JP5185236B2 - フォトダイオードの製造方法及びフォトダイオード - Google Patents
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Description
本発明は、フォトダイオードの製造方法及びフォトダイオードに関する。
近赤外の波長帯域に高い分光感度特性を有するフォトダイオードとして、化合物半導体を用いたフォトダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂ、及びＩｎＧａＡｓＮＰのいずれかからなる第１受光層と、第１受光層の吸収端より長波長の吸収端を有し、量子井戸構造からなる第２受光層と、を備えている。
しかしながら、このような化合物半導体を用いたフォトダイオードは、未だ高価であり、製造工程も複雑なものとなってしまう。このため、安価で且つ製造が容易なシリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度を有しているものの実用化が求められている。シリコンフォトダイオードは、一般に、分光感度特性の長波長側での限界は１１００ｎｍ程度ではあるものの、１０００ｎｍ以上の波長帯域における分光感度特性は十分なものではなかった。
本発明は、シリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオードの製造方法及びフォトダイオードを提供することを目的とする。
本発明に係るフォトダイオードの製造方法は、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を準備する工程と、シリコン基板の第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸を形成する工程と、不規則な凹凸を形成する工程の後に、シリコン基板の第２主面側に、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程と、第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程の後に、シリコン基板を熱処理する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明に係るフォトダイオードの製造方法によれば、シリコン基板の第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されているフォトダイオードを得ることができる。このフォトダイオードでは、第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されているために、フォトダイオードに入射した光は当該領域にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板内を長い距離進む。これにより、フォトダイオードに入射した光は、その大部分がフォトダイオード（シリコン基板）を透過することなく、シリコン基板で吸収されることとなる。したがって、上記フォトダイオードでは、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
本発明により得られたフォトダイオードでは、シリコン基板の第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されている。このため、第２主面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、第１導電型の上記アキュムレーション層は、シリコン基板の第２主面付近で光により発生したキャリアが該第２主面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、第２導電型の半導体領域とシリコン基板とのｐｎ接合部へ効率的に移動し、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
ところで、パルスレーザ光の照射により、シリコン基板に結晶欠陥などのダメージを及ぼす懼れがあるが、本発明では、第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程の後に、シリコン基板を熱処理しているので、シリコン基板の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
好ましくは、不規則な凹凸を形成する工程の前に、シリコン基板における第２導電型の半導体領域に対応する部分を該部分の周辺部分を残して第２主面側より薄化する工程と、を更に備える。この場合、シリコン基板の第１主面及び第２主面側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。
本発明に係るフォトダイオードの製造方法は、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を準備する工程と、シリコン基板の第２主面側に、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程と、第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程の後に、シリコン基板の第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸を形成する工程と、不規則な凹凸を形成する工程の後に、シリコン基板を熱処理する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明に係るフォトダイオードの製造方法では、上述したように、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、シリコン基板の第２主面側に形成される第１導電型のアキュムレーション層により、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。更に、本発明では、不規則な凹凸を形成する工程の後に、シリコン基板を熱処理しているので、シリコン基板の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
好ましくは、第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程の前に、シリコン基板における第２導電型の半導体領域に対応する部分を該部分の周辺部分を残して第２主面側より薄化する工程と、を更に備える。この場合、シリコン基板の第１主面及び第２主面側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。
好ましくは、第１導電型のアキュムレーション層の厚みを、不規則な凹凸の高低差よりも大きくする。この場合、第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程の後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な上記凹凸を形成しても、アキュムレーション層が残ることとなり、上述したアキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
好ましくは、シリコン基板を準備する工程では、シリコン基板として、第１主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域が更に形成されたシリコン基板を準備し、シリコン基板を熱処理する工程の後に、第１導電型の半導体領域に電気的に接続される電極及び第２導電型の半導体領域に電気的に接続される電極を形成する工程を更に備える。この場合、電極に比較的融点の低い金属を用いる場合でも、熱処理の工程により電極が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極を適切に形成することができる。
