JP2013122997A

JP2013122997A - フォトダイオード、半導体受光素子、及びそれらの製造方法

Info

Publication number: JP2013122997A
Application number: JP2011271135A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Matsubara; 佑典松原
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-20

Abstract

【課題】１つのフォトダイオードで青紫光及び赤色光の両方の感度を向上させる。また、混載される他の素子の特性を維持できるようにする。
【解決手段】フォトダイオード１は、第１導電型の基板２と、基板２上に形成された第２導電型のエピタキシャル層３と、基板２とエピタキシャル層３との境界部に形成された第１導電型の埋込層４と、エピタキシャル層３の表面から埋込層４まで縦方向に形成された第１の導電型の縦方向拡散層５と、エピタキシャル層３の内部において縦方向拡散層５から横方向に形成された第１の導電型の横方向拡散層６とを備える。横方向拡散層６の上下の部分には、エピタキシャル層３の元の濃度となる領域が残存している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ストレージ用受光ＩＣ等の半導体受光素子及びその製造方法に関し、特に青紫光及び赤色光の両方を１つのフォトダイオードで受光可能なものに関する。

ＣＤ／ＤＶＤの光ピックアップには、波長７８０ｎｍ／６５０ｎｍの半導体レーザーが用いられている。この光ピックアップにて使用されるフォトダイオードは、７８０ｎｍ／６５０ｎｍの光を最適に受光するよう設計されている。

一方、近年広がりつつあるＢｌｕ−ＲａｙＤｉｓｃ（登録商標）には、青紫半導体レーザー(波長４０５ｎｍ)が用いられている。波長４０５ｎｍの光をシリコンフォトダイオードにて受光する場合、ＣＤ／ＤＶＤに使用しているフォトダイオードをそのまま用いると、光の吸収長が０．３μｍ程度しかないため、受光感度や応答速度に問題が生じる。

特許文献１に係る受光素子は、Ｐ型基板上にＮ型エピタキシャル層を成長し、Ｎ型エピタキシャル層中にヒ素をイオン注入することによりＮ型拡散層を形成するものである。このＮ型拡散層をある範囲に設定することで、表面付近で発生した光キャリアをＮ型拡散層の濃度勾配による電界により空乏層まで移動させ、応答速度の向上を図っている。

特許文献２に係る半導体装置は、Ｐ型基板上に低濃度のＮ型エピタキシャル層を成長し、フォトダイオードとなる部分にイオン注入にて低濃度のＰ型拡散層を形成し、表面にカソードコンタクト層となるＮ型拡散層を形成するものである。このフォトダイオードに対して逆バイアスを印加した場合、低濃度Ｐ型拡散層及びＰ型基板側へ空乏層が伸びる。青紫光を受光時に発生したキャリアは、Ｎ型拡散層中をドリフトにて移動し、Ｐ型拡散層中でも空乏層があることで電界によるドリフトにより移動する。このため、拡散により速度が律速されることがなく、応答速度を向上させることができる。

特開２００４−８７９７９号公報特開２００７−３１７７６８号公報

青紫光を最適に受光する方法は様々ある。しかし、通常光ピックアップに用いられるフォトダイオードはバイポーラトランジスタ、抵抗、容量等を同一基板に集積した光電子集積回路の形で提供されるため、フォトダイオードを最適化する際には、他の素子の特性を維持するための配慮が必要となる。また、Ｂｌｕ−ＲａｙＤｉｓｃとＤＶＤでそれぞれ用いられる青紫光と赤色光の２つの光を１つのフォトダイオードにて受光できることが求められている。

上記特許文献１においては、Ｎ型拡散層中の電界による応答速度向上については述べられているものの、Ｎ型エピタキシャル層中における光キャリアの移動については述べられていない。Ｎ型エピタキシャル層中には電界が発生していないため、光キャリアは拡散にて移動しなければならない。そのため、フォトダイオードの応答速度は、キャリアがＮ型エピタキシャル層を移動する距離に律速される。また、バイポーラトランジスタとの混載を考えるとき、十分な動作耐圧を得るためにはＮ型エピタキシャル層の厚さを最低でも１．０μｍ程度にする必要がある。しかし、特許文献１に係る受光素子においては、０．７μｍ程度の無電界領域ができるため、この領域の移動時間により光キャリアの応答速度が律速される。また、別の方法として、深さ０．３〜１．２μｍのＮ型拡散層を形成する方法が記載されているが、拡散層を深く形成すると、急峻なプロファイルを設計することができず、なだらかなプロファイルにあらざるを得ない。そのため、濃度勾配による電界が弱くなり、キャリアの応答速度が劣化することが予想される。また、この方法においてもＮ型エピタキシャル層の厚さは極力薄いことが望ましいが、当該層の厚さが薄いと集積するトランジスタの耐圧を維持させることが困難になる。

