JP4658732B2

JP4658732B2 - フォトダイオードおよびフォトトランジスタ

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Publication number: JP4658732B2
Application number: JP2005231143A
Authority: JP
Inventors: 勇士関口
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-08-09
Also published as: US20080188028A1; US20070034980A1; US7411265B2; JP2007048903A; US7556980B2

Description

この発明は、フォトダイオードおよびこれを備えるフォトトランジスタに関する。

フォトダイオードは、イメージセンサやＣＤやＤＶＤなどの光ディスクから情報を読み出すピックアップに多用されている。
従来の典型的なフォトダイオードは、たとえば、Ｐ⁺型（高濃度Ｐ型）基板の表層部に、Ｎ型不純物領域と、このＮ型不純物領域内に電極が接続されるＮ⁺型（高濃度Ｎ型）の電極コンタクト領域とが形成された構造を有している。このフォトダイオードでは、Ｎ型不純物領域の表面から入射した光が、Ｎ型不純物領域とＰ⁺型基板との接合面で光電変換され、これにより生成した電荷が、受光量を表す信号として、電極コンタクト領域に接続された電極から取り出される。

このようなフォトダイオードは、その周囲に電源やＯＡ機器などが配置されていると、それから発生する電磁波（電磁ノイズ）を受けて、受光量を表す信号ではないノイズ信号を出力するおそれがある。たとえば、フォトダイオードがイメージセンサに組み込まれている場合、フォトダイオードが電磁波を受けてノイズ信号を出力すると、イメージセンサの出力に基づいて再現される画像に縞模様などの所望しない画像が現れる。

そこで、図５に示すように、Ｎ型不純物領域９１およびＮ⁺型の電極コンタクト領域９２を有するＰ⁺型基板９３の最表層部に、電極コンタクト領域９２の周囲を取り囲むように、Ｐ⁺型拡散領域９４を形成し、このＰ⁺型拡散領域９４をグランド電位に接続することが考えられる。Ｐ⁺型拡散領域９４をグランド電位に接続することによって、Ｐ型拡散領域９４がローインピーダンスになり、Ｐ⁺型拡散領域９４に電磁波に対するシールド効果を持たせることができる。これにより、フォトダイオードの周囲の部品からの電磁波がフォトダイオードの表面に進入したとしても、その電磁波をＰ⁺型拡散領域９４で遮断することができ、電磁波に起因する電荷の発生を防止することができる。
特許第３５８４１９６号公報

電極コンタクト領域９２とＰ⁺型拡散領域９４とが隣接していると、不純物濃度の高いｐｎ接合が形成されるために、電極コンタクト領域９２とＰ⁺型拡散領域９４との間にツェナー降伏によるトンネル電流が流れてしまう。また、電極コンタクト領域９２とＰ⁺型拡散領域９４との接合部分に電荷が集中するので、その接合部分における耐圧が低くなるという別の問題も生じる。そのため、電極コンタクト領域９２とＰ⁺型拡散領域９４とは、ある程度の間隔を空けて形成しなければならない。

ところが、電極コンタクト領域９２とＰ⁺型拡散領域９４とが離れていると、それらの間の領域で電磁波を遮断することができず、その領域からＮ型不純物領域９１に電磁波が進入し、その電磁波に起因する信号（電荷）が電極コンタクト領域９２に接続された電極から出力されるおそれがある。
そこで、この発明の目的は、外部からの電磁波を良好にシールドすることができるフォトダイオードおよびこれを備えるフォトトランジスタを提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明に係るフォトダイオードは、第１導電型の下層領域と、この下層領域上のフォトダイオード領域内に形成された第２導電型の上層領域と、前記フォトダイオード領域を取り囲んで形成された素子分離領域と、前記上層領域内の表層部において前記フォトダイオード領域の周縁部に形成され、信号を取り出すための電極が接続される（前記上層領域よりも第２導電型の不純物の濃度が高い）高濃度第２導電型の電極コンタクト領域と、前記上層領域の表層部において、前記電極コンタクト領域と間隔を空けて形成され、グランド電位に接続される高濃度第１導電型の第１シールド領域と、前記上層領域の表層部において、前記電極コンタクト領域と前記第１シールド領域との間にわたって、前記電極コンタクト領域の周囲を取り囲み、前記素子分離領域に接するように形成され、グランド電位に接続される（前記第１シールド領域よりも第１導電型の不純物の濃度が低い）低濃度第１導電型の第２シールド領域とを含み、前記第２シールド領域は、前記素子分離領域に接する部分を除く部分が前記第１シールド領域に接していることを特徴とする。

