JPH0567798A - 受光素子及び受光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 受光部拡散部分を薄くして、短波長の光も空
乏層で吸収されるような部分を有しながら、全体として
受光部拡散部分の抵抗を低くする。 【構成】 第１導電型の半導体基板１０の高抵抗層１２
の表面付近に第２導電型の不純物拡散層２０が形成され
ている。第２導電型の不純物拡散層２０は、その比較的
厚い層２１と比較的薄い層２２とで形成され、周期的な
構造となっており、それらは受光部を成している。この
ように配置することにより、比較的薄い層２２で吸収さ
れた短波長の光により発生したキャリアを近傍の比較的
厚い層２１の低抵抗部分を介して伝達できるので、短波
長の光にも感度を有し、かつ高速応答が可能な受光素子
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光記録、光情
報処理等に用いる半導体受光素子、その受光素子の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、上記のような技術分野におけ
る受光素子としては、半導体のＰＮ接合やショットキー
接合を用いたフォトダイオードが多く用いられる。中で
もＰＩＮフォトダイオードは高量子効率、小暗電流、小
動作電圧でかつ高速応答が可能であるため多用されてい
る（「光通信素子工学」米津宏雄著、工学図書株式会社
版参照）。

【０００３】その構造の一例として、シリコンＰＩＮフ
ォトダイオードの縦断面図を図７に示す。このシリコン
ＰＩＮフォトダイオードは、基板１００として第１導電
型のシリコン基板を用いる。基板１００は低抵抗層１１
０の上に高抵抗層１２０を形成して構成されている。基
板１００の一部の表面付近には、第２導電型の不純物拡
散層１２０が形成され、受光部を形成している。この基
板１００の表面は絶縁膜１３０で覆われ、不純物拡散層
１２０は、絶縁膜１３０の一部を除去した接続部９０を
通して電極１４０と電気的に接続されている。又、基板
１００の裏面等に接続して設けられた図示しない電極と
対になって受光素子の２つの端子が構成されている。な
お、図８にシリコンＰＩＮフォトダイオードの波長と量
子効率（感度）との関係を示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ＰＩＮフォトダイオードにおいては、入射した光のう
ち、光電流出力に寄与するのは、主として空乏層１０８
（破線で示す）内で吸収される光により生じる電子−ホ
ール対である。この空乏層１０８の上下両側において
も、それぞれの空乏層１０８端から少数キャリアの拡散
長程度以内で吸収された光により生じた少数キャリア
が、拡散により空乏層１０８に到達して光電流となり得
るが、拡散の速度が遅いため、高速動作時には有効な光
電流出力とはなり得ない。

【０００５】一方、最近、種々の青色発光素子や第２高
調波発生素子による緑、青色発光源の開発が盛んであ
り、これを光記録や光情報処理等に用いるためにはその
受光素子が必要となる。このような受光素子に、製造プ
ロセスや製品の安定性、他の電子素子との集積化等の要
求からシリコンを用いようとする場合、次のような問題
がある。

【０００６】即ち、シリコンの光の吸収長が、波長０．
５μｍで１μｍ程度、波長０．４μｍで０．２μｍ以下
であるため、上述のような関係から従来のフォトダイオ
ード構造では短波長側の感度が著しく低下してしまう。
なぜなら、前述の構造において第２導電型の不純物拡散
層１２０は、通常の製造プロセスによれば１μｍ程度の
厚さになるため、光が空乏層１０８に達する以前に吸収
されてしまうからである。このため、短波長側の感度を
向上させるには、受光部の第２導電型の不純物拡散層１
２０をできるだけ薄くする必要がある。

【０００７】これに対する１つのアプローチとして特開
平２−２００７３号に示されている方法がある。この方
法は、ｎ導電型の配向シリコン単結晶内にＢ+イオンを
注入することにより平坦なｐｎ接合を形成し、その際生
じた比較的低いｐ型ドーピングを有する上層を、比較的
高いｐ+型ドーピングを有するより深い個所に存在する
層の領域まで異方性エッチングにより削り取ることによ
り、極めて薄いｐｎ接合を形成する方法である。

