JP2934111B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

半導体素子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の製造に際
し、基板中の酸素による結晶欠陥の発生を防止する製造
方法に関するもので、特に受光素子の高感度化、および
低ノイズ化に効果がある。
【0002】
【従来の技術】半導体素子のうち受光素子の場合につい
て説明する。
【0003】受光素子は、光センサ,フォトカプラ等に
広く用いられている。以下に一例として、受光素子と回
路素子を半導体基板の同一平面上に形成した回路内蔵受
光素子を例にして従来技術の説明を行なう。
【0004】図5(a)は、従来の回路内蔵受光素子の
一例の略断面図であり、図5(b)はその素子内部の酸
素濃度分布である。
【0005】図5(a)に示すように、たとえば、CZ
(チョクラルスキー)またはMCZ(マグネティックフ
ィールド・アプライド・チョクラルスキー)結晶による
P型半導体基板17の表面にN型エピタキシャル層7を
形成し、P型分離拡散層9で分離して、受光素子18
と、たとえば、NPNトランジスタのような回路素子1
9が形成されている。受光素子18は、アノードとなる
P型半導体基板17と、カソードとなるN型エピタキシ
ャル層7と、カソード電極とためのN+ 型拡散層12で
形成されている。また、回路素子の1つであるNPNト
ランジスタ19は、P型半導体基板17に埋込まれたコ
レクタとなるN+ 型埋込拡散層6、N型エピタキシャル
層7、コレクタ電極のためのN+ 型補償拡散層10、ベ
ースとなるP型拡散層11、エミッタとなるN+ 型拡散
層12等で形成されている。8は後述の結晶欠陥であ
る。
【0006】受光素子18の内部の酸素濃度は、図5
(b)に示されるように、P型半導体基板17の裏面か
ら後述の活性層のかなりの部分にわたり酸素濃度が高く
なっている。
【0007】この回路内蔵受光素子は以下のようにして
製造されている。まず、図6に示すように、比抵抗3〜
30Ωcm、初期酸素濃度1.3〜1.8×1018atoms/
cm3 のP型半導体基板17の回路素子形成予定領域14
にN+ 型拡散層6を形成し、さらにその上にN型エピタ
キシャル層7を成長させる。P型半導体基板17内の酸
素は、一部析出し結晶欠陥8を生じる。その後、N型エ
ピタキシャル層7の表面に、P型分離拡散層9,9、N
+ 型補償拡散層10、P型拡散層11、およびN+ 型拡
散層12を形成することで図5(a)の回路内蔵素子が
製造される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】最近の光によるデータ
伝送の高速化、S/N比の向上の要求から、受光素子の
高感度化および低ノイズ化が望まれている。受光素子の
高感度化および低ノイズ化のためには、受光素子の表面
から受光素子で受ける光を少なくとも90%吸収する領
域(以下活性層と呼ぶ)で発生した光キャリアの再結合
を減らせばよい。
【0009】すなわち、受光素子の活性層内の光キャリ
アのライフタイムを長くすればよい。
【0010】ところが、従来の受光素子の中で半導体基
板にCZまたはMCZ結晶(初期酸素濃度1.3〜1.
8×1018atoms/cm3 )を用いた受光素子は、受光素子
の活性層内のキャリアのライフタイムが3μs前後と短
くなり、受光素子には不適切な条件となっている。受光
素子の活性層内キャリアのライフタイムが短い理由は、
半導体基板の初期酸素濃度が1.3〜1.8×1018at
oms/cm3 であり、比較的高いため、受光素子の製造過程
で半導体基板内で酸素が析出し結晶欠陥が発生するため
である。
【0011】また、従来の受光素子の中で、半導体基板
にFZ(フローティングゾーン)結晶(初期酸素濃度5
×1015atoms/cm3 以下)を用いた受光素子の場合、半
導体基板内の酸素析出に起因するキャリアのライフタイ
ムの低下はないが、半導体基板の初期酸素濃度のが低い
ため、CZ結晶に比べウエハ強度が低く、かつ、汚染の
ゲッタリング能力もないので、半導体基板表面に結晶欠
陥が生じ易く、受光素子の歩止まりが低下するという問
題があった。
【0012】なお、半導体装置において、半導体基板の
欠点を是正する方法として、望ましくはFZ結晶の半導
体基板に析出しない程度の酸素を、シリコン基板の両面
から拡散し基板の中心付近の酸素濃度を低下させる方法
が提案されている(特公平2−34170)。
【0013】しかし、この方法のように基板に酸素が析
出しない程度の酸素を半導体基板に拡散した場合、汚染
をゲッタリングする能力が低いため、受光素子に汚染に
起因する不良が多発するという問題がある。
