JPWO2016063594A1 - 受光器、携帯型電子機器、及び受光器の製造方法 - Google Patents

受光器、携帯型電子機器、及び受光器の製造方法 Download PDF

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Abstract

紫外線領域の感度ばらつきの低減と可視光領域及び赤外光領域のノイズ低減とを実現し得る受光器、携帯型電子機器、及び受光器の製造方法を提供する。受光器（１）の第１受光素子（ＰＤ１）及び第２受光素子（ＰＤ２）は、第１導電型のＰ型基板（Ｐ＿ｓｕｂ）上に第２導電型のＮ型ウェル層（Ｎ＿ｗｅｌｌ）が形成され、Ｎ型ウェル層（Ｎ＿ｗｅｌｌ）内に第１導電型のＰ型ウェル層（Ｐ＿ｗｅｌｌ）が形成され、Ｐ型ウェル層（Ｐ＿ｗｅｌｌ）内に第２導電型のＮ型拡散層（Ｎ）がそれぞれ形成されてなっている。Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂとＮ型ウェル層（Ｎ＿ｗｅｌｌ）とＰ型ウェル層（Ｐ＿ｗｅｌｌ）とは、電気的に同電位又は短絡されている。

Description

本発明は、受光器、携帯型電子機器、及び受光器の製造方法に関するものであり、より詳しくは、紫外線センサとして用いられる受光器及びそれを用いた携帯型電子機器、並びに受光器の製造方法に関する。
近年、冷蔵庫、クーラー等で使用されてきたフロンや塩素を含む化学物質が大気中に排出されたことによるオゾン層の破壊が進み、地上に降り注ぐ紫外線量が増加している。紫外線は波長が短いが故に光エネルギーが高く、肌等に対してダメージを与える。
紫外線は波長によって、ＵＶＡ（３１５〜４００ｎｍ）、ＵＶＢ（２８０〜３１５ｎｍ）及びＵＶＣ（１００〜２８０ｎｍ）に分類される。紫外線の中で最も波長が短いＵＶＣは、様々な物質による吸収が著しく、地上まで到達することは殆どない。しかし、次に波長の短いＵＶＢは、人間の肌の表皮層に作用して色素細胞によるメラニン色素の生成を促進するため、日焼けの原因になり、程度が酷いと色素細胞がガン化する恐れがある。また、波長が最も長いＵＶＡは上記ＵＶＢで生成されたメラニン色素を酸化して褐色に変色させる。
このように、紫外線は人間の健康や環境への影響が大きく、さらに、上述の通りオゾン層の破壊によって地上に降り注ぐ紫外線量が増加しているため、日常生活においてスマートフォンや簡易測量計等にて紫外線量を検知する要望が高まっている。いずれの方式で検知する場合でも、紫外線に対して高感度な光電変換素子が必要となる。
上記紫外線量を検知する従来の受光器である光センサの基本構造を、図１２に基づいて説明する。
図１２に示すように、光センサ１００には、例えば、互いに同じ構造の第１受光素子１１０と第２受光素子１２０とが形成されており、第１受光素子１１０上にのみ、紫外領域の波長の光をカットするフィルタ１４０が形成されている。より詳細には、Ｐ型半導体基板１０１には、第１受光素子１１０及び第２受光素子１２０として、接合深さが深いＮ型拡散層１１１・１２１と、接合深さが上記Ｎ型拡散層１１１・１２１よりも浅いＰ型拡散層１１２・１２２とが順次形成される。また、その上に、絶縁膜１３２と１層目配線層１３７とが順次形成され、同様に、絶縁膜１３３と２層目配線層１３８、絶縁膜１３４と３層目配線層１３９、及び絶縁膜１３５が形成される。さらに、第１受光素子１１０上には、特定の光である例えば３００−４００ｎｍ等の紫外領域の光をカットするフィルタ１４０が形成される。
上記光センサ１００の拡散構造の場合、Ｐ型半導体基板１０１とＮ型拡散層１１１・１２１とで構成されるＰＮ接合からなるフォトダイオードと、Ｎ型拡散層１１１・１２１と拡散層１１２・１２２との間で構成されるＰＮ接合からなるフォトダイオードとの２つのフォトダイオードで光を吸収する。このため、第２受光素子感度は、図１３の（ｂ）に示すように、シリコン基板からなるＰ型半導体基板１０１の深い領域まで到達した光による光キャリアまで光電変換可能であるので、長波長領域（５５０−１１５０ｎｍ）の感度が高い。
一方、特定の光をカットするフィルタ１４０（例えば、３００−４００ｎｍの光をカットするフィルタ）を形成した第１受光素子１１０は、図１３の（ａ）に示す第１受光素子感度のような分光感度を持っている。
図１３の（ｂ）に示す第２受光素子１２０の出力から第１受光素子１１０の出力の差分を取ると、図１３の（ｃ）に示すように、紫外感度の出力が得られる。
日本国公開特許公報「特開２０１３−１９７２４３号公報（２０１３年９月３０日公開）」 日本国公開特許公報「特開平１０−８４１０２号公報（１９９８年３月３１日公開）」
しかしながら、上記従来の受光器では、以下の問題点を有している。
まず、図１２に示す従来の光センサ１００では、フォトダイオードの構造を２重拡散構造とし、ＵＶカットフィルタ１４０を搭載した第１受光素子１１０の出力と、ＵＶカットフィルタ１４０を搭載しない第２受光素子１２０の出力との差分方式によって演算する。
この場合、図１３の（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、フォトダイオードの可視光領域及び赤外光領域の感度が高く、その影響で可視光領域及び赤外光領域のノイズが大きい。
ここで、第１受光素子１１０及び第２受光素子１２０における可視光領域及び赤外光領域である４００−１１５０ｎｍのそれぞれの感度は、単に演算され差分でなくなるだけである。このため、図１３の（ａ）（ｂ）に示す４００−１１５０ｎｍのそれぞれの感度は、本来不要な分光感度と考えることができる。
この可視光領域及び赤外光領域のノイズが大きくなる原因は、以下の現象によるものと考えられる。
特定の光をカットする干渉膜であるＵＶカットフィルタ１４０を形成した第１受光素子１１０では、酸化膜上に干渉膜フィルタを形成しているため、各波長での反射／透過特性が干渉膜フィルタを形成していない第２受光素子１２０と異なっている。この結果、図１３の（ａ）（ｂ）に示すように、第１受光素子感度と第２受光素子感度とにおいて、５００−１０００ｎｍ領域で起こっているぎざぎざとした分光感度がこの反射に相当するが、同じ波形にならない。
このように、これら２つの受光素子感度を演算すると、どうしても図１２（ｃ）に示す演算後の受光素子感度のように、５００−１０００ｎｍの領域でギザギザとしたノイズが残ってしまう。このノイズが主信号である３００−４００ｎｍの信号に重なってしまうため正確な演算を行うことができなかった。
特に、図１２に示す光センサ１００の受光部の構造では、Ｐ型半導体基板１０１とＮ型拡散層１１１とで構成されるＰＮ接合からなるフォトダイオード、及びＮ型拡散層１１１とＰ型拡散層１１２との間で構成されるＰＮ接合からなるフォトダイオードとの２つのフォトダイオードで光を吸収する。このため、図１３の（ｂ）に示す第２受光素子感度で示すように、シリコン基板の深い領域まで到達した光による光キャリアまで光電変換可能であるので、長波長領域（５５０−１１５０ｎｍ）の感度が高い。この結果、５００−１０００ｎｍのノイズが大きくなってしまう。
すなわち、ＵＶカットフィルタを形成した受光素子感度と形成しない受光素子感度とは、感度リンギングに違いがあり、可視領域に無視できない誤差を含んでいる。それゆえ、リンギングが発生しているフォトダイオード出力の引き算にて紫外線強度を検出することによって、誤差の大きい感度となってしまうという問題を有していた。
この問題を解決するために、例えば、特許文献１に開示された光センサが知られている。
上記特許文献１に開示された光センサは、例えば、ＵＶ感度の高い第１のフォトダイオードと、ＵＶ感度の低い第２のフォトダイオードと、上記第１のフォトダイオードにＵＶカットフィルタを搭載した第３のフォトダイオードと、上記第２のフォトダイオードにＵＶカットフィルタを搭載した第４のフォトダイオードとを使用している。そして、（第１のフォトダイオード出力−第３のフォトダイオードの出力）−（第２のフォトダイオード出力−第４のフォトダイオードの出力）を演算する出力回路を備えている。
しかしながら、特許文献１に開示された光センサの構造においても、ＵＶ光以外の光が透過するとＵＶカットフィルタ表面とＵＶカットフィルタ下部とで反射率が干渉するため、ＵＶ光以外の光が透過すると感度ズレの影響で精度良く特定の光感度を検出することができないという問題を有している。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、紫外線領域の感度ばらつきの低減と可視光領域及び赤外光領域のノイズ低減とを実現し得る受光器、携帯型電子機器、及び受光器の製造方法を提供することにある。
本発明の一態様における受光器は、上記の課題を解決するために、第１受光素子と、上記第１受光素子と同構造の第２受光素子と、上記第１受光素子上に形成された紫外領域の波長をカットするフィルタと、上記第１受光素子及び第２受光素子からの出力を演算することによって上記紫外領域の波長の出力のみを出力する受光器において、上記第１受光素子及び第２受光素子は、第１導電型の半導体基板上に第２導電型の第１拡散層が形成され、上記第１拡散層内に第１導電型の第２拡散層が形成され、上記第２拡散層内に第２導電型の第３拡散層がそれぞれ形成されてなっていると共に、上記半導体基板と上記第１拡散層と第２拡散層とが電気的に同電位又は短絡されていることを特徴としている。
