JP2022039524A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】より安定して動作可能な半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、素子部と、絶縁部と、クエンチ部と、を備える。前記素子部は、第１導電形の第１半導体領域と、第１導電形の第２半導体領域と、第２導電形の第３半導体領域と、第２導電形の第４半導体領域と、を含む。前記第２半導体領域は、前記第１半導体領域の上に設けられ、前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する。前記第３半導体領域は、前記第２半導体領域の上に設けられている。前記第４半導体領域は、前記第１半導体領域から前記第２半導体領域に向かう第１方向と交差する第１面に沿って前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域の周りに設けられている。前記第４半導体領域は、前記第３半導体領域よりも低い第２導電形の不純物濃度を有する。前記絶縁部は、前記第１面に沿って前記素子部の周りに設けられている。前記クエンチ部は、前記第３半導体領域と電気的に接続されている。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
光を検出する半導体装置がある。半導体装置の動作は、より安定であることが望ましい。
特開２０１５－８４３９２号公報
本発明が解決しようとする課題は、より安定して動作可能な半導体装置を提供することである。
実施形態に係る半導体装置は、素子部と、絶縁部と、クエンチ部と、を備える。前記素子部は、第１導電形の第１半導体領域と、第１導電形の第２半導体領域と、第２導電形の第３半導体領域と、第２導電形の第４半導体領域と、を含む。前記第２半導体領域は、前記第１半導体領域の上に設けられ、前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する。前記第３半導体領域は、前記第２半導体領域の上に設けられている。前記第４半導体領域は、前記第１半導体領域から前記第２半導体領域に向かう第１方向と交差する第１面に沿って前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域の周りに設けられている。前記第４半導体領域は、前記第３半導体領域よりも低い第２導電形の不純物濃度を有する。前記絶縁部は、前記第１面に沿って前記素子部の周りに設けられている。前記クエンチ部は、前記第３半導体領域と電気的に接続されている。
第１実施形態に係る半導体装置を表す模式的平面図である。 図１のＡ１－Ａ２断面図である。 参考例に係る半導体装置を表す断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置を表す断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置に電圧を印加したときの電気力線を表す模式図である。 図５のＡ１－Ａ２断面図及びＢ１－Ｂ２断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置を表す回路図である。
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
以下の説明及び図面において、ｎ＋、ｎ及びｐ＋、ｐ、ｐ－の表記は、各不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、「＋」が付されている表記は、「＋」及び「－」のいずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に高く、「－」が付されている表記は、いずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に低いことを示す。これらの表記は、それぞれの領域にｐ形不純物とｎ形不純物の両方が含まれている場合には、それらの不純物が補償しあった後の正味の不純物濃度の相対的な高低を表す。
