(57)【要約】【課題】  双方向フォトサイリスタに使用する半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜における酸素濃度を精度良く測定する。【解決手段】  本発明の製造方法は、プレーナ型受光素子の高耐圧用パシベーション膜として半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜を有する双方向フォトサイリスタの製造方法であって、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の屈折率を測定する工程と、測定した屈折率に基き半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度を推定する工程とを備える。酸素濃度を推定する工程は、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の屈折率と酸素濃度との相関データを、酸素濃度の推定前に予め蓄積する工程と、酸素濃度の推定時に、蓄積している相関データと屈折率の測定データとに基き酸素濃度を推定する工程とを備えることを特徴とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレーナ型受光素子の高耐圧用パシベーション膜として半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜を有する双方向フォトサイリスタの製造方法であって、
前記半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の屈折率を測定する工程と、
測定した前記屈折率に基き半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度を推定する工程とを備え、
酸素濃度を推定する前記工程は、
半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の屈折率と酸素濃度との相関データを、酸素濃度の推定前に予め蓄積する工程と、
酸素濃度の推定時に、蓄積している前記相関データと屈折率の前記測定データとに基き酸素濃度を推定する工程と
を備えることを特徴とする双方向フォトサイリスタの製造方法。
【請求項２】
前記屈折率の測定は、分光エリプソメータを用いて行なう請求項１に記載の双方向フォトサイリスタの製造方法。
【請求項３】
前記屈折率の測定は、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の表面にボイド層があると想定し、複数の波長の光を入射して行なう請求項１または２に記載の双方向フォトサイリスタの製造方法。
【請求項４】
前記ボイド層は、複数の層を想定する請求項３に記載の双方向フォトサイリスタの製造方法。
【請求項５】
前記半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜は、シリコン基板上に形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の双方向フォトサイリスタの製造方法。
【請求項６】
前記半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の厚さを酸素濃度と同時に測定する工程を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の双方向フォトサイリスタの製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかの方法により製造した双方向フォトサイリスタであって、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の一部に、酸素と異なる不純物をドープした低比抵抗部を有する双方向フォトサイリスタ。
【請求項８】
前記半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜は、酸素濃度が１９原子数％〜２２原子数％である請求項７に記載の双方向フォトサイリスタ。
【請求項９】
請求項７または８に記載の双方向フォトサイリスタを備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高耐圧プレーナ型受光素子に関し、特に光点弧型ＳＳＲ（ソリッドステートリレー）に使用される双方向フォトサイリスタとその製造方法に関する。また、その双方向フォトサイリスタを備える電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜についての半導体製造上の管理方法としては、膜厚を測定し、膜厚から算出される酸素濃度が管理基準範囲内に入っているか否かを判定する方法が知られている。酸素濃度の算出方法は、まずＳｉウェハ上にナイトライド膜を堆積し、その上に半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜を成長させ、マスクなどを用いてＢＨＦ液などで選択的にエッチングし、生じる段差を利用して、段差測定器などにより膜厚を測定する。つぎに、酸化し、再度、膜厚を測定し、酸化前後の膜厚を実験式に代入して酸素濃度を算出する。ナイトライド膜を下地に堆積しておくのは、後の酸化におけるＳｉウェハの酸化分を、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸化分と分離するためである。
【０００３】
一方、プレーナ型受光素子における高耐圧用パシベーション膜として、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜が用いられている。たとえば、フィールド部に固定電位を付与するため、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜のカソード電極またはアノード電極側に、リンまたはボロンなどの不純物を選択的に注入して低抵抗部に変換し、ｎ型シリコン基板の表面におけるアノード拡散領域またはｐ型ゲート拡散領域との境界（ｐｎ接合部）の上部を、カソード電極またはアノード電極が覆わないようにし、透光性の低比抵抗部をフィールドプレート用の電極としている。このような構造を採用することで、耐圧に影響を与えることなく、受光面積が増加し、高感度の受光素子が得られる。(特許文献１と特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−１３０３２４号公報
【特許文献２】特開２００２−１９０６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度は、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜を用いる双方向フォトサイリスタの特性に大きな影響を及ぼす。具体的には、酸素濃度が高すぎると、サイリスタのｐｎｐトランジスタの増幅率が低下し、バラツキが大きくなる。逆に、酸素濃度が低すぎると、素子のアノード−カソード間のリーク電流が増大する。このため、双方向フォトサイリスタを製造する場合には、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度を精度よく測定し、管理する必要がある。
【０００５】
