JP7522400B2 - 受光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は受光素子及びその製造方法に関し、特に炭化珪素半導体とシリコン半導体とが複合された受光素子に関する。
人が近づけない場所において種々の作業を行う手段として、遠隔操作型又は自立型のロボットが注目されている。中でも原子炉の廃炉作業等の高レベルの放射線にさらされる現場において使用できるロボットへの期待が高まっている。しかし、現在ロボットの制御に用いられているシリコン（Ｓｉ）半導体デバイスは、放射線への耐性が低く、数十分から１時間程度しか作業を行うことができない。このため、高レベルの放射線環境においても長時間の使用が可能な新たな半導体デバイスが求められている。特に、ロボットの目となる撮像素子は外部環境にさらされるものであり、その改良は重要である。
炭化珪素（ＳｉＣ）半導体は、耐熱性及び放射線耐性に優れた半導体材料として期待されており、ＳｉＣ半導体を用いることにより、高レベルの放射線環境においても長時間作動する半導体デバイスを実現できる可能性がある。しかし、ＳｉＣ半導体はバンドギャップが大きいため、可視光が容易に透過してしまう。このため、可視光域の光電変換素子をＳｉＣ半導体により形成することは困難である。
一方、異種基板のそれぞれの上に半導体素子を形成し、それを貼り合わせることが検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。このため、Ｓｉ半導体層に形成された可視光域の光電変換素子と、ＳｉＣ半導体層に形成された耐放射線性に優れた増幅素子とを組み合わせることにより、耐放射線性に優れた可視光域の受光素子を実現できる可能性がある。
しかしながら、不純物注入を行ったＳｉＣ半導体層にＳｉ半導体層を貼り合わせると、不純物注入を行った部分において剥がれが生じやすく、受光素子を安定して形成できないということを本願発明者らは見いだした。
本開示の課題は、Ｓｉ半導体とＳｉＣ半導体とを組み合わせた可視光域の受光素子を安定して形成できるようにすることである。
本開示の受光素子の一態様は、凹部を有する炭化珪素半導体層と、炭化珪素半導体層の上にシリコン酸化膜を介在させて貼り合わされたシリコン半導体層とを備え、シリコン半導体層は、入射した光を光電変換する光検出部となる不純物拡散領域を有し、炭化珪素半導体層は、凹部に形成され、光検出部の出力を増幅する信号増幅部となるソース／ドレイン領域を有している。
本開示の受光素子の製造方法の一態様は、炭化珪素半導体層に凹部を形成する工程と、凹部に、信号増幅部となる複数のソース／ドレイン領域を形成する工程と、ソース／ドレイン領域を形成した炭化珪素半導体層の表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、シリコン酸化膜を形成する工程よりも後で、炭化珪素半導体層にシリコン半導体層を貼り合わせる工程と、シリコン半導体層に光検出部となる不純物拡散領域を形成する工程とを備えている。
本開示の受光素子によれば、Ｓｉ半導体とＳｉＣ半導体とを組み合わせた可視光域の受光素子を安定して形成できる。
図１に示すように、一実施形態の受光素子１００は、光電変換素子であるフォトダイオードを含む光検出部１０１と、光検出部１０１の出力を増幅する信号増幅部１０２とを有している。信号増幅部１０２は、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）、ソースフォロアトランジスタ（ＳＦ）、行選択トランジスタ（ＲＳ）を有している。φＲにリセット信号、φＸに行選択信号を加えることにより受光素子として駆動することができる。図１には信号増幅部１０２を構成する各トランジスタがｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）である例を示している。
図２～図４に示すように、本実施形態の受光素子１００は、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体層１１１と、ＳｉＣ半導体層１１１の上に形成されたシリコン酸化膜１１３と、シリコン酸化膜１１３の上に形成されたシリコン（Ｓｉ）半導体層１１２とを有している。本実施形態において、ＳｉＣ半導体層１１１は、ｎ型の４Ｈ－ＳｉＣ半導体基板である。
ＳｉＣ半導体層１１１は、凹部１４１を有している。凹部１４１の平面サイズは、形成するトランジスタのチャネル長及びチャネル幅等に応じて決めることができるが、例えば５０ｎｍ～１００μｍ×５０ｎｍ～１００μｍ程度とすることができる。凹部１４１の深さは５０ｎｍ～２００ｎｍ程度とすることができる。
