JP2008135564A - Photodiode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトダイオードに関する。 The present invention relates to a photodiode.
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）。
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。 However, there is still room for improvement in the spectral sensitivity characteristics of the photodiode as described above.
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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a photodiode having excellent spectral sensitivity characteristics.
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、前記受光面から前記ｐｎ接合までの距離が前記凹凸の高低差よりも小さい。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。 In order to solve the above-described problems, a photodiode according to the present invention includes a semiconductor substrate including a pn junction having a light receiving surface on which unevenness is formed, and a distance from the light receiving surface to the pn junction is high or low. Smaller than the difference. One or a plurality of concave portions may be formed on the light receiving surface, or one or a plurality of convex portions may be formed.
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得られる。これは、受光面の表面積が増大すると共にｐｎ接合の面積も増大したからと考えられる。 According to the present invention, a photodiode having excellent spectral sensitivity characteristics can be obtained. This is presumably because the surface area of the light receiving surface increases and the area of the pn junction also increases.
また、前記受光面から前記ｐｎ接合までの距離が１００ｎｍ以下であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the distance from the said light-receiving surface to the said pn junction is 100 nm or less.
この場合、広範囲の波長領域において分光感度特性が向上する。よって、このフォトダイオードはフォトダイオードアレイに好適に用いられる。また、通常は光感度が低い紫外線領域の光感度を向上させることができるので、分光感度特性の向上効果が大きい。 In this case, spectral sensitivity characteristics are improved in a wide wavelength range. Therefore, this photodiode is suitably used for a photodiode array. In addition, since the photosensitivity in the ultraviolet region, which usually has low photosensitivity, can be improved, the effect of improving spectral sensitivity characteristics is great.
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。 According to the present invention, a photodiode having excellent spectral sensitivity characteristics is provided.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are used for the same or equivalent elements, and duplicate descriptions are omitted.
（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、複数の凹部２４によって凹凸が形成されている。複数の凹部２４は、例えば千鳥格子状に配置されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view schematically showing the photodiode according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II shown in FIG. The photodiode 10 shown in FIGS. 1 and 2 is preferably used for a photodetector such as a photodiode array, for example. The photodiode 10 includes a semiconductor substrate 11 such as a Si substrate. The semiconductor substrate 11 has a light receiving surface 26 that receives the light L. Irregularities are formed on the light receiving surface 26 by a plurality of concave portions 24. The plurality of recesses 24 are arranged in a staggered pattern, for example.
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。ｐｎ接合２８は、受光面２６の凹凸に沿って波打っている。 The semiconductor substrate 11 includes a pn junction 28. The semiconductor substrate 11 includes a first conductivity type (for example, n-type) semiconductor substrate 12 and a second conductivity type (for example, p-type) semiconductor layer 14 provided on the semiconductor substrate 12. An example of the n-type dopant is arsenic. Examples of the p-type dopant include boron. The pn junction 28 is formed between the semiconductor substrate 12 and the semiconductor layer 14. The pn junction 28 is wavy along the unevenness of the light receiving surface 26.
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ＳｉＯ２からなる。受光面２６上には、例えばＳｉＯ２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。 A second conductivity type semiconductor region 16 may be formed on the semiconductor substrate 12 so as to surround the light receiving surface 26. The semiconductor layer 14 and the semiconductor region 16 are electrically connected. The depth of the semiconductor region 16 is deeper than the depth of the semiconductor layer 14. On the semiconductor region 16, an electrode 18 electrically connected to the semiconductor region 16 and an insulating film 22 sandwiching the electrode 18 may be provided. The electrode 18 is made of aluminum, for example. The insulating film 22 is made of, for example, SiO 2 . A protective film 20 made of an insulator such as SiO 2 is preferably provided on the light receiving surface 26.
