JP2005136269A

JP2005136269A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2005136269A
Application number: JP2003371843A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Kasamatsu; 利光笠松; Naoki Fukunaga; 直樹福永; Hironori Nakamura; 弘規中村
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】それぞれに入射する光源の波長に対して、高感度で、高速応答性能を備えた受光素子内蔵する半導体装置を、製造原価の上昇を招かず、安価に提供する。
【解決手段】それぞれに波長の異なる光を受けるための２以上の受光素子を内蔵する半導体装置であって、前記受光素子は、それぞれに異なる構造の絶縁膜からなる反射防止膜を有するものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、それぞれに波長の異なる光を受ける２以上の受光素子を内蔵する半導体装置およびその製造方法に関する。

ＣＤ（Compact Disc）とＤＶＤ(Digital Versatile Disc)のように異なる２種類の記録媒体の信号を読取る光ピックアップ装置では、それぞれの記録密度に適した異なる波長のレーザビームを発する２つのレーザダイオードを切り替えて信号読取を行う。そのような光ピックアップ装置には、それぞれの波長のレーザビームに対応する受光素子（フォトダイオード）を有する２つの受光部が同一半導体基板上に独立して形成され、光電変換信号を処理する半導体装置が使用される。

上記の半導体受光素子を実現するにあたり、様々な提案がなされている。
特開２００１−３０７３６２号公報特許第３１７０４６３号公報特開２００２−１１８２８１号公報

特許文献１に記載されている光ピックアップ装置は、図８に示す光検出器（半導体装置）２１を備えている。光検出器２１は、図示しない第１レーザ素子から出射されてＣＤで変調されるレーザビームを受光するＣＤ受光部２２と、図示しない第２レーザ素子から出射されてＤＶＤで変調されるレーザビームを受光するＤＶＤ受光部２３とが同一半導体基板上に形成されている。

ＣＤ受光部２２とＤＶＤ受光部２３とが配置される間隔Ｌは、第１レーザ素子および第２レーザ素子の各発光点の間隔と同一である。また、ＣＤ受光部２２は、４分割されて田の字状に配置されるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各受光素子からなる０次光のメインビームを受光するメイン受光領域２４と、回折格子により形成される±１次光の各サブビームを受光するＥ，Ｆの各受光素子２５ａおよび２５ｂからなるサブ受光領域２５とにより構成されている。一方、ＤＶＤ受光部２３は、４分割されて田の字状に配置されるａ，ｂ，ｃ，ｄの各受光素子からなる０次光のメインビームを受光するメイン受光領域２６により構成されている。

ＣＤ受光部２２およびＤＶＤ受光部２３の所定の受光出力は、選択スイッチ２７を介して同一の出力端子２８〜３１に選択的に導出される。前記選択スイッチ２７は、切替制御端子３２に印加される信号レベルによってＣＤ受光部２２の受光出力またはＤＶＤ受光部２３の受光出力を選択する。これにより、光検出器２１の出力端子数が少なくなり、光ピックアップヘッドとサーボ回路とを接続する配線が少なくて済む。

しかし、特許文献１においては、受光部２２，２３の形成方法に関しては、２つの波長レーザの並べられる間隔と同一に受光部を形成すると記載されているのみである。

また、特許文献２では、単一の波長の光を光電変換した信号を処理する半導体装置において、Ｐ型シリコン基板のフォトダイオード分割のためのＰ型拡散層近傍に、Ｎ型埋め込み拡散層を形成し、分割部の下部で発生した光キャリアの該分割部を迂回してＰＮ接合部に至る移動経路をＮ型埋め込み拡散層の存在により短くし、光キャリアが分割部を迂回することによる分割部での応答速度の低下を抑制している。さらに、前記フォトダイオードのエピタキシャル層の分割のためのＰ型拡散層の上部を覆うようにＮ型拡散層を形成し、発生した光キャリアを吸い上げることで応答速度の向上を図っている。

特許文献３は、それぞれに波長の異なるレーザ光を受ける３つの受光素子を内蔵した光ピックアップ装置に関し、エピタキシャル層を３層に分けてそれぞれの層に埋め込み分散層を形成し、埋め込み分散層を埋め込む深さを変えることによって、それぞれの受光素子の光感度を所定のレーザ光の波長に対して極大化している。しかし、その製造工程はかなり複雑となり、コストの増大を招く結果となる。

一般に、上記のようなそれぞれに波長の異なる光を受ける２以上の受光素子を内蔵し光電変換信号を処理する半導体装置の製造は、特に工夫の無い限り同一の工程で行われ、それぞれの受光素子は同一の膜構造および同一の拡散構造である。

しかしながら、特に光ディスク分野では光源の短波長化が進んでおり、青色レーザに対応する受光素子については従来のＣＤやＤＶＤ用の受光素子とは最適な構造に大きな差が有り、光感度や応答速度が最適でない場合がある。つまり、従来の同一構造で製造されたそれぞれに波長の異なる光を受ける２以上の受光素子を内蔵し光電変換信号を処理する半導体装置は次のような問題をかかえている。

反射防止膜がシリコン酸化膜の１層の絶縁膜からなる構造の場合、各波長の反射率が低いシリコン酸化膜の厚さが５０ｎｍの構造でも、４０５ｎｍの波長の光源に対する反射率は３３％、６５０ｎｍの波長の光源に対する反射率は１７％、７８０ｎｍの波長の光源に対する反射率は１７％であり、全波長に対して反射率は比較的高くなる。

