JP4709012B2 - 光半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光半導体装置およびその製造方法に関し、特に、半導体基板上の所定領域に設けた埋め込み層上に形成された受光部と、その近傍に形成された回路素子とを備えた光半導体装置およびその製造方法に関する。
従来より、フォトダイオードのような受光素子とバイポーラトランジスタ(または、CMOS)などのような回路素子とが、1つの半導体基板上に形成された光半導体装置が知られている。
このような従来の光半導体装置の一例を断面図として示す図2を用いて説明する。
図4において、10は従来の光半導体装置、11は低濃度のp-型半導体基板、12は高濃度(不純物As)のn+型埋め込み層、13は低濃度のp-型エピタキシャル層、14は高濃度のp+型拡散層、15は高濃度のn+型拡散層、16は受光素子部、17は高濃度のp+型エミッタ層、18は高濃度のn+型ベース層、19は高濃度のp+型コレクタ層、20はpnp型バイポーラトランジスタ、21は界面層としてのn-型半導体層、22は寄生トランジスタである。
従来の光半導体装置10は、受光素子部16(図中の左部分)とバイポーラトランジスタ部20(図中の右部分)とを備えている。尚、ここでは回路素子としてバイポーラトランジスタの例で説明するが、特に限定するものではなくCMOSなど他の回路素子であってもよい。
受光素子部16は、p-型半導体基板11の上に設けられたn+型埋め込み層12と、その上に形成されたp-型エピタキシャル層13と、そのp-型エピタキシャル層13の表層部の所定領域に形成されたp+型拡散層14とで構成されている。
また、p+型拡散層14の表面には一方の電極(図示せず)が設けられている。
また、p-型半導体基板11には、n+型埋め込み層12に達するn+型拡散層15が、受光素子部16領域を取り囲むように設けられている。
ここで、n+型拡散層15は、その表面に他方の電極(図示せず)が設けられており、表面側への電極の取り出しの役目をするとともに受光素子部16領域とそれ以外の領域とを素子分離する役目をしている。
また、回路素子としてのpnp型バイポーラトランジスタ20は、p-型半導体基板11の上に形成されたp-型エピタキシャル層13の所定領域にそれぞれ設けられたn+型ベース層18とp+型コレクタ層19と、n+型ベース層18の表層部の一部領域に設けられたp+型エミッタ層17とで構成されている。
また、p-型半導体基板11とp-型エピタキシャル層13との境界には界面層としてn-型半導体層21が形成されている。
このn-型半導体層21は、図4中の拡大図部分に模式的に示すように、n+型埋め込み層12中の不純物(As)がプロセス処理の熱でp-型半導体基板11表面に沿って平面方向に拡散して行き、p-型半導体基板11とp-型エピタキシャル層13との境界に界面層として形成される。
そして、その結果、p-型半導体基板11とn-型半導体層21とp-型エピタキシャル層13とで構成される不所望なpnp型の寄生トランジスタ22が回路素子形成部に形成される格好となる。
次に、上記のような光半導体装置10の製造方法を図5,図6を用いて説明する。図5,6は製造フローを模式的に示す断面図である。
先ず、図5(a)に示すように、p-型半導体基板11の上の受光素子形成部の所定領域にn+型埋め込み層12を、フォトリソグラフィ法とエッチング処理を施してマスクを形成した後、イオン注入法で形成する。
次に、図5(b)に示すように、そのn+型埋め込み層12を含むp-型半導体基板11全面にp-型エピタキシャル層13をCVD法で形成する。
尚、このとき、プロセス処理の熱によって、n+型埋め込み層12中の不純物(As)が周囲に拡散して、n+型埋め込み層12が増大することは周知であるが、さらに、n+型埋め込み層12中の不純物(As)は、p-型半導体基板11表面に沿って平面方向に拡散していく。
このため、p-型半導体基板11とp-型エピタキシャル層13との境界に界面層としてのn-型半導体層21が形成される。
この界面層は、n+型埋め込み層12のn型不純物濃度(As)が、p-型半導体基板11やp-型エピタキシャル層13のp型不純物濃度に比較して高いために互いに相殺された結果、n-型半導体層21となる。
次に、図5(c)に示すように、受光素子形成部の境界に素子分離用および電極接続用のn+型拡散層15を形成する。
