JP2003174188A - Optical semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
Optical semiconductor device and manufacturing method thereofInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体装置に関
する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical semiconductor device.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の光半導体装置は特開平4−360
854号公報に記載されている。この光半導体装置は、
PIN構造を有するホトダイオードと、このホトダイオ
ードの高濃度P型層に物理的に接続された高濃度P型領
域をその一部領域とするP型ベース領域、ホトダイオー
ドの高濃度N型層に物理的に接続された高濃度N型領域
をその一部領域とするN型コレクタ領域及びP型ベース
領域内に形成されたN型エミッタ領域を有するNPNト
ランジスタとを同一半導体基板上に形成してなる。ホト
ダイオードがNPNトランジスタのベース領域に接続さ
れているので、ホトダイオードを介してベース領域に流
れ込むベース電流によってNPNトタンジスタのコレク
タ領域とエミッタ領域との間を流れるコレクタ電流を制
御したり、コレクタ電流を検出することによってホトダ
イオードに入射した光強度を測定することができる。2. Description of the Related Art A conventional optical semiconductor device is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-360.
No. 854. This optical semiconductor device is
A photodiode having a PIN structure, a P-type base region whose partial region is a high-concentration P-type region physically connected to the high-concentration P-type layer of the photodiode, and a high-concentration N-type layer of the photodiode are physically formed. An NPN transistor having an N-type collector region and an N-type emitter region formed in a P-type base region of which the connected high-concentration N-type region is a partial region is formed on the same semiconductor substrate. Since the photodiode is connected to the base region of the NPN transistor, the collector current flowing between the collector region and the emitter region of the NPN transistor is controlled or detected by the base current flowing into the base region through the photodiode. This makes it possible to measure the light intensity incident on the photodiode.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トラン
ジスタのコレクタ領域とベース領域との間にはホトダイ
オードのI型層が介在しているため、I型層が全て空乏
化した場合にはトランジスタ出力電流がコレクタ電圧依
存性を伴なって変動する。また空乏化されず残ったI型
層が存在した場合にはコレクタ抵抗の増大に伴ないトラ
ンジスタの飽和電圧が大きくなるという問題が生じる。
さらに、トランジスタのI型層を埋め込み拡散層のせり
上がりで埋め尽す方法があるが、その場合P型ベース層
の不純物プロファイルに影響してトランジスタの電流増
幅率を制御するのが非常に困難であるという問題を有し
ていた。一方、コレクタ抵抗を下げるためI型層の不純
物濃度を上げた場合には、フォトダイオードに関して空
乏層が広がらないため接合容量が増加し、特に空乏化し
ない領域の電界が弱くフォトダイオードの応答速度が低
下するという問題があった。However, since the I-type layer of the photodiode is interposed between the collector region and the base region of the transistor, the transistor output current is reduced when the I-type layer is completely depleted. It varies with collector voltage dependency. Further, if there is an I-type layer left undepleted, there arises a problem that the saturation voltage of the transistor increases as the collector resistance increases.
Further, there is a method of completely filling the I-type layer of the transistor with the rising of the buried diffusion layer, but in that case, it is very difficult to control the current amplification factor of the transistor by affecting the impurity profile of the P-type base layer. Had a problem. On the other hand, when the impurity concentration of the I-type layer is increased to reduce the collector resistance, the depletion layer of the photodiode does not spread and the junction capacitance increases. In particular, the electric field in the undepleted region is weak and the response speed of the photodiode is low. There was a problem of lowering.
【0004】本発明は、このような課題に鑑みてなされ
たものであり、トランジスタのコレクタ電流の変動を抑
制すると共に、そのトランジスタの飽和電圧を小さく
し、更にフォトダイオードの低容量化と走行時定数低下
により高速応答が可能な光半導体装置及びその製造方法
を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above problems, and suppresses the fluctuation of the collector current of a transistor, reduces the saturation voltage of the transistor, and further reduces the capacitance of the photodiode and during running. It is an object of the present invention to provide an optical semiconductor device capable of high-speed response by decreasing the constant and a manufacturing method thereof.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係る光半導体装置は、PIN構造を有する
ホトダイオードと、ホトダイオードの高濃度P型層に物
理的に接続された高濃度P型領域をその一部領域とする
P型ベース領域、ホトダイオードの高濃度N型層に物理
的に接続された高濃度N型領域をその一部領域とするN
型コレクタ領域及びP型ベース領域内に形成されたN型
エミッタ領域を有するNPNトランジスタとを同一半導
体基板上に形成してなる光半導体装置において、N型コ
レクタ領域は高濃度N型領域からP型ベース領域に到達
するN型ウエル領域を備えていることを特徴とする。In order to solve the above problems, an optical semiconductor device according to the present invention includes a photodiode having a PIN structure and a high concentration P physically connected to a high concentration P-type layer of the photodiode. A P-type base region whose partial region is the type region, and an N-type region whose partial region is a high-concentration N-type region physically connected to the high-concentration N-type layer of the photodiode.
