JP4503060B2 - 紫外線センサ、紫外線センサの設定方法 - Google Patents
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Description
即ち、本発明の目的は、紫外線を感度よく検出する紫外線センサ、及び紫外線センサの設定方法を提供することにある。
請求項2に記載の紫外線センサによると、請求項1に記載の発明の効果に加え、空乏領域と配線との距離を所定の範囲に設定することにより、配線下部から進入する極めて角度の浅い入射光を遮光することができる。
請求項3に記載の紫外線センサによると、請求項1及び請求項2に記載の発明の効果に加え、配線の側壁で反射された入射光同士の乱反射を抑制することができる。
請求項4に記載の紫外線センサによると、請求項1〜3に記載の発明の効果に加え、配線を高くすることができるため、入射角度の高い入射光にのみ入射させることができる。
本発明の紫外線センサは、絶縁層上のSi層に形成された空乏領域を有する紫外線検出ダイオードと、該紫外線検出ダイオード上に形成された層間絶縁膜と、該層間絶縁膜上に形成された配線と、を有し、前記層間絶縁膜側から前記空乏領域に入射した入射光が該空乏領域の反対側の面に到達するまでの距離が最大となるときの前記入射光の前記空乏領域に入射する入射角度をθ(°)と、前記空乏領域の膜厚をTSi(nm)とした場合に、下記式(1)を満たす。
また、入射光の入射角度を制御していたとしても、空乏領域の膜厚が入射角度に起因するように設計されていない場合には、膜厚が厚すぎてSi膜厚の実効値を大きく設計してしまい、可視光にも反応してしまうことがあった。
本発明の紫外線センサは、絶縁層と、Si層と、層間絶縁膜と、配線層と、を有する構成であれば特に限定されない。以下、図1を基に詳述する。
本発明の紫外線センサにおける第1形態の断面図を図1に示す。Si層12、絶縁層14、及びSi層16が順次積層した基板26のSi層16に、空乏領域18を有する紫外線検出ダイオードが設けられている。さらに、基板26上に層間絶縁膜20が積層されており、層間絶縁膜20上には配線24が設けられている。
図1中のtは、入射光の入射角度が前記θ°の場合に入射光が空乏領域18を通過しうる進入路長(Si層の膜厚の実効値/層間絶縁膜20側から空乏領域18に入射した入射光が該空乏領域18の反対側の面に到達するまでの距離)を表す。つまり、入射角度が浅くなれば実効値は増加し、入射角度が深くなれば実効値は減少する。例えば、図1中の左に位置する配線24の右上端部から侵入する入射光の場合、空乏領域の右下端部に入射する場合に前記実効値が最大となる。
また、「前記空乏領域の上面配線側端部と、前記配線の前記空乏領域側の側面から前記Si層方向に鉛直にひいた線と前記Si層表面との交点と、の距離」は、図1で示す距離Dを表す。つまり、例えば、図1中の左の配線24右側面からSi層16に向かって垂線を引き、Si層16の表面との交点13と空乏領域18の上面左端部15との距離を表す。これにより入射光の入射角度を制御することができる。また、図1中の右の配線24と空乏領域18との距離についても同様にして距離Dを設定することができる。
具体的には、例えば、図1中の左に位置する配線24の右上面端部から空乏領域18の右上面端部に入るような、角度の浅い入射光を遮光する態様の場合、以下のように距離Dを算出することができる。距離Dと空乏領域18の幅の合計Xは、層間絶縁膜20の膜厚を1.0μm、配線の高さを0.5μm、及び入射角度を20°とした場合、
X=1.5/tan20≒4.12μm
となる。従って、空乏領域18と配線24との距離Dは、空乏領域の幅を0.2μmとすると、
D=X−(空乏領域の幅)≒3.92μm
となる。距離Dがこの値より小さければ、入射角度が20°より浅い入射光を遮光することができることになる。入射光の入射角度と空乏領域−配線間の距離との関係を表すグラフを図3に示す。図3では、層間絶縁膜を1.0μ、配線の高さを0.5μm、空乏領域の幅を0.2μmとした場合のグラフであるが、例えば、入射角度を20°より大きくするためには、空乏領域−配線間の距離を3.92μm以下にすればよいことがわかる。
また、配線と空乏領域の上視形状は、いずれの方向の入射光に対しても入射角度を制御することができるものであれば特に限定されないが、例えば、図4〜図6に示すような形状が挙げられる。図4のように、折れ線で表されるような形状であってもよく、図5に示すように円弧形状であってもよく、図6に示すように櫛型であってもよい。
また、多層構造の場合、紫外線センサは配線間をビアプラグ67で接続する構造である。
最も好ましい態様としては、図9に示すように、配線76の側壁に反射防止膜72を設けた紫外線センサ70が挙げられる。この構造の場合、配線76に反射される光同士による乱反射を抑制し、尚且つ低角の入射光を確実に遮光することができる点で好ましい。
−基板−
本発明における基板は、図1に示すように、Si基板12、絶縁層14、及びSi層16からなる。基板26は、酸素イオンをSi基板にイオン注入してシリコン酸化膜を形成するSIMOXウエハであってもよく、Si基板を酸化して酸化膜同士を接合して得られるウエハであってもよい。また、絶縁層14は、シリコン窒化膜、クォーツ、サファイヤ、アルミナ、チタニア、ジルコニア等の絶縁材料からなるものであってもよい。
また、Si層16の膜厚は、前記式(1)で定められる膜厚である必要があるが、20nm以上40nm以下であることが好ましい。20nm以下であると紫外線の感度が劣り、40nm以上であると、入射光が絶縁層14に反射した反射光と入射光とが多重散乱して誤作動の原因となる。従って、この範囲にあると感度よく紫外線に反応することができる。
