(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層上の第１のシリコン半導体層に形成された、Ｐ型の不純物を高濃度に拡散させたＰ型高濃度拡散層と、Ｎ型の不純物を高濃度に拡散させたＮ型高濃度拡散層とを、前記第１のシリコン半導体層より厚さの薄い第２のシリコン半導体層に、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の型の不純物を低濃度に拡散させて形成された低濃度拡散層を挟んで対向配置した一対のフォトダイオードと、
前記第１および第２のシリコン半導体層上に形成された層間絶縁膜と、
一方の前記フォトダイオード上の前記層間絶縁膜上に形成された、ＵＶ−Ａ波以上の波長領域の光を透過させるシリコン窒化膜からなるフィルタ膜と、
他方の前記フォトダイオード上の前記層間絶縁膜、および前記フィルタ膜を覆う、ＵＶ−Ｂ波以上の波長領域の光を透過させる封止層と、を備えたことを特徴とする紫外線センサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２のシリコン半導体層は、３ｎｍ以上、３６ｎｍ以下の範囲の厚さを有することを特徴とする紫外線センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記フィルタ膜は、温度３５０℃以上、４５０℃以下、および圧力４．０Ｔｏｒｒ以上、６．０Ｔｏｒｒ以下の条件下で、モノシランとアンモニアと窒素とアルゴンとの流量比を、１．０：７：３：１としたＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする紫外線センサ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
前記封止層は、シリコーン樹脂で形成されていることを特徴とする紫外線センサ。
【請求項５】
絶縁層上の第１のシリコン半導体層に形成された、Ｐ型の不純物を高濃度に拡散させたＰ型高濃度拡散層と、Ｎ型の不純物を高濃度に拡散させたＮ型高濃度拡散層とを、前記第１のシリコン半導体層より厚さの薄い第２のシリコン半導体層に、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の型の不純物を低濃度に拡散させて形成された低濃度拡散層を挟んで対向配置した一対のフォトダイオードを形成したＳＯＩ構造の半導体ウェハを準備する工程と、
前記第１および第２のシリコン半導体層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
一方の前記フォトダイオードの上の前記層間絶縁膜上に、ＵＶ−Ａ波以上の波長領域の光を透過させるシリコン窒化膜からなるフィルタ膜を形成する工程と、
他方の前記フォトダイオードの上の前記層間絶縁膜、および前記フィルタ膜を覆う、ＵＶ−Ｂ波以上の波長領域の光を透過させる封止層を形成する工程と、を備えることを特徴とする紫外線センサの製造方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記第２のシリコン半導体層は、３ｎｍ以上、３６ｎｍ以下の範囲の厚さを有することを特徴とする紫外線センサの製造方法。
【請求項７】
請求項５または請求項６において、
前記フィルタ膜は、温度３５０℃以上、４５０℃以下、および圧力４．０Ｔｏｒｒ以上、６．０Ｔｏｒｒ以下の条件下で、モノシランとアンモニアと窒素とアルゴンとの流量比を、１．０：７：３：１としたＣＶＤ法により形成されることを特徴とする紫外線センサの製造方法。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７のいずれか一項において、
前記封止層は、シリコーン樹脂で形成されることを特徴とする紫外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線を含む光を受けて電流を発生させるフォトダイオードを用いた紫外線センサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の紫外線センサは、シリコン基板上に埋込み酸化膜を挟んで１５０ｎｍ程度の厚さのシリコン半導体層を形成したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造の半導体ウェハのＮ型不純物を低濃度に拡散させたシリコン半導体層に、Ｎ型不純物を高濃度に拡散させ「Ｅ」字状の櫛型に形成したＮ＋拡散層と、Ｐ型不純物を高濃度に拡散させ「π」字状の櫛型に形成したＰ＋拡散層との櫛歯部を噛合わせて横型に対向配置させたフォトダイオードを形成し、Ｎ＋拡散層およびＰ＋拡散層に電気的に接続する配線に所定の電圧を印加して、Ｎ＋拡散層とＰ＋拡散層との間に形成される横方向の薄い空乏層で紫外線のみを吸収して、紫外線の強度を検出している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、従来の可視光センサにおいて、シリコンからなるバルク基板の表層にＮ型不純物を低濃度に拡散させて形成されたＮ−拡散層の表層にＰ＋拡散層を形成し、このＰ＋拡散層に、Ｎ＋拡散層をＮ−拡散層を挟んで対向させて、縦型のフォトダイオードを形成し、フォトダイオード上に３層構造の層間絶縁膜、シリコン窒化膜からなる保護膜を形成し、フォトダイオード上の保護膜をエッチング除去した後に、個片に分割してリードフレームに搭載し、ワイヤボンディング後に、層間絶縁膜と同等の屈折率を有する２００μｍ程度の光透過性ゲルで封止し、光透過性ゲルの厚さを用いて、入射光の干渉による光学特性のバラツキを防止しているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平７−１６２０２４号公報（段落００２５−段落００３５、第２図、第３図）
