JP2011204873A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特にトランジスタのリーク電流の増大を防止しつつPINダイオードの特性改善を図る半導体装置及びその製造方法に係るものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can improve the characteristics of a PIN diode while preventing an increase in leakage current of a transistor.
近年コンパクトディスク等の光ディスクのデータ読み出し装置において、光ディスクの高速読み出し、短波長光に対する市場の要求が益々強まっている。この要求に応えるため受光素子としてのPINダイオードと、光が照射されたPINダイオードからの出力を増幅、制御するトランジスタ等からなる制御回路を一体化した光電子集積回路において、PIN ダイオードとトランジスタの双方の特性の向上が望まれている。 In recent years, in a data reading device for an optical disc such as a compact disc, the market demand for high-speed reading of an optical disc and short wavelength light has been increasing. In order to meet this demand, in an optoelectronic integrated circuit in which a PIN diode as a light receiving element and a control circuit composed of a transistor for amplifying and controlling the output from the PIN diode irradiated with light are integrated, both the PIN diode and the transistor Improvement of characteristics is desired.
PINダイオードの高速化を実現するためP−型半導体基板に高濃度P+型埋め込み層を形成する方法及び高耐圧PNPトランジスタを実現するためのエピタキシャル層の構成等について特許文献1に以下の内容が記載されている。その内容の概略を以下に図9に基づいて説明する。 Patent Document 1 describes the following contents regarding a method of forming a high-concentration P + type buried layer on a P− type semiconductor substrate in order to realize a high speed PIN diode and a structure of an epitaxial layer for realizing a high voltage PNP transistor. Has been. The outline of the content will be described below with reference to FIG.
図9はPINダイオード70とその出力を制御する素子の代表としてPNPトランジスタ80を有する半導体装置の断面図である。PINダイオード70に光が入射するとアノード電極69とカソード電極68の間に光電流が流れ、その出力がPNPトランジスタ80等からなる制御回路により増幅、制御される。
FIG. 9 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a
開示された発明は、P−型半導体基板61上に該半導体基板61より不純物濃度が2桁以上高いP+型埋め込み層62と、その上に形成したP−型の1段又は2段構成のエピタキシャル層63、64と、その上に形成されたN−型エピタキシャル層65から構成される。N−型エピタキシャル層65の濃度をP−型エピタキシャル層64の濃度より1桁高くすることによりPINダイオード70に印加される逆バイアスによる空乏層がP−型エピタキシャル層64側に拡がるようにしている。
The disclosed invention includes a P + type buried
また、N−型エピタキシャル層65を薄くすることによりその部分に照射される光で発生する電子−正孔対からなるキャリアを減少させる事が可能となり、当該キャリアによる拡散電流が減少するためPINダイオード70の高速化が可能となる。更に、N−型エピタキシャル層65とP−型エピタキシャル層64の膜厚を独立に設定できるので、第2のP−型エピタキシャル層64の膜厚を1.5μm以上にすれば所定の耐圧からなる制御部のPNPトランジスタ80の実現が可能になる。
Further, by thinning the N− type
また、P+型埋め込み層62が高濃度のアノードコンタクト層66と接続されるため光電流の経路を低抵抗にする事が可能となりPINダイオード70の高速化を図る事ができる。赤外光に対応する場合、第1、第2のP−型エピタキシャル層63、64の合計の膜厚は最大10μm程度まで厚くなるが第2のP−型エピタキシャル層64の膜厚を数μm以上にすれば第1のP−型エピタキシャル層63の膜厚を5μm以下にする事ができる。従って、P+型アノードコンタクト埋め込み層67の形成をイオン注入により第1のP−型エピタキシャル層63の表面から容易に実現できる。
Further, since the P + type buried
また、赤外光の場合、シリコン半導体層を深さ方向で30μm程度浸入するため、P−型半導体基板61内まで浸入してその領域でキャリアとなる電子−正孔対を発生させる。かかるキャリアは、高濃度のP+型埋め込み層62とP−型半導体基板61との不純物濃度差によるポテンシャルバリアがあるため、P+型埋め込み層62内に侵入する事ができず再結合して消滅し拡散電流成分を構成しない。従って、その点からもPINダイオード70の高速化を可能にしている。
In the case of infrared light, since the silicon semiconductor layer penetrates about 30 μm in the depth direction, it penetrates into the P−
上記特許文献1にはP+型埋め込み層62が形成されることによるPINダイオード70の高速化への効果は記載されているが、該埋め込み層62の不純物濃度とPINダイオード70への入射光遮断時の光電流出力立下り特性との関係や、該埋め込み層62が形成されることによる制御部のトランジスタ80のリーク電流への影響に関して詳細な言及はなされていない。また、近年要求の高いブルーレイディスクにかかる短波長の青色光に対する言及も無い。
Although Patent Document 1 describes the effect of increasing the speed of the
然るに、使用用途や使用DVDセット等によっては、PINダイオード70の入射光遮断時の光電流出力立下り特性が現実に問題となっている。そこで、制御部のトランジスタのリーク電流を増大させること無くPINダイオード70の光電流出力立下り特性の改善を実現するための適正なP+型埋め込み層62の形成が課題となる。また、P+型埋め込み層62を利用した青色光、赤色光及び赤外光に共通に対応可能なPINダイオード70の実現も課題となる。
However, depending on the intended use and the DVD set used, the photocurrent output falling characteristic when the incident light of the
