(57)【要約】【課題】波長がそれぞれ異なる複数の光を感度良く受光することが可能な光半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】エピタキシャル層２の表面上にＮ型不純物をイオン注入して、受光部となるＮ＋半導体層５，６を形成する。次に、シリコン窒化膜７をシリコン酸化膜４上に形成し、シリコン窒化膜７のうちＮ＋半導体層５に対応する領域のみを選択的にエッチングして除去する。次に、シリコン酸化膜４及びシリコン窒化膜７上にシリコン窒化膜８を形成する。こうして、複数のホトダイオード１５，１６が形成される。ホトダイオードごとに被覆する反射防止膜の膜厚を最適に変えるため、特定の波長の光の反射を効果的に低減することができ、波長が異なる複数の種類の光を感度良く受光することが可能になる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の受光素子と、前記第１の受光素子とは異なる波長の光を受光するための第２の受光素子とを半導体基板上に形成する工程と、
前記第１及び第２の受光素子を被覆する反射防止膜を形成する工程とを有し、
前記反射防止膜を形成する工程では、前記第１の受光素子を被覆する領域の前記反射防止膜の膜厚と、前記第２の受光素子を被覆する領域の膜厚とが異なるように前記反射防止膜を形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体基板上にトランジスタを形成する工程を有し、
前記トランジスタを形成する工程は、前記反射防止膜に開口部を形成する工程と、
前記開口部をマスクとして用い、前記半導体基板の表面に前記トランジスタを構成する不純物層を形成する工程とを有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１の受光素子は、高密度ＤＶＤ用であって波長５００ｎｍ以下の光を受光するための受光素子であり、前記第２の受光素子は、ＣＤ及びＤＶＤ用、またはＣＤ若しくはＤＶＤ用であって波長６００〜８００ｎｍの光を受光するための受光素子であり、
前記第１の受光素子を被覆する領域の前記反射防止膜の膜厚は、前記第２の受光素子を被覆する領域の前記反射防止膜の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上に形成された第１の受光素子、及び前記第１の受光素子とは異なる波長の光を受光するための第２の受光素子と、
前記第１及び第２の受光素子を被覆する反射防止膜とを備え、
前記反射防止膜は、前記第１の受光素子を被覆する領域の膜厚と、前記第２の受光素子を被覆する領域の膜厚とが異なることを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
前記半導体基板上に第１の導電層、誘電体、第２の導電層とから成る容量素子を備え、前記誘電体として前記反射防止膜を用いていることを特徴とする請求項４に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記第１の受光素子は、高密度ＤＶＤ用であって波長５００ｎｍ以下の光を受光するための受光素子であり、前記第２の受光素子は、ＣＤ及びＤＶＤ用、またはＣＤ若しくはＤＶＤ用であって波長６００〜８００ｎｍの光を受光するための受光素子であり、
前記第１の受光素子を被覆する領域の前記反射防止膜の膜厚は、前記第２の受光素子を被覆する領域の前記反射防止膜の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に受光素子が形成された光半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光の吸収により光信号を電気信号に変換するための素子としてホトダイオードが知られている。半導体基板上にホトダイオードを形成する際には、その表面（光の入射面）をシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜で被覆している。絶縁膜と半導体基板は光の屈折率が異なることから、上記絶縁膜は入射面での光の反射を防止する反射防止膜としての機能を有しており、これによって入射面に到達する光の損失を抑えて感度の向上を図り、光電流変換効率の向上が図られている。
【０００３】
本発明に関連した技術は、例えば以下の特許文献に記載されている。
