JP2006332104A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ４分割光検出器において、素子分離構造の形成工程が複雑である。
【解決手段】 区画毎のＰＩＮフォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）の共通のアノードとなるＰ-sub層８０の上に、ＰＩＮ−ＰＤのｉ層となる高比抵抗のエピタキシャル層８２を成長させる。区画６２境界に、基板表面からのイオン注入によって、ｐ^＋領域である分離領域６４を形成する。各区画毎に形成したカソード領域６６と、Ｐ-sub層８０とを逆バイアスしてＰＩＮ−ＰＤを機能させる際、分離領域６４はＰ-sub層８０と共に接地電位とされアノードとなる。その結果、分離領域６４とＰ-sub層８０とに挟まれた位置のエピタキシャル層８２には、電子に対する電位障壁が形成される。これにより、各区画にて光の吸収で発生した電子が隣接する区画へ移動することが防止され、素子分離が実現される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＰＩＮ（p-intrinsic-n）フォトダイオードからなる受光部であって、当該受光部がそれぞれ別個に受光信号を出力可能な複数区画に分割された半導体装置に関する。

近年、情報記録媒体として、ＣＤ（Compact Disk）やＤＶＤ（Digital Versatile Disk）といった光ディスクが大きな位置を占めるようになってきた。これら光ディスクの再生装置は、光ディスクのトラックに沿って照射したレーザ光の反射光強度の変化に基づいて、記録データを再生する。

図５は、このレーザ光の照射及び反射光の検知を行う光ピックアップ機構の模式図である。レーザ光源として、小型低消費電力の半導体レーザ素子２が用いられ、半導体レーザ素子２から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ４、対物レンズ６により光ディスク８の表面にフォーカスされる。フォーカスされたレーザ光は、光ディスク８のトラックに沿って照射され、光ディスク８はトラックに沿って記録されたデータに応じて、光ピックアップ機構へ向けた反射光量を変化させる。

光路上に設けられた偏光ビームスプリッタ１０は、入射光のうち縦偏光成分（ｐ波）だけを透過する。光ディスク８からの反射光はλ／４板１２を透過後において、照射時の当該λ／４板１２での回転と合わせて偏光面が９０°回転しており、偏光ビームスプリッタ１０に横偏光成分（ｓ波）として入射する。偏光ビームスプリッタ１０は、回転した偏光面に応じて反射光を照射光とは異なる方向へ反射する。この偏光ビームスプリッタ１０により照射光から分離された反射光は集束レンズ１４及びシリンドリカルレンズ１６を経由して光検出器１８に入射する。

光ディスク再生装置は、反射光に基づいてデータを検出する一方、光ピックアップ機構と光ディスク８との位置関係をサーボ制御する。具体的には、レーザ光をトラックの中心線に沿って照射するためのトラッキングサーボ及び、光ディスク８と光ピックアップ機構との距離を一定に保つフォーカスサーボが行われる。このようなサーボ制御のための情報を得るために、光検出器１８として反射光像を複数区画に分割して受光するものが用いられる。また、シリンドリカルレンズ１６は、フォーカスサーボ制御を行うために設けられている。

ちなみに、フォーカスサーボ制御は、光検出器１８の出力信号に基づきアクチュエータで光ピックアップ機構の位置を可変制御し、光ディスク８との距離を一定に保つ。これにより、光ディスク８の表面での照射光のフォーカスのずれに応じた反射光量の変動が抑制され、データに応じた受光信号に重畳されるノイズが抑制される。

図６は、光検出器１８の受光部及び、当該受光部上での反射光像を示す模式図である。非点収差法の原理により、シリンドリカルレンズ１６を通過した反射光の像は、光ディスク８と対物レンズ６との距離ｄに応じて、直交する２方向（図５において紙面上下方向と紙面垂直方向）の寸法比率が変化する。具体的には、距離ｄが目標値である場合に、図６（ｂ）に示すように、反射光像が真円３０となるように設定される。例えば、距離ｄが、オーバーである場合には図６（ａ）に示すように、反射光像は縦長の楕円３２となり、一方、アンダーである場合には図６（ｃ）に示すように、反射光像は横長の楕円３４となる。

