集まる。すなわち、Ｎ⁻型半導体層３２２ではなくＮ⁻⁻型半導体層３２３に集まる。言い換えると、正孔３３１は、分離酸化膜４３０との界面近傍ではなく、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３の中央部に集まることになる。

実施の形態３に示したＰＮ接合ダイオード３００においては、キャリアの正孔３３１は、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３の中央部に集まる。このため、ＰＮ接合ダイオード３００のＮ型半導体層において、キャリアは、半導体／酸化膜の界面のトラップ準位に捕獲されることが少なくなるので、１／ｆ雑音が抑制されるのである。

次に、本実施の形態３における赤外線固体撮像装置１００の製造方法を説明する。図１７及び図１８で示したのは、赤外線固体撮像装置１００の一個の検出器２００についてみた断面構造であり、工程順に検出器２００が出来上がっていく様子を示したものである。実施の形態３においては、図１７中の(ａ)に示したように、実施の形態１と同じにＳＯＩ基板４００を用いる。実施の形態１と異なるのは、ＰＮ接合ダイオード３００の製造工程に関する部分であるので、この部分について以下説明する。

図１７中の(ｂ)は、検出器２００のＰＮ接合ダイオード３００以外の部分に分離酸化膜４３０を形成したものである。次に、図１７中の(ｃ)に示すように、ＰＮ接合ダイオード３００のＮ型半導体層を形成するＳＯＩ層４１０領域にリンおよびヒ素をイオン注入して、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３、Ｎ⁻型半導体層３２２を形成する。ここで、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３と分離酸化膜４３０の界面近傍にもリンおよびヒ素をイオン注入し、Ｎ⁻型半導体層３２２を形成する。この部分の工程が実施の形態１と異なり、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３と分離酸化膜４３０の界面近傍を開口したレジストパターンを使用して選択的に注入し、Ｎ⁻型半導体層３２２を所望の形状に形成しているのである。次に、ＰＮ接合ダイオード３００のＰ型半導体層を形成するＳＯＩ層４１０領域にボロンをイオン注入してＰ^＋型半導体層３１１を形成する。図１７中の(ｃ)は、このようにして形成したＰＮ接合ダイオード３００の半導体層部分を示すものである。次に図１７中の(ｄ)に示すように、この上に絶縁膜４４０(例えば、ＣＶＤ法によって堆積させたシリコン酸化膜)を堆積する。これ以後の工程は、実施の形態１と同様であるので省略する。

上述したように、本実施の形態３では、ＰＮ接合ダイオード３００のＮ型の半導体層において、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３は、分離離酸化膜４３０と接する周囲が全てＮ⁻型半導体層３２２になっているので、キャリアは、半導体／酸化膜の界面のトラップ準位に捕獲されることが非常に少なくなるので、１／ｆ雑音が抑制される。このため、実施の形態１よりも更にＰＮ接合ダイオード３００の雑音が低下してＰＮ接合ダイオード３００の出力のＳＮ比が向上するので、出力のＳＮ比が良好な赤外線固体撮像装置１００を提供することができる。

本実施の形態３においては、Ｐ^＋Ｎ⁻接合ダイオードの例を示したが、これをＰ⁻Ｎ^＋接合ダイオードとし、Ｐ型半導体層において電子が過剰少数キャリアとなるようにしてもよい。すなわち、Ｎ型半導体層を、高濃度のＮ^＋型半導体層３２１とし、Ｐ型半導体層を、濃度の違いによって、Ｐ⁻型半導体層３１２およびＰ⁻⁻型半導体層３１３に分けても同様の雑音低減効果が得られる。

