JP2007095741A

JP2007095741A - 受光素子

Info

Publication number: JP2007095741A
Application number: JP2005279483A
Authority: JP
Inventors: Jun Higuchi; 潤樋口
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】短波長側、例えば４０５ｎｍにおいても高い受光感度が得られる受光素子を提供する。
【解決手段】受光部１７において、ｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃをｎ型エピタキシャル層３の内部に形成し、ｎ型エピタキシャル層３の表面からｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃの表面ｄ１２までの距離を１〜１０μｍの範囲内とし、このｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃの厚さｔ１１を０．１〜２μｍの範囲内とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、ＢＤ（Blu-ray Disk），ＤＶＤ（Digital Versatile Disk），ＣＤ（Compact Disk）等の光ディスクを記録／再生する光ディスク装置に用いられる受光素子に係り、特に短波長光に対して高い感度を有し高速応答が可能な受光素子に関するものである。

受光素子の従来例として、特許文献１に記載されている受光素子がある。
この特許文献１によれば、半導体基板の表面を含む表面近傍にｐ型拡散層を形成し、このｐ型拡散層のドーパント濃度を部分的に低くすることによって、少数キャリアの再結合を防ぐことができるため、受光素子の周波数特性が劣化することなく、短波長から長波長までの受光感度が向上するとしている。
特開平９−２３７９１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている受光素子は、光が吸収され光電変換される半導体基板の表面近傍部である受光部に高濃度の拡散層が存在するため、この高濃度の拡散層中で少数キャリアの再結合が発生し、これにより受光感度が低下することが問題となっている。
特に、近年、光ディスクはＣＤからＤＶＤ、ＤＶＤからＢＤへと移行し、それに伴って、用いられるレーザ光の波長も７８０ｎｍから６５０ｎｍ、６５０ｎｍから４０５ｎｍへと短波長化している。
そして、このレーザ波長が短波長であるほど、そのレーザ光は、受光素子のより表面に近い領域で吸収されるため、特許文献１に記載されている受光素子では、受光波長が短波長であるほど、その受光感度は低下する。
また、受光感度の低下を防止するために高濃度の拡散層の範囲を縮小すると、受光部の内部抵抗が増加するため、高速応答性が悪化してしまう。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、短波長側、例えば４０５ｎｍにおいても高い受光感度が得られる受光素子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本願発明は次の手段を有する。
１）所定のドーパント濃度を有する第１導電型の半導体基板（１）と、前記半導体基板（１）上に積層され、前記所定のドーパント濃度よりも低いドーパント濃度を有すると共に、その表面に受光領域（１７）を有する第１導電型のエピタキシャル層（３）と、前記受光領域（１７）における前記エピタキシャル層（３）の内部に形成され、所定の厚さ（ｔ１１）を有する第２導電型の拡散層（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）と、を有し、前記受光領域（１７）において、前記エピタキシャル層（３）の表面から前記拡散層（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）の表面までの距離（ｄ１２）を１〜１０μｍの範囲内とし、前記拡散層（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）の前記所定の厚さ（ｔ１１）を０．１〜２μｍの範囲内とすることを特徴とする受光素子（５０）である。

本発明によれば、受光部において、第１導電型のエピタキシャル層の表面から第２導電型の拡散層の表面までの距離を１〜１０μｍの範囲内とし、この拡散層の厚さを０．１〜２μｍの範囲内としたので、短波長側、例えば４０５ｎｍにおいても高い受光感度が得られるという効果を奏する。

本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜図７を用いて説明する。
図１〜図６は、本発明の受光素子の実施例における第１工程〜第６工程を説明するための模式的断面図である。各図と各工程とはそれぞれ対応している。
図１〜図６中の各（ａ）は、それぞれ上面図である。図１〜３、図５、及び図６中の各（ｂ）は、各（ａ）のＡ−Ｂ部における模式的断面図である。図４中の（ｂ）及び図６中の（ｃ）は、各（ａ）のＣ−Ｄ部における模式的断面図である。

ところで、後述する所定の工程を経た半導体基板１は、受光素子５０がマトリクス状に複数形成されており、この半導体基板１を所定の間隔で分断することによって、単体の受光素子５０を得るが、図１〜図６では、説明をわかりやすくするために、工程の始めから、単体の受光素子５０の構造を示すこととした。
また、実施例として、１つの受光部１７を有する受光素子５０を例に挙げて、以下に説明する。

