JP4410071B2

JP4410071B2 - 赤外線固体撮像装置

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Publication number: JP4410071B2
Application number: JP2004272208A
Authority: JP
Inventors: 郁夫藤原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: JP2006086465A

Description

本発明は、赤外線センサ等で用いられる赤外線固体撮像装置に関する。

近年、窒素温度に冷却する必要がない、非冷却型の赤外線固体撮像装置の開発が盛んになってきている。非冷却型赤外線固体撮像装置においては、波長１０μｍ付近の入射赤外線を赤外線吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化を熱電変換部により電気的信号に変換し、この電気的信号を読み出すことで赤外線画像情報を得ている。

上記非冷却赤外線固体撮像装置においては、冷却装置が必要ない事から小型化、オンチップ化が可能であり、民生応用を念頭においた低価格化の方向に進んでいる。このような背景で、従来のＣＭＯＳＬＳＩとほとんどの製造工程を共有できるシリコンｐｎ接合ダイオードを用いた非冷却赤外線固体撮像装置が注目を集めている。しかし、かかるシリコンｐｎ接合ダイオード型では、赤外線固体撮像装置の感度指標であるｄＶ／ｄＴが低く、よりＳ／Ｎ比を向上させる必要がある。

ｐｎ接合ダイオードの雑音成分としては、シリコン基板表面のラフネスや表面準位に起因する１／ｆノイズ、バイアス電流量に依存する熱ノイズ、ｐｎ接合を通過する電流量のばらつきに起因するショットノイズがある。この内、１／ｆノイズに関しては、シリコンバルクを電流経路とする縦型ｐｎ接合構造とすることで、回避することができ、Ｓ／Ｎ比の向上が望める。

また、上記非冷却型赤外線固体撮像装置においては、入射赤外線を熱に変換する感熱部(赤外線吸収構造)とその熱を電気的信号に変換する熱電変換部からなる赤外線検出部を熱的に周囲から分離し、熱電変換効率を向上することが、赤外線感度向上の上で必須となる。

そこで、赤外線固体撮像装置は真空パッケージに実装されると共に、赤外線検出部周辺のシリコン基板、及び、素子分離酸化膜をエッチング除去し空洞化することにより、支持基板への熱の拡散を抑える方法が取られている。

この時、赤外線検出部から支持基板への熱輸送は、赤外線検出部を支持基板内部の中空構造上に支持する支持構造を介した熱伝導によるものが支配的であり、低熱伝導率の材料からなる脚状の支持構造を、設計上可能な範囲で、より細く、より長くレイアウトすることが行われているが、画素サイズが４０μｍ×４０μｍ程度に微細化されつつある中で、これ以上の大幅な感度向上を実現することは難しくなってきている。

従来、シリコンｐｎ接合ダイオードを用いた赤外線撮像装置としては、ｐｎ接合の順方向特性の温度依存性をしてきたが、ｄＶ／ｄＴが十分高く取れなかった。

そこで従来例として、ｄＶ／ｄＴの大きいｐｎ接合逆バイアスを用いた赤外線撮像装置が提案されている(特許文献１参照)。

特開平３−２１２９７９号公報

ところが、従来例においては、ｐｎ接合に逆バイアスを印加する為、少しでも可視光がｐｎ接合ダイオードに入射すると、フォトダイオードとして動作し、赤外線センサとしての機能が失われてしまう問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、より高い感度を有するシリコンｐｎ接合ダイオード型の赤外線固体撮像装置を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するために本発明の赤外線固体撮像装置は、内部に中空構造を有する半導体基板上部に形成され、入射赤外線を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部と、前記中空構造上部に形成され、前記赤外線吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するｐｎ接合ダイオードから構成される熱電変換部と、前記赤外線吸収部と前記熱電変換部の間に存在し、かつ前記熱電変換部への可視光の入射を遮断する可視光遮断層とを具備する事を特徴とする。

本発明の赤外線固体撮像装置においては、赤外線吸収部と熱電変換部との間に、熱電変換部を遮蔽するように可視光遮断層が形成されている構造となっている。この構造により、熱電変換部のｐｎ接合ダイオードが逆バイアス接続されている場合にフォトダイオードとして動作することが抑制されるため、熱電変換部が誤動作することがない。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

［実施例１］
まず、本発明の実施例１である赤外線固体撮像装置について、図１、２を用いて説明する。

図１は赤外線固体撮像装置の上面図であり、図２は図１のＡ−Ａ´における断面図である。図２において、シリコン基板２０１上に埋め込みシリコン酸化層２０２、SOI層２０３が順次積層されている。シリコン基板２０１には中空構造であるダイアフラム２２８が形成されており、赤外線を吸収することで発生した熱がシリコン基板２０１に逃げるのを防止する役割を果たす。SOI層２０３中には、トレンチ構造中に酸化シリコンが埋め込まれた、素子分離酸化膜２０４が形成されている。