また、本実施の形態３においては、Ｎ型半導体層について雑音低減効果が得られるようにしたが、更にＰ型半導体層についても雑音低減効果が得られるようにすることができる。すなわち、Ｐ型半導体層を濃度の違いによって、Ｐ^＋＋型半導体層３１０および、Ｐ^＋型半導体層３１１とし、Ｎ型半導体層を濃度の違いによって、Ｎ⁻型半導体層３２２および、Ｎ⁻⁻型半導体層３２３に分けてもよい。この例の検出器２００の平面図を図１９に示す。図２０は、図１９中におけるＦ−Ｆ断面線に沿った断面図である。図２０に示すＰＮ接合ダイオード３００により、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層の両方において、正孔３３１は、Ｐ型、Ｎ型半導体層と分離酸化膜４３０の界面若しくはＰ型、Ｎ型半導体層と絶縁膜４４０の界面又はＰ型、Ｎ型半導体層とＢＯＸ層４２０の界面近傍ではなく、Ｐ型、Ｎ型半導体層の中央部に集まる。そのため、先に示した場合よりも更にＰＮ接合ダイオード３００の雑音が低下して、ＰＮ接合ダイオード３００の出力のＳＮ比が向上するので、出力のＳＮ比が良好な赤外線固体撮像装置１００を提供することができる。

上述のＰＮ接合ダイオード３００はＰ^＋Ｎ⁻接合ダイオードの例であったが、Ｐ⁻Ｎ^＋接合ダイオード３００としても同様の雑音低減効果が得られる。すなわち、Ｎ型半導体層を、濃度の違いによって、Ｎ^＋＋型半導体層３２０および、Ｎ^＋型半導体層３２１とし、Ｐ型半導体層を、濃度の違いによって、Ｐ⁻型半導体層３１２および、Ｐ⁻⁻型半導体層３１３に分けた場合においても同様に出力のＳＮ比が良好な赤外線固体撮像装置１００を提供することができる。

実施の形態４．
実施の形態１においては、ＰＮ接合ダイオード３００のＮ型半導体層を半導体／酸化膜の界面に存在するトラップ準位にキャリアが捕獲されてしまわないような半導体層の構造とした。本実施の形態４においては、実施の形態１のＰ^＋Ｎ⁻接合ダイオードを構成するＮ⁻⁻型半導体層３２３を更に改良した形態を説明する。本実施の形態４の赤外線固体撮像装置１００が実施の形態１と異なる部分は、実施の形態１のＰ^＋Ｎ⁻接合ダイオードのＮ型半導体層のみであり、検出器２００の機械的な構造、信号処理回路１２０、動作等は実施の形態１と同様である。以下、本実施の形態４の要部であるＮ型半導体層について説明する。

初期の状態として、図３に示した実施の形態１のＰ^＋Ｎ⁻接合ダイオードを構成するＮ⁻⁻型半導体層３２３のエネルギー準位図は図４に示した状態であるとする。ここで、Ｎ型不純物であるリンおよびヒ素とは極性が逆の、Ｐ型不純物であるボロンを、Ｎ型半導体層に注入したときの効果を考察する。図３において、ボロンをＮ⁻⁻型半導体層３２３付近に注入すると、図４のエネルギー準位図は図２１のように変化する。図２１では図４に比べて、中央付近のポテンシャルエネルギーが凸状になっている部分である正孔３３１の通路が拡大し、かつ、深くなっている。これは、Ｐ型不純物の電荷がＮ型不純物の電荷を打ち消しているからである。すなわち、本実施の形態４においては、Ｐ型不純物であるボロンを、Ｎ型半導体層に注入し正孔３３１の通路を拡大し、かつ、深くするものである。

本実施の形態４で示した図２１のエネルギー準位の状態は、ボロンを使わなくてもリンおよびヒ素の不純物プロファイルを調整することで実現可能である。しかし、イオン注入法では、リンおよびヒ素よりもボロンの方が注入飛程を大きくとることが容易であるため、本実施の形態４で示した方法は、実施の形態１よりも製造コストを削減することが可能となる。

