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JP2007129024A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2007129024A
JP2007129024A JP2005319513A JP2005319513A JP2007129024A JP 2007129024 A JP2007129024 A JP 2007129024A JP 2005319513 A JP2005319513 A JP 2005319513A JP 2005319513 A JP2005319513 A JP 2005319513A JP 2007129024 A JP2007129024 A JP 2007129024A
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Japan
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layer
semiconductor device
light receiving
well
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Pending
Application number
JP2005319513A
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Japanese (ja)
Inventor
Akihiro Hasegawa
昭博 長谷川
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to form CMOS on one and the same chip in a semiconductor device for photo detection which has a PIN photo diode in a light receiver. <P>SOLUTION: In a semiconductor substrate wherein an epitaxial layer 82 is stacked on a P-sub layer 80, the light receiver 62 and a signal processing circuit 66 are formed. The PIN photo diode is comprised of the P-sub layer 80 as an anode and the epitaxial layer 82 between a cathode region 72 and the P-sub layer 80 as an i-layer. In the signal processing circuit 66, a p-well 84 is formed on the boundary between an n-well 86 forming the CMOS and the epitaxial layer 82. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、高比抵抗の半導体領域に広がる空乏層を利用した受光部を有し光電変換による信号を生成する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device that has a light receiving portion using a depletion layer extending in a high resistivity semiconductor region and generates a signal by photoelectric conversion.

近年、情報記録媒体として、CD(Compact Disk)やDVD(Digital Versatile Disk)といった光ディスクが大きな位置を占めるようになってきた。これら光ディスクの再生装置は、光ピックアップ機構により光ディスクのトラックに沿ってレーザ光を照射し、その反射光を検知する。そして、反射光強度の変化に基づいて記録データが再生される。   In recent years, optical disks such as CD (Compact Disk) and DVD (Digital Versatile Disk) have come to occupy a large position as information recording media. These optical disk reproducing devices irradiate laser light along a track of the optical disk by an optical pickup mechanism and detect the reflected light. Then, the recorded data is reproduced based on the change in the reflected light intensity.

光ディスク再生装置は、反射光に基づいてデータを検出しつつ、光ピックアップ機構と光ディスクとの位置関係をサーボ制御する。具体的には、レーザ光をトラックの中心線に沿って照射するためのトラッキングサーボ及び、光ディスクと光ピックアップ機構との距離を一定に保つフォーカスサーボが行われる。例えば、フォーカスサーボ制御は、レーザ反射光を検出する光検出器の出力信号に基づき、アクチュエータで光ピックアップ機構の位置を可変制御し、光ディスクとの距離dを一定に保つ。これにより、光ディスクの表面での照射光のフォーカスのずれに応じた反射光量の変動が抑制され、受光信号に重畳されるノイズが抑制される。   The optical disk reproducing apparatus servo-controls the positional relationship between the optical pickup mechanism and the optical disk while detecting data based on the reflected light. Specifically, tracking servo for irradiating the laser beam along the center line of the track and focus servo for keeping the distance between the optical disc and the optical pickup mechanism constant are performed. For example, in focus servo control, the position of the optical pickup mechanism is variably controlled by an actuator based on an output signal of a photodetector that detects reflected laser light, and the distance d from the optical disk is kept constant. Thereby, the fluctuation | variation of the reflected light amount according to the shift | offset | difference of the focus of the irradiation light on the surface of an optical disk is suppressed, and the noise superimposed on a received light signal is suppressed.

このようなサーボ制御のための情報を得るために、光検出器として反射光像を複数区画に分割して受光するものが用いられる。図9は、光検出器の受光部及び、当該受光部上での反射光像を示す模式図である。レーザ反射光はシリンドリカルレンズを通して光検出器に入射される。非点収差法の原理により、円形状断面でシリンドリカルレンズに入射した反射光の当該シリンドリカルレンズ通過後の像は、光ピックアップ機構と光ディスクとの距離dに応じて、直交する2方向の寸法比率が変化する。具体的には、距離dが目標値である場合に、図9(b)に示すように、反射光像が真円30となるように設定される。一方、例えば、距離dが、オーバーである場合には図9(a)に示すように、反射光像は縦長の楕円32となり、アンダーである場合には図9(c)に示すように、反射光像は横長の楕円34となる。   In order to obtain such information for servo control, an optical detector that receives a reflected light image divided into a plurality of sections is used. FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a light receiving unit of a photodetector and a reflected light image on the light receiving unit. The laser reflected light is incident on the photodetector through a cylindrical lens. Due to the principle of the astigmatism method, the image of the reflected light that has entered the cylindrical lens with a circular cross section after passing through the cylindrical lens has a dimensional ratio in two orthogonal directions according to the distance d between the optical pickup mechanism and the optical disk. Change. Specifically, when the distance d is a target value, the reflected light image is set to be a perfect circle 30 as shown in FIG. On the other hand, for example, when the distance d is over, the reflected light image becomes a vertically long ellipse 32 as shown in FIG. 9A, and when the distance d is under, as shown in FIG. 9C, The reflected light image becomes a horizontally long ellipse 34.

光検出器は例えば、2×2の4つの区画36に分割された受光部を有し、各区画はそれぞれ受光信号を出力する受光素子を構成する。光検出器は、受光素子の2×2の正方配列の対角方向が縦長楕円32及び横長楕円34それぞれの軸に一致するように配置される。このように配置することで、図9において垂直方向の対角線上に並ぶ2受光素子の出力信号の和と水平方向の対角線上に並ぶ2受光素子の出力信号の和との差に基づき、各反射光像の形状を判別し、距離dの制御に用いることができる。一方、データに応じた反射光強度は、4つの受光素子の出力信号の総和により求められる。   The photodetector includes, for example, a light receiving unit divided into four 2 × 2 sections 36, and each section constitutes a light receiving element that outputs a light reception signal. The photodetectors are arranged so that the diagonal directions of the 2 × 2 square array of light receiving elements coincide with the axes of the vertically long ellipse 32 and the horizontally long ellipse 34, respectively. With this arrangement, each reflection is based on the difference between the sum of the output signals of the two light receiving elements arranged on the diagonal line in the vertical direction and the sum of the output signals of the two light receiving elements arranged on the diagonal line in the horizontal direction in FIG. The shape of the optical image can be determined and used to control the distance d. On the other hand, the reflected light intensity corresponding to the data is obtained by the sum of the output signals of the four light receiving elements.

光ディスクから読み出されるデータレートは非常に高いため、光検出器は、応答速度の速いPINフォトダイオードを用いた半導体素子で構成されている。図10は、従来の光検出器を構成する1つの受光素子の模式的な断面図である。この図は、受光素子であるPINフォトダイオードの垂直断面構造を表している。この半導体素子において、p型半導体基板40がフォトダイオードのアノード領域42となり、その上に不純物濃度が低く高比抵抗であるi層44がエピタキシャル成長により形成される。i層44の不純物濃度は極めて低く、その比抵抗は100Ω・cmのオーダーであり、この比抵抗は他の一般的な半導体素子に用いられる半導体基板に比べて桁違いに高い。i層44の表面にはカソード領域48となるn領域が形成される。低濃度のi層44をアノード領域42とカソード領域48との間に配することで、アノードとカソードとの間に印加する逆バイアス電圧を低くしてもi層44に空乏層を形成することができ、光検出器の低電圧駆動化が図られる。 Since the data rate read from the optical disk is very high, the photodetector is composed of a semiconductor element using a PIN photodiode having a high response speed. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of one light receiving element constituting a conventional photodetector. This figure shows a vertical sectional structure of a PIN photodiode as a light receiving element. In this semiconductor element, the p-type semiconductor substrate 40 becomes the anode region 42 of the photodiode, and an i layer 44 having a low impurity concentration and a high specific resistance is formed thereon by epitaxial growth. The impurity concentration of the i layer 44 is extremely low, and its specific resistance is on the order of 100 Ω · cm. This specific resistance is much higher than that of a semiconductor substrate used for other general semiconductor elements. An n + region that becomes the cathode region 48 is formed on the surface of the i layer 44. By arranging the low-concentration i layer 44 between the anode region 42 and the cathode region 48, a depletion layer is formed in the i layer 44 even if the reverse bias voltage applied between the anode and the cathode is lowered. Therefore, the photodetector can be driven at a low voltage.

