JP2009081162A

JP2009081162A - 受光素子及びその製造方法

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Publication number: JP2009081162A
Application number: JP2007247190A
Authority: JP
Inventors: Jun Higuchi; 潤樋口
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】受光される各波長の光、特に短波長、例えば４０５ｎｍ帯の青色波長の光に対する受光感度を他のそれよりも波長の光に対する受光感度と同様に高感度に維持しつつ、これら受光した光を従来よりも高速に光電変換して速い応答速度を有する受光素子を提供する。
【解決手段】外部から入射した光を電荷に光電変換する受光素子５０において、半導体基板１と、この半導体基板上に形成された半導体層２と、この半導体層にストライプ状に形成されたアノード領域３と、半導体層上に形成されてアノード領域同士の間隙を覆う絶縁層４と、この絶縁層上に上記間隙に対応してストライプ状に形成された光透過性を有するゲート電極１０と、を備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光素子及びその製造方法に係り、特に、短波長例えば４０５ｎｍ帯の青色波長の光に対しても高い感度を有する受光素子及びその製造方法に関する。

現在、光ディスクは、ＣＤ（Compact Disc）からＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤからBlu-ray Disc（以下、ＢＤと称す）へと、情報記録密度の高密度化が進んでいる。
また、これら光ディスクにレーザ光を照射し、その反射光を受光して光電変換することにより、光ディスクに記録されている情報を電気信号として再生する光ディスク再生装置においては、光ディスクに照射されるレーザ光の発振波長が、再生される光ディスクによって異なり、例えば、ＣＤに用いられるレーザ光の発振波長は７８０ｎｍ帯の近赤外波長であり、ＤＶＤに用いられるレーザ光の発振波長は６３５ｎｍ帯または６５０ｎｍ帯の赤色波長であり、ＢＤに用いられるレーザ光の発振波長は４０５ｎｍ帯の青色波長であり、情報記録密度の高密度化に応じて上記レーザ光の短波長化がなされている。
また、光ディスク再生装置には、これら大量の情報を高速に処理することが望まれる。

また、光ディスク再生装置は、一般的に、これら各種光ディスクに対応できるように上記各発振波長のレーザ光をそれぞれ照射する複数の半導体レーザ素子と、上記各発振波長の光を受光する受光素子とを備えている。

そこで、光ディスク再生装置に用いられる受光素子については、上記各発振波長の光に対して高感度を有すると共に、これら受光した光を高速に光電変換する速い応答速度が求められる。

しかしながら、このような受光素子では、一般的に、４０５ｎｍ帯の青色波長における受光感度が、７８０ｎｍ帯の近赤外波長や６３５ｎｍ帯または６５０ｎｍ帯の赤色波長における受光感度と比較して低いため、その改善が望まれている。

ここで、受光素子において、４０５ｎｍ帯の青色波長における受光感度が低い原因について説明する。

受光素子に照射されるレーザ光の発振波長が短いほど、受光素子の表面を含むより浅い領域がその受光領域となる。そして、この浅い受光領域に高ドーパント濃度の拡散層が存在すると、この拡散層中で少数キャリアの再結合が起こるため、受光素子としての光電変換効率が悪化して受光感度が低くなるものである。

上述する課題を解決しようとする手段の一例が特許文献１に開示されている。
特開２００５−８６０６３号公報

ここで、特許文献１に開示されているような従来の受光素子について、図５を用いて説明する。
図５は、従来の受光素子を説明するための模式的断面図であり、特に、その受光領域を拡大したものである。

図５に示すように、受光素子１００は、主として、高いドーパント濃度を有するｎ^＋型半導体基板１と、このｎ^＋型半導体基板１１上に形成されてｎ^＋型半導体基板１１よりも低いドーパント濃度を有するｎ型エピタキシャル層１２と、このｎ型エピタキシャル層１２の表面及びその近傍にストライプ状に形成されて高いドーパント濃度を有するｐ^＋型拡散層１３と、このｐ^＋型拡散層１３を含むｎ型エピタキシャル層１２上に形成された酸化絶縁層１４と、この酸化絶縁層１４上に形成されたＡＲ（Anti-Reflection）膜（反射防止膜ともいう）１５と、を備えている。

