JP2013168609A - トレンチダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板の深部で発生した電荷を効率良く電極で収集して近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を高めることができるトレンチダイオード及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１の表面に受光面３が形成され、受光面３の一部を開口部とし受光面３に対して略垂直方向に基板１内に延びるトレンチ４が形成され、基板１のトレンチ４の内壁側に前記内壁に沿ってｐｎ接合が形成されてなり、トレンチ４の内壁の略全面に、受光面３からの光により基板１内で発生した電荷を前記ｐｎ接合を介して収集する低抵抗膜又は金属膜７が形成されているトレンチダイオード、及びその製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン基板に対して略垂直方向に形成された高アスペクト比トレンチを有するトレンチダイオード及びその製造方法に関するものであり、特にシリコン半導体素子で直接検知することができる波長１１００ｎｍ以下の近赤外光により生成される電子及び正孔などの電荷を効率的に収集することができるトレンチダイオード及びその製造方法に関する。

従来より、ビデオカメラやデジタルカメラなどに用いられているＣＣＤやＣＭＯＳイメージャーなどに代表される半導体撮像素子は、撮像画像の光信号を電気信号に変換するための廉価で消費電力の少ないイメージセンサーとして広く普及している。それらの多くは、人の目と同様の画像検知特性の実現を目的としており、可視光などのセンシングを効率良く高感度にするために主にシリコン半導体で作られている。

一方、シリコン系太陽電池は光エネルギーを電気エネルギーへ高効率で変換することができるためグリーンエネルギー源として期待され、各所への設置が進んでいる。光信号（光エネルギー）を高効率で電気信号（電気エネルギー）に変換できる内部光電効果においては、半導体のバンドギャップにより変換可能な光の波長が決まり、シリコン半導体の場合、可視光から近赤外線の波長範囲（４００ｎｍ〜１１００ｎｍ）を検知（変換）することができる。

ところで、近赤外線は可視光より波長が長いことからシリコン半導体内での吸収係数が小さいため、その半導体基板内部への侵入長は数十μｍ〜数百μｍに及ぶ。内部光電効果により発生した電子及び正孔などの電荷を効率よく収集できるのはＰＮ接合部の空乏層領域である。半導体基板内部で内部光電効果により発生した電荷は、拡散により空乏層領域まで運ばれるが、空乏層領域までの距離が長いときは、空乏層領域に到達するまでに再結合して消滅してしまうので、近赤外線の吸収により発生する電荷の効率的な収集が不可能となる。そこで、近赤外線の受光感度やエネルギー変換効率を上げるために、光の入射方向に対して略平行に基板内部深くまでｐｎ接合を形成すること、すなわち基板表面の受光面に対して略垂直方向に形成されるトレンチにその内壁に沿ってｐｎ接合を形成してなるトレンチダイオードが提案されている。

特開２０１０−２１９０８９号公報

しかしながら、このような従来のトレンチダイオードにおいては、従来からのＬＳＩ作製技術であるプレーナー技術で作製された電極が基板表面に存在するため、基板の深部で発生した電荷は抵抗の高い拡散層を移動して基板表面の電極に到達することになるが、この拡散層での高い抵抗のため基板の深部で発生した電荷を電極まで運んで効率的に収集することができず、近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を向上させることができないという問題があった。

そこで、本発明は、半導体基板の深部で発生した電荷を効率良く電極で収集することができ、近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を大幅に向上させることができるトレンチダイオード及びその製造方法を提供することを目的とする。

前述のような課題を解決するための本発明は、半導体基板の表面に受光面が形成され、前記受光面の一部を開口部とし前記受光面に対して略垂直方向に前記基板内に延びるトレンチが形成され、前記基板の前記トレンチの内壁側に前記内壁に沿ってｐｎ接合が形成されてなるトレンチダイオードであって、前記トレンチの内壁の略全面に、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記ｐｎ接合を介して収集する低抵抗膜又は金属膜が形成されている、ことを特徴とするものである。なお、本発明において、低抵抗膜とは、電極又は配線となり得るような導電性又は低抵抗性を有する材料からなる膜をいう。

