(57)【要約】【課題】受光素子の低い暗電流及びスイッチ素子の優れた特性の両方を高水準に達成可能なモノリシック型の光センサを提供すること。【解決手段】本発明に係る光センサ１０は、フィールド酸化膜６ａによって区画された領域にそれぞれ形成される受光素子Ｄ１とスイッチ素子Ｑ１とが接続されたものであって、フィールド酸化膜６ａとともにシリコン基板２を覆うように設けられた酸化シリコン層６ｂ，６ｃと、受光素子Ｄ１が形成される領域の酸化シリコン層６ｂを覆うように設けられ、端部７ａがフィールド酸化膜６ａと離隔している窒化シリコン層７と、受光素子Ｄ１の受光部１２以外を覆うように設けられた層間絶縁層８と、この層間絶縁層８上に設けられたパッシベーション層９と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板を複数の領域に区画する酸化シリコンからなるフィールド酸化膜を有し、区画された異なる領域にそれぞれ形成される受光素子とスイッチ素子とを接続してなる光センサであって、
前記フィールド酸化膜とともに前記シリコン基板を覆うように設けられた酸化シリコン層と、
前記受光素子が形成される領域の前記酸化シリコン層を覆うように設けられ、端部が前記フィールド酸化膜と離隔している窒化シリコン層と、
前記受光素子の受光面をなす前記窒化シリコン層を露出させるための開口を有しており、前記窒化シリコン層の端部、前記フィールド酸化膜及び前記酸化シリコン層を覆うように設けられた層間絶縁層と、
前記層間絶縁層上に設けられたパッシベーション層と、
を備えることを特徴とする光センサ。
【請求項２】
前記スイッチ素子は、電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子とスイッチ素子とを備えるモノリシック型の光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板に対する酸化処理、イオン注入処理、蒸着処理、エッチング処理などの種々のプロセスを繰り返し行うことにより、同一のシリコン基板に複数の素子を備えるモノリシック型半導体装置が形成される。光センサの分野においても、フォトダイオードなどの受光素子と、この受光素子が出力する電気信号を処理するトランジスタなどのスイッチ素子とが同一のシリコン基板に形成された光センサが開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の半導体装置は、モノリシック型の光センサであり、ＬＯＣＯＳ（Local  Oxidation  of  Silicon）法によって設けられたフィールド酸化膜で分離された領域に、フォトダイオード及びバイポーラトランジスタがそれぞれ形成されている。
【特許文献１】特開２００４−３９９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、シリコン基板を受光素子形成領域とスイッチ素子形成領域とに区画するため、基板の一部を酸化してフィールド酸化膜を形成すると、このフィールド酸化膜とこれに隣接するｐｎ接合部との界面周辺にケイ素原子の未結合手（格子欠陥）が生じやすいという問題がある。かかる未結合手は、受光素子の暗電流の増大につながるため、光センサの製造プロセスにおいて水素処理などを実施し、格子欠陥を低減する必要がある。
【０００５】
他方、モノリシック型の光センサの製造プロセスにおいては、受光素子及びスイッチ素子の形成を並行して行うため、例えば、受光素子の暗電流の低減に適した製造方法を実施すると、その一方でスイッチ素子の特性が不十分になるといった場合もある。
【０００６】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、受光素子の低い暗電流及びスイッチ素子の優れた特性の両方を高水準に達成可能なモノリシック型の光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】
【０００７】
