特開 2022-39676 炭化珪素受光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022039676

(43)【公開日】2022-03-10

(54)【発明の名称】炭化珪素受光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20220303BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20220303BHJP

   H01L 27/144 20060101ALI20220303BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 G

H01L27/146 A

H01L27/144 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020144822

(22)【出願日】2020-08-28

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 第８０回 応用物理学会秋季学術講演会の講演予稿集（ＤＶＤ）に掲載 第８０回 応用物理学会秋季学術講演会にて発表 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２０１９ 予稿集に掲載 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２０１９にて発表 先進パワー半導体分科会 第６回講演会 予稿集に掲載 先進パワー半導体分科会 第６回講演会にて発表

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、文部科学省、国家課題対応型研究開発推進事業 英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業 戦略的原子力共同研究プログラム、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504136568

【氏名又は名称】国立大学法人広島大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒木 伸一郎

(72)【発明者】

【氏名】西垣内 健汰

(72)【発明者】

【氏名】目黒 達也

【テーマコード（参考）】

4M118

5F849

【Ｆターム（参考）】

4M118AA10

4M118AB01

4M118BA14

4M118CA03

4M118CB01

4M118EA14

4M118FA06

4M118HA30

5F849AA02

5F849AB02

5F849BA21

5F849BA30

5F849BB03

5F849CB01

5F849CB10

5F849CB11

5F849CB14

5F849EA04

5F849EA05

5F849EA12

5F849EA13

5F849FA05

5F849GA04

5F849HA12

5F849KA12

5F849KA13

5F849KA14

5F849LA02

5F849LA03

5F849XB01

5F849XB15

(57)【要約】

【課題】ＳｉＣにより一体に形成された光検出部と信号増幅部とを有する受光素子を実現できるようにする。
【解決手段】炭化珪素受光素子は、入射した光を光電変換する光検出部１０１と、光検出部１０１の出力を増幅する信号増幅部１０２とを備えている。光検出部１０１は、第１導電型の炭化珪素半導体層１１２と、炭化珪素半導体層１１２に形成された第２導電型の受光領域１１３とを有している。信号増幅部１０２は、炭化珪素半導体層１１２に形成された第２導電型の複数のソース／ドレイン領域１１５と、それぞれが受光領域１１３及びソース／ドレイン領域１１５にオーミック接触した複数のオーミック電極１２１と、隣接するソース／ドレイン領域１１５の間にゲート絶縁膜１３１を介して形成されたゲート電極１２５とを有している。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射した光を光電変換する光検出部と、
前記光検出部の出力を増幅する信号増幅部とを備え、
前記光検出部は、第１導電型の炭化珪素半導体層と、前記炭化珪素半導体層に形成された第２導電型の受光領域とを有し、
前記信号増幅部は、前記炭化珪素半導体層に形成された第２導電型の複数のソース／ドレイン領域と、それぞれが前記受光領域及び前記ソース／ドレイン領域にオーミック接触した複数のオーミック電極と、隣接する前記ソース／ドレイン領域の間にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを有している、炭化珪素受光素子。

【請求項2】

前記第１導電型はｐ型であり、前記第２導電型はｎ型であり、
前記光検出部は、前記炭化珪素半導体層に前記受光領域と間隔を置いて形成された、前記炭化珪素半導体層よりも高濃度の第１導電型の不純物を含む、電位安定化領域を有する、請求項１に記載の炭化珪素受光素子。

【請求項3】

前記光検出部は、紫外領域の光を検出する、請求項１又は２に記載の炭化珪素受光素子。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の炭化珪素受光素子を複数備えた、イメージセンサ。

【請求項5】

炭化珪素基板基板の上に、第１導電型の炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させ、
前記炭化珪素半導体層に、第２導電型の不純物を選択的に注入して、不純物拡散層である受光領域及びソース／ドレイン領域を形成し、
前記不純物拡散層を形成した前記炭化珪素半導体層の表面にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜に設けられた前記不純物拡散層を露出する開口部に、前記不純物拡散層とオーミック接触するシリサイド電極層を形成し、
前記シリサイド電極層を形成した後、前記炭化珪素基板上の全面に金属膜を形成して、選択的にエッチングすることにより、オーミック電極及びゲート電極を形成する、炭化珪素受光素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、炭化珪素受光素子及びそれを用いたイメージセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