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法は、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記ｐｎ接合を介して収集する電極とするための及び配線とするための、厚さが約１００ｎｍ以上の低抵抗膜又は金属膜を形成する工程を含むものである。

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に前記低抵抗膜又は金属膜が形成された後、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングする前に、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約１０Ｐａ・ｓ以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を覆い塞ぐ工程を含むことが望ましい。

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、垂直エッチングにより、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続する部分を除き、除去する工程と、等方性エッチングにより、前記垂直エッチング工程において除去されなかった前記受光面上の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜との接続のために必要な部分を除き、除去する工程と、を含むことが望ましい。

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に前記低抵抗膜又は金属膜が形成された後、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングする前に、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約１０Ｐａ・ｓ以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を覆い塞ぐ工程と、垂直エッチングにより、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続する部分を除き、除去する工程と、等方性エッチングにより、前記垂直エッチング工程において除去されなかった前記受光面上の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜との接続のために必要な部分を除き、除去する工程と、を含むことが望ましい。

さらに、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチは開口部の直径が約１０μｍ以下でアスペクト比が約５以上であり、前記垂直エッチングはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によるものであり、前記等方性エッチングはリン酸を含む溶液を使用して行うものであることが望ましい。

本発明によるトレンチダイオードにおいては、前記トレンチの内壁の略全面に、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記ｐｎ接合を介して収集する低抵抗膜又は金属膜を形成するようにしたので、前記ｐｎ接合の空乏層領域で発生した又は前記空乏層領域に到達した電荷が、前記空乏層領域の近傍に形成された前記低抵抗膜又は金属膜により極めて効率的に収集されるようになる（これに対して、従来は電極が基板表面に形成されており空乏層領域と電極との距離が長かったので、前記ｐｎ接合の空乏層領域で発生した又は前記空乏層領域に到達した電荷が基板表面の電極に運ばれる前に再結合して消失してしまうため、電荷を効率的に収集することができなかった）。よって、本発明によれば、半導体基板の深部で発生した電荷を効率良く電極で収集することができ、トレンチダイオードの近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を大幅に向上させることができる。

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に厚さが約１００ｎｍ以上の低抵抗膜又は金属膜を形成するようにしたので、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記ｐｎ接合を介して収集する電極と基板表面の配線とを同時に形成できるなどの効果が得られる。

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に低抵抗膜又は金属膜を形成した後、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングする前に、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約１０Ｐａ・ｓ以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を覆い塞ぐようにしたので、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングするとき、前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜までエッチングしてしまうことを有効に防止することができる。よって、本発明によれば、前記トレンチ内壁の略全面に低抵抗膜又は金属膜を形成して、基板内部で発生した電荷を高効率に収集することができるので、トレンチダイオードの近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を大幅に向上させることができる。

また、本発明によるトレンチダイオードの製造方法においては、前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に低抵抗膜又は金属膜を形成した後（そして、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約１０Ｐａ・ｓ以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を塞いだ後）、垂直エッチングにより、前記基板表面上の低抵抗膜又は金属膜をその中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続する部分を除いて除去し、その後、等方性エッチングにより、前記垂直エッチングにおいて除去されなかった前記受光面上の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続するために必要な部分を除いて除去するようにしたので、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングするとき、前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜までエッチングしてしまうことを有効に防止することができる。よって、本発明によれば、前記トレンチ内壁の略全面に低抵抗膜又は金属膜（電極）を形成しながら、前記受光面の前記低抵抗膜又は金属膜（配線）で覆われる部分を最小に抑えて前記受光面積を広く確保することができるので、トレンチダイオードの近赤外線の受光感度およびエネルギー変換効率を大幅に向上させることができる。

また特に、本発明で採用されているトレンチダイオードの電極および配線の形成方法は、シリコン集積回路作製と親和性の高い作製方法であるため信号処理回路と受光部を同一基板上に作製することが容易となる。したがって、本発明によれば、例えば、高速応答性が要求される車載用近赤外線センサーや高感度の暗所監視センサー等を比較的安価に提供することができるようになる。

