JP2018163968A - 紫外線受光素子を有する半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

紫外線受光素子を有する半導体装置およびその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2018163968A
JP2018163968A JP2017059971A JP2017059971A JP2018163968A JP 2018163968 A JP2018163968 A JP 2018163968A JP 2017059971 A JP2017059971 A JP 2017059971A JP 2017059971 A JP2017059971 A JP 2017059971A JP 2018163968 A JP2018163968 A JP 2018163968A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light receiving
receiving element
semiconductor
region
oxide film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017059971A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6976067B2 (ja
Inventor
威 小山
Akira Koyama
威 小山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ablic Inc
Original Assignee
Ablic Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ablic Inc filed Critical Ablic Inc
Priority to JP2017059971A priority Critical patent/JP6976067B2/ja
Priority to TW107108517A priority patent/TW201838197A/zh
Priority to US15/928,433 priority patent/US10326029B2/en
Priority to CN201810245513.7A priority patent/CN108630712A/zh
Priority to KR1020180034054A priority patent/KR20180108511A/ko
Publication of JP2018163968A publication Critical patent/JP2018163968A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6976067B2 publication Critical patent/JP6976067B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H01L31/02165—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors using interference filters, e.g. multilayer dielectric filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

【課題】紫外光にのみ感度を持つ受光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】第１および第２の半導体受光素子１ａ，１ｂは、Ｎ型の半導体基板１１に形成された第１のＰ型半導体領域２１と、第１のＰ型半導体領域２１内に形成された第１のＮ型半導体層領域２２と、第１のＰ型半導体領域２１内に形成された高濃度のＰ型半導体領域２３と、Ｎ型層領域２２内に設けられた高濃度のＮ型半導体領域２４と、を備え、半導体基板１１上には絶縁酸化膜３１が設けられている。第１および第２の半導体受光素子１ａ，１ｂには異なる膜厚の絶縁酸化膜３１が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、紫外線受光素子を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
