JPH04151873A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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Publication number
JPH04151873A
JPH04151873A JP27599890A JP27599890A JPH04151873A JP H04151873 A JPH04151873 A JP H04151873A JP 27599890 A JP27599890 A JP 27599890A JP 27599890 A JP27599890 A JP 27599890A JP H04151873 A JPH04151873 A JP H04151873A
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JP
Japan
Prior art keywords
epitaxial layer
layer
conductivity type
photodiode
semiconductor device
Prior art date
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Pending
Application number
JP27599890A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mikio Kyomasu
幹雄 京増
Masaaki Sawara
正哲 佐原
Hiroyasu Nakamura
浩康 中村
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Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
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Abstract

PURPOSE:To realize high speed operation by integrating, in a monolithic manner, electronic function elements like a photodiode and a bipolar transistor on the same substrate. CONSTITUTION:A first epitaxial layer 2 of a lowly doped first conductivity type and a second epitaxial layer 7 of a second conductivity type are formed on a semiconductor substrate 1 of a highly doped first conductivity type; the greater part of the epitaxial layer 7 is etched and eliminated so as to surround a specified region; a buried layer 4 is formed by doping the first epitaxial layer 2 in the vicinity of the etched part with impurities of a first conductivity type. As a result, a photodiode wherein a specified region of the left second epitaxial layer 7 is a cathode or an anode, and the buried layer 4 is an anode or a cathode is constituted. An electronic function element like a bipolar transistor is formed in the second epitaxial layer 7 on the buried layer 4. Thereby high speed operation is enabled.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置に係り、特に詳細には、バイポーラ
型トランジスタのような電子的機能素子とPINホトダ
イオードの集積回路(IC)に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to an integrated circuit (IC) of an electronic functional element such as a bipolar transistor and a PIN photodiode.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

光電変換素子としてPIN構造を有するフォトダイオー
ドが知られており、他の種類の素子、例えばバイポーラ
トランジスタとの電気的な分離や、他の素子との同一基
板上での集積化などのために、様々な技術が提案されて
いる。例えば、特開昭62−123783号および同6
3−93174号では、フォトダイオードを形成するシ
リコン結晶層とシリコン基板の間に誘電体膜を介在させ
、電気的な分離を実現する技術が開示されている。
A photodiode with a PIN structure is known as a photoelectric conversion element, and for electrical isolation from other types of elements, such as bipolar transistors, and integration with other elements on the same substrate, etc. Various techniques have been proposed. For example, JP-A-62-123783 and JP-A-62-123783
No. 3-93174 discloses a technique for realizing electrical isolation by interposing a dielectric film between a silicon crystal layer forming a photodiode and a silicon substrate.

また、特開昭62−158373号では、シリコンフォ
トダイオードを形成した領域でシリコン基板を薄くし、
リーク電流を軽減させる技術が示されている。これと同
等の技術は、特開昭6218075号にも開示されてい
る。更に、特開昭63−19882号には、フォトダイ
オードか形成された領域でシリコン基板を薄くすると共
に、逆バイアス電圧が印加されたpn接合によってフォ
トダイオードとトランジスタを電気的に分離する技術が
示されている。また、特開昭621、6568号では、
フォトダイオードを誘電体層で囲むことにより、他の素
子、例えばトランジスタとアイソレートする技術が示さ
れている。
Furthermore, in JP-A-62-158373, the silicon substrate is thinned in the region where the silicon photodiode is formed,
Techniques have been shown to reduce leakage current. A technique equivalent to this is also disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6218075. Furthermore, JP-A-63-19882 discloses a technique in which the silicon substrate is made thinner in the region where the photodiode is formed, and the photodiode and the transistor are electrically separated by a pn junction to which a reverse bias voltage is applied. has been done. Also, in JP-A No. 621 and 6568,
A technique has been proposed in which a photodiode is isolated from other elements, such as a transistor, by surrounding it with a dielectric layer.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかし、これらの従来技術によれば、分離層形成のため
の製造工程が複雑化し、コストアップになる欠点があっ
た。また分離層が厚くなるため、装置の集積効率が低く
なる欠点があった。更に、集積効率が悪くなると、アル
ミニウムなどの配線が長くなって寄生容量が増大し、高
速動作に適しなくなる欠点があった。
However, these conventional techniques have the disadvantage that the manufacturing process for forming the separation layer becomes complicated and costs increase. Furthermore, since the separation layer becomes thick, there is a drawback that the integration efficiency of the device becomes low. Furthermore, if the integration efficiency deteriorates, the wiring made of aluminum or the like becomes long, increasing the parasitic capacitance, making the device unsuitable for high-speed operation.