そして、ｎ型エピタキシャル層１２とｐ^＋型拡散層１３との間に所定の電圧を印加することにより、受光領域におけるｐ^＋型拡散層１３の周囲（図５中の破線で示した領域）にそれぞれ空乏層Ｂが形成される。
さらに、この空乏層Ｂが形成された状態で、ｎ型エピタキシャル層１２に外部から光Ｌが入射すると、この光Ｌが電荷に光電変換される。そして、この光電変換された電荷は、ｎ^＋型半導体基板１上に形成された図示しないＩＶ変換アンプにより電圧に変換される。

上記特許文献１に開示されている発明は、フォトダイオードのアノードに相当する、ストライプ状に形成されたｐ^＋型拡散層３同士の間隔を広げることにより、特に短波長例えば４０５ｎｍ帯の青色波長の光が受光される受光領域において、受光感度の低いｐ^＋型拡散層３の占有比率を小さくすることにより、この短波長の光に対する受光感度を向上させようとするものである。

しかしながら、ｐ^＋型拡散層１３同士の間隔を広げると、この間隔に応じて受光領域における空乏層Ｂの占有比率が小さくなるため、受光素子としての応答速度が遅くなり、その改善が望まれる。
なお、受光領域における空乏層の占有比率が小さくなると受光素子としての応答速度が遅くなる理由については、後述することとする。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、受光される各波長の光、特に短波長、例えば４０５ｎｍ帯の青色波長の光に対する受光感度を他のそれよりも長い波長の光に対する受光感度と同様に高感度に維持しつつ、これら受光した光を従来よりも高速に光電変換して速い応答速度を有す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、本願各発明は次の手段を有する。
１）外部から入射した光を電荷に光電変換する受光素子において、半導体基板（１）と、前記半導体基板上に形成された半導体層（２）と、前記半導体層にストライプ状に形成されたアノード領域（３）と、前記半導体層上に形成されて前記アノード領域同士の間隙を覆う絶縁層（４）と、前記絶縁層上に前記間隙に対応してストライプ状に形成された光透過性を有するゲート電極（１０）と、を備えた受光素子（５０）である。
２）前記半導体層と前記アノード領域との間、及び、前記半導体層と前記ゲート電極との間に、それぞれ電圧が印加された状態で、前記光を光電変換することを特徴とする１）記載の受光素子である。
３）一導電型の半導体基板（１）上に設けられた一導電型の半導体層（２）の表面に、絶縁層（４）を形成する絶縁層形成工程と、前記絶縁層形成工程後に、前記絶縁層上に、光透過性を有するゲート電極（１０）をストライプ状に形成するゲート電極形成工程と、前記ゲート電極形成工程後に、前記ゲート電極をマスクとして、前記ゲート電極同士の間隙における前記半導体層に、他導電型のドーパントを、前記絶縁層を介して拡散させて、ストライプ状の他導電型のアノード領域（３）を形成するアノード領域形成工程と、を有する受光素子（５０）の製造方法である。

本発明によれば、受光素子において、受光される各波長の光、特に短波長、例えば４０５ｎｍ帯の青色波長の光に対する受光感度を、他のそれよりも長い波長の光に対する受光感度と同様に高感度に維持しつつ、これら受光した光を従来よりも高速に光電変換して速い応答速度を有す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４を用いて説明する。

＜実施例＞
まず、本発明の受光素子の実施例について、図１を用いて説明する。
図１は、本発明の受光素子の実施例を説明するための模式的断面図であり、特にその受光領域を拡大したものである。