近年、太陽光に含まれる、波長４００ｎｍ以下の紫外線が人体や環境に与える影響について注目されており、紫外線量の指標であるＵＶインデックスを用いた紫外線情報が提供されている。紫外線は、波長によって、ＵＶ−Ａ(波長３１５〜４００ｎｍ)、 ＵＶ−Ｂ(波長２８０〜３１５ｎｍ)、 ＵＶ―Ｃ(波長２００〜２８０ｎｍ)に分類される。ＵＶ−Ａは皮膚を黒化させ、老化の原因となり、ＵＶ−Ｂは皮膚の炎症を引き起こし皮膚癌の原因となるおそれがあり、ＵＶ−Ｃはオゾン層に吸収され地表には届かないものの強い殺菌作用があり、殺菌灯として活用されている。このような背景のもと、近年、各紫外線領域の強度検出用センサの開発に期待が高まっている。
紫外線の波長領域にのみに検出感度を持たせるため、屈折率の異なる薄膜層を複数積層させた多層膜光学フィルタ（例えば、特許文献１参照）や、紫外光を吸収する有機膜フィルタ（例えば、特許文献２参照）の活用などが提案されている。また、紫外光を透過するＳｉＮ層を積層させた受光素子と紫外光を透過しないＳｉＮ層を積層させた受光素子と
の差分特性により、紫外線の波長領域にのみに感度を持つ素子が提案されている。（例えば、特許文献３参照）
特開平５−３４１１２２号公報 特開２０１６−１１１１４２号公報 特開２００８−２５１７０９号公報
しかしながら、多層膜光学フィルタや有機膜フィルタの製造プロセスは、通常の半導体製造プロセスとは異なり、工程数が非常に多くコストが高くなる。さらに、有機膜フィルタの場合は、エネルギーの強い短波長紫外光を長時間照射すると組成変化を生じる可能性がある。また、フォトダイオード上に異種の膜が存在すると膜同士の界面で光の反射・干渉が生じ、出力にリップルが生じることがある。
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、単層ながらも紫外光に対し耐性のある絶縁膜を有するダイオードタイプの紫外線受光素子を有する半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明では以下の手段を用いた。
まず、第１の半導体受光素子と第２の半導体受光素子とを備えた紫外線受光素子を有する半導体装置であって、
前記第１の半導体受光素子は、半導体基板に形成された第１の第１導電型半導体領域と前記第１の第１導電型半導体領域内に形成された第１の第２導電型半導体領域からなるＰＮ接合を有する第１のフォトダイオードを備え、前記第２の半導体受光素子は、前記第１のフォトダイオードと同じ構成を有する第２のフォトダイオードを備え、
前記第１の半導体受光素子は前記第１のフォトダイオード上に膜厚が５０ｎｍ〜９０ｎｍである第１の絶縁酸化膜を有し、前記第２の半導体受光素子は前記第２のフォトダイオード上に前記第１の絶縁酸化膜の膜厚よりも２０〜４０ｎｍ薄い膜厚の第２の絶縁酸化膜を有することを特徴とする紫外線受光素子を有する半導体装置とする。
また、第１の半導体受光素子と第２の半導体受光素子とを備えた紫外線受光素子を有する半導体装置の製造方法であって、
前記第１の半導体受光素子および前記第２の半導体受光素子の形成領域において、
半導体基板に第１の第１導電型半導体領域を形成する工程と、
前記第１の第１導電型半導体領域内に第１の第２導電型半導体領域を設けて、前記第１の第１導電型半導体領域と前記第１の第２導電型半導体領域とのＰＮ接合を有する第１および第２のフォトダイオードをそれぞれ形成する工程と、
前記第１の半導体受光素子の前記第１のフォトダイオード上に膜厚が５０ｎｍ〜９０ｎｍである第１の絶縁酸化膜を形成する工程と、
