JP4574667B2 - フォトダイオードの製造方法およびそれを用いて形成されたフォトダイオード - 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、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がオゾン層で吸収されるとされている。
上記の紫外線の強度を検出するために、従来のフォトダイオードは、シリコンからなる支持基板上に埋込み酸化膜を挟んで150nm程度の厚さのシリコン半導体層を形成したSOI(Silicon On Insulator)構造の半導体ウェハのN型不純物を低濃度に拡散させたシリコン半導体層に、N型不純物を高濃度に拡散させ「E」字状の櫛型に形成したN+拡散層と、P型不純物を高濃度に拡散させ「π」字状の櫛型に形成したP+拡散層との櫛歯部を、N型不純物を低濃度に拡散させたシリコン半導体層を挟んで、噛合わせて横型に対向配置し、N+拡散層およびP+拡散層に電気的に接続する金属配線に所定の電圧を印加して紫外線の強度を検出している(例えば、特許文献1参照。)。
シリコン中における光吸収率I/Ioは、式(1)に示すベールの法則により表される。
I/Io=exp(−αZ) ・・・・・・・・・・・・・(1)
ここに、αは光吸収係数、Zは光の進入深さ、Iは深さZにおける光強度、Ioは入射光強度を示す。
図9はシリコン半導体層4の厚さを40.04nmとしたときのフォトダイオードの感度を示すグラフである。
これは、上記の計算においては、光がシリコン半導体層をそのまま通過すると仮定して計算したが、実際のフォトダイオードにおいては、シリコン半導体層と埋込み酸化膜との界面で光が反射し、光の通過する経路の長さが長くなって紫外線の波長領域より長い波長の可視光と反応し、これがシリコン半導体層に吸収され、サブピークとなって現出するためと考えられる。
図10に示すように、サブピーク波長はシリコン半導体層の厚さが薄くなるに従って短くなり、シリコン半導体層の厚さをTsi(単位:nm)とし、サブピーク波長をLs(単位:nm)としたときに、
Ls=2.457Tsi+312.5 ・・・・・・・・・(2)
で表される実験式で近似され、シリコン半導体層と埋込み酸化膜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、つまり可視光の波長領域のサブピークにより、検出された紫外線の強度に可視光の波長領域の光電流が加わることによる誤差を回避するためには、シリコン半導体層の厚さを36nm以下の厚さにすることが必要である。
なお、図2は図1のA−A断面線に沿った断面図である。
図1、図2において、1はフォトダイオードであり、シリコン(Si)からなる支持基板2上に、酸化シリコン(SiO2)からなる絶縁層としての埋込み酸化膜3を挟んで薄い単結晶シリコンからなるシリコン半導体層4を形成したSOI構造の半導体ウェハのシリコン半導体層4に形成された第1の感光素子11および第2の感光素子21を備えている。
素子分離層9は、素子分離領域10のシリコン半導体層4に、酸化シリコン等の絶縁材料で埋込み酸化膜3に達して形成されており、第1および第2のダイオード形成領域6a、6b、並びに複数のトランジスタ形成領域8の隣合うそれぞれの間を電気的に絶縁分離する機能を有している。
本実施例の第1の感光素子11は、シリコン半導体層4に設定された第1のダイオード形成領域6aに形成される。
12はP型高濃度拡散層としての第1のP+拡散層であり、第1のダイオード形成領域6aのシリコン半導体層4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9aに接する峰部12aと、峰部12aから一の辺9aに対向する素子分離層9の内側の他の辺9b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第1のN+拡散層であり、第1のダイオード形成領域6aのシリコン半導体層4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9bに接する峰部14aと、峰部14aから対向する一の辺9a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第1のP−拡散層であり、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第1のP+拡散層12と第1のN+拡散層14とにそれぞれ接する、厚さを薄くしたシリコン半導体層4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。
本実施例のnMOS素子31は、シリコン半導体層4に設定されたトランジスタ形成領域8に形成される。
33はゲート電極であり、ソース層35(後述)と同じ型の不純物(本実施例ではN型)を比較的高濃度に拡散させたポリシリコン等からなる電極であって、トランジスタ形成領域8のゲート長方向の中央部にゲート酸化膜32を挟んでトランジスタ形成領域8のシリコン半導体層4に対向して形成され、その側面には窒化シリコン(Si3N4)等の絶縁材料からなるサイドウォール34が形成されている。
なお、pMOS素子は、シリコン半導体層4に設定された他のトランジスタ形成領域8にnMOS素子31の不純物の型を逆にして同様に形成される。
図3ないし図6において、41はマスク部材としてのレジストマスクであり、フォトリソグラフィによりシリコン半導体層4上に塗布されたポジ型またはネガ型のレジストを露光および現像処理して形成されたマスクパターンであって、本実施例のエッチングやイオン注入におけるマスクとして機能する。
