KR100704323B1 - 광반도체 집적 회로 장치 및 광기억 재생 장치 - Google Patents

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KR100704323B1
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 SOI 기판상에 다른 반도체 집적 회로 장치와 동일 기판상에 제작된 포토다이오드 감도의 향상과 주파수 대역의 확대를 행하고, 광정보 처리 장치의 판독의 고속화를 도모하는 것을 과제로 한다.
주파수 대역을 확대하기 위해, 포토다이오드의 매립층(502)을 깊이 매립하거나, 혹은 매립층의 불순물 농도를 감소시킨다. 또한, 감도의 향상을 위해 SOI 기판의 산화막(401)의 막 두께를 반사광이 최대가 되도록 선택한다.
포토다이오드부, 앰프부, SOI층, 에피택셜층, 매립층, SOI 기판의 산화막, 반도체 레이저

Description

광반도체 집적 회로 장치 및 광기억 재생 장치{PHOTO SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE AND OPTICAL RECORDING REPRODUCING APPARATUS}
도1은 본 발명에 의한 광반도체 집적 회로 장치의 제1 실시예의 개략 단면도.
도2는 종래의 광반도체 집적 회로 장치의 개략 단면도.
도3은 실리콘 결정으로의 빛의 침입 상태를 도시한 도면.
도4는 포토다이오드의 매립층의 불순물 농도를 감소시킨 것을 도시한 단면 비교도.
도5는 포토다이오드의 차단 주파수의 불순물 농도 의존성을 도시한 도면.
도6은 SOI 기판의 산화막 막 두께를 변경한 것을 도시한 단면 모식도.
도7은 포토다이오드의 감도의 산화막 막 두께 의존성을 도시한 도면.
도8은 포토다이오드의 매립층을 깊이 분포하도록 한 것을 도시한 단면 모식도.
도9는 포토다이오드의 차단 주파수의 산화막 의존성을 종래 구조와 비교한 도면.
도10은 광반도체 집적 회로 장치의 제조 프로세스를 도시한 단면도.
도11은 광반도체 집적 회로 장치의 제조 프로세스를 도시한 단면도.
도12는 광반도체 집적 회로 장치의 제조 프로세스를 도시한 단면도.
도13은 본 발명에 의한 광반도체 집적 회로 장치의 제2 실시예를 도시한 개략 단면도.
도14는 제2 실시예의 제조 프로세스의 일부를 도시한 단면 구조 모식도.
도15는 광기억 재생 장치의 실시예를 도시한 개략도.
도16은 4 분할된 편광성 회절 격자의 빛의 회절 방향을 도시한 도면.
도17은 포커스, 에러 신호를 검출하기 위한 광반도체 집적 소자의 개략도.
도18은 트래킹, 에러 신호를 검출하기 위한 광반도체 집적 소자의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 포토다이오드부
2 : 앰프부
10 : 검출해야 할 빛
11 : 반사광
30 : 실리콘 지지 기판
31 : SOI층
32 : 에피택셜층
33 : 베이스 확산층
34, 36 : 폴리실리콘층
35 : 에미터 확산층
37 : p＋층
40 : SOI 기판의 산화막
41 : 소자간 분리 매립 산화막
43 : 패시베이션막
44 : 산화막
46 : 얕은 홈 매립 산화막
50, 501, 502 : 매립층
51, 52 : 접속용 n형 확산층
61 : 캐소드 전극
62 : 애노드 전극
63 : 콜렉터 전극
64 : 에미터 전극
65 : 베이스 전극
111, 112 : 반도체 레이저
121 : 콜리메이터 렌즈
122 : 대물 렌즈
131 : 편광성 회절 격자
132 : λ/4 파장판
133 내지 136 : 회절광의 방향
141, 142 : (-)1차 회절광
143, 144 : (+)1차 회절광
150 : 광디스크
151 : 포커스, 에러 신호 검출용 광반도체 집적 회로 장치
152 : 트래킹, 에러 신호 및 판독 신호 검출용 광반도체 집적 회로 장치
153 : 실리콘 기판
161 내지 168 : 포커스, 에러 신호 검출용 포토다이오드
169, 175 : 앰프 회로
171 내지 174 : 트래킹, 에러 신호 및 판독 신호 검출용 포토다이오드
본 발명은 포토다이오드부와 앰프부를 갖는 광반도체 집적 회로 장치에 관한 것이다.