本発明の一態様における携帯型電子機器は、上記の課題を解決するために、前記記載の受光器を備えていることを特徴としている。
本発明の一態様における受光器の製造方法は、上記の課題を解決するために、前記記載の受光器の製造方法であって、紫外領域の波長をカットするフィルタを形成する場合に、前記第１受光素子上及び第２受光素子上にリフトオフ用レジストをパターニングする工程と、上記パターニングされた両リフトオフ用レジスト上を含めて上側から干渉膜を成膜する工程と、リフトオフにより、干渉膜が存在する第１受光素子と、干渉膜が存在しない第２受光素子とを互いに隣接するようにして同時に形成する工程とを含むことを特徴としている。
本発明の一態様によれば、紫外線領域の感度ばらつきの低減と可視光領域及び赤外光領域のノイズ低減とを実現し得る受光器、携帯型電子機器、及び受光器の製造方法を提供するという効果を奏する。
本発明の実施形態１における受光器の受光部の構成を示す断面図である。 上記受光器の構成を示すブロック図である。 上記受光器における受光部の構成を示す平面図である。 上記受光部におけるガラス基板上の干渉膜の可視領域、赤外領域の透過率測定結果を示すグラフである。 （ａ）はリフトオフ技術を用いたＵＶカットフィルタの製造方法を示すものであって、フォトダイオード上レジストパターニング工程を示す断面図であり、（ｂ）は干渉膜積層スパッタ工程を示す断面図であり、（ｃ）はレジスト剥離工程を示す断面図である。 上記受光部におけるＵＶカットフィルタの分光透過率特性を示すグラフである。 （ａ）は上記受光部の第１受光素子感度を示すグラフであり、（ｂ）は上記受光部の第２受光素子感度を示すグラフであり、（ｃ）は上記受光部の紫外線感度（第２受光素子感度−第１受光素子感度）を示すグラフである。 本発明の実施形態２における受光器の受光部の構成を示す断面図である。 上記受光部における紫外線領域での反射率のシリコン酸化膜厚依存性を示すグラフである。 上記受光部における紫外線領域での反射率のシリコン窒化膜厚依存性を示すグラフである。 上記受光部におけるシリコン窒化膜の屈折率（ｎ）及び消衰係数（ｋ）の波長依存性を示すグラフである。 従来の受光部の構成を示す断面図である。 （ａ）は上記従来の受光部の第１受光素子感度を示すグラフであり、（ｂ）は上記従来の受光部の第２受光素子感度を示すグラフであり、（ｃ）は上記従来の受光部の紫外感度（第２受光素子感度−第１受光素子感度）を示すグラフである。
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
本実施の形態の受光器１について、図１〜３に基づいて説明する。図１は、本実施の形態の受光器１における受光部１０Ａの構成を示す断面図である。図２は、本実施の形態の受光器１の構成を示すブロック図である。図３は、上記受光器１における受光部１０Ａの構成を示す平面図である。
本実施の形態の受光器１は、図２に示すように、光が入射することによって光電流を流す受光部１０Ａと、光電流に基づいて光の強度を検出するセンサ回路部２０とを備えた光センサである。受光器１は、光電変換機器としてのスマートフォン等の携帯型電子機器に搭載することができる。以下、構成部品毎に説明する。
＜受光部＞
本実施の形態における受光器１に備えられた受光部１０Ａは、図３に示すように、平面視において互いに隣接して配置された第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２を備えた光電変換素子にてなっている。図２に示すように、第１受光素子ＰＤ１は、入射した光の強度に応じて光電流Ｉｉｎ１を流し、第２受光素子ＰＤ２は、入射した光の強度に応じて光電流Ｉｉｎ２を流す。
上記受光部１０Ａの具体的構成について、図１に示す受光部１０Ａの断面図に基づいて説明する。
受光部１０Ａは、図１に示すように、第１受光素子ＰＤ１と、第２受光素子ＰＤ２と、第１受光素子ＰＤ１の上部に設けられたＵＶカットフィルタ１１（紫外線カットフィルタ）とを備えている。これにより、第１受光素子ＰＤ１には、ＵＶカットフィルタ１１を透過した光が入射する。
第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２は同じ断面構造を有している。具体的には、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂの内部に形成されたＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌと、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ上に形成されたＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌと、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌ上に形成されたＮ型拡散層Ｎとをそれぞれ備えている。
Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂ、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ及びＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌは、接地（ＧＮＤ）されている。
すなわち、第１受光素子ＰＤ１及び第の受光素子ＰＤ２は、半導体基板であるＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂの内部にそれぞれ少なくとも３重の拡散層によって構成されており、第１導電型の基板としてのＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂに第２導電型の第１拡散層としてのＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌを形成し、上記第１拡散層内に第１導電型の第２拡散層としてのＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌを形成し、上記第２拡散層内に第２導電型の第３拡散層としてのＮ型拡散層Ｎが生成されており、半導体基板と第１拡散層と第２拡散層とが電気的に同電位又は短絡されている光電変換素子となっている。
Ｎ型拡散層Ｎは、グランドよりも高い電位である出力端子ＯＵＴに接続されている。
第１受光素子ＰＤ１は、３つのＰＮ接合を有している。具体的には、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂとＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌとのＰＮ接合により構成されたフォトダイオードＰＤ１＿ｉｒと、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌとＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌとのＰＮ接合により構成されたフォトダイオードＰＤ１＿ｖｉｓと、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌとＮ型拡散層ＮとのＰＮ接合により構成されたフォトダイオードＰＤ１＿ｕｖとを備えている。
また、第２受光素子ＰＤ２は、３つのＰＮ接合を有しており、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂとＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌとのＰＮ接合により構成されたフォトダイオードＰＤ２＿ｉｒと、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌとＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌとのＰＮ接合により構成されたフォトダイオードＰＤ２＿ｖｉｓと、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌとＮ型拡散層ＮとのＰＮ接合により構成されたフォトダイオードＰＤ２＿ｕｖとを備えている。
すなわち、第１受光素子ＰＤ１と第２受光素子ＰＤ２とは、接合深さが同じである紫外感度に優れたフォトダイオードを使用している。
