JP6570750B2 - 赤外線検出素子および赤外線検出素子の製造方法 - Google Patents

赤外線検出素子および赤外線検出素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、PN接合ダイオードを感温素子として備えた熱型の赤外線検出素子、および、赤外線検出素子の製造方法に関する。
熱型(または非冷却型)の赤外線検出素子は、赤外線を吸収して熱に変換し、この熱により生じる温度変化を電気信号として出力する。熱型の赤外線検出素子は、冷凍機が不要であることから小型化が可能であり、赤外線撮像装置に搭載することにより、近年民生への応用を睨んだ低価格化が進んでいる。
このような背景から、汎用のLSI(大規模集積回路)との間で製造工程を共有化できるシリコンPN接合ダイオードを感温素子として備え、その接合電流の温度変化率を検出する赤外線検出素子の研究開発が活発に行われている。
シリコンPN接合ダイオードの接合電流の温度変化率は、同じく感温素子として用いられる、例えばバナジウムオキサイドの抵抗の温度変化率と比較すると非常に小さい。したがって、シリコンPN接合ダイオードを感温素子として備えた赤外線検出素子では、感度が低いことが問題となる。そこで、例えば特許文献1には、複数個のシリコンPN接合ダイオードを直列接続することにより、赤外線検出素子の感度を向上させることが記載されている。
特開2009−265094号公報
PN接合ダイオードを備えた熱型の赤外線検出素子では、PN接合ダイオードの雑音を低減させ、これによりS/N比(信号/雑音比)を向上させることが求められる。また、一般に、赤外線検出素子では、微細化が求められている。特許文献1の赤外線検出素子の構造は、微細化に伴う雑音の増大を抑制するために、更なる改善の余地がある。
本発明の目的は、PN接合ダイオードを備えた赤外線検出素子において、従来技術よりも雑音を低減させることを課題とする。
上述の課題を解決するために、本発明では、
基板と、前記基板から分離して設けられた半導体層とを備え、
前記半導体層には、直列接続された第1および第2のPN接合ダイオードを含むダイオード部が設けられ、
前記ダイオード部は、
前記半導体層に設けられ、互いに隣接するウェル状のN型第1領域およびP型第1領域と、
前記N型第1領域に設けられ、該N型第1領域と合わせて前記第1のPN接合ダイオードを構成するP型第2領域と、
前記P型第1領域に設けられ、該P型第1領域と合わせて前記第2のPN接合ダイオードを構成するN型第2領域とを有し、
前記N型第1領域および前記P型第1領域には、それぞれ、導電性材料を介して前記第1のPN接合ダイオードと前記第2のPN接合ダイオードとを電気的に接続するN型第3領域およびP型第3領域が設けられ、
前記N型第1領域は、前記P型第1領域と前記P型第2領域との間に設けられ、前記導電性材料に電気的に接続されたP型第4領域を有し、
前記P型第1領域は、前記N型第1領域と前記N型第2領域との間に設けられ、前記導電性材料に電気的に接続されたN型第4領域を有する、
赤外線検出素子が提供される。
本発明によれば、N型第1領域とP型第2領域とにより構成される第1のPN接合ダイオードと、P型第1領域とN型第2領域とにより構成される第2のPN接合ダイオードとが直列接続された赤外線検出素子において、P型第1領域とP型第2領域との間にP型第4領域が設けられ、N型第1領域とN型第2領域との間にN型第4領域が設けられていることにより、P型第2領域からN型第1領域を経由したP型第1領域へのホールの流入、N型第2領域からP型第1領域を経由したN型第1領域への電子の流入を抑制でき、これにより雑音を低減することが可能となる。
本発明のある実施の形態に係る赤外線検出素子を備えた赤外線撮像装置を示す斜視図である。 本発明のある実施の形態に係る赤外線検出素子を示す平面図である。 図2をA−A線で切って矢印の方向に見た断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子の温度検知部に設けられたダイオード部を示す断面図である。 比較例による赤外線検出素子の温度検知部に設けられたダイオード部を示す断面図である。 比較例による赤外線検出素子の動作を説明するための図である。 比較例による赤外線検出素子の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子の動作を説明するための図である。 赤外線検出素子の全体構造を製造する方法を示す断面図である。 赤外線検出素子の全体構造を製造する方法を示す断面図である。 赤外線検出素子の全体構造を製造する方法を示す断面図である。 赤外線検出素子の全体構造を製造する方法を示す断面図である。 赤外線検出素子の全体構造を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子において、半導体層にダイオード部を製造する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態4に係る赤外線検出素子のダイオード部を示す断面図である。 本発明の実施の形態4に係る赤外線検出素子の作用効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態4の変形例に係る赤外線検出素子の温度検知部に設けられたダイオード部を示す断面図である。 本発明の実施の形態5に係る赤外線検出素子を示す平面図である。
(赤外線撮像装置1000)
図1は、本発明のある実施の形態に係る赤外線検出素子を備えた赤外線撮像装置1000を示す斜視図である。
赤外線撮像装置1000は、基板1の上に2次元アレイ状(またはマトリックス状)に配置された複数の赤外線検出素子100を備えている。なお、図1から図3では、赤外線検出素子に符号100を付しているが、これにより、後述する赤外線検出素子500を赤外線撮像装置1000に搭載できないと理解すべきではない。基板1は、単結晶シリコン基板の上に、埋め込みシリコン酸化膜層(以下、BOX(Buried Oxide)層という)、単結晶シリコン層((シリコンオンインシュレータ層、以下SOI(Silicon On Insulator)層という)が順次積層されたSOI基板であってもよい。
