JP3558883B2

JP3558883B2 - Photodetector and method of manufacturing the same

Info

Publication number: JP3558883B2
Application number: JP22282898A
Authority: JP
Inventors: 広治江部; 元須藤; 昌弘田中; 信之梶原; 一男尾▲崎▼
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1998-08-06
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2018-08-06
Also published as: JP2000058883A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光検知素子及びその製造方法に関し、より詳しくは、ｐｎ接合を有する光検知素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来例に係る光検知素子の断面図である。
従来例に係る光検知素子は、図７に示すように、基板１上のＨｇＣｄＴｅ層２の表層に拡散領域４が形成されており、ＨｇＣｄＴｅ層２と拡散領域４の境界がｐｎ接合となっている。
【０００３】
また、ＨｇＣｄＴｅ層２の上には拡散領域４を覆って表面保護膜３が形成され、表面保護膜３には拡散領域４の一部領域が露出するコンタクトホール５が形成されている。表面保護膜３の材料は高抵抗の半導体材料である硫化亜鉛（ＺｎＳ）からなる。
表面保護膜３上には拡散領域４上に拡散領域４とほぼ同じ幅寸法を有するインジウム（Ｉｎ）からなるバンプ電極７が形成され、バンプ電極７はコンタクトホール５を通して拡散領域４と接触している。また、バンプ電極７と表面保護膜３の間であってバンプ電極７の周辺部にドーナツ状、かつ帯状のＣｒ／Ａｕ膜からなる接着層６が敷かれ、バンプ電極７と表面保護膜３の密着性を向上させている。
【０００４】
次に、上記光検知素子を作成するには、まず、図７に示すように、基板１上にエピタキシャル成長によりＨｇＣｄＴｅ層２を形成する。
次いで、ＨｇＣｄＴｅ層２上に高抵抗のＺｎＳからなる表面保護膜３を形成した後、ＨｇＣｄＴｅ層２を通して部分領域にイオン注入し、半導体層の表層にｎ型の拡散領域４を形成する。
【０００５】
次に、拡散領域４の上部の表面保護膜３に部分的に開口部５を形成し、開口部５内に拡散領域４を露出させる。
次に、拡散領域４の周辺縁部、即ちＨｇＣｄＴｅ層２表面への終端部の上部にほぼ位置するようにドーナツ状、かつ帯状の接着層６を形成する。
次いで、開口部５内の拡散領域４と接触し、かつドーナツ状、かつ帯状の接着層５上にその端部が掛かるようにバンプ電極７を形成する。
【０００６】
以上により、ｐｎ接合を有するダイオード構造の光検知素子が完成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例の光検知素子においては、半導体層２の材料がＨｇＣｄＴｅであり、表面保護膜３の材料がＺｎＳであり、接着層６の材料がＣｒ／Ａｕであり、バンプ電極７の材料がＩｎである。このように、種々の成膜材料を用いている。また、光検知素子は、リーク電流を減らし、感度を向上させるため、特に、７７Ｋという極低温で動作させる。
【０００８】
このような構造を有し、かつ動作を行わせる光検知素子においては、膜内部応力や熱膨張係数の違いにより、半導体層２に応力がかかり易く、半導体層２に結晶欠陥や結晶格子ひずみが生じやすい。この場合、欠陥部やひずみ部がｐｎ接合を貫通した場合、リーク電流の増大を招き、光検知感度が低下するという問題がある。
【０００９】
また、表面保護膜３のＺｎＳ膜は半導体層２に引っ張り応力を生じさせるため、半導体層２のエネルギギャップが狭まる。この場合も、リーク電流の増大を招き、光検知感度が低下するという問題がある。特に、半導体層２の材料のＨｇＣｄＴｅはバンドギャップが０．１ｅＶと極めて小さいため、その影響が大きい。
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、リーク電流を抑制することができる光検知素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、第１の発明は、光検知素子に係り、一導電型の半導体層と、前記半導体層の表層に部分的に形成された反対導電型の拡散領域と、前記拡散領域を覆い、前記半導体層上に形成された高抵抗の半導体材料からなる表面保護膜と、前記表面保護膜の表面から前記拡散領域に達するように前記表面保護膜内に不純物が部分的に導入されて形成された低抵抗領域と、前記低抵抗領域と接触して前記表面保護膜上に形成され、前記拡散領域全体を覆い、かつ前記拡散領域の周辺縁部から所定の距離だけ外側に延在するように形成された電極とを有することを特徴としている。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明に記載の光検知素子に係り、前記半導体層の材料はＨｇＣｄＴｅからなることを特徴とし、
第３の発明は、第１又は第２の発明に記載の光検知素子に係り、前記表面保護膜は圧縮応力を有することを特徴とし、
