JPS61258471A - 半導体集積回路装置 - 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】 ［技術分野］ この発明は、半導体集積回路技術さらには半導体基板上
におけるフォトダイオードの形成に適用して特に有効な
技術に関する。

［背景技術］ 光通信システムにおいて、光フアイバー中を伝送されて
来た光信号を増幅する場合、一般に光信号を受光素子で
受けて電気信号に変換してからアンプで増幅することが
行なわれている。従来、上記のような受光素子として例
えばｐｉｎ型フォトダイオード等のディスクリート部品
が使用されている（ｐ　ｉ　ｎ型フォトダイオードにつ
いては１日経マグロウヒル社発行「日経エレクトロニク
ス」１９８３年１０月２４日号、Ｎｏ、３２８．第７６
頁〜７７頁に記載されている）。

しかしながら、上記のようなディスクリート部品からな
るフォトダイオードを使った光信号増幅器では、フォト
ダイオードのパッケージ等に寄生する容量がかなり大き
い、そのため、増幅器の高周波特性が高くならないとい
う問題点がある。

そこで１本発明者は、受光素子となるフォトダイオード
を、増幅器が形成される半導体基板と同一の基板上にお
いて形成することにより、寄生容量を減少させる方式を
考えた。しかしながら、単にフォトダイオードを増幅量
と同じ半導体基板上に形成すると、フォトダイオードに
入射される光信号によって、増幅ｌを構成するトランジ
スタが誤動作して、雑音がのり易いという不都合がある
。

Ｃ発明の目的］ この発明の目的は、雑音や誤動作を生じさせることなく
受光部での寄生容量を低減して、増幅器の高周波特性を
向上させ得るような半導体集積回路技術を提供すること
にある。

この発明の他の目的は、プロセスをほとんど変更するこ
となく、バイポーラトランジスタからなる増幅器が形成
された半導体基板と同一の基板上に、高感度のｐｉｎ型
フォトダイオードを形成できるような半導体技術を提供
することにある。

この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴に
ついては１本明細書の記述および添附図面から明かにな
るであろう。

［発明の概要］ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、増幅器を構成するトランジスタが形成された
半導体基板と同一の基板上にフォトダイオードを形成す
るとともに、増幅器を構成するトランジスタ形成領域の
上方にはアルミニウム層等からなる遮光膜を形成するこ
とによって、フォトダイオードに入射された光信号が増
幅器を構成するトランジスタの部分に漏れないようにし
てフォトダイオードの寄生容量を減少させ、光信号によ
るトランジスタの誤動作や雑音の発生を防止し、かつ光
信号増幅器の高周波特性を向上させるという上記目的を
達成するものである。

また、ベース引出し電極となるポリシリコン層からの不
純物拡散によって、Ｎ＋′型埋型埋上層上ピタキシャル
層に外部ペース領域を形成する公知のＳＳＴ　（スーパ
ー・セルフアライメント・トランジスタ）技術もしくは
その応用技術によって形成されるバイポーラトランジス
タと同一の基板上に、トランジスタのベース領域と同時
に形成されるＰ型半導体領域とエピタキシャル層および
Ｎ＋型埋込層とからなるｐｉｎ型フォトダイオードを形
成することにより、トランジスタの形成プロセスをほと
んど変更することなく同一基板上にｐｉｎ型フォトダイ
オードを形成できるようにする。

［実施例〕 第１図には、本発明を光信号用増幅器に適用した場合の
一実施例が示されている。

単結晶シリコン基板のような半導体基板ｌ上には、増幅
器を構成するバイポーラトランジスタとともに、受光部
となるｐｉｎ型フォトダイオードが形成されている。同
図において鎖線Ａで囲まれた部分が増幅器形成領域で、
鎖ＩＩＡＢで囲まれた部分がダイオード形成領域である
。半導体基板１の周縁には、ポンディングパッド２０，
２０．・・・・が形成されている。

