CN101034714A - 光探测器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种光探测装置，包括：半导体衬底(101)，其由作为基底材料的硅构成并包含预定浓度的碳；和外延层(102)，其形成在半导体衬底(101)上并由作为基底材料的硅构成，该外延层(102)包括远离半导体衬底(101)预定距离的光探测单元(主要是104)，其中半导体衬底(101)使用晶体生长方法由通过熔化包含硅的材料和包含碳的材料获得的熔化物形成，因此碳以预定浓度包含在半导体衬底(101)中。

Description

光探测器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及光探测器件及其制造方法，具体地说涉及除气技术。
背景技术
除气技术通常应用于固体摄像装置，其是一种类型的光探测装置，以降低白划痕(scratch)和暗电流。除气技术是用于从形成半导体衬底的区域的器件除去作为白划痕等的主要因素的重金属杂质(Fe、Ni等)和晶体缺陷的技术。在作为典型除气技术的IG(内部除气)中，BMD((体微缺陷)主要是氧沉淀缺陷)通过执行热处理产生在半导体衬底的内部。这引起畸变应力以得到重金属杂质和晶体缺陷。结果，从形成半导体衬底的区域的器件中除去重金属杂质。
近年来，发展了用于改善除气效果的技术。例如，日本公开专利申请号No.H06-338507(日本专利号No.3384506)公开了一种用于将碳注入硅衬底的离子注入技术。通过将碳离子注入到硅衬底中，畸变应力增加，因为促进了BMD的产生。此外，由于硅和碳的每一个的原子半径是不同的，因此引起了畸变应力。结果，更加改善了除气效果。
然而，由本发明的发明者进行的研究和开发已经揭示通过将碳离子注入到硅衬底中改善了除气效果，但是在制造的固体摄像装置中，光晕(blooming)抑制电压、光探测单元的饱和容积、读出电压等的变化(下文中称为“电特性变化”)变得更大。如果在装置中电特性变化变得更大，则由于要求多种类型的施加电压更高，不能实现低功率固体摄像装置。
注意，该问题不仅出现在固体摄像装置中而且出现在被应用了除气技术的光探测装置(例如，用于光耦合器、光通信、光学拾波器等的光接收元件)中。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于改善除气效果并降低电特性变化的光探测装置，和该光探测装置的制造方法。
上述目的借助一种光探测装置来实现，该光探测装置包括：半导体衬底，其由作为基底材料的第一元素构成并包含预定浓度的第二元素，该第二元素是第一元素的同调元素；和外延层，其形成在半导体衬底上并由作为基底材料的第一元素构成，该外延层包括远离半导体衬底预定距离的光探测单元，其中半导体衬底使用晶体生长方法由通过熔化包含第一元素的材料和包含第二元素的材料获得的熔化物形成，因此第二元素以预定浓度包含在半导体衬底中。
本发明者由实验证实，利用上述结构，可以改善除气效果并且可以降低光探测装置的电特性变化。
本发明者认为根据下述原因可以降低电特性变化。(1)电特性变化由第二元素(例如碳)在半导体衬底中的分布变化引起。(2)通过将第二元素添加到通过熔化半导体衬底的材料获得的熔化物，与用于注入第二元素的离子注入方法相比，可以更加降低第二元素在半导体衬底中的分布变化。
原因(1)推测如下。
BMD易于产生在第二元素附近。因此，BMD的分布根据第二元素的分布而改变。BMD的分布变化引起半导体衬底中的寄生电容、寄生电阻等的变化。结果，半导体衬底的电特性改变。
原因(2)推测如下。
通过将第二元素添加到通过熔化半导体衬底的材料获得的熔化物，在晶体生长工艺中第二元素基本均匀地分布在半导体衬底中。另一方面，如果通过离子注入方法添加第二元素，则第二元素难以基本均匀地分布在半导体衬底中。这主要是因为离子束沿径向方向具有离子密度的梯度，并且当在半导体衬底(晶片)的整个区域中扫描离子束时可能存在精度误差。考虑到这个，通过将第二元素添加到通过熔化半导体衬底的材料获得的熔化物，与用于注入第二元素的离子注入方法相比，可以更加降低第二元素在半导体衬底中的分布变化。
另外，第一元素是硅，第二元素是碳，并且预定浓度在1×1016原子/cm3到2.5×1017原子/cm3的范围内，1×1016原子/cm3和2.5×1017原子/cm3也包括在内。