特許文献２に係る構造を用いることで、青紫光に対する高速及び高感度を実現することができる。しかし、ＤＶＤ、ＣＤのような赤色／赤外光に対する受光感度が低くなる欠点がある。その理由は、高エネルギーイオン注入にて形成したＰ型拡散層はある深さに濃度のピークがあり、濃度勾配による電界のため深い位置で発生したキャリアが光電流として寄与しないためである。例えば、ＤＶＤに用いられる波長６５０ｎｍの光源に対しては、Ｐ型拡散層のピーク位置を１μｍとした場合、発生する光キャリアの３０％しか光電流として寄与しない。

上記のように、従来技術においては、１つのフォトダイオードで青紫光及び赤色光（赤外光）を受光する場合に両光の感度を向上させること、また混載される他の素子の特性を維持することが困難である。

本発明の第１の態様は、第１導電型（例えばＰ型）の基板と、前記基板上に形成された第２導電型（例えばＮ型）のエピタキシャル層と、前記基板と前記エピタキシャル層との境界部に形成された前記第１導電型の埋込層と、前記エピタキシャル層の表面から前記埋込層まで縦方向に形成された前記第１の導電型の縦方向拡散層と、前記エピタキシャル層の内部において前記縦方向拡散層から横方向に形成された前記第１の導電型の横方向拡散層とを備え、前記横方向拡散層の上下の部分に前記エピタキシャル層の元の濃度となる領域が残存しているフォトダイオードである。

本発明の第２の態様は、上記フォトダイオードと、バイポーラトランジスタとからなる半導体受光素子である。

本発明の第３の態様は、第１導電型の基板の表面にイオン注入により前記第１導電型の埋込層を形成する第１のステップと、前記基板の表面に第２の導電型のエピタキシャル層を成長する第２のステップと、前記エピタキシャル層内にイオン注入により前記エピタキシャル層の表面から前記埋込層まで縦方向に前記第１の導電型の縦方向拡散層を形成する第３のステップと、前記エピタキシャル層内にイオン注入により前記縦方向拡散層から横方向に前記第１の導電型の横方向拡散層を形成する第４のステップとを備え、前記第４のステップにおいて、前記横方向拡散層の上下の部分に前記エピタキシャル層の元の濃度となる領域が残存するようになされるフォトダイオードの製造方法である。

上記態様によれば、Ｎ型エピタキシャル層中の無電界領域が無くなるため、光キャリアの応答が拡散により律速されることがない。これにより、光キャリアは全ての領域においてドリフトで移動することが可能となり、キャリアの応答速度が向上する。また、Ｎ型エピタキシャル層の厚さを１μｍ前後まで薄くすることなくＮ型エピタキシャル層の無電界領域を無くすことができるので、混載されるバイポーラトランジスタの耐圧を容易に維持することができる。

本発明によれば、１つのフォトダイオードで青紫光及び赤色光の両方の感度を向上させることができる。また、混載される他の素子の特性を維持することが容易となる。

本発明の実施の形態１に係るフォトダイオードの構造を示す図である。図１におけるＸ−Ｙ断面のキャリア濃度プロファイルを示すグラフである。実施の形態１に係るＰ型横方向拡散層の形状パターンを例示する図である。実施の形態１に係る半導体受光素子の製造方法における第１の工程を示す図である。実施の形態１に係る半導体受光素子の製造方法における第２の工程を示す図である。実施の形態１に係る半導体受光素子の製造方法における第３の工程を示す図である。実施の形態１に係る半導体受光素子の製造方法における第４の工程を示す図である。実施の形態１に係る半導体受光素子の製造方法における第５の工程を示す図である。実施の形態１に係る半導体受光素子の製造方法における第６の工程を示す図である。実施の形態１に係るフォトダイオードに波長４０５ｎｍの青紫光を照射した場合の動作を示すグラフである。実施の形態１に係るフォトダイオードに波長６５０ｎｍの赤色光を照射した場合の動作を示すグラフである。本発明の実施の形態２に係る半導体受光素子の構造を示す図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１に係るフォトダイオード１の構造を示している。フォトダイオード１は、Ｐ型基板２、Ｎ型エピタキシャル層３、Ｐ型埋込層４、Ｐ型縦方向拡散層５、Ｐ型横方向拡散層６、Ｎ型拡散層７、アノードコンタクト層８、カソードコンタクト層９、絶縁膜１０、及び電極１１を有する。