本発明における紫外線検出ダイオードは、空乏領域をN+拡散層及びP+拡散層で挟むような配置であり、空乏層とP+拡散層との間にはP−拡散層を有する。空乏層の幅はこのP−拡散層の不純物濃度に依存する。P−拡散層の濃度としては、通常1×1016/cm3〜1×1018/cm3であり、この範囲における空乏領域の幅は0.05μm以上0.3μm以下であることが好ましい。0.05μm以下であると紫外線の感度が劣り、P−拡散層の不純物濃度の観点から0.3μm以上の幅にすることは難しい。
本発明における層間絶縁膜は、絶縁材料であれば特に限定されないが、例えば、酸化シリコン、リン・シリケート・ガラス(PSG)、ボロン・リン・シリケート・ガラス(B
PSG)、フッ化シリケート・ガラス(FSG)、若しくは同等の低誘電率材料が挙げられる。
また、層間絶縁膜の膜厚は、従来と同様に0.5μm以上1.5μm以下の範囲であることが好ましい。
本発明における配線は、特定の入射角度の入射光を遮光するために設けられている。従って、遮光性を有していれば特に限定されないが、金属、合金、金属合成物、若しくは同等のものが好ましく、例えば、TiN、W、Al、Cu等が挙げられる。
配線の高さは、通常と同様に0.3μm以上1.0μm以下の範囲であることが好ましい。
図7及び図9に示すように、配線の側壁に反射防止膜を設ける場合、反射防止膜としては、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、若しくはそれらの合金が、一層若しくは複数層形成されている。膜厚としては、プロセス設定の容易さの観点から、10nm以上200nm以下の範囲であることが好ましい。
図8及び図9のように、配線が多層構造である場合、各層の配線の高さは前述と同様の範囲であることが好ましい。
本発明の紫外線センサの設定方法は、前述のように、層間絶縁膜側から空乏領域に入射した入射光が該空乏領域の反対側の面に到達するまでの距離が最大となるときの入射光の入射角度θにより空乏領域の膜厚TSiを適宜調整することにより、図1中のtを100nm以下に設定するように紫外センサを設定することができる。このtは、図11に示す減衰長とした場合、減衰長を100nm以下にすることで、400nm以下の入射光を選択的に空乏領域に入射させることができる。従って、紫外線を感度よく検出することが可能な紫外線センサの空乏領域の膜厚を設定することが可能となる。
本発明の紫外線センサの製造方法は、従来の薄膜プロセスと同様の工程で製造することができる。以下に一例を示す。
SOI層の膜厚が30μmのSOI基板を準備し、SOI層に空乏領域を挟むようにN+拡散層にはPを5×1014/cm3以上1×1016/cm3以下注入し、P+拡散層にはBを5×1014/cm3以上1×1016/cm3以下注入し、P−拡散層にはBを1×1012/cm3以上5×1014/cm3以下注入して、紫外線検出用ダイオードを形成する。その後、CVD法により0.5μm以上1.5μmの層間絶縁膜を形成する。次いで、膜厚が0.3μm以上1.0μm以下になるように保護層を従来の方法で形成し、従来のドライエッチングにより開口部を設ける。最後にCVD法により開口部を金属で堆積し、CMP等により表面を研磨して配線を形成する。
なお、図7及び図9に示すように、配線の側壁に反射防止膜を形成するためには、配線をエッチング等により加工後、CVD等の工程により形成する。また、配線を積層構造にするためには、保護層の形成、金属の堆積、及び研磨を繰り返し行って形成してもよい。
図1に示す紫外線センサ10を、以下に記載の数値になるように前述した方法により製造した。
・SOI層の膜厚 30μm
・配線の高さ(材質:アルミニウム) 0.6μm
・層間絶縁膜の膜厚(材質:SiO2) 0.8μm
・空乏領域の幅 0.3μm
・空乏領域と配線との距離(入射角度が20°以下の入射光を遮光する) 3.54μm
実施例1において、配線及び空乏領域の上視形状が図4〜図6となるようにした以外は実施例1と同様の方法で実施例2〜実施例4の紫外線センサを製造した。
実施例1において、図7に示すように、配線形成後、CVD工程等を行うことより配線側壁にシリコン酸化窒化膜等からなる反射防止膜を形成した以外は実施例1と同様にして実施例5の紫外線センサを製造した。
実施例1において、図8に示すように、配線形成と絶縁膜形成を繰り返し行うことにより配線を4段積層した以外は実施例1と同様にして実施例6の紫外線センサを製造した。結果を図10に示す。
実施例1において、図9に示すように、各配線形成後にCVD工程等を行うことにより配線側壁にシリコン酸化窒化膜等からなる反射防止膜を形成した以外は実施例1と同様にして実施例7の紫外線センサを製造した。
12、16 Si層
13 配線右側面からSi層に向かって垂線を引き、その垂線とSi層の表面との交点
14 絶縁層
15 空乏領域の上面左端部
18、28、38、48、58、68、78 空乏領域
20 層間絶縁膜
22 保護層
24、26、36、46、56、66、76 配線
26 基板
52、72 反射防止膜
67、77 ビアプラグ
Claims (5)
- 前記空乏領域と前記配線とは前記絶縁層の平面方向において交互に配置されており、前記空乏領域の上面配線側端部と、前記配線の前記空乏領域側の側面から前記Si層方向に鉛直にひいた線と前記Si層表面との交点と、の距離が0.1μm以上3.92μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の紫外線センサ。
- 前記配線の側壁に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の紫外線センサ。
- 前記配線が複数積層されていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の紫外線センサ。
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