【０００８】しかし、この方法では、Ｂ+イオンを３
０ｋｅＶ程度の比較的低加速電圧でイオン注入すること
の問題、Ｂ+注入層の深部側への据引き分の厚さが残
存する問題、受光部のシリコン表面をエッチングによ
り削り取ったことによる表面状態（界面状態）の劣化が
表面再結合を増加させ感度を低下させる問題等の問題が
ある。又、Ｎ型不純物としてＡｓ+、あるいは、Ｐ型不
純物としてＢＦ₂+をイオン注入して浅い接合を形成する
技術を利用することも考えられるが、上述のように薄い
拡散層を形成しようとすると、注入イオン量を多くでき
ず、拡散層のシート抵抗を下げることができない。この
問題はイオン注入以外の他の浅い接合の形成方法による
場合でも同様に起こり、受光部のシート抵抗の増大は、
受光素子の動作に悪影響を及ぼす。

【０００９】本発明の目的は上記のような問題を解決
し、受光部拡散部分を薄くして、短波長の光も空乏層で
吸収されるような部分を有しながら、全体として受光部
拡散部分の抵抗を低くすることのできる受光素子と、そ
の製造方法を提案することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
第１導電型の基板表面近傍に形成する第２導電型の不純
物拡散層を比較的厚い層と比較的薄い層とが周期的に配
置された構造とされている。請求項２記載の発明の構成
は、上記の周期的な構造の周期が形成される方向をそれ
らの第２導電型不純物拡散層と外部への電極とが接続さ
れる部分に向かう方向に略垂直としたものである。

【００１１】請求項３記載の発明の構成は、前記の第２
導電型不純物拡散層と外部への電極とが接続される部分
においては、前記第２導電型不純物拡散層をその比較的
厚い層としておくものである。請求項４記載の受光素子
の製造方法は、基板表面に形成した第１形状のマスク層
により規定される平面形状で第２導電型の不純物拡散層
の比較的厚い層に対応する部分を形成した後、新たに形
成した第２形状のマスク層により規定される平面形状で
第２導電型の不純物拡散層の比較的薄い層および比較的
厚い層を形成する方法である。

【００１２】請求項５記載の受光素子の製造方法は、基
板表面に形成したマスク層により規定される平面形状で
第２導電型の不純物拡散層の比較的厚い層に対応する部
分を形成した後、熱処理を行なうことにより、第２導電
型の不純物拡散層の比較的薄い層および比較的厚い層を
形成する方法である。請求項６記載の受光素子の製造方
法は、基板表面に形成した、第１形状の比較的薄い部分
と第２形状の比較的厚い部分とを有するマスク層を用い
て第２導電型の不純物を拡散することにより、比較的薄
い層および比較積に厚い層を有する第２導電型の不純物
拡散層を形成する方法である。

【００１３】

【作用】請求項１記載の発明によれば、比較的薄い層は
その厚さを所望の受光波長の吸収長よりも薄くすること
により、その部分で光が空乏層まで達してから吸収され
る割合が大となり、発生した電子−ホール対は空乏層内
をドリフトにより高速に移動して、電子はＮ型領域に、
ホールはＰ型領域へたどりつく。一方、比較的厚い層は
不純物が多く、深く拡散されているのでその部分の抵抗
を十分に小さくすることができる。したがって上記のよ
うな比較的薄い層と比較的厚い層とを周期的に配置する
ことにより、薄い部分で吸収された短波長の光により発
生したキャリアを近傍の厚い部分の低抵抗部分を介して
伝達できるので、短波長の光にも感度を有し、かつ高速
応答が可能な受光素子が得られる。

【００１４】請求項２記載の発明によれば、短波長の光
を吸収する比較的薄い層の面積（受光面積）を最大限に
大きくしながら、かつ光電流の外部への取り出しのため
の低抵抗層を成す比較的厚い層の面積を最小限にするこ
とができる。請求項３記載の発明によれば、電極が接続
される部分は低抵抗の半導体層となるため、オーミック
コンタクトが得られ易くなると共に、電極のメタル等と
シリコン等の半導体の合金化によるＰＮ接合の破壊を未
然に防ぐことができる。もちろんこの問題のためには半
導体層と電極のメタル層との間にバリア層を設けること
も有効ではあるが、本構成によれば製造工程の増加がな
く、簡便である。