次に、図6(d)に示すように、回路素子形成部の所定領域にn+型ベース層18を形成する。
次に、図6(e)に示すように、受光素子形成部の所定領域にp+型拡散層14、回路素子形成部の所定領域にそれぞれp+型エミッタ層17およびp+型コレクタ層19を形成して光半導体装置10が製造される。
尚、上記では、受光素子部16の構成として、p-型半導体基板11、n+型埋め込み層12、p-型エピタキシャル層13、p+型拡散層14とで説明したが、受光素子部16に関して言えば、すべてについて反対導電型にするならばそれでもよい。即ち、n-型半導体基板、p+型埋め込み層、n-型エピタキシャル層、n-型拡散層で構成してもよい。
但し、その場合は、n-型半導体基板とp-型の半導体層(界面層)とn-型エピタキシャル層とでなる不所望なnpn型の寄生トランジスタが形成される格好になる。
しかしながら、上述したように、従来の光半導体装置およびその製造方法においては、プロセス処理の熱(例えば、800℃以上)によって、n+型埋め込み層12中の不純物(As)がp-型半導体基板11の表面上に沿って平面方向に拡散していき、p-型半導体基板11とp-型エピタキシャル層13との境界に界面層としてn-型半導体層21が形成される。そして、その結果、p-型半導体基板11と、n-型半導体層21と、p-型エピタキシャル層13とで、不所望な寄生pnp型の寄生トランジスタ22が回路素子形成部に形成される格好となる。
本発明の主な課題は、プロセス処理の熱によって、受光素子部の高濃度埋め込み層から不純物が半導体基板表面に沿って平面方向に拡散していき、回路素子形成部に不所望な寄生トランジスタが形成され、それによる寄生容量の発生などにより周辺の回路動作が不具合を発生させることである。
本発明の光半導体装置は、
一導電型の半導体基板と、
半導体基板上の所定領域に形成した、一導電型と反対導電型の二導電型の埋め込み層と、
埋め込み層上に形成した一導電型の半導体層と、
一導電型の半導体層の表層部に設けた一導電型の半導体層より高濃度の一導電型の半導体領域とでなる受光部と、
受光部の近傍の、半導体基板上に形成された一導電型の半導体層の表層部に形成された回路素子と、
を備えた光半導体装置において、
埋め込み層の部分を除く、半導体基板と一導電型の半導体層との境界の界面層は、一導電型の半導体層であることを特徴とする光半導体装置である。
本発明の光半導体装置の製造方法は、
一導電型の半導体基板と、
半導体基板上の所定領域に形成した、一導電型と反対導電型の二導電型の埋め込み層と、
埋め込み層上に形成した一導電型の半導体層と、
一導電型の半導体層の表層部に設けた一導電型の半導体層より高濃度の一導電型の半導体領域とでなる受光部と、
受光部の部分を除く、半導体基板上に形成された一導電型の半導体層の表層部に形成された回路素子と、
を備えた光半導体装置の製造方法であって、
少なくとも、
一導電型の半導体基板上の所定領域に二導電型の埋め込み層を形成する工程と、
次に、埋め込み層を含む半導体基板上に、一導電型の反転防止層を形成する工程と、
次に、一導電型の反転防止層の上に、一導電型の半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法である。
本発明の光半導体装置およびその製造方法によれば、プロセス処理の熱によって、受光素子部の高濃度の埋め込み層から不純物が半導体基板の表面に沿って平面方向に拡散していっても、予め、反対導電型の半導体層を形成しておくことで相殺させ、不所望な寄生トランジスタが形成されることを防止でき、回路動作の不具合を発生させるおそれがない光半導体装置を提供できる。
本発明は、プロセス処理の熱によって、受光素子部の高濃度の埋め込み層から不純物が半導体基板の表面に沿って平面方向に拡散していっても、回路素子形成部に不所望な寄生トランジスタが形成されることを防止するという目的を、予め反対導電型の半導体層を形成しておくことで実現した。
本発明の光半導体装置の一例を断面図として示す図1を用いて説明する。尚、図4と同一部分には同一符号を用いる。
