光接收元件的制作方法

專利名稱：光接收元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路型光接收元件，其中處理光電轉換信號的電路是集成電路。具體而言，本發明涉及改善光接收元件(例如用于光頭等的區域劃分光電二極管元件)響應速度的結構。
光頭已經被用于各種光盤設備上，包括CD-ROM、數字視盤(DVD)等。近年來CD-ROM設備發展極為迅猛，已經具有較高的響應速度。當前已有4X-6X(即響應速度4-6倍于一般的響應速度)的CD-ROM設備投放市場。而且在不遠的將來會出現市售的8X-12X的CD-ROM。另一方面，DVD的發展也很引人注目。在DVD中，可以在6X CD-ROM的響應速度下訪問其存儲的數據。在不久極有可能出現響應速度是現在的兩倍的DVD。
而且，這種光盤設備要求能處理運動圖像等存貯所需的大量數據。由此看來，迫切需要提高光頭的響應速度。
區域劃分光電二極管的光接收區域被劃分為若干光檢測區域，一般用作光頭的信號檢測器元件。
隨著近年來研制出尺寸較小的高性能光盤設備，減少光頭的尺寸和重量就顯得愈發重要。為了制造出這種光頭，提出了一種光學模塊，其中跟蹤光束產生功能、光束分叉功能和誤差信號產生功能被集成在一個全息圖元件中，而且在封裝內配備了激光二極管和區域劃分光電二極管元件。
圖7示出了這種用于光頭的光學系統1000的典型布局。以下簡單描述光學系統1000檢測信號的原理。
激光二極管110發射的光線入射至全息圖元件(該元件的外部結構沒有在圖7中示出)上，它包括分別形成于其上下表面的全息

圖130和衍射光柵120。激光二極管110發射的光線由形成于全息圖元件下表面的衍射光柵120分光以產生跟蹤光束。跟蹤光束被一分為三，其中的兩束為跟蹤用的分光束而另一束為讀取信息信號的主光束。隨后，光束作為零級光束透射過形成于全息圖元件的上表面的全息圖130，由準直透鏡140變換為平行光束并由物鏡150聚焦在盤160上。
聚焦的光線受到盤160上凹坑的調制和反射；透射過物鏡150和準直透鏡140；隨后經全息圖130的衍射從而作為第一級衍射光束導入區域劃分光電二極管元件170上，該元件上形成有5個區域劃分光檢測光電二極管部分D1-D5(以下簡稱為“光檢測部分”)。在這種情況下，劃分區域光電二極管元件170在光頭的光學系統1000中起著光接收元件的作用。
全息圖130包括衍射周期不同的兩塊區域。當主光束的反射光束入射到其中一塊區域時，光束被聚焦至光檢測部分D2和D3之間的線性隔離部分。另一方面，當主光束的反射光束入射到全息圖130的另一塊區域時，光束被聚焦至光檢測部分D4。兩束分光束的反射光束被分別聚焦至光檢測部分D1和D5上。
在光學系統1000中，主光束在區域劃分光電二極管元件170上的入射位置根據全息圖130與盤160之間距離的變化沿著垂直于光檢測部分D2和D3縱向的方向移動。當主光束聚焦至盤160上時，其反射光束入射至光檢測部分D2和D3之間的隔離部分。因此，假設區域劃分光電二極管元件170的光檢測部分D1-D5的輸出分別為S1-S5，則聚焦誤差信號FES由下式給出FES＝S2－S3另一方面，采用所謂的三光束方法來檢測跟蹤誤差。由于跟蹤用的兩束分光束分別聚焦在光檢測部分D1和D5上，所以跟蹤誤差信號TES由下式給出TES＝S1－S5。因此，當跟蹤誤差信號TES為零時，主光束正好位于被主光束照射的目標光道上。
而且，根據下式，再生信號RF作為接收主光束的反射光束的光檢測部分D2-D4的輸出之和給出RF＝S2＋S3＋S4。
圖8示出了光學系統1000的區域劃分光電二極管元件170的平面圖。
在區域劃分光電二極管元件170中，如上所述，在狹長的區域內形成了5塊光檢測部分D1-D5。此外，如圖8所示，設置了一對為所有光檢測部分D1-D5公用的陽極電極172a和172b和對應5塊光檢測部分D1-D5的5個陰極電極174a-174e，從而將提供有光檢測部分D1-D5的區域圍住。
區域劃分光電二極管元件170的形狀由光學系統1000確定。如圖8所示，所有的光檢測部分D1-D5都呈狹長形。理由如下。
在裝配光學系統1000過程中，先將激光二極管110和區域劃分光電二極管元件170封裝在封裝盒內，隨后在盒的上表面粘附包含全息圖130和衍射光柵120的全息圖元件。在此期間很容易引起激光二極管110與區域劃分光電二極管元件170位置對準的偏差。此外，激光二極管110的振蕩波長不僅因產品個體差異而不同，而且還隨溫度變化。因此，衍射光線的衍射角是變化的，所以在一些情況下衍射光線入射位置將發生偏離。為了解決這個問題，區域劃分光電二極管元件170的光接收面需要采用如圖8所示的形狀，沿Y方向(即沿著衍射光線的入射位置因衍射角變化而移動的方向)具有較長的邊。