利用上述结构，由于硅衬底中的碳浓度等于或大于1×1016原子/cm3，因此作为除气位置的BMD可以以非常紧凑的状态形成。结果，可以改善除气效果。另外，由于硅衬底中的碳浓度等于或小于2.5×1017原子/cm3，因此BMD不能被过量地形成。因此，可以防止由位错和滑移引起的半导体衬底的强度退化。
另外，包括在半导体衬底中的每单位截面面积的BMD的数量在5×105/cm2到5×107/cm2的范围内，5×105/cm2和5×107/cm2也包括在内。
利用上述结构，由于半导体衬底的每单位截面面积的BMD的数量等于或大于5×105/cm2，因此半导体衬底中的重金属杂质和晶体缺陷可以被有效地除气。另外，由于半导体衬底的每单位截面面积的BMD的数量等于或小于5×107/cm2，因此可以防止由位错和滑移引起的半导体衬底的强度退化。
另外，包括在半导体衬底中的BMD的尺寸在50nm到400nm的范围内，50nm和400nm也包括在内。
利用上述结构，由于BMD的尺寸等于或大于50nm，因此半导体衬底中的重金属杂质和晶体缺陷可以被有效地除气。另外，由于BMD的尺寸等于或小于400nm，因此可以防止由位错和滑移引起的半导体衬底的强度退化。
另外，外延层的厚度在4μm到6μm的范围内，4μm和6μm也包括在内。
利用上述结构，可以防止半导体衬底中的杂质的浓度变化对外延层的电特性的影响，并且使电快门电压成为低电压。
另外，比率ρ2/ρ1在20到200的范围内，20和200也包括在内，ρ1是半导体衬底的电阻率以及ρ2是外延层的电阻率。
利用上述结构，可以制造使电快门电压成为低电压并且满足多种电特性的固体摄像装置。
上述目的也可借助包括下述的光探测装置来实现：半导体衬底，其由作为基底材料的第一元素构成并包含预定浓度的第二元素，该第二元素是第一元素的同调元素；和外延层，其形成在半导体衬底上并由作为基底材料的第一元素构成，该外延层包括远离半导体衬底预定距离的光探测单元，其中第二元素基本均匀地分布在整个半导体衬底中。
本发明者由实验证实，利用上述结构，可以改善除气效果并且可以降低光探测装置的电特性变化。可以降低电特性变化的原因如上所述。注意，本发明的描述中的措辞“基本均匀地”表示当第二元素的浓度在半导体衬底中的多个区域中被测量时上限与下限的比率在10以内的状态。
上述目的还可以借助光探测装置的制造方法来实现，该方法包括以下步骤：制备半导体衬底，该半导体衬底由作为基底材料的第一元素构成并包含预定浓度的第二元素，该第二元素是第一元素的同调元素；在半导体衬底上生长外延层，该外延层由作为基底材料的第一元素构成；以及在外延层中形成远离半导体衬底预定距离的光探测单元，其中半导体衬底使用晶体生长方法由通过熔化包含第一元素的材料和包含第二元素的材料获得的熔化物形成，因此第二元素以预定浓度包含在半导体衬底中。
本发明者由实验证实，利用上述结构，可以改善除气效果并且可以降低光探测装置的电特性变化。可以降低电特性变化的原因如上所述。注意，半导体衬底可以通过在公司内制造半导体衬底或者从其他公司购买已制造的半导体衬底来制备。
另外，第一元素是硅，第二元素是碳，并且预定浓度在1×1016原子/cm3到2.5×1017原子/cm3的范围内，1×1016原子/cm3和2.5×1017原子/cm3也包括在内。
利用上述结构，BMD可以以非常紧凑的状态形成，并且可以防止半导体衬底的强度退化。原因如上所述。
另外，该制造方法进一步包括以下步骤：在生长步骤之后对半导体衬底重复执行热处理，其中热处理的第一输入温度在600摄氏度到700摄氏度的范围内，600摄氏度和700摄氏度也包括在内。
利用上述结构，由于第一热处理温度在600摄氏度到700摄氏度的范围内，600摄氏度和700摄氏度也包括在内，因此氧沉淀缺陷的核被完全生长以便保留而不会消失，并且作为除气位置的BMD可以以非常紧凑的状态形成。结果，可以改善除气效果。
另外，该制造方法进一步包括以下步骤：在栅极绝缘体形成在外延层上之前对半导体衬底执行热处理，其中热处理在下述条件下执行：最高温度在1000摄氏度到1100摄氏度的范围内，1000摄氏度和1100摄氏度也包括在内，以及处理时间在60分钟到600分钟的范围内，60分钟和600分钟也包括在内。
