JP2008135561A - フォトダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】分光感度特性に優れたフォトダイオードを提供する。
【解決手段】このフォトダイオード１０は、凹凸が形成された受光面２６を有し、ｐｎ接合２８を含む半導体基板１１を備え、凹凸を構成する凸部２４の頂面４０の面積の総和が、凹凸を構成する凹部４２の開口４４の面積の総和よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトダイオードに関する。

フォトダイオードの受光面は、通常平坦である（特許文献１参照）。
特開平８−３３０６２０号公報

しかしながら、上述のようなフォトダイオードの分光感度特性には未だ改善の余地がある。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、分光感度特性に優れたフォトダイオードを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明のフォトダイオードは、凹凸が形成された受光面を有し、ｐｎ接合を含む半導体基板を備え、前記凹凸を構成する凸部の頂面の面積の総和が、前記凹凸を構成する凹部の開口の面積の総和よりも小さい。受光面には、１又は複数の凹部が形成されていてもよいし、１又は複数の凸部が形成されていてもよい。

本発明によれば、詳細なメカニズムは不明であるが、分光感度特性に優れたフォトダイオードが得られる。

本発明によれば、分光感度特性に優れたフォトダイオードが提供される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るフォトダイオードを模式的に示す平面図である。図２は、図１に示されるII−II線に沿った断面図である。図１及び図２に示されるフォトダイオード１０は、例えば、フォトダイオードアレイ等の光検出器に好適に用いられる。フォトダイオード１０は、例えばＳｉ基板等の半導体基板１１を備える。半導体基板１１は、光Ｌを受光する受光面２６を有する。受光面２６には、複数の凸部２４及び複数の凹部４２によって凹凸が形成されている。複数の凸部２４は、例えば千鳥格子状に配置されている。

半導体基板１１は、ｐｎ接合２８を含む。半導体基板１１は、第１導電型（例えばｎ型）の半導体基板１２と、半導体基板１２上に設けられた第２導電型（例えばｐ型）の半導体層１４とを備える。ｎ型ドーパントとしては、例えば砒素等が挙げられる。ｐ型ドーパントとしては、例えばボロン等が挙げられる。ｐｎ接合２８は、半導体基板１２と半導体層１４との間に形成される。受光面２６からｐｎ接合２８までの距離は、受光面２６に形成された凹凸の高低差よりも小さい。ｐｎ接合２８は、受光面２６の凹凸に沿って波打っている。

半導体基板１２上には、受光面２６を取り囲むように第２導電型の半導体領域１６が形成されてもよい。半導体層１４と半導体領域１６とは電気的に接続されている。半導体領域１６の深さは、半導体層１４の深さよりも深い。半導体領域１６上には、半導体領域１６に電気的に接続された電極１８と、電極１８を挟む絶縁膜２２とが設けられていてもよい。電極１８は、例えばアルミニウムからなる。絶縁膜２２は、例えばＳｉＯ_２からなる。受光面２６上には、例えばＳｉＯ_２等の絶縁体からなる保護膜２０が設けられていることが好ましい。

凸部２４の頂面４０の面積の総和は、凹部４２の開口４４の面積の総和よりも小さい。凸部２４の頂面４０の面積の総和は、例えば以下のように算出される。円形パターンの凸部２４を作製する場合、設計時の円の直径をφ_ｃ（μｍ）、バーズビーク幅をＢ_ｃ（μｍ）とすると、１つの頂面４０の面積Ｔ_ｃ（μｍ^２）は以下のように表される。
Ｔ_ｃ＝（（φ_ｃ−２Ｂ_ｃ）／２）^２×３．１４

また、第１の方向（Ｘ方向）に沿って配列された凸部２４のピッチ幅をＧ_ｃ（μｍ）、第１の方向に直交する第２の方向（Ｙ方向）に沿って配列された凸部２４の離間距離をＳ_ｃ（μｍ）とすると、１ｍｍ^２当たりの凸部２４の数Ｎ_ｃ（個）は以下のように表される。
Ｎ_ｃ＝１０００／（φ_ｃ＋Ｓ_ｃ）×（１０００／Ｇ_ｃ）

よって、１ｍｍ^２当たりの凸部２４の頂面４０の面積の総和Ａ_Ｃ（μｍ^２）は以下のように表される。
Ａ_Ｃ＝Ｔ_ｃ×Ｎ_ｃ

この場合、１ｍｍ^２当たりの凹部４２の開口４４の面積の総和Ａ_Ｒ（μｍ^２）は以下のように表される。
Ａ_Ｒ＝１×１０^６−Ａ_Ｃ

本実施形態のフォトダイオード１０は、詳細なメカニズムは不明であるが、分光感度特性に優れている。

図３及び図４は、それぞれ、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を模式的に示す工程断面図である。以下、図３及び図４を参照してフォトダイオード１０の製造方法について説明する。