本発明の目的は、フォトダイオードとバイポーラトラン
ジスタのような電子的機能素子を、同一の基板上にモノ
リシックに集積し、高速動作を可能にした半導体装置を
提供することにある。
An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which electronic functional elements such as a photodiode and a bipolar transistor are monolithically integrated on the same substrate and capable of high-speed operation.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明は、高ドープ第1導電型の半導体基板上に低ドー
プ第1導電型の第1エピタキシャル層が形成され、さら
にその上に第2導電型の第2エピタキシャル層が形成さ
れている半導体装置であって、第2エピタキシャル層の
所定領域を囲むように当該エピタキシャル層の大部分が
エツチングされて除去され、これにより一部開放された
閉領域で第2エピタキシャル層が残され、かつこの所定
領域の近傍の第1エピタキシャル層に第1導電型の不純
物がドープされて第1導電型の埋込層が形成されている
ことにより、エツチングで閉領域に残された第2エピタ
キシャル層の所定領域をカソードまたはアノード、埋込
層をアノードまたはカソードとするホトダイオードが構
成されており、埋込層の上の第2エピタキシャル層中に
、たとえばバイポーラトランジスタのような電子的機能
素子か形成されるでいることを特徴とする。
The present invention provides a semiconductor device in which a first epitaxial layer of a lightly doped first conductivity type is formed on a semiconductor substrate of a highly doped first conductivity type, and a second epitaxial layer of a second conductivity type is further formed thereon. Most of the epitaxial layer is etched away so as to surround a predetermined region of the second epitaxial layer, thereby leaving the second epitaxial layer in a partially open closed region, and the predetermined region By doping the first epitaxial layer in the vicinity of the first epitaxial layer with impurities of the first conductivity type to form a buried layer of the first conductivity type, a predetermined region of the second epitaxial layer left in the closed region by etching can be etched. A photodiode is configured with the buried layer as the anode or cathode, and an electronic functional element such as a bipolar transistor is formed in the second epitaxial layer on the buried layer. It is characterized by

〔作用〕[Effect]

本発明によれば、高ドープの第1導電型の基板上に、低
ドープで第1導電型の第1エピタキシャル層と第2導電
型の第2エピタキシャル層の二層構造が形成されている
ので、ホトダイオードと電予約機能素子(例えばバイポ
ーラトランジスタ)の集積化が可能になる。また、電子
的機能素子の下側に第1導電型の埋込層が形成されてい
るので、パンチスルーを防止でき、かつ第2エピタキシ
ャル層をエツチングで除去して一部が開放された閉領域
を形成しているので、寄生容量の低減が可能になると共
に、配線も容易になる。また、閉領域の第2エピタキシ
ャル層をそのままカソードまたはアノードにしているの
で、不純物のプロファイルを好適になしうる。
According to the present invention, a two-layer structure consisting of a lightly doped first epitaxial layer of the first conductivity type and a second epitaxial layer of the second conductivity type is formed on the highly doped substrate of the first conductivity type. , it becomes possible to integrate a photodiode and a power reservation function element (for example, a bipolar transistor). In addition, since the buried layer of the first conductivity type is formed under the electronic functional element, punch-through can be prevented, and the second epitaxial layer can be removed by etching to form a closed region that is partially open. , it is possible to reduce parasitic capacitance and also facilitate wiring. Furthermore, since the second epitaxial layer in the closed region is directly used as the cathode or anode, the impurity profile can be made favorable.

〔実施例〕〔Example〕

以下、添付図面により本発明の詳細な説明する。 Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to the accompanying drawings.

第1図は実施例に係る半導体装置を示し、同図(b)は
ホトダイオード部分の平面図、同図(b)はそのA−A
線で切った全体の断面図である。この詳細な構成は、第
2図にもとづく製造工程の説明の中で明らかにする。
FIG. 1 shows a semiconductor device according to an embodiment, FIG. 1(b) is a plan view of a photodiode portion, and FIG.
It is a sectional view of the whole cut along a line. The detailed configuration will be made clear in the description of the manufacturing process based on FIG.

まず、実施例のモノリシックICは、次の点に特徴を有
している。第1の特徴は、高濃度にアクセブタ不純物が
ドープされたp+型シリコン基板]の上に、低ドープの
p−型エピタキシャル層2およびn型エピタキシャル層
7の二層構造が形成されていることである。これにより
、PINホトダイオード31と、電子的機能素子の一例
としてのnpnバイポーラトランジスタ32を、同一の
半導体基板1上に共存させることが可能になっている。
First, the monolithic IC of the embodiment has the following features. The first feature is that a two-layer structure of a lightly doped p-type epitaxial layer 2 and an n-type epitaxial layer 7 is formed on a p+ type silicon substrate doped with a high concentration of acceptor impurities. be. This allows the PIN photodiode 31 and the npn bipolar transistor 32, which is an example of an electronic functional element, to coexist on the same semiconductor substrate 1.