好ましくは、不規則な上記凹凸を形成する工程では、パルスレーザ光としてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射する。この場合、不規則な凹凸を適切で且つ容易に形成することができる。
本発明に係るフォトダイオードは、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を備え、シリコン基板には、第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面における第２導電型の半導体領域に対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
本発明に係るフォトダイオードでは、上述したように、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、シリコン基板の第２主面側に形成される第１導電型のアキュムレーション層により、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
好ましくは、シリコン基板は、第２導電型の半導体領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して第２主面側より薄化されている。この場合、シリコン基板の第１主面及び第２主面側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。
好ましくは、第１導電型のアキュムレーション層の厚みが、不規則な上記凹凸の高低差よりも大きい。この場合、上述したように、アキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
好ましくは、シリコン基板は、第１導電型の半導体からなる第１半導体基板と、第１半導体基板に貼着され、第１導電型の半導体からなると共に第１半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第２半導体基板と、からなり、第１半導体基板の第２半導体基板との貼着面に対向する面側に、第２導電型の半導体領域が形成され、第２半導体基板の第１半導体基板との貼着面に対向する面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されている。この場合、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上されたＰＩＮフォトダイオードを実現することができる。
好ましくは、シリコン基板は、第１導電型の半導体からなる第１半導体基板と、第１半導体基板に貼着され、第１導電型の半導体からなると共に第１半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第２半導体基板と、からなり、第１半導体基板の第２半導体基板との貼着面に対向する面側に、第２導電型の半導体領域が形成され、第１半導体基板の貼着面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域が露出し且つ不規則な凹凸が形成されている。この場合、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上されたＰＩＮフォトダイオードを実現することができる。
好ましくは、第１半導体基板の面方位は（１１１）であり、第２半導体基板の面方位は（１００）である。この場合、シリコン基板（第１及び第２半導体基板）として貼り合わせウエハを用いることが可能となり、面方位によるエッチングレートの違いを利用して、精度良く、均一な厚みの第１半導体基板を得ることができる。さらに、第１半導体基板と第２半導体基板との境界面がエッチングストッパとして機能するため、エッチング工程における作業性に優れている。
本発明によれば、シリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオードの製造方法及びフォトダイオードを提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
図１〜図１０を参照して、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１〜図１０は、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
図１〜図１０を参照して、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１〜図１０は、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
まず、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有するｎ−型半導体基板１を準備する（図１参照）。ｎ−型半導体基板１の厚みは３００μｍ程度であり、比抵抗は１ｋΩ・ｃｍ程度である。本実施形態では、「高不純物濃度」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。ｎ型不純物としてはアンチモン（Ｓｂ）、砒素（Ａｓ）やリン（Ｐ）などがあり、ｐ型不純物としては硼素（Ｂ）などがある。
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５を形成する（図２参照）。ｐ＋型半導体領域３は、中央部が開口したマスクなどを用い、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｐ型不純物を高濃度に拡散させることにより形成する。ｎ＋型半導体領域５は、周辺部領域が開口した別のマスクなどを用い、ｐ＋型半導体領域３を囲むように、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高濃度に拡散させることにより形成する。ｐ＋型半導体領域３の厚みは、例えば０．５５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば４４Ω／ｓｑ．である。ｎ＋型半導体領域５の厚みは、例えば１．５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば１２Ω／ｓｑ．である。
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に絶縁層７を形成する（図３参照）。絶縁層７は、ＳｉＯ２からなり、ｎ−型半導体基板１を熱酸化することによって形成される。絶縁層７の厚みは、例えば０．１μｍ程度である。そして、ｐ＋型半導体領域３上の絶縁層７にコンタクトホールＨ１を形成し、ｎ＋型半導体領域５上の絶縁層７にコンタクトホールＨ２を形成する。絶縁層７の代わりに、ＳｉＮからなるアンチリフレクティブ（ＡＲ）層を形成してもよい。
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上及び絶縁層７上に、パッシベーション層９を形成する（図４参照）。パッシベーション層９は、ＳｉＮからなり、例えばプラズマＣＶＤ法により形成される。パッシベーション層９の厚みは、例えば０．１μｍである。そして、ｎ−型半導体基板１の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩する（図５参照）。これにより、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上に形成されたパッシベーション層９は除去され、ｎ−型半導体基板１が露出することとなる。ここでは、研摩により露出した面も、第２主面１ｂとする。所望の厚みは、例えば２７０μｍである。
