(57)【要約】【課題】紫外線透過フィルタを用いることなく、紫外光を可視光に対して十分に選択的に吸収可能な構造を有する半導体紫外線センサを提供する。【解決手段】半導体紫外線センサは、Ｐ型シリコン基板１と、Ｐ型不純物層２と、Ｎ型不純物層３と、Ｐ型不純物層４と、金属配線層５とを備えている。Ｎ型不純物層の不純物濃度のピーク位置が、Ｐ型シリコン基板１の表面からの深さが１００ｎｍ以下の位置に存在しており、Ｐ型不純物層４の膜厚は、０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の内部であって、且つ、前記第１の半導体基板の表面側に形成された第１導電型の第１の不純物層と、
前記第１の不純物層の内部に形成された前記第１の導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２の不純物層と、
前記第２の不純物層の内部であって、且つ、前記半導体基板の表面に形成された前記第１導電型の第３の不純物層と、
前記半導体基板の上に形成され、前記第３の不純物層と接続された第１の金属配線とを備えており、
前記第２の不純物層の不純物濃度のピーク位置が、前記半導体基板の表面からの深さが１００ｎｍ以下の位置に存在しており、
前記第３の不純物層の膜厚は、０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下である、
ことを特徴とする半導体紫外線センサ。
【請求項２】
前記半導体基板の上に形成され、前記第２の不純物層と接続された第２の金属配線をさらに備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体紫外線センサ。
【請求項３】
前記半導体基板の上に形成され、前記第３の不純物層と接続された第３の金属配線をさらに備えている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体紫外線センサ。
【請求項４】
半導体基板と、
前記半導体基板の内部であって、且つ、前記第１の半導体基板の表面側に形成された第１導電型の第１の不純物層と、
前記第１の不純物層の内部に形成された前記第１の導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２の不純物層と、
前記第２の不純物層の上部であって、且つ、前記半導体基板の表面に形成され、第１の不純物層と接続された第３の不純物層と、
前記半導体基板の上に形成され、前記第２の不純物層と接続された第１の金属配線とを備えており、
前記第１の不純物層の不純物濃度のピーク位置が、前記半導体基板の表面からの深さが１００ｎｍ以下の位置に存在しており、
前記第２の不純物層の不純物濃度のピーク位置が、前記半導体基板の表面からの深さが５０ｎｍ以下の位置に存在しており、
前記第３の不純物層の膜厚は、０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下である、
ことを特徴とする半導体紫外線センサ。
【請求項５】
前記半導体基板の上に形成され、前記第１の不純物層と接続された第２の金属配線をさらに備えている、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体紫外線センサ。
【請求項６】
半導体基板と、
前記半導体基板の内部であって、且つ、前記第１の半導体基板の表面側に形成された第１導電型の第１の不純物層と、
前記第１の不純物層の内部に形成された前記第１の導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２の不純物層と、
前記第２の不純物層の上部であって、且つ、前記半導体基板の表面に形成され、第１の不純物層と共に前記第２の不純物層を囲む第３の不純物層と、
前記半導体基板の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟んで前記第２の不純物層と反対側の前記半導体基板内に形成された第４の不純物層と、
前記第４の不純物層と接続された第１の金属配線とを備えており、
前記第１の不純物層の不純物濃度のピーク位置が、前記半導体基板の表面からの深さが１００ｎｍ以下の位置に存在しており、
前記第２の不純物層の不純物濃度のピーク位置が、前記半導体基板の表面からの深さが５０ｎｍ以下の位置に存在しており、
前記第３の不純物層の膜厚は、０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下である、
ことを特徴とする半導体紫外線センサ。
【請求項７】
前記半導体基板の上に形成され、前記第１の不純物層と接続された第２の金属配線をさらに備えている、
ことを特徴とする請求項６に記載の半導体紫外線センサ。
【請求項８】
半導体基板における表面側に第１導電型の第１の不純物層を形成する工程（ａ）と、
前記第１の不純物層の内部に、前記第１の導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２の不純物層を形成する工程（ｂ）と、
前記第２の不純物層の内部であって、且つ、前記半導体基板の表面に、前記第１導電型の第３の不純物層を形成する工程（ｃ）と、
前記半導体基板の上に、前記第３の不純物層と接続される第１の金属配線を形成する工程（ｄ）とを備え、
前記工程（ｂ）は、イオン注入法により、不純物濃度のピーク位置が前記半導体基板の表面からの深さが１００ｎｍ以下の位置に存在するように、前記第２の不純物層を形成する工程を含み、
前記工程（ｃ）は、プラズマドーピング法により、前記第３の不純物層を形成する工程を含む、