In an optical semiconductor device in which an NPN transistor having an N-type emitter region formed in a P-type base region and a P-type collector region is formed on the same semiconductor substrate, the N-type collector region is formed from a high-concentration N-type region to a P-type. It is characterized by having an N-type well region reaching the base region.
【0006】なお、I型層とは狭義の真性半導体を意味
するものではなく、1×1015/cm3未満の比較的低
濃度の不純物濃度を有する半導体を意味するものとす
る。N型の不純物であっても、P型の不純物であっても
よい。The I-type layer does not mean an intrinsic semiconductor in a narrow sense, but a semiconductor having a relatively low impurity concentration of less than 1 × 10 15 / cm 3 . It may be an N-type impurity or a P-type impurity.
【0007】また、高濃度とは不純物濃度が1×1017
/cm3以上のことを意味するものとする。A high concentration means an impurity concentration of 1 × 10 17
/ Cm 3 or more.
【0008】このようなI型層が、N型コレクタ領域の
高濃度N型領域とP型ベース領域との間に介在している
場合、上述のようにトランジスタの飽和電圧が増加す
る。本発明の装置においては、N型コレクタ領域は、高
濃度N型領域からP型ベース領域に到達するN型ウエル
領域を備えている。このN型ウエル領域の平均N型不純
物濃度は1×1015/cm3以上であることが好まし
い。すなわち、N型ウエル領域は、I型層よりも不純物
濃度が高い。When such an I-type layer is interposed between the high-concentration N-type region of the N-type collector region and the P-type base region, the saturation voltage of the transistor increases as described above. In the device of the present invention, the N-type collector region has an N-type well region reaching the P-type base region from the high-concentration N-type region. The average N-type impurity concentration in this N-type well region is preferably 1 × 10 15 / cm 3 or more. That is, the N-type well region has a higher impurity concentration than the I-type layer.
【0009】ホトダイオードに介在するI型層が完全空
乏化するような逆バイアス電圧が印加されたでは、トラ
ンジスタのP型ベース領域とN型コレクタ領域との間に
も同じ逆バイアスが印加されることになるが、この場合
でもN型ウエル領域は全域においては空乏化しない。逆
バイアス電圧、即ちコレクタ電圧を更に増加した場合、
Nウェル領域内の空乏層が僅かずつ広がることによりベ
ース電位の変動が微小になり、電流増幅率の変動が抑え
られて安定したコレクタ電流、即ち出力電流となる。If a reverse bias voltage that completely depletes the I-type layer interposed in the photodiode is applied, the same reverse bias is applied between the P-type base region and the N-type collector region of the transistor. However, even in this case, the N-type well region is not depleted in the entire region. When the reverse bias voltage, that is, the collector voltage is further increased,
The depletion layer in the N-well region is gradually expanded to make the fluctuation of the base potential small and suppress the fluctuation of the current amplification factor to provide a stable collector current, that is, an output current.
【0010】また、不純物濃度を上げて抵抗率が低下し
たN型ウェル領域にコレクタ電流が流れるため、トラン
ジスタ飽和電圧の上昇が抑えられる。そのため、特に低
電圧動作でコレクタ電流が低下する事がなくなる。ま
た、ホトダイオードに介在するI層の高い抵抗領域は、
Nウェル層の導入によって飽和電圧やコレクタ変調のト
ランジスタへの影響がなくなるため、本来の真性半導体
に近い大きな抵抗層に設定することができ、それによっ
て更に低電圧動作や、ホトダイオードの低容量化、高速
化を容易に実現できる。Further, since the collector current flows in the N-type well region in which the impurity concentration is increased and the resistivity is decreased, the increase in the transistor saturation voltage is suppressed. Therefore, the collector current does not decrease particularly in low voltage operation. Further, the high resistance region of the I layer interposed in the photodiode is
Since the introduction of the N-well layer eliminates the influence of the saturation voltage and the collector modulation on the transistor, the resistance layer can be set to a large resistance layer close to the original intrinsic semiconductor, thereby lowering the voltage operation and reducing the capacitance of the photodiode. High speed can be easily realized.
【0011】また、N型エミッタ領域、P型ベース領域
及びN型コレクタ領域は、半導体基板の同一面側にそれ
ぞれの電極を備えることが好ましく、この場合には、同
一面側から電極に容易にリード線を取り付けることがで
きる。It is preferable that the N-type emitter region, the P-type base region and the N-type collector region have respective electrodes on the same surface side of the semiconductor substrate. In this case, the electrodes can be easily provided from the same surface side. Lead wires can be attached.
