JP2005183722A

JP2005183722A - 受光素子を有する半導体装置

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Publication number: JP2005183722A
Application number: JP2003423362A
Authority: JP
Inventors: Hisatada Yasukawa; 久忠安川; Yasushi Jin; 康神; Yoshitaka Iwai; 誉貴岩井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】高速なバイポーラ素子と同一の半導体基板上に、高速，高感度，低ノイズな受光素子を混載することを可能にする。
【解決手段】低不純物濃度よりなる半導体基板１上に成膜された高濃度半導体層よりなる第１導電型の第１半導体層２１と、第１半導体層２１上に形成され、第１半導体層に比べ低不純物濃度の第１導電型の第２半導体層２２と、第２の半導体層２１上に形成され、前記第２半導体層に比べ高不純物濃度の第２導電型の第３半導体層２３と、第３半導体層上に形成された第３半導体領域２４に比べ高不純物濃度の第２導電型の第４半導体領域２５とを具備してなる受光素子を形成する構成にする。
【選択図】図１

Description

本発明は受光素子を有する半導体装置に関するものである。

受光素子であるフォトダイオードは、光信号を電気信号に変換する素子であり、各種の光センサ，光信号検出器などに使用されている。受光素子を有する半導体装置では、しばしば光検出素子であるフォトダイオードと、バイポーラトランジスタ，抵抗，容量などの各種回路素子とを同一基板上に混載した、いわゆるＯＥＩＣ（光電集積回路）として構成されている。

この種のＯＥＩＣは、一般にバイポーラトランジスタの製造方法に従って形成され、さらにＯＥＩＣには、高速，低ノイズ，高感度の特性が要求されている。

図２は従来構造による受光素子であるフォトダイオードとバイポーラトランジスタとが混載されたＯＥＩＣの概略構成を示す断面図であって、バイポーラトランジスタとしてｎｐｎトランジスタ、およびフォトダイオードとしてカソードコモン型フォトダイオードが同一基板上に具備されてなるＯＥＩＣとして用いられるバイポーラＩＣを例示するものである。

図２において、このバイポーラＩＣには、抵抗率５０Ωｃｍの低不純物濃度のＰ型Ｓｉ基板よりなる半導体基板１が用意され、ｎｐｎ型トランジスタの形成領域とフォトダイオードの形成領域に、高不純物濃度のｎ型埋め込み領域２がそれぞれ選択的に形成される。また半導体素子間、すなわち本例では、トランジスタ形成部とフォトダイオード形成部間に、高不純物濃度の第１分離領域３が選択的に形成される。

前記半導体基板１上に、例えば抵抗率が１０Ωｃｍ、厚さ４μｍのｎ型半導体層がエピタキシャル成長されて、ｎ型半導体層４が形成される。ｎ型半導体層４の第１分離領域３上には第２Ｐ型分離層６が形成される。

ｎｐｎトランジスタの形成領域の分離領域３によって囲まれた部分には、ｎ型コレクタ領域５が形成され、ｎ型埋め込み領域２の周辺上には、コレクタ引き出し層７が選択的に形成され、その上に、コレクタコンタクト層８が形成される。また、コレクタコンタクト層８上にコレクタ電極９が形成される。

ｎ型コレクタ領域５には選択的にＰ型ベース領域１０が形成される。また、このベース領域１０の周辺部片側上には、選択的にＰ型のベースコンタクト層１１が形成され、その上にベース電極１２が形成される。

また、ベース領域１０のベースコンタクト層１１に対向して、選択的にｎ型のエミッタ領域１３が形成され、その上にエミッタ電極１４が形成される。

フォトダイオードの形成領域のｎ型埋め込み領域２の周辺上には、カソード引き出し層１５が選択的に形成され、その上に、カソードコンタクト層１６が形成される。また、カソードコンタクト層１６上にカソード電極１７が形成される。

フォトダイオードの形成領域の分離領域３によって囲まれた半導体層４の表面部分には、高不純物濃度のＰ型アノード層１８が選択的に形成され、その拡散深さは０．３μｍである。その周辺部にアノード電極１９がそれぞれ形成される。

半導体層４の表面には、例えばＳｉＯ２膜による絶縁膜２０が形成され、これにコンタクト窓を通じ、エミッタ層１３，ベースコンタクト層１１，コレクタコンタクト層８，カソードコンタクト層１６，アノード層１８上に、それぞれエミッタ電極１４，ベース電極１２，コレクタ電極９，カソード電極１７，アノード電極１９がオーミックに接触形成される。

