JPH06268243A - 半導体エネルギー検出器の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、エネルギー線入射に対する感度の
ユニフォミティーが高い半導体エネルギー検出器を提供
することを目的とする。 【構成】 Ｎ型のシリコンサブストレイト（１１）の上
面にＰ⁺ 型の高不純物層（１２）を形成する第１の工程
と、高不純物層（１２）の上面にＰ型の不純物層（１
３）をエピタキシャル成長させる第２の工程と、不純物
層（１３）の上面に電荷読出部（１４）を形成する第３
の工程と、シリコンサブストレイト（１１）の裏面を化
学エッチングにより除去してエッチング面をエネルギー
入射部（１６）とする第４の工程とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、裏面入射型の半導体エ
ネルギー検出器の製造方法に関し、特に、紫外線や電子
線、放射線、素粒子線などの吸収係数がきわめて大きな
エネルギー線の照射、またはゲート酸化膜に悪影響を及
ぼすエネルギー線の照射に対して有効な半導体エネルギ
ー検出器の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の裏面入射型の半導体エネルギー検
出器の製造方法の一例として、裏面照射型ＣＣＤ１００
の製造方法を図３の工程断面図に示す。

【０００３】使用ウエファはＰ／Ｐ⁺ 型シリコンエピタ
キシャル成長ウエファであり、エピタキシャル層の比抵
抗とエピ厚は、３０Ω−ｃｍ、３０μｍ、サブの比抵抗
とエピ厚は、０．０１Ω−ｃｍ、５００μｍである。

【０００４】Ｐ型ウエファを用いる理由は、ＣＣＤ内蔵
読み出し回路のＦＥＴがＮチャンネルになるので、Ｐチ
ャンネルに比較して同じゲートサイズでもオン抵抗を小
さくでき、発生する熱雑音（ジョンソンノイズ）を低減
できるためである。サブストレイトがＰ⁺ であるのは、
バルク中の少数キャリアのライフタイムを短くし、バル
ク中（Ｐ⁺ ）の暗電流成分がＣＣＤポテンシャル井戸に
流れ込まないようにするためである。

【０００５】まず、Ｐ／Ｐ⁺ 型シリコン基板１０１上に
シリコン酸化膜１０２を堆積させ、シリコン酸化膜１０
２上に転送電極およびアルミニウム配線からなる電荷読
出部１０３を形成する（図３（ａ））。

【０００６】次に、シリコン基板１０１の裏面および電
荷読出部を含むＰ型エピタキシャル層の上面に、エッチ
ャントに対するエッチングマスク材１０４をデポする。
例えば酸系のエッチャントに対するマスクは、クロムと
白金の積層膜、アルカリ系エッチャントに対してはシリ
コン窒化膜である。そして受光面にあたる部分、すなわ
ち薄形化したいシリコン基板１０１裏面の入射面部分の
エッチングマスク材１０４を除去する（図３（ｂ））。

【０００７】次に、シリコン基板１０１裏面をエッチン
グ液に浸して、ウェットエッチングを行う（図３
（ｃ））。エッチャントの種類としてはアルカリエッチ
ャントまたは酸系のエッチャントが用いられる。酸エッ
チャントの場合の組成は、ＨＦ：ＨＮＯ₃ ：ＣＨ₃ ＣＯ
ＯＨ＝１：３：８、アルカリエッチャントの場合の組成
は８規定ＫＯＨ：Ｈ₂ Ｏ：イソプロピルアルコール＝９
５０ｍｌ：１１５０ｍｌ：７００ｍｌなどである。エッ
チング処理終了後に、シリコン基板１０１の膜厚の測定
を行い、エッチングが十分でない場合は再びエッチング
を行う。

【０００８】エッチング処理終了後、全てのエッチング
マスク材１０４を除去し、１２０℃の蒸気中に４８時間
さらして、シリコン基板１０１の裏面にシリコン酸化膜
１０５を堆積させる。この様な低温下で酸化膜を堆積さ
せるのは、既にシリコン基板１０１の上面に電荷読出部
１０３が形成されているからである（図３（ｄ））。

【０００９】そして、シリコン酸化膜１０４に負イオン
を照射して、シリコン基板１０１裏面のアキュームレー
ションを行う。この場合、短波長に対する感度をあげる
ためにシリコン基板１０１裏面をアキュームレーション
状態にし、効率よく電子がＣＣＤのポテンシャル井戸に
到達できる構造としなければならない。そして、アキュ
ームレーション終了後にアセンブリを行い、裏面照射型
ＣＣＤ１００を完成させる（図３（ｅ））。

