JP2009176834A - フォトダイオードおよびそれを備えた紫外線センサ、並びにフォトダイオードの製造方法 - Google Patents
フォトダイオードおよびそれを備えた紫外線センサ、並びにフォトダイオードの製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】紫外線領域の光の強度を安定して検出する手段を提供する。
【解決手段】シリコン半導体層に形成された、Ｐ型の不純物を高濃度に拡散させたＰ型高濃度拡散層と、Ｎ型の不純物を高濃度に拡散させたＮ型高濃度拡散層とを、シリコン半導体層に、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の型の不純物を低濃度に拡散させて形成された低濃度拡散層を挟んで対向配置した横型ＰＮ接合形式のフォトダイオードにおいて、シリコン半導体層上に層間絶縁膜を形成すると共に、低濃度拡散層の、層間絶縁膜との界面に隣接する原子列に、シリコンと水素の共有結合を形成する。
【選択図】 図２
【解決手段】シリコン半導体層に形成された、Ｐ型の不純物を高濃度に拡散させたＰ型高濃度拡散層と、Ｎ型の不純物を高濃度に拡散させたＮ型高濃度拡散層とを、シリコン半導体層に、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の型の不純物を低濃度に拡散させて形成された低濃度拡散層を挟んで対向配置した横型ＰＮ接合形式のフォトダイオードにおいて、シリコン半導体層上に層間絶縁膜を形成すると共に、低濃度拡散層の、層間絶縁膜との界面に隣接する原子列に、シリコンと水素の共有結合を形成する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、紫外線を含む光を受けて電流を発生させるフォトダイオードおよびそれを備えた紫外線センサ、並びにフォトダイオードの製造方法に関する。
従来の紫外線センサは、Ｐ型シリコン基板に形成した２つのＮ型領域のそれぞれの表層にＰ型拡散層を形成すると共に、Ｐ型シリコン基板とそれぞれのＮ型領域の界面を含む領域に、Ｎ型領域を挟んでＰ型拡散層に対向するＮ型拡散層を形成し、それぞれのＰ型拡散層の深さを変更して２つの縦型ＰＮ接合形式のフォトダイオードを形成し、Ｐ型拡散層の深さの相違によりＰ型拡散層下のＰＮ接合へ到達する紫外線量を変化させて、浅いＰ型拡散層を有するフォトダイオードの光電流から、深いＰ型拡散層を有するフォトダイオードの光電流を減じて可視光領域の光電流を相殺し、紫外線領域の光の強度を検出する紫外線センサを形成している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−６７３３１号公報（段落００２５−段落００３５、第２図、第３図）
紫外線は、長波紫外線（ＵＶ−Ａ波：波長約３２０〜４００ｎｍ）と、中波紫外線（ＵＶ−Ｂ波：波長約２８０〜３２０ｎｍ）と、短波紫外線（ＵＶ−Ｃ波：波長約２８０ｎｍ以下）とに分類され、地上に達する紫外線の９０％以上はＵＶ−Ａ波で構成され、残りがＵＶ−Ｂ波とされており、ＵＶ−Ｃ波はオゾン層で吸収されて地上に達することはないとされている。
また、紫外線の波長領域によって人体や環境に与える影響が異なり、特にＵＶ−Ｂ波は、地上に到達する紫外線量は少量であっても皮膚を炎症させ、皮膚ガンを誘発する虞があるとされており、ＵＶ−Ｂ波を分離して検出することが可能な紫外線センサの開発が望まれている。
しかしながら、上述した従来の技術においては、波長４００ｎｍ以下の紫外線領域の紫外線の総量は検出できるものの、波長領域を分離して検出することはできないという問題がある。
しかしながら、上述した従来の技術においては、波長４００ｎｍ以下の紫外線領域の紫外線の総量は検出できるものの、波長領域を分離して検出することはできないという問題がある。
また、上述した従来の技術においては、Ｐ型拡散層の深さを変更して、２つのフォトダイオードから出力される光電流の紫外線量を変化させ、演算によりこれらの差を求めて紫外線領域の光の強度を検出しているため、Ｐ型拡散層を形成する工程で、Ｐ型拡散層の深さにバラツキが生ずると、Ｐ型拡散層に吸収される紫外線量にバラツキが生じ、紫外線領域の光の強度を検出する紫外線センサの品質を安定させることが難しくなるという問題がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、紫外線領域の光の強度を安定して検出する手段を提供することを目的とする。
また、ＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線量を分離して検出する手段を提供することを目的とする。
また、ＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線量を分離して検出する手段を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために、シリコン半導体層に形成された、Ｐ型の不純物を高濃度に拡散させたＰ型高濃度拡散層と、Ｎ型の不純物を高濃度に拡散させたＮ型高濃度拡散層とを、前記シリコン半導体層に、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の型の不純物を低濃度に拡散させて形成された低濃度拡散層を挟んで対向配置した横型ＰＮ接合形式のフォトダイオードにおいて、前記シリコン半導体層上に層間絶縁膜を形成すると共に、前記低濃度拡散層の、前記層間絶縁膜との界面に隣接する原子列に、シリコンと水素の共有結合を形成したことを特徴とする。
