JP6115890B2

JP6115890B2 - 受光素子、その製造方法、および光センサ装置

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Publication number: JP6115890B2
Application number: JP2013190851A
Authority: JP
Inventors: 賢一町長; 俊之新田; 猪口　康博; 康博猪口
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-09-13
Also published as: JP2015056617A

Description

本発明は、受光素子、その製造方法、および光センサ装置に関し、なかでもとくに近赤外〜赤外域の受光素子、その製造方法、および光センサ装置に関するものである。

近赤外を含む赤外域の光は、動植物などの生体や環境に関連した吸収スペクトル域に対応するため、受光層にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて、その赤外域の検出器の開発が行われている。とくに近赤外から長波長側へと受光感度の拡大が推進されている。これら受光素子では、近赤外から長波長側に感度拡大をはかるためタイプ２量子井戸構造（多重量子井戸構造:Multi-Quantum Well）を受光層として、選択拡散によって窓層から不純物を導入することで画素を形成するプレーナ型受光素子が採用されている（特許文献１）。選択拡散によって画素を形成する方式は、機械的な溝によって画素を形成する方式に比べて暗電流が低くなる利点を有する。上記のタイプ２の多重量子井戸では、受光時に、ヘテロ界面をわたるようにＧａＡｓＳｂの価電子帯からＩｎＧａＡｓの伝導帯に電子の遷移が生じるので、感度を確保するためには、量子井戸のペア数を大きくしなければならない。たとえばＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸の場合、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを１ペアとして２５０ペア程度積層する。

上記のタイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸は、しかしながら、不純物に対して脆弱であり、上記のプレーナ型受光素子の選択拡散に際して、多重量子井戸内には最小限の不純物しか許容されない。このため、選択拡散マスクパターンが設けられる窓層と、多重量子井戸構造との間に、拡散濃度分布調整層を挿入する。この拡散濃度分布調整層には、窓層における不純物の高濃度（１〜５Ｅ１８ｃｍ^−３程度）から、受光層に至る低濃度（１〜５Ｅ１６ｃｍ^−３程度）の不純物へと不純物濃度が急峻に変化する領域が含まれるようにする。この拡散濃度分布調整層では、その不純物の拡散速度が遅くなるような材料が用いられる。たとえば、タイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸の場合、ｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）が選択拡散されるが、拡散濃度分布調整層にはＩｎＧａＡｓが用いられる。ＩｎＧａＡｓはＺｎの拡散速度を抑えるので、上記の高濃度から低濃度へと急峻に変化する領域を、当該ＩｎＧａＡｓ層内にとどめやすい。

特許第４６６２１８８号

上記したように、ｐｎ接合形成のための不純物導入は、窓層に接して形成した選択拡散マスクパターンの開口部からその窓層およびＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層を経て受光層の上部に至るか、または受光層の手前にとどめるようにする。しかしながら、この選択拡散における不純物の深さの精度は低く、現状、ばらつきが大きい。タイプ２ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸内に、低く制御されていない濃度の不純物が入ると結晶性が劣化して暗電流が増大し、また選択拡散の深さが浅いと感度が小さくなる。

本発明は、画素ごとにｐｎ接合を形成するための選択拡散において、拡散深さを高精度に制御することが可能な、受光素子、その製造方法、および光センサ装置を提供することを目的とする。

本発明の受光素子は、半導体基板上に、不純物の選択拡散による画素を備えるプレーナ型の受光素子であって、半導体基板の上に位置する受光層と、受光層上に接して位置する拡散濃度分布調整層と、拡散濃度分布調整層上に接して位置する窓層と、窓層上に接して位置し、画素ごとに開口部がある選択拡散マスクパターンと、画素に設けられた画素電極とを備え、選択拡散マスクパターンの開口部ごとに窓層が除去されて窓層貫通孔が設けられ、不純物が、窓層貫通孔の側壁面、および、該窓層貫通孔の底面をなす前記拡散濃度分布調整層、に浸透して分布し、画素電極は、窓層貫通孔の底面をなす拡散濃度分布調整層上に接して位置している。

