JP4502996B2 - フォトダイオード - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換素子としてのフォトダイオードに関する。
半導体装置において、フォトダイオードは光を受けて電流を発生させるダイオードであり、ＣＤやＤＶＤなどの光ディスク装置に内蔵される光学ピックアップ装置用の受光素子として広く用いられている。フォトダイオードは、ｐｎ接合した半導体から構成され、ｐｎ接合に逆バイアスを印加することで空乏層を広げ、高い電界をかける。主に空乏層で吸収された光によって電子−正孔対が発生し、電界に引かれて電子はｎ型半導体領域へ、正孔はｐ型半導体領域へ移動し、電流として検知される。
上記のフォトダイオードの種類としては、ｐ層とｎ層の間に導電性不純物を低濃度に含有するＩ層（ｐ−層またはｎ−層）を設けて、低電圧での空乏層を広げやすくしたＰＩＮフォトダイオードや、アバランシェ崩壊を発生させる領域を設けたアバランシェ・フォトダイオードなどがある。
シリコンは、その物性上およそ４００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲の波長の光しか光電変換できない。１１００ｎｍ以上の長波長の光のエネルギーでは、シリコンのエネルギーバンドギャップ（１．１２Ｖ）より低いため、電子−正孔対を生成できない。また、４００ｎｍより短波長の光は、シリコンの表面近傍でしか電子―正孔対を生成できず、通常シリコンの表面近傍では電子−正孔の再結合速度が非常に速いため、生成された電子−正孔対が速やかに再結合してしまい、光キャリアが検知される前に消滅してしまうためである。
例えば、光ディスク装置の光学ピックアップに組み込まれる光源として、現在７８０ｎｍの光や６５０ｎｍの光が用いられているが、これらの光はシリコン表面から２０〜４０μｍ程度の深さまで達することが可能である。一方で、高密度記録実現のために実用化が検討されている光ディスク装置の光学ピックアップでは、４０５ｎｍの波長の光の使用が検討されており、この領域の光はシリコンの表面から約０．６μｍ程度の深さまでしか到達できない。
従って、７８０ｎｍの光や６５０ｎｍの赤色領域の波長の光を受光するためのフォトダイオードにおいては、シリコン表面から２０〜４０μｍ程度の深さの領域において空乏化するようにし、さらに、ｐｎ接合を構成するｐ領域とｎ領域における不純物濃度を高濃度にして低抵抗化することにより、感度とＣＲ時定数などの高周波特性を向上することができる。
しかし、４０５ｎｍなどの青色領域の波長の光を受光するためには、シリコン表面から０．６μｍ程度の表層近傍領域において空乏化するようにする必要がある。従来のフォトダイオードの構造においてはシリコンの表層近傍においては高濃度の不純物領域が存在しているため表面近傍の空乏化が困難であり、また、空乏化させるために表面近傍における導電性不純物の濃度を低濃度にすると、ＣＲ時定数が大きくなって応答速度が遅くなり、高周波特性が悪化してしまうという不都合がある。
特許文献１には、例えば第１導電型半導体層の表層部に、少なくとも一断面において第１導電型半導体層により分断された部分を有するように、第２導電型半導体層が形成されて構成され、シリコン表面近傍での再結合を低減して感度を向上したフォトダイオードが開示されている。
特開２００１−３２００７５号公報
しかしながら、上記の特許文献１に記載のフォトダイオードにおいても、第２導電型半導体層が第１導電型半導体層により分断された構成となっていることから、高周波特性の悪化は避けられない。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、従って、本発明の目的は、高周波特性を確保しながら、青色領域の波長の光に対しても高感度であるフォトダイオードを提供することである。
上記の目的を達成するため、本発明のフォトダイオードは、ｐ型の第１半導体層と、上記第１半導体層の上層に直接またはイントリンシック半導体層を介して形成され、ｎ型の導電性不純物を低濃度に含有するｎ型の第２半導体層と、ｎ型の導電性不純物を中濃度に含有し、上記第２半導体層の主面において上記第２半導体層より浅く、少なくとも一断面において上記第２半導体層により分断されたレイアウトで形成されたｎ型の第３半導体層と、ｎ型の導電性不純物を高濃度に含有し、上記第３半導体層の主面において上記第３半導体層より浅く、少なくとも一断面において上記第２半導体層により分断されたレイアウトで形成されたｎ型の第４半導体層と、上記第４半導体層の上層に上記第４半導体層と同じレイアウトで形成された金属含有導電層とを有する。
上記の本発明のフォトダイオードは、ｐ型の第１半導体層の上層に、直接またはイントリンシック半導体層を介して、ｎ型の導電性不純物を低濃度に含有するｎ型の第２半導体層が形成されており、第２半導体層の主面において第２半導体層より浅く、ｎ型の導電性不純物を中濃度に含有し、少なくとも一断面において第２半導体層により分断されたレイアウトでｎ型の第３半導体層が形成され、さらに、第３半導体層の主面において第３半導体層より浅く、ｎ型の導電性不純物を高濃度に含有し、少なくとも一断面において第２半導体層により分断されたレイアウトでｎ型の第４半導体層が形成されており、さらに第４半導体層の上層に第４半導体層と同じレイアウトで金属含有導電層が形成されている。
