JPH022690A - 赤外線センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、赤外線センサの製造方法に関する。

（従来の技術） 従来、本発明の前提となる赤外線センサは存在しなかっ
たので、このセンサ特有の製造方法も皆無である。そこ
で、従来技術の例として、このセンサのような三層構造
を仔する通常のプレーナ型バイポーラトランジスタの製
造方法について説明する。ここで述べる例は、シリコン
（Ｓｉ）ｎｐｎトランジスタである。

ｎ“型単結晶Ｓｉ基板上にｎ−型エピタキシャル層を設
ける。このｎ−型エピタキシャル層が最終的にコレクタ
領域となる。その表面を熱酸化させ、厚いＳｉＯ３膜を
形成する。フォトレジストを用いてベース領域形成部分
のＳｉＯ３膜に窓を開け、再び熱酸化させて、ベース領
域形成部分表面に薄いＳｉＯ２膜を形成する。厚いＳｉ
Ｏ２膜をマスクとし、薄いＳｉＯ２膜を通してボロンを
イオン注入する。その後、酸化性雰囲気において熱処理
しＮＳＩ基板の結晶性回復、注入ボロンの活性化及び所
望の深さまでの注入ボロンの拡散を行う。また、酸化性
雰囲気なので、Ｓ　を基板表面のＳｉＯ２膜が成長し、
ＳｉＯ３／Ｓｉ界面の段差が増加してＳｉ基板表面にベ
ース領域のパターンが刻まれる。Ｓｉ基板全面のＳｉＯ
２膜を除去し、再度熱酸化させて、表面に薄い５ｉ０２
膜を形成する。さらに、Ｓｉｏ２膜上にアルミニウム等
からなる金属膜を形成し、フォトレジストを用いてエミ
ッタ領域形成部分の金属膜に窓を開ける。この金属膜を
マスクとし、薄いＳｉＯ３膜を通してリンまたは砒素を
イオン注入する。金属膜を除去した後、酸化性雰囲気に
おいて熱処理し、Ｓｉ基板の結晶性回復、注入リンまた
は注入砒素の活性化、所望の深さまでの注入リンまたは
注入砒素の拡散及び表面ＳｉＯ２膜の成長を行う。フォ
トレジストを用いてＳｉＯ□膜にオーミックコンタクト
用の窓を開け、アルミニウム等からなる金属膜を形成す
る。フォトレジストを用いて配線パターン金属膜を加工
し、熱処理を行ってＳｉとの接触部分を合金化させる。

表面に保護膜を形成し、外部配線（ワイヤボンディング
）を行うためのパッド部分にフォトレノストを用いてス
ルーホールを開ける。ここまで工程が終了したものを各
トランジスタ毎に分割し、パッケージ等に組み込み、外
部配線（ワイヤボンディング）を施して完成となる。

なお、上述の製造方法において、ｐ４ｎ１　ｎ→ｐと入
れ替え、ベース領域の注入不純物をリンに、また、エミ
シタ領域の注入不純物をボロンにそれぞれ代えれば、５
ｉｐｎｐトランジスタの製造方法となる。また、他の半
導体材料からなるプレーナ型バイポーラトランジスタの
製造方法においても、各領域の形成順序は同様である。

以上述べたように、本発明のセンサのような三層構造を
有するプレーナ型バイポーラトランジスタの製造方法に
おいては、深い領域から順次浅い領域が形成されていた
。

（発明が解決しようとする課題） ここで本発明の前提となる新規な赤外線センサについて
述べる。このセンサは、第１導電型半導体からなる光電
変換領域と、この光電変換領域より不純物濃度が低い第
１導電型半導体からなるキャリア注入領域と、これら光
電変換領域とキャリア注入領域との間に存在し、不純物
濃度がこのキャリア注入領域より低い第１導電型半導体
か、真性半導体か、あるいは第２導電型半導体からなる
ポテンシャル障壁領域とを有し、これら光電変換領域と
ポテンシャル障壁領域とキャリア注入領域とがホモ接合
構造を構成している。この赤外線センサの動作原理を、
第２図（ａ）、（ｂ）に示す。

第２図（ａ）は第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型と
する場合、同図（ｂ）は第１導電型をｎ型、第２導電型
をｐ型とする場合のエネルギー帯構造及び光電変換機構
である。第２図において、赤外光はキャリア注入領域側
から入射しているが、これは、光電変換領域側からの入
射でもかまわない。