また、前記フォトダイオードの低濃度拡散層が形成されるシリコン半導体層は、３ｎｍ以上、３６ｎｍ以下の範囲の厚さを有することを特徴とする。
これにより、本発明は、層間絶縁膜側から入射した光が、層間絶縁膜との界面に形成されたシリコンと水素の共有結合（Ｓｉ−Ｈ結合）を通過するときに、シリコン半導体層の厚さに関らず、その結合エネルギでＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線を消失させることができ、Ｓｉ−Ｈ結合を除いて同じ構成とされているフォトダイオードと組合せることによって、演算によりＵＶ−Ａ波の波長領域のみの紫外線量を求めることができ、地上に到達する紫外線の大部分を占めるＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量を安定して検出することができる紫外線センサを得ることができるという効果が得られる。
また、低濃度拡散層が形成されるシリコン半導体層が、３ｎｍ以上、３６ｎｍ以下の範囲の厚とされているので、Ｓｉ−Ｈ結合の結合エネルギでＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線がカットし、透過した可視光はシリコン半導体層の厚さによりカットすることができ、ＵＶ−Ｂ波の波長領域のみの紫外線量を単独で、選択的に検出することができるフォトダイオードを得ることができるという効果が得られる。
以下に、図面を参照して本発明によるフォトダイオードおよびその製造方法の実施例について説明する。
図１は実施例のフォトダイオードの上面を示す説明図、図２は実施例のフォトダイオードの断面を示す説明図、図３は実施例の紫外線センサの側面を示す説明図、図４は実施例のフォトダイオードのシリコン半導体層と層間絶縁膜との界面近傍のシリコン原子の配列を示す説明図、図５、図６は実施例のフォトダイオードの製造方法を示す説明図である。
なお、図２は、図１のＡ−Ａ断面線に沿った断面図である。また図１は、図２に示すシリコン半導体層より上方の層を取り除いた状態で示してある。
なお、図２は、図１のＡ−Ａ断面線に沿った断面図である。また図１は、図２に示すシリコン半導体層より上方の層を取り除いた状態で示してある。
図１において、１はフォトダイオードであり、図示しないシリコン（Ｓｉ）からなるシリコン基板上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁層としての埋込み酸化膜３を挟んで薄い単結晶シリコンからなるシリコン半導体層４を形成したＳＯＩ構造の半導体ウェハのシリコン半導体層４に形成された横型ＰＮ接合形式のフォトダイオードである。
本実施例のシリコン半導体層４上には、フォトダイオード１を形成するためのダイオード形成領域６が設定され、このダイオード形成領域６の周囲を矩形の枠状に囲う領域には、素子分離層９を形成するための素子分離領域１０が設定されている（図５、図６参照）。
本実施例のシリコン半導体層４上には、フォトダイオード１を形成するためのダイオード形成領域６が設定され、このダイオード形成領域６の周囲を矩形の枠状に囲う領域には、素子分離層９を形成するための素子分離領域１０が設定されている（図５、図６参照）。
素子分離層９は、素子分離領域１０のシリコン半導体層４に、酸化シリコン等の絶縁材料で埋込み酸化膜３に達した状態で形成されており、ダイオード形成領域６の間を電気的に絶縁分離する機能を有している。
なお、本説明においては、図１等に示すように、素子分離層９は区別のために網掛けを付して示す。
なお、本説明においては、図１等に示すように、素子分離層９は区別のために網掛けを付して示す。
本実施例のフォトダイオード１は、シリコン半導体層４に設定されたダイオード形成領域６に形成される。
１２はＰ型高濃度拡散層としてのＰ＋拡散層であり、ダイオード形成領域６のシリコン半導体層４に、ボロン（Ｂ）等のＰ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成された拡散層であって、図１に示すように、素子分離層９の内側の一の辺に接する峰部１２ａと、峰部１２ａから一の辺に対向する素子分離層９の内側の他の辺に向けて延在する複数の櫛歯部１２ｂとで形成された櫛型に形成される。
１２はＰ型高濃度拡散層としてのＰ＋拡散層であり、ダイオード形成領域６のシリコン半導体層４に、ボロン（Ｂ）等のＰ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成された拡散層であって、図１に示すように、素子分離層９の内側の一の辺に接する峰部１２ａと、峰部１２ａから一の辺に対向する素子分離層９の内側の他の辺に向けて延在する複数の櫛歯部１２ｂとで形成された櫛型に形成される。
本実施例のＰ＋拡散層１２は、峰部１２ａから２本の櫛歯部１２ｂを延在させて「π」字状に形成されている。
