JP3900552B2 - 光センサの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光センサの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光電変換部としてフォトダイオードを用いた光センサにおいて、フォトダイオードの受光部を保護するため、この受光部の上に絶縁膜として酸化膜を形成している。このとき、光センサの感度を良くするために光透過率が最大となる膜厚を基準にし、この膜厚を予定して酸化膜を作成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、受光部上に形成される酸化膜においては、製造上バラツキが生じる。特に、集積化回路においては種々の製造工程があるため、その工程途中で酸化膜の膜厚は変化し、バラツキが大きくなる。このようなバラツキによって受光特性が大きく変動してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みて、光電変換部の受光部の上に形成する絶縁膜の膜厚にバラツキがあっても、受光特性の変動を良好にすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
図１に光透過率−酸化膜厚特性を調べた結果を示す。ここで、光透過率とは、入射する光量に対する受光部への透過光量の比である。なお、この図は受光部に擬似太陽光を入射したときにおいて、受光部表面への入射光量と受光部表面からシリコン基板１へ透過する透過光量をシミュレーションにより求めたものである。
【０００６】
この光透過率は空気、酸化膜、受光部による光の屈折率に依存する。そして、光の屈折率は物質の材質や物質の厚さに依存する。このとき、酸化膜の膜厚が非常に薄く、光の波長に近い場合、光の屈折率が物質の厚さに依存し、また、この光の周期に合わせて変化する。このため図１のように周期的にピークを持った特性となる。
【０００７】
図に示すように光透過率が最大になるのは第１ピークのときであり、値は約０．８３（最大ピーク値）で膜厚が約１１００Åのときである。しかしながら、光透過率が最大となる第１ピークの膜厚近傍では光透過率の変化割合が極めて大きい。従って、酸化膜の膜厚が変動すると受光特性が大きく変動してしまう。
しかし、酸化膜増加方向において光透過率が最大となる第１ピークの次の第２ピーク（膜厚が２７００Å）、さらに第３のピーク（膜厚が４２５０Å）においては、第１ピークのときに比し特性の傾斜が緩やかになっており、膜厚の変化に対する光透過率の変化の割合が小さいことを示している。このため、光透過率が最大となる第１ピークを外したピークでは膜厚変動に対して受光特性の変動を小さくすることができる。
【０００８】
よって、上記目的を達成するため、本願発明においては以下の技術的手段を採用する。請求項１に記載の発明によると、半導体基板（１）に形成した光電変換部（３）の受光部の上に絶縁膜（１７ｂ、１８）を形成する光センサの製造方法において、光透過率が最大となる第１ピークよりも他のピークにおいて膜厚の変化に対する光透過率の変化の割合が小さいことを示す光透過率−受光部上絶縁膜厚特性に基づき、特性の光透過率が最大となる第１ピークを外した他のピークとなる膜厚を目標として絶縁膜（１７ｂ、１８）を形成することを特徴としている。
【０００９】
これにより、受光部上に形成する絶縁膜（１７ｂ、１８）の膜厚にバラツキがあっても、光透過率のバラツキがを小さくすることができるので、受光特性を向上させることができる。請求項２に記載の発明によると、特性の他のピークを第１ピークの次のピークとなる第２ピークとしていることを特徴としている。
【００１０】
他のピークとなる膜厚の内、第２ピークとなる膜厚が最も薄い。ところで、酸化膜を形成すると、膜厚にバラツキを生じる。このバラツキは膜厚が厚いほど大きい。従って、このように、第１ピークを外した他のピークの中で第２ピークとなる膜厚を目標として絶縁膜を作成することにより、受光特性を良くすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