第２図に示すように、（ａ）図の構造では二つのｐ壁領
域の間に価電子帯２０のホールに対して障害となるポテ
ンシャル障壁φ、及びφＨ２が存在し、（ｂ）図の構造
では二つのｎ型領域の間に伝導帯２９の電子に対して障
害となるボテンンヤル障壁φ、及びφ６□が存在する。

入射した光のエネルギーが半導体材料の禁制帯幅Ｅｇよ
り小さい場合、通常このような光は赤外光であるが、こ
れは半導体中における電子の帯間遷移を利用して吸収さ
せることはできない。しかしながら、自由キャリア吸収
を利用すれば、吸収させることが可能となる。この吸収
は自由キャリア濃度が低い場合には、はとんど兼視し得
るものなので、キャリア注入領域の不純物濃度を低濃度
にし、それに比べて光電変換領域の不純物濃度を充分に
高７ｆａ度にしておけば、吸収はほとんど光電変換領域
のみで起こる。

第２図（ａ）の構造の場合には、光電変換領域１７にお
いて赤外光３４の吸収によって価電子帯２０のホール３
０が励起され、ホットホール３１となる。このホットホ
ール３１がポテンシャル障壁領域１８を通過して、キャ
リア注入領域１９に注入されると、光信号出力が得られ
る。

第２図（ｂ）の構造の場合には、光電変換領域２４にお
いて赤外光３５の吸収によって伝導帯２９の自由電子３
２が励起され、ホｙ）電子３３となる。このホット電子
３３がボテン／ヤル障壁領域２５を通過して、キャリア
注入領域２６に注入されると、光信号出力が得られる。

なお、第２図（ａ）及び（ｂ）においては、光電変換領
域は非縮退状態として描いであるが、さらに不純物ｌ濃
度が高ｌ：Ｊ濃度となり、光電変換領域が縮退状態にな
った場合には、フェルミ準位Ｅ、が（ａ）の構造では価
電子帯内に入り込み、（ｂ）の構造では伝導帯内に入り
込んだ状態になるがその場合でももちろんセンサは動作
する。

以上述べた赤外線センサにおける大きな特徴は、ポテン
ンヤル障壁φ□あるいはφ、を零〜拡散電位に相当する
エネルギー程度の間の任意の大きさに設定し、センサの
遮断波長を自由に選ぶことできる点である。ポテンシャ
ル障壁φ□及びφ口の大きさは、ポテンシャル障壁領域
の導電型、ポテンシャル障壁領域の厚さ、三領域の不純
物濃度のバランス及びバイアス条件によって制御される
。従って、製造段階において、各領域の不純物添加を制
御性良く施すことが重要であるが、特にボテンンヤル障
壁領域の不純物濃度及び厚さの制御に高い精度が要求さ
れる。

さらに、機能的要求から、各領域には厚さに対する制約
がある。光電変換領域は、赤外線を吸収できるだけの厚
さを必要とし、キャリア注入領域は、ポテンシャル障壁
領域との接合界面から伸びる空乏層によって、完全空乏
化しないだけの厚さを必要とする。また、ポテンシャル
障壁領域は、ポテンンヤル障壁φ□、あるいはφ、の立
ち上がりを急峻にするため、できるだけ薄いことが望ま
しい。

この赤外線センサの製造において、上述したプレーナ型
バイポーラトランジスタの製造方法同様、深い領域から
順次浅い領域を形成する方法を採るとすると、ポテンシ
ャル障壁領域形成後に光電変換領域あるいはキャリア注
入領域を形成することになる。光電変換領域及びキャリ
ア注入領域は、前述のごとく、いずれもある程度厚さを
確保しなければならないので、不純物添加によって形成
するにしろ、エピタキシャル成長によって形成するにし
ろ、これらの領域形成中、この赤外線セフすを長時間高
温に維持しなければならない。

この工程は、ポテンシャル障壁領域の不純物分布に大き
な変化を与えてしまう。

従って、深い領域から順次浅い領域を形成する製造方法
には、ポテンシャル障壁領域の不純物濃度及び厚さの制
御性が低く、かつ、ボテンンヤル障壁領域を極薄く形成
することができないという欠点がある。

