JPH04299860A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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１１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
ミド系樹脂の全面にＡｌ膜を堆積すると、ポリイミド系
樹脂とＡｌ膜とで熱膨張係数に差があるため、Ａｌ配線
のアロイ工程（３００〜４００℃）等でポリイミド系樹
脂が膨張し、Ａｌ膜がふくれる所謂フクレ不良が発生す
る欠点があった。

【０００７】ポリイミド系樹脂の中にはＡｌ膜とのスト
レスを緩和したものもあるが、これらはウェットエッチ
ングが困難である欠点を有し、低コスト化できない欠点
がある。

【０００８】

【課題を解決するため手段】本発明は上記従来の欠点に
鑑み成され、素子間接続を行う電極配線（３８）と、電
極配線（３８）を覆うポリイミド系の層間絶縁膜（３９
）と、層間絶縁膜（３９）上をホトダイオード（２１）
部を除いて覆う遮光膜（４０）と、遮光膜（４０）に形
成した貫通孔（４２）と、貫通孔（４２）の下部に前記
電極配線を利用して形成した第２の遮光膜（４３）とを
具備することにより、Ａｌ膜のフクレ不良を防止すると
同時に、ホトダイオード（２１）部以外への光の入射を
防止できる光半導体装置を提供するものである。

【０００９】

【作用】本発明によれば、遮光膜（４０）に多数の貫通
孔（４２）を形成したことにより、貫通孔（４２）でポ
リイミド系樹脂とＡｌ膜の熱膨張係数の差による応力を
吸収できる。また、貫通孔（４２）の下部に第２の遮光
膜（４３）を配置することによって、貫通孔（４２）を
通過する光を遮断できるので、ホトダイオード（２１）
部以外で光生成キャリアが発生することを防止できる。

【００１０】

【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。図１はホトダイオード（２１）とＮ
ＰＮ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
〜１５００Ω・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１０１５〜１０１６
ｃｍ−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。

【００１１】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（２６
）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（２
９）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。

【００１２】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（３
１）は膜厚８００〜１０００Åのシリコン窒化膜（Ｓｉ
Ｎ）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。

【００１３】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（３８
）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。電極配線（３８）
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。

【００１４】電極配線（３８）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（３９）が覆い、層間絶縁膜（３９）
上にＡｌ膜による遮光膜（４０）を形成する。遮光膜（
４０）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（４１）が被覆する。遮光膜（４０）は、ホト
ダイオード（２１）部以外の殆どの領域を覆うと共に、
大体一定間隔でスリット状の貫通孔（４２）が設けられ
る。貫通孔（４２）は１０μ×１０μ程度の大きさを有
し、遮光膜（４０）が３００μ×３００μ以上の面積で
連続することのないように多数箇所に設けられる。

【００１５】遮光膜（４０）の貫通孔（４２）の下部に
は、第２図に示すように１層目の電極配線によって貫通
孔（４２）をふさぐ第２の遮光膜（４３）を形成する。 第２の遮光膜（４３）は、貫通孔（４２）の大きさより
大きく４０μ×４０μ程の大きさに形成され、それは素
子間接続を行う電極配線（３８）の一部であっても、素
子間接続に関与しないダミーの配線であっても良い。

【００１６】そして、ホトダイオード（２１）上の層間
絶縁膜（３９）と遮光膜（４０）、およびシャケット・
コート（４１）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。以上に説明した本発明の構成によれば、ホト
ダイオード（２１）部以外の領域を遮光膜（４０）で被
覆したので、ホトダイオード（２１）以外への光入射を
防止できる。そのため、不要な部分での光生成キャリア
の発生を防止し、雑音や誤動作を防止できる。

【００１７】また、遮光膜（４０）に貫通孔（４２）を
形成することにより、ポリイミド系樹脂とアルミとの熱
膨張係数との差に起因する歪を貫通孔（４２）で吸収で
きるので、遮光膜（４０）のフクレ不良を防止できる。 さらに、貫通孔（４２）の下部に第２の遮光膜（４３）
を配置することによって、貫通孔（４２）を通過した光
を第２の遮光膜（４３）で遮へいできるので、余計な光
生成キャリアの発生を防止できる。

