JPH04118976A - フォトダイオードを備えた半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
フォトダイオードを備えた半導体装置及びその製造方法Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
トダイオード、特に接合容量を低減し、センサ感度を向
上させたフォトダイオードを備えた半導体装置及びその
製造方法に関する。
おいて、高感度化を図るためには、フォトダイオードの
接合面に存在する接合東量の低減が必要であり、種々の
対策が採用されている。
量とフォトダイオードの感度の関係について、受光部と
してフォトダイオードが使用されている電荷蓄積型光セ
ンサの光量検出回路を例として以下に説明する。従来よ
り使用されている電荷蓄積型光センサの光量検出回路と
しては大きく分けて以下の2種類がある。
時間電荷を蓄積し、その電荷量を電圧として検出するも
のである。これはMO3型固体イメージセンサ等に用い
られている。
になっており、一定電圧に達するまでの時間を測定する
方法である。
に示すタイミングチャートで動作する。
このときフォトダイオード15の接合容量18には逆バ
イアスがかかり、電荷が蓄積されている0次に時刻tI
おいてトランジスタ16を遮断状態にし、時刻t2に再
び導通状態にすると、フォトダイオード15には、T−
tx tt の時間内に、光量に応じた電荷が発生
し、その分だけフォトダイオード15の接合容量18に
蓄積されていた電荷が放電する。
、負荷抵抗17を通り、フォトダイオード15の接合容
量18を充電するように電流が流れる。その際、出力電
圧Vは第4図(b)に示すように最大値■。を示す、こ
のとき、■。は以下の式で与えられる。
・(1)ここで、iは光量に応じた光電流、C3はフォ
トダイオード15の接合容量18の大きさ、C2は回路
の寄生容量19の大きさである。
図(b)に示すタイミングチャートで動作する。この回
路においては、電位V、がコンパレータ20の比較電圧
V refと等しくなった時、コンパレータ出力v2は
反転する。この時刻11を測定することにより、T=t
x ttがわかる。
・・・(2)以上のように、前者ではvoを、後者では
Tを測定することにより、光量に応じた光電流iを得る
ことができ、光量検出を行うことができるものである。
いては、一定の光量に対するvoの上昇、また、前述の
(2)式においては、一定の光量に対するTの短縮によ
り実現できる。
iの増大、または、C,+c、の低域の2方法が考えら
れる。しかし、寄生容量C2は検出回路で決まる下限値
があり、それ以下には低減できない、また、光電流iの
増大のためには、受光面積の増大が最も効果的な方法と
して考えられるが、受光面積の増大は光センサの分解能
を逆に低下させることになり、好ましくない。
ードの接合容量CIの低減が、求められている。
(a)、(b)、(c)を用いて説明する。第3図(a
)は平面図、第3図(b)は同図(a)において、AA
’線に沿って切った切断図である。低濃度第一導電型層
9として、例えばn型シリコン基板を用いた場合、該基
板表面の活性領域を除いた領域に、例えば不純物として
P(リン)を拡散することにより、各センサ間分離のた
めの高濃度のn型半導体である第一導電型領域8が形成
され、活性領域が分離島とされている。さらに、当該活
性領域に不純物としでB(ボロン)を拡散させ、p型半
導体である第二導電型領域13が形成されている。第3
図(C)は同図(b)の第二導電型領域13近傍を拡大
した図である。各センサを構成する第二導電型領域13
の周りに、高濃度第一導電型領域8及び低濃度第一導電
型層9が取り囲んでいる。ここで、8,9は共に第一導
電型領域であるが、第一導電型領域8は通常センサ間分
離のため高濃度に設定されており、第一導電型層9は低
濃度に設定されている。フォトダイオードに逆バイアス
が印加されると、この接合面の周りには、空乏層領域1
