JPH04502237A - グラフォタキシーにより形成された感光性検出器アレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 グラフオタキシーにより形成された感光性検出器アレイ 発明の分野 本発明は一般に、集積電子素子ウェーハ、とりわけ、感光性検出器アレイを作る ために単結晶性層が上に形成されている多結晶性又は非晶質の基板ならびに、そ の形成方法に関する。単結晶性層は、非単結晶性基板の上にグラフオタキシー、 すなわち一種の側方エピタキシーにより成長させられる。成長させるべき層を構 成することになる材料の種結晶は基板の中に埋め込まれる。グラフォタキシャル 成長は種結晶から起こり、基板の表面を横切って進行する。

発明の背景 赤外線スペクトルは、可視波長よりも長いもののマイクロ波の波長よりは短い波 長の範囲をカバーする。

可視波長は一般に０．４〜０．７５マイクロメートルの間であると考えられてい る。赤外線波長は０．７５マイクロメートルから１ミリメートルまで広がってい る。赤外線検出器の機能は、赤外線領域のいくつかの特定の部分内の波長のエネ ルギーに応答することにある。

加熱された物体は、赤外線スペクトル内の特徴的波長を有する放射エネルギーを 生成する。現在の赤外線画像検出システムの多くは、多数の離散的かつ感応度の 高い検出器素子を伴うアレイを内蔵しており、この素子の電気出力端は処理回路 に接続されている。検出器素子の励起のパターン及び順序を解析することにより 、処理回路は赤外線放射源を識別し追跡することができる。このような現代のシ ステムの理論的性能は多くの利用分野について満足のいくものであるが、実践的 及び信頼性の高いやり方で、多数の検出器素子とそれに関連する信号処理回路を 適切にインターフェイスする構造を構築するのはむずかしいことである。従って 、現行の赤外線画像検出器システムの実際的応用には、検出器アレイとそれに付 随する回路の小形化、検出された信号の感度低下という結果をもたらす回路が発 生する雑音の低減、及び特に検出器アレイの信頼性及び経済性における改善とい う点で、さらなる進歩が必要であった。

いくつかの応用分野には有用な現行の検出器アレイは、１辺あたり２５６個の検 出器素子、つまり合計６５５３６個の検出器を含むようにサイズ決定することが できる。なお各々の正方形検出器のサイズは１辺約０．００９センチメートルで あり、検出器間の間隔は０．００１２７センチメードルである。

赤外線検出器アレイは一般に、赤外線吸収材料の単結晶性層から作られている。

約１０ミクロンの層厚が標準的である。これらの単結晶性層は、単結晶性つ工− ハ基板上にエピタキシャル結晶成長により形成されている。基板は、エピタキシ ャル層の成長を提供すべく密に整合する結晶格子を有していなくてはならない。

従来、赤外線にさらされているこの基板は、このとき、検出すべき、すなわち基 板と接触している検出器の表面からの赤外線の波長に対して透過性を有していな くてはならない。このような基板側への照射は、検出器素子電極及び導電性グリ ッドが検出器層の表面上に製造されるという理由から、使用されている。電極及 び導電性グリッドは、エピタキシャル成長には連続した単結晶基板表面が必要と されることから、検出器の下側には形成され得ないのである。

短波長ないし長波長の赤外線を検出するには、テルル化水銀カドミウム（ＨｇＣ ｄＴｅ）を用いることができる。テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）の上に、又は サファイア若くは砒化ガリウム（ＧａＡｓ）上のＣｄＴｅの上に、ＨｇＣｄＴｅ のエピタキシャル層を成長させることができる。高性能のＨｇＣｄＴｅ検出器ア レイを結果としてもたらすようなＣｄＴｅウェーハ又は層基板を得ることはむず かしい。

ＣｄＴｅの広面積ウェーハは比較的柔らかく脆いため、これを得ようとする場合 に問題が生じる。このようなウェーハは、製造プロセスにおいて遭遇する多くの 工程に耐えるのが困難である。これらのプロセスとしては、ＨｇＣｄＴｅ層のエ ピタキシャル成長及び、ＨｇＣｄＴｅ層上でのｐ−ｎ接合、導電性グリッド及び 絶縁体により絶縁された電極の形成がある。