Ｐ型基板２上にＮ型エピタキシャル層３が形成されている。このＰＮ接合がフォトダイオード特性の基本となっている。Ｐ型基板２よりもＮ型エピタキシャル層３のキャリア濃度が高く、空乏層はＰ型基板２側に伸びている。Ｎ型エピタキシャル層３中にＰ型横方向拡散層６が形成されている。このＰＮ接合もフォトダイオード特性として機能する。

図２は、図１におけるＸ−Ｙ断面のキャリア濃度プロファイルを示している。Ｐ型横方向拡散層６は、Ｐ型横方向拡散層６とＰ型基板２との間にＮ型エピタキシャル層３の領域が残るように形成されている。また、この部分の電位がフローティング電位ではなくカソード層と同一電位になるように、横方向にも一部Ｎ型領域が形成されている。

図３は、Ｐ型横方向拡散層６の形状パターンを例示している。同図中、１５はＰ型横方向拡散層６を形成する領域を示し、１６はＮ型エピタキシャル濃度の領域を示している。上面視当該Ｎ型領域１６の一部が残り、且つフローティング電位にならなければ、Ｐ型領域１５を全面パターン２１、ストライプ形状２２、井桁形状２３等にすることが可能である。

図４〜図９は、実施の形態１に係る半導体受光素子３１の構造及び製造方法を示している。半導体受光素子３１（図９参照）は、フォトダイオード領域とバイポーラトランジスタ領域とを有する（図４参照）。フォトダイオード領域は、上記フォトダイオード１と同様の構造を有する。

先ず、図４に示すように、Ｐ型基板２上にトランジスタのコレクタ領域となるＮ型埋込層３５と素子分離領域となるＰ型埋込層４，３６をイオン注入にて形成する。

次いで、図５に示すように、Ｎ型エピタキシャル層３を成長する。

次いで、図６に示すように、Ｎ型エピタキシャル層３にイオン注入にて素子分離領域及びアノードの電極引き出し層となるＰ型縦方向拡散層５，３７をＰ型埋込層４，３６に接触するよう形成する。

次いで、図７に示すように、Ｎ型埋込層３５からのコレクタ引上層３８及びベース領域３９を形成する。また、フォトダイオード１となる領域にＰ型横方向拡散層６をイオン注入にて形成する。このとき、Ｐ型横方向拡散層６の上下にＮ型エピタキシャル層３の元の濃度となる領域が残される。このような領域の調整は、例えば、Ｎ型エピタキシャル層３の厚さを１．８μｍとした場合、加速エネルギー４００〜５００ｋｅＶのボロンイオン注入にてＰ型横方向拡散層６を形成することで実現することができる。

次いで、図８に示すように、カソード拡散層のＮ型拡散層７をイオン注入にて形成する。

次いで、図９に示すように、フォトダイオード領域のアノードコンタクト領域８及びカソードコンタクト領域９を形成し、バイポーラトランジスタ領域のベースコンタクト層４４、エミッタ拡散層４５、及びコレクタコンタクト層４６を形成する。その後、絶縁膜１０及び電極１１，４８を形成する。これにより、フォトダイオード１とバイポーラトランジスタとが混載された半導体受光素子３１が製造される。

図１０は、上記フォトダイオード１（半導体受光素子３１のフォトダイオード領域）に波長４０５ｎｍの青紫光を照射した場合の動作を示している。光は、表面から０．８μｍの領域で入射光の９５％が吸収される。この場合、発生する光キャリアは、Ｎ型拡散層７からＮ型エピタキシャル層３の領域で発生する。Ｎ型拡散層７中にて発生したキャリアは濃度勾配により発生した電界によりドリフトで移動してＮ型エピタキシャル層３に到達する。当該キャリアは、Ｎ型エピタキシャル層３とＰ型横方向拡散層６とのＰＮ接合の空乏層にかかる逆バイアスによって発生した電界によってドリフトで移動し、Ｐ型横方向拡散層６に到達して光電流に寄与する。

図１１は、上記フォトダイオード１に波長６５０ｎｍの赤色光を照射した場合の動作を示している。光は、表面から約１０μｍの領域で入射光の９５％が吸収される。そのため、Ｎ型エピタキシャル層３からＰ型基板２の領域に渡って光キャリアが発生する。Ｎ型エピタキシャル層３で発生したキャリアは、上記青紫光の場合と同様にＰ型横方向拡散層６へ移動すると共に、Ｐ型基板２へ移動し、Ｐ型基板２中の空乏層をドリフトして移動し、空乏層端に到達した後光電流に寄与する。また、Ｐ型基板２で発生したキャリアはＰ型基板２中の空乏層をドリフトで移動し、Ｎ型エピタキシャル層３まで移動して光電流に寄与する。