これらアノード領域42、i層44、及びカソード領域48が光検出器の受光素子となるPINフォトダイオードを構成する。このPINフォトダイオードは、アノード領域42とカソード領域48とがそれぞれ電圧端子に接続され、それらの間に逆バイアス電圧が印加される。逆バイアス状態にてアノード領域42とカソード領域48との間のi層44には空乏層が形成され、空乏層内にて入射光の吸収により発生する電子が、空乏層内の電界でカソード領域48へ移動し、受光信号として出力される。   The anode region 42, the i layer 44, and the cathode region 48 constitute a PIN photodiode that serves as a light receiving element of the photodetector. In this PIN photodiode, an anode region 42 and a cathode region 48 are connected to voltage terminals, respectively, and a reverse bias voltage is applied between them. A depletion layer is formed in the i layer 44 between the anode region 42 and the cathode region 48 in the reverse bias state, and electrons generated by absorption of incident light in the depletion layer are generated in the cathode region by an electric field in the depletion layer. 48 and output as a light reception signal.

i層44の厚さは、検出する光の半導体内での吸収長程度以上に設定される。例えば、CDやDVDに用いられている780nm帯や650nm帯の光に対するシリコンの吸収長は10〜20μm程度である。   The thickness of the i layer 44 is set to be equal to or greater than the absorption length of the light to be detected in the semiconductor. For example, the absorption length of silicon for light in the 780 nm band and 650 nm band used for CDs and DVDs is about 10 to 20 μm.

受光部にて発生した微弱な光電変換信号は増幅器にて増幅され、後段の信号処理回路へ出力される。ここで、光電変換信号の減衰やノイズの重畳を抑制する観点から、受光部と増幅器との間の配線長をできるだけ短くするように構成される。この観点と、光検出器の製造コスト低減の観点とから、PINフォトダイオード構造の受光部と増幅器等の回路とは同一の半導体チップ上に形成することが好適である。この場合、図11の模式的な断面図に示すように、低濃度のp型領域に形成されたi層44の表面にn型不純物領域であるNウェル50を形成し、このNウェル50内に例えば、pチャネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOS型電界効果トランジスタ)52及びnチャネルMOSFET54を形成しCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)を構成することができる。しかし、この構成には、i層44の不純物濃度が極めて低いことに起因して、i層44とNウェル50とのpn接合でのリーク電流が大きくなるという問題があった。   The weak photoelectric conversion signal generated in the light receiving unit is amplified by the amplifier and output to the signal processing circuit at the subsequent stage. Here, from the viewpoint of suppressing the attenuation of the photoelectric conversion signal and the superposition of noise, the wiring length between the light receiving unit and the amplifier is configured to be as short as possible. From this viewpoint and from the viewpoint of reducing the manufacturing cost of the photodetector, it is preferable that the light receiving portion of the PIN photodiode structure and a circuit such as an amplifier are formed on the same semiconductor chip. In this case, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 11, an N-well 50 that is an n-type impurity region is formed on the surface of the i layer 44 formed in the low-concentration p-type region. For example, a p-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 52 and an n-channel MOSFET 54 can be formed to constitute a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). However, this configuration has a problem that the leakage current at the pn junction between the i layer 44 and the N well 50 increases due to the extremely low impurity concentration of the i layer 44.

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、低電圧で高速駆動可能であると共にコスト削減が図られる光検出用半導体素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor element for photodetection that can be driven at a high speed with a low voltage and can be reduced in cost.

本発明に係る半導体装置は、共通の半導体基板に形成された受光部及び回路部を有するものであって、前記半導体基板の主面に設けられ、低不純物濃度により高比抵抗に形成される高比抵抗領域を有し、前記受光部が、前記高比抵抗領域に接して配置され、前記高比抵抗領域よりも高不純物濃度の第1導電型半導体領域であって第1電圧を印加される第1電極領域と、前記高比抵抗領域に接して配置され、前記高比抵抗領域よりも高不純物濃度の第2導電型半導体領域であって第2電圧を印加される第2電極領域と、を有し、前記第1電極領域及び前記第2電極領域相互間が、前記第1電圧及び前記第2電圧により逆バイアス状態とされて、前記高比抵抗領域に空乏層を形成し、前記回路部が、前記主面に設けられ、内部に回路素子が形成される第1導電型半導体領域である回路素子領域と、前記高比抵抗領域及び前記回路素子領域の間の境界を構成し、前記高比抵抗領域よりも高不純物濃度の第2導電型半導体領域である接合境界領域と、を有するものである。   A semiconductor device according to the present invention has a light receiving portion and a circuit portion formed on a common semiconductor substrate, and is provided on the main surface of the semiconductor substrate and is formed to have a high specific resistance with a low impurity concentration. A first resistance type semiconductor region having a specific resistance region, wherein the light receiving portion is disposed in contact with the high specific resistance region, and has a higher impurity concentration than the high specific resistance region; A first electrode region, a second electrode region disposed in contact with the high specific resistance region and having a higher impurity concentration than the high specific resistance region, to which a second voltage is applied; The first electrode region and the second electrode region are reversely biased by the first voltage and the second voltage to form a depletion layer in the high resistivity region, Are provided on the main surface, and circuit elements are formed inside. A circuit element region that is a first conductivity type semiconductor region, a boundary between the high resistivity region and the circuit element region, and a second conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than the high resistivity region And a certain joint boundary region.

本発明によれば、高比抵抗領域と回路素子領域との境界に回路素子領域とは反対の導電型で高比抵抗領域より高濃度の接合境界領域が設けられる。この接合境界領域と回路素子領域とが形成するpn接合部分においては、熱励起等に起因して電荷を発生し得る空乏層の拡がりが抑制され、リーク電流が抑制される。その結果、CMOS等の回路素子を含む回路部を受光部に併設して同一基板に形成することができ、コストを抑制しつつ低電圧かつ高速駆動の光検出用半導体素子を実現することができる。   According to the present invention, a junction boundary region having a conductivity type opposite to the circuit element region and having a higher concentration than the high resistivity region is provided at the boundary between the high specific resistance region and the circuit element region. In the pn junction portion formed by the junction boundary region and the circuit element region, expansion of a depletion layer that can generate charges due to thermal excitation or the like is suppressed, and leakage current is suppressed. As a result, a circuit portion including circuit elements such as CMOS can be formed on the same substrate along with the light receiving portion, and a low-voltage and high-speed photodetection semiconductor element can be realized while suppressing cost. .

以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.

[実施形態1]
図1は、実施形態の半導体素子である光検出器の概略の平面図である。本光検出器60はシリコンからなる半導体基板に形成され、半導体基板表面上に積層される保護膜に設けられた開口部分(図示せず)に受光部62が配置される。受光部62は、例えば、2×2に配列された4つのPINフォトダイオード(PD)64を含み、光学系から基板表面へ入射する光を2×2の4区画に分割して受光する。半導体基板上には受光部62だけでなく、信号処理回路部66が形成される。例えば、信号処理回路部66は受光部62の周囲に配置される。信号処理回路部66は例えば、CMOS68等の回路素子を含み、これら回路素子を用いて受光部62からの出力信号に対する増幅回路やその他の信号処理回路を受光部62と同一の半導体チップに形成することができる。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic plan view of a photodetector which is a semiconductor element of the embodiment. The photodetector 60 is formed on a semiconductor substrate made of silicon, and a light receiving portion 62 is disposed in an opening (not shown) provided in a protective film laminated on the surface of the semiconductor substrate. The light receiving unit 62 includes, for example, four PIN photodiodes (PD) 64 arranged in 2 × 2, and receives light incident on the substrate surface from the optical system by dividing it into 4 × 2 sections. On the semiconductor substrate, not only the light receiving unit 62 but also a signal processing circuit unit 66 is formed. For example, the signal processing circuit unit 66 is disposed around the light receiving unit 62. The signal processing circuit unit 66 includes, for example, circuit elements such as CMOS 68, and an amplifier circuit for the output signal from the light receiving unit 62 and other signal processing circuits are formed on the same semiconductor chip as the light receiving unit 62 using these circuit elements. be able to.