この構成によれば、上層領域の表層部には、電極コンタクト領域を取り囲むように第２シールド領域が形成され、その第２シールド領域の外側に第１シールド領域が形成されている。そのため、外部からフォトダイオードの表面に進入する電磁波を、第１シールド領域および第２シールド領域により遮断することができる。すなわち、背景技術の項で説明した構成では、図５に示すように、電極コンタクト領域９２とＰ⁺型拡散領域９４とが離れているため、それらの間の領域で電磁波を遮断することができず、その領域からＮ型不純物領域９１に電磁波が進入するおそれがあるが、この構成では、電極コンタクト領域と第１シールド領域との間に進入する電磁波を、それらの間に形成されている第２シールド領域により遮断することができる。よって、外部からの電磁波を良好にシールドすることができる。しかも、高濃度第２導電型の電極コンタクト領域と第２シールド領域とが隣接していても、第２シールド領域は低濃度第１導電型であり、不純物濃度の高いｐｎ接合は形成されないので、ツェナー降伏によるトンネル電流が生じない。また、それらの接合部分での耐圧が低くなるといったこともない。
また、フォトトランジスタの電極コンタクト領域が素子分離領域に取り囲まれたフォトダイオード領域の周縁部に配置されているので、その電極コンタクト領域に接続される配線の長さを短縮することができる。その結果、配線と上層領域との間に生じる寄生容量を低減させることができ、フォトダイオードの感度の向上を図ることができる。

また、請求項２記載の発明に係るフォトトランジスタは、請求項１記載のフォトダイオードと、前記フォトダイオード領域外に形成されて、前記素子分離領域によって前記フォトダイオードと素子分離され、前記フォトダイオードから出力される信号を増幅するための出力トランジスタとを含むことを特徴とする。

この構成によれば、請求項１記載のフォトダイオードが採用されているので、外部からフォトダイオードの表面に進入する電磁波を良好にシールドすることができる。そのため、電磁波に起因するノイズ信号がフォトダイオードの電極から出力されるおそれがなく、そのようなノイズ信号が出力トランジスタで増幅されるおそれがない。

また、フォトトランジスタの電極コンタクト領域がフォトダイオード領域の周縁部に配置されているので、その電極コンタクト領域と出力トランジスタのゲート電極との間を接続する配線の長さを短縮することができる。その結果、配線と上層領域との間に生じる寄生容量を低減させることができ、フォトダイオードの感度の向上を図ることができる。

また、請求項３記載の発明は、請求項２記載のフォトトランジスタにおいて、前記素子分離領域は、前記上層領域の表面から前記下層領域の厚さ方向途中部に至るトレンチを備えており、このトレンチに沿って、前記第２シールド領域と前記下層領域とを接続する第１導電型の接続領域をさらに含むことを特徴とする。
この構成によれば、トレンチに沿って形成される第１導電型の接続領域により、低濃度第１導電型の第２シールド領域を第１導電型の下層領域に接続することができる。そのため、簡単な構造で、第２シールド領域をグランド電位に接続することができる。

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のフォトトランジスタにおいて、前記接続領域は、前記トレンチと前記上層領域との境界部分の全周に形成されており、前記第１シールド領域は、前記接続領域を介して前記下層領域に接続されていることを特徴とする。
この構成によれば、トレンチに沿って形成される第１導電型の接続領域により、高濃度第１導電型の第１シールド領域を第１導電型の下層領域に接続することができる。そのため、簡単な構造で、第１シールド領域をグランド電位に接続することができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るフォトトランジスタの図解的な平面図である。このフォトトランジスタは、光を受けて、その受光量に応じた電気信号を出力するフォトダイオード１と、フォトダイオード１から出力される電気信号を増幅する出力トランジスタ２とを備えている。