光検出器子１８は２×２の４つの区画３６に分割された受光部を有し、各区画はそれぞれ受光信号を出力する受光素子を構成する。光検出器１８は、受光素子の２×２の正方配列の対角方向が縦長楕円３２及び横長楕円３４それぞれの軸に一致するように配置される。このように配置することで、図６において垂直方向の対角線上に並ぶ２受光素子の出力信号の和と水平方向の対角線上に並ぶ２受光素子の出力信号の和との差に基づき、各反射光像の形状を判別し、距離ｄの制御に用いることができる。

光ディスクから読み出されるデータレートは非常に高いため、光検出器１８は、応答速度の速いＰＩＮフォトダイオードを用いた半導体素子で構成されている。図７は、従来の光検出器１８の模式的な断面図である。この図は、隣り合う２つの受光素子を通り半導体基板に垂直な断面図を表している。この半導体素子は、ｐ型半導体基板４０の表面にアノード領域４２となるｐ^＋領域を形成され、その上に不純物濃度が低く高比抵抗であるｉ層４４がエピタキシャル成長により形成される。ｉ層４４には、受光素子の境界に対応する位置にｐ^＋領域からなり、アノード領域４２に連続する分離領域４６が形成される。またｉ層４４の表面にはカソード領域４８となるｎ^＋領域が形成される。

これらアノード領域４２、ｉ層４４、及びカソード領域４８が光検出器１８の受光素子となるＰＩＮフォトダイオードを構成する。このＰＩＮフォトダイオードは、アノード領域４２とカソード領域４８とがそれぞれ電圧端子に接続され、それらの間に逆バイアス電圧が印加される。逆バイアス状態にてｉ層４４には空乏層が形成され、空乏層内にて入射光の吸収により発生する電子が、空乏層内の電界でカソード領域４８へ移動し、受光信号として出力される。ここで、分離領域４６は、上述したように、ｉ層４４の表面からアノード領域４２まで達する。これにより、ｉ層４４は受光素子毎に分断され、受光素子間のクロストークが防止される。

ｉ層４４の厚さは、検出する光の半導体内での吸収長程度以上に設定される。例えば、ＣＤやＤＶＤに用いられている７８０ｎｍ帯や６５０ｎｍ帯の光に対するシリコンの吸収長は１０〜２０μｍ程度である。ここで、分離領域４６のｐ^＋層はイオン注入後、熱拡散により深さ方向に押し込んで形成されるが、熱拡散では深さ方向と共に水平方向にも領域が拡大する。そこで、ｉ層４４が比較的厚い場合に、幅が抑制された分離領域４６を形成するために、ｉ層４４を複数回のエピタキシャル成長に分けて形成し、各回のエピタキシャル層４８を形成する毎に、その表面からイオン注入と熱拡散を行って、当該エピタキシャル層４８の下面まで到達する分離領域５２を形成することが行われる。このようにしてエピタキシャル層４８と共に分離領域５２を積み重ねることによって、幅を抑制しつつ深さ方向に伸びる分離領域４６が形成される。
特開平１０−１０７２４３号公報 特開２００１−６０７１３号公報