포토다이오드부와 앰프부를 갖는 광반도체 집적 회로 장치는 광정보 기록 재생 장치인 CD(콤팩트 디스크) 드라이브나 DVD(디지털 다기능 디스크) 드라이브 등에 있어서의 광검출 및 신호 처리에 사용된다. 반도체 집적 회로 장치와 광검출기는 종래 따로따로 제작되고, 포토다이오드로부터의 검출 신호는 리드선 등의 배선에 의해 반도체 집적 회로 장치로 이송되어, 증폭 등의 처리가 실시되는 경우가 많다. 그러나, CD 드라이브 등에 있어서는, 판독 동작의 고속화 및 장치의 소형화가 요구되어 오고 있으며, 이에 대처하기 위해 포토다이오드와 반도체 집적 회로를 동일 기판상에 제작하는 OEIC(광전자 집적 회로 소자)라 칭하게 되는 것을 제작할 수 있게 되어 왔다. 그 구조는, 예를 들어 일본 특허 공개 평11-266033호 공보에 기재되어 있다. 또, 일본 특허 공개 평4-82268호에는 제1 도전형의 반도체 기판과 제2 도전형의 에피택셜층으로 구성되는 포토다이오드를 갖는 반도체 장치에 있어서, 에피택셜층 밑에 에피택셜층 또는 반도체 기판보다 저농도의 반도체 영역을 형성하는 것, 혹은 에피택셜층 밑에 반도체 기판보다 고농도의 제1 도전형의 반도체 영역을 형성함으로써 포토다이오드의 고감도화와 광대역화를 도모하는 것이 기재되어 있다.
도2는 SOI(Silicon on Insulator) 기판상에 제작한 포토다이오드 부착 광반도체 집적 회로 장치의 일예의 개략 단면도이다. 도2의 1의 부분이 포토다이오드부를, 2의 부분이 앰프 부분의 일부인 트랜지스터부를 도시한다. 이들의 소자는 n형 실리콘 지지 기판(30)과 산화막(40), 실리콘 결정층 즉 SOI층(31)이 형성된 SOI 기판상에 제작된다.
트랜지스터부(2)에서는 패시베이션막(43) 상에 콜렉터 전극(63), 에미터 전극(64), 베이스 전극(65)이 형성되어 있다. SOI층(31)의 상부에는 n형의 에피택셜층(32)이 있으며, 베이스 확산층(33), 에미터 확산층(35)과 함께 트랜지스터를 구성하고 있다. 에피택셜 성장에 의한 실리콘층을 성장시키기 전에 기판 표면에 제작되는 고농도 불순물층인 매립층(50)은 콜렉터의 저항을 낮추기 위해, SOI층(31)에 불순물이 도입되고 있으며, 콜렉터 접속용 n형 확산층(51)에 의해 상부 전극(콜 렉터 전극)과 접속되어 있다. 에미터 전극(64)으로는 에미터 확산층(35), 에미터 전극용 폴리실리콘(36), 실리사이드막(66)에 의해 도통(導通)이 도입되고 있다. 도면 부호 42는 측벽 산화막이며, 에미터와 베이스의 폴리실리콘을 절연하고 있다. 소자간은 소자간 분리 매립 산화막(41)으로 분리되고, 소자 내의 분리는 얕은 홈의 매립 산화막(46)으로 행한다.
포토다이오드부(1)에 있어서는, 도면 부호 61은 포토다이오드의 캐소드 전극, 부호 62는 애노드 전극이다. 산화막(44)을 투과한 검출해야 할 빛(10)은 p＋층(37) 및 에피택셜층(32), 매립층(50)으로 광캐리어를 발생시키고, 전극(61, 62) 사이의 광전류가 된다. 포토다이오드의 경우도 트랜지스터와 마찬가지로 매립층(50)이 있으며, 캐소드 접속용 n형 확산층(52) 및 실리사이드층(67)에 의해 캐소드 전극(상부 전극)(61)에 접속되어 있다. 포토다이오드로부터의 전류는, 본 예에서는 기재하고 있지 않지만, 다수의 트랜지스터 집적 회로군에 의해 신호 처리된다.
실리콘 결정을 조사한 때의 빛의 실리콘 내부에서의 강도 변화를 도3에 도시한다. 빛의 강도는 표면에 있어서의 강도로 규격화하고 있다. 빛의 강도는 표면으로부터 깊어질수록 감쇠하지만, 그 감쇠 상태는 빛의 파장에 따라 다르다. CD 드라이브에 사용되는 파장 780 ㎚ 부근에서는 실리콘 결정의 내부까지 깊이 침입하지만, 짧은 파장의 410 ㎚의 빛은 대부분 표면 부근에서 감쇠한다. 또한, DVD 드 라이브에 사용되고 있는 파장 660 ㎚의 빛의 침입 상태는 양자 사이에 있다.