本発明の実施形態による高効率の受光に適したトレンチダイオードを示す断面図である。 本実施形態に係る方法において高アスペクト比トレンチの内壁と基板表面にＡｌ膜を形成したときの状態を示す基板断面の電子顕微鏡写真である。 本実施形態に係る方法においてエッチング工程前に高粘度のフォトレジストによりトレンチの開口部を被覆した状態を示す基板断面の電子顕微鏡写真である。 本実施形態に係る方法において基板表面にトレンチ内壁のＡｌ膜との配線（Ａｌ膜）をエッチングにより形成した状態を示す基板平面の電子顕微鏡写真である。 本実施形態に係る方法におけるトレンチ内壁および基板表面にＡｌ膜を形成する方法を説明するための模式図で、上側は基板の部分平面図、下側はその断面図である。

本発明者は、シリコン半導体を用いた近赤外線イメージセンサーの高感度化および太陽電池の高変換効率化などのためには、すなわち半導体基板内部で発生してｐｎ接合の空乏層領域に到達した電荷が効率良く電極で収集されるようにするためには、トレンチダイオード内壁付近のできるだけ広範囲に低抵抗膜又は金属膜を作製することが必要と考えて、本発明を案出した。また、本発明者は、トレンチダイオードの電荷収集効率を向上させるためには、近赤外光が基板表面の受光面から半導体基板内部へ侵入することを基板表面の配線層が妨げないようにすること（有効な受光面積を広く確保すること）が必要と考えて、本発明を案出した。

図１は、このような観点から案出した近赤外光の高効率な受光に適したトレンチダイオード、特に開口部が数μｍでアスペクト比５〜１０以上の高アスペクト比トレンチを有するトレンチダイオードの一例を模式的に示す断面図である。図１において、１はｐ型シリコン基板、２は前記基板１のシリコン表面に形成されたシリコン酸化膜、３は前記基板１表面（前記シリコン酸化膜２上）に配置された受光面、４は前記受光面３の一部を開口部とし前記開口部から前記基板１内に前記受光面３に対して略垂直方向に延びるように形成された略穴状又は略溝状のトレンチ、５は前記トレンチ４の内側部分（内壁周辺）に前記トレンチ４の内壁面に沿うように（前記トレンチ４の内壁面と略平行に）形成されたｎ型層（ｎ型領域）、６は前記基板１（ｐ型領域）と前記ｎ型層５とにより形成されるｐｎ接合の境界面付近に生じる空乏層、７は前記ｎ型層５の前記トレンチ４の空洞部側と前記基板１表面（前記シリコン酸化膜２上）とに一体的に形成される金属膜で例えばＡｌ層である。なお図１の受光面の下方には図示していないが受光部が形成されている。

本発明者は、上記の図１に示すような近赤外光の効率的な受光が可能なトレンチダイオードを実現するための技術として、次の３つの技術を案出、開発した。
（１）高アスペクト比トレンチの内壁への低抵抗膜又は金属膜の作製
（２）トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜をエッチングしない、基板表面に対するリソグラフィー技術
（３）近赤外光がシリコン内部へ効率的に侵入できるような受光面を形成するための配線エッチング技術

上記３つの技術中の（１）については、これまでに様々な方法が考案されている。例えば、ＬＰ−ＣＶＤ法による低抵抗ポリシリコン膜、ＭＯＣＶＤ法によるＷ膜、めっき法よるＣｕ膜、およびスパッタ法による各種金属膜（Ａｌ膜、Ｃｕ膜など）である。製造コストおよび成膜時の熱による金属膜の拡散を考えた場合、スパッタ法が有利であることから、本実施形態では、スパッタ法を用いてＡｌの原子又は粒子を付着・堆積し、Ａｌ膜を形成した。このＡｌ膜を形成する工程では、トレンチ内壁の略全面と基板表面の両者について同時に一体的にＡｌ膜を形成した。