１４はＮ型高濃度拡散層としてのＮ＋拡散層であり、ダイオード形成領域６のシリコン半導体層４に、Ｐ型高濃度拡散層と逆の型、つまりリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等のＮ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成された拡散層であって、図１に示すように、素子分離層９の内側の他の辺に接する峰部１４ａと、峰部１４ａから対向する一の辺に向けて延在する複数の櫛歯部１４ｂとで形成された櫛型に形成される。
１４はＮ型高濃度拡散層としてのＮ＋拡散層であり、ダイオード形成領域６のシリコン半導体層４に、Ｐ型高濃度拡散層と逆の型、つまりリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等のＮ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成された拡散層であって、図１に示すように、素子分離層９の内側の他の辺に接する峰部１４ａと、峰部１４ａから対向する一の辺に向けて延在する複数の櫛歯部１４ｂとで形成された櫛型に形成される。
本実施例のＮ＋拡散層１４は、峰部１４ａの両端部と中央部から３本の櫛歯部１４ｂを延在させて「Ｅ」字状に形成されている。
１５は低濃度拡散層としてのＰ−拡散層であり、ダイオード形成領域６に、互いに離間して櫛歯部１２ｂ、１４ｂを噛合わせて対向配置されたＰ＋拡散層１２とＮ＋拡散層１４とにそれぞれ接するシリコン半導体層４に、Ｐ型不純物を比較的低濃度に拡散させて形成された拡散層であって、ここに形成される空乏層に吸収された紫外線により電子−正孔対が発生する部位である。
１５は低濃度拡散層としてのＰ−拡散層であり、ダイオード形成領域６に、互いに離間して櫛歯部１２ｂ、１４ｂを噛合わせて対向配置されたＰ＋拡散層１２とＮ＋拡散層１４とにそれぞれ接するシリコン半導体層４に、Ｐ型不純物を比較的低濃度に拡散させて形成された拡散層であって、ここに形成される空乏層に吸収された紫外線により電子−正孔対が発生する部位である。
１７は層間絶縁膜であり、シリコン半導体層４上に形成された、酸化シリコンやＮＳＧ（Ｎｏｎｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａ Ｇｌａｓｓ）等のＵＶ−Ａ波およびＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線および可視光、つまりＵＶ−Ｂ波以上の波長領域の光を透過させる透過性を有する絶縁材料（本実施例では、酸化シリコン）からなる４０００ｎｍ程度の厚さの絶縁膜である。
１８はコンタクトホールであり、層間絶縁膜１７上の、フォトダイオード１のコンタクトプラグ１９の形成領域に形成された、層間絶縁膜１７を貫通してＰ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４に至る貫通穴であって、これらのコンタクトホール１８の内部に、アルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）等の導電材料を埋め込んでコンタクトプラグ１９が形成される。
２０は配線であり、層間絶縁膜１７上に、コンタクトプラグ１９と同様の導電材料で形成された配線層をエッチングして形成された回路配線であって、図１に２点鎖線で示すように、受光する太陽光を妨げないために、Ｐ−拡散層１５上を通過しないように配置されており、Ｐ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４と、それぞれコンタクトプラグ１９を介して電気的に接続している。
２２はパッシベーション膜であり、層間絶縁膜１７上に形成された窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）からなるＵＶ−Ｂ波以上の波長領域の光を透過させる膜厚３００ｎｍ程度の保護膜であって、フォトダイオード１や配線２０等を外部の湿度等から保護する機能を有している。
本実施例のシリコン半導体層４に形成されたＰ−拡散層１５と層間絶縁膜１７との界面２４には、図４に示すように、シリコン半導体層４の界面２４に隣接するシリコン（Ｓｉ）の原子列２５のダングリングボンド２６（未結合手）が水素（Ｈ）により終端されて、シリコンと水素の共有結合（Ｓｉ−Ｈ結合という。）が形成されおり、ＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線をカットして、ＵＶ−Ｂ波以下および可視光の波長領域の光を透過させるフィルタ（ＵＶ−Ａフィルタ２７という。図２等にハッチングを付して示す。）として機能する。
本実施例のシリコン半導体層４に形成されたＰ−拡散層１５と層間絶縁膜１７との界面２４には、図４に示すように、シリコン半導体層４の界面２４に隣接するシリコン（Ｓｉ）の原子列２５のダングリングボンド２６（未結合手）が水素（Ｈ）により終端されて、シリコンと水素の共有結合（Ｓｉ−Ｈ結合という。）が形成されおり、ＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線をカットして、ＵＶ−Ｂ波以下および可視光の波長領域の光を透過させるフィルタ（ＵＶ−Ａフィルタ２７という。図２等にハッチングを付して示す。）として機能する。
このＳｉ−Ｈ結合の結合エネルギは、３．１〜３．５ｅＶであり、ＵＶ−Ａ波の波長領域に含まれる約３５０〜４００ｎｍの波長のエネルギに相当するため、Ｓｉ−Ｈ結合がＵＶ−Ａ波のエネルギにより切断されるときに前記の波長領域のエネルギが吸収されて、ＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線が消失するので、本実施例のＳｉ−Ｈ結合で形成されたＵＶ−Ａフィルタ２７は、ＵＶ−Ａ波のみが不透過となる（図７参照）。