図２は光センサの平面図を示し、図３は図２のＡ−Ａ断面図を示す。シリコン基板（半導体基板）１はＰ⁺ 型シリコン基板１ａとその上に形成されたＮ^- 型エピタキシャル層１ｂからなり、Ｐ⁺ 型シリコン基板１ａとＮ^- 型エピタキシャル層１ｂの境界部にＮ⁺ 型埋め込み層１ｃ〜１ｅが形成されている。
【００１２】
シリコン基板１の中央部にはＰ⁺ 型領域２により分離されたフォトダイオード部（光電変換部）３が形成されている。このフォトダイオード部３において、Ｎ^- 型エピタキシャル層１ｂの表層部には受光部となるＰ⁺ 型領域４が形成され、Ｐ⁺ 型領域４内での周辺部にはＰ⁺ 型領域５が形成されている。また、フォトダイオード部３において、Ｎ⁺ 型エピタキシャル層１ｂでのＰ⁺ 型領域４の周囲には、Ｎ⁺ 型領域６が環状に形成されていて、Ｎ⁺ 型埋め込み層１ｃとつながっている。
【００１３】
シリコン基板１におけるフォトダイオード部３の周囲には、信号処理回路部（回路部）７が形成されている。信号処理回路部７には多数の半導体デバイスが形成され、これらのデバイスにより信号増幅回路及びＡ／Ｄ変換回路が構成されている。図３においてはＰＮＰバイポーラトランジスタ８とＮＰＮバイポーラトランジスタ９を示す。Ｎ^- 型エピタキシャル層１ｂの表層部においてＰ⁺ 型領域１１、１２及びＮ⁺ 型領域１３が形成されている。
【００１４】
また、Ｎ^- 型エピタキシャル層１ｂの表層部においてＰ⁺ 型領域１４が形成されていると共に、Ｐ⁺ 型領域内１４及びＮ^- 型エピタキシャル層１ｂにはＮ⁺ 型領域１５、１６が形成されている。
シリコン基板１の上面にはシリコン酸化膜１７ａが形成されている。ただし、フォトダイオード部３においてはシリコン酸化膜１７ａが開口しており、この開口部３８にシリコン酸化膜１７ｂが形成されている。シリコン酸化膜１７ｂは熱酸化膜が用いられ、膜厚を１０５０Å程度にしている。そして、シリコン酸化膜１７ａ、１７ｂの上には、さらにリン酸化膜（ＰＳＧ膜）１８が形成されている。
【００１５】
また、フォトダイオード部３においてはシリコン酸化膜１７ａ及びリン酸化膜１８に開口部１９、２０が形成され、この開口部１９、２０を通してアルミ配線２１、２２が延設されている。アルミ配線２１はＮ⁺ 型領域６と電気的に接続され、アルミ配線２２はＰ⁺ 型領域５と電気的に接続されている。
さらに、信号処理回路部７においてシリコン酸化膜１７ａに開口部２３〜２８が形成され、この開口部２３〜２８を通してアルミ配線２９〜３４が延設されている。アルミ配線２９はＮ⁺ 型領域１３と、アルミ配線３０はＰ⁺ 型領域１１と、アルミ配線３１はＰ⁺ 型領域１２と、アルミ配線３２はＮ⁺ 型領域１５と、アルミ配線３３はＮ⁺ 型領域１６と、アルミ配線３４はＰ⁺ 型領域１４とそれぞれ電気的に接続されている。アルミ配線２９〜３４はアルミ薄膜を所望の形状にパターニングすることにより形成したものである。
【００１６】
アルミ配線２１、２２、２９〜３４の上には層間絶縁膜３５が形成されている。この層間絶縁膜３５はＴＥＯＳ酸化膜、ＳＯＧ膜、ＴＥＯＳ酸化膜からなる。フォトダイオード部３においては層間絶縁膜３５が開口している。また、信号処理回路部７における層間絶縁膜３５の上には遮光膜としてのアルミ薄膜３６が形成されている。
【００１７】
そして、外部からフォトダイオード部３の受光部に向けて光が入射したときには、その光は薄いシリコン酸化膜１７ｂ及びリン酸化膜１８を通過してＰ⁺ 型領域４に至る。Ｎ⁺ 型エピタキシャル層１ｂとＰ⁺ 型領域４とのＰＮ接合近傍に光が入ると、電子−正孔対が発生する。発生した少数キャリア、即ち、Ｐ⁺ 型領域４で発生した電子及びＮ⁺ 型エピタキシャル層１ｂで発生した正孔が両領域で互いに逆向きに移動する。このとき、Ｎ⁺ 型エピタキシャル層１ｂからＰ⁺ 型領域４へ向かう電流が流れる。この光電流は入射光量に比例している。この光電流はアルミ配線２１、２２を通して信号処理回路部７に送られる。この信号処理回路部７において光電流が増幅されると共にデジタル変換される。この信号は、図１におけるパッド４２を介して外部に出力される。