4が形成される。以上の通り、従来のフォトダイオード
においては、分離用領域を除き、受光部全体に第二導電
型領域13が占めており、第二導電型領域13と第一導
電型領域8.9とのpn接合を利用して、フォトダイオ
ードが構成されている。
容量C9はこのpn接合面積に比例するとともに、受光
面積とも連動する構造となっている。
構造が既に考えられている。これは、第二導電型領域2
1をリング状に形成し、pn接合面積の減少により、C
Iを低減しようとするものである。
下にするには非常な困難を伴う。また、リング状の第二
導電型領域21を形成するには、第3図に示す従来構造
と同じく、マスク工程と不純物導入工程とを必要とする
。
C1の低減が必要であるが、従来のフォトダイオードに
おいて、接合容量CIの低減のため、接合面積を減少さ
せると、受光面積の減〉少、が生じ、結果的には、光電
流iの減少により、光セ、ンサ感度の向上が期待できな
いものとなってしまう。
合面積の減少に限界があり、また製造工程は、リング状
でない場合と比して、増える可能性があるが、減ること
は決してない。
あり、その課題は、受光面積に比して接合面積の割合を
非常に小さくしたフォトダイオード構造とすることによ
り、光電流iを減少することなく、接合容量C3を低減
させ、光センサ感度を高めたフォトダイオードを備えた
半導体装置及びその簡易な製造方法を提供することにあ
る。
イオードを備えた半導体装置において、本発明が講じた
手段は、第一導電型領域と第一導電型領域内で素子分離
用局所酸化膜の端部の傾斜下部に隣接して形成された第
二導電型領域とをpn接合とするものである。
層表面の素子分離用局所酸化膜形成予定領域を除く領域
をマスクし、該形成予定領域に第二導電型不純物をイオ
ン注入した後、熱処理により素子分離用局所酸化膜を形
成するものである。
、注入すべき不純物導入量は第一導電型層内の不純物濃
度の200倍以上で500倍以下の平均濃度とすること
が望ましい。
所酸化膜の端部の傾斜下部に隣接して形成された第二導
電型領域が、低濃度で、極めて微小であるため、第二導
電型領域と第一導電型領域とで構成されるpn接合の面
積が極小である。また、第一導電型領域内の素子分離用
局所酸化膜の端部の傾斜下部に隣接して第二導電型領域
が形成されているため、第二導電型領域の規模が小さい
が、第一導電型層が受光部を形成していることがら、受
光面積が減少することはない。したがって、受光面積に
比して接合面積の割合を小さくできるので、光電流を低
減することなく、接合容量を低減でき、光センサの感度
を向上したフォトダイオードが実現される。
いては、逆バイアス状態で、pn接合面の空乏層領域に
入射した光によって発生したキャリヤは、空乏層領域内
の高電界により、はぼ100%が光電流になるが、空乏
層領域以外において発生したキャリヤは、拡散による光
電流になる。したがって、上記のフォトダイオード構造
においては、従来のフォトダイオード構造と比較して、
4空乏層面積は減少するので、光電流変換効率は低下す
るが、キャリヤの拡散長は低濃度の第一導電型層領域(
不純物濃度がlXl01S/am”程度)においては通
常500μm以上あるので、光センサのサイズが100
11m程度であれば、十分拡散によって光電流は流れる
ため、光電流はそれ程低減しない。それ故、接合容量を
低減した効果により、本発明のフォトダイオードを備え
た半導体装置においては、光センサ感度を向上すること
ができる。
酸化膜に沿ってリング状に形成すると、低濃度第一導電
型層内で発生したキャリヤが他の領域に拡散し、リーク
することを防止する効果を有している。
部全体に第二導電型領域が形成され、またpn接合面は
第二導電型領域下部の第一導電型領域との界面に形成さ
れるため、十分に接合面積は小さくならず、また工程数
も減らすこともできないが、本発明のフォトダイオード
を備えた半導体装置の製造方法は、第一導電型層表面の
素子分離用局所酸化膜形成予定領域を除く領域をマスク
