JP4835658B2 - Ｐｉｎフォトダイオードおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光学ピックアップ等の受光素子に用いられるフォトダイオードに関し、特に、青色光の波長を感度良く受光することができるＰＩＮフォトダイオードに関する。
ＰＩＮフォトダイオードは、Ｐ型半導体とＮ型半導体の間にIntrinsic層（高抵抗のエピタキシャル層など）があるＰ−Ｉ−Ｎ構造を持ち、入射した光を光電流に変換する素子である。その原理は、エネルギー・バンド・ギャップより大きなエネルギーの光が逆バイアス印加されたＰＩＮ構造を持つシリコン（Ｓｉ）中に入射されると、シリコン結晶内で電子−正孔対が生成され、それらは光キャリアとして電子はＮ層へ、正孔はＰ層へそれぞれ移動し、逆方向の電流が出力される。
特許文献１は、図１に示すように、Ｎ型半導体層１１内に碁盤の目状に複数のＰ型半導体層１２を形成し、シリコン表面に、酸化シリコン膜２５および窒化シリコン膜２６からなる反射防止膜ＡＲを形成したフォトダイオードを開示している。
シリコンは、その物性上４００ｎｍから１１００ｎｍまでの波長の光しか光電流に変換出力することができない。その理由は、１１００ｎｍ以上の長波長の光エネルギーは、シリコンのエネルギーバンドギャップ（１．１２ｅＶ）より低いため電子−正孔対を生成することができない。また、短波長の光は、シリコン表面付近でしか電子−正孔対を生成することができないが、通常、シリコン表面は、再結合速度が非常に大きいため、４００ｎｍ以下の短波長では、生成された電子−正孔対が直ぐに再結合してしまい、シリコン内で光キャリアが消滅してしまう。
ＰＩＮフォトダイオードには、感度（光電変換効率）とＢＷ（応答速度）の２つの重要な特性がある。ＰＩＮフォトダイオードの基本原理を踏まえて、青色光波長（λ＝４０５ｎｍ）に対して、上記した２つの重要な特性を考慮して構成されたＰＩＮフォトダイオードの断面を図２に示す。
図２に示すＰＩＮフォトダイオード１００は、高濃度のＰ型の単結晶シリコン基板１１０上に、エピタキシャル成長により形成された低濃度のＰ型シリコン層１１２、エピタキシャル成長された低濃度のＮ型のシリコン層１１４、シリコン層１１４の表面から一定の深さを有する中濃度のＮ型のシリコン領域１１６が形成されている。逆バイアス電圧が印加されたとき、シリコン層１１２とシリコン層１１４の接合面から上下方向に広がる空乏領域が形成される。
シリコン領域１１６は、フィールド酸化膜１１８によって画定され、シリコン領域１１６上には、熱酸化によるシリコン酸化膜１２０が形成され、シリコン酸化膜１２０上にはシリコン窒化膜１２２が形成されている。シリコン酸化膜１２０とシリコン窒化膜１２２は、反射防止膜を形成する。
Ｎ型のシリコン領域１１６の両端部には、高濃度のＮ型のコンタクト領域１２４が形成され、コンタクト領域１２４は、プラチナシリサイド（ＰｔＳｉ）層１２６を介して電極１２８に電気的に接続されている。また、Ｎ型のシリコン層１１４を介してＰ型のシリコン領域１１２まで延びる高濃度のＰ型のコンタクト領域１３０が形成され、コンタクト領域１３０は、プラチナシリサイド（ＰｔＳｉ）層１３２を介して電極１３４に電気的に接続されている。
さらに、シリコン基板上には多層配線領域１３６、および保護膜１３８が形成されている。多層配線領域１３６および保護膜１３８には、シリコン窒化膜１２２を露出するための開口Ｈが形成されている。開口Ｈは、ＰＩＮフォトダイオードの受光面を規定する。カソード側の電極１２８とアノード側の電極１３４に逆バイアス電圧が印加されると、シリコン層１１２とシリコン層１１４の界面から空乏領域が形成される。空乏領域は、ほぼシリコン表面領域にまで到達し、青色光が開口Ｈ内に入射されたとき、空乏領域内に電子−正孔対のキャリアが生成される。電子は、カソード側の電極１２８に移動し、正孔は、アノード側の電極１３４に移動し、光電流が出力される。
このＰＩＮフォトフォトダイオードは、図１に示すフォトダイオードのように受光面内に電極が存在しないため、空乏領域に入射する光量の減少を抑制することができる。他方、受光面内に電極を配置させないと、シリコン表面近傍の空乏領域で発生したキャリアの移動距離が長くなり、再結合により消滅する割合が高くなってしまう。特に、シリコン表面に多数のシリコン未結合手（ダングリングボンド）があると、シリコン界面のトラップ準位にキャリアがトラップされ、再結合によりキャリアが消滅する確率が高くなってしまう。シリコン領域１１６上に熱酸化によるシリコン酸化膜１２０を形成することで、シリコンの未結合手の数を減少させ、界面状態を安定化させ、界面トラップ現象を最小限に抑制している。
さらに、シリコン表面の抵抗が高いと、キャリアの移動速度が遅くなり、応答速度が低下するが、Ｎ型のシリコン層１１４の表面から一定の深さに中濃度のＮ型のシリコン領域１１６を形成することで、シリコン表面近傍で発生したキャリアは、抵抗の低いシリコン表面近傍のシリコン領域１１６を移動し、その応答速度の低下が抑制される。
しかしながら、図２に示すフォトダイオードであっても、低感度不良のウエハーが発生した。そのいずれもの感度不良も、波長が４０５ｎｍ（青紫光）の光を入射したときにのみ生じている。
本発明者は、感度不良の発生原因について、４０５ｎｍ光の入射時の感度に最も影響を与えるフォトダイオード表面のシリコン−酸化膜界面に注目した。光波長とシリコンの物性上、４０５ｎｍ光は、シリコン表面近傍にしかその光は到達しないため、発生する光キャリアは、シリコン表面状態に大きく左右される。図３Ａは、光吸収率とシリコン表面からの深さとの関係を、４１０ｎｍ、６６０ｎｍ、７８０ｎｍの波長との関係で示している。４１０ｎｍの波長は、約１×１０−６の深さまでしか到達することができない。