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図６参照）。ここでは、図７に示されるように、ｎ−型半導体基板１をチャンバＣ内に配置し、チャンバＣの外側に配置されたパルスレーザ発生装置ＰＬＤからパルスレーザ光ＰＬをｎ−型半導体基板１に照射する。チャンバＣはガス導入部ＧＩＮ及びガス排出部ＧＯＵＴを有しており、不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど）をガス導入部ＧＩＮから導入してガス排出部ＧＯＵＴから排出することにより、チャンバＣ内に不活性ガス流Ｇｆが形成されている。パルスレーザ光ＰＬを照射した際に生じる塵などが不活性ガス流ＧｆによりチャンバＣ外に排出され、ｎ−型半導体基板１への加工屑や塵などの付着を防いでいる。
本実施形態では、パルスレーザ発生装置ＰＬＤとしてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、第２主面１ｂの全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。第２主面１ｂはピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図８に示されるように、不規則な凹凸１０が第２主面１ｂの全面に形成される。不規則な凹凸１０は、第１主面１ａに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。図８は、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０を観察したＳＥＭ画像である。
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図９参照）。ここでは、ｎ−型半導体基板１内において第２主面１ｂ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入又は拡散させることにより、アキュムレーション層１１を形成する。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば１μｍ程度である。
次に、ｎ−型半導体基板１を熱処理（アニール）する。ここでは、ｎ−型半導体基板１を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１時間程度にわたって加熱する。
次に、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図１０参照）。電極１３は、コンタクトホールＨ１内に形成され、電極１５は、コンタクトホールＨ２内に形成される。電極１３，１５は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）などからなり、厚みは例えば１μｍ程度である。これにより、フォトダイオードＰＤ１が完成する。
フォトダイオードＰＤ１は、図１０に示されるように、ｎ−型半導体基板１を備えている。ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側には、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５が形成されており、ｎ−型半導体基板１とｐ＋型半導体領域３との間にはｐｎ接合が形成されている。電極１３は、コンタクトホールＨ１を通して、ｐ＋型半導体領域３に電気的に接触且つ接続されている。電極１５は、コンタクトホールＨ２を通して、ｎ＋型半導体領域５に電気的に接触且つ接続されている。
ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂには、不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側には、アキュムレーション層１１が形成されており、第２主面１ｂは光学的に露出している。第２主面１ｂが光学的に露出しているとは、第２主面１ｂが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第２主面１ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
フォトダイオードＰＤ１では、第２主面１ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、図１１に示されるように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、ｎ−型半導体基板１内を長い距離進む。
通常、Ｓｉの屈折率ｎ＝３．５に対して、空気の屈折率ｎ＝１．０である。フォトダイオードでは、光入射面に垂直な方向から光が入射した場合、フォトダイオード（シリコン基板）内で吸収されなかった光は、光入射面の裏面にて反射する光成分とフォトダイオードを透過する光成分に分かれる。フォトダイオードを透過した光は、フォトダイオードの感度には寄与しない。光入射面の裏面にて反射した光成分は、フォトダイオード内で吸収されれば、光電流となり、吸収されなかった光成分は、光入射面において、光入射面の裏面に到達した光成分と同様に、反射又は透過する。
フォトダイオードＰＤ１では、光入射面（第１主面１ａ）に垂直な方向から光Ｌが入射した場合、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０に到達すると、凹凸１０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸１０にて全反射される。凹凸１０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、ｎ−型半導体基板１内部で吸収される光成分もあれば、第１主面１ａや側面に到達する光成分もある。
第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は極めて高い。第１主面１ａや側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、ｎ−型半導体基板１の内部を長い距離進むうちに、ｎ−型半導体基板１で吸収され、光電流として検出されることとなる。
このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードＰＤ１を透過することなく、走行距離が長くされて、ｎ−型半導体基板１で吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードＰＤ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
第２主面１ｂに規則的な凹凸を形成した場合、第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は低くなる。このため、第１主面１ａや側面、更には第２主面１ｂにて透過する光成分が増加し、フォトダイオードに入射した光の走行距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することは困難となる。
ここで、第１実施形態による近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
上述した構成を備えたフォトダイオード（実施例１と称する）と、ｎ−型半導体基板の第２主面に不規則な凹凸を形成していないフォトダイオード（比較例１と称する）と、を作製し、それぞれの分光感度特性を調べた。実施例１と比較例１とは、パルスレーザ光の照射による不規則な凹凸の形成の点を除いて、同じ構成とされている。ｎ−型半導体基板１のサイズは、６．５ｍｍ×６．５ｍｍに設定した。ｐ＋型半導体領域３、すなわち光感応領域のサイズは、５．８ｍｍ×５．８ｍｍに設定した。フォトダイオードに印加するバイアス電圧ＶＲは、０Ｖに設定した。
