JP2003158251A

JP2003158251A - 受光素子、回路内蔵受光素子、回路内蔵受光素子の製造方法および光学装置

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Publication number: JP2003158251A
Application number: JP2001355403A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Takimoto; 貴博瀧本; Toshihiko Fukushima; 稔彦福島; Isamu Okubo; 勇大久保; Hideo Wada; 秀夫和田; Naoki Fukunaga; 直樹福永
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2003-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】フォトダイオードの入射光に対する高速動作
および光感度の両方の向上を図る。【解決手段】高濃度Ｐ＋型シリコン基板１上に形成さ
れた低濃度Ｐ型シリコン層２と接合するＮ型シリコン層
８が、受光領域内に、不純物濃度の高い高濃度Ｎ＋型拡
散層４と、高濃度Ｎ＋型拡散層４より不純物濃度の低い
Ｎ型拡散層３とを有し、Ｎ型拡散層３が、高濃度Ｎ＋型
拡散層４内に、少なくとも２箇所以上分割された領域内
に配置されていることによって、カソード寄生抵抗が低
下し、高速動作および光感度の両方の向上が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を電気信号に変
換する受光素子、ならびに、その受光素子と受光素子か
らの電気信号の信号処理を行う信号処理回路とが設けら
れた回路内蔵受光素子、および、その回路内蔵受光素子
の製造方法、さらには受光素子または回路内蔵受光素子
を用いた光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】受光素子であるフォトダイオード（Ｐ
Ｄ：ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）は、受光面に入射した光
を電気信号に変換する半導体素子であり、例えば、ＣＤ
−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−
Ｒ／ＲＷ等の光ディスク装置の光ピックアップに使用さ
れている。

【０００３】図６は、フォトダイオードを用いた光ピッ
クアップを示す概念図である。図６の光ピックアップ
は、光ディスク５５からのトラッキング信号を検出する
フォトダイオードＰＤを有しており、半導体レーザＬＤ
から出射されたレーザー光は、回析格子５１およびホロ
グラム素子５２を介して、コリメートレンズ５３によっ
て平行にされ、対物レンズ５４によって光ディスク５５
の情報記録面に集光されビームスポットが形成される。
光ディスク５５の情報記録面のトラック上には、凹凸、
磁気変調、屈折率変調等の手段によりビット情報が書き
こまれている。

【０００４】光ディスク５５の情報記録面のトラック上
に集光されたレーザ光は、光ディスク５５のトラック上
に記録された情報に応じて変調されて反射され、対物レ
ンズ５４、コリメートレンズ５３を通過してホログラム
素子５２により屈折され、フォトダイオードＰＤの受光
面における２つの領域にそれぞれ集光されるように２つ
の光に分岐される。フォトダイオードＰＤは、受光面の
２つの領域に集光された２つの光の強度をそれぞれ検出
し、それぞれの光の強度の差を求めることによって、ビ
ームスポットとトラックとのズレが検出される。そし
て、ビームスポットとトラックとのズレが許容範囲内で
あれば情報の読み出しが行われ、ビームスポットとトラ
ックとのズレが許容範囲外であればトラッキング制御が
行われる。

【０００５】このような光ピックアップを有する光ディ
スク装置は、市場の動向により処理速度の高速化、記憶
量の大容量化が要望されている。このため、受光素子で
あるフォトダイオードは、一般的に、高速動作のために
入射光に対する応答特性が重要であり、また、入射光に
対する感度特性である光感度も重要になる。

【０００６】図７は、従来のフォトダイオードの一例で
あるＰＩＮフォトダイオードを示す断面図である。図７
に示すＰＩＮフォトダイオードは、第１導電型シリコン
基板１００上に設けられている。第１導電型シリコン基
板１００は、不純物濃度が高濃度の第１導電型シリコン
基板ｌｌ０の上に不純物濃度が低濃度の第１導電型シリ
コン層１２０が積層されて形成されている。ＰＩＮフォ
トダイオードは、第１導電型シリコン層１２０の表面近
傍に、第１導電型とは異なる第２導電型のシリコン層１
０１が埋め込まれており、第１導電型シリコン層１２０
と第２導電型シリコン層１０１との界面にＰＮ接合領域
である空乏層が形成されている。第１導電型シリコン層
１２０および第２導電型シリコン層１０１上は、シリコ
ン熱酸化膜１３０により被覆されており、第１導電型シ
リコン層１２０上に設けられた第２導電型シリコン層１
０１がシリコン熱酸化膜１３０に設けられたコンタクト
ホールを介して、電極配線１４０に接続されている。ま
た、第１導電型シリコン基板ｌｌ０の下面にも、電極配
線１５０が形成されている。

【０００７】通常、フォトダイオードの高速動作は、フ
ォトダイオードの入射光に対する応答速度によって表さ
れ、その応答速度のファクターとしては、フォトダイオ
ードの周波数応答の限界値である遮断周波数ｆｃが用い
られる。

【０００８】一般的に、フォトダイオードの遮断周波数
ｆｃは、次の（１）式で表される。

【０００９】ｆｃ（−３ｄＢ）＝１／τ・・・・・（１）ここで、 τ＝２πＣｐｄ（Ｒａ＋Ｒｋ）Ｃｐｄ：フォトダイオードの寄生容量Ｒａ：フォトダイオードのアノード寄生抵抗Ｒｋ：フォトダイオードのカソード寄生抵抗フォトダイオードを高速動作させるには、入射光に対す
る応答速度を上昇させれば良く、したがって、フォトダ
イオードの周波数応答領域を高域まで拡げればよい。フ
ォトダイオードの周波数応答領域を高周波領域まで拡げ
るためには、周波数応答の限界値である遮断周波数ｆｃ
を高くすれば良く、（１）式より、寄生容量Ｃｐｄ、ア
ノードおよびカソードの寄生抵抗（Ｒａ＋Ｒｋ）にて示
されるＣＲ時定数を低減させれば良い。このＣＲ時定数
を低減するためには、寄生容量Ｃｐｄ、アノードおよび
カソードの寄生抵抗（Ｒａ＋Ｒｋ）のそれぞれを低減す
る必要がある。

