JP3681190B2

JP3681190B2 - 高耐圧プレーナ型受光素子

Info

Publication number: JP3681190B2
Application number: JP26749694A
Authority: JP
Inventors: 元上内
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1994-10-31
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: JPH08130324A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高耐圧のプレーナ型受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、比較的浅い拡散のプレーナ型受光素子を高耐圧にしたものの一例の略断面図である。図はその素子の左半分を示したもので、これと対称のものが右半分にも存在する。
【０００３】
図４において、第１導電型の半導体基板、たとえば、Ｎ型シリコン基板１の表面の周縁部にはチャネルストッパとなるＮ⁺型拡散層３が形成され、その内側にはある間隔を隔てて第２導電型の拡散層、たとえば、ｐ型拡散層２が選択的拡散により形成されており、その表面はＳｉＯ₂膜５で覆われている。Ｎ型シリコン基板１の周辺表面のＮ型層とＮ⁺型拡散層３との境界部から、Ｎ型シリコン基板１の表面のＮ型層とＰ型拡散層２との境界のＰＮ接合部までを覆う絶縁膜として、ＳｉＯ₂膜５が形成されており、その表面は半絶縁性の透光性の、たとえば、多結晶シリコンのような高比抵抗膜６で覆われている。高比抵抗膜６の表面はＳｉＯ₂膜７で覆われている。これらの両端に設けたアノード電極９およびチャネルストッパ電極１０をそれぞれＰ型拡散層２およびＮ⁺型拡散層３とオーミックコンタクトさせている。
【０００４】
Ｎ型シリコン基板１の裏面には、Ｎ⁺型拡散層４が形成され、さらにその表面にはカソード電極１１が形成されている。Ｎ⁺型拡散層４は、カソード電極１１とのオーミックコンタクトを良好にさせるためのものである。
【０００５】
Ｐ型拡散層２には、アノード電極９により逆バイアスとなる−電位が印加され、Ｎ⁺型拡散層３には、チャネルストッパ電極１０により＋電位が印加される。
【０００６】
このような構造であるから、この両者間の高比抵抗膜６に微小電流が流れ、素子表面のフィールド部には、この高比抵抗膜６により固定電位が形成され、その結果、素子内部の電界集中が緩和され高耐圧とすることができる。
【０００７】
図４において、アノード電極９はＮ型シリコン基板１の表面のＰＮ接合の境界部分を超えてチャネルストッパの方向に延長されているが、これは下記の理由によるものである。
【０００８】
図５（ａ）および（ｂ）は、その説明のためのプレーナ型受光素子の略断面図である。（ａ）はアノード電極９が狭くＰＮ接合の端部を覆っていない場合、（ｂ）はアノード電極９が十分広くＰＮ接合の端部上方を広く覆っている場合である。図面を簡略化するため、素子の左半分を示し、図４の高比抵抗膜６，ＳｉＯ₂膜７および裏面のＮ⁺型拡散層４およびカソード電極１１は省略してある。
【０００９】
図５（ａ）において、アノード電極９はＮ型シリコン基板１の表面のＰＮ接合の端部上方まで延長していない場合を考える。Ｐ型拡散層２の周辺部以外の部分（Ａ）のＰＮ接合は平面であり、この部分での電界は集中しない。しかしＰ型拡散層２の周辺の端部（Ｂ）は丸く湾曲しているから端部（Ｂ）は電界が集中しやすい。さらに、ＰＮ接合とＳｉＯ₂膜５との接触部であるコーナー（Ｃ）は、Ｑ_SSと呼ばれる正の固定電位や、絶縁膜中のナトリウムイオンなどの正電荷によりＮ型シリコン基板１の表面はさらにＮ型化し、点線２０，２０間の空乏層はＳｉＯ₂膜５界面近くで湾曲し（Ｃ）付近で降伏が発生する。
【００１０】
図５（ｂ）は前記の欠点に対する対策を施したもので、図５（ａ）と異なるところは、アノード電極９を延長し、ＰＮ接合のＳｉＯ₂膜５との接触部を十分広く覆うようにしたものである。このようにフィールドプレートと呼ばれる、アノード電極９の延長された電極９ａをＰＮ接合の端部よりも外側に延ばすことにより、アノード電極部の基板表面のＮ層はＰ型となる傾向を持つため、接合部の表面近傍における空乏層は図５（ｂ）の点線２０，２０で挟まれる領域のようにＮ型基板表面の左方に延びるので、ＰＮ接合の周辺部（Ｂ）および（Ｃ）における電界集中が緩和され耐圧の向上が図られる。
【００１１】
図５（ａ）および（ｂ）は、図４に示される半絶縁性膜である高比抵抗膜６を用いない、酸化膜たとえばＳｉＯ₂膜５のみのパッシベーション方式を用いて説明したが、半絶縁性の高比抵抗膜を用いた場合でも、その比抵抗が高く、正電荷の影響が大きい場合は全く同様で、フィールドプレート用の電極９ａが必要となる。図４はこのフィールドプレートおよび高比抵抗膜の双方を備えた一例である。
【００１２】
ところで、前記の高比抵抗膜６の比抵抗は、効果を得るためには１０⁸〜１０¹²Ω・ｃｍの範囲であることが望ましい。理由は１０¹²Ω・ｃｍ以上となるとほぼ完全な絶縁体になってしまい、高比抵抗膜の効果がなくなり、一方、１０⁸Ωｃｍ以下ではリーク電流が増大してしまい高耐圧素子として実用上好ましくない。以上のように高耐圧化を図るためには、１０⁸〜１０¹²Ω・ｃｍの比抵抗である高比抵抗膜の採用と、Ａｌ電極等によるフィールドプレート電極が必要である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
光電素子、たとえば、フォトダイオード，フォトトランジスタ，フォトサイリスタ等では、入射光による感度が高いことが重要であり、可能な限り小さいチップで光信号を電気信号に変換することが必要となる。しかしながら、高耐圧を得るためには、前述のようにＡｌ等によるフィールドプレート電極により、チップ周辺の最も感度が高く面積の大きい基板表面のＰＮ接合の端部を覆う必要があり、そのため光感度は大幅に低下している。
【００１４】
本発明の目的は簡単な工程の追加により感度の高い高耐圧プレーナ型受光素子を得ることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