前記第２の半導体受光素子の前記第２のフォトダイオード上に前記第１の絶縁酸化膜よりも２０〜４０ｎｍ薄い膜厚の第２の絶縁酸化膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁酸化膜および前記第２の絶縁酸化膜上に配線を形成する工程と、を備えることを特徴とする紫外線受光素子を有する半導体装置の製造方法とする。
上記手段を用いることで、単層ながらも紫外光に対し耐性のある絶縁膜を有するダイオードタイプの紫外線受光素子を有する半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の断面図である。 各波長に対するシリコン基板とシリコン酸化膜の屈折率ｎを示す図である。 各波長に対するシリコン基板とシリコン酸化膜の消衰係数ｋを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の透過率を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の平面図、図２は第１の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の断面図である。図２は図１のII−II線に沿った断面図である。
図１において、紫外線受光素子を有する半導体装置１は第１の半導体受光素子１ａと第２の半導体受光素子１ｂとから構成されている。第１の半導体受光素子１ａおよび第２の半導体受光素子１ｂは、共にＮ型の半導体基板１１に形成された第１のＰ型半導体領域２１と、第１のＰ型半導体領域２１内に形成された第１のＮ型半導体層領域２２と、第１のＰ型半導体領域２１内に形成された高濃度のＰ型半導体領域２３と、第１のＮ型半導体層領域２２内に設けられた高濃度のＮ型半導体領域２４と、をそれぞれ備え、半導体基板１１上には例えばシリコン酸化膜より構成される絶縁酸化膜３１が設けられている。
絶縁酸化膜３１中に形成されたカソード電極４１は高濃度のＮ型半導体領域２４を介して第１のＮ型半導体層領域２２に接続され、アノード電極４２は高濃度のＰ型半導体領域２３を介して第１のＰ型半導体領域２１に接続されている。また、アノード電極４２は半導体基板１１と接続されるので、Ｐ型層領域２１は接地端子に接続されることになる。ちなみに、本発明の第１の実施形態においては、第１のＰ型半導体領域２１の接合深さは０．８μｍ、第１のＮ型半導体層領域２２の接合深さは０．３μｍである。
第１の半導体受光素子１ａおよび第２の半導体受光素子１ｂにそれぞれ設けられたフォトダイオード５１は第１のＮ型半導体層領域２２と第１のＰ型半導体領域２１とからなるＰＮ接合形式の構造を有している。アノード電極４２に対しカソード電極４１の電位が高くなるようにバイアスを印加することで、第１のＮ型半導体層領域２２と第１のＰ型半導体領域２１の界面に空乏層が広がり、この空乏層が電荷を取り込むための紫外線感知領域として機能することになる。
ここで、第１の半導体受光素子１ａおよび第２の半導体受光素子１ｂは半導体基板１１内における構造は同じであるが、半導体基板１１上に形成された絶縁酸化膜３１に違いを設けている。すなわち、第１の半導体受光素子１ａでは絶縁酸化膜３１の厚さを９０ｎｍから５０ｎｍとしている。これに対し第２の半導体受光素子１ｂでは絶縁酸化膜３１の厚さを第１の半導体受光素子１ａの絶縁酸化膜３１の厚さより２０〜４０ｎｍ薄くなるように形成している。
半導体受光素子１に光が入射すると、入射光は、その一部が絶縁酸化膜３１により吸収され、残りの一部は絶縁酸化膜３１と半導体基板１１との界面において反射されるため入射光は幾分減衰したのち半導体基板１１に到達することになる。そして入射光の各波長成分は光エネルギーに従い、半導体基板１１内でキャリアを発生させる。発生したキャリアは半導体基板１１内を拡散し、第１のＰ型半導体領域２１と第１のＮ型半導体層領域２２とからなるＰＮ接合の空乏層領域まで達すると、空乏層内の電界により、高濃度のＰ型半導体領域２３あるいは高濃度のＮ型半導体領域２４である端子へと移動し、配線６１から電圧または電流としての出力となる。なお、半導体基板深部にて発生するキャリアはＰＮ接合の空乏層領域には達せずに基板へ流れるため出力には関与しない。