실리콘 내부에 침입한 빛은 광캐리어를 발생시켜 광전류가 된다. 이 광캐리어의 발생 상태와 포토다이오드 구조의 상호 관계가 포토다이오드의 감도 및 주파수 특성을 결정하는 요인이 된다. 도3의 도면 중에 포토다이오드 단면 구조의 치수의 일예를 도시한다. PD층이라 함은 포토다이오드의 표면에 있는 p＋층으로부터 n-층을 포함한 공핍(空乏)층 단부까지를 도시한다. SOI층이라 함은 매립층이 형성되는 실리콘 결정층이다. PD층에는 SOI층에 대하여 역바이어스가 충분한 크기로 인가되어 있으며, 공핍층은 SOI층까지 도달하고 있는 것으로 한다. 실선으로 도시한 410 ㎚의 파장에 있어서는, 빛은 PD층 내에서 대부분 흡수되므로, 캐리어의 드리프트 속도에 의해 차단 주파수는 결정되고, 기가 Hz 정도의 차단 주파수인 것이 예상된다. 한편, 짧은 파선으로 도시한 780 ㎚의 파장에서는 빛은 SOI층까지 충분한 강도로 도달하고, 또한 실리콘 지지 기판까지 도달한다. SOI층 내에서는 공핍층의 용도로는 전압이 가해지고 있지 않으므로, 발생한 광캐리어는 확산 과정을 통과한 광전류가 된다. 이 확산 과정은 매우 느린 과정이므로 이 전류의 비율이 커지면, 포토다이오드의 주파수 대역은 현저히 좁아진다.
또한, 포토다이오드의 감도의 향상은 보다 많은 광캐리어가 공핍층으로 유입함으로써 달성된다. SOI 기판을 이용한 포토다이오드에서는 절연물에 의해 실리콘 지지 기판과 구획되어 있으므로, 실리콘 지지 기판에 의해 발생한 광캐리어는 포토다이오드의 광전류에 기여하지 않는다. 따라서, 도3에 도시한 780 ㎚의 빛과 같이 산화막을 투과하여 실리콘 지지 기판에 많은 빛이 침입하는 경우는 좋은 감도의 포토다이오드를 얻을 수 없게 된다.
현재, CD 드라이브 혹은 DVD 드라이브에서는 고속의 재생이 요구되어 오고 있으며, 포토다이오드의 고감도화, 광대역화가 요구되어 오고 있다. 그러나, 제조 프로세스가 집적 회로 장치 부분에 대하여 최적화되어 있음에도 불구하고, SOI층의 막 두께, PD층의 두께를 변경함으로써, 포토다이오드의 차단 주파수 혹은 감도를 향상시키려고 하면, 트랜지스터 등의 집적 회로 장치 부분의 성능이 열화할 가능성이 있다.
본 발명은 이러한 문제점에 감안하여, 집적 회로 장치의 제조 프로세스를 크게 변경하지 않고, 즉 집적 회로 장치의 성능을 열화시키지 않고, 집적 회로 장치와 동일 기판에 제작된 포토다이오드의 주파수 특성 혹은 감도를 향상시킨 반도체집적 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 있어서는 앰프 부분의 매립층과는 다른 불순물 분포 혹은 농도를 포토다이오드부의 매립층에 있어서 사용함으로써, 포토다이오드의 주파수 대역을 향상시킨다. 또한, 기판의 절연막의 막 두께를 가장 알맞은 것으로 하여 감도의 향상을 도모한다.
도4에, 포토다이오드의 단면 모식도를 도시한다. SOI 기판(300)을 사용하고 있으며, 부호 40은 산화막의 절연층이다. 부호 32는 에피택셜층이며, 최상부에는 p＋층(37)이 형성되어 있는 것으로 한다. 도4의 (a)는 종래 구조의 포토다이오드부를 도시하고, 앰프 부분과 동일한 매립층(50)을 가지고 있는 것으로 한다. 본 발명에 의한 도4의 (b) 구조의 포토다이오드부에 있어서는, 집적 회로 장치 부분의 매립용과는 다른 마스크를 준비하여, 이온 주입 조건을 변경함으로써 매립층(501)의 불순물 농도를 변화시키고 있다.