利用上述结构，氧沉淀缺陷的核被完全生长，并且作为除气位置的BMD可以以非常紧凑的状态形成。结果，可以改善除气效果。
另外，外延层的厚度在4μm到6μm的范围内，4μm和6μm也包括在内。
利用上述结构，可以防止半导体衬底中的杂质的浓度变化对外延层的电特性的影响，并且使电快门电压成为低电压。
另外，比率ρ2/ρ1在20到200的范围内，20和200也包括在内，ρ1是半导体衬底的电阻率以及ρ2是外延层的电阻率。
利用上述结构，可以制造使电快门电压成为低电压并且满足多种电特性的固体摄像装置。
附图说明
结合附图，由以下对本发明的描述，本发明的这些和其它目的、优点和特征将变得明显，这些附图示出了本发明的特定实施例。
在图中：
图1示出IT-CCD型固体摄像装置的示意结构；
图2是IT-CCD型固体摄像装置的截面；
图3示出半导体衬底和外延层中的电势分布；
图4示出固体摄像装置的制造方法；
图5示出固体摄像装置的制造方法；
图6示出固体摄像装置的制造方法；
图7是白划痕的数目的比较结果；
图8是光晕抑制电压的比较结果；
图9是晶片的截面；
图10示出固体摄像装置中的电势分布；
图11示出FT-CCD型固体摄像装置的示意结构；
图12是FT-CCD型固体摄像装置的截面；
图13是用于光耦合器的光接收元件的截面；
图14是在外延层中的相同平面内电阻率变化的比较结果；以及
图15是条纹的观察结果。
具体实施方式
以下参考附图描述了用于执行本发明的最佳模式。
[第一实施例]
<结构>
图1示出了IT-CCD型固体摄像装置的示意结构。
该固体摄像装置包括多个光探测单元11、多个垂直传送单元12、水平传送单元13、和放大单元14。
该多个光探测单元11在平面内设置成矩阵以产生对应于接收的光的量的电荷。图1中示出了用于5行和5列的25个像素的该多个光探测单元11。该多个垂直传送单元12中的每一个将由该多个光探测单元11的每一个产生的电荷传送到水平传送单元13。水平传送单元13将来自该多个垂直传送单元12的每一个的电荷传送到放大单元14。放大单元14将来自水平传送单元13的电荷转变成电压并输出该电压。
图2是IT-CCD型固体摄像装置的截面。
该固体摄像装置包括半导体衬底101、外延层102、栅极绝缘体108、栅电极109、抗反射膜116、光屏蔽膜118、层间绝缘体117、和表面钝化膜119。注意，图2示出对应于一个像素的固体摄像装置。
半导体衬底101由作为基底材料的硅构成并包含碳和磷。碳浓度在1×1016原子/cm3到2.5×1017原子/cm3的范围内，1×1016原子/cm3和2.5×1017原子/cm3也包括在内。注意，碳沿平面方向和深度方向基本均匀地分布在半导体衬底101中。这里，措辞“基本均匀地”表示当碳浓度在半导体衬底101中的多个区域中被测量时上限与下限的比率在10以内的状态。
外延层102包括p型阱区103、n型区104和106、以及p型区107、112、114、和115。p型阱区103在n型区104和半导体衬底101之间形成溢流(overflow)阻挡电势ψofb。n型104形成在远离半导体衬底101预定距离的区域中。由于n型区104被p型阱区103和p型区112、114和115包围，因此形成势阱。形成势阱的区域对应于该多个光探测单元11的每一个。n型区106被p型区107、112和114包围。这形成势阱。形成势阱的区域是该多个垂直传送单元12的每一个。p型区114在n型区104和n型区106之间形成栅极电势ψg。
栅极绝缘体108、栅电极109、抗反射膜116、光屏蔽膜118、层间绝缘体117、和表面钝化膜119是CCD型固体摄像装置的普通部件并且不是本发明的基本部分。因此，省略了其解释。
图3示出半导体衬底和外延层中的电势分布。
图3中所示的标记A到D分别对应于图2中所示的点A到D。换句话说，标记A对应于该多个垂直传送单元12的每一个，标记B对应于p型区114，标记C对应于该多个光探测单元11的每一个，以及标记D对应于半导体衬底101。
衬底电压Vsub施加到半导体衬底101。借助衬底电压Vsub，确定衬底电势ψsub和溢流阻挡电势ψofb。换句话说，随着衬底电压Vsub变得更高，衬底电势ψsub和溢流阻挡电势ψofb变得更高。确定衬底电压Vsub使得溢流阻挡电势ψofb高于栅极电势ψg。利用该结构，如果该多个光探测单元11的每一个产生超过饱和容积的电荷，则溢流电荷可能不在该多个垂直传送单元112中而是在半导体衬底101中放电。结果，可以防止光晕效应。