図2は、受光部62のより詳しい平面図である。各PD64はそれらの周囲の半導体基板表面に形成される分離領域70により区切られる。分離領域70は、例えば、高濃度のp型不純物を拡散されたp領域として形成される。シリコン基板の受光部に対応した部分では、光の吸収により電子及び正孔が生成される。各PD64には、そのカソードとして、生成した電荷のうち電子を集めるカソード領域72が配置される。カソード領域72は、例えば、高濃度のn型不純物を拡散されたn領域として形成される。 FIG. 2 is a more detailed plan view of the light receiving unit 62. Each PD 64 is delimited by a separation region 70 formed on the surface of the surrounding semiconductor substrate. The isolation region 70 is formed, for example, as a p + region in which a high concentration p-type impurity is diffused. In the portion corresponding to the light receiving portion of the silicon substrate, electrons and holes are generated by absorption of light. Each PD 64 has a cathode region 72 that collects electrons out of the generated charges as its cathode. The cathode region 72 is formed, for example, as an n + region in which a high concentration n-type impurity is diffused.

分離領域70及び各カソード領域72はそれぞれコンタクトを介して、例えばアルミ(Al)層等で形成された配線に接続される。分離領域70は、配線74により例えば、接地電位を印加される。また、各カソード領域72に集められた信号電荷は、配線76を介して読み出される。   The isolation region 70 and each cathode region 72 are connected to wirings formed of, for example, an aluminum (Al) layer through contacts. For example, a ground potential is applied to the isolation region 70 through the wiring 74. Further, the signal charges collected in each cathode region 72 are read out via the wiring 76.

図3は、図1及び図2にそれぞれ示す直線A−A’を通り半導体基板に垂直な断面での受光部62及び信号処理回路部66の構造を示す模式的な断面図である。この断面には受光部62の2つのPD64と信号処理回路部66のCMOS68とが現れている。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the light receiving unit 62 and the signal processing circuit unit 66 in a cross section passing through the straight line A-A ′ shown in FIGS. 1 and 2 and perpendicular to the semiconductor substrate. In this section, two PDs 64 of the light receiving unit 62 and a CMOS 68 of the signal processing circuit unit 66 appear.

本光検出器60は、p型不純物が導入されたp型シリコン基板であるP-sub層80の一方主面に、P-sub層80より不純物濃度が低く高比抵抗を有する半導体層が積層された半導体基板を用いて形成される。P-sub層80は各PD64に共通のアノードを構成し、例えば、基板裏面から接地電位を印加される。P-sub層80の上に積層される高比抵抗の半導体層は、例えばエピタキシャル成長により形成される。このエピタキシャル層82(高比抵抗領域)は、受光部62にてPD64のi層を構成する。エピタキシャル層82に導入される低濃度不純物は、例えばp型不純物である。また、エピタキシャル層82の比抵抗ρは、少なくとも200Ω・cm以上であり、ここでは、ρは500Ω・cm程度であるとする。また、i層を構成するエピタキシャル層82の厚さは、検出する光の半導体内での吸収長程度以上に設定される。例えば、CDやDVDに用いられている780nm帯や650nm帯の光に対するシリコンの吸収長は10〜20μm程度である。よって、ここではエピタキシャル層82の厚さは、10〜20μmに設定される。   In the photodetector 60, a semiconductor layer having an impurity concentration lower than that of the P-sub layer 80 and having a high specific resistance is stacked on one main surface of the P-sub layer 80 which is a p-type silicon substrate into which a p-type impurity is introduced. The semiconductor substrate is formed. The P-sub layer 80 constitutes an anode common to the PDs 64 and is applied with a ground potential from the back surface of the substrate, for example. The high resistivity semiconductor layer stacked on the P-sub layer 80 is formed by, for example, epitaxial growth. The epitaxial layer 82 (high specific resistance region) forms an i layer of the PD 64 in the light receiving portion 62. The low concentration impurity introduced into the epitaxial layer 82 is, for example, a p-type impurity. In addition, the specific resistance ρ of the epitaxial layer 82 is at least 200 Ω · cm, and ρ is about 500 Ω · cm here. The thickness of the epitaxial layer 82 constituting the i layer is set to be equal to or greater than the absorption length of the light to be detected in the semiconductor. For example, the absorption length of silicon for light in the 780 nm band and 650 nm band used for CDs and DVDs is about 10 to 20 μm. Therefore, here, the thickness of the epitaxial layer 82 is set to 10 to 20 μm.

受光部62において、エピタキシャル層82の表面には、上述の分離領域70及びカソード領域72が形成される。分離領域70及びカソード領域72への不純物の導入はそれぞれ、このエピタキシャル層82を形成されたシリコン基板の表面にフォトリソグラフィ技術で形成されたマスクを形成し、このマスクを用いてイオン注入を対象領域へ選択的に行うことにより実現される。   In the light receiving portion 62, the above-described isolation region 70 and cathode region 72 are formed on the surface of the epitaxial layer 82. Impurities are introduced into the isolation region 70 and the cathode region 72 by forming a mask formed by a photolithography technique on the surface of the silicon substrate on which the epitaxial layer 82 is formed, and ion implantation is performed using the mask. This is realized by selectively performing.

ちなみに、分離領域70、カソード領域72を形成する位置にそれぞれイオン注入により導入された不純物は、さらに必要に応じて熱拡散工程を行って、基板深さ方向に押し込まれる。その押し込み量は、分離領域70、カソード領域72それぞれについて別個に制御され得る。例えば、分離領域70は、後述するように、各カソード領域72に集められる信号電荷のPD64間でのクロストークを抑制する機能を担っている。そこで分離領域70の深さは、例えば、カソード領域72に比べて深く設定され得る。一方、カソード領域72の深さを浅くすることで、その下のi層に形成される空乏層が基板表面近くから広がることとなり、PD64での光電変換効率の向上が期待できる。このようにカソード領域72を分離領域70より浅く形成する場合には、カソード領域72へのイオン注入に先立って、分離領域70への不純物のイオン注入及び熱拡散を行うのが好適である。   Incidentally, the impurities introduced by ion implantation at the positions where the separation region 70 and the cathode region 72 are formed are further pushed into the substrate depth direction by performing a thermal diffusion process as necessary. The pushing amount can be controlled separately for each of the separation region 70 and the cathode region 72. For example, the separation region 70 has a function of suppressing crosstalk between the PDs 64 of signal charges collected in each cathode region 72, as will be described later. Therefore, the depth of the separation region 70 can be set deeper than that of the cathode region 72, for example. On the other hand, by reducing the depth of the cathode region 72, the depletion layer formed in the underlying i layer spreads from near the substrate surface, and an improvement in photoelectric conversion efficiency in the PD 64 can be expected. When the cathode region 72 is formed shallower than the separation region 70 as described above, it is preferable to perform ion implantation and thermal diffusion of impurities into the separation region 70 prior to ion implantation into the cathode region 72.

なお、本光検出器60の構成では、分離領域70はP-sub層80までは到達せず、分離領域70とP-sub層80との間には、高比抵抗のエピタキシャル層82がi層として存在する。また、分離領域70は、上述したように基板表面側に設けられた配線74により接地電位を印加され、P-sub層80と共にアノードを構成する。   In the configuration of the photodetector 60, the isolation region 70 does not reach the P-sub layer 80, and the high-resistivity epitaxial layer 82 is i between the isolation region 70 and the P-sub layer 80. Present as a layer. The isolation region 70 is applied with a ground potential by the wiring 74 provided on the substrate surface side as described above, and constitutes an anode together with the P-sub layer 80.

