专利名称：光接收元件及其制造方法以及具有内建电路的光接收元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光接收元件、其制造方法、以及具有内建电路的光接收元件。
背景技术：
光电二极管已知为一种类型的光接收元件。光电二极管具有用于将光学信号转换为电学信号的光电转换功能，并且广泛应用于光拾取器、光学空间传输器件(optical spatial transmission devices)等。
光电二极管如下地进行光电转换。
对形成于光电二极管内半导体层中的PN结施加反向偏置电压，并且以光照射通过施加反向偏置电压而形成的耗尽层以及耗尽层的附近。由此，在半导体层中产生载流子(光生载流子)。光生载流子依照产生于扩散层中的电势梯度(内建电场)移动到达耗尽层，在耗尽层产生了光学活化力(opticalactivating force)(光电流)。
近来，对诸如CD(光盘)、DVD(数字化视频光盘)等光学记录媒质的需求增大。为满足这一需要，正在积极地研究用作包括于光盘设备中的光拾取器的光电二极管，该光盘设备用于向光学记录媒质记录信息和/或从光学记录媒质重现信息。
通常，光学记录媒质的记录密度可随着用作光源的半导体激光器的谐振波长的缩短而增大。用于光拾取器的半导体激光器的谐振波长在光学记录媒质为CD的情况下为780nm，而在光学记录媒质为DVD的情况下为650nm。随着光学记录媒质记录密度的增大，要求具有更短谐振波长的半导体激光器。预期，将来会需要一种用于发射具有约405nm波长的光的半导体激光器。所需要的半导体激光器的谐振波长将不得不越来越短。
随着用作光源的半导体激光器的谐振波长变短，光电二极管的半导体层的光吸收系数增大。例如，硅的光吸收系数对于波长为650nm的光为2500cm-1，而对于波长为410nm的光为30000cm-1。硅的光吸收系数对于波长为410nm的光是波长为650nm的光的10倍或更高。
半导体层的厚度(从半导体层的表面起的深度)随着谐振波长变短而减小，其中在该半导体层，进入半导体层内部的光强为半导体层表面处光强的10％。对于硅，这一厚度对于波长为650nm的光为9.2μm，而对于波长为410nm的光为0.76μm。厚度对于波长为410nm的光为对于波长为650nm的光的1/10或更小。
由此，随着由半导体激光器发射的光的谐振波长变短，光电二极管的光吸收系数增大。
因此，当半导体激光器的谐振波长缩短时，产生于光电二极管的半导体层表面附近的电子-空穴对(光生载流子)的数量增加。预期，这将导致半导体层表面附近的光生载流子的行为极大地影响光电二极管的灵敏度和响应速度。例如，用于接收光的光电二极管的光接收部分表面附近的杂质浓度和杂质浓度分布将极大地影响光电二极管的光接收灵敏度。
现在已经要求光电二极管具有更快的响应速度。为了提高光电二极管的响应速度，通过使用具有大于等于约100Ωcm的高电阻率的衬底或具有形成于其上的大于等于约100Ωcm的高电阻率外延层的衬底，来减小光电二极管的结电容。在本说明书下面的介绍中，具有大于等于约100Ωcm的高电阻率的衬底以及具有形成于其上的大于等于约100Ωcm的高电阻率外延层的衬底统称为“高电阻率衬底”。
例如，日本专利待审查公开No.7-240534公开了一种可处理短波长光的采用高电阻率衬底的光接收元件。
图8为示出在日本专利待审查公开No.7-240534中公开的传统光接收元件100的结构的示意截面图。为方便起见，图8显示了光接收元件100的一部分。
光接收元件100包括含硅的、具有高电阻率的n-半导体衬底103(以下，表示为n-高电阻率半导体衬底103)；以及，通过从n-高电阻率半导体衬底103的表面以1×1020cm-3的峰值浓度扩散p型杂质至小于等于约0.1μm的深度而形成的p+杂质扩散区105。以下，p+杂质扩散区105将称作“光接收部分扩散层”。光接收部分扩散层105为外延层。
将光接收部分扩散层105用作阳极。在光接收部分扩散层105上形成氧化层106。光接收部分扩散层105经形成于氧化层106中的开口连接至由金属层形成的阳极电极107a。
光接收部分扩散层105中的阳极电极形成区105a形成得比光接收部分(其上未形成电极的光接收部分扩散层105的中间区域)更深。利用这一结构，降低了光接收元件100的电阻。光接收元件100构造为使得光接收部分扩散层105中p型杂质的峰值浓度的位置尽可能地接近光接收部分扩散层105的表面。
形成用作阴极的n+杂质扩散区(阴极扩散层)104，使其围绕光接收部分扩散层105。
每个n+杂质扩散区104都经形成于氧化层106中的开口而连接至由金属层形成的阴极电极107b。
