JPWO2011087068A1 - アバランシェフォトダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

裏面入射型アバランシェフォトダイオード１は、半導体基板２とアキュムレーション層３と酸化膜４、５を備えている。半導体基板２の光入射部は除去されて、薄板化されている。表面側の半導体基板２内部には、その光入射部にカソード層２１を形成し、その周辺部にはアノード取出層２２を形成している。カソード層２１の裏面側には増倍層２３が形成されていて、カソード層２１と増倍層２３との間の界面でｐｎ接合を形成している。外側増倍層２３１は電界緩和層２３１として形成し、外側増倍層２３１における不純物濃度を、内側増倍層２３２における不純物濃度より小さくしている。

Description

本発明は、光半導体素子、特に裏面入射型アバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」という）及びその製造方法に関する。

光半導体素子として、半導体基板の一方面側に複数のフォトダイオードを形成し、他方面を光入射面とした裏面入射型ＡＰＤが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、表面入射型ＡＰＤ（半導体基板の表裏面の間に逆バイアスを印加するもの）において、電界が集中する領域の増倍層の不純物濃度を他の領域の増倍層の不純物濃度より小さくして、電界集中を妨げ、増倍率を均一にすることも知られている（例えば、特許文献２）。

また、ＡＰＤにおいて、光電変換層の真下に増倍層を分散配置させ、増倍層が配置された領域ではＡＰＤとして、配置されていない領域ではＰＩＮ−ＰＤとして機能させることも知られている（例えば、特許文献３参照）。

特許文献１の裏面入射型ＡＰＤを図８に従って説明する。この裏面入射型ＡＰＤは、Ｓｉから形成されている支持基板１０１と、ｐ⁻型のＳｉから形成されている半導体基板１０２とを備えている。半導体基板１０２中の光入射側とは反対側には、例えばＡｓまたはＰをドーピングしたｎ^＋型不純物領域１０３が形成され、その不純物領域１０３の光入射側には、これに接してｐ型不純物領域１０４（増倍層）が形成され、更にそこから離れて周囲を取り囲んで例えばＢをドーピングしたＰ^＋型不純物領域１０５が形成されている。半導体基板１０２の光入射側とは反対側表面には、アノード電極１１１、カソード電極１１２が形成されている。支持基板１０１の一部分は除去されて、開口部が形成され、開口部を光入射面としている。

ところで、図８に示されている従来の裏面入射型ＡＰＤは、高速応答性を考慮していないため、半導体基板１０２は厚くなっている。このため、ｐ型不純物領域１０４（増倍層）の周辺部へ電界が集中することはなく、ｐ型不純物領域１０４（増倍層）の面内でのユニフォーミティがばらつくという問題は発生しなかった。

ところが、現在、このような裏面入射型ＡＰＤにおいては、１ＧＨｚ以上の高速応答性、小型化等が要望されている。この高速応答性を実現するためには、半導体基板を薄板化する必要があり、また、配線容量を小さくするためには、回路基板へバンプ接続する必要があることから、裏面入射型ＡＰＤの光入射と反対側の半導体基板中にカソード層、アノード取出層を形成する必要がある。

特開平７−２４０５３４号公報 特開昭６０−１７８６７３号公報 特開平７−７４３８５号公報

このように半導体基板を薄板化し、光入射側とは反対側の半導体基板中にカソード層、アノード取出層を形成した裏面入射型ＡＰＤは、アノード取出層と増倍層との距離が近くなるため、半導体基板の延在方向に逆バイアスを印加すると、半導体基板の延在方向にかかる電界の影響力により、増倍層の周辺部に電界が集中し、増倍層の面内での増倍率が増倍層の周辺部のみで強くなってしまい、増倍層における面内での増倍率のユニフォーミティがばらついてしまう（図３参照）。