赤外線撮像装置1000では、各赤外線検出素子100に沿って、複数の選択線2と信号線3が設けられている。選択線2は、駆動走査回路4に接続され、信号線3は、信号走査回路5に接続されている。駆動走査回路4と信号走査回路5は、複数の赤外線検出素子100の周囲に設けられている。信号走査回路5は、出力アンプ6に接続されている。
図2は、本発明のある実施の形態に係る赤外線検出素子100を示す平面図であり、図3は、図2をA−A線で切って矢印の方向に見たときの断面図である。図2は、図3に示す層間絶縁膜17、層間絶縁膜18および薄膜配線22を除いた状態での平面図を示している。
赤外線検出素子100は、例えばマイクロマシニング技術で形成された断熱構造体を有する。図3に示すように、赤外線検出素子100には、画素領域と回路領域が画定されている。
画素領域では、基板1に形成された空洞部13の上に、支持脚14により温度検知部8が支持されている。このように、温度検知部8は、熱容量の大きな基板から分離され、これにより熱に対する感度が向上する。
温度検知部8には、絶縁膜10に覆われた半導体層50が設けられている。半導体層50には、後述するダイオード部60が設けられている。半導体層50は、例えばシリコン層である。基板1がSOI基板であれば、半導体層50はSOI層である。半導体層50の上には、薄膜配線22と保護膜19が設けられている。半導体層50にそれぞれ接続された薄膜配線22は、支持脚14を通って、配線11に接続されている。保護膜19の上には、入射する赤外線を吸収して熱に変換するための赤外線吸収部9が設けられている。赤外線吸収部9は、傘構造を有する。
支持脚14は、絶縁膜10、層間絶縁膜17、層間絶縁膜18、保護膜19および薄膜配線22を含む積層構造を有する。絶縁膜10、層間絶縁膜17、層間絶縁膜18および保護膜19の材料は、例えばSiO(酸化シリコン)、SiN(窒化シリコン)であってもよい。薄膜配線22の材料は、例えばAl(アルミニウム)、多結晶シリコンであってもよい。
一方、回路領域には、配線11と、配線11に接続された回路部15とが設けられている。配線11の材料は、Al、Ti(チタン)、TiN(窒化チタン)、W(タングステン)またはWSi(タングステンシリサイド)であってもよい。回路部15は、上述の駆動走査回路4と信号走査回路5を有する。
(赤外線検出素子)
以下、本発明の実施の形態に係る赤外線検出素子について、図面を参照して具体的に説明する。
実施の形態1.
図4は、本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子100の温度検知部8に設けられた半導体層50を示す断面図である。温度検知部8は、半導体層50に設けられたダイオード部60を有する。ダイオード部60は、直列接続された第1のPN接合ダイオード110と第2のPN接合ダイオード120とを含む。
第1のPN接合ダイオード110は、半導体層50に設けられたN型ウェル111と領域112とにより構成される。領域112は、直列接続された第1、第2のPN接合ダイオード110,120のアノード側不純物領域を構成するので、以下ではアノード領域112と称する。第2のPN接合ダイオード120は、半導体層50に設けられたP型ウェル121と領域122とにより構成される。領域122は、直列接続された第1、第2のPN接合ダイオード110,120のカソード側不純物領域を構成するので、以下ではカソード領域122と称する。アノード領域112とカソード領域122は、図示しない定電流源に接続されている。本実施形態1では、アノード領域112とカソード領域122は、半導体層50の表面に設けられている。
以下、便宜的に、半導体層50においてアノード領域112とカソード領域122が設けられている側の主面を表面、表面と反対側の主面を裏面と称する。半導体層50がSOI層であれば、半導体層50の裏面は、SOI層とBOX層との界面となる。
また、本明細書で、不純物領域が半導体層50の表面に設けられているというときは、半導体層50の表面からある深さの範囲内の領域に不純物が存在していることを指す。
N型ウェル111とP型ウェル121とは、界面130により仕切られて、互いに隣接して設けられている。アノード領域112は、P型ウェル121から隔てて設けられている。同様に、カソード領域122は、N型ウェル111から隔てて設けられている。
N型ウェル111には、N型コンタクト領域113とP型追加領域114とが設けられている。P型ウェル121には、P型コンタクト領域123とN型追加領域124が設けられている。本実施形態1では、N型コンタクト領域113、P型追加領域114、P型コンタクト領域123およびN型追加領域124は、半導体層50の表面に設けられている。また、本実施形態1では、P型追加領域114は、アノード領域112とN型コンタクト領域113との間に(例えばアノード領域112とN型コンタクト領域113とに隣接して)設けられ、N型追加領域124は、カソード領域122とP型コンタクト領域123との間に(例えばカソード領域122とP型コンタクト領域123とに隣接して)設けられている。
P型追加領域114は、好ましくは、半導体層50の厚さ方向でN型コンタクト領域113よりも深い範囲にまで設けられている。N型追加領域124は、好ましくは、半導体層50の厚さ方向でP型コンタクト領域123よりも深い範囲にまで設けられている。また、P型追加領域114とN型追加領域124は、図15、図18に示すように、半導体層50の厚さ方向に対して斜めに傾斜していてもよい。
第1のPN接合ダイオード110と第2のPN接合ダイオード120とは、N型ウェル111とP型ウェル121とに跨がって設けられた金属膜150によって、互いに電気的に接続されている。
