JP3138057B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はホトダイオードとバイポ
ーラＩＣとを一体化した光半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】受光素子と周辺回路とを一体化してモノ
リシックに形成した光半導体装置は、受光素子と回路素
子とを別個に作ってハイブリッドＩＣ化したものと異な
り、コストダウンが期待でき、また、外部電磁界による
雑音に対して強いというメリットを持つ。

【０００３】このような光半導体装置の従来の構造とし
て、例えば特開平１−２０５５６４号公報に記載された
ものが公知である。これを図５に示す。同図において、
（１）はＰ型の半導体基板、（２）はＰ型のエピタキシ
ャル層、（３）はＮ型のエピタキシャル層、（４）はＰ
⁺型分離領域、（５）はＮ⁺型拡散領域、（６）はＮ⁺型
埋め込み層、（７）はＰ型ベース領域、（８）はＮ⁺型
エミッタ領域である。ホトダイオード（９）はＰ型エピ
タキシャル層（２）とＮ型エピタキシャル層（３）との
ＰＮ接合で形成し、Ｎ⁺型拡散領域（５）をカソード取
出し、分離領域（４）をアノード取出しとしたものであ
る。ＮＰＮトランジスタ（１０）はＰ型エピタキシャル
層（２）とＮ型エピタキシャル層（３）との境界に埋め
込み層（６）を設け、Ｎ型エピタキシャル層（３）をコ
レクタとしたものである。そして、基板（１）からのオ
ートドープ層（１１）によって加速電界を形成し、空乏
層より深部の領域で発生したキャリアの移動を容易にし
たものである。

【０００４】斯る装置は、光信号を受光する必要性か
ら、前記光信号の波長の光が通過できる樹脂にてモール
ドされる。また、ＮＰＮトランジスタ（１０）等の領域
でも光入射によって光生成キャリアが発生し、このキャ
リアが寄生効果や誤動作を招く。そのためＩＣチップに
は、ホトダイオード（９）部分のみに光が照射される手
段を拠す必要がある。

【０００５】上記手段として最も簡便な方法は、多層配
線技術を利用したＡｌ配線層を遮光膜として用いる方法
である。すなわち単層又は多層構造で素子間接続を行っ
た後、ポリイミド系樹脂による層間絶縁膜を介してＩＣ
チップ全面にＡｌ膜を形成し、このＡｌ膜のホトダイオ
ード（９）部分を開口して光入射用の窓としたものであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリイ
ミド系樹脂の上を一定面積以上の大きさのＡｌ膜で被覆
すると、後のＡｌアロイ工程等の加熱（３００〜４００
℃）によってＡｌ膜がふくれる現象が発生することが知
られている。このふくれは、ポリイミド系樹脂が吸湿性
であることから、樹脂に水分が付着し、その水分が熱処
理によって蒸発することに起因すると考えられている。
そのため、Ａｌ膜で被う場合はある面積毎にガス抜き穴
を設ける必要がある（特公昭５８−４６８５３号に詳し
い）。一方、ガス抜き穴を設ければ当然そこから光が入
射し、不要部で光生成キャリアが生成されて寄生効果、
誤動作の要因になる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した従来の
欠点に鑑み成されたもので、遮光膜（４２）にガス抜き
用の貫通孔（５０）を形成し、貫通孔（５０）の下部に
は回路素子を配置せず、光が到達するエピタキシャル層
（２５）（２４）をＰ⁺分離領域（２７）で分離し、分
離した領域で発生した光生成キャリアをＶ_CC又はＧＮＤ
へ逃がすことにより、ガス抜きと誤動作の防止を両立さ
せたものである。

【０００８】

【作用】本発明によれば、遮光膜（４２）に貫通孔（５
０）を設けることによってポリイミド樹脂で発生したガ
スを貫通孔（５０）から外へ排気できる。よって、Ａｌ
膜のふくれ現象は生じない。一方、貫通孔（５０）の下
には回路素子を配置せず（ダミーのホトダイオードが配
置される）、ここで発生した光生成キャリアを固定電位
に逃がす構造としたので、余分な光生成キャリアが他の
回路素子へ達しないで、これを消滅させることができ
る。