そこで、本発明は、面内の増倍率を均一化可能な裏面入射型ＡＰＤを提供することを目的とする。

本発明の裏面入射型ＡＰＤは、少なくとも光入射部が薄板化された半導体基板と、光入射部の周辺部の半導体基板中に形成されたアノード取出層と、光入射部の光入射側とは反対側の半導体基板中に形成されたカソード層と、このカソード層と接してｐｎ接合を構成するように光入射部の半導体基板中に形成された増倍層と、を備え、この増倍層を外側増倍層と内側増倍層に分け、外側増倍層を含む基準領域内における平均不純物濃度（単位体積における不純物量）を、内側増倍層における平均不純物濃度（単位体積における不純物量）よりも小さくし、外側増倍層を電界緩和層として構成したことを特徴とする。なお、前記基準領域は、前記内側増倍層と同一の深さを有し、平面視における外縁形状が前記内側増倍層の外縁形状と相似であり、前記内側増倍層を含まず、前記外側増倍層を完全に含み、これらの条件を満たす領域の中で、面積が最も小さくなる大きさの領域である。また、説明における各層の不純物濃度は、特に断りのない限り層内の平均を示すものとする。

外側増倍層は、複数のアイランドを含む微細パターンにより電界緩和層として構成することができる。

また、外側増倍層は、不純物を内側増倍層よりも低濃度に添加して電界緩和層として構成することができる。

また、外側増倍層は、不純物を内側増倍層の深さよりも浅く添加して電界緩和層として構成することができる。

半導体基板を薄板化するにあたっては、半導体基板の光入射部およびその周辺部を薄板化し、光入射側と反対側にはサポート基板を貼り合わせてもよい。

更に、本発明の裏面入射型ＡＰＤは、光入射部の領域において、光入射側とは反対側からカソード層とは反対導電型の不純物を添加する第一工程と、熱処理することにより、前記入射部の不純物添加領域をｐｎ接合する増倍層として機能させる第二工程と、を備え、増倍層の外側増倍層の不純物添加領域は、複数のアイランドを含む微細パターンとすることにより製造することができる。

本発明は、増倍層の外側増倍層を電界緩和層とし、外側増倍層を含む基準領域における平均不純物濃度を、内側増倍層における平均不純物濃度よりも小さくしたので、半導体基板の延在方向に逆バイアスを印加しても、図２に示すように、外側増倍層のみに電界が集中することがなくなり、外側増倍層にかかる電界を緩和することができる。

これにより、増倍層の面内での増倍率のユニフォーミティのばらつきがなくなり、裏面入射型ＡＰＤ全体の増倍率が低下することを防止でき、また、過剰雑音、ダーク成分を低減することができる。したがって、面内の増倍率を均一化可能な裏面入射型ＡＰＤを提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る裏面入射型ＡＰＤの断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態の増倍率ユニフォーミティを表す図である。 図３は、図１に示す裏面入射型ＡＰＤの増倍層が電界緩和層を備えていない場合の増倍率ユニフォーミティを表す図である。 図４は、図１に示した裏面入射型ＡＰＤの製造工程を示す断面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係る裏面入射型ＡＰＤの断面図である。 図６は、本発明の第３の実施形態に係る裏面入射型ＡＰＤの断面図である。 図７は、本発明の半導体基板全体を薄型化した実施形態に係る裏面入射型ＡＰＤの断面図である。 図８は、従来の技術（特許文献１）に係る裏面入射型ＡＰＤの断面図である。 図９は、第１乃至第３実施形態に係る裏面入射型ＡＰＤを裏面側から見た平面図である。 図１０は、第１実施形態に係る裏面入射型ＡＰＤを裏面側から見た平面図である。

以下、本発明に係る裏面入射型ＡＰＤの好適な実施形態について、図１〜図７、図９、図１０を参照しながら詳細に説明する。なお、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る裏面入射型ＡＰＤの断面図である。図１に示すように、裏面入射型ＡＰＤ１は、半導体基板２とアキュムレーション層３と酸化膜４、５を備えている。半導体基板２の光入射部は、半導体基板２が除去されて薄板化され、例えば、１０μｍ〜３０μｍの厚みとされている。薄板化された部分ＲＴ（図１０参照）の外側の部分は、光入射部を囲むように突出する外枠部６が形成されていて、裏面入射型ＡＰＤ１の機械的強度を保っている。