第４の発明は、第３の発明に記載の光検知素子に係り、前記表面保護膜はＣｄＴｅの単一膜からなることを特徴としている。
【００１２】
第５の発明は、第３の発明に記載の光検知素子に係り、前記表面保護膜は２層からなり、そのうち少なくとも一層が圧縮応力を有することを特徴とし、
第６の発明は、第５の発明に記載の光検知素子に係り、前記表面保護膜はＺｎＳ膜と圧縮応力を有するＳｉＮ膜又はＣｄＴｅ膜との２層からなることを特徴としている。
【００１３】
第７の発明は、光検知素子の製造方法に係り、一導電型の半導体層の表層に部分的に反対導電型の拡散領域を形成する工程と、前記拡散領域を覆い、前記半導体層上に高抵抗の半導体材料からなる表面保護膜を形成する工程と、前記表面保護膜に部分的に不純物を導入して前記表面保護膜の表面から前記拡散領域に達する低抵抗領域を形成する工程と、前記低抵抗領域と接触して形成され、前記拡散領域全体を覆い、かつ前記拡散領域の周辺縁部から所定の距離だけ外側に延在するように前記表面保護膜上に電極を形成する工程とを有することを特徴としている。
【００１４】
本願発明者は、半導体層に生じている欠陥を調査してみると、膜の縁部を起点としてそこから半導体層に向かって生じる場合が多いことが分かった。
本発明においては、電極と拡散領域との接続は表面保護膜の開口部を介さずに、拡散領域上の表面保護膜の一部領域に不純物が部分的に導入されて形成された低抵抗領域を通してなされる。また、拡散領域の周辺縁部から所定の距離だけ外側まで延在するように、電極が形成されている。
【００１５】
従って、拡散領域の直上或いはその上方の領域内には何れの膜の縁部も存在せず、しかも拡散領域の周辺縁部、即ちｐｎ接合の上方から離れている。
このように、本発明の半導体装置は膜内部応力や熱応力による結晶欠陥や結晶格子ひずみが半導体層中のｐｎ接合を貫通しにくい構造となっている。このため、結晶欠陥や結晶格子ひずみがｐｎ接合を貫通することに起因するリーク電流の増大は抑制される。
【００１６】
また、本発明においては、表面保護膜は圧縮応力を生じるような成膜条件で作成されている。これにより、半導体層にはエネルギギャップが広がるような応力が働くため、半導体層のエネルギギャップは広がり、リーク電流を小さくすることができる。
以上により、リーク電流を抑制することができ、従って、光検知素子の光検出感度を向上させ、或いは発光素子の量子効率を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（１）本発明の第１の実施の形態
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光検知素子の構造について示す断面図である。
【００１８】
図１に示すように、ＣｄＺｎＴｅからなる基板１１上にｐ型（一導電型）のＨｇＣｄＴｅからなる半導体層１２が形成されている。
また、半導体層１２の表層に部分的にｎ型（反対導電型）の拡散領域１４が形成されている。半導体層１２と拡散領域１４の境界がｐｎ接合１４ａとなっている。
【００１９】
さらに、拡散領域１４を覆い、半導体層１２上に高抵抗の半導体材料であるＺｎＳからなる表面保護膜１３が形成されている。拡散領域１４の一部領域上の表面保護膜１３には、表面保護膜１３の表面から拡散領域１４に達するようにｎ型の低抵抗領域１５が形成されている。
また、低抵抗領域１５と接触して表面保護膜１３上に接着層１６とバンプ電極１７が形成されている。接着層１６とバンプ電極１７は、拡散領域１４全体を覆い、かつ拡散領域１４の周辺縁部であって半導体層１２表面への終端部から凡そ５μｍ以上外側に延在するように接着層１６とバンプ電極１７が形成されている。接着層１６とバンプ電極１７が電極を構成する。
【００２０】
なお、この実施の形態では、接着層１６及びバンプ電極１７の拡散領域１４の周辺縁部、即ち半導体層１２の表面に終端しているｐｎ接合からの延在距離を凡そ５μｍとしているが、膜内部応力や熱応力により接着層１６及びバンプ電極１７の縁部に起因する結晶欠陥や結晶格子ひずみが生じた場合、それがｐｎ接合１４ａを貫通する恐れのない距離だけ離れていればよい。
【００２１】
次に、図２（ａ）〜（ｄ）を参照しながら上記光検知素子の製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、液相エピタキシャル成長によりＣｄＺｎＴｅ基板１１上に膜厚約２０μｍのＨｇＣｄＴｅ膜１２を形成する。
次に、Ｈｇ雰囲気中で温度３００乃至４００℃で熱処理する。このとき、ＨｇＣｄＴｅ膜１２中ではＨｇが抜けて空孔が生じる。これにより、ＨｇＣｄＴｅ膜（半導体層）１２はキャリア（正孔）濃度１×１０^１６ｃｍ^−３を有するｐ型となる。
【００２２】
次いで、蒸着により膜厚４００ｎｍのＺｎＳ膜１３を形成する。このＺｎＳ膜１３は高抵抗の半導体材料であり、表面保護膜１３となる。
続いて、ＺｎＳ膜１３上にレジスト膜１８を形成した後、拡散領域を形成すべき領域に開口部１９を形成する。
次に、レジスト膜１８の開口部１９を通して、かつＺｎＳ膜を通して加速電圧２００ｋｅＶ，ドーズ量１×１０^１４ｃｍ^−２の条件で半導体層１２に選択的にボロン（Ｂ）をイオン注入する。続いて、温度１００乃至２００℃でアニールする。このとき、ボロンの導入によりイオン注入領域のＨｇＣｄＴｅ膜（半導体層）１２中にＨｇが生じ、アニールにより内部に拡散してＨｇの空孔を埋める。これにより、空孔がＨｇで埋められ、図２（ｂ）に示すように、半導体層１２の表層にｎ型の拡散領域１４が形成される。