次に反射防止膜がシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の２層の絶縁膜からなる構造の場合、各波長の反射率が低いシリコン酸化膜の厚さが１０ｎｍとシリコン窒化膜の厚さが４０ｎｍの構造でも、４０５ｎｍの波長の光源に対する反射率は１６％、６５０ｎｍの波長の光源に対する反射率は８％、７８０ｎｍの波長の光源に対する反射率は９％であり、４０５ｎｍの波長の光源に対する反射率を低くすることができない。

次に反射防止膜がシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜の４層の絶縁膜からなる構造で、４０５ｎｍの波長の光源に対する反射率を優先させた構造の場合、第一のシリコン酸化膜の厚さが１０ｎｍ、第二のシリコン窒化膜の厚さが４０ｎｍ、第三のシリコン酸化膜の厚さが７０ｎｍ、第四のシリコン窒化膜の厚さが７０ｎｍの構造でも、４０５ｎｍの波長の光源に対する反射率は５％と低くできるが、６５０ｎｍの波長の光源に対する反射率は１８％、７８０ｎｍの波長の光源に対する反射率は２１％であり、６５０ｎｍと７８０ｎｍの波長の光源に対する反射率を低くすることができない。

また、同様の４層の絶縁膜からなる構造で、６５０ｎｍや７８０ｎｍの波長の光源に対する反射率を優先させた構造の場合、第一のシリコン酸化膜の厚さが１０ｎｍ、第二のシリコン窒化膜の厚さが３０ｎｍ、第三のシリコン酸化膜の厚さが１０ｎｍ、第四のシリコン窒化膜の厚さが３０ｎｍの構造でも、６５０ｎｍの波長の光源に対する反射率は５％、７８０ｎｍの波長の光源に対する反射率は５％と低くなっているが、４０５ｎｍの波長の光源に対する反射率は２６％であり４０５ｎｍの波長の光源に対する反射率を低くすることができない。

以上のように、使用する光源の波長が異なる場合、各光源の波長に対して光感度や応答速度に対して最適な構造には大きな差が有り、同一膜構造、同一拡散構造であれば、それぞれの光源に対して最適な構造とすることはできず、光感度や応答速度の低下を起こす要因となる場合がある。

また、複数の受光素子の出力信号を同じ処理回路によって処理する半導体装置では、信号処理を行う回路は１つであることから増幅率は一定であり、出力信号は受光素子からの出力信号の定倍となる。しかし、波長の異なる光源に対する受光素子ごとに光感度が異なると、それぞれの受光素子からの出力信号のレベルも異なってしまう。そのため、現状ではそれぞれの波長の光源に対して、受光素子の出力を個別の初段の増幅回路を介して共通回路に入力し、その初段の増幅回路の増幅率を調整することで共通回路への入力信号レベルを合わせるなどしているが、これは回路の小型化および簡素化を難しくしている。

そこで、本発明はそれぞれの入射する光源の波長に対して、高感度で、高速応答性能を備えた受光素子を内蔵する半導体装置を、製造原価の上昇を招かず、安価に提供することを課題とする。

本発明によれば、それぞれに波長の異なる光を受けるための２以上の受光素子を内蔵する半導体装置は、前記受光素子は、それぞれに異なる構造の絶縁膜からなる反射防止膜を有するものとする。

この構成によると、前記半導体装置の受光素子は、それぞれに異なる反射率を有することができる。これにより、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する反射率を個別に設定できる。

また、本発明の半導体装置において、前記受光素子のうち、第１受光素子の反射防止膜は、多層構造の絶縁膜からなり、他の受光素子の反射防止膜は、前記第１受光素子の反射防止膜から１または２以上の絶縁膜をなくした層構造の絶縁膜からなっていてもよく、さらに、前記第１受光素子の反射防止膜にない１または２以上の絶縁膜を有する層構造の絶縁膜からなっていてもよい。

この構成によると、前記受光素子の反射防止膜は、ほぼ共通の工程で形成できる。これにより、製造原価の上昇を招かずに、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する反射率を個別に設定できる。

また、前記受光素子のうち、第１受光素子の反射防止膜の絶縁膜は、他の受光素子の反射防止膜の構造上相応する絶縁膜と異なる厚みを有するものとしてもよい。

この構成によると、前記絶縁膜の厚みの違いによっても前記反射防止膜の反射率を設定できる。これによっても、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する反射率を個別に設定できる。

また、本発明の半導体装置において、前記受光素子のそれぞれに受光すべき波長の光に対する光感度が高いほど前記反射防止膜の反射率を高くし、前記受光素子のそれぞれの反射防止膜を含めた光感度をほぼ等しくてもよい。

この構成によると、前記受光素子に到達するそれぞれが受光すべき波長の光を個別に減じることで、前記受光素子が受光したときに出力する信号のレベルを同等にすることができる。これによって、前記受光素子の出力信号を処理する回路を容易に共通化できる。

また、本発明の半導体装置において、前記受光素子は、それぞれに異なる不純物拡散構造を有してもよい。

この構成によると、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する光感度を個別に設定できる。

また、本発明の半導体装置において、前記不純物拡散構造は、第１受光素子および他の受光素子の第１導電型半導体層表面にそれぞれ設けた第２導電型拡散層を有し、前記第２導電型拡散層は、受光素子によって深さが異なってもよく、さらに、前記第２導電型拡散層を形成する不純物は、受光素子によって拡散係数の異なる不純物により形成されてもよい。

