JP2006216757A - 光半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 同一基板に集積回路および受光素子を搭載する光半導体装置において、受光素子端の反射光による影響で受光素子出力のばらつきを低減する。
【解決手段】 同一の半導体基板１に集積回路を構成するトランジスタＡ１および受光素子Ａ２を搭載する光半導体装置であり、受光素子３上に基板表面に対して４５度以下の斜面を持つ開口部２３を有する第１層間絶縁膜１４および第２層間絶縁膜１５を形成し、第１層間絶縁膜１４および第２層間絶縁膜１５における開口部２３の斜面上に、反射膜１８を形成する。これにより、受光素子端面の反射光が受光素子に入射しなくなり、設計値通りの光が入射することになり、受光素子特性のばらつきが低減する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、例えば同一基板に受光素子および受光素子の駆動用もしくは受光素子の出力信号処理用の集積回路が搭載される光半導体装置およびその製造方法に関するものである。

光半導体装置は、半導体基板等の基板上に例えばトランジスタからなる集積回路とともに受光素子、マイクロミラー等の光学素子を形成したデバイスであり、ＤＶＤやＣＤの光ピックアップ部に用いられている。ＤＶＤやＣＤの高倍速化に対応するため、受光素子の高感度化および高速化が望まれている。

受光素子は光信号を電気信号に変換する役割を果たしており、レーザー光、反射光などの光が入射することになる。受光素子のスペックは年々厳しくなっており、隣接する受光素子間の影響なく、受光素子内での特性のばらつきがないような構造の開発が求められている。

受光素子間の影響が出ない方法として、例えば受光素子を絶縁膜で取り囲み、受光素子間のクロストークを低減させる方法がとられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１―３１３４１３号公報

特許文献１に記載の方法では、受光素子間の影響の問題は解消されたが、この方法では、受光素子端面による影響が解消されておらず、端面での反射光により、受光素子の出力が高くなり、受光素子特性の位置依存性が出てくるという問題を有する。

上記の課題に鑑み、本発明では、受光素子特性の位置依存性が低減できるような光半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の光半導体装置は、基板と、基板に形成された受光素子と、受光素子上に形成された反射防止膜と、反射防止膜上に形成された絶縁膜と、絶縁膜に形成され、反射防止膜を露出する状態に開口され、基板表面に対して４５度以下の角度の斜面を持つ開口部と、開口部の斜面に形成された反射膜とを備えている。

この構成によれば、受光素子端に入射した光は反射膜により反射され、反射された光も受光素子に入射することがない。そのため、受光素子には設計値通りの光が入射することになり、受光素子内での特性ばらつきが低減できる。

上記構成において、絶縁膜が種類の異なる酸化膜の積層膜で構成されていることが好ましい。

上記構成において、反射膜がアルミニウム膜により構成されていることが好ましい。

上記構成において、反射膜が窒化膜および酸化膜からなる積層構造により構成されていることが好ましい。

上記構成において、基板に受光素子とともに、受光素子の駆動回路もしくは受光素子の信号処理回路となる集積回路が形成されていることが好ましい。

また、本発明の光半導体装置の製造方法は、基板に受光素子を形成する工程と、受光素子上に反射防止膜を形成する工程と、反射防止膜上に絶縁膜を形成する工程と、反射防止膜を露出する状態に開口され、基板表面に対して４５度以下の角度の斜面を持つ開口部を絶縁膜に形成する工程と、絶縁膜における開口部の斜面に反射膜を形成する工程とを含む。