【００２３】
次いで、図２（ｃ）に示すように、ＺｎＳ膜１３上にレジスト膜２０を形成した後、拡散領域１４の一部領域上部にレジスト膜２０の開口部２１を形成する。続いて、この開口部２１を通して、ドーズ量１×１０^１４乃至１×１０^１６ｃｍ^−２の条件で加速電圧１０ｋｅＶから２００ｋｅＶの間で連続的に変化させ、ＺｎＳ膜１３に選択的にボロン（Ｂ）をイオン注入する。これにより、ＺｎＳ膜１３には拡散領域１４の一部領域と接続するｎ型の低抵抗領域１５が形成される。
【００２４】
次に、Ｃｒ膜とＡｕ膜を順に積層した後、パターニングして接着層１６を形成する。このとき、接着層１６は、拡散領域１４全体を覆い、かつ拡散領域１４の周辺縁部であって半導体層１２表面へのｐｎ接合の終端部から凡そ５μｍ以上外側に延在するようにパターニングされる。
その後、蒸着により接着層１６上にＩｎからなるバンプ電極１７を形成する。これにより、光検知素子が完成する。
【００２５】
以上のように、本発明の第１の実施の形態においては、接着層１６とバンプ電極１７と拡散領域１４との接触は表面保護膜１３の開口部を介さずに、表面保護膜１３に形成された低抵抗領域１５を通してなされる。
また、拡散領域１４よりも外側まで延在するように、接着層１６とバンプ電極１７からなる電極が形成されている。
【００２６】
従って、拡散領域１４内の直上及び上方には何れの膜及び層の縁部も存在せず、かつ電極の外縁部はｐｎ接合から十分に離れている。このように、膜内部応力や熱応力により膜の縁部に起因する結晶欠陥や結晶格子ひずみが生じても半導体層１２中のｐｎ接合１４ａを貫通しにくい構造となっている。このため、結晶欠陥や結晶格子ひずみがｐｎ接合を貫通することに起因するリーク電流の増大は抑制される。
【００２７】
以上により、リーク電流を抑制することができ、従って、光検知素子の光検出感度を向上させることができる。
なお、図６（ａ），（ｂ）はこの光検知素子が用いられた赤外線検知装置の斜視図である。以下にその構造について簡単に説明する。
図６（ａ）に示すように、光検出器１０１は光検出素子１０２と半導体集積回路装置からなる信号処理装置１０３とから構成される。光検出素子１０２と信号処理装置１０３とは重ねられ、バンプ電極を通して相互の電気的な接続が採られている。いわゆるフリップチップ構造を有する。
【００２８】
図６（ｂ）は光検出素子１０２と信号処理装置１０３とが接続された状態の詳細を示す。
図中、光検出素子１０２は上記しているので、説明を省略する。この場合、図１と同じ符号で示すものは図１と同じものを示す。
一方、信号処理装置１０３については、符号２１はシリコン基板、２２はシリコン基板２１の表面に形成されたｎ型拡散領域、２３はｎ型拡散領域２２を被覆し、シリコン基板２１上に形成された表面保護膜、２４はｎ型拡散領域２２上の表面保護膜２３に形成されたコンタクトホール、２５はコンタクトホール２４を通してｎ型拡散領域２２と接続する下地電極、２６は下地電極２５上のバンプ電極である。
【００２９】
（２）本発明の第２の実施の形態
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光検知素子の構造を示す断面図である。図１と異なるところは、表面保護膜となるＺｎＳ膜１３ａの膜厚を通常の膜厚の半分の２００ｎｍと薄く形成していることである。
この場合も、拡散領域１４上の表面保護膜１５ａに不純物を導入して低抵抗領域１５ａを形成して電極と拡散領域１４とを接続するようにする。なお、他の符号は、図１の符号と同じ符号で示すものは図１と同じものを示す。
【００３０】
第２の実施の形態によれば、引っ張り応力を生じやすいＺｎＳ膜１３を薄く形成しているため、引っ張り応力が緩和されて半導体層１２中に応力が加わりにくいような構造となっている。これにより、リーク電流の増大を抑制することができる。
（３）本発明の第３の実施の形態
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る光検知素子の構造を示す断面図である。図１と異なるところは、表面保護膜１３ｂとして高抵抗半導体であるＣｄＴｅからなる単一膜を用いていることである。ＣｄＴｅ膜１３ｂの膜厚を２００ｎｍ乃至４００ｎｍとする。
【００３１】
この場合も、拡散領域１４上の表面保護膜１３ｂに不純物を導入して低抵抗領域１５ｂを形成して電極と拡散領域１４とを接続するようにする。なお、他の符号は、図１の符号と同じ符号で示すものは図１と同じものを示す。
この場合、ＣｄＴｅ膜１３ｂは、成膜条件により容易に圧縮応力を生じるように形成することができる。スパッタによりＣｄＴｅ膜１３ｂを形成する場合、ＣｄＴｅ膜１３ｂの成膜条件として、例えば、Ａｒガスの圧力を１０^−２Ｔｏｒｒとし、電力を５０乃至２００Ｗとして成膜すると、圧縮応力を有するＣｄＴｅ膜が得られる。
【００３２】
上記第３の実施の形態によれば、表面保護膜１３ｂが圧縮応力を有するので、半導体層１２にはエネルギギャップが広がるような応力が働く。例えば、ＨｇＣｄＴｅの場合、圧縮応力に対するエネルギギャップの広がり率は凡そ１０ｍｅＶ／ｋｂａｒである。