【特許文献２】特開２００１−６０６７７号公報（段落００２１、段落００３３、段落００３９−段落００４２、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
今日、オゾン層の破壊による紫外線の照射量の増加に伴い、太陽光に含まれる紫外線の人体や環境に与える影響が懸念されるようになってきている。
一般に、紫外線は波長４００ｎｍ以下の紫外線領域の視認できない光のことをいうが、この紫外線は、長波紫外線（ＵＶ−Ａ波：波長約３２０〜４００ｎｍ）と、中波紫外線（ＵＶ−Ｂ波：波長約２８０〜３２０ｎｍ）と、短波紫外線（ＵＶ−Ｃ波：波長約２８０ｎｍ以下）とに分類され、これらの波長領域によって人体や環境に与える影響が異なり、ＵＶ−Ａ波は皮膚を黒化させ、真皮に達して老化の原因になり、ＵＶ−Ｂ波は皮膚を炎症させ、皮膚ガンを誘発する虞があり、ＵＶ−Ｃ波は強い殺菌作用があるとされているが、ＵＶ−Ｃ波はオゾン層で吸収され、地上に達することはない。
【０００５】
人体を保護する上で、日々の紫外線の照射量を迅速に報知することは重要な課題であり、１９９５年に紫外線量の指標となるＵＶインデックスが導入され、マスメディアで天気予報等と共にこの値を発表するように勧告がなされている。
このようなＵＶインデックスは、人体に影響を及ぼす相対影響度として、ＣＩＥ（Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ  ｄｅ  ｌ’Ｅｃｌａｉｒａｇｅ：国際照明委員会）により定義されたＣＩＥ作用スペクトルを用いて算出することができ、人体への影響度が強いＵＶ−Ｂ波の受光特性に作用スペクトルを波長毎に乗じ、これらをＵＶ−Ｂ波の波長領域で積分することで、ＵＶインデックスを計算することができる。
【０００６】
このため、ＵＶ−Ａ波およびＵＶ−Ｂ波の２つの波長領域の紫外線を分離して、その強度を検出する紫外線センサの開発に対する期待が高まっている。
しかしながら、上述した従来の技術においては、波長４００ｎｍ以下の紫外線領域の紫外線の総量は検出できるものの、２つの波長領域を分離して検出することはできないという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、ＵＶ−Ａ波とＵＶ−Ｂ波との２つの波長領域の紫外線量を分離して検出することが可能な紫外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために、紫外線センサが、絶縁層上の第１のシリコン半導体層に形成された、Ｐ型の不純物を高濃度に拡散させたＰ型高濃度拡散層と、Ｎ型の不純物を高濃度に拡散させたＮ型高濃度拡散層とを、前記第１のシリコン半導体層より厚さの薄い第２のシリコン半導体層に、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の型の不純物を低濃度に拡散させて形成された低濃度拡散層を挟んで対向配置した一対のフォトダイオードと、前記第１および第２のシリコン半導体層上に形成された層間絶縁膜と、一方の前記フォトダイオード上の前記層間絶縁膜上に形成された、ＵＶ−Ａ波以上の波長領域の光を透過させるシリコン窒化膜からなるフィルタ膜と、他方の前記フォトダイオード上の前記層間絶縁膜、および前記フィルタ膜を覆う、ＵＶ−Ｂ波以上の波長領域の光を透過させる封止層と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
これにより、本発明は、封止層およびフィルタ層を透過した可視光は、第２のシリコン半導体層の厚さによりカットされ、一方のフォトダイオードからはＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量のみを、他方のフォトダイオードからはＵＶ−Ａ波およびＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線量のみを出力させることができ、ＵＶ−Ａ波とＵＶ−Ｂ波との２つの波長領域の紫外線量を分離して検出することが可能な紫外線センサを得ることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、図面を参照して本発明による紫外線センサおよびその製造方法の実施例について説明する。
【実施例】
【００１１】
図１は実施例の紫外線センサの上面を示す説明図、図２は実施例の紫外線センサの断面を示す説明図、図３、図４、図５は実施例の紫外線センサの製造方法を示す説明図、図６は実施例の紫外線検出装置の側面を示す説明図である。
なお、図２は、図１のＡ−Ａ断面線に沿った断面図である。また図１は、図２に示すシリコン半導体層より上方の層を取り除いた状態で示してある。
【００１２】