【００１０】まず、図７に示すＰＩＮフォトダイオード
では、寄生容量Ｃｐｄを低減するために、第１導電型シ
リコン層１２０の不純物濃度を下げて、第１導電型シリ
コン層１２０と第２導電型シリコン層１０１との界面に
形成される空乏層の間隔を拡くすれば良い。また、アノ
ード寄生抵抗Ｒａを低減するには、第１導電型シリコン
基板１１０の不純物濃度を上げれば良く、さらに、カソ
ード寄生抵抗Ｒｋを低減するには、第２導電型シリコン
層１０１の不純物濃度を上げれば良い。

【００１１】したがって、第１導電型シリコン基板１０
０は、第１導電型シリコン基板ｌｌ０の不純物濃度を高
濃度とし、第１導電型シリコン層１２０の不純物濃度を
低濃度とすれば良い。

【００１２】このように、光ピックアップ等に使用され
るフォトダイオードは、このように、第１導電型シリコ
ン基板１００における不純物濃度の改善により、フォト
ダイオードの寄生容量Ｃｐｄ、アノード寄生抵抗Ｒａを
改善して入射光に対する応答特性（高速動作）を改善し
ている。ところが、市場では、フォトダイオードに対し
て、更なる応答特性の高速化が要求されており、カソー
ド寄生抵抗Ｒｋの低減についても何らかの工夫が必要と
なっている。このため、カソード寄生抵抗Ｒｋを低減す
るために、第１導電型シリコン層１２０に埋め込まれて
形成されている第２導電型半導体層１０１の不純物濃度
を高濃度に設定することが行われている。

【００１３】

【本発明が解決しようとする課題】近年、光ディスク業
界においては、光ディスクの記憶量の大容量化を目的と
して、光源となる半導体レーザのレーザ光の短波長化が
進んでいる。例えば、現在のＣＤおよびＤＶＤに使用さ
れる半導体レーザのレーザ光の波長は、それぞれ７８０
ｎｍおよび６５０ｎｍであり、次世代のＤＶＤに使用さ
れる半導体レーザのレーザ光の波長は、４０６ｎｍにな
る。半導体レーザのレーザ光の波長を短くすることは、
光ディスク上に記録できる最小ピット長がより小さくで
き、光ディスクの記憶量の大容量化に有効となる。

【００１４】しかしながら、光源となる半導体レーザの
レーザ光が短波長化されると受光素子であるフォトダイ
オードでは、以下のような問題が発生する。

【００１５】レーザ光は、その波長が短くなるにつれて
吸収係数が大きくなり、フォトダイオードの受光領域を
形成する半導体層表面に照射されると、半導体層表面の
浅い領域で吸収されて光キャリアを生成する。図８は、
半導体表面にレーザ光を照射した場合におけるレーザ光
の半導体層表面からの侵入深さと光強度との関係を示す
グラフである。この場合、レーザ光が照射された半導体
層表面における光強度を１としている。図８に示すよう
に、レーザ光の波長λが短いほど吸収係数αは大きく、
半導体層表面からのレーザ光の侵入深さは浅くなる。例
えば、レーザ光の光強度が、半導体表面の光強度の約４
０％になる半導体層表面からの侵入深さは、レーザ光の
波長λ＝７８０ｎｍでは約８．０μｍ、波長λ＝６５０
ｎｍの赤色レーザ光では約４．０μｍ、波長λ＝４０５
ｎｍの青色レーザ光では約０．３μｍとなり、波長の短
い青色レーザ光では半導体層内部への侵入深さが非常に
浅くなる。

【００１６】また、半導体層の不純物拡散領域では、不
純物濃度が高くなるほど、発生した光キャリアのライフ
タイムが短くなる。このため、フォトダイオードに光が
入射しても、不純物濃度が所定値以上の不純物拡散領域
で発生した光キャリアは、不純物拡散領域内でほとんど
再結合によって消滅し、フォトダイオードの外部電流と
して取り出せる光電流に寄与しない。これにより、半導
体層の高濃度不純物拡散領域では、入射光に対する感度
特性である光感度が低下し、光感度の低下は、入射光の
波長が短いほど顕著となる。

【００１７】したがって、図７に示すフォトダイオード
では、入射光に対する応答特性（高速動作）の向上を目
的として、カソード寄生抵抗Ｒｋを低減するために第２
導電型シリコン層１０１の不純物濃度を高くすると感度
特性（光感度）が低下し、感度特性（光感度）を向上さ
せるために、第２導電型シリコン層１０１の不純物濃度
を低くするとカソード寄生抵抗Ｒｋを低減できず応答特
性（高速動作）が低下するという問題が生じる。

【００１８】本発明は、このような課題を解決するもの
であり、その目的は、フォトダイオードの入射光に対す
る高速動作および光感度の両方の特性の向上を図る受光
素子ならびに回路内蔵受光素子およびその製造方法、さ
らには受光素子または回路内蔵受光素子を用いた光学装
置を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の受光素子は、第
１導電型半導体構造と、該第１導電型半導体構造に設け
られた第１の第２導電型半導体層とを有し、該第１導電
型半導体構造と該第１の第２導電型半導体層との接合に
より、該第１の第２導電型半導体層における受光領域に
入射する光を検出する受光素子であって、該第１の第２
導電型半導体層は、受光領域内に、不純物濃度の高い高
濃度半導体層と、該高濃度半導体層よりも不純物濃度の
低い低濃度半導体層とを有しており、該低濃度半導体層
が、該高濃度半導体層内において、少なくとも２箇所以
上分割された領域内に配置されていることを特徴とす
る。

