JP4208172B2 - フォトダイオードおよびそれを用いた回路内蔵受光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光領域の表面に設けた反射防止膜と、受光領域の周辺部に設けた遮光膜とを有するフォトダイオードおよび回路内蔵受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光電変換を行うフォトダイオードは、光ピックアップの信号検出用素子、光空間伝送、光ファイバーリンクにおける受信側の受光素子等として幅広く用いられている。近年、ＤＶＤ等の光ピックアップの高速化が進み、また、データ通信の高速化等に伴って、より高速で高性能なフォトダイオードおよび回路内蔵素子が求められている。特に、フォトダイオードに対しては、応答速度の高速化と共に、光に対する高感度化および高周波ノイズの低減が求められている。
【０００３】
フォトダイオードの光に対する高感度化を図るためには、フォトダイオードの受光領域の表面に、入射光の波長に対して、その入射光の反射率が低くなるような反射防止膜を形成し、フォトダイオードの表面における入射光の反射による損失を低減させる必要がある。このような反射防止膜として、いずれも薄いシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を積層した構成が採用されている。シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜の積層構造は、フォトダイオードの受光領域上に積層され、入射光の波長に合わせて適切な膜厚に設定することにより、入射光の反射率の最適化が図れる。例えば、特開平１０−８４１０２号公報で開示されている反射防止膜の構成は、ＣＤおよびＤＶＤ−ＲＯＭで使用される半導体レーザ光の波長（例えば７８０ｎｍ）に対して、シリコン酸化膜の膜厚を１０ｎｍおよびシリコン窒化膜の膜厚を５０ｎｍとしている。
【０００４】
近年の光ディスクの開発動向においては、データの読み出しおよび書き込みに使用されるレーザ光の波長が短波長化している。このように、レーザ光が短波長であるほど、そのビーム径を絞り込むことができ、光ディスクの記録密度を向上させることができる。レーザ光が短波長化すると、フォトダイオードの表面での反射による光の損失を低減して高感度化するために、反射防止膜を構成するシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜をさらに薄膜化する必要がある。
【０００５】
一方、フォトダイオードの応答速度の高速化および高周波ノイズの低減を図るためには、フォトダイオードのＰＮ接合における接合容量を低減する必要がある。フォトダイオードの接合容量を低減するためには、受光領域を構成する半導体層を高抵抗化することが望ましいが、この場合には、同時にフォトダイオードの内部直列抵抗が増加してしまうため、フォトダイオードを充分に高速化することができない。このような問題に対して、特開平８−２６００４３号公報では、図１７に示すような構成のフォトダイオードが開示されている。
【０００６】
図１７に示すフォトダイオードは、Ｐ型シリコン基板２１上に、Ｎ−型エピタキシャル層２４が積層されている。Ｐ型シリコン基板２１とＮ−型エピタキシャル層２４との界面領域には、所定の間隔を置いてＰ＋型埋め込み拡散層２２が設けられており、Ｎ−型エピタキシャル層２４には、Ｐ＋型埋め込み拡散層２２上にＰ＋型分離拡散層２２ａが設けられている。これらのＰ＋型埋め込み拡散層２２およびＰ＋型分離拡散層２２ａによりＮ−型エピタキシャル層２４が複数の領域に分割されている。複数に分割された所定のＮ−型エピタキシャル層２４と、そのＮ−型エピタキシャル層２４の下側に対応するＰ型シリコン基板２１との界面のＰＮ接合より入射光を検出するフォトダイオードが形成される。そして、Ｐ型シリコン基板２１上には、複数の分割されたフォトダイオードが形成されている。
【０００７】
各フォトダイオードは、各受光領域２９に対応するＰ型シリコン基板２１において、Ｐ型シリコン基板２１上の受光領域２９を分割するように設けられたＰ＋型埋め込み拡散層２２およびＰ＋型分離拡散層２２ａの両側の近傍にＮ＋型埋め込み拡散層２３が設けられている。受光領域２９を分割するようにＰ＋型埋め込み拡散層２２およびＰ＋型分離拡散層２２ａが設けられたＮ−型エピタキシャル層２４の上部には、Ｎ＋型埋め込み拡散層２３を覆うように、Ｐ＋型拡散層２６が設けられている。Ｐ＋型拡散層２６には、受光領域２９を分割するＰ＋型分離拡散層２２ａの一部分が含まれている。
【０００８】
Ｎ−型エピタキシャル層２４、Ｐ＋型分離拡散層２２ａおよびＰ＋型拡散層２６の表面には、反射防止膜２５であるシリコン酸化膜２５ａおよびシリコン窒化膜２５ｂが順番に積層されている。フォトダイオードの受光領域２９の周辺部には、導電性遮光膜２７が形成され、さらに導電性遮光膜２７の全体を被覆するように、導電性遮光膜２７上に絶縁性保護膜２８が形成されている。
このように、受光領域の分割領域であるＰ＋型埋め込み拡散層２２およびＰ＋型分離拡散層２２ａ近傍にのみ、低抵抗のＮ＋型埋め込み拡散層２３を設けることによりフォトダイオードの内部直列抵抗の抵抗値が低減されており、接合容量が低減されている。
【０００９】
ところで、このようなフォトダイオードは、ウエハ状態にて製造され、最終的にダイシング工程において各々のチップに分割される。このために、このダイシング工程において、ウエハの表面には大量の静電気が発生し、ウエハ表面から深さ方向に形成されるフォトダイオードが静電破壊されるおそれがある。フォトダイオードの静電破壊は、ダイシング工程でのウエハ分割の際に、吹き付けられる純水とウエハとの摩擦によって、大量の静電気がフォトダイオードの受光領域２９および受光領域２９の周辺部のシリコン窒化膜２５ｂおよび絶縁性保護膜２８上に発生することに起因する。このため、ダイシング工程において、ウエハに吹き付ける純水に炭酸ガス等を混ぜて導電率を高くする等、静電気の発生を抑制するような工夫が図られている。
【００１０】
しかし、このような方法においても、ウエハに吹き付ける純水の流量および純水に混ぜる炭酸ガスの流量が変動すると、ウエハに吹き付ける純水の抵抗率が変動して、ウエハ表面に発生する静電気を完全に抑制することは不可能となる。また、純水に炭酸ガスを多量に混ぜることにより、純水の抵抗率が低くなり静電気の発生を抑えることはできるが、純水の抵抗率が低くなるとウエハのダイシング用のブレード（刃）の寿命が短くなり、現実的な方法ではない。
【００１１】
ウエハのダイシングにより、フォトダイオードの受光領域２９のシリコン窒化膜２５ｂ上に発生した静電気は、厚みの薄いシリコン酸化膜２５ａおよびシリコン窒化膜２５ｂの界面準位に電荷を発生させる。このシリコン酸化膜２５ａおよびシリコン窒化膜２５ｂの界面に発生した電荷により、フォトダイオードの表面の半導体層の導電型が反転する。
【００１２】
例えば、図１７に示すフォトダイオードの構成では、フォトダイオードの受光領域２９のシリコン窒化膜２５ｂ上に正の電荷の静電気が発生すると、シリコン酸化膜２５ａおよびシリコン窒化膜２５ｂの界面に負の電荷が蓄積され、フォトダイオードの表面付近のＮ−型エピタキシャル層２４は、Ｐ型半導体層に反転する。このため、Ｎ−型エピタキシャル層２４内の導電型が反転したＰ型半導体層は、Ｐ＋型分離拡散層２２ａ等と電気的に接続され、フォトダイオードの接合容量が増大する。
【００１３】
前述したように、近年の光ディスクにおいてピックアップに用いられるレーザ光は短波長化しており、フォトダイオードの表面での入射光の反射を低減するために、フォトダイオードの反射防止膜は薄膜化されている。フォトダイオードの反射防止膜を構成するシリコン酸化膜が薄くなると、静電気により生じる電位差の内、フォトダイオードの表面の半導体層に印加される割合が高くなる。このため、反射防止膜が薄膜化すると、フォトダイオードの表面の半導体層の導電型が反転しやすくなる。この結果、ダイシング工程中での静電気の発生に起因するフォトダイオードの接合容量がさらに増大するおそれがある。
【００１４】
このように、フォトダイオードの接合容量が増大すると、フォトダイオードの応答速度が低下する。さらに、フォトダイオードの高周波ノイズを増大させ、フォトダイオードの特性を著しく劣化させるおそれがある。
【００１５】
ダイシング工程におけるウエハ表面に発生する静電気を完全に抑制することは不可能であり、また、ウエハ表面に発生した静電気によってシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との界面に導入された電荷は、ポテンシャル（電位）が安定であるために、高エネルギーの紫外線照射等を行わないと、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との界面から除去することができない。
【００１６】
このため、特開平１１−４０７９０号公報には、図１８に示すような静電気によるフォトダイオードの接合容量の増大を防止するために、図１８に示すような構成のフォトダイオードが開示されている。図１８に示すフォトダイオードは、受光領域２９の周辺部に導電性遮光膜２７が形成され、導電性遮光膜２７上に、導電性遮光膜２７の全体を被覆しないように、絶縁性保護膜２８が形成されている。絶縁性保護膜２８は、受光領域２９の中央側の端部が、受光領域２９の中央側に位置する導電性遮光膜２７の端部よりもフォトダイオードの受光領域２９の外側に配置されている。このため、導電性遮光膜２７の受光領域２９の中央側の端部は、絶縁性保護膜２８によって被覆されず、露出された状態になっている。その他の構成については、図１７に示すフォトダイードの構成と同様である。
【００１７】
図１８に示すフォトダイオードは、導電性遮光膜２７の受光領域２９の中央側の端部が露出しているために、ダイシング工程において、フォトダイオードの受光領域２９のシリコン窒化膜２５ｂ上に発生した多量の静電気（正電荷）が、導電性遮光膜２７の受光領域２９の中央側の端部を通じて、除去できる。この結果、反射防止膜２５を構成するシリコン酸化膜２５ａとシリコン窒化膜２５ｂとの界面に、負電荷が蓄積されない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
図１８に示すフォトダイオードの受光領域２９の周辺部に形成される導電性遮光膜２７は、通常、ＡｌＳｉが使用されている。ＡｌＳｉの構成元素のＡｌ（アルミニウム）はイオン化傾向が強く、ＡｌＳｉ表面に不純物等を含んだ水分が付着すると、水分が付着した部分にて電子の授受が行われて、ＡｌＳｉの腐食が生じる。導電性遮光膜２７は、信号配線としても用いられるため、導電性遮光膜２７の腐食が生じると、フォトダイオードは、遮光特性が劣化するのみならず、信号配線が切断されるために、入射光が光電変換された電気信号を検出できなくなる。
【００１９】
また、フォトダイオードを有する回路内蔵受光素子では、トランジスタを高速に動作させるために、ポリシリコン電極を用いて浅い接合を形成する技術が用いられているが、信号配線に用いられているＡｌＳｉと電極用のポリシリコンとが接触すると、そのＡｌＳｉとポリシリコンとの接触界面にシリコンが析出して接触抵抗が増大する。このため、導電性遮光膜２７であるＡｌＳｉ層の直下には、シリコンの析出を防止するためのバリアメタルとして、チタン・タングステン合金（ＴｉＷ）層が形成されている。
【００２０】
ところが、図１８に示すように、フォトダイオードの受光領域２９に発生する静電気対策として、導電性遮光膜２７のフォトダイオードの受光領域２９の中央側の端部が露出すると、ＡｌＳｉとＴｉＷ合金層との界面が外気に曝され、例えば前述のダイシング工程にて純水が吹き付けられると、電池効果によってＡｌＳｉが溶解し腐食するおそれがある。導電性遮光膜２７のＡｌＳｉが腐食すると、フォトダイオードの受光領域２９の遮光特性の劣化が生じるとともに、反射防止膜２５のシリコン酸化膜２５ａおよびシリコン窒化膜２５ｂの界面に静電気によって蓄積される負電荷を除去する効果も減少する。さらに、フォトダイオードの受光領域２９の遮光特性が劣化すると、受光領域２９以外より光がフォトダイオードに入射して光電変換されるため、ノイズ成分が増大してフォトダイオードの諸特性を劣化させるおそれがある。
