JP2009049317A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板表面からの光の入射によって発生するキャリアが回路部に拡散することを防止する。
【解決手段】半導体装置1は、P型基板3上にフォトダイオード103を備える。P型基板3上に形成されたNPNトランジスタ101と、NPNトランジスタ101の直下に設けられるP型基板3に埋め込まれたN+型埋込領域4と、N+型埋込領域4の内部に設けられたP+型埋込領域2とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、基板上に受光素子を備える半導体装置に関する。
現在普及しているCD(コンパクトディスク)やDVD(ディジタルバーサタイルディスク)の再生及び記録は、CDやDVDの記録媒体にレーザー光を照射させ、記録媒体からの反射光を受光素子により電気信号に変換することによって行われる。
記録媒体の表面状態が平滑であれば反射光の散乱は少ない。しかしながら、表面には、アレ、キズがあったり、表面が変形したり、ゴミが付着したりすることがある。この場合、表面が平滑でないため、散乱光が発生し、受光素子のフォトダイオード部以外の回路部(トランジスタ、コンデンサ、抵抗などの素子からなる)に光が入射され、回路の誤動作の原因となる。
記録媒体の使用状況は一定ではなく、媒体表面を平滑に保つのは困難である。そのため、散乱光が入射しても誤動作の生じない受光素子を開発する必要がある。
散乱光の入射を防ぐためには、フォトダイオードを形成された領域以外で発生する不要なキャリアの影響を防ぐ。このため、半導体回路表面をアルミニウム等の金属配線層からなる遮光膜で覆う。しかし、この遮光膜により受光素子に寄生容量が発生し、周波数特性の広帯域の支障となる。
この欠点を生じる理由としては、基板の側面等、遮光されていない部分への光照射により、基板内にキャリアが発生し、拡散する。これにより、バイポーラトランジスタやコンデンサにキャリアが移動する。移動したキャリアは遮断されず回路部に流れ電流として寄与する。したがって、回路部に電流が流れ回路動作に影響を及ぼし、誤動作の原因となる。
特許文献1には、シリコン基板表面のフォトダイオード部に対向した裏面にPN接合を形成し、そのPN接合部により、不要キャリアを吸収させ、裏面の電極を介して不良キャリアを再結合させることが記載されている。これにより、接合部での発生キャリアを防止できるため、拡散成分を抑えることができる。
特許文献2には、フォトダイオード部、回路部の表面下のうち、これら表面の近傍に、PN接合を形成し、不要キャリアを吸収させる半導体光照度センサが記載されている。このセンサには、均一なP型シリコン基板の上部にNPNバイポーラトランジスタが形成されている。
特開2003−69071号公報 特開2002−217448号公報
しかしながら、上記文献記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
特許文献1については、可視〜長波長(600nm〜1000nm)の幅広い波長帯が混在する条件で使用される場合、入射するある波長の光により、不要キャリアを吸収する効率は異なり、不要キャリアの影響を受け誤動作となる。また、フォトダイオード部以外に入射する光は不要キャリアが発生しても吸収される効率は低い。フォトダイオード部に入射することが制約条件となる。
特許文献2については、フォトダイオード部、回路部の表面に近い下部に、PN接合を形成し吸収させる構造を有するものである。バイポーラトランジスタ下部で発生したキャリアは空乏層の電界により引きよせられる傾向はあるが、それ以外の拡散するキャリアを遮断できない。遮断されないキャリアはベース領域に拡散し電流が流れ、回路に影響を及ぼす。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、基板表面からの光の入射によって発生するキャリアが回路部に拡散することを防止する。
本発明によれば、
第一導電型の基板上に受光素子を備える半導体装置であって、
第一導電型の基板上に形成されたバイポーラトランジスタと、
バイボーラトランジスタの直下に設けられる第一導電型の基板に埋め込まれた第一導電型とは逆導電型の第二導電型の埋込領域と、
第二導電型の埋込領域の内部に設けられた第一導電型の埋込領域と、
を備えることを特徴とする半導体装置
が提供される。