特に、高感度化のために、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜にボロンやリンなどをドープした低比抵抗膜を用いる双方向フォトサイリスタにおいては、好適な酸素濃度範囲が狭く、約±１．５％程度の高精度の管理が必要とされる。しかし、上述の実験式を用いた段差測定による方法では、段差測定による測定誤差と実験式に含まれるばらつきにより、真の酸素濃度値から約±５％の誤差が生じて、高精度の製造管理ができない。
【０００６】
本発明の課題は、双方向フォトサイリスタに使用する半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度を精度良く測定して、高感度の双方向フォトサイリスタを提供することにある。また、かかる双方向フォトサイリスタを備える小型で高性能の電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の製造方法は、プレーナ型受光素子の高耐圧用パシベーション膜として半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜を有する双方向フォトサイリスタの製造方法であって、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の屈折率を測定する工程と、測定した屈折率に基き半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度を推定する工程とを備える。酸素濃度を推定する工程は、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の屈折率と酸素濃度との相関データを、酸素濃度の推定前に予め蓄積する工程と、酸素濃度の推定時に、蓄積している相関データと屈折率の測定データとに基き酸素濃度を推定する工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
屈折率の測定は、分光エリプソメータを用いて行なうことができる。屈折率の測定に際しては、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の表面にボイド層があると想定し、複数の波長の光を入射して行なう態様が好ましく、複数のボイド層を想定すると、より好ましい。半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜は、シリコン基板上に形成することができる。本発明の製造方法においては、屈折率のほか、厚さを同時に測定し、双方を同時に管理することが可能である。
【０００９】
本発明の双方向フォトサイリスタは、かかる方法により製造され、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の一部に、酸素と異なる不純物をドープした低比抵抗部を有することを特徴とし、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度は１９原子数％〜２２原子数％である態様が好ましい。本発明の電子機器は、かかる双方向フォトサイリスタを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、双方向フォトサイリスタに使用する半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度を精度良く測定することができる。したがって、特に、ボロンまたはリンなどをドーピングした半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度を精度よく管理できるため、高感度の双方向フォトサイリスタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の双方向フォトサイリスタの製造方法は、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の屈折率を測定する工程と、測定した屈折率に基き半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度を推定する工程とを備える。かかる酸素濃度を推定する工程は、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の屈折率と酸素濃度との相関データを、酸素濃度の推定前に予め蓄積する工程と、酸素濃度の推定時に、蓄積している相関データと屈折率の測定データとに基き半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度を推定する工程とを備えることを特徴とする。
【００１２】
図３は、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度について、従来の方法によりシリコン膜の厚さに基き算出した濃度のばらつきと、本発明により屈折率に基き推定した濃度ばらつきを示す。図３に示すように、シリコン膜の厚さから算出すると、約±５％のばらつきが生じるのに対して、本発明により屈折率に基き推定すると、±１％以内にばらつきを抑えることができる。
【００１３】
したがって、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜中の酸素濃度を屈折率に基き推定することにより、精度良く酸素濃度を管理することができる。このため、サイリスタのｐｎｐトランジスタの増幅率のバラツキが小さく、素子のアノード−カソード間のリーク電流の低い優れた双方向フォトサイリスタを提供することができる。特に半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の一部にボロンまたはリンをドープした低比抵抗部を有し、より高精度な制御および管理が必要な双方向フォトサイリスタの製造が可能となる。したがって、ＬＥＤと組合わせて光カプラを形成するなど、小型で高性能の電子機器を提供することができる。
【００１４】
基板としては、Ｓｉ基板を使用することができる。この基板をＨＦなどで洗浄し、双方向フォトサイリスタを製造するためのウェハと同時に、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜を堆積する。このとき、所望の酸素濃度となるように、Ｎ2ＯガスとＳｉＨ4ガスの流量をマスフローなどにより制御する。
【００１５】
高感度化のために半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜にボロンまたはリンなどをドープした低比抵抗膜を使用する双方向フォトサイリスタにおける、電気特性と酸素濃度との関係を図４に示す。図４においては、サイリスタのｐｎｐトランジスタの増幅率（ｈＦＥ（ｐｎｐ））を△で示し、目盛りを右の縦軸に表す。また、アノード−カソード間のリーク電流（ＩＤＲＭ）を○で示し、目盛りを左の縦軸に表す。図４から明らかなとおり、酸素濃度が高すぎると、ｐｎｐトランジスタの増幅率が低下する方向にばらつきが大きくなり、酸素濃度が低すぎると、アノード−カソード間のリーク電流が増大する。したがって、ボロンまたはリンなどの酸素と異なる不純物をドープした低比抵抗膜を有する双方向フォトサイリスタにおいては、酸素濃度が１９〜２２原子％が好ましく、２０〜２１．５原子％がより好ましい。
【００１６】
Ｓｉ基板上に半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜を堆積し、屈折率を測定する。屈折率は分光エリプソメータにより測定することができる。分光エリプソメータは、ガラス基板または薄膜の表面における光の入射光と反射光の偏光状態の変化を測定し、そこから得られるデータにより薄膜の膜厚および屈折率を算出する測定器であり、非接触、非破壊で高精度な測定を容易に行うことができる。分光エリプソメータには、たとえば、アルバックＥＡＭ−１型などがある。