上記方法において、開口部を形成する工程は、絶縁膜をウェットエッチングすることにより斜面を形成することが好ましい。

上記構成によれば、絶縁膜を開口した後、斜面のみに光を完全に反射できるような膜を形成することができる。

本発明の光半導体装置およびその製造方法によれば、受光素子上に形成された絶縁膜を基板表面に対して斜面が４５度以下の角度となるように開口部を形成し、さらにその上に反射膜を形成することにより、受光素子端に入射した光は反射膜により反射され、反射された光も受光素子に入射することがないため、受光素子には設計値通りの光が入射することになり、受光素子内での特性ばらつきが低減できる。上記のように、斜面が４５度以下としているのは、以下の理由からである。すなわち、斜面が４５度以下でないと反射膜により反射された光が受光素子に入射するため、設計値以上の光が入射することになり、特性にバラつきが生じからである。

以下、本発明にかかわる光半導体装置およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１〜図７は、本発明における光半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図、図８は完成状態の断面図である。

本実施形態は、図８に示すように、半導体基板１上にトランジスタＡ１、受光素子Ａ２が形成された光半導体装置において、受光素子Ａ２の反射防止膜１２上に第１絶縁膜１３および第２絶縁膜１５を形成して基板表面に対して４５度の角度の斜面を持つように開口２３を形成し、開口２３の斜面上に反射膜１８を形成するものである。

（１）まず、図１に示すように、半導体基板１において、周知のリソグラフィ技術、エッチング技術、エピタキシー技術およびイオン注入技術などを利用して、半導体基板１の表面にトランジスタＡ１および受光素子Ａ２を形成する。

トランジスタＡ１としてバイポーラトランジスタを例示しているが、これ以外に電界効果型トランジスタ（例えば、ＭＯＳトランジスタ）等でもよい。

半導体基板１はＰ型である。半導体基板１上には、Ｎ型埋込層２、Ｐ型埋込層３、Ｎ型エピタキシャル成長層４、分離用絶縁膜５、Ｎ型拡散層６、Ｐ型拡散層７、Ｎ型不純物が注入されたポリシリコン電極８、９、Ｐ型拡散層１０、絶縁膜１１が形成されている。

トランジスタＡ１において、Ｎ型埋込層２とＮ型拡散層６（ａ）とがＮ型コレクタ領域に相当し、Ｐ型拡散層１０がＰ型ベース領域に相当し、ポリシリコン電極９（ｂ）がＮ型エミッタ領域兼エミッタ電極に相当する（Ｎ型不純物が注入され、ベース領域と接触しているため）。Ｎ型コレクタ領域上に形成されたポリシリコン電極９（ａ）はコレクタ電極に相当し、Ｐ型ベース領域上に形成されたポリシリコン電極８（ａ）はベース電極に相当する。絶縁膜１１は、エミッタ・ベース領域を絶縁する。

受光素子Ａ２において、半導体基板１とＰ型埋込層３とＰ型拡散層７とがアノード領域に相当し、Ｎ型エピタキシャル成長層４とＮ型拡散層６（ｂ）とがカソード領域に相当する。アノード領域上に形成されたポリシリコン電極８（ｂ）はアノード電極に相当し、カソード領域上に形成されたポリシリコン電極９（ｂ）はカソード電極に相当する。

集積回路を構成するトランジスタＡ１が受光素子Ａ２の駆動回路やその他の信号処理回路などを構成する。受光素子Ａ２の表面から入射した光は、その受光領域で光電変換され、その入射光に応じた電荷がポリシリコン電極８（ｂ），９（ｃ）に光電流として出力される。また集積回路を構成する回路素子として、トランジスタの他に抵抗または容量素子を搭載した構成であってもよい。

なお、受光素子Ａ２だけでなく、レーザー等の発光素子を同一半導体基板１上に形成してもよい。

以上のように、トランジスタＡ１の基本構成、受光素子Ａ２の基本構成、分離用絶縁膜５およびポリシリコン電極８，９の形成の後に、ＣＶＤ法により全体にわたってシリコン窒化膜による反射防止膜１２を形成する。これが図１の状態である。

