(57)【要約】  バイポーラトランジスタの耐圧歩留まりと受光素子の帯域及び量子効率とに優れる半導体装置を提供する。本発明に係る光半導体装置は、モノリシック集積されたトランジスタと受光素子とを有する。前記受光素子は、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層上に形成されたｎ型エピタキシャル層と、前記ｎ型エピタキシャル層上に形成されたｎ型拡散層と、を備える。前記ｎ型拡散層の深さ方向のｎ型不純物濃度分布が、二重イオン注入によって形成される分布であり、かつ、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型エピタキシャル層との界面位置が、前記ｎ型拡散層の表面から深さ０．９μｍ以上１．５μｍ以下である。
2010064369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタと、
前記トランジスタとモノリシック集積された受光素子と、を有し、
前記受光素子が、
ｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層上に形成されたｎ型エピタキシャル層と、
前記ｎ型エピタキシャル層上に形成されたｎ型拡散層と、を備え、
前記ｎ型拡散層の深さ方向のｎ型不純物濃度分布が、二重イオン注入によって形成されたものであり、かつ、
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型エピタキシャル層との界面位置が、前記ｎ型拡散層の表面から深さ０．９μｍ以上１．５μｍ以下である半導体装置。
【請求項２】
前記トランジスタがバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ｎ型拡散層の表面からの深さｘ［μｍ］におけるｎ型不純物濃度ｃ［ｃｍ−３］が、０≦ｘ≦０．８の場合、ｃ１≦ｃ≦ｃ２（ただし、ｃ１、ｃ２［ｃｍ−３］は下記の各式で与えられる。）を満足していることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
ｃ１＝６×１０１７×ｅｘｐ（−ｘ２／（２×０．０３２））
＋６×１０１６×ｅｘｐ（−（ｘ−０．１２）２／（２×０．１５２））
＋１×１０１５
ｃ２＝１×１０１９×ｅｘｐ（−ｘ２／（２×０．０６２））
＋４×１０１７×ｅｘｐ（−（ｘ−０．２４）２／（２×０．１７２））
＋８×１０１５
【請求項４】
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型エピタキシャル層との界面位置が、前記ｎ型拡散層の表面から深さ１．０μｍ以上１．４μｍ以下であ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半導体装置。
【請求項５】
トランジスタと受光素子とがモノリシック集積された半導体装置の製造方法であって、
ｐ型半導体層上に厚さ０．９μｍ以上１．５μｍ以下のｎ型エピタキシャル層を形成し、
前記ｎ型エピタキシャル層上であって、前記受光素子の形成領域にｎ型拡散層を二重イオン注入によって形成する半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ｎ型拡散層の表面からの深さｘ［μｍ］におけるｎ型不純物濃度ｃ［ｃｍ−３］が、０≦ｘ≦０．８において、ｃ１≦ｃ≦ｃ２（ただし、ｃ１、ｃ２［ｃｍ−３］は下記の各式で与えられる）を満足するように前記ｎ型拡散層を形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
ｃ１＝６×１０１７×ｅｘｐ（−ｘ２／（２×０．０３２））
＋６×１０１６×ｅｘｐ（−（ｘ−０．１２）２／（２×０．１５２））
＋１×１０１５
ｃ２＝１×１０１９×ｅｘｐ（−ｘ２／（２×０．０６２））
＋４×１０１７×ｅｘｐ（−（ｘ−０．２４）２／（２×０．１７２））
＋８×１０１５
【請求項７】