裏面入射型ＡＰＤ１の光入射側とは反対側の半導体基板２中には、その周辺部にアノード取出層２２が形成され、光入射部にカソード層２１が形成されている。カソード層２１の光入射側半導体基板２中には、カソード層２１と接して増倍層２３が形成され、カソード層２１と増倍層２３は、その界面でｐｎ接合を形成している。アノード取出層２２はアキュムレーション層３に電気的に接続されていて、また、カソード層２１、アノード取出層２２はメタル電極１１を介してバンプ１４に電気的に接続されている。ここで、バンプ１４は、半田でもよいし、金やInでもよい。

半導体基板２は、ｐ型のＳｉ、例えば不純物濃度の低いｐ⁻型のＳｉから形成されている。アキュムレーション層３は、半導体基板２よりも不純物濃度の高いｐ^＋型のＳｉから形成されていて、例えば０．２μｍの厚さを有している。また、酸化膜４，５は、例えばＳｉＯ_２から形成されている。

カソード層２１は、ｎ型のＳｉ、例えば不純物濃度の高いｎ^＋型のＳｉから形成されていて、例えば１μｍの深さを有している。また、増倍層２３は、ｐ型のＳｉから形成されていて、例えば４μｍの深さを有している。カソード層２１と増倍層２３は、その界面でｐｎ接合を形成している。アノード取出層２２はｐ型のＳｉから形成されていて、例えば１５μｍの深さを有している。

増倍層２３は、外側増倍層２３１と内側増倍層２３２に分けられていて、外側増倍層２３１は、複数のアイランドを含む微細パターンにより電界緩和層２３１として構成されている。アイランドはドット状の領域からなるが、微細パターンは複数の同心円・同心多角形リング状（同心リング状）に構成することも可能である。これにより、外側増倍層２３１の実効的に形成された基準領域Ｒ２３１（図１０参照）における平均不純物濃度（単位体積における不純物量）は、内側増倍層２３２における平均不純物濃度（単位体積における不純物量）より小さくなっている。この複数のアイランドは、均一の大きさで形成してもいいし、異なる大きさで形成してもよい。また、複数のアイランドを異なる大きさで形成する場合は、外側増倍層２３１の周辺部から内側増倍層２３２にむかってアイランドの大きさが徐々に大きくなるようにアイランドを形成してもよい。アイランドの大きさを徐々に大きくすると、基準領域内における実効的な不純物濃度が外側から徐々に変化することになり、電界が周囲外側から徐々に変化することによって、増倍領域の均一エリア/面積を拡大する効果がある。

具体的には、外側増倍層（アノード）２３１、内側増倍層（アノード）２３２、半導体基板２、外枠部６、アノード取出層（半導体領域）２２、カソード層２１の不純物濃度の好適な範囲は、以下の通りであり、各層の濃度の好適な大小関係は、外枠部６、半導体基板２＜外側増倍層２３１（実効的）＜内側増倍層２３２＜半導体領域２２＜カソード層２１、アキュムレーション層３となる。

外側増倍層２３１：３×１０^１５ｃｍ^−３〜３×１０^１６ｃｍ^−３

内側増倍層２３２：３×１０^１５ｃｍ^−３〜３×１０^１６ｃｍ^−３

半導体基板２：３×１０^１１ｃｍ^−３〜１×１０^１５ｃｍ^−３

外枠部６：３×１０^１１ｃｍ^−３〜３×１０^１９ｃｍ^−３

半導体領域２２：３×１０^１１ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３

カソード層２１：１×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３

アキュムレーション層３：１×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３

これにより、半導体基板２の延在方向に逆バイアスを印加すると、電界緩和層２３１を備えていない増倍層２３の場合は、図３に示すように増倍層２３の周辺部のみに電界が集中するが、外側増倍層２３１を電界緩和層として構成した増倍層２３の場合は、図２に示すように、外側増倍層２３１のみに電界が集中することがなくなり、外側増倍層２３１にかかる電界は緩和される。