結果を図１２に示す。図１２において、実施例１の分光感度特性はＴ１で示され、比較例１の分光感度特性は特性Ｔ２で示されている。また、図１２において、縦軸は分光感度（ｍＡ／Ｗ）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。一点鎖線にて示されている特性は、量子効率（ＱＥ）が１００％となる分光感度特性を示し、破線にて示されている特性は、量子効率が５０％となる分光感度特性を示している。
図１２から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例１では分光感度が０．２Ａ／Ｗ（ＱＥ＝２５％）であるのに対して、実施例１では分光感度が０．６Ａ／Ｗ（ＱＥ＝７２％）となっており、近赤外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。
また、実施例１及び比較例１における、分光感度の温度特性についても確認した。ここでは、雰囲気温度を２５℃から６０℃に上昇させて分光感度特性を調べ、２５℃での分光感度に対する６０℃での分光感度の割合（温度係数）を求めた。結果を図１３に示す。図１３において、実施例１の温度係数の特性はＴ３で示され、比較例１の温度係数の特性は特性Ｔ４で示されている。また、図１３において、縦軸は温度係数（％／℃）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。
図１３から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例１では温度係数が０．７％／℃であるのに対して、実施例１では温度係数が０．２％／℃となっており、温度依存性が低い。一般に、温度が上昇すると吸収係数の増大とバンドギャップエネルギーの減少により、分光感度が高くなる。実施例１では、室温の状態でも分光感度が十分に高いことから、温度上昇による分光感度の変化が比較例１に比して小さくなっている。
フォトダイオードＰＤ１では、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側にアキュムレーション層１１が形成されている。これにより、第２主面１ｂ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層１１は、第２主面１ｂ付近で光により発生したキャリアが当該第２主面１ｂでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、ｐｎ接合部へ効率的に移動し、フォトダイオードＰＤ１の光検出感度を更に向上することができる。
第１実施形態では、アキュムレーション層１１を形成した後に、ｎ−型半導体基板１を熱処理している。これにより、ｎ−型半導体基板１の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
第１実施形態では、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後に、電極１３，１５を形成している。これにより、電極１３，１５に比較的融点の低い金属を用いる場合でも、熱処理により電極１３，１５が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極１３，１５を適切に形成することができる。
第１実施形態では、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成している。これにより、不規則な凹凸１０を適切で且つ容易に形成することができる。
（第２実施形態）
図１４〜図１６を参照して、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１４〜図１６は、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
図１４〜図１６を参照して、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１４〜図１６は、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
第２実施形態の製造方法は、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩するまでは、第１実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩して、ｎ−型半導体基板１を所望の厚みにした後、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図１４参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば１μｍ程度である。
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図１５参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。そして、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図１６参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ２が完成する。
第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ２に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
第２実施形態では、アキュムレーション層１１の厚みを、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きくしている。このため、アキュムレーション層１１を形成した後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しても、アキュムレーション層１１が確実に残ることとなる。したがって、アキュムレーション層１１による作用効果を確保することができる。
（第３実施形態）
図１７〜図２１を参照して、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１７〜図２１は、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
図１７〜図２１を参照して、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１７〜図２１は、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
第３実施形態の製造方法は、パッシベーション層９を形成するまでは、第１実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。パッシベーション層９を形成した後、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化する（図１７参照）。ｎ−型半導体基板１の薄化は、例えば水酸化カリウム溶液やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム溶液）などを用いたアルカリエッチングによる異方性エッチングにより行なわれる。ｎ−型半導体基板１の薄化された部分の厚みは、例えば１００μｍ程度であり、周辺部分の厚みは、例えば３００μｍ程度である。
次に、ｎ−型半導体基板１の周辺部分の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩する（図１８参照）。所望の厚みは、例えば２７０μｍである。
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図１９参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