에피택셜층은 완전히 공핍화되어 있는 것으로 하여, 빛(10)의 입사광에 의한 광캐리어는 에피택셜층(32) 및 매립층으로 변화한 SOI층에서 발생하는 것으로 한다. p＋층 매립층(37)과 SOI층 사이에는 충분한 크기의 역바이어스가 인가되어 있으므로, 에피택셜층(32)에는 드리프트 전류가 흘러, 다른 쪽 SOI층에는 전압이 가해지지 않으므로 광캐리어는 확산 전류가 된다. 확산 전류는 포토다이오드의 주파수 특성을 나쁘게 하는 원인이지만, 매립층(501)의 불순물 농도를 바꾸면, 그곳에서의 확산 정수가 변화하여 확산 속도를 바꿀 수 있다.
매립층의 불순물 농도 변화에 의한 차단 주파수(3dB 감소하는 주파수라 정의)의 변화를 도5에 도시한다. 계산 조건은 도4의 (b)의 단면도에 있어서, 에피택셜층의 두께(a)를 1.2 ㎛, SOI층의 두께(b)를 1.5 ㎛로 하고, 빛의 파장을 780 ㎚, 매립층에서의 소수 캐리어 수명을 3 × 10-3초로 했다. 도5에 도시한 바와 같이, 불순물 농도를 감소시키면 주파수 대역이 넓어지는 것을 알 수 있다. 트랜지스터부의 매립층의 불순물 농도를 1 × 1018 cm-3 정도로 했을 때, 1자리 정도 이내에서 감소시키는 것이 현실적이고, 그 이상 감소시켜도 매립층의 저항 증가의 효과가 커져 차단 주파수가 감소하여 역효과가 된다. 따라서, 포토다이오드부의 매립층의 불순물 농도는 1 × l017 cm-3 내지 1 × 1018 cm-3 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 공핍층이 가능한 에피택셜층의 두께가 두꺼울수록 주파수 대역이 넓어지지만, 장파장의 780 ㎚의 빛을 검출하는 경우는 깊이 빛이 침입하므로, SOI층의 두께 등을 감안하면 에피택셜층의 두께는 0.8 ㎛ 이상이 바람직하다.
또한, 포토다이오드의 감도를 향상시키기 위해, 도6에 도시한 바와 같이 SOI 기판의 산화막(401)에 의한 반사광을 증대시켜 포토다이오드 내에서 보다 많은 광캐리어를 발생시키는 방법을 도입한다. 도6에 있어서의 산화막(401)의 두께(c)를 변화시켰을 때, 반사광(11)의 강도가 변화한다. 반사광(11)은 포토다이오드의 내부에 복귀광 캐리어를 발생시키므로, 이를 크게 하면 감도가 커지게 된다.
실리콘 내부의 산화막(401)에 의한 반사율 R(δ)은 다음 수학식 1로 표현되고, δ = 2πnc/λ이다. r는 실리콘으로부터 산화막으로 수직 입사할 때의 반사 계수이며, n은 산화막의 굴절율, c는 산화막의 두께, λ는 빛의 파장이다.
R(δ) = 2r2{1 - cos(2δ)}/{1 - 2r2cos(2δ) ＋ r4}
수학식 1에서, 반사광이 커지는 조건은 산화막 두께(c)가 대략 λ ÷ (4 × n) × [정(正)의 홀수]의 때인 것을 알 수 있다. 사용 파장을 780 ㎚, 표면 반사율을 0.26, 산화막의 굴절율(n)을 1.46으로 했을 때, 상기식으로부터 반사가 최대 가 되는 산화막 두께(c)의 최초의 두개는 130 ㎚, 401 ㎚가 된다.
또한, 상기식을 사용하여 도4에 사용한 포토다이오드와 동일 구조를 채용한 때의 감도의 산화막 막 두께 의존성을 도7에 도시한다. 감도의 계산 결과도 마찬가지인 경향을 도시하고, 반사가 최대가 되는 곳에서 감도가 최대가 된다. 여기에서는 최초의 두개의 피크가 포함되는 막 두께까지밖에 계산을 행하고 있지 않지만, 이보다 두꺼운 경우도 막 두께가 대략 λ ÷ (4 × n) × (정의 홀수)인 때 감도의 피크가 나타나게 된다고 예상된다. 이상 서술한 바와 같이, 사용하는 파장에 대하여 반사광이 최대가 되도록 SOI 기판의 산화막의 막 두께를 선택함으로써, 보다 큰 감도의 포토다이오드를 얻는 것이 가능해진다.