図３において、３０は紫外線センサであり、上記のＵＶ−Ａフィルタ２７を有するフォトダイオード１を複数形成した半導体ウェハを個片に分割したフォトチップ３１ａと、ＵＶ−Ａフィルタ２７を除いてフォトダイオード１と同じ構成を有するフォトダイオードを備えたフォトチップ３１ｂとを備えている。
３３は封止層であり、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の、ＵＶ−Ｂ波以上の波長領域の光を透過させる紫外線透過型封止樹脂を加熱、硬化させて形成された保護層であって、フォトチップ３１ａ、３１ｂ等を外部の湿度等から保護する機能を有している。
３３は封止層であり、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の、ＵＶ−Ｂ波以上の波長領域の光を透過させる紫外線透過型封止樹脂を加熱、硬化させて形成された保護層であって、フォトチップ３１ａ、３１ｂ等を外部の湿度等から保護する機能を有している。
本実施例の紫外線透過型封止樹脂としては、湿度や紫外線等に対する耐候性に優れたシリコーン樹脂が用いられる。
本実施例の紫外線センサ３０は、複数の外部端子３４を形成したセラミックス基板３５に、フォトチップ３１ａ、３１ｂ並列に配置してそれぞれを銀ペースト等で接合し、ワイヤボンディングにより、端子穴３６に露出している配線２０と外部端子３４とをワイヤ３７で電気的に接続し、セラミックス基板３５上のフォトチップ３１ａ、３１ｂを覆うシリコーン樹脂からなる封止層３３で封止して形成される。
本実施例の紫外線センサ３０は、複数の外部端子３４を形成したセラミックス基板３５に、フォトチップ３１ａ、３１ｂ並列に配置してそれぞれを銀ペースト等で接合し、ワイヤボンディングにより、端子穴３６に露出している配線２０と外部端子３４とをワイヤ３７で電気的に接続し、セラミックス基板３５上のフォトチップ３１ａ、３１ｂを覆うシリコーン樹脂からなる封止層３３で封止して形成される。
図５において、４０はレジストマスクであり、フォトリソグラフィによりシリコン半導体層４上に塗布されたポジ型またはネガ型のレジストを露光および現像処理して形成されたマスク部材であって、本実施例のエッチングやイオン注入におけるマスクとして機能する。
本実施例のシリコン半導体層４の厚さは、Ｐ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４のシート抵抗の増大を抑制するために、４０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の範囲の厚さ（本実施例では、５０ｎｍ）に形成される。
本実施例のシリコン半導体層４の厚さは、Ｐ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４のシート抵抗の増大を抑制するために、４０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の範囲の厚さ（本実施例では、５０ｎｍ）に形成される。
以下に、図５、図６に、Ｐで示す工程に従って、本実施例のフォトダイオードの製造方法について説明する。
本実施例で用いる半導体ウェハのシリコン半導体層４は、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）法により埋込み酸化膜３上に薄いシリコン層を残して形成されたＳＯＩ構造の半導体ウェハ、または埋込み酸化膜３上に薄いシリコン層を貼り付けて形成されたＳＯＩ構造の半導体ウェハの埋込み酸化膜３上の薄いシリコン層に熱酸化法により犠牲酸化膜を形成し、これをウェットエッチングにより除去して、５０ｎｍの厚さに形成されている。
本実施例で用いる半導体ウェハのシリコン半導体層４は、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）法により埋込み酸化膜３上に薄いシリコン層を残して形成されたＳＯＩ構造の半導体ウェハ、または埋込み酸化膜３上に薄いシリコン層を貼り付けて形成されたＳＯＩ構造の半導体ウェハの埋込み酸化膜３上の薄いシリコン層に熱酸化法により犠牲酸化膜を形成し、これをウェットエッチングにより除去して、５０ｎｍの厚さに形成されている。
Ｐ１（図５）、上記の５０ｎｍの膜厚のシリコン半導体層４が形成された半導体ウェハのシリコン半導体層４の素子分離領域１０に、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法により、埋込み酸化膜３に達する酸化シリコンからなる素子分離層９を形成する。
そして、ダイオード形成領域６のシリコン半導体層４に、Ｐ型不純物イオンを低濃度に注入して、Ｐ型低濃度注入層を形成し、フォトリソグラフィによりダイオード形成領域６のＮ＋拡散層１４の形成領域（図１に示す「Ｅ」字状の部位）を露出させたレジストマスク４０（不図示）を形成し、露出しているシリコン半導体層４にＮ型不純物イオンを高濃度に注入して、Ｎ型高濃度注入層を形成する。
