JPH0715028A - フォトダイオード構造体 - Google Patents
フォトダイオード構造体Info
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- JPH0715028A JPH0715028A JP6129543A JP12954394A JPH0715028A JP H0715028 A JPH0715028 A JP H0715028A JP 6129543 A JP6129543 A JP 6129543A JP 12954394 A JP12954394 A JP 12954394A JP H0715028 A JPH0715028 A JP H0715028A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
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-
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- H01L31/0216—Coatings
- H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
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Abstract
(57)【要約】
【目的】真空紫外から赤外までの広いスペクトル範囲に
わたり量子効率が高いフォトダイオード構造体を提供す
る。 【構成】フォトダイオード構造体は、半導体酸化物の最
上層９’、ｎ型導電性の非常にドープされた半導体層１
０’、ｐ型導電性のエピタキシャル層１１’、およびｐ
型導電性の非常にドープされた基層１２’から構成され
ている。酸化物層９’は酸化物層の下の非常にドープさ
れた層と同じ型のドーピング不純物を含有している。ｎ
型半導体層１０’のドーピング濃度は、エピタキシャル
層１１’との接合部に向けて増加する。このドーピング
濃度の増加によって、電界勾配が生じ、電荷キャリアを
その接合部へ導く。この電界勾配の発生と表面電荷の生
成は、量子効率の改善に寄与する。
わたり量子効率が高いフォトダイオード構造体を提供す
る。 【構成】フォトダイオード構造体は、半導体酸化物の最
上層９’、ｎ型導電性の非常にドープされた半導体層１
０’、ｐ型導電性のエピタキシャル層１１’、およびｐ
型導電性の非常にドープされた基層１２’から構成され
ている。酸化物層９’は酸化物層の下の非常にドープさ
れた層と同じ型のドーピング不純物を含有している。ｎ
型半導体層１０’のドーピング濃度は、エピタキシャル
層１１’との接合部に向けて増加する。このドーピング
濃度の増加によって、電界勾配が生じ、電荷キャリアを
その接合部へ導く。この電界勾配の発生と表面電荷の生
成は、量子効率の改善に寄与する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、放射線を検出するフォ
トダイオード構造体およびそのような構造体を製造する
方法に関する。このようなフォトダイオード構造体は、
たとえば、センサおよび検出器に使用されている。幾つ
かのフォトダイオード構造体を半導体チップ上に一直線
に並べてフォトダイオードアレイを形成することができ
る。フォトダイオードアレイは代表的には分光光度計に
使用されている。
トダイオード構造体およびそのような構造体を製造する
方法に関する。このようなフォトダイオード構造体は、
たとえば、センサおよび検出器に使用されている。幾つ
かのフォトダイオード構造体を半導体チップ上に一直線
に並べてフォトダイオードアレイを形成することができ
る。フォトダイオードアレイは代表的には分光光度計に
使用されている。
【０００２】
【従来の技術】上述の形式のフォトダイオード構造体は
ＵＳ−Ａ−4,107,722から知られている。この既知のフ
ォトダイオード構造体は、ｐ型導電性のシリコン基板、
基板上に設けられているｎ型導電性の、ドーピング濃度
が比較的低い第１の層、第１の層の上に設けられたｎ型
導電性の、ドーピング濃度が第１の層より高い第２の
層、および第２の層の上に設けられた酸化シリコンの層
から構成されている。このフォトダイオード構造体は像
検出器に使用され、青色光応答性が高いことを特徴とし
ている。
ＵＳ−Ａ−4,107,722から知られている。この既知のフ
ォトダイオード構造体は、ｐ型導電性のシリコン基板、
基板上に設けられているｎ型導電性の、ドーピング濃度
が比較的低い第１の層、第１の層の上に設けられたｎ型
導電性の、ドーピング濃度が第１の層より高い第２の
層、および第２の層の上に設けられた酸化シリコンの層
から構成されている。このフォトダイオード構造体は像
検出器に使用され、青色光応答性が高いことを特徴とし
ている。
【０００３】伝統的なフォトダイオード構造体は、続い
て図１を参照して説明する幾つかの欠点を示す傾向があ
る。図１はシリコンダイオードを用いる光導電検出の一
般的原理を示す。フォトダイオードは絶縁層８、第１導
電型の第１の半導体層３、および第２導電型の第２の半
導体層４から構成されている。光子５はシリコンに吸収
されて電荷対６を発生する。不純物がドープされている
装置では、モデルに対して所定層内の少数キャリアだけ
を考えればよい。発生された電荷は、少数キャリアはダ
イオードＡの接合部に到達しそれを横断して拡散し（コ
ネクタ１ａおよび１ｂを経由して）検出される。競合プ