图4、5和6示出固体摄像装置的制造方法。
首先，使用提拉法形成半导体衬底101。
包含硅的材料23、包含碳的材料24、和包含磷的材料25被放在坩埚21(图4A)中。这里，预定量的包含碳的材料24被放入坩埚21中使得半导体衬底101包含浓度范围为1×1016原子/cm3到2.5×1017原子/cm3(1×1016原子/cm3和2.5×1017原子/cm3也包括在内)的碳。作为包含碳的材料24，可以使用黑铅、SiC晶体等。注意，预定量的包含磷的材料25被放入坩埚21中使得半导体衬底101具有在0.25Ωcm到0.5Ωcm的范围内的电阻率。
当预定量的每一种材料被放入坩埚21中时，使用加热器22(图4B)熔化单个晶锭的材料，固定至支撑装置27的籽晶28与通过熔化材料26获得的熔化物接触，并且籽晶28被逐渐拉起(图4C)。然后，生长单个晶锭29。此时，碳均匀地分布在该单个晶锭29中。半导体衬底101通过切割该单个晶锭29形成，因此半导体衬底101具有平面方向<100>。
接着，通过对半导体衬底101进行以下处理来形成固体摄像装置。
制备半导体衬底101(图5A)。注意，图5A示出了半导体衬底101的截面的一部分。
外延层102通过使用外延生长方法生长硅晶体形成在制备的半导体衬底101上(图5B)。外延层102的厚度是大约6μm，并且其电阻率在10Ωcm到15Ωcm的范围内。
氧化硅膜120形成在外延层102上，氮化硅膜121形成在氧化硅膜120上，以及去除除了装置形成区域以外的区域。然后，p型阱区103通过离子注入方法形成(图5C)。氧化硅膜120的形成条件如下所述。输入温度是700摄氏度，最高温度是1000摄氏度，以及在1000摄氏度下的保持时间是60分钟。在外延层102的除了装置形成区域以外的区域中，借助热氧化，使用所谓的“LOCOS”技术形成硅膜。硅膜的形成条件是最高温度是1000摄氏度，以及在1000摄氏度下的保持时间是100分钟。
在形成硅膜之后，n型区104通过离子注入方法形成在外延层102中(图5D)。在离子注入后，在下述条件下执行热处理：最高温度是1000摄氏度，以及在1000摄氏度下的保持时间是20分钟。
接着，去除氧化硅膜120和氮化硅膜121，并且在外延层102上形成栅极绝缘体108(图6A)。
然后，p型区107、112、114和n型区106通过离子注入方法形成(图6B)。在栅极绝缘体108上形成栅电极109之后，形成p型区115。另外，形成抗反射膜116、层间绝缘体117、光屏蔽膜118、和表面钝化膜119(图6C)。如果需要的话，形成滤色器和微透镜。
在上述制造方法中，从形成外延层102时到形成栅极绝缘体108时，执行热处理工艺，其中第一热处理的输入温度是700摄氏度，最高温度是1000度，并且总保持时间是180分钟。结果，每单位截面面积的BMD(体微缺陷)的密度是大约1×1016/cm2，并且BMD的尺寸是大约200nm。
注意，如果执行热处理，其中输入温度是700摄氏度，最高温度是1100摄氏度，以及总保持时间是300分钟，则每单位截面面积的BMD的密度是大约5×1016/cm2，并且BMD的尺寸是大约300nm。
另外，如果执行热处理，其中输入温度是600摄氏度，最高温度是1000摄氏度，以及总保持时间是180分钟，则每单位截面面积的BMD的密度是大约5×1016/cm2，并且BMD的尺寸是大约50nm。
<性能估计>
本发明者使用常规技术1、常规技术2、和本发明的三种不同的制造方法制作了三种类型的固体摄像装置以便估计它们的性能。
关于常规技术1的固体摄像装置，仅应用作为典型除气技术的IG。换句话说，BMD通过热处理产生在半导体衬底的内部(没有添加碳)。
关于常规技术2的固体摄像装置，应用日本公开专利申请号No.H06-338507(日本专利号No.3384506)。换句话说，通过用于将碳注入硅衬底的离子注入技术产生BMD。
关于本发明的固体摄像装置，通过当晶体生长时将碳熔化在硅衬底中来产生BMD。