ＣｄＴｅのウェーハ又はエピタキシャル成長させられた層がＨｇＣｄＴｅのエピ タキシャル成長のための基板として用いられるか否かについては、赤外線検出器 素子を製造するためのＨｇＣｄＴｅ層の質に不利に作用する可能性のある結晶学 的均質性及び化学的純度の問題が存在する。先行技術におけるこれらの問題点は 、これまでのところ極端に低い検出器アレイ製造歩どまりという結果をもたらし 、アレイを小さい面積に制限してきた。

発明の概要 本発明は、感光性検出器アレイを作るために単結晶性層が上に形成された多結晶 性又は非晶質の基板及びその形成方法に関する。単結晶性層は、グラフオタキシ ーにより非単結晶性基板の上で種結晶から成長せしめられる。

グラフオタキシーとは、単結晶基板表面において成長を開始することにより非単 結晶性基板の表面を横断して単結晶性層が成長することを意味する。本発明にお いては、この表面は、非単結晶性基板上に置かれた種結晶によって提供される。

この種結晶表面は、成長させるべき材料と同じ材料である。成長は、この表面上 で何層にもわたって起こる。成長は、非結晶性基板表面に達した時点でこの表面 を横断して横方向に広がる。種は、グラフォタキシャル成長された層の結晶構造 及び方向性を設定する。全ての成長は同じ単結晶種から発していることから、ひ とたび設定されるとその構造及び方向性は維持される。

このプロセスは、結晶が単結晶基板の表面上に成長させられる従来のエピタキシ ャル成長と対比される。

エピタキシャル成長においては、基板の全表面が一つの種としての役割を果たし 、従って単結晶性成長を維持するため単結晶性でなくてはならない。基板は、結 晶格子に密な整合性が存在するかぎり、成長した層と化学組成上全く異なるもの であってもよい。本発明のグラフォタキシャル成長においては、成長させるべき 層を構成することになる材料の種結晶が、基板の中に埋め込まれる。成長は種結 晶上で何層にも起こり、基板の表面を横断して進行する。

非単結晶性基板上に単結晶性層を形成する方法は、基板の上にガラス層を被着さ せる工程と、ガラス層上に第１のタイプの単一の結晶性材料の種結晶を置く工程 と、種結晶をガラス層内に沈み込ませ、このガラス層により封着させるべ（ガラ ス層を液化しグレージングする工程とから構成されている。成長させるべき材料 は、蒸気又は液体として供給される。第１のタイプ、例えばｐ型の材料の層は、 ガラス層の表面を横切ってグラフォタキシャル成長させられる。

ヴアイア、電極及びグリッドは、グラフォタキシャル成長に先立って基板のガラ ス固化された表面上に形成される。第２のタイプの、すなわちｎ型の材料の領域 は、検出器素子のｐ−ｎ接合を作り出す一つの手段として電極の領域内で第１の タイプの材料の中に形成されつる。別の手段としては、第１の層の上に第２のタ イプの層をエピタキシャル成長させることである。

多結晶性又は非晶質の基板上での単結晶性層のグラフォタキシャル成長により、 ウェーハ製造プロセスの多くの工程に耐えるようなはるかに厚い基板を使用する ことが可能となる。同様に、検出器の基板側照明が必要とされないため、ウェー ハ基板として赤外線不透過性材料を用いることが可能である。感光性層は基板上 に形成されている電極及びグリッドの上にグラフォタキシャル成長させられてい ることから、基板側の照明は必要とされない。従って基板の準備は、最小限の労 力ですむ。電極及びグリッドはエピタキシャル結晶成長の前に絶縁体基板表面上 でパターン化される。ヴアイアは、電気接点、ボンド又はリードが基板の裏側に 適当に位置づけされつるように基板内に容易に形成されうる。

図面の簡単な説明 図１は、セラミックス基板上に被着されたガラス層を示す側断面図である。

図２は、グレージングされたガラス層の中に埋め込まれた種結晶を有する、図１ のウェーハの側断面図である。

図３は、同様にウェーハを通るヴアイアを示す図２のウェーハの側断面図である 。

図４は、同様にガラス層上に被着された電・極及びグリッドを示す図３のウェー ハの側断面図である。

図５は、ウェーハの表面をカバーするグラフォタキシャル成長させられた層を同 様に示している図４のウェーハの側断面図である。

図６は、グラフォタキシャル成長させられた層内のｐ−ｎ接合を同様に示す、図 ５のウェーハの側断面図である。

図７Ａ及び７Ｂは、同様に第２のエピタキシャル層の使用により形成された接合 を示す、図５のウェーハの側断面図である。

図８は、基板よりも薄い種チップを示すウェーハの側断面図である。

図９は、種層の上面よりも高い位置に基板の上面を配置するためシム屓の使用を 必要にする、基板と同じ厚みをもつ種チップを示す、ウェーハの側断面図である 。

好ましい実施態様の詳細な説明 添付図面に関連して以下に記す詳細な説明は、本発明の好適な実施態様を説明す るものであり、本発明を構成又は使用できる唯一の形態として記すものではない 。この説明は、図示された実施態様に関連して本発明を構成し機能させるための 工程の機能及び順序を記すものである。しかしながら、同−又は均等の機能及び 順序は異なる実施態様によっても達成でき、これらの異なる実施態様は本発明の 精神及び範囲内に包含されているということを理解しておかれたい。