厚さが36nmを超えると、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受けて、波長400nmより長い波長の可視光と反応してしまい、厚さを3nmより薄くすると、半導体ウェハにシリコン半導体層4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。
なお、シリコン半導体層4の厚さは、nMOS素子31等の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)に設定されている。
本実施例で用いる半導体ウェハは、SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)法により埋込み酸化膜3上に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上にシリコン層を貼合せて形成されたSOI構造の半導体ウェハの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シリコン半導体層4の厚さを50nmにしたウェハである。
P3(図3)、フォトリソグラフィによりポリシリコン層45上に、トランジスタ形成領域8のゲート長方向の中央部のゲート電極33の形成領域を覆うレジストマスク41(不図示)を形成し、これをマスクとして異方性エッチングによりポリシリコン層45およびシリコン酸化膜44をエッチングしてシリコン半導体層4を露出させ、ゲート酸化膜32を介してシリコン半導体層4に対向するゲート電極33を形成し、前記のレジストマスク41を除去する。
P12(図5)、そして、工程P11で形成した開口部52を有するNSG層51をマスクとして、シリコンを選択的にエッチングするドライエッチングにより、露出しているシリコン半導体層4をエッチングして、第1および第2の薄膜化領域7a、7bのシリコン半導体層4に、シリコン半導体層4の厚さを第1の薄膜化領域7aに設定された所定の厚さ(本実施例では、35nm)に薄膜化するための凹部54を形成し、第1のP−拡散層15の厚さを所定の厚さに薄膜化する。
P15(図5)、そして、工程P14で形成した開口部55を有するNSG層51をマスクとして、上記工程P13と同様にして、露出しているシリコン半導体層4をエッチングして、第2の薄膜化領域7bのシリコン半導体層4に、シリコン半導体層4の厚さを第2の薄膜化領域7bに設定された所定の厚さ(本実施例では、10nm)に薄膜化するための凹部56を形成し、第2のP−拡散層25の厚さを所定の厚さに薄膜化する。
前記のレジストマスク41の除去後に、ゲート電極33上、残留させたNSG層51、素子分離層9等のシリコン半導体層4上の全面に、スパッタ法によりコバルト(Co)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)等のシリサイド化材料(本実施例では、コバルト)からなるシリサイド化材料層を形成し、RTA(Rapid Thermal Anneal)を含むサリサイド処理により、第1および第2のP+拡散層12、22、第1および第2のN+拡散層14、24、並びにnMOS素子31のソース層35およびドレイン層36のシリコン半導体層4、およびゲート電極33のポリシリコンをシリサイド化して、各拡散層にシリサイド層58を形成する。この場合のサリサイド処理は、RTAを施してから未反応のシリサイド化材料層を除去するまでの処理をいう。
このようにして形成された第1および第2の感光素子11、21は、その第1および第2のP−拡散層15、25が各拡散層に所定の不純物を拡散させた後に、開口部52、55を形成したNSG層51をマスクとして、第1および第2の薄膜化領域7a、7bのシリコン半導体層4を、エッチングによりそれぞれ掘り込んで、所定の厚さに薄膜化された第1および第2のP−拡散層15、25を形成するので、第1および第2のP+拡散層12、22や第1および第2のN+拡散層14、24を形成するための高濃度の不純物イオンの注入時に、薄い第1のP−拡散層15や更に薄い第2のP−拡散層25の、各高濃度拡散層に隣接する領域の上面に表面荒れが生じることはなく、各高濃度拡散層より厚さの薄い第1のP−拡散層15や第2のP−拡散層25を有する第1および第2の感光素子11、21の暗電流を低減して、紫外線の強度をより正確に検出することができると共に、第1および第2の感光素子11、21から出力される2種類の出力から演算(演算方法は特願2007−44465に記載された方法と同じ。)により3つの波長領域の紫外線を分離してその強度を検出するができる。
このような製造方法を用いて形成した、感光素子11(第1のP+拡散層12および第1のN+拡散層14の厚さがそれぞれ50nm、第1のP−拡散層15の厚さが35nm)の暗電流の測定結果を図7に示す。
上記した、本実施例のフォトダイオード1は、その第1および第2の感光素子11、21の第1および第2のP−拡散層15、25が、それぞれの膜厚を3nm以上、36nm以下(本実施例では、35nmと10nm)としたシリコン半導体層4に形成されているので、フォトダイオード1で受光した可視光が、シリコン半導体層4と埋込み酸化膜3との界面で反射したとしても、可視光のサブピークが現出することはなく、シリコン半導体層4の厚さにより可視光をカットして、波長400nm以下の紫外線領域の紫外線のそれぞれの強度を正確に検出することができる。