底部N+扩散层102和底部氧化层101按此顺序形成于n-半导体衬底103的底面上。
在光接收元件100中，在形成于阴极扩散层104上的阴极电极107b与形成于光接收部分扩散层105上的阳极电极107a之间施加指定的电压。由此，向光接收部分扩散层105与n-半导体衬底103之间的PN结施加反向偏置电压。
图9为示出沿图8的线X′-Y′截取的截面处，光接收部分扩散层105和n-高电阻率半导体衬底103的杂质浓度分布的示意图。
图9中，纵轴表示硅中的杂质浓度，而横轴表示从光电二极管的表面起(即，从光接收部分扩散层105的表面起)的深度。
如图9所示，n-高电阻率半导体衬底103具有很低的杂质浓度。因此，在施加反向偏置电压时，形成了从光接收部分扩散层105与n-高电阻率半导体衬底103之间的结朝向n-高电阻率半导体衬底103展宽地延伸的耗尽层。由此减小了光电二极管的结电容，这实现了高响应速度。
在此情况下，当由光接收元件100接收的光的波长变短，并且由此增大了光接收元件100表面附近吸收的光量时，产生于光接收部分扩散层105中的光生载流子的数量增大，从而导致了光接收部分扩散层105表面附近的复合，并且由此降低了光接收元件100的量子效率。然而，在光接收元件100中，光接收部分扩散层105形成为浅至小于等于约0.1μm，从而防止量子效率降低。由于此种结构，产生于光接收部分扩散层105中的光生载流子的数量减少，而产生于比光接收部分扩散层105更深的水平处的光生载流子的数量增大。因此，更大数量的光生载流子抵达耗尽层。由此，使光接收元件100获得了改善的灵敏度。
另外，由于光接收部分扩散层105如上所述地浅，因此杂质浓度分布可如图9中一样陡，这导致了电势梯度的陡峭。当这一情况发生时，可改善光生载流子移动至耗尽层的速度。因此，光生载流子可在复合发生前到达耗尽层。由此，光接收元件100获得了改善的灵敏度。
在杂质的峰值浓度位置位于光接收部分扩散层105内部的情况下，产生于表面附近的光生载流子不是处于光接收部分扩散层105的表面，而是根据光接收部分扩散层105中杂质的浓度分布朝向表面运动。这促进了表面处的复合。为防止光生载流子向表面运动，光接收元件100构造为使得杂质的峰值浓度位置尽可能地接近光接收部分扩散层105的表面，如图9所示。按此方式，抑制了表面处的复合，并且光接收元件100获得了改善的灵敏度。
近来，如上所述，需要更高的密度和更高的响应速度用于光学记录媒质。为了适应这一要求，由用作光源的半导体激光器发射的光的波长变得越来越短。
然而，随着光的波长变短，光接收元件的灵敏度降低。例如，硅的光电转换效率对于λ＝780nm波长的光理论上为0.629A/W，对于λ＝650nm波长的光为0.524A/W，而对于λ＝405nm波长的光为0.327A/W。
因此，对于由光接收元件接收的相同的光量，当光的波长变短时，所得电流的大小变小。这降低了电路的S/N比。在这种情况下，需要提高量子效率使其尽可能地为100％。特别是在使用蓝色激光的光盘设备中，强烈地需要提高对于405nm波长的量子效率至接近100％，从而实现高灵敏度。
在日本专利待审查公开No.7-240534中介绍的光接收元件100中，光接收部分扩散层形成为浅至小于等于约0.1μm，使得产生于光接收部分扩散层中的光生载流子的数量减少，并且改善了光接收的灵敏度。峰值杂质浓度的位置尽可能地接近光接收部分扩散层的表面，从而抑制了表面处的复合，并且改善了光接收的灵敏度。“峰值杂质浓度”表示杂质扩散层的杂质浓度的峰值。“杂质扩散层”通过扩散杂质形成。
当光学记录媒质的记录密度增大时，需要光接收元件的更高的数据读取速度，并且由此需要的更高的响应速度。光接收元件的响应速度fc通常表示为fc(-3dB)＝1/(2πRC)其中，R表示光接收元件的诸如阴极电阻、阳极电阻等的串联电阻，而C表示光接收元件的电容。由上面的表述可以理解，光接收元件的响应速度随着光接收元件的串联电阻和电容的减小而增大。
在日本专利待审查公开No.7-240534中介绍的光接收元件100中，使用了n高电阻率半导体衬底，使得光接收元件的电容充分地降低。然而，浅至小于等于约0.1μm的光接收部分扩散层105具有很高的电阻。为降低光接收元件的串联电阻从而实现更高的响应速度，期望将光接收部分扩散层105形成得比约0.1μm更深，同时避免降低量子效率。
需要提供一种光接收元件，由于外延层中的光接收部分扩散层从其表面起形成得足够深而使得该光接收元件具有较高的响应速度和较低的电阻，并且还具有对于具有短至例如405nm的波长的光的改善的灵敏度。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种光接收元件，包括衬底；以及，外延层，设置在衬底上并包括从外延层的表面延伸至预定深度的杂质扩散层。该预定深度为小于等于约0.3μm。杂质扩散层包括浓度小于约1×1020cm-3的杂质。
