JP2004087979A - 受光素子およびその製造方法並びに回路内蔵型受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】短波長の光に対して高感度で高速応答が可能な受光素子を提供する。
【解決手段】Ｐ型半導体基板１上のＮ型エピタキシャル層６表面に形成されたＮ型不純物拡散層８内で発生した光キャリアは、不純物拡散の濃度傾斜による内蔵電界により空乏層中まで移動し、光電流が生じる。不純物拡散層８が高濃度の場合、光キャリアのライフタイムが低下し、空乏層に到達するまでに再結合して消滅し、受光素子の量子効率が低下する。不純物拡散層が浅いと抵抗が高く、フォトダイオードの直列抵抗が高くなって応答速度が遅くなる。よって、エピタキシャル層６の表面から０．１μｍを超え、０．３μｍ以下の深さにわたって不純物濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３より低い不純物拡散層８を形成する。または、エピタキシャル層６の表面から０．３μｍを超え、かつ、１．２μｍ以下の深さにわたって不純物濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３より低い不純物拡散層８を形成する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換機能を有する受光素子およびその製造方法に関し、特に、青色光等の短波長の光に対して高感度を有し、高速応答性能に優れた受光素子およびその製造方法に関する。また、そのような受光素子と同一基板上に回路素子を形成した回路内蔵型受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
受光素子の一種であるフォトダイオードは、光信号を電気信号に変換する光電変換機能を有しており、光ピックアップ、光空間伝送などに幅広く利用されている。フォトダイオードによる光電変換は、半導体中に形成されたＰＮ接合に逆バイアス電圧を印加し、その逆バイアス電圧によって形成された空乏層およびその近傍に光を照射することによって行われる。光の照射によって半導体中にキャリア（光キャリア）が生成され、生成された光キャリアが拡散層に生じる電位勾配（内蔵電界）に従って移動して空乏層まで到達することによって、光起電力（光電流）が発生する。
【０００３】
また、近年では、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＤＶＤ（デジタルビデオディスク）などの光学記録媒体に対する需要が増大するにつれて、光ピックアップに用いられるフォトダイオードの研究が積極的に進められている。このような光記録媒体の記録密度は、光源として用いられる半導体レーザ素子の発振波長が短くなるほど高くなる。このため、光ピックアップに用いられる半導体レーザ素子の発振波長についても、ＣＤ用の光ディスク装置では７８０ｎｍ、ＤＶＤ用の光ディスク装置では６５０ｎｍと短くなり、今後、４０５ｎｍ前後のレーザ光が使用され、さらに短波長化が進むと予想される。
【０００４】
ところで、光源として用いられる半導体レーザ素子の発振波長を短くすると、半導体内での光吸収係数が大きくなる。例えば、シリコンの光吸収係数は、波長６５０ｎｍの光では２５００ｃｍ^−１であるのに対して、波長４１０ｎｍの光では３００００ｃｍ^−１と１０倍以上になる。これに伴って、波長６５０ｎｍの光では半導体（シリコン）内部に侵入した光の強度が半導体表面における光の強度の１０％となる厚さ（半導体表面からの深さ）が９．２μｍであるのに対して、波長４１０ｎｍの光では０．７６μｍと１／１０倍以下となる。
【０００５】
従って、半導体レーザ素子の発振波長が短波長になるほど、受光素子において半導体表面の近傍で発生する電子‐正孔対が増加することになり、半導体表面近傍での光キャリアの動作が受光素子の感度および応答速度に大きな影響を与えると考えられる。特に、受光部表面付近の不純物濃度、濃度プロファイルなどが受光感度に大きく影響を与えると考えられる。
【０００６】
従来から、フォトダイオードの応答速度を高速化するためには、１００Ωｃｍ以上の比抵抗を有する高比抵抗基板または高比抵抗エピタキシャル層を形成した基板を利用することによって、フォトダイオードの接合容量を低減する方法が用いられている。以下、このような１００Ωｃｍ以上の比抵抗を有する高比抵抗基板および高比抵抗エピタキシャル層を形成した基板を含めて、高比抵抗基板と総称する。
【０００７】
例えば特開平７−２４０５３４号公報には、高比抵抗基板を用いた短波長光に対応可能な受光素子が開示されている。図８は、特開平７−２４０５３４号公報に開示されている受光素子の構成を示す模式的な断面図である。
【０００８】
この受光素子は、シリコンからなるＮ−高比抵抗半導体基板１０３の表面から０．１μｍ以下の深さにわたってＰ型不純物をピーク濃度１×１０^２０［ｃｍ^−３］で拡散させたＰ＋不純物拡散領域１０５が形成されている。以下、このＰ＋不純物拡散領域１０５を受光部拡散層と称する。この従来例では、受光部拡散層１０５はアノードとして用いられている。受光部拡散層１０５の上には酸化膜１０６が形成され、酸化膜１０６に形成された開口部を介して受光部拡散層１０５と金属層からなるアノード電極１０７ａとが接続されている。受光部拡散層１０５のアノード電極形成部分１０５ａは、受光部（電極が形成されていない中央の部分）よりも深く形成されており、これによって抵抗が低減されている。また、受光部拡散層１０５におけるＰ型不純物のピーク濃度位置は、可能な限り表面に近づけられている。
【０００９】