ロセスは、欠陥中心７での少数キャリアの混合である。
このプロセスは量子効率を下げる。欠陥中心の濃度は表
面で非常に高く、通常はドーピングおよびドーパントの
格子整合不良が高くなると共に増大する。
て図１を参照して説明する幾つかの欠点を示す傾向があ
る。図１はシリコンダイオードを用いる光導電検出の一
般的原理を示す。フォトダイオードは絶縁層８、第１導
電型の第１の半導体層３、および第２導電型の第２の半
導体層４から構成されている。光子５はシリコンに吸収
されて電荷対６を発生する。不純物がドープされている
装置では、モデルに対して所定層内の少数キャリアだけ
を考えればよい。発生された電荷は、少数キャリアはダ
イオードＡの接合部に到達しそれを横断して拡散し（コ
ネクタ１ａおよび１ｂを経由して）検出される。競合プ
ロセスは、欠陥中心７での少数キャリアの混合である。
このプロセスは量子効率を下げる。欠陥中心の濃度は表
面で非常に高く、通常はドーピングおよびドーパントの
格子整合不良が高くなると共に増大する。
【０００４】吸収は赤外スペクトル領域では非常に低
い。少数キャリアはシリコンの中の深くで発生する。接
合部までの拡散長は長く、活性欠陥中心により寿命が限
られているため量子効率が下る。フォトダイオードアレ
イでは、寿命および拡散長が長いと隣接ダイオード間で
クロストークが生ずる。
い。少数キャリアはシリコンの中の深くで発生する。接
合部までの拡散長は長く、活性欠陥中心により寿命が限
られているため量子効率が下る。フォトダイオードアレ
イでは、寿命および拡散長が長いと隣接ダイオード間で
クロストークが生ずる。
【０００５】赤外スペクトル領域と対照的に、紫外（Ｕ
Ｖ）領域での吸収は非常に高い。少数キャリアは装置の
表面の非常に近くで発生する。高い光子エネルギはシリ
コンの表面または近くで欠陥およびトラップを発生す
る。量子効率は長い走行で減少する。この問題は光劣化
として知られている。光に突然さらすと、発生したトラ
ップは電荷でゆっくり満たされる。したがって、表面近
くの電界は露光に伴って変化する。これによって量子効
率が変化する。その結果検出器信号がドリフトする。こ
れを「過渡状態」とも言う。
Ｖ）領域での吸収は非常に高い。少数キャリアは装置の
表面の非常に近くで発生する。高い光子エネルギはシリ
コンの表面または近くで欠陥およびトラップを発生す
る。量子効率は長い走行で減少する。この問題は光劣化
として知られている。光に突然さらすと、発生したトラ
ップは電荷でゆっくり満たされる。したがって、表面近
くの電界は露光に伴って変化する。これによって量子効
率が変化する。その結果検出器信号がドリフトする。こ
れを「過渡状態」とも言う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって真空紫外か
ら赤外までの広いスペクトル範囲にわたり量子効率が高
いフォトダイオード構造体を提供するのが本発明の目的
である。
ら赤外までの広いスペクトル範囲にわたり量子効率が高
いフォトダイオード構造体を提供するのが本発明の目的
である。
【０００７】その量子効率が時間を通じて変化しない、
特に劣化しない、フォトダイオード構造体を提供するの
が本発明の他の目的である。
特に劣化しない、フォトダイオード構造体を提供するの
が本発明の他の目的である。
【０００８】本発明の更に他の目的は大きな信号変化に
対する応答にドリフトが重ならないフォトダイオード構
造体を提供することである。
対する応答にドリフトが重ならないフォトダイオード構
造体を提供することである。
【０００９】本発明の別の目的は、特殊な処理工程を付
加する必要なく集積回路製造プロセスと両立し得る、上
述の欠点を回避したフォトダイオード構造体を製造する
方法を提供することである。
加する必要なく集積回路製造プロセスと両立し得る、上
述の欠点を回避したフォトダイオード構造体を製造する
方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、これら
の目的は請求項１に規定するフォトダイオード構造体に
より、および請求項１０に規定する製造方法により達成
される。請求項１によれば、フォトダイオード構造体
は、半導体酸化物の最上層、ｎ型導電性の非常にドープ
された半導体層、ｐ型導電性の半導体層、およびｐ型導
電性の非常にドープされた基層から構成されている。酸
化物層は酸化物層の下の非常にドープされた層と同じド
ーピング型のドーピング不純物を含有している。そのよ
うにして、続く拡散工程中に高濃度勾配が生成され維持
される。酸化物層の下の層でドーピング濃度が減少して
いるため、少数キャリアをそれらが集められる接合部ま
で導く電界勾配が生ずる。ドープされた酸化物は高い正
の境界面電荷を蓄積する傾向がある。二つの手段、すな
わち、表面電荷の創生、および電界勾配、は共に少数キ
ャリアを確実に効率良く集める作用をし、したがって量
子効率が向上することになる。
の目的は請求項１に規定するフォトダイオード構造体に
より、および請求項１０に規定する製造方法により達成
される。請求項１によれば、フォトダイオード構造体
は、半導体酸化物の最上層、ｎ型導電性の非常にドープ
された半導体層、ｐ型導電性の半導体層、およびｐ型導
電性の非常にドープされた基層から構成されている。酸
化物層は酸化物層の下の非常にドープされた層と同じド
ーピング型のドーピング不純物を含有している。そのよ
うにして、続く拡散工程中に高濃度勾配が生成され維持
される。酸化物層の下の層でドーピング濃度が減少して