【0012】このような光半導体装置の製造方法は、
少なくとも表面側に高濃度N型層を有する半導体基板の
上記表面上にI型層をエピタキシャル成長させる工程
と、I型層の表面側からN型ウエル領域形成予定領域
内にN型不純物を添加しN型ウエル領域を形成する工程
と、N型ウエル領域内にP型の主ベース領域を形成す
る工程と、P型の主ベース領域内にN型エミッタ領域
を形成する工程と、I型層及びP型の主ベース領域の
表面側からP型不純物を添加することによってI型層及
びP型の主ベース領域の表面側に高濃度P型層を形成す
る工程とを備え、N型ウエル領域は、添加されたN型不
純物が高濃度N型層に到達するまで熱処理されることを
特徴とする。本製造方法によれば、表面側からN型不純
物を添加することによってN型ウエル領域を作製するこ
ととしたので、これはコレクタ領域の一部として機能す
るが、この場合には、上述の効果に加えて、コレクタ領
域の不純物濃度や分布を、これが埋め込み層である場合
に比較して高精度に制御することができ、したがって、
トランジスタの特性を向上させることができる。The method of manufacturing such an optical semiconductor device is
A step of epitaxially growing an I-type layer on the surface of a semiconductor substrate having a high-concentration N-type layer on at least the surface side, and adding an N-type impurity from the surface side of the I-type layer into an N-type well region formation planned region Forming a type well region, forming a P type main base region in the N type well region, forming an N type emitter region in the P type main base region, an I type layer and a P type Forming a high-concentration P-type layer on the surface side of the I-type layer and the P-type main base region by adding a P-type impurity from the surface side of the main type base region of the N-type well region. The heat treatment is performed until the added N-type impurity reaches the high-concentration N-type layer. According to this manufacturing method, since the N-type well region is formed by adding the N-type impurity from the surface side, this functions as a part of the collector region. In this case, the above-mentioned effect is obtained. In addition, the impurity concentration and distribution of the collector region can be controlled with high precision as compared with the case where this is the buried layer, and therefore,
The characteristics of the transistor can be improved.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る光半導体
装置について説明する。なお、同一要素には同一符号を
用い、重複する説明は省略する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An optical semiconductor device according to an embodiment will be described below. The same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
【0014】図1は光半導体装置の概要を示す説明図で
ある。この図は、各要素の接続を示すものであって、こ
のような接続関係を有する光半導体装置であれば、様々
な形状の光半導体装置を製造することができる。図2は
図1に示した光半導体装置の回路図である。FIG. 1 is an explanatory view showing the outline of an optical semiconductor device. This figure shows the connection of each element, and if the optical semiconductor device has such a connection relationship, optical semiconductor devices of various shapes can be manufactured. FIG. 2 is a circuit diagram of the optical semiconductor device shown in FIG.
【0015】この光半導体装置は、ホトダイオードPD
とNPNトランジスタTRとを同一半導体基板上に形成
してなるものである。なお、図中の各要素はいずれも半
導体からなるものであり、保護膜やパッシベーション膜
等の記載は省略する。This optical semiconductor device comprises a photodiode PD.
And the NPN transistor TR are formed on the same semiconductor substrate. It should be noted that each of the elements in the figure is made of a semiconductor, and the description of the protective film, the passivation film, etc. is omitted.
【0016】ホトダイオードPDは、高濃度P型層PD
P、I型層PDI及び高濃度N型層PDNを備えており、
PIN構造を有している。なお、高濃度P型層PDP及
び高濃度N型層PDNは、それぞれ、ホトダイオードに
おけるアノード及びカソードを構成する。なお、I型層
PDIとは狭義の真性半導体を意味するものではなく、
1×1015/cm3未満の不純物濃度を有する半導体を
意味するものとする。このI型層PDIは、若干のN型
の不純物又はP型の不純物が添加されているものとす
る。 また、説明において、高濃度とは不純物濃度が1
×1017/cm3以上のことを意味するものとする。The photodiode PD is a high concentration P-type layer PD.
P , an I-type layer PD I and a high concentration N-type layer PD N are provided,
It has a PIN structure. The high-concentration P-type layer PD P and the high-concentration N-type layer PD N form the anode and cathode of the photodiode, respectively. The I-type layer PD I does not mean an intrinsic semiconductor in a narrow sense,
A semiconductor having an impurity concentration of less than 1 × 10 15 / cm 3 is meant. It is assumed that the I-type layer PD I is doped with some N-type impurities or P-type impurities. Further, in the description, high concentration means that the impurity concentration is 1
It means x10 17 / cm 3 or more.
【0017】NPNトランジスタTRは、ホトダイオー
ドPDの高濃度P型層PDPに物理的に接続された高濃
度P型領域B1をその一部領域とするP型ベース領域
B、ホトダイオードPDの高濃度N型層に物理的に接続
された高濃度N型領域C1をその一部領域とするN型コ
レクタ領域及びP型ベース領域B内に形成されたN型エ
ミッタ領域Eを有する。The NPN transistor TR includes a P-type base region B whose partial region is a high-concentration P-type region B1 physically connected to the high-concentration P-type layer PD P of the photodiode PD, and a high concentration N of the photodiode PD. It has an N-type collector region having a high-concentration N-type region C1 physically connected to the mold layer as a partial region and an N-type emitter region E formed in a P-type base region B.
【0018】ここで、N型コレクタ領域Cは高濃度N型
領域C1からP型ベース領域Bに到達するN型ウエル領
域CWを備えている。このN型ウエル領域CWの平均N
型不純物濃度は1×1015/cm3以上であることが好
ましい。すなわち、N型ウエル領域CWは、I型層PD
Iよりも不純物濃度が高い。Here, the N-type collector region C has an N-type well region CW which reaches the P-type base region B from the high-concentration N-type region C1. Average N of this N-type well region CW
The type impurity concentration is preferably 1 × 10 15 / cm 3 or more. That is, the N-type well region CW is the I-type layer PD.