従って、シリコン表面に多くのシリコンの未結合手が存在すると、４０５ｎｍ光の入射で発生するキャリアは、電界に引かれて電極へ移動する間にその未結合手にトラップされ消滅してしまうため、光電流に変換出力されない。これがＰＩＮフォトダイオードの感度不良の原因の一つである。
図２に示すフォトダイオードは、熱酸化膜によるシリコン酸化膜を形成することで、未結合手の最小化を行い、感度不良を改善したが、製造プロセスばらつきや信頼性試験のストレスなどによりシリコン未結合手が依然として発生してしまい、上記のような４０５ｎｍの感度不良を引き起こしている。
本発明は、こののような従来の課題を解決するものであり、４０５ｎｍ近傍の短波長の光に対して安定した高感度を有する、フォトダイオードを含む半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係るフォトダイオードを含む半導体装置は、基板上に形成された第1導電型の第１のシリコン層と、第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層と、第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域と、前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜と、少なくとも前記シリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜とを有し、前記シリコン酸化物領域の側部が前記シリコン酸化膜に連結され、かつ前記シリコン酸化物領域の少なくとも一部の表面が水素拡散のための領域として露出され、前記フォトダイオードは前記活性領域に入射した光を検知する。好ましくは前記シリコン酸化物領域は、前記活性領域内に向けて延在する少なくとも一つの延在部を含み、当該少なくとも一つの延在部の側部が前記シリコン酸化膜に接続される。
さらに本発明に係るフォトダイオードを含む半導体装置は、基板上に形成された第1導電型の第１のシリコン層と、第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層と、第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域と、前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜上に形成されたゲート電極材料およびゲート電極材料の側壁に形成された側壁酸化物と、少なくとも前記シリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜とを有し、前記側壁酸化物が前記シリコン酸化膜に連結され、かつ前記側壁酸化物の少なくとも一部が水素拡散のための領域として露出され、前記フォトダイオードは前記活性領域に入射した光を検知する。好ましくは半導体装置はさらに、前記フォトダイオードと電気的に接続されたＭＯＳトランジスタを含む周辺回路を含み、前記ゲート電極材料は、ＭＯＳトランジスタを構成するゲートを形成するときに形成された電極材料であり、前記側壁酸化物は、ゲートの側壁に側壁酸化物を形成するときに同時に形成されたシリコン酸化物である。好ましくは前記ゲート電極材料は、前記活性領域の外周に沿って形成され、前記側壁酸化物は、前記ゲート電極材料の外側に形成される。
さらに本発明に係るフォトダイオードを含む半導体装置は、基板上に形成された第1導電型の第１のシリコン層と、第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層と、第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域と、前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜と、少なくとも前記シリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜と、前記活性領域の外周に沿って、かつ前記シリコン酸化物領域とシリコン酸化膜との間に形成された接続領域を介して形成されたシリサイド層と、前記シリサイド層上に形成された電極とを有し、前記シリサイド層の側部は、前記シリコン酸化膜に接続され、前記シリサイド層の表面の少なくとも一部は、水素拡散のための領域として露出され、前記フォトダイオードは前記活性領域に入射した光を検知する。好ましくは前記シリサイド層はプラチナシリサイド層である。好ましくは前記シリサイド層の側部は、ゲート電極材料の側壁酸化物を介して前記シリコン酸化膜と接続される。
好ましくは第２のシリコン層は、その表面から一定の深さに第２導電型の中不純物濃度領域を含む。好ましくは前記シリコン酸化膜は、熱酸化により形成される。
本発明に係るフォトダイオードを備えた半導体装置の製造方法は、第1導電型の第１のシリコン層、第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層が形成された基板を用意し、第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域を形成し、前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜を形成し、前記シリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜を形成し、水素シンターを行うステップを含み、前記シリコン酸化物領域の一部の表面は、水素拡散のために露出され、かつ前記シリコン酸化物領域の一部の側部は、前記シリコン酸化膜に接続されており、前記水素シンターにより、前記シリコン酸化物領域の露出された表面から水素が拡散される。