グラフオタキシーにより形成された本発明に基づく感光性検出器アレイは、本発 明の実施態様を描写する図面中の図１から９に示されている。

ここで図１を参照すると、ウェーハｌＯは、アルミナ等のセラミックス材料から なる基板１４上に被着されたガラス層１２を有している。種結晶１６はガラス層 １２の上に配置されている。種結晶１６は第１のタイプ、例えばｐ−ＨｇＣｄＴ ｅなどのＰ型半導体の単結晶材料表面で構成されている。

ここで図２を参照すると、ウェーハ１０は、ガラス層１２内に種結晶を封着させ るべく、ガラス層を液化させグレージングするのに充分な温度まで加熱される。

この結果、ウェーハｌＯの表面は、ガラス層１２をグレージングしたガラスでほ ぼ構成され、又その表面の小さな一部分は種結晶１６からの第１のタイプの単結 晶性材料で構成されることになる。

ここで図３を参照すると、基板ｌＯ及びガラス層１２を通して、開口部又はヴア イア１８を形成させることができる。ヴアイア１８は、ウェーハ１０の上面から ウェーハ１０の下面まで連続的な導電性通路を提供できるように、ガラス層１２ と基板１４を通って延びている。なおこのウェーハの下面上にはその後ひきつづ き接点、ボンド又はリードを形成することができる。

ここで図４を参照すると、電極２０及び導電性グリッド２２を形成するため、ガ ラス層１２上に金属フィルムが被着される。各々の電極２０は、電極２０からウ ェーハｌＯの下面まで適当な電気的接続を提供するよう、グアイア１８上に直接 形成される。導電性グリッド２２は全ての検出器について共通の電極を形成し、 同様に、ヴアイア１８と共にウェーハ１０の下面に連結されうる。

ここで図５を参照すると、第１のタイプの種材料の層２４が、液体エピタキシー 又は蒸気相エピタキシーのいずれかによりガラス層１２の表面を横切ってグラフ ォタキシャル成長させられている。すなわち、グラフォタキシャル結晶成長のた めの材料を提供するため上述のように形成されたウェーハ上に、液体エピタキシ ー又は蒸気相エピタキシーの技術が用いられる。

ここで図６を参照すると、第１のタイプの材料の層２４の領域は、検出器素子の ｐ−ｎ接合を形成すべく電極２０の付近で第２のタイプすなわちｎ型半導体の材 料となるよう変更されなければならない。好ましい実施態様においては、これは 、マスキングされた深いイオン打ち込みによって達成され、その結果、電極２０ 付近における第２のタイプの材料の領域２６が形成される。例えば、ｐ型層は、 ホウ素の打ち込みによりｎ型層となるよう変更されうる。

変形態様としては、第２のタイプの材料の領域は、電極材料からの拡散による層 のカウンタドーピングによって形成されつる。第１のタイプの材料から第２のタ イプの材料に変更するのに電極材料の拡散が用いられる場合、電極材料と同じよ うにグリッド材料が拡散して第２のタイプの材料を形成しないように、グリッド 材料は電極材料と異なるものでな（ではならない。

さらに、ガラス層の軟化温度は、電極材料の拡散温度より高くなくてはならない 。

ここで図７Ａを参照すると、別の変形態様では、ｐ−ｎ接合を形成する目的で第 １の層２４の上に第２の層２５がエピタキシーによって形成される。これは、２ つの方法のいずれによっても達成できる。第１の層２４を上述のようにグラフォ タキシャル成長させ、次に電極２０を覆う領域２８内の第１のタイプの材料にお けるタイプ変換のためにイオン打込みを行うことが可能である。このとき、今や 第１のタイプの材料の領域２４と第２のタイプの材料の領域２８から構成されて いる第１の層の上に、第１のタイプの材料の第２の層２５がエピタキシャル成長 される。第１の層は上部から下部まで完全に変換されうろことから、深いイオン 打込みは必要でない。これは、第１のタイプの材料の第２の層２５が第１の層の 上面上に付加されてｐ−ｎ接合を形成しているために可能なのである。