また、受光部拡散層１０５の周囲にはカソードとして用いられるＮ＋不純物拡散領域（カソード拡散層）１０４が形成されており、酸化膜１０６に形成された開口部を介してＮ＋不純物領域１０４と金属層からなるカソード電極１０７ｂとが接続されている。さらに、Ｎ−半導体基板１０３の裏面には裏面Ｎ＋拡散層１０２および裏面酸化膜１０１が形成されている。
【００１０】
上記受光素子において、カソード拡散層１０４上に形成されたカソード電極１０７ｂと受光部拡散層１０５上に形成されたアノード電極１０７ａとの間に電圧を印加することによって、受光部拡散層１０５とＮ−半導体基板１０３とのＰＮ接合に逆バイアス電圧が印加される。
【００１１】
図９は、図８のＸ’−Ｙ’断面において、受光部拡散層１０５およびＮ−高比抵抗層に含まれる不純物濃度のプロファイルを模式的に示すグラフである。この図９において、縦軸はシリコン中の不純物濃度を示し、横軸はフォトダイオード表面（エピタキシャル層表面）からの深さを示す。
【００１２】
この図９に示すように、Ｎ−半導体基板１０３は不純物濃度が低く、高比抵抗であるため、逆バイアス電圧の印加時に、受光部拡散層１０５とＮ−半導体基板１０３との接合部からＮ−半導体基板１０３側に空乏層が大きく広げられる。これによって、フォトダイオードの接合容量が低減されて、高速応答が可能となる。
【００１３】
また、受光される光の短波長化に伴って表面近傍で吸収される光が増加すると、受光部拡散層１０５中で発生する光キャリアが増加して表面近傍で再結合が生じ、受光素子の量子効率が低下する。これを防ぐため、受光部拡散層１０５の深さは０．１μｍ以下と浅くされている。これによって、受光部拡散層１０５中で発生する光キャリアを減少させて、受光部拡散層１０５よりも深い部分で光キャリアを発生させることができるため、空乏層まで到達する光キャリアが増加し、受光素子の感度を向上させることができる。また、受光部拡散層１０５を浅くすることにより、図９に示すように、濃度プロファイルを急峻にして内蔵電界を高め、光キャリアが空乏層に移動する速度を速くすることができる。よって、再結合するまでに光キャリアを空乏層内まで移動させることが可能となり、受光素子の感度を向上させることができる。
【００１４】
また、受光部拡散層１０５において、表面よりも内部に不純物のピーク濃度位置があると、光照射によって発生した光キャリアのうち、表面近傍で発生したものが受光部拡散層１０５の濃度分布に従って表面側に移動し、表面再結合が促進される。このため、図９に示すように、受光部拡散層１０５の不純物のピーク濃度位置を可能な限り表面側に近づけることによって、表面側への内蔵電界を抑えて表面再結合を抑制し、受光素子の感度を向上させることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、近年では、光ディスク装置における記録密度の高密度化、応答速度の高速化に伴って、光源として用いられる半導体レーザ素子の短波長化が進められている。しかしながら、光の短波長化に伴って受光素子の感度は低下し、シリコンにおいては、理論上、波長λ＝７８０ｎｍの光で光電変換効率が０．６２９Ａ／Ｗ、波長λ＝６５０ｎｍの光で０．５２４Ａ／Ｗ、波長λ＝４０５ｎｍの光では０．３２７Ａ／Ｗとなる。従って、同じ光量が受光されても、短波長光では得られる電流が低下し、回路のＳ／Ｎ比が低下する。このため、受光素子としては、可能な限り、量子効率を１００％に近づけることが望ましい。特に、青色レーザー対応の光ディスク装置において、波長４０５ｎｍでの受光感度を量子効率１００％近くまで高めて、高感度とすることが強く求められている。
【００１６】
上述した特開平７−２４０５３４号公報の受光素子では、受光部拡散層を０．１μｍ以下と浅く形成することによって、受光部拡散層中で発生する光キャリア量が減少され、受光感度が向上されている。また、受光部拡散層の不純物のピーク濃度位置を可能な限り表面側に近づけることによって、表面再結合が抑制され、受光感度が向上されている。
【００１７】
また、記録密度の高密度化が進むと、データ読み取り速度を高速化することも求められる。フォトダイオードの応答速度ｆｃは、一般に、
ｆｃ（−３ｄＢ）＝１／（２πＲＣ）
によって表される。ここで、Ｒはカソード抵抗、アノード抵抗などといったフォトダイオードの直列抵抗を表し、Ｃはフォトダイオードの容量を表す。
【００１８】
上述した特開平７−２４０５３４号公報の受光素子では、高比抵抗のＮ−半導体基板を用いることによって、フォトダイオードの容量が十分低減されている。しかしながら、電極形成部を除く受光部拡散層が０．１μｍ以下と浅く形成されているため、その部分の抵抗は大きくなっている。従って、フォトダイオードの直列抵抗を下げてさらに高速応答化を図るためには、量子効率を下げないようにしながら、受光部拡散層を０．１μｍを超える深い拡散層を形成することが望ましい。
【００１９】
このように、受光部拡散層をエピタキシャル層の表面から深く形成することによって抵抗を低くして高速応答を可能とし、かつ、波長４０５ｎｍ等といった短波長の光に対する感度向上を実現することが可能な受光素子が求められている。
【００２０】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、短波長の光に対して高感度で高速応答が可能な受光素子およびその製造方法並びに回路内蔵型受光素子を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の受光素子は、第一導電型の基板上に、第二導電型のエピタキシャル層が形成され、該第二導電型のエピタキシャル層の表面から０．３μｍ以下の深さにわたって第二導電型の不純物が拡散された第二導電型不純物拡散層が形成されている受光素子であって、該第二導電型不純物拡散層の不純物濃度が１×１０^２０［ｃｍ^−３］より低くされており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２２】