第2の特徴は、PINホトダイオード31の1層として
用いられるp 型エピタキシャル層2の上に電子的機能
素子の一例としてのnpnバイポーラトランジスタ32
が形成されており、かつ、このエピタキシャル層2とト
ランジスタ32の間にはn型埋込層4が設けられている
ことである。このため、npnバイポーラトランジスタ
32とホトダイオード3]の間、あるいは図示しない近
傍の他のトランジスタとの間で、いわゆるパンチスルー
を起すのが防止されている。なお、第1図ではn型埋込
層4がnpnバイポーラトランジスタ32の下側全体に
設けられているので、コレクタ容量は大きくなるか、基
板1への抵抗は小さくなる。これに対して、npnバイ
ポーラトランジスタ32の下側の周辺にのみp型埋込層
を設けるようにすれば、コレクタ容量は小さくなるが基
板1への抵抗は大きくなる。第3の特徴は、n型エピタ
キシャル層7がPINホトダイオード31のN層すなわ
ちアノードをなし、かつダイオド領域の周囲のn型エピ
タキシャル層7を、部を残して順メサエツチングで除去
することにより、PINホトダイード31とバイポーラ
トランジスタかアイソレーションされていることである
The second feature is that an NPN bipolar transistor 32 as an example of an electronic functional element is provided on the p-type epitaxial layer 2 used as one layer of the PIN photodiode 31.
is formed, and an n-type buried layer 4 is provided between this epitaxial layer 2 and the transistor 32. Therefore, so-called punch-through is prevented from occurring between the npn bipolar transistor 32 and the photodiode 3 or between other nearby transistors (not shown). In FIG. 1, the n-type buried layer 4 is provided entirely below the npn bipolar transistor 32, so the collector capacitance becomes large or the resistance to the substrate 1 becomes small. On the other hand, if the p-type buried layer is provided only in the lower periphery of the npn bipolar transistor 32, the collector capacitance will be reduced, but the resistance to the substrate 1 will be increased. The third feature is that the n-type epitaxial layer 7 forms the N layer of the PIN photodiode 31, that is, the anode, and by removing the n-type epitaxial layer 7 around the diode region by forward mesa etching except for a portion, the PIN photodiode 31 and the bipolar transistor are isolated.

このため、表面酸化のための酸化条件を軽減することが
でき、従ってプロファイルの形成を好適になし得る。こ
れは、本発明者に係る先の出願(いずれも未公開)であ
る特願平1−229589号〜229594号の特徴点
、すなわち厚さ2μm程度の熱酸化膜の形成か必須にな
っている点と大きく異なる点である。また、本発明では
一部で順メサエツチングによる除去をしていないので、
この部分にアノードへの配線を形成したときに、その信
頼性を高くすることができる。
Therefore, the oxidation conditions for surface oxidation can be reduced, and the profile can therefore be formed favorably. This is a feature of Japanese Patent Application Nos. 1-229589 to 229594, which are earlier applications filed by the present inventor (all unpublished), that is, the formation of a thermal oxide film with a thickness of about 2 μm is essential. This is a very different point. In addition, in the present invention, some parts are not removed by forward mesa etching, so
When wiring to the anode is formed in this portion, its reliability can be increased.

次に、第2図(A)〜(0)を参照しなから、第1図に
示す半導体装置の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2(A) to 2(0).

比抵抗が0.02Ωcm以下(例えば0.015Ωcm
程度)の高ドープp型半導体(シリコン)基板1上に比
抵抗か500Ωcm以上(例えば1にΩcm程度)の低
ドープp型エピタキシャル層2を20〜50μmの厚さ
で形成する(第2図(A)参照)。なお、図示が省略さ
れているが、基板1の裏面にはオートドープ阻止のため
の5IO2膜が形成されている。つぎに、エピタキシャ
ル層2の表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフ
ィ技術によってそのS L O2膜を加工してマスク3
01とする。そのマスク301を介して上方からボロン
(B)をイオン注入し、npnバイポーラトランジスタ
のためのpウェル埋込層4となるイオン注入層401を
形成する。この埋込層4の不純物濃度は1015〜10
 ”/ am ”程度である(第2図(B)参照)。p
ウェル埋込層4の位置て理解できるように、同図(B)
におけるほぼ右半分がn p n I・ランジスタ形成
領域であり、左半分がPINホトダイオード形成領域で
ある。
Specific resistance is 0.02Ωcm or less (e.g. 0.015Ωcm
A lightly doped p-type epitaxial layer 2 with a resistivity of 500 Ωcm or more (for example, about 1 Ωcm) is formed on a highly doped p-type semiconductor (silicon) substrate 1 with a thickness of 20 to 50 μm (see Fig. 2). See A). Although not shown, a 5IO2 film is formed on the back surface of the substrate 1 to prevent autodoping. Next, a SiO2 film is formed on the surface of the epitaxial layer 2, and the S L O2 film is processed using photolithography technology to form a mask 3.
Set it to 01. Boron (B) ions are implanted from above through the mask 301 to form an ion implantation layer 401 that will become the p-well buried layer 4 for the npn bipolar transistor. The impurity concentration of this buried layer 4 is 1015 to 10
”/am” (see Fig. 2 (B)). p
In order to understand the position of the well-buried layer 4, the same figure (B)
Approximately the right half is the n p n I transistor formation region, and the left half is the PIN photodiode formation region.