従来の光検出器１８を構成する半導体素子では、１０〜２０μｍといった比較的厚いｉ層を形成する場合に、エピタキシャル層５０及び分離領域５２の形成を複数繰り返す。そのため、製造コストが高くなるという問題があった。また、分離領域４６とｉ層４４との接合面積の分、アノードとカソードとの端子間容量が増加し、ＰＩＮフォトダイオードの特長である高速応答性が損なわれるという問題もあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、製造コストの低減が可能であり、また光ディスク等からの光信号を検出する分割光検出器として好適な性能を有した半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、複数区画に分割された受光部を半導体基板の主面に形成されたものであって、前記主面に設けられた低不純物濃度の中間半導体領域と、前記中間半導体領域の下面に接して配置され、第１電圧を印加される、前記中間半導体領域よりも高不純物濃度の第１導電型の下部半導体領域と、前記区画相互間の境界に沿って前記中間半導体領域の表面に形成され、第２電圧を印加される、前記中間半導体領域よりも高不純物濃度の前記第１導電型の境界半導体領域と、それぞれ前記中間半導体領域の表面の前記各区画に対応した位置に形成され、第３電圧を印加される、前記中間半導体領域よりも高不純物濃度の第２導電型の複数の上部半導体領域と、を有し、前記各上部半導体領域と前記下部半導体領域とが、前記第１電圧及び前記第３電圧により逆バイアス状態とされて、前記中間半導体領域に空乏層を形成し、前記境界半導体領域が、前記第２電圧に応じて、前記下部半導体領域との間に前記信号電荷の前記区画間の移動に対する電位障壁を形成する。

他の本発明に係る半導体装置は、前記下部半導体領域が、前記境界半導体領域に対向する位置に上向きに突出した凸部を有するものである。

本発明の好適な態様は、前記中間半導体領域が、前記第１導電型である半導体装置である。

別の本発明に係る半導体装置においては、前記上部半導体領域の深さが、前記境界半導体領域の深さよりも浅い。

また別の本発明に係る半導体装置は、前記境界半導体領域の表面に信号光が入射可能に構成される。

本発明の好適な態様は、前記中間半導体領域が、エピタキシャル成長層である半導体装置である。

本発明によれば、受光素子となる区画相互を分離するためにそれらの境界に設けられる境界半導体領域は、ｉ層となる中間半導体領域が完成した後に、形成されるので、製造コストが抑制される。境界半導体領域は、中間半導体領域の表面からその一部の深さまでしか達せず、区画の境界部分のうち、境界半導体領域と下部半導体領域との間には中間半導体領域が存在する。この境界部分の中間半導体領域は、境界半導体領域及び下部半導体領域の双方に上部半導体領域に対して逆バイアスとなる電圧を印加することにより、上部半導体領域に集まる信号電荷に対する電位障壁となる。これにより、区画相互間のクロストークが抑制される。また、境界半導体領域を中間半導体領域の一部の深さまでしか形成しないことにより、境界半導体領域及び下部半導体領域と上部半導体領域との間の端子間容量が抑制され、応答の高速化が図られる。さらに、境界部分の中間半導体領域も光電変換に供せられるので、変換効率が向上する。また、境界半導体領域の表面に光が入射可能に構成した場合、当該光は境界半導体領域を通過して、境界部分の中間半導体領域に入射し、光電変換され得る。すなわち、本発明に係る半導体装置は、区画の境界部分に入射する光に対しても感度を有し、境界部分での検出損失が抑制されるので、複数区画に跨る光学像が各区画それぞれに精度良く分割されて検出され得る。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
［実施形態１］

図１は、実施形態の半導体素子である光検出器の概略の平面図である。本光検出器６０はシリコンからなる半導体基板に形成され、半導体基板表面上に積層される保護膜に設けられた開口部分（図示せず）に受光部が配置される。受光部は、基板表面へ入射する光を２×２の４区画６２に分割して受光する。

各区画６２はそれらの周囲の半導体基板表面に形成される分離領域６４（境界半導体領域）により区切られる。分離領域６４は、例えば、高濃度のｐ型不純物を拡散されたｐ^＋領域として形成される。シリコン基板の受光部に対応した部分では、光の吸収により電子及び正孔が生成される。各区画６２には、ＰＩＮフォトダイオードのカソードとして、生成した電荷のうち電子を集めるカソード領域６６（上部半導体領域）が配置される。カソード領域６６は、例えば、高濃度のｎ型不純物を拡散されたｎ^＋領域として形成される。