金属膜150の材料は、アルミニウムであってもよい。金属膜150は導電性材料の一例であって、金属膜150の代わりに例えば不純物濃度の高い半導体膜が設けられてもよい。
図4に示すように、金属膜150は、N型コンタクト領域113、P型追加領域114、P型コンタクト領域123およびN型追加領域124に亘って設けられており、これらの領域により、第1のPN接合ダイオード110と第2のPN接合ダイオード120との接続領域140が構成される。
半導体層50の表面であって金属膜150が設けられる領域には、図1に示す凹状のコンタクトホール51が形成されていてもよい。コンタクトホール51を凹状に形成且つその形状に沿って金属膜150を設けることにより、金属膜150と第1、第2のPN接合ダイオード110,120との接触面積を大きくして、コンタクト抵抗を小さくすることができる。
(本実施形態1による赤外線検出素子100の動作)
被写体が発した赤外線は、赤外線検出素子100に入射すると、赤外線吸収部9に吸収されて熱に変換される。この熱は、赤外線吸収部9に連結されている温度検知部8に伝導される。これにより、断熱構造体上の温度検知部8の温度が上昇する。このとき、温度変化に応じて第1、第2のPN接合ダイオード110,120の電気特性が変化する。上述のとおり、ダイオード部60のアノード領域112とカソード領域122は、図示しない定電流源に接続されており、温度検知部8はこの定電流源の電圧を出力する。
なお、第1、第2のPN接合ダイオード110,120で発生する雑音が小さいほど、赤外線検出素子100の温度感度が高くなる。
アレイ状に配置された各赤外線検出素子100から出力される定電流源の電圧信号は、駆動走査回路4と信号走査回路5とのスキャン動作により読み出され、出力アンプ6から出力される。このようにして、赤外画像信号が得られる。
次に、ダイオード部60の動作について、比較例との対比をしつつ説明する。まず、比較例による赤外線検出素子100の構成と動作について説明する。
(比較例)
図5に示すように、比較例による赤外線検出素子は、ダイオード部60にP型追加領域114とN型追加領域124が設けられていない点で、本実施形態1に係る赤外線検出素子100と異なる。なお、比較例による赤外線検出素子において、本実施形態1に係る赤外線検出素子100と共通する構成については、説明および図面において同じ符号を付している。
第1のPN接合ダイオード110を流れる電流の大部分を担うのは、定電流源からアノード領域112を経由し、N型ウェル111に拡散するホールである。ホールの多くは、図6に示す経路191を通るときにN型ウェル111内で電子と再結合する。ホールとの再結合で失われたN型ウェル111内の電子は、例えばN型コンタクト領域113から供給される。主としてこのような過程を経て、第1のPN接合ダイオード110を電流が流れる。
しかし、第1のPN接合ダイオード110では、上述の過程に依らない電流成分も流れる。このような電流成分により生じることが想定される問題について説明する。
まず、図6に示すように、アノード領域112から放出されたホールの一部は、N型ウェル111で再結合せず、N型ウェル111とP型ウェル121との界面130に到来し(経路192)、界面130を超えてP型ウェル121に流入することがある。この現象は、赤外線検出素子の微細化に伴って顕著に生じる。P型ウェル121における多数キャリアはホールである。したがって、界面130を通過したホールの大部分は、電子と再結合することなく、P型ウェル121の内部を自由に移動する。
P型ウェル121の内部を移動するホールは、最終的には、ホールに対するポテンシャルの低いP型コンタクト領域123に吸収されるか(第1の吸収過程)、カソード領域122とP型ウェル121との界面(PN接合面)に形成された空乏層において、カソード領域122からP型ウェル121側に向かって注入された電子との再結合によって吸収される(第2の吸収過程)。P型ウェル121の内部を移動するホール(特に、前記第2吸収過程を経るホール)は、吸収される前に、半導体層50の裏面付近を通過することがある。
ここで、N型ウェル111において、図6に示す経路191が深さ方向で半導体層50の厚さ中央付近に位置するように、半導体層50の表面付近と裏面付近のN型不純物濃度を、半導体層50の厚さ中央付近に比べて高くし、同様に、P型ウェル121において、半導体層50の表面付近および裏面付近のP型不純物濃度を、半導体層50の厚さ中央付近に比べて高くすることが可能である(例えば、特開2006−194784号公報に記載された技術を用いることができる)。
このように、P型ウェル121において、半導体層50の表面付近と裏面付近のP型不純物濃度が、厚さ中央付近に比べて高くなっている場合、P型ウェル121の内部を移動するホールの大部分が、半導体層50の裏面付近を通過する。
また、第1のPN接合ダイオード110を流れる電流の一部は、図7に示すように、N型コンタクト領域113から放出され、N型ウェル111を通過して(経路195)、アノード領域112に拡散する電子によって生じる。この電子は、最短経路となる半導体層50の表面付近を通過する傾向がある。特に、上述のように、N型ウェル111において、半導体層50の表面付近および裏面付近のN型不純物濃度が、厚さ中央付近に比べて高くなっている場合、N型ウェル111の内部を移動するホールの大部分が、半導体層50の表面付近を通過する。
ここで、半導体層50の表面、裏面には、熱ストレスを含む物理的ストレスにより生じる欠陥、イオン注入により生じる欠陥などが存在する。また、半導体層50がSOI層であれば、半導体層50の裏面(すなわちSOI層とBOX層との界面)に多くの欠陥(格子のゆがみ、転位など)が存在する。図面では、半導体層50の裏面、表面に存在する欠陥にそれぞれ符号171,172を付している。欠陥171,172が存在する領域をホールが移動すると、欠陥によるホールの捕獲と再放出がランダムに生じる。このように、比較例による赤外線検出素子に設けられる第1、第2のPN接合ダイオード110,120では、流れる電流がランダムに変動し、これにより雑音が増大する問題が想定される。この問題は、赤外線検出素子の微細化に伴い、アノード領域112、N型ウェル111およびN型コンタクト領域113に生じる電界の強度が大きくなると、顕著になる。