上記Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂの上面には、後述するように、遮光膜１６ａ・１６ｂ・１６ｃとこれらの層間に絶縁膜１３ａ・１３ｂ・１３ｃ・１３ｄとが形成されていると共に、最上の絶縁膜１３ｄの上面には、保護膜１２が設けられている。この保護膜１２は、外部からの化学的、物理的及び光学的な影響からウェハに備えられた半導体回路等を保護するものである。
詳述すると、一般的に、半導体デバイスの表面には、最終保護膜（パッシベーション膜）として、例えばモノシランガス（ＳｉＨ４ガス）、アンモニアガス（ＮＨ３ガス）等を原料ガスとしたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によってシリコン窒化膜を堆積させる。このパッシベーション膜として使用されるシリコン窒化膜は、半導体デバイスの多層配線構造中で、最上層に形成された配線上にＣＶＤ法によって堆積されたシリコン酸化膜上に、重ねて堆積されるのが一般的である。
シリコン窒化膜は、下地絶縁膜となるシリコン酸化膜との密着性に優れていると共に、膜組成が緻密であるので、半導体回路への水分の浸入を防止する保護膜１２としての機能を果たすものとなっている。
ここで、本実施の形態では、第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２の上側には、遮光膜１６ａ・１６ｂ・１６ｃが形成されていない状態となっていると共に、遮光膜１６ａ・１６ｂ・１６ｃを形成するときに、第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２の受光面以外の領域には遮光膜１６ａ・１６ｂ・１６ｃと同じ材質からなる多層配線を同時に形成している。これにより、遮光膜１６ａ・１６ｂ・１６ｃ及び多層配線にて、受光面以外の領域を遮光することができると共に、外部からの光がＮ型拡散層Ｎに入射する。
一方、保護膜１２についても、受光面を開口とするために除去しておく方が望ましい。これにより、フォトダイオード上の無機材料膜は、シリコン酸化膜単一となり、フォトダイオード上での光反射を抑えるのに効果がある。詳述すると、シリコン酸化膜の屈折率は１．４４〜１．４６であり、保護膜１２であるシリコン窒化膜の屈折率は２．０３〜２．１０である。このため、フォトダイオード上に違う屈折率の膜が積層されると、光反射が発生する虞がある。また、保護膜１２の膜厚がばらつくことにより光反射率がばらつくので、フォトダイオード感度のばらつき要因になる虞がある。
次に、本実施の形態では、第１受光素子ＰＤ１の上面に、紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１が形成されている。ＵＶカットフィルタ１１は、紫外線の波長領域（波長４００ｎｍ以下）の光の透過率が、該紫外線の波長領域外の光の透過率よりも低い光学フィルタである。ＵＶカットフィルタ１１は、紫外線の波長領域の光を遮断するものであることが好ましい。
＜センサ回路部＞
本実施の形態における受光器１に備えられた受光部１０Ａでは、図２に示すように、センサ回路部２０は、Ａ／ＤコンバーターＡＤＣ１と、Ａ／ＤコンバーターＡＤＣ２と、減算器２１（演算部）とを備えている。
Ａ／ＤコンバーターＡＤＣ１は、第１受光素子ＰＤ１に接続されており、光電流Ｉｉｎ１をデジタル信号に変換してデジタル出力値ＡＤＣＯＵＮＴ１を出力する。デジタル出力値ＡＤＣＯＵＮＴ１は、第１受光素子ＰＤ１に入射した光の強度に対応する。
Ａ／ＤコンバーターＡＤＣ２は、第２受光素子ＰＤ２に接続されており、光電流Ｉｉｎ２をデジタル信号に変換してデジタル出力値ＡＤＣＯＵＮＴ２を出力する。デジタル出力値ＡＤＣＯＵＮＴ２は、第２受光素子ＰＤ２に入射した光の強度に対応する。
減算器２１は、デジタル出力値ＡＤＣＯＵＮＴ２とデジタル出力値ＡＤＣＯＵＮＴ１との差分（ＡＤＣＯＵＮＴ２−ＡＤＣＯＵＮＴ１）を算出して出力する。上記差分は、第２受光素子ＰＤ２に入射した光の強度から、第１受光素子ＰＤ１に入射した光の強度を差し引いたものとなる。
＜受光部の製造方法＞
次に、上記構成の受光器１における受光部１０Ａの製造方法について説明する。
図１に示すように、まず、比較的低濃度（例えば、１×１０１５ｃｍ−３程度）のシリコン（Ｓｉ）からなるＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂの上面に、５μｍ程度の厚みを有する、厚みの大きいレジストを全面に形成する。次に、フォトリソグラフィー技術等を用いて、第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２が形成される領域上のレジストを除去する。そして、上記レジストをマスクとして、加速エネルギー３ＭｅＶ、注入量１×１０１３ｃｍ−２の条件で、Ｎ型不純物としてのリンイオンをＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂにイオン注入する。このとき、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂの表面から約２．５μｍの深さまでリン不純物を導入する。
ここで、通常用いられる１μｍ程度の厚みを有するレジストに対して、約５倍もの厚みを有するレジストを形成しているのは、リンイオンの注入エネルギーが非常に高い条件を用いているため、レジストを通してＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂにリンイオンが到達し、注入領域以外の注入しない領域にまでリンイオンが注入されてしまうのを防止するためである。
その後、レジストを酸素プラズマで除去する。そして、洗浄工程を行った後、１１００℃にて半日程度（約１２時間）の高温長時間アニール処理を行う。これにより、約７μｍ〜約１０μｍの深さを有するＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌが形成される。
次に、第１フォトダイオードＰＤ１＿ｖｉｓを形成する領域（Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ）に、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌを形成する。このとき同時に、第２フォトダイオードＰＤ２＿ｖｉｓを形成する領域（Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ）にも、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌを形成する。
また、図示は省略するが、フォトダイオード間、信号処理回路内部、及びフォトダイオードと信号処理回路との間等を電気的に絶縁して素子分離を行うための選択酸化膜ＳＴＩを形成する。次に、トランジスタを構成するゲート絶縁膜を形成した後、ポリシリコンを用いたゲート電極を形成し、さらに、トランジスタのソース及びドレインとなる拡散層を形成する。
このソース及びドレインを形成する行程において、高濃度のＰ＋型層、Ｎ＋型層を形成する。この後、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂに、ピーク濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下となる所定の条件でＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌを形成し、同一構造を有する第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２が形成される。
尚、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ及びＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌの不純物濃度や深さは、最終的に形成されるフォトダイオードの感度スペクトルに大きな影響を与えるので、目的とする性能（例えば、感度スペクトル）が得られるように最適化する。
次に、素子が形成されたＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂの上面に絶縁膜１３ａを酸化膜にて形成する。そして、絶縁膜１３ａの所定領域に、コンタクトホールを形成する。
次に、絶縁膜１３ａの上面にメタル層を形成した後、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術等を用いてパターニングすることにより、カソード電極１４ａ・１４ｂ及びアノード電極１５ａ・１５ｂをそれぞれ形成する。同様の工程の繰り返しにより、遮光膜１６ａ・１６ｂ・１６ｃ及びこれらの層間に絶縁膜１３ｂ・１３ｃ・１３ｄを形成し、フォトダイオードの受光領域以外を遮光する。