図１、図２において、１は紫外線センサであり、図示しないシリコン（Ｓｉ）からなるシリコン基板上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁層としての埋込み酸化膜３を挟んで薄い単結晶シリコンからなるシリコン半導体層４を形成したＳＯＩ構造の半導体ウェハのシリコン半導体層４に形成された横型ＰＮ接合形式の一対のフォトダイオード５ａ、５ｂを備えている。
【００１３】
また、シリコン半導体層４上には、紫外線センサ１のフォトダイオード５ａ、５ｂを形成するためのダイオード形成領域６ａ、６ｂ（図３、図４参照）が、互いに隣接した状態で設定され、ぞれぞれのダイオード形成領域６ａ、６ｂには、ＳＯＩ構造の半導体ウェハのシリコン半導体層４の本来の厚さより厚さの薄い第２のシリコン半導体層４ｂを形成する領域として薄膜化領域７が設定されている。
【００１４】
なお、以下の説明においては、薄膜化領域７の第２のシリコン半導体層４ｂを除く領域のシリコン半導体層４を第１のシリコン半導体層４ａといい、これらを区別する必要が無い場合は、単にシリコン半導体層４という。
ダイオード形成領域６ａ、６ｂのそれぞれの周囲を矩形の枠状に囲う領域には素子分離層９を形成するための素子分離領域１０（図３、図４参照）が設定されている。
【００１５】
素子分離層９は、素子分離領域１０のシリコン半導体層４に、酸化シリコン等の絶縁材料で埋込み酸化膜３に達した状態で形成されており、ダイオード形成領域６ａ、６ｂの間を電気的に絶縁分離する機能を有している。
なお、本説明においては、図１等に示すように、素子分離層９は区別のために網掛けを付して示す。
【００１６】
本実施例の一対のフォトダイオード５ａ、５ｂは、シリコン半導体層４に設定されたダイオード形成領域６ａ、６ｂに、それぞれ同じ構成で形成される。
１２はＰ型高濃度拡散層としてのＰ＋拡散層であり、ダイオード形成領域６ａ、６ｂの第１のシリコン半導体層４ａに、ボロン（Ｂ）等のＰ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成された拡散層であって、図１に示すように、素子分離層９の内側の一の辺に接する峰部１２ａと、峰部１２ａから一の辺に対向する素子分離層９の内側の他の辺に向けて延在する複数の櫛歯部１２ｂとで形成された櫛型に形成される。
【００１７】
本実施例のＰ＋拡散層１２は、峰部１２ａから２本の櫛歯部１２ｂを延在させて「π」字状に形成されている。
１４はＮ型高濃度拡散層としてのＮ＋拡散層であり、ダイオード形成領域６ａ、６ｂの第１のシリコン半導体層４ａに、Ｐ型高濃度拡散層と逆の型、つまりリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等のＮ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成された拡散層であって、図１に示すように、素子分離層９の内側の他の辺に接する峰部１４ａと、峰部１４ａから対向する一の辺に向けて延在する複数の櫛歯部１４ｂとで形成された櫛型に形成される。
【００１８】
本実施例のＮ＋拡散層１４は、峰部１４ａの両端部と中央部から３本の櫛歯部１４ｂを延在させて「Ｅ」字状に形成されている。
１５は低濃度拡散層としてのＰ−拡散層であり、ダイオード形成領域６ａ、６ｂに、互いに離間して櫛歯部１２ｂ、１４ｂを噛合わせて対向配置されたＰ＋拡散層１２とＮ＋拡散層１４とにそれぞれ接する第２のシリコン半導体層４ｂに、Ｐ型不純物を比較的低濃度に拡散させて形成された拡散層であって、ここに形成される空乏層に吸収された紫外線により電子−正孔対が発生する部位である。
【００１９】
また、この厚さを薄くした第２のシリコン半導体層４ｂを形成するために、図１に示すダイオード形成領域６ａ、６ｂの「π」字状のＰ＋拡散層１２と、「Ｅ」字状のＮ＋拡散層１４とに挟まれたＰ−拡散層１５を形成する領域が、それぞれの薄膜化領域７として設定されている。
１８は層間絶縁膜であり、第１および第２のシリコン半導体層４ａ、４ｂ上に形成された、酸化シリコンやＮＳＧ（Ｎｏｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａ  Ｇｌａｓｓ）等のＵＶ−Ａ波およびＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線および可視光、つまりＵＶ−Ｂ波以上の波長領域の光を透過させる絶縁材料（本実施例では、ＮＳＧ）からなる４０００ｎｍ程度の厚さの絶縁膜である。
【００２０】
１９はコンタクトホールであり、層間絶縁膜１８上の、フォトダイオード５ａ、５ｂのそれぞれのコンタクトプラグ２０の形成領域に形成された、層間絶縁膜１８を貫通してＰ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４に至る貫通穴であって、このコンタクトホール１９の内部に、アルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）等の導電材料を埋め込んでコンタクトプラグ２０が形成される。
【００２１】
