JP5079785B2 - 貼り合わせウェハアバランシェフォトダイオードおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、アバランシェフォトダイオード、およびそれらの製造方法に関する。
(関連出願)
本願は、参照により本明細書に組み込まれる、2006年4月19日に出願された「Bonded Wafer Avalanche Photodiode and Method for Manufacturing Same」という名称の米国特許仮出願第60/793084号の利益を主張する。
本願は、参照により本明細書に組み込まれる、2006年4月19日に出願された「Bonded Wafer Avalanche Photodiode and Method for Manufacturing Same」という名称の米国特許仮出願第60/793084号の利益を主張する。
アバランシェフォトダイオード(APD)は、光を電気信号に変換する半導体デバイスである。APDは、低レベルの電磁放射(光子)を検出するものであり、光子が電子(1次電子)を押しのけ、正孔-電子対を生み出すように構築される。これらの正孔と電子は、このフォトダイオード全体にわたって印加される電界により、反対方向で半導体デバイス内を移動する。この構造を通る電子の移動が光電流と呼ばれ、光強度に比例する。APDでは、1次電子は、格子構造内で、十分な速度およびエネルギーで他の原子と衝突し、追加の電子-正孔対を生み出す。アバランシェフォトダイオード内のこの電子なだれ効果により有効利得が得られ、非常に低い光レベルの検出が可能になる。それどころか、単一の光子検出さえ可能である。
アバランシェフォトダイオードの1つの応用例が、米国特許第6525305B2号に開示されており、これを参照により本明細書に組み込む。305号特許は、光換出器を高電流レベルから保護するために可変インピーダンスを含む大電流ウォッチドッグ回路を開示している。
APDは、一般に、薄いウェハ上で製造される。これは、200μm程度、またはそれより大きい活性厚さ(active thickness)を有するAPDウェハの使用がAPDの望ましくない電気特性を引き起こすからである。しかし、典型的なAPDウェハの薄さにより、取扱い中、および高温の炉内加熱中にAPDウェハが脆くなるおそれがある。さらに、これらのウェハの脆い性質により、破損および不十分な歩留まりのためにAPDウェハが大寸法のAPDに不適切なものになるおそれがある。
APDウェハの厚さを増大するための、1つの従来の方法は、薄い、電気的に活性な「エピ」層を、より厚い基板層の上で成長させることである。しかし、この手法にとっての欠点は、許容される品質を有する結晶を、基板の上部上で成長させることが困難であることである。許容される結晶を成長させるというこの難点は、結晶の厚さが増大するにつれて増大する。別の欠点は、活性層を基板から分離することができないことである。
米国特許仮出願第60/793084号
米国特許第6525305B2号
したがって、本発明の一目的は、改良型のアバランシェフォトダイオードを製造するための新規の方法を提供することである。
本発明の他の目的は、より厚さがあるアバランシェフォトダイオードを提供することである。
本発明の他の目的は、より強度があるアバランシェフォトダイオードを提供することである。
本発明の他の目的は、いくつかの応用例において、電磁放射をより多く検出する(having a greater electromagnetic detection)アバランシェフォトダイオードを提供することである。
本発明は、高品質光活性基板と、活性基板に接着されたハンドル基板と、アバランシェ電流利得を生成するための高電界(high field)領域を含む、高品質光活性基板内に形成されたアバランシェフォトダイオード活性エリアとを使用して、より厚さがある、かつより強度があるアバランシェフォトダイオードを製造することができることを実現することにより得られる。
しかし、他の実施形態では、本発明は、これらの目的すべてを達成しなくてもよく、その特許請求の範囲は、これらの目的を達成することが可能な構造または方法に限定すべきでない。
本発明は、高品質電気光学的活性基板と、活性基板に接着されたハンドル基板と、アバランシェ電流利得を生成するための高電界領域を含む、高品質電気光学的活性基板内に形成されたアバランシェフォトダイオード活性エリアとを含むアバランシェフォトダイオードを特徴とする。