ｐ型半導体層上に厚さ１．０μｍ以上１．４μｍ以下のｎ型エピタキシャル層を形成することを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に半導体基板上にトランジスタと受光素子とがモノリシック集積された半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ブルーレイと、光ディスク装置の高密度化が進展し、実用化されてきた。ブルーレイ光ディスク装置においては、さらに読み出し速度、書き込み速度の高速化が進展している。高速化に伴い、光ピックアップに搭載されるＰＤＩＣ（Photodiode Integrated Circuit）の高速化が要請されている。高速化においては、レーザ出力も高出力化されるため、ＰＤＩＣの高速化は高光入力下においても達成されなければならない。また、シリコンは青色光の吸収係数が高いため、光吸収により生成されるキャリアが、シリコン表面に集中することになる。このため、表面再結合によりフォト生成キャリアが対消滅する確率が高くなり、効率（＝光電流／入射光パワー）の確保も重要な課題となる。【０００３】
光ピックアップに搭載される受光素子（ＰＤ：Photodiode）は、小型化、低コストのためにＩＣ（Integrated Circuit）にモノリシック集積されるのが一般的である。このため、上記の課題に対するＰＤの最適化設計には制約が加わることになる。例えば、特許文献１の図１に記載されているＰＤＩＣを図７に示す。【０００４】
図７のＰＤＩＣは、ｐ型シリコン基板１、ｐ＋型シリコン層２、ｐ−型エピタキシャル層３、ｎ型エピタキシャル層６から構成され、エピタキシャル成長の途中でｐ型埋込み拡散層４、ｎ型埋込み拡散層５が形成されている。ＰＤとバイポーラトランジスタの素子分離のためにｐ型分離拡散層７が形成されており、ＰＤ領域では、ＰＤ部ｎ型拡散層８が形成され、バイポーラトランジスタ領域では、ｎ型拡散層９、ｐ型ベース拡散層１０、ｎ型エミッタ拡散層１１が形成されている。このようなシリコン基板の上に誘電体膜１２と電極１３が形成されている。【０００５】
このＰＤＩＣでは、ｐ型シリコン基板１上に、表面がｎ型のＰＤとバイポーラトランジスタとをモノリシック集積している。ｎ型エピタキシャル層６は、バイポーラトランジスタ構造のために１μｍ程度以上の厚さが必要である（例えば、特許文献２参照）。このような構造では、ＰＤのｐｎ接合位置がシリコン表面から１μｍ以上と深くなるため、効率の低下や応答速度の悪化を招くことになる。悪化の原因は、ブルーレイ光ディスク装置で用いられる青色光に対して、シリコンの吸収係数が大きく、入射光強度が１／ｅになる深さが約０．１５μｍと浅いためである。【０００６】
このような問題に対して、特許文献３〜５に記載されているＰＤＩＣでは、ＰＤ領域をエッチングし、ｐｎ接合位置を浅くする手段をとっている。しかし、平坦化されていないウェハーは、半導体プロセスが困難になるため実用的ではない。特許文献６、７においては、拡散によりｎ型エピタキシャル層６の下層部分をｐ型に反転させ、ｐｎ接合位置を浅くする手段を用いている。しかし、ｐｎの差し引きにより濃度制御するのは困難である。ｐ−型エピタキシャル層３は、ＰＤのキャパシタンスを低く抑えるために、例えば１×１０１４ｃｍ−３程度の低い濃度としている。ｎ型半導体層を拡散によりｐ型に反転させ、このような低い濃度に制御することは極めて困難である。【０００７】
従って、通常は、バイポーラトランジスタに合わせ、ｐｎ接合位置がある程度深いことを前提に、ＰＤの最適化が図られる。特許文献２では、ｎ型エピタキシャル層の厚さを２μｍとした上で、深さ０．３〜０．７μｍにピークがあるように、高濃度領域を設けている。しかし、濃度ピークより表面側で生成されたホールキャリアは、ｐ型領域へ移動しにくくなり、表面再結合によって対消滅する確率が高くなる。このため効率が悪い。【０００８】
特許文献８では、ｎ型エピタキシャル層の層厚を０．８μｍ〜１．０μｍ程度とし、イオン注入によるｎ型不純物濃度を規定して、９０％以上の量子効率を達成している。このように、ＰＤ部のｎ型不純物濃度分布は重要である。【０００９】