通过测量每一个固体摄像装置的白划痕的数目和光晕抑制电压(一种类型的电特性)并比较每一个测量结果来估计性能。每一个固体摄像装置的像素的数目是五百万像素，以及每一个固体摄像装置的样品的数目是100。
图7是白划痕的数目的比较结果。
当测量白划痕的数目时，下面的像素被认为是白划痕。该像素具有在环境温度是60摄氏度的条件下，当在光屏蔽的状态下对每一个固体摄像装置执行4秒电荷积累时等于或大于阈值的信号。
在图7中，由常规技术2的固体摄像装置获得的白划痕的数目的平均值被标准化作为参考值。关于白划痕的数目的平均值，常规技术1是6.38，常规技术2是1，以及本发明是0.67。该结果表明，与没有被添加碳的常规技术1的固体摄像装置相比，被添加了碳的常规技术2和本发明的固体摄像装置可以明显减少白划痕的数目。另外，与常规技术2的固体摄像装置相比，本发明的固体摄像装置可以将白划痕的数目减少了大约30％。
图8是光晕抑制电压的比较结果。
当测量光晕抑制电压时，下面的衬底电压值被认为是光晕抑制电压。该值是在环境温度是35摄氏度的条件下，当通过照射强光改变衬底电压时不出现光晕效应的衬底电压的下限。
在图8中，由常规技术2的固体摄像装置获得的光晕抑制电压的平均值被标准化作为参考值。关于光晕抑制电压的变化(最大值和最小值之间的差)，常规技术1是0.09，常规技术2是0.4，以及本发明是0.12。该结果表明，与常规技术2的固体摄像装置相比，本发明的固体摄像装置可以将光晕抑制电压的变化降低了一半。
上述实验结果总结如下。利用本发明的结构，可以改善除气效果，并且可以降低光晕抑制电压的变化。
本发明者认为根据下述原因可以降低光晕抑制电压的变化。(1)光晕抑制电压的变化由碳在半导体衬底中的分布变化引起。(2)通过将碳添加到通过熔化半导体衬底的材料获得的熔化物，与用于注入碳的离子注入方法相比，可以更加降低碳在半导体衬底中的分布变化。
原因(1)推测如下。
BMD易于产生在碳附近。因此，BMD的分布根据碳的分布而改变。BMD的分布变化引起半导体衬底101中的寄生电容、寄生电阻等的变化。结果，光晕抑制电压改变。
原因(2)推测如下。
通过将碳添加到通过熔化半导体衬底的材料获得的熔化物，在晶体生长工艺中碳基本均匀地分布在半导体衬底中。另一方面，如果通过离子注入方法添加碳，则碳难以基本均匀地分布在半导体衬底中。这主要是因为离子束沿径向方向具有离子密度的梯度，并且当在半导体衬底(晶片)的整个区域中扫描离子束时可能存在精度误差。考虑到这个，通过将碳添加到通过熔化半导体衬底的材料获得的熔化物，与用于注入碳的离子注入方法相比，可以更加降低碳在半导体衬底中的分布变化。
将参考附图描述上述模型。
图9是晶片的截面。
图9A是本发明的晶片，以及图9B是常规技术2的晶片。本发明的半导体衬底101中的BMD的分布变化小于常规技术2的半导体衬底201中的BMD的分布变化。这是因为本发明的半导体衬底101中的碳的分布变化小于常规技术2的半导体衬底201中的碳的分布变化。注意，BMD基本均匀地出现在本发明的半导体衬底101的整个区域中。另一方面，在常规技术2的半导体衬底201中，BMD主要出现在区域203中，其中通过离子注入方法注入碳。
图10示出在固体摄像装置中的电势分布。
图10A是通过本发明的制造方法制造的固体摄像装置的电势分布，以及图10B是通过常规技术2的制造方法制造的固体摄像装置的电势分布。图10中所示的标记B到D分别对应于图2中所示的点B到D。换句话说，标记B对应于p型区114，标记C对应于该多个光探测单元11的每一个，以及标记D对应于半导体衬底101。
在图10A中，曲线31表示当在图9A所示的区域P中形成固体摄像装置时的电势分布，以及曲线32表示当在图9A所示的区域Q中形成固体摄像装置时的电势分布。
在图10B中，曲线33表示当在图9B所示的区域P中形成固体摄像装置时的电势分布，以及曲线34表示当在图9B所示的区域Q中形成固体摄像装置时的电势分布。
本发明的固体摄像装置中的BMD的分布变化小于常规技术2的固体摄像装置中的BMD的分布变化。结果，半导体衬底中的寄生电容等的变化小，并且电势分布的变化也小。因为本发明的固体摄像装置中的溢流阻挡电势的变化(ψofbp和ψofbq之间的差)小于常规技术2的固体摄像装置中的溢流阻挡电势的变化，因此光晕抑制电压的变化也小。