上記の本発明のフォトダイオードは、好適には、上記第１半導体層及び上記第２半導体層に所定の電圧を印加したときに、上記第４半導体層を分断している領域における上記第２半導体層の主面近傍にまで空乏層が拡がる。
また、上記の目的を達成するため、本発明のフォトダイオードは、ｐ型の第１半導体層と、上記第１半導体層の上層に直接またはイントリンシック半導体層を介して形成され、ｎ型の導電性不純物を低濃度に含有するｎ型の第２半導体層と、ｎ型の導電性不純物を中濃度に含有し、上記第２半導体層の主面において上記第２半導体層より浅く形成されたｎ型の第３半導体層と、ｎ型の導電性不純物を高濃度に含有し、上記第３半導体層の主面において上記第３半導体層より浅く、少なくとも一断面において上記第３半導体層により分断されたレイアウトで形成されたｎ型の第４半導体層と、上記第４半導体層の上層に上記第４半導体層と同じレイアウトで形成された金属含有導電層とを有する。
上記の本発明のフォトダイオードは、ｐ型の第１半導体層の上層に、直接またはイントリンシック半導体層を介して、ｎ型の導電性不純物を低濃度に含有するｎ型の第２半導体層が形成されており、第２半導体層の主面において第２半導体層より浅く、ｎ型の導電性不純物を中濃度に含有するｎ型の第３半導体層が形成され、さらに、第３半導体層の主面において第３半導体層より浅く、ｎ型の導電性不純物を高濃度に含有し、少なくとも一断面において第３半導体層により分断されたレイアウトでｎ型の第４半導体層が形成されており、さらに第４半導体層の上層に第４半導体層と同じレイアウトで金属含有導電層が形成されている。
上記の本発明のフォトダイオードは、好適には、上記第１半導体層及び上記第２半導体層に所定の電圧を印加したときに、上記第４半導体層を分断している領域における上記第３半導体層の主面近傍にまで空乏層が拡がる。
上記の本発明のフォトダイオードは、好適には、上記金属含有導電層が、金属シリサイド層である。
また、好適には、上記第４半導体層及び上記金属含有導電層のレイアウトが、格子状のパターン、または、複数の直線状のパターンである。
また、好適には、上記第４半導体層及び上記金属含有導電層のレイアウトが、格子状のパターン、または、複数の直線状のパターンである。
また、上記の目的を達成するため、本発明のフォトダイオードは、第１導電型の第１の半導体層と、上記第１の半導体層上に形成された第２導電型の第２の半導体層と、上記第２の半導体層の主面において部分的に形成され、上記第２の半導体層よりも高不純物濃度の第２導電型の第３の半導体層と、上記第３の半導体層上に形成された金属シリサイド層と、上記金属シリサイド層及び上記第３の半導体層に電気的に接続される第１の電極とを有する。
上記の本発明のフォトダイオードは、第１導電型の第１の半導体層上に第２導電型の第２の半導体層が形成され、第２の半導体層の主面において部分的に第２の半導体層よりも高不純物濃度の第２導電型の第３の半導体層が形成され、第３の半導体層上に金属シリサイド層が形成され、金属シリサイド層及び第３の半導体層に電気的に接続される第１の電極が形成されている。
本発明のフォトダイオードによれば、ｐｎ接合を形成するｎ型の半導体層として、低濃度の第２半導体層、中濃度の第３半導体層及び高濃度の第４半導体層が積層した構成であり、第４半導体層及び第３半導体層が一断面において第２半導体層で分断された構成、または、第４半導体層が一断面において第３半導体層により分断された構成である。従って、第１半導体層と第２半導体層に所定の電圧を印加したときに、第４半導体層を分断しているｎ型の第２半導体層または第３半導体層の表層近傍にまで空乏層を広げることができるようになり、青色領域の波長の光に対しても感度を向上できる。
さらに、ｎ型の第４導電層が同じｎ型の第２半導体層または第３半導体層によって分断されているので、ｎ型層の電気抵抗の上昇が抑えられ、高周波特性の悪化を抑えて必要な高周波特性を確保しながら、青色領域の波長の光に対しても感度を高めることができる。
さらに、ｎ型の第４導電層が同じｎ型の第２半導体層または第３半導体層によって分断されているので、ｎ型層の電気抵抗の上昇が抑えられ、高周波特性の悪化を抑えて必要な高周波特性を確保しながら、青色領域の波長の光に対しても感度を高めることができる。
以下に、本発明に係るフォトダイオードの実施の形態について、図面を参照して説明する。
第１実施形態
図１は本実施形態に係るフォトダイオードのレイアウトを示す平面図であり、図２は図１中のＸ−Ｘ’における断面図である。
