JP2005150723A - フォトダイオード及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】フォトダイオード及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板に第1導電型埋没層105、第1導電型第1エピタキシャル層110、及び第2導電型第2エピタキシャル層115を順次形成した後、埋没層105を露出させるトレンチを形成し、かつトレンチ内に第1導電型導電性プラグ135aを形成した後、導電性プラグ135aの上面に接する第1電極155を形成し、第2エピタキシャル層115の上面に第2電極160を形成するフォトダイオードの製造方法。
【選択図】図7
【解決手段】基板に第1導電型埋没層105、第1導電型第1エピタキシャル層110、及び第2導電型第2エピタキシャル層115を順次形成した後、埋没層105を露出させるトレンチを形成し、かつトレンチ内に第1導電型導電性プラグ135aを形成した後、導電性プラグ135aの上面に接する第1電極155を形成し、第2エピタキシャル層115の上面に第2電極160を形成するフォトダイオードの製造方法。
【選択図】図7
Description
本発明は、入射光を電気信号に変換するフォトダイオード(以下、PD)に係り、より具体的には、直列抵抗が減少したPD及びその製造方法に関する。
半導体素子で光学素子として用いられるPDは、光を受けて電気信号(電流あるいは電圧)に変換する。PDを製作する方法は、PN接合を活用する方法、PIN(P型電極−真性エピタキシャル層−N+型層−P型基板)タイプ、NIP(N型電極−真性エピタキシャル層−P+型層−P型基板)タイプで製作する方法、及びAPD(Avalanche Breakdown PD)を利用する方法などがあり、最近では主にNIPやPIN構造を製作している。
NIPやPIN構造のPDは、例えばCD−ROM、CD−R/RW、DVD−ROM、DVD−R/RWなどの光ピックアップに使われ、ディスクからのデータの読出し、及び/または、ディスクへのデータの保存に用いられる。そして、NIPやPIN構造のPDは、サーボに信号を伝達するインタフェースの役割もする。
図1は、従来技術を利用したNIP構造のPDを示す。図1に示したPDは普通次のような方法で製造される。まず、P型基板1にP+型埋没層2を形成する工程を進行した後、P−型エピタキシャル層3を形成する。次に、P+型第1分離拡散領域4を形成する。そして、N型エピタキシャル層7を形成した後、第1分離拡散領域4と重畳するようにP+型第2分離拡散領域8を形成する。ここで、第1及び第2分離拡散領域4,8の形成工程はイオン注入及び熱拡散工程からなる。続いて、カソード抵抗を減少させるためにN+型層13を形成する。分割PDを形成するためのP+型層8’を形成した後、カソード14とアノード15を形成する。
PDの性能は光効率と周波数特性で評価でき、このような性能を向上させるための研究及び開発が進められている。例えば、特許文献1は従来のPDでPINダイオードとバイポーラトランジスタを同一ICチップ上に具現する場合に、遮断周波数特性が悪くなる問題点を改善するための技術を開示している。ところが、一般的にPDの製作に必要な主要工程であるイオン注入や熱拡散技術の制限要素によって、性能向上に符合する特性の確保に限界がある。
一つの例として、PDの性能向上が要求されるにつれて、周波数特性を決定する直列抵抗を最小化する必要がある。図1で、直列抵抗は埋没層2と第1及び第2分離拡散領域4,8との直列抵抗で決定される。直列抵抗を減少させるため、従来は、第1分離拡散領域4と第2分離拡散領域8とは、深い接合あるいは浅い接合を形成している。しかし、イオン注入や熱拡散技術を利用して抵抗を減少させることは限界に到達しており、PD性能の向上に影響を及ぼす。
例えば、高ドーズ量のイオン注入を適用する場合、下部に不純物を拡散させるためには十分な熱拡散工程が必要となるので、それにより水平方向に面積が増える短所がある。また、高エネルギーで高ドーズ量のイオン注入を適用する場合、下部に不純物をドーピングするのが難しくて抵抗減少に限界があるだけでなく、高エネルギーの適用による水平方向への拡散も避けられないので、やはり面積の側面で不利な結果をもたらす。
大韓民国特許出願公開第2002−043842号明細書