（２）次に、図２に示すように、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法またはフォトエッチング技術を使用して、第１層間絶縁膜１３、第１配線層１４、第２層間絶縁膜１５、第２配線層１６および第１保護膜１７を形成する。本実施形態では、第１層間絶縁膜１３にはボロン（Ｂ）とリン（Ｐ）を添加したＢＰＳＧ膜を用い、第１配線層１４および第２配線層１６にはアルミニウム膜を用い、第２層間絶縁膜１５にはプラズマＴＥＯＳ膜を用い、第１保護膜１７にはプラズマＣＶＤ法により成長されたシリコン窒化膜を用いる。なお、配線層を形成する前に、電極と配線あるいは配線と配線とのコンタクト領域を形成するために絶縁膜を開口する工程が含まれる。なお、本実施形態は２層配線プロセスであるが、２層配線プロセス以外であってもよい。

（３）次に、図３に示すように、受光素子Ａ２において、フォトエッチング技術およびドライエッチング技術により第１保護膜１７を開口し、第１開口部２１を形成する。

（４）次に、図４に示すように、図３にて形成した第１開口部２１においてフォトエッチング技術およびウェットエッチング技術により第１層間絶縁膜１３および第２層間絶縁膜を開口し、第２開口部２２を形成する。第２開口部２２を形成するにあたり、ウェットエッチングを用いることにより、基板表面に対して４５度の角度を持つ斜面を形成することができる。また、エッチングの際、ＢＰＳＧ膜である層間絶縁膜１３およびプラズマＴＥＯＳ膜である層間絶縁膜１５とシリコン窒化膜である反射防止膜１２エッチングの選択比が高いため、反射防止膜１２がエッチングされることはない。

（５）次に、図５に示すように、ＰＶＤ法あるいはＣＶＤ法により全面に反射膜１８を形成する。本実施形態では反射膜１８にはアルミニウム膜を用いている。反射膜１８は酸化膜と窒化膜とを交互に多層に積層することにより形成することも可能である。

ここで、酸化膜の屈折率をｎ_１、膜厚をｄ_１、窒化膜の屈折率をｎ_２、膜厚をｄ_２、入射光の波長をλとすると、ｎ_１ｄ_１＝ｎ_２ｄ_２＝λ／４を満たすように、酸化膜および窒化膜の膜厚を設定する。このように設定すると、膜表面に対して垂直に入射する波長λの光に対して反射膜となる。

しかし、本実施形態では４５度以下の角度を持つ斜面上に反射膜を形成するため、基板表面に対する斜面の角度をθとすると、ｎ_１ｄ_１／ｃｏｓθ＝ｎ_２ｄ_２／ｃｏｓθ＝λ／４を満たすように設定しなければならない。酸化膜および窒化膜の膜厚とこれら積層膜の繰り返し数Ｎを最適化することにより、反射率を１００％に近づけることが可能である。酸化膜と窒化膜を積層させた反射膜の反射率Ｒ_２Ｎ＋１は次式で与えられる。

Ｒ_２Ｎ＋１＝［（ｎ_０ｎ_ｓｎ_１ ^２Ｎ−ｎ_２ ^{２（Ｎ＋１）}）／
（ｎ_０ｎ_ｓｎ_１ ^２Ｎ＋ｎ_２ ^{２（Ｎ＋１）}）］^２
上式でｎ_０は空気の屈折率、ｎ_ｓは第１層間絶縁膜１３および第２層間絶縁膜１５の屈折率である。

（６）次に、図６に示すように、受光素子Ａ２において、受光素子端の斜面のみに反射膜が残るように、リソグラフィ技術とエッチング技術により斜面以外の反射膜を除去する。エッチングの際、反射防止膜１２と反射膜１８の選択比の高い酸あるいはアルカリ溶液を用いてエッチングする。また、反射膜１８が酸化膜と窒化膜の積層膜の場合は、ドライエッチングにて一番下の酸化膜が残るように除去し、ウェットエッチングにて一番下の酸化膜を除去する。以上の方法では、反射防止膜１２が膜減りすることなく、受光素子端の斜面上に反射膜１８を形成することができる。