（課題を解決するための手段） 前述の問題点を解決するために本発明は、第１導電型半
導体からなる光電変換領域と、この光電変換領域より不
純物濃度が低い第１導電型半導体からなるキャリア注入
領域と、これら光電変換領域とキャリア注入領域との間
に存在し、不純物濃度がこのキャリア注入領域より低い
第１導電型半導体か、真性半導体か、あるいは第２導電
型半導体からなるポテンシャル障壁領域とを有し、これ
ら光電変換領域とポテンシャル障壁領域とキャリア注入
領域とがホモ接合構造を構成してなる赤外線センサの製
造方法であって、光電変換領域及びキャリア注入領域形
成後、光電変換領域、あるいはキャリア注入領域を通し
てイオン注入を行うことによって、光電変換領域とキャ
リア注入領域との界面付近に第２導電型用不純物あるい
はキャリアのトラップ準位を形成する不純物を添加し、
この不純物の活性化を行ってポテンシャル障壁領域を形
成することを特徴とする。

（作用） 本発明は、光電変換領域及びキャリア注入領域の形成を
ポテンシャル障壁領域とは独立に行えるので、どちらに
も適切な不純物１層度及び厚さを持たせることができる
。また、ポテンシャル障壁領域の形成においては、不純
物分布に変化を与えてしまう熱処理の回数を、ポテンシ
ャル障壁領域そのものの形成の際の一回のみにすること
ができ、かつ、処理時間も結晶性回復及び第２導電型用
不純物あるいはキャリアのトラップ準位を形成する不純
物の活性化が完了するのに最小限必要なところまで短縮
することができる。

従って、本発明の製造方法では、光電変換領域及びキャ
リア注入領域に充分な厚さを確保しつつ、厚さの薄いポ
テンシャル障壁領域を不純物濃度分布の制御性良く形成
することができ、前述の問題点が解決される。

（実施例） 次に本発明にについて図面を参照して詳細に説明する。

第１図（ａ）〜（ｊ）は本発明の一実施例の゛製造工程
図である。この実施例はＳｉを半導体材料とし、第１導
電型をｎ型、第２導電型をｐ型としている。また、この
赤外線センサは裏面照射型である。

ます、両面とも鏡面に磨かれたｎ型車結晶Ｓｉ基板工を
熱酸化させ、全面にＳｉＯ２膜２を形成する。Ｓｉ基板
、すなわち、キャリア注入領域とのオーミンクフンタト
クを取るためのｎ“型フンタクト領域３形成部分の５ｉ
Ｏ７膜２に、フォトレジストを用いて窓を開ける［第１
図（３月。ＳｉＯ□膜２をマスクとしてリンを選択拡散
し、ｎ“型コンタクト領域３を形成するとともに、その
表面を熱酸化する。次にｐ′″型ガードリング４形成部
分の５ｉｎ２膜２に、フォトレノストをマスクとして窓
を開ける［第１図（ｂ）］。ガードリングとは、光電変
換領域及びポテンシャル障壁領域の周囲に設けられ、そ
の部分の電界集中を緩和する働きをするものである。

ＳｉＯ２膜２をマスクとしてボロンを選択拡散し、ｐｅ
型ガードリング４を形成するとともに、その表面を熱酸
化する。その後、全面のＳｉＯ□膜２を除去する［第１
図（Ｃ）］。改めて、Ｓｉ基ｆ１を熱酸化させ、表面に
薄いＳ　ｉ　０２Ｌｉ５を形成する。さらに、ＳｉＯ□
膜５上にアルミニウム等からなる金属膜６を形成し、フ
ォトレジストをマスクとして光電変換領域７形成部分の
金属膜６に窓を開ける。