そして、ダイオード形成領域６のシリコン半導体層４に、Ｐ型不純物イオンを低濃度に注入して、Ｐ型低濃度注入層を形成し、フォトリソグラフィによりダイオード形成領域６のＮ＋拡散層１４の形成領域（図１に示す「Ｅ」字状の部位）を露出させたレジストマスク４０（不図示）を形成し、露出しているシリコン半導体層４にＮ型不純物イオンを高濃度に注入して、Ｎ型高濃度注入層を形成する。
前記のレジストマスク４０の除去後に、フォトリソグラフィによりダイオード形成領域６のＰ＋拡散層１２の形成領域（図１に示す「π」字状の部位）を露出させたレジストマスク４０（不図示）を形成し、露出しているシリコン半導体層４にＰ型不純物イオンを高濃度に注入して、Ｐ型高濃度注入層を形成する。
前記のレジストマスク４０の除去後に、熱処理により、各拡散層の形成領域に形成された各注入層に注入された不純物を活性化して、各拡散層に所定の型の不純物を所定の濃度で拡散させ、ダイオード形成領域６に、Ｐ＋拡散層１２、Ｎ＋拡散層１４およびＰ−拡散層１５を形成し、シリコン半導体層４に、横型ＰＮ接合形式のフォトダイオード１が複数形成されたＳＯＩ構造の半導体ウェハを準備する。
前記のレジストマスク４０の除去後に、熱処理により、各拡散層の形成領域に形成された各注入層に注入された不純物を活性化して、各拡散層に所定の型の不純物を所定の濃度で拡散させ、ダイオード形成領域６に、Ｐ＋拡散層１２、Ｎ＋拡散層１４およびＰ−拡散層１５を形成し、シリコン半導体層４に、横型ＰＮ接合形式のフォトダイオード１が複数形成されたＳＯＩ構造の半導体ウェハを準備する。
Ｐ２（図５）、準備された半導体ウェハのシリコン半導体層４上の全面に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により酸化シリコンを堆積し、その上面を平坦化処理して、層間絶縁膜１７を形成する。
Ｐ３（図５）、層間絶縁膜１７の形成後に、半導体ウェハを熱処理装置に投入し、水素雰囲気中での熱処理により、半導体ウェハの温度を上げて、シリコン半導体層４に形成されたＰ−拡散層１５と、層間絶縁膜１７との界面２４に隣接するシリコンの原子列２５のダングリングボンド２６を、水素（Ｈ）により終端してＳｉ−Ｈ結合を形成する。
Ｐ３（図５）、層間絶縁膜１７の形成後に、半導体ウェハを熱処理装置に投入し、水素雰囲気中での熱処理により、半導体ウェハの温度を上げて、シリコン半導体層４に形成されたＰ−拡散層１５と、層間絶縁膜１７との界面２４に隣接するシリコンの原子列２５のダングリングボンド２６を、水素（Ｈ）により終端してＳｉ−Ｈ結合を形成する。
この場合の水素雰囲気中での熱処理は、例えば、ガス雰囲気として、窒素（Ｎ２）９０％、水素（Ｈ２）１０％の混合ガス雰囲気を用い、２５０℃以上、３５０℃以下の範囲の温度で、３０分間の熱処理を行えばよい。
これにより、Ｐ−拡散層１５の層間絶縁膜１７との界面２４に接する領域に、本実施例のＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線をカットするＵＶ−Ａフィルタ２７が形成される。
これにより、Ｐ−拡散層１５の層間絶縁膜１７との界面２４に接する領域に、本実施例のＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線をカットするＵＶ−Ａフィルタ２７が形成される。
Ｐ４（図５）、ＵＶ−Ａフィルタ２７の形成後に、フォトリソグラフィにより層間絶縁膜１７上に、フォトダイオード１のＰ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４上のコンタクトホール１８の形成領域の層間絶縁膜１７を露出させた開口を有するレジストマスク４０を形成し、これをマスクとして、酸化シリコンを選択的にエッチングする異方性エッチングにより層間絶縁膜１７を貫通してＰ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４に達するコンタクトホール１８を形成する。
Ｐ５（図６）、工程Ｐ４で形成したレジストマスク４０を除去し、スパッタ法等によりコンタクトホール１８内に導電材料を埋め込んでコンタクトプラグ１９を形成すると共に、層間絶縁膜１７上にコンタクトプラグ１９と同じ導電材料で配線２０を形成するための配線層を形成し、フォトリソグラフィにより配線層上に、配線２０の形成領域を覆うレジストマスク４０（不図示）を形成し、これをマスクとして配線層をエッチングしてコンタクトプラグ１９に電気的に接続する配線２０を形成し、前記のレジストマスク４０を除去する。
Ｐ６（図６）、ＣＶＤ法により、フォトダイオード１上の層間絶縁膜１７および配線２０上に、窒化シリコンからなるパッシベーション膜２２を形成する。
その後に、フォトリソグラフィにより配線２０上の端子穴３６の形成領域のパッシベーション膜２２を露出させた開口を有するレジストマスク４０（不図示）を形成し、異方性エッチングによりパッシベーション膜２２をエッチングして端子穴３６を形成する。
その後に、フォトリソグラフィにより配線２０上の端子穴３６の形成領域のパッシベーション膜２２を露出させた開口を有するレジストマスク４０（不図示）を形成し、異方性エッチングによりパッシベーション膜２２をエッチングして端子穴３６を形成する。
そして、半導体ウェハを個片に分割して、ＵＶ−Ａフィルタ２７を形成したフォトダイオード１を備えたフォトチップ３１ａを形成する。