いるため、少数キャリアをそれらが集められる接合部ま
で導く電界勾配が生ずる。ドープされた酸化物は高い正
の境界面電荷を蓄積する傾向がある。二つの手段、すな
わち、表面電荷の創生、および電界勾配、は共に少数キ
ャリアを確実に効率良く集める作用をし、したがって量
子効率が向上することになる。
【００１１】好適には、半導体材料のドーピング濃度は
従来技術のフォトダイオードより高く選定される。ドー
ピング濃度が高いと吸収係数が増大する。吸収係数が増
大することにより、一層多数の電荷対が発生され、それ
を検出することができ、それにより量子効率が更に増大
する。本発明と対照的に、従来技術では、関連する欠陥
濃度のため高ドーピング濃度を使用することは好ましく
ないと考えられていた。本発明によれば、欠陥中心の発
生というマイナスの効果を電界案内拡散、接合部までの
距離を短くすること、および吸収を高くすることにより
相殺することができる。
従来技術のフォトダイオードより高く選定される。ドー
ピング濃度が高いと吸収係数が増大する。吸収係数が増
大することにより、一層多数の電荷対が発生され、それ
を検出することができ、それにより量子効率が更に増大
する。本発明と対照的に、従来技術では、関連する欠陥
濃度のため高ドーピング濃度を使用することは好ましく
ないと考えられていた。本発明によれば、欠陥中心の発
生というマイナスの効果を電界案内拡散、接合部までの
距離を短くすること、および吸収を高くすることにより
相殺することができる。
【００１２】本発明と対照的に、従来技術では表面酸化
物は不純物濃度が低く且つ表面電荷が低くて非常にきれ
いであるということに注意されていた。しかし、キャリ
アを反撥する非常に高い電荷の場合には、量子効率は表
面欠陥密度およびトラップ濃度のはるかに小さい関数で
ある。きれいな酸化物はドーパントをシリコンから引出
すことができ、表面に近い濃度勾配を逆転する。ドープ
された酸化物をシリコン上に成長させることにより、シ
リコンの表面における濃度を高めることができる。これ
は紫外範囲において特に有用である。３６０から９０ｎ
ｍまでの範囲では、吸収係数は１＊１０８ cm-1より高
い。シリコン表面での高揚はそれ故この範囲で最も効果
的である。
物は不純物濃度が低く且つ表面電荷が低くて非常にきれ
いであるということに注意されていた。しかし、キャリ
アを反撥する非常に高い電荷の場合には、量子効率は表
面欠陥密度およびトラップ濃度のはるかに小さい関数で
ある。きれいな酸化物はドーパントをシリコンから引出
すことができ、表面に近い濃度勾配を逆転する。ドープ
された酸化物をシリコン上に成長させることにより、シ
リコンの表面における濃度を高めることができる。これ
は紫外範囲において特に有用である。３６０から９０ｎ
ｍまでの範囲では、吸収係数は１＊１０８ cm-1より高
い。シリコン表面での高揚はそれ故この範囲で最も効果
的である。
【００１３】要約すれば、本発明によるフォトダイオー
ド構造体は、フォトダイオードの寿命にわたりおよび１
＊１０８ｎｍから真空紫外までの広いスペクトル範囲に
わたり、高い且つ一定のレベルにある量子効率を確保す
る。
ド構造体は、フォトダイオードの寿命にわたりおよび１
＊１０８ｎｍから真空紫外までの広いスペクトル範囲に
わたり、高い且つ一定のレベルにある量子効率を確保す
る。
【００１４】本発明は、本発明の上述の長所を有するフ
ォトダイオードを製造するための、現在の集積回路製造
方法と両立し得る簡単で廉価なプロセスをも提供する。
ドーピングは酸化物層を通してイオン注入により行わ
れ、その後チップを、たとえば、炉内で、加熱しそれに
よりドーパントの濃度が正しく表面で増大する。
ォトダイオードを製造するための、現在の集積回路製造
方法と両立し得る簡単で廉価なプロセスをも提供する。
ドーピングは酸化物層を通してイオン注入により行わ
れ、その後チップを、たとえば、炉内で、加熱しそれに
よりドーパントの濃度が正しく表面で増大する。
【００１５】本発明はフォトダイオードアレイに好適に
使用される。アレイを構成する個々のフォトダイオード
は一つの製造プロセスで共に製造される。好適実施例に
よれば、個々のフォトダイオードの縁は、それぞれ、Ｕ
Ｖ劣化および漏洩電流を防止するＵＶ不透明シールドで
覆われている。ＵＶ透明シールドは、既知の集積回路処
理工程を使用することにより、アレイ全体を作る同じ製
造プロセスで作ることができる。本発明のフォトダイオ
ードアレイは１１００ｎｍから真空紫外までの全スペク
トル範囲で高量子効率を与える。このようなフォトダイ
オードアレイは、分光光度計で、たとえば非常に低い検
出限界が必要な分析化学で、検出感度を向上している。
本発明のフォトダイオードアレイは、液体クロマトグラ
フィのまたは毛細管電気泳動の検出器に有利に使用する
ことができる。
使用される。アレイを構成する個々のフォトダイオード
は一つの製造プロセスで共に製造される。好適実施例に
よれば、個々のフォトダイオードの縁は、それぞれ、Ｕ
Ｖ劣化および漏洩電流を防止するＵＶ不透明シールドで
覆われている。ＵＶ透明シールドは、既知の集積回路処
理工程を使用することにより、アレイ全体を作る同じ製
造プロセスで作ることができる。本発明のフォトダイオ
ードアレイは１１００ｎｍから真空紫外までの全スペク
トル範囲で高量子効率を与える。このようなフォトダイ
オードアレイは、分光光度計で、たとえば非常に低い検
出限界が必要な分析化学で、検出感度を向上している。
本発明のフォトダイオードアレイは、液体クロマトグラ