【００１８】
次に、光センサの製造工程を説明する。
図４に示すようにエピタキシャル成長させたシリコン基板１に対し、通常のＩＣ製造に用いられる拡散法等によってトランジスタ、拡散抵抗等の素子を形成する。つまり、Ｐ⁺ 型シリコン基板１ａの上にＮ^- 型エピタキシャル層１ｂを成長させる。このとき、Ｎ⁺ 型埋め込み層１ｃ、１ｄ、１ｅ及び埋め込み側のＰ⁺ 型領域２を同時に形成する。
【００１９】
そして、Ｎ^- 型エピタキシャル層１ｂの上面からのイオン注入と熱処理により、Ｐ⁺ 型領域５、Ｎ⁺ 型領域６、Ｐ⁺ 型領域１１、１２、Ｎ⁺ 型領域１３、Ｐ⁺ 型領域１４、Ｎ⁺ 型領域１５、１６及び素子分離のためのＰ⁺ 型領域２を形成する。その後、シリコン基板１の上面に熱酸化によるシリコン酸化膜１７ａを形成する。
【００２０】
そして、図５に示すようにシリコン酸化膜１７ａに対し、受光部となる領域をフォトエッチングによって選択的に除去して開口部３８を形成する。そして、シリコン基板１の上面の開口部３８に厚さ１０５０Åの熱酸化によるシリコン酸化膜（熱酸化膜）１７ｂを形成し、その後イオンインプランテーション及び拡散処理によりＰ⁺ 型領域４を形成する。これにより、シリコン基板１にフォトダイオード部３と信号処理回路７とが形成されると共に、フォトダイオード部３の受光部の上にシリコン酸化膜１７ｂが形成される。
【００２１】
この後、図６に示すようにシリコン酸化膜１７ａを全体的にこれらを保護するためのリン酸化膜１８を形成する。具体的には、このリン酸化膜１８はＣＶＤ法により堆積させる。そして、このリン酸化膜１８は１６５０Åの膜厚に設定している。従って、このときに受光部上に形成されている全酸化膜の膜厚は、シリコン酸化膜１７ｂの膜厚１０５０Åと、リン酸化膜１８の膜厚１６５０Åで合わせて２７００Åとなる。
【００２２】
さらに、このリン酸化膜１８を形成した状態で熱処理を施す。この熱処理により酸化膜の膜厚は若干増加する。具体的には５０Å程度増加する。
この熱処理の後、キャパシタ酸化を行う。このキャパシタ酸化工程はシリコン基板１の所定のキャパシタ領域（図示しない）にキャパシタを形成する工程である。このキャパシタ酸化工程を行うときに受光部上に形成した酸化膜の膜厚が増加する。具体的には、キャパシタを形成するために、シリコン酸化膜１７ａにキャパシタ開口部を形成する。このキャパシタ開口部を形成したことによりシリコン基板１のシリコンが剥き出しになる。この剥き出しになったシリコンを熱酸化してシリコン酸化膜を形成する。この熱酸化はシリコン基板１のキャパシタ領域のみに施すということができないため、受光部上に形成した酸化膜の膜厚も増加する。このときの受光部上に形成した酸化膜の増加は５００Å程度である。
【００２３】
なお、このときの酸化膜の膜厚は前述の熱処理のときの５０Åとキャパシタ酸化のときの５００Åを合わせて、３２５０Å程度である。
この後、図示しないがシリコン基板１上に回路調整用の薄膜を形成する。具体的には、この薄膜はクロムシリコンで抵抗として形成される。また、この薄膜はフォトエッチングしてパターニング形成されるが、このときのエッチングにより受光部上に形成された酸化膜の膜厚が減少する。そして、この薄膜は受光部と異なるところに形成されるが、シリコン基板１の上面部を全体的にエッチングするため受光部上の酸化膜にまで及び、これにより酸化膜が減少する。このときの膜厚の減少は４００Å程度である。
【００２４】
そして、図７、８に示すようにシリコン酸化膜１７ａ及びリン酸化膜の所定領域にエッチングによりコンタクトホールを空け、全面にアルミ薄膜３９を堆積する。その後、図９に示すようにアルミ薄膜３９をフォトエッチング（例えばリン酸系あるいは硝酸系のエッチング液を用いたウェットエッチング）によりパターニングして、アルミ配線を形成する。また、このフォトエッチングのときに受光部の上のアルミ薄膜４０は除去せずに保護膜として残しておく。
【００２５】