在本发明的一个实施例中，衬底为第一导电类型，而杂质为第二导电类型。
在本发明的一个实施例中，外延层为第一导电类型。
在本发明的一个实施例中，外延层为第二导电类型。
在本发明的一个实施例中，杂质扩散层具有大于等于约1×1017cm-3但小于约1×1020cm-3的峰值杂质浓度。
在本发明的一个实施例中，该预定深度大于约0.1μm但小于等于约0.3μm。
在本发明的一个实施例中，杂质扩散层具有超向外延层表面增大的浓度。
在本发明的一个实施例中，杂质为砷。
在本发明的一个实施例中，第一导电类型为p型，而第二导电类型为n型。
在本发明的一个实施例中，还包括反射防止层，反射防止层包括氧化层和Si3N4层，并且设置在外延层的表面上。
在本发明的一个实施例中，外延层为具有大于等于约100Ωcm的电阻率的高电阻率层。
在本发明的一个实施例中，还包括具有大于等于约100Ωcm的电阻率的高电阻率层，并且高电阻率层设置在衬底与外延层之间。
在本发明的一个实施例中，光接收元件执行具有大于等于约390nm但小于等于约420nm波长的光的光电转换。
根据本发明的另一个方面，一种制造光接收元件的方法，包括步骤在衬底上形成外延层；以及，向外延层中注入杂质至预定深度，从而形成杂质扩散层。该预定深度约为0.3μm或更小。杂质扩散层包括浓度小于约1×1020cm-3的杂质。
在本发明的一个实施例中，形成杂质扩散层的步骤包括经形成于外延层表面上的氧化层离子注入杂质的步骤。
根据本发明的又一个方面，一种具有内建电路的光接收元件，包括光接收元件，包括衬底；以及，外延层，设置在衬底上并包括从外延层的表面延伸至预定深度的杂质扩散层，其中该预定深度约为0.3μm或更小，并且杂质扩散层包括小于约1×1020cm-3的浓度的杂质；以及，电路元件，设置在衬底上。
根据本发明的又一个方面，一种光接收元件，包括衬底；以及，设置在衬底上的外延层，并且外延层包括从外延层的表面延伸至预定深度的杂质扩散层。该预定深度大于约0.3μm但小于等于约1.2μm。杂质扩散层包括浓度小于约1×1019cm-3的杂质。
在本发明的一个实施例中，衬底为第一导电类型，而杂质为第二导电类型。
在本发明的一个实施例中，外延层为第一导电类型。
在本发明的一个实施例中，外延层为第二导电类型。
在本发明的一个实施例中，杂质扩散层具有大于等于约1×1017cm-3但小于约1×1019cm-3的峰值杂质浓度。
在本发明的一个实施例中，杂质扩散层具有超向外延层表面增大的浓度。
在本发明的一个实施例中，杂质为砷。
在本发明的一个实施例中，第一导电类型为p型，而第二导电类型为n型。
在本发明的一个实施例中，还包括反射防止层，反射防止层包括氧化层和Si3N4层，并且设置在外延层的表面上。
在本发明的一个实施例中，外延层为具有大于等于约100Ωcm的电阻率的高电阻率层。
在本发明的一个实施例中，还包括具有大于等于约100Ωcm的电阻率的高电阻率层，并且高电阻率层设置在衬底与外延层之间。
在本发明的一个实施例中，光接收元件执行具有大于等于390nm但小于等于420nm波长的光的光电转换。
根据本发明的又一个方面，一种制造光接收元件的方法，包括步骤在衬底上形成外延层；以及，向外延层中注入杂质至预定深度，从而形成杂质扩散层。该预定深度大于约0.3μm但小于等于约1.2μm。杂质扩散层包括浓度小于约1×1019cm-3的杂质。
在本发明的一个实施例中，形成杂质扩散层的步骤包括经形成于外延层表面上的氧化层离子注入杂质的步骤。
根据本发明的又一个方面，一种具有内建电路的光接收元件，包括光接收元件，包括衬底；以及，设置在衬底上的外延层，并且外延层包括从外延层的表面延伸至预定深度的杂质扩散层，其中该预定深度大于约0.3μm但小于等于约1.2μm，并且杂质扩散层包括浓度小于约1×1019cm-3的杂质；以及，电路元件，设置在衬底上。
在衬底上包括外延层和从外延层的表面延伸至预定深度的杂质扩散层的光接收元件中，产生于杂质扩散层中的光生载流子通过由杂质扩散层的杂质浓度梯度导致的电势梯度运动至耗尽层。由此，产生了光电流。当杂质扩散层具有高杂质浓度时，光生载流子的寿命缩短；即光生载流子到达耗尽层前复合并消失。这种光生载流子无法对光电流产生贡献，并且由此降低了光接收元件的灵敏度(量子效率)。
由于由光接收元件接收的光的波长被缩短(例如，至约390nm至420nm)，光接收元件的半导体层中的光吸收系数增大，导致了光从半导体层的表面穿透半导体层仅较小的距离。这增大了杂质扩散层中的光生载流子的数量。由此，在杂质扩散层具有高杂质浓度的情况下，光接收元件的量子效率明显降低。