尚、本実施の形態の製造方法では、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂやＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ等も含めて、表面にて各々独立のカソード電極１４ａ・１４ｂ及びアノード電極１５ａ・１５ｂを形成する。このとき、遮光膜１６ａ・１６ｂ・１６ｃを多層配線として利用することによりＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂ、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌをショートしてＧＮＤ電位とする。ただし、必ずしもこれに限らず、各々独立して電位を変えることが可能に構成してもよい。
上記演算回路部を含む信号処理回路等の上方に、遮光膜１６ａ・１６ｂ・１６ｃと同じ材質からなる多層配線を同時に形成すると共に、第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２の受光面以外の領域にも、遮光膜１６ａ・１６ｂ・１６ｃと同じ材質からなる多層配線を同時に形成する。
その後、絶縁膜１３ｄの上面に、保護膜１２をシリコン窒化膜にて形成した後、第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２上の保護膜１２は開口とするために除去しておく方が望ましい。これにより、フォトダイオード上の無機材料膜は、酸化膜単一となり、フォトダイオード上での光反射のばらつきを抑えるのに効果がある。
最後に、第１受光素子ＰＤ１の上面に、高屈折率膜と低屈折率膜との積層により紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１を形成すると共に、第２受光素子ＰＤ２の上面からは、紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１を除去する。
ここで、紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１の製造方法について、図４及び図５の（ａ）（ｂ）（ｃ）に基づいて説明する。図４は、受光部１０Ａにおけるガラス基板上の干渉膜の可視領域及び赤外領域の透過率測定結果を示すグラフである。図５の（ａ）は、リフトオフ技術を用いたＵＶカットフィルタ１１の製造方法を示すものであって、フォトダイオード上のレジストパターニング工程を示す断面図である。図５の（ｂ）は干渉膜積層スパッタ工程を示す断面図である。図５の（ｃ）は、レジスト剥離工程を示す断面図である。尚、本実施の形態では、リフトオフレジストとして、ノボラック樹脂系のポジ型フォトレジストを用いる。
まず、本実施の形態の受光器１の製造方法では、ＵＶカットフィルタ１１を選択的に形成する場合に、リフトオフ技術を用いている。
最初に、リフトオフ技術について、一般論を簡単に説明する。通常、蒸着やスパッタリングで作った膜は、後でエッチングによってパターニングする。しかし、マスク蒸着やリフトオフという手法を使えば、エッチング・プロセスなしでパターンを直接形成することができる。マスク蒸着は、ステンシル・マスクという穴の開いた金属の板を通して蒸着することにより、基板上に直接、パターンを作る。ＭＥＭＳの場合、最後の工程で電極を付けようとしたとき、基板の表面が立体的に加工されているとフォトリソグラフィーがし難い。このような場合、ステンシル・マスクで電極パターンを付けて終わりにできれば非常に便利である。
一方、リフトオフは、レジストで作ったパターンに金属を蒸着して，後でレジストを取り去ると、レジストがなかった部分にだけ金属のパターンが残るという手法である。ただし、レジストの側壁がすべて金属膜で覆われてしまうと、レジスト剥離液が浸透できないのでレジストが取れなくなる。これを防ぐため，レジストの上部に庇（ひさし）状の突起を付けたり、レジストを逆テーパ型に作ったりする等の工夫をしている。
ところで、紫外領域の波長をカットするフィルタを、リフトオフ用レジストを用いてパターニングを行う場合、そのレジストパターン上に干渉膜をスパッタ法によって成膜し、リフトオフにより干渉膜が有るフォトダイオードと干渉膜がないフォトダイオードを隣接して同時に形成することとなる。
しかしながら、この場合、図４に示すように、ガラス基板上の干渉膜の可視領域、赤外領域の透過率測定結果においては、スパッタ温度の揺らぎによる可視領域、赤外領域での透過域の透過率ばらつきが発生し易くなる問題があった。
この原因は、高温になることによってレジストからの出ガスにより膜中に含まれる出ガス成分の含有量が変わってしまい屈折率が変化してしまうことによって、膜の反射が変化したためと考えられる。
そこで、本実施の形態では、以下の方法により、リフトオフ技術によるＵＶカットフィルタ１１の成膜を実現している。
図５の（ａ）に示すように、まず、第１受光素子ＰＤ１と、該第１受光素子ＰＤ１と同構造の第２受光素子ＰＤ２上に、全面にリフトオフ用のレジストを塗布し、露光、現像を行うフォトリソグラフィー技術を用いてレジストパターニングを行う。
次に、図５の（ｂ）に示すように、干渉膜を全体にスパッタリングする。これにより、第１受光素子ＰＤ１上には紫外領域の波長をカットする干渉膜としてのＵＶカットフィルタ１１が直接付き、第２受光素子ＰＤ２上にはリフトオフレジストを介して、紫外領域の波長をカットする干渉膜が形成される。次に、図５の（ｃ）に示すように、レジスト剥離を行うことによって、レジスト上に形成されていた第２受光素子ＰＤ２上の干渉膜はリフトオフにより除去され、第１の受光素子上にのみＵＶカットフィルタ１１となる干渉膜が残る。
これにより、一般的な半導体材料であるシリコンを含む基板の使用を可能とし、低コストで紫外線領域、特に３００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域において誤差の小さい感度を有する受光部１０Ａを提供することができる。
ここで、上記のＵＶカットフィルタ１１の製造において、本実施の形態では、干渉膜として、高屈折材料と酸化膜との積層膜が使用される。高屈折材料としては例えば五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）や二酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる金属膜が用いられ、低屈折率材料としては二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等の酸化膜が用いられる。具体的には、例えば五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）等の金属膜と酸化膜との積層膜をスパッタ法にて約２０層程度、交互に積層する。
その際のウェハ温度は、９５℃以下になるのが望ましい。この理由は、ウェハ温度が上がるとレジストからの出ガスの発生が大きくなり、ＵＶカット領域の光学特性にばらつきが発生するからである。
そこで、ウェハ温度を９５℃以下に制御するために、スパッタ処理時のＲＦパワーは適切に設定する必要がある。
上記リフトオフ技術によりＵＶカットフィルタ１１が存在する第１受光素子ＰＤ１とＵＶカットフィルタ１１が存在しない第２受光素子ＰＤ２とを隣接して同時に形成することが可能となる。
＜紫外線強度測定＞
次に、受光器１の受光部１０Ａにおける紫外線強度の検出原理について、図６及び図７の（ａ）（ｂ）（ｃ）に基づいて説明する。図６は、上記受光部１０ＡにおけるＵＶカットフィルタ１１の分光透過率特性を示すグラフである。図７の（ａ）は、上記受光部１０Ａの第１受光素子感度を示すグラフである。図７の（ｂ）は、上記受光部１０Ａの第２受光素子感度を示すグラフである。図７の（ｃ）は、上記受光部１０Ａの紫外感度（第２受光素子感度−第１受光素子感度）を示すグラフである。
前述したように、受光器１の受光部１０Ａは、互いに同じ構造の第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２を備えており、第１受光素子ＰＤ１の上側にのみ、紫外領域の波長の光をカットするＵＶカットフィルタ１１が形成されている。このＵＶカットフィルタ１１は、図６に示すように、例えば３００−４００ｎｍ等の紫外領域の光をカットする。
上記受光部１０Ａの拡散構造の場合、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂとＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌとで構成されるＰＮ接合からなるフォトダイオードＰＤ１＿ｉｒ・ＰＤ２＿ｉｒと、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌとＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌとの間で構成されるＰＮ接合からなるフォトダイオードＰＤ１＿ｖｉｓ・ＰＤ２＿ｖｉｓと、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌとＮ型拡散層Ｎとで構成されるＰＮ接合からなるフォトダイオードＰＤ１＿ｕｖ・ＰＤ２＿ｕｖとの３つのフォトダイオードで光を吸収する。