このように、比較例による赤外線検出素子では、アノード領域112から放出され、N型ウェル111で再結合せずに界面130を通過して、P型ウェル121に流入したキャリア(ホール)、および、N型コンタクト領域113から逆方向に放出されて、アノード領域112に拡散するキャリア(電子)に起因した雑音が大きくなる傾向がある。
なお、第1のPN接合ダイオード110について説明したが、第2のPN接合ダイオード120についても、対応する過程を経て、すなわち、カソード領域122から放出され、P型ウェル121で再結合せずに界面130を通過して、N型ウェル111に流入したキャリア(電子)、および、P型コンタクト領域123から逆方向に放出されて、カソード領域122に拡散するキャリア(ホール)に起因した雑音が生じる。
(本実施形態1におけるダイオード部60の動作)
次に、図8を用いて、本実施形態1におけるダイオード部60の動作について説明する。まず、第1のPN接合ダイオード110では、定電流源からアノード領域112を経由し、N型ウェル111に拡散するホールの大部分は、比較例と同様に、図8に示す経路181を通るときにN型ウェル111内で電子と再結合する。ここで、P型追加領域114とN型ウェル111との界面(PN接合面)には、空乏層の両端の電位差(ビルトインポテンシャル)により電界が生じている。アノード領域112から放出されて、N型ウェル111で再結合しなかったホールは、この電界によりP型追加領域114に引き込まれる(経路182)。したがって、N型ウェル111からP型ウェル121へのホールの流入が抑制され、欠陥171に起因した雑音を低減できる。
この効果は、半導体層50の厚さ方向でN型コンタクト領域113よりも深い範囲にまでP型追加領域114を設けることにより、高めることができる。
また、N型コンタクト領域113から見ると、表面付近には、逆の伝導型を有するP型追加領域114が存在している。P型追加領域114は、電子に対するポテンシャルバリアとなる。これにより、N型コンタクト領域113から放出され、半導体層50の表面付近を通過してアノード領域112に拡散する電子(図7に示す経路195)が減少し、これにより、半導体層50の表面付近に存在する欠陥172に起因した雑音の発生を抑制できる。
ここで、特開2012−124481号公報には、フォトダイオードにおいて、隣接するフォトダイオードセルへキャリアが拡散することにより生じるクロストークノイズを低減させるために、ウェルの電位を固定する領域とフォトダイオードセルとの間にウェルとは逆の導電型を有する不純物領域を設け、これらを接地基準電位に接続し、キャリアを電源に排出させる技術が開示されている。しかし、本実施形態1の赤外線検出素子100においてこの技術を採用すると、共通コンタクトとなる部分の電位が固定されてしまうので、PN接合ダイオードを直列に接続して感度を向上させることができなくなる。
なお、第1のPN接合ダイオード110について説明したが、第2のPN接合ダイオード120についても、対応する過程を経て、すなわち、カソード領域122から放出され、P型ウェル121で再結合しなかった電子は、P型ウェル121側とN型追加領域124側の間に存在する電界によってN型追加領域124に引き込まれる。したがって、P型ウェル121からN型ウェル111への電子の流入が抑制され、欠陥171に起因した雑音を低減できる。
この効果は、半導体層50の厚さ方向でP型コンタクト領域123よりも深い範囲にまでN型追加領域124を設けることにより、高めることができる。
また、P型コンタクト領域123から見ると、表面付近には、逆の伝導型を有するN型追加領域124が存在している。N型追加領域124は、ホールに対するポテンシャルバリアとなる。これにより、P型コンタクト領域123から放出され、半導体層50の表面付近を通過してカソード領域122に拡散するホールが減少し、これにより、半導体層50の表面付近に存在する欠陥172に起因した雑音の発生を抑制できる。
以上のようにして、本実施形態1による赤外線検出素子100では、第1、第2のPN接合ダイオード110,120を直列に接続することにより感度が向上し、さらに、ダイオード部60の構成によって、赤外線検出素子100の微細化に伴って増大する雑音を低減できる。
なお、半導体層50に設けられたN型ウェル111、アノード領域112、N型コンタクト領域113、P型追加領域114は、それぞれ、本発明の(ウェル状の)N型第1領域、P型第2領域、N型第3領域、P型第4領域の一例である。また、半導体層50に設けられたP型ウェル121、カソード領域122、P型コンタクト領域123、N型追加領域124は、それぞれ、本発明の(ウェル状の)P型第1領域、N型第2領域、P型第3領域、N型第4領域の一例である。
(赤外線検出素子100の製造方法)
図9から図29を参照して、本発明の実施の形態1に係る赤外線検出素子100を製造する例示的な方法について説明する。最初に、図9から図13を参照して、赤外線検出素子100の全体構造を製造する方法について説明する。
まず、図9に示すように、基板1を準備し、基板1内に回路部15を形成した後、例えばCVD(化学気相成長)法により、基板1の上に絶縁膜10を形成する。このとき、公知のフォトリソグラフィにより、絶縁膜10内に半導体層50を配置する。後述する方法により、半導体層50にはダイオード部60が形成されている。その後、絶縁膜10の上であって回路部15の上方の位置に、配線16を形成する。
次に、図10に示すように、絶縁膜10の上に、配線16を覆うように、層間絶縁膜17を全面に形成する。その後、層間絶縁膜17の上にフォトレジスト20を設け、温度検知部8を形成する領域の上部のみを開口する。