本発明の半導体装置の製造方法は、PINダイオードとトランジスタを有する半導体装置の製造方法において、第1導電型の半導体基板にイオン注入により第1導電型の高濃度の埋め込み層を形成する工程と、前記埋め込み層の表面に第1導電型の低濃度の第1のエピタキシャル層を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル層の内、PINダイオードの光照射部を除く領域に第1導電型の埋め込みコンタクト層を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル層の内、トランジスタ形成領域に第2導電型の埋め込み層を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル層の表面に低濃度の第2のエピタキシャル層を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル層内から前記第2のエピタキシャル層内まで延在する第1導電型の埋め込み分離層を形成する工程と、前記埋め込み分離層と連結し前記第2のエピタキシャル層の表面まで延在する第1導電型の分離層を形成する工程と、前記第1のエピタキシャル層内に前記埋め込み層から這い上がり前記埋め込みコンタクト層と連結する第1導電型の這い上がり層を形成する工程と、前記第2のエピタキシャル層の表面に第2導電型のカソード層及び第1導電型のアノード層を形成する工程と、を有することを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a first conductive type high-concentration buried layer by ion implantation in a semiconductor substrate having a PIN diode and a transistor; Forming a first conductivity type low-concentration first epitaxial layer on the surface of the buried layer; and embedding the first conductivity type in a region of the first epitaxial layer excluding the light irradiation portion of the PIN diode. A step of forming a contact layer; a step of forming a second conductivity type buried layer in a transistor formation region of the first epitaxial layer; and a second epitaxial layer having a low concentration on the surface of the first epitaxial layer. Forming a layer, and a first conductivity type buried isolation layer extending from the first epitaxial layer to the second epitaxial layer. Forming a first conductive type separation layer connected to the buried isolation layer and extending to a surface of the second epitaxial layer; and scooping from the buried layer in the first epitaxial layer. A step of forming a first conductivity type rising layer connected to the buried contact layer; and a step of forming a second conductivity type cathode layer and a first conductivity type anode layer on the surface of the second epitaxial layer. It is characterized by having.
本発明の半導体装置の製造方法は、前記PINダイオードの前記カソード層と前記アノード層間に印加される所定の逆バイアスにより前記第1及び第2のエピタキシャル層内に拡がる空乏層が前記這い上がり層まで延在することを特徴とする。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a depletion layer extending in the first and second epitaxial layers by a predetermined reverse bias applied between the cathode layer and the anode layer of the PIN diode extends to the rising layer. It is characterized by extending.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記埋め込み層を形成するためのイオン注入時のドーズ量が前記PINダイオードの光遮断時の立下り特性を所定の規格を満たすまで改善し、且つ前記トランジスタのリーク電流を増大させる事がない範囲にあることを特徴とする。 Further, the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention improves the falling characteristic at the time of light blocking of the PIN diode until the dose characteristic at the time of ion implantation for forming the buried layer satisfies a predetermined standard, and The present invention is characterized in that the leakage current of the transistor is not increased.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記トランジスタがバイポーラトランジスタであることを特徴とする。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the transistor is a bipolar transistor.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記バイポーラトランジスタの前記リーク電流がコレクタ−エミッタ間リーク電流又はコレクタ−半導体基板間リーク電流であることを特徴とする。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the leakage current of the bipolar transistor is a collector-emitter leakage current or a collector-semiconductor substrate leakage current.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記埋め込み層の不純物濃度が前記トランジスタの形成領域で前記PINダイオードの形成領域より低くなることを特徴とする。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the impurity concentration of the buried layer is lower in the transistor formation region than in the PIN diode formation region.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記埋め込み層が、前記PINダイオード形成領域上が開口又は薄く、前記トランジスタ形成領域上が厚い絶縁膜マスクを介して不純物をイオン注入することにより形成されることを特徴とする。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the buried layer is formed by ion implantation of an impurity through an insulating film mask having an opening or thin on the PIN diode formation region and a thick on the transistor formation region. It is characterized by that.
