(57)【要約】【課題】シリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオードの製造方法及びフォトダイオードを提供すること。【解決手段】半導体基板２を絶縁層４が露出するまでドライエッチングすることにより、半導体基板２を貫通して絶縁層４に至る孔Ｈ１を光感応領域Ｓ１に対応する位置に形成する。次に、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７に、不規則な凹凸２２を形成する。絶縁層４のｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面にピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光が照射されると、絶縁層４が除去されると共に、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７がピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、不規則な凹凸２２が面７の全面に形成される。次に、不規則な凹凸２２が形成された基板を熱処理する。【選択図】図１２
2010199289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１主面及び第２主面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第２主面上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられた第１導電型の第１不純物領域と、前記第１不純物領域上に設けられていると共に前記第１不純物領域よりも不純物濃度が低い第１導電型の低濃度不純物領域と、を有するシリコン基板を準備する工程と、
前記低濃度不純物領域内に、第２導電型の不純物領域を含む光感応領域を形成する工程と、
前記第１不純物領域及び前記低濃度不純物領域をメサ状に整形することにより前記光感応領域を含む半導体メサ部を形成する工程と、
前記低濃度不純物領域よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第２不純物領域を前記半導体メサ部の表面に形成すると共に前記低濃度不純物領域よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第３不純物領域を前記半導体メサ部の側面に形成し、前記第１不純物領域、前記第２不純物領域、及び前記第３不純物領域を電気的に接続させる工程と、
前記半導体基板における前記光感応領域に対応する部分を該部分の周辺部分を残して前記第１主面側から薄化する工程と、
前記シリコン基板の薄化されている部分に、前記第１主面側からパルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸を形成する工程と、
不規則な前記凹凸を形成する前記工程の後に、前記シリコン基板を熱処理する工程と、
前記シリコン基板を熱処理する工程の後に、前記光感応領域の前記不純物領域と電気的に接続するように前記半導体メサ部上に第１電極を形成すると共に、前記第２不純物領域と電気的に接続するように前記半導体メサ部上に第２電極を形成する工程と、を備えることを特徴とするフォトダイオードの製造方法。
【請求項２】
不規則な前記凹凸を形成する前記工程では、パルスレーザ光としてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記絶縁層が酸化シリコンからなり、
薄化する前記工程では、前記絶縁層をエッチングストップ層として前記半導体基板を前記第１主面側からエッチングすることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記第１不純物領域の厚みを、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフォトダイオードの製造方法。
【請求項５】
互いに対向する第１主面及び第２主面を有する半導体基板と、前記半導体基板の第２主面上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられていると共に該絶縁層との接合面の反対側に形成された主面を有する半導体メサ部と、を有するシリコン基板部と、
前記半導体メサ部の前記主面上に設けられた第１電極及び第２電極と、を備え、
前記半導体メサ部は、
前記絶縁層との接合面に設けられた第１導電型の第１不純物領域と、
前記第１の不純物領域上に設けられており、前記第１不純物領域よりも不純物濃度が低い第１導電型の低濃度不純物領域と、
前記低濃度不純物領域内に設けられており、第２導電型の不純物領域を含む光感応領域と、
前記低濃度不純物領域内において前記半導体メサ部の前記主面に設けられており、前記低濃度不純物領域よりも不純物濃度が高い第１導電型の第２不純物領域と、
前記低濃度不純物領域内において前記半導体メサ部の側面に設けられており、前記低濃度不純物領域よりも不純物濃度が高い第１導電型の第３不純物領域と、を有し、
前記シリコン基板部は、前記光感応領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して前記半導体基板側より薄化され、
前記シリコン基板部の薄化されている部分における前記半導体メサ部の前記主面に対向する面には不規則な凹凸が形成されていると共に該面が光学的に露出しており、
前記第３不純物領域は、前記第１不純物領域及び前記第２不純物領域と電気的に接続され、
前記第１電極は、前記光感応領域の前記不純物領域と電気的に接続され、前記第２電極は、前記第２不純物領域と電気的に接続されていることを特徴とするフォトダイオード。