【００１０】ここで、図３（ｃ）の工程で行ったシリコ
ン基板１０１裏面のエッチングの重要性について述べ
る。裏面照射型ＣＣＤ１００は、裏面がエネルギー線の
入射面となる。通常、シリコンウエファの厚さは数百μ
ｍである。例えば吸収係数が大きい２００ｎｍから３０
０ｎｍの短波長光は、そのほとんどが表面からわずかに
入ったところで吸収されてしまう。したがって、数百μ
ｍのシリコンウエファをそのまま用いて裏面照射型ＣＣ
Ｄ１００を製造しても、裏面で発生した光電子は、表面
にあるＣＣＤのポテンシャル井戸に拡散していくことが
できず、ほとんどは再結合して失われてしまう。また、
そのうちのいくらかはポテンシャル井戸まで到達できた
としても、長い道のりを拡散してくる間に信号同士が混
じり合い、いわゆる解像度を著しく低下させる。

【００１１】したがって、上述したように従来の製造方
法では、受光面である裏面をエッチング、研磨によって
１０〜１５μｍ程度に薄くして、発生した電子が最短距
離で表面のポテンシャル井戸に到達できるように加工し
ている。このように光入射面を薄形化すれば、図４に示
すようなポテンシャルプロファイルが得られる。図の左
側が裏面、右側が上面を表している。同図に示すような
ポテンシャルが形成できれば、光電子は効率よくＣＣＤ
ポテンシャル井戸に到達できる。

【００１２】このように製造された裏面照射型ＣＣＤ１
００は、２００ｎｍ程度の短波長光まで感度があり、更
に電子衝撃型ＣＣＤ撮像デバイスにも応用される。この
デバイスは電子衝撃により生じる信号電荷の増倍作用に
利用できるので、高感度撮像デバイスとして期待され
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、Ｐ／Ｐ⁺ 型
ウエファを用いた従来の裏面照射型ＣＣＤ１００は、図
３（ｅ）の工程に示すように、エッチングした部分とエ
ッチングしない部分の境界では、エッチングする中心部
に比べて、エッチャントの回り込みなどでエッチングが
早く進み易く、スパイク状に膜厚が薄くなってしまう。
この例では、４００μｍのウエファを残り２０μｍ迄エ
ッチングしたが、その結果、実に１５μｍのスパイク状
の窪みが生じた。

【００１４】ここで、ＵＶ光、軟Ｘ線、電子線（１０ｋ
ｅＶ）など非常に吸収係数が大きいエネルギー線が裏面
受光部に照射すると、これらはおよそ入射面から１μｍ
以内でほとんど吸収され、光電荷に変換される。そし
て、受光部の周辺付近のシリコン膜厚が薄い部分では、
変換された光電荷が表面にあるＣＣＤポテンシャル井戸
に到達するためには、短い距離の移動で足りる。これに
対して、受光部中央付近のシリコン膜厚が厚い部分で
は、変換された光電荷が表面にあるＣＣＤポテンシャル
井戸に到達するためには、長距離の移動が必要となる。

【００１５】このように膜厚のユニフォミティーが悪い
裏面照射型ＣＣＤ１００を用いたＵＶセンサーでは、シ
リコン膜厚が厚い中央部でも充分にＵＶ感度が得られる
ように中央部のシリコン膜厚を２０μｍに設定したとす
ると、周辺の膜厚は５μｍとなってしまい、機械的な強
度が全く得られないものになってしまう。

【００１６】逆に機械的な強度を持たせようと、周辺部
を２０μｍのシリコン膜厚になるように設定したとする
と、受光部の中央部は３５μｍとなり、中央部でのＵＶ
感度が非常に乏しいものとなってしまう。

【００１７】この様に不均一な膜厚の裏面照射型ＣＣＤ
１００では、第１に吸収係数が大きいエネルギー線入射
に対する感度のユニフォミティーが得られず、第２に機
械的な強度と感度の両立が非常に困難であるという点で
問題であった。

【００１８】本発明は、このような問題を解決すること
を目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体エネルギー検出器の製造方法は、Ｎ
型のシリコンサブストレイトの上面にＰ⁺ 型の高不純物
層を形成する第１の工程と、高不純物層の上面にＰ型の
不純物層をエピタキシャル成長させる第２の工程と、不
純物層の上面に電荷読出部を形成する第３の工程と、シ
リコンサブストレイトの裏面を化学エッチングにより除
去してエッチング面をエネルギー入射部とする第４の工
程とを備える。