다음에, 차단 주파수를 크게 하는 방법으로서, 도8의 포토다이오드의 단면 구조에 도시한 바와 같이, 매립층을 SOI층에 형성할 때, 도4의 (a)에 도시한 종래 구조의 매립층(50)과 비교하여 매립층(502)을 SOI층의 표면보다 d만큼 깊이 분포시킨다. 이러한 불순물 분포의 형성은, 이온 주입 조건의 제어에 의해 가능하다. 계산 모델로서, SOI층의 표면을 기준으로서 d = 0.2 ㎛의 깊이로부터 매립층(502)의 불순물이 산화막(40)측에 분포하도록 제작한 것을 생각할 수 있다. 그 밖의 조건은 도4의 경우와 마찬가지이다.
계산 결과를 도9에 도시한다. 도9는 횡축이 산화막인 막 두께, 종축이 차단 주파수이며, 실선(90)은 d = 0.2 ㎛의 주입이 있는 경우의 차단 주파수의 변화를 도시하고, 파선(91)은 도4의 (a)에 도시한 종래 구조에 있어서의 변화를 도시한다. 산화막의 막 두께의 변화에 의해 차단 주파수는 다소 변동하지만, 깊은 불순물의 분포를 갖는 실선(90)쪽이 큰 차단 주파수를 갖는 것을 알 수 있다. 여기서는 d = 0.2 ㎛의 경우에 대해 검토했지만, d를 0.2 ㎛ 이상으로 해도 같은 결과를 얻을 수 있다.
이상의 검토에 의거한 본 발명의 광반도체 집적 회로 장치는 SOI 기판과, SOI 기판에 형성된 앰프부와, SOI 기판에 형성된 포토다이오드부를 갖는 광반도체 집적 회로 장치에 있어서, 앰프부와 포토다이오드부는 각각 불순물을 함유하여 상부 전극과 접속된 매립층을 갖고, 포토다이오드부는 제1 도전형과 제2 도전형의 접합부가 SOI 기판상의 에피택셜층의 내부에 있으며, 포토다이오드부의 매립층의 불순물 농도는 앰프부의 매립층의 불순물 농도보다도 낮은 것을 특징으로 한다. 에피택셜층의 막 두께는 0.8 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 에피택셜층의 막 두께의 상한은 매립층과 상부 전극(캐소드 전극 혹은 콜렉터 전극)을 접속하는 접속층의 제조상의 문제로부터 실제로는 2 ㎛ 정도이다. 또, 포토다이오드부의 매립층의 불순물 농도는 1 × 1017 cm-3 내지 1 × 1018 cm-3 범위로 하는 것이 바람직하다.
이 구성을 채용함으로써, 다른 반도체 집적 회로 장치와 함께 동일 기판상에 제작된 포토다이오드의 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한 광반도체 집적 회로 장치는, 또 SOI 기판과, SOI 기판에 형성된 앰프부와, SOI 기판에 형성된 포토다이오드부를 갖는 광반도체 집적 회로 장치에 있어서, 포토다이오드부의 SOI층은 SOI 기판의 표면측의 불순물 농도가 SOI 기판의 절연막측의 불순물 농도보다도 작은 것을 특징으로 한다.
이러한 구성을 채용함으로써, 다른 반도체 집적 회로 장치와 함께 동일 기판상에 제작된 포토다이오드의 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한 광반도체 집적 회로 장치는, 또한 SOI 기판과, SOI 기판에 형성된 앰프부와, SOI 기판에 형성된 포토다이오드부를 갖는 광반도체 집적 회로 장치에 있어서, 앰프부와 포토다이오드부는 각각 불순물을 함유하여 상부 전극과 접속된 매립층을 갖고, 포토다이오드부의 매립층은 상기 앰프부의 매립층보다 0.2 ㎛ 이상 깊은 장소에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성을 채용함으로써, 다른 반도체 집적 회로 장치와 함께 동일 기판상에 제작된 포토다이오드의 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한 광반도체 집적 회로 장치는 또한 SOI 기판과, SOI 기판에 형성된 앰프부와, SOI 기판에 형성된 포토다이오드부를 갖는 광반도체 집적 회로 장치에 있어서, 입사하는 빛의 파장을 λ, 절연막의 굴절율을 n, 정의 홀수를 m이라 할 때, 포토다이오드부의 SOI 기판의 절연막의 막 두께는 대략 λ ÷ (4 × n) × m인 것을 특징으로 한다. 포토다이오드부의 SOI 기판의 절연막의 막 두께는 대략 λ ÷ (4 × n) × m인 것이 바람직하며, 실제로는 {λ ÷ (4 × n) × m} ± {λ ÷ (8 × n)}의 범위에 속하는 것이 바람직하다.