例えば、ｐ型の導電性不純物を高濃度に含有する半導体基板（第１半導体層）１０の上層に、フォトダイオード領域においてイントリンシック半導体層１１が形成されており、また、素子分離領域においてはｐ型不純物を高濃度に含有するｐ＋型半導体層１２がイントリンシック半導体層１１と同じ膜厚で形成されている。半導体基板１０は抵抗率が０．０１〜０．０２Ω・ｃｍ程度である。また、イントリンシック層１１は、例えばエピタキシャル成長法により形成された層であり、抵抗率は１０００〜４０００Ω・ｃｍ程度であり、厚みは２２．５〜２７．５μｍ程度である。
また、例えば、イントリンシック半導体層１１及びｐ＋型半導体層１２の上層に、ｎ型不純物を低濃度に含有するｎ−型半導体層（第２半導体層）１３が形成されている。ｎ−型半導体層１３は、例えば抵抗率が２〜４Ω・ｃｍ程度にＰなどのｎ型不純物を含有し、８００〜１０００ｎｍの厚さで形成されている。
図１は本実施形態に係るフォトダイオードのレイアウトを示す平面図であり、図２は図１中のＸ−Ｘ’における断面図である。
例えば、ｐ型の導電性不純物を高濃度に含有する半導体基板（第１半導体層）１０の上層に、フォトダイオード領域においてイントリンシック半導体層１１が形成されており、また、素子分離領域においてはｐ型不純物を高濃度に含有するｐ＋型半導体層１２がイントリンシック半導体層１１と同じ膜厚で形成されている。半導体基板１０は抵抗率が０．０１〜０．０２Ω・ｃｍ程度である。また、イントリンシック層１１は、例えばエピタキシャル成長法により形成された層であり、抵抗率は１０００〜４０００Ω・ｃｍ程度であり、厚みは２２．５〜２７．５μｍ程度である。
また、例えば、イントリンシック半導体層１１及びｐ＋型半導体層１２の上層に、ｎ型不純物を低濃度に含有するｎ−型半導体層（第２半導体層）１３が形成されている。ｎ−型半導体層１３は、例えば抵抗率が２〜４Ω・ｃｍ程度にＰなどのｎ型不純物を含有し、８００〜１０００ｎｍの厚さで形成されている。
また、例えば、素子分離領域においてはｎ−型半導体層１３を貫通してｐ＋型半導体層１４及びｐ＋型半導体層１５が形成されており、その上層においてＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）による素子分離絶縁膜１９が形成されて素子分離がなされている。さらに、例えばｎ−型半導体層１３を貫通してイントリンシック半導体層１１に達するようにして、イントリンシック半導体層１１にカソード電圧を印加するためのｐ＋型半導体層１６、ｐ＋型半導体層１７及びｐ＋型半導体層１８が形成されている。
例えば、ｎ−型半導体層１３の主面においてｎ−型半導体層１３より浅く、少なくとも一断面、例えばＸ−Ｘ’断面において、ｎ−型半導体層１３により分断されたレイアウトで、ｎ型不純物を中濃度に含有するｎ型半導体層（第３半導体層）２０が形成されている。ｎ型半導体層２０は、例えば抵抗率が０．０２〜２Ω・ｃｍ程度にＰなどのｎ型不純物を含有し、ｎ−型半導体層１３の表面から５００ｎｍ程度の深さで形成されている。
さらに、例えば、ｎ型半導体層２０の主面においてｎ型半導体層２０より浅く、少なくとも一断面、例えばＸ−Ｘ’断面においてｎ−型半導体層１３により分断されたレイアウトで、ｎ型不純物を高濃度に含有するｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が形成されている。ｎ＋型半導体層は、例えば抵抗率が０．０２〜０．３Ω・ｃｍ程度にＡｓなどのｎ型不純物を含有し、ｎ−型半導体層１３の表面から３００ｎｍ程度の深さで形成されている。
また、例えば、受光領域の外周を囲むパターンで、ｎ型半導体層２０の主面においてｎ型半導体層２０とｎ＋型半導体層２１と同様の不純物濃度及び深さを有し、アノード電圧を印加するためのｎ型半導体層２０ｃとｎ＋型半導体層２１ｃが形成されている。
また、例えば、ＰｔＳｉなどの金属シリサイド層２２（Ｅ）が、ｎ＋型半導体層２１の上層にｎ＋型半導体層２１と同じレイアウトで形成されている。ＰｔＳｉ層の場合、抵抗率は例えば２８〜３５μΩ・ｃｍであり、５０ｎｍ程度の厚みで形成されている。
また、例えば、上記の受光領域の外周を囲むパターンのｎ＋型半導体層２１ｃの上層においてもｎ＋型半導体層２１ｃと同じレイアウトでＰｔＳｉなどの金属シリサイド層２３が形成ており、カソード電極Ｃが構成されている。さらにカソード電極Ｃ（金属シリサイド層２３）に接続するようにして導電層２４ｃがパターン形成されている。
一方、例えば、上記のカソード電極Ｃの外周において、ｐ＋型半導体層１８に接続するように導電層２４ａがパターン形成されており、アノード電極Ａが構成されている。
一方、例えば、上記のカソード電極Ｃの外周において、ｐ＋型半導体層１８に接続するように導電層２４ａがパターン形成されており、アノード電極Ａが構成されている。
ここで、上記のｎ型半導体層（第３半導体層）２０とｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１がｎ−型半導体層（第２半導体層）１３によって分断されているパターンと、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１の上層に形成されている金属シリサイド層２２（Ｅ）の形成されているパターンは、図１に示すように、例えば格子状のパターンとなっている。