另一方面，在圖8所示的X方向上，衍射光線的衍射角并不受振蕩波長變化的影響，產品個體差異和溫度變化是激光二極管110振蕩波長發生變化的原因。此外，通過轉動粘結在封裝盒上表面的全息圖元件可以補償激光二極管110與區域劃分光電二極管元件170之間的對準位置偏差。因此，區域劃分光電二極管元件170的光接收面在X方向上無需采用較長的邊。相反，如果沿X方向平行入射的三條相鄰光束之間的間距較大，則難以在光盤設備內調整光頭位置。因此，考慮到X方向，光檢測部分D1-D5的寬度以及它們之間的隔離部分寬度應窄一些。
由上可見，區域劃分光電二極管元件170的形狀就有必要是狹長的。
圖9示出了普通的光檢測區域劃分光電二極管元件170沿圖8中直線IX-IX的剖面圖。圖9中未將各種部件全部畫出，包括在金屬引線處理步驟之后各步驟中形成的多層引線、保護膜等。
以下將借助剖面圖10A-10D描述區域劃分光電二極管元件170的制造方法。在圖9和圖10A-10D中，同一部件用相同的標號表示。
首先在P型半導體襯底1的表面附近形成p型掩埋擴散區2，用作將光檢測部分D1-D5互相隔開的隔離部分(圖10A)。
接著，如圖10B所示，在整個P型半導體襯底1的表面形成N型外延生長層4(以下簡稱為N型外延層)。接著在N型外延層內部的各區域形成P型隔離擴散區域5以對應P型掩埋擴散區域2。P型隔離擴散區域5的形成使其從N型外延層4的表面垂直延伸到達P型半導體襯底1(或者P型掩埋擴散區域2的表面)的上表面。因此，N型外延層4被劃分為若干電學隔離的N型半導體區域，從而形成如圖10C所示的各個光檢測部分D1-D5(在圖10C中未畫出光接收部分D4)。
此后，如圖10C所示，在N型外延層4介于P型隔離擴散層5左右兩端之間的表面區域上形成P型擴散層6，從而覆蓋住作為光檢測部分D1-D5的隔離部分的P型隔離擴散層5的至少一部分上表面。
接著如圖10D所示，當形成P型擴散層6時在P型擴散層6和N型外延層4表面形成并對應于P型擴散層6表面上的光接收區域的氧化膜7部分被去除掉，并在半導體襯底1上形成氮化物膜8。氮化物膜8的厚度根據激光二極管的波長設定以使氮化物膜起抗反射膜的作用。
隨后在氧化物膜7和氮化物膜8上開電極窗口。接著形成電極引線9a，與此同時在未受到信號光照射的氮化物膜8表面上形成金屬膜9，由此獲得圖9所示劃分區域光電二極管元件170的結構。另一方面，利用普通的雙極IC工藝在半導體襯底1上形成信號處理器部分(未畫出)。
當在各光檢測部分D1-D5上施加反向偏壓時，如圖9所示，在襯底1的表面附近形成了耗盡層11。
在劃分區域光電二極管元件170中，在相鄰光檢測部分D1-D5之間的每個隔離部分內，P-N結上覆蓋了P型擴散層6。因此，即使在劃分區域光電二極管元件170的表面直接形成氮化物膜8，也不會產生結的漏電流增加的問題。這樣，即使是聚焦束實際入射的光檢測部分D2和D3之間隔離部分內的光接收平面，對光盤160反射的聚焦光束(以下把這類反射光線稱為“衍射光線”，因為該反射光線還由全息圖130衍射)的反射量也不是很大。因此可以提高劃分區域光電二極管元件170的靈敏度。
此外，由于金屬膜9形成于衍射光線未入射的部分(在這種情況下，即是光檢測部分D1和D2之間的隔離部分與光檢測部分D3和D5之間的隔離部分)，所以劃分區域光電二極管元件170受雜散光線等影響的可能性較小，從而提高了劃分區域光電二極管元件170的S/N比值。
對于處理再生信號RF的光檢測部分D2、D3和D4，高速操作尤為需要。與光束照射到各光檢測部分中央的情況相比，當光束照射到光檢測部分D2和D3之間的隔離部分上時，劃分區域光電二極管元件170的截止頻率的降低尤其突出。
圖11A和11B示出了劃分區域光電二極管元件170的截止頻率下降的實驗結果。圖11A是表示圖9所示劃分區域光電二極管元件170的光檢測部分D2和D3附近狀況的剖面圖。另一方面，圖11B為表示劃分區域光電二極管元件170的截止頻率相對光束位置關系的曲線圖。在圖11B中，橫坐標代表光檢測部分D2和D3附近衍射光束的位置，而縱坐標表示各個位置的截止頻率fc(MHz)。如圖11B所示，當光束位于光檢測部分D2和D3之間的隔離部分附近時，截止頻率fc下降。