本発明が解決しようとする技術的課題は、電極端子(アノード及び/またはカソード)の形成時に引き起こされる抵抗問題を改善することによって、PDの周波数特性を改善できるPD製造方法を提供するところにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、直列抵抗が減少されたPDを提供するところにある。
前記技術的課題を達成するための本発明によるPD製造方法では、基板に第1導電型埋没層、第1導電型第1エピタキシャル層、及び第2導電型第2エピタキシャル層を順次形成した後、前記第2及び第1エピタキシャル層をエッチングして前記埋没層を露出させるトレンチを形成する。前記トレンチ内に第1導電型導電性プラグを形成した後、前記導電性プラグの上面に接する第1電極を形成する。前記第2エピタキシャル層の上面に第2電極を形成する。
前記導電性プラグを形成する段階は、前記トレンチを完全に埋め込む導電層を形成した後、前記第2エピタキシャル層が露出されるように前記導電層に対してエッチバックを実施する段階を含むことが望ましい。ここで、前記導電層はBSG(Boro−Silicate−Glass:ホウ珪酸ガラス)やPSG(Phosphor−Silicate−Glass:リン珪酸ガラス)またはN+/P+型ドープトポリシリコン(ドープされたポリシリコン)を利用することが望ましい。この時、前記導電層のドーパント濃度は1×1020ないし1×1021 イオン/cm3程度に高くできる。
前記他の技術的課題を達成するための本発明によるPDは、基板上に順次形成された第1導電型埋没層、第1導電型第1エピタキシャル層、及び第2導電型第2エピタキシャル層を含む。前記第2及び第1エピタキシャル層を貫通して前記埋没層に接するように埋め込まれた第1導電型導電性プラグが形成されている。前記導電性プラグの上面には第1電極が、前記第2エピタキシャル層の上面には第2電極が形成されている。
本発明によるPDは、前記導電性プラグを取り囲む熱酸化膜をさらに含みうる。前記導電性プラグは上面が平坦なものでもあり、前記第2電極と前記第2エピタキシャル層間には第2導電型高濃度注入層がさらに含まれうる。そして、前記第2導電型高濃度注入層は複数形成され、前記複数の第2導電型高濃度注入層を隔てる第1導電型高濃度注入層をさらに含みうる。
本発明ではエピタキシャル層に導電層を埋め込んで導電性プラグを形成した後、アノード(NIP構造の場合)またはカソード(PIN構造の場合)端子に連結する。導電層としては抵抗減少効果が十分な程度でドーピングできるドープトポリシリコン、またはBSG、PSGのような伝導性酸化膜を用いる。その結果、導電性プラグの抵抗を十分に減少させられるので、電極端子との直列抵抗を減少させられる。したがって、PDの周波数特性を向上させられる。
そして、イオン注入及び接合拡散工程が省かれるので、既存工程で熱拡散時に接合領域が拡大されて高集積化を阻害した要因が除去され、高集積化に有利に適用しうる。したがって、必要とする素子の性能は維持/向上しつつも素子のパッキング密度(記録密度)を増加させられる。
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を説明する。しかし、本発明の実施の形態は様々な他の形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施の形態によって限定されるものであると解釈されてはならない。本発明の実施の形態は当業者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面での要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されたものであり、図面上の同じ符号で表示された要素は同じ要素を意味する。
本発明の実施の形態ではNIP構造のPDを製造する場合について説明する。そして、本発明の実施の形態ではアノードが共通されるアノードコモンタイプの分割PDについて説明する。しかし、本発明の実施の形態により、当業者であれば本発明の詳細な説明で説明する導電型と逆の導電型を導入してPIN構造のPDを実施できる。そして、本発明の方法によって製造したPDを含む基板上にPDからの電気信号を処理するための集積回路をさらに集積して光ピックアップ素子を製造することもできる。
図2ないし図7は本発明の一実施の形態によるPDの製造方法を工程順に従って示した断面図である。