本発明の半導体装置によれば、第二導電型の埋込領域の内部に第一導電型の埋込領域が設けられている。したがって、基板表面の入射光により発生した第一導電型の基板のキャリアは、第二導電型の埋込領域と第一導電型の埋込領域との界面に形成されるPN接合部の空乏層により、拡散を遮断される。また、PN接合部で発生したキャリアは、PN接合に逆バイアスされていて、PN接合部の空乏層内で吸収される。したがって、基板及びPN接合部で発生したキャリアが、トランジスタや発光素子に拡散するのを防ぐことができる。
また、本発明によれば、
第一導電型の基板上に受光素子を備える半導体装置の製造方法であって、
第一導電型の基板に第二導電型の埋込領域を形成する工程と、
第二導電型の埋込領域の内部に第一導電型の埋込領域を形成する工程と、
第一導電型の埋込領域の上部にバイポーラトランジスタを形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法
が提供される。
ここで、例えば「第一導電型」はN型、「第二導電型」はP型を指す。逆に「第一導電型」がP型、「第二導電型」はN型であってもよい。
さらに、本発明では前後左右上下の方向を規定しているが、これは本発明の構成要素の相対関係を簡単に説明するために便宜的に規定したものであり、本発明を実施する場合の製造時や使用時の方向を限定するものではない。
本発明によれば、基板表面からの光の入射によって発生するキャリアがバイボーラトランジスタに拡散することを防止する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。この半導体装置1は、P型基板3上にフォトダイオード103を備える。P型基板3上に形成されたNPNトランジスタ101と、NPNトランジスタ101の直下に設けられるP型基板3に埋め込まれたN+型埋込領域4と、N+型埋込領域4の内部に設けられたP+型埋込領域2とを備える。
NPNトランジスタ101は、N−型ウェル5と、N−型ウェル5内に形成されたP型ボディ領域17と、P型ボディ領域17内に形成されたP型の拡散層からなるP型ベース10及びN型の拡散層からなるN型エミッタ12と、P型ボディ領域17と間隔をもって形成されたN型の拡散層からなるN型コレクタ14とを有する。P+型埋込領域2の表面と接するようにN−型ウェル5が設けられている。
NPNトランジスタ101の表面は、遮光膜11で覆われている。遮光膜11は、例えばアルミニウム等の金属を用いた配線層からなる。
遮光膜11で遮光されてない部分への光照射及び長波長の光照射により、P型基板3にキャリアが発生する。発生したキャリアはP型基板3を拡散する。N+埋込領域4の内部にP+型埋込領域2が設けられることにより、N+埋込領域4及びP+型埋込領域2へのバイアスしたときに形成される空乏層によりP型基板3で発生したキャリアは遮断される。
N+型埋込領域4を+電位、P型基板3をGND電位にすることでPN接合部の空乏層をさらに広げることができる。広がった空乏層により、空乏層内で発生するキャリアは、N+型埋込領域4を介してP型基板3に流れる。したがって、キャリアは空乏層の障壁によりNPNトランジスタ101に拡散できなくなり、回路動作に影響を及ぼす電流の発生を回避することができる。
次に、本実施の形態における半導体装置1の動作を説明する。P型ベース10及びN型エミッタ12間に電位Vbeをバイアスする。この状態にて、N型エミッタ12及びN型コレクタ14間にバイアスすると、そのバイアスに依存してN型エミッタ12及びN型コレクタ14間にキャリアが流れる。これにより、NPNトランジスタ101が動作することとなる。
また、N−型エピタキシャル層9及びP型エピタキシャル層7に電位Vccをバイアスする。これにより、回路(図示しない)が動作することなる。N+埋込領域4はN−エピタキシャル層9と接続し、P+型埋込領域2はP型エピタキシャル層7と接続している。したがって、N+埋込領域4及びP+埋込領域2はバイアスされることとなり、N+埋込領域4及びP+埋込領域2との界面に空乏層が形成される。これにより、P型基板3で発生したキャリアが遮断されることとなり、回路動作に与える影響を抑制することができる。
図2は、本実施の形態における半導体装置1の製造手順の一部を示す工程断面図である。
P型基板3の材料として、P型の単結晶シリコン基板を用いることができる。このシリコン基板の表面はシリコン結晶構造の(100)面になっている。P型基板3上にヒ素やアンチモン等のN型不純物をイオン注入してN+型埋込領域4を作成する(図2(a))。
つづいて、N+埋込領域4にホウ素等のP型不純物をイオン注入してP+型埋込領域2を形成する(図2(b))。