ことを特徴とする半導体紫外線センサの製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｃ）において、前記プラズマドーピング法は、ＳＲＰＤ法である、
ことを特徴とする請求項６に記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｃ）において、前記第３の不純物層の膜厚は、０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下である、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体紫外線センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に開示の技術は、紫外線に対しては高感度である一方で、可視光から赤外線に対しては感度が無い半導体紫外線センサ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
紫外線センサは、例えば火炎を検知する火炎センサとして利用されている。このような火炎センサは、火炎からの紫外光と同時に可視光を受けることになるので、火炎を効率的に検知するためには、紫外線のみに感度を持つ紫外線センサが必要である。
【０００３】
従来から、紫外線に選択性があって且つ安価である半導体紫外線センサとして、シリコン半導体プロセスによって形成される半導体紫外線センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図７は、従来の半導体紫外線センサの断面構造を示している。
【０００５】
図７に示すように、ＳＯＩ(Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)構造を用いた従来の半導体紫外線センサの構造では、Ｐ型シリコン基板１１に酸化膜１２が形成されており、該酸化膜１２の上にＮ型シリコン層１３が形成されており、該Ｎ型シリコン層１３の表面にＰ型シリコン層１４が形成されている。また、Ｎ型シリコン層１３及びＰ型シリコン層１４の上に酸化膜１５が形成されており、該酸化膜１５を貫通してＮ型シリコン層１３又はＰ型シリコン層１４と接続する金属配線層１６が形成されている。ここで、酸化膜１２の上部におけるＮ型シリコン層１３及びＰ型シリコン層１４からなるシリコン層の膜厚は薄く形成されている。このように、光吸収されるシリコン層が薄く形成されていることにより、可視光が吸収されない一方で紫外光が選択的に吸収される構造が実現される。その結果、紫外線透過フィルタを用いる必要が無いため、安価な半導体紫外線センサを実現することができる。
【０００６】
図８は、図７のVIII-VIII線の断面における従来の半導体紫外線センサの不純物プロファイルを示している。なお、図８において、縦軸はボロン（Ｂ）及び燐（Ｐ）の不純物濃度（ｃｍ−３）であり、横軸は基板表面からの深さ（μｍ）である。
【０００７】
図８に示すように、Ｎ型シリコン層１３の内部における表面にＰ型シリコン層１４が形成されていることにより、Ｐ型シリコン層１４は、酸化膜１５とシリコン層の界面と界面準位の影響を抑制していると共に、Ｎ型シリコン層１３は、酸化膜１２とシリコン層の界面と界面準位の影響を抑制している。すなわち、Ｎ型シリコン層１３は、Ｐ型シリコン層１４の表面側からの空亡層の広がり８ａ〜８ｃが酸化膜１２にまで広がることを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１６２０２５号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／１２１１３１号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】JAP  vol.79  No.10  p.7435
【非特許文献２】The Proceedings of International Electron Device Meeting, 2008 p.917-920
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、図９は、非特許文献１に開示されたシリコンの光吸収特性を示している。なお、縦軸は吸収膜厚（ｎｍ）であり、横軸は光波長（ｎｍ）である。
【００１１】
図９に示すように、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲が可視光領域であり、波長４００ｎｍ未満の範囲が紫外光領域である。そして、可視光と紫外光の境界である波長４００ｎｍにおいて、光吸収膜厚が急激に変化しており、該波長４００ｎｍに対応する光吸収膜厚は約１００ｎｍであることが分かる。このことから、紫外線透過フィルタを用いることなく、紫外光が選択的に吸収される構造を実現するためには、光吸収するシリコン層の膜厚は約１００ｎｍ以下にすることが望ましいことが分かる。
【００１２】
これに対し、上述の図７に示した従来の半導体紫外線センサでは、光吸収するシリコン層の膜厚が約２５０ｎｍであって、１００ｎｍよりも大幅に厚い。したがって、従来の半導体紫外線センサのシリコン層の膜厚では、紫外線を選択的に吸収させるには不十分な膜厚であることが分かる。
【００１３】