为了防止杂质扩散层中的光生载流子复合，并且由此防止了量子效率降低，具有高杂质浓度的杂质扩散层通常形成得很浅(即，具有小于等于约0.1μm的深度)。在此情况下，杂质浓度分布很陡，并且由此使得电势梯度很陡，从而增大了移动至耗尽层的光生载流子的速度。因此，光生载流子可抵达耗尽层，而不复合。根据此方法，然而，杂质扩散层很浅，并且由此使得电阻很高，这升高了光电二极管的串联电阻。由此，降低了光接收元件的响应速度。
根据本发明，杂质扩散层形成得很深，从而降低了电阻，由此实现了高速响应。另外，根据本发明，杂质扩散层的杂质浓度被降低，从而允许光生载流子运动至耗尽层，而不复合，这延长了光生载流子的寿命。
例如，在杂质扩散层从外延层的表面形成至大于约0.1μm但小于等于0.3μm的深度的情况下，杂质扩散层的杂质浓度低于约1×1020cm-3。在杂质扩散层从外延层的表面形成至大于约0.3μm但小于等于1.2μm的深度的情况下，杂质扩散层的杂质浓度低于约1×1019cm-3。当杂质浓度太低时，降低了响应速度。这样，当需要高速响应时，峰值杂质浓度优选大于等于约1×1017cm-3。
当峰值杂质浓度的位置位于杂质扩散层内，而不在其表面时，产生于表面附近的光生载流子依据杂质扩散层的杂质浓度分布朝向杂质扩散层的表面运动。由此，促进了表面处光生载流子的复合。为了防止了种情况，杂质优选分布在杂质扩散层中，使得杂质具有朝向表面增大的浓度。在此情况下，表面处光生载流子的复合被抑制，并且由此改善了光接收元件的灵敏度。
杂质扩散层优选通过经形成于外延层表面上的氧化层执行离子注入而形成。该形成优选控制为使得峰值杂质浓度的位置在氧化层内。由此，可容易地形成具有朝向外延层表面增大的杂质浓度的杂质浓度分布。
作为杂质扩散层的杂质，优选使用砷，由于砷具有很低的扩散系数，并且因此可容易地控制杂质扩散层深度。特别是，在一个衬底上包括光接收元件和电路元件的具有内建电路的光接收元件由于用于形成电路的热处理而暴露于高温。因此，优选通过使用具有低扩散系数的砷来控制杂质扩散层的深度。
在外延层的表面上设置由氧化层和Si3N4形成的反射防止层的情况下，可进一步改善光接收元件的灵敏度。
在杂质扩散层接近衬底的表面上设置具有大于等于约100Ωcm的高电阻率的高电阻率半导体层的情况下，在施加反向偏致电压时，耗尽层朝向高电阻率层延伸。由此，降低了光接收元件的电容，从而实现了高速响应。外延层可为高电阻率层。
由此，此处描述的本发明使提供具有对于短波长光的高灵敏度并具有高响应速度的光接收元件、其制造方法以及具有内建电路的光接收元件的优点成为可能。
本发明的这些和其它优点对于本领域技术人员，将通过阅读并理解下面参照附图进行的详细介绍而变得明显易懂。
图1为示出根据本发明第一示例的具有内建电路的光接收元件的示意结构的截面图；图2为示出杂质浓度分布的视图，用于说明产生于图1的具有内建电路的光接收元件的n型杂质扩散层中的光生载流子的行为；图3为示出杂质浓度分布的视图，用于说明产生于n型杂质扩散层中的光生载流子的行为；图4为示出对于波长405nm的光的量子效率的视图，其在杂质扩散深度和峰值杂质浓度变化的情况下获得；图5为示意地示出在沿图1的线X-Y截取的具有内建电路的光接收元件的截面处的n型杂质扩散层、n型外延层和p型高电阻率外延层的杂质浓度分布的视图；图6A至6D为示出制造图1所示的具有内建电路的光接收元件的方法的截面图；图7为示意地示出与图5相对应的，根据本发明第二示例具有内建电路的光接收元件的杂质浓度分布的视图；
图8为示出传统光接收元件的结构的示意截面图；以及图9为示意地示出沿图8的线X′-Y′截取的截面处的光接收部分扩散层和n-高电阻率半导体衬底的杂质浓度分布的视图。
具体实施例方式
下面，将参照附图以说明性示例的方式介绍本发明。
在下面的描述中，将在一个衬底上包括光接收元件和电路元件的、具有内建电路的光接收元件作为示例介绍。本发明不限于此类具有内建电路的光接收元件，还涵盖了在衬底上包括光接收元件而不具有电路元件的结构。
示例1图1为示意性地示出根据本发明第一示例的具有内建电路20的光接收元件结构的截面图。为方便起见，图1示出了具有内建电路20的光接收元件的包括一个光电二极管区域和一个双极晶体管元件区域的部分。
具有内建电路20的光接收元件包括p型半导体衬底1，由硅等形成并具有约40Ωcm的电阻率；p型高浓度埋入扩散层2；p型高电阻率外延层3，具有大于等于约100Ωcm的电阻率；以及，n型外延层6，具有约1Ωcm至5Ωcm的电阻率。层2、3和6按此顺序依次堆叠在p型半导体衬底1上。