まず、図2に示したように、単結晶シリコン基板のようなP型基板100を準備してその全面にP+型埋没層105を形成する。その次に、埋没層105上にP−型第1エピタキシャル層110を形成する。埋没層105はボロン(B)のような不純物を1×1019 イオン/cm3程度に高濃度イオン注入した後、熱拡散(ドライブ−イン)作業を行って形成しうる。第1エピタキシャル層110の厚さ及び比抵抗は、PD性能の確保において重要な因子として作用する。この点を考慮して、例えば、第1エピタキシャル層110の厚さはおよそ8〜12μmに成長させ、比抵抗は約100〜200Ω・cm程度に進める。また、第1エピタキシャル層110工程の進行時には、埋没層105からの外拡散を最小化するための工程条件で進める。その次に、第1エピタキシャル層110上にN型第2エピタキシャル層115を形成する。
次に図3に示したように、素子分離膜120を形成して活性領域を定義する。素子分離膜120は、通常的なLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)またはSTI(Shallow Trench Isolation)が用いられる。次に、第2エピタキシャル層115及び第1エピタキシャル層110をエッチングして埋没層105を露出させるトレンチ125を形成する。トレンチ125を形成する段階は次のようである。例えば、第2エピタキシャル層115上に薄いパッド酸化膜及びパッド窒化膜を形成した後、これらをパターニングしてトレンチを形成する部位に開口部を作る。次に、パターニングされたパッド酸化膜及びパッド窒化膜をマスクとして使用し、第2及び第1エピタキシャル層115,110をエッチングすることによって数〜数十μm程度の深さのトレンチ125を形成する。第2及び第1エピタキシャル層115,110のエッチングは、Cl2(塩素)とSF6(六フッ化硫黄)を用いた反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)法で進行しうる。その次に、パッド酸化膜及びパッド窒化膜を除去する。
トレンチ125を形成した次には、エッチング時に発生した応力を弛緩させることができるように適正条件の熱処理も行える。例えば、トレンチ125の内壁に約50Å〜200Å程度の厚さの薄い熱酸化膜130を形成する方式で熱処理を行える。その次に、熱酸化膜130を除去しうる。
次に、図4を参照してトレンチ125を完全に埋め込むP+型導電層135を形成する。ここで、導電層135はアノード端子の抵抗を減少させるために形成するものであり、BSG(Boro−Silicate−Glass:ホウ珪酸ガラス)やP+型ドープトポリシリコン(ドープされたポリシリコン)で形成しうる。この時、導電層135のドーパント濃度は1×1020ないし1×1021 イオン/cm3程度にすることが望ましい。ドーパント濃度が1×1020 イオン/cm3より小さい場合、導電層135への抵抗減少効果は十分ではない。一方、ドーパント濃度が1×1021 イオン/cm3より大きい場合、導電層135は結晶性が低下し、導電層135の特性が低下する場合がある。ドープトポリシリコンの場合はLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition:減圧化学気相蒸着)法で500℃ないし700℃の温度にて蒸着し、数〜数十Ω/□程度の抵抗を持つように形成すれば十分な抵抗減少効果を得られる。この時、不純物がドーピングされていない状態で蒸着した後に不純物をイオン注入にてドーピングさせることもでき、蒸着時にインサイチュ(in−situ)にて不純物をドーピングして蒸着する事もできる。
本実施の形態での導電型と逆に、PIN構造のPDを製造する場合には埋没層の導電型がN+型である。したがって、N+型埋没層まで延長して端子(この場合にはカソード)の抵抗を減少させるために形成する導電層は、N型導電層、例えばPSG(Phosphor−Silicate−Glass:リン珪酸ガラス)またはN+型ドープトポリシリコンを用いることが望ましい。
次に図5を参照して、第2エピタキシャル層115が露出されるように導電層135に対するエッチバックを実施する。これで、トレンチ125内に埋め込まれた導電性プラグ135aが形成される。エッチバック段階では、HBr(臭化水素)、HeO2(ヘリウム酸素)、N2(窒素)、及びCF4(四フッ化メタン)ガスの混合ガスを使用しうる。そして、基板100側にバイアス電界を加えてエッチングガスの直進性をさらに大きくしうる。エッチバック段階では、例えば、導電層135と第2エピタキシャル層115とのエッチング率が異なる点を利用し、第2エピタキシャル層115をエッチバック工程のストッパとして使用しうる。あるいは、その代りに、図3を参照して説明した段階でトレンチ125の形成に使用したパッド窒化膜及びパッド酸化膜を除去せずに残し、パッド窒化膜をエッチバック工程のストッパとして使用しうる。そのような場合、パッド窒化膜及びパッド酸化膜はエッチバック後に除去する。