【特許文献１】特開平９−１５３６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年は様々な光ディスクが開発されており、ＣＤ(Compact Disc)では波長約７８０ｎｍのレーザー光が用いられ、ＤＶＤ(Digital Video Disc)では波長約６５０ｎｍのレーザー光が用いられ、ブルーレイディスクやＨＤ‐ＤＶＤ(High Definition Digital Video Disc)と呼ばれる高密度ＤＶＤでは約４０５ｎｍという短波長のレーザー光が用いられる。
【０００５】
しかしながら、例えば上記３種類の波長のレーザー光をホトダイオードで受光しようとする場合、従来の反射防止膜の構成では、いずれかの波長のレーザー光の感度が低くなるという問題があった。例えば、高密度ＤＶＤに対応するように反射防止膜を形成した場合には、ＣＤあるいはＤＶＤに係るレーザー光の感度が低く、逆にＣＤやＤＶＤに対応するように反射防止膜を形成した場合には、高密度ＤＶＤに係るレーザー光の感度が低かった。
【０００６】
そこで本発明は、新規な反射防止膜の構造を提供し、波長が異なる複数の光の感度を向上させることが可能な光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】
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な特徴は以下のとおりである。すなわち、本発明の光半導体装置の製造方法は、第１の受光素子と、前記第１の受光素子とは異なる波長の光を受光するための第２の受光素子とを半導体基板上に形成する工程と、前記第１及び第２の受光素子を被覆する反射防止膜を形成する工程とを有し、前記反射防止膜を形成する工程では、前記第１の受光素子を被覆する領域の前記反射防止膜の膜厚と、前記第２の受光素子を被覆する領域の膜厚とが異なるように前記反射防止膜を形成することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の光半導体装置は、半導体基板上に形成された第１の受光素子、及び前記第１の受光素子とは異なる波長の光を受光するための第２の受光素子と、前記第１及び第２の受光素子を被覆する反射防止膜とを備え、前記反射防止膜は、前記第１の受光素子を被覆する領域の膜厚と、前記第２の受光素子を被覆する領域の膜厚とが異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、複数の受光素子が形成され、受光したい光の波長に応じて受光素子を被覆する反射防止膜の膜厚を変えている。これにより、波長が異なる複数の光の感度を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１乃至図３は、それぞれ製造工程順に示した断面図である。なお、以下に説明する製造工程は、ウェハ状の半導体基板を用いて行われるものであり、所定のダイシングラインを境界として多数の光半導体装置がマトリクス状に形成されることになるが、便宜上２つのホトダイオードが形成される領域のみを説明する。また、以下の製造工程はあくまでも一例であり、他の製造工程を採用することも可能である。
【００１１】
まず、図１に示すように、Ｐ型の半導体基板１上に、ノンドープのエピタキシャル層２、及びエピタキシャル層２を複数の島状の領域に分離するためのＰ＋分離層３を形成する。エピタキシャル層２は、公知のエピタキシャル結晶成長法にて形成することができる。また、Ｐ＋分離層３は、Ｐ型不純物から成る上分離層３ａ及び下分離層３ｂがエピタキシャル層２内で重畳して一体化した構成になっている。上分離層３ａは、エピタキシャル層２の上面からボロン（Ｂ）等のＰ型不純物を下方拡散することにより形成される。一方、下分離層３ｂは、半導体基板１の底部側からボロン（Ｂ）等のＰ型不純物を上方拡散することにより形成される。Ｐ＋分離層３によって隣り合う領域は電気的に分離する。
【００１２】
次に、エピタキシャル層２上の全面にシリコン酸化膜４を例えば熱酸化法により形成する。シリコン酸化膜４の膜厚は例えば１５０Å程度である。シリコン酸化膜４は、ホトダイオードの受光部において、反射防止膜（入射面での光の反射を防止し、これによって入射面に到達する光の損失を抑えるための膜）の一部となる。
【００１３】
次に、エピタキシャル層２の所定領域上に開口部を有するレジスト層（不図示）を形成し、当該レジスト層をマスクとしてヒ素（Ａｓ）等のＮ型不純物をイオン注入することで、ホトダイオードの受光部となるＮ＋半導体層５，６を形成する。
【００１４】