また、本発明の半導体装置は、PINダイオードとトランジスタを有する半導体装置において、第1導電型の半導体基板にイオン注入により形成された第1導電型の高濃度の埋め込み層と、前記埋め込み層の表面に形成された第1導電型の低濃度の第1のエピタキシャル層と、前記第1のエピタキシャル層の内、PINダイオードの光照射部を除く領域に形成された第1導電型の埋め込みコンタクト層と、前記第1のエピタキシャル層の内、トランジスタ形成領域に形成された第2導電型の埋め込み層と、前記第1のエピタキシャル層の表面に形成された低濃度の第2のエピタキシャル層と、前記第1のエピタキシャル層内から前記第2のエピタキシャル層内まで延在して形成された第1導電型の埋め込み分離層と、前記埋め込み分離層と連結し前記第2のエピタキシャル層の表面まで延在して形成された第1導電型の分離層と、前記第1のエピタキシャル層内に前記埋め込み層から這い上がって形成された前記埋め込みコンタクト層と連結する第1導電型の這い上がり層と、前記第2のエピタキシャル層の表面に形成された第2導電型のカソード層及び第1導電型のアノード層と、を具備し、前記PINダイオードの前記カソード層と前記アノード層間に印加される所定の逆バイアスにより前記第1及び第2のエピタキシャル層内に拡がる空乏層が前記這い上がり層まで延在し、且つ前記埋め込み層を形成するためのイオン注入時の不純物のドーズ量が前記PINダイオードの光遮断時の光電流出力立下り特性を所定の規格を満たすまで改善し、且つ前記トランジスタのリーク電流を増大させる事がない範囲であることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a PIN diode and a transistor, a first conductivity type high-concentration buried layer formed by ion implantation in a first conductivity type semiconductor substrate, and a surface of the buried layer. A first conductivity type low-concentration first epitaxial layer formed on the first conductivity type; a first conductivity type buried contact layer formed in a region of the first epitaxial layer excluding the light irradiation portion of the PIN diode; The second conductivity type buried layer formed in the transistor formation region, the low-concentration second epitaxial layer formed on the surface of the first epitaxial layer, and the first epitaxial layer, A buried isolation layer of a first conductivity type formed extending from one epitaxial layer to the second epitaxial layer, and connected to the buried isolation layer. A first conductivity type isolation layer formed extending to the surface of the second epitaxial layer, and a buried contact layer formed in the first epitaxial layer so as to rise from the buried layer. A first conductivity type scooping layer, a second conductivity type cathode layer and a first conductivity type anode layer formed on the surface of the second epitaxial layer, and the cathode of the PIN diode. A depletion layer that extends into the first and second epitaxial layers by a predetermined reverse bias applied between the layer and the anode layer extends to the scooping layer, and during ion implantation for forming the buried layer The amount of impurity impurities improves the falling current characteristic of the photocurrent when the PIN diode is light-blocked until a predetermined standard is satisfied, and the leakage current of the transistor Characterized in that it is a range never increase.
また、本発明の半導体装置は、前記埋め込み層が、前記PINダイオード形成領域上が開口又は薄く、トランジスタ形成領域上が厚い絶縁膜マスクを介して不純物をイオン注入し形成されることにより、当該埋め込み層の濃度が前記トランジスタの形成領域で前記PINダイオードの形成領域より低くなることを特徴とする。 In the semiconductor device of the present invention, the buried layer is formed by ion implantation of an impurity through an insulating film mask having an opening or thin on the PIN diode formation region and a thick transistor formation region. The layer concentration is lower in the transistor formation region than in the PIN diode formation region.