以下で説明する各実施形態について、各半導体領域のｐ形とｎ形を反転させて各実施形態を実施してもよい。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体装置を表す模式的平面図である。図２は、図１のＡ１－Ａ２断面図である。
図１及び図２に表したように、第１実施形態に係る半導体装置１００は、導電層１、素子部１０、絶縁部２０、クエンチ部３０、絶縁層４０、及び配線４１を含む。図１では、絶縁層４０が省略されている。また、コンタクトプラグが破線で表されている。
図２に表したように、素子部１０は、ｐ－形（第１導電形）半導体領域１１（第１半導体領域）、ｐ＋形半導体領域１２（第２半導体領域）、ｎ＋形（第２導電形）半導体領域１３（第３半導体領域）、及びｎ形半導体領域１４（第４半導体領域）を含む。
ここでは、ｐ－形半導体領域１１からｐ＋形半導体領域１２に向かう方向をＺ方向（第１方向）とする。Ｚ方向に垂直であり、相互に直交する２方向をＸ方向（第２方向）及びＹ方向（第３方向）とする。また、説明のために、ｐ－形半導体領域１１からｐ＋形半導体領域１２に向かう方向を「上」と言い、その反対方向を「下」と言う。これらの方向は、ｐ－形半導体領域１１とｐ＋形半導体領域１２との相対的な位置関係に基づき、重力の方向とは無関係である。
ｐ＋形半導体領域１２は、ｐ－形半導体領域１１の上に設けられている。ｐ＋形半導体領域１２におけるｐ形不純物濃度は、ｐ－形半導体領域１１におけるｐ形不純物濃度よりも高い。ｎ＋形半導体領域１３は、ｐ＋形半導体領域１２の上に設けられ、ｐ＋形半導体領域１２に接する。ｐ＋形半導体領域１２とｎ＋形半導体領域１３との間で、ｐｎ接合が形成されている。例えば、ｐｎ接合面は、Ｚ方向に垂直なＸ－Ｙ面（第１面）に沿って広がっている。ｎ形半導体領域１４は、Ｘ－Ｙ面に沿ってｐ＋形半導体領域１２及びｎ＋形半導体領域１３の周りに設けられている。
絶縁部２０は、Ｘ－Ｙ面に沿って素子部１０の周りに設けられている。絶縁部２０は、第１絶縁領域２１を含む。第１絶縁領域２１の下端は、ｐ＋形半導体領域１２の下端よりも下方に位置する。例えば、第１絶縁領域２１は、ｐ－形半導体領域１１に広がる空乏層よりも下方まで延びている。
絶縁部２０は、第２絶縁領域２２をさらに含んでも良い。第２絶縁領域２２は、第１絶縁領域２１の上に設けられ、Ｘ－Ｙ面に沿って広がっている。例えば、第２絶縁領域２２は、Ｘ方向及びＹ方向において、ｎ＋形半導体領域１３と並んでいる。
素子部１０は、Ｘ方向及びＹ方向において複数設けられている。複数の第１絶縁領域２１が、それぞれ、Ｘ－Ｙ面に沿って複数の素子部１０の周りに設けられている。１つの第２絶縁領域２２が、複数の第１絶縁領域２１の上に設けられている。つまり、全ての第１絶縁領域２１が、共通の１つの第２絶縁領域２２に接している。
複数の第１絶縁領域２１は、互いに離れている。Ｘ方向又はＹ方向において隣り合う第１絶縁領域２１同士の間には、半導体領域２５が設けられている。半導体領域２５におけるｐ形不純物濃度は、ｐ－形半導体領域１１におけるｐ形不純物濃度と同じでも良いし、異なっていても良い。
複数の素子部１０及び絶縁部２０は、導電層１の上に設けられている。それぞれのｐ－形半導体領域１１は、導電層１と電気的に接続されている。例えば、第１絶縁領域２１の下端は、Ｚ方向において導電層１から離れている。
クエンチ部３０は、素子部１０よりも上方に設けられ、ｎ＋形半導体領域１３と電気的に接続されている。例えば図１に表したように、ｎ＋形半導体領域１３は、コンタクトプラグ３０ａ、配線３０ｂ、コンタクトプラグ３０ｃ、クエンチ部３０、及びコンタクトプラグ３０ｄを介して、配線４１と電気的に接続される。クエンチ部３０は、絶縁部２０の上に設けられることが好ましい。これにより、素子部１０に向けて進む光が、クエンチ部３０によって遮られることを抑制できる。