一実施形態では、高品質電気光学的活性基板は、100オーム×cmを超える抵抗率を有する、低濃度ドープされたシリコンを含むことができる。ハンドル基板は、1オーム×cm未満の抵抗率を有する、高濃度ドープされたシリコンを含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、低濃度ドープされたシリコンの層と高濃度ドープされたシリコンの層との間に、高濃度ドープされたシリコンの層をさらに含むことができる。また、このアバランシェフォトダイオードは、低濃度ドープされたシリコンの層と高濃度ドープされたシリコンの層との間に、酸化物層をさらに含むことができる。高品質電気光学的活性基板は、p-型シリコンを含むことができる。ハンドル基板は、p+型シリコンを含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、p-型シリコンの層とp+型シリコンの層の間にp+型層をさらに含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、p-型シリコンの層とp+型シリコンの層の間に酸化物層をさらに含むことができる。高品質光活性基板は、n-型シリコンを含むことができる。ハンドル基板は、n+型シリコンを含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、n-型シリコンの層とn+型シリコンの層の間にn+型層をさらに含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、n-型シリコンの層とn+型シリコンの層の間に酸化物層をさらに含むことができる。アバランシェフォトダイオード活性エリアは、高品質光活性基板内に形成された利得領域およびチャネルストップを含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードの表面を保護するために、アバランシェフォトダイオードの表面上に形成された不動態化(passivated)層をさらに含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、アバランシェ電流利得を生成する高電界領域を設けるために、利得領域に隣接して形成された接合をさらに含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードからの放射の反射を低減するために、拡散された接合に隣接して形成された反射防止コーティングをさらに含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、電気接触を実現するためにメタライゼーション層をさらに含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、ハンドル基板内にウェルをさらに含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、ウェル内に形成された、高濃度ドープされたコンタクト層をさらに含むことができる。高濃度ドープされたコンタクト層は、p+型シリコンを含むことができる。このアバランシェフォトダイオードは、高濃度ドープされた層に隣接して、かつハンドル基板に隣接して形成された裏メタライゼーション層をさらに含むことができる。
また、本発明は、アバランシェフォトダイオードを製造する方法であって、高品質電気光学的活性基板と、活性基板に接着されたハンドル基板とを有するウェハを用意するステップと、光活性基板内で利得領域を拡散するステップと、アバランシェ電流利得を生成するための高電界領域を設けるために、利得領域に隣接して接合を拡散するステップとを含む方法を特徴とする。
一実施形態では、この方法は、電流リークを低減するために、光活性基板内でチャネルストップを拡散するステップをさらに含むことができる。この方法は、表面を保護するために、アバランシェフォトダイオードの表面を不動態化するステップをさらに含むことができる。この方法は、放射の反射を低減するために、拡散された接合上に反射防止コーティングを設けるステップをさらに含むことができる。この方法は、ハンドル基板内でウェルをエッチングするステップをさらに含むことができる。この方法は、ウェル内に、高濃度ドープされた層を設けるステップをさらに含むことができる。
さらに、本発明は、高品質活性基板と、活性基板に接着されたハンドル基板と、ハンドル基板内に形成されたウェルと、高品質活性基板内に形成されたアバランシェフォトダイオード活性エリアとを含み、活性エリアが、活性基板内で拡散された利得領域と、アバランシェ電流利得を生成するための高電界領域を設けるために、利得領域に隣接して拡散された接合とを含む、アバランシェフォトダイオードを特徴とする。
