(57)【要約】      （修正有）【課題】分光感度特性に優れたフォトダイオードを提供する。【解決手段】フォトダイオード１０は、複数の凸部２４によって凹凸が形成された光Ｌを受光する受光面２６を有し、ｐｎ接合２８を含む、Ｓｉ基板等の半導体基板１１を備え、半導体基１１は、第１導電型（例えばｎ型）の半導体基板１２と、半導体基板１２上に設けられた第２の導電型（例えばｐ型）の半導体層１４とを備える。受光面２６からｐｎ接合２８までの距離Ｂが凹凸の高低差Ａよりも小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸が形成された受光面を有し、ｐｎ接合を含む半導体基板を備え、
前記受光面から前記ｐｎ接合までの距離が前記凹凸の高低差よりも小さい、フォトダイオード。
【請求項２】
前記受光面から前記ｐｎ接合までの距離が１００ｎｍ以下である、請求項１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、フォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトダイオードの受光面は、通常平坦である（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−３３０６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述のようなフォトダイオードの分光感度特性には未だ改善の余地がある。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、分光感度特性に優れた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】
【０００５】
上述の課題を解決するため、本発明のフォトダイオードは、凹凸が形成された受光面を有し、ｐｎ接合を含む半導体基板を備え、前記受光面から前記ｐｎ接合までの距離が前記凹凸の高低差よりも小さい。受光面には、１又は複数の凹部が形成されていてもよいし、１又は複数の凸部が形成されていてもよい。
【０００６】
本発明によれば、分光感度特性に優れたフォトダイオードが得られる。これは、受光面の表面積が増大すると共にｐｎ接合の面積も増大したからと考えられる。
【０００７】
また、前記受光面から前記ｐｎ接合までの距離が１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【０００８】
この場合、広範囲の波長領域において分光感度特性が向上する。よって、このフォトダイオードはフォトダイオードアレイに好適に用いられる。また、通常は光感度が低い紫外線領域の光感度を向上させることができるので、分光感度特性の向上効果が大きい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、分光感度特性に優れたフォトダイオードが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るフォトダイオードを模式的に示す平面図である。図２は、図１に示されるII−II線に沿った断面図である。図１及び図２に示されるフォトダイオード１０は、例えば、フォトダイオードアレイ等の光検出器に好適に用いられる。フォトダイオード１０は、例えばＳｉ基板等の半導体基板１１を備える。半導体基板１１は、光Ｌを受光する受光面２６を有する。受光面２６には、複数の凹部２４によって凹凸が形成されている。複数の凹部２４は、例えば千鳥格子状に配置されている。
【００１２】
半導体基板１１は、ｐｎ接合２８を含む。半導体基板１１は、第１導電型（例えばｎ型）の半導体基板１２と、半導体基板１２上に設けられた第２導電型（例えばｐ型）の半導体層１４とを備える。ｎ型ドーパントとしては、例えば砒素等が挙げられる。ｐ型ドーパントとしては、例えばボロン等が挙げられる。ｐｎ接合２８は、半導体基板１２と半導体層１４との間に形成される。ｐｎ接合２８は、受光面２６の凹凸に沿って波打っている。
【００１３】
半導体基板１２上には、受光面２６を取り囲むように第２導電型の半導体領域１６が形成されてもよい。半導体層１４と半導体領域１６とは電気的に接続されている。半導体領域１６の深さは、半導体層１４の深さよりも深い。半導体領域１６上には、半導体領域１６に電気的に接続された電極１８と、電極１８を挟む絶縁膜２２とが設けられていてもよい。電極１８は、例えばアルミニウムからなる。絶縁膜２２は、例えばＳｉＯ２からなる。受光面２６上には、例えばＳｉＯ２等の絶縁体からなる保護膜２０が設けられていることが好ましい。
【００１４】