この点、従来の半導体紫外線センサによると、Ｂ＋イオンを用いたイオン注入によりＰ型シリコン層１４を薄く形成しているが、イオン注入を用いて形成する限りにおいて、その膜厚を薄く形成することには限界がある。すなわち、イオン注入を用いて原子を浅く注入するためには、注入する加速エネルギーを低減すればよいが、例えば特許文献２に開示されているように、加速エネルギーを低減させるとイオン源からイオンを引き出すことが困難になることが知られている。例えば、Ｂ＋イオンを例に挙げると、加速エネルギーが２ＫｅＶ以下になるとイオン源からかのイオンの取り出し効率が低下し、加速エネルギーが０．５ＫｅＶ以下になるとイオン源からのイオンの取り出し自体ができなくなる。加速エネルギーが０．５ＫｅＶの下で、Ｂ＋イオンを用いたイオン注入の場合、Ｂが基板の表面から２０ｎｍ程度の深さまで注入されてしまう。このように、イオン注入を用いて、Ｐ型シリコン層１４の膜厚を薄く形成することには限界があることが分かる。その結果、光吸収するシリコン層の膜厚自体も十分に薄くすることができず、紫外線を選択的に吸収させる膜厚として不十分となる。
【００１４】
以上のように、従来の半導体紫外線センサでは、光吸収するシリコン層の膜厚として紫外線を選択的に吸収するのに十分に薄い膜厚を得ることができないために、紫外線透過フィルタを用いない限り、紫外光を可視光に対して選択的に吸収することが困難である。一方で、紫外線透過フィルタを用いる構造を採用する場合には、コスト増加の問題が生じてしまう。
【００１５】
前記に鑑み、本発明の目的は、紫外線透過フィルタを用いることなく、紫外光を可視光に対して十分に選択的に吸収可能な構造を有する半導体紫外線センサ及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る半導体紫外線センサは、半導体基板と、半導体基板の内部であって、且つ、第１の半導体基板の表面側に形成された第１導電型の第１の不純物層と、第１の不純物層の内部に形成された第１の導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２の不純物層と、第２の不純物層の内部であって、且つ、半導体基板の表面に形成された第１導電型の第３の不純物層と、半導体基板の上に形成され、第３の不純物層と接続された第１の金属配線とを備えており、第２の不純物層の不純物濃度のピーク位置が、半導体基板の表面からの深さが１００ｎｍ以下の位置に存在しており、第３の不純物層の膜厚は、０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下である。
【００１７】
本発明の第１の側面に係る半導体紫外線センサにおいて、半導体基板の上に形成され、第２の不純物層と接続された第２の金属配線をさらに備えていてもよい。
【００１８】
本発明の第１の側面に係る半導体紫外線センサにおいて、半導体基板の上に形成され、第３の不純物層と接続された第３の金属配線をさらに備えていてもよい。
【００１９】
本発明の第２の側面に係る半導体紫外線センサは、半導体基板と、半導体基板の内部であって、且つ、第１の半導体基板の表面側に形成された第１導電型の第１の不純物層と、第１の不純物層の内部に形成された第１の導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２の不純物層と、第２の不純物層の上部であって、且つ、半導体基板の表面に形成され、第１の不純物層と接続された第３の不純物層と、半導体基板の上に形成され、第２の不純物層と接続された第１の金属配線とを備えており、第１の不純物層の不純物濃度のピーク位置が、半導体基板の表面からの深さが１００ｎｍ以下の位置に存在しており、第２の不純物層の不純物濃度のピーク位置が、半導体基板の表面からの深さが５０ｎｍ以下の位置に存在しており、第３の不純物層の膜厚は、０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下である。
【００２０】
本発明の第２の側面に係る半導体紫外線センサにおいて、半導体基板の上に形成され、第１の不純物層と接続された第２の金属配線をさらに備えていてもよい。
【００２１】
本発明の第３の側面に係る半導体紫外線センサは、半導体基板と、半導体基板の内部であって、且つ、第１の半導体基板の表面側に形成された第１導電型の第１の不純物層と、第１の不純物層の内部に形成された第１の導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２の不純物層と、第２の不純物層の上部であって、且つ、半導体基板の表面に形成され、第１の不純物層と共に第２の不純物層を囲む第３の不純物層と、半導体基板の上に形成されたゲート電極と、ゲート電極を挟んで第２の不純物層と反対側の半導体基板内に形成された第４の不純物層と、第４の不純物層と接続された第１の金属配線とを備えており、第１の不純物層の不純物濃度のピーク位置が、半導体基板の表面からの深さが１００ｎｍ以下の位置に存在しており、第２の不純物層の不純物濃度のピーク位置が、半導体基板の表面からの深さが５０ｎｍ以下の位置に存在しており、第３の不純物層の膜厚は、０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下である。
【００２２】
本発明の第３の側面に係る半導体紫外線センサにおいて、半導体基板の上に形成され、第１の不純物層と接続された第２の金属配線をさらに備えていてもよい。
【００２３】
本発明の一側面に係る半導体紫外線センサの製造方法は、半導体基板における表面側に第１導電型の第１の不純物層を形成する工程（ａ）と、第１の不純物層の内部に、第１の導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２の不純物層を形成する工程（ｂ）と、第２の不純物層の内部であって、且つ、半導体基板の表面に、第１導電型の第３の不純物層を形成する工程（ｃ）と、半導体基板の上に、第３の不純物層と接続される第１の金属配線を形成する工程（ｄ）とを備え、工程（ｂ）は、イオン注入法により、不純物濃度のピーク位置が半導体基板の表面からの深さが１００ｎｍ以下の位置に存在するように、第２の不純物層を形成する工程を含み、工程（ｃ）は、プラズマドーピング法により、第３の不純物層を形成する工程を含む。