【００２０】前記第１の第２導電型半導体層における低
濃度半導体層の不純物濃度が、１．０×１０¹⁹／ｃｍ³
以下である。

【００２１】前記受光領域における前記高濃度半導体層
の面積と、前記低濃度半導体層の面積との和に対して、
該高濃度半導体層の面積の比率が３０％〜７０％であ
る。

【００２２】前記低濃度半導体層が一定間隔を置いて周
期的に形成されている。

【００２３】前記高濃度半導体層が格子状に形成されて
いる。

【００２４】前記格子状に形成された高濃度半導体層の
格子ピッチが１０μｍである。

【００２５】前記高濃度半導体層は、前記低濃度半導体
層に対して不純物元素をイオン注入することによって形
成される。

【００２６】前記イオン注入がすべての酸化処理後に行
われる。

【００２７】前記第１導電型半導体構造が、第１導電型
半導体基板と、該第１導電型半導体基板上に形成された
該第１導電型半導体基板より不純物濃度の低い第１導電
型半導体層とを有する。

【００２８】本発明の回路内蔵受光素子は、請求項１に
記載の受光素子によって形成された受光素子部と、該受
光素子部を構成する第１導電型半導体構造を用いて構成
されたトランジスタを有する信号処理回路部とを有する
ことを特徴とする。

【００２９】前記第１導電型半導体構造が、第１導電型
半導体基板と、該第１導電型半導体基板上に形成され、
該第１導電型半導体基板よりも不純物濃度が高い第１の
第１導電型半導体層と、該第１の第１導電型半導体層上
に形成され該第１の第１導電型半導体層よりも不純物濃
度が低い第２の第１導電型半導体層とを有している。

【００３０】前記第１導電型半導体構造上の受光領域の
表面には、第１の絶縁膜および第２の絶縁膜の積層構造
から成る反射防止膜が形成されている。

【００３１】前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜
が、それぞれシリコン熱酸化膜およびシリコン窒化膜で
ある。

【００３２】本発明の回路内蔵受光素子の製造方法は、
請求項１０に記載の回路内蔵受光素子の製造方法であっ
て、第１導電型半導体構造上の所定の領域に、受光素子
部および信号処理回路部とされる領域を分離する工程
と、該受光素子部と該信号処理回路部とされる領域の該
第１導電型半導体構造上に第１の第２導電型半導体層を
形成し、該第１の第２導電型半導体層上に、第１の絶縁
膜を形成する工程と、その後、該受光素子部とされる領
域の該第１の第２導電型半導体層上に、低濃度半導体層
を形成する工程と、該低濃度半導体層内に高濃度半導体
層を形成すると同時に、該信号処理回路部とされる領域
にトランジスタのコレクタ拡散層を形成する工程と、を
包含することを特徴とする。

【００３３】本発明の光学装置は、請求項１〜９のいず
れかに記載の受光素子、または、請求項１０〜１３のい
ずれかに記載の回路内蔵受光素子を用いたことを特徴と
する。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。

【００３５】図１（ａ）は、本発明の実施形態の受光素
子であるフォトダイオードの断面図を示し、図１（ｂ）
は、そのフォトダイオードの受光領域の概略平面図であ
る。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ’線における断
面に対応している。

【００３６】図１（ａ）の本発明のフォトダイオード
は、ＰＩＮフォトダイオードであり、高濃度Ｐ＋型シリ
コン基板１上に、低濃度Ｐ型シリコン層２が形成されて
いる。低濃度Ｐ型シリコン層２の表面には、受光領域に
対して、Ｎ型シリコン層８が形成されており、Ｎ型シリ
コン層８と低濃度Ｐ型シリコン層２との界面にＰＮ接合
領域である空乏層が形成されている。Ｎ型シリコン層８
は、高濃度Ｎ＋型拡散層４と高濃度Ｎ＋型拡散層４より
不純物濃度の低いＮ型拡散層３とを有している。Ｎ型シ
リコン層８は、低濃度Ｐ型シリコン層２の表面において
長方形領域になるように、低濃度Ｐ型シリコン層２内に
埋め込まれており、Ｎ型拡散層３はその長方形領域にお
いて、行方向および列方向にそれぞれ等しい間隔をあけ
て配置されている。そして、Ｎ型シリコン層８における
Ｎ型拡散層３が配置された領域以外の全ての領域が高濃
度Ｎ＋型拡散層４になっている。したがって、高濃度Ｎ
＋型拡散層４は、Ｎ型シリコン層８の周縁部において、
全周にわたって一定の幅に形成された格子状に形成され
ている。

【００３７】低濃度Ｐ型シリコン層２およびＮ型シリコ
ン層８の表面は、シリコン熱酸化膜５により被覆されて
おり、シリコン熱酸化膜５上に設けられた電極配線６
が、Ｎ型シリコン層８の周縁部に位置する高濃度Ｎ＋型
拡散層４上のシリコン熱酸化膜５に設けられたコンタク
トホールを介して、高濃度Ｎ＋型拡散層４に接続されて
いる。また、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１の下面にも、
電極配線７が形成されている。

【００３８】尚、図１（ａ）および（ｂ）におけるシリ
コン基板および各シリコン層の導電型は、それぞれ反対
の導電型の組合せでも良い。

【００３９】次に、図１（ａ）および（ｂ）に示す本発
明のフォトダイオードの製造方法を簡単に説明する。

【００４０】まず、図１（ａ）に示すように、不純物濃
度１．０×１０¹⁹／ｃｍ³程度の高濃度Ｐ＋型シリコン
基板１上に、エピタキシャル成長法によって、比抵抗１
０００Ωｃｍ程度および厚み２０μｍ程度の低濃度Ｐ型
シリコン層２を形成する。

【００４１】次に、低濃度Ｐ型シリコン層２上の全面に
シリコン熱酸化膜５を形成する。

【００４２】次に、シリコン熱酸化膜５を、Ｎ型拡散層
３に対応した領域以外の領域をマスキングして、イオン
注入によって、³¹Ｐ⁺（リン）をドーピング（添加）し
てＮ型拡散層３を形成する。この時、³¹Ｐ⁺（リン）の
ドーピング条件は、イオン注入エネルギー５０ｋｅＶ、
イオン注入量５．０×１０¹⁴／ｃｍ²である。