次に、図11に示すように、温度検知部8を形成する領域の上に位置する層間絶縁膜17と絶縁膜10の一部とを、例えばフッ化水素酸溶液を用いてエッチング除去する。フッ化水素酸溶液を用いた場合、絶縁膜10と層間絶縁膜17においてフォトレジスト20の開口領域に位置する部分のみが選択的にエッチングされ、絶縁膜10が薄膜化される。なお、層間絶縁膜17と絶縁膜10の一部とは、ドライエッチングにより除去してもよい。
次に、図12に示すように、フォトレジスト20を除去する。次に、層間絶縁膜17の上に薄膜配線22を形成する。その後、層間絶縁膜17の上に、薄膜配線22を覆うように、所望の膜厚の層間絶縁膜18を堆積させる。
次に、図13に示すように、層間絶縁膜18の上に、配線11を形成する。その後、層間絶縁膜18の上に、配線11を覆うように、保護膜19を形成する。
次に、ドライエッチングによりエッチングホール21と赤外線吸収部9を形成する。その後、二フッ化キセノン(XeF)などを用いたドライエッチングにより、空洞部13を形成する。これにより、温度検知部8は、支持脚14により支持された中空構造となる。以上の工程を経て、図3に示す赤外線検出素子100が製造される。
次に、図14から図29を参照して、半導体層50にダイオード部60を製造する方法について説明する。
まず、図14に示すように、半導体層50にフォトレジスト251をパターニングし、イオン201を注入して、N型ウェル111を形成する。図15に示すように、半導体層50の一部52(図14を参照)にフォトレジスト252をパターニングし、イオン202を注入し、N型ウェル111に隣接するように、P型ウェル121を形成する。N型ウェル111とP型ウェル121との間には、界面130が形成される。
図16に示すように、半導体層50にフォトレジスト253をパターニングし、イオン203を注入して、N型ウェル111にアノード領域112を形成する。図17に示すように、半導体層50にフォトレジスト254をパターニングし、イオン204を注入して、P型ウェル121にカソード領域122を形成する。
図18に示すように、半導体層50にフォトレジスト255をパターニングし、イオン205を注入して、N型コンタクト領域113を形成する。
図19に示すように、半導体層50にフォトレジスト256をパターニングし、イオン206を注入して、N型コンタクト領域113に隣接するようにP型追加領域114を形成する。なお、図20に示すように、前の工程でパターニングしたフォトレジスト255をそのまま用い、イオン206をフォトレジスト255の開口方向に対して斜めに注入することにより、P型追加領域114を形成してもよい。
図21に示すように、半導体層50にフォトレジスト257をパターニングし、イオン207を注入して、P型コンタクト領域123を形成する。
図22に示すように、半導体層50にフォトレジスト258をパターニングし、イオン208を注入して、P型コンタクト領域123に隣接するようにN型追加領域124を形成する。なお、図23に示すように、前の工程でパターニングしたフォトレジスト257をそのまま用い、イオン208をフォトレジスト257の開口方向に対して斜めに注入することにより、N型追加領域124を形成してもよい。
図24に示すように、半導体層50の表面全体に、例えばCVDにより絶縁膜211を設ける。図25に示すように、フォトレジスト261を塗布し、レジストパターニングとエッチングを行って、開口部(コンタクトホール)212を形成する。図26に示すように、フォトレジスト261を除去する。
図27に示すように、配線用金属213を成膜する。図28に示すように、フォトレジスト262を塗布し、パターニングを行って、配線用金属213をエッチングし、金属膜150とその他の配線131,132、コンタクト214を形成する。図29に示すように、フォトレジスト262を除去する。図29に示す構造は、図4に示す構造に対応する。ただし、図29は、コンタクト214がN型コンタクト領域113、P型追加領域114、P型コンタクト領域123およびN型追加領域124のそれぞれに設けられている点で図4に示す構造と異なる。
上述の方法は、半導体層50に第1、第2のPN接合ダイオード110,120を製造するための例示的な方法にすぎず、同じ構造が得られるのであれば、別の方法を用いてもよい。
例えば、N型ウェル111、P型ウェル121、アノード領域112、カソード領域122、N型コンタクト領域113、P型追加領域114、P型コンタクト領域123およびN型追加領域124を設ける順序は、説明した順序である必要はなく、適宜入れ替えてもよい。また、これらの領域111〜114,121〜124は、イオン注入でなく、不純物の熱拡散などにより形成してもよい。
また、これらの領域111〜114,121〜124の一部または全部を、絶縁膜211を形成する前に形成する必要はなく、絶縁膜211をマスクとして利用する、いわゆる自己整合コンタクト(SAC:Self Aligned Contact)技術を用いることにより形成してもよい。
また、上述の説明では、領域113,114、123,124にそれぞれ別個にコンタクト214を形成した(図25を参照)が、変形例として、これらの領域に共通の開口部を形成し、その上に配線用金属213を成膜して、これらの領域に共通のコンタクト(図4を参照)を形成してもよい。
また、上述の説明では、配線用金属213を直接に成膜し、その後レジスト262でパターニングすることによりコンタクトホール212を設けたが、変形例として、コンタクトホール212を開口した後に内部をタングステン膜で埋め込み、その後、化学機械研磨(CMP:Chemical MechaNical Polishing)、エッチバック法で平坦化してから配線用金属213を成膜する、いわゆるタングステンプラグプロセスを使用してもよい。
基板1がSOI基板である場合、赤外線検出素子100の製造方法には、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)酸化膜、STI(Shallow Trench Isolation)などの素子分離領域を形成する工程が含まれるが、これは公知の工程であり、本明細書では説明を省略する。
実施の形態2.