図３にシリコン基板とシリコン酸化膜の屈折率ｎ、図４にシリコン基板とシリコン酸化膜の消衰係数ｋを示す。この両係数から計算した、８０ｎｍの絶縁酸化膜３１を有する第１の半導体受光素子１ａ及び６０ｎｍの絶縁酸化膜３１を有する第２の半導体受光素子１ｂでの光の透過率の波長依存性、およびそれらの差分特性を図５に示す。差分特性は、絶縁酸化膜３１の薄い第２の半導体受光素子１ｂの透過率から絶縁酸化膜３１の厚い第１の半導体受光素子１ａの透過率を引いた値を示すもので、２５０〜４００ｎｍの紫外線波長領域にピークを有する特性を示す。実際の出力は半導体基板１１に到達した光子が、キャリアを発生させる内部量子効率と透過率との積となるが、第１の半導体受光素子１ａと第２の半導体受光素子１ｂは、ＰＮ接合のフォトダイオード構造は同じであるため内部量子効率が等しく、絶縁酸化膜３１の厚さのみが変わっているため、その透過率の差がそのまま出力の差となる。
図５に示すように、８０ｎｍのシリコン酸化膜を絶縁酸化膜３１として有する第１の半導体受光素子１ａは２５０〜４００ｎｍの光を透過しにくく、絶縁酸化膜３１であるシリコン酸化膜が２０ｎｍ薄い第２の半導体受光素子１ｂは、第１の半導体受光素子に比べて、２５０〜４００ｎｍの光を透過しやすいため、その差分をとることで、２５０〜４００ｎｍの紫外線領域の特定光にのみ感度を持つ特性を得ることが出来る。４００ｎｍ以上の可視光の帯域においては、差分はほぼ一様となっている。
また、本構造ではフォトダイオード５１上には絶縁酸化膜３１が単層で形成されるのみであるから光干渉の影響を小さく出来るという効果も有する。そして、絶縁酸化膜３１がシリコン酸化膜という安定した材料であることから紫外線に対し長期の耐性を有する紫外線受光素子を有する半導体装置１とすることができる。
第１の半導体受光素子１ａの絶縁酸化膜３１の厚さが５０ｎｍ〜９０ｎｍで、これと対となる第２の半導体受光素子１ｂの絶縁酸化膜３１の厚さが第１の半導体受光素子１ａの絶縁酸化膜３１の厚さより２０〜４０ｎｍ薄くなるような範囲、より好ましくは第１の半導体受光素子１ａの絶縁酸化膜３１の厚さが６０ｎｍ〜８０ｎｍで、これと対となる第２の半導体受光素子１ｂの絶縁酸化膜３１の厚さが第１の半導体受光素子１ａの絶縁酸化膜３１の厚さより２０〜４０ｎｍ薄くなるような範囲であれば、図５に示した透過率や差分特性と同様の特性が得られる。
第１の半導体受光素子１ａにおいて絶縁酸化膜３１の厚さを５０ｎｍから９０ｎｍとするのは、９０ｎｍより厚いと干渉の影響により、可視光領域における透過率を示す曲線が平坦でなくなるとともに、膜厚への依存性を示すようになり、２０〜４０ｎｍ薄くした絶縁酸化膜３１との差分を取った場合に、前述したような可視光領域における一様な差分特性を得ることができないためである。５０ｎｍ以上とするのは第２の半導体受光素子１ｂの絶縁酸化膜３１との差分を取れるようにするためである。
さらに、第２の半導体受光素子１ｂの絶縁酸化膜３１の厚さを第１の半導体受光素子１ａの絶縁酸化膜３１の厚さより２０〜４０ｎｍ薄くなるような範囲とするのは、ＵＶ波長帯における差分が大きくなるようにするためである。
次に、本発明の第１の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置１を得るための製造方法について説明する。
まず、半導体基板１１内にイオン注入および熱拡散処理にて第１のＰ型半導体領域２１を形成し、次いで、同様の方法にて第１のＰ型半導体領域２１内に第１のＮ型半導体層領域２２を形成して、第１のＰ型半導体領域２１と第１のＮ型半導体層領域２２とのＰＮ接合を有するフォトダイオード５１を形成する。そして、第１の半導体受光素子１ａを形成する領域には相対的に厚い絶縁酸化膜３１を形成し、第２の半導体受光素子１ｂを形成する領域には相対的に薄い絶縁酸化膜３１を形成する。
このような厚さの異なる絶縁酸化膜３１の形成には様々な方法がある。例えば、まず、第１の半導体受光素子１ａおよび第２の半導体受光素子１ｂの半導体基板上に５０ｎｍ〜８０ｎｍ以下の同一厚さの酸化膜を形成し、次いで、第２の半導体受光素子１ｂの表面の絶縁酸化膜を２０ｎｍ〜４０ｎｍエッチングにより減じるという方法によって異なる膜厚の絶縁酸化膜３１を形成することが可能である。エッチング方法としてはウェットエッチングを用いることで表面にエッチング残渣のない良質な絶縁酸化膜３１とすることができ、好ましい。そして、絶縁酸化膜３１の形成後に配線を形成する工程になるが、その際、受光領域に配線６１が重畳しないようにすることが求められる。