さらに本発明に係るフォトダイオードを備えた半導体装置の製造方法は、第1導電型の第１のシリコン層、第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層が形成された基板を用意し、第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域を形成し、前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜を形成し、前記シリコン酸化膜上にゲート電極材料を形成し、前記ゲート電極材料の側部に、前記シリコン酸化膜と接続される側壁酸化物を形成し、少なくともシリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜を形成し、水素シンターを行うステップを含み、
前記水素シンターにより、前記側壁酸化物から水素が拡散される。
前記水素シンターにより、前記側壁酸化物から水素が拡散される。
さらに本発明に係るフォトダイオードを備えた半導体装置の製造方法は、第1導電型の第１のシリコン層、第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層が形成された基板を用意し、第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域を形成し、前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜を形成し、少なくともシリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜を形成し、前記シリコン酸化膜に接続され、かつ第２のシリコン層に電気的に接続されるシリサイド層を形成し、前記シリサイド層の少なくとも一部が露出するように前記シリサイド層上に電極を形成し、水素シンターを行うステップを含み、前記水素シンターにより前記シリサイド層の露出された部分から水素を拡散させる。
本発明によれば、シリコン表面に形成されたシリコン酸化膜へ水素を拡散させるようにしたので、シリコン未結合手を水素終端させることができ、シリコン未結合手による光キャリアのトラップを抑制し、４０５ｎｍ近傍の光の感度不良を改善することができる。さらに、水素拡散を可能にすることで、製造プロセスのばらつきが生じても、効果的にシリコン未結合手の発生を抑制することができる。
以下、本発明の最良の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここでは、ＤＶＤ等の記録媒体のデータを読取り、またはデータを書き込むために青色光の光源を有する光学ピックアップの受光素子に用いられるＰＩＮフォトダイオードを例示する。但し、図面は、必ずしも実際の製品のスケールと一致するものではなく、特徴部分は誇張して示されている。
本発明の第１の実施例に係るＰＩＮフォトダイオードについて説明する。図４は、フォトダイオードの活性領域を模式的に示した平面図である。図５Ａは、図４のＡ−Ａ線断面図であり、図５Ｂは、図５Ａの要部を抜粋し、第１の実施例の特徴部分を表している。なお、図２に示したフォトダイオードと同一構成には同一参照番号を付してある。
第１の実施例に係るＰＩＮフォトダイオード１００Ａは、高濃度のＰ型の単結晶シリコン基板１１０上に、エピタキシャル成長により形成された低濃度のＰ型シリコン層１１２、エピタキシャル成長された低濃度のＮ型のシリコン層１１４、シリコン層１１４の表面から一定の深さを有する中濃度のＮ型のシリコン領域１１６、シリコン層１１４上に形成されたフィールド酸化膜１１８を有している。
図４に示すように、フィールド酸化膜１１８の端部１１８ａ（太い一点鎖線で示す）は、シリコン層１１４の活性領域を規定し、そこに一定の深さのシリコン領域１１６が形成されている。フィールド酸化膜１１８の端部１１８ａに隣接して矩形状に延びるカソード側の電極１２８が形成され、さらにその外周に矩形状に延びるアノード側の電極１３４が形成されている。カソード側の電極１２８よりも内周には、矩形状に延びるポリシリコン層１４０が形成されている。このポリシリコン層１４０は、フォトダイオード１００Ａの動作には直接関係しない。ポリシリコン層１４０よりも内側には、フォトダイオード１００Ａの受光面を規定する矩形状の開口Ｈが形成されている。
シリコン領域１１６の表面は、熱酸化により形成されたシリコン酸化膜１２０ａによって覆われている。フィールド酸化膜１１８とシリコン酸化膜１２０ａの端部の間には、矩形状の接続領域（シリコン露出部）が形成され、当該接続領域にはプラチナシリサイド（ＰｔＳｉ）層１２６が形成され、プラチナシリサイド層１２６上にカソード側の電極１２８が形成されている。また、シリコン領域１１６の外周には、高濃度のＮ型のコンタクト領域１２４が形成されており、カソード側の電極１２８がプラチナシリサイド層１２６を介してコンタクト領域１２４に電気的に接続されている。
シリコン酸化膜１２０ａの外周には、ポリシリコン層１４０が形成されている。ポリシリコン層１４０は、フォトダイオードと同一基板上に形成される周辺回路のＭＯＳトランジスタのゲート電極を作成するときに同時に形成される。さらにポリシリコン層１４０の側壁には、図５Ｂに示すように、シリコン酸化物からなる側壁酸化物（サイドウォール）１４２が形成されている。側壁酸化物１４２は、ＭＯＳトランジスタのサイドウォールを形成するときに同時に形成される。シリコン酸化膜１２０ａおよびポリシリコン層１４０の一部は、反射防止膜であるシリコン窒化膜１２２ａによって覆われている。ここで留意すべきことは、側壁酸化物１４２は、プラチナシリサイド層１２６とポリシリコン層１４０の間にあって、側壁酸化物１４２がポリシリコン層１４０の下部のシリコン酸化膜１２０ａに連結され、さらに側壁酸化物１４２がシリコン窒化膜１２２ａによって覆われていないことである。