一方、信号処理回路部66においてはCMOS68の形成領域に対応して、エピタキシャル層82の表層部にPウェル84及びNウェル86が形成される。ここで、Nウェル86は、後述するように内部に回路素子が形成される回路素子領域であり、Pウェル84はNウェル86とエピタキシャル層82との境界を形成する接合境界領域である。例えば、Pウェル84及びNウェル86はそれぞれイオン注入により形成される。具体的には、先にPウェル84を形成するイオン注入を行い、その後、Nウェル86をイオン注入によりPウェル84より浅く形成し、Pウェル84の内側にNウェル86を形成する。Pウェル84とNウェル86との深さは、それぞれのイオン注入のエネルギーの調整やイオン種の選択によって、互いに異ならせることができる。Nウェル86の濃度はその領域内に形成されるCMOS68との関係に応じて定めることができる。Pウェル84は、エピタキシャル層82よりも高濃度に設定され、エピタキシャル層82とNウェル86との間の接合リーク電流を抑制する。   On the other hand, in the signal processing circuit portion 66, a P well 84 and an N well 86 are formed in the surface layer portion of the epitaxial layer 82 corresponding to the formation region of the CMOS 68. Here, the N well 86 is a circuit element region in which circuit elements are formed as described later, and the P well 84 is a junction boundary region that forms a boundary between the N well 86 and the epitaxial layer 82. For example, the P well 84 and the N well 86 are each formed by ion implantation. Specifically, ion implantation for forming the P well 84 is performed first, and then the N well 86 is formed shallower than the P well 84 by ion implantation, and the N well 86 is formed inside the P well 84. The depths of the P well 84 and the N well 86 can be made different from each other by adjusting the energy of ion implantation and selecting the ion species. The concentration of the N well 86 can be determined according to the relationship with the CMOS 68 formed in the region. P well 84 is set at a higher concentration than epitaxial layer 82, and suppresses junction leakage current between epitaxial layer 82 and N well 86.

Nウェル86内には、CMOS68を構成するpチャネルMOSFET88及びnチャネルMOSFET90が形成される。pチャネルMOSFET88は、例えば、Nウェル86内にさらにNウェル92を形成し、その表面にp領域であるソース領域94、ドレイン領域96が形成される。ソース領域94とドレイン領域96との間のチャネル領域の上にはゲート酸化膜98を介してゲート電極100が配置される。nチャネルMOSFET90は、Nウェル86内にさらにPウェル102を形成し、その表面にn領域であるソース領域104、ドレイン領域106が形成される。ソース領域104とドレイン領域106との間のチャネル領域の上にはゲート酸化膜98を介してゲート電極110が配置される。ゲート電極100,110は例えば、ポリシリコンやタングステン(W)等を用いて形成される。 In the N well 86, a p-channel MOSFET 88 and an n-channel MOSFET 90 constituting the CMOS 68 are formed. In the p-channel MOSFET 88, for example, an N well 92 is further formed in the N well 86, and a source region 94 and a drain region 96 which are p + regions are formed on the surface thereof. A gate electrode 100 is disposed on a channel region between the source region 94 and the drain region 96 with a gate oxide film 98 interposed. In the n-channel MOSFET 90, a P well 102 is further formed in an N well 86, and a source region 104 and a drain region 106 which are n + regions are formed on the surface thereof. A gate electrode 110 is disposed on the channel region between the source region 104 and the drain region 106 via a gate oxide film 98. The gate electrodes 100 and 110 are formed using, for example, polysilicon or tungsten (W).

なお、エピタキシャル層82の表面において、CMOS68の形成領域とエピタキシャル層82との境界には、領域間の分離のためにLOCOS(局所酸化膜)112が形成される。また、pチャネルMOSFET88とnチャネルMOSFET90との境界にも素子分離のためにLOCOS114が形成される。   On the surface of the epitaxial layer 82, a LOCOS (local oxide film) 112 is formed at the boundary between the formation region of the CMOS 68 and the epitaxial layer 82 for separation between the regions. A LOCOS 114 is also formed at the boundary between the p-channel MOSFET 88 and the n-channel MOSFET 90 for element isolation.

以上のように受光部62及び信号処理回路部66が形成された基板表面に反射防止膜116が積層される。反射防止膜116は例えばシリコン窒化膜で構成される。さらにこの上に平坦化膜や配線層、遮光層が形成されるが、簡略化のため図3においては図示を省略している。   As described above, the antireflection film 116 is laminated on the substrate surface on which the light receiving unit 62 and the signal processing circuit unit 66 are formed. The antireflection film 116 is made of, for example, a silicon nitride film. Further, a planarizing film, a wiring layer, and a light shielding layer are formed thereon, but the illustration is omitted in FIG. 3 for simplification.

図4は、本光検出器60の動作時における回路構成及び、受光部62の断面でのポテンシャル分布を示す模式図である。図4に示す受光部62の断面は図3と同様、図1,図2に示す直線A−A’に沿ったものである。電圧源120によって、カソード領域72と分離領域70及びP-sub層80との間には逆バイアス電圧が印加される。具体的には、各カソード領域72からの配線(図2の配線76)はそれぞれオペアンプ122の一方入力端子に接続され、当該オペアンプ122の他方入力端子に電圧源120からの正電圧Vbが入力される。オペアンプ122は、抵抗を介して出力端子がカソード領域72に接続され、電流検出器を構成する。この構成により、カソード領域72は分離領域70及びP-sub層80の電位を基準として正の電圧Vbを印加され、かつカソード電流に応じた電圧がオペアンプ122の出力端子に取り出される。ちなみに、オペアンプ122を含む電流検出器は、信号処理回路部66に形成することができる。   FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a circuit configuration during the operation of the photodetector 60 and a potential distribution in a cross section of the light receiving unit 62. The cross section of the light receiving section 62 shown in FIG. 4 is along the straight line A-A ′ shown in FIGS. A reverse bias voltage is applied between the cathode region 72 and the isolation region 70 and the P-sub layer 80 by the voltage source 120. Specifically, the wiring from each cathode region 72 (wiring 76 in FIG. 2) is connected to one input terminal of the operational amplifier 122, and the positive voltage Vb from the voltage source 120 is input to the other input terminal of the operational amplifier 122. The The operational amplifier 122 has an output terminal connected to the cathode region 72 via a resistor, and constitutes a current detector. With this configuration, the cathode region 72 is applied with a positive voltage Vb with reference to the potentials of the isolation region 70 and the P-sub layer 80, and a voltage corresponding to the cathode current is taken out to the output terminal of the operational amplifier 122. Incidentally, the current detector including the operational amplifier 122 can be formed in the signal processing circuit unit 66.

断面図にはいくつかの等電位線を点線で示している。この断面図は、PINフォトダイオードのアノードとカソードとに逆バイアス電圧を印加したことにより、i層を構成するエピタキシャル層82に空乏層が広がっていることを示している。ポテンシャル電位はカソード領域72に近いほど深く、すなわち高くなり、各カソード領域72を中心として電子に対する電位井戸が形成されることとなる。   In the sectional view, several equipotential lines are indicated by dotted lines. This sectional view shows that a depletion layer spreads in the epitaxial layer 82 constituting the i layer by applying a reverse bias voltage to the anode and the cathode of the PIN photodiode. The closer to the cathode region 72, the deeper, that is, the potential potential becomes, and a potential well for electrons is formed around each cathode region 72.

分離領域70及びP-sub層80をアノードとしてカソード領域66に対し逆バイアスとなる接地電位を印加したことにより、エピタキシャル層82の分離領域70とP-sub層80との間の境界領域124のポテンシャル電位は浅くなる。つまり、P-sub層80に加えて分離領域70をアノードとして接地電位としたことにより、分離領域70下の境界領域124のポテンシャル電位が浅くなる方向に引っ張られる。これにより、分離領域70を挟んで隣り合う各PD64に対応する電位井戸の間に、電子の移動に対する電位障壁が形成される。   By applying a ground potential that is a reverse bias to the cathode region 66 using the isolation region 70 and the P-sub layer 80 as an anode, the boundary region 124 between the isolation region 70 of the epitaxial layer 82 and the P-sub layer 80 is applied. The potential potential becomes shallower. That is, by setting the isolation region 70 as an anode in addition to the P-sub layer 80 to a ground potential, the potential potential of the boundary region 124 under the isolation region 70 is pulled in a direction of decreasing. Thereby, a potential barrier against electron movement is formed between potential wells corresponding to the PDs 64 adjacent to each other with the isolation region 70 interposed therebetween.