在這種情況下，P型半導體襯底1的電阻率設定為15Ωcm，并且在施加于光電二極管元件170上的反向偏壓為1.5V而負載電阻設定為380Ω的條件下測量截止頻率。另一方面，由于CD-ROM所用光束的波長為780nm而DVD所用光束的波長為635nm，所以測量了相應于這兩種波長的光電二極管元件的截止頻率作為實驗結果。
如圖11B所示，由于元件的響應速度在照射到隔離部分上的光束波長為780nm時對應的是幾個MHz的截止頻率，所以元件的性能可以滿足4X CD-ROM光盤設備的要求。但是，對于6X或更高響應速度的CD-ROM，就無法再采用該元件。
另一方面，由于元件的響應速度在照射到隔離部分上的光束波長為635nm時對應的是20MHz以上的截止頻率，所以元件只能在一般響應速度的DVD中使用。但是，由于2X DVD要求光電二極管元件的截止頻率為30MHz以上，所以具有圖9所示元件結構的區域劃分光電二極管元件不能滿足2X DVD的要求。
利用器件模擬的方法分析了光束照射到光檢測部分D2和D3之間的隔離部分時的狀態。因此可以確定的是，光學載流子繞過隔離部分內的P型掩埋擴散區域2從而到達N型外延層4與P型半導體襯底1之間的結區。當光學載流子繞道而行時，其擴散運動距離增加，因此如上所述引起截止頻率下降。
此外，由于光束的深入深度(即光束進入襯底的深度)隨著波長的不同而不同，所以如圖11B所示，波長為780nm情況下的響應速度與波長為635nm情況下的響應速度是不同的。由于波長為635nm的光束具有較短的深入深度，并且光學載流子的擴散運動距離也較小，所以其響應特性更符合要求。
圖12示出了對應于光檢測部分D2和D3之間隔離部分和隔離部分附近的P型掩埋擴散區域2內獲取電流通路的模擬結果，其中電流的方向用箭頭標記。相當于光學載流子的電子沿著與圖12箭頭所示相反的方向運動。
另一方面，圖13是表示相鄰光檢測部分之間的隔離部分上的P型隔離擴散區域5內電勢沿深度方向分布的曲線圖。如圖13所示，對于襯底1內向表面區域運動的電子或者光學載流子來說，該電勢分布起著勢壘的作用。因此如圖12所示，光學載流子繞過P型掩埋擴散區域2而行。
如上所述，P型半導體襯底1的電阻率一般為15Ωcm。因此，當構成光檢測各個部分的光檢測光電二極管部分上施加的反向電壓為1.5V時，如圖9所示，P型掩埋擴散區域2的深度(或者對p型半導體襯底1的擴散深度)Xj大約為2.5微米，而耗盡層11的深度Xd不超過1.7微米。因此如圖12所示，光學載流子的繞行距離約為10微米左右。
本發明的光接收元件包括第一導電類型的半導體襯底；形成于第一導電類型半導體襯底表面的預先確定區域的第二導電類型的第一半導體層；以及至少一塊其形成方式是從第二導電類型的第一半導體層的上表面延伸至第一導電類型的半導體襯底表面從而將第二導電類型的第一半導體層劃分為若干第二導電類型的半導體區域的第一導電類型半導體區域。在光接收元件中，第一導電類型的半導體襯底的電阻率設定在預先確定的范圍內，從而在施加反向偏壓時形成于第一導電類型半導體襯底的耗盡層深度Xd與第一導電類型的半導體區域對第一導電類型半導體襯底的擴散深度Xj之間滿足Xd≥Xj的關系。
在一個實施例中，在第一導電類型的半導體襯底內埋入若干第二導電類型的第二半導體區域，從而分別與第二導電類型的若干分割的半導體區域對應。
在另一個實施例中，在第一導電類型的半導體襯底表面預先確定區域以外的區域形成預先確定的電路元件。
在另外一個實施例中，利用每塊分割的第二導電類型半導體區域和對應于并位于第二導電類型半導體區域下面的第一導電類型的半導體襯底區域形成用于檢測信號光的光檢測光電二極管部分。
在另外一個實施例中，第一導電類型的半導體襯底的電阻率介于30Ωcm-1000Ωcm。
在另外一個實施例中，光接收元件的響應速度為14MHz以上。
在另外一個實施例中，光接收元件的響應速度為30MHz以上。
以下描述本發明的作用或者效果。
當光線照射到區域劃分光電二極管元件的隔離區域上時，通過提高第一導電類型的半導體襯底的電阻率，可以增加所形成的耗盡層的寬度(和/或深度)。由此可以使耗盡層的下端與P型半導體掩埋擴散區域的下端相比，位置更深。這樣，按照本發明，雖然光學載流子仍然繞過具有普通結構的區域劃分光電二極管器件的P型半導體掩埋擴散層區域而行，但是可以抑制光學載流子的這種繞行并縮短擴散運動距離。因此，可以改善區域劃分光電二極管元件的響應速度和截止頻率特性。
因此，當光束照射于相鄰光檢測部分之間的隔離部分時，這里所述的本發明可以提高光接收元件(例如區域劃分光電二極管元件，特別是用于包括全息圖元件的光頭的光學系統)的響應速度。