Higher impurity concentration than I.
【0019】I型層PDIを完全空乏化するため、ホト
ダイオードPDに逆バイアスを印加した場合には、トラ
ンジスタTRのP型ベース領域BとN型コレクタ領域C
との間には逆バイアスが印加されることになるが、この
場合、I型層PDIの全域を空乏化した場合において
も、N型ウエル領域CWは全域においては空乏化しない
ことになる。In order to completely deplete the I-type layer PD I , if a reverse bias is applied to the photodiode PD, the P-type base region B and the N-type collector region C of the transistor TR will be described.
Although a reverse bias is applied between and, the N-type well region CW is not depleted in the entire region even when the entire I-type layer PD I is depleted in this case.
【0020】すなわち、P型ベース領域BとN型コレク
タ領域Cとの間にはI型層PDIが介在していない。し
たがって、トランジスタTRの静特性としては、このよ
うなI型層PDIによる抵抗が減少することとなり、コ
レクタ電流が増加する。That is, the I-type layer PD I is not interposed between the P-type base region B and the N-type collector region C. Therefore, as the static characteristic of the transistor TR, the resistance due to such an I-type layer PD I decreases, and the collector current increases.
【0021】N型ウエル領域CWがI型層PDIである
場合には、I型層PDIへの光の入射に伴って発生した
キャリアによる抵抗変化、基板電位変化によって、コレ
クタ及びベース領域の電位が影響を受ける。電位変化を
考慮しない場合においても、コレクタ抵抗Rcが変動す
る。When the N-type well region CW is the I-type layer PD I , the collector and base regions of the collector and base regions are changed by the resistance change and the substrate potential change due to the carriers generated by the incidence of light on the I-type layer PD I. The electric potential is affected. Even when the potential change is not considered, the collector resistance Rc changes.
【0022】本装置においては、N型ウエル領域CWは
I型層PDIではないため、コレクタ領域C及びベース
領域Bの電位やコレクタ抵抗Rcが安定し、トランジス
タTRのコレクタ電流Icの変動を抑制することができ
る。なお、コレクタ電流Icは、ベース電流Ibの電流
増幅率(hfe)倍であるが、ベース電流Ibはホトダイ
オードPDを流れる電流である。In this device, since the N-type well region CW is not the I-type layer PD I , the potentials of the collector region C and the base region B and the collector resistance Rc are stabilized, and the variation of the collector current Ic of the transistor TR is suppressed. can do. The collector current Ic is a current amplification factor (h fe ) times the base current Ib, but the base current Ib is a current flowing through the photodiode PD.
【0023】また、N型エミッタ領域E、P型ベース領
域B及びN型コレクタ領域Cは、半導体基板の同一面側
に図示しないそれぞれの電極を備えており、この場合に
は、同一面側から電極にリード線を取り付けることがで
きる。Further, the N-type emitter region E, the P-type base region B and the N-type collector region C are provided with respective electrodes (not shown) on the same surface side of the semiconductor substrate. In this case, from the same surface side. Lead wires can be attached to the electrodes.
【0024】次に、上述の光半導体装置の一例について
製造方法と共に説明する。Next, an example of the above-mentioned optical semiconductor device will be described together with a manufacturing method.
【0025】図3はかかる光半導体装置を一部破断して
示す光半導体装置の斜視図である。光半導体装置を構成
する各半導体要素の導電型、不純物濃度及び厚みは以下
の通りである。なお、半導体の材料はSiである。FIG. 3 is a perspective view of the optical semiconductor device, in which the optical semiconductor device is partially cut away. The conductivity type, impurity concentration, and thickness of each semiconductor element forming the optical semiconductor device are as follows. The semiconductor material is Si.
【表1】 [Table 1]
【表2】
なお、N型ウエル領域CWは、基板に垂直な平面内にお
いて、環状を有する外側N型ウエル領域CW1と、I型
層PDIを介在させて外側N型ウエル領域CW1の内側
に位置する内側N型ウェル領域CW2からなる。外側N
型ウエル領域CW1の表面側には、隣接素子との間の電
気的隔離を行うアイソレーション或いはチャネルストッ
パとして機能する高濃度P型領域ISPが環状に形成さ
れている。また、基板表面側のN型エミッタ領域E、P
型ベース領域Bの表面側の一部を構成する高濃度P型領域
B1及びN型コレクタ領域Cの表面側の一部を構成する高
濃度N型領域C2上には、それぞれ、エミッタ電極、ベー
ス電極及びコレクタ電極が設けられる。[Table 2] The N-type well region CW is an inner N-type well region CW1 located inside the outer N-type well region CW1 with an I-type layer PD I interposed in a plane perpendicular to the substrate. The well region CW2 is formed. Outside N
On the surface side of the type well region CW1, a high concentration P type region IS P functioning as an isolation or a channel stopper for electrically isolating an adjacent element is formed in an annular shape. In addition, the N-type emitter regions E and P on the substrate surface side
High-concentration P-type region forming part of the surface side of the mold base region B
An emitter electrode, a base electrode, and a collector electrode are provided on the high-concentration N-type region C2 forming part of the surface side of B1 and the N-type collector region C, respectively.