（凹凸形成工程）
まず、図３(Ａ)に示されるように、半導体基板１２ａ上に酸化膜３０及び窒化膜３２をこの順に形成する。半導体基板１２ａは半導体基板１２の母体となる。酸化膜３０は、例えば半導体基板の表面を酸化することによって形成される。酸化膜３０の厚さは、例えば５０ｎｍ程度である。酸化膜３０は、例えばＳｉＯ_２膜である。窒化膜３２の厚さは、例えば１００ｎｍ程度である。窒化膜３２は、例えばＳｉ_３Ｎ_４膜である。

次に、図３(Ｂ)に示されるように、窒化膜３２をパターニングすることによって、窒化膜３２ａを酸化膜３０上に形成する。窒化膜３２ａのパターン形状は、例えば円形である。これにより、酸化膜３０の一部が露出する。窒化膜３２ａの形成には、フォトリソグラフィー技術を用いることができる。例えば、まず、レジスト膜を窒化膜３２上に形成する。その後、窒化膜３２ａのパターン形状に対応したパターンを有するフォトマスクを介して光をレジスト膜に照射する。フォトマスクとしては、例えば、円形の光透過部又は遮光部を有するもの、矩形の光透過部及び矩形の遮光部が互いに隣接して千鳥格子状に配置されたもの等が挙げられる。レジスト膜を現像した後、窒化膜３２をエッチングすることによって、窒化膜３２ａを得ることができる。エッチングの後、レジスト膜を剥離除去する。

次に、図３(Ｃ)に示されるように、窒化膜３２ａをマスクとして酸化膜３０の表面を選択酸化することによって、半導体基板１２ｂ上に凹凸が形成された選択酸化膜３０ａを形成する。窒化膜３２ａが形成されている領域では酸化が進行せず、窒化膜３２ａが形成されていない領域が選択的に酸化される。選択酸化膜３０ａが凹凸を有することから、半導体基板１２ｂの一方の面上に、複数の窒化膜３２ａに対応する複数の凸部２４ａが形成される。なお、このような選択酸化技術を、ＬＯＣＯＳ（LocalOxidation of Silicon）という。その後、図３(Ｄ)に示されるように、窒化膜３２ａをエッチングにより除去する。さらに、図３(Ｅ)に示されるように、選択酸化膜３０ａをエッチングにより除去する。

（ｐｎ接合形成工程）
次に、図４(Ａ)に示されるように、半導体基板１２ｂの表面の外周領域２６ｂに、ｐ型ドーパント又はｎ型ドーパント等の不純物を拡散することによって、半導体領域１６を形成する。半導体領域１６の形成はイオン注入でもよい。

続いて、半導体基板１２ｃの表面を酸化して、ウエハ全体に絶縁膜２２を形成する。その後、フォトレジストを絶縁膜２２の上に塗布して、フォトリソグラフィとエッチングにより、受光面２６上の絶縁膜２２を除去する。フォトレジストを除去した後、受光面２６上に保護膜２０を形成する。図４(Ｂ)に示されるように、半導体基板１２ｃの表面の中央領域２６ａに、ｐ型ドーパント又はｎ型ドーパント等の不純物を保護膜２０を通してイオン注入することによって、半導体層１４を形成する。これにより、半導体基板１２内にｐｎ接合２８が形成される。なお、中央領域２６ａには凸部２４ａが形成されている。

（電極形成工程）
次に、図４(Ｃ)に示されるように、フォトリソグラフィとエッチングにより、半導体領域１６上の絶縁膜２２の一部を除去して、半導体領域１６上に電極１８を形成する。

上述のように、フォトダイオード１０はＭＯＳプロセスによって形成される。よって、フォトダイオード１０を例えばＣＭＯＳイメージセンサの受光部に用いることができる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係るフォトダイオードを模式的に示す平面図である。図６は、図５に示されるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。図５及び図６に示されるフォトダイオード１１０の受光面２６には、複数の凸部２４に代えて、複数の凹部１２４が形成されている。よって、受光面２６には、複数の凹部１２４及び凸部１４２によって凹凸が形成されている。複数の凹部１２４は、例えば、複数の凸部２４と同様のパターンで配置されている。複数の凹部１２４は、例えば、複数の凸部２４を形成するためのフォトマスクの光透過部のパターンと遮光部のパターンとを反転させたフォトマスクを用いることによって形成される。その他は、フォトダイオード１０の製造方法と同様の方法を用いることによって、フォトダイオード１１０を製造することができる。

凸部１４２の頂面１４４の面積の総和は、凹部１２４の開口１４０の面積の総和よりも小さい。凹部１２４の開口１４０の面積の総和は、例えば以下のように算出される。円形パターンの凹部１２４を作製する場合、設計時の円の直径をφ_Ｒ（μｍ）、バーズビーク幅をＢ_Ｒ（μｍ）とすると、１つの開口１４０の面積Ｔ_Ｒ（μｍ^２）は以下のように表される。
Ｔ_Ｒ＝（（φ_Ｒ＋２Ｂ_Ｒ）／２）^２×３．１４