本発明に係る光センサは、シリコン基板を複数の領域に区画する酸化シリコンからなるフィールド酸化膜を有し、区画された異なる領域にそれぞれ形成される受光素子とスイッチ素子とが接続されたものであって、フィールド酸化膜とともにシリコン基板を覆うように設けられた酸化シリコン層と、受光素子が形成される領域の酸化シリコン層を覆うように設けられ、端部が前記フィールド酸化膜と離隔している窒化シリコン層と、受光素子の受光面をなす窒化シリコン層を露出させるための開口を有しており、窒化シリコン層の端部、フィールド酸化膜及び酸化シリコン層を覆うように設けられた層間絶縁層と、この層間絶縁層上に設けられたパッシベーション層とを備える。
【０００８】
本発明の光センサは、その製造プロセスにおいて効率的に水素処理を実施できるという利点を有する。すなわち、本発明の光センサは、窒化シリコン層とフィールド酸化膜とが互いに離隔して設けられているため、製造プロセスにおいて水素処理を実施すると、窒化シリコン層とフィールド酸化膜との間の隙間から内部へと水素イオンが浸透する。これにより、フィールド酸化膜とｐｎ接合部との界面周辺に存在するケイ素原子の未結合手に水素が付加し、水素終端とすることができる。その結果、受光素子の暗電流の発生が低減されて感度特性が向上する。
【０００９】
本発明者らは、製造プロセスにおいて上記のような水素処理を実施すると、受光素子の暗電流の低減効果に加え、スイッチ素子の特性をも向上できるとの知見を得た。かかる知見に基づき、更に検討を重ねた結果、採用するスイッチ素子が電界効果トランジスタである場合に、スイッチ素子の特性向上効果が特に顕著であることを見出した。その理由について、本発明者らは以下のように推察している。
【００１０】
すなわち、電界効果トランジスタは、キャリアの移動する領域がシリコン基板の極めて浅い領域に形成されるのに対し、バイポーラトランジスタにあっては、電界効果トランジスタと比較すると、キャリアがシリコン基板の深い領域を移動する。水素処理によって水素イオンが浸透するのは、キャリア移動領域の極めて浅い部分に限定されるため、キャリアの移動領域の深浅の相違から、電界効果トランジスタの方がより一層高い特性向上効果が奏されると考えられる。
【００１１】
なお、本発明者らは、電界効果トランジスタをスイッチ素子形成領域に形成する場合に、水素処理によって特に優れた特性向上効果が奏されるのは、いわゆる１／ｆノイズを効果的に低減できるためと考えている。１／ｆノイズは、電界効果トランジスタのキャリア移動領域において電子がトラップされることにより発生すると考えられる。つまり、当該領域にケイ素原子の未結合手があると、そこで電子の捕獲及び放出がランダムに発生して１／ｆノイズが生じる。このような電子のトラップに起因する１／ｆノイズは、回路等の設計上の工夫によっては低減することは困難であるが、上記のような水素処理によって効果的に低減できる。
【００１２】
また、本発明の光センサにおいては、受光素子形成領域のシリコン基板上に設けられた酸化シリコン層及び窒化シリコン層を受光素子の反射防止膜として機能させることにより、入射光のうちの反射成分が低減され、受光感度の向上が図られる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、受光素子の低い暗電流及びスイッチ素子の優れた特性の両方を高水準に達成可能なモノリシック型の光センサ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】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光センサの断面図（ａ）、その平面図（ｂ）である。同図に示す光センサ１０は、同一のシリコン基板２に形成されたフォトダイオード（受光素子）Ｄ１と、ＮＭＯＳ回路で構成される電界効果トランジスタ（スイッチ素子）Ｑ１とを配線１３で接続したモノリシック型の光センサである。図１に示す領域ＰＤはフォトダイオードＤ１に係る領域を意味し、領域ＮＭＯＳは電界効果トランジスタＱ１に係る領域を意味する。シリコン基板２は、ＳｉＯ２からなるフィールド酸化膜６ａを有しており、フィールド酸化膜６ａによって複数の領域に区画されている。
【００１６】