次に、エピタキシャルシリコン層13がP型基板3へ供給された後、NおよびPエリアが、イオン打ち込みと組み合わせたリソグラフィを用いてP型基板3上に形成される。例えばヒ素を用いるイオン打ち込みによってN−型ウェル5がP+型埋込領域2の直上に形成される。また、リンを用いるイオン打ち込みによってN−型エピタキシャル層9がN+型埋込領域4と接続するように形成される。また、P型エピタキシャル層7がP+型埋込層2と接続するように形成される。その他の領域は、Pにドープされており、例えばホウ素のイオン打ち込みによって製造され、P型エピタキシャル層7が形成される(図2(c))。
その後、不純物のイオン注入を行い、P型ボディ領域17、N型コレクタ14、P型ベース10、およびN型エミッタ12を形成し、NPNトランジスタ101を形成する。また、フォトダイオード103を形成する。これにより、図1に示した構成の半導体装置1が得られる。
半導体装置1は、例えば以下の構成とすることができる。
図3は、半導体装置1の具体例を示す図である。P型エピタキシャル層7にLOCOS層6が設けられている。
LOCOS(local oxidization of silicon)法は、半導体装置内の素子間分離に使われる局所酸化膜技術である。LOCOS工程によって素子間の距離を短くでき、高集積化に非常に有効な技術である。LOCOS層を形成させるためには、図2(b)の工程の後、エピタキシャルシリコン層13を窒化膜(Si34)で覆う。その後、高温酸化処理をすると、窒化膜のない領域に酸化膜が作られる。この酸化膜がLOCOS層6となる。窒化膜を除去した後、不純物のイオン注入を行い、P型ボディ領域17、N型ウェル5、N型コレクタ14、P型ベース10、およびN型エミッタ12を形成してNPNトランジスタ101を構築する。これにより、NPNトランジスタ101とフォトダイオード103等の他の素子とを分離形成することができる。
つづいて、本実施の形態における効果について説明する。本実施の形態の半導体装置1によれば、N+型埋込領域4の内部にP+型埋込領域2が設けられている。したがって、P型基板3表面の入射光により発生したP型基板3のキャリアは、N+型埋込領域4とP+型埋込領域2の界面に形成されるPN接合部の空乏層により、拡散を遮断される。また、PN接合部で発生したキャリアは、PN接合に逆バイアスされていて、PN接合部の空乏層内で吸収される。したがって、P型基板3及びPN接合部で発生したキャリアが、NPNトランジスタ101やフォトダイオード103等の回路に拡散するのを防ぐことができる。
図8は、従来の半導体装置の構成を示す図である。従来の構成は、均一なP型基板3の上部にNPNトランジスタ101が形成され、図3で示される本実施形態の半導体装置1におけるN+型埋込領域4やP+型埋込領域2が形成されていない点で本実施形態の構成と相違する。そのため、P型基板3等の遮光膜11により遮光されてない部分から入射される光によりキャリアが発生する。発生したキャリアは拡散し、NPNトランジスタ101に到達し、回路部への電流として寄与する。その電流が回路動作に影響を与える。
一方、本実施の形態の半導体装置によれば、P型基板3表面からの入射光によりPN接合部の空乏層内で発生したキャリアはPN接合に逆バイアスされ、PN接合部の空乏層内で吸収される。したがって、発生したキャリアをNPNトランジスタ101に影響を与えないように遮断することができる。また、P+型埋込領域2の表面と接するようにN型ウェル5が設けられている。バイポーラトランジスタ101とP型基板3とは、N+型埋込領域4とP+型埋込領域2との間に形成されるPN接合部により、完全に遮断されることとなる。
また、キャリアの遮断構造となるN+型埋込領域4やP+型埋込領域2を形成にするに当り、重大な工程変更を用いることなく形成可能である。そのためコストを上げることなく品質、特性の向上を図ることが可能である。また、可視〜長波長の広範囲の波長帯のフォトダイオード103に用いることが可能である。
(第2の実施形態)
図4は第2の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。この半導体装置30は、第1の実施形態に係る半導体装置1にさらにコンデンサ301を備える。このコンデンサ301は、NPNトランジスタ101に並列し、P型基板3上に設けられている。コンデンサ301の直下に設けられたP型基板3に埋め込まれたN+型埋込領域4と、コンデンサ301の直下のN+型埋込領域4の内部に設けられたP+型埋込領域2と、を備える。
コンデンサ301には、層間膜18を介して電極16が設けられている。また、N+型引出し領域20が備えられている。N+型引出し領域20の電位により、回路に電流が流れる。