次に、ｎ−型半導体基板１の薄化されている部分の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図２０参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後、絶縁層７上に形成
されたパッシベーション層９を除去して、電極１３，１５を形成する（図２１参照）。こ
れにより、フォトダイオードＰＤ３が完成する。
されたパッシベーション層９を除去して、電極１３，１５を形成する（図２１参照）。こ
れにより、フォトダイオードＰＤ３が完成する。
第３実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ３に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
第３実施形態では、不規則な凹凸１０を形成する前に、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化している。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ３を得ることができる。
（第４実施形態）
図２２〜図２４を参照して、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図２２〜図２４は、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
図２２〜図２４を参照して、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図２２〜図２４は、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
第４実施形態の製造方法は、ｎ−型半導体基板１を薄化するまでは、第３実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩して、ｎ−型半導体基板１を所望の厚みにした後、ｎ−型半導体基板１の薄化されている部分の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図２２参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図２３参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。そして、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図２４参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ４が完成する。
第４実施形態においても、第１〜第３実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ４に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
第４実施形態では、アキュムレーション層１１を形成する前に、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化している。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ４を得ることができる。
（第５実施形態）
図２５〜図３２を参照して、第５実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図２５〜図３２は、第５実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
図２５〜図３２を参照して、第５実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図２５〜図３２は、第５実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
まず、第１半導体基板２１と、第２半導体基板２３とを用意し、第１半導体基板２１を第２半導体基板２３の表面２３ｂに直接貼着する（図２５参照）。これにより、ＤＢＷ（Direct Bonding Wafer）が構成される。第１半導体基板２１及び第２半導体基板２３は何れもｎ型を示すシリコン層からなる。すなわち、本実施形態では、第１半導体基板２１と第２半導体基板２３とでシリコン基板が構成されることとなる。
第２半導体基板２３は、第１半導体基板２１に比較してｎ型の不純物濃度が高く、このため第１半導体基板２１よりも比抵抗が低い。第１半導体基板２１の面方位は（１１１）面方位であり、第２半導体基板２３の面方位は（１００）面方位である。第１半導体基板２１の比抵抗は、例えば３００〜６００Ωｃｍ程度である。第２半導体基板２３の比抵抗は、０．００１〜０．００４Ωｃｍ程度である。第１半導体基板２１の厚みは、例えば９μｍ程度である。第２半導体基板２３の厚みは、例えば１００μｍ程度である。第１半導体基板２１と第２半導体基板２３とを貼着した後、第１半導体基板２１と第２半導体基板２３とをそれぞれ研磨することにより、所望の厚みを得るようにしてもよい。
次に、第１半導体基板２１の表面２１ａ（ＤＢＷの第１主面）側に、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５を形成する（図２６参照）。また、第１半導体基板２１の表面２１ａ側に絶縁層７を形成する（図２６参照）。第１半導体基板２１の表面２１ａは、第２半導体基板２３との貼着面（表面２１ｂ）に対向する面である。ｐ＋型半導体領域３、ｎ＋型半導体領域５、及び絶縁層７は、第１実施形態と同様に形成することができる。本実施形態では、ｐ＋型半導体領域３の厚みは、例えば０．５５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば４４Ω／ｓｑ．である。ｎ＋型半導体領域５の厚みは、例えば１．５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば１２Ω／ｓｑ．である。絶縁層７の厚みは、例えば０．１μｍ程度である。
次に、ｐ＋型半導体領域３上の絶縁層７にコンタクトホールＨ１を形成し、ｎ＋型半導体領域５上の絶縁層７にコンタクトホールＨ２を形成する（図２７参照）。
次に、コンタクトホールＨ２を通して露出したｎ＋型半導体領域５に対応する位置に開口が形成されたマスクを絶縁層７に形成する。そして、開口において露出したｎ＋型半導体領域５の表面に対し、第２半導体基板２３の表面２３ｂ（第１半導体基板２１への貼着面）の一部が露出するまでドライエッチングを行う（図２８参照）。このエッチング処理によって、第１半導体基板２１に傾斜状部２５が設けられる。
次に、傾斜状部２５にイオン注入等によりｎ型不純物を添加する（図２９参照）。これにより、ｎ＋型半導体領域５は、傾斜状部２５を含むように第１半導体基板２１の表面２１ｂ（第２半導体基板２３への貼着面）にまで拡張される。
次に、第２半導体基板２３におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２半導体基板２３の表面２３ａ（ＤＢＷの第２主面）側より薄化する（図３０参照）。第２半導体基板２３の表面２３ａは、第１半導体基板２１との貼着面（表面２３ｂ）に対向する面である。第２半導体基板２３の薄化は、第３実施形態と同様に、アルカリエッチングによる異方性エッチングにより行なうことができる。第２半導体基板２３の薄化された部分の厚みは、例えば３μｍ程度である。
次に、第２半導体基板２３の表面２３ａにパルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図３１参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