この構成によると、前記受光素子が受光する波長の光による光キャリアの発生する深さに合わせて、フォトダイオードのＰＮ接合の深さを前記受光素子ごとに変えることができる。これにより、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する光感度を個別に設定できる。

また、本発明の半導体装置において、前記第２導電型拡散層は、受光素子によって不純物の濃度が異なってもよい。

この構成によると、不純物が高濃度である前記受光素子では、所定の波長の光を受光したときに発生する光キャリアが消失しやすく光感度が低くなる。これによっても、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する光感度を設定できる。

また、本発明の半導体装置において、第２導電型拡散層は、前記反射防止膜表面から直下の前記第１導電型半導体層の内部に達してもよい。

この構成によると、前記受光素子によって前記反射防止膜の厚さが異なるため前記第１導電型半導体層への不純物拡散の深さが自ずと異なる。これによっても、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する光感度を設定できる。

また、本発明の半導体装置において、前記受光素子は、キャパシタが接続され、すべての前記受光素子の寄生容量値がほぼ等しくてもよい。

この構成によると、前記受光素子間の前記寄生容量の違いによる発振を防止できる。これにより、回路を安定させられる。

また、本発明によれば、それぞれに波長の異なる光を受けるための２以上の受光素子を内蔵する半導体装置において、前記受光素子は、それぞれに異なる不純物拡散構造を有するものとしてもよい。

また、本発明の半導体装置において、前記受光素子のそれぞれに受光すべき波長の光に対する光感度が高いほど前記第２導電型拡散層の不純物濃度を高くし、前記受光素子のそれぞれの反射防止膜を含めた光感度をほぼ等しくしてもよい。

この構成によると、前記受光素子それぞれが所定の波長の光を受光したときに発生する光キャリアの消失しやすさを個別に調節することで、前記受光素子が受光したときに出力する信号のレベルを同等にすることができる。これによって、前記受光素子の出力信号を処理する回路を容易に共通化できる。

また、本発明によれば、それぞれに波長の異なる光を受けるための２以上の受光素子を内蔵する半導体装置の製造方法を、前記半導体装置表面にエッチングに対する選択性の異なる２以上の絶縁膜を交互に形成し、前記絶縁膜を交互に形成する間に、いずれかの前記受光素子の絶縁膜をエッチングにより除去することで、前記受光素子それぞれに異なる層構造の絶縁膜からなる反射防止膜を形成するものとしてもよい。

この製造方法によると、前記絶縁膜を除去する際に、直下の絶縁膜を侵食することがない。これによって、前記直下の絶縁膜の成形精度を保つことができ、製造コストを増加させることなく、前記受光素子に前記反射防止膜を形成できる。

また、本発明によれば、前記選択性の異なる２以上の絶縁膜は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜を含み、前記シリコン窒化膜の直上の前記シリコン酸化膜に対してフッ酸を含む溶液でエッチングし、前記シリコン酸化膜の直上の前記シリコン窒化膜に対してプラズマエッチングしてもよい。

この製造方法によると、前記シリコン酸化膜を除去する際に直下の前記シリコン窒化膜を、または、前記シリコン窒化膜を除去する際に直下の前記シリコン酸化膜を侵食することがない。これによって、前記シリコン酸化膜直下のシリコン窒化膜または前記直下のシリコン酸化膜の膜厚精度を保つことができる。

また、本発明の半導体製造方法において、前記シリコン酸化膜の上にポリシリコン層を形成し、いずれかの前記受光素子の前記ポリシリコン層をエッチングにより除去し、その上にさらにシリコン酸化膜を形成し、次いで、前記ポリシリコン層をエッチングにより除去した受光素子をマスキングして、前記ポリシリコン層上のシリコン酸化膜をエッチングにより除去し、さらに、エッチングにより前記ポリシリコン層を除去してもよい。

この製造方法によると、直下の層と同じ種類の絶縁膜またはエッチングに対して類似する特性を有する絶縁膜を選択的に積層することができる。これにより、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する反射率を個別に設定できる。

また、本発明の半導体製造方法において、前記ポリシリコン層を形成すると同時に、前記半導体装置内にＭＯＳのポリシリコンゲート、バイポーラトランジスタのポリシリコンエミッタ、ポリシリコン抵抗および／またはキャパシタの電極用のポリシリコン層を形成してもよい。

この製造方法によると、製造コストを増加させることなく、前記半導体装にＭＯＳのポリシリコンゲートなどの他の素子の構成要素を形成できる。

また、本発明の半導体製造方法において、前記シリコン窒化膜を形成すると同時に、前記半導体装置に窒化膜キャパシタを形成してもよい。

この製造方法によると、製造コストを増加させることなく、前記半導体装置に窒化膜キャパシタを形成できる。

また、本発明によれば、それぞれに波長の異なる光を受けるための２以上の受光素子を内蔵する半導体装置の製造方法は、前記半導体装置表面に絶縁膜を形成し、いずれかの前記受光素子を開口したマスキングを施し、前記受光素子の前記絶縁膜をエッチングにより薄くすることで、前記受光素子により異なる厚みを有する絶縁膜を形成する工程を有し、前記絶縁膜をエッチングにより薄くする工程は、その都度、条件設定のために、試料を実際に使用するエッチング溶液でエッチングし、該試料の絶縁膜の厚さをエッチング前後で実測し、本製造のエッチング時間を定めるものとしてもよい。