このため、第２受光素子ＰＤ２の第２受光素子感度は、図７の（ｂ）に示す分光感度特性となる。一方、第１受光素子ＰＤ１の上側にはＵＶカットフィルタ１１が設けられているので、第１受光素子ＰＤ１の分光感度特性は、図７の（ａ）に示す分光感度特性となる。
そして、受光器１のセンサ回路部２０において、減算器２１が、デジタル出力値ＡＤＣＯＵＮＴ２とデジタル出力値ＡＤＣＯＵＮＴ１との差分を演算する。減算器２１の演算によって得られた上記差分は、第２受光素子ＰＤ２に入射した光の強度から、第１受光素子ＰＤ１に入射した光の強度を差し引いたものとなる。そのため、受光部１０Ａ全体における分光感度特性は、図７の（ｃ）に示す分光感度特性と見做すことができる。
これにより、受光部１０Ａは、波長が４００ｎｍ以下の紫外線領域のみに感度を持つため、受光器１は、紫外線強度を正確に測定することができる。すなわち、本実施の形態の受光部１０Ａでは、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂと、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌと、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌとが電気的に同電位又は短絡されている。このため、本実施の形態では、図７の（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、第１受光素子感度及び第２受光素子感度の可視光領域及び赤外光領域の感度が小さく、この結果、可視光領域及び赤外光領域のノイズが小さくなっている。
したがって、本実施の形態の受光器１では、紫外線に対する光感度が高く、かつ可視領域及び赤外光領域のノイズの少ない受光器１及び紫外線検出に適した携帯型電子機器を実現することができる。
また、本実施形態の受光器１の製造方法によれば、同じ積層構造を有する第１受光素子ＰＤ１と第２受光素子ＰＤ２とを用いているため、製造工程が容易となり、コストを低減することができる。
尚、本実施の形態の受光器１では、紫外線強度を測定するために、フォトダイオードＰＤ_ｉｒ、フォトダイオードＰＤ_ｖｉｓ、フォトダイオードＰＤ＿ｕｖの３つのＰＮ接合で構成されるフォトダイオードを用いた。しかし、本発明においては、必ずしもこれに限らず、例えば、より少ない数のフォトダイオードを用いて照度を測定することも可能である。
このように、本実施の形態の受光器１は、第１受光素子ＰＤ１と、第１受光素子ＰＤ１と同構造の第２受光素子ＰＤ２と、第１受光素子ＰＤ１上に形成された紫外領域の波長をカットするフィルタとしてのＵＶカットフィルタ１１と、第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２からの出力を演算することによって紫外領域の波長の出力のみを出力する。そして、第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２は、第１導電型の半導体基板としてのＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂ上に第２導電型の第１拡散層としてのＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌが形成され、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ内に第１導電型の第２拡散層としてのＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌが形成され、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌ内に第２導電型の第３拡散層としてのＮ型拡散層Ｎがそれぞれ形成されてなっている。また、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂとＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌとＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌとが電気的に同電位又は短絡されている。
上記の構成によれば、受光器１は、紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１を搭載した第１受光素子ＰＤ１の出力と、紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１を搭載しない第２受光素子ＰＤ２の出力との差分方式によって、紫外領域の波長のみを検出する。
しかしながら、この種の受光器１では、紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１を形成した第１受光素子ＰＤ１では、酸化膜上にＵＶカットフィルタ１１を形成しているため、各波長での反射／透過特性がＵＶカットフィルタ１１を形成していない第２受光素子ＰＤ２とは異なっている。この結果、第１受光素子感度と第２受光素子感度とにおいて、可視光領域及び赤外光領域の分光感度が同じ波形にならない。その結果、２つの受光素子感度を減算すると、可視光領域及び赤外光領域にノイズが残り、延いては、このノイズが紫外領域の波長に重なってしまうため正確な演算を行うことができないという問題を有している。
そこで、本実施の形態では、第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２は、第１導電型のＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂ上に第２導電型のＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌが形成され、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ内に第１導電型のＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌが形成され、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌ内に第２導電型のＮ型拡散層Ｎがそれぞれ形成されてなっている。また、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂとＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌとＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌとが電気的に同電位又は短絡されている。
すなわち、本実施の形態では、第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２の構造を３重拡散構造とし、かつ、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂとＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌとＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌとを電気的に同電位又は短絡している。これにより、可視光領域及び赤外光領域における第１受光素子感度及び第２受光素子感度を抑制することができる。
したがって、紫外線領域の感度ばらつきの低減と可視光領域及び赤外光領域のノイズ低減とを実現し得る受光器１を提供することができる。
また、本実施の形態における受光器１は、紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と二酸化チタン（ＴｉＯ２）、又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とが順に繰り返し積層された干渉膜からなっている。
これにより、ＵＶカットフィルタ１１は多層膜にてなっているので、膜厚や層数によってＵＶカットフィルタ１１の特性を変えることができる。また、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）及び酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）は、高屈折率性を有し、反射率が高いので、光の遮蔽に優れている。尚、高屈折率性の点からは、酸化チタン（ＴｉＯ２）が最も好ましく、第２に五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）が好ましく、第３に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が好ましい。