【００２１】
これに対して、図１７に示すように、受光領域２９の中央側の導電性遮光膜２７の端部を絶縁性保護膜２８によって被覆すると、腐食に対しては強い構造となるが、静電気に対して非常に弱い構造となり、フォトダイオードの不良率が高くなる。
【００２２】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、ダイシング工程にて発生する静電気によってフォトダイオードの接合容量が増大することを抑制するとともに、信号配線の腐食を防止する構造を有し、高周波特性に優れた信頼性の高いフォトダイオードおよび回路内蔵受光素子を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明のフォトダイオードは、第一導電型半導体基板または半導体層と、該第一導電型半導体基板または半導体層上に形成された第二導電型半導体層とを有し、該第一導電型半導体基板または半導体層、および、該第二導電型半導体層の接合により、受光領域に入射する光を検出するフォトダイオードであって、該受光領域の表面に形成された反射防止膜と、該受光領域の周辺部に形成された導電性膜と、該導電性膜上に形成された絶縁性材料からなる保護膜と、を具備し、該受光領域の周辺部において、該保護膜の一部を除去して該導電性膜を露出させた開口部を有する窓領域が形成されており、該窓領域が、前記受光領域とボンディングパッド部との間に形成されていることを特徴とする。
【００３３】
本発明のフォトダイオードは、前記ボンディングパッド部が前記窓領域により囲まれていることを特徴とする。
【００３４】
本発明のフォトダイオードは、前記受光領域が前記窓領域により囲まれていることを特徴とする。
【００３５】
本発明のフォトダイオードは、前記ボンディングパッド部および前記受光領域が、それぞれ前記窓領域により囲まれていることを特徴とする。
【００３７】
本発明の回路内蔵受光素子は、上記本発明のいずれかのフォトダイオードと、該フォトダイオードにより光電変換された電気信号を処理する信号処理回路とが、同一基板上に形成されていることを特徴とする。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００３９】
図１は、本発明の第１の実施形態であるフォトダイオードの構造を示す模式断面図であり、図２は、図１に示すフォトダイオードの参考平面図である。尚、図１は、図２のＡ−Ａ’線における断面図である。
【００４０】
本発明のフォトダイオードは、Ｐ型シリコン基板１上に、入射光の受光領域１００、アノード部２００、カソード部３００および静電気を除去する窓領域４００を有している。尚、図２に示すように、カソード部３００には、ボンディングパッド５００が受光領域１００とは反対側に接続されている。
【００４１】
このフォトダイオードは、Ｐ型シリコン基板１を有しており、Ｐ型シリコン基板１上には、Ｎ型エピタキシャル層２が積層され、Ｐ型シリコン基板１とＮ型エピタキシャル層２との界面には、複数のＰ＋型埋め込み拡散層４が選択的に形成されている。Ｎ型エピタキシャル層２内には、Ｐ＋型埋め込み拡散層４間にわたる領域上に、Ｐ型拡散層５およびＰ＋型拡散層１１が順番に形成されている。Ｐ＋型拡散層１１を含むＮ型エピタキシャル層２上には、薄いシリコン酸化膜６が全面にわたって設けられており、Ｐ＋型拡散層１１の両側は、半導体基板における選択的な分離酸化膜構造であるロコス（ＬＯＣＯＳ：ＬＯＣａｌｉｚｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造３にそれぞれなっている。ロコス構造３に挟み込まれた領域がフォトダイードのアノード部２００の配線部分になっている。
【００４２】
受光領域１００となるＮ型エピタキシャル層２上の薄いシリコン酸化膜６上には、薄いシリコン窒化膜７が積層されており、これらシリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７によって反射防止膜が形成されている。受光領域１００に対応するＮ型エピタキシャル層２およびＰ型シリコン基板１の界面にてＰＮ接合が形成されており、これにより受光領域１００に入射する光を検出するフォトダイオードが構成される。尚、本発明のフォトダイオードは、例えば、Ｐ型シリコン基板上に選択的に拡散処理等によって、形成されたＮ型拡散領域で形成されるものでも良く、また、導電型のＮ型／Ｐ型が逆になる場合でも良い。
【００４３】
アノード部２００の周辺部に設けられたロコス構造３およびロコス構造３上に設けられたシリコン窒化膜７上には、シリコン酸化膜８が形成されている。シリコン酸化膜８上には、受光領域１００に近接した側部を除いて耐腐食性の金属膜のＴｉＷ（チタン・タングステン合金）膜１２および導電性遮光膜のＡｌＳｉ膜９が順番に積層されている。また、Ｐ＋型拡散層１１上のシリコン酸化膜６とシリコン酸化膜６上に積層されたシリコン酸化膜８には、開口部（コンタクトホール）が設けられており、その開口部にもＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９がＰ＋型拡散層１１と接続するように形成されている。Ｐ型拡散層５上のＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９は、アノード部２００のアノード電極となる。
【００４４】
ＡｌＳｉ膜９およびＡｌＳｉ膜９が設けられていないシリコン酸化膜８の端部上には、例えば、絶縁性保護膜のＰＳＧ（Ｐｈｏｓｈｏ−ＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ：リンを含んだシリコン酸化膜）保護膜１０が形成されている。ＰＳＧ保護膜１０におけるアノード部２００から適当な間隔をあけた領域には、ＡｌＳｉ膜９が露出するように開口部１０ａが設けられており、この開口部１０ａおよびその周辺部が窓領域４００となる。
【００４５】
同様に、フォトダイオードの受光領域１００に隣接するカソード部３００にも、
Ｎ型エピタキシャル層２上にシリコン酸化膜６が形成されており、受光領域１００に設けられたシリコン窒化膜７の端部がカソード部３００内に位置している。カソード部３００のＮ型エピタキシャル層２およびシリコン窒化膜７の端部上には、シリコン酸化膜８が形成されている。シリコン酸化膜８上には、シリコン酸化膜８の端部を除いてＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９が順番に積層されている。
受光領域１００に近接したカソード部３００内のシリコン酸化膜６および８には、開口部（コンタクトホール）が設けられており、シリコン酸化膜６の開口部内にはポリシリコン電極１３が設けられている。ポリシリコン電極１３上のシリコン酸化膜８の開口部にはＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９がそれぞれ形成されており、ポリシリコン電極１３、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９がカソード部３００のカソード電極になっている。ＡｌＳｉ膜９およびシリコン酸化膜８の端部上には、例えば、ＰＳＧ保護膜１０が積層されている。
【００４６】
ＡｌＳｉ膜９は、フォトダイオードの受光領域１００以外への光の侵入を防止する遮光膜および信号配線として用いられている。ＴｉＷ膜１２は、耐腐食性を有しており、腐食による信号配線の電気的切断を防止するとともに、ＡｌＳｉ膜９のＡｌ（アルミニウム）がＰ型シリコン基板１方向の各半導体層の内部に拡散することを防止するバリアメタルとして用いられている。
【００４７】
図１および２に示すフォトダイオードは、例えば、以下に説明するように作製される。尚、カソード部３００に接続されたボンディングパッド部５００は、窓領域４００と同様の構造になっている。
【００４８】
まず、Ｐ型シリコン基板１上の所定の領域に複数のＰ＋型埋め込み拡散層４を形成する。その後、Ｐ型シリコン基板１上の全面にＮ型エピタキシャル層２を積層し、Ｐ＋型埋め込み拡散層４間の領域上のＮ型エピタキシャル層２に、その表面から不純物拡散を行う。この不純物拡散によりＰ型拡散層５が形成される。尚、Ｐ型拡散層５は、アノード抵抗を下げるために、アノードコンタクト形状になっている。
【００４９】
次に、Ｎ型エピタキシャル層２上の所定の領域に複数のロコス構造３を形成する。各ロコス構造３は、それぞれの端部がＰ＋型埋め込み拡散層４の上方に位置するように設けられる。その後、受光領域１００およびその周辺部、さらにはアノード部２００に設けられたＮ型エピタキシャル層２の表面に、熱酸化により、所定の膜厚のシリコン酸化膜６を形成した後に、このシリコン酸化膜６上にＣＶＤ法等により、所定の膜厚のシリコン窒化膜７を形成する。これにより、２層構造の反射防止膜が形成される。シリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７の膜厚は、フォトダイオードの受光領域１００に入射する光の波長に対する反射率が低くなるように設定される。また、アノード部２００では、ロコス構造３で挟まれたＰ型拡散層５の表面から不純物拡散を行うことにより、Ｐ＋型拡散層１１を形成して、アノード抵抗を低減している。
【００５０】
尚、Ｐ＋型拡散層１１は、製造プロセスを変更することにより、ロコス構造３、シリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７から成る反射防止膜を形成する前に形成しても良く、また、ロコス構造３、シリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７から成る反射防止膜の形成した後に形成しても良い。
【００５１】
次に、カソード部３００のＮ型エピタキシャル層２上に形成されたシリコン酸化膜６の所定領域を、エッチングにより開口して、その開口部にポリシリコン膜を堆積させ、カソード電極となるポリシリコン電極１３を形成する。
【００５２】
次に、ＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜８を、Ｐ型シリコン基板１上の全面に形成する。その後、カソード部３００のポリシリコン電極１３およびアノード部２００のＰ＋型拡散層１１上のそれぞれカソード電極およびアノード電極のコンタクト領域のシリコン酸化膜８をエッチングにより除去して開口部（コンタクトホール）を形成する。開口部が形成されると、シリコン酸化膜８上の全面に、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９を積層し、フォトダイオードの受光領域１００に積層されたシリコン酸化膜８、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９をエッチングにより除去する。これにより、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９の導電性遮光膜が形成される。ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９は、アノード電極と電気的に接続され、信号配線としても用いられる。
【００５３】
次に、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９を被覆するために、Ｐ型シリコン基板１上の全面にＰＳＧ保護膜１０を全面に形成し、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチングにより、フォトダイオードの受光領域１００のＰＳＧ保護膜１０を除去することにより、受光領域１００に開口部を形成する。この時、ＰＳＧ保護膜１０は、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９の端部が露出しないようにエッチングされ、エッチング後のＰＳＧ保護膜１０の端部は、シリコン酸化膜８の端部と同じ位置とされる。また、この時、アノード部２００から所定の間隔の位置にてＰＳＧ保護膜１０の所定領域を除去して窓領域４００の開口部１０ａを形成し、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９を露出させるとともに、ボンディングパッド部５００上を被覆しているＰＳＧ保護膜１０を除去しボンディングパッド部５００を開口する。尚、ボンディングパッド部５００の構造は、開口部１０ａよりＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９が露出している窓領域４００と同様の構造であるため、図１では記載を省略している。以上により、図１および２に示した本発明のフォトダイオードが作製できる。