この後、図１０に示すようにシリコン基板上の表面全面に層間絶縁膜３５を堆積する。具体的には、ＴＥＯＳ酸化膜、ＳＯＧ塗布およびエッチバック、そして再度ＴＥＯＳ酸化膜を形成している。図１１に示すようにアルミ配線上の一部の層間絶縁膜３５をフォトエッチングにより除去し開口部４１を形成する。なお、このとき層間絶縁膜３５はＨＦ系のエッチング液を用いたウェットエッチングで除去する。
【００２６】
そして、図１２に示すようにさらに受光部の上を含む層間絶縁膜３５の上に遮光膜となるアルミ薄膜３６を堆積し、図１３に示すように回路部上（層間絶縁膜３５の上）におけるアルミ薄膜３６を残したままフォトダイオード部３の受光部上におけるアルミ薄膜３６のみをウェットエッチングによりエッチング除去する。
【００２７】
次に受光部上の層間絶縁膜３５を除去する。そして、全面にパッシベーション膜としての１６００ｎｍのシリコン窒化膜３７をプラズマＣＶＤ法によって堆積した後、受光部上のシリコン窒化膜を除去する。さらに、連続して、リン酸系のエッチング液を用いて受光部上に残ったアルミ薄膜４０をエッチング除去する。これにより、図３に示す構成となる。
【００２８】
そして、最後にシリコンノジュールエッチングを行う。これは、先程エッチングしたアルミ薄膜４０のうち除去せずに残った部分及びアルミ薄膜３６には１％程度のシリコンが混じっているので、このシリコンを除去するためである。このとき、受光部上のアルミ薄膜４０は除去されているので受光部上の酸化膜が露出した状態になっているため、このシリコンノジュールエッチングによって酸化膜の膜厚が減少する。具体的には、このときの酸化膜の減少は１００Å程度である。従って、このときの酸化膜の膜厚は２７００Å前後、例えば、２７５０Åになる。
【００２９】
このように、各工程を踏まえて酸化膜の膜厚は増減するため、請求項にいう受光部上に形成する絶縁膜とはシリコン酸化膜１７ｂ、リン酸化膜１８、熱処理により増加した酸化膜、キャパシタ酸化により増加した酸化膜、薄膜エッチングにより減少した酸化膜及びシリコンノジュールエッチングにより減少した酸化膜の数層に及ぶ酸化膜を示している。そして、この酸化膜は目安値だけで言えば最終的に２７００Å程度になる。しかし、前述の各工程における酸化膜の増減は目安でしかなく、実際にはこの目安値にはならない。
【００３０】
具体的に言えば、まず受光部上の酸化膜１７ａの膜厚、リン酸化膜１８の膜厚又はキャパシタ酸化のときに増加する膜厚は１割程度を最大のギャップとして目安値からズレる。従ってこの時点で、酸化膜の膜厚は３２００±３２０Åとなる。次にリン酸化膜１８成膜後の熱処理工程においても５０Åが目安値となっているが若干のズレは生じる。
【００３１】
さらに、薄膜エッチングのときには、膜厚の減少が４００Åが目安値であるが、エッチングの程度でかなりズレるため、結果的に３００〜６００Å程度でズレを生じる。そして、最後のシリコンノジュールエッチングのときには目安値は膜厚の減少は１００Åであるがこれも２倍程度のズレが生じ、２００Å程度の減少になる場合がある。
【００３２】
これにより、全ての工程を済ませた後の酸化膜の膜厚は計算上は２１３０〜３１７０Åになり、実際は僅かにズレるものの２７００Åの±２割程度のズレで納まる。なお、このとき実際に試作したものでは２７５７±１４４Åであった。
ところで、図１との関係から特性の傾斜が１１００Åのときに比べ２７００Åのときの方が緩やかなので、膜厚の変化に対する光透過率の変化の割合が小さい。そして、膜厚が２７００ű２割程度の範囲のとき図１に示すように光透過率の変化は小さい。従って、受光特性の変動が小さい。
【００３３】
従って、このように受光部の上に形成する酸化膜の基準膜厚を、光透過率−酸化膜厚特性の第２ピークの膜厚にする、つまり、光透過率の差が小さくなるような膜厚に設定することで、様々な工程を経たときに膜厚にバラツキが生じても受光特性のバラツキを少なくすることができ、受光特性の向上を図ることができる。
【００３４】
また、仮に基準膜厚を１１００Åにした場合には受光部上の酸化膜１７ａの膜厚、リン酸化膜１８の膜厚を変化させるとしてもやはりズレは生じる。また、キャパシタ酸化、薄膜エッチング、シリコンノジュールエッチングによる酸化膜の増減は本例と同様とすると、かなりのズレが生じることになる。従って、１１００Åの膜厚を基準にした場合に、前述した２７００Åを基準にして作成した光センサの受光特性と同程度の受光特性を安定して得ることはかなり困難である。
