(57)【要約】【課題】素子の量産に適したメサ角度及び素子構造を有する赤外線センサを提供すること。【解決手段】半導体基板１０と、半導体基板１０の上にＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部２０と、半導体積層部２０を覆っている酸化ケイ素または、窒化ケイ素の保護膜３０とを備える赤外線センサであって、半導体積層部２０は、半導体積層２０を形成する組成物にＩｎＳｂを含み、メサ角度θが４０度以上４６度以下のメサ構造２６を有する。【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、前記半導体基板上にＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部と、前記半導体積層部を覆っている酸化ケイ素または、窒化ケイ素の保護膜とを備える赤外線センサであって、
前記半導体積層部は、半導体積層を形成する組成物にＩｎＳｂを含み、メサ角度が４０度以上４６度以下のメサ構造を有することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
半導体基板上にＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備える半導体ウエハを準備する準備工程と、前記半導体ウエハの前記半導体積層部の表面上にある所望の位置にレジストを形成し、前記レジストが形成された前記半導体積層部をウェットエッチングし、前記半導体積層部をメサ構造にするメサ形成工程と、前記半導体積層部で構成される各赤外線センサ素子同士を電気的に分離する素子分離工程とを含む赤外線センサの製造方法であって、
前記メサ形成工程は、ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏのエッチャント比のうち、Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏの割合が３０：５０５のとき、ＨＣｌの割合が１２５乃至１５０である塩酸過水水溶液を用いてウェットエッチングを行う工程を含むことを特徴とする赤外線センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線センサに関し、より詳細には、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備える赤外線センサの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度、圧力、光等の物理的な変化量を、電流や電圧などの電気的な変化量に変換するものにセンサが知られている。このセンサにより、様々な対象物を数値として測定することが可能となる。例えば、人体が発する赤外線を検知する人感センサは、照明やエアコンなどに搭載され、省エネルギー化に貢献している。特に、近年、省エネルギー化や環境センサの観点から、赤外線センサが注目されている。
【０００３】
赤外線センサは、測定対象物から入射する赤外線のエネルギー量を定量し、温度を検出する、非接触式温度計としても期待されている。一般に、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、ガスセンサ等に使用されている。これらの使用例の内、人体検知や非接触温度センサとして用いられる赤外線センサとしては、焦電センサやサーモパイルの様な熱型の赤外線センサと、半導体受光素子を使用した量子型の赤外線センサがあるが、熱型の赤外線センサに比べて、量子型の赤外線センサの方が、高感度、高速応答、静態検知が可能といった大きな特徴がある。
【０００４】
量子型の赤外線センサを実現するためには、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線を受光する赤外線センサが必要となるが、この波長領域では赤外線センサに対する周辺温度の影響が非常に大きく、室温で使用するには問題がある。この量子型の赤外線センサは、一般に波長が５μｍ以上の赤外線を吸収可能である半導体中にいわゆるＰＮ接合またはＰＩＮ接合の積層構造を形成し、光吸収層において、吸収した赤外線によって発生した電子及び正孔が、ＰＮ接合部分の空乏層における内部電界によって電荷分離されることで、電気信号に変換される。
【０００５】
上記のような積層構造を持つ赤外線センサの素子抵抗を上げるためには特にｐ型半導体層側の素子の面積を小さくすることが有効な手段となるが、この場合赤外線の受光面積も小さくなってしまう。この問題を解決するために、特許文献１には、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合の積層構造が順メサ形状の素子形状が記載され、順メサ形状の好ましいメサ角度θ範囲についても記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０６６５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、素子の量産に適したメサ角度、及び赤外線センサの構造に関しては開示がされていない。これにより、従来の赤外線センサは素子の量産に適したメサ角度が不明であったため、素子の量産が難しいという問題がある。  
【０００８】
本発明は、上記した点に鑑みて行われたものであり、素子の量産に適したメサ角度及び素子構造を有する赤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】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の発明により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板と、半導体基板上にＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部と、半導体積層部を覆っている酸化ケイ素または、窒化ケイ素の保護膜とを備える赤外線センサであって、