對于本領域內的技術人員來說，通過下面結合附圖的詳細描述，可以理解本發明的各種優點。
圖1為表示本發明第一實施例的光接收元件結構的剖面圖。
圖2為表示本發明第二實施例的光接收元件結構的剖面圖。
圖3A-3D為制造圖2所示光接收元件的各過程的剖面圖。
圖4A為表示圖2所示光接收元件一部分的剖面圖，而圖4B為表示圖2所示光接收元件的截止頻率相對光束位置的曲線圖。
圖5為表示器件模擬結果的示意圖，模擬時光束照射在圖2所示光接收元件的光檢測部分之間的隔離部分附近。
圖6為表示本發明第二實施例的光接收元件結構的剖面圖。
圖7為表示采用全息圖元件的光頭的光學系統布局的透視圖。
圖8為用于圖7所示光頭的光學系統的普通光接收元件的平面圖。
圖9為沿直線IX-IX剖取的圖8所示光接收元件的剖面圖。
圖10A-10D為制造圖9所示普通光接收元件的各過程的剖面圖。
圖11A為表示圖9所示普通光接收元件一部分的剖面圖，而圖11B為表示圖9所示普通光接收元件的截止頻率相對光束位置的曲線圖。
圖12為表示器件模擬結果的示意圖，模擬時光束照射在圖9所示普通光接收元件的相鄰光檢測部分之間的隔離部分附近。
圖13為表示圖9所示普通光接收元件中光檢測部分之間隔離部分附近的電勢分布圖。
圖14A和14B表示第一實施例中P型半導體襯底的電阻率率為50Ωcm時的光電二極管的響應速度圖14A為圖1所示區域劃分光電二極管元件100的光檢測部分D2和D3附近的剖面結構圖；而圖14B為表示劃分區域光電二極管元件100的截止頻率相對光束位置的曲線圖。
圖15A和15B表示第二實施例中P型半導體襯底的電阻率為50Ωcm時光電二極管的響應速度圖15A為圖6所示區域劃分光電二極管元件250的光檢測部分D2和D3附近的剖面結構圖；而圖15B為表示劃分區域光電二極管元件250的截止頻率相對光束位置的曲線圖。
圖16為表示作為本發明第三實施例的光接收元件的集成電路型光接收元件300的剖面圖，其中在同一襯底上不僅包括劃分區域的光電二極管元件，而且也包含信號處理器。
圖17為表示作為本發明第四實施例的光接收元件的集成電路型光接收元件400的剖面圖，其中在同一襯底上不僅包括劃分區域的光電二極管元件，而且也包含信號處理器。
實例1
以下將參照附圖描述本發明第一個實例的一種區域劃分光電二極管元件100，即一種光接收元件。
圖1是該區域劃分光電二極管元件100的剖面圖。注意，圖1中省略了在各個步驟緊接著金屬布線處理步驟期間所形成的包括多層布線、保護膜等各種元件。
在區域劃分光電二極管元件100中，在P型半導體襯底1，即硅襯底上形成一個N型外延層4。在N型外延層4中，形成多個P型隔離擴散區域5，從N型外延層4的表面垂直延伸。在半導體襯底1的表面區域，在各個位置形成多個P型掩埋擴散區域2，使之與P型隔離擴散區域5相對。N型外延層4由這些擴散區域2和5劃分為多個區域。通過按此種方法劃分N型外延層4所獲得的各個N型半導體區域以及底下襯底1的相應部分，形成用以檢測信號光的多個光檢測部分(或稱光檢測光電二極管部分)D1至D5(盡管D4在圖1中未圖示)。
在每個光檢測部分D1至D5中，當將一個反向配置施加其上時，在襯底1表面附近形成一個耗盡層21。其中，根據本發明的區域劃分光電二極管元件100與傳統的區域劃分光電二極管元件170的不同之處在于，該元件100結構成使耗盡層21的底端在襯底1內比相應的P型掩埋擴散區域2的底端位于更深的位置。
由于制造區域劃分光電二極管元件100的方法，基本上與前面參照圖10A和圖10D制造傳統的區域劃分光電二極管元件170的方法相同，故在此省略其詳細描述。
根據本發明的區域劃分光電二極管元件100與傳統的區域劃分光電二極管元件170的重大區別在于P型半導體襯底1的電阻率。尤其是，在根據本發明的區域劃分光電二極管元件100中，P型半導體襯底1的電阻率設置成滿足以下關系Xd≥Xj其中，Xd表示當一個反向偏置加到區域劃分光電二極管元件100的光檢測部分D1至D5時，耗盡層21在襯底1表面區域內的擴展深度，Xj表示P型掩埋擴散區域2擴散到P型半導體襯底1的擴散深度(見圖1)。
通過設置擴展到襯底1表面區域內的耗盡層21的深度Xd，使其當反向偏置加到光檢測部分D1至D5時，等于或深于按該方法的P型掩埋擴散區域21的擴散深度，可以縮短迂回光載流子的擴散運動距離。結果，當光束已經照射到鄰近光檢測部分之間的隔離部分時，可以改善截止頻率性能。
P型半導體襯底1的電阻率較佳的設置為大約30Ωcm至大約1000Ωcm，更佳的設置為大約50Ωcm至大約500Ωcm。