人が近づけない場所において種々の作業を行う手段として、遠隔操作型又は自立型のロボットが注目されている。中でも原子炉の廃炉作業等の高レベルの放射線にさらされる現場において使用できるロボットへの期待が高まっている。しかし、現在ロボットの制御に用いられているシリコン（Ｓｉ）半導体デバイスは、放射線への耐性が低く、数十分から１時間程度しか作業を行うことができない。このため、高レベルの放射線下においても長時間の使用が可能な新たな半導体デバイスが求められている。

【0003】

炭化珪素（ＳｉＣ）半導体は、耐熱性及び放射線耐性に優れた半導体材料として期待されている。しかし、ＳｉＣ半導体は大電力を扱うパワーデバイスとしての検討は進められているが、その他の用途への展開は未だに進んでいない。特に、ロボットを制御するには、その目となる撮像デバイスが不可欠であるが、ＳｉＣを用いた撮像デバイスはほとんど検討されておらず、ＳｉＣが光検出素子となることが知られている程度である（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００１－２４４４９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＳｉＣを用いて光検出素子を形成しても、他の部分がＳｉ半導体により形成されていたのでは、耐放射線性の大きな向上は見込めない。イメージセンサを形成するためには、光検出素子と検出された信号を増幅する信号増幅部とを含む画素をアレイ状に複数配置する必要がある。このため、光検出素子と信号増幅部とをＳｉＣにより一体に形成する技術が不可欠である。

【0006】

本開示の課題は、ＳｉＣにより一体に形成された光検出部と信号増幅部とを有する受光素子を実現できるようにすることである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の炭化珪素受光素子の一態様は、入射した光を光電変換する光検出部と、光検出部の出力を増幅する信号増幅部とを備え、光検出部は、第１導電型の炭化珪素半導体層と、炭化珪素半導体層に形成された第２導電型の受光領域とを有し、信号増幅部は、炭化珪素半導体層に形成された第２導電型の複数のソース／ドレイン領域と、それぞれが受光領域及びソース／ドレイン領域にオーミック接触した複数のオーミック電極と、隣接するソース／ドレイン領域の間にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを有している。

【発明の効果】

【0008】

本開示の炭化珪素受光素子によれば、光検出部と信号増幅部とが炭化珪素半導体により一体に形成されており、高い耐放射線耐性を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態に係る炭化珪素受光素子の回路構成を示す図である。

【図2】一実施形態に係る炭化珪素受光素子を示す断面図である。

【図3】一実施形態に係る炭化珪素受光素子を用いたイメージセンサを示す平面図である。

【図4A】一実施形態に係る炭化珪素受光素子の製造法の一工程を示す断面図である。

【図4B】一実施形態に係る炭化珪素受光素子の製造法の一工程を示す断面図である。

【図4C】一実施形態に係る炭化珪素受光素子の製造法の一工程を示す断面図である。

【図4D】一実施形態に係る炭化珪素受光素子の製造法の一工程を示す断面図である。

【図4E】一実施形態に係る炭化珪素受光素子の製造法の一工程を示す断面図である。

【図4F】一実施形態に係る炭化珪素受光素子の製造法の一工程を示す断面図である。

【図4G】一実施形態に係る炭化珪素受光素子の製造法の一工程を示す断面図である。

【図4H】一実施形態に係る炭化珪素受光素子の製造法の一工程を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１に示すように、一実施形態の炭化珪素受光素子１００は、フォトダイオードを含む光検出部１０１と、光検出部１０１の出力を増幅する信号増幅部１０２とを有している。信号増幅部１０２は、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）、ソースフォロアトランジスタ（ＳＦ）、行選択トランジスタ（ＲＳ）を有している。φＲにリセット信号、φＸに行選択信号を加えることにより受光素子として駆動することができる。

