JP4239980B2 - 赤外線固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、出力のSN比が良好な赤外線固体撮像装置を得ることを目的とする。
本発明の実施の形態1における赤外線固体撮像装置は、非冷却方式(あるいは、熱型とも称される)の赤外線固体撮像装置である。特に、実施の形態1において示した例は、SOI(Silicon On Insulator)基板と呼ばれる基板を用いて赤外線固体撮像装置を形成したものである。なお、SOI基板は、シリコン基板上に埋め込み酸化膜層(以下、BOX層という。buried oxide)と呼ばれるシリコン酸化膜を介してSOI(Silicon On Insulator 即ち、シリコン単結晶層)層が形成されているものである。一般的な半導体工業においては、このSOI層に高周波トランジスタなどを作り込むものである。本発明の実施の形態1においては、このSOI層に赤外線検知のためのPN接合ダイオードを作り込んでいる。さらに、赤外線固体撮像装置に入射する赤外線を効率よくPN接合ダイオード部分の温度変化に変換するために、PN接合ダイオードを含む検出部は、細長い支持体(以下、支持脚と称する。)によりシリコン基板から中空状態に保持されている。このため、検出部はシリコン基板から断熱されているので、入射赤外線を効率よく温度変化に変換することができ、PN接合ダイオードの出力変化を増加させることができる。
まず最初に、PN接合ダイオードの雑音について考察する。PN接合ダイオードが発生する雑音として、以下の3つの原因が考えられる。
(1)熱雑音
(2)ショット雑音
(3)1/f雑音
熱雑音は、キャリアの熱運動よって発生し、ショット雑音は、空乏層を通してキャリアが不規則に半導体層へ注入されることにより発生する。1/f雑音は、2つの原因によって発生する。1つは、キャリアの移動度が揺らぐことであり、もう1つは、キャリアの密度が揺らぐことである。また、1/f雑音は低周波領域で大きくなるため、例えば、30Hz周期で画像を撮像する固体撮像装置にとっては、1/f雑音によって生ずる画面上のチラツキが画質を低下させる要因の一つとなる。実施の形態1において、この1/f雑音を小さくする構造を形成するのは、固体撮像装置の画質向上に資することになるからである。
図7中の(a)において、はじめに、基板としてシリコン基板140上に、BOX層420、SOI層410を順次積層したいわゆるSOI基板400を準備する。次に、LOCOS(local oxidation of silicon)分離法もしくはトレンチ分離法によって、所定の位置に素子分離のための分離酸化膜430を形成する。図7中の(b)は、検出器200のPN接合ダイオード300以外の部分に分離酸化膜430を形成したものである。次に、図7中の(c)に示すように、PN接合ダイオード300のN型半導体層を形成するSOI層410領域にリンおよびヒ素をイオン注入して、N−−型半導体層323、N−型半導体層322を形成する。同様にして、PN接合ダイオード300のP型半導体層を形成するため、SOI層410にボロンをイオン注入して、P+型半導体層311を形成する。なお、N−−型又はN−型の半導体層の形成においては、N型半導体層が3層構造になるように、イオン注入時の加速電圧及び注入量を調節する。図7中の(c)は、このようにして形成したPN接合ダイオード300の半導体層部分を示すものである。次に図7中の(d)に示すように、この上に絶縁膜440(例えば、CVD法によって堆積させたシリコン酸化膜)を堆積する。次に図7中の(e)に示すように、アルミなどの金属膜を堆積し、配線451を形成する。次に、配線451及びPN接合ダイオード300を保護するための保護膜460として、例えばシリコン酸化膜を更に堆積する。
本発明の実施の形態2における赤外線固体撮像装置100を図面を参照しつつ説明する。
実施の形態1においては、P+N−接合ダイオードを構成するP型、N型半導体層のうちでN型半導体層について3層構造に構成した場合の形態例を示した。実施の形態2では、N型半導体層に加えて、更にP型半導体層についても3層構造に構成した場合の形態例である。本実施の形態2の赤外線固体撮像装置100が実施の形態1と異なる部分は、P+N−接合ダイオード部分のみであり、検出器200の機械的な構造、信号処理回路120、動作等は実施の形態1と同様である。以下、本実施の形態2の要部であるP+N−接合ダイオード部分について説明する。
実施の形態1に示したPN接合ダイオードにおいて、PN接合ダイオード300のN型半導体層の上層下層には、それぞれ絶縁膜440とBOX層420とがあり、これらとの半導体/酸化膜の界面に存在するトラップ準位にキャリアが捕獲されてしまわないような半導体層の構造とした。本実施の形態3においては、N型半導体層を取り囲む全ての半導体/酸化膜の界面に存在するトラップ準位にキャリアが捕獲されてしまわないような半導体層の構造とした。すなわち、実施の形態1の構造に加えて、更にN型半導体層とその周囲にある分離酸化膜430との半導体/酸化膜の界面に対してもキャリアの捕獲が少ない半導体層の構造とした。本実施の形態3の赤外線固体撮像装置100が実施の形態1と異なる部分は、実施の形態1のP+N−接合ダイオードのうちで、N型半導体層とその周囲の分離酸化膜430と接する部分のみであり、検出器200の機械的な構造、信号処理回路120、動作等は実施の形態1と同様である。以下、本実施の形態3の要部であるN型半導体層について説明する。