ＰＤ部ｎ型拡散層８は、特許文献９に述べられているように、光吸収により生成されたホールキャリアが表面再結合するのを防ぎ、効率を向上させることに寄与する。また、特許文献８に述べられているように、ＰＤ表面のｎ層のシート抵抗はＰＤの応答速度に影響を及ぼす。抵抗低減のためにもＰＤ部ｎ型拡散層８の存在は有効である。また、ＰＤ部ｎ型拡散層８は、特許文献１０にあるように二重イオン注入構造であってもよい。濃度プロファイルに勾配があれば、フォト生成ホールキャリアに電界がかかり応答速度を向上させることができる。【００１０】
特許文献１、８、１１から、量子効率９０％以上を達成するには、ＰＤ部ｎ型拡散層８のｎ型ドーピングプロファイルを次のようにするとよい。イオン注入にヒ素を用い、拡散深さが浅い場合、表面最大濃度を１×１０２０ｃｍ−３以下にすればよい。イオン注入にリンを用い、拡散深さが深い場合、表面最大濃度を１×１０１９ｃｍ−３以下にすればよい。また、ｎ型エピタキシャル層６の厚さ（ｐｎ接合深さ）を０．８〜１．０μｍ程度と薄くすることにより、良好な応答速度が得られる。ＰＤ単体の３ｄＢ帯域では５００ＭＨｚ以上が得られる。この程度の高速応答が実現されると、ブルーレイ光ディスク装置の１２倍速に対応することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−０８７９７９号公報
【特許文献２】特許第４０５８０３４号公報
【特許文献３】特開２００２−０６４２１８号公報
【特許文献４】特開２００３−０３７２５９号公報
【特許文献５】特開２００６−２１０４９４号公報
【特許文献６】特開２００７−３１７７６７号公報
【特許文献７】特開２００７−３１７７６８号公報
【特許文献８】特開２００３−１９７９４９号公報
【特許文献９】特開平４−２４９３８１号公報
【特許文献１０】特開２００２−２０３９５４号公報（第８−９頁、図５、図６）
【特許文献１１】特開２００３−０５１６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ここで、ｎ型エピタキシャル層６の層厚が、バイポーラトランジスタにとっては厚い方がよく、ＰＤにとっては薄い方がよく、適切な範囲が狭いことが問題となる。なお、シリコンのエピタキシャル成長では、層厚の再現性、ウェハー間ばらつき、ウェハー内ばらつきがあるため、±０．１μｍ程度のばらつきを考慮した設計を行うことが望ましい。【００１３】
具体的には、ｎ型エピタキシャル層６が薄過ぎると、バイポーラトランジスタの耐圧低下により歩留まりが悪化する。この歩留まりを改善するためには、設計中心で１μｍ以上、ばらつきの下限で０．９μｍ以上の層厚が望ましい。【００１４】
一方、ＰＤの帯域にとっては、ｎ型エピタキシャル層６の層厚は薄い方が良い。例えば、特許文献８では、ｎ型エピタキシャル層厚を０．８〜１．０μｍとしている。この場合、ｎ型エピタキシャル層厚の狙いの中心は０．９μｍになる。そのため、上記のバイポーラトランジスタの耐圧歩留まりの確保が難しくなる。【００１５】
つまり、ＰＤの帯域とトランジスタの耐圧とを両立できるｎ型エピタキシャル層の最適層厚範囲が狭く、歩留まりが悪い。【００１６】
ここで、ＰＤの３ｄＢ帯域の更なる向上は、ブルーレイ光ディスク装置の更なる高速化の観点から望ましい。例えば、１６倍速を目指す場合、６００ＭＨｚ程度の３ｄＢ帯域が必要となる。一方、１２倍速のままであったとしても、ＰＤ単体の帯域が向上すれば、ＩＣの設計に余裕ができる。また、３ｄＢ帯域５００ＭＨｚは、低光入力では達成されているが、光入射パワーが増大するとともに帯域が低下する。光ディスク装置の書き込み時にはＰＤＩＣに高パワーの光が入射するが、この光がオフした後のセトリングタイムは短いことが要求される。【００１７】
つまり、高光入力時の応答速度などを考えると、ＰＤの帯域が不足している。これは、上述の通り、集積するバイポーラトランジスタの耐圧歩留まりを確保するため、ｎ型エピタキシャル層の厚さを薄くできないからである。【００１８】
本発明は以上を鑑みなされたものであり、バイポーラトランジスタの耐圧歩留まりと受光素子の帯域及び量子効率とに優れる半導体装置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】
【００１９】
本発明に係る光半導体装置は、
トランジスタと、
前記トランジスタとモノリシック集積された受光素子と、を有し、
前記受光素子が、
ｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層上に形成されたｎ型エピタキシャル層と、
前記ｎ型エピタキシャル層上に形成されたｎ型拡散層と、を備え、
前記ｎ型拡散層の深さ方向のｎ型不純物濃度分布が、二重イオン注入によって形成されたものであり、かつ、
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型エピタキシャル層との界面位置が、前記ｎ型拡散層の表面から深さ０．９μｍ以上１．５μｍ以下であるものである。【００２０】
本発明に係る光半導体装置の製造方法は、
トランジスタと受光素子とがモノリシック集積された半導体装置の製造方法であって、
ｐ型半導体層上に厚さ０．９μｍ以上１．５μｍ以下のｎ型エピタキシャル層を形成し、
前記ｎ型エピタキシャル層上であって、前記受光素子の形成領域にｎ型拡散層を二重イオン注入によって形成するものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、バイポーラトランジスタの耐圧歩留まりと受光素子の帯域及び量子効率とに優れる半導体装置を提供するができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１及び第２の実施の形態に係るＰＤＩＣの断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る半導体受光装置のｎ型ドーピングプロファイルを示すグラフである。
【図３】実施の形態に係る効果を示すグラフである。
【図４】実施の形態に係る作用を説明するための量子効率のσ１依存性を示すグラフである。
【図５】実施の形態に係る作用を説明するための３ｄＢ帯域のσ１依存性を示すグラフである。
【図６】第２の実施の形態に係る半導体受光装置のｎ型ドーピングプロファイルを示すグラフである。
【図７】特許文献１の図１に記載されたＰＤＩＣの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００２４】
実施の形態１
図１は本発明の第１の実施の形態であるＰＤＩＣの断面図である。このＰＤＩＣでは、ｐ型シリコン基板１０１上に、ｐ＋型シリコン層１０２、ｐ−型エピタキシャル層１０３、ｎ型エピタキシャル層１０６が形成されている。ｐ−型エピタキシャル層１０３のｐ型不純物濃度は１×１０１４ｃｍ−３である。
【００２５】
ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚は１．２±０．１μｍでありｎ型不純物濃度は３〜６×１０１５ｃｍ−３である。ここで、ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚は１．０〜１．４μｍ、ｎ型不純物濃度は１〜８×１０１５ｃｍ−３であればよい。エピタキシャル成長では、成長層厚の再現性、ウェハー間ばらつき、ウェハー面内ばらつきがある。ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚は、ばらつきを考慮しても、０．９μｍ以上１．５μｍ以下に収まっていることが望ましい。
【００２６】
エピタキシャル成長の過程でｐ型埋込み拡散層１０４、ｎ型埋込み拡散層１０５が形成されている。ＰＤとバイポーラトランジスタの素子分離のために、ｐ型分離拡散層１０７が形成されている。ＰＤ領域では、ＰＤ部ｎ型拡散層１０８が形成され、バイポーラトランジスタ領域では、ｎ型拡散層１０９、ｐ型ベース拡散層１１０、ｎ型エミッタ拡散層１１１が形成されている。このようなシリコン結晶の上に誘電体膜１１２が形成され、電極１１３が設けられている。
【００２７】
このＰＤＩＣでは、ＰＤ部ｎ型拡散層１０８のｎ型不純物濃度分布が、ＰＤの帯域と効率に大きな影響を与える。図２は、２通りのドーピングプロファイルＡ及びＢを示している。図３は、これらのドーピングプロファイルを仮定して３ｄＢ帯域の光入射パワー依存性を計算した結果を示している。
【００２８】