図２は配線工程後に第２の半導体受光素子１ｂの絶縁酸化膜の厚さを減じる処理を行ったときの断面図であり、配線６１の端部下の絶縁酸化膜３１には段差が生じている。これに対し配線工程前に第２の半導体受光素子１ｂの絶縁酸化膜の厚さを減じる処理を行った場合は、配線６１下の絶縁酸化膜自身の膜厚を配線６１間の受光領域の絶縁酸化膜３１の厚さと同じにすることができるので、段差が形成されず、段差部から侵入する斜光の影響を抑制することが可能となる。
配線形成後は、第１の半導体受光素子１ａと第２の半導体受光素子１ｂの表面を被覆するシリコン窒化膜等からなる保護膜を形成することになるが、フォトダイオード５１直上以外の領域、すなわち、受光領域外のみに保護膜などを積層すると良い。フォトダイオード５１直上の絶縁酸化膜３１の表面には保護膜は無く、大気と接するように構成されることになる。
図６は本発明の第２の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の断面図である。図５では、２５０〜４００ｎｍの紫外線波長領域にピークを有する特性を示すが、一方で、紫外線波長領域外の他の波長領域における差分は負の特性値を示し、同一の特性とはなっていない。第２の実施形態はこの点を解決するためのものである。
図２に示した第１の実施形態では第１の半導体受光素子１ａと第２の半導体受光素子１ｂの受光領域の大きさを同一としたが、図６により示す第２実施形態では、第１の半導体受光素子１ａの受光領域の配線開口幅６ａと第２の半導体受光素子１ｂの受光領域の配線開口幅６ｂとを異なる大きさとした。これにより、第１の半導体受光素子１ａと第２の半導体受光素子１ｂの受光領域の大きさを異なるものとした。
例えば、図５のように紫外線以外の波長領域における差分が負の特性値である場合には、配線開口幅６ａを配線開口幅６ｂよりも小さくすることで、第１の半導体受光素子１ａの受光領域の大きさは第２の半導体受光素子の受光領域の大きさより小さくなり、紫外線以外の他の波長領域における第１の半導体受光素子１ａと第２の半導体受光素子１ｂとの差分をゼロに近づけることが可能となる。
このように、半導体受光素子の受光領域の大きさを調整することで紫外線波長領域外の他の波長領域での透過率を同等とし、目的とする紫外線領域における差分特性のみを得ることが可能となる。
図７は本発明の第３の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の断面図である。図２と対応する部分には同じ符号が付してある。図２に示した第１の実施形態と異なる点は、第１のＮ型半導体層領域２２上の半導体基板表面に第２のＰ型半導体領域２５を形成し、半導体基板表面付近で発生するキャリアの取り込みを促進している点である。
この構造においては、フォトダイオード５１は第１のＮ型半導体層領域２２と第１のＰ型半導体領域２１とのＰＮ接合と第２のＰ型半導体領域２５と第１のＮ型半導体層領域２２とのＰＮ接合の両方を有する。前者の第１のＮ型半導体層領域２２と第１のＰ型半導体領域２１とのＰＮ接合付近の空乏層には比較的長波長の紫外線起因のキャリアが捕獲されるのに対し、後者のＰ型半導体領域２５と第１のＮ型半導体層領域２２とのＰＮ接合付近の空乏層には比較的短波長の紫外線起因のキャリアが捕獲され、これにより、半導体基板表面近くで吸収された短波長領域の内部量子効率を向上させることが可能となる。なお、第１のＮ型半導体層領域２２上の半導体基板表面に第２のＰ型半導体領域２５を形成する構造は第１の半導体受光素子１ａと第２の半導体受光素子１ｂで同じである。
図８は本発明の第４の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の断面図である。図２に示した第１の実施形態と異なる点は、第１のＰ型半導体領域２１を形成せずにＰ型半導体基板１２を用い、これと第１のＮ型半導体層領域２６の接合によるフォトダイオード構造としている点である。