이러한 구성의 채용에 의해, 다른 반도체 집적 회로 장치와 함께 동일 기판상에 제작된 포토다이오드의 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한 광기억 재생 장치는 정보를 기록한 광디스크와, 반도체 레이저 광원과, 반도체 레이저 광원으로부터의 출사광을 광디스크에 집광하는 광학계 와, 광디스크로부터의 반사광을 검출하는 광검출기와, 광검출기에 의해 검출된 신호를 처리하는 신호 처리부를 포함하는 광기억 재생 장치에 있어서, 전술한 광반도체 집적 회로 장치를 이용하여 반사광의 검출과, 검출된 신호의 적어도 일부의 처리를 행하는 것을 특징으로 한다.
이 광기억 재생 장치는, 사용하는 광반도체 집적 회로 장치의 포토다이오드의 감도 향상과 주파수 대역의 확대에 의해 광기억 재생 장치의 재생 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 파장이 다른 빛을 검출하는 경우, 감도가 낮은 주파수 대역이 좁은 파장에 대하여, 감도를 향상시켜 주파수 대역을 넓히는 효과가 있으므로, 하나의 광반도체 집적 회로 장치에 의해 다파장에 대처할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
도1은, 본 발명에 의한 광반도체 집적 회로 장치의 제1 실시예의 개략 단면도이다. 앰프부의 일부인 트랜지스터부(2)는 도2에 있어서의 것과 동등하며, 제조 프로세스는 트랜지스터부(2)에 대하여 최적화되어 있는 것으로 한다. 포토다이오드부(1)에 있어서는 매립층(502)이 SOI층(31)에 형성될 때 깊이 주입되어 있다. 또한, 산화막(401)의 막 두께는 반사가 커지도록 설정되어 있으며, 예를 들어 파장 780 ㎚의 빛을 검출하기 위해 막 두께 401 nm가 채용된다.
도1에 도시한 소자 구조의 제작 프로세스의 개략을 도10 내지 도12를 이용하여 설명한다. 도10에 도시한 SOI 기판에 있어서는, 실리콘 지지 기판(30) 위에 막 두께 401 ㎚의 산화막(401)과, 막 두께 1.5 ㎛의 n-형의 SOI층(31)(실리콘 결정층) 이 형성되어 있다. 이 SOI층(31)에 안티몬 등의 불순물을 이온 주입에 의해 주입하여(도11) 매립층으로 한다. 매립층(50)은 트랜지스터부(2)용이며, 불순물은 표면으로부터 분포하고 있다. 한편, 트랜지스터용의 매립층을 제작한 마스크와는 별도의 마스크를 이용하여 주입 조건을 바꿔 포토다이오드부(1)의 이온 주입을 행한다. 이로써 표면으로부터 0.2 ㎛만큼 떨어진 위치에 불순물을 분포시켜 포토다이오드부(1)의 매립층(502)을 형성한다.
다음에, 도12와 같이 에피택셜층(32)(제1 반도체층)을 1.2 ㎛ 성장시킨다. 그 후, 소자내 분리용의 얕은 홈(46)을 형성하여 산화막을 매립하고, 또한 소자간 분리용의 깊은 홈(41)을 형성하여 산화막을 매립한다. 다음에, 에피택셜층(32)의 표면을 산화하여 산화막(44)을 형성한 후, 콜렉터 접속용 n형 확산층(51)과 캐소드 접속용 n형 확산층(52)을 인의 이온 주입에 의해 형성한다.
다음에, 도1에 도시되어 있는 바와 같이 포토다이오드부의 p＋층(37)(제2 반도체층)과 베이스 확산층(33)을 형성하고, 베이스 인출용 및 캐소드 인출용의 폴리실리콘(34)과 산화막(45), 측벽 산화막(42)을 형성한다. 이 후, 에미터 전극용의 폴리실리콘(36), 에미터 확산층(35)을 형성한 후, 패시베이션용의 산화막을 퇴적한다. 그 산화막에 창을 개방하여, Ti를 퇴적하여 열 처리에 의해 접촉 저항 저감을 위한 실리사이드막(66, 67)을 형성한다. 다시, 패시베이션용막(43)을 퇴적하여 평탄화한 후, 컨택트용의 창을 개방하여 콜렉터 전극(63), 에미터 전극(64), 베이스 전극(65), 캐소드 전극(61), 애노드 전극(62)을 형성하여 소자가 완성된다.