【請求項６】
前記第１不純物領域に不規則な前記凹凸が形成されると共に前記第１不純物領域が光学的に露出していることを特徴とする請求項５に記載のフォトダイオード。
【請求項７】
前記第１不純物領域の厚みが、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きいことを特徴とする請求項５又は６に記載のフォトダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオードの製造方法及びフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外の波長帯域に高い分光感度特性を有するフォトダイオードとして、化合物半導体を用いたフォトダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂ、及びＩｎＧａＡｓＮＰのいずれかからなる第１受光層と、第１受光層の吸収端より長波長の吸収端を有し、量子井戸構造からなる第２受光層と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１５３３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような化合物半導体を用いたフォトダイオードは、未だ高価であり、製造工程も複雑なものとなってしまう。このため、安価で且つ製造が容易なシリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度を有しているものの実用化が求められている。シリコンフォトダイオードは、一般に、分光感度特性の長波長側での限界は１１００ｎｍ程度ではあるものの、１０００ｎｍ以上の波長帯域における分光感度特性は十分なものではなかった。
【０００５】
本発明は、シリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオードの製造方法及びフォトダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るフォトダイオードの製造方法は、互いに対向する第１主面及び第２主面を有する半導体基板と、半導体基板の第２主面上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられた第１導電型の第１不純物領域と、第１不純物領域上に設けられていると共に第１不純物領域よりも不純物濃度が低い第１導電型の低濃度不純物領域と、を有するシリコン基板を準備する工程と、低濃度不純物領域内に、第２導電型の不純物領域を含む光感応領域を形成する工程と、第１不純物領域及び低濃度不純物領域をメサ状に整形することにより光感応領域を含む半導体メサ部を形成する工程と、低濃度不純物領域よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第２不純物領域を半導体メサ部の表面に形成すると共に低濃度不純物領域よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第３不純物領域を半導体メサ部の側面に形成し、第１不純物領域、第２不純物領域、及び第３不純物領域を電気的に接続させる工程と、半導体基板における光感応領域に対応する部分を該部分の周辺部分を残して第１主面側から薄化する工程と、シリコン基板の薄化されている部分に、第１主面側からパルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸を形成する工程と、不規則な凹凸を形成する工程の後に、シリコン基板を熱処理する工程と、シリコン基板を熱処理する工程の後に、光感応領域の不純物領域と電気的に接続するように半導体メサ部上に第１電極を形成すると共に、第２不純物領域と電気的に接続するように半導体メサ部上に第２電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るフォトダイオードの製造方法によれば、シリコン基板における光感応領域に対応する部分が薄化され、シリコン基板の薄化されている部分に不規則な凹凸が形成されているフォトダイオードを得ることができる。このフォトダイオードでは、シリコン基板の薄化されている部分に不規則な凹凸が形成されているために、フォトダイオードに入射した光は当該凹凸にて反射、散乱、又は拡散されて、低濃度不純物領域内を長い距離進む。これにより、フォトダイオードに入射した光は、その大部分がフォトダイオード（低濃度不純物領域）を透過することなく、低濃度不純物領域で吸収されることとなる。したがって、上記フォトダイオードでは、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光の吸収される距離が長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【０００８】
本発明により得られたフォトダイオードでは、低濃度不純物領域と絶縁層との間に、低濃度不純物領域よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第１不純物領域が形成されている。このため、低濃度不純物領域における絶縁層との接合面側で発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、第１不純物領域は、低濃度不純物領域の上記接合面付近で発生したキャリアを当該接合面でトラップされるのを抑制する。このため、発生したキャリアは、光感応領域へ効率的に移動し、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
【０００９】