本発明の受光素子によれば、画素ごとにｐｎ接合を形成するための選択拡散において、拡散深さを高精度に制御することが可能となる。

本発明の実施の形態における受光素子を示す図である。図１の受光素子の窓層貫通孔の窓層表面付近の拡大図である。図１の受光素子の製造において、半導体積層体の上にＳｉＮ膜を堆積した状態を示す図である。ＳｉＮ膜に開口部があけられたパターンを形成した状態を示す図である。開口部に窓層貫通孔を設けたあと、亜鉛の選択拡散を行ったあとの状態を示す図である。窓層貫通孔の底部に露出するＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層に接して画素電極を形成した状態を示す図である。実施例における試験体グループＢの従来の窓層貫通孔を設けない、受光素子を示す図である。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
１．受光素子：
（１）構造：
半導体基板上に、不純物の選択拡散による画素を備えるプレーナ型の受光素子であって、半導体基板の上に位置する受光層と、受光層上に接して位置する拡散濃度分布調整層と、拡散濃度分布調整層上に接して位置する窓層と、窓層上に接して位置し、画素ごとに開口部がある選択拡散マスクパターンと、画素に設けられた画素電極とを備え、選択拡散マスクパターンの開口部ごとに窓層が除去されて窓層貫通孔が設けられ、不純物が、窓層貫通孔の側壁面、および、該窓層貫通孔の底面をなす拡散濃度分布調整層、に浸透して分布し、画素電極は、窓層貫通孔の底面をなす拡散濃度分布調整層上に接して位置している。この構造によれば、開口部における窓層は除去されているので、不純物は、窓層貫通孔に露出している拡散濃度分布調整層に、直接、拡散するようになる。このため窓層の厚み変動のばらつきという因子が除去されるので、ｐｎ接合を精度よく意図した位置に形成することができる。

（２）窓層貫通孔：
窓層貫通孔の径は、少なくとも窓層表面で、選択拡散マスクパターンの開口部の径より大きくするのがよい。選択拡散によって導入された不純物は、窓層上面の窓層貫通孔の周縁部にも導入され、窓層上面にｐｎ接合が選択拡散マスクパターンのマスク部直下に形成される。窓層上面のｐｎ接合の端は、当該上面で窓層貫通孔とほぼ同心円状に形成される。窓層貫通孔の径を、窓層表面で、選択拡散マスクパターンの開口部の径より大きくすることで、選択拡散の最初から最後まで終始一貫して窓層表面におけるｐｎ接合の端は、選択拡散マスクパターンのマスク部に被覆されており、大気等に露出することがない。このためｐｎ接合の端に大気から高濃度の酸素等の不純物が付着することはなく、この結果、暗電流を低く抑えることができる。

（３）選択拡散マスクパターン：
選択拡散マスクパターンは、選択拡散を行った後も、そのまま残す。その理由は、選択拡散を行った後、選択拡散マスクパターンを除去すると、窓層上面のｐｎ接合の端は、一時的であるかもしれないが、確実に大気等に露出されることになる。この結果、ｐｎ接合の端に酸素等の不純物が付着して、暗電流増大をもたらす。このため、選択拡散マスクパターンはそのまま製品に残される。選択拡散マスクパターンの上には、別のパッシベーション膜が積層されるのが普通である。

（４）窓層と選択拡散マスクパターンの材料：
選択拡散マスクパターンが窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成され、また窓層がＩｎＰもしくはＩｎＡｌＡｓで形成されているのがよい。ＳｉＮ選択拡散マスク部とＩｎＰ窓層もしくはＩｎＡｌＡｓ窓層との材料の組み合わせでは、他の材料の組み合わせよりも、漏れ電流が小さくなる。また、これらの材料について、多くの技術データの蓄積がある。

（５）不純物と拡散濃度分布調整層の材料：
不純物を亜鉛（Ｚｎ）とし、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓで形成するのがよい。Ｚｎは、ＩｎＧａＡｓ中での拡散速度が遅くなる。このため、不純物に対して脆弱な多重量子井戸の上に位置して不純物濃度を調整する拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓ層とすることで、不純物が高濃度から低濃度へと急峻に低下する領域を当該拡散濃度分布調整層内に形成しやすくなる。