一方、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）は、屈折率性は低いけれども絶縁性が高い。この結果、これら五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）との積層は、スパッタリングによる積層に適している。
また、本実施の形態における受光器１は、干渉膜としてのＵＶカットフィルタ１１は、酸化膜である二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と金属膜である五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とがスパッタ法により順に繰り返し積層されて形成されている。これにより、薄膜を精度良く真空蒸着することができる。
また、本実施の形態における受光器１は、スパッタ法によるスパッタ処理温度が９５℃以下であることが好ましい。
すなわち、本実施の形態では、紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１をリフトオフ用レジストを用いてレジストパターニングを行い、そのレジストパターン上に干渉膜をスパッタ法によって成膜し、リフトオフにより干渉膜が有るフォトダイオードと干渉膜がないフォトダイオードとを隣接して同時に形成する。
この場合、基板温度が高くなると、レジストからの出ガスの発生が大きくなり、スパッタ温度の揺らぎによる可視領域及び赤外領域での透過域に透過率ばらつきが発生し易くなる問題がある。
そこで、本実施の形態では、スパッタ法によるスパッタ処理温度を９５℃以下とする。これにより、スパッタ温度の揺らぎを抑制し、可視領域及び赤外領域での透過域に透過率ばらつきの発生を抑え、延いては、紫外線に対する光感度が高く、かつ可視領域及び赤外光領域のノイズの少ない受光器１を提供することができる。
また、本実施の形態における携帯型電子機器は、本実施の形態の受光器１を備えている。これにより、紫外線領域の感度ばらつきの低減と可視光領域及び赤外光領域のノイズ低減とを実現し得る受光器を備えた例えばスマートフォン等の携帯型電子機器を提供することができる。
また、本実施の形態における受光器１の製造方法は、紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１を形成する場合に、第２受光素子ＰＤ２上にリフトオフ用レジストをパターニングする工程と、第１受光素子ＰＤ１、及びパターニングされた第２受光素子ＰＤ２上のリフトオフ用レジストに対して上側から干渉膜を成膜する工程と、リフトオフにより、干渉膜が存在する第１受光素子ＰＤ１と、干渉膜が存在しない第２受光素子ＰＤ２とを互いに隣接するようにして同時に形成する工程とを含む。
上記の製造方法によれば、紫外領域の波長をカットするＵＶカットフィルタ１１を、リフトオフ用レジストを用いてレジストパターニングを行い、第１受光素子ＰＤ１上及びレジストパターン上に干渉膜を成膜し、リフトオフにより干渉膜が有る第１受光素子ＰＤ１と干渉膜がない第２受光素子ＰＤ２とを隣接して同時に形成する。
これにより、一般的な半導体材料であるシリコンを含むＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂの使用を可能とし、低コストで紫外線領域、特に３００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域において誤差の小さい感度を有する受光器１の製造方法を提供することができる。
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図２、図３、及び図８〜図１１に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態の受光器１は、図２及び図３に示すように、前記実施の形態１にて説明した受光部１０Ａと同様に受光部１０Ｂを備えている。尚、図２及び図３において、受光部１０Ｂの機能は受光部１０Ａの機能と同じであるので、その説明を省略する。
そして、本実施の形態の受光器１における受光部１０Ｂは、前記実施の形態１の受光器１における受光部１０Ａの構成に加えて、図８に示すように、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂと絶縁膜１３ａとの間に、シリコン酸化膜３１とシリコン窒化膜３２とが積層されている点が異なっている。
本実施の形態の受光器１における受光部１０Ｂの構成について、図８〜図１１に基づいて説明する。図８は、本実施の形態の受光器１における受光部１０Ｂの構成を示す断面図である。図９は、上記受光部における紫外線領域での反射率のシリコン酸化膜厚依存性を示すグラフである。図１０は、上記受光部における紫外線領域での反射率のシリコン窒化膜厚依存性を示すグラフである。図１１は、上記受光部におけるシリコン窒化膜の屈折率（ｎ）及び消衰係数（ｋ）の波長依存性を示すグラフである。
本実施の形態の受光器１における受光部１０Ｂは、図８に示すように、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂに形成されたＰ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌ、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ、Ｎ型拡散層Ｎからなる３層の拡散層上に順次形成されたシリコン酸化膜３１とシリコン窒化膜３２とをそれぞれ有している。そして、この積層膜上にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１３ａが形成される。
上記シリコン酸化膜３１及びシリコン窒化膜３２は、入射光の反射を抑制するための反射防止膜として作用する。
第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２は、絶縁膜１３ａ、シリコン窒化膜３２及びシリコン酸化膜３１を貫通して第３の拡散層であるＮ型拡散層Ｎの表面に達するカソード電極１４ａ・１４ｂをそれぞれ有している。
また、第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２は、絶縁膜１３ａ、シリコン窒化膜３２及びシリコン酸化膜３１を貫通して、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂの表面と、Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌの表面と、Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌの表面とに達するアノード電極１５ａ・１５ｂをそれぞれ有している。
この受光部１０Ｂは、紫外線領域、特に、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域（以下、単に紫外線領域ともいう）において、高い光感度を持つように構成されている。紫外線領域において高い光感度を持つためには、まず、紫外線領域での反射を抑制する必要がある。反射率は、主に屈折率ｎと膜厚とで決まる。このため、例えば、シリコン酸化膜３１の屈折率ｎが約１．４５の場合、その膜厚は１５ｎｍ程度とし、シリコン窒化膜３２の屈折率ｎが約２の場合、その膜厚は４０ｎｍ程度に設定すれば、反射率を約１０％に低減でき、シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成しない場合の反射率３０％に比べて、約２０％光感度を向上させることができる。
また、図９から分かるように、シリコン窒化膜３２の膜厚を４０ｎｍとし、パッシベーション膜としてのシリコン酸化膜からなる絶縁膜１３ａ・１３ｂ・１３ｃ・１３ｄの膜厚を４０００ｎｍとした場合、３２０ｎｍ〜３８０ｎｍの波長領域の光及び３００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光について、シリコン酸化膜３１の膜厚を３〜２５ｎｍの範囲で設定すれば、シリコン窒化膜３２を形成しない場合に比べて同等以下の反射率にすることができる。
一方、シリコン窒化膜３２については、シリコン酸化膜３１の膜厚を８ｎｍ、パッシベーション膜としてのシリコン酸化膜からなる（３２〜３５）の膜厚を４０００ｎｍとした場合、図１０から分かるように、３２０ｎｍ〜３８０ｎｍの波長領域の光及び３００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光について、シリコン窒化膜３２の膜厚を１０〜６０ｎｍの範囲で設定することにより、シリコン窒化膜３２を形成しない場合に比べて同等以下の反射率にすることができる。