図１に示すように、受光素子５０は、主として、高いドーパント濃度を有するｎ^＋型半導体基板１と、このｎ^＋型半導体基板１上に形成されてｎ^＋型半導体基板１よりも低いドーパント濃度を有するｎ型エピタキシャル層２と、このｎ型エピタキシャル層２の表面及びその近傍にストライプ状に形成されて高いドーパント濃度を有するｐ^＋型拡散層３と、このｐ^＋型拡散層３を含むｎ型エピタキシャル層２上に形成された酸化絶縁層４と、この酸化絶縁層４上であって、かつ、上記ｐ^＋型拡散層３が形成されていない領域上に形成された導電性を有するポリシリコン（poly-silicon）を主成分とする光透過性のゲート電極１０と、このゲート電極１０を覆って上記酸化絶縁層４上に形成されたＡＲ（Anti-Reflection）膜（反射防止膜ともいう）５と、を備えている。

そして、ｎ型エピタキシャル層２とｐ^＋型拡散層３との間に第１の電圧を印加し、ｎ型エピタキシャル層２とゲート電極１０との間に第２の電圧を印加することにより、受光領域において、複数のｐ^＋型拡散層３に亘って従来よりも広い領域（図１中の破線で示した領域）に空乏層Ａが形成される。

上記第１の電圧及び第２の電圧は、例えば、ｐ^＋型拡散層３及びゲート電極１０をグランド（ＧＮＤ）に接地し、ｎ型エピタキシャル層２を所定の電位とすることにより印加することができる。このときの第１の電圧と第２の電圧とは同じ値となる。
また、上記第１の電圧及び第２の電圧は、ｐ^＋型拡散層３及びゲート電極１０を所定の電位とし、ｎ型エピタキシャル層２をこれら所定の電位よりも高い電位とすることにより印加することができる。このときの第１の電圧と第２の電圧とは同じ値となる。

また、第１の電圧と第２の電圧とをそれぞれ異なる値としてもよい。

さらに、この空乏層Ａが形成された状態で、ｎ型エピタキシャル層２に光Ｌが入射すると、この光Ｌが電荷に光電変換される。そして、この光電変換された電荷は、ｎ^＋型半導体基板１上に形成された図示しないＩＶ変換アンプにより電圧に変換される。

ここで、前述した、受光領域における空乏層の占有比率が小さくなると受光素子としての応答速度が遅くなる理由について、図２を用いて説明する。
図２は、フォトダイオードのＰＩＮ接合部におけるエネルギー準位を模式的に表した図である。

図２に示すように、“ｎ”で示されるｎ型領域であるｎ型エピタキシャル層２と、“ｐ”で示されるｐ型領域であるｐ^＋型拡散層３との間に電圧を印加すると、“ｉ”で示される空乏層が形成される。
受光領域に入射した光Ｌは電荷ｅに光電変換されるが、ｎ型領域“ｎ”及びｐ型領域“ｐ”は、エネルギー準位がそれぞれ安定している領域であるため、この光電変換された電荷ｅは、その濃度差による拡散により移動するため、高速に移動することが困難である。
一方、空乏層“ｉ”は、エネルギー準位が高いｐ型領域“ｐ”からエネルギー準位が低いｎ型領域“ｎ”に向かってそのエネルギー準位が徐々に下降傾斜している。このため、空乏層“ｉ”では、電荷ｅはｐ型領域“ｐ”からｎ型領域“ｎ”に向かって高速に移動する。
従って、上述した従来の受光素子１００のように、受光領域における空乏層の占有比率が小さくなると、受光素子としての応答速度が遅くなるものである。

そこで、上述した受光素子５０は、特に、“ｎ”で示されるｎ型領域であるｎ型エピタキシャル層２と、“ｐ”で示されるｐ型領域であるゲート電極１０との間に電圧を印加することにより、図２に示すように、受光領域における空乏層を従来よりも広くすることができるので、従来よりも応答速度を速くすることが可能になる。