また、例えば受光領域を被覆する減圧ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法などによる窒化シリコンなどからなる膜厚３４．５〜３９．５ｎｍ程度の膜厚の第１反射防止膜２５が形成されている。金属シリサイド層２２は、第１反射防止膜２５をパターニングして形成される。
さらに、例えば受光領域を被覆し全面に複数の酸化シリコン層が積層されて絶縁膜２６が形成されており、受光領域を開口するように絶縁膜２６に開口部２６ａが形成されている。
さらに、例えば受光領域を被覆し全面に複数の酸化シリコン層が積層されて絶縁膜２６が形成されており、受光領域を開口するように絶縁膜２６に開口部２６ａが形成されている。
さらに、例えば絶縁膜２６に埋め込まれて、コンタクトを介して複数層の配線が積層され、導電層２４ｃ及び導電層２４ａに接続する上層配線２７が構成されている。
また、例えば開口部２６ａ内において第１反射防止膜２５を被覆するようにして全面に、プラズマＣＶＤ法などによる窒化シリコンなどからなる膜厚２１０〜２５０ｎｍ程度の膜厚の第２反射防止膜２８が形成されている。第１反射防止膜２５及び第２反射防止膜２８から、反射防止膜が構成されている。
以上のようにして、本実施形態に係るフォトダイオードを有する半導体装置が構成されている。
また、例えば開口部２６ａ内において第１反射防止膜２５を被覆するようにして全面に、プラズマＣＶＤ法などによる窒化シリコンなどからなる膜厚２１０〜２５０ｎｍ程度の膜厚の第２反射防止膜２８が形成されている。第１反射防止膜２５及び第２反射防止膜２８から、反射防止膜が構成されている。
以上のようにして、本実施形態に係るフォトダイオードを有する半導体装置が構成されている。
図１に示すように、金属シリサイド層２２（Ｅ）の幅Ｗ１は、例えば２μｍ程度であり、平行に隣接して設けられている金属シリサイド層２２（Ｅ）の間の幅Ｗ２は、例えば５０μｍ程度である。また、図１においては、金属シリサイド層２２はカソード電極Ｃと直接接続されておらず、下方に位置するｎ型半導体層を介して電気的に接続されているが、金属シリサイド層２２とカソード電極Ｃとが直接接続される構成としてもよい。
図３は本実施形態に係るフォトダイオードに対して、アノードとカソードから所定の電圧を印加したときの空乏層Ｄの広がり方を示す模式図である。
図３に示すように、ｐｎ接合を形成するｎ型の半導体層として、低濃度のｎ−型半導体層（第２半導体層）１３、中濃度のｎ型半導体層（第３半導体層）２０及び高濃度のｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が積層した構成であり、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１及びｎ型半導体層（第３半導体層）２０が一断面においてｎ−型半導体層（第２半導体層）１３で分断された構成であり、半導体基板（第１半導体層）１０とｎ−型半導体層（第２半導体層）１３に所定の電圧を印加したときに、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１及びｎ型半導体層（第３半導体層）２０を分断しているｎ−型半導体層（第２半導体層）１３の表層近傍にまで空乏層を広げることができるようになり、青色領域の波長の光に対しても感度を向上できる。
図３に示すように、ｐｎ接合を形成するｎ型の半導体層として、低濃度のｎ−型半導体層（第２半導体層）１３、中濃度のｎ型半導体層（第３半導体層）２０及び高濃度のｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が積層した構成であり、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１及びｎ型半導体層（第３半導体層）２０が一断面においてｎ−型半導体層（第２半導体層）１３で分断された構成であり、半導体基板（第１半導体層）１０とｎ−型半導体層（第２半導体層）１３に所定の電圧を印加したときに、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１及びｎ型半導体層（第３半導体層）２０を分断しているｎ−型半導体層（第２半導体層）１３の表層近傍にまで空乏層を広げることができるようになり、青色領域の波長の光に対しても感度を向上できる。
本実施形態のフォトダイオードにおいては、光電効果により電子−正孔対が生成されると、ｎ型半導体層において、正孔より移動度の大きい電子が速やかに移動するとともに、ｎ＋型半導体層２１から金属シリサイド層２２（Ｅ）に速やかに捕捉される。これによって、電子−正孔対の速やかな再結合が防止及び抑制され、光キャリアとして検出される成分を増加させることができ、結果として感度を向上させることができる。