上述のように、青紫光により発生したキャリアは、全ての領域においてドリフトで移動し、拡散で移動する箇所が無い。そのため、青紫光に対する応答特性が向上する。また、赤色光や赤外光を照射した場合は、Ｎ型エピタキシャル層３とＰ型横方向拡散層６で出来るＰＮ接合のみでなく、Ｐ型基板２によりできるフォトダイオード領域でも光キャリアを電流として取り出すことができるため、従来よりも赤色や赤外光に対する感度を飛躍的に高めることができる。

また、Ｐ型横方向拡散層６を導入することで、特許文献１，２に記載されているように、Ｎ型エピタキシャル層３の厚さを１．０μｍ前後まで薄くすることなく、青紫光に対する応答速度を向上させることができる。これにより、Ｎ型エピタキシャル層３の厚さ不足によるバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間の耐圧低下を防ぐことができる。

実施の形態２
図１２は、実施の形態２に係る半導体受光素子５１の構造を示している。当該半導体受光素子５１は、上記実施の形態１におけるＰ型基板２の上面側に、Ｐ型高濃度エピタキシャル層５２及びＰ型高抵抗エピタキシャル層５３を形成したものである。

先ずＰ型基板２上にＰ型高濃度エピタキシャル層５２を成長し、次いでＰ型高抵抗エピタキシャル層５３を成長する。その後の製造工程は、上記実施の形態１と同様である。

上述のように、Ｐ型高濃度層が存在することにより、これより深い位置で生成した光キャリアが濃度勾配による電界により光電流として寄与することができなくなる。これにより、光キャリアとして寄与するものは全てドリフトで移動することとなるため、上記実施の形態１より赤色／赤外光に対する応答速度を向上させることができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能なものである。

１フォトダイオード
２Ｐ型基板
３Ｎ型エピタキシャル層
４，３６Ｐ型埋込層
５，３７Ｐ型縦方向拡散層
６Ｐ型横方向拡散層
７Ｎ型拡散層
８アノードコンタクト領域
９カソードコンタクト領域
１０絶縁膜
１１，４８電極
３１，５１半導体受光装置
３５Ｎ型埋込層
３８コレクタ引上層
３９ベース領域
４４ベースコンタクト層
４５エミッタ拡散層
４６コレクタコンタクト層

Claims

第１導電型の基板と、
前記基板上に形成された第２導電型のエピタキシャル層と、
前記基板と前記エピタキシャル層との境界部に形成された前記第１導電型の埋込層と、
前記エピタキシャル層の表面から前記埋込層まで縦方向に形成された前記第１の導電型の縦方向拡散層と、
前記エピタキシャル層の内部において前記縦方向拡散層から横方向に形成された前記第１の導電型の横方向拡散層と、
を備え、
前記横方向拡散層の上下の部分に前記エピタキシャル層の元の濃度となる領域が残存している、
フォトダイオード。
前記基板の前記エピタキシャル層側の表面に、前記第１導電型の高濃度エピタキシャル層が形成され、
前記高濃度エピタキシャル層と前記エピタキシャル層との間に、前記第１の導電型の高抵抗エピタキシャル層が形成されている、
請求項１に記載のフォトダイオード。
請求項１又は２に記載のフォトダイオードと、バイポーラトランジスタとからなる半導体受光素子。
第１導電型の基板の表面にイオン注入により前記第１導電型の埋込層を形成する第１のステップと、
前記基板の表面に第２の導電型のエピタキシャル層を成長する第２のステップと、
前記エピタキシャル層内にイオン注入により前記エピタキシャル層の表面から前記埋込層まで縦方向に前記第１の導電型の縦方向拡散層を形成する第３のステップと、
前記エピタキシャル層内にイオン注入により前記縦方向拡散層から横方向に前記第１の導電型の横方向拡散層を形成する第４のステップと、
を備え、
前記第４のステップにおいて、前記横方向拡散層の上下の部分に前記エピタキシャル層の元の濃度となる領域が残存するようになされる、
フォトダイオードの製造方法。
前記基板の前記エピタキシャル層側の表面に、前記第１導電型の高濃度エピタキシャル層を形成する第５のステップと、
前記高濃度エピタキシャル層と前記エピタキシャル層との間に、前記第１の導電型の高抵抗エピタキシャル層を形成する第６のステップと、
を更に備える請求項４に記載のフォトダイオードの製造方法。