図２（ａ）は、本実施形態において、半導体基板に複数のトレンチが所定ピッチで並ぶように形成されており、その各トレンチの内壁および基板表面にＡｌ膜が形成されている状態を示す基板断面の電子顕微鏡写真である。また図２（ｂ）は前記トレンチの内壁に形成されたＡｌ膜を拡大して示す電子顕微鏡写真である。図２に示すように、本実施形態においては、前記基板の内奥で発生した電荷を高効率に収集するための電極として、前記トレンチの内壁の略全面に渡ってＡｌ層が形成されている。

上記３つの技術中の（２）については次のことを行う。パターニングおよび金属膜のエッチングを行うためにフォトレジストを用いるが、一般的に用いられる１Ｐａ・ｓ程度の粘度を有するフォトレジストを用いる場合はフォトレジストがトレンチ内部に流れ落ちてしまうため、基板表面の金属膜のパターニング時にトレンチ内壁の金属膜まで一緒にエッチングしてしまうという不都合が生じてしまう。そこで、本実施形態では、１０Ｐａ・ｓ以上の高い粘度のフォトレジストを用いて基板表面を塗布するようにした。このようにしたときは、フォトレジストの表面張力によりトレンチの開口部が覆われ塞がれるので、基板表面の金属膜のパターニング時にトレンチ内壁の金属膜まで一緒にエッチングしてしまう不都合が回避される。図３はその様子を示す電子顕微鏡写真で、高粘度のフォトレジストによりトレンチの開口部を被覆した結果を示している。

上記３つの技術中の（３）については、垂直エッチングと等方性エッチングとを組み合わせた。すなわち、まず、前記基板表面のＡｌ膜を、前記トレンチ内壁のＡｌ膜と接続する配線部分（前記トレンチ開口部の周囲の前記受光面の全部又は一部を覆う部分を含む）を除いて、垂直エッチングにより除去した。次に、前記垂直エッチングにより除去されなかった前記受光面上のＡＬ膜（前記受光面の全部又は一部を覆うＡｌ膜）の中、前記トレンチ内壁のＡｌ膜と接続するために必要な配線となる部分を除いて、等方性エッチングにより（特に、トレンチ内壁のＡｌ膜をエッチングしないように、横方向のエッチングにより）除去した。このような垂直エッチングと等方性エッチングとの組合せにより、前記トレンチ内壁の略全面にＡｌ膜（電極）を形成しつつ、前記受光面の上を覆うＡｌ膜（配線）の面積を最小に抑え、これにより前記受光面における有効な受光面積を広く確保できるようにした。図４は、以上のようにして、トレンチ内壁のＡｌ膜と接続するための配線用Ａｌ膜（有効な受光面積を大きく確保するために受光面上に占める面積をできるだけ小さく形成した配線用Ａｌ膜）を基板表面に形成した状態を示す電子顕微鏡写真である。

図５は以上に説明した本実施形態におけるトレンチ内壁の電極用Ａｌ膜と基板表面の配線用Ａｌ膜を形成するための方法を示す模式図で、上側は基板の部分平面図、下側はその断面図である。本実施形態においては、まず、図５（ａ）に示すように、トレンチ４の内壁の略全面と基板１表面に対して、例えばスパッタ法によりＡｌの原子又は粒子を付着・堆積させてＡｌ膜を形成する。次に、図５（ｂ）に示すように、１０Ｐａ・ｓ以上の高い粘度のフォトレジスト１１を用いて、前記トレンチ４の開口部及びその周辺を含む基板１表面の一部を塗布し、前記トレンチ４の開口部を覆い塞ぐようにする。