具有内建电路20的光接收元件包括光电二极管区域30和邻近光电二极管区域30的双极晶体管元件区域40。光电二极管区域30起光接收元件的作用，而双极晶体管元件区域40起电路元件的作用。
光电二极管区域30和双极晶体管元件区域40彼此通过p型埋入扩散层4和p型分离扩散层7隔开。p型埋入扩散层4设置在p型高电阻率外延层3中，并且从p型高电阻率外延层3与p型高浓度埋入扩散层2之间的界面延伸至p型高电阻率外延层3与n型外延层6之间的界面。p型分离扩散层7设置在n型外延层6中，并且从n型外延层6的顶面延伸至p型埋入扩散层4。
光电二极管区域30包括n型杂质扩散层8，其通过以小于约1×1020cm-3的峰值浓度(例如，约8×1019cm-3)从n型外延层6的表面扩散n型杂质至小于等于约0.3μm的深度(例如，约0.3μm)而形成。
双极晶体管元件区域40包括埋在p型高电阻外延层3与n型外延层6之间的n型埋入扩散层5。在n型埋入扩散层5上，彼此相邻地设置双极n型阱扩散层9和另一个n型杂质扩散层8。在双极n型阱扩散层9中，p-基极扩散层10和p+基极扩散层11设置为使得p+基极扩散层11围绕p-基极扩散层10。n型发射极扩散层12设置在p-基极扩散层10。
表面保护绝缘层13设置在n型外延层6的整个表面上，n型外延层6包括如上所述的光电二极管区域30和双极晶体管元件区域40的上述各层。在表面保护绝缘层13中形成开口。该开口抵达光电二极管区域30中的n型杂质扩散层8和p型分离扩散层7、以及双极晶体管元件区域40中的n型杂质扩散层8、p+基极扩散层11和n型发射极扩散层12。每个开口都填以引线(电极)金属层14。
图2和3都示意性地示出杂质浓度分布，其说明了产生于n型杂质扩散层8中的光生载流子的行为。在图2和3中，纵轴表示硅中的杂质浓度，而横轴表示从光电二极管区域表面起(从n型外延层6的表面起)的深度。
如图2所示，产生于n型杂质扩散层8中的光生载流子由n型杂质的浓度梯度产生的电势梯度而运动至耗尽层，并且由此产生了光电流。然而，当n型杂质扩散层8的杂质浓度太高时，光生载流子发生复合并且在抵达耗尽层之前消失，由此缩短了光生载流子的寿命。在此情况下，光生载流子无法为光电流的产生做出贡献，并且由此降低了光电二极管区域30的量子效率。
特别是，当光波长缩短并且由此使光吸收系数增大(导致了光穿透半导体层仅仅较小的距离)时，产生于n型半导体扩散层8中的光生载流子的数量增加。因此，当n型杂质扩散层8太高时，明显降低了光电二极管区域30的量子效率。
为了防止由于高浓度杂质扩散层中光生载流子的复合而降低量子效率，并且由此最优化杂质浓度分布，给出了以下两种可选用的方法。
方法1(图3)当n型杂质扩散层8的杂质浓度很高时，为了使杂质浓度分布的梯度更陡从而使电势梯度更陡，将n型杂质扩散层8形成得很浅。在此情况下，运动至耗尽层的光生载流子的速度与n型杂质扩散层8更深的情况相比更高。由此，光生载流子可在不复合的情况下运动至耗尽层。
方法2当n型杂质扩散层8很深时，杂质浓度被降低，从而允许光生载流子可在不复合的情况下运动至耗尽层，由此延长了光生载流子的寿命。
根据方法1，由于n型杂质扩散层8很浅，增大了电阻并且由此降低了响应速度。因此，本发明采取方法2，使得光电二极管区域30具有提高的响应速度和改善的量子效率。
图4为示出对于波长405nm的光的量子效率的视图，其在变化n型杂质扩散层8的扩散深度和杂质浓度的同时获得。在图4中，纵轴表示对于波长405nm的光，光电二极管区域30的量子效率。横轴表示n型杂质扩散层8的峰值杂质浓度。
如图4所示，即使是在采用具有短至405nm的波长的光时，在n型杂质扩散层8从外延层6的表面起的深度为约0.3μm的情况下，直到峰值杂质浓度小于约1×1020cm-3时，量子效率都不会降低。即使是在n型杂质扩散层8比0.3μm还浅时，由于n型杂质扩散层8的电势梯度增大，直到杂质浓度小于约1×1020cm-3时，量子效率都不会降低。
然而，当n型杂质扩散层8的深度为小于等于约0.1μm时，由于影响光电二极管区域30的响应速度的阴极电阻升高，光电二极管区域30的响应速度降低。因此，n型杂质扩散层8的深度优选高于约0.1μm。在具有内建电路20的光接收元件中，由于n型杂质扩散层8利用用于形成电路的热处理而暴露于高温中，n型杂质扩散层8应该比约0.1μm更深。
图5为示意地示出沿图1的线X-Y截取的具有内建电路20的光接收元件的截面处，n型杂质扩散层8、n型外延层6和p型高电阻率外延层3的杂质浓度分布的视图。图5中，纵轴表示硅中的杂质浓度，而横轴表示从光电二极管的表面起(从n型外延层6的表面起)的深度。