２１は配線であり、層間絶縁膜１８上に、コンタクトプラグ２０と同様の導電材料で形成された配線層をエッチングして形成された回路配線であって、図１に２点鎖線で示すように、受光する太陽光を妨げないために、Ｐ−拡散層１５上を通過しないように配置されており、Ｐ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４と、それぞれコンタクトプラグ２０を介して電気的に接続している。
【００２２】
２３はパッシベーション膜であり、層間絶縁膜１８上に形成された窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）からなる保護膜であって、配線２１や図示しないＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等からなる周辺回路等を外部の湿度等から保護する機能を有している。
本実施例の一対のフォトダイオード５ａ、５ｂ上のパッシベーション膜２３は、光の透過性を向上させるために、除去されている。
【００２３】
２４はフィルタ膜であり、層間絶縁膜１８上に形成された窒化シリコンからなる単層のシリコン窒化膜であって、一対のフォトダイオード５ａ、５ｂの一方（本実施例では、フォトダイオード５ｂ）と層間絶縁膜１８を挟んで対向して、ダイオード形成領域６ｂと同等の大きさに形成されており、本実施例のＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線および可視光、つまりＵＶ−Ｂ波以下の波長領域の光をカットして、ＵＶ−Ａ波以上の波長領域の光を透過させるフィルタとして機能する。
【００２４】
２６は封止層であり、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の、ＵＶ−Ｂ波以上の波長領域の光を透過させる紫外線透過型封止樹脂を加熱、硬化させて形成された保護層であって、フォトダイオード５ａ、５ｂ等を外部の湿度等から保護する機能を有している。
本実施例の紫外線透過型封止樹脂としては、湿度や紫外線等に対する耐候性に優れたシリコーン樹脂が用いられ、その硬化後の硬さはショアＡ硬度で３０〜７０程度である。
【００２５】
図３、図４において、２８はレジストマスクであり、フォトリソグラフィによりシリコン半導体層４上に塗布されたポジ型またはネガ型のレジストを露光および現像処理して形成されたマスク部材であって、本実施例のエッチングやイオン注入におけるマスクとして機能する。
上記のフィルタ膜２４は、含有する水素（Ｈ）の量が多いシリコン窒化膜２４ａによって形成されており、このシリコン窒化膜２４ａは、温度３５０℃以上、４５０℃以下、および圧力４．０Ｔｏｒｒ以上、６．０Ｔｏｒｒ以下の条件下で、モノシラン（ＳｉＨ４）とアンモニア（ＮＨ３）と窒素（Ｎ２）とアルゴン（Ａｒ）との流量比を、１．０：７：３：１としたＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成される。
【００２６】
この水素含有量の多いシリコン窒化膜２４ａの光吸収特性は、図７に示すように、水素含有量の少ない比較用シリコン窒化膜（膜厚８５０ｎｍ）が、ＵＶ−Ｂ波の下限の波長である波長約２８０ｎｍ以上の波長領域の透過率が６０％以上であるのに対して、水素含有量の多いシリコン窒化膜２４ａで形成されたフィルタ膜２４（膜厚８５０ｎｍ）は、ＵＶ−Ａ波の下限の波長である約３２０ｎｍ以下の波長領域がカットされており、ＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線の吸収は、シリコン窒化膜の水素含有量の多寡により生じることが判る。
【００２７】
なお、図７に示した、水素含有量の少ない比較用シリコン窒化膜は、温度、圧力を前記と同様にした条件下で、モノシランとアンモニアと窒素とアルゴンとの流量比を、０．３：７：３：１としたＣＶＤ法により形成したシリコン窒化膜である。
シリコン窒化膜の水素含有量の多寡によりＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線の吸収特性が変化するのは、シリコン窒化膜に含有される水素と窒素の結合エネルギ（Ｎ−Ｈ結合のエネルギ）がＵＶ−Ｂ波の波長領域（約３００ｎｍ）のエネルギに相当するため、水素含有量が多いと、Ｎ−Ｈ結合がＵＶ−Ｂ波のエネルギにより切断されるときにエネルギが吸収され、ＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線が消失するからである。このため、本実施例のフィルタ膜２４ではＵＶ−Ｂ波が不透過となる。
【００２８】
また、フィルタ膜２４の波長３００ｎｍのＵＶ−Ｂ波の透過率は、図８に示すように、膜厚によって変化し、膜厚が薄くなるに伴って透過率が増加する。このため、本実施例のフィルタ膜２４の膜厚は、ＵＶ−Ｂ波の透過率が過大にならないように２５０ｎｍに設定されている。
なお、層間絶縁膜１８の膜厚には特に制限はなく、絶縁性を確保することが可能な膜厚であればよい。層間絶縁膜１８の消光係数は「０」であり、光吸収特性に影響を与えないからである。
【００２９】
本実施例のフィルタ膜２４および封止層２６は、可視光を透過させるので、一対のフォトダイオード５ａ、５ｂから、紫外線の波長領域のみの出力を得るためには、その出力から可視光の成分を除去することが必要になる。
このため、発明者は、紫外線を選択的に検出できる、つまり可視光の波長領域に反応しないシリコン半導体層４の厚さを求めた。
【００３０】
