JPH11510318A - ホトダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＳＯＩ基板において、活性領域（６）は絶縁材料を充填されたトレンチ（４）によって完全に包囲される。このトレンチ（４）に隣接して、特にトレンチ（４）のトレンチ壁に配置されたドープ層からの拡散によって形成された第１のドープ領域（８）が配置される。この第１のドープ領域（８）と第２のドープ領域（１２）とがホトダイオードのｐｎ接合を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 ホトダイオード及びその製造方法 種々の集積回路装置、例えばホトカプラー及び電子リレーにおいては、ホトダ イオードが集積エネルギー源及び信号源として使用されている。このような用途 のために、ホトダイオードは高い開放電圧、高い短絡電流及び最大の電力出力を 有していなければならない。ホトダイオードから供給された電力はホトダイオー ドの内部抵抗に依存する。この内部抵抗は、ホトダイオードの拡散領域の層抵抗 と、ホトダイオードの金属膜の接触抵抗と、金属膜の線路抵抗とから生じる直列 抵抗によって形成される（例えばＳ．Ｍ．Ｓｚｅ著“Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｓ ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ”ワイリー、ニューヨーク、第１の ４．３．２章参照）。 個別デバイスとして製造されるホトダイオードは直列抵抗を減少させるために 及び光子量を高めるために背面コンタクト及び光を反射するための特殊な幾何学 的形状、例えばＶトレンチ構造を備えている（例えばＳ．Ｍ．Ｓｚｅ著“Ｐｈｙ ｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ”ワイリー、ニ ューヨーク、第１の４．３．４章参照）。 基板内に集積して製造されるホトダイオードは背面コンタクト又は反射構造を 備えることができない。基板内に集積されたホトダイオードはデバイスの上面近 くにｐｎ接合を有し、シリコン内に光子によって作られた電子と正孔とがこのｐ ｎ接合によって互いに分離される。ｐドープされた領域とｎドープされた領域と は高ドープされたｎ又はｐドープされた狭い条帯によって電気的に接続される。 高ドープされた条帯は高い内部抵抗を有する。高ドープされた条帯の全長に亘っ てコンタクトを有する金属膜層によって、線路の層抵抗が減少させられる。同時 にホトダイオードの感光面の一部分が覆われ、それにより光子量が減少する。 本発明の課題は、集積回路内に形成可能でありしかも直列抵抗を減少させるこ とのできるホトダイオードを提供することにある。さらに、本発明の他の課題は その製造方法を提供することにある。 このような課題は本発明によれば請求項１に記載されたホトダイオードならび に請求項５に記載されたその製造方法によって解決される。本発明の実施態様は その他の請求項に記載されている。 本発明によるホトダイオードは基板内に集積され、誘電体アイソレーションに よって基板に対して絶縁される。このために基板は担持体ウエハと、その上に配 置された絶縁層と、その上に配置された単結晶シリコン層とを有する。基板とし ては、例えば、シリコンウエハ上に絶縁層とその上に配置された単結晶シリコン 層とを含むいわゆるＳＯＩ基板が適する。単結晶シリコン層内にはこのシリコン 層の主面から絶縁層まで達するトレンチが設けられる。このトレンチは絶縁材料 を充填される。このトレンチは例えばＳｉＯ₂を充填されるか又はＳｉＯ₂で内部 を被覆されてポリシリコンを充填される。トレンチはシリコン層内の活性領域を 完全に包囲する。