受光面２６からｐｎ接合２８までの距離Ｂは、受光面２６に形成された凹凸の高低差Ａよりも小さい。凹凸の高低差Ａは、凹部２４の深さに一致する。凹凸の高低差Ａは、例えば２００ｎｍである。距離Ｂは、例えば半導体層１４の厚さに一致する。距離Ｂは、０ｎｍ超１００ｎｍ以下であることが好ましい。凹凸の高低差Ａ及び距離Ｂは、例えば断面ＳＥＭを用いて測定され得る。
【００１５】
本実施形態のフォトダイオード１０は、分光感度特性に優れている。これは、受光面２６の表面積が増大すると共にｐｎ接合２８の面積も増大したからと考えられる。
【００１６】
また、距離Ｂが１００ｎｍ以下であると、広範囲（２００〜１２００ｎｍ）の波長領域においてフォトダイオード１０の分光感度特性が向上する。よって、フォトダイオード１０をフォトダイオードアレイに好適に用いることができる。また、通常は光感度が低い紫外線領域（約２７０〜約３８０ｎｍ）の光感度を向上させることができるので、分光感度特性の向上効果が大きい。
【００１７】
また、半導体層１４がｐ型ドーパントとしてボロンを含むよりも、半導体層１４がｎ型ドーパントとして砒素を含む方が好ましい。砒素イオンはボロンイオンよりも大きいので、砒素イオンはボロンイオンよりも拡散し難い。このため、半導体層１４がｎ型ドーパントとして砒素を含むと、距離Ｂを小さくすることができる。その結果、分光感度特性が向上する。
【００１８】
図３は、第１実施形態に係るフォトダイオードの受光面の一例を示すＳＥＭ写真である。図４は、第１実施形態に係るフォトダイオードの斜視断面図の一例を示すＦＩＢ加工による断面ＳＥＭ写真である。図３及び図４に示されるように、受光面には複数の凹部が形成されている。
【００１９】
図５及び図６は、それぞれ、第１実施形態に係るフォトダイオードの分光感度特性の一例を示すグラフである。グラフの縦軸は光感度を示す。グラフの横軸は波長を示す。図５は、フォトダイオード１０の距離Ｂが１００ｎｍの場合の測定結果を示す。図６は、フォトダイオード１０の距離Ｂが３５０ｎｍの場合の測定結果を示す。グラフ中の実線Ｅ１，Ｅ２は、それぞれ、フォトダイオード１０の分光感度特性の一例を示す。グラフ中の破線Ｆは、平坦な受光面を有するフォトダイオードの分光感度特性の一例を示す。また、グラフ中の直線Ｑは、量子効率が１００％となる分光感度特性を示す。
【００２０】
図７及び図８は、それぞれ、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を模式的に示す工程断面図である。以下、図７及び図８を参照してフォトダイオード１０の製造方法について説明する。
【００２１】
（凹凸形成工程）
まず、図７(Ａ)に示されるように、半導体基板１２ａ上に酸化膜３０及び窒化膜３２をこの順に形成する。半導体基板１２ａは半導体基板１２の母体となる。酸化膜３０は、例えば半導体基板の表面を酸化することによって形成される。酸化膜３０の厚さは、例えば５０ｎｍ程度である。酸化膜３０は、例えばＳｉＯ２膜である。窒化膜３２の厚さは、例えば１００ｎｍ程度である。窒化膜３２は、例えばＳｉ３Ｎ４膜である。
【００２２】
次に、図７(Ｂ)に示されるように、窒化膜３２をパターニングすることによって、複数の開口３２ｂを有する窒化膜３２ａを酸化膜３０上に形成する。開口３２ｂのパターン形状は、例えば円形である。これにより、開口３２ｂに酸化膜３０の一部が露出する。窒化膜３２ａの形成には、フォトリソグラフィー技術を用いることができる。例えば、まず、レジスト膜を窒化膜３２上に形成する。その後、開口３２ｂのパターン形状に対応したパターンを有するフォトマスクを介して光をレジスト膜に照射する。フォトマスクとしては、例えば、円形の光透過部又は遮光部を有するもの、矩形の光透過部及び矩形の遮光部が互いに隣接して千鳥格子状に配置されたもの等が挙げられる。レジスト膜を現像した後、窒化膜３２をエッチングすることによって、窒化膜３２ａを得ることができる。エッチングの後、レジスト膜を剥離除去する。
【００２３】
次に、図７(Ｃ)に示されるように、窒化膜３２ａをマスクとして酸化膜３０の表面を選択酸化することによって、半導体基板１２ｂ上に凹凸が形成された選択酸化膜３０ａを形成する。窒化膜３２ａが形成されている領域では酸化が進行せず、窒化膜３２ａが形成されていない領域（開口３２ｂが形成されている領域）が選択的に酸化される。選択酸化膜３０ａが凹凸を有することから、半導体基板１２ｂの一方の面上に、複数の開口３２ｂに対応する複数の凹部２４ａが形成される。なお、このような選択酸化技術を、ＬＯＣＯＳ（LocalOxidation of Silicon）という。その後、図７(Ｄ)に示されるように、窒化膜３２ａをエッチングにより除去する。さらに、図７(Ｅ)に示されるように、選択酸化膜３０ａをエッチングにより除去する。
【００２４】
（ｐｎ接合形成工程）