絶縁層４０は、素子部１０及び絶縁部２０の上に設けられている。上述した各コンタクトプラグや、各配線、クエンチ部３０は、絶縁層４０中に設けられている。絶縁層４０は、Ｚ方向に積層された複数の絶縁膜を含んでも良い。
半導体装置１００の動作を説明する。
素子部１０に光が入射すると、素子部１０で電荷が生成される。例えば、ｐ＋形半導体領域１２とｎ＋形半導体領域１３との間には降伏電圧を超える逆電圧が印加され、素子部１０はガイガーモードで動作する。素子部１０で発生した電荷により降伏が生じ、多量の電荷が生成される。電荷は、ｎ＋形半導体領域１３及びクエンチ部３０を通って配線４１へ流れ、半導体装置１００の外部に取り出される。
クエンチ部３０の電気抵抗は、コンタクトプラグ３０ａ、３０ｃ、３０ｄ、及び配線３０ｂのそれぞれの電気抵抗よりも大きい。クエンチ部３０の電気抵抗は、好ましくは１０ｋΩより大きく１０ＭΩより小さい。クエンチ部３０は、素子部１０に光が入射し、アバランシェ降伏が発生した際に、アバランシェ降伏の継続を抑制するために設けられる。アバランシェ降伏が発生し、クエンチ部３０に電流が流れると、クエンチ部３０の電気抵抗に応じて電圧降下が生じる。電圧降下により、ｐ＋形半導体領域１２とｎ＋形半導体領域１３との間の電位差が小さくなり、アバランシェ降伏が停止する。これにより、次に素子部１０へ入射した光を検出できるようになる。
上述したように、大きな電圧降下を生じさせる抵抗体が、クエンチ部３０として設けられても良い。抵抗体に代えて、アクティブクエンチ方式を適用した、トランジスタを含むクエンチ部３０が設けられても良い。
各要素の材料の一例を説明する。
ｐ－形半導体領域１１、ｐ＋形半導体領域１２、ｎ＋形半導体領域１３、及びｎ形半導体領域１４、シリコン、炭化シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウムなどの半導体材料を含む。半導体材料としてシリコンが用いられるとき、リン、ヒ素、又はアンチモンがｎ形不純物として用いられる。ボロンがｐ形不純物として用いられる。
導電層１は、ｐ＋形の半導体層である。導電層１は、上述した半導体材料を含む。導電層１におけるｐ形不純物濃度は、ｐ－形半導体領域１１におけるｐ形不純物濃度よりも高い。導電層１は、金属を含んでも良い。例えば、導電層１は、アルミニウム、銅、チタン、金、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つを含む。
絶縁部２０及び絶縁層４０は、絶縁材料を含む。素子部１０同士の間のクロストークを低減するために、絶縁部２０に含まれる絶縁材料の屈折率は、素子部１０に含まれる半導体材料の屈折率よりも低いことが好ましい。例えば、絶縁部２０及び絶縁層４０は、酸化シリコンを含む。
抵抗体としてのクエンチ部３０は、ポリシリコンを含む。クエンチ部３０には、ｎ形不純物又はｐ形不純物が添加されていても良い。各コンタクトプラグ及び各配線は、金属材料を含む。金属材料は、チタン、タングステン、銅、及びアルミニウムからなる群より選択された少なくとも１つである。
第１実施形態の効果を説明する。
図３は、参考例に係る半導体装置を表す断面図である。
参考例に係る半導体装置１００ｒでは、素子部１０において、ｎ形半導体領域１４が設けられていない。ｐ＋形半導体領域１２及びｎ＋形半導体領域１３は、絶縁部２０と接している。
半導体装置１００ｒでは、ｎ＋形半導体領域１３の外周下部に位置する部分Ｐにおいて、電界強度が大きくなる。これにより、部分Ｐ近傍では、他の部分に比べて、アバランシェ降伏が生じ易くなる。例えば、部分Ｐ近傍において、他の部分よりも先に降伏が生じるエッジブレークダウンが発生し易くなる。また、部分Ｐ近傍において、意図しない降伏が生じることで、ノイズが増大する可能性がある。