【００１５】請求項４記載の発明の方法により、不純物
拡散層の比較的厚い層と比較的薄い層とをそれぞれほぼ
独立した拡散条件により形成できるので、製造条件の幅
が広くなる。請求項５記載の発明の方法により、１形状
のマスクで上記の受光素子を製造できる。又、極めて薄
い不純物拡散層が形成可能である。請求項６記載の発明
の方法により、１度の不純物導入工程により上記の受光
素子が製造できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は、
本発明の第１実施例に係る受光素子の構成を示す縦断面
図である。本実施例の受光素子は、基板１０として第１
導電型のシリコン基板を用いる。基板１０は低抵抗層１
１の上に高抵抗層１２を形成して構成されている。ま
た、第１導電型の半導体基板１０の高抵抗層１２の表面
付近に第２導電型の不純物拡散層２０が形成されてい
る。第２導電型の不純物拡散層２０は、その比較的厚い
層２１と比較的薄い層２２とで形成され、周期的な構造
となっており、それらは受光部を成している。この基板
１０の表面は絶縁膜３０で覆われ、不純物拡散層２０
は、絶縁膜３０の一部を除去した接続部を通して電極と
電気的に接続されている。又、基板１０の裏面等に接続
して設けられた図示しない電極と対になって受光素子の
２つの端子が構成されている。

【００１７】受光部の周期的な構造は、縞状、格子状、
放射状、同心円状あるいはそれらの組み合せにより任意
に構成できる。又、比較的厚い層２１と比較的薄い層２
２とは二値的に区別される必要はなく、その厚さが連続
的に変化したものとして形成しても良い。更にそれら各
々の面積比率は、短波長光に有効な受光面と低抵抗部分
との兼ね合いで任意に設定できる。ただし、比較的薄い
層２２の部分に入射し、多くを空乏層内で吸収された電
子又はホール（導電型により異なる）が比較的厚い層２
１の低抵抗の部分により光電流として伝達される、本発
明の原理は変らない。

【００１８】図２は本発明の第２実施例に係る受光素子
の平面図である。同図において、不純物拡散層２０は、
絶縁膜３０に設けた開孔部３３を通し、接続部９２の部
分で外部へ引き出されるメタル等の電極４０と接続して
いる。そこで比較的厚い層２１と比較的薄い層２２を縞
状の周期構造とし、その周期の方向を接続部９２へ向か
う方向と略垂直にする、即ち各縞状部分を接続部９２へ
略向かう方向として比較的薄い層２２の面積を確保しつ
つ、比較的厚い層２１の接続部９２への光電流伝達の効
率を上げている。図２では矩形の受光領域の一辺側で接
続をとる例を示したが、他に例えば円形の受光領域の外
周部で接続を行なうような場合には比較的厚い層２１，
比較的薄い層２２を放射線状あるいは扇状の周期的な構
造とする等、形態に合せて最適化することができる。

【００１９】図３は本発明の第３実施例に係る受光素子
の構成を説明するための図であり、図３（ａ）がその平
面図、図３（ｂ）がその縦断面図である。この実施例で
は、不純物拡散層２０と電極４０との接続部９３を少な
くとも含む不純物拡散層２０の部分が、比較的厚い層２
１となっている。この場合、他の部分の不純物拡散層２
０の構造は任意であるが、それらのうちの比較的厚い層
２１の部分が上記の接続部９３を含む比較的厚い層２１
の部分と接続している方が、光電流の伝達の点で有利で
ある。以上、第１〜第３実施例について、シリコンＰＩ
Ｎフォトダイオードの例で示したが、他のフォトダイオ
ードでも本発明の構成は有効である。