このため、半導体層１２のエネルギギャップは広がり、リーク電流を小さくすることができる。これにより、リーク電流を抑制することができ、従って、光検知素子の光検出感度を向上させ、或いは発光素子の量子効率を向上させることができる。
【００３３】
（４）本発明の第４の実施の形態
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る光検知素子の構造を示す断面図である。図１と異なるところは、表面保護膜１３ｃとして膜厚約２００ｎｍのＣｄＴｅ膜１３１ａと膜厚約２００ｎｍのＺｎＳ膜１３１ｂの２層の高抵抗半導体膜を用いていることである。
【００３４】
この場合も、拡散領域１４上の表面保護膜１３ｃに不純物を導入して低抵抗領域１５ｃを形成して電極と拡散領域１４とを接続するようにする。なお、他の符号は、図１の符号と同じ符号で示すものは図１と同じものを示す。
これにより、表面保護膜１３ｃの膜厚を十分に厚く保持するとともに、圧縮応力を生じるような高抵抗の半導体膜を容易に形成することができる。
【００３５】
これにより、半導体層１２にはエネルギギャップが広がるような応力が働くため、半導体層１２のエネルギギャップは広がり、リーク電流を小さくすることができる。
従って、リーク電流を抑制することができ、従って、光検知素子の光検出感度を向上させ、或いは発光素子の量子効率を向上させることができる。
【００３６】
なお、上記の第１乃至第４の実施の形態では、本発明を光検知素子に適用しいているが、発光素子に適用することができる。この場合、リーク電流を低減して発光素子の量子効率を向上させることができる。
また、拡散領域１４の周辺縁部、即ち半導体層表面のｐｎ接合からの電極の延在距離を５μｍ以上としているが、パターニングのマージン、及び半導体層１２中での結晶欠陥や結晶格子ひずみの広がり具合により適宜変更することができる。
【００３７】
さらに、第３及び第４の実施の形態では、圧縮応力を有する表面保護膜としてＣｄＴｅ膜を用いているが、これに限らず、成膜条件その他により圧縮応力が生じるような高抵抗の半導体膜であればよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、電極と拡散領域との接続は表面保護膜の開口部を介さずに、表面保護膜の一部領域に不純物が導入されて形成された低抵抗領域を通してなされる。従って、拡散領域内には膜の縁部が生じない。
また、拡散領域よりも外側まで延在するように、電極が形成されている。このため、電極の縁部は拡散領域内に存在せず、ｐｎ接合から十分な距離だけ離れている。
【００３９】
従って、膜内部応力や熱応力により結晶欠陥や結晶格子ひずみが生じてもそれが半導体層中のｐｎ接合を貫通しにくい構造となっている。このため、結晶欠陥や結晶格子ひずみがｐｎ接合を貫通することに起因するリーク電流の増大は抑制される。
また、表面保護膜が圧縮応力を生じるような成膜条件で作成されている。これにより、半導体層のエネルギギャップは広がるため、リーク電流は小さくなる。
【００４０】
以上により、リーク電流を抑制することができ、従って、光検知素子の光検出感度を向上させ、或いは発光素子の量子効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光検出素子の構造について示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光検出素子の製造方法について示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る光検出素子の構造について示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る光検出素子の構造について示す断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る光検出素子の構造について示す断面図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態に係る光検出器について示す斜視図である。
【図７】従来例に係る光検出素子の構造について示す断面図である。
【符号の説明】
１１基板、
１２ＨｇＣｄＴｅ層（半導体層）、
１３，１３ａＺｎＳ膜（表面保護膜）、
１３ｂＣｄＴｅ膜（表面保護膜）、
１３ｃ表面保護膜、
１４拡散領域、
１５，１５ａ〜１５ｃ低抵抗領域、
１６接着層、
１７バンプ電極、
１３１ａＺｎＳ膜、
１３１ｂＣｄＴｅ膜。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light sensing element and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a light sensing element having a pn junction and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 is a cross-sectional view of a photodetector according to a conventional example.