さらに、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１及びｎ型半導体層（第３半導体層）２０が一断面においてｎ−型半導体層（第２半導体層）１３で分断された構成として、ｎ型半導体層の不純物プロファイルを調整することによって、ｎ型層の電気抵抗の上昇が抑えられ、高周波特性の悪化を抑えて必要な高周波特性を確保しながら、青色領域の波長の光に対しても感度を高めることができる。
さらに、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１及びｎ型半導体層（第３半導体層）２０が一断面においてｎ−型半導体層（第２半導体層）１３で分断された構成として、ｎ型半導体層の不純物プロファイルを調整することによって、ｎ型層の電気抵抗の上昇が抑えられ、高周波特性の悪化を抑えて必要な高周波特性を確保しながら、青色領域の波長の光に対しても感度を高めることができる。
次に、本実施形態のフォトダイオードを有する半導体装置の製造方法について、図４〜５を参照して説明する。
まず、図４（Ａ）に示すように、例えば、ｐ型の半導体基板（第１半導体層）１０の上層に、エピタキシャル成長法によりイントリンシック半導体層１１を形成する。フォトダイオードの領域外においてはｐ型不純物を導入してｐ＋型半導体層１２とする。また、イントリンシック半導体層１１及びｐ＋型半導体層１２の上層に、Ｐなどを低濃度に含有させてｎ−型半導体層（第２半導体層）１３を成長させる。
ここで、エピタキシャル成長の途中においてイントリンシック半導体層１１及びｐ＋型半導体層１２とｎ−型半導体層１３の界面に予めｐ型不純物を導入し、さらにｎ−型半導体層１３の上面からｐ型不純物を導入することなどにより、ｐ＋型半導体層（１４，１５，１６，１７，１８）を形成する。
まず、図４（Ａ）に示すように、例えば、ｐ型の半導体基板（第１半導体層）１０の上層に、エピタキシャル成長法によりイントリンシック半導体層１１を形成する。フォトダイオードの領域外においてはｐ型不純物を導入してｐ＋型半導体層１２とする。また、イントリンシック半導体層１１及びｐ＋型半導体層１２の上層に、Ｐなどを低濃度に含有させてｎ−型半導体層（第２半導体層）１３を成長させる。
ここで、エピタキシャル成長の途中においてイントリンシック半導体層１１及びｐ＋型半導体層１２とｎ−型半導体層１３の界面に予めｐ型不純物を導入し、さらにｎ−型半導体層１３の上面からｐ型不純物を導入することなどにより、ｐ＋型半導体層（１４，１５，１６，１７，１８）を形成する。
次に、図４（Ｂ）に示すように、ＬＯＣＯＳ法により素子分離絶縁膜１９を形成する。
さらに、例えばフォトリソグラフィ工程によりレジスト膜をパターン形成し、Ｐなどのｎ型不純物をイオン注入してｎ型不純物を中濃度に含有するｎ型半導体層（第３半導体層）２０を形成し、熱処理を施して拡散させる。
さらに、再びレジスト膜をパターン形成し、Ａｓなどのｎ型不純物をイオン注入してｎ型不純物を高濃度に含有するｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１を形成する。
さらに、例えばフォトリソグラフィ工程によりレジスト膜をパターン形成し、Ｐなどのｎ型不純物をイオン注入してｎ型不純物を中濃度に含有するｎ型半導体層（第３半導体層）２０を形成し、熱処理を施して拡散させる。
さらに、再びレジスト膜をパターン形成し、Ａｓなどのｎ型不純物をイオン注入してｎ型不純物を高濃度に含有するｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１を形成する。
次に、図５（Ａ）に示すように、シリサイドブロック層としても機能する、例えば窒化シリコンからなる第１反射防止膜２５をパターン形成し、スパッタリング法などによりＰｔを堆積させて、熱処理によりシリコンを接しているＰｔをシリサイド化させてＰｔＳｉなどからなる金属シリサイド層２２（Ｅ）を形成する。次に、未反応のＰｔを除去する。
さらに、導電層２４ａ、２４ｃをパターン形成する。
さらに、導電層２４ａ、２４ｃをパターン形成する。
次に、図５（Ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法などによる酸化シリコンの堆積と、受光領域の外部におけるコンタクトの形成及び配線の形成を交互に繰り返し、絶縁膜２６と、絶縁膜２６中に埋め込まれてなり、導電層２４ｃ及び導電層２４ａに接続する上層配線２７を形成する。
以降の工程として、絶縁膜２６に対して受光領域を開口する開口部２６ａを形成し、次に、開口部２６ａ内を被覆して全面にプラズマＣＶＤ法などにより窒化シリコンを堆積して、第２反射防止膜２８を形成する。
以上のようにして、本実施形態に係るフォトダイオードを有する半導体装置を製造することができる。
以上のようにして、本実施形態に係るフォトダイオードを有する半導体装置を製造することができる。
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は本実施形態に係るフォトダイオードの変形例のレイアウトを示す平面図である。