【００１８】次にホトダイオード（２１）の作用を説明
する。ホトダイオード（２１）は、カソード電極（３２
）に＋５Ｖの如きＶＣＣ電位を、アノード電極（３３）
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（２
１）の第１と第２のエピタキシャル層（２４）（２５）
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２０〜２５μ
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。

【００１９】尚、本願においても、各拡散領域の熱処理
によって基板（２３）中の不純物（ボロン）が第１のエ
ピタキシャル層（２４）中に拡散されてＰ型のオートド
ープ層を形成する。しかしながら、ノンドープ層に重畳
するので不純物濃度はそれ程高くならずに済み、基板（
２３）として４０〜６０Ω・ｃｍの比較的低不純物濃度
のものを用いるとこの効果が倍増される。そのため、熱
拡散によるオートドープ層は空乏層の拡がりを阻害せず
、この点でも厚い空乏層を得ることができる。

【００２０】さらに、第１のエピタキシャル層（２４）
をノンドープで積層すると、エピタキシャル成長工程中
、エピタキシャル層は基板（２３）や第１の分離領域（
２７）から飛散したボロン（Ｂ）がシリコン原子と再結
合して堆積したり、外界からの予期せぬ不純物（主とし
てボロン）の侵入によって、イントリシック層に極めて
近いＰ型層となり得る。しかしながら、Ｎ型反転するこ
とはまずあり得ないので、Ｎ型の第２のエピタキシャル
層（２５）を形成することにより空乏層形成に適したＰ
ＩＮ接合又はＰＮ接合を容易に形成できる。

【００２１】また、第１のエピタキシャル層（２４）の
厚み以上の厚い空乏層が得られるので、入射光の吸収効
率が高く、その分だけホトダイオード（２１）の深部で
発生するキャリア（空乏層外生成キャリア）の割合も減
少し、ホトダイオード（２１）の高速化が図れる。また
、光入射によって発生したキャリアは、アノード側では
低抵抗の分離領域（２６）を介してアノード電極（３３
）に達するので、ホトダイオード（２１）の直列抵抗を
小さくできる。カソード側は全面を覆うように形成した
Ｎ＋型拡散領域（３０）で回収するので、直列抵抗を小
さくできる。

【００２２】図１の構造は以下の製造方法によって達成
することができる。先ずＰ型基板（２３）の表面を熱酸
化して酸化膜を形成し、酸化膜をホトエッチングして選
択マスクとする。そして基板（２３）表面に分離領域（
２６）の第１の分離領域（２７）を形成するボロン（Ｂ
）を拡散する（図３）。次いで選択マスクとして用いた
酸化膜を全て除去した後、基板（２３）をエピタキシャ
ル成長装置のサセプタ上に配置し、ランプ加熱によって
基板（２３）に１１４０℃程度の高温を与えると共に反
応管内にＳｉＨ２Ｃｌ２ガスとＨ２ガスを導入すること
により、ノンドープの第１のエピタキシャル層（２４）
を１５〜２０μ成長させる。この様にノンドープで成長
させると、全工程が終了した完成時で２００〜１５００
Ω・ｃｍの高比抵抗層に形成できる（図４）。

【００２３】次いで第１のエピタキシャル層（２４）表
面を熱酸化して選択マスクを形成し、ＮＰＮトランジス
タ（２２）のＮ＋型埋め込み層（３４）を形成するアン
チモンを拡散する（図５）。この熱処理で第１の分離領
域（２７）も少し拡散される。次いで選択マスクを変更
し、分離領域（２６）の第２の分離領域（２８）を形成
するボロン（Ｂ）を拡散する。そして酸化膜付けを行い
ながら基板（２３）全体に熱処理を与え、第１と第２の
分離領域（２７）（２８）を拡散することにより両者を
連結する。本工程で第１の分離領域（２７）は８〜１０
μ、第２の分離領域（２８）は６〜８μ拡散される（図
６）。その後、酸化膜を除去して第１のエピタキシャル
層（２４）の上に膜厚４〜６μのリンドープの第２のエ
ピタキシャル層（２５）を形成する。

【００２４】次いで第２のエピタキシャル層（２５）表
面を熱酸化して選択マスクを形成し、分離領域（２６）
の第３の分離領域（２９）を形成するボロン（Ｂ）を拡
散し、熱処理を加えて第２と第３の分離領域（２８）（
２９）を連結する。この工程で第２の分離領域（２８）
は上方向へ４〜５μ、第３の分離領域（２９）は１〜３
μ拡散される（図７）。