在第一示例中，如图5所示，n型杂质扩散层8具有约8×1019cm-3的峰值杂质浓度并从n型外延层6的表面延伸至约0.3μm的深度。因此，如图4所示，光电二极管区域30在不降低量子效率的情况下具有很高的灵敏度。由于n型杂质扩散层8的深度为约0.3μm，可降低影响光电二极管区域30的响应速度的阴极电阻，从而增加光电二极管区域30的响应速度。
为抑制光电二极管区域30表面的光反射，可在光接收部分的表面，即n型外延层6的表面，设置由氧化层(例如，SiO2)和Si3N4层形成的反射保护层。这进一步改善了光电二极管区域30的灵敏度。另外，n型杂质扩散层8的杂质浓度分布设置为使其朝向n型外延层6的表面增大。由此，对于适于蓝光激光光盘设备的具有405nm波长的光，光电二极管区域30的量子效率约为100％。
图6A至6D为示出第一示例中的具有内建电路20的光接收元件的方法的截面图。同样，为方便起见，图6A至6D每个都示出了具有内建电路20的光接收元件包括一个光电二极管区域和一个双极晶体管元件区域的部分。
首先，如图6A所示，在p型半导体衬底1上形成p型高浓度埋入扩散层2。然后，在p型高浓度埋入扩散层2上通过外延生长形成p型高电阻率外延层3。在第一示例中，在p型半导体衬底1上形成p型高浓度埋入扩散层2。除了p型半导体衬底1与p型高浓度埋入扩散层2的组合外，可使用p型低电阻率衬底。
然后，在p型高电阻率外延层3上沉积p型杂质层，或者将p型杂质离子注入p型高电阻率外延层3，并且对p型高电阻率外延层3进行热处理。由此，在p型高电阻率外延层3中形成到达p型高电阻率外延层3与p型高浓度埋入扩散层2之间的界面处的p型埋入扩散层4。
如图6B所示，然后在p型高电阻率外延层3的将包括于双极晶体管元件区域40中的区域上形成作为集电极的n型埋入扩散层5。
然后，如图6C所示，在p型高电阻率外延层3的整个表面上形成n型外延层6，使其覆盖p型埋入扩散层4和n型埋入扩散层5。n型外延层6形成为例如约0.8μm至3.0μm的厚度并具有约1Ωcm至5Ωcm的电阻率。除n型外延层6外，可形成p型外延层。n型外延层6可优选具有大于等于约100Ωcm的电阻率，在此情况下，光电二极管电容被降低，并且光电二极管区域30的响应速度增大。
然后，在n型埋入扩散层5上的n型外延层6的预定位置形成双极n型阱扩散层9。如上所述，在p型高电阻率外延层3的将包括于双极晶体管元件区域40内的预定区域上形成n型埋入扩散层5。从n型外延层6的表面离子注入p型杂质，从而形成到达p型埋入扩散层4的p型分离扩散层7。
从n型外延层6的表面离子注入n型杂质，从而在n型外延层6中将包括于光电二极管区域30内的预定区域、以及n型埋入扩散层5(将包括于双极晶体管元件区域40)上形成n型杂质扩散层8。n型杂质扩散层8从n型外延层6的表面形成至约0.3μm的深度。n型杂质扩散层8形成为使得峰值杂质浓度为约8×1019cm-3。由于n型杂质扩散层8可在光电二极管区域30和双极晶体管元件区域40中在同一步骤内形成，因此可减少步骤数。
为了形成n型杂质扩散层8，优选执行经过形成于n型外延层6表面上的氧化层的离子注入。按此方式，n型杂质扩散层8的深度可以更加容易地控制。另外，氧化层在离子注入期间可具有峰值杂质浓度。按此方式，n型杂质扩散层8可更加容易获得具有朝向n型外延层6表面增大的杂质浓度的杂质浓度分布。
为将杂质扩散至小于等于约0.3μm的深度，优选使用砷作为n型杂质，因为这将有利于控制扩散层的深度。具有低扩散系数的硅的使用尤其优选于具有内建电路的光接收元件，因为用于制造电路的热处理导致元件温度升高。
然后，如图6D所示，在双极n型阱扩散层9中形成p-基极扩散层10和p+基极扩散层11，并且随后在p-基极扩散层10中形成n型发射极扩散区。双极晶体管元件区域40的特性通过形成n型发射极扩散层12后的热处理而确定。
然后，如图1所示，在n型外延层6的整个表面上形成表面保护绝缘层13，使其覆盖其中形成的各层，并且在表面保护绝缘层13中形成开口。每个开口填以引线(电极)金属层14。由此，完成了根据第一示例的具有内建电路20的光接收元件。
示例2根据本发明第二示例的具有内建电路的光接收元件与图1所示的具有内建电路20的光接收元件的区别在于，n型杂质扩散层从n型外延层6(图1)的表面起形成至大于0.3μm但小于等于约1.2μm(例如，0.5μm)的深度。n型杂质扩散层具有小于约1×1019cm-3的峰值杂质浓度(例如，约8×1018cm-3)。对于其它方面，根据第二示例的具有内建电路的光接收元件与具有内建电路20的光接收元件相同。