【００４３】次に、形成されたＮ型拡散層３をマスキン
グして、イオン注入によって、³¹Ｐ ⁺（リン）をドーピ
ング（添加）して、高濃度Ｎ＋型拡散層４を形成する。
この時、³¹Ｐ⁺（リン）のドーピング条件は、イオン注
入エネルギー８０ｋｅＶ、イオン注入量８．０×１０¹⁵
／ｃｍ²である。

【００４４】その後、高濃度Ｎ＋型拡散層４上のシリコ
ン熱酸化膜５にコンタクトホールを形成し、コンタクト
ホールを介して、高濃度Ｎ＋型拡散層４に接続されるよ
うに電極配線６を形成する。また、高濃度Ｐ＋型シリコ
ン基板１の下面にも、電極配線７を形成する。

【００４５】これにより、図１（ａ）および（ｂ）に示
す本発明のフォトダイオードが得れれる。

【００４６】図１（ａ）および（ｂ）に示す本発明のフ
ォトダイオードの構造は、高速動作を向上させるため
に、ＰＮ接合領域を形成する低濃度Ｐ型シリコン層２の
不純物濃度を低くして、ＰＮ接合領域である空乏層の間
隔を十分に拡げ、寄生容量となる接合容量Ｃｐｄを低減
している。また、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１の不純物
濃度を高くして、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１と高濃度
Ｐ＋型シリコン基板１の下面の電極配線７とを接続する
ことにより、アノード寄生抵抗Ｒａを低減している。

【００４７】ところで、カソード寄生抵抗Ｒｋを低減す
るには、受光領域全面に高濃度Ｎ＋型拡散層４を形成す
れば良いが、高濃度Ｎ＋型拡散層４の不純物濃度が高い
ために、受光領域での光吸収によって生成した光キャリ
アのライフタイムが低下し、光感度の低下が生じる。こ
のため、受光領域全面を高濃度Ｎ＋型拡散層４より不純
物濃度の低いＮ型拡散層３にすると、受光領域での光感
度の低下は、全く生じなくなるが、カソード寄生抵抗Ｒ
ｋが大きくなり、応答速度が遅くなり、高速動作が得ら
れない。

【００４８】これに対して、本発明のフォトダイオード
は、光感度の低下および高速動作の低下を防止するため
に、受光領域であるＮ型シリコン層８の周縁部に所定の
幅を有する高濃度Ｎ＋型拡散層４を形成し、高濃度Ｎ＋
型拡散層４の内側にも、高濃度Ｎ＋型拡散層４が、行方
向および列方向に一定間隔を置いて形成されている。そ
して、受光領域において、高濃度Ｎ＋型拡散層４が形成
されていない領域には、高濃度Ｎ＋型拡散層４より不純
物濃度の低いＮ型拡散層３が設けられており、そのＮ型
拡散層３の表面不純物濃度は、１．０×１０¹⁹／ｃｍ³
以下になっている。これにより、光感度が低下すること
なく、応答速度を高速にすることができる。

【００４９】図２は、異なる波長の入射光に対するＮ型
拡散層３の表面不純物濃度と光感度の関係を示すグラフ
である。図２に示すように、受光領域であるＮ型シリコ
ン層８内のＮ型拡散層３の表面不純物濃度が１．０×１
０¹⁹／ｃｍ³以下であれば、入射光の波長が異なる場合
でも、入射光を吸収して生成される光キャリアのライフ
タイムが低下せず、光感度の低下が生じない。Ｎ型拡散
層３の表面不純物濃度が１．０×１０¹⁹／ｃｍ³以上に
なると、光感度の低下が生じ、特に、入射光の波長が短
くなるほど顕著となる。

【００５０】また、受光領域には、前述のように高濃度
Ｎ＋型拡散層４が設けられており、高濃度Ｎ＋型拡散層
４は、不純物濃度が高く低抵抗であるために、高濃度Ｎ
＋型拡散層４上に電極配線６が形成されることによっ
て、カソード寄生抵抗Ｒｋも低減できる。

【００５１】以上より、図１（ａ）および（ｂ）に示す
本発明のフォトダイオードは、高速動作および光感度の
両方の特性の向上が図れる。

【００５２】尚、本発明のフォトダイオードは、図１
（ａ）および（ｂ）に示す実施形態において、高濃度Ｎ
＋型拡散層４を矩形の格子状に形成しているが、複数の
Ｎ型拡散層３の全面積と複数の高濃度Ｎ＋型拡散層４の
全面積との和に対して、複数の高濃度Ｎ＋型拡散層４の
全面積が所定の面積比で形成されていれば、格子状の構
成でなくても良い。その面積比は、３０％〜７０％であ
ることが好ましい。また、高濃度Ｎ＋型拡散層４が、格
子状の構成に限らず、同心円状、縞状等に形成されても
良い。さらに、光ピックアップ等で使用されるフォトダ
イオードの場合、光ディスクからの戻り光のビーム径が
直径１０〜３０μｍであるため、高濃度Ｎ＋型拡散層４
の格子ピッチを１０μｍ程度にし、高濃度Ｎ＋型拡散層
４の幅を３μｍ程度すれば、フォトダイオードの光感度
の低下率は、最悪でも１０％以内に抑えられる。高濃度
Ｎ＋型拡散層４の間隔、形状等は、使用する光ディスク
装置によって戻り光のビーム径および光の波長が異なる
ために、それぞれの光ディスク装置に対して最適になる
ように設定される。

【００５３】図３は、本発明の受光素子であるフォトダ
イオードを使用した回路内蔵受光素子の断面図を示す。

【００５４】図３に示す回路内蔵受光素子は、光が入射
するフォトダイオード部３１と、フォトダイオード部３
１に入射した光が光電変換された電気信号を処理するた
めの信号処理回路部３２とを有しており、Ｐ型シリコン
基板１１上に、高濃度Ｐ＋型拡散層１２と、高比抵抗Ｐ
型拡散層１３と、Ｎ型エピタキシャル層１７とが順番に
積層されている。Ｎ型エピタキシャル層１７上には、シ
リコン熱酸化膜１９が形成されている。高濃度Ｐ＋型拡
散層１２、高比抵抗Ｐ型拡散層１３およびＮ型エピタキ
シャル層１７内には、フォトダイオード部３１と信号処
理回路部３２とを分離するとともに、それぞれを取り囲
むように複数のＰ型埋め込み拡散層１４および１６、Ｐ
型拡散層１８が順番に形成されており、複数のＰ型埋め
込み拡散層１４および１６、Ｐ型拡散層１８は、それぞ
れ所定の間隔を置いて設けられている。