フィのまたは毛細管電気泳動の検出器に有利に使用する
ことができる。
【００１６】フォトダイオードアレイに特に有用な本発
明の一実施例では、半導体基層上に設けられたドープ層
のドーピング濃度はこの基層に向って増大している。そ
の結果、電荷キャリアを反撥する。したがって電荷キャ
リアが一つのフォトダイオードから隣接するものへ移動
するのを防止する、すなわち、クロストークを減らす電
界勾配が発生する。
明の一実施例では、半導体基層上に設けられたドープ層
のドーピング濃度はこの基層に向って増大している。そ
の結果、電荷キャリアを反撥する。したがって電荷キャ
リアが一つのフォトダイオードから隣接するものへ移動
するのを防止する、すなわち、クロストークを減らす電
界勾配が発生する。
【００１７】
【実施例】図２は本発明の好適実施例によるフォトダイ
オード構造体の断面図を概略図示している。この構造体
は実質上四つの層、すなわちｐ型シリコン基板１２、ｐ
型層１１、ｎ型層１０、および酸化物層９、から構成さ
れている。酸化物層９はシリコンの近くに、すなわち層
１０の近くに、高いドーパント濃度を備えている。酸化
物層９の厚さは５００ｎｍの範囲にある。少くともシリ
コン面１０に近い酸化物部分は熱酸化により成長してい
る。熱的に成長した酸化物の厚さは約１０乃至２０ｎｍ
である。
オード構造体の断面図を概略図示している。この構造体
は実質上四つの層、すなわちｐ型シリコン基板１２、ｐ
型層１１、ｎ型層１０、および酸化物層９、から構成さ
れている。酸化物層９はシリコンの近くに、すなわち層
１０の近くに、高いドーパント濃度を備えている。酸化
物層９の厚さは５００ｎｍの範囲にある。少くともシリ
コン面１０に近い酸化物部分は熱酸化により成長してい
る。熱的に成長した酸化物の厚さは約１０乃至２０ｎｍ
である。
【００１８】シリコンにはイオン注入により燐がドープ
されている。シリコンは厚さ７５ｎｍの最初の酸化物を
通してドープされている。注入エネルギは得られるドー
パント濃度の最大を酸化物／シリコン境界面に置くよう
に選定される。酸化物の厚さが７５ｎｍの場合、燐に対
する注入エネルギは７５ｋｅＶである。酸化物は注入エ
ネルギを通常の集積回路製作プロセスに適合させ、なお
且つシリコン面近くで最高濃度を維持する。注入エネル
ギが更に高い場合には、ドーパント分布の最大が更に広
くなり、ドーパントの最大をシリコン面に置くのが一層
容易になる。
されている。シリコンは厚さ７５ｎｍの最初の酸化物を
通してドープされている。注入エネルギは得られるドー
パント濃度の最大を酸化物／シリコン境界面に置くよう
に選定される。酸化物の厚さが７５ｎｍの場合、燐に対
する注入エネルギは７５ｋｅＶである。酸化物は注入エ
ネルギを通常の集積回路製作プロセスに適合させ、なお
且つシリコン面近くで最高濃度を維持する。注入エネル
ギが更に高い場合には、ドーパント分布の最大が更に広
くなり、ドーパントの最大をシリコン面に置くのが一層
容易になる。
【００１９】図３は図２に示すフォトダイオード構造体
のドーピング濃度の図解である。注入後の熱酸化により
ドーパントの濃度が表面１４で正しく増大する。これに
よりドーピングの深さおよび酸化物の厚さのプロセス許
容差が補償される。熱酸化は半導体チップ全体を炉の中
に指定時間置くことにより好適に行われる。得られるシ
リコン内のピーク濃度は約１＊１０20 cm-3である。酸
化物内の濃度は１０倍低い。このため炉内の酸化をシリ
コン内のドーパント拡散に対して同等の速さのものにす
る必要がある。高速酸化では、平衡に到達せず、長い最
終拡散でシリコン表面での堆積が消失する。最終装置で
の典型的な接合部の深さは４５０ｎｍである。
のドーピング濃度の図解である。注入後の熱酸化により
ドーパントの濃度が表面１４で正しく増大する。これに
よりドーピングの深さおよび酸化物の厚さのプロセス許
容差が補償される。熱酸化は半導体チップ全体を炉の中
に指定時間置くことにより好適に行われる。得られるシ
リコン内のピーク濃度は約１＊１０20 cm-3である。酸
化物内の濃度は１０倍低い。このため炉内の酸化をシリ
コン内のドーパント拡散に対して同等の速さのものにす
る必要がある。高速酸化では、平衡に到達せず、長い最
終拡散でシリコン表面での堆積が消失する。最終装置で
の典型的な接合部の深さは４５０ｎｍである。
【００２０】層１０の不純物濃度のプロフィルは、Ｎを
不純物濃度（またはドーピング濃度）とし、Ｘをフォト
ダイオードの表面からの距離を表わす座標として、１／
Ｎ＊（ｄＮ／ｄＸ）に比例する電界を発生する。不純物
のプロフィルは接合部に向って単調に減少するので電界
は少数キャリアを接合部に導くことになる。濃度勾配の
高いことおよび接合部までの距離が短いことは電荷キャ
リアを確実に効率よく集めるのに好ましい。
不純物濃度（またはドーピング濃度）とし、Ｘをフォト
ダイオードの表面からの距離を表わす座標として、１／
Ｎ＊（ｄＮ／ｄＸ）に比例する電界を発生する。不純物
のプロフィルは接合部に向って単調に減少するので電界
は少数キャリアを接合部に導くことになる。濃度勾配の
高いことおよび接合部までの距離が短いことは電荷キャ
リアを確実に効率よく集めるのに好ましい。
【００２１】ｐ層１１が接合部の下にある。これは非常
にｐ＋ドープされたシリコンの上に成長した数マイクロ
メートルの厚さのエピタキシャル層である。硼素の基礎
不純物濃度は約１＊１０１５ cm-3である。約１＊１０
１９ cm-3の濃度の硼素で非常にドープされた層１２は
長波長の光子に対して更に高い吸収係数を持っている。