すなわち、シリコン中における光吸収率はベールの法則により表され、シリコン半導体層４の厚さに対する光吸収率が１０％となる波長を求めると、波長４００ｎｍ以下の紫外線領域で選択的に感度を有するシリコン半導体層４の厚さは、５０ｎｍ以下の厚さであることが計算より求められる。
この計算結果に基づいて、５０ｎｍ以下の範囲で様々に厚さを変化させたシリコン半導体層４に、Ｐ＋拡散層１２、Ｎ＋拡散層１４および薄膜化していない状態のＰ−拡散層１５を形成したフォトダイオードを形成し、これらの光の波長に対する分光感度を実験により計測した。
【００３１】
図９はシリコン半導体層４の厚さを４０．０４ｎｍとしたときのフォトダイオードの分光感度を示すグラフである。
図９に示すように、厚さを約４０ｎｍとしたフォトダイオードにおいては、紫外線の波長領域（波長４００ｎｍ以下の波長領域）より長い可視光の波長領域（紫色）にサブピーク（図９に示す丸印）が存在することが判る。
【００３２】
これは、上記の計算においては、光がシリコン半導体層４をそのまま通過すると仮定して計算したが、実際のフォトダイオードにおいては、シリコン半導体層４と埋込み酸化膜３との界面で光が反射し、光の通過する経路の長さが長くなって紫外線の波長領域より長い波長の可視光と反応し、これがサブピークとなって現出するためと考えられる。
このような、サブピークは、更に薄いシリコン半導体層４においても現出し、その現出する波長（サブピーク波長という。）を実験により求めた結果を図１０に示す。
【００３３】
図１０に示すように、サブピーク波長はシリコン半導体層４の厚さが薄くなるに従って短くなり、シリコン半導体層４の厚さをＴｓｉ（単位：ｎｍ）とし、サブピーク波長をＬｓ（単位：ｎｍ）としたときに、
Ｌｓ＝２．４５７Ｔｓｉ＋３１２．５    ・・・・・・・・・（１）
で表される実験式で近似され、シリコン半導体層４と埋込み酸化膜３との界面での反射の影響を避けて、波長４００ｎｍより長い波長の可視光と反応させないためには、シリコン半導体層４の厚さを３６ｎｍ以下の厚さにすればよいことが判る。
【００３４】
このため、フィルタ膜２４や封止層２６を透過した可視光に反応せずに紫外線領域のみを選択的に検出するための第２のシリコン半導体層４ｂの厚さは、３６ｎｍ以下に設定することが望ましく、その下限は３ｎｍに設定することが望ましい。
第２のシリコン半導体層４ｂの厚さを３ｎｍ以上とするのは、これより薄くすると半導体ウェハに第２のシリコン半導体層４ｂを形成する場合における厚さのバラツキを吸収することが困難になるからである。
【００３５】
本実施例の第２のシリコン半導体層４ｂは、３５ｎｍの厚さに形成される。
また、第１のシリコン半導体層４ａの厚さは、Ｐ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４のシート抵抗の増大を抑制するため、並びに図示しない周辺回路のＭＯＳＦＥＴの動作を確保するために、４０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の範囲の厚さ（本実施例では、５０ｎｍ）に形成される。
【００３６】
以下に、図３ないし図５に、Ｐで示す工程に従って、本実施例の紫外線センサの製造方法について説明する。
本実施例で用いる半導体ウェハのシリコン半導体層４は、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）法により埋込み酸化膜３上に薄いシリコン層を残して形成されたＳＯＩ構造の半導体ウェハ、または埋込み酸化膜３上に薄いシリコン層を貼り付けて形成されたＳＯＩ構造の半導体ウェハの埋込み酸化膜３上の薄いシリコン層に熱酸化法により犠牲酸化膜を形成し、これをウェットエッチングにより除去して、５０ｎｍの厚さに形成されている。
【００３７】
上記の５０ｎｍの膜厚のシリコン半導体層４が形成された半導体ウェハを準備し、そのシリコン半導体層４の素子分離領域１０に、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法により、埋込み酸化膜３に達する酸化シリコンからなる素子分離層９を形成する。
そして、ダイオード形成領域６ａ、６ｂのシリコン半導体層４（第１のシリコン半導体層４ａ）に、Ｐ型不純物イオンを低濃度に注入して、それぞれのＰ型低濃度注入層を形成し、フォトリソグラフィによりダイオード形成領域６ａ、６ｂのそれぞれのＮ＋拡散層１４の形成領域（図１に示す「Ｅ」字状の部位）を露出させたレジストマスク２８（不図示）を形成し、露出している第１のシリコン半導体層４ａにＮ型不純物イオンを高濃度に注入して、それぞれのＮ型高濃度注入層を形成する。
【００３８】
次いで、前記のレジストマスク２８を除去し、フォトリソグラフィによりダイオード形成領域６ａ、６ｂのそれぞれのＰ＋拡散層１２の形成領域（図１に示す「π」字状の部位）を露出させたレジストマスク２８（不図示）を形成し、露出している第１のシリコン半導体層４ａにＰ型不純物イオンを高濃度に注入して、それぞれのＰ型高濃度注入層を形成する。
【００３９】