【００１７】
屈折率の測定精度を高める観点から、複数の波長の光をウェハに順次入射し、反射光の偏光の変化量(振幅と位相差)を出力データ(スペクトル)として測定するのが好ましい。出力データを、予め合わせ込んだシミュレーションスペクトルとフィッティングさせ、屈折率を算出することができる。分光エリプソメータにより、屈折率のほか膜厚も測定できるから、屈折率とともに膜厚により酸素濃度を管理することも可能である。
【００１８】
図５は、Ｓｉ基板５１上に半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜５２を堆積したウェハの断面構造を示す。図５（ａ）には、測定評価に使用するモニタウェハを示し、図５（ｂ）には、ウェハのモデル構造を示す。反射されたスペクトルは、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜５２上にボイド層５３、５４があると仮定したモデル構造で解析し、屈折率を測定するのが好ましい。ボイド層（void layer）とは、仮想上の層を表す。一般的に、短波長の光は表面の膜粗さに敏感であり、モデル構造が半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜単層であると、測定誤差が大きくなるためである。また、ボイド層は、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の仮想的欠陥層として、複数層がその表面に存在すると仮定して測定する方が屈折率の測定精度が上がる点で好ましい。
【００１９】
予めＲＢＳ分析装置などにより膜中の酸素濃度を定量分析し、酸素濃度と屈折率の相関データを実際の測定前に蓄積する。ＲＢＳ（Rutherford backscattering spectrometry)分析装置により、薄膜の組成および密度を定量的に分析することができる。定量に際して、標準試料は不要であり、非破壊で、深さ方向の分布を高い精度で分析することができる。ＲＢＳ分析装置には、日新ハイボルテージ社製ＡＮ−２５００などがある。
【００２０】
図２に、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度と屈折率の相関データを例示する。双方向フォトサイリスタの製造に際しては、測定した屈折率に基き、モニタウェハにおける半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜中の酸素濃度を推定する。酸素濃度は、蓄積している相関データと屈折率の測定データに基き推定することができるから、酸素濃度が規定の範囲内に入っているかどうかを判断することにより、適正な半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜を製造できているかどうか判別することができる。特に、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜における酸素濃度を非常に狭い範囲で管理する必要のある双方向フォトサイリスタであっても容易に酸素濃度を管理し、製造することができる。
【００２１】
（実施例１）
本実施例においては、図１に示すような双方向フォトサイリスタを製造した。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は断面図である。まず、ｎ型シリコン基板１上に、アノード拡散領域６，６’と、ｐ型ゲート拡散領域７，７’と、ゲート抵抗拡散領域８，８’を形成した後、ｎ型拡散領域５，１２と、カソード拡散領域９，９’とを形成した。つぎに、酸化膜１３と、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜２とを形成した。
【００２２】
半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜２の形成時には、Ｎ2ＯとＳｉＨ4ガスの流量比を所望の酸素濃度である１９〜２２原子％になるように調整した。半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜２の形成後、分光エリプソメータにより分析すると、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜２の屈折率は３．６２６であったことから、既に蓄積していた図２に示す屈折率と酸素濃度の相関データに基き、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜２中の酸素濃度は２０．０原子％であると推定され、所望の酸素濃度である１９〜２２原子％の管理範囲内にあることがわかった。
【００２３】
つづいて、半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜２について、アノード拡散領域６，６’および、ｐ型ゲート拡散領域７，７’に近い領域にボロンをドープし、低比抵抗膜１５を形成した。その後、シリコン窒化膜１４を形成し、その上に、電極１０，１０’と、チャンネルストッパ電極１１とを形成して、双方向フォトサイリスタを製造した。
【００２４】
双方向フォトサイリスタは、ｐｎｐトランジスタの増幅率（ｈＦＥ（ｐｎｐ））が０．３であり、また、アノード−カソード間のリーク電流（ＩＤＲＭ）は４×１０-8Ａであった。したがって、この双方向フォトサイリスタは、図４によりｈＦＥ（ｐｎｐ）のばらつきが小さく、リーク電流も小さいことがわかった。また、この双方向サイリスタとＬＥＤとを組み合わせると、光カプラを形成することができ、小型で高性能の電子機器が得られた。
【００２５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜における酸素濃度を精度よく管理でき、高感度の双方向フォトサイリスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１において製造した双方向サイリスタの構造を示す模式図である。
【図２】本発明における半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度と屈折率の相関関係を示す図である。
【図３】半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度ばらつきを示す図である。
【図４】本発明における半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜の酸素濃度と、双方向フォトサイリスタの電気的特性との関係を示す図である。
【図５】本発明における半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜のモニタウェハとモデル構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  ｎ型シリコン基板、２  半絶縁性酸素ドープ多結晶シリコン膜、５，１２  ｎ型拡散領域、６，６’  アノード拡散領域、７，７’  ｐ型ゲート拡散領域、８，８’  ゲート抵抗拡散領域、９，９’  カソード拡散領域、１０，１０’  電極、１１  チャンネルストッパ電極、１３  酸化膜、１４  シリコン窒化膜、１５  低比抵抗膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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