【００５５】フォトダイオード部３１には、高比抵抗Ｐ
型拡散層１３とＮ型エピタキシャル層１７との界面にＰ
Ｎ接合領域である空乏層が形成されている。Ｎ型エピタ
キシャル層１７の表面近傍には、比較的に不純物濃度の
低いＮ型拡散層２０が長方形の領域に埋め込まれてお
り、Ｎ型拡散層２０には、図１に示すフォトダイオード
と同様に、長方形の領域において、行方向および列方向
にそれぞれ等しい間隔をあけて配置されている。そし
て、Ｎ型エピタキシャル層１７において、Ｎ型拡散層３
が配置された領域を取り囲むように高濃度Ｎ＋型拡散層
４が配置されている。したがって、高濃度Ｎ＋型拡散層
４は、Ｎ型拡散層２０が埋め込まれた長方形の領域の周
縁部において、全周にわたって一定の幅に形成された格
子状に形成されている。

【００５６】Ｎ型拡散層２０および高濃度Ｎ＋型拡散層
２２を被覆するシリコン熱酸化膜１９上の所定の領域に
は、シリコン窒化膜２３が形成され、シリコン窒化膜２
３の端部の下方に、高濃度Ｎ＋型拡散層２２が配置され
ている。この領域がフォトダイオード部３１の受光領域
となる。シリコン窒化膜２３が形成されていない領域の
高濃度Ｎ＋型拡散層２２上には、シリコン熱酸化膜１９
に設けられたコンタクトホールにポリシリコン２７ａが
形成され、高濃度Ｎ＋型拡散層２２に接続されている。

【００５７】信号処理回路部３２には、Ｎ型エピタキシ
ャル層１７内にＮＰＮトランジスタが形成されている。
信号処理回路部３２では、高比抵抗Ｐ型拡散層１３およ
びＮ型エピタキシャル層１７間にわたってＮ型コレクタ
埋め込み拡散層１５が設けられており、Ｎ型コレクタ埋
め込み拡散層１５の端部上には、Ｎ型エピタキシャル層
１７内に埋め込まれたＮ型コレクタ補償拡散層２１が設
けられている。Ｎ型コレクタ補償拡散層２１上には、シ
リコン熱酸化膜１９に設けられたコンタクトホールにポ
リシリコン２７ａが形成され、Ｎ型コレクタ補償拡散層
２１に接続されている。Ｎ型コレクタ補償拡散層２１に
近接したＮ型エピタキシャル層１７の表面近傍には、Ｐ
型内部ベース領域２４およびＰ型外部ベース領域２５が
設けられており、Ｐ型内部ベース領域２４の表面近傍に
は、Ｎ型エミッタ領域２６が埋め込まれている。Ｎ型エ
ミッタ領域２６上には、シリコン熱酸化膜１９に設けら
れたコンタクトホールにポリシリコン２７ａが形成さ
れ、Ｎ型エミッタ領域２６に接続されている。

【００５８】シリコン熱酸化膜１９上のシリコン窒化膜
２３の端部を除いた領域には、フィールドＣＶＤ膜２８
ａと、層間絶縁膜２８と、カバー絶縁膜３０とが順番に
積層されている。フォトダイオード部３１の受光領域の
シリコン窒化膜２３に近接したＰ型拡散層１８および信
号処理回路部３２のＰ型外部ベース領域２５上には、シ
リコン熱酸化膜１９およびフィールドＣＶＤ膜２８ａに
設けられたそれぞれのコンタクトホールに第１金属配線
２７が形成され、Ｐ型拡散層１８およびＰ型外部ベース
領域２５に接続されている。また、フォトダイオード部
３１の高濃度Ｎ＋型拡散層２２、信号処理回路部３２の
Ｎ型コレクタ補償拡散層２１およびＮ型エミッタ領域２
６に接続されている各ポリシリコン２７ａ上には、フィ
ールドＣＶＤ膜２８ａに設けられたそれぞれのコンタク
トホールに、第１金属配線２７が形成され、それぞれの
ポリシリコン２７ａに接続されている。そして、層間絶
縁膜２８上には、第２金属配線２９が形成されており、
第２金属配線２９は、カバー絶縁膜３０に被覆されてい
る。

【００５９】図３に示す回路内蔵受光素子は、フォトダ
イオード部３１おいて、フォトダイオード部３１の受光
領域に高濃度Ｎ＋型拡散層２２および高濃度Ｎ＋型拡散
層２２より不純物濃度の低いＮ型拡散層２０が形成され
ていることによって、カソード寄生抵抗Ｒｋの低減が図
れるとともに、光感度の低下が防止できる。また、Ｐ型
シリコン基板１１上に、高濃度Ｐ＋型拡散層１２を形成
することによって、アノード寄生抵抗Ｒａの低減が図
れ、さらに、高濃度Ｐ＋型拡散層１２上に高比抵抗Ｐ型
拡散層１３を形成することによって、Ｎ型エピタキシャ
ル層１７と高比抵抗Ｐ型拡散層１３との界面に形成され
るＰＮ接合領域である空乏層が拡がり、空乏層の接合容
量の低減が図れる。