また、第１の方向（Ｘ方向）に沿って配列された凹部１２４のピッチ幅をＧ_Ｒ（μｍ）、第１の方向に直交する第２の方向（Ｙ方向）に沿って配列された凹部１２４の離間距離をＳ_Ｒ（μｍ）とすると、１ｍｍ^２当たりの凹部１２４の数Ｎ_Ｒ（個）は以下のように表される。
Ｎ_Ｒ＝１０００／（φ_Ｒ＋Ｓ_Ｒ＋２Ｂ_Ｒ）×（１０００／Ｇ_Ｒ）

よって、１ｍｍ^２当たりの凹部１２４の開口１４０の面積の総和Ａ_Ｒ（μｍ^２）は以下のように表される。
Ａ_Ｒ＝Ｔ_Ｒ×Ｎ_Ｒ

この場合、１ｍｍ^２当たりの凸部１４２の頂面１４４の面積の総和Ａ_Ｃ（μｍ^２）は以下のように表される。
Ａ_Ｃ＝１×１０^６−Ａ_Ｒ

本実施形態のフォトダイオード１１０は、第１実施形態のフォトダイオード１０と同様に、分光感度特性に優れている。

図７は、フォトダイオードの受光面に形成された凹凸の寸法の具体例を示す図表である。図７(Ａ)は、タイプＡ〜Ｅのフォトダイオードの受光面の凹凸の寸法を示す。タイプＡ〜Ｅでは、凸部の頂面の面積の総和は、凹部の開口の面積の総和よりも小さい。図７(Ｂ)は、タイプＦ〜Ｊのフォトダイオードの受光面の凹凸の寸法を示す。タイプＦ〜Ｊでは、凸部の頂面の面積の総和は、凹部の開口の面積の総和よりも大きい。

図８は、波長２００ｎｍの紫外線に対するフォトダイオードの光感度の具体例を示すグラフである。グラフの縦軸は光感度を示す。グラフの横軸はフォトダイオードのタイプを示す。タイプＫは、平坦な受光面を有するフォトダイオードである。同一ウエハ上の任意の領域（ＬＥＦＴ：ウエハの左部分、ＴＯＰ：ウエハの上部分、ＣＥＮＴＥＲ：ウエハの中央部分、ＲＩＧＨＴ：ウエハの右部分、ＢＯＴＴＯＭ：ウエハの下部分）から各タイプＡ〜Ｋの受光面を持つフォトダイオードを選び出し、光感度を測定している。各タイプにおいて同一ウエハ上の５つの領域から選び出したフォトダイオードのデータであるため、各タイプを比較した場合に得られる光感度の差は、ウエハ間のばらつきやウエハ面内のばらつきではなく、明らかな有意差である。

図８から、タイプＦ〜Ｋに比べてタイプＡ〜Ｅでは、光感度が上昇していることが分かる。

図９は、フォトダイオードの出力電流値の上昇率を示す図表である。タイプＣ，Ｆ，Ｋのフォトダイオードのサンプルをそれぞれ３個ずつ用意して、１００ルクスの白色光を照射した時の出力電流値（Ａ）を測定した。さらに、３つの出力電流値（Ａ）の平均値を算出して、タイプＫに対するタイプＣ，Ｆの出力電流値の上昇率をそれぞれ算出した。

図９から、タイプＫに比べてタイプＦでは、出力電流値が上昇していることが分かる。また、タイプＦに比べてタイプＣでは、出力電流値が更に上昇していることが分かる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。

例えば、受光面２６には、凸部２４及び凹部１２４の両方が形成されていてもよい。また、凸部２４及び凹部１２４のパターン形状は、円形に限定されず、長方形であってもよい。さらに、複数の凸部２４又は複数の凹部１２４がストライプ状に配置されてもよい。また、凸部２４又は凹部１２４の数は、１つでも複数でもよい。

第１実施形態に係るフォトダイオードを模式的に示す平面図である。 図１に示されるII−II線に沿った断面図である。 第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を模式的に示す工程断面図である。 第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を模式的に示す工程断面図である。 第２実施形態に係るフォトダイオードを模式的に示す平面図である。 図５に示されるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 フォトダイオードの受光面に形成された凹凸の寸法の具体例を示す図表である。 波長２００ｎｍの紫外線に対するフォトダイオードの光感度の具体例を示すグラフである。 フォトダイオードの出力電流値の上昇率を示す図表である。

符号の説明

１０，１１０…フォトダイオード、１１…半導体基板、２４，１４２…凸部、２６…受光面、２８…ｐｎ接合、４０，１４４…凸部の頂面、４２，１２４…凹部、４４，１４０…凹部の開口。

Claims (1)

1. 凹凸が形成された受光面を有し、ｐｎ接合を含む半導体基板を備え、
   前記凹凸を構成する凸部の頂面の面積の総和が、前記凹凸を構成する凹部の開口の面積の総和よりも小さい、フォトダイオード。

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