例えば、図4において左側のPD64への入射光によって、その左側のカソード領域72-1下のi層で発生した電子は、当該左側の電位井戸の電界に沿ってカソード領域72-1へは容易に移動可能であるが、右側のカソード領域72-2へは領域124に電位障壁が間に存在するため移動しにくい。そのため、左側のPD64への入射光に対応する信号電荷は、専らカソード領域72-1に集められることとなる。同様に、右側のPD64への入射光に対応する信号電荷は、電位障壁の存在によりカソード領域72-1へは移動しにくく、専らカソード領域72-2に集められる。各カソード領域72に集められた電子の量は、カソード電流としてオペアンプ122を介して検出される。   For example, in FIG. 4, electrons generated in the i layer under the left cathode region 72-1 by the incident light on the left PD 64 easily move to the cathode region 72-1 along the electric field of the left potential well. However, it is difficult to move to the cathode region 72-2 on the right side because a potential barrier exists in the region 124. Therefore, signal charges corresponding to the incident light on the left PD 64 are collected exclusively in the cathode region 72-1. Similarly, the signal charges corresponding to the light incident on the right PD 64 are less likely to move to the cathode region 72-1 due to the presence of the potential barrier, and are collected exclusively in the cathode region 72-2. The amount of electrons collected in each cathode region 72 is detected via the operational amplifier 122 as a cathode current.

このようにP-sub層80に加えて分離領域70をアノードとしたことにより、分離領域70の下で隣接PD64のi層がつながっているにも関わらず、PD64相互の素子分離が実現され、クロストークが抑制された受光信号が得られる。   Thus, by using the isolation region 70 as the anode in addition to the P-sub layer 80, element isolation between the PDs 64 is realized even though the i layer of the adjacent PD 64 is connected under the isolation region 70, A light reception signal in which crosstalk is suppressed is obtained.

また、本光検出器の構成では、P-sub層80がアノードとされ、このP-sub層80は信号処理回路部66の下にも広がる。ここで、エピタキシャル層82の不純物濃度が極めて薄い。そのため、エピタキシャル層82がNウェル86に接する構成では、P-sub層80の電位が低いほど、Nウェル86との接合部分のエピタキシャル層82に空乏層が広がりやすい。空乏層では熱励起等による電荷が発生しやすく、これに起因してリーク電流が生じ得る。すなわち、受光部62及び信号処理回路部66の下に共通のP-sub層80が配され、このP-sub層80が受光部62のアノードとして接地電位を印加される光検出器の構成において、信号処理回路部66のNウェル86を直接、エピタキシャル層82に接するとリーク電流が生じやすくなり得る。そこで、本光検出器60では、Nウェル86とエピタキシャル層82との境界に、エピタキシャル層82より不純物濃度の高いPウェル84を設け、pn接合部分での空乏層の広がりを小さくし、リーク電流の抑制を図っている。   In the configuration of the photodetector, the P-sub layer 80 is an anode, and the P-sub layer 80 extends under the signal processing circuit unit 66. Here, the impurity concentration of the epitaxial layer 82 is extremely low. Therefore, in the configuration in which the epitaxial layer 82 is in contact with the N well 86, the depletion layer tends to spread in the epitaxial layer 82 at the junction with the N well 86 as the potential of the P-sub layer 80 is lower. In the depletion layer, charges due to thermal excitation or the like are likely to be generated, and a leak current may be generated due to this. That is, a common P-sub layer 80 is arranged under the light receiving unit 62 and the signal processing circuit unit 66, and this P-sub layer 80 serves as an anode of the light receiving unit 62 and is applied with a ground potential. If the N well 86 of the signal processing circuit unit 66 is in direct contact with the epitaxial layer 82, a leak current can easily occur. Therefore, in the photodetector 60, a P well 84 having an impurity concentration higher than that of the epitaxial layer 82 is provided at the boundary between the N well 86 and the epitaxial layer 82, thereby reducing the spread of the depletion layer at the pn junction portion. We are trying to suppress this.

また、Nウェル86との境界のエピタキシャル層82の空乏層は、Nウェル86の下面側だけでなく、側面にも拡がり得る。特に、受光部62と信号処理回路部66との境界部分では、アノードである分離領域70が接地されて低い電位とされるため、空乏層が拡がり易く、リーク電流が発生し易い。しかし、Pウェル84がNウェル86の側部にも配置される構造とすることで、この受光部62と信号処理回路部66との境界部分におけるような横方向への空乏層も抑制され、リーク電流の低減が図られる。   Further, the depletion layer of the epitaxial layer 82 at the boundary with the N well 86 can extend not only on the lower surface side of the N well 86 but also on the side surface. In particular, at the boundary portion between the light receiving unit 62 and the signal processing circuit unit 66, the isolation region 70, which is an anode, is grounded to a low potential, so that the depletion layer is likely to expand and a leak current is likely to occur. However, by adopting a structure in which the P well 84 is also arranged on the side of the N well 86, a depletion layer in the lateral direction as in the boundary portion between the light receiving unit 62 and the signal processing circuit unit 66 is also suppressed. Leakage current can be reduced.

なお、上述の受光部62では複数のPD64が間に分離領域70を置いて隣接配置される。ここで、素子分離の1つの従来技術として、LOCOS法が知られている。その技術によれば、例えば、分離領域70に形成したようなp領域に選択的に、信号処理回路部66に形成したLOCOS112,114のような基板に食い込む厚い酸化膜を成長させる。受光部62においても、当該技術を適用することができる一方で、本実施形態では当該技術を採用していない。このように分離領域70の上にLOCOS酸化膜を形成しないことにより、分離領域70の上方からの入射光が、LOCOS酸化膜で減衰されることがなくなる。ここで、分離領域70の下はi層であり空乏化され得る。そのため、減衰を抑制されて分離領域70の上方から入射した光は、分離領域70下のi層にまで到達して信号電荷を発生し得ることとなり、受光部62へ入射する光に対する検出効率が向上する。 In the light receiving unit 62 described above, a plurality of PDs 64 are arranged adjacent to each other with a separation region 70 interposed therebetween. Here, a LOCOS method is known as one conventional technique for element isolation. According to the technique, for example, a thick oxide film that grows into the substrate such as the LOCOSs 112 and 114 formed in the signal processing circuit unit 66 is grown selectively in the p + region as formed in the isolation region 70. While the technology can be applied to the light receiving unit 62 as well, the technology is not adopted in the present embodiment. By not forming the LOCOS oxide film on the isolation region 70 in this way, incident light from above the isolation region 70 is not attenuated by the LOCOS oxide film. Here, under the isolation region 70 is an i layer, which can be depleted. Therefore, the light that has been suppressed from being attenuated and has entered from above the separation region 70 can reach the i layer below the separation region 70 to generate a signal charge, and the detection efficiency for the light incident on the light receiving unit 62 is improved. improves.

また、分離領域70は入射光検出に対して不感領域となり得る。ここで、LOCOS酸化膜を形成しないことにより、その形成工程での分離領域70の横方向の拡散が回避される。その結果、受光部に占める分離領域70の割合が抑制されるので、この点でも受光部へ入射する光に対する検出効率の向上が図られる。   In addition, the separation region 70 can be an insensitive region for incident light detection. Here, by not forming the LOCOS oxide film, lateral diffusion of the isolation region 70 in the formation process is avoided. As a result, since the ratio of the separation region 70 occupying the light receiving unit is suppressed, the detection efficiency for the light incident on the light receiving unit can be improved also in this respect.

光検出器60の受光部62の構造は上述のものに限られない。図5は、受光部62の他の構造を示す模式的な断面図であり、図1、図2に示す直線A−A’を通り半導体基板に垂直な断面を示している。なお、この受光部62の平面図は、図2に示すものと共通である。図5に示す受光部62の特徴は、分離領域70に対向する位置に、P-sub層80から突出したp領域である下部分離領域150を有する点にある。この下部分離領域150は、P-sub層80に印加される電圧を受けて、P-sub層80と共に基板側のアノードとして機能する。下部分離領域150により、分離領域70が構成するアノードと基板側のアノードとの距離が、PD64の境界にて狭まる。その結果、PD64の境界におけるエピタキシャル層82に、電子に対する電位障壁がより好適に形成され、PD64間の素子分離性能が向上する。 The structure of the light receiving unit 62 of the photodetector 60 is not limited to the above. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another structure of the light receiving portion 62, and shows a cross section passing through the straight line AA ′ shown in FIGS. 1 and 2 and perpendicular to the semiconductor substrate. The plan view of the light receiving portion 62 is the same as that shown in FIG. The feature of the light receiving unit 62 shown in FIG. 5 is that it has a lower isolation region 150 that is a p + region protruding from the P-sub layer 80 at a position facing the isolation region 70. The lower isolation region 150 receives a voltage applied to the P-sub layer 80 and functions as an anode on the substrate side together with the P-sub layer 80. The lower separation region 150 narrows the distance between the anode formed by the separation region 70 and the substrate-side anode at the boundary of the PD 64. As a result, a potential barrier against electrons is more suitably formed in the epitaxial layer 82 at the boundary of the PD 64, and the element isolation performance between the PDs 64 is improved.