ついで再びSiO2膜を堆積し、フォトリソグラフィ技
術などを用いてこのSiO2膜を加工し、加工後のS 
i O2膜をマスク302としてアンチモン(S b)
を熱拡散する。これによって、npnトランジスタ用の
n型埋込層5となる拡散層501が形成される(第2図
(C)参照)。プロファイル形成後のn型埋込層5の不
純物濃度は10〜102°cm3/程度である。その後
、表面のマスク302を除去し、2μm±0.2μmの
厚さのn型エピタキシャル層7を形成する。その不純物
濃度は1015〜1.016/ cm 3程度である(
第2図(D)参照)。以上で、埋込拡散とエピタキシャ
ル成長工程が終わる。
Next, a SiO2 film is deposited again, this SiO2 film is processed using photolithography technology, etc., and the processed S
i Antimony (S b) using O2 film as mask 302
to diffuse heat. As a result, a diffusion layer 501 that becomes the n-type buried layer 5 for the npn transistor is formed (see FIG. 2(C)). The impurity concentration of the n-type buried layer 5 after profile formation is about 10 to 10<2>[deg.]cm<3>/. Thereafter, the mask 302 on the surface is removed, and an n-type epitaxial layer 7 having a thickness of 2 μm±0.2 μm is formed. Its impurity concentration is about 1015-1.016/cm3 (
(See Figure 2 (D)). This completes the buried diffusion and epitaxial growth steps.

引き続いて、ホトダイオードの分離プロセスについて説
明する。まず、n型エピタキシャル層7の表面全体に、
後述のマスク30.3となるべきSiO2膜を形成する
。そして、その上にレジストを塗布してレジスト膜(図
示せず)を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて所
−望領域のレジスト材ゝを除去し、パターニングされた
レジスト膜(図示せず)を形成する。そして、このレジ
スト膜をマスクとして、SiO2膜をエツチングで除去
し、マスク303を形成する。その後、マスク303を
介して、n型エピタキシャル層7を表面から順メサエツ
チングして側壁が斜面になった溝を形成し、この部分で
n型エピタキシャル層7を除去する(第2図(E)参照
)。ここで、上述の所望領域とは、PINホトダイオー
ドの受光領域を囲む領域のうち、後工程でアノードへの
配線をすべき一部を除いた残りの領域である。以上で、
ホトダイオードの分離プロセスが終る。
Next, the photodiode separation process will be explained. First, on the entire surface of the n-type epitaxial layer 7,
A SiO2 film is formed to become a mask 30.3 to be described later. Then, a resist is applied thereon to form a resist film (not shown), and the resist material in a desired area is removed using photolithography technology to form a patterned resist film (not shown). Form. Then, using this resist film as a mask, the SiO2 film is removed by etching to form a mask 303. Thereafter, through the mask 303, the n-type epitaxial layer 7 is mesa-etched from the surface to form a groove with sloped sidewalls, and the n-type epitaxial layer 7 is removed at this portion (see FIG. 2(E)). ). Here, the above-mentioned desired area is the remaining area of the area surrounding the light receiving area of the PIN photodiode, excluding the part to be wired to the anode in a later process. Above,
The photodiode separation process is completed.

次に、表面のマスク303を除去した後に、エピタキシ
ャル層2,7の露出表面全体に、後述のマスク304と
なるべきSiO2膜を形成する。
Next, after removing the mask 303 on the front surface, a SiO2 film which will become a mask 304 to be described later is formed on the entire exposed surface of the epitaxial layers 2 and 7.

そして、その上にレジストを塗布してレジスト膜(図示
せず)を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて所望
領域のレジスト祠を除去し、パターニングされたレジス
ト膜(図示せず)を形成する。
Then, a resist is applied thereon to form a resist film (not shown), and resist marks in desired areas are removed using photolithography technology to form a patterned resist film (not shown).

そして、このレジスト膜をマスクとして、5i02膜を
エツチングで除去し、マスク304を形成する。その後
、マスク304を介して、n型エピタキシャル層7を表
面から0.2μmの深さまでウェットエツチングしく第
2図(F)参照)、さらにn型エピタキシャル層7を貫
通する深さまで異方性ドライエツチングして、エピタキ
シャル層7を貫通する矩形の溝を形成する(第2図(G
)参照)。ここで、上述の所望領域とは、npnトラン
ジスタの分離領域、npn トランジスタ内部に後の工
程で設けるp型ベース層とコレクタウオールとの分離領
域等である。また、この異方性ドライエツチングの過程
で、マスク305もエツチングされるので薄くなる。
Then, using this resist film as a mask, the 5i02 film is removed by etching to form a mask 304. Thereafter, through the mask 304, the n-type epitaxial layer 7 is wet-etched to a depth of 0.2 μm from the surface (see FIG. 2(F)), and then anisotropic dry-etched to a depth that penetrates the n-type epitaxial layer 7. to form a rectangular groove penetrating the epitaxial layer 7 (see FIG. 2 (G)).
)reference). Here, the above-mentioned desired region is a separation region of an npn transistor, a separation region between a p-type base layer and a collector layer, which will be provided inside the npn transistor in a later step, or the like. Furthermore, in the process of this anisotropic dry etching, the mask 305 is also etched and becomes thinner.