フォトダイオード１は、素子分離領域３によって取り囲まれる平面視矩形状のフォトダイオード領域４内に形成されている。一方、出力トランジスタ２は、フォトダイオード領域４外に形成されて、素子分離領域３によりフォトダイオードと素子分離されている。
図２は、図１に示すフォトトランジスタを切断線Ａ−Ａで切断したときの模式的な断面図であり、図３は、図１に示すフォトトランジスタを切断線Ｂ−Ｂで切断したときの模式的な断面図である。

このフォトトランジスタは、Ｐ^-型（低濃度Ｐ型）の基板５の表層部に、Ｐ⁺型（高濃度Ｐ型）拡散層６が形成されている。
Ｐ⁺型拡散層６上には、フォトダイオード１においては、Ｎ^-型（低濃度Ｎ型）エピタキシャル層７が形成され、出力トランジスタ２においては、Ｐ型拡散層８が形成されている。そして、素子分離領域３は、Ｎ^-型エピタキシャル層７およびＰ型拡散層８の表面からＰ⁺型拡散層６の途中部に至る深さを有する平面視矩形枠状のディープトレンチ９からなり、Ｎ^-型エピタキシャル層７とＰ型拡散層８は、そのディープトレンチ９により電気的に分離されている。ディープトレンチ９の内部は、たとえば、ポリシリコンで埋められている。

フォトダイオード１において、Ｎ^-型エピタキシャル層７の表層部には、フォトダイオード領域４の出力トランジスタ２側の端部において、たとえば、フォトダイオード１と出力トランジスタ２が隣り合う方向と直交する方向の中央部に、Ｎ⁺型の電極コンタクト領域１０が形成されている。また、Ｎ^-型エピタキシャル層７の表層部には、その電極コンタクト領域１０を取り囲むように、平面視矩形枠状のＰ^-型拡散領域１１が形成され、このＰ^-型拡散領域１１の周囲に、Ｐ⁺型拡散領域１２が形成されている。

Ｐ^-型拡散領域１１は、フォトダイオード領域４の出力トランジスタ２側の端縁に達し、ディープトレンチ９に接続されている。
Ｐ⁺型拡散領域１２は、フォトダイオード領域４内において、電極コンタクト領域１０およびＰ^-型拡散領域１１を除いて、Ｎ^-型エピタキシャル層７の表層部の全域に形成されている。したがって、Ｐ ^- 型拡散領域１１は、ディープトレンチ９に接する部分を除く部分がＰ ⁺ 型拡散領域１２に接している。

また、Ｎ^-型エピタキシャル層７には、ディープトレンチ９に沿って、Ｐ型の接続領域１３が形成されている。この接続領域１３は、ディープトレンチ９の全周にわたって、Ｎ^-型エピタキシャル層７を厚さ方向に貫通して形成されている。これにより、Ｐ^-型拡散領域１１およびＰ⁺型拡散領域１２は、接続領域１３を介して、Ｐ⁺型拡散層６に接続されている。

出力トランジスタ２において、Ｐ型拡散層８の表層部には、ＬＯＣＯＳ１４がディープトレンチ９から間隔を空けて形成されており、そのＬＯＣＯＳ１４とディープトレンチ９との間には、Ｐ⁺型拡散領域１５が形成されている。また、Ｐ型拡散層８上には、ゲート酸化膜１６が、その一端をＬＯＣＯＳ１４上に乗り上げた状態に形成されている。ゲート酸化膜１６上には、ゲート電極１７が形成されている。

Ｎ^-型エピタキシャル層７およびＰ型拡散層８上には、層間絶縁膜１８が積層されている。この層間絶縁膜１８には、電極コンタクト領域１０およびゲート電極１７の一部をそれぞれ露出させる貫通孔１９，２０が厚さ方向を貫通して形成されている。貫通孔１９には、電極コンタクト領域１０に接続される信号取り出し用電極２１が埋設されている。また、貫通孔２０には、ゲート電極１７に接続される貫通配線２２が埋設されている。そして、信号取り出し用電極２１と貫通配線２２とは、層間絶縁膜１８の表面に沿って形成された配線２３によって接続されている。また、層間絶縁膜１８上には、図示しない表面保護膜が積層される。