ところで、パルスレーザ光の照射により、シリコン基板（第１不純物領域）に結晶欠陥などのダメージを及ぼす懼れがあるが、本発明では、不規則な上記凹凸を形成した後に、シリコン基板を熱処理しているので、シリコン基板の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００１０】
好ましくは、不規則な凹凸を形成する工程では、パルスレーザ光としてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射する。この場合、不規則な凹凸を適切で且つ容易に形成することができる。
【００１１】
好ましくは、絶縁層が酸化シリコンからなり、薄化する工程では、絶縁層をエッチングストップ層として半導体基板を第１主面側からエッチングする。この場合、薄化する工程において、絶縁層でエッチングをストップすることができ、第１不純物領域の厚みの制御を精度良く且つ容易に行なうことができる。
【００１２】
好ましくは、第１不純物領域の厚みを、不規則な上記凹凸の高低差よりも大きくする。この場合、パルスレーザ光を照射した際に、パルスレーザ光が第１不純物領域に到達して当該第１不純物領域に凹凸が形成されたとしても、第１不純物領域が残ることとなる。この結果、上述した第１不純物領域による作用効果を確保することができる。
【００１３】
本発明に係るフォトダイオードは、互いに対向する第１主面及び第２主面を有する半導体基板と、半導体基板の第２主面上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられていると共に該絶縁層との接合面の反対側に形成された主面を有する半導体メサ部と、を有するシリコン基板部と、半導体メサ部の主面上に設けられた第１電極及び第２電極と、を備え、半導体メサ部は、絶縁層との接合面に設けられた第１導電型の第１不純物領域と、第１の不純物領域上に設けられており、第１不純物領域よりも不純物濃度が低い第１導電型の低濃度不純物領域と、低濃度不純物領域内に設けられており、第２導電型の不純物領域を含む光感応領域と、低濃度不純物領域内において半導体メサ部の主面に設けられており、低濃度不純物領域よりも不純物濃度が高い第１導電型の第２不純物領域と、低濃度不純物領域内において半導体メサ部の側面に設けられており、低濃度不純物領域よりも不純物濃度が高い第１導電型の第３不純物領域と、を有し、シリコン基板部は、光感応領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して半導体基板側より薄化され、シリコン基板部の薄化されている部分における半導体メサ部の主面に対向する面には不規則な凹凸が形成されていると共に該面が光学的に露出しており、第３不純物領域は、第１不純物領域及び第２不純物領域と電気的に接続され、第１電極は、光感応領域の不純物領域と電気的に接続され、第２電極は、第２不純物領域と電気的に接続されている。
【００１４】
本発明に係るフォトダイオードでは、上述したように、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光の吸収される距離が長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、第１不純物領域により、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
【００１５】
好ましくは、第１不純物領域に不規則な前記凹凸が形成されると共に前記第１不純物領域が光学的に露出している。
【００１６】
好ましくは、第１不純物領域の厚みが、不規則な上記凹凸の高低差よりも大きい。この場合、上述したように、第１不純物領域による作用効果を確保することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、シリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオードの製造方法及びフォトダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係るフォトダイオードの平面図である。
【図２】図１に示されたフォトダイオードの底面図である。
【図３】図１におけるIII−III線に沿った断面構成を示す図である。
【図４】図１におけるIV−IV線に沿った断面構成を示す図である。
【図５】ｎ＋型埋込み層の孔に露出する面に形成された不規則な凹凸を観察したＳＥＭ画像である。
【図６】本実施形態に係るフォトダイオードの構成を示す図である。
【図７】本実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図８】本実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図９】本実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１０】本実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１１】本実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１２】本実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１３】実施例１及び比較例１における、波長に対する分光感度の変化を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２０】
図１〜図４を参照して、本実施形態に係るフォトダイオード１の構成を説明する。図１は、本実施形態に係るフォトダイオードの平面図であり、図２は、図１に示されたフォトダイオードの底面図である。図３は、図１におけるIII−III線に沿った断面構成を示す図である。図４は、図１におけるIV−IV線に沿った断面構成を示す図である。図１〜図４には、複数のフォトダイオード１が並列に設けられたフォトダイオードアレイが示されている。