上記のように、ｎ型半導体層（第３半導体層）２０とｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１がｎ−型半導体層（第２半導体層）１３によって分断されているパターンと、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１の上層に形成されている金属シリサイド層２２（Ｅ）の形成されているパターンは、図１に示す格子状のパターンのほか、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように複数の直線状のパターンなどとしてもよい。
さらに、金属シリサイド層２２（Ｅ）はカソード電極Ｃから分離して形成されているパターンについて説明したが、いずれかの箇所で接続するパターンとして形成してもよい。
上記のように、ｎ型半導体層（第３半導体層）２０とｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１がｎ−型半導体層（第２半導体層）１３によって分断されているパターンと、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１の上層に形成されている金属シリサイド層２２（Ｅ）の形成されているパターンは、図１に示す格子状のパターンのほか、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように複数の直線状のパターンなどとしてもよい。
さらに、金属シリサイド層２２（Ｅ）はカソード電極Ｃから分離して形成されているパターンについて説明したが、いずれかの箇所で接続するパターンとして形成してもよい。
第２実施形態
図７は本実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。
第１実施形態においては、ｎ型半導体層（第３半導体層）２０とｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が少なくとも一断面においてｎ−型半導体層（第２半導体層）１３によって分断されているパターンで形成されていたが、本実施形態においては、ｎ−型半導体層１３の主面において分断されずに、ｎ−型半導体層１３より浅く、ｎ型の導電性不純物を中濃度に含有するｎ型半導体層２０が形成されており、ｎ＋型半導体層２１が少なくとも一断面においてｎ型半導体層２０によって分断されているパターンで形成されている構成となっている。
半導体基板（第１半導体層）１０、ｎ−型半導体層１３、ｎ型半導体層２０、ｎ＋型半導体層２１などの不純物濃度は、第１実施形態と同様に設定できる。
上記以外は、実質的に第１実施形態と同様の構成とすることができる。
図７は本実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。
第１実施形態においては、ｎ型半導体層（第３半導体層）２０とｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が少なくとも一断面においてｎ−型半導体層（第２半導体層）１３によって分断されているパターンで形成されていたが、本実施形態においては、ｎ−型半導体層１３の主面において分断されずに、ｎ−型半導体層１３より浅く、ｎ型の導電性不純物を中濃度に含有するｎ型半導体層２０が形成されており、ｎ＋型半導体層２１が少なくとも一断面においてｎ型半導体層２０によって分断されているパターンで形成されている構成となっている。
半導体基板（第１半導体層）１０、ｎ−型半導体層１３、ｎ型半導体層２０、ｎ＋型半導体層２１などの不純物濃度は、第１実施形態と同様に設定できる。
上記以外は、実質的に第１実施形態と同様の構成とすることができる。
図８は本実施形態に係るフォトダイオードに対して、アノードとカソードから所定の電圧を印加したときの空乏層Ｄの広がり方を示す模式図である。
第１実施形態と同様に、図８に示すように、ｐｎ接合を形成するｎ型の半導体層として、低濃度のｎ−型半導体層（第２半導体層）１３、中濃度のｎ型半導体層（第３半導体層）２０及び高濃度のｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が積層した構成であり、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が一断面においてｎ型半導体層（第３半導体層）２０で分断された構成であり、半導体基板（第１半導体層）１０とｎ−型半導体層（第２半導体層）１３に所定の電圧を印加したときに、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１を分断しているｎ型半導体層（第３半導体層）２０の表層近傍にまで空乏層を広げることができるようになり、青色領域の波長の光に対しても感度を向上できる。