【０００９】

【実施例】以下に本発明の一実施例を図面を参照しなが
ら詳細に説明する。先ず図４を用いて全体の概略を説明
する。図４はホトダイオード（２１）とＮＰＮトランジ
スタ（２２）とを組み込んだＩＣの断面図である。同図
において、（２３）はＰ型の単結晶シリコン半導体基
板、（２４）は基板（２３）上に気相成長法によりノン
ドープで積層した厚さ１５〜２０μの第１のエピタキシ
ャル層、（２５）は第１のエピタキシャル層（２４）上
に気相成長法によりリン（Ｐ）ドープで積層した厚さ４
〜６μの第２のエピタキシャル層である。基板（２３）
は一般的なバイポーラＩＣのものより不純物濃度が低い
４０〜６０Ω・ｃｍの比抵抗のものを用い、第１のエピ
タキシャル層（２４）はノンドープで積層することによ
り、積層時で１０００Ω・ｃｍ以上、拡散領域を形成す
るための熱処理を与えた後の完成時で２００〜１５００
Ω・ｃｍの比抵抗を有する。第２のエピタキシャル層
（２５）は、リン（Ｐ）を１０ ¹⁵〜１０¹⁶ｃｍ^-3程ドー
プすることにより、０．５〜３．０Ω・ｃｍの比抵抗を
有する。

【００１０】第１と第２のエピタキシャル層（２４）
（２５）は、両者を完全に貫通するＰ ⁺型分離領域（２
６）によってホトダイオード（２１）形成部分とＮＰＮ
トランジスタ（２２）形成部分とに電気的に分離され
る。この分離領域（２６）は、基板（２３）表面から上
下方向に拡散した第１の分離領域（２７）と、第１と第
２のエピタキシャル層（２４）（２５）の境界から上下
方向に拡散した第２の分離領域（２８）と、第２のエピ
タキシャル層（２５）表面から形成した第３の分離領域
（２９）から成り、３者が連結することで第１と第２の
エピタキシャル層（２４）（２５）を島状に分離する。

【００１１】ホトダイオード（２１）部の第２のエピタ
キシャル層（２５）表面には、ホトダイオード（２１）
のカソード取出しとなるＮ⁺型拡散領域（３０）を形成
する。Ｎ⁺型拡散領域（３０）を第１の島領域の略全面
に拡大すると、カソードの取出し直列抵抗を低減でき
る。Ｎ⁺型拡散領域（３０）上の酸化膜は部分的に開口
され、この開口部を覆うようにしてシリコン表面に直に
接触する反射防止膜（３１）を形成する。反射防止膜
（３１）は膜厚４００〜１０００Åのシリコン窒化膜
（ＳｉＮ）と膜厚４０００〜７０００Åのシリコン酸化
膜（ＳｉＯ₂）から成る。反射防止膜（３１）の一部は
除去され、除去された部分にコンタクトホールを介して
カソード電極（３２）がＮ⁺型拡散領域（３０）にオー
ミック接触する。また、分離領域（２６）をホトダイオ
ード（２１）のアノード側低抵抗取出し領域として、ア
ノード電極（３３）が分離領域（２６）の表面にコンタ
クトする。

【００１２】ＮＰＮトランジスタ（２２）部の第１と第
２のエピタキシャル層（２４）（２５）の境界部には、
Ｎ⁺型の埋め込み層（３４）が埋め込まれている。埋め
込み層（３４）上方の第２のエピタキシャル層（２５）
表面には、ＮＰＮトランジスタ（２２）のＰ型のベース
領域（３５）、Ｎ⁺型のエミッタ領域（３６）、および
Ｎ⁺型のコレクタコンタクト領域（３７）を形成する。
各拡散領域上には１層目の配線層による電極配線（３
８）がコンタクトホールを介してオーミック接触する。
尚、前記アノード電極（３２）とカソード電極（３３）
は１層目の配線層によるものである。その上にはＰＩＸ
等からなる層間絶縁膜（３９）と２層目の電極配線（４
０）を設ける。電極配線（３８）（３９）が絶縁膜上を
延在することによって各素子を電気接続し、ホトダイオ
ード（２１）が光信号入力部を、ＮＰＮトランジスタ
（２２）が他の素子と共に信号処理回路を構成する。