この活性領域は下方が絶縁層によって担持体ウエハに対して絶 縁される。 活性領域内にはトレンチに直接隣接する第１のドープ領域が設けられる。この 第１のドープ領域はシリコンウエハの主面から絶縁層まで達する。第１のドープ 領域は第１の導電形、例えばｐ形にドープされている。この第１のドープ領域が トレンチとの境界面に１０¹⁸ｃｍ^-3〜１０²⁰ｃｍ^-3の範囲のドーパント濃度及び 例えば３μｍの浸透深さを有すると好ましい。 活性領域内にはさらに第１の導電形とは逆の第２の導電形、例えばｎ形にドー プされた第２のドープ領域が設けられる。この第２のドープ領域は第１のドープ 領域と共に、ホトダイオードを表すｐｎ接合を形成する。 シリコンウエハの主面には第１のドープ領域及び第２のドープ領域のためのコ ンタクトがそれぞれ配置される。出来るだけ小さい接続抵抗とするためにこのコ ンタクトが高いドーパント濃度の接続領域上に配置されると好ましい。 第１のドープ領域は主面から絶縁層まで達するので、ホトダイオードのために 有効なｐｎ接合の面積はホトダイオードのために主面に必要な面積に比べて拡大 される。さらに、入射した光子によって作られた電荷キャリヤの直ぐ隣のｐｎ接 合に対する最大に必要な拡散路が減らされる。また第１のドープ領域は電荷キャ リヤのための低抵抗路を構成する。ドープ領域のためのコンタクトの他に、主面 には金属コンタクト又は金属導体路による被覆体は設けられていない。即ち、活 性領域の全表面は光入射のために実質上自由に使うことができる。 トレンチがＳｉＯ₂を充填されることが好ましい。ＳｉＯ₂はシリコンより小さ い屈折率を有するので、トレンチ内の絶縁材料内へ入射した光は屈折によって光 学的に厚いシリコン内へ進入し、同様に電荷キャリヤの発生に寄与する。シリコ ン／ＳｉＯ₂の全反射のための臨界角は２３°である。それゆえ、シリコンから ＳｉＯ₂内への屈折が起こる。 ホトダイオードの他の改善は、活性領域内に、主面から絶縁層まで達ししかも 絶縁材料を充填された少なくとも１つの別のトレンチが配置されることによって 得られる。さらに、活性領域内には、第１の導電形、例えばｐ形にドープされそ の別のトレンチに直接隣接する第３のドープ領域が設けられる。この第３のドー プ領域はシリコンウエハの主面から絶縁層まで達する。第３のドープ領域はｐｎ 接合の面積を一層拡大させる。その上このようにして最大に必要な拡散路は一層 減らすことができる。別のトレンチの個数はほぼ任意に選定することができる。 その上限はプロセスすなわち例えばトレンチ幅、第３のドープ領域の拡散深さ、 ホトリソグラフィー等によって与えられる。 斜めの側壁を備えた１つ又は複数のトレンチを設けると有利である。というの は、その場合ＳｉＯ₂から成るトレンチからシリコンから成る活性領域内への光 の屈折が一層改善されるからである。 第１のドープ領域と第３のドープ領域とがトレンチ内に存在するドーパント源 からの拡散によって作られると好ましい。このためにトレンチのエッチング後、 少なくともトレンチの側壁を覆うドープ層が作られる。このドープ層としては例 えばドープされたガラス、又はドープされた多結晶シリコン又はアモルファスシ リコンが適する。第１のドープ領域もしくは第３のドープ領域は熱処理工程にお いてドープ層からの拡散によって作られる。 ドーパント源としてドープされたシリコン層を使用する際、ドーパントの拡散 と同時に、ドープされたシリコン層の酸化が行われ、トレンチがＳｉＯ₂を充填 されるように熱処理工程を実施することは本発明の枠内である。 本発明によるホトダイオードはトレンチ及び絶縁層で包囲することによって基 板に対して完全に誘電的に絶縁される。それゆえ基板は電気的に互いに全く依存 しない多数のホトダイオードを並べて含むことができる。