素子分離酸化膜２０４に挟まれたSOI層２０３の部分（熱電変換素子領域）の底部には、不純物濃度が４×１０¹⁵ｃｍ^-2であるｐ^＋電極領域２０７が形成される。ｐ^＋電極領域２０７の上部には、導電型がｐ型で不純物濃度が１．５×１０¹³ｃｍ^-2であるｐｎ接合ダイオード領域２０５が形成されており、この領域に熱電変換によって発生した電荷が蓄積する。そしてｐｎ接合ダイオード領域２０５内であって、SOI層２０３表面の領域には、不純物濃度が５×１０¹⁵ｃｍ^-2であるｎ^＋電極領域２０６が形成され、このｎ^＋電極領域２０６表面からｐｎ接合ダイオード領域２０５とｎ^＋電極領域２０６とで構成するｐｎ接合ダイオードの一方の電極が引き出される。さらに、ｐ^＋電極領域２０７に接続するように、不純物濃度が４×１０¹⁵ｃｍ^-2であるｐ^＋領域２０９が形成されている。このｐ^＋領域２０９上には、不純物濃度が２×１０¹⁴ｃｍ^-2であるｐ^＋コンタクト拡散層領域２０８が形成され、このｐ^＋コンタクト拡散層領域２０８の表面から上記ｐｎ接合ダイオードの他方の電極が引き出される。

上記熱電変換素子領域が設けられていないSOI層２０３表面（これを「周辺領域」とする）には、ゲート２１０、側壁２１２とで構成された周辺回路２１２が形成されており、この周辺回路により、上記熱電変換素子領域で発生した電荷が読み出され、信号処理される。

SOI層２０３上には、シリコン酸化膜からなる第一の層間絶縁膜２２１が形成される。第一の層間絶縁膜２２１中には、タングステン等の部材からなり、ｎ^＋電極領域２０６に接続された第一コンタクト電極２２２−１、ｐ^＋コンタクト拡散層領域２０８に接続された第二コンタクト電極２２２−２が形成されている。

第一の層間絶縁膜２２１上には第二の層間絶縁膜２２４が形成され、その上部にはアルミニウムからなり、厚さが０．５〜０．６μｍである可視光遮断層２２５が形成される。この可視光遮断層２２５はアルミニウム単層であってもよいが、可視光を完全に遮断するためには、例えば５ｎｍのＴｉＮ、６０ｎｍのＴｉ、０．５μｍのＡｌ、２０ｎｍのＴｉＮ、及び１０ｎｍのＴｉの積層構造であってもよい。可視光遮断層２２５上には、シリコン酸化膜２２６、シリコン窒化膜２２７がこの順で積層され、これらで赤外線吸収層２２８を構成する。

図２の赤外線固体撮像装置によれば、赤外線吸収層２２８と熱電変換素子領域との間に厚さが０．５〜０．６μｍである可視光遮断層２２５が形成されており、この層が熱電変換素子領域に可視光が入射するのを防止する役割を果たす。従来では、熱電変換素子領域に可視光が入射することで、熱電変換素子がフォトダイオード的な動作をし、ｐｎ接合ダイオード領域２０５に蓄積していた電荷が赤外線固体撮像装置固有の読み出しクロック以外のタイミングでｎ^＋電極領域２０６に向けて流出することによる、ダイオードの温度変化による電流上昇分が帳消しになっていた。そこで、本実施例では、ｐｎ接合ダイオードを構成する熱電変換素子領域の直上に可視光遮断層としてＡｌを挿入し、可視光、赤外線共に反射し、赤外線のみ上部の吸収膜にて吸収、熱に変換することにより、赤外線成分のみを信号として取り出す事ができる。

次に、本発明の実施例１の赤外線固体撮像装置の製造方法につき、図３乃至図１０を用いて説明する。

まず、図３に示すように、半導体基板として単結晶シリコン支持基板２０１上に埋め込みシリコン酸化膜層２０２、単結晶シリコン層２０３が順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板２００を準備する。

次に、図４に示すように、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造により素子分離を行う。すなわち、フォトリソグラフィー技術により素子分離領域を規定し、素子分離領域の単結晶シリコン層２０３を、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ−Ｉｏｎ−Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりエッチング除去した後に、素子分離酸化膜２０４をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ−Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により埋め込み、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）で平坦化する。このとき、図１における支持構造２３４の部分も素子分離領域として定義され、素子分離酸化膜２０４が埋め込まれる。