本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、光を遮断したときの光電流出力立下り特性が良好で且つ高速性を有するPINダイオードとリーク電流の増大の無いトランジスタとを有する半導体装置を製造する事ができる。また、青色光に対する特性を改善しつつ、青色、赤色光及び赤外光に対応できるPINダイオードが実現できる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention, a semiconductor device having a PIN diode having a good photocurrent output falling characteristic when light is blocked and a high speed and a transistor with no increase in leakage current is manufactured. I can do it. Further, it is possible to realize a PIN diode that can cope with blue, red, and infrared light while improving characteristics with respect to blue light.
〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態について図1に基づいて説明する。先ず、PINダイオード50の構成について説明する。本実施形態のPINダイオード50は青色光、赤色光及び赤外光に共用して使用することができる。P−型半導体基板1上にP+型埋め込み層2を有し、その上にP−型エピタキシャル層3及びP−型エピタキシャル層4が形成され、P−エピタキシャル層4内にN+型カソード層11cが形成される。
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. First, the configuration of the
P−型エピタキシャル層3内部からP−型エピタキシャル層4内部に延在するP+型埋め込み分離層7bとP−型エピタキシャル層4の表面に形成されたP+型アノード層16とはP−型エピタキシャル層4に形成されたP+型分離層10bで連結される。P+型埋め込み層2はP−型半導体基板1側にP+型埋め込み拡散層2aを形成すると共にP−型エピタキシャル層3側にP+型這い上がり層2bを形成する。P+型這い上がり層2bとP+型埋め込み分離層7bとはP−型エピタキシャル層3の表面から内部に形成されたP+型埋め込みコンタクト層5で連結される。
The P + type buried
PINダイオード50のカソード電極14dとアノード電極14e間に、カソード電極14d側が正電位、アノード電極14e側が接地電位となる逆バイアスを印加することにより、N+型カソード層11cの底面からP−型エピタキシャル層4、P−型エピタキシャル層3及びP+型這い上がり層2bのすその部分まで延在する空乏層が形成される。この状態でPINダイオード50に光が照射されると該空乏層内に電子−正孔対が発生し電子はN+型カソード層11cを経て直ちにカソード電極14dに流れ込む。
By applying a reverse bias between the
それに対して正孔はP+型埋め込み層2に流れ込み、P+型這い上がり層2bからP+型埋め込みコンタクト層5、P+型埋め込み分離層7b、P+型分離層10bを経由しP+型アノード層16を通りアノード電極14bに流れでる。正孔の流れる上記経路は高濃度のP+型這い上がり層2b等から形成されており比較的低抵抗になっているためPINダイオードの高速化に寄与している。特に、P+型這い上がり層2bとP+型埋め込みコンタクト層5を連結することにより正孔の流れる経路の低抵抗化を図っているのが本実施形態の特徴の1つである。
On the other hand, holes flow into the P + type buried
次に、本実施形態の第2の特徴である青色光と赤色光及び赤外光との共用化を図るための構成について以下に説明する。本実施形態の半導体装置はピックアップ用でありPINダイオード50のカソード電極14dとアノード電極14e間に印加される電圧は2Vになる。P−型エピタキシャル層3及びP−型エピタキシャル層4はノンドープ又は低濃度のP−型層からなり、その比抵抗は空乏層が広がりやすいように100Ω・cm程度、不純物濃度でいえばNa=1E14/cm3以下程度にしている。
Next, a configuration for sharing the blue light, the red light, and the infrared light, which is the second feature of the present embodiment, will be described below. The semiconductor device of this embodiment is for pickup, and the voltage applied between the
この場合、N+型カソード層11cの底面からP−型エピタキシャル層4及びP−型エピタキシャル層3側に拡がる空乏層は低濃度のP−型エピタキシャル層3、4の不純物濃度Naで決まる。空乏層の幅≒√(2εV/qNa)となり、半導体基板がシリコン基板の場合の誘電率ε=12×8.85×10−12F/m、電子の電荷量q=1.6×10−19C、印加電圧V=2V、不純物濃度Na=1E14/cm3(1E20/m3)を代入して概算すると空乏層幅≒5〜6μm近傍となる。
In this case, the depletion layer extending from the bottom surface of the N +
一方、PINダイオード50への強度F0の入射光が半導体層内の距離xの位置で示す光の強度F=F0exp(−αx)である。青色光の場合、αは104/cm台後半の値となることから入射光の殆どはP−型エピタキシャル層4の表面から0.4μm近辺で吸収されそれより奥側のP−型エピタキシャル層4内には入射する事ができない。
On the other hand, the incident light having the intensity F0 to the
従って、N+型カソード層11cはP−型エピタキシャル層4の表面から0.2μmより浅い領域に形成され、該N+型カソード層11cの底面からP−型エピタキシャル層4に拡がる空乏層の極浅い領域でのみ電子−正孔対が発生することになる。そのため、青色光対応のPINダイオードでは、それより下側に拡がる空乏層は正孔がP+型埋め込み層2に到達するまでの余分な経路となる。従ってP+型這い上がり層2bはできるだけN+型カソード層11cに近い領域まで形成するのが好ましい。
Therefore, the N +
それに対して赤色光の場合のαは103/cm台となることから入射光はP−型エピタキシャル層4の表面から深さ9μm近辺まで進行し吸収される。従って、カソード電極14dとアノード電極14e間に印加される2Vの逆電圧でP−型エピタキシャル層4、P−型エピタキシャル層3及びP+型這い上がり層2bのすそ部分まで拡がる空乏層全てを利用してできるだけ多くの電子−正孔対を発生させ感度を確保する必要がある。赤外光の場合も同様である。