そして、この実施例では、上記増幅器形成領域Ａの上方
にこれを覆うようにアルミニウム層からなる遮光膜２１
が形成されている。

従って、受光部たるダイオード形成領域Ｂの上方に、パ
ッケージに保持された光ファイバーの一端が受光部に対
向されるように配設したとき、受光部に入射された光は
遮光膜２１で遮ぎられてその下方の増幅器を構成するト
ランジスタに照射されることはない。

そのため、増幅量と同一の半導体基板上にフォトダイオ
ードを形成しても、受光部から漏れた光によってトラン
ジスタが誤動作したり、信号に雑音がのったりすること
がない。

しかも、増幅器と同一基板上にフォトダイオードを形成
したことにより、ディスクリート部品のフォトダイオー
ド使用した場合に比べて寄生容量が大幅に低減される。

その結果、光信号用増幅器の高周波特性が向上される。

また、上記遮光膜２１を電源パッドに接続して電源電圧
を印加させるようにすることによって、遮光膜２１に電
磁シールドの作用を持たせることもできる。

第２図には、増幅器と同一基板上に形成されたｐｉｎ型
フォトダイオードの構造の一実施例が示されている。こ
の実施例では、特に制限されないが、ＳＳＴ技術により
形成された第３図に示すようなバイポーラトランジスタ
からなる半導体集積回路（増幅１Ｂ）に適用されたもの
が示されている。

以下、第３図のトランジスタ構造と対比しながら、第２
図のｐｉｎ型フォトダイオードの構造について説明する
。

Ｐ型車結晶シリコンのような一個の半導体基板１上には
１部分的にＮ＋型埋込層２ａが形成されている。このＮ
＋型埋込層２ａは、半導体基板１の表面に酸化膜を形成
してから、この酸化膜の適当な位置に埋込み拡散用のパ
ターンの穴をあけ、この酸化膜をマスクとしてひ素もし
くはアンチモン等のＮ型不純物を熱拡散させることによ
って形成される第３図のトランジスタのコレクタ領域、
たる埋込層２ｂと同時↓；影形成れる。また、Ｎ中型埋
込層２ａ、２ｂの周囲には、チャンネルストッパ用のＰ
＋型半導体領域３が同じような方法により形成されてい
る。

そして、Ｎ″′″型埋込層２ａ、２ｂの上には、気相成
長法によりＮ−型エピタキシャル層４が形成されている
。このＮ″″型エピタキシャル層４のうち素子形成領域
となる部分の周囲には、熱酸化に。

より比較的厚い素子分離用の選択酸化膜５が形成されて
いる。

Ｎ＋型埋込層２ａの一部には、イオン打込み方等により
基板表面に達するよう形成された引上げ口となるＮ＋型
半導体領域６ａが接続されている。

二のＮ中型半導体領域６ａは、第３図のトランジスタの
コレクタ引上げ口となるＮ１型半導体領域６ｂと同時に
形成することができる。

素子形成領域たるＮ−型エピタキシャル層４の表面の周
縁部には、Ｐ＋型半導体領域７ａが形成されている。こ
のＰ′″型半導体領域７ａは、イオン打込み法もしくは
後述のポリシリコン引出し電極８ａからの不純物拡散に
よって形成された第３図のトランジスタのベース領域７
ｂと同時に形成される。Ｐ＋型半導体領域７ａ、７ｂに
は、ＣｖＤ、法により形成されパターニングされたポリ
シリコン引出し電極８ａ、８ｂが接触されている。この
ポリシリコン引出し電極８ａ、８ｂは、Ｐ型不純物を含
むようにされている。

この実施例では、予めノンドープのポリシリコンをデポ
ジションして周縁部はイオン打込みにて、また中央部は
Ｐ＋型半導体領域７ａ、７ｂからの不純物（ボロン）の
わき上がりによってドープ領域とノンドープ領域を形成
する。そして、ヒドラジンのようなエツチング液でポリ
シリコンの選択エツチングを行なう、すると、選択比の
違いによりノンドープ領域のみ除去されて引出し電極８
ａ。