次に、図２に示すように、シリコン酸化膜４上にシリコン窒化膜７を例えばＣＶＤ法によって形成する。当該シリコン窒化膜７の膜厚は、約３８０Å程度である。次に、シリコン窒化膜７のうち、Ｎ＋半導体層５に対応する領域を選択的にエッチングして除去し、下地のシリコン酸化膜４を露出させる。次に、シリコン酸化膜４及びシリコン窒化膜７上にシリコン窒化膜８を例えばＣＶＤ法によって形成する。シリコン窒化膜８の膜厚は、例えば約３２０Å程度であり、ホトダイオード１５で感度良く受光したい波長の光に応じてその膜厚を変える。
【００１５】
こうすることで、Ｎ＋半導体層５に対応する領域のシリコン窒化膜はシリコン窒化膜８の単層構造であってその膜厚が約３２０Åであり、Ｎ＋半導体層６に対応する領域のシリコン窒化膜はシリコン窒化膜７，８の２層構造であってその膜厚が約７００Åとなる。なお、更に多層のシリコン窒化膜を形成して、膜厚を制御することも可能である。シリコン窒化膜７，８は、ホトダイオードの受光部において反射防止膜の一部となる。
【００１６】
なお、シリコン酸化膜４を形成せずに、シリコン窒化膜７，８のみをエピタキシャル層２上に直接形成すると、エピタキシャル層２の表面が不安定となってホトダイオードの暗電流(Dark Current)が増加する。そのため、シリコン酸化膜４（熱酸化法に形成されたシリコン酸化膜が好ましい）を介してシリコン窒化膜７，８を形成することが好ましい。
【００１７】
次に、図３に示すように、全面に絶縁膜９としてＢＰＳＧ(Boron Phospho Silicate Glass)膜やＳＯＧ(Spin On Glass)膜を堆積し、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて選択的に絶縁膜９を除去してＮ＋半導体層５及びＮ＋半導体層６に至るコンタクトホールを形成する。次に、各コンタクトホール内にスパッタリング法等でアルミニウムやチタン等から成るカソード電極１０，１１を形成する。なお図示はしないが、Ｐ＋分離層３の所定領域上にも同様にしてアノード電極が形成され、半導体基板１及びＰ＋分離層３がアノード領域として用いられる。
【００１８】
次に、半導体基板１を所定のダイシングラインに沿って切断し、個々の半導体チップに分割する。以上の工程により、半導体基板１上に少なくとも２つのホトダイオード（ホトダイオード１５とホトダイオード１６）が形成された光半導体装置が完成する。
【００１９】
ホトダイオード１５，１６は、カソード電極１０，１１とアノード電極（不図示）に所定の電位を印加して、逆バイアス状態で動作させる。ホトダイオード１５，１６では、エピタキシャル層２がノンドープにより形成されているために高比抵抗であることから、逆バイアス印加時により広い幅の空乏層領域を確保することが出来る。つまり、エピタキシャル層２全体を空乏層領域とすることで、光の入射によって発生するキャリアの移動速度を向上させることが出来、高速応答を可能にすることができる。
【００２０】
また、本実施形態では複数のホトダイオードが形成されており、各ホトダイオードを被覆するシリコン窒化膜の膜厚を変え、つまりは反射防止膜の膜厚を変えている。従って本実施形態によれば、波長に応じて最適な膜厚の反射防止膜を各ホトダイオードごとに形成し、一つの光半導体装置で波長が異なる複数の光の感度を向上させることができる。
【００２１】
本実施形態の光半導体装置における空気中の光の反射率とシリコン窒化膜の膜厚との関係を図４Ａ〜Ｃに示す。なお、図４Ａ〜Ｃでは、シリコン酸化膜４の膜厚をそれぞれ１５０Å，１００Å，２００Åとした場合であって、４０５ｎｍ，６５０ｎｍ,７８０ｎｍの各波長（λ）の光が入射したときの反射率(Reflectivity)とシリコン窒化膜の膜厚(SiN Thickness)の関係を示している。
【００２２】
図４Ａに示すように、波長４０５ｎｍの光の反射率は、シリコン窒化膜の膜厚が約３２０Åの際に最も低く、５％以下となった。また、波長６５０ｎｍの光の反射率は約６００Åの際に最も低くなり、波長７８０ｎｍの光の反射率は約８００Åの際に最も低くなった。この結果から、ホトダイオード１５におけるシリコン窒化膜の膜厚（シリコン窒化膜８の膜厚）を約３２０Åとし、ホトダイオード１６におけるシリコン窒化膜の膜厚（シリコン窒化膜７，８の合計の膜厚）を約７００Åとすることで、３つの波長（４０５ｎｍ，６５０ｎｍ，７８０ｎｍ）の光をそれぞれ感度良く受光することが可能である。また、シリコン酸化膜４の膜厚を１００Åあるいは２００Åに変えた場合には、図４Ｂ，４Ｃの結果を基に、シリコン窒化膜の膜厚を設定すればよい。なお、後述するようにシリコン窒化膜７，８を容量２０の誘電体２５のように、反射防止以外の用途として用いる場合には、当該容量２０で求められる特性等に応じてシリコン窒化膜７，８の膜厚も調節する。例えば後述する容量２０を設ける際に、シリコン窒化膜７の膜厚を１９５Åとし、シリコン窒化膜８の膜厚を３２０Åとすることで、誘電体２５の膜厚を５１５Åとする。