本発明の受光素子は、第一導電型の基板上に、第一導電型のエピタキシャル層が形成され、該第一導電型のエピタキシャル層の表面から０．３μｍ以下の深さにわたって第二導電型の不純物が拡散された第二導電型不純物拡散層が形成されている受光素子であって、該第二導電型不純物拡散層の不純物濃度が１×１０^２０［ｃｍ^−３］より低くされており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２３】
好ましくは、前記第二導電型不純物拡散層の不純物ピーク濃度が１×１０^１７［ｃｍ^−３］以上で、かつ、１×１０^２０［ｃｍ^−３］より低くされている。
【００２４】
好ましくは、前記第二導電型の不純物は、前記第一導電型または前記第二導電型のエピタキシャル層の表面から０．１μｍを超える深さにわたって拡散されている。
【００２５】
本発明の受光素子は、第一導電型の基板上に、第二導電型のエピタキシャル層が形成され、該第二導電型のエピタキシャル層の表面から０．３μｍを超え、かつ、１．２μｍ以下の深さにわたって第二導電型の不純物が拡散された第二導電型不純物拡散層が形成されている受光素子であって、該第二導電型不純物拡散層の濃度が１×１０^１９［ｃｍ^−３］より低くされており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２６】
本発明の受光素子は、第一導電型の基板上に、第一導電型のエピタキシャル層が形成され、該第一導電型のエピタキシャル層の表面から０．３μｍを超え、かつ、１．２μｍ以下の深さにわたって第二導電型の不純物が拡散された第二導電型不純物拡散層が形成されている受光素子であって、該第二導電型不純物拡散層の濃度が１×１０^１９［ｃｍ^−３］より低くされており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
好ましくは、前記第二導電型不純物拡散層の不純物ピーク濃度が１×１０^１７［ｃｍ^−３］以上で、かつ、１×１０^１９［ｃｍ^−３］より低くされている。
【００２８】
好ましくは、前記第二導電型不純物拡散層内の第二導電型不純物は、前記第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層の表面に近づくに従って濃度が高くなるように分布している。
【００２９】
好ましくは、前記第二導電型の不純物種は、ヒ素である。
【００３０】
好ましくは、前記第一導電型はＰ型であり、前記第二導電型はＮ型である。
【００３１】
好ましくは、前記第一導電型または第二導電型のエピタキシャル表面に酸化膜とＳｉ_３Ｎ_４膜とからなる反射防止膜が形成されている。
【００３２】
好ましくは、前記第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層は、１００Ωｃｍ以上の比抵抗を有する高比抵抗層である。
【００３３】
好ましくは、前記第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層と基板との間に、１００Ωｃｍ以上の比抵抗を有する第一導電型の高比抵抗半導体層が形成されている。
【００３４】
好ましくは、波長３９０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の光を受けて光電変換する。
【００３５】
本発明の受光素子の製造方法は、前記第一導電型の基板上に前記第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層を形成する工程と、該第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層の表面に、酸化膜を介してイオン注入法により第二導電型の不純物を導入して、前記第二導電型不純物拡散層を形成する工程とを含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００３６】
本発明の回路内蔵型受光素子は、前述した本発明の受光素子と、回路素子とが同一の基板上に形成されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００３７】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００３８】
第一導電型（例えばＰ型）の基板上に、第二導電型（例えばＮ型）または第一導電型のエピタキシャル層が形成され、第二導電型または第一導電型のエピタキシャル層の表面から所定の深さにわたって第二導電型の不純物が拡散された第二導電型不純物拡散層が形成されている受光素子において、不純物拡散層内で発生した光キャリアは、不純物拡散の濃度傾斜によって生じる内蔵電界により空乏層中まで移動し、これによって光電流が生じる。ここで、不純物拡散層の不純物濃度が高濃度である場合には、光キャリアのライフタイムが低下し、空乏層に到達するまでに再結合して消滅する。このため、このような光キャリアは、光電流に寄与することができず、受光素子の感度（量子効率）が低下する。
【００３９】
特に、受光される光の短波長化（例えば３９０ｎｍ〜４２０ｎｍ）に伴って半導体中での光吸収係数が大きくなり、光の侵入長（表面からの距離）が短くなると、不純物拡散層中で発生する光キャリアが増加するため、不純物拡散層の不純物濃度が高濃度である場合、受光素子の量子効率低下が顕著となる。
【００４０】
このように、不純物拡散層内で光キャリアの再結合が生じて量子効率が低下することを防ぐため、従来技術では、不純物濃度が高濃度である不純物拡散層を０．１μｍ以下に浅く形成して拡散プロファイルを急峻にすることによって内蔵電界を高め、光キャリアが空乏層に移動する速度を速くすることによって、再結合するまでに光キャリアを空乏層内まで移動させることができるようにしている。しかしながら、この方法では、不純物拡散層が浅いために抵抗が高くなり、フォトダイオードの直列抵抗が高くなるため、応答速度が遅くなる。