付加濃度勾配は少数キャリアを逆に接合部の方に導く。
フォトダイオードアレイでは、ｐ＋境界面の電位障壁が
隣接ダイオード間のクロストークを減少させる。
にｐ＋ドープされたシリコンの上に成長した数マイクロ
メートルの厚さのエピタキシャル層である。硼素の基礎
不純物濃度は約１＊１０１５ cm-3である。約１＊１０
１９ cm-3の濃度の硼素で非常にドープされた層１２は
長波長の光子に対して更に高い吸収係数を持っている。
付加濃度勾配は少数キャリアを逆に接合部の方に導く。
フォトダイオードアレイでは、ｐ＋境界面の電位障壁が
隣接ダイオード間のクロストークを減少させる。
【００２２】図４は本発明の更に他の実施例を示すもの
であって、本発明のフォトダイオード構造体がフォトダ
イオードアレイを成して配列されている。図４はフォト
ダイオードアレイの二つの感光域を貫く断面であって、
このフォトダイオードアレイはこのような感光域を数十
または数百さえも備えている。フォトダイオードアレイ
は基層１２′を備えており、この層は図２に示す層１
２、すなわち、ｐ＋シリコン基板、と実質上同じであ
る。層１２′の上には図２の層１１に対応するエピタキ
シャル層１１′がある。層１１′のドーピングプロフィ
ルは図３に示すプロフィルに対応する。領域１０′およ
び２０は個別感光域を構成している。これら領域のドー
ピングプロフィルは図３に示すプロフィル１４に対応す
る。領域１０′および２０の上にはそれぞれ酸化物層
９′および２１があり、これは図２の酸化物層９に対応
する。層９′および２１のドーピング濃度プロフィルは
図３に参照数字１３で示したものに対応する。
であって、本発明のフォトダイオード構造体がフォトダ
イオードアレイを成して配列されている。図４はフォト
ダイオードアレイの二つの感光域を貫く断面であって、
このフォトダイオードアレイはこのような感光域を数十
または数百さえも備えている。フォトダイオードアレイ
は基層１２′を備えており、この層は図２に示す層１
２、すなわち、ｐ＋シリコン基板、と実質上同じであ
る。層１２′の上には図２の層１１に対応するエピタキ
シャル層１１′がある。層１１′のドーピングプロフィ
ルは図３に示すプロフィルに対応する。領域１０′およ
び２０は個別感光域を構成している。これら領域のドー
ピングプロフィルは図３に示すプロフィル１４に対応す
る。領域１０′および２０の上にはそれぞれ酸化物層
９′および２１があり、これは図２の酸化物層９に対応
する。層９′および２１のドーピング濃度プロフィルは
図３に参照数字１３で示したものに対応する。
【００２３】図４に示すフォトダイオードアレイは感光
域間を分離するフィールド酸化物の領域１８ａ、１８
ｂ、１８ｃをも備えている。フォトダイオードアレイは
感光域１０′および２０の縁を覆う金属層１７ａ、１７
ｂ、１７ｃを備えている。これら金属層の主要目的は感
光域の縁を不必要な漏洩電流を生ずるＵＶ放射線から遮
蔽することである。金属層１７ａ−１７ｃの代りとし
て、領域１０′および２０の縁をＵＶ放射線から遮蔽す
るのにポリシリコンの層を使用することもできる。二つ
の代案において、遮蔽層を現在の技術水準のＩＣ生産プ
ロセスにより適用することができる。
域間を分離するフィールド酸化物の領域１８ａ、１８
ｂ、１８ｃをも備えている。フォトダイオードアレイは
感光域１０′および２０の縁を覆う金属層１７ａ、１７
ｂ、１７ｃを備えている。これら金属層の主要目的は感
光域の縁を不必要な漏洩電流を生ずるＵＶ放射線から遮
蔽することである。金属層１７ａ−１７ｃの代りとし
て、領域１０′および２０の縁をＵＶ放射線から遮蔽す
るのにポリシリコンの層を使用することもできる。二つ
の代案において、遮蔽層を現在の技術水準のＩＣ生産プ
ロセスにより適用することができる。
【００２４】本発明によるフォトダイオードアレイ製造
プロセスは現在の技術水準ＩＣ生産に適合することがで
きる。このようなフォトダイオードアレイでは、感光域
および回路技術はチップに組合わせられ、適切なＩＣ処
理工程により製造される。フォトダイオードアレイは典
型的には、回析格子のような波長分散要素により空間的
に分離された光を検出する分光光度計に使用されてい
る。異なるダイオードが異なる波長にさらされる。した
がって、アレイの各ダイオードは、該当するスペクトル
範囲全体で高い安定な量子効率を備えるべきである。性
能をその範囲の丁度一部に対して最適化することはでき
ない。上述のように、ｐ−ｐ＋構造の反撥特性はダイオ
ード間のクロストークを減らすのに役立つ。参照数字１
５は電荷キャリアに対する可能な拡散経路を示してい
る。わかるとおり、電荷キャリアは層１１と１２との間
の境界に到達できる前に反射される。破線で示した仮想
経路１６は電界勾配による上述の反撥のため不可能であ
る。このような経路は不可能であるから、隣接ダイオー
ド間のクロストークは実質上減少する。
プロセスは現在の技術水準ＩＣ生産に適合することがで
きる。このようなフォトダイオードアレイでは、感光域
および回路技術はチップに組合わせられ、適切なＩＣ処
理工程により製造される。フォトダイオードアレイは典
型的には、回析格子のような波長分散要素により空間的
に分離された光を検出する分光光度計に使用されてい
る。異なるダイオードが異なる波長にさらされる。した
がって、アレイの各ダイオードは、該当するスペクトル
範囲全体で高い安定な量子効率を備えるべきである。性
能をその範囲の丁度一部に対して最適化することはでき
ない。上述のように、ｐ−ｐ＋構造の反撥特性はダイオ