【００２４】
本発明の一側面に係る半導体紫外線センサの製造方法において、工程（ｃ）において、プラズマドーピング法は、ＳＲＰＤ（Ｓｅｌｆ−Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ  Ｐｌａｓｍａ  Ｄｏｐｉｎｇ）法であることが好ましい。
【００２５】
本発明の一側面に係る半導体紫外線センサの製造方法において、工程（ｃ）において、第３の不純物層の膜厚は、０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように、本発明の一側面に係る半導体紫外線センサ及びその製造方法によると、紫外線透過フィルタを用いることなく、紫外光を可視光に対して十分に選択的に吸収可能な構造を有する半導体紫外線センサを実現できる。また、紫外線透過フィルタを用いることが無いので、安価な半導体紫外線センサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体紫外線センサの構造を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体紫外線センサの不純物プロファイル及び電子ポテンシャルを示す図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態において用いるプラズマドーピング装置の概略図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体紫外線センサの構造を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に係る半導体紫外線センサの不純物プロファイル及び電子ポテンシャルを示す図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態に係る半導体紫外線センサの構造を示す断面図である。
【図７】図７は、従来に係る半導体紫外線センサの構造を示す断面図である。
【図８】図８は、従来に係る半導体紫外線センサの不純物プロファイルを示す図である。
【図９】図９は、シリコンの光吸収特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下では、図面及び詳細な説明をもって本発明の技術的思想を明確に説明するものであり、当該技術分野におけるいずれの当業者であれば、本発明の好ましい実施例を理解した後に、本発明が開示する技術により、変更及び付加を加えることが可能であり、これは本発明の技術的思想及び範囲を逸脱するものではない。
【００２９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体紫外線センサの断面構造を示している。
【００３０】
図１に示すように、Ｐ型シリコン基板１の内部であって、Ｐ型シリコン基板１の表面側には、Ｐ型不純物層２が形成されている。Ｐ型不純物層２の内部であって、Ｐ型シリコン基板１の表面側には、Ｎ型不純物層３が形成されている。Ｎ型不純物層３の内部であって、Ｐ型シリコン基板１の表面には、Ｐ型不純物層４が形成されている。Ｐ型不純物層２、Ｎ型不純物層３及びＰ型不純物層４の上には、金属配線層５が形成されており、該金属配線層５は、Ｐ型不純物層２、Ｎ型不純物層３及びＰ型不純物層４のそれぞれと接続されている。
【００３１】
ここで、Ｐ型不純物層２、Ｎ型不純物層３及びＰ型不純物層４について具体的に説明する。
【００３２】
まず、Ｐ型不純物層２について説明する。
【００３３】
上述のようにＰ型シリコン基板１の内部に形成されるＰ型不純物層２は、Ｎ型不純物層３から空亡層が無用に広がることを防止するために形成されたものであって、特に横方向に隣接する素子との素子分離を保証するために形成されている。但し、Ｐ型シリコン基板１の不純物濃度が十分に大きい場合には、Ｐ型不純物層２を形成しない構造を採用することもできる。
【００３４】
次に、Ｎ型不純物層３について説明する。
【００３５】
Ｐ型不純物層２を形成した後に上述のようにＰ型不純物層２の内部に形成されるＮ型不純物層３は、不純物濃度のピーク位置がＰ型シリコン基板１の表面（Ｐ型不純物層２、Ｎ型不純物層３、又はＰ型不純物層４の表面）からの深さが約１００ｎｍ以下の位置になるように形成されている。
【００３６】
このようなＮ型不純物層３の形成は、Ａｓ＋イオンを用いたイオン注入により、容易に実現可能である。すなわち、Ａｓ＋イオンを加速エネルギーが１７０ＫｅＶの下で、イオン注入すればよい。イオン注入後には、不純物活性化のためのアニールとして、９００℃〜１０００℃のスパイクＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を施すことにより、注入された不純物のプロファイルはほぼ保持されて、不純物濃度のピーク位置がＰ型シリコン基板１の表面からの深さが約１００ｎｍの位置にあるＮ型不純物層３が形成される。
【００３７】
さらに、Ｐ型不純物層４について説明する。
【００３８】
Ｎ型不純物層３を形成した後に上述のようにＮ型不純物層３の内部に形成されるＰ型不純物層４は、膜厚が０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下、より具体的には１０ｎｍ以上であって且つ２０ｎｍ以下になるように形成されている。