受光面２６からｐｎ接合２８までの距離Ｂは、受光面２６に形成された凹凸の高低差Ａよりも小さい。凹凸の高低差Ａは、凹部２４の深さに一致する。凹凸の高低差Ａは、例えば２００ｎｍである。距離Ｂは、例えば半導体層１４の厚さに一致する。距離Ｂは、０ｎｍ超１００ｎｍ以下であることが好ましい。凹凸の高低差Ａ及び距離Ｂは、例えば断面ＳＥＭを用いて測定され得る。 The distance B from the light receiving surface 26 to the pn junction 28 is smaller than the height difference A of the unevenness formed on the light receiving surface 26. The height difference A of the unevenness coincides with the depth of the recess 24. The unevenness height difference A is, for example, 200 nm. The distance B corresponds to the thickness of the semiconductor layer 14, for example. The distance B is preferably more than 0 nm and not more than 100 nm. The height difference A and the distance B of the unevenness can be measured using, for example, a cross-sectional SEM.
本実施形態のフォトダイオード１０は、分光感度特性に優れている。これは、受光面２６の表面積が増大すると共にｐｎ接合２８の面積も増大したからと考えられる。 The photodiode 10 of this embodiment is excellent in spectral sensitivity characteristics. This is presumably because the surface area of the light receiving surface 26 increased and the area of the pn junction 28 also increased.
また、距離Ｂが１００ｎｍ以下であると、広範囲（２００〜１２００ｎｍ）の波長領域においてフォトダイオード１０の分光感度特性が向上する。よって、フォトダイオード１０をフォトダイオードアレイに好適に用いることができる。また、通常は光感度が低い紫外線領域（約２７０〜約３８０ｎｍ）の光感度を向上させることができるので、分光感度特性の向上効果が大きい。 Further, when the distance B is 100 nm or less, the spectral sensitivity characteristics of the photodiode 10 are improved in a wide wavelength range (200 to 1200 nm). Therefore, the photodiode 10 can be suitably used for the photodiode array. In addition, since the photosensitivity in the ultraviolet region (about 270 to about 380 nm), which is usually low in photosensitivity, can be improved, the effect of improving spectral sensitivity characteristics is great.
また、半導体層１４がｐ型ドーパントとしてボロンを含むよりも、半導体層１４がｎ型ドーパントとして砒素を含む方が好ましい。砒素イオンはボロンイオンよりも大きいので、砒素イオンはボロンイオンよりも拡散し難い。このため、半導体層１４がｎ型ドーパントとして砒素を含むと、距離Ｂを小さくすることができる。その結果、分光感度特性が向上する。 In addition, it is preferable that the semiconductor layer 14 contains arsenic as an n-type dopant, rather than the semiconductor layer 14 contains boron as a p-type dopant. Since arsenic ions are larger than boron ions, arsenic ions are less likely to diffuse than boron ions. For this reason, when the semiconductor layer 14 contains arsenic as an n-type dopant, the distance B can be reduced. As a result, spectral sensitivity characteristics are improved.
図３は、第１実施形態に係るフォトダイオードの受光面の一例を示すＳＥＭ写真である。図４は、第１実施形態に係るフォトダイオードの斜視断面図の一例を示すＦＩＢ加工による断面ＳＥＭ写真である。図３及び図４に示されるように、受光面には複数の凹部が形成されている。 FIG. 3 is an SEM photograph showing an example of the light receiving surface of the photodiode according to the first embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional SEM photograph by FIB processing showing an example of a perspective cross-sectional view of the photodiode according to the first embodiment. As shown in FIGS. 3 and 4, a plurality of recesses are formed on the light receiving surface.