【００４１】
そこで、本発明では、不純物拡散層を深く形成することにより抵抗を低くして高速応答を可能とすると共に、不純物拡散層における不純物濃度を低くすることにより光キャリアのライフタイムを長くして、再結合するまでに空乏層まで移動することができるようにする。
【００４２】
例えば、第二導電型不純物拡散層が第二導電型または第一導電型のエピタキシャル層の表面から０．１μｍを超え、かつ、０．３μｍ以下の深さにわたって形成されている場合には、第二導電型不純物拡散層の不純物濃度を１×１０^２０［ｃｍ^−３］より低い濃度とする。また、第二導電型不純物拡散層が第二導電型または第一導電型のエピタキシャル層の表面から０．３μｍを超え、かつ、１．２μｍ以下の深さにわたって形成されている場合には、第二導電型不純物拡散層の不純物濃度を１×１０^１９［ｃｍ^−３］より低い濃度とする。不純物濃度が低すぎると応答周波数が低くなるため、高速応答が必要とされる用途には、不純物ピーク濃度を１×１０^１７［ｃｍ^−３］以上とすることが好ましい。
【００４３】
また、不純物拡散層において、表面よりも内部に不純物濃度のピーク濃度位置があると、光照射によって発生した光キャリアのうち、表面近傍で発生したものが不純物拡散層の濃度分布に従って表面側に移動し、表面再結合が促進される。このため、不純物拡散層内の不純物は、エピタキシャル層の表面に近づくに従って濃度が高くなるように分布させることが好ましい。これによって、表面側への内蔵電界を抑えて表面再結合を抑制し、受光素子の感度を向上させることができる。
【００４４】
不純物拡散層は、第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層の表面に酸化膜を形成し、その酸化膜を介してイオン注入法により形成することが望ましい。不純物濃度ピーク位置が酸化膜中に形成されるように制御することによって、エピタキシャル層の表面に近づくほど不純物濃度が高くなるプロファイルを容易に形成することができる。
【００４５】
不純物拡散層の不純物種としては、拡散係数が小さいヒ素を用いると、拡散層の深さを制御し易い。特に、受光素子と回路素子とが同一の基板上に形成されている回路内蔵型受光素子では、回路形成時の熱処理により高温となるため、拡散係数が小さいヒ素を用いることが望ましい。
【００４６】
また、第一導電型または第二導電型のエピタキシャル表面に酸化膜とＳｉ_３Ｎ_４膜とからなる反射防止膜を形成することによって、さらに受光素子の感度を向上させることができる。
【００４７】
また、不純物拡散層の基板側に１００Ωｃｍ以上の比抵抗を有する高比抵抗の第１導電型半導体層が形成されていると、逆バイアス印加時に空乏層が高比抵抗層側に広げられるため、フォトダイオードの容量が低減されて高速応答が可能となる。また、第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層を高比抵抗層としてもよい。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下では、受光素子と回路素子とを同一の基板上に形成した回路内蔵型受光素子を例として説明しているが、回路素子を形成せずに受光素子のみを基板上に形成した構成についても同様である。
【００４９】
（実施形態１）
図１は、本実施形態１の回路内蔵型受光素子の概略構成を示す断面図である。
【００５０】
この回路内蔵型受光素子は、シリコン半導体等からなる比抵抗４０Ωｃｍ程度のＰ型半導体基板１を有しており、このＰ型半導体基板１上に、Ｐ型高濃度埋込拡散層２、比抵抗１００Ωｃｍ以上のＰ型高比抵抗エピタキシャル層３、および比抵抗１Ωｃｍ〜５Ωｃｍ程度のＮ型エピタキシャル層６が、この順に積層されている。
【００５１】
この回路内蔵受光素子は、フォトダイオード領域と、このフォトダイオード領域に隣接して形成されたバイポーラトランジスタ素子領域とを有している。このフォトダイオード領域とバイポーラ素子領域とは、Ｐ型高濃度埋込拡散層２との界面からＮ型エピタキシャル層６との界面まで達するように、Ｐ型高比抵抗エピタキシャル層３に形成されたＰ型埋込分離拡散層４と、Ｎ型エピタキシャル層６の表面からＰ型埋込分離拡散層４まで達するように形成されたＰ型分離拡散層７とによって、素子分離されている。
【００５２】
フォトダイオード領域には、Ｎ型エピタキシャル層６の表面から０．３μｍ以下（例えば０．３μｍ）の深さにわたって、かつ、不純物のピーク濃度が１×１０^２０［ｃｍ^−３］よりも低濃度（例えば８×１０^１９［ｃｍ^−３］程度）となるように、Ｎ型不純物が拡散されてＮ型不純物拡散層８が形成されている。
【００５３】
バイポーラトランジスタ素子領域には、Ｐ型高比抵抗エピタキシャル層３の表面上に埋め込まれるようにＮ型埋込拡散層５が形成されており、このＮ型埋込拡散層５上にバイポーラＮ型ウェル拡散層９とＮ型不純物拡散層８とが互いに隣接して形成されている。Ｎ型ウェル拡散層９には、Ｐ−ベース拡散層１０およびこのＰ−ベース拡散層１０の両側に隣接するように形成されたＰ＋ベース拡散層１１が設けられている。Ｐ−ベース拡散層１０の領域内には、Ｎ型エミッタ拡散層１２が形成されている。
【００５４】
このようにフォトダイオード領域の各層およびバイポーラトランジスタ素子領域の各層がそれぞれ形成されたＮ型エピタキシャル層６上には、全面にわたって、表面保護絶縁膜１３が形成されている。この表面保護絶縁膜１３において、フォトダイオード領域のＮ型不純物拡散層８上、Ｐ型分離拡散層７上、バイポーラトランジスタ素子領域のＮ型不純物拡散層８上、Ｐ＋ベース拡散層１１上およびＮ型エミッタ拡散層１２上には、それぞれ開口部が形成され、各開口部には、配線（電極）金属層１４がそれぞれ設けられている。