例如，通過將P型半導體襯底1的電阻率設置成大約50Ωcm，在P型掩埋擴散區域2的擴散深度Xj約為2.5微米，以及當一個加到光檢測部分的反向偏置約為1.5V時，耗盡層21的深度Xd可以為大約3.2微米，并可以較深于P型掩埋擴散區域2的擴散深度Xj(＝2.5微米)。采用如圖1所示的這種方法，可以顯著增加耗盡層21的深度，故可以縮短光檢測部分D2和D3之間一個隔離部分內的光載流子的擴散運動距離，并可提高隔離部分的截止頻率。
圖14A和14B表示當P型半導體襯底1的電阻率約為50Ωcm時，該第一個實例中光電二極管元件100的響應速度。圖14A是表示圖1所示區域劃分光電二極管元件100的光檢測部分D2和D3附近的剖面結構圖。另一方面，圖14B是表示區域劃分光電二極管元件100的截止頻率與光束位置的曲線圖。在圖14B中，橫坐標表示光檢測部分D2和D3附近衍射光的光束位置，而縱坐標表示對應于各個光束位置的截止頻率fc(兆赫)。這里采用與前面參照圖11A和11B所述傳統的區域劃分光電二極管元件170所用相同的測量方法和條件。
如圖14B所示，由于區域劃分光電二極管元件100隔離區域相對于波長為780毫微米的光，其響應速度約為14兆赫，故可以獲得高性能的光電二極管元件，使該元件可以與用作一個6x至8xCD-ROM的光盤器件一起工作。
另一方面，由于該元件的隔離部分的響應速度相對波長為635毫微米的光可以達到約30兆赫那樣高，故光電二極管元件可以滿足2x DVD所需的性能。
因此，通過將襯底的電阻率設置成滿足Xd＞＝Xj之關系的范圍，可以提供可用于一個6x至8x CD-ROM和一個2x DVD的光電二極管元件。
如上所述，由于襯底的電阻率變高，耗盡層21可以擴展到更大的程度，光載流子的運動距離可以進一步縮短，故光電二極管元件實現了更高的響應速度。該耗盡層21的深度可以為大約3微米至大約40微米的范圍。
在將半導體襯底1的電阻率設置為大約30Ωcm至大約1000Ωcm的范圍時，根據該電阻率的目標值，采用以下的晶體生長方法。例如，當該電阻率的目標值等于或小于100Ωcm時，采用諸如Czochralski(CZ)方法的一種晶體生長方法；當電阻率的目標值大于100Ωcm而小于1000Ωcm時，采用諸如施加磁場的Czochralski(MCZ)方法的一種晶體生長方法；當電阻率的目標值等于或大于1000Ωcm時，采用諸如浮區純化(FZ)方法的一種晶體生長方法。
實例2
圖2表示根據本發明第二個實例的一個區域劃分光電二極管元件200的剖面圖。注意，圖2中省略了在各個步驟緊接著金屬布線處理步驟期間所形成的包括多層布線、保護膜等各種元件。
區域劃分光電二極管元件200的基本結構同參照圖1所述的第一個實例的區域劃分光電二極管元件100的結構相同。區域劃分光電二極管元件200與區域劃分光電二極管元件100的不同之處在于，其N型掩埋擴散區域3設置成埋入半導體襯底1的部分內，以對應于光檢測部分D1至D5(見第6-162412號日本專利申請)。該例中，這樣形成每個N型掩埋擴散區域3，使N型掩埋擴散區域3遠離鄰近的P型掩埋擴散區域2，其距離比從P型掩埋擴散區域2外周上的每點至N型外延層4的迂回距離L為短。
以下，將參照如圖3A至3D所示的剖面圖描述制造該區域劃分光電二極管元件200的方法。
首先，如圖3A所示，在P型半導體襯底(例如硅襯底)1的表面區域一個部分中形成多個具有高雜質濃度(雜質濃度1×1019原子/cm3)的N型掩埋擴散區域3作為光檢測部分。N型掩埋擴散區域3的厚度為大約3微米至大約6微米。此外，在該區域形成多個P型掩埋擴散區域2，它作為隔離部分用以相互隔離光檢測部分。
接下來，如圖3B所示，在P型半導體襯底1的整個表面上形成N型外延層4。然后，在N型外延層4內部的各個區域內形成P型隔離擴散區域5，對應于P型掩埋擴散區域2。形成P型隔離擴散區域5，使之從N型外延層4的表面垂直延伸。結果，如圖3C所示形成多個電隔離的光檢測部分D1至D5(盡管圖3C中未示出光檢測部分D4)。
然后，如圖3C所示，在位于右端的P型隔離擴散區域5與左端的P型隔離擴散區域5之間的N型外延層4的表面區域內，形成P型擴散層6，由此覆蓋P型隔離擴散區域5的上表面，作為光檢測部分D1至D5的隔離部分。
接下來，如圖3D所示，除去氧化膜7，該氧化膜7是在形成P型擴散層6時在N型外延層4和P型擴散層6的表面上形成的，它對應于P型擴散層6表面上的光接收區域，同時在其上而不是上述的半導體襯底1上形成氮化膜8。該氮化膜8的膜厚根據激光二極管的波長設置，由此作為減反射膜。