半導体積層部は、半導体積層を形成する組成物にＩｎＳｂを含み、メサ角度が４０度以上４６度以下のメサ構造を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、半導体基板上にＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備える半導体ウエハを準備する準備工程と、半導体ウエハの半導体積層部の表面上にある所望の位置にレジストを形成し、レジストが形成された半導体積層部をウェットエッチングし、半導体積層部をメサ構造にするメサ形成工程と、半導体積層部で構成される各赤外線センサ素子同士を電気的に分離する素子分離工程とを含む赤外線センサの製造方法であって、メサ形成工程は、ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏのエッチャント比のうち、Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏの割合が３０：５０５のとき、ＨＣｌの割合が１２５乃至１５０である塩酸過水水溶液を用いてウェットエッチングを行う工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、素子の量産に適したメサ角度及び素子構造を有する赤外線センサを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態１の赤外線センサの構造を表す模式図である。
【図２】本発明の実施形態１の赤外線センサの製造工程を表す模式図である。
【図３】本発明の実施形態２の赤外線センサの構造を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
（実施形態１）
［赤外線センサ］
図１は、本発明の実施形態１の赤外線センサ１を示す図である。赤外線センサ１は、半導体基板１０と、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有し、ＩｎＳｂを含んでいる半導体積層部２０を備える。半導体積層部２０は、半導体積層部２０のメサ角度θが４０度以上４６度以下のメサ構造２６を有し、メサ構造２６を有する部分が酸化ケイ素または、窒化ケイ素の保護膜３０によって覆われている。
【００１６】
メサ角度θが４０度以上４６度以下であることにより、素子抵抗が大きく、信頼性の高い赤外線センサ１となる。ここで信頼性とは、入射された赤外線により生成された光電流のリークや導通不良の発生の有無を意味する。
【００１７】
光電流のリークを決める要因の一つにメサ側面の状態がある。メサ側面にダメージが加えられることでリーク電流は増加する傾向がある。メサ側面にダメージを加えうる工程として、メサ構造２６上に保護膜３０を成膜した後の素子分離工程が挙げられる。素子分離にイオンミリング等の物理的エッチングを用いる場合、メサ角度θが大きくなると、メサ側面箇所のエッチングレートが早くなることで保護膜３０が削りとられる恐れがある。
【００１８】
保護膜３０が削り取られた場合、赤外線センサ１へのダメージが増加し特性が低下する。保護膜３０が削り取られることを回避するためには保護膜３０を厚くすることが考えられるが、これは成膜時間の増加につながり得る。この観点でメサ角度θを検討した結果、メサ角度θは４６度以下であることが適していることを見出した。メサ角度θが４６度以下であることにより、素子分離工程において保護膜３０が削り取られるリスクを低減され、また製造上の条件ブレに対しても耐性を有するため、生産性の向上に寄与し、量産に好適である。
【００１９】
一方、メサ角度θを低くすると素子の半導体積層部２０の上部面積が小さくなる。上記の最適値を検討した結果、メサ角度θは４０度以上であることが適していることを見出した。メサ角度が４０度以上であることにより、電極を形成するためのコンタクトホールの製造上の条件ブレ（例えばリソグラフィーの位置ずれ等）による導通不具合の発生リスクを低減され、生産性の向上に寄与し、量産に好適である。
【００２０】
保護層３０としては公知の物を用いることができ、例えば酸化ケイ素や窒化ケイ素およびそれらの積層体を用いることができる。酸化ケイ素や窒化ケイ素は例えばＰＣＶＤ法により形成することが可能である。
【００２１】
以上より、赤外線センサ１によれば、位置合わせが容易であり、かつ、電極配線の断線リスクが抑制された、量産に適した赤外線センサ１であることが理解される。
【００２２】
［赤外線センサの製造方法］
実施形態１に記載したような本発明の赤外線センサ１を製造する方法の一例について以下に図２を参照しながら説明する。図２（ａ）は準備工程、図２（ｂ）はメサ形成工程、図２（ｃ）は素子分離工程を説明するための模式図である。
【００２３】
図２（ａ）では、半導体基板１０と、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部２０と、を備える半導体ウエハ１００を準備している。図２（ｂ）では、半導体積層部２０上にレジスト２４を部分的に形成し、レジスト２４が部分的に形成された半導体ウエハ１００の半導体積層部２０をウェットエッチングし、半導体積層部２０にメサ構造２６を形成している。図２（ｃ）では、保護膜３０を介してイオンミリングによる素子分離をしている。
【００２４】
［準備工程］