本実施形態2では、P型コンタクト領域123およびP型追加領域114の不純物濃度が、P型ウェル121の不純物濃度よりも高くされ、N型コンタクト領域113およびN型追加領域124の不純物濃度が、N型ウェル111の不純物濃度よりも高くされる。本実施形態2の他の構成は、実施形態1と同じであり、説明を省略する。
本実施形態2により得られる第1の効果を説明する。上述のとおり、N型ウェル111にP型追加領域114を設けることにより、アノード領域112から放出されて、N型ウェル111で再結合しなかったホールは、N型ウェル111とP型追加領域114との界面に形成される空乏層内の電界により、P型追加領域114に引き込まれる。一方、N型ウェル111とP型ウェル121との界面130もPN接合面であり、界面130には空乏層が形成され、空乏層内には、ホールを引き込むような電界が生じる。
空乏層内に生じる電界の大きさは、ビルトインポテンシャルとともに大きくなり、ビルトインポテンシャルは、PN接合を構成する半導体の少なくとも一方の不純物濃度が大きいほど大きくなる。本実施形態2では、P型追加領域114の不純物濃度がP型ウェル121の不純物濃度よりも高くされているので、N型ウェル111とP型追加領域114との界面に形成される空乏層内の電界(したがって、ホールを引き込む静電気力)が、N型ウェル111とP型ウェル121との界面に形成される空乏層内の電界よりも大きくなる。
同様に、本実施形態2では、N型追加領域124の不純物濃度がN型ウェル111の不純物濃度よりも高くされているので、P型ウェル121とN型追加領域124との界面に形成される空乏層内の電界(したがって、電子を引き込む静電気力)が、P型ウェル121とN型ウェル111との界面に形成される空乏層内の電界よりも大きくなる。
これにより、本実施形態2では、実施形態1の効果を高めることができる。
次に、本実施形態2により得られる第2の効果を説明する。第1および第2のダイオード110、120を直列接続された2個のダイオードとして使ううえで、N型ウェル111とP型ウェル121とが同電位に近いことが好ましい。これは、例えば、N型ウェル111と金属膜150との電位差、および、P型ウェル121と金属膜150との電位差を小さくすることにより実現される。
本実施形態2では、P型コンタクト領域123の不純物濃度が、少なくともP型ウェル121の不純物濃度よりも高くされ、N型コンタクト領域113の不純物濃度が、少なくともN型ウェル111の不純物濃度よりも高くされているので、N型ウェル111と金属膜150との接触抵抗、および、P型ウェル121と金属膜150との接触抵抗が小さくなる。これにより、N型ウェル111と金属膜150との電位差、および、P型ウェル121と金属膜150との電位差が小さくなる。
また、本実施形態2により得られる第3の効果として、N型コンタクト領域113、P型追加領域114、P型コンタクト領域123およびN型追加領域124の不純物濃度を高くすることにより、これらの領域に捕獲されたホール、電子の感じるポテンシャルを十分に深くすることができ、これらの領域からのホール、電子の再放出の可能性を下げることができる。これにより、これらの領域113,114,123,124を金属膜で接続しなくても、実施形態1で説明した効果を十分に持続できる。したがって、これらの領域113,114,123,124の電位を固定する必要がなくなり、複数のPN接合ダイオードの直列接続に適した赤外線検出素子100が得られる。
実施の形態3.