（６）窓層および拡散濃度分布調整層の材料：
窓層をＩｎＰ、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓ、とするのがよい。上述の各材料の理由の他に、窓層貫通孔の形成のしやすさが問題となる。窓層をＩｎＰ、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓ、とすることで、ＩｎＰのエッチング速度が大きく、ＩｎＧａＡｓのエッチング速度が非常に小さいエッチング液は、普通にある。たとえば塩酸水溶液である。これらを用いて、窓層貫通孔を精度よく設けることができる。

（７）ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層における画素電極の材料：
画素電極は選択拡散された画素ごとの不純物領域とオーミック接触する必要がある。画素電極は、ｐｎ接合に対して、グランド電極との間で逆バイアス電圧を印加し、かつ受光で生じたキャリアを集めるために配置される。
（ｉ）窓層にＩｎＰが用いられ、不純物として亜鉛（Ｚｎ）が用いられる場合、画素電極の材料には、オーミック接触の実現のためＡｕＺｎ系合金が用いられた。受光素子は、必ず読み出し回路とセットで用いられるが、読み出し回路に設けられる、画素の受光の強さなどを情報収集する読み出し電極は、画素電極と一対一で接続される。画素電極ごとに１つの読み出し電極を、確実に接続するために、画素電極と読み出し電極との間には、インジウム等のバンプが介在される。すなわち、１つの画素電極／１つのバンプ／１つの読み出し電極、の接続形態が形成される。通常用いられるインジウムバンプは、ＡｕＺｎ系合金との濡れ性がそれほど十分でない。このため、インジウムバンプをＡｕＺｎ系合金に配置するとき、ＴｉＮｉＡｕ系合金のバンプ下地金属のパッドを形成する。つまり、窓層貫通孔を設けない場合、ＩｎＰ窓層のＺｎ領域／ＡｕＺｎ系合金の画素電極／ＴｉＮｉＡｕ系合金のバンプ下地金属／インジウムバンプの電極の構成となる。
（ｉｉ）窓層貫通孔を設ける場合、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層のＺｎ領域に画素電極をオーミック接触する。この場合、画素電極の材料に、ＴｉＰｔＡｕ系合金を用いることができる。ＴｉＰｔＡｕ系合金は、インジウムバンプとの濡れ性がよいため、バンプ下地金属を形成する必要がない。このため、バンプ下地金属の形成のための工数、バンプ下地金属の材料、等を省略することができる。この結果、ランタイムの大幅な短縮、蒸着コストの削減を得ることができる。
（ｉｉｉ）上記（ｉｉ）の場合、窓層貫通孔を設ける工程が加わるが、ＡｎＺｎ系電極の形成工程が無くなるので、全体として工程短縮を得ることができる。さらにＡｕの消費を抑えることができ、材料費のコスト削減にも資することができる。

（８）受光層：
受光層は、最も広くはＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど単相の材料であってもよい。窓層の厚み変動によって、ｐｎ接合の位置の精度が得られないことの不都合は、ＩｎＧａＡｓなど単相の受光層であっても同じである。したがって、拡散濃度調整層および窓層貫通孔を設けることで、ＩｎＧａＡｓ受光層におけるｐｎ接合の位置を高い精度で配置することができる。しかし、拡散濃度調整層および窓層貫通孔などを備えた上記の構造は、受光層がタイプ２の多重量子井戸構造を有する場合に、その効力を大きく発揮する。多重量子井戸構造は、不純物に対して脆弱であり、高濃度の不純物が導入されると結晶性が劣化して暗電流が増大する。このため、本発明の本実施の形態例の受光素子の構造を備えることで、多重量子井戸内への不純物の導入は最小限にしながら、感度を低下させない所定の位置にｐｎ接合を、精度よく配置することが可能となる。なお、タイプ２の多重量子井戸構造では、ペアを組む一方の化合物半導体のエネルギバンドを、他方より少しだけ高くしておき、高いほうの価電子帯から低い方の伝導帯に電子の遷移が生じさせる。この結果、遷移に伴うエネルギ変化が小さくなり、より長波長側の光の受光が可能になる。このため、近赤外〜赤外域の受光素子には有益である。受光時の電子の遷移は、ペアの界面を横切るため、十分な感度を確保するには、量子井戸の層数を大きくしなければならず、通常、数十〜数百のペア数とする。