第１実施形態に係る半導体装置１００では、素子部１０が、ｎ形半導体領域１４を含む。ｎ形半導体領域１４は、Ｘ－Ｙ面に沿ってｐ＋形半導体領域１２及びｎ＋形半導体領域１３の周りに設けられている。ｎ形半導体領域１４が設けられる場合、ｎ＋形半導体領域１３の外周下部における電界強度を低減できる。また、ｎ形半導体領域１４における電界強度は、半導体装置１００ｒの部分Ｐにおける電界強度よりも低下する。このため、素子部１０における局所的な電界強度の上昇を抑制できる。これにより、例えば、エッジブレークダウンの発生を抑制し、半導体装置１００の動作をより安定化できる。また、半導体装置１００のノイズを低減できる。
ｎ形半導体領域１４の下端は、ｐ＋形半導体領域１２の下端よりも上方に位置することが好ましい。ｎ形半導体領域１４の下端がｐ＋形半導体領域１２の下端よりも下方に位置すると、降伏時に発生したキャリアがｎ形半導体領域１４へ流れ易くなる。キャリアがｎ形半導体領域１４へ流れた場合、キャリアがｎ＋形半導体領域１３へ流れた場合に比べて、配線４１を流れる信号が小さくなる。ｎ形半導体領域１４は、実質的に不感領域である。ｎ形半導体領域１４の下端がｐ＋形半導体領域１２の下端よりも上方に位置することで、ｎ形半導体領域１４へ流れるキャリアの量を減少させ、半導体装置１００の光に対する感度を向上できる。
例えば、ｐ＋形半導体領域１２の下端の位置は、以下の方法により特定される。ｐ＋形半導体領域１２のｐｎ接合面近傍のｐ形不純物濃度（第１濃度）を測定する。ｐ＋形半導体領域１２からＺ方向に離れた位置におけるｐ－形半導体領域１１のｐ形不純物濃度（第２濃度）を測定する。ｐ－形半導体領域１１とｐ＋形半導体領域１２との間において、第１濃度と第２濃度の中間のｐ形不純物濃度を有する位置を特定する。その位置が、ｐ＋形半導体領域１２の下端の位置に対応する。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る半導体装置を表す断面図である。
第２実施形態に係る半導体装置２００では、半導体装置１００と比べて、素子部１０がｐ形半導体領域１５（第５半導体領域）をさらに含む。
ｐ形半導体領域１５は、ｎ形半導体領域１４の下に設けられている。例えば、ｐ形半導体領域１５は、絶縁部２０（第１絶縁領域２１）に接している。ｐ形半導体領域１５におけるｐ形不純物濃度は、ｐ－形半導体領域１１におけるｐ形不純物濃度よりも高く、ｐ＋形半導体領域１２におけるｐ形不純物濃度よりも低い。
図５は、第２実施形態に係る半導体装置に電圧を印加したときの電気力線を表す模式図である。
上述した通り、ｎ形半導体領域１４へ流れるキャリアの量を低減すると、光に対する感度が向上する。半導体装置２００では、図５に表したように、ｐ形半導体領域１５において、電気力線ＥＬを素子部１０の内側に向けることができる。これにより、ｎ形半導体領域１４へのキャリアの流れを抑制でき、キャリアがｐ＋形半導体領域１２に向けて流れ易くなる。第２実施形態によれば、第１実施形態に比べて、半導体装置２００の受光感度を向上できる。
ｐ形半導体領域１５は、Ｚ方向においてｎ形半導体領域１４から離れていることが好ましい。ｐ形半導体領域１５がより下方に位置するほど、ｎ形半導体領域１４からより離れた位置で、電気力線ＥＬを内側に向けることができる。これにより、ｎ形半導体領域１４へのキャリアの流れをさらに抑制できる。
ｐ形半導体領域１５におけるｐ形不純物濃度は、ｐ－形半導体領域１１におけるｐ形不純物濃度よりも高い。ｐ形半導体領域１５におけるキャリアライフタイムは、ｐ－形半導体領域１１におけるキャリアライフタイムよりも短い。図４に表したｐ形半導体領域１５のＺ方向における長さＬ１が過度に長いと、素子部１０で発生したキャリアが、消失し易くなる。すなわち、実効的な受光面積が、減少する。このため、長さＬ１は、例えば、ｎ形半導体領域１４のＺ方向における長さＬ２よりも短いことが好ましい。これにより、実効的な受光面積の減少を抑制しつつ、受光感度を向上できる。