例えば、下部分離領域150は、P-sub層80にエピタキシャル層82を一部の厚さだけ積層した段階にて、当該エピタキシャル層82のPD64の境界に対応する位置にイオン注入等によりp型不純物を導入して形成される。このように下部分離領域150を形成した後、エピタキシャル層82の残りの厚さを成長させる。しかる後、図3に断面構造を示した受光部62と同様にして分離領域70、カソード領域72等の基板表面の構造を形成する。   For example, the lower isolation region 150 is a p-type impurity formed by ion implantation or the like at a position corresponding to the boundary of the PD 64 of the epitaxial layer 82 at the stage where the epitaxial layer 82 is partially stacked on the P-sub layer 80. It is formed by introducing. After the lower isolation region 150 is thus formed, the remaining thickness of the epitaxial layer 82 is grown. Thereafter, the structure of the substrate surface such as the separation region 70 and the cathode region 72 is formed in the same manner as the light receiving unit 62 whose sectional structure is shown in FIG.

図3に示す受光部62の構造に代えて、図5に示す受光部62の構造とした場合にも、信号処理回路部66にPウェル84を設けることで、Nウェル86の境界からエピタキシャル層82へ広がる空乏層を抑制することができる。その結果、エピタキシャル層82とNウェル86との間の接合リーク電流が抑制された光検出器60が実現される。   In the case of the structure of the light receiving section 62 shown in FIG. 5 instead of the structure of the light receiving section 62 shown in FIG. 3, the epitaxial layer is formed from the boundary of the N well 86 by providing the P well 84 in the signal processing circuit section 66. The depletion layer extending to 82 can be suppressed. As a result, the photodetector 60 in which the junction leakage current between the epitaxial layer 82 and the N well 86 is suppressed is realized.

[実施形態2]
以下説明する第2の実施形態である光検出器60は、受光部62の構造が上記第1の実施形態と相違する点を除けば、基本的に上記第1の実施形態と同様の構成であり、本実施形態において、第1の実施形態と同じ符号は、同一の機能・性質を有する構成要素を示す。本実施形態の光検出器60の概略の平面図は、図1と同じであり、これを援用する。
[Embodiment 2]
The photodetector 60 according to the second embodiment described below basically has the same configuration as that of the first embodiment except that the structure of the light receiving unit 62 is different from that of the first embodiment. In the present embodiment, the same reference numerals as those in the first embodiment indicate components having the same functions and properties. A schematic plan view of the photodetector 60 of the present embodiment is the same as FIG. 1, and this is used.

図6は、本光検出器60の受光部62の模式的な平面図である。本光検出器60は第1の実施形態の光検出器と同様、シリコンからなる半導体基板に形成され、半導体基板表面上に積層される保護膜に設けられた開口部分(図示せず)に受光部62が配置される。受光部62は、基板表面へ入射する光を2×2の4区画に分割して受光する。   FIG. 6 is a schematic plan view of the light receiving unit 62 of the photodetector 60. Similar to the photodetector of the first embodiment, the photodetector 60 is formed on a semiconductor substrate made of silicon and is received by an opening (not shown) provided in a protective film stacked on the surface of the semiconductor substrate. A part 62 is arranged. The light receiving unit 62 divides the light incident on the substrate surface into 2 × 2 four sections and receives the light.

受光部62の外周の半導体基板表面には、各PD64それぞれに対応してカソード領域200が配置される。また、各PD64相互間の半導体基板表面には、アノード領域202が配置され、これが各PD64間の素子分離を行う。   Cathode regions 200 are arranged on the surface of the semiconductor substrate on the outer periphery of the light receiving unit 62 so as to correspond to the respective PDs 64. In addition, an anode region 202 is disposed on the surface of the semiconductor substrate between the PDs 64, and this performs element isolation between the PDs 64.

カソード領域200は、受光部の外周に沿った、例えばL字型の平面形状を有するトレンチ204の表面から高濃度のn型不純物を拡散し、n領域として形成される。一方、アノード領域202は、PD64相互間に、例えば十字型の平面形状を有するトレンチ206の表面から高濃度のp型不純物を拡散しp領域として形成される。各カソード領域200は、それぞれコンタクトを介して例えばAl層等で形成された配線(図示せず)に接続され、PINフォトダイオードである各PD64のカソードとして機能する。一方、アノード領域202は、コンタクトを介して配線(図示せず)に接続され、各PINフォトダイオードに共通のアノードとして機能する。 The cathode region 200 is formed as an n + region by diffusing high-concentration n-type impurities from the surface of the trench 204 having, for example, an L-shaped planar shape along the outer periphery of the light receiving portion. On the other hand, the anode region 202 is formed as a p + region by diffusing high-concentration p-type impurities between the PDs 64 from the surface of the trench 206 having a cross-shaped planar shape, for example. Each cathode region 200 is connected to a wiring (not shown) formed of, for example, an Al layer through a contact, and functions as a cathode of each PD 64 that is a PIN photodiode. On the other hand, the anode region 202 is connected to a wiring (not shown) through a contact, and functions as an anode common to each PIN photodiode.

図7は、図1及び図6にそれぞれ示す直線A−A’を通り半導体基板に垂直な断面での受光部62及び信号処理回路部66の構造を示す模式的な断面図である。この断面には受光部62の2つのPD64と信号処理回路部66のCMOS68とが現れている。p型シリコン基板であるP-sub層80の一方主面に積層された高比抵抗のエピタキシャル層82は、PINフォトダイオードのi層を構成する。エピタキシャル層82の表面には、上述のトレンチ204,206、カソード領域200及びアノード領域202が形成される。トレンチ204,206は、半導体基板の表面をエッチングして形成される。トレンチ204,206の形成後、半導体基板表面にレジストを塗布し、当該レジストをパターニングしてトレンチ204を囲む開口部を形成する。このレジストをマスクとして、n型不純物のイオン注入を行う。その注入方向を斜めとすることで、トレンチ204の壁面にもイオン注入が行われ、トレンチ204の表面、すなわちトレンチ204の壁面及び底面にカソード領域200が形成される。同様にして、トレンチ206に対応した開口部を有するマスクをレジストを用いて形成し、p型不純物のイオン注入を行って、トレンチ206の表面、すなわちトレンチ206の壁面及び底面にアノード領域202を形成する。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the light receiving unit 62 and the signal processing circuit unit 66 in a cross section perpendicular to the semiconductor substrate through the straight line A-A ′ shown in FIGS. 1 and 6, respectively. In this section, two PDs 64 of the light receiving unit 62 and a CMOS 68 of the signal processing circuit unit 66 appear. High resistivity epitaxial layer 82 laminated on one main surface of P-sub layer 80, which is a p-type silicon substrate, constitutes the i layer of a PIN photodiode. On the surface of the epitaxial layer 82, the trenches 204 and 206, the cathode region 200, and the anode region 202 are formed. The trenches 204 and 206 are formed by etching the surface of the semiconductor substrate. After the trenches 204 and 206 are formed, a resist is applied to the surface of the semiconductor substrate, and the resist is patterned to form an opening surrounding the trench 204. Using this resist as a mask, n-type impurity ions are implanted. By making the implantation direction oblique, ion implantation is performed also on the wall surface of the trench 204, and the cathode region 200 is formed on the surface of the trench 204, that is, on the wall surface and bottom surface of the trench 204. Similarly, a mask having an opening corresponding to the trench 206 is formed using a resist, and ion implantation of p-type impurities is performed to form the anode region 202 on the surface of the trench 206, that is, on the wall surface and bottom surface of the trench 206. To do.