この製造方法によると、エッチングにより薄くする前記絶縁層の厚みを正確に制御することができる。これにより、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する反射率を個別に精密に設定できる。

また、本発明の半導体製造方法において、前記薄くする絶縁膜がシリコン酸化膜であるときはフッ酸濃度が５％以下の溶液でエッチングし、前記薄くする絶縁膜がシリコン窒化膜であるときはフッ酸濃度が１０％以下の溶液でエッチングしてもよい。

この製造方法によると、エッチングにより薄くするシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜による絶層縁の厚みを正確に制御することができる。これにより、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する反射率を個別に精密に設定できる。

また、本発明によれば、前記受光素子部の不純物拡散を行うと同時に、前記半導体装置にトランジスタ素子を形成するための不純物拡散を行ってもよい。

この製造方法によると、前記半導体装置に前記受光素子を形成しながら、トランジスタ素子の構成要素を形成することができる。これにより、製造原価の上昇を招かず、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する光感度を個別に設定できる。

また、本発明の半導体製造方法において、前記受光素子上に成形した絶縁膜の上からイオン注入を行ってもよい。

この製造方法によると、同じ条件で前記受光素子に異なる不純物拡散層を形成できる。これにより、製造原価の上昇を招かず、前記受光素子のそれぞれが受光すべき所定の波長の光に対する光感度を個別に設定できる。

本発明によると、それぞれが受光すべき所定の異なる波長に対して光感度が高く応答が速い２以上の受光素子を内蔵し光電変換信号を処理する半導体装置を安価に提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態である半導体装置１の光ピックアップ用受光素子部を上方から見た平面図である。半導体装置１は、波長が４０５ｎｍの光源からの信号を受光する第１受光部２、波長が６５０ｎｍの光源からの信号を受光する第２受光部３を内蔵する構成となっている。

図２は、半導体装置１断面を示す。第１受光部２および第２受光部３は同じ構造の分割フォトダイオードからなっている。Ｐ型半導体基板４およびＮ型エピタキシャル層５によりダイオードが構成されている。このダイオードは、Ｐ型半導体基板４とＮ型エピタキシャル層５にまたがるＰ型埋め込み分離拡散層６と、Ｎ型エピタキシャル層５の表面よりＰ型埋め込み分離拡散層６に達するＰ型上部分離拡散層７により分離・分割されている。さらに、第１受光部２は、表面に絶縁膜８から１１の４層構造の反射防止膜を有し、第２受光部３は、第１受光部２が有している絶縁膜８および絶縁膜９のみと同じ構造の２層構造の反射防止膜を有している。

図２ａから２ｆは、半導体装置１の製造工程を示している。先ず、図２ａに示すように、Ｐ型基板４にＰ型不純物を導入して、Ｐ型埋め込み分離拡散層６を形成する。そして、図２ｂに示すように、エピタキシャル成長を行いＮ型エピタキシャル層５を形成する。そして、Ｎ型エピタキシャル層５の表面よりＰ型不純物を導入しＰ型上部分離拡散層７を形成する。熱処理により不純物拡散されたＰ型埋め込み分離拡散層６とＰ型上部分離拡散層７は、Ｎ型エピタキシャル層５内部で接合し、一体となって第１受光部２および第２受光部３を分離し、それぞれの受光部のフォトダイオードを４つに分割している。

さらに、図２ｃに示すように、Ｎ型エピタキシャル層５の前面に２００ｎｍ程度のシリコン酸化膜８ａおよび８ａ’を形成し、第１受光部２および第１受光部２の領域を開けたフォトリソグラフィを行ってからフッ酸を含む溶液でエッチングを行い、第１受光部２および第２受光部３上のシリコン酸化膜８ａ’のみを除去する。それから、図２ｄに示すように、さらに１０ｎｍのシリコン酸化膜８ｂを形成し、シリコン酸化膜８ａおよび８ｂが一体となってシリコン酸化膜８を構成する。

次に、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)で４０ｎｍのシリコン窒化膜９を形成し、第１受光部２および第２受光部３上のシリコン窒化膜９を残すフォトリソグラフィを行い、プラズマエッチングにて第１受光部２および第２受光部３以外の不要なシリコン窒化膜９を除去する。さらに、図２ｆに示すように、シリコン酸化膜１０を成形した上にシリコン窒化膜１１を形成してから第１受光部２以外を開けるフォトリソグラフィを行い、プラズマエッチングで第１受光部２以外のシリコン窒化膜を除去する。その後に、第２受光部３を開けるフォトリソグラフィを行い、フッ酸を含む溶液でエッチングして第２受光部３のシリコン酸化膜１０を除去することで図２に示す構造を有する半導体装置１を製造できる。

ここで、シリコン酸化膜１０を成膜直後に第２受光部３のシリコン酸化膜１０を除去してからシリコン窒化膜１１を形成するとすれば、先に形成したシリコン窒化膜９とシリコン窒化膜１１が接触してしまい、シリコン窒化膜９およびシリコン窒化膜１１は同じ材質なのでシリコン窒化膜１１のみを除去することは難しくなる。そこで、ＣＶＤでシリコン酸化膜１０の上にシリコン窒化膜１１の形成を行ってから、シリコン窒化膜１１とシリコン酸化膜１０の選択性の良い条件でエッチングを行う。この時、シリコン窒化膜１１の下にはシリコン酸化膜１０があり、シリコン酸化膜１０をほとんど減らすこと無く、シリコン窒化膜１１の除去が可能となる。次に、第１受光部２以外のシリコン酸化膜１０を開けるフォトリソグラフィを行い、フッ酸を含む溶液にてシリコン酸化膜１０の除去を行う。この時、シリコン酸化膜１０の下にはシリコン窒化膜９があり、シリコン酸化膜１０とシリコン窒化膜９の選択性の良い条件でエッチングを行うことにより、シリコン窒化膜９をほとんど減らすこと無く、シリコン酸化膜１０の除去が可能となる。このように、シリコン酸化膜１０およびシリコン窒化膜１１を除去することで、エッチングによる絶縁膜の減りが少なく、成膜時の膜厚精度を保つことができる。