これらのホトダイオー ドが直列回路内に配置されと、直列回路の供給電圧は個々のホトダイオードの個 別電圧の和に一致する。それにより、本発明によるホトダイオードは高電圧ＭＯ ＳＦＥＴを駆動するために必要な電圧を多数のホトダイオードを備えた直列回路 で供給するのに適する。本発明によるホトダイオードにおいては基板への漏洩電 流の問題は発生しない。さらに、絶縁材料を充填されたトレンチによって行われ る絶縁のための所要スペースは最少である。 次に本発明を実施例及び図面に基づいて詳細に説明する。 図１は活性領域内に２つの別のトレンチを備えたホトダイオードの平面図を示 す。 図２は図１に示されたホトダイオードのＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図を示す。 ＳＯＩ基板はシリコンウエハ１と、その上に配置された絶縁層２と、その上に 配置された単結晶シリコン層３とを含んでいる（図２参照）。絶縁層２は例えば ＳｉＯ₂から構成され、例えば１μｍの厚みを有している。単結晶シリコン層３ は例えば２０μｍの厚みを有し、例えば６×１０¹⁴ｃｍ^-3のドーパント濃度でｎ ドープされている。 単結晶シリコン層３内にはこの単結晶シリコン層の主面５から絶縁層２まで達 するトレンチ４が配置されている（図１及び図２参照）。このトレンチ４は活性 領域６を完全に囲繞している。トレンチ４は絶縁材料、例えばＳｉＯ₂を充填さ れている。トレンチ４は例えば３μｍの幅を有している。トレンチ４によって囲 繞された活性領域６は例えば２００μｍ×２００μｍの寸法を有している。 活性領域６内には主面５から絶縁層２までそれぞれ達する２つの別のトレンチ ７が配置されている。この別のトレンチ７は条帯状をしており、トレンチ４に結 合されていない。別のトレンチ７は同様に絶縁材料、例えばＳｉＯ₂を充填され ている。 活性領域６内にはトレンチ４に隣接して第１のドープ領域８が配置されている 。この第１のドープ領域８は例えばｐ⁺ドープされており、トレンチ４との境界 面に例えば１０¹⁹ｃｍ^-3のドーパント濃度を有している。浸透深さは例えば３μ ｍ である。第１のドープ領域８は主面５から絶縁層２まで達している。第１のドー プ領域８はトレンチ４に直接接している。第１のドープ領域８は活性領域６を環 状に包囲している。 活性領域６内にはさらに別のトレンチ７にそれぞれ隣接して配置された２つの 第３のドープ領域９が設けられている。各第３のドープ領域９は別のトレンチ７ をそれぞれ環状に包囲している。この第３のドープ領域９は主面５から絶縁層２ まで達している。第３のドープ領域９は例えばｐ⁺ドープされており、それぞれ の別のトレンチ７との境界面に１０¹⁸ｃｍ^-3〜１０²⁰ｃｍ^-3の範囲のドーパント 濃度を有している。 主面５にはさらにそれぞれトレンチ４もしくは別のトレンチ７の１つに接する ｐドープされたウェル１０が配置されている。このｐドープされたウェル１０は １０¹⁶ｃｍ^-3〜１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲のドーパント濃度と、例えば２μｍの深さを 有している。 主面５にはｎ⁺ドープされた接続領域１１が配置されており、このｎ⁺ドープさ れた接続領域１１はｎドープされた単結晶シリコン層３の基本材料から形成され た第２のドープ領域１２によって完全に包囲されている。ｎ⁺ドープされた接続 領域１１は別のトレンチ７間もしくは別のトレンチ７の１つとトレンチ４との間 にそれぞれ配置された多数の条帯状素子を含んでおり、これらの条帯状素子はこ れに垂直に配置された別の条帯状結合素子によって互いに結合されている。 主面５にはさらにｐ⁺ドープされた接続領域１３が設けられており、このｐ⁺ド ープされた接続領域１３は活性領域６の縁部にそれぞれ配置されしかも第３のド ープ領域９の１つ及び第１のドープ領域８と部分的にオーバーラップしている。 