【００２０】

【作用】本発明の半導体エネルギー検出器の製造方法に
よれば、第４の工程でシリコンサブストレイトの裏面を
化学エッチングにより除去する際に、第２の工程で形成
した高不純物層がエッチングストッパとなり、エッチン
グ面は平坦になる。このエッチング面がエネルギー入射
部として用いられるので、エネルギー入射部のどの部分
にエネルギー線が入射しても、エネルギー入射部で発生
した電子が電荷読出部に到達する距離は等しくなる。こ
のため、エネルギー線入射に対する感度のユニフォミテ
ィーが向上する。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の一実施例について添付図面を
参照して説明する。

【００２２】図１は、本実施例に係る裏面照射型ＣＣＤ
１０の製造方法を示す工程断面図である。まず、Ｎ型サ
ブストレイトであるシリコン基板１１の上面にＰ⁺ 型埋
め込み層１２を形成し、Ｐ⁺ 型埋め込み層１２の上面に
Ｐ型エピタキシャル層１３を形成する（図１（ａ））。
Ｐ⁺ 型埋め込み層１２の不純物濃度は、アルカリ系エッ
チャントのエッチングストッパーとして有効な１×１０
¹⁹ｃｍ^-3以上が望ましい。また、Ｐ型エピタキシャル層
１３の不純物濃度は、ＣＣＤの性能に適した所望の値と
する。

【００２３】Ｐ⁺ 型埋め込み層１２とＰ型エピタキシャ
ル層１３の厚さの和は、１０〜２０μｍ程度が望まし
い。これは、後の工程でシリコン基板１１の入射領域は
完全に除去されるので、Ｐ⁺ 型埋め込み層１２とＰ型エ
ピタキシャル層１３の厚さの和が最終的な裏面受光面か
ら表面ＣＣＤまでの距離になる。この距離が長すぎる
と、途中で信号電荷は再結合して失われ量子効率を低下
させるので、上述した１０〜２０μｍが適当な距離にな
る。

【００２４】次に、Ｐ型エピタキシャル層１３上に、転
送電極およびアルミニウム配線からなる電荷読出部１４
を形成する（図１（ｂ））。シリコン基板１１をまず薄
形化してその後に電荷読出部１４を形成する手順も考え
られるが、薄形化した膜の部分に写真食刻法を用いるの
は困難であり、又電荷読出部１４形成プロセス中に薄形
化した部分が割れる事態も考えられる。つまり、薄形化
する前にできる限り多くの電荷読出部１４形成プロセス
を終了させておくのは、歩留りを低下させないために当
然行われる手法である。

【００２５】次に、シリコン基板１１の裏面および電荷
読出部１４を含むＰ型エピタキシャル層１３の上面に、
シリコン窒化膜１５を堆積させる。そして受光面にあた
る部分、すなわち薄形化したいシリコン基板１１裏面の
入射面のシリコン窒化膜１５を除去する（図１
（ｃ））。

【００２６】次に、ウエファをアルカリエッチャントに
浸してシリコン基板１１裏面を除去する（図１
（ｄ））。除去後に露出したＰ⁺ 型埋め込み層１２は、
エネルギー入射部１６として機能する。アルカリエッチ
ャントとしては、例えば８規定ＫＯＨ：Ｈ₂ Ｏ：イソプ
ロピルアルコール＝９５０ｍｌ：１１５０ｍｌ：７００
ｍｌの組成のものが用いられる。ここでエッチング対象
のシリコン基板１１はＮ型なのでエッチングは均一に進
行する。またアルカリエッチング液に対して、Ｐ⁺ 不純
物層は、エッチング速度が非常に遅く、したがって、Ｐ
⁺ 型埋め込み層１２を残してエッチングを終了させるこ
とは容易である。エネルギー入射部１６であるＰ⁺ 型埋
め込み層１２は、アキュームレーションの代わりとして
働くので、従来技術のように、薄型化後新たにアキュー
ムレーションプロセスを行う必要がない。このエッチン
グ処理終了後シリコン窒化膜１５を除去して、裏面照射
型ＣＣＤ１０が完成する（図１（ｅ））。