つぎに、表面のマスク305を除去した後に、耐酸化用
のSiN  膜26およびクツション膜となるS I 
O2膜27を全面に形成する。そして、全面にポリシリ
コン28を堆積しく第2図(H)参照)、エツチングに
より矩形溝部以外のポリシリコンを除去する(第2図(
1)参照)。このとき、矩形溝部以外の5I02膜27
も同時に除去■ 」 されるので、ここではSIN  膜26が語用する。
Next, after removing the mask 305 on the surface, the SiN film 26 for oxidation resistance and the S I
An O2 film 27 is formed over the entire surface. Then, polysilicon 28 is deposited on the entire surface (see FIG. 2(H)), and polysilicon except for the rectangular groove is removed by etching (see FIG. 2(H)).
1)). At this time, the 5I02 film 27 other than the rectangular groove
Since the film 26 is also removed at the same time, the term SIN film 26 is used here.

つぎに、ポリシリコン28の上側部分を熱酸化しく第2
図(J)参照)、軽くエツチングして平坦化する。以下
、絶縁物はハツチングで表現して詳細な図示は省略する
(第2図(K )参照)。
Next, the upper portion of the polysilicon 28 is thermally oxidized to form a second
(see figure (J)) and planarize it by lightly etching it. Hereinafter, insulators will be represented by hatching and detailed illustrations will be omitted (see FIG. 2 (K)).

つぎに、レジストをスピンコード法などで全面に塗布し
、パターニングして所定領域に開口を有するマスク30
6を形成し、ボロンをイオン注入する。これにより、n
型エピタキシャル層7にイオン注入層701,702,
703を形成する(第2図(L)参照)。ここで、上述
の所定領域とは、PINホトダオードのカソード電極を
取り出すべき領域等である。しかる後、熱処理によって
イオン注入層701,702,703からp+層71.
.72.73のプロファイルを形成する(第2図(M)
参照)。
Next, a resist is applied to the entire surface using a spin code method or the like, and patterned to form a mask 30 having openings in predetermined areas.
6 is formed, and boron ions are implanted. This results in n
Ion implantation layers 701, 702,
703 (see FIG. 2(L)). Here, the above-mentioned predetermined area is the area where the cathode electrode of the PIN photodiode is to be taken out. Thereafter, the p+ layers 71 .
.. Form a profile of 72.73 (Fig. 2 (M)
reference).

つぎに、PI’Nホトダオードのアノード電極を取り出
すべきn+層16の形成と、バイポーラトランジスタの
形成のための工程に入る。バイポーラトランジスタを形
成する]−程は公知の手法によって行なわれ、npnl
・ランジスタのコレクタウオールとなるn+層15、外
部ベース18、真性ベース19を形成する。
Next, steps are performed to form the n+ layer 16 from which the anode electrode of the PI'N photodiode is to be taken out, and to form the bipolar transistor. Forming a bipolar transistor] - The process is carried out by a known method,
- Form the n+ layer 15, the external base 18, and the intrinsic base 19, which will become the collector all of the transistor.

なお、真性ベース19の下側に残されてるn型エピタキ
シャル層7がコレクタ23となり、ベース19の上側に
エミッタ22が形成される。そして、不要な層をドライ
エツチングなどで除去し、再びSiO2膜をCVD法で
堆積する(第2図(N)参照)。そして、エミッタ22
の上の絶縁膜に開口を形成し、ここにポリシリコンでエ
ミッタ電極91を形成する(第2図(0)参照)。
Note that the n-type epitaxial layer 7 remaining below the intrinsic base 19 becomes a collector 23, and the emitter 22 is formed above the base 19. Then, unnecessary layers are removed by dry etching or the like, and a SiO2 film is deposited again by the CVD method (see FIG. 2 (N)). And emitter 22
An opening is formed in the insulating film above the wafer, and an emitter electrode 91 is formed therein using polysilicon (see FIG. 2(0)).