する工程と、該形成予定領域に第二導電型不純物をイオ
ン注入する工程と、熱処理により素子分離用局所酸化膜
を形成する工程とを有するので、本発明によれば、以下
の通り、接合容量を非常に低減した、しかも工程数を減
少させた高感度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。
電型不純物をイオン注入し、該領域に熱酸化により素子
分離用局所酸化膜を形成する。このとき、第二導電型不
純物は該局所酸化物中へ大量に拡散していき、該局所酸
化膜の直下は第一導電型領域となる。しかし、該局所酸
化膜は横方向に傾斜をもって張り出した端部を有する形
状に成長するため、膜厚の薄い端部では、第二導電型不
純物の拡散が抑えられる。したがって、該局所酸化膜の
形成が終了し、該局所酸化膜の直下が第一導電型領域に
成り終えた時点においても、該局所酸化膜の端部の傾斜
下部には、第二導電型不純物が残存し、低濃度の極めて
微小な第二導電領域を形成することができる。
な第二導電型領域を、第一導電型領域内の該局所酸化膜
の端部の傾斜下部に形成する−ことができる。
施するマスク工程、イオン注入工程、素子分離用局所酸
化膜の形成工程は、半導体装置の他の素子分1m領域を
形成する工程と同一工程として実施することができるた
め、別工程を追加する必要がなく、また微小化のための
特殊な技術を必要とすることのない製造方法である。
サアレイ構造を示す一実施例である。第2図は、本発明
のフォトダイオード構造の製造方法を示す工程切断図で
ある。
のフォトダイオードを用いた光センサアレイ構造の平面
図である。第1図(b)は同図(a)をAA’線に沿っ
て切った切断図、第1図(c)は同図(b)の低濃度第
二導電型領域11の近傍を拡大した図である。8は高濃
度第一導電型領域、9は低濃度第一導電型層、10は素
子分離用シリコン酸化膜、11は低濃度第二導電型領域
、12はフォトダイオードに逆バイアスを印加したとき
に生じる空乏層領域である。低濃度第一導電型層9はn
型シリコン基板である0分離島として形成される素子分
離用シリコン酸化膜予定領域にp型不純物をイオン注入
した後、熱酸化により、素子分離用シリコン酸化膜10
を形成する。第1図に示す実施例においては、素子分離
用シリコン酸化膜の端部の傾斜下部に、水平方向の幅が
065pm以下の極めて微小な低濃度第二導電型領域1
1が、素子分離用シリコン酸化膜lOに沿ってリング状
に形成されている。続いて、高濃度のn型不純物を拡散
し、高濃度第一導電型領域8を形成する。
1と低濃度第一導電型層9との接合面積に比例するので
、第3図の従来のフォトダイオードの第二導電型領域1
3と低濃度第一導電型N9及び高濃度第一導電型領域8
の接合面積と比較して減少した分、接合容量は低減する
。また、低濃度第一導電型層9内の素子分離用シリコン
酸化膜10の端部の傾斜下部に隣接して低濃度第二導電
型領域11が形成されるため、低濃度第二導電型領域1
1の規模を縮小しても、低濃度第一導電型層9が受光部
を形成しているため、受光面積が減少することはない。
導体装置の光センサ感度は向上する。
ン酸化l!10に沿ってリング状に形成されているので
、低濃度第一導電型層9内で発生したキャリヤが他の領
域に拡散し、リークすることを防止する効果を有してい
る。
コン基板、2は熱酸化膜、3はシリコン窒化膜、4はフ
ォトレジスト、5はイオン注入層、6は素子分離用シリ
コン酸化膜、7は低濃度p要領域、12はフォトダイオ
ードに逆バイアスを印加したときに生じる空乏層領域で
ある。第2図(a)に示すように、リン濃度2−X 1
0”/cm’のn型シリコン基板l上に、後工程の窒化
膜形成によるシリコン窒化膜3とn型シリコン基板1と
の応力緩和を目的にパッド酸化膜として、400人の熱
酸化膜2を、さらにその上にCVp技術を用いて100
0人のシリコン窒化膜3を形成する。
ン酸化膜形成予定領域のみシリコン窒化膜3を除去する
。このときフォトエツチングに用いたフォトレジスト4