【００５５】
図２および図３は、Ｎ型不純物拡散層８内で発生した光キャリアの動作を説明するための不純物プロファイルを模式的に示すグラフである。この図２および図３において、縦軸はシリコン中の不純物濃度を示し、横軸はフォトダイオード表面（エピタキシャル層表面）からの深さを示す。
【００５６】
図２に示すように、Ｎ型不純物拡散層８内で発生した光キャリアは、Ｎ型不純物の濃度傾斜によって生じる内蔵電界により空乏層中まで移動し、光電流が発生する。ところが、Ｎ型不純物拡散層８の不純物濃度が高濃度になると、光キャリアのライフタイムが低下し、空乏層に到達するまでに光キャリアが再結合して消滅する。このため、その光キャリアは光電流の生成に寄与することができず、受光素子の量子効率が低下する。
【００５７】
特に、光の短波長化に伴って光の吸収係数が増加し、半導体層内への光の侵入長が短くなると、Ｎ型不純物拡散層８中で発生する光キャリアが増加するため、Ｎ型不純物拡散層８の不純物濃度が高濃度である場合、受光素子の量子効率低下が顕著となる。
【００５８】
このように、高濃度不純物拡散層内で光キャリアの再結合によって量子効率が低下することを防ぐためには、以下のような２つの方法により濃度プロファイルを最適化することが考えられる。
【００５９】
第一の方法は、図３に示すように、Ｎ型不純物拡散層８の不純物濃度が高濃度である場合に、Ｎ型不純物拡散層８を浅く形成して拡散プロファイルを急峻にすることによって、内蔵電界を高くする。これにより、Ｎ型不純物拡散層８を深く形成した場合に比べて、光キャリアが空乏層に移動する速度が速くなり、再結合するまでに光キャリアを空乏層内まで移動させることができるようになる。
【００６０】
第二の方法は、Ｎ型不純物拡散層８が深く形成されている場合に、不純物濃度を低くすることによって光キャリアのライフタイムを長くする。これにより、光キャリアが再結合せずに空乏層まで移動することができるようになる。
【００６１】
第一の方法では、Ｎ型不純物拡散層８を浅く形成することによって抵抗が高くなり、応答速度が低くなるため、本実施形態では第二の方法によって応答速度を高速化すると共に受光素子の量子効率を向上させる。
【００６２】
図４は、Ｎ型不純物拡散層８の拡散深さおよび不純物濃度を変化させた場合について、波長４０５ｎｍにおける量子効率を示すグラフである。この図４において、縦軸は波長４０５ｎｍの光に対する受光素子の量子効率を示し、横軸はＮ型不純物拡散層８の不純物濃度を示す。
【００６３】
この図４に示すように、波長４０５ｎｍという短波長の光でもＮ型不純物拡散層８の深さがエピタキシャル層６の表面から０．３μｍである場合には、不純物ピーク濃度が１×１０^２０［ｃｍ^−３］よりも低濃度であれば、量子効率は低下しない。また、Ｎ型不純物拡散層８の深さが０．３μｍよりも浅くなっても、Ｎ型不純物拡散層８内での内蔵電界が高まるため、不純物濃度が１×１０^２０［ｃｍ^−３］よりも低濃度であれば、量子効率は低下しない。
【００６４】
ここで、Ｎ型不純物拡散層８の深さが０．１μｍ以下では、受光素子の応答速度に影響するカソード抵抗が高くなるため、Ｎ型不純物拡散層は、エピタキシャル層６の表面から０．１μｍを超えて深く形成されていることが望ましい。なお、回路内蔵型受光素子の場合には、回路形成時の熱処理によって高温となるため、拡散深さが０．１μｍよりも深くなることが多い。
【００６５】
図５は、図１のＸ’−Ｙ’断面において、Ｎ型不純物拡散層８、Ｎ型エピタキシャル層６およびＰ型高比抵抗エピタキシャル層３に含まれる不純物濃度のプロファイルを模式的に示すグラフである。この図５において、縦軸はシリコン中の不純物濃度を示し、横軸はフォトダイオード表面（Ｎ型エピタキシャル層６表面）からの深さを示す。
【００６６】
本実施形態１では、図５に示すように、Ｎ型不純物拡散層８の不純物ピーク濃度が８×１０^１９［ｃｍ^−３］で、かつ、Ｎ型エピタキシャル層６の表面から０．３μｍの深さにわたって形成されているため、図４に示すように、量子効率が低下せず、感度の高い受光素子を得ることができる。また、Ｎ型不純物拡散層８の深さが０．３μｍであるため、受光素子の応答速度に影響するカソード抵抗を低くして、応答速度を速くすることができる。
【００６７】
また、表面での光反射を抑えるために、受光部表面に、例えばＳｉＯ_２／Ｓｉ_３Ｎ_４からなる反射防止膜を設けることにより、さらに受光素子の感度を向上っせることができる。さらに、Ｎ型不純物拡散層８の不純物濃度プロファイルを、Ｎ型エピタキシャル層６表面に近づくほど高濃度となるように設定することにより、波長４０５ｎｍの光を受光したときの量子効率がほぼ１００％となり、青色光ディスク装置に適した受光素子を得ることができる。
【００６８】
図６は、本実施形態の回路内蔵型受光素子の製造工程を説明するための断面図である。
【００６９】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコン半導体等からなる比抵抗４０Ωｃｍ程度のＰ型半導体基板１上に、Ｐ型高濃度埋込拡散層２を形成し、続いて、Ｐ型高濃度埋込拡散層２上にエピタキシャル成長を行うことにより、比抵抗１００Ωｃｍ以上のＰ型高比抵抗エピタキシャル層３を形成する。本実施形態では、Ｐ型半導体基板１上にＰ型高濃度埋込拡散層２を形成しているが、この構成に代えてＰ型低抵抗基板を用いてもよい。
【００７０】
次に、このＰ型高比抵抗エピタキシャル層３上に、Ｐ型の不純物をデポジションまたはイオン注入した後、熱処理を行うことによって、Ｐ型高濃度拡散層２との界面まで達するＰ型高濃度分離拡散層４を形成する。
【００７１】