On the other hand, in the case of red light, α is on the order of 10 3 / cm, so that incident light travels from the surface of the P−
そこで、トランジスタ60との関係も考慮して、カソード電極14dとアノード電極14e間に逆電圧2Vが印加されたとき、P+型埋め込み層2から這い上がるP+型這い上がり層2bの先端部分とN+型カソード層11c間に5〜6μmの空乏層が拡がるように、P+型這い上がり層2bの這い上がり量を決定している。
Therefore, in consideration of the relationship with the
仮に、青色光に対する不要な空乏層の拡がりを抑えるためP+型這い上がり層2bの這い上がり量を大きくした場合、P+型這い上がり層2bとトランジスタ60のN+埋め込み層6との間で低耐圧のツェナーダイオードが形成される恐れがあるからである。この場合、這い上がり量の少ないP+型這い上がり層2bとP+型埋め込み分離層7bを低抵抗で接続するためP+型埋め込みコンタクト層5が有効な役割を果たしている。
If the amount of creeping of the P +
次に、PINダイオード50の光電流出力を増幅、制御する制御部を代表してNPNバイポーラトランジスタ60を例として取り上げ説明する。P−型半導体基板1、P+型埋め込み層2、P+型這い上がり層2b、P−型エピタキシャル層3、P−型エピタキシャル層4、P+型埋め込みコンタクト層5、P+型埋め込み分離層7a、P+型分離層10a、素子分離絶縁膜12を採る構成はPINダイオード50の構成と同じである。P+型這い上がり層2bとP+型埋め込み分離層7aとをP+型埋め込みコンタクト層5で接続することにより、各デバイスを分離しているP+型分離層10a間の電位をP型半導体基板1の電位に共通に固定している。
Next, the NPN
PINダイオード50の構成との相違点は、P−型エピタキシャル層3とP−型エピタキシャル層4に跨るN+型埋め込み層6と、該N+型埋め込み層6と接続しP−型エピタキシャル層4の表面まで延在するN+型コンタクト層9と、該N+型コンタクト層9と接続するN+型コレクタ層11aと、P−型エピタキシャル層4内に形成されN+型埋め込み層6と接続されたN型コレクタ層8と、該N型コレクタ層8内に形成されたP型ベース層15及び該P型ベース層15内に形成されたN+型エミッタ層11bとを有する点である。また、エミッタ電極14b、コレクタ電極14a、ベース電極14cはカソー電極14d等と同様に形成される。
The difference from the configuration of the
それでは本実施形態の最も大きな特徴について以下に図6乃至図8に基づいて説明する。図6はPINダイオード50に波長780nmの赤色光を入射し、該PINダイオード50に光電流出力を発生させた後、光を遮断した場合の光電流出力の立下り状況を測定する回路図である。PINダイオード50に光を入射した場合、該PINダイオード50に電圧発生部51の抵抗を通り接地ラインに向かう光電流Iが流れる。その結果、電圧発生部51に光電流出力が発生する。当該出力は出力増減衰器52で出力調整が行われ、光電流出力部53でその正逆出力を加え合わせることにより微小な立下り残存電圧を検出している。
The most significant features of this embodiment will be described below with reference to FIGS. FIG. 6 is a circuit diagram for measuring the falling state of the photocurrent output when red light having a wavelength of 780 nm is incident on the
上記測定回路でPINダイオード50に図7(A)に示すパルス状の赤色光を入射した場合、図7(B)に示すような光電流出力電圧波形が得られた。なお、この場合の光の周波数は10MHZであった。入射光がシャープに遮断されているにもかかわらず出力電圧は光を遮断した時間からの経過時間と共に小さくなる裾を引くような形状を示し、シャープな波形を示していない。光を遮断した時からの経過時間td=30nsの出力電圧を残存電圧Vdとすると、残存電圧Vdが小さいほど立下りがシャープになり立下り特性良好と言うことになる。残存電圧Vdが所定の値を超えるとDVDセットによっては弊害が生じる。
When the pulsed red light shown in FIG. 7A was incident on the
図8に残存電圧VdとP+型埋め込み層2を形成するときのボロンイオンのドーズ量の関係が規格化された値で示される。同図に示すようにP+型埋め込み層2のドーズ量が増加するに従い光電流出力の残存電圧Vdはエクスポーネンシャルに減少している。ドーズ量の増加によりP+型埋め込み層2の電気抵抗が小さくなりP+型這い上がり層2bからP+型埋め込みコンタクト層5、P+型埋め込み分離層7b、P+型分離層10b、P+型アノード層16を経てアノード電極14bに至る正孔の流れに対する抵抗が小さくなることによる。
FIG. 8 shows the relationship between the residual voltage Vd and the dose amount of boron ions when the P + type buried
次に、図1に示すNPNトランジスタ60のコレクタ電極14aからエミッタ電極14bに流れるリーク電流について説明する。リーク電流は微小なため実際の素子の大きさと同じ大きさのトランジスタ又は数倍程度の大きさのトランジスタを数百個並列に接続し、コレクタ電極14aに7V印加、エミッタ電極14bを接地状態にして測定した。なお、ベース電極14cとP型半導体基板1はオープン状態にした。100pA以上の電流が流れた場合不良と判定した。
Next, the leakage current flowing from the
その結果は、図8にコレクタ−エミッタ間リーク電流不良率で示したとおりである。P+埋め込み層2形成のためのボロンイオンのドーズ量が所定の量以下ではコレクタ−エミッタ間リーク電流不良率は低く一定の値に近い。しかし、規格化されたドーズ量が1を超えると大幅にリーク電流不良率が上昇する。原因としてはドーズ量が増加するに従いP型半導体基板1に結晶欠陥が発生しそれがP−型エピタキシャル層に転写されることによる場合や、P+型這い上がり層2bの高濃度領域がN+型埋め込み層6と接近し低耐圧のツェナーダイオードが形成される等が考えられる。
The result is as shown by the collector-emitter leakage current defect rate in FIG. When the dose of boron ions for forming the P + buried