次に上記の製造方法にて作成された受光部の反射率について説明する。第１受光部２の反射防止膜は、シリコン酸化膜８が１０ｎｍ、シリコン窒化膜９が４０ｎｍ、シリコン酸化膜１０が７０ｎｍ、シリコン窒化膜１１が７０ｎｍであり、４０５ｎｍの波長の光源に対する反射率は５％である。また、第２受光部３の反射防止膜は、シリコン酸化膜８が１０ｎｍ、シリコン窒化膜９が４０ｎｍであり、６５０ｎｍの波長の光源に対する反射率は８％である。

以上のように、第２受光部３の反射防止膜の製造工程は、第１受光部２の反射防止膜の形成工程と兼ねているため、第２受光部３のために新たな工程を追加することなく、第１受光部２および第２受光部３の反射率をそれぞれに最適化でき、各受光素子の光感度を個別に高感度化した構造を実現できる。

また、図３に示す本発明の第２実施形態である半導体装置１ａのように、第２受光部３の反射防止膜の構造を、絶縁層９を除去し、新たにＣＶＤで厚さ６０ｎｍのシリコン窒化膜９ａを形成したものとすれば、第２受光部３の波長６５０ｎｍの光源に対する反射率を更に低い３％とする高感度化ができる。

この構造は、第２受光部３のシリコン窒化膜９のみに厚さ２０ｎｍのシリコン窒化膜を重ねて形成することでも実現される。この場合、半導体装置１ａの表面に厚さ４０ｎｍのシリコン窒化膜９を形成した上に一次的にシリコン酸化膜を形成し、第２受光部のみの上層のシリコン酸化膜を除去する。この上に厚さ２０ｎｍのシリコン窒化膜を重ねて形成して第２受光部のシリコン窒化膜９ａの厚みを６０ｎｍとする。そして、第２受光部のみをマスキングするフォトリソグラフィを行い、第２受光部以外の厚さ２０ｎｍのシリコン窒化膜をプラズマエッチングで除去し、さらにフッ酸でエッチングして一次的に形成したシリコン酸化膜を除去することで第１受光部３に厚さ４０ｎｍのシリコン窒化膜９と第２受光部３に厚さ６０ｎｍのシリコン窒化膜９ａが形成される。

しかし、上記製造方法の場合、シリコン窒化膜のＣＶＤ成膜処理が増えるため、第１受光部２の反射防止膜に使用しているシリコン窒化膜９を６０ｎｍで成膜し、第１受光部２上のシリコン窒化膜９のみを開けたフォトリソグラフィを行ってエッチングすることで第１受光部２上のシリコン窒化膜を４０ｎｍに薄くする。それから、絶縁膜１０および１１を形成することで、第１受光部２上のシリコン窒化膜９の厚みを４０ｎｍにしながら第２受光部３上のシリコン窒化膜９の厚みを６０ｎｍにすることができる。これにより、ＣＶＤ成膜処理を増やすことなく、さらに安価に、第２受光部３の光感度を高感度化できる。

この時、シリコン窒化膜のエッチングに関しては、調整後のシリコン窒化膜の膜厚精度を良くするために、エッチングレートを５ｎｍ／分以下の条件でエッチングを行うことが望ましい。一例として、１０％のフッ酸溶液によるシリコン窒化膜のエッチングレートは３ｎｍ／分程度である。１０％のフッ酸溶液で２０ｎｍをエッチングするのに要する時間は約７分であり、処理にかかる時間としては長過ぎず、また、エッチングレートが低いことから膜厚を精度良くコントロールすることもできる。

また、上記のような絶縁膜の厚さ調整においては、先ず、基板に薄くする絶縁膜と同じシリコン窒化膜６０ｎｍを成膜して同じマスクでフォトリソグラフィを行った試料を準備し、膜厚を測定してから事前に本製造に使用するフッ酸溶液を使用して、同じ条件でエッチングを行い、再度膜厚を測定する。この試料の測定結果から、エッチング液のエッチレートを把握し、シリコン窒化膜の残り膜厚が４０ｎｍよりも厚い場合はエッチング時間を長く、シリコン窒化膜の残り膜厚が４０ｎｍよりも薄い場合はエッチング時間を短くして、本生産の条件を調節することで、第１受光部２上のシリコン窒化膜９の膜厚精度が上がり、安定した反射防止膜を形成することができる。

また、受光素子とＩＣ回路を同じ基板に内蔵した半導体装置において、シリコン窒化膜によるコンデンサを内蔵している場合、シリコン窒化膜９またはシリコン窒化膜１１をＩＣ回路の窒化膜キャパシタと同時に成形することにより工程が簡素化でき、安価に半導体装置を製造できる。