【００１３】電極配線（４０）上はＰＩＸ（日立化成：
商品名）等のポリイミド系樹脂による膜厚１．０〜２．
０μの層間絶縁膜（４１）が覆い、層間絶縁膜（４１）
上に３層目Ａｌ膜による遮光膜（４２）を形成する。遮
光膜（４２）の上は再度ポリイミド系樹脂から成るジャ
ケット・コートが被覆する。そして、ホトダイオード
（２１）上の層間絶縁膜（３９）（４１）と遮光膜（４
２）、およびジャケット・コートが光入射のために除去
され、全体のチップはシリコン酸化膜と同等の光屈折率
を有し且つ光信号の波長の光を通過するようなエポキシ
系樹脂にてモールドされる。

【００１４】ホトダイオード（２１）は、カソード電極
（３２）に＋５Ｖの如きＶ_CC電位を、アノード電極（３
３）にＧＮＤ電位を印加した逆バイアス状態で動作させ
る。このような逆バイアスを与えると、ホトダイオード
（２１）の第１と第２のエピタキシャル層（２４）（２
５）の境界から空乏層が拡がり、第１のエピタキシャル
層（２４）が高比抵抗層であることから特に第１のエピ
タキシャル層（２４）中に大きく拡がる。その空乏層は
基板（２３）に達するまで容易に拡がり、厚さ２０〜２
５μの極めて厚い空乏層を得ることができる。そのた
め、ホトダイオード（２１）の接合容量を低減し、高速
応答を可能にする。

【００１５】続いて、本願の特徴とする貫通孔の詳細を
説明する。図１は貫通孔（５０）部を示す断面図、図２
は平面図である。ポリイミド層間絶縁膜（４１）の上を
被覆する遮光膜（４２）は、ホトダイオード（２１）部
以外の殆どの領域を覆うと共に、図４には示してない貫
通孔（５０）を設けている。貫通孔（５０）は１０μ×
１０μ程度の大きさを有し、遮光膜（５０）のＡｌが３
００μ×３００μ以上の面積で連続することのないよ
う、多数箇所に一定間隔で設けられる。

【００１６】貫通孔（５０）の下部は、層間絶縁膜（４
１）（３９）、シリコン酸化膜、第２のエピタキシャル
層（２５）、第１のエピタキシャル層（２４）、そして
基板（２３）が連続する。貫通孔（５０）を通過した光
が入射される領域（図示点線内）はこれを取り囲むＰ⁺
分離領域（２７）によって他と電気的に分離される。前
記入射される領域は第２のエピタキシャル層（２５）か
ら基板（２３）までのＰＩＮ接合でダミーのホトダイオ
ードを構成する。第２のエピタキシャル層（２５）の表
面にはＮ⁺型のコンタクト領域（５１）を設け、電極
（５２）によりＶ_{C C}電位を印加する。これで、基板（２
３）に印加したＧＮＤと前記Ｖ_CCとによってダミーのホ
トダイオードをホトダイオード（２１）と同様に逆バイ
アスする。

【００１７】当然、遮光膜（４２）の貫通孔（５０）か
ら光が入射されるとダミーのホトダイオードで電子正孔
対が発生する。寄生効果と誤動作に大きく関与するのは
基板（２３）近辺で発生した電子正孔対のうちの少数キ
ャリアである電子の挙動である。この電子は、光入射さ
れる領域がＰ⁺分離領域（２７）で電気的に分離されて
おり、且つ逆バイアスされていることから、Ｖ_CCを印加
した電極（５２）によって速やかに吸い出される。その
ため、他の領域へ流出することがない。

【００１８】貫通孔（５０）を通過した光が入射される
領域の面積は、各材料の屈折率と入射角度から（１）式
により算出することができる。 ｓｉｎθ₁／ｓｉｎθ₂＝ｎ₂／ｎ₁ ……………（１） 但し、θ₁は入射角、θ₂は出射角、ｎ₁は入射側材料の
屈折率、ｎ₂は出射側材料の屈折率である。