第1図に示す半導体装置は、以上の工程を経た後、図中
にドツトで示す層間絶縁膜を挟んで、必要な電極92を
形成して得られたものであり、同一基板上にPINホト
ダイオード31とnpnトランジスタ32とがモノリシ
ックに形成されている。PINホトダイオード31は、
p型埋込層4をP層(カソード)、低ドープp型エピタ
キシャル層2を1層、n型エピタキシャル層7をN層(
アノード)とするPIN型シリコンホトダイ第1・であ
る。n型エピタキシャル層7には電極取出用のリング状
のn+層16を介して、同じくリング状のアノード電極
(電極92A)が接続されており、p型埋込層4には電
極取出用のp+層72.7Bを介してカソード電極(電
極92C)が設けられている。そして、アノード電極9
2Aからの配線は、第1図(b)示されるように、順メ
サエツチングされずに残ったn型エピタキシャル層7上
に形成される。これら電極間に逆バイアス電圧か印加さ
れた状態で光が入射すると、低ドブp型エピタキシャル
層2の空乏領域でキャリアが発生し、この電子、正孔の
ペアが空乏領域の電界によって移動して光電流となる。
The semiconductor device shown in FIG. 1 is obtained by forming the necessary electrodes 92 on both sides of the interlayer insulating film shown by dots in the figure after going through the above steps, and also includes a PIN photodiode on the same substrate. 31 and an npn transistor 32 are monolithically formed. The PIN photodiode 31 is
The p-type buried layer 4 is a P layer (cathode), the low-doped p-type epitaxial layer 2 is one layer, and the n-type epitaxial layer 7 is an N layer (cathode).
The first PIN-type silicon photodie is used as an anode. A ring-shaped anode electrode (electrode 92A) is connected to the n-type epitaxial layer 7 via a ring-shaped n+ layer 16 for electrode extraction, and a p+ layer for electrode extraction is connected to the p-type buried layer 4. A cathode electrode (electrode 92C) is provided via layer 72.7B. And the anode electrode 9
The wiring from 2A is formed on the n-type epitaxial layer 7 remaining without being mesa-etched, as shown in FIG. 1(b). When light is incident with a reverse bias voltage applied between these electrodes, carriers are generated in the depletion region of the low-dip p-type epitaxial layer 2, and these pairs of electrons and holes are moved by the electric field in the depletion region. It becomes a photocurrent.

ここで、上記の空乏層は印加電圧からV程度で30μI
n程度の幅になるため、大幅な低容量化か実現される。
Here, the above depletion layer is 30μI at about V from the applied voltage.
Since the width is about n, a significant reduction in capacity can be achieved.

なお、アノード電極として裏面電極(図示せず)を付加
すると、寄生抵抗をさらに低減することができる。
Note that if a back electrode (not shown) is added as an anode electrode, parasitic resistance can be further reduced.

npnトランジスタ32には、図示のように、エミッタ
電極、ベース電極、コレクタ電極か電極] 5 92として設けられている。p型埋込層4はまた、比抵
抗を補償することにより、周囲の他の素子との間のパン
チスルーを防11−するためにも働く。この半導体装置
によれば、PINホトダイオードおよびnpnバイポー
ラトランジスタが同一基板上にモノリシックに形成され
ているので、配線に基づく寄生容量を小さくてきる等の
効果を有する。
As shown in the figure, the npn transistor 32 is provided with an emitter electrode, a base electrode, and a collector electrode. The p-type buried layer 4 also serves to prevent punch-through with other surrounding elements by compensating the resistivity. According to this semiconductor device, since the PIN photodiode and the npn bipolar transistor are monolithically formed on the same substrate, it has the effect of reducing parasitic capacitance due to wiring.

したがって、光通信用受信回路等に用いた場合、従来回
路に比較して一層高速に動作させることが可能となる。
Therefore, when used in optical communication receiving circuits, etc., it is possible to operate at higher speeds than conventional circuits.

また、ハイブリッドICのような組み込み工程が不要で
ある。
Furthermore, there is no need for an assembly process like that required for hybrid ICs.

また、PINホトダイオード31のアノード電極92A
からアルミニウムなどの配線を引き出す領域や、npn
 トランジスタ32を含む表面全体が平坦となっている
ので、アルミニウムなどの配線工程を容品かつ確実に行
うことができる。すなわち、ホトダイオード3]のアイ
ソレートのために、これを囲む溝を形成するに際して、
一部を残すように順メサエツチングしているので、n型
エピタキシャル層7は一部を開放した閉領域で残される
。したがって、平坦な面上にアノード電極、配線か形成
できる。
In addition, the anode electrode 92A of the PIN photodiode 31
Areas where wiring such as aluminum is drawn from
Since the entire surface including the transistor 32 is flat, the wiring process for aluminum or the like can be carried out smoothly and reliably. That is, when forming a groove surrounding the photodiode 3 to isolate it,
Since the mesa etching is performed so as to leave a part of the n-type epitaxial layer 7, a part of the n-type epitaxial layer 7 is left open as a closed region. Therefore, an anode electrode and wiring can be formed on a flat surface.

なお、ホトダイオードの受光領域を囲む満は側壁が斜面
になったものに限らず、異方性エツチングによる矩形の
溝でもよい。また、逆メサエツチングを用いることも可
能である。さらに、各実施例において、基板1とエピタ
キシャル層2.7の導電型は逆にしてもよい。この場合
には、ホトダイオードのアノードとカソードが逆になる
Note that the groove surrounding the light-receiving area of the photodiode is not limited to one with sloped side walls, but may be a rectangular groove formed by anisotropic etching. It is also possible to use reverse mesa etching. Furthermore, in each embodiment, the conductivity types of the substrate 1 and the epitaxial layer 2.7 may be reversed. In this case, the anode and cathode of the photodiode are reversed.