前記のレジストマスク２８の除去後に、熱処理により、各拡散層の形成領域に形成された各注入層に注入された不純物を活性化して、各拡散層に所定の型の不純物を所定の濃度で拡散させ、ダイオード形成領域６ａ、６ｂに、それぞれＰ＋拡散層１２、Ｎ＋拡散層１４およびＰ−拡散層１５を形成し、熱処理後に、シリコン半導体層４上の全面にＣＶＤ法により、ＮＳＧを堆積して絶縁材料層としてのＮＳＧ層を形成し、フォトリソグラフィによりＮＳＧ層上に、上記したそれぞれの薄膜化領域７のＮＳＧ層を露出させたレジストマスク２８（不図示）を形成し、これをマスクとして、異方性エッチングにより、露出しているＮＳＧ層をエッチングして、薄膜化領域７の第１のシリコン半導体層４ａを露出させた開口部を形成する。
【００４０】
そして、前記のレジストマスク２８を除去し、開口部が形成されたＮＳＧ層をマスクとして、シリコンを選択的にエッチングするドライエッチングにより、露出している第１のシリコン半導体層４ａをエッチングして、第１のシリコン半導体層４ａの厚さを薄膜化領域７に設定された第２のシリコン半導体層４ｂの厚さ（本実施例では、３５ｎｍ）に薄膜化する。これにより薄膜化された第２のシリコン半導体層４ｂに、薄膜化されたＰ−拡散層１５が形成される。
【００４１】
このようにして、シリコン半導体層４に、同じ構成の横型ＰＮ接合形式の一対のフォトダイオード５ａ、５ｂを備えた紫外線センサ１が複数形成されたＳＯＩ構造の半導体ウェハを準備する。
Ｐ１（図３）、準備された半導体ウェハに残留しているＮＳＧ層をそのままにして、シリコン半導体層４上の全面に、ＣＶＤ法によりＮＳＧを堆積し、その上面を平坦化処理して層間絶縁膜１８を形成する。
【００４２】
Ｐ２（図３）、フォトリソグラフィにより層間絶縁膜１８上に、フォトダイオード５ａ、５ｂのそれぞれのＰ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４上のコンタクトホール１９の形成領域の層間絶縁膜１８を露出させた開口部を有するレジストマスク２８を形成し、これをマスクとして、ＮＳＧを選択的にエッチングする異方性エッチングにより層間絶縁膜１８を貫通してＰ＋拡散層１２およびＮ＋拡散層１４に達するコンタクトホール１９を形成する。
【００４３】
Ｐ３（図３）、工程Ｐ２で形成したレジストマスク２８を除去し、スパッタ法等によりコンタクトホール１９内に導電材料を埋め込んでコンタクトプラグ２０を形成すると共に、層間絶縁膜１８上にコンタクトプラグ２０と同じ導電材料で配線２１を形成するための配線層を形成し、フォトリソグラフィにより配線層上に、配線２１の形成領域を覆うレジストマスク２８（不図示）を形成し、これをマスクとして配線層をエッチングしてコンタクトプラグ２０に電気的に接続する配線２１を形成し、前記のレジストマスク２８を除去する。
【００４４】
Ｐ４（図４）、ＣＶＤ法により層間絶縁膜１８および配線２１上に、水素含有量の多い窒化シリコンからなる膜厚２５０ｎｍ程度のシリコン窒化膜２４ａを、上記した条件で形成する。
Ｐ５（図４）、フォトリソグラフィによりシリコン窒化膜２４ａ上に、ダイオード形成領域６ｂを覆うレジストマスク２８を形成し、これをマスクとして異方性エッチングにより、シリコン窒化膜２４ａをエッチングして、ダイオード形成領域６ｂを除く領域の層間絶縁膜１８および配線２１を露出させる。
【００４５】
これにより、フォトダイオード５ｂと層間絶縁膜１８を挟んで対向する、ダイオード形成領域６ｂと同等の大きさのフィルタ膜２４が形成される。
Ｐ６（図４）、工程Ｐ５で形成したレジストマスク２８を除去し、ＣＶＤ法により層間絶縁膜１８および配線２１、フィルタ膜２４上に、窒化シリコンからなる膜厚３００ｎｍ程度のパッシベーション膜２３を形成する。
【００４６】
Ｐ７（図５）、フォトリソグラフィによりパッシベーション膜２３上に、ダイオード形成領域６ａ、６ｂおよびこれらの間の素子分離領域１０を露出させたレジストマスク２８（不図示）を形成し、これをマスクとしてウェットエッチングにより、パッシベーション膜２３をエッチングして、前記の領域の層間絶縁膜１８および配線２１、フィルタ膜２４を露出させる。
【００４７】
その後に、前記のレジストマスク２８を除去し、フォトリソグラフィにより配線２１上の端子穴３０の形成領域に開口を有するレジストマスク２８（不図示）を形成し、異方性エッチングによりパッシベーション膜２３をエッチングして端子穴３０（図６参照）を形成し、半導体ウェハを個片に分割して、一対のフォトダイオード５ａ、５ｂの、一方のフォトダイオード５ｂ上に層間絶縁膜１８を挟んでフィルタ膜２４を形成し、他方のフォトダイオード５ａ上の層間絶縁膜１８を露出させた紫外線センサ１と、その周辺回路（不図示）とからなるフォトＩＣ３１を形成する。
【００４８】
このようにして形成された本実施例の紫外線センサ１を備えたフォトＩＣ３１は、図６に示すように、複数の外部端子３３を形成したセラミックス基板３５に、銀ペースト等で接合され、ワイヤボンディングにより、端子穴３０に露出している配線２１と、外部端子３３とをワイヤ３７で電気的に接続して型枠に収納した後に、ポッティングにより紫外線透過型封止樹脂（本実施例では、シリコーン樹脂）をセラミックス基板３５上のフォトＩＣ３１の上部を含む周囲に注入し、加熱、硬化させて厚さ２００〜３００μｍの封止層２６を形成し、型枠から取外して紫外線検出パッケージ４０を形成する。
【００４９】
このようにして形成された一対のフォトダイオード５ａ、５ｂは、それぞれのＰ−拡散層１５が、膜厚を３ｎｍ以上、３６ｎｍ以下（本実施例では、３５ｎｍ）とした第２のシリコン半導体層４ｂに形成され、可視光以上（波長４００ｎｍ以上）の波長領域の光を透過させるので、可視光に反応することはない。