フィールド部に固定電位を形成するための高比抵抗膜のアノード電極側の部分に不純物を拡散して低比抵抗膜とし、アノード電極がＮ型半導体基板表面のＰ型拡散層との境界の上部を覆わないようにし、透光性の低比抵抗膜をフィールドプレートとした。
【００１６】
【作用】
このような構造とすることにより、フィールド部に固定電位を得るための高比抵抗膜のＰＮ接合の端部上方を覆う部分は、不純物拡散によりフィールドプレート電極として十分使用できる低比抵抗の膜となる。低比抵抗膜として、たとえば透光性の半絶縁性多結晶シリコン膜を用いることにより、受光面積が増加するから耐圧に影響を与えずに高感度化が図られる。
【００１７】
【実施例】
図１は本発明の一実施例の略断面図である。図４の従来例と異なるところは、アノード電極９が短くされＰＮ接合の端部を覆っていないことと、高比抵抗膜６のＰＮ接合の端部を覆う部分が後述のように、低比抵抗膜８とされていることである。その他同一の部分は同一の符号で表示される。
【００１８】
図２（ａ）〜（ｅ）は前記の構造を得るための製法の一例の各工程の略断面図である。
【００１９】
まず、図２（ａ）に示すように、ＳｉＯ₂膜５によって覆われた高比抵抗のＮ型シリコン基板１の内側にアノードとなる高不純物濃度のＰ型拡散層２を選択的に形成する。
【００２０】
次に、図２（ｂ）に示すように、基板表面には、Ｐ型拡散層２より所定距離離れた素子周辺に、チャネルストッパとなるＮ⁺型拡散層３を形成し、基板裏面には、裏面電極とのオーミックコンタクトを良好ならしめるためのＮ⁺型拡散層４を同時に形成する。各拡散のたびにＳｉＯ₂膜５は孔あけされ、拡散層の表面は再びＳｉＯ₂膜で覆われその厚さは変化するが、以下の図面においてＳｉＯ₂膜各部の厚さの変化は省略して図示される。
【００２１】
次に、図２（ｃ）に示されるように、Ｐ型拡散層２の周辺部とＮ⁺型拡散層３の内縁部にまたがるようにＳｉＯ₂膜５の表面に、半絶縁性の多結晶シリコン膜よりなる高比抵抗膜６を形成する。
【００２２】
次に、図２（ｄ）に示すように、高比抵抗膜６の表面のＰ型拡散層２側のアノード電極予定領域，フィールドプレート予定領域およびＮ⁺型拡散層側のチャネルストッパ電極予定領域を除いた部分に、ＳｉＯ₂膜７を形成する。この図２（ｄ）の状態でアノード電極予定領域，フィールドプレート予定領域およびチャネルストッパ電極予定領域に、たとえばリン等の不純物を拡散する。
【００２３】
図２（ｅ）は拡散後の状態で、高比抵抗膜６上のＳｉＯ₂膜７は不純物拡散時のカバーとなり、ＳｉＯ₂膜７直下の高比抵抗膜には不純物は拡散されず、フィールドプレート予定領域とアノードおよびチャネルストッパ両電極予定領域のコンタクト部のみに不純物が拡散される。その結果、固定電荷が必要でかつリーク電流を小さくしたいフィールド部は高比抵抗膜６のままであり、抵抗率が低い方が望ましいフィールドプレート部と電極コンタクト部は低比抵抗膜８となる。本実施例では、高比抵抗膜６に成長時の酸素濃度が３０％の酸素ドープの多結晶シリコン膜を使用し、不純物拡散はリンを９００℃で拡散し、アニールは９５０℃で行なった。その結果高比抵抗膜６の部分の比抵抗は約１０⁹Ω・ｃｍ、低比抵抗膜８の部分の比抵抗は約１０Ω・ｃｍとなり、それぞれの目的に適した値となった。
【００２４】
本実施例では不純物にリンを使用したが、他の不純物でも同じ効果を得られる。
【００２５】
次に図２（ｆ）に示すように、アノード電極およびチャネルストッパ電極用のコンタクトホール１２，１３をＳｉＯ₂膜５に形成する。最後に図２（ｇ）に示すように、素子表面には、アノード電極９とチャネルストッパ電極１０をＡｌ等で蒸着して形成し、裏面には、カソード電極１１をＡｕ等の金属で蒸着して形成する。
【００２６】
なお前述の構造では多結晶シリコン膜が素子表面で露出している部分がある。この部分の吸湿による比抵抗の変動等、信頼性を考えると緻密な膜で覆った方が望ましく、図３の実施例に示すように、多結晶シリコン膜への不純物拡散後、多結晶シリコン膜の表面をＳｉＮ等の保護膜１４で被覆した方がよい。
【００２７】
図６は受光素子の各部の相対感度の関係を示すグラフの一例である。グラフの左端の座標は、図１，図４の素子の左端に相当し、ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ図１および図４のａ，ｂ，ｃ，ｄに対応する。一点鎖線の曲線Ａは従来例，実線の曲線Ｂは本発明に対応する。実線ＣはＡｌ電極がない場合のレベルである。斜線を施した部分が本発明により改善された部分である。
【００２８】
本発明の構造を耐圧７５０Ｖのラテラル型フォトトライアックに採用し、フィールド部分のＡｌ電極を従来チップに比べ、３５μｍ内側に後退させることにより、最小トリガ電流は約３０％向上した。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、不純物拡散工程を１回追加するだけで、高比抵抗の半絶縁性多結晶シリコン膜を選択的に透光性の低比抵抗膜とすることが可能になり、従来Ａｌ電極により行なっていたフィールドプレートを透明の導電膜で形成することが可能となり、受光面積を増大し耐圧を低下させずに高感度化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の略断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ本発明の一実施例の製造工程の略断面図である。
【図３】本発明の他の実施例の略断面図である。
【図４】従来の受光素子の一例の略断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）はそれぞれフィールドプレートの効果を説明するための図面である。
【図６】素子の各位置に対する相対光感度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１Ｎ型シリコン基板
２Ｐ型拡散層
３，４Ｎ⁺型拡散層
５，７ＳｉＯ₂膜
６高比抵抗膜
８低比抵抗膜
９アノード電極
１０チャネルストッパ電極
１１カソード電極
１２，１３コンタクトホール
１４保護膜