As shown in FIG. 7, in the photodetector according to the conventional example, a diffusion region 4 is formed on a surface layer of an HgCdTe layer 2 on a substrate 1, and a boundary between the HgCdTe layer 2 and the diffusion region 4 is a pn junction. I have.
[0003]
A surface protection film 3 is formed on the HgCdTe layer 2 so as to cover the diffusion region 4, and a contact hole 5 exposing a part of the diffusion region 4 is formed in the surface protection film 3. The material of the surface protection film 3 is made of zinc sulfide (ZnS) which is a high-resistance semiconductor material.
A bump electrode 7 made of indium (In) having substantially the same width as the diffusion region 4 is formed on the surface protection film 3 on the diffusion region 4, and the bump electrode 7 contacts the diffusion region 4 through the contact hole 5. I have. Between the bump electrode 7 and the surface protection film 3 and around the bump electrode 7, an adhesive layer 6 made of a donut-shaped and band-shaped Cr / Au film is laid. Improves adhesion.
[0004]
Next, in order to fabricate the photodetector, first, as shown in FIG. 7, an HgCdTe layer 2 is formed on a substrate 1 by epitaxial growth.
Next, after forming a surface protection film 3 made of high-resistance ZnS on the HgCdTe layer 2, ions are implanted into a partial region through the HgCdTe layer 2 to form an n-type diffusion region 4 in a surface layer of the semiconductor layer.
[0005]
Next, an opening 5 is partially formed in the surface protection film 3 above the diffusion region 4, and the diffusion region 4 is exposed in the opening 5.
Next, a donut-shaped and band-shaped adhesive layer 6 is formed so as to be located substantially at the peripheral edge of the diffusion region 4, that is, at the upper portion of the terminal end to the surface of the HgCdTe layer 2.
Next, a bump electrode 7 is formed so as to be in contact with the diffusion region 4 in the opening 5 and to be hooked on the donut-shaped and band-shaped adhesive layer 5.
[0006]
Thus, a photodetector having a diode structure having a pn junction is completed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional light detecting element, the material of the semiconductor layer 2 is HgCdTe, the material of the surface protective film 3 is ZnS, the material of the adhesive layer 6 is Cr / Au, and the material of the bump electrode 7 is In. Thus, various film forming materials are used. In addition, the photodetector is operated at an extremely low temperature of 77 K in order to reduce leak current and improve sensitivity.
[0008]
In a photodetector having such a structure and performing an operation, stress is easily applied to the semiconductor layer 2 due to a difference in film internal stress and a difference in thermal expansion coefficient, and crystal defects and crystal lattice strains are generated in the semiconductor layer 2. Easy to occur. In this case, when a defective portion or a strained portion penetrates through the pn junction, there is a problem that a leak current is increased and the photodetection sensitivity is reduced.
[0009]
In addition, since the ZnS film of the surface protection film 3 generates a tensile stress in the semiconductor layer 2, the energy gap of the semiconductor layer 2 is narrowed. Also in this case, there is a problem that the leak current is increased and the light detection sensitivity is reduced. In particular, HgCdTe, which is a material of the semiconductor layer 2, has a very small band gap of 0.1 eV, so that the influence is large.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems of the conventional example described above, and has as its object to provide a photodetector capable of suppressing a leak current and a method of manufacturing the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a first invention relates to a photodetector, and includes a semiconductor layer of one conductivity type, a diffusion region of an opposite conductivity type partially formed in a surface layer of the semiconductor layer, and the diffusion region. And a surface protective film made of a high-resistance semiconductor material formed on the semiconductor layer, and impurities are partially introduced into the surface protective film so as to reach the diffusion region from the surface of the surface protective film. A low resistance region formed on the surface protection film in contact with the low resistance region, covering the entire diffusion region, and extending outward by a predetermined distance from a peripheral edge of the diffusion region And an electrode formed so that
[0011]
A second invention relates to the photodetector according to the first invention, wherein a material of the semiconductor layer is made of HgCdTe.
A third invention relates to the photodetector according to the first or second invention, wherein the surface protective film has a compressive stress,
A fourth invention relates to the photodetector according to the third invention, wherein the surface protective film is made of a single CdTe film.
[0012]
A fifth invention is directed to the photodetector according to the third invention, wherein the surface protective film comprises two layers, at least one of which has a compressive stress,
A sixth aspect of the present invention is directed to the photodetector according to the fifth aspect, wherein the surface protective film comprises two layers of a ZnS film and a SiN film or a CdTe film having a compressive stress.
[0013]
A seventh invention relates to a method for manufacturing a photodetector, wherein a step of partially forming a diffusion region of the opposite conductivity type in a surface layer of a semiconductor layer of one conductivity type and a step of covering the diffusion region are provided on the semiconductor layer. A step of forming a surface protection film made of a high-resistance semiconductor material, and a step of partially introducing impurities into the surface protection film to form a low-resistance region reaching the diffusion region from the surface of the surface protection film; Forming an electrode on the surface protection film so as to be formed in contact with the low resistance region, cover the entire diffusion region, and extend outward by a predetermined distance from a peripheral edge of the diffusion region; It is characterized by having.