第１実施形態と同様に、図８に示すように、ｐｎ接合を形成するｎ型の半導体層として、低濃度のｎ−型半導体層（第２半導体層）１３、中濃度のｎ型半導体層（第３半導体層）２０及び高濃度のｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が積層した構成であり、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が一断面においてｎ型半導体層（第３半導体層）２０で分断された構成であり、半導体基板（第１半導体層）１０とｎ−型半導体層（第２半導体層）１３に所定の電圧を印加したときに、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１を分断しているｎ型半導体層（第３半導体層）２０の表層近傍にまで空乏層を広げることができるようになり、青色領域の波長の光に対しても感度を向上できる。
第１実施形態と同様に、本実施形態のフォトダイオードにおいては、光電効果により電子−正孔対が生成されると、ｎ型半導体層において、正孔より移動度の大きい電子が速やかに移動するとともに、金属シリサイド層２２（Ｅ）に速やかに捕捉される。これによって、電子−正孔対の速やかな再結合が防止及び抑制され、光キャリアとして検出される成分を増加させることができ、結果として感度を向上させることができる。
さらに、ｎ−型半導体層（第２半導体層）１３とｎ型半導体層（第３半導体層）２０が積層しており、かつ、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が一断面においてｎ型半導体層（第３半導体層）２０で分断された構成として、ｎ型半導体層の不純物プロファイルを調整することによって、ｎ型層の電気抵抗の上昇が抑えられ、高周波特性の悪化を抑えて必要な高周波特性を確保しながら、青色領域の波長の光に対しても感度を高めることができる。
さらに、ｎ−型半導体層（第２半導体層）１３とｎ型半導体層（第３半導体層）２０が積層しており、かつ、ｎ＋型半導体層（第４半導体層）２１が一断面においてｎ型半導体層（第３半導体層）２０で分断された構成として、ｎ型半導体層の不純物プロファイルを調整することによって、ｎ型層の電気抵抗の上昇が抑えられ、高周波特性の悪化を抑えて必要な高周波特性を確保しながら、青色領域の波長の光に対しても感度を高めることができる。
（実施例）
第１実施形態に相当するフォトダイオードを作成し、実施例試料１とした。
また、第２実施形態に相当するフォトダイオードを作成し、実施例試料２とした。
また、従来例試料として、受光領域の全面にｎ−型半導体層、ｎ型半導体層、ｎ＋型半導体層が積層してなるフォトダイオードを作成した。従来例試料では、格子状などの金属シリサイド層は形成していない。受光領域の面積は上記の各試料で同一とした。
第１実施形態に相当するフォトダイオードを作成し、実施例試料１とした。
また、第２実施形態に相当するフォトダイオードを作成し、実施例試料２とした。
また、従来例試料として、受光領域の全面にｎ−型半導体層、ｎ型半導体層、ｎ＋型半導体層が積層してなるフォトダイオードを作成した。従来例試料では、格子状などの金属シリサイド層は形成していない。受光領域の面積は上記の各試料で同一とした。
従来例試料が、高周波特性としてＢＷ値３００ＭＨｚであり、感度が０．１２０Ａ／Ｗであった。ここで、実用化レベルのＢＷ値は２００ＭＨｚであり、３００ＭＨｚはオーバースペックであることから、ＢＷ値を下げる余地があった。
実施例試料１では、ＢＷ値が２４０ＭＨｚと従来例より若干下がっているが実用化可能な範囲であり、感度は０．２８４Ａ／Ｗと大幅に向上した。
実施例試料２では、ＢＷ値が２７０ＭＨｚ程度となって、従来例からの下がり幅が実施例試料１より小さくなっており、感度は０．２６９Ａ／Ｗ程度と、実施例試料１と同等の感度向上を示した。
実施例試料１では、ＢＷ値が２４０ＭＨｚと従来例より若干下がっているが実用化可能な範囲であり、感度は０．２８４Ａ／Ｗと大幅に向上した。
実施例試料２では、ＢＷ値が２７０ＭＨｚ程度となって、従来例からの下がり幅が実施例試料１より小さくなっており、感度は０．２６９Ａ／Ｗ程度と、実施例試料１と同等の感度向上を示した。
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、金属シリサイド層としては、ＰｔＳｉに限定されず、他の金属シリサイド層あるいは金属含有導電層などを用いることができる。
例えば、金属シリサイド層の幅と金属シリサイド層間の幅は、受光する光のサイズなどに応じて、種々の値に変更でき、レイアウト自体も格子状や複数の直線状のほか、種々のレイアウトを採用できる。
受光する光は、４０５ｎｍ程度の波長の青色領域の光のほか、７８０ｎｍや６５０ｎｍの波長の赤色領域の光の受光にも適用可能である。更には、４００ｎｍ以下の波長の光にも適用可能である。
イントリンシック半導体層はあったほうが好ましいが、場合によっては省略した構成とすることも可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