続いて、図６（ｂ）に示すように、Ｐ型高比抵抗エピタキシャル層３においてバイポーラトランジスタ素子領域となる領域上に、コレクタとなるＮ型埋込拡散層５を形成する。
【００７２】
その後、図６（ｃ）に示すように、Ｐ型高濃度分離拡散層４およびＮ型埋込拡散層５がそれぞれ形成されたＰ型高比抵抗エピタキシャル層３上の全面に、例えば厚み０．８μｍ〜３．０μｍ、比抵抗１Ωｃｍ〜５Ωｃｍ程度のＮ型エピタキシャル層６を形成する。ここで、Ｎ型エピタキシャル層６の代りに、Ｐ型エピタキシャル層を形成してもよい。また、これらエピタキシャル層を１００Ωｃｍ以上の高抵抗とすることによって、フォトダイオード容量を低くして応答速度の高速化を図ることができるため、望ましい。
【００７３】
次に、バイポーラトランジスタ素子領域におけるＮ型埋込拡散層５上の所定の位置に、バイポーラＮ型ウェル拡散層９を形成し、さらに、Ｎ型エピタキシャル層６の表面からイオン注入することにより、Ｐ型埋込分離拡散層４まで達するＰ型分離拡散層７を形成する。
【００７４】
続いて、フォトダイオード領域における所定の範囲およびバイポーラトランジスタ素子領域におけるＮ型埋込拡散層５上に、Ｎ型エピタキシャル層６の表面からイオン注入することにより、Ｎ型エピタキシャル層６の表面から０．３μｍの深さにわたって、かつ、不純物のピーク濃度が８×１０^１９［ｃｍ^−３］程度となるように、Ｎ型不純物拡散層８をそれぞれ形成する。このように、フォトダイオード領域およびバイポーラトランジスタ素子領域のそれぞれのＮ型不純物拡散層８を同時に形成することができるので、工程数を削減することができる。
【００７５】
このＮ型不純物拡散層８の製造工程においては、Ｎ型エピタキシャル層６の表面に酸化膜を形成し、その酸化膜を介してイオン注入する方法を用いることが望ましい。これは、目的とする深さのＮ型不純物拡散層８を形成しやすくなるからである。また、酸化膜中にイオン注入時のＲｐ（不純物濃度ピーク）が形成されるように設定することにより、Ｎ型不純物拡散層８において、Ｎ型エピタキシャル層６の表面に近づくほど不純物濃度が高濃度になる不純物濃度プロファイルを形成することが容易となるからである。
【００７６】
また、０．３μｍ以下の拡散を形成するために、Ｎ型不純物のイオン種としてヒ素を用いると、拡散層の深さを制御し易いため、望ましい。特に、回路内蔵型受光素子においては、回路形成時の熱処理により高温となるため、拡散係数が小さいヒ素を用いることが望ましい。
【００７７】
その後、図６（ｄ）に示すように、バイポーラトランジスタ素子領域においてバイポーラＮ型ウェル拡散層内にＰ−ベース拡散層１０およびＰ＋ベース拡散層１１を形成し、さらに、Ｐ−ベース拡散層１０内にＮ型エミッタ拡散層１２を形成する。バイポーラトランジスタ素子領域の特性は、続いて行われる熱処理によって決定される。
【００７８】
次に、図１に示すように、フォトダイオード領域の各層およびバイポーラトランジスタ素子領域の各層がそれぞれ形成されたＮ型エピタキシャル層６上の全面にわたって、表面保護絶縁膜１３を形成し、続いて、この表面保護絶縁膜１３の所定位置にそれぞれ開口部を形成する。そして、各開口部を充填するように配線（電極）金属層１４をそれぞれ形成することによって、本実施形態の回路内蔵型受光素子が完成する。
【００７９】
（実施形態２）
本実施形態２においては、図１に示す回路内蔵型受光素子において、フォトダイオード領域に、Ｎ型エピタキシャル層６の表面から０．３μｍを超え、かつ、１．２μｍ以下（例えば０．５μｍ）の深さにわたって、不純物のピーク濃度が１×１０^１９［ｃｍ^−３］よりも低濃度（例えば８×１０^１８［ｃｍ^−３］程度）となるように、Ｎ型不純物が拡散されてＮ型不純物拡散層８が形成されている。それ以外は、実施形態１の回路内蔵型受光素子と同様である。
【００８０】
図４に示すように、Ｎ型不純物拡散層８の深さが０．５μｍまたは１．２μｍになると、Ｎ型不純物拡散層８が０．３μｍである場合と比べて不純物濃度の濃度プロファイルが緩やかになって内蔵電界が弱くなるため、濃度１×１０^２０［ｃｍ^−３］でも量子効率が低下している。しかしながら、不純物ピーク濃度が１×１０^１９［ｃｍ^−３］よりも低濃度であれば、量子効率が低下しない。
【００８１】
ここで、Ｎ型不純物拡散層８の深さを深くしすぎると、図２に示す不純物濃度プロファイルによる内蔵電界が弱まることになり、Ｎ型不純物拡散層８内で生成されて空乏層に移動する光キャリアの拡散速度が低下するため、受光素子の応答速度が低下する。例えば、波長４０５ｎｍの光ディスク装置では、Ｎ型不純物拡散層８のＮ型エピタキシャル層６表面からの深さが１．２μｍよりも深くなると、応答速度が不十分になるため、１．２μｍ以下の深さにすることが望ましい。
【００８２】
図７は、図１のＸ’−Ｙ’断面において、Ｎ型不純物拡散層８、Ｎ型エピタキシャル層６およびＰ型高比抵抗エピタキシャル層３に含まれる不純物濃度のプロファイルを模式的に示すグラフである。この図７において、縦軸はシリコン中の不純物濃度を示し、横軸はフォトダイオード表面（Ｎ型エピタキシャル層６表面）からの深さを示す。
【００８３】
本実施形態２では、図７に示すように、Ｎ型不純物拡散層８の不純物ピーク濃度が８×１０^１８［ｃｍ^−３］で、かつ、Ｎ型エピタキシャル層６の表面から０．５μｍの深さにわたって形成されているため、図４に示すように、量子効率が低下せず、感度の高い受光素子を得ることができる。さらに、Ｎ型不純物拡散層８の深さが実施形態１よりも深いため、受光素子の応答速度に影響するカソード抵抗をさらに低くして、応答速度を速くすることができる。
【００８４】