（９）タイプ２の多重量子井戸構造：
タイプ２の多重量子井戸構造としては、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ、およびＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）のうちのいずれかを用いるのがよい。これによって、ペルチエ素子で冷却する程度で、暗電流を低くすることができる、小型・軽量化された近赤外〜赤外域の感度を有する受光素子を得ることができる。

（１０）光センサ装置：
上記のいずれかの受光素子と読み出し回路とを組み合わせることで、近赤外〜赤外域の光センサ装置を得ることができる。撮像（分析）対象の物が、複数の物質を含み、その複数の物質が吸収スペクトル帯を異にすれば、センサチップに入射する前の光を分光するなどして帯域化することにより、対象物における各物質の分布やその濃度を検知することができる。上記の光センサ装置を組み込んだスペクトルイメージング撮像システムは、このような帯域別の画像を得ることを可能にする。

２．受光素子の製造方法：
（１）窓層貫通孔からの選択拡散の実施：
本発明の受光素子の製造方法は、半導体基板上に、不純物の選択拡散による画素を備えるプレーナ型の受光素子を製造する。この製造方法は、半導体基板の上に位置する受光層、拡散濃度分布調整層、および窓層を、順次、エピタキシャル成長する工程と、窓層上に接して、画素ごとに開口部がある選択拡散マスクパターンを形成する工程と、選択拡散マスクパターンの開口部ごとに窓層に窓層貫通孔を設ける工程と、選択拡散マスクパターンの開口部から窓層貫通孔の中に不純物の気体を導入して、該窓層貫通孔の側壁面および底面に不純物を拡散する工程とを備え、窓層貫通孔を設ける工程では、少なくとも窓層の表面における窓層貫通孔の径を選択拡散マスクパターンの開口部の径よりも大きくし、該表面における選択拡散された不純物の領域を、該選択拡散を開始する前から窓層貫通孔の表面において選択拡散マスクパターンのマスク部分で覆われていた領域とする。これによって、受光層に向かう深さ方向には、窓層がないので、窓層の厚み変動に起因するｐｎ接合の位置の不正確さは除かれ、精度よくｐｎ接合を配置することが可能となる。さらに、窓層の表面におけるｐｎ接合の端は、選択拡散開始から終了まで一度も大気等に触れることがなく製品となる。このためｐｎ接合の端に高濃度の酸素等の不純物が付着することがなく、暗電流を低く保つことができる。

（２）エッチングによる窓層貫通孔の形成：
窓層貫通孔を設ける工程では、窓層と拡散濃度分布調整層のエッチング速度が１０対１以上の比で窓層のエッチング速度が大きいエッチング液を用いるのがよい。これによって、窓層貫通孔を精度よく設けることができる。たとえばＩｎＰ窓層／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層の場合、３５％塩酸水溶液をエッチング液に用いることで、ＩｎＰ窓層がエッチングされてＩｎＧａＡｓはほとんどエッチングされない。この結果、選択拡散マスクパターンの開口部ごとに、形状の揃った窓層貫通孔を精度よく設けることができ、これによって、やはり精度のよい選択拡散、ひいては精度のよいｐｎ接合位置の配置を実現することができる。

[本願発明の実施形態の詳細]
次に、本願発明の実施形態の受光素子等の具体例を、図面を参照しながら説明する。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図されている。

図１は、本発明の実施の形態における受光素子５０を示す図である。図１に示す受光素子５０は、次のＩＩＩ−Ｖ族半導体のエピタキシャル層構造を有する。
（Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１／ｎ型バッファ層２／タイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
複数の画素Ｐが配列されていて、各画素ＰにはＺｎを含むｐ型領域６が形成され、そのｐ型領域６の先端にはｐｎ接合１５が形成されている。画素Ｐは、隣の画素とは、ｐ型不純物であるＺｎが選択拡散されていない領域で隔てられ、独立性を得ることができる。ＩｎＰ基板１の裏面の入射面には反射防止膜（ＡＲＦ：Anti-reflection film）３５が貼られている。