一実施形態では、このアバランシェフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードの表面を保護するために、アバランシェフォトダイオードの表面に隣接して形成された不動態化層をさらに含むことができる。ハンドル基板は、活性基板であってもよい。
当業者なら、他の目的、特徴、および利点を、以下の好ましい実施形態の説明、ならびに添付の図が貼り合わせウェハAPDおよびその製造方法の実施形態である添付の図面から思いつくであろう。
本発明の特定の特徴は、一部の図面に示され、別の図面に示されていないが、各特徴は、本発明に従って、他の特徴のいずれか、またはすべてと組み合わせることができるため、これは便宜的なものにすぎない。
以下で開示されている、好ましい1つまたは複数の実施形態の他に、本発明は、他の実施形態が可能であり、また、様々な方法で実施または実行することが可能である。したがって、本発明は、その応用において、以下の説明で述べられている、または図面に示されている構造の詳細および構成要素の構成に限定されないことを理解されたい。1つの実施形態だけが本明細書に述べられている場合、本発明の特許請求の範囲は、その実施形態に限定されない。さらに、本発明の特許請求の範囲は、ある種の除外、制限、または特許権の一部放棄(disclaimer)を明示する明らかな、説得力のある証拠がない限り、制限的に読むべきでない。
従来技術におけるAPDは、一般に薄いウェハ上で製造されるが、本発明による図1のアバランシェフォトダイオード(APD)10は、高品質光活性基板14に接着されたハンドル基板12を備えるウェハ11を含む。光活性基板14は、アバランシェ電流利得を生成するための高電界領域18を含む活性エリア16を含む。ハンドル基板12は、活性基板14がすでに接着された状態で購入することができる。別法として、ハンドル基板12は、活性基板14と別々購入することができ、その後でハンドル基板12を活性基板14に接着することができる。
貼り合わせウェハAPD10を製造する1つの方法は、ハンドル基板12が光活性基板14に接着されている図2Aのウェハ11を用意するステップから始まる。ハンドル基板12は、20〜1000μmの厚さを有することができるが、好ましくは250〜500μmの厚さを有する。活性基板14は、2〜200μmの厚さを有することができるが、好ましくは6〜150μmの厚さを有する。
ハンドル基板12は、典型的にはp+型シリコンである、高濃度ドープされたシリコンを含むが、別法として、APDのタイプに応じてn+型シリコンでもよい。光活性基板14は、p-型シリコンである、低濃度ドープされたシリコンを含むが、同様に、別法として、APDのタイプに応じてn-型シリコンでもよい。
図2Bの貼り合わせウェハ11aの代替の実施形態は、活性基板14をハンドル基板12に接着する前に活性基板14に追加される、図2Aの高濃度ドープされたシリコンの層20を含む。高濃度ドープされたシリコンの層20は、基板12と基板14の間の界面品質を改善する。高濃度ドープされたシリコンの層20は、APDのタイプに応じて、p+型層またはn+型層を含むことができる。別法として、高濃度ドープされたシリコンの層を使用するのではなく、界面品質を改善するために、基板12と基板14の間で、酸化物層を使用することができる。
図3の利得領域22およびチャネルストップ24が、光活性基板14のAPD活性エリア16a内で拡散される。チャネルストップ24は、小さなリーク経路が光活性基板14の外側に進むのを防止するための障壁をもたらす。
APD10aのアバランシェ電流利得を生成する高電界領域18aを設けるために、図4の接合26が、利得領域22に隣接して拡散される。APDの表面を保護するために、不動態化層28が、APD10aの表面上に形成される。好ましくは、不動態化層28は、窒化ケイ素および酸化ケイ素を含む。
APD10aからの放射の反射を低減するために、図5の反射防止コーティング30が、拡散された接合26に隣接して形成される。メタライゼーション層32、34は、電気接触を実現するために設けられる。メタライゼーション層32は、拡散された接合26および反射防止コーティング30に隣接して形成される。メタライゼーション層34は、ハンドル基板12に隣接して形成される。
したがって、図5のAPD10aの場合、高品質光活性基板14が強いハンドル基板12を備え、APDの望ましい電気特性を減少させることなしに、従来技術のものより厚さおよび強度があるAPDを実現する。
代替の一実施形態では、ハンドル基板12bおよび活性基板14bを含む、図6の貼り合わせシリコンウェハ11が用意される。さらに、ウェハ11aは、図2Aで行われているように、基板12bと基板14bを接着する前に追加される、図6Aの高濃度ドープされた層20bを含むことができる。高濃度ドープされた層20の場合と同様に、高濃度ドープされた層20aは、APDのタイプに応じて、p+型層またはn+型層を含むことができる。ウェハ11cは、高濃度ドープされた層20bに加えて追加することができる、図6Bの酸化物層40を含むことができる。