フィールド酸化膜１１８のアノード側の電極１３４と対応する位置に接続領域（シリコン露出部）が形成され、この接続領域内にプラチナシリサイド（ＰｔＳｉ）層１３２が形成されている。プラチナシリサイド層１３２は、Ｎ型のシリコン層１１４を介してＰ型のシリコン領域１１２まで延びる高濃度のＰ型のコンタクト領域１３０に電気的に接続されている。
シリコン基板上には、多層配線領域１３６および保護膜１３８が形成されている。多層配線領域１３６および保護膜１３８には、受光面を規定する矩形状の開口Ｈが形成され、開口Ｈから入射した光Ｌはシリコン窒化膜１２２ａを介して活性領域に入射される。多層配線領域１３６は、多層構造の金属配線とそれらの間に形成された層間絶縁膜とを含み、これらの金属配線は、フォトダイオードと周辺回路間の電気的な接続を行う。層間絶縁膜は、例えばＴＥＯＳによって成膜されたシリコン酸化膜から形成される。
また、多層配線領域１３６に開口Ｈを形成する際に、エッチング停止層として利用される金属膜１４４の一部がシリコン窒化膜１２２上の端部に残存している。金属膜１４４は、好ましくは、カソードおよびアノード側の電極１２８、１３４を形成するときに同時に形成される。電極１２８、１３４、金属膜１４４は、例えば、ＴｉＷ／Ａｌ／ＴｉＮから構成される。
カソード側の電極１２８とアノード側の電極１３４に、逆バイアスの電圧が印加されると、シリコン層１１２とシリコン層１１４の界面から上下方向に延びる空乏領域が形成される。空乏領域は、ほぼシリコン表面領域にまで到達し、青色光が開口Ｈ内に入射されたとき、空乏領域内に電子−正孔対のキャリアが生成される。電子は、カソード側の電極１２８に移動し、正孔は、アノード側の電極１３４に移動し、光電流が検知される。
本実施例のフォトダイオード１００Ａは、側壁酸化物１４２が水素拡散のための領域として機能する。水素と種々の材料との拡散の関係は、例えば、”Material Dependence of Hydrogen Diffusion: Implications for NBTI Degradation”, A.T Krishnan, et. al, Silicon Technology Development, Texas Instruments, 2005 IEEEに、図３Ｂに示すようなグラフが開示されている。これによれば、水素拡散係数は、拡散する材料によって大きく異なり、シリコン酸化物＞ポリシリコン＞シリコン＞＞窒化物の順である。シリコン酸化物の水素拡散係数は、シリコンよりも４桁程度高く、窒化物よりも５桁以上高い。これは、シリコン酸化物以外は、水素がほとんど拡散しないことを意味する。
フォトダイオードは、その表面に反射防止膜を必要とし、シリコンに対して反射率が低いシリコン窒化膜を表面に形成するが、図２に示すようにシリコン酸化膜１２０の全面を覆うようにシリコン窒化膜１２２が形成されると、水素がシリコン表面へ拡散する経路がなく、事実上、水素をシリコン表面へ拡散させることができない。これに対し、本実施例のフォトダイオードは、側壁酸化物１４２がシリコン窒化膜１２２によって覆われておらず、かつ側壁酸化物１４２がシリコン酸化膜１２０ａに連結し、これらが水素拡散のための酸化物経路を構成する。これにより、例えば、水素シンター処理を行うときに、水素は、側壁酸化物１４２およびシリコン酸化膜１２０ａ内を拡散し、シリコン表面に到達し、そこでシリコン未結合手と結合し、シリコン未結合手を水素終端させることができる。
次に、第１の実施例に係るＰＩＮフォトダイオードの製造方法を図６および図７を参照して説明する。半導体基板上に、ＰＩＮフォトダイオードと周辺回路のＭＯＳトランジスタを形成する場合の工程を例示する。
図６Ａに示すように、高濃度のＰ型の単結晶シリコン基板１１０を用意する。シリコン基板１１０に注入する不純物として、例えばボロンが用いられる。シリコン基板１１０上には、エピタキシャル成長によって低濃度のＰ型のシリコン層１１２が形成される。さらにシリコン層１１２上には、エピタキシャル成長によって低濃度のＮ型のシリコン層１１４が形成される。また、フィールド酸化膜１１８からＰ型のシリコン層１１２へ到達する深さ高濃度のＰ型のコンタクト領域１３０が形成される。コンタクト領域１３０は、Ｂ（ホウ素）をイオン注入することによって形成される。
このように構成されたシリコン基板上に、フィールド酸化膜１１８によって画定されたシリコン層１１４を露出する開口１５２を有するマスク１５０が形成される。露出されたシリコン層１１４の表面に、イオン注入用のシリコン酸化膜が熱酸化により形成される。次いで、基板全面にＰ(リン)またはＡｓ(ヒ素)等のイオン注入がイオン注入用シリコン酸化膜を介して行なわれ、マスク１５０によって露出されたシリコン層１１４内に中濃度のＮ型のシリコン領域１１６が形成される。
次に、イオン注入用シリコン酸化膜、レジストマスク１５０を除去した後、所定のマスクパターンを形成し、Ｐ型のシリコン層１１２への高濃度のコンタクト領域１３０と、シリコン領域１１６内に高濃度のコンタクト領域１２４がイオン注入によって形成される。