よって、上述した受光素子５０によれば、特に、ｐ^＋型拡散層３同士の間隔を広げて受光領域におけるｐ^＋型拡散層の占有比率を小さくすることにより、受光される各波長の光、特に短波長、例えば４０５ｎｍ帯の青色波長の光に対する受光感度を他のそれよりも長い波長の光に対する受光感度と同様に高感度に維持しつつ、ｐ^＋型拡散層３間に対応する領域に絶縁層を介してゲート電極を設けた構成としたことにより、従来よりも形成される空乏層の占有比率を大きくすることができるので、受光素子としての応答速度を従来よりも速くすることができるという効果を奏するものである。

次に、上述した受光素子５０の製造方法の一実施形態を第１工程〜第４工程として、図３を用いて説明する。
図３は、実施例の受光素子を製造するための受光素子の製造方法の一実施形態を説明するための模式的断面図であり、特に、実施例の受光素子における受光領域を拡大して示したものである。
また、図３中の（ａ）〜（ｄ）は、上記第１工程〜第４工程にそれぞれ対応するものである。

［第１工程］
図３（ａ）に示すように、ｎ^＋型半導体基板１である、高いドーパント濃度を有するｎ^＋型シリコン（Ｓｉ）基板上に形成されて、このｎ^＋型半導体基板１よりも低いドーパント濃度を有するｎ型エピタキシャル層２に、熱酸化処理を行って、ｎ型エピタキシャル層２の表面及びその近傍を酸化させ、酸化絶縁層４を形成する。
実施例では、ｎ型エピタキシャル層２の比抵抗が４０Ω・cmとなるようにｎ型エピタキシャル層２のドーパント濃度を１Ｅ１４／ｃｍ^３とし、その厚さを１０μｍとした。また、酸化絶縁層４の厚さを１２ｎｍとした。

［第２工程］
図３（ｂ）に示すように、まず、酸化絶縁層４上に、リン（Ｐ）を含むポリシリコン（poly-silicon）膜１２を成膜する。
ポリシリコン膜１２は、上述したゲート電極１０となる導電性及び光透過性を有する膜であるが、受光領域上に形成されるため、光透過性をよりよくするためには、ポリシリコン膜１２の膜厚を、導通抵抗が所定の値よりも大きくならない程度に薄くすることが望ましい。
実施例では、ポリシリコン膜１２の厚さを５０ｎｍとした。

次に、ポリシリコン膜１２を、フォトリソグラフィ法を用いて、部分的にエッチングすることにより、上述したストライプ状のゲート電極１０を形成する。
実施例では、ゲート電極１０の幅Ｗ１０を５μｍとし、そのピッチＰ１０を１５μｍとした。
なお、このゲート電極１０は、ｎ^＋型半導体基板１上に形成されるトランジスタのゲート電極と一体または別体に一度に形成してもよいし、他の配線パターンと共に一度に形成してもよい。

［第３工程］
図３（ｃ）に示すように、ゲート電極１０をマスクとして、酸化絶縁層４が露出した領域に対応するｎ型エピタキシャル層２の表面及びその近傍に、ｐ型ドーパントであるボロン（Ｂ）を、イオン注入法を用いて、酸化絶縁層３を通過させて注入した後、このボロンが注入されたｎ型エピタキシャル層２に熱処理を施すことにより、ボロンをｎ型エピタキシャル層２中に拡散させ、上述したストライプ状のｐ^＋型拡散層３を形成する。
これにより、ゲート電極１０とｐ^＋型拡散層３とは、酸化絶縁層３を介して千鳥状に配置される。

実施例では、ｐ^＋型拡散層３のピッチＰ３は、上述したゲート電極１０のピッチＰ１０と同じ１５μｍである。
また、実施例では、ボロンをイオン注入するためのプロセスガスとして、ＢＦ_３（三フッ化ホウ素）ガスを用い、加速電圧５０ｋｅＶとし、ＢＦ_２ ^＋（二フッ化ホウ素イオン）のイオン注入量を２Ｅ１５ｃｍ^−２（２×(かける)１０^１５ｃｍ^−２と表す場合がある）としてイオン注入を行った。
また、実施例では、窒素雰囲気中にて、９００℃で３０分間の上記熱処理を行って、ｐ^＋型拡散層３を形成した。