プロファイルＡの場合、１０μＷ入射時の３ｄＢ帯域は４８９ＭＨｚである。ただしこの帯域は、ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚が１．１６μｍに変化すると５２２ＭＨｚになり、１．２４μｍになると４６１ＭＨｚまで低下する。このように、敏感に変化するので、十分高い歩留まりを確保するためには、設計中心において余裕のある帯域を実現していることが望ましい。プロファイルＢにおいては、１０μＷ入射時の３ｄＢ帯域は６６８ＭＨｚとプロファイルＡの約１．４倍に向上する。
【００２９】
さらに、帯域は光入射パワーの増大とともに低下するが、プロファイルＢにおいては、７０μＷまで帯域５００ＭＨｚ以上を維持しており、帯域５００ＭＨｚを維持できる最大入射パワーが、プロファイルＡに対して格段に向上していることが分かる。量子効率に関しては、表面再結合速度を１×１０４ｃｍ／ｓと仮定して計算した場合、プロファイルＡの９５．６％に対し、プロファイルＢでは９９．３％に向上している。
【００３０】
以上、帯域と効率の両方の計算結果から鑑みて、プロファイルＡよりプロファイルＢが明らかに優れている。これは、プロファイルＢが高効率高帯域を実現するための次に述べる条件を満たしているからであって、一方、プロファイルＡはそれを満たしていないからである。
【００３１】
具体的に、プロファイルＢでは、シリコン表面からの深さｘ［μｍ］が０≦ｘ≦０．８の場合、ｎ型不純物濃度ｃ［ｃｍ−３］が以下の式１の条件を満足している。
ｃ１≦ｃ≦ｃ２・・・（式１）
ここで、ｃ１［ｃｍ−３］は式２で与えられる。
ｃ１＝６×１０１７×ｅｘｐ（−ｘ２／（２×０．０３２））
＋６×１０１６×ｅｘｐ（−（ｘ−０．１２）２／（２×０．１５２））
＋１×１０１５・・・（式２）
ここで、ｃ２［ｃｍ−３］は式３で与えられる。
ｃ２＝１×１０１９×ｅｘｐ（−ｘ２／（２×０．０６２））
＋４×１０１７×ｅｘｐ（−（ｘ−０．２４）２／（２×０．１７２））
＋８×１０１５・・・（式３）
【００３２】
このドーピングプロファイルを１回のイオン注入によって形成するのは難しい。二重イオン注入を行うか、または、低い方の濃度分布は、エピタキシャル成長のドーピング量制御で形成すればよい。
【００３３】
二重イオン注入を前提にして述べると、浅い注入は、表面に急峻に低下するドーピングプロファイルを形成することにより、高量子効率を得る機能を果たす。一方、深い注入は、濃度勾配が空乏層端まで届くようにして、電界のかからない領域を十分狭くするか無くし、高帯域達成に寄与する。
【００３４】
次に、上記計算手法について説明する。
発明者は、バイポーラＩＣと集積されるＰＤの３ｄＢ帯域を５００ＭＨｚから向上させ、量子効率を１００％に極力近づけるために、定量的な検討を行った。その結果、バイポーラＩＣと集積することを前提とし、表面がｎ型シリコンの光ピックアップ用青色ＰＤにおいて、６００ＭＨｚを超える３ｄＢ帯域と９８％を超える量子効率を両立させることに成功した。
【００３５】
量子効率に関しては、ｎ型不純物の表面最大濃度を１×１０１９ｃｍ−３以下にすれば、量子効率９０％以上が得られることが知られている。特許文献１、８、１１の実験データによれば、１×１０１９ｃｍ−３以下になれば、特段の濃度依存性が見られなくなる。さらに詳しく述べると、ｎ型不純物の拡散深さにも依存する。これは濃度勾配が変わることにより、フォト生成ホールキャリアに働く電界が変わり、表面再結合確率が変化するためである。特許文献１の図４によれば、量子効率が十分高く、かつ、濃度依存性がなくなる表面最大濃度は、ｎ型不純物拡散層深さが０．３μｍの場合、１×１０２０ｃｍ−３以下であるのに対し、ｎ型不純物拡散層深さが１．２μｍの場合、１×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００３６】
また、帯域に関しては、ｎ型の濃度分布を、表面では高く、ある深さ以上では勾配をつけて濃度を下げることより向上することが知られている。また、ｐｎ接合位置を浅くすることによっても向上することが知られている。ただし、これらは定性的な知見であって、定量的な知見ではない。定量的な検討については、特許文献８により、抵抗起因の帯域変化が開示されている。
【００３７】