ここで図７Ｂを参照すると、ｐ−ｎ接合は同様に、電極２０のみを覆う領域２４ に制限されるようにパターン化される形で第１の層を成長させることによっても 形成することができる。第１の層は、グリッド２２の領域から除去される。次に この第１の層は、第２のタイプの材料に変換すべくイオン打込みされてもよいし 、或いは又第１のタイプのままとどまってもよい。

その後、領域２４から成る第１の層の上に従来のエピタキシーにより反対のタイ プの材料を含む第２の層が成長される。このとき第２の層は、グリッド２２、層 ２４及びウェーハ１０の表面の残りの部分を覆う領域を構成することになる。

この場合、第２の層２５には、各々の第１の層の領域２４が結晶成長の種であり うることから、欠陥を生じやすい可能性がある。しかしながら、結晶成長はｐｎ 接合部分で始まり、欠陥はさらに成長が進むまで発生しないことから、ｐ−ｎ接 合部分では第２の層を欠陥無く形成させることができる。

検出器素子の製造が完了し、ウェー７１基板の反対側に接点又はリードが形成さ れた時点で、所望の寸法の種結晶領域及び個々の検出器アレイがウェーッ１から 切りとられる。

ここで図８を参照すると、非単結晶基板上でのグラフォタキシャル成長のために 単結晶種材料を形成させるための第２の方法が開示されている。この第２の方法 においては、前述の方法又は変形態様の方法によって与えられるような第１の基 板の上に、種材料の第１の層がグラフォタキシャル成長される。種材料の第１の 層がその上にグラフォタキシャル成長させられる第１の基板は、各々第１の基板 の一部分及び第１の層の一部分を含むチップを形成すべくカットされる。全体と して図８及び図９に３０という番号で示されているこれらの種チップは、第２の 基板３４内に形成されたキャビティ４０の中に埋め込まれる。第１の基板又はチ ップ基板は３６という番号で示され、単結晶性層は３８という番号で示されてい る。第２の基板３４はその上面に形成されたガラス層３２を有する。種チップ３ ０の上面の高さは、ガラスコーティング３２の上面のレベルより下である。

種結晶３０の上面は好ましくは、その高さが基板３４の高さにガラス層３２の厚 みを加えたものより低（なるように種結晶３０を形成することによりガラスコー ティング３２の上面よりも低くされる。

変形態様としては、基板３４の下面上にシム４２を形成させることができる。こ のようなシムは、種結晶３０の厚みが基板３４の厚みにガラス層の厚みを加えた ものにほぼ等しいか又はそれより大きい場合に必要とされる。シム４２は、金で 形成することができる。

この金のシム４２は、電気メッキにより所望の厚みに基板３４の下面上に被着さ せることができる。

電気メッキにより、シムの厚みを７きわめて厳密に制御することが可能であり、 かくして種チップ３０の上面を基板３４の上面の下に正確に位置付けすることが できる。金の融点は、ガラス層３２のガラス固化に耐えるのに充分高いものであ り、金は所望ならばウェーハ製造プロセスにおけるさらに後の時点で化学的に除 去することができる。

ここに記述され、図示されてたグラフオタキシーによって形成された検出器アレ イの例は、本発明の好ましいと思われている実施態様にすぎないということを理 解されない。実際のところ、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、この ような実施態様に対しさまざまな変更及び付加を加えることが可能である。例え ば、ここで記述されているもの以外の材料を、本発明の実施のために用いること が可能である。例えば、基板は、アルミナセラミックスの物理的特性と類似する 物理的特性をもつほぼすべての材料製であってもよい。従って、これらの及びそ の他の変更及び付加は当業者には明らかなことであり、本発明をさまざまな異な る利用分野で使用できるようにすることも可能である。