本実施形態の特徴は、NPNトランジスタ60のコレクタ−エミッタ間リーク電流の増大を防止しつつ、PINダイオード50の入射光を遮断した時の光電流出力立下り時の残存電圧Vdを所定の規格内に収めたことである。そのために、P+型埋め込み層2形成のためのボロンイオンのドーズ量をトランジスタ60特性とPINダイオード50特性のバランスのもと、最適な条件に決定した事が具体的な特徴になる。本実施形態ではP+型埋め込み層2のボロンイオンのドーズ量を規格化された値で0.6にしている。
The feature of the present embodiment is that the remaining voltage Vd at the fall of the photocurrent output when the incident light of the
それでは本実施形態の半導体装置の製造方法について、図1及び図2に基づいて以下に概略の工程について説明する。先ず、図2に示すように、P−型半導体基板1を準備してその表面全面にボロンイオンをイオン注入する。ドーズ量は上述したようにPINダイオード50の入射光を遮断した時の光電流出力の立下り遅れを示す残存電圧Vdが所定の規格内になり、且つ、制御回路のトランジスタ60のコレクタ−エミッタ間リーク電流が増大しない範囲、安全を見て、図8で示す規格化されたドーズ量0.6に設定する。
Now, the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to the schematic steps based on FIG. 1 and FIG. First, as shown in FIG. 2, a P-type semiconductor substrate 1 is prepared, and boron ions are implanted into the entire surface thereof. As described above, the amount of dose is such that the residual voltage Vd indicating the falling delay of the photocurrent output when the incident light of the
その後、高温炉の中でイオン注入層のアニールと活性化を行いP+型埋め込み層2を形成する。係るボロンイオンがイオン注入されたP+型埋め込み層2は本工程でのアニール及び後続工程の熱処理によりP−型半導体基板1側へのP+型埋め込み拡散層2aを、また後続のP−型エピタキシャル層3内にP+型這い上がり層2bを形成する。
Thereafter, annealing and activation of the ion implantation layer are performed in a high temperature furnace to form the P + type buried
次に、P−型半導体基板1を洗浄してから、その上に所定のエピタキシャル法によりノンドープ又はP−型エピタキシャル層3を形成する。次に該P−型エピタキシャル層3の表面から酸化膜等をマスクに所定の領域にボロンイオンをイオン注入し、その後熱処理を行うことによりP+型埋め込みコンタクト層5を形成する。この段階で、図2ではP+型這い上がり層2aとP+型埋め込みコンタクト層5は離間しているが、P+型這い上がり層2aも相当這い上がってきており、P+型埋め込みコンタクト層5と接触するようにすることもできる。
Next, after cleaning the P-type semiconductor substrate 1, a non-doped or P-
次にNPNトランジスタ60の形成領域に所定のアンチモンドープのスピンオングラス等を塗布し拡散源として高温炉の中で拡散してN+型埋め込み層6を形成する。次に、レジストマスク等を使用してボロンイオンのイオン注入により所定の領域にP+型埋め込み分離層7a及びPINダイオードのアノード引き出し用のP+型埋め込み分離層7bを形成する。
Next, a predetermined antimony-doped spin-on glass or the like is applied to the formation region of the
次に、図1に示すように、P−型エピタキシャル層4をP−型エピタキシャル層3上に形成する。P−型エピタキシャル層4にはNPNトランジスタ60が形成される。先ず、N+型コンタクト層9が形成される領域に所定のレジストマスクによりリンイオンがイオン注入され、続いてN型コレクタ層8が形成される領域に所定のレジストマスクによりリンイオンがイオン注入され、最後にP+型分離層10a、10bが形成される領域に所定のレジストマスクによりボロンイオンがイオン注入され、その後高温炉で注入された不純物のアニール、拡散が行われる。その後、素子分離絶縁膜12が所定のLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法により形成される。
Next, as shown in FIG. 1, a P−
その結果、同図に示すように、P+型這い上がり層2bはP+型埋め込みコンタクト層5を介してP+型埋め込み分離層7a、7bと接続され、更にP+型分離層10a、10bと接続される。また、NPNトランジスタ60部ではN+型コンタクト層9及びN型コレクタ層8がN+型埋め込み層6と接続される。
As a result, as shown in the figure, the P +
次に、NPNトランジスタ60部ではN型コレクタ層8内にボロンイオンのイオン注入によりP型ベース層15が形成され、該P型ベース層15内に砒素イオンのイオン注入によりN+型エミッタ層11bが形成され、併せてN+型コンタクト層9内にN+型コレクタ層11aが形成される。この際、PINダイオード50部にN+型カソード層11cも形成される。また、PINダイオード50のP+型分離層10b内にボロンイオン等をイオン注入することによりP+型アノード層16を形成する。
Next, in the
次に、N+型カソード層11c等が形成されたP−型半導体基板1の表面全体にCVD法等により層間絶縁膜13を堆積し、所定のフォトエッチング工程を経てコンタクトホールを形成する。その後アルミニューム等を所定の方法で堆積し、所定のフォトエッチング工程を経てNPNトランジスタ60部にN+型コレクタ層11aと接続するコレクタ電極14a、N+型エミッタ層11bと接続するエミッタ電極14b、P型ベース層15と接続するベース電極14cが、またPINダイオード50部にN+型カソード層と接続するカソード電極14d、P+型アノード層16と接続するアノード電極14eが形成される。
Next, an
最後に各電極が形成されたP−型半導体基板1の表面全体を不図示の保護膜で被覆することにより所望の半導体装置が製造される。 Finally, a desired semiconductor device is manufactured by covering the entire surface of the P-type semiconductor substrate 1 on which each electrode is formed with a protective film (not shown).