以上の構成によれば、フォトダイオード１において、Ｎ^-型エピタキシャル層７の表層部には、電極コンタクト領域１０を取り囲むようにＰ^-型拡散領域１１が形成され、そのＰ^-型拡散領域１１の外側にＰ⁺型拡散領域１２が形成されている。そして、Ｐ^-型拡散領域１１およびＰ⁺型拡散領域１２は、接続領域１３を介してＰ⁺型拡散層６に接続されて、その電位がＰ⁺型拡散層６と同じグランド電位となっている。そのため、外部からフォトダイオード１の表面に進入する電磁波を、Ｐ⁺型拡散領域１２により遮断することができるとともに、そのＰ⁺型拡散領域１２と電極コンタクト領域１０との間において、Ｐ^-型拡散領域１１により遮断することができる。よって、外部からの電磁波に対する良好なシールド効果を発揮することができる。

しかも、Ｎ⁺型の電極コンタクト領域１０とＰ^-型拡散領域１１とが隣接していても、Ｐ^-型拡散領域１１に含まれるＰ型不純物の濃度が低いため、それらの間に不純物濃度の高いｐｎ接合は形成されない。よって、ツェナー降伏によるトンネル電流が生じるおそれはなく、また、それらの接合部分での耐圧が低くなるおそれもない。
そして、フォトダイオード１から電磁波に起因するノイズ信号が出力されるおそれがないので、そのようなノイズ信号が出力トランジスタ２で増幅されるおそれがない。

また、電極コンタクト領域１０がフォトダイオード領域４の出力トランジスタ２側の端部に配置されているので、その電極コンタクト領域１０に接続される信号取り出し用電極２１と出力トランジスタ２のゲート電極１７に接続される貫通配線２２との間を接続する配線２３の長さを短縮することができる。その結果、配線２３とＮ^-型エピタキシャル層７およびＰ型拡散層８との間に生じる寄生容量を低減させることができ、フォトダイオード１の感度の向上を図ることができる。

さらにまた、この実施形態の構成では、Ｐ型の接続領域１３をディープトレンチ９に沿って形成した簡単な構造で、Ｐ^-型拡散領域１１およびＰ⁺型拡散領域１２の電位を確実にグランド電位とすることができる。
図４は、フォトダイオード１の製造工程を段階的に示す模式的な断面図である。フォトダイオード１の製造工程では、まず、図４（ａ）に示すように、Ｐ^-型の基板５の表面からＰ型不純物を注入（イオン注入）することにより、Ｐ^-型の基板５の表層部にＰ⁺型拡散層６が形成される。

次に、図４（ｂ）に示すように、Ｐ⁺型拡散層６上に、Ｎ^-型エピタキシャル層７がエピタキシャル成長により形成される。
つづいて、図４（ｃ）に示すように、Ｎ^-型エピタキシャル層７上に酸化シリコン膜がパターン形成され、その酸化シリコン膜をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ディープトレンチ９が形成される。そして、たとえば、減圧ＣＶＤ法などにより、そのディープトレンチ９内にポリシリコンが埋設された後、Ｎ^-型エピタキシャル層７上の酸化シリコン膜およびディープトレンチ９から突出したポリシリコンが除去される。さらに、ディープトレンチ９とＮ^-型エピタキシャル層７との界面にＰ型不純物を注入することにより、Ｐ型の接続領域１３が形成される。

その後、図４（ｄ）に示すように、Ｎ^-型エピタキシャル層７の表層部において、電極コンタクト領域１０に相当する領域を除く領域にＰ型不純物を注入することにより、Ｐ^-型拡散層２４が形成される。
電極コンタクト領域１０に相当する領域には、Ｎ型不純物が高濃度に注入される。これにより、図４（ｅ）に示すように、電極コンタクト領域１０に相当する領域の導電型が高濃度Ｎ型となり、電極コンタクト領域１０が形成される。なお、Ｎ型不純物は、電極コンタクト領域１０に相当する領域よりも少し広い領域に注入されてもよく、こうすることにより、電極コンタクト領域１０とＰ^-型拡散層２４との間に隙間が生じるのを確実に防止することができる。