この金属膜８をマスクとし、薄いＳｉＯ□膜５を通して
リンまたは砒素をイオン注入する〔第１図（ｄ）］。Ｓ
ｊ基板全面の金属膜６を除去した後熱処理し、Ｓ　ｉ基
板の結晶性回復、注入リンまたは注入砒素の活性化及び
所望の深さまでの注入リンまたは注入砒素の拡散を行い
、光電変換領域を形成する［第１図（ｅ）］。光光電変
頭領の不純物濃度及び厚さの一例としては、〜１Ｏ２０
（Ｊ−３、＝０．４ａｍである。再度、ＳｉＯ２膜５上
にアルミニウム等からなる金属膜８を形成し、フォトレ
ジストを用いてポテンシャル障壁領域９形成部分（光電
変換領域形成部分と同一）の金属膜８に窓を開ける。こ
の金属膜８をマスクとし、薄いＳｔＯ□ｌｉ５及び光電
変換領域７を通してボロンをイオン注入する［第１図（
ｆ）］。Ｓｉ基板全面の金属膜８を除去した後、注入ボ
ロンの拡散がほとんど生じない熱処理条件、例えば、９
００℃、ｌＯ分程度で熱処理し、Ｓｉ基板の結晶性回復
及び注入ボロンの活性化を行う［第１図（ｇ）］。

ポテンシャル障壁領域９を構成する半導体の種類がｎ型
になるか、真性になるか、あるいはｐ型になるかという
ことは、活性化したボロンの１ｍ度がＳｉ基板の不純物
濃度と比較して、低いか、同程度か、あるいは高いかで
決定する。低い場合にｎ型、同程度の場合に真性、高い
場合にｐ型である。本製造法で、光電変換領域７とキャ
リア注入領域との間に、厚さが０．２μｍにも満たない
ポテンシャル障壁領域９を形成することが可能である。

この後、ＳｉＯ２膜５上にＣＶＤ法等でＳｉＯ□膜１０
膜形０し、フォトレジストを用いてＳｉＯ３膜５および
１０にオーミンクコンタクト用の窓を開ける［第１図（
ｈ）］。ＳｉＯ□膜ＳｉＯ３膜５ミニウム等からなる金
属膜を施し、フォトレジストを用いて配線パターンに加
工して金属配線工１を形成する。その後、熱処理を行っ
て金属配線１１とＳｉとの接触部分を合金化する［第１
図（ｉ）］。絶縁用の５ｉＯ３ＩＸ１２をＣＶＤ法等で
形成し、光電変換領域７を透過した赤外光を再利用する
ためのアルミニウム等からなる金属反射膜１３を設ける
。表面に保護膜１４を形成した後、外部配線（ワイヤボ
ンディング）を行うためのパッド部分にフォトレジスト
を用いてスルーホールを開ける［第１図（ｊ）コ。ここ
まで工程が終了したものを各センサ毎に分割し、穴開き
パンケージ等に組み込み、外部配線（ワイヤボ２・ディ
ング）を施して完成となる。

なお、上述の製造方法において、ｐ→ｎ、ｎ→ｐと入れ
替え、キャリア注入領域とオーミックコンタクトを取る
ためのコンタクト領域の拡散不純物をボロンに、ガード
リングの拡散不純物をリンに、光電変換領域の注入不純
物をボロンあるいはガリウムに、また、ポテンシャル障
壁領域の注入不純物をリンまたは砒素にそれぞれ代えれ
ば、Ｓｉを半導体材料とし、第１導電型をｐ型、第２導
電型をｎ型とする該赤外線センサの製造方法となる。

次に光電変換領域及びキャリア注入領域形成後、キャリ
ア注入領域を通してイオン注入を行うことによって、ポ
テンシャル障壁領域を形成する製造方法について、例を
挙げる。

第３図は上述の方法で製造した場合のＳＯ８構造を有す
る赤外線センサの縦断面図である。該センサの製造手順
を簡単に述べると、まず、サファイア基板３６上にエピ
タキシャルｎ型Ｓｉ層３７Ａ、Ｂを形成する。このとき
、添加する不純物の濃度をＡ＞Ｂとする。次に、キャリ
ア注入領域３８あるいは受光領域を限定するｐ′″′″
−ドリング４を形成し、続いて光電変換領域７と接続す
るためのｎ′″′″ンタクト領域３９、及びキャリア注
入領域３８とオーミックコンタクトを取るためのｎ′″
型コシコンタクト領域３成する。この後に、受光領域内
の光電変換領域７とキャリア注入領域３８との界面付近
めがけて、キャリア注入領域３８を通してボロンをイオ
ン注入し、注入ボロンの拡散がほとんど生じない条件で
熱処理を行って、ポテンシャル障壁領域９を形成する。