準備工程は、半導体基板１０と、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部２０を備える半導体ウエハ１００を準備する工程である。半導体ウエハ１００を準備する方法は特に制限されないが、例えば半導体基板１０の上にＰＮ接合またはＰＩＮ接合となる半導体積層部２０をＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの製膜技術によって形成する方法が挙げられる。
【００２５】
半導体積層部２０としては、入射された赤外線によって光起電力を生じる公知のＰＮ接合または、光電変換の効率化を図る為にｐ型ドープされたｐ型半導体層２３とｎ型ドープされたｎ型半導体層２１の間に真性半導体層２２を設けたＰＩＮ接合を備える積層体が使用できる。また、真性半導体層２２とｐ型半導体層２３またはｎ型半導体層２１の間に、それらの半導体層よりもバンドギャップの広いバリア層を設けてもよい。赤外線によって光起電力を生じる積層体としては、例えば、ＩｎＳｂを含む化合物半導体積層体が好適に用いられる。ＩｎＳｂを含む化合物半導体積層体を用いる場合、ＰＮ接合の形成に用いるドーパントとしては、Ｐ型のドーパントとしてＺｎ、Ｎ型のドーパントとしてＳｎが好適に用いられる。ＩｎＳｂを含む化合物半導体積層体を半導体基板上に成膜する場合、半導体基板の材料としてはＧａＡｓからなる半導体基板１０を好適に用いることができる。
【００２６】
［メサ形成工程］
メサ形成工程は、前記半導体積層部の表面の所望の位置にレジスト２４を形成し、レジスト２４が形成された半導体ウエハ１００の半導体積層部２０をウェットエッチングし、半導体積層部２０をメサ構造２６にする工程である。所望の位置にレジスト２４を形成する方法としては、半導体ウエハ１００にレジスト材料をコーティングした後に、フォトリソグラフィー法や電子線描画法により所望の位置以外のレジスト２４を除去し、所望の位置のみにレジスト２４を形成する方法を用いることができる。
【００２７】
ウェットエッチングとは、化学反応を利用した異方性エッチングである。所望のメサ角度θのメサ構造２６とするためには、例えばエッチャントの濃度やエッチャントの配合比により調整することが可能である。メサ角度θを大きくするためには、エッチャントの酸濃度を調整すればよく、特に塩酸過水水溶液を用いる場合は塩酸濃度を高めること、過酸化水素水の濃度を低くすることで角度が大きくなる。メサ角度θを小さくするためには塩酸濃度を低くする方法が挙げられる。
【００２８】
［素子分離工程］
素子分離工程では、各赤外線センサ素子同士を電気的に分離する工程である。電気的に分離するためには、各赤外線センサ素子の半導体積層部２０が他の赤外線センサ素子とつながらない様に半導体積層部２０（特に最下層部２１）をエッチング等により除去すればよい。
【００２９】
除去する方法としては、例えばイオンミリング法を用いればよい。この時、エッチングされて欲しくない半導体積層部２０の領域には、図２（ｃ）に示すように保護層３０を設けてハードマスクとして用いればよい。
【実施例】
【００３０】
［実施例１］
上述した化合物半導体層のある膜構造を用いて、次の手順でＰＩＮダイオード構造の赤外線センサ１を作製した。まず、ＭＢＥ法により、半絶縁性の、ＧａＡｓ単結晶半導体基板１０の上にＳｎを１．０×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層（ｎ型半導体層２１）を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを１×１０16原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層（真性半導体層２２）を２．０μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０18原子／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層（バリア層）を０．０２μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０18原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層（ｐ型半導体層２３）を０．５μｍ成長した。これにより、ＧａＡｓ単結晶半導体基板１０と、ＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部２０とを備える半導体ウエハ１００を準備した。
【００３１】
上記により準備した半導体ウエハ１００の表面にｉ線用ポジ型フォトレジストを塗布し、縮小投影型露光機によりｉ線を使用し露光を行った。次に現像を行い、半導体積層部２０の表面にレジストパターンを規則的に複数形成した。次に、ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝１３５ｍｌ：３０ｍｌ：５０５ｍｌの塩酸過水水溶液を用いてウェットエッチングを行い半導体積層部２０にメサ構造２６を形成した。
【００３２】
レーザー顕微鏡を用いて、上記プロセスにより形成されたメサ構造２６のメサ角度θを測定した。結果は、メサ角度θが４２．６度であった。
【００３３】
［実施例２］
エッチャント比をＨＣｌ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝１２５ｍｌ：３０ｍｌ：５０５ｍｌとした以外は、実施例１と同様の方法で赤外線センサ１を作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、メサ角度θが４６．０度であった。
【００３４】
［実施例３］
エッチャント比をＨＣｌ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝１５０ｍｌ：３０ｍｌ：５０５ｍｌとした以外は、実施例１と同様の方法で赤外線センサ１を作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、メサ角度θが４０．１度であった。