【００５４】
前述したように、フォトダイオードは、ウエハ状態にて製造され、ダイシング工程において、各々のチップに分割される。このため、ウエハをチップに分割する際に、ウエハ表面上のシリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７から成る反射防止膜、ＰＳＧ保護膜１０等の絶縁性保護膜上には、大量の静電気が発生する。このような大量の静電気が発生する状態において、本発明の第１の実施形態のフォトダイオードでは、受光領域１００に近接するアノード部２００から所定の距離だけ離れた位置に、導電性遮光膜のＡｌＳｉ膜９が露出した開口部１０ａを有する窓領域４００が形成されているために、シリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７から成る反射防止膜、ＰＳＧ保護膜１０等の絶縁性保護膜上に発生した静電気を窓領域４００から露出したＡｌＳｉ膜９を通して除去することができる。
【００５５】
このような絶縁性保護膜の所定の領域に窓領域を設けて導電性遮光膜を露出させたフォトダイオードおよび窓領域を設けないフォトダイオードについて、それぞれ５個のサンプルを用いて、応答特性の波形異常の発生率（不良数／測定数）に関する実験を行った。この結果、窓領域を設けずに静電気対策を行っていないフォトダイオードの不良率は４／５であるのに対して、図１に示す窓領域を設けた構造のフォトダイオードの不良率は０／５であり、応答特性の波形異常は観測されなかった。
【００５６】
図３（ａ）および（ｂ）は、この実験におけるフォトダイオードの周波数に対する出力値を示すグラフであり、縦軸は出力値（ｄＢ）を示し、横軸は周波数（Ｈｚ）を示す。図３（ａ）に示すグラフは、図１に示す窓領域を設けたフォトダイオードの応答特性の波形であり、５個のサンプルすべて正常である。図３（ｂ）に示すグラフは、窓領域を設けていないフォトダイオードの応答特性の波形であり、４個のサンプルに異常波形が見られる。
【００５７】
さらに、本発明の第１の実施形態のフォトダイオードでは、図１８に示した従来のフォトダイオードのように、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９の端部がＰＳＧ保護膜１０で覆われて露出していないために、受光領域１００の端部近傍のＡｌＳｉ膜９に腐食は発生しない。また、窓領域４００から露出しているＡｌＳｉ膜９に腐食が生じても、ＡｌＳｉ膜９の下側に耐腐食性金属膜のＴｉＷ膜１２が設けられているため、信号配線が電気的に切断されるおそれはない。
【００５８】
本実施形態のフォトダイオードには、ダイシング工程におけるウエハ分割の際に発生する静電気の対策として絶縁性保護膜であるＰＳＧ保護膜１０に窓領域４００を形成している。この窓領域４００を形成する工程とボンディングパッド部５００を形成する工程とは同一であり、受光領域１００の周辺にボンディングパッド部５００が形成されている構造の場合でも、同様の静電気を除去する効果が得られる。したがって、前述の窓領域４００はボンディングパッド部５００として機能するものであっても良い。
【００５９】
また、図１に示すＡｌＳｉ膜９を、図４に示すようにＰＳＧ保護膜１０により、ＡｌＳｉ膜９ａおよび９ｂに分割しても良い。ＡｌＳｉ膜９ａ上には、窓領域４００が形成され、ＡｌＳｉ膜９ｂは、アノード電極を含む信号配線となる。この場合、窓領域４００の開口部１０ａからＡｌＳｉ膜９ａが露出しており、この露出部分にてＡｌＳｉ膜９ａに腐食が生じても、アノード部２００に接続され信号配線であるＡｌＳｉ膜９ｂは、ＡｌＳｉ膜９ａと分離されているために、信号配線のＡｌＳｉ膜９ｂが腐食により電気的に切断されるおそれはなく、フォトダイオードの信頼性をさらに向上させることができる。
【００６０】
尚、図１および図４に示すフォトダイオードでは、Ｐ型半導体基板１およびＮ型エピタキシャル層２の界面に形成されるＰＮ接合により信号を検出するフォトダイオードを構成しているが、本発明のフォトダイオードの構成はこれに限定されるものではない。例えば、半導体基板、および、その半導体基板とは異なる導電型の不純物拡散により形成された領域の界面に形成されるＰＮ接合によって信号を検出する構成のフォトダイオードでもよい。また、下層はＰ型半導体基板ではなく、Ｐ型半導体層でもよい。さらに、第一導電型（Ｐ型）と第二導電型（Ｎ型）とが反対でもよい。以下の本発明の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、全てこのような構成とすることができる。
【００６１】
図５は、本発明の第２の実施形態であるフォトダイオードの構造を示す模式断面図である。この図５において、図１を参照して説明した第１の実施形態と同じ構成要素には、同じ参照番号を付しているため、以下では説明を省略する。また、図５では、カソード部３００および受光領域１００の一部は省略して示している。
【００６２】
図５に示す本発明の第２の実施形態のフォトダイオードは、シリコン酸化膜８の開口部およびシリコン酸化膜８上に、第一層目の信号配線および遮光膜として用いられるＡｌＳｉ膜１６がロコス構造３上に位置するシリコン酸化膜８の端部を除いて形成されている。ＡｌＳｉ膜１６上には、信号配線および遮光膜としてＴｉＷ膜１２および第二層目のＡｌＳｉ膜９が順番に積層されている。ＡｌＳｉ膜１６上における窓領域４００側のロコス構造３に対応した領域には、ＡｌＳｉ膜１６とＴｉＷ膜１２との間に、層間絶縁膜として絶縁性材料であるシリコン窒化膜１４およびＰＳＧ保護膜１５が順番に積層されている。
【００６３】
第二層目のＡｌＳｉ膜９上およびシリコン酸化膜８上には、第一層目のＡｌＳｉ膜１６および第二層目のＡｌＳｉ膜９の端部を被覆するように、ＰＳＧ保護膜１０が積層されている。アノード部２００に近接したＰＳＧ膜１５上の第二層目のＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９は、分離領域９ｃによって、アノード部２００側部分９ｂと窓領域４００側部分９ａとに分離されている。分離領域９ｃ内には、ＰＳＧ保護膜１０の一部が進入している。
【００６４】
ＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａ上のＰＳＧ保護膜１０には、ＰＳＧ保護膜１０の所定の領域が除去され、ＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａが露出した開口部１０ａを有する窓領域４００が形成されている。ＡｌＳｉ膜９のアノード部２００側部分９ｂはアノード電極を含む信号配線となる。その他の構成については、図１および４に示す第１の実施形態のフォトダイオードの構成と同様になっている。
【００６５】
この第２の実施形態のフォトダイオードでは、信号配線用のＡｌＳｉ膜９のアノード部２００側部分９ｂおよび静電気を除去するための窓領域４００が形成されているＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａが分離領域９ｃ内に進入したＰＳＧ保護膜１０により電気的に分離されている。これにより、図４の第１実施形態において説明したように、静電気を除去するための窓領域４００の開口部１０ａから露出しているＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａに腐食が生じても、信号配線であるＡｌＳｉ膜９のアノード部２００側部分９ｂは、ＰＳＧ保護膜１０により保護されているために、腐食が発生しない。さらに、第２の実施形態のフォトダイオードの構造では、第二層目の信号配線となるＡｌＳｉ膜９の分離領域９ｃから信号用の光に対して雑音となる光が入射しても、その雑音となる光を、第一層目のＡｌＳｉ膜１６によって、確実に遮光することができるために、Ｓ／Ｎ比の高いフォトダイオードが得られる。
【００６６】
また、図６に示すように、第一層目のＡｌＳｉ膜１６の下側に耐腐食性の金属であるＴｉＷ膜１２を形成しても良い。これにより、第一層目のＡｌＳｉ膜１６に腐食が発生しても、ＡｌＳｉ膜１６の下側のＴｉＷ膜１２により接続されているために、信号配線が電気的に切断されるおそれはない。
【００６７】
さらに、図７に示すように、窓領域部４００の開口部１０ａから露出しているＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａを耐腐食性の金属膜、例えばＴｉＷ膜１７で覆っても良い。これにより、ＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａに腐食が生じず、フォトダイオードの遮光特性が劣化するおそれはない。
【００６８】
また、この窓領域４００の形成と同様に、ボンディングパッド部５００の形成においてもＰＳＧ保護膜１０を、エッチングにより除去して開口部を形成することによりＡｌＳｉ膜９を露出させるが、ＴｉＷ膜１７は、ボンディングパッド部５００の開口部には形成しないことが好ましい。この理由は、ＴｉＷ膜１７をボンディングパッド部５００の開口部に形成すると、ボンディングパッド部５００にボンディングを行う際に、金ポールとボンディングパッド部５００との密着性が悪くなって金ポールが、ボンディングパッド部５００から剥がれ落ちたり、ＴｉＷ膜１７が固い金属であるためにボンディングを行う際の衝撃で破損して、ＴｉＷ膜１７の下側のＡｌＳｉ膜９が露出して腐食するおそれがある。
【００６９】
これを防止するために、図８に示すように、窓領域４００およびボンディングパッド部５００の両方において、ＰＳＧ保護膜１０のエッチングによって開口部１０ａをそれぞれ形成した後、耐腐食性の金属であるＴｉＷ膜１７を各開口部１０ａ内に形成し、さらにその上に金（Ａｕ）膜１８を形成すれば良い。このような構造では、ボンディングパッド部５００において、ボンディングを行う際の金ポールとポンディングパッド部５００との密着性が向上する。また、金（Ａｕ）は、柔らかい金属であるために金膜１８の下側に形成されているＴｉＷ膜１７がボンディングを行う際に破損することもなく、ＴｉＷ膜１７の下側のＡｌＳｉ膜９の腐食を防止できる。
【００７０】
本発明の第１および第２の実施形態のフォトダイオードにおいて、窓領域４００の開口部１０ａの面積は、受光領域１００の面積の５０分の１よりも大きくすることが望ましい。開口部１０ａの面積が受光領域１００の面積の５０分の１の大きさの窓領域４００が形成された５個のフォトダイオードを用いて、応答特性の波形異常に関して実験を行った。この結果、図９に示すように、５個の内４個のサンプルから応答特性の波形に異常が見られた。図９において、縦軸は出力値（ｄＢ）を示し、横軸は周波数（Ｈｚ）を示す。一方、開口部１０ａの面積が受光領域１００の面積の５０分の１より大きい窓領域４００が形成されたフォトダイオードでは、応答特性の波形異常は観測されなかった。
【００７１】
さらに、前述の第１および第２の実施形態のフォトダイオードにおいて、窓領域４００と受光領域１００との間の距離は、２００μｍ以下とすることが望ましい。窓領域４００と受光領域１００との間の距離の異なるフォトダイオードの３個のサンプルＡ，Ｃ、Ｅを用いて、応答特性の波形異常に関して実験を行った。その結果を図１０に示す。図１０において、縦軸は出力値（ｄＢ）を示し、横軸は周波数（Ｈｚ）を示す。ここで、窓領域４００と受光領域１００との間の距離は、サンプルＡ、サンプルＣ、サンプルＥの順に短くなっており、サンプルＥの窓領域４００と受光領域１００との間の距離が２００μｍである。図１０に示すように、窓領域４００と受光領域１００との間の距離が２００μｍであるサンプルＥの応答波形には波形異常が観測されないが、窓領域４００と受光領域１００との間の距離が２００μｍより長いサンプルＣおよびＡでは応答波形に波形異常が観測される。