半導体装置30の製造方法について以下に説明する。半導体装置1と同様な方法により、N+型埋込領域4及びP+型埋込領域2を形成し、エピタキシャルシリコン層13をP型基板3へ供給させた後、NおよびPエリアが、イオン打ち込みと組み合わせたリソグラフィを用いてP型基板3上に形成される。不純物の注入によりN+型引出し領域20を形成する。NPNトランジスタ101、フォトダイオード103を構築後、層間膜18で覆い、電極16を搭載して、コンデンサ301を形成する。
また、半導体装置30は、例えば以下の構成とすることができる。図5は、第2の実施形態の半導体装置30の構成の具体例を示す図である。P型エピタキシャル層7にLOCOS層6が設けられている。
本実施の形態のLOCOS層6も、半導体装置1と同様な方法により形成される。これにより、コンデンサ301と、NPNトランジスタ101、フォトダイオード103等の他の素子とを分離形成することができる。
続いて、本実施の形態の効果について説明する。コンデンサ301へのキャリア拡散についても、第1の実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。遮光されてない部分への光照射及び長波長の光照射により、P型基板3にキャリアが発生する。発生したキャリアはP型基板3を拡散する。半導体装置30は、N+型埋込領域4の内部にP+型埋込領域2を備えるため、N+型埋込領域4及びP+型埋込領域2へバイアスすることによりN+型埋込領域4とP+型埋込領域2との界面に形成される空乏層でキャリアは遮断されることとなる。
図9は、従来の半導体装置の構成を示す図である。従来の構成は、均一なP型基板3の上部にコンデンサ301が形成されており、図5で示される本実施形態の半導体装置30におけるN+型埋込領域4やP+型埋込領域2が従来の半導体装置のコンデンサ301の直下に形成されていない点で本実施形態の構成と相違する。
P型基板3等の遮光されてない部分から入射される光によりキャリアが発生する。N+型引出し領域20がGNDであれば、発生したキャリアはGNDに流れて回路部には影響しないが、N+型引出し領域20がGNDより高い電位を持つ場合、その電位によりキャリアが移動し、回路部への電流として寄与する。その電流が回路動作に影響を与える。
しかしながら、本実施の形態の構造によれば、N+型埋込領域4の内部にP+型埋込領域2が設けられている。したがって、基板表面の入射光により発生したP型基板3のキャリアは、N+型埋込領域4の内部にP+型埋込領域2との界面に形成されるPN接合部の空乏層により、拡散を遮断される。また、PN接合部で発生したキャリアは、PN接合に逆バイアスされていて、PN接合部の空乏層内で吸収される。さらに、P+型埋込領域2の表面と接するようにN型ウェル5が設けられている。コンデンサ301とP型基板3とは、N+型埋込領域4とP+型埋込領域2との間に形成されるPN接合部によって、完全に遮断されることとなる。したがって、P型基板3で発生したキャリアが、トランジスタ等の回路部に拡散するのを防ぐことができる。
また、N+型埋込領域4を+電位、P型基板3をGND電位にすることでPN接合部空乏層が広がる。広がった空乏層により、空乏層内で発生するキャリアはN+型埋込領域4を介してP型基板3に流れ、回路動作に影響を与えない。よって、キャリアは空乏層の障壁により回路部に拡散できなくなり、回路動作に影響を及ぼす電流の発生を回避することができる。
(第3の実施形態)
図6は第3の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。この半導体装置40は、第2の実施形態に係る半導体装置30にさらに抵抗401を備える。抵抗401は、コンデンサ301に並列し、P型基板3上に設けられている。抵抗401の直下にLOCOS層が設けられていない。
図7は、本実施の形態の半導体装置30の抵抗401を示す図である。P型基板3上にN−型エピタキシャル層9が形成されている。N−型エピタキシャル層9上にポリシリコン層41が設けられている。
図10は、従来の半導体装置における抵抗を示す図である。従来のポリシリコン層41の直下には、LOCOS層6が形成されている。従来もN−エピタキシャル層9とP型基板3により、PN接合は形成されているが、LOCOS層6により+電位で接続することが不可能なため、ポリシリコン層41で発生するキャリアは十分に吸収されない。