凹部１４１には、複数のソース／ドレイン領域１４２が形成されている。本実施形態において、ソース／ドレイン領域１４２は、ｐ+型の不純物拡散層である。これらのソース／ドレイン領域１４２は、ＲＳＴランジスタ、ＳＦトランジスタ、ＲＳトランジスタのソース／ドレインを構成する。ソース／ドレイン領域１４２の上には、オーミック接触したオーミック電極１４５と、シリコン酸化膜１１３をゲート絶縁膜とするゲート電極１４６とが形成されている。
Ｓｉ半導体層１１２は、シリコン酸化膜１１３側から順次積層されたｐ+型不純物拡散層１５１とｎ+型不純物拡散層１５２とを有しており、光検出部１０１のフォトダイオードを構成する。Ｓｉ半導体層１１２は、ＳｉＣ半導体層１１１の凹部１４１の部分を避けて形成されている。
ＳｉＣ半導体層１１１及びＳｉ半導体層１１２を覆うように層間絶縁膜１１４が形成されており、層間絶縁膜１１４には、各トランジスタ及びフォトダイオードの電極を引き出す配線１１５及び所定の電極同士を接続する配線（図示せず）が形成されている。
本実施形態の受光素子１００は以下のように形成することができる。まず、図５に示すように、ｎ型のＳｉＣ半導体層１１１にドライエッチングにより凹部１４１を選択的に形成する。本実施形態においては、ＳｉＣ半導体層１１１として、（０００１）４°のオフ角を有する４Ｈ－ＳｉＣ半導体基板を用いた。
次に、図６に示すように、形成した凹部１４１にｐ型不純物を選択的にイオン注入した後、活性化して複数のソース／ドレイン領域１４２を形成する。ｐ型不純物にはアルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。活性化は、例えば不純物注入を行ったＳｉＣ半導体層１１１上の全面にカーボンキャップ膜を形成した後、１７００℃程度の熱処理を行えばよい。この後、ソース／ドレイン領域１４２を形成したＳｉＣ半導体層１１１にゲート絶縁膜となる厚さが２０ｎｍ程度のシリコン酸化膜１１３Ａを形成する。シリコン酸化膜１１３Ａは、例えば１１５０℃程度の熱酸化により形成することができる。
次に、図７に示すように、シリコン酸化膜１１３Ａを形成したＳｉＣ半導体層１１１に、あらかじめｐ+型不純物拡散層１５１及びシリコン酸化膜１１３Ｂを形成したＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１２０を貼り合わせる。ＳＯＩ基板１２０は、例えば厚さが５００ｎｍ～３μｍ程度のｐ型の活性層１２１が、Ｓｉ支持層１２２及びＢＯＸ絶縁層１２３の上に形成されたものを用いることができる。ｐ+型不純物拡散層１５１は、例えば活性層１２１にホウ素（Ｂ）イオンを注入することにより形成することができる。シリコン酸化膜１１３Ｂは、例えばＳＰＭ（Ｈ2ＳＯ4／Ｈ2Ｏ2）洗浄により形成することができる。貼り合わせは、例えば０．５％程度の希フッ酸を用いた方法により行うことができる。
次に、図８に示すように、ウエットエッチングによりＳｉ支持層１２２及びＢＯＸ絶縁層１２３を除去した後、貼り合わせた活性層１２１にｎ型不純物の注入を行い、ｐ+型不純物拡散層の上にｎ+型不純物拡散層１５２を形成する。ｎ型不純物には例えばリン（Ｐ）を用いることができる。
次に、図９に示すように、光検出部となるＳｉ半導体層１１２の部分を残すように活性層１２１を選択的にドライエッチングする。これにより、凹部１４１が露出する開口部１５４が形成される。凹部１４１を露出させた後、シリコン酸化膜１１３に生じたダメージを取り除くために、再度熱酸化を行ってもよい。
次に、図１０に示すように、オーミック電極１４５及びゲート電極１４６を形成する。オーミック電極１４５は、所定のソース／ドレイン領域１４２とオーミック接触するように、シリコン酸化膜１１３に設けられた開口部に形成する。オーミック電極１４５は、例えばニッケル－ニオブ（Ｎｉ－Ｎｂ）合金層を形成した後、熱処理をしてシリサイド化することにより形成できる。オーミック電極はニッケル-モリブデン合金層を使うこともできる。ゲート電極１４６は、シリコン酸化膜１１３上の所定の位置に形成する。ゲート電極１４６は、例えばアルミニウム電極、窒化チタン電極、シリコン電極とすることができる。但し、オーミック電極及びゲート電極はこのような構成に限らない。
次に、図１１に示すように、層間絶縁膜１１４を形成した後、所定の電極を引き出す配線１１５及び所定の電極同士を接続する配線（図示せず）を形成する。