【００７２】
尚、第２の実施形態のフォトダイオードでは、ＡｌＳｉ膜９が分割される分離領域９ｃから、雑音となる光の入射を防止するために、シリコン窒化膜１４の下層に第一層目のＡｌＳｉ膜１６が形成されているが、このＡｌＳｉ膜１６を分離領域９ｃの下方および下方近傍のみに設けても、同様の効果が得られる。
【００７３】
また、前述の第１および第２の実施形態のフォトダイオードにおいて、窓領域４００は、受光領域１００とフォトダイオードのカソード部３００等の電位を供給するボンディングパッド部５００との間に形成されることが望ましい。図１１は、このような構成のフォトダイオードを示す概略平面図である。図１１では、説明を簡単にするため、ボンディングパッド部５００は、カソード部３００に接続されている。
【００７４】
通常、フォトダイオードのカソード部３００には、正の電位が印加されるが、図１１に示すフォトダイオードは、正の電位を供給するボンディングパッド部５００に限定したものではない。ボンディングパッド部５００には、Ａｕ線等のボンディングワイヤーにより電位が供給されるが、この時、ボンディングパッド部５００からその周辺部の反射防止膜、ＰＳＧ保護膜１０等の絶縁性保護膜上に電荷が拡がる。しかし、図１１に示すように、受光領域１００とボンディングパッド部５００との間に窓領域４００が形成されていると、ボンディングパッド部５００から周辺部の絶縁性保護膜上に拡がる電荷を窓領域４００にて効果的に除去できる。
【００７５】
また、窓領域４００は、図１２に示すように、受光領域１００の近傍に、受光領域１００の各側縁部に沿って形成しても良い。これにより、窓領域４００は、ボンディングパッド部５００からの電荷のみならず、チップ上のフォトダイオード領域の外部からフォトダイオードの受光領域１００に向かって移動してくる静電気も除去できる。
【００７６】
また、窓領域４００は、ボンディングパッド部５００を完全に取り囲むように形成されることが望ましい。図１３は、このような構成のフォトダイオードを示す概略平面図である。窓領域４００が、ボンディングパッド部５００を完全に囲むことにより、ボンディングパッド部５００から拡がる電荷は必ず窓領域４００を横切るため、不要な電荷を除去する効率が上がる。
【００７７】
さらに、前述の第１および第２の実施形態のフォトダイオードにおいて、フォトダイオードの受光領域１００は、窓領域４００により周辺部を完全に取り囲まれていることが望ましい。図１４は、このような構成のフォトダイオードを示す概略平面図である。図１４に示すように、受光領域１００は、窓領域４００により周辺部を完全に囲まれており、このような構成では、ダイシング等によりウエハ上に発生した静電気等の電荷がチップ上のフォトダイオードの受光領域１００に向かって移動してくると、必ず窓領域４００を横切らなければならないため、窓領域４００により静電気等の電荷の吸収率の一層の向上が図れる。尚、窓領域４００によって取り囲まれる受光領域１００は、一つのみに限らず、複数の受光領域１００を一括して囲むように窓領域４００が形成されても良い。また、複数の受光領域１００がそれぞれの窓領域４００によって囲まれていても良い。
【００７８】
さらにまた、前述の第１および第２の実施形態のフォトダイオードにおいて、受光領域１００およびボンディングパッド部５００の両方が、それぞれ窓領域４００により周辺部を完全に囲まれることが望ましい。図１５は、このような構成のフォトダイオードを示す概略平面図である。図１５に示すように、受光領域１００およびボンディングパッド部５００の両方が、それぞれ窓領域４００により周辺部を完全に囲まれており、このような構成では、ダイシング等によりウエハ上に発生した静電気等の電荷が、チップ上のフォトダイオードの受光領域１００およびボンディングパッド部５００に向かって移動してくると、必ず窓領域４００を横切らなければならないため、フォトダイオードの受光領域１００に静電気等の電荷が到達することによるフォトダイオードの接合容量の異常発生率をさらに低減することができる。
【００７９】
次に、本発明の第３の実施形態である分割フォトダイオードについて説明する。第３の実施形態の分割フォトダイオードは、図１に示すフォトダイオードの受光領域１００のＮ型エピタキシャル層２をＰ＋型埋め込み拡散層４およびＰ型拡散層５によって分割することにより得られる。
【００８０】
図１６は、本発明の第３の実施形態であるフォトダイオードの構造を示す模式断面図である。
【００８１】
Ｐ型シリコン基板１上にＮ型エピタキシャル層２が積層されている。受光領域１００のＰ型シリコン基板１およびＮ型エピタキシャル層２の界面には、選択的にＰ＋型埋め込み拡散層４ｂが形成されている。Ｎ型エピタキシャル層２内のＰ＋型埋め込み拡散層４ｂ上に、Ｐ型拡散層５ｂが、Ｎ型エピタキシャル層２の表面まで形成されている。そして、これらのＰ＋型埋め込み拡散層４ｂおよびＰ型拡散層５ｂによりＮ型エピタキシャル層２が複数に分割されている。また、アノード部２００および窓領域４００の領域は、受光領域１００に対して対称的に配置されている。これにより、分割フォトダイオードが構成される。その他の構成については、図１に示す第１の実施形態のフォトダイオードの構成と同様になっている。
【００８２】
図１６に示す第３の実施形態であるフォトダイオードでは、アノード部２００から受光領域１００の外側に向かって所定の間隔の領域に、ＰＳＧ保護膜１０を除去して開口部を設けた窓領域４００が形成されている。窓領域４００は、導電性遮光膜のＡｌＳｉ膜９上に形成されている。図１６に示すフォトダイオードは、このような構造により、反射防止膜のシリコン窒化膜７、ＰＳＧ保護膜１０等の絶縁性保護膜上の静電気等の電荷を窓領域４００から除去できる。これにより、静電気等の電荷の蓄積によるフォトダイオードの接合容量の増大を抑制し、接合容量の増大に起因するフォトダイオードの応答特性の劣化を防止できる。さらに、従来の分割フォトダイオードでは、受光領域１００の反射防止膜のシリコン窒化膜７上の静電気等の電荷により、受光領域１００の分割部であるＰ型拡散層５ｂの表面の導電型がＮ型半導体層に反転し、分割部の両側に隣接するＮ型エピタキシャル層２同士がショートしてしまうというおそれがあるが、図１６に示すフォトダイオードでは、この問題も防止でき本発明の分割フォトダイオードの信頼性を向上させることができる。
【００８３】
つぎに、本発明の実施形態である回路内蔵受光素子の例について説明する。本実施形態の回路内蔵受光素子は、第１〜３の何れかの実施形態のフォトダイオードとその信号処理回路を同一基板上に作製することにより得られる。
【００８４】
このような構成の回路内蔵受光素子は、前述のＮ型エピタキシャル層２において、フォトダイオードが形成されている領域と電気的に分離された領域に、例えばＮＰＮトランジスタまたは縦型ＰＮＰトランジスタからなる信号処理回路用の回路素子を形成することにより作製することができる。
【００８５】
尚、本発明の実施形態では、信号配線および遮光膜として機能する導電性膜としてＡｌＳｉ、耐腐食性を有する導電性膜としてＴｉＷを用いたが、他の材料を用いた構成においても、本発明の実施形態に適用可能である。また、反射防止膜および絶縁性保護膜においても、前述したシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ＰＳＧ保護膜等に限定されるものではない。
【００８６】
【発明の効果】
本発明のフォトダイオードは、受光領域の周辺部に形成した導電性膜上の保護膜を一部除去し、保護膜を除去した領域に開口部を有する窓領域を形成して開口部から導電性膜を露出させているため、反射防止膜および保護膜上に発生した静電気を窓領域の開口部から露出した導電性膜を通じて除去することができる。これにより、受光領域の反射防止膜を構成するシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との界面に電荷が蓄積されるおそれがなくなる。その結果、フォトダイオードの接合容量が異常に増大することがなく、応答特性の劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のフォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態のフォトダイオードの参考平面図である。
【図３】（ａ）は、第１の実施形態のフォトダイオードの応答特性の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、静電気対策がなされていないフォトダイオードの応答特性の波形を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態のフォトダイオードの他の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のフォトダイオードの構成示す断面図である。
【図６】第２の実施形態のフォトダイオードの他の構成を示す断面図である。
【図７】第２の実施形態のフォトダイオードのさらに他の構成を示す断面図である。
【図８】第２の実施形態のフォトダイオードのさらに他の構成を示す断面図である。
【図９】窓領域の開口面積を縮小したフォトダイオードの応答特性の波形を示すグラフである。
【図１０】窓領域と受光領域との距離を変えて作製したフォトダイオードの応答特性の波形を示すグラフである。
【図１１】受光領域とボンディングパッド部との間に窓領域を設けた本発明のフォトダイオードの平面図である。
【図１２】受光領域の近傍に、受光領域の側縁部に沿って窓領域を設けた本発明のフォトダイオードの平面図である。
【図１３】ボンディンパッド部を完全に囲むように窓領域を設けた本発明のフォトダイオードの平面図である。
【図１４】受光領域を完全に囲むように窓領域を設けた本発明のフォトダイオードの平面図である。
【図１５】ボンディンパッド部および受光領域を完全に囲むようにそれぞれ窓領域を設けた本発明のフォトダイオードの平面図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態であるフォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図１７】従来のフォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図１８】従来のフォトダイオードの他の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ Ｐ型シリコン基板
２ Ｎ型エピタキシャル層
３ ロコス
４ Ｐ＋型埋め込み拡散層
４ｂ Ｐ＋型埋め込み拡散層
５ Ｐ型拡散層
５ｂ Ｐ型拡散層
６ シリコン酸化膜（反射防止膜）
７ シリコン窒化膜（反射防止膜）
８ シリコン酸化膜
９ ＡｌＳｉ膜
９ａ ＡｌＳｉ膜の窓領域側部分
９ｂ ＡｌＳｉ膜のアノード部側部分
９ｃ 分離領域
１０ ＰＳＧ保護膜
１０ａ 開口部
１１ Ｐ＋型拡散層
１２ ＴｉＷ膜
１３ ポリシリコン電極
１４ シリコン窒化膜（層間絶縁膜）
１５ ＰＳＧ保護膜（層間絶縁膜）
１６ ＡｌＳｉ膜
１７ ＴｉＷ膜
１８ 金膜
２１ Ｐ型シリコン基板
２２ Ｐ＋型埋め込み拡散層
２２ａ Ｐ＋型分離拡散層
２３ Ｎ＋型埋め込み拡散層
２４ Ｎ型エピタキシャル層
２５ 反射防止膜
２５ａ シリコン酸化膜
２５ｂ シリコン窒化膜
２６ Ｐ＋型拡散層
２７ 導電性遮光膜
２８ 絶縁性保護膜
２９ 受光領域
１００ 受光領域
２００ アノード部
３００ カソード部
４００ 窓領域
５００ ボンディングパッド部
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光領域の表面に設けた反射防止膜と、受光領域の周辺部に設けた遮光膜とを有するフォトダイオードおよび回路内蔵受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光電変換を行うフォトダイオードは、光ピックアップの信号検出用素子、光空間伝送、光ファイバーリンクにおける受信側の受光素子等として幅広く用いられている。近年、ＤＶＤ等の光ピックアップの高速化が進み、また、データ通信の高速化等に伴って、より高速で高性能なフォトダイオードおよび回路内蔵素子が求められている。特に、フォトダイオードに対しては、応答速度の高速化と共に、光に対する高感度化および高周波ノイズの低減が求められている。