また、反射防止膜に使用する絶縁膜については、エッチング時の選択性が良くなるように、例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜を交互に積層すると、上部の絶縁膜を除去する際に直下の絶縁膜をほとんど侵食することなく上の絶縁膜だけを除去できるため、絶縁膜の厚さが成膜時の精度をほぼ保つことができ、反射防止膜の反射率を制御しやすい。

また、シリコン酸化膜を重ねて成形する場合には、下層のシリコン酸化膜の上に一時的にポリシリコン層を形成することでも、前述のシリコン窒化膜９ａを成形するのと同様の手順で受光素子２および３にそれぞれ厚さの異なるシリコン酸化膜を形成することができる。

また、前記ポリシリコン膜は回路内蔵受光素子のＭＯＳトランジスタのポリシリコンゲートや、ＮＰＮまたはＰＮＰトランジスタのエミッタ用ポリシリコン、ポリシリコン抵抗、窒化膜キャパシタのポリシリコン電極等と同時に成形することで製造工程を簡素化でき、安価に半導体装置を製造できる。

また、上記ポリシリコン膜はシリコン窒化膜でも同様に機能し、受光素子によって異なる厚みのシリコン酸化膜を形成することができ、逆に２層のシリコン窒化膜の間にシリコン酸化膜を一時的に形成しても、受光素子によって厚みの異なるシリコン窒化膜を形成することができる。

また、図４は、本発明の第３実施形態である半導体装置１ｂを示す。半導体装置１ｂは、波長４０５ｎｍの光源からの信号を受光する第１受光部２と、波長６５０ｎｍの光源からの信号を受光する第２受光部３とを有する。第１受光部２および第２受光部３は、Ｐ型基板４上の拡散深さの異なるＮ型拡散層１２およびＮ型拡散層１３によって、それぞれにフォトダイオードが形成されている。さらに、第１受光部２および第２受光部３は、シリコン酸化膜８とシリコン窒化膜９の２層構造の反射防止膜を有している。

半導体装置１ｂの構造は、先ず、拡散が深い第２受光部３のＮ型拡散層１３をフォトリソグラフィとイオン注入で形成し、比較的多い熱処理を加えて１．０〜２．０μｍ程度の深さまで拡散させておく。次に、拡散が浅い第１受光部２のＮ型拡散層１２をフォトリソグラフィとイオン注入で形成し、比較的少ない熱処理を加えて０．２μｍ程度の深さまで拡散させて形成することで実現される。

ここで、波長４０５ｎｍの光線の半導体への侵入深さは約０．３μｍであるため、上記第２受光部３のような１μｍ以上の拡散深さでは、キャリアの発生する個所の不純物濃度が高濃度のため、光キャリアが消失し光感度の低下につながる。一方、波長の６５０ｎｍの光線の侵入深さは約３μｍであるため、上記受光部１のような０．２μｍの拡散深さでは、光電変換を行うＰＮ接合位置が浅く逆バイアスで広がる空乏層端が浅くなり、空乏層外で発生する光キャリアの拡散電流成分が増加し、周波数応答速度が低下する。しかし、半導体装置１ａでは、それぞれの波長の光源に対する光の侵入長に対して、Ｎ型不純物拡散層１２，１３の深さは最適であり、上記のような光感度低下や、周波数応答速度の低下が起こらない。

また、上記Ｎ型不純物拡散層１２，１３に拡散する不純物については、浅い不純物拡散１２には拡散係数の低いヒ素、深い不純物拡散１３には拡散係数の高いリンを注入することで１回の熱処理でも上記のような拡散深さを形成することができる。

また、上記Ｎ型不純物拡散層１２，１３を形成する工程は、同じ半導体装置に形成される回路素子を形成する工程と同一の工程で行うことができる。半導体装置１ａでは、浅い不純物拡散層１２にはＮＰＮトランジスタのエミッタ拡散層、深い不純物拡散層１３にはＮＰＮトランジスタのコレクタ補償拡散層とともに形成してもよい。これにより工程が簡素化でき、安価に製造できる。

図５は本発明の第４実施形態である半導体装置１ｃを示す。半導体装置１ｃは、第１実施形態の半導体装置１の反射防止膜の構造と、第２実施形態の半導体装置１ｂのＮ型拡散層によるフォトダイオードの構造を併せ持つものである。半導体装置１ｃは、Ｐ型半導体基板４の上に、第１受光部２には厚さ１０ｎｍのシリコン酸化膜８、厚さ４０ｎｍのシリコン窒化膜９、厚さ７０ｎｍのシリコン酸化膜１０および厚さの７０ｎｍのシリコン窒化膜１１の４相構造の反射防止膜を形成すると同時に、第２受光部３には厚さ１０ｎｍのシリコン酸化膜８および厚さ４０ｎｍのシリコン窒化膜９からなる２層構造の反射防止膜を形成する。更に、この反射防止膜の上から、第１受光部２と第２受光部３を開口したパターンでフォトリソグラフィを行い、リンを高エネルギーでイオン注入することでＮ型不純物拡散層１２およびＮ型不純物拡散層１３を形成する。

第１受光部２の反射防止膜の絶縁膜の厚さの合計は、第２受光部３の反射防止膜の絶縁膜の厚さの合計の３倍以上有るため、図６ａに示すように、第１受光部２のイオン注入を行ったリンの大半は絶縁膜の中に留まり、Ｐ型半導体基板４の中に注入されるリンの量は少なくなる。一方、図６ｂに示すように、第２受光部３の反射防止膜は薄いため、イオン注入を行ったリンの大半はＰ型半導体基板４の中に注入される。

