(57)【要約】　　　（修正有）【課題】出力変動が抑制される半導体位置検出素子を提供する。【解決手段】バルクの半導体基板Ｌ，Ｕを貼りあわせてＰＳＤを構成する。この場合、不純物濃度のばらつきが極めて小さいため、出力変動を抑制することができる。また、不感領域を酸化膜ＯＸの直下に設けることで、酸化膜ＯＸとの界面の劣化による出力変動を抑制することができる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体基板上に第２導電型の第２半導体基板を貼り合わせ、前記第１半導体基板に裏面電極を設け、前記第２半導体基板上に少なくとも一対の信号取出電極を設けてなることを特徴とする半導体位置検出素子。
【請求項２】
前記第２半導体基板の厚みは０．５μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体位置検出素子。
【請求項３】
前記第２半導体基板の厚みは１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体位置検出素子。
【請求項４】
一対の前記信号取出電極間に位置する光検出領域における前記第２半導体基板の表面側に設けられた酸化膜と、前記光検出領域における前記酸化膜の下で前記第２半導体基板の前記表面側に設けられた高濃度不純物層とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体位置検出素子。
【請求項５】
前記高濃度不純物層の導電型は、前記第２半導体基板とは逆の第１導電型であり、この高濃度不純物層は接地されることを特徴とする請求項４に記載の半導体位置検出素子。
【請求項６】
前記第２半導体基板の周辺部は、前記光検出領域の表面に対して傾斜する斜面によって囲まれており、前記斜面は傾斜方向に沿って前記第１及び第２半導体基板の界面にまで延びていることを特徴とする請求項１に記載の半導体位置検出素子。
【請求項７】
前記第２半導体基板は前記斜面から第２導電型の不純物を拡散してなる不純物拡散層を備え、前記不純物拡散層は前記第１半導体基板に到達していることを特徴とする請求項６に記載の半導体位置検出素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体位置検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体位置検出素子（ＰＳＤ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）は、光の入射位置を検出できる光センサーとして知られている。従来のＰＳＤは、半導体基板内に抵抗層を形成し、この抵抗層の両端に信号取出電極を設けていた。従来のＰＳＤは、例えば以下の特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１−２７６７７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような抵抗層は不純物濃度にばらつきがあるため、信号取出電極から取り出される出力に変動が生じる。特に、高抵抗層を形成する場合は不純物濃度が低いので、温度、放射線等の環境の影響を受けやすく、その結果、ＰＳＤの出力にバラツキ、経時変化が生じやすかった。
【０００５】
また、半導体の表面に強い紫外線（放射線）が照射される場合は、ＰＳＤ表面の保護膜である酸化膜と半導体基板との界面において界面特性が劣化し、出力特性が大きく変動していた。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、出力変動が抑制され安定動作する半導体位置検出素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体位置検出素子は、第１導電型の第１半導体基板上に第２導電型の第２半導体基板を貼り合わせ、第１半導体基板に裏面電極を設け、第２半導体基板上に少なくとも一対の信号取出電極を設けてなることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、バルクの半導体基板は不純物濃度のばらつきが少ないため、第１及び第２半導体基板を貼り合わせることで、半導体位置検出素子を構成すると、信号取出電極から取り出される出力の変動を抑制することができる。