以上説明したように、本実施例では、埋込み酸化膜上のシリコン半導体層に形成された、P型不純物を低濃度に拡散させP−拡散層と、P型の不純物を高濃度に拡散させたP+拡散層と、N型の不純物を高濃度に拡散させたN+拡散層とを有し、P−拡散層を挟んでP+拡散層とN+拡散層とを対向配置した感光素子を備えたフォトダイオードの製造方法において、シリコン半導体層の各拡散層の形成領域に、所定の型の不純物を所定の濃度で注入した後に、熱処理により、各拡散層の形成領域に注入された不純物を活性化して、各拡散層に所定の型の不純物を所定の濃度で拡散させ、そのシリコン半導体層に、透光性を有する絶縁材料からなる絶縁材料層を形成し、当該絶縁材料を選択的に除去するエッチングにより、絶縁材料層のP−拡散層の形成領域に、開口部を形成し、その開口部を有する絶縁材料層をマスクとして、シリコンを選択的に除去するエッチングにより、P−拡散層の形成領域のシリコン半導体層をエッチングして、P−拡散層の形成領域のシリコン半導体層を所定の厚さに薄膜化するようにしたことによって、P+拡散層やN+拡散層を形成するための高濃度の不純物イオンの注入時に、薄いP−拡散層の各高濃度拡散層に隣接する領域の上面に表面荒れが生じることはなく、各高濃度拡散層より厚さの薄いP−拡散層を有する感光素子の暗電流を低減して、シリコン半導体層と埋込み酸化膜との界面での反射の影響を避けながら、紫外線の強度をより正確に検出することができる。
更に、上記各実施例においては、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、上記各実施例においては、シリコン半導体層はSOI構造の半導体ウェハの絶縁層としての埋込み酸化膜上に形成されたシリコン半導体層であるとして説明したが、絶縁層としてのサファイア基板上に形成されたSOS(Silicon On Sapphire)基板のシリコン半導体層であっても、絶縁層としてのクオーツ基板上に形成されたSOQ(Silicon On Quartz)基板のシリコン半導体層等であってもよい。
2 支持基板
3 埋込み酸化膜
4 シリコン半導体層
6a 第1のダイオード形成領域
6b 第2のダイオード形成領域
7a 第1の薄膜化領域
7b 第2の薄膜化領域
8 トランジスタ形成領域
9 素子分離層
9a、9c 一の辺
9b、9d 他の辺
10 素子分離領域
11、第1の感光素子
12 第1のP+拡散層
12a、14a、22a、24a 峰部
12b、14b、22b、24b 櫛歯部
14 第1のN+拡散層
15 第1のP−拡散層
21 第2の感光素子
22 第2のP+拡散層
24 第2のN+拡散層
25 第2のP−拡散層
31 nMOS素子
32 ゲート酸化膜
33 ゲート電極
34 サイドウォール
35 ソース層
36 ドレイン層
37 エクステンション部
38 チャネル領域
41 レジストマスク
43 P型低濃度注入層
44 シリコン酸化膜
45 ポリシリコン層
46 N型中濃度注入層
47 P型中濃度注入層
48 N型高濃度注入層
49 P型高濃度注入層
51 NSG層(絶縁材料層)
52、55 開口部
54、56 凹部
58 シリサイド層
Claims (6)
- 絶縁層上のシリコン半導体層に形成された、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た低濃度拡散層と、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有し、
前記低濃度拡散層を挟んで、前記P型高濃度拡散層と前記N型高濃度拡散層とを対向配置した紫外線感光素子を備えたフォトダイオードの製造方法であって、
前記シリコン半導体層の前記各拡散層の形成領域に、所定の型の不純物を所定の濃度で注入した後に、
前記シリコン半導体層上に、透光性を有する絶縁材料からなる絶縁材料層を形成する工程と、
前記絶縁材料を選択的に除去するエッチングにより、前記絶縁材料層の、前記低濃度拡散層の形成領域に、開口部を形成する工程と、
前記開口部を有する前記絶縁材料層をマスクとして、シリコンを選択的に除去するエッチングにより、前記低濃度拡散層の形成領域のシリコン半導体層をエッチングして、前記低濃度拡散層の形成領域のシリコン半導体層を、紫外線領域の波長にのみ反応する所定の厚さに薄膜化する工程と、を備えることを特徴とするフォトダイオードの製造方法。 - 請求項1において、
前記シリコン半導体層上に、絶縁材料層を形成する工程の前に、
熱処理により、前記各拡散層の形成領域に注入された不純物を活性化して、前記各拡散層に、所定の型の不純物を所定の濃度で拡散させる工程を備えることを特徴とするフォトダイオードの製造方法。 - 請求項1において、
前記低濃度拡散層の形成領域のシリコン半導体層を、所定の厚さに薄膜化する工程の後に、
熱処理により、前記各拡散層の形成領域に注入された不純物を活性化して、前記各拡散層に、所定の型の不純物を所定の濃度で拡散させる工程を備えることを特徴とするフォトダイオードの製造方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記低濃度拡散層の形成領域のシリコン半導体層の所定の厚さは、3nm以上、36nm以下の範囲の厚さであることを特徴とするフォトダイオードの製造方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のフォトダイオードの製造方法を用いて形成された紫外線感光素子を2つ備えたフォトダイオードであって、
その第1の紫外線感光素子の第1の低濃度拡散層の形成領域のシリコン半導体層が前記所定の厚さに形成され、第2の紫外線感光素子の第2の低濃度拡散層の形成領域のシリコン半導体層の厚さが、第1の低濃度拡散層の形成領域のシリコン半導体層の厚さより、薄く形成されていることを特徴とするフォトダイオード。 - 請求項5において、
前記第1および第2の低濃度拡散層の形成領域のシリコン半導体層は、それぞれ3nm以上、36nm以下の範囲の厚さで、異なる厚さを有することを特徴とするフォトダイオード。
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