〔第2の実施形態〕
第2の実施形態について図3に基づいて説明する。本実施形態と第1の実施形態の相違点は、PINダイオード50直下のP−型半導体基板1へのボロンイオンのイオン注入量をNPNトランジスタ60直下へのイオン注入量より多くすることより、PINダイオード50部の直下のP+型埋め込み層21の不純物濃度をNPNトランジスタ50部のP+型埋め込み層22より高くしたことである。
[Second Embodiment]
A second embodiment will be described with reference to FIG. The difference between this embodiment and the first embodiment is that the ion implantation amount of boron ions into the P − type semiconductor substrate 1 immediately below the
その結果、同図に示すように、PINダイオード50部の直下のP+型埋め込み層21からのP+型這い上がり層2bの這い上がり量を、NPNトランジスタ60の直下のP+型埋め込み層22からのP+型這い上がり層2cの這い上がり量より大きくする事ができる。
As a result, as shown in the figure, the amount of rise of the P +
このようにNPNトランジスタ60部のP+型埋め込み層22の濃度をPINダイオード50部の直下のP+型埋め込み層21の濃度より低くしたこと、及びP+型這い上がり層2cの這い上がり量を小さくしたことは、いずれもNPNトランジスタのリーク電流の増大防止に有効である。
In this way, the concentration of the P + type buried
従って、図8に示される関係から、NPNトランジスタ60部のP+型埋め込み層22へのボロンイオンのドーズ量を規格化されたドーズ量0.6程度にしてリーク電流の増大を防止する一方で、PINダイオード50部のP+型埋め込み層21へのボロンイオンのドーズ量を規格化されたドーズ量1以上にして光遮断時の光電流出力の立下り残存電圧Vdを第1の実施形態の場合より小さな値にすることができる。
Therefore, from the relationship shown in FIG. 8, while the dose of boron ions to the P + type buried
それでは本実施形態の半導体装置の製造方法について図3乃至図5に基づいて以下に簡単に説明する。本実施形態の特徴は、先ず、図4に示すように、P−型半導体基板1にP+型埋め込み層21、22を形成するためのボロンイオンのイオン注入を、NPNトランジスタ60部直下においてPINダイオード50部直下より膜厚の厚い絶縁膜17を介して行なうことである。
A method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be briefly described below with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 4, boron ions are ion-implanted for forming P + -type buried
同図に示す絶縁膜17の膜厚を適切な膜厚に調整することによりPINダイオード50直下のP+型埋め込み層21の不純物濃度をNPNトランジスタ60直下のP+型埋め込み層22の不純物濃度より高くすることができる。その結果、それぞれの領域のP−型半導体基板1中に、NPNトランジスタ60のコレクタ−エミッタ間リーク電流不良率を増大させず、且つPINダイオード50への入射光を遮断したときの光電流出力の立ち下がり残存電圧Vdを所望の値にするP+型埋め込み層22、21を形成することが可能となる。
By adjusting the film thickness of the insulating
次に、図5に示すように、第1の実施形態の場合と同様に、P+型埋め込み層21、22が形成されたP−型半導体基板1上にP−型エピタキシャル層3を形成し、続いてP+型埋め込みコンタクト層5、N+型埋め込み層6、P+型埋め込み分離層7a、7bを形成する。その結果、PINダイオード50部には這い上がり量の大きいP+型這い上がり層2bが、NPNトランジスタ60部には、それより這い上がり量の小さいP+型這い上がり層2dが形成される。また、P+型埋め込み層21、22からはそれぞれP−型半導体基板1内にP+型埋め込み拡散層2a、2cが形成される。
Next, as shown in FIG. 5, as in the case of the first embodiment, the P −
その後、第1の実施形態と同様の工程を経ることにより図3に示す半導体装置の構成が得られる。最後に種々の積層物が形成されたP−型半導体基板1上に不図示の保護膜を形成することにより半導体装置は完成する。 Thereafter, through the same process as in the first embodiment, the configuration of the semiconductor device shown in FIG. 3 is obtained. Finally, a semiconductor device is completed by forming a protective film (not shown) on the P-type semiconductor substrate 1 on which various laminates are formed.
なお、第1、第2の実施形態におけるP型とN型を入れ替えてPINダイオード50、PNPトランジスタ60等とした場合や、NPNトランジスタ60をMOSトランジスタとした場合でも技術的思想が同一である限り本発明の範囲に含まれることは言うまでも無い。
Note that the P-type and the N-type in the first and second embodiments are interchanged to form the
1 P−型半導体基板 2、21、22 P+型埋め込み層
2a、2c P+型埋め込み拡散層 2b、2d P+型這い上がり層
3 P−型エピタキシャル層 4 P−型エピタキシャル層
5 P+型埋め込みコンタクト層 6 N+型埋め込み層
7a、7b P+型埋め込み分離層 8 N型コレクタ層 9 N+型コンタクト層
10a、10b P+型分離層 11a N+型コレクタ層
11b N+型エミッタ層 11c N+型カソード層 12 素子分離絶縁膜
13 層間絶縁膜 14a コレクタ電極 14b エミッタ電極
14c ベース電極 14d カソード電極 14e アノード電極
15 P型ベース層 16 P+型アノード層 17 絶縁膜
50 PINダイオード 51 電圧発生部 52 出力増減衰器
53 光電流出力部 Vd 残存電圧 td 残存電圧検出時間 60 NPNトランジスタ 61 P−型半導体基板 62 P+型埋め込み層
63 P−型エピタキシャル層 64 P−型エピタキシャル層
65 N−型エピタキシャル層 66 アノードコンタクト層
67 アノードコンタクト埋め込み層 68 カソード電極
69 アノード電極 70 PINダイオード 80 PNPトランジスタ
1 P-
2a, 2c P + type buried
3 P-type epitaxial layer 4 P-type epitaxial layer
5 P + type buried contact layer 6 N + type buried layer
7a, 7b P + type buried isolation layer 8 N type collector layer 9 N +
11b N +
53 Photocurrent output unit Vd Residual voltage td Residual
63 P-type epitaxial layer 64 P-type epitaxial layer
65 N-
67 Anode contact buried
69
Claims (9)
第1導電型の半導体基板にイオン注入により第1導電型の高濃度の埋め込み層を形成する工程と、
前記埋め込み層の表面に第1導電型の低濃度の第1のエピタキシャル層を形成する工程と、
前記第1のエピタキシャル層の内、PINダイオードの光照射部を除く領域に第1導電型の埋め込みコンタクト層を形成する工程と、
前記第1のエピタキシャル層の内、トランジスタ形成領域に第2導電型の埋め込み層を形成する工程と、
前記第1のエピタキシャル層の表面に低濃度の第2のエピタキシャル層を形成する工程と、
前記第1のエピタキシャル層内から前記第2のエピタキシャル層内まで延在する第1導電型の埋め込み分離層を形成する工程と、
前記埋め込み分離層と連結し前記第2のエピタキシャル層の表面まで延在する第1導電型の分離層を形成する工程と、