（実施例）
＜第１工程＞［図１参照］
半導体基板１である、高濃度ｎ＋型Ｓｉ（シリコン）基板上には、ｎ型エピタキシャル層３が積層されている。ここで、高濃度とは、１Ｅ１８ｃｍ^−３以上の濃度をいう。また、ｎ型エピタキシャル層３のドーパント濃度を、半導体基板１のドーパント濃度よりも低くなるようにする。
そして、このｎ型エピタキシャル層３を熱酸化処理することにより、ｎ型エピタキシャル層３の表面及びその表面近傍部を酸化させて酸化層４にする。
実施例では、ｎ型エピタキシャル層３の比抵抗を約４０Ω・ｃｍとし、厚さを約１０μｍとした。また、酸化層３の厚さは約０．１μｍである。
この酸化層４は、ｎ型エピタキシャル層３の表面に異物などが付着することを防止すると共に、後述するイオン注入工程においてドーパントの注入深さを均一に精度良くするために設けられる。

＜第２工程＞［図２参照］
酸化層４の表面に、フォトリソ法により、所定のレジストパターン６を形成する。
次に、酸化層４の上方からｎ型エピタキシャル層３に向かってイオン注入を行って、略櫛状に配置されてなる第１のｐ型注入層７ａ，７ｂ，７ｃを形成する。
この第１のｐ型注入層７ａ，７ｂ，７ｃは、厚さ方向において、その中心からｎ型エピタキシャル層３の表面までの距離ｄ１が約０．５３μｍであり、その厚さｔ１が約０．３６μｍである。換言すれば、第１のｐ型注入層７ａ，７ｂ，７ｃは、ｎ型エピタキシャル層２の表面からその厚さ方向において、０．３５〜０．７１μｍの範囲に形成されている。
実施例では、この第１のｐ型注入層７ａ，７ｂ，７ｃを形成するためのイオン注入条件として、ドーパントをボロン（Ｂ）とし、加速電圧を２００ｋｅＶ、ドーズ量を１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２とした。

＜第３工程＞［図３参照］
レジストパターン６を除去した後、酸化層４の表面に、フォトリソ法により、所定のレジストパターン９を形成する。
次に、酸化層４の上方からｎ型エピタキシャル層３に向かってイオン注入を行って、第２のｐ型注入層１０を形成する。
この第２のｐ型注入層１０は、ｎ型エピタキシャル層３の表面のごく近傍部に形成されている。
実施例では、この第２のｐ型注入層１０を形成するためのイオン注入条件として、ドーパントをフッ化ホウ素（ＢＦ_２）とし、加速電圧を５０ｋｅＶ、ドーズ量を２Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２とした。

＜第４工程＞［図４参照］
レジストパターン９を除去した後、酸化層４の表面に、フォトリソ法により、所定のレジストパターン１３を形成する。
次に、酸化層４の上方からｎ型エピタキシャル層３に向かってイオン注入を行って、ｎ型注入層１４を形成する。
このｎ型注入層１４は、ｎ型エピタキシャル層２の表面のごく近傍部に形成されている。
実施例では、このｎ型注入層１４を形成するためのイオン注入条件として、ドーパントをヒ素（Ａｓ）とし、加速電圧を５０ｋｅＶ、ドーズ量を２Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２とした。

＜第５工程＞［図５参照］
レジストパターン１３を除去する。
次に、受光部１７となる所定の領域において、この領域に対応する酸化層４をエッチング除去した後、この領域にＡＲ（Anti Reflection）膜（反射防止膜ともいう）１８を、例えば真空成膜法により形成する。真空成膜法とは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やプラズマＣＶＤ法などを示す。
実施例では、このＡＲ膜１８をＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜とＳｉＮ（窒化シリコン）膜との多層膜として形成した。

＜第６工程＞［図６参照］
上述のＡＲ膜１８が形成された半導体基板１を所定の温度に加熱することによって、第１のｐ型注入層７ａ，７ｂ，７ｃ中のドーパントが拡散して、第１のｐ型注入層７ａ，７ｂ，７ｃはｐ型埋め込み拡散層（ｐ型埋め込み電極という場合もある）２０ａ，２０ｂ，２０ｃとなる。（図６（ａ），（ｂ）参照）
また、この加熱によって、第２のｐ型注入層１０中のドーパントが拡散して、第２のｐ型注入層１０はｐ型表面拡散層（ｐ型表面電極という場合もある）２１となる。（図６（ａ），（ｂ）参照）
また、この加熱によって、ｎ型注入層１４中のドーパントが拡散して、ｎ型注入層１４はｎ型表面拡散層（ｎ型表面電極という場合もある）２２となる。（図６（ａ），（ｃ）参照）
この加熱によってｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃとｐ型表面拡散層２１とが接続されるように、加熱条件を設定する。
実施例では、この加熱条件として、加熱温度及び加熱時間を、約９００℃及び約３０分とした。