図４を参照しつつ、以上のような構成を有する裏面入射型ＡＰＤの製造方法の一例を以下に説明する。まず、表面に酸化膜４，５を形成した、ｐ型のＳｉ、例えば、不純物濃度の低いｐ⁻型のＳｉからなる半導体基板２を準備し、光入射部の周辺部の半導体基板２中に、例えばＢ（ボロン）などのｐ型不純物を添加・拡散させてアノード取出層２２を形成し、光入射部の光入射側と反対側の半導体基板２中に、例えばＢ（ボロン）などのｐ型不純物を添加させ、熱プロセスを経て増倍層２３を形成する。図４に示す例では、外側増倍層２３１は、複数のアイランドを含む微細パターンにより電界緩和層２３１として構成している（図４（ａ））。もちろん、外側増倍層２３１は、後述する図５、６に示す第２、第３の実施形態のものでもよい。不純物の添加は、例えばイオン注入などの工程にて行われるが、熱プロセスを経ることで不純物を活性化することができ半導体Ｐ型層として動作する。また,熱プロセスによって通常は不純物の拡散を伴うが、最終不純物プロファイルが電界を緩和する方向に働くため、必要な電界分布を調整する手段となる。

次に、増倍層２３の光入射側と反対側から、例えばＰ（リン）などのｎ型不純物を添加・拡散させ、増倍層２３の光入射側と反対側にカソード層２１を形成する（図４（ｂ））。

次に、裏面入射型ＡＰＤの光入射側の酸化膜４の光入射部にあたる部分を開口し、開口部からエッチング等により凹部を形成し（図４（ｃ））、この凹部の半導体基板２表面に、例えばＢ（ボロン）などのｐ型不純物を添加・拡散させてアキュムレーション層３を形成し、その上面に酸化膜４１を形成する（図４（ｄ））。

最後に、光入射側と反対側の酸化膜５の所定部分にコンタクト孔を開け、アノード取出層２２とカソード層２１に当接してメタル電極１１を形成し（図４（ｅ））、メタル電極１１を覆うようにメタル保護膜１２を形成した後、バンプ電極用孔１３を開け（図４（ｆ））、バンプ１４をバンプ電極用孔１３に装着する。

外側増倍層２３１の第２、第３の実施形態を図５、図６に示す。

図５に示した第２の実施形態においては、外側増倍層２３１は、不純物を内側増倍層２３２よりも低濃度に添加して電界緩和層２３１として構成している。これにより、外側増倍層２３１（及び基準領域Ｒ２３１（図９参照））内における平均不純物濃度は、内側増倍層２３２における平均不純物濃度より小さくなっている。外側増倍層２３１の不純物の濃度は、均一でもよいし、変化をつけてもよい。不純物の濃度に変化をつける場合は、外側増倍層２３１の周辺部から内側増倍層２３２にかけて不純物の濃度を徐々に増やしてもよい。不純物濃度を周囲から徐々に大きくすると、増倍部周囲の電界集中を緩和することができる。この濃度は、例えばイオン注入法にてドーズ量を周囲から断片的に変えて注入することで増倍層の濃度分布を形成できるため、濃度の調整範囲を広くとることができ、製造条件の最適化を実現できる。

図６に示した第３の実施形態においては、外側増倍層２３１は、不純物を内側増倍層２３２の深さよりも浅く添加して電界緩和層２３１として構成している。

このときの外側増倍層２３１の深さは、１から８μｍであり、この深さの、内側増倍層２３２の深さとの差異は、０．５μｍ〜２μｍであることが好ましい。

これにより、外側増倍層２３１を含む基準領域Ｒ２３１（図９参照）内における平均不純物濃度は、内側増倍層２３２における平均不純物濃度より小さくなっている。外側増倍層２３１において不純物を添加する深さは、均一でもよいし、変化をつけてもよい。不純物を添加する深さに変化をつける場合は、外側増倍層２３１の周辺部から内側増倍層２３２にかけて徐々に深さを深くしてもよい。不純物深さを周囲から徐々に深くすると、基準領域内における微少区間内の実効的な不純物濃度が徐々に変化することになり、増倍部周囲の電界集中を緩和することができる。この深さは、例えばイオン注入法の加速電圧を周囲から断片的に変えて注入することで増倍層の濃度分布を形成できるため、深さの調整を容易に行うことができ、製造条件の最適化を実現できる。

これらの第２、第３の実施形態においても、半導体基板２の延在方向に逆バイアスを印加しても、外側増倍層２３１のみに電界が集中することがなくなり、外側増倍層２３１にかかる電界が緩和される（図２参照）。