一方、工程Ｐ３を省略した工程により、シリコン半導体層４を同じ厚さに形成した半導体ウェハに、ＵＶ−Ａフィルタ２７を除いて同様に形成されたフォトダイオードを複数形成し、これを個片に分割して、ＵＶ−Ａフィルタ２７が形成されていないフォトチップ３１ｂを形成する。
一方、工程Ｐ３を省略した工程により、シリコン半導体層４を同じ厚さに形成した半導体ウェハに、ＵＶ−Ａフィルタ２７を除いて同様に形成されたフォトダイオードを複数形成し、これを個片に分割して、ＵＶ−Ａフィルタ２７が形成されていないフォトチップ３１ｂを形成する。
これらのフォトチップ３１ａ、３１ｂは、図３に示すように、セラミックス基板３５上に並列に配置されて、それぞれ銀ペースト等で接合され、ワイヤボンディングにより、端子穴３６に露出している配線２０と、外部端子３４とをワイヤ３７で電気的に接続して型枠に収納した後に、ポッティングによりシリコーン樹脂を注入し、加熱、硬化させてフォトチップ３１ａ、３１ｂ等を覆う封止層３３を形成し、型枠から取外して、本実施例の紫外線センサ３０を形成する。
上記のフォトチップ３１ｂは、ＵＶ−Ａフィルタ２７が形成されていないフォトダイオード１を備えているので、ＵＶ−Ａ波およびＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線および可視光を透過させる層間絶縁膜１７、パッシベーション膜２２および紫外線透過型樹脂からなる封止層３３を透過した光が照射されると、シリコンの禁制帯幅が約１．１ｅＶであるので、図７に実線で示すように、約１１００ｎｍ未満の波長領域の全てに分光感度を有する特性になる。
また、フォトチップ３１ｂに形成されたフォトダイオードのＰ−拡散層１５の層間絶縁膜１７との界面２４に、Ｓｉ−Ｈ結合で形成されたＵＶ−Ａフィルタ２７を有するフォトダイオード１を備えたフォトチップ３１ａは、層間絶縁膜１７側から入射した光が、層間絶縁膜１７との界面２４に形成されたＵＶ−Ａフィルタ２７を通過するときに、そのＳｉ−Ｈ結合の結合エネルギでＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線を消失させるので、シリコン半導体層の厚さに関らず、ＵＶ−Ａ波のみをカットすることができ、図７に破線で示すように、層間絶縁膜１７等を透過した光が照射されると、フォトチップ３１ｂの分光感度の中で、ＵＶ−Ａ波の波長領域のみの紫外線がカットされた分光感度を有する特性になる。
この場合に、上記工程Ｐ３において、他の部位、例えばＰ−拡散層１５と埋込み酸化膜３との界面にＳｉ−Ｈ結合が形成されたとしても、光は層間絶縁膜１７の側から照射され、Ｐ−拡散層１５を通過した後の光が、埋込み酸化膜３との界面に形成されたＳｉ−Ｈ結合に作用するので、フォトダイオード１からの出力に影響が生ずることはない。
このように、ＵＶ−Ａフィルタ２７を除けば、同じ構成とされているフォトチップ３１ｂが検出したＵＶ−Ａ波、ＵＶ−Ｂ波および可視光の波長領域の出力から、フォトチップ３１ａが検出したＵＶ−Ａ波の波長領域のみがカットされた出力を減算すれば、ＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量を求めることができ、地上に到達する紫外線の大部分を占めるＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量を安定して検出することができる。
このように、ＵＶ−Ａフィルタ２７を除けば、同じ構成とされているフォトチップ３１ｂが検出したＵＶ−Ａ波、ＵＶ−Ｂ波および可視光の波長領域の出力から、フォトチップ３１ａが検出したＵＶ−Ａ波の波長領域のみがカットされた出力を減算すれば、ＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量を求めることができ、地上に到達する紫外線の大部分を占めるＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量を安定して検出することができる。
なお、本実施例のフォトチップ３１ａ、３１ｂに形成された横型ＰＮ接合方式のフォトダイオード１等に吸収される光の分光感度のバラツキは、シリコン半導体層４の膜厚に依存して生ずるので、ＵＶ−Ａ波の波長領域を除く領域の分光感度に、別の半導体ウェハに形成されたシリコン半導体層４の厚さのバラツキに起因する差が存在する場合には、フォトチップ３１ｂの出力に可視光領域の出力を相殺する倍率を乗じた後に、前記の減算を行うとよい。このようにすれば、紫外線量をより正確に検出することが可能になる。
また、本実施例では、フォトダイオード１は、ＳＯＩ構造の半導体ウェハのシリコン半導体層４に形成するとして説明したが、本実施例のＵＶ−Ａフィルタ２７を形成したフォトダイオード１は、層間絶縁膜１７との界面２４に形成されたＳｉ−Ｈ結合を光が通過するときにその結合エネルギでＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線を消失させるので、シリコン半導体層４の厚さは、どのような厚さであってもよく、例えばシリコンからなるバルク基板であってもよい。このようにすれば、シリコン半導体層４の厚さを厚くして、厚さに起因する分光感度のバラツキを更に低減することができると共に、バルク基板で形成されたＵＶ−Ａフィルタ２７が形成されていないフォトダイオードと組合せれば、前記と同様の紫外線センサを得ることができる。