図30は、本発明の実施の形態3に係る赤外線検出素子のダイオード部360を示す断面図である。ダイオード部360では、N型コンタクト領域113がアノード領域112とP型追加領域114との間に設けられ、P型コンタクト領域123がカソード領域122とN型追加領域124との間に設けられている。このように、ダイオード部360では、P型追加領域114とN型追加領域124の配置が実施形態1のダイオード部60と異なる。実施形態3の他の構成は、実施形態1,2と同じであり、説明を省略する。
次に、本実施形態3により得られる作用効果を説明する。定電流源からアノード領域112を経由してN型ウェル111に拡散するホールの大部分は、図31に示す経路183を通るときにN型ウェル111内で電子と再結合する。ここで、P型追加領域114とN型ウェル111との界面(PN接合面)にはビルトインポテンシャルによって電界が生じている。アノード領域112から放出されて、N型ウェル111で再結合しなかったホールは、この電界によりP型追加領域114に引き込まれる(経路184)。
これにより、P型ウェル121へのホールの流入が抑制され、半導体層40の裏面に存在する欠陥171に起因した雑音を低減できる。特に、本実施形態3では、P型追加領域114が、よりP型ウェル121に近い側に設けられているので、P型ウェル121へのホールの流入が抑制されるという効果を高めることができる。同様に、本実施形態3では、N型追加領域124が、よりN型ウェル111に近い側に設けられているので、N型ウェル111への電流の流入が抑制されるという効果を高めることができる。
例えば、赤外線検出素子100で生じている雑音のうち、半導体層40の表面に存在する欠陥172に起因する雑音の成分よりも半導体層40の裏面に存在する欠陥171に起因する雑音の成分の方が大きい場合には、P型追加領域114とN型追加領域124の配置として実施形態3を採用してもよい。
なお、実施形態2で説明したとおり、P型コンタクト領域123およびP型追加領域114の不純物濃度をP型ウェル121の不純物濃度よりも高くし、N型コンタクト領域113およびN型追加領域124の不純物濃度をN型ウェル111の不純物濃度よりも高くすることにより、本実施形態3の効果を高めることができる。
実施の形態4.
図32は、本発明の実施の形態4に係る赤外線検出素子のダイオード部460を示す断面図である。ダイオード部460では、実施形態3のダイオード部360と同様に、N型コンタクト領域113がアノード領域112とP型追加領域114との間に設けられ、P型コンタクト領域123がカソード領域122とN型追加領域124との間に設けられている。
ダイオード部460では、これに加えて、アノード領域112とN型コンタクト領域113との間に(例えばアノード領域112から所定距離を隔てて、かつ、N型コンタクト領域113に隣接して)第2のP型追加領域115が設けられ、カソード領域122とP型コンタクト領域123との間に(例えばカソード領域122から所定距離を隔てて、かつ、P型コンタクト領域123とに隣接して)第2のN型追加領域125が設けられている。このように、ダイオード部460は、実施形態1のダイオード部60と実施形態3のダイオード部360とを組み合わせた構成に相当する。
本実施形態4によれば、実施形態3で説明したように、P型ウェル121へのホールの流入(N型ウェル111への電流の流入)を抑制して半導体層50の裏面に存在する欠陥171に起因した雑音を大きく低減させつつ、実施形態1で説明したように、N型コンタクト領域113から半導体層50の表面付近を通過してアノード領域112に拡散する電子を減少させ、これにより半導体層50の表面付近に存在する欠陥172に起因した雑音の発生を抑制できる。
実施の形態5.
図33は、本発明の実施の形態5に係る赤外線検出素子500を示す平面図である。赤外線検出素子500では、実施形態1または2のダイオード部60が、図33に示すX方向に4つ並べて配置されている。図33に示すY方向は、ダイオード部60における電流経路に沿った方向であり、ダイオード部60の長さ方向である。X方向は、半導体層50の面内方向であってY方向に対して垂直な方向であり、ダイオード部60の幅方向である。本実施形態5では、ダイオード部60が4つ設けられているが、これに限定されることなく、3つ以下または5つ以上のダイオード部60が設けられてもよい。
上述のとおり、第1、第2のPN接合ダイオード110,120は、接続領域140を構成するN型コンタクト領域113、P型追加領域114、P型コンタクト領域123およびN型追加領域124により直列接続されている。
X方向に隣接するダイオード部60では、第1のPN接合ダイオード110と第2のPN接合ダイオード120とがX方向に隣接し且つ交互に逆向きに配置されている。X方向に隣接するダイオード部60同士は、X方向に隣接する第1のPN接合ダイオード110のアノード領域112と第2のPN接合ダイオード120のカソード領域122との間で、配線131により電気的に接続されている。X方向の一端に位置するダイオード部60のアノード領域112と他端に位置するダイオード部60のカソード領域122とからは、配線132,133が導出されている。
図33に示すように、P型追加領域114のX方向の寸法は、N型コンタクト領域113のX方向の寸法よりも大きい。N型追加領域124のX方向の寸法は、P型コンタクト領域123のX方向の寸法よりも大きい。これにより、N型コンタクト領域113から半導体層50の表面付近を通過してアノード領域112に拡散する電子を減少させ、これにより半導体層50の表面付近に存在する欠陥172に起因した雑音の発生を抑制できるという効果を高めることができる。
以上、複数の実施形態を挙げて本発明を説明したが、実施の形態はすべての点で例示であって本発明が上述の実施形態に限定されると理解するべきではない。本発明の範囲は上述の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、上述の各実施形態に記載された特徴は、自由に組み合わせられてよい。