【0026】この光半導体装置は以下の工程〜を順
次実行することによって製造される。
エピタキシャル成長工程This optical semiconductor device is manufactured by sequentially performing the following steps. Epitaxial growth process
【0027】少なくとも表面側に高濃度N型層(P
DN:高濃度N型領域C1)を有する半導体基板を用意
する。本例では、半導体基板自体が高濃度のN型基板で
あるとする(0.01Ω・cm)。この半導体基板の表
面上にI型層PDIをエピタキシャル成長させる。エピ
タキシャル成長層は、低電圧動作を前提とすると高抵抗
化が必要で、エピ厚が厚くなるほどより高抵抗のエピタ
キシャル層に設定される。例えば、I層に15μmの厚
みを構成する場合は、エピタキシャル層の比抵抗は50
0Ω・cm以上の高抵抗になる。あるいはI層に20μ
m以上の厚みを構成する場合は700Ωcm以上の高抵
抗になる。このようにすれば低電圧でI層が完全に空乏
層になり、ホトダイオードの低容量化と高速応答が可能
になる。
N型ウエル領域形成工程A high-concentration N-type layer (P
D N : A semiconductor substrate having a high concentration N type region C1) is prepared. In this example, the semiconductor substrate itself is a high-concentration N-type substrate (0.01 Ω · cm). An I-type layer PD I is epitaxially grown on the surface of this semiconductor substrate. The epitaxial growth layer is required to have a high resistance under the assumption of low voltage operation, and the thicker the epi thickness is, the higher the resistance of the epitaxial growth layer is set. For example, when the I layer has a thickness of 15 μm, the resistivity of the epitaxial layer is 50
High resistance of 0 Ω · cm or more. Or 20μ for I layer
When the thickness is m or more, the resistance is as high as 700 Ωcm or more. In this way, the I layer becomes a depletion layer completely at a low voltage, and the photodiode can have a low capacitance and a high speed response. N-type well region formation process
【0028】I型層PDIの表面上にN型ウエル領域形
成予定領域が露出したマスクを作製する。このマスクは
ホトレジストによって形成される。マスクをした状態
で、I型層PDIの表面側からN型ウエル領域形成予定
領域内にN型不純物を添加しN型ウエル領域CW(CW
1,CW2)を形成する。不純物添加方法としては、拡
散法やイオン注入法が挙げられる。N型ウエル領域CW
は、添加されたN型不純物が高濃度N型層C1(P
DN)に到達するまで熱処理される。
主ベース領域形成工程A mask in which the N-type well region formation planned region is exposed is formed on the surface of the I-type layer PD I. This mask is formed by photoresist. In the masked state, an N-type impurity is added from the surface side of the I-type layer PD I into the N-type well region formation planned region to form the N-type well region CW (CW
1, CW2) is formed. Examples of the impurity addition method include a diffusion method and an ion implantation method. N-type well region CW
Is a high-concentration N-type layer C1 (P
It is heat treated until it reaches D N ). Main base region formation process
【0029】N型ウエル領域CW内にP型の主ベース領
域B2を形成する。I型層PDI及びN型ウエル領域C
Wの表面上に主ベース領域形成予定領域が露出したマス
クを作製する。このマスクはホトレジストによって形成
される。マスクをした状態で、I型層PDI及びN型ウ
エル領域CWの表面側から主ベース領域形成予定領域内
にP型不純物を添加し主ベース領域B2を形成する。不
純物添加方法としては、拡散法やイオン注入法が挙げら
れる。
エミッタ領域形成工程A P-type main base region B2 is formed in the N-type well region CW. I type layer PD I and N type well region C
A mask in which the main base region formation planned region is exposed on the surface of W is prepared. This mask is formed by photoresist. In the masked state, a P-type impurity is added from the surface side of the I-type layer PD I and the N-type well region CW into the main base region formation planned region to form the main base region B2. Examples of the impurity addition method include a diffusion method and an ion implantation method. Emitter region formation process
【0030】主ベース領域B2内にN型エミッタ領域を
形成する。I型層PDI、N型ウエル領域CW及び主ベ
ース領域B2の表面上に、エミッタ領域形成予定領域が
露出したマスクを作製する。このマスクはホトレジスト
によって形成される。マスクをした状態で、I型層PD
I、N型ウエル領域CW及び主ベース領域B2の表面側
からエミッタ領域形成予定領域内にN型不純物を添加し
エミッタ領域Eを形成する。不純物添加方法としては、
拡散法やイオン注入法が挙げられる。
高濃度P型層PDP形成工程An N type emitter region is formed in the main base region B2. A mask in which an emitter region formation planned region is exposed is formed on the surfaces of the I-type layer PD I , the N-type well region CW and the main base region B2. This mask is formed by photoresist. I-type layer PD with mask
An emitter region E is formed by adding an N-type impurity from the surface side of the I , N-type well region CW and the main base region B2 into the region where the emitter region is to be formed. As a method of adding impurities,
A diffusion method and an ion implantation method can be used. High-concentration P-type layer PD P formation process
【0031】I型層PDI、N型ウエル領域CW、主ベ
ース領域B2及びN型エミッタ領域Eの表面側からP型