之后，通過氧化膜7和氮化膜8開電極窗。然后，形成電極引線9a，同時，在氮化膜8的表面上形成金屬膜9，信號光不照到其上，由此獲得如圖2所示用作區域劃分光電二極管元件200的結構。另一方面，通過進行普通的雙極集成電路工藝，在半導體襯底1上形成一個信號處理器部分(未圖示)。
通過按上述方式在區域劃分光電二極管元件200內形成多個具有高雜質濃度的N型掩埋擴散區域3，減少了陰極側上的串聯電阻。這樣就減小了由光電二極管元件的串聯電阻和電容所組成的CR時間常數，改善了截止頻率特性。
圖4A是一個剖面圖，它表示圖2所示區域劃分光電二極管元件200的光檢測部分D2和D3的鄰接。另一方面，圖4B是一個曲線圖，它表示區域劃分光電二極管元件200的截止頻率與光束位置的依賴關系。圖4B中，橫坐標表示光檢測部分D2和D3附近衍射光光束的位置，而縱坐標表示各個位置上的截止頻率fc(兆赫)。如圖4B所示，當光束位于光檢測部分D2和D3之間的隔離部分附近時，截止頻率fc明顯減低到某一程度。然而，同前面參照圖11B所述的傳統的情況相比，其減低量是極小的。
在此情況下，P型半導體襯底1的電阻率約為15Ωcm，測量條件與圖11A和11B中所用的相同。
圖2所示的區域劃分光電二極管元件200，其響應速度相應于其隔離部分約為20兆赫的截止頻率，并可工作于具有8x或更低響應速度的CD-ROM。
圖5表示模擬圖2所示區域劃分光電二極管元件200中光載流子之運動的模擬結果。圖5中，由箭頭表示流動電流的方向。作為光載流子的電子按與圖5中箭頭所示的反方向運動。
如上所述，在每個區域劃分光電二極管元件200內，形成每個N型掩埋擴散區域3，使N型掩埋擴散區域3遠離鄰近的P型掩埋擴散區域2，其距離比從P型掩埋擴散區域2外周上的每點至N型外延層4的迂回距離L為短。這樣，當施加一個反向偏置時，按與襯底1相對的N型掩埋擴散區域3的底端相垂直的方向(見圖2)，形成一個耗盡層31(其深度假定用Xd表示)。結果，當光束照射到相鄰光檢測部分之間的隔離部分時，光載流子的擴散運動距離可以從十多個微米縮短到幾微米，由此提高了截止頻率。該截止頻率因CR時間常數的減小而進一步提高。
然而，從圖5所示的模擬結果可見，在圖2所示的結構中，圍繞P型掩埋擴散區域2的光載流子的迂回距離仍為幾微米。因此，當光束照射到光檢測部分之間的某個隔離部分時，其響應頻率仍有改善。
這樣，通過按與第一個實例相同的方法設置P型半導體襯底1的電阻率，使之滿足以下的關系，當構造區域劃分光電二極管元件200使之具有圖2所示的結構時，即可獲得具有圖6所示結構的區域劃分光電二極管元件250。
Xd≥Xj其中，Xd表示當一個反向偏置加到區域劃分光電二極管元件250的光檢測部分D1至D5時，耗盡層41在襯底1表面區域內的擴展深度，Xj表示P型掩埋擴散區域2擴散到P型半導體襯底1的擴散深度(見圖6)。圖2所示結構與圖6所示結構的不同之處在于，在圖6所示的結構中，上述關系(Xd≥Xj)被滿足。
通過設置擴展到襯底1表面區域內的耗盡層41的深度Xd，使其當反向偏置加到光檢測部分時，等于或深于按該方法的P型掩埋擴散區域2的擴散深度Xj，可以縮短迂回光載流子的擴散運動距離。這樣，當光束已經照射到光檢測部分之間的某個隔離部分時，可以改善截止頻率性能。
P型半導體襯底1的電阻率較佳的設置為大約30Ωcm至大約1000Ωcm范圍，更佳的設置為大約50Ωcm至大約500Ωcm范圍。
例如，通過將P型半導體襯底1的電阻率設置成大約50Ωcm，在P型掩埋擴散區域2的擴散深度Xj約為2.5微米，以及當一個加到光檢測部分的反向偏置約為1.5V時，耗盡層41的深度Xd可以為大約3.2微米，并可以深于P型掩埋擴散區域2的擴散深度Xj(＝2.5微米)。采用如圖6所示的這種方法，可以顯著增加耗盡層41的深度，故可以縮短光檢測部分D2和D3之間一個隔離部分內的光載流子的擴散運動距離，并可提高隔離部分的截止頻率。
圖15A和15B表示當P型半導體襯底1的電阻率約為50Ωcm時，該第二個實例中區域劃分光電二極管元件250的響應速度(見圖6)。圖15A是表示圖6所示區域劃分光電二極管元件250的光檢測部分D2和D3附近的剖面結構圖。而圖15B是表示區域劃分光電二極管元件250的截止頻率與光束位置的曲線圖。在圖15B中，橫坐標表示光檢測部分D2和D3附近衍射光的光束位置，而縱坐標表示對應于各個光束位置的截止頻率fc(兆赫)。這里采用與前面參照圖11A和11B所述傳統的光電二極管元件所用相同的測量方法和條件。