このように、同一半導体基板１上に、ＮＰＮトランジスタとカソードコモン型フォトダイオードとが形成されたバイポーラＩＣができる。

また、図３は従来の同様の受光素子を具備するＯＥＩＣの他の例の概略構成を示す断面図である。なお、以下の説明において、図２にて説明した部位と対応する部位には同一符号を付して重複説明を省略する。

図３に示す構成例では、Ｐ型半導体基板１上の全面に高不純物濃度のＰ型の第１半導体層２１を形成し、この上に全面的に低不純物濃度のＰ型の第２半導体層２２をエピタキシャル成長する。また、受光領域周辺の素子分離領域６上には、第２アノード電極２３を形成する。この従来例のような構成においても、同一半導体基板１上に、ＮＰＮトランジスタとカソードコモン型フォトダイオードが形成されたバイポーラＩＣが作成される。

以上のように構成された半導体装置について、以下にその動作を説明する。

すなわち、フォトダイオード形成領域の表面から入射した光が、その光の吸収係数αに従って、表面から深さｔに対し、１−ｅｘｐ（−αｔ）に従って吸収される。このとき、フォトダイオード領域に逆バイアスを印加すると、低不純物濃度の半導体層４で空乏層が広がり、半導体層４で吸収された光により発生したキャリヤによって光電流が発生する。図２の場合においては、光電流に寄与する領域は半導体層４であり、図３の場合においては、半導体層４と第１半導体層２１である。

近年、ＣＤ，ＤＶＤなどの記録ディスクに使用されている光ピックアップ用ＯＥＩＣでは、ディスクに対する駆動の高速化に伴い、高感度化，高速化が要望されている。また、周波数特性においても同様に高速化が要望されている。

このことから、前記従来の受光素子を有する半導体装置において、以下の問題点がある。

第１の問題点は、受光素子の光感度が低いという点である。図２に示す構成のものにおいて、受光素子領域内における低不純物濃度のエピタキシャル成長半導体層４が、ＰＩＮフォトダイオードのＩ領域に相当し、光電変換を有効に行わせる領域となるが、その厚さが４．４μｍであり、ＬＤ波長：７８０ｎｍ（ＣＤ用ＬＤ）の場合で４０％の光吸収量、ＬＤ波長：６５０ｎｍ（ＤＶＤ用ＬＤ）の場合で７０％の光吸収量しか光電流として寄与しない。よって、光感度は、ＬＤ波長：７８０ｎｍで光感度：０．２３Ａ／Ｗ、ＬＤ波長：６５０ｎｍで光感度：０．３５Ａ／Ｗとなり十分な光感度が得られない。したがって、フォトダイオードの光感度を上げるには、エピタキシャル半導体層４を厚くする必要がある。

しかし、トランジスタの周波数特性を上げるためには、半導体層の厚みを薄くする必要があり。両者はトレードオフの関係となっている。その解決方法として、例えば図２の場合、受光領域周辺の分離領域６にアノード電極を形成し、半導体基板１とフォトダイオード形成領域のｎ型埋め込み領域に逆バイアスの印加をできるようにすると、半導体基板１で発生したキャリヤを光電流として検出でき、受光感度を上げることができるが、この方法では、半導体基板１の空乏層外で発生したキャリヤが、低不純物の半導体基板１であるために再結合せずに拡散速度のみで空乏層に到達するため、受光素子の周波数特性が悪くなってしまうことになる。

また、図３に示す構成のものにおいては、高比抵抗半導体基板１上に高不純物濃度層２１と、その上に高比抵抗エピタキシャル層の第２半導体層２２を形成し、その第２半導体層の厚みを逆バイアス電圧印加状態での空乏層幅と同等にすることにより、第２半導体層で光入射により発生した空乏層外のキャリヤは、高不純物濃度の半導体層２１もしくは低不純物濃度の半導体基板１の内部で発生する。高不純物濃度の半導体層２１で発生したキャリヤは、少数キャリヤの電子であれば再結合消滅し、多数キャリヤの正孔では第２半導体層２１内を抵抗体を流れるごとく第２アノード電極２２へと流れる。また、低不純物濃度の半導体基板１で発生したキャリヤ（特に正孔）は、拡散により半導体層２１付近に到達するが、半導体層２１と半導体基板１との濃度差が大きいためにキャリヤの拡散が止まって再結合消滅する。以上から、受光素子の周波数特性を下げずに、光感度の上げることができる。

ところが、図３に示す構成では、半導体層４と第２半導体層２２の双方に独立して空乏層を形成するために寄生容量が大きくなり、低ノイズ化を図ることができない。また、ＯＥＩＣとして、トランジスタの高速化に対して、半導体層４の厚みを１μｍ以下にする必要があり、図２，図３に示す構成では対応困難になっている。