画素Ｐは、選択拡散マスクパターン３６の開口部３６ｈ、および窓層貫通孔５ｈ、から導入されるＺｎ原料が固相であるＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５に拡散した領域を含んでいる。図２は、窓層貫通孔５ｈの部分拡大図である。窓層貫通孔５ｈの底部にはＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、側部にはＩｎＰ窓層５が位置している。窓層貫通孔５ｈが設けられているので、選択拡散のとき、ｐｎ接合１５の位置を制御するのにＩｎＰ窓層５の厚みを考慮する必要がない。このため、ｐｎ接合１５の位置を精度よく配置することができる。ｐｎ接合１５に対して、ｐ側電極である画素電極１１と、ｎ側電極である共通のグランド電極１２との間で、逆バイアス電圧を印加する。

窓層貫通孔５ｈの、ＩｎＰ窓層５の表面（上面）における径は、選択拡散マスクパターン３６の開口部３６ｈの径よりも大きい。Ｚｎの選択拡散では、Ｚｎ原料気体は、この開口部３６ｈおよび窓層貫通孔５ｈから固相に拡散導入される。窓層５の上面には、拡散導入されたＺｎ領域の端１５ｅがあらわれる。しかし、窓層５の上面で、窓層貫通孔５ｈの径が選択拡散マスクパターン３６の開口部３６ｈの径よりも大きければ、処理室の雰囲気に露出することはない。ｐｎ接合の端１５ｅは、暗電流を抑制する上で重要な箇所であり、端１５ｅに酸素等が高濃度で付着すると暗電流が増大する事態となる。本実施の形態では、ｐｎ接合１５の位置を意図した位置に精度よく配置した上で、ｐｎ接合の端１５ｅを選択拡散の開始から終了まで、一度も処理室の雰囲気にさらすことはない。選択拡散マスクパターン３６は、除去することなく保護膜の一部としてそのまま製品に残すので、ｐｎ接合の端１５ｅは最後まで大気や処理室雰囲気等の酸素等の不純物が多い気体に触れることはない。

図１において、画素電極１１またはｐ側電極は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４にオーミック接触している。画素電極１１の材料は、ＴｉＰｔＡｕ系合金を主成分に含む。上記したように、ＴｉＰｔＡｕ系合金は、インジウムバンプ２９との濡れ性がよいため、バンプ下地金属を設ける必要がない。窓層貫通孔５ｈを設けない場合、ＩｎＰ窓層５とのオーミック接触のため、画素電極の材料には、ＡｕＺｎ系合金が用いられ、ＡｕＺｎ系合金はインジウムバンプとの濡れ性が十分でないため、ＴｉＮｉＡｕ系合金のバンプ下地パッドが必要であった（図７参照）。本実施の形態では、バンプ下地パッドを省略することができ、製造工程の短縮など大きな製造コスト削減を得ることができる。

次に製造方法について説明する。エピタキシャル成長法は何でもよい。たとえば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法などを用いることができる。まず、ＩｎＰ基板１上にＳｉなどをドーパントとしてｎ型バッファ層２を成長し、次いでタイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸を成長する。厚みは各層３ｎｍ〜６ｎｍ程度とし、ペア数は１００〜４００ペア程度とするのがよい。次いでＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４、次いでＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長する。このＩｎＰ窓層５に対して、前処理として、バッファードフッ酸（ＢＨＦ:Buffered Hydrofluoric acid）によるエッチングおよび硫酸によるエッチングを行う。