ｐ⁺ドープされた接続領域１３は第１のドープ領域８と各第３のドープ領域９と を電気的に結合している。ｐ⁺ドープされた接続領域１３は例えば１０¹⁹ｃｍ^-3 のドーパント濃度を有している。 ｎ⁺ドープされた接続領域１１ならびにｐ⁺ドープされた接続領域１３はそれぞ れ約０．８μｍの深さを有している。 少なくとも活性領域６は主面５にパッシベーション層１４を備えている。この パッシベーション層１４は厚み及び材料が検出すべき光の波長に合わせられてお り、それゆえこのバッシベーション層１４はこの光を透過させる。特にパッシベ ーション層１４にはＳｉＯ₂又はＳｉ₃Ｎ₄が適している。このパッシベーション 層１４は例えば１μｍの厚みを有している。 ｐ⁺ドープされた接続領域１３の上方ではパッシベーション層１４上に例えば アルミニウムから成るコンタクト１５が配置されており、このコンタクト１５は パッシベーション層１４内のコンタクト孔を介してそれぞれのｐ⁺ドープされた 接続領域１３に結合されている。ｎ⁺ドープされた接続領域１１の条帯状結合素 子の範囲には例えばアルミニウムから成る例えば２つのコンタクト１６が配置さ れており、このコンタクト１６はそれぞれコンタクト孔を介してｎ⁺ドープされ た接続領域１１に結合されている。ｐ⁺ドープされた接続領域１３のためのコン タクト１５と、ｎ⁺ドープされた接続領域１１のためのコンタクト１６とが対称 的に配置されると好ましい。というのは、このことはホトダイオード内の電流分 布に有利に作用するからである。 単結晶シリコン層３の基本材料から形成された第２のドープ領域１２は隣接の 第１のドープ領域８と、第３のドープ領域９と、ｐドープされたウェル１０と共 に、ホトダイオードを形成するｐｎ接合を形成している。第１のドープ領域８及 び第３のドープ領域９におけるｐ⁺ドーピングは良導電性を保証する。ｐドープ されたウェル１０のｐドーピングはバンドギャップが表面範囲では無視し得る程 しか変化しないこと、従ってシリコンの吸収特性が無視し得る程しか変化しない ことを保証する。 本発明によるホトダイオードを製造するために、単結晶シリコン層３内には、 ホトリソグラフ工程によるマスクの形成後トレンチ４及び別のトレンチ７が例え ばＨＢｒ、Ｈｅ、Ｏ₂を用いた異方性エッチングによって形成される。異方性エ ッチングにおけるパラメータによって、トレンチ４、７の側壁が主面に対して垂 直又は斜めに形成される。引き続いて、例えばホウケイ酸ガラス又はｐ⁺ドープ されたシリコンから成るドープ層が少なくともトレンチ４、７の側壁を覆うよう に堆積される。例えば１０００℃での熱処理工程において、そのドープ層からト レンチ４の側壁及びトレンチ７の側壁内へのドーパントの拡散によって第１のド ープ領域８及び第３のドープ領域９が形成される。引き続いて、トレンチ４及び 別のトレンチ７が絶縁材料を充填される。これは例えばエッチング工程でドープ 層を除去した後ＳｉＯ₂を堆積させることによって行われる。主面５の範囲に配 置されたＳｉＯ₂層部分は平坦化エッチング工程によって除去される。 ドープ層がドープされたシリコンから構成される場合、熱処理工程は、第１の ドープ領域８及び第３のドープ領域９を形成するためのドーパントを拡散させる 際ドープ層が酸化され、このようにしてトレンチ４及び別のトレンチ７がＳｉＯ₂ を充填されるように実施される。 ｐドープされたウェル１０と、ｎ⁺ドープされた接続領域１１と、ｐ⁺ドープさ れた接続領域１３とは引き続いてマスクされた注入によって形成される。 パッシベーション層１４の堆積後公知の方法でｎ⁺ドープされた接続領域１１ とｐ⁺ドープされた接続領域１３とのためのコンタクト孔が明けられる。