【０００９】
バルクである半導体基板は不純物濃度のばらつきが少ないが、位置検出を行うためには、十分な抵抗が必要である。抵抗は基板の厚みに反比例する傾向がある。第２半導体基板は研磨することで容易にミクロンオーダー厚みにすることができるが、これによって第２半導体基板が十分大きな抵抗を有することとなり、正確な位置検出を行うことができることとなる。
【００１０】
特に、第２半導体基板の厚みが０．５μｍ（５００ｎｍ）以上２００μｍ以下である場合、位置検出に必要な抵抗を有すると共に波長１μｍまでの光を高感度に検出できる。また、第２半導体基板の厚みを０．５μｍ未満とすると、抵抗は高くすることができるが、製造時における厚み精度の制御が困難となる。
【００１１】
また、第２半導体基板の厚みが１０μｍ以上５０μｍ以下である場合には、可視光から近赤外程度の高感度光検出をすることができ、且つ、基板厚みを精度良く制御することができる。
【００１２】
第２半導体基板上に酸化膜を形成した場合、酸化膜は第２半導体基板を保護することができるが、これらの界面の劣化は第２半導体基板に影響を与え、出力特性が変動する。
【００１３】
そこで、本発明に係る半導体位置検出素子は、一対の信号取出電極間に位置する光検出領域における第２半導体基板の表面側に設けられた酸化膜と、光検出領域における酸化膜の下で第２半導体基板の表面側に設けられた高濃度不純物層とを備えている。
【００１４】
高濃度不純物層は、半導体に高濃度１０１７ｃｍ−３以上の不純物が添加された層である。このような高濃度の層においては、界面劣化に伴う出力変動を抑制することができる。
【００１５】
この高濃度不純物層の導電型が、第２半導体基板とは逆の第１導電型であり、この高濃度不純物層が接地される場合、接地された高濃度不純物層によって、高濃度不純物層と第２半導体基板との界面状態及び高濃度不純物層と酸化膜との界面状態が電気的に安定するので、出力変動を抑制することができる。
【００１６】
第２半導体基板の周辺部は、光検出領域の表面に対して傾斜する斜面によって囲まれており、この斜面は傾斜方向に沿って第１及び第２半導体基板の界面にまで延びていることが好ましい。
【００１７】
この場合の斜面は、素子分離用のＶ溝の片側斜面である。すなわち、複数の半導体位置検出素子を同一の半導体ウェハ上に形成した場合において、Ｖ溝に沿ってダイシングを行うと、素子の物理的分離が容易となる。
【００１８】
特に、第２半導体基板は前記斜面から第１導電型の不純物を拡散してなる不純物拡散層を備え、この不純物拡散層が第１半導体基板に到達している場合には、第２導電型である第２半導体基板と第１導電型の不純物拡散層との間にＰＮ接合が形成されることとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る半導体位置検出素子（以下、ＰＳＤとする）について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００２０】
図１は第１実施形態に係るＰＳＤの平面図、図２は図１に示したＰＳＤのＩ−Ｉ矢印断面図である。
【００２１】
このＰＳＤは、Ｎ型（第１導電型）の第１半導体基板Ｌ上にＰ型（第２導電型）の第２半導体基板Ｕを貼り合わせ、第１半導体基板Ｌに裏面電極を設け、第２半導体基板Ｕ上に一対の信号取出電極Ｓを設けてなる。貼り合せ工程においては、精密研磨、清浄化した半導体基板を２枚重ねて貼り付ける。その後に貼り付いたウエハをまとめて、電気炉に入れて反応させて必要充分な接合強度まで高める。このときの温度は１０００℃〜１１００℃で加熱する。基板の貼り合せ後、第２半導体基板Ｕを所定の厚みになるまで機械研磨する。また、貼り合わせしたウエハ周辺を面取りして仕上げる。
【００２２】
第１半導体基板Ｌと第２半導体基板ＵとはＰＮ接合を構成している。信号取出電極Ｓ間の光検出領域に光が入射すると基板内でキャリアが発生する。このキャリアは出力電流となる。ＰＳＤの光検出領域への光の入射位置によって、双方の信号取出電極Ｓから出力される電流Ｉ１，Ｉ２の比率が異なる。信号取出電極Ｓから出力される電流Ｉ１，Ｉ２の比率を求めれば、光の入射位置を求めることができる。この比率は従来の処理回路を用いて求める。なお、光検出領域は信号取出電極Ｓ間に設定される。
【００２３】