1 基板、 8 温度検知部、 9 赤外線吸収部、 50 半導体層、 60,360,460 ダイオード部、 100,500 赤外線検出素子、 110 第1のPN接合ダイオード、 111 N型ウェル、 112 アノード領域、 113 N型コンタクト領域、 114 P型追加領域、 115 第2のP型追加領域、 120 第2のPN接合ダイオード、 121 P型ウェル、 122 カソード領域、 123 P型コンタクト領域、 124 N型追加領域、 125 第2のN型追加領域、 130 (N型ウェルとP型ウェルとの)界面、 140 (第1のPN接合ダイオードと第2のPN接合ダイオードとの)接続領域、 150 金属膜、 1000 赤外線撮像装置

Claims (10)

  1. 基板と、前記基板から分離して設けられた半導体層とを備え、
    前記半導体層には、直列接続された第1および第2のPN接合ダイオードを含むダイオード部が設けられ、
    前記ダイオード部は、
    前記半導体層に設けられ、互いに隣接するウェル状のN型第1領域およびP型第1領域と、
    前記N型第1領域に設けられ、該N型第1領域と合わせて前記第1のPN接合ダイオードを構成するP型第2領域と、
    前記P型第1領域に設けられ、該P型第1領域と合わせて前記第2のPN接合ダイオードを構成するN型第2領域とを有し、
    前記N型第1領域および前記P型第1領域には、それぞれ、導電性材料を介して前記第1のPN接合ダイオードと前記第2のPN接合ダイオードとを電気的に接続するN型第3領域およびP型第3領域が設けられ、
    前記N型第1領域は、前記P型第1領域と前記P型第2領域との間に設けられ、前記導電性材料に電気的に接続されたP型第4領域を有し、
    前記P型第1領域は、前記N型第1領域と前記N型第2領域との間に設けられ、前記導電性材料に電気的に接続されたN型第4領域を有する、
    赤外線検出素子。
  2. 前記P型第4領域の不純物濃度は、前記P型第1領域の不純物濃度よりも高く、かつ/または、
    前記N型第4領域の不純物濃度は、前記N型第1領域の不純物濃度よりも高い、
    請求項1に記載の赤外線検出素子。
  3. 前記P型第3領域の不純物濃度は、前記P型第1領域の不純物濃度よりも高く、かつ/または、
    前記N型第3領域の不純物濃度は、前記N型第1領域の不純物濃度よりも高い、
    請求項1または2に記載の赤外線検出素子。
  4. 前記P型第4領域は、前記P型第2領域と前記N型第3領域との間に設けられ、
    前記N型第4領域は、前記N型第2領域と前記P型第3領域との間に設けられている、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の赤外線検出素子。
  5. 前記N型第3領域は、前記P型第2領域と前記P型第4領域との間に設けられ、
    前記P型第3領域は、前記N型第2領域と前記N型第4領域との間に設けられている、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の赤外線検出素子。
  6. 前記P型第2領域、前記P型第3領域、前記P型第4領域、前記N型第2領域、前記N型第3領域および前記N型第4領域は、前記半導体層の表面に設けられている、
    請求項1から5のいずれか1項に記載の赤外線検出素子。
  7. 前記P型第4領域は、前記半導体層の厚さ方向で前記N型第3領域よりも深い範囲にまで設けられ、かつ/または、
    前記N型第4領域は、前記半導体層の厚さ方向で前記P型第3領域よりも深い範囲にまで設けられている、
    請求項1から6のいずれか1項に記載の赤外線検出素子。
  8. 前記P型第4領域は、前記ダイオード部の幅方向の寸法が、前記N型第3領域よりも大きく、かつ/または、
    前記N型第4領域は、前記ダイオード部の幅方向の寸法が、前記P型第3領域よりも大きい、
    請求項1から7のいずれか1項に記載の赤外線検出素子。
  9. 前記半導体層には、複数の前記ダイオード部が直列接続されて設けられ、
    複数の前記ダイオード部は、第1のダイオード部と第2のダイオード部とを含み、
    前記第1のダイオード部の前記P型第2領域は、前記第2のダイオード部の前記N型第2領域に電気的に接続され、または、
    前記第1のダイオード部の前記N型第2領域は、前記第2のダイオード部の前記P型第2領域に電気的に接続されている、
    請求項1から8のいずれか1項に記載の赤外線検出素子。
  10. 基板を準備する工程と、
    前記基板から分離した半導体層を設ける工程と、
    前記半導体層に、直列接続された第1および第2のPN接合ダイオードを含むダイオード部を設ける工程とを含み、
    前記ダイオード部を設ける工程は、
    前記半導体層に、界面を介して互いに隣接するウェル状のN型第1領域およびウェル状のP型第1領域を設ける工程と、
    前記N型第1領域の表面に、P型第2領域、P型第4領域、および、前記N型第1領域よりも不純物濃度の高いN型第3領域を設ける工程と、
    前記P型第1領域の表面に、N型第2領域、N型第4領域、および、前記P型第1領域よりも不純物濃度の高いP型第3領域を設ける工程と、
    前記N型第3領域、前記P型第3領域、前記P型第4領域および前記P型第4領域に亘って導電性材料を設ける工程とを含み、
    前記P型第2領域は、前記界面に対して、前記P型第4領域よりも遠い側に設けられ、
    前記N型第2領域は、前記界面に対して、前記N型第4領域よりも遠い側に設けられる、
    赤外線検出素子の製造方法。
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