８ｂが形成され、中央には開口部９ａ、９ｂが形成され
る。

この開口部ｇａ（９ｂ）よりＰ型不純物のイオン打込み
を行なうことによって、上記Ｐ＋型半導体領域７ａ（７
ｂ）の中央にＰ型半導体領域１０ａ（１０ｂ）が形成さ
れている。トランジスタの部分のＰ型半導体領域１０ｂ
は真性ベース領域となる部分である。Ｐ型半導体領域１
０ａ、１０ｂの形成後、引出し電極８ａ、８ｂの表面に
熱酸化膜１１ａ、ｌｌｂが形成される。

第３図のトランジスタ部分では、上記Ｐ型半導体領域ｌ
Ｏｂの形成後に、酸化膜１１ｂをエツチングマスクとし
て上記開口部９ｂの内側の窒化シリコン膜１２および酸
化シリコン膜１３を除去する。それから、ポリシリコン
を全面的にデポジションした後、このポリシリコンにＮ
型不純物をドープし、ポリシリコンから半導体基板上に
不純物を拡散させてエミッタとなるＮ型半導体領域１４
を形成する。そして、上記ポリシリコンのバターニング
を行なってポリシリコン電極１５を形成してから、その
上にＣＶＤ法等により酸化シリコン膜のような層間絶縁
膜１６を全面的に形成する。

これに対し、第２図のフォトダイオードの部分では、上
記絶縁膜１２．１３の除去およびＮ型半導体領域１４と
そのポリシリコン電極１５の形成を行なわないで、絶縁
膜１２上に直接層間絶縁膜１６を形成する。それから、
この層間絶縁膜１６に引出し電極８ａおよび引上げ口６
ａに対するコンタクト穴１６ａ、１６ｂを形成する。し
かる後、アルミニウム層を全面的に蒸着してからパター
ニングを行なってアルミ電極１７ａ、１７ｂ　（および
１７ｃ〜１７ｅ）を形成して、第２図に示す構造が得ら
れる。つまり、Ｐ型半導体領域１０ａ。

エピタキシャル層４およびＮ＋型埋込層２ａからなる縦
型のフォトダイオードが形成される。

上記ダイオードは、層間絶縁膜１６の上方から絶縁膜１
２．１３を通過してエピタキシャル層４に光信号が入射
されると、そこでキャリアが発生し、これによってＰ型
半導体領域１０ａとＮ＋型埋込層２ａ間に電流が流れる
ようになり、ｐｉｎ型フォトダイオードとして動作する
ことになる。

なお、増幅器の部分では、第３図に示すように上記アル
ミ電極１７ｃ〜１７６の上に第２の眉間絶縁膜１８を形
成した後、二層目のアルミニウム層を蒸着してパターニ
ングを行なうことによって。

信号線や電源配線となるアルミ配線１９が形成される。

そして、この実施例では、上記アルミ配線１９の上に第
３の層間絶縁膜２２が形成され、この層間絶縁膜２２の
上には、第１図の増幅量形成領域Ａの上方のみを覆うよ
うに三層目のアルミニウム層２１が形成される。

従って、フォトダイオ−ｋを増幅器と同一の基板上に形
成しても、フォトダイオードに入射される光信号は、上
記アルミニウム層２１によって遮ぎられるので、増幅器
を構成するトランジスタが誤動作したり、信号に雑音が
のったりすることがない。

しかも、上記実施例に従うと、増幅器を構成するトラン
ジスタの製造工程を変更せずに、同一基板上にｐｉｎ型
フォトダイオードを形成することができる。ただし、フ
ォトダイオードの構造は、第２図の実施例に限定される
ものでなく、トランジスタの構造に応じて種々の変形例
が考えられる。