次に、第１実施形態と同様に、ＤＢＷ（第１半導体基板２１及び第２半導体基板２３）を熱処理した後、電極１３，１５を形成する（図３２参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ５が完成する。電極１５は、ｎ＋型半導体領域５及び第２半導体基板２３の表面２３ｂを覆うように形成される。
第５実施形態においても、第１〜第４実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ５に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。第５実施形態では、第２半導体基板２３（薄化された部分）は、アキュムレーション層として機能する。
第５実施形態では、不規則な凹凸１０を形成する前に、第２半導体基板２３におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２半導体基板２３の表面２３ａ側より薄化している。これにより、第２半導体基板２１の表面２１ａ及び第２半導体基板２３の表面２３ａ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ５を得ることができる。また、フォトダイオードＰＤ５は、フリップチップ実装が可能である。
第５実施形態では、第２半導体基板２３よりも高比抵抗である第１半導体基板２１をＩ型と規定すると、ｐ＋型半導体領域３、第１半導体基板２１、及び第２半導体基板２３により、フォトダイオードＰＤ５はＰＩＮフォトダイオードを構成している。
（第６実施形態）
図３３〜図３６を参照して、第６実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図３３〜図３６は、第６実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
図３３〜図３６を参照して、第６実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図３３〜図３６は、第６実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
第６実施形態の製造方法は、傾斜状部２５にイオン注入等によりｎ型不純物を添加するまでは、第５実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。第２半導体基板２３におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２半導体基板２３の表面２３ａ（ＤＢＷの第２主面）側より除去する（図３３参照）。これにより、第１半導体基板２１の表面２１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対応する領域が露出することとなる。
第２半導体基板２３の除去は、第５実施形態と同様に、アルカリエッチングによる異方性エッチングにより行なうことができる。（１００）面方位の第２半導体基板２３はアルカリエッチングが容易に行える。その一方、（１１１）面方位の第１半導体基板２１は、（１００）面方位の第２半導体基板２３に比較してアルカリエッチングの速度が略１００分の１倍程度と遅い。このため、（１１１）面方位の第１半導体基板２１がエッチングストッパとして機能することとなる。よって精度良いエッチング加工が可能となると共にエッチング工程での作業性が向上する。また、上述したＤＢＷを用いることにより、面方位によるエッチングレートの違いを利用して、精度良く、均一な厚みの第１半導体基板２１を得ることができる。
次に、第１半導体基板２１の表面２１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対応する領域に、アキュムレーション層１１を形成する（図３４参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
次に、第１半導体基板２１の表面２１ｂにパルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図３５参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
次に、第１実施形態と同様に、ＤＢＷ（第１半導体基板２１及び第２半導体基板２３）を熱処理した後、電極１３，１５を形成する（図３６参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ６が完成する。電極１５は、第５実施形態と同様に、ｎ＋型半導体領域５及び第２半導体基板２３の表面２３ｂを覆うように形成される。
第６実施形態においても、第１〜第５実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ６に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。フォトダイオードＰＤ６は、フォトダイオードＰＤ５と同様に、ＰＩＮフォトダイオードを構成している。
第６実施形態では、不規則な凹凸１０を形成する前に、第２半導体基板２３におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２半導体基板２３の表面２３ａ側より除去している。これにより、第１半導体基板２１の表面２１ａ及び第２半導体基板２３の表面２３ａ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ６を得ることができる。また、フォトダイオードＰＤ６１、フリップチップ実装が可能である。
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
本実施形態では、第２主面１ｂの全面にわたって、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しているが、これに限られない。例えば、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域のみに、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成してもよい。第５実施形態では第２半導体基板２３の表面２３ａにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域のみに、また、第６実施形態では、第１半導体基板２１の表面２１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域のみに、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成してもよい。
本実施形態では、電極１５をｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に形成されたｎ＋型半導体領域５に電気的に接触且つ接続しているが、これに限られない。例えば、電極１５をｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に形成されたアキュムレーション層１１に電気的に接触且つ接続してもよい。この場合、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域外に、電極１５を形成することが好ましい。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域に電極１５を形成すると、第２主面１ｂに形成されている不規則な凹凸１０が電極１５により塞がれ、近赤外の波長帯域における分光感度が低下するという事象が生じるためである。
本実施形態に係るフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ６におけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。