次いで、前処理を行った後のＩｎＰ窓層５上に接して、選択拡散マスクパターン３６を形成するために、図３に示すように、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜３６ａを堆積する。ＳｉＮ膜３６ａはプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などで、厚み１００ｎｍ程度に成膜するのがよい。この膜３６ａはＳｉＮ膜でなくてもよいが、ＩｎＰ窓層５とＳｉＮ膜と組み合わせることで漏れ電流を抑制することができる。次にＳｉＮ膜３６ａ上にレジスト膜（図示せず）を塗布してフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成する。このあと、バッファードフッ酸によってＳｉＮ膜３６ａをエッチングして選択拡散マスクパターン３６を形成する。ここで、図４に示すように選択拡散のための開口部３６ｈが設けられる。

このあと、上記した３５％塩酸水溶液などの選択性の高いエッチング液を用いてＩｎＰ窓層５をエッチングして、開口部３６ｈに窓層貫通孔５ｈを設ける。３５％塩酸水溶液は、ＩｎＰはエッチングするがＩｎＧａＡｓはほとんどエッチングしない選択性の強いエッチング液である。このとき、図２等に示すように、窓層貫通孔５ｈの径が、ＩｎＰ窓層５の表面（上面）において開口部３６ｈの径よりも大きくなるようにする。理由は、既に説明したとおりである。

次いで、図５に示すように、開口部３６ｈおよび窓層貫通孔５ｈにＺｎの原料気体を導入して、固相にＺｎを拡散してｐｎ接合１５を形成する。窓層貫通孔５ｈの径が、窓層５の表面（上面）で開口部３６ｈの径よりも大きいので、ｐｎ接合の端１５ｅは、選択拡散の最初から最後まで処理室の雰囲気等に露出されることはない。このため暗電流の低い受光素子を得ることができる。

このあと、ｐ側電極または画素電極１１のレジストパターン（図示せず）をフォトリソグラフィで形成し、図６に示すように、真空蒸着によってＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ合金系の電極を形成しレジストパターンを除去する。上記したように、ＴｉＰｔＡｕ系合金は、インジウムバンプとの濡れ性がよいため、バンプ下地金属を形成する必要がない。このため、バンプ下地金属の形成のための工数、バンプ下地金属の材料、等を省略することができる。この結果、ランタイムの大幅な短縮、蒸着コストの削減を得ることができる。この電極製造費用の低減は、本実施の形態における副次的な効果である。

本実施の形態例の効果を検証するために、図１に示す試験体Ａを試作して、従来の試験体グループＢ（５体）との比較を行った。従来の試験体グループＢは、図７に示すように、選択拡散マスクパターン３６の開口部１３６ｈから、ＩｎＰ窓層１０５の表面に直接、Ｚｎを拡散導入して、ｐ型領域１０６およびその先端にｐｎ接合１１５を形成する。その他の積層構造は、（Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１０１／ｎ型バッファ層１０２／タイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造の受光層１０３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層１０４／ＩｎＰ窓層１０５）であり、図１の試験体Ａと同じである。ＡＲ膜１３５も同様にＩｎＰ基板１０１裏面に貼られている。相違点は、図１の試験体Ａには窓層貫通孔５ｈがあるのに比して、試験体グループＢには窓層貫通孔はない。さらに図７には、画素電極１１１とインジウムバンプ１２９との間にバンプ下地金属パッド１２７が形成されているのに比して、図１の本発明例の試験体Ａにはバンプ下地金属はない。

これら試験体グループＢと試験体Ａについて、ｐｎ接合の位置を，Ｚｎの濃度を測定することで特定した。分析法には、ＳＩＭＳ分析法（Secondary Ion Mass Spectroscopy：二次イオン質量分析法）を用いた。結果を表１に示す。表１には、合わせて、試験体グループＢについてＩｎＰ窓層の厚みのばらつきの実績を示している。

試験体Ａのｐｎ接合の位置のばらつきは±２０ｎｍの範囲内に入れることができ、拡散温度などを基にした予測とほぼ一致することが判明した。この試験体Ａは、安定生産可能なランクＡに該当する。これは、ひとえにＺｎの選択拡散導入箇所において、窓層貫通孔を設けてＩｎＰ窓層の厚み変動の影響を除いたためである。一方、試験体グループＢでは、ＩｎＰ窓層の厚みのばらつきが、すでに平均７０ｎｍに達するので、拡散温度などを基にした予測から大きく外れることとなった。すなわち試験体グループＢのｐｎ接合の位置の精度は、安定生産が達成されないレベルのランクＣに該当する。