次に、図５（ｃ）に示すように、ＲＩＥによる垂直エッチングにより、前記基板１表面のＡｌ膜７を、前記トレンチ４の内壁のＡｌ膜７と接続する配線部分（前記トレンチ４の開口部の周囲の前記受光面３の全部又は一部を覆う部分を含む）を除いて、除去する。次に、図５（ｄ）に示すように、前記垂直エッチングにより除去されなかった前記受光面３上のＡＬ膜７（前記受光面３の全部又は一部を覆うＡｌ膜７）の中、前記トレンチ４の内壁のＡｌ膜７と接続するために必要な配線となる部分を除いて、リン酸を含む溶液による等方性エッチングにより（特に、トレンチ内壁のＡｌ膜をエッチングしないように、横方向のエッチングにより）除去する（これにより、図５（ｄ）に示すようにフォトレジスト１１の下方のＡｌ膜７も除去される）。最後に、図５（ｅ）に示すように、フォトレジスト１１を除去する（なお、図５（ｅ）などの断面図では、前記基板１表面の配線用Ａｌ膜の図示を省略している）。

以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明は前記実施形態として述べたものに限定されるものではなく、様々な修正及び変更が可能である。例えば、前記実施形態においては、前記トレンチ４の内壁の電極および基板１表面の配線としてＡｌ膜を形成するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えばＣｕ膜、Ａｇ膜などを形成するようにしてもよい。

本発明は、特にシリコン半導体素子で直接検知することができる波長１１００ｎｍ以下の近赤外光により生成される電子および正孔などの電荷を効率的に収集することができるトレンチダイオードを実現するものであるから、高感度近赤外線撮像素子やシリコン太陽電池などに利用可能である。

１ ｐ型シリコン基板
２ シリコン酸化膜
３ 受光面
４ トレンチ
５ ｎ型層
６ 空乏層
７ Ａｌ膜
７ａ Ａｌ配線膜
１１ フォトレジスト

Claims (6)

1. 半導体基板の表面に受光面が形成され、前記受光面の一部を開口部とし前記受光面に対して略垂直方向に前記基板内に延びるトレンチが形成され、前記基板の前記トレンチの内壁側に前記内壁に沿ってｐｎ接合が形成されてなるトレンチダイオードであって、
   前記トレンチの内壁の略全面に、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記ｐｎ接合を介して収集する低抵抗膜又は金属膜が形成されている、ことを特徴とするトレンチダイオード。
2. 請求項１のトレンチダイオードの製造方法であって、
   前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に、前記受光面からの光により前記基板内で発生した電荷を前記ｐｎ接合を介して収集する電極とするための及び配線とするための、厚さが約１００ｎｍ以上の低抵抗膜又は金属膜を形成する工程を含むことを特徴とするトレンチダイオードの製造方法。
3. 請求項２において、
   前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に前記低抵抗膜又は金属膜が形成された後、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングする前に、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約１０Ｐａ・ｓ以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を塞ぐ工程を含むことを特徴とするトレンチダイオードの製造方法。
4. 請求項２において、
   垂直エッチングにより、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続する部分を除き、除去する工程と、
   等方性エッチングにより、前記垂直エッチング工程において除去されなかった前記受光面上の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜との接続のために必要な部分を除き、除去する工程と、を含むことを特徴とするトレンチダイオードの製造方法。
5. 請求項２において、
   前記トレンチ内壁の略全面及び前記基板表面に前記低抵抗膜又は金属膜が形成された後、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜をエッチングする前に、前記トレンチの開口部及びその周辺に、粘度が約１０Ｐａ・ｓ以上のフォトレジストを塗布して前記トレンチの開口部を塞ぐ工程と、
   垂直エッチングにより、前記基板表面の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜と接続する部分を除き、除去する工程と、
   等方性エッチングにより、前記垂直エッチング工程において除去されなかった前記受光面上の低抵抗膜又は金属膜を、その中の前記トレンチ内壁の低抵抗膜又は金属膜との接続のために必要な部分を除き、除去する工程と、を含むことを特徴とするトレンチダイオードの製造方法。
6. 請求項４又は５において、
   前記トレンチは開口部の直径が約１０μｍ以下でアスペクト比が約５以上であり、
   前記垂直エッチングはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によるものであり、
   前記等方性エッチングはリン酸を含む溶液を使用して行うものである、ことを特徴とするトレンチダイオードの製造方法。