なお、出力電流Ｉ１，Ｉ２の比率が異なるのは、光の入射位置から各信号取出電極Ｓに至るまでの距離が異なるからである。すなわち、距離が長いほど抵抗は大きくなるため、光の入射位置に遠い方の信号取出電極Ｓから相対的に小さい電流が出力される。なお、第１半導体基板Ｌの裏面には接地された裏面電極Ｅが設けられている。
【００２４】
信号取出電極Ｓの直下には、高濃度のＰ型（第２導電型）半導体領域Ｕｐが形成されており、信号取出電極Ｓと第２半導体基板Ｕとの間にオーミック接触を形成している。
【００２５】
第２半導体基板Ｕの周辺部は斜面Ｔによって囲まれている。斜面Ｔは光検出領域の表面に対して傾斜している。この斜面Ｔは傾斜方向に沿って、第１半導体基板Ｌと第２半導体基板Ｕの界面にまで延びている。この場合の斜面Ｔは、素子分離用のＶ溝の片側斜面であったものである。
【００２６】
第２半導体基板の周囲には、斜面Ｔから不純物を拡散することによって形成された高濃度不純物層（不純物拡散層）Ｕｎが設けられている。高濃度不純物層ＵｎはＮ型である。
【００２７】
また、第１半導体基板Ｌの劈開面と第２半導体基板Ｕの劈開面は平行であるため、ＰＳＤの分離が更に容易となる。すなわち、ウェハ上に複数のＰＳＤを形成した後、各ＰＳＤを複数のＶ溝によって区画し、このＶ溝に沿ってダイシングを行うと、ＰＳＤを容易に物理的に分離することができる。なお、分離前に斜面Ｔを含むＶ溝の長手方向と、劈開面とは一致している。
【００２８】
また、第２半導体基板Ｕは、斜面ＴからＮ型不純物を拡散してなる高濃度不純物層Ｕｎを備えている。高濃度不純物層Ｕｎは第１半導体基板Ｌに到達しており、Ｐ型の第２半導体基板ＵとＮ型の高濃度不純物層Ｕｎとの間にＰＮ接合が形成されている。
【００２９】
上記Ｖ溝は、第２半導体基板Ｕの表面側から第１半導体基板Ｌに略到達するエッチングを行った後に、かかるエッチング領域内にＮ型（第１導電型）の不純物を添加することによって形成される。Ｖ溝は物理的に第１半導体基板Ｌに到達することとしてもよいが、本例では、不純物の添加によって形成された高濃度不純物層Ｕｎが物理的に第１半導体基板Ｌに到達している。
【００３０】
第２半導体基板Ｕの厚みは、０．５μｍ（５００ｎｍ）以上２００μｍ以下である。第２半導体基板Ｕの厚みは１０μｍ以上５０μｍ以下であることが更に好ましい。
【００３１】
なお、第１半導体基板ＬはＳｉからなり、その厚みは、２５０μｍ〜５００μｍ程度である。
【００３２】
このＰＳＤでは、第２半導体基板Ｕの表面上に酸化膜ＯＸを設けている。酸化膜ＯＸは第２半導体基板Ｕを保護している。一対の信号取出電極Ｓ間に位置する光検出領域において、第２半導体基板Ｕの表面側と酸化膜ＯＸの間には高濃度不純物層Ｕｂが設けられている。換言すれば、高濃度不純物層Ｕｂの形成された領域は光検出領域ということになる。高濃度不純物層Ｕｂの厚さは約０．１μｍである。
【００３３】
バルクの第２半導体基板Ｕは、不純物濃度のばらつきが極めて少ない。不純物濃度のばらつきは出力に変動を生じさせる。上述のＰＳＤによれば、バルクの第１半導体基板Ｌ及び第２半導体基板Ｕを貼り合わせることで、ＰＳＤを構成しているので、信号取出電極Ｓから取り出される出力の変動を抑制することができる。
【００３４】
第２半導体基板Ｕは、貼り合せ後に、半導体基板を研磨することで形成される。抵抗は基板の厚みに反比例する傾向がある。研磨による薄膜化によって第２半導体基板Ｕは十分な抵抗を有することとなる。十分な抵抗を有すれば、正確な位置検出を行うことができる。すなわち、本ＰＳＤによれば、第２半導体基板Ｕの薄膜化によって、高精度な位置検出を行うことができる。
【００３５】
また、第２半導体基板ＵはＳｉからなり、その厚みは波長１μｍ程度までの光を高感度に検出できる０．５μｍ以上２００μｍ以下であるので、位置検出に必要な抵抗を有する。なお、第２半導体基板Ｕの厚みを０．５μｍ未満とすると、抵抗は高くすることができるが、製造時の厚み精度の制御が困難となる。
【００３６】
また、第２半導体基板の厚みが１０μｍ以上５０μｍ以下である場合には、可視光から近赤外程度の光を高感度に検出することができ、且つ、基板厚みを精度良く制御することができる。
【００３７】
酸化膜ＯＸの直下に形成された高濃度不純物層Ｕｂは、半導体に高濃度１０１７ｃｍ−３以上の不純物が添加された層である。
【００３８】