不純物を添加することによって、エミッタの外側の領域
の表面側に高濃度P型層B1(PDP)を形成する。I
型層PDI、N型ウエル領域CW、主ベース領域B2及
びN型エミッタ領域Eの表面上に、高濃度P型層PDP
形成予定領域が露出したマスクを作製する。このマスク
はホトレジストによって形成される。マスクをした状態
で、これらの表面側から高濃度P型層PDP形成予定領
域内にP型不純物を添加し高濃度P型層B1(PDP)
を形成する。不純物添加方法としては、拡散法やイオン
注入法が挙げられる。最後に、アイソレーションやパッ
シベーション、金属電極を設けることにより、光半導体
装置が完成する。本製造方法によれば、表面側からN型
不純物を添加することによってN型ウエル領域CWを作
製することとしたので、これはコレクタ領域の一部とし
て機能するが、この場合には、上述の効果に加えて、コ
レクタ領域の不純物濃度や分布を、これが埋め込み層で
ある場合に比較して高精度に制御することができ、した
がって、トランジスタTRの特性を向上させることがで
きる。By adding P-type impurities from the surface side of the I-type layer PDI, the N-type well region CW, the main base region B2 and the N-type emitter region E, the high concentration P-type is added to the surface side of the region outside the emitter. Form the layer B1 (PD P ). I
The high concentration P-type layer PD P is formed on the surfaces of the type layer PD I , the N-type well region CW, the main base region B2 and the N-type emitter region E.
A mask in which a region to be formed is exposed is manufactured. This mask is formed by photoresist. In the masked state, P-type impurities are added from the surface side to the high-concentration P-type layer PD P formation planned region to form the high-concentration P-type layer B1 (PD P ).
To form. Examples of the impurity addition method include a diffusion method and an ion implantation method. Finally, the optical semiconductor device is completed by providing isolation, passivation, and metal electrodes. According to the present manufacturing method, since the N-type well region CW is formed by adding the N-type impurity from the surface side, it functions as a part of the collector region. In addition to the effect, the impurity concentration and distribution in the collector region can be controlled with higher accuracy than in the case where the collector region is a buried layer, and therefore the characteristics of the transistor TR can be improved.
【0032】次に、上述の光半導体装置の利点につい
て、比較例を用いて説明する。比較例に係る光半導体装
置は、N型ウエル領域に代えてN型埋め込み層BLを高
濃度N型層C1との間に介在させたものである。Next, the advantages of the above-described optical semiconductor device will be described using a comparative example. The optical semiconductor device according to the comparative example has an N-type buried layer BL in place of the N-type well region and the high-concentration N-type layer C1.
【0033】図4は図3に示した光半導体装置の部分縦
断面図であり、図5は図4に示した深さ方向計測ライン
t上の不純物濃度分布を示すグラフである。同様に、図
6は比較例に係る光半導体装置の縦断面図であり、図7
は図6に示した深さ方向計測ラインt上の不純物濃度分
布を示すグラフである。なお、斜線部は空乏層を示す。FIG. 4 is a partial vertical sectional view of the optical semiconductor device shown in FIG. 3, and FIG. 5 is a graph showing an impurity concentration distribution on the depth direction measurement line t shown in FIG. Similarly, FIG. 6 is a longitudinal sectional view of an optical semiconductor device according to a comparative example.
7 is a graph showing an impurity concentration distribution on the depth direction measurement line t shown in FIG. The shaded area indicates the depletion layer.
【0034】上記グラフに示されるように、実施形態に
係るN型ウエル領域CWの不純物濃度は、比較例のそれ
よりも高く、また、主ベース領域B2から基板側の高濃
度N型層C1(PDN)にまで到達している。そのた
め、フォトダイオード部分は、PDIの領域が全て空乏
層になってもNウェル領域にできるベース/コレクタ間
の空乏層はごく狭い範囲に形成され、コレクタ電圧の変
動に応じてその幅が僅かに変化する。そのため、ベース
電位がコレクタ電圧の変動に依存することなく一定にな
る。また、Nウェル領域が比較例と比べて不純物濃度が
高いためコレクタ抵抗が低くなる。As shown in the above graph, the impurity concentration of the N-type well region CW according to the embodiment is higher than that of the comparative example, and the high-concentration N-type layer C1 (from the main base region B2 to the substrate side). PD N ) has been reached. Therefore, in the photodiode portion, even if the PDI region is entirely depleted, the depletion layer between the base and the collector formed in the N well region is formed in an extremely narrow range, and its width is slightly changed according to the fluctuation of the collector voltage. Change. Therefore, the base potential becomes constant without depending on the fluctuation of the collector voltage. Further, since the N well region has a higher impurity concentration than the comparative example, the collector resistance becomes low.