分離領域６４及び各カソード領域６６はそれぞれコンタクトを介して、例えばアルミ（Ａｌ）層等で形成された配線に接続される。分離領域６４は、配線６８により例えば、接地電位を印加される。また、各カソード領域６６に集められた信号電荷は、配線７０を介して読み出される。

図２は、図１に示す直線Ａ−Ａ’を通り半導体基板に垂直な断面での受光部の構造を示す模式的な断面図である。本光検出器６０は、ｐ型不純物が導入されたｐ型シリコン基板であるＰ-sub層８０（下部半導体領域）の一方主面に、Ｐ-sub層８０より不純物濃度が低く高比抵抗を有する半導体層が積層された半導体基板を用いて形成される。Ｐ-sub層８０はＰＩＮフォトダイオードのアノードとなる。その上に積層される高比抵抗の半導体層は、例えばエピタキシャル成長により形成される。このエピタキシャル層８２は、ＰＩＮフォトダイオードのｉ層（中間半導体領域）を構成する。エピタキシャル層８２に導入される低濃度不純物は、例えばｐ型不純物である。エピタキシャル層８２の表面には、上述の分離領域６４及びカソード領域６６が形成される。

ここで、エピタキシャル層８２が積層されたシリコン基板は、半導体基板メーカから提供されており、これを用いて本光検出器６０を製造することが可能である。分離領域６４及びカソード領域６６への不純物の導入はそれぞれ、このエピタキシャル層８２を形成されたシリコン基板の表面にフォトリソグラフィ技術で形成されたマスクを形成し、このマスクを用いてイオン注入を対象領域へ選択的に行うことにより実現される。

基板の分離領域６４、カソード領域６６を形成する位置にそれぞれイオン注入により導入された不純物は、さらに必要に応じて熱拡散工程を行って、基板深さ方向に押し込まれる。その押し込み量は、分離領域６４、カソード領域６６それぞれについて別個に制御され得る。例えば、分離領域６４は、後述するように、各カソード領域６６に集められる信号電荷の区画６２間でのクロストークを抑制する機能を担っている。そこで分離領域６４の深さは、例えば、カソード領域６６に比べて深く設定され得る。一方、カソード領域６６の深さを浅くすることで、その下のｉ層に形成される空乏層が基板表面近くから広がることとなり、光電変換効率の向上が期待できる。このようにカソード領域６６を分離領域６４より浅く形成する場合には、カソード領域６６へのイオン注入に先立って、分離領域６４への不純物のイオン注入及び熱拡散を行うのが好適である。

すでに述べたように、ｉ層を構成するエピタキシャル層８２の厚さは、検出する光の半導体内での吸収長程度以上に設定される。例えば、ＣＤやＤＶＤに用いられている７８０ｎｍ帯や６５０ｎｍ帯の光に対するシリコンの吸収長は１０〜２０μｍ程度である。この厚さは分離領域６４の深さよりも大きい。すなわち、本光検出器６０の構成では、分離領域６４はＰ-sub層８０までは到達せず、分離領域６４とＰ-sub層８０との間には、高比抵抗のエピタキシャル層８２がｉ層として存在する。

上述したように、Ｐ-sub層８０はＰＩＮフォトダイオードのアノードとして用いられる。つまり、Ｐ-sub層８０は、例えば、基板裏面から接地電位を印加され、アノードとして機能する。ここで、分離領域６４は、上述したように基板表面側に設けられた配線６８により接地電位を印加され、Ｐ-sub層８０と共にアノードを構成する。