ード間のクロストークを減らすのに役立つ。参照数字１
５は電荷キャリアに対する可能な拡散経路を示してい
る。わかるとおり、電荷キャリアは層１１と１２との間
の境界に到達できる前に反射される。破線で示した仮想
経路１６は電界勾配による上述の反撥のため不可能であ
る。このような経路は不可能であるから、隣接ダイオー
ド間のクロストークは実質上減少する。
【００２５】フォトダイオードアレイでは、一つの接点
（図２に示す接点１cのような）が接地されている。他
の接点（図２に示す接点１ｄのような）はＦＥＴスイッ
チを経て読出し線に、そして結局は別の蓄積コンデンサ
に接続されている。読出し中、基準電圧がダイオードに
加えられる。蓄積期間中、接続ＦＥＴスイッチのソース
／ドレインの電圧は基準電圧と０Ｖとの間で変る。これ
はＦＥＴのしきい電圧をも変える。この望ましくない効
果は上述のものと同様の不純物プロフィルによって減ら
される。ＵＳ−Ａ−4,107,722に記されているプロフィ
ルのような従来技術のプロフィルには空乏領域が大きい
ことによりはるかに大きい逆バイアス効果がある。
（図２に示す接点１cのような）が接地されている。他
の接点（図２に示す接点１ｄのような）はＦＥＴスイッ
チを経て読出し線に、そして結局は別の蓄積コンデンサ
に接続されている。読出し中、基準電圧がダイオードに
加えられる。蓄積期間中、接続ＦＥＴスイッチのソース
／ドレインの電圧は基準電圧と０Ｖとの間で変る。これ
はＦＥＴのしきい電圧をも変える。この望ましくない効
果は上述のものと同様の不純物プロフィルによって減ら
される。ＵＳ−Ａ−4,107,722に記されているプロフィ
ルのような従来技術のプロフィルには空乏領域が大きい
ことによりはるかに大きい逆バイアス効果がある。
【００２６】上に述べた本発明の特定の実施例に対して
幾つかの代案が可能であることが理解される。たとえ
ば、上述のプロセス工程の或るものを変えることができ
る。現存の処理方法に適合させるという理由で望ましけ
れば、イオン注入中に存在する酸化物を除去し、熱酸化
工程で再成長させることができる。しかし、表面で不純
物濃度を上げるにはシリコン上の酸化物をアニールする
かまたは再成長させる必要がある。
幾つかの代案が可能であることが理解される。たとえ
ば、上述のプロセス工程の或るものを変えることができ
る。現存の処理方法に適合させるという理由で望ましけ
れば、イオン注入中に存在する酸化物を除去し、熱酸化
工程で再成長させることができる。しかし、表面で不純
物濃度を上げるにはシリコン上の酸化物をアニールする
かまたは再成長させる必要がある。
【００２７】不純物原子、燐、砒素、およびアンチモ
ン、をドーピングに使用することができる。これら三つ
はすべてシリコン対酸化物の恩惠による偏析係数を備え
ているからである。しかし同じ不純物プロフィルを得る
には注入エネルギおよび酸化物の厚さをドーパントにつ
いて別々に選択しなければならない。
ン、をドーピングに使用することができる。これら三つ
はすべてシリコン対酸化物の恩惠による偏析係数を備え
ているからである。しかし同じ不純物プロフィルを得る
には注入エネルギおよび酸化物の厚さをドーパントにつ
いて別々に選択しなければならない。
【００２８】更に高い逆バイアスで動作している間は、
光レベルの低いところで漏洩がかなりな雑音源になる。
これは拡散を大きくすることにより、またはエネルギを
大きくし且つドーズを低くして第２または第３の注入を
行うことにより回避することができる。接合部が拡大
し、電界強度が小さくなる。しかし、接合部は、電荷対
の発生がすべての波長に対して最も高く且つ拡散長が短
い表面に近接させておくべきである。
光レベルの低いところで漏洩がかなりな雑音源になる。
これは拡散を大きくすることにより、またはエネルギを
大きくし且つドーズを低くして第２または第３の注入を
行うことにより回避することができる。接合部が拡大
し、電界強度が小さくなる。しかし、接合部は、電荷対
の発生がすべての波長に対して最も高く且つ拡散長が短
い表面に近接させておくべきである。
【００２９】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様毎に列挙する。 (1) 放射線を検出するフォトダイオード構造体であっ
て、ドーピング濃度が比較的高いｐ型導電性の半導体基
層と、ｐ型導電性を有し且つ前記半導体基層のものより
全般的に小さいドーピング濃度を有する材料の前記半導
体基層上に設けられた第１の層と、ｎ型導電性を有する
材料から成り、そのドーピング濃度が第１の層との接合
部に向って減少している前記第１の層の上に設けられた
第２の層と、第２の層と同じ型の導電性ドーピング不純
物を含有している前記第２の層の上に設けられた酸化物
層と、からなることを特徴とするフォトダイオード構造
体。
が、以下、本発明の各実施態様毎に列挙する。 (1) 放射線を検出するフォトダイオード構造体であっ
て、ドーピング濃度が比較的高いｐ型導電性の半導体基
層と、ｐ型導電性を有し且つ前記半導体基層のものより
全般的に小さいドーピング濃度を有する材料の前記半導
体基層上に設けられた第１の層と、ｎ型導電性を有する
材料から成り、そのドーピング濃度が第１の層との接合
部に向って減少している前記第１の層の上に設けられた
第２の層と、第２の層と同じ型の導電性ドーピング不純
物を含有している前記第２の層の上に設けられた酸化物
層と、からなることを特徴とするフォトダイオード構造
体。
【００３０】(2) 酸化物層および第２の層のドーピン