素子分離酸化膜２０４形成後、図５に示すように、熱電変換素子となるｐｎ接合ダイオードを形成する手段として、まずフォトリソグラフィー技術によりｐ型拡散層領域を規定し、イオン注入により、例えばホウ素を７５ｋｅＶ、１．５×１０¹³ｃｍ^-2で注入し、ｐｎ接合ダイオード領域２０５を形成する。次に、同様にして、SOI層２０３の浅い領域にｎ^＋拡散層領域を規定し、例えばＡｓを４０ｋｅＶ、５×１０¹⁵ｃｍ^-2で注入し、ｎ^＋電極領域２０６を形成する。次に、同様にして、SOI層２０３の深い領域にｐ^＋電極領域２０７を、例えばＢを７ｋｅＶ、４×１０¹⁵ｃｍ^-2で注入して形成し、基板表面に形成したｐ^＋コンタクト拡散層領域２０８と、これとｐ^＋電極領域２０７を接続する為に、基板深さ方向に伸張したｐ^＋領域２０９を形成する。これらの形成条件（イオン注入条件）としては、例えば、ｐ^＋コンタクト拡散層領域２０８は、Ｂを１３０ｋｅＶ、２×１０¹⁴ｃｍ^-2であり、ｐ^＋領域２０９は、Ｂを１００ｋｅＶ、２．５×１０¹³ｃｍ^-2及び７５ｋｅＶ、６×１０¹³ｃｍ^-2及び４０ｋｅＶ、１．５×１０¹³ｃｍ^-2及び７ｋｅＶ、４×１０¹⁵ｃｍ^-2である。

次に、図６に示すように、ポリシリコン層２１０を形成した後に、フォトリソグラフィーとＲＩＥによって支持構造２３４を加工する。本工程では周辺回路に使用するＭＯＳトランジスタのゲート電極２１０も同時に形成される。その後シリコン窒化膜をＣＶＤにより基板全面に形成し、ＲＩＥによりエッチバックする事により、ゲート電極および支持配線による段差部に側壁２１１形成する。この状態で、ゲート電極２１０、側壁２１１をマスクとしてイオン注入により、自己整合的にソースドレイン不純物領域を形成する。

次に、図７に示すように、SOI層２０３全体にシリコン窒化膜をＣＶＤにより堆積し、熱電変換素子領域におけるｐｎ接合ダイオードのｎ^＋電極領域２０６、ｐ^＋コンタクト領域２０８以外の領域にフォトマスクを形成し、シリコン窒化膜のＲＩＥを行い、シリサイドブロック膜２１７を形成する。これにより、ｐｎ接合ダイオードのｎ^＋電極領域２０６、ｐ^＋領域コンタクト２０８がシリサイドにより導通してしまうのを防ぐ。その後、ゲート電極、支持配線、側壁２１２およびシリサイドブロック膜２１７をマスクとして、ゲート絶縁膜を希弗酸等によりエッチングし、ＭＯＳトランジスタ２１３のゲート電極２１１、ソースドレイン領域、及び、ｐｎ接合ダイオードのｎ^＋電極領域２０６、ｐ^＋コンタクト領域２０８のシリコン層を露出させる。次に、シリサイド形成のためのチタン膜２１８を全面に堆積する。この状態から、適当なアニール処理を行うことで、ＭＯＳトランジスタ２１３のゲート電極２１１、ソースドレイン領域、ｐｎ接合ダイオードのｎ^＋電極領域２０６、ｐ^＋コンタクト領域２０８、および支持配線の露出シリコンは、チタン膜２１８と反応し、チタンシリサイド層２１９が形成される。チタンシリサイド層２１９形成後は硫酸と過酸化水素の混合液によって、シリサイド反応しない領域のチタン膜２１８を除去する。

次に、図８に示すように、SOI層２０３全面にシリコン窒化膜２２０、シリコン酸化膜を材料とする第一の層間絶縁膜２２１をＣＶＤにより堆積し、ＣＭＰにより平坦化を行う。

次に、図９に示すように、第一の層間絶縁膜２２１にコンタクトホール２２２をＲＩＥにより形成し、ＣＶＤによりタングステンをSOI層２０３全面に堆積し、ＣＭＰを行う事で、コンタクトホールの埋め込みを行い、第一コンタクト電極２２２−１、第二コンタクト電極２２２−２を形成する。