如图4所示，当n型杂质扩散层的深度约为0.5μm或约为1.2μm时，即使峰值杂质浓度为约1×1020cm-3，量子效率也会降低。其原因在于，杂质浓度分布的梯度较小，因此电势梯度与n型杂质扩散层的深度为约0.3μm的情况相比较为平缓。然而，即使是n型杂质扩散层的深度约为0.5μm或约为1.2μm时，直到峰值杂质浓度小于约1×1019cm-3，量子效率也不会降低。
当n型杂质扩散层太深时，图2中示出的杂质浓度分布过于平缓，因此电势梯度过于平缓。这导致了产生于n型杂质扩散层中并运动至耗尽层的光生载流子的扩散速度降低。例如，在使用405nm波长的光的光盘设备中，当n型杂质扩散层的深度从n型外延层6的表面起大于1.2μm时，响应速度下降不够。因此，n型杂质扩散层的深度优选小于等于约1.2μm。
图7为示意性地示出具有第二示例中的光接收元件的内建电路的光接收元件截面处(对应于沿图1的X-Y线截取的截面)，n型外延层6和p型高电阻率外延层3的杂质浓度分布的视图。图7中，纵轴表示硅中的杂质浓度，而横轴表示从光电二极管的表面起(从n型外延层6的表面起)的深度。
在第二示例中，如图7所示，n型杂质扩散层具有8×1018cm-3的峰值杂质浓度并从n型外延层6的表面起延伸0.5μm的深度。因此，如图4所示，光电二极管区域在量子效率不降低的情况下而具有很高的灵敏度。由于第二示例中n型杂质扩散层比第一示例中的n型杂质扩散层8更深，因此，影响光电二极管区域响应速度的阴极电阻可进一步降低，从而增大光电二极管区域的响应速度。
本发明已通过在衬底上包括光接收元件和电路元件的具有内建电路的光接收元件介绍如上。本发明包括了在衬底上包括光接收元件而没有电路元件的结构。本发明还可应用于n型杂质扩散层设置在p型外延层而不是n型外延层中的结构。
本发明可应用于上述示例中的n型层或杂质与p型层或杂质互换的结构。
根据本发明，杂质扩散层从外延层的表面起形成至大于约0.1μm但小于等于约0.3μm范围内的深度。利用这种结构，光接收元件的电阻降低，使得光接收元件的响应速度提高。杂质扩散层具有小于1×1020cm-3的杂质浓度。利用这种结构，光生载流子的寿命可延长，并且光接收元件的光接收灵敏度得到改善，即使是对于大于等于390nm但小于等于420nm波长的光。杂质扩散层可具有大于等于1×1017cm-3但小于等于1×1020cm-3的峰值杂质浓度。利用这种结构，光接收元件具有了改善的光接收灵敏度，而不会降低光接收元件的响应速度。
另外，根据本发明，从外延层的表面形成杂质扩散层至大于约0.3μm但小于等于约1.2μm范围内的深度。利用这种结构，降低了光接收元件的电阻，从而提高了光接收元件的响应速度。杂质扩散层具有小于约1×1019cm-3的杂质浓度。利用这种结构，可延长光生载流子的寿命，并且改善了光接收元件的光接收灵敏度，即使是对于具有大于等于约390nm但小于等于约420nm的短波长的光。杂质扩散层具有大于等于约1×1017cm-3但小于等于1×1020cm-3的峰值杂质浓度。利用这种结构，光接收元件可具有改善的光接收灵敏度，而不会降低响应速度。
在杂质分布于杂质扩散层使得杂质浓度朝向外延层表面增大的情况下，防止电势梯度朝向外延层的表面下降，从而抑制了表面处的光生载流子的复合。由此，改善了光接收元件的灵敏度。
在外延层的表面上形成氧化层，并且经氧化层通过离子注入形成杂质扩散层使得杂质浓度的峰值在氧化层中的情况下，更加容易形成具有朝向外延层的表面增大的杂质浓度的杂质浓度分布。
优选用砷作为杂质扩散层的杂质，由于砷具有很低的扩散系数，并且由此使得杂质扩散层的深度易于控制。使用具有较低扩散系数的砷特别优选用于具有内建电路的光接收元件，其中光接收元件和电路元件设置在一个衬底上。其原因在于，元件的温度由于用于制造电路的热处理而升高。
在外延层的表面上设置由氧化层和Si3N4层形成的反射保护层的情况下，可防止光在表面反射，由此改善了光接收元件的灵敏度。
在杂质扩散层接近衬底的表面上设置具有约100Ωcm或更高的电阻率的高电阻率外延层的情况下，在施加反向偏压时，耗尽层朝向高电阻率外延层延伸。由此，光接收元件的电容减少，从而实现了很高的响应速度。
对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，各种其它的改动是显而易见的。因此，不应将此处所附权利要求的范围限于前面的表述，而是应该按照权利要求所宽泛地描述的。
权利要求
1.一种光接收元件，包括衬底；以及外延层，设置在衬底上并包括从外延层的表面延伸至预定深度的杂质扩散层，其中该预定深度为约0.3μm或更小，以及杂质扩散层包括浓度小于约1×1020cm-3的杂质。
2.根据权利要求1所述的光接收元件，其中衬底为第一导电类型，而杂质为第二导电类型。