上記、説明した実施例によれば、次のような効果が生じ
る。
According to the embodiment described above, the following effects occur.

第1は、第1エピタキシャル層を低ドープとしたことに
よる高速、高周波特性向上の効果である。
The first is the effect of improving high speed and high frequency characteristics by making the first epitaxial layer lightly doped.

すなわち、第1導電型(p)エピタキシャル層は高抵抗
になるほと空乏層が広がる。例えばp 層の比抵抗を1
にΩamとし、30μmの厚さにエピタキシャル層を設
定すれば、5■の印加電圧で上記エピタキシャル層は空
乏層により占められる。
That is, the higher the resistance of the first conductivity type (p) epitaxial layer, the wider the depletion layer becomes. For example, the specific resistance of the p layer is 1
If Ωam is set to Ωam and the epitaxial layer is set to a thickness of 30 μm, the epitaxial layer is occupied by a depletion layer with an applied voltage of 5 μm.

したがって、ホトダイオードの応答速度がキャリヤの空
乏層走行時間で決まるので、遮断周波数が数百メガヘル
ツまで広がる。
Therefore, since the response speed of the photodiode is determined by the carrier transit time in the depletion layer, the cut-off frequency extends to several hundred megahertz.

第2は、第2エピタキシャル層を側壁が斜面となった、
あるいは垂直面となった略「C」字形の溝状に除去し、
ホトダイオードをアイソレートしたことによる高速、高
周波特性向上の効果である。
Second, the sidewall of the second epitaxial layer is sloped.
Alternatively, remove it in a roughly “C”-shaped groove with a vertical surface,
This is the effect of improving high-speed and high-frequency characteristics by isolating the photodiode.

すなわち、アノード周辺の寄生容量効果として、例えば
1 mm角のホトダイオードにこの発明の分離法を採用
すれば、pn接合面積は小さいので、全体の接合容量は
OVバイアス時で10PF程度まで小さくできる。とこ
ろが、同じサイズのPINホトダイオード構造でも、ア
ノード周辺を囲むようにpn接合分離による接合容量が
加わると、寄生容量は13.F程度まで増加する。本発
明では、傾斜側壁の一部が開放された溝(順メサエツチ
ングされた略rCJ字形の溝)による分離の低容量化で
、−層の高速化か可能となる。
That is, as for the parasitic capacitance effect around the anode, if the separation method of the present invention is applied to, for example, a 1 mm square photodiode, the pn junction area is small, so the overall junction capacitance can be reduced to about 10 PF at OV bias. However, even with a PIN photodiode structure of the same size, if junction capacitance due to pn junction isolation is added surrounding the anode, the parasitic capacitance increases to 13. Increases to about F. In the present invention, the separation capacity can be reduced by using a groove (approximately rCJ-shaped groove with forward mesa etching) in which a portion of the inclined sidewall is open, thereby making it possible to increase the speed of the - layer.

第3は、ホトダイオードにおける分離と電子的機能素子
における分離を、別の方法で行なったことによる効果で
ある。なわち、実施例に示されるように、バイポーラト
ランジスタのような電子的機能素子におけるトレンチ型
絶縁体分離とは別に、ホトダイオードの分離を順メサエ
ツチングで行えば、PINホトダイオードのアノードの
多素子分離を可能にできる。すなわち、他の素子特性へ
の影響を小さく抑え、製造コストを低くしながら、メサ
形状のアノードを複数にすることが容易にできる。
The third effect is that the separation in the photodiode and the separation in the electronic functional element are performed using different methods. In other words, as shown in the example, if photodiodes are separated by sequential mesa etching in addition to trench-type insulator isolation in electronic functional elements such as bipolar transistors, multi-element isolation of the anode of a PIN photodiode is possible. Can be done. That is, it is possible to easily provide a plurality of mesa-shaped anodes while minimizing the influence on other device characteristics and reducing manufacturing costs.