なお、上記説明では、受光素子と回路素子とを同一の基板上に形成した回路内蔵型受光素子を例として説明しているが、回路素子を形成せずに受光素子のみを基板上に形成した構成についても同様である。また、上記説明では、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型として、多Ｐ型基板１上のＮ型エピタキシャル層６にＮ型不純物拡散層８を形成した例について説明しているが、Ｐ型基板上のＰ型エピタキシャル層にＮ型不純物拡散層を形成する場合についても、本発明は適用可能である。また、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型とした場合についても、本発明は適用可能である。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層の表面から０．１μｍを超え、かつ、０．３μｍ以下の深さにわたって第二導電型の不純物拡散層を形成することによって抵抗を低くして高速応答を可能とすると共に、不純物拡散層の不純物濃度を１×１０^２０［ｃｍ^−３］より低い濃度とすることによって波長３９０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下程度の短波長光に対しても、光キャリアのライフタイムを長くして受光感度を向上させることができる。また、不純物拡散層の不純物ピーク濃度を１×１０^１７［ｃｍ^−３］以上で、かつ、１×１０^２０［ｃｍ^−３］より低くすることによって、応答速度を低くすることなく、受光感度を向上させることができる。
【００８６】
また、本発明によれば、第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層の表面から０．３μｍを超え、かつ、１．２μｍ以下の深さにわたって第二導電型の不純物拡散層を形成することによって抵抗を低くして高速応答を可能とすると共に、不純物拡散層の不純物濃度を１×１０^１９［ｃｍ^−３］より低い濃度とすることによって波長３９０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下程度の短波長光に対しても、光キャリアのライフタイムを長くして受光感度を向上させることができる。また、不純物拡散層の不純物ピーク濃度を１×１０^１７［ｃｍ^−３］以上で、かつ、１×１０^２０［ｃｍ^−３］より低くすることによって、応答速度を低くすることなく、受光感度を向上させることができる。
【００８７】
また、第二導電型の不純物拡散層内の不純物を、第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層の表面に近づくに従って濃度が高くなるように分布させることによって、表面側への内蔵電界を抑えて表面再結合を抑制し、受光素子の感度を向上させることができる。
【００８８】
また、第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層の表面に酸化膜を形成し、不純物濃度ピーク位置がその酸化膜中に形成されるように、酸化膜を介してイオン注入法により第二導電型の不純物拡散層を形成することによって、エピタキシャル層の表面に近づくほど不純物濃度が高くなる濃度プロファイルを容易に形成することができる。
【００８９】
第二導電型の不純物拡散層の不純物種としては、拡散係数が小さいヒ素を用いると、拡散層の深さを制御し易いため望ましい。特に、受光素子と回路素子とが同一の基板上に形成されている回路内蔵型受光素子では、回路形成時の熱処理により高温となるため、拡散係数が小さいヒ素を用いることが望ましい。
【００９０】
また、第一導電型または第二導電型のエピタキシャル表面に酸化膜とＳｉ_３Ｎ_４膜とからなる反射防止膜を形成することによって、光の表面反射を防いで、さらに受光素子の感度を向上させることができる。
【００９１】
また、第二導電型の不純物拡散層の基板側に１００Ωｃｍ以上の比抵抗を有する高比抵抗のエピタキシャル層を形成することによって、逆バイアス印加時に空乏層が高比抵抗層側に広げられるため、フォトダイオードの容量が低減されて高速応答が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である回路内蔵受光素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】Ｎ型不純物拡散層内で発生した光キャリアの動作を説明するための不純物プロファイルを模式的に示すグラフである。
【図３】Ｎ型不純物拡散層内で発生した光キャリアの動作を説明するための不純物プロファイルを模式的に示すグラフである。
【図４】Ｎ型不純物拡散層の深さおよび不純物濃度を変化させた場合について、波長４０５ｎｍにおける量子効率を示すグラフである。
【図５】実施形態１の回路内蔵型受光素子について、図１のＸ−Ｙ断面において、Ｎ型不純物拡散層、Ｎ型エピタキシャル層およびＰ型高比抵抗エピタキシャル層に含まれる不純物濃度のプロファイルを模式的に示すグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施形態１および実施形態２の回路内蔵型受光素子の製造工程を説明するための断面図である。
【図７】実施形態２の回路内蔵型受光素子について、図１のＸ−Ｙ断面において、Ｎ型不純物拡散層、Ｎ型エピタキシャル層およびＰ型高比抵抗エピタキシャル層に含まれる不純物濃度のプロファイルを模式的に示すグラフである。
【図８】従来の受光素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図９】図８のＸ’−Ｙ’断面において、受光部拡散層およびＮ−高比抵抗層に含まれる不純物濃度のプロファイルを模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
１　Ｐ型半導体基板
２　Ｐ型高濃度埋込拡散層
３　Ｐ型高比抵抗エピタキシャル層