まず、フォトダイオードＤ１の構成について説明する。図１に示すように、フォトダイオードＤ１は、シリコン基板２の表面に形成された高濃度のｐ型半導体層（アノード）３ａと、高濃度のｎ型半導体層（カソード）３ｃを備えている。ｎ型半導体層３ｃには、層間絶縁層８に設けられたコンタクトホールを介して配線１３が接続されている。また、ｐ型半導体層３ａは、層間絶縁層８に設けられたコンタクトホールを介して電極１９が接続されている。
【００１７】
フォトダイオードＤ１の受光部１２は、シリコン基板２に形成されたフィールド酸化膜６ａで囲まれた領域に形成されている。フォトダイオードＤ１の受光部１２以外の部分は、層間絶縁層８上に積層されたパッシベーション層９によって被覆されているのに対し、フォトダイオードＤ１の受光部１２は、酸化シリコン層６ｂ上に積層され、受光面１２ａをなす窒化シリコン層７によって被覆されている。酸化シリコン層６ｂ及び窒化シリコン層７は、任意の波長の光に対して反射率が低くなるように厚さが調整されており、反射防止膜としての役割を果たしている。
【００１８】
フォトダイオードＤ１においては、窒化シリコン層７の端部７ａは、周囲のフィールド酸化膜６ａと離隔している。かかる構成を具備することで、後述するように製造プロセスにおいて効率的に水素処理を実施できるという利点を有する。
【００１９】
電界効果トランジスタＱ１の構成について説明する。電界効果トランジスタＱ１は、ｐ型のシリコン基板２の表面に形成されたｐ型ウェル４ｗと、ｐ型ウェル４ｗの表面に形成されたｎ型のソース領域４ｓ及びドレイン領域４ｄと、シリコン基板２の表面に形成された酸化シリコン層（ゲート酸化膜）６ｃ、酸化シリコン層６ｃ上に設けられたゲート電極１４ｇとを備えている。ソース領域４ｓ、ドレイン領域４ｄ、ゲート電極１４ｇには、層間絶縁層８に設けられたコンタクトホールを介して、それぞれ、コンタクト電極１４Ｓ（配線１３）、コンタクト電極１４Ｇ、コンタクト電極１４Ｄが接続されている。
【００２０】
次に、図２〜４を参照しながら、光センサ１０の製造方法について説明する。図２（ａ）に示す構成の光センサ１０用のシリコン基板を作製するため、まず、下記のプロセスを実施する。
【００２１】
結晶面が（１００）であり、不純物濃度が１０１５〜１０１６ｃｍ−３のｐ型シリコンウェハを準備し、電界効果トランジスタＱ１の形成領域にｐ型不純物を添加してウェル４ｗを形成する。次いで、フィールド酸化膜６ａに対応する位置にｐ型半導体層３ｂ形成用のｐ型の不純物（ホウ素など）をイオン注入する。その後、水蒸気雰囲気の炉で熱処理し、フィールド酸化膜６ａを形成するとともに、イオン注入したホウ素をシリコン中に拡散させて、ｐ型半導体層３ｂを形成する。
【００２２】
イオン注入の際に使用したレジストを除去し、露出したシリコン基板表面に薄いＳｉＯ２膜からなる酸化シリコン層６ｂ，６ｃを形成する。次いで、ゲート形成領域に多結晶シリコン膜を堆積させ、この多結晶シリコンにリンをイオン注入してゲート電極１４ｇを形成する。その後、ｎ型の不純物のイオン注入によって、ソース領域４ｓ、ドレイン領域４ｄ、ｎ型半導体層３ｃを同時に形成する。更に、ｐ型の不純物のイオン注入によって、ｐ型半導体層３ａを形成する。上記プロセスにより、図２（ａ）に示す構成のシリコン基板が得られる。
【００２３】
図２（ａ）に示すシリコン基板が得られたら、フィールド酸化膜６ａ及び酸化シリコン層６ｂ，６ｃを覆うようにＳｉ３Ｎ４からなり、矩形の窒化シリコン層７を形成する（図２（ｂ）参照）。次いで、フォトダイオードＤ１の受光部１２上以外の部分について窒化シリコン層７のエッチングを行う。
【００２４】
その結果、図２（ｃ）に示すように、窒化シリコン層７は、フォトダイオードＤ１の受光部１２のみに残存し、電界効果トランジスタＱ１が形成される領域までは延在しないことになる。窒化シリコン層７の四辺（端部７ａ）が周囲のフィールド酸化膜６ａと離隔するように加工されることにより、フィールド酸化膜６ａと窒化シリコン層７の間の隙間がフォトダイオードＤ１のｐ型半導体層３ｂとｎ型半導体層３ｃのｐｎ接合部の上方に形成される。
【００２５】