3.根据权利要求2所述的光接收元件，其中外延层为第一导电类型。
4.根据权利要求2所述的光接收元件，其中外延层为第二导电类型。
5.根据权利要求1所述的光接收元件，其中杂质扩散层具有大于等于约1×1017cm-3但小于约1×1020cm-3的峰值杂质浓度。
6.根据权利要求1所述的光接收元件，其中该预定深度大于约0.1μm但小于等于约0.3μm。
7.根据权利要求1所述的光接收元件，其中杂质扩散层具有朝向外延层表面增大的浓度。
8.根据权利要求1所述的光接收元件，其中杂质为砷。
9.根据权利要求2所述的光接收元件，其中第一导电类型为p型，而第二导电类型为n型。
10.根据权利要求1所述的光接收元件，还包括反射防止层，反射防止层包括氧化层和Si3N4层，并且设置在外延层的表面上。
11.根据权利要求1所述的光接收元件，其中外延层为具有大于等于约100Ωcm的电阻率的高电阻率层。
12.根据权利要求1所述的光接收元件，还包括具有大于等于约100Ωcm的电阻率的高电阻率层，并且高电阻率层设置在衬底与外延层之间。
13.根据权利要求1所述的光接收元件，其中光接收元件执行具有大于等于约390nm但小于等于约420nm的波长的光的光电转换。
14.一种制造光接收元件的方法，包括步骤在衬底上形成外延层；以及向外延层中注入杂质至预定深度，从而形成杂质扩散层，其中该预定深度为约0.3μm或更小，以及杂质扩散层包括浓度小于约1×1020cm-3的杂质。
15.根据权利要求14所述的方法，其中形成杂质扩散层的步骤包括经形成于外延层表面上的氧化层离子注入杂质的步骤。
16.一种具有内建电路的光接收元件，包括光接收元件，包括衬底；以及外延层，该外延层设置在衬底上并包括从外延层的表面延伸至预定深度的杂质扩散层，其中，该预定深度为约0.3μm或更小，并且杂质扩散层包括浓度小于约1×1020cm-3的杂质；以及电路元件，设置在衬底上。
17.一种光接收元件，包括衬底；以及外延层，其设置在衬底上并包括从外延层的表面延伸至预定深度的杂质扩散层，其中该预定深度大于约0.3μm但小于等于约1.2μm，以及杂质扩散层包括浓度小于约1×1019cm-3的杂质。
18.根据权利要求17所述的光接收元件，其中衬底为第一导电类型，而杂质为第二导电类型。
19.根据权利要求18所述的光接收元件，其中外延层为第一导电类型。
20.根据权利要求18所述的光接收元件，其中外延层为第二导电类型。
21.根据权利要求17所述的光接收元件，其中杂质扩散层具有大于等于约1×1017cm-3但小于约1×1019cm-3的峰值杂质浓度。
22.根据权利要求17所述的光接收元件，其中杂质扩散层具有朝向外延层表面增大的浓度。
23.根据权利要求17所述的光接收元件，其中杂质为砷。
24.根据权利要求18所述的光接收元件，其中第一导电类型为p型，而第二导电类型为n型。
25.根据权利要求17所述的光接收元件，还包括反射防止层，反射防止层包括氧化层和Si3N4层，并且设置在外延层的表面上。
26.根据权利要求17所述的光接收元件，其中外延层为具有约100Ωcm或更大的电阻率的高电阻率层。
27.根据权利要求17所述的光接收元件，还包括具有约100Ωcm或更大的电阻率的高电阻率层，并且高电阻率层设置在衬底与外延层之间。
28.根据权利要求17所述的光接收元件，其中光接收元件执行具有大于等于约390nm但小于等于约420nm波长的光的光电转换。
29.一种制造光接收元件的方法，包括步骤在衬底上形成外延层；以及向外延层中注入杂质至预定深度，从而形成杂质扩散层，其中该预定深度大于约0.3μm但小于等于约1.2μm；以及杂质扩散层包括浓度小于约1×1019cm-3的杂质。
30.根据权利要求29所述的方法，其中形成杂质扩散层的步骤包括经形成于外延层表面上的氧化层离子注入杂质的步骤。
31.一种具有内建电路的光接收元件，包括光接收元件，包括衬底；以及设置在衬底上的外延层，并且外延层包括从外延层的表面延伸至预定深度的杂质扩散层，其中，该预定深度大于约0.3μm但小于等于约1.2μm，并且杂质扩散层包括浓度小于约1×1019cm-3的杂质；以及电路元件，设置在衬底上。
全文摘要
本发明公开了一种光接收元件及其制造方法以及具有内建电路的光接收元件，其中该元件包括衬底；以及，外延层，设置在衬底上并包括从外延层的表面延伸至预定深度的杂质扩散层。该预定深度为小于等于约0.3μm。杂质扩散层包括浓度小于约1×10
文档编号H01L27/14GK1487602SQ03155529
公开日2004年4月7日 申请日期2003年8月28日 优先权日2002年8月28日
发明者夏秋和弘, 福岛稔彦, 彦 申请人:夏普株式会社