金属配線１１等を施して、本赤外線センサは完成する。

ここで述べた例は、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ
型としているが、これらが逆の場合も成立つことは、第
１図の実施例の場合と同様である。

また、第１図、第３図の実施例では半導体としてＳｉを
用いたが、Ｓ　ｉ以外の半導体材料を用いる場合にも、
各領域の形成順序を同様にすることにより、赤外線セン
サを精密に製造することができる。さらに、センサアレ
イを製造する場合にも、本発明の製造方法を適用するこ
とができる。

またポテンシャル障壁領域の形成に用いる注入不純物と
してはｐ型あるいはｎ型不純物に限らず、キャリアのト
ラップ準位を形成するものを採用することもできる。こ
の場合は、ポテンシャル障壁領域がキャリア注入領域よ
り不純物濃度が低い第１導電型半導体か、真性半導体か
ら構成される。これは、センサを構成する材料としてＳ
ｉ以外の半導体材料を使う場合に、特に仔効であり、例
えば、ガリウム・砒素（ＧａＡｓ）ではクロムや酸素を
利用することができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、第１導電型半導
体からなる光電変換領域と、この光電変換領域より不純
物濃度が低い第１導電型半導体からなるキャリア注入領
域と、これら光電変換領域とキャリア注入領域との間に
存在し、不純物濃度がこのキャリア注入領域より低い第
１導電型半導体か、真性半導体か、あるいは第２導電型
半導体からなるポテンシャル障壁領域とを存し、これら
光電変換領域とポテンシャル障壁領域とキャリア注入領
域とがホモ接合構造を構成してなる赤外線センサの製造
において、該赤外線センサの光電変換領域及びキャリア
注入領域に充分な厚さを確保しつつ、厚さの薄いポテン
シャル障壁領域を不純物濃度分布の制御性良く形成する
ことができ、該赤外線センサの遮断波長を精密に設計で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｊ）は本発明の一実施例の製造工程図
である。第２図は本発明が対象とする赤外線センサのエ
ネルギー帯構造及び光電変換機構の説明図で、（ａ）は
第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型とする場合、（ｂ
）は第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とする場合で
ある。第３図は本発明の製造方法の一種である、光電変
換領域及びキャリア注入領域形成後、キャリア注入領域
を通してイオン注入を行うことによって、ポテンシャル
障壁領域を形成する製造方法で製造されたＳＯ８構造を
育する赤外線センサの縦断面図である。 １：ｎ型単結晶Ｓｉ基板 ２、５．　＋０．１２，４０：　Ｓ　ｉ　Ｏ□膜３．３
９：ｎ＋型フンタクト領域 ４：ｐ３型ガードリング ６．８：金属膜　　７．！フ、２４：光電変換領域９、
　＋８．２５：ポテンシャル障壁領域１１＝金属配線　
　　１３：金属反射膜１４：　保ｍＭ　　　　　Ｉｓ：
　ｌ面５ｉＯ２１１！１Ｇ、２３：絶縁物　１９．２８
．３８：キャリア注入領域２０．２７：価電子帯　２１
．２８：禁制帯２２．２９：伝導帯　　３ｏニホール ３１：ホットホール　３２：自由電子 ３３：ホット電子　　３４，３５：赤外光３６：サファ
イア基板 ３７：エピタキシャルｎ型Ｓｉ層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１導電型半導体からなる光電変換領域と、この光電変
   換領域より不純物濃度が低い第１導電型半導体からなる
   キャリア注入領域と、これら光電変換領域とキャリア注
   入領域との間に存在し、不純物濃度がこのキャリア注入
   領域より低い第１導電型半導体か、真性半導体か、ある
   いは第２導電型半導体からなるポテンシャル障壁領域と
   を有し、これら光電変換領域とポテンシャル障壁領域と
   キャリア注入領域とがホモ接合構造を構成してなる赤外
   線センサの製造方法であって、光電変換領域及びキャリ
   ア注入領域形成後、光電変換領域あるいはキャリア注入
   領域を通してイオン注入を行うことによって、光電変換
   領域とキャリア注入領域との界面付近に第２導電型用不
   純物あるいはキャリアのトラップ準位を形成する不純物
   を添加し、この不純物の活性化を行ってポテンシャル障
   壁領域を形成することを特徴とする赤外線センサの製造
   方法。