は残しておく0次に第2図(b)に示すように、素子分
離のためのイオン注入を、例えばBFg”をl X 1
0I3/cm” 、 70keVの条件で行うと、前述
の熱酸化膜2を通してイオンが注入され、平均濃度が約
BxlO”/cm3のイオン注入層5が形成される。こ
のボロン濃度はn型シリコン基板1のリン濃度の400
倍となる。この状態で熱酸化を行い、第2図(C)およ
び同図(d)に示すように、厚さ8600人の素子分離
用シリコン酸化膜6を形成すると、素子分離用シリコン
酸化膜6の直下のシリコン基板1内では、先にイオン注
入されたボロンが素子分離用シリコン酸化膜6中へ大量
に拡散し、n型となるが、素子分離用シリコン酸化膜6
は横方向に張り出して成長するため、素子分離用シリコ
ン酸化膜6は傾斜をもった端部を有する形状となる。
ため、素子分離用シリコン酸化膜中へのボロンの拡散量
は抑えられ、素子分離用シリコン酸化膜6の形成工程が
終了した段階では、素子分離用シリコン酸化膜6の端部
の傾斜下部とn型シリコン基板1が接している領域には
、ボロンが残存し、結果的には素子分離用シリコン酸化
膜6の端部の傾斜下部に隣接して、微小な、低濃度p要
領域7が形成される。低濃度p要領域7の水平方向の幅
は0.5pm以下であるので、低濃度p要領域7とn型
シリコン基板1で形成されるpn接合面で生じる空乏層
領域12は微小なものとなる。
施するマスク工程、イオン注入工程、素子分離用局所酸
化膜の形成工程は、同一基板上に他の素子分離領域を形
成する工程と同一工程として実施することができる。特
に、第1図のリング構造の低濃度第二導電型領域1工の
ように、同一基板上の他の素子部と異なる濃度の導電型
領域を形成する場合においても、より高濃度のイオン注
入工程と素子分離用シリコン酸化膜形成工程より形成で
きることより、CMO3製造プロセスにおいて行われて
いるより高濃度のイオン注入工程と併用でき、別工程を
追加する必要がない、さらに、低濃度p要領域7の水平
方向の幅は0.5pm以下と非常に小さく、この幅をフ
ォトリソグラフィ工程で形成するには、高度な技術を必
要としており、現在のところ、工業的、実用的には困難
である。
導電型領域内で素子分離用局所酸化膜の端部の傾斜下部
に隣接して形成された第二導電型領域とがpn接合を構
成していることに特徴を有しているので、以下の効果を
有する。
斜下部に隣接して形成された低濃度の第二導電型領域と
、第一導電型領域とで構成されるpn接合面積が、極め
て微小であり、また、第一導電型領域がそのまま受光部
となっていることから、受光面積は減少しないので、光
電流を低減することなく、接合容量のみを低減すること
ができる。したがって、フォトダイオードを備えた半導
体装置の光センサ感度が向上する。
領域が形成され、受光部の第一導電型領域を囲っている
ので、入射した光により第一導電型領域内で発生したキ
ャリヤは、他の領域に拡散してリークするのを防止する
ことができる。
した第二導電型不純物が、局所酸化膜の形成工程中に拡
散し、その拡散の第二導電型不純物の残存により、微小
な第二導電型領域を形成するので、微小化のための高度
な技術を必要とせずに、感度の高いフォトダイオードを
備えた半導体装置を製造できる。
の形成工程が用いられるが、それらは同一基板上の他の
素子分離領域を製造する工程と同時並列的に遂行させる
ことができる。特に、低濃度の第二導電型領域のように
、同一基板上の他の素子部と異なる濃度の導電型領域を
形成する場合においても、より高濃度のイオン注入工程
と素子分離用シリコン酸化膜形成工程より形成できるの
で、CMO3製造プロセスにおいて行われているより高
濃度のイオン注入工程と併用でき、別工程を追加する必
要がない。
実施例を示す平面図、第1図(b)は同図(a)におい
て、AA’線に沿って切った切断図、第1図(c)は同
図(b)の低濃度第二導電型領域11近傍を拡大した図
である。 第2図(a)〜(d)は本発明のフォトダイオード構造