【０００３】
フォトダイオードの光に対する高感度化を図るためには、フォトダイオードの受光領域の表面に、入射光の波長に対して、その入射光の反射率が低くなるような反射防止膜を形成し、フォトダイオードの表面における入射光の反射による損失を低減させる必要がある。このような反射防止膜として、いずれも薄いシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を積層した構成が採用されている。シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜の積層構造は、フォトダイオードの受光領域上に積層され、入射光の波長に合わせて適切な膜厚に設定することにより、入射光の反射率の最適化が図れる。例えば、特開平１０−８４１０２号公報で開示されている反射防止膜の構成は、ＣＤおよびＤＶＤ−ＲＯＭで使用される半導体レーザ光の波長（例えば７８０ｎｍ）に対して、シリコン酸化膜の膜厚を１０ｎｍおよびシリコン窒化膜の膜厚を５０ｎｍとしている。
【０００４】
近年の光ディスクの開発動向においては、データの読み出しおよび書き込みに使用されるレーザ光の波長が短波長化している。このように、レーザ光が短波長であるほど、そのビーム径を絞り込むことができ、光ディスクの記録密度を向上させることができる。レーザ光が短波長化すると、フォトダイオードの表面での反射による光の損失を低減して高感度化するために、反射防止膜を構成するシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜をさらに薄膜化する必要がある。
【０００５】
一方、フォトダイオードの応答速度の高速化および高周波ノイズの低減を図るためには、フォトダイオードのＰＮ接合における接合容量を低減する必要がある。フォトダイオードの接合容量を低減するためには、受光領域を構成する半導体層を高抵抗化することが望ましいが、この場合には、同時にフォトダイオードの内部直列抵抗が増加してしまうため、フォトダイオードを充分に高速化することができない。このような問題に対して、特開平８−２６００４３号公報では、図１７に示すような構成のフォトダイオードが開示されている。
【０００６】
図１７に示すフォトダイオードは、Ｐ型シリコン基板２１上に、Ｎ−型エピタキシャル層２４が積層されている。Ｐ型シリコン基板２１とＮ−型エピタキシャル層２４との界面領域には、所定の間隔を置いてＰ＋型埋め込み拡散層２２が設けられており、Ｎ−型エピタキシャル層２４には、Ｐ＋型埋め込み拡散層２２上にＰ＋型分離拡散層２２ａが設けられている。これらのＰ＋型埋め込み拡散層２２およびＰ＋型分離拡散層２２ａによりＮ−型エピタキシャル層２４が複数の領域に分割されている。複数に分割された所定のＮ−型エピタキシャル層２４と、そのＮ−型エピタキシャル層２４の下側に対応するＰ型シリコン基板２１との界面のＰＮ接合より入射光を検出するフォトダイオードが形成される。そして、Ｐ型シリコン基板２１上には、複数の分割されたフォトダイオードが形成されている。
【０００７】
各フォトダイオードは、各受光領域２９に対応するＰ型シリコン基板２１において、Ｐ型シリコン基板２１上の受光領域２９を分割するように設けられたＰ＋型埋め込み拡散層２２およびＰ＋型分離拡散層２２ａの両側の近傍にＮ＋型埋め込み拡散層２３が設けられている。受光領域２９を分割するようにＰ＋型埋め込み拡散層２２およびＰ＋型分離拡散層２２ａが設けられたＮ−型エピタキシャル層２４の上部には、Ｎ＋型埋め込み拡散層２３を覆うように、Ｐ＋型拡散層２６が設けられている。Ｐ＋型拡散層２６には、受光領域２９を分割するＰ＋型分離拡散層２２ａの一部分が含まれている。
【０００８】
Ｎ−型エピタキシャル層２４、Ｐ＋型分離拡散層２２ａおよびＰ＋型拡散層２６の表面には、反射防止膜２５であるシリコン酸化膜２５ａおよびシリコン窒化膜２５ｂが順番に積層されている。フォトダイオードの受光領域２９の周辺部には、導電性遮光膜２７が形成され、さらに導電性遮光膜２７の全体を被覆するように、導電性遮光膜２７上に絶縁性保護膜２８が形成されている。
このように、受光領域の分割領域であるＰ＋型埋め込み拡散層２２およびＰ＋型分離拡散層２２ａ近傍にのみ、低抵抗のＮ＋型埋め込み拡散層２３を設けることによりフォトダイオードの内部直列抵抗の抵抗値が低減されており、接合容量が低減されている。
【０００９】
ところで、このようなフォトダイオードは、ウエハ状態にて製造され、最終的にダイシング工程において各々のチップに分割される。このために、このダイシング工程において、ウエハの表面には大量の静電気が発生し、ウエハ表面から深さ方向に形成されるフォトダイオードが静電破壊されるおそれがある。フォトダイオードの静電破壊は、ダイシング工程でのウエハ分割の際に、吹き付けられる純水とウエハとの摩擦によって、大量の静電気がフォトダイオードの受光領域２９および受光領域２９の周辺部のシリコン窒化膜２５ｂおよび絶縁性保護膜２８上に発生することに起因する。このため、ダイシング工程において、ウエハに吹き付ける純水に炭酸ガス等を混ぜて導電率を高くする等、静電気の発生を抑制するような工夫が図られている。
【００１０】
しかし、このような方法においても、ウエハに吹き付ける純水の流量および純水に混ぜる炭酸ガスの流量が変動すると、ウエハに吹き付ける純水の抵抗率が変動して、ウエハ表面に発生する静電気を完全に抑制することは不可能となる。また、純水に炭酸ガスを多量に混ぜることにより、純水の抵抗率が低くなり静電気の発生を抑えることはできるが、純水の抵抗率が低くなるとウエハのダイシング用のブレード（刃）の寿命が短くなり、現実的な方法ではない。
【００１１】
ウエハのダイシングにより、フォトダイオードの受光領域２９のシリコン窒化膜２５ｂ上に発生した静電気は、厚みの薄いシリコン酸化膜２５ａおよびシリコン窒化膜２５ｂの界面準位に電荷を発生させる。このシリコン酸化膜２５ａおよびシリコン窒化膜２５ｂの界面に発生した電荷により、フォトダイオードの表面の半導体層の導電型が反転する。
【００１２】
例えば、図１７に示すフォトダイオードの構成では、フォトダイオードの受光領域２９のシリコン窒化膜２５ｂ上に正の電荷の静電気が発生すると、シリコン酸化膜２５ａおよびシリコン窒化膜２５ｂの界面に負の電荷が蓄積され、フォトダイオードの表面付近のＮ−型エピタキシャル層２４は、Ｐ型半導体層に反転する。このため、Ｎ−型エピタキシャル層２４内の導電型が反転したＰ型半導体層は、Ｐ＋型分離拡散層２２ａ等と電気的に接続され、フォトダイオードの接合容量が増大する。
【００１３】
前述したように、近年の光ディスクにおいてピックアップに用いられるレーザ光は短波長化しており、フォトダイオードの表面での入射光の反射を低減するために、フォトダイオードの反射防止膜は薄膜化されている。フォトダイオードの反射防止膜を構成するシリコン酸化膜が薄くなると、静電気により生じる電位差の内、フォトダイオードの表面の半導体層に印加される割合が高くなる。このため、反射防止膜が薄膜化すると、フォトダイオードの表面の半導体層の導電型が反転しやすくなる。この結果、ダイシング工程中での静電気の発生に起因するフォトダイオードの接合容量がさらに増大するおそれがある。
【００１４】
このように、フォトダイオードの接合容量が増大すると、フォトダイオードの応答速度が低下する。さらに、フォトダイオードの高周波ノイズを増大させ、フォトダイオードの特性を著しく劣化させるおそれがある。
【００１５】
ダイシング工程におけるウエハ表面に発生する静電気を完全に抑制することは不可能であり、また、ウエハ表面に発生した静電気によってシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との界面に導入された電荷は、ポテンシャル（電位）が安定であるために、高エネルギーの紫外線照射等を行わないと、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との界面から除去することができない。
【００１６】
このため、特開平１１−４０７９０号公報には、図１８に示すような静電気によるフォトダイオードの接合容量の増大を防止するために、図１８に示すような構成のフォトダイオードが開示されている。図１８に示すフォトダイオードは、受光領域２９の周辺部に導電性遮光膜２７が形成され、導電性遮光膜２７上に、導電性遮光膜２７の全体を被覆しないように、絶縁性保護膜２８が形成されている。絶縁性保護膜２８は、受光領域２９の中央側の端部が、受光領域２９の中央側に位置する導電性遮光膜２７の端部よりもフォトダイオードの受光領域２９の外側に配置されている。このため、導電性遮光膜２７の受光領域２９の中央側の端部は、絶縁性保護膜２８によって被覆されず、露出された状態になっている。その他の構成については、図１７に示すフォトダイードの構成と同様である。
【００１７】
図１８に示すフォトダイオードは、導電性遮光膜２７の受光領域２９の中央側の端部が露出しているために、ダイシング工程において、フォトダイオードの受光領域２９のシリコン窒化膜２５ｂ上に発生した多量の静電気（正電荷）が、導電性遮光膜２７の受光領域２９の中央側の端部を通じて、除去できる。この結果、反射防止膜２５を構成するシリコン酸化膜２５ａとシリコン窒化膜２５ｂとの界面に、負電荷が蓄積されない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
図１８に示すフォトダイオードの受光領域２９の周辺部に形成される導電性遮光膜２７は、通常、ＡｌＳｉが使用されている。ＡｌＳｉの構成元素のＡｌ（アルミニウム）はイオン化傾向が強く、ＡｌＳｉ表面に不純物等を含んだ水分が付着すると、水分が付着した部分にて電子の授受が行われて、ＡｌＳｉの腐食が生じる。導電性遮光膜２７は、信号配線としても用いられるため、導電性遮光膜２７の腐食が生じると、フォトダイオードは、遮光特性が劣化するのみならず、信号配線が切断されるために、入射光が光電変換された電気信号を検出できなくなる。
【００１９】
また、フォトダイオードを有する回路内蔵受光素子では、トランジスタを高速に動作させるために、ポリシリコン電極を用いて浅い接合を形成する技術が用いられているが、信号配線に用いられているＡｌＳｉと電極用のポリシリコンとが接触すると、そのＡｌＳｉとポリシリコンとの接触界面にシリコンが析出して接触抵抗が増大する。このため、導電性遮光膜２７であるＡｌＳｉ層の直下には、シリコンの析出を防止するためのバリアメタルとして、チタン・タングステン合金（ＴｉＷ）層が形成されている。
【００２０】
ところが、図１８に示すように、フォトダイオードの受光領域２９に発生する静電気対策として、導電性遮光膜２７のフォトダイオードの受光領域２９の中央側の端部が露出すると、ＡｌＳｉとＴｉＷ合金層との界面が外気に曝され、例えば前述のダイシング工程にて純水が吹き付けられると、電池効果によってＡｌＳｉが溶解し腐食するおそれがある。導電性遮光膜２７のＡｌＳｉが腐食すると、フォトダイオードの受光領域２９の遮光特性の劣化が生じるとともに、反射防止膜２５のシリコン酸化膜２５ａおよびシリコン窒化膜２５ｂの界面に静電気によって蓄積される負電荷を除去する効果も減少する。さらに、フォトダイオードの受光領域２９の遮光特性が劣化すると、受光領域２９以外より光がフォトダイオードに入射して光電変換されるため、ノイズ成分が増大してフォトダイオードの諸特性を劣化させるおそれがある。
【００２１】
これに対して、図１７に示すように、受光領域２９の中央側の導電性遮光膜２７の端部を絶縁性保護膜２８によって被覆すると、腐食に対しては強い構造となるが、静電気に対して非常に弱い構造となり、フォトダイオードの不良率が高くなる。