【0011】

図２に示すように、本実施形態の炭化珪素受光素子１００は、ｎ型の炭化珪素（ＳｉＣ）基板１１１の上に形成された、ｐ型のＳｉＣ半導体層１１２を有している。ＳｉＣ半導体層１１２の光検出部１０１の形成領域には、フォトダイオードを構成するｎ⁺型の受光領域１１３が形成されている。また、受光領域１１３と間隔を置いてｐ⁺型の電位安定化領域１１４が形成されている。信号増幅部１０２の形成領域には、複数のｎ⁺型のソース／ドレイン領域１１５が形成されている。これらのソース／ドレイン領域１１５は、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）、ソースフォロアトランジスタ（ＳＦ）、行選択トランジスタ（ＲＳ）のソース／ドレインを構成する。

【0012】

不純物拡散層である受光領域１１３、電位安定化領域１１４及びソース／ドレイン領域１１５には、それぞれオーミック電極１２１が形成されている。オーミック電極１２１は、不純物拡散層とオーミック接触した金属シリサイド層１２２と、金属シリサイド層１２２の上に形成された金属電極層１２３とを有している。金属シリサイド層１２２は、ニオブ－ニッケルシリサイド層が好ましい。金属シリサイド層１２２はモリブデン-ニッケルシリサイド層、バナジウム-ニッケルシリサイド層、及びチタンシリサイド層等とすることもできる。金属電極層１２３はアルミニウム層が好ましい。ゲート電極１２５は、隣り合うソース／ドレイン領域１１５の上にまたがるようにゲート絶縁膜１３１を介在させて形成されている。

【0013】

オーミック電極１２１及びゲート電極１２５を覆うように層間絶縁膜１３３が形成され、層間絶縁膜１３３の上には各電極と接続された電極パッド１３５及び配線１３６が形成されている。

【0014】

ＳｉＣ基板１１１の裏面には、裏面電極１２６が設けられている。裏面電極１２６はＳｉＣ基板１１１の裏面とオーミック接触したオーミック電極であり、ニオブ－ニッケルシリサイド等により形成することができる。裏面電極１２６は、ＳｉＣ基板中に発生した電子・正孔キャリアを速やかに排出し、デバイス動作を安定化させる効果を生じる。

【0015】

本実施形態において、受光領域１１３と、リセットトランジスタの一方のソース／ドレイン領域１１５とは一体に形成されている。また、ソースフォロアトランジスタ及び行選択トランジスタの一方のソース／ドレイン領域１１５も一体に形成されており、外部接続の必要がないためオーミック電極１２１も形成されていない。なお、受光領域１１３とソース／ドレイン領域１１５とを独立して形成してもよい。この場合、受光領域１１３とソース／ドレイン領域１１５とで不純物濃度や拡散深さが互いに異なるようにすることもできる。

【0016】

また、本実施形態において、ＳｉＣ半導体層をｐ型とし、ｎ型のトランジスタを形成したが、ＳｉＣ半導体層をｎ型として、ｐ型のトランジスタを形成することもできる。この場合、受光領域もｐ型とすることができるので、電位安定化領域は設けなくてよい。また、ｐ型のＳｉＣ基板又はｎ型のＳｉＣ基板をそのままＳｉＣ半導体層として用いることもできる。

【0017】

なお、ｐ型のＳｉＣ半導体層にｐ⁺型の電位安定化領域を設けることにより、紫外光照射や放射線環境下で発生した正孔がＳｉＣ半導体層から速やかに排出される。このため、受光素子の出力電位を安定化することができる。なお、ｐ⁺型層とはｐ型不純物の濃度がｐ型層よりも高いことを意味する。

【0018】

ＳｉＣ半導体層の１１２結晶構造は、検出する光の波長に応じて適宜選択することができる。例えば、ＳｉＣ半導体層１１２を４Ｈ型とした場合には、３５０ｎｍ以下の紫外領域の光の検出に優れた受光素子を実現できる。ＳｉＣ半導体層１１２を３Ｃ型とすることにより、４５０ｎｍ～３５０ｎｍ程度の可視光から紫外光の領域の光の検出に優れた受光素子を実現できる。

【0019】

本実施形態の炭化珪素受光素子１００は、受光領域１１３に入射した光を光検出部１０１により光電変換し、これにより得られた信号を信号増幅部１０２により増幅して出力する。また、図３に示すように本実施形態の炭化珪素受光素子１００をアレイ状に複数配置することにより、１つの炭化珪素受光素子１００を１画素とするイメージセンサ２００を形成することができる。イメージセンサ２００の基板上には垂直選択回路及び水平選択回路等を形成することができる。

