JP4904545B2 - 赤外線固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
E. Simoen et al., "Impact of the substrate on the low-frequency noise of silicon n+p junction diodes", Appl. Phys. Lett. 66 (19), 8 May 1995, pp.2507-2509
(実施の形態1)
本実施の形態における赤外線固体撮像装置100は、非冷却方式(あるいは、熱型とも称される)の赤外線固体撮像装置であり、たとえばSOI(Silicon On Insulator)基板と呼ばれる基板を用いて赤外線固体撮像装置を形成したものである。
図5〜図10は、本発明の実施の形態1における赤外線固体撮像装置の検出器の部分の製造方法を工程順に示す概略断面図である。図5を参照して、基板400として、シリコン基板31と、シリコン酸化膜よりなる埋め込み酸化層(BOX層)32と、シリコン単結晶層よりなるSOI層33とが順に積層された、いわゆるSOI基板が準備される。
赤外線固体撮像装置100の撮像対象となる被写体が発した赤外線が、検出器アレイ130内の検出器200に入射すると、赤外線検出部10の温度が上昇する。このとき、温度変化に応じてpn接合ダイオード3の電気特性が変化する。信号処理回路120で、検出器200ごとに電気特性の変化が読み取られて外部に出力され、被写体の熱画像が得られる。シリコン基板31側と赤外線検出部10は支持部20によって接続されているので、支持部20の熱コンダクタンスが小さいほど赤外線検出部10の温度変化が大きくなり、検出器200の温度感度が高くなる。
pn接合ダイオードの電流電圧特性式は、以下の式(1)で表される。
図12は、本発明の実施の形態2における赤外線固体撮像装置のSOI層と配線層との接続部付近を拡大して示す概略断面図であり、図2のXII−XII線に沿う断面に対応した図である。図12を参照して、本実施の形態においては、pn接合ダイオード3は、n+領域1およびp-領域2よりなっており、p-領域2は低濃度にp型不純物を含み、n+領域1は高濃度にn型不純物を含んでいる。図12中では、p-領域2における電子の拡散長をLn、p-領域2の空乏層2aの幅をLpdl、pn接合界面からp-領域2における配線層11の接続部(コンタクトホール35a)までの最短距離をLpch、と表記している。pn接合界面からn-領域1最短距離をLnch、と表記している。
本実施の形態の製造方法は、図5〜図10に示す実施の形態1の製造方法とほぼ同じ工程を経る。ただし、図7に示す工程において、イオン注入などにより、SOI層33にn+領域1およびp-領域2が形成され、n+領域1およびp-領域2よりなるpn接合ダイオード3が形成される点において、本実施の形態の製造方法は実施の形態1と異なる。また、これ以外の本実施の形態の製造方法の工程は実施の形態1の工程とほぼ同じであるため、その説明を省略する。
pn接合ダイオードの電流電圧特性式は、上記の式(1)で表され、Isは上記の式(2)で表される。
図14は、本発明の実施の形態3における赤外線固体撮像装置のSOI層と配線層との接続部付近を拡大して示す概略断面図であり、図2のIII−III線に沿う断面に対応した図である。図14を参照して、本実施の形態においては、pn接合ダイオード3は、低濃度のn型不純物濃度を有するn型領域1と、高濃度のp型不純物濃度を有するp+領域2とを有している。低濃度のn型領域1の中央部は、pn接合ダイオード3が形成されるSOI層33の下面33aおよび上面33bに位置するn型領域1の部分およびSOI層33の側面33cに位置するn型領域1の部分の少なくともいずれか一方よりも低い不純物濃度を有している。
本実施の形態の製造方法は、図5〜図10に示す実施の形態1の製造方法とほぼ同じ工程を経る。ただし、図7に示す工程において、イオン注入などにより、SOI層33に低濃度のn型領域1および高濃度のp+領域2が形成され、低濃度のn型領域1および高濃度のp+領域2よりなるpn接合ダイオード3が形成される。低濃度のn型領域1は、SOI層33の下面33a近傍と上面33b近傍とにn-領域1bを形成し、かつSOI層33の厚み方向の中央部にn--領域1cを形成することで形成される。なお、これ以外の本実施の形態の製造方法の工程は実施の形態1の工程とほぼ同じであるため、その説明を省略する。
上記のような図17の構成に対して、本実施の形態においては、実施の形態1と同様に、Lnch<Lpの関係式(3)が成立する。この場合、図14に示したように、n型領域1における主な伝導キャリアは、pn接合界面からn型領域1と配線層11との接続部までは正孔のままである。すなわち、正孔の大部分は、pn接合界面からn型領域1を通って配線層11に到達するまで、電子と再結合しない。配線層11の部分で正孔と電子との再結合が起こる。そのため、従来よりも伝導キャリア数の時間的な揺らぎは少なくなり、pn接合ダイオード3の雑音電圧または雑音電流は減少する。