ＳｉＣ半導体層に不純物注入を行った後、熱酸化を行うと、不純物が注入された部分とされていない部分とにおいて熱酸化膜の膜厚に差が生じる。この熱酸化膜の膜厚のばらつきが貼り合わせたＳｉ半導体層の剥がれの原因となる。本実施形態においては、不純物拡散層であるソース／ドレイン領域１４２は、凹部１４１に形成されている。このため、シリコン酸化膜１１３のソース／ドレイン領域１４２の上に形成された部分は、Ｓｉ半導体層１１２との貼り合わせに関与しない。従って、Ｓｉ半導体層１１２の剥がれが生じにくく、Ｓｉ半導体とＳｉＣ半導体とを組み合わせた可視光域の受光素子を安定して形成できる。
本実施形態の受光素子１００は、増幅回路１０２がＳｉＣ半導体層１１１に形成されたＳｉＣ半導体素子であるため、耐放射線性及び耐熱性に優れている。一方、光電変換を行う光検出部１０１は、ＳｉＣ半導体層１１１に貼り合わされたＳｉ半導体層１１２に形成されているため、可視光域の光を効率良く光電変換することができる。
本実施形態の受光素子１００は、撮像素子の画素として用いることができ、図１２に示すような複数の画素がアレイ状に配置された撮像素子２００とすることができる。撮像素子２００の基板上には垂直選択回路及び水平選択回路等を形成することができる。
本実施形態において、信号増幅部をｐチャネルトランジスタにより形成する例を示したが、ｎチャネルトランジスタにより形成することもできる。ｎチャネルトランジスタを形成する場合は、例えばｎ型のＳｉＣ半導体基板の上にエピタキシャル成長させたｐ型のＳｉＣ半導体層に凹部を形成し、この凹部にｎ型の不純物拡散層を形成すればよい。
Ｓｉ半導体層１１２をＳｉＣ半導体層１１１に貼り合わせる前にｐ+型不純物拡散層１５１を形成し、Ｓｉ半導体層１１２をＳｉＣ半導体層１１１に貼り合わせた後でｎ+型不純物拡散層１５２を形成する例を示したが、貼り合わせる前に両方の不純物拡散層を形成することも、貼り合わせた後に両方の不純物拡散層を形成することもできる。
本開示の受光素子は、Ｓｉ半導体とＳｉＣ半導体とが組み合わされた可視光域の受光素子を容易に実現でき、耐放射線性等が要求される分野において有用である。
１００ 受光素子
１０１ 光検出部
１０２ 信号増幅部
１１１ ＳｉＣ半導体層
１１２ Ｓｉ半導体層
１１３ シリコン酸化膜
１１３Ａ シリコン酸化膜
１１３Ｂ シリコン酸化膜
１１４ 層間絶縁膜
１１５ 配線
１２０ ＳＯＩ基板
１２０ 基板
１２１ 活性層
１２２ Ｓｉ支持層
１２３ ＢＯＸ絶縁層
１４１ 凹部
１４２ ソース／ドレイン領域
１４５ オーミック電極
１４６ ゲート電極
１５１ ｐ+型不純物拡散層
１５２ ｎ+型不純物拡散層
１５４ 開口部
２００ 撮像素子
１０１ 光検出部
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Claims (5)
- 凹部を有する炭化珪素半導体層と、
前記炭化珪素半導体層の上にシリコン酸化膜を介在させて貼り合わされたシリコン半導体層とを備え、
前記シリコン半導体層は、入射した光を光電変換する光検出部となる不純物拡散領域を有し、
前記炭化珪素半導体層は、前記凹部に形成され、前記光検出部の出力を増幅する信号増幅部となるソース／ドレイン領域を有している、受光素子。 - 前記信号増幅部となるソース／ドレイン領域の上にゲート絶縁膜を介在させて形成されたゲート電極を有し、
前記ゲート絶縁膜は、前記炭化珪素半導体層と前記シリコン半導体層との間に介在するシリコン酸化膜と一体である、請求項１に記載の受光素子。 - 請求項１又は２に記載された受光素子を複数備えている、撮像素子。
- 炭化珪素半導体層に凹部を形成する工程と、
前記凹部に、信号増幅部となる複数のソース／ドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース／ドレイン領域を形成した前記炭化珪素半導体層の表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜を形成する工程よりも後で、前記炭化珪素半導体層にシリコン半導体層を貼り合わせる工程と、
シリコン半導体層に光検出部となる不純物拡散領域を形成する工程とを備えている、受光素子の製造方法。 - 前記シリコン半導体層を貼り合わせる工程よりも後で、前記シリコン半導体層に前記凹部を露出する開口部を形成する工程をさらに備えている、請求項４に記載の受光素子の製造方法。
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