シリコン酸化膜３１の膜厚範囲は、３〜１５ｎｍであり、望ましくは３〜１０ｎｍである。また、シリコン酸化膜３１の膜厚範囲に対するシリコン窒化膜３２の膜厚範囲は、２５〜４５ｎｍであり、望ましくは３０〜４０ｎｍである。尚、上記反射率は、シリコン酸化膜３１、パッシベーション膜である絶縁膜１３ａ・１３ｂ・１３ｃ・１３ｄ及びシリコン窒化膜３２の屈折率により変わるため、上記の屈折率ｎの値と異なる場合は適切な膜厚は変わる。
また、上述の通り、第１受光素子ＰＤ１と、該第１受光素子ＰＤ１とは同構造の第２受光素子ＰＤ２とが紫外線領域において高い光感度を持つためには、紫外線領域でのシリコン窒化膜３２の消衰係数ｋを小さくする必要がある。
従来、反射防止膜として使用されていたシリコン窒化膜の紫外線領域での消衰係数ｋは大きく、そのために反射防止膜による紫外線吸収が生じるため、反射は抑制できるがフォトダイオードに入射される光量が減少してしまい、紫外線領域の光に対して十分な感度をもつことができていなかった。
そこで、本実施の形態では、シリコン窒化膜３２の成膜条件を最適化することにより、図１１に示すように、シリコン窒化膜３２が２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域においても、０．０１以下、望ましくは０．００３以下の消衰係数ｋを有するようにしている。
詳細には、シリコン窒化膜３２の成膜時のＲＦパワーを４００〜５００Ｗ、ＳｉＨ４（シラン）／ＮＨ３の流量比率を０．１〜０．２５とし、チャンバー圧力を２〜３Ｔｏｒｒとし、チャンバー温度４００℃とすることにより上記シリコン窒化膜３２の消衰係数ｋの低減を達成している。
また、シリコン酸化膜３１についても、シリコン酸化膜３１及びパッシベーション膜である絶縁膜１３ａ・１３ｂ・１３ｃ・１３ｄを成膜するときのＲＦパワーを２０００Ｗとし、ＳｉＨ４（シラン）／Ｏ２の流量比率を０．５〜０．７とし、チャンバー温度４００℃とすることによってシリコン酸化膜３１の消衰係数ｋが０．０１以下となるように形成し、光電変換素子における紫外線の吸収を１％以下に低減することができる。
これにより、反射防止膜各膜による紫外線反射を抑制しつつ、各膜の消衰係数ｋを０．０１以下とすることにより反射防止膜での紫外線吸収も抑制できる。この結果、紫外線領域に対して高感度の受光部１０Ｂを得ることができる。
上述したように、本実施の形態では、半導体基板としてＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂを使用し、反射防止膜に関してはシリコン系で一般的に使用されるシリコン酸化膜３１及びシリコン窒化膜３２を使用するものについて記述した。ただし、必ずしもこれに限らず、チタン酸化膜（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）（「アルミナ」ともいう）等の別の膜を使用しても屈折率ｎ及び膜厚を適切に選択して同様の反射抑制効果を得ながら、その膜の消衰係数ｋを０．０１以下とすることにより反射防止膜による光吸収を抑制することで、同様に高感度の受光部１０Ｂを得ることができる。
また、本実施の形態では、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂとしてシリコン基板を用いたが、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板等の他のシリコン系基板を用いてもよい。また、シリコン系以外の基板であっても適切なものがあれば、それを使用してもよい。
〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１及び実施の形態２と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１及び実施の形態２の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
前記実施の形態１の受光部１０Ａ及び実施の形態２の受光部１０Ｂは、３重の拡散層によって構成されている。具体的には、Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂに、第１拡散層としての第二導電型のＮ型拡散層であるＮ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌを形成し、第一拡散層内に第二拡散層としての第一導電型のＰ型基板Ｐ＿ｓｕｂを形成し、第二拡散層内に第二導電型の第三拡散層としてのＮ型拡散層Ｎが形成されている。
しかしながら、必ずしもこの構成に限らない。例えば、３重の拡散層によって構成されることには変わらないが、３重の拡散層の導電型を逆にすることが可能である。
具体的には、Ｎ型の半導体基板上に、第一拡散層として第一導電型のＰ型拡散層にて形成し、第一拡散層内に第二拡散層としての第二導電型のＮ型拡散層を形成し、第二拡散層内に第三の拡散層としての第一導電型のＰ型拡散層Ｐが生成されていても構わない。
〔まとめ〕
本発明の態様１における受光器１は、第１受光素子ＰＤ１と、上記第１受光素子ＰＤ１と同構造の第２受光素子ＰＤ２と、上記第１受光素子ＰＤ１上に形成された紫外領域の波長をカットするフィルタ（ＵＶカットフィルタ１１）と、上記第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２からの出力を演算することによって上記紫外領域の波長の出力のみを出力する受光器１において、上記第１受光素子ＰＤ１及び第２受光素子ＰＤ２は、第１導電型の半導体基板（Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂ）上に第２導電型の第１拡散層（Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ）が形成され、上記第１拡散層（Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ）内に第１導電型の第２拡散層（Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌ）が形成され、上記第２拡散層（Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌ）内に第２導電型の第３拡散層（Ｎ型拡散層Ｎ）がそれぞれ形成されてなっていると共に、上記半導体基板（Ｐ型基板Ｐ＿ｓｕｂ）と上記第１拡散層（Ｎ型ウェル層Ｎ＿ｗｅｌｌ）と第２拡散層（Ｐ型ウェル層Ｐ＿ｗｅｌｌ）とが電気的に同電位又は短絡されていることを特徴としている。
この種の受光器では、紫外領域の波長をカットするフィルタを形成した第１受光素子では、酸化膜上にフィルタを形成しているため、各波長での反射／透過特性がフィルタを形成していない第２受光素子と異なっている。この結果、第１受光素子感度と第２受光素子感度とにおいて、可視光領域及び赤外光領域の分光感度が同じ波形にならない。その結果、２つの受光素子感度を減算すると、可視光領域及び赤外光領域にノイズが残り、延いては、このノイズが紫外領域の波長に重なってしまうため正確な演算を行うことができないという問題を有している。
そこで、本発明では、第１受光素子及び第２受光素子は、第１導電型の半導体基板上に第２導電型の第１拡散層が形成され、第１拡散層内に第１導電型の第２拡散層が形成され、上記第２拡散層内に第２導電型の第３拡散層がそれぞれ形成されてなっていると共に、半導体基板と第１拡散層と第２拡散層とが電気的に同電位又は短絡されている。
すなわち、本発明では、第１受光素子及び第２受光素子の構造を３重拡散構造とし、かつ、半導体基板と第１拡散層と第２拡散層とを電気的に同電位又は短絡している。これにより、可視光領域及び赤外光領域における第１受光素子感度及び第２受光素子感度を抑制することができる。
したがって、紫外線領域の感度ばらつきの低減と可視光領域及び赤外光領域のノイズ低減とを実現し得る受光器を提供することができる。
本発明の態様２における受光器１は、態様１における受光器において、前記紫外領域の波長をカットするフィルタ（ＵＶカットフィルタ１１）は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と二酸化チタン（ＴｉＯ２）、又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とが順に繰り返し積層された干渉膜からなっていることが好ましい。
これにより、フィルタは、多層膜にてなっているので、膜厚や層数によってフィルタの特性を変えることができる。また、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）及び酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）は、高屈折率性を有し、反射率が高いので、光の遮蔽に優れている。