その後、Ｐ^-型拡散層２４の表面から、電極コンタクト領域１０およびＰ^-型拡散領域１１を除く領域にＰ型不純物が注入される。これにより、図４（ｆ）に示すように、Ｐ^-型拡散層２４において、Ｐ型不純物がさらに注入された領域がＰ⁺型となり、Ｐ⁺型拡散領域１２が形成される。また、Ｐ^-型拡散層２４において、Ｐ型不純物が注入されない領域はＰ^-型のままであり、この領域がＰ^-型拡散領域１１となる。

以上の工程を経た後、図４（ｇ）に示すように、基板５の表面上には、ＣＶＤ法などにより層間絶縁膜１８が形成される。つづいて、パターンエッチングの手法により、層間絶縁膜１８に貫通孔１９が貫通形成される。そして、貫通孔１９が金属材料で埋め尽くされることにより信号取り出し用電極２１が形成され、さらに、層間絶縁膜１８上に配線２３がパターン形成されることにより、フォトダイオード１が得られる。

以上、この発明の一実施形態を説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、上述したフォトトランジスタの各半導体部分の導電型を反転した構成が採用されてもよい。すなわち、上記の実施形態におけるＰ型の部分がＮ型であり、Ｎ型の部分がＰ型であってもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係るフォトトランジスタの図解的な平面図である。図１に示すフォトトランジスタを切断線Ａ−Ａで切断したときの模式的な断面図である。図１に示すフォトトランジスタを切断線Ｂ−Ｂで切断したときの模式的な断面図である。図１に示すフォトダイオードの製造方法を説明するための模式的な断面図である。従来のフォトダイオードの構成を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１フォトダイオード
２出力トランジスタ
３素子分離領域
４フォトダイオード領域
５基板（下層領域）
６Ｐ⁺型拡散層（下層領域）
７Ｎ^-型エピタキシャル層（上層領域）
９ディープトレンチ（トレンチ）
１０電極コンタクト領域
１１Ｐ^-型型拡散領域（第２シールド領域）
１２Ｐ⁺型拡散領域（第１シールド領域）
１３接続領域
２１信号取り出し用電極

Claims

第１導電型の下層領域と、
この下層領域上のフォトダイオード領域内に形成された第２導電型の上層領域と、
前記フォトダイオード領域を取り囲んで形成された素子分離領域と、
前記上層領域内の表層部において前記フォトダイオード領域の周縁部に形成され、信号を取り出すための電極が接続される高濃度第２導電型の電極コンタクト領域と、
前記上層領域の表層部において、前記電極コンタクト領域と間隔を空けて形成され、グランド電位に接続される高濃度第１導電型の第１シールド領域と、
前記上層領域の表層部において、前記電極コンタクト領域と前記第１シールド領域との間にわたって、前記電極コンタクト領域の周囲を取り囲み、前記素子分離領域に接するように形成され、グランド電位に接続される低濃度第１導電型の第２シールド領域とを含み、
前記第２シールド領域は、前記素子分離領域に接する部分を除く部分が前記第１シールド領域に接していることを特徴とする、フォトダイオード。
請求項１記載のフォトダイオードと、
前記フォトダイオード領域外に形成されて、前記素子分離領域によって前記フォトダイオードと素子分離され、前記フォトダイオードから出力される信号を増幅するための出力トランジスタとを含むことを特徴とする、フォトトランジスタ。
前記素子分離領域は、前記上層領域の表面から前記下層領域の厚さ方向途中部に至るトレンチを備えており、
このトレンチに沿って、前記第２シールド領域と前記下層領域とを接続する第１導電型の接続領域をさらに含むことを特徴とする、請求項２記載のフォトトランジスタ。
前記接続領域は、前記トレンチと前記上層領域との境界部分の全周に形成されており、
前記第１シールド領域は、前記接続領域を介して前記下層領域に接続されていることを特徴とする、請求項３記載のフォトトランジスタ。