その後の熱処理により拡散しＰ型半導体基板４の中に広がる領域は、注入されたリンの量に応じて決まるため、前述のように厚さ０．３μｍのＮ型不純物拡散層１２と厚さ１．０μｍのＮ型不純物拡散層１３を同時に形成できる。これにより受光素子ごとにパターンニングを行う必要も無く、イオン注入も一度で２種類の拡散深さを形成できるため処理工程を簡素化でき、安価に半導体装置を製造できる。

図７は本発明の第５実施形態である半導体装置１ｄを示す。半導体装置１ｄは、第１受光部２で波長６５０ｎｍの光を受光し、第２受光部３で波長７８０ｎｍの光を受光する。この半導体装置１ｄは、Ｐ型半導体基板４の上にＮ型エピタキシャル層５を有し、Ｐ型埋め込み分離拡散層６およびＰ型上部分離拡散層７により第１受光部２および第２受光部３が分離・分割されており、シリコン酸化膜８およびシリコン窒化膜９からなる反射防止膜を有している。更に、半導体装置１ｃは第２受光部３のフォトダイオード分割のためのＰ型埋め込み分離拡散層６の近傍に、Ｎ型埋め込み拡散層１４を有し、フォトダイオード分割のためのＰ型埋め込み分離拡散層７の上部を覆うようにＮ型拡散層１５を有している。

半導体装置１ｄの第１受光部２は、第１実施形態である半導体装置１の第２受光部３と同じであるが、半導体装置１ｄの第２受光部３は、更に長い波長７８０ｎｍの光を受光するために、入射光による光キャリアの発生位置は、Ｐ型埋め込み分離拡散散層６よりも深くなる。Ｐ型埋め込み分離拡散散層６の下部で発生した光キャリアがＰＮ接合部に至る移動経路を、Ｎ型埋め込み拡散層１４の存在により短くし、分割部での応答速度の低下を抑制している。さらに、Ｎ型拡散層１５が発生した光キャリアを吸い上げることで応答速度の向上を図っている。このように、半導体装置１ｃは波長６５０ｎｍと波長７８０ｎｍの２つの光源に対応した第１受光部２および第２受光部３を実現している。

以上のように、本発明によって半導体装置が内蔵する受光素子の光感度をそれぞれ個別に高くできることを説明してきたが、複数の受光素子の出力信号を同じ回路によって処理する半導体装置では、複数の受光素子の光感度を同程度に設定し、それぞれの受光素子からの出力信号のレベルを等しくできることも、本発明の利点である。つまり、本発明によれば、光感度が高い方の受光素子の反射防止膜の構造を故意に最適な構造から変更して反射率を高めて光感度を低下させ、または、不純物拡散濃度を変えて、それぞれの受光素子からの信号レベルを合わせることができる。これにより、それぞれの受光素子からの信号を個別の増幅回路を必要とせず、直接処理回路に入力することができる。

例えば、相対的に光感度が高い受光素子の不純物の拡散濃度を高くし、不純物拡散層の深さを故意に深くする。これによって拡散層内の光キャリアが消失しやすくなることで光感度が低下し、それぞれの受光素子の出力信号のレベルを合わせることができる。

また、共通の回路を用いて異なる拡散構造の受光素子からの信号を処理する場合、それぞれの受光素子のＰＮ接合の寄生容量が異なることにより、どちらか一方の受光素子回路が発振して不安定になる惧れが有る。そこで、受光素子の寄生容量が低い方に、寄生容量が高い方との差分だけ故意にキャパシタを接続することで、両方の寄生容量の値が同じになり、回路を安定させることが可能である。

本発明の第１実施形態である半導体装置の平面図。図１の半導体装置の断面図。図１の半導体装置製造の第１工程図。図１の半導体装置製造の第２工程図。図１の半導体装置製造の第３工程図。図１の半導体装置製造の第４工程図。図１の半導体装置製造の第５工程図。図１の半導体装置製造の第６工程図。本発明の第２実施形態である半導体装置の断面図。本発明の第３実施形態である半導体装置の断面図。本発明の第４実施形態である半導体装置の断面図。図５の半導体装置の第１受光部の注入イオン濃度を示す図。図５の半導体装置の第２受光部の注入イオン濃度を示す図。本発明の第５実施形態である半導体装置の断面図。従来の半導体装置の受光素子配置と出力経路示す平面図。

符号の説明

１，１ａ〜ｃ半導体装置
２第１受光部
３第２受光部
４Ｐ型半導体基板
５Ｎ型エピタキシャル層
６Ｐ型埋め込み分離拡散層
７Ｐ型上部分離拡散層
８絶縁膜（シリコン酸化膜）
９絶縁膜（シリコン窒化膜）
１０絶縁膜（シリコン酸化膜）
１１絶縁膜（シリコン窒化膜）
１２Ｎ型拡散層
１３Ｎ型拡散層
１４Ｎ型埋め込み拡散層
１５Ｎ型拡散層