半導体装置40は、LOCOS層形成を無くし、N−型エピタキシャル層9を+電位で接続することで、PN接合部の空乏層で発生するキャリアを吸収することが可能である。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、実施の形態では、NPNトランジスタを用いて説明したが、PNPトランジスタを使用する構成を採用してもよい。
第1の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。 第1の実施の形態における半導体装置の製造手順の一部を示す工程断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の具体例を示す図である。 第2の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。 第2の実施形態に係る半導体装置の具体例を示す図である。 第3の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。 第3の実施形態に係る半導体装置の抵抗部を示す図である。 従来の半導体装置の構成を示す図である。 従来の半導体装置の構成を示す図である。 従来の半導体装置の抵抗部を示す図である。
符号の説明
1 半導体装置
2 P+型埋込領域
3 P型基板
4 N+型埋込領域
5 N−型ウェル
6 LOCOS層
7 P型エピタキシャル層
9 N−型エピタキシャル層
10 P型ベース
11 遮光膜
12 N型エミッタ
13 エピタキシャルシリコン層
14 N型コレクタ
16 電極
17 P型ボディ領域
18 層間膜
20 N+型引出し領域
30 半導体装置
40 半導体装置
41 ポリシリコン層
101 NPNトランジスタ
103 フォトダイオード
301 コンデンサ
401 抵抗

Claims (7)

  1. 第一導電型の基板上に受光素子を備える半導体装置であって、
    前記第一導電型の基板上に形成されたバイポーラトランジスタと、
    前記バイボーラトランジスタの直下に設けられる前記第一導電型の基板に埋め込まれた第一導電型とは逆導電型の第二導電型の埋込領域と、
    前記第二導電型の埋込領域の内部に設けられた第一導電型の埋込領域と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記バイポーラトランジスタは、
    第二導電型のウェルと、
    前記第二導電型のウェル内に形成された第一導電型のボディ領域と、
    前記第一導電型のボディ領域内に形成された第一導電型の拡散層からなるベース及び第二導電型の拡散層からなるエミッタと、
    前記第一導電型のボディ領域と間隔をもって形成された第二導電型の拡散層からなるコレクタと、
    を有し、
    前記第一導電型の埋込領域の表面と接するように前記第二導電型のウェルが設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記バイポーラトランジスタに並列し、前記第一導電型の基板上に設けられたコンデンサを備え、
    前記コンデンサの直下に設けられた前記第一導電型の基板に埋め込まれた第二導電型の埋込領域と、
    前記コンデンサの直下の第二導電型の埋込領域の内部に設けられた第一導電型の埋込領域と、
    を備えることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記コンデンサに並列し、前記第一導電型の基板上に設けられた抵抗部をさらに有し、
    前記抵抗部の直下にLOCOS膜が設けられていないことを特徴する請求項3記載の半導体装置。
  5. 前記バイポーラトランジスタは、NPNトランジスタであることを特徴とする請求項1乃至4いずれか記載の半導体装置。
  6. 第一導電型の基板上に受光素子を備える半導体装置の製造方法であって、
    第一導電型の基板に第二導電型の埋込領域を形成する工程と、
    前記第二導電型の埋込領域の内部に第一導電型の埋込領域を形成する工程と、
    前記第一導電型の埋込領域の上部にバイポーラトランジスタを形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 前記バイポーラトランジスタを形成する工程は、
    前記第一導電型の埋込領域の表面と接するように第二導電型のコレクタ層を形成し、前記第二導電型のコレクタ層を備えるバイポーラトランジスタを形成する工程であることを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。
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