図５及び図６は、それぞれ、第１実施形態に係るフォトダイオードの分光感度特性の一例を示すグラフである。グラフの縦軸は光感度を示す。グラフの横軸は波長を示す。図５は、フォトダイオード１０の距離Ｂが１００ｎｍの場合の測定結果を示す。図６は、フォトダイオード１０の距離Ｂが３５０ｎｍの場合の測定結果を示す。グラフ中の実線Ｅ１，Ｅ２は、それぞれ、フォトダイオード１０の分光感度特性の一例を示す。グラフ中の破線Ｆは、平坦な受光面を有するフォトダイオードの分光感度特性の一例を示す。また、グラフ中の直線Ｑは、量子効率が１００％となる分光感度特性を示す。 5 and 6 are graphs showing examples of spectral sensitivity characteristics of the photodiode according to the first embodiment. The vertical axis of the graph represents photosensitivity. The horizontal axis of the graph indicates the wavelength. FIG. 5 shows the measurement results when the distance B of the photodiode 10 is 100 nm. FIG. 6 shows the measurement results when the distance B of the photodiode 10 is 350 nm. Solid lines E1 and E2 in the graph indicate examples of spectral sensitivity characteristics of the photodiode 10, respectively. A broken line F in the graph indicates an example of spectral sensitivity characteristics of a photodiode having a flat light receiving surface. A straight line Q in the graph indicates a spectral sensitivity characteristic where the quantum efficiency is 100%.
図７及び図８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７及び図８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。 7 and 8 are process cross-sectional views schematically showing the photodiode manufacturing method according to the first embodiment. Hereinafter, a method for manufacturing the photodiode 10 will be described with reference to FIGS.
（凹凸形成工程）
まず、図７(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ＳｉＯ２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Ｓｉ３Ｎ４膜である。
(Unevenness forming process)
First, as shown in FIG. 7A, an oxide film 30 and a nitride film 32 are formed in this order on the semiconductor substrate 12a. The semiconductor substrate 12 a becomes a base body of the semiconductor substrate 12. The oxide film 30 is formed, for example, by oxidizing the surface of the semiconductor substrate. The thickness of the oxide film 30 is, for example, about 50 nm. The oxide film 30 is, for example, a SiO 2 film. The thickness of the nitride film 32 is, for example, about 100 nm. The nitride film 32 is, for example, a Si 3 N 4 film.
次に、図７(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、複数の開口３２ｂを有する窒化膜３２ａを酸化膜３０上に形成する。開口３２ｂのパターン形状は、例えば円形である。これにより、開口３２ｂに酸化膜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、開口３２ｂ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。 Next, as shown in FIG. 7B, the nitride film 32 is patterned to form a nitride film 32 a having a plurality of openings 32 b on the oxide film 30. The pattern shape of the opening 32b is, for example, a circle. As a result, part of the oxide film 30 is exposed in the opening 32b. A photolithography technique can be used to form the nitride film 32a. For example, first, a resist film is formed on the nitride film 32. Thereafter, the resist film is irradiated with light through a photomask having a pattern corresponding to the pattern shape of the opening 32b. Examples of the photomask include those having a circular light transmission part or light shielding part, and those having a rectangular light transmission part and a rectangular light shielding part arranged in a staggered pattern adjacent to each other. The nitride film 32a can be obtained by etching the nitride film 32 after developing the resist film. After the etching, the resist film is peeled off.
次に、図７(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（開口３２ｂが形成されている領域）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、複数の開口３２ｂに対応する複数の凹部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７(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７(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。 Next, as shown in FIG. 7C, by selectively oxidizing the surface of the oxide film 30 using the nitride film 32a as a mask, a selective oxide film 30a having irregularities formed on the semiconductor substrate 12b is formed. In the region where the nitride film 32a is formed, the oxidation does not proceed, and the region where the nitride film 32a is not formed (the region where the opening 32b is formed) is selectively oxidized. Since the selective oxide film 30a has irregularities, a plurality of recesses 24a corresponding to the plurality of openings 32b are formed on one surface of the semiconductor substrate 12b. Such a selective oxidation technique is called LOCOS (Local Oxidation of Silicon). Thereafter, as shown in FIG. 7D, the nitride film 32a is removed by etching. Further, as shown in FIG. 7E, the selective oxide film 30a is removed by etching.
（ｐｎ接合形成工程）
次に、図８(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。
(Pn junction formation process)
Next, as shown in FIG. 8A, the semiconductor region 16 is formed by diffusing an impurity such as a p-type dopant or an n-type dopant in the outer peripheral region 26b on the surface of the semiconductor substrate 12b. The semiconductor region 16 may be formed by ion implantation.