【００２０】次に、以上のような構成の受光素子の製造
方法について述べる。図４は本発明の第４実施例に係る
受光素子の製造方法を説明するための図であり、図４
（ａ），（ｂ）共に、製造工程の一部を示した縦断面図
である。この実施例の方法は、まず、マスク層８１を基
板１０表面に形成し、その形状により後の比較的厚い層
２１に対応する、第２導電型の不純物拡散層２１１を形
成する（図４（ａ））。次に、マスク層８１の一部又は
全部を取り除いた後、新たなマスク層８２を形成し、こ
れを用いて比較的薄い層２２および比較的厚い層２１を
形成する（図４（ｂ））。このように深い接合を形成し
た後、浅い接合を形成することで両者を混在させて形成
することができる。

【００２１】上記のような不純物拡散層の形成には、イ
オン注入後のアニール処理や、二段階拡散法あるいはド
ープドポリシリコンからの拡散等の半導体プロセス技術
が利用可能であり、マスク層も拡散方法に合せてレジス
トや酸化膜、窒化膜、アモルファスシリコン膜等を用い
ることができる。このとき誘電体膜を用いた場合、その
一部をフォトダイオードの絶縁膜３０として残してもよ
い。又、マスク形状はマスク層の有無に限らず、マスク
層厚の差であってもよい。更に拡散工程において受光部
上の絶縁膜形成を同時に行なってもよい。

【００２２】図５は本発明の第５実施例に係る受光素子
の製造方法を説明するための図であり、図５（ａ），
（ｂ）共に、製造工程の一部を示した縦断面図である。
この実施例の方法は、先ず、前記第４実施例のマスク層
８１と同様のマスク層８３により第２導電型の不純物拡
散層２１１と同様の第２導電型の不純物拡散層２１２を
形成する（図５（ａ））。次いで不活性あるいは酸化性
のガス中で熱処理を行なう。これにより、第２導電型の
不純物拡散層２１２の部分からの不純物の拡散を引き続
き行ない、深さ方向と共に横方向への拡散が進み、隣接
する第２導電型の不純物拡散層２１２の中間の表面付近
で両方からの拡散層が接するまで行なうことにより比較
的厚い層２１および比較的薄い層２２を形成する（図５
（ｂ））。

【００２３】比較的薄い層２２の部分では極めて薄い拡
散層を形成することも可能である。本実施例では、製造
に際してマスクは１形状のみで済む。この場合、あらか
じめ、第２導電型の不純物拡散層２１２の部分は幅狭に
かつ表面側程高濃度にしておき、その間隔を横方向への
拡散の広がりの２倍程度にしておくとよい。

【００２４】図６は本発明の第６実施例に係る受光素子
の製造方法を説明するための図であり、製造工程の一部
を示した縦断面図である。この実施例の方法は、マスク
層８４の膜厚の差を利用して比較的厚い層２１および比
較的薄い層２２を同時に形成するものである。即ち、マ
スク層８４を酸化シリコン膜等で形成し、イオン注入あ
るいは酸化シリコン膜を通した熱拡散により、不純物拡
散層２０を形成する。このとき、マスク層８４の厚い部
分の下では不純物拡散層２０が形成されず、マスク層８
４の薄い部分の下では、比較的薄い層２２が形成され、
かつマスク層が無いかあるいは更に薄い部分では比較的
厚い層２１が形成されるよう、マスク層８４厚差および
拡散条件を選ぶことにより、所望の構造が得られる。マ
スク層８４のようなマスクは１つの材質で形成してもよ
いし、厚さの差の部分に応じて酸化膜とレジスト等、２
以上の材質の積層としてもよい。

【００２５】

【発明の効果】請求項１記載の発明の構成により、短波
長の光も比較的薄い不純物拡散層を通り、その下の空乏
層で吸収され、高速移動できるキャリアを発生して光電
流に寄与し、その光電流を比較的厚い不純物拡散層の低
抵抗部分を通して伝達できるので、短波長側の光にも高
感度でかつ高速応答可能な受光素子が得られる。請求項
２記載の発明の構成により上記に加え、短波長光に対す
る感度を有する受光部と、低抵抗部、相方の効率を最適
化した構造の受光素子が得られる。請求項３記載の発明
の構成により上記に加え、受光部からの電極取り出し部
の低抵抗でかつ確実な接触と、信頼性を向上した受光素
子が得られる。