ここで、導電層135のドーピング濃度を調節して導電性プラグ135aの抵抗を十分に小さくできるので、導電性プラグ135aと埋没層105との直列抵抗が減少される。したがって、後続工程で導電性プラグ135aと接するように形成される端子の抵抗を小さくできて周波数特性に優れ、これに伴うPDの性能も向上させられる。また、拡散のための熱工程が必要ないので、熱的負担が少なく水平方向への拡散も防止されるので素子の高集積化に非常に有利である。
続いて図6を参照して、第2エピタキシャル層115内にカソード抵抗を減少させるための複数のN+型注入層140を形成する。N+型注入層140は可能な限り浅い接合を有する構造で形成することが性能向上に重要である。次いで、分割PD形成のために複数のN+型注入層140を隔てるP+型注入層145を形成する。第2エピタキシャル層115上に層間絶縁膜(Inter Layer Dielectric:ILD)150を形成した後、導電性プラグ135aの上面に接するアノード155を形成し、N+型注入層140と接するカソード160を形成する。
後続的には、遮光膜工程及び/または反射防止膜(Anti Reflection Coating:ARC)工程を行える。図7は、金属間絶縁膜(Inter Metal Dielectric:IMD)165を形成した後に、Al(アルミニウム)のような金属でなる遮光膜170を形成して受光部を定義し、受光部内の金属間絶縁膜165及び層間絶縁膜150をエッチングした後、シリコン酸化膜175及びシリコン窒化膜177の二重層でなり、前記受光部の表面に倣う(コンフォーマルな)反射防止膜180を形成した例を図示する。ここで、シリコン酸化膜175はSiH4(モノシラン)とO2(酸素)(またはN2O(亜酸化窒素))との反応を利用してプラズマ化学気相成長法(Plasma Enhanced CVD:PECVD)などの方法で蒸着する。シリコン窒化膜177の場合にもPECVDで蒸着するが、SiH4及びNH3(アンモニア)をソースガスとして、Ar(アルゴン)またはHe(ヘリウム)をキャリアガスとして用いる。反射防止膜工程はPDの光の吸収能力を左右するものであり、光の吸収率を最大化できるように膜質及び厚さを決定することが望ましい。そして、反射防止膜180はここに述べたシリコン酸化膜175、シリコン窒化膜177の代りに非晶質カーボンで形成しうる。図7で金属間絶縁膜165、遮光膜170、及び反射防止膜180の構造は一つの例にすぎず、本発明の範囲を制限しようとするものではない。
以上で詳しく説明したように、図7を参照すれば、本発明によるPDは基板100上に順次形成された第1導電型(ここではP+型)埋没層105、第1導電型(ここではP−型)第1エピタキシャル層110、及び第2導電型(ここではN型)第2エピタキシャル層115を含む。第2及び第1エピタキシャル層115,110を貫通して埋没層105に接するように導電性プラグ135aが埋め込まれている。導電性プラグ135aの上面には第1電極155(ここではアノード)が形成されており、第2エピタキシャル層115の上面には第2電極160(ここではカソード)が形成されている。導電性プラグ135aは上面が平坦である。カソード160と第2エピタキシャル層115間には複数の第2導電型高濃度注入層、すなわちN+型注入層140が形成されている。そして、複数のN+型注入層140は第1導電型高濃度注入層、すなわちP+型注入層145によって隔てられている。アノード155及びカソード160は金属間絶縁膜165によってさらに覆われており、その上には受光部を定義する遮光膜170が形成されうる。受光部内には前記受光部の表面に沿った(コンフォーマルな)反射防止膜180がさらに備えられる。
このように、本発明によれば従来イオン注入及び熱拡散技術によって埋没層に連結されるように形成した分離拡散領域の代りに、トレンチを形成した後に導電層で埋め込んで導電性プラグを形成する。導電層のドーピング濃度を十分に高めることが可能であるので、導電性プラグの抵抗を減少させられる。したがって、アノード(NIP構造の場合)またはカソード(PIN構造の場合)端子−導電性プラグ−埋没層の直列抵抗を減少させ、PDの周波数特性を向上させられる。また、イオン注入熱拡散時に接合領域が拡大されて高集積化を阻害した要因が除去されるので、高集積化に有利に適用しうる。したがって、必要とする素子の性能は維持/向上しつつも素子のパッキング密度を増加させられる。