（７）次に、図７に示すように、集積回路をなすトランジスタＡ１のパッド部の第１保護膜１７を開口する。パッド部の開口にはドライエッチングを用いる。

なお、本実施形態において、反射防止膜はシリコン窒化膜を用いたが、これに代えて他の堆積膜としてシリコン酸窒化膜、シリコン炭化膜等を用いてもよい。

図８に完成状態を示す。

以上のような製造方法によって反射膜１８を形成することにより、受光素子Ａ２における端面において、反射光が受光素子Ａ２に入射しないため、受光素子内での特性のばらつきが低減できる。また上記製造方法では反射防止膜１２を膜減りさせないで形成することもできる。

なお、上記実施の形態では、半導体基板上に受光素子とともに集積回路を形成したが、受光素子だけを形成するものにも本発明を適用できる。

本発明の光半導体装置は、集積回路と受光素子とを同一基板に有するもので、ＤＶＤやＣＤのフォトＩＣ等に有用である。

本発明の実施の形態の光半導体装置の製造方法における反射防止膜を形成するまでの工程断面図である。 本発明の実施の形態の光半導体装置の製造方法における配線形成工程と第１保護膜を形成するまでの工程断面図である。 本発明の実施の形態の光半導体装置の製造方法における受光素子上の第１開口部を形成するまでの工程断面図である。 本発明の実施の形態の光半導体装置の製造方法における受光素子上の第２開口部を形成するまでの工程断面図である。 本発明の実施の形態の光半導体装置の製造方法における反射膜を形成するまでの工程断面図である。 本発明の実施の形態の光半導体装置の製造方法における受光素子端の斜面以外の反射膜を除去するまでの工程断面図である。 本発明の実施の形態の光半導体装置の製造方法におけるパッド部を開口するまでの工程断面図である。 本発明の実施の形態における光半導体装置の断面図である。

符号の説明

１…半導体基板
２…Ｎ型埋込層
３…Ｐ型埋込層
４…Ｎ型エピタキシャル成長層
５…分離用絶縁膜
６…Ｎ型拡散層
７…Ｐ型拡散層
８…ポリシリコン電極
９…ポリシリコン電極
１０…Ｐ型拡散層
１１…絶縁膜
１２…反射防止膜
１３…第１層間絶縁膜
１４…第１配線層
１５…第２層間絶縁膜
１６…第２配線層
１７…第１保護膜
１８…反射膜
２１…第１開口部
２２…第２開口部

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板に形成された受光素子と、
   前記受光素子上に形成された反射防止膜と、
   前記反射防止膜上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜に形成され、前記反射防止膜を露出する状態に開口され、前記基板表面に対して４５度以下の斜面を持つ開口部と、
   前記開口部の斜面に形成された反射膜とを備えた光半導体装置。
2. 前記絶縁膜が種類の異なる酸化膜の積層膜で構成されている請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記反射膜がアルミニウム膜により構成されている請求項１または２に記載の光半導体装置。
4. 前記反射膜が窒化膜および酸化膜からなる積層構造により構成されている請求項１または２に記載の光半導体装置。
5. 前記基板に前記受光素子とともに、前記受光素子の駆動回路もしくは前記受光素子の信号処理回路となる集積回路が形成されている請求項１記載の光半導体装置。
6. 基板に受光素子を形成する工程と、
   前記受光素子上に反射防止膜を形成する工程と、
   前記反射防止膜上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記反射防止膜を露出する状態に開口され、基板表面に対して４５度以下の角度の斜面を持つ開口部を前記絶縁膜に形成する工程と、
   前記絶縁膜における前記開口部の斜面に反射膜を形成する工程とを含む光半導体装置の製造方法。
7. 前記開口部を形成する工程は、前記絶縁膜をウェットエッチングすることにより前記斜面を形成する請求項６に記載の光半導体装置の製造方法。

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