上述の実施の形態４においては、Ｐ^＋Ｎ⁻接合ダイオードの例を説明したが、これを、Ｎ型半導体層を高濃度のＮ^＋型とし、Ｐ型半導体層を、濃度の違いによって、Ｐ⁻型半導体層３１２および、Ｐ⁻⁻型半導体層３１３に分けても同様の効果が得られる。すなわち、この場合のＰＮ接合ダイオード３００はＰ⁻Ｎ^＋接合ダイオードであり、Ｐ型半導体層において電子が過剰少数キャリアとなるようにしてもよい。この場合は、ＳＯＩ層４１０にボロンをイオン注入して、Ｐ⁻型半導体層３１２、Ｐ⁻⁻型半導体層３１３をまず形成する。また、ＳＯＩ層４１０にリンおよびヒ素をイオン注入して、Ｎ^＋型半導体層３２１を一旦形成する。この段階でのエネルギー準位図は図２２のようになっている。ここで、Ｐ型不純物であるボロンとは極性が逆のＮ型不純物であるリンおよびヒ素を、Ｐ型半導体層に注入したときの効果を考察する。リンを図２０において示すＰ⁻⁻型半導体層３１３付近に注入すると、図２２で示したエネルギー準位図は図２３のように変化する。図２３では図２２に比べて、中央付近のポテンシャルエネルギーが凸状になっている部分である電子の通路が拡大し、かつ、深くなっている。これは、Ｎ型不純物の電荷がＰ型不純物の電荷を打ち消しているからである。すなわち、この形態においては、Ｎ型不純物であるリンを、Ｐ型半導体層に注入し正孔３３１の通路を拡大し、かつ、深くするものである。この場合も同様に、イオン注入法によって容易にポテンシャルエネルギーの凸状態をつくることが可能である。

本発明の実施の形態１を示す赤外線固体撮像装置の斜視図である。 本発明の実施の形態１における検出器を示す平面図である。 本発明の実施の形態１における検出器を示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるＮ型半導体層のエネルギー準位図である。 従来の構造のＮ型半導体層におけるエネルギー準位図である。 本発明の実施の形態１のＮ型半導体層におけるキャリア挙動を説明する図である。 本発明の実施の形態１の赤外線固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１の赤外線固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における検出器を示す断面図である。 本発明の実施の形態２のＰ型半導体層におけるエネルギー準位図である。 従来の構造のＰ型半導体層におけるエネルギー準位図である。 本発明の実施の形態２の赤外線固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２の赤外線固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における検出器を示す平面図である。 本発明の実施の形態３における検出器を示す断面図である。 本発明の実施の形態３におけるＮ型半導体層のエネルギー準位図である。 本発明の実施の形態３の赤外線固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３の赤外線固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における検出器を示す平面図である。 本発明の実施の形態３における検出器を示す断面図である。 本発明の実施の形態４におけるＮ型半導体層のエネルギー準位図である。 本発明の実施の形態４によるＰ型半導体層における断面のエネルギー準位図である。 本発明の実施の形態４によるＰ型半導体層における断面のエネルギー準位図である。

符号の説明

１００：赤外線固体撮像装置 １４０：シリコン基板 ２１０：検出部
２２０：支持脚 ２３０：空洞 ２４０：エッチング孔
３００：ＰＮ接合ダイオード ３１１：Ｐ^＋型半導体層 ３１２：Ｐ⁻型半導体層
３２１：Ｎ^＋型半導体層 ３２２：Ｎ⁻型半導体層 ４１０：ＳＯＩ層

Claims (8)