しかし、帯域は、抵抗のみならず、フォト生成ホールキャリアがｐ層まで輸送される時間にも大きく依存するため、その定量的な検討が望まれる。ホールキャリアの輸送現象の観点からは、ｐｎ接合位置は浅いほど帯域が向上する。他の理由によりｐｎ接合位置を深くする必要がある場合、高い帯域を得ることは非常に困難となる。そこで、ホールキャリアの輸送現象を深く解析し、ｎ型不純物濃度分布を厳密に検討する必要がある。
【００３８】
発明者は、ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚のばらつきを考慮した上で、モノリシック集積するバイポーラトランジスタの歩留まりを十分高くすることを意図し、ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚の設計中心を１．２μｍと設定した。これだけ厚いと５００ＭＨｚ以上の帯域を得ることは容易でない。そこで、数値計算を行って、キャリアの輸送現象を詳細に解析した。
【００３９】
計算では、量子効率を支配する表面再結合速度を、上述の通り、１×１０４ｃｍ／ｓとした。この値は、プロセス条件によっても変化し得るが、量子効率の大小関係は変わらないので、量子効率向上の方向性を知ることはできる。
【００４０】
図４は量子効率のσ１依存性の計算結果を、図５はＰＤの３ｄＢ帯域のσ１依存性の計算結果を示している。二重イオン注入によるｎ型不純物濃度（ドーピングプロファイル）ｃの一般式として、式４で表されるガウス分布の和を仮定した。
ｃ＝ｎ１×ｅｘｐ（−（ｘ−ｄ１）２／（２σ１２））
＋ｎ２×ｅｘｐ（−（ｘ−ｄ２）２／（２σ２２））・・・（式４）
ここで、ｘはシリコン表面からの深さとする。ここで、ｎ１、ｎ２、ｄ１、ｄ２、σ１、σ２がパラメータである。ｎ１、ｎ２は各ガウス分布における最大濃度を示している。ｄ１、ｄ２は各ガウス分布における最大濃度ｎ１、ｎ２を与える深さを示している。σ１、σ２は深さの偏差である。また、ｄ１＜ｄ２とする。
【００４１】
計算の結果、最大濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下になっても、効率はなお最大濃度に依存することを新たに見出した。これは、表面再結合により対消滅する相手の電子濃度が変わるためである。また、帯域と効率は、パラメータｎ１、ｎ２、σ１に対してトレードオフの関係にあることが新たに判った。これまでは、ホールキャリアの動きやすさが、帯域向上、効率向上の両方に関連することは知られていた。しかしながら、帯域と効率の間にトレードオフの関係があるということは知られていなかった。
【００４２】
このような新たな知見から、高い量子効率と高い帯域を両立させるためには、ドーピングプロファイルを厳密に限定することが有効であることが新たに判った。パラメータｎ１、ｎ２、ｄ１、ｄ２、σ１、σ２を変化させて計算した結果、発明者は、ｎ型不純物濃度ｃ［ｃｍ−３］が、深さｘ［μｍ］が０≦ｘ≦０．８の場合、上記式１〜３の条件を満足すると好ましいことを見出した。
【００４３】
このようなｎ型不純物濃度分布が良い理由を以下に述べる。まず、図４は量子効率のσ１依存性の計算結果を示している。図４中に示しているように、●で示された折れ線グラフはパラメータｎ１＝４×１０１８［ｃｍ−３］、ｎ２＝２×１０１７［ｃｍ−３］の場合、■で示された折れ線グラフはパラメータｎ１＝２×１０１８［ｃｍ−３］、ｎ２＝１×１０１７［ｃｍ−３］の場合を示している。その他のパラメータｄ１＝０［μｍ］、σ２＝０．１４［μｍ］は共通である。また、ｄ２については、それぞれの折れ線グラフについて、ｄ２＝０．２、０．２４、０．２８［μｍ］の３つ場合が示されている。いずれの折れ線グラフにおいても、ｄ２による変化はほとんど見られない。さらに、光入射パワーＰｉｎ＝１［μＷ］で共通である。
【００４４】
図４から、最大濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下であるにもかかわらず、効率はσ１に強く依存することが判る。σ１が狭くなれば、濃度勾配が急峻になるため、フォト生成ホールキャリアにかかる電界が大きくなって表面から引き離され、表面再結合確率が減少するためである。よって、σ１はかなり狭く０．０３〜０．０６μｍ程度がよい。
【００４５】