図4において、101は本発明の光半導体装置、11は低濃度の一導電型としてのp-型の半導体基板(以降、単に、p-型半導体基板と呼ぶ。)、12は高濃度(不純物As)の一導電型の反対導電型としての二導電型のn+型の埋め込み層(以降、単に、n+型埋め込み層と呼ぶ。)、13は低濃度の一導電型としてのp-型のエピタキシャル層(以降、単に、p-型エピタキシャル層と呼ぶ。)、14は高濃度の一導電型としてのp+型の拡散層(以降、単に、p+型拡散層と呼ぶ。)、15は高濃度の一導電型の反対導電型としての二導電型のn+型の拡散層(以降、単に、n+型拡散層と呼ぶ。)、16は受光素子部、17は高濃度のp+型エミッタ層、18は高濃度のn+型ベース層、19は高濃度のp+型コレクタ層、20はバイポーラトランジスタ部、102aは界面層としてのp-型半導体層、102はp型の反転防止層である。
本発明の光半導体装置101は、受光素子部16(図中の左部分)とバイポーラトランジスタ部20(図中の右部分)とを備えている。尚、ここでは回路素子としてバイポーラトランジスタの例で説明するが、特に限定するものではなくCMOSなど他の回路素子であってもよい。
受光素子部16は、p-型半導体基板11の上に設けられたn+型埋め込み層12と、その上に形成されたp-型エピタキシャル層13と、そのp-型エピタキシャル層13の表層部の所定領域に形成されたp+型拡散層14とで構成されている。
また、p+型拡散層14の表面には一方の電極(図示せず)が設けられている。
また、p-型半導体基板11には、n+型埋め込み層12に達するn+型拡散層15が、受光素子部16領域を取り囲むように設けられている。
ここで、n+型拡散層15は、その表面に他方の電極(図示せず)が設けられており、表面側への電極の取り出しの役目をするとともに受光素子部16領域とそれ以外の領域とを素子分離する役目をしている。
また、回路素子としてのバイポーラトランジスタ部20は、p-型半導体基板11の上に形成されたp-型エピタキシャル層13の所定領域にそれぞれ設けられたn+型ベース層18とp+型コレクタ層19と、n+型ベース層18の表層部の一部領域に設けられたp+型エミッタ層17とで構成されている。
また、p-型半導体基板11とp-型エピタキシャル層13との境界には界面層としてのp-型半導体層102aが形成されている。
このp-型半導体層102aは、図1中の拡大図部分に模式的に示すように、n+型埋め込み層12中の不純物(As)がプロセス処理の熱でp-型半導体基板11表面に沿って平面方向に拡散して行き、予め、p-型半導体基板11表面に形成してあったp型の反転防止層(図示せず)によって相殺され、トータルとしてp型となった半導体層である。
そして、その結果、従来技術で説明したような不所望な寄生トランジスタが回路素子形成部に形成されることはない。
次に、上記のような光半導体装置101の製造方法を図2,図3を用いて説明する。図2,3は製造フローを模式的に示す断面図である。
先ず、図2(a)に示すように、p-型半導体基板11の上の受光素子形成部の所定領域にn+型埋め込み層12を、フォトリソグラフィ法とエッチング処理を施してマスクを形成した後、イオン注入法で形成する。
次に、図2(b)に示すように、そのn+型埋め込み層12を含むp-型半導体基板11全面にp型の反転防止層102を形成する。形成方法はCVD法(不純物はB(ボロン))で形成する。そして、その不純物濃度は少なくとも、p-型半導体基板および、この後形成予定のp-型エピタキシャル層の不純物濃度より高濃度とする。
このとき、厳密には、n+型埋め込み層12の表面にもp型の反転防止層が形成されるがn+型埋め込み層12と相殺され無視できるレベルである。
尚、ここでは、p-型半導体基板11全面に形成することで説明したが、少なくとも回路素子形成部の領域に形成できればよい。
次に、図2(c)に示すように、そのn+型埋め込み層12を含むp-型半導体基板11全面にp-型エピタキシャル層13をCVD法で形成する。
尚、これ以降のプロセス処理の熱によって、n+型埋め込み層12の不純物(As)が周囲に拡散して、n+型埋め込み層12が増大することは周知であるが、さらに、n+型埋め込み層12の不純物(As)は、p-型半導体基板11表面に沿って平面方向に拡散していく。
このため、p-型半導体基板11とp-型エピタキシャル層13との境界に界面層としてのn型の半導体層が形成されようとするが、予め、p型の反転防止層102が形成されているため相殺される。
そして、p型の反転防止層102の不純物濃度は、少なくとも、p-型半導体基板およびp-型エピタキシャル層の不純物濃度より高濃度であり、互いに相殺された結果、トータルとしてp型の半導体層となる。