【００６０】この結果、高速動作が可能であるととも
に、光感度も良好であるフォトダイオード部３１を有す
る回路内蔵受光素子が得られる。

【００６１】次に、図３に示す回路内蔵受光素子の製造
方法について説明する。

【００６２】図４（ａ）〜（ｅ）は、図３に示す回路内
蔵受光素子の製造方法における各工程を示すそれぞれの
断面図である。

【００６３】まず、図４（ａ）に示すように、比抵抗３
０〜５０ΩｃｍのＰ型シリコン基板１１上に、不純物濃
度が１．５×１０¹⁸／ｃｍ³の高濃度Ｐ＋型拡散層１２
を形成し、さらに、高濃度Ｐ＋型拡散層１２上に、エピ
タキシャル成長方法によって比抵抗１００Ωｃｍ以上の
高比抵抗Ｐ型拡散層１３を形成する。その後、アノード
寄生抵抗Ｒａの低減、および、フォトダイオード部３１
と信号処理回路３２とを電気的に分離するために、高濃
度Ｐ＋型拡散層１２および高比抵抗Ｐ型拡散層１３間に
わたって複数のＰ型埋め込み拡散層１４を形成する。Ｐ
型埋め込み拡散層１４上には、高比抵抗Ｐ型拡散層１３
内に埋め込まれたフォトダイオード部３１と信号処理回
路３２とを電気的に分離するＰ型埋め込み拡散層１６を
形成する。そして、信号処理回路部３２の高比抵抗Ｐ型
拡散層１３内に、ＮＰＮトランジスタのＮ型コレクタ埋
め込み拡散層１５を形成する。

【００６４】次に、図４（ｂ）に示すように、高比抵抗
Ｐ型拡散層１３、Ｐ型埋め込み拡散層１６およびＮ型コ
レクタ埋め込み拡散層１５上に、厚み約２．０μｍ程度
のＮ型エピタキシャル層１７を形成し、各Ｐ型埋め込み
拡散層１６上にＮ型エピタキシャル層１７に埋め込まれ
たフォトダイオード部３１と信号処理回路３２とを電気
的に分離するＰ型埋め込み拡散層１８を形成する。次
に、Ｎ型エピタキシャル層１７およびＰ型埋め込み拡散
層１８上の全面に、厚み約２６ｎｍのシリコン熱酸化膜
１９を形成する。

【００６５】次に、図４（ｃ）に示すように、ＶＰＮＰ
トランジスタ（図示せず）のベース領域を形成し、同時
に、Ｎ型エピタキシャル層１７上にマスキングをして、
フォトダイオード部３１の受光領域となるＮ型エピタキ
シャル層１７内に、イオン注入によって、³¹Ｐ⁺（リ
ン）をドーピング（添加）して比較的に不純物濃度の低
いＮ型拡散層２０を形成する。この時、³¹Ｐ⁺（リン）
のドーピング条件は、イオン注入エネルギー１６０ｋｅ
Ｖ、イオン注入量４．０×１０¹³／ｃｍ²である。その
後、Ｎ型エピタキシャル層１７内のＮ型コレクタ埋め込
み拡散層１５上の端部に、イオン注入によって³¹Ｐ
⁺（リン）をドーピング（添加）して、ＮＰＮトランジ
スタのＮ型コレクタ補償拡散層２１を形成し、同時に、
Ｎ型拡散層２０上に格子状のマスキングを行い、同様に
³¹Ｐ⁺（リン）をドーピング（添加）して、格子状の高
濃度Ｎ＋型拡散層２２を形成する。この時、³¹Ｐ⁺（リ
ン）のドーピング条件は、イオン注入エネルギー８０ｋ
ｅＶ、イオン注入量８．０×１０ ¹⁵／ｃｍ²である。そ
の後、フォトダイオード部３１の受光領域のシリコン熱
酸化膜１９上に厚み約５０ｎｍのシリコン窒化膜２３を
形成する。シリコン窒化膜２３の端部の下方には、高濃
度Ｎ＋型拡散層２２が配置されている。シリコン熱酸化
膜１９およびシリコン窒化膜２３によって、フォトダイ
オード３１の反射防止膜が形成され、その反射防止膜の
厚みは、光ピックアップにて使用される半導体レーザー
のレーザ光の波長（７８０ｎｍ、６５０ｎｍ）に対し
て、レーザ光の反射率が最も低くなるように設定されて
いる。

【００６６】次に、図４（ｄ）に示すように、信号処理
回路部３２のＮ型エピタキシャル層１７の表面近傍に、
ＮＰＮトランジスタのＰ型内部ベース領域２４を形成
し、さらに、Ｐ型外部ベース領域２５を形成する。同時
に、ＶＰＮＰトランジスタのエミッタ領域も形成する
（図示せず）。その後、シリコン窒化膜２３に被覆され
ていない高濃度Ｎ＋型拡散層２２上、Ｐ型内部ベース領
域２４上およびＮ型コレクタ補償拡散層２１上のシリコ
ン熱酸化膜１９をエッチングし、電極配線用のポリシリ
コン２７ａを形成する。Ｐ型内部ベース領域２４上のポ
リシリコン２７ａに、イオン注入によって⁷⁵Ａｓ⁺をド
ーピングし、さらに、アニール処理を行い、Ｐ型内部ベ
ース領域２４内のポリシリコン２７ａの下部にＮＰＮト
ランジスタのエミッタ領域２６を形成する。その後、シ
リコン熱酸化膜１９上の全面に、ＣＶＤ法等によってフ
ィールドＣＶＤ膜２８ａを形成する。

【００６７】次に、図４（ｅ）に示すように、ポリシリ
コン２７ａ上のフィールドＣＶＤ膜２８ａ、および、シ
リコン窒化膜２３に近接したＰ型拡散層１８およびＰ型
外部ベース領域２５上のシリコン熱酸化膜１９、フィー
ルドＣＶＤ膜２８ａにコンタクトホールを形成し、その
後、そのコンタクトホールにＡｌＳｉ／ＴｉＷ合金をス
パッタリングし、パターニングすることによって、第１
金属配線２７を形成する。その後、フィールドＣＶＤ膜
２８ａ上の全面に層間絶縁膜２８を形成し、さらに、層
間絶縁膜２８の所定の領域にスルーホール（図示せず）
を形成して、フォトダイオード部のシリコン窒化膜２３
が形成されている領域を除いた層間絶縁膜２８上および
層間絶縁膜２８内のスルーホール（図示せず）にＡｌＳ
ｉをスパッタリングし、パターニングすることによっ
て、第２金属配線２９を形成する。その後、層間絶縁膜
２８上の全面に第２金属配線２９を被覆するように、カ
バー絶縁膜３０を形成する。そして、シリコン窒化膜２
３の端部を除いたシリコン窒化膜２３上のフィールドＣ
ＶＤ膜２８ａ、層間絶縁膜２８およびカバー絶縁膜３０
を除去して、開口部を形成する。この開口部が、フォト
ダイオード部３１の受光領域となる。