【0014】また、この方法のように基板の両面から酸
素を拡散する方法で、半導体基板の汚染をゲッタリング
する能力を高めるために酸素が析出する条件を用いる
と、半導体基板の表面の酸素濃度が、半導体基板内部に
比べ高いため、半導体基板の表面に、半導体基板内部よ
り多くの酸素析出に起因する結晶欠陥が多発し、受光素
子内のライフタイム低下に起因する感度低下およびノイ
ズの増加が生じるという問題があった。
【0015】つまり、基板の両面から酸素を拡散する方
法では、ゲッタリング能力を高めるように基板内部に酸
素を析出させ、しかも、受光素子領域は感度低下および
ノイズの増大を生じさせないように、酸素を析出させな
いような酸素濃度分布を実現できなかった。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の製造方法におい
ては、第1の主面とその反対側の第2の主面とを有する
半導体基板を準備し、酸素が拡散しにくい膜をその基板
の第1主面上に形成し、基板の第2主面のみから熱拡散
によって酸素を基板内へ拡散させる工程を含むことを特
徴としている。
【0017】
【作用】受光素子を形成する半導体基板の予定された受
光面の反対の面からのみ酸素を拡散することで、受光素
子の活性層の深さの領域の酸素濃度を1×1018atoms/
cm3 以下とし、それ以外の領域の酸素濃度を1×1017
atoms/cm3 以上で、かつその領域上方における活性層の
酸素濃度よりも大きくすることができる。したがって、
受光素子領域以外は、ゲッタリング能力を高めるために
酸素を析出させ、受光素子領域は感度低下およびノイズ
の増大を生じさせないために、酸素を析出させないよう
な酸素濃度分布を実現できる。
【0018】
【実施例】以下本発明の一実施例を回路内蔵受光素子に
ついて説明する。
【0019】図1(a)は、本発明による回路内蔵受光
素子の略断面図であり、図1(b)はその内部の酸素濃
度分布である。
【0020】図5(a)に示される従来例とほぼ同様な
構造であるが、図1(a)においては、受光素子18の
受光面の反対側に酸素拡散層5が設けられている。
【0021】図1(a)において、P型半導体基板1の
表面に形成されたN型エピタキシャル層7の表面に、P
型分離拡散層9で分離された受光素子18と回路素子1
9が形成されている。
【0022】受光素子18の部分は、アノードとなるP
型半導体基板1と、P型分離拡散層9と、カソードとな
るN型エピタキシャル層7と、カソード電極のためのN
+ 型拡散層12等によって構成されている。
【0023】回路素子19の部分は、P型半導体基板1
に埋込まれたコレクタとなるN+ 型埋込拡散層6と、N
型エピタキシャル層7と、コレクタ電極のためのN+
補償拡散層10と、ベースとなるP型拡散層11と、エ
ミッタとなるN+ 型拡散層11等によって構成されてい
る。
【0024】受光面の反対側となるP型半導体基板1の
裏面には酸素拡散層5が設けられている。
【0025】図1(b)に示されるように、受光した光
を少なくとも90%吸収する活性層の酸素濃度は、裏面
の酸素濃度よりも小さくされている。
【0026】これは、以下のようにして製造される。ま
ず、図2に示すように、比抵抗3〜30Ωcm、初期酸素
濃度5×1015atoms/cm3 の、たとえばFZ結晶のP型
半導体基板1の回路内蔵受光素子形成予定の表面2に酸
素を拡散しにくい膜たとえばSi3 4 膜3を形成す
る。
【0027】次に図3(a)に示すように、上記半導体
基板を高温で熱酸化することで、半導体基板の回路内蔵
受光素子を形成しない裏面4から酸素を拡散し、酸素拡
散層5を形成し半導体基板の裏面4の酸素濃度を1×1
18〜1.8×1018atoms/cm3 とする。この半導体基
板の裏面の酸素濃度は、熱酸化の温度で決まる。なお、
このとき裏面にはSiO2 膜13が形成されるが、次の
工程までにSi3 4膜3とともに除去される。このと
きの酸素濃度の分布は図3(b)のように、裏面の濃度
の方が活性層の濃度よりも高い。
【0028】また、半導体基板中の酸素の分布は具体的
には以下のようにするとよい。すなわち、受光素子の活
性領域の酸素濃度が1×1018atoms/cm3 以下、それ以
外の領域が1×1017atoms/cm3 以上でかつその領域上
方にある活性層の酸素濃度よりも高いようにする。たと
えば、完成した回路内蔵受光素子の受光素子が受光する
光の波長を950nmとすると、光を90%吸収する活性
層の深さは、N型エピタキシャル層7の表面から計って
57.6μm である。
【0029】N型エピタキシャル層7の厚さを3μm と
すると、P型半導体基板の表面から活性領域の端までの
深さは54.6μm であるので、半導体表面から54.