【００２１】
フォトダイオード１は、被検出光の入射によりキャリアを生成し、生成したキャリアを検出信号の形で出力する。図１に示されるように、フォトダイオード１は、互いに対向する第１主面Ｍ１及び第２主面Ｍ２を有する半導体基板２と、半導体基板２の上に配置された半導体メサ部５とを有する。半導体基板２は、半導体基板２上に配置された半導体メサ部５等を支持する基板であり、シリコン（Ｓｉ）結晶からなる。半導体メサ部５は、メサ状のｎ−型層８を含む半導体層である。フォトダイオード１は、いわゆるＰＩＮフォトダイオードを構成している。
【００２２】
ｎ−型層８は、ｎ型の不純物（例えば、アンチモン、砒素、又はリン等）を含む半導体層である。フォトダイオード１は、ｎ＋型領域１４及びｐ＋型領域１６と、入射光を検出する光感応領域Ｓ１とを更に有している。ｎ＋型領域１４及びｐ＋型領域１６は、ｎ−型層８内において半導体メサ部５の主面（図３等に示される表面Ｍ５）に設けられている。ｎ＋型領域１４は、ｐ＋型領域１６を表面Ｍ５上で囲むように（光感応領域Ｓ１を囲むように）設けられている。
【００２３】
ｎ＋型領域１４は、ｎ型の不純物をｎ−型層８よりも高濃度に含む半導体領域である。ｐ＋型領域１６は、比較的高濃度（例えばｎ−型層８よりも高濃度）のｐ型の不純物（例えば、ボロン等）を含む半導体領域である。光感応領域Ｓ１は、ｎ−型層８内に設けられており、ｐ＋型領域１６と、ｐ＋型領域１６及びｎ−型層８の境界に形成されたｐｎ接合部とを含む領域である。本実施形態では、「高濃度」とは例えば不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低濃度」とは不純物の濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。
【００２４】
フォトダイオード１は、半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）上に設けられたカソード電極１２及びアノード電極２０を更に有する。すなわち、カソード電極１２及びアノード電極２０は同一の面（表面Ｍ５）上に設けられている。カソード電極１２及びアノード電極２０は、例えばアルミニウム等の導電性の金属から成る。カソード電極１２は、ｎ＋型領域１４を覆うように設けられている。カソード電極１２とｎ＋型領域１４とは電気的に接続されている。アノード電極２０は、表面Ｍ５において長手方向の端部寄りに設けられている。ｐ＋型領域１６は、表面Ｍ５の中央付近に設けられており、アノード電極２０の下部に至るまで延在している。ｐ＋型領域１６（光感応領域Ｓ１の一部）とアノード電極２０とは電気的に接続されている。ｐ＋型領域１６を表面Ｍ５の中央付近からアノード電極２０の下部に至るまで延在させるかわりに、ｐ＋型領域１６は表面Ｍ５の中央付近のみとして、アノード電極をｐ＋型領域１６まで延在させて電気的に接続してもよい。この場合、容量を低減することができる。
【００２５】
フォトダイオード１は、絶縁層４、ｎ＋型埋込み層６及び絶縁膜１８を更に有する。絶縁層４上には半導体メサ部５が設けられており、半導体メサ部５は、ｎ＋型埋込み層６とｎ−型層８と、を有する。半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）は、絶縁層４との接合面の反対側に形成されている。絶縁層４は、半導体基板２の第２主面Ｍ２上に設けられており、ｎ＋型埋込み層６は、絶縁層４の表面Ｍ３上に設けられている（換言すれば、ｎ＋型埋込み層６は、半導体メサ部５の上記絶縁層４との接合面に設けられている）。絶縁層４は、例えば酸化シリコン等から成り、被検出光が半導体基板２に入射した時に発生するキャリアがｎ＋型埋込み層６及びｎ−型層８に流入するのを防ぐ。ｎ＋型埋込み層６の表面Ｍ４上にはｎ−型層８が設けられている。ｎ＋型埋込み層６は、ｎ型不純物をｎ−型層８よりも高濃度に含む半導体層である。
【００２６】
フォトダイオード１は、ｎ＋型接続領域１０を更に有しており、ｎ＋型接続領域１０は、ｎ−型層８内において光感応領域Ｓ１を囲むようにｎ−型層８の側面Ｍ６に設けられている。ｎ＋型接続領域１０は、ｎ＋型埋込み層６やｎ＋型領域１４と同様に、ｎ型不純物をｎ−型層８よりも高濃度に含む半導体領域である。ｎ＋型接続領域１０は、ｎ＋型埋込み層６とｎ＋型領域１４とに電気的に接続されている。
【００２７】
フォトダイオード１は、絶縁膜１８を更に有している。絶縁膜１８は、半導体メサ部５の表面Ｍ５及び側面Ｍ６上に設けられており、例えば酸化シリコン等から成る。絶縁膜１８には、コンタクトホールＨ２が形成されており、コンタクトホールＨ２は、ｎ＋型領域１４上に設けられている。
【００２８】
カソード電極１２は、絶縁層４の表面Ｍ３のうち半導体メサ部５を除いた領域からコンタクトホールＨ２に至るまで、表面Ｍ５及び側面Ｍ６上の絶縁膜１８に沿って延在している。カソード電極１２は、コンタクトホールＨ２を通してｎ＋型領域１４と電気的に接続されている。
【００２９】
絶縁膜１８には、図４に示されるように、コンタクトホールＨ３が形成されている。コンタクトホールＨ３は、ｐ＋型領域１６上に設けられている。アノード電極２０は、コンタクトホールＨ３を通してｐ＋型領域１６と電気的に接続されている。
【００３０】
図３及び４に示されるように、半導体基板２は、ｐ＋型領域１６（光感応領域Ｓ１の一部）に対応する部分が、当該部分の周辺領域を残して第１主面Ｍ１側から薄化されている。本実施形態では、半導体基板２及び絶縁層４におけるｐ＋型領域１６（光感応領域Ｓ１の一部）に対応する部分も、除去されている。これにより、半導体基板２及び絶縁層４には、これらの半導体基板２及び絶縁層４を貫通する孔Ｈ１が形成され、ｎ＋型埋込み層６が孔Ｈ１に露出することとなる。