次に、図６Ｂに示すように、シリコン領域１１６上にシリコン酸化膜１２０ａが形成される。シリコン酸化膜１２０ａは、周辺回路のＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜を形成するときに同時に形成される。シリコン酸化膜１２０ａは、好ましくは、シリコン基板を一定の温度内に晒すことで熱酸化により形成される。この段階で、シリコン表面の未結合手が酸素と結合し、シリコン未結合手の数が減少される。
次に、シリコン酸化膜１２０ａ上にポリシリコン層１４０が形成されされる。ポリシリコン層１４０は、ＭＯＳトランジスタのポリシリコンゲートを形成するときに同時に形成される。
次いで、パターニングされたポリシリコン層１４０およびシリコン酸化膜１２０ａを含むシリコン基板上に一定の膜厚のシリコン酸化膜が形成される。次に、シリコン酸化膜を異方性エッチングすることで、ポリシリコン層１４０の側壁にシリコン酸化物である側壁酸化物１４２が形成される。
次に、基板全面に、減圧ＣＶＤによりシリコン窒化膜１２２ａが成膜され、パターンニングされる。シリコン窒化膜１２２ａの膜厚は、入射する光の波長に応じて最適な膜厚が選択される。上記したようにシリコン窒化膜１２２ａは、ポリシリコン層１４０よりも内側のシリコン酸化膜１２０ａを覆うが、ポリシリコン層１４０の外側の側壁酸化物１４２を露出するようにパターンニングされる。
次に、図７に示すように、フィールド酸化膜１１８と側壁酸化物１４２との間の接続領域（シリコン露出部）、フィールド酸化膜１１８内の接続領域（シリコン露出部）内にプラチナシリサイド層１２６、１３２が形成され、次いで、金属配線が形成される。これにより、カソードおよびアノード側の電極１２８、１３４と、エッチング停止層である金属膜１４４が形成される。なお、図示しない金属配線および層間絶縁膜の成膜およびエッチングを繰り返すことによって多層配線領域１３６が形成される。
次に、一定の温度に加熱された水素雰囲気を有する炉内に基板を搬入し、水素シンターを行う。この処理により、水素は、多層配線領域１３６の層間絶縁膜を拡散し、さらに側壁酸化物１４２を拡散し、側壁酸化物１４２に連結されたシリコン酸化膜１２０ａを拡散する。これにより、シリコン層１１６の表面に残存するシリコン未結合手は水素終端され、シリコン未結合手をほとんど無くすことができる。
次に、多層配線領域１３６上に、シリコン窒化膜等の保護膜１３８を形成し、多層配線領域１３６および保護膜１３８をエッチングし、開口Ｈを形成する。このとき、金属膜１４４は、エッチング停止層として機能する。開口Ｈを形成した後、金属膜１４４をエッチングにより除去し、反射防止膜１２２を露出させ、図５に示すようなフォトダイオード１００Ａを得ることができる。
次に、本発明の第２の実施例に係るＰＩＮフォトダイオードについて説明する。図８Ａは、第２の実施例に係るＰＩＮフォトダイオード１００Ｂの断面図、図８Ｂは、その要部を抜粋した特徴部分を示している。なお、図８Ｂの左側部分には、電極および金属膜が示されているが、右側部分では電極および金属膜が省かれている。
シリコン領域１１６の外周にはＮ型のコンタクト領域１２４が形成され、これにプラチナシリサイド層１２６が接続され、プラチナシリサイド層１２６にカソード側の電極１２８が接続されている。第２の実施例で特徴的な点は、プラチナシリサイド層１２６の一部が、電極１２８または金属膜１４４によって覆われておらず、さらにプラチナシリサイド層１２６が側壁酸化物１４２に接続されていることである。図８Ｂに示す例では、電極１２８と金属膜１４４とがプラチナシリサイド層１２６に接続されているが、電極１２８と金属膜１４４との間には露出部１４６が形成されている。露出部１４６は、電極１２８に沿うように矩形状に形成される。
水素シンターの際に、水素が露出部１４６からプラチナシリサイド層１２６内に拡散される。この拡散により、プラチナシリサイド層１２６のオーミック抵抗が下がる。さらに、プラチナシリサイド層１２６に拡散した水素は、プラチナシリサイド層１２６に接触したシリコン酸化膜１２０ｂ内を拡散するため、シリコン表面のシリコン未結合手が水素と結合し、シリコン未結合手をほぼ無くすことができる。
第２の実施例では、金属膜１４４をプラチナシリサイド層１２６に接続させる構成としたが、必ずしも金属膜１４４をプラチナシリサイド層１２６に接続させる必要はなく、電極１２８に開口を形成し、これを露出部１４６としてもよい。さらに、金属膜１４４によってポリシリコン層１４０の側壁酸化物１４２を露出させるようにし、第１の実施例と同様に側壁酸化物１４２からの水素の拡散を可能にしてもよい。
次に、第２の実施例のフォトダイオードの製造方法について図９および図１０を参照して説明する。まず、図６Ａに示すように第１の実施例のときと同様にシリコン層１１４内に中程度の濃度のシリコン領域１１６が形成される。次いで、シリコン酸化膜１２０ｂ、およびポリシリコン層１４０が形成され、これらをパターニングした後、イオン注入によってコンタクト領域１２４、１３０が形成される。次いで、ポリシリコン層１４０の側壁に、側壁酸化物１４２が形成され、シリコン酸化膜１２０ａを覆うようにシリコン窒化膜１２２ｂが形成される。
次に、図９Ｂに示すように、コンタクト領域１２４、１３０に接続されるプラチナシリサイド層１２６、１３２が形成される。次に、図１０Ａに示すように金属膜１４４が形成され、次に、金属膜１４４をフォトリソ工程により所定パターンにエッチングし、図１０Ｂに示すように、カソード側の電極１２８、アノード側の電極１３４、およびエッチング停止層としての金属膜１４４が形成される。カソード側の電極１２８と金属膜１４４との間には、プラチナシリサイド層１２６を露出するための露出部１４６が形成される。
以降の工程は、第１の実施例と同様であり、水素シンター、保護膜１３８の形成、および開口Ｈの形成等が行われる。