次に、本光検出器６０の動作を説明する。図３は、本光検出器６０の動作時における回路構成及び、図２に対応する素子断面でのポテンシャル分布を示す模式図である。カソード領域６６は、電圧源９０によって、接地電位とされた分離領域６４及びＰ-sub層８０に対して逆バイアス状態とされる。具体的には、各カソード領域６６からの配線（図１の配線７０）はそれぞれオペアンプ９２の一方入力端子に接続され、当該オペアンプ９２の他方端子に電圧源９０からの正電圧Ｖbが入力される。オペアンプ９２は、抵抗を介して出力端子がカソード領域６６に接続され、電流検出器を構成する。この構成により、カソード領域６６はＶbを印加され、かつカソード電流に応じた電圧がオペアンプ９２の出力端子に取り出される。

断面図にはいくつかの等電位線を点線で示している。この断面図は、ＰＩＮフォトダイオードのアノードとカソードとに逆バイアス電圧を印加したことにより、ｉ層を構成するエピタキシャル層８２に空乏層が広がっていることを示している。ポテンシャル電位はカソード領域６６に近いほど深く、すなわち高くなり、各カソード領域６６を中心として電子に対する電位井戸が形成されることとなる。分離領域６４及びＰ-sub層８０をアノードとしてカソード領域６６に対し逆バイアスとなる接地電位を印加したことにより、エピタキシャル層８２の分離領域６４とＰ-sub層８０との間の境界領域９４のポテンシャル電位は浅くなる。つまり、Ｐ-sub層８０に加えて分離領域６４をアノードとして接地電位としたことにより、分離領域６４下の境界領域９４のポテンシャル電位が浅くなる方向に引っ張られる。これにより、分離領域６４を挟んで隣り合う各区画６２に対応する電位井戸の間に、電子の移動に対する電位障壁が形成される。

例えば、図２又は図３において左側の区画６２への入射光によって、その左側のカソード領域６６-1下のｉ層で発生した電子は、当該左側の電位井戸の電界に沿ってカソード領域６６-1へは容易に移動可能であるが、右側のカソード領域６６-2へは領域９４に電位障壁が間に存在するため移動しにくい。そのため、左側の区画６２への入射光に対応する信号電荷は、専らカソード領域６６-1に集められることとなる。同様に、右側の区画６２への入射光に対応する信号電荷は、電位障壁の存在によりカソード領域６６-1へは移動しにくく、専らカソード領域６６-2に集められる。各カソード領域６６に集められた電子の量は、カソード電流としてオペアンプ９２を介して検出される。

本光検出器６０の構成では、上述のようにＰ-sub層８０に加えて分離領域６４をアノードとしたことにより、分離領域６４の下で隣接区画６２のｉ層がつながっているにも関わらず、各区画６２毎のＰＩＮフォトダイオード相互の素子分離が実現され、クロストークが抑制された受光信号が区画６２毎に得られる。

なお、素子分離の１つの従来技術として、ＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）法が知られている。その技術によれば、例えば、分離領域６４に形成したようなｐ^＋領域に選択的に、基板に食い込む厚い酸化膜を成長させる。本光検出器６０においても、当該技術を適用することができる一方で、本実施形態では当該技術を採用していない。

このように分離領域６４の上にＬＯＣＯＳ酸化膜を形成しないことにより、分離領域６４の上方からの入射光が、ＬＯＣＯＳ酸化膜で減衰されることがなくなる。ここで、本光検出器６０では、分離領域６４の下はｉ層であり空乏化され得る。そのため、減衰を抑制されて分離領域６４の上方から入射した光は、分離領域６４下のｉ層にまで到達して信号電荷を発生し得ることとなり、受光部へ入射する光に対する検出効率が向上する。

また、分離領域６４は入射光検出に対して不感領域となり得る。ここで、ＬＯＣＯＳ酸化膜を形成しないことにより、その形成工程での分離領域６４の横方向の拡散が回避される。その結果、受光部に占める分離領域６４の割合が抑制されるので、この点でも受光部へ入射する光に対する検出効率の向上が図られる。
［実施形態２］