【００２５】次いでベース拡散を行ってＮＰＮトランジ
スタ（２２）のベース領域（３５）を形成し、さらにエ
ミッタ拡散を行ってＮＰＮトランジスタ（２２）のエミ
ッタ領域（３６）とコレクタコンタクト領域（３７）、
およびホトダイオード（２１）のＮ＋型拡散領域（３０
）を形成する（図８）。尚、第３の分離領域（２９）は
上記ベース拡散で形成することも可能である。

【００２６】次いでＮ＋型拡散領域（３０）上の酸化膜
を除去し、ＣＶＤ法によって膜厚９００Å程のシリコン
窒化膜（ＳｉｘＮｙ）を堆積し、堆積したシリコン窒化
膜をホトエッチングすることで反射防止膜（３１）を形
成する（図９）。次いで酸化膜をホトエッチングしてコ
ンタクトホールを形成し、Ａｌの堆積とホトエッチング
により１層目の配線層を形成する。１層目の配線層は各
領域にオーミック接触する電極配線（３８）を形成する
他、第２の遮光膜（４３）をも形成する（図１０）。

【００２７】その後、ポリイミド系樹脂をスピンオンコ
ートし、ベークして層間絶縁膜（３９）を形成する。必
要があれば外部接続用電極パッドの部分をウェットエッ
チングで開孔する。そしてＡｌの堆積とホトエッチング
により遮光膜（４０）を形成し、ポリイミド系のジャケ
ット・コート（４１）を形成し、ホトダイオード（２１
）上のジャケット・コート（４１）と層間絶縁膜（３９
）を除去して図１の構造を得る。

【００２８】本発明のホトダイオード（２１）部の構造
は上記実施例に限られるものではない。例えばＮ型の単
層エピタキシャル層構造とし、Ｎ＋型拡散領域（３０）
に代ってベース拡散によるＰ型領域を形成したものでも
良い。また、配線構造も上記実施例に限られるものでは
なく、例えば２層構造で素子間接続を行い、３層目で遮
光膜（４０）を形成することができる。この場合は、１
層目又は２層目のどちらかで第２の遮光膜（４３）を形
成する。

【００２９】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明によれば、
遮光膜（４０）に貫通孔（４２）を多数個設けることに
よって、熱膨張係数の差に起因する遮光膜（４０）のフ
クレ不良を防止できる利点を有する。さらに、貫通孔（
４２）の下部に下層配線を利用した第２の遮光膜（４３
）を配置したので、貫通孔（４２）を通過した光を遮へ
いできる。そのため、ホトダイオード（２１）以外での
余計な光生成キャリアの発生を防止して、寄生効果や雑
音、および誤動作の発生を防止できる利点を有する。

【００３０】さらに、下層配線層を利用して第２の遮光
膜（４３）を形成したので、工程数の増大が無い利点を
有する。そしてさらに、ウェットエッチングが可能なポ
リイミド系樹脂を使用できるので、工程を簡略化でき安
価に製造できる利点をも有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光半導体装置を説明するための断面図
である。

【図２】本発明の光半導体装置を説明するための平面図
である。

【図３】図１の製造方法を説明する第１の図面である。

【図４】図１の製造方法を説明する第２の図面である。

【図５】図１の製造方法を説明する第３の図面である。

【図６】図１の製造方法を説明する第４の図面である。

【図７】図１の製造方法を説明する第５の図面である。

【図８】図１の製造方法を説明する第６の図面である。

【図９】図１の製造方法を説明する第７の図面である。

【図１０】図１の製造方法を説明する第８の図面である
。

【図１１】従来例を示す断面図である。

Claims (4)

【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
   遮光膜に貫通孔を多数設け、前記貫通孔の下部に前記下
   層の配線層を配置して第２の遮光膜とすることを特徴と
   する光半導体装置。
2. 【請求項２】　　前記遮光膜と前記下層の配線層はＡｌ
   又はＡｌ−Ｓｉであることを特徴とする請求項１記載の
   光半導体装置。
3. 【請求項３】　　前記第２の遮光膜は回路素子間の結線
   を行う電極配線であることを特徴とする請求項１記載の
   光半導体装置。
4. 【請求項４】　　前記第２の遮光膜はダミーの電極配線
   であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。