国際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）基板上にガラス層を被着させる工程と、（ｂ）ガラス層の上に第１の タイプの単結晶性材料の種結晶を配置する工程と、 （ｃ）種結晶をガラス層内に沈め、かつこの層に種結晶を封着するためにガラス 層を液化する工程と、（ｄ）ガラス層の表面を横切って第１のタイプの材料の第 １の層を種結晶からグラフォタキシャル成長させる工程と からなる非単結晶性基板上における単結晶性層形成方法。
2. ２．前記方法において、 （ａ）基板の上にガラス層を被着させる工程には、アルミナセラミックス材料上 にガラス層を被着させる工程が含まれ、 （ｂ）ガラス上に第１のタイプの種結晶を配置する工程では、種結晶としてＨｇ ＣｄＴｅの単結晶性表面が利用されることを特徴とする請求項１に記載の非単結 晶性基板上における単結晶性層形成方法。
3. ３．前記方法には、基板を通してヴァイアを形成する工程がさらに含まれること を特徴とする請求項２に記載の非単結晶性基板上における単結晶性層形成方法。
4. ４．前記方法には、ガラス層の表面を横切って第１のタイプの材料の第１の層を グラフォタキシャル成長させる前に電極及び導電性グリッドを形成するためにガ ラス層の上に金属フィルムを被着させる工程がさらに含まれる請求項３に記載の 非単結晶性基板上における単結晶性層形成方法。
5. ５．前記方法において、ガラス層の表面を横切って第１のタイプの材料の第１の 層をグラフォタキシャル成長させる工程には、液体エピタキシーのプロセスが含 まれることを特徴とする請求項４に記載の非単結晶性基板上における単結晶性層 形成方法。
6. ６．前記方法において、ガラス層の表面を横切って第１のタイプの材料の第１の 層をグラフォタキシャル成長させる工程には、蒸気相エピタキシープロセスが含 まれることを特徴とする請求項４に記載の非単結晶性基板上における単結晶性層 形成方法。
7. ７．前記方法には、ｐ−ｎ接合を作り出すため電極のほぼ上にある複数の領域内 に第２のタイプの材料の一領域を形成する工程がさらに含まれることを特徴とす る請求項４に記載の非単結晶性基板上における単結晶性層形成方法。
8. ８．前記方法において、第２のタイプの材料の領域を形成する工程には、マスキ ングされた深いイオン打ち込みのプロセスが含まれることを特徴とする請求項７ に記載の非単結晶性基板上における単結晶性層形成方法。
9. ９．前記方法において、第２のタイプの材料の領域を形成する工程には、電極材 料からの拡散によるカウンタドーピングプロセスが含まれることを特徴とする請 求項７に記載の非単結晶性基板上における単結晶性層形成方法。
10. １０．前記方法において、第２のタイプの材料の領域を形成する工程には、第２ のタイプの材料の領域を形成するための第１のタイプの材料の第１の層のイオン 打ち込みプロセス、ならびに第１の層の中に形成された第２のタイプの材料の領 域を含む第１のタイプの材料の第１の層のほぼ上に第１のタイプの材料の第２の 層を成長させることが含まれることを特徴とする請求項７に記載の非単結晶性基 板上における単結晶性層形成方法。
11. １１．前記方法において、電極のほぼ上に第２のタイプの材料の複数の領域を形 成する工程には、電極のほぼ上にある領域内にのみ第１のタイプの材料の第１の 層を形成し、次に基板のほぼ全ての表面上に第２のタイプの材料の第２の層を形 成することが含まれることを特徴とする請求項７に記載の非単結晶性基板上にお ける単結晶性層形成方法。
12. １２．前記方法には、基板を通って電極から延びる導電性のヴァイアを形成する 工程がさらに含まれる請求項７に記載の非単結晶性基板上における単結晶性層形 成方法。
13. １３．（ａ）第１及び第２の表面を有する基板と、（ｂ）前記基板の第１の表面 上に形成されたガラス層と、 （ｃ）グラフォタキシャル成長により前記ガラス層の上に形成された単結晶性層 と、前記単結晶層は種結晶が占める領域内で前記ガラス層の表面の下方に延びて いることと からなるグラフォタキシャル成長により種結晶から形成された感光性検出器アレ イ。
14. １４．（ａ）前記基板を通して延びる複数のヴァイアと、（ｂ）前記ガラス層上 に形成されると共に、前記ヴァイアに連結された複数の電極と、 （ｃ）前記ガラス層上に形成された導電性グリッドと、をさらに含む請求項１３ に記載の感光性検出器アレイ。
15. １５．前記電極のほぼ上の単結晶性層中には更に複数のｐ−ｎ接合が形成される ことと、 このｐ−ｎ接合は各々１つの検出器素子として作動することと からなる請求項１４に記載の感光性検出器アレイ。
16. １６．前記基板の高さを増すために前記基板の第２の表面上に形成されたシム層 をさらに含む請求項１５に記載の感光性検出器アレイ。