なお、カソード領域200及びアノード領域202の形成工程は、必要に応じて、上述のイオン注入後に行われる熱拡散工程を含み得る。また、カソード領域200、アノード領域202を形成した後、トレンチ204,206に絶縁膜を埋め込んで、受光部表面を平坦化した構造とすることができる。   In addition, the formation process of the cathode area | region 200 and the anode area | region 202 may include the thermal diffusion process performed after the above-mentioned ion implantation as needed. Further, after the cathode region 200 and the anode region 202 are formed, an insulating film is buried in the trenches 204 and 206 so that the surface of the light receiving portion is planarized.

トレンチ204,206を用いて形成したカソード領域200、アノード領域202は、上述のように、PINフォトダイオードのカソード及びアノードを構成する一方、各PD64を取り囲んで、各PD64をその外側から分離する機能も有している。ちなみに、このような構成は、STI(Shallow Trench Isolation)技術として知られている。   As described above, the cathode region 200 and the anode region 202 formed by using the trenches 204 and 206 constitute the cathode and the anode of the PIN photodiode, and surround each PD 64 and separate each PD 64 from the outside. Also have. Incidentally, such a configuration is known as an STI (Shallow Trench Isolation) technique.

各PD64のカソード領域200及びアノード領域202で囲まれた内側部分には、エピタキシャル層82が表面に現れる。後述するように、この部分が、受光部への入射光に対して感度を有する半導体領域(受光半導体領域208)となる。   An epitaxial layer 82 appears on the inner surface of each PD 64 surrounded by the cathode region 200 and the anode region 202. As will be described later, this portion becomes a semiconductor region (light receiving semiconductor region 208) having sensitivity to light incident on the light receiving portion.

図8は、本光検出器60の動作時における回路構成及び、受光部62の断面でのポテンシャル分布を示す模式図である。図8に示す受光部62の断面は図7と同様、図1,図6に示す直線A−A’に沿ったものである。カソード領域200は、電圧源120によって、接地電位とされたアノード領域202及びP-sub層80に対して逆バイアス状態とされる。具体的には、各カソード領域200からの配線はそれぞれオペアンプ122の一方入力端子に接続され、当該オペアンプ122の他方入力端子に電圧源120からの正電圧Vbが入力される。オペアンプ122は、抵抗を介して出力端子がカソード領域200に接続され、電流検出器を構成する。この構成により、カソード領域200はVbを印加され、かつカソード電流に応じた電圧がオペアンプ92の出力端子に取り出される。ちなみに、オペアンプ122を含む電流検出器は、信号処理回路部66に形成することができる。   FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a circuit configuration during the operation of the photodetector 60 and a potential distribution in a cross section of the light receiving unit 62. The cross section of the light receiving portion 62 shown in FIG. 8 is along the straight line A-A ′ shown in FIGS. The cathode region 200 is reverse-biased by the voltage source 120 with respect to the anode region 202 and the P-sub layer 80 which are set to the ground potential. Specifically, the wiring from each cathode region 200 is connected to one input terminal of the operational amplifier 122, and the positive voltage Vb from the voltage source 120 is input to the other input terminal of the operational amplifier 122. The operational amplifier 122 has an output terminal connected to the cathode region 200 via a resistor, and constitutes a current detector. With this configuration, Vb is applied to the cathode region 200 and a voltage corresponding to the cathode current is extracted to the output terminal of the operational amplifier 92. Incidentally, the current detector including the operational amplifier 122 can be formed in the signal processing circuit unit 66.

断面図にはいくつかの等電位線を点線で示している。この断面図は、PINフォトダイオードのカソードとアノードとに逆バイアス電圧を印加したことにより、i層を構成するエピタキシャル層82に空乏層が広がっていることを示している。カソード領域200及びアノード領域202は、共に半導体基板表面に配置され、かつそれらの間にて半導体基板表面近傍に位置する受光半導体領域208はi層を構成する。この構成により、逆バイアス電圧印加時に、受光半導体領域208に対応した半導体基板表面近傍にも空乏層が広がる。   In the sectional view, several equipotential lines are indicated by dotted lines. This sectional view shows that a depletion layer spreads in the epitaxial layer 82 constituting the i layer by applying a reverse bias voltage to the cathode and the anode of the PIN photodiode. The cathode region 200 and the anode region 202 are both disposed on the surface of the semiconductor substrate, and the light receiving semiconductor region 208 located between the surface of the semiconductor substrate and between them constitutes an i layer. With this configuration, when a reverse bias voltage is applied, a depletion layer also extends near the surface of the semiconductor substrate corresponding to the light receiving semiconductor region 208.

空乏層内のポテンシャル電位は、アノード領域202からカソード領域200に向けて深くなる。つまり、各カソード領域200に応じた位置に電位井戸が形成される。また、アノード領域202の位置に対応したPD64相互の境界部分は、ポテンシャル電位が浅くなり、電子の移動に対する電位障壁を形成し、PD64相互の素子分離を実現する。   The potential potential in the depletion layer becomes deeper from the anode region 202 toward the cathode region 200. That is, a potential well is formed at a position corresponding to each cathode region 200. In addition, the potential potential at the boundary between the PDs 64 corresponding to the position of the anode region 202 becomes shallow, forming a potential barrier against the movement of electrons, thereby realizing element isolation between the PDs 64.

各PD64に入射した光は、空乏層にて吸収され信号電荷として電子−正孔の対を生じ、それらのうち電子が近傍のカソード領域200に集められる。各カソード領域200に集められた電子の量は、カソード電流としてオペアンプ122を介して検出される。本光検出器60のPD64では、受光半導体領域208の表面近傍で吸収される光によっても信号電荷が生成され、当該信号電荷をカソード領域200から検出することができる。これにより、半導体基板表面近傍で吸収される短波長の光によって発生する信号電荷を受光信号として取り出すことが可能となり、短波長光に対する感度を得ることができる。   The light incident on each PD 64 is absorbed in the depletion layer to generate electron-hole pairs as signal charges, and electrons among them are collected in the nearby cathode region 200. The amount of electrons collected in each cathode region 200 is detected via the operational amplifier 122 as a cathode current. In the PD 64 of the photodetector 60, signal charges are also generated by light absorbed near the surface of the light receiving semiconductor region 208, and the signal charges can be detected from the cathode region 200. As a result, signal charges generated by light having a short wavelength absorbed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate can be extracted as a light reception signal, and sensitivity to short wavelength light can be obtained.

ちなみに、トレンチ204,206を形成するエッチング方法として例えば、RIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチング技術を用いることで、トレンチ204,206を細く形成することができ、各PD64の半導体基板表面での面積に占める受光半導体領域208の割合を大きくすることができる。これにより、各PD64の感度向上が図られる。   Incidentally, as an etching method for forming the trenches 204 and 206, for example, by using an anisotropic etching technique such as RIE (Reactive Ion Etching), the trenches 204 and 206 can be formed thinly, and the surface of the semiconductor substrate of each PD 64 It is possible to increase the proportion of the light receiving semiconductor region 208 in the area. As a result, the sensitivity of each PD 64 can be improved.

また、カソード領域200及びアノード領域202とエピタキシャル層82との接合面積を小さくすることができるので、PINフォトダイオードのカソードとアノードとの端子間容量が抑制され、良好な応答性を確保することが可能となる。   Further, since the junction area between the cathode region 200 and the anode region 202 and the epitaxial layer 82 can be reduced, the inter-terminal capacitance between the cathode and the anode of the PIN photodiode can be suppressed, and good responsiveness can be ensured. It becomes possible.

