JPH0391967A - ホトダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はホトダイオードの製造方法に関するもので、特
に紫外線に感度を有するシリコンホトダイオードの製造
に使用される。

〔従来の技術〕

高速応答、信頼性などの点で、シリコンホトダイオード
が広く用いられている。このホトダイオードはバンドギ
ャップエネルギー等の点から、波長λ−５８０ｎｍ近傍
に高い分光感度を有し、赤外域や紫外域での感度はそれ
ほど高くない。

ホトダイオードに紫外線が入射すると、短波長ゆえに光
キャリアはホトダイオードの表面（受光面）近傍で生成
する。従って、紫外線検出感度を向上させるためには、
ホトダイオードのｐｎ接合を受光面の浅い位置に形成す
ること、受光面近傍のトラップ準位を出来るだけ少なく
すること等の工夫が必要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来はこれらの必要性が一般的に検討さ
れるだけであったため、波長λ−３００ｎｍ近傍におい
ても優れた検出感度を有するシリコンホトダイオードは
得られなかった。

本発明はかかる課題を解決することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者はシリコンホトダイオードの紫外線感度の向上
に関し、ｐ型シリコン基板に砒素（Ａｓ　）をイオン注
入してｎ型層を形成することを前提として、種々の検討
を行なった結果、本発明を完戊するに至った。すなわち
本発明は、少なくとも表面側がｐ型にされたシリコン基
板の表面に注入保護膜としての熱酸化膜を形成する第１
の工程と、受光領域形成部に開口を有するポリシリコン
等のマスクを上記の熱酸化膜上に形成する第２の工糎と
、注入保護膜としての上記熱酸化膜を介して砒素イオン
をスルー注入し、上記マスクの開口部のシリコン基板に
ｐｎ接合の実効的深さが０，８μｍ以下となるようにイ
オン注入層を形或する第３の工程と、所定温度の熱処理
によってイオン注入層を活性化する第４の工程とを備え
ることを特徴とする。

本発明の検討にあたって、ｐ型シリコン基板（少なくと
も表面側がｐ型にされたシリコン基板）に注入保護膜を
形戊し、これを介して砒素をイオン注入（スルー注入）
することとしたのは、下記の理由による。まず、ｎ型基
板にｐ型層を形成してホトダイオードを実現するときに
は、現状の技術では不純物として用い得るのはボロン（
Ｂ）しかない。ところが、ボロンは拡散係数が大きいの
で、紫外線検出に適した浅いドーピング層を形戊するの
は困難である。これに対し、ｐ型シリコン基板にｎ型層
を形或するときには、拡散係数の小さいドーバントとし
て砒素を用いることができ、従って浅いドーピング層の
形成を精度よくかつ容易に実現できる。

一方、砒素をドーピングする際の手法としては、イオン
注入法と熱拡散法があるが、熱拡散法では表面に欠陥層
が生成されて紫外線感度が劣化しやすい。そこで、砒素
をイオン注入することとし、かつ受光部の表面の照射損
傷を低減するため、薄い注入保護膜（熱酸化膜）を介し
てスルー注入することとした。このとき、イオン注入に
よって保護膜（熱酸化ＳＩＯ２膜）中にはプラスの電荷
が蓄積しやすくなるが、本発明ではｐ型シリコン基板に
ｎ型層を形成しているので、表面（受光面）に反転層が
生起したりすることはない。ちなみに、ｎ型基板にｐ型
層を形戊したときには、プラスのチャージによってｐ型
層の表面にｎ型の反転層が形成され、これがトラップ準
位となって紫外線感度が低下してしまうのである。

受光面の注入保護膜におけるプラス電荷の蓄積は、イオ
ン注入時だけでなく紫外線の照射時（センサとしての使
用時）においても生じる。このため、ｎ型基板にｐ型層
を形成したホトダイオードでは、反転層による紫外線感
度の経時的劣化が避けられない。本発明によればかかる
感度劣化は生じないだけでなく、注入保護膜のプラス電
荷がｎ型層表面のマイナス電荷を増加させる働きをする
ので、感度は逆に向上するものと考えられる。

このように本発明者は、 ■　ｐ型シリコン基板にｎ型層を形成してホトダイオー
ドを構或すること、 ■　ｎ型不純物として拡散係数の小さい砒素を用い、か
つ熱酸化膜を介したスルー注入でドーピングすること を特徴とする製造方法を採用すれば、従来のものと比べ
て著しく紫外線感度の優れたシリコンホトダイオードを
実現できるものと考え、更に下記の検討を行なった。

第１は、スルー注入時の保護膜とその厚さについての検
討である。注入保護膜にはＣＶＤ膜、熱酸化膜、スバッ
タ膜など各種のものが考えられるが、紫外線感度に着目
したときには保護膜とｎ型層の間の界面準位の低減が極
めて重要であり、このような界面準位を低減し得るもの
として熱酸化ＳＩＯ２膜が用い得る。