【００２２】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、ダイシング工程にて発生する静電気によってフォトダイオードの接合容量が増大することを抑制するとともに、信号配線の腐食を防止する構造を有し、高周波特性に優れた信頼性の高いフォトダイオードおよび回路内蔵受光素子を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明のフォトダイオードは、第一導電型半導体基板または半導体層と、該第一導電型半導体基板または半導体層上に形成された第二導電型半導体層とを有し、該第一導電型半導体基板または半導体層、および、該第二導電型半導体層の接合により、受光領域に入射する光を検出するフォトダイオードであって、該受光領域の表面に形成された反射防止膜と、該受光領域の周辺部に形成された導電性膜と、該導電性膜上に形成された絶縁性材料からなる保護膜と、を具備し、該受光領域の周辺部において、該保護膜の一部を除去して該導電性膜を露出させた開口部を有する窓領域が形成されており、該窓領域が、前記受光領域とボンディングパッド部との間に形成されていることを特徴とする。
【００３３】
本発明のフォトダイオードは、前記ボンディングパッド部が前記窓領域により囲まれていることを特徴とする。
【００３４】
本発明のフォトダイオードは、前記受光領域が前記窓領域により囲まれていることを特徴とする。
【００３５】
本発明のフォトダイオードは、前記ボンディングパッド部および前記受光領域が、それぞれ前記窓領域により囲まれていることを特徴とする。
【００３７】
本発明の回路内蔵受光素子は、上記本発明のいずれかのフォトダイオードと、該フォトダイオードにより光電変換された電気信号を処理する信号処理回路とが、同一基板上に形成されていることを特徴とする。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００３９】
図１は、本発明の第１の実施形態であるフォトダイオードの構造を示す模式断面図であり、図２は、図１に示すフォトダイオードの参考平面図である。尚、図１は、図２のＡ−Ａ’線における断面図である。
【００４０】
本発明のフォトダイオードは、Ｐ型シリコン基板１上に、入射光の受光領域１００、アノード部２００、カソード部３００および静電気を除去する窓領域４００を有している。尚、図２に示すように、カソード部３００には、ボンディングパッド５００が受光領域１００とは反対側に接続されている。
【００４１】
このフォトダイオードは、Ｐ型シリコン基板１を有しており、Ｐ型シリコン基板１上には、Ｎ型エピタキシャル層２が積層され、Ｐ型シリコン基板１とＮ型エピタキシャル層２との界面には、複数のＰ＋型埋め込み拡散層４が選択的に形成されている。Ｎ型エピタキシャル層２内には、Ｐ＋型埋め込み拡散層４間にわたる領域上に、Ｐ型拡散層５およびＰ＋型拡散層１１が順番に形成されている。Ｐ＋型拡散層１１を含むＮ型エピタキシャル層２上には、薄いシリコン酸化膜６が全面にわたって設けられており、Ｐ＋型拡散層１１の両側は、半導体基板における選択的な分離酸化膜構造であるロコス（ＬＯＣＯＳ：ＬＯＣａｌｉｚｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造３にそれぞれなっている。ロコス構造３に挟み込まれた領域がフォトダイードのアノード部２００の配線部分になっている。
【００４２】
受光領域１００となるＮ型エピタキシャル層２上の薄いシリコン酸化膜６上には、薄いシリコン窒化膜７が積層されており、これらシリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７によって反射防止膜が形成されている。受光領域１００に対応するＮ型エピタキシャル層２およびＰ型シリコン基板１の界面にてＰＮ接合が形成されており、これにより受光領域１００に入射する光を検出するフォトダイオードが構成される。尚、本発明のフォトダイオードは、例えば、Ｐ型シリコン基板上に選択的に拡散処理等によって、形成されたＮ型拡散領域で形成されるものでも良く、また、導電型のＮ型／Ｐ型が逆になる場合でも良い。
【００４３】
アノード部２００の周辺部に設けられたロコス構造３およびロコス構造３上に設けられたシリコン窒化膜７上には、シリコン酸化膜８が形成されている。シリコン酸化膜８上には、受光領域１００に近接した側部を除いて耐腐食性の金属膜のＴｉＷ（チタン・タングステン合金）膜１２および導電性遮光膜のＡｌＳｉ膜９が順番に積層されている。また、Ｐ＋型拡散層１１上のシリコン酸化膜６とシリコン酸化膜６上に積層されたシリコン酸化膜８には、開口部（コンタクトホール）が設けられており、その開口部にもＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９がＰ＋型拡散層１１と接続するように形成されている。Ｐ型拡散層５上のＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９は、アノード部２００のアノード電極となる。
【００４４】
ＡｌＳｉ膜９およびＡｌＳｉ膜９が設けられていないシリコン酸化膜８の端部上には、例えば、絶縁性保護膜のＰＳＧ（Ｐｈｏｓｈｏ−ＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ：リンを含んだシリコン酸化膜）保護膜１０が形成されている。ＰＳＧ保護膜１０におけるアノード部２００から適当な間隔をあけた領域には、ＡｌＳｉ膜９が露出するように開口部１０ａが設けられており、この開口部１０ａおよびその周辺部が窓領域４００となる。
【００４５】
同様に、フォトダイオードの受光領域１００に隣接するカソード部３００にも、
Ｎ型エピタキシャル層２上にシリコン酸化膜６が形成されており、受光領域１００に設けられたシリコン窒化膜７の端部がカソード部３００内に位置している。カソード部３００のＮ型エピタキシャル層２およびシリコン窒化膜７の端部上には、シリコン酸化膜８が形成されている。シリコン酸化膜８上には、シリコン酸化膜８の端部を除いてＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９が順番に積層されている。
受光領域１００に近接したカソード部３００内のシリコン酸化膜６および８には、開口部（コンタクトホール）が設けられており、シリコン酸化膜６の開口部内にはポリシリコン電極１３が設けられている。ポリシリコン電極１３上のシリコン酸化膜８の開口部にはＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９がそれぞれ形成されており、ポリシリコン電極１３、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９がカソード部３００のカソード電極になっている。ＡｌＳｉ膜９およびシリコン酸化膜８の端部上には、例えば、ＰＳＧ保護膜１０が積層されている。
【００４６】
ＡｌＳｉ膜９は、フォトダイオードの受光領域１００以外への光の侵入を防止する遮光膜および信号配線として用いられている。ＴｉＷ膜１２は、耐腐食性を有しており、腐食による信号配線の電気的切断を防止するとともに、ＡｌＳｉ膜９のＡｌ（アルミニウム）がＰ型シリコン基板１方向の各半導体層の内部に拡散することを防止するバリアメタルとして用いられている。
【００４７】
図１および２に示すフォトダイオードは、例えば、以下に説明するように作製される。尚、カソード部３００に接続されたボンディングパッド部５００は、窓領域４００と同様の構造になっている。
【００４８】
まず、Ｐ型シリコン基板１上の所定の領域に複数のＰ＋型埋め込み拡散層４を形成する。その後、Ｐ型シリコン基板１上の全面にＮ型エピタキシャル層２を積層し、Ｐ＋型埋め込み拡散層４間の領域上のＮ型エピタキシャル層２に、その表面から不純物拡散を行う。この不純物拡散によりＰ型拡散層５が形成される。尚、Ｐ型拡散層５は、アノード抵抗を下げるために、アノードコンタクト形状になっている。
【００４９】
次に、Ｎ型エピタキシャル層２上の所定の領域に複数のロコス構造３を形成する。各ロコス構造３は、それぞれの端部がＰ＋型埋め込み拡散層４の上方に位置するように設けられる。その後、受光領域１００およびその周辺部、さらにはアノード部２００に設けられたＮ型エピタキシャル層２の表面に、熱酸化により、所定の膜厚のシリコン酸化膜６を形成した後に、このシリコン酸化膜６上にＣＶＤ法等により、所定の膜厚のシリコン窒化膜７を形成する。これにより、２層構造の反射防止膜が形成される。シリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７の膜厚は、フォトダイオードの受光領域１００に入射する光の波長に対する反射率が低くなるように設定される。また、アノード部２００では、ロコス構造３で挟まれたＰ型拡散層５の表面から不純物拡散を行うことにより、Ｐ＋型拡散層１１を形成して、アノード抵抗を低減している。
【００５０】
尚、Ｐ＋型拡散層１１は、製造プロセスを変更することにより、ロコス構造３、シリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７から成る反射防止膜を形成する前に形成しても良く、また、ロコス構造３、シリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７から成る反射防止膜の形成した後に形成しても良い。
【００５１】
次に、カソード部３００のＮ型エピタキシャル層２上に形成されたシリコン酸化膜６の所定領域を、エッチングにより開口して、その開口部にポリシリコン膜を堆積させ、カソード電極となるポリシリコン電極１３を形成する。
【００５２】
次に、ＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜８を、Ｐ型シリコン基板１上の全面に形成する。その後、カソード部３００のポリシリコン電極１３およびアノード部２００のＰ＋型拡散層１１上のそれぞれカソード電極およびアノード電極のコンタクト領域のシリコン酸化膜８をエッチングにより除去して開口部（コンタクトホール）を形成する。開口部が形成されると、シリコン酸化膜８上の全面に、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９を積層し、フォトダイオードの受光領域１００に積層されたシリコン酸化膜８、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９をエッチングにより除去する。これにより、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９の導電性遮光膜が形成される。ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９は、アノード電極と電気的に接続され、信号配線としても用いられる。
【００５３】
次に、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９を被覆するために、Ｐ型シリコン基板１上の全面にＰＳＧ保護膜１０を全面に形成し、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチングにより、フォトダイオードの受光領域１００のＰＳＧ保護膜１０を除去することにより、受光領域１００に開口部を形成する。この時、ＰＳＧ保護膜１０は、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９の端部が露出しないようにエッチングされ、エッチング後のＰＳＧ保護膜１０の端部は、シリコン酸化膜８の端部と同じ位置とされる。また、この時、アノード部２００から所定の間隔の位置にてＰＳＧ保護膜１０の所定領域を除去して窓領域４００の開口部１０ａを形成し、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９を露出させるとともに、ボンディングパッド部５００上を被覆しているＰＳＧ保護膜１０を除去しボンディングパッド部５００を開口する。尚、ボンディングパッド部５００の構造は、開口部１０ａよりＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９が露出している窓領域４００と同様の構造であるため、図１では記載を省略している。以上により、図１および２に示した本発明のフォトダイオードが作製できる。
【００５４】