【００２６】請求項４記載の発明の方法により、不純物
拡散層の厚い部分と薄い部分とをそれぞれほぼ独立した
拡散条件により形成できるので、製造条件の幅が広く安
定して、受光素子を製造できる。請求項５記載の発明の
方法により、１形状のマスクで上記の受光素子を製造で
きる。又、極めて薄い不純物拡散層が形成可能なのでよ
り短波長側の感度を向上させた受光素子が製造できる。
請求項６記載の発明の方法により、１度の不純物導入工
程により上記の受光素子が製造できるので、量産性が良
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る受光素子の構成を示
す縦断面図である。

【図２】本発明の第２実施例に係る受光素子の平面図で
ある。

【図３】本発明の第３実施例に係る受光素子の構成を説
明するための図であり、図３（ａ）がその平面図、図３
（ｂ）がその縦断面図である。

【図４】本発明の第４実施例の受光素子の製造方法を説
明するための図であり、（ａ），（ｂ）共に、製造工程
の一部を示した縦断面図である。

【図５】本発明の第５実施例の受光素子の製造方法を説
明するための図であり、（ａ），（ｂ）共に、製造工程
の一部を示した縦断面図である。

【図６】本発明の第６実施例の受光素子の製造方法を説
明するための図であり、製造工程の一部を示した縦断面
図である。

【図７】従来のシリコンＰＩＮフォトダイオードの縦断
面図である。

【図８】シリコンＰＩＮフォトダイオードの波長と量子
効率（感度）との関係を示す図である。

【符号の説明】

１０ 半導体基板 １１ 低抵抗層 １２ 高抵抗層 ２０ 不純物拡散層 ２１ 比較的厚い層 ２２ 比較的薄い層 ３０ 絶縁膜 ４０ 電極 ８１，８２，８３，８４ マスク層 ９２，９３ 接続部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型の半導体基板の表面近傍に第２
   導電型の不純物拡散層を形成して成る受光素子におい
   て、前記第２導電型の不純物拡散層が周期的に配置され
   た比較的厚い層と比較的薄い層とから形成されているこ
   とを特徴とする受光素子。
2. 【請求項２】前記第２導電型の不純物拡散層の比較的厚
   い層と比較的薄い層とが配置される周期の方向が前記第
   ２導電型の不純物拡散層と、電極とが電気的に接続され
   る部分に向かう方向に略垂直であることを特徴とする請
   求項１記載の受光素子。
3. 【請求項３】前記第２導電型の不純物拡散層のうち、少
   なくとも電極に電気的に接続される部分は、比較的厚い
   層であることを特徴とする請求項１記載又は請求項２記
   載の受光素子。
4. 【請求項４】基板表面に形成した第１形状のマスク層に
   より規定される平面形状で第２導電型の不純物拡散層の
   比較的厚い層に対応する部分を形成した後、新たに形成
   した第２形状のマスク層により規定される平面形状で第
   ２導電型の不純物拡散層の比較的薄い層および比較的厚
   い層を形成する請求項１記載、請求項２記載、又は請求
   項３記載の受光素子の製造方法。
5. 【請求項５】基板表面に形成したマスク層により規定さ
   れる平面形状で第２導電型の不純物拡散層の比較的厚い
   層に対応する部分を形成した後、熱処理を行なうことに
   より、第２導電型の不純物拡散層の比較的薄い層および
   比較的厚い層を形成する、請求項１記載、請求項２記
   載、又は請求項３記載の受光素子の製造方法。
6. 【請求項６】基板表面に形成した、第１形状の比較的薄
   い部分と第２形状の比較的厚い部分とを有するマスク層
   を用いて第２導電型の不純物を拡散することにより、比
   較的薄い層および比較積に厚い層を有する第２導電型の
   不純物拡散層を形成する、請求項１記載、請求項２記
   載、又は請求項３記載の受光素子の製造方法。