高濃度不純物層Ｕｂの導電型は、第２半導体基板Ｕとは逆のＮ型（第１導電型）である。なお、図２においては理解し易くするため、本来ならば図１に示したＰＳＤのＩ−Ｉ矢印断面上には存在しない電極Ｕｂｅの縦断面構造も示している。高濃度不純物層Ｕｂは電極Ｕｂｅを介して接地されている。接地された高濃度不純物層Ｕｂによって、第２半導体基板Ｕとの界面状態及び酸化膜ＯＸとの界面状態が電気的に安定する。したがって、出力変動を抑制することができる。
【００３９】
ここで、ＵｎとＵｂは同じ導電性であり、パターン上で連結されていてもよいことは当然のことである。
【００４０】
図３は第２実施形態に係るＰＳＤの平面図、図４は図３に示したＰＳＤのＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。
【００４１】
このＰＳＤと第１実施形態に係るＰＳＤとの相違点は、高濃度不純物層Ｕｂが第２半導体基板Ｕの全面に形成されており、また、斜面Ｔから広がる高濃度不純物層Ｕｎに接続されていることである。ここでは、高濃度不純物層Ｕｂの濃度を前述の形態のものよりも若干低下させる。これらの高濃度不純物層Ｕｂ，Ｕｎは同時に形成することができる。
【００４２】
この場合、高濃度不純物層Ｕｂ，Ｕｎを不純物拡散法やイオン注入法を用いて同時に形成するので、製造工程数を第１実施形態のものと比較して減らすことができる。本例では、第１実施形態と比較して、高濃度不純物層Ｕｂに電気的に接続される電極Ｕｂｅの位置が基板周辺部に変更されている。なお、図４においては理解し易くするため、本来ならば図３に示したＰＳＤのＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面上には存在しない電極Ｕｂｅの縦断面構造も示している。
【００４３】
図５は第３実施形態に係るＰＳＤの平面図である。このＰＳＤは第１実施形態に係るＰＳＤを二次元位置検出素子としたものであり、図１に示した信号取出電極Ｓ間を結ぶ直線に直交する直線の延長線上にも信号取出電極Ｓを備える。これにより、光入射面に入射した光の二次元位置を、これら４つの電極Ｓからの出力電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４に基づいて検出することができる。
【００４４】
すなわち、一軸方向の光入射位置は電流Ｉ１，Ｉ２の比率によって検出することができ、これに直交する軸方向の入射位置は電流Ｉ３，Ｉ４の比率によって検出することができる。
【００４５】
なお、図中のＩＶ−ＩＶ矢印断面の構成と、Ｖ−Ｖ矢印断面の構成は、共に図２に示したものと同一である。
【００４６】
図６は第４実施形態に係るＰＳＤの平面図である。このＰＳＤは第２実施形態に係るＰＳＤを二次元位置検出素子としたものであり、図３に示した信号取出電極Ｓ間を結ぶ直線に直交する直線の延長線上にも信号取出電極Ｓを備える。これにより、光入射面に入射した光の二次元位置を、これら４つの電極Ｓからの出力電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４に基づいて検出することができる。位置検出手法は、第３実施形態と同一である。図中のＶＩ−ＶＩ矢印断面の構成と、ＶＩＩ−ＶＩＩ矢印断面の構成は、共に図４に示したものと同一である。
【００４７】
なお、上述の半導体の導電型は一括して入れかえることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の半導体位置検出素子によれば、出力変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るＰＳＤの平面図である。
【図２】図１に示したＰＳＤのＩ−Ｉ矢印断面図である。
【図３】第２実施形態に係るＰＳＤの平面図である。
【図４】図３に示したＰＳＤのＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。
【図５】第３実施形態に係るＰＳＤの平面図である。
【図６】第４実施形態に係るＰＳＤの平面図である。
【符号の説明】
Ｅ…裏面電極、Ｌ…第１半導体基板、Ｕ…第２半導体基板、ＯＸ…酸化膜、Ｓ…信号取出電極、Ｕｐ…第２導電型半導体領域。
【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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