第4は、素子間の特性等のバラツキを抑え得る効果であ
る。高速PINホトダイオードの単一素子製造方法では
、初期P/P型の高抵抗エピタキシャルウェーハから不
純物拡散によってアノードを形成するが、この場合はア
ノード周辺の寄生容量が大きく、拡散のばらつきや、欠
陥発生によって暗電流の発生や光感度のばらつき問題が
生じやすい。この発明では、アノードは第2導電型エピ
タキシャル層を分割してアノードとし、エピタキシャル
層の不純物濃度や厚みの制御性が高いため、暗電流、感
度特性、歩留りが向上し、バッチ処理に対して素子間ば
らつきが抑制される。
The fourth effect is that variations in characteristics between elements can be suppressed. In the single-element manufacturing method for high-speed PIN photodiodes, an anode is formed by impurity diffusion from an initial P/P type high-resistance epitaxial wafer. Problems such as generation of dark current and variations in photosensitivity are likely to occur. In this invention, the anode is made by dividing the second conductivity type epitaxial layer, and since the impurity concentration and thickness of the epitaxial layer are highly controllable, the dark current, sensitivity characteristics, and yield are improved, and the device is suitable for batch processing. Interval variation is suppressed.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、高ドープの第1導電型の基板上に低ド
ープ第1導電型のエピタキシャル層と第2導電型のエピ
タキシャル層の二層構造が形成されているので、ホトダ
イオードとバイポーラトランジスタのような電子的機能
素子の集積化が可能になる。また、電子的機能素子の下
側に第1導電型の埋込層が形成されているので、パンチ
スルーを防止でき、かつ一部が開放された閉領域に分離
領域を構成しているので、高速高周波特性の向上ができ
ると共に、第2導電型エピタキシャル層をそのままカソ
ードまたはアノードにしているので、不純物のプロファ
イルを好適になしうる。このため、フォトダイオードと
バイポーラトランジスタのような電子的機能素子を、同
一の基板上にモノリシックに集積し、高速動作を可能に
した半導体装置を提供することができる。
According to the present invention, a two-layer structure consisting of a lightly doped epitaxial layer of the first conductivity type and an epitaxial layer of the second conductivity type is formed on the highly doped substrate of the first conductivity type, so that the photodiode and the bipolar transistor are It becomes possible to integrate such electronic functional elements. In addition, since the buried layer of the first conductivity type is formed under the electronic functional element, punch-through can be prevented, and the isolation region is formed in a partially open closed region. In addition to improving high speed and high frequency characteristics, since the second conductivity type epitaxial layer is directly used as the cathode or anode, the impurity profile can be made favorable. Therefore, it is possible to provide a semiconductor device in which electronic functional elements such as a photodiode and a bipolar transistor are monolithically integrated on the same substrate, and which enables high-speed operation.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の実施例にかかるモノリシックつ ICの構造を断面で示す図、Ti2図(A)〜(0)は
第1図に示すモノリシックICの製造工程を示す断面図
である。 1・・・p+型シリコン基板、2・・・p型エピタキシ
ャル層、4・・・p型埋込層、7・・・n型エピタキシ
ャル層。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a monolithic IC according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2(A) to (0) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the monolithic IC shown in FIG. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...p+ type silicon substrate, 2...p type epitaxial layer, 4...p type buried layer, 7...n type epitaxial layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、高ドープ第1導電型の半導体基板上に低ドープ第1
導電型の第1エピタキシャル層が形成され、さらにその
上に第2導電型の第2エピタキシャル層が形成されてい
る半導体装置であって、前記第2エピタキシャル層の所
定領域を囲む領域の一部を除いて当該エピタキシャル層
がエッチングされて除去されることで一部開放された閉
領域で当該エピタキシャル層が残存され、かつ前記所定
領域の近傍の前記第1エピタキシャル層に第1導電型の
不純物がドープされて第1導電型の埋込層が形成されて
いることにより、前記エッチングで閉領域に残された前
記第2エピタキシャル層の所定領域をカソードまたはア
ノード、前記埋込層をアノードまたはカソードとするホ
トダイオードが構成されており、 前記埋込層の上の前記第2エピタキシャル層中に電子的
機能素子が形成されていることを特徴とする半導体装置
。 2、前記電子的機能素子は、前記第2エピタキシャル層
中への不純物ドープにより形成されたベース層およびエ
ミッタ層ならびに当該第2エピタキシャル層自身による
コレクタ層によって構成されたバイポーラトランジスタ
であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 3、前記電子的機能素子の下側全体が前記埋込層で囲ま
れている請求項1記載の半導体装置。 4、前記電子的機能素子の下側周辺全体が前記埋込層で
囲まれている請求項1記載の半導体装置。
[Claims] 1. A lightly doped first conductivity type semiconductor substrate on a highly doped first conductivity type semiconductor substrate.
A semiconductor device in which a first epitaxial layer of a conductivity type is formed, and a second epitaxial layer of a second conductivity type is further formed thereon, the semiconductor device comprising a part of a region surrounding a predetermined region of the second epitaxial layer. The epitaxial layer is etched and removed, leaving the epitaxial layer in a partially opened closed region, and the first epitaxial layer near the predetermined region is doped with a first conductivity type impurity. and forming a buried layer of the first conductivity type, a predetermined region of the second epitaxial layer left in the closed region by the etching is used as a cathode or an anode, and the buried layer is used as an anode or a cathode. A semiconductor device comprising a photodiode, and further comprising an electronic functional element formed in the second epitaxial layer above the buried layer. 2. The electronic functional element is a bipolar transistor constituted by a base layer and an emitter layer formed by doping impurities into the second epitaxial layer, and a collector layer formed by the second epitaxial layer itself. The semiconductor device according to claim 1. 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the entire lower side of the electronic functional element is surrounded by the buried layer. 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the entire lower periphery of the electronic functional element is surrounded by the buried layer.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010500766A (en) * 2006-08-10 2010-01-07 アイスモス・テクノロジー・リミテッド Method for manufacturing photodiode array with through-wafer via

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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