考虑到本发明的固体摄像装置中的电势分布的变化小于常规技术2的固体摄像装置中的电势分布的变化，可以降低除了光晕抑制电压之外的例如光探测单元的饱和容积、读出电压等的电特性变化。因此，本发明的固体摄像装置具有降低在低强度光下由电特性变化引起的图像退化的作用。
如果使用提拉法形成半导体衬底，则实际上，同心变化出现在相同平面内的杂质(例如磷)的浓度中。如果外延层形成在半导体衬底上，则半导体衬底中的杂质热扩散到外延层中。结果，同心变化出现在甚至在外延层中的相同平面内的杂质的浓度中。这种杂质的浓度变化引起外延层中的相同平面内的电阻率变化，该变化被看作是被称为条纹的条形图像噪声。
本发明者制造了三种类型的半导体衬底，对这三种类型的半导体衬底应用常规技术1、常规技术2和本发明的三种不同的除气技术，以便测量外延层中的相同平面内的电阻率变化。
图14是外延层中的相同平面内的电阻率变化的比较结果。
该结果表明，本发明的相同平面内的电阻率变化是最小的，之后以该顺序是常规技术2和常规技术1。因此，本发明的除气技术可以抑制条纹的出现。本发明者实际上通过应用常规技术1、常规技术2和本发明的三种不同的除气技术制造了三种类型的固体摄像装置，并且观察从这些固体摄像装置输出的图像(参考图15)。结果，证实条纹出现在常规技术1和常规技术2中。然而，在本发明中没有证实条纹的出现(条纹沿与图15中的图像倾斜的方向呈现为有条纹的阴影)。
认为根据下述原因本发明的除气技术能够抑制条纹的出现。
由于杂质从半导体衬底热扩散到外延层，因此条纹出现。杂质的热扩散借助从格点移动到格子间隔的硅原子(其被称为填隙硅)以及通过硅原子的移动形成在格点上的原子空位而被促进。在本发明的除气技术中，碳熔化在由作为基底材料的硅构成的半导体衬底中。因此，填隙硅和原子空位被碳俘获。结果，可以抑制杂质的热扩散和条纹的出现。
另外，在本发明的除气技术中，俘获填隙硅和原子空位的碳分布在整个半导体衬底中。因此，与其中碳仅分布在半导体衬底的一部分中的常规技术2的除气技术相比，本发明的除气技术具有更高的抑制杂质的热扩散和条纹出现的能力。
注意，作为降低固体摄像装置的电功耗的有效方法，使当操作电快门时施加到半导体衬底的电压(电快门电压)成为低电压。为了使电快门电压成为低电压，有效的是使外延层变薄。然而，外延层越薄，半导体衬底中的杂质的浓度变化对外延层的电特性的影响越大。结果，可能出现条纹。由于本发明的除气技术能够抑制条纹的出现，因此可以将外延层变得更薄。因此，可以降低固体摄像装置的电功耗。
特别地，优选外延层的厚度在4μm到6μm的范围内，4μm和6μm也包括在内。硅中的红光的吸收长度是大约3μm。因此，该多个光探测单元11的每一个被设计使得耗尽层达到离外延层表面至少大约3μm的深度以便有效地探测红光。当给栅电极施加电压时，耗尽层沿深度方向延伸大约1μm。因此，优选外延层的厚度等于或大于4μm以防止耗尽层到达半导体衬底。如果外延层的厚度大于6μm，则需要高电快门电压，并且难以降低电功耗。因此，优选外延层的厚度等于或小于6μm。
另外，优选比率ρ2/ρ1在20到200的范围内，20和200也包括在内，该比率是半导体衬底电阻率ρ1与外延层电阻率ρ2的比率。为了制造满足多种电特性的固体摄像装置，需要外延层电阻率ρ2为大约10Ωm到50Ωcm。另一方面，为了使电快门电压成为低电压，需要半导体衬底电阻率ρ1为大约0.25Ωm到0.5Ωcm。如果比率ρ2/ρ1在20到200的范围内，20和200也包括在内，则可以制造使电快门电压成为低电压并且满足该多种电特性的固体摄像装置。
[第二实施例]
<结构>
图11示出FT-CCD型固体摄像装置的示意结构。
该固体摄像装置包括光接收区41、积累区42、水平传送单元43、和放大单元46。
光接收区41具有多个光探测单元44。该多个光探测单元44的每一个产生对应于接收的光的量的电荷，并且用作垂直传送单元。积累区42具有多个积累单元45。该多个积累单元45的每一个积累从该多个光探测单元44的每一个传送的电荷，并用作垂直传送单元。该多个光探测单元44和该多个积累单元45在平面内设置成矩阵。在图11中示出了用于6行和11列的66个像素的该多个光探测单元44和该多个积累单元的每一个。水平传送单元43将从该多个积累单元45的每一个传送的电荷传送到放大单元46。放大单元46将来自水平传送单元43的电荷转变成电压并输出该电压。