上述の第３工程では、ゲート電極１０をマスクとしてｐ^＋型拡散層３を形成するため、これらゲート電極１０とｐ^＋型拡散層３との位置合わせ工程を省略することができる。

［第４工程］
図３（ｄ）に示すように、酸化絶縁層４上に、ゲート電極１０を覆うＡＲ膜５を形成する。
ＡＲ膜５は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜もしくは窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、またはこれら膜が積層された積層膜を、周知の成膜方法を用いて成膜することによって形成される。

上述した工程、または、上述した工程後にさらに所定の工程を施すことにより、前述の図１に示した受光素子５０を得る。

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、エピタキシャル層に、直接、ｐ^＋型拡散層を形成したが、これに限定されるものではなく、例えば、エピタキシャル層にウエルを形成し、このウエルにｐ^＋型拡散層を形成するようにしてもよい。

また、それぞれストライプ状に形成された、ゲート電極同士、及び、ｐ^＋型拡散層同士を、互いに電気的に接続する方法については、特に限定するものではない。
例えば、各ゲート電極の一端側を接続する第１の接続部を設けて第１の櫛形状とし、また、各ｐ^＋型拡散層の他端側（第１の接続部とは反対側）を接続する第２の接続部を設けて第２の櫛形状としてもよいし、ゲート電極同士またはｐ^＋型拡散層同士を半導体基板上の他の領域でそれぞれ電気的に接続するようにしてもよい。

また、実施例の受光素子５０において、ｎ型をｐ型とし、ｐ型をｎ型とする構成としてもよい。なお、ｎ型及びｐ型のいずれか一方を一導電型、他方を他導電型と称す場合がある。

また、実施例では、ＡＲ膜を酸化絶縁層上に形成したが、これに限定されるものではない。
ここで、上述した実施例の受光素子の変形例について、図４を用いて説明する。
図４は、上述した実施例の受光素子の変形例を示す模式的断面図である。

上述した第１工程〜第３工程と同様の工程を行った後、ゲート電極１０をマスクとして、露出している酸化絶縁層４を選択的に除去した後、上述した第４工程と同様の工程を行うことにより、図４に示す受光素子６０を得る。
この受光素子６０は、ｐ^＋型拡散層上の酸化絶縁層３が除去されているため、実施例の受光素子５０に比べて、反射防止効果をさらに向上させることができる。

本発明の受光素子の実施例を説明するための模式的断面図である。フォトダイオードのＰＩＮ接合部におけるエネルギー準位を模式的に表した図である。実施例の受光素子を製造するための受光素子の製造方法の一実施形態を説明するための模式的断面図である。実施例の受光素子の変形例を示す模式的断面図である。従来の受光素子を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１＿ｎ^＋型半導体基板、２＿ｎ型エピタキシャル層、３＿ｐ^＋型拡散層、４＿酸化絶縁層、５＿ＡＲ膜、１０＿ゲート電極１０、５０＿受光素子、Ａ＿空乏層

Claims

外部から入射した光を電荷に光電変換する受光素子において、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された半導体層と、
前記半導体層にストライプ状に形成されたアノード領域と、
前記半導体層上に形成されて前記アノード領域同士の間隙を覆う絶縁層と、
前記絶縁層上に前記間隙に対応してストライプ状に形成された光透過性を有するゲート電極と、
を備えた受光素子。
前記半導体層と前記アノード領域との間、及び、前記半導体層と前記ゲート電極との間に、それぞれ電圧が印加された状態で、前記光を光電変換することを特徴とする請求項１記載の受光素子。
一導電型の半導体基板上に設けられた一導電型の半導体層の表面に、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層形成工程後に、前記絶縁層上に、光透過性を有するゲート電極をストライプ状に形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート電極形成工程後に、前記ゲート電極をマスクとして、前記ゲート電極同士の間隙における前記半導体層に、他導電型のドーパントを、前記絶縁層を介して拡散させて、ストライプ状の他導電型のアノード領域を形成するアノード領域形成工程と、
を有する受光素子の製造方法。