【００３９】
まず、Ｐ型不純物層４がＰ型シリコン基板１の表面に形成される理由は、シリコンの表面には多数存在する欠陥準位の悪影響を防ぐためである。すなわち、上述した図９から分かるように、紫外光はシリコンの表面近傍で吸収されて電荷が発生するが、発生した電子がシリコンの表面の欠陥準位に捕獲されて再結合すると光電流として取り出すことができなくなる。このため、シリコンの表面にＰ型不純物層４を形成することで電位バリアが形成される結果、発生した電子をＮ型不純物層３へ誘導するためである。
【００４０】
また、Ｐ型不純物層４は、プラズマドーピング法を用いることにより、特には、プラズマドーピング法の一種であるＳＲＰＤ（Ｓｅｌｆ−Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ  Ｐｌａｓｍａ  Ｄｏｐｉｎｇ）法を用いることにより、その膜厚が具体的には１０ｎｍ以上であって且つ２０ｎｍ以下になるように形成されている。プラズマドーピング法、特にはＳＲＰＤ法を用いるのは、上述したように、従来の半導体紫外線センサのようなイオン注入法では１０ｎｍ以上であって且つ２０ｎｍ以下の膜厚を形成することは難しいからであり、このような非常に薄い膜厚を制御することが難しいために、プラズマドーピング法の一種であるＳＲＰＤ法を用いることがより好ましいからである。なお、プラズマドーピング法、特には、ＳＲＰＤ法を用いて、膜厚が１０ｎｍ以上であって且つ２０ｎｍ以下のＰ型不純物層４を具体的に形成する方法については後述で別途詳説する。
【００４１】
図２は、以上で説明した構造を有する本実施形態に係る半導体紫外線センサにおける図１のII-II線断面の不純物プロファイル及び電子ポテンシャルを示している。なお、縦軸は不純物濃度（ｃｍ−３）であり、横軸は基板表面からの深さ（ｎｍ）である。また、ここでは、Ｎ型不純物層３には、Ｐ型不純物層２及び４に対して正の電圧が印加されている。一例として、Ｐ型不純物層２及び４を０Ｖとして、Ｎ型不純物層３には３．３Ｖが印加されている場合等である。
【００４２】
図２の電子ポテンシャル図に示すように、Ｐ型シリコン基板１の表面からの深さが１００ｎｍ以内の領域にて吸収されて生成したホールはＰ型不純物層４側に流れる一方で、Ｐ型シリコン基板１の表面からの深さが約１００ｎｍを越えた領域にて吸収されて生成したホールはＰ型シリコン基板１の下側に排出されることが分かる。すなわち、光吸収膜厚の小さい紫外光は、Ｐ型シリコン基板１の表面からの深さが約１００ｎｍ以内の領域にて吸収されて、発生したホールは光電流として検知される一方で、光吸収膜厚の大きい可視光は、Ｐ型シリコン基板１の表面からの深さが約１００ｎｍを越えた領域にて吸収されて、発生したホールは光電流に寄与せず排出されることにより、紫外光による光電流を選択的に検知することができる。
【００４３】
ここでさらに、図３を参照しながら、プラズマドーピング法を用いてＰ型不純物層４を形成する具体的な方法について簡単に説明する。
【００４４】
図３は、本実施形態におけるＰ型不純物層４を形成するために用いるプラズマドーピング装置の概略図を示している。
【００４５】
図３で示したプラズマドーピング装置を利用して、プラズマドーピング法、特にはＳＲＰＤ法を用いるのは、上述したように、イオン注入法では、１０ｎｍ以上であって且つ２０ｎｍ以下の膜厚のＰ型不純物層４を形成することが難しいからである。すなわち、不純物層を浅く形成するためには、イオン注入を低い加速エネルギーにて行う必要があるが、低い加速エネルギーのイオンをイオン源から効率良く引き出すには限界がある。このため、イオン注入により浅い不純物層を形成するには限界があり、特に、１０ｎｍ以上であって且つ２０ｎｍ以下と非常に薄い膜厚のＰ型不純物層４を形成することは困難であるからである。一方で、プラズマドーピング法を用いることにより、このような非常に薄い膜厚の不純物層を形成することができるからである。
【００４６】
まず、本実施形態のＰ型シリコン基板１である試料（被処理基板）４３を真空容器４５内にセットし、マスフローコントローラ３４、３５を介して不純物原子を含んだ原料ガスを真空容器４５内へ導入する。高周波電源３１、４２を用いてマッチングボックス３２、４１を介して、高周波電力をコイル３３と下部電極４４とに印加することにより、プラズマを真空容器４５内に生成して、原料ガスを分解して不純物イオンを生成する。これにより、大量の不純物イオンがプラズマ内に生成される。続いて、試料４３がセットされている下部電極４４に印加されるバイアス電圧又はプラズマで生成した自己バイアス電圧による電界により、低いエネルギーにて試料４３に不純物イオンが導入されて、試料４３の表面に深さの浅い不純物層が形成される。
【００４７】
このようにして、深さの浅い不純物層の形成が可能であるが、不純物ドーズ量の制御が容易ではない、すなわち、試料４３としてセットされたシリコンウエハ面内の均一性を取ることが容易ではなかったり、複数のシリコンウエハを処理した場合の再現性を取ることが容易ではないことから、ＳＲＰＤ法を用いることがより好ましい。なぜなら、ＳＲＰＤ法は、例えば非特許文献１に開示されているように、不純物ドーズ量の制御性が良好であって、均一性及び再現性が良好であるからである。
【００４８】
ここで、ＳＲＰＤ法では、不純物ドーズ量の制御性が良好であって、均一性及び再現性が良好である理由について説明する。
【００４９】