実施の形態1においては、PN接合ダイオード300のN型半導体層を半導体/酸化膜の界面に存在するトラップ準位にキャリアが捕獲されてしまわないような半導体層の構造とした。本実施の形態4においては、実施の形態1のP+N−接合ダイオードを構成するN−−型半導体層323を更に改良した形態を説明する。本実施の形態4の赤外線固体撮像装置100が実施の形態1と異なる部分は、実施の形態1のP+N−接合ダイオードのN型半導体層のみであり、検出器200の機械的な構造、信号処理回路120、動作等は実施の形態1と同様である。以下、本実施の形態4の要部であるN型半導体層について説明する。
220:支持脚 230:空洞 240:エッチング孔
300:PN接合ダイオード 311:P+型半導体層 312:P−型半導体層
321:N+型半導体層 322:N−型半導体層 410:SOI層
Claims (8)
- シリコン基板上にシリコン酸化膜層とSOI層とを有したSOI基板と、前記SOI層に形成されたPN接合ダイオードを備えた入射赤外線によって発生する温度変化を電気信号に変換する検出部と、
前記検出部を前記SOI基板のシリコン基板から離間して保持する支持体とを備え、
前記PN接合ダイオードを構成する半導体層の不純物は、前記半導体層を流れる多数キャリアまたは過剰少数キャリアが前記半導体層の周辺部分よりも中央部分に多く偏在するように分布していることを特徴とする赤外線固体撮像装置。 - PN接合ダイオードは、P+型半導体層とN−型半導体層から構成され、前記SOI層の上は絶縁膜が形成され、前記PN接合ダイオード周囲の前記SOI層に分離酸化膜が形成され、
前記N−型半導体層のN型不純物濃度は、前記N−型半導体層とシリコン酸化膜層との界面及び前記絶縁膜との界面の近傍の方が前記N−型半導体層の中央部分より高いか、
または、前記N−型半導体層のN型不純物濃度は、前記N−型半導体層と前記分離酸化膜との界面の近傍の方が前記N−型半導体層の中央部分より高いか、いずれか一方または両方であることを特徴とする請求項1に記載の赤外線固体撮像装置。 - PN接合ダイオードは、P+型半導体層とN−型半導体層から構成され、前記SOI層の上は絶縁膜が形成され、前記PN接合ダイオード周囲の前記SOI層に分離酸化膜が形成され、
前記P+型半導体層のP型不純物濃度は、前記P+型半導体層とシリコン酸化膜層との界面及び前記絶縁膜との界面の近傍の方が前記P+型半導体層の中央部分より低いか、
または、前記P+型半導体層のP型不純物濃度は、前記P+型半導体層と前記分離酸化膜との界面の近傍の方が前記P+型半導体層の中央部分より低いか、いずれか一方または両方であることを特徴とする請求項1に記載の赤外線固体撮像装置。 - PN接合ダイオードは、P−型半導体層とN+型半導体層から構成され、前記SOI層の上は絶縁膜が形成され、前記PN接合ダイオード周囲の前記SOI層に分離酸化膜が形成され、
前記N+型半導体層のN型不純物濃度は、前記N+型半導体層とシリコン酸化膜層との界面及び前記絶縁膜との界面の近傍の方が前記N+型半導体層の中央部分より低いか、
または、前記N+型半導体層のN型不純物濃度は、前記N+型半導体層と前記分離酸化膜との界面の近傍の方が前記N+型半導体層の中央部分より低いか、いずれか一方または両方であることを特徴とする請求項1に記載の赤外線固体撮像装置。 - PN接合ダイオードは、P−型半導体層とN+型半導体層から構成され、前記SOI層の上は絶縁膜が形成され、前記PN接合ダイオード周囲の前記SOI層に分離酸化膜が形成され、
前記P−型半導体層のP型不純物濃度は、前記P−型半導体層とシリコン酸化膜層との界面及び前記絶縁膜との界面の近傍の方が前記P−型半導体層の中央部分より高いか、
または、前記P−型半導体層のP型不純物濃度は、前記P−型半導体層と前記分離酸化膜との界面の近傍の方が前記P−型半導体層の中央部分より高いか、いずれか一方または両方であることを特徴とする請求項1に記載の赤外線固体撮像装置。 - N−型半導体層の中央部に、P型不純物を含むN−−型半導体層があることを特徴とする請求項2または3に記載の赤外線固体撮像装置。
- PN接合ダイオードを構成する半導体層のP − 型半導体層とこれを取り囲む絶縁膜あるいは分離酸化膜との界面であって、P−型半導体層とシリコン酸化膜層との界面、P−型半導体層と絶縁膜との界面又はP−型半導体層と分離酸化膜との界面近傍のうちで、少なくともいずれかの界面近傍にN型不純物を含むP−−型半導体層があることを特徴とする請求項4または5に記載の赤外線固体撮像装置。
- シリコン基板上にシリコン酸化膜層とSOI層とを有したSOI基板の前記SOI層に不純物を注入してPN接合ダイオードを形成し、入射赤外線によって発生する温度変化を電気信号に変換する検出部を構成する工程と、
前記検出部及び前記検出部と接合された支持体との周囲にエッチング孔を開口する工程と、該エッチング孔からエッチャントを導入して前記シリコン基板の内部に空洞を形成する工程とを含み、
前記PN接合ダイオードを構成する半導体層を流れる多数キャリアまたは過剰少数キャリアが前記半導体層の周辺部分よりも中央部分に多く偏在するように、前記不純物を注入する工程において該不純物の濃度分布を作ることを特徴とする赤外線固体撮像装置の製造方法。
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