図９は本発明の第５の実施形態に係る紫外線受光素子を有する半導体装置の断面図である。図２と対応する部分には同じ符号が付してある。図５では、２５０〜４００ｎｍの紫外線波長領域にピークを有する特性を示すが、同時に紫外線波長領域外の他の波長領域における差分は負の特性値を示し、他の波長領域では必ずしも同一の特性ではない。本実施形態はこの問題を解決するためのものである。
図２に示した第１の実施形態と異なる点は、半導体基板１１の深部であり、半導体基板１１の裏面に近い位置に変質層７１を形成した点である。４００ｎｍ以上の可視光領域の光は、半導体基板１１の深くまで達し、半導体基板の深い位置でキャリアを発生させ、このキャリアが拡散して空乏層に捕獲されることで可視光領域における出力を得ることになるが、深部に変質層７１を形成することで可視光領域ではキャリアが発生せず、紫外光領域ではキャリアは発生するという半導体受光素子が得られる。図９では変質層７１が半導体基板１１内に埋め込み形成される構造を図示しているが、この変質層７１が半導体基板１１の裏面に露出する構造でも構わない。
本実施形態では、変質層７１の形成方法にレーザ照射を用いた。半導体ウェハに対して半導体ウェハの裏面から透過性のある波長のレーザ光対物レンズ光学系で半導体ウェハの内部に焦点を結ぶように集光する。集光点を半導体ウェハ内部の所定の深さに合わせることで多光子吸収により変質層７１が形成される。本発明の紫外線受光素子を有する半導体装置１では、第１の半導体受光素子１ａと第２の半導体受光素子１ｂの半導体基板１１内の構造を同一とするため、第１の半導体受光素子１ａと第２の半導体受光素子１ｂの両方の領域に同一の変質層７１を設ける構成としている。
図９に示すように広い範囲に変質層７１を形成する場合は半導体ウェハ全面に対しレーザ光を走査すれば良い。変質層７１を形成する深さが広い範囲に及ぶときには焦点の結ぶ集光点を深さ方向に複数設けて複数回走査すれば深さ方向に厚さのある変質層７１が形成されることになる。本発明の実施形態となる紫外線受光素子を有する半導体装置１では、半導体基板１１の深い位置に発生したキャリアは、変質層７１にトラップされ、再結合後に消滅する。長波長成分の内部量子効率が低くなるため、紫外領域のみの感度を選択的に取り出すことが可能となる。
変質層７１の深さは、所望の波長により任意に設定される。例えば、波長４００ｎｍ以下の感度のみを取り出したいときは、変質層７１の深さは、半導体ウェハの表面から１〜１００ｕｍの深さに形成すると良い。この範囲の深さは可視光領域である４００〜１０００ｎｍの光に対して吸収効率の大きく、キャリアの消滅に有効的である。
レーザ照射に代えてイオン注入法を用いて変質層７１を形成しても良いが、その場合は、あらかじめバックグラインドにより半導体ウェハの厚みを薄くした後に、半導体基板の裏面から高エネルギーでイオン注入をして変質層７１を形成すると良い。この際、イオン注入後のアニール等、変質層７１の結晶性回復につながる処理は不要である。
さらには、レーザ照射に代えてバックグラインド法を用いて変質層７１を形成しても良い。バックグラインドを行うと半導体基板の裏面に破砕層が形成されるが、通常のプロセスではこの破砕層を無くすために目の細かい砥石で研削し、化学処理を施したりするが、半導体基板の裏面を目の粗い砥石で研削し洗浄することで、膜厚の厚い破砕層を残すことができ、これが長波長起因で生じるキャリアの消滅に寄与することになる。
１ 紫外線受光素子を有する半導体装置
１ａ 第１の半導体受光素子
１ｂ 第２の半導体受光素子
１１ Ｎ型半導体基板
１２ Ｐ型半導体基板
２１ 第１のＰ型半導体領域
２２、２６ 第１のＮ型半導体層領域
２３、２７ 高濃度のＰ型半導体領域
２４、２８ 高濃度のＮ型半導体領域
２５ 第２のＰ型半導体領域
３１ 絶縁酸化膜
４１ カソード電極
４２ アノード電極
５１ フォトダイオード
６１ 配線
６ａ 第１の受光領域の配線開口幅
６ｂ 第２の受光領域の配線開口幅
７１ 変質層