図19は、本発明の実施の形態4における赤外線固体撮像装置のSOI層と配線層との接続部付近を拡大して示す概略断面図であり、図2のXII−XII線に沿う断面に対応した図である。図19を参照して、本実施の形態においては、pn接合ダイオード3は、高濃度のn型不純物濃度を有するn+領域1と、低濃度のp型不純物濃度を有するp型領域2とを有している。低濃度のp型領域2の中央部は、pn接合ダイオード3が形成されるSOI層33の下面33aおよび上面33bに位置するp型領域1の部分およびSOI層33の側面33cに位置するp型領域2の部分の少なくともいずれか一方よりも低い不純物濃度を有している。
本実施の形態の製造方法は、図5〜図10に示す実施の形態1の製造方法とほぼ同じ工程を経る。ただし、図7に示す工程において、イオン注入などにより、SOI層33に低濃度のp型領域2および高濃度のn+領域1が形成され、低濃度のp型領域2および高濃度のn+領域1よりなるpn接合ダイオード3が形成される。低濃度のp型領域2は、SOI層33の下面33a近傍と上面33b近傍とにp-領域2bを形成し、かつSOI層33の厚み方向の中央部にp--領域2cを形成することで形成される。なお、これ以外の本実施の形態の製造方法の工程は実施の形態1の工程とほぼ同じであるため、その説明を省略する。
上記のような図22の構成に対して、本実施の形態においては、実施の形態2と同様に、Lpch<Lnの関係式が成立する。この場合、図19に示したように、p型領域2における主な伝導キャリアは、pn接合界面からp型領域2と配線層11との接続部までは電子のままである。すなわち、電子の大部分は、pn接合界面からp型領域2を通って配線層11に到達するまで、正孔と再結合しない。配線層11の部分で正孔と電子との再結合が起こる。そのため、従来よりも伝導キャリア数の時間的な揺らぎは少なくなり、pn接合ダイオード3の雑音電圧または雑音電流は減少する。
本実施の形態の構成は、実施の形態1の構成をさらに限定した構成を有している。本実施の形態では、Lnch<1.0μmとなるように構成されている。
Claims (6)
- 基板と、入射赤外線によって発生した熱による温度変化を電気信号に変換する赤外線検出部と、前記赤外線検出部を前記基板から離間して支持するための支持部とを備えた赤外線固体撮像装置であって、
前記赤外線検出部に含まれる第1導電型の第1領域と、
前記赤外線検出部に含まれ、かつ前記第1領域とともにpn接合ダイオードを構成する第2導電型の第2領域と、
前記第2領域に接続され、かつ前記支持部に沿って延在する配線層とを備え、
前記第1領域および前記第2領域のpn接合界面と前記配線層および前記第2領域の接合部との最短距離が、前記第2領域における伝導キャリアの拡散長よりも短い、赤外線固体撮像装置。 - 前記第1領域はp型であり、前記第2領域はn型であり、前記伝導キャリアは正孔である、請求項1に記載の赤外線固体撮像装置。
- 前記第1領域はn型であり、前記第2領域はp型であり、前記伝導キャリアは電子である、請求項1に記載の赤外線固体撮像装置。
- 前記最短距離は0.01μmより長く1.0μmより短い、請求項1〜3のいずれかに記載の赤外線固体撮像装置。
- 前記第2領域の中央部は、前記pn接合ダイオードの上面および下面に位置する前記第2領域の部分および前記pn接合ダイオードの側面に位置する前記第2領域の部分の少なくともいずれか一方よりも低い不純物濃度を有する、請求項1〜4のいずれかに記載の赤外線固体撮像装置。
- 基板と、入射赤外線によって発生した熱による温度変化を電気信号に変換する赤外線検出部と、前記赤外線検出部を前記基板から離間して支持するための支持部とを備えた赤外線固体撮像装置の製造方法であって、
前記基板の主表面上に絶縁層を介して半導体層を形成する工程と、
前記半導体層に不純物を注入することで、第1導電型の第1領域と第2導電型の第2領域とを有するpn接合ダイオードを前記赤外線検出部に形成する工程と、
前記第2領域に接続され、かつ前記支持部に沿って延在するように配線層を形成する工程と、
前記基板の表面が露出するまで前記半導体層と前記絶縁層とを選択的に除去することにより、平面視において前記赤外線検出部および前記支持部の周囲に孔を形成する工程と、
前記赤外線検出部と前記基板との間および前記支持部と前記基板との間に隙間を形成するために前記基板の前記主表面を除去する工程とを備え、
前記第1領域および前記第2領域のpn接合界面と前記配線層および前記第2領域の接合部との最短距離が、前記第2領域における伝導キャリアの拡散長よりも短くなるように前記配線層は形成される、赤外線固体撮像装置の製造方法。
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