しかし、一方、図５から、σ１が狭くなり過ぎると帯域が悪化する。図５はＰＤの３ｄＢ帯域のσ１依存性の計算結果を示している。図５中に示しているように、●で示された折れ線グラフはパラメータｎ１＝４×１０１８［ｃｍ−３］、ｎ２＝２×１０１７［ｃｍ−３］の場合、■で示された折れ線グラフはパラメータｎ１＝２×１０１８［ｃｍ−３］、ｎ２＝１×１０１７［ｃｍ−３］の場合を示している。その他のパラメータｄ１＝０［μｍ］、ｄ２＝０．２４［μｍ］、σ２＝０．１４［μｍ］は共通である。さらに、光入射パワーＰｉｎ＝１［μＷ］で共通である。
【００４６】
帯域を決定づける要因は、ｎ型エピタキシャル層１０６の中で、電界が０または電界が逆転する領域の長さがいかに短く抑えられるかによる。ｐ−型エピタキシャル層１０３に接する領域では、空乏化により電界がかかる。ｎ型エピタキシャル層１０６のうち空乏化していない領域は、濃度勾配により電界がかかるようにしなければならない。第１のガウス分布すなわち式４におけるｎ１×ｅｘｐ（−（ｘ−ｄ１）２／（２σ１２））しかない場合、σ１を０．０３〜０．０６μｍ程度に狭くすれば、分布が伸びない。そのため、濃度勾配の無い領域が長くなり、帯域が大幅に悪化する。
【００４７】
このジレンマを解決するのが第２のガウス分布すなわち式４におけるｎ２×ｅｘｐ（−（ｘ−ｄ２）２／（２σ２２））である。第２のガウス分布は、第１のガウス分布の表面近傍の急峻なプロファイルを阻害しないように、濃度勾配がｐｎ接合近傍の空乏化領域端まで届くようにすればよい。このために、ｎ２は、ｎ１よりある程度低く、かつ、ｎ型エピタキシャル層１０６の濃度よりもある程度高くした上で、濃度勾配がシリコン表面から０．６±０．２μｍ程度まで続くように、ｄ２、σ２を決定すればよい。具体的な目安は、１×１０１６ｃｍ−３まで濃度が下がる深さ位置が０．６±０．２μｍ程度とするのがよい。
【００４８】
また、ｎ型エピタキシャル層１０６の濃度は、高過ぎると空乏層が伸びにくくなるため、応答が悪化する。一方、低過ぎると、集積されているバイポーラトランジスタのコレクタ抵抗が高くなるという問題が発生する。また、計算の結果、ｎ型エピタキシャル層１０６の濃度が低いと、高光入力時のＰＤの帯域が悪化する。例えば、これは図３及び図６における曲線Ｃ及びＤを比較することにより分かる。このような理由により、ｎ型エピタキシャル層６の濃度は、１×１０１５〜８×１０１５ｃｍ−３程度が好ましい。
【００４９】
ｎ１に関しては、高過ぎると効率が悪化し、低過ぎると、光入射位置とｎ電極間のｎ層の抵抗が上がるという問題が発生する。このような観点で限定する必要性が生じる。
【００５０】
さらに、ｐｎ接合深さも一定の範囲内にあることが望ましい。下限はバイポーラトランジスタ構造から決まるが、０．９μｍ以上が良い。より望ましくは１．０μｍ以上が良い。さらにより望ましくは１．１μｍ以上が良い。また、ｐｎ接合深さの上限は、青色光に対するＰＤの帯域から決まるが、１．５μｍ以下が良い。より望ましくは１．４μｍ以下が良い。さらに望ましくは１．３μｍ以下が良い。
【００５１】
次に、図６を参照して第１の実施の形態の製造方法を説明する。
まず、ｐ型シリコン基板１０１上にｐ＋型シリコン層１０２、ｐ−型エピタキシャル層１０３を形成する。次に、ｐ型埋込み拡散層１０４とｎ型埋込み拡散層１０５を形成する。次に、全面にｎ型エピタキシャル層１０６を結晶成長する。次に、ｐ型分離拡散層１０７を形成し、ＰＤ領域にはリンまたはヒ素の二重イオン注入によりＰＤ部ｎ型拡散層１０８を形成する。浅いイオン注入は拡散係数が低いヒ素の注入がよいが、深い注入はリン、またはイオン注入エネルギーを高めたヒ素の注入がよい。バイポーラトランジスタ領域には、ｎ型拡散層１０９、ｐ型ベース拡散層１１０、ｎ型エミッタ拡散層１１１を形成する。次に、シリコン表面全面にわたって誘電体膜１１２を形成し、開口部を形成する。最後に、それぞれの開口部に電極１１３を形成しＰＤＩＣを得る。
【００５２】
本実施の形態では、バイポーラトランジスタ領域のｎ型拡散層１０９を形成するイオン注入を、ＰＤ部ｎ型拡散層１０８を形成するイオン注入とは別に行うという工程を採用しているので、ＰＤ部ｎ型拡散層１０８のドーピングプロファイルをバイポーラトランジスタとは独立して設計できる。従って、ＰＤの帯域、効率を向上させるための詳細設計が可能になり、多重イオン注入を駆使して大幅に性能向上を達成できる。また、ｎ型エピタキシャル層１０６を成長するときのドーピング流量制御と組み合わせて濃度分布を形成しても良い。
