JP4530180B2 - 紫外線センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
一般に、紫外線は波長400nm以下の紫外線領域の視認できない光のことをいうが、この紫外線は、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、これらの波長領域によって人体や環境に与える影響が異なり、UV−A波は皮膚を黒化させ、真皮に達して老化の原因になり、UV−B波は皮膚を炎症させ、皮膚ガンを誘発する虞があり、UV−C波は強い殺菌作用があるとされているが、UV−C波はオゾン層で吸収され、地上に達することはない。
このようなUVインデックスは、人体に影響を及ぼす相対影響度として、CIE(Commission Internationale de l’Eclairage:国際照明委員会)により定義されたCIE作用スペクトルを用いて算出することができ、人体への影響度が強いUV−B波の受光特性に作用スペクトルを波長毎に乗じ、これらをUV−B波の波長領域で積分することで、UVインデックスを計算することができる。
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、2つ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。
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。
ダイオード形成領域6a、6bのそれぞれ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(図3、図4参照)が設定されている。
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。
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6a、6bの第1のシリコン半導体層4a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。
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6a、6bの第1のシリコン半導体層4a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。
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6a、6b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第2のシリコン半導体層4b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。
18は層間絶縁膜であり、第1および第2のシリコン半導体層4a、4b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絶縁材料(本実施例では、NSG)からなる4000nm程度の厚さの絶縁膜である。
本実施例の一対のフォトダイオード5a、5b上のパッシベーション膜23は、光の透過性を向上させるために、除去されている。
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、その硬化後の硬さはショアA硬度で30〜70程度である。
上記のフィルタ膜24は、含有する水素(H)の量が多いシリコン窒化膜24aによって形成されており、このシリコン窒化膜24aは、温度350℃以上、450℃以下、および圧力4.0Torr以上、6.0Torr以下の条件下で、モノシラン(SiH4)とアンモニア(NH3)と窒素(N2)とアルゴン(Ar)との流量比を、1.0:7:3:1としたCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成される。
シリコン窒化膜の水素含有量の多寡によりUV−B波の波長領域の紫外線の吸収特性が変化するのは、シリコン窒化膜に含有される水素と窒素の結合エネルギ(N−H結合のエネルギ)がUV−B波の波長領域(約300nm)のエネルギに相当するため、水素含有量が多いと、N−H結合がUV−B波のエネルギにより切断されるときにエネルギが吸収され、UV−B波の波長領域の紫外線が消失するからである。このため、本実施例のフィルタ膜24ではUV−B波が不透過となる。
なお、層間絶縁膜18の膜厚には特に制限はなく、絶縁性を確保することが可能な膜厚であればよい。層間絶縁膜18の消光係数は「0」であり、光吸収特性に影響を与えないからである。
このため、発明者は、紫外線を選択的に検出できる、つまり可視光の波長領域に反応しないシリコン半導体層4の厚さを求めた。
この計算結果に基づいて、50nm以下の範囲で様々に厚さを変化させたシリコン半導体層4に、P+拡散層12、N+拡散層14および薄膜化していない状態のP−拡散層15を形成したフォトダイオードを形成し、これらの光の波長に対する分光感度を実験により計測した。
図9に示すように、厚さを約40nmとしたフォトダイオードにおいては、紫外線の波長領域(波長400nm以下の波長領域)より長い可視光の波長領域(紫色)にサブピーク(図9に示す丸印)が存在することが判る。
このような、サブピークは、更に薄いシリコン半導体層4においても現出し、その現出する波長(サブピーク波長という。)を実験により求めた結果を図10に示す。
Ls=2.457Tsi+312.5 ・・・・・・・・・(1)
で表される実験式で近似され、シリコン半導体層4と埋込み酸化膜3との界面での反射の影響を避けて、波長400nmより長い波長の可視光と反応させないためには、シリコン半導体層4の厚さを36nm以下の厚さにすればよいことが判る。
第2のシリコン半導体層4bの厚さを3nm以上とするのは、これより薄くすると半導体ウェハに第2のシリコン半導体層4bを形成する場合における厚さのバラツキを吸収することが困難になるからである。
また、第1のシリコン半導体層4a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、並びに図示しない周辺回路のMOSFETの動作を確保するために、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。
そして、ダイオード形成領域6a、6bのシリコン半導体層4(第1のシリコン半導体層4a)に、P型不純物イオンを低濃度に注入して、それぞれの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6a、6bのそれぞれの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28(不図示)を形成し、露出している第1のシリコン半導体層4aにN型不純物イオンを高濃度に注入して、それぞれのN型高濃度注入層を形成する。