【００６８】以上により、本発明の回路内蔵受光素子が
得られる。

【００６９】図３に示す回路内蔵受光素子では、受光素
子であるフォトダイオード部３１の受光領域であるＮ型
拡散層２０および高濃度Ｎ＋型拡散層２２の表面に、シ
リコン熱酸化膜１９およびシリコン窒化膜２３から成る
反射防止膜が形成されている。

【００７０】このため、図１（ａ）および（ｂ）に示す
フォトダイオードのＮ型拡散層３および高濃度Ｎ＋型拡
散層４は、デポジション方式を用いて形成することも可
能であるが、図３に示す回路内蔵受光素子に形成されて
いるフォトダイオード部３１のＮ型拡散層２０および高
濃度Ｎ＋型拡散層２２に対しては、以下の理由によりデ
ポジション方式を用いることは難しい。

【００７１】通常、フォトダイオードの反射防止膜は、
フォトダイオードの受光領域の表面にて入射光が反射し
て、フォトダイオードの内部に入射せずにフォトダイオ
ードの光感度が低下することを防止する。このため、フ
ォトダイオードの反射防止膜は、厚みが均一でなければ
ならない。

【００７２】ところが、図３のフォトダイオード部３１
のＮ型拡散層２０および高濃度Ｎ＋型拡散層２２の形成
に対して、デポジション方式を用いるとシリコン熱酸化
膜１９を形成した後に、高濃度Ｎ＋型拡散層２２を形成
する領域上のシリコン熱酸化膜１９をエッチングして除
去する必要がある。したがって、高濃度Ｎ＋型拡散層２
２を形成後、再度、シリコン熱酸化膜１９を堆積させな
ければならず、図５（ａ）に示すように、Ｎ型拡散層２
０および高濃度Ｎ＋型拡散層２２上のシリコン熱酸化膜
１９の厚みに段差が生じ、厚みの均一な反射防止膜は得
られない。

【００７３】また、高濃度Ｎ＋型拡散層２２を形成する
前に、全面のシリコン熱酸化膜１９を除去し、高濃度Ｎ
＋型拡散層２２の形成後に、再度、シリコン熱酸化膜１
９を堆積させる場合にも、Ｎ型拡散層２０および高濃度
Ｎ＋型拡散層２２では、不純物濃度が異なるために、高
濃度Ｎ＋型拡散層２２上では増速酸化がおこる。これに
より、図５（ｂ）のようにＮ型拡散層２０および高濃度
Ｎ＋型拡散層２２上のシリコン熱酸化膜１９の厚みに段
差が生じ、厚みの均一な反射防止膜は得られない。

【００７４】したがって、図３のフォトダイオード部３
１において、シリコン熱酸化膜１９のみの反射防止膜構
造を採用する場合には、全ての酸化処理工程が完了した
後に、イオン注入法によって、高濃度Ｎ＋型拡散層２２
を形成すれば良い。また、前述のようなシリコン熱酸化
膜１９と、シリコン熱酸化膜１９上に形成されたシリコ
ン窒化膜２３との積層の反射防止膜構造を採用する場合
には、シリコン熱酸化膜１９を形成後に、イオン注入法
によって高濃度Ｎ＋型拡散層２２を形成し、その後、シ
リコン窒化膜２３を形成すれば良い。シリコン窒化膜２
３の形成後、工程内にて酸化処理が行われても、フォト
ダイード部３１の受光領域はシリコン窒化膜２３で覆わ
れており、このためシリコン熱酸化膜１９の厚みは変化
せず、反射防止膜の均一性が失われるおそれがない。

【００７５】さらに、図４（ａ）〜（ｂ）に示す回路内
蔵受光素子の製造方法では、フォトダイオード部３１の
Ｎ型拡散層２０および高濃度Ｎ＋型拡散層２２を形成す
るためのイオン注入工程を、信号処理回路部３２内のト
ランジスタの拡散領域形成工程と兼用しており、工数削
減およびコスト低減が図れる。

【００７６】尚、本発明のフォトダイオード、および、
そのフォトダイオードを使用した回路内蔵受光素子は、
光ピックアップ（図６参照）、および、その光ピックア
ップを用いたＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ
／ＲＷ、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ等に代表される光ディスクの
データの書き込み等を行う光ディスク装置（図示せず）
に採用されている。

【００７７】

【発明の効果】本発明の受光素子は、第１導電型半導体
構造と接合する第１の第２導電型半導体層が、受光領域
内に、不純物濃度の高い高濃度半導体層と、高濃度半導
体層より不純物濃度の低い低濃度半導体層とを有し、低
濃度半導体層が、高濃度半導体層内に、少なくとも２箇
所以上分割された領域内に配置されていることによっ
て、カソード寄生抵抗が低下し、高速動作および光感度
の両方の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の実施形態の受光素子である
フォトダイオードの断面図であり、（ｂ）は、そのフォ
トダイオード１の受光領域の概略平面図である。

【図２】Ｎ型拡散層の表面不純物濃度と光感度の関係を
示すグラフである。

【図３】図１に示すフォトダイオードを使用した回路内
蔵受光素子の断面図である。

【図４】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ図３に示す回路内
蔵受光素子の製造方法における各工程を示すそれぞれの
断面図である。

【図５】（ａ）は、受光領域の高濃度Ｎ＋型拡散層上の
みシリコン熱酸化膜を除去し、再度、受光領域にシリコ
ン熱酸化膜を堆積させた場合の断面図であり、（ｂ）
は、受光領域の高濃度Ｎ＋型拡散層およびＮ型拡散層上
のシリコン熱酸化膜を除去し、再度、受光領域にシリコ
ン熱酸化膜を堆積させた場合の断面図である。