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図１１は、フォトダイオードの活性領域を模式的に示した平面図であり、図１２Ａは、図１１のＣ−Ｃ線断面図であり、図１２Ｂは、図１２Ａの要部を抜粋し、第３の実施例の特徴部分を表している。
図１１に示すように、第３の実施例では、フィールド酸化膜１１８が内側に延在する４つの矩形状の延在部１６０を有している。延在部１６０の先端は、好ましくは、開口Ｈより手前で停止している。また、カソード側の電極１２８は、延在部１６０により４つの部分で不連続部１６２を有している。
第３の実施例のＰＩＮフォトダイオード１００Ｃは、フィールド酸化膜を水素拡散用の領域に利用している。図１２Ａ、１２Ｂに示すように、フィールド酸化膜１１８の延在部１６０上には、ポリシリコン層１４０が形成され、ポリシリコン層１４０よりも内側にシリコン窒化膜１２２ｃが形成されている。すなわち、延在部１６０の一部の表面は、シリコン窒化膜１２２ｃおよび電極から露出され、この露出された表面が水素拡散のための領域として機能する。また、延在部１６０の端部は、シリコン酸化膜１２０ｃに接続されているため、延在部１６０を拡散した水素は、シリコン酸化膜１２０ｃ内を拡散することができ、シリコン未結合手を水素終端させることができる。
次に、第３の実施例のＰＩＮフォトダイオードの製造工程を図１３および図１４を参照して説明する。図１３および図１４は、Ｃ−Ｃ線の断面に対応する。
図１３Ａに示すように、図示しないマスクを用いて、シリコン層１１２内にＰ型の不純物をイオン注入し、シリコン層１１４内にＰ型の不純物を注入する。次いで、このマスクを用いてシリコン層１１４を選択酸化し、延在部１６０を含むフィールド酸化膜１１８が形成される。これにより、フィールド酸化膜１１８の下部には、チャンネルストップ領域と、コンタクト領域１３０が形成される。
図１３Ａに示すように、図示しないマスクを用いて、シリコン層１１２内にＰ型の不純物をイオン注入し、シリコン層１１４内にＰ型の不純物を注入する。次いで、このマスクを用いてシリコン層１１４を選択酸化し、延在部１６０を含むフィールド酸化膜１１８が形成される。これにより、フィールド酸化膜１１８の下部には、チャンネルストップ領域と、コンタクト領域１３０が形成される。
次に、図１３Ｂに示すように、シリコン層１１４内に一定の深さのシリコン領域１１６が形成され、シリコン領域１１６を覆うシリコン酸化膜１２０ｃが形成され、さらにポリシリコン層１４０が形成され、ポリシリコン層１４０の側壁に側壁酸化物１４２が形成される。
次に、図１４Ａに示すように、ポリシリコン層１４０がパターンニングされ、シリコン酸化膜１２０ｃを覆うようにシリコン窒化膜１２２ｃが形成される。
次に、図１４Ｂに示すように、フィールド酸化膜１１８内の接続領域（シリコン露出部）内にプラチナシリサイド層が形成され、次いで、カソードおよびアノード側の電極、およびエッチング停止層としての金属膜１４４が形成され、さらに多層配線領域１３６が形成される。
次に、図１４Ｂに示すように、フィールド酸化膜１１８内の接続領域（シリコン露出部）内にプラチナシリサイド層が形成され、次いで、カソードおよびアノード側の電極、およびエッチング停止層としての金属膜１４４が形成され、さらに多層配線領域１３６が形成される。
次に、水素シンターが行われる。水素は、多層配線領域１３６から拡散し、フィールド酸化膜１１８の露出された延在部１６０内に拡散し、さらに延在部１６０に連結されたシリコン酸化膜１２０ｃ内を拡散する。これにより、シリコン表面のシリコン未結合手が水素終端される。以降の工程は、第１および第２の実施例と同様である。
図１５は、本実施例のＰＩＮフォトダイオードを備えた半導体装置を例示している。半導体装置は、１つの半導体チップ２００上に、ＰＩＮフォトダイオード１００Ａ、１００Ｂまたは１００Ｃとその周辺回路２１０とを集積可能している。周辺回路２１０は、複数のＭＯＳトランジスタ等を含んでいる。
図１６は、本実施例のＰＩＮフォトダイオードを備えた半導体装置の光学ピックアップへの適用例を示している。光学ピックアップは、回転駆動されるディスクに記録されたデータを光学的に読取り、またはデータを光学的に書き込むための装置である。光学ピックアップ３００は、青色光を出射するレーザ素子またはレーザダイオード素子を含む光源３１０と、スプリッタ３２０と、受光装置３３０、３４０とを有する。スプリッタ３２０は、光源３１０から出射された青色光をディスクＤに反射させるとともにその一部を受光装置３３０へ透過し、さらに、ディスクＤの反射光を受光装置３４０へ透過する。受光装置３３０は、光源３１０の光出力をモニタし、その結果に基づき青色光の光出力が安定化される。受光装置３４０は、ディスクＤの反射光をモニタし、その結果に基づきフォーカス制御やトラッキング制御が行われる。また、受光装置３４０は、ディスクＤに書き込まれたデータの読み取りにも使用される。受光装置３３０、３４０は、青色光を受光するためのＰＩＮフォトダイオードを備えた半導体装置２００を含んでいる。
以上のように構成された本実施例のＰＩＮフォトダイオードによれば、いずれの実施例においても従来のＰＩＮフォトダイオード（図２）と比較して、感度が改善された。
本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明に係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