【0035】比較例においては、I型層PDIによる抵
抗Rcが大きいため、ホトダイオードPDを一部分空乏
化した場合においてはコレクタ抵抗が大きくトランジス
タ飽和電圧が大きくなる。また、コレクタ抵抗Rcをな
くすために空乏層がBL領域まで達した場合には、空乏
層がそれ以上変化できないためコレクタ電圧の増加に伴
なってベース電位が上がり、電流増幅率が大きくなって
コレクタ電流が変動する。更に、PDIを完全空乏化を
想定すると、コレクタ抵抗の低下のために形成したBL
層が無い場合でもトランジスタのコレクタ抵抗Rcは小
さくなり、BL層の存在意義がなくなる。In the comparative example, since the resistance Rc due to the I-type layer PD I is large, the collector resistance is large and the transistor saturation voltage is large when the photodiode PD is partially depleted. Further, when the depletion layer reaches the BL region in order to eliminate the collector resistance Rc, the depletion layer cannot change any more, the base potential rises as the collector voltage increases, and the current amplification factor increases and the collector increases. The current fluctuates. Further, assuming that PDI is completely depleted, the BL formed due to the decrease in collector resistance.
Even if there is no layer, the collector resistance Rc of the transistor becomes small and the existence of the BL layer becomes meaningless.
【0036】実施形態においては、ホトダイオードPD
を低電圧で完全空乏化でき、トランジスタTR側の空乏
層は、N型ウェル領域にベースとの接合部から2〜3μ
mの深さしか広がらないため、トランジスタのコレクタ
電圧依存性が小さいという利点がある。また、フォトダ
イオード部分のPDIが完全空乏化されることによって
比較例に比して電子の平均ドリフト速度は大きくなり、
高速応答が可能になる。In the embodiment, the photodiode PD
Can be fully depleted at a low voltage, and the depletion layer on the transistor TR side is 2 to 3 μm from the junction with the base in the N-type well region.
Since there is only a depth of m, there is an advantage that the collector voltage dependence of the transistor is small. Further, since the PDI of the photodiode portion is completely depleted, the average drift velocity of electrons becomes higher than that of the comparative example.
High-speed response is possible.
【0037】また、実施形態の光半導体装置において
は、コレクタ接合容量も小さくなる。抵抗の低下によっ
てトランジスタの飽和電圧が小さくなり、大電流でも出
力が低下しないため、ダイナミックレンジが広がる。更
に、アーリー効果を受けにくくなるため、コレクタ及び
エミッタ間電圧の依存性が低下するという利点もある。Further, in the optical semiconductor device of the embodiment, the collector junction capacitance also becomes small. The decrease in resistance reduces the saturation voltage of the transistor, and the output does not decrease even with a large current, so the dynamic range is expanded. Furthermore, there is an advantage that the dependency of the voltage between the collector and the emitter is reduced because it is less likely to receive the Early effect.
【0038】また、トランジスタTRのエミッタ領域に
設けられるエミッタ電極はストライプ形状であって、コ
レクタ電極はエミッタ電極及びホトダイオードPDの光
入射領域を囲む環状のものが好ましい。このストライプ
の幅は、狭いほど高速化が達成される。コレクタ接合容
量は本例の構造においては低減されているので、ストラ
イプ化、すなわち、エミッタ電極(エミッタ領域E)に
おける高濃度N型層を流れる電流の方向よりも、これと
基板厚み方向の双方に垂直な方向の電極長を長くするこ
とで、高速化が更に達成される。Further, it is preferable that the emitter electrode provided in the emitter region of the transistor TR has a stripe shape and the collector electrode has a ring shape surrounding the light incident region of the emitter electrode and the photodiode PD. The narrower the width of this stripe, the higher the speed. Since the collector junction capacitance is reduced in the structure of this example, it is striped, that is, in the thickness direction of the substrate rather than in the direction of the current flowing through the high-concentration N-type layer in the emitter electrode (emitter region E). By increasing the length of the electrodes in the vertical direction, higher speed can be achieved.
【0039】[0039]
【発明の効果】以上、説明したように、本発明の光半導
体装置によれば、同一基板上に形成されるトランジスタ
とホトダイオードにおいて、ホトダイオードの低容量化
・高速化できる構造を持たせながらコレクタ電圧依存性
を抑制すると共に、トランジスタの飽和電圧増加を抑制
する事が可能になる。また、この製造方法によれば、ト
ランジスタの特性を更に向上させることができる。As described above, according to the optical semiconductor device of the present invention, in the transistor and the photodiode formed on the same substrate, while the collector voltage is reduced while the capacitance and speed of the photodiode can be reduced. It is possible to suppress the dependency and suppress an increase in the saturation voltage of the transistor. Moreover, according to this manufacturing method, the characteristics of the transistor can be further improved.
【図1】光半導体装置の概要を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of an optical semiconductor device.
【図2】図1に示した光半導体装置の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of the optical semiconductor device shown in FIG.