本実施例のフォトダイオード５ａ上には、ＵＶ−Ａ波およびＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線および可視光を透過させる層間絶縁膜１８および紫外線透過型樹脂からなる封止層２６が形成されているので、図１１に示すように、透過した可視光は第２のシリコン半導体層４ｂの厚さによりカットされ、ＵＶ−Ａ波およびＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線量のみを検出することができる。
【００５０】
また、フォトダイオード５ｂ上には、ＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線および可視光を透過させるフィルタ膜２４が形成されているので、図１１に示すように、透過した可視光は第２のシリコン半導体層４ｂの厚さによりカットされ、ＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量のみを検出することができる。
これにより、フォトダイオード５ａが検出したＵＶ−Ａ波およびＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線量から、フォトダイオード５ｂが検出したＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量に所定の倍率を乗じて減算すれば、ＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線量を求めることができ、フォトダイオード５ｂが検出したＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量と、演算により求めたＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線量とにより、２つの波長領域の紫外線量を分離して検出することが可能な紫外線センサ１を得ることができる。
【００５１】
また、本実施例のフォトダイオード５ａ上には、膜厚の薄いパッシベーション膜２３の除去後に、比較的膜厚の厚い封止層２６が形成されているので、各フォトＩＣ３１上に形成される封止層２６の膜厚の製造バラツキによって生じる透過率変動を抑制することができ、図１２に示すように、１つの半導体ウェハに形成された複数のフォトダイオード５ａの光電流のバラツキ幅を、最大で１×１０−６Ａ以内に抑制すると共に、各半導体ウェハ間のバラツキも抑制することができ、各紫外線センサ１に形成されるフォトダイオード５ａの品質を安定させることができる。
【００５２】
この場合に、シリコン窒化膜からなるパッシベーション膜２３をフォトダイオード５ａ上から除去したのは、シリコン窒化膜にＵＶ−Ｂ波の波長領域の透過性を付与するためには、上記したように、シリコン窒化膜に存在するＮ−Ｈ結合を少なくする必要があり、水素含有量の少ないシリコン窒化膜を半導体ウェハ上に形成する場合には、水素を均一に分布させることが難しく、屈折率と消光係数からなる光学定数が面内で分布して各フォトダイオード５ａの品質を安定させることができないからである。
【００５３】
例えば、上記した比較用シリコン窒化膜として用いた水素含有量の少ないシリコン窒化膜をパッシベーション膜２３としてフォトダイオード５ａ上に残留させた場合には、図１３に示すように、１つの半導体ウェハ内でのフォトダイオード５ａの光電流のバラツキ幅は、最大で１．５×１０−６Ａとなり、各半導体ウェハ間にもバラツキが生じてしまうことになる。
【００５４】
また、本実施例のフォトダイオード５ｂ上の層間絶縁膜１８上には、水素含有量の多い単層のフィルタ層２４が形成されているので、Ｎ−Ｈ結合が、ＵＶ−Ｂ波のエネルギにより切断されることを利用して、ＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線を不透過にすることができ、図１４に示すように、１つの半導体ウェハに形成された複数のフォトダイオード５ｂの光電流のバラツキ幅を、最大で０．４×１０−６Ａ以内に抑制して、各紫外線センサ１に形成されるフォトダイオード５ｂの品質を安定させることができる。
【００５５】
この場合に、フィルタ膜２４を単層としたのは、屈折率の異なる複数の薄い層を積層すれば、各層の界面での反射により、入射光が散乱して透過率が低下することを防止するためである。
また、本実施例のフィルタ膜２４は、平坦化された層間絶縁膜１８上に形成されるので、フィルタ膜２４の膜厚分布を容易に均一化することができる。
【００５６】
なお、図１２ないし図１４に示す横軸は、１つの半導体ウェハに形成されたフォトＩＣ３１の面内の位置を示す。
上記のように、本実施例の紫外線センサ１のフォトダイオード５ａ、５ｂ上からは、外部の湿度等から保護する機能を有するパッシベーション膜２３が除去されているが、本実施例の紫外線検出パッケージ４０は、優れた耐湿性を備えたシリコーン樹脂からなる封止層２６で封止されているので、図１５に示す、温度１２１℃、圧力２ａｔｍにおける２００時間のＰｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｏｋｅｒ  Ｔｅｓｔによる耐湿性の加速試験においても、紫外線検出パッケージ４０の出力電圧変動率は２％以内であり、良好な耐湿性を長時間に渡って維持することが可能になる。