図7のAPD10bを実現するために、利得領域22aおよび接合26aが、高品質活性基板14の活性エリア16a内で拡散され、高利得領域18bを生み出す。任意選択で、接合の縁部での電界を低減するために、ガードリング構造42を設けることができる。分割線44は、APD10bが酸化物層40を含むことができるが、酸化物層なしで製造されてもよいことを示すために設けられている。
図8のウェル46が、ハンドル基板12bの裏面内でエッチングされる。ウェル46のエッチングにより、酸化物層40がAPD10b内にあればそれも除去される。
APD10bの性能を改善するために、図9の高濃度ドープされた層48がウェル46の裏コンタクトを介して設けられる。図10の表面入射(front entry)APD10cは、裏メタライゼーション層50、52、ならびに表メタライゼーション層54および反射防止コーティング56を追加することによって形成される。別法として、図11の裏面入射(rear entry)の標準的なAPD10dは、図9の10bのAPDに、ウェル46に隣接してメタライゼーション層60、62、および反射防止コーティング66を追加し、高利得領域18bに隣接して反射性のメタライゼーション層64を追加することによって実現される。
「including(含む)」「comprising(備える、含む)」「having(有する)」「with(有する)」という単語は、本明細書では、広く、かつ包括的に解釈すべきであり、どんな物理的な相互接続にも限定されない。さらに、本願に開示されているどの実施形態も、唯一可能な実施形態と解するべきでない。当業者なら、他の実施形態を思いつくことになり、それらの実施形態も以下の特許請求の範囲内にある。
さらに、この特許に関する特許出願の追行(prosecution)中に提示されるどの補正も、提出されている出願に提示されている何らかの特許請求要素の、特許権の一部放棄ではなく、可能な均等物すべてを文字通り包含するはずの特許請求の範囲を起草することを当業者に期待し得ないのは無理もなく、多数の均等物は、補正の時点で予見可能でないことになり、何を(あればそれを)放棄すべきか公平に解釈することはできず、補正の基礎となる論理的根拠は、多数の均等物に関係してはじめて持ちこたえることができ、かつ/または補正された任意の特許請求要素に関する、ある種の非現実的な代替を述べることを本出願人に期待し得ない多数の他の理由がある。
10a APD
10b APD
10c APD
10d APD
11 ウェハ
11a 貼り合わせウェハ
11c ウェハ
12 ハンドル基板
12b ハンドル基板
14 高品質光活性基板
14b 活性基板
16 活性エリア
16a 活性エリア
18a 高電界領域
18b 高利得領域
20 高濃度ドープされたシリコンの層
20a 高濃度ドープされた層
20b 高濃度ドープされた層
22 利得領域
22a 利得領域
24 チャネルストップ
26 接合
26a 接合
28 不動態化層
30 反射防止コーティング
32 メタライゼーション層
34 メタライゼーション層
40 酸化物層
44 分割線
46 ウェル
48 高濃度ドープされた層
50 裏メタライゼーション層
52 裏メタライゼーション層
54 表メタライゼーション層
56 反射防止コーティング
60 メタライゼーション層
62 メタライゼーション層
64 反射性のメタライゼーション層
66 反射防止コーティング
10b APD
10c APD
10d APD
11 ウェハ
11a 貼り合わせウェハ
11c ウェハ
12 ハンドル基板
12b ハンドル基板
14 高品質光活性基板
14b 活性基板
16 活性エリア
16a 活性エリア
18a 高電界領域
18b 高利得領域
20 高濃度ドープされたシリコンの層
20a 高濃度ドープされた層
20b 高濃度ドープされた層
22 利得領域
22a 利得領域
24 チャネルストップ
26 接合
26a 接合
28 不動態化層
30 反射防止コーティング
32 メタライゼーション層
34 メタライゼーション層
40 酸化物層
44 分割線
46 ウェル
48 高濃度ドープされた層
50 裏メタライゼーション層
52 裏メタライゼーション層
54 表メタライゼーション層
56 反射防止コーティング
60 メタライゼーション層
62 メタライゼーション層
64 反射性のメタライゼーション層
66 反射防止コーティング
Claims (17)
- 電気光学的活性基板と、
前記電気光学的活性基板に接着されたハンドル基板と、