まず、プラズマドーピング法では、外部からマスフローコントローラ３４、３５を介して導入された原料ガスをプラズマ内で分解して得られた不純物イオンの寄与よりもむしろ、プラズマにより真空容器４５内に付着した膜からの不純物の寄与の方が大きい。すなわち、プラズマ中で分解された原料ガスの一部が真空容器４５内の内壁などに膜として付着する。この膜には原料ガスに含まれる不純物が多く含まれており、この膜がプラズマで生成されたイオンによってスパッターされるため、この膜に含まれる不純物が放出されて試料４３に取り込まれることになる。言い換えると、真空装置４５をクリーンアップしてプラズマドーピングを開始して、プラズマにより不純物を含んだ膜が真空装置４５内に付着していくに従って、試料４３の表面に導入される不純物のドーズ量が増加することになる。
【００５０】
ＳＲＰＤ法とは、このプラズマドーピング法の特質を考慮して、試料４３に再現性良く且つ均一に不純物を導入することを可能としたものであって、また、深さの浅い不純物層を形成することを可能にしたものである。すなわち、ＳＲＰＤ法では、プラズマドーピング処理を繰り返して真空容器内に不純物を含んだ膜を十分に形成した後に、試料４３に対して所望の不純物ドーピングを行うものである。また、ＳＲＰＤ法では、試料４３として搭載されるシリコンウエハ面内に不純物を均一に導入させるために、不純物を含んだ膜が試料４３の周りに均一に形成されるように真空容器４５の形状を工夫した装置を利用するものである。さらに、ボロン（Ｂ）原子のドーピングの場合には、原料ガスとして、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）をヘリウム（Ｈｅ）ガスで希釈したものを用いることが非常に好ましい。ボロン（Ｂ）を含むガスとして、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）などを用いることも可能であるが、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）と比較すると分子量が大きい。このため、スパッターにより、試料４３として搭載されたシリコンウエハの表面が削られることになるので、制御性の良い不純物の導入が容易ではなくなる。また、希釈ガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）の他に、ヘリウムよりも原子量の大きいアルゴン（Ａｒ）又はネオン（Ｎｅ）を用いることもできるが、同様に、スパッターにより、原子量が大きい分だけ、試料４３のシリコンウエハの表面が削られることになるので、制御性の良い不純物の導入が容易ではなくなる。
【００５１】
そこで、以下に、図３を参照しながら、プラズマドーピング法よりも、より好ましいＳＲＰＤ法を用いてＰ型不純物層４を形成する具体的な方法について簡単に説明する。
【００５２】
まず、マスフローコントローラ３４、３５を介して、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）とヘリウム（Ｈｅ）を真空容器４５内に導入する。調圧弁３７を調整して真空容器４５内の圧力を０．５Ｐａに保持する。ジボラン（Ｂ２Ｈ６）とヘリウム（Ｈｅ）の流量比を０．０５％と９５．９５％に設定する。続いて、プラズマ源としてのコイル３３に１５００Ｗの高周波電力を供給して真空容器４５内にプラズマを発生させる。下部電極４４に２００Ｗの高周波電力を供給すると、ボロン（Ｂ）を試料４３としてのＰ型シリコン基板１に打ち込むことができる。Ｐ型シリコン基板１にプラズマからボロン（Ｂ）が打ち込まれて、あるドーズ量に到達すると、逆にプラズマで生成されたイオンのスパッターにより、Ｐ型シリコン基板１に形成された不純物層からボロン（Ｂ）が放出される。Ｐ型シリコン基板１の表面のボロン濃度が大きくなっていく際に、ボロン（Ｂ）の打ち込みとスパッターとがちょうど釣り合う時間が存在する。時間の変化によることなく、ドーズ量が一定となる時間をプロセスウィンドウとすることにより、ドーズ量を正確に制御することができるのである。なお、図３に示すプラズマドーピング装置では、上述した構成部分の他に、ターボ分子ポンプ３６、ドライポンプ３８、冷却水供給ユニット３９、及びＶｄｃモニター４０を含んでいる。
【００５３】
以上で説明したＳＲＰＤ法によってボロン（Ｂ）の不純物層を実際に形成すると、非特許文献２に開示されているように、その形成直後において膜厚が６．７ｎｍの深さが非常に浅いボロンの不純物層が形成される。また、ＳＲＰＤ法を用いてＰ型シリコン基板１に不純物を導入した後に、活性化アニールとしてスパイクＲＴＡを行った後においても、膜厚が８．５ｎｍ又は１４．７ｎｍの十分な薄さの不純物層が形成される。このようにして、ＳＲＰＤ法を用いて、スパイクＲＴＡを行った後においても、膜厚が８．５ｎｍ又は１４．７ｎｍのＰ型不純物層４を形成することができる。このように、膜厚１０ｎｍ以上であって且つ２０ｎｍ以下のＰ型不純物層４が形成されるため、不純物濃度のピーク位置がＰ型シリコン基板１の表面からの深さが約１００ｎｍ以下にあるＮ型不純物層３の形成も可能である。これにより、光吸収するシリコン層の膜厚を約１００ｎｍ以下にすることができる。したがって、本実施形態に係る半導体紫外線センサによると、上述の図２を用いて説明したように、可視光を吸収しないが紫外光を選択的に吸収することができるので、紫外線フィルタを用いることなく、紫外線により生成し、Ｐ型不純物層４に移動したホールによる光電流を検知することができる。その結果、安価な半導体紫外線センサを実現することができる。
【００５４】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体紫外線センサの断面構造を示している。
【００５５】