例えば、金属シリサイド層としては、ＰｔＳｉに限定されず、他の金属シリサイド層あるいは金属含有導電層などを用いることができる。
例えば、金属シリサイド層の幅と金属シリサイド層間の幅は、受光する光のサイズなどに応じて、種々の値に変更でき、レイアウト自体も格子状や複数の直線状のほか、種々のレイアウトを採用できる。
受光する光は、４０５ｎｍ程度の波長の青色領域の光のほか、７８０ｎｍや６５０ｎｍの波長の赤色領域の光の受光にも適用可能である。更には、４００ｎｍ以下の波長の光にも適用可能である。
イントリンシック半導体層はあったほうが好ましいが、場合によっては省略した構成とすることも可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
本発明のフォトダイオードは、例えば光ディスク装置における光学ピップアップ装置を構成するフォトダイオードなどに適用できる。
１０…半導体基板（第１半導体層）、１１…イントリンシック半導体層、１２…ｐ＋型半導体層、１３…ｎ−型半導体層（第２半導体層）、１４…ｐ＋型半導体層、１５…ｐ＋型半導体層、１６…ｐ＋型半導体層、１７…ｐ＋型半導体層、１８…ｐ＋型半導体層、１９…素子分離絶縁膜、２０…ｎ型半導体層（第３半導体層）、２１…ｎ＋型半導体層（第４半導体層）、２２…金属シリサイド層、２３…金属シリサイド層、２４ａ、２４ｂ…導電層、２５…第１反射防止膜、２６…絶縁膜、２６ａ…開口部、２７…上層配線、２８…第２反射防止膜、Ａ…アノード電極、Ｃ…カソード電極、Ｄ…空乏層、Ｅ…金属シリサイド層
Claims (13)
- ｐ型の第１半導体層と、
上記第１半導体層の上層に直接またはイントリンシック半導体層を介して形成され、ｎ型の導電性不純物を低濃度に含有するｎ型の第２半導体層と、
ｎ型の導電性不純物を中濃度に含有し、上記第２半導体層の主面において上記第２半導体層より浅く、少なくとも一断面において上記第２半導体層により分断されたレイアウトで形成されたｎ型の第３半導体層と、
ｎ型の導電性不純物を高濃度に含有し、上記第３半導体層の主面において上記第３半導体層より浅く、少なくとも一断面において上記第２半導体層により分断されたレイアウトで形成されたｎ型の第４半導体層と、
上記第４半導体層の上層に上記第４半導体層と同じレイアウトで形成された金属含有導電層と、
を有し、
上記第２半導体層の抵抗率が２〜４Ω・ｃｍの範囲であり、上記第３半導体層の抵抗率が０．０２〜２Ω・ｃｍの範囲であり、上記第４半導体層の抵抗率が０．０２〜０．３Ω・ｃｍの範囲である、
フォトダイオード。 - 上記第２半導体層は、上記第１半導体層の上層に上記イントリンシック半導体層を介して形成され、
上記イントリンシック半導体層の抵抗率が１０００〜４０００Ω・ｃｍの範囲である、
請求項１に記載のフォトダイオード。 - 上記第２半導体層の厚さが８００〜１０００ｎｍの範囲であり、上記第３半導体層の厚さが５００ｎｍ程度であり、上記第４半導体層の厚さが３００ｎｍ程度である、
請求項１に記載のフォトダイオード。 - 上記第２半導体層の厚さが８００〜１０００ｎｍの範囲であり、上記第３半導体層の厚さが５００ｎｍ程度であり、上記第４半導体層の厚さが３００ｎｍ程度であり、上記イントリンシック半導体層の厚さが２２．５〜２７．５μｍの範囲である、
請求項２に記載のフォトダイオード。 - 上記金属含有導電層が、金属シリサイド層である、
請求項１〜４のいずれかに記載のフォトダイオード。 - 上記第４半導体層及び上記金属含有導電層のレイアウトが、格子状のパターンである、
請求項１〜５のいずれかに記載のフォトダイオード。 - 上記第４半導体層及び上記金属含有導電層のレイアウトが、複数の直線状のパターンである、
請求項１〜５のいずれかに記載のフォトダイオード。 - 上記第４半導体層が上記第３半導体層内に形成されている、
請求項１〜７のいずれかに記載のフォトダイオード。 - 上記金属含有導電層の幅が２μｍ程度である、
請求項１〜８のいずれかに記載のフォトダイオード。 - 隣接する上記金属含有導電層の間の幅が５０μｍ程度である、
請求項１〜９のいずれかに記載のフォトダイオード。 - 上記金属含有導電層が金属シリサイド層であり、
上記第２の半導体層上に形成され、上記金属シリサイド層のシリサイドブロック層として機能する反射防止膜を更に有する、
請求項１〜１０のいずれかに記載のフォトダイオード。 - 上記金属含有導電層がＰｔＳｉである、
請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトダイオード。 - 上記第１半導体層及び上記第２半導体層に所定の電圧を印加したときに、上記第４半導体層を分断している領域における上記第３半導体層の主面近傍にまで空乏層が拡がる、
請求項１〜１２のいずれかに記載のフォトダイオード。
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