アバランシェ電流利得を生成するための高電界領域を含む、前記電気光学的活性基板内に形成されたアバランシェフォトダイオード活性エリアと、
を備え、
前記電気光学的活性基板が、低濃度ドープされたシリコンを含み、
前記ハンドル基板が、高濃度ドープされたシリコンを含み、
前記低濃度ドープされたシリコンを含む電気光学的活性基板と前記高濃度ドープされたシリコンを含むハンドル基板との間に、高濃度ドープされたシリコン層をさらに含んでおり、
前記電気光学的活性基板及び前記ハンドル基板のそれぞれが前記高濃度ドープされたシリコン層に直接接着している、アバランシェフォトダイオード。 - 前記電気光学的活性基板がｐ−型シリコンを含む、請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 前記ハンドル基板がｐ＋型シリコンを含む、請求項２に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 前記ｐ−型シリコンの層と前記ｐ＋型シリコンの層の間にｐ＋型層をさらに含む、請求項３に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 前記電気光学的活性基板がｎ−型シリコンを含む、請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 前記ハンドル基板がｎ＋型シリコンを含む、請求項５に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 前記ｎ−型シリコンの層と前記ｎ＋型シリコンの層の間にｎ＋型層をさらに含む、請求項６に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 前記アバランシェフォトダイオード活性エリアが、前記電気光学的活性基板内に形成された利得領域およびチャネルストップを含む、請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
- アバランシェフォトダイオードの表面を保護するために、アバランシェフォトダイオードの表面上に形成された不動態化層をさらに含む、請求項８に記載のアバランシェフォトダイオード。
- アバランシェ電流利得を生成する前記高電界領域を設けるために、前記利得領域に隣接して形成された接合をさらに含む、請求項８に記載のアバランシェフォトダイオード。
- アバランシェフォトダイオードからの放射の反射を低減するために、前記拡散された接合に隣接して形成された反射防止コーティングをさらに含む、請求項１０に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 前記ハンドル基板内にウェルをさらに含む、請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 前記ウェル内に形成された、高濃度ドープされたコンタクト層をさらに含む、請求項１２に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 前記高濃度ドープされたコンタクト層がｐ＋型シリコンを含む、請求項１３に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 前記高濃度ドープされた層に隣接して、かつ前記ハンドル基板に隣接して形成された裏メタライゼーション層をさらに含む、請求項１３に記載のアバランシェフォトダイオード。
- 活性基板と、
前記活性基板に接着されたハンドル基板と、
前記ハンドル基板内に形成されたウェルと、
前記活性基板内に形成されたアバランシェフォトダイオード活性エリアとを含み、前記活性エリアが、
前記活性基板内で拡散された利得領域と、
アバランシェ電流利得を生成するための高電界領域を設けるために、前記利得領域に隣接して拡散された接合と
を含み、
前記活性基板が、低濃度ドープされたシリコンを含み、
前記ハンドル基板が、高濃度ドープされたシリコンを含み、
前記低濃度ドープされたシリコンを含む活性基板と前記高濃度ドープされたシリコンを含むハンドル基板との間に、高濃度ドープされたシリコン層をさらに含んでおり、
前記活性基板及び前記ハンドル基板のそれぞれが前記高濃度ドープされたシリコン層に直接接着している、アバランシェフォトダイオード。 - アバランシェフォトダイオードの表面を保護するために、アバランシェフォトダイオードの表面に隣接して形成された不動態化層をさらに含む、請求項１６に記載のアバランシェフォトダイオード。
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