【0020】

本実施形態の炭化珪素受光素子１００は、光検出部１０１及び信号増幅部１０２の両方が、ＳｉＣ半導体により一体に形成されている。このため、耐放射線性を大きく向上させることができ、累積放射線量が数ＭＧｙとなっても光応答特性に大きな劣化は生じない。また、２００℃程度の環境においても、光応答特性が変化しない。

【0021】

本実施形態の炭化珪素受光素子は、例えば以下のように形成することができる。まず、図４Ａに示すように、ｎ型のＳｉＣ基板１１１の上にｐ型のＳｉＣ半導体層１１２をエピタキシャル成長させる。ＳｉＣ基板１１１は特に限定されないが、４Ｈ－ＳｉＣとすることができる。ＳｉＣ半導体層１１２の厚さは例えば１μｍ～５μｍ程度とすることができる。

【0022】

次に、図４Ｂに示すように、ＳｉＣ半導体層１１２の上に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる第１のイオン注入マスク１４１を化学気相堆積（ＣＶＤ）法及びフォトリソグラフィーにより形成し、ＳｉＣ半導体層１１２にｎ型不純物を注入し、受光領域１１３及びソース／ドレイン領域１１５を形成する。次に、図４Ｃに示すように、第２のイオン注入マスク１４２を形成して、ｐ型不純物を注入し、電位安定化領域１１４を形成する。

【0023】

図４Ｄに示すように、イオン注入を行ったＳｉＣ半導体層１１２をカーボンキャップ膜１４４で覆った後、熱処理を行い不純物注入領域の活性化を行う。熱処理は、不純物の種類及び濃度等によって適宜選択すれば良いが、例えば１７００℃程度の温度で行えばよい。

【0024】

図４Ｅに示すように、カーボンキャップ膜１４４を除去した後、熱酸化を行い、ゲート絶縁膜１３１を形成する。さらに、レジストマスク１４５を用いて、ゲート絶縁膜１３１に各不純物注入領域を露出する開口部を設けた後、基板上の全面に金属膜１４６を形成する。この際に、ＳｉＣ基板１１１の裏面にも裏面電極１２６となる金属膜１４７を形成する。金属膜１４６及び金属膜１４７は、例えばニオブ－ニッケル膜とすることができる。

【0025】

次に図４Ｆに示すように、リフトオフによりレジストマスク１４５上の金属膜１４６を除去した後、熱処理を行って金属膜１４６及び金属膜１４７をシリサイド化し、金属シリサイド層１２２及び裏面電極１２６を形成する。

【0026】

次に、図４Ｇに示すように、基板上の全面にアルミニウム等からなる金属膜を形成し、選択的にエッチング除去することにより、金属電極層１２３及びゲート電極１２５を形成する。

【0027】

次に、図４Ｈに示すように、基板上の全面に層間絶縁膜１３３を形成し、層間絶縁膜１３３の上に各電極と接続された電極パッド１３５及び配線１３６を形成する。

【実施例0028】

以下に、実施例を用いて本願発明についてより詳細に説明する。なお、以下の実施例は例示であり、本願発明を限定することを意図しない。

【0029】

＜受光素子の形成＞
３インチのｎ型の４Ｈ－ＳｉＣからなる基板の上に、厚さが３μｍのｐ型のＳｉＣ半導体層を形成した。基板には（０００１）面から４°のオフ角を有するものを用いた。ｐ型ＳｉＣ層の不純物濃度は５×１０¹⁶ｃｍ³とした。受光領域及びソース／ドレイン領域は、不純物濃度が５×１０¹⁹ｃｍ³となるように、不純物としてヒ素イオンを基板深さ７０ｎｍまで一様に分布する条件により注入した。電位安定化層は、不純物濃度が４×１０²⁰ｃｍ³となるように、不純物としてアルミニウムイオンを基板深さ７０ｎｍまで一様に分布する条件により注入した。受光領域のサイズは５００μｍ角とした。ゲート絶縁膜の厚さは２０ｎｍとし、金属シリサイド層はニオブ－ニッケルシリサイド層とした。