【００２７】ここで、アルカリ系のエッチャントの使用
後に、酸系のエッチャントを併せて使用することも考え
られる。使用する酸系エッチャントとしては、例えばＨ
Ｆ：ＨＮＯ₃ ：ＣＨ₃ ＣＯＯＨ＝１：３：８である。こ
のエッチャントの特長は、１０¹⁸ｃｍ^-3以下の不純物濃
度のＰ⁺ 層、Ｐ層がほとんどエッチングされないことで
ある。

【００２８】アルカリエッチャントだけでエッチングを
行った場合、１０¹⁹ｃｍ^-3以上のＰ⁺ 層がエッチングさ
れないで残るが、その時、必ずしもエッチング面である
エネルギー入射面の不純物濃度が一番高くなるとは限ら
ない。そうした場合、図４に示したようなポテンシャル
が形成されず、思ったほどの感度が得られないという結
果になることがあった。

【００２９】しかし、アルカリエッチング後に酸エッチ
ングを併せて行うことにより、アルカリエッチングで一
旦、１０¹⁹ｃｍ^-3以上のＰ⁺ 層が残った状態でエッチン
グが止まり、続く酸エッチングで１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＰ
⁺ 層は除去されるので、アルカリエッチング終了時点で
存在するかも知れない表面より深いところにある不純物
のピーク層は、続く酸エッチングで完全に除去されるこ
とになる。

【００３０】このようなプロセスを経れば、エネルギー
線入射面表面が、一番不純物濃度が高濃度になり、図４
のようなポテンシャルプロファイルが形成され、高濃度
が得られるようになる。アルカリ、酸エッチング併用の
場合、薄形化後の入射面の厚さの均一性は、アルカリエ
ッチャントだけでエッチングしたのと同様、優れたもの
である。

【００３１】このような工程を経て完成した裏面照射型
ＣＣＤ１０は、次のような利点がある。

【００３２】第１はアルカリエッチャントを使用するの
で、Ｐ⁺ 型埋め込み層１２はエッチングのストッパーと
して働き、エッチング厚のコントロールが非常に行い易
くことである。特にＰ⁺ 型埋め込み層１２の濃度を１０
¹⁹ｃｍ^-3とした場合に効果が大きい。

【００３３】第２にＰ⁺ 型埋め込み層１２を残した状態
でエッチングを終了することによって、このＰ⁺ 型埋め
込み層１２がアキュームレーションの代わりとして働く
ことである。即ちＰ⁺ 型埋め込み層１２がエネルギー入
射部１６として機能することによって信号電荷である電
子に対するポテンシャルが向上し、エネルギー入射部１
６付近で生じた信号電荷（電子）は、バルク中に押しや
られ、表面ＣＣＤのポテンシャル井戸に到達し易くな
る。アキュームレーションを行う必要がないので、プロ
セスは非常に簡略化され、エッチング後は組み立て作業
を行うのみとなる。

【００３４】次に、本実施例の特徴である図１（ｄ）の
エッチング工程について説明する。従来の製造方法で
は、酸エッチャント、アルカリエッチャントのいずれを
用いた場合にも、次の問題があった。

【００３５】まず、硝酸リッチの酸エッチャントの場
合、弗酸による溶解律速でエッチングが進む。溶解律速
のエッチャントを使用する理由は、エッチング面である
受光面に細かな凹凸を生じさせないためである。しか
し、溶解律速のエッチャントは、エッチャントの攪拌で
エッチングスピードが左右され易く、従ってエッチャン
トの攪拌を充分に行い、常に新しいエッチャントをエッ
チング面に当てないと膜厚が著しく不均一になる。しか
もどんなに撹拌を行っても、エッチングしている部分と
エッチングしていない部分の境界でエッチャントの回り
込みが生じ、膜厚が不均一になることは避けられない。
シリコン膜厚にばらつきがあると、裏面入射面から表面
に形成されているＣＣＤのポテンシャル井戸までの距離
が入射位置によって異なるので、特に吸収係数が大きい
照射、例えば紫外線、軟Ｘ線、電子線に対して著しく感
度がばらつくことになる。

【００３６】次に、アルカリエッチャントを用いる場
合、エッチャントは７８度に加熱し、ウエファは自公転
するように回転させ、エッチャントを良く撹拌しなけれ
ばならない。撹拌が不十分な場合にエッチング面の荒れ
や膜厚の不均一が生じるのは、酸系のエッチャントの場
合と同じである。エッチング面の荒れや膜厚の不均一は
前述したように、感度の不均一につながる。