图12是FT-CCD型固体摄像装置的截面。
该固体摄像装置包括半导体衬底301、外延层302、栅极绝缘体308、透明电极309、和平面化层330。注意，图12示出了对应于两个像素的固体摄像装置。
半导体衬底301由作为基底材料的硅构成并包含碳和磷。碳沿平面方向和深度方向基本均匀地分布在半导体衬底301中。碳浓度是5×1016原子/cm3。
外延层302包括p型阱区303、多个n型区304、和多个p型区312。p型阱区303在n型区304和半导体衬底301之间形成溢流阻挡电势ψofb。该多个n型区304形成在远离半导体衬底301预定距离的区域中。由于该多个n型区304被p型阱区303和该多个p型区312包围，因此形成势阱。形成势阱的区域的每一个对应于该多个光探测单元44的每一个。
栅极绝缘体308、透明电极309、和平面化层330是CCD型固体摄像装置的普通部件并且不是本发明的基本部分。因此，省略了其解释。
<制造方法>
第一实施例的制造方法和第二实施例的制造方法之间的主要差别在于热处理的温度。因此，将仅描述有关热处理的内容。
氧化硅膜和氮化硅膜形成在外延层302上并且去除除了装置形成区域之外的区域。然后，通过离子注入方法形成p型阱区303。氧化硅膜的形成条件如下所述。输入温度是600摄氏度，最高温度是1000摄氏度，以及在1000摄氏度下的保持时间是60分钟。在外延层302的除了装置形成区域之外的区域中，借助热氧化，使用所谓的“LOCOS”技术形成硅膜。硅膜的形成条件是最高温度是1050摄氏度，以及在1050摄氏度下的保持时间是100分钟。
在上述制造方法中，从形成外延层302时到形成栅极绝缘体308时，执行热处理工艺，其中第一热处理工艺的输入温度是600摄氏度，最高温度是1050度，并且总保持时间是160分钟。结果，每单位截面面积的BMD的密度是大约5×1016/cm2，并且BMD的尺寸是大约100nm。
[第三实施例]
<结构>
图13是用于光耦合器的光接收元件的截面。
光接收元件包括半导体衬底401、外延层402、绝缘膜408、透明电极409、和抗反射膜416。
半导体衬底401由作为基底材料的硅构成并包含碳和磷。碳沿平面方向和深度方向基本均匀地分布在半导体衬底401中。碳浓度在1×1016原子/cm3到2.5×1017原子/cm3的范围内，1×1016原子/cm3和2.5×1017原子/cm3也包括在内。
外延层402包括p型阱区403和n型区404。p型阱区403在n型区404和半导体衬底401之间形成溢流阻挡电势ψofb。由于n型区404被p型阱区403包围，因此形成势阱。形成势阱的区域对应于光探测单元。
绝缘膜408、透明电极409、和抗反射膜416是光接收元件的普通部件并且不是本发明的基本部分。因此，省略了其解释。
直到现在，已经通过实施例具体描述了本发明的光探测装置。然而，本发明的技术范围并不限于上述实施例。例如，下面是修改。
(1)在实施例中，单个晶锭使用CZ方法通过提拉来生长。然而，本发明并不限于CZ方法，并且可以使用MCZ方法来在生长单晶时施加磁场。
(2)在实施例中，采用IT-CCD型固体摄像装置和FT-CCD型固体摄像装置作为实例。然而，本发明并不限于这些类型，并且可以应用于MOS类型的固体摄像装置。另外，在实施例中，采用用于光耦合器的光接收元件作为实例。然而，本发明并不限于此，并且可以应用到用于光通信和光学拾波器的光接收元件。
(3)在实施例中，给出了添加碳的实例。然而，本发明并不限于此，并且可以添加例如锗、锡、铅等的硅的同调元素。
另外，在实施例中，采用硅衬底作为实例。然而，本发明并不限于此，并且可以应用于锗衬底。
(4)在实施例中，添加磷用于使半导体衬底的导电类型成为n型。然而，本发明并不限于此。
尽管已经参考附图借助实例全面描述了本发明，但是应当注意，多种变化和修改对于本领域技术人员来说将是明显的。因此，除非另有说明这些变化和修改脱离了本发明的范围，否则它们应当被解释为包括在本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种光探测装置，包括：
半导体衬底，其由作为基底材料的第一元素构成，并包含预定浓度的第二元素，该第二元素是第一元素的同调元素；和