【００５７】
以上説明したように、本実施例では、紫外線センサに、埋込み酸化膜上の第１のシリコン半導体層に形成されたＰ＋拡散層と、Ｎ＋拡散層とを、第１のシリコン半導体層より厚さの薄い第２のシリコン半導体層に形成したＰ−拡散層を挟んで対向配置した一対のフォトダイオードを設け、その第１および第２のシリコン半導体層上に層間絶縁膜を形成し、一方のフォトダイオード上の層間絶縁膜上に、ＵＶ−Ａ波以上の波長領域の光を透過させるシリコン窒化膜からなるフィルタ膜を設けると共に、他方のフォトダイオード上の層間絶縁膜およびフィルタ膜を覆う、ＵＶ−Ｂ波以上の波長領域の光を透過させる封止層を設けたことによって、封止層およびフィルタ層を透過した可視光は第２のシリコン半導体層の厚さによりカットされ、一方のフォトダイオードからはＵＶ−Ａ波の波長領域の紫外線量のみを、他方のフォトダイオードからはＵＶ−Ａ波およびＵＶ−Ｂ波の波長領域の紫外線量のみを出力させることができ、ＵＶ−Ａ波とＵＶ−Ｂ波との２つの波長領域の紫外線量を分離して検出することが可能な紫外線センサを得ることができる。
【００５８】
また、第２のシリコン半導体層の厚さを３ｎｍ以上、３６ｎｍ以下の範囲の厚さにしたことによって、シリコン半導体層と埋込み酸化膜との界面での反射の影響を受けることなく、紫外線の波長領域のみを選択的に検出することができるフォトダイオードを得ることができる。
なお、上記実施例においては、紫外線センサの一対のフォトダイオードは互いに隣接させて形成するとして説明したが、これらは隣接している必要はなく、フォト１Ｃ内に配置されていればよい。
【００５９】
また、上記実施例においては、低濃度拡散層は、Ｐ型不純物を拡散させて形成するとして説明したが、Ｎ型の不純物を比較的低濃度に拡散させて形成しても、上記と同様の効果を得ることができる。
更に、上記実施例においては、Ｐ＋拡散層は「π」字状、Ｎ＋拡散層は「Ｅ」字状であるとして説明したが、それぞれの形状を逆にしてもよく、櫛歯部の数を更に多くしてもよい。
【００６０】
更に、上記実施例においては、Ｐ＋拡散層およびＮ＋拡散層には、櫛歯部を複数設け、これらを噛合わせて配置するとして説明したが、櫛歯部を設けずに、峰部のみを低濃度拡散層を挟んで対向配置するようにしてもよい。
更に、上記実施例においては、半導体ウェハは、シリコン基板に絶縁層としての埋込み酸化膜を挟んで形成されたシリコン半導体層を有するＳＯＩ構造の半導体ウェハであるとして説明したが、ＳＯＩ構造の半導体ウェハは前記に限らず、絶縁層としてのサファイア基板上にシリコン半導体層を形成したＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板や、絶縁層としてのクオーツ基板上にシリコン半導体層を形成したＳＯＱ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｑｕａｒｔｚ）基板等のＳＯＩ構造の半導体ウェハであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例の紫外線センサの上面を示す説明図
【図２】実施例の紫外線センサの断面を示す説明図
【図３】実施例の紫外線センサの製造方法を示す説明図
【図４】実施例の紫外線センサの製造方法を示す説明図
【図５】実施例の紫外線センサの製造方法を示す説明図
【図６】実施例の紫外線検出パッケージの側面を示す説明図
【図７】実施例のフィルタ膜の光の透過率特性を示すグラフ
【図８】実施例のフィルタ膜の膜厚によるＵＶ−Ｂ波の透過率を示すグラフ
【図９】シリコン半導体層の厚さを４０．０４ｎｍとしたときのフォトダイオードの分光感度を示すグラフ
【図１０】シリコン半導体層の厚さによるサブピーク波長を示すグラフ
【図１１】実施例の一対のフォトダイオードの分光感度を示すグラフ
【図１２】実施例のパッシベーション膜を除去したフォトダイオードの面内バラツキを示すグラフ
【図１３】パッシベーション膜を形成したフォトダイオードの面内バラツキを示すグラフ
【図１４】実施例のフィルタ膜を形成したフォトダイオードの面内バラツキを示すグラフ
【図１５】実施例の紫外線検出パッケージの耐湿性試験の試験結果を示すグラフ
【符号の説明】
【００６２】
１    紫外線センサ
３    埋込み酸化膜
４    シリコン半導体層
５ａ、５ｂ  フォトダイオード
６ａ、６ｂ  ダイオード形成領域
７    薄膜化領域
９    素子分離層
１０  素子分離領域
１２  Ｐ＋拡散層
１２ａ、１４ａ  峰部
１２ｂ、１４ｂ  櫛歯部
１４  Ｎ＋拡散層
１５  Ｐ−拡散層
１８  層間絶縁膜
１９  コンタクトホール
２０  コンタクトプラグ
２１  配線
２３  パッシベーション膜
２４  フィルタ膜
２４ａ  シリコン窒化膜
２６  封止層
２８  レジストマスク
３０  端子穴
３１  フォトＩＣ
３３  外部端子
３５  セラミックス基板
３７  ワイヤ
４０  紫外線検出パッケージ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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