第２は、砒素注入層の深さ、すなわちｐｎ接合の深さに
ついての検討である。波長λ−３００ｎｍ程度の紫外線
による光キャリアは、シリコン表面のごく浅いところ（
０．１〜０．３μｍ深さ）で生成していると思われる。

このため、ｐ型シリコン基板とｎ型層の間の接合深さが
０．０１〜０．４μｍ程度であるときには、優れた紫外
線感度を実現し得ることは容易に予測できる。しかし、
ｐｎ接合がこれよりも深くなっていくと、表面近くで生
成した光キャリアは光電流とならずに再結合してしまう
確率が高くなる。このため、紫外線感度は接合が深くな
るつれて、徐々に低下していくと予想される。

そこで、これを実験的に検討したところ、接合深さが０
．９μｍ前後で紫外線感度は急激に低下することがわか
った。このような感度の急変は、光生或キャリアの再結
合のみでは説明が難しい。

砒素ドーピングによるｐｎ接合が深くなると注入エネル
ギーはそれだけ大きくなり、従って照射損傷も大きくす
ることが必要になる。この損傷によ？準位が光生成キャ
リアをトラップし、そのために紫外線感度が急変した可
能性が考えられる。また、接合深さが一定であるならば
、注入保護用の熱酸化膜厚を変えても紫外線感度は変化
しないことが判明した。従って、ｐ型領域が砒素注入に
よりｎ型領域に反転する接合の深さは０．８μｍ程度以
下であることが必要で、望ましくは０．７μｍ以下に設
定される。

〔作用〕

本発明によれば、ｐ型シリコン基板に所定厚さの熱酸化
ＳｌＯ■からなる注入保護膜が形成され、これを介して
砒素がスルー注入されて０．８μｍ以下の深さでｎ型層
が形成される。そして、アニールのための熱処理がされ
る。このため、上記の工程を採用したことによる作用と
、これら工程を組み合わせたことで奏される相互作用と
により、ホトダイオードにおける紫外線による光生成キ
ャリアのトラップ、再結合は十分に抑えられ、波長λ−
３００ｎｍ程度の紫外線おいても高い感度が実現される
。

〔実施例〕

以下、添付図面に従って本発明を詳細に説明する。

第１図は実施例の製造工程を示す素子断面図である。ま
ず、比抵抗が１〜５００ｃｍのｐ型シリコン基板１を用
意し、その（１　０　０）面を鏡面に仕上げる。なお、
シリコン基板上にｐ型エビタキシャル層を形成したもの
をｐ型シリコン基板１としてもよい。次に、このｐ型シ
リコン基板１上に厚さｔ　の熱酸化膜２を形或し、その
上にボリシリＯｘ コン膜３を形成する（第１図（ａ）図示）。熱酸化膜は
ｐ型シリコン基板１を９００〜１０５０℃の酸素中で熱
処理することで形成される。なお、上記のポリシリコン
膜３は同一の基板１上に集積されるＭＯＳトランジスタ
等のゲート電極（図示せず）と共用してもよい。

次に、フォトリソグラフィによりポリシリコン膜３をパ
ターンニングし、受光部４に開口を有するポリシリコン
マスク３１を形或する（第１図（ｂ）図示）。次に、ポ
リシリコンマスク３１を注入マスクとして、熱酸化膜２
を介して砒素イオンをスルー注入する。この注入エネル
ギーの制御により、受光部４のｐ型シリコン基板１中に
形成されるｎ型注入層５は所望の深さＸ．に設定されＪ る（第１図（ｃ）図示））。

次に、上記のｐ型シリコン基板１を熱処理炉にセットし
、１０２５℃で３０〜６０分間の熱処理を行なう。なお
、この熱処理は９５０℃程度で行なってもよいが、逆方
向リーク電流を低減するためにはより高温（一例として
１０２５℃程度）がよ・り望ましい。これにより、本実
施例のホトダイオードが得られる。

本発明者は上記の製造工程により試料を作製し、次のよ
うな実験を行なった。なお、ｐ型シリコン基板１として
は比抵抗が１０Ω（１）のものを用いた。

ｐｎ接合深さＸ．と熱酸化膜の厚さｔ　を変化さＪ　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＯＸせて分
光感度特性を調べた。

熱酸化膜厚ｔ。Ｘ −３００，　　５００，　　７００，　　１０００，１
２００，　　１５００．　　２０００Ａ接合深さＸ． Ｊ −０．３，　　０．５．０．７，０．９，１・　１　μ
ｍ その結果を第２図ないし第５図に示す。

理解を容易にするため、横軸に接合深さＸ．をＪ とり、縦軸に感度（相対感度、絶対感度）をとって波長
λ−３００ｎｍの紫外線の分光感度を図示したところ、
第６図のグラフが得られた。このグラフにより、次のこ
とがわかる。