次に、図3(d)に示すように、受光素子形成部の境界に素子分離用および電極と接続用のn+型拡散層15を形成する。
次に、図3(e)に示すように、回路素子形成部の所定領域にn+型ベース層18を形成する。
次に、図3(f)に示すように、受光素子形成部の所定領域にp+型拡散層14、回路素子形成部の所定領域にそれぞれp+型エミッタ層17およびp+型コレクタ層19を形成して光半導体装置101が製造される。
尚、上記では、受光素子部16の構成として、p-型半導体基板11、n+型埋め込み層12、p-型エピタキシャル層13、p+型拡散層14とで説明したが、受光素子部16に関して言えば、すべてについて反対導電型にするならば、それでもよい。即ち、n-型半導体基板、p+型埋め込み層、n-型エピタキシャル層、n+型拡散層で構成されてもよい。
但し、その場合は、n-型半導体基板とp-型半導体層とn-型エピタキシャル層とでなる不所望なnpn型の寄生トランジスタが形成されることになるので、予め、n-型半導体基板の表面にn型の反転防止層(図示せず)を形成しておく必要がある。
本発明は、受光素子部の近傍に形成される回路素子部に不所望な寄生トランジスタの発生を防止できる光半導体装置に適用できる。
本発明の光半導体装置の一例の断面図 本発明の光半導体装置の製造フローの断面図 本発明の光半導体装置の製造フローの断面図 従来の光半導体装置の一例の断面図 従来の光半導体装置の製造フローの断面図 従来の光半導体装置の製造フローの断面図
符号の説明
10 従来の光半導体装置
11 p-型半導体基板
12 n+型埋め込み層
13 p-型エピタキシャル層
14 p+型拡散層
15 n+型拡散層
16 受光素子部
17 p+型エミッタ層
18 n+型ベース層
19 p+型コレクタ層
20 pnp型バイポーラトランジスタ
21 界面層としてのn-型半導体層
22 寄生トランジスタ
101 本発明の光半導体装置
102a 界面層としてのp-型半導体層
102 反転防止層

Claims (4)

  1. 一導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板上の所定領域に形成した、一導電型と反対導電型の二導電型の埋め込み層と、
    前記埋め込み層上に形成した一導電型の半導体層と、
    前記一導電型の半導体層の表層部に設けた前記一導電型の半導体層より高濃度の一導電型の半導体領域とでなる受光部と、
    前記受光部の近傍の、前記半導体基板上に形成された前記一導電型の半導体層の表層部に形成された回路素子と、
    を備えた光半導体装置において、
    前記埋め込み層の部分を除く、前記半導体基板と前記一導電型の半導体層との境界の界面層は、一導電型の半導体層であることを特徴とする光半導体装置。
  2. 一導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板上の所定領域に形成した、一導電型と反対導電型の二導電型の埋め込み層と、
    前記埋め込み層上に形成した一導電型の半導体層と、
    前記一導電型の半導体層の表層部に設けた前記一導電型の半導体層より高濃度の一導電型の半導体領域とでなる受光部と、
    前記受光部の部分を除く、前記半導体基板上に形成された前記一導電型の半導体層の表層部に形成された回路素子と、
    を備えた光半導体装置の製造方法であって、
    少なくとも、
    前記一導電型の半導体基板上の所定領域に前記二導電型の埋め込み層を形成する工程と、
    次に、前記埋め込み層を含む半導体基板上に、一導電型の反転防止層を形成する工程と、
    次に、前記一導電型の反転防止層の上に、前記一導電型の半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
  3. 前記一導電型の反転防止層の不純物濃度は、少なくとも、前記一導電型の半導体基板および前記一導電型の半導体層の不純物濃度より高濃度であることを特徴とする請求項2に記載の光半導体装置の製造方法。
  4. 前記一導電型の反転防止層の不純物はボロン(B)であることを特徴とする請求項2または3に記載の光半導体装置の製造方法。
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