本発明の受光素子によれば、選択拡散におけるｐｎ接合の位置を精度よく配置することができ、その上、拡散濃度調整層にＩｎＧａＡｓを用いた場合、画素電極にＴｉＰｔＡｕ系合金を用いることができるので、インジウムバンプのためにバンプ下地金属を設ける必要がなく、副次的に、蒸着工数の削減、工程短縮などを実現することが可能になる。

１ＩｎＰ基板、２バッファ層、３タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造、４ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層、５ＩｎＰ窓層、５ｈ窓層貫通孔、６ｐ型領域、１１ｐ側電極（画素電極）、１２グランド電極（ｎ側電極）、１５ｐｎ接合、１５ｅｐｎ接合の端、２９バンプ、３５反射防止（ＡＲ）膜、３６選択拡散マスクパターン、３６ａＳｉＮ膜、３６ｈ開口部、５０受光素子、Ｐ画素。

Claims

半導体基板上に、不純物の選択拡散による画素を備えるプレーナ型の受光素子であって、
前記半導体基板の上に位置する受光層と、
前記受光層上に接して位置する拡散濃度分布調整層と、
前記拡散濃度分布調整層上に接して位置する窓層と、
前記窓層上に接して位置し、前記画素ごとに開口部がある選択拡散マスクパターンと、
前記画素に設けられた画素電極とを備え、
前記選択拡散マスクパターンの開口部ごとに前記窓層が除去されて窓層貫通孔が設けられ、
前記不純物が、前記窓層貫通孔の側壁面、および、該窓層貫通孔の底面をなす前記拡散濃度分布調整層、に浸透して分布し、
前記画素電極は、前記窓層貫通孔の底面をなす前記拡散濃度分布調整層上に接して位置している、受光素子。
前記窓層貫通孔の径は、少なくとも窓層表面で、前記選択拡散マスクパターンの開口部の径より大きい、請求項１に記載の受光素子。
前記選択拡散マスクパターンが窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成され、また前記窓層がＩｎＰもしくはＩｎＡｌＡｓで形成されている、請求項１または請求項２に記載の受光素子。
前記不純物が亜鉛（Ｚｎ）であり、前記拡散濃度分布調整層がＩｎＧａＡｓで形成されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の受光素子。
前記画素電極がＴｉＰｔＡｕ系合金を主成分に含む、請求項４に記載の受光素子。
前記受光層がタイプ２の多重量子井戸構造を有する、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の受光素子。
前記受光層が、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ、およびＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）のうちのいずれかの多重量子井戸構造である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の受光素子。
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の受光素子と読み出し回路とを備える、光センサ装置。
半導体基板上に、不純物の選択拡散による画素を備えるプレーナ型の受光素子の製造方法であって、
前記半導体基板の上に位置する受光層、拡散濃度分布調整層、および窓層を、順次、エピタキシャル成長する工程と、
前記窓層上に接して、前記画素ごとに開口部がある選択拡散マスクパターンを形成する工程と、
前記選択拡散マスクパターンの前記開口部ごとに前記窓層に窓層貫通孔を設ける工程と、
前記選択拡散マスクパターンの開口部から前記窓層貫通孔の中に前記不純物の気体を導入して、該窓層貫通孔の側壁面および底面に不純物を拡散する工程とを備え、
前記窓層貫通孔を設ける工程では、少なくとも前記窓層の表面における前記窓層貫通孔の径を前記選択拡散マスクパターンの開口部の径よりも大きくし、該表面における前記選択拡散された不純物の領域を、該選択拡散を開始する前から前記選択拡散マスクパターンのマスク部分で覆われていた領域とする、受光素子の製造方法。
前記窓層貫通孔を設ける工程では、前記窓層と前記拡散濃度分布調整層のエッチング速度が１０対１の比で窓層のエッチング速度が大きいエッチング液を用いる、請求項９に記載の受光素子の製造方法。