【図６】フォトダイオードを用いた光ピックアップを示
す概念図である。

【図７】従来のフォトダイオードの一例のＰＩＮフォト
ダイオードの断面図である。

【図８】レーザ光の半導体層表面からの侵入深さと光強
度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１高濃度Ｐ＋型シリコン基板２低濃度Ｐ型シリコン層３Ｎ型拡散層４高濃度Ｎ＋拡散層５シリコン熱酸化膜６電極配線７電極配線１１Ｐ型シリコン基板１２高濃度Ｐ＋型拡散層１３高比抵抗Ｐ型拡散層１４Ｐ型埋め込み拡散層１４１５コレクタ埋め込み拡散層１６Ｐ型埋め込み拡散層１４１７Ｎ型エピタキシャル層１８Ｐ型拡散層１８１９シリコン熱酸化膜２０Ｎ型拡散層２０２１コレクタ補償拡散層２２高濃度Ｎ＋型拡散層２３シリコン窒化膜２４内部ベース領域２５外部ベース領域２６エミッタ領域２７第１金属配線２７ａポリシリコン２８層間絶縁膜２８ａフィールドＣＶＤ膜２９第２金属配線３０カバー絶縁膜３１フォトダイオード部３２信号処理回路部５１回析格子５２ホログラム素子５３コリメートレンズ５４対物レンズ５５光ディスク１００第１導電型シリコン基板１０１第２導電型シリコン層１１０第１導電型シリコン基板１２０第１導電型シリコン層１３０シリコン熱酸化膜１４０電極配線１５０電極配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大久保勇大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者和田秀夫大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者福永直樹大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 4M118 AA01 AA10 AB10 BA02 CA05 CA18 CA19 CA34 CB13 EA01 EA14 FC09 FC18 GA10 HA23 5F049 MA04 MB03 MB12 NA03 NB08 PA03 PA10 QA03 QA15 QA20 SS03 SS07 SZ13 UA13 WA03 5F082 BA02 BA12 BA13 BA22 BA47 BA50 BC01 BC04 BC11 DA10 EA22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型半導体構造と、該第１導電型
半導体構造に設けられた第１の第２導電型半導体層とを
有し、該第１導電型半導体構造と該第１の第２導電型半
導体層との接合により、該第１の第２導電型半導体層に
おける受光領域に入射する光を検出する受光素子であっ
て、該第１の第２導電型半導体層は、受光領域内に、不純物
濃度の高い高濃度半導体層と、該高濃度半導体層よりも
不純物濃度の低い低濃度半導体層とを有しており、該低
濃度半導体層が、該高濃度半導体層内において、少なく
とも２箇所以上分割された領域内に配置されていること
を特徴とする受光素子。
【請求項２】前記第１の第２導電型半導体層における
低濃度半導体層の不純物濃度が、１．０×１０¹⁹／ｃｍ
³以下である請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】前記受光領域における前記高濃度半導体
層の面積と、前記低濃度半導体層の面積との和に対し
て、該高濃度半導体層の面積の比率が３０％〜７０％で
ある請求項１に記載の受光素子。
【請求項４】前記低濃度半導体層が一定間隔を置いて
周期的に形成されている請求項１に記載の受光素子。
【請求項５】前記高濃度半導体層が格子状に形成され
ている請求項１に記載の受光素子。
【請求項６】前記格子状に形成された高濃度半導体層
の格子ピッチが１０μｍである請求項５に記載の受光素
子。
【請求項７】前記高濃度半導体層は、前記低濃度半導
体層に対して不純物元素をイオン注入することによって
形成される請求項１に記載の受光素子。
【請求項８】前記イオン注入がすべての酸化処理後に
行われる請求項７に記載の受光素子。
【請求項９】前記第１導電型半導体構造が、第１導電
型半導体基板と、該第１導電型半導体基板上に形成され
た該第１導電型半導体基板より不純物濃度の低い第１導
電型半導体層とを有する請求項１に記載の受光素子。
【請求項１０】請求項１に記載の受光素子によって形
成された受光素子部と、該受光素子部を構成する第１導
電型半導体構造を用いて構成されたトランジスタを有す
る信号処理回路部とを有することを特徴とする回路内蔵
受光素子。
【請求項１１】前記第１導電型半導体構造が、第１導
電型半導体基板と、該第１導電型半導体基板上に形成さ
れ、該第１導電型半導体基板よりも不純物濃度が高い第
１の第１導電型半導体層と、該第１の第１導電型半導体
層上に形成され該第１の第１導電型半導体層よりも不純
物濃度が低い第２の第１導電型半導体層とを有している
請求項１０に記載の回路内蔵受光素子。
【請求項１２】前記第１導電型半導体構造上の受光領
域の表面には、第１の絶縁膜および第２の絶縁膜の積層
構造から成る反射防止膜が形成されている請求項１０に
記載の回路内蔵受光素子。
【請求項１３】前記第１の絶縁膜および前記第２の絶
縁膜が、それぞれシリコン熱酸化膜およびシリコン窒化
膜である請求項１２に記載の回路内蔵受光素子。
【請求項１４】請求項１０に記載の回路内蔵受光素子
の製造方法であって、第１導電型半導体構造上の所定の領域に、受光素子部お
よび信号処理回路部とされる領域を分離する工程と、該受光素子部と該信号処理回路部とされる領域の該第１
導電型半導体構造上に第１の第２導電型半導体層を形成
し、該第１の第２導電型半導体層上に、第１の絶縁膜を
形成する工程と、その後、該受光素子部とされる領域の該第１の第２導電
型半導体層上に、低濃度半導体層を形成する工程と、該低濃度半導体層内に高濃度半導体層を形成すると同時
に、該信号処理回路部とされる領域にトランジスタのコ
レクタ拡散層を形成する工程と、を包含することを特徴とする回路内蔵受光素子の製造方
法。
【請求項１５】請求項１〜９のいずれかに記載の受光
素子、または、請求項１０〜１３のいずれかに記載の回
路内蔵受光素子を用いたことを特徴とする光学装置。