[0014]
The inventor of the present application, when examining defects occurring in the semiconductor layer, has found that the defect often occurs from the edge of the film toward the semiconductor layer.
In the present invention, the connection between the electrode and the diffusion region does not go through the opening of the surface protection film, and the low resistance region is formed by partially introducing the impurity into the partial region of the surface protection film on the diffusion region. Made through. Further, the electrode is formed so as to extend from the peripheral edge of the diffusion region to the outside by a predetermined distance.
[0015]
Therefore, there is no edge of any film in the region directly above or above the diffusion region, and it is far from the peripheral edge of the diffusion region, that is, above the pn junction.
As described above, the semiconductor device of the present invention has a structure in which crystal defects and crystal lattice strain due to internal stress and thermal stress of the film hardly penetrate the pn junction in the semiconductor layer. For this reason, an increase in leak current due to a crystal defect or crystal lattice strain penetrating the pn junction is suppressed.
[0016]
Further, in the present invention, the surface protective film is formed under film forming conditions that generate a compressive stress. Accordingly, a stress acts on the semiconductor layer so as to widen the energy gap, so that the energy gap of the semiconductor layer is widened and the leak current can be reduced.
As described above, the leak current can be suppressed, and thus the photodetection sensitivity of the photodetector can be improved, or the quantum efficiency of the light-emitting element can be improved.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1) First Embodiment of the Present Invention FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a photodetector according to a first embodiment of the present invention.
[0018]
As shown in FIG. 1, a semiconductor layer 12 made of p-type (one conductivity type) HgCdTe is formed on a substrate 11 made of CdZnTe.
Further, an n-type (opposite conductivity type) diffusion region 14 is partially formed in the surface layer of the semiconductor layer 12. The boundary between the semiconductor layer 12 and the diffusion region 14 is a pn junction 14a.
[0019]
Further, a surface protection film 13 made of ZnS, which is a high-resistance semiconductor material, is formed on the semiconductor layer 12 so as to cover the diffusion region 14. An n-type low resistance region 15 is formed in the surface protection film 13 on a part of the diffusion region 14 so as to reach the diffusion region 14 from the surface of the surface protection film 13.
Further, an adhesive layer 16 and a bump electrode 17 are formed on the surface protection film 13 in contact with the low resistance region 15. The adhesive layer 16 and the bump electrode 17 cover the entire diffusion region 14 and extend around the peripheral edge of the diffusion region 14 by about 5 μm or more from the terminal end to the surface of the semiconductor layer 12. A bump electrode 17 is formed. The adhesive layer 16 and the bump electrode 17 constitute an electrode.
[0020]
In this embodiment, the extension distance from the peripheral edge of the diffusion region 14 of the adhesive layer 16 and the bump electrode 17, that is, the extension distance from the pn junction terminating at the surface of the semiconductor layer 12 is about 5 μm. When a crystal defect or a crystal lattice strain caused by the edges of the adhesive layer 16 and the bump electrode 17 due to the internal stress or the thermal stress occurs, the crystal defect and the crystal lattice need only be separated by a distance that does not possibly penetrate the pn junction 14a.
[0021]
Next, a method for manufacturing the photodetector will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 2A, an HgCdTe film 12 having a thickness of about 20 μm is formed on a CdZnTe substrate 11 by liquid phase epitaxial growth.
Next, heat treatment is performed at a temperature of 300 to 400 ° C. in an Hg atmosphere. At this time, Hg escapes in the HgCdTe film 12 to form a hole. As a result, the HgCdTe film (semiconductor layer) 12 becomes p-type having a carrier (hole) concentration of 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ .
[0022]
Next, a ZnS film 13 having a thickness of 400 nm is formed by vapor deposition. This ZnS film 13 is a high-resistance semiconductor material, and becomes the surface protective film 13.
Subsequently, after forming a resist film 18 on the ZnS film 13, an opening 19 is formed in a region where a diffusion region is to be formed.
Next, boron (B) ions are selectively implanted into the semiconductor layer 12 through the opening 19 of the resist film 18 and through the ZnS film under the conditions of an acceleration voltage of 200 keV and a dose of 1 × 10 ¹⁴ cm ⁻² . Subsequently, annealing is performed at a temperature of 100 to 200 ° C. At this time, Hg is generated in the HgCdTe film (semiconductor layer) 12 in the ion-implanted region by the introduction of boron, and is diffused inward by annealing to fill the holes of Hg. As a result, the holes are filled with Hg, and an n-type diffusion region 14 is formed in the surface layer of the semiconductor layer 12, as shown in FIG.
[0023]
Next, as shown in FIG. 2C, after forming a resist film 20 on the ZnS film 13, an opening 21 of the resist film 20 is formed over a part of the diffusion region 14. Subsequently, through the opening 21, the acceleration voltage is continuously changed between 10 keV and 200 keV under the conditions of the dose amount of 1 × 10 ^{14 to} 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻² , and the boron (B) is selectively formed in the ZnS film 13. ) Is ion-implanted. Thus, an n-type low resistance region 15 connected to a part of the diffusion region 14 is formed in the ZnS film 13.