図8及び図9は本発明の他の実施の形態によるPDの製造方法を説明するための断面図である。
まず図1ないし図5を参照して説明した段階まで行って導電性プラグ135aを形成した後、導電性プラグ135aが形成された結果物上にキャッピング膜137を形成する。導電性プラグ135aがBSGのような酸化膜で形成される場合、後続工程による酸化膜損失の可能性が高い。したがって、シリコン窒化膜のような膜質でキャッピング膜137を形成した後、コンタクト工程で開口を形成して使用するようにする。シリコン窒化膜でなるキャッピング膜137をエッチングする時にはフッ化炭素系ガスを使用する。例えば、CxFy系、CaHbFc系ガス、例えばCF4(四フッ化メタン)、CHF3(三フッ化メタン)、C2F6(六フッ化エタン)、C4F8(八フッ化シクロブタン)、CH2F2(ジフルオルメタン)、CH3F(フッ化メチル)、CH4(メタン)、C2H2(エチン)、C4F6(六フッ化ブタジエン)などのようなガスまたはこれらの混合ガスを使用しうる。キャッピング膜137を形成した後には複数のN+型注入層140及びP+型注入層145を形成する。層間絶縁膜150を形成した後、キャッピング膜137を貫通してアノード155及びカソード160を形成する。
次に、図9を参照してアノード155及びカソード160上に金属間絶縁膜165を形成した後、遮光膜170を形成して受光部を定義する。受光部内の金属間絶縁膜165及び層間絶縁膜150をエッチングした後、反射防止膜、例えばシリコン酸化膜175及びシリコン窒化膜177の二重層でなる反射防止膜180を形成する。
以上本発明を望ましい実施の形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、当業者によって様々な変形が可能である。
本発明によるPDは優れた周波数特性を有するようになってCD−ROM、CD−R/RW、DVD−ROM、DVD−R/RWなどの光ピックアップに用いられる。
100 基板、
105 埋没層、
110 第1エピタキシャル層、
115 第2エピタキシャル層、
120 素子分離膜、
135a 導電性プラグ、
140 第2導電型高濃度注入層、
145 第1導電型高濃度注入層、
150 層間絶縁膜、
155 第1電極、
160 第2電極、
165 金属間絶縁膜、
170 遮光膜、
175 シリコン酸化膜、
177 シリコン窒化膜、
180 反射防止膜。
105 埋没層、
110 第1エピタキシャル層、
115 第2エピタキシャル層、
120 素子分離膜、
135a 導電性プラグ、
140 第2導電型高濃度注入層、
145 第1導電型高濃度注入層、
150 層間絶縁膜、
155 第1電極、
160 第2電極、
165 金属間絶縁膜、
170 遮光膜、
175 シリコン酸化膜、
177 シリコン窒化膜、
180 反射防止膜。
Claims (20)
- 基板に第1導電型埋没層、第1導電型第1エピタキシャル層、及び第2導電型第2エピタキシャル層を順次形成する段階と、
前記第2及び第1エピタキシャル層をエッチングして前記埋没層を露出させるトレンチを形成する段階と、
前記トレンチ内に第1導電型導電性プラグを形成する段階と、
前記導電性プラグの上面に接する第1電極を形成する段階と、
前記第2エピタキシャル層の上面に第2電極を形成する段階と、を含むフォトダイオード製造方法。 - 前記トレンチ内壁に熱酸化膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のフォトダイオード製造方法。
- 前記導電性プラグを形成する段階は、
前記トレンチを完全に埋め込む導電層を形成する段階と、
前記第2エピタキシャル層が露出されるように前記導電層に対してエッチバックを実施する段階と、を含むことを特徴とする請求項1に記載のフォトダイオード製造方法。 - 前記導電層はホウ珪酸ガラス、リン珪酸ガラス、またはドープされたポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項3に記載のフォトダイオード製造方法。