以上のとおり、本発明の第１〜３の実施形態においては、外側増倍層２３１にかかる電界が緩和されるので、増倍層２３における面内での増倍率のユニフォーミティのばらつきがなくなり、裏面入射型ＡＰＤ１全体の増倍率が低下することを防止でき、過剰雑音、ダーク成分を低減することができる。

図１、図５、図６に示す実施形態では、裏面入射型ＡＰＤの半導体基板を薄型化するために、半導体基板にエッチング等により凹部を形成しているが、半導体基板全体を薄型化してもよい。その実施形態を図７に示す。

図７に示す実施形態では、半導体基板２の光入射部およびその周辺部を薄型化し、半導体基板２にサポート基板１５を貼り合わせて機械的強度を保っている。この場合、酸化膜４は、半導体基板２の光入射側のみ形成する。カソード層２１、アノード取出層２２、増倍層２３、外側増倍層２３１の構成は、図１、図５、図６の実施形態と同じである。但し、アノード取出層２２は、半導体基板２を貫通して形成されている。

図７に示す実施形態の裏面入射型ＡＰＤを製造する場合は、図４に示す裏面入射型ＡＰＤの製造方法において、裏面入射型ＡＰＤ１の裏面側の酸化膜４の所定部分を開口し、開口部からエッチング等により凹部を形成する工程をなくし、全体を薄板化し裏面に酸化膜４を形成した半導体基板２を準備する工程を加え、更に、図４（ｅ）の工程の後に、半導体基板２の光入射側と反対側にサポート基板を張り合わせ、サポート基板にメタル電極を形成する工程を加えればよい。

図９は、上述の第１乃至第３実施形態に係る裏面入射型ＡＰＤを裏面側から見た平面図であり、外側増倍層２３１が形成される基準領域Ｒ２３１が示されている。外側増倍層２３１の形状は種々のものがあるため、同図では内部構造についての記載は省略してある。

外側増倍層２３１を含む基準領域Ｒ２３１内の平均不純物濃度は、内側増倍層２３２内の平均不純物濃度よりも小さい。ここで、基準領域Ｒ２３１は、内側増倍層２３２と同一の深さを有している。同図に示されるように、基準領域Ｒ２３１の平面視における外縁形状（符号ＲＬ２３１で示す）は、平面視における内側増倍層２３２の外縁形状（符号ＲＬ２３２で示す）と相似（同図では長方形）であり、基準領域Ｒ２３１は、内側増倍層２３２を含んでいないが、外側増倍層２３１は完全に含んでいる。基準領域Ｒ２３１は、これらの条件を満たす領域の中で、面積が最も小さくなる大きさの領域であり、外側増倍層２３１が実効的に形成されている領域である。

同図では、内側増倍層２３２の形成された領域Ｒ２３２は、長方形として示されている。基準領域Ｒ２３１は角環状の領域である。

基準領域Ｒ２３１内の全体に面内では均一に不純物を添加し、その深さが内側増倍層２３２と同一であり、その不純物濃度が、内側増倍層２３２の形成された領域Ｒ２３２の不純物濃度よりも低い場合が、第２実施形態（図５）の場合に相当する。

基準領域Ｒ２３１内の全体に面内では均一に不純物を添加し、その深さが内側増倍層２３２よりも浅く、その不純物濃度が、内側増倍層２３２の形成された領域Ｒ２３２の不純物濃度と同一／又は低い場合が、第３実施形態（図６）の場合に相当する。

基準領域Ｒ２３１において平面視において部分的に不純物を添加し、その深さが内側増倍層２３２と同一であり、その不純物濃度が、内側増倍層２３２の形成された領域Ｒ２３２の不純物濃度と同一／又は低い場合が、第１実施形態（図１）の場合に相当する。

すなわち、図１０は、第１実施形態に係る裏面入射型ＡＰＤを裏面側から見た平面図であり、外側増倍層２３１は、平面視において、複数の微少な領域からなり、外側増倍層２３１の不純物濃度は、内側増倍層２３２と同一である。