【００３５】
また、上述した実施形態では第２ピークのときの膜厚を基準に酸化膜を形成した場合を挙げたが、第３、第４若しくはそれ以降のピークを基準にしても、膜厚の変化は広範囲に及ぶが受光特性の向上は同様に図れる。
しかし、基準とする膜厚を第３やそれ以降のピークの膜厚に設定した場合にも受光特性は第１ピークのときに比べて良くなるが、膜厚が増加する分その酸化膜を形成する際における膜厚のズレも大きくなるため、受光特性としては第２ピークのときを基準の膜厚に設定するのが一番良い。
【００３６】
なお、上述した実施形態おいてはリン酸化膜を成膜し、熱処理（拡散処理）をした後に行うキャパシタ酸化工程、薄膜エッチング工程、アルミ配線形成工程及びシリコンノジュールエッチング工程は、シリコン基板上にどの様な素子を作るかによって、必要な工程を選択をして行う。従って、これらキャパシタ酸化工程等における酸化膜の膜厚の増減は選択された工程によって変化するが、この酸化膜の増減を上述の実施形態のような目安値を設定して、この目安値を計算して最終的に膜厚が２７００Åになるように基準をとれば受光特性のバラツキを少なくでき、受光特性の向上が図れる。
【００３７】
図２、図３では集積化回路上に何も形成していない状態を示しているが、エポキシ樹脂等の透明モールド材やゲル等がのる場合もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】光センサの光透過率と酸化膜厚の特性を表す相関図である。
【図２】光センサの平面図である。
【図３】図２における光センサのＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す工程図であって、シリコン酸化膜１７ａ形成工程における断面図である。
【図５】図４に続く工程であって、シリコン酸化膜１７ａに開口部を形成する工程における断面図である。
【図６】図５に続く工程であって、リン酸化膜１８形成工程における断面図である。
【図７】図６に続く工程であって、コンタクトホール形成工程における断面図である。
【図８】図７に続く工程であって、アルミ薄膜３９形成工程における断面図である。
【図９】図８に続く工程であって、アルミ配線パターニング工程における断面図である。
【図１０】図９に続く工程であって、絶縁膜３５形成工程における断面図である。
【図１１】図１０に続く工程であって、開口部４１形成工程における断面図である。
【図１２】図１１に続く工程であって、アルミ薄膜３６形成工程における断面図である。
【図１３】図１２に続く工程であって、受光部上のアルミ薄膜３６を除去する工程における断面図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板、３…フォトダイオード部、１７ｂ…シリコン酸化膜、
１８…リン酸化膜。

Claims (2)

1. 半導体基板（１）に、入射する光の量に応じた出力を発生する光電変換部（３）を形成し、前記光電変換部（３）の受光部の上に絶縁膜（１７ｂ、１８）を形成する光センサの製造方法であって、
   前記受光部に擬似太陽光を入射したときの入射する光量に対する前記受光部への透過光量の比である光透過率と前記絶縁膜（１７ｂ、１８）の膜厚との関係を示し、前記光透過率が最大となる第１ピークよりも他のピークにおいて膜厚の変化に対する光透過率の変化の割合が小さいことを示す光透過率−絶縁膜厚特性において、前記光透過率が最大となる前記第１ピークを外した前記他のピークとなる膜厚を目標として前記絶縁膜（１７ｂ、１８）を形成することを特徴とする光センサの製造方法。
2. 前記他のピークを、前記膜厚増加方向において前記第１ピークの次にピークとなる第２ピークとしていることを特徴とする請求項１に記載の光センサの製造方法。

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