更に、本実施例では、Ｐ−拡散層１５は、Ｐ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４と同じ厚さのシリコン半導体層４に形成するとして説明したが、図８に示すように、Ｐ−拡散層１５を形成するシリコン半導体層４の厚さを、出願人が特願２００７−３１１０８０等において提案した、３ｎｍ以上、３６ｎｍ以下の範囲の厚さ（例えば、３５ｎｍ）の薄いシリコン半導体層４としてもよい。
このようにすれば、薄いシリコン半導体層４に形成されたＰ−拡散層１５は、可視光以上（波長４００ｎｍ以上）の波長領域の光に反応することがなくなり、層間絶縁膜１７側から入射した光は、層間絶縁膜１７との界面２４に形成されたＵＶ−Ａフィルタ２７を通過するときに、そのＳｉ−Ｈ結合の結合エネルギでＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線がカットされ、透過した可視光はシリコン半導体層４の厚さによりカットされるので、図９に示すように、ＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線量のみを単独で検出することができるフォトダイオード１を形成することが可能になる。
この場合に、フォトダイオード１のＰ−拡散層１５を形成する薄いシリコン半導体層４は、ダイオード形成領域６に、図１に示す「π」字状のＰ＋拡散層１２と、「Ｅ」字状のＮ＋拡散層１４とに挟まれたＰ−拡散層１５を形成する領域として薄膜化領域を設定しておき、上記工程Ｐ１における各拡散層を形成するための熱処理を終えた後に、シリコン半導体層４上の全面にフォトリソグラフィにより、薄膜化領域のシリコン半導体層４を露出させたレジストマスク４０（不図示）を形成し、これをマスクとして、異方性エッチングにより、露出しているシリコン半導体層４をエッチングして、薄膜化領域のシリコン半導体層４を薄膜化領域７に設定されたシリコン半導体層４の厚さ（３５ｎｍ）に薄膜化するとよい。
このようにして、薄膜化されたＰ−拡散層１５を形成し、その後に工程Ｐ２以降の工程を行えば、図８に示すフォトダイオード１を形成することができる。
以上説明したように、本実施例では、シリコン半導体層に形成されたＰ＋拡散層とＮ＋拡散層とを、Ｐ−拡散層を挟んで対向配置したフォトダイオードのＰ−拡散層の、層間絶縁膜との界面に隣接する原子列に、Ｓｉ−Ｈ結合で形成されたＵＶ−Ａフィルタを形成するようにしたことによって、層間絶縁膜側から入射した光が、層間絶縁膜との界面に形成されたＳｉ−Ｈ結合を通過するときに、シリコン半導体層の厚さに関らず、その結合エネルギでＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線を消失させることができ、ＵＶ−Ａフィルタを除いて同じ構成とされているフォトダイオードと組合せることによって、演算によりＵＶ−Ａ波の波長領域のみの紫外線量を求めることができ、地上に到達する紫外線の大部分を占めるＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量を安定して検出することができる紫外線センサを得ることができる。
以上説明したように、本実施例では、シリコン半導体層に形成されたＰ＋拡散層とＮ＋拡散層とを、Ｐ−拡散層を挟んで対向配置したフォトダイオードのＰ−拡散層の、層間絶縁膜との界面に隣接する原子列に、Ｓｉ−Ｈ結合で形成されたＵＶ−Ａフィルタを形成するようにしたことによって、層間絶縁膜側から入射した光が、層間絶縁膜との界面に形成されたＳｉ−Ｈ結合を通過するときに、シリコン半導体層の厚さに関らず、その結合エネルギでＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線を消失させることができ、ＵＶ−Ａフィルタを除いて同じ構成とされているフォトダイオードと組合せることによって、演算によりＵＶ−Ａ波の波長領域のみの紫外線量を求めることができ、地上に到達する紫外線の大部分を占めるＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量を安定して検出することができる紫外線センサを得ることができる。
また、フォトダイオード１のＰ−拡散層１５を形成するシリコン半導体層４の厚さを３ｎｍ以上、３６ｎｍ以下の範囲の厚さとしたことによって、Ｓｉ−Ｈ結合の結合エネルギでＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線がカットし、透過した可視光はシリコン半導体層の厚さによりカットすることができ、ＵＶ−Ｂ波の波長領域のみの紫外線量を単独で、選択的に検出することができるフォトダイオードを得ることができる。
なお、上記実施例においては、紫外線センサの２つのフォトダイオードは、セラミックス基板上に並列に配置するとして説明したが、これらを並列に配置する必要はなく、セラミックス基板上に配置されていればよい。
また、上記実施例においては、低濃度拡散層は、Ｐ型不純物を拡散させて形成するとして説明したが、Ｎ型の不純物を比較的低濃度に拡散させて形成しても、上記と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施例においては、低濃度拡散層は、Ｐ型不純物を拡散させて形成するとして説明したが、Ｎ型の不純物を比較的低濃度に拡散させて形成しても、上記と同様の効果を得ることができる。