【００３１】
表面Ｍ５の反対側の第１主面Ｍ１には、孔Ｈ１の開口が設けられている（図２参照）。孔Ｈ１は、ｐ＋型領域１６（光感応領域Ｓ１の一部）に対応する位置に設けられており、半導体基板２及び絶縁層４を貫通しｎ＋型埋込み層６に至る。すなわち、光感応領域Ｓ１に対応する位置に設けられた孔Ｈ１は、半導体基板２の第１主面Ｍ１から、ｎ＋型埋込み層６に至る。孔Ｈ１は、１００μｍ程度の径（直径）の円形の断面を有する略円筒状を成す。
【００３２】
カソード電極１２及びアノード電極２０は、孔Ｈ１に対応する位置に設けられていない。すなわち、カソード電極１２及びアノード電極２０は、半導体基板２における孔Ｈ１の周辺領域に対応する位置に設けられている。これにより、カソード電極１２及びアノード電極２０を通してフォトダイオード１に作用する応力の負荷が、半導体基板２により支えられることとなる。この結果、フォトダイオード１の構造強度の向上が図られる。複数のフォトダイオード１が並列に設けられたフォトダイオードアレイでは、０．２５ｍｍ程度のピッチで各フォトダイオード１が並列配置されている。隣接する二つのフォトダイオード１の各孔Ｈ１の中心同士を結ぶ距離は、０．２５ｍｍ程度である。
【００３３】
ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７には、図５に示されるように、不規則な凹凸２２が形成されている。ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７は、光学的に露出している。面７が光学的に露出しているとは、面７が空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、面７上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
【００３４】
上記構成のフォトダイオード１では、半導体メサ部５側から入射する光を検出する表面入射型のフォトダイオードとして機能すると共に、半導体基板２側から入射する光を検出する裏面入射型のフォトダイオードとしても機能する。フォトダイオード１が表面入射型のフォトダイオードとして機能する場合、半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）からｎ−型層８に被検出光が入射することとなる。フォトダイオード１が裏面入射型のフォトダイオードとして機能する場合、孔Ｈ１からｎ＋型埋込み層６を介してｎ−型層８に被検出光が入射することとなる。いずれの場合でも、ｎ−型層８に入射した光は、ｎ−型層８で吸収され、キャリアを発生させる。正電荷（ホール）のキャリアは、光感応領域Ｓ１に移動し、アノード電極２０を介して電気信号として抽出される。
【００３５】
フォトダイオード１では、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７に不規則な凹凸２２が形成されているために、図６に示されるように、フォトダイオード１に入射した光Ｌは凹凸２２にて反射、散乱、又は拡散されて、ｎ−型層８内を長い距離進む。図６では、フォトダイオード１が表面入射型のフォトダイオードとして機能する例を示している。
【００３６】
通常、Ｓｉの屈折率ｎ＝３．５に対して、空気の屈折率ｎ＝１．０である。フォトダイオードでは、光入射面に垂直な方向から光が入射した場合、フォトダイオード（シリコン基板）内で吸収されなかった光は、光入射面の裏面にて反射する光成分とフォトダイオードを透過する光成分に分かれる。フォトダイオードを透過した光は、フォトダイオードの感度には寄与しない。光入射面の裏面にて反射した光成分は、フォトダイオード内で吸収されれば、光電流となり、吸収されなかった光成分は、光入射面において、光入射面の裏面に到達した光成分と同様に、反射又は透過する。
【００３７】
フォトダイオード１では、光入射面（半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５））に垂直な方向から光Ｌが入射した場合、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７に形成された不規則な凹凸２２に到達すると、凹凸２２からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸２２にて全反射される。凹凸２２は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、ｎ−型層８内部で吸収される光成分もあれば、半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）や側面Ｍ６に到達する光成分もある。
【００３８】
半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）や側面Ｍ６に到達する光成分は、凹凸２２での拡散により様々な方向に進むため、半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）や側面Ｍ６に到達した光成分が半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）や側面Ｍ６にて全反射する可能性は極めて高い。半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）や側面Ｍ６にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、半導体メサ部５の内部で伝播する距離が更に長くなる。このように、フォトダイオード１に入射した光Ｌは、ｎ−型層８の内部を長い距離進むうちに、ｎ−型層８で吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００３９】
このように、フォトダイオード１に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオード１を透過することなく、フォトダイオード１内部での伝播距離が長くされて、ｎ−型層８で吸収されることとなる。したがって、フォトダイオード１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。フォトダイオード１が裏面入射型のフォトダイオードとして機能する場合も、表面入射型のフォトダイオードとして機能する場合と同様に、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００４０】
ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７に規則的な凹凸を形成した場合、半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）や側面Ｍ６に到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）や側面Ｍ６に到達した光成分が第２主面Ｍ２や側面Ｍ６にて全反射する可能性は低くなる。このため、半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）や側面Ｍ６、更にはｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７にて透過する光成分が増加し、フォトダイオードに入射した光のフォトダイオード内部での伝播距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することは困難となる。
【００４１】
次に、図７〜図１２を参照して、本実施形態に係るフォトダイオード１の製造方法を説明する。図７〜図１２は、本実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００４２】
まず、Ｓｉ結晶からなるｎ−型半導体基板８ａを準備する。ｎ−型半導体基板８ａの厚さは３００μｍ程度、比抵抗は１ｋΩ・ｃｍ程度である（図７（ａ）参照）。ｎ−型半導体基板８ａに対して、その表面からアンチモン（Ｓｂ）を拡散する。不純物濃度は、２×１０１９ｃｍ−３程度である。これにより、ｎ−型半導体基板８ａの表層にｎ＋型半導体層６ａが形成される（図７（ｂ）参照）。ｎ＋型半導体層６ａの厚みは、３μｍ程度である。別に準備したＳｉ結晶からなる支持基板２ａの表面を酸化させることにより、支持基板２ａ上に酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる絶縁層４ａを形成する。支持基板２ａの厚みは、３００μｍ程度である。絶縁層４ａの厚みは、１μｍである（図７（ｃ）参照）。
【００４３】
次に、ｎ＋型半導体層６ａ及びｎ−型半導体基板８ａから成る構造体を、支持基板２ａ上に絶縁層４ａを形成した基板に１０００℃程度で加熱しながら貼り合わせる。このとき、絶縁層４ａの表面をｎ＋型半導体層６ａとの貼合わせ面とする（図７（ｄ）参照）。さらに、ｎ−型半導体基板８ａの表面を研磨することにより平坦化する。この研磨により、ｎ−型半導体基板８ａとｎ＋型半導体層６ａとの厚みの和を所望の厚さ、例えば、９μｍ程度に調整する。これにより、半導体基板２（支持基板２ａに対応）の第２主面Ｍ２上に絶縁層４（絶縁層４ａに対応）が位置し、第１導電型のｎ＋型埋込み層６（ｎ＋型半導体層６ａに対応）が絶縁層４の表面Ｍ３上に位置し、ｎ型不純物をｎ＋型埋込み層６よりも低濃度に含むｎ−型層８（ｎ−型半導体基板８ａに対応）がｎ＋型埋込み層６の表面Ｍ４上に位置する、図８（ａ）に示される構造の基板、いわゆるＳＯＩ（Siliconon Insulator）基板を得る。
【００４４】
次いで、図８（ｂ）に示されるように、ｎ−型層８内において表面Ｍ５にｐ型不純物を比較的高濃度に拡散させることによりｐ＋型領域１６を形成し、ｐ＋型領域１６を含む光感応領域Ｓ１を形成する。次いで、図８（ｃ）に示されるように、絶縁層４が露出するまで、ｎ＋型埋込み層６及びｎ−型層８を、ｐ＋型領域１６とその周囲（すなわち光感応領域Ｓ１と電極領域）を残してドライエッチングすることによりメサ状に整形する。これにより、光感応領域Ｓ１を含む半導体メサ部５が形成される。この場合、絶縁層４はエッチングストッパとしての機能を果たす。次いで、図８（ｄ）に示されるように、半導体メサ部５の表面Ｍ５に光感応領域Ｓ１を囲むようにｎ型不純物をｎ−型層８よりも高濃度に拡散させることによりｎ＋型領域１４を形成する。また、半導体メサ部５の側面Ｍ６に光感応領域Ｓ１を囲むようにｎ型不純物をｎ−型層８よりも高濃度に拡散させることによりｎ＋型接続領域１０を形成する。これにより、ｎ＋型埋込み層６、ｎ＋型領域１４及びｎ＋型接続領域１０は電気的に接続される。
【００４５】
次いで、図９に示されるように、半導体基板２を絶縁層４が露出するまでドライエッチング等することにより、半導体基板２を貫通して絶縁層４に至る孔Ｈ１を光感応領域Ｓ１に対応する位置に形成する。この場合、絶縁層４はエッチングストップ層としての機能を果たす。
【００４６】
次に、図１０に示されるように、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７に、不規則な凹凸２２を形成する。ここでは、図１１に示されるように、孔Ｈ１が形成された基板をチャンバＣ内に配置し、チャンバＣの外側に配置されたパルスレーザ発生装置ＰＬＤからパルスレーザ光ＰＬを基板に照射する。チャンバＣはガス導入部ＧＩＮ及びガス排出部ＧＯＵＴを有しており、不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど）をガス導入部ＧＩＮから導入してガス排出部ＧＯＵＴから排出することにより、チャンバＣ内に不活性ガス流Ｇｆが形成されている。パルスレーザ光ＰＬを照射した際に生じる塵などが不活性ガス流ＧｆによりチャンバＣ外に排出され、基板への加工屑や塵などの付着を防いでいる。本実施形態では、パルスレーザ発生装置ＰＬＤとしてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する絶縁層４の全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。
【００４７】
絶縁層４のｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面にピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光が照射されると、絶縁層４が除去されると共に、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７がピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図５に示されるように、不規則な凹凸２２が面７の全面に形成される。不規則な凹凸２２は、半導体メサ部５の主面（表面Ｍ５）に直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸２２の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸２２における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。
【００４８】
次に、不規則な凹凸２２が形成された上記基板を熱処理（アニール）する。ここでは、不規則な凹凸２２が形成された上記基板を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１時間程度にわたって加熱する。
【００４９】
次いで、図１２（ａ）に示されるように、表面Ｍ５及び側面Ｍ６に絶縁膜１８を形成する。そして、ｎ＋型領域１４上の絶縁膜１８にコンタクトホールＨ２を形成し、ｐ＋型領域１６上の絶縁膜１８にコンタクトホールＨ３を形成する。次いで、図１２（ｂ）に示されるように、カソード電極１２を、絶縁層４の表面Ｍ３のうち半導体メサ部５を除いた領域からコンタクトホールＨ２に至るまで、表面Ｍ５及び側面Ｍ６上の絶縁膜１８に沿って形成し、コンタクトホールＨ２を介してｎ＋型領域１４と電気的に接続させる。すなわち、ｎ＋型領域１４と電気的に接続するように半導体メサ部５上にカソード電極１２を形成する。そして、同時にアノード電極２０を、コンタクトホールＨ３を含むｐ＋型領域１６上に設け、コンタクトホールＨ３を介してｐ＋型領域１６と電気的に接続させる。すなわち、光感応領域Ｓ１と電気的に接続するように半導体メサ部５上にアノード電極２０を形成する。
【００５０】
以上により、フォトダイオード１が完成する。
【００５１】
ここで、本実施形態による近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
【００５２】
上述した構成を備えたフォトダイオード（実施例１と称する）と、孔Ｈ１及び不規則な凹凸２２を形成していないフォトダイオード（比較例１と称する）と、を作製し、それぞれの分光感度特性を調べた。比較例１として、ｎ型の低比抵抗の第１半導体基板と、第１半導体基板上に貼り合わせられたｎ型の高比抵抗の第２半導体基板と、を備え、第２半導体基板の表面側にｐ型の半導体領域が形成され、第２半導体基板における半導体領域の周囲の領域が、第１半導体基板が露出するまでエッチングされており、第１及び第２電極が、第１半導体基板の露出表面及び半導体領域に、それぞれ電気的に接続されているフォトダイオードを作製した。比較例１には、実施例１における孔Ｈ１及び不規則な凹凸２２に相当する構成は採用していない。比較例１での第２半導体基板の厚みは７．５μｍに設定し、実施例１でのｎ−型層８の厚みは６μｍに設定した。実施例１及び比較例１とも、フォトダイオードのサイズは０．５ｍｍ×０．５ｍｍに設定し、光感応領域のサイズはφ０．１ｍｍに設定した。フォトダイオードに印加するバイアス電圧ＶＲは、０Ｖに設定した。
【００５３】
結果を図１３に示す。図１３において、実施例１を表面入射型のフォトダイオードとして用いたときの分光感度特性はＴ１で示され、同じく裏面入射型のフォトダイオードとして用いたときの分光感度特性はＴ２で示されている。比較例１の分光感度特性は特性Ｔ３で示されている。また、図１３において、縦軸は分光感度（ｍＡ・Ｗ）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。一点鎖線にて示されている特性は、量子効率（ＱＥ）が１００％となる分光感度特性を示している。
【００５４】
図１３から分かるように、例えば８５０ｎｍにおいて、比較例１では分光感度が０．１８Ａ／Ｗ（ＱＥ＝２５％）であるのに対して、実施例１では分光感度が０．４２Ａ／Ｗ（ＱＥ＝６０％）及び０．３８Ａ／Ｗ（ＱＥ＝５５％）となっており、近赤外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。
【００５５】
フォトダイオード１では、ｎ＋型埋込み層６に不規則な凹凸２２が形成されている。これにより、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７側で発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、ｎ＋型埋込み層６は、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７付近で発生したキャリアを当該面７でトラップされるのを抑制する。すなわち、ｎ＋型埋込み層６はアキュムレーション層として機能する。このため、発生したキャリアは、光感応領域Ｓ１へ効率的に移動し、フォトダイオード１の光検出感度を更に向上することができる。
【００５６】
不規則な凹凸２２を形成する際のパルスレーザ光ＰＬの照射により、ｎ＋型埋込み層６及びｎ−型層８などの半導体層に結晶欠陥などのダメージを及ぼす懼れがある。しかしながら、本実施形態では、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７に不規則な凹凸２２を形成した後に熱処理しているので、ｎ＋型埋込み層６及びｎ−型層８などの半導体層の結晶性が回復する。この結果、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００５７】
本実施形態では、不規則な凹凸２２を形成して熱処理した後に、カソード電極１２及びアノード電極２０を形成している。これにより、カソード電極１２及びアノード電極２０に比較的融点の低い金属を用いる場合でも、熱処理によりカソード電極１２及びアノード電極２０が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなくカソード電極１２及びアノード電極２０を適切に形成することができる。
【００５８】
本実施形態では、ｎ＋型埋込み層６の厚みを、不規則な凹凸２２の高低差よりも大きくしている。このため、ｎ＋型埋込み層６を形成した後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸２２を形成しても、ｎ＋型埋込み層６が確実に残ることとなる。したがって、ｎ＋型埋込み層６による作用効果を確保することができる。
【００５９】
本実施形態では、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸２２を形成している。これにより、不規則な凹凸２２を適切で且つ容易に形成することができる。
【００６０】
本実施形態では、酸化シリコンからなる絶縁層４をエッチングストップ層として半導体基板２をエッチングしている。これにより、絶縁層４でエッチングをストップすることができ、ｎ−型層８の厚みの制御を精度良く且つ容易に行なうことができる。
【００６１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００６２】
例えば、カソード電極１２が半導体メサ部５の側面Ｍ６及び絶縁層４の表面Ｍ３を覆う構成としたが、これに限らず、カソード電極１２が表面Ｍ３を覆わずに側面Ｍ６を覆う構成であってもよいし、表面Ｍ３及び側面Ｍ６をともに覆わない構成であってもよい。また、絶縁膜１８を、半導体メサ部５の表面Ｍ５及び側面Ｍ６上に設け、カソード電極１２を絶縁膜１８上を覆うように設け、コンタクトホールＨ２を通してカソード電極１２とｎ＋型領域１４とを電気的に接続する構成としたが、これに限らず、絶縁膜１８を設けず、カソード電極１２を半導体メサ部５の表面Ｍ５及び側面Ｍ６上に設けて直接ｎ＋型領域１４と電気的に接続してもよい。
【００６３】
フォトダイオード１のｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。すなわち、ｎ＋型埋込み層６をｐ＋型埋込み層とし、ｎ−型層８をｐ−型層とし、ｎ＋型接続領域１０をｐ＋型接続領域とし、ｎ＋型領域１４をｐ＋型領域とし、ｐ＋型領域１６をｎ＋型領域としてもよい。
【００６４】
本実施形態のフォトダイオード１においては、半導体メサ部５の側面Ｍ６は表面Ｍ３に対して垂直に近い形となっているが、表面Ｍ３に対し斜めになるように側面Ｍ６が設けられていてもよい。
【００６５】
ｎ＋型領域１４及びｎ＋型接続領域１０と、ｐ＋型領域１６とは、拡散によらずイオン注入によって形成されてもよい。
【００６６】
本実施形態では、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７に不規則な凹凸２２を形成しているが、これに限られない。例えば、半導体基板２を薄化する際に、半導体基板２の一部を残すように半導体基板２を薄化し、半導体基板２の残された部分に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸２２を形成してもよい。この場合には、半導体基板２の残された部分に、アキュムレーション層として機能する、半導体基板２と同じ導電型であり且つ高い不純物濃度を有する半導体層を形成する必要があり、工程や構成が複雑化する懼れがある。したがって、本実施形態のように、ｎ＋型埋込み層６の孔Ｈ１に露出する面７に不規則な凹凸２２を形成することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、半導体光検出素子及び光検出装置に利用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１…フォトダイオード、２…半導体基板、２ａ…支持基板、４，４ａ…絶縁層、５…半導体メサ部、６…ｎ＋型埋込み層、６ａ…ｎ＋型半導体層、７…ｎ＋型埋込み層の孔に露出する面、８…ｎ−型層、８ａ…ｎ−型半導体基板、１０…ｎ＋型接続領域、１２…カソード電極、１４…ｎ＋型領域、１６…ｐ＋型領域、２０…アノード電極、２２…凹凸、Ｈ１…孔、Ｍ１…第１主面、Ｍ２…第２主面、ＰＬ…パルスレーザ光、Ｓ１…光感応領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図５】
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