例えば、ｐ－形半導体領域１１とｐ形半導体領域１５との境界は、以下の方法により特定される。ｐ形半導体領域１５における最大のｐ形不純物濃度（第１濃度）を測定する。ｐ形半導体領域１５から離れた位置におけるｐ－形半導体領域１１のｐ形不純物濃度（第２濃度）を測定する。ｐ－形半導体領域１１とｐ形半導体領域１５との間において、第１濃度と第２濃度の中間のｐ形不純物濃度を有する位置を特定する。その位置が、ｐ－形半導体領域１１とｐ形半導体領域１５との間の境界に対応する。
図６（ａ）は、図５のＡ１－Ａ２断面図である。図６（ｂ）は、図５のＢ１－Ｂ２断面図である。
図６（ａ）に表したｐ形半導体領域１５の長さＬ３は、図６（ｂ）に表したｎ形半導体領域１４の長さＬ４の、０．８倍より長く１．２倍未満であることが好ましい。長さＬ３及びＬ４は、それぞれ、素子部１０から絶縁部２０に向かう方向におけるｐ形半導体領域１５の長さ及びｎ形半導体領域１４の長さである。長さＬ３が長さＬ４の０．８倍未満であると、ｎ形半導体領域１４へのキャリアの流れを抑制する効果が弱まる。長さＬ３が長さＬ４の１．２倍を超えると、ｎ形半導体領域１４へのキャリアの流れを抑制する効果が実質的に変化せずに、ｐ形半導体領域１５の容量が増加する。長さＬ３が長さＬ４の０．８倍より長く１．２倍未満であることで、ｐ形半導体領域１５の容量の増大を抑制しつつ、ｎ形半導体領域１４へのキャリアの流れを効果的に抑制できる。
例えば、ｎ＋形半導体領域１３とｎ形半導体領域１４との境界は、以下の方法により特定される。ｎ＋形半導体領域１３における最大のｎ形不純物濃度（第１濃度）を測定する。ｎ形半導体領域１４の絶縁部２０近傍において、最小のｎ形不純物濃度（第２濃度）を測定する。ｎ＋形半導体領域１３とｎ形半導体領域１４との間において、第１濃度と第２濃度の中間のｎ形不純物濃度を有する位置を特定する。その位置が、ｎ＋形半導体領域１３とｎ形半導体領域１４との境界に対応する。
一例として、ｐ＋形半導体領域１２とｎ＋形半導体領域１３との間のｐｎ接合面の深さは、０．５μｍよりも深く、１μｍよりも浅い。ｐ＋形半導体領域１２の下端の深さは、０．８μｍよりも深く、１．６μｍよりも浅い。ｎ形半導体領域１４の下端の深さは、０．８μｍよりも深く、１．２μｍよりも浅い。ｐ形半導体領域１５の下端の深さは、２．５μｍよりも深く、４μｍよりも浅い。深さは、素子部１０の上面からのＺ方向における距離に対応する。
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る半導体装置を表す回路図である。
第３実施形態に係る半導体装置３００は、複数の素子アレイＡｒ１～Ａｒｎ及び複数のトランジスタＴｒ１～Ｔｒｎを含む。
複数の素子アレイＡｒ１～Ａｒｎのそれぞれは、複数の素子部１０及び複数のクエンチ部３０を含む。１つの素子部１０は、１つのクエンチ部３０と直接接続されている。直列接続された１つの素子部１０と１つのクエンチ部３０の組が、複数並列に接続され、１つの素子アレイを構成している。半導体装置３００における素子部１０の構成は、例えば半導体装置１００又は２００における素子部１０の構成と同じである。
複数のトランジスタＴｒ１～Ｔｒｎは、それぞれ複数の素子アレイＡｒ１～Ａｒｎと電気的に接続されている。複数のトランジスタＴｒ１～Ｔｒｎの１つが選択されると、対応する複数の素子アレイＡｒ１～Ａｒｎの１つが動作する。複数の素子アレイＡｒ１～Ａｒｎの１つで発生した信号は、選択された複数のトランジスタＴｒ１～Ｔｒｎの１つを通して端子Ｔから取り出される。