【００３５】
［比較例１］
エッチャント比をＨＣｌ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝９０ｍｌ：３０ｍｌ：５０５ｍｌとした以外は実施例１と同様の方法で赤外線センサを作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、メサ角度θが５１．２度であった。
【００３６】
［比較例２］
エッチャント比をＨＣｌ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝１６０ｍｌ：３０ｍｌ：５０５ｍｌとした以外は実施例１と同様の方法で赤外線センサを作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、メサ角度θが３７．０度であった。
【００３７】
実施例１〜３で得られたメサ形状を有する素子上に、保護膜ＳｉＯ2をＰＣＶＤで５３００Å成膜し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりＳｉＯ2をパターニングした後、イオンミリングで素子分離を行ったところ、イオンミリング処理後でもＳｉＯ2が８００Å以上残っていることが断面ＳＥＭにより観察された。プロセス上の面内バラツキや生産上での装置揺らぎを考慮すると５００Åはマージンを持って残しておく必要があるが、実施例１〜３ではその要件を満たす結果を得た。その後、赤外線センサ１に電極を形成し、素子抵抗、光電流、高温高湿試験を評価したところ、いずれも良好な結果が得られた。
【００３８】
一方、比較例１のサンプルに上記と同様のプロセスを適用したところ、イオンミリング処理後のＳｉＯ2が３００Åであった。これはプロセス上の面内バラツキや生産上での装置揺らぎを考慮すると、十分な残膜厚ではなく、ＳｉＯ2がいつ削り取られてもおかしくない状況であり、量産には適していないことが理解される。
【００３９】
さらに比較例２のサンプルは、上部面積が小さすぎることで電極形成のためのコンタクトホールの形成が困難で、赤外線センサとしての特性が十分なＳ／Ｎで得られないという結果であった。すなわち、メサ構造２６のメサ角度θが４０度以上４６度以下であれば、素子抵抗、光電流、高温高湿試験の結果が良好な赤外線センサ１となることが理解される。  
【００４０】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２の赤外線センサ３２の構造を表す模式図である。赤外線センサ３２が実施形態１の赤外線センサ１と異なる点は、保護層３０の一部にコンタクトホール３４を形成し、配線層４０を形成した点である。その他の構成及び製造方法は、実施形態１と同様である。
【００４１】
メサ角度θが４０度以上４６度以下であることにより、素子抵抗が大きく、信頼性の高い赤外線センサ３２となる。
【００４２】
光電流のリークを決める要因の一つにメサ側面の状態がある。メサ側面にダメージが加えられることでリーク電流は増加する傾向がある。メサ側面にダメージを加えうる工程として、メサ構造２６上に保護膜３０を成膜した後の素子分離工程が挙げられる。素子分離にイオンミリング等の物理的エッチングを用いる場合、メサ角度θが大きくなると、メサ側面箇所のエッチングレートが早くなることで保護膜３０が削りとられる恐れがある。
【００４３】
保護膜３０が削り取られた場合、赤外線センサ３２へのダメージが増加し特性が低下する。保護膜３０が削り取られることを回避するためには保護膜３０を厚くすることが考えられるが、これは成膜時間の増加につながり、また、コンタクトホール３２の形成時に保護膜３２の膜厚が厚い為に電極配線の断線につながるリスクが高い。この観点でメサ角度θを検討した結果、メサ角度θは４６度以下であることが適していることを見出した。
【００４４】
一方、メサ角度θを低くすると素子の半導体積層部２０の上部面積が小さくなり、またコンタクトホール３４が小さくなる。上部はＰ層でコンタクト抵抗が高く、コンタクトホール３４は大きくする必要がある。コンタクト抵抗が高いと光電流が低下する。また、上部面積が小さくなるとフォトリソ工程の合わせ精度が厳しくなり生産に不向きとなる。上記の最適値を検討した結果、メサ角度θは４０°以上であることが適していることを見出した。
【００４５】
以上より、赤外線センサ３２によれば、位置合わせが容易であり、かつ、電極配線の断線リスクが抑制された、量産に適した赤外線センサ３４であることが理解される。また、赤外線センサ３２によれば、メサ角度θが４０度以上４６度以下であることにより、素子抵抗が大きく、信頼性の高い赤外線センサ３２となる。したがって、保護層３０の一部にコンタクトホール３４を形成し、配線層４０を形成した赤外線センサの量産に適していることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の赤外線センサの製造方法は、信頼性の高い赤外線センサの製造方法として好適である。したがって、本発明の赤外線センサは、照明やエアコンなどの省エネルギー化の機器や環境センサに用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１、３２  赤外線センサ
１０  半導体基板
２０  半導体積層部
２１  ｎ型半導体層
２２  真性半導体層
２３  ｐ型半導体層
２４  レジスト
２６  メサ構造
３０  保護膜
３４  コンタクトホール
４０  配線層
１００  半導体ウエハ
θ  メサ角度
【図１】
2013211454.tif 000003
【図２】
2013211454.tif 000004
【図３】
2013211454.tif 000005