図４に示すように、本実施形態に係る半導体紫外線センサでは、Ｎ型シリコン基板６が用いられており、該Ｎ型シリコン基板６の内部であって、Ｎ型シリコン基板６の表面側には、Ｎ型不純物層７が形成されている。また、Ｎ型不純物層７の上部には、Ｐ型不純物層２が形成されている。さらに、Ｐ型不純物層２の内部であって、Ｎ型シリコン基板６の表面側には、Ｎ型不純物層３が形成されている。Ｎ型不純物層３の内部であって、Ｎ型シリコン基板６の表面には、Ｐ型不純物層４が形成されている。Ｐ型不純物層２、Ｎ型不純物層３及びＰ型不純物層４の上には、金属配線層５が形成されており、該金属配線層５は、Ｐ型不純物層２、Ｎ型不純物層３及びＰ型不純物層４のそれぞれと接続されている。
【００５６】
ここで、本実施形態におけるＰ型不純物層２は、不純物濃度のピーク位置がＮ型シリコン基板６の表面からの深さが約１００ｎｍの位置になるように形成されている。具体的には、加速エネルギーを３０ＫｅＶとして、Ｂ＋イオンを用いたイオン注入を行った後、さらに、イオン注入後に不純物の活性化アニールとして９００〜１０００℃のスパイクＲＴＡを施す。このようにすると、注入されたプロファイルが熱処理により変化し、不純物濃度のピーク位置がＮ型シリコン基板６の表面からの深さが約１００ｎｍの位置にあるＰ型不純物層２が容易に形成される。
【００５７】
また、本実施形態におけるＮ型不純物層３は、Ｐ型不純物層２が、その不純物濃度のピーク位置がＮ型シリコン基板６の表面からの深さが約１００ｎｍの位置にあるように形成されていることから、不純物濃度のピーク位置がＮ型シリコン基板６の表面からの深さが約１００ｎｍの位置よりも浅い位置、例えば５０ｎｍの位置になるように形成される。具体的には、加速エネルギーを８５ＫｅＶとし、Ａｓ＋イオンを用いたイオン注入を行うことにより、所望のプロファイル、つまり、不純物濃度のピーク位置がＮ型シリコン基板６の表面からの深さが約５０ｍの位置にあるＮ型不純物層３を形成することができる。
【００５８】
また、Ｐ型不純物層４については、上述の第１の実施形態での説明と同様にして、プラズマドーピング法、特にはＳＲＰＤ法により、膜厚が０ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍ以下、より具体的には１０ｎｍ以上であって且つ２０ｎｍ以下になるように形成される。
【００５９】
また、Ｎ型不純物層７は、後述する図５の電子ポテンシャルのプロファイルを調整するために、特には、Ｐ型不純物層２の不純物プロファイルのピーク位置近傍にある電子ポテンシャルのピーク位置を微調整するために、設けられている。但し、Ｎ型シリコン基板６の不純物濃度によって制御できる場合には、Ｎ型不純物層７を設けない構成でもかまわない。
【００６０】
本実施形態に係る半導体紫外線センサは、紫外線を吸収して生成した電子をＮ型不純物層３に集めることにより、Ｎ型不純物層３に接続された金属配線層５の光電流を検知する構成となっている。
【００６１】
図５は、以上の構造を有する本実施形態に係る半導体紫外線センサにおける図４のV-V線断面の不純物プロファイル及び電子ポテンシャルを示している。なお、縦軸は不純物濃度（ｃｍ−３）であり、横軸は基板表面からの深さ（ｎｍ）である。また、ここでは、Ｎ型不純物層３には、Ｐ型不純物層２及び４に対して正の電圧が印加されている。一例として、Ｐ型不純物層２及び４を０Ｖとして、Ｎ型不純物層３には３．３Ｖが印加されている場合等である。
【００６２】
図５の電子ポテンシャル図に示すように、本実施形態におけるＰ型不純物層２は、上述した通り、不純物濃度のピーク位置がＮ型シリコン基板６の表面からの深さが約１００ｎｍの位置に存在するように形成されており、Ｎ型不純物層３もまた、上述した通り、不純物濃度のピーク位置がＮ型シリコン基板６の表面からの深さが約１００ｎｍよりも浅い約５０ｎｍの位置に存在するように形成されている。また、Ｐ型不純物層４は、第１の実施形態と同様に、膜厚が１０ｎｍ以上であって且つ２０ｎｍ以下になるように形成されている。
【００６３】
さらに、図５の電子ポテンシャル図に示すように、Ｐ型不純物層２が空亡化しており、Ｐ型不純物層２の不純物プロファイルのピーク位置が電子ポテンシャルのピーク位置とおおよそ一致している。したがって、Ｎ型シリコン基板６の表面からの深さが約１００ｎｍを越えて吸収される可視光に関しては、生成した光電子はＮ型シリコン基板６に排出される。一方で、Ｎ型シリコン基板６の表面からの深さが約１００ｎｍ以下で吸収される紫外光に関しては、生成した電子はＮ型不純物層３に集められて、Ｎ型不純物層３に接続する金属配線層５に光電流として読み出される。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態によると、膜厚１０ｎｍ以上であって且つ２０ｎｍ以下のＰ型不純物層４が形成され、不純物濃度のピーク位置がＮ型シリコン基板６の表面からの深さが約５０ｎｍ以下となるＮ型不純物層３が形成され、不純物濃度のピーク位置がＮ型シリコン基板６の表面からの深さが約１００ｎｍ以下となるＰ型不純物層２が形成されるため、Ｎ型シリコン基板６の表面から深さが約１００ｎｍ以下の光吸収するシリコン層が実現されている。したがって、本実施形態に係る半導体紫外線センサによると、上述の図５を用いて説明したように、可視光を吸収しないが紫外光を選択的に吸収することができるので、紫外線フィルタを用いることなく、紫外線により生成し、Ｎ型不純物層３に移動した電子による光電流を検知することができる。その結果、安価な半導体紫外線センサを実現することができる。また、Ｐ型不純物層に対する接続は第１の実施形態ではＰ型不純物層２及び４それぞれに設けていたが、本実施形態では、Ｐ型不純物層２及び４が接続されているため、１箇所に設ければよく、素子の微細化が可能となる。