[0024]
Next, after a Cr film and an Au film are sequentially laminated, the adhesive layer 16 is formed by patterning. At this time, the adhesive layer 16 is patterned so as to cover the entire diffusion region 14 and extend outward from the end of the pn junction to the surface of the semiconductor layer 12 by about 5 μm or more at the peripheral edge of the diffusion region 14. You.
Thereafter, a bump electrode 17 made of In is formed on the adhesive layer 16 by vapor deposition. As a result, the photodetector is completed.
[0025]
As described above, in the first embodiment of the present invention, the contact between the adhesive layer 16, the bump electrode 17, and the diffusion region 14 is formed on the surface protection film 13 without passing through the opening of the surface protection film 13. This is performed through the low-resistance region 15 thus formed.
Further, an electrode including an adhesive layer 16 and a bump electrode 17 is formed so as to extend to the outside of the diffusion region 14.
[0026]
Therefore, there is no edge of any of the films and layers directly above and above the diffusion region 14, and the outer edge of the electrode is sufficiently away from the pn junction. As described above, even when a crystal defect or a crystal lattice strain due to the edge of the film occurs due to the internal stress of the film or the thermal stress, the structure is difficult to penetrate the pn junction 14a in the semiconductor layer 12. For this reason, an increase in leak current due to a crystal defect or crystal lattice strain penetrating the pn junction is suppressed.
[0027]
As described above, the leak current can be suppressed, and therefore, the photodetection sensitivity of the photodetector can be improved.
FIGS. 6A and 6B are perspective views of an infrared detecting device using the light detecting element. The structure is briefly described below.
As shown in FIG. 6A, the photodetector 101 includes a photodetector 102 and a signal processing device 103 including a semiconductor integrated circuit device. The light detection element 102 and the signal processing device 103 are overlapped with each other, and are electrically connected to each other through bump electrodes. It has a so-called flip chip structure.
[0028]
FIG. 6B shows details of a state where the photodetector 102 and the signal processing device 103 are connected.
In the figure, the photodetection element 102 has been described above, and a description thereof will be omitted. In this case, components denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same components as those in FIG.
On the other hand, in the signal processing device 103, reference numeral 21 denotes a silicon substrate, 22 denotes an n-type diffusion region formed on the surface of the silicon substrate 21, and 23 covers the n-type diffusion region 22 and is formed on the silicon substrate 21. A surface protection film, 24 is a contact hole formed in the surface protection film 23 on the n-type diffusion region 22, 25 is a base electrode connected to the n-type diffusion region 22 through the contact hole 24, and 26 is a bump electrode on the base electrode 25. It is.
[0029]
(2) Second Embodiment of the Present Invention FIG. 3 is a cross-sectional view showing a structure of a photodetector according to a second embodiment of the present invention. The difference from FIG. 1 is that the ZnS film 13a serving as a surface protection film is formed as thin as 200 nm, which is half the normal film thickness.
Also in this case, an impurity is introduced into the surface protection film 15a on the diffusion region 14 to form a low-resistance region 15a so that the electrode and the diffusion region 14 are connected. In addition, the other code | symbol shown by the code | symbol same as the code | symbol of FIG. 1 shows the same thing as FIG.
[0030]
According to the second embodiment, since the ZnS film 13 that easily generates a tensile stress is formed thin, the structure is such that the tensile stress is reduced and the stress is not easily applied to the semiconductor layer 12. Thereby, an increase in the leak current can be suppressed.
(3) Third Embodiment of the Present Invention FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structure of a photodetector according to a third embodiment of the present invention. The difference from FIG. 1 is that a single film made of CdTe which is a high resistance semiconductor is used as the surface protection film 13b. The thickness of the CdTe film 13b is set to 200 nm to 400 nm.
[0031]
Also in this case, an impurity is introduced into the surface protection film 13b on the diffusion region 14 to form a low-resistance region 15b so that the electrode and the diffusion region 14 are connected. In addition, the other code | symbol shown by the code | symbol same as the code | symbol of FIG. 1 shows the same thing as FIG.
In this case, the CdTe film 13b can be formed so as to easily generate a compressive stress depending on the film forming conditions. When the CdTe film 13b is formed by sputtering, for example, when the CdTe film 13b is formed under the conditions of Ar gas pressure of 10 ⁻² Torr and electric power of 50 to 200 W, a CdTe film having a compressive stress is obtained. Can be
[0032]
According to the third embodiment, since the surface protective film 13b has a compressive stress, a stress acts on the semiconductor layer 12 to widen the energy gap. For example, in the case of HgCdTe, the spread ratio of the energy gap to the compressive stress is about 10 meV / kbar.
Therefore, the energy gap of the semiconductor layer 12 is widened, and the leak current can be reduced. Thereby, the leak current can be suppressed, and therefore, the light detection sensitivity of the light detection element can be improved, or the quantum efficiency of the light emitting element can be improved.