換言すれば、外側増倍層２３２は、図１に示した縦断面内において、離間した複数の不純物添加領域（アイランド）を含む微細パターンを有しており、これらの不純物添加領域間の領域には、これらの不純物添加領域よりも低い不純物濃度を有する低不純物濃度領域（元の半導体基板２）が存在し、前記不純物添加領域及び前記低不純物濃度領域からなる基準領域Ｒ２３１の平均の不純物濃度は、内側増倍層２３１における平均不純物濃度よりも小さい。また、外側増倍層２３２の形状は、平面視において、複数の同心リング状とすることができる。このような場合においても、上述のような電界緩和効果を奏する。

なお、図９及び図１０において説明された基準領域Ｒ２３１と外側増倍層２３２の関係は、全体を薄膜化した図７の実施形態にも適用され、上述のような電界緩和効果を奏する。

また、半導体の導電型（ｐ型、ｎ型）は、一方を第１導電型とした場合、他方を第２導電型とすることができ、これらは入れ替えることができる。

１…裏面入射型ＡＰＤ、２…半導体基板、３…アキュムレーション層、４、５…酸化膜、６…外枠部、２１…カソード層、２２…アノード取出層、２３…増倍層、２３１…外側増倍層（電界緩和層）、２３２…内側増倍層、１１…メタル電極、１２…メタル保護膜、１３…バンプ電極用孔、１４…バンプ、１５…サポート基板、１０１…支持基板、１０２…半導体基板、１０３…ｎ^＋型不純物領域、１０４…ｐ^＋型不純物領域、１０５…ｐ^＋型不純物領域、１１１…アノード電極、１１２…カソード電極。

Claims (6)

1. 少なくとも光入射部が薄板化された半導体基板と、
   前記光入射部の周辺部の前記半導体基板中に形成されたアノード取出層と、
   前記光入射部の光入射側とは反対側の前記半導体基板中に形成されたカソード層と、
   このカソード層と接してｐｎ接合を構成するように前記光入射部の前記半導体基板中に形成された増倍層と、
   を備え、
   前記増倍層は、
   外側増倍層と、
   前記外側増倍層の内側に形成された内側増倍層と、
   を備え、
   前記外側増倍層を含む基準領域内の平均不純物濃度は、前記内側増倍層内の平均不純物濃度よりも小さく、
   前記基準領域は、
   前記内側増倍層と同一の深さを有し、
   平面視における外縁形状が前記内側増倍層の外縁形状と相似であり、
   前記内側増倍層を含まず、
   前記外側増倍層を完全に含み、
   これらの条件を満たす領域の中で、面積が最も小さくなる大きさの領域である、
   ことを特徴とする裏面入射型アバランシェフォトダイオード。
2. 前記外側増倍層は、複数のアイランドを含む微細パターンを有していることを特徴とする請求項１記載の裏面入射型アバランシェフォトダイオード。
3. 前記外側増倍層は、不純物を前記内側増倍層よりも低濃度に添加してあることを特徴とする請求項１記載の裏面入射型アバランシェフォトダイオード。
4. 前記外側増倍層は、不純物を前記内側増倍層の深さよりも浅く添加してあることを特徴とする請求項１記載の裏面入射型アバランシェフォトダイオード。
5. 前記半導体基板は、前記光入射部およびその周辺部が薄板化されており、光入射側と反対側にはサポート基板が貼り合わされていることを特徴とする請求項１記載の裏面入射型アバランシェフォトダイオード。
6. 少なくとも光入射部が薄板化された半導体基板と、
   前記光入射部の周辺部の前記半導体基板中に形成されたアノード取出層と、
   前記光入射部の光入射側とは反対側の前記半導体基板中に形成されたカソード層と、
   を備える裏面入射型アバランシェフォトダイオードを製造する方法において、
   前記光入射部の領域において、前記光入射側とは反対側から前記カソード層とは反対導電型の不純物を添加する第一工程と、
   熱処理することにより、前記入射部の不純物添加領域をｐｎ接合する増倍層として機能させる第二工程と、
   を備え、
   前記増倍層の外側増倍層の不純物添加領域は、複数のアイランドを含む微細パターンとされていることを特徴とする裏面入射型アバランシェフォトダイオードの製造方法。

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