본 실시예의 광반도체 집적 회로 장치는 도6, 도7 및 도8, 도9에서 설명한 효과에 의해, 도2에 도시한 종래 구조의 광반도체 집적 회로 장치에 비교하여 포토다이오드의 감도가 향상되어 주파수 대역이 넓어진다.
도13은 본 발명에 의한 광반도체 집적 회로 장치의 제2 실시예를 도시한 개략 단면도이다. 본 실시예에 있어서는 매립층(501)의 불순물 농도를 트랜지스터부의 매립층(50)보다 저하시키고 있다. 이 경우, 도14에 도시한 바와 같이 제작 프로세스에 있어서 트랜지스터부의 매립층(50)을 제작한 마스크와는 다른 포토다이오드용을 이용하여 매립층(501)을 제작하지만, 불순물의 주입량을 적게 한다. 여기에서는 트랜지스터부의 매립층(50)의 불순물 농도를 1 × 1018 cm-3, 포토다이오드부의 매립층(501)의 불순물 농도를 1 × 1017 cm-3으로 했다. 이 매립층(50, 501)의 제작 프로세스를 전술한 도11에 도시한 제조 프로세스로 대체하여, 다른 프로세스는 상기 실시예와 동일하게 하여 광반도체 집적 회로 장치를 제작했다.
본 실시예의 광반도체 집적 회로 장치는 도4, 도5 및 도6, 도7에서 설명한 효과에 의해, 도2에 도시한 종래 구조의 광반도체 집적 회로 장치에 비교하여 주파수 대역이 2배 정도 넓어진다.
도15는 본 발명에 의한 광반도체 집적 회로 장치를 이용한 광기억 재생 장치의 실시예를 도시한 개략도이다. 본 실시예에서는 2개의 반도체 레이저 광원(111, 112)을 사용한다. 반도체 레이저 광원(111)은 발광파장 410 ㎚인 단파장광을 출사하고, 반도체 레이저 광원(112)은 발광파장 660 ㎚의 장파장광을 출사한다.
본 실시예에서는 사용하는 레이저 광원을 광디스크의 종류에 의해 절환한다. 양자의 레이저 출사 위치는 광축 근방에 있으며, 출사광은 콜리메이터 렌즈(121)에 의해 평행광에 노출된다. 평행광은 편광성 회절 격자(131)를 통과한 후, λ/4 파장판(132)에 의해 원편광으로 변환되고, 대물 렌즈(122)에 의해 광디스크(150)에 집광된다. 광디스크에 기록된 정보 마크로부터의 반사광은 대물 렌즈(122)를 투과한 후, λ/4 파장판(132)에서 직선 편광으로 복귀하여 편광성 회절 격자(131)에 의해 회절된다.
이 편광성 회절 격자는 4분할되어 있으며, 격자의 형상이 다르므로, 도16에 도시한 바와 같이 부호 133, 134, 135, 136의 방향으로 각각 빛을 회절한다. 도15에 있어서의 회절광의 표시는, 하나의 회절 패턴으로부터의 회절광만으로 하고, 다른 3개의 패턴으로부터의 회절광은 생략했다. 회절광은 콜리메이터 렌즈(121)의 대략 화살표의 범위를 통과하여, 단파장광의 (-)1차 회절광(141) 및 (+)1차 회절광(143), 장파장광의 (-)1차 회절광(142) 및 (+)1차 회절광(144)이 광반도체 집적 회로 장치(151, 152) 상의 다른 위치에 집광된다. 광반도체 집적 회로 장치(151, 152)는 실리콘 기판(153) 상에 있으며, 본 실시예에서는 광반도체 집적 회로 장치를 실리콘 기판상에 부착하고 있지만, 실리콘 기판에 직접 붙박이로 만드는 것도 가능하다. 마찬가지로, 반도체 레이저(111, 112)도 실리콘 기판(153) 상에 부착되어 있으며, 마이크로프리즘 등에 의해 출사 방향이 상방을 향하도록 조정되어 있다. 본 실시예에서 사용되는 광반도체 집적 회로 장치는 전술한 제1 실시예 혹은 제2 실시예에서 나타낸 광반도체 집적 회로 장치이다.