第２の実施形態に係る光検出器６０は、基板垂直方向の断面構造に特徴があり、平面構造は、例えば、上記第１の実施形態と同様とすることができ、ここでは図１を援用する。図４は、図１に示す直線Ａ−Ａ’を通り半導体基板に垂直な断面での第２の実施形態の受光部の構造を示す模式的な断面図である。本実施形態において、上記第１の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して説明の簡略化を図る。本光検出器６０は、分離領域６４に対向する位置に、Ｐ-sub層８０から突出したｐ^＋領域である下部分離領域１００を有する。

この下部分離領域１００は、Ｐ-sub層８０に印加される電圧を受けて、Ｐ-sub層８０と共に基板側のアノードとして機能する。下部分離領域１００により、分離領域６４が構成するアノードと基板側のアノードとの距離が、区画６２の境界にて狭まり、それらの間のエピタキシャル層８２に、電子に対する電位障壁が第１の実施形態よりも好適に形成され得る。そのため、区画６２間の素子分離性能が向上する。

例えば、下部分離領域１００は、Ｐ-sub層８０にエピタキシャル層８２を一部の厚さだけ積層した段階にて、当該エピタキシャル層８２の区画６２境界に対応する位置にイオン注入等によりｐ型不純物を導入して形成される。このように下部分離領域１００を形成した後、エピタキシャル層８２の残りの厚さを成長させ、第１の実施形態と同様にして分離領域６４、カソード領域６６等の基板表面の構造を形成する。

実施形態の半導体素子である光検出器の概略の平面図である。 第１の実施形態に係る受光部の構造を示す模式的な垂直断面図である。 光検出器の動作時における回路構成及び、垂直断面でのポテンシャル分布を示す模式図である。 第２の実施形態に係る受光部の構造を示す模式的な垂直断面図である。 レーザ光の照射及び反射光の検知を行う光ピックアップ機構の模式図である。 光検出器の受光部及び、当該受光部上での反射光像を示す模式図である。 従来の光検出器の模式的な垂直断面図である。

符号の説明

２ 半導体レーザ素子、８ 光ディスク、１０ 偏光ビームスプリッタ、１６ シリンドリカルレンズ、１８，６０ 光検出器、６２ 区画、６４ 分離領域、６６ カソード領域、６８，７０ 配線、８０ Ｐ-sub層、８２ エピタキシャル層、１００ 下部分離領域。

Claims (6)

1. 複数区画に分割された受光部を半導体基板の主面に形成された半導体装置であって、
   前記主面に設けられた低不純物濃度の中間半導体領域と、
   前記中間半導体領域の下面に接して配置され、第１電圧を印加される、前記中間半導体領域よりも高不純物濃度の第１導電型の下部半導体領域と、
   前記区画相互間の境界に沿って前記中間半導体領域の表面に形成され、第２電圧を印加される、前記中間半導体領域よりも高不純物濃度の前記第１導電型の境界半導体領域と、
   それぞれ前記中間半導体領域の表面の前記各区画に対応した位置に形成され、第３電圧を印加される、前記中間半導体領域よりも高不純物濃度の第２導電型の複数の上部半導体領域と、
   を有し、
   前記各上部半導体領域と前記下部半導体領域とは、前記第１電圧及び前記第３電圧により逆バイアス状態とされて、前記中間半導体領域に空乏層を形成し、
   前記境界半導体領域は、前記第２電圧に応じて、前記下部半導体領域との間に前記信号電荷の前記区画間の移動に対する電位障壁を形成すること、
   を特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記下部半導体領域は、前記境界半導体領域に対向する位置に上向きに突出した凸部を有すること、を特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、
   前記中間半導体領域は、前記第１導電型であること、を特徴とする半導体装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置において、
   前記上部半導体領域の深さは、前記境界半導体領域の深さよりも浅いこと、を特徴とする半導体装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の半導体装置において、
   前記境界半導体領域の表面に信号光が入射可能に構成されること、を特徴とする半導体装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置において、
   前記中間半導体領域は、エピタキシャル成長層であること、を特徴とする半導体装置。
   

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