前述したように、フォトダイオードは、ウエハ状態にて製造され、ダイシング工程において、各々のチップに分割される。このため、ウエハをチップに分割する際に、ウエハ表面上のシリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７から成る反射防止膜、ＰＳＧ保護膜１０等の絶縁性保護膜上には、大量の静電気が発生する。このような大量の静電気が発生する状態において、本発明の第１の実施形態のフォトダイオードでは、受光領域１００に近接するアノード部２００から所定の距離だけ離れた位置に、導電性遮光膜のＡｌＳｉ膜９が露出した開口部１０ａを有する窓領域４００が形成されているために、シリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７から成る反射防止膜、ＰＳＧ保護膜１０等の絶縁性保護膜上に発生した静電気を窓領域４００から露出したＡｌＳｉ膜９を通して除去することができる。
【００５５】
このような絶縁性保護膜の所定の領域に窓領域を設けて導電性遮光膜を露出させたフォトダイオードおよび窓領域を設けないフォトダイオードについて、それぞれ５個のサンプルを用いて、応答特性の波形異常の発生率（不良数／測定数）に関する実験を行った。この結果、窓領域を設けずに静電気対策を行っていないフォトダイオードの不良率は４／５であるのに対して、図１に示す窓領域を設けた構造のフォトダイオードの不良率は０／５であり、応答特性の波形異常は観測されなかった。
【００５６】
図３（ａ）および（ｂ）は、この実験におけるフォトダイオードの周波数に対する出力値を示すグラフであり、縦軸は出力値（ｄＢ）を示し、横軸は周波数（Ｈｚ）を示す。図３（ａ）に示すグラフは、図１に示す窓領域を設けたフォトダイオードの応答特性の波形であり、５個のサンプルすべて正常である。図３（ｂ）に示すグラフは、窓領域を設けていないフォトダイオードの応答特性の波形であり、４個のサンプルに異常波形が見られる。
【００５７】
さらに、本発明の第１の実施形態のフォトダイオードでは、図１８に示した従来のフォトダイオードのように、ＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９の端部がＰＳＧ保護膜１０で覆われて露出していないために、受光領域１００の端部近傍のＡｌＳｉ膜９に腐食は発生しない。また、窓領域４００から露出しているＡｌＳｉ膜９に腐食が生じても、ＡｌＳｉ膜９の下側に耐腐食性金属膜のＴｉＷ膜１２が設けられているため、信号配線が電気的に切断されるおそれはない。
【００５８】
本実施形態のフォトダイオードには、ダイシング工程におけるウエハ分割の際に発生する静電気の対策として絶縁性保護膜であるＰＳＧ保護膜１０に窓領域４００を形成している。この窓領域４００を形成する工程とボンディングパッド部５００を形成する工程とは同一であり、受光領域１００の周辺にボンディングパッド部５００が形成されている構造の場合でも、同様の静電気を除去する効果が得られる。したがって、前述の窓領域４００はボンディングパッド部５００として機能するものであっても良い。
【００５９】
また、図１に示すＡｌＳｉ膜９を、図４に示すようにＰＳＧ保護膜１０により、ＡｌＳｉ膜９ａおよび９ｂに分割しても良い。ＡｌＳｉ膜９ａ上には、窓領域４００が形成され、ＡｌＳｉ膜９ｂは、アノード電極を含む信号配線となる。この場合、窓領域４００の開口部１０ａからＡｌＳｉ膜９ａが露出しており、この露出部分にてＡｌＳｉ膜９ａに腐食が生じても、アノード部２００に接続され信号配線であるＡｌＳｉ膜９ｂは、ＡｌＳｉ膜９ａと分離されているために、信号配線のＡｌＳｉ膜９ｂが腐食により電気的に切断されるおそれはなく、フォトダイオードの信頼性をさらに向上させることができる。
【００６０】
尚、図１および図４に示すフォトダイオードでは、Ｐ型半導体基板１およびＮ型エピタキシャル層２の界面に形成されるＰＮ接合により信号を検出するフォトダイオードを構成しているが、本発明のフォトダイオードの構成はこれに限定されるものではない。例えば、半導体基板、および、その半導体基板とは異なる導電型の不純物拡散により形成された領域の界面に形成されるＰＮ接合によって信号を検出する構成のフォトダイオードでもよい。また、下層はＰ型半導体基板ではなく、Ｐ型半導体層でもよい。さらに、第一導電型（Ｐ型）と第二導電型（Ｎ型）とが反対でもよい。以下の本発明の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、全てこのような構成とすることができる。
【００６１】
図５は、本発明の第２の実施形態であるフォトダイオードの構造を示す模式断面図である。この図５において、図１を参照して説明した第１の実施形態と同じ構成要素には、同じ参照番号を付しているため、以下では説明を省略する。また、図５では、カソード部３００および受光領域１００の一部は省略して示している。
【００６２】
図５に示す本発明の第２の実施形態のフォトダイオードは、シリコン酸化膜８の開口部およびシリコン酸化膜８上に、第一層目の信号配線および遮光膜として用いられるＡｌＳｉ膜１６がロコス構造３上に位置するシリコン酸化膜８の端部を除いて形成されている。ＡｌＳｉ膜１６上には、信号配線および遮光膜としてＴｉＷ膜１２および第二層目のＡｌＳｉ膜９が順番に積層されている。ＡｌＳｉ膜１６上における窓領域４００側のロコス構造３に対応した領域には、ＡｌＳｉ膜１６とＴｉＷ膜１２との間に、層間絶縁膜として絶縁性材料であるシリコン窒化膜１４およびＰＳＧ保護膜１５が順番に積層されている。
【００６３】
第二層目のＡｌＳｉ膜９上およびシリコン酸化膜８上には、第一層目のＡｌＳｉ膜１６および第二層目のＡｌＳｉ膜９の端部を被覆するように、ＰＳＧ保護膜１０が積層されている。アノード部２００に近接したＰＳＧ膜１５上の第二層目のＴｉＷ膜１２およびＡｌＳｉ膜９は、分離領域９ｃによって、アノード部２００側部分９ｂと窓領域４００側部分９ａとに分離されている。分離領域９ｃ内には、ＰＳＧ保護膜１０の一部が進入している。
【００６４】
ＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａ上のＰＳＧ保護膜１０には、ＰＳＧ保護膜１０の所定の領域が除去され、ＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａが露出した開口部１０ａを有する窓領域４００が形成されている。ＡｌＳｉ膜９のアノード部２００側部分９ｂはアノード電極を含む信号配線となる。その他の構成については、図１および４に示す第１の実施形態のフォトダイオードの構成と同様になっている。
【００６５】
この第２の実施形態のフォトダイオードでは、信号配線用のＡｌＳｉ膜９のアノード部２００側部分９ｂおよび静電気を除去するための窓領域４００が形成されているＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａが分離領域９ｃ内に進入したＰＳＧ保護膜１０により電気的に分離されている。これにより、図４の第１実施形態において説明したように、静電気を除去するための窓領域４００の開口部１０ａから露出しているＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａに腐食が生じても、信号配線であるＡｌＳｉ膜９のアノード部２００側部分９ｂは、ＰＳＧ保護膜１０により保護されているために、腐食が発生しない。さらに、第２の実施形態のフォトダイオードの構造では、第二層目の信号配線となるＡｌＳｉ膜９の分離領域９ｃから信号用の光に対して雑音となる光が入射しても、その雑音となる光を、第一層目のＡｌＳｉ膜１６によって、確実に遮光することができるために、Ｓ／Ｎ比の高いフォトダイオードが得られる。
【００６６】
また、図６に示すように、第一層目のＡｌＳｉ膜１６の下側に耐腐食性の金属であるＴｉＷ膜１２を形成しても良い。これにより、第一層目のＡｌＳｉ膜１６に腐食が発生しても、ＡｌＳｉ膜１６の下側のＴｉＷ膜１２により接続されているために、信号配線が電気的に切断されるおそれはない。
【００６７】
さらに、図７に示すように、窓領域部４００の開口部１０ａから露出しているＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａを耐腐食性の金属膜、例えばＴｉＷ膜１７で覆っても良い。これにより、ＡｌＳｉ膜９の窓領域４００側部分９ａに腐食が生じず、フォトダイオードの遮光特性が劣化するおそれはない。
【００６８】
また、この窓領域４００の形成と同様に、ボンディングパッド部５００の形成においてもＰＳＧ保護膜１０を、エッチングにより除去して開口部を形成することによりＡｌＳｉ膜９を露出させるが、ＴｉＷ膜１７は、ボンディングパッド部５００の開口部には形成しないことが好ましい。この理由は、ＴｉＷ膜１７をボンディングパッド部５００の開口部に形成すると、ボンディングパッド部５００にボンディングを行う際に、金ポールとボンディングパッド部５００との密着性が悪くなって金ポールが、ボンディングパッド部５００から剥がれ落ちたり、ＴｉＷ膜１７が固い金属であるためにボンディングを行う際の衝撃で破損して、ＴｉＷ膜１７の下側のＡｌＳｉ膜９が露出して腐食するおそれがある。
【００６９】
これを防止するために、図８に示すように、窓領域４００およびボンディングパッド部５００の両方において、ＰＳＧ保護膜１０のエッチングによって開口部１０ａをそれぞれ形成した後、耐腐食性の金属であるＴｉＷ膜１７を各開口部１０ａ内に形成し、さらにその上に金（Ａｕ）膜１８を形成すれば良い。このような構造では、ボンディングパッド部５００において、ボンディングを行う際の金ポールとポンディングパッド部５００との密着性が向上する。また、金（Ａｕ）は、柔らかい金属であるために金膜１８の下側に形成されているＴｉＷ膜１７がボンディングを行う際に破損することもなく、ＴｉＷ膜１７の下側のＡｌＳｉ膜９の腐食を防止できる。
【００７０】
本発明の第１および第２の実施形態のフォトダイオードにおいて、窓領域４００の開口部１０ａの面積は、受光領域１００の面積の５０分の１よりも大きくすることが望ましい。開口部１０ａの面積が受光領域１００の面積の５０分の１の大きさの窓領域４００が形成された５個のフォトダイオードを用いて、応答特性の波形異常に関して実験を行った。この結果、図９に示すように、５個の内４個のサンプルから応答特性の波形に異常が見られた。図９において、縦軸は出力値（ｄＢ）を示し、横軸は周波数（Ｈｚ）を示す。一方、開口部１０ａの面積が受光領域１００の面積の５０分の１より大きい窓領域４００が形成されたフォトダイオードでは、応答特性の波形異常は観測されなかった。
【００７１】
さらに、前述の第１および第２の実施形態のフォトダイオードにおいて、窓領域４００と受光領域１００との間の距離は、２００μｍ以下とすることが望ましい。窓領域４００と受光領域１００との間の距離の異なるフォトダイオードの３個のサンプルＡ，Ｃ、Ｅを用いて、応答特性の波形異常に関して実験を行った。その結果を図１０に示す。図１０において、縦軸は出力値（ｄＢ）を示し、横軸は周波数（Ｈｚ）を示す。ここで、窓領域４００と受光領域１００との間の距離は、サンプルＡ、サンプルＣ、サンプルＥの順に短くなっており、サンプルＥの窓領域４００と受光領域１００との間の距離が２００μｍである。図１０に示すように、窓領域４００と受光領域１００との間の距離が２００μｍであるサンプルＥの応答波形には波形異常が観測されないが、窓領域４００と受光領域１００との間の距離が２００μｍより長いサンプルＣおよびＡでは応答波形に波形異常が観測される。
【００７２】
尚、第２の実施形態のフォトダイオードでは、ＡｌＳｉ膜９が分割される分離領域９ｃから、雑音となる光の入射を防止するために、シリコン窒化膜１４の下層に第一層目のＡｌＳｉ膜１６が形成されているが、このＡｌＳｉ膜１６を分離領域９ｃの下方および下方近傍のみに設けても、同様の効果が得られる。
【００７３】
また、前述の第１および第２の実施形態のフォトダイオードにおいて、窓領域４００は、受光領域１００とフォトダイオードのカソード部３００等の電位を供給するボンディングパッド部５００との間に形成されることが望ましい。図１１は、このような構成のフォトダイオードを示す概略平面図である。図１１では、説明を簡単にするため、ボンディングパッド部５００は、カソード部３００に接続されている。