次に、図１０に示すように、アルミニウム合金を全面にスパッタ法により堆積し、フォトリソグラフィー技術とＲＩＥによりパターニングし、第一コンタクト電極２２２−１、第二コンタクト電極２２２−２を接続する金属配線２２３を形成する。金属配線２２３形成後、第二の層間絶縁膜２２４としてシリコン酸化膜を堆積した後、可視光遮断層２２５としてＡｌ膜を堆積し、熱電変換素子領域全面を覆うように形成する。可視光遮断層２２５としては、可視光に対して透過性の無いものならＡｌに限るものではなく、例えばＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｔｉやこれらの積層構造でも良い。また、可視光遮断層２２５として、ＬＳＩで用いられる配線層を流用すれば、プロセスを簡略化できる。この時の可視光遮断層２２５の構造としては、Ａｌの上下の少なくとも一方にＴｉやＴｉＮ、或いはこれらの積層膜を配置した構造、またはＣｕの上下の少なくとも一方にＴａ、ＴａＮ、或いはこれらの積層膜を配置した構造が良い。その後、赤外線吸収層２３５としてシリコン酸化膜２２６とシリコン窒化膜２２７を堆積する。この時、赤外線吸収を十分に行うために、シリコン酸化膜２２６とシリコン窒化膜２２７の合計は０．５μｍ以上とする事が望ましい。

そして、ダイアフラム２２８形成の為のエッチングホール２２９をＲＩＥにより形成し、シリコン基板２０１を露出させる。

次に、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ａｍｍｏｎｉｕｍ−Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）によるシリコンに対する異方性ウエットエッチングにより、シリコン基板２０１内部にダイアフラム２２８を形成する。

以上の工程により、図２に示す赤外線固体撮像装置が完成する。

なお、上述した各実施例は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を実施例に開示されたもののみに特定するものではない。本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができるものである。

本発明の実施例１の赤外線固体撮像装置の上面図である。図１のＡ−Ａ´における断面図である。本発明の実施例１の赤外線固体撮像装置の製造工程図である。本発明の実施例１の赤外線固体撮像装置の製造工程図である。本発明の実施例１の赤外線固体撮像装置の製造工程図である。本発明の実施例１の赤外線固体撮像装置の製造工程図である。本発明の実施例１の赤外線固体撮像装置の製造工程図である。本発明の実施例１の赤外線固体撮像装置の製造工程図である。本発明の実施例１の赤外線固体撮像装置の製造工程図である。本発明の実施例１の赤外線固体撮像装置の製造工程図である。

符号の説明

２００ … ＳＯＩ基板
２０１ … シリコン基板
２０２ … 埋め込みシリコン酸化層
２０３ … SOI層
２０４ … 素子分離酸化膜
２０５ … ｐｎ接合ダイオード領域
２０６ … ｎ^＋電極領域
２０７ … ｐ^＋電極領域
２０８ … ｐ^＋コンタクト拡散層領域
２０９ … ｐ^＋領域
２１０ … ゲート電極
２１１ … 側壁
２１３ … ＭＯＳトランジスタ
２１７ … シリサイドブロック膜
２１８ … チタン膜
２１９ … チタンシリサイド層
２２０、２２７ … シリコン窒化膜
２２１ … 第一の層間絶縁膜
２２２ … コンタクトホール
２２２−１ … 第一コンタクト電極
２２２−２ … 第二コンタクト電極
２２３ … 金属配線
２２４ … 第二の層間絶縁膜
２２５ … 可視光遮断層
２２６ … シリコン酸化膜
２２８ … ダイアフラム
２２９ … エッチングホール
２３０ … 入力信号線
２３１ … 出力信号線
２３４ … 支持構造
２３５ … 赤外線吸収層

Claims

内部に中空構造を有する半導体基板上部に形成され、入射赤外線を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部と、
前記中空構造上部に形成され、前記赤外線吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するｐｎ接合ダイオードから構成される熱電変換部と、
前記赤外線吸収部と前記熱電変換部の間に存在し、かつ前記熱電変換部への可視光の入射を遮断する、厚さが０．５〜０．６μｍである可視光遮断層と、
を具備する事を特徴とする赤外線固体撮像装置。
前記熱電変換部は、ｐｎ接合ダイオードを逆バイアス接続することを特徴とする請求項１記載の赤外線固体撮像装置。
前記可視光遮断層は、少なくとも前記熱電変換部を遮蔽する構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線固体撮像装置。
内部に中空構造を有する半導体基板上に形成された第一の半導体層と、
前記第一の半導体層内に形成される第一導電型の第一不純物領域と、
前記第一不純物領域中に形成される第二導電型の第二不純物領域と、
前記第一の半導体層上部に形成され、前記第一不純物領域及び前記第二不純物領域をそれぞれ接続する配線層と、
前記配線層上に形成され、厚さが０．５〜０．６μｍである可視光遮断層と、
前記可視光遮断層上部に形成される、二層のそれぞれ材料の異なる絶縁層からなる赤外線吸収層と
を具備することを特徴とする赤外線固体撮像装置。
前記第一不純物領域と前記第二不純物領域とでｐｎ接合を形成し、このｐｎ接合を逆バイアス状態で動作させることを特徴とする赤外線固体撮像装置。