1. シリコン基板上にシリコン酸化膜層とＳＯＩ層とを有したＳＯＩ基板と、前記ＳＯＩ層に形成されたＰＮ接合ダイオードを備えた入射赤外線によって発生する温度変化を電気信号に変換する検出部と、
   前記検出部を前記ＳＯＩ基板のシリコン基板から離間して保持する支持体とを備え、
   前記ＰＮ接合ダイオードを構成する半導体層の不純物は、前記半導体層を流れるキャリアが前記半導体層の周辺部分よりも中央部分に多く偏在するように分布していることを特徴とする赤外線固体撮像装置。
2. ＰＮ接合ダイオードは、Ｐ^＋型半導体層とＮ⁻型半導体層から構成され、前記ＳＯＩ層の上は絶縁膜が形成され、前記ＰＮ接合ダイオード周囲に分離酸化膜が形成され、
   前記Ｎ⁻型半導体層のＮ型不純物濃度は、前記Ｎ⁻型半導体層とシリコン酸化膜層との界面及び前記絶縁膜との界面の近傍の方が前記Ｎ⁻型半導体層の中央部分より高いか、
   または、前記Ｎ⁻型半導体層のＮ型不純物濃度は、前記Ｎ⁻型半導体層と前記分離酸化膜との界面の近傍の方が前記Ｎ⁻型半導体層の中央部分より高いか、いずれか一方または両方であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像装置。
3. ＰＮ接合ダイオードは、Ｐ^＋型半導体層とＮ⁻型半導体層から構成され、前記ＳＯＩ層の上は絶縁膜が形成され、前記ＰＮ接合ダイオード周囲に分離酸化膜が形成され、
   前記Ｐ^＋型半導体層のＰ型不純物濃度は、前記Ｐ^＋型半導体層とシリコン酸化膜層との界面及び前記絶縁膜との界面の近傍の方が前記Ｐ^＋型半導体層の中央部分より低いか、
   または、前記Ｐ^＋型半導体層のＰ型不純物濃度は、前記Ｐ^＋型半導体層と前記分離酸化膜との界面の近傍の方が前記Ｐ^＋型半導体層の中央部分より低いか、いずれか一方または両方であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像装置。
4. ＰＮ接合ダイオードは、Ｐ⁻型半導体層とＮ^＋型半導体層から構成され、前記ＳＯＩ層の上は絶縁膜が形成され、前記ＰＮ接合ダイオード周囲に分離酸化膜が形成され、
   前記Ｎ^＋型半導体層のＮ型不純物濃度は、前記Ｎ^＋型半導体層とシリコン酸化膜層との界面及び前記絶縁膜との界面の近傍の方が前記Ｎ^＋型半導体層の中央部分より低いか、
   または、前記Ｎ^＋型半導体層のＮ型不純物濃度は、前記Ｎ^＋型半導体層と前記分離酸化膜との界面の近傍の方が前記Ｎ^＋型半導体層の中央部分より低いか、いずれか一方または両方であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像装置。
5. ＰＮ接合ダイオードは、Ｐ⁻型半導体層とＮ^＋型半導体層から構成され、前記ＳＯＩ層の上は絶縁膜が形成され、前記ＰＮ接合ダイオード周囲に分離酸化膜が形成され、
   前記Ｐ⁻型半導体層のＰ型不純物濃度は、前記Ｐ⁻型半導体層とシリコン酸化膜層との界面及び前記絶縁膜との界面の近傍の方が前記Ｐ⁻型半導体層の中央部分より高いか、
   または、前記Ｐ⁻型半導体層のＰ型不純物濃度は、前記Ｐ⁻型半導体層と前記分離酸化膜との界面の近傍の方が前記Ｐ⁻型半導体層の中央部分より高いか、いずれか一方または両方であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像装置。
6. Ｎ⁻型半導体層の中央部に、Ｐ型不純物を含むＮ⁻⁻型半導体層があることを特徴とする請求項２または３に記載の赤外線固体撮像装置。
7. Ｐ⁻型半導体層とシリコン酸化膜層との界面、Ｐ⁻型半導体層と絶縁膜との界面又はＰ⁻型半導体層と分離酸化膜との界面近傍のうちで、少なくともいずれかの界面近傍にＮ型不純物を含むＰ⁻⁻型半導体層があることを特徴とする請求項４または５に記載の赤外線固体撮像装置。
8. シリコン基板上にシリコン酸化膜層とＳＯＩ層とを有したＳＯＩ基板の前記ＳＯＩ層に不純物を注入してＰＮ接合ダイオードを形成し、入射赤外線によって発生する温度変化を電気信号に変換する検出部を構成する工程と、
   前記検出部及び前記検出部と接合された支持体との周囲にエッチング孔を開口する工程と、該エッチング孔からエッチャントを導入して前記シリコン基板の内部に空洞を形成する工程とを含み、
   前記ＰＮ接合ダイオードを構成する半導体層を流れるキャリアが前記半導体層の周辺部分よりも中央部分に多く偏在するように、前記不純物を注入する工程において該不純物の濃度分布を作ることを特徴とする赤外線固体撮像装置の製造方法。

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