相對波長為780毫微米的光，在元件的隔離部分內實現相應于大約30兆赫截止頻率的響應速度，如此，該光電元件就可以滿足作為一個12x CD-ROM的光電元件所需的響應特性。
采用該方法，通過構造一個光電二極管元件，使之在各光檢測部分之間的隔離部分附近形成一個N型掩埋擴散區域，并使襯底的電阻率設置在按本發明滿足Xd＞＝Xj之關系的范圍，可以提供可用于一個12x CD-ROM的光電二極管元件。
在將半導體襯底1的電阻率設置為大約30Ωm至大約1000Ωcm的范圍時，根據該電阻率的目標值，可以采用與第一個實例所述相同的晶體生長方法。例如，當該電阻率的目標值等于或小于100Ωcm時，采用諸如Czochralski(CZ)方法的一種晶體生長方法；當電阻率的目標值大于100Ωcm且小于1000Ωcm時，采用諸如施加磁場的Czochralski(MCZ)方法的一種晶體生長方法；當電阻率的目標值等于或大于1000Ωcm時，采用諸如浮區純化(FZ)方法的一種晶體生長方法。
實例3圖16是表示本發明第三個實例的一個光接收元件的剖面圖，這是一個集成電路型的光接收元件300，其中，不僅區域劃分光電二極管元件，而且信號處理器也安裝在相同的襯底上。圖16中省略了在各個步驟緊接著金屬布線處理步驟期間所形成的包括多層布線、保護膜等各種元件。
該集成電路型光接收元件300中區域劃分光電二極管元件300a的基本結構同參照圖1所述的第一個實例的區域劃分光電二極管元件100的結構相同。第三個實例與第一個實例的不同之處在于，在N型外延層4的一個區域內而不是在形成區域劃分光電二極管元件300a的區域內形成信號處理器300b。
以下，將參照如圖16描述制造該集成電路型光接收元件300的方法。此時，形成一個n-p-n晶體管作為信號處理器300b。
首先，在P型半導體襯底1上形成一個n-p-n晶體管的一部分區域內，形成用以減小集電極電阻的N型掩埋擴散區域3’。此外，在成為隔離部分的區域形成多個P型掩埋擴散區域2，它作為隔離部分用以相互隔離光檢測部分，并用以隔離信號處理器的各個元件。
接下來，在P型半導體襯底1的整個表面上形成N型外延層4。然后，在N型外延層4內部的各個區域內形成P型隔離擴散區域5，對應于P型掩埋擴散區域2。形成P型隔離擴散區域5，使之從N型外延層4的表面垂直延伸。
結果，各個光檢測部分D1至D5(盡管圖16中未示出光檢測部分D4)以及信號處理器300b的各個元件在電氣上相互隔離。
然后，在位于右端的P型隔離擴散區域5與左端的P型隔離擴散區域5之間的N型外延層4的表面區域內，形成P型擴散層6，由此覆蓋P型隔離擴散區域5的上表面，作為光檢測部分D1至D5的隔離部分，并在該區域形成信號處理器300b的基極。
接下來，在信號處理器300b中，在形成n-p-n晶體管發射極的區域，以及在形成集電極的區域形成N型擴散區域10。
之后，除去氧化膜部分7，該氧化膜7是在形成P型擴散層6時在N型外延層4和P型擴散層6的表面上形成的，它對應于P型擴散層6表面上的光接收區域，同時在其上代之以形成氮化膜8。
該氮化膜8的膜厚根據激光二極管的波長設置，由此作為減反射膜。接下來，通過氧化膜7和氮化膜8開電極窗。
然后，形成電極引線9a，同時，在氮化膜8的表面上形成金屬膜9，信號光不照到其上。進而，在信號處理器300b中相應的P型擴散層6和N型擴散區域10內同時形成基極9b、發射極9c和集電極9d。
通過這種方法，獲得圖16所示用作集成電路型光接收元件300的結構，其中，區域劃分光電二極管元件300a和信號處理器300b安裝在同一塊襯底上。
由于第三個實例的區域劃分光電二極管元件與第一個實例的相同，故有關區域劃分光電二極管元件的詳細性能描述將在此省略。
在該第三個實例中，可以獲得一種集成電路型光接收元件，其中，按與第一個實例相同的方式改進了區域劃分光電二極管元件中隔離部分的響應特性。
實例4圖17是表示本發明第四個實例的一個光接收元件的剖面圖，這是一個集成電路型的光接收元件400，其中，不僅區域劃分光電二極管元件，而且信號處理器也安裝在同一塊襯底上。圖17中省略了在各個步驟緊接著金屬布線處理步驟期間所形成的包括多層布線、保護膜等各種元件。
該集成電路型光接收元件400中區域劃分光電二極管元件300a的基本結構同參照圖1所述的第一個實例的區域劃分光電二極管元件100的結構相同。第四個實例與第一個實例的不同之處在于，在N型外延層4的一個區域內而不是在形成區域劃分光電二極管元件300a的區域內形成信號處理器400b。