【0030】

＜光応答特性の確認＞
Ｖ_DDを７．０Ｖ、行選択信号（φＸ）を７．０Ｖとし、リセット信号（φＲ）としてＨｉｇｈが０Ｖ、Ｌｏｗが７．０Ｖで周波数が１００Ｈｚの矩形波を印可して、形成した受光素子を駆動した。出力電圧は、遮光状態では０．４Ｖであり、２５４ｎｍの紫外光を照射した場合は１．５９Ｖであり、画素としての動作を確認できた。測定は室温で行い、出力電圧は１駆動パルスの間の最大電圧と最小電圧との差とした。

【0031】

＜耐放射線性の確認＞
得られた受光素子にγ線を照射し、累積照射量が０．０２ＭＧｙ、０．０３ＭＧｙ、０．０６ＭＧｙ、０．２４ＭＧｙ、０．４４ＭＧｙ、１．１ＭＧｙの時点における、光電変換出力を測定した。光電変換出力の測定条件はγ線未照射の場合と同様にした。遮光状態及び光照射状態における出力電圧は、０．０２ＭＧｙの場合には０．１６Ｖ及び０．４５Ｖ、０．０３ＭＧｙの場合には０．１０Ｖ及び２．７Ｖ、０．０６ＭＧｙの場合には０．０１Ｖ及び０．３３Ｖ、０．２４ＭＧｙの場合には０．０２Ｖ及び０．５７Ｖ、０．４４ＭＧｙの場合には０．１４Ｖ及び１．２Ｖ、１．１ＭＧｙの場合には０．１９Ｖ及び０．８５Ｖであった。

【0032】

累積照射量１．１ＭＧｙにおいても、光照射により出力電圧が遮光状態から大きく上昇しており、画素として十分に機能することが示された。なお、出力電圧の絶対値の変動は、光照射強度のばらつきの影響によるものである。

【0033】

ＳｉＣ半導体層を、ｎ型のＳｉＣ基板上にエピタキシャル成長させた窒素を８．３×１０¹⁴ｃｍ^-3含む厚さが３μｍのｎ型層とし、受光領域及びソース／ドレイン領域を不純物としてアルミニウムを含むｐ⁺型層としてｐ型の受光素子を作製した。なお、電位安定化領域は形成しなかった。

【0034】

得られたｐ型の受光素子について、ｎ型の受光素子の場合と同様にして２５４ｎｍの紫外光に対する光応答性を測定した。Ｖ_DD及び行選択信号（φＸ）は－１０Ｖ、リセット信号（φＲ）は、Ｈｉｇｈが０Ｖ、Ｌｏｗが－１０Ｖの周波数１００Ｈｚの矩形波とした。

【0035】

γ線照射前の出力電圧は、遮光状態で０．０１２Ｖ、光照射状態において０．５０Ｖであった。γ線の累積照射量が３ＭＧｙでの出力電圧は、遮光状態で０．００８４Ｖ、光照射状態において０．４５Ｖであった。また、γ線照射前に２００℃において測定を行ったところ、出力電圧は遮光状態で２．１１Ｖ、光照射状態において４．０６Ｖであった。

【産業上の利用可能性】

【0036】

本開示の炭化珪素受光素子は、炭化珪素半導体により一体に形成された光検出部と信号増幅部とを有し、高温や高放射線の環境におけるイメージセンサ等として有用である。

【符号の説明】

【0037】

１００ 炭化珪素受光素子
１０１ 光検出部
１０２ 信号増幅部
１１１ 炭化珪素基板
１１２ 炭化珪素半導体層
１１３ 受光領域
１１４ 電位安定化領域
１１５ ソース／ドレイン領域
１２１ オーミック電極
１２２ 金属シリサイド層
１２３ 金属電極層
１２５ ゲート電極
１２６ 裏面電極
１３１ ゲート絶縁膜
１３３ 層間絶縁膜
１３５ 電極パッド
１３６ 配線
１４１ 第１のイオン注入マスク
１４２ 第２のイオン注入マスク
１４４ カーボンキャップ膜
１４５ レジストマスク
１４６ 電極金属膜
１４７ 電極金属膜
２００ イメージセンサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図4G】

【図4H】