の製造方法を示す工程切断図である。 第3図(a)は従来のフォトダイオード構造を示す平面
図、第3図(b)は同図(a)において、AA’線に沿
って切った切断図、第3図(C)′は同図(、b)の第
二導電型領域13近傍を拡大した図である。 第4図(a)は電荷蓄積型光センサの光量検出回路の一
例を示す回路図、第4図(b)は同回路のタイミングチ
ャートである。 第5図(a)は電荷蓄積型光センサの光量検出回路の別
の例を示す回路図、第5図′(b)は同回路のタイミン
グチャートである。 第6図(a)は別の従来のフォトダイオード構造を示す
平面図、第6図(b)は同図(a)においてAA’線に
沿って切った切断図、第6図(C)は同図(b)の第二
導電型領域21近傍を拡大した図である。 〔符号の説明〕 1・・・n型シリコン基板 2・・・熱酸化膜 3・・・シリコン窒化膜 4・・・フォトレジスト 5・・・イオン注入層 6.10・・・素子分離用シリコン酸化膜7・・・低濃
度p型頭域 8・・・高濃度第一導電型領域 9・・・低濃度第一導電型層 11・・・低濃度第二導電型領域 12.14・・・空乏層領域 13.21・・・第二導電型領域 15・・・フォトダイオード 16・・・トランジスタ 17・・・負荷抵抗 18・・・フォトダイオードの接合容量19・・・回路
の寄生容量 20・・・コンパレータ。
Claims (4)
- (1)第一導電型領域と第一導電型領域内で素子分離用
局所酸化膜の端部の傾斜下部に隣接して形成された第二
導電型領域とがpn接合を形成していることを特徴とす
るフォトダイオードを備えた半導体装置。 - (2)請求項第1項において、前記第二導電型領域が前
記素子分離用局所酸化膜に沿ってリング状に形成されて
いることを特徴とするフォトダイオードを備えた半導体
装置。 - (3)第一導電型層表面の素子分離用局所酸化膜形成予
定領域を除く領域をマスクする工程と、該形成予定領域
に第二導電型不純物をイオン注入する工程と、熱処理に
より素子分離用局所酸化膜を形成する工程とを有するこ
とを特徴とするフォトダイオードを備えた半導体装置の
製造方法。 - (4)請求項第3項記載において、前記第一導電型層が
n型で、イオン注入すべき不純物がp型でその導入量を
、前記第一導電型層内の不純物濃度の200倍以上で5
00倍以下の平均濃度とすることを特徴とするフォトダ
イオードを備えた半導体装置の製造方法。
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JP2253164A Expired - Fee Related JP2792219B2 (ja) | 1990-05-31 | 1990-09-20 | フォトダイオードを備えた半導体装置及びその製造方法 |
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JP (1) | JP2792219B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN117334775A (zh) * | 2023-10-09 | 2024-01-02 | 江苏致芯微电子技术有限公司 | 一种光纤接收电路的高传输速率的光电二极管及工艺方法 |
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1990
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CN117334775A (zh) * | 2023-10-09 | 2024-01-02 | 江苏致芯微电子技术有限公司 | 一种光纤接收电路的高传输速率的光电二极管及工艺方法 |
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JP2792219B2 (ja) | 1998-09-03 |
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