象第三個實例的信號處理器300b的各個元件那樣，一個P型掩埋擴散區域1a供作信號處理器400b。P型掩埋擴散區域1a在對應于信號處理器400b的P型半導體襯底1的一部分表面區域內形成。該P型掩埋擴散區域1a的厚度為大約5微米至大約10微米的范圍。
P型掩埋擴散區域1a用以防止在信號處理器400b內產生閉鎖，它有選擇地形成，例如，必須提高襯底的電阻率時。
在第三和第四個實例中，采用同第一個實例中的區域劃分光電二極管元件具有相同結構的區域劃分光電二極管元件。換一種方法，與參照圖6所述第二個實例的光電二極管元件250具有相同結構的一個區域劃分光電二極管元件，可以同信號處理器一起安裝在同一襯底上。
在前面的描述中，本發明已經應用于區域劃分光電二極管元件，作為一種光接收元件，用以接收由光頭光學系統中的盤片所反射的光。換一種方法，本發明還應用于任何其它光學系統中的光電二極管元件或具有不同形狀的光電二極管元件。
注意，本發明適用于與前面描述中采用的各種導電類型(即P型和N型)反向的構造。在此情況下，可以保持與上述效果相同的效果。
從前面所述并根據本發明可見，通過提高第一種導電類型(例如P型)的半導體襯底的電阻率，將向襯底擴展的光檢測部分內的耗盡層的寬度(或深度)設置成等于或大于半導體襯底內光檢測部分的隔離部分的擴散深度。結果，可以縮短光載流子圍繞第一種導電類型之半導體區域(即P型掩埋擴散區域)迂回的擴散運動距離，由此提高區域劃分光電二極管元件的響應速度，并改善其頻率特性。根據本發明，相對波長為780毫微米的光，能實現響應速度約為14兆赫或更高的光電二極管元件，而相對波長為635毫微米的光，能實現響應速度約為30兆赫或更高的光電二極管元件。
此外，本發明還適用于這樣一種結構，其中，形成第二種導電類型(例如N型掩埋擴散區域)的掩埋擴散區域，掩埋入對應于光檢測部分的半導體襯底的表面區域。在此情況下，可以進一步縮短光載流子圍繞第一種導電類型(即P型掩埋擴散區域)之半導體層迂回的擴散運動距離，從而可以顯著地改善區域劃分光電二極管元件的響應速度和頻率特性。
顯然，在不脫離本發明范圍和精神的情況下，本領域的熟練人員還可以作出其它各種變換。因此，所附權利要求書的范圍并不局限于說明書中的描述，而應對權利要求書作更廣范的理解。
權利要求
1.一種光接收元件，其特征在于包括第一導電類型的半導體襯底；形成于第一導電類型半導體襯底表面的預先確定區域的第二導電類型的第一半導體層；以及至少一塊其形成方式是從第二導電類型的第一半導體層的上表面延伸至第一導電類型的半導體襯底表面從而將第二導電類型的第一半導體層劃分為若干第二導電類型的半導體區域的第一導電類型半導體區域，其中，第一導電類型的半導體襯底的電阻率設定在預先確定的范圍內，從而在施加反向偏壓時形成于第一導電類型半導體襯底的耗盡層的深度Xd與第一導電類型的半導體區域對第一導電類型半導體襯底的擴散深度Xj之間滿足Xd≥Xj的關系。
2.如權利要求1所述的光接收元件，其特征在于在第一導電類型的半導體襯底內埋入若干第二導電類型的第二半導體區域，從而分別與第二導電類型的若干分割的半導體區域對應。
3.如權利要求1所述的光接收元件，其特征在于在第一導電類型的半導體襯底表面預先確定區域以外的區域形成預先確定的電路元件。
4.如權利要求2所述的光接收元件，其特征在于在第一導電類型的半導體襯底表面預先確定區域以外的區域形成預先確定的電路元件。
5.如權利要求3所述的光接收元件，其特征在于利用每塊分割的第二導電類型半導體區域和對應于并位于第二導電類型半導體區域下面的第一導電類型的半導體襯底區域形成用于檢測信號光的光檢測光電二極管部分。
6.如權利要求1所述的光接收元件，其特征在于第一導電類型的半導體襯底的電阻率介于30Ωcm-1000Ωcm。
7.如權利要求1所述的光接收元件，其特征在于光接收元件的響應速度為14MHz以上。
8.如權利要求1所述的光接收元件，其特征在于光接收元件的響應速度為30MHz以上。
全文摘要
一種光接收元件，包括第一導電類型的半導體襯底；形成于第一導電類型半導體襯底表面預定區域的第二導電類型的第一半導體層；以及至少一塊其形成方式是從第二導電類型的第一半導體層的上表面延伸至第一導電類型的半導體襯底表面的第一導電類型半導體區域，其中第一導電類型半導體襯底的電阻率設定為在施加反向偏壓時形成于第一導電類型半導體襯底的耗盡層深度Xd與第一導電類型的半導體區域的擴散深度Xj之間滿足Xd≥Xj的關系。
文檔編號H01L31/0352GK1151614SQ9612019
公開日1997年6月11日 申請日期1996年9月26日 優先權日1995年9月26日
發明者福永直樹, 久保勝 申請人:夏普株式會社