また、光の波長の短い入射光に対し、例えば４０７ｎｍの光の場合、表面から０．２μｍで６０％の光が吸収される。そのためアノード拡散領域１８で生成されたキャリヤの再結合を防ぐために極力深さを薄くし、光電変換効率の高い領域の生成キャリヤ量を増やす必要がある。

本発明の目的は、前記従来の課題を解決し、高速なバイポーラ素子と同一の半導体基板上に、高速，高感度，低ノイズの特性を呈する受光素子を混載可能な受光素子を有する半導体装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の受光素子を有する半導体装置は、低濃度半導体基板よりなるか、あるいは半導体基板上に成膜された高濃度半導体層よりなる第１導電型の第１半導体領域と、この第１半導体領域上に形成され、この第１半導体領域に比べ低不純物濃度の第１導電型の第２半導体領域と、この第２の半導体領域上に形成され、この第２半導体領域に比べ高不純物濃度の第２導電型の第３半導体領域とを具備した構成とするものであり、さらには前記第３半導体領域上に形成され、この第３半導体領域に比べ高不純物濃度の第２導電型の第４半導体領域を具備した構成とするものである。

前記構成により、本発明では、受光素子の主要部を構成する高比抵抗半導体領域を第１導電型の低不純物濃度の第２半導体領域によって構成し、この第２半導体領域内に生じる空乏層を十分に確保することができ、また、第２導電型の高不純物濃度の第３半導体領域とこの第３半導体領域に比べ高不純物濃度の第２導電型の第４半導体領域による濃度差における内部電界効果により実効空乏層幅をより広げることができる。したがって、受光素子の高感度化ができる。

また、前記空乏層幅を広げることにより、寄生容量の低減化を図ることができる。また、バイポーラトランジスタ部において、第３半導体領域が高不純物濃度で形成できるため、その第３半導体領域をコレクタ領域として使用することができ、高速のバイポーラトランジスタの形成が容易となる。以上から、本発明により高感度化，高速化，低ノイズ化が可能になる。

本発明は、受光素子の光感度に寄与する低不純物濃度部と受光素子表面の不純物濃度差を利用し、実行空乏層領域を十分に確保し、バイポーラトランジスタの特性を低下させずに、受光素子の周波数特性と光感度および低容量化を実現することができる。また光吸収長の短い光に対しても、周波数特性と光感度を向上させ、かつ低容量化を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

本発明による受光素子を有する半導体装置は、低濃度半導体基板よりなるか、あるいは半導体基板上に成膜された高濃度半導体層よりなる第１導電型の第１半導体領域と、この第１半導体領域上に形成され、この第１半導体領域に比べ低不純物濃度の第１導電型の第２半導体領域と、この第２の半導体領域上に形成され、この第２半導体領域に比べ高不純物濃度の第２導電型の第３半導体領域と、この第３半導体領域上に形成され、この第３半導体領域に比べ高不純物濃度の第２導電型の第４半導体領域とを具備した構成とする。

図１は本発明の実施形態の半導体装置の一例の概略構成を示す断面図であり、フォトダイオードとバイポーラトランジスタとが混載されたＯＥＩＣを示す。

本実施形態では、Ｓｉ単結晶基板よりなる高比抵抗の第１導電型（Ｐ型）の半導体基板１上に、半導体層よりなる第１導電型の第１半導体領域２１をイオン注入により形成する。その後、低不純物濃度の第１導電型の第２半導体層２２がＳｉエピタキシャル成長によって構成される。この第２半導体層２２上に第２導電型の第３半導体層２３が、低比抵抗のエピタキシャル成長により形成され、第３半導体領域２４が構成される。

フォトダイオード形成領域には、第３半導体領域２４上に、第３半導体領域２４に比べ高不純物濃度の第２導電型の第４半導体領域２５を受光素子全面に選択的に形成する。この第４半導体領域２５の周辺部にｎ型の高不純物が導入された第１の多結晶半導体層２６が形成され、この多結晶半導体層２６から不純物拡散によってカソードコンタクト層２７が形成され、多結晶半導体層２６の上にアノード電極１９が形成される。また、フォトダイオードの周辺には、高濃度のＰ型埋め込み領域３が形成され、その上にＰ型のアノード引き出し領域が形成され、その上にＰ型の高不純物が導入された第２の多結晶半導体層２８が形成され、この多結晶半導体層２８から不純物拡散によってアノードコンタクト層２９が形成され、多結晶半導体層２８の上にカソード電極１７が形成され、フォトダイオードが構成される。