このシリコン基板に対し、水素処理を実施する。図３（ｄ）に示すように、窒化シリコン層７の端部７ａとフィールド酸化膜６ａとの間の隙間から酸化シリコン層６ｂを通じて水素イオンがシリコン基板内へと浸透するため、フィールド酸化膜の周辺に生じやすいケイ素原子の未結合手を水素終端とすることができる。したがって、フォトダイオードＤ１に対してはフィールド酸化膜６ａの周辺の結晶欠陥に起因する暗電流の発生を防ぐことができ、より低ノイズとすることができる。他方、かかる水素処理は、電界効果トランジスタＱ１に対し、１／ｆノイズを低減するという効果をもたらす。
【００２６】
なお、窒化シリコン層７は水素を透過しにくい性質を有しており、窒化シリコン層７で覆われたｎ型半導体層３ｃに対しては水素の浸透が十分に抑制される。したがって、窒化シリコン層７とフィールド酸化膜６ａとの間に隙間を設けない場合には、同様な水素処理を実施しても、酸化シリコン層６よりも膜厚が厚いフィールド酸化膜６ｂと窒化シリコン層７に水素イオンが遮られ、シリコン基板内に浸透する水素イオンが不十分となる。
【００２７】
次いで、図３（ｅ）に示すように、ＣＶＤ法によって層間絶縁層８を堆積させた後、図４（ｆ）に示すように、層間絶縁層８にコンタクトホールを形成し、コンタクト電極、配線１３を形成する。続いて、層間絶縁層８上にＣＶＤ法により、パッシベーション層９を堆積させる（図４（ｇ）参照）。
【００２８】
その後、フォトダイオードＤ１の受光部１２上のパッシベーション層９及び層間絶縁層８をエッチングして、開口１２ｂを形成する（図１（ａ）参照）。パッシベーション層９及び層間絶縁層８のエッチングには、窒化シリコン層７に対するエッチングレートが小さいエッチング液又はエッチングガスを用いることが好ましい。このことにより、窒化シリコン層７をエッチングストッパーとして機能させることができる。
【００２９】
以上の通り、本実施形態に係る光センサ１０のフォトダイオードＤ１は、製造プロセスにおける水素処理に好適な構造を有しているため、フォトダイオードＤ１の低い暗電流を達成できる。また、電界効果トランジスタＱ１の形成領域についても当該水素処理が施されることによって、キャリアが移動する酸化シリコン層６ｃの浅い領域の格子欠陥が低減され、１／ｆノイズの発生を十分に抑制することができる。
【００３０】
また、窒化シリコン層７及び酸化シリコン層６ｂの層厚を最適化し、任意の波長に対する反射率を小さくすることで、測定すべき入射光の受光面１２ａでの反射を低減できる。これにより、フォトダイオードの高い受光感度を達成できる。
【００３１】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る光センサの断面図（ａ）、その平面図（ｂ）である。図５に示す光センサ２０は、スイッチ素子がＮＭＯＳ回路を有する電界効果トランジスタＱ１及びＰＭＯＳ回路を有する電界効果トランジスタＱ１０からなるＣＭＯＳ回路で構成される点において上記の第１実施形態に係る光センサ１０と相違する。
【００３２】
電界効果トランジスタＱ１０は、シリコン基板２の表面に形成されたｎ型ウェル５ｗと、ｎ型ウェル５ｗの表面に形成されたｐ型のソース領域５ｓ及びドレイン領域５ｄと、シリコン基板２の表面に形成された酸化シリコン層（ゲート酸化膜）６ｄ、酸化シリコン層６ｄ上に設けられたゲート電極１５ｇとを備えている。ソース領域５ｓ、ドレイン領域５ｄ、ゲート電極１５ｇには、層間絶縁層８に設けられたコンタクトホールを介して、それぞれ、コンタクト電極１５Ｓ、コンタクト電極１５Ｇ、コンタクト電極１５Ｄが接続されている。
【００３３】
第２実施形態に係る光センサ２０は、第１実施形態の光センサ１０と同様、製造プロセスにおける水素処理により、フォトダイオードＤ１の暗電流を十分に低減できるとともに、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ１０における１／ｆノイズの発生を十分に抑制することができる。
【００３４】
（第３実施形態）