上記実施例では、シリコンチップ内にＰＩＮフォトダイオードと周辺回路としてＭＯＳトランジスタを含む場合の製造方法を例示したが、勿論、ＭＯＳトランジスタを含まないＰＩＮフォトトランジスタ単体の製造方法にも適用することができる。さらに、上記実施例では、反射防止膜としてシリコン窒化膜を用いたが、これに代わる他の誘電体膜を用いまたは組み合わせることも可能である。さらに、反射防止膜は、単層、多層に限らない。さらに上記実施例では、シリコン基板上にエピタキシャル成長によるシリコン層を形成する例を示したが、必ずしもエピタキシャル成長による形成に限らない。さらに上記実施例では、シリサイドにプラチナを例示したが、勿論これ以外の金属シリサイドであってもよい。また、上述した実施例では、フォトダイオードの形状を矩形状として説明したが、円形状などの他の形状としても構わない。
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ：ＰＩＮフォトダイオード
１１０：Ｐ型シリコン基板
１１２：低濃度のＰ型のシリコン層
１１４：低濃度のＮ型のシリコン層
１１６：中濃度のＮ型のシリコン領域
１１８：フィールド酸化膜
１１８ａ：フィールド酸化膜の端部
１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ：シリコン酸化膜
１２２、１２２ｂ、１２２ｃ：シリコン窒化膜
１２４：高濃度のＮ型のコンタクト領域
１２６：シリサイド層
１２８：カソード側の電極
１３０：高濃度のＰ型のコンタクト領域
１３２：シリサイド層
１３４：アノード側の電極
１３６：多層配線領域
１３８：保護膜
１４０：ポリシリコン層
１４２：側壁酸化物
１４４：金属膜
１４６：露出部
１５０：マスク
１５２：開口
１５４：イオン注入
１６０：延在部
Ｈ：開口
１１０：Ｐ型シリコン基板
１１２：低濃度のＰ型のシリコン層
１１４：低濃度のＮ型のシリコン層
１１６：中濃度のＮ型のシリコン領域
１１８：フィールド酸化膜
１１８ａ：フィールド酸化膜の端部
１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ：シリコン酸化膜
１２２、１２２ｂ、１２２ｃ：シリコン窒化膜
１２４：高濃度のＮ型のコンタクト領域
１２６：シリサイド層
１２８：カソード側の電極
１３０：高濃度のＰ型のコンタクト領域
１３２：シリサイド層
１３４：アノード側の電極
１３６：多層配線領域
１３８：保護膜
１４０：ポリシリコン層
１４２：側壁酸化物
１４４：金属膜
１４６：露出部
１５０：マスク
１５２：開口
１５４：イオン注入
１６０：延在部
Ｈ：開口
Claims (16)
- フォトダイオードを含む半導体装置であって、
基板上に形成された第1導電型の第１のシリコン層と、
第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層と、
第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域と、
前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜と、
少なくとも前記シリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜と、
を有し、
前記シリコン酸化物領域の側部が前記シリコン酸化膜に連結され、かつ前記シリコン酸化物領域の少なくとも一部の表面が水素拡散のための領域として露出され、
前記シリコン酸化物領域の露出された一部の表面、前記シリコン酸化物領域及び前記シリコン酸化膜を介して前記第２のシリコン層に水素が供給され、
前記フォトダイオードは前記活性領域に入射した光を検知する、半導体装置。 - 前記シリコン酸化物領域は、前記活性領域内に向けて延在する少なくとも一つの延在部を含み、当該少なくとも一つの延在部の側部が前記シリコン酸化膜に接続される、請求項１に記載の半導体装置。
- フォトダイオードを含む半導体装置であって、
基板上に形成された第1導電型の第１のシリコン層と、
第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層と、
第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域と、
前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜と、
前記シリコン酸化膜上に形成されたゲート電極材料およびゲート電極材料の側壁に形成された側壁酸化物と、
少なくとも前記シリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜と、
を有し、
前記側壁酸化物が前記シリコン酸化膜に連結され、かつ前記側壁酸化物の少なくとも一部が水素拡散のための領域として露出され、
前記側壁酸化物の露出された一部、前記側壁酸化物及び前記シリコン酸化膜を介して前記第２のシリコン層に水素が供給され、
前記フォトダイオードは前記活性領域に入射した光を検知する、半導体装置。 - 半導体装置はさらに、前記フォトダイオードと電気的に接続されたＭＯＳトランジスタを含む周辺回路を含み、前記ゲート電極材料は、ＭＯＳトランジスタを構成するゲートを形成するときに形成された電極材料であり、前記側壁酸化物は、ゲートの側壁に側壁酸化物を形成するときに同時に形成されたシリコン酸化物である、請求項３に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極材料は、前記活性領域の外周に沿って形成され、前記側壁酸化物は、前記ゲート電極材料の外側に形成される、請求項３または４に記載の半導体装置。
- フォトダイオードを含む半導体装置であって、
基板上に形成された第1導電型の第１のシリコン層と、
第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層と、