【００６５】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る半導体紫外線センサの断面構造を示している。
【００６６】
図６に示すように、本実施形態に係る半導体紫外線センサでは、第２の実施形態と同様に、Ｎ型シリコン基板６が用いられており、該Ｎ型シリコン基板６の内部であって、Ｎ型シリコン基板６の表面側には、Ｎ型不純物層７が形成されている。また、Ｎ型不純物層７の上部には、Ｐ型不純物層２が形成されている。さらに、Ｐ型不純物層２の内部には、Ｎ型不純物層３が形成されている。Ｎ型不純物層３の内部であって、Ｎ型シリコン基板６の表面には、Ｐ型不純物層４が形成されている。ここで、Ｎ型不純物層３は、Ｐ型不純物層
２及びＰ型不純物層４によって完全に囲まれている。また、Ｐ型不純物層２及びＰ型不純物層４の上には、金属配線層５が形成されており、該金属配線層５は、Ｐ型不純物層２及びＰ型不純物層４のそれぞれと接続している。また、Ｐ型不純物層２及びＰ型不純物層４の上には、読み出しゲート８が形成されており、Ｐ型不純物層２の上部におけるゲート８の側方下には、Ｎ型不純物層からなる読み出し部９が形成されている。各構成は第２の実施形態２と同様の深さで、同様の工程により形成される。
【００６７】
また、以上の構造を有する本実施形態に係る半導体紫外線センサにおける図６のV-V線断面の不純物プロファイル及び電子ポテンシャルは、上述の図５と基本的に同様であり、本実施形態に係る半導体紫外線センサは、第２の実施形態と同様に、紫外線を吸収して生成した電子をＮ型不純物層３に集めることにより、Ｎ型不純物層３に接続された金属配線層５の光電流を検知する構成となっている。但し、本実施形態に係る半導体紫外線センサでは、第２の実施形態のように光電流をＮ型不純物層３に接続された金属配線層５から直接的に読み出す構成ではなく、Ｎ型不純物層３に一定時間光生成した電子を蓄積した後、読み出しゲート８を介して光生成電子を読み出す構成である。したがって、Ｎ型不純物層３は、金属配線層５に接続されておらず、Ｎ型不純物層３に蓄積された電子は、読み出しゲート８を介してＮ型不純物層からなる読み出し部９に読み出される。つまり、読み出しゲート８は、Ｎ型不純物層３と読み出し部９とを電気的に接続させるためのトランジスタを構成している。
【００６８】
このようにして、本実施形態に係る半導体紫外線センサによると、上述の第２の実施形態と同様に、光吸収するシリコン層の膜厚を約１００ｎｍ以下にすることができるため、可視光を吸収しないが紫外光を選択的に吸収することができるので、紫外線フィルタを用いることなく、紫外線により生成した電子による光電流を検知することができる。その結果、安価な半導体紫外線センサを実現することができる。
【００６９】
さらに、本実施形態では、図示していないが、読み出し部９の電位を読み出す上で電流増幅を行うために、ソースフォロワーなどの増幅器を読み出し部９に接続することにより、検出感度を向上させる。Ｎ型不純物層３に蓄積された光生成電荷は、読み出しゲート８に高い電圧を印加することにより、読み出し部９に転送される。読み出し部９の電位は、読み出された電荷の分だけ低下する。この電位変化は、読み出された電荷量を読み出し部９の静電容量で割った値となる。したがって、読み出し部９の静電容量が小さいほど、この電位変化が大きくなるため、光生成電荷の検出感度は大きくなる。また、Ｎ型不純物層３に光生成する電荷を蓄積する時間を長くするとその蓄積時間に比例して蓄積電荷は増加するので、蓄積時間を調整することにより、検出感度を上昇させることができる。
【００７０】
また、図６に示した紫外線センサは、一つの紫外光を検出する部分を示しているが、この部分を１単位の画素と考えて、この画素を１次元又は２次元状に複数配置し、各画素に各画素を選択する選択手段と各画素に配置されるソースフォロワーの出力を読み出す配線などを配置することにより、１次元又は２次元の紫外線を検知するイメージセンサを構成することもできる。このイメージセンサを用いることにより、安価に、１次元又は２次元の紫外線の画像を得ることができる。このようにイメージセンサを構成する場合であっても、紫外線フィルタを設ける必要がないので、安価であって且つ検出感度の高いに紫外線イメージセンサを提供することができる。
【００７１】
なお、以上の第１及び第２の実施形態の説明において、導電型の構成としてＮ型とＰ型が反対の導電型である構成としても有効であって、上述と同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、紫外線フィルタが不要な構造の紫外線センサ、並びに１次元又は２次元の紫外線イメージセンサにとって有用である。また、シリコン半導体プロセスを利用する紫外線センサの製造方法にとって有用である。
【符号の説明】
【００７３】
１  Ｐ型シリコン基板
２  Ｐ型不純物層
３  Ｎ型不純物層
４  Ｐ型不純物層
５  金属配線層
６  Ｎ型シリコン基板
７  Ｎ型不純物層
８  読み出しゲート
９  読み出し部
３１  高周波電源
３２  マッチングボックス
３３  コイル
３４  マスフローコントローラ
３５  マスフローコントローラ
３６  ターボ分子ポンプ
３７  調圧弁
３８  ドライポンプ
３９  冷却水供給ユニット
４０  Ｖｄｃモニター
４１  マッチングボックス
４２  高周波電源
４３  試料（被処理基板）
４４  下部電極
４５  真空容器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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