一方、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）は、屈折率性は低いけれども絶縁性が高い。この結果、これら五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）との積層は、スパッタリングによる積層に適している。
本発明の態様３における受光器１は、態様２における受光器において、前記干渉膜（ＵＶカットフィルタ１１）は、酸化膜である二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と金属膜である五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とがスパッタ法により順に繰り返し積層されて形成されており、上記スパッタ法によるスパッタ処理温度が９５℃以下であることが好ましい。
これにより、薄膜を精度良く真空蒸着することができる。
ところで、本発明では、紫外領域の波長をカットするフィルタを、リフトオフ用レジストを用いてレジストパターニングを行い、そのレジストパターン上に干渉膜をスパッタ法によって成膜し、リフトオフにより干渉膜が有るフォトダイオードと干渉膜がないフォトダイオードとを隣接して同時に形成する。
この場合、基板温度が高くなると、レジストからの出ガスの発生が大きくなり、スパッタ温度の揺らぎによる可視領域及び赤外領域での透過域に透過率ばらつきが発生し易くなる問題がある。
そこで、本発明では、スパッタ法によるスパッタ処理温度を９５℃以下とする。これにより、スパッタ温度の揺らぎを抑制し、可視領域及び赤外領域での透過域に透過率ばらつきの発生を抑え、延いては、紫外線に対する光感度が高く、かつ可視領域及び赤外光領域のノイズの少ない受光器を提供することができる。
本発明の態様４における携帯型電子機器は、態様１〜３のいずれか１に記載の受光器を備えていることを特徴としている。
上記の発明によれば、紫外線領域の感度ばらつきの低減と可視光領域及び赤外光領域のノイズ低減とを実現し得る受光器を備えた例えばスマートフォン等の携帯型電子機器を提供することができる。
本発明の態様５における受光器１の製造方法は、態様１〜３のいずれか１に記載の受光器の製造方法であって、紫外領域の波長をカットするフィルタ（ＵＶカットフィルタ１１）を形成する場合に、第２受光素子ＰＤ２上にリフトオフ用レジストをパターニングする工程と、前記第１受光素子ＰＤ１、及び上記パターニングされた第２受光素子ＰＤ２上のリフトオフ用レジストに対して上側から干渉膜を成膜する工程と、リフトオフにより、干渉膜が存在する第１受光素子ＰＤ１と、干渉膜が存在しない第２受光素子ＰＤ２とを互いに隣接するようにして同時に形成する工程とを含むことを特徴としている。
上記の発明によれば、紫外領域の波長をカットするフィルタを、リフトオフ用レジストを用いてレジストパターニングを行い、第１受光素子上及びレジストパターン上に干渉膜を成膜し、リフトオフにより干渉膜が有る第１受光素子と干渉膜がない第２受光素子とを隣接して同時に形成する。
これにより、一般的な半導体材料であるシリコンを含む基板の使用を可能とし、低コストで紫外線領域、特に３００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域において誤差の小さい感度を有する受光器の製造方法を提供することができる。
尚、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、紫外線センサとして用いられる受光器及びそれを用いたスマートフォン等の携帯型電子機器、並びに受光器の製造方法に適用することができる。
１ 受光器
１０Ａ 受光部
１０Ｂ 受光部
１１ ＵＶカットフィルタ
１２ 保護膜
１３ａ〜１３ｄ 絶縁膜
１４ａ・１４ｂ カソード電極
１５ａ・１５ｂ アノード電極
１６ａ〜１６ｃ 遮光膜〔多層配線〕
２０ センサ回路部
２１ 減算器
３１ シリコン酸化膜
３２ シリコン窒化膜
Ｎ Ｎ型拡散層
Ｎ＿ｗｅｌｌ Ｎ型ウェル層
ＯＵＴ 出力端子
Ｐ＿ｓｕｂ Ｐ型基板
ＰＤ１ 第１受光素子
ＰＤ１＿ｉｒ フォトダイオード
ＰＤ１＿ｕｖ フォトダイオード
ＰＤ１＿ｖｉｓ フォトダイオード
ＰＤ２ 第２受光素子
ＰＤ２＿ｉｒ フォトダイオード
ＰＤ２＿ｕｖ フォトダイオード
ＰＤ２＿ｖｉｓ フォトダイオード
【０００５】
精度良く特定の光感度を検出することができないという問題を有している。
［００２３］
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、紫外線領域の感度ばらつきの低減と可視光領域及び赤外光領域のノイズ低減とを実現し得る受光器、携帯型電子機器、及び受光器の製造方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
［００２４］
本発明の一態様における受光器は、上記の課題を解決するために、第１受光素子と、上記第１受光素子と同構造の第２受光素子と、上記第１受光素子上に形成された紫外領域の波長をカットするフィルタと、上記第１受光素子及び第２受光素子からの出力を演算することによって上記紫外領域の波長の出力のみを出力する受光器において、上記第１受光素子及び第２受光素子は、第１導電型の半導体基板上に第２導電型の第１拡散層が形成され、上記第１拡散層内に第１導電型の第２拡散層が形成され、上記第２拡散層内に第２導電型の第３拡散層がそれぞれ形成されてなっていると共に、上記半導体基板と上記第１拡散層と第２拡散層とが電気的に同電位又は短絡されてており、上記半導体基板上には配線層を形成するための配線層用絶縁膜が形成されていると共に、上記半導体基板と配線層用絶縁膜との間には、上記配線層用絶縁膜と同じ材料からなる第１絶縁膜と該第１絶縁膜とは異なる材料からなる第２絶縁膜とが積層されていることを特徴としている。
［００２５］
本発明の一態様における携帯型電子機器は、上記の課題を解決するために、前記記載の受光器を備えていることを特徴としている。
［００２６］
本発明の一態様における受光器の製造方法は、上記の課題を解決するために、前記記載の受光器の製造方法であって、第１受光素子及び第２受光素子の第１拡散層、第２拡散層及び第３拡散層がそれぞれ同時に形成されると共に、前記半導体基板上の第１受光素子及び第２受光素子における配線層用絶縁膜、第１絶縁膜及び第２絶縁膜もそれぞれ同時に形成されることを特徴としている。
発明の効果
［００２７］
本発明の一態様によれば、紫外線領域の感度ばらつきの低減と可視光領域

Claims (5)

  1. 第１受光素子と、上記第１受光素子と同構造の第２受光素子と、上記第１受光素子上に形成された紫外領域の波長をカットするフィルタと、上記第１受光素子及び第２受光素子からの出力を演算することによって上記紫外領域の波長の出力のみを出力する受光器において、
    上記第１受光素子及び第２受光素子は、第１導電型の半導体基板上に第２導電型の第１拡散層が形成され、上記第１拡散層内に第１導電型の第２拡散層が形成され、上記第２拡散層内に第２導電型の第３拡散層がそれぞれ形成されてなっていると共に、
    上記半導体基板と上記第１拡散層と第２拡散層とが電気的に同電位又は短絡されていることを特徴とする受光器。
  2. 前記紫外領域の波長をカットするフィルタは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と二酸化チタン（ＴｉＯ２）、又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とが順に繰り返し積層された干渉膜からなっていることを特徴とする請求項１記載の受光器。
  3. 前記干渉膜は、酸化膜である二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と金属膜である五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とがスパッタ法により順に繰り返し積層されて形成されており、上記スパッタ法によるスパッタ処理温度が９５℃以下であることを特徴とする請求項２記載の受光器。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光器を備えていることを特徴とする携帯型電子機器。
  5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光器の製造方法であって、
    紫外領域の波長をカットするフィルタを形成する場合に、第２受光素子上にリフトオフ用レジストをパターニングする工程と、
    前記第１受光素子、及び上記パターニングされた第２受光素子上のリフトオフ用レジストに対して上側から干渉膜を成膜する工程と、
    リフトオフにより、干渉膜が存在する第１受光素子と、干渉膜が存在しない第２受光素子とを互いに隣接するようにして同時に形成する工程とを含むことを特徴とする受光器の製造方法。
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