この半導体層２３の半導体素子間、本実施形態ではトランジスタ形成部とフォトダイオード形成部間とこれらを囲む絶縁分離を行うべき部分に局部熱酸化、いわゆるＬＯＣＯＳ（Local Oxide of Silicon）によってＳｉＯ_２による分離絶縁層３０が形成される。半導体素子間を分離する分離絶縁層３０の下には、高不純物濃度の分離層３が形成される。

また、第１導電型の第２半導体層２２のバイポーラトランジスタ形成部に、第２導電型の高不純物濃度のコレクタ埋め込み領域２が形成され、このコレクタ埋め込み領域２上の第３半導体層２３の上に、第１導電型ベース領域１０が選択的に形成され、この周辺部にＰ型の高不純物が導入された第３の多結晶半導体層３２が形成され、さらに、この多結晶半導体層３２から不純物拡散によってベースコンタクト領域３１が形成され、多結晶半導体層３２の上にベース電極１２が形成される。

また、ベース領域の中心部にｎ型の高不純物が導入された第４の多結晶半導体層３３が形成され、この多結晶半導体層３３から不純物拡散によってエミッタ領域３４が形成され、多結晶半導体層３３の上にエミッタ電極１４が形成されて、バイポーラトランジスタが構成される。

半導体基板１と第１半導体領域２１との濃度差による半導体基板１内で光入射により発生したキャリヤの拡散を止めるための濃度差を３桁以上とする。

また、第３半導体領域は、バイポーラトランジスタのコレクタ領域となるため低濃度化はできない、よって、短波長の光に対して感度と周波数特性を上げるために、第４半導体領域２５の濃度を第３半導体領域の濃度以上に設定し、その濃度傾斜を利用して光電効率の高効率化を図る。そのために必要な濃度差を３桁以上とする。

本発明は、受光素子を有する半導体装置に適用され、特に高速なバイポーラ素子と同一の半導体基板上に、高速，高感度，低ノイズの特性を呈する受光素子を混載することを要求される受光素子を有する半導体装置に用いて有効である。

本発明の実施形態の半導体装置の一例の概略構成を示す断面図従来の半導体装置の概略を示す断面図従来の他の半導体装置の概略を示す断面図

符号の説明

１半導体基板
２ｎ型埋め込み領域
３分離領域
４ｎ型半導体層
５コレクタ領域
６第２分離領域
７コレクタ引き出し領域
８コレクタコンタクト領域
９コレクタ電極
１０ベース領域
１１ベースコンタクト領域
１２ベース電極
１３エミッタ領域
１４エミッタ電極
１５カソード引き出し領域
１６カソードコンタクト領域
１７カソード電極
１８アノード領域
１９アノード電極
２０絶縁膜
２１第１半導体層
２２第２半導体層
２３第３半導体層
２４第３半導体領域
２５第４半導体領域
２６第１多結晶半導体層
２７カソードコンタクト領域
２８第２多結晶半導体層
２９アノードコンタクト領域
３０分離絶縁層
３１ベースコンタクト領域
３２第３多結晶半導体層
３３第４多結晶半導体層
３４エミッタ領域

Claims

受光素子を有する半導体装置であって、低不純物濃度よりなる半導体基板上に成膜された高濃度半導体層よりなる第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域上に形成され、前記第１半導体領域に比べ低不純物濃度の第１導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域上に形成され、前記第２半導体領域に比べ高不純物濃度の第２導電型の第３半導体領域とを具備してなる受光素子を形成したことを特徴とする受光素子を有する半導体装置。
前記第３半導体領域上に形成され、前記第３半導体領域に比べ高不純物濃度の第２導電型の第４半導体領域を具備してなる受光素子を形成したことを特徴とする請求項１記載の受光素子を有する半導体装置。
前記第２半導体領域の拡散長が入射光の波長より長く選定されていることを特徴とする請求項１記載の受光素子を有する半導体装置。
受光素子全面に前記第４半導体領域を形成することを特徴とする請求項２に記載の受光素子を有する半導体装置。
前記第４半導体領域の厚さを、０．０１〜０．１５μｍに設定したことを特徴とする請求項２に記載の受光素子を有する半導体装置。
前記第４半導体領域の不純物濃度を、前記第３半導体領域に比べ２桁以上の高不純物濃度に設定したことを特徴とする請求項２に記載の受光素子を有する半導体装置。
前記第１半導体領域の不純物濃度を、前記半導体基板に比べ３桁以上の高不純物濃度に設定したことを特徴とする請求項１に記載の受光素子を有する半導体装置。