Claims

受光面となる表面に選択的に形成された第２導電型の拡散層を有する第１導電型の半導体基板と、
該半導体基板の表面に、前記の拡散層との境界を含む半導体基板の周辺にわたる表面を覆うように形成された絶縁膜と、
絶縁膜の表面に形成され、透光性の比抵抗の異なる部分を有する抵抗膜とを有し、
該抵抗膜の半導体基板の周辺側の上方の部分は高比抵抗膜であり、その拡散層側の半導体基板表面の拡散層との境界の上方の部分は高比抵抗膜に選択的に不純物を拡散して形成した該高比抵抗膜に接する低比抵抗膜であり、
前記抵抗膜の両端には、前記高比抵抗膜と前記低比抵抗膜との間に電圧を印加する電極が設けられ、
前記低比抵抗膜に電圧を印加する電極は半導体基板の表面の前記拡散層との境界の上方を覆わないようにされていることを特徴とする高耐圧プレーナ型受光素子。
高比抵抗膜は、比抵抗が１０⁸〜１０¹²Ω・ｃｍ以上の半絶縁性多結晶シリコン膜で、この高比抵抗膜に選択的に不純物を拡散した低比抵抗膜は比抵抗が１０⁶Ω・ｃｍ以下である請求項１記載の高耐圧プレーナ型受光素子。