第１に、熱酸化膜厚ｔ　がＩＯＯＯＡ以下のとＯｘ きには紫外線感度が良好で、ｔ　　−１２００〜Ｏｘ １３００Ａ程度のと′ころで急に感度は低下し始める。

そして、ｔ　　−１５００Ａを越えると、感度Ｏｘ は１／３以下になってしまうことである。熱酸化膜の厚
さに関しては、あまり薄いと注入保護の機能を奏し得な
いので、数Ａ〜数１０Ａ程度以上は必要であると考えら
れる。また、イオン注入層の深さを略一定にしたときに
は、熱酸化膜を厚くするに従ってイオン注入エネルギー
を大きくすればよい筈である。このとき、注入エネルギ
ーの増大に応じて保護膜は厚くなっているので、照射損
傷は保護膜長では大きくなってもｎ型層までは及ばず、
従って紫外線に対する感度は熱酸化膜厚にあまり影響さ
れないとも考えられる。ところが、実験によれば熱酸化
膜が１２００Ａ前後より厚くなったときに、紫外線感度
が急に低下した。

原因については、イオン注入時のエネルギーがあまりに
大きくなると、シリコン表面にアニールでは回復し得な
い程度の損傷が生じ、これが紫外線による光キャリアの
トラップとして働くためであると考えることが可能であ
る。あるいはまた、大きな注入エネルギーにより熱酸化
膜が大きな損傷を受け、これがｎ型層に影響を及ぼして
紫外線感度を劣化させているとも考えられ、さらにこれ
らの原因が複雑に結びついて紫外線感度を低下させてい
るとも考えられる。一方、熱酸化膜が厚くなりすぎると
、シリコン基板への砒素のドーピング自体が好適になさ
れず、所望の注入プロファイルが実現できなくなること
も考えられる。このように、熱酸化膜厚と注入エネルギ
ーの大小が紫外線感度に影響を与える原因は、必ずしも
完全に明確であるとは言えないが、実験によれば１３０
０Ａの熱酸化膜厚を境界としてその影響が相違していた
。従って、実施例のホトダイオードにおいて紫外線の感
度の改善のためには、注入保護用の熱酸化膜厚は１３０
０Ａ以下とすることが必要であり、望ましくは１２００
Ａ以下に設定される。

第２に、砒素のドーピングによる接合深さＸ．Ｊ が０．７μｍ以下のときには紫外線感度が良好で、ｘ．
−０．９μｍ程度のところで感度は急に低下Ｊ する。そして、ｘ．＝１．１μｍを越えると、感Ｊ 度は１／３以下の値にべっでしまうことである。

以上の結果より、注入保護膜としての熱酸化膜厚は１３
００Ａ以下とすることが必要であり、砒素の注入による
ｎ型層の深さは０．８μｍ以下とすることが必要である
と言える。

〔発明の効果〕

以上の通り本発明によれば、ｐ型シリコン基板に熱酸化
Ｓ１０２からなる注入保護膜が形成され、これを介して
砒素がイオンスルー注入されて０．８μｍ以下の深さで
ｎ型層が形成される。このため、上記の工程を採用した
ことによる作用と、これら工程を組み合わせたことで奏
される相互作用により、紫外線による光生成キャリアの
トラップ、再結合は十分に抑えられ、波長λ−３００ｎ
ｍ程度の紫外線おいても高い感度が実現される効果があ
る。また、本発明によるホトダイオードは紫外線による
感度の劣化が少ないので、高い信頼性を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るホトダイオードの製造方
法を示す工七別の素子断面図、第２図、第３図、第４図
、第５図および第６図は熱酸化膜厚ｔ　１接合深さＸ，
と分光感度の関係を示すグＯＸ　　　　　　　　　　　
　　　　Ｊラフである。 １・・・ｐ型シリコン基板、２・・・熱酸化膜、３・・
・ポリシリコン膜、３１・・・ポリシリコンマスク、４
・・・受光部、５・・・ｎ型注入層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも表面側がｐ型にされたシリコン基板の表
   面に注入保護膜としての熱酸化膜を形成する第１の工程
   と、 受光領域形成部に開口を有するマスクを前記熱酸化膜上
   に形成する第２の工程と、 前記熱酸化膜を介して砒素イオンをスルー注入し、前記
   マスクの開口部の前記シリコン基板に接合の実効的深さ
   が０．８μｍ以下となるようにイオン注入層を形成する
   第３の工程と、 所定温度の熱処理によって前記イオン注入層を活性化す
   る第４の工程と を備えることを特徴とするホトダイオードの製造方法。 ２、前記第２の工程は、ポリシリコンのマスクを形成す
   る工程であることを特徴とする請求項１記載のホトダイ
   オードの製造方法。