【００７４】
通常、フォトダイオードのカソード部３００には、正の電位が印加されるが、図１１に示すフォトダイオードは、正の電位を供給するボンディングパッド部５００に限定したものではない。ボンディングパッド部５００には、Ａｕ線等のボンディングワイヤーにより電位が供給されるが、この時、ボンディングパッド部５００からその周辺部の反射防止膜、ＰＳＧ保護膜１０等の絶縁性保護膜上に電荷が拡がる。しかし、図１１に示すように、受光領域１００とボンディングパッド部５００との間に窓領域４００が形成されていると、ボンディングパッド部５００から周辺部の絶縁性保護膜上に拡がる電荷を窓領域４００にて効果的に除去できる。
【００７５】
また、窓領域４００は、図１２に示すように、受光領域１００の近傍に、受光領域１００の各側縁部に沿って形成しても良い。これにより、窓領域４００は、ボンディングパッド部５００からの電荷のみならず、チップ上のフォトダイオード領域の外部からフォトダイオードの受光領域１００に向かって移動してくる静電気も除去できる。
【００７６】
また、窓領域４００は、ボンディングパッド部５００を完全に取り囲むように形成されることが望ましい。図１３は、このような構成のフォトダイオードを示す概略平面図である。窓領域４００が、ボンディングパッド部５００を完全に囲むことにより、ボンディングパッド部５００から拡がる電荷は必ず窓領域４００を横切るため、不要な電荷を除去する効率が上がる。
【００７７】
さらに、前述の第１および第２の実施形態のフォトダイオードにおいて、フォトダイオードの受光領域１００は、窓領域４００により周辺部を完全に取り囲まれていることが望ましい。図１４は、このような構成のフォトダイオードを示す概略平面図である。図１４に示すように、受光領域１００は、窓領域４００により周辺部を完全に囲まれており、このような構成では、ダイシング等によりウエハ上に発生した静電気等の電荷がチップ上のフォトダイオードの受光領域１００に向かって移動してくると、必ず窓領域４００を横切らなければならないため、窓領域４００により静電気等の電荷の吸収率の一層の向上が図れる。尚、窓領域４００によって取り囲まれる受光領域１００は、一つのみに限らず、複数の受光領域１００を一括して囲むように窓領域４００が形成されても良い。また、複数の受光領域１００がそれぞれの窓領域４００によって囲まれていても良い。
【００７８】
さらにまた、前述の第１および第２の実施形態のフォトダイオードにおいて、受光領域１００およびボンディングパッド部５００の両方が、それぞれ窓領域４００により周辺部を完全に囲まれることが望ましい。図１５は、このような構成のフォトダイオードを示す概略平面図である。図１５に示すように、受光領域１００およびボンディングパッド部５００の両方が、それぞれ窓領域４００により周辺部を完全に囲まれており、このような構成では、ダイシング等によりウエハ上に発生した静電気等の電荷が、チップ上のフォトダイオードの受光領域１００およびボンディングパッド部５００に向かって移動してくると、必ず窓領域４００を横切らなければならないため、フォトダイオードの受光領域１００に静電気等の電荷が到達することによるフォトダイオードの接合容量の異常発生率をさらに低減することができる。
【００７９】
次に、本発明の第３の実施形態である分割フォトダイオードについて説明する。第３の実施形態の分割フォトダイオードは、図１に示すフォトダイオードの受光領域１００のＮ型エピタキシャル層２をＰ＋型埋め込み拡散層４およびＰ型拡散層５によって分割することにより得られる。
【００８０】
図１６は、本発明の第３の実施形態であるフォトダイオードの構造を示す模式断面図である。
【００８１】
Ｐ型シリコン基板１上にＮ型エピタキシャル層２が積層されている。受光領域１００のＰ型シリコン基板１およびＮ型エピタキシャル層２の界面には、選択的にＰ＋型埋め込み拡散層４ｂが形成されている。Ｎ型エピタキシャル層２内のＰ＋型埋め込み拡散層４ｂ上に、Ｐ型拡散層５ｂが、Ｎ型エピタキシャル層２の表面まで形成されている。そして、これらのＰ＋型埋め込み拡散層４ｂおよびＰ型拡散層５ｂによりＮ型エピタキシャル層２が複数に分割されている。また、アノード部２００および窓領域４００の領域は、受光領域１００に対して対称的に配置されている。これにより、分割フォトダイオードが構成される。その他の構成については、図１に示す第１の実施形態のフォトダイオードの構成と同様になっている。
【００８２】
図１６に示す第３の実施形態であるフォトダイオードでは、アノード部２００から受光領域１００の外側に向かって所定の間隔の領域に、ＰＳＧ保護膜１０を除去して開口部を設けた窓領域４００が形成されている。窓領域４００は、導電性遮光膜のＡｌＳｉ膜９上に形成されている。図１６に示すフォトダイオードは、このような構造により、反射防止膜のシリコン窒化膜７、ＰＳＧ保護膜１０等の絶縁性保護膜上の静電気等の電荷を窓領域４００から除去できる。これにより、静電気等の電荷の蓄積によるフォトダイオードの接合容量の増大を抑制し、接合容量の増大に起因するフォトダイオードの応答特性の劣化を防止できる。さらに、従来の分割フォトダイオードでは、受光領域１００の反射防止膜のシリコン窒化膜７上の静電気等の電荷により、受光領域１００の分割部であるＰ型拡散層５ｂの表面の導電型がＮ型半導体層に反転し、分割部の両側に隣接するＮ型エピタキシャル層２同士がショートしてしまうというおそれがあるが、図１６に示すフォトダイオードでは、この問題も防止でき本発明の分割フォトダイオードの信頼性を向上させることができる。
【００８３】
つぎに、本発明の実施形態である回路内蔵受光素子の例について説明する。本実施形態の回路内蔵受光素子は、第１〜３の何れかの実施形態のフォトダイオードとその信号処理回路を同一基板上に作製することにより得られる。
【００８４】
このような構成の回路内蔵受光素子は、前述のＮ型エピタキシャル層２において、フォトダイオードが形成されている領域と電気的に分離された領域に、例えばＮＰＮトランジスタまたは縦型ＰＮＰトランジスタからなる信号処理回路用の回路素子を形成することにより作製することができる。
【００８５】
尚、本発明の実施形態では、信号配線および遮光膜として機能する導電性膜としてＡｌＳｉ、耐腐食性を有する導電性膜としてＴｉＷを用いたが、他の材料を用いた構成においても、本発明の実施形態に適用可能である。また、反射防止膜および絶縁性保護膜においても、前述したシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ＰＳＧ保護膜等に限定されるものではない。
【００８６】
【発明の効果】
本発明のフォトダイオードは、受光領域の周辺部に形成した導電性膜上の保護膜を一部除去し、保護膜を除去した領域に開口部を有する窓領域を形成して開口部から導電性膜を露出させているため、反射防止膜および保護膜上に発生した静電気を窓領域の開口部から露出した導電性膜を通じて除去することができる。これにより、受光領域の反射防止膜を構成するシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との界面に電荷が蓄積されるおそれがなくなる。その結果、フォトダイオードの接合容量が異常に増大することがなく、応答特性の劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のフォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態のフォトダイオードの参考平面図である。
【図３】（ａ）は、第１の実施形態のフォトダイオードの応答特性の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、静電気対策がなされていないフォトダイオードの応答特性の波形を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態のフォトダイオードの他の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のフォトダイオードの構成示す断面図である。
【図６】第２の実施形態のフォトダイオードの他の構成を示す断面図である。
【図７】第２の実施形態のフォトダイオードのさらに他の構成を示す断面図である。
【図８】第２の実施形態のフォトダイオードのさらに他の構成を示す断面図である。
【図９】窓領域の開口面積を縮小したフォトダイオードの応答特性の波形を示すグラフである。
【図１０】窓領域と受光領域との距離を変えて作製したフォトダイオードの応答特性の波形を示すグラフである。
【図１１】受光領域とボンディングパッド部との間に窓領域を設けた本発明のフォトダイオードの平面図である。
【図１２】受光領域の近傍に、受光領域の側縁部に沿って窓領域を設けた本発明のフォトダイオードの平面図である。
【図１３】ボンディンパッド部を完全に囲むように窓領域を設けた本発明のフォトダイオードの平面図である。
【図１４】受光領域を完全に囲むように窓領域を設けた本発明のフォトダイオードの平面図である。
【図１５】ボンディンパッド部および受光領域を完全に囲むようにそれぞれ窓領域を設けた本発明のフォトダイオードの平面図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態であるフォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図１７】従来のフォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図１８】従来のフォトダイオードの他の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ Ｐ型シリコン基板
２ Ｎ型エピタキシャル層
３ ロコス
４ Ｐ＋型埋め込み拡散層
４ｂ Ｐ＋型埋め込み拡散層
５ Ｐ型拡散層
５ｂ Ｐ型拡散層
６ シリコン酸化膜（反射防止膜）
７ シリコン窒化膜（反射防止膜）
８ シリコン酸化膜
９ ＡｌＳｉ膜
９ａ ＡｌＳｉ膜の窓領域側部分
９ｂ ＡｌＳｉ膜のアノード部側部分
９ｃ 分離領域
１０ ＰＳＧ保護膜
１０ａ 開口部
１１ Ｐ＋型拡散層
１２ ＴｉＷ膜
１３ ポリシリコン電極
１４ シリコン窒化膜（層間絶縁膜）
１５ ＰＳＧ保護膜（層間絶縁膜）
１６ ＡｌＳｉ膜
１７ ＴｉＷ膜
１８ 金膜
２１ Ｐ型シリコン基板
２２ Ｐ＋型埋め込み拡散層
２２ａ Ｐ＋型分離拡散層
２３ Ｎ＋型埋め込み拡散層
２４ Ｎ型エピタキシャル層
２５ 反射防止膜
２５ａ シリコン酸化膜
２５ｂ シリコン窒化膜
２６ Ｐ＋型拡散層
２７ 導電性遮光膜
２８ 絶縁性保護膜
２９ 受光領域
１００ 受光領域
２００ アノード部
３００ カソード部
４００ 窓領域
５００ ボンディングパッド部
Claims (5)
- 第一導電型半導体基板または半導体層と、該第一導電型半導体基板または半導体層上に形成された第二導電型半導体層とを有し、該第一導電型半導体基板または半導体層、および、該第二導電型半導体層の接合により、受光領域に入射する光を検出するフォトダイオードであって、
該受光領域の表面に形成された反射防止膜と、
該受光領域の周辺部に形成された導電性膜と、
該導電性膜上に形成された絶縁性材料からなる保護膜と、を具備し、
該受光領域の周辺部において、該保護膜の一部を除去して該導電性膜を露出させた開口部を有する窓領域が形成されており、
該窓領域が、前記受光領域とボンディングパッド部との間に形成されていることを特徴とするフォトダイオード。 - 前記ボンディングパッド部が前記窓領域により囲まれている請求項１に記載のフォトダイオード。
- 前記受光領域が前記窓領域により囲まれている請求項１に記載のフォトダイオード。
- 前記ボンディングパッド部および前記受光領域が、それぞれ前記窓領域により囲まれている請求項２または３に記載のフォトダイオード。
- 請求項１〜４のいずれかに記載のフォトダイオードと、該フォトダイオードにより光電変換された電気信号を処理する信号処理回路とが、同一基板上に形成されていることを特徴とする回路内蔵受光素子。
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