第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域と、
前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜と、
少なくとも前記シリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜と、
前記活性領域の外周に沿って、かつ前記シリコン酸化物領域とシリコン酸化膜との間に形成された接続領域を介して形成されたシリサイド層と、
前記シリサイド層上に形成された電極と、
を有し、
前記シリサイド層の側部は、前記シリコン酸化膜に接続され、前記シリサイド層の表面の少なくとも一部は、水素拡散のための領域として露出され、
前記シリサイド層の露出された一部、前記シリサイド層及び前記シリコン酸化膜を介して前記第２のシリコン層に水素が供給され、
前記フォトダイオードは前記活性領域に入射した光を検知する、半導体装置。 - 前記シリサイド層は、プラチナシリサイド層である、請求項６に記載の半導体装置。
- 前記シリサイド層の側部は、ゲート電極材料の側壁酸化物を介して前記シリコン酸化膜と接続される、請求項６または７に記載の半導体装置。
- 第２のシリコン層は、その表面から一定の深さに第２導電型の高不純物濃度領域を含む、請求項１ないし８いずれか１つに記載の半導体装置。
- 前記シリコン酸化膜は、熱酸化により形成される、請求項１ないし９いずれか１つに記載の半導体装置。
- フォトダイオードを備えた半導体装置の製造方法であって、
第１導電型の第１のシリコン層、第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層が形成された基板を用意し、
第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域を形成し、
前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜を形成し、
前記シリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜を形成し、
水素シンターを行うステップを含み、
前記シリコン酸化物領域の一部の表面は、水素拡散のために露出され、かつ前記シリコン酸化物領域の一部の側部は、前記シリコン酸化膜に接続されており、
前記水素シンターにより、前記シリコン酸化物領域の露出された表面から水素が拡散され、前記シリコン酸化物領域の露出された表面、前記シリコン酸化物領域及び前記シリコン酸化膜を介して前記第２のシリコン層に水素が供給される、半導体装置の製造方法。 - 前記シリコン酸化物領域は、前記活性領域に向けて延在する少なくとも一つの延在部の側部が前記シリコン酸化膜に接続される、請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
- フォトダイオードを備えた半導体装置の製造方法であって、
第１導電型の第１のシリコン層、第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層が形成された基板を用意し、
第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域を形成し、
前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜を形成し、
前記シリコン酸化膜上にゲート電極材料を形成し、
前記ゲート電極材料の側部に、前記シリコン酸化膜と接続される側壁酸化物を形成し、
少なくともシリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜を形成し、
水素シンターを行うステップを含み、
前記水素シンターにより、前記側壁酸化物から水素が拡散され、前記側壁酸化物及び前記シリコン酸化膜を介して前記第２のシリコン層に水素が供給される、半導体装置の製造方法。 - 半導体装置はさらに、フォトダイオードと電気的に接続されたＭＯＳトランジスタを含み、前記ゲート電極材料は、ＭＯＳトランジスタのゲートを作成するときに形成され、前記側壁酸化物は、前記ゲートのサイドウォールを形成するときに形成される、請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
- フォトダイオードを備えた半導体装置の製造方法であって、
第1導電型の第１のシリコン層、第１のシリコン層上に形成された第２導電型の第２のシリコン層が形成された基板を用意し、
第２のシリコン層の活性領域を規定するシリコン酸化物領域を形成し、
前記活性領域の表面を覆うシリコン酸化膜を形成し、
少なくともシリコン酸化膜を覆うシリコン窒化膜を形成し、
前記シリコン酸化膜に接続され、かつ第２のシリコン層に電気的に接続されるシリサイド層を形成し、
前記シリサイド層の少なくとも一部が露出するように前記シリサイド層上に電極を形成し、
水素シンターを行うステップを含み、
前記水素シンターにより前記シリサイド層の露出された部分から水素を拡散させ、前記シリサイド層の露出された部分、前記シリサイド層及び前記シリコン酸化膜を介して前記第２のシリコン層に水素が供給される、半導体装置の製造方法。 - 前記水素シンターは、基板上に多層配線領域を形成した後に行われる、請求項１０ないし１５いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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