実施例では、ｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃの厚さｔ１１は約０．７７μｍであり、ｎ型エピタキシャル層３の表面からｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃの表面までの距離ｄ１２は約０．１５μｍである。このｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃのドーパント濃度は約１Ｅ１８ｃｍ^−３である。
また、ｎ型表面拡散層２２は、その厚さｔ１３が約０．２μｍであり、ｎ型エピタキシャル層３の表面からその厚さ方向に約０．２μｍまでの範囲に形成されている。
そして、この加熱条件により、ｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃとｐ型表面拡散層２１とが接続されていることを確認した。

次に、この半導体基板に所定の配線形成を行った後に、この半導体基板を所定の間隔で分断することによって、複数の受光素子５０を得る。

ここで、発明者は、受光素子の受光部に照射されるレーザ光の波長（受光波長ともいう）と、この受光部において光電変換される深さ（厚さ）方向の範囲との関係について着目した。
そして、発明者が鋭意実験した結果、波長が短波長であるレーザ光ほど、受光素子のより表面に近い範囲で吸収されることを見出した。
そこで、レーザ光の波長と、受光部において光電変換される領域の深さ（厚さ）との関係について、図７を用いて説明する。図７は、レーザ光の波長（受光波長）と、受光部において光電変換される領域の深さ（厚さ）との関係を説明するための模式的断面図である。
ここでは、レーザ光の波長が、ＢＤ（Blu-ray Disk）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、及びＣＤ（Compact Disk）に対応した波長である、４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、及び７８０ｎｍの３つの波長に対して光電変換される領域の深さ（厚さ）について、説明する。

まず、レーザ光の波長がこの３つの波長の中で最も短波長である４０５ｎｍの場合について説明する。
図７（ａ）に示すように、受光部１７において、ＡＲ膜１８の上方からｎ型エピタキシャル層３に向かって、波長が４０５ｎｍであるレーザ光Ｌ１を照射する。
このとき、レーザ光Ｌ１は、ｎ型エピタキシャル層３の表面からその厚さ方向に距離ｄｘまでの領域Ｐ１で吸収され、光電変換される。発明者は、鋭意実験した結果、レーザ波長が４０５ｎｍである場合、この光電変換領域Ｐ１の厚さに相当する距離ｄｘは０．１μｍであることを見出した。

また、この光電変換により生じた電気を効率よく取り出すためには、ｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃをこの光電変換領域Ｐ１の近傍に設けることが好ましい。しかし、ｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃの一部が光電変換領域Ｐ１に接して形成されると、このｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃと接している部分の光電変換領域Ｐ１で少数キャリアの再結合が発生するため、受光感度が低下するという問題がある。

従って、このｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃを、光電変換領域Ｐ１に接することなく、かつ、その近傍に設けることが望ましい。
光電変換領域Ｐ１は、ｎ型エピタキシャル層３の表面からその厚さ方向に０．１μｍ（ｄｘ＝０．１μｍ）までの範囲に形成されている。
また、ｎ型エピタキシャル層３の表面からｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃの表面までの距離が１０μｍを越えると、光電変換により生じた電気を効率よく取り出すことが困難になる。
よって、ｎ型エピタキシャル層３の表面からｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃの表面までの距離を０．１〜１０μｍの範囲内に設定することが望ましい。
そこで、実施例では、ｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃを、光電変換領域Ｐ１の近傍であり、ｎ型エピタキシャル層３の表面からその厚さ方向において０．１５〜０．９２μｍの範囲に形成した。

次に、レーザ波長が６５０ｎｍ及び７８０ｎｍの場合について説明する。
図７（ｂ）に示すように、受光部１７において、ＡＲ膜１８の上方からｎ型エピタキシャル層３に向かって、波長が６５０ｎｍまたは７８０ｎｍであるレーザ光Ｌ２またはＬ３が照射される。
このとき、レーザ光Ｌ２またはＬ３は、ｎ型エピタキシャル層３の表面からその厚さ方向に距離ｄｙまたはｄｚまでの領域Ｐ２またはＰ３で吸収され、光電変換される。発明者は、鋭意実験した結果、レーザ光の波長が６５０ｎｍまたは７８０ｎｍである場合、この光電変換領域Ｐ２またはＰ３の厚さに相当する距離ｄｙまたはｄｚは、４μｍまたは１０μｍであることを見出した。