グ濃度が、前記二層間の境界で不連続である前項(1)に
記載のフォトダイオード構造体。
グ濃度が、前記二層間の境界で不連続である前項(1)に
記載のフォトダイオード構造体。
【００３１】(3) 第２の層の中の不純物の平衡濃度を
酸化物層の中の不純物の平衡濃度で割った偏析係数が１
より大きく、酸化物層の中のドーパント拡散が第２の層
の中のドーパント拡散に比較して小さい前項(2)に記載
のフォトダイオード構造体。
酸化物層の中の不純物の平衡濃度で割った偏析係数が１
より大きく、酸化物層の中のドーパント拡散が第２の層
の中のドーパント拡散に比較して小さい前項(2)に記載
のフォトダイオード構造体。
【００３２】(4) 第１の層はエピタキシャル層である
前項(1)乃至(3)のいずれかに記載のフォトダイオード構
造体。
前項(1)乃至(3)のいずれかに記載のフォトダイオード構
造体。
【００３３】(5) 第１の層のドーピング濃度は、第１
の層と第２の層との間の接合部から半導体基層に向って
増大している前項(1)乃至(4)のいずれかに記載のフォト
ダイオード構造体。
の層と第２の層との間の接合部から半導体基層に向って
増大している前項(1)乃至(4)のいずれかに記載のフォト
ダイオード構造体。
【００３４】(6) 第２の層および酸化物層の不純物原
子は燐、砒素、またはアンチモンのいずれかである前項
(1)乃至(5)のいずれかに記載のフォトダイオード構造
体。
子は燐、砒素、またはアンチモンのいずれかである前項
(1)乃至(5)のいずれかに記載のフォトダイオード構造
体。
【００３５】(7) 前項(1)乃至(6)のいずれかに記載の
フォトダイオード構造体の複数からなるフォトダイオー
ドアレイ。
フォトダイオード構造体の複数からなるフォトダイオー
ドアレイ。
【００３６】(8) 半導体基層および第１の層が、個別
フォトダイオード構造体すべてに共通の層を形成してい
る前項(7)に記載のフォトダイオードアレイ。
フォトダイオード構造体すべてに共通の層を形成してい
る前項(7)に記載のフォトダイオードアレイ。
【００３７】(9) フォトダイオード構造体の第２の層
の縁はそれぞれＵＶ不透明層で覆われている前項(7)ま
たは(8)に記載のフォトダイオードアレイ。
の縁はそれぞれＵＶ不透明層で覆われている前項(7)ま
たは(8)に記載のフォトダイオードアレイ。
【００３８】(10) ドーピング濃度が比較的高いｐ型導
電性の半導体基層を形成する工程と、前記半導体基層上
に、ｐ型導電性を有し且つそのドーピング濃度が前記半
導体基層のものより小さい材料の第１層を形成する工程
と、前記第１の層の部分に酸化物層を通してイオン注入
により不純物原子をドープすることにより前記第１の層
の上に設けられた材料の第２の層を形成する工程と、前
記イオン注入後先に形成した層を熱処理する工程と、か
らなることを特徴とするフォトダイオード構造体の製造
方法。
電性の半導体基層を形成する工程と、前記半導体基層上
に、ｐ型導電性を有し且つそのドーピング濃度が前記半
導体基層のものより小さい材料の第１層を形成する工程
と、前記第１の層の部分に酸化物層を通してイオン注入
により不純物原子をドープすることにより前記第１の層
の上に設けられた材料の第２の層を形成する工程と、前
記イオン注入後先に形成した層を熱処理する工程と、か
らなることを特徴とするフォトダイオード構造体の製造
方法。
【００３９】(11) 少くとも第２の層に近接している酸
化物の部分を熱酸化により成長させる前項(10)に記載の
フォトダイオード構造体の製造方法。
化物の部分を熱酸化により成長させる前項(10)に記載の
フォトダイオード構造体の製造方法。
【００４０】
【発明の効果】以上の如く本発明によれば、以下のよう
な効果が得られる。 (1)真空紫外から赤外までの広いスペクトル範囲にわた
り量子効率が高いフォトダイオード構造体を提供するこ
とができる。 (2)その量子効率が時間を通じて変化しない、特に劣化
しない、フォトダイオード構造体を提供することができ
る。 (3)大きな信号変化に対する応答にドリフトが重ならな
いフォトダイオード構造体を提供することができる。 (4)特殊な処理工程を付加する必要なく集積回路製造プ
ロセスと両立し得る、上述の欠点を回避したフォトダイ
オード構造体を製造する方法を提供することができる。
な効果が得られる。 (1)真空紫外から赤外までの広いスペクトル範囲にわた
り量子効率が高いフォトダイオード構造体を提供するこ
とができる。 (2)その量子効率が時間を通じて変化しない、特に劣化
しない、フォトダイオード構造体を提供することができ
る。 (3)大きな信号変化に対する応答にドリフトが重ならな
いフォトダイオード構造体を提供することができる。 (4)特殊な処理工程を付加する必要なく集積回路製造プ
ロセスと両立し得る、上述の欠点を回避したフォトダイ
オード構造体を製造する方法を提供することができる。
【図１】光検出の原理を図解するためのフォトダイオー
ドの概略図である。
ドの概略図である。
【図２】本発明の一実施例によるフォトダイオード構造
体の断面図である。
体の断面図である。
【図３】図２に示すフォトダイオード構造体のドーピン
グ濃度のグラフである。
グ濃度のグラフである。
【図４】本発明によるフォトダイオードアレイの一部の
断面である。
断面である。
9、9′…酸化物層 10、10′…ｎ型層 11、11′…ｐ型層 12、12′…基層 17a、17b、17c…金属層 18a、18b、18c…フィールド酸化物 20…ｎ型層 21…酸化物層