도17에, (-)1차 회절광을 검출하는 광반도체 집적 회로 장치(151)의 개략을 도시한다. 광반도체 집적 회로 장치(151)는 포커스, 에러 신호를 생성하기 위한 것이며, 도15 중 촛점 위치 조절 장치(180)에 서보를 걸어 대물 렌즈(122)의 위치를 제어한다. 광반도체 집적 회로 장치(151)에는 포토다이오드(161 내지 168)가 배치되어 있으며, 부호 161과 162의 양자가 부호 133 방향의 편광성 회절 격자로부터의 빛을 검출하고, 부호 163, 164의 포토다이오드가 부호 134의 편광성 회절 격자에 의한 회절광을 검출한다. 마찬가지로, 부호 165, 166의 포토다이오드는 부호 136 방향의 편광성 회절 격자에 의한 것을, 부호 167, 168의 포토다이오드는 부호 135 방향의 편광성 회절 격자에 의한 것을 검출한다. 각각의 포토다이오드의 크기는 40 ㎛ × 600 ㎛ 정도이다. 파장이 다르면 회절 방향이 다르지만, 포토다이오드의 길이를 조정함으로써 장단 양파장의 빛을 검출할 수 있다. 각각 쌍의 포토다이오드의 간극 부분에서는 양자의 감도가 거리가 멀어짐에 따라서 감소하도록 되어 있다. 광디스크(150)가 촛점이 맞는 위치에 있을 때는 회절광은 양자의 중심 위치에 집광되고, 쌍의 포토다이오드에 입사하는 광량은 비슷해진다. 한편, 광디스크(150)가 촛점 위치로부터 벗어나 있을 때는 양자로 입사되는 광량은 비슷하지 않게 된다. 본 실시예에서는 부호 161, 163, 166, 168의 포토다이오드를 결선하여 제1 가산 신호로 하고, 다른 부호 162, 164, 165, 167의 포토다이오드를 결선하여 제2 가산 신호로 하고 있다. 이 양자의 차(差)신호가 촛점 위치 제어 신호가 된다. 이들의 광전류의 증폭, 차이분의 처리를 행하는 것이 앰프 회로(169)이며, 동일 기판상에 제작되어 있다.
광반도체 집적 회로 장치(152)는, 트래킹, 에러 신호를 (+)1차광을 이용하여 생성하기 위한 것이다. 도18에 있어서의 포토다이오드의 감도 영역을 부호 171, 172, 173, 174로 도시한다. 포토다이오드의 각각의 크기는 80 ㎛ × 600 ㎛ 정도이다. 포토다이오드(171)는 부호 135 방향(도16)의 회절광을 검출하고, 포토다이오드(172)는 부호 136 방향의 회절광, 포토다이오드(173)는 부호 134 방향의 회절광, 포토다이오드(174)는 부호 133 방향의 회절광을 각각 검출한다. 각각의 포토다이오드의 크기는 2개의 파장광이 입사하도록 설계되어 있다. 이들의 포토다이오드로부터의 광전류는 동일 기판에 동일 프로세스로 동시에 제작된 트랜지스터 등에 의한 앰프 회로(175)에 의해 신호 처리된다.
트래킹, 에러 신호의 생성은 위상차 검출법으로 행하고, 도16의 4개의 영역을 통과하는 빛의 대각인 것을 각각 더하여, 그 차신호를 도입한다. 즉, 포토다이오드(171)의 신호와 부호 173의 신호를, 부호 172의 신호와 부호 174의 신호를 각각 더하여, 그 결과의 차를 도입하여 트래킹, 에러로 하게 된다. 트래킹, 에러 신호는 서보 회로를 통해, 도15 중의 촛점 위치 조절 장치(180)에 의해 대물 렌즈(122)의 광축에 수직인 방향에서의 제어를 행한다. 또한, 모든 신호를 더한 것은 광디스크로부터의 판독 신호가 된다.
상술한 실시예에 있어서는, 제1 반도체층이 n형, 제2 반도체층이 p형으로 하여 설명했지만, 본 발명은 이에만 한정되는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 광반도체 집적 회로 장치상의 다 른 반도체 집적 회로 장치의 성능을 열화시키는 일 없이, 포토다이오드의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. SOI 기판과,
    조사광을 향하는 제1 측 및 절연체를 향하는 제2 측을 갖는 상기 SOI 기판상에 형성된 앰프부와,
    상기 SOI 기판상에 형성된 포토다이오드부를 포함하며,
    상기 제1 측의 SOI 기판의 불순물 농도는 포토다이오드부가 형성된 SOI 기판 영역 내의 제2 측의 SOI의 불순물 농도보다 낮은 광반도체 집적 회로 장치.
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