Claims (12)

  1. 第１の半導体受光素子と第２の半導体受光素子とを備えた紫外線受光素子を有する半導体装置であって、
    前記第１の半導体受光素子は、半導体基板に形成された第１の第１導電型半導体領域と前記第１の第１導電型半導体領域内に形成された第１の第２導電型半導体領域からなるＰＮ接合を有する第１のフォトダイオードを備え、前記第２の半導体受光素子は、前記第１のフォトダイオードと同じ構成を有する第２のフォトダイオードを備え、
    前記第１の半導体受光素子は前記第１のフォトダイオード上に膜厚が５０ｎｍ〜９０ｎｍである第１の絶縁酸化膜を有し、前記第２の半導体受光素子は前記第２のフォトダイオード上に前記第１の絶縁酸化膜の膜厚よりも２０〜４０ｎｍ薄い膜厚の第２の絶縁酸化膜を有することを特徴とする紫外線受光素子を有する半導体装置。
  2. 前記第１の半導体受光素子の第１の受光領域の大きさが前記第２の半導体受光素子の第２の受光領域の大きさと異なることを特徴とする請求項１記載の紫外線受光素子を有する半導体装置。
  3. 前記第１の受光領域の大きさが前記第２の受光領域の大きさよりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の紫外線受光素子を有する半導体装置。
  4. 前記第１の第２導電型半導体領域と前記半導体基板の表面との間に第２の第１導電型半導体領域を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の紫外線受光素子を有する半導体装置。
  5. 前記第１のフォトダイオードのＰＮ接合および前記第２のフォトダイオードのＰＮ接合よりも前記半導体基板の裏面に近い位置に変質層を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の紫外線受光素子を有する半導体装置。
  6. 前記変質層が前記半導体基板の裏面に露出していることを特徴とする請求項５に記載の紫外線受光素子を有する半導体装置。
  7. 第１の半導体受光素子と第２の半導体受光素子とを備えた紫外線受光素子を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記第１の半導体受光素子および前記第２の半導体受光素子の形成領域において、
    半導体基板に第１の第１導電型半導体領域を形成する工程と、
    前記第１の第１導電型半導体領域内に第１の第２導電型半導体領域を設けて、前記第１の第１導電型半導体領域と前記第１の第２導電型半導体領域とのＰＮ接合を有する第１および第２のフォトダイオードをそれぞれ形成する工程と、
    前記第１の半導体受光素子の前記第１のフォトダイオード上に膜厚が５０ｎｍ〜９０ｎｍである第１の絶縁酸化膜を形成する工程と、
    前記第２の半導体受光素子の前記第２のフォトダイオード上に前記第１の絶縁酸化膜よりも２０〜４０ｎｍ薄い膜厚の第２の絶縁酸化膜を形成する工程と、
    前記第１の絶縁酸化膜および前記第２の絶縁酸化膜上に配線を形成する工程と、を備えることを特徴とする紫外線受光素子を有する半導体装置の製造方法。
  8. 前記配線を形成する工程において、前記第１の半導体受光素子の受光領域の配線開口幅と前記第２の半導体受光素子の受光領域の開口配線幅を異なる寸法で形成することを特徴とする請求項７記載の紫外線受光素子を有する半導体装置の製造方法。
  9. 前記第１の第１導電型半導体領域内に前記第１の第２導電型半導体領域を設けた後に、前記第１の第２導電型半導体領域と前記半導体基板との間に第２の第１導電型半導体領域を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の紫外線受光素子を有する半導体装置の製造方法。
  10. 前記配線を形成する工程の後に、前記第１のフォトダイオードのＰＮ接合および前記第２のフォトダイオードのＰＮ接合よりも前記半導体基板の裏面に近い位置に変質層を設ける工程をさらに備えることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載の紫外線受光素子を有する半導体装置の製造方法。
  11. 前記変質層を設ける工程において、前記半導体基板の裏面から透過性のある波長のレーザ光対物レンズ光学系で前記半導体基板の内部に焦点を結ぶように集光する方法を用いることを特徴とする請求項１０記載の紫外線受光素子を有する半導体装置の製造方法。
  12. 前記変質層を設ける工程において、前記半導体基板の裏面からイオン注入を行い、その後に結晶性回復工程を伴わないことを特徴とする請求項１０記載の紫外線受光素子を有する半導体装置の製造方法。
JP2017059971A 2017-03-24 2017-03-24 紫外線受光素子を有する半導体装置およびその製造方法 Active JP6976067B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017059971A JP6976067B2 (ja) 2017-03-24 2017-03-24 紫外線受光素子を有する半導体装置およびその製造方法
TW107108517A TW201838197A (zh) 2017-03-24 2018-03-14 具有紫外線受光元件的半導體裝置及其製造方法
US15/928,433 US10326029B2 (en) 2017-03-24 2018-03-22 Semiconductor device including an ultraviolet light receiving element and method of manufacturing the same
CN201810245513.7A CN108630712A (zh) 2017-03-24 2018-03-23 具有紫外线光接收元件的半导体装置及其制造方法
KR1020180034054A KR20180108511A (ko) 2017-03-24 2018-03-23 자외선 수광 소자를 갖는 반도체 장치 및 그 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017059971A JP6976067B2 (ja) 2017-03-24 2017-03-24 紫外線受光素子を有する半導体装置およびその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018163968A true JP2018163968A (ja) 2018-10-18
JP6976067B2 JP6976067B2 (ja) 2021-12-01