例えば、増幅器を構成するトランジスタをいわゆる５Ｉ
ＣＯ８（サイドウオール・ベース・コンタクト・ストラ
フチャ）と呼ばれる技術を用いて形成するようにした場
合には、プロセスの整合性を考慮してフォトダイオード
もそれに対応した構造にすることが可能である。

［効果］ （１）増幅器を構成するトランジスタが形成された半導
体基板と同一の基板上に、フォトダイオードを形成する
とともに、増幅量を構成するトランジスタ形成領域の上
方にはアルミニウム層等からなる遮光膜を形成するよう
にしたので、フォトダイオードに入射すべき光が増幅器
を構成するトランジスタの部分に漏れないようになると
いう作用により、フォトダイオードの寄生容量が減少さ
れ、しかも光信号によるトランジスタの誤動作や雑音の
発生が防止され、かつ光信号増幅器の高周波特性が向上
されるという効果がある。

（２）上記フォトダイオードを、Ｎ＋型埋込層とその上
に形成されたエピタキシャル層と、その表面に形成され
たＰ型半導体領域とからなるｐｉｎ型フォトダイオード
構造としたので、バイポーラトランジスタのプロセスと
整合性が良いという作用により、プロセスをほとんど変
更することなく。

バイポーラトランジスタからなる増幅器が形成された半
導体基板と同一の基板上に高感度のｐｉｎ型フォトダイ
オードを形成できるという効果がある。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない１例えば、増幅器と同一の
基板上に形成されるフォトダイオードは、実施例のよう
なｐｉｎ型に限定されるものでなく、例えばアバランシ
ェブレークダウン型ダイオードであってもよい、また。

遮光膜となるアルミニウム層は、三層目でなく四層目で
あってもよいし、他の遮光性被膜であってもよい。

【利用分野］ 以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である光信号用増幅器に適
用したものについて説明したが。

この発明はそれに限定されるものでなく、光電変換素子
を必要とする半導体集積回路一般に利用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を光信号用増幅器に適用した場合の一
実施例を示す斜視図。 第２図は、増幅器を構成するバイポーラトランジスタと
同一の基板上に形成されるフォトダイオードの構造の一
例を示す断面図。 第３図は、増幅器を構成するバイポーラトランジスタの
構造の一例を示す断面図である。 Ａ・・・・増幅器形成領域、Ｂ・・・・ダイオード形成
領域、１・・・・半導体基板、２・・・・Ｎ中型埋込層
。 ３・・・・チャンネルストッパ、４・・・・エピタキシ
ャル層、５・・・・分離用選択酸化膜、６ａ・・・・引
上げ０．７ａ・・・・Ｐ中型半導体領域、８ａ・・・・
引出し電極、１０ａ・・・・Ｐ型半導体領域、１６゜１
８．２２・・・・層間絶縁膜、１７ａ〜１７６・・・・
アルミ電極、１′９・・・・配線層、２１・・・・遮光
膜（三層目のアルミニウム層）。 第　　ＩｖＡ 第　　２　　図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回路を構成するトランジスタとともに光電変換素子
   が同一の半導体基板上に形成され、かつ上記光電変換素
   子が形成された領域を除く素子形成領域の上方には、遮
   光膜が形成されてなることを特徴とする半導体集積回路
   装置。 ２、上記遮光膜は、配線層の上方のこれとは別個に形成
   されたアルミニウム層であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の半導体集積回路装置。 ３、上記トランジスタは、半導体基板に部分的に形成さ
   れたＮ型埋込層の上のエピタキシャル層表面にベース領
   域とエミッタ領域が形成され、上記Ｎ型埋込層がコレク
   タ領域とされているとともに、上記光電変換素子は上記
   Ｎ型埋込層と同時に他の部分に形成されたＮ型埋込層と
   、その上に形成されたエピタキシャル層の表面に上記ト
   ランジスタのベース領域と同時に形成されたＰ型半導体
   領域とからなるｐｉｎ型のフォトダイオードであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載
   の半導体集積回路装置。