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８(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には凹部２４ａが形成されている。 Subsequently, the surface of the semiconductor substrate 12c is oxidized to form an insulating film 22 on the entire wafer. Thereafter, a photoresist is applied on the insulating film 22, and the insulating film 22 on the light receiving surface 26 is removed by photolithography and etching. After removing the photoresist, the protective film 20 is formed on the light receiving surface 26. As shown in FIG. 8B, the semiconductor layer 14 is formed by ion-implanting an impurity such as a p-type dopant or an n-type dopant through the protective film 20 into the central region 26a on the surface of the semiconductor substrate 12c. Thereby, a pn junction 28 is formed in the semiconductor substrate 12. A recess 24a is formed in the central region 26a.
（電極形成工程）
次に、図８(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。
(Electrode formation process)
Next, as shown in FIG. 8C, a part of the insulating film 22 on the semiconductor region 16 is removed by photolithography and etching, and an electrode 18 is formed on the semiconductor region 16.
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。 As described above, the photodiode 10 is formed by a MOS process. Therefore, the photodiode 10 can be used for a light receiving portion of a CMOS image sensor, for example.
（第２実施形態）
図９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１０は、図９に示されるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図９及び図１０に示されるフォトダイオード１１０の受光面２６には、複数の凹部２４に代えて、複数の凸部１２４が形成されている。よって、受光面２６には、複数の凸部１２４によって凹凸が形成されている。凹凸の高低差Ａは、凸部１２４の高さに一致する。複数の凸部１２４は、例えば、複数の凹部２４と同様のパターンで配置されている。複数の凸部１２４は、例えば、複数の凹部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。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a plan view schematically showing a photodiode according to the second embodiment. 10 is a cross-sectional view taken along line XX shown in FIG. A plurality of convex portions 124 are formed on the light receiving surface 26 of the photodiode 110 shown in FIGS. 9 and 10 instead of the plurality of concave portions 24. Accordingly, the light receiving surface 26 is formed with irregularities by the plurality of convex portions 124. The height difference A of the unevenness coincides with the height of the convex portion 124. The plurality of convex portions 124 are arranged in the same pattern as the plurality of concave portions 24, for example. The plurality of convex portions 124 are formed by using, for example, a photomask obtained by inverting the light transmitting portion pattern and the light shielding portion pattern of the photomask for forming the plurality of concave portions 24. Otherwise, the photodiode 110 can be manufactured by using a method similar to the method of manufacturing the photodiode 10.
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。 The photodiode 110 according to the present embodiment is excellent in spectral sensitivity characteristics like the photodiode 10 according to the first embodiment.
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。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment.
例えば、受光面２６には、凹部２４及び凸部１２４の両方が形成されていてもよい。また、凹部２４及び凸部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、複数の凹部２４又は複数の凸部１２４がストライプ状に配置されてもよい。また、凹部２４又は凸部１２４の数は、１つでも複数でもよい。 For example, both the concave portion 24 and the convex portion 124 may be formed on the light receiving surface 26. Moreover, the pattern shape of the recessed part 24 and the convex part 124 is not limited to a circle, A rectangle may be sufficient. Further, the plurality of concave portions 24 or the plurality of convex portions 124 may be arranged in a stripe shape. Further, the number of the concave portions 24 or the convex portions 124 may be one or plural.
１０，１１０…フォトダイオード、１１…半導体基板、２４…凹部、２６…受光面、２８…ｐｎ接合、１２４…凸部、Ｂ…受光面からｐｎ接合までの距離、Ａ…凹凸の高低差。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,110 ... Photodiode, 11 ... Semiconductor substrate, 24 ... Recessed part, 26 ... Light-receiving surface, 28 ... pn junction, 124 ... Projection part, B ... Distance from light-receiving surface to pn junction, A ... Height difference of unevenness.
Claims (2)
前記受光面から前記ｐｎ接合までの距離が前記凹凸の高低差よりも小さい、フォトダイオード。 A semiconductor substrate having a light receiving surface on which irregularities are formed and including a pn junction;
A photodiode in which a distance from the light receiving surface to the pn junction is smaller than a height difference of the unevenness.
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