【００１９】（１）式によって算出した結果を図３に示
す。半導体パッケージの表面に対して略水平方向に入射
した光が理論的に最も拡がるので、前記略水平方向に入
射した光がどの程度拡がるかを算出すれば、光が入射さ
れる領域を割り出すことができる。図３において、この
素子は屈折率＝１．４５の樹脂でモールドされるので、
外気の屈折率ｎ＝１．０と入射角≒９０°（水平光）か
ら（１）式により出射角を算出すると４３°となる。次
に材料が変化するのは、樹脂とジャケットコートの界面
である。貫通孔（５０）においては、ジャケットコート
の下に層間絶縁膜（４１）（３９）が存在し、これらを
全てポリイミド樹脂で構成したので、層間絶縁膜（４
１）（３９）までを同一材料層とみなすことができる。
入射角４３°とポリイミドの屈折率＝１．７８から算出
して、この領域の出射角は３４°となる。以後、同様に
算出して酸化膜で４４．５°、シリコン（エピタキシャ
ル層）で１７°となる。あとは、各材料の膜厚を考慮し
て、貫通孔（５０）を通過した光が入射される領域の面
積を算出する。

【００２０】こうして算出した領域を囲むようにＰ⁺分
離領域（２７）を配置する。但し、光入射が予定される
部分には余計な光散乱を避けるため電極（５２）を配置
しない。また、コンタクト領域（５１）とＰ⁺分離領域
（２７）との間隔が耐圧（Ｖ_{C C}−ＧＮＤ間）によって規
定されるので、これらをも考慮して分離領域（２７）の
位置を決定する。図２において、コンタクト領域（５
１）を設けた側のＰ⁺分離領域（２７）が他より遠くに
配置したのは上記２点の理由によるものである。

【００２１】このように、本願は遮光膜（４２）に貫通
孔（５０）を設けることによってポリイミド樹脂で発生
したガスを排気できると同時に、貫通孔（５０）を通過
した光によって発生したキャリアをＶ_CC電位で吸い出す
ことができるので、寄生効果や誤動作をも防止できるも
のである。尚、本実施例は３層Ａｌを例にして説明した
が、２層Ａｌや４層Ａｌ等でも同様に実施できる。

【００２２】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明によれば、
貫通孔（５０）を設けることによってポリイミド樹脂で
発生したガスを貫通孔（５０）から逃がすことができる
ので、遮光膜（４２）のふくれ現象を防止できる。一
方、貫通孔（５０）を設けることにより遮光できない光
に対しては、貫通孔（５０）の下部に回路素子を配置せ
ず、ダミーのホトダイオードとして生成されたキャリア
を吸い出すような構成としたので、他の回路素子への悪
影響（寄生効果、誤動作）を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明するための断面図である。

【図２】本発明を説明するための平面図である。

【図３】本発明を説明するための図である。

【図４】本発明を説明するための断面図である。

【図５】従来例を説明するための断面図である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−69672（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−2353（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−26165（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−87545（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/14 - 27/148 H01L 29/762 - 29/768

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一基板上に光信号入力用のホトダイオ
   ードと信号処理回路用のトランジスタとを形成し、前記
   ホトダイオードの領域を除く領域を遮光膜で覆い、前記
   遮光膜より下層の配線層で前記トランジスタを結線する
   と共に、前記遮光膜と前記配線層との間をポリイミド系
   の絶縁膜で層間絶縁した光半導体装置において、 前記遮光膜に多数の貫通孔を設け、該貫通孔を通過した
   光が到達する半導体領域には回路素子を配置せず、 前記入射光が到達する半導体領域の周囲を高濃度分離領
   域で囲み、 前記半導体領域で発生した光生成キャリアを固定電位に
   逃がすことを特徴とする光半導体装置。
2. 【請求項２】 前記ホトダイオードはエピタキシャル層
   の接合により形成されていることを特徴とする請求項１
   記載の光半導体装置。