コンタ クト１５、１６は最終的に例えばアルミニウムから成る金属膜層の堆積及びこの 金属膜層の構造化によって完成する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．担持体ウエハ（１）とその上に配置された絶縁層（２）とその上に配置され た単結晶シリコン層（３）とを含む基板が設けられ、シリコン層（３）内にはこ のシリコン層（３）の主面（５）から絶縁層（２）まで達し絶縁材料を充填され かつ活性領域（６）を完全に包囲する少なくとも１つのトレンチ（４）が設けら れ、活性領域（６）内には第１の導電形にドープされトレンチ（４）に直接隣接 ししかもシリコン層（３）の主面（５）から絶縁層（２）まで達する第１のドー プ領域（８）が設けられ、活性層（６）内には第１の導電形とは逆の第２の導電 形にドープされ第１のドープ領域（８）と共にｐｎ接合を形成する第２のドープ 領域（１２）が設けられ、、シリコン層（３）の主面（５）には第１のドープ領 域（８）及び第２のドープ領域（１２）のためのコンタクト（１５、１６）がそ れぞれ配置されているホトダイオード。 ２．活性領域（６）内には主面（５）に接しかつコンタクト（１５）を備え第１ の導電形にドープされた少なくとも１つのウェル（１０）が設けられている請求 項１記載のホトダイオード。 ３．活性領域（６）内には主面（５）から絶縁層（２）まで達しかつ絶縁材料を 充填された少なくとも１つの別のトレンチ（７）が配置され、活性領域（６）内 には第１の導電形にドープされ別のトレンチ（７）に直接隣接ししかもシリコン 層（３）の主面（５）から絶縁層（２）まで達する第３のドープ領域（９）が設 けられている請求項１又は２記載のホトダイオード。 ４．１つ又は複数のトレンチ（４、７）は斜めの側壁を有し、それにより主面（ ５）でのトレンチ横断面積はトレンチ底部でのトレンチ横断面積より大きい請求 項１乃至３の１つに記載のホトダイオード。 ５．担持体ウエハ（１）とその上に配置された絶縁層（２）とその上に配置され た単結晶シリコン層（３）とを含む基板においてシリコン層（３）内にこのシリ コン層（３）の主面（５）から絶縁層（２）まで達しかつ活性領域（６）を完全 に包囲するトレンチ（４）が作られ、このトレンチ（４）の側壁はドープされ、 それにより第１の導電形にドープされトレンチに直接隣接ししかもシリコン層（ ３）の主面（５）から絶縁層（２）まで達する第１のドープ領域（８）が形成さ れ、トレンチ（４）は絶縁材料を充填され、活性領域（６）内には第１の導電形 とは逆の第２の導電形にドープされ第１のドープ領域（８）と共にｐｎ接合を形 成する第２のドープ領域（１２）が形成され、シリコン層（３）の主面（５）に は第１のドープ領域（８）及び第２のドープ領域（１２）のためのコンタクト（ １５、１６）がそれぞれ作られるホトダイオードの製造方法。 ６．第１のドープ領域（８）を形成するためにトレンチ（４）の側壁を覆うドー プ層が作られ、第１のドープ領域（８）は熱処理工程においてそのドープ層から の拡散によって作られる請求項５記載の方法。 ７．トレンチ（４）を形成する際活性領域内には少なくとも１つの別のトレンチ （９）が形成され、この別のトレンチ（７）の側壁はドープされ、それにより第 １の導電形にドープされトレンチ（７）に直接隣接ししかもシリコン層（３）の 主面（５）から絶縁層（２）まで達する第３のドープ領域（９）が形成され、別 のトレンチ（７）は絶縁材料を充填され、シリコン層（３）の主面（５）には第 ３のドープ領域（９）のためのコンタクトが作られる請求項５又は６記載の方法 。 ８．斜めの側壁を有する１つ又は複数のトレンチ（４、７）が作られ、それによ り主面（５）でのトレンチ横断面積はトレンチ底部でのトレンチ横断面積より大 きい請求項５乃至７の１つに記載の方法。