本光検出器60の構成では、信号処理回路部66において回路素子が内部に形成されるNウェル86が、極めて不純物濃度が低いエピタキシャル層82内に形成される。そのため、Nウェル86との境界のエピタキシャル層82に空乏層が拡がり易く、これに起因してリーク電流が生じ易い。特に、PINフォトダイオードは逆バイアス状態で使用され、そのアノードであるP-sub層80が信号処理回路部66の下にも広がる。Nウェル86とP-sub層80との電位差が小さい(又は逆バイアスである)とエピタキシャル層82はより空乏化し易いが、本光検出器60では、Nウェル86とエピタキシャル層82との境界に、エピタキシャル層82より不純物濃度の高いPウェル84を設け、Nウェル86とのpn接合部分での空乏層の広がりを小さくし、リーク電流の抑制を図っている。   In the configuration of the photodetector 60, an N well 86 in which circuit elements are formed in the signal processing circuit section 66 is formed in an epitaxial layer 82 having a very low impurity concentration. Therefore, a depletion layer is likely to spread in the epitaxial layer 82 at the boundary with the N well 86, and a leak current is likely to occur due to this. In particular, the PIN photodiode is used in a reverse bias state, and the P-sub layer 80 serving as the anode extends under the signal processing circuit section 66. If the potential difference between the N well 86 and the P-sub layer 80 is small (or reverse biased), the epitaxial layer 82 is more likely to be depleted. However, in the photodetector 60, the boundary between the N well 86 and the epitaxial layer 82 is present. A P well 84 having an impurity concentration higher than that of the epitaxial layer 82 is provided to reduce the spread of the depletion layer at the pn junction with the N well 86, thereby suppressing leakage current.

また、Pウェル84がNウェル86の側面も覆う構造とすることで、Nウェル86から横方向への空乏層も抑制されリーク電流の低減が図られる。特に、PD64はアノード領域202がNウェル86に隣接するレイアウトとされる場合もあり、その場合にはそれらの間のエピタキシャル層82に横方向に拡がる空乏層が形成され易い。しかし、本光検出器60では、上述のようにPウェル84がNウェル86の側部にも配置される構造とすることで、この場合にも空乏層を好適に抑制しリーク電流を抑制することが可能となる。   Further, by adopting a structure in which the P well 84 also covers the side surface of the N well 86, a depletion layer in the lateral direction from the N well 86 is suppressed, and leakage current is reduced. In particular, the PD 64 may have a layout in which the anode region 202 is adjacent to the N well 86, and in this case, a depletion layer extending in the lateral direction is easily formed in the epitaxial layer 82 therebetween. However, in the present photo detector 60, the P well 84 is also disposed on the side of the N well 86 as described above, and in this case as well, the depletion layer is suitably suppressed and the leakage current is suppressed. It becomes possible.

本発明の実施形態である光検出器の概略の平面図である。1 is a schematic plan view of a photodetector that is an embodiment of the present invention. 第1の実施形態に係る光検出器の受光部の平面図である。It is a top view of the light-receiving part of the photodetector which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光検出器の断面図である。It is sectional drawing of the photodetector which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光検出器の動作時における回路構成及び、受光部の断面でのポテンシャル分布を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the circuit structure at the time of operation | movement of the photodetector which concerns on 1st Embodiment, and the potential distribution in the cross section of a light-receiving part. 第1の実施形態に係る光検出器の他の受光部の断面図である。It is sectional drawing of the other light-receiving part of the photodetector which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る光検出器の受光部の平面図である。It is a top view of the light-receiving part of the photodetector which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る光検出器の受光部の断面図である。It is sectional drawing of the light-receiving part of the photodetector which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る光検出器の動作時における回路構成及び、受光部の断面でのポテンシャル分布を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the circuit structure at the time of operation | movement of the photodetector which concerns on 2nd Embodiment, and the potential distribution in the cross section of a light-receiving part. 光検出器の受光部及び、当該受光部上での反射光像を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the light-receiving part of a photodetector, and the reflected light image on the said light-receiving part. 従来の光検出器を構成する1つの受光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of one light receiving element which comprises the conventional photodetector. PINフォトダイオード構造の受光部と増幅器等の回路とを同一の半導体チップ上に形成した光検出器の問題点を説明する素子断面図である。It is an element sectional view explaining a problem of a photodetector in which a light receiving part of a PIN photodiode structure and a circuit such as an amplifier are formed on the same semiconductor chip.

符号の説明Explanation of symbols

60 光検出器、62 受光部、64 PINフォトダイオード(PD)、66 信号処理回路部、68 CMOS、70 分離領域、72,200 カソード領域、74,76 配線、80 P-sub層、82 エピタキシャル層、84 Pウェル、86,92 Nウェル、88,102 pチャネルMOSFET、90 nチャネルMOSFET、94,104 ソース領域、96,106 ドレイン領域、98 ゲート酸化膜、100,110 ゲート電極、112 LOCOS、116 反射防止膜、120 電圧源、122 オペアンプ、202 アノード領域、204,206 トレンチ、208 受光半導体領域。   Reference Signs List 60 photo detector, 62 light receiving unit, 64 PIN photodiode (PD), 66 signal processing circuit unit, 68 CMOS, 70 isolation region, 72,200 cathode region, 74,76 wiring, 80 P-sub layer, 82 epitaxial layer , 84 P well, 86, 92 N well, 88, 102 p channel MOSFET, 90 n channel MOSFET, 94, 104 source region, 96, 106 drain region, 98 gate oxide film, 100, 110 gate electrode, 112 LOCOS, 116 Antireflection film, 120 voltage source, 122 operational amplifier, 202 anode region, 204, 206 trench, 208 light receiving semiconductor region.

Claims (7)

共通の半導体基板に形成された受光部及び回路部を有する半導体装置であって、
前記半導体基板の主面に設けられ、低不純物濃度により高比抵抗に形成される高比抵抗領域を有し、
前記受光部は、
前記高比抵抗領域に接して配置され、前記高比抵抗領域よりも高不純物濃度の第1導電型半導体領域であって第1電圧を印加される第1電極領域と、
前記高比抵抗領域に接して配置され、前記高比抵抗領域よりも高不純物濃度の第2導電型半導体領域であって第2電圧を印加される第2電極領域と、
を有し、
前記第1電極領域及び前記第2電極領域相互間は、前記第1電圧及び前記第2電圧により逆バイアス状態とされて、前記高比抵抗領域に空乏層を形成し、
前記回路部は、
前記主面に設けられ、内部に回路素子が形成される第1導電型半導体領域である回路素子領域と、
前記高比抵抗領域及び前記回路素子領域の間の境界を構成し、前記高比抵抗領域よりも高不純物濃度の第2導電型半導体領域である接合境界領域と、
を有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a light receiving portion and a circuit portion formed on a common semiconductor substrate,
A high resistivity region provided on a main surface of the semiconductor substrate and formed to have a high resistivity by a low impurity concentration;
The light receiving unit is
A first electrode region that is disposed in contact with the high specific resistance region and has a higher impurity concentration than the high specific resistance region and to which a first voltage is applied;
A second electrode region that is disposed in contact with the high resistivity region and is a second conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than the high resistivity region and to which a second voltage is applied;
Have
The first electrode region and the second electrode region are reversely biased by the first voltage and the second voltage to form a depletion layer in the high specific resistance region,
The circuit section is
A circuit element region which is a first conductivity type semiconductor region provided on the main surface and in which a circuit element is formed;
Forming a boundary between the high resistivity region and the circuit element region, and a junction boundary region which is a second conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than the high resistivity region;
A semiconductor device comprising:
請求項1に記載の半導体装置において、
前記高比抵抗領域は、第2導電型半導体領域であること、を特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the high specific resistance region is a second conductivity type semiconductor region.
請求項1又は請求項2に記載の半導体装置において、
前記高比抵抗領域は、200Ω・cm以上の比抵抗を有すること、を特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The high specific resistance region has a specific resistance of 200 Ω · cm or more.
請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記高比抵抗領域は、エピタキシャル成長層であること、を特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
The semiconductor device, wherein the high specific resistance region is an epitaxial growth layer.
請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第2電極領域は、前記高比抵抗領域の下地層であり、
前記第1電極領域及び前記回路素子領域はそれぞれ、前記高比抵抗領域の表層部に形成されること、
を特徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
The second electrode region is a base layer of the high resistivity region;
Each of the first electrode region and the circuit element region is formed in a surface layer portion of the high resistivity region;
A semiconductor device characterized by the above.
請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第1電極領域、前記第2電極領域及び前記回路素子領域はそれぞれ、前記高比抵抗領域の表層部に形成されること、
を特徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
Each of the first electrode region, the second electrode region, and the circuit element region is formed in a surface layer portion of the high resistivity region;
A semiconductor device characterized by the above.
請求項6に記載の半導体装置において、
他の前記第2電極領域は、当該高比抵抗領域の下地層であること、を特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6.
Another said 2nd electrode area | region is a base layer of the said high specific resistance area | region, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
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