P1(図3)、準備された半導体ウェハに残留しているNSG層をそのままにして、シリコン半導体層4上の全面に、CVD法によりNSGを堆積し、その上面を平坦化処理して層間絶縁膜18を形成する。
P5(図4)、フォトリソグラフィによりシリコン窒化膜24a上に、ダイオード形成領域6bを覆うレジストマスク28を形成し、これをマスクとして異方性エッチングにより、シリコン窒化膜24aをエッチングして、ダイオード形成領域6bを除く領域の層間絶縁膜18および配線21を露出させる。
P6(図4)、工程P5で形成したレジストマスク28を除去し、CVD法により層間絶縁膜18および配線21、フィルタ膜24上に、窒化シリコンからなる膜厚300nm程度のパッシベーション膜23を形成する。
本実施例のフォトダイオード5a上には、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18および紫外線透過型樹脂からなる封止層26が形成されているので、図11に示すように、透過した可視光は第2のシリコン半導体層4bの厚さによりカットされ、UV−A波およびUV−B波の波長領域の紫外線量のみを検出することができる。
これにより、フォトダイオード5aが検出したUV−A波およびUV−B波の波長領域の紫外線量から、フォトダイオード5bが検出したUV−A波の波長領域の紫外線量に所定の倍率を乗じて減算すれば、UV−B波の波長領域の紫外線量を求めることができ、フォトダイオード5bが検出したUV−A波の波長領域の紫外線量と、演算により求めたUV−B波の波長領域の紫外線量とにより、2つの波長領域の紫外線量を分離して検出することが可能な紫外線センサ1を得ることができる。
また、本実施例のフィルタ膜24は、平坦化された層間絶縁膜18上に形成されるので、フィルタ膜24の膜厚分布を容易に均一化することができる。
上記のように、本実施例の紫外線センサ1のフォトダイオード5a、5b上からは、外部の湿度等から保護する機能を有するパッシベーション膜23が除去されているが、本実施例の紫外線検出パッケージ40は、優れた耐湿性を備えたシリコーン樹脂からなる封止層26で封止されているので、図15に示す、温度121℃、圧力2atmにおける200時間のPressure Cooker Testによる耐湿性の加速試験においても、紫外線検出パッケージ40の出力電圧変動率は2%以内であり、良好な耐湿性を長時間に渡って維持することが可能になる。
なお、上記実施例においては、紫外線センサの一対のフォトダイオードは互いに隣接させて形成するとして説明したが、これらは隣接している必要はなく、フォト1C内に配置されていればよい。
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、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であるとして説明したが、SOI構造の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)基板や、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)基板等のSOI構造の半導体ウェハであってもよい。
3 埋込み酸化膜
4 シリコン半導体層
5a、5b フォトダイオード
6a、6b ダイオード形成領域
7 薄膜化領域
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
18 層間絶縁膜
19 コンタクトホール
20 コンタクトプラグ
21 配線
23 パッシベーション膜
24 フィルタ膜
24a シリコン窒化膜
26 封止層
28 レジストマスク
30 端子穴
31 フォトIC
33 外部端子
35 セラミックス基板
37 ワイヤ
40 紫外線検出パッケージ
Claims (8)
- 絶縁層上の第1の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、前記第1のシリコン半導体層より厚さの薄い第2の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一対のフォトダイオードと、
前記第1および第2のシリコン半導体層上に形成された層間絶縁膜と、
一方の前記フォトダイオード上の前記層間絶縁膜上に形成された、UV−A波以上の波長領域の光を透過させるシリコン窒化膜からなるフィルタ膜と、
他方の前記フォトダイオード上の前記層間絶縁膜、および前記フィルタ膜を覆う、UV−B波以上の波長領域の光を透過させる封止層と、を備えたことを特徴とする紫外線センサ。 - 請求項1において、
前記第2の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紫外線センサ。 - 請求項1または請求項2において、
前記フィルタ膜は、温度350℃以上、450℃以下、および圧力4.0Torr以上、6.0Torr以下の条件下で、モノシランとアンモニアと窒素とアルゴンとの流量比を、1.0:7:3:1としたCVD法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする紫外線センサ。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記封止層は、シリコーン樹脂で形成されていることを特徴とする紫外線センサ。 - 絶縁層上の第1の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、前記第1のシリコン半導体層より厚さの薄い第2の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一対のフォトダイオードを形成したSOI構造の半導体ウェハを準備する工程と、
前記第1および第2のシリコン半導体層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
一方の前記フォトダイオードの上の前記層間絶縁膜上に、UV−A波以上の波長領域の光を透過させるシリコン窒化膜からなるフィルタ膜を形成する工程と、
他方の前記フォトダイオードの上の前記層間絶縁膜、および前記フィルタ膜を覆う、UV−B波以上の波長領域の光を透過させる封止層を形成する工程と、を備えることを特徴とする紫外線センサの製造方法。 - 請求項5において、
前記第2の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紫外線センサの製造方法。 - 請求項5または請求項6において、
前記フィルタ膜は、温度350℃以上、450℃以下、および圧力4.0Torr以上、6.0Torr以下の条件下で、モノシランとアンモニアと窒素とアルゴンとの流量比を、1.0:7:3:1としたCVD法により形成されることを特徴とする紫外線センサの製造方法。 - 請求項5ないし請求項7のいずれか一項において、
前記封止層は、シリコーン樹脂で形成されることを特徴とする紫外線センサ。
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