Family

ID=63582942

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017059971A Active JP6976067B2 (ja) 2017-03-24 2017-03-24 紫外線受光素子を有する半導体装置およびその製造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10326029B2 (ja)
JP (1) JP6976067B2 (ja)
KR (1) KR20180108511A (ja)
CN (1) CN108630712A (ja)
TW (1) TW201838197A (ja)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07162025A (ja) * 1993-12-09 1995-06-23 Hamamatsu Photonics Kk 半導体紫外線センサ
JPH10107312A (ja) * 1996-10-01 1998-04-24 Nikon Corp 半導体受光装置用反射防止膜
JP2003197947A (ja) * 2001-12-27 2003-07-11 Mitsumi Electric Co Ltd フォトダイオード
JP2009158570A (ja) * 2007-12-25 2009-07-16 Seiko Instruments Inc 光検出半導体装置、光検出装置、及び画像表示装置
JP2010040805A (ja) * 2008-08-06 2010-02-18 Oki Semiconductor Co Ltd 照度センサおよびその製造方法
US20100163759A1 (en) * 2008-12-31 2010-07-01 Stmicroelectronics S.R.L. Radiation sensor with photodiodes being integrated on a semiconductor substrate and corresponding integration process
JP2013197243A (ja) * 2012-03-19 2013-09-30 Rohm Co Ltd 光センサ及びその出力回路
WO2013146816A1 (ja) * 2012-03-27 2013-10-03 株式会社島津製作所 分光計測用フォトダイオードアレイ及び分光計測装置
JP2016111142A (ja) * 2014-12-04 2016-06-20 シャープ株式会社 半導体チップ、センサー装置および半導体チップの製造方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3153334B2 (ja) 1992-06-04 2001-04-09 旭光学工業株式会社 紫外線照射装置の多層膜フィルタ
US5945722A (en) * 1997-05-02 1999-08-31 National Semiconductor Corporation Color active pixel sensor cell with oxide color filter
US6133615A (en) * 1998-04-13 2000-10-17 Wisconsin Alumni Research Foundation Photodiode arrays having minimized cross-talk between diodes
CN100449764C (zh) * 2003-11-18 2009-01-07 松下电器产业株式会社 光电探测器
JP2007109801A (ja) * 2005-10-12 2007-04-26 Sumitomo Electric Ind Ltd 固体撮像装置とその製造方法
JP4324685B2 (ja) 2007-03-29 2009-09-02 Ｏｋｉセミコンダクタ株式会社 紫外線受光素子およびその製造方法、並びに紫外線量測定装置
WO2011065362A1 (ja) * 2009-11-27 2011-06-03 シャープ株式会社 半導体装置およびその製造方法
CN101973513A (zh) * 2010-08-31 2011-02-16 电子科技大学 一种氧化硅基半导体纳米薄膜的制备方法
JP6008284B2 (ja) * 2012-09-14 2016-10-19 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体紫外発光素子
JP6375727B2 (ja) 2014-06-30 2018-08-22 日本ゼオン株式会社 ロール製品用コンテナ

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07162025A (ja) * 1993-12-09 1995-06-23 Hamamatsu Photonics Kk 半導体紫外線センサ
JPH10107312A (ja) * 1996-10-01 1998-04-24 Nikon Corp 半導体受光装置用反射防止膜
JP2003197947A (ja) * 2001-12-27 2003-07-11 Mitsumi Electric Co Ltd フォトダイオード
JP2009158570A (ja) * 2007-12-25 2009-07-16 Seiko Instruments Inc 光検出半導体装置、光検出装置、及び画像表示装置
JP2010040805A (ja) * 2008-08-06 2010-02-18 Oki Semiconductor Co Ltd 照度センサおよびその製造方法
US20100163759A1 (en) * 2008-12-31 2010-07-01 Stmicroelectronics S.R.L. Radiation sensor with photodiodes being integrated on a semiconductor substrate and corresponding integration process
JP2013197243A (ja) * 2012-03-19 2013-09-30 Rohm Co Ltd 光センサ及びその出力回路
WO2013146816A1 (ja) * 2012-03-27 2013-10-03 株式会社島津製作所 分光計測用フォトダイオードアレイ及び分光計測装置
JP2016111142A (ja) * 2014-12-04 2016-06-20 シャープ株式会社 半導体チップ、センサー装置および半導体チップの製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108630712A (zh) 2018-10-09
KR20180108511A (ko) 2018-10-04
US10326029B2 (en) 2019-06-18
TW201838197A (zh) 2018-10-16
US20180277690A1 (en) 2018-09-27
JP6976067B2 (ja) 2021-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9972729B2 (en) Photodiode and photodiode array
CN105140315B (zh) 半导体光检测元件
EP2403009B1 (en) Semiconductor photodetection element
EP3467875A1 (en) Photodiode array
JP5805680B2 (ja) フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ
US8610048B2 (en) Photosensitive integrated circuit equipped with a reflective layer and corresponding method of production
US20120061785A1 (en) Semiconductor light detecting element and manufacturing method therefor
US8212327B2 (en) High fill-factor laser-treated semiconductor device on bulk material with single side contact scheme
JP2020507927A (ja) 半導体構造およびその製造
JP2010232509A (ja) 光半導体および光半導体の製造方法
JP6976067B2 (ja) 紫外線受光素子を有する半導体装置およびその製造方法
CN104952893B (zh) 图像传感器
KR101762430B1 (ko) 이면 조사형 실리콘 광전자 증배센서 및 그 제조방법
JP2016111142A (ja) 半導体チップ、センサー装置および半導体チップの製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200117

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20201118

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210105

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210301

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210629

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210708

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20211102

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211109

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6976067

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350