外延层，其形成在半导体衬底上并由作为基底材料的第一元素构成，该外延层包括远离半导体衬底预定距离的光探测单元，其中
该半导体衬底使用晶体生长方法由通过熔化包含第一元素的材料和包含第二元素的材料获得的熔化物形成，从而第二元素以预定浓度包含在该半导体衬底中。
2.如权利要求1的光探测装置，其中
第一元素是硅，第二元素是碳，以及
所述预定浓度在1×1016原子/cm3到2.5×1017原子/cm3的范围内，1×1016原子/cm3和2.5×1017原子/cm3也包括在内。
3.如权利要求1的光探测装置，其中
包括在半导体衬底中的每单位截面面积的BMD的数量在5×105/cm2到5×107/cm2的范围内，5×105/cm2和5×107/cm2也包括在内。
4.如权利要求1的光探测装置，其中
包括在半导体衬底中的BMD的尺寸在50nm到400nm的范围内，50nm和400nm也包括在内。
5.如权利要求1的光探测装置，其中
外延层的厚度在4μm到6μm的范围内，4μm和6μm也包括在内。
6.如权利要求1的光探测装置，其中
比率ρ2/ρ1在20到200的范围内，20和200也包括在内，ρ1是半导体衬底的电阻率以及ρ2是外延层的电阻率。
7.一种光探测装置，包括：
半导体衬底，其由作为基底材料的第一元素构成，并包含预定浓度的第二元素，该第二元素是第一元素的同调元素；和
外延层，其形成在半导体衬底上并由作为基底材料的第一元素构成，该外延层包括远离半导体衬底预定距离的光探测单元，其中
第二元素基本均匀地分布在整个半导体衬底中。
8.如权利要求7的光探测装置，其中
第一元素是硅，第二元素是碳，以及
所述预定浓度在1×1016原子/cm3到2.5×1017原子/cm3的范围内，1×1016原子/cm3和2.5×1017原子/cm3也包括在内。
9.如权利要求7的光探测装置，其中
包括在半导体衬底中的每单位截面面积的BMD的数量在5×105/cm2到5×107/cm2的范围内，5×105/cm2和5×107/cm2也包括在内。
10.如权利要求7的光探测装置，其中
包括在半导体衬底中的BMD的尺寸在50nm到400nm的范围内，50nm和400nm也包括在内。
11.如权利要求7的光探测装置，其中
外延层的厚度在4μm到6μm的范围内，4μm和6μm也包括在内。
12.如权利要求7的光探测装置，其中
比率ρ2/ρ1在20到200的范围内，20和200也包括在内，ρ1是半导体衬底的电阻率以及ρ2是外延层的电阻率。
13.一种光探测装置的制造方法，包括以下步骤：
制备半导体衬底，该半导体衬底由作为基底材料的第一元素构成，并包含预定浓度的第二元素，该第二元素是第一元素的同调元素；
在半导体衬底上生长外延层，该外延层由作为基底材料的第一元素构成；以及
在外延层中形成远离半导体衬底预定距离的光探测单元，其中
该半导体衬底使用晶体生长方法由通过熔化包含第一元素的材料和包含第二元素的材料获得的熔化物形成，从而第二元素以预定浓度包含在该半导体衬底中。
14.如权利要求13的制造方法，其中
第一元素是硅，第二元素是碳，以及
所述预定浓度在1×1016原子/cm3到2.5×1017原子/cm3的范围内，1×1016原子/cm3和2.5×1017原子/cm3也包括在内。
15.如权利要求13的制造方法，进一步包括以下步骤：
在生长步骤之后对半导体衬底重复执行热处理，其中
热处理的第一输入温度在600摄氏度到700摄氏度的范围内，600摄氏度和700摄氏度也包括在内。
16.如权利要求13的制造方法，进一步包括以下步骤：
在栅极绝缘体形成在外延层上之前对半导体衬底执行热处理，其中
热处理在下述条件下执行：最高温度在1000摄氏度到1100摄氏度的范围内，1000摄氏度和1100摄氏度也包括在内，以及处理时间在60分钟到600分钟的范围内，60分钟和600分钟也包括在内。
17.如权利要求13的制造方法，其中
外延层的厚度在4μm到6μm的范围内，4μm和6μm也包括在内。
18.如权利要求13的制造方法，其中
比率ρ2/ρ1在20到200的范围内，20和200也包括在内，ρ1是半导体衬底的电阻率以及ρ2是外延层的电阻率。
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