【図3】光半導体装置を一部破断して示す光半導体装置
の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of an optical semiconductor device in which the optical semiconductor device is partially broken away.
【図4】図3に示した光半導体装置の部分縦断面図であ
る。4 is a partial vertical cross-sectional view of the optical semiconductor device shown in FIG.
【図5】図4に示した深さ方向計測ラインt上の不純物
濃度分布を示すグラフである。5 is a graph showing an impurity concentration distribution on a depth direction measurement line t shown in FIG.
【図6】比較例に係る光半導体装置の縦断面図である。FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of an optical semiconductor device according to a comparative example.
【図7】図6に示した深さ方向計測ラインt上の不純物
濃度分布を示すグラフである。7 is a graph showing an impurity concentration distribution on the depth direction measurement line t shown in FIG.
E…N型エミッタ領域、B…ベース領域、C…コレクタ
領域、B1…高濃度P型層、B2…主ベース領域、C1
…高濃度N型層、CW…N型ウエル領域、IS P…P型
領域、PD…ホトダイオード、PDI…I型層、PDN…
高濃度N型層、PDP…高濃度P型層、Rc…抵抗、t
…方向計測ライン、TR…トランジスタ。
E ... N-type emitter region, B ... Base region, C ... Collector
Region, B1 ... High-concentration P-type layer, B2 ... Main base region, C1
... High-concentration N-type layer, CW ... N-type well region, IS P... P type
Area, PD ... Photodiode, PDI… I-type layer, PDN…
High concentration N-type layer, PDP... High-concentration P-type layer, Rc ... Resistance, t
… Direction measurement line, TR… Transistor.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 仁 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 Fターム(参考) 4M118 AA01 CA05 CA09 5F049 MA04 MB03 NA03 PA03 PA09 QA20 RA06 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Hitoshi Inoue 1 Hamamatsuho, 1126 Nomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture Tonics Co., Ltd. F-term (reference) 4M118 AA01 CA05 CA09 5F049 MA04 MB03 NA03 PA03 PA09 QA20 RA06
Claims (4)
前記ホトダイオードの高濃度P型層に物理的に接続され
た高濃度P型領域をその一部領域とするP型ベース領
域、前記ホトダイオードの高濃度N型層に物理的に接続
された高濃度N型領域をその一部領域とするN型コレク
タ領域及び前記P型ベース領域内に形成されたN型エミ
ッタ領域を有するNPNトランジスタとを同一半導体基
板上に形成してなる光半導体装置において、 前記N型コレクタ領域は前記高濃度N型領域から前記P
型ベース領域に到達するN型ウエル領域を備えているこ
とを特徴とする光半導体装置。1. A photodiode having a PIN structure,
A P-type base region having a high-concentration P-type region physically connected to the high-concentration P-type layer of the photodiode as a partial region, and a high-concentration N physically connected to the high-concentration N-type layer of the photodiode. An optical semiconductor device comprising an N-type collector region having a type region as a partial region and an NPN transistor having an N-type emitter region formed in the P-type base region on the same semiconductor substrate. The type collector region is formed from the high concentration N type region to the P type.
An optical semiconductor device comprising an N-type well region reaching a type base region.
度は1×1015/cm3以上であることを特徴とする請
求項1に記載の光半導体装置。2. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the average N-type impurity concentration of the N-type well region is 1 × 10 15 / cm 3 or more.
領域及び前記N型コレクタ領域は、前記半導体基板の同
一面側にそれぞれの電極を備えることを特徴とする請求
項1に記載の光半導体装置。3. The optical semiconductor according to claim 1, wherein the N-type emitter region, the P-type base region and the N-type collector region have respective electrodes on the same surface side of the semiconductor substrate. apparatus.
る半導体基板の前記表面上にI型層をエピタキシャル成
長させる工程と、 前記I型層の表面側からN型ウエル領域形成予定領域内
にN型不純物を添加し前記N型ウエル領域を形成する工
程と、 前記N型ウエル領域内にP型の主ベース領域を形成する
工程と、 前記P型の主ベース領域内にN型エミッタ領域を形成す
る工程と、 前記I型層及び前記P型の主ベース領域の表面側からP
型不純物を添加することによって前記I型層及び前記P
型の主ベース領域の表面側に高濃度P型層を形成する工
程とを備え、 前記N型ウエル領域は、添加されたN型不純物が前記高
濃度N型層に到達するまで熱処理されることを特徴とす
る光半導体装置の製造方法。4. A step of epitaxially growing an I-type layer on the surface of a semiconductor substrate having a high-concentration N-type layer on at least the surface side, and N from the surface side of the I-type layer in an N-type well region formation scheduled region. Forming an N-type well region by adding a type impurity, forming a P-type main base region in the N-type well region, and forming an N-type emitter region in the P-type main base region From the surface side of the I-type layer and the P-type main base region
The I-type layer and the P-type layer by adding a type impurity.
Forming a high-concentration P-type layer on the surface side of the main base region of the mold, wherein the N-type well region is heat-treated until the added N-type impurity reaches the high-concentration N-type layer. A method for manufacturing an optical semiconductor device, comprising:
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