図６は、第２実施形態に係る光センサの断面図（ａ）、その平面図（ｂ）である。図６に示す光センサ３０は、同一のシリコン基板に複数のフォトダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３及び複数の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３が形成されたアレイ構造を有する点において第１実施形態に係る光センサ１０と相違する。
【００３５】
第３実施形態に係る光センサ３０においても、第１実施形態の光センサ１０と同様、製造プロセスにおいて水素処理を実施することにより、フォトダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３の暗電流を十分に低減できるとともに、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３における１／ｆノイズの発生を十分に抑制することができる。
【００３６】
以上、本発明に係る光センサの実施形態について詳しく説明したが、本発明は更に下記のような形態であってもよい。
【００３７】
例えば、上記第１〜３実施形態においては、窒化シリコン層７の四辺（端部７ａ）が周囲のフィールド酸化膜６ａと離隔するように形成された光センサを例示したが、端部７ａが周囲のフィールド酸化膜６ａと部分的に離隔するように窒化シリコン層７を形成してもよい。水素処理によってフィールド酸化膜とｐｎ接合部との界面領域に十分な水素イオンを供給する観点からは、窒化シリコン層７の四辺が周囲のフィールド酸化膜６ａと離隔していることが好ましいが、例えば、窒化シリコン層７の四辺のうち、三辺又は二辺がフィールド酸化膜６ａと離隔するように設けられたものであっても、暗電流低減効果が奏される。
【００３８】
また、第１〜３実施形態においては、ｎ＋／ｐ型のフォトダイオードを例示したが、これに代えて、ｐ＋／ｎ型のフォトダイオードを受光素子として採用してもよい。また、第１〜３実施形態では、フォトダイオードがｐ型ウェルの外に形成する場合を例示したが、フォトダイオードをｐ型ウェルの中に形成してもよい。更に、第１実施形態の光センサ１０において、スイッチ素子としてＮＭＯＳ回路の代わりにＰＭＯＳ回路で構成される電界効果トランジスタを採用してもよい。また、スイッチ素子としてバイポーラトランジスタを採用した場合も製造プロセスにおいて水素処理を実施することで、キャリアの移動領域にあるケイ素原子の未結合手が低減され、ノイズ低減効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光センサの断面図（ａ）、その平面図（ｂ）である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示した光センサ用のシリコン基板を製造するプロセスにおける各段階の状態を示す断面図である。
【図３】（ｄ）及び（ｅ）は、図１に示した光センサ用のシリコン基板を製造するプロセスにおける各段階の状態を示す断面図である。
【図４】（ｆ）及び（ｇ）は、図１に示した光センサ用のシリコン基板を製造するプロセスにおける各段階の状態を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光センサの断面図（ａ）、その平面図（ｂ）である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る光センサの断面図（ａ）、その平面図（ｂ）である。
【符号の説明】
【００４０】
２…シリコン基板、６ａ…フィールド酸化膜、６ｂ，６ｃ，６ｄ…酸化シリコン層、７…窒化シリコン層、７ａ…窒化シリコン層の端部、８…層間絶縁層、９…パッシベーション層、１０，２０，３０…光センサ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…フォトダイオード（受光素子）、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ１０…電界効果トランジスタ（スイッチ素子）。
【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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