【００２３】
このように、ある波長の光の反射を抑えるために最適な膜厚の反射防止膜が形成されたホトダイオードと、他の波長の光の反射を抑えるために最適な膜厚の反射防止膜を有するホトダイオードの両者を備えることで、各光を一つの光半導体装置で感度良く受光することが可能になる。従って、ホトダイオード１５をブルーレイやＨＤ‐ＤＶＤ等の高密度ＤＶＤ用であって短波長（波長５００ｎｍ以下）の光を受光するための受光素子として形成し、ホトダイオード１６をＣＤ／ＤＶＤ用（ＣＤとＤＶＤの兼用）、またはＣＤ，ＤＶＤのいずれか一方の用途であって波長６００〜８００ｎｍの光を受光するための受光素子として形成することができる。なお、受光の感度を更に向上させるためには、例えば上記３つの波長（４０５ｎｍ，６５０ｎｍ，７８０ｎｍ）ごとに最適な膜厚の反射防止膜を有するホトダイオードを個別に形成しても良い。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については、同一符号を示してその説明を省略する。図５は、同一半導体基板上に、第１の実施形態で説明したホトダイオード１５，１６，容量２０，ＮＰＮトランジスタ３０が形成された光半導体装置を示す断面図である。
【００２５】
エピタキシャル層２を複数の島状に分離するためのＰ＋分離層３，２１が形成されている。Ｐ＋分離層２１上には、例えばＬＯＣＯＳ法による素子分離絶縁膜２２が形成されている。
【００２６】
素子分離絶縁膜２２上には、例えばポリシリコン層から成る下部電極２３が形成されている。下部電極２３の一部上は、例えばＣＶＤ法によるシリコン酸化膜２４で被覆されているが、大部分は既述したシリコン窒化膜７及びシリコン窒化膜８の積層膜で被覆されており、当該積層膜が当該容量２０の誘電体２５となっている。つまり、シリコン酸化膜２４を形成した後に、下部電極２３上のシリコン酸化膜２４を選択的に除去し、その後にシリコン窒化膜７，８を形成している。
【００２７】
容量２０をかかる構造にすることで、シリコン酸化膜２４の膜厚のばらつきによる容量値のばらつきを抑え、所望の容量値を精度良く得ることができる。また、ホトダイオード１５，１６の反射防止膜の形成工程と同一工程で誘電体２５が形成されるために製造工程数が削減される。また、シリコン酸化膜よりも誘電率の大きなシリコン窒化膜を誘電体２５として用いることで、その容量値を大きくすることができる。また、下部電極２３上には、誘電体２５を介して上部電極２６が形成されている。
【００２８】
次に、ＮＰＮトランジスタ３０の形成領域について説明する。半導体基板１の底部とエピタキシャル層２と界面付近には、Ｎ＋型の埋め込み層３１が形成されている。埋め込み層３１は、半導体基板１にＮ型不純物（例えばリンイオン）を高濃度に注入し、エピタキシャル成長することで形成される。また、エピタキシャル層２の表面には、公知のエピタキシャル結晶成長法にてＮ−半導体層３２が形成されている。
【００２９】
エピタキシャル層２の表面上には、素子分離絶縁膜２２と同様の素子分離絶縁膜３３，３４が形成され、素子分離絶縁膜２２，３３で囲まれたＮ−半導体層３２の表面にはベース領域としてＰ−ウェル層３５が形成されている。Ｐ−ウェル層３５には、ベース導出領域としてＰ＋不純物層３６と、エミッタ領域としてＮ＋不純物層３７とが所定距離離間して形成されている。
【００３０】
Ｐ＋不純物層３６は、例えば以下の工程で形成される。絶縁膜９を形成した後、絶縁膜９及び下地のシリコン窒化膜７，８、シリコン酸化膜４を選択的に除去することで、Ｐ＋不純物層３６の形成予定領域に至るコンタクトホールを形成する。次に、当該コンタクトホールを介して、二フッ化ボロン（ＢＦ２）等のＰ型不純物イオンをＰ−ウェル層３５に注入し、拡散させることでＰ＋不純物層３６が形成される。
【００３１】