[0033]
(4) Fourth Embodiment of the Present Invention FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure of a photodetector according to a fourth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 1 is that a two-layer high-resistance semiconductor film of a CdTe film 131a with a thickness of about 200 nm and a ZnS film 131b with a thickness of about 200 nm is used as the surface protection film 13c.
[0034]
Also in this case, an impurity is introduced into the surface protection film 13c on the diffusion region 14 to form a low-resistance region 15c so that the electrode and the diffusion region 14 are connected. In addition, the other code | symbol shown by the code | symbol same as the code | symbol of FIG. 1 shows the same thing as FIG.
Thus, the thickness of the surface protective film 13c can be kept sufficiently large, and a high-resistance semiconductor film that generates compressive stress can be easily formed.
[0035]
As a result, stress acts on the semiconductor layer 12 so as to widen the energy gap. Therefore, the energy gap of the semiconductor layer 12 is widened, and the leak current can be reduced.
Therefore, the leak current can be suppressed, and therefore, the light detection sensitivity of the light detection element can be improved, or the quantum efficiency of the light emitting element can be improved.
[0036]
In the first to fourth embodiments, the present invention is applied to a light-detecting element, but can be applied to a light-emitting element. In this case, the leak current can be reduced and the quantum efficiency of the light emitting element can be improved.
Further, the extension distance of the electrode from the peripheral edge of the diffusion region 14, that is, the pn junction on the surface of the semiconductor layer is set to 5 μm or more. However, the patterning margin and the spread of crystal defects and crystal lattice strain in the semiconductor layer 12 are increased. It can be appropriately changed depending on the condition.
[0037]
Further, in the third and fourth embodiments, a CdTe film is used as a surface protective film having a compressive stress. However, the present invention is not limited to this. Should be fine.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the connection between the electrode and the diffusion region is made not through the opening of the surface protection film but through the low resistance region formed by introducing impurities into a partial region of the surface protection film. You. Therefore, there is no edge of the film in the diffusion region.
Further, the electrode is formed so as to extend to the outside of the diffusion region. For this reason, the edge of the electrode does not exist in the diffusion region and is separated from the pn junction by a sufficient distance.
[0039]
Therefore, even if a crystal defect or a crystal lattice strain occurs due to the internal stress or thermal stress of the film, the structure is difficult to penetrate the pn junction in the semiconductor layer. For this reason, an increase in leak current due to a crystal defect or crystal lattice strain penetrating the pn junction is suppressed.
Further, the surface protective film is formed under film forming conditions that generate a compressive stress. Thereby, the energy gap of the semiconductor layer is widened, and the leak current is reduced.
[0040]
As described above, the leak current can be suppressed, and thus the photodetection sensitivity of the photodetector can be improved, or the quantum efficiency of the light-emitting element can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a photodetector according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a photodetector according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a photodetector according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a photodetector according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing a structure of a photodetector according to a fourth embodiment of the present invention.
FIGS. 6A and 6B are perspective views showing a photodetector according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a structure of a photodetector according to a conventional example.
[Explanation of symbols]
11 substrates,
12 HgCdTe layer (semiconductor layer),
13, 13a ZnS film (surface protective film),
13b CdTe film (surface protective film),
13c surface protective film,
14 diffusion area,
15, 15a to 15c low resistance region,
16 adhesive layer,
17 bump electrodes,
131a ZnS film,
131b CdTe film.

Claims

A semiconductor layer of one conductivity type;
A diffusion region of the opposite conductivity type partially formed in the surface layer of the semiconductor layer,
A surface protection film covering the diffusion region and made of a high-resistance semiconductor material formed on the semiconductor layer;
A low resistance region formed by partially introducing impurities into the surface protection film so as to reach the diffusion region from the surface of the surface protection film ;
An electrode formed on the surface protective film in contact with the low-resistance region, covering the entire diffusion region, and extending outward by a predetermined distance from a peripheral edge of the diffusion region. A photodetector, comprising:

2. The photodetector according to claim 1, wherein the material of the semiconductor layer is made of HgCdTe.

The photodetector according to claim 1, wherein the surface protective film has a compressive stress.

The photodetector according to claim 3, wherein the surface protection film is formed of a single CdTe film.

4. The photodetector according to claim 3, wherein the surface protective film comprises two layers, at least one of which has a compressive stress.

6. The photodetector according to claim 5, wherein the surface protective film comprises two layers of a ZnS film and a SiN film or a CdTe film having a compressive stress.

A step of partially forming a diffusion region of the opposite conductivity type in the surface layer of the semiconductor layer of one conductivity type;
Forming a surface protection film made of a high-resistance semiconductor material on the semiconductor layer, covering the diffusion region;
Forming a low resistance region that reaches the diffusion region from the surface of the surface protection film by partially introducing impurities into the surface protection film;
Forming an electrode on the surface protection film so as to be formed in contact with the low resistance region, cover the entire diffusion region, and extend outward by a predetermined distance from a peripheral edge of the diffusion region; A method for manufacturing a photodetector, comprising: