(57)【要約】      （修正有）【課題】感応領域（Ｎ型井戸内のＰ型小領域）を除きシリコン・ウェハーに入射した光に対し無反応なフォトダイオードを提供する。【解決手段】接触素子及び材料を含んで成る製造途上の半導体基板。半導体基板は互いに隣接する高濃度にドープされたＮ型領域１２４及び高濃度にドープされたＰ型領域１２２を含むドープ領域を有している。基板の外表面は光源からの光が基板の表面に達することができ光透過領域を含む地勢を備えている。光透過領域に十分な光が照射されると高濃度にドープされた領域の接合部両端に電位差が生じる。基板部は、そこに配され光透過領域に対する光の照射により生じた電位差による電流を半導体基板上の回路に流すための１つ以上の電気接点を更に有する。【選択図】図１Ａ
2014140065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板であって、
互いに隣接する高濃度にドープされたＮ型領域及び高濃度にドープされたＰ型領域を含むドープ領域及び光源からの光が前記基板の表面に達することができる光透過領域を含む地勢を有する外表面を備え、接触素子及び材料を含んで成る製造途上の基板部であって、前記光透過領域に十分な光が照射されると前記高濃度にドープされた領域の接合部の両端に電位差が生じるよう構成されて成る基板部と、
前記基板部に配され、前記光透過領域に対する光の照射により生じた電位差による電流を前記半導体基板上の回路に流すための１つ以上の電気接点と、
を有して成ることを特徴とする基板。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、米国仮出願第６１/０９３，２９２号（２００８年８月２９日出願）の優先権を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は半導体基板用集積フォトダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
光起電素子や光伝導素子のような半導体素子を用いて光エネルギーを電気エネルギーに変換することが行われている。これ等の素子において電流が生成される物理的過程は同じであるが、光起電素子は、例えば、日光を電力に変換するソーラー・パネルのように、一般に光入力から有用な電力を生成するものであり、光伝導素子は、例えば、光信号を電気信号に変換する光検出器のように光信号の検出に用いられる。何れの素子においても、半導体内部に電子とホールの対を生成するのに充分なエネルギーを有する光学光子を必要とし、その電子は半導体のＮ型領域に捕捉されると共にホールは対応するＰ型領域に捕捉される。光起電素子と光伝導素子との動作上の違いは外部から逆バイアスが加えられるか否かである。例えば、光起電素子において、光生成電子とホールとはＮ型ドープ領域とＰ型ドープ領域との間に存在する内部電界による空間電荷領域によって自然に分離されるのに対し、光伝導素子においては一般に負のバイアスが加えられ、その電界によって光生成電子とホールとが分離される。その結果、光起電素子は光が照射されると有用な電流及び電圧を生成することができ、それによって電力が生成される一方、光伝導素子は光電流を生成するが、外部電位によって負にバイアスされているため、その生成プロセスにおいて電力が消費される。
【０００４】
任意の半導体材料を用いても光起電素子や光伝導素子を作製できる。しかし、一部の半導体材料の方が他の半導体材料より適している。直接エネルギー・バンドギャップを有しているか、間接エネルギー・バンドギャップを有しているかによって半導体は大きく分けられる。直接ギャップ半導体の方が間接ギャップ半導体より効率的に光エネルギーを電気エネルギーに変換できる。間接ギャップ半導体の例として、製造の容易性及び堅牢性という実用的な理由からデファクト半導体となり現代の殆どの集積回路がその拠所としている第４族元素であるシリコンが挙げられる。直接バンドギャップ半導体の例には、第ＩＩＩ族元素（Ｇａ）と同等数の第Ｖ族元素（Ａｓ）とが結合したＧａＡｓのような任意のＩＩＩ−Ｖ族化合物が挙げられる。このようなＩＩＩ−Ｖ素子は優れた光電子特性を有していることからシリコンよりはるかに好ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光通信の分野において、光検出器とシリコン加工電子部品との統合が必要とされている。通信トランシーバ・システムのような、現在において高性能な装置はＩＩＩ−Ｖ光検出器（又は光電子エミッター）とシリコン加工電子部品とを統合している。しかし、全く実用的な理由から、光検出器と集積電子回路とを同じ半導体基板上で一体化することが好ましく、そのためには、特に、バルク・シリコン処理やシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）処理のようなシリコン加工電子部品と同じ製造工程によって光検出器を製造する必要がある。ウェハーを用いた大量生産技術による製造上の制約を前提として、可能な限り最善の受光器を設計することに多くの研究が集中している。更に、このオプトエレクロニクス分野においては、無バイアスの光起電素子と比較して光応答時間が短いため、逆バイアス光伝導素子に重点が置かれている。標準のシリコン加工電子部品において、光起電力検出器を用いて電力を発生させる比較研究が極めて乏しい。光起電素子に関する殆どの研究は、例えば、変換効率の向上や標準光電池を低廉化する新方法の発見などによりソーラー・パネル用の光電池単体の改善に重点が置かれているが、光起電素子と他の集積電子回路とを組み合せることは研究されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下、出力、効率、及び安定度の最適化を図った光起電ダイオードの設計及び製造に関連する、標準のシリコン製造・設計手法、及び集積回路形成上の制約及び留意事項に対応した多くの実施の形態について説明する。特に、標準のシリコン製造方法には、バルク・シリコンやＳＯＩの処理及び設計が含まれている。1つ以上の実施の形態によれば、光起電素子を用いて光源から電力が生成され、その電力によって電気回路及び試験構造体が駆動される構造であって、それがシリコン・ウェハー本来の目的によって規定される装置設計及び製造上の制約の範囲内において実現される。
【０００７】
更に、一部の実施の形態によって製造上の制約に対応できる特性及び特質を備えたフォトダイオードが提供される。１つ以上の実施の形態により、設計及び製造上の制約に左右される最適又は改良型光起電素子の製造を目的としたフォトダイオードが提供される。特に、本明細書に述べる実施の形態により、設計及び製造上の制約内で動作するよう構成されると共にそれぞれのアプリケーションに応じて最適化された光起電フォトダイオードが提供される。１つ以上の実施の形態において、アプリケーションの設計及び製造分析、ウェハーの設計製造工程制御、回路性能、製造工程と設計との統合、素子設計製造工程の特徴付け等が行われる。    
【０００８】
１つ以上の実施の形態において、（ｉ）ウェハー内に配置又は統合された（組立済又は組立途上の）試験構造体の（光起電素子の飽和及び物理的損傷を考慮した）効率的な起動方法、（ｉｉ）光起電素子と集積回路及び光起電素子によって電気的に起動される素子との電気的特性の整合（即ち、インピーダンス整合）、（ｉｉｉ）隣接回路及び素子からの光起電素子の電気的及び光学的分離、（ｉＶ）特定用途の要件及び制約を満足するための光起電素子の定寸、及び/又は（Ｖ）光起電素子の光アクセスのための設計及び加工が行われる。
【０００９】
一部の実施の形態において、少なくとも部分的に接触素子及び材料を含む基板部が提供される。この基板部は互いに隣接する高濃度にドープされたＮ型領域と高濃度にドープされたＰ型領域のドープ領域を有している。光源からの光が基板表面に到達できる光透過領域を有する地勢が基板の外面に設けられている。光透過領域に光を照射すると高濃度にドープされた領域の両端に電位差が生じる。また、基板部は、光透過領域に対する光の照射により生じた電位差による電流を半導体基板上の回路に伝導する１つ以上の電気接点を有することができる。
【００１０】
本明細書に述べる多くの実施の形態において、異なるドープ半導体領域による接合部が提供される。特に、高濃度にドープされたＰ領域及びＮ領域をそれぞれ含む“Ｐ”型領域と“Ｎ”型領域とによってフォトダイオードが形成される。半導体基板のＰ型ドープ領域は多数キャリアがホールである領域に対応している。同様に、半導体基板のＮ型ドープ領域は多数キャリアが電子である領域に対応している。
【００１１】
更に、本明細書に述べる実施の形態において、基板の高濃度にドープされた領域によってフォトダイオードが形成される。高濃度にドープされた領域とは同様にドープされた隣接領域よりも多量のドーパントを含んでいることを意味する。具体的には、高濃度にドープされた領域は少なくとも１Ｅ１８原子/ｃｍ３のドーパントを有していると見なされる。
【００１２】
本明細書において、“不透明”及び“光透過性”と言う用語は使用する光の波長に対するものである。実施の形態においては、光源として一般にレーザー、具体的には可視レーザーが使用される。従って、かかる状況において、“不透明”及び“光透過性”は可視光に適用されるものであって、不透明材料はシリサイド又は同様の材料から成ることができる。しかし、そのような材料はより波長の短い光に対しては不透明ではない場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】1つ以上の実施の形態による、試験構造体や被試験体のような回路や装置に電力を供給するための集積フォトダイオード構造を備えた基板装置の側断面図。
【図１Ｂ】図１Ａに示す領域の上面図。
【図１Ｃ】図１Ａの実施の形態による集積フォトダイオードの概略回路図。
【図２Ａ】別の実施の形態による、集積フォトダイオード構造を備えた基板装置の側断面図。
【図２Ｂ】図２Ａの実施の形態に示す構成によって形成されたフォトダイオードの概略回路図。
【図２Ｃ】別の実施の形態による図２Ａの実施の形態の変形例を示す図。
【図２Ｄ】別の実施の形態による図２Ｃの実施の形態の変形例を示す図。
【図２Ｅ】図２Ｄのレイアウトを示す図。
【図２Ｆ】別の実施の形態による図２Ｄの実施の形態の変形例を示す図。
【図２Ｇ】図２Ｆのレイアウトを示す図。
【図２Ｈ】別の実施の形態による図２Ｅの実施の形態の変形例を示す図。
【図２Ｉ】図２Ｈのレイアウトを示す図。
【図３】1つの実施の形態による、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）水平膜フォトダイオードを示す図。
【図４】図３に示すような実施の形態の変形例を示す図。
【図５】別の実施の形態による、ＳＯＩ基板上のフォトダイオードの構成を示す図。
【図６】別の実施の形態による、埋込酸化物（ＢＯＸ）層の下部の基板の厚さ内に埋没するよう、光透過領域に形成された集積光起電埋込ＰＮ接合を備えた基板を示す図。
【図７】別の実施の形態による、基板が埋没又は埋込光起電ＰＮ接合を有する図６の実施の形態の変形例を示す図。
【図８】別の実施の形態による、基板が埋没又は埋込光起電ＰＮ接合を有する図６及び図７の実施の形態の変形例を示す図。
【図９】別の実施の形態による、基板が埋没又は埋込光起電ＰＮ接合を有する図６〜図８の実施の形態の変形例を示す図。
【図１０】フォトダイオード（及び対応する試験構造体）に電力を供給するための底部側光照射構成を示す概略図。
【図１１】1つの実施の形態による、裏面照射をサポートする集積フォトダイオードをウェハーに形成するための詳細図。
【図１２】1つの実施の形態による、図１１の実施の形態の変形例を示す図。
【図１３】1つ以上の実施の形態による、集積フォトダイオードの適用例を示す図。
【図１４】1つ以上の実施の形態による、半導体基板に集積フォトダイオードを形成する方法を説明するための図。
【図１５】特定の実施の形態による、フォトダイオードの設計を最適化する方法を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１Ａは、1つ以上の実施の形態による、試験構造体や被試験体のような回路や装置に電力を供給するための集積フォトダイオード構造を備えた基板装置の側断面図である。多数の実施の形態により説明するように、集積フォトダイオード構造は光起電ＰＮ接合である。図１Ａの実施の形態において、基板装置１１０はＰ型基板内にＮ型井戸１０８を有している。前記のように、Ｐ型基板１１０はフォトダイオードが基板上で電力を生成できるようにするための光透過領域を有する地勢によって特徴付けられる。Ｐ型基板１１０は回路形成及びその関連処理が行われる前のドープ半導体ウェハーの一部である。１つの実施の形態において、Ｎ型井戸１０８内に浅いＮ型領域１２４が形成され、Ｐ型基板のＮ型井戸の外部に浅いＰ型領域１２２が形成される。高濃度にドープされたＰ型領域１２２及びＮ型領域１２２の各々に金属接点１２１が形成されている。不透明層を形成するときに使用されるようなシリサイド材料１２３の上に金属接点１２１を形成することができる。Ｐ型及びＮ型領域１２２、１２４の各々の横方向の長さは、シリサイド１２３の横方向の長さを越えていてもよい。これにより、例えば前記のように、高濃度にドープされたＰ型及びＮ型領域１２２、１２４が基板装置１１０の表面に形成された光透過領域１２５の符合する部分に照射された光を受信することができる。一般に、光透過領域１２５はシリサイドのような不透明材料によって塞がれていない基板表面の領域に形成される。例えば、１つの実施の形態において、接点１２１の成形及び/又は接点１２１間のシリサイド１２３の除去（又は堆積防止）によって光透過領域１２５が形成される。
【００１５】
図示のように、光起電ＰＮ接合１２０が形成される領域の一部と重複する基板１１０の外面に光透過領域１２５が形成される。例えば、選択した位置において、（光透過領域１２５に対応する）露出領域がＮ型井戸１０８の上部に形成されるような形状及び寸法で接点１２１を形成することができる。適切なレーザーを照射すると、（図１の実施の形態において）光透過領域１２５によりＰ型基板１１０及び高濃度にドープされたＰ型領域１２２が電子−ホール対を生成するのに充分な量の光を通すことができる。以下に説明する光起電接合効果がもたらされ（即ち、光起電ＰＮ接合１２０が形成され）それによって電流が生成され１つ以上の電気接点１２１によって回路や装置（例えば、試験構造体、非試験体等）に送られる。
【００１６】
大まかに言えば、光起電接合効果は電子−ホール対の生成と（拡散等による）伝搬に対応している。一部の実施の形態において、光起電接合効果は以下のように対応している。入射光が完全に吸収されると、ホールが空乏（空間電荷）領域の内部電界に遭遇するまで電子とホールがＮ型領域内に拡散する。この時点において、ホールがＮ型領域を越えて基板に入る一方、電子はＮ型領域にトラップされたままとなる。これがＮ型領域に（電子の蓄積によって）負の電位が生じ、隣接Ｐ型領域に（ホールの蓄積によって）正の電位が生じる過程である。このような構造によって多種多様なアプリケーション用のフォトダイオードが可能になる。
【００１７】
図示の構成の光起電接合効果における１つの問題は、通常のシリコン製造においてＰ型基板１１０に埋め込まれている（拡散されている）Ｎ型領域（例えば、高濃度にドープされたＮ型領域１２４及びＮ型井戸１０８）は入射光の光吸収深さに比べて遥かに浅く、入射光パワーのほんの一部しかＮ型領域に吸収されず、残りはＰ型基板に吸収されてしまうということである。図示の例において、電子−ホール対がＮ型及びＰ型領域の両方において生成される。前記同様、Ｎ型領域内の電子がトラップされ、ホールはＰ型基板に流出する。同様に、Ｐ型基板内で生成されたホールは基板にトラップされるが、電子は（ｉ）ＰＮ接合付近まで漂流して空乏領域の電界によってＮ型領域に一掃されるまで、又は（ｉｉ）基板内のホールと再結合するまで拡散する。基板１１０内の電子は（基板の寸法と比較して）非常に長く拡散するため、光起電ＰＮ接合１２０のＮ型領域によって収集されない可能性がある。例えば、多数の高濃度にドープされたＮ型領域１２０がＰ型基板１１０に埋め込まれているが、１つの領域にしか光パワーが照射されないとすると、光パワーによってＰ型基板内に生成された迷走電子はＮ型領域の何れによっても収集できる。従って、例えば、１つのＮ型領域（例えば、高濃度にドープされたＮ型領域１２４）に光パワーを照射するとその基板上のすべてのＮ型領域が負に帯電する。このことは悪影響をもたらす。例えば、この迷走キャリアによる非光起電領域及び素子の帯電は、生産又は試験ウェハー組立工程における非試験素子及び回路の電気的応答及び特性に影響を与えそれらを変化させてしまう可能性が潜在的にある。
【００１８】
従って、光起電接合効果が生じる多くのアプリケーションが非光起電構造体及び素子からの光誘起キャリアを隔離する方法を必要としていることを実施の形態は認識している。本明細書で説明する１つ以上の実施の形態において、クロストーク及び不要な帯電の問題を除去又は軽減するために光起電検出器と素子とが互いに分離される。
【００１９】
図１Ｂは図１Ａに示す領域の上面図である。接点１２１を介して、透明性（光）によって生成された電力を試験構造体（例えば、リング発振器）のような回路素子に送ることができる。図示のように、数ある可能な構成の１つにおいて、金属接点１２１の組合せが基板部分１４０上を延びるドープ領域に形成されている。基板部分１４０は、例えば、半導体ウェハーの活性領域の一部に対応している。例えば、図１Ｂにおいて、ドープ領域は同心方形状に形成され上部に金属接点が形成されている。基板（光透過領域）に光を照射することによって生成された電力は接点１２１を介して試験構造体（例えば、リング発振器）のような回路素子に送られる。
【００２０】
図示のような構成において、極小面積の光透過領域１２５を基板１１０上に集積することができる。１つの実施の形態において、光透過領域１２５の寸法は約１０×２０マイクロメートルであるが、これより大きいものや小さいものも可能である。例えば、光透過領域１２５の寸法は１００×１００マイクロメートル未満とすることができる。光透過領域１２５の大きさは基板回路素子の機能及び必要電力によって限定される。光透過領域１２５の面積が小さければ小さいほど、生成される電力は少ない。
【００２１】
各種断面図において、異なる実施の形態がそれぞれ異なるレイアウトを採用することができる。例えば、フォトダイオードを含む構造体又はフォトダイオードに対応する構造体のレイアウトを同心多角形又はボックスリングとすることができる。更には、“ドーナツ構造”とすることもできる。特定のアプリケーションにおいて、ドーナツ構造により接合フォトダイオードの電気抵抗が低下する。
【００２２】
図１Ｃは図１Ａの実施の形態による集積フォトダイオードの概略回路図である。図１Ａに示すような実施の形態において、フォトダイオード１５０は、電流が流れる方向において順にそれぞれＰ及びＮドープ領域に対応する端子１５２、１５４を有している。１つ以上のリード線１４４（Ｎ型領域から延びる電気接点であってもよい）がフォトダイオード１５０に延びるか又は接触することにより、例えば、試験回路や被試験素子に電力が供給される。
【００２３】
図２Ａは別の実施の形態による、集積フォトダイオード構造を備えた基板装置の側断面図である。図２Ａの実施の形態において、Ｎ型領域２０８（Ｎ型井戸）がＰ型基板２１０内に形成されている。Ｐ型領域２２２及びＮ型領域２２４が、基板に照射される光の影響を受けるようＮ型井戸領域内の基板表面に設けられている。光透過領域２２５はＰ型領域２２２及びＮ型領域２２４の一部を含むＮ型井戸２０８の非閉塞領域と一致している。前記例と同様、基板の不透明領域に接点２２１が設けられている。例えば、シリサイド２２３又は同様の材料上に接点２２１を形成することができる。図２Ａの実施の形態において、光起電ＰＮ接合２２０が高濃度にドープされたＰ型領域２２２と（高濃度にドープされたＮ型領域を含む）Ｎ型井戸との間に形成される。高濃度にドープされたＰ型領域２２９（Ｎ型井戸２０８には含まれていない）が接点２２１の直接下部に位置するよう、表面の厚さ又は表面の厚さに近い厚さでＰ型基板２１０に形成されている。
【００２４】
図示の実施の形態において、Ｎ型井戸２０８とＰ型基板２１０との間に第２ＰＮ接合２２７が形成されている。接点２２１を用いて電気的接続を高濃度にドープされたＰ型領域２３９に延伸し高濃度にドープされたＮ型領域２２４を“短絡”することによって電気的に分離されている。この短絡により、基板２１０と比較して、光透過領域に光が照射されたとき正の電圧が容易にＰ型領域２２２に生成される。この電気接点２２１がＰ型基板２１０に形成された別のＰ型小領域２３９（Ｎ型井戸の外部）に延伸される。その結果、Ｐ型小領域２２２とＮ型井戸２０８との接合部が基板２１０から分離される。これにより、第２ＰＮ接合２２７の効果が緩和される。
【００２５】
図１Ａの実施の形態同様、不透明材料（例えば、電気接点やシリサイド）を指定領域から排除又は除去することにより光透過領域２２５が形成される。高濃度にドープされたＰ型領域及びＮ型領域２２２、２２４を光透過領域２２５に対応するＮ型井戸の位置に露出するよう配置することができる。光透過領域２２５に光を照射すると励起されキャリア移動が起こり前記のように光起電接合効果が生じる。具体的には、中央Ｐ型小領域２２２、Ｎ型井戸２０８、及びＰ型基板２１０の何れかによって入力パワーが吸収される。その結果Ｐ型小領域２２２に生じたホールの大半はその領域に閉じ込められ、Ｎ型井戸に生じた電子の大半はその領域に閉じ込められる。これはそれぞれの層が接触する空乏（空間電荷）層の電界によるものある。中央Ｐ型小領域２２２の生じた電子はＮ型井戸２０８に一掃されその大半がそこに閉じ込められる。図示のような実施の形態により中央Ｐ型小領域２２２に生じたキャリア及びＮ型井戸２０８に生じたキャリアの約半を数捕捉し、Ｐ型基板２１０に生じたキャリアを捕捉しない光起電素子を提供することができる。このように、この種の光起電素子は感応領域（Ｎ型井戸２０８内のＰ型小領域２２２）を除きシリコン・ウェハーに入射した光に対し無反応である。
【００２６】
図２Ｂは図２Ａの実施の形態の構成によるフォトダイオードの概略回路図である。高濃度にドープされたＰ型領域２２２とＮ型井戸２０８との間にフォトダイオード２４２（ＰＮ接合２２０に対応）が延びている。別のフォトダイオード２４３（Ｐ型基板２１０とＮ型井戸との間のＰＮ接合２２７に対応）は２１９によって電気的に短絡されている。
【００２７】
図２Ｃは別の実施の形態による、図２Ａの実施の形態の変形例を示す図である。具体的には、図２Ａの実施の形態同様、Ｐ型基板２８０上にＮ型領域２７４（Ｎ型井戸）が形成されている。高濃度にドープされた小領域がＰ型基板２８０上に形成され、その上に接点２８２が形成されている。Ｎ型井戸２７４は（ｉ）シリサイド２９５及び対応する電気接点２８２の下部に位置する高濃度にドープされたＰ型小領域２９３（ｉｉ）高濃度にドープされたＰ型小領域２９３間に延びる拡張Ｐ型領域２９２及び（ｉｉｉ）高濃度にドープされたＮ型領域２９８を含む高濃度にドープされた小領域を有している。高濃度にドープされたＰ型領域２９２、２９３により図２Ｂの構成のＰＮ接合によるフォトダイオードの寄生抵抗を小さくすることができる。
【００２８】
少なくとも一部に光が照射されるよう、光透過領域２６２（例えば、無シリサイド領域）の浅い部分又は表面に拡張Ｐ型小領域２９２が設けられている。主として拡張Ｐ型小領域２９２及びＮ型井戸２７４に対応する光起電ＰＮ接合によってフォトダイオードが形成されている。図２Ａの実施の形態同様、Ｎ型小領域２９８がＮ型井戸２７４領域から延びる電気接点２８２によって短絡されていることにより、フォトダイオードが実質的に分離されている。図２Ｃの実施の形態に示すように、例えば、不透明材料又は構造体の形成を阻止するマスク処理により、光のアクセスが拡張Ｐ型領域２９２と実質的に重なる表面に限定されている。例えば、図示の実施の形態において、マスク処理によってシリサイドの形成を阻止することにより集積フォトダイオードの接合部となる拡張Ｐ型小領域２９２の少なくとも一部と重なるレーザー透過領域２６２を形成することができる。  
【００２９】
図２Ｄは、別の実施の形態による、図２Ｃの実施の形態の変形例を示す図である。また、図２Ｅは図２Ｄの実施の形態のレイアウトを示す図である。図２Ｃの実施の形態同様、図２Ｄ、２ＥはＰ型基板２８０上に形成されたＮ型領域２７４（Ｎ型井戸）及び上部に接点２８２が設けられた高濃度にドープされた小領域を示している。Ｎ型井戸２７４は（ｉ）シリサイド２９５及び対応する電気接点２８２の下部に位置する高濃度にドープされたＰ型小領域２９３（ｉｉ）高濃度にドープされたＰ型小領域２９３間に延びる拡張Ｐ型領域２９２（ｉｉｉ）高濃度にドープされたＮ型領域２９８及び（ｉＶ）高濃度にドープされた小領域を分離する浅溝分離（ＳＴＩ）領域２９０を含む高濃度にドープされた小領域を有している。通常二酸化シリコン分離材料が充填されたＳＴＩ領域により、隣接シリコン領域間のほぼ理想とする構造的及び電気的分離が可能となり、分離領域の近接が減り、成形金型の空中（平面図）面積が小さくなる。
【００３０】
図２Ｆは別の実施の形態による、図２Ｄの実施の形態の変形例を示す図である。また、図２Ｇは図２Ｆの実施の形態のレイアウトを示す図である。具体的には、図２Ｄの実施の形態同様、Ｎ型領域２７４（Ｎ型井戸）及び上部に接点２８２が設けられた高濃度にドープされた小領域がＰ型基板２８０上に形成されている。Ｎ型井戸２７４は（ｉ）シリサイド２９５及び対応する電気接点２８２の下部に位置する高濃度にドープされたＰ型小領域２９３（ｉｉ）高濃度にドープされたＰ型小領域２９３間に延びる拡張Ｐ型領域２９２（ｉｉｉ）高濃度にドープされたＮ型領域２９８（ｉＶ）高濃度にドープされた小領域を分離する浅溝分離（ＳＴＩ）領域２９０及び（Ｖ）レーザー透過領域を規定するＳＴＩ領域を含む高濃度にドープされた小領域を有している。レーザー透過領域内のＳＴＩ領域により、製造工程においてサリサイドを阻止するマスクが不要となる。これにより製造工程が単純化され製造コストが低減されると共に、サリサイド阻止用マスクのコストが不要になる。
【００３１】
図２Ｈは別の実施の形態による、図２Ｆの実施の形態の変形例を示す図である。また、図２Ｉは図２Ｈのレイアウトを示している。具体的には、接合接触領域をＳＴＩレーザー透過領域の一方の側の小方形領域に限定することにより、フォトダイオードの空中面積を最小にすることができる。これにより、成形金型の有効利用と接合領域の抵抗増とのバランスを取ることができる。
ＳＯＩにおける光起電力生成
図３は１つの実施の形態によるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）水平膜フォトダイオードを示す図である。接合部が縦方向であるバルク素子（図１、２Ａ及び２Ｂ）とは対照的に、ＳＯＩ素子は一般に分離層（主として酸化物）３２０の上部に配された単結晶シリコンの非常に薄い層３１０（例えば、１０００オングストローム未満）の上部に水平に形成されている。ＳＯＩ素子の場合、通常Ｎ型及びＰ型領域は分離層３２０に達するように薄いシリコン層３１０に埋め込まれている。その結果、光起電ＰＮ接合３２５は垂直ではなく水平に形成され、光起電力生成用素子はすべてこのことを考慮に入れておく必要がある。
【００３２】
１つ以上の実施の形態によれば、ＳＯＩ基板装置上における光起電力生成は以下の特徴及び考慮事項の一部又は全部を有することができる。１つの実施の形態において、Ｎ型領域３１２とＰ型領域３１４の細長片が交互に配されるよう一連の指状の（互いに組み合せられた）ドープ領域が形成され、Ｐ型領域３１４が光起電アノードを形成し、Ｎ型領域３１２が光起電カソードを形成するよう電気的に接続されている。一般に、標準製造工程においてはポリシリコン３１６又はその他の層によって自己整合される拡散又は埋め込みは、別の方法として、重ね合せ誤差を考慮したマスクのみで行ってもよい。図３の実施の形態において、シリサイド３０３と電気接点３２１との間隔を除き、シリサイド阻止領域が設けられていない。ＰＮ接合３２５は水平である、即ち、高濃度にドープされたＰ型領域３１４（細長片）から隣接するＮ型領域３１２及びＮ型井戸３１８に延びている。
【００３３】
図４は図３に示すような実施の形態の変形例を示す図である。図４において、光起電半導体素子は（ｉ）光起電アノードを形成するよう電気的に接続されたＰ型領域４１２と光起電カソードを形成するよう電気的に接続されたＮ型領域４２８の細長片が交互に配されるよう形成された一連のドープ領域及び（ｉｉ）Ｐ型井戸と一体化され（光の照射による）電子−ホール対を収集するための大きな収集領域を成す浅いＰ型拡張領域４２０を有している。フォトダイオード４０５は水平に形成されている、即ち、Ｐ型領域４１２の細長片から隣接するＮ型領域４２８の細長片に延びている。図示の例において、浅いＰ型拡張領域４２０は高濃度にドープされていると共にＰ型井戸と一体化されている。レーザー透過領域４３０が（ｉ）拡張領域４２０の上部及び（ｉｉ）フォトダイオード４０５アノードを構成する隣接Ｐ型領域４１２の一部の上部に形成されている。Ｐ型領域４１２の大半の部分は接点４２１及び/又はシリサイド４０３によって光が遮断されている。別の金属接点４２１が（シリサイド４０３上に）蒸着され高濃度にドープされたＰ型及びＮ型領域４１２、４２８それぞれの終端部を構成している。他の実施の形態同様、例えば、Ｎ型領域４２８の上部に延びる電気接点４２１を別のＰ型領域（図示せず）に延伸することにより電気的分離を行うことができる。
【００３４】
図４の実施の形態に示すように、Ｐ型拡張領域４２０端部近傍にＰ型領域４１２及びＮ型領域４２８をミラー配置することにより、それぞれ反対方向にフォトダイオード４０５を形成することができる。
【００３５】
図４の実施の形態の変形例において、標準製造工程ではポリシリコン４１６又はその他の層によって自己整合される拡散又は埋め込みが、重ね合せ誤差を考慮したマスクのみで規定される。
【００３６】
図３及び４の実施の形態はもとより、他の実施の形態においても、フォトダイオード４０５の出力インピーダンスが向上又は最適化されるようＰ型領域４１２及びＮ型領域４２８の寸法が選定される。出力インピーダンスの向上/最適化においては（ｉ）拡散層の低効率（ｉｉ）収集効率（ｉｉｉ）キャリア拡散及び（ｉＶ）空乏領域特性が考慮される。更に、実施の形態において、Ｐ型領域４１２及びＮ型領域４２８に多数の金属接点を形成して高導電性金属層を設けることにより、実効インピーダンスが低下することを確認している。このような金属層により、比較的抵抗が高いドープシリコンを流れる遠方電荷が減少する。光の照射によって生成されたキャリアの収集効率を向上する例として、少数キャリアが拡散する距離を小さくて逆帯電したキャリアの数を減らすことにより、好ましくない電子とホールとの再結合を低減することができる（例えば、Ｐ型埋設井戸４２７のドーパント濃度を下げる）。
【００３７】
更に、１つ以上の実施の形態において、隣接するＰ型及びＮ型“指”の数制御又は隣接するＰ型及びＮ型領域における不純物添加制御によって、ＰＮ接合のキャパシタンスを制御することができる。例えば、低濃度ドープのＰＮ水平接合は高濃度ドープのＰＮ水平接合より空乏層の幅が広くなり、従って高濃度ドープの構造体のキャパシタンスの方が大きくなる。このような実施の形態を用いてＡＣ出力インピーダンスの制御が可能であり、ＡＣ電気試験構造体に対し最適な電力供給を行うことができる。
【００３８】
更に、１つ以上の実施の形態において、製造する製品によって規定される標準工程が非標準的又は特殊な方法で使用される。
【００３９】
図５は別の実施の形態によるＳＯＩ基板上におけるフォトダイオードの構成を示す図である。図５の実施の形態において、光起電ＰＮ接合５０５は、図３及び４に示すような略水平ではなく、縦に構成部品が配されている。図示の実施の形態において、ＳＯＩ基板５１０は高濃度にドープされたＰ型及びＮ型指領域５１２、５１４を有するＮ型井戸５０８を備えている。ＳＯＩ構造体の厚さは約５００〜１０００オングストロームである。Ｎ型井戸５０８及びＰ型表面拡張部５２２がＰ型指領域５１２に接している。Ｐ型指５１２及びＮ型指５１４はそれぞれ（シリサイドのような材料の上に形成された）接点５２１を備えている。  
【００４０】
１つの実施の形態によれば、Ｐ型表面拡張部５２２は基板上部に形成されたレーザー透過領域５３２の１つに対し実質的に位置を合わせて形成されている。Ｐ型指領域５１２とＰ型表面拡張部５２２との組合せによりフォトダイオード（光起電ＰＮ接合）５０５の１つのノードとなる隅部要素が形成される。このように、フォトダイオード５０５は垂直及び水平要素を備えている。光の照射により、Ｐ型指領域５１２とＰ型表面拡張部５２２との組合せにより形成された隅部要素からＮ型井戸５０８に対し水平及び垂直方向に電流が流れる。
【００４１】
Ｐ型指５１２とＮ型指５１４とは、図示の実施の形態においては任意として自己整合構造体５５０によって分割されている開放領域５４０によって分離されている。１つの実施の形態において、自己整合構造体５５０はポリシリコン５５２、シリサイド５５４、及びゲート酸化物５５６の層を有している。シリサイド５５４は構造体の伝導度を低下させるために用いることができる。前記の組合せにより、リソグラフィ工程の場合を上回る限界寸法記入を可能にするダミー構造体が得られる。従って、構造体５５０によるダミー領域がない場合、リソグラフィによってその領域を規定する必要があり、自己整合構造体５５０を使用した場合より限界寸法が大きくなる。
【００４２】
Ｎ型指領域５１４に延びる高濃度にドープされたＮ型拡張部５２６の上部に第２レーザー透過領域５３５を形成することにより、光の照射によって電気キャリアが生成される追加的な領域を露出させることができる。高濃度にドープされたＮ型領域の組合せにより、光の照射によって生成された電流を収集するためのカソード端子が得られる。
【００４３】
図６は別の実施の形態による、埋込酸化物（ＢＯＸ）層６１４下部の基板の厚さ内に埋没するよう、光透過領域に形成された集積光起電埋込ＰＮ接合を備えた基板６１０を示す図である。図示のように、基板６１０はシリコン結晶層（ＳＯＩ又はＳＴＩ膜）６１２及びＢＯＸ層６１４を含む幾つかの層を有している。電気接点６２１が少なくとも部分的にシリサイド６２３（又はその他の適切な材料）上に形成されている。シリサイド６２３は少なくともレーザーに対し不透明であり、シリコン結晶層６１２及びＢＯＸ層６１４は透明である。基板６１０はＰ型基板６０６上に形成されたＮ型井戸６０８を有している。
【００４４】
高濃度にドープされたＰ型及びＮ型領域６２２、６２４によってＰＮ接合６２０が形成されている。基板のＰ型領域６２２とＮ型領域６２４と間に光（即ち、レーザー）透過領域６２５を形成することができる。光透過領域６２５は高濃度にドープされたＰ型及びＮ型領域６２２、６２４及びＮ型井戸の一部の他に、シリコン結晶層６１２及びＢＯＸ層に６１４に一致している。高濃度にドープされたＰ型及びＮ型領域６２２、６２４の各々は対応するシリサイド６２３によって部分的に遮光されている。図２Ａの実施の形態において説明したように、適切な光を照射することにより高濃度にドープされたＰ型領域６２２、Ｎ型井戸、及び高濃度にドープされたＮ型領域６２４によって形成されたＰＮ接合から電子とホールの生成が開始される。ＰＮ接合は実質的に垂直要素によって構成され、回路（例えば、図１３）に電力を供給するフォトダイオードが得られる。任意として、別の実施の形態において説明したように、高濃度にドープされたＮ型領域から別の高濃度にドープされたＰ型領域に対して電気接点６２１を延伸することにより、光照射時においてＰＮ接合を電気的に分離することができる。
【００４５】
引き続き図６の実施の形態において、シリコン結晶層の一部として形成された特殊な構造体は、特にその形状及び寸法が変化してもよい。しかし、図示のように、シリサイド６２３や電気接点６２１のような不透明材料を故意に使用しないようにすることにより適切なレーザー透過領域を設けることができる。基板６１０の具体的な厚さ及び/又は地勢は試験構造体のような回路素子に電力を供給するフォトダイオードの設計上の制約として扱うことができる。
【００４６】
図７は別の実施の形態による、基板７１０が埋没又は埋込光起電ＰＮ接合を有する図６の実施の形態の変形例を示す図である。基板７１０はシリコン結晶層（ＳＯＩ又はＳＴＩ膜）７１２及びＢＯＸ層７１４を含む幾つかの層を有している。電気接点７２１が少なくとも部分的にシリサイド７２３（又はその他の適切な材料）上に形成されている。シリサイド７２３は少なくともレーザーに対し不透明であり、シリコン結晶層７１２及びＢＯＸ層７１４は透明である。基板７１０はＰ型である。
【００４７】
図６の実施の形態とは対照的にＮ型井戸７０８は上部に電気接点が延びる高濃度にドープされたＮ型領域７２４を備えている。高濃度にドープされたＰ型領域はＮ型井戸の外部に設けられている。１つ以上の高濃度にドープされたＰ型領域７２２はシリサイド７２３又は電気接点７２１によって一部が遮光されない位置に配されている。このようにして、少なくとも１つ以上の高濃度にドープされたＰ型領域７２２の特定の部分と一致する基板７１０の上部に１つ以上の光透過領域が設けられている。１つの実施の形態において、少なくとも２つの高濃度にドープされたＰ型領域が光透過領域と部分的に一致するようにして形成されている。光によって電子とホールの生成が開始されると、電子−ホール対がＮ型井戸７０８の境界を越えて移動する。この移動がＰＮ接合７２０に相当する。このようなＰＮ接合はＮ型井戸７０８の略全体に及んでいる。
【００４８】
図８は別の実施の形態による、基板８１０が埋没又は埋込光起電ＰＮ接合を有する図６及び図７の実施の形態の変形例を示す図である。基板８１０はシリコン結晶層（ＳＯＩ又はＳＴＩ膜）８１２及びＢＯＸ層８１４を有している。電気接点８２１が少なくとも部分的にシリサイド８２３（又はその他の適切な材料）上に形成されている。シリサイド８２３は少なくともレーザーに対し不透明であり、シリコン結晶層８１２及びＢＯＸ層８１４は透明である。基板８１０はＰ型基板８０６上にＮ型井戸８０８を有している。図７の実施の形態とは対照的に、Ｎ型井戸８０８は高濃度にドープされたＰ型領域８２２を有している。また、Ｎ型井戸８０８は高濃度にドープされたＮ型領域８２４も有している。別の実施の形態において説明したように、高濃度にドープされたＰ型及びＮ型領域は、それぞれの領域の一部が露出するようシリサイド８２３によって部分的に覆われていてもよい。このようにして、少なくとも１つの光透過領域８２５が（図示の構成において）２つの高濃度にドープされたＰ型領域８２２と重複する基板の上部に設けられている。
【００４９】
２つの高濃度にドープされたＰ型領域８２２とＮ型井戸８０８とによってフォトダイオード接合が得られる。図示のような実施の形態により、例えば高濃度にドープされた１つのＰ型領域を用いる場合と比較して生成された電子−ホール対の収集効率が向上する。電子−ホール対を生成する領域を囲む高濃度にドープされたＮ型領域８２４により抵抗性効果が低減されると共に一定の電気的遮蔽効果がもたらされる。
【００５０】
図９は別の実施の形態による基板９１０が埋没又は埋込光起電ＰＮ接合を有する図６〜図８の実施の形態の更に別の変形例を示す図である。基板９１０はシリコン結晶層（ＳＯＩ又はＳＴＩ膜）９１２及びＢＯＸ層９１４を有している。電気接点９２１が少なくとも部分的にシリサイド９２３（又はその他の適切な材料）上に形成されている。シリサイド９２３は少なくともレーザーに対し不透明であり、シリコン結晶層９１２及びＢＯＸ層９１４は透明である。基板９１０はＰ型である。図７の実施の形態とは対照的に、Ｎ型井戸９０８は高濃度にドープされたＰ型領域９２２を有している。図８の実施の形態の変形として、Ｐ型領域９２２が対応する光透過領域９２５略一致する長さのＰ型拡張領域９２６を有している。Ｎ型井戸９０８内における高濃度にドープされたＰ型領域９２２と９２６との組合せによりＰＮ接合が形成される。例えば、図２Ｂの実施の形態において説明したように、高濃度にドープされたＰ型領域９２６を拡張することにより生成された電子−ホール対の収集効率が向上する。図８で説明したように、高濃度にドープされたＮ型領域９２４をＮ型井戸９０８に含めることにより生成領域を分離することができる。
【００５１】
別の実施の形態において説明したように、高濃度にドープされたＰ型及びＮ型領域（拡張領域９２６を除く）はそれぞれの領域の一部が露出するようシリサイド９２３によって部分的に覆われていてもよい。（図示の構成において）２つの高濃度にドープされたＰ型領域９２２と部分的に重複すると共にＰ型拡張部９２６と略重複する基板９１０の上部に光透過領域９２５を設けることができる。Ｐ型拡張部９２６を用いることにより、特に抵抗率の改善及び収集効率の向上が得られる。また、Ｐ型拡張部９２６によりＰＮ接合９２０を大きくすることができその結果フォトダイオードの効率が更に向上する。
【００５２】
別の実施の形態において説明したように、フォトダイオードの収集領域を構成する高濃度にドープされたＮ型領域９２４を高濃度にドープされたＰ型領域９２８に延びる電気接点９２１によって“短絡”することができる。前記のように、そのような短絡によってフォトダイオードを分離することができる。
フォトダイオードの基板底部側からの光照射
本明細書で説明した多くの実施の形態によれば、上面側から光を照射するフォトダイオードが提供される。前記のように、少なくとも一部の実施の形態においては、構造体や不透明材料（例えば、シリサイド）が存在しない基板装置又は半導体の設計領域に対応するレーザー透過領域が用いられている。
【００５３】
かかる実施の形態に代わるものとして、１つ以上の実施の形態において底部側から光を照射するものが提供される。図１０はフォトダイオード（及び対応する試験構造体）に電力を供給するための底部側光照射構成を示す概略図である。ウェハー１０００は能動回路が形成される上面１００１及び上面１００１に対向し能動回路を有しない底面１００３を有している。試験構造体又は非試験素子１０１０が上面１００１に用意される。
【００５４】
シリコンにおいては、例えば、光によって生成されたキャリアが最終的に基板の厚さを横断して対向側又は基板の厚さの略ドープ領域において収集されることを実施の形態において確認している。従って、１つの実施の形態において、ウェハー１０００の裏面側１００３からレーザーが照射される。
【００５５】
より詳細な実施の形態において、ウェハーは厚さ（表面１００１と１００３との間）が約７５０マイクロメートルのＰ型低濃度ドープの単結晶シリコンである。例えば、ウェハー１０００の裏面側のフォトダイオードを含むＮ型埋込井戸の下部から光１００４が照射される。光が照射されると、電子及びホール両方のキャリアが生成される。生成されたキャリアはウェハーの厚さを通して移動することができ、上面１００１の近傍の拡散材によって捕捉される。
【００５６】
図１１は1つの実施の形態による、裏面照射をサポートする集積フォトダイオードをウェハーに形成するための詳細図である。１つの実施の形態において、高濃度にドープされたＮ型領域１０１１及び高濃度にドープされたＰ型領域１０２１を低濃度にドープされたＰ型基板であるウェハーに埋め込むことによりフォトダイオード１０１０が形成される。光パワー１０１４によって生成された電子がＮ型領域１０１１に拡散することにより基板に対する電位が低下する。設計が適切であり且つ光キャリアが充分である場合、Ｎ型領域１０１１の電位が約−０．７ボルトまで低下し、この電位を利用して能動回路１０１２に電力を供給することができる。
【００５７】
このような実施の形態はＰ型をドープした基板１０００にＮ＋を埋め込むことによって達成でき、この場合基板１０００に対するＮ型領域の電圧は負電位（約−０．７Ｖ）となる。また、このような実施の形態はＮ型をドープした基板１０００にＰ型を埋め込むことによっても達成でき、この場合基板１０００に対する高濃度にドープされたＰ型領域の電圧は正電位（約＋０．７Ｖ）となる。
【００５８】
図１２はＳＯＩ基板装置１１１０に実装した図１１の実施の形態の変形例を示す図である。１つの実施の形態において、高濃度にドープされたＮ型材料（Ｎ型領域１１２４）の小領域がＰ型をドープした基板１１２２の埋込酸化物（ＢＯＸ）層１１２１の下部に形成される。Ｎ型領域１１２４との接触は基板接触ビア１１２３により、ＢＯＸ層を通して行われる。また、Ｐ型をドープした基板１１２２との接触はＰ型埋込１１２６及び第２接触ビア１１２５によりＢＯＸ層を通して行われる。裏面照射１１１４により基板１１２２内に生じた電子は高濃度にドープされたＮ型領域１１２４に捕捉されるまで基板１１２２内をドリフトする。Ｐ型接点１１２５/１１２６とＮ型接点１１２３/１１２４との間に約＋０．７Ｖの電位差が得られ、この電位差によってシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）材料１１２０上に形成された能動回路を働かせることができる。
【００５９】
シリコンの厚さが約７５０マイクロメートルであるため、キャリアが再結合する前に比較的長い距離を拡散する必要がある。従って、比較的長い波長の光１１１４を用いて光キャリアが基板１１２２内の深部（吸収領域１１２４にできるだけ近い場所）で生成されることが好ましい。比較的長い波長ではあるが、シリコン・バンドギャップ波長より短いものが適切な波長である。シリコンに対する適切な波長の例として、シリコンにおいて比較的長い吸収距離が得られる１０６４ｎｍがあげられる。これに反し、前記構成において３００ｎｍの光を用いると底面１１０２においてほぼ即座に吸収される。
【００６０】
本明細書において説明する実施の形態は回路やその他の構成要素、特に半導体基板がまだ製造途上にあるときの試験構造体又は回路に電力を供給するための集積フォトダイオードを備えた半導体基板（即ち、ウェハーのセクション又は部分から成っている）を有している。（ここに引用することによりそっくりそのまま本明細書に組み込まれたものとする）米国特許第７，２２０，９９０号明細書、米国特許第７，３３９，３８８号明細書、及び米国特許第７，４２３，２８８号明細書はそれぞれ、半導体基板が製造途上にあるとき、非接触非破壊試験信号生成（及びその後の分析）を行うためにチップ上で電力が供給される試験構造体又は回路について記載している。本明細書の多くの実施の形態は、光（例えば、レーザー）の照射によってそのような回路及び構造に電力を供給することができる集積フォトダイオードの形成に関するものである。
【００６１】
図１３は1つ以上の実施の形態による、集積フォトダイオードの適用例を示す図である。図１３において、機能強化集積フォトダイオード１３１０を用いて半導体基板装置１３３０上の１つ以上の試験構造体１３２０に電力が供給される。フォトダイオード１３１０は前記実施の形態の何れかによって形成することができる。従って、フォトダイオード１３１０は光透過領域と一致する基板装置１３３０上の位置に設けられた（高濃度に）ドープされた隣接するＰ型及びＮ型領域の構成に対応している。
【００６２】
基板装置１３３０は一部の実施の形態におけるもの（例えば、バルク・シリコン、ＳＯＩ等）と同種のものである。アプリケーションに応じ、基板装置１３３０は半完成状態又は完成状態であってよい。１つの実施の形態において、基板装置１３３０は半完成状態の半導体ウェハーの一部である。かかる実施の形態において、フォトダイオードによって１つ以上の試験構造体及び非試験回路又は素子に電力を供給することができる。１つ以上の機能強化フォトダイオードを用いて試験構造体に電力を供給するための多くの配置及び構成が考えられる。その中には、（ｉ）１つの集積フォトダイオード１３１０により多数の試験構造体１３２０に電力を供給する（ｉｉ）フォトダイオード及び/又は試験構造体１３２０を半導体基板（例えば、チップ上）の活性領域１３３２に配置するか、スクライブ又は活性領域外に配置する（ｉｉｉ）フォトダイオード１３１０と試験構造体１３２０との近接度を変えることが含まれる。
【００６３】
有効な集積フォトダイオード１３１０を形成するための考慮事項として（ｉ）フォトダイオードの電力供給能力（ｉｉ）フォトダイオードの効率及び（ｉｉｉ）標準の製造及び設計慣習、集積回路製造上の制約及び考慮事項に適応した安定度があげられる。かかる標準のシリコン製造には、取り分け、バルク・シリコン及びシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）工程及び設計が含まれる。  
【００６４】
１つ以上の実施の形態によれば（ｉ）光源（例えば、レーザー）を電力に変換する能力及び（ｉｉ）照射された光１３２６（例えば、レーザー）から電力を供給して電気回路及び試験構造体を動作させる能力を有するフォトダイオード１３１０が半導体基板１３３０上に形成される。フォトダイオード１３１０から電力供給を受ける予定の試験構造体１３２０及び/又は他の構造体/素子に対し１つ以上のリード線１３４４（即ち、接触素子）を延伸することができる。少なくとも一部の実施の形態において、半導体基板（例えば、シリコン・ウェハー）の本来の目的によって規定される素子設計製造上の制約の範囲内において、集積フォトダイオード１３１０が半導体基板１３３０の一部として形成される。
【００６５】
更に、１つ以上の実施の形態により、ウェハー製造工程上の制約に適応する特性を有するフォトダイオード１３１０が提供される。１つ以上の実施の形態により、半導体基板の設計製造工程のパラメータ及び考慮事項を最適化した（又は少なくともその範囲に収まる）フォトダイオード１３１０が提供される。具体的には、本明細書に記載の一部の実施の形態は設計及び製造上の制約の範囲内で動作し当該アプリケーションに対し最適化された光起電フォトダイオードを有している。１つ以上の実施の形態のアプリケーションには設計製造分析、ウェハー製造設計工程の制御、回路性能、製造と設計との統合、及び素子製造設計の特性評価が含まれる。
集積フォトダイオードを備えた半導体基板の製造/設計
図１４は1つ以上の実施の形態による、半導体基板に集積フォトダイオードを形成する方法を説明するための図である。このような方法により、図１〜９に示す集積フォトダイオード構造の一部又は全部を形成することができる。
【００６６】
工程１４１０において、フォトダイオードを構成する要素（例えば、高濃度にドープされたＰ型領域、Ｎ型領域等）の寸法の他に、光透過領域の寸法が決定される。そのようの寸法は少なくとも部分的に電力の生成及び製造上の制約を含む考慮事項に基づいて決定することができる。フォトダイオードによって生成される電力量（例えば、稼動予定の試験回路の数及び種類）、使用する光源（例えば、レーザーの種類）、及び製造上の制約又は基板特有の制約（例えば、アクセス可能スペース）がフォトダイオードの寸法を決定する要因になる。フォトダイオードのアプリケーション又は用途によって更に寸法要件が影響を受ける。
【００６７】
寸法が決定されると、工程１４２０において、光起電素子が光アクセスできるようにするための設計及び処理工程が実施される。このように、半導体基板の製造工程によりフォトダイオード及び試験回路の両方が形成される。フォトダイオード１３１０の有効利用を図るため、一部の実施の形態において、半導体基板の製造工程における変化又は別のパラメータに対応できるようにフォトダイオード１３１０（及び試験構造体１３２０）を形成することの利点を見出している。特に、一部の実施の形態において、半導体製造に関連する標準工程変化の影響を略等しく受けるようフォトダイオード１３１０及び駆動される電気試験構造体１３２０が協調設計される。１つの実施の形態において、光起電力源の変動に加え電気試験構造体に対する供給電流の変動により光起電電圧出力が設計上の制限を越えないようフォトダイオード１３１０及び試験構造体１３２０が協調設計される。例えば、試験構造体１３２０が半導体基板１３３０上に形成され、製造変動の結果ウェハーを横断して１０％の変動があると予想される場合、一部の実施の形態において、試験構造体の電流引き込みに変動があることを条件に、標準からの出力電圧の変動が一定量未満となるようフォトダイオード１３１０が設計される。    
【００６８】
工程１４３０において、必要に応じて電気的及び光学的分離が行われることによりフォトダイオードの効率及び性能が向上する。例えば、図２Ａ又は図９の実施の形態において、電気的分離は生成された電子及びホールが収集されるＮ＋領域から延伸される電気的短絡の形態を成している。
【００６９】
基板上にフォトダイオードが形成されると、１つ以上の実施の形態において、試験構造体を始動して集積フォトダイオードの飽和又は物理的損傷の有無が確認される。フォトダイオードによる試験回路の始動は基板装置完成時又は半完成時に行うことができる。多数の機能強化及び最適化を任意行うことによって、試験構造体をより効率的に始動することができる。そのような機能強化及び最適化には以下のものが含まれる。  
【００７０】
１つの実施の形態において、応答が飽和せずに非常に明るい光を受容するようフォトダイオードを設計することができる。このことは一般に弱い光信号を受信するよう最適化される従来の光伝導検出素子とは対照的である。
【００７１】
更に別の実施の形態において、制御され一定で安定した出力電圧下で光電流を生成するようフォトダイオードを構成することができる。このことは外部から供給される負の固定バイアスの下で弱い光信号に比例して光電流を生成する従来の光伝導検出素子とは対照的である。
【００７２】
更に、別の実施の形態において、出力リード線１３４４（図１３）又は集積フォトダイオードの回路素子インピーダンスが駆動される電気試験構造体の回路入力インピーダンスに略一致するよう設計される。  
【００７３】
更に、一部の実施の形態において、試験構造体１３２０の動作周波数において、出力インピーダンスが設計限界を越えないようにフォトダイオードを設計することにより、フォトダイオードの形成及び利用が最適化される。例えば、試験構造体１３２０が１ＧＨｚで動作するリング発信器の場合、かかる高周波数に対しフォトダイオード１３１０がＡＣ短絡回路のように振舞い、全く実用的な目的からリング発信器を駆動する生成された光起電出力電圧が経時的に一定であるように見えることが有益である。これはフォトダイオード１３１０の静電容量を大きくすると共に/又は抵抗を小さくすることによって達成することができる。即ち（ａ）適切な電力の取得に必要な面積を越えた（水平及び又は垂直方向の）ＰＮ接合の面積の増大、及び/又は（垂直方向に）深い基板の使用、及び/又は垂直構造の使用（ｂ）ポリ−井戸コンデンサ、ポリ−基板コンデンサ、金属−金属コンデンサ、金属−基板コンデンサ等の薄酸化膜コンデンサの利用（ｃ）適切な水平又は垂直方向の形状の採用、直列又は並列接続の変化、又は光学的に能動領域近傍又は能動領域内における低インピーダンス接続のための追加層の形成による抵抗の低減（ｄ）フォトダイオードと一体となった（ｂ）に列挙した形態のコンデンサの形成（ｅ）電気試験構造体のクリティカル・ノードにおける（ｂ）に列挙した形態の局部バイパス・コンデンサを供給することによって達成できる。  
【００７４】
更に、別の機能強化策により特定のシリコン（バルク及び/又はＳＯＩ）製造工程の制約に依存するフォトダイオード１３１０光収集効率が向上する。かかる実施の形態において、例えば、ある場合にはＰ型/Ｎ型接合が最適であるが、Ｐ型及びＮ型領域が製造工程においてシリサイドのような光学的に不透明な材料によって変えられてしまうような特定のアプリケーションに対しては実用的でないことを見出している。従って、制約により光がプール収集されることを条件に光収集効率が最大化されるようフォトダイオード１３１０を構成することができる。
【００７５】
フォトダイオード１３１０の形成に関わる追加又は代替機能強化策として、照射された光パワーを反射する必要な金属接点の存在下又は入射光パワーを減衰させるシリサイド・ブロックの処理工程の存在下において充分な電圧制御及び電流生成能力を有するようフォトダイオードを設計（最適化）することができる。更に、光パワー源の感光性領域に対するビーム配置に対し所定の範囲内において反応しないようフォトダイオード１３１０を構成することができる。前記所定の範囲は可変である（例えば、１０％、５％、３％、１％等とすることができる）。    
【００７６】
別の実施の形態において、フォトダイオード１３１０の動作が電気試験構造体に悪影響を及ぼさないよう設計される。光起電素子が、例えばウェハーに実装されたとき、素子と導体との間の電気的及び光学的クロストークが防止される。
【００７７】
別の実施の形態において、充分な光効率を得るため、光生成少数キャリアが素早く流出できるようフォトダイオード１３１０のＮ型領域及びＰ型領域が充分小さく設計される。設計制約としては、単位体積当たりの少数キャリアの数が対応する多数キャリアの１０％未満、１％未満、あるいは０．１％未満である。例えば、少数光キャリアが一定の割合（単位体積単位時間当たりの電子又はホール）で生じている場合、この割合に少数キャリアが少数キャリア領域から拡散する平均時間を乗じたものが同一領域の多数キャリア濃度に０．１、０．０１、あるいは０．００１（実装方法又は構成に依存する）を乗じたものより小さくなければならない。
【００７８】
別の実施の形態により高濃度にドープされた高導電性ポリシリコン領域を用いたＰＮ光起電素子の製造方法が提供される。例えば、Ｐ型ポリシリコン領域とＮ型ポリシリコン領域との境界も光起電発電を可能にする。他の変形にはＰ型ポリシリコン層とそのシリコンのＮ型領域との接合やＮ型ポリシリコン層とそのシリコンのＰ型領域との接合が含まれる。
【００７９】
更に別の実施の形態によりウェハーの裏面側からのレーザー照射が可能となる。標準的なウェハーは厚さ約７５０マイクロメートルのＰ型をドープした単結晶シリコンである。フォトダイオード真下のウェハー裏面に光が照射されると、電子及びホールのキャリアが生成される。これ等のキャリアはシリコン・ウェハー内を自由に拡散しウェハー上面側に設けられた拡散材によって捕捉される。
【００８０】
図１５は特定の実施の形態による、フォトダイオードの設計を最適化する方法を説明するための図である。工程１５１０において、集積回路に電力を供給するためのフォトダイオードの属性が決定される。特に（ｉ）レイアウト効率と必要とするダイオード両端の電圧とのバランスを考慮した設置面積（ｉｉ）外来寄生抵抗の最小化（ｉｉｉ）光照射に対する開放度（金属/シリサイドの回避）（ｉＶ）良好なダイオードの理想的作用（例えば、低漏洩、低欠陥レベル）（Ｖ）固有接合に対するキャリア生成領域の近接性（Ｖｉ）Ｎ型井戸基板領域に短絡して陽極基準を設ける能力（Ｐ−Ｎ接合の場合Ｎ型井戸によって分離）の属性値が決定される。
【００８１】
工程１５２０において、フォトダイオードの寸法及びレイアウトが決定される。急峻な負荷線領域で動作させることにより電圧変動に対する回路の感度を最小化できる。
【００８２】
工程１５３０において、電圧変動に対する感度が低い状態で集積回路を動作させるのに充分な電力が供給できる最小のダイオードが決定される。
重畳フォトダイオード
図１２に示すようなこれまでの実施の形態を参照しながら、1つのフォトダイオード構造体から成る電源を評価するため、２つのフォトダイオードを直列に重畳したところ、１つのフォトダイオードの２倍の電圧が得られた。３つのフォトダイオードを直列に重畳することにより、電源容量がさらに増加し、これにより、レーザ光が照射されると、１つのフォトダイオードの３倍の電圧が得られるであろう。重畳された２つのフォトダイオードの構成の回路接続図も得られる。集積されたフォトダイオード装置構造の実施の形態の断面は、所定の回路に適切に電力を供給するための接続部を有する。重畳されたフォトダイオードの構成の隔離は、接続部で電位を損なうかもしれない望ましくない寄生的漏電成分を抑制するために重要である。重畳された２つのフォトダイオードの間に加えられたＳＴＩ絶縁領域およびＰ型ドープ領域は、寄生的ＮＰＮのＢＥＴＡおよび輸送電流を低下させることによって、望ましくない漏電成分を緩和するか除外する。また、２つのフォトダイオードの間の間隔を意図的に調節することによって、寄生的ＮＰＮの漏電成分をさらに緩和する。
【００８３】
本明細書において説明した実施の形態に対する変形形態は、光起電素子が構築された基板がバルク・シリコン基板かＳＯＩ基板かによって異なる。ＳＯＩ上の素子構造体は、絶縁体上に構築されていること及び領域を絶縁壁内部に密閉できることから、本質的に１つの領域が別の独立した領域に影響を及ぼすことはない。バルク・シリコンの場合には、１つの共通の基板が同一ウェハー上に構築された回路に接続している。従って、１つの領域における電気光学作用が別の領域の作用に影響を及ぼす可能性が潜在的にある。
【符号の説明】
【００８４】
１０８           Ｎ型井戸
１１０           Ｐ型基板
１１３           シリサイド
１２０           ＰＮ接合
１２１           金属接点（端末接触子）
１２２           Ｐ型領域
１２４           Ｎ型領域
１４４           リード線
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2014140065.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
2014140065.tif 000006
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
2014140065.tif 000008
【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図２Ｉ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１４】
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【図１５】
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