素子部１０において降伏が繰り返し生じることで、素子部１０では温度変化が繰り返し生じる。半導体装置３００の使用期間の経過に伴い、素子部１０の感度が低下することがある。例えば、半導体装置３００では、１つのトランジスタが選択され、１つの素子アレイが使用される。半導体装置３００の使用に伴い、その素子アレイの感度が低下したときには、別のトランジスタが選択される。これにより、感度の低下していない別の素子アレイを光の検出に使用できる。第３実施形態によれば、使用に伴う半導体装置３００の感度の低下を抑制できる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
１：導電層、 １０：素子部、 １１：ｐ－形半導体領域、 １２：ｐ＋形半導体領域、 １３：ｎ＋形半導体領域、 １４：ｎ形半導体領域、 １５：ｐ形半導体領域、 ２０：絶縁部、 ２１：第１絶縁領域、 ２２：第２絶縁領域、 ２５：半導体領域、 ３０：クエンチ部、 ３０ａ，３０ｃ，３０ｄ：コンタクトプラグ、 ３０ｂ：配線、 ４０：絶縁層、 ４１：配線、 １００，１００ｒ，２００，３００：半導体装置、 Ａｒ１～Ａｒｎ：素子アレイ、 ＥＬ：電気力線、 Ｐ：部分、 Ｔ：端子、 Ｔｒ１～Ｔｒｎ：トランジスタ

Claims (9)

  1. 第１導電形の第１半導体領域と、
    前記第１半導体領域の上に設けられ、前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する第１導電形の第２半導体領域と、
    前記第２半導体領域の上に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
    前記第１半導体領域から前記第２半導体領域に向かう第１方向と交差する第１面に沿って前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域の周りに設けられ、前記第３半導体領域よりも低い第２導電形の不純物濃度を有する第２導電形の第４半導体領域と、
    を含む素子部と、
    前記第１面に沿って前記素子部の周りに設けられた絶縁部と、
    前記第３半導体領域と電気的に接続されたクエンチ部と、
    を備えた半導体装置。
  2. 前記第４半導体領域の下端は、前記第２半導体領域の下端よりも上方に位置する請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記素子部は、前記第４半導体領域の下に設けられた第１導電形の第５半導体領域をさらに含み、
    前記第５半導体領域における第１導電形の不純物濃度は、前記第１半導体領域における第１導電形の不純物濃度よりも高く、前記第２半導体領域における第１導電形の不純物濃度よりも低い請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記第５半導体領域は、前記第１方向において前記第４半導体領域から離れ、
    前記素子部の上面と前記第５半導体領域の下端との間の前記第１方向における距離は、２．５μｍよりも長く、４μｍよりも短い請求項３記載の半導体装置。
  5. 前記第５半導体領域の前記第１方向における長さは、前記第４半導体領域の前記第１方向における長さよりも短い請求項３又は４記載の半導体装置。
  6. 前記素子部から前記絶縁部に向かう方向における前記第５半導体領域の長さは、前記方向における前記第４半導体領域の長さの０．８倍より大きく１．２倍未満である請求項３～５のいずれか１つに記載の半導体装置。
  7. 前記素子部は、前記第１方向に交差する第２方向と、前記第１方向及び前記第２方向に沿う面と交差する第３方向と、において複数設けられた請求項１～６のいずれか１つに記載の半導体装置。
  8. 前記素子部は、ガイガーモードで動作される請求項１～７のいずれか１つに記載の半導体装置。
  9. 前記素子部と電気的に接続されたトランジスタをさらに備えた請求項１～８のいずれか１つに記載の半導体装置。
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