【００３７】本実施例では、Ｐ⁺ 型埋め込み層１２がエ
ッチングのストッパーとして働くので、このようなエッ
チングの問題は発生せず、エッチング面は常に平坦にな
る。また、アルカリエッチング後に併せて酸エッチング
を行う場合も、１０¹⁸ｃｍ^-3以下のＰ⁺ 層がエッチング
ストッパ−として働くので、同様の効果が得られる。

【００３８】次に、Ｐ型ウエファとＮ型ウエファをエッ
チングしたときの、ユニフォミティーの違いの実験結果
を図２に示す。Ｐ型ウエファ、Ｎ型ウエファ共に１０Ω
−ｃｍ、４００μｍ厚であり、前述のアルカリエッチャ
ントで、３８０μｍエッチングしたときの膜厚のユニフ
ォミティーである。横軸の単位はμｍ、縦軸の単位はオ
ングストロームである。図２（ｂ）はＰ型であるが、エ
ッジではエッチングが速く進み、従って残り厚は薄く、
中央の厚いところと比較して約１３μｍも薄くなってい
る。

【００３９】一方、図２（ｃ）は、Ｎ型ウエファの場合
である。エッチング条件はＰ型と全く同一だが、中央の
部分とエッジの部分で膜厚ほぼ等しい。このことより、
膜厚のユニフォミティーは非常に良好であることがわか
る。

【００４０】以上のように、Ｐ⁺ 層があるウエファを用
いることで、Ｐ⁺ 層をアキュームレーションとして用い
ると共に、エッチングのストッパーとして使用でき、入
射面の膜厚の均一性を良くできる。この時、エッチング
する層がＰ型の場合、エッチングスパイクが生じるが、
Ｐ⁺ 層というストッパーのおかげでスパイクはかなり小
さくなる。しかし、エッチングスパイクがなくなるとこ
ろまでは行かず、問題であった。

【００４１】そこで、本実施例で示したＰＰ⁺ ／Ｎ型ウ
エファを用い、Ｎ型層をエッチング層にすることで、エ
ッチング自体で生じるスパイクは全く無くなり、膜厚の
ユニフォミティーを良好にできる。むろんこの時、Ｐ⁺
層は、エッチングのストッパーとして作用し、薄形化時
に生じる小さな凹凸を除去することができる。さらにこ
のＰ⁺ 層は、アキュームレーション層としても使用され
る。

【００４２】

【発明の効果】本発明の半導体エネルギー検出器の製造
方法であれば、シリコンサブストレイトの裏面を化学エ
ッチングにより除去する際に、高不純物層がエッチング
ストッパとなるため、エッチング面を平坦にできる。こ
のエッチング面がエネルギー入射部として用いられるの
で、エネルギー線入射に対する感度のユニフォミティー
が向上する。

【００４３】特に、紫外線、軟Ｘ線、電子線などの吸収
係数が大きいエネルギー線の照射、またはゲート酸化膜
に悪影響を及ぼす高エネルギー線の入射に対して高い感
度を持った半導体エネルギー検出器を製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る裏面照射型ＣＣＤの製造方法を
示す工程断面図である。

【図２】Ｐ型ウエファとＮ型ウエファのエッチング面の
ユニフォミティーの違い示す図である。

【図３】従来の裏面照射型ＣＣＤの製造方法を示す工程
断面図である。

【図４】従来の裏面照射型ＣＣＤのポテンシャルファイ
ルを示す図である。

【符号の説明】

１０…裏面照射型ＣＣＤ、１１…シリコン基板、１２…
Ｐ⁺ 型埋め込み層、１３…Ｐ型エピタキシャル層、１４
…電荷読出部、１５…シリコン窒化膜、１６…エネルギ
ー入射部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エネルギー線を裏面から入射して、その
   エネルギー量を検出する半導体エネルギー検出器の製造
   方法において、 Ｎ型のシリコンサブストレイトの上面にＰ⁺ 型の高不純
   物層を形成する第１の工程と、 前記高不純物層の上面にＰ型の不純物層をエピタキシャ
   ル成長させる第２の工程と、 前記不純物層の上面に電荷読出部を形成する第３の工程
   と、 前記シリコンサブストレイトの裏面を化学エッチングに
   より除去してエッチング面をエネルギー入射部とする第
   ４の工程とを備えることを特徴とする半導体エネルギー
   検出器の製造方法。