6μm までの酸素濃度が1×1018atoms/cm3 以下で、
表面から54.6μm の深さから裏面まで酸素濃度が1
×1017atoms/cm3 以上であり、しかも上方の活性層の
酸素濃度よりも高くする。こうすることで、受光素子の
活性領域では、酸素の析出が発生せずFZ結晶の特徴で
ある10μs 以上の高ライフタイムが維持でき、かつ、
活性領域以外では、酸素析出による高いゲッタリング能
力をもつことができる。
【0030】この酸素濃度の分布は、熱酸化の温度、時
間と熱酸化の雰囲気を変えることで所望の分布をするこ
とができる。半導体基板の裏面から深く酸素を拡散する
場合は、熱酸化時の条件を高温、長時間かつ高酸素濃度
の雰囲気で行ない、浅く酸素を拡散する場合は、熱酸化
時の条件を低温、短時間かつ低酸素濃度の雰囲気で行な
う。
【0031】次に、図4に示すように半導体基板の回路
素子形成予定領域14にN+ 型拡散層6を形成した後、
N型エピタキシャル層7を成長させる。また、半導体基
板中に拡散した酸素拡散層5の酸素は、一部析出して結
晶欠陥8を形成し、工程からの汚染をゲッタリングする
が、受光素子の活性領域の酸素は、濃度が低いため析出
しない。
【0032】その後、P型分離拡散層9、N+ 型補償拡
散層10、P型拡散層11およびN + 型拡散層12を形
成することで、図1の回路内蔵受光素子が製造される。
【0033】上記の実施例では、基板比抵抗3〜30Ω
cmの場合について説明したが、基板比抵抗は問わないの
はもちろんであり、高比抵抗基板に適用した場合には、
特に効果が顕著である。
【0034】素子の構造、プロセス工程は上記に限定さ
れるものではなく、本発明の酸素濃度の分布が必要な素
子にはすべて適用可能である。
【0035】また、半導体基板の結晶の種類は、初期酸
素濃度が1×1018atoms/cm3 以下であれば、FZ、M
CZ、CZ結晶のいずれでもよい。
【0036】
【発明の効果】本発明によれば、素子の歩留まりを下げ
ることなく、受光素子の感度向上およびノイズ低減が実
現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明による回路内蔵受光素子の略断
面図であり、(b)はその内部の酸素濃度の分布を示
す。
【図2】本発明の一工程の略断面図である。
【図3】(a)は本発明の一工程の略断面図であり、
(b)はその酸素濃度の分布を示す。
【図4】本発明の一実施例の一工程の略断面図である。
【図5】(a)は従来の回路内蔵受光素子の略断面図で
あり、(b)はその酸素濃度の分布を示す。
【図6】従来の回路内蔵受光素子の製造の一工程の略断
面図である。
【符号の説明】 1 P型半導体基板 3 Si3 4 膜 6 N+ 型埋込拡散層 7 N型エピタキシャル層 8 結晶欠陥 9 P型分離拡散層 10 N+ 型補償拡散層 11 P型拡散層 12 N+ 型拡散層 18 受光素子 19 回路素子

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の主面とその反対側の第2の主面と
    を有する半導体基板を準備し、 酸素が拡散しにくい膜を前記基板の第1主面上に形成
    し、 前記基板の第2主面のみから熱拡散によって 酸素を前記
    基板内へ拡散させる工程を含むことを特徴とする半導体
    素子の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記基板の第1主面上には、前記膜が除
    去された後に半導体受光素子が形成されることを特徴と
    する請求項1記載の半導体素子の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記膜が除去された後に前記基板の第1
    主面から受光した光少なくとも90%吸収する深さ
    までの光活性層の酸素濃度1×1018atoms/
    cm以下にされ前記光活性層以外の裏面層の酸素濃
    1×1017atoms/cm以上でかつ前記光
    活性層より高濃度にされることを特徴とする請求項1
    たは2に記載の半導体素子の製造方法。
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JP4951553B2 (ja) * 2008-02-26 2012-06-13 浜松ホトニクス株式会社 半導体受光素子
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