Claims

それぞれに波長の異なる光を受けるための２以上の受光素子を内蔵する半導体装置であって、
前記受光素子は、それぞれに異なる構造の絶縁膜からなる反射防止膜を有することを特徴とする半導体装置。
前記受光素子のうち、第１受光素子の反射防止膜は、多層構造の絶縁膜からなり、
他の受光素子の反射防止膜は、前記第１受光素子の反射防止膜から１または２以上の絶縁膜をなくした層構造の絶縁膜からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記受光素子のうち、第１受光素子の反射防止膜は、多層構造の絶縁膜からなり、
他の受光素子の反射防止膜は、前記第１受光素子の反射防止膜から１または２以上の絶縁膜をなくし、さらに、前記第１受光素子の反射防止膜にない１または２以上の絶縁膜を有する層構造の絶縁膜からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記受光素子のうち、第１受光素子の反射防止膜の絶縁膜は、他の受光素子の反射防止膜の構造上相応する絶縁膜と異なる厚みを有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
前記受光素子のそれぞれに受光すべき波長の光に対する光感度が高いほど前記反射防止膜の反射率を高くし、前記受光素子のそれぞれの反射防止膜を含めた光感度をほぼ等しくしたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
前記受光素子は、それぞれに異なる不純物拡散構造を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置。
前記不純物拡散構造は、第１受光素子および他の受光素子の第１導電型半導体層表面にそれぞれ設けた第２導電型拡散層を有し、前記第２導電型拡散層は、受光素子によって深さが異なることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
前記第２導電型拡散層は、受光素子によって拡散係数の異なる不純物により形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
前記第２導電型拡散層は、受光素子によって不純物の濃度が異なることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置。
前記第２導電型拡散層は、前記反射防止膜表面から直下の前記第１導電型半導体層の内部に達することを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の半導体装置。
前記受光素子は、キャパシタが接続され、すべての前記受光素子の寄生容量値がほぼ等しいことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の半導体装置。
それぞれに波長の異なる光を受けるための２以上の受光素子を内蔵する半導体装置であって、
前記受光素子は、それぞれに異なる不純物拡散構造を有することを特徴とする半導体装置。
前記不純物拡散構造は、第１受光素子および他の受光素子の第１導電型半導体層表面にそれぞれ設けた第２導電型拡散層を有し、前記第２導電型拡散層は、受光素子によって深さが異なることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
前記第２導電型拡散層は、受光素子によって拡散係数の異なる不純物により形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
前記第２導電型拡散層は、受光素子によって不純物の濃度が異なることを特徴とする請求項１３または１４に記載の半導体装置。
前記受光素子のそれぞれに受光すべき波長の光に対する光感度が高いほど前記第２導電型拡散層の不純物濃度を高くし、前記受光素子のそれぞれの反射防止膜を含めた光感度をほぼ等しくしたことを特徴とする請求項１３から１５のいずれかに記載の半導体装置。
前記受光素子は、キャパシタが接続され、すべての前記受光素子の寄生容量値がほぼ等しいことを特徴とする請求項１２から１６のいずれかに記載の半導体装置。
それぞれに波長の異なる光を受けるための２以上の受光素子を内蔵する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置表面にエッチングに対する選択性の異なる２以上の絶縁膜を交互に形成し、
前記絶縁膜を交互に形成する間に、いずれかの前記受光素子の絶縁膜をエッチングにより除去することで、前記受光素子それぞれに異なる層構造の絶縁膜からなる反射防止膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記選択性の異なる２以上の絶縁膜は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜を含み、
前記シリコン窒化膜の直上の前記シリコン酸化膜に対してフッ酸を含む溶液でエッチングし、
前記シリコン酸化膜の直上の前記シリコン窒化膜に対してプラズマエッチングすることを特徴とする請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン酸化膜の上にポリシリコン層を形成し、
いずれかの前記受光素子の前記ポリシリコン層をエッチングにより除去し、
その上にさらにシリコン酸化膜を形成し、
次いで、前記ポリシリコン層をエッチングにより除去した受光素子をマスキングして、前記ポリシリコン層上のシリコン酸化膜をエッチングにより除去し、
さらに、エッチングにより前記ポリシリコン層を除去することを特徴とする請求項１９に記載の半導体装置の製造方法。
前記ポリシリコン層を形成すると同時に、前記半導体装置内にＭＯＳのポリシリコンゲート、バイポーラトランジスタのポリシリコンエミッタ、ポリシリコン抵抗および／またはキャパシタの電極用のポリシリコン層を形成することを特徴とする請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン窒化膜を形成すると同時に、前記半導体装置に窒化膜キャパシタを形成することを特徴とする請求項１９から２１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
それぞれに波長の異なる光を受けるための２以上の受光素子を内蔵する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置表面に絶縁膜を形成し、
いずれかの前記受光素子を開口したマスキングを施し、
前記受光素子の前記絶縁膜をエッチングにより薄くすることで、前記受光素子により異なる厚みを有する絶縁膜を形成する工程を有し、
前記絶縁膜をエッチングにより薄くする工程は、その都度、条件設定のために、試料を実際に使用するエッチング溶液でエッチングし、該試料の絶縁膜の厚さをエッチング前後で実測し、本製造のエッチング時間を定めることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記薄くする絶縁膜がシリコン酸化膜であるときはフッ酸濃度が５％以下の溶液でエッチングし、前記薄くする絶縁膜がシリコン窒化膜であるときはフッ酸濃度が１０％以下の溶液でエッチングすることを特徴とする請求項２３に記載の半導体装置の製造方法。
前記受光素子部の不純物拡散を行うと同時に、前記半導体装置にトランジスタ素子を形成するための不純物拡散を行うことを特徴とする請求項１８から２４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記受光素子に形成した絶縁膜の上からイオン注入を行うことを特徴とする請求項１８から２５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
上記請求項１から１７のいずれかに記載の半導体装置および／または請求項１８から２６のいずれかに記載の方法で製造した半導体装置を備える光ピックアップ装置。