実施例では、この光電変換領域Ｐ２またはＰ３に、ｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃの一部が存在するため、ｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃ内で少数キャリアの再結合が発生するが、発明者は、ｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃの厚さｔ１１を２μｍ以下にすることによって、受光素子５０の受光感度が低下しないことを見出した。

受光感度が低下しない理由として、受光部１７において、ｐ型埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃの厚さｔ１１に対して、光電変換領域Ｐ２またはＰ３の厚さ（距離ｄｙまたはｄｚに相当する）が十分に厚いので、少数キャリアの再結合の発生が少なかったものと考えられる。

よって、受光部において、ｐ型埋め込み拡散層をｎ型エピタキシャル層の内部に形成し、ｎ型エピタキシャル層の表面からｐ型埋め込み拡散層の表面までの距離を１〜１０μｍの範囲内とし、このｐ型埋め込み拡散層の厚さを０．１〜２μｍの範囲内とすることにより、レーザ波長（受光波長）が、ＢＤ（Blu-ray Disk）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、及びＣＤ（Compact Disk）に対応した波長である、４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、及び７８０ｎｍの３つのいずれの波長に対しても、高い受光感度を得ることができる。

本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。

例えば、実施例では、１つの受光部を有する受光素子について説明したが、これに限定されるものではなく、複数の受光部を有する受光素子や、この複数の受光部と各受光部を制御する制御部を有する受光素子であっても構わない。

また、実施例では、ｐ型埋め込み拡散層を櫛状に配置するように形成したが、これに限定されるものではなく、受光部に対応する範囲と略同面積のｐ型埋め込み拡散層を形成しても良い。但し、ｐ型埋め込み拡散層を櫛状に配置させる方がより高速応答性に優れるため、実施例のように櫛状に配置することが望ましい。

また、実施例では、半導体基板１、エピタキシャル層３、注入層１４、及び表面拡散層２２をｎ型とし、注入層７ａ，７ｂ，７ｃ，１０、埋め込み拡散層２０ａ，２０ｂ，２０ｃ、及び表面拡散層２１をｐ型としたが、これに限定されるものではなく、ｎ型とｐ型とをそれぞれ逆になるように半導体基板及び各層を形成しても良い。また、ｎ型及びｐ型の一方を第１導電型、他方を第２導電型という場合がある。

本発明の受光素子の実施例における第１工程を説明するための模式的断面図である。本発明の受光素子の実施例における第２工程を説明するための模式的断面図である。本発明の受光素子の実施例における第３工程を説明するための模式的断面図である。本発明の受光素子の実施例における第４工程を説明するための模式的断面図である。本発明の受光素子の実施例における第５工程を説明するための模式的断面図である。本発明の受光素子の実施例における第６工程を説明するための模式的断面図である。レーザ光の波長（受光波長）と、受光部において光電変換される領域の深さ（厚さ）との関係を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１半導体基板、３ｎ型エピタキシャル層、４酸化層、６，９，１３レジストパターン、７ａ，７ｂ，７ｃ，１０ｐ型注入層、１４ｎ型注入層、１７受光部、１８ＡＲ膜、２０ａ，２０ｂ，２０ｃｐ型埋め込み拡散層（電極）、２１ｐ型表面拡散層（電極）、２２ｎ型表面拡散層（電極）、５０受光素子、ｄ１，ｄ１２，ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ距離、ｔ１，ｔ１１，ｔ１３厚さ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３レーザ光、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３光電変換領域

Claims

所定のドーパント濃度を有する第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に積層され、前記所定のドーパント濃度よりも低いドーパント濃度を有すると共に、その表面に受光領域を有する第１導電型のエピタキシャル層と、
前記受光領域における前記エピタキシャル層の内部に形成され、所定の厚さを有する第２導電型の拡散層と、
を有し、
前記受光領域において、前記エピタキシャル層の表面から前記拡散層の表面までの距離を１〜１０μｍの範囲内とし、前記拡散層の前記所定の厚さを０．１〜２μｍの範囲内とすることを特徴とする受光素子。