次に、図８(Ａ)に示されるように、半導体基板１２ｂの表面の外周領域２６ｂに、ｐ型ドーパント又はｎ型ドーパント等の不純物を拡散することによって、半導体領域１６を形成する。半導体領域１６の形成はイオン注入でもよい。
【００２５】
続いて、半導体基板１２ｃの表面を酸化して、ウエハ全体に絶縁膜２２を形成する。その後、フォトレジストを絶縁膜２２の上に塗布して、フォトリソグラフィとエッチングにより、受光面２６上の絶縁膜２２を除去する。フォトレジストを除去した後、受光面２６上に保護膜２０を形成する。図８(Ｂ)に示されるように、半導体基板１２ｃの表面の中央領域２６ａに、ｐ型ドーパント又はｎ型ドーパント等の不純物を保護膜２０を通してイオン注入することによって、半導体層１４を形成する。これにより、半導体基板１２内にｐｎ接合２８が形成される。なお、中央領域２６ａには凹部２４ａが形成されている。
【００２６】
（電極形成工程）
次に、図８(Ｃ)に示されるように、フォトリソグラフィとエッチングにより、半導体領域１６上の絶縁膜２２の一部を除去して、半導体領域１６上に電極１８を形成する。
【００２７】
上述のように、フォトダイオード１０はＭＯＳプロセスによって形成される。よって、フォトダイオード１０を例えばＣＭＯＳイメージセンサの受光部に用いることができる。
【００２８】
（第２実施形態）
図９は、第２実施形態に係るフォトダイオードを模式的に示す平面図である。図１０は、図９に示されるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図９及び図１０に示されるフォトダイオード１１０の受光面２６には、複数の凹部２４に代えて、複数の凸部１２４が形成されている。よって、受光面２６には、複数の凸部１２４によって凹凸が形成されている。凹凸の高低差Ａは、凸部１２４の高さに一致する。複数の凸部１２４は、例えば、複数の凹部２４と同様のパターンで配置されている。複数の凸部１２４は、例えば、複数の凹部２４を形成するためのフォトマスクの光透過部のパターンと遮光部のパターンとを反転させたフォトマスクを用いることによって形成される。その他は、フォトダイオード１０の製造方法と同様の方法を用いることによって、フォトダイオード１１０を製造することができる。
【００２９】
本実施形態のフォトダイオード１１０は、第１実施形態のフォトダイオード１０と同様に、分光感度特性に優れている。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
【００３１】
例えば、受光面２６には、凹部２４及び凸部１２４の両方が形成されていてもよい。また、凹部２４及び凸部１２４のパターン形状は、円形に限定されず、長方形であってもよい。さらに、複数の凹部２４又は複数の凸部１２４がストライプ状に配置されてもよい。また、凹部２４又は凸部１２４の数は、１つでも複数でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態に係るフォトダイオードを模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示されるII−II線に沿った断面図である。
【図３】第１実施形態に係るフォトダイオードの受光面の一例を示すＳＥＭ写真である。
【図４】第１実施形態に係るフォトダイオードの斜視断面図の一例を示すＦＩＢ加工による断面ＳＥＭ写真である。
【図５】第１実施形態に係るフォトダイオードの分光感度特性の一例を示すグラフである。
【図６】第１実施形態に係るフォトダイオードの分光感度特性の一例を示すグラフである。
【図７】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図８】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図９】第２実施形態に係るフォトダイオードを模式的に示す平面図である。
【図１０】図９に示されるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０，１１０…フォトダイオード、１１…半導体基板、２４…凹部、２６…受光面、２８…ｐｎ接合、１２４…凸部、Ｂ…受光面からｐｎ接合までの距離、Ａ…凹凸の高低差。
【図１】
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【図２】
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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３】
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【図４】
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