４　Ｐ型埋込分離拡散層
５　Ｎ型埋込拡散層
６　Ｎ型エピタキシャル層
７　Ｐ型分離拡散層
８　Ｎ型拡散層
９　バイポーラＮ型ウェル拡散
１０　Ｐ−ベース拡散層
１１　Ｐ＋ベース拡散層
１２　Ｎ型エミッタ拡散層
１３　表面保護絶縁膜
１４　配線（電極）金属層
１０１　裏面酸化膜
１０２　Ｎ＋不純物拡散層
１０３　Ｎ型高比抵抗半導体基板
１０４　Ｎ＋不純物拡散領域（カソード拡散層）
１０５、１０５ａ、１０５ｂ　Ｐ＋不純物拡散領域（受光部拡散層）
１０６　表面保護絶縁膜
１０７ａ　アノード電極
１０７ｂ　カソード電極

Claims (16)

1. 第一導電型の基板上に、第二導電型のエピタキシャル層が形成され、該第二導電型のエピタキシャル層の表面から０．３μｍ以下の深さにわたって第二導電型の不純物が拡散された第二導電型不純物拡散層が形成されている受光素子であって、
   該第二導電型不純物拡散層の不純物濃度が１×１０^２０［ｃｍ^−３］より低いことを特徴とする受光素子。
2. 第一導電型の基板上に、第一導電型のエピタキシャル層が形成され、該第一導電型のエピタキシャル層の表面から０．３μｍ以下の深さにわたって第二導電型の不純物が拡散された第二導電型不純物拡散層が形成されている受光素子であって、
   該第二導電型不純物拡散層の不純物濃度が１×１０^２０［ｃｍ^−３］より低いことを特徴とする受光素子。
3. 前記第二導電型不純物拡散層の不純物ピーク濃度が１×１０^１７［ｃｍ^−３］以上で、かつ、１×１０^２０［ｃｍ^−３］より低いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受光素子。
4. 前記第二導電型の不純物は、前記第一導電型または前記第二導電型のエピタキシャル層の表面から０．１μｍを超える深さにわたって拡散されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の受光素子。
5. 第一導電型の基板上に、第二導電型のエピタキシャル層が形成され、該第二導電型のエピタキシャル層の表面から０．３μｍを超え、かつ、１．２μｍ以下の深さにわたって第二導電型の不純物が拡散された第二導電型不純物拡散層が形成されている受光素子であって、
   該第二導電型不純物拡散層の不純物濃度が１×１０^１９［ｃｍ^−３］より低いことを特徴とする受光素子。
6. 第一導電型の基板上に、第一導電型のエピタキシャル層が形成され、該第一導電型のエピタキシャル層の表面から０．３μｍを超え、かつ、１．２μｍ以下の深さにわたって第二導電型の不純物が拡散された第二導電型不純物拡散層が形成されている受光素子であって、
   該第二導電型不純物拡散層の不純物濃度が１×１０^１９［ｃｍ^−３］より低いことを特徴とする受光素子。
7. 前記第二導電型不純物拡散層の不純物ピーク濃度が１×１０^１７［ｃｍ^−３］以上で、かつ、１×１０^１９［ｃｍ^−３］より低いことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の受光素子。
8. 前記第二導電型不純物拡散層内の第二導電型不純物は、前記第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層の表面に近づくに従って濃度が高くなるように分布していることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の受光素子。
9. 前記第二導電型の不純物種は、ヒ素であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の受光素子。
10. 前記第一導電型はＰ型であり、前記第二導電型はＮ型であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の受光素子。
11. 前記第一導電型または第二導電型のエピタキシャル表面に酸化膜とＳｉ_３Ｎ_４膜とからなる反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の受光素子。
12. 前記第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層は、１００Ωｃｍ以上の比抵抗を有する高比抵抗層であることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の受光素子。
13. 前記第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層と基板との間に、１００Ωｃｍ以上の比抵抗を有する第一導電型の高比抵抗半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の受光素子。
14. 波長３９０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の光を受けて光電変換することを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれかに記載の受光素子。
15. 請求項１〜請求項１４のいずれかに記載の受光素子を製造する方法であって、
    前記第一導電型の基板上に前記第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層を形成する工程と、
    該第一導電型または第二導電型のエピタキシャル層の表面に、酸化膜を介してイオン注入法により第二導電型の不純物を導入して、前記第二導電型不純物拡散層を形成する工程とを含む受光素子の製造方法。
16. 請求項１〜請求項１４のいずれかに記載の受光素子と、回路素子とが同一の基板上に形成されていることを特徴とする回路内蔵型受光素子。

Images