本発明は、半導体光検出素子及び光検出装置に利用できる。
１…ｎ−型半導体基板、１ａ…第１主面、１ｂ…第２主面、３…Ｐ＋型半導体領域、５…ｎ＋型半導体領域、１０…不規則な凹凸、１１…アキュムレーション層、１３，１５…電極、ＰＬ…パルスレーザ光、ＰＤ１〜ＰＤ６…フォトダイオード。
Claims (14)
- 第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に光入射面とされる前記第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板の前記第２主面における少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する領域に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸を前記第２主面に光学的に露出させて形成する工程と、
不規則な凹凸を形成する前記工程の後に、前記シリコン基板の前記第２主面側に、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程と、
第１導電型の前記アキュムレーション層を形成する前記工程の後に、前記シリコン基板を熱処理する工程と、を備え、
前記第１主面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、表面入射型のフォトダイオードを製造することを特徴とするフォトダイオードの製造方法。 - 不規則な前記凹凸を形成する前記工程の前に、前記シリコン基板における第２導電型の前記半導体領域に対応する部分を該部分の周辺部分を残して前記第２主面側より薄化する工程と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードの製造方法。
- 第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に前記第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板の前記第２主面側に、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程と、
第１導電型の前記アキュムレーション層を形成する工程の後に、前記シリコン基板の前記第２主面における少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する領域に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸を形成する工程と、
不規則な前記凹凸を形成する前記工程の後に、前記シリコン基板を熱処理する工程と、を備えることを特徴とするフォトダイオードの製造方法。 - 第１導電型の前記アキュムレーション層を形成する工程の前に、前記シリコン基板における第２導電型の前記半導体領域に対応する部分を該部分の周辺部分を残して前記第２主面側より薄化する工程と、を更に備えることを特徴とする請求項３に記載のフォトダイオードの製造方法。
- 第１導電型の前記アキュムレーション層の厚みを、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きくすることを特徴とする請求項３又は４に記載のフォトダイオードの製造方法。
- 前記シリコン基板を準備する前記工程では、前記シリコン基板として、前記第１主面側に前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域が更に形成されたシリコン基板を準備し、
前記シリコン基板を熱処理する工程の後に、前記第１導電型の半導体領域に電気的に接続される電極及び前記第２導電型の半導体領域に電気的に接続される電極を形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のフォトダイオードの製造方法。 - 不規則な前記凹凸を形成する前記工程では、パルスレーザ光としてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のフォトダイオードの製造方法。
- 第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に前記第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を備え、
前記シリコン基板には、前記第２主面側に前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、前記第２主面における少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、
前記シリコン基板の前記第２主面における第２導電型の前記半導体領域に対向する前記領域は、光学的に露出し、
少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する前記領域に不規則な凹凸が形成された前記第２主面に対向する前記第１主面が光入射面とされて、前記第１主面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、表面入射型であることを特徴とするフォトダイオード。 - 前記シリコン基板は、第２導電型の前記半導体領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して前記第２主面側より薄化されていることを特徴とする請求項８に記載のフォトダイオード。
- 第１導電型の前記アキュムレーション層の厚みが、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きいことを特徴とする請求項８又は９に記載のフォトダイオード。
- 前記シリコン基板は、第１導電型の半導体からなる第１半導体基板と、前記第１半導体基板に貼着され、第１導電型の半導体からなると共に前記第１半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第２半導体基板と、からなり、
前記第１半導体基板の前記第２半導体基板との貼着面に対向する面側に、第２導電型の前記半導体領域が形成され、
前記第２半導体基板の前記第１半導体基板との貼着面に対向する面における少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されていることを特徴とする請求項８に記載のフォトダイオード。 - 前記シリコン基板は、第１導電型の半導体からなる第１半導体基板と、前記第１半導体基板に貼着され、第１導電型の半導体からなると共に前記第１半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第２半導体基板と、からなり、
前記第１半導体基板の前記第２半導体基板との貼着面に対向する面側に、第２導電型の前記半導体領域が形成され、
前記第１半導体基板の前記貼着面における少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する領域が露出し且つ不規則な凹凸が形成されていることを特徴とする請求項８に記載のフォトダイオード。 - 前記第１半導体基板の面方位は（１１１）であり、前記第２半導体基板の面方位は（１００）であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のフォトダイオード。
- 前記第１主面から入射し、前記シリコン基板内を進む光が、不規則な前記凹凸により反射、散乱、又は拡散されることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
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