更に、上記実施例においては、Ｐ＋拡散層は「π」字状、Ｎ＋拡散層は「Ｅ」字状であるとして説明したが、それぞれの形状を逆にしてもよく、櫛歯部の数を更に多くしてもよい。
更に、上記実施例においては、Ｐ＋拡散層およびＮ＋拡散層には、櫛歯部を複数設け、これらを噛合わせて配置するとして説明したが、櫛歯部を設けずに、峰部のみを低濃度拡散層を挟んで対向配置するようにしてもよい。
更に、上記実施例においては、Ｐ＋拡散層およびＮ＋拡散層には、櫛歯部を複数設け、これらを噛合わせて配置するとして説明したが、櫛歯部を設けずに、峰部のみを低濃度拡散層を挟んで対向配置するようにしてもよい。
更に、上記実施例においては、半導体ウェハは、シリコン基板に絶縁層としての埋込み酸化膜を挟んで形成されたシリコン半導体層を有するＳＯＩ構造の半導体ウェハ、またはバルク基板からなる半導体ウェハであるとして説明したが、半導体ウェハは前記に限らず、絶縁層としてのサファイア基板上にシリコン半導体層を形成したＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）構造の半導体ウェハや、絶縁層としてのクオーツ基板上にシリコン半導体層を形成したＳＯＱ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ）構造の半導体ウェハ等であってもよい。
１ フォトダイオード
３ 埋込み酸化膜
４ シリコン半導体層
６ ダイオード形成領域
９ 素子分離層
１０ 素子分離領域
１２ Ｐ＋拡散層
１２ａ、１４ａ 峰部
１２ｂ、１４ｂ 櫛歯部
１４ Ｎ＋拡散層
１５ Ｐ−拡散層
１７ 層間絶縁膜
１８ コンタクトホール
１９ コンタクトプラグ
２０ 配線
２２ パッシベーション膜
２４ 界面
２５ 原子列
２６ ダングリングボンド
２７ ＵＶ−Ａフィルタ
３０ 紫外線センサ
３１ａ、３１ｂ フォトチップ
３３ 封止層
３４ 外部端子
３５ セラミックス基板
３６ 端子穴
３７ ワイヤ
４０ レジストマスク
３ 埋込み酸化膜
４ シリコン半導体層
６ ダイオード形成領域
９ 素子分離層
１０ 素子分離領域
１２ Ｐ＋拡散層
１２ａ、１４ａ 峰部
１２ｂ、１４ｂ 櫛歯部
１４ Ｎ＋拡散層
１５ Ｐ−拡散層
１７ 層間絶縁膜
１８ コンタクトホール
１９ コンタクトプラグ
２０ 配線
２２ パッシベーション膜
２４ 界面
２５ 原子列
２６ ダングリングボンド
２７ ＵＶ−Ａフィルタ
３０ 紫外線センサ
３１ａ、３１ｂ フォトチップ
３３ 封止層
３４ 外部端子
３５ セラミックス基板
３６ 端子穴
３７ ワイヤ
４０ レジストマスク
Claims (5)
- シリコン半導体層に形成された、Ｐ型の不純物を高濃度に拡散させたＰ型高濃度拡散層と、Ｎ型の不純物を高濃度に拡散させたＮ型高濃度拡散層とを、前記シリコン半導体層に、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の型の不純物を低濃度に拡散させて形成された低濃度拡散層を挟んで対向配置した横型ＰＮ接合形式のフォトダイオードにおいて、
前記シリコン半導体層上に層間絶縁膜を形成すると共に、前記低濃度拡散層の、前記層間絶縁膜との界面に隣接する原子列に、シリコンと水素の共有結合を形成したことを特徴とするフォトダイオード。 - 請求項１において、
前記低濃度拡散層が形成されるシリコン半導体層は、３ｎｍ以上、３６ｎｍ以下の範囲の厚さを有することを特徴とするフォトダイオード。 - シリコン半導体層に形成された、Ｐ型の不純物を高濃度に拡散させたＰ型高濃度拡散層と、Ｎ型の不純物を高濃度に拡散させたＮ型高濃度拡散層とを、前記シリコン半導体層に、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の型の不純物を低濃度に拡散させて形成された低濃度拡散層を挟んで対向配置した横型ＰＮ接合形式の２つのフォトダイオードを備え、
前記それぞれのフォトダイオードのシリコン半導体層上に層間絶縁膜を形成すると共に、一方の前記フォトダイオードの低濃度拡散層の、前記層間絶縁膜との界面に隣接する原子列に、シリコンと水素の共有結合を形成したことを特徴とする紫外線センサ。 - シリコン半導体層に形成された、Ｐ型の不純物を高濃度に拡散させたＰ型高濃度拡散層と、Ｎ型の不純物を高濃度に拡散させたＮ型高濃度拡散層とを、前記シリコン半導体層に、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の型の不純物を低濃度に拡散させて形成された低濃度拡散層を挟んで対向配置した横型ＰＮ接合形式のフォトダイオードを形成した半導体ウェハを準備する工程と、
前記シリコン半導体層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
水素雰囲気中の熱処理により、前記低濃度拡散層の、前記層間絶縁膜との界面に隣接する原子列に、シリコンと水素の共有結合を形成する工程と、を備えることを特徴とするフォトダイオードの製造方法。 - 請求項４において、
前記低濃度拡散層が形成されるシリコン半導体層は、３ｎｍ以上、３６ｎｍ以下の範囲の厚さを有することを特徴とするフォトダイオードの製造方法。
Priority Applications (2)
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