- 前記導電層のドーパント濃度は1×1020ないし1×1021 イオン/cm3であることを特徴とする請求項3に記載のフォトダイオード製造方法。
- 前記第2電極を形成する段階は、
前記第2エピタキシャル層内に第2導電型高濃度注入層を形成する段階と、
前記第2導電型高濃度注入層に接する第2電極を形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項1に記載のフォトダイオード製造方法。 - 前記第2導電型高濃度注入層は複数形成され、
前記複数の第2導電型高濃度注入層を隔てる第1導電型高濃度注入層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載のフォトダイオード製造方法。 - 前記導電性プラグが形成された結果物上にキャッピング膜を形成する段階をさらに含み、前記第1電極及び第2電極は前記キャッピング膜を貫通して形成することを特徴とする請求項1に記載のフォトダイオード製造方法。
- 前記第1電極及び第2電極上に絶縁膜を形成する段階と、
前記絶縁膜上に遮光膜を形成して受光部を定義する段階と、
前記受光部内の前記絶縁膜をエッチングする段階と、
前記受光部の表面に倣う反射防止膜を形成する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のフォトダイオード製造方法。 - P型基板に全面P+型埋没層、P−型エピタキシャル層、及びN型エピタキシャル層を順次形成する段階と、
前記N型エピタキシャル層及びP−型エピタキシャル層をエッチングして前記埋没層を露出させるトレンチを形成する段階と、
前記トレンチ内にP+型導電性プラグを形成する段階と、
前記N型エピタキシャル層内に複数のN+型注入層を形成する段階と、
前記複数のN+型注入層を隔てるP+型注入層を形成する段階と、
前記導電性プラグの上面に接するアノードを形成する段階と、
それぞれのN+型注入層と接するカソードを形成する段階と、を含むフォトダイオード製造方法。 - 前記導電性プラグを形成する段階は、
前記トレンチを完全に埋め込むP+型導電層を形成する段階と、
前記N型エピタキシャル層が露出されるように前記P+型導電層に対してエッチバックを実施する段階と、を含むことを特徴とする請求項10に記載のフォトダイオード製造方法。 - 前記P+型導電層はホウ珪酸ガラスまたはドープされたポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項11に記載のフォトダイオード製造方法。
- 基板上に順次形成された第1導電型埋没層、第1導電型第1エピタキシャル層、及び第2導電型第2エピタキシャル層と、
前記第2及び第1エピタキシャル層を貫通して前記埋没層に接するように埋め込まれた導電性プラグと、
前記導電性プラグの上面の第1電極と、
前記第2エピタキシャル層の上面の第2電極と、を含むフォトダイオード。 - 前記導電性プラグを取り囲む熱酸化膜をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載のフォトダイオード。
- 前記導電性プラグはホウ珪酸ガラス、リン珪酸ガラスまたはドープされたポリシリコンでなることを特徴とする請求項13に記載のフォトダイオード。
- 前記導電性プラグのドーパント濃度は1×1020ないし1×1021 イオン/cm3であることを特徴とする請求項15に記載のフォトダイオード。
- 前記導電性プラグは上面が平坦であることを特徴とする請求項13に記載のフォトダイオード。
- 前記第2電極と前記第2エピタキシャル層間に第2導電型高濃度注入層をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載のフォトダイオード。
- 前記第2導電型高濃度注入層は複数あり、
前記複数の第2導電型高濃度注入層を隔てる第1導電型高濃度注入層をさらに含むことを特徴とする請求項18に記載のフォトダイオード。 - 前記第1電極及び第2電極を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成されて受光部を定義する遮光膜と、
前記受光部の表面に倣って形成された反射防止膜と、をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載のフォトダイオード。
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