【００５３】
実施の形態２
上記実施の形態１において、ＰＤ部ｎ型拡散層１０８のドーピングプロファイルを、図６に示すＣとＤの間で構成することができる。第２の実施の形態では、下限、上限であるプロファイルＣ、プロファイルＤを採用する。これらのプロファイルＣ及びＤの３ｄＢ帯域の光入射パワー依存性の計算結果を図３に示す。プロファイルＣの１０μＷ入力時３ｄＢ帯域は９２２ＭＨｚで、プロファイルＤは７４２ＭＨｚである。プロファイルＡに対し、それぞれ、１．９倍、１．５倍に向上している。また、プロファイルＣは７０μＷまで、プロファイルＤは８０μＷ入力まで帯域５００ＭＨｚ以上の高帯域を達成しており、５００ＭＨｚ帯域を維持できる光入射パワーがプロファイルＡよりも格段と向上している。量子効率の計算値は、プロファイルＣが９９．６％、プロファイルＤが９８．４％であり、いずれも９８％以上を確保できている。プロファイルＤよりも濃度を上げると、高量子効率が維持できず望ましくない。
【００５４】
計算の便宜上、ＰＤのｎ電極として内径８４μｍφのリング電極を仮定し、中心に５μｍφ（スポット径は光強度が１／ｅとなる径で規定する）の光を入射すると仮定する。この場合、光入射位置とｎ電極間の抵抗は、プロファイルＣの場合１３００Ω、プロファイルＤの場合３００Ωである。プロファイルＣよりも濃度を低下させると、抵抗値が上がる上に、図５から判るように高光入力時の帯域が低下するので好ましくない。
【００５５】
プロファイルＣは上記式２のｃ１［ｃｍ−３］、プロファイルＤは上記式３のｃ２［ｃｍ−３］で表される。この両者の間のドーピングプロファイルであれば、６００ＭＨｚ以上の良好な帯域と、９８％以上の良好な効率と、１．４ｋΩ以下の低い抵抗のすべてを満足し、プロファイルＡのように、ＣとＤの範囲内に入っていないプロファイルよりも、格段と向上した良好な性能が得られる。
【００５６】
また、用途に応じて、プロファイルＣ、Ｄを使い分けることもできる。再生専用の光ディスク装置においては、低光入力の帯域さえ高ければよいので、プロファイルＣを用いればよい。記録用光ディスク装置においては、高光入力オフ後のセトリングタイムを短縮することが望まれるので、高光入力時の帯域が高いＤのプロファイルが適している。
【００５７】
以上説明したように、ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚を１．２±０．２μｍとした上で、新たに見出した帯域と効率のトレードオフの関係を打破したｎ型不純物濃度分布を規定することにより、集積するバイポーラトランジスタの耐圧と、６００ＭＨｚ以上のＰＤ帯域と、９８％以上の量子効率をすべて満足する歩留まりを十分高くし、低コスト化を実現したＰＤＩＣを提供することができる。また、入射光パワーが７０μＷと高くなっても５００ＭＨｚ以上の３ｄＢ帯域を実現したＰＤＩＣを提供することができる。
【００５８】
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００５９】
この出願は、２００８年１２月１日に出願された日本出願特願２００８−３０６１５０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、例えば光ピックアップに搭載されるＰＤＩＣに適用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１０１  ｐ型シリコン基板
１０２  ｐ＋型シリコン層
１０３  ｐ−型エピタキシャル層
１０４  ｐ型埋込み拡散層
１０５  ｎ型埋込み拡散層
１０６  ｎ型エピタキシャル層
１０７  ｐ型分離拡散層
１０８  ＰＤ部ｎ型拡散層
１０９  ｎ型拡散層
１１０  ｐ型ベース拡散層
１１１  ｎ型エミッタ拡散層
１１２  誘電体膜
１１３  電極
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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