Claims (11)
- 【請求項１】放射線を検出するフォトダイオード構造体
であって、 ドーピング濃度が比較的高いｐ型導電性の半導体基層
と、 ｐ型導電性を有し且つ前記半導体基層のものより全般的
に小さいドーピング濃度を有する材料の前記半導体基層
上に設けられた第１の層と、 ｎ型導電性を有する材料から成り、そのドーピング濃度
が第１の層との接合部に向って減少している前記第１の
層の上に設けられた第２の層と、 第２の層と同じ型の導電性ドーピング不純物を含有して
いる前記第２の層の上に設けられた酸化物層と、 からなることを特徴とするフォトダイオード構造体。 - 【請求項２】酸化物層および第２の層のドーピング濃度
が、前記二層間の境界で不連続である請求項１に記載の
フォトダイオード構造体。 - 【請求項３】第２の層の中の不純物の平衡濃度を酸化物
層の中の不純物の平衡濃度で割った偏析係数が１より大
きく、酸化物層の中のドーパント拡散が第２の層の中の
ドーパント拡散に比較して小さい請求項２に記載のフォ
トダイオード構造体。 - 【請求項４】第１の層はエピタキシャル層である請求項
１乃至３のいずれかに記載のフォトダイオード構造体。 - 【請求項５】第１の層のドーピング濃度は、第１の層と
第２の層との間の接合部から半導体基層に向って増大し
ている請求項１乃至４のいずれかに記載のフォトダイオ
ード構造体。 - 【請求項６】第２の層および酸化物層の不純物原子は
燐、砒素、またはアンチモンのいずれかである請求項１
乃至５のいずれかに記載のフォトダイオード構造体。 - 【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載のフォト
ダイオード構造体の複数からなるフォトダイオードアレ
イ。 - 【請求項８】半導体基層および第１の層が、個別フォト
ダイオード構造体すべてに共通の層を形成している請求
項７に記載のフォトダイオードアレイ。 - 【請求項９】フォトダイオード構造体の第２の層の縁は
それぞれＵＶ不透明層で覆われている請求項７または８
に記載のフォトダイオードアレイ。 - 【請求項１０】ドーピング濃度が比較的高いｐ型導電性
の半導体基層を形成する工程と、 前記半導体基層上に、ｐ型導電性を有し且つそのドーピ
ング濃度が前記半導体基層のものより小さい材料の第１
層を形成する工程と、 前記第１の層の部分に酸化物層を通してイオン注入によ
り不純物原子をドープすることにより前記第１の層の上
に設けられた材料の第２の層を形成する工程と、 前記イオン注入後先に形成した層を熱処理する工程と、 からなることを特徴とするフォトダイオード構造体の製
造方法。 - 【請求項１１】少くとも第２の層に近接している酸化物
の部分を熱酸化により成長させる請求項１０に記載のフ
ォトダイオード構造体の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE93108156.6 | 1993-05-19 | ||
| EP93108156A EP0625803B1 (en) | 1993-05-19 | 1993-05-19 | Photodiode structure |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0715028A true JPH0715028A (ja) | 1995-01-17 |
| JP3614184B2 JP3614184B2 (ja) | 2005-01-26 |
Family
ID=8212920
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12954394A Expired - Fee Related JP3614184B2 (ja) | 1993-05-19 | 1994-05-19 | フォトダイオード構造体及びフォトダイオードアレイ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5430321A (ja) |
| EP (1) | EP0625803B1 (ja) |
| JP (1) | JP3614184B2 (ja) |
| DE (1) | DE69321822T2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010062588A (ja) * | 1997-11-14 | 2010-03-18 | Freescale Semiconductor Inc | 半導体イメージ・センサ |
| JP2015041746A (ja) * | 2013-08-23 | 2015-03-02 | 株式会社豊田中央研究所 | シングルフォトンアバランシェダイオード |
| JP2017005276A (ja) * | 2016-09-30 | 2017-01-05 | 株式会社豊田中央研究所 | シングルフォトンアバランシェダイオード |
| JP2018026536A (ja) * | 2016-08-09 | 2018-02-15 | エスアイアイ・セミコンダクタ株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
Families Citing this family (37)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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