前記第1のエピタキシャル層内に前記埋め込み層から這い上がり前記埋め込みコンタクト層と連結する第1導電型の這い上がり層を形成する工程と、
前記第2のエピタキシャル層の表面に第2導電型のカソード層及び第1導電型のアノード層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device having a PIN diode and a transistor,
Forming a high-concentration buried layer of the first conductivity type by ion implantation on a semiconductor substrate of the first conductivity type;
Forming a first conductivity type low-concentration first epitaxial layer on the surface of the buried layer;
Forming a first conductive type buried contact layer in a region of the first epitaxial layer excluding the light irradiation portion of the PIN diode;
Forming a second conductivity type buried layer in a transistor formation region of the first epitaxial layer;
Forming a low-concentration second epitaxial layer on the surface of the first epitaxial layer;
Forming a buried isolation layer of a first conductivity type extending from the first epitaxial layer to the second epitaxial layer;
Forming a first conductivity type separation layer connected to the buried separation layer and extending to a surface of the second epitaxial layer;
Forming a rising layer of a first conductivity type that rises from the buried layer and is connected to the buried contact layer in the first epitaxial layer;
Forming a second conductivity type cathode layer and a first conductivity type anode layer on the surface of the second epitaxial layer. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
第1導電型の半導体基板にイオン注入により形成された第1導電型の高濃度の埋め込み層と、
前記埋め込み層の表面に形成された第1導電型の低濃度の第1のエピタキシャル層と、
前記第1のエピタキシャル層の内、PINダイオードの光照射部を除く領域に形成された第1導電型の埋め込みコンタクト層と、
前記第1のエピタキシャル層の内、トランジスタ形成領域に形成された第2導電型の埋め込み層と、
前記第1のエピタキシャル層の表面に形成された低濃度の第2のエピタキシャル層と、
前記第1のエピタキシャル層内から前記第2のエピタキシャル層内まで延在して形成された第1導電型の埋め込み分離層と、
前記埋め込み分離層と連結し前記第2のエピタキシャル層の表面まで延在して形成された第1導電型の分離層と、
前記第1のエピタキシャル層内に前記埋め込み層から這い上がって形成された前記埋め込みコンタクト層と連結する第1導電型の這い上がり層と、
前記第2のエピタキシャル層の表面に形成された第2導電型のカソード層及び第1導電型のアノード層と、を具備し、前記PINダイオードの前記カソード層と前記アノード層間に印加される所定の逆バイアスにより前記第1及び第2のエピタキシャル層内に拡がる空乏層が前記這い上がり層まで延在し、且つ前記埋め込み層を形成するためのイオン注入時の不純物のドーズ量が前記PINダイオードの光遮断時の光電流出力立下り特性を所定の規格を満たすまで改善し、且つ前記トランジスタのリーク電流を増大させる事がない範囲であることを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device having a PIN diode and a transistor,
A first conductivity type high-concentration buried layer formed by ion implantation in a first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type low-concentration first epitaxial layer formed on the surface of the buried layer;
A buried contact layer of a first conductivity type formed in a region excluding the light irradiation portion of the PIN diode in the first epitaxial layer;
A buried layer of a second conductivity type formed in the transistor formation region of the first epitaxial layer;
A low-concentration second epitaxial layer formed on the surface of the first epitaxial layer;
A buried isolation layer of a first conductivity type formed extending from the first epitaxial layer to the second epitaxial layer;
A first conductivity type separation layer connected to the buried separation layer and extending to the surface of the second epitaxial layer;
A first conductivity type scooping layer connected to the buried contact layer formed scooping up from the buried layer in the first epitaxial layer;
A second conductivity type cathode layer and a first conductivity type anode layer formed on the surface of the second epitaxial layer, and a predetermined voltage applied between the cathode layer and the anode layer of the PIN diode. A depletion layer extending into the first and second epitaxial layers due to reverse bias extends to the rising layer, and an impurity dose during ion implantation for forming the buried layer is the light of the PIN diode. A semiconductor device characterized in that the photocurrent output falling characteristic at the time of cutoff is improved until a predetermined standard is satisfied, and the leakage current of the transistor is not increased.
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