また、Ｎ＋不純物層３７は、例えば以下の工程で形成される。シリコン酸化膜４，シリコン窒化膜７，８を全面に成膜した後、これらを選択的にエッチングし、シリコン窒化膜７，８及びシリコン酸化膜４を貫通してＮ＋不純物層３７の形成予定領域に至るコンタクトホールを形成する。次に、当該コンタクトホール内に例えばポリシリコンから成る配線層３８を形成する。次に、当該配線層３８にヒ素（Ａｓ）等のＮ型不純物を添加して熱拡散処理する。こうして、配線層３８を介してＰ−ウェル層３５の表面にＮ型不純物を拡散させることでＮ＋不純物層３７が形成される。なお、Ｎ＋不純物層３７の形成予定領域に至るコンタクトホールを介して、つまりシリコン窒化膜７，８をマスクとしてシリコン酸化膜４をエッチングし、続いてシリコン窒化膜７，８をマスクとしてＮ型不純物のイオン注入を行い、拡散させることでＮ＋不純物層３７を形成することもできる。これらに示すように、シリコン窒化膜７，８をＮ＋不純物層３７を形成する際のマスクとして用いることで、マスクの形成工程を削減し、製造プロセスを簡略化することができる。
【００３２】
また、Ｎ−半導体層３２の表面には、コレクタ領域としてＮ＋不純物層３９が底部で埋め込み層３１と接するようにして形成されている。
【００３３】
そして、半導体基板１上の全面には絶縁膜９が形成され、絶縁膜９には上部電極２６，配線層３８，Ｎ＋不純物層３９，Ｐ＋不純物層３６，下部電極２３に至るコンタクトホールが形成され、各コンタクトホール内には、取り出し電極４０、エミッタ電極４１，コレクタ電極４２，ベース電極４３等、外部との接続用の電極がそれぞれ形成されている。なお、下部電極２３に至るコンタクトホール、及び下部電極２３と接続された電極の図示は省略している。
【００３４】
このように、第２の実施形態に係る光半導体装置においても第１の実施形態と同様に各ホトダイオード（ホトダイオード１５，１６）を被覆するシリコン窒化膜の膜厚（反射防止膜の膜厚）を変えている。これにより、最適な膜厚の反射防止膜を各ホトダイオードごとに形成することで、波長が異なる光を感度良く受光することが可能になる。
【００３５】
また、反射防止膜であるシリコン窒化膜７，８を容量２０の誘電体２５として利用することで、製造プロセスを簡略化し、製造コストを抑えることができる。また、シリコン窒化膜７，８をＮＰＮトランジスタ３０の不純物層を形成する際のマスクとしても利用することで、同様に製造プロセスを簡略化し、製造コストを抑えることができる。
【００３６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。例えば、上記実施形態ではＰ型の半導体基板１が用いられていたが、Ｎ型の半導体基板上に上記実施形態と同様のホトダイオードや容量，トランジスタ等の周辺回路を形成することも可能である。また、上記実施形態ではシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を反射防止膜として用いていたが他の材質から成る膜を用いることも可能であるし、更に多層構造の反射防止膜とすることも可能である。上記ではＣＤ，ＤＶＤ，高密度ＤＶＤ用のホトダイオードについて説明したが、本発明の用途はこれに限定されず、高感度な受光素子を形成するための技術として広く適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置及びその製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第１及び第２の実施形態に係る光半導体装置のシリコン窒化膜と反射率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  半導体基板    ２  エピタキシャル層    ３  Ｐ＋分離層    ３ａ  上分離層
３ｂ  下分離層    ４  シリコン酸化膜    ５  Ｎ＋半導体層    ６  Ｎ＋半導体層
７  シリコン窒化膜    ８  シリコン窒化膜    ９  絶縁膜    １０  カソード電極
１１  カソード電極    １５  ホトダイオード    １６  ホトダイオード    
２０  容量    ２１  Ｐ＋分離層    ２２  素子分離絶縁膜    ２３  下部電極
２４  シリコン酸化膜    ２５  誘電体    ２６  上部電極    
３０  ＮＰＮトランジスタ    ３１  埋め込み層    ３２  Ｎ−半導体層
３３  素子分離絶縁膜    ３４  素子分離絶縁膜    ３５  Ｐ−ウェル層
３６  Ｐ＋不純物層    ３７  Ｎ＋不純物層    ３８  配線層    
３９  Ｎ＋不純物層    
４０  取り出し電極    ４１  エミッタ電極    ４２  コレクタ電極
４３  ベース電極
【図１】
2008306055.tif 000003
【図２】
2008306055.tif 000004
【図３】
2008306055.tif 000005
【図４】
2008306055.tif 000006
【図５】
2008306055.tif 000007